KR101432832B1 - 유전체 스페이서 링을 갖는 에지 링 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

에지 링 어셈블리는 플라즈마 에칭 챔버에서 기판 지지체 표면을 둘러싼다. 에지 링 어셈블리는 에지 링 및 유전체 스페이서 링을 포함한다. 기판 지지체 표면을 둘러싸며 방사상 방향으로 에지 링에 의해 둘러싸인 유전체 스페이서 링은 베이스플레이트로부터 에지 링을 절연시키도록 구성된다. 기판 지지체 표면 주위에 에지 링 어셈블리를 통합하면, 기판의 에지를 따라 또한 아래쪽에서 폴리머의 빌드업을 감소시킬 수 있고, 기판의 플라즈마 에칭 균일도를 증가시킬 수 있다.
Figure R1020087003093
에지 링, 플라즈마, 에칭 챔버, 기판, 유전체 스페이서 링

Description

유전체 스페이서 링을 갖는 에지 링 어셈블리{EDGE RING ASSEMBLY WITH DIELECTRIC SPACER RING}
배경기술
다음 설명에서는, 일정 구조 및 방법을 참조하지만, 그러한 참조는 이들 구조 및 방법이 적용 가능한 법 조항에 따라 종래 기술로서 자격을 얻는다는 것에 대한 승인으로서 반드시 해석되어야 하는 것은 아니다. 출원인은 참조된 대상의 어느 것도 종래 기술을 구성하지 않는다는 것을 설명할 권리가 있다.
반도체 처리 분야에 있어서, 플라즈마 처리 챔버는 기판 상에 형성된 하나 이상의 층을 에칭하는데 널리 사용된다. 에칭 동안에, 기판은 챔버 내의 기판 지지체 표면 상에 지지된다. 기판 지지체는, 기판 지지체 주위에 (즉, 기판 주위에) 위치하여, 플라즈마를 기판 위에 있는 부피에 한정하고/하거나 플라즈마에 의한 부식으로부터 기판 지지체 (이 기판 지지체는 통상 클램핑 메커니즘을 포함함) 를 보호하기 위한 에지 링을 포함할 수 있다. 종종 포커스 링으로 지칭되는 에지 링은 희생 (즉, 소모) 부품일 수 있다. 전도성 및 비전도성 에지 링은 공동 소유인 미국 특허 제 5,805,408 호, 제 5,998,932 호, 제 6,013,984 호 , 제 6,039,836 호 및 제 6,383,931 호에 설명되어 있다.
리소그래피 기술은 반도체 기판의 표면에 기하학적 패턴을 형성하는데 사용될 수 있다. 리소그래피 공정 동안에, 집적 회로 패턴과 같은 패턴은 마스크 또는 레티클로부터 투영될 수 있고, 기판 표면 상에 형성된 감광성 (예를 들어, 포토레지스트) 코팅물로 전사될 수 있다. 또한, 플라즈마 에칭은 포토레지스트층에 형성된 패턴을 포토레지스트층 아래에 있는 기판 상에 형성된 하나 이상의 층으로 전사하는데 사용될 수 있다.
플라즈마 에칭 동안에, 플라즈마는 많은 양의 에너지를 저압에서 가스 (또는 가스 혼합물) 에 추가함으로써 기판 표면 위에 형성된다. 플라즈마는 높은 운동 에너지를 갖는 이온, 유리기 및 중성종을 포함할 수도 있다. 기판 전위를 조절함으로써, 플라즈마 내의 대전된 종은 기판 표면에 충돌하여 기판 표면으로부터 재료 (예를 들어, 원자) 를 제거하도록 유도될 수 있다.
플라즈마 에칭은 에칭될 재료와 화학적으로 반응하는 가스를 사용함으로써 더 효과적으로 이루어질 수 있다. 소위 "반응성 이온 에칭 (reactive ion etching)" 은 플라즈마의 강력한 에칭 효과를 반응성 가스의 화학적 에칭 효과와 결합한다. 그러나, 플라즈마 에칭 동안에, 반도체 재료의 하나 이상의 층을 에칭하는 것에 더하여, 플라즈마에 의해 포토레지스트층을 제거할 수도 있다.
에칭 부산물로서 형성될 수도 있는 포토레지스트 및/또는 폴리머로부터의 잔류물은 기판 아래쪽 또는 측면 에지 (예를 들어, 베벨 에지) 상에 바람직하지 않게 다시 퇴적될 수도 있다. 후속 처리 동안에 휘발될 수도 있는 베벨 폴리머는 공정 수율에 나쁜 영향을 미칠 수도 있다. 수율을 극대화하기 위해, 기판의 베벨 에지 및 아래쪽에서 폴리머 빌드업이 감소하는 것이 바람직할 것이다.
요약
제 1 실시형태에 따르면, 플라즈마 에칭 챔버에서 기판 지지체 표면을 둘러싸도록 구성된 에지 링 어셈블리는 기판 지지체 표면 상에 위치한 기판의 주변부 아래에 놓이고, 기판의 하부 주변 표면과 에지 링의 상부 표면 간에 간극 (clearance gap) 을 제공하도록 하는 치수를 갖는 에지 링, 및 기판 지지체 표면과 에지 링 사이에서 기판의 하부 표면과 유전체 스페이서 링의 상부 표면 간에 간극을 제공하도록 하는 치수를 갖는 유전체 스페이서 링을 포함한다.
에지 링 어셈블리가 플라즈마 에칭 챔버에 장착될 때, 에지 링과 유전체 스페이서 링 간의 환상 갭 및/또는 유전체 스페이서 링과 기판 지지체 표면 간의 환상 갭은 0.25 mm 보다 적은 것이 바람직하고, 유전체 스페이서 링의 상부 표면과 에지 링의 가장 안쪽 상부 표면은 사실상 동일 평면인 것이 바람직하다.
에지 링 어셈블리는, 기판 지지체 표면의 면과 유전체 스페이서 링의 가장 위쪽 표면의 면 간의 거리가 약 0.25 mm 보다 적고, 기판 지지체 표면의 면과 에지 링의 방사상 안쪽 부분의 상부 표면의 면 간의 거리가 약 0.25 mm 보다 적도록 구성되는 것이 바람직하다. 따라서, 기판이 기판 지지체 표면 상에 위치할 때, 기판의 하부 표면과 유전체 스페이서 링의 상부 표면 간의 갭은 약 0.25 mm 보다 적은 것이 바람직하고, 기판의 하부 표면과 에지 링의 방사상 안쪽 부분의 상부 표면 간의 갭은 약 0.25 mm 보다 적은 것이 바람직하다. 일 실시형태에서, 에지 링의 방사상 바깥쪽 부분은 유전체 스페이서 링보다 두껍다.
다른 실시형태에 따르면, 플라즈마 에칭 챔버는 플라즈마 에칭 챔버 내의 기판 지지체 표면을 둘러싸도록 구성된 에지 링 어셈블리를 포함한다. 기판 지지체는 하부 전극을 형성하는 베이스플레이트의 상부 표면 상에 정전 척을 포함하는 것이 바람직하다. 에지 링 어셈블리는 베이스플레이트의 주변부 위에 놓이는 커플링용 링 위에 놓일 수 있다. 기판은, 기판의 바깥쪽 에지가 유전체 스페이서 링과 에지 링의 방사상 안쪽 부분 위에 걸치도록 기판 지지체 표면 상에 장착될 수 있다.
바람직한 유전체 스페이서 링은 베이스플레이트로부터 에지 링을 전기적으로 절연시키는데 효과적인 폭 (예를 들어, 약 0.5 내지 2.5 mm) 및 유전체 스페이서 링과 기판 간의 갭 내의 폴리머 퇴적을 최소화하는데 효과적인 높이 (예를 들어, 1 내지 3 mm) 를 갖는다. 적어도 하나의 가스 통로는 커플링용 링 또는 베이스플레이트를 통해 연장될 수 있는데, 가스 통로는 에지 링 및/또는 유전체 스페이서 링의 인접 표면에 열 전달 가스를 공급하도록 구성된다.
바람직한 플라즈마 에칭 챔버는 기판 지지체 표면에 면하는 상부 샤워헤드형 전극을 갖는 평행판 리액터를 포함한다. 베이스플레이트는 RF 구동 전극을 포함할 수 있고/있거나 기판 지지체 표면은 베이스플레이트의 상부 표면 상에 정전 척을 포함할 수 있다.
