KR20170054281A - 펄싱된 플라즈마 반도체 디바이스 제조시 라디칼 밀도, 이온 밀도 및 이온 에너지의 독립적인 제어를 위한 방법들 및 시스템들 - Google Patents

펄싱된 플라즈마 반도체 디바이스 제조시 라디칼 밀도, 이온 밀도 및 이온 에너지의 독립적인 제어를 위한 방법들 및 시스템들 Download PDF

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Abstract

제 1 시간 기간 동안, 기판 레벨에서 저 바이어스 전압을 인가하는 동안, 기판으로의 노출시 플라즈마를 생성하도록 보다 높은 RF (radiofrequency) 전력이 인가된다. 제 2 시간 기간 동안, 기판 레벨에서 고 바이어스 전압을 인가하는 동안, 플라즈마를 생성하도록 보다 낮은 RF 전력이 인가된다. 제 1 시간 기간 및 제 2 시간 기간은 기판 상에서 목표된 효과를 생성하기 위해 필요한 전체 시간 기간 동안 교번하고 연속적인 방식으로 반복된다. 일부 실시예들에서, 시간 평균 기준으로 플라즈마가 라디칼 밀도보다 큰 이온 밀도를 갖도록 제 1 시간 기간은 제 2 시간 기간보다 짧다. 일부 실시예들에서, 시간 평균 기준으로 플라즈마가 라디칼 밀도보다 낮은 이온 밀도를 갖도록 제 1 시간 기간은 제 2 시간 기간보다 길다.

Description

펄싱된 플라즈마 반도체 디바이스 제조시 라디칼 밀도, 이온 밀도 및 이온 에너지의 독립적인 제어를 위한 방법들 및 시스템들{METHODS AND SYSTEMS FOR INDEPENDENT CONTROL OF RADICAL DENSITY, ION DENSITY, AND ION ENERGY IN PULSED PLASMA SEMICONDUCTOR DEVICE FABRICATION}
본 발명은 반도체 디바이스 제조에 관한 것이다.
많은 최신 반도체 칩 제조 프로세스들은 플라즈마에 노출된 기판의 표면 상의 변화에 직접적으로 또는 간접적으로 영향을 주는데 사용하기 위해 이온들 및/또는 라디칼 구성성분들이 도출되는 플라즈마의 생성을 포함한다. 예를 들어, 다양한 플라즈마 기반 프로세스들은 기판 표면으로부터 재료를 에칭하고, 기판 표면 상으로 재료를 증착하고, 또는 기판 표면 상에 이미 존재하는 재료를 개질하도록 사용될 수 있다. 플라즈마는 종종 프로세스 가스가 에너자이징되고 (energize) 목표된 플라즈마로 변환되도록 제어된 분위기에서 프로세스 가스에 RF (radiofrequency) 전력을 인가함으로써 생성된다. 플라즈마의 특성들은 이로 제한되는 것은 아니지만, 무엇보다도 프로세스 가스의 재료 조성, 프로세스 가스의 플로우 레이트, 플라즈마 생성 영역 및 주변 구조체들의 기하학적 특징들, 프로세스 가스 및 주변 재료들의 온도들, 인가된 RF 전력의 주파수 및 크기, 및 플라즈마의 대전된 구성성분들을 기판을 향해 끌리도록 인가된 바이어스 전압을 포함하는 많은 프로세스 파라미터들에 의해 영향을 받는다. 생성된 플라즈마가 기판과 상호작용하는 방법에 영향을 줄 수도 있는 프로세스 파라미터들 중 일부를 제어하고 이해하는데 관심을 둔다. 이러한 맥락에서 본 발명이 발생하였다.
일 예시적인 실시예에서, 상승된 이온 밀도 및 감소된 라디칼 밀도를 갖도록 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법이 개시된다. 방법은 (a) 프로세스 모듈 내 기판 홀더 상에 기판을 배치하는 단계를 포함한다. 방법은 (b) 기판 위에 놓인 플라즈마 생성 영역으로 프로세스 가스 조성물을 공급하는 단계를 포함한다. 방법은 (c) 제 1 시간 기간 동안, 기판에 노출하는 플라즈마를 생성하도록 플라즈마 생성 영역 내 프로세스 가스 조성물에 제 1 RF 전력을 인가하는 단계를 포함한다. 제 1 RF 전력은 고 RF 전력 레벨에 대응한다. 또한, 단계 (c) 동안, 저 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 1 바이어스 전압 설정으로 기판 홀더에 바이어스 전압이 인가된다. 방법은 또한 (d) 제 1 시간 기간의 완료 후, 제 2 시간 기간 동안, 기판에 노출하는 플라즈마를 생성하도록 플라즈마 생성 영역 내 프로세스 가스 조성물에 제 2 RF 전력을 인가하는 단계를 포함한다. 제 2 RF 전력은 제 1 RF 전력 대신 인가된다. 제 2 RF 전력은 저 RF 전력 레벨에 대응한다. 또한, 단계 (d) 동안, 고 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 2 바이어스 전압 설정으로 기판 홀더에 바이어스 전압이 인가된다. 방법은 기판 상에서 목표된 효과를 생성하기 위해 필요한 전체 시간 기간 동안 교번하고 연속적인 방식으로 단계 (c) 및 단계 (d) 를 반복하는 단계를 포함한다. 방법에서, 플라즈마 내 시간-평균된 이온 밀도가 플라즈마 내 시간-평균된 라디칼 밀도보다 크도록, 단계 (c) 의 제 1 시간 기간의 지속기간은 단계 (d) 의 제 2 시간 기간의 지속기간보다 짧다.
일 예시적인 실시예에서, 감소된 이온 밀도 및 상승된 라디칼 밀도를 갖도록 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법이 개시된다. 방법은 (a) 프로세스 모듈 내 기판 홀더 상에 기판을 배치하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 (b) 기판 위에 놓인 플라즈마 생성 영역으로 프로세스 가스 조성물을 공급하는 단계를 포함한다. 방법은 또한, (c) 제 1 시간 기간 동안, 기판에 노출하는 플라즈마를 생성하도록 플라즈마 생성 영역 내 프로세스 가스 조성물에 제 1 RF 전력을 인가하는 단계를 포함한다. 제 1 RF 전력은 고 RF 전력 레벨에 대응한다. 또한, 단계 (c) 동안, 저 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 1 바이어스 전압 설정으로 기판 홀더에 바이어스 전압이 인가된다. 방법은 또한 (d) 제 1시간 기간의 완료 후, 제 2 시간 기간 동안, 기판에 노출하는 플라즈마를 생성하도록 플라즈마 생성 영역 내 프로세스 가스 조성물에 제 2 RF 전력을 인가하는 단계를 포함한다. 제 2 RF 주파수는 제 1 RF 전력 대신 인가된다. 제 2 RF 전력은 저 RF 전력 레벨에 대응한다. 또한, 단계 (d) 동안, 고 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 2 바이어스 전압 설정으로 기판 홀더에 바이어스 전압이 인가된다. 방법은 기판 상에서 목표된 효과를 생성하기 위해 필요한 전체 시간 기간 동안 교번하고 연속적인 방식으로 단계 (c) 및 단계 (d) 를 반복하는 단계를 포함한다. 방법에서, 플라즈마 내 시간-평균된 이온 밀도가 플라즈마 내 시간-평균된 라디칼 밀도보다 작도록, 단계 (c) 의 제 1 시간 기간의 지속기간은 단계 (d) 의 제 2 시간 기간의 지속기간보다 길다.
본 발명의 다른 양태들 및 장점들은 예로서 본 발명을 예시하는, 첨부 도면들과 함께 취해진, 이하의 상세한 기술로부터 보다 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 예시적인 기판 프로세스 모듈을 도시한다.
도 2a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 상승된 이온 밀도 및 감소된 라디칼 밀도를 갖도록 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법의 플로우차트를 도시한다.
도 2b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 시간에 따라 도 2a의 방법을 입증하기 위한 인가된 1차 플라즈마 전력, 인가된 바이어스 전압, 플라즈마 내 라디칼 밀도, 플라즈마 내 이온 밀도, 기판 상에 입사하는 이온 에너지의 예시적인 동기화된 플롯들을 도시한다.
도 3a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 감소된 이온 밀도 및 상승된 라디칼 밀도를 갖도록 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법의 플로우차트를 도시한다.
