KR20060087474A - 플라즈마 공정 챔버에서 이용하기 위한 프로세스 키트 - Google Patents

플라즈마 공정 챔버에서 이용하기 위한 프로세스 키트 Download PDF

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KR20060087474A
KR20060087474A KR1020060053048A KR20060053048A KR20060087474A KR 20060087474 A KR20060087474 A KR 20060087474A KR 1020060053048 A KR1020060053048 A KR 1020060053048A KR 20060053048 A KR20060053048 A KR 20060053048A KR 20060087474 A KR20060087474 A KR 20060087474A
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upper electrode
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카롤 베라
다니엘 호프만
얀 이
마이클 쿠트니
더글라스 에이. 부치버거
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명의 실시예는 일반적으로, 플라즈마 공정 챔버의 공정 영역내에 플라즈마를 한정하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 약 0.8 인치 내지 1.5 인치 사이의 챔버 벽과의 갭 거리를 갖는 환형 링을 포함한다. 환형 플라즈마 한정 링에 부가하여, 플라즈마는, 플라즈마 공정 동안 전압 비율에 의해 상부 전극에 공급된 전압을 감소시키고, 기판이 공정 동안에 존재하는 경우에, 상부 전극에 공급된 잔류 전압을 기판 지지부 및 기판에 네가티브 상태로 공급함으로써 한정된다. 전압 비율은 기판 지지부 및 상부 전극을 감싸는 절연 밀봉부의 임피던스를 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 전압 비율에 의해 상부 전극 전압을 낮추고, 상부 전극에 공급된 잔류 전압을 네가티브 상태에서 기판 지지부에 공급하는 것은 접지된 챔버 벽에 유인된 플라즈마 양을 감소시키고, 따라서, 플라즈마 한정을 개선시킨다. 플라즈마 한정의 이 방법은 임피던스 한정을 요구된다. 플라즈마 한정은 전술한 환형 링 또는 임피던스 한정 구성 또는 그들의 조합에 의해 개선된다.

Description

플라즈마 공정 챔버에서 이용하기 위한 프로세스 키트 {PROCESS KIT FOR USING IN A PLASMA PROCESSING CHAMBER}
도 1a는 플라즈마 챔버에서 기판을 처리하는 공정 흐름을 도시하는 도면,
도 1b는 플라즈마 공정 챔버의 개략도,
도 2는(종래 기술) 슬롯형 플라즈마 한정 링의 개략도,
도 3a는 공정 챔버에서 환형 플라즈마 한정 링의 일 실시예가 구현되는 플라즈마 공정 챔버의 개략도,
도 3b는 공정 챔버에서 환형 플라즈마 한정 링의 다른 실시예가 구현되는 플라즈마 공정 챔버의 개략도,
도 3c는 갭 폭의 함수로서 플라즈마 밀도 비율과 챔버 압력의 모의시험 결과를 도시하는 도면,
도 3d는 환형 링과 챔버 벽 사이의 갭 폭이 0.5 인치일 때에, 플라즈마 공정 챔버에서의 플라즈마 밀도의 모의시험 결과를 도시하는 도면,
도 3e는 환형 링과 챔버 벽 사이의 갭 폭이 3 인치일 때에, 플라즈마 공정 챔버에서의 플라즈마 밀도의 모의시험 결과를 도시하는 도면,
도 4a는 전압 비율이 1인 때에(또는 소오스 전압이 완전하게 상부 전극에 공급되는 경우에), 상부 전극과 접지 음극 사이의 전압을 도시하는 도면,
도 4b는 전압 비율이 1인 때에(또는 소오스 전압이 완전하게 상부 전극에 공급되는 경우에), 상부 전극과 접지 챔버 벽 사이의 전압을 도시하는 도면,
도 4c는 전압 비율이 0.5인 때에(또는 소오스 전압의 반이 상부 전극에 공급되는 경우에), 상부 전극과 접지 음극 사이의 전압을 도시하는 도면,
도 4d는 전압 비율이 0.5인 때에(또는 소오스 전압의 반이 상부 전극에 공급되는 경우에), 상부 전극과 접지 챔버 벽 사이의 전압을 도시하는 도면,
도 5a는 전압 비율의 함수로서 모의시험된 플라즈마 밀도 비율을 도시하는 도면,
도 5b는 환형 링과 챔버 벽 사이의 갭 폭이 1.5 인치이고 전압 비율이 1인 때에, 플라즈마 공정 챔버에서의 플라즈마 밀도의 모의시험된 결과를 도시하는 도면,
도 5c는 환형 링과 챔버 벽 사이의 갭 폭이 1.5 인치이고 전압 비율이 0.5인 때에, 플라즈마 공정 챔버에서의 플라즈마 밀도의 모의시험된 결과를 도시하는 도면,
도 5d는 환형 링과 챔버 벽 사이의 갭 폭이 1.5 인치이고 전압 비율이 1인 때에, 플라즈마 공정 챔버에서의 동력 전이의 모의시험된 결과를 도시하는 도면,
도 5e는 환형 링과 챔버 벽 사이의 갭 폭이 1.5 인치이고 전압 비율이 0.5인 때에, 플라즈마 공정 챔버에서의 동력 전이의 모의시험된 결과를 도시하는 도면,
도 6은 상부 전극, 음극 및 챔버 벽사이의 회로를 도시하는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
100 : 반응기 챔버 110 : 웨이퍼
117 : 갭 폭 125 : 상부 전극(알루미늄 전극)
128 : 챔버 벽 130 : 밀봉부
본 발명의 실시예들은 일반적으로 플라즈마를 한정하고, 플라즈마 공정 반응기에서 유동 컨덕턴스를 강화하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
마이크로전자 집적 회로 제조에서 반도체 웨이퍼 플라즈마 공정은 유전체 에칭, 금속 에칭, 화학적 증착 및 다른 공정에 사용된다. 반도체 기판 공정에서, 점점 더 작은 구성 크기와 라인-폭을 추구하는 경향은, 보다 정확하게 반도체 기판상에 재료를 마스크, 에칭 및 전착하는 능력을 중요하게 여기게 되었다.
일반적으로, 지지 부재에 의해 지지되는 기판 위의 저압 공정 영역에 공급된 작업 가스에 라디오 주파수(RF) 동력을 인가함으로써 에칭이 이루어진다. 여기서 발생한 전기장은, 작업 가스를 플라즈마로 여기시키는 공정 영역에 반응 영역을 발생시킨다. 지지부재는 플라즈마내의 이온을 유인하도록 그곳에 지지된 기판을 향하여 편향된다. 이온은 기판에 인접한 플라즈마 경계층을 향하여 이동하고 경계층을 떠나면서 가속된다. 가속된 이온은 기판 표면에서 재료를 제거 또는 에칭하는데 필요한 에너지를 발생시킨다. 가속된 이온이 공정 챔버내의 다른 부품을 에칭할 수 있기 때문에, 플라즈마가 기판 위의 공정 영역에 한정되는 것이 중요하다.
한정되지 않은 플라즈마는 챔버 벽에 에칭-부산물(일반적으로 폴리머)을 야기하고, 또한 챔버 벽을 에칭할 수 있다. 챔버 벽에의 에칭-부산물 전착은 공정을 이탈시킨다. 챔버 벽으로부터의 에칭된 재료는 재-전착에 의해 기판을 오염 및/또는 챔버에 입자를 생성시킬 수 있다. 또한, 한정되지 않은 플라즈마는 하류 영역에서 에칭-부산물의 전착을 야기시킬 수 있다. 집적된 에칭-부산물은 벗겨지거나 또는 입자화할 수 있다. 하류 영역에서 에칭-부산물의 전착에 의해 야기된 입자 발생을 감소시키기 위해, 추가적인 하류 클리닝이 필요하고, 이것은 공정 처리량을 감소시키고 공정 비용을 증가시킨다.
