KR20090086638A - 중간-챔버 가스 분배판, 조정식 플라즈마 제어 그리드 및 전극 - Google Patents

중간-챔버 가스 분배판, 조정식 플라즈마 제어 그리드 및 전극

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KR20090086638A
KR20090086638A KR1020097014104A KR20097014104A KR20090086638A KR 20090086638 A KR20090086638 A KR 20090086638A KR 1020097014104 A KR1020097014104 A KR 1020097014104A KR 20097014104 A KR20097014104 A KR 20097014104A KR 20090086638 A KR20090086638 A KR 20090086638A
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plasma
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chamber
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KR1020097014104A
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알렉산더 엠. 패터슨
존 피. 홀란드
테오도로스 파나고푸로스
에드워드 피. 4세 해먼드
브라이언 케이. 해쳐
발렌틴 엔. 토도로
댄 카츠
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

플라즈마 반응기가 반도체 웨이퍼 또는 유전체 마스크와 같은 제품을 처리하기 위해 제공된다. 반응기 챔버는 천장, 측벽 및 챔버 내부의 제품 지지 페데스탈을 가지며 대칭 축선을 따라 천장과 직면하고 페데스탈과 천장 사이에 챔버 용적을 형성한다. RF 플라즈마 소스 전력 인가기가 천장에 제공된다. 인-시츄 전극 바디가 챔버 내부에 배치되어 챔버를 상부 및 하부 챔버 영역으로 분리한다. 인-시츄 전극은 상기 축선을 따라 연장하고 상이한 개구 크기를 가지는 복수의 유동 관통 통로를 포함하며, 통로는 인-시츄 전극 바디를 통하여 가스 유동 저항의 원하는 방사형 분포에 따라 개구 크기에 의해 방사형으로 분포한다.

Description

중간-챔버 가스 분배판, 조정식 플라즈마 제어 그리드 및 전극 {MID-CHAMBER GAS DISTRIBUTION PLATE, TUNED PLASMA CONTROL GRID AND ELECTRODE}
반도체 웨이퍼와 같은 제품에 걸친 플라즈마 공정 균일도는 플라즈마 이온 분포 및 공정 가스 유동 분포의 비 균일도에 의해 제한된다. 웨이퍼에 걸친 공정 균일도를 개선하기 위한 노력은 플라즈마 소스 전력의 방사형 분포를 변화시키고 그리고(또는) 챔버 내의 가스 유동의 방사형 분포의 변화를 수반한다. 이 같은 변화는 통상적으로 챔버 천창에서 또는 챔버 천장 위에서 수행되며, 이는 플라즈마 소스 전력 인가 장치(plasma source power applicator apparatus)가 대체로 천장에 또는 천장의 상부에 있으며 공정 가스 주입 장치가 대체로 천장 내에 있는 가스 분배판이기 때문이다. 하나의 문제점은 천장으로부터 웨이퍼로의 거리가 대체로 분포 결과를 플라즈마 이온의 원하는 분포 및 (또는) 천장에서 실현되는 이상과 웨이퍼 표면에서의 실제 상태 사이의 공정 가스 유동을 찌그러지게 하기에 충분하다는 것이다. 따라서, 플라즈마 공정 균일도가 개선될 수 있는 정도는 웨이퍼 대 천장 갭에 의해 상당히 제한된다.
플라즈마 공정 제어는 플라즈마 내의 화학물 종의 해리(dissociation)에 의해 영향을 받는다. 해리의 정도는 (다른 것 중에서)예를 들면 RF 플라즈마 소스 전력 레벨의 선택에 의해 결정된다. 통상적으로, 더 무겁거나 더 복잡한 분자 종이 간단한 분자 종 보다 다소 적게 해리될 수 있지만, 해리 정도는 챔버 내의 모든 가스 화학물 종에 영향을 미쳐서, 대체로 동일한 정도의 해리가 챔버 내의 모든 종에 발생된다. 결과적으로, 반응기 챔버 내의 상이한 화학물 종의 해리를 개별적으로 제어하는 것이 대체로 가능하지 않다. 예를 들면, 높은 정도의 해리가 하나의 화학물 종에 대해 바람직한 경우, 챔버 내에 존재하는 모든 종들은 상당한 정도의 해리를 경험하게 된다. 이 같은 경우, 예를 들면, 더욱 복잡한 종들 조차, 챔버 내에 존재하는 모든 종을 적어도 개별적으로 해리하지 않고 챔버 내의 하나의 화학물 종을 해리하는 것이 가능하지 않을 수 있다. 따라서, 에치 공정을 제어하는 능력은 해리에 걸친 소정의 개별적인 제어의 결함에 의해 제한된다.
플라즈마 공정 제어는 또한 웨이퍼 표면에서 RF 전기장에 의해 영향을 받는다. 통상적으로, 웨이퍼 표면에서의 RF 전기장은 챔버의 전도성 표면에 대해 웨이퍼의 포텐셜(potential)에 의해 제어된다. 이 같은 제어는 측벽이 웨이퍼 에지에 가장 근접하게 그리고 웨이퍼 중앙으로부터 가장 멀리 위치하기 때문에 제한되며, 따라서 불균일도를 형성할 수 있다. 전체 웨이퍼에 대한 균일한 전도 평면이 존재하는 천장은 웨이퍼 상에 균일한 필드(field)가 있어야 하지만 원하지 않는 뒤틀림을 허용할 수 있는 웨이퍼 대 천장 갭에 의해 웨이퍼로부터 변위된다.
