KR20070046166A

KR20070046166A - 플라즈마 챔버 내부에서의 사용을 위한 이트리아 절연체 링

Info

Publication number: KR20070046166A
Application number: KR1020077005664A
Authority: KR
Inventors: 바바크 카드코다얀; 라진더 딘드사; 웨홍 후
Original assignee: 램 리써치 코포레이션
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2005-08-12
Publication date: 2007-05-02
Also published as: CN101048856B; US20090090695A1; US20060043067A1; WO2006026110A3; CN101048856A; JP2008511175A; WO2006026110A2; TW200620455A; SG157420A1

Abstract

플라즈마 프로세싱 장치에서의 사용을 위한 이트리아 절연체 링이 장치와 접지 연장부 사이에서의 아크를 최소화하면서, 또한, 클리닝들 사이에서의 평균 시간 (MTBC) 을 증가시키기 위해서 제공된다. 이트리아 절연체 링은 이 장치의 챔버의 접지 연장부와 플라즈마 생성 존, 또는 갭, 의 사이에 위치될 수도 있다. 석영 링에 비교할 때, 이트리아 절연체 링은 또한 감소된 반응성 및 증가된 절연 상수의 결과로서 향상된 RF 결합 때문에 향상된 반도체 기판의 균일성을 제공할 수 있다.

이트리아 절연체 링, 플라즈마 제한 링

Description

플라즈마 챔버 내부에서의 사용을 위한 이트리아 절연체 링{YTTRIA INSULATOR RING FOR USE INSIDE A PLASMA CHAMBER}

배경

플라즈마 프로세싱 장치는 에칭, 물리적 기상 증착 (PVD), 화학적 기상 증착 (CVD), 이온 주입, 및 애싱 또는 레지스트 제거를 포함하는 기법에 의해서 반도체 기판을 프로세싱하도록 사용된다. 일 타입의 플라즈마 프로세싱 장치로는 RF (Radio Frequency) 용량 결합형 플라즈마 반응기가 포함된다. RF 용량 결합형 플라즈마 반응기는 에칭 프로세스를 위해서 사용될 수도 있고, 여기에서, 플라즈마가 2개의 전극 사이의 갭에서 형성되고, 전극들 중 하나는 RF 전력 전극이고, 다른 전극은 접지된다. 하부 전극은 반도체 웨이퍼를 둘러싸는 실리콘 핫 에지, 핫 에지 링을 둘러싸는 석영 절연체 링, 핫 에지 링의 하부에 있는 유전성 커플링 링, 플라즈마 반응기에서 플라즈마에 노출되지 않는 하나 이상의 유전성 커플링 링과 같은 다양한 전도 또는 유전성 재료를 포함할 수도 있다.

요약

플라즈마 에칭 챔버와 같은 플라즈마 챔버 내에 장착되기에 적합한 이트리아 절연체 링이 제공된다.

또한, 기판 지지부, 상부 전극 및 하부 전극을 포함하는 플라즈마 프로세싱 장치가 제공되고, 여기에서, 상부 전극 및 하부 전극은 그 사이에서 갭을 형성하도 록 이격된 관계로 서로 마주보고, 여기에서, 기판 지지부는 하부 전극, 기판 지지부의 표면을 형성하는 정전 척, 정전 척을 둘러싸는 에지 링, 기판 지지부의 주변 섹션 상에서의 접지 연장부, 및 접지 연장부의 상부 표면을 오버라이 (overlie) 하는 이트리아 절연체 링을 포함한다.

또한, 이미 사용된 절연체 링을 플라즈마 챔버로부터 제거하는 단계, 및 절연체 링을 이트리아 (Y₂O₃) 로 완전히 이루어지는 절연체 링으로 교체하는 단계를 포함하는 플라즈마 챔버 내에서의 절연체 링을 교체하는 방법이 제공된다.

또한, 완전히 이트리아로 이루어지는 절연체 링을 포함하는 플라즈마 챔버 내에서 반도체 기판을 플라즈마 에칭하는 방법이 제공되고, 이 방법은 반도체 기판을 플라즈마 챔버 내부로 로딩하는 단계, 프로세스 가스를 플라즈마 챔버의 내부로 공급하고 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징하여 기판 표면을 플라즈마 에칭하는 단계, 및 반도체 기판을 플라즈마 챔버로부터 제거하는 단계를 포함한다.

도면의 간단한 설명

도 1a 및 b 는 본 명세서에서 제공되는 절연체 링을 포함하는 플라즈마 프로세싱 장치의 바람직한 실시형태의 도면이다.

도 2a 및 b 는 에지 링의 바람직한 실시형태의 단면도이다.

도 3a, b 및 c 는 절연체 링의 바람직한 단면도이다.

상세한 설명

반도체 기판의 크기가 증가함에 따라서, 플라즈마 프로세싱 챔버 설계에 있 어서의 향상이 요구되어, 챔버에서 사용되는 소모성 부품에 관한 이슈가 다루어지고 프로세스의 균일성 조건이 다루어진다. 예시로서, 웨이퍼 크기가 증가함에 따라서, 웨이퍼 전체에 걸쳐 균일한 에칭을 달성하기 더 어려워졌고, 특히, 도핑된 또는 미도핑된 실리콘 옥사이드, 예를 들어, 실리콘 다이옥사이드, 플루오리네이티드 실리콘 옥사이드 (FSG), 보론 포스페이트 실리케이트 유리 (BPSG), 포스페이트 실리케이트 유리 (PSG), TEOS 증착 실리콘 옥사이드, 유기 및 무기 로우-K 재료 등과 같은 유전성 재료를 에칭하는 것은 어렵다. 이러한 웨이퍼 재료를 에칭하기 위해서는, 소모성 부품이 교체를 더 자주 필요로 하고 웨이퍼 전체에 걸친 에칭 속도 균일성이 악화될 수 있다는 결과와 함께, 프로세스 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징하는 전극으로 공급되는 전력 레벨을 증가시키는 것이 필요할 수도 있다.

