KR101700981B1 - 멀티주파수 용량적으로 커플링된 플라즈마 에칭 챔버 - Google Patents

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Abstract

가스와 사용하기 위한 플라즈마 프로세싱 시스템이 제공된다. 플라즈마 프로세싱 시스템은 제 1 전극, 제 2 전극, 가스 입력 포트, 전원 및 패시브 회로를 포함한다. 가스 입력 포트는 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 가스를 제공하도록 동작가능하다. 전원은 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 가스로부터 플라즈마를 점화하도록 동작가능하다. 패시브 회로는 제 2 전극에 커플링되고, 제 2 전극의 임피던스, 전압 전위, 및 DC 바이어스 전위 중 하나 이상을 조정하도록 구성된다. 패시브 무선 주파수 회로는 인덕터와 병렬로 배열된 커패시터를 포함한다.

Description

멀티주파수 용량적으로 커플링된 플라즈마 에칭 챔버{MULTIFREQUENCY CAPACITIVELY COUPLED PLASMA ETCH CHAMBER}
본 출원은 그 전체 개시물이 참조로 여기에 포함되는, 2009년 4월 6일 출원된 미국 가특허 출원 61/166,994 에 대해 U.S.C.§119(e) 하에서 이점을 주장한다.
플라즈마 프로세싱에서의 진보는 반도체 산업의 성장을 촉진하였다. 플라즈마 프로세싱은 상이한 플라즈마 생성 기술들, 예를 들어, 유도적으로 커플링된 플라즈마 프로세싱 시스템들, 용량적으로 커플링된 플라즈마 프로세싱 시스템들, 마이크로파 생성된 플라즈마 프로세싱 시스템들 등을 수반할 수도 있다. 제조자들은 종종, 반도체 디바이스들을 제조하기 위해 재료의 에칭 및/또는 증착을 수반하는 프로세스들에서 용량적으로 커플링된 플라즈마 프로세싱 시스템들을 채용한다.
새로운 진보된 재료들, 다른 재료들의 복합 스택들, 더 얇은 층들, 더 작은 피처들, 및 더 타이트한 공차들로 제조되는 차세대 반도체 디바이스들은 플라즈마 프로세스 파라미터들에 대한 더욱 정확한 제어 및 더 넓은 동작 윈도우들을 갖는 플라즈마 프로세싱 시스템들을 요구할 수도 있다. 따라서, 기판들의 플라즈마 프로세싱을 위한 중요한 고려사항은 복수의 플라즈마 관련 프로세스 파라미터들을 제어하기 위한 능력들을 프로세싱하는 용량적으로 커플링된 플라즈마 프로세싱 시스템들을 수반한다. 플라즈마 관련 프로세스 파라미터들을 제어하기 위한 종래의 방법들은 패시브 RF 커플링 회로, 무선 주파수 (RF) 생성기 또는 DC 전원을 포함할 수도 있다.
도 1a 는 플라즈마 에칭 프로세스 동안 종래 기술의 플라즈마 프로세싱 시스템 (100) 의 단순 개략도를 예시한다. 플라즈마 프로세싱 시스템 (100) 은 한정 챔버 (102), 상부 전극 (104), 하부 전극 (106) 및 RF 드라이버 (108) 를 포함한다. 한정 챔버 (102), 상부 전극 (104) 및 하부 전극 (106) 은 플라즈마 형성 공간 (110) 을 제공하도록 배열된다. RF 드라이버 (108) 는 하부 전극 (106) 에 전기적으로 접속되고, 상부 전극 (104) 은 접지에 전기적으로 접속된다.
동작중에, 기판 (112) 은 정전기력을 통해 하부 전극 (106) 상에 홀딩된다. 가스 소스 (미도시) 가 에칭 가스를 플라즈마 형성 공간 (110) 에 공급한다. RF 드라이버 (108) 는 구동 신호를 하부 전극 (106) 에 제공하여서, 하부 전극 (106) 과 상부 전극 (104) 사이의 전압차를 제공한다. 전압차는 플라즈마 형성 공간 (110) 에서 전자기장을 생성하고, 여기서, 플라즈마 형성 공간 (110) 에서의 가스가 이온화되어 플라즈마 (114) 를 형성한다. 플라즈마 (114) 가 기판 (112) 의 표면을 에칭한다.
도 1b 는 종래의 에칭 프로세스 동안 플라즈마 프로세싱 시스템 (100) 의 바닥부의 확대도를 예시한다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 플라즈마 시스 (sheath) (116) 가 플라즈마 (114) 와 기판 (112) 의 표면 사이에 형성된다. 플라즈마 시스 (116) 는 플라즈마 (114) 의 전위와 하부 전극 (106) 의 전위 사이의 전위 강하를 견딘다. 플라즈마 (114) 로부터의 플라즈마 이온들 (118) 은 플라즈마 시스 (116) 양단의 전위 강하를 통해 기판 (112) 의 표면을 향해 가속된다. 플라즈마 이온들 (118) 과 기판 (112) 의 충격은 기판 (112) 의 표면상의 재료가 에칭되어 떨어지게 한다. 에칭 프로세싱 동안, 플라즈마로부터의 이온들과 함께 중성종 (neutral species) 의 플럭스가 또한, 폴리머 층이 기판 (112) 상에 증착되게 한다. 이러한 방식에서, 플라즈마 (114) 는 기판 (112) 상에 재료들을 에칭 및/또는 증착하여 전자 디바이스들을 생성하기 위해 사용될 수도 있다.
