KR102542551B1 - 반도체 기판 프로세싱 장치 내에서 튜닝가능한 대류-확산성 가스 플로우를 위한 중앙 가스 주입기를 포함하는 세라믹 샤워헤드 - Google Patents

반도체 기판 프로세싱 장치 내에서 튜닝가능한 대류-확산성 가스 플로우를 위한 중앙 가스 주입기를 포함하는 세라믹 샤워헤드 Download PDF

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Abstract

유도 결합된 플라즈마 프로세싱 장치는 진공 챔버, 진공 소스, 및 그 위에 반도체 기판이 지지되는 기판 지지부를 포함한다. 세라믹 샤워헤드는 진공 챔버의 상부 벽을 형성한다. 세라믹 샤워헤드는 진공 챔버의 내부로 프로세스 가스를 공급하기 위해 복수의 샤워헤드 가스 유출부들과 유체적으로 연통하는 가스 플레넘 (gas plenum), 및 중앙 가스 주입기를 수용하도록 구성된 중앙 개구부를 포함한다. 중앙 가스 주입기는 세라믹 샤워헤드의 중앙 개구부 내에 배치된다. 중앙 가스 주입기는 진공 챔버의 내부로 프로세스 가스를 공급하기 위한 복수의 가스 주입 유출부들을 포함한다. RF 에너지 소스는 반도체 기판을 프로세싱하기 위해 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징 (energize) 한다. 중앙 가스 주입기에 의해 공급된 프로세스 가스의 플로우 레이트 및 세라믹 샤워헤드에 의해 공급된 프로세스 가스의 플로우 레이트는 독립적으로 제어될 수 있다.

Description

반도체 기판 프로세싱 장치 내에서 튜닝가능한 대류-확산성 가스 플로우를 위한 중앙 가스 주입기를 포함하는 세라믹 샤워헤드{CERAMIC SHOWERHEAD INCLUDING CENTRAL GAS INJECTOR FOR TUNABLE CONVECTIVE-DIFFUSIVE GAS FLOW IN SEMICONDUCTOR SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 반도체 기판 프로세싱 장치들에 관련되고, 보다 구체적으로, 반도체 기판 프로세싱 장치의 진공 챔버로 튜닝가능한 프로세스 가스를 전달하기 위해 중앙 가스 주입기를 포함하는 세라믹 샤워헤드에 관련된다.
반도체 구조물들은, 이로 제한되는 것은 아니지만, 플라즈마 에칭, PVD (physical vapor deposition), CVD (chemical vapor deposition), PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition), ALD (atomic layer deposition), PEALD (plasma-enhanced atomic layer deposition), ALE (atomic layer etch), PE-ALE (plasma-enhanced atomic layer etch), 이온 주입, 또는 레지스트 제거를 포함하는, 기법들에 의해 반도체 프로세싱 장치에서 반도체 기판들 내에 형성된다. 반도체 구조물들은 플라즈마 프로세싱 챔버 (즉 진공 챔버), 챔버로 프로세스 가스를 공급하는 가스 소스, 및 프로세스 가스로부터 플라즈마를 생성하는 에너지 소스를 포함하는 플라즈마 프로세싱 장치들에서 프로세싱될 수 있다. 상이한 프로세스 가스들이 이들 프로세싱 기법들뿐만 아니라, 반도체 구조물들의 상이한 재료들의 프로세싱을 위해 사용된다.
유도 결합된 플라즈마 프로세싱 장치가 본 명세서에 개시된다. 장치는 진공 챔버, 진공 챔버로부터 플라즈마 프로세싱의 부산물들 및 프로세스 가스를 배기하도록 구성된 진공 소스, 진공 챔버의 내부에서 반도체 기판이 지지되는 기판 지지부를 포함한다. 세라믹 샤워헤드는 진공 챔버의 상부 벽을 형성하고, 세라믹 샤워헤드는, 진공 챔버의 내부에 프로세스 가스를 공급하기 위해 세라믹 샤워헤드의 플라즈마 노출된 표면에서 복수의 샤워헤드 가스 유출부들과 유체 연통하는 가스 플레넘, 및 중앙 가스 주입기를 수용하도록 구성된 중앙 개구부를 포함한다. 중앙 가스 주입기는 세라믹 샤워헤드의 중앙 개구부 내에 배치되고, 중앙 가스 주입기는 진공 챔버의 내부에 프로세스 가스를 공급하기 위해 복수의 가스 주입기 유출부들을 포함한다. 세라믹 샤워헤드를 통해 그리고 진공 챔버 내로 RF 에너지를 유도 결합하는 RF 에너지 소스는 반도체 기판을 프로세스하기 위해 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징한다. 중앙 가스 주입기에 의해 공급된 프로세스 가스의 플로우 레이트 및 세라믹 샤워헤드에 의해 공급된 프로세스 가스의 플로우 레이트는 독립적으로 제어될 수 있다.
