KR100807131B1 - 단일 주파수 rf전력을 이용하여 웨이퍼를 처리하는 플라즈마 처리시스템, 웨이퍼를 식각하기 위한 플라즈마 처리장치, 및 단일 주파수 rf전력을 이용하여 플라즈마 처리챔버에서 웨이퍼를 처리하는 방법 - Google Patents
단일 주파수 rf전력을 이용하여 웨이퍼를 처리하는 플라즈마 처리시스템, 웨이퍼를 식각하기 위한 플라즈마 처리장치, 및 단일 주파수 rf전력을 이용하여 플라즈마 처리챔버에서 웨이퍼를 처리하는 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 플라즈마 처리챔버에서 단일 주파수의 RF전력을 이용하여 웨이퍼를 처리하기 위한 시스템과, 장치 및, 방법을 제공한다. 플라즈마 처리시스템은 변조된 RF전력 생성기와, 플라즈마 처리챔버 및, 정합 네트워크를 포함한다. 변조된 RF전력 생성기는 변조된 RF전력을 생성하도록 구성된다. 플라즈마 처리챔버는 웨이퍼를 처리하기 위해 변조된 RF전력을 수신하도록 구성되고, 플라즈마 처리 동안의 내부 임피던스에 의해 특징지워진다. 플라즈마 처리챔버는 웨이퍼를 제자리에 고정하는 정전 척을 포함하고, 정전 척은 변조된 RF전력을 수신하기 위해 웨이퍼 아래에 배치된 제 1 전극을 포함한다. 플라즈마 처리챔버는 웨이퍼 위에 배치된 제 2 전극을 더 포함한다. 변조된 RF전력은 웨이퍼를 처리하기 위한 플라즈마 및 이온 충격 에너지를 생성한다. 정합 네트워크는 변조된 RF전력 생성기로부터 플라즈마 처리챔버로 변조된 RF전력을 수신 및 송신하기 위해 변조된 RF전력 생성기와 플라즈마 처리챔버 사이에 연결된다. 정합 네트워크는 변조된 RF전력 생성기의 임피던스를 플라즈마 처리챔버의 내부 임피던스에 정합시키도록 더 구성된다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조에 관한 것으로, 특히 본 발명은 반도체 웨이퍼를 처리하기 위해 RF전력을 사용하는 플라즈마 처리시스템에 관한 것이다.
반도체 처리시스템이 집적회로 제조용 반도체 웨이퍼를 처리하기 위해 사용된다. 특히, 플라즈마 기반의 반도체 처리가 식각과, 산화, 화학증착법(CVD) 등에서 일반적으로 사용된다. 통상적으로 플라즈마 기반의 반도체 처리는 제어된 세팅(controlled setting)을 제공하기 위해 플라즈마 처리챔버에 평행 플레이트 리액터(parallel plate reactor)를 포함하는 플라즈마 처리시스템에 의해서 수행된다. 이러한 플라즈마 처리시스템에서, 평행 플레이트 리액터는 등방성(isotropic) 식각을 위한 이온 충격 에너지(ion bombardment energy) 및 이방성(anisotropic) 식각을 위한 충분한 플라즈마 농도(plasma density)를 생성하기 위해 일반적으로 2개의 다른 RF 주파수를 사용한다.
도 1은 반도체 웨이퍼(102)를 처리하기 위해 2개의 다른 RF주파수를 이용하는 종래의 플라즈마 처리시스템(100)을 도시한다. 플라즈마 처리시스템(100)은 플라즈마 처리챔버(104)와, 한 쌍의 정합 네트워크(106,108) 및, 한 쌍의 RF 생성기(110,112)를 포함한다. 플라즈마 처리챔버(104)는 정전 척(114;electrostatic chuck) 및, 샤워 헤드(120;shower head)를 포함한다. 샤워 헤드(120)는 상부 전극(122)를 포함하고, 웨이퍼(102) 위로 플라즈마를 생성하기 위해 챔버(104) 내로 소스 가스(source gas)를 방출하도록 채택된다. 정전 척(114)은 하부 전극(124)을 포함하고, 웨이퍼(102)가 처리되도록 제자리에 고정시키는 기능을 한다. 헬륨(helium)과 같은 가스(126)는 웨이퍼(102)의 온도를 조절하기 위해 포트(128)를 통해 제공된다. 플라즈마 처리시스템(100)은 척(114)에 전력을 제공하기 위해 정전 척 전원(미도시)을 포함할 수도 있다. 정전 척은 당해 기술분야에서 널리 알려져 있는 바, 예컨대 공지된 "고전력 정전 척 콘택트"를 발명의 명칭으로 하는 "Francois Guyot"의 미국특허 제5,789,904호와, "동적 피드백 정전 웨이퍼 척"을 발명의 명칭으로 하는 "Jones et al."의 미국특허출원 제08/624,988호, "Castro et al."의 미국특허출원 제08/550,510호 및, "웨이퍼 처리시스템에서 반도체 웨이퍼를 클램핑 및 디클램핑하는 방법 및 장치"를 발명의 명칭으로 하는 "Kubly et al."의 미국특허 제5,793,192호에 충분히 개시되어 있다.
