KR20040038875A - 유전체 식각 방법 - Google Patents

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Abstract

긴 서비스 수명 동안 높은 전력 레벨에서 작동할 수 있는 두꺼운 실리콘 상부전극을 사용하여 반도체 공정 설비 안에서 유전체를 식각하는 방법을 개시한다.

Description

유전체 식각 방법{Methods for etching dielectric materials}
본 발명은 플라즈마 반응기 안에서 유전체를 식각하는 방법에 관한 것이다.
반도체 프로세스 분야에서, 진공 공정 챔버들이 기판 상 물질의 식각 및 화학기상증착(CVD)을 위해 일반적으로 사용되고 있다. 플라즈마를 발생시키기 위해, 공정 챔버 안으로 유입되는 공정 가스에 라디오 주파수(RF) 필드를 적용한다. 평행판, 유도결합 플라즈마(ICP)라고도 불리는 트랜스포머 결합 플라즈마(TCP™) 및 전자-사이클로트론 공명(ECR) 반응기들과 그 구성요소들이 공동소유인 미합중국 특허 제4,340,462호, 제4,948,458호, 제5,200,232호 및 제5,820,723호에 개시되어 있다.
플라즈마 식각 동안에, 비교적 저압의 가스에 상당한 양의 에너지를 인가하여 가스를 이온화시킴으로써 기판의 마스크된 표면 위에 플라즈마를 형성한다. 식각될 기판의 전기적 퍼텐셜을 조절함으로써 플라즈마 안의 전하를 띤 종은 기판에서 마스킹되지 않은 영역 내의 물질을 제거하도록 웨이퍼에 거의 수직으로 충돌하게 향해질 수 있다.
기판의 전 표면에 걸쳐 균일한 식각율을 달성하려면 기판 표면 위로 플라즈마를 균일하게 분포시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 미합중국 특허 제4,595,484호, 제4,792,378호, 제4,820,371호 및 제4,960,488호는 반도체 기판으로 균일한 가스 흐름을 공급하는 샤워헤드 전극을 개시한다.
반응성 이온 식각 시스템은 전형적으로 상부전극(또는 양극)과 하부전극(또는 음극)이 내부에 위치한 식각 챔버를 포함한다. 음극은 양극과 용기 벽에 대해 음의 바이어스가 걸린다. 식각될 기판은 적당한 마스크로 덮여 음극 상에 안착된다. 화학적으로 반응성인 가스가 식각 챔버로 유입되어 선택된 압력으로 유지된다. 상부전극에는 공정 가스가 전극을 통해 반응 챔버 안으로 균일하게 분산되도록 하는 가스 구멍이 형성되어 있다. 양극과 음극 사이에 형성된 전기장이 이 반응성 가스를 분해하여 플라즈마를 형성시킨다. 기판의 표면은 활성 이온과의 화학적 상호작용과 기판 표면에 부딪히는 이온의 운동량(momentum) 전달에 의해 식각된다. 전극에 의해 발생된 전기장은 이온을 음극으로 끌어당겨서 이온이 기판 표면에 부딪히도록 유도함으로써, 기판으로부터 물질을 제거하게 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 플라즈마 공정 설비 안에서 유전체를 식각하는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전극이 사용될 수 있는 플라즈마 반응 시스템을 도시한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 샤워헤드 전극 어셈블리의 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 샤워헤드 전극 어셈블리의 측단면도이다.
도 4는 도 3에 도시한 샤워헤드 전극 어셈블리 중 Ⅳ 부분의 세부적인 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 샤워헤드 전극 어셈블리의 측단면도이다.
도 6은 도 5에 도시한 전극 어셈블리의 세부적인 도면이다.
도 7은 도 6에 도시한 전극 어셈블리의 일부분에 대한 측단면도이다.
도 8은 상부전극 두께와 총 전력 레벨(상부 및 하부전극 사이에 인가된 것) 사이의 관계를 도시하는데, 상부전극의 바람직한 작동 영역 I과 파괴 영역 II을 보여준다.
도 9는 단차를 가진 전극(stepped electrode)의 실시예를 도시한다.
본 발명은 플라즈마 공정 설비 안에서 유전체를 식각하는 방법을 제공한다.
플라즈마 식각 반응기의 반응 챔버 안의 유전체 식각 방법에 관한 바람직한 실시예는 플라즈마 식각 반응기의 반응 챔버 내의 기판 지지대 상에 유전체를 포함하는 기판을 위치시키는 단계를 포함한다. 여기서 반응 챔버는 두꺼운 실리콘 전극과 제 2 전극을 포함한다. 상기 실리콘 전극은 바람직하게는 상부전극이며 상기 제 2 전극은 바람직하게는 하부전극이다. 공정 가스가 상기 반응 챔버 내부로 유입되고 상기 실리콘 전극에 선택된 전력 레벨이 인가되며, 상기 실리콘 전극의 모서리 부분으로부터 열이 전달된다. 상기 반응 챔버 안의 상기 공정 가스로부터 플라즈마가 발생되고 상기 유전체는 상기 플라즈마로 식각된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 유전체는 낮은 기공율(porosity)을 가진다. 상기 두꺼운 실리콘 전극은 높은 전력 레벨에서 이러한 유전체를 식각하는 데에 사용될 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 유전체를 포함하는 여러 개의 기판이 상기 반응 챔버 안에서 상기 두꺼운 실리콘 전극을 사용해 순차적으로, 이를테면 한번에 하나씩 플라즈마 식각된다. 상기 실리콘 전극은 높은 전력 레벨에서 얇은 전극에 비해 연장된 서비스 수명을 제공할 수 있다.