도 1은 인-시츄 전극을 가지는 플라즈마 반응기의 단순화된 도면이며,
도 2는 더 상세하게 도시된 유사한 반응기이며,
도 3A, 3B, 3C 및 3D는 도 1의 반응기의 인-시츄 전극의 상이한 실시예들의 평면도이며,
도 4는 도 3A, 3B, 3C 또는 3D의 인-시츄 전극들 중 하나의 평면도이며,
도 5 및 도 6은 각각 도 1의 반응기의 인-시츄 전극의 또 다른 실시예의 사시도 및 평면도이며,
도 7은 도 5 및 6의 인-시츄 전극의 선택적인 피쳐(feature)를 보여주며,
도 8은 내측 및 외측 내부 가스 유동 매니폴드 및 가스 유입 오리피스를 도시하는 도 5 및 도 6의 인-시츄 전극의 상세한 평면도이며,
도 9는 도 8에 대응하는 부분 절개 단면도이며,
도 10 및 도 11은 도 5 및 도 6의 인-시츄 전극의 하나의 가능한 실시를 보여주는 도면이며,
도 12A, 12B, 12C, 12D 및 12E는 도 1의 반응기의 인-시츄 전극의 상이한 단면도이다.
플라즈마 반응기는 반도체 웨이퍼 또는 유전체 마스크와 같은 제품을 처리하기 위해 제공된다. 하나의 양태에서, 반응기 챔버는 천장, 측벽 및 챔버 내부에서 대칭 축선을 따라 천장 쪽을 향하여 페데스탈과 천장 사이에 챔버 용적을 형성하는 제품 지지 페데스탈을 가진다. RF 플라즈마 소스 전력 인가기가 천장에 제공된다. 챔버 내부의 인-시츄 전극체(in-situ electrode body)는 챔버를 상부 및 하부 챔버 영역으로 분리한다. 인-시츄 전극은 축선에 대해 평행하게 연장하고 상이한 개구 크기를 가지는 복수의 유동 관통 통로를 가진다. 통로는 인-시츄 전극체를 통한 가스 유동 저항의 원하는 방사형 분포에 따라 개구 크기에 의해 방사형으로 분포된다. 인-시츄 전극은 바디 내부에 전도성 전극 요소를 더 가지며 복수의 유동 관통 통로에 의해 제공된다(permeate). 전기 단자는 전도성 전극 요소에 결합된다.
하나의 양태에서, 인-시츄 전극체는 내부 및 외부 동심 가스 매니폴드를 가지며, 각각 자체 외부 가스 공급 포트로 결합된다. 인-시츄 전극체의 바닥면 내의 가스 주입 오리피스의 내부 및 외부 동심 존(zone)은 내부 및 외부 가스 매니폴드에 결합된다.
또 다른 양태에서, D.C. 전압 소스(source), 그라운드 또는 RF(VHF) 전압 소스와 같은, 전압 소스는 인-시츄 전극체에 결합될 수 있다. 인-시츄 전극체는 세라믹 재료와 같은 절연 재료로 형성될 수 있으며 인-시츄 전극체 내에 전도층을 가질 수 있다. 전체 인-시츄 전극체는 자체적으로 도핑 세라믹(doped ceramic)과 같은 반도체 재료일 수 있다.
본 발명의 전형적인 실시예가 달성되고 자세하게 이해될 수 있는 방식으로 위에서 간단히 요약된 본 발명의 더욱 특별하고 상세한 설명이 첨부된 도면에서 도시되는 실시예들을 참조할 수 있다. 소정의 널리 공지된 공정들은 본 발명을 복잡하게 하지 않도록 본 명세서에서 논의하지 않는다.
이해를 용이하게 하기 위하여, 도면들에 대해 공통하는 동일한 요소를 나타내기 위하여 가능하게는 동일한 도면 부호가 이용된다. 일 실시예의 요소 및 특징은 추가의 인용없이 다른 실시예들에 유용하게 결합될 수 있다는 것이 고려된다. 그러나, 첨부된 도면은 본 발명의 전형적인 실시예만을 설명하며 따라서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 고려되지 않으며, 본 발명에 대해 다른 동일한 효과의 실시예를 인정할 수 있다.
도 1은 제품 지지 페데스탈(25) 상에 지지되는 제품(workpiece; 20)을 처리하기 위한 플라즈마 반응기 챔버(15) 내의 인-시츄 전극/가스 분배판(10)을 개념적으로 도시한다. RF 플라즈마 소스 전력 인가기가 제공되며, 이는 챔버 천창(30)(전극으로서 작용) 또는 천창(30) 위에 놓이는 코일 안테나(35)일 수 있다. 플라즈마(37)는 전극/판(10) 위의 챔버(15)의 상부 영역(15a) 내에 형성된다. 인-시츄 전극/가스 분배판(10)은 도 3A, 3B, 3C, 또는 3D에 도시되는 패턴들 중 하나에 따라 통로(72)를 가져서 플라즈마가 통로를 통과하여 챔버(15)의 상부 챔버 영역(15a)으로부터 하부 영역(15b)으로 통과하는 것을 허용한다. 이는 하부 영역(15b) 내에 형성하기 위한 적은 플라즈마(낮은 밀도 플라즈마)를 허용한다. 인-시츄 전극/가스 분배판(10)은 유전체 재료로 형성될 수 있고 내부에 형성되는 전도층(44)(도 1에서 점선)을 가진다. 전도층(44)은 RF 전원(80)(임피던스 정합부(impedance match; 82)과 같은 전극 포텐셜 또는 접지부에 연결될 수 있다. 접지부에 연결되는 경우, 이어서 인-시츄 전극(10)(특히, 전도층(44))은 페데스탈(25)로 인가되는 RF 바이어스 전력에 대한 접지 기준(ground reference)을 제공할 수 있다. 이와 달리(또는 부가하여), 전도층(44)으로 인가되는 VHF 전력은 하부 챔버 영역(15b) 내의 플라즈마 이온 발생을 증진할 수 있다.