각 RF 생성기(110,112)는 통상적으로, 정전 척(114)에 위치한 하부전극(124)에 전달하기 위한 고주파 RF전력 및 저주파 RF전력을 생성하도록 구성된다. RF 생성기(110)로부터 생성된 고주파 RF전력은 샤워 헤드(122)와 웨이퍼(102) 사이의 공간에서 대부분 플라즈마(즉, 플라즈마 농도)를 생성하는데 사용된다. 반면에, RF 생성기(112)로부터 생성된 저주파 RF전력은 주로 웨이퍼(102)의 이방성 또는 방향성(directional) 식각용 이온 충격 에너지의 생성을 제어한다. 그러나, 이러한 2개의 주파수는 플라즈마에 독립적으로 기능하지 못한다. 대신, 각 주파수는 플라즈마를 생성하고, 또한 이온 충격 에너지에 기여한다.
RF 정합 네트워크(106,108)는 각 RF 생성기(110,112)로부터의 RF전력을 정전 척(114)에 전달하도록 연결된다. 일반적으로 정합 네트워크(106,108)는 각 동축 케이블(116,118;co-axial cable)에 의해서 각 RF 생성기(110,112)로 연결된다. RF 정합 네트워크(106,108)는 플라즈마 처리챔버(104)로부터의 RF전력의 반사를 최소화하기 위해 각 RF 생성기(110,112)와 플라즈마 처리챔버(104) 사이에 제공된다. 통상적으로 RF 정합 네트워크(106,108)는 하나 이상의 가변 임피던스 요소(예컨대, 캐패시터, 인덕터)를 포함한다. RF 정합 네트워크(106,108)에서 가변 임피던스 요소는 각 RF 생성기(110,112)의 임피던스에 정합되는 임피던스를 제공하기 위해 조정될 수 있다. RF 정합 네트워크 회로는 당업계에서 잘 알려져 있는 바, 예컨대 "Collins et al."에 의한 미국특허 제5,187,454호와, "Arthur M. Howald"에 의해 1998년 12월 22일에 출원된 미국특허출원 제09/218,542호에 개시되어 있다.
RF 생성기(110,112)로부터 생성된 고주파 및 저주파 RF전력 모두의 사용은 플라즈마와 이온 충격 에너지의 적절한 공급을 보장하기 위한 것이다. 특히, 소스 가스(130)가 챔버(104) 내부로 도입된 후에 RF 생성기(110,112)가 작동될 때, RF 생성기(110,112)로부터 생성된 고주파 및 저주파 전력은 웨이퍼(102) 처리용 플라즈마(132)와 이온 충격 에너지의 생성을 촉진시킨다. 통상적으로 4MHz와 60MHz 사이의 범위에 있는, RF 생성기(110)로부터 생성된 고주파 RF전력은 소스 가스로부터 플라즈마(132)의 생성을 크게 촉진시킨다. 반면에, 통상적으로 100KHz와 4MHz 사이의 범위에 있는, RF 생성기(112)로부터 생성된 저주파 RF전력은 이온 충격 에너지를 증가시킴으로써 웨이퍼(102)에 대한 이온 충격을 크게 촉진시킨다.
RF전력이 인가되면, 종종 "시스(sheath) 전압"이라고 불리우는 바이어스 전압이 전극(122,124) 근처에 생성된다. 도 2a는 각 전극(122,124)의 표면 근처에서 생성된 플라즈마 시스(202,204)의 모식도를 보여준다. 이러한 구성에서, 시스(202,204)를 가로질러 강하되는 시스 전압은 플라즈마의 부유 전위(floating potential)에 대응하고, RF전력이 인가되지 않을 때 플라즈마 전자 온도의 약 4배에서 5배가 된다. 고주파 및 저주파 RF전력이 인가되면, RF 전류 i가 하부 전극(124)에서 상부 전극(122)으로 흐른다. 시스 전압은 최고 RF 전위의 부근까지 상승한다. 결과적으로, 시스는 확장되고, 플라즈마와 전극(122,124) 사이의 평균 전압 강하는 증가한다. 전압 강하의 증가는 차례로 전극(122,124)을 향한 이온 충격 에너지의 증가를 초래한다.
그러나 불행하게도, 플라즈마 처리시스템(100)에서 2개의 주파수를 사용하는 것의 결점 중 하나는 저주파 RF전력과 관련된 웨이퍼 식각율의 불균일성이다. 일반적으로, 고주파 RF전력만의 사용은 실질적으로 웨이퍼의 표면을 가로질러 균일한 식각율을 생성한다. 그러나 이러한 예들에서, 식각율이 너무 낮은 경향이 있고, 불충분한 이온 충격 에너지에 기인하여 패턴 프로파일(pattern profile)이 잘 조절되지 않는다. 저주파 RF전력의 사용은 이온 충격 에너지를 증가시킨다.
