KR100576051B1

KR100576051B1 - 정전기 시일드를 갖는 플라즈마 생성 장치

Info

Publication number: KR100576051B1
Application number: KR1020007005390A
Authority: KR
Inventors: 리디아 제이. 영; 보즈테크 파카크
Original assignee: 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
Priority date: 1997-11-17
Filing date: 1998-11-17
Publication date: 2006-05-09
Also published as: EP1040500A1; TW578449B; AU1589599A; EP1040500A4; WO1999026267A1; JP2001523883A; US5903106A; KR20010032200A

Abstract

본발명은 반도체 집적 회로를 처리하기 위한 플라즈마 생성 공급원(11)을 제공한다. 플라즈마 생성 공급원은 플라즈마를 형성하는 전자기 에너지의 분포 및/또는 양을 제어할수 있는 형태로 구성된다. 플라즈마 생성 공급원(11)은 플라즈마를 생성하기 위한 전자기 에너지(13)의 공급원과 플라즈마 함유 영역(18)을 구비한다. 상기 전자기 에너지(13)의 공급원과 플라즈마 함유 영역(18)사이에는 정전기 시일드(19)가 배열되어 있다. 상기 정전기 시일드(19)는 시일드를 관통하는 다수의 개구(33)들이 형성되어 있으며, 이러한 형성으로 인하여 공급원으로부터 나와 플라즈마 함유 영역으로 유동하는 전자기 에너지(13)의 분포 및 양을 제어한다. 상기 개구(33)들은 플라즈마를 형성하는 전자기 에너지(13)의 분포 및 크기를 제어하기 위해 다양한 방식으로 형성될수도 있다.

Description

정전기 시일드를 갖는 플라즈마 생성 장치 {A PLASMA GENERATING APPARATUS HAVING AN ELECTROSTATIC SHIELD}

본 발명은 반도체 집적회로 처리에 사용되는 플라즈마 생성장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 전자기 에너지의 양 및/또는 플라즈마에 결합되는 전기 및 자기 에너지의 분포를 조절하도록 구성된 정전기 시일드를 가지는 플라즈마 생성장치에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼 및 다른 집적회로(IC)의 처리에는 중요한 단계, 이를테면 웨이퍼 표면을 에칭하고 재료의 층을 증착하여 소자 부품, 상호연결 라인, 유전체, 절연 배리어 등을 형성하는 단계가 있다. 집적회로의 표면에 재료의 층 등을 증착하기 위한 다양한 시스템이 채용되어 왔으며, 종종 이러한 층은 화학기상증착(CVD)에 의해 형성된다. 종래의 열적 CVD 공정은 임의의 가스상 화학물질의 열적 반응에 의해 웨이퍼의 표면에 안정적인 화합물을 증착한다. 당업계에서는 저압 CVD 시스템 및 대기압 CVD 시스템을 포함한 다양한 CVD 반응로가 사용되어 왔다.

보다 최근에 플라즈마 강화 CVD(PECVD)가 개발되어 왔다. PECVD 시스템은 일반적으로 가스 화학물질의 해리 및 이온화에 의해 작동된다. 플라즈마와 관련된 높은 전자 온도는 웨이퍼 표면에의 증착을 위해 필요한 해리종의 밀도를 증가시킨다. 따라서 이러한 시스템은 종래의 열적 CVD에 비해 낮은 온도에서 작동될 수 있다. 이러한 저온 공정은 바람직하고, 집적회로에 포함된 금속의 상호확산 및 얕은 접합부의 확산을 최소화한다. 더욱이 소자 밀도가 증가됨에 따라 PECVD 시스템은 적층된 소자 피쳐를 분리시키는데 사용될 다중 유전체층을 형성하는데 적합하다. 이러한 다층 유전체층을 형성할 때 갭 충전, 분리, 스트레스 및 스텝 커버리지 능력이 좋은 층을 제공하는 것이 바람직하다. 소자의 규격이 작아짐에 따라 이들 성질을 얻기가 더욱 어려워지고 있다.

계속적으로 작아지는 소자 피쳐의 고품질 웨이퍼를 생산할 수 있는 반응로에 대한 요구가 계속됨에 따라 고밀도 플라즈마 CVD(HDP-CVD)가 개발되었다. HDP-CVD 시스템은 전형적으로 10¹¹플라즈마이온/cm³ 및 그 이상의 고밀도 이온을 생산할 수 있는 플라즈마 생성 공급원을 채용한다. 다양한 형태의 플라즈마 생성 공급원이 종래 기술로서 보고되어 있다. 한 예로서 미국특허 4,918,031호에는 정전기적으로 시일드된 RF(ESRF)플라즈마 생성 공급원이 개시되어 있다. 이 생성 공급원은 나선 코일 내에 배치되며 길이방향으로 분할된 하나의 금속시일드를 가진다. 미국특허 4,918,031호의 개선인 미국특허 5,234,529호에서는 시일드 내에 형성된 복수의 길이방향 슬롯이 포함된다. 종래 기술에서 시일드는 플라즈마 공급원(즉 RF 코일 등)과 플라즈마 영역 사이의 용량성 결합량을 억제하여, 유도결합 대 용량결합의 비율을 최대화하는데 사용되었다. 시일드는 플라즈마 공급원 중의 작은 부분만을 플라즈마 영역에 노출시켜, 전자기 에너지 결합의 용량 요소를 실질적으로 플라즈마 생성 영역으로 한정하였다. 종래에는 용량 결합은 처리되는 반도체에 손상을 줄 가능성을 높이는 것으로 믿어져 왔으며, 따라서 순수한 또는 거의 순수한 유도 결합된 플라즈마가 필요함을 의미하였다.

시일드를 통해 용량 결합을 제한함으로써 여러 가지 심각한 문제가 생성됨이 발견되었다. 우선 플라즈마 생성 공급원의 점화는 매우 어렵고 가끔 보조 점화기가 필요하다. 예를 들어 플라즈마 공급원을 점화하기 위해 웨이퍼 지지 바이어스 전력을 사용하는 저전력 개시 시퀀스, 스파크 코일, 저전력 RF 바이어스 시일드가 필요하다. 전력 결합에 필요한 매칭 네트워크 뿐만 아니라 이러한 보조 점화기 요소의 추가는 시스템을 복잡하게 하고 비용을 증가시키며 효율을 낮춘다.

미국특허 5,234,529호는 앞뒤로 설치되어, 노출면적을 변화시켜 용량결합을 증가시키기 위한 2개의 동심 실린더형 시일드를 사용하여 슬롯의 면적을 바꿈으로써 점화문제를 해결하고자 하였다. 이러한 배치는 번거롭고 기계적으로 복잡하며 비용을 증가시킨다. 더욱이 슬롯의 면적을 바꿈에 따라 생성 공급원이 역동조되어(detuning) 매칭 네트워크가 생성 공급원 입력 임피던스와 공진 주파수의 변화를 수정할 수 없게 된다.

플라즈마 생성 공급원에 따른 다른 일반적인 문제는 처리될 웨이퍼 전체에 대해 균일한 플라즈마 분포를 획득하는 것이다. 종래 시스템은 전형적으로 반응로 내의 다양한 지점에 보조 자력 공급원(magnetic source)을 채용하여 플라즈마를 한정하여 분포시킨다. 예를 들어 플라즈마 생성 공급원 아래 웨이퍼 옆에 놓이는 DC 코일, 또는 영구자석의 열(array)이 사용될 수 있다. 이러한 배열 역시 복잡성과 비용을 높인다. 게다가 발명자들은 보조 자기장이 실질적으로 역효과를 가지며 증착의 균일성을 악화시킬 수 있다고 믿을 만한 이유를 발견하였다.

플라즈마 생성 공급원과 관련된 추가적인 논의대상은 생성 공급원에 의해 얻어질 수 있는 이온 밀도이다. 소자 규격을 줄이려는 계속적인 노력을 해결하기 위해 보다 높은 플라즈마 밀도의 추구에 대한 관심이 이어져왔다. 정전기 시일드를 가지는 종래의 플라즈마 공급원은 항상, 생성 공급원에 의해 얻을 수 있는 이온 밀도를 어느 정도 제한한다. 보다 높은 이온밀도를 얻기 위해, 본 발명자들은 시일드 내에서 생성 공급원의 고전류 영역으로 연장되는 슬롯의 유효 복사 길이를 플라즈마 생성 공급원이 가지는 것이 바람직함을 발견하였다. 이에 의해, 바람직하지 않은 용량 결합에는 변화가 없이 생성 공급원으로부터 플라즈마로의 유도 결합이 크게 증가된다.