유도 결합된 플라즈마 프로세싱 장치의 세라믹 샤워헤드가 본 명세서에 또한 개시된다. 세라믹 샤워헤드는 플라즈마 프로세싱 장치의 진공 챔버의 상부 벽을 형성한다. 세라믹 샤워헤드는, 진공 챔버의 내부에 프로세스 가스를 공급하기 위해 세라믹 샤워헤드의 플라즈마 노출된 표면에서 복수의 샤워헤드 가스 유출부들과 유체 연통하는 가스 플레넘, 및 중앙 가스 주입기를 수용하도록 구성된 중앙 개구부를 포함한다. 세라믹 샤워헤드는, 중앙 가스 주입기를 통해 공급되도록 구성된 프로세스 가스의 플로우 레이트와 독립적으로 세라믹 샤워헤드를 통해 공급된 프로세스 가스의 플로우 레이트를 제어하도록 동작가능하다.
또한 유도 결합된 플라즈마 프로세싱 장치 내에서 반도체 기판을 플라즈마 프로세싱하는 방법이 본 명세서에 개시된다. 방법은 진공 챔버 내의 기판 지지부 상에 반도체 기판을 배치하는 단계를 포함하고, 중앙 가스 주입기를 포함하는 세라믹 샤워헤드의 플라즈마 노출된 표면은, 기판 지지부와 대면하는 진공 챔버의 벽을 형성한다. 세라믹 샤워헤드의 중앙 가스 주입기의 가스 주입기 유출부들 및/또는 샤워헤드 가스 유출부들로부터 진공 챔버 내로 프로세스 가스가 공급된다. 세라믹 샤워헤드 및 중앙 가스 주입기에 의해 공급된 프로세스 가스의 플로우 레이트는 서로 독립적으로 제어된다. 프로세스 가스는 세라믹 샤워헤드를 통해 진공 챔버로 RF 에너지 소스에 의해 생성된 RF 에너지를 유도 결합함으로써 플라즈마 상태로 에너자이징되고, 플라즈마 상이 되는 프로세스 가스는 반도체 기판의 노출된 표면과 반응되어 반도체 기판을 프로세싱한다.
도 1은 본 명세서에 개시된 바와 같은 실시예들에 따른 반도체 기판 플라즈마 프로세싱 장치의 실시예를 예시한다.
도 2는 본 명세서에 개시된 바와 같은 실시예들에 따른 반도체 기판 플라즈마 프로세싱 장치의 실시예를 예시한다.
도 3a는 본 명세서 개시된 바와 같은 실시예들에 따른 중앙 가스 주입기를 포함할 수 있는 세라믹 샤워헤드의 실시예를 예시하고, 도 3b는 세라믹 샤워헤드의 중앙 부분의 단면을 예시한다.
도 4는 본 명세서 개시된 바와 같은 실시예들에 따른 세라믹 샤워헤드 내에 배치될 수 있는 중앙 가스 주입기의 실시예를 예시한다.
도 5는 본 명세서 개시된 바와 같은 실시예들에 따른 반도체 기판 플라즈마 프로세싱 장치에 의해 수행될 수 있는 가스 플로우 패턴의 예를 예시한다.
도 6은 본 명세서 개시된 바와 같은 실시예들에 따른 반도체 기판 플라즈마 프로세싱 장치에 의해 수행될 수 있는 가스 플로우 패턴의 예를 예시한다.
도 7은 본 명세서 개시된 바와 같은 실시예들에 따른 반도체 기판 플라즈마 프로세싱 장치에 의해 수행될 수 있는 가스 플로우 패턴의 예를 예시한다.
반도체 기판 프로세싱 장치의 중앙 가스 주입기를 포함하는 세라믹 샤워헤드가 본 명세서에 개시되고, 중앙 가스 주입기를 포함하는 세라믹 샤워헤드는 반도체 기판 프로세싱 장치의 진공 챔버 내로 튜닝가능한 대류성-확산성 프로세스 가스 플로우를 제공하도록 동작가능하다. 반도체 기판 프로세싱 장치는, 이로 제한되는 것은 아니지만, 플라즈마 에칭, PVD (physical vapor deposition), CVD (chemical vapor deposition), PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition), ALD (atomic layer deposition), PEALD (plasma-enhanced atomic layer deposition), ALE (atomic layer etch), PE-ALE (plasma-enhanced atomic layer etch), 이온 주입, 또는 레지스트 제거를 포함하는, 기법들에 의해 반도체 기판들을 프로세싱하기 위해 사용될 수 있다. 바람직하게, 반도체 기판 프로세싱 장치는 유도 결합된 플라즈마 프로세싱 장치이다. 이하의 기술에서, 다수의 구체적인 상세들이 본 실시예들의 전체적인 이해를 제공하기 위해 언급된다. 그러나, 본 실시예들은 이들 구체적인 상세들의 일부 또는 전부가 없이 실시될 수도 있다는 것이 당업자에게 자명할 것이다. 다른 예들에서, 공지의 프로세스 동작들은 본 명세서에 개시된 실시예들을 불필요하게 모호하게 하지 않기 위해 상세히 기술되지 않았다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 튜닝가능한 대류성-확산성 프로세스 가스 플로우는 진공 챔버의 기판 지지부 상에 지지된 반도체 기판의 상부 표면에 대류성 가스 플로우, 또는 확산성 가스 플로우, 또는 대류성 가스 플로우 및 확산성 가스 플로우를 동시에 제공하기 위한 중앙 가스 주입기를 포함하는 세라믹 샤워헤드의 능력을 말한다. 일 실시예에서, 세라믹 샤워헤드는 멀티존 샤워헤드일 수 있고, 샤워헤드의 각각의 존 각각을 통해 전달된 프로세스 가스의 플로우 레이트가 제어될 수 있다. 일 실시예에서, 중앙 가스 주입기는 멀티존 가스 주입기일 수 있고, 가스 주입기의 각각의 존 각각을 통해 전달된 프로세스 가스의 플로우 레이트가 제어될 수 있다. 부가적으로, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "약"은 수적인 값들을 참조하여 사용될 때 ± 10 ％를 참조한다.