도 3b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 시간에 따라 도 3a의 방법을 입증하기 위한 인가된 1차 플라즈마 전력, 인가된 바이어스 전압, 플라즈마 내 라디칼 밀도, 플라즈마 내 이온 밀도, 기판 상에 입사하는 이온 에너지의 예시적인 동기화된 플롯들을 도시한다.
이하의 기술에서, 본 발명의 전체적인 이해를 제공하기 위해 다수의 구체적인 상세들이 언급된다. 그러나, 이들 구체적인 상세들의 일부 또는 전부가 없이 본 발명이 실시될 수도 있다는 것이 당업자에게 자명할 것이다. 다른 예들에서, 공지의 프로세스 동작들은 본 발명을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 상세히 기술되지 않았다.
반도체 디바이스 제조 프로세스에서 기판의 펄싱된 플라즈마 프로세싱시 라디칼 밀도, 이온 밀도, 및 이온 에너지의 독립적인 제어를 제공하기 위한 방법들 및 시스템들이 본 명세서에 개시된다. 다양한 실시예들에서, 기판의 펄싱된 플라즈마 프로세싱을 위한 본 명세서에 개시된 방법들은 무엇보다도, 기판으로부터 재료를 선택적으로 제거/에칭하고, 그리고/또는 기판 상에 재료를 증착하고, 그리고/또는 기판으로부터 특정한 재료를 세정/애싱하도록 수행될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어 기판은 반도체 웨이퍼로서 지칭된다. 그러나, 다른 실시예들에서, 본 명세서에 사용된 바와 같은 용어 기판은 사파이어, GaN, GaAs 또는 SiC, 또는 다른 기판 재료들로 형성된 기판들을 지칭할 수 있고, 유리 패널들/기판들, 금속 포일들, 금속 시트들, 폴리머 재료들, 등을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 다양한 실시예들에서, 본 명세서에 지칭된 바와 같이 기판은 형태, 형상, 및/또는 사이즈가 가변할 수도 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 본 명세서에 지칭된 바와 같은 기판은 200 ㎜ (밀리미터) 반도체 웨이퍼, 300 ㎜ 반도체 웨이퍼, 또는 450 ㎜ 반도체 웨이퍼에 대응할 수도 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 본 명세서에서 지칭된 바와 같이 기판은 다른 형상들 중에서, 플랫 패널 디스플레이를 위한 직사각형 기판과 같은, 비원형 기판 등에 대응할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 예시적인 기판 프로세스 모듈 (100) 을 도시한다. 프로세스 모듈 (100) 은 플라즈마 (104) 가 생성되는 플라즈마 생성 영역 (101A) 으로의 노출시 기판 (101) 을 홀딩하도록 구성된 기판 홀더 (102) 를 포함한다. 본 개시는 주로 플라즈마 (104) 내 시간-평균된 라디칼 밀도에 대한 플라즈마 (104) 내 시간-평균된 이온 밀도의 제어를 제공하기 위해 1차 플라즈마 전력의 프로세스 파라미터들 및 바이어스 전압이 체계적으로 제어되는 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 예시적인 맥락을 제공하기 위해, 프로세스 모듈 (100) 은 유도 결합 플라즈마 (ICP) 프로세스 모듈로서 도시된다. 그러나, 다른 실시예들에서, 프로세스 모듈 (100) 이 반도체 제조시 사용된 다른 타입들의 프로세스 모듈들로서 규정될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
프로세스 모듈 (100) 은 미리 결정되고 제어된 방식으로 기판 (101) 의 특성들을 개질하기 위해 플라즈마 기반 프로세싱 동작에 대한 기판 (101) 의 노출을 제공하도록 구성된다. 프로세스 모듈 (100) 은 챔버 (103) 는 하나 이상의 벽 구조체 (103A), 하단 구조체 (103B), 및 상단 구조체 (103C) 를 포함하는 주변 구조체로 규정된다. 일부 실시예들에서, 상단 구조체 (103C) 는 무엇보다도, 석영 또는 세라믹과 같은 RF 신호들이 송신될 수 있는 재료로 형성된다. 챔버 (103) 는 전기적으로 도전성 재료로 형성될 수 있고, 기준 접지 전위 (106) 로의 전기적 연결을 가질 수 있다.
프로세스 모듈 (100) 은 상단 구조체 (103C) 위에 배치된 코일 어셈블리 (105) 를 포함한다. RF 전력 공급부 (107) 는 연결부 (109) 를 통해 RF 전력 (RF 신호들) 을 코일 어셈블리 (105) 로 공급하도록 연결된다. 코일 어셈블리 (105) 로 공급된 RF 전력은 본 명세서에서 1차 플라즈마 전력으로 지칭된다. 다양한 실시예들에서, 1차 플라즈마 전력은 약 6000 W까지, 또는 훨씬 보다 높게 확장할 수 있다. 다양한 실시예들에서, RF 전력 공급부 (107) 는 코일 어셈블리 (105) 로 RF 전력의 적절한 송신을 제공하기 위해 하나 이상의 RF 생성기들 및 연관된 임피던스 매칭 회로를 포함한다.
다양한 실시예들에서, RF 전력 공급부 (107) 는 하나 이상의 주파수들로 동작하는 하나 이상의 RF 신호 생성기들을 포함할 수 있다. 복수의 RF 신호 주파수들이 코일 어셈블리 (105) 로 동시에 공급될 수 있다. 일부 실시예들에서, RF 전력 공급부 (107) 에 의해 출력된 신호 주파수들은 1 ㎑ (킬로헤르츠) 내지 100 ㎒ (메가헤르츠) 로 확장하는 범위 내로 설정된다. 일부 실시예들에서, RF 전력 공급부 (107) 에 의해 출력된 신호 주파수들은 약 400 ㎑ 내지 약 60 ㎒로 확장하는 범위 내로 설정된다. 일부 실시예들에서, RF 전력 공급부 (107) 는 2 ㎒, 27 ㎒, 및 60 ㎒의 주파수들의 RF 신호들을 생성하도록 설정된다. 일부 실시예들에서, RF 전력 공급부 (107) 는 약 1 ㎒ 내지 약 60 ㎒로 확장하는 주파수 범위 내의 하나 이상의 고 주파수 RF 신호들을 생성하고, 그리고 약 100 ㎑ 내지 약 1 ㎒로 확장하는 주파수 범위 내의 하나 이상의 저 주파수 RF 신호들을 생성하도록 설정된다. 언급된 RF 신호 주파수 범위들은 예로서 제공되었다는 것이 이해되어야 한다. 실제로, RF 전력 공급부 (107) 는 플라즈마 생성 영역 (104A) 내에서 플라즈마 (104) 를 생성하기 위해 필요하다면 본질적으로 임의의 주파수를 갖는 본질적으로 임의의 RF 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 부가적으로, 특정한 RF 신호 주파수들이 코일 어셈블리 (105) 로 송신된다는 것을 보장하기 위해 RF 전력 공급부 (107) 는 주파수 기반 필터링, 즉, 고역 통과 필터링 및/또는 저역 통과 필터링을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 프로세스 모듈 (100) 은 기판 (101) 이 챔버 (103) 내외로 이송될 수 있는 게이트 밸브 또는 다른 컴포넌트와 같은 폐쇄가능 액세스 포트 (111) 를 포함한다. 프로세스 모듈 (100) 은 또한 하나 이상의 프로세스 가스 조성물(들)이 기판 홀더 (102) 위에 놓인 챔버 (103) 의 내부 영역으로 공급될 수 있는 복수의 프로세스 가스 공급 포트들 (113A, 113B, 113C) 을 포함한다. 동작 동안, 프로세스 가스 공급부 (115) 는 하나 이상의 프로세스 가스 조성물(들)을 하나 이상의 연결 라인들 (117A, 117B, 117C) 을 통해 프로세스 가스 공급 포트들 (113A, 113B, 113C) 로 각각 전달하도록 동작하고, 플라즈마 생성 영역 내의 하나 이상의 프로세스 가스 조성물(들)을 플라즈마 (104) 로 변환하기 위해 RF 전력이 상단 구조체 (103C) 아래 및 기판 홀더 (102) 위에 놓인 플라즈마 생성 영역 (104A) 내에서 전자기장을 생성하도록 RF 전력 공급부 (107) 로부터 코일 어셈블리 (105) 로 RF 전력이 전달된다. 이어서, 이온들 및/또는 라디칼들과 같은 플라즈마 (104) 의 반응성 구성성분들은 기판 (101) 의 노출된 표면들의 부분들과 상호작용한다. 프로세스 모듈 (100) 은, 사용된 프로세스 가스들 및 부산물 재료들의 배기를 용이하게 하기 위해 챔버 (103) 의 내부로 음압 (negative pressure) 을 인가하도록 구성된 배기 모듈 (123) 에 연결되는 배기 포트 (121) 로 가스들 및 부산물 재료들이 흐를 수 있는 복수의 측면 벤팅 구조체들 (119) 을 포함한다.