실제로, 플라즈마 프로세싱 파라미터들 및 에칭/증착 작용을 정밀하게 제어하기 위한 필요성은, 플라즈마 프로세싱 시스템들이 도 1a 및 도 1b 의 플라즈마 프로세싱 시스템 (100) 보다 더욱 복잡하다는 것을 요구한다.
도 2 는 종래 기술의 플라즈마 프로세싱 시스템 (200) 의 단순 개략도를 도시한다. 도 2 에 예시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 프로세싱 시스템 (200) 은 상부 전극 (204), 하부 전극 (206), 접지된 상부 연장 링 (210), 상부 절연체 (212), 접지된 바닥 연장 링 (214), 바닥 절연체 (216), RF 정합 회로 (218), RF 생성기 (220), RF 정합 회로 (222) 및 RF 생성기 (224) 를 포함한다.
도 2 의 플라즈마 프로세싱 시스템 (200) 의 기본 셋업은 도 1a 의 상기 언급한 플라즈마 프로세싱 시스템 (100) 과 유사하지만, 상부 전극 (204) 이 접지되는 대신에, 상부 전극 (204) 이 RF 정합 회로 (222) 를 통해 RF 생성기 (224) 에 접속된다는 점에서 다르다. 이러한 방식에서, 상부 전극 (204) 의 RF 바이어스는 독립적으로 제어될 수 있다. 또한, 플라즈마 프로세싱 시스템 (200) 은 플라즈마 경계들로부터 RF 전류를 유출하는 접지된 상부 및 바닥 연장 링들을 포함한다. 플라즈마 프로세싱 시스템 (200) 의 예에서, 하부 전극 (206) 은 바닥 절연체 (216) 에 의해 접지된 바닥 연장 링 (214) 으로부터 전기적으로 분리된다. 유사하게, 상부 전극 (204) 은 상부 절연체 (212) 에 의해 접지된 상부 연장 링 (210) 으로부터 전기적으로 분리된다.
플라즈마 프로세싱 시스템 (200) 은 단일, 이중 (DFC), 또는 삼중 주파수 RF 용량적 방전 시스템일 수도 있다. RF 생성기 (224) 에 의해 제공된 무선 주파수들의 비제한적인 예들은 2, 27 및 60 MHz 를 포함한다. 플라즈마 프로세싱 시스템 (200) 에서, 기판 (208) 은 프로세싱을 위해 하부 전극 (206) 상에 배치될 수도 있다.
예를 들어, 기판 (208) 이 프로세싱되는 상황을 고려한다. 플라즈마 프로세싱 동안, 접지로의 경로를 갖는 RF 생성기 (220) 는 RF 정합 회로 (218) 를 통해 저전력 RF 바이어스를 하부 전극 (206) 에 공급한다. 일 예로서, RF 정합 회로 (218) 는 플라즈마 프로세싱 시스템 (200) 으로의 전력 전달을 최대화하기 위해 사용될 수도 있다. 하부 전극 (206) 에 제공된 RF 생성기 (220) 로부터의 구동 신호가 하부 전극 (206) 과 상부 전극 (204) 사이의 전압차를 제공한다. 전압차는 가스가 이온화되게 하는 전자기장을 생성하여, 상부 전극 (204) 과 하부 전극 (206) 사이에 플라즈마를 생성한다 (가스 및 플라즈마는 개략도를 단순화하기 위해 도시되지 않음). 플라즈마는 기판 (208) 상에 재료들을 에칭 및/또는 증착하여 전자 디바이스들을 생성하기 위해 사용될 수도 있다.
예를 들어, 제조자가 플라즈마 프로세싱 파라미터들에 대한 추가의 제어를 제공하기 위해 에칭 프로세스 동안 상부 전극 (204) 의 전압을 조정하기를 원할 수도 있는 상황을 고려한다. 상부 전극 (204) 의 전압은 접지로의 경로를 갖는 RF 정합 회로 (222) 를 통해 RF 생성기 (224) 에 의해 조정될 수도 있다. 도 2 의 예에서, RF 생성기 (224) 는 높게 전력공급될 수도 있다.
이제, 다른 타입의 종래의 플라즈마 프로세싱 시스템이 도 3 을 참조하여 설명될 것이다.
도 3 은 종래 기술의 플라즈마 프로세싱 시스템 (300) 의 단순한 개략도를 도시한다. 도 3 에 예시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 프로세싱 시스템 (300) 은 상부 전극 (204), 하부 전극 (206), 접지된 상부 연장 링 (210), 상부 절연체 (212), 접지된 바닥 연장 링 (214), 바닥 절연체 (216), RF 정합 회로 (218), RF 생성기 (220), RF 필터 (322) 및 DC 전원 (324) 을 포함한다. 플라즈마 프로세싱 시스템 (300) 에서, 기판 (208) 은 프로세싱을 위해 하부 전극 (206) 상에 배치될 수도 있다.
도 3 의 플라즈마 프로세싱 시스템 (300) 은 도 2 의 상기 언급한 멀티-주파수 용량적으로 커플링된 플라즈마 프로세싱 시스템 (200) 과 유사하지만, 도 3 의 예에서는, DC 전원 (324) 이 접지로의 경로를 갖는 RF 필터 (322) 를 통해 상부 전극 (204) 에 커플링된다는 범위에서 다르다. RF 필터 (322) 는 일반적으로, DC 전원 (324) 에 대한 손실을 유도하지 않고 원치않은 고조파 RF 에너지의 감쇠를 제공하기 위해 사용된다. 원치않은 고조파 RF 에너지는, 플라즈마가 방전할 때 생성되고, RF 필터(322)에 의해 DC 전원으로 복귀되는 것이 방지될 수도 있다.
