KR100506561B1 - Plasma generating method and apparatus including inductively coupled plasma source - Google Patents
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Abstract
제품의 프로세싱 챔버를 포함하는 균일한 플라즈마를 갖는 제품의 표면을 프로세싱하는 장치에 플라즈마 소스가 배치된다. 플라즈마 소스는 프로세싱 챔버의 내벽의 제 1 표면 형성부를 갖는 유전성 플레이트를 포함하며, 전기 에너지 소스는 무선 주파수 소스 및 평평한 유도 코일을 포함하며, 유도 코일은 유전성 플레이트의 제 2 표면상에 배치되며, 무선 주파수 소스로부터 나온 에너지는 임피던스 매칭 회로를 통해서 공급되는 것이 바람직하다. 실제적으로 평평한 유도 코일은 바람직하게는 연속 S-형상으로 형성되는 실제적으로 평평한 유도 코일의 적어도 한 포인트에 대해 대칭인 적어도 2 개의 나선형 부분을 갖는다. 유도 코일의 형상은 유도 코일 및 플라즈마간에 용량성 결합을 최소화하며, 따라서 플라즈마 외장 전압 강하를 최소화함으로써, 제품의 표면에서 플라즈마 균일성 및 디바이스 손상의 처리를 개선한다. 임피던스 매칭 회로는 실제적으로 평평한 유도 코일간에 접속되며 무선 주파수 소스는 종래 기술의 유도 코일의 도선을 가로질러 종종 발생하는 총 전압 강하를 최소화시키므로 제품 표면에 걸쳐 플라즈마 균일성이 개선된다.A plasma source is disposed in an apparatus that processes a surface of a product having a uniform plasma that includes a processing chamber of the product. The plasma source comprises a dielectric plate having a first surface formation of the inner wall of the processing chamber, the electrical energy source comprises a radio frequency source and a flat induction coil, the induction coil disposed on the second surface of the dielectric plate, The energy from the frequency source is preferably supplied through an impedance matching circuit. The substantially flat induction coil preferably has at least two helical portions that are symmetric about at least one point of the substantially flat induction coil formed in a continuous S-shape. The shape of the induction coil minimizes capacitive coupling between the induction coil and the plasma, thus minimizing the plasma sheath voltage drop, thereby improving the handling of plasma uniformity and device damage at the surface of the product. Impedance matching circuits are connected between practically flat induction coils and radio frequency sources minimize the total voltage drop often occurring across the leads of prior art induction coils, thereby improving plasma uniformity across the product surface.
Description
본 발명은 극소 전자공학적 제조(microelectronics fabrication)와 같은 재료 프로세싱에 관한 것이며, 더 상세하게는, 본 발명은 고밀도 플라즈마를 갖는 제품을 처리하는 특유한 유도 코일(induction coil)을 포함하는 방법 및 장치에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to material processing, such as microelectronics fabrication, and more particularly, to a method and an apparatus comprising a unique induction coil for processing a product having a high density plasma. will be.
반도체 제조 프로세스에서 가스 플라즈마의 사용은 공지되어 있다. 일반적으로, 처리될 웨이퍼는 챔버에 배치되며, 상기 웨이퍼에 대해 평행한 방향으로 위치한 두 개의 대향 전극을 갖고 있다. 그 다음에, 상기 챔버는 예정된 진공 레벨로 비워지고 아르곤과 같은 저압 공급 가스가 챔버내로 유입된다. 일단, 상기 공급 가스가 챔버내로 유입되면, 일반적으로 무선 주파수(RF) 영역에서의 전계가 두 개의 전극 사이에 적용된다. 이 무선 주파수 전계는 상기 전극 사이에서 전류를 유도하며, 중성 가스의 원자 또는 분자와 상충하는 캐소드에서 방출된 활성 전자는 이온화되어 상기 캐소드에 인접한 가스 플라즈마(또는 글로우 방전)를 형성하게 된다. 그 다음, 이 가스 플라즈마의 이온은 에칭, 적층, 또는 그와 유사한 공정을 통해 웨이퍼를 처리하는데 사용된다.The use of gas plasmas in semiconductor manufacturing processes is known. Generally, the wafer to be processed is placed in a chamber and has two opposing electrodes located in a direction parallel to the wafer. The chamber is then emptied to a predetermined vacuum level and a low pressure feed gas, such as argon, is introduced into the chamber. Once the feed gas is introduced into the chamber, an electric field in the radio frequency (RF) region is generally applied between the two electrodes. This radio frequency electric field induces a current between the electrodes, and the active electrons emitted from the cathode that collide with atoms or molecules of neutral gas are ionized to form a gas plasma (or glow discharge) adjacent to the cathode. The ions in this gas plasma are then used to process the wafer through etching, lamination, or similar processes.
고밀도 플라즈마 소스(source)는 재료 프로세싱, 특히 이온 주입, 에칭 및, 적층과 같은 극소 전자공학적 제조 프로세스에 응용되는 것이 증가하고 있다고 알려져 있다. 이 소스들 사이에는 전자-사이클로트론-공진(ECR;electron-cyclotron-resonance), 헬리콘-파 및 유도 결합식(ICP;inductively-coupled) 또는 변압기 결합식(TCP;transformer-coupled) 플라즈마 소스가 존재한다. 이 소스는 200 mm 까지의 직경을 갖는 현행의 대규모 집적 회로(VLSI) 및 300 mm 와 비슷한 직경을 갖는 미래의 초대규모 집적 회로(ULSI)의 제조에 필요로 하는 고속 프로세싱을 위해 저압(종종 2x 10-2 토르 이하)에서 고밀도 플라즈마를 제조할 수 있다.It is known that high density plasma sources are increasingly being applied to microelectronic manufacturing processes such as material processing, in particular ion implantation, etching and lamination. Between these sources are electron-cyclotron-resonance (ECR), helicon-wave, and inductively-coupled (ICP) or transformer-coupled (TCP) plasma sources. do. This source is designed for low-voltage (often 2x 10) for the high-speed processing required for the fabrication of current large-scale integrated circuits (VLSI) with diameters up to 200 mm and future ultra-large scale integrated circuits (ULSI) with diameters similar to 300 mm. -2 Torr or less) can be produced a high-density plasma.
