KR100871515B1 - 플라즈마 특성들을 결정하기 위한 방법 - Google Patents
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Abstract
플라즈마의 특성들을 결정하기 위한 방법들이 제공된다. 일 실시예에서, 플라즈마의 특성들을 결정하기 위한 방법은 상이한 주파수들에서 플라즈마에 결합되는 제 1 및 제 2 파형에 대한 전류 및 전압 정보의 측량들을 획득하는 단계, 각각의 상이한 주파수 파형으로부터 획득된 측량들을 이용하여 적어도 하나의 플라즈마 특성을 결정하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 방법은 주파수의 함수로서 플라즈마의 플라즈마 임피던스 모델을 제공하는 단계, 및 상기 모델을 이용하여 적어도 하나의 플라즈마 특성을 결정하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 상기 방법은 주파수의 함수로서 플라즈마의 플라즈마 임피던스 모델을 제공하는 단계, 적어도 2개의 상이한 주파수들을 갖고 플라즈마에 결합된 파형들에 대한 전류 및 전압을 측정하는 단계, 및 상기 모델과 상기 파형들의 측정된 전류 및 전압으로부터 플라즈마의 이온 밀도를 결정하는 단계를 포함한다.
Description
도 1a-1c는 본 발명의 실시예들이 실시될 수 있는 예시적인 플라즈마 강화 처리 챔버들의 개념도이다.
도 2는 플라즈마 특성들을 결정하기 위한 방법의 일 실시예의 처리 흐름도이다.
도 3은 플라즈마 모델의 간략화된 회로도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100A-100C: 플라즈마 처리 챔버들 102: 접지된 챔버 몸체
104, 106: 다수의 RF 전원들 108: 가스 패널
110: 플라즈마 112: 정합 회로
114: 기판 116: 기판 지지 페디스털
132: 가스 분배기 198: 계측 시스템
본 발명은 일반적으로 플라즈마 처리 기술들에 관한 것으로서, 보다 구체적 으로는 플라즈마 처리 시스템에서 플라즈마의 특성들을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.
플라즈마 강화 반도체 처리 챔버들은 집적 소자들의 제조에 널리 사용된다. 처리 성능은 일반적으로 플라즈마의 물리적, 화학적, 및 전기적 특성들을에 의존한다. 예를 들어, 플라즈마 에칭 처리의 균일도와 선택도(selectivity)는 처리 기판의 표면 또는 그 근처에서 플라즈마의 활성 이온들의 운동 특성들에 밀접하게 관련된다. 이방성 에칭 처리에서, 입사 이온들은 표면에 거의 수직인 좁은 각속도 분포를 갖는 기판 표면을 타격하고, 이에 따라 높은 종횡비의 피쳐(feature)들이 기판에 에칭되는 능력을 제공한다. 그러나, 실질적으로 등방성인 이온 속도 분포는 프로파일 캐비티 측벽들의 만곡(bowing) 또는 돌출(toeing)과 같은 바람직하지 않은 에칭 효과들을 초래할 수 있다.
더욱이, 플라즈마 이온들의 운동 에너지 분포는 기판 처리 결과에 영향을 끼칠 수도 있다. 일반적으로, 플라즈마는 전자-분자 충돌들에 의해 형성되는, 원자 라디칼들(Cl-), 원자 이온들(Cl+), 분자 이온들(Cl2 +), 및 여기된 분자(Cl2*)와 같은 화학적으로 반응성 종을 포함한다. 처리 동안 생성되는 플라즈마는 분자 이온들(Cl2 +)에 대해 원자 이온들(Cl+)의 상이한 농도 및/또는 비율들을 가질 수 있다. 플라즈마에서 원자 및 분자 이온들(Cl+, Cl2 +)의 혼합물 및/또는 상이한 분포 밀도를 갖는 에칭 프로세스들의 동력들은 상이한 에칭 결과들을 형성할 수 있다.
부가적으로, 플루오르화 탄소 가스들을 이용하는 플라즈마 에칭 프로세스들에서, 플라즈마로부터 방출된 CFx 및/또는 CFxHy는 측벽 패시베이션으로서 공지된 프로세스에서 에칭된 표면의 측벽상에 재증착될 수 있다. 측벽 패시베이션은 목표된 측벽 프로파일을 유지하면서 미리 결정된 깊이에 도달될 수 있도록 에칭 동안 측벽 프로파일을 제어하는데 사용된다. 그러나, 기판 표면에 충돌하는 이온들의 비율들 및/또는 컴포넌트는 종래의 플라즈마 프로세스들에서 공지 및/또는 조절되지 않기 때문에, 기판 표면으로부터 스퍼터링 에칭되는 물질과 활성화된 화학적 반응들은 챔버간에 및 프로세스 간에 변화될 수 있어서, 처리 제어, 에칭 처리들의 반복성 및 예측성에 악영향을 줄 수 있다.
