KR20150032638A - 기판 에칭 동안 기판 ｄｃ 바이어스 및 이온 에너지 및 각 분포를 제어하는 방법 및 장치 - Google Patents

기판 에칭 동안 기판 ｄｃ 바이어스 및 이온 에너지 및 각 분포를 제어하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

바이어스 전극으로의 무선 주파수 (RF) 전력 송신 경로 내에 제공된 임피던스 매칭 회로에 부가하여, 바이어스 전극으로의 RF 송신 경로 내에 가변 커패시터가 제공된다. RF 전력 공급부는 바이어스 전극으로 RF 전력 송신 경로를 통해 RF 전력의 펄스들을 송신하도록 펄스드 모드로 동작한다. 가변 커패시터의 커패시턴스는 RF 전력의 각각의 펄스 동안 바이어스 전극 위에 존재하는 기판 상의 DC 바이어스 전압 구축 레이트를 제어하도록 설정된다. 기판 상의 DC 바이어스 전압 구축 레이트는 기판으로부터 나오는 전자계에 노출된 플라즈마 내의 이온 에너지 분포 및 이온 각 분포를 제어한다.

Description

기판 에칭 동안 기판 ＤＣ 바이어스 및 이온 에너지 및 각 분포를 제어하는 방법 및 장치{Method and Apparatus for Controlling Substrate DC-Bias and Ion Energy and Angular Distribution During Substrate Etching}
집적 회로들, 메모리 셀들, 등과 같은 반도체 디바이스들의 제조 시, 반도체 웨이퍼와 같은 기판 상에 피처들을 구성하도록 일련의 제작 동작들이 수행된다. 예를 들어, 집적 회로들은 실리콘 기판 상에 구성된 다-레벨 구조체들에 의해 형성된다. 기판 레벨에서, 확산 영역들 및 게이트 전극 도전체들을 갖는 트랜지스터 디바이스들이 형성된다. 기판 레벨 위의 더 높은 레벨들에서, 목표된 집적 회로 디바이스를 구성하도록 상호접속 금속화 라인들 (interconnect metallization lines) 이 패터닝되고 트랜지스터 디바이스들에 전기적으로 접속된다. 또한, 패터닝된 도전성 구조체들/층들이 유전체 재료들에 의해 다른 도전성 구조체들/층들로부터 절연된다.
반도체 디바이스 제조 프로세스의 일부로서, 집적 회로 디바이스의 일부를 형성하는데 필요한 구조체들로 기판 상의 재료들을 패터닝, 쉐이핑 (shape), 또는 이와 달리 조작하도록 상기 기판 상에 이전에 증착된 선택된 재료들을 제거하기 위해 플라즈마 에칭 프로세스들이 종종 활용된다. 플라즈마 에칭 프로세스는 라디컬들 및 이온들과 같은 반응성 구성성분들을 포함하는 플라즈마의 생성 및 제어된 방식으로 플라즈마의 라디컬들 및 이온들로 기판의 노출을 수반한다. 이러한 맥락에서 본 발명이 발생한다.
일 실시예에서, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 방법이 개시된다. 이 방법은 바이어스 전극으로의 무선 주파수 (RF) 전력 송신 경로 내에 가변 커패시터를 제공하는 단계를 포함한다. 가변 커패시터는 바이어스 전극으로의 RF 전력 송신 경로 내의 임피던스 매칭 회로에 부가하여 제공된다. 이 방법은 또한 바이어스 전극으로 RF 전력 송신 경로를 통해 RF 전력의 펄스들을 송신하기 위해 펄스드 모드 (pulsed mode) 로 RF 전력 공급부를 동작시키는 단계를 포함한다. 이 방법은 RF 전력의 각각의 펄스 동안 바이어스 전극 위에 존재하는 기판 상의 직류 (DC) 바이어스 전압 구축 레이트를 제어하여, 기판 상의 DC 바이어스 전압 구축 레이트가 기판으로부터 나오는 (emanating) 전자계 (electromagnetic field) 에 노출된 플라즈마 내의 이온 에너지 분포 및 이온 각 분포를 제어하도록 가변 커패시터의 커패시턴스를 설정한다.
일 실시예에서, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 시스템이 개시된다. 시스템은 플라즈마에 노출된 기판을 지지하도록 구성된 척을 포함한다. 이 시스템은 또한 척 내에 내장된 바이어스 전극을 포함한다. 이 시스템은 또한 바이어스 전극으로 RF 전력 송신 경로를 통해 RF 전력의 펄스들을 송신하도록 펄스드 모드로 동작하게끔 구성된 RF 전력 공급부를 포함한다. 이 시스템은 또한 RF 전력 송신 경로 내에서 RF 전력 공급부와 바이어스 전극 사이에 전기적으로 접속된 임피던스 매칭 회로를 포함한다. 이 시스템은 또한 RF 전력 송신 경로 내에서 전기적으로 접속된 가변 커패시터를 포함한다. 가변 커패시터는 RF 전력의 각각의 펄스 동안 기판 상의 DC 바이어스 전압 구축 레이트를 제어하여, 기판 상의 DC 바이어스 전압 구축 레이트가 기판으로부터 나오는 전자계에 노출된 플라즈마 내의 이온 에너지 분포 및 이온 각 분포를 제어하도록 구성된다.
본 발명의 다른 양태들 및 장점들은 본 발명을 예로서 예시하는, 첨부 도면들과 관련하여 취해진 이하의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 에칭 동작을 위해 활용된 플라즈마 프로세싱 시스템의 아키텍처도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 플라즈마 프로세싱 시스템의 설계도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 바이어스 RF 전력 공급 회로의 전기적 개략도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 연속파 바이어스 RF 전력의 상이한 주파수에서, 플라즈마와 같은 플라즈마에서의 이온 에너지 분포의 플롯을 도시한다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 차단 커패시터 (BC) 의 상이한 커패시턴스에 대한 연속파 바이어스 RF 전력 공급의 시작 동안 시간의 함수로서 기판 상에 생성된 DC 바이어스 전압의 플롯을 도시한다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 10 ㎒의 RF 주파수에서 연속파 바이어스 RF 전력 공급의 정상 상태 (steady-state) 동안 차단 커패시터 (BC) 의 상이한 커패시턴스 설정들에 대한 플라즈마에서의 이온 에너지 분포의 플롯을 도시한다.
도 4a, 도 5a, 및 도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드 동안 차단 커패시터 (BC) 의 상이한 커패시턴스 설정들에 대한 기판 상의 DC 바이어스 전압 구축 및 대응하는 플라즈마 전위의 플롯을 도시한다.
도 4b, 도 5b, 및 도 6b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라, 도 4a, 도 5a, 및 도 6a의 펄스드 바이어스 RF 전력 동작들에 대응하는 이온 에너지 분포를 도시하는 도면이다.
도 4c, 도 5c, 및 도 6c는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라, 도 4b, 도 5b, 및 도 6b의 이온 에너지 분포 함수에 대응하는 이온 각 분포 함수들을 도시하는 도면이다.
도 7a, 도 8a, 및 도 9a는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라, 1 ㎋, 500 ㎋, 및 1000 ㎋의 차단 커패시터 (BC) 커패시턴스 값들에 대한 펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드에서 단일 펄스 기간에 대한 전자 밀도, 플라즈마 전위 (V), 및 기판 상의 DC 바이어스 전압 구축의 플롯을 도시한다.
도 7b, 도 8b, 및 도 9b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라, 도 7a, 도 8a, 및 도 9a에 도시된 펄스드 바이어스 RF 전력 동작들에 대응하는 플라즈마 내의 이온 에너지 분포 함수를 도시한다.
