KR20170005140A - 완전 평면 소스로서의 통합형 유도성 코일 및 마이크로파 안테나 - Google Patents

완전 평면 소스로서의 통합형 유도성 코일 및 마이크로파 안테나 Download PDF

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Abstract

본 개시내용은 동일한 물리적 하드웨어를 사용하여 유도 결합 플라즈마(ICP) 및 표면파 플라즈마를 생성하기 위해 단일 전원 어셈블리를 사용할 수 있는 플라즈마 처리 시스템에 관한 것이다. 전원 어셈블리는 무선 주파수(RF) 전원을 위한 ICP 코일 및 마이크로파 소스를 위한 슬롯 안테나로서 사용될 도전성 물질을 포함할 수 있는 안테나 플레이트를 포함할 수 있다.

Description

완전 평면 소스로서의 통합형 유도성 코일 및 마이크로파 안테나{INTEGRATED INDUCTION COIL ＆ MICROWAVE ANTENNA AS AN ALL-PLANAR SOURCE}
본 발명은 반도체 처리 기술에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 반도체 기판을 처리하기 위한 처리 시스템의 플라즈마 특성들을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 기판들을 처리하기 위한 플라즈마 처리 동안의 플라즈마 균일성, 이온 대 라디칼 플럭스(flux) 비, 및 에너지 플럭스 제어는 기판 상에서 패터닝 구조들을 달성하거나 또는 기판으로부터 제거되는 물질의 양 또는 기판 상에 또는 기판 내에 퇴적되는 물질의 양을 제어하는데 중요하다. 플라즈마 생성을 위한 통상적인 방법은 무선 주파수 전력으로 또는 마이크로파의 인가로 구동되는 유도성 코일로부터의 유도성 결합이다. 각 방법은 뚜렷한 장점들을 갖는다. 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma; ICP) 소스들은 플라즈마 바디에서 비교적 낮은 압력의 높은 전자 밀도 및 높은 전자 온도에서 플라즈마를 생성시키는데 사용될 수 있다. 이와는 대조적으로, 마이크로파 소스들은 더 높은 압력에서 작동되는 경향이 있다. 과밀 플라즈마 영역 또는 표면파 모드에서의 작동은 플라즈마 체적에서 그리고 기판 근처에서 비교적 낮은 전자 온도(Te)를 발생시키면서 또한 웨이퍼에 큰 이온 플럭스를 제공하는 경향이 있다. 이러한 유형의 표면파 마이크로파 플라즈마 소스의 예시는 방사상 라인 슬롯 안테나 플라즈마 소스이다.
표면파 구동 마이크로파 소스들의 경우, ICP 소스들이 일반적으로 작동되는 저전력 및 저압 영역들에서 플라즈마 균일성을 제어하는 것은 어렵다. 또한, 낮은 전자 온도가 항상 바람직한 것은 아니다. 하드 마스크 개구화(hard mask open; HMO) 공정들은 실리콘 질화물 또는 실리콘 이산화물 마스크가 포토레지스트로 패터닝된 다음, CF4 또는 CHF3 함유 플라즈마에서 에칭되어, 새롭게 패터닝된 실리콘 이산화물 또는 실리콘 질화물이 후속 폴리실리콘 게이트 패터닝 단계를 위한 마스크일 수 있도록 하는 공정들이다. HMO 공정들은 산화물 마스크 개구화의 경우에서의 CF4와 같은 전구체들의 풍부한 해리로부터의 커다란 불소 플럭스들(큰 불소 대 플루오로카본(CF2) 비)로부터 이익을 얻는다. 많은 고려사항들 중에서, 마스크 임계 치수(critical dimension; CD) 제어를 위해 포토레지스트 상에서의 과도한 퇴적은 회피되어야 한다. 전자 온도가 낮고 챔버 체류 시간이 길면, 마이크로파에 의해 많은 양의 불소가 생성되지만, 플루오로카본 라디칼들 중에서의 또는 플루오로카본 라디칼들과의 불소의 재결합은 기판 상에서의 불소 대 플루오로카본 라디칼 비를 작게 만든다. 고압에서 균일성은 우수하지만, 플라즈마 화학 조건은 이 예시적인 HMO 공정에 대해서는 최적이 아니다. 저압 플라즈마 화학 조건은 바람직하지만 양호한 균일성을 달성하는 것은 어렵다. HMO 단계를 따르는 게이트 스택 에칭 단계의 경우, 결과적으로 낮은 Te 조건을 갖는 고압에서의 마이크로파 소스 작동이 프로파일 제어 및 선택성을 위해 바람직하다. 고압에서 발생하는 커다란 라디칼 플럭스들(예컨대, Cl)은 측벽들 상에 재퇴적되어 테이퍼링된 폴리실리콘 프로파일들을 야기시키는 반응 부산물(예컨대, SiCl)과는 달리 고도로 염소화된 불활성 부산물(예컨대, SiCl4)을 야기시키는 기판에 대한 라디칼 커버리지를 초래시킨다. 전자 온도가 낮으면, 바람직하지 않은 낮은 정도의 할로겐화 생성물로의 부산물의 해리가 회피된다. 고압 작동은 게이트가 폴리실리콘 아래의 산화물까지 에칭될 때 적당한 선택도와 하드 마스크에 대한 선택도를 제공하기에 충분하도록 이온 에너지가 낮게 하는 것을 보장한다.
ICP 소스들은 저압에서 잘 작동하며, 대부분의 플라즈마 체적을 포함하는 영역의 높은 Te를 특징으로 한다. 그 결과로서, 조건들은 HMO에 대해 바람직하다. 플라즈마 균일성이 또한 일반적으로 허용가능하다. 고압 구동 마이크로파 방전의 경우와는 달리, 저압 ICP 작동을 갖는 게이트 에칭 공정들은 예컨대, FinFET 에칭에서, 평면 게이트에서의 손상, 리세스, 또는 핀 구조물에 대한 물리적 손상을 피하기 위해 다중 공정 단계들을 필요로 한다. 손상의 원인은 저압에서 비교적 높은 전자 온도로 인해 유발되는, 웨이퍼 부근에서의 더 큰 플라즈마 전위와 관련이 있다.