또한, 일부 실시예들에서, 기판 홀더 (102) 는 기판 홀더 (102) 및 그 상부에 홀딩된 기판 (101) 을 향해 플라즈마 (104) 로부터 이온들을 끌어당기기 위해 기판 홀더 (102) 상에서 바이어스 전압의 생성을 제공하기 위해 연결부 (127) 를 통해 바이어스 RF 전력 공급부 (125) 로부터의 바이어스 RF 전력을 수신하도록 구성된다. 다양한 실시예들에서, 기판 홀더 (102) 상에서 생성된 바이어스 전압은 5000 V까지, 또는 훨씬 보다 높게 확장할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 기판 홀더 (102) 로의 RF 전력의 적절한 송신을 제공하기 위해 RF 전력 공급부 (125) 는 하나 이상의 RF 생성기들 및 연관된 임피던스 매칭 회로를 포함한다.
다양한 실시예들에서, RF 전력 공급부 (125) 는 하나 이상의 주파수들로 동작하는 하나 이상의 RF 신호 생성기들을 포함할 수 있다. 복수의 RF 신호 주파수들은 기판 홀더 (102) 로 동시에 공급될 수 있다. 일부 실시예들에서, RF 전력 공급부 (125) 에 의해 출력된 신호 주파수들은 1 ㎑ (킬로헤르츠) 내지 100 ㎒ (메가헤르츠) 로 확장하는 범위 내로 설정된다. 일부 실시예들에서, RF 전력 공급부 (125) 에 의해 출력된 신호 주파수들은 약 400 ㎑ 내지 약 60 ㎒로 확장하는 범위 내로 설정된다. 일부 실시예들에서, RF 전력 공급부 (125) 는 2 ㎒, 27 ㎒, 및 60 ㎒의 주파수들의 RF 신호들을 생성하도록 설정된다. 일부 실시예들에서, RF 전력 공급부 (125) 는 약 1 ㎒ 내지 약 60 ㎒로 확장하는 주파수 범위 내의 하나 이상의 고 주파수 RF 신호들을 생성하고, 그리고 약 100 ㎑ 내지 약 1 ㎒로 확장하는 주파수 범위 내의 하나 이상의 저 주파수 RF 신호들을 생성하도록 설정된다. 언급된 RF 신호 주파수 범위들은 예로서 제공되었다는 것이 이해되어야 한다. 실제로, RF 전력 공급부 (125) 는 기판 (101) 에서 미리 결정된 바이어스 전압을 생성하기 위해 필요하다면 본질적으로 임의의 주파수를 갖는 본질적으로 임의의 RF 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 부가적으로, 특정한 RF 신호 주파수들이 기판 홀더 (102) 로 송신된다는 것을 보장하기 위해 RF 전력 공급부 (125) 는 주파수 기반 필터링, 즉, 고역 통과 필터링 및/또는 저역 통과 필터링을 포함할 수 있다.
프로세스 모듈 (100) 은 ICP 프로세스 모듈의 예를 도시하지만, 다양한 실시예들에서, 프로세스 모듈 (100) 은 반도체 디바이스 제조시 사용된 본질적으로 임의의 타입의 프로세스 모듈일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 프로세스 모듈 (100) 은 용량 결합 플라즈마 (CCP) 프로세스 모듈일 수 있고, ICP 프로세스 모듈에 사용된 코일 어셈블리 (105) 대신, CCP 프로세스 모듈은, 챔버 (103) 내에 배치된 하나 이상의 전극들을 포함하고 하나 이상의 전극들로 RF 전력이 전달된다. CCP 프로세스 모듈에서, 하나 이상의 전극들은 상단 전극 (예를 들어, 무엇보다도 샤워헤드 전극 또는 고체 전극), 하단 전극 (예를 들어, 무엇보다도 정전 척 또는 기판 지지부), 측면 전극 (예를 들어, 무엇보다도, 주변 링 형상 전극) 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 상단 전극, 하단 전극, 및 측면 전극은 플라즈마 생성 영역 둘레에 구성된다. CCP 프로세스 모듈의 하나 이상의 전극들로 전달된 RF 전력은 하나 이상의 전극들로부터 플라즈마 생성 영역 내에 존재하는 하나 이상의 프로세스 가스 조성물(들)을 통해 기준 접지 전위로 송신되고, 이렇게 함으로써 플라즈마 생성 영역 (104A) 내 하나 이상의 프로세스 가스 조성물(들)을 플라즈마 (104) 로 변환한다. 따라서, CCP 모듈의 하나 이상의 전극들로 전달된 RF 전력은 본 명세서에 지칭된 바와 같이 1차 플라즈마 전력이다.
상기 언급된 ICP 프로세스 모듈 및 CCP 프로세스 모듈 예들은 기술의 용이성을 위해 간략화된 방식으로 논의되었다는 것이 이해되어야 한다. 사실상, ICP, CCP, 또는 일부 다른 타입의 프로세스 모듈 (100) 은 본 명세서에 기술되지 않은 많은 컴포넌트들을 포함하는 복잡한 시스템이다. 그러나, 타입과 무관하게, 프로세스 모듈 (100) 은 특정한 결과를 얻기 위해 기판 (101) 의 프로세싱을 인에이블하기 위해 플라즈마 (104) 에 노출하는 기판 (101) 을 고정된 방식으로 홀딩하도록 구성된 기판 홀더 (102) 를 포함한다는 것이 본 논의에서 이해되어야 한다. 프로세스 모듈 (100) 에 의해 수행될 수도 있는 플라즈마 프로세싱 동작들의 예들은 무엇보다도, 에칭 동작들, 증착 동작들, 및 애싱 동작들을 포함한다.
반도체 제조를 위한 기판들의 플라즈마 프로세싱시, 플라즈마 내 그리고 기판 레벨의 이온 및 라디칼 거동을 제어하는 것이 종종 유익하고/필수적이다. 플라즈마 프로세싱 방법들에서, 플라즈마 내 이온 밀도 및 플라즈마 내 라디칼 밀도의 생성은 플라즈마를 생성하기 위해 인가된 RF 전력 (1차 플라즈마 전력) 의 레벨과 각각 직접적인 상관관계를 갖는 사실로 인해 함께 커플링된다. 보다 구체적으로, 종래의 플라즈마 프로세싱 방법들, 예컨대 플라즈마 에칭에서, 플라즈마 내 라디칼 밀도 및 플라즈마 내 이온 밀도 양자가 플라즈마 내 전자 밀도 및 전자 온도에 의해 제어되고, 따라서 1차 플라즈마 전력에 의해 제어된다. 그 결과, 플라즈마를 생성하도록 인가된 RF 전력이 상승할 때, 플라즈마 내 이온 밀도 및 플라즈마 내 라디칼 밀도 양자는 동시적인 방식으로 상승한다. 그리고, 플라즈마를 생성하도록 인가된 RF 전력이 감소할 때, 플라즈마 내 이온 밀도 및 플라즈마 내 라디칼 밀도 양자는 동시적인 방식으로 감소한다. 전술한 관점에서, 종래의 플라즈마 프로세싱 방법들은 플라즈마 내 라디칼 밀도에 대한 플라즈마 내 이온 밀도의 독립적인 제어를 제공하지 않고, 이는 기판의 플라즈마 프로세싱의 제어에 대한 일부 기본적인 제한들을 야기한다.