그러나, 플라즈마 처리시스템에서 고주파 RF전력과 함께 저주파 RF전력의 사 용은 웨이퍼의 표면 위에 불균일한 식각을 초래하는 경향이 있다. 예컨대, 도 2b는 웨이퍼 중심으로부터의 거리를 함수로 한 식각율의 그래프(200)를 도시한다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 웨이퍼의 식각율은 웨이퍼 중심으로부터의 거리가 증가함에 따라 감소한다. 따라서, 웨이퍼 가장자리 근처의 식각율은 디자인 내역에 정합되지 않을 수도 있고, 결국 낮은 다이 수율(die yield)을 초래한다.
상기의 관점에서 볼 때, 웨이퍼에 대한 식각율의 감소 없이 웨이퍼 처리 결과의 균일성을 증가시키기 위해, 플라즈마 처리시스템에서 분리된 저주파 RF전력 생성기를 사용함이 없이 웨이퍼 표면을 처리하는 시스템 및 방법이 요구된다.
크게 말해서, 본 발명은 이러한 요구를 플라즈마 처리챔버에서 단일 주파수의 RF전력을 이용하여 웨이퍼를 처리하는 시스템과, 장치 및, 방법을 제공함에 의해 만족시킨다. 본 발명은 처리와, 장치, 시스템, 기구, 방법, 또는 컴퓨터 판독가능 매체를 포함한 다양한 방법으로 구현될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 이하, 본 발명의 몇몇 실시예를 설명한다.
1실시예에 따르면, 본 발명은 단일 주파수의 RF전력을 이용하여 웨이퍼를 처리하기 위한 플라즈마 처리시스템을 제공한다. 플라즈마 처리시스템은 변조된 RF전력 생성기와, 플라즈마 처리챔버 및, 정합 네트워크를 포함한다. 변조된 RF전력 생성기는 변조된 RF전력(예컨대, 에너지)을 생성하도록 구성된다. 플라즈마 처리챔버는 웨이퍼를 처리하기 위해 변조된 RF전력을 수신하도록 구성되고, 플라즈마 처리 동안의 내부 임피던스에 의해 특징지워진다. 플라즈마 처리챔버는 웨이퍼를 제자리에 고정하는 정전 척을 포함하고, 정전 척은 변조된 RF전력을 수신하기 위해 웨이퍼 아래에 배치된 제 1 전극을 포함한다. 플라즈마 처리챔버는 웨이퍼 위에 배치된 제 2 전극을 더 포함한다. 변조된 RF전력은 웨이퍼를 처리하기 위한 플라즈마와 이온 충격 에너지를 생성한다. 정합 네트워크는 변조된 RF전력 생성기로부터 플라즈마 처리챔버로 변조된 RF전력을 수신 및 송신하기 위해 변조된 RF전력 생성기와 플라즈마 처리챔버 사이에 연결된다. 정합 네트워크는 변조된 RF전력 생성기의 임피던스를 플라즈마 처리챔버의 내부 임피던스에 정합시키도록 구성된다.
다른 실시예에서, 본 발명은 웨이퍼 식각용 플라즈마 처리장치를 제공한다. 플라즈마 처리장치는 변조된 RF전력 생성기와, 플라즈마 처리챔버 및, 정합 네트워크를 포함한다. 변조된 RF전력 생성기는 변조된 고주파 RF전력을 생성하도록 구성된다. 플라즈마 처리챔버는 웨이퍼 식각용 변조된 고주파 RF전력을 수신하도록 배열된다. 플라즈마 처리챔버는 임피던스에 의해 특징지워지고, 웨이퍼를 제자리에 고정하기 위한 정전 척을 포함한다. 정전 척은 변조된 고주파 RF전력을 수신하기 위해 웨이퍼 하부에 배치된 제 1 전극을 포함한다. 플라즈마 처리챔버는 웨이퍼 상부에 배치된 제 2 전극을 더 포함한다. 변조된 고주파 RF전력에 응답하여, 플라즈마 및 이온 충격 에너지가 웨이퍼를 식각하기 위해 생성된다. 정합 네트워크는 변조된 RF전력 생성기로부터 플라즈마 처리챔버로 변조된 고주파 RF전력을 수신 및 송신하기 위해 변조된 RF전력 생성기와 플라즈마 처리챔버 사이에 연결된다. 정합 네트워크는 변조된 RF전력 생성기의 임피던스를 플라즈마 처리챔버의 임피던스에 정합시키도록 더 구성된다.
