KR20210114072A - 하나 이상의 플라즈마를 시간적으로 그리고/또는 공간적으로 변조할 수 있는 기판 프로세싱 툴 - Google Patents

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유키노리 사키야마
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램 리써치 코포레이션
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Abstract

기판을 프로세싱하기 위해 사용된 프로세싱 챔버 내에서 2 개 이상의 플라즈마들의 생성이 시간적으로, 공간적으로, 또는 둘 모두로 변조되는 플라즈마 툴. 2 개의 플라즈마들의 변조는 기판들 상의 DLC (Diamond Like Carbon) 층들의 형성을 위해 사용된다. 일 플라즈마가 비정질 탄소 층을 형성하기 위해 사용되는 한편, 제 2 플라즈마가 이온 충격에 의해 비정질 탄소 층을 DLC로 변환하기 위해 사용된다.

Description

하나 이상의 플라즈마를 시간적으로 그리고/또는 공간적으로 변조할 수 있는 기판 프로세싱 툴
본 발명은 기판 프로세싱 툴에 관한 것이고, 보다 구체적으로, 기판을 프로세싱하기 위해 사용된 프로세싱 챔버 내에서 2 개 이상의 플라즈마들의 생성이 시간적으로 (temporally), 공간적으로 (spatially), 또는 둘 모두로 변조되는 플라즈마 툴에 관한 것이다. 본 발명은 또한 일 플라즈마로 비정질 탄소 층을 형성하고 이어서 다른 플라즈마로 비정질 탄소 층을 이온 충격에 의해 DLC (Diamond Like Carbon) 로 변환하기 위해 시간적으로 그리고/또는 공간적으로 변조된 플라즈마들을 사용하여 기판들 상의 DLC 층들의 형성에 관한 것이다.
PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 툴들은 반도체 웨이퍼들, 평판 디스플레이들 (flat panel displays) 또는 광전지 디바이스들 (photovoltaic devices) 과 같은 다양한 워크피스들 상에 고품질 박막들을 생성하도록 사용된다. PECVD 툴들은 프로세싱 챔버를 포함한다. 워크피스 상에 증착된 막의 타입은 프로세싱 챔버 내로 도입되는 가스들의 화학 물질에 종속된다. 예를 들어, 반도체 산업에서, 예시적인 가스들은 이로 제한되는 것은 아니지만, 폴리실리콘의 증착을 위한 실란 (SiH4) 또는 트리클로로실란 (SiHCl3), 실리콘 다이옥사이드의 증착을 위한 실란 및 산소 (O2), 디클로로실란 (H2SiCl2), 아산화질소 (N2O) 및/또는 테트라에틸오소실리케이트 (tetraethylorthosilicate), 텅스텐의 증착을 위한 텅스텐 헥사플루오라이드 (WF6), 등을 포함한다. 이에 더하여, 물, 알코올, 또는 이들의 조합과 같은 반응 물질 가스(들)도 또한 종종 챔버 내로 도입된다. RF 전위가 인가될 때, 플라즈마가 챔버 내에서 생성된다. 플라즈마 내에서, 플라즈마 내 에너자이징된 (energized) 전자들은 이온화되거나 "열분해 (crack)"되어, 화학적으로 반응성인 라디칼들을 생성한다. 이들 라디칼들이 반응할 때, 이들은 반도체 웨이퍼 상에 박막을 증착하고 형성한다. 다양한 타입들의 PECVD 툴들은 LPCVD (Low Pressure CVD), UHVCVD (Ultra High Vacuum CVD), ALD (Atomic Layer Deposition), PEALD (Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition), 등을 포함한다.
상기 언급된 툴들을 사용하여, 하나 또는 복수의 웨이퍼들이 한 번에 프로세싱될 수도 있다. 주어진 프로세싱 사이클 동안, 하나 이상의 웨이퍼들이 프로세싱 챔버 내로 로딩되고, 가스(들)가 챔버 내로 도입되고, 플라즈마는 증착된 막이 목표된 두께일 때까지 생성되고 유지된다. 일단 증착이 완료되면, 상기 프로세스는 새로운 배치 (batch) 의 웨이퍼(들)을 사용하여 반복된다. 일반적으로, 이러한 PECVD 툴들은 웨이퍼 또는 기판 표면 상의 층의 증착 동안 단일 플라즈마에만 의존한다.
다이아몬드-유사 탄소 또는 "DLC들 (Diamond-Like Carbon)"은 극도의 경도, 내마모성 및 "매끄러움 (slickness)"을 포함하는, 다이아몬드-유사 특성들을 나타내는 비정질 탄소 재료들의 일 부류이다. 가장 일반적인 DLC는 이 부류 중에서 가장 단단하고, 가장 내마모성이며, 가장 매끄러운, 4면체 비정질 탄소 또는 "ta-C"이다. 이들 특성들 때문에, DLC 재료들은 일반적으로 광범위 (wide assortment) 워크피스들 상의 보호 코팅들로서 사용되고, 진공 분위기와 양립 가능한 거의 모든 재료들에 적용될 수 있다.
반도체 웨이퍼들과 같은 기판들 상에 ta-C를 증착하기 위해 다양한 플라즈마-기반 증착 기법들이 사용되었다. 이러한 기법들은 MSIB (Mass Selected Ion Beam), FCVA (Filtered Cathodic Vacuum Arc), PLA (Pulsed Laser Ablation) 및 ECWR (Electron Cyclotron Wave Resonance) 을 포함한다. 이들 플라즈마-기반 기법들 각각은 실험실 설정 시 기판 상에 ta-C를 형성하기 위해 사용될 수 있지만, 반도체 웨이퍼들의 풀 스케일 제조 (full scale fabrication) 에 실용적이지 않다. 예를 들어, MSIB, FCVA 및 PLA에 대한 증착 레이트는 각각이 전체 웨이퍼를 스캔해야 하는 빔-기반 플라즈마 소스에 의존하기 때문에 매우 낮다. 그 결과, 이 증착 레이트는 대규모 산업 규모의 반도체 웨이퍼 제조에는 너무 느리다. ECWR은 전술한 다른 기법들의 낮은 증착 레이트를 어느 정도 극복한다. 그러나, ECWR 툴들은 매우 값이 비싸고, 대규모 산업 규모의 반도체 웨이퍼 제조에 실제로 사용되기에는 너무 많은 비용이 든다. 상기 주지된 바와 같이, 산업 규모의 반도체 웨이퍼 제조를 위해 일반적으로 사용되는 종래의 PECVD 툴들은, 이전에 ta-C 및 다른 DLC 유사 재료들의 증착에 필수적인 단일 에너지 (mono-energetic) 이온들을 생성할 수 없었다.
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2019년 2월 7일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제 62/802,528 호의 우선권의 이익을 주장하고, 이는 모든 목적들을 위해 참조로서 본 명세서에 인용된다.
기판을 프로세싱하기 위해 사용된 프로세싱 챔버 내에서 2 개 이상의 플라즈마들의 생성이 시간적으로 (temporally), 공간적으로 (spatially), 또는 둘 모두로 변조되는 플라즈마 툴. 시간 변조를 사용하여, 2 개의 플라즈마들은 (a) 불연속 (discrete) 비중첩 펄스들 동안 또는 (b) 부분적으로 중첩하는 펄스들의 비중첩 부분들 동안 교번하여 활성화된다. 공간적 변조를 사용하여, 두 플라즈마들은 연속적으로 또는 펄스들의 중첩하는 부분들 동안 동시에 활성화된다.
비배타적인 실시 예들에서, 2 개의 플라즈마들이 기판 상에 광범위 분류의 상이한 재료들을 증착하고 형성하도록 사용된다. 이러한 실시 예들에서, 제 1 플라즈마는 기판의 표면 상에 수집되거나 쏟아지는 (rain down) 원자들을 증착하도록 사용되는 한편, 제 2 플라즈마는 기판의 표면에 충격을 가하는 (bombard) 이온들을 생성하도록 사용된다.
또 다른 비배타적인 실시 예에서, 기판의 표면 상의 표면 전하들은 평형을 유지하기 위해 2 개의 플라즈마들에 의해 제어된다. 기판에 대한 제 2 플라즈마의 전위를 제어하기 위해 애노드를 사용함으로써, 기판에 충격을 가하는 이온들의 에너지는 평형을 유지하도록 제어될 수 있다.
또 다른 실시 예에서, 기판은 제 2 플라즈마에 대해 안정된 접지 경로로서 사용된다.
구체적이지만 비배타적인 실시 예에서, 2 개의 플라즈마들의 변조는 기판들 상의 다이아몬드-유사 탄소 (Diamond-Like Carbon; DLC) 층들의 형성을 위해 사용된다. 일 플라즈마가 비정질 탄소 층을 형성하기 위해 사용되는 한편, 제 2 플라즈마가 이온 충격에 의해 비정질 탄소 층을 DLC로 변환하기 위해 사용된다. DLC 막은 수소화된 비정질 탄소 (a-C:H) 및 수소화된 사면체 비정질 탄소 (ta-C:H) 및 사면체 비정질 탄소 또는 "ta-C"를 포함하는 그룹으로 구성된다.