멀티존 샤워헤드의 예시적인 실시예는, 공동으로 양도된 미국 출원번호 제 2013/0126486 호에서 찾을 수 있고, 이는 본 명세서에 전체가 참조로서 인용된다. 멀티존 가스 주입기의 예시적인 실시예는 공동으로 양도된 미국 출원번호 제 2010/0041238 호에서 찾을 수 있고, 이는 본 명세서에 전체가 참조로서 인용된다.
반도체 기판 프로세싱에서, 진공 챔버로 프로세스 가스들을 주입하는 방법 및 진공 챔버의 압력은, 반도체 기판의 상부 표면의 영역들 상에서의 반도체 기판 에칭 부산물들의 재증착으로 인해, 반도체 기판의 표면 위에서의 화학적으로 반응성 종의 분포 및 따라서 반도체 기판의 전체 프로세싱의 균일성에 영향을 줄 수 있다. 프로세싱 동안 진공 챔버 내의 압력이 가변적으로 제어되는 동안, 기판 부산물들의 재증착을 제어하기 위해, 중앙 가스 주입기를 포함하는 세라믹 샤워헤드에 의해 진공 챔버의 내부로 공급된 프로세스 가스의 플로우는 바람직하게 확산성 가스 플로우와 대류성 가스 플로우 사이에서 스위칭되거나 대류성이고 확산성 가스 플로우이다. 프로세스 가스의 플로우 레이트 및/또는 진공 챔버 내의 압력의 변화들은 상부 표면 상의 부산물의 재증착에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 가스 주입기가 약 10 mT의 대류성 가스 플로우를 공급할 때, 부산물 재증착 프로파일은 상대적으로 균일하고 반도체 기판의 중심으로부터 에지로 기울고 (lean), 약 100 mT의 압력에서 동일한 플로우에 대해, 부산물 재증착의 방사상 불균일성이 상승된다. 부산물의 재증착을 감소시키기 위해, 바람직하게, 프로세싱되는 반도체 기판의 상부 표면 위에 와전류 (eddy current) 가 형성되지 않도록, 장치에 의해 공급된 프로세스 가스의 압력 및 플로우 레이트가 제어 (즉, 튜닝) 된다. 이러한 방식으로, 진공 챔버 내에서 부산물들의 상주 시간이 감소된다.
일 실시예에서, 듀얼-모드 세라믹 샤워헤드는 반도체 기판 프로세싱 장치 내로 프로세스 가스를 주입하기 위한 중앙 가스 주입기를 포함하고, 진공 챔버 내의 압력을 가변시키고 진공 챔버의 내부에 공급된 가스 플로우들을 가변하기 위해 에칭된 재료의 방사상 부산물 재증착이 제어될 수 있도록, 듀얼-모드 세라믹 샤워헤드는 반도체 기판 프로세싱 장치의 진공 챔버 내로 튜닝가능한 대류성-확산성 프로세스 가스를 제공하도록 동작가능하다. 바람직하게, 반도체 기판 프로세싱 장치는 유도 결합된 플라즈마 프로세싱 장치이다. 유도 결합된 플라즈마 프로세싱 장치는 진공 챔버, 및 그 위에 반도체 기판이 지지될 수 있는 기판 지지부를 포함하고, 그리고 플라즈마가 진공 챔버 내에서 프로세싱된다. 세라믹 샤워헤드는 진공 챔버의 상부 벽을 형성하고, 세라믹 샤워헤드는, 세라믹 샤워헤드에 의해 진공 챔버의 내부로 프로세스 가스가 공급될 수 있도록, 세라믹 샤워헤드의 플라즈마 노출된 표면에서 복수의 샤워헤드 가스 유출부들과 유체 연통하는 가스 플레넘을 포함한다. 바람직하게, 복수의 샤워헤드 가스 유출부들은 진공 챔버의 내부로 확산성 프로세스 가스 플로우를 공급하도록 구성된다.