또 다른 실시예에서, 플라즈마 처리챔버에서 단일 주파수의 RF전력을 이용하여 웨이퍼를 처리하는 방법이 개시된다. 그 방법은 (a) 단일 변조된 RF전력을 생성하는 단계; (b) 웨이퍼 위에 배치된 제 2 전극을 더 포함하는 플라즈마 처리챔버에서, 변조된 RF전력을 수신하기 위해 웨이퍼 아래에 배치된 제 1 전극을 포함하는 정전 척의 위에 웨이퍼를 제공하는 단계; (c) 플라즈마 처리챔버에 의해, 변조된 RF전력을 수신하는 단계; 및 (d) 변조된 RF전력에 응답하여 플라즈마 처리챔버에서 웨이퍼를 처리하기 위해 플라즈마 및 이온 충격 에너지를 생성하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 변조된 RF전력은 높은 이방성 식각율을 제공하는 평균 RF전력과, 높은 이온 충격 에너지를 제공하는 피크(peak) RF전력 및, 이온 충격 에너지로부터의 식각율을 완화하도록 구성된 변조 주파수를 포함하는 고주파 RF전력이다. 유익하게도, 변조된 RF전력의 사용은 고도의 식각 프로파일 조절과 함께 높은 식각율을 제공한다. 따라서, 본 발명에 따른 플라즈마 처리시스템(400)은 등방성 및 이방성 식각 모두를 위한 최적의 웨이퍼 처리를 동시에 가능하게 한다. 더욱이, 고주파 RF전력의 변조는 이온 충격 에너지로부터의 이온 유동을 효과적으로 완화시키고, 식각 프로파일과 전체 플라즈마 농도의 더 정확한 조절을 가능하게 한다. 또한, 변조된 고주파 RF전력의 사용은 강화된 플라즈마 처리를 위하여 유전 식각(dielectric etch) 처리 윈도우의 확장을 가능하게 한다. 예컨대, 플라즈마 처리시스템은 우수한 프로파일 조절과 함께 산화막이 0.18 ㎛ 또는 그 이하로 식각될 수 있게 한다. 본 발명의 이러한 장점과 다른 장점은 다음의 상세한 설명과 다양한 도면에 의해서 명백해진다.
본 발명은, 동일부호가 동일 구성요소를 나타내는 첨부 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 통해 용이하게 이해될 수 있다.
도 1은 반도체 웨이퍼를 처리하기 위해 2개의 다른 RF 주파수를 사용하는 종래의 플라즈마 처리시스템을 나타낸 도면,
도 1은 반도체 웨이퍼를 처리하기 위해 2개의 다른 RF 주파수를 사용하는 종래의 플라즈마 처리시스템을 나타낸 도면,
도 2a는 플라즈마 측면에 전극의 표면 근처에서 생성되는 시스 전압의 모식도를 나타낸 도면,
도 2b는 웨이퍼 중심으로부터의 거리를 함수로 한 식각율의 그래프를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 1실시예에 따라 RF전력을 플라즈마 처리챔버로 전달하는 예시적인 방법의 플로우차트를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 1실시예에 따른 반도체 웨이퍼를 처리하기 위해 변조된 단일 고주파 RF전력을 사용하는 예시적인 플라즈마 처리시스템을 나타낸 도면,
도 5a는 본 발명의 1실시예에 따른 플라즈마 처리챔버로 전달되는 변조된 고주파 RF전력 신호의 그래프를 나타낸 도면,
도 5b는 본 발명의 1실시예에 따른 50% 사인 변조된 고주파 RF전력 신호의 그래프를 나타낸 도면,
도 5c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 20% 듀티 사이클(duty cycle)을 갖는 변조된 고주파 RF전력 신호의 그래프를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 1실시예에 따른 고주파 RF전력을 변조하는 방법의 플로우차트를 나타낸 도면이다.
이하, 예시도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
여기서, 플라즈마 처리챔버에서 단일 주파수의 RF전력을 이용하여 웨이퍼를 처리하는 시스템과, 장치 및, 방법에 관한 발명이 설명된다. 다음의 설명에서는, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 다양한 특정 세부사항들이 기재된다. 그러나, 본 발명이 이러한 특정 세부사항들 없이도 실행될 수 있다는 것은 당업자에게 명확하다. 다른 측면에서는, 불필요하게 본 발명을 모호하게 하지 않기 위해서 잘 알려진 공정 단계들이 상세하게 기재되지 않았다.
본 발명은 종래 듀얼 주파수 시스템의 한계를 극복하기 위해 플라즈마 처리챔버에 변조된 고주파 RF전력을 제공한다. 단일의, 고주파 RF 진폭을 변조함으로써, 플라즈마에 전달된 평균 RF전력이 플라즈마 농도를 조절하고, 따라서 웨이퍼로의 이온 유동을 조절한다. 반면에, 변조 깊이(modulation depth)에 의해 결정되는 RF 피크 전력은 이온 충격 에너지를 조절한다. 이러한 방법으로, 단일 변조된 RF전력 생성기가 플라즈마 처리챔버에서 플라즈마 농도와 이온 충격 에너지 모두를 조절하도록 사용될 수 있고, 따라서 웨이퍼 처리 결과의 균일성을 증가시킨다.
도 3은 본 발명의 1실시예에 따른 RF전력을 플라즈마 처리챔버로 전달하는 예시적인 방법의 플로우차트를 보여준다. 그 방법은 플라즈마 처리챔버 내의 평행 리액티브 플레이트(예컨대, 전극) 사이에 웨이퍼를 제공한다(단계 302). 고주파 RF전력을 변조할 때, RF 평균 전력과, RF 피크 전력 및, RF전력 변조 주파수와 같은 변수들이 최적의 플라즈마 농도와 이온 유동을 얻기 위해서 변조될 수 있다. 이어서, 변조된 고주파 RF전력이 플라즈마 처리챔버에서 사용되기 위해 생성된다(단계 304). 바람직하게는, 고주파 RF전력이 원하는 플라즈마 농도와 이온 충격 에너지를 생성하기 위해 변조된다. 이어서, 변조된 RF전력이 정합 네트워크를 통해 플라즈마 처리챔버로 제공된다(단계 306). 이러한 단계 306에서, 정합 네트워크는 RF전력을 수신하고, 변조된 RF전력 생성기의 임피던스를 플라즈마 처리챔버의 임피던스에 정합시키는 임피던스를 생성한다. 변조된 RF전력에 응답하여, 웨이퍼가 변조된 고주파 RF전력을 이용하여 원하는 플라즈마 농도와 이온 충격 에너지를 생성함으로써 처리된다(단계 308). 이어서, 이 방법이 종료된다(단계 310).
