KR101841315B1 - 플라즈마 에칭 프로세스를 위한 급속하고 균일한 가스 스위칭 - Google Patents

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Abstract

유도 결합 플라즈마 프로세싱 장치는 프로세싱 챔버, 기판 지지체, 유전체 윈도우, 플라즈마를 발생시키고 유지하도록 동작가능한 안테나, 및 유전체 윈도우에 인접한 유전체 재료의 샤워헤드 플레이트를 포함한다. 샤워헤드 플레이트는, 유전체 윈도우 아래의 플리넘과 유체로 연통하는 가스 홀들을 포함하고, 이 플리넘은 500 ㎤ 이하의 가스 볼륨을 갖는다. 가스 홀들은 샤워헤드 플레이트의 플라즈마 노출면과 플리넘 사이에서 연장되고, 이 가스 홀들은 적어도 2 의 종횡비를 갖는다. 가스 전달 시스템은 반도체 기판이 기판 지지체 상에 지지되는 동안 에칭 가스와 성막 가스를 샤워헤드 플레이트를 통해 프로세싱 챔버 내에 공급하도록 동작가능하다. 이 플라즈마 프로세싱 장치는 플리넘 내의 에칭 가스를 성막 가스로 그리고 그 반대로 약 200 밀리초 이내에 급속하게 대체시킬 수 있다. 이 플라즈마 프로세싱 장치는 반도체 기판 상의 실리콘을 10 ㎛/분 이상의 속도로 에칭하도록 동작가능하다.

Description

플라즈마 에칭 프로세스를 위한 급속하고 균일한 가스 스위칭{RAPID AND UNIFORM GAS SWITCHING FOR A PLASMA ETCH PROCESS}
보쉬 프로세스 (Bosch process) 는, 반도체 산업에서 (이를테면, 수십 내지 수백 마이크로미터의 깊이를 갖는) 깊은 수직 (고 종횡비 (aspect ratio)) 의 피처들 (features), 이를테면, 트렌치들 및 비아들을 제작하는데 광범위하게 사용되고 있는 플라즈마 에칭 프로세스이다. 보쉬 프로세스는 에칭 단계들과 성막 단계들 (deposition steps) 을 교번하는 사이클들을 포함한다. 보쉬 프로세스의 상세들은 미국 특허 제5,501,893호에서 찾을 수 있고, 이 미국 특허는 여기에 참조로 포함되어 있다. 보쉬 프로세스는 무선 주파수 (RF) 바이어싱 기판 전극과 함께, 유도 결합 플라즈마 (ICP) 소스와 같은 고밀도 플라즈마 소스로 구성된 플라즈마 프로세싱 장치에서 실행될 수 있다. 실리콘을 에칭하기 위해 보쉬 프로세스에 사용된 프로세스 가스들은, 에칭 단계에서는 육불화황 (SF6) 일 수 있고, 성막 단계에서는 옥토플루오로시클로부탄 (C4F8) 일 수 있다. 에칭 단계에서 사용된 프로세스 가스 및 성막 단계에서 사용된 프로세스 가스 각각은 이하 "에칭 가스" 및 "성막 가스" 라고 지칭된다. 에칭 단계 동안, SF6 은 실리콘 (Si) 의 자발적 및 등방성 에칭을 용이하게 한다; 성막 단계 동안, C4F8 은 에칭된 구조물들의 바닥들 뿐만 아니라 측벽들 상에 보호 폴리머 층의 성막을 용이하게 한다. 보쉬 프로세스는 에칭 단계와 성막 단계 사이를 순환적으로 교번하여, 깊은 구조물들이 마스킹된 실리콘 기판 내에 규정될 수 있게 한다. 에칭 단계들에 존재하는 활성적이고 직접적인 이온 충격시, 이전 성막 단계로부터 에칭된 구조물들의 바닥들에 코팅된 임의의 폴리머 필름이 제거되어 추가 에칭을 위한 실리콘 표면을 노출시킬 것이다. 측벽 상의 폴리머 필름에는 직접적인 이온 충격이 행해지지 않기 때문에 그 측벽 상의 폴리머 필름이 남아있게 됨으로써, 측면 에칭을 억제한다.
보쉬 프로세스의 하나의 한계는 에칭된 깊은 피처들의 거칠어진 측벽들이다. 이 한계는 보쉬 프로세스에 사용된 주기적인 에칭/성막 방식으로 인한 것이고, 이 기술분야에서는 측벽 "스캘로핑 (scalloping)" 으로 알려져 있다. 다수의 디바이스 적용을 위해, 이러한 측벽 거칠기 또는 스캘로핑을 최소화시키는 것이 바람직하다. 스캘로핑의 범위는 통상적으로 스캘로핑 길이 및 깊이로서 측정된다. 스캘로핑 길이는 측벽 거칠기의 피크 투 피크 간격 (peak-to-peak distance) 이며, 단일의 에칭 사이클 동안 달성된 에칭 깊이와 직접적으로 상관된다. 스캘로핑 깊이는 측벽 거칠기의 피크 투 밸리 간격 (peak to valley distance) 이며, 개별 에칭 단계의 이방성 정도와 상관된다. 스캘로핑 형성의 범위는 각 에칭/성막 단계의 지속기간을 단축시킴으로써 (즉, 더 높은 주파수에서 반복되는 더 짧은 에칭/성막 단계들) 최소화될 수 있다.
