KR20140121368A - 반도체 제조를 위한 내부 플라즈마 그리드 - Google Patents
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- H01L21/32133—Physical or chemical etching of the layers, e.g. to produce a patterned layer from a pre-deposited extensive layer by chemical means only
- H01L21/32135—Physical or chemical etching of the layers, e.g. to produce a patterned layer from a pre-deposited extensive layer by chemical means only by vapour etching only
- H01L21/32136—Physical or chemical etching of the layers, e.g. to produce a patterned layer from a pre-deposited extensive layer by chemical means only by vapour etching only using plasmas
-
- H—ELECTRICITY
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- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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Abstract
본 명세서에서 개시된 실시예들은 반도체 기판들을 에칭하기 위한 개선된 방법들 및 장치들에 대한 것이다. 플라즈마 그리드 어셈블리는 반응 챔버 내에 위치하여서 챔버를 상부 서브-챔버와 하부 서브-챔버로 분할한다. 플라즈마 그리드 어셈블리는 소정의 종들이 상부 서브-챔버에서 하부 서브-챔버로 통과하게 하는, 특정 종횡비의 슬롯들을 갖는 하나 이상의 플라즈마 그리드들을 포함할 수 있다. 다수의 플라즈마 그리드들이 사용되는 경우에, 하나 이상의 그리드들이 이동 가능하며 이로써 적어도 하부 서브-챔버 내에서 플라즈마 조건들이 유지될 수 있다. 몇몇 경우들에서, 전자-이온 플라즈마가 상부 서브-챔버에서 생성된다. 그리드를 통과하여서 하부 서브-챔버에 도달한 전자들은 이러한 통과 시에 냉각된다. 몇몇 경우들에서, 이는 하부 서브-챔버 내에서 이온-이온 플라즈마를 낳는다.
Description
관련 출원들에 대한 교차 참조
본원은 2013년 6월 12일자에 출원된 미국 특허 출원 번호 13/916,318 "INTERNAL PLASMA GRID FOR SEMICONDUCTOR FABRICATION"을 우선권으로서 주장하며,
이 미국 특허 출원 번호 13/916,318는 2013년 4월 5일자에 출원된 미국 가 특허 출원 번호 61/809,246 "INTERNAL PLASMA GRID FOR SEMICONDUCTOR FABRICATION"을 우선권으로서 주장하며,
위의 특허 문헌들은 모든 목적을 위해서 본 명세서에서 참조로서 인용된다.
반도체들을 생산하는데 자주 사용되는 일 동작은 에칭 동작이다. 에칭 동작 시에, 하나 이상의 재료들이 부분적으로 제조된 집적 회로로부터 부분적으로 또는 전체적으로 제거된다. 플라즈마 에칭이 특히 관련된 기하 구조들이 소형이거나 고 종횡비가 사용되거나 정밀한 패턴 전사가 필요한 경우에 때로 사용된다.
통상적으로, 플라즈마는 전자들, 양 이온, 음 이온, 및 몇몇 라디칼들을 포함한다. 라디칼들, 음 이온 및 양 이온은 기판 상의 피처들, 표면들 및 재료들을 에칭하도록 기판과 상호 작용한다. 유도 결합형 플라즈마 소스를 사용하여 수행되는 에칭 시에, 챔버 코일은 변압기 내의 1 차 코일의 기능과 유사한 기능을 수행하는 한편, 플라즈마는 변압기 내의 2 차 코일의 기능과 유사한 기능을 수행한다.
평면형 트랜지스터 구조물에서 3 차원 트랜지스터 구조물 (예컨대, 로직 소자 (logic device) 용의 FinFET 게이트 구조물) 로 옮겨가면서, 플라즈마 에칭 공정은 양호한 품질의 제품을 생산하기 위해서 점점 더 정밀해지고 균일해져야 한다. 다른 인자들 중에서도, 플라즈마 에칭 공정들은 양호한 선택도, 양호한 프로파일 각 (profile angle), Iso/Dense (Iso/Dense loading) 및 양호한 전체 균일성을 가져야 한다.
에칭 공정이 에칭되는 재료와 유지되는 재료 간에 양호한 선택도를 가지면 유리하다. FinFET 게이트 구조물의 상황에서, 이는 에칭되는 게이트의 실리콘 질화물 마스크와 같은 다른 노출된 성분들에 대한 양호한 선택도가 있어야 함을 의미한다. 프로파일 각은 최근에 에칭된 (거의 수직인) 측벽과 수평면 간의 각으로서 측정된다. 다수의 어플리케이션들에서, 이상적인 프로파일 각은 90 도이며, 이는 수직 에칭된 단차 또는 개구를 생성한다. 때로, 국부적 웨이퍼 상 피처 밀도가 에칭 공정에 영향을 줄 수 있다. 예를 들면, 피처들이 밀한 (dense) 웨이퍼 구역은 피처들이 보다 소한 (isolated) 웨이퍼 구역에 비해서 다소 차이가 나도록 에칭될 수 있다 (예컨대, 보다 신속하게, 보다 느리게, 보다 이방성으로, 보다 등방성으로 에칭될 수 있다). 이러한 피처 밀도 차이로 인해서 발생하는 차이는 Iso/Dense 로딩 (I/D 로딩) 으로 지칭된다. 제조 동안에 이러한 차이들을 최소화는 것이 유리하다. 이러한 소자 특정 요구 사항 및 잠재적으로 다른 소자 특정 요구 사항들을 만족시키는 것 이외에도, 에칭 공정은 때로 기판의 전체 표면에 걸쳐서 일정하게 실행될 필요가 있다 (예컨대, 에칭 상태 및 결과가 반도체 웨이퍼의 중앙으로부터 에지에 걸쳐서 균일해야 한다).
FinFET 게이트와 같은 진보된 구조물들을 에칭할 때에 상술한 바와 같은 다수의 목적들을 달성하는 것이 용이하지 않다고 알려져 왔다.
반도체 소자들의 제조 동안에 반도체 기판 및 그 상에 형성된 층들을 에칭하는데 사용되는 장치가 본 명세서에서 개시된다. 본 명세서의 실시예들의 일 양태에서, 기판 상의 피처를 에칭하기 위한 장치가 제공된다. 이 장치는 플라즈마가 제공될 수 있는 내부를 규정하는 챔버; 에칭 동안에 상기 챔버 내에서 기판을 홀딩하기 위한 기판 홀더; 상기 챔버 내에 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 생성기; 및 상기 플라즈마 챔버의 내부를 상기 플라즈마 생성기에 근접한 상부 서브-챔버 및 상기 기판 홀더에 근접한 하부 서브-챔버로 분할하는 그리드 어셈블리를 포함하며, 상기 상부 서브-챔버는 상기 하부 서브-챔버의 높이의 최소 약 1/6인 높이를 가지며, 상기 그리드 어셈블리는 상기 플라즈마가 상기 챔버 내에서 생성될 때에 상기 그리드에서의 유도된 전류의 형성을 실질적으로 방지하는 복수의 슬롯들을 포함하는 2 개 이상의 그리드들을 포함한다.
이 장치는 또한 상기 상부 서브-챔버 내에서 상부 구역 플라즈마 및 상기 하부 서브-챔버 내에서 하부 구역 플라즈마를 생성하는 조건들 하에서 상기 챔버 내에서 플라즈마를 생성하도록 설계 또는 구성된 제어기를 더 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 상기 하부 구역 플라즈마 내의 유효 전자 온도는 약 1 eV 이하이며 상기 상부 구역 플라즈마 내의 유효 전자 온도보다 낮다. 몇몇 실시예들에서, 상기 하부 구역 플라즈마 내의 전자 밀도는 약 5×109 cm-3 이하이며 상기 상부 구역 플라즈마 내의 전자 밀도보다 낮다. 상기 제어기는 바이어스를 상기 그리드 어셈블리의 하나 이상의 그리드들 및/또는 기판 홀더에 인가하도록 더 설계 또는 구성될 수 있다. 상기 제어기는 에천트 가스를 상기 챔버에 전달하도록 더 설계 또는 구성될 수 있다. 상기 제어기는 상기 플라즈마가 상기 기판을 에칭할 때에 약 2000 mTorr보다 낮은 압력을 상기 챔버에 제공하도록 더 설계 또는 구성된다. 그러나 소정의 경우에, 제어기는 에칭 동안에 약 200 m Torr 보다 작은 압력과 같은 저압을 챔버 내에 제공하도록 설계 또는 구성될 수 있다. 다른 경우에, 제어기는 약 1 내지 20 mTorr 또는 약 5 내지 20 mTorr에서 반응 챔버 압력을 유지하도록 설계 또는 구성될 수 있다. 상기 제어기는 상기 하부 서브-챔버 내에서 이온-이온 플라즈마를 생성하는 조건들의 조합을 본 장치 내에 제공하도록 더 설계 또는 구성될 수 있다.
소정의 실시예들에서, 상기 그리드 어셈블리의 적어도 하나의 그리드는 약 1 내지 50 mm의 평균 두께 또는 약 5 내지 20 mm의 평균 두께를 가질 수 있다. 소정의 실시예들에서, 그리드 어셈블리 내의 그리드들의 두께들의 총합은 약 2 내지 50 mm이다. 상기 슬롯들은 방사상으로 향하거나 대략 방사상으로 향한다. 상기 그리드 어셈블리 내의 그리드들 중 적어도 하나의 그리드 내의 슬롯들은 약 0.01 내지 5의 종횡비를 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 슬롯들의 종횡비는 0.3 내지 5 또는 0.5 내지 2 또는 1 내지 4이다. 슬롯들은 방사상 외측으로 연장하도록 때로 구성된다. 방사각상 인접하는 슬롯들은 최소 약 15도만큼 때로 서로 이격된다. 이러한 또는 다른 경우에, 방사각상 인접하는 슬롯들은 60도보다 크지 않는 각도만큼 때로 이격될 수 있다.
소정의 실시예들에서, 플라즈마 생성기는 챔버의 천장 위에 배치된 코일을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 기판 홀더는 정전척이다. 다양한 다른 요소들이 본 장치 내에 포함될 수 있다. 예를 들면, 본 장치는 공정 가스 유입구를 더 포함한다. 또한, 본 장치는 진공 접속부를 더 포함한다.
특정 실시예에서, 상기 플라즈마 그리드 어셈블리는 제 1 그리드 및 제 2 그리드를 포함한다. 상기 제 1 그리드 및 제 2 그리드는 실질적으로 동일한 슬롯 패턴들을 갖거나 그들 간에 상이한 슬롯 형상 및/또는 레이아웃을 가질 수 있다. 상기 제 1 그리드 및 제 2 그리드 중 적어도 하나는 다른 그리드에 대해서 회전할 수 있다. 이러한 회전은 상기 기판 홀더의 상부 표면에 수직인 축을 중심으로 발생할 수 있다. 소정의 구현예들에서, 상기 제 1 그리드 및 제 2 그리드는 상기 하부 서브-챔버 내의 플라즈마 조건들이 방사상으로 조절될 수 있게 하는 슬롯 패턴들을 가질 수 있다. 이러한 또는 다른 구현예들에서, 상기 제 1 그리드 및 제 2 그리드 중 적어도 하나는 상기 제 1 그리드와 제 2 그리드 간의 거리가 가변되게 이동 가능할 수 있다. 어셈블리 슬롯들의 종횡비는 소정의 실시예들에서 약 0.1 내지 5일 수 있다.
본 명세서의 실시예들의 다른 양태에서, 기판 상의 피처를 에칭하는 방법이 제공되며, 이 방법은 챔버 내의 기판 홀더에 기판을 제공하는 단계로서, 상기 챔버는 플라즈마 생성기 및 그리드 어셈블리를 포함하며, 상기 그리드 어셈블리는 상기 플라즈마 챔버의 내부를 상기 플라즈마 생성기에 근접한 상부 서브-챔버 및 상기 기판 홀더에 근접한 하부 서브-챔버로 분할하며, 상기 그리드 어셈블리는 적어도 2 개의 그리드를 가지며, 상기 상부 서브-챔버는 상기 하부 서브-챔버의 높이의 최소 약 1/6인 높이를 갖는, 상기 기판을 제공하는 단계; 상기 상부 서브-챔버 내에서 상부 구역 플라즈마 및 상기 하부 서브-챔버 내에서 하부 구역 플라즈마를 생성하는 조건들 하에서 상기 챔버 내에서 플라즈마를 생성하는 단계; 및 상기 하부 구역 플라즈마를 상기 기판과 상호작용시킴으로써 상기 기판 내에 피처를 에칭하는 단계를 포함한다. 몇몇 이러한 방법들에서, 상기 하부 구역 플라즈마 내의 유효 전자 온도는 약 1 eV 이하이며 상기 상부 구역 플라즈마 내의 유효 전자 온도보다 낮다. 몇몇 실시예들에서, 상기 하부 구역 플라즈마 내의 전자 밀도는 약 5×109 cm-3 이하이며 상기 상부 구역 플라즈마 내의 전자 밀도보다 낮다.
몇몇 경우들에서, 어떠한 전류도 플라즈마를 생성할 시에 그리드 어셈블리의 그리드들에서 실질적으로 생성되지 않는다. 이 방법은 바이어스를 그리드에 인가하고/하거나 바이어스를 기판 홀더에 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 소정의 실시예들에서, 이 방법은 에천트 가스를 챔버에 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 에칭은 2000 mTorr보다 낮은 챔버 압력에서 수행되고 몇몇 경우에 에칭은 약 1 내지 200 mTorr 또는 약 1 내지 20 mTorr 또는 약 5 내지 20 mTorr의 챔버 압력에서 수행될 수 있다. 상기 하부 구역 플라즈마는 본 명세서에서 기술되는 이온-이온 플라즈마일 수 있다.
