KR20190019205A - 다중 구역 전극 어레이에서의 rf 전력 분배 방법 - Google Patents

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Abstract

다중 구역 전극 어레이에서의 RF 전력 분배를 위한 시스템들 및 방법들의 실시예들이 설명된다. 본 발명의 시스템은 플라즈마 장을 생성하도록 구성된 플라즈마 소스를 포함할 수 있다. 또한, 시스템은 플라즈마 소스에 결합되고 RF 전력을 플라즈마 소스에 공급하도록 구성된 RF 전원을 포함할 수 있다. 본 발명의 시스템은 또한 RF 전원에 결합되고 플라즈마 소스에 의해 생성된 플라즈마 장의 균일성을 향상시키기 위해 상기 플라즈마 소스에 공급되는 RF 전원의 변조를 제어하도록 구성된 소스 제어기를 포함할 수 있다.

Description

다중 구역 전극 어레이에서의 RF 전력 분배 방법
관련 출원들에 대한 교차-참조
본 출원은 2016년 7월 14일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제 62/362,248 호의 우선권을 주장하는 출원으로서, 그 전체 내용이 본 명세서에 참고로 인용된다.
본 출원은 다중 구역 전극 어레이에서의 RF 전력 분배 방법에 대한 것이다.
본 발명은 기판 처리를 위한 시스템들 및 방법들, 보다 구체적으로 다중 구역 전극 어레이에서의 무선 주파수(Radio Frequency, RF) 전력 분배를 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
플라즈마 소스들은 건식 플라즈마 에칭 공정과 같은 다양한 반도체 디바이스 제조 공정에 사용된다. 플라즈마 에칭 공정은 반도체 기판 상에 패터닝된 비아들(vias) 또는 접촉 홀들(contact holes) 내 또는 미세 라인들(fine lines)을 따라 재료를 제거 또는 에칭하는데 사용된다. 플라즈마 에칭 공정은 일반적으로 오버레잉 패턴화된 보호 층, 예를 들어 포토레지스트 층을 갖는 반도체 기판을 처리 챔버 내부에 위치시키는 단계를 포함한다.
일단 기판이 챔버 내에 위치되면, 처리 압력을 달성하도록 진공 펌프를 조정하면서, 이온화 가능한 해리성 가스 혼합물을 소정의 유속으로 챔버 내부로 도입함으로써 에칭된다. 그런 다음, 가스 종의 일부가 에너지 전자와의 충돌에 의해 이온화될 때 플라즈마가 형성된다. 가열된 전자는 가스 혼합물 내의 가스 종의 일부를 해리시켜 노출된 표면 에칭 화학에 적합한 반응 종을 생성한다. 일단 플라즈마가 형성되면, 기판의 임의의 노출된 표면들은 플라즈마 밀도, 평균 전자 에너지, 및 다른 인자들의 함수로서 변화하는 비율로 플라즈마에 의해 에칭된다.
종래에, 전술한 바와 같이 반도체 디바이스 제조 중에 기판의 처리를 위해 가스를 플라즈마 내부로 여기하기 위한 다양한 기술들이 구현되고 있다. 특히, 플라즈마 여기(plasma excitation)를 위해 "평행 판(parallel plate)" 용량 결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma, CCP) 처리 시스템들, 또는 유도 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP) 처리 시스템들이 일반적으로 사용되고 있다.
펄싱된 무선 주파수(RF) 플라즈마들은 일반적으로 다양한 처리 응용 분야에 사용된다. 일반적으로 용량 결합 플라즈마(CCP) 플라즈마 툴들에는 서로 다른 RF 주파수로 전력이 공급되는 2 개의 전극들을 갖는다. 고주파수 소스는 플라즈마 소스의 이온 플럭스를 제어하고, 저주파수 소스는 이온 에너지를 제어한다.
목표 피처 크기에 대한 설계 요구 사항이 감소함에 따라, 특히 10 nm 기술 노드를 넘어 서면 에칭 공정 균일성 요구 사항들이 급격하게 증가한다. 종래의 용량 결합 플라즈마(CCP) 처리 시스템들은 이온 에너지 및 이온 플럭스를 포함하여 플라즈마 밀도의 변화 때문에 이러한 균일성 요구 사항들을 충족시킬 수 없다.
다중 구역 전극 어레이에서 RF 전력 분배를 위한 시스템들 및 방법들의 실시예들이 설명된다. 시스템은 플라즈마 장(plasma field)을 생성하도록 구성된 플라즈마 소스를 포함할 수 있다. 또한, 시스템은 플라즈마 소스에 결합되고 RF 전력을 플라즈마 소스에 공급하도록 구성된 RF 전원을 포함할 수 있다. 시스템은 또한 RF 전원에 결합되고 플라즈마 소스에 의해 생성된 플라즈마 장의 균일성을 향상시키기 위해 플라즈마 소스에 공급되는 RF 전력의 변조를 제어하도록 구성된 소스 제어기를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 방법은 복수의 소스 전극들을 갖는 제1 전극 어셈블리 및 복수의 링 형상 소스 전극들을 갖는 제2 전극 어셈블리를 갖는 플라즈마 장을 생성하도록 구성된 플라즈마 소스를 제공하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 제1 전극 어셈블리에 고주파수(HF) 무선 주파수(RF) 전력을 공급하고 RF 전원을 이용하여 제2 전극 어셈블리에 저주파수(LF) RF 전력을 공급하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 본 방법은 제1 전극 어셈블리에 결합된 제1 멀티플렉서와 독립적으로 제1 전극 어셈블리 내의 복수의 소스 전극들의 각각에 RF 전력을 선택적으로 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 본 방법은 제2 전극 어셈블리에 결합된 제2 멀티플렉서와 독립적으로 제2 전극 어셈블리 내의 복수의 소스 전극들의 각각에 RF 전력을 선택적으로 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은 또한 제1 멀티플렉서 및 제2 멀티플렉서에 결합된 소스 제어기로 플라즈마 소스에 의해 생성된 플라즈마 장의 균일성을 향상시키기 위해 플라즈마 소스에 공급되는 RF 전력의 변조를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 명세서에 통합되어 그 일부를 구성하는 첨부 도면들은 본 발명의 실시예들을 도시하고, 전술한 본 발명의 일반적인 설명 및 이하의 상세한 설명과 함께 본 발명을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 플라즈마 처리 시스템의 일 실시예를 나타내는 개략적인 블록도이다.