더 평활화된 피처 측벽들 이외에도, 더 높은 전체 에칭 속도를 달성하는 것도 또한 바람직하다. 전체 에칭 속도는, 프로세스의 총 지속기간으로 나뉘어지는, 프로세스에서 에칭된 총 깊이로 규정된다. 전체 에칭 속도는 프로세스 단계 내에서 효율성을 증가시킴으로써 (즉, 데드 타임을 감소시킴으로써) 증가될 수 있다.
도 1 은, 기판 지지체 (130) 및 그 기판 지지체 (130) 를 둘러싸는 프로세싱 챔버 (140) 를 포함하는, 기판 (120) 를 프로세싱하기 위한 종래의 플라즈마 프로세싱 장치 (100) 를 예시한 것이다. 기판 (120) 은, 예를 들어, 4", 6", 8", 12" 등과 같은 직경들을 갖는 반도체 웨이퍼일 수도 있다. 기판 지지체 (130) 는, 예를 들어, 무선 주파수 (RF) 전력공급 전극을 포함할 수도 있다. 기판 지지체 (130) 는 챔버 (140) 의 더 낮은 단벽 (endwall) 으로부터 지지될 수도 있고, 예를 들어, 챔버 (140) 의 측벽으로부터 연장되어 캔틸레버식으로 될 수도 있다. 기판 (120) 은 전극 (130) 에 기계적으로 또는 정전기적으로 클램핑될 수도 있다. 프로세싱 챔버 (140) 는, 예를 들어, 진공 챔버일 수도 있다.
프로세싱 챔버 (140) 내의 프로세스 가스를 고밀도 플라즈마로 활성화시킴으로써 기판 (120) 이 프로세싱 챔버 (140) 내에서 프로세싱된다. 에너지의 소스는 이 챔버 (140) 내에 고밀도 (예를 들어, 1011 내지 1012 ions/㎤) 플라즈마를 유지시킨다. 예를 들어, 안테나 (150), 이를테면, 도 1 에 도시된 평면 멀티턴 나선형 코일, 비-평면 멀티턴 코일, 또는 적절한 RF 소스 및 적절한 RF 임피던스 정합 회로에 의해 전력공급되는 또 다른 형상을 갖는 안테나는 RF 에너지를 챔버에 유도 결합시켜 고밀도 플라즈마를 발생시킨다. 안테나 (150) 에 인가되는 RF 전력은, 챔버 (140) 에 사용되는 상이한 프로세스 가스들 (예를 들어, SF6 을 함유하는 에칭 가스 및 C4F8 을 함유하는 성막 가스) 에 따라 변화될 수 있다. 챔버 (140) 는, 챔버 (140) 내부를 원하는 압력 (예를 들어, 5 Torr 미만, 바람직하게는 1 내지 100 mTorr) 으로 유지시키기에 적절한 진공 펌핑 장치를 포함할 수도 있다. 도 1 에 도시된 균일한 두께의 평면 유전체 윈도우 (155), 또는 비-평면 유전체 윈도우 (미도시) 와 같은 유전체 윈도우가 안테나 (150) 와 프로세싱 챔버 (140) 내부 사이에 제공되고 프로세싱 챔버 (140) 의 상부에 진공 벽을 형성한다. 가스 전달 시스템 (110) 은 유전체 윈도우 (155) 아래의 1차 가스 링 (170) 및/또는 인젝터들 (180) 을 통해 프로세스 가스들을 챔버 (140) 내에 공급하기 위해 사용될 수 있다. 도 1 의 플라즈마 프로세싱 장치 (100) 의 상세들은 공동 소유의 미국 특허 출원 공보 제2001/0010257호, 제2003/0070620호, 미국 특허 제6,013,155호, 또는 미국 특허 제6,270,862호에 개시되어 있고, 이 미국 특허들 각각은 여기에 참조로 그 전체가 포함되어 있다.
고속 가스 스위칭을 위해 설계된 가스 전달 시스템들은 공동 소유의 미국 특허 제7,459,100호 및 제7,708,859호 및 미국 특허 공보 제2007/0158025호 및 제2007/0066038호에 개시되어 있고, 이 개시물들은 여기에 참조로 포함되어 있다.
기판 (120) 은 실리콘 웨이퍼 및/또는 폴리실리콘과 같은 실리콘 재료를 포함하는 것이 바람직하다. 홀들, 비아들 및/또는 트렌치들과 같은 다양한 피처들은 실리콘 재료 내에 에칭되는 것이다. 원하는 피처들을 에칭하기 위해 개구 패턴을 갖는 패터닝된 마스킹 층 (예를 들어, 포토레지스트, 실리콘 산화물, 및/또는 실리콘 질화물) 은 기판 (120) 상에 배치된다.