예를 들어, 제조자가 플라즈마 프로세싱 파라미터들에 걸쳐 추가의 제어를 제공하기 위해 플라즈마 프로세싱 동안 상부 전극 (204) 의 DC 전위를 조정하기를 원할 수도 있는 상황을 고려한다. 도 3 의 예에서, 상부 전극 (204) 의 DC 전위는 DC 전원 (324) 을 이용함으로써 조정될 수도 있다. 통상적으로, 상부 전극 (204) 상에 DC 바이어스를 인가하는 목적은, 전자들이 상부 전극 (204) 으로 진행하는 것을 방지하여, 플라즈마에서 캡처되도록 하기 위한 것이다. 이러한 방식에서, 플라즈마 밀도는 증가될 수 있고, 이에 의해 기판 (208) 의 재료의 에칭 레이트를 증가시킨다.
상기 언급한 플라즈마 프로세싱 시스템들은, 상부 전극상의 전압을 조정하여 플라즈마 관련 파라미터들에 대한 추가의 제어를 획득하기 위해 외부 RF 및/또는 DC 전력 공급을 이용하는 것을 요구한다. 외부 전원들의 요건이 구현하는데 고가이기 때문에, RF 커플링 및 DC 바이어스를 달성하기 위해 접지로의 DC 전류 경로를 갖는 RF 커플링 회로를 사용하는 플라즈마 프로세싱 시스템이 개발되었다. 이제, 이러한 타입의 종래 기술의 플라즈마 프로세싱 시스템이 도 4 및 도 5 를 참조하여 설명될 것이다.
도 4 는 종래의 플라즈마 프로세싱 시스템 (400) 의 단순한 개략도를 도시한다. 도 4 에 예시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 프로세싱 시스템 (400) 은 상부 전극 (204), 하부 전극 (206), 접지된 상부 연장 링 (404), 상부 절연체 (212), 접지된 바닥 연장 링 (412), 바닥 절연체 (216), RF 정합 회로 (218), RF 생성기 (220), 도전성 커플링 부재 (410) 및 RF 커플링 회로 (402) 를 포함한다. 플라즈마 프로세싱 시스템 (400) 에서, 기판 (208) 은 프로세싱을 위해 하부 전극 (206) 상에 배치될 수도 있다.
도 4 의 플라즈마 프로세싱 시스템 (400) 은 도 2 및 도 3 의 상기 언급한 멀티-주파수 용량적으로 커플링된 플라즈마 프로세싱 시스템들 (200 및 300) 과 유사하지만, 도 4 의 예에서는, 상부 전극 (204) 이 외부 RF 또는 DC 소스 대신에 패시브 회로 (RF 커플링 회로 (402)) 에 접속된다는 점에서 다르다. 구체적으로는, RF 커플링 회로 (402) 는 DC 접지로의 경로를 갖는 상부 전극 (204) 에 커플링된다. 도 2 및 도 3 의 예들에서 행해진 바와 같이 외부 전원들을 사용하는 대신에, 도 4 에서는, 상부 전극 (204) 에 대한 RF 커플링 및 DC 바이어스가 접지 및 RF 커플링 회로 (402) 에 DC 전류 복귀를 제공함으로써 달성된다.
도 4 의 플라즈마 프로세싱 시스템 (400) 은 또한, 플라즈마 프로세싱 시스템 (400) 에서, 다양한 연장 링들이 이하 더 논의되는 바와 같이 상이하다는 점에서 도 2 및 도 3 의 예들과는 다르다.
플라즈마 프로세싱 시스템 (400) 에서, 상부 전극 (204) 은 상부 절연체 (212) 에 의해 접지된 상부 전극 연장 링 (404) 으로부터 전기적으로 분리된다. 접지된 상부 전극 연장 링 (404) 은 표면상에 석영층 (414) 으로 커버되는 도전성 알루미늄 재료로 구성될 수도 있다. 유사하게는, 하부 전극 (206) 은 바닥 절연체 (216) 에 의해 DC 접지된 바닥 연장 링 (412) 으로부터 전기적으로 분리된다. 접지된 바닥 연장 링 (412) 은 표면상에 석영층 (416) 으로 커버될 수도 있는 도전성 알루미늄 재료로 구성될 수도 있다. 다른 도전성 재료들이 또한 하부 전극 연장 링 (412) 의 구성에 이용될 수도 있다.
도전성 커플링 부재 (410) 는 접지로의 DC 전류 복귀에 대한 경로를 제공하기 위해 하부 전극 연장 링 (412) 의 알루미늄 부분상에 배치된다. 도전성 커플링 부재 (410) 는 실리콘으로 구성될 수도 있다. 다르게는, 도전성 커플링 부재 (410) 는 또한 다른 도전성 재료들로 구성될 수도 있다. 플라즈마 프로세싱 시스템 (400) 에서, 도전성 커플링 부재 (410) 는 링 형상이다. 링 형상은 바람직하게는, 플라즈마 프로세싱 챔버의 바닥에서 접지로의 DC 전류 복귀에 대해 방사상의 균일성을 제공한다. 그러나, 도전성 커플링 부재 (410) 는 임의의 적절한 형상, 예를 들어, 접지로의 DC 전류 복귀에 대한 균일성을 제공할 수도 있는 원형 디스크 형상, 도넛 형상 등으로 형성될 수도 있다.
상부 전극 (204) 에는 접지에 대한 RF 커플링을 제어하는 RF 커플링 회로 (402) 가 제공된다. RF 커플링 회로 (402) 는 전원을 요구하지 않고, 즉, RF 커플링 회로 (402) 는 패시브 회로이다. RF 커플링 회로 (402) 는 임피던스 및/또는 저항을 변경하여, 상부 전극 (204) 상의 RF 전압 전위 및/또는 DC 바이어스 전위를 각각 변화시키기 위한 회로로 구성될 수도 있다. 이제, 종래 기술의 예시적인 RF 커플링 회로 (402) 가 도 5 를 참조하여 설명될 것이다.