도 7c, 도 8c, 및 도 9c는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라, 도 7b, 도 8b, 및 도 9b의 이온 에너지 분포 함수에 대응하는 이온 각 분포 함수를 도시한다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 2 ㎒의 RF 주파수에서 연속파 바이어스 RF 전력 인가에 대한 이온 에너지 분포 함수를 도시한다.
도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 10a의 이온 에너지 분포 함수에 대응하는 이온 각 분포 함수를 도시한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른, 연속파 바이어스 RF 전력 공급 모드에 대한 이온 에너지 분포 함수의 플롯과 함께, 펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드에서 상이한 듀티 사이클들 (D.C.) 에 대한 이온 에너지 분포 함수의 다수의 플롯들을 도시한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 방법의 흐름도이다.
이하의 설명에서, 본 발명의 전체적인 이해를 제공하기 위해 다수의 구체적인 상세들이 언급된다. 그러나, 본 발명은 이들 구체적인 상세들의 일부 또는 전부가 없이 실시될 수도 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 다른 예로서, 공지의 프로세스 동작들은 본 발명을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 상세히 기술되지 않았다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 에칭 동작을 위한 플라즈마 프로세싱 시스템 (100) 의 아키텍처도이다. 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 플라즈마 프로세싱 시스템 (100) 의 설계도이다. 이 시스템은 척 (103), 및 유전체 윈도 (107) 를 포함하는 챔버 (101) 를 포함한다. 척 (103) 은 플라즈마 프로세싱 동작들 동안 기판 (105) 을 지지하도록 구성된다. 본원에서 지칭된 바와 같이, 기판은 반도체 디바이스 제조 동안 존재하는 본질적으로 임의의 다른 타입의 기판 중에서 반도체 웨이퍼들, 하드 디스크 드라이브들, 광 디스크들, 유리 기판들, 플랫 패널 디스플레이 표면들을 제한 없이 나타낸다. 일 실시예에서, 척 (103) 은 기판 (105) 을 지지하고 유지하기 위한 정전 척 (electrostatic chuck) 이다. 다른 실시예에서, 척 (103) 은 물리적 제한 (restraint) 에 의해 기판 (105) 을 유지하도록 구성된다. 척 (103) 은 바이어스 매칭 회로 (113) 및 IEADF (이온 에너지 및 각 분포 함수) 제어 회로 (115) 에 의해 바이어스 RF 전력 공급부 (111) 로부터 무선 주파수 (RF) 전력을 수신하도록 접속된 하나 이상의 바이어스 전극들 (104) (이하 바이어스 전극 (104)) 을 포함한다. 바이어스 RF 전력 공급부 (111) 는 전기 접속선들 (119A 및 119B) 로 표시된 바와 같이, 기준 접지 전위 (117) 와 바이어스 매칭 회로 (113) 사이에 접속된다. 바이어스 매칭 회로 (113) 는 전기 접속선 (119C) 에 의해 표시된 바와 같이, 결국 바이어스 전극 (104) 에 전기적으로 접속된 IEADF 제어 회로 (115) 에 전기적으로 접속된다.
척 (103) 이 정전 척으로 구성된 일 실시예에서, 척 (103) 은 기판 (105) 기판의 척킹 (chucking) 및 디척킹 (de-chucking) 을 가능하게 하기 위한 클램프 전극들 (도시되지 않음) 을 포함한다. 또한, 이 실시예에서, 클램프 척들에 의해 척 (103) 으로의 기판 (105) 의 정전 클램핑을 실현하도록 필터 및 직류 (DC) 클램프 전력 공급부가 제공된다. 또한, 척 (103) 은 기판 (105) 을 수용하고, 기판 (105) 을 척 (103) 으로 내리고, 기판 (105) 을 척 (103) 으로부터 들어올리기 (lift) 위해 리프팅 핀들 (lifting pins) 등과 같은 다른 제어 시스템들을 포함할 수 있다. 추가적으로, 도시하지 않지만, 플라즈마 프로세싱 동작들 동안 챔버 (101) 내의 압력의 제어를 제공하고, 챔버 (101) 로부터 가스 부산물들을 배기하기 위해 펌프들이 챔버 (101) 에 연결된다.
다양한 실시예들에서, 유전체 윈도 (107) 는 특히 세라믹 재료 또는 석영과 같은 유전체 재료로 구성된다. 다른 실시예들에서 유전체 윈도 (107) 는 챔버 (101) 내에서 플라즈마 프로세싱 동작들 동안 유전체 윈도 (107) 가 노출된 조건들을 견딜 수 있는 한, 다른 유전체 재료들로 규정될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 어떤 플라즈마 프로세싱 동작들에서, 챔버 (101) 는 약 50 ℃로부터 약 120 ℃로 확장하는 온도 범위 내에서 상승된 온도들에서 동작된다. 일반적으로, 챔버 (101) 내의 온도는 수행된 특정한 에칭 프로세스에 따를 것이다. 또한, 챔버 (101) 는 약 1 밀리토르 (mT) 로부터 약 100 mT로 확장하는 압력 범위 내에서 감소된 압력 조건들에서 동작할 수 있다.
시스템 (100) 은 또한 챔버 (101) 외부에서 유전체 윈도 (107) 위에 배치된 TCP (transformer coupled plasma) 코일 (109) 을 포함한다. TCP 코일 (109) 은 TCP 매칭 회로 (123) 에 의해 TCP RF 전력 공급부 (121) 로부터 RF 전력을 수신하도록 접속된다. 구체적으로, TCP RF 전력 공급부 (121) 는 전기적 접속선들 (127A 및 127B) 에 의해 표시된 바와 같이, 기준 접지 전위 (125) 와 TCP 매칭 회로 (123) 사이에 전기적으로 접속된다. TCP 매칭 회로 (123) 는 전기적 접속선들 (127B 및 127C) 에 의해 표시된 바와 같이, TCP 전력 공급부 (121) 와 TCP 코일 (109) 사이에 전기적으로 접속된다. TCP 매칭 회로 (123) 는 TCP 코일 (109) 로 RF 전력의 효율적인 송신을 제공하도록, TCP 코일 (109) 로의 RF 전력 송신 경로의 임피던스를 제어하도록 구성된다.
플라즈마 프로세싱 동작들 동안, 프로세스 가스가 챔버 (101) 로 흐르고, RF 전력이 TCP RF 전력 공급부 (121) 로부터 TCP 코일 (109) 로 공급된다. TCP 코일 (109) 을 통과하는 RF 전력은 플라즈마 (129) 를 생성하도록 프로세스 가스에 작용하는, 전자계 전류 (electromagnetic current) 를 챔버 (101) 내에서 유도한다. 이러한 방식으로, TCP 코일 (109) 은 변압기의 1차 코일로서 거동하고, 플라즈마 (129) 는 변압기의 2차 코일로서 거동한다. 플라즈마 (129) 는 기판 (105) 과 접촉 시 기판 (105) 으로부터 재료들을 제거, 즉 에칭하도록 작용하는, 라디컬들 및 이온들 (양이온 및 음이온) 과 같은 반응성 구성성분들을 포함한다.