도 1 의 이러한 장치 (100) 의 하나의 문제는, 1차 가스 링 (170) 이 중심부보다 기판 (120) 의 주변부에 더 가까이 위치되고, 이것은 기판 (120) 의 표면 위의 하나의 프로세스 가스의 또 다른 프로세스 가스로의 완전한 대체를 위해 필요한 시간으로 인해 에칭 속도를 감소시키고, 프로세싱 동안 기판에 걸친 가스 압력 비균일성으로 인해 프로세스 비균일성을 초래할 수 있다는 점이다.
반도체 기판이 프로세싱되는 프로세싱 챔버, 그 프로세싱 동안 반도체 기판이 지지되는 기판 지지체, 프로세싱 챔버에 플라즈마를 발생시키고 유지시키도록 동작가능한 안테나, 챔버의 벽을 형성하는 유전체 윈도우, 유전체 윈도우에 인접하거나 그 유전체 윈도우 내에 포함된 샤워헤드 플레이트, 및 가스 전달 시스템을 포함하는 유도 결합 플라즈마 프로세싱 장치가 여기에 기술된다. 샤워헤드 플레이트는, 유전체 윈도우 아래 또는 내측의 플리넘 (plenum) 과 유체로 연통하는 가스 홀들을 갖는다. 이 플리넘은 500 ㎤ 이하의 가스 볼륨을 가지며, 샤워헤드 플레이트의 플라즈마 노출면과 플리넘 사이에서 연장된 가스 홀들은 적어도 2 의 종횡비를 갖는다. 가스 전달 시스템은 에칭 가스와 성막 가스를 플리넘에 교번적으로 공급하고, 플리넘 내의 에칭 가스를 성막 가스로 200 밀리초 이내에 대체시키거나 또는 플리넘 내의 성막 가스를 에칭 가스로 200 밀리초 이내에 대체시키도록 동작가능하다. 이 플라즈마 프로세싱 장치는 반도체 기판 상의 실리콘에 개구들을 적어도 10 ㎛/분의 속도로 에칭하도록 동작가능하다.
도 1 은 종래의 플라즈마 프로세싱 장치를 도시한 것이다.
도 2 는 바람직한 실시형태에 따른 플라즈마 프로세싱 장치를 도시한 것이다.
도 3, 도 4a 및 도 4b 는 도 2 의 플라즈마 프로세싱 장치와 도 1 의 종래의 플라즈마 프로세싱 장치의 시뮬레이팅된 성능을 도시한 것이다.
여기에 기술된 플라즈마 프로세싱 장치는, 상술된 종래의 장치 (100) 보다 더 큰 균일성으로 더 높은 에칭 속도를 달성할 수 있다.
일 실시형태에 의하면, 도 2 에 도시된 바와 같이, 기판 (220) 을 프로세싱하기 위한 플라즈마 프로세싱 장치 (200) 는 기판 지지체 (230), 및 이 기판 지지체 (230) 를 둘러싸는 프로세싱 챔버 (240) 를 포함한다. 기판 (220) 은, 예를 들어, 8 인치, 12 인치 또는 그 이상의 직경을 갖는 반도체 웨이퍼일 수도 있다. 기판 지지체 (230) 는, 예를 들어, 무선 주파수 (RF) 전력공급 전극을 포함할 수도 있다. 기판 지지체 (130) 는 챔버 (240) 의 더 낮은 단벽 (endwall) 으로부터 지지될 수도 있거나, 또는, 예를 들어, 챔버 (240) 의 측벽으로부터 연장되어 캔틸레버식으로 될 수도 있다. 기판 (220) 은 전극 (230) 에 기계적으로 또는 정전기적으로 클램핑될 수도 있다.
프로세싱 챔버 (240) 내의 프로세스 가스를 고밀도 플라즈마로 활성화시킴으로써 기판 (220) 이 프로세싱 챔버 (240) 에서 프로세싱된다. 에너지의 소스는 챔버 (240) 에 고밀도 (예를 들어, 1011 내지 1012 ions/㎤) 플라즈마를 발생시키고 유지시킨다. 예를 들어, 안테나 (250), 이를테면, 도 2 에 도시된 평면 멀티턴 나선형 코일, 비-평면 멀티턴 코일, 또는 적절한 RF 소스 및 적절한 RF 임피던스 정합 회로에 의해 전력공급되는 또 다른 형상을 갖는 안테나는 RF 에너지를 챔버에 유도 결합시켜 고밀도 플라즈마를 발생시킨다. 안테나 (250) 에 인가되는 RF 전력은, 바람직하게는 약 1 초 미만, 더욱 바람직하게는 약 200 ㎳ 미만의 기간 이내에 에칭 가스 또는 성막 가스를 교번적으로 공급하는 사이클들 동안, 동일한 전력 레벨로 유지될 수 있거나, 또는 챔버 (240) 에 사용되는 상이한 프로세스 가스들 (예를 들어, SF6 을 함유하는 에칭 가스 및 C4F8 을 함유하는 성막 가스) 에 따라 변화될 수 있다. 챔버 (240) 는, 챔버 (240) 내부를 원하는 압력 (예를 들어, 5 Torr 미만, 바람직하게는 1 내지 500 mTorr) 으로 유지시키기에 적절한 진공 펌핑 장치에 의해 배기된다. 이 압력은 에칭 및 성막 사이클들 동안 동일한 레벨로 유지될 수 있거나 변화될 수 있다. 도 2 에 도시된 균일한 두께의 평면 유전체 윈도우 (255), 또는 비-평면 유전체 윈도우와 같은 유전체 윈도우가 안테나 (250) 와 프로세싱 챔버 (240) 내부 사이에 제공되고, 프로세싱 챔버 (240) 의 상부에 진공 벽을 형성한다. 샤워헤드 플레이트 (270) 는 유전체 윈도우 (255) 아래에 배치될 수 있거나 또는 유전체 윈도우 (255) 의 부분일 수 있다. 가스 전달 시스템 (210) 은 샤워헤드 플레이트 (270) 를 통해 프로세스 가스들을 챔버 (240) 내에 공급하기 위해 사용될 수 있다. 이 가스 전달 시스템은 40 밀리초 이내에, 바람직하게는 30 밀리초 이내에 개방하고 폐쇄하는 고속 스위칭 밸브들 (이를테면, ALD 밸브들) 을 통해 에칭 가스 또는 성막 가스를 챔버 내에 교번적으로 공급한다. 이 밸브들은 에칭 가스가 샤워헤드에 공급되는 동안 성막 가스를 바이패스 라인으로 향하게 하지 않거나 또는 그 반대의 경우인 온-오프 밸브들이다. ALD 밸브들은, 개방 또는 폐쇄 전에 안정화시키는데 250 밀리초가 걸릴 수 있는 MFC 밸브들보다 더 고속의 스위칭을 제공한다.