대부분의 재료 프로세싱 적용분야, 특히 반도체 기판 또는 웨이퍼의 집적 회로로의 에칭 및 적층에 있어서, 처리될 기판의 표면 영역에 대한 플라즈마의 균일성, 예를 들면 웨이퍼 영역에 대한 에칭 또는 적층이 균일하도록 보장하는 것이 어렵다. 그때, 웨이퍼 영역에 대한 플라즈마 프로세스의 균일성을 보장하는 것이 웨이퍼상의 미세 라인의 기하학적 모양(fine line geometry)의 임계 치수의 조절에도 중요하다.In most material processing applications, in particular in the etching and stacking of semiconductor substrates or wafers into integrated circuits, ensuring the uniformity of the plasma over the surface area of the substrate to be processed, for example the etching or stacking over the wafer area, is uniform. It's hard to do At that time, ensuring the uniformity of the plasma process over the wafer area is also important for the adjustment of the critical dimensions of the fine line geometry on the wafer.
최근에는, 비교적 균일한 플라즈마를 생산할 수 있는 ICP(및 TCP) 플라즈마 소스가 도입되었다. 그러한 ICP(및 TCP) 플라즈마 소스 중 어떤 것은 도 1에 도시된 바와 같이, 나선형 안테나, 또는 유도 코일의 기하학적 모양에 기초를 두고 있다. 종래 기술인 ICP 코일 회로에 있어서, 대개 13.56 MHZ 의 작동 주파수로 전력을 공급하는 접지형(grounded) RF 전력 공급부(10)는 도선(16)이 접지된(도 2) 상태에서 임피던스 매칭 회로(14)를 통해 유도 코일(20)의 도선(12)에 연결된다. 상기 유도 코일(20)은 적용된 RF 에너지의 주파수로 그 자신의 코일 주위에 시간-변화 자계(time-varying magnetic field)를 발생시킨다. 이 시간-변화 자계는 공지된 맥스웰의 공식, ▽ x E= -∂B/∂t 에 따라 전계를 유도한다. 따라서, 회로가 시간-변화 자계의 영향을 받을 때 전류도 역시 회로에서 유도될 것이며, 도 1의 유도 코일(20)의 경우에는 생성된 전류가 특정 순간의 시간에 도 2에 도시된 방향으로 흐를 것이다. 본 기술분야의 숙련자에게 자명한 바와 같이, 원으로 에워싸인 "X's"()는 전류가 도면 안쪽으로 흐르는 것을 나타내는 반면, 원으로 에워싸인 "포인트"(⊙)는 전류가 도면 밖으로 흐르는 것을 나타낸다. 따라서, 도 1에서, ICP 유도 코일을 통해 생성된 전류는 경로 BCD 를 따른다.Recently, ICP (and TCP) plasma sources have been introduced which can produce relatively uniform plasma. Some of such ICP (and TCP) plasma sources are based on the geometry of the spiral antenna, or induction coil, as shown in FIG. In the ICP coil circuit of the prior art, the grounded RF power supply 10, which usually supplies power at an operating frequency of 13.56 MHZ, has an impedance matching circuit 14 with the lead 16 grounded (FIG. 2). It is connected to the conductive wire 12 of the induction coil 20 through. The induction coil 20 generates a time-varying magnetic field around its own coil at the frequency of the applied RF energy. This time-varying magnetic field induces an electric field according to the known Maxwell's formula, ▽ x E = -∂ B / ∂ t . Thus, when the circuit is affected by a time-varying magnetic field, the current will also be induced in the circuit, and in the case of the induction coil 20 of FIG. 1, the generated current will flow in the direction shown in FIG. 2 at a particular instant of time. will be. As will be apparent to those skilled in the art, the circled "X's" ( ) Indicates that the current flows into the figure, while the circle surrounded by a "point" (⊙) indicates that the current flows out of the figure. Thus, in FIG. 1, the current generated through the ICP induction coil follows the path BCD.
그러나, RF 전력 공급부(10)가 코일(20)과 접속된 방법 때문에, 총 전압 강하가 코일(20)의 평면을 가로질러서 도선(12) 내지 도선(16) 사이에서 나타날 수 있다. 그러한 총 전압 강하는 코일(20)을 통해 전류의 비대칭 공급의 결과로서 발생한다. 더 상세하게는, 전류가 코일(20)을 통해 한 도선에서 다른 도선으로 공급될 때, 소정의 전력이 플라즈마와 코일(20) 사이의 유도 결합 때문에 주변의 플라즈마로 유실된다. 도선(12)과 도선(16) 사이의 이 전력 차이는 그러한 도선들 사이에서 도 2에 도시된 방향으로 대응하는 전압차를 발생시킨다. 그러한 전압은 플라즈마 균일성의 저하 및 그에 따라 플라즈마 프로세스에서의 원치 않는 퇴보를 일으키는 원인이 될 수 있다.However, due to the way the RF power supply 10 is connected with the coil 20, a total voltage drop may appear between the conductors 12-16 across the plane of the coil 20. Such total voltage drop occurs as a result of the asymmetrical supply of current through the coil 20. More specifically, when current is supplied from one conductor to another via coil 20, certain power is lost to the surrounding plasma due to the inductive coupling between the plasma and the coil 20. This power difference between the lead 12 and the lead 16 produces a corresponding voltage difference in the direction shown in FIG. 2 between such leads. Such voltages can cause a drop in plasma uniformity and hence unwanted deterioration in the plasma process.