300 mm 웨이퍼와 같은 큰 기판을 프로세싱하는 RF 용량 결합형 플라즈마 반응기에서는, 또한, 보조 접지가 접지 전극에 부가하여 사용될 수도 있다. 예를 들어, 기판 지지부는 하나 이상의 주파수에서 RF 에너지를 공급받는 하부 전극을 포함할 수도 있고, 프로세스 가스는 접지된 상부 전극인 샤워헤드 전극을 통하여 챔버의 내부로 공급될 수도 있고, 접지 연장부는 하부 전극의 바깥 쪽으로 위치될 수도 있다. 보조 접지는, 프로세싱되지만 에지 링에 의해서 접지된 부분으로부터 분리되는 반도체 기판을 포함하는 평면 내에서 일반적으로 연장되는, 전기적으로 접지된 부분을 포함할 수 있다. 에지 링은 플라즈마 생성 동안 가열되는 전기적 전도 또는 반전도 재료를 가지는, 즉, 핫 에지 링일 수 있다. 부가적으로, 플라즈마 제한 링 어셈블리는 상부와 하부 전극들 사이에서의 갭에 플라즈마를 제한하는 것을 보조하기 위해서 샤워헤드 전극의 바깥 쪽으로 제공될 수 있다. 보조 접지는 갭 내에 플라즈마를 제한하는데 있어서 플라즈마 제한 링 어셈블리를 보조할 수 있다. RF 용량 결합형 플라즈마 반응기에서 사용되는 보조 접지 및 플라즈마 제한 링의 상세한 설명은 공동으로 양수된 미국 특허 제 5,534,751 호 및 공개된 미국 특허출원 제 2003/0151371A1 호에서 참조될 수 있고, 이러한 양자는 본 명세서에 참조로 통합된다.

다음의 상세한 설명에 있어서, 본 출원의 일부를 형성하는 첨부된 도면이 참조된다. 예시로서, 도면은 본 발명이 실시될 수도 있는 특정한 실시형태를 도시한다. 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 다른 실시형태들도 실시될 수 있고 구조 변경도 행해질 수 있다.

통상적으로, 플라즈마 반응기의 진공 챔버 월은 프로세싱되는 반도체 기판과 혼합되지 않는 재료로 이루어진다. 제한된 플라즈마를 이용하면, 챔버 월에 의해서 야기되는 오염은 거의 없다. 이로써, 제한된 플라즈마는 미제한된 플라즈마에 의해서 제공되지 않는 청결 수준을 제공한다. 에칭 프로세스 동안 인가되는 더 높은 RF 전력 및 더 높은 가스 유량 때문에 300 mm 에칭 애플리케이션을 위한 제한된 플라즈마를 생성하는 것은 어렵다. 다음의 실시형태들은 300 mm 애플리케이션에 대해서 응용가능하지만, 본 명세서에서 설명되는 장치 및 발명은 300 mm 응용에 제한되지 않는다는 것을 본 공개의 혜택을 받는 당업자는 이해할 것이다. 여기에서 설명되는 장치 및 방법은 높은 RF 전력 레벨을 사용하는 높은 가스 유량 환경에서 플라즈마의 제한을 요구하는 애플리케이션에 대해서 사용되기에 적합할 수도 있다. 높은 가스 유량은 대략 1500 sccm 이상의 유량을 나타내고, 높은 RF 전력 레벨은 대략 2 W/cm³ 이상인 플라즈마의 부피에 관한 전력 레벨을 지나타낸다.

바람직한 실시형태에 있어서, 플라즈마 프로세싱 장치는 RF 생성기에 커플링되어 동작하는 제 1 전극, 제 2 전극, 하나 이상의 제한 링, 및 플라즈마 경계로부터 전하를 드레인하는 접지 연장부를 포함한다. 플라즈마 프로세싱 장치는 플라즈마 프로세싱 장치에 의해서 플라즈마 상태로 변환되는 가스를 수용하도록 구성된다. 제한이 아닌 예시로서, 플라즈마 프로세싱 챔버로 펌핑되는 가스 유량은 1500 sccm 이상일 수 있다. 또 다른 방법으로, 챔버로의 프로세스 가스 유량은 1500 sccm 미만일 수 있다.

제 1 전극은 반도체 기판을 수용하도록 구성되는 것이 바람직하고, 기판을 지지하기에 적합한 연합 제 1 전극 영역을 갖는다. 제 1 전극은 RF 전력을 제 1 전극에 공급하는 하나 이상의 전원에 커플링되어 동작하는 것이 바람직하다. 제 2 전극은 플라즈마가 생성되는 곳인 갭에 의해서 제 1 전극으로부터 분리된다. 제 2 전극은 제 1 전극에 공급된 RF 전력을 위한 완전한 전기 회로를 제공하도록 구성된다. 부가적으로, 제 2 전극은, 제 1 전극 영역의 크기와는 다를 수도 있는 제 2 전극의 영역을 갖는다. 바람직한 실시형태에 있어서, 제 2 전극 영역은 제 1 전극 영역보다 크다. 플라즈마 프로세싱 장치 내에서 플라즈마를 생성하기 위해서, RF 전력은 제 1 전극으로 공급되어 이후에 프로세스 가스는 반도체 웨이퍼를 프로세싱하기 위해서 플라즈마 상태로 변환된다. 제한이 아닌 예시로서, 2 W/cm³ 이상인 플라즈마 부피에 대한 RF 전력 레벨이 인가될 수 있거나, RF 전력 레벨은 플라즈마 부피에 대하여 2 W/cm³ 미만일 수도 있다. 하나 이상의 제한 링은 제 1 전극 영역 및 제 2 전극 영역과 가깝게 배치되고, 이 하나 이상의 제한 링은 플라즈마를 갭에 제한하는 것을 보조하도록 구성된다.