본 출원, 및 이의 장점들은 첨부된 도면들과 함께 취해진 이하의 기술 (description) 을 참조하여 가장 잘 이해될 수도 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 비배타적인 실시 예에 따라, 시간적으로, 공간적으로, 또는 둘 모두로 프로세싱 챔버 내에서 2 개 이상의 플라즈마들을 생성하고 변조할 수 있는 증착 툴의 도면들이다.
도 1d 및 도 1e는 본 발명의 비배타적인 실시 예에 따른 제 1 플라즈마 소스에서 유래하여 생성된 전자들의 거동을 예시한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 비배타적인 실시 예들에 따른 프로세싱 챔버에서 2 개의 플라즈마들의 변조를 위한 타이밍도들을 예시한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 비배타적인 실시 예에 따른 프로세싱 챔버 내에서 2 개 이상의 플라즈마들을 생성하고 변조할 수 있는 또 다른 증착 툴의 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 비배타적인 실시 예들에 따른 도 3의 증착 툴에 의해 시간적으로 그리고/또는 공간적으로 생성된 2 개의 플라즈마를 변조하기 위한 다양한 실시 예들을 예시하는 도면들이다.
도 5는 본 발명에 따른 증착 툴을 사용하여 형성된 다이아몬드 유사 탄소 마스크를 사용하여 반도체 웨이퍼를 제조하기 위한 플로우차트를 예시하는 도면이다.
도면들에서, 유사한 참조 번호들은 때때로 유사한 구조적 엘리먼트들을 지정하도록 사용된다. 도면들의 도시들은 도식적이고, 반드시 축척대로일 필요는 없다는 것이 또한 인식되어야 한다.
본 출원은 첨부된 도면들에 예시된 바와 같이 이들의 몇몇 비배타적인 실시 예들을 참조하여 이제 상세히 기술될 것이다. 이하의 기술에서, 본 개시의 완전한 이해를 제공하기 위해 수많은 구체적 상세들이 제시된다. 그러나, 본 개시가 이들 구체적인 상세들의 일부 또는 전부 없이 실시될 수도 있다는 것이 당업자들에게 명백할 것이다. 다른 예들에서, 공지된 프로세스 단계들 및/또는 구조체들은 본 개시를 불필요하게 모호하게 하지 않기 위해 상세히 기술되지 않았다.
도 1a를 참조하면, 프로세싱 챔버 (12) 내에서 2 개 이상의 플라즈마들을 생성하고 변조할 수 있는 증착 툴 (10) 의 도면이 예시된다. 이하에 상세히 기술된 바와 같이, 증착 툴 (10) 은 기판들을 프로세싱할 때 시간적으로 (temporally), 공간적으로 (spatially), 또는 둘 모두로 변조될 수도 있는 2 개의 플라즈마들을 생성하는 능력을 갖는다.
증착 툴 (10) 은 챔버 벽들 (14) 에 의해 규정된 프로세싱 챔버 (12), 제 1 플라즈마 (16A) 를 선택적으로 생성하기 위한 제 1 플라즈마 소스 (16), 프로세싱 챔버 (12) 내에서 제 2 플라즈마 (20) 를 선택적으로 활성화하기 위한 RF 소스 (18), 활성화될 때 제 2 플라즈마 (20) 위에 그리고 제 1 플라즈마 소스 (16) 에 인접하게 제공된 메시 (mesh) (22), 프로세싱 챔버 (12) 내에 기판 (26) 을 홀딩하기 위한 기판 홀더 (24), 제 2 플라즈마 (20) 와 기판 (26) 사이에 제공된 중화 배리어 (neutralizing barrier) (28), 애노드 (30), 양방향 전력 공급부 (32), 플라즈마 배기부 (34) 및 제어기 (36) 를 포함한다.
프로세싱 챔버를 규정하는 벽들 (14) 은 전기적으로 비전도성인 재료로 적어도 부분적으로 이루어진다. 다양한 비배타적인 실시 예들에서, 비전도성 재료는 세라믹 (예를 들어, (Al2O3), 석영, 사파이어, 또는 다른 유전체 재료(들)) 일 수 있다. 주어진 증착 툴 (10) 의 측벽들 (14) 에 사용된 정확한 재료는 프로세싱 챔버 (12) 내에서 사용된 화학 물질 또는 화학 물질들과의 호환성을 포함하는, 다수의 인자들에 종속된다. 유전체 벽들 (14) 과 툴 (10) 둘레에 생성되는 무선 주파수 접지 차폐부 사이, 프로세싱 챔버 (12) 의 대기 측면 상에 "에어 갭 (air gap)"을 생성하거나 유지하는 것이 또한 바람직하다. 이러한 "에어 갭"은 프로세싱 챔버 (12) 둘레에 "저 커패시턴스"를 제공한다. 그 결과, VHF 접지-복귀 루프가 프로세싱 챔버 (12) 의 벽들 (14) 을 통하지 않고 기판 (26) 을 통해 제공된다. 상업적인 생산에 사용된 거의 모든 증착 툴 (10) 에 대해, 기판 (26) 은 가장 신뢰할 수 있는 반복 가능한 표면이기 때문에, 기판 (26) 을 통한 VHF 접지 복귀를 강제하는 것은 예측 가능성을 제공하고, 프로세싱 챔버 (12) 의 벽들 (14) 상에 형성되는 부수적인 증착 재료의 정도들을 가변시킴으로써 유발된 변동들을 모두 제거한다.
제 1 플라즈마 소스 (16) 는 기판 (26) 상에 증착될 재료의 제 1 플라즈마 (16A) 를 생성하도록 구성된다. 일 비배타적인 실시 예에서, 제 1 플라즈마 소스 (16) 는 기판 (26) 상에 증착될 재료로 적어도 부분적으로 이루어진 HCD (Hollow Cathode Discharge) 디바이스이다. 예를 들어, 증착될 재료가 탄소 원자들이면, HCD 디바이스는 흑연과 같은 탄소-베어링 (bearing) 재료로 이루어질 수 있다. 또 다른 비배타적인 실시 예에서, 제 1 플라즈마 소스 (16) 는 기판 (26) 상에 증착되지 않고 증착될 재료를 포함하거나 수용하도록 구성되는 재료로 이루어진 HCD 디바이스이다. 예를 들어, HCD 디바이스는 알루미늄 또는 도핑된 실리콘으로 이루어질 수 있지만, 증착될 재료 (예를 들어, 탄소가 증착된다면 흑연 로드들 (rods)) 를 포함하거나 그렇지 않으면 수용하도록 구성된다. 또 다른 비배타적인 실시 예에서, 제 1 플라즈마 소스 (16) 는 기판 (26) 상에 증착될 재료의 원자들 또는 다른 입자들을 스퍼터링하도록 (sputter off) 구성된 마그네트론이다. 다시, 기판 (26) 상에 증착될 재료가 탄소 원자들이면, 제 1 플라즈마 소스 (16) 의 마그네트론 구현 예는 탄소 원자들을 스퍼터링하도록 구성될 것이다. 도시된 특정한 실시 예에서, 제 1 플라즈마 소스 (16) 는 복수의 셀들 또는 챔버들을 규정한다. 셀 또는 챔버 각각 내에서, 제 1 플라즈마 (16A) 의 영역들이 생성된다.
제 1 플라즈마 소스 (16) 에 연결되는 RF 소스 (18) 는 프로세싱 챔버 내에서 제 2 플라즈마 (20) 를 선택적으로 활성화하도록 사용된다. 다양한 실시 예들에서, RF 소스는 100 ㎒, 13 ㎒, 27 ㎒, 또는 프로세싱 챔버 (12) 내에서 제 2 플라즈마 (20) 를 생성하기에 적합한 임의의 다른 RF 주파수이다. 이러한 적합한 주파수들은 일반적으로 저 무선 주파수, 중간 무선 주파수 또는 고 무선 주파수 범위들로 간주되는 범위 내에 속할 수도 있고, 400 ㎑ 내지 5 ㎓의 범위일 수도 있다.
제 2 플라즈마 (20) 는 RF 소스 (18) 가 활성화될 때 프로세싱 챔버 (12) 내에서 생성된다. 비배타적인 실시 예에서, 제 2 플라즈마는 용량 결합 플라즈마 (Capacitive Coupled Plasma; CCP) 이다. 다른 실시 예들에서, 플라즈마는 또한 유도 결합 플라즈마일 수 있다.