본 출원인은 플라즈마에서 이온들의 에너지, 분포 및 특성들과 다른 플라즈마 특성들에 대한 양적(quantitative) 정보가 처리의 효율성 및 처리 결과의 품질의 의미있는 지표들이 될 수 있고, 이에 따라 처리 제어, 에칭 처리들의 반복성 및 예측성을 향상시킬 수 있다고 판단했다. 또한, 본 출원인은 플라즈마 특성들을 제공하는 능력이 다른 플라즈마 처리들 중에서 플라즈마 강화 화학적 기상 증착, 물리적 기상 증착, 플라즈마 표면 처리들과 같은 다른 플라즈마 처리들에서 상응하는 개선들을 가능하게 한다고 판단했다.
따라서, 플라즈마 처리들을 개선하기 위해 사용될 수 있는 효과적인 이온 에너지 및 다른 플라즈마 특성들을 결정하기 위한 방법들이 필요하다.
본 발명의 목적은 플라즈마 처리들을 개선하기 위해 사용될 수 있는 효과적인 이온 에너지 및 다른 플라즈마 특성들을 결정하기 위한 방법들을 제공하는 것이다.
플라즈마의 특성들을 결정하기 위한 방법들이 제공된다. 일 실시예에서, 플라즈마의 특성들을 결정하기 위한 방법은 상이한 주파수들에서 플라즈마에 결합되는 제 1 및 제 2 파형의 전류 및 전압 정보의 측량들(metrics)을 획득하는 단계, 각각의 상이한 주파수 파형으로부터 획득된 측량들을 이용하여 플라즈마의 적어도 하나의 특성을 결정하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 플라즈마의 특성들을 결정하기 위한 방법은 주파수의 함수로서 플라즈마의 플라즈마 임피던스 모델을 제공하는 단계, 및 모델을 이용하여 플라즈마의 적어도 하나의 특성을 결정하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 플라즈마의 특성들을 결정하기 위한 방법은 주파수의 함수로서 플라즈마의 플라즈마 임피던스 모델을 제공하는 단계, 플라즈마에 결합되고 적어도 2개의 상이한 주파수들을 갖는 파형들에 대한 전류 및 전압을 측정하는 단계, 및 모델과 상기 파형들의 측정된 전류 및 전압으로부터 플라즈마의 이온 질량을 결정하는 단계를 포함한다.
간략하게 요약된 본 발명의 상기 인용된 특징들은 첨부된 도면들에 도시된 그 실시예들을 참조로 보다 특정된 상세한 설명에서 이해될 수 있고 달성될 수 있다.
이해를 돕기 위해, 도면들에 공통인 동일한 엘리먼트들에 대해 가능하면 동일한 참조 부호들이 사용되었다. 일 실시예의 엘리먼트들과 피쳐들은 추가적인 인용 없이 다른 실시예들에서 바람직하게 포함될 수 있다고 고려된다.
그러나, 첨부된 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예들만을 나타내므로 그 범주를 제한하는 것으로서 고려되어서는 안되며, 본 발명에 대해 다른 동일한 유효한 실시예들에 인정될 수 있다는 것을 유의한다.
본 발명의 실시예들은 주파수 의존적인 플라즈마 모델을 이용하여 플라즈마 특성들을 결정하기 위한 방법들을 포함한다. 상이한 주파수들에서 플라즈마를 분석함으로써, 상기 모델은 다수의 플라즈마 특성들의 결정을 용이하게 한다. 결정될 수 있는 몇가지 플라즈마 특성들은 이온 질량, 이온 질량의 종의 분포, 이온 밀도, 플라즈마 비대칭성, 전자 온도, 외장(sheath) 전위 및 충돌 주파수를 포함한다. 상기 방법은 다른 플라즈마 특성들을 결정하는데 사용될 수 있다는 것을 고려한다.
플라즈마 특성들은 플라즈마에 결합되는 RF 파형들로부터 획득되는 정보를 이용하여 모델 분석에 의해 결정된다. 일 실시예에서, 모델 분석에 사용되는 제 1 RF 파형은 플라즈마 방전을 유지시키는데 사용될 수 있다. 또한, 모델 분석에 사용되는 제 2 RF 파형은 플라즈마를 구동하는데 사용될 수 있거나, 플라즈마에 결합된 저전력 진단 파형, 또는 플라즈마의 파형 조화(waveform harmonic)일 수 있다. 분석은 또한 다른 소스들로부터 획득된 플라즈마에 결합된 2개 보다 많은 RF 파형들로 수행될 수도 있고, 상기 다른 소스들 중 일부는 이하에서 추가로 기술된다.
모델은 플라즈마 방전의 전기적 임피던스에 의존하는 주파수의 장점을 갖는다. 모델은 상이한 변수들로서 플라즈마 특성들을 갖는 주파수 의존 식을 포함한다. 실제로, 모델의 제 1 변수는 제 1 주파수의 플라즈마 상태를 나타내는 제 1 모델 식의 제 2 변수에 의해 구해질 수 있고, 상기 제 1 모델 식은 그 다음 제 2 변수에 대해 구해지도록 제 2 주파수의 플라즈마 상태를 나타내는 제 2 모델 식으로 대체될 수 있다. 제 2 변수에 대한 값이 결정되면, 제 2 변수에 대한 값은 제 1 변수에 대한 값을 결정하는데 사용될 수 있다.