접지 연장부는 제 1 전극에 인접하고 하나 이상의 유전체 필러 링과 같은 유전성 재료에 의해서 제 1 전극으로부터 분리된다. 접지 연장부는 플라즈마 경계로부터 전하를 드레인하고, 제한 윈도우를 증가시킬 수 있는 접지된 전도성 표면을 포함한다. 용어 "제한 윈도우" 는 제한된 플라즈마가 유지될 수 있는 프로세스 파라미터 공간을 나타낸다. 특히, 이것은 플라즈마의 제한된 동작이 가능한 RF 전력 및 가스 흐름 범위를 나타낸다. 접지 연장부는 공동으로 소유된 미국 출원 제 2003/0151371 호에 설명된 것과 같은 다양한 구성을 가질 수 있다. 프로세싱 챔버 내에 플라즈마를 생성하는데 용량적 결합이 사용되는 것이 바람직한 반면, 본 장치 및 방법은, 유도적으로 결합된 플라즈마 생성을 위해서 사용되는 것과 같은 다른 플라즈마 생성 소스와 함께 사용되는데 적합할 수도 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다. 바람직한 용량 결합형 시스템은 플라즈마를 생성하기 위해서 가스에 인가되는 높은 전기적 전위를 생성하기 위해서 다중 주파수 전원을 이용한다. 예를 들면, 전원은 램 리서치 사 (Lam Research Corporation) 에 의해서 제작된 에칭 시스템에 포함되는 2MHz 및 27MHz 에서 동작하는 듀얼 전력 주파 수 전원일 수 있다. 프로세싱 챔버 내에서 플라즈마를 생성할 수 있는 다른 전원이 또한 사용될 수도 있고 RF 전원은 2MHz 및 27MHz 의 RF 주파수에 제한되지 않고 광범위한 주파수에 적용될 수 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다.

바람직한 실시형태에 있어서, 제 2 전극은, 프로세싱 챔버 내에서, 프로세스 가스를 에너자이징하고 플라즈마를 생성하기 위해서 제 1 전극과 함께 동작하도록 구성된 "접지된" 전극이다. 그러나, 제 2 전극에서의 바이어스 전압의 감소 및 제 1 의 "전력이 공급된" 전극에서의 바이어스 전압의 증가를 달성하기 위해서, 제 2 전극은 제 1 의 전력이 공급된 전극보다 더 적은 RF 전력을 전송하도록 구성될 수 있다. 제한이 아닌 예시로서, 제 2 전극은 실리콘 또는 실리콘 카바이드와 같은 전도성 재료로 구성될 수 있고, 제 2 전극은 제 1 전극으로부터 10 내지 50 mm 에 위치될 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 접지 연장부는 전도성 재료로 이루어지고 하나 이상의 유전체 필러 링에 의해서 제 1 전극으로부터 분리된다. 접지 연장부는 알루미늄 또는 실리콘과 같은 전도성 재료로 구성되는 것이 바람직하고 필러 링(들)은 석영으로 구성될 수 있다. 하나 이상의 제한 링은 플라즈마를 제한 링에 의해서 정의된 부피로 제한하는데 사용될 수 있다. 예시로서, 제한 링은 석영으로 구성될 수 있다. 접지된 제 2 전극은 전력이 공급된 제 1 전극보다 더 큰 표면 영역을 가질 수 있다. 영역 비율, 즉, 제 2 전극 영역을 제 1 전극 영역으로 분할함으로써 정의되는 비율은 전력이 공급된 RF 전극에 클램핑되는 기판 상의 바이어스 전압을 결정하기 때문에, 플라즈마는 제한된다고 가정된다. 접지된 제 2 전극과 전력이 공급된 제 1 전극 사이의 영역 비율이 크면 클수록, 전력이 공급된 제 1 전극에서의 바이어스 전압은 커진다. 또한, 영역 비율이 증가되면, 접지된 제 2 전극 상에서의 바이어스 전압, 및 특히, 제한 링에서의 바이어스 전압은 감소된다. 제한 링에서의 감소된 바이어스는 제한 링이 플라즈마와 동일한 전기적 전위로 차징되는 것을 가능하게 할 것이고, 이로써, 보다 용이하게 플라즈마를 링으로부터 몰아낼 것이다. 이로써, 전력이 공급된 제 1 전극에 근접하게 배치된 접지 연장부와 제 1 전극에 관한 접지된 제 2 전극의 증가된 표면 영역의 조합은 플라즈마 프로세싱 챔버에 대한 제한 윈도우의 크기를 증가시킨다.

용량 결합형 플라즈마 반응기에서 반도체 기판을 프로세싱하는데 있어서, 플라즈마를 상부 및 하부 전극들 사이의 갭에 제한하는 것이 바람직하다. 300 mm 웨이퍼와 같은 더 큰 크기의 기판을 프로세싱하는데 있어서, 접지 연장부는 정전 척의 바깥 쪽으로 위치되는 것이 바람직하고 에지 링은 정전 척과 접지 연장부 사이에 위치될 수도 있다. 고 및 저 주파수가 기판 상에서 플라즈마를 생성하고 바이어스를 형성하기 위해서 사용되는 듀얼 주파수 플라즈마 챔버에 있어서, 다양한 양의 2 개의 주파수가 상부 전극 및 접지 연장부에 결합될 것이다.

접지 연장부로의 이러한 RF 결합은 기판 상에서의 에칭 균일성에 영향을 미친다. 접지 연장부가 에지 링에 상당히 근접되어 있기 때문에, 절연체 링 형태인 유전성 재료는 에지 링과 접지 연장부 사이에서의 전압 브레이크다운, 또는 아크를 방지하기 위해서 접지 연장부를 피복하는데 사용될 수 있다. 또한, 절연체 링은 플라즈마에 의한 공격으로부터 접지 연장부를 보호하는 역할을 할 수 있 다.

석영 절연체 링은 이러한 아크 및 오염을 최소화하기 위해서 사용될 수도 있다. 석영을 포함하는 유전성 절연체 링은 플라즈마 챔버에 존재하는 소모성 재료들 중 최단 RF 수명을 갖는다. 플라즈마 챔버에 대한 소모성 재료의 교체 및 클리닝들 사이의 연합 평균 시간 (Mean Time Between Cleanings; MTBC) 은 애플리케이션 특정적이다. 현재, 본 발명의 양수인인 램 리서치 사에 의해서 제조되는 2300 Exelan^TM 플라즈마 챔버를 사용하는 고 종횡비 콘택트 애플리케이션 (High Aspect Ratio Contact applications; HARC) 을 위한 MTBC 는 215 RF 시간에서 석영 절연체의 교체에 의해서 규정된다.

