KR20110084948A

KR20110084948A - 스퍼터 타겟으로의 원형 대칭의 ｒｆ 공급원 및 ｄｃ 공급원을 갖는 물리 기상 증착 반응로

Info

Publication number: KR20110084948A
Application number: KR1020117011118A
Authority: KR
Inventors: 라라 하우릴착
Original assignee: 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
Priority date: 2008-10-17
Filing date: 2009-10-02
Publication date: 2011-07-26
Also published as: CN102203908A; CN102203908B; KR101284787B1; WO2010045037A3; JP2012505968A; TW201030811A; US20100096261A1; TWI388001B; JP5345221B2; US8070925B2; WO2010045037A2; WO2010045037A8

Abstract

천정에 스퍼터 타겟을 갖는 PVD 반응로에 있어서, 회전 자석 조립체를 둘러싸는 전도성 하우징은 회전 자석 축을 위한 중앙 포트를 가진다. 상기 하우징의 전도성 중공형 실린더는 스핀들의 외측 부분을 에워싼다. RF 전력은 중공형 실린더로부터 반경 방향으로 연장하는 방사상 RF 커넥션 로드에 연결되며, DC 전력은 중공형 실린더로부터 반경 방향으로 연장하는 다른 방사상 DC 커넥션 로드에 연결된다.

Description

스퍼터 타겟으로의 원형 대칭의 ＲＦ 공급원 및 ＤＣ 공급원을 갖는 물리 기상 증착 반응로 {PHYSICAL VAPOR DEPOSITION REACTOR WITH CIRCULARLY SYMMETRIC RF FEED AND DC FEED TO THE SPUTTER TARGET}

본 발명은 스퍼터 타겟으로의 원형 대칭의 ＲＦ 공급원 및 ＤＣ 공급원을 갖는 물리 기상 증착 반응로에 관한 것이다.

플라즈마 강화 물리 기상 증착(PECVD) 공정은 상호접점(interconnection)을 형성하기 위해 구리와 같은 금속 필름을 반도체 웨이퍼 상에 증착하는데 사용된다. 높은 레벨의 직류 전류가 아르곤과 같은 캐리어 가스 분위기 하에서 웨이퍼 위에 놓인 구리 타겟에 인가된다. PECVD 공정은 통상적으로, 고 종횡비 개구의 측벽 및 바닥에 금속을 증착시키기 위한 이온의 속도의 매우 좁은 각도 분포에 의존한다. 하나의 문제점은 개구의 바닥에 증착되는 양에 대해 충분한 양의 재료를 어떻게 측벽에 증착시킬 것인가에 관한 문제점이다. 다른 문제점은 개구의 상부 에지 근처에 신속한 증착으로 인한 개구의 핀치오프(pinch off) 현상을 방지하는 것이다. 피쳐 사이즈의 소형화가 더욱더 진행되면서, 통상적인 개구의 종횡비(깊이/폭)가 증가되었으며, 현재 미세 전자소자의 피쳐 사이즈가 약 22 나노미터로 감소되었다. 보다 큰 소형화에 따라, 각각의 개구의 바닥 또는 최하층 상의 소정의 증착 두께에 대한 측벽 상의 최소 증착 두께를 달성하는 것이 더욱 어려워졌다. 통상적인 개구에 대한 더욱 증가된 종횡비는 이온 속도 각도 분포를 더욱 좁게 하고, 웨이퍼-대-스퍼터 타겟 거리를 증가시키고(예를 들어, 300 mm 또는 그보다 큰), 그리고 챔버 압력을 (예를 들어, 1 mT 미만으로)감소시킴으로써 처리되었다. 이는 웨이퍼 에지 근처의 얇은 필름 피쳐에서 관찰되는 문제점을 유발했다. 즉, 극단적으로 미세한 피쳐 사이즈에서, 각각의 고 종횡비 개구 측벽의 일부분이 감소된 피쳐 사이즈를 만족시키는데 필요한 보다 큰 웨이퍼-대-타겟 간극으로 인한 타겟의 주요 부분에 의해 가로 막히게 된다. 웨이퍼 에지 근처에서 대부분 나타나는 이러한 섀도잉 효과(shadowing effect)는 측벽의 섀도우 부분에서 최소 증착 두께에 도달하는 것이 불가능하지 않지만 어렵게 만든다. 더욱더 소형화되면서, 챔버 압력도 더욱더 감소되었으며(예를 들어, 1 mT 미만) 웨이퍼-스퍼터 타겟 간극도 더욱더 증가될 것이 요구되었는데, 이는 전술한 문제점들을 더욱 심화시키고 있다.