이 방법은 상기 그리드 어셈블리의 적어도 하나의 그리드를 회전시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 또는 다른 구현예들에서, 이 방법은 그리드 어셈블리의 중앙 축을 따라서 그리드들 간의 거리를 변화시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 통상적으로, 반드시 그러한 것은 아니지만, 이러한 회전 조절 및/또는 병진 조절은 부분적으로 제조된 반도체 소자 또는 다른 구조물의 특정 층을 에칭하기 시작하기 이전에 수행된다. 그러나, 소정의 구현예들에서, 이러한 조절은 에칭 공정 동안에 수행될 수 있다.
이러한 특징들 및 다른 특징들이 관련 도면들을 참조하여서 이하에서 기술될 것이다.
도 1은 본 명세서에서 개시된 소정의 실시예들에 따른 에칭 동작들을 위해서 사용되는 플라즈마 처리 시스템을 예시하는 개략적 단면도이다.
도 2a는 본 명세서에서 개시된 소정의 실시예들에 따른 그리드 구조물의 간략화된 평면도이다.
도 2b는 본 명세서에서 개시된 소정의 실시예들에 따른 그리드 구조물의 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 하부 서브-챔버 내에서 플라즈마 조건들을 방사상으로 조절하는데 사용될 수 있는 플라즈마 그리드 쌍을 예시한다.
도 3c 및 도 3d는 본 명세서의 실시예에 따른 C 형상 슬롯들을 갖는 플라즈마 그리드 쌍을 예시하고 있다.
도 3e 및 도 3f는 플레이트들 내의 개구들이 서로 정렬된 상태 (도 3e) 및 서로 오정렬된 상태 (도 3f) 에서의 2 플레이트 그리드 어셈블리의 단면도들이다.
도 4는 본 명세서의 실시예에 따른 이동 가능한 그리드 상에 위치한 고정형 그리드를 갖는 처리 챔버의 간략화된 도면이다.
도 5는 본 명세서의 실시예에 따른 고정형 그리드 상에 위치한 이동 가능한 그리드를 갖는 처리 챔버의 간략화된 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 에칭 부산물 해리로 인해 발생하는 소정의 문제들을 예시한다.
도 7a 및 도 7b는 고압 통상적인 기술 (7a) 및 플라즈마 그리드를 사용하는 실시예 (7b) 에 따라서 에칭된 FinFET 구조물들의 SEM 이미지들이다.
도 8a 및 도 8b는 저압 통상적인 기술 (8a) 및 플라즈마 그리드를 사용하는 본 개시된 실시예 (8b) 에 따라서 에칭된 피처들의 SEM 이미지들이다.
도 9는 플라즈마 그리드를 사용하지 않고 다양한 영역들에 따라서 에칭된 피처들의 다양한 SEM 이미지들을 나타내고 있다.
도 2a는 본 명세서에서 개시된 소정의 실시예들에 따른 그리드 구조물의 간략화된 평면도이다.
도 2b는 본 명세서에서 개시된 소정의 실시예들에 따른 그리드 구조물의 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 하부 서브-챔버 내에서 플라즈마 조건들을 방사상으로 조절하는데 사용될 수 있는 플라즈마 그리드 쌍을 예시한다.
도 3c 및 도 3d는 본 명세서의 실시예에 따른 C 형상 슬롯들을 갖는 플라즈마 그리드 쌍을 예시하고 있다.
도 3e 및 도 3f는 플레이트들 내의 개구들이 서로 정렬된 상태 (도 3e) 및 서로 오정렬된 상태 (도 3f) 에서의 2 플레이트 그리드 어셈블리의 단면도들이다.
도 4는 본 명세서의 실시예에 따른 이동 가능한 그리드 상에 위치한 고정형 그리드를 갖는 처리 챔버의 간략화된 도면이다.
도 5는 본 명세서의 실시예에 따른 고정형 그리드 상에 위치한 이동 가능한 그리드를 갖는 처리 챔버의 간략화된 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 에칭 부산물 해리로 인해 발생하는 소정의 문제들을 예시한다.
도 7a 및 도 7b는 고압 통상적인 기술 (7a) 및 플라즈마 그리드를 사용하는 실시예 (7b) 에 따라서 에칭된 FinFET 구조물들의 SEM 이미지들이다.
도 8a 및 도 8b는 저압 통상적인 기술 (8a) 및 플라즈마 그리드를 사용하는 본 개시된 실시예 (8b) 에 따라서 에칭된 피처들의 SEM 이미지들이다.
도 9는 플라즈마 그리드를 사용하지 않고 다양한 영역들에 따라서 에칭된 피처들의 다양한 SEM 이미지들을 나타내고 있다.
본원에서, 용어 "반도체 웨이퍼", "웨이퍼", "기판", "웨이퍼 기판" 및 "부분적으로 제조된 집적 회로"는 상호교환가능하게 사용된다. 본 기술 분야의 당업자는 용어 "부분적으로 제조된 집적 회로"가 반도체 웨이퍼 상에서의 집적 회로 제조의 다양한 스테이지들 중 임의의 스테이지 동안의 반도체 웨이퍼 상의 소자들을 지칭함을 이해할 것이다. 다음의 상세한 설명 부분은 본 발명이 웨이퍼 상에서 구현됨을 가정한다. 그러나, 본 발명은 이로 한정되지 않는다. 처리 대상 (work piece) 는 다양한 형상, 크기 및 재료를 가질 수 있다.
다음의 설명 부분에서, 다수의 특정 세부 사항들이 제공된 실시예들의 철저한 이해를 제공하기 위해서 제안된다. 개시된 실시예들은 이러한 특정 세부 사항 전부 또는 일부 없이도 실시될 수 있다. 다른 경우들로서, 잘 알려진 공정 동작들을 개시된 실시예들을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 세부적으로 기술되지 않았다. 개시된 실시예들은 특정 실시예들과 함께 기술될 것이지만, 이는 개시된 실시예들을 한정하려고 하는 것이 아님이 이해될 것이다.
반도체 소자들의 제조 동안에 반도체 기판 및 이 반도체 기판 상에 형성된 층들을 에칭하는데 사용되는 장치가 개시된다. 이 장치는 에칭이 수행되는 챔버에 의해서 규정된다. 소정의 실시예들에서, 챔버는 평면 윈도우, 전반적으로 평면인 여기 코일, 및 에칭 동안에 반도체 기판을 유지하기 위한 페디스탈 또는 척을 포함한다. 물론, 본 개시는 임의의 특정 타입의 플라즈마 소스로 한정되지 않는다. 평면 여기 코일 이외에도, 돔 및 플레이트 플라즈마 소스들이 사용될 수 있다. 소스들은 유도 결합형 플라즈마 소스들, 용량 결합형 플라즈마 소스들 및 본 기술 분야의 당업자에게 알려진 다른 소스들을 포함한다. 본 명세서의 실시예들은 챔버 내에서 위치하여서 이 챔버를 2 개의 서브-챔버들로 분리시키는 그리드를 사용한다. 다양한 실시예들에서, 때로 "그리드 어셈블리 (grid assembly)" 로 지칭되는 하나 이상의 적층된 그리드들의 집합이 사용된다. 동작 동안에, 각 서브-챔버는 구별된 특성들을 갖는 플라즈마를 포함한다. 플라즈마는 주로 또는 오직 상부 서브-챔버 내에서 생성되며 소정의 종들 (species) 이 영향을 받지 않는 채로 그리드 또는 그리드 어셈블리를 통해서 하부 서브-챔버 내로 전달될 수 있다. 그리드는 그리드의 두께를 관통하는 슬롯들을 갖는다. 소정의 구현예들에서, 이러한 슬롯들은 대략 방사상 외측으로 연장된다. 본 명세서에서 사용되는 구절 "대략 방사상 외측으로 연장한다"는 해당 특징부가 적어도 어느 정도의 방사상으로 향하는 구성 요소를 가짐을 의미한다. 달리 말하면, 피처의 일부분이 전반적으로 중앙에서 에지 방향으로 연장되기만 하면 피처 전체가 전체가 방사상으로 향할 필요는 없다. 또한, "중앙에서 에지 방향 (center-to-edge direciton)" 은 정확한 (true) 중앙에서 에지 방향에 대하여 어느 정도의 각도 범위 (예컨대, 정확한 중앙에서 에지 방향의 약 20°내의 범위) 를 포함하는 것으로 규정된다.
그리드 또는 그리드 어셈블리는 그리드의 두께를 관통하는 다수의 방사한 슬롯들을 포함할 수 있다. 그리드 및 슬롯들은 상부 서브-챔버 내의 고 에너지 전자들의 오직 일부분만이 그리드를 통과할 수 있도록 설계된다. 집합적으로, 고 에너지 전자들은 일반적으로 그리드를 통과하여 하부 서브-챔버 내로 들어가면 저 에너지의 "저온 (colder)" 전자로 된다. 고 에너지 전자들이 그리드를 통과할 정도로 충분한 에너지를 가지지만, 이들 중 다수는 그리드와 충돌하는 각도로 그리드에 도달하여서 에너지를 잃는다. 그리드를 통과한 고 에너지 전자들은 여기 소스로부터 격리되게 되기 때문에 이들은 집합적으로 그리드 밑에서 플라즈마를 유지하기에 충분한 에너지를 가지지 않는다. 고온 전자들이 하부 서브-챔버 내에서 저온 상태로 되는 메카니즘들은 그리드와의 충돌, 그리드 밑의 중성 종들과의 충돌 및 그리드 위의 여기 소스로부터 그리드 밑의 전자를 차폐하는 바를 포함한다. 따라서, 그리드는 낮은 전자 밀도 (ne) 및 낮은 평균 유효 전자 온도 (Te) 를 갖는 플라즈마를 하부 서브-챔버 내에서 생성할 수 있다. 그리드 또는 그리드 어셈블리 상방에서, 플라즈마는 통상적으로 음으로 대전된 종들의 대부분이 전자인 통상적인 전자-이온 플라즈마이다. 그리드 또는 그리드 어셈블리 하방에서, 플라즈마는 매우 높은 퍼센트의 음 이온을 포함하며 실제로 이온-이온 플라즈마일 수 있다. 이온-이온 플라즈마의 소정의 특성들은 이하에서 기술된다. 일반적으로, 전자-이온 플라즈마에 비해서, 이온-이온 플라즈마는 (전자들보다는) 이온들인 음으로 대전된 종들의 매우 높은 퍼센트를 포함한다.
반응기 내의 그리드의 위치
그리드 또는 그리드 어셈블리는 플라즈마 챔버 내에 위치하여서 이 챔버를 상부 서브-챔버 및 하부 서브-챔버로 분리한다. 본 명세서에서 기술되는 그리드를 포함하도록 수정되기에 적합한 챔버의 실례는 미국 캘리포니아 프레몬트 소재의 Lam research 사로부터 입수 가능한 Kiyo Reactor이다. 맥락상, 다음의 설명은 이하에서 더 기술되는 도 1을 참조하여서 고려될 수 있다. 소정의 구현예들에서, 그리드는 반응 챔버의 내부 베이스에서 상방으로 약 1 내지 6 인치 거리로 위치하거나 페디스탈과 같은 반도체 지지부에서 상방으로 약 1 내지 6 인치 (예컨대, 1.5 내지 3 인치) 거리로 위치한다. 이러한 구현예 또는 다른 구현예에서, 그리드는 반응 챔버의 내부 천장에서 하방으로 약 1 내지 6 인치 (예컨대, 1.5 내지 3 인치) 거리로 위치한다. 이 내부 천장에는 때로 유전체 윈도우가 제공된다.
소정의 실시예들에서, 상부 서브 챔버 및 하부 서브 챔버의 높이는 실질적으로 동일하지만 (예컨대, 약 5 % 이내에서 동일하지만), 다른 실시예들에서는, 이 높이는 크게 상이할 수 있다. 상부 서브 챔버의 높이의 하부 서브 챔버의 높이에 대한 비 (hu/hl) 는 서브-챔버 높이 비로서 지칭되며 약 0.1 내지 10 또는 약 0.2 내지 5일 수 있다. 일 실시예들에서, 이 서브-챔버 높이 비는 약 1/6보다 크다.
그리드는 웨이퍼에 너무 가까이 위치되지 말아야 하는데 그렇게 되면 그리드 프린팅 (printing) 이 웨이퍼의 면 상에 발생할 수 있기 때문이다. 달리 말하면, 그리드 내의 슬롯들의 패턴이 처리 후에 바람직하지 않게 웨이퍼 면 상에 나타나서 기판 표면 상에 심각한 에칭 불균일성을 낳기 때문이다. 다수의 어플리케이션에서, 기판의 상단에서 그리드까지의 이격 거리는 적어도 약 1 인치이면 충분하다.
그리드 설계
그리드를 구현하도록 다양한 설계가 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 그리드는 일부 전자들을 상부 서브-챔버에서 하부 서브-챔버로 통과되게 하는 슬롯들, 전반적으로 원형인 구멍들 또는 다른 천공들을 갖는 매우 간단한 얇은 시트재이다. 다른 실시예들에서, 그리드는 복수의 구성 요소들을 갖는 보다 복잡한 그리드 어셈블리로 구성된다. 예를 들면, 그리드 어셈블리는 다수의 그리드들, 지지 요소들 및/또는 이동 생성 (causing) 요소들을 가질 수 있다.