세라믹 샤워헤드는 바람직하게 중앙 가스 주입기를 수용하도록 구성된 중앙 개구부를 포함한다. 중앙 가스 주입기는 세라믹 샤워헤드의 중앙 개구부 내에서 진공 시일될 수 있다. 중앙 가스 주입기는 진공 챔버의 내부로 프로세스 가스를 공급하기 위한 복수의 가스 주입기 유출부들을 포함한다. 복수의 가스 주입기 유출부들은, 반도체 기판 프로세싱 동안 확산성 프로세스 가스 플로우, 또는 대류성 프로세스 가스 플로우, 또는 확산성 및 대류성 프로세스 가스 플로우를 진공 챔버의 내부로 공급하도록 구성된다. 유도 결합된 플라즈마 프로세싱 장치는, 반도체 기판을 프로세스하기 위해 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징하기 위해 세라믹 샤워헤드를 통해 진공 챔버로 RF 에너지를 유도 결합하는 RF 에너지 소스를 포함한다. 중앙 가스 주입기에 의해 공급된 프로세스 가스의 플로우 레이트 및 세라믹 샤워헤드에 의해 공급된 프로세스 가스의 플로우 레이트는 바람직하게 독립적으로 제어될 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 명세서에 개시된 바와 같이 중앙 가스 주입기 (20) 를 포함하는 세라믹 샤워헤드 (30) 를 포함할 수 있는 반도체 기판 프로세싱 장치의 실시예를 예시한다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 유도 결합된 플라즈마 프로세싱 장치 (10) 는 진공 챔버 (40) (즉, 플라즈마 에칭 챔버) 를 포함할 수 있다. 진공 챔버 (40) 는 진공 챔버 (40) 의 내부에 반도체 기판 (5) 을 지지하기 위한 기판 지지부 (하부 전극 어셈블리) (15) 를 포함한다. 중앙 가스 주입기 (20) 를 포함하는 세라믹 샤워헤드 (30) 는 진공 챔버 (40) 의 상부 벽을 형성한다. 바람직하게, 세라믹 샤워헤드 (30) 는 샤워헤드의 플라즈마 노출된 표면 (37) 을 둘러싸는 하부 진공 시일링 표면 (27) 을 포함하고, 진공 챔버 (40) 의 진공 시일링 표면 (41) 과 함께 진공 시일을 형성한다.
프로세스 가스들은 가스 주입기 (20) 만을 통해, 또는 세라믹 샤워헤드 (30) 만을 통해, 또는 가스 주입기 (20) 및 세라믹 샤워헤드 (30) 양자를 통해, 진공 챔버 (40) 의 내부로 주입될 수 있다. 진공 챔버 (40) 의 내부로 중앙 가스 주입기 (20) 에 공급된 프로세스 가스의 플로우 레이트 및 세라믹 샤워헤드 (30) 에 의해 공급된 프로세스 가스의 플로우 레이트는 바람직하게 독립적으로 제어된다. 또한, 중앙 가스 주입기 (20) 를 포함하는 세라믹 샤워헤드 (30) 에 의해 진공 챔버의 내부로 공급된 프로세스 가스의 플로우는 바람직하게 확산성 가스 플로우와 대류성 가스 플로우 사이에서 변경될 수 있거나, 대류성 가스 플로우 및 확산성 가스 플로우가 동시에 공급될 수 있다. 가스 전달 시스템 (234) 은 바람직하게 가스 주입기 (20) 및/또는 세라믹 샤워헤드 (30) 를 통해 진공 챔버 (40) 의 내부에 공급된 프로세스 가스의 파라미터들을 제어하도록 구성된다. 가스 전달 시스템 (234) 에 의해 진공 챔버의 내부로 공급된 프로세스 가스들의 파라미터들 (예를 들어, 온도, 플로우 레이트, 및 화학적 구성) 은 바람직하게 제어 시스템 (385) 에 의해 제어된다. 빠른 가스 스위칭 능력들을 갖는 가스 전달 시스템의 예시적인 실시예는 공동으로 양도된 미국 특허 제 8,673,785 호에 찾을 수 있고, 전체가 참조로서 본 명세서에 인용된다. 바람직하게, 프로세싱 동안 진공 챔버 (40) 내의 압력은 진공 소스 (90) 에 의해 가변적으로 제어될 수 있고, 제어 시스템 (385) 은 진공 소스 (90) 를 바람직하게 제어한다.
일단 프로세스 가스들이 진공 챔버 (40) 의 내부로 도입되면, 프로세스 가스들은, 진공 챔버 (40) 의 내부로 에너지를 공급하는 안테나 (18) 와 같은 RF 소스에 의해 플라즈마 상태로 에너자이징된다. 바람직하게, 안테나 (18) 는 RF 에너지를 진공 챔버 (40) 에 유도 결합하기 위해 RF 전력 소스 (240) 및 RF 임피던스 매칭 회로 (238) 에 의해 전력이 공급되는, 외부 평판형 안테나이다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 안테나 (18) 는 평판형이 아닌 외부 또는 임베딩된 안테나일 수도 있다. 평판형 안테나로의 RF 전력의 인가에 의해 생성된 전자기장은, 기판 (5) 위에 고밀도 플라즈마 (예를 들어, 109 내지 1012 ions/㎤) 를 형성하기 위해, 진공 챔버 (40) 의 내부에서 프로세스 가스를 에너자이징한다. 에칭 프로세스 동안, 안테나 (18) (즉 RF 코일) 는 변압기의 1차 코일과 유사한 기능을 수행하는 반면, 진공 챔버 (40) 내에서 생성된 플라즈마는 변압기의 2차 코일과 유사한 기능을 수행한다.
