KR20040090932A - 플라즈마 반응기 내의 플라즈마 제한 및 유동 저항 감소방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

플라즈마 처리 챔버 내의 처리부 내로 플라즈마를 제한하도록 형성된 장치. 일 구현예에 있어서, 상기 장치는 복수의 슬롯과 복수의 핑거를 가진 격벽을 구비하는 링을 포함한다. 각 슬롯은 처리부 내에 포함된 플라즈마 시스의 두께보다 작은 너비를 가지도록 형성된다.

Description

플라즈마 반응기 내의 플라즈마 제한 및 유동 저항 감소 방법 및 그 장치{METHODOLOGY AND DEVICE TO CONFINE PLASMA AND TO REDUCE FLOW RESISTANCE IN A PLASMA REACTOR}

본 발명은 일반적으로 반도체 기판의 제조에 관한 것으로, 특히, 챔버 내에 플라즈마를 제한하기 위해 배치되는 제한 링을 구비하는 플라즈마 챔버에 관한 것이다.

일반적으로, 플라즈마 반응기는 반도체 기판을 처리하여 미세 전자 회로를 제조하는데 사용된다. 상기 반응기는 처리될 기판을 포함하는 챔버 내에서 플라즈마를 형성한다. 이러한 처리 과정의 하나로써 건식 식각이 있는데, 이는 통상적으로 진공 용기 내에서 RF 플라즈마 조건의 사용을 하용하고, 상기 식각 처리에 필요한 반응성 기체를 포함하며, 이러한 처리 과정 중 대기에 의한 샘플의 오염을 방지하도록 하여 진행한다. 이러한 반응기 내의 챔버는 통상적으로 알루미늄 또는 스테인레스 스틸로 제조되어, 그 자체로써, 오염원의 하나가 된다. 진공 용기를 플라즈마 상태에 노출시키는 경우에 발생 가능한 다른 문제점에는, 부품의 마모에 따른 비용, 증착되는 중합성 물질에 의한 결함의 문제와, RF 전류 경로의 가변성이 있다. 이러한 세 가지 이유로, 플라즈마의 범위를 진공 용기 내에서 중앙부로 제한하고, 이와 같이, 진공과 플라즈마 오염의 작용을 분리하기 몇 가지의 시도가, 식각 시스템 제조자들에 의해 이루어진 바 있다. 이러한 플라즈마 범위의 한정을 일반적으로 플라즈마의 "제한"이라 칭한다.

플라즈마 제한을 위한 한 가지 접근 방법은 자기 강화 반응성 이온 식각(magnetically enhanced reactive ion etch; MIRIE) 플라즈마 반응기 내에 자기장을 적용하여 플라즈마의 효율을 향상시키기 위하여, 전자의 수명을 증가시키는 방법이다. 이러한 접근 방법은 전자의 제한을 허용하나, 양 쪽의 이온종 및 라디칼중성물이 챔버벽과 상호 반응함으로써, 오염 스퍼터링 및 중합체의 성장에 따른 결함을 초래한다.

그러므로, 플라즈마 챔버 내부에서 처리부 내로 플라즈마를 제한하는 진보된 장치에 대한 요구가 존재한다.

이에 본 발명은 플라즈마 챔버 내에서 처리부 내로 플라즈마를 제한하는 진보된 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

도 1은 본 발명의 여러 가지 구현예를 포함하는 플라즈마 반응기의 일 실시예를 나타낸다.

도 2는 본 발명의 구현예에 따르는 제한 링의 사시도를 상세히 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명의 구현예에 따르는 제한 링 슬롯의 단면도를 나타낸다.

도 4는 본 발명의 다른 구현예에 따르는 제한 링 슬롯의 단면도를 나타낸다.

도 5는 본 발명의 구현예에 따라, 양성 편향성을 가지도록 교대로 형성된 제한 링 핑거와, 음성 편향성을 가지는 상기 교대로 형성된 핑거 사이에 있는 핑거를 나타낸다.

본 발명의 구현예는 일반적으로, 플라즈마 처리 챔버 내부의 처리부 내로 플라즈마를 제한하도록 형성된 장치를 나타낸다. 일 구현예에 있어서, 상기 장치는 복수의 슬롯과 복수의 핑거를 가진 격벽(baffle)을 구비하는 링을 포함한다. 각각의 슬롯은 처리부 내에 포함된 플라즈마 시스(plasma sheath)의 두께보다 작은 너비를 가지도록 형성된다.

