KR20150058489A - 폐쇄 루프 제어를 갖는 바닥 및 측부 플라즈마 튜닝 - Google Patents

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Abstract

기판을 플라즈마 프로세싱하기 위한 장치가 제공된다. 장치는 프로세싱 챔버, 프로세싱 챔버에 배치된 기판 지지부, 및 프로세싱 챔버에 커플링된 덮개 조립체를 포함한다. 덮개 조립체는 전력 소스에 커플링된 전도성 가스 분배기를 포함한다. 튜닝 전극은, 플라즈마의 접지 경로를 조정하기 위해서, 전도성 가스 분배기와 챔버 본체 사이에 배치될 수 있다. 제 2 튜닝 전극이 기판 지지부에 커플링될 수 있고, 또한 바이어스 전극이 기판 지지부에 커플링될 수 있다.

Description

폐쇄 루프 제어를 갖는 바닥 및 측부 플라즈마 튜닝{BOTTOM AND SIDE PLASMA TUNING HAVING CLOSED LOOP CONTROL}
[0001] 본원에 설명된 실시예들은 반도체 제조 장치 및 방법들에 관한 것이다. 특히, 본원에 설명된 실시예들은 반도체 기판들을 위한 플라즈마 프로세싱 챔버들에 관한 것이다.
[0002] 50년 이상 동안, 집적 회로 상에 형성되는 트랜지스터들의 개수는 대략 매 2년마다 두배가 되었다. 반도체 칩들 상에 형성되는 디바이스들이 20 내지 30 nm의 현재 임계 치수로부터 현재 설계중인 미래의 제조 프로세스들에서는 100옹스트롬 미만으로 축소되면서, 무어의 법칙(Moore's Law)으로 또한 알려져 있는 이러한 2-년-두배 경향이 계속될 것으로 예측된다(projected). 디바이스 기하학적 구조들이 축소됨에 따라, 제조 기하학적 구조들은 성장한다. 수년 전에 300 mm 웨이퍼가 200 mm 웨이퍼를 대체했던 것과 같이, 300 mm 웨이퍼는 곧 400 mm 웨이퍼로 대체될 것이다. 대면적 반도체 기판의 프로세싱이 정교함 측면에서 성장하면서, 논리 칩들(logic chips)을 위한 더욱 더 큰 제조 기하학적 구조들이 가까이에 있을 수 있다(within reach).
[0003] 프로세싱 조건들의 균일성은 반도체 제조에 항상 중요해 왔으며, 디바이스의 임계 치수들이 계속 감소하고 제조 기하학적 구조들이 증가할수록, 불균일성에 대한 허용 오차가 또한 감소한다. 제조 프로세스들의 화학작용(chemistry) 및 물리적 현상(physics), 장비 피쳐들, 및 디바이스 특성들과 관련될 수 있는 다수의 원인들로부터 불균일성이 나타난다. Moore의 법칙에 따라 반도체 제조 산업이 진보하면서, 매우 균일한 프로세싱을 할 수 있는 제조 프로세스들 및 장비에 대한 지속적인 요구가 존재한다.
[0004] 본원에 설명된 실시예들은 반도체 기판을 프로세싱하기 위한 장치를 제공하고, 장치는 프로세싱 챔버, 프로세싱 챔버에 배치된 기판 지지부, 및 전력 소스에 커플링된 전도성 가스 분배기를 포함하는 덮개 조립체를 구비한다. 전극은 전도성 가스 분배기와 프로세싱 챔버의 본체 사이에 포지셔닝된다. 전극은 챔버의 플라즈마 상태들을 조정하기 위한 튜닝 전극(tuning electrode)일 수 있고, 프로세싱 용적의 일부분을 둘러싸는 환형 부재일 수 있다. 전극은 튜닝 회로(tuning circuit)에 커플링될 수 있고, 튜닝 회로는 가변 캐패시터와 같은 전자 제어기를 포함하는 LLC 회로일 수 있으며, 프로세싱 챔버의 접지 경로(ground pathway)를 조정하는 데에 사용될 수 있다. 전극의 전기 상태를 모니터링하기 위해 전자 센서가 사용될 수 있고, 전자 센서는, 플라즈마 상태들의 실-시간 폐쇄-루프 제어를 위해 전자 제어기에 커플링될 수 있다.