세라믹 샤워헤드 (30) 는 진공 챔버 (40) 의 내부로 프로세스 가스를 공급하기 위해 세라믹 샤워헤드의 플라즈마 노출된 표면 (37) 에 복수의 샤워헤드 가스 유출부들 (32) 을 포함한다. 바람직하게 중앙 가스 주입기 (20) 는 세라믹 샤워헤드 (30) 의 중앙 개구부 (35) 내에 제거가능하게 장착되고, 중앙 가스 주입기 (20) 의 진공 시일링 표면 (38) 은 세라믹 샤워헤드 (30) 의 중앙 진공 시일링 표면 (39) 과 함께 진공 시일을 형성한다. 일 실시예에서, 중앙 가스 주입기 (20) 는 세라믹 샤워헤드 (30) 의 계단형 보어의 진공 시일을 형성하는 플랜지를 포함할 수 있다. 중앙 가스 주입기 (20) 는 가스 주입기 유출부를 통해 진공 챔버 (40) 의 내부로 프로세스 가스를 공급하기 위한 하나 이상의 가스 주입기 유출부들 (21) 을 포함할 수 있다. 가스 주입기 (20) 는, 중앙 가스 주입기 (20) 의 원위 단부가 세라믹 샤워헤드 (30) 의 플라즈마 노출된 표면 (37) 아래에 배치되도록 세라믹 샤워헤드 (30) 내에 바람직하게 배열된다.
바람직하게, 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 샤워헤드 가스 유출부들 (32) 은 가스 플레넘 (31) 과 유체 연통한다. 가스 플레넘 (31) 은 바람직하게 중앙 가스 주입기 (20) 내에 배치된 적어도 하나의 샤워헤드 가스 공급 채널 (22) 에 의해 프로세스 가스가 공급된다. 바람직한 실시예에서, 가스 플레넘 (31) 은 바람직하게 적어도 약 10 인치의 직경 및 약 0.06 인치의 높이를 갖는다. 바람직하게 적어도 하나의 가스 공급 채널 (22) 은, 가스 공급 채널의 수직 통로로부터 외부로 연장하는, 하나 이상의 방사상으로 연장하는 가스 통로들을 포함하고, 하나 이상의 방사상으로 연장하는 가스 통로들은 세라믹 샤워헤드 (30) 의 하나 이상의 방사상으로 연장하는 가스 통로들 (28) 각각과 정렬하도록 구성되고, 하나 이상의 방사상으로 연장하는 가스 통로들 (28) 은, 프로세스 가스가 중앙 가스 주입기 (20) 에 의해 세라믹 샤워헤드 (30) 의 가스 플레넘 (31) 에 공급되고 따라서 진공 챔버 (40) 의 내부로 전달될 수 있도록, 중앙 개구부 (35) 를 규정하는 벽의 외부로 연장하고, 복수의 샤워헤드 가스 유출부들 (32) 및 가스 플레넘 (31) 과 유체 연통한다.
대안적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 세라믹 샤워헤드 (30) 는 샤워헤드 (30) 의 외주부로부터 내부로 연장하는 복수의 방사상으로 연장하는 가스 통로들 (33) 을 포함할 수 있고, 방사상으로 연장하는 가스 통로들은 가스 플레넘 (31) 및 복수의 샤워헤드 가스 유출부들 (32) 과 유체 연통한다. 샤워헤드 (30) 의 외주부로부터 내부로 연장하는 방사상으로 연장하는 가스 통로들을 포함하는 세라믹 샤워헤드의 예시적인 실시예는 공동으로 양도된 미국 특허 제 8,562,785 호에서 찾을 수 있고, 이는 전체가 참조로서 본 명세서에 인용된다.
도 3a는 본 명세서에 개시된 바와 같은 실시예들에 따른 중앙 가스 주입기 를 포함할 수 있는 세라믹 샤워헤드 (30) 의 실시예를 예시한다. 세라믹 샤워헤드 (30) 는 알루미나, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥사이드, 단결정 실리콘, 석영, 또는 실리콘 카바이드 중 하나 이상의 조각들로 이루어질 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 세라믹 샤워헤드는 중앙 가스 주입기를 수용하도록 구성된 중앙 개구부 (35) 를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 세라믹 샤워헤드 (30) 는 약 0.4 인치의 두께, 및 적어도 약 20 인치의 직경을 갖는다. 바람직한 실시예에서, 세라믹 샤워헤드 (30) 는 존을 통해 프로세스 가스를 공급하기 위한 2 이상의 존들을 갖는 멀티존 세라믹 샤워헤드이고, 세라믹 샤워헤드 (30) 의 존 각각에 의해 공급된 프로세스 가스의 플로우 레이트는 독립적으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 제 1 환형 존 (33) 은 제 1 플로우 레이트로 프로세스 가스를 공급할 수 있고, 제 2 환형 존 (34) 은 제 2 플로우 레이트로 프로세스 가스를 공급할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 존들은 방사상 (예를 들어, 파이 형상) 구성으로 배열될 수 있다. 바람직하게, 샤워헤드 가스 유출부들 (32) (즉, 제 1 환형 존 (33) 내의 샤워헤드 가스 유출부들 (32a) 및 제 2 환형 존 (34) 내의 샤워헤드 가스 유출부들 (32b)) 은 약 0.04 인치의 직경을 갖는다. 바람직하게, 존 각각은 존의 샤워헤드 가스 유출부들과 유체 연통하는 가스 플레넘을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 세라믹 샤워헤드 (30) 는 온도 프로브와 같은 측정 디바이스를 수용하도록 구성된 적어도 하나의 블라인드 보어 (36) 를 포함할 수 있다.