메시 (22) 는 제 1 플라즈마 소스 (16) 아래 그리고 제 2 플라즈마 (20) 위에 제공된다. 메시 (22) 는 기판 (26) 과 대면하는 복수의 홀들을 포함한다. 이 구성으로, 메시 (22) 는 제 1 플라즈마 (16A) 에 의해 생성된 원자들 또는 다른 입자들로 하여금 메시의 홀들을 통과하게 한다. 이들 원자들 또는 입자들이 메시 (22) 를 나갈 때, 이들은 상대적으로 저 에너지로 기판 (26) 상에 "쏟아지고 (rain down)" 증착된다. 한편, 이하에 보다 상세히 기술된 바와 같이, 제 2 플라즈마 (20) 가 활성화되고 에너자이징되면 (energized), 특정한 백분율의 원자들 또는 입자들이 이온화되고 기판 (26) 에 충격을 가할 (bombard) 수도 있다.
기판 홀더 (24) 는 프로세싱 챔버 (12) 내에 제공된다. 기판 홀더 (24) 의 목적은 챔버 (12) 내에서 프로세싱 동안 제자리에 기판 (26) 을 홀딩하거나 클램핑하는 것이다. 다양한 실시 예들에서, 기판 홀더 (24) 는 정전 척 힘, 기계적 척, 또는 이들의 임의의 조합으로 기판 (26) 을 홀딩하거나 클램핑할 수도 있다.
예를 들어, 기판 홀더 (24) 가 정전 클램프 (Electrostatic Clamp; ESC) 이면, 기판 (26) 은 용량성으로만 접지되고, DC 접지될 필요는 없다. 기판 (26) 과 콘택트하는 ESC 척의 표면이 통상적으로 절연체 또는 반도체이기 때문에, 기판 (26) 은 일반적으로 전기적으로 "플로팅 (floating)"하는 것으로 간주되고, 기판이 제 1 플라즈마 (16A) 및 제 2 플라즈마 (20) 에 대해 DC-접지가 아니라 용량성으로 접지된다 (또는 액티브로 (actively) 바이어스된다) 는 것을 의미한다.
액티브 바이어스가 사용되는 실시 예들에서, 바이어스는 광범위할 수도 있다. 예로서, 액티브 바이어스는 -1 ㎸ 내지 +1 ㎸의 범위일 수도 있다. 액티브 바이어스 전압들은 +/- 1 ㎸보다 크거나 보다 작은 크기의 범위일 수도 있다는 것을 주의해야 한다.
또 다른 실시 예에서, 기판 홀더 (24) 는 또한 프로세싱 동안 기판 (26) 의 온도를 제어하는 능력을 갖는다. 예를 들어, 기판 증착 동안, 챔버 (12) 내의 온도들은 상승되고 실온 또는 주변 온도로부터 대략 300 ℃까지의 범위일 수도 있다. 이러한 분위기에서, 기판 홀더 (24) 는 통상적으로 100 ℃ 또는 200 ℃ 미만과 같은, 300 ℃보다 낮은 온도로 기판 (26) 을 유지하도록 동작한다. 상기 열거된 온도들은 단지 예시적이고 어떠한 면에서든 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다는 것이 이해되어야 한다. 프로세싱 챔버 (12) 내의 동작 범위는 대략 300 ℃까지 실온 또는 주변 온도보다 높거나 보다 낮을 수도 있고, 따라서, 기판 (26) 은 상기 열거된 온도들보다 높거나 보다 낮은 온도들로 유지될 수도 있다. 이와 같이, 비배타적인 실시 예들에서 기판 홀더 (26) 는 대안적으로 기판의 온도를 20 ℃ 이하 내지 300 ℃ 이상으로 제어하는 능력을 가질 수도 있다.
기판 (26) 과 대면하는 복수의 홀들을 또한 포함하는 중화 배리어 (28) 는 제 2 플라즈마 (20) 와 기판 (26) 사이에 제공된다. 중화 배리어 (28) 는 적어도 2 개의 기능들을 수행한다. 일 기능은 제 2 플라즈마 (20) 와 기판 (26) 사이에 물리적 배리어를 제공하여, 제 2 플라즈마 (20) 가 기판 (26) 과 콘택트하는 것을 실질적으로 방지한다는 것이다. 중화 배리어 (28) 는 또한 특정한 비배타적인 실시 예들에서, 기판 (26) 상의 에너지 플럭스를 감소시키는 것을 돕는 작용을 한다. 이러한 실시 예들에서, 중화 배리어 (28) 는 대전된 입자들을 공급할 수 있는 재료로 이루어진다. 일 극성의 대전된 이온들 또는 다른 입자들은 중화 배리어 (28) 의 홀들을 통과할 때, 중화 배리어 (28) 에 의해 공급된 반대 극성의 대전된 입자들을 끌어당기는 경향이 있다. 이온들 또는 입자들이 중화 배리어 (28) 를 통과할 때, 이온들 또는 입자들의 전하는 기판 (26) 에 충격을 가하기 직전에 중화된다. 따라서 기판 (26) 의 표면 상의 에너지 플럭스는 중화 배리어 (28) 에 의해 적어도 부분적으로 제어되거나 그렇지 않으면 감소될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마에 의해 생성된 입자들이 양으로 대전된 이온들이면, 중화 배리어 (28) 는 바람직하게 흑연과 같은 전자들을 베어링할 수 있는 재료로 이루어진다. 따라서 양으로 대전된 이온들이 기판 (26) 에 충격을 가하기 전에 전자들에 의해 중화될 때.
비배타적인 실시 예에서 링-형상인 애노드 (30) 는 기판 (26) 에 인접하게 또는 기판 주위에, 그리고 프로세싱 챔버 (12) 내 제 2 플라즈마 (20) 의 위치 아래에 제공된다. 애노드 (30) 의 기능은 제 2 플라즈마 (20) 와 기판 (26) 사이에 전압 차가 있도록 양전압을 제 2 플라즈마 (20) 에 선택적으로 인가하는 것이다. 제 2 플라즈마 (20) 의 전압을 제어함으로써, 이온화되는 원자들 또는 입자들의 에너지 레벨은 기판 (26) 에 대해 제어될 수도 있다. 다양한 실시 예들에서, 애노드 (30) 에 의해 제 2 플라즈마 (20) 에 인가된 전압은 프로세스 요건들에 따라 광범위할 수도 있다. 예를 들어, 애노드 (30) 에 인가된 전압은 대략 +30 eV 내지 대략 +1 ㎸의 어느 점으로 조정될 수 있다. 다시, 이 범위는 단지 예시적이고, 애노드 (30) 에 인가된 실제 전압들은 크기가 보다 크거나 보다 작을 수도 있다. 애노드 (30) 가 턴 온되지 않을 때, 이는 접지에 있거나 거의 접지된다.
때때로 "인공 플라즈마 전위 (artificial plasma potential)" 또는 "경계-구동 플라즈마 전위 (boundary-driven plasma potential)"로 지칭되는 제 2 플라즈마 (20) 의 전압은 통상적으로 제공된 애노드 (30) 의 표면적이 충분히 크면 애노드 (30) 에 의해 인가된 전압보다 약간 크다. 예를 들어, 애노드 (30) 의 면적이 충분하고 +100 V가 애노드 (30) 에 의해 인가될 때, 발생되는 인공 플라즈마 전위는 대략 +110 V와 같이 +100 V보다 큰 전위까지 구동된다. 즉, 플라즈마 (20) 의 자연 전위 또는 인공 전위는 제공된 플라즈마와 콘택트하는 애노드 (30) 의 임의의 표면의 가장 높은 전압보다 높고, 상기 표면은 "충분히 크다".
도면들에 도시된 애노드 (30) 가 링-형상이지만, 애노드 (30) 는 매우 다양한 상이한 형상들을 취할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 사용된 형상과 무관하게, 애노드의 표면적은 바람직하게 기판 (26) 에 대해 "충분히 크다". 충분히 크다의 정의는 상황에 따라 가변할 수도 있지만, 일반적으로 애노드 (30) 는 기판 (26) 의 표면적과 거의 동일하거나 보다 큰 표면적을 가져야 한다. 즉, 기판 (26) 과 동일하거나 보다 큰 애노드 (30) 의 표면적은 절대적인 요건은 아니다. 반대로, 애노드 (30) 의 표면적은 기판 (26) 보다 작을 수 있다. 기판 (26) 및 애노드 (30) 의 상대적인 표면적들은 플라즈마 (20) 의 "인공 전위" 또는 "경계-구동 전위"가 요구되거나 목표되는 정도에 적어도 부분적으로 종속된다.