하나의 연관된 문제점은 커다란 웨이퍼-대-타겟 간극에 걸쳐 웨이퍼 대 이온의 적절한 유동을 보장하기 위해서 스퍼터 타겟(예를 들어, 구리)이 높은 직류 전력(예를 들어, 킬로와트 범위)에서 구동되어야 한다는 점이다. 그와 같이 높은 직류 전력은 타겟을 급속히 소모시키며(비용 증가) 과도하게 높은 증착률을 초래하여 전체 공정이 5초 미만에서 완료된다. 그와 같은 신속한 공정은 조절이 거의 또는 전혀 불가능하다는 점에서 제어를 어렵게 한다. 게다가, 짧은 공정 지속 기간은 이후의 플라즈마 점화(ignition)를 평형화하기 위해 RF 소오스 전력 임피던스의 동조에 필요한 시간의 약 40%이므로, 임피던스 동조기 및 분배된 전력의 안정화 이전에 상기 공정의 약 40%만이 수행된다.

플라즈마 반응로의 스퍼터 타겟을 위한 RF 공급 장치가 제공된다. 상기 RF 공급 장치는 천정 위에 놓이며 천정과 마주보는 상부 리드를 갖는 전도성 하우징을 포함한다. 회전 자석 조립체는 상기 하우징 내에 포함되며, 회전가능한 스핀들, 상기 회전가능한 스핀들에 내측 단부가 연결되는 방사상 아암 조립체, 및 상기 방사상 아암 조립체의 외측 단부에 연결되는 자석을 포함한다. 상기 하우징의 상부 리드가 중앙 포트를 포함하며, 상기 스핀들이 상기 중앙 포트를 통해 축방향으로 연장한다. 상기 상부 리드 상에 있는 전도성 중공형 실린더는 상기 상부 리드 위로 연장하는 상기 스핀들의 일부를 에워싼다. 방사상 RF 커넥션 로드는 상기 중공형 실린더로부터 반경 방향으로 연장한다. RF 커넥션 로드는 RF 전력 소오스의 임피던스 동조기에 연결된다. 방사상 DC 커넥션 로드는 중공형 실린더로부터 반경방향으로 연장한다. DC 전력 소오스는 DC 커넥션 로드에 연결된다. RF 커넥션 로드 및 DC 커넥션 로드는 일 실시예에서, 약 180°만큼 서로로부터 각을 이루도록 오프셋된 상기 중공형 실린더 상의 위치로부터 나온다. 상기 커넥션 로드, 상기 중공형 실린더, 상기 상부 리드, 상기 하우징 및 상기 천정은 전도성이며 상기 스퍼터 타겟으로의 전기 통로를 제공한다.

본 발명의 예시적인 실시예들이 달성되고 더욱 상세히 이해될 수 있는 방식으로 첨부 도면들에 도시된 본 발명의 실시예들을 참조하여 위에서 간단히 요약한 본 발명에 대해 더욱 구체적으로 설명한다. 임의의 공지된 공정들은 본 발명을 모호하게 하지 않도록 본 발명에서 논의되지 않았다고 이해해야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응로의 개략적인 단면도이며,
도 2는 도 1에 대응하는 평면도이며,
도 3은 도 1의 반응로의 상부 하우징의 일 실시예를 도시하는 확대 상세도이며,
도 4는 도 1의 반응로의 상부 하우징의 다른 실시예를 도시하는 확대 상세도이며,
도 5는 도 1의 반응로의 스퍼터 타겟으로의 RF 및 DC 전류 흐름을 도시하는 개략도이며,
도 6은 타겟으로의 DC 전류 흐름을 도시하는 도 5에 대응하는 평면도이며,
도 7은 타겟으로의 RF 전류 흐름을 도시하는 도 5에 대응하는 평면도이며,
도 8은 소오스 전력 발생기에서 전압 변동에 대한 비교 실험 데이터 그래프이며,
도 9는 증착된 필름 두께 분포에 대응하는 비교 실험 테이터 그래프이다.

이해를 쉽게 하기 위해, 도면들에 있어서 공통인 동일한 구성 요소들을 지칭하기 위해 가능하다면 동일한 도면 부호가 사용되었다. 일 실시예의 구성 요소 및 특징들은 추가의 언급 없이도 다른 실시예에 유리하게 병합될 수 있다고 이해해야 한다. 그러나, 첨부된 도면들은 본 발명의 단지 예시적인 실시예만을 도시한 것이므로, 본 발명의 범주를 한정한 것이 아니며 균등한 다른 유효한 실시예들이 있을 수 있다는 것에 주목해야 한다.