도 3b는 중앙 개구부 (35) 를 갖는 세라믹 샤워헤드 (30) 의 중앙 부분의 단면도를 예시한다. 바람직하게, 세라믹 샤워헤드 (30) 의 중앙 개구부 (35) 는 약 1 내지 1.5 인치의 직경을 갖는다. 세라믹 샤워헤드 (30) 의 중앙 개구부 (35) 를 규정하는 수직 벽 (35a) 은 바람직하게 수직 벽 내에 배치된 원주형 홈부 (48) 를 포함하고, 원주형 홈부 (48) 는 약 0.15 인치의 높이 및 약 0.15 인치의 깊이를 가질 수 있다. 원주형 홈부 (48) 는 바람직하게 개구부 (35) 에 수용된 중앙 가스 주입기의 플랜지와 함께 진공 시일을 형성하도록 구성된다. 예를 들어, 원주형 홈부 (48) 는 O-링을 수용하도록 구성될 수 있다.
도 4는 본 명세서에 개시된 실시예들에 따라 세라믹 샤워헤드 내에 배치될 수 있는 중앙 가스 주입기 (20) 의 실시예를 예시한다. 중앙 가스 주입기 (20) 는 바람직하게 석영과 같은 유전체 재료로 형성된 주입기 바디 및 하나 이상의 가스 주입기 유출부들 (21) 을 포함한다. 바람직하게, 중앙 가스 주입기 (20) 는 존을 통해 프로세스 가스를 공급하기 위해 2 이상의 존들을 갖는 멀티존 중앙 가스 주입기이고, 중앙 가스 주입기 (20) 의 존 각각에 의해 공급된 프로세스 가스의 플로우 레이트는 독립적으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 존들은, 바람직하게 반도체 기판의 노출된 표면에 수직인 축 방향으로 연장하는 하나 이상의 중앙 가스 유출부들 (21a) 및 바람직하게 진공 챔버 (40) 의 내부로 프로세스 가스를 공급하기 위해 축 방향의 약 90 ° 각도로 연장하는 복수의 방사상 가스 유출부들 (21b) 에 의해 형성될 수 있다. 바람직하게, 하나 이상의 중앙 가스 유출부들 (21a) 은 제 1 가스 라인에 의해 공급된 프로세스 가스를 수용하도록 구성되고, 방사상 가스 유출부들 (21b) 은 제 2 가스 라인으로부터의 프로세스 가스를 수용하도록 구성된다. 대안적으로, 단일 가스 라인이 중앙 가스 유출부들 (21a) 및 방사상 가스 유출부들 (21b) 양자에 가스를 공급할 수 있다. 중앙 가스 주입기 (20) 는 바람직하게 서브소닉 속도, 소닉 속도, 및/또는 슈퍼소닉 속도로 진공 챔버 (40) 내로 프로세스 가스를 주입할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 중앙 가스 주입기는 반도체 기판의 노출된 표면에 수직인 축 방향으로 연장하는 하나 이상의 중앙 가스 유출부들 및 진공 챔버의 내부로 프로세스 가스를 공급하기 위해 축 방향에 대해 예각으로 연장하는 복수의 기울어진 가스 유출부들을 포함할 수 있다. 바람직하게, 하나 이상의 중앙 가스 유출부들은 에 의해 공급된 프로세스 가스를 수용하도록 구성되고, 기울어진 가스 유출부들은 제 2 가스 라인으로부터의 프로세스 가스를 수용하도록 구성된다. 대안적인 실시예에서, 중앙 가스 주입기 (20) 는 적어도 제 1 가스 유입부 및 제 2 가스 유입부, 적어도 제 1 가스 통로 및 제 2 가스 통로, 그리고 적어도 제 1 가스 유출부 및 제 2 가스 유출부를 포함하는 주입기 바디를 포함하고, 제 1 가스 통로는 제 1 가스 유입부 및 제 1 가스 유출부와 유체 연통하고, 제 2 가스 통로는 제 2 가스 유입부 및 제 2 가스 유출부와 유체 연통하고, 제 1 가스 통로 및 제 2 가스 통로는 제 1 가스 유출부 및 제 2 가스 유출부를 통해 독립적으로 조정가능한 플로우 레이트들의 가스를 제공하도록 서로 이격된다. 하나 이상의 중앙 가스 유출부들 및 복수의 기울어진 가스 유출부들을 포함하는 가스 주입기의 예시적인 실시예는 공동으로 양도된 미국 특허 제 8,025,731 호에서 찾을 수 있고, 이는 전체가 본 명세서에 참조로서 인용된다.
바람직한 실시예에서, 중앙 가스 주입기 (20) 의 가스 주입기 유출부들 (21) 은 중앙 가스 주입기 (20) 의 복수의 가스 주입기 유출부들 (21) 내에서의 플라즈마 점화를 최소화하는, 복수의 가스 주입기 유출부들의 표면들 상의 전기적으로 도전성의 차폐부를 포함할 수 있다. 중앙 가스 주입기 (20) 는 바람직하게 플랜지 (23) 를 포함하고, 가스 주입기 (20) 는 중앙 가스 주입기 (20) 와 세라믹 샤워헤드 (30) 사이에 O-링을 갖고 세라믹 샤워헤드 (30) 의 중앙 개구부 (35) 에 슬라이드가능하게 피팅되도록 구성된다. 대안적인 실시예에서, 중앙 가스 주입기 (20) 는 트위스트 및 록 배열 (twist and lock arrangement) 로 세라믹 샤워헤드 (30) 의 중앙 개구부 (35) 내에 피팅되도록 구성된다. 장치를 장착하는 트위스트 및 록 가스 주입기의 예시적인 실시예는 공동으로 양도된 미국 특허 출원번호 제 2013/0098554 호에서 찾을 수 있고, 이는 전체가 참조로서 본 명세서에 인용된다.