도 2는 하나의 타입의 플라즈마 반응기의 일 예이며, 플라즈마 반응기에는 도 1의 인-시츄 전극(10)이 적용될 수 있다. 도 2의 반응기는 반도체 웨이퍼일 수 있는 제품(102)을 처리하기 위한 것이며 제품은 상승 서보(105)에 의해 (선택적으로) 상승 및 하강될 수 있는 제품 지지부(103) 상에 홀딩된다. 반응기는 챔버 측벽(106) 및 천장(108)에 의해 경계가 형성되는 챔버(104)로 이루어진다. 천장(108)은 내부면에 소형 가스 주입 오리피스(110)를 가지는 가스 분배 샤워헤드(109)를 포함할 수 있으며, 샤워헤드(109)는 공정 가스 공급원(112)으로부터 공정 가스를 수용한다. 또한, 공정 가스는 가스 주입 노즐(113)을 통하여 도입될 수 있다. 반응기는 유도 결합되는 RF 플라즈마 소스 전력 인가기(114) 및 전기용량적으로 결합되는 RF 플라즈마 소스 전력 인가기(116) 둘다 포함한다. 유도 결합되는 RF 플라즈마 소스 전력 인가기(114)는 천장(108) 위에 놓이는 코일 또는 유도성 안테나일 수 있다. 챔버(104) 내로 유도성 커플링을 허용하도록, 가스 분배 샤워헤드(109)는 세라믹과 같은 유전체 재료로 형성될 수 있다. VHF 전기용량 결합 소스 전력 인가기(116)는 천장(108) 내에 또는 제품 지지부(103) 내에 위치될 수 있는 전극이다. 선택적인 일 실시예에서, 전기용량 결합 소스 전력 인가기(116)는 제품 지지부(103) 내의 전극 및 천장(108) 내의 전극으로 이루어져, RF 소스 전력은 천장(108) 및 제품 지지부(103) 둘다로부터 전기용량적으로 결합될 수 있다. (전극이 천장(108) 내에 있는 경우, 이때 전극은 오버헤드 코일 안테나로부터 챔버(104) 내로 유도 결합되는 것을 허용하기 위한 다중 슬롯을 가질 수 있다.) RF 전력 발생기(118)는 선택적인 임피던스 정합 요소(120)를 통하여 유도 결합 소스 전력 인가기(114)로 고주파수(HF) 전력(예를 들면, 약 10 MHz 내지 27 MHz 범위 내)을 제공한다. 또 다른 RF 전력 발생기(122)는 선택적인 임피던스 정합 요소(124)를 통하여 전기용량 결합 전력 인가기(116)로 매우 높은 주파수(VHF) 전력(예를 들면, 약 27 MHz 내지 200 MHz 내)을 제공한다.
플라즈마 이온을 발생하는데 있어서 전기용량 결합 전력 소스 인가기(116)의 효율은 VHF 주파수가 증가할 때 증가하며, 주파수 범위는 바람직하게는 감지가능한 전기 용량성 커플링이 발생하도록 VHF 영역 내에 놓인다. 도 2에서 표시된 바와 같이, RF 전력 인가기(114, 116) 모두로부터의 전력은 제품 지지부(103) 위에 형성되는 챔버(104) 내의 벌크 플라즈마(bulk plasma; 126)로 연결된다. RF 플라즈마 바이어스 전력은 (예를 들면) 제품 지지부(103) 내부 및 웨이퍼(102)가 위에 놓이는 전극(130)으로 연결되는 RF 바이어스 전력 공급원으로부터 제품(102)으로 전기용량적으로 결합된다. RF 바이어스 전력 공급원은 저 주파수(LF) RF 전력 발생기(132) 및 중간 주파수(MF) 또는 고주파수(HF) RF 전력 발생기 중 어느 하나일 수 있는 또 다른 RF 전력 발생기(134)를 포함할 수 있다. 임피던스 정합 요소(136)는 바이어스 전력 발생기(132, 134)와 제품 지지 전극(130) 사이에 결합된다. 진공 펌프(160)는 비움율(evacuation rate)을 조절하기 위해 이용될 수 있는 밸브(162)를 통하여 챔버(104)로부터 공정 가스를 비운다. 밸브(162)를 통한 비움율 및 가스 분배 샤워헤드(109)를 통한 유입 가스 유량은 챔버 내의 공정 가스 잔류 시간 및 챔버 압력을 결정한다.
플라즈마 이온 밀도는 유도 결합 전력 인가기(114) 또는 VHF 전기용량 결합 전력 인가기(116)가 증가할 때 증가한다. 그러나, 벌크 플라즈마 및 중앙-저 방사형 이온 밀도 분포 내에서 유도 결합 전력이 이온 및 래디컬의 더 많은 해리를 촉진한다는 점에서 상기 인가기들은 상이하게 작동한다. 대조하면, VHF 전기용량 결합 전력은 적은 해리 및 중앙의 높은 방사형 이온 분포를 촉진하며, 더욱이 VHF 주파수가 증가할 때 더 큰 이온 밀도를 제공한다.