본 발명에 기술되는 실시예들에서, RF 파형 분석의 모델은 플라즈마 임피던스에 대한 식들을 기반으로 한다. 전류 및/또는 전압은 플라즈마 특성들에 의해 식들을 구하기 위한 입력들로서 사용된다. 다른 모델들이 본 발명에서 기술되는 방법들을 사용하기 위해 유도될 수 있다는 것을 고려한다. 또한, 상기 모델들은 파형의 위상과 같은 전압 및/또는 전류와 더불어, 또는 전압 및/또는 전류 이외의 입력들을 사용할 수 있다는 것을 고려한다. 본 발명에서 기술되는 방법들은 에칭 애플리케이션에 의해 예시적으로 나타내지만, 상기 방법들은 처리 결과들, 예측 및 반복성을 개선하는데 사용될 수 있는 플라즈마 파라미터들을 특성화하기 위해, 동일하게 임의의 플라즈마 처리들(예, 다른 것들 중에서 물리적 기상 증착, 플라즈마 강화 화학적 기상 증착, 플라즈마 이온 주입 및 플라즈마 막 처리)에 사용하기 적합할 수 있다.
도 1a-1b는 본 발명이 수행될 수 있는 플라즈마 처리 챔버들(100A-100C)의 개념도를 나타낸다. 본 발명으로부터의 장점을 적용할 수 있는 플라즈마 처리 챔 버들의 예들은 이에 제한됨이 없이, 캘리포니아 산타클레라의 어플라이드 머티어리얼스 사로부터 모두 이용가능한 Decoupled Plasma Source(DPS®, DPS®II), EMAX®, MXP®, 및 ENABLER® 처리 챔버들을 포함한다. 다른 제조사들로부터의 것들을 포함하는 다른 플라즈마 챔버들이 본 발명을 실시하는데 적용될 수 있다는 것을 고려한다. 이하에서 예시적으로 기술되는 플라즈마 처리 챔버들(100A-100C)은 에칭 챔버로서 구성되지만, 본 발명은 상기에서 나타낸 바와 같은 다른 플라즈마 처리들에 대해 사용될 수 있다.
가스 패널(108)에 의해 제공되는 가스들로부터 챔버에 형성된 플라즈마(110)에 결합된 RF 파형의 전압, 전류 및 위상 중 적어도 하나를 측정하기 위해 적합한 플라즈마 처리 챔버들(100A-100C)과 인터페이스되는 적어도 하나의 RF 계측 시스템(198)은 모든 실시예들에 공통이다. 계측 시스템(198)은 하나 이상의 센서들을 포함할 수 있다. 일반적으로, 계측 시스템(198)은 그 소스(RF 전원, 또는 플라즈마 자체와 같은) 사이에서 RF 파형과 인터페이스하도록 위치된다.
도 1a를 참조하면, 플라즈마 처리 챔버(100A)는 가스 패널(108)에 결합되는 접지된 챔버 몸체(102), 하나 이상의 RF 전원들 및 제어기(190)를 포함한다. 가스 패널(108)은 챔버 몸체(102)에 규정된 처리 영역으로 처리 가스 및 다른 가스들을 제공한다. RF 전원들 중 적어도 하나는 전형적으로 기판 처리, 챔버 또는 컴포넌트 완화제(seasoning) 및/또는 코팅, 및/또는 챔버 세정을 촉진시키기 위해, 처리 영역내에서 처리 가스들로부터 형성되는 플라즈마(110)를 유지하는데 사용된다.
기판 지지 페디스털(116)은 가스 분배기(132) 아래의 챔버 몸체(102)내에 배 치된다. 페디스털(116)은 가스 분배기(132) 아래에 기판(114)을 유지시키기 위해 정전 척(미도시)을 포함할 수 있다. 정전 척은 종래에 공지된 것처럼, 척 표면으로 기판(114)을 홀딩시키는 정전력을 형성하기 위해 DC 전원에 의해 구동된다. 선택적으로, 기판(114)은 클램핑, 진공 또는 중력에 의해 페디스털에 유지될 수 있다.
일 실시예에서, 기판 지지 페디스털(116)은 캐소드로서 구성되고 다수의 RF 전원들에 결합된다. 적어도 제 1 RF 전원(104)에 의해 제공되는 RF 전력은 가스 분배기(132) 또는 챔버 몸체(102)의 실링과 같이, 캐소드 및 다른 전극 사이에 결합된다. RF 전력은 챔버 몸체(102)의 처리 영역에 배치된 가스들로부터 형성되는 플라즈마 방전(예, 플라즈마(110))을 여기시키고 유지시킨다.