예를 들어, 일부 애플리케이션들에서, 라디칼들은 마스크 재료를 보호하도록 증착을 위해 사용되고, 고 에너지 이온들은 위에 놓인 마스크 재료 내 개구를 통해 노출된 타깃 재료의 에층을 위해 사용된다. 전술한 플라즈마 내 이온 밀도 및 플라즈마 내 라디칼 밀도의 커플링으로 인해, 증착을 통해 마스크 재료를 보수 (repair)/개조 (rebuild) 하도록 라디칼 밀도를 상승시키기 위해 1차 플라즈마 전력이 상승될 때, 이온 밀도는 또한 상승하여 마스크 재료의 손실의 상승을 유발하고, 따라서 마스크 재료를 보수/개조하기 위한 노력에 대해 작동한다. 따라서, 1차 플라즈마 전력이 보다 높을 때 마스크 재료에 대한 타깃 재료의 에칭 선택도는 종종 보다 낮다.
또한, 일부 경우들에서, 플라즈마 내 라디칼 밀도-대-이온 밀도비는 개선된 에칭 프로파일 제어를 제공하도록 사용될 수 있다. 그러나, 종래의 플라즈마 프로세싱 방법들을 사용하여, 프로세스 가스 조성물 화학적 성질은 플라즈마 내 라디칼 밀도-대-이온 밀도비의 변화를 얻기 위해 변화되어야 한다. 즉, 미리 결정된 프로세스 가스 조성물 화학적 성질을 사용하는 종래의 플라즈마 프로세싱 프로세싱 방법들에서, 플라즈마 내 라디칼 밀도를 변화시키는 것이 가능하지 않고, 또한 플라즈마 내 이온 밀도를 변화시키지 않고, 그 반대도 된다. 그리고, 플라즈마 프로세싱 동작들 동안 상이한 프로세스 가스 조성물들 사이에서 변화시키는 것은 시간이 걸리고 전체 제조 쓰루풋에 부정적으로 영향을 줄 수 있다. 따라서, 종래의 플라즈마 프로세싱 방법들에 인가된 다양한 타입들의 에칭 플로파일 제어는 플라즈마 내 라디칼 밀도 및 플라즈마 내 이온 밀도에 대해 혼합된/집합적 효과를 산출한다. 전술한 바를 감안하여, 종래의 플라즈마 프로세싱 방법들은 종종 에칭 프로파일, 마스크 선택도, 및 전체 제조 쓰루풋 간 일부 타입의 트레이드-오프를 포함한다는 것이 이해된다.
본 명세서에 개시된 방법들 및 시스템들은 기판의 플라즈마 프로세싱 동안 라디칼 밀도, 이온 밀도, 및 이온 에너지의 효과적인 독립적 제어를 제공한다. 본 명세서에 개시된 방법들은 플라즈마 내 이온들의 평균-수명과 플라즈마 내 라디칼들의 평균-수명 간 차이를 활용한다. 1차 플라즈마 전력이 감소될 때, 플라즈마 내 이온 밀도는 플라즈마 내 라디칼 밀도보다 훨씬 보다 고속으로, 예를 들어 몇 자릿수 보다 고속으로 하강할 것이다. 예를 들어, 적절한 사이클 주파수로 순환적 방식으로 1차 플라즈마 전력이 상승하고 하강하는 펄싱된 플라즈마에서, 펄스 사이클이 보다 높은 1차 플라즈마 전력 레벨의 고속 펄스부 및 이어지는 보다 낮은 1차 플라즈마 전력 레벨의 펄스부를 포함하면, 플라즈마 내 이온 밀도는 1차 플라즈마 전력 내 변화를 따르도록 보다 낮은 레벨로 신속하게 감퇴할 것이지만, 플라즈마 내 라디칼 밀도는 느리게 감퇴할 것이고, 1차 플라즈마 전력이 다음 사이클에서 다시 하이가 되기 전에 1차 플라즈마 전력의 변화를 따르기에 충분한 시간을 갖지 않을 것이다.
본 명세서에 개시된 방법들에서, 1차 플라즈마 전력은 듀얼-레벨 방식으로 펄싱/사이클링되고, 즉, 보다 높은 1차 플라즈마 전력과 보다 낮은 1차 플라즈마 전력 사이에서 펄싱/사이클링된다. 이러한 방식으로, 플라즈마 내 라디칼 밀도는 시간-평균된 1차 플라즈마 전력에 의해 설정된다. 또한, 본 명세서에 개시된 방법들에서, 기판 레벨로 인가된 바이어스 전압은 1차 플라즈마 전력의 듀얼-레벨 펄싱/사이클링과 역 동기 관계의 듀얼-레벨 방식으로 펄싱/사이클링된다. 이러한 방식으로, 바이어스 전압이 기판 레벨로 온/인가될 때, 기판 레벨의 플라즈마 내 이온 밀도는 인가된 1차 플라즈마 전력에 의해 제어되고, 이온 에너지는 기판 레벨로 인가된 바이어스 전압의 레벨에 의해 제어된다. 바이어스 전압이 오프될 때 이온 에너지가 0에 가까워지고 이온 밀도가 라디칼 밀도보다 몇 자릿수 작기 때문에, 바이어스 전압이 오프될 때 이온 밀도는 에칭 결과들에 대하여 크지 않다. 따라서, 바이어스 전압이 인가되지 않으면, 플라즈마 거동은 라디칼 밀도에 의해 좌우된다. 바이어스 전압이 온/인가될 때, 이온 효과들이 드러나고, 바이어스 전압이 오프될 때 드러나지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 이온 밀도는 바이어스 전압이 온/인가될 때 존재하는 1차 플라즈마 전력 레벨에 의해 제어되는 한편, 라디칼 밀도는 시간-평균된 1차 플라즈마 전력에 의해 제어된다. 따라서, 1차 플라즈마 전력에 대해 역 동기된 방식으로 바이어스 전압의 적절한 펄싱/사이클링과 함께 1차 플라즈마 전력의 적절한 펄싱/사이클로, 플라즈마 프로세스시 라디칼 밀도, 이온 밀도, 및 이온 에너지의 사실상 독립적인 제어를 얻는 것이 가능하다.
도 2a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 상승된 이온 밀도 및 감소된 라디칼 밀도를 갖도록 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법의 플로우차트를 도시한다. 방법은 프로세스 모듈 (100) 내 기판 홀더 (102) 상에 기판 (101) 을 배치하기 위한 동작 201을 포함한다. 방법은 또한 기판 (101) 위에 놓인 플라즈마 생성 영역 (104A) 에 프로세스 가스 조성물을 공급하기 위한 동작 203을 포함한다. 방법은 또한, 제 1 시간 기간 동안, 기판 (101) 에 노출하는 플라즈마 (104) 를 생성하도록 플라즈마 생성 영역 (104A) 내 프로세스 가스 조성물에 제 1 RF 전력이 인가되는 동작 205를 포함한다. 동작 205의 제 1 RF 전력은 고 RF 전력 레벨에 대응한다. 또한, 동작 205 동안, 바이어스 전압은 저 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 1 바이어스 전압 설정으로 기판 홀더 (102) 에 인가된다.
일부 실시예들에서, 고 RF 전력 레벨에 대응하는 제 1 RF 전력은 동작 205에서 인가될 때 약 500 W 내지 약 6000 W로 확장하는 범위 내이다. 일부 실시예들에서, 고 RF 전력 레벨에 대응하는 제 1 RF 전력은 동작 205에서 인가될 때 약 1000 W 내지 약 4000 W로 확장하는 범위 내이다. 또한, 일부 실시예들에서, 저 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 1 바이어스 전압 설정은 동작 205에서 인가될 때 기판 (101) 상의 재료와 플라즈마 (104) 로부터의 이온들의 상호작용을 통해 기판 (101) 으로부터의 재료의 제거를 위해 요구되는 문턱 전압 이하이다. 보다 구체적으로, 일부 실시예들에서, 저 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 1 바이어스 전압 설정은 동작 205에서 인가될 때 충분히 낮게 설정되어, 기판 (101) 으로부터의 재료의 이온-유도된 스퍼터링을 유발하도록 인가된 바이어스 전압의 영향 하에서 플라즈마 (104) 내 이온들이 기판 (101) 으로 충분한 양의 운동 에너지 전이를 얻을 수 없을 것이다. 일부 실시예들에서, 저 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 1 바이어스 전압 설정은 동작 205에서 인가될 때 0 이상의 양의 전압이다. 일부 실시예들에서, 저 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 1 바이어스 전압 설정은 동작 205에서 인가될 때 0이다.