에지 링 어셈블리는 (ⅰ) 에지 링과 베이스플레이트 간의 RF 커플링, (ⅱ) 에지 링과 베이스플레이트 간의 아크 발생, 및 (ⅲ) 기판 지지체 표면 상에 지지되는 기판의 에지 및/또는 아래쪽 상의 폴리머 퇴적 중 적어도 하나를 감소시키도록 구성되는 것이 바람직하다.
에지 링 어셈블리를 갖는 플라즈마 에칭 챔버에서 반도체 기판 상의 층을 에칭하는 방법은 챔버 안쪽에 위치한 기판 지지체 표면 상에 기판을 지지하는 단계, 챔버에 에칭 가스를 공급하는 단계, 에칭 가스를 기판의 노출된 표면에 인접하여 플라즈마 상태로 활성화하는 단계, 및 반도체 기판 상의 하나 이상의 층을 플라즈마로 에칭하는 단계를 포함한다. 유전체 스페이서 링의 플라즈마 부식 때문에, 소정 개수의 반도체 기판을 에칭한 후에 유전체 스페이서 링은 챔버로부터 제거될 수 있고, 다른 유전체 스페이서 링으로 교체될 수 있다.
또 다른 실시형태에 따르면, 유전체 스페이서 링은 플라즈마 에칭 챔버 내의 기판 지지체 표면 상에 위치한 기판의 하부 표면과 유전체 스페이서 링의 상부 표면 간에 간극을 제공하도록 하는 치수를 갖고, 유전체 스페이서 링은 또한 기판 아래에 놓이고, 기판의 하부 표면과 에지 링의 상부 표면 간에 간극을 제공하도록 하는 치수를 갖는 에지 링에 의해 둘러싸이도록 하는 치수를 갖는다.
유전체 스페이서 링과 에지 링이 플라즈마 에칭 챔버에 장착될 때, 유전체 스페이서 링의 상부 표면과 에지 링의 가장 안쪽 상부 표면은 사실상 동일 평면인 것이 바람직하다.
유전체 스페이서 링은 커플링용 링의 상부 표면에 또는 베이스플레이트의 상부 표면에 본딩될 수 있고, 유전체 스페이서 링과 커플링용 링 중 어느 한쪽 또는 양쪽은 석영으로 이루어질 수 있다. 다른 실시형태에서, 유전체 스페이서 링은 커플링용 링의 방사상 안쪽 표면 상에 형성된 축방향으로 상향 연장되는 부분을 포함할 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1 은 평행판 플라즈마 에칭 리액터의 일 예시이다.
도 2 는 일 실시형태에 따른 커플링용 링 상에 장착된 에지 링 어셈블리를 포함한 평행판 플라즈마 에칭 리액터를 도시한다.
도 3 은 다른 실시형태에 따른 에지 링 어셈블리를 포함한 평행판 플라즈마 에칭 리액터를 도시한다.
도 4 는 또 다른 실시형태에 따른 베이스플레이트 상에 장착된 에지 링 어셈블리를 포함한 평행판 플라즈마 에칭 리액터를 도시한다.
바람직한 실시예의 상세한 설명
공정 가스가 샤워헤드형 전극을 통해 공급되며, 하부 전극 상에 지지된 반도체 기판이 샤워헤드 및/또는 하부 전극에 RF 에너지를 공급함으로써 발생한 플라즈마에 의해 플라즈마 에칭되는, 평행판 플라즈마 에칭 리액터에 있어서, 플라즈마 균일도는 하부 전극과 플라즈마 간의 RF 커플링에 의해 영향을 받을 수 있다.
플라즈마 균일도를 향상시키기 위해, 에지 링 어셈블리는 플라즈마 에칭 리액터 내의 기판 지지체 표면을 둘러싼다. 에지 링 어셈블리는, 유전체 스페이서 링이 기판 지지체 표면을 둘러싸고 에지 링이 유전체 스페이서 링을 둘러싸도록 배치된 에지 링 및 유전체 스페이서 링을 포함한다. 기판 지지체 표면 주위에 에지 링 어셈블리를 통합하면, 기판의 에지를 따라 또한 아래쪽에서 폴리머의 빌드업을 감소시킬 수 있고/있거나 기판의 플라즈마 에칭 균일도를 증가시킬 수 있다.
바람직한 실시형태에 따르면, 유전체 스페이서 링은 기판 지지체 표면을 둘러싸는 부재의 일 표면 상에 있는 분리된 부분이다. 그 부재는 유전체 스페이서 링과 에지 링 아래에 놓인 커플링용 링, 또는 베이스플레이트의 일부일 수 있다. 다른 실시형태에 따르면, 유전체 스페이서 링은 예를 들어, 열 전도성 엘라스토머 본드를 통해 그 부재와 본딩될 수 있다. 또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 유전체 스페이서 링과 커플링용 링은 단위 부품 (unitary part) 을 포함할 수 있다.
유전체 스페이서 링을 제공함으로써, RF 커플링은 에지 링과 베이스플레이트 사이에서 감소될 수 있다. 또한, 아래에서 더 상세히 설명하는 바와 같이, 기판 지지체 표면과 에지 링 간에 유전체 스페이서 링을 삽입하면, 전도성 에지 링과 기판 지지체/베이스플레이트 간의 아크 발생 경향을 줄일 수 있고/있거나 기판의 플라즈마 에칭 동안에 기판 지지체 표면 상에 지지되는 기판의 아래쪽 및/또는 에지 상의 폴리머 퇴적을 줄일 수 있다. 플라즈마 에칭 챔버는 에지 링 어셈블리를 포함하고, 반도체 기판을 에칭하는 방법은 에지 링 어셈블리를 포함한 플라즈마 에칭 챔버에서 반도체 기판을 에칭하는 단계를 포함한다.
에지 링 어셈블리는 플라즈마 에칭 리액터에서 기판 지지체 표면을 둘러싸도록 구성된다. 기판 지지체 표면 상에 지지되거나 클램핑되는 기판의 플라즈마 에칭 동안에, 에지 링 어셈블리는 기판 위에 플라즈마를 집중시킬 수 있고/있거나 기판을 통해 RF 전력을 집중시킬 수 있다. 에지 링 어셈블리는 플라즈마 에칭 성능을 향상시킬 수 있고, 플라즈마 리액터 컴포넌트의 마모를 줄일 수 있을 것으로 생각된다. 또한, 유전체 스페이서 링과 에지 링은 플라즈마 부식으로부터 기판 지지체 및/또는 베이스플레이트를 보호할 수 있는 일회용 부품일 수 있다.
통상, 플라즈마 챔버는 하나 이상의 가스를 포함한 에칭 가스를 챔버에 공급 하고 에칭 가스에 에너지를 인가하여 그 가스를 플라즈마 상태로 활성화함으로써 기판 상의 재료층을 에칭하는데 사용된다. 무선 주파수 (radio frequency; RF) 에너지, 마이크로파 에너지 및/또는 자계를 사용하여 중밀도 또는 고밀도 플라즈마를 발생시키고 유지할 수 있는 여러 플라즈마 챔버 설계가 공지되어 있다.
에지 링 어셈블리는 유도 결합된 헬리콘 (helicon), 전자 사이클로트론 공명 (electron cyclotron resonance; ECR), 평행판 또는 다른 타입의 플라즈마 챔버에 포함될 수 있다. 예를 들어, 고밀도 플라즈마는 TCPTM (transformer coupled plasma) 리액터에서, 또는 ECR 리액터에서 발생할 수 있다. RF 에너지가 리액터 내에 유도 결합되는 TCP 리액터는, 캘리포니아주 프리몬트에 위치한 Lam Research Corporation 으로부터 입수 가능하다. 고밀도 플라즈마를 제공할 수 있는 하이플로우 (high-flow) 플라즈마 리액터의 일 예는 공동 소유인 미국 특허 제 5,948,704 호에 개시되어 있고, 그 개시내용은 본원에서 참조로서 통합하고 있다. 평행판 리액터, ECR 리액터 및 TCPTM 리액터는 공동 소유인 미국 특허 제 4,340,462 호, 제 4,948,458 호, 제 5,200,232 호 및 제 5,820,723 호에 개시되어 있고, 그 개시내용은 본원에서 참조로서 통합하고 있다.