도 1a에 도시된 실시예에서, 다수의 RF 전원들(104, 106)은 정합 회로(112)를 통해 캐소드에 결합된다. 도 1a에 도시되지 않았지만, 정합 회로(112)는 RF 계측 시스템(198)을 포함하거나 RF 계측 시스템(198)과 인터페이스할 수 있다. RF 전원들(104, 106)에 의해 생성되는 신호는 정합 회로(112)를 통해 기판 지지 페디스털(116)로 전달되어 단일 공급 형성을 통해 플라즈마 처리 챔버(100A)에 제공되는 백그라운드 가스 혼합물을 이온화시키고, 이에 따라 에칭 또는 다른 플라즈마 강화 프로세스를 수행하기 위해 필요한 이온 에너지를 제공할 수 있다. RF 전원들(104, 106)은 일반적으로 약 50㎑ 내지 약 200㎒의 주파수를 가진 RF 신호와 약 0Watts 내지 약 500Watts의 전력을 형성할 수 있다. 다른 선택적인 RF 소스(120)는 도 1a에 도시되고, 플라즈마(110)의 특성들을 제어하는데 사용될 수 있는 하나 이상의 부가적인 전원들을 나타낸다.
가스 분배기(132)는 하나 이상의 노즐들 또는 샤워헤드를 포함할 수 있다. 가스 분배기(132)는 가스 패널(108)로부터 가스 분배기(132)로 제공되는 가스들이 챔버로 도입될 수 있고 점화시 기판(114)을 처리하기 위해 사용되는 플라즈마(110)로 형성될 수 있도록, 가스 패널(108)에 결합된다.
하나의 동작 모드에서, 기판(114)은 플라즈마 처리 챔버(100)의 기판 지지 페디스털(116)상에 배치된다. 처리 가스 및/또는 가스 혼합물은 가스 패널(108)로부터 가스 분배기(132)를 통해 챔버 몸체(102)로 도입된다. 진공 펌핑 시스템(122)은 에칭 부산물들을 제거하면서 챔버 몸체(102) 내부에서 압력을 유지시킨다. 진공 펌핑 시스템(122)은 전형적으로 약 10mTorr 내지 약 20Torr의 동작 압력을 유지시킨다.
RF 소스(104, 106)는 개별 주파수들의 RF 전력을 정합 회로(112)를 통해 캐소드로 제공하고, 이에 따라 플라즈마(110)를 형성하고 처리 챔버(102)의 가스 혼합물을 플라즈마 처리를 수행하는 이온들로 여기시키도록 에너지를 제공할 수 있다. RF 계측 시스템(198)은 각각의 전원(104, 106)에 의해 제공되는 전력을 나타내는 측량을 제공하기 위해 플라즈마(110)에 결합된 파형의 측량들을 측정한다. 측량은 제어기(190)로 전송되고 이하에서 추가로 상세화되는 것처럼 플라즈마의 특성들을 결정하는데 사용된다. 플라즈마의 특성들은 처리 편차를 수정하고, 상이한 챔버들간에 프로세스들을 일치시키고, 및/또는 특정 처리 결과들을 달성하기 위해, 인-시튜 처리하는 프로세스를 조절하도록 분석될 수 있다.
제어기(190)는 플라즈마 처리 챔버(100)의 다양한 컴포넌트들에 결합되고, 에칭 프로세스의 제어를 용이하게 하는데 사용된다. 제어기(190)는 일반적으로 중앙 처리 유닛(CPU)(192), 메모리(194), 및 CPU(192)를 위한 지원 회로들(196)을 포함한다. CPU(192)는 다양한 챔버들과 서브-프로세서들을 제어하기 위한 산업적 설정에 사용될 수 있는 임의의 형태의 컴퓨터 프로세서 중 하나일 수 있다. 메모리(194)는 CPU(192)에 결합된다. 메모리(194) 또는 컴퓨터 판독가능한 매체는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 리드 온리 메모리(ROM), 플로피 디스크, 하드 디스크, 또는 로컬 또는 원격의 임의의 다른 형태의 디지털 스토리지와 같이, 하나 이상의 용이하게 이용가능한 메모리일 수 있다. 지원 회로들(196)은 종래의 방식으로 프로세서를 지원하기 위해 CPU(192)에 결합된다. 이러한 회로들은 캐쉬, 전원들, 클록 회로들, 입력/출력 회로 및 서브시스템들 등을 포함한다.
프로세스, 예를 들어 아래에 기술되는 플라즈마 특성들을 결정하기 위한 방법(200)은 전형적으로 소프트웨어 루틴으로서 메모리(194)에 일반적으로 저장된다. 또한, 상기 소프트웨어 루틴은 CPU(192)에 의해 제어되는 하드웨어로부터 원격지에 위치된 제 2 CPU(미도시)에 의해 저장 및/또는 실행될 수 있다. 본 발명의 프로세스는 소프트웨어 루틴으로서 구현되는 것으로 기술되지만, 본 발명에 개시된 방법 단계들 중 일부는 소프트웨어 제어기에 의해서 뿐만 아니라 하드웨어로 수행될 수 있다. 따라서, 본 발명은 컴퓨터 시스템에서 실행되는 바와 같은 소프트웨어로 구현, 주문형 집적 회로로서 하드웨어 또는 다른 형태의 하드웨어 구현, 또는 소프트웨어와 하드웨어의 조합으로서 구현될 수 있다.