전력 공급부 (32) 는 제 1 플라즈마 소스 (16) 에 전력을 선택적으로 제공하도록 제공된다. 비배타적인 실시 예에서, 전력 공급부는 제 1 플라즈마 소스 (16) 에 최대 +/- 700 eV 이상의 전압들을 공급할 수 있는, 펄싱된, DC, 양방향 (+/-) 전력 공급부이다. 비배타적인 실시 예에서, 전력 공급부 (32) 는 Matsusada AMPS-0.6B2000 전력 공급부이다. 다른 전력 공급부들이 또한 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
플라즈마 배기부 (34) 는 챔버 (12) 의 하단부 또는 하단부 근방에 제공되고, 프로세싱 챔버 (12) 로부터 플라즈마 및 다른 가스들 및/또는 재료들을 배기하거나 그렇지 않으면 제거하도록 제공된다. 비배타적인 실시 예에서, 플라즈마 배기부 (34) 는 챔버 (12) 로부터 플라즈마, 가스들 및/또는 다른 재료들을 끌어당기기 위해 진공에 의존한다.
제어기 (36) 는 증착 전, 증착 동안, 그리고 증착 후 툴 (10) 의 동작 및 프로세스 조건들을 제어하도록 채용된다. 특히, 제어기 (36) 는 제 1 플라즈마 소스 (16), RF 소스 (18), 기판 (26) 에 인가된 임의의 바이어스를 포함하는 기판 홀더 (24) 를 포함하지만 이로 제한되지 않는 다양한 컴포넌트들을 동작시킴으로써 그리고/또는 기판 (26) 의 온도, 제 2 플라즈마의 전압을 제어하기 위한 애노드 (30), 제 1 플라즈마 소스 (16) 에 커플링된 전력 공급부 (32), 및 플라즈마 배기부 (34) 를 제어함으로써 증착 툴 (10) 의 전체 동작을 관리하고 제어하도록 제공된다.
제어기 (36) 는 통상적으로 시스템 제어 소프트웨어 또는 코드를 저장하기 위한 하나 이상의 비일시적인 컴퓨터 판독 가능 매체 디바이스들 및 코드를 실행하기 위한 하나 이상의 프로세서들을 포함한다.　 용어 "비일시적 컴퓨터 판독가능 매체"는 일반적으로 메인 메모리, 보조 메모리, 이동식 저장장치, 및 저장 디바이스들, 예컨대 하드 디스크들, 플래시 메모리, 디스크 드라이브 메모리, CD-ROM 및 다른 형태들의 영구 메모리와 같은 매체를 지칭하도록 사용되지만, 반송파들 또는 신호들과 같은 일시적 주제를 지칭하지 않는다. 프로세서가 CPU 또는 컴퓨터, 복수의 CPU들 또는 컴퓨터들, 아날로그 입력/출력 연결부 및/또는 디지털 입력/출력 연결부, 모터 제어기 보드들, 등을 포함할 수도 있다.
특정한 실시 예들에서, 시스템 소프트웨어 또는 코드를 수행하거나 (run) 실행하는 (excute) 제어기 (36) 는, 프로세싱 동작들의 타이밍, RF 생성기 (18) 의 동작 주파수 및 동작 전력, 프로세싱 챔버 (12) 내의 압력, 프로세스 챔버 (12) 내로의 임의의 가스(들)의 플로우 레이트들, 농도들 및 온도들 및 이들의 상대적인 혼합, 기판 홀더 (24) 에 의해 지지된 기판 (26) 의 온도, 등을 제어하는 것과 같은 액티비티들을 포함하여, 툴 (10) 의 액티비티들의 전부 또는 거의 대부분을 제어한다.
제어기 (36) 는 또한 사용자 인터페이스 (미도시) 를 포함할 수도 있다. 사용자 인터페이스는 디스플레이 스크린, 툴 (10) 의 동작 파라미터들 및/또는 프로세스 조건들을 나타내는 그래픽 소프트웨어 디스플레이들, 및 인간 오퍼레이터로 하여금 툴 (10) 과 인터페이스하게 하는, 포인팅 디바이스들, 키보드들, 터치 스크린들, 마이크로폰들, 등과 같은 사용자 입력 디바이스들을 포함할 수도 있다.
제어기 (36) 와 툴 (10) 의 다양한 상기 나열된 컴포넌트들 사이에 전달된 정보는 신호들을 반송하고, 전선 또는 케이블, 광섬유, 전화선, 휴대전화 링크, 무선 주파수 링크, 및/또는 다른 통신 채널들을 사용하여 구현될 수도 있는 임의의 통신 링크를 통해 송신되고 그리고/또는 수신될 수 있는 전자, 전자기, 광학, 또는 다른 신호들과 같은 신호들의 형태일 수도 있다.
플라즈마 변조
제어기 (36) 의 제어 하에서, 툴 (10) 은 제 1 플라즈마 (16A) 및 제 2 플라즈마 (20) 를 시간적으로, 공간적으로, 또는 시간적으로 공간적으로 모두 변조할 수 있다.
도 1b 및 도 1c를 참조하면, 제 1 플라즈마 (16A) 및 제 2 플라즈마 (20) 의 시간적 변조를 예시하는 도면들이 예시된다. 2 개의 플라즈마들 (16A 및 20) 은 2 개의 플라즈마들 중 하나를 펄싱 온함으로써 시간적으로 변조되는 한편, 다른 플라즈마는 펄싱 오프된다. 이하의 논의를 위해, 제 1 모드는 제 1 플라즈마 (16A) 가 활성화되지만 제 2 플라즈마 (20) 가 비활성화될 때로 정의된다. 제 2 모드는 제 1 모드의 보완으로서 정의되고, 제 2 플라즈마 (20) 가 활성화되지만 제 1 플라즈마 (16A) 가 비활성화되는 것을 의미한다.
제 1 모드에서, 도 1b에 예시된 바와 같이, 제어기 (36) 는 (a) 제 1 플라즈마 소스 (16) 에 음전압을 인가하도록 전력 공급부 (32) 에 지시하고, (b) RF 소스 (18) 를 턴 오프하고, (c) 애노드 (30) 를 접지하도록 동작한다. 그 결과, 제 1 플라즈마 (16A) 는 제 1 플라즈마 소스 (16) 의 셀들 내에서 활성화되지만, 제 2 플라즈마 (20) 는 비활성화된다. 이 제 1 세트의 조건들 하에서, 제 1 플라즈마 소스 (16) 에 의해 생성된 입자들 또는 원자들 "A"는 메시 (22) 의 홀들을 통해 떨어지고 기판 (26) 상에 "쏟아지고" 증착된다.
제 2 모드에서, 도 1c에 예시된 바와 같이, 제어기 (36) 는 (a) 제 1 플라즈마 소스 (16) 에 전압을 인가하지 않도록 전력 공급부 (32) 에 지시하고, (b) RF 소스 (18) 를 턴 온하고 (c) 애노드 (30) 를 활성화하도록 동작한다. 그 결과, 제 1 플라즈마 (16A) 는 비활성화되지만, 제 2 플라즈마 (20) 는 기판 (26) 에 대해 애노드 (30) 의 양전압에서 활성화되고 유지된다. 이 제 2 세트의 조건들 하에서, 제 1 플라즈마 (16A) 에 의해 이전에 생성되고 메시 (22) 를 통과하는 입자들 또는 원자들의 특정한 백분율은 플라즈마에 의해 이온화된 "I"이고, 애노드 (30) 의 전압과 동일한 에너지 레벨을 갖는다. 그 결과, 양으로 대전된 이온들은 접지되거나 바이어스 전압으로 유지되는 기판 (26) 으로 가속화하고 충격을 가한다.
따라서 시간 변조는 기판 (26) 상으로 에너제틱 이온들 (100eV C+) 과 함께 웨이퍼 상으로 원자들 A의 분출 (effusive) (열적) 플럭스를 시간상 교번하는 것을 수반한다. 다양한 실시 예들에서, 2 개의 플라즈마들 (16A 및 20) 은 (a) 불연속 (discrete), 비중첩, 펄스들로 제 1 플라즈마 (16A) 및 제 2 플라즈마 (20) 의 활성화 (activation) 를 교번하거나 (b) 부분적으로 중첩하는 펄스들로 제 1 플라즈마 (16A) 및 제 2 플라즈마 (20) 의 활성화를 교번하는 방식들 중 하나로 시간적으로 변조될 수 있다. 펄스들이 중첩되지 않는 정도로, 2 개의 플라즈마들은 시간적으로 변조된다.
공간적 변조는 2 개의 플라즈마들 (16A 및 20) 이 동시에 활성화될 때 발생한다. 두 플라즈마들이 활성화되면, 기판 상으로 에너제틱 이온들 (100eV C+) 과 함께 웨이퍼 상으로 원자들 A의 분출 (열적) 플럭스가 동시에 발생한다. 즉, 기판 (26) 의 표면의 특정한 불연속 부분들이 원자들의 열적 인플럭스 (influx) 를 수용하는 한편, 동시에 기판의 표면의 특정한 불연속 부분들은 이온들로 충격을 받는다. 따라서, 2 개의 플라즈마들 (16A, 20) 이 부분적으로 중첩하는 펄스들 동안 또는 연속적으로 동시에 활성화되는 정도까지, 공간적 변조가 발생한다.