반도체 처리에서는 플라즈마 생성 공급원이 넓은 압력범위에서 작동할 필요가 있을 것이 요구된다. 웨이퍼를 처리하는 동안, 플라즈마 공급원과 반응로는 10mTorr 이하 정도의 매우 낮은 압력에서 작동한다. 그러나 반응로를 세정하는 동안 플라즈마 공급원은 1.0Torr 또는 그 이상의 압력에서 작동할 것이다. 반응로의 세정은 시스템을 효율적으로 작동시키는데 중요한 역할을 한다. 반응성이 매우 높은 종이 기판 위뿐만 아니라 챔버 벽, 작동 부품에 증착된다. 이러한 증착은 시스템의 작동에 영향을 미쳐, 시스템 내에서의 플라즈마 포텐셜에 영향을 주고, 기판에 증착되는 필름을 오염시키게 되는 입자의 심각한 공급 공급원이다. 따라서 플라즈마 공급원이 넓은 압력범위에서 작동할 필요가 있다.

따라서 상술한 문제점들을 다루는 플라즈마 생성 공급원; 예를 들어 전자기 에너지의 용량 결합 성분을 가능한 한 낮게 유지하고 유도 결합 성분은 증가시키는 한편, 자체 점화 가능하며, 넓은 압력범위에서 작동하며, 높은 이온 밀도를 얻을 수 있으며, 생성 공급원을 제공하는 것이 바람직하다. 균일한 플라즈마 분포, 및 결과적으로 증착된 필름의 균일한 품질을 촉진하는 공급원을 제공하는 것이 특히 바람직하다.

따라서 본 발명의 목적은 반도체 웨이퍼와 집적회로를 처리하는 플라즈마 생성장치를 제공하는 것이다.

보다 구체적으로, 플라즈마에 결합된 전자기 에너지의 총량을 제어할 수 있게 구성되고 유도적으로 결합된 에너지의 비율을 증가시키도록 구성되는, 웨이퍼 처리를 위한 정전기 시일드를 가지는 개선된 플라즈마 생성장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 자체 점화가 가능하고 넓은 압력 범위에서 작동할 수 있는 정전기 시일드를 가지는 플라즈마 생성장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 플라즈마를 포함하는 영역 내에서 플라즈마의 균일성을 조절하는데 도움이 되도록 구성되는 정전기 시일드를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 증가된 이온 밀도를 보이는 플라즈마 생성장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 관련된 목적은 웨이퍼 위에 증착된 필름의 품질을 개선하는 플라즈마 생성장치를 제공하는 것이다.

본 발명자들은 종래기술 부분에서 상술한 문제들이 플라즈마 영역에 결합된 전기 및 자기 에너지의 분포 및/또는 전자기 에너지의 양을 제어할 수 있도록 구성된 플라즈마 생성장치에 의해 다루어짐을 발견하였다. 플라즈마 공급원으로부터 플라즈마 영역으로의 전자기장 에너지의 양 및 전기장 에너지 대 자기장 에너지의 비를 조절함으로써, 이 장치는 플라즈마 내에서 결과적인 전기장(E) 및 자기장(H)과 이들의 비(E/H)를 구성할 수 있다. 발명자들은 장의 크기 및 비(ratio)가 HDP-CVD 시스템의 작동에, 이를테면 플라즈마 포함 영역(특히 이 영역이 벽을 따라) 내의 온도, 플라즈마의 이온 밀도, 자기 점화를 위한 장치의 용량을 포함한 다양한 영향을 주는 것을 발견하였다.

이들 및 다른 목적은 본 명세서에 개시된 플라즈마 생성장치에 의해 이루어지며, 이 장치는 플라즈마 포함 영역과 이 영역 내에서 플라즈마를 생성시키기 위한 전자기 에너지 공급원을 포함한다. 이 플라즈마 포함 영역과 전자기 에너지 공급원 사이에는 정전기 시일드가 배치된다. 정전기 시일드는 복수의 개구를 가지며, 이 개구를 통해 상기 생성 공급원으로부터 플라즈마 포함 영역으로 결합되는 전자기 에너지의 분포 및 양을 제어하도록 구성된다. 다양한 실시예가 제공되는데, 이들 실시예에서 개구는 플라즈마에 결합된 전자기 에너지의 크기와 분포를 제어하기 위해 다양한 방법으로 구성되어, 시스템의 온도, 플라즈마의 균일성 및 플라즈마 밀도에 영향을 준다.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 이하의 도면을 참조하여, 발명의 상세한 설명 및 청구범위에 의해 명백하게 될 것이다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성장치를 가지는 반응로의 부분 단면 사시도이다.

도 1b는 도 1a의 플라즈마 생성장치의 B-B선을 따른 저면 단면도이다.

도 2는 도 1a의 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성장치의 부분 단면도이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 생성장치의 부분 단면도이다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 세 실시예에 따른 다른 개구 형태를 확대하여 나타내는 도면이다.

도 5는 본 발명의 다른 대안적인 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 반-단면절개도이다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 반-단면절개도이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 원통형 플라즈마 생성 장치에 따른 방위위치의 함수로서 플라즈마 영역 내의 전기장의 분포를 나타내는 실험 데이터의 그래프이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 원통형 플라즈마 생성 장치에 따른 방위 위치의 함수로서 플라즈마 영역 내의 자기장의 분포를 나타내는 실험 데이터의 그래프이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 원통형 플라즈마 생성 장치에 따른 수직 위치의 함수로서 플라즈마 영역 내의 전기장의 분포를 나타내는 실험 데이터를 기입한 그래프이다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 원통형 플라즈마 생성 장치에 따른 방위 위치의 함수로서 플라즈마 영역 내의 자기장의 분포를 나타내는 실험 데이터를 도시한 그래프이다.

도 11은 본 발명의 일 실시예를 이용함으로써 나타난 챔버 압력의 급격한 증가에 대하여 시간의 함수로서 온도를 도시한 그래프이다.

도 12는 본 발명의 2개의 실시예에 따른 플라즈마 생성원을 이용함으로써 상부에 박막이 증착된 웨이퍼 상의 위치의 함수로서 박막 증착 두께를 도시한 그래프이다.

상기 도면에서, 동일 구성 요소는 동일 도면 부호로 표시되어 있는데, 도 1a 및 1b는 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 생성 장치를 보유한 예시적인 HDP-CVD 반응로를 나타낸다. 도 1a는 처리 챔버(16)에 작동 가능하게 부착된 플라즈마 생성 장치(11)를 갖는 반응로(10)의 부분파단 단면 사시도를 나타낸다. 처리 챔버(16)는 일반적으로 가스 전달관(도시 안됨)을 거쳐 적어도 하나의 가스상 화학물질을 수용하기 위하여 처리 챔버(16)에 설치된 가스 주입 매니폴드(17)를 포함한다. 웨이퍼(24)를 지지하기 위한 수평 웨이퍼 지지구(20)(흔히 "척(chuck)"이라고 함)가 챔버(16) 내부에 배치된다. 하나의 웨이퍼(24)가 상기 웨이퍼 지지구(20) 상에 위치되면, 이로써 웨이퍼(24)의 표면이 상방을 향하게 된다. 상기 웨이퍼 지지구(20)는 매칭 네트워크(도시 안됨)에 의해 발전기(도시 안됨)로부터의 r.f. 에너지를 인가함으로써 바이어스될 수 있다. 반응로(10)를 배기시키기 위해, 개구(37)를 갖는 진공 시스템(도시 안됨)이 제공된다. 진공 펌프(도시 안됨)가 처리 챔버(16)에 작동 가능하게 연결된다. 비록 예시적인 반응로가 도시되었으나 본 발명은 다른 형태의 반응로에도 채용될 수 있음이 당업자에 의해 이해되어야 한다. 또한, 본 발명의 플라즈마 생성원은 HDP-CVD 시스템에 가장 적합하지만, PECVD 시스템 및 엣칭 시스템과 같은 임의의 시스템에서도 본 발명이 채용될 수 있다.

부가적으로 도 1b 및 2를 참조하면, 흔히 "플라즈마 공급원"이라고 하는 플라즈마 생성 장치(11)가 도시되어 있다. 상기 플라즈마 생성 장치(11)는, 공동(12)을 형성하는 외측, 상부 및 하부 벽면(28, 30, 31)과 내측 벽면(27)을 포함하는 케이싱으로 구성된다. 상기 내측 벽면(27)은 원통형상이고, 플라즈마 함유 영역(18)을 형성하는 내부를 갖는다. 플라즈마 함유 영역(18) 내부에 플라즈마를 생성하기 위한 전자기 에너지원(13)이 상기 공동(12)의 내부에 배치된다. 바람직하게는, 전자기 에너지원이 헬리컬 코일(13)이다. 상기 플라즈마 함유 영역(18)의 상단에 덮개부(15)가 배열되어 플라즈마 생성 장치의 상부를 형성한다. 상기 덮개부(15)는 평평한 플레이트일 수 있고, 돔형상의 면이거나 또는 다른 적절한 덮개일 수 있다. 대안적으로, 플라즈마 생성 장치의 상부를 형성하기 위하여 플라즈마 함유 영역(18)의 상단에 상부 가스 주입 매니폴드가 배열되어, 적어도 하나의 가스상 화학물질을 플라즈마 함유 영역(18)으로 이송하는데 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 플라즈마 공급원(11)은 원통형상이고 당해 기술 분야에서 유도적으로 결합된 플라즈마(ICP)로 분류되는 형태이다.

