KR100417453B1 - 용량성결합을줄이기위하여플로팅코일안테나를갖는유도적으로결합된rf플라즈마반응기 - Google Patents
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Abstract
RF 임피던스 매칭 네트워크를 통과하여 RF 전력 소스에 결합된 유도성 코일 안테나를 가지는 유도성 결합 플라즈마 반응기에서, 안테나에서 플라즈마까지 용량성 결합은 코일 안테나의 전위가 플로트되도록 절연 트랜스포머에 의하여 RF 전력 소스로부터 코일 안테나를 절연함으로서 줄어든다. RF 임피던스 매칭 네트워크의 출력은 절연 트랜스포머의 제 1차 권선에 접속되고 한편 플로팅 코일 안테나는 절연 트랜스포머의 제 2차 권선에 접속된다.
Description
본 발명은 코일 안테나에서 반도체 웨이퍼까지 용량성 결합을 줄이기 위하여유도적으로 결합된 고주파(RF) 플라즈마 반응기의 개선에 관한 것이다.
유도적으로 결합된 RF 플라즈마 반응기는 통상 챔버 내부에 반도체 웨이퍼를 지지하는 웨이퍼 받침대를 갖는 반응기 챔버와 RF 임피던스 매칭 네트워크를 통하여 RF 전력 소스에 접속된 챔버 천장 상의 코일 유도기 또는 안테나를 포함한다. 반응기 챔버 내로 도입된 가스는 웨이퍼 상에 플라즈마를 만들기 위하여 코일 안테나로부터 반응기 챔버에 결합된 RF 전력에 의해 이온화된다. 웨이퍼 상에 수행되는 다양한 형태의 플라즈마 공정에 있어서, 플라즈마 이온 에너지는 어떤 공정 파라메터를 최적화 하기 위하여 좁은 범위로 분포되는 것이 바람직하다. 예를들면 웨이퍼 상의 같은 산화층(예를들면, 게이트 산화층) 위에 형성된 폴리 실리콘 층을 에칭하기 위한 RF 플라즈마 에칭 공정에서, 상기 에칭 공정은 폴리 실리콘의 높은 선택성과 높은 이방성을 가져야 한다. 만약 플라즈마 이온 에너지가 좁은 범위에 분포 된다면 이 목표는 충족될 수 있다.
플라즈마 이온 에너지는 웨이퍼 받침대에 접속된 바이어스 RF 전력 발생기에 의해 제어된다. 웨이퍼 받침대에 인가된 바이어스 RF 전력은 플라즈마에 용량적으로 결합되고 다른 용량성 결합이 없을시 목적하는 좁은 분포의 플라즈마 이온 에너지를 제공할 수 있다. 문제는 코일 안테나에서 플라즈마까지의 표유 용량성 결합이 플라즈마 이온 에너지의 분포를 넓히고 RF 플라즈마 공정의 성능을 감소시키다는 것이다.
본 발명의 목적은 코일 안테나에서 플라즈마로의 어떤 표유 용량성 결합을 줄이는데 있다.
RF 임피던스 매칭 네트워크를 통하여 RF 전력 소스에 접속된 유도성 코일 안테나를 가지는 유도성으로 결합된 RF 플라즈마 반응기에서, 상기 안테나에서 상기 플라즈마까지의 용량성 결합은 상기 코일 안테나가 플로팅 전위를 가지도록 절연 트랜스포머에 의해 RF 전력 소스로부터 코일 안테나를 절연함으로서 감소된다. RF 임피던스 매칭 네트워크의 출력은 절연 트랜스포머의 제 1차 권선 양단에 접속되고 반면 플로팅 코일 안테나는 절연 트랜스포머의 제 2차 권선 양단에 접속된다. 용량성 결합의 감소는 2배 이상 되는 것으로 정량적으로 측정되며, 이것은 현저한 이점을 나타낸다.