한정된 플라즈마는, 챔버 오염, 챔버 클리닝을 감소시키고, 공정 반복성을 개선(또는 공정 이탈을 감소)시킨다. (아래에 기술되는) 슬롯형 플라즈마 한정 링과 같은 플라즈마 한정 장치가 플라즈마를 한정시키기 위해 개발되어 왔다. 접촉 에칭 및 큰 각거리 비율 트렌치 에칭(high aspect ratio trench etch)과 같은 라인 전단부(FEOL)의 어떤 응용예는, 비교적 높은 전체 가스 유동율(약 900 sccm 내지 약 1500 sccm) 하에서 비교적 낮은 공정 압력(예를 들면, 30 mTorr 이하)을 필요로 한다. 슬롯형 플라즈마 한정 링과 같은 플라즈마 한정 장치는 하류로 향하는 가스 유동에 유동 저항을 야기시키고, 전술한 FEOL에 대하여 충분히 낮지 않은 압력(예를 들면, 30 mTorr 이하)을 챔버에 발생시킬 수 있다.
따라서, 플라즈마를 플라즈마 챔버 내부의 공정 영역내에 한정시킬 뿐 아니라 유동 컨덕턴스를 개선시키는 방법 및 장치에 대한 필요성이 있다.
본 발명의 실시예는 일반적으로, 플라즈마 반응기에서 플라즈마 한정 및 유동 컨덕턴스 강화 방법 및 장치에 관한 것이다. 일 실시예에서, 플라즈마 공정 챔버에서 기판을 처리하는 동안 기판 공정 영역내에 플라즈마를 한정하도록 구성된 장치는, 하나 또는 그 이상의 절연 층을 갖는 기판 지지부와, 환형 링과 약 0.8 인치에서 1.5 인치의 갭 폭을 갖는 공정 챔버 벽 갭 폭 사이에 갭이 있는, 기판 지지부의 상부를 감싸는 환형 링과, 상부 전극과 공정 쳄버 몸체 사이에 위치된 절연 밀봉부를 포함하며, 상부 전극, 절연 밀봉부, 기판 지지부를 따르는 기판 및 플라즈마의 임피던스는, 상부 전극에 공급된 전압을, 전압 비율과, 상부 전극에 공급된 잔류 전압을 플라즈마 공정 동안에 기판 및 기판 지지부에서 네가티브 상태로 공급함으로써 감소시킨다.
다른 실시예에서, 플라즈마 공정 챔버의 공정 영역내에 플라즈마를 한정하도록 구성된 장치는, 기판 지지부의 상부를 감싸는 환형 링을 포함하고, 환형 링과, 약 0.8 인치 또는 그 보다 크거나 1.5 인치 미만인 갭 폭을 갖는 공정 챔버 벽 사이에 갭이 존재한다.
다른 실시예에서, 플라즈마 공정 챔버에서 기판을 처리하는 동안 기판 공정 영역내에 플라즈마를 한정하도록 구성된 장치는, 하나 또는 그 이상의 절연층과 상부 전극을 감싸는 절연 밀봉부를 갖는 기판 지지부를 포함하고, 상부 전극, 절연 밀봉부, 기판 지지부를 따르는 기판 및 플라즈마의 임피던스는, 상부 전극에 공급된 전압을, 전압 비율과, 상부 전극에 공급된 잔류 전압을 플라즈마 공정 동안에 기판 및 기판 지지부에서 네가티브 상태로 공급함으로써 감소시킨다.
다른 실시예에서, 플라즈마 공정 챔버에서 기판 처리 동안에, 기판 공정 영역내에 플라즈마를 한정하는 방법은, 상부 전극을 갖는 플라즈마 공정 챔버의 기판 지지부에 기판과, 약 0.8 인치에서 약 1.5 인치까지의 갭 폭을 갖는 환형 링과 공정 챔버 벽 사이의 갭이 있는 기판 지지부의 상부를 감싸는 환형 링을 위치시키는 단계와, 공정 가스를 플라즈마 챔버내로 유동시키는 단계와, 그리고, 플라즈마 공정 챔버에 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 플라즈마 공정 챔버에서 기판 처리 동안에, 기판 공정 영역내에 플라즈마를 한정하는 방법은, 상부 전극과, 상부 전극을 감싸는 절연 밀봉부와, 약 0.8 인치에서 1.5 인치까지의 갭 폭을 갖는 환형 링과 공정 챔버 벽 사이의 갭을 구비한 기판 지지부의 상부를 감싸는 환형 링을 위치시키는 단계와, 공정 가스를 플라즈마 챔버내로 유동시키는 단계와, 그리고, 상부 전극에 소오스 전압의 전압 비율을 공급하고, 기판 및 기판 지지부에 네가티브 상태의 잔류 전압을 공급함으로써 플라즈마 공정 챔버에 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 플라즈마 공정 챔버에서 기판 처리 동안에, 기판 공정 영역내에 플라즈마를 한정하는 방법으로서, 상기 방법이: 상부 전극을 갖는 플라즈마 공정 챔버의 기판 지지부에 기판과, 상부 전극을 감싸는 절연 밀봉부를 위치시키는 단계와; 공정 가스를 플라즈마 챔버내로 유동시키는 단계; 및 상부 전극에 소오스 전압의 전압 비율을 공급하고, 기판 및 기판 지지부에 네가티브 상태의 전압을 잔존시킴으로써, 플라즈마 공정 챔버에 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함한다.
다음의 첨부된 도면에 도시된 실시예의 참조에 의해서, 앞에서 인용한 본 발 명의 실시예가 얻어지는 방법과, 앞서 요약한 본 발명의 설명이 상세하게 이해될 수 있을 것이다. 그러나, 첨부된 도면은 단지 본 발명의 일반적인 실시예를 도시하고 있는 것이므로, 그 범위를 한정하는 것으로 간주되어서는 안되고, 본 발명은 다른 동등하게 효과적인 실시예까지 허용된다.
이해의 편의를 위해서, 가능한 경우에, 동일한 참조 번호가 도면에서 공통되는 동일한 부품에 주어진다. 도면들은 모두 개략적인 것이고, 크기를 표시하는 것은 아니다.
플라즈마 공정 챔버에서 기판을 처리하는 공정이 도 1a에 도시되어 있다. 공정은 기판을 플라즈마 공정 챔버에 위치시킴으로써 단계(201)에서 개시된다. 이어서, 단계(202)에서, 공정 가스가 플라즈마 공정 챔버내로 유동한다. 다음으로, 단계(203)에서, 플라즈마가 플라즈마 공정 챔버에서 발생된다. 단계(204)에서, 기판이 플라즈마 공정 챔버에서 처리된다. 플라즈마 공정 챔버에서 수행되는 공정은 전착, 에칭, 또는 플라즈마 처리이다. 본 발명의 개념은 플라즈마 처리의 어떤 형태에도 적용할 수 있다.