도 5 는 예시적인 RF 커플링 회로 (402) 의 분해 조립도이다. 도 5 에 예시되어 있는 바와 같이, RF 커플링 회로 (402) 는 인덕터 (502), 가변 커패시터 (504), RF 필터 (506), 가변 저항기 (508) 및 스위치 (510) 를 포함한다. RF 커플링 회로 (402) 는 가변 임피던스 출력을 생성하는 접지로의 경로를 갖는 가변 커패시터 (504) 와 직렬인 인덕터 (502) 로 구성된다. 가변 커패시터 (504) 의 비제한적인 예시적인 커패시턴스 값은, 동작 주파수가 약 2 MHz 일 때 약 20pF 내지 약 4,000pF 사이를 포함한다. 인덕터 (502) 의 인덕턴스 값의 비제한적인 예는 약 14nH 이다.
RF 필터 (506) 는 가변 저항 출력을 생성하는 스위치 (510) 및 가변 저항기 (508) 에 접속된다. 스위치 (510) 가 개방될 때, 도 4 의 상부 전극 (204) 은 플로팅 (floating) 이고, DC 전류 경로가 존재하지 않는다. 스위치 (510) 가 폐쇄될 때, 전류 경로는 플라즈마 (미도시) 를 통해 상부 전극 (304) 으로부터 도 4 의 도전성 커플링 부재 (410) 를 통해 DC 접지된 바닥 연장 링 (412) 으로 흐르는 경향이 있다.
가변 커패시터 (504) 및 인덕터 (502) 가 전류 경로에 배치됨으로써, 임피던스를 전류 흐름에 제공한다. RF 커플링 회로 (402) 의 임피던스는 가변 커패시터 (504) 의 값을 변화시킴으로써 조정될 수도 있다. 도 4 의 상부 전극 (204) 의 RF 전압 전위는 RF 커플링 회로 (402) 의 가변 커패시터 (504) 및 인덕터 (502) 를 통해 임피던스를 변화시킴으로써 제어될 수도 있다. 이전에 언급한 바와 같이, RF 커플링 회로 (302) 는 패시브 회로이고, 따라서, 전원을 요구하지 않는다.
또한, 가변 저항기 (508) 가 전류 흐름에 저항을 제공하기 위해 전류 경로에 배치된다. RF 커플링 회로 (402) 의 저항은 가변 저항기 (508) 의 값을 변화시킴으로써 조정될 수도 있다. 따라서, 도 4 의 상부 전극 (204) 의 DC 전위는, 도 5 의 스위치 (510) 가 개방된 DC 플로팅과 도 5 의 스위치 (510) 가 폐쇄된 DC 접지 사이에서 DC 전위 값들의 등급을 제공하도록 제어될 수도 있다.
RF 커플링 회로 (402) 는 접지로의 DC 전류 경로와의 RF 커플링을 이용함으로써 상부 전극 (204) 상에서 RF 임피던스 및/또는 DC 바이어스 전위를 조정함으로써 플라즈마 프로세스 파라미터들 (예를 들어, 플라즈마 밀도, 이온 에너지, 및 화학적 성질) 을 제어하는 방법들 및 장치들을 제공한다. 제어는 어떠한 외부 전원도 이용하지 않고 달성될 수도 있다.
장래 세대의 플라즈마 에칭기는 대형 기판 직경들에 대한 전류 프로세스들의 양호한 수송능력 및 하드웨어의 기하학적 치수들의 스케일링을 요구할 것이다. 공교롭게도, 상기 언급한 플라즈마 프로세싱 시스템들은 대형 기판 직경들에 대한 전류 프로세스들의 충분한 스케일링 및 수송능력을 제공하지 못한다. 플라즈마 관련 파라미터들에 대한 제어를 허용하면서 대형 기판 직경들에 대한 전류 프로세스들의 스케일링 및 수송능력을 제공하는 플라즈마 프로세싱 시스템이 필요하다.
본 발명의 목적은, 대형 기판 직경들에 대한 전류 프로세스들의 스케일링 및 수송능력, 플라즈마 균일성, 밀도 및 방사상 분포의 제어를 제공하는 용량적으로 커플링된 플라즈마 프로세싱 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태는 가스와 사용하기 위한 플라즈마 프로세싱 시스템에 접근한다. 플라즈마 프로세싱 시스템은 제 1 전극, 제 2 전극, 가스 입력 포트, 전원 및 패시브 회로를 포함한다. 가스 입력 포트는 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 가스를 제공하도록 동작가능하다. 전원은 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 가스로부터 플라즈마를 점화하도록 동작가능하다. 패시브 회로는 제 2 전극에 커플링되고, 제 2 전극의 임피던스, 전압 전위, 및 DC 바이어스 전위 중 하나 이상을 조정하도록 구성된다. 패시브 무선 주파수 회로는 인덕터와 병렬로 배열된 커패시터를 포함한다.
본 발명의 추가의 목적들, 이점들 및 신규한 특징들은 후속하는 설명에서 부분적으로 설명되고, 부분적으로는, 다음을 검사할 때 당업자에게 명백해질 것이거나, 본 발명의 실시에 의해 알 수도 있다. 본 발명의 목적들 및 이점들은 첨부한 청구범위에서 특정하게 지적된 수단들 및 결합들에 의해 실현 및 획득될 수도 있다.