따라서, 평면 기판의 처리를 가능하게 하는 방식으로 ICP 및 마이크로파 소스들의 특징들을 결합하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명은 유도 결합 플라즈마(ICP)와 마이크로파 소스들의 조합을 사용하여 기판 상에서의 플라즈마 밀도(중성 라디칼 및 이온 종 및 에너지 플럭스)를 제어하기 위한 플라즈마 처리 시스템에 관한 것이다. 플라즈마 처리 시스템은 반도체 기판 상에 막을 에칭하거나, 도핑하거나, 또는 퇴적하기 위해 플라즈마를 사용하여 기판을 수용하고 처리할 수 있는 플라즈마 챔버를 포함할 수 있다.
플라즈마 챔버는 가스 전달 시스템을 통해 전달되는 가스를 이온화하기 위해 전자기 에너지를 방출할 수 있는 두 개 이상의 플라즈마 소스들을 포함할 수 있다. 두 개 이상의 플라즈마 소스들은 평면 형태로 배열될 수 있고, 에너지 전달 컴포넌트가 플라즈마 소스들 둘 다에 공통되는 방식으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 결합된 ICP 및 마이크로파 플라즈마 소스에서, 전달 컴포넌트는 마이크로파 플라즈마 생성을 위한 안테나 및 ICP 플라즈마 생성을 위한 유도 코일 둘 다이다. 하나의 실시예에서, 평면 ICP 코일 및 평면 마이크로파 안테나 애플리케이터는 마이크로파 에너지 및 무선 주파수(radio frequency; RF) 에너지를 플라즈마 챔버 내로 전달하는데 사용되는 동일한 물리적 하드웨어를 공유한다.
하나의 실시예에서, 플라즈마 챔버는 마이크로파 전력 공급기를 위한 슬롯 안테나 및 무선 주파수(RF) 전력 공급기를 위한 ICP 코일로서 기능하는 안테나 플레이트 또는 전달 컴포넌트를 포함하는 전원 어셈블리를 포함할 수 있다. 안테나 플레이트는 저속파 플레이트 또는 마이크로파 도파관과, 플라즈마 챔버에 제공된 반응 가스들로부터 마이크로파 도파관 및 안테나를 격리시키는 배리어 컴포넌트 사이에 배치될 수 있다. 저속파 플레이트는 또한 전자기 에너지가 플라즈마에 결합되는 매체로서 작용한다. 전자기파의 4분의 1 파장이 플레이트의 최소 치수보다 작으면, 전자기파는 정상파를 형성할 수 있고, 플레이트로부터 플라즈마 공간까지 지나가는 파동의 소멸(evanescent) 부분을 통해 플라즈마에 결합될 수 있다. 배리어 컴포넌트는 석영 또는 세라믹으로 제조될 수 있는 유전체 물질을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 안테나 플레이트는 표면에 걸쳐 있는 도전성 물질(예를 들어, 금속) 패턴을 포함할 수 있으며, 마이크로파 에너지의 전달을 가능하게 할 수 있는 안테나 플레이트를 통한 개구 또는 슬롯과 통합될 수 있다. 마이크로파 에너지를 전달하는 것 이외에, 안테나 플레이트는 RF 에너지도 전달할 수 있다. RF 에너지의 파장은 저속파 플레이트 또는 배리어 컴포넌트의 두께 치수보다 크다. 도전성 물질은 플라즈마 챔버를 가로질러 흐르거나 또는 플라즈마 챔버 주변에 흐르는 전류를 위한 저 임피던스 경로를 형성하는 방식으로 패터닝될 수 있다. RF 전력 공급기는 안테나 플레이트에 결합될 수 있고, 도전성 물질을 통해 RF 신호(예를 들어, 전류)를 도전성 물질에 결합된 접지 단자에 전달할 수 있다. RF 신호는 유전체 물질을 통해 자기장을 전달함으로써 반응 가스들의 이온화(플라즈마)를 유도할 수 있다. 따라서, 안테나 플레이트는 마이크로파 에너지 및 RF 에너지에 대한 공통 전달 컴포넌트를 사용하여 ICP 플라즈마 및 표면파 플라즈마를 동시에 생성하는데 사용될 수 있다.
본 명세서에 통합되어 그 일부를 구성하는 첨부 도면들은 본 발명의 실시예들을 도시하고, 전술한 본 발명의 일반적인 설명 및 이하에서 주어지는 상세한 설명과 함께, 본 발명을 설명하는 역할을 한다. 추가적으로, 참조번호의 가장 좌측의 숫자(들)은 해당 참조번호가 처음 나타나는 도면을 식별한다.
도 1은 마이크로파 및 RF 에너지를 전달하기 위해 안테나 플레이트를 사용하는 전원 어셈블리를 포함하는 플라즈마 챔버의 개략적인 단면도를 도시하는 플라즈마 처리 시스템의 대표적인 실시예의 도면이다.
도 2는 플라즈마 챔버 내부의 유도 결합 플라즈마 및 표면파 플라즈마를 생성하기 위해 안테나 플레이트를 사용하는 전원 어셈블리의 개략적인 단면도이다.
도 3은 플라즈마 챔버에서 플라즈마를 생성시키는 에너지를 전달하는데 사용될 수 있는 개구/슬롯과 도전성 물질을 병합한 안테나 플레이트 패턴의 대표적인 실시예의 도면이다.
도 4는 플라즈마 챔버용 슬롯 안테나 및 ICP 코일일 수 있는 안테나 플레이트 패턴의 다른 대표적인 실시예의 도면이다.
도 5는 안테나 플레이트를 사용하여 플라즈마 챔버에서 플라즈마를 생성시키는 방법의 흐름도이다.