도 1 및 2의 종래 기술의 코일로부터 발생하는 다른 문제점은 플라즈마와 코일 사이에서 발생하는 용량성 결합(capacitive coupling)이다. 이 용량성 결합은 플라즈마 외장 전압[즉, 캐소드에 인접하여 글로우 방전(또는 플라즈마)과 캐소드 표면 사이의 영역인 플라즈마 외장을 가로지르는 전압 강하]을 불필요하게 증가시킨다. 다음에 이 플라즈마 외장 전압의 증가는 이온이 기판상에 충돌하는 에너지량을 증가시키며, 이것이 종종 프로세싱 과정에서 디바이스(device)가 손상되는 것을 증가시킨다. 용량성 결합의 효과를 최소화하기 위해 패러데이 차폐물(Faraday shield)이 종래 기술의 코일을 사용하는 장치에 종종 사용된다. 일반적으로, 그러한 차폐물은 코일(20)의 하부에 직접 배치되어 소정의 전계를 단락시키므로 장치에서 소정 방향의 전압을 단락시키며 따라서 그러한 용량성 결합을 최소화한다. 그러나, 패러데이 차폐물은 전체 프로세싱 장치에 가격 및 복잡성을 추가시키므로, 가격 및 전체 제조 견지에서 바람직하지 못하였다.Another problem arising from the prior art coils of FIGS. 1 and 2 is the capacitive coupling that occurs between the plasma and the coil. This capacitive coupling unnecessarily increases the plasma sheath voltage (ie, the voltage drop across the plasma sheath, which is the region between the glow discharge (or plasma) and the cathode surface adjacent to the cathode). This increase in plasma sheath voltage then increases the amount of energy that ions impinge on the substrate, which often increases the damage of the device during processing. Faraday shields are often used in devices using prior art coils to minimize the effect of capacitive coupling. In general, such shields are disposed directly underneath the coil 20 to short the desired electric field, thus shorting the voltage in the device in the desired direction and thus minimizing such capacitive coupling. However, Faraday shields add cost and complexity to the overall processing apparatus and are undesirable in terms of price and overall manufacturing.
그러므로, 대표면 영역을 갖는 재료, 특히 대표면 영역을 갖는 반도체 기판에 대해 저압으로 균일한 고밀도 플라즈마를 발생시킬 수 있는 효율적인 저가의 플라즈마 소스가 제공되기를 바라고 있었다.Therefore, it was desired to provide an efficient and inexpensive plasma source capable of generating a uniform high density plasma at low pressure for a material having a surface area, in particular a semiconductor substrate having a surface area.
도 1 은 종래 기술의 유도 결합식 플라즈마 소스(ICP) 유도 코일을 도시한 도면.1 illustrates a prior art inductively coupled plasma source (ICP) induction coil;
도 2 는 변화 자계, 코일을 통한 전류의 방향, 및 RF 동력 소스가 코일에 접속되는 방법에 기인한 총 전압 강하의 방향을 만들기 위해 RF 동력 소스를 코일에 접속시키는 종래 기술의 방법을 파선으로 도시한, 선 AA'에 따른 도 1의 유도 코일의 개략 단면도.2 shows in broken lines a prior art method of connecting an RF power source to a coil to create a direction of total voltage drop due to the changing magnetic field, the direction of the current through the coil, and how the RF power source is connected to the coil. 1, a schematic cross-sectional view of the induction coil of FIG. 1 along line AA ′.
도 3 은 본 발명의 유도 결합식 플라즈마 소스(ICP) 유도 코일의 한 실시예를 도시한 도면.3 illustrates one embodiment of an inductively coupled plasma source (ICP) induction coil of the present invention.
도 4a 는 본 발명의 한 실시예에 따른 임피던스 매칭 회로를 통해 유도 코일에 대한 RF 동력 소스의 접속을 개략적으로 도시한, 선 AA'에 따른 도 3의 유도 코일의 개략 단면도.4A is a schematic cross-sectional view of the induction coil of FIG. 3 along line AA ′ schematically illustrating the connection of an RF power source to the induction coil through an impedance matching circuit in accordance with one embodiment of the present invention.
도 4b 는 본 발명의 다른 실시예에 따라 유도 코일에 대한 RF 동력 소스의 접속을 개략적으로 도시한, 선 AA'에 따른 도 3의 유도 코일의 개략 단면도.4B is a schematic cross-sectional view of the induction coil of FIG. 3 along line AA ′, schematically illustrating the connection of an RF power source to the induction coil in accordance with another embodiment of the present invention.
도 5는 도 3의 ICP 유도 코일을 사용하는 스퍼터링 에칭 장치의 개략도.5 is a schematic view of a sputter etching apparatus using the ICP induction coil of FIG. 3.
도 6a 는 플라즈마 균일성을 개선하기 위해 추가로 사용되며 도 5의 스퍼터링 장치 주위에 배치된 자석 다극 구조를 개략적으로 나타낸 도면.FIG. 6A schematically illustrates a magnet multipole structure disposed further around the sputtering apparatus of FIG. 5 to further improve plasma uniformity. FIG.
도 6b 는 다극 구조의 자력선을 따라 플라즈마 전자의 경로를 개략적으로 도시한 도 6a 의 자석 다극의 자화된 부분(96)의 평면도.FIG. 6B is a top view of the magnetized portion 96 of the magnet multipole of FIG. 6A schematically illustrating the path of plasma electrons along a magnetic force line of the multipole structure.
따라서, 본 발명의 목적은 재료 프로세싱 장치에서 반도체 웨이퍼와 같이 커다란 영역을 갖는 재료에 대해 고밀도 플라즈마의 개선된 균일성을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide improved uniformity of high density plasma for materials having large areas such as semiconductor wafers in material processing apparatus.
본 발명의 다른 목적은 재료 프로세싱 장치에서 반도체 웨이퍼와 같은 재료의 표면에 개선된 플라즈마 프로세스 균일성을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide improved plasma process uniformity to the surface of a material, such as a semiconductor wafer, in a material processing apparatus.
본 발명의 또 다른 목적은 재료 프로세싱 장치에서 반도체 웨이퍼의 표면에 개선된 플라즈마 프로세스 균일성을 제공하는 특유한 유도 코일을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a unique induction coil that provides improved plasma process uniformity to the surface of a semiconductor wafer in a material processing apparatus.
본 발명의 또 다른 목적은 반도체 웨이퍼 또는 다른 재료의 프로세싱 중에 발생할 수 있는 손상된 디바이스의 양을 감소시키기 위해 재료 프로세싱 장치에서 플라즈마와 유도 코일 사이의 용량성 결합을 최소화시키는 특유한 유도 코일을 제공하는 것이다.It is yet another object of the present invention to provide a unique induction coil that minimizes capacitive coupling between plasma and induction coil in a material processing apparatus to reduce the amount of damaged devices that may occur during processing of a semiconductor wafer or other material.