본 발명의 다양한 바람직한 실시예들은 도면들과 결합한 이하의 상세한 설명으로부터 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 플라즈마 공정 설비 안에서 유전체를 식각하는 방법을 제공한다. 바람직한 실시예들은 유전체를 식각함에 있어서 연장된 서비스 수명을 제공할 수 있는 두꺼운 상부전극을 사용한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 반도체 기판을 처리하기 위한 플라즈마 반응기 안의 상부전극으로서 두꺼운 전극이 사용된다. 예를 들어, 상기 전극은 웨이퍼가 하부전극을 포함하는 정전척(electrostatic chuck) 상에 지지되어 상부전극 아래에 위치하게 되는 매엽식(single) 웨이퍼, 평행판 플라즈마 반응기의 상부전극일 수 있다. 200mm 또는 300mm 실리콘 웨이퍼와 같은 다양한 크기와 조성의웨이퍼가 상기 반응기 안에서 처리될 수 있다. 아래에 기술하는 바와 같이, 바람직한 실시예에 있어서, 상기 두꺼운 전극은 기판 상에 형성된 유전체를 플라즈마 식각하기 위해 사용된다.
상기 두꺼운 전극은 전극 어셈블리의 구성부품일 수 있다. 플라즈마 반응기 안에서 플라즈마 식각을 진행하는 동안, 전극은 반응기 안의 플라즈마와 공정 가스에 노출되는데, 이것은 전극을 부식(erosion)시켜 마모시킨다. 여기에 사용되는 "부식"이라는 용어는 부식 및/또는 침식(corrosion)에 의한 마모를 포함한다. 전극이 마모됨에 따라 그 두께가 감소된다. 전극은 부식에 의해 과도하게 마모되었을 때 주기적으로 교체되어야 하는 소모성 부품이며 그렇지 않으면 파괴가 된다. 상기 두꺼운 전극은 유전체를 식각하기 위한 플라즈마 식각 공정에 있어서 얇은 전극에 비해 연장된 서비스 수명을 제공할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 유전체는 비교적 두꺼운 두께, 예를 들어 약 5000Å 내지 약 10000Å의 두께를 가진 저-기공율 물질이다. 상기 두꺼운 전극은 높은 전력 레벨에서 이러한 유전체를 식각하기 위한 플라즈마 반응 챔버 안에서 사용될 수 있다.
상기 두꺼운 전극은 이러한 높은 전력 레벨에서 연장된 서비스 수명을 제공할 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 전극 또는 전극 어셈블리는 플라즈마 챔버로부터 용이하게 제거될 수 있는 방식으로 장착된다. 예를 들어, 전극은 Lenz 등에게 허여된 공동소유의 미합중국특허 제5,569,356호에 개시된 것과 같은 어떤 적당한 기술에 의해 지지대에 기계적으로 고정될 수 있고, 그 개시 내용은 본 명세서에 원용되어 통합된다. 대신에, 전극은 Degner 등에게 허여된 공동소유의미합중국특허 제5,074,456호에 개시된 것과 같은 어떤 적당한 기술에 의해 지지대에 야금적으로 혹은 접착으로 결합될 수 있고, 그 개시 내용은 본 명세서에 원용되어 통합된다. 또한, 전극은 Lilleland 등에게 허여된 공동소유의 미합중국특허 제6,073,577호에 개시된 것과 같은 탄성중합체 결합부(elastomeric joint)에 의해 지지대에 결합될 수 있고, 그 개시 내용은 본 명세서에 원용되어 통합된다.
상기 전극은 도 1에 도시한 플라즈마 식각 시스템과 같은 다양한 플라즈마 식각 시스템 안에서 사용될 수 있다. 플라즈마 식각 시스템은 상부전극(12)을 포함하는 전극 어셈블리(10)가 챔버(52), 반입 로드락(inlet load lock)(54), 및 반출 로드락(outlet load lock)(56)을 가지는 평행판 반응기 시스템(50) 안에 위치하고 있는데, 그 상세 내용은 공동소유의 미합중국특허 제4,340,462호에 설명되어 있으며, 그 개시 내용은 본 명세서에 원용되어 통합된다. 챔버(52)는 그 상면에 웨이퍼 기판 한 장을 수용하는 하부전극판(58)을 포함한다. 전극 어셈블리(10)는 상부 하우징(59) 안에 장착되어 있다. 상부 하우징(59)은 메커니즘(60)에 의해 수직으로 움직일 수 있어 전극(12)과 전극(58) 사이의 간격이 조정될 수 있다.