웨이퍼의 필름 특성들 중의 섀도잉과 관련된 전술한 문제점들은 최근에 해결되었다. 해결책으로는 다른 것들 중에서도, 극히 좁은 웨이퍼-대-타겟 간극(예를 들어, 약 웨이퍼 직경의 1/6)을 제공하며, 매우 높은 챔버 압력(예를 들어, 100 mT, 또는 이온 충돌 평균 자유 행로(mean free path)가 상기 간극의 약 1/20)을 사용하며, VHF 소오스 전력을 타겟에 인가함으로써 웨이퍼 표면에서의 플라즈마 밀도를 개선하며, 웨이퍼를 통해 낮은 임피던스 VHF 접지 복귀 통로를 제공하는 것이다. 이러한 해결책은 다니엘 호프만 등에 의해 2008년 3월 14일자로 출원되어 본 발명의 출원인에게 양도되었으며 본 발명에 전체적으로 참조된 발명이 명칭이 웨이퍼 표면에서 등방성 이온 속도 분포의 소오스를 갖는 물리 기상 증착 방법인 공동 계류중인 미국 출원 번호 12/077,067호의 요지이며, 상기 출원의 설명은 본 발명에 전체적으로 참조되었다.

이러한 해결책을 수행함에 있어서, 감소된 웨이퍼-타겟 간극은 타겟에 대한 RF 전력의 분포에 있어서 비대칭을 유발할 가능성이 크다는 것을 발견했다. 특히, RF 전력은 중심 축선이 마그네트론 회전 장치에 의해 점유되기 때문에 축외(off-axis) 연결시 스퍼터 타겟 위의 오버헤드 구조물(예를 들어, 천정)에 인가되어야 한다. 마그네트론 조립체의 회전 자석이 축외 RF 파워 커넥션 아래를 통과할 때마다, 플라즈마에 대한 RF 커플링이 일시적으로 개선되나 플라즈마 상태(예를 들어, VHF 전력에 제공되는 플라즈마 로드 임피던스)가 변화된다. 타겟 위의 다른 축외 위치에 연결될 수 있는 DC 전력이 이들 변화에 영향을 받는다. 이러한 변동은 축외 RF 파워 커넥션을 지나치는 자석의 매 회전에 따라 발생한다. 그러한 변동은 커다란 웨이퍼-대-타겟 간극(예를 들어, 300 mm)을 갖는 종래의 반응로에서는 문제가 되지 않지만, 그와 같은 변경이 웨이퍼와 밀접한 매우 작은 웨이퍼-타겟 간극(예를 들어, 전술한 바와 같이 5 ㎝)의 경우에 문제가 됨을 알아냈다.

전술한 문제점에 대한 하나의 징후는 타겟 위의 RF 파워 및 DC 파워의 연결에 대한 축외 위치를 반영하는 웨이퍼 표면 상의 불균일한 증착에 대한 방위각 패턴이다. 일 예에서, 방위각 방향으로의 증착 필름의 최소 두께와 최대 두께 사이의 편차는 26%였다. 다른 징후는 플라즈마 임피던스의 변동 또는 플라즈마의 불안정성인데, 이는 VHF 임피던스 동조가 높은 챔버 압력에서 이루어지지 않음으로써 공정 제어의 손실을 초래하며 몇몇 경우에 VHF 생성기의 자동 운전정지를 초래한다. 또 다른 징후는 웨이퍼 지지 페데스탈 아래로의 플라즈마의 관통인데, 이는 그곳의 보호되지 않은 부품에 대한 손상을 초래하여 오염을 유발한다. 임피던스 변동은 소정의 압력 아래로 유용한 챔버 압력의 범위를 감소시킨다. 관련된 문제점은 직류 전력 레벨이 감소되는 경우에, 전술한 해결책의 일면에 따라서 RF 커넥션 아래의 자석이 타겟 위로 통과함으로써 유발되는 플라즈마 상태의 변동은 직류 전력원의 자동 아킹 방지 특징에 의해 직류 전력원의 작동을 차단시킨다. 유사한 결과가 VHF 생성기에서도 발생되어, 직류 전력과 RF 전력 중 하나 또는 둘 모두가 자석의 회전시마다 깜박일(flicker) 수 있다. 이들 문제점들은 본 발명의 방법에서 사용된 높은 챔버 압력(예를 들어, 100 mT)에서 공정의 수행을 어렵게 할 수 있다.