챔버 (101) 가 제조 설비에 설치될 때, 챔버 (101) 는 챔버 (101) 로의 프로세스 가스들의 공급, 챔버 (101) 로부터 프로세스 가스들 및 부산물들의 배기, 챔버 (101) 내의 압력의 모니터링 및 제어, 챔버 (101) 내의 온도의 모니터링 및 제어, 및 주변의 입자 제어 (environmental particle control) 를 제공하는 시스템들에 결합된다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 챔버 (101) 가 기판 (105) 의 챔버 (101) 로의 로봇식 이동 (robotic transfer) 및 챔버 (101) 로부터 기판 (105) 의 로봇식 제거를 제공하도록 구성된 이동 챔버에 결합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
동작 동안, RF 전력은 기판 (105) 상에 존재하는 직류 (DC) 바이어스 전압을 생성하고 직류 (DC) 바이어스 전압을 제어하기 위해 바이어스 매칭 회로 (113) 및 IEADF 제어 회로 (115) 에 의해 바이어스 RF 전력 공급부 (111) 로부터 바이어스 전극 (104) 으로 송신되고, RF 전력은 결국 기판 (105) 위에 생성된 플라즈마 (129) 내에 존재하는 이온 집단 (ion populations) 에 가해진 힘을 제어한다. 바이어스 전극 (104) 으로 송신된 RF 전력은 바이어스 전극 (104) 에 인가된 RF 바이어스 전압에 대응한다. 기판 (105) 상에 구축된 DC 바이어스 전압 및 바이어스 전극 (104) 에 인가된 RF 바이어스 전압 양자는 바이어스 매칭 회로 (113) 및 IEADF 제어 회로 (115) 에 의해 바이어스 RF 전력 공급부 (111) 로부터 바이어스 전극 (104) 에 RF 전력을 인가한 결과로서 동시에 발생한다. 따라서, 바이어스 RF 전력 공급부 내의 IEADF 제어 회로 (115) 는 기판 (105) 상의 DC 바이어스 전압 및 바이어스 전극 (104) 상의 RF 바이어스 전압 양자에 영향을 준다.
DC 바이어스 전압은 기판 (105) 상의 특정한 지점에서의 평균 이온 에너지의 표현이다. 기판 (105) 대전이 발생함에 따라 DC 바이어스 전압이 기판 (105) 상에 구축된다. IEADF 제어 회로 (115) 는 DC 바이어스 전압이 펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드에서 발전하는 레이트를 제어한다. 연속파 (CW) 바이어스 RF 전력 공급 모드에서, 기판 (105) 상의 DC 바이어스 전압은 정상 상태에 이르게 된다. 따라서, CW 바이어스 RF 전력 공급 모드에서, 기판 (105) 상의 DC 바이어스 전압에 대한 IEADF 제어 회로 (115) 의 영향은 관련성이 없다. 또한, (바이어스 매칭 회로 (113) 및 척 (103) 내의 모든 용량성 층들 (capacitive layers) 후에) 플라즈마 (129) 시스 에지 (sheath edge) 에서 본 RF 파형은 IEADF 제어 회로 (115) 에 의해 제어될 것이라는 것이 이해되어야 한다. 그리고, 이온들이 기판 (105) 을 향해 가속됨에 따라서 IEADF를 구성하기 (populate) 위해 이온들이 플라즈마 (129) 시스 에지에서 RF 파형에 반응한다.
다양한 실시예들에서, RF 전력 공급부 (111) 는 단일 RF 발생기 또는 다수의 RF 발생기들을 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, RF 전력 공급부 (111) 는 하나 이상의 주파수들에서 RF 전력을 생성하도록 구성될 수 있다. 그리고, 다수의 RF 발생기들의 경우에서, RF 전력 공급부 (111) 는 동시의 방식으로 다수의 주파수들에서 RF 전력을 생성할 수 있다. 바이어스 매칭 회로 (113) 는 바이어스 전극 (104) 으로 RF 전력의 효율적인 송신을 제공하도록, 바이어스 전극 (104) 으로의 RF 전력 송신 경로의 임피던스를 제어하도록 구성된다.
플라즈마 프로세싱 챔버 (101) 는 플라즈마 프로세싱 동작들 동안 기판 (105) 의 노출된 표면에 도착하는 활동적인 이온 집단을 생성하고 활동적인 이온 집단을 제어하기 위해 다양한 주파수들에서 RF 전력 공급부 (111) 에 의해 생성된 RF 바이어스 전력을 활용한다. 수행되는 특정한 에칭 애플리케이션에 따라서, 기판 (105) 에 도착하는 이온 집단의 비율을 다양한 에너지들 및 연관된 IEADF로 제어하는 것이 중요할 것이다. 바이어스 RF 전력 공급부 (111) 의 펄싱 (pulsing), 즉, 바이어스 펄싱이 기판 (105) 에서 IEADF를 생성하기 위해 활용될 수 있다. 바이어스 펄싱 동작은 공급된 바이어스 RF 전력의 펄스 반복 주파수 (PRF) 및 펄스 듀티 사이클 (D.C.) 와 연관된 시간 기간 동안 기판 (105) 을 향하는 이온 집단들의 과도 현상 (transit) 을 유발한다. 그러나, 바이어스 펄싱 동작 동안 기판 (105) 상에서 특정한 플라즈마 프로세싱 결과를 얻기 위해 기판 (105) 이 노출되는 IEADF를 제어하는 것이 또한 필요하다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따라, 기판 (105) 이 노출되는 낮은 에너지 이온들의 집단 및 높은 에너지 이온들의 집단을 제어하기 위해 바이어스 펄싱 동작 동안 IEADF를 제어하도록 IEADF 회로 (115) 가 구성되고 동작된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 바이어스 RF 전력 공급 회로의 전기적 개략도가다. 도 1a 및 도 1b와 관련하여 논의된 바와 같이, 바이어스 RF 전력은 바이어스 RF 전력 공급부 (111) 로부터, 바이어스 매칭 회로 (113) 를 통해, IEADF 회로 (115) 를 통해, 바이어스 전극 (104) 으로 공급된다. 바이어스 전극 (104) 으로부터, 바이어스 RF 전력은 선들 (201) 로 표시된 바와 같이, 전기적으로 접지된 챔버 (101) 의 주변 구조체들로 플라즈마 (129) 를 통해 송신된다. 바이어스 매칭 회로 (113) 내의 회로 구성요소들은 플라즈마 (129) 를 통한 바이어스 RF 전력의 효율적인 송신을 가능하게 하는 임피던스 매칭을 제공한다. 바이어스 매칭 회로 (113) 는 바이어스 RF 전력 송신선 (119B) 과 기준 접지 전위 (203) 사이에서 직렬 방식으로 전기적으로 접속된 제1 인덕터 (L1) 및 제1 가변 커패시터 (C1) 를 포함한다. 바이어스 매칭 회로 (113) 는 또한 바이어스 전극 (104) 으로 연장하는 바이어스 RF 전력 송신선 (119B/119C) 을 따라 직렬 방식으로 전기적으로 접속된 제2 인덕터 (L2) 및 제2 가변 커패시터 (C2) 를 포함한다. 동작 동안, 제1 가변 커패시터 및 제2 가변 커패시터 (C1 및 C2) 는 플라즈마 (129) 를 통한 바이어스 RF 전력의 효율적인 송신을 위해 필수적인 임피던스 매칭을 얻기 위해 독립적으로 설정된다.
IEADF 제어 회로 (115) 는 바이어스 전극 (104) 으로 연장하는 바이어스 RF 전력 송신선 (119B/119C) 을 따라 전기적으로 접속된 하나 이상의 차단 커패시터들 (BC) 을 포함한다. 논의의 편의성을 위해, IEADF 제어 회로 (115) 는 본원에서 단일 차단 커패시터 (BC) 와 관련하여 기술된다. 그러나, 다른 실시예들에서, IEADF 제어 회로 (115) 는 다수의 차단 커패시터들 (BC) 을 포함할 수 있고, 다수의 차단 커패시터들 (BC) 은 바이어스 전극(들) (104) 로 연장하는 바이어스 RF 전력 송신선 (119B/119C) 을 따라 직렬 방식, 병렬 방식, 또는 직렬 및 병렬의 조합으로 전기적으로 접속될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 동작 동안, 차단 커패시터 (BC) 는 기판 (105) 이 노출되는 플라즈마 (129) 내의 IEADF를 제어하도록 설정된다.