로드락(54, 56)은 웨이퍼 공급장치(62)로부터 챔버(52)를 통해 웨이퍼 수용기(64)로 웨이퍼를 운반하는 운반 장치를 포함한다. 식각 가스 소스(70)는 전극 어셈블리(10)로 하나 이상의 가스를 포함하는 식각 가스를 운반하기 위해 하우징(59)에 연결되어 있다. 진공 펌프 설비(72)는 챔버 안을 원하는 압력, 예를 들면 0.001 내지 10 Torr로 유지한다. 냉각수 소스(74)가 상부전극(12)과 하부전극(58)에 연결되어 그들을 원하는 온도로 유지시킨다. 로드락 펌프 설비(76)가 로드락(54, 56) 안에 원하는 진공압을 형성한다. 전력 소스(78)가 상부 및/또는 하부전극(12, 58)에 라디오 주파수(RF) 전력을 제공한다.
전극 어셈블리(10)의 바람직한 실시예의 세부 사항이 도 2에 도시되어 있다. 원반 형태의 전극(12)은 브레이징, 솔더링, 접착제 등과 같은 적절한 결합 기술에 의해 지지링(14)에 결합되어 있다. 전극(12)은 공정 가스를 분산시키기 위한 개구부(16)들을 포함하는 샤워헤드 전극을 포함한다. 지지링(14)은 전극(12)의 상면과 맞물리도록 크기가 정해진 플랜지와 연장부(extension)를 갖는다. 지지링(14)은 조임쇄(fasteners)(미도시)에 의해 알루미늄 판과 같은 전기 전도성 안벽판(backing plate)(80)에 고정된다. 플레이트(64)로 덮인 냉각 채널(84)이 냉각수 소스(74)로부터 공급된 냉각수의 순환을 위한 냉각 도관을 형성한다. 전력 소스(78)로부터의 RF 전력은 안벽판(80)으로 공급되어 챔버(52) 안의 플라즈마를 활성화시키기 위해 지지링(14)을 통해 전극(12)으로 전달될 수 있다. 대신에, 전극(12)은 하부전극(58)에 의해 챔버 안에 발생된 플라즈마를 위한 접지 경로를 제공하도록 접지될 수 있다. 가스 소스(70)로부터의 공정 가스는 통로(86)를 지나 안벽판(80)으로 들어가고 배플판(87, 88)을 포함하는 배플 설비 안을 통과한다. 두 개의 배플판이 도시되었지만, 임의의 적당한 배플판이 사용될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 배플판은 전극(12)의 상면과 접촉하지 않는다. 대신에, 배플 설비는 생략될 수 있다. 지지링(14)을 둘러싸고 있는 것은 내부 절연성 또는 전도성링(90)과 외부 절연성링(92)인데, 둘 다 플라즈마로부터 지지링(14)을 보호한다.
상기 전극은 도 3 및 도 4에 도시한 것과 같은 정위치(captive) 전극 시스템에 사용될 수도 있다. 전극 어셈블리는 전극(130), 지지 부재(132) 및, 전극을 부재(132)에 고정하는 플라즈마 한정링(134)을 포함한다. 링(134)은 부재(132) 안으로 파고드는 조임쇄(135)에 의해 지지 부재(132)에 부착되어 있다. 지지 부재(132)는 배플판(140)을 포함하는 리세스(138)로 공정 가스를 공급하기 위한 가스 통로(136)를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 배플판은 전극(130)의 상면과 접촉하지 않는다. 부재(132)의 하부면(132a)은 전극(130)에 맞물려 전극(130)에 RF 전력을 공급하며 부재(132)의 방사상 외부 표면(132b)은 링(134)의 상부면과 접촉하고 있다. 지지 부재(132)의 플랜지(146)는 전극 어셈블리를 플라즈마 반응 챔버 내부에 부착시킨다. 부재(132) 안의 냉각 채널(152)은 전극 어셈블리를 냉각시킨다. 링(134) 상의 플랜지(150)는 전극(130)의 노출된 표면의 외곽 부분에 대해 탄력적인 클램핑력(resilient clamping force)을 제공한다.
한정링(134)은 플라즈마 환경 안에서 안정한 열저항성 열경화 폴리머(예를 들어 Dupont사의 Vespel™)로 제조되는 것이 바람직하다. 대신에, 링은 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 실리콘 질화물, 실리콘 카바이드 등과 같은 하나 이상의 세라믹 물질로 만들어질 수 있다. 링이 비탄성 물질로 된 경우에, 전극(130)에 탄력성 클램핑력을 제공하기 위해 볼트(135)가 Vespel™과 같은 탄성 변형되는 물질로 만들어질 수 있다. 대신에, 링(134)과 볼트(135)가 탄성 변형되는 물질로 만들어질 수 있다. 적당한 클램핑 설비의 세부 사항은 미합중국특허 제5,569,356호에 설명되어 있다.
플라즈마 반응 챔버 안의 압력은 링(134) 안의 가스 통로(154)를 통해 감시할 수 있다. 오-링(O-ring)과 같은, 통로(154)를 둘러싸는 씰(seal)(144)은 지지 부재(132)와 링(134) 사이에 기밀성을 제공한다. 전극(130)과 지지 부재(132) 사이의 열전도를 향상시키기 위해서, 공정 가스가 통로(155)를 통해 공급되어 지지 부재(132) 안의 채널(미도시) 안에서 압력 상태로 유지될 수 있다. 오-링 씰과 같은 씰(142, 143)은 채널 안에서 가스를 압력 상태로 유지하는 데에 사용될 수 있다.