또한, 본 발명의 다른 목적은 재료 프로세싱 장치에서 플라즈마 및 그러한 유도 코일 사이의 용량성 결합을 최소화하여 그러한 재료 프로세싱 장치의 가격 및 복잡성을 감소시키는 특유한 유도 코일을 제공하는 것이다.It is a further object of the present invention to provide a unique induction coil which minimizes the capacitive coupling between the plasma and such induction coil in the material processing apparatus, thereby reducing the cost and complexity of such material processing apparatus.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 재료 프로세싱 장치에서 특유한 유도 코일 및 거기에 접속된 임피던스 매칭 회로를 제공하여 종래 기술의 유도 코일 평면에서 발생하는 총 전압 강하를 제거하고, 따라서 반도체 웨이퍼와 같이 처리될 재료의 표면에서 플라즈마 프로세스의 균일성을 개선시키는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a unique induction coil and an impedance matching circuit connected thereto in the material processing apparatus to eliminate the total voltage drop occurring in the plane of the induction coil of the prior art, and thus to be processed like a semiconductor wafer. To improve the uniformity of the plasma process at the surface of the material.
그러므로, 본 발명의 한 형태에 따라서, 프로세싱 챔버 내측에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 소스가 제공되며, 그러한 플라즈마는 프로세싱 챔버내에 배치된 제품의 표면을 처리한다. 상기 플라즈마 소스는 유전성 플레이트, 프로세싱 챔버의 내벽의 일부를 형성하는 제 1 표면을 포함하며, 상기 유전성 플레이트를 통해 프로세싱 챔버내로 에너지를 제공하도록 프로세싱 챔버 외측에 배치된 전기 에너지 소스를 또한 포함한다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 전기 에너지 소스는 무선 주파수 동력 소스(power source) 및 실질적으로 평평한 유도 코일을 포함하며, 상기 평평한 유도 코일은 실질적으로 평평한 코일의 적어도 한 포인트에 대해 대칭인 적어도 두 개의 나선부(spiral portion)를 갖는다. 상기 실질적으로 평평한 유도 코일은 표면에 충격을 주기 위해 제품의 표면에 근접하게 고밀도 플라즈마를 발생시키는 유전성 플레이트의 제 2 표면상에 배치되어 제품 표면에 걸쳐서 실질적으로 균일한 프로세스 속도를 발생시킨다.Therefore, in accordance with one aspect of the present invention, a plasma source for generating a plasma inside a processing chamber is provided that treats the surface of a product disposed within the processing chamber. The plasma source includes a dielectric plate, a first surface that forms part of an inner wall of the processing chamber, and also includes an electrical energy source disposed outside the processing chamber to provide energy through the dielectric plate into the processing chamber. In a preferred embodiment, the electrical energy source comprises a radio frequency power source and a substantially flat induction coil, wherein the flat induction coil is at least two spirals symmetric about at least one point of the substantially flat coil. It has a spiral portion. The substantially flat induction coil is disposed on a second surface of the dielectric plate that generates a high density plasma in close proximity to the surface of the article to impact the surface to produce a substantially uniform process speed across the surface of the article.
본 발명의 다른 형태에 따라서, 실질적으로 평평한 유도 코일을 포함하는 플라즈마 소스는 프로세스 가스로부터 형성된 플라즈마로 제품의 표면을 처리하는 장치에 사용된다. 그러한 장치는 스퍼터링 에칭 장치일 수 있으며, 프로세싱 공간을 한정하고, 플라즈마로 제품을 처리하기 위해 프로세스 가스가 프로세싱 공간으로 도입될 수 있게 하는 적어도 하나의 도입부를 갖는 프로세싱 챔버를 포함한다. 본 발명의 플라즈마 소스는 프로세싱 챔버의 단부에 결합되어 프로세싱 챔버를 밀봉하고 표면에 충격을 주기 위해 제품의 표면에 근접하게 플라즈마의 형성을 유도하며 제품 표면에 걸쳐서 실질적으로 균일한 프로세스 비율을 발생시킨다.According to another aspect of the invention, a plasma source comprising a substantially flat induction coil is used in an apparatus for treating a surface of an article with a plasma formed from a process gas. Such an apparatus may be a sputter etching apparatus and includes a processing chamber having at least one introduction portion that defines a processing space and allows a process gas to be introduced into the processing space for processing a product with a plasma. The plasma source of the present invention is coupled to the end of the processing chamber to induce the formation of a plasma in close proximity to the surface of the article to seal and impact the processing chamber and to generate a substantially uniform process rate across the surface of the article.
본 발명의 또 다른 형태에 따라서, 임피던스 매칭 회로는 본 발명의 플라즈마 소스와 무선 주파수 동력 소스 사이에 접속되어 유도 코일과 무선 주파수 동력 소스 사이에 최대 전력을 전달한다. 바람직한 실시예에 있어서, 본 발명의 유도 코일은 임피던스 매칭 회로에 접속된 제 1 및 제 2 도선을 가지며, 또한 임피던스 매칭 회로를 통해 유도 코일의 두 개의 부분이 대칭되는 포인트에서 접지에 접속된다. 이것은 이전의 평평한 유도 코일의 평면에 걸쳐서 총 전압 강하를 감소시키며, 이에 의해 플라즈마 프로세스뿐만 아니라 플라즈마의 균일성을 개선시킨다.According to another aspect of the invention, an impedance matching circuit is connected between the plasma source and the radio frequency power source of the present invention to transfer maximum power between the induction coil and the radio frequency power source. In a preferred embodiment, the induction coil of the present invention has a first and a second lead connected to an impedance matching circuit and is connected to ground at a point where two parts of the induction coil are symmetrical through the impedance matching circuit. This reduces the total voltage drop across the plane of the previous flat induction coil, thereby improving the plasma process as well as the uniformity of the plasma.
신규하다고 믿어지는 본 발명의 형태는 부가된 청구범위로 설정된다. 그리고, 첨부된 도면과 관련하여 이하의 설명을 참조하면 가장 잘 이해될 것이다.The forms of the invention believed to be novel are set forth in the appended claims. And, with reference to the following description in conjunction with the accompanying drawings will be best understood.