유도 및 전기용량 결합 전력 인가기는 공정 요구에 따라 조합하여 또는 개별적으로 이용될 수 있다. 일반적으로, 조합하여 이용될 때, 유도 결합 RF 전력 인가기(116)는 전력을 동시에 플라즈마로 연결하며, LF 및 HF 바이어스 전력 발생기는 동시에 바이어스 전력을 웨이퍼 지지 전극(130)으로 제공한다. 이러한 소스들의 동시 작동은 플라즈마 이온 밀도, 플라즈마 이온 방사형 분포(균일도), 플라즈마의 화학적 종 함량 또는 해리, 피복물 이온 에너지 및 이온 에너지 분포(폭)와 같은, 가장 중요한 플라즈마 처리 매개변수의 독립 조정을 가능하게 한다. 이를 위해, 소스 전력 제어기(140)는 벌크 플라즈마 이온 밀도, 플라즈마 이온 밀도의 방사형 분포 및 플라즈마 내의 래디컬 및 이온의 해리를 제어하기 위하여 서로 관계없이(예를 들면, 전력비를 제어하도록) 소스 전력 발생기(118, 122)를 제어한다. 제어기(140)는 각각의 RF 발생기(118, 122)의 출력 전력 레벨을 독립적으로 제어할 수 있다. 또한, 또는 선택적으로, 제어기(140)는 각각의 듀티 사이클을 독립적으로 제어 또는 VHF 발생기(122) 및 선택적으로 HF 발생기(118)의 주파수를 제어 및 둘다 또는 하나의 RF 발생기(118, 122)의 RF 출력을 펄싱(pulsing)할 수 있다. 또한, 바이어스 전력 제어기(142)는 이온 에너지 레벨 및 이온 에너지 분포의 폭 모두를 독립적으로 제어하기 위하여 바이어스 전력 발생기(132, 134) 각각의 출력 전력 레벨을 제어한다.
도 2의 반응기 내의 인-시츄 전극(10)은 제품 지지부 페데스탈(103) 및 천장(108) 사이의 평면 내에 설치된다. 하나의 양태에서, 인-시츄 전극(10)은 세라믹(예를 들면, 알루미늄 질화물)과 같은, 절연 재료로 형성된다.
도 3A 내지 도 3D를 참조하면, 인-시츄 전극 통로(72)는 라운드형 또는 원형일 수 있어 균일한 직경일 수 있거나(도 3A 및 도 3D), 반지름 위치에 따라 증가하는 직경의 패턴일 수 있거나(도 3B) 반지름 위치에 따라 감소하는 직경의 패턴일 수 있거나(도 3C), 예를 들면 중앙에서 더 큰 밀도를 가지고 외측 반경에서 가장 작은 밀도를 가지는, 통로들(72) 사이의 거리가 비 균일할 수 있다(도 3D).
도 4를 참조하면, 도 4의 인-시츄 전극(10)의 내부 피쳐(feature)는 내부 및 외부 가스 매니폴드(62, 64), 인-시츄 전극(10)의 바닥면(70)에 가스 주입 오리피스(69)의 내부 및 외부 그룹(66, 68), 및 플라즈마가 상부 챔버 영역(15a)으로부터 인-시츄 전극(10)을 통하여 도 1의 하부 챔버 영역(15b)으로 유동하는 것을 허용하는 인-시츄 전극(10)을 통하여 형성된 축방향 통로(72)를 더 포함한다. 도 3B 및 도 3C에 도시된 바와 같이, 통로(72)의 크기 및 면적은 인-시츄 전극(10)을 통하여 유량 분포에서의 비 균일도를 도입하도록, 인-시츄 전극(10) 상의 방사형 위치의 함수로서 변화될 수 있다. 이러한 유량 분포 비균일도는 오프셋되도록 또는 원래 반응기 내에 있는 플라즈마 이온 밀도 비 균일도를 정밀하게 보상하도록 선택될 수 있다. 도시된 예에서, 통로 크기의 방사형 분포는 가장 작은 통로(72)가 중앙에 가장 근접하게 위치하도록 하며 가장 큰 통로는 주변에 가장 근접하게 위치하도록 한다. 이는 중앙에서 높은 플라즈마 이온 밀도의 방사형 분포를 보상한다. 물론, 통로 크기의 또 다른 분포가 원하는 효과 및 반응기 특성에 따라 선택될 수 있다.
도 2의 반응기는 인-시츄 전극(10)의 내부 및 외부 가스 매니폴드(62, 64)의 각각에 결합되는 도 4에 도시되는 내부 및 외부 공정 가스 공급원(76, 78)을 더 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, RF 전력 발생기(80)는 임피던스 정합부(82)를 통하여 인-시츄 전극(10)의 전도층(44)에 결합된다. 이와 달리, 전도층(44)은 접지부에 결합될 수 있다. 또는 전도층(44)은 D.C. 전압 소스에 결합될 수 있다.
인-시츄 전극(10)의 존재는 각각 인-시츄 전극(10)의 위 및 아래의 두 개의 영역(15a, 15b) 내에서 상이한 공정 조건을 형성한다. 상부 챔버 영역(15a)은 인-시츄 전극 통로(72)를 통한 가스 유동 제한에 의해 더 큰 챔버 압력을 가지며, 유도 결합 플라즈마 소스를 더 선호한다. 플라즈마 밀도 및 전자 온도는 상부 챔버 영역(15a) 내에서 보다 더 크며, 이는 상부 챔버(15a) 내의 화학물 종의 더 큰 해리를 초래한다. 하부 챔버 내에서의 해리는 매우 적으며 이는 전자 온도가 낮으며, 플라즈마 이온 밀도가 낮으며 압력이 낮기 때문이다. 더욱이, 하부 챔버 영역(15b)의 낮은 압력 때문에, 충돌이 적어서, 이온 궤적이 웨이퍼 표면 근처의 수직 방향 주위에 더욱 좁게 분포되도록 하며 이는 중요한 장점이 된다.