바람직한 실시형태에서, 샤워헤드 플레이트 (270) 는 플리넘 (plenum; 270a) 에 의해 유전체 윈도우 (255) 로부터 분리되고, 샤워헤드 플레이트 (270) 는, 플리넘의 하나 이상의 영역들로부터의 하나 이상의 프로세스 가스들을 챔버 (240) 내에 주입하도록 동작가능한 가스 주입 홀들 (270b) 을 포함한다. 플리넘 (270a) 의 총 볼륨은 약 500 ㎤ 이하인 것이 바람직하다. 샤워헤드 플레이트 (270) 는 세라믹과 같은 전기적으로 절연인 재료 (예를 들어, 알루미나, 실리콘 질화물, 알루미늄 질화물, 도핑된 실리콘 탄화물, 석영 등) 로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 가스 홀들은 0.06 인치 이하의 직경 및 적어도 2 의 종횡비를 갖는다. 예를 들어, 샤워헤드 플레이트는 적어도 0.2 인치, 바람직하게는 0.2 내지 0.4 인치의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 샤워헤드 플레이트는, 그 내부의 플리넘을 이용하여 윈도우를 세라믹 분말로 형성하고, 신터링하여 그 신터링된 윈도우에서 가스 홀들을 드릴링함으로써, 유전체 윈도우 내에 포함될 수 있다. 기판 지지체를 수직 방향으로 이동시킴으로써 기판 (220) 과 샤워헤드 플레이트 (270) 의 바닥면 사이의 수직 간격 (챔버 갭) 이 변화되어, 기판과 샤워헤드 플레이트 사이에 플라즈마가 발생되는 챔버 갭을 조정하도록 할 수 있다.
기판 (220) 은 실리콘 웨이퍼 및/또는 폴리실리콘과 같은 실리콘 재료를 포함하는 것이 바람직하다. 홀들, 비아들 및/또는 트렌치들과 같은 다양한 피처들은 실리콘 재료 내에 에칭되는 것이다. 원하는 피처들을 에칭하기 위해 개구 패턴을 갖는 패터닝된 마스킹 층 (예를 들어, 포토레지스트, 실리콘 산화물, 및/또는 실리콘 질화물) 은 기판 (220) 상에 배치된다.
측면 가스 주입을 이용한 종래의 플라즈마 프로세싱 장치 (100) 와 비교하면, 플라즈마 프로세싱 장치 (200) 는 챔버 갭 내의 프로세스 가스를 에칭 가스로부터 성막 가스로 또는 그 반대로 더욱 급속하고 균일하게 스위칭할 수 있다. 기판 (220) 이 300 mm 의 직경을 가지며 챔버 갭이 4 인치보다 큰 하나의 실시형태에 있어서, 이 장치 (200) 는 플리넘 (270a) 과 가스 주입 홀들 (270b) 내의 프로세스 가스를 약 200 밀리초 이내에 본질적으로 완전히 스위칭 (예를 들어, 적어도 90%) 할 수 있고, 챔버 갭 내의 프로세스 가스를 약 700 밀리초 이내에 본질적으로 완전히 스위칭 (예를 들어, 적어도 90%) 할 수 있다. 이러한 급속한 가스 스위칭은 플라즈마 프로세싱 장치 (200) 를 이용한 실리콘 내의 개구들의 에칭 속도를 10 ㎛/min 넘어서까지 상당히 증가시킬 수 있고, 에칭되는 피처들의 임계 치수 (CD) 에 따라 에칭 속도가 20 ㎛/min 보다 더 높을 수 있는 반면, 측면 가스 주입을 이용한 것은 약 3 ㎛/min 의 에칭 속도를 제공한다.