도 1d 및 도 1e는 각각 제 1 모드 및 제 2 모드의 제 1 플라즈마 소스 (16) 에서 유래되는 (originate) 전자들의 거동 (behavior) 을 예시한다.
제 1 플라즈마 소스 (16) 의 중공 캐소드 내에서, 자유 전자들은 많은 방향들로 이동한다. 화살표 (70) 로 나타낸 바와 같이, 실질적으로 수평으로 이동하는 전자들은 제 1 플라즈마 소스 (16) 내의 표면들에 부딪칠 (strike) 것이다. 그 결과, 이들 전자들은 메시 (22) 의 홀들 (22A) 을 통과하지 않을 것이다. 다른 한편으로, 수직 화살표 (72) 로 나타낸 바와 같이, 홀들 (22A) 에 대부분 수직인 방향으로 이동하는 전자들은 메시 (22) 를 통과하고 기판 (26) 을 향해 이동할 것이다. 이들 "탈출하는 (escaping)" 전자들의 거동은 동작 모드에 따라 상이하다.
제 1 모드에서, 제 2 플라즈마 (20) 는 활성화되지 않는다. 기판 (26) 이 접지되거나 바이어스되기 때문에, 전자들은 기판을 향해 이동할 것이다. 다른 한편으로 제 2 모드에서, 양으로 대전된 플라즈마 (20) 가 활성화되고, 시스 (sheath) 는 제 1 플라즈마 소스 (16) 에 의해 점유된 영역 내로 적어도 부분적으로 확장한다. 그 결과, 탈출된 전자들은 "탄도성 (ballistic)"이 되고, 플라즈마 (20) 의 양전압이 전자들로 하여금 시스의 영향 없이 달리 발생하는 것보다 높은 속도로 기판 (26) 을 향하여 가속되게 한다는 것을 의미한다.
변조 예들
도 2a를 참조하면, 시간에 따른 불연속 펄스들로 2 개의 플라즈마들 (16A, 20) 의 시간적 변조를 예시하는 타이밍도 (40) 가 예시된다.
이 도면에서, 상단으로부터 하단으로 (a) 제 2 플라즈마 (20) 의 전압을 제어하기 위해 애노드 (30) 에 인가된 양전압, (b) 선택 가능하게 모드 2 동작 동안 제 1 플라즈마 소스 (16) 에 인가되는 음의 바이어스 전위 및 (c) 모드 1 동작 동안 전력 공급부 (32) 에 의해 제 1 플라즈마 소스 (16) 에 인가된 음전압을 포함하여, 다수의 전압들이 수직 축 상에 플롯된다 (plot). 시간은 수평 축을 따라 플롯된다. 이하에 기술된 바와 같이, 2 개의 플라즈마들 (16A 및 20) 을 활성화하기 위한 다수의 타이밍된, 비중첩, 펄스들이 수평 축을 따라 시간 시퀀스로 발생한다.
처음에, 참조 번호 42로 지정된 시간 기간에서, 제 2 플라즈마 (20) 는 RF 소스 (18) 를 활성화함으로써 턴 온되고 "워밍 업 (warm up)"된다. 워밍업 기간은 RF 소스 (18) (오실레이팅하는 파 (oscillating wave) (44) 에 의해 지정됨) 및 발생되는 제 2 플라즈마 (20) 가 안정화되게 한다.
다음에, 시간 펄스 (46) 에서, 제 1 플라즈마 소스 (16) 는 전력 소스 (32) 를 스위치 온함으로써 활성화된다. 그 결과, 제 1 플라즈마 (16A) 가 생성되고, 안정화될 시간이 주어진다. 이 기간 동안, 제 1 플라즈마 (16A) 및 제 2 플라즈마 (20) 모두는 안정화되기에 충분한 시간 동안 활성화된다.
시간 기간 (48) 동안, 제 1 플라즈마 (16A) 및 제 2 플라즈마 (20) 모두는 안정화 후 짧은 시간 기간 (예를 들어, 15 마이크로초) 동안 스위치 오프된다. 제 1 플라즈마 (16A) 는 전력 공급부 (32) 를 스위치 오프함으로써 비활성화되는 한편, RF 소스 (18) 는 제 2 플라즈마 (20) 를 비활성화하기 위해 턴 오프된다. 이제 변조 시퀀스를 시작할 준비가 되었다.
시간 펄스 (50) 에서 시작하여, 제 1 플라즈마 (16A) 는 펄스의 지속 기간 동안 전력 공급부 (32) 에 의해 펄싱 온 (모드 1) 되지만, RF 소스 (18) 는 오프로 유지된다. 제 1 플라즈마 (16A) 가 활성화되면, 균질화된, 저 에너지의 열적 입자 또는 원자들이 생성된다. 이들 입자들 또는 원자들 중 일부는 메시 (22) 를 통과하고 프로세싱 챔버 (12) 의 주 캐비티 (main cavity) 로 들어가고, 기판 (26) 상으로 떨어지거나 쏟아진다. 전력 공급부 (32) 는 펄스 (50) 가 만료될 때 제 1 플라즈마 (16A) 를 비활성화한다.
시간 (52) 에서, RF 전력 소스 (18) 는 다시 턴 온되고, 안정화될 시간 (예를 들어, 15 마이크로초) 이 주어진다. 시간 기간 (52) 은 제 2 플라즈마 (20) 가 안정화되고 용량성으로 결합되게 하도록 충분히 길어야 한다. 100 ㎒에서, 안정화 및 커플링은 상대적으로 빠르고, 통상적으로 1 내지 10 마이크로초의 범위에서 발생한다.
시간 펄스 (54) 에서 시작하여, 제 2 플라즈마 (20) 는 RF 전력 소스 (18) 에 응답하여 활성화된다 (모드 2). 활성화될 때, 제 1 플라즈마 (16A) 로부터 메시 (22) 를 통과한 입자들 또는 원자들의 백분율이 제 2 플라즈마 (20) 내에서 이온화되고, (a) 애노드 (30) 에 의해 결정된 플라즈마 (20) 의 전압과 (b) 접지 또는 바이어스 전압에 있는 기판 (26) 의 전압 사이의 전압 차에 의해 측정되는 고 에너지를 갖는다. 펄스 (54) 가 만료될 때, RF 소스는 차단되고 (shut off), 플라즈마 (20) 는 비활성화된다.
펄스 (56) 는 펄스 (54) 와 대체로 중첩한다. 펄스 (56) 동안, 전력 공급부 (32) 는 제 1 플라즈마 소스 (16) 에 음전압을 제공한다. 이 펄스 (모드 2) 동안 제 1 플라즈마 소스 (16) 에 인가된 음전압은 통상적으로 펄스 (50) (모드 1) 보다 크기가 작다. 이 펄스 (56) 동안, 제 1 플라즈마 소스 (16) 는 비록 펄스 (50) 에서 보다 낮은 레이트이지만 원자들 또는 입자들을 생성한다. 이에 더하여, "탄도성" 전자들이 또한 생성된다. 이 펄스 (56) 동안 생성된 특정한 백분율의 원자들이 플라즈마 (20) 내에서 이온화된다. 이들 이온들이 기판 (26) 에 충격을 가함에 따라, 양의 표면들 전하들이 축적된다. 그러나, 탄도성 전자들은 양전하들의 축적에 대응하도록 작용하여, 기판 (26) 상의 표면 전하들을 중화하는 것을 돕는다.
펄스 (50), 시간 기간 (52) 및 펄스들 (54, 56) 의 시퀀스는 무한으로 반복될 수도 있다. 사이클 각각에서, (a) 입자들 또는 원자들은 제 1 플라즈마 (16A) 에서 생성되고 기판 (26) 상에 증착되고, (b) 제 2 플라즈마는 원자들 또는 입자들을 이온화하여, 기판에 충격을 발생시킨다.
펄스들 (50, 54, 56) 의 지속 기간 및 펄스들 사이의 시간 기간 (52) 은 광범위하게 가변할 수도 있다. 특정한, 그러나 비배타적인 일 실시 예에서, 펄스들 (50) 은 70 내지 90 마이크로초의 범위이고, 시간 기간 (52) 은 대략 15 마이크로초이고, 그리고 펄스들 (54, 56) 은 90 내지 95 마이크로초의 범위이다. 이들 시간 값들이 예시적이고 제한적인 것으로 해석되지 않아야 한다는 것이 이해되어야 한다. 반대로, (50, 52, 54 및 56) 의 지속 기간은 각각 광범위하게 가변할 수도 있고, 주어진 증착 층 프로세스 동안, 증착될 막 또는 막들, 기판 (26) 상의 원자들 또는 입자들을 증착하기 위한 바람직한 지속 기간, 기판 (26) 에 충격을 가하기 위한 바람직한 지속 기간, 안정화하기 위한 2 개의 플라즈마들 (16A 및 20) 에 요구된 시간 기간, 및/또는 인공 전위 또는 경계-구동 전위에 도달하기 위한 제 2 플라즈마 소스를 위한 시간과 같은, 다수의 인자들에 종속될 수도 있다. 이들은 다양한 펄스들에 대한 시간 값들 및 펄스들 사이의 시간 기간들을 결정하는데 사용될 수도 있는 인자들 중 단지 몇 가지이다. 따라서, 대안적인 실시 예들에서, 펄스들 (50) 은 본 명세서에 제공된 예들에서 지속 기간이 보다 길거나 보다 짧은 시간 폭들을 갖도록 광범위할 수도 있다.