상기 플라즈마 공급원(11)은 비자성 물질로 이루어진 원통형의 슬롯이 형성된 전자기적 시일드(19)("시일드"라 함)를 더 포함하는데, 상기 시일드(19)는 일반적으로 코일(13)과 내측 벽면(27) 사이의 공동(12) 내에 배열된다. 시일드의 접지를 제공하기 위해, 상기 시일드(19)가 스크류 또는 스프링 부하를 받는 접촉부(14)를 통해 플라즈마 공급원(11)의 외측 벽면(28)에 부착된다. 실제적인 적용을 위해, 상기 시일드(19)가 케이싱에 전기적으로 레퍼렌싱되고(referenced), 통상적으로 상기 전기적 레퍼런스는 접지이다. 그러나, 상기 전기적 레퍼런스가 제로가 아닌 전위(potential)로 설정되는 용도도 있을 수 있다. 바람직하게는, 내측 벽면(27)이 석영 또는 고순도 세라믹과 같은 저손실 유전체 물질로 이루어진 라이너(liner)이고, 상부, 하부 및 외측 벽면(28, 30, 31) 그리고 시일드(19)는 비자성의 고전도성 금속을 포함한다. 상기 라이너(27)는 일반적으로 원통형이고 플라즈마 함유 영역(18)에 노출된 벽면을 형성한다.

특히 유리하게는, 정전기적 시일드(19)가 그 내부에 형성된 다수개의 긴 개구(33)를 갖는다. 도 1a, 2 및 3에 도시된 바와 같이, 상기 개구(33)는 종방향으로 연장되고 시일드(19) 주위로 원주방향으로 이격된다. 종래기술에 의하면, 정전기적 시일드가 공급원과 플라즈마 영역 사이의 전기장 에너지를 차단하기 위해 사용된다. 본 발명의 배경기술에서 이미 언급된 바와 같이, 본 발명자들은 종래기술의 정전기적 시일드가 부적절하다는 것을 발견하였다. 본 발명자들은 이와 같은 이전의 부적절함은, 플라즈마 영역에 결합되는 전자기 에너지의 양과 분포를 제어하도록 구성된 본 발명의 플라즈마 생성 어셈블리에 의해 처리된다는 것을 알아냈다. 상기 플라즈마 영역(18)에 연결된 전자기 에너지의 양과 분포를 제어함으로써, 생성되는 전기(E)장 및 자기(H)장의 크기, 및 자기장에 대한 전기장의 비율(E/H)이 제어될 수 있다. 본 발명자들은 상기 장(field)들의 크기 및 비율이, (특히 라이너(27)의 벽면에 따른) 플라즈마 함유 영역 내부의 온도, 플라즈마의 분포, 플라즈마의 이온 밀도, 및 상기 장치의 자기 점화(self-ignition) 능력을 포함하는, HDP-CVD 시스템의 작용에 대해 다양한 효과를 미친다는 것을 발견하였다. 따라서 매우 유리하게는, 본 발명이 전자기 에너지의 연결을 제어하도록 구성된 플라즈마 생성 장치를 제공하여 플라즈마 함유 영역 내부의 온도, 플라즈마 분포 및 플라즈마 이온 밀도를 조절하고, 자기 점화를 가능하게 한다.

본 발명에 따르면, 이는 하기의 방법으로 달성된다. 즉, 상기 시일드(19)가, 시일드(19) 내에서, 미노출 영역에 맞춰 노출 영역을 구성하고 노출 및 미노출 영역을 배치함으로써, 플라즈마에 결합되는 전자기 에너지의 양과 분포를 제어한다. 도 2내지 6을 참조하면, 플라즈마 생성 장치의 4개의 실시예가 도시된다. 도 2는 본 발명의, "광폭 슬롯"으로 칭하여지는, 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 단면도를 도시한 것이다. 라이너(27)를 제거하여 코일(13)과 라이너(27) 사이에 배열된 시일드(19)를 선명하게 도시하였다. 상기 시일드는 라이너(27)의 길이와 같이 연장될 수 있다. 대안적으로, 상기 시일드가 상기 라이너(27)의 길이의 일부만을 또는 대부분을 따라 연장될 수 있다.

상기 시일드(19)는 상단부(21a) 및 하단부(21b)를 가지며, 상기 시일드(19)의 내부에 다수개의 개구(33)가 형성된다. 도 2-6 상에서는 상기 개구(33)가 동일한 축적으로 표시되지 않고, 세부를 나타내도록 확대하여 도시되었다. 예시적 실시예에서는, 상기 개구(33)가 신장되고 시일드(19)의 원주 주위로 연장된다. 상기 개구(33)는 이 실시예에서 동일한 폭을 가지고 등간격으로 이격되나, 하기한 바와 같이, 불균일한 폭과 간격으로 형성될 수도 있다. 상기 개구(33)는 실질적으로 시일드(19)의 단부(21a, 21b)들 사이에서 상당 부분에 걸쳐 연장될 수 있다. 대안적으로, 상기 개구(33)는 실질적으로 상기 단부들 사이 대신에 시일드(19)의 길이중 일부만을 따라 연장될 수 있다. 이와 같이 개구가 단부들을 통하여 연장되지 않는 구성은 또한 "폐쇄-단부 시일드"라고 한다는 것에 유의할 필요가 있다.

특히 바람직하게는, 도 2에 도시된 플라즈마 생성 장치가 증가된 양의 전자기 에너지를 결합시키기 위해 구성된다. 상세하게는, 상기 장치가 플라즈마 생성 장치(12)로부터 플라즈마 영역(18)으로의 증가된 용량성 결합을 위해 구성된다. 상기 시일드는 종래 기술과 비교할 때 광폭의 개구를 포함하는데, 이와 같은 광폭 개구는 코일로의 보다 많은 노출을 제공하고 따라서 보다 다량의 전자기 에너지가 플라즈마 영역(18)에 용량적으로 결합된다. 상기 시일드는 대략 시일드(19)의 총 영역의 20% 내지 50%, 바람직하게는 20% 내지 40% 범위의 노출 영역(즉, 개구(33) 영역)을 가지고, 가장 바람직하게는 30%의 노출 영역을 가진다. 예시적 실시예에서, 대략 36개의 개구가 시일드(19) 내에 형성되고, 약 1.0 인치 간격으로 이격된다. 36개의 개구 각각이 약 0.63 인치의 너비를 갖는다. 상기 개구(33)는 하나의 개구의 확대 단면도를 나타낸 도 4a에 보다 명료하게 도시된다. 증가된 노출 영역은 현저한 장점을 나타내는데, 이는 특히 상기 장치로 하여금 자기 점화 및 상승된 압력에서 작동 가능하게 한다.