작은 웨이퍼-타겟 간극으로 유발된 문제점들은 타겟에 대한 VHF 전력 및 직류 전력의 원형 대칭적 분포를 제공함으로써 해결된다. 비자성 금속 하우징은 자석이 내부에서 챔버 천정 위로 순환하는 공간을 덮고 있다. 자석의 회전 구동축은 이러한 전도성 하우징의 천정 내에 있는 중앙 통로를 통해 연장한다. 상기 구동축을 둘러싸는 전도성 중공형 실린더는 자석의 회전 구동축에 동축으로 전도성 하우징 천정으로부터 상방향으로 연장한다. (VHF 생성기용)VHF 임피던스 동조기는 중공형 실린더의 측면에 연결되는 출력을 가진다. 직류 전력원은 중공형 실린더 컵의 측면에도 연결된다. DC 및 RF 커넥션은 전도성 중공형 실린더 주위에 약 180°만큼 오프셋될 수 있다. VHF 임피던스 동조기 및 DC 전력 공급원으로부터의 전류는 중공형 실린더 주위를 대칭적으로 순환하며 원형 대칭적 분포로 금속 하우징의 천정 아래에 도달함으로써, 이들 공급원들이 원형 대칭적 방식으로 챔버 천정 및 스퍼터 타겟에 연결된다. 이들 전류 분포는 금속 하우징 내측에 있는 자석의 위치 또는 회전에 의해 실질적으로 영향을 받지 않는다. 이는 원형 대칭의 RF 및 DC 전류 분포가 자석의 회전에 변동되지 않기 때문이다. 그 결과 전술한 플라즈마 변동이 제거된다. 그와 같은 변동 없이, 챔버 압력에 대한 제한이 극복됨으로써 다른 설비의 깜박임 없이 바람직하게 높은 챔버 압력(예를 들어, 100 mT)의 사용을 가능하게 한다. 게다가, 현저히 감소된 웨이퍼-타겟 간극(예를 들어, 300 mm 웨이퍼에 대해 55 mm)에도 불구하고, 타겟 위의 RF 또는 DC 파워 커넥션의 축외 위치에 기여하는 증착 두께에 있어서 불균일한 방위각 패턴이 거의 또는 전혀 없다. 하나의 실시예에서, 방위각 방향으로의 최소 필름 두께와 최대 필름 두께 간의 편차는 (종래의 비대칭 RF 공급장치에 의해 얻어진 27%에 비해서)단지 0.7%였다. 게다가, 웨이퍼 아래의 챔버 영역으로의 플라즈마 관통이 방지되는데, 이는 자석 회전에 의한 플라즈마 변동이 제거되었기 때문이다.

자석 순환 공간을 에워싸는 전도성 하우징 및 전도성 중공형 실린더는 타겟에 가해진 VHF 소오스 파워의 두 개의 전도체들이다. RF 차폐는 전도성 하우징을 에워싸는 외측 전도성 차폐물에 의해 제공된다. 상기 차폐물은 접지되며 공기일 수 있거나 이와는 달리, 플라스틱과 같은 절연 재료로 채워질 수 있는 절연 공간에 의해 하우징으로부터 분리된다. 절연 공간이 주로 공기로 채워지면, 절연 공간을 따라 주기적인 간격으로 작은 플라스틱 스페이서를 위치시킴으로써 절연 공간이 유지된다. 기생 용량으로 인한 전력 손실은 (공기와 같은)낮은 유전체 상수를 갖는 재료를 절연 공간 내에 제공함으로써 최소화된다. 기생 용량은 차폐물과 하우징 사이에 커다란 분리 거리를 제공함으로써 더욱더 최소화된다. 일 실시예에서, 차폐물에 의해 제공된 기생 용량은 60 ㎒에서 약 0.2 Ω의 임피던스를 접지에 제공하는 약 14 피코패럿(picofarads)였다.

절연 재료의 아킹(arcing) 또는 파손을 방지하기 위해, 분리 거리는 천정의 전압에 기여하는 절연 공간 전반에 걸친 전기장이 절연 재료의 전기 파손 임계값(electrical breakdown threshold)을 초과하지 않도록 충분히 커야 한다. 하우징-차폐물 분리 공간이 공기로 채워지면, 분리 거리는 전기장을 30,000 볼트/㎝(공기의 전기 파손 임계값)로 제한하기에 충분히 커야 한다. 천정 전압은 일 예로, 약 1100 볼트일 수 있으며, 이는 RF 소오스로부터 약 500 볼트 VHF, DC 소오스로부터 약 500 볼트 DC 및 웨이퍼에 인가되어 천정을 통해 복귀하는 바이어스 전압으로부터 약 100 볼트 RF에 의한 것이다. 이러한 예에서, 분리 거리는 적어도 약 0.3 mm일 필요가 있다.

도 1 및 도 2는 반도체 웨이퍼와 같은 피가공재 상에 플라즈마 강화 물리 기상 증착을 수행하기 위한 플라즈마 반응로를 도시한다. 진공 챔버(100)는 원통형 측벽(102), 천정(104) 및 바닥(106)에 의해 둘러싸인다. 챔버(100) 내의 피가공재 지지 페데스탈(108)은 챔버(100) 내의 리프트 조립체(110) 상에 유지되며 천정(104)과 마주보는 피가공재 지지면(108a)을 가진다. 반도체 웨이퍼(112)와 같은 피가공재는 지지면(108a) 상에 유지될 수 있다. 스퍼터 타겟(114)은 천정(104)의 내측면에 유지되며 페데스탈(108)의 지지면(108a)과 마주보는 주면(114a)을 가진다. 처리 영역(116)은 지지면(108a)과 타겟 주면(114a) 사이에 형성된다. 환형 세라믹 스페이서(118)는 스퍼터 타겟(114)의 측면 에지(114b)를 에워싼다. 처리 영역을 에워싸는 환형 한정 스커트(120)가 세라믹 스페이서(118)로부터 지지 페데스탈(108)의 상부 주변 에지(108b)로 축방향으로 연장한다. 이격된 위치에 측벽(102)을 통해 연장하는 가스 분사 노즐(122)이 중공형 가스 분배 링(134)에 연결된다. 처리 가스 공급원(126)은 처리 가스를 질량 유동 제어기 또는 밸브(128)를 통해 가스 분배 링(124)에 공급한다. 진공 펌프(130)는 바닥(106)의 통로(132)를 통해 챔버(100)에 연결된다. 진공 제어 밸브(133)는 챔버 압력을 제어한다.