제 1도에서, 유도적으로 결합된 플라즈마 반응기는 접지된 측면 벽(12)과 천장(14)을 가지고 처리될 반도체 웨이퍼(30)를 지지하기 위한 웨이퍼 받침대(20)를 포함하는 접지된 반응기 챔버(10)를 포함한다. 가스 인입구(40)는 챔버(10)안으로 처리 가스를 도입한다. 가스는 챔버(10)의 천장에 감기는 유도성 코일 안테나(50)으로부터 플라즈마에 유도적으로 결합된 RF 전력에 의하여 웨이퍼(30) 상에 플라즈마를 형성하기 위하여 이온화된다. 코일 안테나(50)는 RF 임피던스 매칭 네트워크(70)를 통하여 RF 발생기(60)에 결합된다. 웨이퍼 표면에서의 플라즈마 이온 에너지는 웨이퍼 받침대(20)와 접지 사이에 바이어스 RF 전력 발생기(75)를 결합시킴으로서 제어될 수 있다.
RF 전력 발생기(60)로부터 유도성 코일 안테나(50)를 절연시키기 위하여, 절연 트랜스포머(80)는 매칭 네트워크(70)와 유도성 코일 안테나(50)사이에 놓여진다. 특별히, 절연 트랜스포머(80)는 제 1차 권선(82) 및 제 2차 권선(84)을 가진다. 매칭 네트워크(70) 및 RF 발생기(60)는 도면에 보여진 방법으로 제 1차 권선에 접속되고, 유도성 코일 안테나(50)는 제 2차 권선(84)에 접속된다.
절연 트랜스포머(80)가 발생기(60) 및 유도성 코일 안테나(50) 사이의 어떤 D.C 전위를 줄이거나 실질적으로 제거함으로서, 코일 안테나(50)의 전기 전위는 웨이퍼 받침대(20)에 대하여 플로팅된다. 장점은 코일 안테나(50) 및 받침대(20)/웨이퍼(30)사이에 용량성 결합이 역시 줄어든다는 것이다. 그 결과, 코일 안테나(50)는 웨이퍼 표면에서 플라즈마 이온 에너지에 영향을 덜 끼치고, 즉 플라즈마 이온 에너지 분포를 좁게 한다. 플라즈마 에칭 공정에서는 예를들면 높은 에칭 선택성 및 높은 에칭 이방성을 얻기 위하여 좁은 플라즈마 이온 에너지 분포가 요구된다.
절연 트랜스포머(80)는 제 1차 권선(82) 및 제 2차 권선(84)사이에 공기 갭을 가질 수 있다. 선택적으로, 절연 트랜스포머(80)는 제 1차(82) 및 제 2차 권선(84)이 주위에 감기는 페라이트 코어(90)를 포함할 수 있다.
제 2도에서, 페라이트 코어(90)는 환형일 수 있고 약 3과 5인치 사이의 직경을 가질 수 있다. 제 1차(82) 및 제 2차 권선(84)은 약 5 및 10회의 회선으로 구성될 수 있다.
제 3도에서, 만약 공기 갭이 페라이트 코어(90) 대신에 사용된다면, 제 1차(82) 및 제 2차 권선(84)은 서로 근접할 수 있다. 특별히, 제 3도에서 제 1차 권선(82)은 제 2차 권선(84)의 한 쌍의 연속적인 회선(84a, 84b) 사이에 놓여진 단일 회선(82a)으로 구성될 수 있다. 하나의 실시예에 따라서, 제 3도의 제 1차(82) 및 제 2차 권선(84)은 모두 약 2인치의 일정한 직경을 가질 수 있고 제 1차 권선회선(82a)은 제 2차 권선 회선(84a)로부터 0.5인치 그리고 다른 제 2차 권선(84b)로부터 0.5인치 떨어져 있다.
본 발명에 의해 성취되는 용량성 결합의 감소는 정량적으로 측정된다. 특히, 용량성 결합에 의해 야기된 플라즈마에서 웨이퍼 받침대까지의 RF 전류는 2배 이상 감소된다.
용량성 결합 만에 의해 유도된 RF 전류를 정량적으로 측정하는 방법(유도성 결합 만에 의해 유도된 것과 구분됨)은 본 발명자에 의해 동일 자로 제출된 공동 계류 중인 미국 특허 출원 제 08/475,878호에 명칭: "유도적으로 결합된 플라즈마의 RF 전력의 용량성 결합 량을 측정하는 방법"으로 기술되어 있고, 상기 내용은 본 명세에 참조로 삽입된다. 본질적으로, 상기 방법은 플라즈마에서 웨이퍼 받침대까지 측정된 RF 전류를 RF 발생기(60)의 기본 주파수(F) 및 제 2 고조파(2F)를 포함하여 여러 가지 주파수 성분으로 분리하는 것을 포함한다. 상기 방법은 주파수(F)에서 기본 성분의 전류를 측정함으로서 용량성 결합 량을 측정하는 것을 또한 포함한다.