"모래시계(hour-glass)" 실시예로 지칭되는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치(11)의 단면도를 나타낸 도 3에서 플라즈마 생성 장치의 대안적 실시예가 도시된다. 라이너(27)는 역시 시일드(19)를 보다 명확히 도시하기 위해 제거되었다. 상기 시일드(19)는 코일(13)과 라이너(27)사이에 배열되고 내부에 형성된 다수개의 개구(33)를 포함한다. 이 모래시계 실시예에서는, 도 2에 도시된 광폭 실시예에 비해 중심 영역에서의 보다 작은 용량성 결합때문에, 플라즈마 생성 장치가 보다 소량의 전자기 에너지를 결합하도록 구성된다. 상기 모래시계 실시예에서, 개구(33)는 신장되고, 시일드(19)의 원주 주위로 연장된다. 상기 개구(33)는 등간격으로 이격되고, 단부면(21a, 21b)들 사이의 대부분에 걸쳐 연장된다. 대안적으로, 상기 개구가 시일드(19) 길이의 일부만을 따라서 연장될 수 있다. 또한, 상기 개구(33)의 배치는 방위적으로 변할 수 있는데, 다시 말해 상기 개구가 시일드(19)의 원주 주위에서 불균일하게 이격될 수 있다. 그러나, 이 실시예에서, 상기 개구(33)는 일정한 폭을 갖지 않는다. 상기 개구(33)는, 하나의 개구의 확대 단면도를 나타낸 도 4b에서 보다 명확히 도시된다. 개구(33)는 균일한 폭을 갖지 않고 보다 좁고 신장된 중간 영역(34)을 가지며, 상기 중간 영역은 개구(33) 단부의 2개의 확대 영역(35a, 35b) 사이에 배열된다. 이 실시예에서, 개구(33)의 좁고 신장된 영역(34)에 의해 시일드(19)의 중간 영역 내에서 코일과 플라즈마 사이의 용량성 결합의 레벨을 감소시킴으로써, 결합된 전자기 에너지의 분포가 변화된다. 상기 시일드는 대략 시일드(19)의 총 영역의 40%와 같거나 그 미만, 바람직하게는 15% 내지 40% 범위의 노출 영역(즉, 개구(33) 영역)을 가지고, 가장 바람직하게는 30%의 노출 영역을 가진다. 예시적 실시예에서, 대략 36개의 개구가 시일드(19) 내에 형성되고, 이들은 이 예시적 실시예에 대해 약 1.0 인치로 등간격으로 이격되며, 36개의 개구 각각은 하기의 치수를 갖는다. 즉, 단부 영역(35a, 35b)이 각각 약 0.63 인치의 너비를 가지고, 중간 영역(34)이 약 0.06 인치의 너비를 갖는다. 단부 섹션의 길이는 동일하거나 상이할 수도 있으며, 일 실시예에서 단부 섹션(35a,35b)의 길이는 각각 대략 1.5인치 및 1.25인치이며, 중앙 영역(34)의 길이는 대략 1.75인치이다. 특정 치수가 주어졌지만, 원하는 효과를 얻을 수 있도록 개구의 다른 칫수, 간격, 및 변위가 시일드를 구성하는데 사용될 수도 있다.

플라즈마 생성 장치의 다른 실시예가 도 5에 도시되어 있는데, 도 5는 "개방형 단부"로서 언급되는 본 발명의 제 3실시예에 따른 플라즈마 생성 장치의 부분 단면도이다. 다시, 라이너(27)는 시일드(19)를 명확하게 도시하기 위해 절단된다. 시일드는 코일(13)과 라이너(27) 사이에 배치되어 있다. 이러한 개방형 단부 실시예에서, 다수의 긴 개구(33)가 시일드 내에서 시일드(19)의 둘레 주위를 따라 연장되어 있지만, 일 실시예에서는 개구의 일단부가 "개방형" 단부 시일드를 형성하도록 시일드의 바닥면(21b)을 통해 연장한다. 추가로, 시일드(19)의 바닥면(21b)은 라이너(27)의 길이의 일부만을 따라서 연장될 수도 있는데, 이에 의해 하나 이상의 모든 코일 또는 그 중 일부가 노출된다. 개방형인 시일드 단부는 고전류 코일 단부(코일의 접지 단부)와 대면해야만 한다. 이러한 경우, 코일은 봉입체(enclosure)의 바닥벽(31)에 접지되어 있다. 코일의 다른 단부(즉, 코일의 팁부 또는 저전류 단부)와 접해있는 시일드의 단부는 챔버의 몸체에 부착된다(즉, 접지된다). 따라서 이경우 실드의 상단부(21a)는 봉입체의 상부 벽(30)에 부착된다. 시일드의 개방형 단부의 위치는 코일의 어떤 단부가 접지(고전류)되었는지에 따라 달라지며, 따라서 시일드의 바닥 또는 상부 중 하나를 향할 수 있다. 결과적으로, 개방형 단부의 실시예에서, 플라즈마 생성 장치는 상기한 실시예들 보다 많은 양의 전자기 에너지를 결합하도록 구성된다. 특히, 시일드는 대략 5 내지 40%의 범위의 노출 영역을 가지며, 바람직하게는 5 내지 30%의 노출 영역, 가장 바람직하게는 20%의 노출 영역을 가진다. 도 5에 도시된 실시예에서, 개구(33)는 대략 1/8 내지 1/2인치의 일정한 폭을 가진다. 대략 36개의 개구가 시일드(19) 내에 형성되며, 대략 1.0인치로 일정하게 이격되어 있다. 그 대신에, 개구는 다른 폭 및/또는 간격을 가질 수도 있으며, 개구는 중앙 부분이 좁거나 단부 부분이 넓은 모래-시계 실시예에서와 같은 개구 형태를 가질 수도 있다. 다른 대안적인 실시예에서, 몇몇 개구는 일단부면을 통해 연장하는 반면, 다른 단부는 두 단부면의 일부분 사이에서만 또는 대부분 사이에서 연장할 수도 있다. 상기한 모든 상이한 개구(33) 패턴은 플라즈마에 연결된 전자기 에너지의 양 및 위치를 제어하기 위한 하나의 목적을 갖는다.

개방형 단부 시일드의 부착은 중요하며, 이러한 실시예에서, 시일드의 상단부(21a)는 플라즈마 공급원(12)의 외부벽(28)에 부착된다. 관통하여 연장하는 개구(33)를 갖춘 시일드의 바닥 단부(21b), 즉 개방형 단부는 현가되며, 어떠한 표면에도 부착되지 않는다. 따라서, 시일드(19)는 폐쇄된 단부에서 플라즈마 공급원(12)에 접지되며, 이러한 경우 상단부(21a)는 코일의 개방형 단부(저전류)에 접한다.

이러한 본 발명의 실시예는 시일드가 그의 양단부에서 접지될 때 생성되는 현상을 기술함으로써 이해될 수 있는 바와 같은 특별한 장점을 제공한다. 상기한 모래시계 실시예에 의해 기술된 바와 같이 양단부가 모두 접지되는 시일드는 종래 기술에 비해 현저한 장점을 제공하지만, 양단부의 접지는 개구의 방출 길이를 효과적으로 짧게하는 효과를 제공한다. 개구는 시일드의 어느 일측부상에서 단락되며, RF 표면 전류가 고전도 금속상에서 시일드를 따라 용이하게 흐른다. 이는 전자기 에너지의 플라즈마로의 유도 결합량을 제한한다. 본 발명의 발명자들은 나선형 코일의 고전류 단부(즉, 접지 단부)에 대면하는 시일드의 일단부를 통하는 모든 경로를 통해 적어도 하나의 개구를 연장시키고, 시일드의 단부와 접지 사이의 전기적 접속을 단절시킴으로써 이러한 효과를 해결하였다. 이러한 특별한 시일드 실시예(즉, 개방형 단부 시일드)에서, 개구를 가로질러 발생된 방위각 전기장은 개구의 단부(현재 개방되어 있는)에서 단락되지 않으며, 따라서 전자기 에너지의 유도 결합이 증가된다. 동시에, 코일과 플라즈마 사이의 용량적 결합이 현저하게 증가되지 않는데, 이는 시일드와 공급원 몸체 사이에 형성된 개방 갭이 나선형 코일의 "낮은 포텐셜(즉, 저전압)" 단부에 인접하기 때문이다. 본 발명의 발명자들은, 본 발명의 모든 실시예에서, 코일의 상부 보다 웨이퍼 표면(24)에 더 인접한 코일의 바닥에 나선형 코일의 고전류 단부를 위치시킴으로써, 플라즈마 밀도 지점을 웨이퍼 표면(24)에 더 인접하게 위치시킬 수 있는 또 다른 장점이 제공됨을 이해하였다. 이는 웨이퍼 상에 증착된 박막의 품질을 개선시킨다.

따라서, 플라즈마 공급원 몸체에 부착되지 않은 시일드(19)의 개방형 단부는 코일(13)의 고전류 단부(접지 단부)에 대한 위치에 대응하도록 배향되며, 이러한 위치는 웨이퍼 표면(24)에 가장 인접한 시일드(19)의 바닥 단부에 위치될 것이다. 코일의 고전류 단부(접지 단부)를 수반하는 시일드(19)의 개방형 단부를 갖춘 플라즈마 장치(11)의 구성은 슬롯(33)의 유효 방출 길이를 증가시키는 것과 동일한 효과를 가지는데, 즉 공급원과 플라즈마 생성 영역 사이의 유도 결합을 증가시킨다. 이러한 방식을 갖는 장치의 구성은 플라즈마 밀도를 증가시키며, 플라즈마를 점화시키기 위한 공급원의 능력을 증가시킨다. 폐쇄 단부형 시일드에서 달성되는 온도에 비해, 높은 플라즈마 밀도는 높은 웨이퍼 온도를 나타낸다. 또한, 개방 단부형 시일드에 있어서, 공급원은 폐쇄 단부형 시일드 구성이 갖는 공급원 보다 상당히 좁은 개구로 플라즈마를 점화시킬 수 있다. 이는 공급원의 플라즈마 점화 성능을 손상시키지 않으면서 시일드의 스크린 효과의 모든 장점을 취할 수 있게 한다.