도 3 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 유도 코일(30)은 제 1 도선(32) 및 제 2 도선(34)을 갖는 코일이다. 더욱 상세하게는, 유도 코일(30)은 나선형 또는 소용돌이(involute) 형상으로 각각 권선되는 제 1 및 제 2 부분(36, 38)을 갖는 연속 S-형상 코일이라고 생각할 수도 있다. 바람직하게는, 상기 부분(36, 38)은 사실상 동일하며 유도 코일(30)의 적어도 중앙 포인트(40)에 대해 대칭을 이룬다.(반면에 도 3에서, 이는 각 부분(36, 38)이 3 회의 권선을 갖는 것으로 나타나며; 이는 유도 코일(30)내에서 다수의 권선이 전술된 설명의 파라미터내에서 변형될 수 있다는 것을 이해할 것이다.) 유도 코일(30)은 바람직하게는 물이 통과하는 중공의 구리 배관으로 제조되며, 물은 무선 주파수 출력이 거기를 통해 전달되어지는 것과 동일한 시간에 유도 코일(30)을 냉각한다.As shown in FIG. 3, the induction coil 30 of the present invention is a coil having a first lead 32 and a second lead 34. More specifically, it may be considered that the induction coil 30 is a continuous S-shaped coil having first and second portions 36, 38 that are respectively wound in a spiral or involute shape. Preferably, the parts 36, 38 are substantially identical and are symmetrical with respect to at least the center point 40 of the induction coil 30. In contrast, in FIG. 3, this means that each part 36, 38 is 3. It will be seen that it has a slew of windings; this will be understood that a number of windings in the induction coil 30 can be modified within the parameters of the foregoing description.) The induction coil 30 is preferably hollow Made of copper tubing, the water cools the induction coil 30 at the same time that the radio frequency output is passed through it.
도 3의 유도 코일(30)은 도 4a 및 4b 에서 도시된 바와 같이 RF 에너지 소스(44)에 접속되어 그 소스로부터 에너지를 받아들이게 된다. 도 4a 에 도시된 실시예에서, 도선(34)은 접지되는 반면, 도선(32)은 임피던스 매칭 회로(42)를 통해 RF 에너지 소스(44)에 접속되며, RF 에너지 소스(44)와 유도 코일(30)간에 최대 출력을 전송하도록 설계된다. 임피던스 매칭 회로(42)는 종래의 L 또는 II-타입 회로중 하나가 될 수 있으며, L 타입은 보다 높은 회로 Q-인자(Q-factor). 고조파(harmonic)의 양호한 억제, 및 이로 인하여 유도 코일(30)로부터 플라즈마로의 출력의 더욱 유효한 전송의 견지에서 바람직하다. 따라서, 도 4a에 도시된 실시예에서는, 생성된 전류가 경로 EFGHI 를 따라 도선(32)으로부터 도선(34)까지 유도 코일(30)을 통해 흐른다.Induction coil 30 in FIG. 3 is connected to and receives energy from RF energy source 44 as shown in FIGS. 4A and 4B. In the embodiment shown in FIG. 4A, the conductor 34 is grounded while the conductor 32 is connected to the RF energy source 44 through an impedance matching circuit 42, with the RF energy source 44 and the induction coil It is designed to transmit the maximum output between the 30. The impedance matching circuit 42 may be one of conventional L or II-type circuits, where the L type is a higher circuit Q-factor. It is desirable in terms of good suppression of harmonics, and thereby more effective transmission of the output from the induction coil 30 to the plasma. Thus, in the embodiment shown in FIG. 4A, the generated current flows through induction coil 30 from lead 32 to lead 34 along path EFGHI.
도 3의 유도 코일(30)은 도 4a에 도시된 바와 같이 RF 에너지 소스(44)에 접속될 수 있지만, 이는 도 4b에 도시된 바와 같이 상기 소스에 접속되는 것이 바람직하다. 이 실시예에서, 도선(32)은 임피던스 매칭 회로(42)의 제 1 단자에 접속되는 반면, 도선(34)은 임피던스 매칭 회로(42)의 제 2 단자에 접속된다. 또, 임피던스 매칭 회로는 L 또는 II-타입 회로중 하나가 될 수 있으며, L 타입이 바람직하다. 비대칭 공급을 필요로 하면, 그 때 임피던스 매칭 회로(42)의 최종 스테이지는 중앙 접지를 갖는 변압기가 될 수 있으며, 즉 유도 코일(30)의 포인트(40)는 접지(도 5의 점선)에 접속된다. (선택적으로, 변압기는 RF 에너지 소스(44)에 접속되는 중간 탭(tap)을 가지며 도선(32, 34)은 접지에 접속된다.) 이러한 회로 배치의 결과로서, 제 1 전류는 유도 코일(30)을 통해 EFG 경로를 따라 도선(32)으로부터 임피던스 매칭 회로(42)쪽으로 흐른다. 추가로, 제 2 전류는 IHG 경로(도 4b)를 따라 도선(34)으로부터 임피던스 매칭 회로(42)쪽으로 흐른다.The induction coil 30 of FIG. 3 can be connected to an RF energy source 44 as shown in FIG. 4A, but it is preferably connected to the source as shown in FIG. 4B. In this embodiment, the leads 32 are connected to the first terminal of the impedance matching circuit 42, while the leads 34 are connected to the second terminal of the impedance matching circuit 42. Further, the impedance matching circuit can be either an L or II-type circuit, with the L type being preferred. If an asymmetrical supply is required, then the final stage of the impedance matching circuit 42 can be a transformer with a central ground, ie the point 40 of the induction coil 30 is connected to ground (dotted line in FIG. 5). do. (Optionally, the transformer has an intermediate tap connected to the RF energy source 44 and the leads 32, 34 are connected to ground.) As a result of this circuit arrangement, the first current is induction coil 30 Flows from the conductive wire 32 toward the impedance matching circuit 42 along the EFG path. In addition, a second current flows from the conductor 34 to the impedance matching circuit 42 along the IHG path (FIG. 4B).