도 2는 다중 구역 전극 어레이에서 RF 전력 분배를 위한 시스템의 일 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 3은 다중 구역 전극 어레이에서 RF 전력 분배를 위한 장치의 일 실시예를 도시하는 개략적인 블록도이다.
도 4는 다중 구역 전극 어레이에서 RF 전력 분배를 위한 장치의 일 실시예를 도시하는 개략적인 블록도이다.
도 5는 다중 구역 전극 어레이에서 RF 전력 분배를 위한 공정의 일 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 6은 다중 구역 전극 어레이에서 RF 전력 분배를 위한 방법의 일 실시예를 나타낸 흐름도이다.
다중 구역 전극 어레이에서 RF 전력 분배를 위한 방법들 및 시스템들이 제시된다. 그러나, 관련 기술 분야의 당업자는 다양한 실시예들이 하나 이상의 특정 세부 사항들이 없이, 또는 다른 대체 및/또는 추가의 방법들, 재료들, 또는 구성 요소들이 없이 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 다른 예들에서, 잘 알려진 구조물들, 재료들, 또는 동작들은 본 발명의 다양한 실시예들의 애매한 양태들을 피하기 위해 상세히 도시되거나 기술되지 않는다.
유사하게, 설명의 목적상, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 특정 번호들, 재료들, 및 구성들이 설명된다. 그럼에도 불구하고, 본 발명은 특정 세부 사항들이 없이 실시될 수 있다. 또한, 도면들에 도시된 다양한 실시예들은 예시적인 표시이며, 반드시 일정한 축척대로 그려진 것은 아님을 이해해야 한다. 도면들을 참조할 때, 전체적으로 동일한 참조 번호들은 동일한 부분들을 지칭한다.
본 명세서 전체에 걸쳐 "일 실시예" 또는 "실시예" 또는 그 변형은 본 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조물, 재료, 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되지만, 그것들이 모든 실시예에 존재함을 나타내지는 않는다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 곳에서 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"와 같은 문구가 반드시 본 발명의 동일한 실시예를 나타내는 것은 아니다. 또한, 특정 피처들, 구조물들, 재료들, 또는 특성들은 하나 이상의 실시예들에서 임의의 적합한 방식으로 결합될 수 있다. 다양한 추가의 층들 및/또는 구조물들이 포함될 수 있고/있거나 설명된 피처들은 다른 실시예들에서 생략될 수 있다.
또한, "하나의(a 또는 an)"는 달리 명시하지 않는 한 "하나 이상"을 의미할 수 있다.
다양한 동작들은 본 발명을 이해하는데 가장 도움이 되는 방식으로 차례로 다수의 이산 동작으로 기술될 것이다. 그러나, 설명의 순서는 이러한 동작들이 반드시 순서에 따라 다름을 의미하는 것으로 해석되어서는 안된다. 특히, 이러한 동작들은 표시 순서대로 수행될 필요가 없다. 기술된 동작들은 설명된 실시예와 상이한 순서로 수행될 수 있다. 다양한 추가의 동작들이 수행될 수 있고 및/또는 설명된 동작들은 추가적인 실시예들에서 생략될 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "기판"이라는 용어는 재료들이 형성되는 베이스 재료 또는 구성을 의미하고 포함한다. 기판은 단일 재료, 상이한 재료들의 복수의 층들, 상이한 재료들 또는 상이한 구조물들의 영역들을 갖는 층 또는 층들 등을 포함할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이들 재료들은 반도체들, 절연체들, 전도체들, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판은 반도체 기판, 지지 구조물 상의 베이스 반도체 층, 그 위에 형성된 하나 이상의 층들, 구조물들 또는 영역들을 갖는 금속 전극 또는 반도체 기판일 수 있다. 기판은 종래의 실리콘 기판 또는 반도전성 재료의 층을 포함하는 다른 벌크 기판일 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "벌크 기판"이라는 용어는 실리콘 웨이퍼들 뿐만 아니라, 실리콘 온 사파이어("SOS") 기판 및 실리콘 온 유리("SOG") 기판, 베이스 반도체 기초 상의 에피택셜 층들과 같은 SOI(silicon-on-insulator) 기판, 및 실리콘 게르마늄, 게르마늄, 갈륨 비소, 갈륨 질화물, 및 인듐 인화물과 같은 다른 반도체 또는 광전자 재료들을 포함할 수 있다. 기판은 도핑되거나 도핑되지 않을 수 있다.
도면들을 참조하면, 동일한 참조 번호들은 여러 도면에서 동일하거나 대응하는 부분들을 나타낸다.