간단한 구현예에서, 그리드는 슬롯들을 갖는 상대적으로 얇은 시트이다. 또한, 몇몇 실시예들에서, 그리드는 구멍들을 포함할 수 있다. 따라서, 그리드는 슬롯 및 구멍들을 조합하여서 포함한다. 그리드 구조물의 비한정적 실례들이 도 2a, 도 2b 및 도 3a 내지 도 3d에 도시된다. 그리드에 포함된 재료는 절연체, 도전체 또는 이들의 몇몇 조합일 수 있다. 소정의 구현예들에서, 그리드는 다음으로 한정되지 않지만 금속, 스테인레스 스틸과 같은 금속성 합금, 알루미늄, 티타늄, 세라믹, 실리콘, 실리콘 카바이드, 실리콘 질화물, 및 이들의 조합을 포함하는 하나 이상의 재료를 포함한다. 이러한 재료는 예를 들면 부식 내성을 위해서 아노다이징 또는 이와 달리 패시베이션될 수 있거나 그렇지 않을 수도 있다. 일 실시예에서, 그리드는 세라믹 코팅을 갖는 금속성 재료로 구성된다. 다른 코팅들이 사용될 수도 있다. 코팅된 그리드 사용은 특히 에칭되는 층들이 휘발성이 있을 때에 유리하다. 소정의 구현예들에서, 그리드는 다음으로 한정되지 않지만 예를 들면 Y2O3, YF3, YAG, 티타늄 질화물, 또는 CeO2의 코팅을 포함하는 순수한 코팅재로 코팅될 수 있다. 또한, 그리드는 접지, 플로팅 (floating) 또는 바이어스될 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 접지된 그리드는 캐소드에 대한 증가된 바이어스 전류 복귀부 역할을 한다.
그리드는 전반적으로 챔버의 전체 수평 단면에 걸쳐 있다. 챔버가 (위에서 볼 때에) 원형이면, 그리드도 역시 원형일 것이다. 이는 그리드가 반응 챔버를 2 개의 서브-챔버들로 효과적으로 분할할 수 있게 한다. 소정의 설계에서, 그리드의 원형 형상은 통상적으로 원형 웨이퍼인 기판의 기하 구조에 의해서 규정된다. 잘 알다시피, 웨이퍼는 통상적으로 200 mm, 300 mm, 450 mm 등과 같은 다양한 크기로 제공된다. 다른 형상들이 챔버 내에서 수행되는 에칭 동작들에 따라서, 정방형 기판, 다른 다각형 기판 또는 보다 소형의 기판에 대해서 가능하다. 따라서, 그리드의 단면은 다양한 형상 및 크기를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서는 평탄한 평면형 그리드 단면이 적합하다. 그러나, 다른 실시예에서는 접시형, 돔형, 진동형 (oscillating) (예컨대, 사인형, 구형파형, 셰브런형 (chevron)), 경사형 등의 그리드 단면이 적합하다. 이러한 임의의 단면 프로파일을 통한 슬롯들 또는 구멍들은 (본 명세서에서 다른 곳에서 기술되는 바와 같은 종횡비들을 포함하는) 특성들을 가질 것이다.
그리드는 평균 약 1 내지 50 mm 두께, 바람직하게는 약 5 내지 20 mm 두께를 갖는다. 그리드가 너무 두꺼우면, 올바르게 동작할 수 없다 (예컨대, 많은 수의 종들이 통과되지 못하게 하거나 반응 챔버 내에서 너무 많은 중량을 갖거나 너무 많은 공간을 차지할 수 있다). 그리드가 너무 얇으면, 플라즈마 처리를 견딜수 없으며 너무 종종 교체되어야 한다. 통상적으로, 이하에서 기술될 바와 같이, 슬롯들의 높이가 그리드 두께에 의해서 결정되기 때문에, 그리드의 두께는 그리드 내의 슬롯들의 목표 종횡비에 의해서 제약된다.
몇몇 실시예들에서, 그리드는 상류 플라즈마와 하류 플라즈마 간의 분리기 역할을 하며, 하류 플라즈마는 하부 서브 챔버 내에 존재하며 라디칼이 풍부할 수 있다. 이로써, 그리드가 제공된 플라즈마 챔버는 미국 캘리포니아 프레몬트 소재의 Novellus Systems, 이제는 Lam Research 사로부터 입수 가능한 GAMMATM 플랫폼 툴과 같은 기존의 원격 플라즈마 툴들을 사용하여서 달성될 수 있는 바와 유사한 결과를 낳을 수 있다. 그리드가 이러한 목적을 위해서 동작하는 경우에, 그리드는 상대적으로 두꺼울 수 있는데, 예를 들면 약 20 내지 50 mm의 두께를 가질 수 있다.
소정의 실시예들에서, 그리드는 길고 얇은 형상을 갖는 슬롯들을 포함한다. 슬롯들은 그리드의 중앙에서 방사상 외측으로 연장된다. 슬롯들은 높이, 폭 및 길이 (폭 및 길이가 도 2에서 명시적으로 나타남) 를 갖는다. 슬롯 높이는 그리드의 면에 대해 수직인 축을 따라서 측정되며 (즉, 슬롯 높이는 대부분의 동작 구성들에서 수직으로 배향됨), 슬롯 높이는 일반적으로 그리드의 두께와 동일하다. 슬롯들의 폭은 슬롯들의 방사상 범위에 걸쳐서 일정하거나 변할 수 있다. 소정의 경우에, 슬롯들은 파이 (pie) 형상이다 (즉, 그리드의 중앙을 향해서는 가늘어지는 반면에 그리드의 에지를 향해서는 두꺼워짐). 다양한 실시예들에서, 슬롯들은 그리드의 중앙에서 외측으로 길이 방향으로 (방사상으로) 연장된다. 몇몇 실시예들에서, 슬롯 폭들은 약 25 mm를 넘지 않는다. 슬롯들의 길이는 그리드의 방위각 범위를 따라서 일정하거나 가변적일 수 있다. 방사상 슬롯들의 각도상 이격 거리 (angular separation) 는 그리드를 둘러서 일정하거나 가변적일 수 있다.
어떠한 슬롯도 그리드 내에 존재하지 않으면, 플라즈마 생성 동안에 전류가 그리드 내에서 유도될 것이다. 이 전류는 그리드를 둘러서 실질적으로 원형으로 흐르거나 국소적 와전류를 형성할 것이며 이로써 전력 소비량을 증가시킬 것이다. 그러나, 슬롯이 존재하면 이러한 기생 전류가 형성되는 것을 방지하고 전력을 절감시키고 보다 효율적인 처리가 가능하다. 실질적으로 원형 구멍들과 같은 형상을 갖는 개구들은 이러한 전류 형성 억제에 있어서 덜 효과적이다. 그러나, 상술한 바와 같이, 원형 개구들은 슬롯형 개구들과 함께 사용될 수 있다.
슬롯의 종횡비는 슬롯의 높이의 폭에 대한 비 (h/w) 로서 규정된다. 통상적으로, 이 종횡비의 기하구조는 슬롯의 길이 방향 (때로 방사 방향) 에 대해서 수직으로 취해진 단면으로서 보여질 수 있다. 슬롯의 폭이 가변적일 수 있기 때문에, 종횡비는 역시 가변적일 수 있다. 소정의 실시예들에서, 슬롯의 종횡비 (그리드 전체에 걸쳐서 일정하거나 가변적일 수 있음) 는 약 0.01 내지 5, 약 0.3 내지 5, 약 1 내지 4, 또는 약 0.5 내지 2이다. 다수의 실시예들에서, 이러한 종횡비를 갖는 그리드들은 상부 서브-챔버에 비해서 하부 서브-챔버 내에서 전자 밀도 및 유효 전자 온도르 저감시킨다. 상술한 바와 같이, 적어도 부분적으로는 다수의 고온 전자들이 그리드와 충돌하기 때문에 전자들이 슬롯들을 통과할 때에 유효 전자 온도는 낮아진다고 사료된다. 또한, 하부 서브-챔버 내의 유효 전자 온도는 상부 서브-챔버보다 감소되는데 그 이유는 하부 서브-챔버 내의 전자들이 그리드에 의해서 차폐되어서 플라즈마 코일들 (또는 다른 플라즈마 소스들) 로부터 유도성 가열을 받지 못하기 때문이다.
구멍들이 슬롯들과 함께 사용되는 경우에, 구멍들은 슬롯들과 동일한 역할을 할 수 있다. 따라서, 이들은 전반적으로 상술한 바와 같은 종횡비들을 가질 것이다. 몇몇 실시예들에서, 구멍들은 약 0.05 내지 0.2 인치의 직경을 갖는다. 구멍들은 또한 그리드의 전체 두께를 통과한다.
그리드에 의해서 제공되는 추가적인 이점은 주 인젝터로부터의 대류 흐름 효과 (convetive flow effect) 를 중성화시킬 수 있다는 것이다. 이는 웨이퍼 표면 상에 보다 균일한 가스 흐름을 낳는다. 그리드 또는 그리드 어셈블리가 웨이퍼와 상부 챔버 내의 가스 인젝터(들) 간에 존재하면 그리드가 가스 흐름을 방해하여서 웨이퍼 상에서 보다 확산적인 흐름 영역을 낳기 때문에 가스 인젝터(들)로부터 전달된 임의의 가스 흐름의 대료 효과를 크게 줄일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 그리드는 가스 전달 구멍들을 포함한다. 이러한 실시예들에서, 그리드는 상부 서브-챔버 및/또는 하부 서브-챔버에 대한 샤워헤드가 되는 추가적인 역할을 할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 하나 이상의 채널들이 하나 이상의 그리드들에 포함될 수 있다. 이러한 채널들에는 유입구 (또는 다수의 유입구들) 로부터 가스가 공급되며 이 채널들은 이 가스를 그리드(들) 내의 복수의 유출 구멍들로 전달할 수 있다. 이러한 유출 구멍들은 상부 서브-챔버 및 하부 서브-챔버 중 어느 하나 또는 양자에 공정 가스를 전달하는 가스 분배 샤워헤드를 형성할 수 있다.
몇몇 구현예들에서, 그리드는 프로빙 장치가 그리드를 통해서 배치되게 할 수 있는 특징부를 포함하는 중앙 영역과 같은 영역을 갖는다. 이 프로빙 장치는 동작 동안에 플라즈마 처리 시스템과 연관된 공정 파라미터들을 프로빙하기 위해서 제공될 수 있다. 프로빙 공정들은 광학적 방출 엔드포인트 검출, 간섭측정 (interferometeric) 엔드포인트 검출, 플라즈마 밀도 측정, 이온 밀도 측정, 및 다른 계측 프로빙 동작들을 포함할 수 있다. 소정의 실시예들에서, 그리드의 중앙 영역은 개방된다. 다른 실시예들에서, 그리드의 중앙 영역은 광이 그리드를 투과하도록 하는 광학적으로 투명한 재료 (예컨대, 석영, 사파이어 등) 를 포함한다.
소정의 실시예들에서, 300 mm 웨이퍼 에처 (etcher) 의 경우에 그리드의 외측 에지 근처에서 매 15 mm 또는 40 mm마다 둘러서 그리드 내에 슬롯을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 이는 인접하는 슬롯들이 각기 약 18도 또는 약 48도 만큼의 방위각으로 이격되는 경우에 대응한다. 따라서, 소정의 실시예들에서, 인접하는 슬롯들은 최소 약 10 도 또는 최소 약 15도만큼의 방위각으로 이격된다. 이러한 실시예들 또는 다른 실시예들에서, 방위각으로 인접하는 슬롯들은 약 40보다 크지 않는 각도, 약 50도보다 크지 않는 각도 또는 약 60도보다 크지 않는 각도의 방위각만큼 이격된다.
몇몇 실시예들에서, 플라즈마 그리드는 그리드 내에 내장된 냉각 채널을 포함할 수 있으며, 이 냉각 채널들은 유동 또는 비유동 냉각재로 충진될 수 있다. 소정의 실시예들에서, 냉각재는 헬륨 또는 다른 불활성 가스 또는 탈이온수, 공정 냉각수, 플루오로인어트 (fluoroinert) 와 같은 액체, 또는 퍼플루오로카본 (perfluorocarbon), 하이드로플루오로카본, 암모니아 및 이산화탄소와 같은 냉매와 같은 유체이다. 이러한 또는 다른 실시예들에서, 플라즈마 그리드는 내장된 가열 요소들 및/또는 온도 측정 장치를 포함할 수 있다. 냉각 채널 및 내장된 가열기들은 정밀한 온도 제어를 제공하며 이로써 입자 및 벽 상태들에 대한 정밀 제어 (close control) 가 가능하다. 이러한 제어는 소정의 경우에 하부 구역 플라즈마 내의 상태들을 조절하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 플라즈마 그리드가 저온에서 유지되는 경우에, 웨이퍼로부터의 에칭 부산물은 그리드 상에 선호적으로 증착될 것이며, 이로써 하부 서브-챔버 내의 에칭 부산물의 가스상 (gas phase) 밀도를 저감시킨다. 이와 달리, 그리드 또는 그리드 어셈블리는 고온 (예를 들어서, 80 ℃ 보다 높게) 유지되어서 그리드 상의 증착을 저감시키고 챔버가 상대적으로 깨끗하게 유지되는 것을 보장하고/하거나 WAC (waferless auto clean) 동안에 챔버를 세정하는데 필요한 시간을 줄일 수 있다.
소정의 실시예들에서 포함될 수 있는 다른 특징은 그리드가 상부 서브-챔버 및 하부 서브-챔버 중 하나 또는 모두에 공정 가스를 전달하기 위한 샤워헤드 역할을 하는 것이다. 이로써, 그리드는 상부 서브-챔버 및/또는 하부 서브-챔버에 가스 공급 소스를 연결시키는 복수의 채널들을 포함할 수 있다. 샤워헤드 홀들은 이러한 서브-챔버들로 가스를 균일하게 전달하도록 배열될 수 있다.