도 1b는 본 발명이 수행될 수 있는 다른 실시예의 플라즈마 처리 챔버(100B)를 도시한다. 플라즈마 처리 챔버(100B)는 상술한 플라즈마 처리 챔버(100A)와 실질적으로 유사하고, 저전력 진단 전원(130)이 플라즈마(110)에 결합된다. 플라즈마 처리 챔버(100B)는 플라즈마(110)를 유지하도록 단일 RF 전원(104)을 사용할 수 있거나, 대안적으로 다른 선택적인 RF 전원들(120)이 부가적으로 사용될 수 있다. 계측 시스템(198)은 저전력 RF 진단 전원(130)과 RF 전원(104)으로부터 전류, 전압 및 위상 중 적어도 하나의 측량을 획득하도록 구성된다.
저전력 RF 진단 전원(130)은 주요(primary) 또는 플라즈마 RF 소스(104)에 의해 제공되는 전력의 주파수와 상이한 주파수에서 플라즈마에 결합된다. 진단 전력은 단지 플라즈마 임피던스 측정을 위한 부가적인 주파수 정보의 소스로서만 작용하고, 플라즈마 방전의 동작 특성들을 크게 변화시키지 않는다. 일 실시예에서, 소스(130)로부터의 진단 전력은 약 10㎽ 내지 약 10W를 플라즈마에 제공한다.
도 1c는 본 발명이 수행될 수 있는 다른 실시예의 플라즈마 처리 챔버(100C)를 도시한다. 플라즈마 처리 챔버(100C)는 계측 시스템(198)이 플라즈마의 조화인 하나 이상의 RF 파형들을 측정하기 위해 구성된다는 점을 제외하고, 즉 플라즈마가 RF 소스(104)로부터의 파형들 뿐만 아니라 파형의 소스로서 작용한다는 점을 제외하고는, 상술한 플라즈마 처리 챔버들(100A-100B)와 실질적으로 유사하다. 계측 시스템(198)은 회로 엘리먼트(140)와 플라즈마(110) 사이에 일반적으로 배치된다. 저대역 통과 필터와 같은 회로 엘리먼트(140)는 기본 주파수(즉, RF 소스(104)에 의해 제공되는 주파수) 보다 더 큰 주파수를 갖는 파형들에 대해 개방 회로를 생성 하도록 선택되고, 이에 따라 반영된 플라즈마 조화들로부터 RF 소스들을 보호할 수 있다.
챔버(100C)에 형성된 플라즈마(110)는 단일 RF 소스(104)에 의해 유지될 수 있거나, 대안적으로 다른 선택적 RF 전원들(120)이 부가적으로 사용될 수 있다. 저전력 진단 전원(130)(도 1b에 도시된 바와 같은)이 챔버(100C)에 결합될 수도 있다는 것을 고려한다.
도 2는 RF 계측 시스템(198)에 의해 획득되는 정보를 이용하여 플라즈마 처리 챔버들(100A-100C)에서 수행될 수 있는 플라즈마(110)의 특성들을 결정하기 위한 방법(200)의 일 실시예의 처리 흐름도를 도시한다. 명확화를 위해, 플라즈마 처리 챔버들(100A-100C)은 참조 부호 100A-100C를 추가로 참조함이 없이, 차후에 "플라즈마 처리 챔버들"로서 공통으로 지칭될 것이다.
방법(200)은 플라즈마 처리 챔버에 배치된 기판 페디스털(116) 상에 기판(114)을 배치함으로써 단계 202에서 시작된다. 상기 방법(200)은 챔버내에서 기판 없이 수행될 수 있다는 것을 유의한다.
단계 204에서, 하나 이상의 처리 가스들이 가스 패널(108)로부터 플라즈마 처리 챔버로 공급되고, 처리를 위해 사용되는 반응성 종(예, 이온들 또는 라디칼들)을 제공하기 위해 플라즈마(110)로 형성된다. 단계 206에서, 전력은 플라즈마(110)을 유지시키기 위해 하나 이상의 RF 전원들로부터 제공된다.
단계 208에서, 계측 시스템(198)은 플라즈마(110)에 결합된 RF 파형들을 나타내는 측량들을 획득한다. 일 실시예에서, RF 파형들은 도 1a에 도시된 것처럼, 플라즈마를 유지시키기 위해 상이한 주파수들에서 전력을 제공하는 RF 소스들(104, 106)로부터 나온다. 몇몇 공통의 주파수 쌍들은 2 및 13㎑, 2 및 60㎑와, 13 및 60㎑를 포함한다. 3개의 RF 전원들이 플라즈마를 유지하는데 사용되는 실시예들에서, 공통 주파수 그룹들은 2, 13 및 60㎑와, 2, 13 및 162㎑를 포함한다.
다른 실시예들에서, RF 파형들 중 하나는 플라즈마 유지 전력을 제공하는데 사용되는 제 1 RF 소스로부터 나오고, 다른 RF 파형은 도 1b에 도시된 것처럼, 제 1 RF 소스에 의해 제공되는 전력과 상이한 주파수에서 플라즈마에 결합되는 저전력 진단 전력을 생성하는 제 2 RF 소스로부터 나온다. 또한, 다수의 저전력 진단 전원들이 상이한 파형들을 생성하는데 사용될 수 있다는 것을 고려한다. 진단 파형들은 홀로, 또는 다른 소스들로부터 획득된 파형들과 연계하여 사용될 수 있다.