도 1b는, 반도체 웨이퍼(110)를 지지하는 챔버 하부에 기판 지지부(또는 받침대)(105)가 있는 벽을 보호하기 위한 라이너를 포함하는 반응기 챔버(100)를 구비한, 캘리포니아, 산타 클라라 소재 어플라이드 머티리얼스, 인코포레이티드사에 의해 제조된 ENABLERR 과 같은 플라즈마 반응기의 예를 도시하고 있다. 챔버(100) 는 상부에서, 절연(수정) 밀봉부(130)에 의해 접지 챔버 몸체(127)상의 웨이퍼(110) 상부에 소정 갭 길이로 지지되는 디스크형 오버헤드 알루미늄 전극(125)에 의해 결합된다. 동력 발생기(150)는 고주파(VHF) 동력을 전극(125)에 인가한다. VHF는 일반적으로 약 30 MHz 내지 약 300 MHz 사이고, 약 10 MHz 내지 약 10 GHz 범위로 주어지는 RF 밴드중의 하나이다. 일 실시예에서, VHF 소오스 동력 주파수는 300 mm 웨이퍼 직경에 대해 162 MHz 이다. 동력 발생기로부터의 VHF 동력은 동력 발생기(150)에 연결된 동축 케이블(162)을 통하여 전극(125)에 연결된 동축 스터브(135)내로 흐른다. 스터브(135)는 특성 임피던스와 공명 주파수를 갖고, 전극(125)과 동축 케이블(162) 또는 VHF 동력 발생기(150)사이에 동조 임피던스를 제공한다. 챔버 몸체는 VHF 발생기(150)의 VHF 리턴(VHF 접지)에 연결된다. 바이어스 동력이 통상적인 임피던스 동조 회로(210)를 통하여 웨이퍼 지지부(105)에 접속된 바이어스 동력 RF 신호 발생기(200)에 의해 웨이퍼에 인가된다. 바이어스 발생기(200)의 동력 수준은 웨이퍼 표면 부근의 이온 에너지를 제어한다. 바이어스 동력(일반적으로 13.56 MHz)은 일반적으로 이온 에너지를 제어하는데 사용되는 반면에, VHF 소오스 동력은 플라즈마 밀도를 제어하기 위해 오버헤드 전극에 인가된다. 진공 펌프 시스템(111)이 플레넘(112)을 통하여 챔버(100)를 소개시킨다.
기판 지지부(105)는, 하부 절연층(5510)을 지지하는 금속 받침대 층(5505)과, 하부 절연층(5510) 위에 놓이는 전기 전도성 메쉬층(5515)과, 그리고, 전도성 메쉬층(5515)을 커버하는 얇은 상부 절연층(5520)을 갖는다. 반도체 제품 또는 웨이퍼(110)가 상부 절연층(5520)의 상부에 위치된다. 기판 지지부(105)와 웨이퍼 (110)는 기판 처리 동안에 음극을 형성한다. 웨이퍼(110)가 존재하지 않는 경우에, 기판 지지부(105)가 플라즈마 공정중 음극이 된다. 전기 전도성 메쉬층(5515)과 금속 받침대 층(5505)은 각각 몰리브데늄 및 알루미늄과 같은 재료로 형성된다. 절연층(5510,5520)은 질화 알루미늄 또는 알루미나와 같은 재료로 형성된다. 전도성 메쉬층(5515)은 웨이퍼(110) 표면에 이온 충격 에너지를 제어하기 위해 RF 바이어스 전압을 공급한다. 전도성 메쉬층(5515)은 또한 웨이퍼(110)의 전자기적 척킹 및 디-척킹을 위해 사용될 수 있고, 그러한 경우에, 공지된 방법으로 척킹 전원에 연결된다. 따라서, 전도성 메쉬층(5515)은 반드시 접지되어야 하는 것은 아니고, 선택적으로, 일반적인 척킹 및 디-척킹 작동에 따라서 유동 전위 또는 고정 D.C. 전위를 가질 수 있다. 웨이퍼 지지부(105), 특히, 금속 받침대층(5505)은 일반적으로(반드시는 아님) 접지되고, 오버헤드 전극(125)에 의해 방출된 VHF 동력의 리턴 경로의 일부를 형성한다.
기판 지지부에 걸치는 임피던스의 균일성을 개선하기 위해, 절연 원통 슬리브(5550)가 RF 컨덕터(5525)를 감싸도록 구성된다. 축 길이와 슬리브(5550)를 형성하는 재료의 절연 상수는 RF 컨덕터(5525)에 의해 VHF 동력부로 제공된 공급점 임피던스를 결정한다. 축 길이와 슬리브(5550)를 형성하는 재료의 절연 상수를 조정함으로써, VHF 소오스 동력의 보다 균일한 용량성 접속을 위한 임피던스의 보다 균일한 방사방향 분포를 얻을 수 있다.
스터브(135)의 먼 단부(135a)에서 차단 컨덕터(165)는 내외측 컨덕터(140,145)를 단축시키므로, 스터브(135)가 그것의 먼 단부(135a)에서 단축된다. 스터브(135)의 인접 단부(135b, 단축되지 않은 단부)에서, 외측 컨덕터(145)는 환형 전도성 하우징 또는 지지부(175)를 경유하여 챔버 몸체에 연결되는 반면에, 내측 컨덕터(140)는 전도성 실린더 또는 지지부(176)를 경유하여 전극(125)의 중심에 연결된다. 절연 링(180)이 전도성 실린더(176)와 전극(125) 사이에 유지되어 그들을 분리시킨다.
내측 컨덕터(140)는 공정 가스 및 냉각제와 같은 유용물을 위한 도관을 제공할 수 있다. 이런 구성의 주요 특성은, 일반적인 플라즈마 반응기와 다르게, 가스 라인(170)과 냉각제 라인(173)이 큰 전위차로 교차하지 않는다는 것이다. 따라서, 그들은 그러한 목적을 위해 금속, 더 저렴한 그리고 보다 신뢰성 있는 재료로 구성될 수 있다. 금속제 가스 라인(170)은 오버헤드 전극(125)에 또는 인접하여 있는 입구(172)에 가스를 공급하는 반면에, 금속제 냉각제 라인(173)은 냉각제를 오버헤드 전극(125)내의 냉각제 통로 또는 자켓(174)에 공급한다.
앞서 설명한 바와 같이, 한정되지 않은 플라즈마는, 챔버 벽에 에칭-부산물(일반적으로 폴리머) 전착을 야기하고, 또한 챔버 벽을 에칭할 수 있다. 챔버 벽에의 에칭-부산물 전착은 공정을 이탈시킬 수 있다. 챔버 벽으로부터의 에칭된 물질은 재-전착에 의해 기판을 오염 및/또는 챔버에 입자를 형성시킬 수 있다. 또한, 한정되지 않은 플라즈마는 또한 공정 영역의 하류 영역에 도달할 수 있고, 그곳에 일반적으로 폴리머인 에칭-부산물 전착을 야기시킨다. 하류 영역에 전착된 에칭-부산물은 클리닝이 어렵다. 집적된 에칭 부산물은 벗겨질 수 있고, 입자를 발생시킨다. 입자 발생과 클리닝 시간을 감소시키기 위해, 웨이퍼(110) 주위와 오버헤드 전극(125)과 기판 지지부(105)사이에 위치된 슬롯형 한정 링(50, 도 2의 종래 기술 참조)이 종래에 사용되어 왔다.