또한, 소정의 실시예들에서, 2 개 이상의 가스 공급 소스가 사용된다. 예를 들면, 상이한 공정 가스들이 (하나 이상의 샤워헤드 타입 그리드들을 통해서 또는 다른 가스 전달 수단들에 의해서) 상부 서브-챔버 및 하부 서브-챔버에 전달될 수 있다. 특정 구현예에서, 불활성 가스가 상부 서브-챔버에 전달되고, 플라즈마 에칭 화학 성분이 하부 서브-챔버에 전달될 수 있다. 몇몇 다른 실시예들에서, 상부 서브-챔버에 전달되는 가스는 N2, H2, O2, NF3, 또는 C4F8 또는 다른 플루오로카본이지만 실시예들이 이렇게 한정되는 것은 아니다. 이러한 또는 다른 구현예들에서, 하부 서브-채널에 전달되는 가스는 N2, CO2, CF4, 또는 다른 플루오로카본이지만 실시예들이 이렇게 한정되는 것은 아니다.
작업 기판에 인접한 광범위의 플라즈마 조건을 허용하는 플라즈마 처리 반응기를 갖는 것이 때로 유용할 수 있다. 이러한 조건은 플라즈마 밀도, 플라즈마 내의 유효 전자 온도, 플라즈마 내에 전자들의 이온들에 대한 비율을 포함한다. 다수의 층들이 챔버 내에서 처리되고 있는 인 시츄 처리의 경우에, 각 층에 대해서 처리 조건들을 변경하는 것이 필요할 수 있다. 고정된 위치의 그리드는 반응기의 동작 윈도우를 제약하는데, 예를 들면, 그리드가 하부 서브-챔버 내에 이온-이온 플라즈마를 생성하기에 최적화되는 경우에 고 플라즈마 밀도는 가용될 수 없을 수 있다. 따라서, 소정의 실시예들은 그리드 시선 (line of sight) 개방 면적이 회전 및/또는 병진 (translation) 에 의해서 조절 가능한 그리드 및 그리드 어셈블리를 제공한다.
소정의 실시예들에서, 플라즈마 그리드는 플라즈마 코일 또는 다른 플라즈마 소스에 대해서 상승 또는 하강될 수 있다. 이는 그리드를 예를 들면 이동 가능한 스테이지 상에 탑재함으로써 이루어질 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 수직 이동은 오퍼레이터 또는 콘트롤러가 상부 구역 플라즈마 및 하부 구역 플라즈마에서의 유효 전자 온도, 전자 또는 플라즈마 밀도, 전자 대 이온 비율, 라디칼 농도 등을 변경시킬 수 있게 한다. 또한, 라디칼 농도가 플라즈마 그리드의 높이에 의해서 영향을 받기 때문에, 이동 가능한 그리드를 사용하면 라디칼 농도가 다중 스테이지 공정에 걸쳐서 조절 가능하게 되는 공정이 가능하게 된다. 라디칼 종들이 화학적으로 반응성이며 음 이온들은 전자와는 상이한 에칭 특성을 갖기 때문에, 이 파라미터는 특히 목표 반응을 달성하도록 조절/제어하는데 유용하다.
또한, 몇몇 구현예들에서, 다수의 플라즈마 그리드들이 반응기 챔버 내에서 단일 그리드 어셈블리에서 사용될 수 있다. 다수의 그리드들이 사용되는 경우에, 그리드의 개수는 통상적으로 약 2 내지 5 개이다. 때로, 다수의 플라즈마 그리드들이 사용되면, 플라즈마 그리드들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 다른 플라즈마 그리드에 대해서 이동 가능하다. 일반적으로, 이러한 이동은 그리드들을 회전시키거나 분리시킴으로써 이루어진다 (몇몇 경우에는, 이러한 회전 및 분리 모두가 사용된다). 그리드 어셈블리에서 회전 가능한 그리드가 사용되면, 웨이퍼를 처리하는 과정에 걸쳐서 그리드 개방 면적 상이한 공정들 간에서 및/또는 웨이퍼들 간에서 그리고 단일 공정 내에서 그리고 단일 웨이퍼 내에서 용이하게 변화될 수 있다. 중요하게는, 하부 서브-챔버 내의 유효 전자 온도 및 전자 밀도는 그리드 개방 면적의 함수일 것이다.
다수의 그리드가 사용되면, 소정의 추가 파라미터들을 규정하는데 도움이 된다. 어셈블리 슬롯 또는 다른 개구는, 위에서 볼 때에, 도 3e에 도시된 바와 같이, 일 그리드 내의 개구가 다른 그리드(들) 내의 개구와 정렬되어서 플라즈마 그리드 어셈블리를 통한 투명 시선 (clear line of sight) 을 생성하는 어셈블리의 구역이다. 도 3f에서와 같이, 그리드들 내의 슬롯들/구멍들이 정렬되지 않으면, 그리드 어셈블리를 통한 투명 시선이 존재하지 않는다. 도 3e 및 도 3f에 있어서, 상부 그리드 (302) 는 하부 그리드 (304) 위에 위치한다. 그리드 (302) 및 그리드 (304) 각각 아래의 어두운 구역들은 종들이 통과하는 개방 구역이다. 특정 실시예들에서, 하부 그리드 (304) 아래의 어두운 구역은 하부 서브-챔버의 상부 부분이다. 다수의 어셈블리 개구들은 통상적으로 단일 플라즈마 그리드 어셈블리 내에 존재한다. 어셈블리 개구의 기하 구조는 개별 그리드들이 서로에 대해서 이동함에 따라서 변한다. 예를 들면, 제 1 그리드가 제 2 그리드에 대해서 회전함에 따라서 어셈블리 슬롯의 폭이 변할 수 있다. 마찬가지로, 그리드들이 서로에 대해서 회전 또는 달리 이동함에 따라서, 상단 그리드의 상단과 하단 그리드의 하단 간의 총 거리를 시선 개방 폭으로 제산한 값으로 규정되는 어셈블리 슬롯들의 종횡비도 변할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 어셈블리 슬롯들의 종횡비는 약 0.1 내지 5일 수 있다.
그리드 어셈블리 개방 면적은 (그리드의 면에 평행한 평면에서 볼 때에) 슬롯들이 정렬된 그리드 어셈블리 상의 슬롯들의 총 면적으로서 규정된다. 도 3f에서 도시된 바와 같이 슬롯들이 오정렬되면, 플라즈마 내의 소정의 종들 (특히, 이온들 및 전자들과 같은 대전된 종들) 은 하부 서브-챔버 내로 실질적으로 통과하지 못한다. 슬롯들의 이러한 오정렬은 어셈블리 내의 슬롯들의 종횡비를 효과적으로 증가시키거나 어떠한 슬롯 중첩도 존재하지 않으면 어셈블리 슬롯들을 모두 제거하여서 상부 서브-챔버에서 하부 서브-챔버로 흐르는 고온 전자들의 비율을 감소시킨다. 그러나, 도 3e에서와 같이 슬롯들이 정렬되면, 플라즈마 종들은 상술한 바와 같이 슬롯들을 통과한다. 일 실례에서, 2 개의 동일한 플라즈마 그리드들이 사용되고, 각각이 약 50 퍼센트 개방 (슬롯된) 면적을 갖는다. 이 실시예에서, 그리드 어셈블리 개방 면적은 0 퍼센트 (개별 플라즈마 그리드들이 모두 서로 오정렬하는 경우) 내지 약 50 퍼센트 (개별 플라즈마 그리드들이 서로 정확하게 정렬한 경우) 간에서 변할 수 있다. 다른 실례에서, 각 플라즈마 그리드는 약 75 퍼센트의 개방 면적을 갖는다. 이 경우에, 그리드 어셈블리 개방 면적은 약 50 내지 75 퍼센트 간에서 변할 수 있다. 그리드 어셈블리 개방 면적을 변화시킴으로써, 하부 서브-챔버 내의 플라즈마 조건들이 조절될 수 있다. 예를 들면, 그리드 어셈블리 개방 면적이 크면, 그리드 어셈블리 개방 면적이 작을 때에 비해서, 하부 구역 플라즈마 내의 유효 전자 온도는 높아지며, 하부 구역 플라즈마 내의 전자 밀도는 높아지며, 하부 구역 플라즈마 내의 전자의 이온에 대한 비율은 높아지며, 하부 구역 플라즈자 내의 라디칼의 농도는 저하된다.
다수의 그리드 사용은 특히 단일 공정 스테이션에서 웨이퍼 상에서의 플라즈마 밀도 및 다른 플라즈마 조건들의 넓은 공정 윈도우를 제공하기 때문에 유용하다. 이러한 이점은 특히 다수의 층들 및/또는 다수의 타입의 노출된 재료들을 갖는 복잡한 구조물을 처리할 때에 도움이 된다. 전술한 바와 같이, 때로 처리되는 에칭 층에 대한 처리 조건들을 변화시킬 필요가 있다.
각 플라즈마 그리드 상의 슬롯 패턴은 다른 플라즈마 그리드 슬롯 패턴과 동일하거나 상이할 수 있다. 또한, 슬롯 패턴들은 웨이퍼의 특정 구역들에 걸쳐서 개방 구역을 제공하도록 설계될 수 있다. 예를 들면, 슬롯들은 웨이퍼의 에지에 비해서 웨이퍼의 중앙 근처에 보다 많이 개방된 면적이 존재하거나 이와 반대의 경우가 되도록 설계될 수 있다. 또한, 그리드 어셈블리 개방 구역이 공정 동안에 상이한 시간들에 웨이퍼의 상이한 부분들에 집중되도록 슬롯들이 설계될 수 있다. 예를 들면, 그리드 어셈블리 개방 구역이 공정의 초기를 향해서는 웨이퍼의 중심 근처에 집중되고 공정의 종료를 향해서는 웨이퍼의 에지 근처에 집중되거나 이와 반대로 되도록 슬롯들이 설계될 수 있다. 이러한 회전은 예를 들자면 가스 플로우, 플라즈마 밀도, 플라즈마 타입 (예컨대, 이온-이온 플라즈마) 및 유효 전자 온도가 공정 과정에 걸쳐서 웨이퍼에 걸쳐서 방사상으로 조절될 수 있게 한다. 이러한 조절은 웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐서 균일한 에칭 결과를 낳는데 유리하며 특히 처리 동안에 그렇지 않으면 발생할 수 있는 중심 대 에지 불균일성을 해결하는데 도움이 될 수 있다. 이러한 방사상 조절 효과들을 달성하기 위해서 플라즈마 그리드 어셈블리에서 사용될 수 있는 전자 (electron) 그리드들의 쌍의 실례가 도 3a 및 도 3b에 도시된다. 이 도면들에서, 슬롯 (개방 구역) 은 음영으로 표시되며 그리드 재료 구역은 백색으로 표시된다.
분리 가능한 그리드 사용은 소정의 거리들이 제어 및 조절될 수 있게 한다. 예를 들면, 조절될 수 있는 거리들은 웨이퍼와 하부 그리드 간의 거리, 상부 서브-챔의 상단과 상부 그리드 간의 거리, 및/또는 그리드들 간의 거리를 포함한다. 이러한 가변 거리들은 단일 고정형 그리드에 비해서 웨이퍼 상에서 조절 가능한 광범위한 전자 온도 및 플라즈마 밀도를 가능하게 한다.
소정의 구현예들은 이동 가능한 플라즈마 그리드와 고정형 플라즈마 그리드를 모두 구비한 플라즈마 그리드 어셈블리를 사용한다. 그리드들은 접지되거나 전기적으로 플로팅되며 회전 가능한 액추에이터 또는 리프터 (lifter) 와 같은 이동 생성 요소에 연결된 지지 레그 (leg) 또는 다른 특징부에 의해서 지지될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이동 생성 요소는 웨이퍼 및 웨이퍼 지지 페디스탈 아래에 위치하지만, 다른 배치가 가능하다. 지지 레그는 지지되는 그리드가 접지되는지 전기적으로 플로팅되는지에 따라서 도전성이거나 절연성일 수 있다.
일반적으로, 고정된 그리드가 접지되는 것이 유리할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 고정된 그리드가 이동 가능한 그리드 상에 배치되면, 고정된 그리드의 접지된 접속은 상부 챔버 여기 소스로부터 그리드로 흐르는 임의의 RF 전류에 대한 양호한 접지 경로를 제공한다. 이는 특히 상부 챔버가 ICP 소스에 의해서 여기되고 그 높이가 약 5 cm보다 작은 경우 또는 상부 구역 플라즈마가 VHF CCP 소스를 사용하여서 생성된 경우에 유용하다. 고정된 그리드가 도 5에 도시된 바와 같이 이동 가능한 그리드 아래에 위치하면, 접지된 접속은 하부 구역 플라즈마 내의 바이어스 전류에 대한 대형 접지 복귀 표면을 제공한다. 이는 특히 높은 바이어스 전압 (예를 들어서, 약 100 V보다 높음) 이 에칭 공정 동안에 웨이퍼 상에서 요구되는 경우에 유리하다.
이동 가능한 그리드의 최적 전기 접속은 고정된 그리드 및 이동 가능한 그리드의 상대적 위치에 의존할 수 있다. 고정된 그리드가 이동 가능한 그리드 위에 위치하면, 이동 가능한 그리드가 전기적으로 플로팅하는 것이 유리할 수 있다. 이와 반대로, 고정된 그리드가 이동 가능한 그리드 아래에 위치하면, 이동 가능한 그리드가 접지 또는 플로팅될 수 있다. 이동가능한 그리드가 접지되면, 지지 구조물은 도전성이어야 한다 (예컨대, 금속성이어야 한다). 이동 가능한 그리드가 전기적으로 플로팅이면, 지지 구조물은 절연성이어야 한다.