또 다른 실시예들에서, RF 파형들 중 하나는 플라즈마 유지 전력을 제공하는데 사용되는 제 1 RF 소스로부터 나오고, 다른 RF 파형은 플라즈마의 조화, 즉 플라즈마가 도 1c에 도시된 것처럼, 제 1 RF 소스에 의해 제공되는 전력과 상이한 주파수에 있는 제 2 주파수 파형의 소스로서 작용한다. 또한, 하나 보다 많은 조화(harmonic) 주파수로부터의 파형들이 사용될 수 있다는 것을 고려한다. 조화 파형들은 홀로, 또는 다른 소스들로부터 획득된 파형들과 연계하여 사용될 수 있다.
상이한 주파수들의 파형 형성은 상기에서 주어진 예들의 임의의 조합에 의해 달성될 수 있다는 것을 고려한다. 예를 들어, 하나 이상의 RF 유지 파형들(하나 이상의 주파수들에서)은 조화 및/또는 진단 소스들로부터 획득된 파형들로 분석될 수 있다. 다른 예에서, 하나 이상의 조화 파형들은 하나 이상의 진단 RF 소스들로 부터 획득된 파형들로 분석될 수 있다.
일 실시예에서, 계측 시스템(198)은 소스와 플라즈마 사이에서 측정되는 RF 파형들의 전류 및 전압 측량들을 획득하는데 사용된다. 측량들은 제어기(190)에 제공된다.
단계 210에서, 제어기(190)는 계측 시스템(198)으로부터 제공되는 측량들을 이용하여 플라즈마의 2개 이상의 특성들을 결정한다. 일 실시예에서, 측량들은 외장 전압과 이온 밀도를 결정하기 위해 제어기(190)에 의해 사용된다. 외장 전압은 RF 전압 변조의 진폭과 대략적으로 동일하고, 이온 밀도는 RF 전류의 크기와 대략적으로 동일하다. 외장 전압과 이온 밀도는 주파수의 함수로서 플라즈마 임피던스를 표현하는 모델을 위한 입력 변수들로서 사용된다.
상기 모델은 일반적으로 공지된 전기적 플라즈마 특성들을 이용하는 플라즈마의 럼프(lump) 엘리먼트 회로 식이다. 예를 들어, 외장 임피던스에 대한 식 부분은 Childs Law를 기반으로 할 수 있고, 벌크 임피던스에 대한 식 부분은 균등(homogeneous) 플라즈마 모델들을 기반으로 할 수 있다. 모델은 다른 이론들을 기반으로 하거나 실험적으로 유도될 수 있고, 본 발명에서 기술되는 방법을 이용하여 플라즈마 특성들을 달성하도록 결정될 수 있다는 것을 고려한다.
상기 모델은 일반적으로 이온 질량, 충돌 주파수, 전자 온도, 플라즈마 비대칭성, 외장 전압 및 이온 밀도에 대한 변수들을 포함한다. 이온 밀도와 외장 전압에 대한 값들은 상술한 것처럼 제공되고, 모델의 식은 임의의 나머지 변수들, 예 이온 질량, 충돌 주파수, 전자 온도 및 플라즈마 비대칭성에 대해 결정될 수 있다. 파형 정보가 단지 2개의 주파수들에서 이용가능하다면, 4개의 나머지 변수들 중 2개는 더 큰 관심사인 다른 변수들이 결정될 수 있도록 근사화된 값들로 할당될 수 있다. 파형 정보가 3개 이상의 주파수들에서 이용가능하면, 모든 4개의 나머지 변수들이 결정될 수 있다.
상기 모델은 제 1 주파수 모델 식에 의해 표현되는 제 1 변수를 대체하는 것보다 제 1 주파수의 모델 식을 이용하여 제 1 변수에 대해 구함으로써 이용되고, 관심사인 제 2 변수가 결정될 수 있다. 제 2 변수의 결정 값을 이용하여, 제 1 변수에 대한 값이 결정될 수 있다. 이러한 방법을 이용하여, 임의의 쌍의 이온 질량, 충돌 주파수, 전자 온도 및 플라즈마 비대칭성은 2개의 주파수 모델 분석을 이용하여 결정될 수 있거나, 3개 이상의 주파수들의 모델 분석을 이용하여 모두 결정될 수 있다. 상기 모델은 다른 분석적 방법들, 예를 들어 다른 것들 중에서 모든 식들에 대한 고유한 답을 구하는, 신경망들, 최적합, 회귀(regression) 분석을 이용하여 결정될 수 있다는 것을 고려한다.
도 3은 플라즈마 모델의 간략화된 회로도의 일 실시예이다. 플라즈마 모델은 고주파수 벌크 플라즈마 근사화(예를 들어, Godyak V 1986 Soviet RF Discharge Research and Child Law High Voltage Sheath Approximation(C.D. Child, Phys. Rev., 32) 참조)를 이용하여 비대칭 용량성 방전(균등하고 일정한 이온 MFP)을 가정할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 아르곤 플라즈마는 ne= 1010cm-3, VDC= 500Volts, vme= 0.01/ns, α=0.5 및 Te= 5eV의 중심점 파라미터들을 가질 수 있다.