도 2(종래 기술)는 종래에 플라즈마를 한정하기 위해 제안된 슬롯형 한정 링(50)에 대한 사시도이다. 슬롯형 한정 링(50)에 대한 상세 사항은, "플라즈마 반응기에서 플라즈마를 한정하고 유동 저항을 감소시키는 장치 및 방법"이란 명칭으로 2003년 4월 17일 출원되어 공통으로 양도된 미합중국 특허출원 제10/418,966호에 기술되어 있으며, 이는 본원에 참조되었다. 한정 링(50)에서의 슬롯은 공정 가스 혼합물이 챔버(100)를 통과하게 하고 챔버(100)에 걸쳐 유동 저항을 감소시키도록 한다. 한정 링(50)은 배플(55)과 배플(55) 하부에 연결된 기부(58)를 포함한다. 기부(58)는 일반적으로 전기적 접지와 한정 링(50)의 기계적 강도를 제공하도록 구성된다. 배플(55)은 그것의 상부에서 개구(70)를 형성한다. 개구(70)는 가스 분배 판(125)의 샤워헤드(showerhead)를 수용하도록 구성되어, 샤워헤드를 통하여 유동하는 가스가 배플(55)내부의 공정 영역(72)내에 한정된다. 배플(55)은 또한 웨이퍼(110) 주위에 위치된 다수의 슬롯(57)과 다수의 핑거(59)를 포함한다. 플라즈마 내의 중성자가 슬롯(57)을 통하여 플래넘(112)내를 통과하도록 구성된다.
슬롯형 한정 링(50)이 양호한 플라즈마 한정을 제공하고 한정 링(50)에서 스롯(57)이 대부분의 응용예에 충분히 낮은 챔버(100)에 걸친 유동저항을 감소시킬지라도, FEOL 응용예에 대해서는, 유동저항이 너무 높다. 앞서 설명한 바와 같이, 접촉 에칭 및 큰 각거리 비율 트렌치 에칭과 같은 라인의 전단부(FEOL) 응용예는, 비교적 낮은 공정 압력(예를 들면, 30 mTorr 이하)과 높은 전체 가스 유동율(약 900 sccm 내지 약 1500 sccm)을 필요로 한다. 슬롯형 한정 링에 의해 발생된 유동 저항은 이들 응용예에 대해 필요한 낮은 압력 범위보다 크게 챔버 압력을 상승시킨다. 따라서, 플라즈마를 한정시킬 뿐아니라 유동저항을 감소시키는 한정 링을 설계할 필요가 있다.
플라즈마 밀도는 벽 주위에서 비교적 낮기 때문에, 내부 챔버 벽(128)으로부터 일정 거리(갭)를 갖는 기판(110) 주위에 위치된 환형 링은, 슬롯형 한정 링 구성과 동일한 플라즈마 한정 수준을 갖지만, 유동 저항을 감소시킨다. 환형 링의 에지와 내부 챔버 벽(128) 사이의 거리(갭)는 너무 커서는 안된다. 갭 거리가 챔버 벽 부근의 플라즈마 시스 두께보다 큰 경우에, 그것은 웨이퍼 상부의 반응 영역으로부터 챔버 벽 그리고 하류를 향하여 유인되는 플라즈마 양을 증가시키고 이것은 플라즈마를 덜 한정시킨다. 환형 링 엣지와 내부 챔버 벽(128) 사이의 거리(갭)는 너무 작아서도 안되는데, 챔버 압력에 영향을 미치는 유동 저항이 수용할 수 없는 수준으로 증가되기 때문이다. 따라서, 내부 벽(128)으로부터 적절한 거리를 갖는 기판(110) 주위에 위치된 환형 플라즈마 한정 링이 양호한 플라즈마 한정과 낮은 유동 저항의 요건을 만족시키도록 제안된다.
도 3a는 환형 플라즈마 한정 링(115)을 갖는 공정 챔버의 일 실시예에 대한 개략도이다. 환형 링(115)은 실리콘 카바이드(SiC) 또는 알루미늄(Al)과 같은 전도성 재료로 제조된다. 환형 링(115)은 웨이퍼(110)를 둘러싼다. 환형 링(115)은 접지 챔버 몸체(127)에 연결되고, 절연(수정) 링(120)에 의해 기판 지지부(105)로부터 전기적으로 분리되는데, 이것은 전도성 환형 링(115)이 기판(110)과 전도성 메쉬 층(5515)과 접촉하는 것을 방지하여 바이어스 동력 효과를 없애는 것을 방지하기 위해 필요하다. 절연 링(120)의 최하점은 전도성 메쉬 층(5515)의 최하점 아래이어야 한다. 환형 링(115)의 최상부면은, 기판(110)이 기판 지지부(105)상에 적절하게 위치하고 재순환 유동을 최소화하도록 기판(110)과 동일한 표면 주위에 있어야 한다. 절연 링(120)의 최상부면은 도 3a의 실시예에 도시된 바와 같이, 기판(110)의 최상부면 및 환형 링(115)의 최상부면과 동일한 높이여야 한다. 절연 링(120)의 최상부면은 또한 도 3b의 다른 실시예에 도시된 바와 같이, 기판(110)의 최상부면 및 환형 링(115)의 최상부면 보다 약간 낮을 수 있다. 도 3b에 도시된 실시예에서, 플라즈마 한정 링(115)은 절연 링(120)의 상부에 위치된다.
환형 링(115)은 내부 챔버 벽(128)으로부터 갭 폭(117)만큼 이격된다. 환형 링(115)의 상부 단부 두께(119)는 너무 두꺼워서는 안되는데, 유동 저항이 두께(119)의 증가에 따라서 증가되기 때문이다. 일 실시예에서, 두께(119)는 약 1/8 인치 내지 약 1/4 인치 범위에 있다. 환형 링의 코너(118)는 환형 링의 기계적 강도를 제공하도록 사용되는데, 두께(119)를 갖는 상부 단부가 그것의 두께와 기계적 강도로 제한되기 때문이다. 기계적 강도를 제공할 수 있는 코너(118)외의 구조물들이 또한 사용될 수 있다.
플라즈마 한정 효용성 및 챔버 압력에 갭 폭(117)이 주는 효과를 보다 잘 이해하기 위해서, 챔버 플라즈마 밀도 및 압력 모의실험이 비교를 위해 환형 링 구성과 슬롯형 링 구성에 대해 수행되었다. 챔버 압력 모의시험을 위해, 프랑스 ESI 그룹의 계량 유체 역학(CFD) 소프트웨어 CFD-ACE+가 사용되었다. CFD-ACE+는, 유 동, 열 전달, 응력/변형, 화학 동역학, 전자화학등을 포함하는 물리학 분야의 넓은 범위에 대해 일반적으로 부분 미분 방정식(PDE) 솔버(solver)이다. 그것은, 다차원(0D-3D)에서 정상 및 임시 형태로 해답을 구한다. CFD-ACE+는 복잡한 멀티물리학 및 멀티분야 응용에 사용된다. 현재의 연구를 위해서는, 소프트웨어의 "유동" 모듈이 사용된다. CFD-ACE+ 모의 시험기의 "유동" 모듈을 사용한 압력 모의시험은 실험 결과와 상당히 일치한다. 표 1은 도 2에서 기술한 슬롯형 플라즈마 한정 링을 구비한 도 1b에서 기술한 반응기의 실험 결과와 모의시험의 비교를 보여주고 있다. 표 1에서, 펌프 압력은 도 1b의 펌프(111)의 셋팅 압력을 참조하고 있다. 챔버 내경은 27 cm 이고, 웨이퍼(110)와 상부 전극(125)의 하부 면사이의 거리는 3.2 cm 이다. 챔버 압력 데이터는 웨이퍼 중심과 웨이퍼 바로 상부로부터 6.8 cm 떨어진 곳에서 수집되었다. 하부-링 압력 데이터는 슬롯형 한정 링 바로 아래서 수집되었다. 결과는 모의시험된 것과 실험 결과 사이에 양호한 일치를 보여주고 있다. 결과는 또한 슬롯형 한정 링이 비교적 높은 유동 저항을 갖고 반응 챔버 내부의 압력이 압력 셋팅 값보다 매우 크게 증가함을 보여주고 있다.