도 2a에 제공된 실시 예에서, 펄스들 (50 및 54) 은 불연속이고 비중첩된다. 펄스들 (50 및 54) 은 또한 중첩하거나 연속적으로 구성될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 제 1 플라즈마 (16A) 및 제 2 플라즈마 (20) 를 활성화하기 위한 중첩 펄스들의 실시 예가 예시된다. 이 타이밍도에서 명백한 바와 같이, 전력 공급부 (32) 및 RF 소스 (18) 는 거의 동시에 반복적으로 펄싱 온된다. 그 결과, 펄스들 (50 및 56) 은 실질적으로 중첩된다.
도 2c를 참조하면, 연속적인 펄스들 (50 및 54) 의 실시 예가 예시된다. 이 타이밍도에서 명백한 바와 같이, 전력 공급부 (32) 및 RF 소스 (18) 는 2 개의 플라즈마들 (16A, 20) 의 안정화 후에 연속적으로 펄싱 온된다. 그 결과, 제 1 플라즈마 (16A) 및 제 2 플라즈마 (20) 가 활성화될 때 펄스들 (50 및 56) 은 연속적이 된다.
도 2a에 예시된 바와 같이, 제 2 플라즈마 (20) 에 대한 제 1 플라즈마 (16A) 의 불연속 펄싱은 서로에 대해 2 개의 플라즈마들의 시간적 변조를 발생시킨다. 이전에 언급된 바와 같이, 이는 기판 (26) 상으로 에너제틱 이온들 (100eV C+) 과 함께 웨이퍼 상으로 원자들 A의 분출 (열적) 플럭스를 시간상 교번하는 것을 발생시킨다.
제 1 플라즈마 (16A) 및 제 2 플라즈마 (20) 모두가 중첩하는 펄스들로 또는 연속적으로 동시에 활성화될 때, 2 개의 플라즈마들은 공간적으로 변조된다. 즉, 기판 (26) 의 표면의 특정한 불연속 부분들이 원자들의 열적 인플럭스를 수용하는 한편, 동시에 기판의 표면의 특정한 불연속 부분들은 이온들로 충격을 받는다.
따라서 상기 기술된 프로세스는 선택적으로 그리고 제어 가능하게 (a) 증착될 종을 선택하고 (b) 이전에 가능하지 않은 방식들로 증착 툴 (10) 의 프로세싱 챔버 (12) 내의 이온 분포를 조절하는 능력을 제공한다.
다이아몬드-유사 탄소 (DLC) 층들의 형성
이전에 언급된 바와 같이, 다이아몬드-유사 탄소 또는 "DLC들 (Diamond-Like Carbon)"은 극도의 경도, 내마모성 및 "매끄러움 (slickness)"을 포함하는 다이아몬드-유사 특성들을 나타내는 비정질 탄소 재료들의 일 부류이다. 일반적인 DLC 재료들은 수소화된 비정질 탄소 (a-C:H) 및 수소화된 사면체 비정질 탄소 (ta-C:H) 및 사면체 비정질 탄소 또는 "ta-C"를 포함하고, 이는 이 그룹 중에서 가장 단단하고, 가장 내마모성이며 가장 매끄럽다.
DLC 재료들의 사용은 반도체 웨이퍼 제조 시 하드 마스크들을 형성하기 위한 것과 같은, 많은 적용 예들에서 바람직하다. 하드 마스크는 바람직하게 폴리머 레지스트와 같은 다른 "연성" 유기 재료들 대신 에칭 마스크로서 반도체 산업에서 사용된다. 불소, 염소, 등과 같은 플라즈마 에칭에 사용된 일반적인 에천트 가스들을 사용하여, "연성" 폴리머 마스크들은 열화되기 쉽다. 그 결과, 반도체 웨이퍼 상의 에칭된 피처들은 보다 덜 정밀하다. 반면에, ta-C와 같은 비정질 탄소 DLC 마스크는 매우 낮지만 예측 가능한 에칭 레이트와 함께 상당히 보다 안정된다. 따라서, Ta-C 하드 마스크들은 폴리머 수지와 비교하여 불소 및/또는 염소 에칭 화학 물질들에 노출될 때 상당히 보다 덜 열화되어, 보다 정밀한 에칭들, 보다 미세한 기하학적 구조들, 및 보다 적은 프로세싱 결함들을 발생시킨다.
상기 기술된 플라즈마 변조 기법은 거의 또는 전혀 수정들 없이 기존의 PECVD 툴들로 구현될 수 있다. 그 결과, 이러한 PECVD 툴들은 반도체 웨이퍼들 상의 하드 마스크들에 사용된 DLC 층들을 증착하고 형성하도록 사용될 수 있고, 대규모, 산업적 생산을 지원하기에 충분한 쓰루풋을 갖는다.
도 3을 참조하면, ta-C와 같은 DLC 층을 증착할 수 있는 증착 툴 (60) 의 도면이 예시된다. 증착 툴 (60) 은 챔버 벽들 (14) 에 의해 규정된 프로세싱 챔버 (12), 제 1 플라즈마 (16A) 를 생성하기 위한 제 1 플라즈마 소스 (62), 프로세싱 챔버 (12) 내에서 제 2 플라즈마 (20) 를 선택적으로 활성화하기 위한 RF 소스 (18), 제 2 플라즈마 (20) 위에 그리고 제 1 플라즈마 소스 (16) 아래에 제공된 메시 (22), 프로세싱 챔버 (12) 내에 기판 (26) 을 홀딩하기 위한 기판 홀더 (24), 제 2 플라즈마 (20) 와 기판 (26) 사이에 제공된 중화 배리어 (28), 애노드 (30), 전력 공급부 (32), 플라즈마 배기부 (34) 및 제어기 (36) (예시되지 않음) 를 포함한다. 이전에 언급된 것들과 공통된 참조 번호들을 갖는 상기 열거된 엘리먼트들은 본질적으로 동일하고, 간결성을 위해 본 명세서에서 다시 기술되지 않는다. 이에 더하여, 증착 툴 (60) 은 이전에 기술되지 않은 다수의 부가적인 엘리먼트들 및 피처들을 포함한다.
제 1 플라즈마 소스 (62) 는 탄소 원자들을 생성하기 위한 중공 캐소드이다. 비배타적인 실시 예에서, 중공 캐소드는 알루미늄 또는 도핑된 실리콘과 같은 비탄소-베어링 재료로 이루어진다. 필요한 탄소 원자들을 생성하기 위해, 중공 캐소드는 탄소-베어링 재료를 수용하도록 구성된다. 도시된 특정한 실시 예에서, 이는 제 1 플라즈마 소스 (62) 의 중공 캐소드 내에 규정된 개별 셀들 내로 흑연 로드들 (64) 을 도입함으로써 달성된다.
탄소의 제 1 플라즈마 (16A) 가 생성될 때, 다음 시퀀스가 개시된다:
(a) 제 1 플라즈마 소스의 셀들은 헬륨 또는 아르곤과 같은 점화 가스로 충진된다.
(b) 전력 공급부 (32) 는 제 1 플라즈마 소스 (62) 에 음전압 (예를 들어, -400 eV) 을 인가한다. 그 결과, 점화 가스의 플라즈마가 개별 셀들에서 생성된다.
(c) 전압 공급부 (65) 에 의해 제공된 DC 전압으로 바이어스된 흑연 로드들 (64) 은 개별 셀들 내의 플라즈마 내로 삽입된다. 상이한 실시 예들에서, 흑연 로드들 (64) 은 음으로 바이어스되거나 양으로 바이어스될 수 있다. 음 바이어스 동작에서, 흑연은 제 1 플라즈마 소스 (16) 또는 HCD 내에서 생성된 이온들에 의해 스퍼터링된다. 양으로 바이어스된 동작에서, +100 내지 +500 V 범위의 전압이 흑연 로드들에 인가된다. 이 범위 내에서, HCD 내의 전자들은 흑연 로드들 (64) 에 충격을 가한다. 발생되는 고 전자 전류는 로드 (64) 가 탄소 승화가 시작되는 온도까지 가열되게 한다 (예를 들어, 2000 ℃ 초과; 흑연은 대기중 4000 ℃ 초과에서 승화되고, 이 값은 진공에서 2000 ℃ 이하와 같이 훨씬 감소된다). 일단 탄소 원자들의 생성의 정상 상태가 승화에 의해 달성되면, 점화 가스의 소스는 중단되고 (wean), 결국 완전히 차단된다. 최종 결과는 균질화된, 열적, 탄소 원자들의 실질적으로 순수한 플라즈마이다. 흑연 로드들 (64) 은 사용될 수 있는 단지 일 타입의 탄소 소스라는 것을 주의해야 한다.