도 2의 바이어스 RF 전력 공급 회로는 연속파 바이어스 RF 전력 공급 모드 또는 펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드에서 동작할 수 있다. 그러나, 이하에 논의되는 바와 같이, IEADF 제어 회로 (115) 내의 차단 커패시터 (BC) 에 의해 제공된 IEADF 제어 효과들은 바이어스 RF 전력 공급 회로가 펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드에서 동작할 때 나타난다. 바이어스 RF 전력 공급 회로가 펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드에서 동작할 때 IEADF 제어 회로 (115) 내의 차단 커패시터 (BC) 에 의해 제공된 IEADF 제어 효과들을 설명하기 위해, 바이어스 RF 전력 공급 회로가 연속파 바이어스 RF 전력 공급 모드에서 동작할 때 IEADF가 어떻게 거동하는지를 먼저 설명하는 것이 유익하다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 연속파 바이어스 RF 전력의 상이한 주파수에서, 플라즈마 (129) 와 같은 플라즈마에서의 이온 에너지 분포의 플롯을 도시한다. 플라즈마 내의 이온 에너지 분포 또는 여기에 존재하는 IEADF 각각은 기판 (105) 상의 특정한 위치에 대응한다는 것이 이해되어야 한다. 10 mT의 압력, 200 sccm (standard cubic centimeters) 의 Ar 가스 플로우, 500 W (Watt) 의 유도성 코일 전력, 및 바이어스 전극 (104) 에 인가된 400 V (Volt) 의 RF 바이어스 전압에서 생성된다. 차단 커패시터는 550 ㎋로 설정된다. 도시된 바와 같이, 2 ㎒ (megaHertz) 의 보다 낮은 연속파 RF 주파수는 25 eV (electron volt) 이하에서 750 eV 이상으로 확장하는 에너지 범위에 걸쳐 에너지 분포를 갖는다. 10 ㎒의 다음으로 더 높은 연속파 RF 주파수는 약 125 eV로부터 약 650 eV로 확장하는 보다 좁은 에너지 범위에 걸친 이온 에너지 분포를 갖는다. 12.5 ㎒의 다음으로 더 높은 연속파 RF 주파수는 약 150 eV로부터 약 600 eV로 확장하는 보다 좁은 에너지 범위에 걸친 이온 에너지 분포를 갖는다. 도 3a에 기초하여, 연속파 RF 주파수가 주어진 차단 커패시터 커패시턴스 값에 대해 증가함에 따라 이온 에너지 분포는 보다 좁은 에너지 범위로 수렴한다는 것이 이해되어야 한다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 차단 커패시터 (BC) 의 상이한 커패시턴스들에 대한 연속파 바이어스 RF 전력 공급의 시작 동안 시간의 함수로서 기판 (105) 상에 생성된 DC 바이어스 전압의 플롯을 도시한다. 도 3b에 도시된 플롯들은 10 ㎒의 주파수로 공급된 연속파 바이어스 RF 전력에 대응한다. 도시된 바와 같이, 차단 커패시터 (BC) 의 보다 큰 커패시턴스는 보다 긴 방전 시간을 갖는다. 다음에, 차단 커패시터 (BC) 의 보다 큰 커패시턴스들은 기판 (105) 상에 DC 바이어스 전압을 구축하기 위한 보다 긴 시간들에 대응한다. 따라서, 차단 커패시터 (BC) 의 커패시턴스는 바이어스 RF 전력 공급부 (111) 가 턴온될 때, 기판 (105) 상에서 DC 바이어스 전압이 상승하는 레이트를 제어하도록 설정될 수 있고, DC 바이어스 전압 상승 레이트는 보다 낮은 커패시턴스 차단 커패시터 (BC) 설정으로 증가하고, 그 반대도 성립한다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 10 ㎒의 RF 주파수에서 연속파 바이어스 RF 전력 공급의 정상 상태 (steady-state) 동안 차단 커패시터 (BC) 의 상이한 커패시턴스 설정들에 대한 플라즈마에서의 이온 에너지 분포의 플롯들을 도시한다. 도시된 바와 같이, 정상 상태 연속파 바이어스 RF 전력 공급 동작 동안, 차단 커패시터 (BC) 의 커패시턴스 설정과 무관하게, 차단 커패시터 (BC) 는 완전히 방전되고 차단 커패시터 (BC) 는 이온 에너지 분포에 실질적으로 어떠한 영향도 주지 않는다. 따라서, 차단 커패시터 (BC) 는 정상 상태 조건에 도달하기 전에 기판 (105) 상의 DC 바이어스 전압의 구축 동안 이온 에너지 분포에 영향을 준다는 것이 이해되어야 한다.
펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드 동안, 기판 (105) 상의 DC 바이어스 전압은 RF 전력 펄스 동안 정상 상태에 도달하지 않을 수도 있다. 따라서, 펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드 동안, RF 전력 펄스가 개시될 때, 도 3c에 도시된 바와 같이, 기판 (105) 상의 DC 바이어스 전압이 구축되기 시작한다. 그 후, RF 전력이 턴오프될 때, 기판 (105) 상의 DC 바이어스 전압은 빠르게 사라진다. 바이어스 전극 (104) 으로 RF 전력 공급의 개시시 차단 커패시터 (BC) 가 기판 (105) 상의 DC 바이어스 전압의 구축 레이트에 영향을 주기 때문에 차단 커패시터 (BC) 는 펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드 동안 각각의 RF 전력 펄스의 시작으로부터 기판 (105) 상의 DC 바이어스 전압의 구축 레이트에 영향을 줄 것이다. 따라서, 펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드에서 각각의 RF 펄스 동안 기판 (105) 상의 DC 바이어스 전압의 구축 레이트를 제어함으로써, 차단 커패시터 (BC) 커패시턴스 설정이 펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드에서 각각의 RF 펄스 동안 플라즈마 내의 IEADF의 대응하는 제어를 제공한다는 것이 이해되어야 한다.
도 4a, 도 5a, 및 도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드 동안 차단 커패시터 (BC) 의 상이한 커패시턴스 설정들에 대한 기판 (105) 상의 DC 바이어스 전압 구축 및 대응하는 플라즈마 전위의 플롯들을 도시한다. 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따라, 100 ㎋ (nanoFarad) 의 차단 커패시터 (BC) 커패시턴스 설정에서, 3 개의 연속하는 바이어스 RF 전력 펄스들에 대한 시간의 함수로서, 상부 플롯 (401) 에 기판 (105) 상의 DC 바이어스 전압을 예시하고 하부 플롯 (403) 에 대응하는 플라즈마 전위를 예시한다. 도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따라, 500 ㎋의 차단 커패시터 (BC) 커패시턴스 설정에서, 3 개의 연속하는 바이어스 RF 전력 펄스들에 대한 시간의 함수로서, 상부 플롯 (501) 에 기판 (105) 상의 DC 바이어스 전압을 예시하고 하부 플롯 (503) 에 대응하는 플라즈마 전위를 예시한다. 도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따라, 1000 ㎋의 차단 커패시터 (BC) 커패시턴스 설정에서, 3 개의 연속하는 바이어스 RF 전력 펄스들에 대한 시간의 함수로서, 상부 플롯 (601) 에 기판 (105) 상의 DC 바이어스 전압을 예시하고 하부 플롯 (603) 에 대응하는 플라즈마 전위를 예시한다.