다음의 상세한 설명은 본 개시내용에 부합하는 예시적인 실시예들을 예시하기 위한 첨부 도면들을 참조한다. "하나의 실시예", "실시예", "예시적인 실시예" 등과 같은 상세한 설명에서의 언급은 설명된 예시적인 실시예가 특정한 특징, 구조 또는 특성을 포함할 수 있음을 나타내지만, 모든 예시적인 실시예가 반드시 이러한 특정한 특징, 구조 또는 특성을 포함하는 것은 아니다. 또한, 이러한 어구들은 반드시 동일한 실시예를 언급하는 것은 아니다. 더 나아가, 특정한 특징, 구조, 또는 특성이 실시예와 관련하여 설명될 때, 명시적으로 설명했는지 아닌지에 상관없이 다른 예시적인 실시예들과 결부시켜서 이러한 특징, 구조, 또는 특성에 영향을 미치는 것은 관련 기술(들)의 당업자의 지식 내에 있다.
여기에 설명된 예시적인 실시예들은 설명의 목적으로 제공된 것이며 제한성을 갖지는 않는다. 다른 실시예들이 가능하며, 본 개시내용의 범위 내에서 예시적인 실시예들에 대한 수정이 이루어질 수 있다. 그러므로, 상세한 설명은 본 개시내용을 제한하는 것을 의미하지 않는다. 오히려, 본 개시내용의 범위는 다음의 청구항들 및 그 등가물에 따라서만 정의된다.
다음의 예시적인 실시예들의 상세한 설명은 다른 사람들이 관련 기술(들)의 당업자의 지식을 적용하여, 과도한 실험없이, 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않고서, 이러한 예시적인 실시예들과 같은 다양한 응용예들을 용이하게 변형 및/또는 개조할 수 있다라는 본 개시의 일반적인 성질을 완전히 밝힐 것이다. 그러므로, 이러한 개조 및 변형은 여기에 제시된 교시 및 지침에 기초한 예시적인 실시예들의 의미 및 복수의 등가물 내에 있는 것으로 의도된다. 본 명세서에서의 어구 또는 용어는 설명을 위한 것일 뿐 제한성을 갖는 것은 아니며, 본 명세서의 용어 또는 어구는 본 명세서의 교시내용에 비추어 관련 기술(들)의 당업자에 의해 해석되어야 한다는 것이 이해될 것이다.
도 1은 플라즈마 챔버(102)에서 생성된 플라즈마(도시되지 않음)를 사용하여 기판들을 처리하기 위한 플라즈마 처리 시스템(100)을 나타낸다. 플라즈마는 가스 전달 시스템(104)에 의해 제공되는 가스를 이온화하고 마이크로파 전원(106) 및 무선 주파수(RF) 전원(108)에 의해 제공되는 전자기 에너지에 가스를 노출시킴으로써 플라즈마 챔버(102)에서 생성될 수 있다. 진공 시스템(110)은 또한 플라즈마 생성 동안 플라즈마 챔버(102) 내의 압력을 대기압 아래로 유지할 수 있다. 가스 전달 시스템(104)은 플라즈마 챔버(102) 내의 유동 가스를 제어하기 위해 사용되는 질량 유량 제어기, 체크 밸브 등을 포함할 수 있다. 진공 시스템(110)은 플라즈마 챔버(102) 내의 압력을 제어하기 위해 하나 이상의 펌프 및 제어 시스템(예를 들어, N2 밸러스트 시스템, 버터 플라이 밸브 시스템)을 포함할 수 있다.
플라즈마 생성은 전기적으로 중성인 가스에 전자기 에너지를 인가하여 음으로 하전된 전자들이 가스 분자로부터 방출되도록 하고 이 가스 분자가 손실된 전자의 결과로서 양으로 하전되도록 함으로써 행해질 수 있다. 시간이 지남에 따라, 전자기 에너지 및 가스 내의 증가하는 전자 충돌은 가스 내의 이온화된 분자들의 밀도를 증가시킬 수 있어서, 이온화된 분자들은 플라즈마 챔버(102) 내에서의 전위차들에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 챔버(102) 내에서의 전위차들은 이온화된 분자들(또는 원자들, 또는 라디칼들)을 기판(도시하지 않음)쪽으로 지향시킬 수 있다. 이온화된 분자들은 기판과 상호작용하거나 또는 기판의 일부를 제거할 수 있거나 기판 상에 퇴적될 수 있는 방식으로 기판을 처리할 수 있다. 이러한 방식으로, 패턴들이 기판 내로 에칭되거나 또는 기판 상에 막이 퇴적될 수 있다.
플라즈마 챔버(102) 단면도(112)는 기판 홀더(116) 부근의 영역 내로 마이크로파 에너지, RF 에너지 및 가스의 전달을 가능하게 하는 전원 어셈블리(114)의 하나의 실시예를 나타낼 수 있다. 가스는 전원 어셈블리(114)의 중심을 통해 가스 경로(118)를 따라 기판 홀더(116) 부근의 플라즈마 처리 영역 내로 도입될 수 있다. 다른 실시예들에서, 가스는 플라즈마 챔버(102) 내의 다른 위치로부터 도입될 수 있다. 플라즈마 처리 영역은 또한 기판 홀더(116) 상에 배치된 기판(도시되지 않음)을 처리하는데 사용될 수 있는 플라즈마를 생성하기 위해 전원 어셈블리(114)로부터 에너지를 수용할 수 있다. 에너지는 마이크로파 도파관(122)과 기판 홀더(116)와 대향해 있는 유전체 컴포넌트(124) 사이에 배치된 안테나 플레이트(120)로부터, 몇가지 방식으로, 모두 전달되는 마이크로파 에너지 및 RF 에너지의 조합을 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 안테나 플레이트(120), 마이크로파 도파관(122) 및 유전체 컴포넌트(124)는 가스 경로(118) 주위에 배치될 수 있다. 가스 경로(118)의 각각의 측면 상에 도시된 전술한 컴포넌트들은 컴포넌트들의 동일하거나 연속적인 배열일 수 있다.