도 5 내지 도 7은 전극(210)이 탄성중합체 결합부(246)에 의해 지지링(212)에 결합된 다른 바람직한 실시예를 도시한다. 전극(210)은 중심부터 모서리까지 균일한 두께를 가진 평판 디스크이다. 링(212) 상의 외곽 플랜지는 알루미늄 클램핑링과 같은 클램핑링(216)에 의해 냉각수 채널(213)을 가진 알루미늄 온도조절부재(214)에 고정된다. 냉각수는 냉각수 유입/유출 연결부(213a)에 의해 냉각수 채널(213) 안을 순환한다. 플라즈마 한정링(217)은 전극(210)의 외주변을 둘러싸는 일정 간격의 링, 예를 들어 석영 링의 더미(stack)를 포함한다. 플라즈마 한정링(217)은 절연성의 환형링(218)에 볼트로 고정되고, 절연성 환형 링(218)은 절연성 하우징(218a)에 볼트로 고정된다. 한정링(217)은 반응기 내의 압력차를 유도하고, 반응 챔버 벽체와 플라즈마 사이의 전기 저항을 증가시켜 플라즈마를 상부전극(210)과 하부전극(미도시) 사이에 한정한다. 클램핑링(216)의 내부 반경방향으로 신장하는 플랜지는 지지링(212)의 외곽 플랜지와 맞물린다. 전극(210)의 노출된 표면에 대해 직접적으로 가해지는 클램핑 압력은 없게 된다.
가스 공급장치로부터의 공정 가스가 온도조절부재(214)의 중앙 홀(220)을 통해 전극(210)에 공급된다. 그런 다음 공정 가스는 수직방향으로 이격되어 있는 하나 또는 그 이상의 배플판(222)을 통해 분산되고 공정 가스를 반응 챔버(224) 내로 고르게 분산시키기 위하여 전극(210) 내의 가스분산홀(미도시)을 통과한다. 바람직한 실시예에 있어서, 배플판은 상부전극(210) 상면 상의 하나 이상의 영역과 접촉하고 있지 않다. 전극(210)으로부터 온도조절부재(214)로의 열전도를 향상시키기 위하여, 공정 가스는 온도조절부재(214)와 지지링(212) 사이의 마주보는 표면 사이의 열린 공간을 채우기 위해 공급될 수 있다. 부가적으로, 환형링(218) 또는 한정링(217) 내의 가스 통로(미도시)와 연결된 가스 통로(227)는 반응 챔버(224) 내의 압력이 감시되도록 한다. 공정가스를 온도조절부재(214)와 지지링(212) 사이에서 압력 상태로 유지시키기 위해, 지지링(212)의 내면과 온도조절부재(214)의 마주보는 면 사이에 오-링과 같은 씰(228)이 제공되고, 지지링(212) 상면의 외곽부와 온도조절부재(214)의 마주보는 면 사이에는 오-링과 같은 씰(229)이 제공된다. 챔버(224) 내의 진공 분위기를 유지하기 위하여, 온도조절부재(214)와 실린더형 부재(218b) 사이 및 실린더형 부재(218b)와 하우징(218a) 사이에 오-링과 같은 씰(230, 232)이 제공된다.
도 6은 샤워헤드 어셈블리(240)의 세부 사항을 도시한 것인데, 여기서 전극(210)은 탄성중합체 결합부(246)에 의해 전기 전도성 지지링(212)에 결합되어 있다. 탄성중합체 결합부(246)는 도 7에 도시된 바와 같이 리세스(248) 내에 위치할 수 있다. 리세스(248)는 지지링(212)의 내벽(미도시) 및 외벽(250) 사이에서지지링(212) 둘레에 연속적으로 확장되어 있는 것이 바람직하다. 각 벽체(250)는 예컨대 약 30 mils의 폭으로 가능한 한 얇을(thin) 수 있는데, 이것은 탄성중합체가 각 벽체(250)와 접하고 있는 영역에서는 얇은 층(예컨대, 탄성중합체가 알루미늄, 실리콘, 실리콘 카바이드 등의 도전성 입자와 같은 0.7 내지 2㎛ 크기의 필러를 포함하는 경우 약 2㎛ 두께)을 형성하고, 리세스(248) 안에서는 두꺼운 층(예를 들면, 약 0.0025 인치)을 형성하는 것을 가능하게 한다. 상기 벽체들에 의해 형성된 리세스는 예컨대 깊이 약 2 mils로 매우 얕을 수 있는데, 이는 전극(210)을 지지링에 점착성 접착(adhesively bond)시키기 위한 충분한 강도를 가진 매우 얇은 탄성중합체 결합부를 제공하고 또한 전극 어셈블리의 온도 사이클링 동안에 지지링(212)에 대한 전극(210)의 움직임을 허용한다. 부가적으로, 리세스의 벽체들은 반응기의 플라즈마 분위기에 의한 침식으로부터 탄성중합체 결합부를 보호할 수 있다. 리세스(248)가 생략될 수 있고 탄성중합체 결합이 고립되거나 연속적인 얇은 탄성중합체 염주(bead)의 형태로 전극과 지지 부재가 만나는 편평한 표면 사이에 제공될 수 있다. 예를 들어 탄성중합체는 전극과 지지 부재 사이에 얇은 환형 염주의 형태로 하나 이상 증착될 수 있다.