본 발명의 테스트에서, 상기 언급한 공동 계류 중인 출원의 정량적인 측정 방법은 웨이퍼 받침대에서 (바이어스 RF 전력 발생기(75)가 바이패스 되는) 접지로의 전류를 모니터링 하는 전류 프로브(100) 및 전류 프로브(100)의 출력에 접속된 오실로스코프(110)를 이용한다. 상기 측정 방법은 기본 주파수(13.56㎒)에서 작동되는 플라즈마 소스 RF 전력 소스 발생기(60)로써 수행된다. 전류 프로브(100)에 의해 측정된 유도적으로 결합된 전류 성분은 오실로스코프(110)상에 27.12㎒ 사인파 궤적을 만들어내고, 한편 전류 프로브(100)에 의해 측정된 용량적으로 유도된 전류 성분은 오실로스코프(110) 상에 13.56㎒ 사인파 궤적를 만들어낸다. 후자 성분의 진폭은 용량성 결합 양을 나타내고 발생기(60)의 RF 전력의 넓은 범위에 걸쳐 관찰된다.
그 결과는 제 4도의 그래프로 나타내지는데, 프로브(100)를 통한 RF 전류의 용량성 결합 성분은 세로좌표을 따라서 나타내지고, RF 전력은 횡좌표를 따라서 나타내진다. 흰색 네모로 표시된 곡선은 본 발명을 사용하며 얻어진 결과를 나타낸다. 비교 결과를 얻기 위하여 수행되는 제 2 테스트에서, 절연 트랜스포머(80)는 바이패스되고 RF 전력은 동일 범위내에서 변화되고, 한편 프로브(100)를 통하여 용량적으로 결합된 전류 성분은 오실로스코프(110)에서 모니터링되고, 그 결과는 제 4도에 검은 네모로 나타내진다. 두 곡선을 비교하면, 웨이퍼 받침대에 용량적으로 결합된 RF 전류 성분은 예를 들면 300와트 RF 전력에서 0.4㎃에서 0.l6㎃까지 줄어들고, 그것은 2배 이상 개선된 것이다.
본 발명이 바람직한 실시예의 특정 참조에 의해 상세히 기술되었지만, 본 발명의 변화 및 변형이 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어남이 없이 만들어질 수 있다.
제 1도는 본 발명의 실시예인 플라즈마 반응기 장치를 나타내는 개략도;
제 2도는 본 발명을 수행하는데 이용되는 절연 트랜스포머의 바람직한 실시예를 나타내는 개략도;
제 3도는 본 발명을 수행하는데 이용되는 절연 트랜스포머의 다른 실시예를 나타내는 개략도;
제 4도는 제 1도의 실시예의 절연 트랜스포머가 있을 때와 없을 때 유도성 코일 안테나로부터 웨이퍼로 흐르는 용량적으로 결합된 RF 전류를 나타내는 그래프.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
20 : 웨이피 받침대 40 : 가스 인입구
50 : 코일 안테나 60 : RF 전력 발생기
Claims (19)
- RF 주파수(F)를 가지는 플라즈마 소스 전력 RF 발생기와 함께 이용하기 위한 유도적으로 결합된 플라즈마 반응기로서, 상기 반응기는,챔버 안에 처리 가스를 받아드리고 상기 챔버 내에 반도체 기판을 지지하기 위한 받침대를 수용하기에 적합한 반응기 챔버;RF 전력의 유도성 결합에 의해 상기 가스로부터 플라즈마를 발생하기 위하여 상기 챔버에 근접한 유도적으로 결합된 안테나;기본 RF 주파수(F)를 가지는 상기 안테나에 결합된 플라즈마 소스 전력(RF) 발생기: 및상기 RF 발생기를 상기 유도성 안테나에 결합하는 절연 트랜스포머를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
- 제 1항에 있어서,상기 절연 트랜스포머는 상기 RF 발생기에 결합된 제 1차 권선 및 상기 유도성 안테나에 결합된 제 2차 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
- 제 1항에 있어서,상기 발생기 및 상기 절연 트랜스포머 사이에 결합된 RF 임피던스 매칭 네트웨크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
- 제 2항에 있어서,상기 절연 트랜스포머는 상기 RF 임피던스 매칭 네트워크에 결합된 제 1차 권선 및 상기 유도성 안테나에 결합된 제 2차 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
- 제 4항에 있어서,상기 유도성 안테나는 한 쌍의 단부를 가지는 코일 도체를 포함하며, 상기 코일 도체는 상기 챔버의 일부분에 감기고, 상기 제 2차 권선은 상기 코일 도체의 상기 단부의 쌍에 결합되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