[0005] 하나 또는 두 개의 전극들이 또한, 기판 지지부에 커플링될 수 있다. 하나의 전극은 바이어스(bias) 전극일 수 있고, 전력 소스에 커플링될 수 있다. 다른 하나의 전극은 제 2 튜닝 전극일 수 있고, 제 2 전자 센서 및 제 2 전자 제어기를 갖는 제 2 튜닝 회로에 커플링될 수 있다.
[0006] 본 발명의 상기 열거된 특징들이 상세히 이해될 수 있는 방식으로, 앞서 간략히 요약된 본 발명의 보다 구체적인 설명이 실시예들을 참조로 하여 이루어질 수 있는데, 이러한 실시예들의 일부는 첨부된 도면들에 예시되어 있다. 그러나, 첨부된 도면들은 본 발명의 단지 전형적인 실시예들을 도시하는 것이므로 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것이 주목되어야 하는데, 이는 본 발명이 다른 균등하게 유효한 실시예들을 허용할 수 있기 때문이다.
[0007] 도 1은 일 실시예에 따른 프로세싱 챔버의 개략적인 단면도이다.
[0008] 도 2는 다른 실시예에 따른 장치(200)의 개략적인 평면도이다.
[0009] 도 3은 다른 실시예에 따른 프로세싱 챔버의 개략적인 단면도이다.
[0010] 이해를 용이하게 하기 위하여, 가능하면, 도면들에 공통되는 동일한 요소들을 나타내는데 동일한 참조번호들이 사용되었다. 일 실시예에 개시된 요소들이 구체적인 언급 없이 다른 실시예들에서 유리하게 사용될 수 있는 것으로 고려된다.
[0011] 본원에 설명된 실시예들은 반도체 기판을 프로세싱하기 위한 장치를 제공한다. 도 1은 일 실시예에 따른 프로세싱 챔버(100)의 개략적인 단면도이다. 프로세싱 챔버(100)는 챔버 본체(102), 챔버 본체(102) 내부에 배치된 기판 지지부(104), 및 챔버 본체(102)에 커플링되고 프로세싱 용적(120)의 기판 지지부(104)를 에워싸는 덮개 조립체(106)를 특징으로 한다. 기판들은 개구부(126)를 통해서 프로세싱 용적(120)에 제공되고, 개구부는 통상적으로, 프로세싱을 위해서 도어를 사용하여 밀봉될 수 있다.
[0012] 전극(108)은 챔버 본체(102)에 인접하여 배치될 수 있고 챔버 본체(102)를 덮개 조립체(106)의 다른 컴포넌트들로부터 분리한다. 전극(108)은 덮개 조립체(106)의 부분일 수 있거나, 또는 분리된 측벽 전극일 수 있다. 전극(108)은 환형, 또는 링-형 부재일 수 있고, 링 전극일 수 있다. 전극(108)은 프로세싱 용적(120)을 둘러싸는, 프로세싱 챔버(100)의 둘레 주변의 연속적인 루프일 수 있거나, 또는 원한다면, 선택된 위치들에서 불연속적일 수 있다. 전극(108)은 또한, 천공형(perforated) 링 또는 메쉬(mesh) 전극과 같이 천공형 전극일 수 있다. 전극(108)은 또한, 플레이트 전극, 예를 들어 이차 가스 분배기일 수 있다.