이어서 발생되는 탄소 원자들은 메시 (22) 를 통해 제 2 플라즈마 (20) 에 의해 점유된 영역 내로 통과한다. 비배타적인 실시 예에서, 메시 (22) 는 제 1 플라즈마 (16A) 의 Debye 길이보다 상당히 큰 직경을 갖는 홀들에 의해 규정된 투명도를 갖는 Debye 출구 플레이트이다. 이 구성으로, 제 1 플라즈마 (16A) 는 매우 균질화된 탄소 원자들의 소스를 규정한다. 이들 원자들이 슈퍼-Debye 플레이트를 나갈 때, 특정한 정도의 탄소 원자들이 열중성자화된다 (thermalize). 메시를 나가는 고도로 열중성자화된 C 원자 "혼합체 (soup)"가 기판 (26) 의 표면 상에 비정질 탄소 층의 보다 균질한 증착을 허용하여, 에너제틱 탄소 이온들의 서브-플랜테이션 (sub-plantation) 을 통해 ta-C로 변환되기를 대기한다.
비배타적인 실시 예에서, 제 2 플라즈마 (20) 는 고 주파수 (예를 들어, 100 ㎒) 용량 결합 플라즈마 (Capacitively Coupled Plasma; CCP) 이다. 약 100 ㎒의 주파수들과 같은 보다 고 주파수들에서, 제 2 플라즈마 (20) 의 존재는 100 ㎒-CCP의 잔광에 이어, 또는 100 ㎒-CCP가 안정화된 후 수 마이크로초 동안 제 1 플라즈마 소스 (16) 내에서 제 1 플라즈마 (16A) 의 점화를 돕는다.
도 3에 예시된 바와 같은 툴 (60) 의 구성으로, 기판 (26) 은 RF 소스 (18) 에 대해 매우 안정되고 신뢰할 수 있는 RF 접지 복귀 경로를 효과적으로 제공한다. 제 1 플라즈마 소스 (62) (또는 HCD) 는 100 ㎒의 RF 소스 (18) 에 커플링된다. 프로세싱 챔버 (12) 내부 HCD의 부분들은 진공으로 유지되는 한편, 외부 부분들은 대기중에 있다. 프로세싱 챔버 (12) 의 벽들 (14) 이 유전체 재료로 이루어지기 때문에, 100 ㎒ RF는 이를 통해 방출되지만 접지 차폐부 (66) 에 의해 차단된다. (68) 로 예시된 부유 커패시턴스 (stray capacitance) 는 접지 차폐부 (66) 에 의해 규정된 바와 같이 "실제 접지"에 대한 프로세싱 챔버 (12) 의 커패시턴스이다. 대기 (예를 들어, 공기) 가 낮은 유전율을 갖기 때문에, 커패시턴스 (68) 는 통상적으로 매우 작다. 그 결과, 100 ㎒ RF에서 HCD는 접지 차폐부 (66) 에 대해 매우 높은 임피던스를 예상한다. 한편, 기판 (26) 은 사용된 척의 타입에 따라, 직류 접지 또는 반응성 접지에 있다. 어느 쪽이든, 기판 (26) 및 기판 홀더 (24) 는 안정된 접지 복귀 경로를 제공한다. 따라서 VHF 접지 복귀로서 기판 (26) 의 사용은 매우 신뢰할 수 있고 반복 가능한 복귀 경로를 제공한다.
제 1 플라즈마 (16A) 및 제 2 플라즈마 (20) 의 변조는 ta-C와 같은 DLC 층을 생성하도록 사용된다.
제 1 모드에서, 상기 기술된 방식으로 제 1 플라즈마 소스 (62) 에 의해 탄소 플라즈마가 생성된다. 그 결과, 균질화된, 저 에너지 또는 열 에너지, 비정질 탄소 원자들이 생성된다. 이들 비정질 탄소 원자들은 메시 (22) 를 통과할 때, 비정질 탄소 원자들이 기판 (26) 상에 쏟아지고 증착되어, 대부분 sp2 결합들을 갖는 비정질 탄소 층을 생성한다.
제 2 모드에서, 제 2 플라즈마 (20) 는 RF 전력 소스 (18) 를 스위치 온함으로써 활성화된다. RF 전력 소스는 프로세싱 챔버 (12) 내의 특정한 백분율의 탄소 원자들로 하여금 매우 빠른 시간 기간 (예를 들어, 대략 10 마이크로초) 내에 이온화되게 한다. 그 결과, 탄소 이온들을 함유하는 플라즈마 시스가 기판 (26) 위에 생성된다.
애노드 (30) 는 플라즈마 (20) 에 양전압을 인가하여, 접지로 유지되거나 선택 가능하게 바이어스되는 기판 (26) 에 대해 탄소 이온들을 양으로 대전한다. 그 결과, 이들 단일 에너지 (mono-energetic) 탄소 이온들은 기판 (26) 을 향해 가속되고 기판에 충격을 가한다.
애노드 (30) 는 기판 (26) 의 표면에 대해 플라즈마 (20) 의 전위 또는 전압을 제어하는 독특한 역할을 제공한다. 예를 들어, 애노드 (30) 는 1 내지 10 마이크로초 범위, 그리고 통상적으로 1 또는 2 마이크로초 이내의 매우 짧은 시간 기간에 자연 플라즈마 전위를 경계-구동 플라즈마 전위로 부스팅하도록 사용될 수 있다. 경계-구동 플라즈마 전위가 확립될 때, 강한 플라즈마 시스가 생성되고, 탄소 이온들은 자연 플라즈마 전위에서 달리 발생하는 것보다 많은 에너지를 갖는다. 양의 탄소 이온들이 기판 (26) 의 표면에 충격을 가함에 따라, 플로팅 표면 전압이 상향으로 드리프트될 수도 있고, 이는 경계-구동 플라즈마 전위가 강하하는 것을 의미한다. 그러나, 애노드 (30) 의 전위를 상승시킴으로써, 경계-구동 플라즈마 전위가 상승될 수 있다. 이에 더하여, 제 1 플라즈마 (16A) 는 약하게 턴 온될 수 있고, 기판의 표면에 부딪히는 전자들의 주입을 발생시킨다. 그 결과, 기판 (26) 상의 전하는 더 제어될 수 있고, 이는 결국 이온 충격의 지속 기간이 연장될 수 있다는 것을 의미한다. 이 접근법은 기판 (26) 의 전위가 플라즈마를 사용하여 전위를 상승시키기 위해 감소되는 정상과 상이하다.
단일 에너지 탄소 이온들에 의한 비정질 탄소 층의 충격은 서브-플랜테이션으로 공지된 프로세스에 의해 sp3 결합들의 자발적인 형성을 발생시킨다. 결국, sp3 결합들은 비정질 탄소 층의 다이아몬드-유사 ta-C 층으로의 변환을 유발한다. 따라서 기판 (26) 상의 ta-C 층은 (a) 순수 탄소 소스로부터 기판 (26) 상에 비정질 탄소 층을 형성하고 (b) 탄소 이온들의 충격 에너지를 제어함으로써 실현된다.
탄소 원자들을 생성하기 위한 제 1 플라즈마 및 탄소 원자들을 이온화하기 위한 제 2 플라즈마는 시간적으로, 공간적으로 또는 둘 모두로 변조될 수 있다. 이는 (a) 불연속적인 시간 간격들로 (b) 중첩하는 시간 인터벌들로 또는 (c) 둘 모두로 연속적으로 2 개의 상기 기술된 모드들을 구현함으로써 달성된다. 특히:
도 4a는 불연속, 비중첩 펄스들 (50) 및 중첩 펄스들 (54/56) 모두에서의 제 1 플라즈마 및 제 2 플라즈마의 활성화를 예시한다. 펄스들 (50) 동안, 전력 공급부 (32) 는 제 1 플라즈마 소스 (16) 에 -700 eV의 음전압을 제공한다. 그 결과, 열 에너지의 비정질 탄소 원자들이 생성된다. 중첩하는 펄스들 (54 및 56) 을 사용하면, (a) RF 소스 (18) 가 턴 온되어 제 2 플라즈마를 활성화하고, (b) 애노드 (30) 는 제 2 플라즈마 (20) 를 120 eV까지 대전하고, 그리고 (c) 전력 공급부 (32) 는 제 1 플라즈마 소스 (16) 에 -200 eV의 음전압을 인가한다.