또한, 플라즈마 생성 세부사항들은 도 4a, 도 5a, 및 도 6a 각각에 대해 동일하다. 구체적으로, 플라즈마는 10 mT의 압력, 200 sccm의 Ar 가스 플로우, 500 W의 TCP 코일 전력, 10 ㎒의 RF 전력 주파수, 5 kHz의 바이어스 펄스 반복 주파수 (PRF), 및 25%의 바이어스 펄스 듀티 사이클 (D.C.) 에서 생성된다. PRF는 바이어스 펄스가 개시되는 레이트를 규정한다. 바이어스 펄스 듀티 사이클은 단일 바이어스 펄스 기간 동안, 바이어스 RF 전력이 인가되는, 즉, 턴온되는 시간 양을 규정한다.
플라즈마 생성 세부사항들이 도 4a, 도 5a, 및 도 6a 각각에 대해 동일하기 때문에, 상부 플롯들 (401, 501, 601) 에 도시된 바와 같은 기판 (105) 상의 DC 바이어스 전압 사이의 차이들은 차단 커패시터 (BC) 커패시턴스 설정들의 차이 때문이다. 유사하게, 하부 플롯들 (403, 503, 603) 에서 플라즈마 전위 거동 사이의 차이들 또한 차단 커패시터 (BC) 커패시턴스 설정들의 차이 때문이다. 상부 플롯들 (401, 501, 및 601) 의 비교는 차단 커패시터 (BC) 의 커패시턴스 설정이 증가함에 따라, 기판 (105) 상의 DC 바이어스 전압 상승 레이트가 감소하는 것과 그 반대를 도시한다. 유사하게, 하부 플롯들 (403, 503, 603) 의 비교는 차단 커패시터 (BC) 의 보다 큰 커패시턴스 설정들은 플라즈마 전위 증가의 보다 낮은 레이트에 대응하는 것과 그 반대를 도시한다.
각각의 바이어스 RF 전력 펄스 동안 플라즈마 전위 증가 레이트는 플라즈마 내의 IEADF에 대응하는 영향을 갖는다. 따라서, 차단 커패시터 (BC) 의 커패시턴스 설정의 변화들은 플라즈마 내의 IEADF의 변화들에 대응한다. 따라서, 차단 커패시터 (BC) 는 플라즈마 내의 IEADF를 제어하도록 사용될 수 있다. 이러한 효과는 각각 도 4a, 도 5a, 및 도 6a의 펄스드 바이어스 RF 전력 동작들에 대응하는 도 4b, 도 5b, 및 도 6b에 예시된다. 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따라, 100 ㎋의 차단 커패시터 (BC) 커패시턴스 설정으로, 도 4a의 펄스드 바이어스 RF 전력 동작에 대응하는 플라즈마 내의 이온 에너지 분포 함수를 도시한다. 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따라, 500 ㎋의 차단 커패시터 (BC) 커패시턴스 설정으로, 도 5a의 펄스드 바이어스 RF 전력 동작에 대응하는 플라즈마 내의 이온 에너지 분포 함수를 도시한다. 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따라, 1000 ㎋의 차단 커패시터 (BC) 커패시턴스 설정으로, 도 6a의 펄스드 바이어스 RF 전력 동작에 대응하는 플라즈마 내의 이온 에너지 분포 함수를 도시한다.
도 4b, 도 5b, 및 도 6b의 이온 에너지 분포 함수들의 비교들은 보다 낮은 차단 커패시터 (BC) 커패시턴스 설정으로, 각각의 바이어스 RF 전력 펄스 동안, 대응하는 보다 높은 플라즈마 전위 증가 레이트가 보다 높은 이온 에너지로 이온 에너지 분포 함수의 시프트를 유발한다는 것을 도시한다. 이러한 효과는 플라즈마가 각각의 바이어스 RF 전력 펄스 동안 보다 낮은 차단 커패시터 (BC) 커패시턴스의 보다 빠른 방전으로 인한, 보다 빠른 기판 (105) 상의 DC 바이어스 전압 구축으로 인해 펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드 동안 평균적으로 보다 높은 전위를 경험하기 때문에 발생한다. 이에 대응하여, 보다 높은 차단 커패시터 (BC) 커패시턴스 설정으로, 각각의 바이어스 RF 전력 펄스 동안 보다 낮은 플라즈마 전위의 증가 레이트는 보다 낮은 이온 에너지로 이온 에너지 분포 함수의 시프트를 유발한다. 그리고, 이러한 효과는 플라즈마가 각각의 바이어스 RF 전력 펄스 동안 보다 높은 차단 커패시터 (BC) 커패시턴스의 보다 느린 방전으로 인한, 보다 느린 기판 (105) 상의 DC 바이어스 전압 구축으로 인해 펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드 동안 평균적으로 보다 낮은 전위를 경험하기 때문이다. 따라서, 펄스드 바이어스 RF 전력 동작 동안 차단 커패시터 (BC) 가 플라즈마 내의 평균 이온 에너지 분포 함수를 제어하도록 설정될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 그리고, 차단 커패시터의 커패시턴스가 증가함에 따라 플라즈마 내의 평균 이온 에너지 분포 함수가 더 낮은 이온 에너지들로 시프트하고, 그 반대도 가능하다.
보다 높은 에너지의 이온들이 보다 낮은 에너지의 이온들과 비교하여, 기판 (105) 쪽으로 보다 강하게 끌린다는 면에서 이온 각 분포 함수는 이온 에너지 분포 함수에 밀접하게 의지한다. 기판 (105) 쪽으로 보다 수직인 방향으로 이동하도록, 보다 높은 에너지의 보다 강하게 끌리는 이온들이 보다 곧 바른 경로 (direct path) 로 기판 (105) 쪽으로 이동한다. 따라서, 이온 에너지 분포 함수가 보다 높은 에너지로 시프트함에 따라, 이온 각 분포 함수는 기판 (105) 에 대해 보다 수직, 즉, 직교하게 된다. 이러한 효과는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라, 도 4b, 도 5b, 및 도 6b의 이온 에너지 분포 함수에 대응하는 이온 각 분포 함수들을 도시하는 도 4c, 도 5c, 및 도 6c에 도시된다.
따라서, 차단 커패시터 (BC) 가 펄스드 바이어스 RF 전력 동작 동안 플라즈마 내의 평균 이온 에너지 분포 함수를 제어하도록 설정됨에 따라, 차단 커패시터 (BC) 설정은 평균 이온 각 분포 함수를 대응하게 조정한다는 것이 이해되어야 한다. 그리고, 플라즈마 내의 평균 이온 각 분포 함수가 차단 커패시터 (BC) 의 커패시턴스가 증가함에 따라, 이온 에너지 분포 함수가 보다 낮은 이온 에너지들로 시프트함에 따라, 기판 (105) 에 대하여 덜 직교하게 되고, 그 반대도 가능하다. 그러나, 플라즈마의 이온 각 분포 함수에서의 변화들이 차단 커패시터 (BC) 의 커패시턴스 변화의 2차적인 효과인 반면, 플라즈마 내의 이온 에너지 분포 함수에서의 변화들이 차단 커패시터 (BC) 의 커패시턴스 변화의 1차적인 효과라는 것이 이해되어야 한다.