명세서에 및 명세서로부터 통합되는 첨부한 도면들은, 본 발명의 예시적인 실시형태를 예시하고, 설명과 함께, 본 발명의 원리들을 설명하도록 기능한다. 도면에서,
도 1a 는 플라즈마 에칭 프로세스 동안 종래 기술의 플라즈마 프로세싱 시스템의 단순한 개략도를 예시한다.
도 1b 는 종래의 에칭 프로세스 동안 도 1a 의 플라즈마 프로세싱 시스템의 바닥부의 확대도를 예시한다.
도 2 는 상부 전극에 커플링된 RF 생성기를 갖는 종래 기술의 플라즈마 프로세싱 시스템의 단순한 개략도를 도시한다.
도 3 은 상부 전극에 접속된 DC 전원을 갖는 종래 기술의 플라즈마 프로세싱 시스템을 예시한다.
도 4 는 DC 접지로의 경로를 갖는 상부 전극에 커플링된 RF 회로 장치를 갖는 종래 기술의 플라즈마 프로세싱 시스템을 예시한다.
도 5 는 RF 회로 장치의 단순한 개략도를 예시한다.
도 6 은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 인덕터를 통해 DC 접지로의 경로를 갖는 공진 필터 회로 장치에 커플링된 상부 전극을 포함하는 플라즈마 프로세싱 시스템에 대한 단순한 개략도를 도시한다.
도 7 은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 플로팅 상부 전극을 갖는 것을 제외하고 유사하게 구성된 시스템에 대한 에칭 레이트와 비교하여, 기판상의 에칭 레이트의 측정된 효과 대 기판의 중심으로부터 이격된 반경 또는 거리를 나타내는 데이터를 표현하는 그래프를 예시한다.
도 8 은 본 발명의 일 실시형태에 따른, DC 접지로의 경로를 갖는 공진 필터 회로의 임피던스 대 가변 커패시터의 커패시턴스 값, 공진 필터의 컴포넌트를 나타내는 데이터를 표현하는 그래프를 예시한다.
도 9 는 본 발명의 일 실시형태에 따른, 하부 전극의 DC 전압 및 상부 전극의 RF 전압 대 가변 커패시터의 커패시턴스 값, 공진 RF 회로의 컴포넌트를 나타내는 데이터를 표현하는 그래프를 예시한다.
도 6 은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 플라즈마 프로세싱 시스템 (600) 을 예시한다. 도 6 에 예시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 프로세싱 시스템 (600) 은 상부 전극 (204), 하부 전극 (206), RF 정합 회로 (218), RF 생성기 (220), 상부 절연체 (212), 바닥 절연체 (216), 접지된 바닥 연장 링 (214), 접지된 상부 연장 링 (210), 한정 링들 (602) 의 세트, RF 접지 디바이스 (604) 및 공진 필터 (606) 를 포함한다. 공진 필터 (606) 는 인덕터 (608), 가변 커패시터 (610) 및 표유 (stray) 커패시턴스 (612) 를 포함한다. 플라즈마 프로세싱 시스템 (600) 에서, 기판 (208) 은 프로세싱을 위해 하부 전극 (206) 상에 배치된다.
RF 생성기 (220) 는 RF 전력을 RF 정합 회로 (218) 를 통해 하부 전극 (206) 에 제공한다. RF 생성기 (220) 에 의해 공급된 무선 주파수들의 비제한적인 예들은 2, 27 및 60 MHz 를 포함한다.
상부 전극 (204) 은 하부 전극 (206) 과 대향하고, 거기에 용량적으로 커플링된다. 상부 전극 (204) 은 접지에 추가적으로 커플링되고, 상부 절연체 (212) 에 의해 접지된 상부 연장 링 (210) 으로부터 전기적으로 분리된다. 하부 전극 (206) 은 접지에 커플링되고, 바닥 절연체 (216) 에 의해 접지된 바닥 연장 링 (214) 으로부터 전기적으로 분리된다.
상부 전극 (204) 은 공진 필터 (606) 에 커플링할 수 있다. 상부 전극 (204) 은 또한 RF 접지 디바이스 (604) 를 통해 접지될 수 있다. 표유 커패시턴스 (612) 는 접지에 대한 전극 (204) 의 기생 커패시턴스로서 정의된다. 인덕터 (608) 및 가변 커패시터 (610) 는 서로 병렬로 배열되고, 접지에 각각 접속된다.
동작중에, 가스 (614) 가 가스 소스 (미도시) 에 의해 플라즈마 형성 공간 (618) 으로 제공된다. 구동 신호가 RF 생성기 (220) 에 의해 RF 정합 회로 (218) 를 통해 하부 전극 (206) 에 제공된다. 구동 신호는 상부 전극 (204) 과 하부 전극 (206) 사이에서 전자기장을 생성하고, 이것은 플라즈마 형성 공간 (618) 내의 가스 (614) 를 플라즈마 (622) 로 턴 (turn) 한다. 그 후, 플라즈마 (622) 는 전자 디바이스들을 생성하는 기판 (208) 을 에칭하기 위해 사용될 수도 있다.
공진 필터 (606) 의 임피던스는 가변 커패시터 (610) 의 커패시턴스를 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 공진 필터 (606) 의 임피던스를 조정함으로써, 상부 전극 (204) 과 접지된 상부 연장 링 (210) 사이의 저주파수 RF 전류 경로가 제어될 수 있다. 또한, 공진 필터 (606) 의 임피던스를 변경하는 것은, 상부 전극 (204) 의 RF 전압 및 플라즈마 (622) 의 상부 시스와 하부 시스 사이의 위상 관계를 변경시킨다. 이러한 방식으로, 플라즈마 (622) 의 형상 및 밀도와 같은 플라즈마 프로세싱 파라미터들이 공진 필터 (606) 의 임피던스를 단순히 조정함으로써 제어될 수 있다.