안테나 플레이트(120)는 전류가 기판 홀더(116)에 실질적으로 평행할 수 있는 평면에서 전원 어셈블리(114) 주위에 흐를 수 있게 하는 방식으로 배열될 수 있다. 전류는 저 임피던스 경로(예를 들어, 금속층)를 따라 RF 전원(108)과 접지 단자(126) 사이를 흐르도록 유도되어 저 임피던스 경로 주위에 자기장(도시되지 않음)을 생성할 수 있다. 이 실시예에서, 저 임피던스 경로는, 원형일 수 있고, 저 임피던스 경로가 가스 경로(118) 부근에서 끝날 때 까지 반경을 감소시키면서 가스 경로 주위에 배치될 수 있다. 전기적 접지(126) 연결부는 가스 경로(118) 부근에 있는 저 임피던스 경로에 형성될 수 있고, RF 전력 공급기(108) 연결부는 전원 어셈블리(114)의 외측 가장자리 부근에 있는 저 임피던스 경로에 형성될 수 있다. 저 임피던스 경로의 배열은 도 3 및 도 4의 설명에서 보다 상세히 설명될 것이다. 저 임피던스 경로는 마이크로파 도파관(122) 또는 유전체 컴포넌트(124)에 결합될 수 있는 도전성 물질에 의해 형성될 수 있다. 도전성 물질은 알루미늄, 강, 또는 구리를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 도전성 물질은 또한 마이크로파 도파관(122)의 표면 상에 퇴적된 막일 수 있고, 적어도 2㎜의 두께를 가질 수 있다.
저 임피던스 경로의 특정 부분들 사이에서 전류가 흐를 수 없는 저 임피던스 경로의 부분들 사이의 영역을 마이크로파 갭(128)이라고 부를 수 있다. 마이크로파 갭(128)은 개방 영역 또는 갭일 수 있거나, 또는 전류가 저 임피던스 경로를 벗어나는 것을 방지하는 유전체 물질에 의해 점유될 수 있다. 마이크로파 갭(128)은 연속적일 수 있고, 저 임피던스 경로와 유사한 패턴을 따를 수 있다. 마이크로파 갭(128)의 갭 치수는, 금속의 표피 깊이인 5미크론과 10㎜ 사이에서 변할 수 있으며, 일반적으로, 유전체 물질 내의 마이크로파의 ¼ 파장보다 작을 수 있으며, 마이크로파 도파관(122)에서 생성된 정상파의 유형에 적어도 부분적으로 기초하여 달라질 수 있다. 마이크로파 갭(128)은 정상파(도시되지 않음)를 유전체 컴포넌트(124) 내로 전달할 수 있도록 구성되거나 배향될 수 있다. 이러한 방식으로, 정상파는 플라즈마 챔버(102) 내의 공정 가스들을 활성화시켜서 플라즈마를 생성하여 기판을 처리할 수 있다.
다른 실시예들에서, 마이크로파 갭(128)은 연속적이지 않을 수 있으며, 저 임피던스 경로 주위의 안테나 플레이트(120) 내의 복수의 개구 또는 슬롯을 사용하여 형성될 수 있다. 몇몇의 경우들에서, 개구 또는 슬롯은 저 임피던스 경로와 교차하지만, 저 임피던스 경로를 통한 전류 흐름을 방해하지 않는 방식으로 교차할 수 있다.
도 2에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 정상파(도시되지 않음)는 안테나 플레이트(120)를 통해 에너지의 전달을 가능하게 하는 마이크로파 도파관(122)에서 생성될 수 있다. 이와 동시에, 안테나 플레이트(120)에 결합된 RF 전원(108)에 의해 유도된 전류 흐름(도시되지 않음)으로 인해 안테나 플레이트(120)로부터 자기장이 전달될 수도 있다.
도 2는 플라즈마 챔버(102) 내부의 유도 결합 플라즈마(ICP)(202) 및 표면파 플라즈마(surface wave plasma; SWP)(204)를 생성하기 위해 안테나 플레이트(120)를 사용하는 전원 어셈블리(114)의 개략적인 단면도(200)이다. 일반적으로, ICP(202)는 안테나 플레이트(120)의 저 임피던스 경로를 통한 전류 흐름에 의해 형성될 수 있는 자기장(206)에 의해 생성될 수 있다. SWP(204)는 플라즈마 챔버(102) 내의 가스가 마이크로파 전원(106)에 의해 제공되는 마이크로파 도파관(122) 내의 정상파(210)에 의해 생성될 수 있는 유전체 정상파(208)에 의해 활성화될 때 생성될 수 있다. 자기장(206), 유전체 정상파(208), 및 정상파(210)는 전원 어셈블리(114)의 대향 측면들 상에 있는 것으로 도시되어 있지만, 이러한 특징들은 전원 어셈블리(114)의 양쪽 부분들에 걸쳐 있는 ICP(202) 및 SWP(204)에 의한 증거로서 전원 어셈블리(114)의 양쪽 측면들에서 존재한다. 이 특징들은, 좌우측의 도면들에서의 전기장 및 자기장 패턴들이 원통형 대칭의 장들을 나타내도록 하기 위해, 설명과 도시의 용이함을 위해 분리되어 도시되어 있는 것이다.
이 실시예에서, 도해(200)의 ICP(202) 부분을 보면, 안테나 플레이트(120)는 외측 가장자리로부터 전원 어셈블리(114)의 중심쪽으로 원형 방식으로 전류를 운송할 수 있는 저 임피던스 경로를 전원 어셈블리(114) 주위에 형성할 수 있다. 이 경우에서, 원형 전류 흐름은 도해(200)의 표면으로부터 전류의 외향 방향(212) 및 내향 방향으로 나타날 수 있다. 외향 방향(212)은 도 2의 페이지에 의해 형성된 평면 밖으로 실질적으로 수직으로 연장되는 방향으로 저 임피던스 경로를 형성하는 도전성 물질의 표면을 따라 전류가 흐를 수 있음을 나타낸다. 내향 방향(214)은 도 2의 페이지에 의해 형성된 평면 안쪽으로 실질적으로 수직 방식으로 연장되는 방향으로 저 임피던스 경로를 형성하는 도전성 물질의 표면을 따라 전류가 흐를 수 있음을 나타낸다. 자기장(206)은 전류 흐름의 결과로서 저 임피던스 경로 주위에 형성될 수 있다. 이러한 경로의 부분들은 자기장(206)의 개별적인 부분을 생성할 수 있지만, 설명의 용이함을 위해, 자기장(206)은 저 임피던스 경로의 모든 부분들을 포함하는 단일체 표현으로 도시된다.