상기 두꺼운 전극은 예를 들어, 실리콘 카바이드, 흑연, 다결정 실리콘 및 단결정 실리콘을 포함하는 다른 물질로 이루어질 수 있다. 바람직한 실시예에서, 상기 두꺼운 전극은 단결정 실리콘으로 만들어진다. 플라즈마 반응 챔버 안에서 기판을 처리하는 동안에, 상부전극으로의 RF 전류 공급은 상부전극이 그 상면과 하면을 가로질러 가열되도록 한다. 상부전극의 상면은 바람직하게는 오로지 지지링과 접촉한다. 그러한 설비에서, 열은 지지링에 의해, 오로지 상기 전극의 외주면에서 상기 상부전극으로부터의 전도에 의해 전달되어 전극의 중심으로부터 모서리까지 포물선 온도 분포를 초래한다. 전극의 중심에는 압축 응력이 발생하는 반면 전극의 모서리에서는 인장 응력이 발생한다. 인장 응력의 크기가 너무 커지면 전극에 크랙이 발생되어 즉각 파괴가 된다.
플라즈마와 반응성 공정 가스에 노출됨으로써 식각 챔버 안에서 전극이 마모됨에 따라 이러한 열 응력에 의해 크랙이 발생되고 파괴가 될 수 있음을 밝혔다. 이러한 부식은 전극의 두께를 감소시킨다. 전극의 두께를 증가시키면 전극의 중심과 모서리 사이에 온도 구배(gradient)가 감소함을 발견하였다. 따라서, 온도 구배에 의해 발생된 열 응력은 전극 두께를 증가시킴으로써 감소된다. 온도 구배에 대한 이러한 효과는 실리콘 전극의 경우에 강화되며 이는 실리콘의 열 전도도가 온도에 따라 감소하기 때문임을 밝혔다.
또한, 열 응력 관계된 파괴없이 전극을 작동할 수 있는 최대 전력 레벨이 전극 두께에 비례함을 밝혔다. 여기에 사용된 "총 전력 레벨"은 주어진 시간에 상부전극과 하부전극 사이에 인가된 전력을 말한다. 일반적으로 상부전극과 하부전극이 플라즈마에 노출된 면적이 거의 같을 때 총 전력은 상부전극과 하부전극에 거의 균등하게 흡수된다. 예를 들어 5000 와트의 총 전력 레벨에서 상부전극과 하부전극이 균등하게 전력을 흡수하면 그들은 각기 2500 와트에서 작동한다.
실시예에서, 상부전극 또는 하부전극 중 하나에 전력이 인가되고 다른 하나는 전기적으로 접지된 전극일 수 있다. 다른 실시예에서, 상부전극과 하부전극이서로의 전압에 대해 위상을 달리 하여 두 전극 모두에 전력이 인가될 수 있다. 식각 반응기는 단일 주파수 또는 이중 주파수 플라즈마 반응기일 수 있다. 예를 들어, 상부 및 하부전극 모두에 RF 전력을 인가하여 플라즈마를 발생시킬 수 있는데, 하부전극에는 상부에 대한 것보다 낮은 주파수를 사용한다. 대신에, 상부전극은 전기적으로 접지시키고 하부전극에 두 가지 다른 주파수(예를 들어 약 10-50 MHz인 것과 약 10MHz보다 낮은 것)의 RF 전력을 인가할 수 있다.
도 8은 상부 실리콘 전극과 하부전극을 포함하는 플라즈마 반응기 안에서의 상부전극 두께와 총 전력 레벨 사이의 관계를 도시한다. 도 8은 캘리포니아의 프레몬트에 위치하는 LAM 리서치 코오포레이션으로부터 입수할 수 있는 Exelan™ 공정 챔버를 이용하여 8.8 인치의 직경과 다양한 두께를 가지는 판상의 실리콘 상부전극을 사용하여 결정되었다. 총 전력은 반응기의 상부 및 하부전극에 의해 거의 균등하게 흡수되었다. A 선 위쪽의 영역 I은 상부전극의 바람직한 작동 영역을 나타낸다. A 선 아래의 영역 II는 상부전극이 파괴되는 영역을 나타낸다. 주어진 상부전극 두께에 대해, 영역 II 안의 전력 레벨 값은 상부전극을 파괴시킬 수 있을 정도로 높은 열 응력을 상부전극 안에 유발하는 반면, 동일한 상부전극 두께에서, 영역 I 안의 전력 레벨 값은 상부전극이 파괴되기에 충분한 정도의 열 응력을 상부전극 안에 유발하지 않는다. 따라서, 상부전극을 영역 I 안에서 작동시킨다.
도 8에 도시한 바와 같이, 상부전극 두께를 증가시킴으로써 파괴없이 상부전극이 전달할 수 있는 전력이 증가한다. 예를 들어, 0.3 인치 두께의 상부전극은 상부전극 파괴없이 약 2500 와트의 전력을 흡수할 수 있다. 0.4 인치 두께의 상부전극은 파괴없이 약 3400 와트의 전력을 흡수할 수 있다.