[0013] 세라믹 또는 금속 산화물, 예를 들어 알루미늄 산화물 및/또는 알루미늄 질화물과 같은 유전체 재료일 수 있는 아이솔레이터(110)는 전극(108)과 접촉하고 전극(108)을 가스 분배기(112)로부터 그리고 챔버 본체(102)로부터 전기적으로 및 열적으로 분리한다. 가스 분배기(112)는 프로세싱 용적(120) 내로의 프로세스 가스를 허용하기 위한 개구부들(118)을 특징으로 한다. 가스 분배기(112)는 RF 생성기와 같은 전력 소스(142)에 커플링될 수 있다. DC 전력, 펄스형 DC 전력, 및 펄스형 RF 전력이 또한 사용될 수 있다.
[0014] 가스 분배기(112)는 전도성 가스 분배기 또는 비-전도성 가스 분배기일 수 있다. 가스 분배기(112)는 또한, 전도성 및 비-전도성 컴포넌트들로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 가스 분배기(112)의 본체는 전도성일 수 있는 반면에 가스 분배기(112)의 페이스(face) 플레이트는 비-전도성일 수 있다. 플라즈마 프로세싱 챔버에서, 가스 분배기(112)는, 도 1 및 이하의 도 3의 실시예에서과 같이, 전력을 공급받을 수 있거나, 또는 가스 분배기(112)는 접지부(ground)에 커플링될 수 있다.
[0015] 전극(108)은 프로세싱 챔버(100)의 접지 경로를 제어하는 튜닝 회로(128)에 커플링될 수 있다. 튜닝 회로(128)는 전자 센서(130), 및 가변 캐패시터일 수 있는 전자 제어기(134)를 포함한다. 튜닝 회로(128)는 하나 또는 그 초과의 인덕터들(132)을 포함하는 LLC 회로일 수 있다. 튜닝 회로(128)는, 프로세싱 동안에 프로세싱 용적(120)에 존재하는 플라즈마 상태들 하에서 가변 또는 제어 가능한 임피던스를 특징으로 하는 임의의 회로일 수 있다. 도 1의 실시예에서, 튜닝 회로(128)는 전자 제어기(134)와 직렬로 되어 있는 제 1 인덕터(132B) 및 전자 제어기(134)와 병렬로 되어 있는 제 2 인덕터(132A)를 특징으로 한다. 전자 센서(130)는 전압 또는 전류 센서일 수 있고, 프로세싱 용적(120) 내부의 플라즈마 상태들의 폐쇄-루프 제어도를 제공하기 위해서 전자 제어기(134)에 커플링될 수 있다.
[0016] 제 2 전극(122)은 기판 지지부(104)에 커플링될 수 있다. 제 2 전극(122)은 기판 지지부(104) 내에 매립(embedded)될 수 있거나 또는 기판 지지부(104)의 표면에 커플링될 수 있다. 제 2 전극(122)은 플레이트, 천공형 플레이트, 메쉬, 와이어 스크린, 또는 임의의 다른 분배형 배열체일 수 있다. 제 2 전극(122)은 튜닝 전극일 수 있고, 기판 지지부(104)의 샤프트(144)에 배치된 도관(146), 예를 들어, 50Ω과 같은 선택된 저항을 갖는 케이블에 의해서 제 2 튜닝 회로(136)에 커플링될 수 있다. 제 2 튜닝 회로(136)는 제 2 전자 센서(138), 및 제 2 가변 캐패시터일 수 있는 제 2 전자 제어기(140)를 가질 수 있다. 제 2 전자 센서(138)는 전압 또는 전류 센서일 수 있고, 프로세싱 용적(120)에서의 플라즈마 상태들에 대한 추가적인 제어를 제공하기 위해 제 2 전자 제어기(140)에 커플링될 수 있다.
[0017] 바이어스 전극 및/또는 정전 척킹 전극일 수 있는 제 3 전극(124)이 기판 지지부(104)에 커플링될 수 있다. 제 3 전극은, 임피던스 매칭 회로일 수 있는 필터(148)를 통해서, 제 2 전력 소스(150)에 커플링될 수 있다. 제 2 전력 소스(150)는 DC 전력, 펄스형 DC 전력, RF 전력, 펄스형 RF 전력, 또는 이들의 조합일 수 있다.