도 1은 에칭 및 후 열처리를 수행하기 위한 시스템(100)의 일 실시예이다. 추가의 실시예에서, 도 2를 참조하여 설명된 바와 같이, 시스템(100)은 다중 구역 전극 어레이에서 RF 전력 분배를 위해 추가로 구성될 수 있다. 처리 챔버(110), 처리될 기판(125)이 부착되는 기판 홀더(120), 및 진공 펌핑 시스템(150)을 포함하는 전술한 식별된 공정 조건들을 수행하도록 구성된 에칭 및 후 열처리 시스템(100)이 도 1에 도시되어 있다. 기판(125)은 반도체 기판, 웨이퍼, 평판 디스플레이, 또는 액정 디스플레이일 수 있다. 처리 챔버(110)는 기판(125)의 표면 부근에서 처리 영역(145)을 에칭하는 것을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 이온화 가능한 가스 또는 공정 가스의 혼합물은 가스 분배 시스템(140)을 통해 도입된다. 공정 가스의 주어진 흐름에 대해, 공정 압력은 진공 펌핑 시스템(150)을 사용하여 조정된다.
기판(125)은 기계적 클램핑 시스템 또는 전기적 클램핑 시스템(예를 들어, 정전 클램핑 시스템)과 같은 클램핑 시스템(도시되지 않음)을 통해 기판 홀더(120)에 부착될 수 있다. 또한, 기판 홀더(120)는 기판 홀더(120) 및 기판(125)의 온도를 조정 및/또는 제어하도록 구성된 가열 시스템(도시되지 않음) 또는 냉각 시스템(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 가열 시스템 또는 냉각 시스템은 기판 홀더(120)로부터 열을 수신하고 냉각시 열 교환기 시스템(도시되지 않음)으로 열을 전달하거나, 가열시 열 교환기 시스템으로부터 기판 홀더(120)로 열을 전달하는 열 전달 유체의 재순환 흐름을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 저항성 가열 소자들, 또는 열 전기 히터들/냉각기들과 같은 가열/냉각 소자들이 기판 홀더(120) 뿐만 아니라 처리 챔버(110)의 챔버 벽 및 처리 시스템(100) 내의 임의의 다른 구성 요소에 포함될 수 있다.
또한, 열 전달 가스는 기판(125)과 기판 홀더(120) 사이의 가스 갭 열 전도도(conductance)를 개선하기 위해 후면 가스 공급 시스템(126)을 통해 기판(125)의 후면으로 전달될 수 있다. 이러한 시스템은 승온 또는 저온에서 기판의 온도 제어가 요구될 때 이용될 수 있다. 예를 들어, 후면 가스 공급 시스템은 2 개의 구역 가스 분배 시스템을 포함할 수 있으며, 헬륨 가스 갭 압력은 기판(125)의 중심과 에지 사이에서 독립적으로 변화될 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 기판 홀더(120)는 RF 전력이 처리 영역(145)에 결합되는 전극(122)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판 홀더(120)는 RF 발생기(130)로부터 선택적인 임피던스 매치 네트워크(132)를 통해 기판 홀더(120)로 RF 전력의 전송을 통해 RF 전압에서 전기적으로 바이어스될 수 있다. RF 전기 바이어스는 전자를 가열하여 플라즈마를 형성하고 유지하는 역할을 할 수 있다. 이 구성에서, 시스템(100)은 반응 이온 에칭(RIE) 반응기로서 동작할 수 있으며, 챔버 및 상부 가스 주입 전극은 접지면으로서 작용한다.
또한, RF 전압에서의 전극(122)의 전기적 바이어스는 펄스형 바이어스 신호 제어기(131)를 사용하여 펄스화될 수 있다. RF 발생기(130)로부터 출력된 RF 전력은 예를 들어, 오프 상태와 온 상태 사이에서 펄싱될 수 있다. 대안적으로, RF 전력은 다중 주파수에서 기판 홀더 전극에 인가된다. 또한, 임피던스 매치 네트워크(132)는 반사된 전력을 감소시킴으로써 플라즈마 처리 챔버(110)에서 플라즈마로의 RF 전력의 전달을 향상시킬 수 있다. 매치 네트워크 토폴로지들(예를 들어, L-타입, π-타입, T-타입 등) 및 자동 제어 방법들은 당업자에게 잘 알려져 있다.
가스 분배 시스템(140)은 공정 가스들의 혼합물을 도입하기 위한 샤워 헤드 설계를 포함할 수 있다. 대안적으로, 가스 분배 시스템(140)은 x가 0보다 큰 수인 공정 가스들의 혼합물을 도입하고 기판(125) 위로 공정 가스들의 혼합물의 분배를 조정하기 위한 다중 구역 샤워 헤드 설계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다중 구역 샤워 헤드 설계는 공정 가스 흐름 또는 조성을 기판(125) 위의 실질적으로 중앙 영역에 대한 공정 가스 흐름 또는 조성의 양에 대해 기판(125) 위의 실질적으로 주변 영역으로 조정하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 가스들은 챔버(110) 내에 매우 균일한 플라즈마를 형성하도록 적절한 조합으로 분배될 수 있다.