예를 들어, 공진 필터 (606) 의 임피던스가 높으면, 저주파수 RF 전류는 상부 전극 (204) 으로 진입하는 것이 차단되어, 큰 전극 DC 셀프-바이어스가 나타난다. 상부 전극 (204) 과 접지된 상부 연장 링 (210) 및 접지된 하부 연장 링 (214) 사이의 플라즈마를 통해 DC 전류 경로가 제공된 이러한 경우에서, 플라즈마 시스는 RF 사이클 동안 상부 전극 (204) 에서 붕괴하지 않을 수도 있다. 따라서, 전극 (204) 에 접근하는 전자들은 플라즈마로 되반사될 수 있고, 플라즈마에 캡처되어 유지되어 더 많은 이온을 생성하여서, 플라즈마 밀도를 증가시킨다. 또한, 공진 필터를 튜닝함으로써, 상부 및 바닥 플라즈마 시스들 양자는 거의 동위상 조건에 이를 수 있어서, 플라즈마 벌크에서 전자들의 트랩핑 (trapping), 및 따라서 플라즈마 밀도 강화를 발생시킨다. 따라서, 플라즈마 밀도에서의 국부적 증가는 기판 (208) 의 에칭 레이트에서의 국부적 증가를 초래할 것이다. 따라서, 이러한 방식에서, 적절하게 튜닝된 공진 필터 (606) 는 도 3 에서의 종래 기술의 플라즈마 프로세싱 시스템 (300) 에서 행해진 바와 같이, 상부 전극 (204) 에 DC 바이어스를 인가하는 동일한 효과를 가질 수도 있다.
이러한 방식에서, 공진 필터 (606) 의 임피던스를 단순히 튜닝함으로써, 기판 (208) 상에서 플라즈마 (622) 의 방사상 분포를 제어하고, 따라서, 에칭 레이트와 같은 플라즈마 프로세싱 파라미터들의 방사상 분포를 제어할 수 있다. 이것은 도 7 을 참조하여 이하 더 논의될 것이다.
도 7 은 플로팅 상부 전극 (204) 을 갖는 플라즈마 프로세싱 시스템 및 (상부 전극 (204) 이 공진 필터 (606) 에 커플링되는) 본 발명에 따른 예시적인 플라즈마 프로세싱 시스템에 대한 기판 반경의 함수로서 에칭 레이트를 비교한다. 이 도면은 그래프 (700) 를 포함하고, 여기서, x-축은 기판 반경 (mm 단위) 이고, y-축은 기판 (208) 의 에칭 레이트 (Å/min 단위) 이다. 그래프 (700) 는 도트 함수 (702) 및 대시 함수 (704) 를 포함한다. 도트 함수 (702) 는 상부 전극 (204) 이 플로팅인 플라즈마 프로세싱 시스템에 대한 기판 반경의 함수로서 에칭 레이트를 나타낸다. 대시 함수 (704) 는 상부 전극 (204) 이 공진 필터 (606) 에 커플링되는 본 발명의 일 양태에 따른 웨이퍼 반경의 함수로서 에칭 레이트를 나타낸다.
도트 함수 (702) 는 기판의 중심, 즉, 0 mm 의 기판 반경에서 포인트 (706) 에 의해 표시된 대략 3950 Å/min 의 최대 에칭 레이트를 특징으로 한다. 도트 함수 (702) 는 반경이 증가할 때, 포인트들 (712 및 714) 에 의해 표시된 기판의 중심으로부터 ± 147 mm에서 대략 3750 Å/min 의 최소 에칭 레이트로 감소한다.
대시 함수 (704) 는 기판의 중심, 즉, 0 mm 의 웨이퍼 반경에서 포인트 (708) 에 의해 표시된 대략 4750 Å/min 의 최대 에칭 레이트를 특징으로 한다. 대시 함수 (704) 는 반경이 증가할 때, 포인트들 (710 및 716) 에 의해 표시된 기판의 중심으로부터 ± 147 mm에서 대략 3850 Å/min 의 최소 에칭 레이트로 감소한다.
그래프 (700) 로부터, 플로팅 상부 전극을 갖는 플라즈마 프로세싱 시스템 및 본 발명에 따른 예시적인 플라즈마 프로세싱 시스템에 대한 최대 에칭 레이트들이 기판의 중심에서 달성된다는 것이 명백하다. 그래프 (700) 로부터, 플로팅 상부 전극 (204) 을 갖는 플라즈마 프로세싱 시스템 및 본 발명에 따른 예시적인 플라즈마 프로세싱 시스템에 대한 에칭 레이트들이 기판의 중심으로부터의 거리가 증가할수록 감소한다는 것이 또한 명백하다. 그러나, 여기서 키 포인트는, 에칭 레이트의 방사상의 분포가 상부 전극 (204) 에 대해 공진 필터 (606) 를 구현한 결과로서 어떻게 변화하는지이다.
본 발명에 따른 예시적인 플라즈마 프로세싱 시스템의 기판의 중심, 즉, 포인트 (708) 에서의 에칭 레이트는, 플로팅 상부 전극 (204) 을 갖는 플라즈마 프로세싱 시스템의 기판의 중심, 즉, 포인트 (706) 에서의 에칭 레이트 보다 대략 20% 이상이다. 본 발명에 따른 플라즈마 프로세싱 시스템의 기판 에지들, ±147 mm 의 반경, 즉, 포인트들 (716 및 710) 에서의 에칭 레이트는 플로팅 상부 전극 (204) 을 갖는 플라즈마 프로세싱 시스템의 ±147 mm 의 기판 반경, 즉, 포인트들 (712 및 714) 에서의 에칭 레이트 보다 대략 2.7% 이상이다. 따라서, 여기서, 상부 전극 (204) 에 커플링된 공진 필터 (606) 의 효과는 주로 기판의 중심에서 에칭 레이트를 증가시키는 것임이 명백하다.