일 예로서, 플라즈마는 평행판 에칭 리액터, 예를 들어, 공동 소유인 미국 특허 제 6,090,304 호에 설명되어 있는 이중 주파수 플라즈마 에칭 리액터에서 발생할 수 있고, 그 개시내용은 본원에서 참조로서 통합하고 있다. 바람직한 평행판 플라즈마 에칭 챔버는 상부 샤워헤드형 전극 및 하부 전극을 포함한 이중 주파수 용량성 결합된 플라즈마 리액터이고, 하부 전극 (예를 들어, 베이스플레이트) 은 그 상부 표면에 포함된 정전 척과 같은 기판 지지체를 갖는다. 설명을 위해, 본원에서 에지 링 어셈블리의 실시형태는 평행판 타입 플라즈마 에칭 챔버를 참조하여 설명된다.
도 1 에는 평행판 플라즈마 에칭 리액터가 도시되어 있다. 플라즈마 에칭 리액터 (100) 는 챔버 (110), 입구 로드 락 (112) 및 선택적인 출구 로드 락 (114) 을 포함하고, 그 추가 상세는 공동 소유인 미국 특허 제 6,824,627 호에 설명되어 있고, 그 전체 내용은 본원에서 참조로서 통합하고 있다.
(제공된다면) 로드 락 (112 및 114) 은 웨이퍼 공급부 (162) 로부터 챔버 (110) 를 통해 웨이퍼 수용부 (164) 까지 웨이퍼와 같은 기판을 이송하는 이송 장치를 포함한다. 로드 락 펌프 (176) 는 로드 락 (112 및 114) 에 원하는 진공 압력을 제공할 수 있다.
터보 펌프와 같은 진공 펌프 (172) 는 챔버 내에 원하는 압력을 유지하도록 구성된다. 플라즈마 에칭 동안에, 챔버 압력은 제어되고, 플라즈마를 유지하기에 충분한 레벨로 유지되는 것이 바람직하다. 챔버 압력이 너무 높으면 에칭 스톱에 불리하게 기여할 수 있지만, 챔버 압력이 너무 낮으면 플라즈마가 소멸될 수 있다. 평행판 리액터와 같은 중밀도 플라즈마 리액터에서는, (예를 들어, 100 mTorr 보다 낮거나 50 mTorr 보다 낮은) 약 200 mTorr 아래의 압력으로 챔버 압력을 유지하는 것이 바람직하다.
진공 펌프는 리액터의 벽에 있는 출구에 접속될 수 있고, 밸브 (173) 에 의 해 조절되어 챔버 내의 압력을 제어할 수 있다. 바람직하게는, 에칭 가스가 챔버 내로 흐르는 동안에, 진공 펌프는 200 mTorr 보다 낮게 챔버 내의 압력을 유지할 수 있다.
챔버 (110) 는 상부 전극 (125; 예를 들어, 샤워헤드형 전극) 을 포함한 상부 전극 어셈블리 (120), 및 베이스플레이트 (160; 즉, 하부 전극) 와 그 상부 표면에 형성된 기판 지지체 표면 (150) 을 포함한 하부 전극 어셈블리 (140) 를 포함한다. 상부 전극 어셈블리 (120) 는 상부 하우징 (130) 에 장착된다. 상부 하우징 (130) 은 상부 전극 (125) 과 기판 지지체 표면 (150) 간의 갭을 조절하는 메커니즘 (132) 에 의해 수직으로 이동할 수 있다.
에칭 가스 소스 (170) 는 하우징 (130) 에 접속되어, 하나 이상의 가스를 포함한 에칭 가스를 상부 전극 어셈블리 (120) 에 전달할 수 있다. 바람직한 에칭 리액터에서, 상부 전극 어셈블리는 리액턴트 및/또는 캐리어 가스를 기판 표면에 인접한 영역에 전달하는데 사용될 수 있는 가스 분배 시스템을 포함한다. 하나 이상의 가스 링, 인젝터 및/또는 샤워헤드 (예를 들어, 샤워헤드형 전극) 를 포함할 수 있는 가스 분배 시스템은, 공동 소유인 미국 특허 제 6,333,272 호, 제 6,230,651 호, 제 6,013,155 호 및 제 5,824,605 호에 개시되어 있고, 그 개시내용은 본원에서 참조로서 통합하고 있다.
상부 전극 (125) 은 샤워헤드형 전극을 포함하는 것이 바람직하고, 이 샤워헤드형 전극은 에칭 가스를 분배하는 개구부 (도시생략) 를 포함한다. 샤워헤드형 전극은 에칭 가스의 원하는 분배를 촉진할 수 있는 하나 이상의 수직으로 이격된 배플 플레이트를 포함할 수 있다. 상부 및 하부 전극은 흑연, 실리콘, 탄화실리콘, 알루미늄 (예를 들어, 양극산화 처리된 알루미늄), 또는 그 조합과 같은 임의의 적당한 재료로 형성될 수 있다. 열 전달 액체 소스 (174) 는 상부 전극 어셈블리 (120) 에 접속될 수 있고, 다른 열 전달 액체 소스는 베이스플레이트 (160) 에 접속될 수 있다.
그 개시내용을 본원에서 참조로서 통합하고 있는 공동 소유인 미국 특허 제 6,019,060 호는 플라즈마 한정 링 어셈블리를 개시한다. 에칭을 받은 기판 위의 플라즈마 한정 때문에, 기판 표면에서의 압력은 리액터 챔버에 대해 설정된 진공 압력보다 높을 수도 있다. 낮은 챔버 압력을 유지하기 위해, 불활성 캐리어 가스가 약 50 내지 500 sccm (standard cubic centimeters per minute) 의 유량으로 챔버에 추가되는 것이 바람직하다. 통상, 에칭 가스 혼합물의 개별적인 반응 성분의 개별적인 유량은 200 mm 기판의 경우에 약 1 내지 200 sccm 의 범위이고, 기판이 더 커지면 높아진다.
플라즈마 밀도는 플라즈마 에칭 영역 내의 양 이온의 밀도를 지칭한다. 일반적으로, 플라즈마 밀도는 전극에 제공되는 전력의 함수이다. 전력이 높아지면 플라즈마의 밀도가 높아지는 경향이 있고, 또한 다른 파라미터에 의존하여, 높은 플라즈마 밀도는 기판 표면에 많은 이온 플럭스를 발생시킴으로써 기판 상에 미리 형성된 층의 에칭 레이트를 증가시킬 수도 있다. 중밀도 플라즈마는 약 1010 내지 1011 이온/cm3 의 이온 밀도를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있지만, 통 상, 고밀도 플라즈마는 약 1011 내지 1012 이온/cm3 이상의 이온 밀도를 가질 수 있다.
몇몇 실시형태에 따르면, 상부 전극 또는 하부 전극은 전원 공급된 전극일 수 있지만, 하부 전극 또는 상부 전극 중 다른 하나는 전기적으로 접지된 (복귀 경로) 전극이다. 다른 실시형태에 따르면, 상부 전극과 하부 전극 모두는 전원 공급될 수 있는데, 2 개의 전극은 전압과 관련하여 서로 다른 위상으로 전원 공급된다. 평행판 리액터에서, 전원 (178) 은 RF 전력을 상부 전극 (125) 및/또는 베이스플레이트 (160; 즉, 하부 전극) 에 제공할 수 있다.
리액터는 단일 주파수, 이중 주파수 또는 다중 주파수 플라즈마 리액터일 수 있다. 이중 주파수 플라즈마 리액터에서, 예를 들어, 플라즈마는 2 개의 상이한 주파수의 RF 전력을 정합 네트워크를 통해 상부 및/또는 하부 전극에 공급함으로써 발생할 수 있다. 일 예로서, 2 MHz 와 같은 저주파수는 하부 전극에 공급될 수 있고, 27 MHz 와 같은 고주파수는 상부 전극에 공급될 수 있다. 다른 방법으로는, 상부 전극은 전기적으로 접지될 수 있고, (예를 들어, 약 10 내지 60 MHz, 또한 약 10 MHz 보다 낮은) 2 개 이상의 상이한 주파수의 RF 전력은 하부 전극에 공급될 수 있다.