웨이퍼 지지 페데스탈(108)은 내측 전극(134)을 포함할 수 있다. 페데스탈(108)이 정전 척을 포함하면, 제어가능한 직류 전압원(135)이 페데스탈 내측 전극(134)에 연결될 수 있다. 웨이퍼(112) 표면에서의 이온 에너지를 제어하기 위해, 저 주파수의 RF 바이어스 전력 생성기(136)가 RF 임피던스 동조기(137)를 통해 전극(134)에 연결될 수 있다. 또한, 중 또는 고 주파수 RF 바이어스 전력 생성기(138)가 임피던스 동조기(139)를 통해 전극(134)에 연결될 수 있다.

천정(104) 위에 놓이는 인클로져(140)는 마그네트론 조립체(142)를 포함한다. 마그네트론 조립체(142)는 방사상 아암(146)에 지지되는 자석(144) 및 상기 아암(146)을 지지하는 축방향 스핀들(148)을 포함한다. 방사상 아암(146)은 분리된 관절식 아암 섹션(146a,146b)을 가진다. 회전 작동기(150)는 스핀들(148)을 회전시켜 자석(144)이 천정(104)에 대한 궤도식 회전 운동을 수행하게 한다. 인클로져(140)는 인클로져 측벽(152) 및 인클로져 리드(154)를 포함한다. 리드는 중앙 원형 개구(156)를 가지며 상기 개구를 통해 스핀들(148)이 방사상 아암(146)과 인클로져(140) 외측의 회전 작동기(150) 사이로 연장한다.

플라즈마 변동의 문제점은 (두 가지 가능한 예로서)소오스 전력을 챔버 천정(104)의 축외 지점 또는 하우징 리드(154) 상의 축외 지점에 연결함으로써 RF 소오스 전력을 타겟(114)에 인가할 때 유발된다. RF 전력 분포는 반드시 상기 인가 지점에 집중되는데, 이는 방위각으로 불균일한 RF 전력 분포를 초래한다. 자석(144)이 RF 전력 인가 지점과 정렬되는 회전 지점을 통과하기 때문에, 플라즈마에 대한 파워 커플링은 일시적으로 피크점에 도달하여 본 발명의 서두에서 언급한 처리 공정의 변동을 초래한다.

RF 전력의 그와 같은 비대칭적 분포를 방지하기 위해, RF 및 DC 전력을 타겟(114)에 인가하기 위한, 대칭 축에 동심인 대칭 전도체가 하우징(140)의 상부에 제공된다. 특히, 스핀들(148)을 에워싸는 전도성 중공형 실린더(158)는 인클로져(140)로부터 이격되게 원형 개구(156)의 에지로부터 연장한다. RF 커넥션 로드(160)는 중공형 실린더(158)로부터 외측 반경 방향으로 연장한다. RF 임피던스 동조기(162)는 RF 커넥션 로드(160)의 외측 단부에 연결된다. RF 전력 발생기(164)는 RF 임피던스 동조기(162)에 연결된다. DC 커넥션 로드(166)는 RF 커넥션 로드(160)의 방향과 반대 방향으로 중공형 실린더(158)로부터 외측 반경 방향으로 연장한다. DC 전력원(168)은 DC 커넥션 로드(166)의 외측 단부에 연결된다. DC 커넥션 로드(166)는 DC 전력 공급원(168)의 RF 차단 필터(169)에 연결될 수 있다.

중공형 실린더(158), 커넥션 로드(160,166), 인클로져(140) 및 천정(104)은 예를 들어 알루미늄과 같은 비자성 전도성 재료로 형성된다. 커넥션 로드(160,166) 및 실린더(158)는 높은 전도성 전류 통로를 제공하기 위해 구리로 형성될 수 있다. 생성기(164)로부터의 RF 전류는 타겟(114)에 대한 균일한 인가 및 인클로져(140)의 원주변 주위의 균일한 분포를 위해 중공형 실린더(158) 주위에 원형 형태로 흐른다. DC 공급원(168)으로부터의 DC 전류는 타겟(114)에 대한 균일한 인가 및 인클로져(140)의 원주변 주위의 균일한 분포를 위해 중공형 실린더(158) 주위에 원형 형태로 흐른다. 타겟(114)은 통상적으로, 피가공재(112) 상에 증착될 금속 종이다.