플라즈마 프로세싱 장치에 있어서, MTBC 는, 챔버가 개방되고 생산이 중단되기 전에 얼마나 많은 사이클이 진행될 수 있는지를 결정하기 위해서 사용될 수 있다. 이와 같이, MTBC 를 연장하기 위해서, 더 긴 RF 수명을 갖는 유전성 절연체 링이 본 명세서에서 제공된다.

싱글 웨이퍼가 하부 전극 상에서 지지되고 플라즈마가 전력이 공급되거나 접지된 샤워헤드 전극과 같은 상부 전극과 웨이퍼 사이에서의 갭에서 플라즈마가 생성되는, 플라즈마 챔버에서 반도체 웨이퍼를 프로세싱하는 동안, 웨이퍼의 에지 영역에서의 플라즈마 프로세싱은 에지 링 정렬체와 같은 기판 지지부 부품 및/또는 기판 지지부 상에 위치되는 유전성 절연체 링과 같은 에지 링 정렬체를 둘러싸는 부품에 의해서 영향을 받을 수도 있다. 웨이퍼 에지의 근처에서의 플라즈마에 대한 RF 에너지의 용량적 결합의 강도는 플라즈마와 하부 전극 사이에 위치되는 재료의 두께 및 유전 상수에 직접적으로 비례한다. 캐패시턴스를 증가시킴으로써, RF 결합을 증가시키는 것이 가능하다.

가 보편 상수

이고, k 는 재료의 유전 상수이고, A 는 유전 재료의 단면 영역이고, d 는 유전 재료의 두께일 때, 용량

이기 때문이다. 이로써, 용량을 증가시키기 위해서, 유전 상수는 증가될 수 있고, 그리고/또는 두께는 감소될 수 있다. 따라서, 특정한 절연체 링 디자인에 대해서, 동일한 두께 및 영역을 갖는 더 높은 유전 상수 재료의 사용은 용량이 증가되는 것을 허용한다. 절연체 링에 대하여 더 높은 유전 상수 재료를 사용함으로써, 반도체 기판 에지의 근처에서 플라즈마에 대한 RF 에너지의 용량적 결합의 강도를 증가시키는 것이 가능하고, 이에 의해서 에칭 속도와 같은 프로세싱 속도를 증가시키는 것이 가능하다. 그러므로, 더 높은 유전 상수를 갖는 절연체 링 재료는 반도체 기판에서 에칭 속도를 증가시킬 수 있고 프로세싱된 반도체 기판의 에칭 속도 균일성을 증가시킬 수 있다.

이트리아의 유전 상수가 대략 11 인 반면, 석영의 유전 상수는 단지 대략 3.5 일 뿐이다. 따라서, 완전히 이트리아로 이루어지는 유전성 링의 사용은 석영 유전성 링의 사용에 비교하여 이트리아 링에 의해서 덮힌 접지 연장부에 대한 RF 의 결합을 상당히 향상시킬 수 있다. 접지 연장부에 대한 RF 의 향상된 결합은 갭으로의 플라즈마 제한을 향상시키고 웨이퍼 기판의 에지에서의 에칭 속도를 증가시킨다. 웨이퍼의 에지에서의 에칭 속도의 증가는 웨이퍼 기판 전체에 걸친 임계 폭 (critical dimension) 과 에칭 속도 균일성을 향상시킬 수 있다.

도 1a-b 에서, 용량 결합형 플라즈마 반응기의 구조인 플라즈마 프로세싱 장치가 제공된다. 도 1a 에서, 용량 결합형 플라즈마 반응기는 챔버 (100), (공동으로 양수되고 본 명세서에서 그 전체 공개가 참조로 통합되는 미국 특허 제 6,391,787B1 호에서 공개된 계단형 샤워헤드 전극과 같은) 상부 샤워헤드 전극 (200), 기판 지지부 (300), 및 제한 링 정렬체 (400) 를 포함한다.

도 1a 에서의 1B 의 연장된 부분인, 도 1b 에서, 기판 지지부는 환형 슬리브 (500) 및 슬리브 (500) 의 상부의 얇은 환형 링 (510) 을 포함하는 접지 연장부, 전도성 링 (510) 의 상부 표면을 덮는 유전성 절연체 링 (600), 유전성 링 (600) 사이에 위치되는 에지 링 (700), 에지 링 하부의 옵션적 커플링 링 (미도시), 절연체 필러 링 (800, 810), 하부 전극 (310) 및 정전 척 (ESC; 310) 을 포함한다.

에지 링 (700) 은 전기적으로 전도성이 있는 재료로 이루어질 수 있고 하부 전극 (310) 의 외부 에지와 접촉하며 위치될 수 있다. 에지 링 (700) 은 플라즈마 에칭 챔버에서 플라즈마에 대한 더 균일한 접지를 제공하는, 임의의 형상, 바람직하게는 대칭적인 형상으로 제작될 수도 있다. 예를 들면, 도 2a 에서 예시된 바와 같이, 직사각형 단면을 갖는 에지 링 (710) 이 사용될 수도 있다. 그러나, 에지 링은, 예를 들어, 도 2b (및 도 1a 및 1b) 에서 도시된 바와 같은, 임의의 바람직한 구성을 가질 수도 있고, 하나의 플랜지 (또는 그 이상) 를 갖는 에지 링 (720) 이 사용될 수도 있고, 여기에서, 하나 이상의 플렌지의 배향 뿐만 아 니라 에지 링의 길이 및 폭이 제공될 수도 있다.

에지 링 (700) 은 실리콘 및 실리콘 카바이드와 같은 전기적으로 전도성이 있는 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 부가적으로, 에지 링 (700) 은 플라즈마에 대하여 직접적으로 노출되기 때문에, 플라즈마의 오염을 최소화하기 위해서 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, CVD 실리콘 카바이드 등과 같은 매우 순수한 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 에지 링은 석영, 알루미늄 옥사이드, 알루미늄 나이트라이드, 실리콘 나이트라이드 등과 같은 다른 재료로 제작될 수 있다. 에지 링 및 포커스 링에 관한 더 나은 설명이 공동으로 양수되고 본 명세서에서 참조로 통합되는 미국 특허 제 5,805,408 호, 제 5,998,932 호, 제 6,013,984 호, 제 6,039,836호 및 제 6,475,336 호에서 인용될 수 있다.