그러나, 상부전극을 플라즈마 반응 챔버 안에서 사용하는 동안 부식에 의해 상부전극이 마모됨에 따라, 상부전극이 파괴없이 전달할 수 있는 최대 전력 레벨 또한 감소함을 밝혔다. 예를 들어, 도 8은 상부전극의 두께가 0.3 인치로부터 0.25 인치로 감소하면 감소된 두께에서 상부전극이 즉각적인 파괴없이 흡수할 수 있는 전력 레벨은 약 2100 와트로 감소함을 보여준다. 플라즈마 식각 동안에 실리콘 상부전극이 부식에 의해 마모되므로, 바람직한 실시예에서, 상부전극은 그 두께에서 상부전극의 즉각적인 파괴를 초래할 수 있는 최대 전력 레벨보다 낮게 선택된 전력 레벨에서 작동시킨다. 예를 들어, 0.3 인치 두께를 가지는 상부전극의 경우, 상부전극은 상부전극에 흡수된 적어도 약 1500 와트의 전력 레벨의 플라즈마 반응기 안에서 파괴없이 연장된 기간동안 작동할 수 있다. 이처럼 최대 전력 레벨 아래의 낮은 전력 레벨에서 상부전극을 작동시킴으로써 상부전극은 플라즈마 처리 동안에 마모에 의해 그 두께가 감소되더라도 영역 I 안에서 계속 작동할 수 있다.
일반적으로, 200mm 웨이퍼를 처리하기 위해, 실리콘 전극은 약 9 인치의 직경을 가진다. 실리콘 전극의 두께 t는 거의 일정한 것이 바람직하다. 최소 두께는 바람직하게는 약 0.27 인치 내지 약 0.4 인치이고, 보다 바람직하게는 약 0.3 인치 내지 약 0.35 인치이다.
지지링은 예를 들어, 흑연이나 실리콘 카바이드를 포함하는, 임의의 적당한 물질로 만들어질 수 있다. 지지링은 전형적으로 약 0.5 인치의 너비 w를 가진다. 이러한 크기를 가지는 지지링이 9 인치 직경을 가지는 실리콘 전극과 사용될 때,반응 챔버 안의 어떤 다른 표면과도 접촉하지 않는 실리콘 전극의 상면 부분은 직경이 약 8 인치이다.
대신에, 상부전극은 공동소유의 미합중국특허 제6,391,787호에 개시된 바와 같은 단차를 가진 전극(stepped electrode)일 수 있는데, 그 내용은 여기에 원용되어 통합된다. 도 9는 단차(302)를 포함하는 실리콘 단차 전극(300)의 바람직한 실시예를 도시한다. 전극(300)은 단차를 제외하고 약 0.27 인치 내지 약 0.4 인치, 보다 바람직하게는 약 0.3 인치 내지 약 0.35 인치의 최소 두께 t를 가진다.
상기 전극 어셈블리는 불소 처리된 산화 실리콘(FSG; fluorinated silicon oxide)과 같은 도프트(doped) 실리콘 산화물; 이산화 실리콘과 같은 언도프트(undoped) 실리콘 산화물; 스핀-온-글래스(SOG); 보론 포스패이트 실리케이트 글래스(BPSG; boron phosphate silicate glass) 및 포스패이트 실리케이트 글래스(PSG)와 같은 실리케이트 글래스; 로우-k(low-k) 물질, 도프트 또는 언도프트 열성장 실리콘 산화물; 도프트 또는 언도프트 TEOS 증착 실리콘 산화물 등을 포함하는, 그러나 여기에 제한되지는 않는, 다양한 유전체를 식각하기 위해 플라즈마 반응 챔버 안에서 사용될 수 있다. 유전체 도펀트들은 붕소, 인 및/또는 비소를 포함하나 여기에 제한되는 것은 아니다.
바람직한 실시예에서, 식각될 유전체는 SiO2또는 Si3N4처럼 이론 밀도의 적어도 약 90%인 높은 밀도(다시 말해, 낮은 기공율)를 가질 수 있다. 이렇게 고밀도를 가지는 유전체는 식각하기 어려우므로 높은 전력 식각 공정이 바람직하다.로우-k 물질과 같은, 저밀도 유전체는 식각하기가 덜 어려우므로 낮은 전극 전력 레벨을 사용할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 적어도 약 5000Å 내지 약 10000Å의 두께를 가진 고밀도 유전체를 식각할 수 있다. 유전체 두께가 증가함에 따라, 유전체를 식각하는 데 필요한 시간도 증가한다. 예를 들어, 적어도 약 5000Å의 두께를 가진 고밀도 유전체를 약 2500 와트의 총 전극 전력에서 식각하는 데에, 식각 시간은 일반적으로 1분보다 길어서 예를 들면 약 2-5분이다. 일반적으로 과도식각을 수행한다.
유전체는 다결정 실리콘과 같은 도체 혹은 반도체막; 알루미늄, 구리, 티타늄, 텅스텐, 몰리브덴 혹은 이들의 합금과 같은 금속; 티타늄 나이트라이드와 같은 질화물; 및 티타늄 실리사이드, 코발트 실리사이드, 텅스텐 실리사이드, 몰리브덴 실리사이드 등과 같은 금속 실리사이드 위에 놓일 수 있다. 바람직한 실시예에서, 유전체는 웨이퍼 상의 패드를 덮을 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 두꺼운 실리콘 전극은 중간밀도 또는 고밀도 플라즈마 식각 반응기 안의 상부전극으로 사용된다. 두꺼운 실리콘 전극이 사용될 수 있는 플라즈마 반응기의 예는 캘리포니아의 프레몬트에 위치하는 LAM 리서치 코오포레이션으로부터 입수할 수 있는 Exelan™ 및 4520XLe™ 공정 챔버를 포함한다. 기술분야에서 숙련된 자는 이러한 반응 챔버들이 두꺼운 실리콘 전극이 사용될 수 있는 플라즈마 식각 반응기의 일 예에 불과함을 알 수 있을 것이다.