하나의 양태에 따라, 도 2의 반응기는 소정의 선택된 화학물 종이 많이 해리되는 유일한 공정을 수행하도록 적용될 수 있으며 나머지의 화학물 종은 그렇지 않다. 이는 높은 정도의 해리가 천장 가스 분배판(108b)을 통하여 발생되는 화학물 종을 도입하고 내부 및 외부 가스 공급원(76, 78) 둘다 또는 어느 하나로부터 인-시츄 전극/가스 분배판(10)으로 해리가 거의 일어나지 않거나 일어나지 않는 다른 화학물 종을 도입함으로써 수행된다. 예를 들면, 고 반응성의 에칭 종은 상부 영역(15a)에서 고 밀도 플라즈마로 해리되는, 천장 가스 분배판(108b)을 통하여 더 간단한 플루오로-탄소 가스를 도입함으로써 생성될 수 있다. 매우 복잡한 고 탄소 종(carbon-rich species)은 가스 공급원(76, 78)으로부터 인-시츄 전극(10)으로 복합 플루오로-탄소 종을 도입함으로써 생성될 수 있으며, 플루오로-탄소 종은 해리되지 않거나 거의 해리되지 않으면서 제품 표면에 도달할 수 있다. 이는 제품이 도달하는 종의 해리 범위를 상당히 증가시켜 실제로 해리가 없고(인-시츄 전극(10)을 통하여 도입되는 종에 대해) 완전히 또는 상당히 해리된 종(천장 가스 분배판(108b)을 통하여 도입된 종에 대해)을 포함하도록 한다. 또한, 독립적인 두 개의 세트의 종의 해리를 제어한다. 이 같은 독립 제어는 상부 및 하부 챔버 영역(15a, 15b) 내에서 상이한 공정 상태를 형성함으로써 달성된다. 상부 영역(15a) 내의 해리는 예를 들면 코일 안테나(들)(114) 또는 천장 전극(116)으로 인가되는 RF 소스 전력을 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 대체로, 두 개의 영역(15a, 15b)의 각각 내의 해리는 RF 플라즈마 소스 전력 레벨(예를 들면, RF 발생기(118, 124)) 및 챔버 압력(진공 펌프(160)을 제어함으로써) 및 상이한 영역(15a, 15b)으로의 가스 유량을 제어함으로써 제어된다.
인-시츄 전극/가스 분배판(10)은 천장 가스 분배판(108b) 보다 제품 또는 웨이퍼(102)에 더 근접하기 때문에, 제품 표면에 걸친 활성종의 방사형 분포는 확산이 매우 작기 때문에 내부 및 외부 가스 매니폴드(62, 64) 사이의 변화 가스 유동 배분에 매우 많이 민감하다. 제품(102)에 대해 인-시츄 전극(10)가 매우 근접함으로써 제품 표면에 걸친 플라즈마 이온의 분포가 인-시츄 전극(10)의 축방향 개구(72)를 통과하는 플라즈마 유동의 분배에 매우 민감하게 된다. 따라서, 제품 표면에 걸친 에치율의 방사형 분포가 인-시츄 전극의 내부 및 외부 매니폴드(62, 64)로의 할당되는 공정 가스에 의해 그리고 인-시츄 전극(10)에 걸친 축방향 개구(72)의 개구 크기의 비 균일한 분포를 제공함으로써 개선될 수 있다(예를 들면, 더욱 균일한 분포로).
상부 및 하부 챔버 영역(15a, 15b)의 각각의 용적 또는 높이는 예를 들면 액츄에이터(105)를 이용하여 지지 페데스탈(103) 또는 인-시츄 전극(10)을 상승 또는 하강시킴으로써 조정될 수 있다. 웨이퍼(102)로부터 인-시츄 전극(10)으로의 거리를 감소시킴으로써, 전극-대-웨이퍼 경로 길이는 제품과 인-시츄 전극(10) 사이의 전기장에 의해 설정되는 원하는 수직 궤적으로부터 이온을 편향시키는 충돌을 감소시키기 위해 감소된다. 상부 챔버 영역(15a)의 용적은 유도 결합 플라즈마 소스 전력 인가기(114)의 작동을 최적화하도록 조정될 수 있다. 이러한 방식으로, 두 개의 챔버 영역(15a, 15b)은 완전히 상이한 공정 상태를 가질 수 있다. 상부 영역(15a)은 최대 해리를 위한 최대 이온 밀도 및 최대 용적, 고압 및 공정 가스 종의 자체 세트(예를 들면, 더 가볍거나 더 간단한 플루오르화 탄소)을 가질 수 있으며 하부 영역(15b)은 최소 이온 밀도, 저압, 적은 용적 및 최소 해리를 가질 수 있다.
선택적인 양태에 따라, 전체 인-시츄 전극(10)은 반도체 재료 또는 도핑된 질화 알루미늄과 같은 세라믹으로 완전히 형성됨으로써 전도성이 될 수 있다.
인-시츄 전극(10)은 상이한 이용 모드를 가지며, 하나의 세트의 공정 가스는 천장 가스 분배판(108b)을 통하여 상부 챔버(15a)의 플라즈마 발생 영역 내로 도입될 수 있으며, 동시에 상이한 세트의 공정 가스는 제품(102)에 매우 근접한 인-시츄 전극(10)을 통하여 플라즈마 발생 영역 아래의 챔버 영역(15b) 내로 도입될 수 있다.
상부 및 하부 영역(15a, 15b) 내에 있는 가스는 상이한 공정 상태로 처리될 수 있으며, 상부 영역에서, 이온 밀도 및 압력은 더 큰 해리의 종에 대해 더 높을 수 있으며, 하부 영역에서 순(true) 수직의 적은 해리에 대해 더 좁은 이온 속도 분포에 대해 이온 밀도가 적으며 압력이 작다.