접지 연장부 (500) 는 절연체 (800) 를 둘러싸는 환형 축방향 연장부 (508) 및 절연체 (800, 810) 를 오버라이하는 측면방향 연장부 (510) 를 포함하도록 구성되고, 에지 링에 의해서 기판 W 의 바깥 주변으로부터 분리되는 것이 바람직하다. 접지 연장부 (500) 및 제한 링 정렬체 (400) 는 플라즈마를 갭 (100) 내에 제한하기 위해서 함께 동작한다. 접지 연장부 (500) 는 하부 전극 (310) 의 바로 위에 있는 플라즈마로부터 플라즈마 전하 밀도에 영향을 미치지 않으면서 전하를 드레인함에 의해서 플라즈마를 제한한다. 접지 연장부의 다른 예시가 공동으로 양수되고 본 명세서에서 그 전체 공개가 참조로서 통합되는 미국 특허 출원 공개 제 2003/0151371 A1 호에서 제공된다.

접지 연장부 (500) 는 알루미늄, 실리콘, 실리콘 카바이드 등과 같은, 전기 적으로 전도성이 있는 재료인 것이 바람직하다. 예를 들면, 높은 전기적 전도성 및 상대적으로 낮은 비용 때문에 알루미늄이 사용될 수도 있다. 그러나, 접지 연장부가 알루미늄으로 이루어진다면, 접지 연장부 (500) 는 갭 내의 플라즈마와 화학적으로 반응할 수도 있고 부식성 프로세스 가스 및/또는 플라즈마 종 내에서 불순물을 야기하여 프로세싱된 반도체 기판의 오염을 발생시킬 수도 있다.

알루미늄 접지 연장부 (500) (또는 임의의 다른 플라즈마 반응성 재료) 와 프로세스 가스/플라즈마 종 사이의 이러한 반응은 알루미늄 접지 연장부 (500) 를 플라즈마로부터 절연시키기 위해서 유전성 절연체 링 (600) 을 사용함으로써, 최소화될 수도 있다. 이와 같이, 플라즈마 챔버 (100) 에서 접지 연장부 (500) 를 플라즈마에 대한 노출로부터 보호하기 위해서 유전성 링 (600) 을 사용하는 것은 반도체 기판의 오염을 최소화시킬 수 있다.

전술되고 도 1a 및 1b 에서 도시된 바와 같이, 유전성 링 (600) 은 에지 링 (700) 을 접지 연장부 (500) 로부터 분리시키고 플라즈마 챔버 (100) 에서 접지 연장부 (500) 를 플라즈마로부터 화학적으로 절연시키기 위해서 사용될 수도 있으므로, 에지 링 (700) 과 접지 연장부 (500) 사이의 아크, 및 접지 연장부 (500) 와 플라즈마 챔버 (100) 내의 프로세스 가스/플라즈마 반응성 종 사이의 화학 반응을 최소화시킬 수도 있다. 이로써, 유전성 링 (600) 은 에지 링 (700) 과 접지 연장부 (500) 의 바깥 주변 사이의 영역을 채울 수 있는 크기인 것이 바람직하고, 유전성 링 (600) 은 접지 연장부 (500) 의 전체 상부 표면을 덮을 수 있는 크기인 것이 더 바람직하다.

완전히 이트리아로 이루어지는 유전성 링 (600) 은 플라즈마 에칭에서 사용되는 불소 함유 가스에 대해 비교적 비활성이고 높은 유전 상수를 갖는다. 석영와 비교하여, 이트리아는 수개의 이점을 갖는다. 첫째, 이트리아는 석영보다 더 높은 스퍼터 임계 에너지를 갖고, 따라서, 보다 더 양호한 스퍼터 저항체이다. 둘째, 이트리아는 불소 화학물을 갖는 휘발성 종을 형성하지 않는 경향이 있으므로, 이트리아 유전성 링은 더 오랫동안 지속될 수 있고 유전성 링들을 교체하는 것 사이의 더 긴 평균 시간으로 유도될 수도 있고, 이로써, 장치의 MTBC 를 증가시킬 수도 있다. 셋째, 이트리아는 11 승의 더 높은 유전 상수를 갖는 반면, 석영이 대략 3.5 의 유전 상수를 가짐으로 인해서, 이트리아로 이루어진 더 얇은 링이 사용될 수 있고, 접지 연장부 (500) 와 플라즈마 사이에서 RF 의 소망하는 결합을 획득할 수 있다.

링 (600) 에 대하여 이트리아를 사용하는 또 다른 이점은 불소 함유 프로세스 가스의 더 효과적인 사용이 획득될 수 있다는 것이다. 즉, 불화탄소 프로세스 가스가 석영 유전성 링과 관련되어 사용되는 경우, 휘발성 화합물의 형성으로 인하여, 웨이퍼의 에지에서 불소 종의 농도가 제거될 수 있으므로, 이트리아 링의 사용에 비교하여 웨이퍼 기판의 전체에 걸친 에칭에 있어서 균일성의 결여 및 더 낮은 에지 에칭 속도를 유발할 수 있다. 이트리아 링은 석영 유전성 링보다 더 양호한 스퍼터 저항체이고 불소 화합물을 쉽게 형성하지 않기 때문에, 이트리아 링의 사용은 웨이퍼 기판의 전체에 걸친 임계 폭과 에칭 속도 균일성을 더 향상시킬 수 있고 화학적으로 더 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

또한, 일반적으로 더 낮은 반응성으로 인해서, 이트리아 링 (600) 은, 석영 유전성 링과 혼합될 수도 없거나 석영 유전성 링을 과도하게 공격할 수도 있는 다양한 프로세스 가스와 함께 사용될 수도 있다. 예를 들면, 이트리아 링을 포함하는 플라즈마 프로세싱 장치에서 예시적인 프로세스 가스는 실리콘 옥사이드와 같은 재료를 에칭하는 C₄F₈, C₃F₆ 및 CHF₃ 와 같은 불화탄소, Ar, 및 O₂ 를 포함할 수도 있다.