도 3 및 표 1 은 챔버 갭 내의 에칭 가스로부터 성막 가스로의 스위칭에 있어서의 장치 (100) 와 장치 (200) 의 성능을 도시한 것이고, 여기서 기판 (220) 은 300 mm 의 직경을 가지며, 챔버 갭은 4 인치보다 크다. 도 3 에서, 트레이스 (310) 는 장치 (100) 에서의 시간 함수로서 성막 가스의 웨이퍼 평균 질량 분율이고, 트레이스 (320) 는 장치 (200) 에서의 시간 함수로서 성막 가스의 웨이퍼 평균 질량 분율이다. 장치 (200) 의 밀리초 (㎳) 단위의 가스 스위칭 시간은 장치 (100) 의 것보다 상당히 짧다.
Figure 112013038976517-pct00001
챔버 갭 (점선으로 된 박스로 둘러싸인 공간) 내의 SF6 성막 가스로부터 C4F8 에칭 가스로의 스위칭에 있어서, 도 4a 는 장치 (100) 의 시뮬레이팅된 시간 의존적 성능을 도시한 것이고 도 4b 는 장치 (200) 의 시뮬레이팅된 시간 의존적 성능을 도시한 것이고, 여기서 기판은 300 mm 의 직경을 가지며, C4F8 은 500 sccm 미만의 플로우 레이트로 공급되고, 챔버 갭은 적어도 4 인치이다. 장치 (100) 에서, 약 0.5 초 후에 상당한 양의 SF6 이 웨이퍼 표면 상에 남아있는 반면, 장치 (200) 는 본질적으로 모든 SF6 가스가 C4F8 로 0.5 초 내에 대체할 수 있다. 장치 (200) 에서, 프로세스 가스는 장치 (100) 보다 더욱 신속하고 균일하게 대체될 수 있다.
플라즈마 프로세싱 장치 (200) 는, 반도체 기판이 프로세싱되는 프로세싱 챔버, 기판 지지체, 챔버의 벽을 형성하는 유전체 윈도우, 유전체 윈도우를 통해 RF 에너지를 유도 결합하여 프로세스 챔버에 플라즈마를 발생시키고 유지시키도록 동작가능한 안테나, 유전체 윈도우에 인접하거나 또는 유전체 윈도우 내에 포함된 샤워헤드 플레이트를 포함하고, 이 샤워헤드 플레이트는 유전체 윈도우 아래 또는 내측의 플리넘와 유체로 연통하는 가스 홀들을 갖고, 이 플리넘은 500 ㎤ 이하의 가스 볼륨을 갖고, 이 가스 홀들은 샤워헤드 플레이트의 플라즈마 노출면과 플리넘 사이에서 연장되며, 여기서 가스 홀들은 적어도 2 의 종횡비를 갖는 것이 바람직하다. 가스 전달 시스템은 에칭 가스와 성막 가스를 플리넘에 교번적으로 공급하고 플리넘 내의 에칭 가스를 성막 가스로 200 밀리초 이내에 대체시키거나 또는 플리넘 내의 성막 가스를 에칭 가스로 200 밀리초 이내에 대체시키도록 동작가능하다. 플라즈마 프로세싱 장치는 기판 지지체 상에 지지된 반도체 기판 상의 실리콘을 적어도 10 ㎛/min 의 속도로 에칭하기 위해 사용될 수 있다.
바람직하게는, 샤워헤드 플레이트는 전기적으로 절연인 재료로 이루어지고, 600개 이하의 가스 홀들, 바람직하게는 100개 미만의 가스 홀들을 포함하며, RF 전력을 안테나로 공급함으로써 발생된 플라즈마는 고밀도 플라즈마이다. 이 플라즈마 프로세싱 장치는, 에칭 가스로부터 성막 가스로 또는 그 반대로, 플리넘 내의 프로세스 가스를 200 ㎳ 이내에, 그리고 프로세싱 챔버 내의 플라즈마 한정 영역 (챔버 갭) 내의 프로세스 가스를 약 500 ㎳ 이내에 본질적으로 완전히 스위칭하도록 동작가능하다.
바람직한 실시형태에서, 에칭 가스는 SF6 이고 성막 가스는 C4F8 이다. 샤워헤드 플레이트는 안테나와 프로세싱 챔버 사이에 배치된 유전체 윈도우의 아래쪽에 본딩되거나 또는 진공 밀봉될 수 있다. 동작시, 가스 공급 시스템은 성막 가스를 플리넘에 공급하는 동안 에칭 가스를 진공 라인으로 전환시키지 않으며, 에칭 가스를 플리넘에 공급하는 동안 성막 가스를 진공 라인으로 전환시키지 않는다. 원한다면, 플리넘은, 가스 홀들의 내측 그룹과 유체로 연통하는 내측 영역과, 가스 홀들의 외측 그룹과 유체로 연통하는 외측 영역으로 나뉘어질 수 있다.