고정된 그리드가 이동 가능한 그리드 아래에 위치하면, 이동 가능한 그리드 지지부를 이동 생성 요소와 연결시키도록 이 이동 가능한 그리드 지지부가 고정된 그리드를 통해서 연장되도록 하는 원호 (arc) 형상 슬롯들 (또는 해당 슬롯들에 걸쳐서 원호형 이동을 가능하게 하는 다른 슬롯들) 을 고정된 그리드가 가질 수 있다. 상술한 바와 같이, 이러한 구현예가 도 5에 도시되어 있다. 이와 달리, 이동가능한 그리드는 반응 챔버의 주변부로부터 내부로 연장되는 이동 가능한 지지 구조물들에 의해서 지지되거나 반응 챔버의 상단과 연결된 구조물에 의해서 지지될 수 있다. 어떠한 구현예가 사용되든, 지지 구조물은 소망하는 바와 같이 상부 구역 플라즈마 및 하부 구역 플라즈마 형성을 방해하지 않도록 지지 구조물은 설계되어야 한다. 또한, 그리드들을 이동시키기 위한 액추에이터들로부터 웨이퍼로의 입자 이동의 위험이 최소화되도록 상기 액추에이터들을 상기 웨이퍼 평면 아래로 적절하게 유지하는 것이 바람직하다.
그리드 어셈블리는 DC 소스 또는 RF 소스를 사용하여서 바이어스될 수 있다. 그리드 어셈블리가 다수의 도전성 그리드들을 갖는 경우에, 이 그리드들을 함께 동일한 전위로 바이어스하는 것이 바람직하다. 이와 달리, 그리드 어셈블리는 오직 하나의 도전성 그리드 및 하나 이상의 플로팅/절연성 그리드들로 구성될 수 있으며, 여기서 오직 도전성 그리드만이 바이어스된다.
플라즈마 특성들
그리드는 챔버 플라즈마를 2 개의 구역, 즉, 플라즈마를 생성하기 위한 코일들에 근접한 상부 구역 및 기판 홀더에 근접한 하부 구역으로 분할한다. 다양한 실시예들에서, 상부 구역 내의 플라즈마는 상대적으로 "고온" 고 에너지 전자들을 포함한다. 때로, 이 플라즈마는 전자-이온 플라즈마로서 특성화된다. 다양한 실시예들에서, 하부 구역 내의 플라즈마는 상대적으로 "저온" 저 에너지 전자들을 포함한다. 때로, 이 하부 구역 플라즈마는 이온-이온 플라즈마로 특성화된다.
플라즈마는 주로 또는 오직 상부 서브-챔버 내에서 생성될 수 있다. 일 실시예에서, 유도 결합형 플라즈마는 상부 서브-챔버 상방에 있는 코일들을 통해 전류를 흘림으로써 상부 서브-챔버 내에서 생성된다. 단일 코일 또는 다수의 코일들이 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 용량 결합형 플라즈마가 예를 들면 VHF CCP 소스를 사용하여서 생성된다. 상부 서브-챔버 내의 플라즈마는 그리드의 존재로 인해서 하부 서브-챔버 내의 플라즈마와 구별되게 상이한 특성을 가질 것이다.
다수의 실시예들에서, 상부 구역 플라즈마는 통상적인 전자-이온 플라즈마이다. 이러한 타입의 플라즈마에서, 양으로 대전된 종들의 대부분은 양의 이온들이며 음으로 대전된 종들의 대부분은 전자들이다. 음의 이온들이 존재할지라도, 단지 상대적으로 저 농도로 존재할 뿐이다. 이와 대조하여서, 하부 서브-챔버 내의 플라즈마는 이온이 풍부한 플라즈마로서 때로 이온-이온 플라즈마로 지칭된다. 전자-이온 플라즈마에 비해서, 이온-이온 플라즈마에서는 음으로 대전된 종들의 상당 부분은 음의 이온들이며 음으오 대전된 종들의 작은 부분이 전자들이다. 소정의 실시예들에서, 이온-이온 플라즈마에서 양의 이온들의 농도의 전자들의 농도에 대한 비 (때로는 전자에 대한 양 이온의 비 ni/ne로 지칭됨) 는 약 2 이상이고 몇몇 경우에서는 약 5 이상이거나 심지어 10 이상일 수 있다. 소정의 경우에, 양 이온 대 전자 비는 하부 구역 플라즈마가 상부 구역 플라즈마보다 최소 약 2 배이다 (예컨대, 최소 약 5 배이다).
2 개의 플라즈마들 간의 관련 차는 상부 구역 플라즈마가 매우 더 높은 전자 밀도를 갖는다는 것이다. 예를 들면, 하부 구역 플라즈마 내의 전자 밀도는 약 5× 109 cm-3 이하 (예컨대, 약 1× 109 cm-3 이하) 일 수 있다. 이러한 범위는 특히 전자 네거티브 처리 가스들 (electron negative processing gases) 에 적용될 수 있다. 상부 구역 플라즈마는 하부 구역 플라즈마의 전자 밀도보다 최소 약 10 배인 (예컨대, 최소 약 100 배 또는 최소 약 1000 배인) 전자 밀도를 가질 수 있다. 몇몇 경우에, 하부 서브-챔버는 전자 밀도가 음 이온 밀도 및 양 이온 밀도보다 최소 10의 제곱 정도만큼 작은 이온-이온 플라즈마를 갖는다. 특정 실례에서, Ne~108cm-3, Ni+~109cm-3, Ni-~109cm-3이다.
전자:이온 비에 기초하는 다소 내재적인 상부 구역 플라즈마와 하부 구역 플라즈마 간의 추가 차이는 하부 구역 플라즈마가 통상적으로 양 이온에 대한 음 이온의 비가 높을 것이라는 것이다. 상부 구역 전자-이온 플라즈마는 통상적으로 주로 양 이온 및 전자들을 포함하며 상대적으로 음 이온 수가 작기 때문에, 음 이온:양 이온 비는 낮을 것이다. 하부 구역 플라즈마 내의 음 이온:양 이온 비는 약 0.5 내지 1일 수 있다 (예컨대, 약 0.8 내지 0.95일 수 있다).
하부 구역 플라즈마 내의 전자들의 상대적으로 낮은 농도에 대한 일 비한정적 설명은 하부 구역에 초기에 존재하는 전자들 (예컨대, 상부 구역에서 그리드를 통해서 하부 구역으로 이동한 전자들) 은 일반적으로 RF 필드에 의해서 가열되지 않으며 가스 분자들과의 비탄성적 충돌 (inelastic collision) 로 인해서 에너지를 신속하게 손실하며 이로써 낮은 유효 전자 온도를 갖는다는 것이다. 이러한 낮은 에너지 전자들은 (상부 구역 플라즈마 내의 고 에너지 전자들에 비해서) 중성 종들과 반응하여서 음 이온들을 생성할 확률이 더 크다. 전자들은 중성 종들에 부착되어서 음 이온을 형성하기 위해서는 상대적으로 낮은 에너지를 가져야 한다. 이러한 음 이온 생성은 고 에너지 전자들에서는 발생하지 않을 것이며, 이러한 고 에너지 전자들은 중성 종들과 충돌할 때에 서로 결합하여서 음 이온을 형성하기보다는 다른 전자들을 "킥-오프 (kick-off)" 시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 유효 전자 온도는 하부 구역 플라즈마에 비해서 상부 구역 프라즈마에서 더 높다. 전자들은 그리드 내의 슬롯들을 통과할 때에 냉각될 수 있다. 통상적으로, 하부 구역 플라즈마 내의 유효 전자 온도는 약 1 eV 이하이다. 소정의 경우에, 하부 구역 플라즈마 내의 유효 전자 온도는 약 0.1 내지 1 eV (예컨대, 약 0.2 내지 0.9 eV) 일 수 있다. 이 유효 전자 온도는 전자 볼트로 측정될 때에 상부 구역 플라즈마에서가 하부 구역 플라즈마에서보다 최소 약 2 배 (예컨대, 최소 약 3 배) 이다. 특정 구현예에서, 상부 구역 플라즈마는 약 2.5 eV의 유효 전자 온도를 갖는 반면에, 하부 구역 플라즈마는 약 0.8 eV의 유효 전자 온도를 갖는다. 다양한 실시예들에서, 유효 전자 온도에서의 이러한 차이는 그리드의 존재로부터 전체적으로 또는 부분적으로 발생한다.
임의의 특정 이온 또는 메카니즘으로 한정되지 않고서, 그리드의 역할은 다음과 같이 설명될 수 있다. 하부 서브-챔버 내의 대전된 종들이 플라즈마 코일들로부터의 전력에 직접적으로 노출되지 않도록 그리드는 하부 서브-챔버를 부분적으로 차폐한다. 또한, 그리드 내의 슬롯들의 특정 종횡비는 고 에너지 전자들의 일부가 슬롯들을 통과할 때에 그리드와 충돌하게 한다. 이는 2 개의 플라즈마 구역들에서 2 개의 정성적으로 상이한 플라즈마들을 생성한다.
상부 구역 플라즈마와 하부 구역 플라즈마 간의 다른 구별되는 특성은 그들의 플라즈마 전위이다. 상부 서브-챔버 내의 플라즈마 전위는 일반적으로 하부 서브-챔버 내의 플라즈마 전위보다 높다. 예를 들면, 상부 서브-플라즈마 내의 플라즈마 전위는 약 8 내지 35 V (예컨대, 약 10 내지 20 V) 인 반면에, 하부 서브-플라즈마 내의 플라즈마 전위는 약 0.4 내지 10 V (예컨대, 약 0.5 내지 3 V) 이다. 이는 전자 에너지가 강하되고 따라서 플라즈마는 전자들이 그로부터 떠나는 것을 방지하도록 양으로 될 필요가 없기 때문이다.
또한, 2 개의 플라즈마들은 통상적으로 상이한 에너지 분포 함수 (예컨대, 이온 에너지 분포 함수 및 전자 에너지 분포 함수) 를 가질 것이다. 이온 에너지 분포 함수 및 전자 에너지 분포 함수 양자는 하부 구역 플라즈마에서 보다 좁을 것을며 상부 구역 플라즈마에서는 보다 넓을 것이다. 그리드를 사용함으로써, 파형 생성기로 복잡한 제어를 하지 않고서도 매우 좁은 이온 에너지 분포 함수를 달성할 수 있다. 예를 들면, 하부 구역 플라즈마에 대한 이온 에너지 분포 함수는 단지 약 5 V의 전체 FWHM (full width half maximum) 을 가질 것이다. 따라서, 전기 중성을 유지하기 위해서 (이러한 목적을 위해서 전자 대신에) 음 이온이 기판 표면에 도달하면 이로부터 음 전류가 유도될 수 있다. 이는 고유한 에칭 메카니즘을 제공한다.
하부 구역 플라즈마 내의 라디칼 농도는 총 중성 밀도의 약 1 퍼센트 내지 총 중성 밀도의 약 70 퍼센트 간 또는 총 중성 밀도의 약 10 퍼센트 내지 총 중성 밀도의 약 70 퍼센트 간 또는 총 중성 밀도의 약 10 퍼센트 내지 총 중성 밀도의 약 50 퍼센트 간에 있을 수 있다.
에칭 동작 동안에 챔버 압력은 약 1 내지 2000 mTorr (예컨대, 약 2 내지 200 mTorr) 와 같이 약 2000 mTorr보다 작을 수 있다. 이 특정 실례에서, 챔버 압력은 약 20 mTorr 이하에서 유지된다. 이러한 압력들은 특히 약 0.5 eV 이하의 유효 전자 온도 및/또는 약 5×108 cm-3 이하의 전자 밀도를 갖는 하부 구역 플라즈마와 함께 사용될 때에 유용하다. 이러한 압력은 또한 특히 하부 구역 이온-이온 플라즈마와 함께 사용될 때에 유용하다.
이온-이온 플라즈마는 반도체 처리 시에 소정의 이점을 제공한다고 사료된다. 예를 들면, 이온-이온 플라즈마에서 에칭된 부분적으로 제조된 반도체 소자들은 에칭되는 기판의 면에 걸쳐서 매우 양호한 선택도, 프로파일 각, I/D 로딩, 및 전체 균일도를 보인다. 이전의 기술들은 이러한 이점들을 모두 달성할 수는 없었다 (즉, 공정 설계자는 예를 들어서 양호한 전체적 에칭 균일도와 다른 이점들 간에서 선택해야 했다). 따라서, 본 명세서의 실시예들은 에칭 방법에서 상당한 진보를 나타낸다.
도 6a 내지 도 6는 에칭되는 피처 상의 에칭 부산물들의 분해 (breakdown) 효과를 예시한다. 먼저, 도 6는 그 상에 증착된 3 개의 층들을 갖는 기판을 나타낸다. (3 개의 개별 블록들로 나타난 바와 같이) 하단 층은 게이트 산화물을 나타내고, 중간 층은 폴리실리콘을 나타내고, 상단 층은 하드 마스크를 나타낸다. 통상적인 에칭 공정에서는, 챔버 내에 존재하는 플라즈마가 부분적으로 도 6b에 도시된 바와 같이 에칭 부산물들을 해리하도록 동작한다고 사료된다. 이러한 부산물들은 때로 휘발성 성분 (예컨대, SiBr4) 이며 이 성분은 적합한 조건들 하에서 기판으로부터 제거될 수 있다. 그러나, 전자-이온 플라즈마의 전형인 고 전자 밀도 플라즈마가 웨이퍼에 도달하면, 플라즈마 내의 고 에너지 전자들은 이 휘발성 부산물들과 반응하여서 이들로 하여금 물리-화학적으로 "점착성인 (sticky)" 해리 부산물 (예컨대, SiBr2) 로 해리되게 한다. 이러한 해리 부산물은 도 6b에 도시된 바와 같이 기판에 부착되거나 때로 에칭되는 피처의 측벽에 부착되어서 에칭 공정이 도 6c에 도시된 바와 같이 비수직적으로 또는 이와 달리 바람직하지 않게 발생하게 한다. 이러한 해리 부산물 부착/재증착은 국부 로딩 효과로 이어지며 이는 다시 비수직적 에칭을 낳는다.