외장 저항은 다음과 같이 표현될 수 있다:
외장 두께는 다음과 같이 근사화될 수 있다:
외장 저항은 다음과 같이 표현될 수 있다:
다음과 같은 비대칭성 조건들로 인해 병렬 엘리먼트들로서 처리하고, 전력공급된 외장으로 시작하며, 접지된 외장을 스케일링한다:
벌크 임피던스는 Zbulk로서 표현될 수 있으므로, ne, VDC, vme, α, Mion 및 Te에 대한 전체 방전 임피던스는 다음과 같이 표현될 수 있다:
여기서, ne, VDC, vme, α, Mion 및 Te는 각각 전자 밀도, 외장 전압, 충돌 주파수, 방전 비대칭성, 이온 질량 및 전자 온도이다.
주파수 1, 2, … n에서 등가 회로의 임피던스를 측정하고 상기 식들을 이용하여 회로 엘리먼트들 CshGND, RshGND, C0, RP, LP, CshRF, 및 RshRF를 ne, VDC, vme, α, Mion 및 Te에 연관시킴으로써, 플라즈마 파라미터들이 임피던스 측정으로부터 직접 결정될 수 있다.
단계 210에서 결정되는 플라즈마 특성들은 시뮬레이션된 전압과 시뮬레이션된 모델들에 의해 획득되는 전류 크기들에 따라 계산되는 바와 같이 플라즈마에 의해 생성되는 유효 이온 질량의 에너지를 결정하는데 사용될 수 있다. 플라즈마 특성들, 예를 들어 단계 210에서 결정되는 이온 질량은 플라즈마 내에서 이온들과 종(species)의 분포를 결정하는데 사용될 수도 있다. 처리 챔버에서 가스 혼합물의 분리(dissociation)는 원자 라디칼들(Cl·), 원자 이온들(Cl+), 분자 이온들(Cl2 +) 및 여기된 분자(Cl2*)와 같은 상이한 형태들로 이온화될 수 있기 때문에, 플라즈마 내의 이온 종들의 분포의 정확한 결정은 플라즈마 처리를 보다 효과적으로 제어하는데 사용될 수 있다. 종의 분포는 원자 및/또는 분자 분포들에 대해 결정될 수 있다. 예를 들어, 원자 라디칼들(Cl·) 및/또는 원자 이온들(Cl+)은 기판상에 물질(예, SiO2 또는 금속)과 반응하는 대신에 분자 이온들(Cl2+)로서 재결합 및 형성될 수 있으며, 이에 따라 목표된 바와 같이 처리 성능에 악영향을 끼치고 처리 영역에 분포된 이온들을 교번시킬 수 있다. 이온 질량을 인지하고 처리 파라미터들의 특정 세트를 위한 이온 분포를 결정함으로써, 처리 성능은 장시간의 처리 특성화 없 이 보다 정확히 추정될 수 있다. 따라서, 유효 이온 에너지의 추정 및/또는 분포는 플라즈마에 결합된 RF 파형들의 전압 및 전류 크기들에 의해 계산될 수 있고, 이에 따라 처리 챔버에서 생성되고 남겨지는 실제 반응성 종을 식별할 수 있다. 따라서, 본 발명은 플라즈마 내의 이원자(diatomic) 가스들(예, 다른 것들 중에서 Cl2, O2, 및 N2)의 분자 및 원자 분포들을 결정하는데 특히 유용하다. 본 발명은 또한 CF4 처리 가스 조각들(CF+3, CF2 +2 등)의 분포와 같이, 플라즈마내의 화합물 조각들(fragments)의 분포들을 결정하는데 유용하다. 따라서, 프로세스는 처리 키트(process kit) 변화, 챔버간 변화, 및 가스 소스들(처리 가스)의 조성에서의 변화와 같이, 아이템들간에 처리 편차 또는 변화들의 즉각적인 식별을 하용한다.
따라서, 본 발명은 주파수 의존 플라즈마 모델을 이용하여 플라즈마 특성들을 결정하는 방법들을 제공한다. 상이한 주파수들에서 플라즈마를 분석함으로써, 상기 모델은 이온 질량, 이온 질량 종의 분포, 이온 밀도, 플라즈마 비대칭성, 전자 온도, 외장 전위 및 충돌 주파수와 같은 플라즈마 특성들의 결정을 용이하게 한다. 결과적으로, 모델들은 플라즈마 처리들의 향상된 처리 제어, 관리 및 반복성을 바람직하게 촉진시킨다.
전술한 상세한 설명은 본 발명의 실시예들에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 실시예들과 추가적인 실시예들이 그 기본 범주를 벗어남이 없이 안출될 수 있고, 그 범주는 이하의 청구범위에 의해 결정된다.
본 발명에 의하면, 플라즈마 처리들을 개선하기 위해 사용될 수 있는 효과적인 이온 에너지 및 다른 플라즈마 특성들을 결정하기 위한 방법들을 제공할 수 있는 효과가 있다.