진공 펌핑 시스템(150)은 초당 약 8000 리터(및 그 이상)까지의 펌핑 속도가 가능한 터보 분자 진공 펌프(TMP) 및 챔버 압력을 조절하기 위한 게이트 밸브를 포함할 수 있다. 건식 플라즈마 에칭에 이용되는 종래의 플라즈마 처리 장치들에서, 초당 800 내지 3000 리터의 TMP가 사용될 수 있다. TMP는 일반적으로 약 50 mTorr 미만의 저압 처리에 유용한다. 고압 처리(즉, 약 80 mTorr보다 큰)의 경우, 기계식 부스터 펌프(mechanical booster pump) 및 건식 러핑 펌프(dry roughing pump)가 사용될 수 있다. 또한, 챔버 압력을 모니터링하기 위한 장치(도시되지 않음)는 플라즈마 처리 챔버(110)에 결합될 수 있다.
일 실시예에서, 소스 제어기(155)는 플라즈마 처리 시스템(100)으로부터의 출력을 모니터할 뿐만 아니라 플라즈마 처리 시스템(100)으로의 입력을 전달 및 활성화시키기에 충분한 제어 전압을 생성할 수 있는 마이크로프로세서, 메모리, 및 디지털 I/O 포트를 포함할 수 있다. 또한, 소스 제어기(155)는 RF 발생기(130), 펄스형 바이어스 신호 제어기(131), 임피던스 매치 네트워크(132), 가스 분배 시스템(140), 가스 공급원(190), 진공 펌핑 시스템(150) 뿐만 아니라 기판 가열/냉각 시스템(도시되지 않음), 후면 가스 공급 시스템(126), 및/또는 정전기 클램핑 시스템(128)에 결합될 수 있고 정보를 교환할 수 있다. 예를 들어, 메모리에 저장된 프로그램은 기판(125) 상에 플라즈마 에칭 공정 또는 후 열처리 공정과 같은 플라즈마 보조 공정을 수행하기 위해 공정 레시피에 따라 플라즈마 처리 시스템(100)의 전술한 구성 요소들에 대한 입력을 활성화시키는 데 이용될 수 있다.
또한, 처리 시스템(100)은 RF 전력이 RF 소스(172)로부터 선택적인 임피던스 매치 네트워크(174)를 통해 결합될 수 있는 상부 전극(170)을 더 포함할 수 있다. RF 전력을 상부 전극에 인가하기 위한 주파수는 일 실시예에서 약 0.1 MHz 내지 약 200 MHz의 범위일 수 있다. 대안적으로, 본 실시예들은 유도 결합 플라즈마(ICP) 소스들, 용량 결합 플라즈마(CCP) 소스들, GHz 주파수 범위에서 동작하도록 구성된 표면파 플라즈마 소스들, 서브 GHz 내지 GHz 범위에서 동작하도록 구성된 전자 싸이클로트론 공명(ECR) 소스들, 및 기타의 소스들과 관련하여 사용될 수 있다. 또한, 하부 전극에 전력을 인가하기 위한 주파수는 약 0.1 MHz 내지 약 80 MHz의 범위일 수 있다. 또한, 소스 제어기(155)는 상부 전극(170)에 대한 RF 전력의 인가를 제어하기 위해 RF 소스(172) 및 임피던스 매치 네트워크(174)에 결합된다. 상부 전극의 설계 및 구현 예는 당업자에게 잘 알려져 있다. 상부 전극(170) 및 가스 분배 시스템(140)은 도시된 바와 같이 동일한 챔버 어셈블리 내에서 설계될 수 있다. 대안적으로, 상부 전극(170)은 기판(125) 위의 플라즈마에 결합된 RF 전력 분배를 조정하기 위한 다중 구역 전극 설계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상부 전극(170)은 중심 전극과 에지 전극으로 분할될 수 있다.
응용 분야들에 따라, 센서들 또는 계측 장치들과 같은 추가적인 장치들이 처리 챔버(110) 및 소스 제어기(155)에 결합되어 실시간 데이터를 수집하고 이러한 실시간 데이터를 사용하여 증착 공정들, RIE 공정들, 풀 공정들, 프로파일 개질 공정들, 가열 처리 공정들 및/또는 통합 계획의 패턴 전달 공정을 수반하는 2 개 이상의 단계들에서 2 개 이상의 선택된 적분 동작 변수들을 동시에 제어할 수 있다. 또한, 후 열처리의 완료, 패터닝 균일성(균일성), 구조물들의 풀다운(풀다운), 구조물들의 슬리밍(슬리밍), 구조물들의 종횡비(종횡비), 라인폭 거칠기, 기판 처리량, 소유자의 비용 등을 포함하는 통합 목표들을 보장하기 위해 사용될 수 있는 동일한 데이터가 달성된다.
전형적으로 펄스 주파수 및 듀티 비의 변화를 통해 인가된 전력을 변조함으로써, 연속파(CW)에서 생성된 것과 현저하게 상이한 플라즈마 특성들을 얻을 수 있다. 결과적으로, 전극들의 RF 전력 변조는 시간 평균된 이온 플럭스 및 이온 에너지에 대한 제어를 제공할 수 있다.
도 2는 다중 구역 전극 어레이에서 RF 전력 분배를 위한 시스템(200)의 일 실시예를 도시하는 개략도이다. 일 실시예에서, 시스템(200)은 소스 제어기(155), 고주파수 RF 소스(172), 및 저주파수 RF 소스(135)를 포함한다. 일 실시예에서, 저주파수 RF 소스(135)는 1 MHz와 50 MHz 사이의 주파수에서 RF 전력을 공급할 수 있고, 고주파수 RF 소스(172)는 1 MHz와 200 MHz 사이의 주파수에서 RF 전력을 공급할 수 있다. 또한, 시스템(200)은 고주파수 RF 소스(172)에 결합된 제1 멀티플렉서(202) 및 저주파 RF 소스(135)에 결합된 제2 멀티플렉서(204)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 고주파수 RF 소스(172) 및 저주파수 RF 소스(135)는 각각 제1 전극 어셈블리(210) 및 제2 전극 어셈블리(212)에 혼합된 주파수들을 제공하도록 구성된 복수의 RF 전원 유닛들을 포함할 수 있다. 추가의 실시예들은 이중 주파수 또는 다중 주파수 RF 발생기들을 포함할 수 있다.