에칭되는 기판에 근접한 플라즈마의 유효 전자 온도를 감소시키는데 그리드를 사용하면, 이러한 바람직하지 않는 효과들을 저감시킬 수 있다. 이온-이온 플라즈마가 생성되고 이에 대응되게 전자 밀도가 감소하고 유효 전자 온도가 감소하며 이로써 상기한 바람직하지 않는 효과들을 크게 줄일 수 있다. 이온들은 일반적으로 전자들보다 크게 작은 에너지를 갖기 때문에, 본 실시예들의 이온-이온 플라즈마 내의 이온들은 이러한 부산물 해리를 초래하지 않는다. 본 실시예들이 전자-이온 플라즈마를 생성할 수 있지만, 이러한 고 전자 밀도/고 유효 전자 온도 플라즈마는 상부 서브-챔버 내로 한정될 수 있다. 따라서, 에칭 부산물들은 오직 하부 구역 플라즈마와 접촉하며 고 유효 전자 온도의 상부 구역 플라즈마와 접촉하지 않게 된다. 또한, 이온-이온 플라즈마 내에 존재하는 몇몇 전자들이 존재할지라도, 이러한 전자들은 일반적으로 낮은 Ta를 가지며 따라서 통상적으로 부산물을 해리시킬 정도의 충분한 에너지를 가지지 않는다. 이로써, 에칭 부산물들은 "점착성" 문제를 유발하는 화합물들로 해리되지 않는다.
웨이퍼 바이어스
소정의 구현예들에서, 웨이퍼는 처리 동안에 바이어스된다. 이는 웨이퍼를 홀딩/지지하는데 사용되는 정전척에 바이어스를 인가함으로써 이루어진다. 웨이퍼가 하부 서브-챔버 내의 저 유효 전자 온도 및 저 전자 밀도의 플라즈마 (이온-이온 플라즈마) 에 노출되면, 바이어스가 이온-이온 플라즈마의 고유한 이점들을 취하고/촉진하는 방식으로 정전척에 인가될 수 있다. 또한, 이 바이어스는 하부 서브-챔버 내에서 전자-이온 플라즈마의 형성을 억제하는 방식으로 인가될 수 있다. 예를 들면, 바이어스는 이온-이온 플라즈마가 전자-이온 플라즈마로 변환하는 것을 억제하도록 하는 주파수 및 전력을 가질 수 있다.
소정의 실시예들에서, RF 바이어스는 30 MHz보다 낮은 주파수, 바람직하게는 약 100 kHz 내지 약 13.56 MHz의 주파수를 가짐으로써 기판에 바이어스 전력을 인가함으로써 생성되는 전자 가열량을 감소시킬 수 있다. 몇몇 실시예들에서, (주파수와 상관없이) 바이어스는 약 1 퍼센트 내지 약 99 퍼센트의 듀티 사이클을 사용하여서 약 1 Hz 내지 약 10 kHz 범위로 펄싱된다.
통상적인 전자-이온 플라즈마에서, 플라즈마 전위는 상술한 바와 같이 매우 높으며 양의 값이다. 이 플라즈마 전위는 전자들이 플라즈마를 이탈하는 능력을 효과적으로 제약한다. 그러나, 하부 구역 플라즈마는 통상적으로 비범하게 낮은 전자 밀도 및 전자 온도를 가지며 따라서 자신의 전자들을 효과적으로 한정하기 위해서 매우 낮은 플라즈마 전위를 요구한다. 낮은 플라즈마 전위는 동작 윈도우를 개방하고 선택적으로 이온-이온 플라즈마 내에 존재하는 음 이온들이 바이어스 파형의 양의 사이클 동안에 웨이퍼를 향해서 가속되어서 충돌하게 한다. 이러한 에칭 방식은 종래에는 연속파 플라즈마에서는 달성될 수 없었다.
정전척에 인가되는 바이어스의 주파수는 이온-이온 플라즈마 내의 이온들 (특히, 이로 한정되지 않지만 음 이온들) 의 형성 및 인력 (attraction) 을 최적화시키도록 설계될 수 있다. 이와 관련하여서, 정전척에 인가되는 바이어스의 주파수는 약 0.1 내지 15 MHz (예컨대, 약 400 kHz 내지 13.56 MHz) 이다. 특정 실례에서, 바이어스는 약 8 MHz이다. 이 주파수는 특히 이온 이송 주파수에 대응할 때에 유용하다. 또한, 다른 주파수들도 이용될 수 있지만 덜 효과적이다. 예를 들면, 약 100 kHz 내지 1 MHz 간의 주파수들은 어느 정도 효과가 있지만 상술된 보다 높은 주파수들보다 덜 효과적일 수 있다.
그리드가 사용되고 적합한 주파수의 AC 바이어스가 정전척/웨이퍼에 인가되면, 웨이퍼 상의 플라즈마 시스 (sheath) 가 작용하여서 음 이온들 및 양 이온들을 플라즈마로부터 교번적으로 또는 대안적으로 끌어와서 웨이퍼의 면을 향해서 가속시킨다. 달리 말하면, 플라즈마 시스는 양의 사이클에서는 음 이온을 끌어오고 이어서 음의 사이클에서는 양의 이온을 끌고 이러한 사이클들은 AC 바이어스와 함께 반복된다. 상술한 바와 같이, 이렇게 음 이온을 (웨이퍼로) 끌어오는 바는 본 실시예의 구현 이전에는 가능하지 않았는데 그 이유는 플라즈마 전위가 너무 높아서 AC 바이어스 사이클의 해당 절반에서는 어떠한 끌어당김 효과는 발생하지 않게 되기 때문이다.
전술한 바와 같이, 바이어스가 펄스로 인가될 수 있다. 그러나, 펄스 인가는 다수의 경우에 필요하지 않다. 본 실시예들은 전체 에칭 공정 동안에 웨이퍼 상에 안정된 이온-이온 플라즈마를 달성한다. 이로써, 척/웨이퍼 상의 바이어스가 본 명세서에서 기술된 이점들을 달성하기 위해서 펄싱될 필요는 없다. 그러나, 소정의 실시예들에서, 그럼에도 불구하고, 기판의 이온 충돌의 양 또는 기판의 에칭 레이트를 줄여서 하부 층에 대한 에칭의 선택도를 증가시키기 위해서 바이어스는 펄스로 해서 인가될 수도 있다. 이온-이온 플라즈마들로의 바이어스 펄싱은 특히 이온들과 라디칼들 간을 교번시킬 때에 선택도를 증가시킴으로써 유리할 수 있다. 달리 말하면, 펄싱은 이온 및 라디칼의 플럭스를 기판 표면에 대해서 분할시킬 수 있다 (펄스 온 상태: 라디칼 + 이온, 펄스 오프 상태: 오직 라디칼만).
공정/적용
본 명세서에서 개시된 장치 및 플라즈마 조건들은 실리콘 (폴리실리콘, 비정질 실리콘, 단결정 실리콘, 및/또는 미세결정질 실리콘을 포함함), 금속들 (다음으로 한정되지 않지만 TiN, W, TaN, 등을 포함함), 산화물 및 질화물 (다음으로 한정되지 않지만 SiO, SiOC, SiN, SiON, 등을 포함함), 유기물 (다음으로 한정되지 않지만 포토레지스트, 비정질 탄소 등을 포함함) 과 같은 다양한 재료 및 다음으로 한정되지 않지만 W, Pt, Ir, PtMn, PdCo, Co, CoFeB, CoFe, NiFe, W, Ag, Cu, Mo, TaSn, Ge2Sb2Te2, InSbTe Ag--Ge--S, Cu--Te--S, IrMn, Ru을 포함하는 다른 다양한 재료 중 임의의 것을 에칭하는데 사용될 수 있다. 본 개념은 NiOx, SrTiOx, 페로브스카이트 (perovskite) (CaTiO3), PrCAMnO3, PZT (PbZr1-xTixO3), (SrBiTa)O3, 등과 같은 재료들에도 확장될 수 있다. 본 장치는 오늘날의 제조 시설에서 가용한 임의의 가스 조합 (HBr, CO, NH3, CH3OH, 등을 포함함) 과 함께 사용될 수 있다.
본 명세서에서 개시된 장치 및 플라즈마 조건들은 임의의 기술 노드에서 소자 또는 다른 구조물 내에 피처들을 에칭하는데 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 에칭은 20 내지 10 nm 노드 또는 이를 뛰어넘는 노드에서의 제조 시에 사용된다. 에칭은 FEOL (front end of line) 제조 절차 및 BEOL (back end of line) 제조 절차 전에 발생할 수 있다. 본 에칭은 약 2 퍼센트보다 양호한 바의 우수한 수직 프로파일, 재료 선택도, I/D 로딩 및/또는 웨이퍼 중앙 대 에지 균일도를 제공할 수 있다. 적합한 에칭 용도의 몇몇 실례는 STI (shallow trench isolation), 게이트 에칭, 스페이서 에칭, 소스/드레인 레세스 에칭, 산화물 리세스, 및 하드-마스크 개방 에칭을 포함한다.
장치
본 명세서에서 기술된 방법들은 임의의 적합한 장치에 의해서 수행될 수 있다. 이 적합한 장치는 본 명세서에서 기술된 바와 같은 에칭 조건들을 제공 및 유지하기 위한 챔버 및 전자적 하드웨어를 포함한다. 적합한 장치는 또한 이러한 조건들을 달성하도록 하드웨어를 제어하고 FET의 게이트 전극을 에칭하는 것과 같은 용도들에 적합한 프로세스 동작들의 시퀀스를 수행하기 위한 인스트럭션들을 갖는 시스템 제어기를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 하드웨어는 공정 툴 내에 포함된 하나 이상의 공정 스테이션을 포함할 수 있다.
도 1은 본 명세서에서 개시된 소정의 실시예들에 따른 유도 결합형 플라즈마 에칭 장치 (100) 의 단면도이다. 전술한 바와 같이, 본 명세서의 실시예들은 역시 비유도 결합형 플라즈마로 실시될 수 있다. 유도 결합형 플라즈마 에칭 장치 (100) 는 챔버 벽들 (101) 및 윈도우 (111) 에 의해서 구조적으로 규정되는 전체 에칭 챔버를 포함한다. 챔버 벽들 (101) 은 통상적으로 스테인레스 스틸 또는 알루미늄으로 제조된다. 윈도우 (111) 는 통상적으로 석영 또는 다른 유전체 재료로 제조된다. 내부 플라즈마 그리드 (150) 는 전체 에칭 챔버를 상부 서브-챔버 (102) 및 하부 서브-챔버 (103) 로 분할한다. 소정의 다른 구현예들에서, 보다 복잡한 플라즈마 그리드 어셈블리가 사용된다. 예를 들면, 플라즈마 그리드 어셈블리는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 다수의 그리드, 지지 구조물 및 이동 생성 요소를 포함할 수 있다. 도 1의 실시예로 돌어가면, 척 (117) 은 하단 내부 표면 근처의 하부 서브-챔버 (103) 내에 위치한다. 척 (117) 은 에칭 공정이 수행되는 반도체 웨이퍼 (즉, 웨이퍼) 를 수용 및 홀딩하도록 구성된다. 척 (117) 은 존재한다면 웨이퍼를 지지하는 정전척일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 에지 링 (미도시) 이 척 (117) 을 감싸며 척 (117) 상에 존재할 때에 웨이퍼의 상단 표면과 대략 평면인 상부 표면을 갖는다. 척 (117) 은 또한 웨이퍼 척킹 및 디척킹을 가능하게 하는 정전 전극들을 포함한다. 필터 및 DC 클램프 전원이 이러한 목적을 위해서 제공될 수 있다. 척 (117) 이 웨이퍼를 상승시키기 위한 다른 제어 시스템이 제공될 수 있다. 척 (117) 은 RF 전원 (123) 을 사용하여서 전기적으로 대전된다. RF 전원 (123) 은 접속부 (127) 를 통해서 매칭 회로 (121) 와 접속된다. 매칭 회로 (121) 는 접속부 (125) 를 통해서 척 (117) 과 접속된다. 이로써, RF 전원 (123) 은 척 (117) 에 접속된다.