RF 자기장(206)은 안테나 플레이트(120)에서의 전류 흐름과 실질적으로 평행한 전류 흐름을 ICP(202) 플라즈마 내에서 유도함으로써 플라즈마 챔버(102) 내의 전자들(도시되지 않음)을 활성화시키는데 사용될 수 있다. 유도된 전류 흐름은 ICP(202)에서 외향(216) 및 내향(218) 전류 흐름들에 의해 나타난다. 전류 흐름은 외향(216)하여 흐르는 전류 및 도면 내로 내향(218)하여 흐르는 전류에 의해 도시된 바와 같은 ICP(202)를 사용하여 가스 경로(118)를 중심으로 회전할 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, ICP(202)는 ICP(202)의 가장 우측 부분이 내향하여 진행하는 전류를 가질 수 있고 ICP(202)의 바로 인접한 부분이 도면 밖으로 흐르는 전류를 가질 수 있도록, 전류를 내향 또는 외향으로 교호 방식으로 지향시키도록 구성될 수 있다. 전류의 내향 및 외향 방향들은 ICP(202)의 나머지 부분들을 따라 번갈아 나타날 수 있다. ICP 원형 전류들(212, 214)은 서로 위상이 어긋날 수 있다. 당연히, 유도된 전류(예를 들어, 전류(216 또는 218))는 서로 위상이 어긋날 수 있고, 각각의 원형 전류들(212, 214)의 반대 방향으로 흐를 수 있다.
도해(200)의 SWP(204) 부분을 보면, 유전체 정상파(208)는 마이크로파 도파관(122) 내에 형성된 정상파(210)로부터 생성될 수 있다. 유전체 정상파(208)의 적어도 일부는 SWP(204)를 형성하기 위한 가스(도시되지 않음)를 활성화시키기 위해 기판 홀더(116)에 대향해 있는 플라즈마 챔버(102)의 일부 내로(예를 들어, 유전체 컴포넌트(124)의 외부로) 전달될 수 있다. ICP(202)와 SWP(204)의 조합은 기판 홀더(116) 내에/그 위에 배치된 기판을 처리하는데 사용될 수 있다. 플라즈마 밀도 및 균일성은 안테나 플레이트(120)의 설계, 인가된 마이크로파 전력, 인가된 RF 전력, 및 플라즈마 챔버(102) 내의 가스들의 유형과 관련이 있을 수 있다.
하나의 실시예에서, 마이크로파 전력은 500W와 5000W 사이의 범위일 수 있으며, 바이어스 전력은 300W와 500W 사이의 범위일 수 있고 비교적 낮은 압력(예를 들어, <100mTorr)에서 작동할 수 있고 CHF3 화학물질을 사용할 수 있다. 다른 실시예에서, 공정 압력은 비교적 더 높을 수 있고(예컨대, >100mTorr), Ar/Cl2 또는 Ar/HBr 화학물질을 사용하고 200W와 2000W 사이의 마이크로파 전력을 사용할 수 있다.
도 3은 플라즈마 챔버(102)를 위한 슬롯 안테나 및 ICP 코일일 수 있는 안테나 플레이트(120) 패턴의 대표적인 실시예의 평면도(300)이다. 안테나 플레이트(120)는 ICP 플라즈마(202)를 생성시키는데 사용되는 ICP 코일과 같은 작동의 일부로서 전류를 운송하는 저 임피던스 경로(302)를 포함할 수 있다. 안테나 플레이트(120)는 또한 안테나 플레이트(120) 주위에 저 임피던스 경로(302)의 윤곽을 형성할 수 있는 제1 슬롯 개구(304) 및 제2 슬롯 개구(306)를 구비함으로써 SWP(204)를 생성하기 위한 슬롯 안테나로서 작동할 수 있다. 제1 슬롯 개구(304) 및 제2 슬롯 개구(306)는 안테나 플레이트(120)를 따라 전달된 마이크로파 에너지가 도 1에서 도시된 바와 같이, 안테나 플레이트(120)에 대향해 있는 플라즈마 챔버(102) 내로 개구를 통해 전달되게 할 수 있다.
상기 개구는 플라즈마 챔버(102) 내로의 에너지의 전달을 가능하게 하는 두께를 포함할 수 있다. 개구 두께 또는 거리는 전원(108)에 의해 제공된 에너지의 파장에 따라 변할 수 있다. 하나의 실시예에서, 거리는 전원(108)에 의해 제공된 에너지의 ½ 파장을 초과하지 않는 거리를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 개구는 도 3에서 도시된 개구들(304, 306)과는 달리 비연속적일 수 있다. 예를 들어, 개구는 안테나 플레이트(120) 주위에 패턴으로 배열된 개별적인 개구들로 구성될 수 있다. 개구들 사이의 거리는 안테나 플레이트(120) 또는 가스 경로(118) 주위에서 원하는 방향으로 전류 흐름(310)을 지향시키도록 배열될 수 있다.
개구는 직사각형, 정사각형, 삼각형, 또는 타원형 형상을 포함할 수 있고, 가스(예를 들어, Ar, N2, He 등) 또는 유전체 물질(예를 들어, 석영, 세라믹 등)로 채워질 수 있다. 직사각형은 네 개의 변들 중 두 개의 변들이 나머지 다른 두 개의 변들보다 긴 사변체를 포함할 수 있다. 정사각형은 각 변이 실질적으로 유사한 길이를 갖는 사변체를 포함할 수 있다. 삼각형 형상은 동일한 길이의 변들 또는 가장 긴 변보다 짧은 적어도 두 개의 변들을 포함할 수 있는 삼변체를 포함할 수 있다. 타원체는 변들 사이의 각도가 90도 미만이 되도록 둥글어져 있는 변들을 갖는 직사각형과 유사할 수 있거나, 또는 직사각형 또는 정사각형보다 더 둥근 형상일 수 있다.