본 발명은 플라즈마 공급원으로부터 플라즈마 함유 영역으로의 전자기 에너지의 양 및 분포를 제어하도록 구성된 플라즈마 생성 장치를 제공한다. 본 발명의 발명자들은 전자기 에너지를 제어하고 최적의 온도, 플라즈마 균일성, 및 이온 밀도를 제공하기 위한 필드 분포 및 크기를 제어하기 위해, 전기장 및 자장 분포, 상대 밀도, 및 플라즈마 생성 장치의 구성을 평가하기 위한 여러 시험을 수행하였다.

다수의 실험은 실험용 플라즈마 장치를 사용하여 수행되었다. 전자기 에너지의 공급원으로서 나선형 코일을 갖춘 플라즈마 생성 장치가 사용되었다. 이러한 특별한 실험에서, 나선형 코일은 그의 상단부(즉, 상부벽(30)에서)가 접지되었다. 5개의 수직하게 배열된 홀을 포함하는 개구를 갖춘 시일드가 코일과 플라즈마 함유 영역 사이에 배치되었다. 36 칼럼의 홀이 시일드의 둘레 주위에 형성되었고, 이에 의해 둘레 주위에 5개의 원형 홀 배열이 형성되었다. 홀 배열은 1 내지 5로 번호를 부여하였다. 데이터가 시일드 주위의 정확한 수직 및 방위 위치에서 수집될 수 있도록, 홀은 긴 개구에 대향하도록 사용되었다. 두 개의 인접한 홀 사이의 방위각 거리(하나의 원형 홀 배열에서)는 10°였고, 홀들 사이의 수직 거리(각각의 원형 홀 배열 사이의 거리)는 0.9인치였다. 전기장 및 자기장 밀도를 측정하기 위해, 간단한 탐침(안테나) 및 소형 루프가 사용되었다. 루프를 사용함으로써, 밀도의 측정과 함께 자기장의 방향이 측정될 수도 있다. 특히, 픽업 신호가 최대가 되도록 탐침을 회전시킴으로써, 루프 평면은 자기장 라인에 수직하게 회전되어야 한다. 측정은 뉴욕에 소재한 휴렛-팩커드사의 "분석기 모델 8753D"를 사용하여 수행되었다.

시일드를 따라 여러 수직한 위치에 대한 방위각 위치의 함수에 대한 플라즈마 생성 공급원 내부의 전기장의 분포는 도 7에 도시되어 있다. 측정에 의해 커버되는 영역은 시일드의 높이 및 완전한 써클 방위각에 의해 대략적으로 주어진다. 전기장 밀도(y축)는 데시벨 단위의 전기장 전력 밀도로써 표시된다. 전기장의 최하 밀도는 0으로 설정되었다. 6데시벨의 차이는 전기장 밀도(또는 전압 및 전류)의 두 배와 등가이거나, 또는 전력 밀도의 4배와 등가이다. 곡선(#1 내지 #5)은 시일드의 둘레를 따라 수직하게 위치된 5개의 원형 홀 배열의 위치를 나타낸다.

도 7의 그래프는, 전기장의 최대값이 나선형 코일의 개방형 단부에 가장 인접하도록 설정된 가장 낮은 홀 배열의 써클에서 형성되지 않고, 홀 배열(#4)이 바닥으로부터 0.9인치 상부에 위치된 평면에서 형성된다는 것을 보여준다. 홀 배열(#1 및 #5)을 제외하고, 전기장은 시일드에 대해 방위각 상으로 일정하다. 도 7에서 점(A)에서의 곡선(#5)에 대한 전기장 밀도의 급격한 하락은 나선형 코일의 개방형 단부에 대응한다.

도 8에는 전기장의 분포와 보완적인 자기장의 분포가 도시되어 있는데, 여기서는 나선형 코일의 접지점 부근에서 절대 최대값을 가지며, 나선형 코일의 개방형 단부(이러한 특별한 구성에서는 바닥에서 배향된다)에서 최소값을 가진다. 도 7에 도시된 전기장 분포와는 달리, 자기장은 접지 지점과 RF 입력부 사이에서 120°로 제한된 분명한 최대수치에서 방위적으로 변동한다. 절대 최대수치는 나선 형상의 코일의 접지에 가장 근접한 홀 배열(즉, 구멍 배열 #1)의 가장 높은 원을 따른 수치가 아니라, 상부로부터 0.9" 아래로 위치된 원형 구멍 배열 #2이 위치되는 평면 상에서 최대 수치를 갖는다. 나선 형상의 제 1 선회부상의 RF 입력 탭의 위치의 효과는 원형 홀 배열 #1 둘레의 전기장의 불균일함에 책임이 있는 것으로 간주된다.

전기장 및 자기장 분포를 보다 평가하기 위해서, 상기 전기장 및 자기장은, 방위 위치를 변화시키는 변수로 하여, 시일드를 따른 수직 위치의 함수(즉, 원형 홀 배열 수)로서 도시된다. 전기장 및 자기장에 대한 결과는 도 9 및 도 10에 각각 도시되어져 있다. 본 발명자는 구멍 배열 위치 #4 및 #5 사이의 코일의 팁 부근의 전기장 피크(즉, 특정 경우에서 최저 영역)를 발견하였다. 대조적으로, 자기장의 유사 측정은 코일의 접지(특정 경우에 있어서 코일의 접지는 상부 영역이다) 부근이 아닌, 시일드의 수평방향 중간평면을 중심으로 비교적 중심을 잘 맞춘 것으로 나타난다. 이러한 발견은 코일 접지 측면에서 시일드의 개구가 공급원와 플라즈마 발생 영역 사이의 유도 결합의 레벨을 증가시키는 이유를 설명해준다.

이로 인해, 본 발명자는 발생된 전기장 및 자기장이 플라즈마 발생 장치의 기하학적 형상 특히, 정전기 시일드 및 코일 배열에 대해 측정된 것이라는 결론을 내렸다. 본 발명은 전자기 에너지가 플라즈마 함유 영역에 결합되는 방식을 선택적으로 제어하기 위해 배열된 플라즈마 발생 장치를 제공함으로써 더 큰 잇점을 제공한다. 이는 상기 장치가 전기장 대 자기장의 비(E/H)와 전기장 및 자기장의 크기를 제어하기 위해 최종적인 전기장(E) 및 자기장(H)을 형성하도록 한다. 본 발명자는 자기장 및 전기장의 강도 및 비가 플라즈마 함유 영역 내의(특히 라이너(27)의 벽을 따른) 온도, 플라즈마의 분포, 플라즈마의 이온 밀도, 및 자체 점화에 대한 장치의 용량을 포함하는, HDP-CVD 시스템의 작동에 다양한 영향력을 갖는다. 따라서, 본 발명은 보다 바람직하게 플라즈마 함유 영역 내의 온도, 플라즈마 분포, 및 플라즈마 이온 밀도를 제어하고 자체 점화를 가능하게 하기 위해 배열된 전술한 플라즈마 발생 장치를 제공한다.

또한, 나선 형상의 코일의 플라즈마 공급원 자체는 장(field) 비대칭을 갖는다. 따라서, 플라즈마 장치 특히 시일드는 플라즈마 함유 영역 내의 플라즈마 균일도를 제어하기 위해 배열되며, 보다 균일한 웨이퍼 처리를 제공한다. 이는 본 발명에 따라 시일드가 플라즈마 균일도에 영향을 미치기 위한 HDP-CVD 시스템에 대한 추가의 제어 기구로서 배열됨으로 인해 상당한 잇점을 갖는다. 본 발명의 다양한 실시예는 방위 및 수직 방향을 따른 모든 불균일함을 해결하기 위해 구성된다. 이는 종래 기술에 따른 방위적으로 균일한 정전기 시일드에 의해 수행된 공급원와 플라즈마 사이의 용량 결합만을 제한하는 간단한 기능과는 대조적이다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 최종적인 전자기장의 크기 및 배열을 제어하기 위해 배치되어 있다. 시스템의 작동중에, 용량 결합된 전기장은 공급원의 챔버 벽의 방향을 따라 방사상으로 배향되어 있다. 이는 이온이 벽을 향해 전기장 벡터를 따라 운반되며 고온을 초래하는 벽 상에서 충돌로 인해 플라즈마 함유 영역 내의 최종적인 온도에 중요한 영향을 미친다. 높은 전기장 강도의 영역에서, 온도는 증가한다. 이러한 온도 효과는 플라즈마 함유 영역(18)의 벽을 형성하는 라이너(27)의 대응 영역을 따라 특히 나타난다. 비교적 고압을 요하는 반응기의 세정 등의 임의의 작업중에, 플라즈마 함유 영역(18) 내에서 플라즈마가 보다 강화된다. 이는 라이너(27)를 따라 고온 및 높은 온도 구배를 초래한다. 이러한 문제점은 용량 결합된 전자기 에너지를 제어함으로써 설명될 수 있으며, 본 발명은 가장 높은 전기장 강도의 영역 내에서 플라즈마에 용량 결합을 감소시키기 위해 배열된 플라즈마 발생 장치를 제공한다. 도 9에 도시되어진 바와 같이, 방사상 전기장은 시일드의 수평 중간평면 주위에서 가장 높은 강도를 갖는다. 본 발명의 일 실시예(도 3에 도시된 모래시계(hour-glass)의 실시예)에서, 플라즈마 발생 장치는 넓은 단부 영역과 좁은 중간 영역을 갖는 시일드를 구비한다. 상기 실시예에서, 시일드는 중간 영역내의 플라즈마에 전자기 에너지의 용량성 결합량을 제한함으로써 전기장을 보다 균일하게 분포하기 위해 배열되어, 상기 영역 내의 방사상 전기장을 감소시킨다. 도 3에 도시된 모래시계 실시예는 상기 문제점을 설명하기 위한 바람직한 실시예이다. 또 다른 잇점으로서, 모래시계 실시예 내의 넓은 단부의 개구는 장치가 보조 점화 수단을 필요로 하지 않고 자체적으로 점화될 수 있도록 전자기 에너지의 충분한 결합을 제공한다.