또한, 제1 전극 어셈블리(210)는 제1 멀티플렉서(202)에 결합될 수 있고, 제2 전극 어셈블리(212)는 제2 멀티플렉서(204)에 결합될 수 있다. 유도 결합 플라즈마(ICP) 소스 등과 같은 제1 전극 어셈블리(210)의 다양한 대체 실시예들이 포함될 수 있다. 당업자는 전술한 주파수 범위가 구현 예에 따라 달라질 수 있다는 것을 인식할 것이다.
일 실시예에서, 제1 전극 어셈블리(210) 및 제2 전극 어셈블리(212)의 각각은 여기에 정의된 바와 같이 제1 전극(216a), 제2 전극(216b), 및 제3 전극(216c)을 포함하는 다중 구역 전극 어레이를 지칭하는 플라즈마 소스(216)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 각 전극의 표면적은 실질적으로 동일하고, RF 전력이 접촉 패드들(도시되지 않음) 중 임의의 것에 접속될 때 동일한 플라즈마 임피던스를 유지하도록 설계된다. 당업자는 임의의 수의 전극들이 플라즈마 소스(216)에 포함될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 실제로, 전극들의 크기 및 개수는 플라즈마 소스(216)가 제1 전극 어셈블리(210) 또는 제2 전극 어셈블리(212)에 사용되는지 여부에 따라 달라질 수 있다. 일부 실시예들에서, 1 내지 100 개의 전극들이 있을 수 있다. 도시된 실시예에서, 전극들(216a, 216b, 216c)은 동심원으로 배치된다. 당업자는 패치 전극들, 스트립 전극들 등을 포함하는 다양한 대체 전극 수 및 배치들을 인식할 것이다.
일 실시예에서, 제1 멀티플렉서(202)는 각각의 전극(216a, 216b, 216c)에 하나씩 다수의 RF 스위치들(206a, 206b, 206c)을 포함할 수 있다. 택일적으로, 단일의 다중 포트 RF 스위치가 사용될 수도 있다. 당업자는 예를 들어 단극 이중 스로우 스위치들, 다중 포트 또는 단극 다중 스로우 스위치들, 전송 또는 이중 극 이중 스로우 스위치들 등을 포함하는 본 실시예들에 따라 사용될 수 있는 다양한 RF 스위치들을 인식할 것이다.
일 실시예에서, 소스 제어기(155)는 플라즈마 장(218)의 균일성을 향상시키는 공정에 따라 스위치들(206a, 206b, 206c, 208a, 208b, 208c) 중 적어도 하나의 동작을 위해 제1 멀티플렉서(202) 및 제2 멀티플렉서(204)에 제어 신호들을 제공한다. 특히, 소스 제어기(155)는 도 5와 관련하여 기술된 공정들에 따라 동작할 수 있다. 이러한 실시예에서, 소스 제어기(155)는 플라즈마 장(218)의 다양한 영역들에서 이온 밀도 ne1, ne2, ne3 또는 이온 에너지 Ei1, Ei2, Ei3 중 어느 하나를 향상시키도록 구성된 듀티 사이클에 따라 RF 스위치들을 동작시킬 수 있다.
일 실시예에서, 제1 전극 어셈블리(210)의 전극들(216a, 216b, 216c)과 제2 전극 어셈블리(212)의 전극들(216a, 216b, 216c)이 RF 전하를 직렬로 수신하도록 스위치들(206a, 206b, 206c, 208a, 208b, 208c)의 각각은 직렬로 동작될 수 있다. 다른 실시예에서, 스위치들(206a, 206b, 206c, 208a, 208b, 208c) 중 2 개 이상은 제2 전극 어셈블리(212)의 2 개 이상의 전극들(216a, 216b, 216c)이 RF 전하를 병렬로 수신하도록 병렬로 동작될 수 있다. 실제로, 당업자는 다양한 패턴들이 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 제1 전극 어셈블리(210)의 전극들(216a, 216c)은 제2 전극 어셈블리(212)의 전극(216b) 등과 병렬로 동작될 수 있다. 기판(125) 상에 또는 기판(125) 내에 형성되는 피처들에 따라 개선된 일관성을 달성하거나 다양한 처리 목표에 도달하기 위해 다양한 패턴들이 사용될 수 있다.
도 3은 다중 구역 전극 어레이에서 RF 전력 분배를 위한 장치의 일 실시예를 도시하는 개략적인 블록도이다. 일 실시예에서, 장치는 소스 제어기(155)를 포함한다. 소스 제어기(155)는 프로세서(302)를 포함할 수 있다. 프로세서(302)의 다른 적합한 실시예들은 프로그램 가능한 논리 제어기(PLC), 마이크로프로세서, 프로그램 가능한 게이트 어레이 등을 포함할 수 있다. 실시예에서, 프로세서(302)는 프로세서(302)와 메모리 장치(304) 사이에 데이터 및 프로그램 명령들(318)을 전달하기 위해 버스(306)에 결합될 수 있다. 메모리 장치(304)는 제1 멀티플렉서(202) 및 제2 멀티플렉서(204)를 제어하기 위한 신호들을 생성하는 것을 포함하는 동작들을 수행하기 위한 데이터 저장 섹션(320) 및 프로그램 명령들(318)에 데이터를 저장할 수 있다.