실리콘 전극은 다양한 유전체를 식각하기 위한 다양한 플라즈마 분위기 안에서 사용될 수 있다. 전형적인 식각 조성은 예를 들어 Cl2, HCl 및 BCl3등을 포함하는 염소계 가스; O2, H2O 및 SO2등을 포함하는 산소계 가스; CF4, C2F6, C3F8, C4F8, CHF3, CH2F2, CH3F, NF3및 SF6등을 포함하는 불소계 가스; 및 He, Ne, Kr, Xe, Ar 및 N2등을 포함하는 불활성 가스 또는 다른 가스를 포함한다. 아르곤은 불소가 실리콘 산화물과 같은 유전체를 식각하는 것을 돕는다. 예를 들어, 고밀도 플라즈마 반응기 안에, 아르곤은 반응기 안으로 약 25 내지 300 sccm의 양으로 공급될 수 있다. 캐리어 가스는 바람직하게는 유전체 식각율을 돕는데, 예를 들어 산화막 스퍼터링에 기인하여 산화막 식각율이 증가될 수 있다. 이러한 가스 및 다른 가스들을 조합하여 유전체 식각 공정에서 사용하는 식각 가스로서 사용할 수 있다.
SiO2와 같은 유전체를 식각하는 플라즈마 반응기 식각 공정의 예시적인 조건은 다음과 같다. 웨이퍼 직경은 200mm; 유전체 두께는 적어도 약 5000Å; 유전체 밀도는 이론 밀도의 적어도 약 90%; 하부전극의 온도는 약 0℃ 내지 약 90℃; 챔버 압력은 약 0 Torr 내지 약 10 Torr; 공정 가스 유량은 약 10sccm 내지 약 1000sccm; 두꺼운 단결정 실리콘 상부전극 두께는 (사용개시 시점에서) 0.27 인치 내지 0.40 인치; 상부전극과 하부전극 사이에 전달되는 총 전력은 적어도 약 2500 와트; 이중 주파수; 유전체 식각 시간은 적어도 약 1분; 및 상부전극의 서비스 수명은 적어도 약 250 시간. 바람직한 실시예에서, 유전체는 식각되어 실리콘 웨이퍼 상의 패드를 노출시킨다.
상기 두꺼운 실리콘 전극을 사용함으로써, 상부전극이 파괴없이 전달할 수 있는 전력 레벨이 증가된다. 고밀도, 두꺼운 유전체는 높은 전극 전력 레벨과 긴 식각 시간을 사용해 식각될 수 있다. 따라서, 두꺼운 상부전극을 사용해 유전체 식각율을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 두꺼운 전극을 사용하여 적어도 약 6000Å/min의 유전체 식각율을 얻을 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 실리콘 전극은 얇은 전극에 비해 연장된 서비스 수명을 제공할 수 있다. 예를 들어, 약 0.3 인치의 초기 두께(다시 말해, 전극이 부식에 의해 마모되기 전의 두께)를 가지는 실리콘 상부전극은 기판을 플라즈마 처리하는 동안에 부식에 의해 그 두께가 약 0.1 인치까지 감소되는 시점까지 파괴없이 적어도 약 1500 와트를 전달할 수 있다. 약 0.27 인치 내지 약 0.4 인치의 두께를 가진 실리콘 전극은 영역 I 안의 전력 레벨에서 작동시킬 경우 바람직하게는 약 250 시간, 더욱 바람직하게는 적어는 약 500 시간의 RF 수명(다시 말해, 전극을 사용해 플라즈마 반응기 안에서 플라즈마를 발생시키는 시간의 양)을 가진다.
이상, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 상세히 설명하였으나, 기술분야의 숙련자에 의해 다음의 청구항에 의해 정의되는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다양한 변경과 수정이 만들어질 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 전극은 매엽식 웨이퍼 공정이나 복수의 웨이퍼 공정에서 플라즈마 식각에 유용하다. 높은 전력 레벨에서 얇은 전극에 비해 연장된 서비스 수명을 제공할 수 있다. 고밀도의 유전체도 식각할 수 있으며 높은 식각율을 달성할 수 있다.