플라즈마 에칭 챔버에서 이트리아 링 (600) 을 사용하는 예시적인 프로세스에 있어서, 에칭 가스는 50 밀리토르의 챔버 압력에서 300 sccm 인 Ar, 12 sccm 인 O₂, 및 20 sccm 인 C₄F₈ 을 포함할 수 있고, 이 플라즈마는 반도체 기판 상의 실리콘 옥사이드 층을 에칭하는 동안 상부 전극 및/또는 하부 전극에 3 킬로와트의 RF 전력을 공급함으로서 생성된다. 또 다른 방식으로, 바람직하게, 2MHz, 13.5MHz, 27MHz, 40MHz, 60MHz 및 100MHz 의 RF 주파수가 플라즈마 프로세싱 장치에서의 플라즈마 생성 전극에 인가될 수도 있다.

이트리아 절연체 링은, 플라즈마가 용량적 결합, 유도적 결합, 마이크로파, 마그네트론 또는 다른 기법에 의해서 생성되는, 임의의 플라즈마 챔버에서 사용될 수도 있다. 이트리아 절연체 링은 플라즈마 챔버에서 초기 장비로서, 또는 또 다른 플라즈마 챔버에서의 유전성 링에 대한 교체 부품으로서 사용될 수도 있다. 에칭 뿐만 아니라, 이트리아 링은 플라즈마 PVD, CVD, 이온 주입 등을 위해서 챔버에서 사용될 수도 있다.

이트리아 절연체 링은 이것의 대향 표면들 사이에서 연장되는 이트리아 매트릭스를 포함한다. 이트리아 절연체 링은 이트리아 50 wt% 이상을 포함하는 것이 바람직하고, 이트리아 90 wt% 이상을 포함하는 것이 더 바람직하고, 이트리아 99 wt% 이상을 포함하는 것이 가장 바람직하다. 또 다른 방식으로, 이트리아 절연체 링은 실리콘, 알루미늄, 칼슘, 철 및/또는 지르코늄과 같은 불순물 중 1000 ppm 미만을 포함하는 것이 바람직하고, 500 ppm 미만을 포함하는 것이 더 바람직하다. 예를 들면, 하나의 바람직한 이트리아 절연체 링은 4.5 g/cm³ 보다 큰 밀도, 더 바람직하게는 4.75 g/cm³ 보다 큰 밀도를 갖는 99% 이상의 이트리아를 포함한다. 하나의 적합한 Y₂O₃ 재료가 Arada, Colorado 에 위치된 Custom Technical Ceramics 로부터 입수가능하고, 이 재료는 50 ppm 인 다른 희토류 산화물보다 적은 20 ppm La₂O₃, 10 ppm Pr₆O₁₁, 8 ppm Nd₂O₃, 40 ppm 인 Si, 30 ppm 인 Ca, 18 ppm 인 Fe, <1 ppm 인 Cu, 3 ppm 인 Ni, <1 ppm 인 Mg, 2 ppm 인 Pd 의 불순물을 갖는 99.9% 순수 이트륨 옥사이드이고, 이 재료는 슬립 캐스팅을 통하여 벌크 형상으로 제공된다. 예를 들면, 바람직한 절연체 링은 500 ppm 인 불순물 전체보다 적은 양을 갖는 99.9 wt% 이상의 이트리아로 이루어지는 열적으로 증착되거나 소결된 이트리아 링을 포함할 것이다. 이트리아 절연체 링은 CVD, 스퍼터링, 소결 등을 포함하는 임의의 적합한 기법에 의해서 제작될 수 있다.

부식 속도를 측정하기 위해서 사용되는 쿠폰 테스트에 있어서, 테스트에서 도시된 바에 따르면, 99.9 wt% 이상의 이트리아를 갖는 이트리아 절연체 링은 석영 유전성 링의 RF 수명의 적어도 대략 5 배이거나, 10 배의 크기일 수도 있는 RF 수명을 가진다고 예측될 것이다. 따라서, 플라즈마 프로세싱 장치에서 이트리아 절연체 링을 사용함에 의해서, 절연체 링은, 에지 링과 같은 다른 소모성 부품이 더 짧은 RF 수명을 가질 수도 있기 때문에, 이러한 플라즈마 프로세싱 장치의 서비스를 위한 하강 시간을 결정하는데 있어서 논-팩터가 될 수도 있다.

이트리아 절연체 링 (600) 은 원형 링, 타원형 링 등과 같은 대칭적 형상을 갖는 것이 바람직하다. 이트리아 링 (600) 및 에지 링 (700) 의 형상은 또한 유전성 링 (600) 과 에지 링 (700) 의 인접 표면들 사이의 기하학적 계면을 제공하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 도 1b 에서 도시된 바와 같이, 에지 링 (700) 은 링 (600) 보다 더 두꺼울 수도 있고, 유전성 링 (600) 방향으로 연장되는 점점 가늘어진 표면을 가질 수도 있다. 또 다른 방법으로, 이트리아 링 (600) 은 예를 들어, 도 3a-c 에서 도시된 바와 같이, 계단형 형상 (610), 점점 가늘어진 형상 (620), 또는 라운딩된 형상 (630) 으로 형상화될 수도 있다.

이트리아 절연체 링 (600) 은 장치의 다른 부분으로부터 접지 연장부 (500) 에 대하여 절연성을 제공할 수 있는 크기인 것이 바람직하다. 예를 들어, 이트리아 링 (600) 은 도 1b 에서 도시된 바와 같이 에지 링 (700) 의 외부 방향으로 접지 연장부 (500) 의 상부 표면을 덮을 수 있는 크기인 것이 바람직하다. 이트리아 링 (600) 은 접지 연장부를 장치의 다른 부분으로부터 전기적, 화학적으로 절연시키기 위해서 접지 연장부 (500) 의 하나 이상의 표면을 덮을 수 있는 크기인 것이 바람직하다.