동작 205로부터, 방법은 동작 205의 제 1 시간 기간의 완료 후, 그리고 동작 205의 제 1 시간 기간보다 긴 제 2 시간 기간 동안, 기판 (101) 에 노출하는 플라즈마 (104) 를 생성하도록 플라즈마 생성 영역 (104A) 내 프로세스 가스 조성물에 제 2 RF 전력이 인가되는 동작 207로 계속된다. 동작 207에서, 제 2 RF 전력은 205 동작에서 인가된 제 1 RF 전력 대신 인가된다는 것이 이해되어야 한다. 동작 207의 제 2 RF 전력은 저 RF 전력 레벨에 대응한다. 또한, 동작 207 동안, 바이어스 전압은 고 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 2 바이어스 전압 설정으로 기판 홀더 (102) 에 인가된다.
일부 실시예들에서, 저 RF 전력 레벨에 대응하는 제 2 RF 전력은 동작 207에서 인가될 때 약 20 W 내지 약 1000 W로 확장하는 범위 내이다. 일부 실시예들에서, 저 RF 전력 레벨에 대응하는 제 2 RF 전력은 동작 207에서 인가될 때 약 100 W 내지 약 600 W로 확장하는 범위 내이다. 또한, 일부 실시예들에서, 고 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 2 바이어스 전압 설정은 동작 207에서 인가될 때 약 5000 V까지 확장하는 범위 내이다. 일부 실시예들에서, 고 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 2 바이어스 전압 설정은 동작 207에서 인가될 때 약 3000 V까지 확장하는 범위 내이다. 일부 실시예들에서, 고 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 2 바이어스 전압 설정은 동작 207에서 인가될 때 약 100 V 내지 약 5000 V로 확장하는 범위 내이다. 일부 실시예들에서, 고 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 2 바이어스 전압 설정은 동작 207에서 인가될 때 약 200 V 내지 약 3000 V로 확장하는 범위 내이다.
동작 207로부터, 방법은 또한 저 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 1 바이어스 전압 설정으로 기판 홀더 (102) 로 바이어스 전압을 인가하는 동안 플라즈마 (104) 를 생성하도록 고 RF 전력 레벨에 대응하는 제 1 RF 전력을 다시 인가하기 위해, 화살표 209로 나타낸 바와 같이 동작 205로 돌아간다. 이러한 방식으로, 동작 205 및 동작 207은 기판 (101) 상에서 목표된 효과를 생성하기 위해 필요한 전체 시간 기간 동안 교번하고 연속적인 방식으로 반복된다. 종료 동작 213으로 지향된 화살표들 211로 나타낸 바와 같이, 방법에 따라 기판 (101) 의 플라즈마 프로세싱은 기판 (101) 상에서 목표된 효과가 달성될 때 임의의 시간에, 동작 205 동안, 또는 동작 205의 종료시, 또는 동작 207 동안, 또는 동작 207의 종료시, 종료될 수 있다.
동작 205 및 동작 207 모두에서 생성된 플라즈마 (104) 는 플라즈마 내 라디칼들의 평균-수명 (104) 이 플라즈마 내 이온들의 평균-수명 (104) 보다 약 3자릿수 크도록 생성된다. 따라서, 동작 207의 제 2 시간 기간의 지속기간보다 짧은 동작 205의 제 1 시간 기간의 지속기간을 가짐으로써, 플라즈마 내 시간-평균된 이온 밀도 (104) 는 플라즈마 내 시간-평균된 라디칼 밀도 (104) 보다 크다. 일부 실시예들에서, 동작 205의 제 1 시간 기간의 지속기간은 약 0.001 ㎳ 내지 약 1 ㎳로 확장하는 범위 내이고, 그리고 동작 207의 제 2 시간 기간의 지속기간은 약 0.009 ㎳ 내지 약 100 ㎳로 확장하는 범위 내이다. 일부 실시예들에서, 동작 205의 제 1 시간 기간의 지속기간과 동작 207의 제 2 시간 기간의 지속기간의 합은 약 0.01 ㎳ 내지 약 100 ㎳로 확장하는 범위 내이다. 일부 실시예들에서, 동작 205의 제 1 시간 기간의 지속기간은 동작 205의 제 1 시간 기간의 지속기간과 동작 207의 제 2 시간 기간의 지속기간의 합의 약 10 ％ 이하이다.
도 2b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 시간에 따라 도 2a의 방법을 입증하기 위한 인가된 1차 플라즈마 전력, 인가된 바이어스 전압, 플라즈마 내 라디칼 밀도 (104), 플라즈마 내 이온 밀도 (104), 및 기판 (101) 상에 입사하는 이온 에너지의 예시적인 동기화된 플롯들을 도시한다. 1차 플라즈마 전력의 플롯은 도 2a에 대해 기술된 바와 같이 교번하고 연속적인 방식으로 동작 205 및 동작 207을 수행함에 따라 RF 전력이 플라즈마 (104) 를 생성하도록 인가되는 방법을 도시한다. 동작 205의 수행은 프로세스 상태 A에 대응한다. 그리고, 동작 207의 수행은 프로세스 상태 B에 대응한다. 도 2b는 프로세스 상태 A (동작 205) 에서, 1차 플라즈마 전력이 고 RF 전력 레벨로 인가되는 한편, 바이어스 전압은 저/0 바이어스 전압 레벨로 인가되는 것을 도시한다. 또한, 프로세스 상태 B (동작 207) 에서, 1차 플라즈마 전력은 저 RF 전력 레벨로 인가되는 한편, 바이어스 전압은 고 바이어스 전압 레벨로 인가된다.
기판 (101) 상의 변화에 영향을 주기 위해 충분한 에너지를 얻기 위해 플라즈마 (104) 내 이온들은 바이어스 전압이 하이/온이어야 하기 때문에, 플라즈마 (104) 의 유효 이온 밀도는 프로세스 상태 B (동작 207) 에서 소비된 시간에 직접적으로 상관된다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 프로세스 상태 A (동작 205) 의 지속기간은 프로세스 상태 B (동작 207) 의 지속기간보다 짧다. 따라서, 시간-평균에 기초하여, 프로세스 상태 A (동작 205) 에서 바이어스 전압이 로우/오프인 것보다 길게 프로세스 상태 B (동작 207) 에서 바이어스 전압은 하이/온이다. 그리고, 결과적으로, 도 2a의 방법에서 기판 (101) 상에서 이온-유도된 반응들을 유발하기 위해 플라즈마 내 유효 이온 밀도 (104) 는 상승된다.
부가적으로, 플라즈마 (104) 내 라디칼 생성이 인가된 1차 플라즈마 전력과 직접적으로 상관되기 때문에, 그리고 플라즈마 (104) 내 라디칼들의 평균-수명이 플라즈마 (104) 내 이온들의 평균-수명보다 약 3자릿수 크기 때문에, 프로세스 상태 A (205) 에 대해 보다 긴 프로세스 상태 B (동작 207) 의 지속기간은 지속적이고 안정한 방식으로 플라즈마 내 보다 낮은 시간-평균된 라디칼 밀도 (104) 의 생성을 제공한다. 따라서, 시간-평균 관점으로부터, 도 2b의 플롯들로 예시된 바와 같은 도 2a의 방법은 상승된 이온 밀도 및 감소된 라디칼 밀도를 갖도록 플라즈마 (104) 제어를 제공한다.
도 3a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 감소된 이온 밀도 및 상승된 라디칼 밀도를 갖도록 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법의 플로우차트를 도시한다. 방법은 프로세스 모듈 (100) 내 기판 홀더 (102) 상에 기판 (101) 을 배치하기 위한 동작 301을 포함한다. 방법은 또한 기판 (101) 위에 놓인 플라즈마 생성 영역 (104A) 에 프로세스 가스 조성물을 공급하기 위한 동작 303을 포함한다. 방법은 또한, 제 1 시간 기간 동안, 기판 (101) 에 노출하는 플라즈마 (104) 를 생성하도록 플라즈마 생성 영역 (104A) 내 프로세스 가스 조성물에 제 1 RF 전력이 인가되는 동작 305를 포함한다. 동작 305의 제 1 RF 전력은 고 RF 전력 레벨에 대응한다. 또한, 동작 305 동안, 바이어스 전압은 저 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 1 바이어스 전압 설정으로 기판 홀더 (102) 에 인가된다.