도 4는 본 발명의 1실시예에 따른 반도체 웨이퍼(402)를 처리하기 위해 변조된 단일 고주파 RF전력을 사용하는 예시적인 플라즈마 처리시스템(400)을 도시한 것이다. 플라즈마 처리시스템(400)이 플라즈마 처리챔버(404)와, 정합 네트워크(406) 및, 변조된 고주파 RF전력 생성기(408)를 포함한다. 플라즈마 처리챔버(404)가 정전 척(414) 및, 샤워 헤드(420)를 포함한다. 샤워 헤드(420)는 바람직하게는 접지되는, 웨이퍼(402) 위에 플라즈마(426)를 생성하기 위해 소스 가스(424)를 챔버(404) 내로 배출하도록 구성되는 상부 전극(422)을 포함한다. 정전 척(414)은 하부 전극(428)을 포함하고, 웨이퍼(402)가 처리되도록 제자리에 고정하는 기능을 한다. 헬륨과 같은 가스(430)가 웨이퍼(402)의 온도를 조절하기 위해 포트(432)를 통해 제공된다. 플라즈마 처리시스템(400)은 정전 척(414)에 전력을 공급하기 위해 정전 전원(미도시)을 포함할 수도 있다.
변조된 RF전력 생성기(408)가 고주파 RF전력 생성기(410)와 변조 제어기(412)를 포함한다. 고주파 RF전력 생성기(410)는, 바람직하게는 13MHz 보다 크고, 더욱 바람직하게는 4MHz와 60MHz 사이의 범위에 있는 고주파 RF전력을 생성하기 위해 배열된다. 그러나, 웨이퍼를 처리하기 위한 충분한 플라즈마 농도를 생성하기에 적합한 다른 주파수도 생성할 수 있다. 변조 제어기(412)는 변조 신호를 제공하기 위하여 RF전력 생성기(410)에 연결된다. 1실시예에서, 변조 제어기(412)가 평균 RF전력과, 피크 RF전력 및 RF전력 변조 주파수를 변조하기 위해 RF전력 생성기(410)로 신호를 제공한다. 변조 제어기(412)로부터의 변조 신호에 응답하여, RF전력 생성기(410)가 동축 케이블(440)을 통해 정합 네트워크로 공급되는 변조된 고주파 RF전력을 생성한다.
RF 정합 네트워크(406)가 변조된 RF전력 생성기(408)로부터 정전 척(414)의 전극(428)으로 RF전력을 전달하기 위해 연결된다. RF 정합 네트워크(406)가 플라즈마 처리챔버(404)로부터 RF전력의 반사를 최소화하기 위해 변조된 고주파 RF전력 생성기(408)와 플라즈마 처리챔버(404) 사이에 제공된다. RF 정합 네트워크(406)는 당업계에서 널리 알려져 있고, 일반적으로 캐패시터와 인덕터 등의 복수의 가변 임피던스 요소를 포함한다. RF 정합 네트워크(406)에서 이러한 가변 임피던스 요소는 변조된 RF전력 생성기(408)의 임피던스를 플라즈마 처리챔버(404)의 임피던스에 정합시키도록 조정될 수 있다. 바람직하게는, RF 정합 네트워크(406)는 변조된 RF전력 생성기(408)로부터의 변조된 고주파 RF전력을 수용하기 위해 증가된 대역폭을 제공하도록 구성된다.
정합 네트워크(406)는 변조된 고주파 RF전력을 플라즈마 처리챔버(404)로 전송하고, 전류 i가 플라즈마(426)를 통해 하부 전극(402)으로부터 상부 전극(422)으로 흐른다. 이에 응답하여, 전극(428)이 식각과, 산화 및, 화학증착(CVD) 등을 포함할 수 있는 플라즈마 처리를 위해 플라즈마 이온을 웨이퍼(402) 쪽으로 끌어당긴다. 시간 t는 이온이 플라즈마 영역의 중앙에서 전극(422,428) 중의 하나로 이동하는 이온 통과 시간에 해당한다. 본 발명의 장점의 이해를 용이하게 하기 위해 플라즈마 처리시스템(400)이 여기에 상세하게 설명되었다는 것을 이해해야 한다. 그러나, 본 발명은 어떤 특정한 형태의 웨이퍼 처리장치 또는 시스템에 한정되지 않고, 증착과, 산화 및, 식각[건식 식각, 플라즈마 식각, RIE(reactive ion etching), MERIE(magnetically enhanced reactive ion etching), ECR(electron cyclotron resonance)] 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는 어떠한 적합한 웨이퍼 처리시스템에서의 사용을 위해 채택될 수 있다.