연속적 또는 불연속적 RF 바이어스는 에칭 동안에 기판에 인가될 수 있다. RF 바이어스는 양 이온 플럭스가 기판 표면에 충돌하는 에너지를 결정할 수 있다. RF 전력의 범위는 약 50 내지 3000 와트인 것이 바람직하고, 하부 전극에 인가된 RF 바이어스 전력의 범위는 200 mm 기판의 경우에 0 내지 3000 와트일 수 있다. 바람직하게는, RF 바이어스 전력이 약 0 내지 8 와트/cm2, 바람직하게는 적어도 2 와트/cm2 의 전력을 기판에 공급할 수 있도록, 하부 전극은 일정 표면적을 갖는다.
RF 전력을 하부 전극에 공급함으로써, DC 시스 (sheath) 전압이 기판 표면에 대해 형성될 수 있다. 시스 전압은 바이어스 전력의 함수이고, 플라즈마 발생과 본질상 관계없다. 높은 바이어스 전력은 큰 시스 전압을 발생시키고, 에칭 동안에 기판 표면의 강력한 이온 충격을 일으킬 수 있다.
평행판 리액터 내의 전극 간의 갭 폭은 유전체층의 에칭 레이트에 영향을 줄 수 있다. 원하는 갭 폭의 선택은 에칭 동안에 사용된 챔버 압력에 부분적으로 의존한다. 통상, (예를 들어, 약 75 mTorr 에서 1 Torr 까지의) 높은 챔버 압력에서는, 바람직한 갭 폭이 약 1 내지 1.5 cm 이다. (예를 들어, 약 75 mTorr 아래의) 낮은 챔버 압력에서는, 약 1.3 내지 2.5 cm 의 갭 폭과 같은 넓은 갭 폭이 사용될 수 있다. 또한, 갭 폭은 전극에 인가된 주파수의 함수로서 선택될 수 있다. 일반적으로, 유전체층의 에칭에 있어서, 고주파수의 경우에는 좁은 갭 폭이 더 바람직하고, 저주파수의 경우에는 넓은 갭 폭이 더 바람직하다. 중밀도 평행판 리액터에서, 기판을 지지하는 상부 전극과 하부 전극 간의 갭은 약 1 내지 2.5 cm 일 수 있다.
도 2 에는 제 1 실시형태에 따른 에지 링 어셈블리 (270) 를 포함한 하부 전극 어셈블리 (240) 의 상세가 도시되어 있다. 하부 전극 어셈블리 (240) 는, 플랜지 (262) 를 갖는 베이스플레이트 (260), 및 베이스플레이트의 상부 표면에 형성된 기판 지지체 표면 (254) 을 포함한 정전 척 (electrostatic chuck; ESC) 과 같은 기판 지지체 (250) 를 포함한다. 베이스플레이트 (하부 전극) 는 전도성 재료를 포함할 수 있고, ESC 는 전극 (252) 이 매설된 세라믹 재료를 포함할 수 있다. ESC 는 베이스플레이트의 상부 표면에 본딩될 수 있다. 하부 전극은 RF 정합을 제공하는 RF 소스 및 부수 회로 등에 의해 전원 공급될 수 있다. 하부 전극은 온도 제어되는 것이 바람직하고, 가열 장치를 선택적으로 포함할 수도 있다. 기판 지지체 표면 (254) 은 200 mm 또는 300 mm 웨이퍼와 같은 단일 반도체 기판을 지지하도록 구성된다.
도 2 의 실시형태에 도시된 바와 같이, 에지 링 (280) 및 유전체 스페이서 링 (285) 은 베이스플레이트 (260) 의 플랜지 (262) 상에 있는 석영 커플링용 링과 같은 커플링용 링 (290) 의 상부 표면 상에 지지된다. 커플링용 링 (290) 은 복수의 볼트 (224) 와 같은 기계적 또는 접착성 고정부를 갖는지 여부에 관계없이 베이스플레이트 상에 지지될 수 있다. 바람직하게는, 기판 (210) 은 유전체 스페이서 링 (285) 과 에지 링 (280) 의 적어도 방사상 안쪽 부분 (281) 위에 걸치도록, 기판 지지체 표면 상에 지지/클램핑될 수 있다.
바람직하게는, 기판 지지체 (250) 는 기판 (210) 과 지지체 표면 (254) 간에 헬륨을 공급하는 통로를 포함하여, 기판 상의 포토레지스트가 타는 것을 충분히 방지하는 양만큼 그 플라즈마 에칭 동안에 기판 (210) 을 냉각한다. 바람직하게 는, 기판은 플라즈마 에칭 동안에 약 140 ℃ 보다 낮은 온도에서 유지된다. 중밀도 플라즈마 리액터에서, 기판 지지체는 원하는 온도에서 기판을 유지하도록 약 - 20 내지 80 ℃ 의 온도로 냉각되는 것이 바람직하다.
원하는 온도에 기판을 유지하기 위해, 기판과 기판 지지체 표면 간의 공간에 약 1 내지 30 Torr 의 압력에서 헬륨이 공급될 수 있다. 또한, 본원에서 상술한 바와 같이, RF 바이어스, ESC 온도 및 기타 파라미터의 레벨을 조절함으로써 기판 온도를 제어할 수도 있다. 기판과 기판 지지체 표면 간의 공간 내에 가압 가스를 도입함으로써 기판 온도를 제어하는 방법은 공동 소유인 미국 특허 제 6,140,612 호에 개시되어 있고, 그 개시내용은 본원에서 참조로서 통합하고 있다.
커플링용 링 (290) 은 그 상부 표면에 위치한 에지 링 척 (도시생략) 을 선택적으로 포함할 수도 있다. 제공된다면, 에지 링 척은 모노폴라 또는 바이폴라 척일 수 있고, 적당한 전기 접속을 사용하여 DC 전원에 의해 DC 전력이 공급될 수 있다. 에지 링 척은 실리콘 에지 링과 같은 에지 링 (280) 을 커플링용 링에 고정하는데 사용될 수 있다. 정전 클램핑 에지 링의 상세는 공동 소유인 미국 특허 제 6,475,336 호에 개시되어 있고, 그 개시내용은 본원에서 참조로서 통합하고 있다.
에지 링 (280) 은 실리콘 (예를 들어, 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘) 또는 탄화실리콘 (예를 들어, 화학 기상 증착된 탄화실리콘) 과 같은 반도체 또는 전기 전도성 재료로 이루어질 수 있다. 에지 링이 플라즈마에 직접 노출될 것이기 때문에, 바람직한 에지 링은 고순도 (high purity) 재료로 이루어진다. 에지 링을 위한 추가 재료는 산화알루미늄, 질화알루미늄, 질화실리콘, 석영 등을 포함한다. 에지 링은 전기적으로 부동 상태에 있을 수도 있고, 또는 DC 접지에 전기적으로 연결될 수도 있다.
기판 지지체 및/또는 베이스플레이트를 플라즈마 내의 이온/반응 종에 노출시키는 것을 감소시키기 위해, 기판 지지체는 기판이 기판 지지체 표면 위에 걸치도록 하는 크기를 갖는 것이 바람직하다. 계속 도 2 를 참조하면, 약 1 내지 2 mm 정도 기판 지지체 표면 위에 걸칠 수 있는 기판은 유전체 스페이서 링 (285) 과 에지 링 (280) 의 방사상 안쪽 부분 (281) 모두 위에 걸친다 (예를 들어, 유전체 스페이서 링과 에지 링의 일부는 기판의 주변 아래로 연장된다). 따라서, 유전체 스페이서 링은 기판이 기판 지지체 표면 위에 걸치는 양보다 적은 방사상 폭을 갖는 것이 바람직하다.
바람직한 에지 링 어셈블리에서, 에지 링 (280) 의 방사상 안쪽 에지는 유전체 스페이서 링 (285) 의 방사상 바깥쪽 에지와 접촉하거나 그 가까이 위치하고, 유전체 스페이서 링 (285) 의 방사상 안쪽 에지는 기판 지지체 및/또는 베이스플레이트 (260) 의 바깥쪽 에지와 접촉하거나 그 가까이 위치한다. "가깝다" 는 것은 에지 링과 유전체 스페이서 링 간의 갭 (예를 들어, 환상 갭) 또는 유전체 스페이서 링과 기판 지지체 표면 간의 갭이 약 0.25 mm 보다 적은 것을 의미하고, 더 바람직하게는, 약 0.12 mm 보다 적은 것을 의미한다. 따라서, 커플링용 링의 상부 표면이 플라즈마의 반응 종 및/또는 이온에 노출되는 것을 줄일 수 있도록, 유전체 스페이서 링과 에지 링은 (준비된다면 에지 링 척 또는) 커플링용 링 (290) 의 상부 표면을 사실상 덮는다. 일 실시형태에 따르면, 유전체 스페이서 링은 커플링용 링에 본딩될 수 있다 (즉, 커플링용 링의 상부 표면은 유전체 스페이서 링의 하부 표면에 본딩될 수 있다).