저 임피던스 경로(302)는 저 임피던스 경로(302)에 결합될 수 있는 RF 전력 공급기(108)와 접지 단자(126) 사이에 전류 흐름을 가능하게 할 수 있는 금속(예를 들어, 구리) 또는 임의의 다른 도전성 물질로 형성될 수 있다. 전류 흐름(310)은 화살표(306)로 도시된 바와 같이 저 임피던스 경로(302)를 따라 오실레이팅할 수 있다.
저 임피던스 경로(302) 및 개구들(304, 306)의 패턴은 크기가 변할 수 있고 배향은 도 3에서 도시된 원형 패턴으로 제한되지 않아야 한다. 다른 실시예들에서, 저 임피던스 경로(302)는 정사각형 또는 직사각형 형상일 수 있고, 안테나 플레이트(120)에 전류를 임의적으로 분배시키는 방식으로 형성될 수 있다. 저 임피던스 경로(302)는 두께가 5미크론과 10미크론 사이에 있고 폭은 1㎜와 5㎝ 사이에서 변할 수 있다. 폭은 2.45GHz의 경우 3㎝인 마이크로파 파장의 ½을 초과해서는 안된다.
패턴은 접지 단자(126) 및 RF 전력 공급기(108)의 위치를 고려할 수도 있는데, 이들 위치들이 전원 어셈블리(114)의 표면 영역에 걸쳐 전류의 경로를 연장하도록 최적화될 수 있다. 도 3의 실시예에서, 접지(126)는 안테나 플레이트(120)의 중심 부근에 배치될 수 있고, 전력 공급기는 안테나 플레이트(120)의 가장자리 근처에 배치될 수 있다. 이 경우, 전류는 전원(108)과 접지(126) 사이의 저 임피던스 경로(302)를 따라 흐르거나 또는 오실레이팅할 수 있다. 이러한 방식으로, 에너지는 개구들(304, 306)을 통해 플라즈마 챔버(102)의 처리 영역 내로, 또는 처리 영역 내의 공정 가스에서 전류 흐름을 유도하는 자기장(206)을 통해 전달될 수 있다.
다른 실시예에서, 안테나 플레이트(120)는 안테나 플레이트(120)의 가장자리에서 하나 이상의 전원들에 결합될 수 있다. 개구에 의해 분리될 수 있는 저 임피던스 경로(302)의 인접한 부분들이 인접 부분과 위상이 어긋난 전류를 가질 수 있도록, 개구들(304, 306)은 안테나 플레이트(120) 주위에서 전류를 구동시키도록 배열될 수 있다. 이러한 유형의 실시예의 하나의 예시가 도 4에서 도시되어 있다.
하나의 특정 실시예에서, 2.45GHz의 주파수를 갖는 표면파 소스를 사용하여, 개구 폭은 5㎝보다 클 수 있다. 그러나, RF-ICP 소스를 사용하는 다른 실시예에서, 개구 폭은 1㎜보다 클 수 있다.
다른 실시예에서, 안테나 플레이트(120)는 안테나 플레이트의 중심에서 하나 이상의 전원들을 가질 수 있다. 하나의 예시에서, 개구들(304, 306)은 안테나 플레이트(120)의 가장자리에 위치한 접지쪽으로 안테나 플레이트(120) 주위에서 전류를 구동시키도록 배열될 수 있다. 이 실시예에서, 개구에 의해 분리될 수 있는 저 임피던스 경로(302)의 인접 부분들은 안테나 플레이트의 인접한 부분과 위상이 어긋난 전류를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 접지는 또한 전원 부근에서, 안테나 플레이트(120)의 중심 근처에 위치될 수 있다. 개구들은 안테나 플레이트(120) 주위에서 전류를 구동시키고 안테나 플레이트(120)의 중심 근처의 접지로 되돌아가도록 배열될 수 있다.
도 4는 플라즈마 챔버(102)를 위한 슬롯 안테나 및 ICP 코일로서 사용될 수 있는 안테나 플레이트(120) 패턴의 다른 대표적인 실시예의 도면(400)이다. 도전성 경로(403)(예를 들어, 저 임피던스 경로(302)와 유사함)는 또한 RF 전력 공급기(108)와 접지 단자(126) 사이에 전류를 운송하거나 또는 오실레이팅할 수 있다. 이 실시예에서, 도전성 경로(402)는 RF 전력 공급기(108) 연결부 및 접지 단자 연결부(126)를 전원 어셈블리(114)의 가장자리 부근에 위치하게끔 배열될 수 있다. 접지(126)의 배치는 저 임피던스 경로(302)의 인접한 부분들 사이의 전류 흐름이 서로 위상이 어긋나도록 하는 방식으로 전류 경로 또는 오실레이션을 변경하여, 전류 흐름이 인접한 부분들 간에 상반되는 방향으로 있을 수 있게 할 수 있다. 이 예시에서, 저 임피던스 경로(302)는 전원(108) 연결부에서 시작하여 안테나 플레이트(120)의 중심쪽으로 실질적으로 원형 경로를 따를 수 있다. 도 3과는 대조적으로, 접지(126)는 안테나 플레이트(120)의 가장자리에 위치되고, 개구들(304, 306)은 실질적으로 원형 경로로 가장자리쪽으로 되돌려 전류를 지향시킬 수 있다.
다른 실시예들에서, 개구들(304, 306)은 에너지를 플라즈마 챔버(102)의 처리 영역 내로 지향시키는 임의의 다른 패턴으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 개구들은 안테나 플레이트(120)에 걸쳐 실질적으로 선형 경로로 배열될 수 있고, 안테나 플레이트(120)에 걸쳐 앞뒤로 여러 번 연장될 수 있다.
도 5는 ICP(202) 및 SWP(204)를 생성하기 위해 RF 소스 및 마이크로파 소스로서 안테나 플레이트(120)를 사용하여 플라즈마 챔버(102)에서 플라즈마를 생성하는 방법에 대한 흐름도(500)이다. 도 1에서 도시된 바와 같이, 안테나 플레이트(120)는 플라즈마 챔버(102) 내에서 기판 홀더(116)와 대향해 있을 수 있다. 처리는 컴퓨터, 이동 전화기 등에서 사용되는 집적 회로 또는 마이크로전자 디바이스를 구축하는데 사용되는 반도체 기판에 대한 것일 수 있다.