또한, 버스(306)는 원격 네트워크 장치(도시되지 않음)로부터 업데이트된 프로그램 명령들 또는 데이터를 수신하기 위한 네트워크 인터페이스(308)에 결합될 수 있다. 또한, 버스(306)는 도 1에 도시된 바와 같이 제1 멀티플렉서(202), 제2 멀티플렉서(204), 및 RF 전원들 또는 RF 소스들(172, 130)과 인터페이싱하기 위해 I/O 제어기(310)에 결합될 수 있다.
다른 실시예에서, 소스 제어기(155)는 도 4에 도시된 바와 같이 하나 이상의 소프트웨어 정의 모듈들 또는 유닛들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 소스 제어기(155)는 의사 CW 유닛(402), 펄스 유닛(404), 멀티플렉서 인터페이스(406), 주파수 제어 유닛(408), 및 듀티 사이클 제어 유닛(410)을 포함할 수 있다. 당업자는 위상 제어 유닛 등과 같은 소스 제어기(155)에 포함될 수 있는 다양한 대안 또는 추가의 모듈들을 인식할 것이다.
일 실시예에서, 의사 CW 유닛(402)은 1 사이클에서 특정 시간의 기간 동안 각각의 전극에 CW RF 전력을 인가한다. 그러한 실시예에서, 전극 N에 인가되는 시간 평균 전력(PN)은 다음의 수학식 1과 같다:
[수학식 1]
PN =(tN/T) P0,
여기서, P0는 설정(포워드된) RF 전력이고, tN은 사이클 시간 T당 RF "온" 시간이다. 또한, 이러한 실시예에서, 특정 전극(216a, 216b 또는 216c) 근처의 국소 플라즈마 밀도는 다음의 수학식 2와 같이 시간 평균 전력의 함수이다:
[수학식 2]
nN = F(PN) = F(P0tN/T)
그러한 실시예에서, 주어진 에너지에서 이온 충격의 국부적인 듀티는, Ei는 tN/T이다.
일 실시예에서, 펄스 유닛(404)은 하나의 사이클에서 특정 시간의 기간 동안 펄스화된 RF를 각각의 전극(216a, 216b, 216c)에 인가한다. 일 실시예에서, 각각의 전극에 대한 펄스 듀티 및 주파수는 개별적이고 독립적일 수 있다. 이러한 실시예에서, 전극(N)에 인가되는 시간 평균 전력은 다음의 수학식 3과 같다:
[수학식 3]
PN =(tN/T) P0 DN,
여기서 DN은 tN 시간에 걸친 RF 전력 듀티이다. 이러한 실시예에서, 특정 전극들(216a, 216b 또는 216c) 근처의 국부 플라즈마 밀도는 다음의 수학식 4와 같이 시간 평균 전력의 함수이다:
[수학식 4]
nN = F(PNDN) = F(P0DNtN/T).
그러한 실시예에서, 주어진 에너지에서의 이온 충격의 국부적인 듀티는, Ei 는 DNtN/T이다.
실시예에서, 멀티플렉서 인터페이스(406)는 의사 CW 유닛(402), 펄스 유닛(404), 또는 양자 모두에 의해 생성된 명령들에 따라 스위치 제어 신호들을 생성하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 주파수 제어 유닛(408)은 고주파수 RF 소스(172) 또는 저주파수 RF 소스(135) 중 적어도 하나와 인터페이스하여 전극들(216a, 216b, 216c) 중 적어도 하나에 인가된 주파수를 변조할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 임의의 주파수가 1 Hz 내지 10,000 Hz 범위의 주파수들을 포함하는 전극들(216a, 216b, 216c) 중 적어도 하나에 인가될 수 있다.
일 실시예에서, 듀티 사이클 제어 유닛(410)은 전극들(216a, 216b, 216c) 중 적어도 하나에 인가된 RF 전력의 듀티 사이클을 제어할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 듀티 사이클들 또는 유사한 실시예들이 듀티 사이클 제어 유닛(410)에 의해 정의되고 실행될 수 있다.
추가의 실시예에서, RF 소스(172) 및 RF 발생기(130)는 다양한 주파수들에서 RF 전력을 생성하도록 구성될 수 있다. 또한, RF 소스(172) 및 RF 발생기(130)는 다양한 진폭에서 RF 전력을 생성하도록 구성될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 상이한 주파수들의 다중 신호들이 생성되어 혼합 주파수 신호로 결합될 수 있다. 또한, 다양한 신호 파형들이 생성될 수 있다. 생성될 수 있는 파형은 시간에 따라 진폭 및/또는 기간이 다를 수 있다. 주기 변화에는 위상 편차 또는 주파수 편차가 포함될 수 있다. 일 실시예에서, 파형은 신호 진폭이 시간에 대해 가변적인 톱니 파형을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 신호 유형들이 결합될 수 있다. 예를 들어, 제1 주파수의 톱니파 신호는 제2 주파수의 정현파 신호와 결합될 수 있다. 당업자는 RF 소스(172) 및/또는 RF 발생기(130)에 의해 생성될 수 있는 다양한 추가 신호 실시예들을 인식할 수 있다.