다양한 공정 압력에서 라이너(27)의 온도를 평가하기 위해 다수의 실험이 행해졌다. 결과에 대한 예가 본 발명의 모래시계를 이용한 챔버 압력의 급격한 증가에 대한 시간의 함수로서 라이너의 수직 길이를 따른 임의의 위치에서 온도를 도시한 도 11에 도시되어 있다. 6개의 열전쌍(TC's #1-#6)은 TC #6이 라이너의 바닥에 위치된 상태로 라이너의 수직 길이를 따라 위치된다. TC #1은 실험에서 초기에 탈락되었음을 인지해야 할 것이다. 열전쌍은 대략 0.9" 간격으로 수직으로 위치된다. 라이너 온도의 방위각 의존도는 라이너를 삽입된 열전쌍과 함께 나선에 대해 회전시킴으로써 증명된다. 압력은 NF₃ 가스 유동의 도입으로 플라즈마 함유 영역 내에서 급격하게 증가된다. 이는 세정 작업중의 공정 조건을 시뮬레이션하게 된다. 도 11에 도시되어진 것과 같이, 압력은 100초 내에 0.1 Torr로 부터 3 Torr 로 증가되며 0.4 Torr로 이하로 서서히 감소된다. 라이너의 온도는 200℃ 이상 증가되지 않으며, 상기 온도는 라이너 재료의 열적 안정성 범위 내이다. 상기와 같이 나타난 결과는 균일한 넓은 개구 시일드로 얻어진 온도 분포 패턴과는 상당히 대조적이다. 넓은 개구의 실시예에서는, 보다 넓은 압력 범위에 대해 존재하는 라이너에 걸친 큰 온도 구배가 0.5 Torr 내지 3 Torr이다.

본 발명은 공급원에 의해 달성될 수 있는 이온 밀도를 증가시키도록 구성된 플라즈마 발생 장치를 제공한다. 본 발명자는 플라즈마 공급원이 나선 형상의 코일의 고유의 전기 비대칭성으로 인해 특히 불균일한 플라즈마를 발생시킴을 발견하였다. 이러한 비대칭성은 발생된 전기장 및 자기장의 분포에서 찾아볼 수 있다. 플라즈마 함유 영역 내의 최대 RF 자기장의 영역은 최대 전류를 나타내는 코일의 영역에 대응한다. 플라즈마 공급원 조립체 기하학적 형상 특히, 코일의 고 전류 영역으로부터 전자기 에너지의 강 유도 결합을 달성하기 위해 정전기 시일드의 기하학적 형상을 배열함으로서, 조립체 의해 발생된 이온 밀도는 증가된다. 이러한 플라즈마 조립체의 실시예는 도 5에 도시된 본 발명의 개방된 단부의 실시예이다. 특히, 시일드(19)의 한 단부면(21a,21b)은 시일드가 단부면 상에서 "개방된 단부"가 되도록 단부면을 통해 연장하는 개구(33)를 갖는다. 이러한 단부는 나선 형상의 코일의 고 전류 영역에 대응한다. 개구(33)를 개방되게 배열함으로서, 시일드 상의 유도 표면 전류에 의해 발생된 개방된 단부 부근의 개구를 가로지른 전기장은 상당히 증가된다. 용량 결합에 의해 발생된 방사상으로 향하는 전기장과는 달리, 전기장은 솔레노이드형(방위)이며, 외부 벽(28)을 향해 플라즈마 전자를 가속화시키지 않는다. 개구의 개방된 단부가 최대 전류의 영역 부근에 위치됨으로 인해, 이러한 배열은 플라즈마로 유도 결합되는 전자기에너지량을 효율적으로 증가시킨다.

본 발명의 장치는 플라즈마 공급원의 비대칭성을 무효화하거나 보완하기 위해 배열될 수 있다. 특히, 도 6에 도시된 본 발명의 실시예에서, 플라즈마 발생 장치(11)는 비대칭성을 보완하기 위해 배열되며 플라즈마 함유 영역 내에 전기장(최종 플라즈마)의 균일한 분포를 제공한다. DC 자기장이 인가될 때 임의의 고유 플라즈마 공급원 비균일도가 보다 두드러지기 때문에, (영구 자석 또는 DC 코일 등의) 자기장 독립 공급원이 이용될 때 플라즈마 균일도를 제어하는 것이 특히 중요하다. 도 6을 참조하면, 시일드(19)는 상이한 폭, 간극, 및 길이의 개구(33)를 이용한다. 보다 넓은 개구가 위치됨에 따라, 전자기 에너지의 용량 결합이 요구되는 노출 영역이 증가된다. 개구가 좁아지거나, 또는 개구 사이의 간극이 넓어질수록,높은 방사상 전기장의 영역에서와 같이 낮은 용량 결합이 요구된다. 개구는 모래시계의 형태이거나, 개방된 단부를 갖거나, 또는 요구되는 전자기 결합의 강도 및 분포에 따라 일정한 폭을 가질 수 있다. 더욱이, 상기 시일드는 임의의 구역에서 상기 시일드의 임의의 구역이 개구를 포함하지 않는 것을 의미하는 "블랭크 오프(blanked off)"될 수 있다. 특정한 일 실시예가 제시되었지만, 많은 조합이 본 발명의 사상에 따라 플라즈마를 더욱 균일하게 분배하기 위하여 적용될 수 있다.

실험

많은 웨이퍼는 본 발명의 플라즈마 생성 장치를 이용하여 처리된다. 이러한 예들은 예증에 의하여 제공되지만 이에 제한되는 것은 아니다.

실험 1

반도체 웨이퍼는 (1) 광폭형 실시예 및 (2) 모래시계 실시예와 같은 본 발명의 두개의 상이한 실시예들에 따른 플라즈마 생성 장치를 가지는 도 1a에 도시된 바와 같은 반응기를 이용하여 처리된다. 이산화 규소 층은 다음과 같은 처리 조건을 이용하여 웨이퍼의 표면에 증착된다.

처리 조건:

플라즈마 생성 장치; 헬리컬 코일을 구비한 와이드 실시예 및 모래시계 실시예 시일드

플라즈마 생성 공급원 전력; 5 kW

바이어스 전력; 0, 1.25 및 2.45kW

챔버 압력; 5 mTorr

가스 유동; 아르곤(Ar) @ 213 sccm

산소(O₂) @ 190 sccm

실란(SiH₄) @ 95 sccm

증착 결과, 습식 에칭율(wet etch rate ratio; WEER), 및 아르곤(Ar) 스퍼터율이 계산된다.

상기 결과는 아래와 같이 요약된다.

증착 결과

광폭형 실시예
rf. 바이어스 kW	증착율 A/min	균일성 %	RI-엣지	RI-센터
0	6530	3.28	1.4765	1.4783
1.25	5324	3.5	1.4665	1.4644
2.45	4508	4.29	1.4651	1.4651
모래시계 실시예
rf. 바이어스 kW	증착율 A/min	균일성 %	RI-엣지	RI-센터
0	6574	3.65	1.4766	1.4748
1.25	5295	3.54	1.4664	1.4648
2.45	4422	3.91	1.4624	1.4647

삭제

표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 이산화 규소 층은 rf. 바이어스 없는 및 rf. 바이어스가 있는 조건하에서 웨이퍼 지지부(20)에 증착된다. 증착율, % 균일성 및 굴절률(RI)이 측정된다. 목표하는 결과는 본 발명의 와이드 및 모래시계실시예들로부터 달성된다.