블록(502)에서, 기판 홀더(116)는 플라즈마 챔버(102)에서 처리될 반도체 기판을 수용할 수 있다. 반도체 기판은 실리콘 게르마늄, 갈륨 비소, 인듐 등을 포함할 수 있지만, 이것으로 제한되는 것은 아니며, 반도체 기판 내의 물질의 종류 및 농도에 따라 도체 또는 절연체 특성을 포함할 수 있다. 반도체 기판은 또한 트랜지스터, 다이오드, 또는 집적 회로 디바이스를 형성하는데 사용될 수 있는 표면 상에 퇴적된 막들을 포함할 수 있다. 플라즈마 처리 챔버(102)는 전술한 컴포넌트들로부터 사용될 수 있다.
플라즈마 처리 챔버(102)는 또한 진공 시스템(110)에 의해 제어되는 대기압보다 낮은 조건 하에서 에너지가 인가될 때 플라즈마를 생성시키는데 사용되는 가스를 가스 전달 시스템(104)으로부터 수용할 수 있다. 에너지는 이하에 기술되는 하나 이상의 기술들을 사용하여 전원 어셈블리(114)에 의해 인가될 수 있다.
블록(504)에서, 전원 어셈블리(114) 또는 전달 어셈블리는 마이크로파 전원(106)으로부터 마이크로파 전력을 수신할 수 있다. 전달 어셈블리는 마이크로파 도파관(122), 유전체 컴포넌트(124), 및 마이크로파 도파관(122)과 유전체 컴포넌트(124) 사이에 배치된 안테나 플레이트(120)를 포함할 수 있다. 안테나 플레이트(120)는 마이크로파 에너지를 안테나 플레이트(120)를 통해 유전체 컴포넌트(124)에 전달하는데 사용될 수 있는 개구들(304)(예를 들어, 마이크로파 갭(128)) 또는 슬롯들을 포함할 수 있다. 개구(들) 또는 슬롯(들)은 마이크로파 도파관(122) 내의 정상파(210)의 일부를 포함할 수 있는 금속 전극(302)에 인접하거나 또는 금속 전극(302) 내에 있을 수 있다. 마이크로파 전력이 마이크로파 도파관(122)에 인가될 때, 에너지는 플라즈마 처리 챔버(102) 내에 배치된 가스를 활성화시키는데 사용될 수 있다. 그러나, 마이크로파 플라즈마(예를 들어, SWP(204))는 전원 어셈블리(114)에 의해 생성되는 유일한 플라즈마는 아닐 수 있다. 안테나 플레이트(120)는 ICP(202) 플라즈마를 동시에 또는 실질적으로 동시에 생성하는 ICP 코일로서 사용될 수도 있다.
블록(506)에서, RF 전력은 RF 전력 공급기(108)로부터 전기적 접지 단자(126)로 전류를 흐르게 하기 위해 안테나 플레이트(120)에 인가될 수 있다. 도 2에서 도시된 바와 같이, ICP(202) 플라즈마는 안테나 플레이트(120)(예를 들어, 도전성 경로(402))를 통해 흐르거나 또는 오실레이팅하는 전류(306)에 의해 유도된 자기장에 의해 생성될 수 있다. 하나의 실시예에서, RF 전력 및 마이크로파 전력은 기판 처리 동안 안테나 플레이트(120)에 동시에 인가될 수 있다.
하나의 실시예에서, 도전성 경로(402)는 마이크로파 도파관(122)을 따라 실질적으로 동심원 또는 직사각형 형상을 형성할 수 있고, 도전성 경로(402)의 제1 단부 부근에 있는 RF 전력 공급기(108) 단자와 도전성 경로(402)의 제2 단부 부근에 있는 전기적 접지 단자(126) 사에이 위치할 수 있다.
요약 부분이 아닌 상세한 설명 부분이 청구범위를 해석하기 위해 사용되어야 할 것으로 의도되었음을 이해해야 한다. 요약 부분은 본 개시내용의 모든 예시적인 실시예들이 아닌 하나 이상의 예시적인 실시예들을 설명할 수 있으며, 따라서 본 개시내용 및 첨부된 청구항들을 어떤 식으로든 제한하려는 의도는 없다.
본 개시내용은 하나 이상의 실시예들의 설명에 의해 예시되었고, 본 실시예들은 상당히 상세하게 설명되었지만, 이들은 첨부된 청구항의 범위를 이러한 상세사항으로 한정시키거나 또는 어떠한 식으로든지 제한시키려고 의도된 것은 아니다. 추가적인 장점들 및 변형들이 본 업계의 당업자에게 용이하게 나타날 것이다. 그러므로, 보다 넓은 관점에서의 본 발명은 도시되고 설명된 특정 세부사항, 대표적인 장치 및 방법 및 예시적인 예시들로 한정되지 않는다. 이에 따라, 일반적인 발명 사상의 범위를 벗어나지 않고서 일탈들이 이러한 세부사항으로부터 행해질 수 있다.