부가적으로, 이트리아 링 (600) 은 플라즈마 챔버에서 프로세싱되는, 웨이퍼와 같은, 기판의 외부 직경과 적어도 크기가 같은 내부 직경을 갖는 것이 바람직하다. 고체 이트리아 유전성 링 (600) 의 외부 직경은 접지 연장부 (500) 의 폭 및 플라즈마 챔버를 포함하는 플라즈마 프로세싱 장치의 디자인에 따라서 변화되는 것이 바람직하다. 이트리아 링 (600) 의 두께는 챔버의 디자인 및/또는 그곳에서 실행되는 프로세스에 적합할 수 있다. 예를 들면, 링 (600) 은 그것의 상부 표면이 링 (700) 의 그것에 매칭하도록 균일하거나 비균일한 두께를 가질 수 있다. 링 (600) 의 일부가 유전성 부분 (800, 810) 과 접촉한다면, 링 (600) 은, 더 두꺼운 부분이 부분 (800, 810) 을 오버라이하고, 더 얇은 부분은 접지 연장부 (500, 510) 를 오버라이하도록, 계단 모양일 수도 있다.

제한되지 않는 예시로서, 2300 Exelan^TM 플라즈마 에칭 챔버에서의 사용을 위한 이트리아 링 (600) 은, 바람직하게, 대응하는 8 내지 12 인치 (200 내지 300 mm) 의 웨이퍼에 대해서 각각 대략 8 내지 12 인치 (200 내지 300 mm) 의 내부 직경 및 9 내지 14 인치 (228 내지 356 mm) 의 외부 직경의 크기일 것이고, 대략적으로 0.1 내지 0.2 인치 (2.5 내지 5 mm) 의 균일하거나 비균일한 두께일 것이다.

이트리아 링 (600) 은 콤포넌트 링들 사이의 세그먼트를 오버래핑, 및 옵션적으로 인터로킹할 가능성이 있는 다편 (multi-part) 링, 예를 들어, 2 개 이상의 콤포넌트 링일 수도 있고, 여기에서, 콤포넌트 링들은 상이한 직경을 갖는 동심형 또는 오버래핑 링들일 수도 있다. 예를 들면, 도 1b 에서 도시된 바와 같이, 이트리아 링 (600) 은 에지들을 오버랩핑하는 2 개의 동심형 링, 즉, 인터로킹 부 (603) 를 갖는 내부 콤포넌트 링 (601) 과 외부 콤포넌트 링 (602) 을 가진다. 예를 들면, 이러한 설계는, 교체할 필요가 있더라도, 외부 또는 더 큰 직경 콤포넌트 링 (602) 을 교체할 필요 없이, 내부 또는 더 작은 콤포넌트 링 (601) 의 교체를 허용할 것이다. 내부 콤포넌트 링 (601) 은 인터로킹 부 (603) 의 위치에 따라서 외부 콤포넌트 링 (602) 보다 갭 내의 플라즈마에 더 노출될 수도 있기 때문에, 외부 콤포넌트 링 (602) 은 내부 콤포넌트 링 (601) 과 같이 빠르게 품질이 저하되지 않는 경향이 있을 것이다. 그러므로 2 개 이상의 콤포넌트 링 (601, 602) 을 포함하는 유전성 링 (600) 의 사용은, 예를 들어 더 이로젼 (erosion) 이 있는, 콤포넌트 링 (601) 만이 교체되어야 할 것이기 때문에, 비용을 절약할 수 있다.

이트리아 링 (600) 은 플라즈마 프로세싱 반도체 기판에서 수개의 이점을 제공한다. 첫째, 이것은 플라즈마 프로세싱 동안 실리콘 웨이퍼와 같은 기판의 에지 근처에서의 플라즈마 밀도의 국부적 증대 또는 강화를 허용한다. 더욱이, 에칭 균일성은 웨이퍼의 중심에서의 에칭 속도와 같은 다른 에칭 특징에 크게 영향을 미치지 않으면서 최적화될 수도 있다. 웨이퍼 프로세싱의 경우에 있어서, 웨이퍼의 에지 근처에서의 에칭 속도는 플라즈마를 통과하는 국부적 전력 결합을 변화시킴에 의해서 제어될 수도 있다. 즉, 이트리아 절연체 링을 사용함에 의해서, 더 많은 RF 전류가 웨이퍼의 에지 근처 영역에서 플라즈마를 통하여 결합된 다. 또한, 이트리아 링은 더 균일한 플라즈마 밀도를 유지하면서 웨이퍼 에지 영역에서의 이온의 에너지를 증가시키는 것을 보조할 수 있다.

본 명세서에서 상세하게 설명되지 않은 부가, 제거, 수정, 및 치환이 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않으면서 행해질 수 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다.

Claims

상부 및 하부 표면들 사이에서 연장되는 이트리아 매트릭스를 포함하는 이트리아 절연체 링으로서,

하부 전극의 주변 영역 상에서 플라즈마 챔버 내에 장착되고 접지 연장부의 상부 영역의 적어도 일 부분을 오버라이 (overlie) 하는데 적합한, 이트리아 절연체 링.
제 1 항에 있어서,

상기 이트리아 절연체 링은 적어도 50 wt% 의 이트리아, 적어도 90 wt% 의 이트리아, 적어도 95 wt% 의 이트리아, 또는 적어도 99.9 wt% 의 이트리아를 포함하는, 이트리아 절연체 링.
제 1 항에 있어서,

상기 이트리아 절연체 링은 소결된 이트리아로 구성되는, 이트리아 절연체 링.
제 1 항에 있어서,

상기 이트리아 절연체 링은 실리콘, 알루미늄, 칼슘, 철, 및 지르코늄을 각각 100 ppm 미만으로 갖거나 실리콘, 알루미늄, 칼슘, 철, 및/또는 지르코늄을 총 500 ppm 미만으로 갖는 순수 이트리아인, 이트리아 절연체 링.
제 1 항에 있어서,