Claims (29)
- 플라즈마 특성들을 결정하기 위한 방법으로서,플라즈마에 결합된 제 1 파형의 전류 및 전압 정보의 측량들(metrics)을 획득하는 단계;플라즈마에 결합된 제 2 파형의 전류 및 전압 정보의 측량들을 획득하는 단계 - 상기 제 1 파형 및 제 2 파형은 상이한 주파수들을 가짐 -; 및각각의 상이한 주파수 파형으로부터 획득된 상기 측량들을 이용하여 적어도 하나의 플라즈마 특성을 결정하는 단계를 포함하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 결정 단계는 플라즈마의 이온 질량을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 이온 질량을 결정하는 단계는 플라즈마 내의 이온 질량 종(species)의 분포를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 결정 단계는 플라즈마의 비대칭성을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 결정 단계는 플라즈마의 전자 온도를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 결정 단계는 플라즈마 내에서 전자-분자 충돌 주파수를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 결정 단계는 주파수 의존 모델을 이용하여 플라즈마를 분석하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 주파수 의존 모델은 플라즈마의 임피던스 모델을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 제 1 항에 있어서,플라즈마를 유지시키는데 사용되는 제 1 전원으로부터 상기 제 1 파형을 생성하는 단계; 및플라즈마 특성을 제어하는데 사용되는 전원으로부터 상기 제 2 파형을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 제 1 항에 있어서,플라즈마를 유지시키는데 사용되는 제 1 전원으로부터 상기 제 1 파형을 생성하는 단계; 및플라즈마의 동작 특성을 크게 변화시키지 않는 저전력 진단 소스로부터 상기 제 2 파형을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 저전력 진단 소스로부터 상기 제 2 파형을 생성하는 단계는 약 1mW 내지 약 10W를 플라즈마에 결합시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 파형의 측량들을 획득하는 단계는 플라즈마 조화(harmonic) 파형 의 측량들을 획득하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 제 1 파형의 측량들을 획득하는 단계는 제 2 플라즈마 조화 파형의 측량들을 획득하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 제 1 파형의 측량들을 획득하는 단계는 플라즈마를 유지시키는데 사용되는 제 1 전원으로부터 상기 제 1 파형을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 제 1 파형의 측량들을 획득하는 단계는 플라즈마의 동작 특성들을 크게 변화시키지 않는 저전력 진단 소스로부터 상기 제 1 파형을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 플라즈마 특성들을 결정하기 위한 방법으로서,주파수의 함수로서 플라즈마의 플라즈마 임피던스 모델을 제공하는 단계;플라즈마에 결합되는 상이한 주파수들을 갖는 RF 파형들의 전류 및 전압 정보를 획득하는 단계;플라즈마의 동작 특성들을 크게 변화시키지 않는 저전력 진단 소스에 의해 제공되는 파형의 측량을 측정하는 단계; 및상기 모델을 이용하여 적어도 하나의 플라즈마 특성을 결정하는 단계를 포함하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 삭제
- 제 16 항에 있어서,상기 획득 단계는 플라즈마 조화 파형의 측량을 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 삭제
- 제 16 항에 있어서,상기 획득 단계는 플라즈마를 유지시키는데 사용되는 다수의 RF 전원들에 의해 제공되는 파형들의 측량들을 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 제 16 항에 있어서,상기 결정 단계는 플라즈마의 이온 밀도, 플라즈마 내의 이온 질량 종의 분포, 플라즈마의 비대칭성, 플라즈마의 전자 온도 또는 플라즈마 내의 전자-분자 충돌 주파수 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 제 16 항에 있어서,상기 결정 단계는 플라즈마 내의 염소(Cl) 종 간의 분포를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 플라즈마 특성들을 결정하기 위한 방법으로서,주파수의 함수로서 플라즈마의 플라즈마 임피던스 모델을 제공하는 단계;적어도 2개의 상이한 주파수들을 갖고 플라즈마에 결합되는 파형들에 대한 전류 및 전압을 측정하는 단계; 및상기 파형들의 측정된 전류 및 전압으로부터 플라즈마의 이온 밀도를 결정하는 단계를 포함하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 제 23 항에 있어서,상기 결정 단계는 상기 모델, 상기 파형들의 측정된 전류 및 전압으로부터 플라즈마 내의 전자-분자 충돌 주파수를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 제 23 항에 있어서,상기 측정 단계는 조화 파형을 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 제 23 항에 있어서,상기 측정 단계는 플라즈마의 동작 특성들을 크게 변화시키지 않는 저전력 진단 소스에 의해 제공되는 파형의 측량을 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 제 23 항에 있어서,상기 측정 단계는 플라즈마를 유지시키는데 사용되는 다수의 RF 전원들에 의해 제공되는 파형들의 측량들을 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 제 23 항에 있어서,상기 결정 단계는 플라즈마 내에서 이원자(diatomic) 종 간의 분포를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
- 제 23 항에 있어서,상기 결정 단계는 플라즈마 내에서 처리 가스 조각들간의 분포를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 특성 결정 방법.
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