인-시츄 전극(10)의 내부 및 외부 가스 매니폴드 또는 존(zone; 62)은 인-시츄 전극(10)을 통하여 도입되는 공정 가스의 방사형 분포를 독립적으로 조정하도록 제어될 수 있으며 제품 표면에서 활성종 분포는 제품(102)에 대한 인-시츄 전극(10)의 상당한 근접성 때문에 이 같은 변화에 대해 더 많이 민감하다.
관련된 종의 범위는 상부 챔버 영역(15a) 내의 상당히 해리된 종을 발생시키고 인-시츄 전극(10)을 통하여 해리가 거의 없거나 전혀 없는 하부 영역(15b) 내로 더 무거운 종을 도입함으로써 상당히 증가될 수 있다.
제품 표면에서 바이어스 RF 전기장의 균일도가 접지부 또는 RF(HF 또는 LF) 포텐셜 소스(80) 중 어느 하나로 전도층(44)을 연결함으로써, 전기 포텐셜 기준으로서 또는 접지 기준으로서 인-시츄 전극(10)의 전도층(44)을 채용함으로써 달성될 수 있다. 인-시츄 전극(10)의 상당한 접근성은 제품에서 더욱 균일한 RF 바이어스 필드를 설정하기 위해 매우 균일한 평면을 제공한다. 하나의 양태에서, RF 바이어스 발생기(132 또는 134)는 제품 지지 페데스탈 전극(130) 및 인-시츄 전극 전도층(44)에 걸쳐 결합될 수 있다.
인-시츄 전극의 축방향 통로(72)를 통한 가스 유동 분포는 플라즈마 이온 밀도의 중앙에서-높은 분포 또는 중앙에서-낮은 분포를 형성하는 챔버 설계를 보상하기 위해 비균일하게 될 수 있다. 이러한 피쳐는 면적 또는 개구 크기를 달리하고, 이에 따른 크기를 분배하는(예를 들면, 중앙에 더 근접한 더 큰 개구 및 원주위에 더 가까운 더 작은 개구) 상이한 통로(72)를 제공함으로써 실현될 수 있다.
D.C. 전압 소스(11)(도 2에 도시됨)는 인-시츄 전극(10)으로 인가될 수 있다.
이러한 경우, 전극(10)은 완전히 전도성 또는 반 전도성 재료(예를 들면, 도핑된 질화 알루미늄)로 형성될 수 있고, 전도층(44)은 생략될 수 있다.
상부 및 하부 챔버 영역(15a, 15b)의 용적은 예를 들면 페데스탈(103)을 상승 또는 하강시킴으로써, 두 개의 영역 내의 상태를 최적화하도록 조정할 수 있다. 예를 들면, 유도 결합 소스 전력 인가기(14)는 상부 챔버 영역(15a) 내에 플라즈마를 발생하도록 적용되며, 이어서 성능이 상부 챔버 영역의 용적을 증가시킴으로써 강화될 수 있다. 이러한 변화는 또한 상부 챔버 영역(15a) 내에서 플라즈마내의 가스의 잔류 시간을 증가시키는 경향이 있어, 해리를 증가시킨다. 하부 챔버 영역(15b)의 용적은 상기 영역에서 이온 충돌을 감소시키기 위해 감소될 수 있어 수직 방향에 대한 더 좁은 분포의 이온 속도 프로파일을 달성한다. 이러한 피쳐는 깊은 고 종횡비 개구를 가지는 제품 표면의 영역 내에서 플라즈마 공정 성능을 개선할 수 있다.
저 밀도 용량 결합 플라즈마 소스는 (인-시츄 전극(10)의) 전도층(44)으로 VHF 전력 발생기(80)를 결합함으로써 하부 챔버 영역(15a)에 설정될 수 있다. VHF 발생기의 RF 회수 단자는 하부 챔버 영역(15b) 내의 VHF 전기장을 설정하도록 지지 페데스탈 전극(130)으로 연결될 수 있다. 이러한 경우, RF 필터는 HF 및 VHF 전력 소스(132, 80) 사이의 전도를 회피하기 위해 적용될 수 있다. 예를 들면, 인-시츄 전극(10)(예를 들면, 전도층(44))은 HF 바이어스 소스(132)에 대한 접지면으로서 기능하여, VHF 발생기(80)가 예를 들면, 좁은 VHF 밴드패스 필터(VHF bandpass filter; 도시안됨)를 통하여 인-시츄 전극으로 결합될 수 있다. 유사하게, 페데스탈 전극(130)은 VHF 발생기(80)에 대한 접지면일 수 있어서, 페데스탈 전극(130)은 예를 들면 HF 또는 LF 발생기(132, 134)로부터 전력이 전환되는 것을 회피하기 위한 좁은 VHF 밴드패스 필터(도시안됨)를 통하여 접지되도록 결합될 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 하나의 양태를 도시하며, 도 5 및 도 6에서 인-시츄 전극체(10)가 복수의 동심 원주형 링 부재(610) 사이로 연장하는 복수의 방사형 스포크 부재(spoke member; 600)로 형성된다. 각각의 유동-관통 개구(72)는 인접한 스포크 및 링 부재(600, 610) 사이에 형성된다. 도시된 구조에서, 스포크 부재(600)는 균일한 단면이며 따라서 방사형 구조물은 본래 개구(72)가 반경을 가지고 증가되는 개구 크기로 진행되도록 한다. 이는 하부 챔버 영역(15b) 내의 더욱 균일한 이온 분포를 제공하도록, 상부 챔버(15a) 내의 중앙의 높은 이온 분포를 보상할 수 있는 중앙의-높은 유동 저항을 형성한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 인-시츄 전극(10)은 중앙 및 주변 섹션(10a, 10b)으로 분할될 수 있으며, 중앙 섹션(10b)은 하부 챔버 영역(15b)의 중앙에서 플라즈마 이온 밀도를 강화하기 위해 제거가능하다.