가스 유동(sccm) 펌프 압력 셋팅 값(mTorr) 측정된 챔버 압력(mTorr) 모의시험된 챔버 압력(mTorr) 측정된 하부-링 압력(mTorr) 모의시험된 하부-링 압력(mTorr)
2000 40 55.6 58.8 40.2 43.5
900 10 21.5 25.0 11.6 14.5
900 40 46.5 49.3 40.2 41.6
표 1: 실험 및 모의시험된 챔버 압력 및 하부-링 압력 비교
챔버 플라즈마 밀도 모의시험은, 일니노이, 유바나, 유바나 캠패인 소재의 일니노이대 컴퓨터 공학과 전기부에서 개발한 하이브리드 플라즈마 장비 모델 (HPEM)을 사용한다. HPEM은 낮은 압력(10's Torr 미만) 플라즈마 공정 반응기에 대한 포괄적 모델링 플랫폼이다. 이 모의시험기를 사용한 플라즈마 밀도 모의시험에 대한 상세한 사항은, 1997년에 출간된 어플라이드 물리학 저널 82(6)권의 2805-2813 쪽의 제목 "Argon Metastable Dendities in Radio Frequency Ar, Ar/O2 및 Ar/CF4 전기 방전" 기사에서 발견할 수 있다. 플라즈마 모의시험기는 반도체 장비 산업에서 널리 사용된다. 우리의 실험은 HPEM에 의한 공정 변수 변화의 플라즈마 모의시험이 공정 결과와 잘 일치함을 보여주고 있다.
환형 링 구성에 대해서, 모의시험은 0.5 인치로부터 3 인치까지의 갭 폭(117)을 포함한다. 모의시험된 공정 조건은 앞서 설명한 접촉 에칭 및 딥 트렌치 에칭과 공통점이 있다. 1500 sccm의 높은 가스 유동율이 높은 가스 유동율을 가정하기 위해 사용된다. 공정 가스는 모의시험을 단순화하기 위해, C4F6 및 아르곤(Ar)과 같은 공정 가스의 다른 형태를 포함하는 대신에, O2를 포함한다. 갭 폭(117)의 함수로서 플라즈마 한정 정도를 비교하는 플라즈마 한정 연구에 대해서, 모의시험에서 단지 O2 가스를 사용하는 것은 플라즈마 한정에 가스 거리(117) 효과에 대한 학습을 제공한다. 모의시험된 상부 전극 동력(또는 소오스 동력)은 1.85 kW 이고, 가스 온도는 80 ℃ 이다. 전체 소오스 동력은 1.85 kW 이다. 상부 전극 전압(또는 소오스 전압)(VS)은 일반적으로 약 100 내지 약 200 볼트이다. 175 볼트의 VS가 모의시험에 사용된다. 기판(또는 웨이퍼)의 반경은 15 cm(6 인치)이고, 상 부 전극과 기판 사이의 공간은 3.2 cm(또는 1.25 인치)이다. 내부 챔버 벽(128)의 반경은 27 cm(또는 10.6 인치)이다. 절연 링(120)의 폭은 2.2 cm(또는 0.87 인치)이고, 모의시험된 환형 플라즈마 한정 링(115)의 폭은 8.5 cm(또는 3.3 인치)에서 2.2 cm(또는 0.9 인치) 사이에서 변화한다. 모의시험된 환형 한정 링(115)과 내부 챔버 벽(128) 사이의 공간은 1.3 cm(또는 0.5 인치)와 7.6 cm(또는 0.3 인치) 사이에서 변화한다.
도 3c는 도 3a에 기술된 환형 링(115)을 갖는 도 1에 기술된 플라즈마 챔버에 대한 플라즈마 모의시험 결과를 도시하고 있다. 낮은 압력의 플라즈마 챔버에서, 압력과 플라즈마 밀도는 전체 챔버를 통하여 완전하게 균일하지는 않다. 압력은 일반적으로 웨이퍼 중심부근에서 보다 높고, 웨이퍼 에지 부근에서 보다 낮으며, 펌프에서 펌프 압력 셋팅점에 도달한다. 도 3b의 압력 데이터는 챔버 벽과 웨이퍼 상부면의 교차점 또는 도 3a에서 위치 "P"에서의 압력이다. 한정 수준의 정도를 정량화하기 위해서, 플라즈마 밀도 비율이, 환형 링(115)의 상부 단부 바로 아래를 따라서 연장되는 라인(116) 아래의 최대 플라즈마 밀도와, 웨이퍼 표면과 오버헤드 알루미늄 전극(125) 사이의 부피에서 발생하는 공정 챔버의 최대 플라즈마 밀도의 비율로서 정의된다. 플라즈마 밀도 비율이 낮아지면 질수록, 플라즈마 한정 링은 보다 양호하게 플라즈마를 한정한다.
도 3c의 점선(301)은 슬롯형 한정 링 구성의 35.3 mTorr 챔버 압력을 도시한다. 도 3c의 점선(302)은 슬롯형 한정 링 구성에 대해 얻어진 0.004 플라즈마 밀도 비율을 도시하고 있다. 35.3 mTorr 챔버 압력과 0.004 플라즈마 밀도 비율은 양자 모두가 모의시험 결과에서 얻어진다. 슬롯형 링 구성이 갭 폭(117)을 변화시키지 않으므로, 점선(301,302)은 수평이다. 곡선(311)은 갭 폭(117)의 함수로서 챔버 압력을 도시하는 반면에, 곡선(312)은 갭 폭(17)의 함수로서 플라즈마 밀도 비율을 도시한다. 0.5 인치 갭 폭에서 환형 링 구성에 대해, 챔버 압력은 슬롯형 한정 링 구성보다 높은 35.8 mTorr 임이 확인되고, 플라즈마 밀도 비율은 슬롯형 한정 링 구성보다 낮은 0.00013 이다. 더 낮은 플라즈마 밀도 비율은 바람직하지만, 보다 높은 챔버 압력은 그렇지 않다. 갭 폭(117)이 1 인치로 증가할 때에, 챔버 압력은 슬롯형 링 구성보다 낮고 전단 공정에 대한 30 mTorr 미만의 낮은 압력 요건보다 낮은 27.9 mTorr로 감소되고, 플라즈마 밀도 비율은 슬롯형 링 구성보다 낮은 0.002가 된다. 갭 폭(117)이 1.5 인치까지 증가될 때에, 챔버 압력은 26.2 mTorr 까지 더욱 감소되고, 플라즈마 밀도 비율은 슬롯형 링 구성보다는 높지만 아직 비교적 낮은 0.023이 된다. 갭 폭(117)이 1.5 인치를 넘도록 증가함에 따라서, 챔버 압력을 낮추는데 있어서 넓은 갭 폭(117)의 효과는 감소되나, 플라즈마 밀도 비율은 증가를 계속한다.