본 발명의 구현예는 또한, 챔버, 챔버 내에 배치되는 받침대, 받침대 위에 누워 있으며 챔버 내에 배치되는 기체 분배 플레이트, 그리고 챔버 내부에 배치되는 링을 포함하는 플라즈마 반응기를 나타낸다. 상기 링은 받침대와 챔버 사이에 방사상으로 배치된 복수의 슬롯과 복수의 핑거를 가진 격벽을 포함한다. 각각의 슬롯은 챔버 내부의 처리부 내에 포함된 플라즈마 시스(plasma sheath)의 두께보다작은 너비를 가지도록 형성된다.

상기에서 열거한 본 발명의 특징이 상세히 이해될 수 있도록 하기 위해, 첨부한 도면을 참고로 하여, 상기에서 약술한 본 발명의 좀 더 특정한 실시예에 대해 상술하기로 한다. 그러나, 첨부한 도면은 다만 본 발명의 전형적인 구현예를 나타낼 뿐이며, 이에 따라, 그 권리 범위를 제한하지 않는다는 사실이 고려되어야 한다. 본 발명에 대해서는 이와 균등하게 효과적인 다른 구현예가 허용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 여러 가지 구현예를 포함하는 플라즈마 반응기(100)의 일 실시예를 나타낸다. 플라즈마 반응기(100)은 바닥의 진공 챔버(32)를 포함하며, 이러한 진송 챔버는 벽을 보호하기 위한 라이너를 포함할 수 있다. 기판(34)는 슬릿 밸브 입구(36)를 통하여 챔버(32) 내로 삽입되어, 선택적으로 시판을 죄어 고정하는 정전기적인 척(40)을 가지는 양극 받침대(105) 상에 위치된다. 척의 동력 공급원은 도시되지 않았다. 받침대(105)를 관통하는 미도시된 유체 냉각 채널은 상기 받침대를 낮은 온도로 유지한다. 헬륨과 같은 열전달 기체는 받침대(105) 상부면의 미도시된 홈으로 공급된다. 이러한 열전달 기체는 받침대(105)와 기판(34) 사이의 열적 결합 효율을 증가시키며, 상기 기판은 정전기적인 척(40) 또는 선택적으로 사용되는 주변 기판 클램프에 의해 받침대(105)에 대해 고정된다.

바람직하게는 13.56 MHz로 작동하는 RF 전력 공급원(200)은, 양극 받침대(105)에 연결되며, DC 자기-편향을 조절하면서 플라즈마를 발생시키기 위한 전력을 공급한다. 미도시된 전류 공급원에 의해 동력이 공급되는 자기 코일(44)은 상기 챔버(32)를 둘러싸며, 플라즈마의 밀도를 증가시키기 위하여, 천천히 회전하고(초 단위, 통상적으로 10ms보다 작은 초단위로), 수평적이며, 필수적으로 DC인 자기장을 발생시킨다. 진공 펌프 시스템(46)은 조정 가능한 스로틀 밸브(48) 및 플레넘(plenum; 56)을 통하여, 챔버(32)에서 공기를 퍼낸다. 제한 링(50)은 챔버(32) 내부에 배치되어 플라즈마를 처리부(72) 내로 제한하며, 이러한 처리부는 제한 링(50)의 내부로 제한된다. 제한 링(50)의 여러 가지 구현예는 하기의 단락에서 논의될 것이다.

처리 기체는 각각의 매스 플로우 컨트롤러(mass flow controller; 64, 66, 68)을 통하여 기체원(60, 61, 62)으로부터, 처리부(72)를 가로질러 기판(34) 위에 누워 있으며 챔버(32)의 지붕에 위치하는 기체 분배 플레이트(125)로 공급된다. 상기 분배 플레이트(125)는 처리 기체를 수용하도록 형성된 다기관(74)을 포함하며, 다수로 분배된 구멍(76)을 가지는 샤워 꼭지를 통하여 처리부(72)와 통하도록 이루어짐으로써 더욱 균일한 처리 기체류를 처리부(72)로 주입한다. 바람직하게는 약 162 MHz로 작동하는 미도시된 VHF 전력 공급원은, 기체 분배 플레이트(125)에 전기적으로 연결되어 상기 기체 분배 플레이트(125)에 플라즈마를 발생시키기 위한 전력을 공급할 수 있다.