이러한 구성에서, 변조 제어기(412)가 고주파 RF전력이 플라즈마 처리챔버(404)로 전달되도록 원하는 변조 파라미터를 설정한다. 예컨대, 변조 제어기(412)는 전달될 RF전력의 평균 RF전력과, 피크 RF전력 및, RF전력 변조 주파수를 설정할 수 있다. 플라즈마(426)로 전달된 변조된 고주파 RF전력의 평균 전력은 플라즈마 농도를 결정하고, 따라서 플라즈마 처리챔버(404) 내에서 웨이퍼(402)로의 이온 유동을 결정한다. 반면에, 변조된 고주파 RF전력의 변조 깊이에 의해서 결정되는 RF 피크 전력은 바이어스 전압(즉, 시스 전압)을 조절한다. 종래의 주파수 변조와 구별되는 RF전력 변조 주파수는 플라즈마 농도가 변조 피크치 사이에서 거의 일정하도록 선택되는데, 바람직하게는 100KHz 보다 크다. 전자 온도가 역시 일정하다면, 변조 주파수가 바람직하게는 1MHz 위로 증가된다.
변조된 RF전력 생성기(408)로부터의 변조된 고주파 RF전력은 플라즈마 처리챔버(404)에서 적당한 플라즈마 농도와 이온 충격 에너지를 동시에 보장한다. 특히, 소스 가스(130)가 플라즈마 처리챔버(404)로 주입된 후에, 변조된 RF전력 생성기(408)가 활성화 되면, 변조된 고주파 RF전력의 평균 RF전력은 소스 가스(424)로부터 높은 플라즈마 농도의 생성을 촉진시킨다. 이어서, 높은 플라즈마 농도의 생성은, 웨이퍼(402)의 이방성 식각을 위한 높은 식각율을 가능하게 한다.
반면에, 변조된 고주파 RF전력의 피크 RF전력은 웨이퍼(402)에 대하여 최적의 이온 충격 에너지를 제공하기 위해 전극(428)에 바이어스 또는 시스 전압을 증가시킨다. 따라서, 변조된 고주파 RF전력의 피크 RF전력은 웨이퍼(402)에 등방성 또는 방향성 식각을 촉진시킨다. 피크 RF전력의 사용은 고도의 식각 프로파일 조절을 가능하게 한다. 따라서, 본 발명의 플라즈마 처리시스템(400)은 등방성 및 이방성 식각 모두에 있어서 최적의 웨이퍼(402) 처리를 가능하게 한다.
또한, 고주파 RF전력의 변조는 이온 충격 에너지로부터 이온 유동을 효과적으로 완화시키고, 식각 프로파일과 전체 플라즈마 농도를 더 정확하게 조절할 수 있게 한다. 더욱이, 변조된 고주파 RF전력의 사용은 강화된 플라즈마 처리를 위하여 유전 식각(dielectric etch) 처리 윈도우의 확장을 가능하게 한다. 특히, 플라즈마 처리시스템(400)은 우수한 프로파일 조절과 함께 산화막이 0.18 ㎛ 또는 그 이하로 식각될 수 있게 한다.
도 5a는 본 발명의 1실시예에 따른 플라즈마 처리챔버(404)로 전달되는 변조된 고주파 RF전력 신호(502)의 그래프(500)를 도시한 것이다. 이 그래프(500)에서, 고주파 RF전력 신호(502)는 100% 변조된 사인파이다. 따라서, 신호(502)의 피크와 골 사이의 거리로 정의되는 신호(502)의 변조 깊이(504)는 100% 이다. 반면에, 변조 주파수는 1/(T2-T1) 또는 1/T와 같이 정의된다. 다른 실시예에서, 도 5b는 50% 사인 변조된 고주파 RF전력 신호(532)의 그래프(530)를 보여준다. 또한, 도 5c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 20% 듀티 사이클을 갖는 변조된 고주파 RF전력 신호(552)의 그래프(550)를 보여준다. 이러한 예시적인 변조된 RF전력 신호 이외에도, 당업자라면 본 발명이 충분한 플라즈마 농도와 이온 충격 에너지를 제공할 수 있는 다른 고주파 변조를 이용할 수 있다는 것을 인식할 것이다.
도 6은 본 발명의 1실시예에 따른 고주파 RF전력을 변조하는 방법의 플로우차트를 보여준다. 이러한 방법은 단계 602로부터 시작되는데, 전달될 평균 RF전력이 특정한 이방성 식각율을 달성하기 위해 결정되고 설정된다. 이러한 단계에서 평균 RF전력은 플라즈마로 전달되는 RF전력의 절대 크기와 같이 정의된다. 일단, 평균 RF전력이 설정되면, 플라즈마 농도는 플라즈마 처리 전체에 걸쳐 일정하게 유지될 것이다.