상기 이트리아 절연체 링은 200 mm 보다 더 크거나 300 mm 보다 더 큰 내부 직경 및 적어도 0.1 인치의 두께를 갖는, 이트리아 절연체 링.
제 1 항에 있어서,

상기 이트리아 절연체 링은 단결정 링 또는 동심형 또는 오버래핑인 2 개의 콤포넌트 링과 같은 다편 (multi-part) 링인, 이트리아 절연체 링.
제 6 항에 있어서,

상기 이트리아 절연체 링은 상이한 직경을 갖고 2 개의 콤포넌트 링 사이에서의 계면에서 오버래핑하는 상기 2 개의 콤포넌트 링을 포함하는, 이트리아 절연체 링.
제 1 항에 있어서,

상기 이트리아 링은 적어도 4.5 g/cm³ 또는 적어도 4.75 g/cm³ 의 밀도를 갖는, 이트리아 절연체 링.
제 1 항에 있어서,

약 11 인 유전 상수를 갖는, 이트리아 절연체 링.
제 1 항에 기재된 이트리아 링을 포함하는 플라즈마 프로세싱 장치로서,

상기 이트리아 링은 상기 플라즈마 프로세싱 장치의 진공 챔버 내의 기판 지지부 상에서 장착되고,

상기 기판 지지부는 접지되거나 RF 전력이 공급된 전극, 에지 링 및 접지 연장부를 포함하고,

상기 이트리아 링은 상기 에지 링을 둘러싸고 상기 접지 연장부 중 적어도 일 부분을 오버라이하는, 플라즈마 프로세싱 장치.
제 10 항에 있어서,

상기 플라즈마 프로세싱 장치는 플라즈마 에칭 장치를 포함하는, 플라즈마 프로세싱 장치.
플라즈마 챔버로부터 사용되거나 소모된 유전 절연체 링을 제거하는 단계; 및

상기 사용되거나 소모된 유전성 절연체 링을 고체 이트리아 (Y₂O₃) 를 포함하는 교체 유전성 링으로 교체하는 단계를 포함하는, 플라즈마 챔버에서의 유전성 링의 교체 방법.
제 12 항에 있어서,

상기 교체하는 단계는,

상기 사용되거나 소모된 유전 링을 적어도 99 wt% 의 이트리아를 포함하는 교체 유전성 링으로 교체하는 단계를 포함하는, 플라즈마 챔버에서의 유전성 링의 교체 방법.
제 12 항에 있어서,

상기 교체하는 단계는,

상기 사용되거나 소모된 유전성 링을 적어도 99.9 wt% 이트리아를 포함하는 교체 유전성 링으로 교체하는 단계를 포함하는, 플라즈마 챔버에서의 유전성 링의 교체 방법.
제 12 항에 있어서,

상기 교체하는 단계는,

상기 사용되거나 소모된 유전성 링을 완전히 이트리아로 구성되는 교체 유전성 링으로 교체하는 단계를 포함하는, 플라즈마 챔버에서의 유전성 링의 교체 방법.
제 12 항에 있어서,

상기 사용되거나 소모된 유전성 링은 2 개 이상의 콤포넌트 링을 포함하고,

상기 2 개 이상의 콤포넌트 링은 상이한 직경을 갖고,

상기 사용되거나 소모된 유전성 링을 상기 플라즈마 챔버로부터 제거하는 상기 단계는 하나 이상의 사용되거나 소모된 콤포넌트 링을 제거하는 단계를 포함하고,

상기 사용되거나 소모된 유전성 링을 이트리아를 포함하는 상기 교체 유전성 링으로 교체하는 상기 단계는, 상기 사용되거나 소모된 유전성 링 중 하나 이상의 사용되거나 소모된 콤포넌트 링을 제 1 항에 기재된 상기 이트리아 절연체 링을 포함하는 하나 이상의 교체 콤포넌트 링으로 교체하는 단계를 포함하는, 플라즈마 챔버에서의 유전성 링의 교체 방법.
제 16 항에 있어서,

상기 사용되거나 소모된 유전성 링 중 하나 이상의 사용되거나 소모된 콤포넌트 링을 하나 이상의 교체 콤포넌트 링으로 교체하는 상기 단계는, 하나 이상의 교체 콤포넌트 링을 잔류하는 하나 이상의 다른 콤포넌트 링과 오버래핑하는 단계를 포함하는, 플라즈마 챔버에서의 유전성 링의 교체 방법.
제 16 항에 있어서,

상기 사용되거나 소모된 유전성 링 중 하나 이상의 사용되거나 소모된 콤포 넌트 링을 하나 이상의 교체 콤포넌트 링으로 교체하는 상기 단계는 하나 이상의 교체 콤포넌트 링을 잔류하는 하나 이상의 다른 콤포넌트 링과 인터로킹하는 단계를 포함하는, 플라즈마 챔버에서의 유전성 링의 교체 방법.
플라즈마 챔버를 개방하는 단계;

사용되거나 소모된 유전성 절연체 링을 완전히 이트리아로 이루어지는 교체 유전성 링으로 교체하는 단계;

상기 플라즈마 챔버를 폐쇄하는 단계;

반도체 기판을 상기 플라즈마 챔버 내부로 전달하는 단계;

상기 반도체 기판을 플라즈마 에칭하는 단계; 및

상기 반도체 기판을 상기 플라즈마 챔버로부터 제거하는 단계를 포함하는, 반도체 기판의 제작 방법.
제 19 항에 있어서,

상기 플라즈마 에칭은 하부 전극, 또는 상부 전극 또는 상기 상부 및 하부 전극 모두에 RF 전력을 인가하는 단계를 포함하는, 반도체 기판의 제작 방법.
제 20 항에 있어서,

상기 RF 전력은 약 2MHz, 13.5MHz, 27MHz, 40MHz, 60MHz, 또는 100MHz의 RF 에서 인가되는, 반도체 기판의 제작 방법.
제 19 항에 있어서,

상기 플라즈마 에칭은 Ar, O₂, C₄F₈, C₃F₆, 또는 CHF₃ 중 하나 이상을 포함하는 프로세스 가스에서 발생하는, 반도체 기판의 제작 방법.