상기 반응기(100)의 다른 구체적인 구성은, Liu 등이 등록한, "무거운 플로로카본 식각 기체를 사용한 자기 강화 플라즈마 식각 방법"에 관한 미국 특허 제 6,451,703 호 및 Liu 등이 등록한, "확장된 처리 윈도우를 가지는 유전체 식각 챔버를 이용한 식각 방법"에 관한 미국 특허 제 6,403,491 호에 더욱 기술되어 있으며, 이들 문헌의 내용은 모두 본 발명과 모순되지 않는 범위 내에서 본 명세서 내에 참고로써 포함되어 있다. 본 발명의 여러 가지 구현예가 상술한 반응기를 참고로 설명될 것이나, Hoffman 등에 의해 2001. 12. 19. 자로 출원된 "아크 서프레션을 갖는 플라즈마로 조정된 가공 RF 전극을 구비하는 플라즈마 반응기"에 관한 미국 특허 출원 제 10/028,922 호에 기술된 바와 같은 다른 종류의 반응기에, 본 발명의 구현예가 사용될 수도 있으며, 상기 미국 특허 출원의 내용 역시 본 발명과 모순되지 않는 범위 내에서 본 명세서에 참고로써 포함되어 있다.

도 2는 본 발명의 일 구현예에 따르는 제한 링(50)의 사시도를 상세히 나타낸 것이다. 상기 제한 링(50)은 처리부(72) 내부에서 플라즈마를 제한하고, 챔버(32)를 가로질러 유동 저항을 감소시키도록 형성된다. 제한 링(50)은 격벽(55)과, 격벽(55)의 바닥부에 연결된 기부(58)를 포함한다. 상기 기부(58)는 일반적으로 제한 링(50)에 대한 전기 접지 및 기계적 힘을 제공하도록 형성된다. 상기 격벽(55)은 그 꼭대기에 입구(70)를 정의한다. 상기 입구(70)는 기체 분배 플레이트(125)의 샤워 꼭지를 수용하도록 형성되어, 샤워 꼭지로부터의 기체 유동이 격벽(55) 내부의 처리부(72) 내로 제한되도록 한다. 상기 격벽(55)은 또한, 기판(34)의 주위에 배치되는, 복수의 슬롯(57)과 복수의 핑거(59)를 포함한다. 플라즈마 내의 중성물은 상기 슬롯(57)을 통과하여 플레넘(56)으로 가도록 형성된다. 상기 슬롯(57)은 플라즈마 시스의 두께 또는 너비가 각 슬롯의 너비보다 크게 되도록 디자인된다. 이러한 방법으로, 플라즈마 내의 이온 및 라디칼들이 제한 링(50)을 통과함을 방지할 수 있어서, 상기 처리부(72)로부터 플레넘(56)을 격리할 수 있다. 그 결과, 플레넘 내부에서의 중합체 성장이 최소화될 수 있으며 플라즈마를 생성시키기 위해 적용되는 전력의 양이 증가될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 각 슬롯(57)은 플라즈마 시스의 너비의 약 두 배 또는 두께보다 작은 너비를 가지도록 디자인된다. 상기 제한 링(50)은 전기적으로 도전성인 물질로 형성되어, 플라즈마가 제한 링(50)과 접촉하는 때에 RF 전력 공급원과 VHF 전력 공급원의 접지 경로를 제공할 수 있다. 상기 제한 링(50)은 또한 열적으로 도전성이고 식각 저항성의 물질로 형성되어, 국부적인 가열, 오염 및 처리의 표류를 최소화할 수 있다. 예를 들어, 격벽(55)은 실리콘 카바이드(SiC)로 형성될 수 있으며, 기부(58)는 알루미늄(Al)로 형성될 수 있다.