전류는 제안한 유도 코일(30)의 반대로 감긴 두 권선부(36, 38)의 각각을 통해 반대 방향으로 흐르기 때문에(도 4b), 이에 의해 발생된 전계가 서로를 상쇄하며 코일 및 플라즈마간에 용량성 결합을 최소화시키는 경향이 있다. 그러므로, 최소로 줄어든 용량성 결합으로 인하여, 플라즈마 외장 전압 강하가 감소되므로, 프로세싱동안 발생될 수 있는 손상된 디바이스(device)의 양을 감소시킨다. 더욱이, 최소로 줄어든 용량성 결합은 도 1의 종래 기술의 유도 코일(20)과 관련하여 사용되는 바와 같이, 패러데이 차폐물의 필요성을 제거한다. 패러데이 차폐물의 제거는 유도 코일 및 부수적인 회로의 복잡성 및 비용을 감소시킨다. 게다가, 본 발명의 유도 코일(30)의 사실상 2 차원(평평한) 설계에 비추어, 상기 유도 코일(30)은 극소 전자공학 산업에서 300mm 웨이퍼의 프로세싱을 위해서 적용되는 것과 같이, 큰 면적 프로세싱을 위해 용이하게 맞출 수 있다.Since the current flows in the opposite direction through each of the two windings 36 and 38 wound oppositely of the proposed induction coil 30 (FIG. 4B), the electric fields generated thereby cancel each other and form a capacitive coupling between the coil and the plasma. Tends to minimize. Therefore, due to the minimally reduced capacitive coupling, the plasma sheath voltage drop is reduced, thus reducing the amount of damaged devices that can occur during processing. Moreover, the minimally reduced capacitive coupling eliminates the need for Faraday shields, as used in connection with the prior art induction coil 20 of FIG. 1. The removal of the Faraday shield reduces the complexity and cost of the induction coil and the ancillary circuitry. In addition, in light of the substantially two-dimensional (flat) design of the induction coil 30 of the present invention, the induction coil 30 is easy for large area processing, as is applied for the processing of 300 mm wafers in the microelectronics industry. Can be adjusted.
추가적으로, 도 4b의 매칭 네트워크(42)를 통해 코일(30)에 전류를 대칭 공급하기 때문에, 도 1의 종래 기술의 유도 코일(20)의 평면을 가로질러 통상 발생되는 총 전압 강하가 제거된다. 이는 비용량성 플라즈마(non-capacitive plasma)와 보다 낮은 플라즈마 외장 전압을 초래한다. 앞에서 논의된 바와 같이 보다 낮은 플라즈마 외장 전압은 기판상에 충돌하는 이온이 가지는 에너지의 양을 차례로 감소시키며, 따라서 프로세싱 중에 발생하는 손상된 디바이스의 수를 개선시킨다.In addition, since the current is symmetrically supplied to the coil 30 through the matching network 42 of FIG. 4B, the total voltage drop typically occurring across the plane of the prior art induction coil 20 of FIG. 1 is eliminated. This results in non-capacitive plasma and lower plasma sheath voltage. As discussed earlier, lower plasma sheath voltages in turn reduce the amount of energy that ions impinge on the substrate, thus improving the number of damaged devices that occur during processing.
본 발명의 유도 코일(30)의 적용은 도 5의 스퍼터링 에칭 장치에서 유도 코일이 사용되는 것을 참조하여 설명된다. 유도 코일(30)의 적용에 관한 설명은 스퍼터링 에칭 장치(60, sputter etching apparatus)와 관련하여 주어져 있지만, 유도 코일(30)의 사용을 에칭장치로 제한하지는 않으며, 이온 주입 및 플라즈마 증착과 같이 당업계에 공지된 다른 재료 프로세싱 분야에 사용될 수 있다.Application of the induction coil 30 of the present invention is described with reference to the use of the induction coil in the sputtering etching apparatus of FIG. A description of the application of the induction coil 30 is given in connection with a sputter etching apparatus 60, but does not limit the use of the induction coil 30 to the etching apparatus, such as ion implantation and plasma deposition. It can be used in other material processing applications known in the art.
스퍼터링 에칭의 프로세스는 하전된 가스 플라즈마의 이온화된 입자들을 사용하여 기판 또는 웨이퍼의 표면에 충격을 가하고, 따라서 이 기판으로부터 입자들을 제거하거나 또는 "스퍼터링"하는 것으로 공지되어 있다. 더욱 상세하게는, 스퍼터링 에칭 프로세스 동안, 기판 또는 웨이퍼(62)는 스퍼터링 에칭 장치(60)의 스퍼터링 에칭 챔버(61)의 일단부에 있는 지지 베이스(64)상에 위치되며, 정전기 척 또는 웨이퍼 클램프(66)를 사용하여 제 위치에 바람직하게 유지된다. 바이어스 전압은 예를 들면 13.56 MHZ 의 주파수에서 소스(70)로부터 무선 주파수 출력을 인가함으로써 지지 베이스(64)상에 안착되는 웨이퍼 스테이지(68)를 가로질러 인가된다. 절연 콘덴서(72)는 무선 주파수 소스(70)로부터 무선 주파수 신호의 DC 성분을 차단하기 위해 무선 주파수 소스(70) 및 웨이퍼 스테이지(68)간에 접속된다. 웨이퍼(62)로부터 떨어져 나오는 물질로부터 챔버 벽을 보호하기 위해 원통형 수정 슬리브(quartz sleeve:74)가 스퍼터링 에칭 챔버(61)의 내부 직경 안에 삽입된다. 상기 수정 슬리브(74)는 정규적인 보수유지 주기로서 청소되거나 교환될 수 있다.The process of sputter etching is known to impact the surface of a substrate or wafer using ionized particles of a charged gas plasma, thus removing or "sputtering" particles from the substrate. More specifically, during the sputter etching process, the substrate or wafer 62 is located on a support base 64 at one end of the sputter etching chamber 61 of the sputter etching apparatus 60, and the electrostatic chuck or wafer clamp Using 66 is preferably held in place. The bias voltage is applied across the wafer stage 68 seated on the support base 64 by, for example, applying a radio frequency output from the source 70 at a frequency of 13.56 MHZ. An insulating capacitor 72 is connected between the radio frequency source 70 and the wafer stage 68 to block the DC component of the radio frequency signal from the radio frequency source 70. A cylindrical quartz sleeve 74 is inserted into the inner diameter of the sputter etching chamber 61 to protect the chamber wall from the material falling off the wafer 62. The correction sleeve 74 can be cleaned or replaced as a regular maintenance cycle.