시스 전압을 증가시키고, 따라서 이온 충격 에너지를 증가시키기 위해, 전달될 피크 RF전력(예컨대, 진폭)이 특정한 이방성 식각 프로파일을 달성하도록 결정되고 설정된다(단계 604). 1실시예에서, 피크 RF전력은 도 5a에 도시된 변조 깊이의 관점에서 정의될 수 있다. 이온 충격 에너지로부터 이온 유동을 완화시키기 위해, 도 5a에 도시된 RF전력 변조 주파수가 결정되고 설정될 수 있다(단계 606). 이러한 변조 주파수는 이온 유동과 이온 충격 에너지가 독립적으로 조절될 수 있게 한다. 바람직하게는, 변조 주파수는 플라즈마 영역의 중앙으로부터 전극으로의 이온 통과 시간이 변조 주파수보다 크도록 충분히 높다. 이것은 플라즈마 농도가 실질적으로 일정하게 유지되도록 보장한다. 변조 제어기(412)에서 평균 RF전력과, 피크 RF전력 및, 변조 주파수가 수동으로 또는 자동으로 설정될 수 있다는 것을 알아야 한다. 이어서, 이 방법이 종료된다(단계 608).
본 발명이 몇몇 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 치환, 변형 및 균등물이 본 발명의 범위 내에 있다. 본 발명의 방법과 장치를 구현하는 많은 다른 방법이 있음을 알야야 한다. 따라서 다음의 청구항은 본 발명의 범위 내에 있는 그러한 모든 치환, 변형 및 균등물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (26)
- 단일 주파수 RF전력을 이용하여 웨이퍼를 처리하는 플라즈마 처리시스템으로서,변조된 RF전력을 생성하도록 구성된 변조된 RF전력 생성기;상기 웨이퍼 처리를 위해 상기 변조된 RF전력을 수신하도록 구성되고, 플라즈마 처리 동안 내부 임피던스에 의해 특징지워지는 플라즈마 처리챔버로서, 상기 변조된 RF전력을 수신하기 위해 상기 웨이퍼 아래에 배치된 제 1 전극을 포함하며 상기 웨이퍼를 제자리에 고정하는 정전척과, 상기 웨이퍼 위에 배치된 제 2 전극을 포함하고, 상기 플라즈마 및 이온 충격 에너지가 상기 변조된 RF전력에 응답하여 상기 웨이퍼를 처리하기 위해 생성되는, 상기 플라즈마 처리챔버; 및상기 변조된 RF전력 생성기로부터 상기 변조된 RF전력을 상기 플라즈마 처리챔버로 수신 및 송신하기 위해 상기 변조된 RF전력 생성기와 상기 플라즈마 처리챔버 사이에 연결되고, 상기 변조된 RF전력 생성기의 임피던스를 상기 플라즈마 처리챔버의 내부 임피던스에 정합하도록 구성된 정합 네트워크를 구비하는, 플라즈마 처리시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 변조된 RF전력은 이방성 식각을 위해 상기 웨이퍼에 대해 특정한 식각율을 생성하도록 구성된 변조된 고주파 RF전력인, 플라즈마 처리시스템.
- 제 2 항에 있어서,상기 변조된 고주파 RF전력은 평균 RF전력 및 피크 RF전력을 포함하는, 플라즈마 처리시스템.
- 제 3 항에 있어서,상기 플라즈마 처리챔버는 상기 변조된 고주파 RF전력의 상기 평균 RF전력에 응답하여 일정한 플라즈마 농도를 유지하는, 플라즈마 처리시스템.
- 제 3 항에 있어서,상기 피크 RF전력은 상기 웨이퍼의 등방성 처리를 위해 상기 플라즈마 처리챔버에서 상기 이온 충격 에너지를 증가시키도록 구성된, 플라즈마 처리시스템.
- 제 2 항에 있어서,상기 변조된 고주파 RF전력은 상기 이온 충격 에너지로부터 상기 식각율을 완화하도록 구성된 변조 주파수를 포함하는, 플라즈마 처리시스템.
- 제 6 항에 있어서,상기 변조된 고주파 RF전력의 상기 변조 주파수는, 이온이 상기 플라즈마의 중앙 영역으로부터 상기 전극들 중 하나의 전극으로 이동하는 시간보다 더 큰, 플라즈마 처리시스템.
- 제 6 항에 있어서,상기 변조된 RF전력의 주파수는 4MHz 와 60MHz 사이의 범위에 있는, 플라즈마 처리시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 변조된 RF전력 생성기는,변조 신호를 제공하기 위한 변조 제어기; 및상기 변조 신호를 수신하기 위해 연결되고, 상기 변조된 RF전력을 생성하도록 구성된 RF 생성기를 포함하는, 플라즈마 처리시스템.