도 5는 다중 구역 전극 어레이에서 RF 전력 분배를 위한 공정의 일 실시예를 도시하는 개략도이다. 도 5에 대한 논의에서 언급된 소자들은 이전에 논의된 도면들에 도시된 소자들을 포함할 것이다. 일 실시예에서, 제1 시간(502)에서, 제1 스위치(206a)는 제1 전극 어셈블리(210) 내의 전원(216)의 제1 전극(216a)에 고주파수(HF) 전력을 공급하도록 결합될 수 있다. 인가된 전력의 타이밍 및 지속 시간은 소스 제어기(155)의 듀티 사이클 제어 유닛(410)에 의해 결정될 수 있다.
제2 시간 기간(504)에서, 전력은 제2 지속 기간 동안 제2 전극(216b)에 인가될 수 있다. 제3 시간 기간(506)에서, 전력은 제3 지속 기간 동안 제3 전극(216c)에 인가될 수 있다. 제4 시간 기간(508)에서, 전력은 n 번째 지속 기간 동안 n 번째 전극(도시되지 않음)에 인가될 수 있다. 따라서, 하나의 전력 사이클(T)(510) 내에서 각각의 전극에 듀티가 인가될 수 있으며, 동작 중에는 전력 사이클이 연속적으로 반복될 수 있다. 일 실시예에서, 듀티 사이클은 0.1 ms 내지 10 s 범위이다.
도 6은 다중 구역 전극 어레이에서 RF 전력 분배를 위한 방법(600)의 일 실시예를 나타내는 흐름도이다. 일 실시예에서, 방법(600)은 블록 602에 도시된 바와 같이 동심원으로 배열된 복수의 링 형상 소스 전극들을 갖는 제1 전극 어셈블리 및 동심원으로 배열된 복수의 링 형상 소스 전극들을 갖는 제2 전극 어셈블리를 갖는 플라즈마 장을 생성하도록 구성된 플라즈마 소스를 제공하는 단계를 포함한다. 전술한 바와 같이, 소스 전극들의 배열들의 다른 구성도 또한 사용될 수 있다. 블록 604에서, 방법(600)은 고주파수(HF) 무선 주파수(RF) 전력을 제1 전극 어셈블리에 공급하고 저주파수(LF) RF 전력을 RF 전원으로 제2 전극 어셈블리에 공급하는 단계를 포함한다. 블록 606에서, 방법(600)은 제1 전극 어셈블리에 결합된 제1 멀티플렉서와 독립적으로 제1 전극 어셈블리 내의 복수의 소스 전극들의 각각에 RF 전력을 선택적으로 인가하는 단계를 포함한다. 본 방법(600)은 블록 608에 도시된 바와 같이 제2 전극 어셈블리에 결합된 제2 멀티플렉서와 독립적으로 제2 전극 어셈블리 내의 복수의 소스 전극들의 각각에 RF 전력을 선택적으로 인가하는 단계를 또한 포함할 수 있다. 블록 610에서, 방법(600)은 제1 멀티플렉서 및 제2 멀티플렉서에 결합된 소스 제어기로 플라즈마 소스에 의해 생성된 플라즈마 장의 균일성을 향상시키기 위해 플라즈마 소스에 공급되는 RF 전력의 변조를 제어하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 본 실시예들은 RF 펄스 주파수들 및 패턴들의 다중 조합들을 제공함으로써 공정 유연성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 시간 펄스 패턴들은 보다 크거나 작은 시간 평균 이온 충격 분포가 제공되도록 변화될 수 있다. 사실, 본 명세서에 기술된 다양한 실시예들은 웨이퍼에 대한 시간 평균 이온 충격 분포 제어를 제공한다. 또한, 특별한 플라즈마 밀도 분포 제어가 달성될 수 있다. 예를 들어, 다중 구역 전극 어레이는 강화된 특수 플라즈마 밀도 분포 제어를 제공할 수 있다. 이러한 실시예들은 또한 고주파수에서의 정상파 효과를 보상할 수 있다. 또 다른 이점은 본 실시예들이 이러한 이점들을 달성할 수 있으며, 여전히 대부분의 표준 공정 툴에 이미 포함되어 있는 전극 어셈블리당 단일 RF 소스(172)만을 필요로 한다는 것이다.
설명된 실시예들이 의사 CW 및 RF 펄스화 능력의 다수의 조합들을 제공함으로써 공정 유연성을 향상시킬 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 또한, 설명된 실시예들은 공간 플라즈마 밀도 분포 제어를 향상시킬 수 있다. 기판에 대한 시간 평균 이온 충격 분포 제어 또한 향상될 수 있다. 이러한 실시예들은 고주파수에서의 정상파 효과를 잠재적으로 보상할 수 있다. 또한, 이러한 실시예들은 여전히 대부분의 표준 공정 툴에서 구현되는 바와 같이, 전극 어셈블리당 단일 RF 발생기만을 필요로 한다. 따라서, 하드웨어 수정들 또는 추가의 요구 사항들이 제한될 수 있다.
추가적인 이점들 및 수정들은 당업자에게 쉽게 나타날 것이다. 따라서, 보다 넓은 관점에서 본 발명은 특정 세부 사항, 대표적인 장치 및 방법, 및 도시되고 설명된 예시적인 예시들로 제한되지 않는다. 따라서, 출발은 일반적인 발명 개념의 범위를 벗어나지 않고 그러한 세부 사항으로부터 이루어질 수 있다.