도 7a, 도 8a, 및 도 9a는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라, 1 ㎋, 500 ㎋, 및 1000 ㎋의 차단 커패시터 (BC) 커패시턴스 값들에 대한 펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드에서 단일 펄스 기간에 대한 전자 밀도, 플라즈마 전위 (V), 및 기판 (105) 상의 DC 바이어스 전압 구축의 플롯을 도시한다. 플라즈마 생성 세부사항들은 도 7a, 도 8a, 및 도 9a 각각에 대해 동일하다. 구체적으로, 플라즈마는 10 mT의 압력, 200 sccm의 Ar 가스 플로우, 500 W의 TCP 코일 전력, 10 ㎒의 RF 전력 주파수, 5 kHz의 바이어스 펄스 반복 주파수 (PRF), 및 25%의 바이어스 펄스 듀티 사이클에서 생성된다. 따라서, 주어진 플롯에서 도 7a, 도 8a, 및 도 9a 사이의 차이는 IEADF 제어 회로 (115) 에서의 차단 커패시터 (BC) 의 커패시턴스 설정의 변화로 인한 것이다.
도 7a에서, 전자 밀도 플롯 (701) 은 차트의 좌측의 눈금에 대응하고, 플라즈마 전위 플롯 (702) 및 DC 바이어스 전압 플롯 (703) 양자는 차트의 우측의 눈금에 대응한다. 도 8a에서, 전자 밀도 플롯 (801) 은 차트의 좌측의 눈금에 대응하고, 플라즈마 전위 플롯 (802) 및 DC 바이어스 전압 플롯 (803) 양자는 차트의 우측의 눈금에 대응한다. 도 9a에서, 전자 밀도 플롯 (901) 은 차트의 좌측의 눈금에 대응하고, 플라즈마 전위 플롯 (902) 및 DC 바이어스 전압 플롯 (903) 양자는 차트의 우측의 눈금에 대응한다.
각각 도 7a, 도 8a, 및 도 9a의 DC 바이어스 전압 플롯들 (703, 803, 및 903) 을 비교하면, 바이어스 RF 펄스의 개시 시 DC 바이어스 전압이 증가하는 레이트는 차단 커패시터 (BC) 의 커패시턴스 설정을 따른다는 것을 알 수 있다. 1 ㎋의 보다 작은 차단 커패시터 (BC) 커패시턴스 설정에서, DC 바이어스 전압 증가 레이트는 차단 커패시터 (BC) 의 빠른 방전으로 인해 매우 빠르다. 그 후, 500 ㎋의 보다 높은 차단 커패시터 (BC) 커패시턴스 설정에서, DC 바이어스 전압 증가 레이트는 차단 커패시터 (BC) 의 보다 느린 방전으로 인해 보다 느리다. 그 후, 1000 ㎋의 보다 높은 차단 커패시터 (BC) 커패시턴스 설정에서, DC 바이어스 전압 증가 레이트는 차단 커패시터 (BC) 의 보다 느린 방전으로 인해 보다 느리다. 이전에 논의된 바와 같이, 차단 커패시터 (BC) 의 커패시턴스 설정에 의해 영향을 받기 때문에, 플라즈마 전위에 대한 효과는 바이어스 전극 (104) 에서의 DC 바이어스 전압 거동에 따른다. 따라서, 플라즈마 전위 플롯들 (702, 802, 및 902) 은 각각 DC 바이어스 전압 플롯들 (703, 803, 및 903) 과 상관된다.
도 7b, 도 8b, 및 도 9b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라, 도 7a, 도 8a, 및 도 9a에 도시된 펄스드 바이어스 RF 전력 동작들에 대응하는 플라즈마 내의 이온 에너지 분포 함수들을 도시하는 도면이다. 도 7b, 도 8b, 및 도 9b의 이온 에너지 분포 함수들의 비교는 보다 낮은 차단 커패시터 (BC) 커패시턴스 설정을 이용하여, 바이어스 RF 전력 펄스 동안 플라즈마의 대응하게 보다 높은 증가 레이트가 보다 높은 이온 에너지로 이온 에너지 분포 함수의 시프트를 유발한다는 것을 도시한다. 그 후, 차단 커패시터 (BC) 커패시턴스 설정이 증가함에 따라, 이온 에너지 분포 함수가 보다 낮은 이온 에너지들로 시프트한다. 이전에 논의된 바와 같이, 이는 보다 긴 차단 커패시터 (BC) 커패시턴스의 방전 시간으로 인한 것이고, 이는 결국 각각의 바이어스 RF 전력 펄스 동안 이온들이 노출되는 전체 바이어스를 감소시켜, 가능한 많은 이온들이 보다 높은 에너지 상태들에 도달하는 것을 방지한다.
도 7c, 도 8c, 및 도 9c는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라, 도 7b, 도 8b, 및 도 9b의 이온 에너지 분포 함수에 대응하는 이온 각 분포 함수를 도시한다. 도 7c, 도 8c, 및 도 9c의 비교는 이온 에너지 분포 함수가 보다 높은 이온 에너지로 이동함에 따라 이온 각 분포 함수들이 기판 (105) 에 대해 보다 직교하게 된다는 것을 도시한다. 다시, 이는 보다 높은 이온 에너지의 이온들이 기판 (105) 쪽으로 보다 강하게 끌리고 기판 (105) 쪽으로 보다 곧 바른 경로로 이동하기 때문이다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 2 ㎒의 RF 주파수에서 연속파 바이어스 RF 전력 인가에 대한 이온 에너지 분포 함수를 도시한다. 연속파 바이어스 RF 전력 공급부 이외의, 도 10a와 연관된 플라즈마 생성 세부사항들은 도 7a 내지 도 7c, 도 8a 내지 도 8c, 및 도 9a 내지 도 9c와 연관된 세부사항들과 같다. 따라서, 도 10a의 이온 에너지 분포 함수와 도 7b의 이온 에너지 분포 함수를 비교하면, 펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드에서 적절히 설정된 차단 커패시터 (BC) 의 커패시턴스는 연속파 바이어스 RF 전력 공급 모드의 이온 에너지 분포 함수를 닮은 이온 에너지 분포 함수를 생성할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따라, 도 10a의 이온 에너지 분포 함수에 대응하는 이온 각 분포 함수를 도시한다. 도 10b의 이온 각 분포 함수를 도 7c의 이온 각 분포 함수와 비교하면, 펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드에서 적절히 설정된 차단 커패시터 (BC) 의 커패시턴스는 연속파 바이어스 RF 전력 공급 모드의 이온 각 분포 함수를 닮은 이온 각 분포 함수를 생성할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른, 연속파 바이어스 RF 전력 공급 모드에 대한 이온 에너지 분포 함수의 플롯과 함께, 펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드에서 상이한 듀티 사이클들 (D.C.) 에 대한 이온 에너지 분포 함수의 다수의 플롯들을 도시한다. 도 11의 플롯들에 대해, 플라즈마는 10 mT의 압력, 200 sccm의 Ar 가스 플로우, 500 W의 TCP 코일 전력, 10 ㎒의 RF 전력 주파수, 5 kHz의 바이어스 펄스 반복 주파수 (PRF) 에서 생성된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 동작의 펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드에서 듀티 사이클 (D.C.) 이 증가함에 따라, 이온 에너지 분포 함수는 보다 높은 에너지로 이동하고, 결국 동작의 연속파 바이어스 RF 전력 공급 모드의 이온 에너지 분포 함수로 이동한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 방법의 흐름도이다. 이 방법은 바이어스 전극으로의 무선 주파수 (RF) 전력 송신 경로 내에 가변 커패시터를 제공하는 동작 (1201) 을 포함한다. 일 실시예에서, 바이어스 전극은 정전 척 내에 내장된다. 바이어스 전극으로의 RF 전력 송신 경로 내의 임피던스 매칭 회로에 부가하여 가변 커패시터가 제공된다. 일 실시예에서, 가변 커패시터는 임피던스 매칭 회로와 바이어스 전극 사이에 전기적으로 접속된다. 이 방법은 또한 바이어스 전극으로 RF 전력 송신 경로를 통해 RF 전력의 펄스들을 송신하도록 펄스드 모드에서 RF 전력 공급부를 동작시키는 동작 (1203) 을 포함한다. 이 방법은 또한 RF 전력의 각각의 펄스 동안 바이어스 전극 위에 존재하는 기판 상의 DC 바이어스 전압 구축 레이트를 제어하도록 가변 커패시터의 커패시턴스를 설정하여, 기판 상의 DC 바이어스 전압 구축 레이트가 기판으로부터 나오는 전자계에 노출된 플라즈마 내의 이온 에너지 분포 및 이온 각 분포를 제어하는 단계 (1205) 를 포함한다.