[0018] 도 1의 덮개 조립체(106) 및 기판 지지부(104)는 플라즈마 또는 열 프로세싱을 위한 임의의 프로세싱 챔버와 함께 사용될 수 있다. 덮개 조립체(106) 및 기판 지지부(104)가 함께 유익하게 사용될 수 있는 플라즈마 프로세싱 챔버의 일 예는 미국 캘리포니아 산타 클라라 소재의 Applied Materials, Inc. 로부터 입수 가능한 PRODUCER® 플랫폼 및 챔버들이다. 또한, 다른 제조업자들로부터의 챔버들이 상기 설명된 컴포넌트들과 함께 사용될 수 있다.
[0019] 동작 시에, 프로세싱 챔버(100)는 프로세싱 용적(120)에서의 플라즈마 상태들의 실-시간 제어를 제공한다. 기판은 기판 지지부(104) 상에 배치되고, 프로세스 가스들은 임의의 원하는 유동 계획에 따라 유입구(114)를 사용하여 덮개 조립체(106)를 통해 유동된다. 가스들은 배출구(152)를 통해 챔버(100)를 빠져나간다. 전력은 프로세싱 용적(120)에서 플라즈마를 생성하기(establish) 위해서 가스 분배기(112)에 커플링된다. 기판은, 원한다면, 제 3 전극(124)을 사용하여 전기 바이어싱을 겪을 수 있다.
[0020] 프로세싱 용적(120)에서 플라즈마를 에너자이징함에 따라, 플라즈마와 제 1 전극(108) 사이에 전위차가 생성된다. 또한, 전위차는 플라즈마와 제 2 전극(122) 사이에 생성된다. 그런 다음에 전자 제어기들(134 및 140)은 2개의 튜닝 회로들(128 및 136)로 표시되는 접지 경로들의 유동 특성들을 조정하는 데에 사용될 수 있다. 중앙으로부터 엣지에 이르기까지의 증착 레이트 및 플라즈마 밀도 균일성의 독립적인 제어를 제공하기 위해 설정점이 제 1 튜닝 회로(128) 및 제 2 튜닝 회로(136)에 전달될 수 있다. 전자 제어기들이 양자 모두 가변 캐패시터들인 실시예들에서, 전자 센서들은 독립적으로 증착 레이트를 최대화하고 두께 불-균일성을 최소화하기 위해 가변 캐패시터들을 조정할 수 있다.
[0021] 튜닝 회로들(128 및 136)의 각각은, 각각의 전자 제어기들(134 및 140)을 사용하여 조정될 수 있는 가변 임피던스를 갖는다. 전자 제어기들(134 및 140)이 가변 캐패시터들인 경우, 가변 캐패시터들의 각각의 캐패시턴스 범위, 및 인덕터들(132A 및 132B)의 인덕턴스들은, 플라즈마의 주파수 및 전압 특성들에 따라, 각각의 가변 캐패시터의 캐패시턴스 범위에서 최소값을 갖는 임피던스 범위를 제공하도록 선택된다. 따라서, 전자 제어기(134)의 캐패시턴스가 최소 또는 최대일 때, 회로(128)의 임피던스는 높고, 기판 지지부에 걸친 최소의 적용 면적 범위(areal coverage)를 갖는 플라즈마 형상을 초래한다. 전자 제어기(134)의 캐패시턴스가, 회로(128)의 임피던스를 최소화하는 값에 근접할 때, 플라즈마의 적용 면적 범위가 최대로 성장하여, 기판 지지부(104)의 전체 작업 면적을 효과적으로 덮는다. 전자 제어기(134)의 캐패시턴스가 최소 임피던스 설정으로부터 벗어남에 따라, 플라즈마 형상이 챔버 벽들로부터 축소되어 기판 지지부의 적용 면적 범위가 감소한다. 전자 제어기(140)는 유사한 효과를 갖는데, 전자 제어기(140)의 캐패시턴스가 변화함에 따라, 기판 지지부에 걸친 플라즈마의 적용 면적 범위를 증가시키고 감소시킨다.