헬륨과 같은 열 전달 가스는 에지 링 어셈블리와 베이스플레이트 간의 열 전달을 향상시키는데 사용될 수 있다. 열 전달 가스는 가스 소스 (230) 로부터 가스 통로 (232) 를 통해 에지 링 어셈블리와 커플링용 링 (290) 간의 인터페이스 및/또는 커플링용 링 (290) 과 베이스플레이트 (260) 간의 인터페이스에 공급될 수 있다. 가스 통로 (232) 는 베이스플레이트 (260) 주위에 이격된 하나 이상의 위치에서 커플링용 링 (290) 및 베이스플레이트 (260) 를 통해 연장되며, 예를 들어, 볼트 (224) 내의 통로를 통해 연장될 수 있다.
기판 지지체와 유전체 스페이서 링 간에 및/또는 유전체 스페이서 링과 에지 링 간에 갭이 존재하는 실시형태에 따르면, 갭(들) 내의 헬륨 흐름은 에칭 가스 및/또는 휘발성 부산물이 들어가는 것을 줄일 수 있으므로, 플라즈마 에칭 동안에 폴리머의 퇴적을 줄일 수 있다.
계속 도 2 를 참조하면, 기판의 바깥쪽으로 이격된 에지 링의 안쪽 표면은 기판 표면에 사실상 수직인 면과 일정 각도를 형성하도록 하는 형태를 가지는 것이 바람직하다. 따라서, 바람직한 에지 링은 방사상 안쪽 부분 (281) 및 방사상 바깥쪽 부분을 포함하고, 방사상 안쪽 부분의 두께는 방사상 바깥쪽 부분의 두께보다 얇고, 방사상 바깥쪽 부분의 두께는 유전체 스페이서 링의 두께보다 두껍다. 유전체 스페이서 링의 상부 표면과 에지 링의 방사상 가장 안쪽 부분의 상부 표면은 기판의 아래쪽에 가능한 한 가깝게 위치하는 것이 바람직하다. 바람직한 실시형태에 따르면, 유전체 스페이서 링의 상부 표면과 에지 링의 방사상 가장 안쪽 상부 표면은 사실상 동일 평면이고, 기판 지지체 표면 위에 걸치는 기판의 그 부분 아래에 있도록 구성된다. 다른 방법으로는, 유전체 스페이서 링의 상부 표면은 에지 링의 상부 방사상 안쪽 표면보다 높거나 낮을 수 있다.
유전체 스페이서 링과 기판 간 및 에지 링의 방사상 안쪽 부분과 기판 간 간극은 플라즈마 에칭 동안에 유전체 스페이서 링과 에지 링의 열 팽창을 고려한다. 바람직하게는, 유전체 스페이서 링의 상부 표면과 기판의 하부 표면 간에 간극 (G) 이 존재하고, 에지 링의 상부 안쪽 표면과 기판의 하부 표면 간에 간극 (G') 이 존재한다. 유전체 스페이서 링과 기판 간 및 에지 링과 기판 간에 충분한 클리어런스를 제공하여, 에칭 동안에 유전체 스페이서 링 및/또는 에지 링의 열 팽창이 기판 지지체 표면에서 기판을 분리하지 않도록 하는 것이 바람직하다.
바람직한 유전체 스페이서 링은 베이스플레이트로부터 에지 링을 전기적으로 절연시키는데 효과적인 폭 및 기판의 플라즈마 에칭 동안에 유전체 스페이서 링과 기판 간의 갭 (G) 을 최소화하는데 효과적인 높이를 갖는다. 갭 (G) 을 최소화함으로써, 기판의 아래쪽 또는 베벨 에지 상의 폴리머 퇴적을 최소화할 수 있다.
유전체 스페이서 링은 정사각형 단면 또는 직사각형 단면을 가질 수 있다. 예시적인 유전체 스페이서 링은 약 0.5 mm 내지 2.5 mm 의 폭을 갖고, 더 바람직하게는 약 0.8 mm 내지 1.2 mm 의 폭을 갖고, 약 1 mm 내지 3 mm 의 높이를 가지며, 더 바람직하게는 약 2.4 mm 내지 2.8 mm 의 높이를 갖는다. 바람직한 실시형태에 따르면, 유전체 스페이서 링은 기판 지지체 표면 상에 장착된 기판의 돌출 부분 바로 아래에 맞도록 구성되고, 유전체 스페이서 링과 기판 간의 간극 (G) 은 약 0.25 mm 보다 적다. 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 기판 지지체 표면의 면과 유전체 스페이서 링의 상부 표면의 면 간의 거리는 약 0.25 mm 보다 적은 것이 바람직하고, 기판 지지체 표면의 면과 에지 링의 방사상 안쪽 부분의 상부 표면의 면 간의 거리는 약 0.25 mm 보다 적은 것이 바람직하다.
유전체 스페이서 링으로서 사용하기에 적합한 재료는 산화실리콘 (예를 들어, 석영) 또는 산화알루미늄과 같은 세라믹 재료, 및 Dupont®Vespel®, Dupont®Kapton® 등과 같은 폴리머 재료를 포함한다. 바람직한 유전체 스페이서 링은 석영으로 이루어진다.
다른 실시형태에 따르면, 에지 링 어셈블리에 대한 다른 기하학적 구조는 수정된 커플링용 링을 포함한다. 도 3 을 참조하면, 하부 전극 어셈블리 (340) 는 그 안쪽 방사상 표면 상에 축방향으로 상향 연장되는 부분 (385) 을 포함한 수정된 커플링용 링 (390') 을 포함한다. 개별적인 커플링용 링 및 유전체 스페이서 링을 포함하는 도 2 의 실시형태에 비해, 도 3 의 실시형태에 따르면, 커플링용 링과 유전체 스페이서 링은 베이스플레이트 (360) 상에 장착되는 일체의 단일 부품으로서 구성된다. 따라서, 수정된 커플링용 링의 축방향으로 상향 연장되는 부분 (385) 은 개별적인 유전체 스페이서 링을 대체하도록 구성된다. 수정된 커플링용 링 (390') 은 기계적 또는 접착성 고정부를 갖는지 여부에 관계없이 베이스플레이트 (360) 상에 지지될 수 있다.
도 3 의 실시형태에 따르면, 도 2 의 실시형태와 관련하여 설명된 에지 링과 사실상 동일할 수 있는 에지 링 (380) 은 수정된 커플링용 링 (390') 의 바깥쪽 플랜지 부분 상에 있다. 석영으로 이루어질 수 있는 수정된 커플링용 링 (390') 은 베이스플레이트 (360) 의 플랜지 부분 (362) 위에 있을 수 있고, 또는 (예를 들어, 볼트 (324) 를 통해) 그 플랜지 부분 (362) 에 부착될 수 있다.
헬륨과 같은 열 전달 가스는 수정된 커플링용 링 어셈블리와 베이스플레이트 간의 열 전달을 향상시키는데 사용될 수 있다. 열 전달 가스는 가스 소스 (330) 로부터 가스 통로 (332) 를 통해 수정된 커플링용 링 (390') 과 베이스플레이트 (360) 간의 인터페이스에 및/또는 수정된 커플링용 링 (390') 과 에지 링 (380) 간의 인터페이스에 공급될 수 있다. 가스 통로 (332) 는 베이스플레이트 (360) 주위에 이격된 하나 이상의 위치에서 수정된 커플링용 링 (390') 과 베이스플레이트 (360) 를 통해 연장되며, 예를 들어, 볼트 (324) 내의 통로를 통해 연장될 수 있다.
기판의 바깥쪽으로 이격된 에지 링 (380) 의 상부 안쪽 표면은 기판 표면에 사실상 수직인 면과 일정 각도를 형성하도록 하는 형태를 가지는 것이 바람직하다. 기판 지지체 (350) 는 기판 지지체 표면 (354) 및 전극 (352) 이 매설된 ESC 를 포함할 수 있다. ESC 는 베이스플레이트 (360) 의 상부 표면에 본딩될 수 있다.