이 방법은 또한 RF 전력의 각각의 펄스 동안 기판 상의 DC 바이어스 전압 구축 레이트를 증가시키도록 가변 커패시터의 커패시턴스를 감소시켜 플라즈마 내의 이온 에너지 분포를 보다 높은 에너지로 시프트하게 제어하는 동작을 포함할 수 있다. 플라즈마 내의 이온 에너지 분포를 보다 높은 에너지로 시프트하게 제어하는 것은 플라즈마 내의 이온 각 분포가 기판에 대해 더 직교하는 궤적으로 시프트하게 한다.
이 방법은 또한 RF 전력의 각각의 펄스 동안 기판 상의 DC 바이어스 전압 구축 레이트를 감소시키도록 가변 커패시터의 커패시턴스를 증가시켜 플라즈마 내의 이온 에너지 분포를 보다 낮은 에너지로 시프트하게 제어하는 동작을 포함할 수 있다. 플라즈마 내의 이온 에너지 분포를 보다 낮은 에너지로 시프트하게 제어하는 것은 플라즈마 내의 이온 각 분포가 기판에 대해 덜 직교하는 궤적으로 시프트하게 한다.
동작 (1203) 에서, RF 전력의 펄스들을 송신하도록 RF 전력 공급부를 펄스드 모드로 동작시키는 것은 펄스 반복 주파수와 듀티 사이클에 따라 RF 전력 펄스들을 생성하는 것을 포함한다. 듀티 사이클을 증가시키는 것은 플라즈마 내의 이온 에너지 분포의 시간 평균이 보다 높은 에너지로 시프트하게 한다. 듀티 사이클을 감소시키는 것은 플라즈마 내의 이온 에너지 분포의 시간 평균이 보다 낮은 에너지로 시프트하게 한다. 펄스 반복 주파수를 증가시키는 것은 플라즈마 내의 이온 에너지 분포의 시간 평균이 보다 높은 에너지로 시프트하게 한다. 펄스 반복 주파수를 감소시키는 것은 플라즈마 내의 이온 에너지 분포의 시간 평균이 보다 낮은 에너지로 시프트하게 한다.
본원에서 논의된 바와 같이, IEADF 제어 회로 (115) 의 구현 및 특히 바이어스 RF 전력 공급 경로의 가변 커패시턴스 차단 커패시터 (BC) 의 구현은 펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드에서 동작할 때 이온 에너지 분포 함수 및 이온 각 분도 함수의 제어를 제공한다. 또한, 차단 커패시터 (BC) 커패시턴스 설정, 펄스 반복 주파수 (PRF), 및 공급된 바이어스 RF 전력의 펄스 듀티 사이클 (PDC) 의 조합은 플라즈마 내에서 목표된 이온 에너지 분포 함수 및 이온 각 분포 함수를 달성하도록 규정될 수 있다. 그리고, 차단 커패시터 (BC) 커패시턴스 설정은 플라즈마의 이온 에너지 분포 함수 및 이온 각 분포 함수의 변화를 실현하도록 플라즈마 프로세싱 동작들 동안 조정될 수 있다.
본원에서 설명된 바와 같이, 모 사인 곡선 주파수 (parent sinusoidal frequency) 를 통해 펄스드 바이어스 RF 전력을 동작시킬 때, 조정가능한 차단 커패시터 (BC) 는 다른 모 사인 곡선 주파수들에서 연속파 바이어스 RF 전력 모드에서 생성될 수 있는 IEADF들을 밀접하게 닮은 IEADF들을, 그렇지만 낮은 에너지 이온 집단과 높은 에너지 이온 집단을 개별적으로 분리하여 생성할 수 있다. 바이어스 펄스 반복 시간 기간에 대한 차단 커패시터 (BC) 충전 및 방전 그리고 연관된 시간 비율로 인해, 조정가능한 차단 커패시터 (BC) 는 이온 집단이 낮은 에너지 상태와 높은 에너지 상태에서 상이하게 분포되도록 기판 DC 바이어스 전압 (기판 쪽으로 가속된 이온들의 평균 에너지) 및 시간 변화를 상당히 변경할 수 있다. 이는 기판 상에서 구성되는 (incident) IEADF 및 기판 상에서 에칭된 결과적인 피처 프로파일들을 고유한 방식으로 제어할 수 있게 한다.
본원에 개시된 바와 같이, 차단 커패시터 (BC) 의 구현 및 동작은 특별한 RF 발생기 또는 파형 발생기를 사용하지 않고, 펄스드 바이어스 RF 전력 동작 동안 기판에 도착하는 낮은 에너지 이온들 및 높은 에너지 이온들의 상대적인 집단들 및 플라즈마 내에서 IEADF들의 제어를 제공한다. 또한, 바이어스 RF 전력 공급 경로 내의 조정 가능한 차단 커패시터 (BC) (바이어스 매칭 회로 (113) 의 회로에 부착됨) 를 사용함으로써, 기판 DC 바이어스 전압 및 낮은 에너지로부터 높은 에너지까지의 이온 에너지의 상대적인 분포 모두를 제어할 수 있다. 이는 또한 다른 모체 RF 주파수에서 연속파 바이어스 RF 전력 공급 모드의 IEADF를 닮은 펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드로부터의 IEADF를 유발한다.