도 3은 본 발명의 구현예에 따르는 슬롯(357)의 단면도를 나타낸다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 슬롯(357)의 각 옆에 있는 핑거(359)는 실질적으로 삼각형 단면을 가짐으로써 슬롯의 상부면에서의 너비가 슬롯의 하부면에서의 너비보다 크도록 한다. 예를 들어, 상기 슬롯의 너비는 약 3mm에서 약 4mm의 범위로 될 수 있으며 슬롯의 높이는 12mm에서 15mm의 범위로 될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 슬롯의 하부면의 너비는 약 3.4mm이고, 슬롯의 높이는 약 13.4mm이다. 본 발명의 다른 구현예는, 슬롯(457)의 각 옆에 있는 핑거(459)가 실질적으로 거꾸로 된 T자 단면을 가지는 도 4에 나타난다. 이와 같이, 본 발명의 여러 가지 구현예에 따르는 상기 슬롯은, 플라즈마 제한을 유지하면서 제한 링(50)을 통하여 유동 저항(또는 압력 강하)을 감소시키도록 형성된다. 제한 링(50)을 통하여 유동 저항을 감소시킴으로써, 주어진 펌프에 대하여 여러 가지 식긱 적용을 위한 처리 윈도우가 향상되며, 진공 펌프 시스템(46)을 작동하기 위해 요구되는 전력이 감소된다. 본발명의 구현예에 따르는 제한 링(50)이 챔버 오염 및 챔버 세정 시간을 감소시키도록 형성된다는 사실이 관찰되었다. 또한, 제한 링(50)이 기판을 가로질러 압력 균일도를 향상시킴으로써 전체적인 공정 균일도를 향상시키도록 형성된다는 사실이 관찰되었다.

본 발명의 다른 구현예에 따라, 한 세트의 핑거가 제한 링(50)의 외벽(53)으로부터 뻗어나가는 동안, 다른 세트의 핑거는, 기판 지지 받침대(105)의 주위에 배치되는 제한 링(50)의 내벽(52)으로부터 뻗어 나간다. 상기 내벽(52)으로부터 뻗어 나가는 각각의 핑거는 외벽(53)으로부터 뻗어 나가는 두 개의 핑거 사이에 위치한다. 이와 같이, 하나의 핑거를 건너뛴 다른 핑거는 같은 벽에서 뻗어나간 핑거이다. 일 구현예에 있어서, 상기 외벽(53)으로부터 뻗어나간 핑거는 내벽(52)으로부터 뻗어나간 핑거와 전기적으로 접촉하지 않는다. 이러한 구현예에 있어서, 외벽(53)으로부터 뻗어나간 핑거는 양성 편향성(예를 들어, 약 50 DC 볼트)을 가지도록 편향될 수 있으며, 내벽(52)으로부터 뻗어나간 핑거는 음성 편향성(예를 들어, 약 -50 DC 볼트)을 가지도록 편향될 수 있다(도 5 참조). 이와 같이, 제한 링(50)을 통한 전기장은 플라즈마 내의 이온과 라디칼들이 핑거를 향하여 이끌리도록 조절됨으로써, 상기 이온과 라디칼들이 슬롯을 통하여 그대로 지나가기 보다는 핑거에 충돌하도록 한다. 이온 및 라디칼들이 핑거에 충돌함에 따라, 상기 이온과 라디칼들은 중성물로 되며, 이러한 중성물은 슬롯을 통과하여 플레넘(56)으로 흘러간다. 이와 같이, 플라즈마 제한은 더욱 향상된다. 또 다른 구현예에 있어서, 플라즈마 시스의 두께를 증가시키기 위해 양성 편향(예를 들어, 약 100 볼트)이 각 핑거에 적용된다.

상기에 본 발명의 구현예를 나타내었으나, 본 발명의 다른 구현예가 본 발명의 기본적인 권리 범위 내에서 고려될 수 있으며, 본 발명의 권리 범위는 후술할 청구 범위에 의해 결정된다.

본 발명에 따르면, 플라즈마 챔버 내에서 처리부 내로 플라즈마를 제한하는 보다 향상된 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

Claims (30)