바람직하게, 반도체 기판은 진공 챔버 (40) 의 기판 지지부 (15) 상에 반도체 기판 (5) 을 배치함으로써 유도 결합된 플라즈마 프로세싱 장치 (10) (도 1 및 도 2 참조) 내에서 프로세싱될 수 있고, 진공 챔버 (40) 의 벽을 형성하는 세라믹 샤워헤드 (30) 의 플라즈마 노출된 표면 (37) 은 기판 지지부 (15) 와 대면한다. 프로세스 가스는 중앙 가스 주입기 (20) 의 가스 주입기 유출부들 (21) 및/또는 세라믹 샤워헤드 (30) 샤워헤드 가스 유출부들 (32) 의 샤워헤드 가스 유출부들 (32) 로부터 진공 챔버 (40) 로 공급되고, 세라믹 샤워헤드 및 중앙 가스 주입기에 의해 공급된 프로세스 가스의 플로우 레이트들은 서로 독립적으로 제어된다. 프로세스 가스는 세라믹 샤워헤드 (30) 를 통해 진공 챔버 (40) 로 RF 에너지 소스 (18) 에 의해 생성된 RF 에너지를 유도 결합함으로써 플라즈마 상태로 에너자이징되고, 플라즈마 상이 되는 프로세스 가스는 반도체 기판 (5) 의 노출된 표면과 반응되어 반도체 기판 (5) 을 프로세싱한다. 바람직하게, 세라믹 샤워헤드 (30) 는 2 이상의 존들을 포함하는 멀티존 세라믹 샤워헤드이고, 각각의 존 각각을 통해 공급된 프로세스 가스의 플로우 레이트는 독립적으로 제어된다. 바람직하게, 중앙 가스 주입기 (20) 는 2 이상의 존들을 포함하는 멀티존 중앙 가스 주입기이고, 각각의 존 각각을 통해 공급된 프로세스 가스의 플로우 레이트는 독립적으로 제어된다.
반도체 기판의 에칭 동안 반도체 기판 에칭 부산물들의 재증착을 제어하기 위해, 프로세싱 동안 진공 챔버 (40) 의 압력이 가변적으로 제어되는 동안, 중앙 가스 주입기 (20) 를 포함하는 세라믹 샤워헤드 (30) 에 의해 진공 챔버 (40) 의 내부로 공급된 프로세스 가스의 플로우는 바람직하게 확산성 가스 플로우와 대류성 가스 플로우 사이에서 스위칭되거나, 대류성 및 확산성 가스 플로우가 진공 챔버 (40) 의 내부로 공급된다. 또한, 반도체 기판 (5) 상의 층의 중심-대-에지 에칭의 균일성을 달성하기 위해, 반도체 기판 상의 층을 에칭하는 동안, 가스 주입기 유출부들 (21) 및 샤워헤드 가스 유출부들 (32) 중 적어도 일부를 통한 가스 플로우의 비는 독립적으로 제어된다. 반도체 기판 (5) 의 상부 표면 위에서 가스 종의 상주 시간이 감소되도록, 가스 주입기 유출부들 (21) 과 샤워헤드 가스 유출부들 (32) 중 적어도 일부를 통한 가스 플로우의 비는 독립적으로 가변된다.
예를 들어, 도 5, 도 6 및 도 7은 본 명세서에 개시된 바와 같은 실시예들에 따른 반도체 기판 플라즈마 프로세싱 장치에 의해 수행될 수 있는, 가스 플로우 패턴들의 예들을 예시한다. 중앙 가스 주입기 (20) 만의 고 플로우를 도시하는 도 5 및 도 6에 예시된 바와 같이, 와전류 (150) 는 반도체 기판의 상부 표면 위에 형성되고, 에칭 부산물은기판의 상부 표면 위에서 재순환된다. 반도체 기판의 상부 표면 위에서 에칭 부산물을 재순환시킴으로써, 반도체 기판의 상부 표면 상의 에칭 부산물의 재증착이 증가된다. 그러나, 도 7에 예시된 바와 같이, 중앙 가스 주입기 (20) 및 세라믹 샤워헤드 (30) 를 사용하여 프로세스 가스 플로우를 제공함으로써, 가스 플로우가 독립적으로 제어되고, 와전류가 제어될 수 있도록 재순환되지 않은 가스 플로우 (155) 가 형성된다. 이러한 방식으로, 에칭 부산물은 반도체 기판의 상부 표면 위에서 재순환되지 않고, 따라서 에칭 부산물의 재증착을 감소시키고, 반도체 기판의 상부 표면 위의 가스 종의 상주 시간이 감소된다. 따라서, 튜닝가능한 대류성-확산성 가스 플로우를 사용하여, 반도체 기판의 상부 표면 위의 가스 플로우의 재순환을 제어함으로써, 반도체 기판의 상부 표면 상에서의 에칭 부산물들의 재증착이 유사하게 제어될 수도 있다.