코일 (133) 이 윈도우 (111) 상에 위치한다. 코일 (133) 은 전기 도전성 재료로 구성되며 적어도 1 회 완전히 권선을 포함한다. 도 1에 도시된 예시적인 코일 (133) 은 3 회 권선된다. 참조 부호 "X"를 갖는 코일 (133) 의 단면은 코일 (133) 이 이 페이지 후방으로 회전하는 방식으로 연장됨을 표시한다. 이와 반대로, 참조 부호 "●"은 코일 (133) 이 페이지의 전방으로 회전하는 방식으로 연장됨을 표시한다. RF 전원 (141) 은 RF 전력을 코일 (133) 에 공급하도록 구성된다. 일반적으로, RF 전원 (141) 은 접속부 (145) 를 통해서 매칭 회로 (139) 에 접속된다. 매칭 회로 (139) 는 접속부 (143) 를 통해서 코일 (133) 에 접속된다. 이로써, RF 전원 (141) 이 코일 (133) 에 접속된다. 선택적인 패러데이 쉴드 (149) 가 코일 (133) 과 윈도우 (111) 간에 배치된다. 패러데이 쉴드 (149) 는 코일 (133) 에 대해서 이격된 상태로 유지된다. 패러데이 쉴드 (149) 는 윈도우 (111) 바로 위에 배치된다. 코일 (133), 패러데이 쉴드 (149), 및 윈도우 (111) 는 각각 서로 실질적으로 평행하게 구성된다. 페러데이 쉴드는 금속 또는 다른 종들이 플라즈마 챔버의 유전체 윈도우에 증착되지 못하게 한다.
공정 가스가 상부 챔버에 위치한 주 주입 포트 (160) 및/또는 때로 STG로 지칭되는 측 주입 포트 (170) 를 통해서 공급될 수 있다. 가스 배기 포트들은 도시되지 않는다. 또한, 챔버 (101) 에 연결되어서 동작 플라즈마 처리 동안에 진공 제어를 가능하게 하고 챔버로부터 가스성 부산물들을 제거할 수 있게 하는 펌프들은 도시되어 있지 않다.
이 장치의 동작 동안에, 하나 이상의 반응물 가스들이 주입 포트들 (160 및/또는 170) 을 통해서 공급될 수 있다. 소정의 실시예들에서, 가스는 오직 주 주입 포트를 통해서만 또는 오직 측 주입 포트를 통해서만 공급될 수 있다. 몇몇 경우에, 주입 포트들은 샤워헤드로 대체될 수 있다. 패러데이 쉴드 (149) 및/또는 그리드 (150) 는 챔버 내로 공정 가스의 전달을 가능하게 하는 내부 채널들 및 구멍들을 포함할 수 있다. 달리 말하면, 패러데이 쉴드 (149) 및/또는 그리드 (150) 는 공정 가스 전달을 위한 샤워헤드 역할을 할 수 있다.
RF 전류가 코일 (133) 을 통해서 흐르게 하도록 RF 전력이 RF 전원 (141) 에서 코일 (133) 로 인가된다. 코일 (133) 에서 흐르는 RF 전류는 코일 (133) 주변에 전자계를 생성한다. 이 전자계는 상부 서브-챔버 (102) 내에서 유도 전류를 생성한다. 유도 전류는 상부 서브-챔버 (102) 내에 있는 가스에 대하여 작용하여서 상부 서브-챔버 (102) 내에 전자-이온 플라즈마를 생성한다. 내부 플라즈마 그리드 (150) 가 하부 서브-챔버 (103) 내에서의 고온 전자의 양을 제약한다. 다양한 실시예들에서, 이 장치는 하부 서브-챔버 내에 존재하는 플라즈마가 이온-이온 플라즈마가 되도록 설계 및 동작된다.
상부 전자-이온 플라즈마 및 하부 이온-이온 플라즈마 모두는 양 이온 및 음 이온을 포함할 것이지만, 이온-이온 플라즈마는 음이온:양이온 비가 더 크다. 다양한 이온들 및 라디칼과 웨이퍼 (119) 간의 물리적 및 화학적 상호 작용들은 웨이퍼 피처들을 선택적으로 에칭한다. 휘발성 에칭 부산물들이 배기 포트 (미도시) 를 통해서 하부 서브-챔버 내로부터 제거된다. 중요하게는, 이러한 휘발성 부산물들은 고온 전자에 실질적으로 노출되지 않으며 따라서 이들은 비휘발성의 "점착성" 해리 부산물로 해리될 가능성이 낮다.
통상적으로, 본 명세서에서 개시된 척은 약 30 내지 약 250 ℃, 바람직하게는 약 30 내지 150 ℃ 범위의 상승된 온도에서 동작한다. 이 온도는 에칭 공정 동작 및 특정 레시피에 의존할 것이다. 챔버 (101) 는 약 1 mTorr 내지 약 95 mTorr 또는 약 5 mTorr 내지 20 mTorr의 범위의 압력에서 동작할 것이다.
도시되지는 않았지만, 챔버 (101) 는 통상적으로 클린 룸 또는 제조 시설 내에 설치될 때에 설비들과 연결된다. 이 설비들은 가스 처리, 진공, 온도 제어, 및 주변 입자 제어를 제공하는 플럼빙 (plumbing) 을 포함한다. 이러한 설비들은 목표 제조 시설에 설치될 때에 챔버 (101) 와 연결된다. 또한, 챔버 (101) 는 로봇들이 통상적인 자동화를 사용하여서 반도체 웨이퍼들을 챔버 (101) 내부 및 외부로 전달하게 할 전달 챔버에 연결될 수 있다.
도 2a, 도 2b 및 도 3a 내지 도 3d는 본 명세서의 실시예들에 따른 내부 플라즈마 그리드들의 실례들을 나타낸다. 소정의 경우들에서, 각 그리드는 방사상 외측으로 또는 거의 방사상 외측으로 연장되는 슬롯들을 가질 수 있다. 이러한 경우 또는 다른 경우에, 슬롯들은 도 3c 및 도 3d에 도시된 바와 같이 보다 통상적이지 않는 비선형 형상을 가질 수 있다. 도 2b의 실시예에서, 3 개의 타입의 슬롯들이 존재한다. 3 개의 타입의 슬롯들 각각은 상이한 슬롯 길이를 갖는다. 도 2b에 도시된 슬롯들은 상술한 바와 같이 하부 서브-챔버 내에서 이온-이온 플라즈마를 생성하게 적합한 종횡비를 갖는다. 도 2a 및 도 3a 내지 도 3d에 도시된 슬롯들은 실제 축적대로 도시된 것은 아닐 수 있다.
시스템 제어기
몇몇 실시예들에서, 시스템 제어기 (하나 이상의 물리적 제어기 또는 논리적 제어기를 포함함) 는 에칭 챔버의 동작들 모두 또는 몇몇을 제어한다. 시스템 제어기는 하나 이상의 메모리 장치 및 하나 이상의 프로세서를 포함한다. 이 프로세서는 CPU, 컴퓨터, 아날로그 및/또는 디지털 입출력 접속부, 스텝퍼 모터 제어기 보드 및 다른 유사한 구성 요소들을 포함한다. 본 명세서에서 개시된 바와 같은 적합한 제어 동작들을 구현하기 위한 인스트럭션들이 프로세서 상에서 실행될 수 있다. 이러한 인스트럭션들은 시스템 제어기와 연관된 메모리 장치 상에 저장되거나 네트워크 상에서 제공될 수 있다. 소정의 실시예들에서, 시스템 제어기는 시스템 제어 소프트웨어를 실행한다.
시스템 제어 소프트웨어는 다음의 챔버 동작 조건들 중 하나 이상의 인가 타티밍 및/또는 크기를 제어하는 인스트럭션들을 포함할 수 있다: 가스의 혼합 및/또는 조성, 챔버 압력, 챔버 온도, 웨이퍼 온도, 웨이퍼에 인가된 바이어스, 코일 또는 다른 플라즈마 생성 구성 요소에 인가된 전력 및 주파수, 웨이퍼 위치, 웨이퍼 이동 속도, 그리드 위치, 그리드 이동 속도, 공정 툴에 의해서 수행되는 특정 공정의 다른 파라미터들. 이 시스템 제어 소프트웨어는 임의의 적합한 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들어서, 다양한 프로세스 툴의 프로세스를 실행시키는데 필요한 프로세스 툴 구성 요소들의 동작을 제어하도록 다양한 프로세스 툴 구성 요소 서브루틴 또는 제어 객체가 기록될 수 있다. 이 시스템 제어 소프트웨어는 임의의 적합한 컴퓨터 판독 가능한 프로그래밍 언어로서 코딩될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 시스템 제어 소프트웨어는 상술한 바와 같은 다양한 파라미터를 제어하기 위한 인스트럭션들을 시퀀싱하는 IOC (input/output control) 를 포함한다. 예를 들어서, 반도체 제조 공정의 각 페이즈는 시스템 제어기에 의해서 실행되도록 하나 이상의 인스트럭션들을 포함할 수 있다. 에칭 페이즈에 대한 공정 조건들을 설정하기 위한 인스트럭션들이 예를 들면 대응하는 에칭 레시피 페이즈 내에 포함될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이 레시피 페이즈는 공정 페이즈에 대한 모든 인스트럭션들이 이 공정 페이즈와 동시에 실행되도록 순차적으로 구성될 수 있다.
다른 컴퓨터 소프트웨어 및/또는 프로그램들이 몇몇 실시예들에서 사용될 수 있다. 이러한 목적을 위한 프로그램들 또는 프로그램들의 섹션들의 실례들은 기판 포지셔닝 프로그램, 그리드 어셈블리 포지셔닝 프로그램, 공정 가스 조성 제어 프로그램, 압력 제어 프로그램, 가열기 제어 프로그램, 및 RF 전원 제어 프로그램을 포함한다.
몇몇 경우들에서, 제어기들은 제어 가스 농도, 웨이퍼 이동, 그리드 이동, 및/또는 코일들 및/또는 정전척에 공급되는 전력을 제어한다. 제어기는 요구된 반응물(들)을 적합한 농도로 제공하는 하나 이상의 유입 가스 스트림들을 생성하도록 예를 들면 관련 밸브를 개방 및 폐쇄함으로써 가스 농도를 제어할 수 있다. 웨이퍼 이동은 예를 들어서 목표된 바와 같이 웨이퍼 포지셔닝 시스템이 이동하도록 이의 방향을 조절함으로써 제어될 수 있다. 그리드 이동은 그리드가 목표된 바와 같이 위치하도록 이동 생성 요소 (예컨대, 회전형 액추에이터, 승강기 및/또는 다른 이동 생성 요소) 의 방향을 조절함으로써 제어될 수 있다. 일 실례에서, 제어기는 하부 구역 플라즈마 내에서 소정의 플라즈마 조건들 (다음으로 한정되지 않지만 전자 온도, 전자 밀도, 이온 밀도, 양 이온 대 전자 비, 등) 이 달성되게 회전형 액추에이터가 하나 이상의 플라즈마 그리드를 회전시키도록 그 방향을 조절할 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 제어기는 웨이퍼의 상이한 부분들 상에 상이한 플라즈마 조건들을 달성하도록 구성된다 (예컨대, 플라즈마 조건들은 방사상으로 조절될 수 있다). 코일 및/또는 척에 인가된 전력은 상부 서브-챔버 내에서 목표 전자-이온 플라즈마가 생성되게 특정 RF 전력 레벨을 제공하도록 제어될 수 있다. 또한, 제어기는 전자-이온 플라즈마가 하부 서브-챔버에서는 생성되지 않도록 하는 조건 하에서 정전척에 전력을 공급하도록 구성될 수 있다. 달리 말하면, 제어기는 하부 서브-챔버 내에서 이온-이온 플라즈마 (또는 적어도 적합하게 낮은 유효 전자 온도 및 밀도를 갖는 플라즈마) 를 유지하도록 구성된다. 제어기들은 이러한 측면 또는 다른 측면들을 (예컨대, 전력, 전위, 압력 등이 소정의 임계치에 도달하면) 센서 출력에 기초하여서, (예컨대, 공정 내의 특정 시점들에 밸브를 개방하는 것과 같은) 동작 타이밍에 기초하여서 또는 사용자로부터 수신된 인스트럭션들에 기초하여서 제어할 수 있다.
본 명세서에서 상술한 다양한 하드웨어 및/또는 방법 실시예들은 예를 들어서 반도체 소자, 디스플레이, LED, 광전 패널 등의 제조 또는 가공을 위한 리소그래피 패터닝 툴들/공정들과 함께 사용될 수 있다. 통상적으로, 이러한 툴들 또는 공정들은 반드시 그러한 것은 아니지만 공통 제조 시설 내에서 함께 사용 또는 수행될 수 있다.
막 리소그래피 패터닝은 통상적으로 다음의 단계들 중 몇몇 또는 모두를 포함하며, 다음의 각 단계는 다수의 가능한 툴을 사용하여서 수행되며, 이러한 단계들은 (1) 스핀 온 또는 스프레이 온 툴을 사용하여서, 그 상에 형성된 실리콘 질화물 막을 갖는 기판과 같은 작업 대상에 포토레지스트를 도포하는 단계, (2) 고온 플레이트 또는 퍼니스 또는 다른 적합한 경화 툴을 사용하여서 포토레지스트를 경화하는 단계, (3) 웨이퍼 스텝퍼와 같은 툴을 사용하여서 포토레지스트를 가시광선 또는 자외선 또는 x 선 광에 노광시키는 단계, (4) 습식 벤치 (wet bench) 또는 스프레이 현상기와 같은 툴을 사용하여서 포토레지스트를 선택적으로 제거하여서 이를 패터닝하도록 상기 포토레지스트를 현상하는 단계, (5) 건식 또는 플라즈마 보조 에칭 툴을 사용하여서 상기 포토레지스트 패턴을 그 아래의 막 또는 작업 대상에 전사하는 단계 및 (6) RF 또는 마이크로웨이브 플라즈마 레지스트 탈피기 (stripper) 와 같은 툴을 사용하여서 포토레지스트를 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 애쉬가능한 (ashable) 하드 마스크 (예컨대, 비정질 탄소 층) 및 다른 적합한 하드 마스크 (예컨대, 반사 방지 층) 이 포토레지스트를 도포하기 이전에 증착될 수 있다.