[0022] 전자 센서들(130 및 138)은 폐쇄 루프의 각각의 회로들(128 및 136)을 튜닝하는 데에 사용될 수 있다. 사용되는 센서의 유형에 따라, 전류 또는 전압의 설정점이 각각의 센서에 설치될 수 있고, 설정점으로부터 편차를 최소화하도록 각각의 개별적인 전자 제어기(134 및 140)에 대한 조정을 결정하는 제어 소프트웨어가 센서에 제공될 수 있다. 이런 방식으로, 플라즈마 형상이 선택될 수 있고 프로세싱 동안 동적으로 제어될 수 있다. 전술한 논의가, 가변 캐패시터들인 전자 제어기들(134 및 140)에 기초하고 있는 반면에, 조정 가능한 특성을 갖는 임의의 전자 컴포넌트가, 튜닝 회로들(128 및 136)에 조정 가능한 임피던스를 제공하는 데에 사용될 수 있음에 주목해야 한다.
[0023] 도 2는 다른 실시예에 따른 장치(200)의 개략적인 평면도이다. 장치(200)는 이송 챔버(208) 및 로드-록 조립체(204)에 커플링된 프로세싱 챔버들의 집합이고, 이러한 프로세싱 챔버들 모두는 도 1의 프로세싱 챔버(100)의 실시예들일 수 있다. 프로세싱 챔버들(100)은 일반적으로, 탠덤형(tandem) 유닛들(202)로 그룹화되고, 챔버들의 각각은 프로세스 가스들의 단일 공급부(212)를 갖는다. 텐덤형 유닛들(202)은 이송 챔버(208) 주위에 포지셔닝되고, 이송 챔버는 전형적으로, 기판들을 조작하기 위한 로봇(210)을 갖는다. 로드-록 조립체(204)는, 또한 탠덤형 배열로 되어 있는 2개의 로드-록 챔버들(206)을 특징으로 할 수 있다.
[0024] 도 3은 다른 실시예에 따른 프로세싱 챔버(300)의 개략적인 단면도이다. 도 3의 프로세싱 챔버(300)는 도 1의 프로세싱 챔버(100)와 많은 항목들에서 유사하고, 2개의 도면들에서 동일한 요소들은 동일하게 번호가 붙여졌다. 프로세싱 챔버(300)는 기판 지지부(104)에 커플링된 상이한 튜닝 회로(302)를 특징으로 한다. 튜닝 회로(302)는 튜닝 회로(128)와 동일한 컴포넌트들, 즉 전자 제어기(140), 전자 센서(138), 전자 제어기(140)와 직렬로 되어 있는 제 1 인덕터(304), 및 전자 제어기(140)와 병렬로 되어 있는 제 2 인덕터(306)를 갖는다.
[0025] 도 3의 튜닝 회로(302)는, 가변 컴포넌트(140)가 조정될 때 상이한 임피던스 특성들을 가지고, 도 1의 튜닝 회로(136)와 유사한 방식으로 작동한다. 튜닝 회로(302)의 임피던스는, 인덕터들(304 및 306)에 대해서 선택되는 인덕턴스들에 따르는 방식에 있어서, 튜닝 회로(136)의 임피던스와 상이할 것이다. 따라서, 기판 지지부에 적용되는 튜닝 회로의 특성들은, 플라즈마의 특성들과 관련하여 유용한 임피던스 범위를 초래하는 캐패시턴스 범위를 갖는 가변 캐패시터를 선택하는 것에 의해서 뿐만 아니라, 가변 캐패시터를 사용하여 이용 가능한 임피던스 범위를 수정하기 위한 인덕터들을 선택하는 것에 의해서도 조정될 수 있다. 튜닝 회로(136)와 같이, 가변 캐패시터(140)는 기판 지지부를 통하는, 접지부로의 경로의 임피던스를 조정하여, 전극(122)의 전위를 변화시키고, 프로세싱 용적(120)에서의 플라즈마의 형상을 변화시킨다.