유전성 플레이트(76)를 포함하는 플라즈마 소스 및 본 발명의 유도 코일(30)(도 3)은 스퍼터링 에칭 챔버(61)의 다른 단부 또는 상부 단부에 배치된다. 웨이퍼 스테이지(68)로부터 바람직하게 7 내지 20 센티미터의 거리에 배치된 유전성 플레이트(76)는 기밀 진공 밀봉을 제공하도록 스퍼터링 에칭 챔버(61)의 금속재의 챔버벽(78)에 결합된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 유도 코일(30)은 유전성 플레이트(76)상에 직접 안착되며, 양쪽은 바람직하게는 실질적으로 평평하다. 그러나, 유전성 플레이트(76)는 스퍼터링 에칭 챔버(61) 내부로 연장되는 통상적으로 볼록한 내부 면과 통상적으로 오목한 외부면을 가질 수 있으며, 그 외형을 유도 코일(30)이 따라가는데, 세부사항은 본 발명의 출원인에게 양도된 미국 특허출원 제08/410,362 호, 간바리(Ghanbari)," 유전성 포켓 및 둘러싼(contoured) 플라즈마 소스를 갖는 스퍼터링 에칭 장치"에 설명되어있다,The plasma source comprising the dielectric plate 76 and the induction coil 30 (FIG. 3) of the present invention are disposed at the other or upper end of the sputter etching chamber 61. Dielectric plate 76 disposed preferably at a distance of 7 to 20 centimeters from wafer stage 68 is coupled to chamber wall 78 of the metal material of sputter etching chamber 61 to provide an airtight vacuum seal. As shown in FIG. 5, the induction coil 30 rests directly on the dielectric plate 76 and both sides are preferably substantially flat. However, the dielectric plate 76 may have a generally convex inner surface and a generally concave outer surface extending into the sputter etching chamber 61, the appearance of which is followed by the induction coil 30. U.S. Patent Application No. 08 / 410,362, Ghanbari, assigned to the applicant of the invention, is described in "Ghanbari," Sputtering Etching Device with Dielectric Pocket and Contoured Plasma Source. "
작동에서, 스퍼터링 에칭 챔버(61)는 터보 분자 또는 극저온 펌프(도시 안됨)와 같은 진공 펌프에 의해, 예를 들면 1x 10-7 토르의 기본 진공 레벨로 낮춰지며, 스퍼터링 에칭 적용을 위해 플라즈마 가스, 바람직하게는 아르곤이 통상적으로 10 내지 100 sccm 의 유동률로서 스퍼터링 에칭 챔버(61)의 상부 근처에 가스 공급 도입부(80)를 통해 도입되며, 통상적으로 1x 10-3 내지 40x 10-3 토르에 속하는 작동 압력을 일으킨다. 상기 작동 압력은 스퍼터링 에칭 챔버(61)내에 공급가스의 체류 시간을 제어하는 게이트 밸브 기구(도시 안됨)에 의해 제어된다.In operation, the sputtering etch chamber 61 is lowered to a basic vacuum level of, for example, 1 × 10 −7 Torr by a vacuum pump, such as a turbomolecular or cryogenic pump (not shown), and the plasma gas, for sputter etch applications, Preferably argon is introduced through the gas supply inlet 80 near the top of the sputtering etch chamber 61 at a flow rate of typically 10 to 100 sccm, typically operating belonging to 1 × 10 −3 to 40 × 10 −3 Torr Cause pressure. The operating pressure is controlled by a gate valve mechanism (not shown) that controls the residence time of the feed gas in the sputter etching chamber 61.
안정된 작동 압력이 성취되면, 무선 주파수 소스(44)로부터의 출력은 매칭 회로(42)(도 4b의 매칭 회로(42)가 양호하지만, 도 4a에서 설명된 매칭 회로로 하여도 좋다)를 통해 유도 코일(30)에 인가된다. 무선 주파수 소스(44)는 바람직하게는 2 내지 13.56 MHZ의 작동 주파수에서 상기 출력을 공급한다. 전술한 바와 같이, 유도 코일(30)을 통하는 무선 주파수 에너지는 유도 코일(30)에 근접하여 시간-변화 자계를 일으키며, 다음에 이것이 ▽xE =-∂B/∂t 방정식에 따라 스퍼터링 에칭 챔버(61)내에서, 전계 E 를 유도한다. 상기 유도된 전계 E는 자연 환경에 존재하는 우주선 및 다른 전자기 소스에 의한 중성 가스의 전리의 결과로서 스퍼터링 에칭 챔버(61)내에 존재하는 작은 수의 전자를 가속한다. 가속된 전자는 가스의 중성 미립자와 충돌하여 이온 및 더 많은 전자를 발생시킬 수 있다. 상기 프로세스는 지속되어서 전자 및 이온을 발생시켜 우박처럼 쏟아지게 하며; 그러므로 스퍼터링 에칭 챔버(61) 안에서 유전성 플레이트(76) 아래에 있는 유도 코일(30)의 영역내에서 플라즈마를 발생시킨다. 상기 플라즈마는 그후에 확산되며 스퍼터링 에칭 챔버(61)를 채운다.Once a stable operating pressure is achieved, the output from the radio frequency source 44 is guided through the matching circuit 42 (although the matching circuit 42 of FIG. 4B is preferred, but may be the matching circuit described in FIG. 4A). Is applied to the coil 30. The radio frequency source 44 supplies the output preferably at an operating frequency of 2 to 13.56 MHZ. As described above, the radio frequency energy through the induction coil 30 generates a time-varying magnetic field in proximity to the induction coil 30, which is then sputtered etching chamber according to the equation ▽ x E = -∂ B / ∂ t. Within 61, the electric field E is derived. The induced electric field E accelerates a small number of electrons present in the sputter etching chamber 61 as a result of ionization of the neutral gas by cosmic rays and other electromagnetic sources present in the natural environment. Accelerated electrons can collide with neutral particulates in the gas to generate ions and more electrons. The process continues to generate electrons and ions to hail like; Therefore, plasma is generated in the region of the induction coil 30 below the dielectric plate 76 in the sputter etching chamber 61. The plasma is then diffused and fills the sputter etching chamber 61.