도 5 및 도 6에 도시된 실시예에는, 4개의 동심 링 부재(610-1, 610-2, 610-3 및 610-4)가 있다. 90도 간격으로 이격된 4개의 제 1 방사형 스포크 부재(600-1), 90도 간격으로 이격되었지만 제 1 스포크 부재(600-1)에 대해 45도 만큼 회전된 4개의 제 2 방사형 스포크 부재(600-2), 및 22.5도 간격으로 서로로부터 이격된 8개의 작은 스포크 부재(600-3)이 있다. 제 1 스포크 부재(600-1)는 중앙(615)으로부터 주변 링 부재(610-4)로 연장한다. 제 2 스포크 부재(600-2)는 최내 링 부재(610-1)로부터 주변 링(610-4)으로 연장한다. 작은 스포크 부재(600-3)는 제 2 링 부재(610-2)로부터 주변 링(610-4)으로 연장한다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 도 5 및 도 6의 인-시츄 전극(10)은 내부 전도성 (전극) 층(44)(도 1에서 점선으로 표시됨)을 가진다. 인-시츄 전극은 내부 및 외부 가스 매니폴드(62, 64), 인-시츄 전극(10)의 바닥면(70) 내의 가스 주입 오리피스(69)의 내부 및 외부 그룹(66, 68)을 더 포함한다. 도 10은 인-시츄 전극이 평행 층(85, 86, 87)으로 형성될 수 있는 하나의 가능한 방식으로 도시되며, 이 중 바닥 층(85)은 바닥 전극면(70)을 형성하며 바닥 전극면(70)을 통해 형성된 가스 주입 오리피스(69)를 가진다. 증간 층(86)은 가스 매니폴드 통로(62, 64)를 포함한다. 상부 층(87)은 중간 층(86)을 덮으며 도 11의 확대도에 도시된 바와 같이 전도 층(44)을 포함할 수 있다. 도 8 내지 도 10의 인-시츄 전극(10)은 질화 알루미늄과 같은 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 인-시츄 전극(10)의 전체 몸체가 소정의 전류-운반 능력을 가지는 것이 바람직한 경우, 도핑 질화 알루미늄 또는 다른 도핑 세라믹으로 형성될 수 있으며, 이 경우 내부 전극 요소(44)는 불필요하다.
도 12A, 도 12B, 도 12C, 도 12D 및 도 12E는 중앙에서-높은 형상(도 12A), 평평한 형상(도 12B), 중앙에서-낮은 형상(도 12C), 중앙에서-높고 에지에서-높은 형상(도 12D), 및 중앙에서-낮고 에지에서-낮은 형상(도 12E)를 포함하여, 상이한 단면적 형상을 가지는 도 1의 반응기의 인-시츄 전극(10)의 실시예를 도시한다. 이러한 상이한 형상은 예를 들면 제품에 걸쳐 공정율(process rate)의 방사형 분포를 형성하기 위해 적용될 수 있다.
전술된 것은 본 발명의 실시예들에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 및 추가 실시예는 본 발명의 기본 범위로부터 벗어나지 않고 발명될 수 있고, 본 발명의 범위는 다음의 청구범위에 의해 결정된다.

Claims (23)

  1. 플라즈마 반응기로서,
    천장, 측벽, 및 제품 지지 페데스탈을 가지며 상기 페데스탈과 상기 천장 사이에 챔버 용적을 형성하는 반응기 챔버로서, 상기 제품 지지 페데스탈은 상기 반응기 챔버 내부에 대칭 축선을 따라 상기 천장 쪽을 향하는, 반응기 챔버,
    상기 천장에 있는 RF 플라즈마 소스 전력 인가기 및 상기 RF 플라즈마 소스 전력 인가기에 결합되는 RF 플라즈마 소스 전력 발생기,
    상기 반응기 챔버 내부에 상기 대칭 축선에 대해 교차하는 평면에 배치되고 상기 천장 및 상기 지지 페데스탈 중간에 배치되고 상기 반응기 챔버를 상부 및 하부 챔버 영역으로 분리하는, 인-시츄(in-situ) 전극체를 포함하며,
    상기 인-시츄 전극은 (a) 상기 대칭 축선에 대해 평행하게 연장하고 다양한 개구 크기를 가지는 복수의 유동 관통 통로로서, 상기 인-시츄 전극체를 통한 가스 유동 저항의 원하는 방사형 분포에 따라서 개구 크기에 의해 방사형으로 분포되는, 복수의 유동 관통 통로,
    (b) 상기 인-시츄 전극체 내부에 위치되고 상기 복수의 유동 관통 통로로 제공되는 전도성 전극 요소, 및
    상기 전도성 전극 요소로 결합되는 전기 단자를 포함하는,
    플라즈마 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인-시츄 전극체는 제 1 내부 가스 매니폴드,
    상기 제 1 내부 가스 매니폴드에 결합되는 외부 가스 공급 포트,
    상기 제품 지지 페데스탈 쪽을 향하는 상기 인-시츄 전극체의 바닥면에 있는 복수의 가스 주입 오리피스로서, 상기 제 1 내부 가스 매니폴드에 결합되는, 복수의 가스 주입 오리피스를 더 포함하는,
    플라즈마 반응기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 내부 가스 매니폴드는 방사형 내부 매니폴드를 포함하고, 상기 가스 주입 오리피스는 상기 인-시츄 전극체 내에 방사형 내부 가스 주입 존을 포함하며,
    상기 인-시츄 전극체는;
    방사형 외측 내부 가스 매니폴드,
    상기 방사형 외측 내부 가스 매니폴드에 결합되는 제 2 외부 가스 공급 포트,
    상기 제품 지지 페데스탈을 향하는 상기 인-시츄 전극의 바닥면 내에 제 2 다수의 가스 주입 오리피스를 포함하는 방사형 외측 가스 주입 존을 포함하며,
    상기 제 2 다수의 가스 주입 오리피스는 상기 방사형 외측 내부 가스 매니폴드에 결합되는,
    플라즈마 반응기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 인-시츄 전극체의 상기 외부 가스 공급 포트들 중 각각 하나에 결합되는 독립적인 공정 가스 소스를 더 포함하는,
    플라즈마 반응기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 천장 내의 공정 가스 분배판 및 상기 공정 가스 분배판에 결합되는 추가의 독립적인 공정 가스 소스를 더 포함하는,