상술된 플라즈마 프로세싱 장치를 사용한 기판의 프로세싱은, (a) 기판을 챔버에 지지하는 것, (b) 에칭 가스를 플리넘에 공급하고 그 에칭 가스를 샤워헤드 플레이트 내의 가스 홀들을 통해 챔버 갭 내로 흐르게 하는 것, (c) 챔버 내의 에칭 가스를 제 1 플라즈마로 활성화시키고 그 제 1 플라즈마로 기판을 프로세싱하는 것, (d) 성막 가스를 플리넘에 공급하여 에칭 가스를 실질적으로 대체시키고 성막 가스를 샤워헤드 플레이트 내의 가스 홀들을 통해 챔버 갭 내로 흐르게 하는 것, (e) 챔버 내의 성막 가스를 제 2 플라즈마로 활성화시키고 그 제 2 플라즈마로 기판을 프로세싱하는 것, (f) 1.8 초 이하의 총 사이클 시간에서 단계 (b) 내지 단계 (e) 를 반복하는 것을 포함하는 것이 바람직하다.
단계 (b) 에서는 에칭 가스가 약 500 밀리초의 기간 이내에 챔버 갭 내의 성막 가스의 적어도 90% 를 대체하는 것이 바람직하고, 단계 (d) 에서는 성막 가스가 약 500 밀리초의 기간 이내에 챔버 갭 내의 에칭 가스의 적어도 90% 를 대체하는 것이 바람직하다. 이러한 프로세스 동안, 플리넘 내의 압력은 단계 (b) 내지 단계 (e) 동안 적어도 5 Torr 이다. 에칭 가스와 성막 가스를 공급하는 사이클 동안, 에칭 가스를 공급하는 총 시간은 1.3 초 이하일 수 있고, 성막 가스를 공급하는 총 시간은 0.7 초 이하일 수 있다.
에칭 가스의 공급 동안 챔버 갭 내의 압력이 150 mTorr 보다 크고 성막 가스의 공급 동안 챔버 갭 내의 압력이 150 mTorr 미만이도록 챔버 압력이 조정될 수 있다. 바람직한 프로세스에서, 에칭 가스는 적어도 500 sccm 의 플로우 레이트로 플리넘에 공급되고, 성막 가스는 500 sccm 미만의 플로우 레이트로 플리넘에 공급된다. 바람직하게는, 에칭 가스와 성막 가스는 유전체 윈도우의 상부면의 중심부에서의 단일 개구를 통해 플리넘에 공급되고, 기판과 샤워헤드 플레이트 사이의 챔버 갭은 4 인치보다 크다. 에칭 가스의 공급 동안, 기판에 대해, 에칭 단계의 폴리머 클리어링 페이즈 (polymer clearing phase) 중에 200 밀리초 동안 150 mTorr 미만으로 유지되고 플라즈마 에칭 단계의 잔여기간 (remainder) 동안 150 mTorr 초과로 유지되는 챔버 갭 내의 압력으로 고 종횡비 개구들의 플라즈마 에칭이 행해질 수 있다. 성막 가스의 공급 동안, 제 2 플라즈마는 전체 성막 단계 동안 150 mTorr 미만으로 유지되는 챔버 갭 내의 압력으로 개구들의 측벽들 상에 폴리머 코팅을 성막할 수 있다. 에칭 가스는 CCl4 와 같은 가스를 함유하는 C4F8, XeF2, NF3, Cl 중 하나 이상일 수 있고, 성막 가스는 C4F8, C4F6, CHF3, CH2F2 중 하나 이상일 수 있다.
에칭 가스를 플리넘의 내측 및 외측 영역들에 전달하는 제 1 및 제 2 가스 라인들에 에칭 가스가 제 1 밸브를 통해 공급될 수 있고, 여기서 제 1 및 제 2 가스 라인들은 동일한 컨덕턴스를 가지며, 성막 가스를 플리넘의 내측 및 외측 영역들과 유체로 연통하는 유전체 윈도우 내의 유입구들에 전달하는 제 3 및 제 4 가스 라인들에 성막 가스가 제 2 밸브를 통해 공급되고, 여기서 제 3 및 제 4 가스 라인들은 동일한 컨덕턴스를 갖는다. 대안적으로, 에칭 가스가 제 1 밸브를 통해 유전체 윈도우의 중심부에서의 단일 가스 유입구에 공급될 수 있고, 성막 가스가 제 2 밸브를 통해 그 단일 가스 유입구에 공급될 수 있으며, 이 제 1 및 제 2 밸브들은 30 밀리초 이하의 개방 시간을 갖는 ALD 밸브들이다. 예를 들어, 고속으로 동작하는 Swagelok ALD 밸브들이 사용될 수 있고, 여기서 제어기로부터의 신호의 수신시에 고속으로 동작하는 솔레노이드 밸브들은 압축 공기를 고속 스위칭 밸브에 10 ㎳ 이내에 전송하고, 고속 스위칭 밸브를 개방하거나 폐쇄하기 위한 총 시간은 30 ㎳ 이하일 수 있다.
본 명세서에서, "약" 이라는 단어는 종종 수치와 함께 사용되어 그 수치의 수학적 정밀도가 의도된 것이 아니라는 것을 나타낸다. 이에 따라, "약" 이 수치와 함께 사용되는 경우, 10% 의 허용오차가 그 수치에 대해 고려되는 것으로 의도된다.