WEER이 측정되며, 상기 결과는 아래 표 2에 제시된다: WEER은 고정 시간동안 샘플 웨이퍼를 완충산조(buffered acid bath)에 디핑(dipping)함으로써 결정되며, 에칭의 균일성이 측정된다. 상기 결과는 필름 증착 공정의 품질을 나타내는 것 중의 하나인 필름 밀도를 나타낸다.

WEER

광폭형 실시예
rf. 바이어스(kW)	WEER	균일성 %
0	687	3.1
1.25	509	4.93
2.45	465	2.77
THOX	233	-
모래시계 실시예
rf. 바이어스(kW)	WEER	균일성 %
0	731	3.47
1.25	519	4.46
2.45	450	2.5
THOX	238	-

삭제

다음으로, Ar 스퍼터율은 계산되며 그 결과는 아래 표 3에 제시된다.

Ar-스퍼터율

광폭형 실시예
rf. 바이어스(kW) @5 Torr Ar	스퍼터율(A/min)	균일성 %
1.25	2748	10.6
모래시계 실시예
rf. 바이어스(kW) @5 Torr Ar	스퍼터율(A/min)	균일성 %
1.25	2783	10.25

삭제

도시된 바와 같이, 본 발명의 두 개의 실시예들은 밀접한 관계를 가지고 목표된 결과를 제공한다.

실험 2

(1) 종래 기술('529 특허)에서 공지된 타입의 플라즈마 생성 장치를 이용하며, (2) 개구들(33)이 시일드(19)의 주변의 대략적인 하나의 절반부 둘레로만 연장하는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성 장치를 이용하여, 웨이퍼상에 증착된 필름의 증착 균일성을 비교하는 2 세트의 실험들이 수행된다. 그러므로, 상기 시일드의 주변의 다른 반부는 충만되며 개구를 포함하지 않는다(즉 상기 시일드의 하나의 절반부는 "블랭크 오프"된다). 이 실시예는 비대칭적으로 배치된 개구를 가진 정전 시일드(19)의 극단적인 케이스로 고려된다. 상기 시일드(19)의 "블랭크 오프" 부분은 코일 접지 및 라이너(27) 사이에 배치된다. 이산화 규소 층은 종래 기술의 시일드 및 본 발명의 장치 모두에 대하여 실험 1에서 제시된 처리 조건을 이용하여 웨이퍼상에 증착된다.

증착된 층의 두께 및 균일성은 프로메트릭스 스펙트라맵 SM300 도구(Prometrix SpectraMap SM300 tool)를 이용하여 계산될 수 있다. 본 발명의 플라즈마 생성 장치를 이용하여 웨이퍼는 1.536 %의 % 비균일성을 나타낸다. 플라즈마 생성 장치 종래 기술을 이용하여 처리된 웨이퍼는 2.136 %의 % 비균일성을 가진다. 그러므로, 본 발명의 장치는 웨이퍼상에 증착된 필름의 균일성에서의 유용한 개선을 제공한다.

실험 3

본 발명의 두개의 상이한 실시예들을 따른 장치를 이용하여 증착된 필름에 대해 증착 두께 및 균일성이 측정된다. 상기 결과는 도 12에 도시된다. 특히, 이용되는 장치는 (1) 시일드의 주변 주위에 배치된 개구들(33)이 균일하게 배분된 "개방-단부형" 시일드(도 11의 라인 C로서 보여진 결과), 및 (2) 넓고 균일하게 분포된 복수의 개구(33)를 구비하고(즉, 폐쇄-단부형 시일드) 시일드(19)의 주변 거의 절반부 주위에 연장되는 시일드를 가지는 플라즈마 생성 공급원을 포함하며, 상기 시일드의 주변의 다른 반부는 충만되며 개구를 포함하지 않는다(즉, 상기 시일드의 하나의 절반부는 "블랭크 오프"된다.)

이산화규소 층은 종래 기술의 시일드 및 본 발명의 장치에 대하여 실험 1에서 제시된 처리 조건을 이용하여 웨이퍼상에 배치된다. 도 12에서, 플라즈마 생성 공급원의 상기 두 개의 실시예들을 이용하여 필름이 증착된 웨이퍼에 대해, 필름 증착 두께를 위치의 함수로서 나타낸 그래프가 도시되어 있다. 특히 개방 -단부식 시일드가 폐쇄-단부식 시일드보다 더 두꺼운 두께(도 12의 라인 C를 참조)를 얻을 수 있다는 것을 보여준다. 필름 두께에서의 상기 증가는 개방-단부식 실시예로 달성되는 더 높은 이온 밀도의 결과이다. 그러나, 폐쇄-단부식 시일드는 개방-단부식 시일드보다 더 향상된 두께 균일성(도 12의 라인 C를 참조)을 가지는 필름을 생산한다. 그러므로, 개구의 분포가 증착 필름의 균일성을 증가시키도록 구성될 수 있다는 것을 보여준다.

본 발명의 특정한 실시예들의 전술된 상세한 설명은 도면 및 상세한 설명의 목적을 위하여 제시된다. 상기 실시예들은 본 발명을 공개된 정확한 형상으로 규명하거나 제한하는 것은 아니며, 명백하게 많은 변형, 실시예, 및 변화는 상기 사상으로서 가능하다. 본 발명의 범주는 첨부된 청구범위 및 그의 등가물에 의하여 한정되는 것으로 의도된다.

Claims

플라즈마를 생성하기 위해 전자기 에너지를 제공하는 플라즈마 생성 장치로서,

내부 플라즈마 함유 영역과 외부 영역을 갖는 봉입체;

상기 플라즈마 함유 영역내에 플라즈마를 생성하기 위해 외부 영역내에 위치된 전자기 에너지의 공급원; 및

상기 플라즈마 함유 영역과 전자기 에너지의 공급원 사이에 배치되며, 상기 봉입체에 전기적으로 연결된 정전기 시일드를 포함하며,

상기 정전기 시일드는 관통되어 형성되는 다수의 개구들을 포함하며, 전자기 에너지의 공급원으로부터 플라즈마 함유 영역으로 결합되는 전자기 에너지의 분포 및 크기를 제어하도록 구성되는 플라즈마 생성 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 시일드는 원통형상이며, 상기 다수의 개구들은 상기 시일드의 원주 둘레를 따라 실질적으로 동일한 간격으로 이격되어 있으며, 상기 개구들은 시일드의 전체 영역의 약 50%까지 노출영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 다수의 개구들은 각각 실질적으로 동일한 너비를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 다수의 개구들은 0.06 내지 0.63인치의 너비를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 다수의 개구들은 약 0.62인치의 너비를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 다수의 개구들중의 하나 이상의 개구는 그 너비가 변화되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 다수의 개구들중의 하나 이상의 개구는 그 길이가 변화되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 시일드는 원통형상이며, 상기 다수의 개구들은 상기 시일드의 둘레를 따라 서로 상이한 간격으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 전자기 에너지의 공급원은 나선형의 공진기인 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 다수의 개구들 중 하나 이상의 개구는 두개의 넓은 개구 영역들 사이의 중간에 위치하는 좁은 개구 영역을 포함하여 개구들의 중간에서 전자기 에너지의 보다 작은 용량성 결합을 제공하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 좁은 개구 영역은 약 0.06인치의 너비를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 9 항에 있어서, 두개의 넓은 개구 영역들 중 하나 또는 둘 모두는 약 1.25인치 내지 1.50인치의 너비를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 전자기 에너지의 공급원들은 나선형 코일이며, 상기 정전기 시일드는 두 단부 표면을 구비하며, 상기 두 단부 표면들중의 하나 또는 모두가 접지(grounded)되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 전자기 에너지의 공급원은 접지형(grounded) 단부 및 개방형 단부를 구비한 나선형 코일이며, 상기 정전기 시일드는 폐쇄형 단부 표면과 개방형 단부 표면을 구비하며, 상기 다수의 개구들 중 하나 이상의 개구는 개방형 단부 표면 전체를 통해 연장되며, 상기 폐쇄형 단부 표면은 접지되고 상기 나선형 코일의 개방형 단부와 대면하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 정전기 시일드는 두 단부 표면들을 포함하며, 상기 전자기 에너지의 공급원들은 코일이며, 상기 코일은 정전기 시일드의 단부 표면들 중 하나 이상의 표면을 넘어 축선방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마 생성 장치는 플라즈마 함유 영역의 중간부에서 전자기 에너지의 공급원에 의해서 발생된 전기장의 크기를 감소시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마 생성 장치는 플라즈마 함유 영역에서 플라즈마의 이온 밀도를 증가시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마 생성 장치는 플라즈마 함유 영역에서 플라즈마를 실질적으로 균일하게 분포시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 플라즈마 생성 장치는 자기 점화할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
플라즈마를 생성하기 위해 전자기 에너지를 제공하는 플라즈마 생성 장치로서,