Claims (20)

  1. 기판을 위한 플라즈마 처리 디바이스에 있어서,
    플라즈마 처리 챔버;
    상기 플라즈마 처리 챔버 내에 배치되고, 상기 기판을 수용할 수 있는 기판 홀더;
    마이크로파 에너지를 생성할 수 있는 마이크로파 전력 공급기;
    무선 주파수(radio frequency; RF) 에너지를 생성할 수 있는 무선 주파수(RF) 전력 공급기; 및
    슬롯 안테나
    를 포함하며, 상기 슬롯 안테나는,
    상기 마이크로파 전력 공급기에 결합되고, 상기 마이크로파 에너지를 전달할 수 있는 제1 유전체 컴포넌트;
    상기 제1 유전체 컴포넌트와 상기 기판 홀더 사이에 배치된 제2 유전체 컴포넌트; 및
    상기 제1 유전체 컴포넌트와 상기 제2 유전체 컴포넌트 사이에 배치되고, 상기 무선 주파수 전력 공급기에 결합되는 금속층
    을 포함한 것인, 기판을 위한 플라즈마 처리 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속층 패턴은 상기 제1 유전체 컴포넌트로부터 상기 제2 유전체 컴포넌트로의 상기 마이크로파 에너지의 전달을 가능하게 하는 패턴을 포함하는 것인, 기판을 위한 플라즈마 처리 디바이스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 패턴은 상기 슬롯 안테나의 가장자리 근처에서 시작하여 상기 슬롯 안테나의 중심 영역 근처에서 끝나는 연속적인 저 임피던스(low impedance) 경로를 포함하는 것인, 기판을 위한 플라즈마 처리 디바이스.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연속적인 경로는 나선형, 정사각형, 원형, 직사각형, 또는 삼각형을 포함하는 것인, 기판을 위한 플라즈마 처리 디바이스.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 슬롯 안테나의 중심 근처에 있거나 또는 상기 슬롯 안테나의 외측 가장자리에 있는 접지
    를 더 포함하는 기판을 위한 플라즈마 처리 디바이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속층은 1㎜ 이하의 두께를 포함하는 것인, 기판을 위한 플라즈마 처리 디바이스.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 유전체 컴포넌트는 상기 마이크로파 전력 공급기에 의해 제공되는 전력의 ¼ 파장 이하에 비례하는 두께를 포함하는 석영 또는 세라믹을 포함하는 것인, 기판을 위한 플라즈마 처리 디바이스.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2 유전체 컴포넌트는 상기 마이크로파 전력 공급기에 의해 제공되는 전력의 ¼ 내지 ½ 파장 범위의 두께를 포함하는 석영 또는 세라믹을 포함하는 것인, 기판을 위한 플라즈마 처리 디바이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 컨포멀 금속층 패턴은 상기 RF 에너지를 방위각(azimuthal) 방향으로 전달할 수 있고,
    상기 제2 유전체 컴포넌트는 상기 마이크로파 에너지 및 상기 RF 에너지를 전달할 수 있는 것인, 기판을 위한 플라즈마 처리 디바이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 금속층 패턴은 상기 슬롯 안테나의 가장자리 근처에서 시작하여 상기 슬롯 안테나의 중심 영역 근처에서 끝나는 나선형 형상을 포함하는 것인, 기판을 위한 플라즈마 처리 디바이스.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 금속층은 상기 제1 유전체 컴포넌트 및 상기 제2 유전체 컴포넌트의 표면 상의 컨포멀(conformal) 금속층 패턴을 포함하는 것인, 기판을 위한 플라즈마 처리 디바이스.
  12. 반도체 기판을 처리하기 위한 플라즈마를 생성시키는 안테나에 있어서,
    마이크로파 전력 공급기에 결합될 수 있고, 마이크로파 에너지를 전달하여 상기 반도체 기판을 처리하기 위한 플라즈마를 생성할 수 있는 제1 유전체 컴포넌트;
    상기 제1 유전체 컴포넌트와 대향해 있는 제2 유전체 컴포넌트; 및
    상기 제1 유전체 컴포넌트 또는 상기 제2 유전체 컴포넌트의 표면 상의 금속층
    을 포함하며,
    상기 금속층은 무선 주파수 전력 공급기에 결합될 수 있는 것인, 안테나.
  13. 기판을 위한 방법에 있어서,
    플라즈마 처리 챔버 내의 기판 홀더 상에서 기판을 수용하는 단계;
    상기 플라즈마 처리 챔버를 위한 전송 어셈블리에 마이크로파 전력을 인가하는 단계로서, 상기 전송 어셈블리는 상기 기판 홀더에 대향해 있고, 상기 전송 어셈블리는,
    마이크로파 도파관; 및
    상기 마이크로파 도파관에 대향해 있는 유전체 컴포넌트
    를 포함한 것인, 상기 마이크로파 전력을 인가하는 단계; 및
    상기 유전체 컴포넌트와 상기 마이크로파 도파관 사이에 배치된 금속 전극에 무선 주파수(RF) 전력을 인가하는 단계
    를 포함하며,
    상기 금속 전극은 RF 전원 및 전기적 접지에 결합되고, 상기 기판 홀더쪽으로 상기 마이크로파 전력을 전달하는데 사용되는 개구를 포함한 것인, 기판을 위한 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 RF 전력 및 상기 마이크로파 전력의 인가는 동시에 행해지거나 또는 순차적으로 행해지는 것인, 기판을 위한 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 마이크로파 전력을 인가하는 단계는 상기 플라즈마 처리 챔버 내에 배치된 가스를 활성화(energize)시킴으로써 상기 플라즈마 처리 챔버 내에서 플라즈마를 생성하는 단계를 더 포함하는 것인, 기판을 위한 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 RF 전력을 인가하는 단계는 상기 플라즈마 처리 챔버 내에 배치된 가스를 활성화시킴으로써 상기 플라즈마 처리 챔버 내에서 유도 결합 플라즈마를 생성하는 단계를 더 포함하는 것인, 기판을 위한 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 금속 전극은 상기 금속 전극의 제1 단부 근처에 있는 RF 전력 공급 단자 및 상기 금속 전극의 제2 단부 근처에 있는 전기적 접지 단자를 포함하는 상기 마이크로파 도파관을 따라 실질적으로 동심원 형상을 형성하는 것인, 기판을 위한 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 금속 전극은 상기 금속 전극의 제1 단부 근처에 있는 RF 전력 공급 단자 및 상기 금속 전극의 제2 단부 근처에 있는 전기적 접지 단자를 포함하는 상기 마이크로파 도파관을 따라 실질적으로 직사각형 형상을 형성하는 것인, 기판을 위한 방법.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 금속 전극은 상기 마이크로파 도파관의 측면과 동형상으로 이루어진(conform) 것인, 기판을 위한 방법.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 개구는 직사각형, 정사각형, 또는 타원형 형상을 포함하는 것인, 기판을 위한 방법.
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