프로세스 가스를 신속하게 스위칭하도록 동작가능한 플라즈마 프로세싱 장치가 그의 특정 실시형태들을 참조하여 상세히 기술되었지만, 당업자에게는 첨부된 청구항들의 범위로부터 벗어나는 일 없이 다양한 변경 및 변형이 이루어질 수 있고, 등가물들이 채용될 수 있다는 것이 자명하다.

Claims (20)

  1. 반도체 기판들에 플라즈마 에칭이 행해지는 유도 결합 플라즈마 프로세싱 장치에 있어서,
    상기 반도체 기판이 프로세싱되는 프로세싱 챔버;
    상기 프로세싱 동안 상기 반도체 기판이 지지되는 기판 지지체;
    상기 프로세싱 챔버의 벽을 형성하는 유전체 윈도우;
    RF 에너지를 상기 프로세싱 챔버에 유도 결합하고 상기 기판 지지체와 상기 유전체 윈도우 사이의 챔버 갭 내의 프로세스 가스를 플라즈마로 활성화시키도록 동작가능한 안테나;
    상기 유전체 윈도우에 인접하거나 상기 유전체 윈도우 내에 포함된 샤워헤드 플레이트로서, 상기 샤워헤드 플레이트는 상기 유전체 윈도우 아래 또는 내측의 플리넘 (plenum) 과 유체로 연통하는 가스 홀들을 갖고, 상기 플리넘은 500 ㎤ 이하의 가스 볼륨을 갖고, 상기 가스 홀들은 상기 샤워헤드 플레이트의 플라즈마 노출면과 상기 플리넘 사이에서 연장되고, 상기 가스 홀들은 적어도 2의 종횡비 (aspect ratio) 를 갖는, 상기 샤워헤드 플레이트; 및
    상기 플리넘 내의 에칭 가스가 200 밀리초 이내에 성막 가스로 대체되거나 상기 플리넘 내의 상기 성막 가스가 200 밀리초 이내에 상기 에칭 가스로 대체되기 위해서, 상기 에칭 가스 및 상기 성막 가스를 포함하는 프로세스 가스를 상기 플리넘에 교번적으로 공급하도록 동작가능한 가스 전달 시스템을 포함하고,
    상기 유도 결합 플라즈마 프로세싱 장치는, 상기 반도체 기판 상의 실리콘 재료에 개구들을 적어도 10 ㎛/분의 속도로 에칭하도록 동작가능한, 반도체 기판들에 플라즈마 에칭이 행해지는 유도 결합 플라즈마 프로세싱 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤워헤드 플레이트는 최대 600개의 가스 홀들을 포함하는, 반도체 기판들에 플라즈마 에칭이 행해지는 유도 결합 플라즈마 프로세싱 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마는 고밀도 플라즈마인, 반도체 기판들에 플라즈마 에칭이 행해지는 유도 결합 플라즈마 프로세싱 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도 결합 플라즈마 프로세싱 장치는, 500 ㎳ 이내에 상기 챔버 갭 내의 프로세스 가스를 상기 에칭 가스로부터 상기 성막 가스로 또는 상기 성막 가스로부터 상기 에칭 가스로 본질적으로 완전히 스위칭하도록 동작가능한, 반도체 기판들에 플라즈마 에칭이 행해지는 유도 결합 플라즈마 프로세싱 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 에칭 가스는 SF6 이고,
    상기 성막 가스는 C4F8 인, 반도체 기판들에 플라즈마 에칭이 행해지는 유도 결합 플라즈마 프로세싱 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세싱 챔버는, 상기 프로세스 가스가 상기 플리넘에 전달되는, 상기 유전체 윈도우의 중심부에서의 단일 가스 유입구를 포함하는, 반도체 기판들에 플라즈마 에칭이 행해지는 유도 결합 플라즈마 프로세싱 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 전달 시스템은, 상기 플리넘으로의 상기 성막 가스의 공급 동안 상기 에칭 가스를 진공 라인으로 전환시키지 않고, 상기 플리넘으로의 상기 에칭 가스의 공급 동안 상기 성막 가스를 진공 라인으로 전환시키지 않는, 반도체 기판들에 플라즈마 에칭이 행해지는 유도 결합 플라즈마 프로세싱 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 플리넘은 개별적인 내측 영역 및 외측 영역을 포함하고,
    상기 내측 영역은 상기 가스 홀들의 내측 그룹과 유체로 연통하고,
    상기 외측 영역은 상기 가스 홀들의 외측 그룹 및 외측 가스 공급 유입구와 유체로 연통하는, 반도체 기판들에 플라즈마 에칭이 행해지는 유도 결합 플라즈마 프로세싱 장치.