플라즈마가 웨이퍼 스테이지(68)쪽으로 확산될 때, 웨이퍼 스테이지(68) 부근에서 플라즈마내의 기상 이온(예를 들면, 아르곤 이온)은 이 스테이지에 용량성 결합된 다른 RF 소스(70)에 의해 스테이지(68)상에서 발전되는 바이어스 때문에 스테이지 쪽으로 가속된다. 가속된 아르곤 이온은 웨이퍼에 충격을 가하며 웨이퍼(62)에서 벗어난 물질을 "스퍼터링" 또는 제거한다. 에칭된 부산물은 진공 펌프(도시 안됨)에 의해 스퍼터링 에칭 챔버(61)의 밖으로 강제 배출된다.As the plasma diffuses toward the wafer stage 68, gas phase ions (eg, argon ions) in the plasma near the wafer stage 68 are transferred to the stage 68 by another RF source 70 capacitively coupled to the stage. Is biased towards the stage due to the bias developing in The accelerated argon ions bombard the wafer and "sputter" or remove the material that leaves the wafer 62. The etched byproduct is forced out of the sputter etching chamber 61 by a vacuum pump (not shown).
스퍼터링 에칭 장치(60)는 플라즈마 균일성을 증가하기 위해 도 6a에서 점선으로 도시된 바와 같이 이 장치 주위에 배치되는 자기 다극 구조체(magnetic multipolar structure:90)를 가진다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 자기 다극 구조체(90)는 스퍼터링 에칭 장치(60)를 둘러싸며, 바람직하게는 교차의 극성을 갖는 수직으로 정렬된 신장 영역(92, 94)을 가진다. 웨이퍼 스테이지(68)를 향해 아래로 바라보는 스퍼터링 에칭 장치(60)의 상부에서 볼 때 부분(96)의 확대된 도면이 도 6b에 도시되어 있다. 이러한 자기 다극 구조체(90)에 의해 생성된 자계 또는 자기 첨단(cusp)은 도 6b에 도시된 바와 같이 전자 경로(102)를 자계선(100, field lines)으로 한정하며, 공지된 "자기 거울(magnetic mirror)"의 원리와 동일 개념하에서 작동된다. 그 결과, 챔버(61)내에 전자의 체류 시간은 증가되며 내부 챔버의 주변 수정 슬리브(74)에서 전자들의 손실률이 감소된다. 전자 손실률의 감소는, 플라즈마 밀도가 가장 얇아지는 경향이 있는 유도 코일(30)의 경계 근처에서 플라즈마 밀도를 증가시킨다. 유도 코일(30)의 경계에서 플라즈마 밀도를 증가시킴으로써, 플라즈마 균일성 즉, 프로세스 균일성이 개선된다.The sputter etching apparatus 60 has a magnetic multipolar structure 90 disposed around the apparatus as shown by the dotted lines in FIG. 6A to increase plasma uniformity. As shown in FIG. 6A, the magnetic multipole structure 90 surrounds the sputtering etching apparatus 60 and preferably has vertically aligned stretched regions 92, 94 having a polarity of intersection. An enlarged view of the portion 96 as seen from the top of the sputter etching apparatus 60 looking down towards the wafer stage 68 is shown in FIG. 6B. The magnetic field or magnetic cusp generated by this magnetic multipole structure 90 defines the electron path 102 to magnetic field lines 100, as shown in FIG. 6B, and is known as " magnetic mirrors " magnetic mirror). As a result, the residence time of the electrons in the chamber 61 is increased and the loss rate of the electrons in the peripheral quartz sleeve 74 of the inner chamber is reduced. Reduction of the electron loss rate increases the plasma density near the boundary of the induction coil 30 where the plasma density tends to be the thinnest. By increasing the plasma density at the boundary of the induction coil 30, plasma uniformity, that is, process uniformity, is improved.
따라서, 위에서 본 발명에 따른 장치의 목적, 의도 및, 이점을 충분히 만족시키는 실시예를 설명하였다. 본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 설명되었지만, 상술한 설명에 비추어 당해 기술에 숙련된 당업자는 다수의 대안(alternatives), 변경, 치환 및, 변화를 실시할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 유도 코일의 적용의 설명이 스퍼터링 에칭 장치에 대해 주어졌지만, 본 발명의 유도 코일의 사용은 그것에 제한되지 않으며, 이온 주입 및 플라즈마 증착과 같이 당업계에 공지된 다른 재료 프로세싱의 분야에 사용할 수 있다. 추가로, 본 발명의 유도 코일과 이 유도 코일이 놓이는 유전성 플레이트는 실제로 평평한(2 차원) 것이 바람직하며, 유전성 플레이트는 스퍼터링 에칭 챔버 내부로 연장되는 통상의 볼록 내부면과 통상의 오목 외부면을 가지며, 본 발명의 유도 코일이 그 면의 윤곽을 따라간다. 다른 실시예도 당업자에게 가능하다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위내에서 모든 상기 대안, 변형 및 변화를 채택한다.Thus, embodiments have been described above that sufficiently satisfy the objects, intentions, and advantages of the device according to the invention. Although the present invention has been described in connection with specific embodiments, those skilled in the art in light of the above description may practice numerous alternatives, modifications, substitutions and changes. For example, while a description of the application of the induction coil of the present invention has been given for a sputter etching apparatus, the use of the induction coil of the present invention is not limited thereto, and other material processing known in the art such as ion implantation and plasma deposition. Can be used in the field of In addition, the induction coil of the present invention and the dielectric plate upon which the induction coil is placed are preferably actually flat (two dimensions), and the dielectric plate has a conventional convex inner surface and a conventional concave outer surface extending into the sputter etching chamber. , The induction coil of the invention follows the contour of the face. Other embodiments are possible to those skilled in the art. Accordingly, the present invention embraces all such alternatives, modifications and variations within the scope of the appended claims.
Claims (41)
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Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
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| KR10-1998-0707635A KR100506561B1 (en) | 1996-03-27 | 1997-03-04 | Plasma generating method and apparatus including inductively coupled plasma source |
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