- 제 1항에 있어서,상기 절연 트랜스포머는 상기 RF 전력 발생기에 결합된 제 1차 권선 및 상기 유도성 안테나에 결합된 제 2차 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
- 제 6항에 있어서,상기 절연 트랜스포머는 상기 제 1차 권선 및 제2차 권선이 주위에 감기는 페라이트 코어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
- 제 6항에 있어서,상기 절연 트랜스포머는 상기 제 1차 및 제 2차 권선 사이에 공기 갭을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
- 제 8항에 있어서,상기 제 2차 권선은 한 쌍의 연속적인 회선을 포함하고, 상기 제 1차 권선은 상기 2차 권선의 상기 한 쌍의 연속적인 회선 사이에 놓여지는 회선을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
- 제 1항에 있어서,상기 플라즈마에서 상기 받침대로 용량적으로 결합된 전류 성분을 정량적으로 측정하기 위한 기기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
- 제 10항에 있어서, 상기 측정 기기는,상기 받침대와 접지 사이에 결합된 도체;상기 도체에 인접한 전류 프로브; 및상기 기본 주파수와 동일한 주파수에서 상기 도체를 통하여 흐르는 전류 성분을 관찰하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
- 제 1항에 있어서,상기 받침대와 접지 사이에 결합된 바이어스 RF 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
- RF 주파수(F)를 가지는 플라즈마 소스 전력 RF 발생기와 함께 이용하기 위한 유도적으로 결합된 플라즈마 반응기로서, 상기 반응기는,챔버 내에 처리 가스를 위한 가스 인입구 및 상기 챔버 내에 반도체 기판을 지지하기 위한 받침대를 가진 반응기 챔버;RF 전력의 유도성 결합에 의해 상기 가스로부터 플라즈마를 제조하기 위해 상기 챔버에 인접하며, 상기 챔버의 일부분에 감기고 한 쌍의 단부에서 끝나는 코일 도체를 포함하는 유도적으로 결합된 안테나;기본 RF 주파수(F)를 가지는 상기 안테나에 결합된 플라즈마 소스 전력(RF) 발생기;상기 RF 발생기의 출력에 결합된 입력을 가지는 RF 임피던스 매칭 네트워크; 및상기 RF 발생기를 상기 유도성 안테나에 결합하고, 상기 임피던스 매칭 네트워크의 출력에 결합된 제 1차 권선 및 상기 한 쌍의 단부가 양단에 결합되는 상기 제 2차 권선을 가지는 절연 트랜스포머를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
- 제 13항에 있어서,상기 절연 트랜스포머는 제 1차 및 제 2차 권선이 주위에 감기는 페라이트 코어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
- 제 13항에 있어서,상기 절연 트랜스포머는 상기 제 1차 및 제 2차 권선 사이에 공기 갭을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
- 제 13항에 있어서,상기 제 2차 권선은 한 쌍의 연속적인 회선을 포함하고, 상기 제 1차 권선은 상기 2차 권선의 상기 한 쌍의 연속적인 회선 사이에 놓여지는 회선을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
- 제 13항에 있어서,상기 플라즈마에서 상기 받침대까지 용량적으로 결합된 전류 성분을 정량적으로 측정하기 위한 측정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
- 제 17항에 있어서,상기 측정기는,상기 받침대와 접지 사이에 결합된 도체;상기 도체에 인접한 전류 프로브; 및상기 기본 주파수와 동일한 주파수에서 상기 도체를 통하여 흐르는 전류 성분을 관찰하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
- 제 13항에 있어서,상기 받침대와 접지 사이에 결합된 바이어스 RF 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
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