에칭 레이트의 방사상 균일성을 유지하는 것이 통상적으로, 대부분의 플라즈마 프로세싱 애플리케이션들에서의 목적이지만, 기판의 중심에서 우선적으로 에칭 레이트를 증가시키는 능력을 갖는 것이 다수의 경우들에서 유용할 수도 있다. 예를 들어, 플라즈마 프로세싱 시스템 (600) 이 적절하게 튜닝된 공진 필터 (606) 를 구현함으로써 중심에서 더 낮은 에칭 레이트를 발생시키는 에칭 레이트를 명목상 제공하는 경우들에서, 이러한 효과를 보상할 수 있고, 이에 의해, 전체 기판상에서 균일한 에칭 레이트를 갖는 최종 결과를 생성한다.
본질적으로, 플라즈마 프로세싱 시스템 (600) 에서, 공진 필터 (606) 를 간단히 튜닝함으로써 에칭 레이트 대 반경에 대한 그래프의 형상을 변경하는 능력을 갖는다. 이러한 능력은, 프로세싱된 기판에 증가된 에칭 레이트 및 전체 직경에 걸쳐 균일한 에칭 프로파일을 제공하기 위해 에칭 레이트가 플라즈마 프로세싱 시스템 (600) 의 나머지와 튜닝되거나 매칭되게 할 수 있다.
도 8 은 가변 커패시터 (610) 의 커패시턴스의 함수 (800) 로서 공진 필터 (606) 의 임피던스의 그래프를 예시한다. 도 8 에 예시되어 있는 바와 같이, 그래프의 x-축은 가변 커패시터 (610) 의 커패시턴스 (0 pF, 1450 pF) 를 나타내고, 그래프의 y-축은 공진 필터 (606) 의 임피던스 (-2000 Ω, 2500 Ω) 를 나타낸다. 여기서, 이러한 경우에서의 RF 주파수는 대략 2 MHz 이다.
도면에 예시되어 있는 바와 같이, 공진 필터 (606) 의 임피던스는, 가변 커패시터 (610) 가 어떠한 커패시턴스에도 근접하지 않는 포인트 (802) 로부터, 가변 커패시터 (610) 가 대략 800 pF 커패시턴스를 갖는 포인트 (804) 까지 점진적으로 증가한다. 그 후, 공진 필터 (606) 의 임피던스는 포인트 (804) 로부터, 가변 커패시터 (610) 가 대략 1000 pF 커패시턴스를 갖는 포인트 (806) 까지 더욱 급격하게 증가한다. 그 후, 공진 필터 (606) 의 임피던스는 포인트 (806) 로부터, 가변 커패시터 (610) 가 대략 1200 pF 커패시턴스를 갖는 포인트 (808) 까지 점근적으로 증가한다.
이전에 논의한 바와 같이, 공진 필터 (606) 의 고임피던스의 효과는 주로 기판의 중심에서, 플라즈마 밀도 및 기판 에칭 레이트를 증가시키는 것이다. 따라서, (도 7 의 대시 함수 (704) 의 경우에서 행해진 바와 같이) 중심에서 우선적으로 에칭 레이트를 증가시킬 수 있도록, 가변 커패시터 (610) 를 구성하여, 안정한 플라즈마 (622) 가 유지되도록 허용하는 최대 임피던스를 발생시킬 수 있다. 도 8 에서, (1200 pF 의 커패시턴스 값에 대응하는) 포인트 (808) 가 공진 필터 (606) 에 대한 최대 가능한 임피던스를 제공하지만, 이것은 매우 불안정한 포인트이기 때문에, 이 조건하에서 플라즈마 (622) 를 유지하는 것이 어려울 수도 있다는 것이 명백하다. 작은 임피던스 값을 발생시키지만 플라즈마 (622) 가 유지되도록 여전히 허용하는 것이 더욱 적합한 선택이다. 여기서, 적합한 선택의 예는 대략 1000 pF 의 커패시터 값에 대응하는 포인트 (806) 일 수 있다.
도 9 는 가변 커패시터 (610) 의 커패시턴스의 함수로서 전위의 그래프이다. 도 8 에 예시된 바와 같이, 그래프의 x-축은 가변 커패시터 (610) 의 커패시턴스 (0 pF, 1450 pF) 를 나타내고, 그래프의 y-축은 전위 (-1000V, 1500V) 를 나타낸다.
도 9 에 예시되어 있는 바와 같이, 파선 (902) 은 가변 커패시터 (610) 의 커패시턴스의 함수로서 하부 전극 (206) 의 DC 바이어스를 나타내고, 점선 (904) 은 가변 커패시터 (610) 의 커패시턴스의 함수로서 상부 전극 (204) 의 피크 - 피크 RF 전압을 나타낸다. 그래프는, 하부 전극 (206) 의 DC 전압 및 상부 전극 (204) 의 피크 - 피크 전압이 가변 커패시터 (610) 의 값을 단순히 변화시킴으로써 어떻게 변경될 수 있는지를 예시한다. 이것은 또한, 도 8 에서의 포인트 (806) 에 대응하는 커패시턴스 값 (여기서, 가변 커패시터 (610) = 1000 pF) 이 하부 전극 (206) 상에서 비교적 높은 값의 DC 바이어스를 또한 유지하면서 상부 전극상에서 최대 피크 - 피크 전압을 어떻게 발생시키는지를 도시한다.