Claims (21)

  1. 플라즈마 처리 시스템에 있어서,
    플라즈마 장(plasma field)을 생성하도록 구성된 플라즈마 소스;
    상기 플라즈마 소스에 결합되고, 상기 플라즈마 소스에 RF 전력을 공급하도록 구성된 무선 주파수(RAdio Frequency; RF) 전원; 및
    상기 RF 전원에 결합되고, 상기 플라즈마 소스에 의해 생성된 플라즈마 장의 균일성을 향상시키기 위해 상기 플라즈마 소스에 공급되는 상기 RF 전력의 변조를 제어하도록 구성된 소스 제어기
    를 포함하는, 플라즈마 처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 소스는 제1 전극 어셈블리 및 제2 전극 어셈블리를 더 포함하는 것인, 플라즈마 처리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극 어셈블리는 복수의 소스 전극들을 포함하는 것인, 플라즈마 처리 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극 어셈블리 내의 소스 전극들의 개수는 1 내지 100의 범위인 것인, 플라즈마 처리 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전극 어셈블리는 제1 멀티플렉서에 결합되는 것인, 플라즈마 처리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 멀티플렉서는 상기 제1 전극 어셈블리 내의 상기 복수의 소스 전극들의 각각에 독립적으로 RF 전력을 선택적으로 인가하기 위한 스위치를 포함하는 것인, 플라즈마 처리 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제2 전극 어셈블리는 복수의 소스 전극들을 포함하는 것인, 플라즈마 처리 시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제2 전극 어셈블리 내의 소스 전극들의 개수는 1 내지 100의 범위인 것인, 플라즈마 처리 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2 전극 어셈블리는 제2 멀티플렉서에 결합되는 것인, 플라즈마 처리 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 멀티플렉서는 상기 제2 전극 어셈블리 내의 상기 복수의 소스 전극들의 각각에 독립적으로 RF 전력을 선택적으로 인가하기 위한 스위치를 포함하는 것인, 플라즈마 처리 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 RF 전원은 고주파수(High Frequency; HF) 전력을 상기 플라즈마 소스에 인가하도록 구성되는 것인, 플라즈마 처리 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 RF 전원은 저주파수(Low Frequency; LF) 전력을 상기 플라즈마 소스에 인가하도록 구성되는 것인, 플라즈마 처리 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 RF 전원은 혼합 주파수 전력을 상기 플라즈마 소스에 인가하도록 구성되는 것인, 플라즈마 처리 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 RF 전원은 비정현파 전력을 상기 플라즈마 소스에 인가하도록 구성되며, 상기 비정현파 전력의 크기 및 주기 중 적어도 하나는 시간에 따라 가변적인 것인, 플라즈마 처리 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 소스 제어기는 특정 시간 기간 내에 상기 전원에 공급되는 RF 전력의 주파수를 변조하도록 구성되며, 공급된 상기 RF 전력의 주파수는 1 헤르츠 내지 200 메가헤르츠의 범위인 것인, 플라즈마 처리 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 소스 제어기는 상기 전원에 공급되는 전력의 듀티 사이클을 변조하도록 구성되고, 상기 변조된 듀티 사이클의 사이클 시간은 0.1 밀리초 내지 10 초의 범위인 것인, 플라즈마 처리 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 소스 제어기는 상기 RF 전원으로 하여금 의사 연속파(Pseudo-Continuous Wave; CW) 전력을 상기 플라즈마 소스에 공급하게 하도록 구성되는 것인, 플라즈마 처리 시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 소스 제어기는 상기 RF 전원으로 하여금 상기 플라즈마 소스에 RF 전력 펄스들을 공급하게 하도록 구성되는 것인, 플라즈마 처리 시스템.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 소스 제어기는 상기 RF 전원으로 하여금 의사 연속파(CW) 전력 및 RF 전력 펄스들의 조합을 상기 플라즈마 소스에 공급하게 하도록 구성되는 것인, 플라즈마 처리 시스템.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 소스는 동심원으로 배열된 복수의 링 형상 소스 전극들 또는 패치(patch) 전극들의 어레이 또는 스트립(strip) 전극들의 어레이를 포함하는 것인, 플라즈마 처리 시스템.
  21. 플라즈마 처리 방법에 있어서,
    복수의 소스 전극들을 갖는 제1 전극 어셈블리 및 복수의 링 형상 소스 전극들을 갖는 제2 전극 어셈블리를 가지며, 플라즈마 장을 생성하도록 구성된 플라즈마 소스를 제공하는 단계;
    상기 제1 전극 어셈블리에 고주파수(HF) 무선 주파수(RF) 전력을 공급하고 RF 전원으로 상기 제2 전극 어셈블리에 저주파수(LF) RF 전력을 공급하는 단계;
    상기 제1 전극 어셈블리에 결합된 제1 멀티플렉서와 독립적으로 상기 제1 전극 어셈블리 내의 복수의 소스 전극들의 각각에 RF 전력을 선택적으로 인가하는 단계;
    상기 제2 전극 어셈블리에 결합된 제2 멀티플렉서와 독립적으로 상기 제2 전극 어셈블리 내의 상기 복수의 소스 전극들의 각각에 RF 전력을 선택적으로 인가하는 단계; 및
    상기 제1 멀티플렉서 및 상기 제2 멀티플렉서에 결합된 소스 제어기로, 상기 플라즈마 소스에 의해 생성된 플라즈마 장의 균일성을 향상시키기 위해, 상기 플라즈마 소스에 공급되는 상기 RF 전력의 변조를 제어하는 단계
    를 포함하는, 플라즈마 처리 방법.
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