도 3은 알루미늄 인클로져(140)의 확대도이다. 인클로져(140)는 인클로져(140)와 형상인 동일한 접지 RF 차폐물(170)에 의해 둘러싸인다. 접지 차폐물(170)은 원통형 측벽(172) 및 원형 통로(176)를 갖는 환형 상부(174)를 포함하며 상기 원형 통로를 통해서 실린더(158)가 연장한다. 접지 차폐물은 중공형 실린더(158)와 동축인 원통형 차폐물(178)을 더 포함한다. 접지 차폐물(170)은 예를 들어, 알루미늄 또는 구리와 같은 비자성 금속으로 형성될 수 있다. 차폐물(170) 및 인클로져(140)는 절연 공간(180)에 의해 분리된다. 일 실시예에서 절연 공간(180)은 저 유전체 상수를 갖는 유전체 재료로 채워진다. 적합한 재료의 일 예는 G-10 플라스틱과 같은 플라스틱이다. 도 4는 절연 공간(180)이 일차적으로 공기로 채워지며 다수의 작은 스페이서(182)에 의해 유지되는 실시예를 도시한다. 스페이서(182)는 G-10 플라스틱과 같은 유전체 재료로 형성될 수 있다. 기생 용량은 스페이서(182)의 유전체 상수를 최소화함으로써 최소화된다. 예를 들어, 스페이서(182)는 스페이서(180) 체적의 작은 비율만을 차지하며 스페이서(180)의 나머지는 공기와 같은 최소 유전체 상수의 물질로 채워진다. 기생 용량은 스페이서(180)를 가로지르는 간극 거리(D)를 증가시킴으로써 더욱더 최소화된다. 일 실시예에서, 커넥션 로드(160,166)는 접지 차폐물(170)의 원통형 덮개(178) 내의 각각의 개구(184)를 통과할 수 있다. 환형 절연 링(186)이 각각의 로드(160,166)와 각각의 개구의 에지 사이에 절연을 제공하도록 개구(184) 내에 삽입될 수 있다.

스페이서(180)의 간극 거리(D)는 간극을 가로지르는 전기장이 절연 공간(180)의 유전체 재료(예를 들어, 공기 또는 플라스틱)의 파손 임계값을 초과하지 않도록 충분히 커야 한다. 예를 들어, 절연 공간(180)의 간극(D)을 가로지르는 전압차가 1100 내지 1200 볼트일 수 있다. 이는 RF 생성기(164)가 하우징(140)에 약 500 볼트의 평균 RF 전압을 부과하며, DC 공급원(168)이 하우징(140)에 약 500 볼트의 DC 전압을 부과하며, 하우징(140)을 통해 복귀되는 RF 바이어스 전력이 추가로 100 볼트의 전압을 부가하는 경우에 발생할 수 있다. 이 경우에, 절연 공간(180)이 공기로 채워지면(33,000 볼트/㎝의 파손 임계값) 필요한 간극 거리(D)는 약 0.3 mm의 최소값을 가질 것이다.

도 5는 실린더(158) 아래로 그리고 천정(154)을 가로질러, 측벽(152) 아래로 그리고 천정을 통해 타겟(114)으로 RF 및 DC 전도체 로드(160,166)로부터 RF 및 DC 전류의 축방향 흐름을 도시하는 간략화된 다이어그램이다. 도 6은 하우징 리드(154) 상의 방사상 DC 전류 흐름 및 중공형 실린더(158) 주위의 DC 전류의 원형 흐름을 도시하는 도 5에 대응하는 하나의 평면도이다. 도 7은 하우징 리드(154) 상의 방사상 RF 전류 흐름 및 중공형 실린더(158) 주위의 RF 전류의 원형 흐름을 도시하는 도 5에 대응하는 또 하나의 평면도이다. 중공형 실린더(158) 주위의 원형의 전류 흐름은 원형의 대칭(및 균일한) 분포로의 전류 분포의 변형을 용이하게 한다. 이는 자석(144)의 회전으로 인한 플라즈마 변동을 실제로 제거한다. 이러한 결과는 도 8의 그래프에 의해 제시된 비교 실험 데이터에 의해 확인된다. 도 8의 그래프의 수직 축선은 VHF 타겟 소오스 전력 생성기(예를 들어, 도 1 실시예에서의 생성기(164))의 출력에서 측정한 RF 전압에 대응하는 반면에, 수평 축선은 시간에 대응한다. 점선의 곡선은 RF 전력이 하우징(140)의 리드(154) 상의 축외 연결 지짐에서 얻은 데이터를 나타낸다. 점선 곡선에 대한 최소 및 최대 RF 전압 간의 편차는 26% 이상이다. 실선의 곡선은 최소-최대 RF 전압 편차가 0.7%로 현저히 감소되는 도 1의 반응로의 축상(on-axis) RF 공급에서 얻은 데이터를 나타낸다. 이는 다음과 같은 개선점들, 즉 (1)RF 생성기 및 임피던스 동조가 챔버 압력의 훨씬 더 넓은 범위에 걸쳐 안정한 작동을 유지함으로써 소정의 높은 압력 범위를 100 mT 정도로 연장하며, (2)플라즈마가 웨이퍼 지지 페데스탈 아래로 관통하도록 주기적으로 자극되지 않으며, (3)파손 또는 아킹이 제거 또는 감소되며, (4)소오스 전력 전압에서의 감소된 변동으로 효율을 증대시키며, (5)DC 전력 레벨이 DC 전력 아킹 보호 회로의 거짓 알람 없이 최소화되며, (6)웨이퍼-타겟 간극이 웨이퍼 상의 증착 두께에 방위적으로 불균일함을 유발함이 없이 감소될 수 있는(예를 들어, 5 ㎝) 개선점들을 초래하는 높은 안정성 또는 정지 거동(quiescent behavior)에 대응한다.