[0026] 전술한 내용은 본 발명의 실시예들에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 및 추가적인 실시예들이 본 발명의 기본 범위로부터 벗어나지 않으면서 안출될 수 있다.

Claims (15)

  1. 반도체 기판을 프로세싱하기 위한 장치로서,
    챔버 본체를 포함하는 프로세싱 챔버;
    상기 프로세싱 챔버에 배치된 기판 지지부;
    전력 소스에 커플링된 전도성 가스 분배기를 포함하는 덮개 조립체; 및
    상기 챔버 본체와 상기 전도성 가스 분배기 사이에 배치된 튜닝 전극을 포함하는,
    반도체 기판을 프로세싱하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜닝 전극은 튜닝 회로에 커플링되는,
    반도체 기판을 프로세싱하기 위한 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 튜닝 회로는 전자 제어기에 커플링된 전자 센서를 포함하는,
    반도체 기판을 프로세싱하기 위한 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전자 센서는 전압 또는 전류 센서이고, 상기 전자 제어기는 가변 캐패시터인,
    반도체 기판을 프로세싱하기 위한 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 튜닝 전극은 아이솔레이터에 의해서 상기 전도성 가스 분배기로부터 분리되는,
    반도체 기판을 프로세싱하기 위한 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 튜닝 회로는 상기 프로세싱 챔버의 접지 경로인,
    반도체 기판을 프로세싱하기 위한 장치.
  7. 반도체 기판을 프로세싱하기 위한 장치로서,
    챔버 본체를 포함하는 프로세싱 챔버;
    상기 프로세싱 챔버에 배치된 기판 지지부;
    전력 소스에 커플링된 전도성 페이스 플레이트를 포함하는 덮개 조립체; 및
    상기 챔버 본체와 상기 덮개 조립체 사이에 배치된 측벽 전극 ― 상기 측벽 전극은 제 1 임피던스 튜닝 회로에 커플링됨 ― 을 포함하는,
    반도체 기판을 프로세싱하기 위한 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 기판 지지부는 바이어스 전극 및 튜닝 전극을 포함하는,
    반도체 기판을 프로세싱하기 위한 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 바이어스 전극은 전력 소스에 커플링되고 상기 튜닝 전극은 제 2 임피던스 튜닝 회로에 커플링되는,
    반도체 기판을 프로세싱하기 위한 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 바이어스 전극은 임피던스 매칭 회로에 커플링되는,
    반도체 기판을 프로세싱하기 위한 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 측벽 전극 및 상기 제 1 임피던스 튜닝 회로는 상기 프로세싱 챔버를 위한 접지 경로를 형성하는,
    반도체 기판을 프로세싱하기 위한 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 임피던스 튜닝 회로 및 상기 제 2 임피던스 튜닝 회로의 각각은 가변 요소에 커플링된 전자 센서를 포함하는,
    반도체 기판을 프로세싱하기 위한 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전자 센서는 전압 또는 전류 센서이고, 상기 가변 요소는 가변 캐패시터인,
    반도체 기판을 프로세싱하기 위한 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    각각의 임피던스 튜닝 회로에 커플링된 제어기를 더 포함하고, 상기 제어기는 상기 전자 센서로부터 신호를 수신하고 상기 가변 캐패시터를 조정하는,
    반도체 기판을 프로세싱하기 위한 장치.
  15. 제 7 항에 있어서,
    상기 측벽 전극과 상기 덮개 조립체 사이의 제 1 아이솔레이터, 및 상기 측벽 전극과 상기 챔버 본체 사이의 제 2 아이솔레이터를 더 포함하는,
    반도체 기판을 프로세싱하기 위한 장치.
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