표 2는, 도 2에 기술된 슬롯형 플라즈마 한정 링과 도 3a에 기술된 환형 플라즈마 한정 링을 구비한 도 1b에 기술된 반응기의 모의시험 결과 비교를 도시하고 있다. 환형 링과 챔버 벽(128) 사이의 갭 거리는 1 인치이다. 표 2에서, 펌프 압력은 도 1b의 펌프(111)에 대한 압력 셋팅 값을 참조하고 있다. 챔버 내경은 27 cm 이고, 웨이퍼(110)와 상부 전극(125)의 하부면사이의 거리는 3.2 cm 이다. 챔버 압력 데이터는 웨이퍼 중심과 웨이퍼 바로 상부로부터 6.8 cm 떨어진 곳에서 수 집되었다. 하부-링 압력 데이터는 슬롯형 한정 링 또는 환형 링 바로 아래서 수집되었다. 결과는 챔버 압력이 환형 플라즈마 한정 링 보다 슬롯형 플라즈마 한정 링이 보다 높은 것을 보여준다. 또한, 챔버와 한정 링 하부 사이의 압력 차이는 환형 링(△P=9.4 mTorr) 보다 슬롯형 링(△P=15.3 mTorr)에 대한 것이 높다.
가스 유동(sccm) 펌프 압력 셋팅 값(mTorr) 챔버 압력(mTorr) 슬롯형 링 챔버 압력(mTorr) 환형 링 하부-링 압력(mTorr) 슬롯형 링 하부-링 압력(mTorr) 환형 링
2000 40 58.8 54.1 43.5 44.7
표 2 : 슬롯형 한정 링과 챔버 벽으로부터 1 인치 갭 거리를 갖는 환형 링에 대한 모의시험된 챔버 압력과 하부-링 압력의 비교
도 3d는 갭 폭(117)이 0.5 인치일 때에 공정 챔버에서 플라즈마 밀도의 모의시험 결과를 도시하는데, 여기서 플라즈마 밀도 비율은 0.00013 이다. X-축은 공정 챔버 중심으로부터의 거리이고, Y-축은 기판 지지부(105) 상부면 아래 3.9 cm 로부터의 거리이다. 결과는 플라즈마가 기판 상부 영역내에서 약간 한정되는 것을 보여주고 있다. 불행하게도, 챔버 압력은 30 mTorr 이하의 요건보다 높은 35.8 mTorr 이다. 도 3e는 갭 폭(117)이 3 인치일 때에 공정 챔버에서 플라즈마 밀도의 모의시험 결과를 보여주는데, 플라즈마 밀도 비율은 0.12 이다. 결과는 반응기 하류에 큰 플라즈마 손실이 있음을 보여주고 있다.
도 3c의 모의시험 결과는, 갭 폭(117)이 증가함에 따라서, 유동 저항이 감소하고, 따라서 웨이퍼 압력이 감소함을 보여주고 있다. 갭 폭(117)이 증가하는 상태에서, 보다 많은 플라즈마가 한정 링의 하류를 침투하고, 플라즈마 밀도 비율이 증가한다. 챔버 압력을 30 mTorr 이하로 유지하기 위해, 갭 폭(117)은 도 3b에서 의 모의시험 결과에 따라서 약 0.8 인치 또는 그 보다 커야 한다. 그러나, 갭 폭(117)은 너무 커서는 안되는데, 큰 갭 폭(117)은 하류에서 높은 플라즈마 손실을 초래하기 때문이다. 앞서 설명한 바와 같이, 갭 폭(117)이 1.5 인치를 넘어 증가함에 따라서, 챔버 압력을 낮출 때의 보다 넓은 갭 폭(117)의 효과는 크지 않지만, 플라즈마 밀도 비율은 계속 증가한다. 1.5 인치의 갭 폭(117)에서 플라즈마 밀도는 상당히 낮은 0.023 이다. 따라서, 갭 폭(117)은 1.5 인치 아래로 유지되어야 한다.
플라즈마 한정을 더욱 개선하기 위해서, 전극(125)과 챔버 벽(128) 사이의 전압 강하를 감소시키기 위한 상부 전극 전압을 낮추는 개념이 조사되어 왔다. 일반적으로, 소오스 동력은 주로 소오스 전압(VS)으로 상부 전극을 통하여 공급된다. 상부 전극 전압이 소오스 전압(fVs)의 f 분율로 낮고, 기판 공정동안에 기판 지지부(105) 및 웨이퍼(110)에 의해 형성되는 음극이 -(1-f)VS 전압을 유지하는 경우에는, 상부 전극(125)과 기판 공정 동안 기판 지지부(105) 및 웨이퍼(110)에 의해 형성되는 음극 사이의 전압차는 동일한 전압 값(VS)으로 유지되나, 상부 전극(125) 및 접지 챔버 벽(128) 사이의 전압차는 fVS로 낮아진다. 상부 전극(125)과 접지 챔버 벽(128) 사이의 낮은 전압차는 챔버 벽(128)으로 이동하는 플라즈마 양을 감소시킨다. 낮은 상부 전극 전압(fVS)으로 소오스 동력을 공급하고, 음극을 상부 전극(125)으로부터 네가티브 상태로 -(1-f)VS로 유지시키는 방법은, 상부 전극(125)과, 기판 공정 동안 기판 지지부(105) 및 웨이퍼(110)에 의해 형성되는 음극과, 그리고, 챔버 벽(128)과 관련된 챔버 부품의 임피던스를 조정하는 것이다. 공정 동안에 웨이퍼(110)가 존재하지 않는 때에는, 기판 지지부(105)가 음극을 형성한다. 상부 전극 전압을 낮추기 위한 챔버 부품의 임피던스 조정 방법에 대한 상세 사항이 이하에 기술될 것이다.
도 4a는 상부 전극(125, 또는 소오스)과 접지된 음극(기판 공정 동안 웨이퍼(110)과 함께 기판 지지부(105))의 비교 전압 값을 보여주고 있다. 도 4b는 상부 전극(125)과 접지된 챔버 벽(128)의 비교 전압 값을 보여주고 있다. 두 도면에서 X-축은 상부 전극(125)과, 기판 지지부(105) 및 웨이퍼(110)에 의해 형성된 음극 또는 챔버 벽(128)의 내부면 사이의 공간을 나타낸다. X-축의 거리는 실제 척도가 아니다. 상부 전극 전압은 +VS 및 -VS 사이에서 진동하는 반면에, 음극과 챔버 벽은 0(접지)에 머무른다. 플라즈마 벌크는 상부 전극보다, VS 보다 상당히 작은 VO 만큼 높은 전압을 갖는다. 곡선(401)은 상부 전극 전압이 +VS 일 때에, 상부 전극(125)과, 기판 공정 동안 기판 지지부(105) 및 웨이퍼(110)에 의해 형성되는 음극 사이의 전압을 나타낸다. 상부 전극 전압이 +VS 일 때에 상부 전극(125) 및 음극 사이의 전압차(411)는 VS 와 동일하다. 점 곡선(402)은 소오스 전압이 -VS 일 때에 소오스와 음극 사이의 전압을 나타낸다. 상부 전극(125) 전압이 -VS 일 때에 상부 전극(125)과 음극 사이의 전압차(412)는 -VS 와 동일하다.
도 4b에서도 비슷하게, 곡선(403)은 상부 전극(125) 전압이 +VS 일 때에 소오스와 챔버 벽 사이의 전압을 나타낸다. 상부 전극 전압이 +VS 일 때에 상부 전극(125) 및 챔버 벽(128) 사이의 전압차(413)는 VS 와 동일하다. 점 곡선(404)은 소오스 전압이 -VS 일 때에 상부 전극(125)과 챔버 벽(128) 사이의 전압을 나타낸다. 상부 전극(125) 전압이 -VS 일 때에 상부 전극(125)과 챔버 벽(128) 사이의 전압차(414)는 -VS 와 동일하다.