이러한 마지막 결과인 웨이퍼 상의 방위 불균일성의 제거는 도 9의 그래프에 도시된 비교 실험 데이터에 의해 확인된다. 도 9의 수직 축선은 증착 두께의 지표인 시이트 저항에 대응하는 반면에, 수평 축선은 선택된 방사상 라인을 따라 취한 웨이퍼 상의 방사상 위치에 대응한다. 도 9의 점선의 곡선은 본 발명의 서두에서 언급한 타겟으로의 종래의 축외 RF 공급에 의해 얻어진 데이터를 나타낸다. 점선 곡선에 의해 나타낸 방위 불균일성은 25%의 최소-최대 편차에 대응한다. 도 9의 실선 곡선은 최소-최대 방위 편차가 5%로 감소된 도 1의 반응로의 축상 RF 공급에 의해 얻어진 데이터를 나타낸다. 점선 곡선의 비대칭은 도 9에서 분명하며, 그 점선 곡선은 좌측으로부터 우측으로 명확한 상방향 기울기를 가진다. 실선 곡선의 대칭은 분명하며, 도 1의 반응로에 의해 달성된 방위 균일성을 나타낸다.

본 발명의 실시예들에 대해 설명하였지만, 본 발명의 다른 추가의 실시예들이 본 발명의 기본 범주로부터 이탈함이 없이 창안될 수 있으며 본 발명의 범주는 다음의 특허청구범위에 의해 결정된다.