제어 시스템 (385) (도 1 및 도 2 참조) 과 같은 제어 시스템은 바람직하게 플라즈마 프로세싱 장치, 가스 전달 시스템, 및/또는 진공 소스에 의해 수행된 프로세스들을 제어한다. 비일시적인 컴퓨터 머신 판독가능 매체는 플라즈마 프로세싱 장치 및가스 전달 시스템의 제어를 위한 프로그램 인스트럭션들을 포함할 수 있다. 프로세싱 동작들을 제어하기 위한 컴퓨터 프로그램 코드는 임의의 종래의 컴퓨터 판독가능 프로그래밍 언어: 예를 들어, 어셈블리어, C, C++, Pascal, Fortran, 등으로 작성될 수 있다. 컴파일된 객체 코드 또는 스크립트가 프로그램에서 식별된 태스크들을 수행하기 위해 프로세서에 의해 실행된다.
본 명세서에 개시된 실시예들이 구체적인 실시예들을 참조하여 상세하기 기술되었지만, 첨부된 청구항들의 범위로부터 벗어나지 않고, 다양한 변화들 및 수정들이 이루어질 수 있고, 등가물들이 채용될 수 있다는 것이 당업자에게 자명할 것이다.

Claims (20)

  1. 세라믹 샤워헤드로서,
    세라믹 샤워헤드 내에 규정된 적어도 하나의 가스 플레넘;
    상기 적어도 하나의 가스 플레넘 내에 규정된 제 1 환형 존;
    상기 제 1 환형 존의 방사상 외측으로 상기 적어도 하나의 가스 플레넘 내에 규정된 제 2 환형 존;
    상기 세라믹 샤워헤드의 플라즈마 노출된 표면에 배치된 복수의 샤워헤드 가스 유출부들로서, 상기 복수의 샤워헤드 가스 유출부들은 진공 챔버의 내부에 프로세스 가스를 공급하도록 구성되고, 상기 복수의 가스 유출부들의 제 1 샤워헤드 가스 유출부들은 상기 제 1 환형 존 내에 그리고 상기 제 1 환형 존과 유체 연통하고, 그리고 상기 복수의 가스 유출부들의 제 2 샤워헤드 가스 유출부들은 상기 제 2 환형 존 내에 그리고 상기 제 2 환형 존과 유체 연통하도록 배치되는, 상기 복수의 샤워헤드 가스 유출부들;
    상기 세라믹 샤워헤드의 상기 플라즈마 노출된 표면을 둘러싸는 제 1 진공 시일링 표면으로서, 상기 제 1 진공 시일링 표면은 상기 진공 챔버의 진공 시일링 표면과 함께 진공 시일을 형성하도록 구성되는, 상기 제 1 진공 시일링 표면;
    상기 세라믹 샤워헤드의 외주부로부터 방사상 내측으로 연장하는 하나 이상의 가스 통로들로서, 상기 하나 이상의 가스 통로들은 상기 제 1 환형 존 및 상기 제 2 환형 존 내의 상기 복수의 샤워헤드 가스 유출부들과 유체 연통하는, 상기 하나 이상의 가스 통로들; 및
    상기 제 1 환형 존의 방사상 내측에 위치된 중앙 개구부로서, 상기 중앙 개구부는 중앙 가스 주입기를 수용하도록 구성되는, 상기 중앙 개구부를 포함하는, 세라믹 샤워헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 샤워헤드는 알루미나로 구성되는, 세라믹 샤워헤드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 환형 존은 제 1 플로우 레이트로 프로세스 가스를 공급하도록 구성되고 그리고 상기 제 2 환형 존은 제 2 플로우 레이트로 프로세스 가스를 공급하도록 구성되는, 세라믹 샤워헤드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가스 플레넘은 상기 제 1 환형 존에 대응하는 제 1 가스 플레넘 및 상기 제 2 환형 존에 대응하는 제 2 가스 플레넘을 포함하는, 세라믹 샤워헤드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 샤워헤드는 상기 진공 챔버의 상부 벽을 형성하도록 구성되는, 세라믹 샤워헤드.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 중앙 개구부는 상기 중앙 가스 주입기의 진공 시일링 표면과 함께 진공 시일을 형성하도록 구성된 중앙 진공 시일링 표면을 포함하는, 세라믹 샤워헤드.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 중앙 개구부는 진공 시일을 형성하도록 상기 중앙 가스 주입기의 플랜지를 수용하도록 구성된 계단형 보어를 포함하는, 세라믹 샤워헤드.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 중앙 개구부는 진공 시일을 형성하도록 상기 중앙 가스 주입기의 플랜지를 수용하도록 구성된 원주형 홈부를 포함하는, 세라믹 샤워헤드.
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 가스 통로들은 상기 중앙 가스 주입기가 상기 중앙 개구부 내에 배치될 때 상기 중앙 가스 주입기 내에 규정된 가스 통로로부터 방사상 외측으로 연장하는 가스 통로들과 정렬하도록 구성되는, 세라믹 샤워헤드.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 중앙 가스 주입기를 더 포함하고,
    상기 중앙 개구부는 계단형 보어 및 원주형 홈부 중 하나를 포함하고,
    상기 중앙 가스 주입기는 상기 중앙 개구부 내에 배치된 복수의 가스 주입기 유출부들을 포함하고, 상기 중앙 가스 주입기는 상기 중앙 개구부의 진공 시일링 표면과 함께 진공 시일을 형성하는, 세라믹 샤워헤드.
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