에지 링 (380) 의 방사상 안쪽 표면 (382) 은 축방향으로 상향 연장되는 부분 (385) 의 방사상 바깥쪽 표면 (386) 과 접촉하거나 그 표면 (386) 에 가깝게 위치하고, 축방향으로 상향 연장되는 부분 (385) 의 방사상 안쪽 표면 (387) 은 기판 지지체 (350) 및/또는 베이스플레이트 (360) 의 방사상 바깥쪽 표면과 접촉하거나 그 표면에 가깝게 위치한다.
에지 링 (380) 의 방사상 안쪽 부분 (381) 과 수정된 커플링용 링 (390') 의 위쪽으로 축방향으로 상향 연장되는 부분 (385) 모두는 기판 (310) 의 돌출 부분 아래로 연장된다. 바람직한 실시형태에 따르면, 축방향으로 상향 연장되는 부분 (385) 의 상부 표면과 에지 링의 가장 안쪽 상부 표면은 사실상 동일 평면이고, 기판 지지체 표면 위에 걸치는 기판의 그 부분 아래에 있도록 구성된다. 다른 방법으로는, 수정된 커플링용 링 (390') 의 축방향으로 상향 연장되는 부분 (385) 의 상부 표면은 에지 링의 상부 안쪽 표면보다 높거나 낮을 수 있다. 바람직하게는, 축방향으로 상향 연장되는 부분 (385) 의 상부 표면과 기판의 하부 표면 간에 간극 (G) 이 존재하고, 에지 링 (380) 의 상부 안쪽 표면과 기판의 하부 표면 간에 간극 (G') 이 존재한다.
바람직한 실시형태에 따르면, 수정된 커플링용 링 (390') 의 축방향으로 상향 연장되는 부분 (385) 은 기판 지지체 표면 상에 장착된 기판의 돌출 부분 바로 아래에 맞도록 구성되고, 간극 (G) 은 약 0.25 mm 보다 적다.
SiO2 와 같은 유전체 재료를 에칭하는 플라즈마 에칭 리액터를 위한 예시적인 동작 조건은 다음과 같다: 약 200 mm 또는 300 mm 의 웨이퍼 직경; 적어도 약 200 nm 인 기판 상의 유전체 재료 두께; 적어도 약 90 % 의 이론상 밀도를 갖는 유전체 재료 밀도; 약 0 ℃ 내지 약 90 ℃ 의 하부 전극 온도; 약 0 Torr 내지 2 Torr, 바람직하게는 최대 약 200 mTorr 의 챔버 압력; 약 20 ℃ 내지 200 ℃, 바람직하게는, 20 ℃ 내지 50 ℃ 의 기판 온도; 약 10 sccm 내지 1,000 sccm 의 에칭 가스 유량; 적어도 약 2,500 와트인 상부 전극과 하부 전극 간에 전달되는 전체 이중 주파수 전력; 및 적어도 약 1 분인 유전체 재료의 에칭 시간.
다양한 에칭 가스는 상이한 유전체 재료를 에칭하는데 사용될 수 있다. 에칭 가스는 하나 이상의 할로겐 함유 가스, 하나 이상의 산소 함유 가스 및/또는 하나 이상의 질소 함유 가스를 포함할 수 있다. 통상의 에칭 가스 혼합물은 예를 들어, Cl2, HCl 및 BCl3 과 같은 염소 함유 가스; CF4, C2F6, C3F8, C4F8, CHF3, CH2F2, CH3F, NF3 및 SF6 과 같은 불소 함유 가스; O2, CO, H2O 및 SO2 와 같은 산소 함유 가스; N2 및 NH3 와 같은 질소 함유 가스, 및 He, Ne, Kr, Xe 및 Ar 과 같은 불활성 가스와 기타 가스를 포함할 수는 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
에칭 가스 혼합물은 불활성 캐리어 가스를 포함하는 것이 바람직하다. 산화물, 질화물, 또는 그 조합과 같은 유전체 재료의 플라즈마 에칭 동안에, 캐리어 가스는 유전체 재료를 스퍼터링할 수 있으므로, 전체적인 에칭 레이트를 증가시키는데 있어서 유리할 수 있다. 무거운 희가스 (noble gas) 는 낮은 이온화 전위를 갖고, 주어진 RF 전력에서 스퍼터링 레이트를 향상시킬 수 있는 이온을 형성한다. 또한, 희가스의 낮은 이온화 전위는 기판의 표면 위에 균일한 플라즈마를 생성하는 것을 도울 수 있다. 예시적인 캐리어 가스는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤 및/또는 크세논을 포함한다. 아르곤은 바람직한 불활성 캐리어 가스이다. 이들 및 기타 가스는 에칭 가스 혼합물에서 함께 사용될 수도 있다.
캘리포니아주 프리몬트에 위치한 Lam Research Corporation 으로부터 입수 가능한 2300 Exelan® 또는 Exelan®HPT 이중 주파수 중밀도 평행판 플라즈마 챔버에서 실행되는 유전체 에칭 공정의 일 예는 아래에 개시되어 있는데, 주된 에칭 단계에서의 에칭 가스 화학적 성질은 옥타플루오로시클로부탄 (C4F8), 디플루오로메탄 (CH2F2), 질소 (N2) 및 아르곤 (Ar) 의 혼합물이다. 부가적인 에칭 가스를 포함할 수도 있는 부가적인 에칭 단계가 사용될 수 있다. 가스 혼합물의 최적 유량 및 비율이 플라즈마 에칭 리액터, 기판 크기 등의 선택에 따라 변할 수도 있지만, 300 mm 실리콘 웨이퍼 상에서 산화실리콘층을 에칭하는 경우에, 에칭 가스의 개별 성분은 2 내지 20 sccm 헥사플루오로-1,3-부타디엔 (C4F6); 2 내지 20 sccm C4F8; 1 내지 10 sccm CH2F2; 50 내지 200 sccm 테트라플루오로메탄 (CF4); 50 내지 200 sccm N2; 200 내지 800 sccm Ar; 100 내지 400 sccm 일산화탄소 (CO); 및 100 내지 400 sccm 산소 (O2) 의 유량으로 리액터 챔버에 공급될 수 있다. 에칭 동안에, 챔버 압력은 1 내지 500 mTorr 로 설정될 수 있고, 바람직하게는, 5 내지 200 mTorr 로 설정될 수 있다. 에칭된 구조의 기타 층에 대해 원하는 선택도를 달성하기 위해, 주된 에칭 단계 동안에 CH2F2 의 유량에 대한 C4F8 의 유량의 비는 0.5 내지 4 일 수 있고, 바람직하게는, 1 내지 3 일 수 있다.
유전체 에칭 동안에, 바람직하게는, 상부 전극은 전기적으로 접지되고, 하나 이상의 전력 레벨 (및 주파수) 의 RF 전력은 하부 전극에 공급된다. 또한, 바람직하게는, 상부 전극은 이중 가스 공급 (dual gas feed) 구성을 포함할 수 있는 샤워헤드형 전극을 포함하고, 샤워헤드형 전극은 센터 존 및 센터 존을 둘러싸는 방사상 (에지) 존과 같은 존을 통과하는 2 개 이상의 가스 공급을 포함한다. 이중 가스 공급 구성에서는, 센터 존을 통과하며, 또한 둘러싼 주변으로 연장되는 에지 존을 통과하는 에칭 가스의 유량을 제어할 수 있다 (즉, 유량비를 제어할 수 있다). 이중 가스 공급 구성을 갖는 샤워헤드형 전극을 포함한 플라즈마 에칭 리액터의 일 예는 공동 소유인 미국 특허 제 6,245,192 호에 개시되어 있고, 그 개시내용은 본원에서 참조로서 통합하고 있다.