일부 실시예들에서, 고 RF 전력 레벨에 대응하는 제 1 RF 전력은 동작 305에서 인가될 때 약 500 W 내지 약 6000 W로 확장하는 범위 내이다. 일부 실시예들에서, 고 RF 전력 레벨에 대응하는 제 1 RF 전력은 동작 305에서 인가될 때 약 1000 W 내지 약 4000 W로 확장하는 범위 내이다. 또한, 일부 실시예들에서, 저 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 1 바이어스 전압 설정은 동작 305에서 인가될 때 기판 (101) 상의 재료와 플라즈마 (104) 로부터의 이온들의 상호작용을 통해 기판 (101) 으로부터의 재료의 제거를 위해 요구되는 문턱 전압 이하이다. 보다 구체적으로, 일부 실시예들에서, 기판 (101) 으로부터의 재료의 이온-유도된 스퍼터링을 유발하기 위해 인가된 바이어스 전압의 영향 하에서 플라즈마 (104) 내 이온들이 기판 (101) 으로 충분한 양의 운동 에너지 전이를 얻을 수 없도록 저 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 1 바이어스 전압 설정은 동작 305에서 인가될 때 충분히 낮게 설정된다. 일부 실시예들에서, 저 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 1 바이어스 전압 설정은 동작 305에서 인가될 때 0 이상의 양의 전압이다. 일부 실시예들에서, 저 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 1 바이어스 전압 설정은 동작 305에서 인가될 때 0이다.
동작 305로부터, 방법은 동작 305의 제 1 시간 기간의 완료 후, 그리고 동작 305의 제 1 시간 기간보다 짧은 제 2 시간 기간 동안, 기판 (101) 에 노출하는 플라즈마 (104) 를 생성하도록 플라즈마 생성 영역 (104A) 내 프로세스 가스 조성물에 제 2 RF 전력이 인가되는 동작 307로 계속된다. 동작 307에서, 제 2 RF 전력은 305 동작에서 인가된 제 1 RF 전력 대신 인가된다는 것이 이해되어야 한다. 동작 307의 제 2 RF 전력은 저 RF 전력 레벨에 대응한다. 또한, 동작 307 동안, 바이어스 전압은 고 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 2 바이어스 전압 설정으로 기판 홀더 (102) 에 인가된다.
일부 실시예들에서, 저 RF 전력 레벨에 대응하는 제 2 RF 전력은 동작 307에서 인가될 때 약 20 W 내지 약 1000 W로 확장하는 범위 내이다. 일부 실시예들에서, 저 RF 전력 레벨에 대응하는 제 2 RF 전력은 동작 307에서 인가될 때 약 100 W 내지 약 600 W로 확장하는 범위 내이다. 또한, 일부 실시예들에서, 고 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 2 바이어스 전압 설정은 동작 307에서 인가될 때 약 5000 V까지 확장하는 범위 내이다. 일부 실시예들에서, 고 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 2 바이어스 전압 설정은 동작 307에서 인가될 때 약 3000 V까지 확장하는 범위 내이다. 일부 실시예들에서, 고 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 2 바이어스 전압 설정은 동작 307에서 인가될 때 약 100 V 내지 약 5000 V로 확장하는 범위 내이다. 일부 실시예들에서, 고 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 2 바이어스 전압 설정은 동작 307에서 인가될 때 약 200 V 내지 약 3000 V로 확장하는 범위 내이다.
동작 307로부터, 방법은 또한 저 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 1 바이어스 전압 설정으로 기판 홀더 (102) 로 바이어스 전압을 인가하는 동안 플라즈마 (104) 를 생성하도록 고 RF 전력 레벨에 대응하는 제 1 RF 전력을 다시 인가하기 위해, 화살표 309로 나타낸 바와 같이 동작 305로 돌아간다. 이러한 방식으로, 동작 305 및 동작 307은 기판 (101) 상에서 목표된 효과를 생성하기 위해 필요한 전체 시간 기간 동안 교번하고 연속적인 방식으로 반복된다. 종료 동작 313으로 지향된 화살표들 311로 나타낸 바와 같이, 방법에 따라 기판 (101) 의 플라즈마 프로세싱은 기판 (101) 상에서 목표된 효과가 달성될 때 임의의 시간에, 동작 305 동안, 또는 동작 305의 종료시, 또는 동작 307 동안, 또는 동작 307의 종료시, 종료될 수 있다.
동작 305 및 동작 307 모두에서 생성된 플라즈마 (104) 는 플라즈마 내 라디칼들의 평균-수명 (104) 이 플라즈마 내 이온들의 평균-수명 (104) 보다 약 3자릿수 크도록 생성된다. 따라서, 동작 307의 제 2 시간 기간의 지속기간보다 긴 동작 305의 제 1 시간 기간의 지속기간을 가짐으로써, 플라즈마 내 시간-평균된 이온 밀도 (104) 는 플라즈마 내 시간-평균된 라디칼 밀도 (104) 보다 크다. 일부 실시예들에서, 동작 305의 제 1 시간 기간의 지속기간은 약 0.009 ㎳ 내지 약 100 ㎳로 확장하는 범위 내이고, 그리고 동작 307의 제 2 시간 기간의 지속기간은 약 0.001 ㎳ 내지 약 1 ㎳로 확장하는 범위 내이다. 일부 실시예들에서, 동작 305의 제 1 시간 기간의 지속기간과 동작 307의 제 2 시간 기간의 지속기간의 합은 약 0.01 ㎳ 내지 약 100 ㎳로 확장하는 범위 내이다. 일부 실시예들에서, 동작 307의 제 2 시간 기간의 지속기간은 동작 305의 제 1 시간 기간의 지속기간과 동작 307의 제 2 시간 기간의 지속기간의 합의 약 10 ％ 이하이다.
도 3b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 시간에 따라 도 3a의 방법을 입증하기 위한 인가된 1차 플라즈마 전력, 인가된 바이어스 전압, 플라즈마 내 라디칼 밀도 (104), 플라즈마 내 이온 밀도 (104), 및 기판 (101) 상에 입사하는 이온 에너지의 예시적인 동기화된 플롯들을 도시한다. 1차 플라즈마 전력의 플롯은 도 3a에 대해 기술된 바와 같이 교번하고 연속적인 방식으로 동작 305 및 동작 307을 수행함에 따라 RF 전력이 플라즈마 (104) 를 생성하도록 인가되는 방법을 도시한다. 동작 305의 수행은 프로세스 상태 C에 대응한다. 그리고, 동작 307의 수행은 프로세스 상태 D에 대응한다. 도 3b는 프로세스 상태 C (동작 305) 에서, 1차 플라즈마 전력이 고 RF 전력 레벨로 인가되는 한편, 바이어스 전압은 저/0 바이어스 전압 레벨로 인가되는 것을 도시한다. 또한, 프로세스 상태 D (동작 307) 에서, 1차 플라즈마 전력은 저 RF 전력 레벨로 인가되는 한편, 바이어스 전압은 고 바이어스 전압 레벨로 인가된다.
기판 (101) 상의 변화에 영향을 주기 위해 충분한 에너지를 얻기 위해 플라즈마 (104) 내 이온들은 바이어스 전압이 하이/온이어야 하기 때문에, 플라즈마 (104) 의 유효 이온 밀도는 프로세스 상태 D (동작 307) 에서 소비된 시간에 직접적으로 상관된다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 프로세스 상태 D (동작 307) 의 지속기간은 프로세스 상태 C (동작 305) 의 지속기간보다 짧다. 따라서, 시간-평균에 기초하여, 프로세스 상태 C (동작 305) 에서 바이어스 전압이 로우/오프인 것보다 짧게 프로세스 상태 D (동작 307) 에서 바이어스 전압은 하이/온이다. 그리고, 결과적으로, 도 3a의 방법에서 기판 (101) 상에서 이온-유도된 반응들을 유발하기 위해 플라즈마 내 유효 이온 밀도 (104) 는 감소된다.
부가적으로, 플라즈마 (104) 내 라디칼 생성이 인가된 1차 플라즈마 전력과 직접적으로 상관되기 때문에, 그리고 플라즈마 (104) 내 라디칼들의 평균-수명이 플라즈마 (104) 내 이온들의 평균-수명보다 약 3자릿수 크기 때문에, 프로세스 상태 D (307) 에 대해 보다 긴 프로세스 상태 C (동작 305) 의 지속기간은 지속적이고 안정한 방식으로 플라즈마 내 보다 높은 시간-평균된 라디칼 밀도 (104) 의 생성을 제공한다. 따라서, 시간-평균 관점으로부터, 도 3b의 플롯들로 예시된 바와 같은 도 3a의 방법은 감소된 이온 밀도 및 상승된 라디칼 밀도를 갖도록 플라즈마 (104) 제어를 제공한다.