Claims (29)

  1. a) 하부전극과 적어도 약 0.27 인치의 최소 두께를 가지는 실리콘 상부전극을 포함하는 플라즈마 식각 반응기 반응 챔버 내의 기판 지지대 상에 유전체를 포함하는 기판을 위치시키는 단계;
    b) 상기 반응 챔버 내부로 공정 가스를 유입시키는 단계;
    c) 상기 상부전극에 선택된 전력 레벨을 인가하는 단계;
    d) 상기 상부전극의 모서리 부분으로부터 열을 전달시키는 단계;
    e) 상기 반응 챔버 안의 상기 공정 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 단계; 및
    f) 상기 플라즈마를 가지고 상기 유전체를 식각하는 단계를 포함하는 플라즈마 식각 반응기 반응 챔버 안의 유전체 식각 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 상부전극의 최소 두께는 약 0.3 인치 내지 약 0.4 인치인 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 상부전극은 단차를 가진 전극인 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 상부전극은 단결정 실리콘인 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 상부전극은 상기 선택된 전력 레벨에서 적어도 약 250 RF 시간의 서비스 수명을 가지는 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 선택된 전력 레벨은 적어도 약 1250 와트인 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체는 적어도 약 5000Å의 두께를 가지며 상기 유전체는 상기 플라즈마를 가지고 적어도 약 1분 동안 식각하는 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체는 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물인 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 열은 오로지 상기 모서리 부분에서 상기 상부전극으로부터 전도되는 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 상부전극은 샤워헤드 전극 어셈블리 안에 있는 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 상부전극의 서비스 수명 동안에 다른 기판들을 가지고 상기 a)-f) 단계를 여러 번 반복하여 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 상부전극에 제 1 주파수의 RF 전력을 인가하고 상기 하부전극에 상기 제 1 주파수보다 낮은 제 2 주파수의 RF 전력을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 하부전극에 두 가지 다른 주파수의 RF 전력을 인가하고 상기 상부전극은 전기적으로 접지하는 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  14. a) 하부전극과 적어도 약 0.27 인치의 최소 두께를 가지는 단결정 실리콘 상부전극을 포함하는 플라즈마 식각 반응기 반응 챔버 내의 기판 지지대 상에 적어도 약 90%의 이론 밀도와 적어도 약 5000Å의 두께를 가진 유전체를 포함하는 기판을 위치시키는 단계;
    b) 상기 반응 챔버 내부로 공정 가스를 유입시키는 단계;
    c) 상기 상부전극에 적어도 약 1250 와트의 전력 레벨을 인가하는 단계;
    d) 상기 상부전극의 모서리 부분으로부터 열을 전달시키는 단계;
    e) 상기 반응 챔버 안의 상기 공정 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 단계;및
    f) 상기 플라즈마를 가지고 상기 유전체를 적어도 약 1분 동안 식각하는 단계를 포함하는 플라즈마 식각 반응기 반응 챔버 안의 유전체 식각 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 상부전극의 최소 두께는 약 0.3 인치 내지 약 0.4 인치인 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 상부전극은 단차를 가진 전극인 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 상부전극은 상기 인가된 전력 레벨에서 적어도 약 250 RF 시간의 서비스 수명을 가지는 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 유전체는 상기 플라즈마를 가지고 약 2분 내지 약 5분 동안 식각하는 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  19. 제 14 항에 있어서, 상기 유전체는 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물인 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  20. 제 14 항에 있어서, 열은 오로지 상기 모서리 부분에서 상기 상부전극으로부터 전도되는 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  21. 제 14 항에 있어서, 상기 상부전극은 샤워헤드 전극 어셈블리 안에 있는 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  22. 제 14 항에 있어서, 다른 기판들을 가지고 상기 a)-f) 단계를 여러 번 반복하여 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  23. 제 14 항에 있어서, 상기 상부전극에 제 1 주파수의 RF 전력을 인가하고 상기 하부전극에 상기 제 1 주파수보다 낮은 제 2 주파수의 RF 전력을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  24. 제 14 항에 있어서, 상기 하부전극에 두 가지 다른 주파수의 RF 전력을 인가하고 상기 상부전극은 전기적으로 접지하는 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  25. a) 플라즈마 식각 반응기 반응 챔버 내의 기판 지지대 상에 적어도 약 5000Å의 두께를 가진 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 포함하는 기판을 위치시키는 단계;
    b) 하부전극과 적어도 약 0.3 인치의 최소 두께를 가지는 단결정 실리콘 상부전극을 가진 상기 반응 챔버 내부로 불소계 공정 가스를 유입시키는 단계;
    c) 상기 상부전극에 적어도 약 1250 와트의 전력 레벨을 인가하는 단계;
    d) 상기 반응 챔버 안의 상기 공정 가스로부터 플라즈마를 발생시키는 단계; 및
    e) 상기 플라즈마를 가지고 상기 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 약 2분 내지 약 5분 동안 식각하는 단계;
    f) 상기 상부전극의 서비스 수명 동안 다른 기판들을 가지고 상기 a)-e) 단계를 여러 번 반복하는 단계를 포함하는 플라즈마 식각 반응기 반응 챔버 안의 유전체 식각 방법.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 상부전극의 서비스 수명은 약 250 시간인 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  27. 제 25 항에 있어서, 상기 상부전극은 상기 반응 챔버 안의 부식에 의해 마모되기 전에 약 0.3 인치 내지 약 0.4 인치의 최소 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  28. 제 25 항에 있어서, 상기 상부전극에 제 1 주파수의 RF 전력을 인가하고 상기 하부전극에 상기 제 1 주파수보다 낮은 제 2 주파수의 RF 전력을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
  29. 제 25 항에 있어서, 상기 하부전극에 두 가지 다른 주파수의 RF 전력을 인가하고 상기 상부전극은 전기적으로 접지하는 것을 특징으로 하는 유전체 식각 방법.
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