Claims

플라즈마 반응로로서,
천정, 상기 천정에 인접한 스퍼터 타겟 및 상기 스퍼터 타겟과 마주보는, 챔버 내의 웨이퍼 지지 페데스탈을 포함하는 반응로 챔버와,
상기 천정 위에 놓이며 상기 천정과 마주보는 상부 리드를 가지는 전도성 하우징과,
상기 하우징 내에 포함되며, 회전가능한 스핀들, 상기 회전가능한 스핀들에 내측 단부가 연결되는 방사상 아암 조립체, 및 상기 방사상 아암 조립체의 외측 단부에 연결되는 자석을 포함하는 회전 자석 조립체와,
상기 상부 리드 위로 연장하는 상기 스핀들의 일부를 에워싸며 상기 상부 리드 상에 있는 전도성 중공형 실린더와,
상기 중공형 실린더로부터 반경 방향으로 연장하는 방사상 RF 커넥션 로드, 및
RF 생성기 및 RF 임피던스 동조기를 포함하는 RF 전력 소오스를 포함하며,
상기 하우징의 상부 리드가 중앙 포트를 포함하며,
상기 스핀들이 상기 중앙 포트를 통해 축방향으로 연장하며,
상기 임피던스 동조기가 상기 RF 커넥션 로드의 외측 단부에 연결되는,
플라즈마 반응로.
제 1 항에 있어서,
상기 중공형 실린더로부터 반경 방향으로 연장하는 방사상 DC 커넥션 로드, 및
DC 전력 공급원 및 RF 차단 필터를 포함하는 DC 전력 소오스를 더 포함하며,
상기 RF 차단 필터는 상기 DC 커넥션 로드의 외측 단부에 연결되는,
플라즈마 반응로.
제 2 항에 있어서,
상기 RF 커넥션 로드 및 상기 DC 커넥션 로드는 서로로부터 각을 이루도록 오프셋된 상기 중공형 실린더 상의 위치로부터 나오는,
플라즈마 반응로.
제 3 항에 있어서,
상기 위치는 약 180°만큼 오프셋된,
플라즈마 반응로.
제 2 항에 있어서,
상기 커넥션 로드, 상기 중공형 실린더, 상기 상부 리드, 상기 하우징 및 상기 천정은 전도성이며 상기 스퍼터 타겟으로의 전기 통로를 제공하는,
플라즈마 반응로.
제 1 항에 있어서,
상기 웨이퍼 지지 페데스탈 내의 전극, 및
상기 웨이퍼 지지 페데스탈에 연결되는 RF 바이어스 전력 소오스를 더 포함하는,
플라즈마 반응로.
제 6 항에 있어서,
상기 RF 바이어스 전력 소오스는,
고 주파수 RF 전력 생성기 및 상기 전극에 연결되는 고 주파수 임피던스 동조기, 및
저 주파수 RF 전력 생성기 및 상기 전극에 연결되는 저 주파수 임피던스 동조기를 더 포함하는,
플라즈마 반응로.
제 1 항에 있어서,
RF 차폐물 인클로져를 더 포함하며,
상기 RF 차폐물 인클로져는,
상기 하우징과의 사이에 제 1 간극을 형성하도록 상기 하우징으로부터 분리되며 상기 하우징을 에워싸는 전도성 측벽과,
상기 하우징의 상부 리드와의 사이에 제 2 간극을 형성하도록 상기 하우징의 상부 리드로부터 분리되며 상기 상부 리드의 위에 놓이는 전도성 차폐물 리드, 및
상기 중공형 실린더와의 사이에 제 3 간극을 형성하도록 상기 중공형 실린더로부터 분리되며 상기 중공형 실린더를 에워싸는 전도성 슬리브를 포함하며,
상기 제 1, 제 2 및 제 3 간극은 연속적인 공간을 형성하는,
플라즈마 반응로.
제 8 항에 있어서,
상기 연속적인 공간은 유전체 물질로 채워지는,
플라즈마 반응로.
제 9 항에 있어서,
상기 유전체 물질은 공기를 포함하며,
상기 반응로는 상기 간극을 유지하기 위해 상기 공간 내에 저 유전체 상수의 절연체 스트럿을 더 포함하는,
플라즈마 반응로.
천정 및 상기 천정에 인접한 스퍼터 타겟을 갖는 플라즈마 반응로에 사용되는 RF 공급 장치로서,
상기 천정 위에 놓이며 상기 천정과 마주보는 상부 리드를 갖는 전도성 하우징과,
상기 하우징 내에 포함되며, 회전가능한 스핀들과, 상기 스핀들에 내측 단부가 연결되는 방사상 아암 조립체 및 상기 방사상 아암 조립체의 외측 단부에 연결되는 자석을 포함하는, 회전 자석 조립체와,
상기 상부 리드 위에 놓이며 상기 상부 리드 위로 연장하는 상기 스핀들의 일부를 에워싸는 전도성 중공형 실린더, 및
상기 중공형 실린더로부터 반경 방향으로 연장하는 방사상 RF 커넥션 로드를 포함하며,
상기 하우징의 상부 리드가 중앙 포트를 포함하며, 상기 스핀들이 상기 중앙 포트를 통해 축방향으로 연장하며,
상기 RF 커넥션 로드가 RF 전력 소오스와의 연결을 위해 개조되는,
RF 공급 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 중공형 실린더로부터 반경 방향으로 연장하는 방사상 DC 커넥션 로드를 더 포함하며,
상기 DC 커넥션 로드는 DC 전력 소오스와의 연결을 위해 개조되며, 상기 RF 커넥션 로드 및 DC 커넥션 로드는 서로로부터 각을 이루도록 오프셋된 상기 중공형 실린더 상의 위치로부터 나오며, 상기 위치는 약 180°만큼 오프셋된,
RF 공급 장치.
제 12 항에 있어서,
상기 커넥션 로드, 상기 중공형 실린더, 상기 상부 리드, 상기 하우징 및 상기 천정은 전도성이며 상기 스퍼터 타겟으로의 전기 통로를 제공하는,
RF 공급 장치.
제 11 항에 있어서,
RF 차폐물 인클로져를 더 포함하며,
상기 RF 차폐물 인클로져는,
상기 하우징과의 사이에 제 1 간극을 형성하도록 상기 하우징으로부터 분리되며 상기 하우징을 에워싸는 전도성 측벽과,
상기 하우징의 상부 리드와의 사이에 제 2 간극을 형성하도록 상기 하우징의 상부 리드로부터 분리되며 상기 상부 리드의 위에 놓이는 전도성 차폐물 리드, 및
상기 중공형 실린더와의 사이에 제 3 간극을 형성하도록 상기 중공형 실린더로부터 분리되며 상기 중공형 실린더를 에워싸는 전도성 슬리브를 포함하며,
상기 제 1, 제 2 및 제 3 간극은 연속적인 공간을 형성하며, 상기 연속적인 공간 내부에는 유전체 물질이 포함되어 있는,
RF 공급 장치.
제 14 항에 있어서,
상기 유전체 물질은 공기를 포함하며,
상기 장치는 상기 간극을 유지하기 위해 상기 공간 내에 저 유전체 상수의 절연체 스트럿을 더 포함하는,
RF 공급 장치.