플라즈마 함유 영역;

상기 플라즈마 함유 영역내에서 플라즈마를 생성하기 위한 전자기 에너지의 공급원; 및

상기 플라즈마 함유 영역과 전자기 에너지의 공급원 사이에 배치되며, 전기적으로 비-제로(non-zero) 전위로 레퍼런싱되는(referenced) 정전기 시일드를 포함하며,

상기 정전기 시일드는 관통되어 형성되는 다수의 개구들을 포함하며, 전자기 에너지가 전자기 에너지의 공급원으로 부터 플라즈마 함유 영역으로 결합하는 방식을 선택적으로 제어하도록 형성되는 플라즈마 생성 장치.
플라즈마 처리 장치로서,

내부 플라즈마 함유 영역과, 외부 영역을 갖는 봉입체를 포함하는 플라즈마 챔버;

상기 플라즈마 함유 영역내에서 플라즈마를 생성하기 위해 외부 영역내에 위치된 전자기 에너지의 공급원;

상기 플라즈마 함유 영역과 전자기 에너지의 공급원 사이에 배치되며, 상기 봉입체에 전기적으로 부착되며, 관통되어 형성되는 다수의 구멍들을 포함하며, 전자기 에너지의 공급원으로 부터 플라즈마 함유 영역으로 결합되는 전자기 에너지의 분포 및 크기를 제어하도록 형성되는 정전기 시일드;

상기 플라즈마 챔버와 연결되어 플라즈마가 내부로 연장되게 하는 공정 챔버;

상기 공정 챔버내에 위치되며, 웨이퍼를 지지하는 웨이퍼 지지부;

상기 공정 챔버내에 배치되며, 상기 웨이퍼 지지부를 둘러싸서 가스가 웨이퍼 지지부를 향하게 함으로써 가스가 플라즈마와 반응하여 웨이퍼 지지부상에 지지된 웨이퍼의 표면을 처리하도록 하는 가스 매니폴드; 및

상기 공정 챔버의 하부로 부터 가스를 제거하기 위한 진공 시스템을 포함하는 플라즈마 처리 장치.
제 21 항에 있어서, 상기 시일드는 원통형상이며, 상기 다수의 개구들은 상기 시일드의 원주 둘레를 따라 실질적으로 동일한 간격으로 이격되어 있으며, 상기 개구들은 시일드의 전체 영역의 약 50%까지 노출영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 21 항에 있어서, 상기 다수의 개구들은 각각 실질적으로 동일한 너비를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 21 항에 있어서, 상기 다수의 개구들은 0.06 내지 0.63인치의 너비를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 21 항에 있어서, 상기 다수의 개구들은 약 0.62인치의 너비를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 21 항에 있어서, 상기 다수의 개구들중의 하나 이상의 개구는 그 너비가 변화되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 21 항에 있어서, 상기 다수의 개구들중의 하나 이상의 개구는 그 길이가 변화되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 21 항에 있어서, 상기 시일드는 원통형상이며, 상기 다수의 개구들은 상기 시일드의 둘레를 따라 서로 상이한 간격으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 21 항에 있어서, 상기 전자기 에너지의 공급원은 나선형의 공진기인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 21 항에 있어서, 상기 다수의 개구들 중 하나 이상의 개구는 두개의 넓은 개구 영역들 사이의 중간에 위치하는 좁은 개구 영역을 포함하여 개구들의 중간에서 전자기 에너지의 보다 작은 용량성 결합을 제공하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 30 항에 있어서, 상기 좁은 개구 영역은 약 0.06인치의 너비를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 30 항에 있어서, 두개의 넓은 개구 영역들은 약 1.25인치 내지 1.50인치의 너비를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 21 항에 있어서, 상기 전자기 에너지의 공급원들은 나선형 코일이며, 상기 정전기 시일드는 두 단부 표면을 구비하며, 상기 두 단부 표면들중의 하나 또는 모두가 접지(grounded)되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 21 항에 있어서, 상기 전자기 에너지의 공급원은 접지형(grounded) 단부 및 개방형 단부를 구비한 나선형 코일이며, 상기 정전기 시일드는 폐쇄형 단부 표면과 개방형 단부 표면을 구비하며, 상기 다수의 개구들 중 하나 이상의 개구는 개방형 단부 표면 전체를 통해 연장되며, 상기 폐쇄형 단부 표면은 접지되고 상기 나선형 코일의 개방형 단부와 대면하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 21 항에 있어서, 상기 반응로는 플라즈마 함유 영역의 중간부에서 전기장의 크기를 감소시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 21 항에 있어서, 상기 반응로는 플라즈마 함유 영역에서 플라즈마의 이온 밀도를 증가시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 21 항에 있어서, 상기 반응로는 플라즈마 함유 영역에서 플라즈마를 실질적으로 균일하게 분포시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 21 항에 있어서, 상기 반응로는 자기 점화할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 21 항에 있어서, 상기 정전기 시일드는 두 단부 표면들을 포함하며, 상기 다수의 개구중 하나 이상은 상기 단부면들 중 하나의 전체를 통해서 연장하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제 21 항에 있어서, 상기 정전기 시일드는 두 단부 표면들을 포함하며, 상기 전자기 에너지의 공급원들은 코일이며, 상기 코일은 정전기 시일드의 단부 표면들 중 하나 이상의 표면을 넘어 축선방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
플라즈마를 생성하기 위해 전자기 에너지를 제공하는 플라즈마 생성 장치로서,

내부 플라즈마 함유 영역과 외부 영역을 갖는 봉입체;

상기 플라즈마 함유 영역내에서 플라즈마를 생성하기 위해 외부 영역내에 위치된 전자기 에너지의 공급원; 및

상기 플라즈마 함유 영역과 전자기 에너지의 공급원 사이에 배치되며, 상기 봉입체에 전기적으로 연결되며, 관통되어 형성되는 다수의 개구들을 포함하며, 전자기 에너지의 공급원으로 부터 플라즈마 함유 영역으로 결합되는 전자기 에너지의 분포 및 크기를 제어하도록 형성되는 정전기 시일드를 포함하며,

상기 다수의 개구들은 시일드의 원주를 따라 이격되어 있으며, 상기 개구들은 시일드의 전체 영역의 약 50%까지 노출영역을 형성하는 플라즈마 생성 장치.
플라즈마를 생성하기 위해 전자기 에너지를 제공하는 플라즈마 생성 장치로서,

내부 플라즈마 함유 영역과 외부 영역을 갖는 봉입체;

상기 플라즈마 함유 영역내에서 플라즈마를 생성하기 위해 외부 영역내에 위치된 전자기 에너지의 공급원; 및

상기 플라즈마 함유 영역과 전자기 에너지의 공급원 사이에 배치되며, 상기 봉입체에 전기적으로 연결되며, 관통되어 형성되는 다수의 개구들을 포함하며, 전자기 에너지의 공급원으로 부터 플라즈마 함유 영역으로 결합되는 전자기 에너지의 분포 및 크기를 제어하도록 형성되는 정전기 시일드를 포함하며,

상기 다수의 개구들중의 하나 이상의 개구는 두개의 넓은 개구 영역들 사이에 좁은 개구 영역을 포함하여 개구들의 중간에서 전자기 에너지의 보다 작은 용량성 결합을 제공하는 플라즈마 생성 장치.
플라즈마를 생성하기 위해 전자기 에너지를 제공하는 플라즈마 생성 장치로서,

내부 플라즈마 함유 영역과, 외부 영역을 갖는 봉입체;

상기 플라즈마 함유 영역내에서 플라즈마를 생성하기 위해 외부 영역내에 위치된 전자기 에너지의 공급원; 및

상기 플라즈마 함유 영역과 전자기 에너지의 공급원 사이에 배치되며, 상기 봉입체에 전기적으로 연결되며, 관통되어 형성되는 다수의 개구들을 포함하며, 전자기 에너지의 공급원으로 부터 플라즈마 함유 영역으로 결합되는 전자기 에너지의 분포 및 크기를 제어하도록 형성되는 정전기 시일드를 포함하며,

상기 다수의 개구중 하나 이상은 상기 정전기 시일드의 단부면들 중 하나의 전체를 통해 연장하는 플라즈마 생성 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 전자기 에너지의 공급원은 접지형 단부 및 개방형 단부를 구비한 나선형 코일이며, 상기 접지형 단부는 처리될 웨이퍼에 인접 배치되어 상기 웨이퍼에 인접한 곳의 플라즈마 밀도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 생성 장치.
제 21 항에 있어서, 상기 전자기 에너지의 공급원은 접지형 단부 및 개방형 단부를 구비한 나선형 코일이며, 상기 접지형 단부는 처리될 웨이퍼에 인접 배치되어 상기 웨이퍼에 인접한 곳의 플라즈마 밀도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.