본 명세서에서 기술된 구성들 및/또는 방식들은 본질상 예시적이며 이러한 특정 실시예들 또는 실례들은 한정적으로 해석되지 말아야 하며 다수의 변형들이 가능함이 이해되어야 한다. 본 명세서에서 기술된 특정 방법들 또는 루틴들은 임의의 개수의 처리 전략들 중 하나 이상을 나타낼 수 있다. 따라서, 예시된 다양한 동작들은 예시된 순서로, 다른 순서로, 병렬도 또는 몇몇 경우에는 생략되어서 수행될 수 있다. 마찬가지로, 상술된 공정들의 순서는 변화될 수 있다.
본 개시의 주제 대상은 본 명세서에서 개시된 다양한 공정들, 시스템들, 구성들, 다른 특징들, 기능들, 동작들 및/또는 특성들 및 이들의 임의의 모든 균등 사항들의 모든 새롭고 비자명한 조합들 및 하위 조합들을 포함한다.
실험예
본 개시된 방법들 및 장치들은 반도체 기판들 상에 부분적으로 제조된 소자들에 대해 개선된 에칭을 제공한다는 것을 실험예들이 확인하였다. 프라즈마 그리드를 사용하면, 에칭된 제품은 양호한 선택도, 프로파일 각, I/D 로딩 및 전체 에칭 균일성을 보였다.
도 7a 및 도 7b는 고압 통상적인 기술 (7a) 및 플라즈마 그리드를 사용하는 본 실시예 (7b) 에 따라서 에칭된 FinFET 구조물들의 SEM (scanning electron microscope) 이미지들이다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 통상적인 기술에서는 웨이퍼의 중앙과 에지 간에서 불균일성이 컸다. 또한, I/D 로딩도 컸으며 재료들 간의 에칭 선택도도 낮았다. 그러나, 도 7b에서 볼 수 있는 바와 같이, 플라즈마 그리드를 사용하면 중앙 대 에지 균일성이 크게 증가하였다. 또한, I/D 로딩도 매우 낮았으며 에칭 선택도도 증가하였다. 이러한 실험은 완전 패터닝된 웨이퍼의 에칭을 시뮬레이션하기 위해서 FinFET 높이를 나타내는 두께로 얇아지며 50 퍼센트 SiN 쿠폰으로 피복된 Si 캐리어 웨이퍼에 대해서 수행되었다. FinFET 구조물은 그 프로파일에서 테이퍼가 최소로 되도록 65 퍼센트만큼 오버 에칭되었다.
도 8a 및 도 8b는 저압 통상적인 기술 (8a) 및 플라즈마 그리드를 사용하는 본 개시된 실시예 (8b) 에 따라서 에칭된 피처들의 SEM 이미지들이다. 통상적인 기술들에서는 산화물과 실리콘 간의 에칭 선택도가 상대적으로 낮았으며 에칭된 피처들은 테이퍼된 프로파일을 가졌으며 I/D 로딩도 불량하였다. 그러나, 도 8b에서 볼 수 있는 바와 같이, 소스 그리드는 개선된 에칭 선택도 (무한대의 선택도), 보다 수직 형상의 프로파일 각도, 실제 I/D 로딩이 전혀 없음을 제공하였다. 이 실험은 패터닝된 웨이퍼로부터 분리되어 캐리어 웨이퍼의 중앙에 배치된 칩에 대해서 수행되었다. 이 실험은 완전 패터닝된 웨이퍼의 에칭을 시뮬레이션하기 위해서 FinFET 높이를 나타내는 두께로 얇아지며 50 퍼센트 SiN 쿠폰으로 피복된 Si 캐리어 웨이퍼에 대해서 수행되었다.
도 9는 플라즈마 그리드를 사용하지 않고 다양한 방식들에 따라서 에칭된 피처들의 다양한 SEM 이미지들을 나타내고 있다. 2 개의 상이한 압력이 사용되었으며 4 개의 상이한 총 플로우 레이트가 사용되었다. 유효 전자 온도 Te는 압력이 증가하면 감소한다. 총 플로우 레이트가 증가할수록 상주 시간은 감소한다. 각 압력에 대해서, 총 플로우 레이트를 증가시키면 에칭 결과가 개선되었다. 특히, 높은 플로우 레이트는 보다 양호한 (보다 수직인) 프로파일 각 및 개선된 선택도 (마스크가 보다 많이 남겨짐) 를 보였다. 그러나, 이러한 개선 사항들은 I/D 로딩 및 중앙 대 에지 균일성이 불량하게 됨으로써 상쇄되어 버린다. 높은 플로우 레이트에서의 결과들은 소정의 부산물들 및/또는 해리 부산물들이 가스성 형태로 제거되지 않을 때에 도 6a 내지 도 6c에서 예시된 바와 같이 이들이 피처의 측벽 및/또는 하단에 부착되어서 에칭 결과들을 불량하게 한다는 생각을 지지한다. 총 플로우 레이트가 높으면, 이러한 부산물들은 반응 챔버로부터 보다 효과적으로 제거되며 에칭 디펙트들을 생성할 가능성이 작아진다.
다양한 실험 결과들은 플라즈마 그리드를 사용하면 에칭 공정이 매우 우수한 선택도, 프로파일 각, I/D 로딩 및 중앙 대 에지 균일성을 발휘함을 보였다. 소정의 경우에, 선택도 (즉, Si의 에칭 레이트: 산화물의 에칭 레이트) 는 10보다 컸으며 또는 약 100 보다 컸다. 실제로, 소정의 경우에서는 플라즈마 그리드를 사용하면 무한대의 선택도도 가능하다. 이러한 경우에, 산화물 재료는 거의 실제로 에칭되지 않으며 산화물 표면 상에 소량의 증착이 있을 수 있다. 다수의 경우들에서 달성되는 프로파일 각은 실질적으로 수직이다 (예컨대, 약 89도보다 큼). 소정의 구현예들에서, I/D 로딩은 약 2도보다 낮게 되었다. 또한, 다양한 구현예들에서 중앙 대 에지 균일도도 약 2 nm보다 작았다.
Claims (33)
- 기판 상의 피처를 에칭하기 위한 장치로서,
플라즈마가 제공될 수 있는 내부를 규정하는 챔버;
에칭 동안에 상기 챔버 내에서 기판을 홀딩하기 위한 기판 홀더;
상기 챔버 내에 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 생성기; 및
상기 플라즈마 챔버의 내부를 상기 플라즈마 생성기에 근접한 상부 서브-챔버 및 상기 기판 홀더에 근접한 하부 서브-챔버로 분할하는 그리드 어셈블리를 포함하며,
상기 상부 서브-챔버는 상기 하부 서브-챔버의 높이의 적어도 약 1/6인 높이를 가지며,
상기 그리드 어셈블리는 상기 플라즈마가 상기 챔버 내에서 생성될 때에 상기 그리드에서의 유도된 전류의 형성을 실질적으로 방지하는 복수의 슬롯들을 포함하는 2 개 이상의 그리드들을 포함하는,
에칭 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 상부 서브-챔버 내에서 상부 구역 플라즈마 및 상기 하부 서브-챔버 내에서 하부 구역 플라즈마를 생성하는 조건들 하에서 상기 챔버 내에서 플라즈마를 생성하도록 설계 또는 구성된 제어기를 더 포함하며,
상기 하부 구역 플라즈마 내의 유효 전자 온도는 약 1 eV 이하이며 상기 상부 구역 플라즈마 내의 유효 전자 온도보다 낮으며,
상기 하부 구역 플라즈마 내의 전자 밀도는 약 5×109 cm-3 이하이며 상기 상부 구역 플라즈마 내의 전자 밀도보다 낮은,
에칭 장치.
- 제 2 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 하부 서브-챔버 내에서 이온-이온 플라즈마를 생성하도록 더 설계 또는 구성된,
에칭 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 그리드 어셈블리의 적어도 하나의 그리드는 약 1 내지 50 mm의 평균 두께를 갖는,
에칭 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 그리드 어셈블리 내의 그리드들 중 적어도 하나의 그리드 내의 슬롯들은 약 0.01 내지 5의 폭에 대한 높이 종횡 비를 갖는,
에칭 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 슬롯들은 약 60도보다 크지 않는 각도만큼 방위각상 (azimuthally) 인접하는 슬롯들로부터 이격된,
에칭 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 그리드 어셈블리는 제 1 그리드 및 제 2 그리드를 포함하는,
에칭 장치.
- 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 그리드 및 제 2 그리드는 실질적으로 동일한 슬롯 패턴들을 갖는,
에칭 장치.
- 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 그리드 및 제 2 그리드는 서로 상이한 슬롯 패턴들을 갖는,
에칭 장치.
- 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 그리드 및 제 2 그리드 중 적어도 하나는 상기 기판 홀더의 상부 표면에 수직인 축을 중심으로 회전 가능한,
에칭 장치.
- 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 그리드 및 제 2 그리드는 상기 하부 서브-챔버 내의 플라즈마 조건들이 방사상으로 조절될 수 있게 하는 슬롯 패턴들을 갖는,
에칭 장치.
- 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 그리드 및 제 2 그리드 중 적어도 하나는 상기 제 1 그리드와 제 2 그리드 간의 거리가 가변되게 이동 가능한,
에칭 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 그리드 어셈블리의 적어도 하나의 그리드는 가스 전달을 위한 하나 이상의 유입구들을 포함하는,
에칭 장치.
- 기판 상의 피처를 에칭하는 방법으로서,
챔버 내의 기판 홀더에 기판을 제공하는 단계로서, 상기 챔버는 플라즈마 생성기 및 그리드 어셈블리를 포함하며, 상기 그리드 어셈블리는 상기 플라즈마 챔버의 내부를 상기 플라즈마 생성기에 근접한 상부 서브-챔버 및 상기 기판 홀더에 근접한 하부 서브-챔버로 분할하며, 상기 그리드 어셈블리는 적어도 2 개의 그리드를 포함하며, 상기 상부 서브-챔버는 상기 하부 서브-챔버의 높이의 적어도 약 1/6인 높이를 갖는, 상기 기판을 제공하는 단계;
상기 상부 서브-챔버 내에서 상부 구역 플라즈마 및 상기 하부 서브-챔버 내에서 하부 구역 플라즈마를 생성하는 조건들 하에서 상기 챔버 내에서 플라즈마를 생성하는 단계; 및
상기 하부 구역 플라즈마를 상기 기판과 상호작용시킴으로써 상기 기판 내에 피처를 에칭하는 단계를 포함하며,
상기 하부 구역 플라즈마 내의 유효 전자 온도는 약 1 eV 이하이며 상기 상부 구역 플라즈마 내의 유효 전자 온도보다 낮으며,
상기 하부 구역 플라즈마 내의 전자 밀도는 약 5×109 cm-3 이하이며 상기 상부 구역 플라즈마 내의 전자 밀도보다 낮은,
에칭 방법.
- 제 14 항에 있어서,
바이어스를 상기 그리드 어셈블리에 인가하는 단계를 더 포함하는,
에칭 방법.
- 제 14 항에 있어서,
바이어스를 상기 기판 홀더에 인가하는 단계를 더 포함하는,
에칭 방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 하부 구역 플라즈마는 이온-이온 플라즈마인,
에칭 방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 그리드 어셈블리의 적어도 하나의 그리드를 상기 기판 홀더의 상부 표면에 수직인 축을 중심으로 회전시키는 단계를 더 포함하는,
에칭 방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 그리드 어셈블리 내의 그리드들 간의 거리를 변화시키는 단계를 더 포함하는,
에칭 방법.
- 제 14 항에 있어서,
상이한 공정 가스들이 상기 상부 서브-챔버 및 하부 서브-챔버에 제공되는,
에칭 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제어기는 바이어스를 상기 그리드 어셈블리에 인가하도록 더 설계 또는 구성된,
에칭 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제어기는 바이어스를 상기 기판 홀더에 인가하도록 더 설계 또는 구성된,
에칭 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제어기는 에천트 가스를 상기 챔버에 전달하도록 더 설계 또는 구성된,
에칭 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 플라즈마가 상기 기판을 에칭할 때에 약 2000 mTorr보다 낮은 압력을 상기 챔버에 제공하도록 더 설계 또는 구성된,
에칭 장치.
- 제 4 항에 있어서,
상기 그리드 어셈블리 내의 각 그리드의 두께의 총합은 약 2 내지 50 mm인,
에칭 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 그리드 어셈블리의 그리드들 중 적어도 하나의 그리드 내의 복수의 슬롯들은 방사상으로 향하거나 대략 방사상으로 향하는,
에칭 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 슬롯들은 최소 약 15도만큼 방사각상 인접하는 슬롯들로부터 이격된,
에칭 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 기판 홀더는 정전척인,
에칭 장치.
- 제 1 항에 있어서,
공정 가스 유입구를 더 포함하는,
에칭 장치.
- 제 21 항에 있어서,
상기 플라즈마를 생성할 때에 어떠한 전류도 상기 그리드 어셈블리에서 실질적으로 생성되지 않는,
에칭 장치.
- 제 14 항에 있어서,
에천트 가스를 상기 챔버 내에 제공하는 단계를 더 포함하는,
에칭 방법.
- 제 14 항에 잇어서,
상기 에칭하는 단계는 약 2000 mTorr보다 낮은 챔버 압력에서 수행되는,
에칭 방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 그리드 어셈블리의 적어도 하나의 그리드를 상기 그리드 어셈블리의 적어도 하나의 다른 그리드에 대해서 이동시키는 단계를 더 포함하며,
상기 이동시키는 단계는 상기 그리드 어셈블리를 통해서 상기 하부 서브-챔버 내로 이동하는 이온들과 중성 종들의 상대적 양을 변화시키는,
에칭 방법.
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