이하에서 보다 심도 있게 기술되는 바와 같이, 기판 지지부(105)의 임피던스와 절연 밀봉부(130)의 임피던스를 동조시킴으로써, 상부 전극에 공급된 소오스 전압이 VS/2 와 같이 전체 소오스 전압의 분율로 감소되는 반면에, 음극 전압은 -VS/2 와 같이, 차이를 보충하도록 상부 전극의 네가티브 상태에 유지된다. 플라즈마 공정은 변화하지 않는데, 이는 소오스와 음극 사이의 전위차가 아직 VS 또는 -VS 이기 때문이다. 도 4c는 상부 전극(125)과 음극(접지되지 않음)의 상대적인 전위 값을 도시하고 있다. 상부 전극 전위는 +VS/2 에서 -VS/2 사이 진동을 하는 반면에, 음극 전압은 대응하는 방식으로 -VS/2 에서 +VS/2 사이의 진동을 한다. 곡선(405)은 상부 전극(125) 전압이 +VS/2 일 때에 상부 전극과 음극 사이의 전압 값을 나타낸다. 상부 전극(125) 전압이 +VS/2 일 때에, 상부 전극(125) 및 기판 지지부(105)와 웨이퍼(110)에 의해 형성되는 음극 사이의 전압차(415)는 VS 와 동일하다. 점 곡선(406)은 소오스 전압이 -VS/2 일 때에 상부 전극(125)과 음극 사이의 전압을 나타낸다. 소오스 전압이 -VS/2 일 때에 상부 전극(125)과 음극 사이의 전압차(416)는 -VS 와 동일하다.
도 4d에서, 곡선(407)은 상부 전극(125) 전압이 +VS/2 일 때에 상부 전극과 챔버 벽(접지됨) 사이의 전압을 나타낸다. 상부 전극 전압이 +VS/2 일 때에 상부 전극 및 챔버 벽(접지됨) 사이의 전압차(417)는 VS/2 와 동일하다. 점 곡선(408)은 상부 전극 전압 -VS/2 일 때에 상부 전극과 챔버 벽 사이의 전압을 나타낸다. 상부 전극 전압이 -VS/2 일 때에 상부 전극과 챔버 벽 사이의 전압차(418)는 -VS/2 와 동일하다. 상부 전극에서 전압을 낮추도록 음극 임피던스를 동조시킴으로써, 상부 전극 및 챔버 벽 사이의 전압차가 최초 값의 절반으로 감소된다. 상부 전극과 음극 사이의 전압차(VS)가, 상부 전극과 챔버 벽 사이의 전압차(VS/2) 보다 크기 때문에, 플라즈마 이온은 챔버 벽으로 이동하기 보다는 상부 전극과 음극 사이 영역에 머물 가능성이 더 있다.
전압차를 낮추는 것에 부가하여, 비-한정 플라즈마로 인해 손실되는 동력량은 1/4로 감소된다. 아래 방정식(1)은 상부 전극 전압이 VS 일 때에, 상부 전극과 챔버 벽 사이의 전압차와 동력(P) 사이의 관계를 보여준다.
P ∝ (VS)2 = VS 2 (1)
아래의 방정식(2)는 상부 전극 전압이 VS/2 일 때에, 상부 전극과 챔버 벽 사이의 전압차와 동력(P) 사이의 관계를 보여준다.
P ∝ (VS/2)2 = VS 2/4 (2)
상부 전극 전압을 절반으로 낮춤으로써, 챔버 벽으로 손실되는 이용가능한 동력이 최초 값의 1/4로 낮아진다.
전압 비율에 의해 상부 전극 전압을 낮추고, 네가티브 상태로 상부 전극에 공급된 잔류 전압을 기판 지지부에 공급하는 것은 접지된 챔버 벽에 유인된 플라즈마 양을 감소시키고, 따라서 플라즈마 한정을 개선시킨다. 이러한 플라즈마 한정 방법은 임피던스 한정을 요구한다. 전술한 방법에 사용된 전체 소오스 전압의 분율은 1/2 이지만, 다른 분율 값이 또한 사용될 수 있고, 플라즈마 한정을 개선시킬 수 있다. 상부 전극에 공급된 소오스 전압의 분율은 "전압 비율"로 정의될 수 있다. 도 5a는 1, 0.75, 0.5 및 0.25의 전압 비율에 대한 플라즈마 밀도 모의시험 결과에 대한 그래프이다. 모의시험 공정의 펌프 입구에서의 압력은 10 mTorr 이고, 전체 소오스 동력은 1.85 kW 이다. 모의시험된 내부 챔버 벽을 갖는 환형 한정 링(115) 사이의 공간은 1.5 인치(또는 3.8 cm)이다. 곡선(501)은 전압 비율이 1로부터 감소함에 따라서, 플라즈마 밀도 비율이 감소됨을 보여주고 있다. 전압 비율이 0.5에 있을 때에, 0.001의 플라즈마 밀도 비율이 최저이다. 그러나, 전압 비율이 0.25일 때에 0.003의 플라즈마 밀도 비율과, 전압 비율이 0.75일 때에 0.008의 플라즈마 밀도 비율은 양자가 전압 비율이 1일 때의 플라즈마 밀도 비율보다 낮다.
도 5b는 전압 비율이 1일 때(또는 소오스 전압이 완전히 상부 전극에 공급된 때)의 공정 챔버에서 0.023의 플라즈마 밀도의 모의시험 결과를 도시하고 있다. 모의시험 결과는 기판 상부 외측에 많은 양의 플라즈마가 존재함을 보여주고 있다. 도 5c는 전압 비율이 0.5로 감소된 때에 시험 결과를 보여준다. 결과는 플라즈마가 대부분 기판 표면 상부 영역 부근에 한정됨을 보여 주고 있다. 도 3b로 돌아가서, 1.5 인치 갭 폭에서, 챔버 압력은 목표치로서 30 mTorr 아래인 약 26.2 mTorr에 유지된다. 도 5a에 따르면, 0.004의 플라즈마 밀도 비율을 얻는 슬롯형 한정 링과 동일한 플라즈마 한정 결과를 얻기 위해서, 전압 비율이 약 0.2 및 0.6 사이에서 작용될 수 있다. 그러나, 플라즈마 밀도 비율이 0.001 이하인 때에, 플라즈마 한정은 상당히 큰 것으로 간주된다. 따라서, 전압 비율이 도 5a의 모의시험 결과에 따라서, 약 0.1 내지 약 0.75 사이에서 작용될 수 있다.
환형 플라즈마 한정 링과 임피던스 한정의 조합된 용도는 넓은 공정 윈도우를 갖는 전단부 공정에 바람직한 양호한 플라즈마 한정 및 낮은 챔버 압력을 달성한다. 환형 링 갭 폭(117)은 약 0.8 인치 및 1.5 인치 사이일 수 있고, 임피던스 한정의 전압 비율은 약 0.1 및 약 0.75 사이일 수 있으며, 양호하게는, 0.2 및 0.6 사이이다.
플라즈마 한정 개선에 부가하여, 전압 비율을 낮추는 것은 또한 공정 영역 외부의 동력 손실을 감소시킨다. 도 5d는 전압 비율이 1로 유지되는 때에, 단위 부피 또는 동력 밀도로 정의되는 동력 전이의 모의시험 결과를 도시하고 있다. 결과는, 기판 표면 상부 또는 반응기 중심으로부터 15 cm 내의 영역인 공정 영역 외측에서의 상당한 동력 전이를 보여주고 있다. 대조적으로, 도 5e는 전압 비율이 0.5 인 때에, 공정 챔버의 동력 전이를 보여주고 있다. 공정 영역 외측의 동력 손실은 도 5d와 비교하여 상당히 크다.