유전체층은 질화실리콘, 도핑되지 않은 또는 도핑된 산화실리콘 (예를 들어, 불화된 산화실리콘), 스핀 온 글래스 (spin-on glass), BPSG (boron phosphate silicate glass) 또는 PSG (phosphate silicate glass) 와 같은 실리케이트 글래스, 도핑되지 않은 또는 도핑된 열 성장 산화물, 도핑되지 않은 또는 도핑된 TEOS (tetraethoxyorthosilicate) 퇴적된 산화실리콘, 및 무기 또는 유기 저유전율 (즉, low-k) 층을 포함할 수 있다. 그러한 층은 다마신 (damascene) 구조의 일부를 형성할 수 있다. 유전체 재료용 도펀트는 붕소, 불소, 인 및/또는 비소를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
유전체층은 반도체 기판 상에 형성될 수 있고, 또는 유전체층은 전도성 또는 반도체 층 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 유전체층은 다결정 실리콘과 같은 전도성 또는 반도체 층이나, 알루미늄, 구리, 티타늄, 텅스텐, 몰리브덴, 질화티타늄과 같은 질화물, 규화티타늄, 규화코발트, 규화텅스텐, 규화몰리브덴과 같은 규화물 등을 포함한 금속층 위에 있을 수 있다.
도 4 는 에지 링 어셈블리가 커플링용 링보다는 베이스플레이트 상에 장착될 수 있는 방법의 변화를 도시한다. 도 4 에 도시된 바와 같이, 에지 링 어셈블리 (470) 의 에지 링 (480) 과 유전체 스페이서 링 (485) 은 베이스플레이트 (460) 의 표면 상에 지지되고, 기판 (410) 은 기판 지지체 (450) 의 지지체 표면 (454) 상에 유지되는데, 이 기판 지지체 (450) 의 지지체 표면 (454) 은 베이스플레이트 (460) 의 중심부에 포함되어, 기판 지지체의 표면은 기판 돌출 부분 아래에 있는 에지 링 어셈블리의 컴포넌트의 상부 표면보다 수직으로 높아지게 된다. 에지 링 어셈블리 (470) 로부터 베이스플레이트 (460) 로의 열 전달을 촉진하기 위해, 가스 공급원 (430) 은 하나 이상의 통로 (432) 를 통해 열 전달 가스를 에지 링 어셈블리의 컴포넌트와 베이스플레이트 및/또는 기판 지지체 간의 인터페이스 내에 공급할 수 있다. 바람직한 열 전달 가스는 헬륨이다.
에지 링 어셈블리를 사용하여 반도체 기판의 더 균일한 플라즈마 에칭을 달성할 수 있을 것으로 생각된다. 특히, 에지 링 어셈블리는 기판의 에지 근방의 RF 임피던스 경로를 조작하는데 사용될 수 있다. RF 임피던스 경로는 유전체 스페이서 링과 에지 링을 위한 재료의 선택에 의해 제어될 수 있다.
일반적으로, 전원 공급된 하부 전극으로부터 기판 지지체와 기판 모두를 통 해 플라즈마에 이르는 RF 임피던스 경로는 하부 전극의 주변부로부터 플라즈마에 이르는 RF 임피던스 경로와 상이할 수 있다. 기판 지지체와 기판으로부터의 에지 효과로 인해, 플라즈마 밀도가 기판에 걸쳐 균일하지 않을 수 있으므로, 에칭이 균일하지 않을 수 있다.
이론에 구속되지 않고, 유전체 스페이서 링은 에지 링으로의 RF 커플링을 감소시키고, 기판 주변으로의 RF 커플링을 증가시킬 것으로 생각된다. 기판 주변으로의 RF 커플링을 증가시킴으로써, 기판의 주변부에서 에칭 레이트를 증가시킬 수 있다. 또한, 기판 지지체 주위에서 유전체 스페이서 링의 통합은 기판 에지를 따라 또한 기판 에지의 아래쪽에서 폴리머의 빌드업을 감소시킨다. 통상, 그러한 폴리머는 (예를 들어, 포토레지스트 및/또는 유전체 재료를 에칭한 부산물로서) 에칭 단계 동안에 생성된다.
베벨 폴리머 (예를 들어, 기판의 에지 및/또는 아래쪽에 있는 폴리머) 의 빌드업은 유전체 에칭을 완료한 후에 측정되었다. 기판 지지체 주위에 유전체 스페이서 링을 통합하지 않고, 10 초 (제 1 오버 에칭) 및 30 초 (제 2 오버 에칭) 의 표준 오버 에칭 시간동안 에칭 공정을 완료한 후에, 55 내지 65 nm 의 베벨 폴리머 빌드업을 관찰하였다. 오버 에칭 시간을 증가시킴으로써 베벨 폴리머 빌드업이 증가한 것을 관찰하였다.
유전체 스페이서 링의 사용으로 인해, 베벨 폴리머 빌드업의 양이 감소하였다. 에지 링과 기판 지지체 간에 유전체 스페이서 링 (2.62 mm 높이 × 0.965 mm 폭) 을 통합함으로써, 표준 오버 에칭뿐만 아니라 표준 오버 에칭 시간의 50% 증가 (즉, 15 초의 제 1 오버 에칭 및 45 초의 제 2 오버 에칭) 후에도, 기판에는 베벨 폴리머가 사실상 없었다. 그러나, 오버 에칭 시간이 더 증가한 후에는, 베벨 폴리머 빌드업이 관찰되었다. 표 1 은 바람직한 유전체 에칭 공정과 관련하여 오버 에칭 시간의 함수로서 (nm 단위로 측정된) 베벨 폴리머 빌드업의 양을 요약한 것이다.
베벨 폴리머 빌드업에 대한 유전체 스페이서 링의 영향
오버 에칭 조건 베벨 폴리머
(유전체 스페이서 링 없음)		 베벨 폴리머
(유전체 스페이서 링 있음)
표준 55 내지 65 nm 없음
+50% ＞65 nm 없음
+75% ＞65 nm ∼16 nm
+100% ＞65 nm ∼30 nm
+200% ＞65 nm ∼75 nm
플라즈마 에칭 챔버에서 반도체 기판을 에칭하는 바람직한 방법은 플라즈마 에칭 챔버 내의 기판 지지체의 기판 표면 상에 기판을 장착하는 단계, 챔버 내에 에칭 가스를 공급하는 단계, 에칭 가스를 활성화하여 기판의 노출된 표면에 인접하여 플라즈마를 발생시키는 단계 및 플라즈마로 기판을 에칭하는 단계를 포함하고, 에지 링 및 유전체 스페이서 링을 포함한 에지 링 어셈블리는 기판 지지체를 둘러싼다. 에지 링은 기판 지지체를 둘러싸고, 유전체 스페이서 링은 에지 링과 기판 지지체 간에 삽입된다. 유전체 스페이서 링이 소모 부품이기 때문에, 소정 개수의 반도체 기판을 에칭한 후에, 유전체 스페이서 링은 챔버로부터 제거될 수 있고, 다른 유전체 스페이서 링으로 교체될 수 있다.
"상부" 또는 "하부" 전극으로서 전극을 지칭하고 도면에 도시하였지만, 에칭되는 기판을 그 처리 면이 위보다는 아래를 향하게 고정 (즉, 클램핑) 하도록, 에지 링 어셈블리가 통합된 플라즈마 에칭 챔버를 구성할 수 있다. 또한, 에지 링 어셈블리는 원형이 아닌 기판을 에칭하는데 사용될 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "comprises" 및 "comprising" 는 기재된 특징, 단계 또는 컴포넌트의 존재를 지정하도록 선택되지만, 이들 용어의 사용은 하나 이상의 다른 특징, 단계, 컴포넌트 또는 그 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본원에서 상술한 참조 모두는, 각각의 개별적인 참조가 본원에 그 전체로서 참조로서 통합된 것으로 구체적ㆍ개별적으로 지시된 것과 같은 범위까지 그 전체로서 참조로서 통합되어 있다.
이상, 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 당업자라면 명확히 알 수 있는 바와 같이, 변형 및 수정을 사용할 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 그러한 변형 및 수정은 첨부된 청구항에 의해 규정된 것과 같은 본 발명의 범위 및 영역 내에 있는 것으로 생각되어야 한다.