도 2a 및 도 3a의 방법들에 대해 상기 논의된 바와 같이, 1차 플라즈마 전력 및 바이어스 전압 양자는 동일한 주파수로 역 동기화된 방식으로 펄싱/사이클링된다. 1차 플라즈마 전력 (즉, 플라즈마를 생성하도록 인가된 RF 전력) 은 플라즈마 내 라디칼 밀도 및 플라즈마 내 이온 밀도가 커플링됨에 따라, 플라즈마 내 라디칼 밀도 및 플라즈마 내 이온 밀도 양자를 규정하고, 이온 밀도의 유효성이 바이어스 전압이 인가되고/하이/온일 때 본질적으로 제한되도록, 인가된 바이어스 전압은 이온 에너지를 제어한다. 1차 플라즈마 전력의 단일 펄스/사이클은 1차 플라즈마 전력이 하이/온일 때 (각각 도 2a 및 도 3a의 방법들의 동작 205 및 동작 305) 제 1 시간 기간과 1차 플라즈마 전력이 로우/오프일 때 (각각 도 2a 및 도 3a의 방법들의 동작 207 및 동작 307) 제 2 시간 기간의 조합에 대응한다. 일부 실시예들에서, 1차 플라즈마 전력은 100 ㎑까지의 사이클 주파수로 펄싱/사이클링된다. 일부 실시예들에서, 1차 플라즈마 전력은 약 0.1 ㎑ 내지 약 10 ㎑로 확장하는 범위 내 사이클 주파수로 펄싱/사이클링된다. 1차 플라즈마 전력의 펄스/사이클 주파수 및 펄싱된 1차 플라즈마 전력의 미리 결정된 펄스/사이클의 로우 1차 플라즈마 전력에 대한 하이 1차 플라즈마 전력의 지속기간은 유효 플라즈마 내 이온 밀도에 대한 플라즈마 내 라디칼 밀도의 목표된 비를 얻도록 제어된다.
보다 높은 1차 플라즈마 전력이 펄싱된 1차 플라즈마 전력의 미리 결정된 펄스/사이클로 인가될 때, 라디칼 밀도는 하이이고 이온 밀도는 하이이지만, 바이어스 전압의 결여로 인해 이온 에너지는 본질적으로 0이다. 보다 낮은 1차 플라즈마 전력이 펄싱된 1차 플라즈마 전력의 미리 결정된 펄스/사이클로 인가될 때, 라디칼 밀도는 로우이고 이온 밀도는 로우이고, 이온 에너지는 인가된 바이어스 전압에 대응하는 양의 레벨을 갖는다. 펄싱된 1차 플라즈마 전력의 펄스/사이클이 동작 범위, 예를 들어, 약 0.1 ㎑ 내지 약 10 ㎑로 상승될 때, 플라즈마 내 이온들의 평균-수명 (약 수 ㎲) 과 플라즈마 내 라디칼들의 평균-수명 (약 수 초) 간의 차는 플라즈마 내 이온 밀도가 1차 플라즈마 전력의 펄싱/사이클링에 따라 하강하지만, 플라즈마 내 라디칼 밀도는 1차 플라즈마 전력의 펄싱/사이클링을 따를 수 없는 플라즈마 프로세싱 레짐을 제공한다. 이러한 플라즈마 프로세싱 레짐에서, 시간-평균된 라디칼 밀도는, 펄싱된 1차 플라즈마 전력의 펄스/사이클에 따라 시간-평균된 라디칼 밀도에 대한 라디칼 밀도의 상대적으로 작은 변동과 함께, 1차 플라즈마 전력의 펄싱/사이클링 동안 모든 플라즈마 상태들에서 거의 일정할 것이다. 따라서, 시간-평균된 라디칼 밀도는 시간-평균된 1차 플라즈마 전력에 의해 제어된다.
플라즈마 프로세싱 동안 이온들이 필요할 때, 기판 상에서 이온-상호작용들을 유도하기에 충분한 운동 에너지를 이온들이 얻을 수 있는 레벨로 이온 에너지를 상승시키도록 바이어스 전압이 턴온된다. 바이어스 전압이 온일 때, 인가된 1차 플라즈마 전력과 인가된 바이어스 전압의 조합은 유효 플라즈마 내 이온 밀도의 독립적인 제어를 제공하고, 유효 이온 밀도는 기판 상의 재료와의 반응들을 실제로 유도할 수 있는 이온들의 수를 나타낸다. 이러한 방식으로, 펄싱된 플라즈마 전력의 미리 결정된 펄스/사이클이 고 바이어스 전압과 함께 보다 낮은 1차 플라즈마 전력의 보다 짧은 지속기간에 대해 0 바이어스 전압과 함께 보다 높은 1차 플라즈마 전력의 보다 긴 지속기간을 가질 때, 플라즈마 내 유효 이온 밀도는 연속파 1차 플라즈마 전력이 인가된다면 가질 이온 밀도보다 낮다. 대응하여, 펄싱된 플라즈마 전력의 미리 결정된 사이클이 고 바이어스 전압과 함께 보다 낮은 1차 플라즈마 전력의 보다 긴 지속기간에 대해 0 바이어스 전압과 함께 보다 높은 1차 플라즈마 전력의 보다 짧은 지속기간을 가질 때, 플라즈마 내 유효 이온 밀도는 연속파 1차 플라즈마 전력이 인가된다면 가질 이온 밀도보다 높다.
기판의 플라즈마 에칭 동안 라디칼 밀도, 이온 밀도, 및 이온 에너지를 독립적으로 제어하기 위한 본 명세서에 개시된 방법들 및 시스템들은 플라즈마 내 라디칼 밀도 및 플라즈마 내 유효 이온 밀도의 디커플링으로 인해, 무엇보다도, 마스크 재료에 대한 타깃 재료의 에칭 선택도의 개선, 피처 프로파일 제어의 개선, 및 종횡비-의존-에칭 문제들 제어의 개선을 포함하는, 다수의 이점들을 제공한다. 본 명세서에 개시된 방법들에 제공된 바와 같이, 1차 플라즈마 전력과 바이어스 전압의 고 주파수 역 동기화된 펄싱/사이클링을 사용하여, 라디칼 밀도, 이온 밀도 및 이온 에너지가 독립적으로 제어되는 플라즈마 프로세스 윈도우를 획득할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 라디칼 밀도 및 이온 밀도의 디커플링을 위해, 펄싱된 1차 플라즈마 전력의 펄스/사이클 주파수는 미리 결정된 레벨의 라디칼 밀도를 유지하는 동안 이온 밀도 감퇴를 허용하도록 설정된다. 본 명세서에 개시된 방법들에 의해 제공된 라디칼 밀도, 이온 밀도, 및 이온 에너지의 독립적인 제어는 종래의 플라즈마 프로세싱 방법들에 의해 존재하는 피처 프로파일 제어, 에칭 선택도, 및 전체 제조 쓰루풋 간의 트레이드-오프들을 완화하도록 역할을 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 방법들은 기존의 그리고/또는 새로운 프로세스 가스 조성물 화학적 구조들을 활용할 수 있어서, 기존의 프로세스 가스 조성물들을 사용하여 가능한 플라즈마 프로세싱 능력들을 확장하고 새로운 프로세스 가스 조성물들이 사용으로 새로운 플라즈마 프로세싱 능력들의 전개를 제공한다는 것이 이해되어야 한다.
전술한 발명이 이해의 명확성을 목적으로 다소 상세히 기술되었지만, 특정한 변화들 및 수정들이 첨부된 청구항들의 범위 내에서 실시될 수 있다는 것이 자명할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 예시적이고 제한하지 않는 것으로 간주되고, 본 발명은 본 명세서에 제공된 상세들로 제한되지 않지만, 기술된 실시예들의 범위 및 등가물 내에서 수정될 수도 있다.