상기로부터 이해될 수도 있는 바와 같이, 본 발명의 실시형태들은 인덕터 (608) 를 통해 접지로의 DC 전류 경로를 갖는 공진 필터 (606) 회로를 이용하여 상부 전극 (204) 상의 RF 임피던스를 조정함으로써 플라즈마 파라미터들 (예를 들어, 플라즈마 밀도, 이온 에너지, 및 화학적 성질) 을 제어하는 방법들 및 장치들을 제공한다. 공진 필터 (606) 회로 및 DC 접지 경로는 구현하기가 비교적 단순하다. 또한, 제어는 DC 전원을 이용하지 않고 달성될 수도 있다. 전원에 대한 필요성을 제거함으로써, 용량적으로 커플링된 플라즈마 프로세싱 챔버에서 플라즈마 프로세싱의 제어를 유지하면서 비용 절약이 실현될 수도 있다.
본 발명의 다양한 바람직한 실시형태들의 상술한 설명은 예시 및 설명을 위해 제공되었다. 이것은 포괄적이거나 본 발명을 개시된 정밀한 형태들로 제한하도록 의도되지 않고, 명백하게는, 다수의 변형물들 및 변경물들이 상기 교시의 관점에서 가능하다. 상술한 바와 같은 예시적인 실시형태들은 본 발명의 원리들 및 그것의 실제 애플리케이션을 최상으로 설명하기 위해 선택되고 설명되어서, 당업자는 예상되는 특정한 사용에 적합한 다양한 변경물들과 그리고 다양한 실시형태들에서 본 발명을 최상으로 활용할 수 있다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 것으로 의도된다.

Claims (7)

  1. 반도체 기판들을 플라즈마 에칭을 하기 위한 플라즈마 프로세싱 시스템으로서,
    플라즈마 프로세싱 동안 반도체 기판이 지지될 수 있는 하부 전극;
    상기 하부 전극을 둘러싸는 접지된 바닥 연장 링;
    상부 전극;
    상기 상부 전극을 둘러싸는 접지된 상부 연장 링;
    상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이에 가스를 제공하도록 동작가능한 가스 입력 포트;
    상기 하부 전극에 연결되고, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이의 상기 가스로부터 플라즈마를 점화하도록 동작가능한 전원; 및
    상기 상부 전극에 커플링되고, 인덕터와 병렬로 배열된 가변 커패시터를 포함하는 패시브 무선 주파수(Radio Frequency) 회로를 포함하고,
    상기 패시브 무선 주파수 회로는 병렬 LC 회로이고, 상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 변화시킴으로써 상기 상부 전극의 임피던스, 전압 전위, 및 DC 바이어스 전위 중 하나 이상을 조정하고,
    상기 가변 커패시터의 상기 커패시턴스를 변화시킴으로써, 상기 하부 전극 및 상기 접지된 바닥 연장 링을 연결하는, 제1 무선 주파수 전류 경로 및 상기 상부 전극 및 상기 접지된 상부 연장 링을 연결하는, 제2 무선 주파수 전류 경로를 제어하고,
    상기 가변 커패시터의 상기 커패시턴스를 변화시킴으로써 상기 기판의 중심을 향하여 기판 에칭 레이트를 증가시키도록 구성된, 플라즈마 프로세싱 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 커패시터 및 상기 인덕터는 접지에 각각 접속되는, 플라즈마 프로세싱 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 패시브 무선 주파수 회로로부터 상기 상부 전극을 분리하고, 상기 상부 전극을 접지에 접속하도록 동작가능한 스위치를 더 포함하는, 플라즈마 프로세싱 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 패시브 무선 주파수 회로로부터 상기 상부 전극을 분리하고, 상기 상부 전극을 접지에 접속하도록 동작가능한 스위치를 더 포함하는, 플라즈마 프로세싱 시스템.
  6. 삭제
  7. 플라즈마 프로세싱 방법으로서,
    플라즈마 프로세싱 동안 반도체 기판이 지지될 수 있는 하부 전극과 상부 전극 사이에 가스를 제공하는 단계;
    상기 하부 전극에 연결된, 전원을 통해, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이의 상기 가스로부터 플라즈마를 점화하는 단계; 및
    상기 상부 전극에 커플링되고, 인덕터와 병렬로 배열된 가변 커패시터를 포함하는 패시브 무선 주파수 회로를 통해, 상기 상부 전극의 임피던스, 전압 전위, 및 DC 바이어스 전위 중 하나 이상을 변경하는 단계를 포함하고,
    상기 패시브 무선 주파수 회로는 병렬 LC 회로이고, 상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 변화시킴으로써 상기 상부 전극의 상기 임피던스, 상기 전압 전위, 및 상기 DC 바이어스 전위 중 하나 이상을 조정하고,
    상기 가변 커패시터의 상기 커패시턴스를 변화시킴으로써, 상기 하부 전극 및 상기 하부 전극을 둘러싸는 접지된 바닥 연장 링을 연결하는, 제1 무선 주파수 전류 경로 및 상기 상부 전극 및 상기 상부 전극을 둘러싸는 접지된 상부 연장 링을 연결하는, 제2 무선 주파수 전류 경로를 제어하고,
    상기 가변 커패시터의 상기 커패시턴스를 변화시킴으로써 상기 기판의 중심을 향하여 기판 에칭 레이트를 증가시키도록 구성된, 플라즈마 프로세싱 방법.
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