    플라즈마 반응기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 전극 요소에 결합되는 전압 소스를 더 포함하고, 상기 전압 소스는 접지 포텐셜, D.C. 전압 소스, RF 전압 소스들 중 하나를 포함하는,
    플라즈마 반응기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 유동 저항의 분포는 중앙에서 높아서 상기 상부 챔버 영역 내의 플라즈마 이온 밀도의 중앙에서 높은 분포와 반작용하는,
    플라즈마 반응기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 유동 관통 통로들은 상기 인-시츄 전극체 상의 위치의 반경에 따라 크기가 증가하는 순서로 위치되는,
    플라즈마 반응기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 유동 저항의 분포는 중앙에서 낮아서, 상기 상부 챔버 영역 내의 플라즈마 이온 밀도의 중앙에서 낮은 분포와 반작용하는,
    플라즈마 반응기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 유동 관통 통로들은 상기 인-시츄 전극체 상의 위치의 반경에 따라 크기가 감소하는 순서로 위치되는,
    플라즈마 반응기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 및 하부 챔버 영역의 용적을 조정하기 위한 수단을 더 포함하는,
    플라즈마 반응기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 조정 수단은 상기 제품 지지 페데스탈에 결합되는 상승 기구를 포함하는,
    플라즈마 반응기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 인-시츄 전극체는 세라믹 재료로 형성되고 상기 전도성 전극 요소는 상기 인-시츄 전극체 내에 포함되는 평면형 전도층을 포함하는,
    플라즈마 반응기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 인-시츄 전극체는 도핑 세라믹 재료로 형성되고 상기 전도성 전극 요소를 구성하는,
    플라즈마 반응기.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 전극 요소로 결합되는 VHF 전력 발생기를 더 포함하는,
    플라즈마 반응기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 VHF 전력 발생기는 상기 전도성 전극 요소 및 상기 제품 지지 페데스탈에 걸쳐 결합되는,
    플라즈마 반응기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제품 지지 페데스탈에 결합되는 HF 또는 LF 바이어스 전력 발생기를 더 포함하는,
    플라즈마 반응기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제품 지지 페데스탈과 접지부 사이에 결합되는 VHF 밴드패스 필터 및 상기 인-시츄 전극체의 상기 전도성 전극 요소와 접지부 사이에 결합되는 HF 또는 LF 밴드패스 필터를 더 포함하는,
    플라즈마 반응기.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 인-시츄 전극체는 복수의 방사형 부재 및 복수의 원주형 부재를 포함하고, 상기 복수의 방사형 부재 및 상기 복수의 원주형 부재는 상기 인-시츄 전극체의 유동-관통 개구를 형성하는,
    플라즈마 반응기.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 인-시츄 전극체는 별개의 내부 및 외부 동심부로 분리되고, 적어도 상기 내부 동심부는 상기 하부 챔버 영역의 중앙부 내의 플라즈마 이온 밀도를 강화하기 위해 제거가능한,
    플라즈마 반응기.
  21. 플라즈마 반응기에 적용가능한 가스 분배판으로서,
    플라즈마 챔버의 축선과 교차하는 평면 내의 상기 플라즈마 챔버 내부에 배치되도록 구성되는 전극체를 포함하며,
    상기 전극체는 (a) 상기 축선에 대해 평행하게 연장하고 다양한 개구 크기를 가지는 복수의 유동 관통 통로로서, 상기 플라즈마 챔버 내의 상기 전극체를 통한 가스 유동 저항의 원하는 방사형 분포에 따라서 개구 크기에 의해 방사형으로 분포되는, 복수의 유동 관통 통로,
    (b) 상기 전극체 내부에 위치되고 상기 복수의 유동 관통 통로로 제공되는 전도성 전극 요소, 및
    상기 전도성 전극 요소로 결합되는 전기 단자를 포함하는,
    가스 분배판.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 전극체는 제 1 내부 가스 매니폴드,
    상기 제 1 내부 가스 매니폴드로 결합되는 외부 가스 공급 포트,
    상기 전극체의 바닥면 내에 복수의 가스 주입 오리피스를 더 포함하며,
    상기 복수의 가스 주입 오리피스는 상기 제 1 내부 가스 매니폴드에 결합되는,
    가스 분배판.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 1 내부 가스 매니폴드는 방사형 내부 매니폴드를 포함하고, 상기 복수의 가스 주입 오리피스는 상기 전극체의 방사형 내부 가스 주입 존을 포함하고,
    상기 전극체는 방사형 외측 내부 가스 매니폴드,
    상기 방사형 외측 내부 가스 매니폴드에 결합되는 제 2 외부 가스 공급 포트,
    상기 전극의 바닥면 내에 제 2 다수의 가스 주입 오리피스를 포함하는 방사형 외부 가스 주입 존을 더 포함하며,
    상기 제 2 다수의 가스 주입 오리피스는 상기 방사형 외측 내부 가스 매니폴드에 결합되는,
    가스 분배판.
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