Claims (29)

  1. 플라즈마 에칭 챔버에서 기판 지지체 표면을 둘러싸도록 구성된 에지 링 어셈블리로서,
    상기 챔버에서 상기 기판 지지체 표면 상에 위치한 기판 아래에 놓이고, 상기 기판의 하부 표면과 에지 링의 상부 표면 간에 간극 (clearance gap) 을 제공하도록 하는 치수를 갖는 상기 에지 링; 및
    상기 에지 링과 상기 기판 지지체 표면 사이에서, 상기 기판 지지체 표면 상에 위치한 상기 기판의 하부 표면과 유전체 스페이서 링의 상부 표면 간에 간극을 제공하도록 하는 치수를 갖는 상기 유전체 스페이서 링을 포함하며,
    상기 유전체 스페이서 링은 커플링용 링의 상부 표면 또는 베이스플레이트의 상부 표면에 본딩되는, 에지 링 어셈블리.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 에지 링과 상기 유전체 스페이서 링 간의 방사상 갭 (radial gap), 상기 유전체 스페이서 링과 상기 기판 지지체 표면 간의 방사상 갭, 또는 상기 양 방사상 갭 모두가 0.25 mm 보다 적은, 에지 링 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 스페이서 링은 0.5 내지 2.5 mm 의 폭 및 1 내지 3 mm 의 높이를 갖는, 에지 링 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 스페이서 링은 커플링용 링의 방사상 안쪽 표면 상에 형성된 축방향으로 상향 연장되는 부분을 포함하는, 에지 링 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 스페이서 링과 상기 에지 링이 상기 챔버에 장착될 때, 상기 유전체 스페이서 링의 상부 표면과 상기 에지 링의 가장 안쪽 상부 표면은 사실상 동일 평면인, 에지 링 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 스페이서 링, 상기 커플링용 링, 또는 상기 유전체 스페이서 링 및 상기 커플링용 링 양자 모두가 석영으로 이루어지는, 에지 링 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 에지 링은 실리콘, 탄화실리콘, 산화알루미늄, 질화알루미늄, 질화실리 콘, 석영 또는 그 조합으로 이루어진, 에지 링 어셈블리.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 에지 링의 방사상 바깥쪽 부분은 상기 유전체 스페이서 링보다 두꺼운, 에지 링 어셈블리.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 커플링용 링 또는 상기 베이스플레이트를 통해 연장되는 적어도 하나의 가스 통로를 더 포함하고, 상기 가스 통로는 상기 에지 링, 상기 유전체 스페이서 링, 또는 상기 에지 링 및 상기 유전체 스페이서 링 양자 모두의 인접 표면에 열 전달 가스를 공급하도록 구성되는, 에지 링 어셈블리.
  11. 플라즈마 에칭 챔버에서 기판 지지체 표면을 둘러싸도록 구성된 에지 링 어셈블리를 포함한 상기 플라즈마 에칭 챔버로서,
    상기 기판 지지체 표면을 갖는 기판 지지체;
    상기 챔버에서 상기 기판 지지체 표면 상에 위치한 기판 아래에 놓이고, 상기 기판의 하부 표면과 에지 링의 상부 표면 간에 간극 (clearance gap) 을 제공하도록 하는 치수를 갖는 상기 에지 링; 및
    상기 에지 링과 상기 기판 지지체 표면 사이에서, 상기 기판 지지체 표면 상에 위치한 상기 기판의 하부 표면과 유전체 스페이서 링의 상부 표면 간에 간극을 제공하도록 하는 치수를 갖는 상기 유전체 스페이서 링을 포함하며,
    상기 유전체 스페이서 링은 커플링용 링의 상부 표면 또는 베이스플레이트의 상부 표면에 본딩되는, 플라즈마 에칭 챔버.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 기판의 바깥쪽 에지가 상기 유전체 스페이서 링과 상기 에지 링의 방사상 안쪽 부분 위에 걸치도록 상기 기판 지지체 표면 상에 장착되는, 플라즈마 에칭 챔버.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 유전체 스페이서 링은 0.5 내지 2.5 mm 의 폭 및 1 내지 3 mm 의 높이를 갖는, 플라즈마 에칭 챔버.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판 지지체 표면의 면과 상기 유전체 스페이서 링의 상부 표면의 면 간의 거리는 0.25 mm 보다 적고, 상기 기판 지지체 표면의 면과 상기 에지 링의 방사상 안쪽 부분의 상부 표면의 면 간의 거리는 0.25 mm 보다 적은, 플라즈마 에칭 챔버.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 기판의 하부 표면과 상기 유전체 스페이서 링의 상부 표면 간의 갭은 0.25 mm 보다 적고, 상기 기판의 하부 표면과 상기 에지 링의 방사상 안쪽 부분의 상부 표면 간의 갭은 0.25 mm 보다 적은, 플라즈마 에칭 챔버.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 플라즈마 에칭 챔버는 상기 기판 지지체에 면하는 상부 샤워헤드 전극을 갖는 평행판 리액터를 포함하는, 플라즈마 에칭 챔버.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판 지지체는 RF 구동 전극을 포함하는, 플라즈마 에칭 챔버.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판 지지체는 정전 척을 포함하는, 플라즈마 에칭 챔버.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 에지 링 어셈블리는 (ⅰ) 상기 에지 링과 베이스플레이트 간의 RF 커플링, (ⅱ) 상기 에지 링과 상기 베이스플레이트 간의 아크 발생 및 (ⅲ) 상기 기판 지지체 표면 상에 지지되는 상기 기판의 아래쪽, 에지, 또는 아래쪽 및 에지 양자 모두 상의 폴리머 퇴적 중 적어도 하나를 감소시키도록 구성되는, 플라즈마 에칭 챔버.
  20. 제 11 항의 플라즈마 에칭 챔버에서 반도체 기판 상에 형성된 층을 에칭하는 방법으로서,
    상기 챔버 안쪽에 위치한 상기 기판 지지체 표면 상에 상기 반도체 기판을 지지하는 단계;
    상기 챔버에 에칭 가스를 공급하는 단계;
    상기 기판의 노출된 표면에 인접하여 플라즈마를 형성하는 단계; 및
    상기 반도체 기판 상에 형성된 하나 이상의 층을 상기 플라즈마로 에칭하는 단계를 포함하는, 에칭 방법.
  21. 제 11 항의 플라즈마 에칭 챔버에서 상기 유전체 스페이서 링을 교체하는 방법으로서,
    소정 개수의 반도체 기판을 에칭한 후에, 상기 챔버로부터 상기 유전체 스페이서 링을 제거하는 단계 및 상기 유전체 스페이서 링을 다른 유전체 스페이스 링으로 교체하는 단계를 포함하는, 유전체 스페이서 링 교체 방법.
  22. 플라즈마 에칭 챔버에서 기판 지지체 표면 상에 위치한 기판의 하부 표면과 유전체 스페이서 링의 상부 표면 간에 간극 (clearance gap) 을 제공하도록 하는 치수를 갖는 상기 유전체 스페이서 링으로서,
    상기 유전체 스페이서 링은 또한, 상기 기판 아래에 놓이고, 상기 기판의 하부 표면과 에지 링의 상부 표면 간에 간극을 제공하도록 하는 치수를 갖는 상기 에지 링에 의해 둘러싸이도록 하는 치수를 갖고,
    상기 유전체 스페이서 링은 커플링용 링의 상부 표면 또는 베이스플레이트의 상부 표면에 본딩되는, 유전체 스페이서 링.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 유전체 스페이서 링은 0.5 내지 2.5 mm 의 폭 및 1 내지 3 mm 의 높이를 갖는, 유전체 스페이서 링.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 유전체 스페이서 링은 커플링용 링의 방사상 안쪽 표면 상에 형성된 축방향으로 상향 연장되는 부분을 포함하는, 유전체 스페이서 링.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 유전체 스페이서 링과 상기 에지 링이 상기 플라즈마 에칭 챔버에 장착될 때, 상기 유전체 스페이서 링의 상부 표면과 상기 에지 링의 가장 안쪽 상부 표면은 사실상 동일 평면인, 유전체 스페이서 링.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 유전체 스페이서 링은 석영으로 이루어지는, 유전체 스페이서 링.
  27. 제 22 항에 있어서,
    상기 유전체 스페이서 링은 0.95 내지 1.0 mm 의 폭 및 2.5 내지 2.7 mm 의 높이를 갖는, 유전체 스페이서 링.
  28. 제 22 항에 있어서,
    상기 유전체 스페이서 링은 상기 플라즈마 에칭 챔버에서 ESC (electrostatic chuck) 를 둘러싸도록 구성되고, 상기 유전체 스페이서 링은 상기 ESC 상에 지지되는 웨이퍼의 돌출 부분보다 좁은 폭을 갖는, 유전체 스페이서 링.
  29. 제 24 항에 있어서,
    상기 유전체 스페이서 링과 상기 커플링용 링은 단일체의 석영 재료로 이루어진, 유전체 스페이서 링.
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