1. 플라즈마 처리 챔버 내의 처리부 내로 플라즈마를 제한하도록 하는 장치로써,

   복수의 슬롯과 복수의 핑거를 정의하는 격벽을 구비한 링을 포함하되, 상기 각 슬롯은 상기 처리부 내에 포함된 플라즈마 시스의 두께보다 작은 너비를 가지도록 형성되는 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 각 슬롯의 너비는 플라즈마 시스 너비의 약 두 배보다 작은 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 각 핑거는 실질적으로 삼각형 단면 또는 거꾸로 선 T자형의 단면을 가지는 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 격벽의 상부면에서 각 슬롯의 너비는 격벽의 하부면에서의 각 슬롯의 너비보다 크게 되는 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 격벽의 하부면에서 각 슬롯의 너비는 약 3.4mm인 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 각 슬롯의 높이는 약 13.4mm인 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 격벽은 실리콘 카바이드로 만들어지는 장치.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 링은 부가적으로 상기 격벽에 연결된 기부를 포함하는 장치.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 기부는 격벽의 바닥부에 연결되는 장치.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 기부는 알루미늄으로 만들어지는 장치.
11. 제 1 항에 있어서, 교대로 형성된 핑거가 양성 편향성을 가지도록 편향되며, 상기 교대로 형성된 핑거 사이의 각 핑거가 음성 편향성을 가지도록 편향되는 장치.
12. 제 1 항에 있어서, 교대로 형성된 핑거가 양성 편향성을 가지도록 편향되며, 상기 교대로 형성된 핑거 사이의 각 핑거가 음성 편향성을 가지도록 편향되어 플라즈마로부터의 이온이 핑거에 충돌하도록 하는 장치.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 링이 기판 지지 받침대와 챔버 사이에 배치되도록 형성되는 장치.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 교대로 형성된 핑거가 약 50 볼트의 전압으로 편향되며, 상기 교대로 형성된 핑거 사이의 각 핑거가 약 - 50 볼트의 전압으로 편향되는 장치.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 각 핑거가 양성 전압으로 편향되는 장치.
16. 제 1 항에 있어서, 상기 각 핑거가 약 100 볼트의 전압으로 편향되는 장치.
17. 제 1 항에 있어서, 상기 링은 RF(radio frequency) 전력 공급원과 VHF(very high frequency) 전력 공급원 중 적어도 하나의 접지 경로를 제공하며, 상기 전력 공급원은 각각 챔버에 전기적으로 연결되는 장치.
18. 챔버;

    챔버 내에 배치되는 받침대;

    받침대 위에 누워 있으며 챔버 내에 배치되는 기체 분배 플레이트; 및

    챔버 내부에 배치되되, 상기 받침대와 챔버 사이에 방사상으로 배치되는 복수의 슬롯과 복수의 핑거를 구비한 격벽을 포함하며, 상기 각각의 슬롯은 챔버 내부의 처리부 내에 포함된 플라즈마 시스의 두께보다 작은 너비를 가지도록 형성되는 링을 포함하는 플라즈마 반응기.
19. 제 18 항에 있어서, 상기 각 슬롯의 너비는 플라즈마 시스 너비의 약 두 배보다 작은 플라즈마 반응기.
20. 제 18 항에 있어서, 각 핑거는 실질적으로 삼각형 단면 또는 거꾸로 선 T 단면을 가지는 플라즈마 반응기.
21. 제 18 항에 있어서, 격벽의 상부면에서 각 슬롯의 너비는 격벽의 하부면에서의 각 슬롯의 너비보다 크게 되는 플라즈마 반응기.
22. 제 18 항에 있어서, 상기 격벽의 하부면에서 각 슬롯의 너비는 약 3.4mm인 플라즈마 반응기.
23. 제 18 항에 있어서, 각 슬롯의 높이는 약 13.4mm인 플라즈마 반응기.
24. 제 18 항에 있어서, 상기 격벽은 실리콘 카바이드로 만들어지는 플라즈마 반응기.
25. 제 18 항에 있어서, 교대로 형성된 핑거가 양성 편향성을 가지도록 편향되며, 상기 교대로 형성된 핑거 사이의 각 핑거가 음성 편향성을 가지도록 편향되는 플라즈마 반응기.
26. 제 18 항에 있어서, 교대로 형성된 핑거가 양성 편향성을 가지도록 편향되며, 상기 교대로 형성된 핑거 사이의 각 핑거가 음성 편향성을 가지도록 편향되어 플라즈마로부터의 이온이 핑거에 충돌하도록 하는 플라즈마 반응기.
27. 제 18 항에 있어서, 상기 교대로 형성된 핑거가 약 50 볼트의 전압으로 편향되며, 상기 교대로 형성된 핑거 사이의 각 핑거가 약 - 50 볼트의 전압으로 편향되는 플라즈마 반응기.
28. 제 18 항에 있어서,

    상기 각 핑거가 양성 전압으로 편향되는 플라즈마 반응기.
29. 제 18 항에 있어서, 상기 각 핑거가 약 100 볼트의 전압으로 편향되는 플라즈마 반응기.
30. 제 18 항에 있어서, 상기 링은 RF(radio frequency) 전력 공급원과 VHF(very high frequency) 전력 공급원 중 적어도 하나의 접지 경로를 제공하며, 상기 전력 공급원은 각각 챔버에 전기적으로 연결되는 플라즈마 반응기.