본원의 개시의 관점에서, 펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드와 관련하여 조정 가능한 차단 커패시터 (BC) 의 사용은 기판에 가까운 이온 에너지 분포 및 이온 각 분포의 제어를 제공한다. 조정 가능한, 즉, 가변 차단 커패시터는 기판에 가까운 전하 분포, 기판 상의 DC 바이어스 전압, 시스 붕괴 (sheath collapse), 및 이온 에너지 분포 함수 및 이온 각 분포 함수의 제어를 제공한다. 또한, 기판 상의 DC 바이어스 전압의 일시적인 거동은 차단 커패시터 (BC) 의 커패시턴스의 크기에 따른다. 다시, 동작의 펄스드 바이어스 RF 전력 공급 모드 동안 IEADF를 제어하기 위해 차단 커패시터 (BC) 를 사용하는 본원에 개시된 방법들 및 시스템들은 특별한 RF 생성기 또는 파형 생성기의 사용을 요구하지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명이 몇몇 실시예들로 기술되었지만, 당업자는 선행하는 명세서를 읽고 도면들을 연구함으로써 실시예들의 다양한 대체들, 부가들, 치환들 및 등가물들을 인식할 것이라는 것이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 본 발명의 정신 및 범위 내에 있는 모든 이러한 대체들, 부가들, 치환들 및 등가물들을 포함하도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 방법에 있어서,
    바이어스 전극으로의 무선 주파수 (RF) 전력 송신 경로 내에 가변 커패시터를 제공하는 단계로서, 상기 가변 커패시터는 상기 바이어스 전극으로의 상기 RF 전력 송신 경로 내의 임피던스 매칭 회로에 부가하여 제공되는, 상기 가변 커패시터를 제공하는 단계;
    상기 바이어스 전극으로 상기 RF 전력 송신 경로를 통해 RF 전력의 펄스들을 송신하도록 RF 전력 공급부를 펄스드 모드 (pulsed mode) 로 동작시키는 단계; 및
    RF 전력의 각각의 펄스 동안 상기 바이어스 전극 위에 존재하는 기판 상의 직류 (DC) 바이어스 전압 구축 레이트를 제어하여, 상기 기판 상의 상기 직류 (DC) 바이어스 전압 구축 레이트가 상기 기판으로부터 나오는 (emanating) 전자계 (electromagnetic field) 에 노출된 플라즈마 내의 이온 에너지 분포 및 이온 각 분포 (ion angular distribution) 를 제어하도록, 상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 설정하는 단계를 포함하는, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가변 커패시터는 상기 임피던스 매칭 회로와 상기 바이어스 전극 사이에 전기적으로 접속되는, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 바이어스 전극은 정전 척 (electrostatic chuck) 내에 내장되는, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    RF 전력의 각각의 펄스 동안 상기 기판 상의 상기 DC 바이어스 전압 구축 레이트를 증가시켜 상기 플라즈마 내에서의 상기 이온 에너지 분포를 보다 높은 에너지로 시프트하게 제어하도록 상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 감소시키는 단계를 더 포함하는, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 플라즈마 내에서의 상기 이온 에너지 분포를 보다 높은 에너지로 시프트하게 제어하는 것은 상기 플라즈마 내에서의 상기 이온 각 분포가 상기 기판에 대해 더 직교하는 궤적으로 시프트하게 하는, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    RF 전력의 각각의 펄스 동안 상기 기판 상의 상기 DC 바이어스 전압 구축 레이트를 감소시켜 상기 플라즈마 내에서의 상기 이온 에너지 분포를 보다 낮은 에너지로 시프트하게 제어하도록 상기 가변 커패시터의 상기 커패시턴스를 증가시키는 단계를 더 포함하는, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 플라즈마 내에서의 상기 이온 에너지 분포를 보다 낮은 에너지로 시프트하게 제어하는 것은 상기 플라즈마 내에서의 상기 이온 각 분포가 상기 기판에 대해 덜 직교하는 궤적으로 시프트하게 하는, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    RF 전력의 펄스들을 송신하도록 상기 RF 전력 공급부를 상기 펄스드 모드로 동작시키는 단계는 펄스 반복 주파수 및 듀티 사이클에 따라 RF 전력 펄스들을 생성하는 단계를 포함하는, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 듀티 사이클을 증가시키는 것은 상기 플라즈마 내에서의 상기 이온 에너지 분포의 시간 평균이 보다 높은 에너지로 시프트하게 하고, 상기 듀티 사이클을 감소시키는 것은 상기 플라즈마 내에서의 상기 이온 에너지 분포의 상기 시간 평균이 보다 낮은 에너지로 시프트하게 하는, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 펄스 반복 주파수를 증가시키는 것은 상기 플라즈마 내에서의 상기 이온 에너지 분포의 시간 평균이 보다 높은 에너지로 시프트하게 하고, 상기 펄스 반복 주파수를 감소시키는 것은 상기 플라즈마 내에서의 상기 이온 에너지 분포의 상기 시간 평균이 보다 낮은 에너지로 시프트하게 하는, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 방법.
  11. 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 시스템에 있어서,
    플라즈마에 노출된 기판을 지지하도록 구성된 척;
    상기 척 내에 내장된 바이어스 전극;
    상기 바이어스 전극으로 RF 전력 송신 경로를 통해 RF 전력의 펄스들을 송신하도록 펄스드 모드로 동작하게끔 구성된 무선 주파수 (RF) 전력 공급부;
    상기 RF 전력 공급부와 상기 바이어스 전극 사이의 상기 RF 전력 송신 경로 내에 전기적으로 접속된 임피던스 매칭 회로; 및
    상기 RF 전력 송신 경로 내에 전기적으로 접속된 가변 커패시터를 포함하고,
    상기 가변 커패시터는, RF 전력의 각각의 펄스 동안 상기 기판 상의 직류 (DC) 바이어스 전압 구축 레이트를 제어하여, 상기 기판 상의 상기 DC 바이어스 전압 구축 레이트가 상기 기판으로부터 나오는 전자계에 노출된 상기 플라즈마 내의 이온 에너지 분포 및 이온 각 분포를 제어하도록 구성되는, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 가변 커패시터는 상기 임피던스 매칭 회로와 상기 바이어스 전극 사이에 전기적으로 접속되는, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 척은 정전 척으로 구성되는, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 감소시키는 것이 RF 전력의 각각의 펄스 동안 상기 기판 상의 상기 DC 바이어스 전압 구축 레이트가 증가되게 하여 상기 플라즈마 내에서의 상기 이온 에너지 분포를 보다 높은 에너지로 시프트하게 제어하도록 상기 가변 커패시터는 상기 RF 전력 송신 경로 내에서 전기적으로 접속되는, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 플라즈마 내에서의 상기 이온 에너지 분포를 보다 높은 에너지로 시프트하게 제어하는 것은 상기 플라즈마 내에서의 상기 이온 각 분포가 상기 기판에 대해 더 직교하는 궤적으로 시프트하게 하는, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 시스템.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 가변 커패시터의 상기 커패시턴스를 증가시키는 것이 RF 전력의 각각의 펄스 동안 상기 기판 상의 상기 DC 바이어스 전압 구축 레이트를 감소되게 하여 상기 플라즈마 내에서의 상기 이온 에너지 분포를 보다 낮은 에너지로 시프트하게 제어하도록 상기 가변 커패시터는 상기 RF 전력 송신 경로 내에 전기적으로 접속되는, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 플라즈마 내에서의 상기 이온 에너지 분포를 보다 낮은 에너지로 시프트하게 제어하는 것은 상기 플라즈마 내에서의 상기 이온 각 분포가 상기 기판에 대해 덜 직교하는 궤적으로 시프트하게 하는, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 시스템.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 RF 전력 공급부는 펄스 반복 주파수 및 듀티 사이클에 따라 RF 전력 펄스들을 생성하도록 구성되는, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 RF 전력 공급부는 상기 듀티 사이클의 조정을 제공하도록 구성되고, 상기 듀티 사이클을 증가시키는 것은 상기 플라즈마 내에서의 상기 이온 에너지 분포의 시간 평균을 보다 높은 에너지로 시프트하게 하고, 상기 듀티 사이클을 감소시키는 것은 상기 플라즈마 내에서의 상기 이온 에너지 분포의 상기 시간 평균을 보다 낮은 에너지로 시프트하게 하는, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 시스템.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 RF 전력 공급부는 상기 펄스 반복 주파수의 조정을 제공하도록 구성되고, 상기 펄스 반복 주파수를 증가시키는 것은 상기 플라즈마 내에서의 상기 이온 에너지 분포의 시간 평균을 보다 높은 에너지로 시프트하게 하고, 상기 펄스 반복 주파수를 감소시키는 것은 상기 플라즈마 내에서의 상기 이온 에너지 분포의 상기 시간 평균을 보다 낮은 에너지로 시프트하게 하는, 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 이온들을 제어하는 시스템.
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