도 6은 도 1의 반응기(100)의 임피던스 성분을 나타내는 단순화된 다이아그램인데, 임피던스 Z1을 갖는 오버헤드 전극(125)을 보여준다. 상부 전극(125)은 캐패시터와 같은 역할을 하고 Z6의 임피던스를 갖는 절연 밀봉부(130)에 연결된다.
기판 공정 동안에, 음극이 절연층(5520,5510)을 갖는 기판 지지부(105) 및 웨이퍼(110)에 의해 형성된다. 공정 동안 웨이퍼(110)가 존재하지 않으면, 지기 기판(105)이 음극이 된다. 오버헤드 전극(125) 임피던스(Z1) 및 음극 임피던스(Z5)에 추가하여, 벌크 플라즈마 또한 임피던스(Z3)를 갖는다. 또한, 전극 임피던스(Z1) 및 벌크 임피던스(Z3) 사이에 병렬로 임피던스(Z2)를 갖는 동등한 캐패시터로 나타내지는 양극 플라즈마 시스(sheath)가 있다. 또한, 음극 플라즈마 시스는, 벌크 플라즈마 임피던스(Z3) 및 음극 임피던스(Z5) 사이에 병렬로 임피던스(Z4)를 갖는 동등한 캐패시터로 나타내진다.
방정식(1)은 임피던스(Z)와, 저항(R)과, 그리고 용량성 리액턴스(XC) 사이의 관계를 보여주고 있다. 방정식(1)에서 "j" 는 가상 숫자이다.
Z = R-jXC (1)
방정식(2)는 용량성 리액턴스(XC)와 캐패시턴스(C)의 관계를 도시하고 있다.
XC = 1/(2πfC) (2)
여기서, f는 소오스 동력의 주파수 이고, C는 캐패시턴스이다.
도 6은 상부 전극(125)과, 양극 플라즈마 시스와, 플라즈마와, 음극 플라즈마 시스와, 그리고 음극이 병렬로 연결되고, 이들 임피던스 성분들이 절연 밀봉부(130)에 평행한 것을 보여 주고 있다. 방정식(3)은 전체 임피던스(Ztotal)를 보여주고 있다.
Ztotal = Z1 + 1/(1/(Z2 + Z3 + Z4 + Z5) + 1/Z6 ) (3)
상부 전극은 일반적으로 전도성 재료로 제조되므로, 그것의 임피던스(Z1)는 주로 상부 전극의 저항으로 이루어진다. Z2, Z3 및 Z4는 플라즈마에 의해 영향을 받는다. 그러나, 임피던스(Z5, Z6)는 기판 지지부(105)의 절연층 및 절연 밀봉부(130)의 두께 및 절연 상수를 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 음극 임피던스의 크기는 음극 캐패시턴스에 영향을 받는다. Z5 및 Z6는, 상부 전극(125)에 통상적인 소오스 전압의 분율(fVS)로 공급하고, 음극 전압을 상부 전극으로부터 네가티브 전압 -(1-f)VS로 유지하도록 조절될 수 있다.
전술한 설명이 본 발명의 실시예에 대해 기술되었지만, 본 발명의 다른 실시예가 본 발명의 범위를 이탈하지 않는 실시될 수 있고, 본 발명의 범위는 다음의 청구범위에 의해 결정된다.
본 발명에 따른 플라즈마 한정 및 유동 컨덕턴스 강화 방법 및 장치는, 챔버 오염, 챔버 클리닝을 감소시키고, 공정 반복성을 개선(또는 공정 이탈을 감소)시킬 수 있다.

Claims (20)

  1. 플라즈마 공정 챔버에서 이용하기 위한 프로세스 키트로서,
    상부 외벽(182),
    하부 외벽(188),
    상기 상부 외벽(182) 및 상기 하부 외벽(188) 사이에 형성된 스텝(186), 및
    상기 스텝(186)에 대향되게 배치되는 내벽(192)을 포함하는 환형 링(115)을 포함하는,
    프로세스 키트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스텝(186)은 상기 하부 외벽(188)으로부터 상방 및 외측으로 그리고 상기 상부 외벽(182)으로부터 하방 및 내측으로 형성되는,
    프로세스 키트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형 링(115)은 전도성 재료로 제조되는,
    프로세스 키트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형 링(115)은 실리콘 카바이드(SiC)를 포함하는,
    프로세스 키트.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형 링(115)은 알루미늄(Al)을 포함하는,
    프로세스 키트.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 외벽(188)은 상기 상부 외벽(182)의 직경 보다 작은 직경을 가지는,
    프로세스 키트.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형 링(115)의 상부 외벽(182)과 상기 내벽(192)은 상기 환형 링(115)의 상부 섹션을 형성하는,
    프로세스 키트.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 환형 링(115)의 내벽(192)은 기판 지지부(105)에 배치된 기판(110) 및 링(120)의 주위를 둘러싸도록 하는 크기를 가지는,
    프로세스 키트.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 내벽(192)은 약 12.5 내지 약 15 인치 사이의 직경을 갖는,
    프로세스 키트.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 외벽(182)은 약 15.5 내지 약 20.5 인치 사이의 직경을 갖는,
    프로세스 키트.
  11. 플라즈마 공정 챔버에서 이용하기 위한 프로세스 키트로서,
    상부 외벽(182),
    하부 외벽(188),
    상기 하부 외벽(188)으로부터 상방 및 외측으로 연장하고 상기 상부 외벽(182)으로부터 하방 및 내측으로 연장하는, 스텝(186), 및
    상기 스텝(186)에 대향되게 배치되는 내벽(192)을 포함하는 전도성 환형 링(115)을 포함하는,
    프로세스 키트.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 환형 링(115)은 실리콘 카바이드(SiC)를 포함하는,
    프로세스 키트.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 환형 링(115)은 알루미늄(Al)을 포함하는,
    프로세스 키트.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 환형 링(115)의 내벽(192)은 기판 지지부(105)에 배치된 기판(110) 및 링(120)의 주위를 둘러싸도록 하는 크기를 가지는,
    프로세스 키트.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 내벽(192)은 약 12.5 내지 약 15 인치 사이의 직경을 갖는,
    프로세스 키트.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 상부 외벽(182)은 약 15.5 내지 약 20.5 인치 사이의 직경을 갖는,
    프로세스 키트.
  17. 플라즈마 공정 챔버에서 이용하기 위한 프로세스 키트로서,
    약 15.5 내지 약 20.5 인치의 직경을 가지는 상부 외벽(182),
    하부 외벽(188),
    상기 하부 외벽(188)으로부터 상방 및 외측으로 연장하고 상기 상부 외벽(182)으로부터 하방 및 내측으로 연장하는, 스텝(186), 및
    상기 스텝(186)에 대향되게 배치되고 약 12.5 내지 약 15 인치의 직경을 가지는 내벽(192)을 포함하는 전도성 환형 링(115)을 포함하는,
    프로세스 키트.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 환형 링(115)은 실리콘 카바이드(SiC)를 포함하는,
    프로세스 키트.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 환형 링(115)은 알루미늄(Al)을 포함하는,
    프로세스 키트.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 환형 링(115)의 내벽(192)은 기판 지지부(105)에 배치된 기판(110) 및 링(120)의 주위를 둘러싸도록 하는 크기를 가지는,
    프로세스 키트.
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