  9. 제 1 항에 기재된 상기 유도 결합 플라즈마 프로세싱 장치를 이용하여 반도체 기판을 프로세싱하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 프로세싱 챔버에서 상기 기판 지지체 상에 상기 반도체 기판을 지지하는 단계;
    (b) 상기 에칭 가스가 상기 샤워헤드 플레이트 내의 상기 가스 홀들을 통해 상기 챔버 갭 내로 흐르도록 상기 성막 가스의 유동을 차단하고 상기 에칭 가스를 상기 플리넘에 공급하는 단계;
    (c) 상기 챔버 갭 내의 상기 에칭 가스를 제 1 플라즈마로 활성화시키고, 상기 제 1 플라즈마로 상기 반도체 기판에 개구들을 플라즈마 에칭하는 단계;
    (d) 상기 성막 가스가 상기 샤워헤드 플레이트 내의 상기 가스 홀들을 통해 상기 챔버 갭 내로 흐르도록 상기 에칭 가스의 유동을 차단하고 상기 성막 가스를 상기 플리넘에 공급하는 단계;
    (e) 상기 챔버 갭 내의 상기 성막 가스를 제 2 플라즈마로 활성화시키고, 상기 제 2 플라즈마로 상기 개구들에 폴리머를 성막하는 단계; 및
    (f) 1.8 초 이하의 총 사이클 시간으로 상기 단계 (b) 내지 상기 단계 (e) 를 반복하는 단계를 포함하는, 반도체 기판을 프로세싱하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 실리콘 웨이퍼이고,
    상기 단계 (b) 에서는 상기 에칭 가스가 500 밀리초의 기간 이내에 상기 챔버 갭 내의 상기 성막 가스를 대체하고,
    상기 단계 (d) 에서는 상기 성막 가스가 500 밀리초의 기간 이내에 상기 챔버 갭 내의 상기 에칭 가스를 대체하는, 반도체 기판을 프로세싱하는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 단계 (b) 내지 상기 단계 (e) 동안 상기 플리넘 내의 압력은 적어도 1 Torr 인, 반도체 기판을 프로세싱하는 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 에칭 가스를 공급하는 총 시간은 1.3 초 이하이고,
    상기 성막 가스를 공급하는 총 시간은 0.7 초 이하인, 반도체 기판을 프로세싱하는 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 에칭 가스의 공급 동안 상기 챔버 갭 내의 압력은 적어도 150 mTorr 이고,
    상기 성막 가스의 공급 동안 상기 챔버 갭 내의 압력은 150 mTorr 미만인, 반도체 기판을 프로세싱하는 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 에칭 가스는 적어도 500 sccm 의 플로우 레이트로 상기 플리넘에 공급되고,
    상기 성막 가스는 500 sccm 미만의 플로우 레이트로 상기 플리넘에 공급되는, 반도체 기판을 프로세싱하는 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 에칭 가스 및 상기 성막 가스는 상기 유전체 윈도우의 중심부에서의 단일 개구를 통해 상기 플리넘에 공급되고,
    상기 에칭 가스의 공급 동안 상기 챔버 갭 내의 압력은 적어도 150 mTorr 이고,
    상기 성막 가스의 공급 동안 상기 챔버 갭 내의 압력은 150 mTorr 미만이고,
    상기 에칭 가스는 적어도 500 sccm 의 플로우 레이트로 상기 플리넘에 공급되며,
    상기 성막 가스는 500 sccm 미만의 플로우 레이트로 상기 플리넘에 공급되는, 반도체 기판을 프로세싱하는 방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 반도체 기판과 상기 샤워헤드 플레이트 사이의 상기 챔버 갭은 적어도 4 인치인, 반도체 기판을 프로세싱하는 방법.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 에칭 가스의 공급 동안, 상기 반도체 기판에 대해, 상기 플라즈마 에칭하는 단계의 폴리머 클리어링 페이즈 (polymer clearing phase) 중에 200 밀리초 동안 150 mTorr 미만으로 유지되고 잔여기간 (remainder) 동안 적어도 150 mTorr 로 유지되는 상기 챔버 갭 내의 압력으로 상기 실리콘에 고 종횡비 개구들을 플라즈마 에칭하는, 반도체 기판을 프로세싱하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 성막 가스의 공급 동안, 상기 챔버 갭 내의 압력은 전체 성막 단계 동안 150 mTorr 미만으로 유지되는, 반도체 기판을 프로세싱하는 방법.
  19. 제 9 항에 있어서,
    상기 에칭 가스는, 제 1 밸브를 통해, 상기 에칭 가스를 상기 플리넘의 내측 영역 및 외측 영역에 전달하는 제 1 가스 라인 및 제 2 가스 라인에 공급되고,
    상기 제 1 가스 라인 및 상기 제 2 가스 라인은 동일한 길이들을 갖고,
    상기 성막 가스는, 제 2 밸브를 통해, 상기 성막 가스를 상기 플리넘의 상기 내측 영역 및 상기 외측 영역에 전달하는 제 3 가스 라인 및 제 4 가스 라인에 공급되며,
    상기 제 3 가스 라인 및 상기 제 4 가스 라인은 동일한 길이들을 갖는, 반도체 기판을 프로세싱하는 방법.
  20. 제 9 항에 있어서,
    상기 에칭 가스는 제 1 밸브를 통해 상기 유전체 윈도우의 중심부에서의 단일 가스 유입구에 공급되고,
    상기 성막 가스는 제 2 밸브를 통해 상기 단일 가스 유입구에 공급되며,
    상기 제 1 밸브 및 상기 제 2 밸브는 30 밀리초 이하의 개방 시간들을 갖는 ALD 밸브들인, 반도체 기판을 프로세싱하는 방법.
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