- 웨이퍼를 식각하기 위한 플라즈마 처리장치로서,변조된 고주파 RF전력을 생성하도록 구성된 변조된 RF전력 생성기;상기 웨이퍼 식각을 위해 상기 변조된 고주파 RF전력을 수신하도록 구성되고, 임피던스에 의해 특징지워지는 플라즈마 처리챔버로서, 상기 변조된 고주파 RF전력을 수신하기 위해 상기 웨이퍼 아래에 배치된 제 1 전극을 포함하며 상기 웨이퍼를 제자리에 고정하는 정전 척과, 상기 웨이퍼 위에 배치된 제 2 전극을 포함하고, 플라즈마 및 이온 충격 에너지가 상기 변조된 고주파 RF전력에 응답하여 상기 웨이퍼를 식각하기 위해 생성되는, 상기 플라즈마 처리챔버; 및상기 변조된 RF전력 생성기로부터 상기 변조된 고주파 RF전력을 상기 플라즈마 처리챔버로 수신 및 송신하기 위해 상기 변조된 RF전력 생성기와 상기 플라즈마 처리챔버 사이에 연결되고, 상기 변조된 RF전력 생성기의 임피던스를 상기 플라즈마 처리챔버의 임피던스에 정합하도록 구성된 정합 네트워크를 구비하는, 플라즈마 처리장치.
- 제 10 항에 있어서,상기 변조된 RF전력 생성기는 이방성 식각을 위해 상기 웨이퍼에 대해 특정한 식각율을 생성하도록 구성된 고주파 RF전력을 생성하는, 플라즈마 처리장치.
- 제 11 항에 있어서,상기 변조된 RF전력 생성기로부터의 상기 변조된 고주파 RF전력은 평균 RF전력 및 피크 RF전력을 포함하는, 플라즈마 처리장치.
- 제 12 항에 있어서,상기 플라즈마 처리챔버는 상기 변조된 고주파 RF전력의 상기 평균 RF전력에 응답하여 일정한 플라즈마 농도를 유지하는, 플라즈마 처리장치.
- 제 13 항에 있어서,상기 피크 RF전력은 상기 웨이퍼의 등방성 처리를 위해 상기 플라즈마 처리챔버에서 이온 충격 에너지를 증가시키도록 구성된, 플라즈마 처리장치.
- 제 14 항에 있어서,상기 변조된 RF전력 생성기는 상기 이온 충격 에너지로부터 상기 식각율을 완화하도록 구성된 변조 주파수를 포함하는 상기 변조된 고주파 RF전력을 생성하는, 플라즈마 처리장치.
- 제 15 항에 있어서,상기 변조된 고주파 RF전력의 상기 변조 주파수는, 이온이 상기 플라즈마의 중앙 영역으로부터 상기 전극들 중 하나의 전극으로 이동하는 시간보다 더 큰, 플라즈마 처리장치.
- 제 10 항에 있어서,상기 변조된 고주파 RF전력의 주파수는 4MHz 와 60MHz 사이의 범위에 있는, 플라즈마 처리장치.
- 제 17 항에 있어서,상기 변조된 RF전력 생성기는,변조 신호를 제공하기 위한 변조 제어기; 및상기 변조 신호를 수신하기 위해 연결되고, 상기 변조된 RF전력을 생성하도록 구성된 RF 생성기를 포함하는, 플라즈마 처리장치.
- 단일 주파수 RF전력을 이용하여 플라즈마 처리챔버에서 웨이퍼를 처리하는 방법으로서,단일 변조된 RF전력을 생성하는 단계;상기 웨이퍼 위에 배치된 제 2 전극을 포함하는 플라즈마 처리챔버에서, 변조된 RF전력을 수신하기 위해 웨이퍼 아래에 배치된 제 1 전극을 포함하는 정전 척 위에 상기 웨이퍼를 제공하는 단계;상기 플라즈마 처리챔버에 의해, 상기 변조된 RF전력을 수신하는 단계; 및상기 변조된 RF전력에 응답하여 상기 웨이퍼를 처리하기 위해 상기 플라즈마 처리챔버에서 플라즈마 및 이온 충격 에너지를 생성하는 단계를 포함하는, 웨이퍼 처리방법.
- 제 19 항에 있어서,상기 변조된 RF전력은 이방성 식각을 위해 상기 웨이퍼에 대해 특정한 식각율을 산출하도록 구성된 변조된 고주파 RF전력인, 웨이퍼 처리방법.
- 제 20 항에 있어서,상기 변조된 고주파 RF전력은 평균 RF전력 및 피크 RF전력을 포함하는, 웨이퍼 처리방법.
- 제 21 항에 있어서,상기 플라즈마 처리챔버는 상기 변조된 고주파 RF전력의 상기 평균 RF전력에 응답하여 일정한 플라즈마 농도를 유지하는, 웨이퍼 처리방법.
- 제 22 항에 있어서,상기 피크 RF전력은 상기 웨이퍼의 등방성 처리를 위해 상기 플라즈마 처리챔버에서 이온 충격 에너지를 증가시키도록 구성된, 웨이퍼 처리방법.
- 제 23 항에 있어서,상기 변조된 고주파 RF전력은 상기 이온 충격 에너지로부터 상기 식각율을 완화하도록 구성된 변조 주파수를 포함하는, 웨이퍼 처리방법.
- 제 24 항에 있어서,상기 변조된 고주파 RF전력의 상기 변조 주파수는, 이온이 상기 플라즈마의 중앙 영역으로부터 상기 전극들 중 하나의 전극으로 이동하는 시간보다 더 큰, 웨이퍼 처리방법.
- 제 19 항에 있어서,상기 변조된 RF전력의 주파수는 4MHz 와 60MHz 사이의 범위에 있는, 웨이퍼 처리방법.
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