Claims (20)

  1. 상승된 이온 밀도 및 감소된 라디칼 밀도를 갖도록 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법에 있어서,
    (a) 프로세스 모듈 내 기판 홀더 상에 기판을 배치하는 단계;
    (b) 상기 기판 위에 놓인 플라즈마 생성 영역으로 프로세스 가스 조성물을 공급하는 단계;
    (c) 제 1 시간 기간 동안, 상기 기판에 노출하는 플라즈마를 생성하도록 상기 플라즈마 생성 영역 내 상기 프로세스 가스 조성물에 고 RF 전력 레벨에 대응하는 제 1 RF 전력을 인가하고, 저 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 1 바이어스 전압 설정으로 상기 기판 홀더에 바이어스 전압을 인가하는 단계;
    (d) 상기 제 1 시간 기간의 완료 후, 제 2 시간 기간 동안, 상기 기판에 노출하는 플라즈마를 생성하도록 상기 플라즈마 생성 영역 내 상기 프로세스 가스 조성물에 상기 제 1 RF 전력 대신, 저 RF 전력 레벨에 대응하는 제 2 RF 전력을 인가하고, 고 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 2 바이어스 전압 설정으로 상기 기판 홀더에 바이어스 전압을 인가하는 단계; 및
    (e) 상기 기판 상에서 목표된 효과를 생성하기 위해 필요한 전체 시간 기간 동안 교번하고 연속적인 방식으로 상기 단계 (c) 및 상기 단계 (d) 를 반복하는 단계를 포함하고,
    상기 플라즈마 내 시간-평균된 이온 밀도가 상기 플라즈마 내 시간-평균된 라디칼 밀도보다 크도록, 상기 단계 (c) 의 상기 제 1 시간 기간의 지속기간은 상기 단계 (d) 의 상기 제 2 시간 기간의 지속기간보다 짧은, 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고 RF 전력 레벨에 대응하는 상기 제 1 RF 전력은 약 500 W 내지 약 6000 W로 확장하는 범위 내, 또는 약 1000 W 내지 약 4000 W로 확장하는 범위 내인, 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저 RF 전력 레벨에 대응하는 상기 제 2 RF 전력은 약 20 W 내지 약 1000 W로 확장하는 범위 내, 또는 약 100 W 내지 약 600 W로 확장하는 범위 내인, 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 저 바이어스 전압 레벨에 대응하는 상기 제 1 바이어스 전압 설정은 상기 기판 상의 재료와 상기 플라즈마로부터의 이온들의 상호작용을 통해 상기 기판으로부터 상기 재료의 제거를 위해 요구되는 문턱 전압 이하인, 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 저 바이어스 전압 레벨에 대응하는 상기 제 1 바이어스 전압 설정은 0인, 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 고 바이어스 전압 레벨에 대응하는 상기 제 2 바이어스 전압 설정은 약 5000 V까지 확장하는 범위 내, 또는 약 3000 V까지 확장하는 범위 내, 또는 약 100 V 내지 약 5000 V로 확장하는 범위 내, 또는 약 200 V 내지 약 3000 V로 확장하는 범위 내인, 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (c) 의 상기 제 1 시간 기간의 상기 지속기간은 약 0.001 ㎳ 내지 약 1 ㎳로 확장하는 범위 내이고, 상기 단계 (d) 의 상기 제 2 시간 기간의 상기 지속기간은 약 0.009 ㎳ 내지 약 100 ㎳로 확장하는 범위 내인, 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (c) 의 상기 제 1 시간 기간의 상기 지속기간과 상기 단계 (d) 의 상기 제 2 시간 기간의 상기 지속기간의 합은 약 0.01 ㎳ 내지 약 100 ㎳로 확장하는 범위 내인, 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 단계 (c) 의 상기 제 1 시간 기간의 상기 지속기간은 상기 단계 (c) 의 상기 제 1 시간 기간의 상기 지속기간과 상기 단계 (d) 의 상기 제 2 시간 기간의 상기 지속기간의 상기 합의 약 10 ％ 이하인, 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 내 라디칼들의 평균-수명이 상기 플라즈마 내 이온들의 평균-수명보다 약 3 자릿수 크도록 상기 플라즈마가 생성되는, 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법.
  11. 감소된 이온 밀도 및 상승된 라디칼 밀도를 갖도록 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법에 있어서,
    (a) 프로세스 모듈 내 기판 홀더 상에 기판을 배치하는 단계;
    (b) 상기 기판 위에 놓인 플라즈마 생성 영역으로 프로세스 가스 조성물을 공급하는 단계;
    (c) 제 1 시간 기간 동안, 상기 기판에 노출하는 플라즈마를 생성하도록 상기 플라즈마 생성 영역 내 상기 프로세스 가스 조성물에 고 RF 전력 레벨에 대응하는 제 1 RF 전력을 인가하고, 저 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 1 바이어스 전압 설정으로 상기 기판 홀더에 바이어스 전압을 인가하는 단계;
    (d) 상기 제 1 시간 기간의 완료 후, 제 2 시간 기간 동안, 상기 기판에 노출하는 플라즈마를 생성하도록 상기 플라즈마 생성 영역 내 상기 프로세스 가스 조성물에 상기 제 1 RF 전력 대신, 저 RF 전력 레벨에 대응하는 제 2 RF 전력을 인가하고, 고 바이어스 전압 레벨에 대응하는 제 2 바이어스 전압 설정으로 상기 기판 홀더에 바이어스 전압을 인가하는 단계; 및
    (e) 상기 기판 상에서 목표된 효과를 생성하기 위해 필요한 전체 시간 기간 동안 교번하고 연속적인 방식으로 상기 단계 (c) 및 상기 단계 (d) 를 반복하는 단계를 포함하고,
    상기 플라즈마 내 시간-평균된 이온 밀도가 상기 플라즈마 내 시간-평균된 라디칼 밀도보다 작도록, 상기 단계 (c) 의 상기 제 1 시간 기간의 지속기간은 상기 단계 (d) 의 상기 제 2 시간 기간의 지속기간보다 긴, 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 고 RF 전력 레벨에 대응하는 상기 제 1 RF 전력은 약 500 W 내지 약 6000 W로 확장하는 범위 내, 또는 약 1000 W 내지 약 4000 W로 확장하는 범위 내인, 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 저 RF 전력 레벨에 대응하는 상기 제 2 RF 전력은 약 20 W 내지 약 1000 W로 확장하는 범위 내, 또는 약 100 W 내지 약 600 W로 확장하는 범위 내인, 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 저 바이어스 전압 레벨에 대응하는 상기 제 1 바이어스 전압 설정은 상기 기판 상의 재료와 상기 플라즈마로부터의 이온들의 상호작용을 통해 상기 기판으로부터 상기 재료의 제거를 위해 요구되는 문턱 전압 이하인, 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 저 바이어스 전압 레벨에 대응하는 상기 제 1 바이어스 전압 설정은 0인, 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 고 바이어스 전압 레벨에 대응하는 상기 제 2 바이어스 전압 설정은 약 5000 V까지 확장하는 범위 내, 또는 약 3000 V까지 확장하는 범위 내, 또는 약 100 V 내지 약 5000 V로 확장하는 범위 내, 또는 약 200 V 내지 약 3000 V로 확장하는 범위 내인, 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 단계 (c) 의 상기 제 1 시간 기간의 상기 지속기간은 약 0.009 ㎳ 내지 약 100 ㎳로 확장하는 범위 내이고, 상기 단계 (d) 의 상기 제 2 시간 기간의 상기 지속기간은 약 0.001 ㎳ 내지 약 1 ㎳로 확장하는 범위 내인, 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 단계 (c) 의 상기 제 1 시간 기간의 상기 지속기간과 상기 단계 (d) 의 상기 제 2 시간 기간의 상기 지속기간의 합은 약 0.01 ㎳ 내지 약 100 ㎳로 확장하는 범위 내인, 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 단계 (d) 의 상기 제 2 시간 기간의 상기 지속기간은 상기 단계 (c) 의 상기 제 1 시간 기간의 상기 지속기간과 상기 단계 (d) 의 상기 제 2 시간 기간의 상기 지속기간의 상기 합의 약 10 ％ 이하인, 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법.
  20. 제 11 항에 있어서,
    상기 플라즈마 내 라디칼들의 평균-수명이 상기 플라즈마 내 이온들의 평균-수명보다 약 3 자릿수 크도록 상기 플라즈마가 생성되는, 반도체 제조 프로세스에서 플라즈마를 제어하는 방법.
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