제 1 플라즈마 (16A) 가 활성화될 때, 비정질 탄소 원자들의 소스가 생성된다. 이들 탄소 원자들은 쏟아지고, 기판 (26) 상에 비정질 층을 형성한다. 제 2 플라즈마 (20) 가 활성화될 때, 특정한 백분율의 비정질 탄소 원자들이 이온화된다. 이온화된 탄소 이온들은 기판에 충격을 가하여, 서브-플랜테이션에 의해 sp3 결합들의 자발적인 형성을 발생시킨다. 이온화되지 않은 탄소 원자들은 기판 (26) 의 표면 상에 계속해서 증착되고, 비정질 탄소 층을 부가한다.
2 개의 플라즈마들의 상기 기술된 시간 변조는 ta-C를 형성하기 위한 2 단계 프로세스를 규정한다:
(1) 기판의 표면 상에 비정질 탄소 층의 증착, 및
(2) 이온 충격에 의한 비정질 탄소 층의 ta-C로의 변환.
ta-C 변환 동안, 양으로 대전된 이온들의 충격은 양전하들의 축적 및 IEDf (Ion Energy Distribution function) 의 확장을 생성하고, 이는 ta-C 변환을 방해할 수도 있다. 이 축적에 대응하기 위해, 2 개의 플라즈마들의 변조가 사용된다. 제 1 플라즈마를 제 2 플라즈마와 중첩시킴으로써 (펄스들 (54, 56)), 비정질 탄소 원자들이 생성될 뿐만 아니라, 도 1e와 관련하여 상기 기술된 바와 같이 탄도성 전자들이 기판 (26) 의 표면에 돌진한다. 전자들은, 이온 충격에 의해 유발된 기판 (26) 의 2 차원 표면에 걸친 양전하 축적을 어느 정도 중화한다. 그 결과, 전하 축적이 감소되거나 그렇지 않으면 제어될 수 있다. 유사하게, 2 개의 플라즈마들 (16A 및 20) 의 연속적인 활성화는 또한 기판 (26) 의 표면 상의 전하 축적을 제어하도록 사용될 수 있다.
2 단계 프로세스는 두 단계들 각각이 시간상 매우 짧고, 통상적으로 100 마이크로초 미만이며 이온 변환 레이트가 상대적으로 작기 때문에 (0.01 ％ 미만) ALD (Atomic Layer Deposition) 와 상이하다.
도 4b는 중첩하는 펄스들에서 제 1 플라즈마 및 제 2 플라즈마의 활성화를 예시한다.
도 4c는 제 1 플라즈마 및 제 2 플라즈마의 활성화를 연속적으로 예시한다.
도 4b 및 도 4c의 두 실시 예들에서, ta-C 변환은 상기 기술된 2 단계 프로세스와 실질적으로 동일한 방식으로 발생한다. 즉, 제 1 플라즈마 (16) 가 활성화될 때, (a) 비정질 탄소 원자들이 생성되고 기판 (26) 의 표면 상에 증착되고, (b) 표면 전하 제어를 위해 전자들이 생성된다. 제 2 플라즈마 (20) 가 활성화될 때, 백분율의 탄소 원자들이 이온화되고 기판에 충격을 가하여, ta-Ca 변환을 발생시킨다. 도 4b에서, 펄스들 (54 및 56) 은 중첩한다. 도 4c에서, 펄스들 (54 및 56) 은 연속적이다.
따라서 상기 기술된 프로세스는 선택적으로 그리고 제어 가능하게 (1) 기판 상에 비정질 탄소를 증착하고 (2) 프로세싱 챔버 (12) 내의 이온 분포를 조절하고 그리고 (3) 이전에 가능하지 않은 방식들로 표면 전하들의 축적을 제어하는 능력을 제공한다. 2 개의 플라즈마들의 활성화를 시간적으로 제어함으로써, 비정질 탄소 층의 증착, 이온 주입 및 표면 전하들이 웨이퍼의 표면에 걸쳐 2 차원들로 공간적으로 제어될 수 있다. 그 결과, 비정질 탄소 층은 서브-플랜테이션을 통한 sp3 결합들의 자발적인 형성에 의해 DLC로 변환될 수 있다.
상기 기술된 프로세스는 종래의 PECVD 툴에서 수행될 수 있기 때문에, 반도체 웨이퍼들, 평판 디스플레이들 및/또는 광전지 디바이스들과 같은 특정한 타입들의 기판들을 위한 산업적 생산을 위해 용이하게 스케일링될 수 있다.
ta-C 변환
제 1 플라즈마 (16A) 의 활성화 동안, 탄소 원자들은 기판 (26) 의 표면 상에 증착되어, 두께가 단지 2 내지 3 원자들인 탄소 원자들 ("C") 의 매우 박형의 비정질 단일 탄소 층을 형성한다. 제 2 플라즈마 (20) 가 활성화될 때, 대략 100 eV의 탄소 이온들 ("+C") 은 기판 (26) 의 표면 상의 상단 비정질, 단일 탄소 층 아래로 침투하기에 충분한 에너지를 갖는다. 탄소 이온들 C+가 침투함에 따라, 이들은 충돌들로 인해 에너지를 잃기 시작한다. 대략 1 피코-초 미만으로, C+ 이온들은 충돌들 (즉, 2 내지 5 충돌들 사이의 어딘가일 수 있음) 로 인해 훨씬 보다 낮은 에너지 레벨, 아마도 단지 수 eV로 충분한 에너지를 잃었다. 이 때, sp3 결합이 탄소 원자와 탄소 이온 C+ 사이에 형성된다. 즉, 탄소 이온 C+는 준안정 상태로 "케이징 (cage)"되어, sp3 결합들의 형성을 발생시킨다.
상기 변환 프로세스는 일 예를 사용하여 예시될 수 있다. (1) 탄소 원자들을 생성하도록 HCD에 대략 -150 V가 인가되고 (2) +100 V가 애노드 링 (30) 에 인가되는 상황을 고려한다. 그 결과, 경계-구동 플라즈마 전위는 대략 100 V이다. 개시 시, 100 V 플라즈마 (20) 시스가 형성되고, 이온들은 대략 100 eV의 에너지로 표면에 충격을 가하기 시작한다. 기판 (26) 상으로 대략 -150 eV 전자들을 동시에 주입하면, 입사하는 전자들은 양의 C 이온 충격에 의한 양의 대전을 오프셋하기 (offset) 시작할 것이다. 이제, 전자 플럭스 (단일 에너지가 아니라 분포되는 IEDf를 갖고, 대략 150 eV 근방의 피크 에너지를 가짐) 가 양의 C 이온 플럭스보다 높으면, Vf (기판 표면 플로팅 전위) 는 실제로 음으로 드리프트 다운될 수 있다. 이제, IEDf의 정확한 함수 형태에 따라, 최종 Vf는 예를 들어, -100V 일 수 있다. 애노드 (30) 가 +100V로 유지되기 때문에, 200 V의 동적 평형 시스가 발생하고, 대략 200eV의 연속적인 +이온 에너지가 기판 (26) 의 표면에 부딪히고 동일한 수의 전자가 표면에 부딪혀, 동적 평형을 유지한다. 이 때, 애노드 (30) 의 전압은 동적 평형을 유지하고 경계-구동 플라즈마 전위를 대략 +50 V로 리셋하기 위해 +50 V로 조정될 수 있다. 이는 대략 +150 V의 동적 평형 시스를 발생시킨다. 따라서, 애노드의 전압을 동적으로 조정함으로써, 이온들 및 전자들의 표면 평형이 유지될 수 있고 프로세스 조건들이 변화함에 따라 제어될 수 있다. 그 결과, 2 개의 플라즈마들 (16A 및 20) 은 연속적으로 그리고 동시에 활성화될 수 있다.
대안적인 실시 예에서, 기판 (26) 의 표면 평형은 또한 2 개의 플라즈마들 (16A 및 20) 을 시간 변조함으로써 달성될 수 있다.
펄스 타이밍
펄스 (54 및 56) 폭들은 C+ 이온들의 충격에 의해 유발된 기판 (26) 상의 표면의 상향 드리프트로 규정되는, Vf 드리프트-업을 제어하기 위해 명시된다. 일 실시 예에서, Vf 드리프트가 펄스들 (54) 및 (56) 사이클 동안 제거될 수 있다면, "ta-C 변환"을 수행하는 것은 도 4c에 예시된 바와 같이 연속 모드에서 수행될 수 있다. 연속적인 ta-C 변환 모드에서 동작하지 않을 때, 펄스들 (54 및 56) 은 폭이 광범위할 수도 있다.
(54) 와 (56) 사이의 시작 시간 차가 또한 중요할 수 있다. (54) 펄스들이 온일 때, 제 2 플라즈마 (20) 의 전위는 애노드 (30) 의 전압 이상의 인공 전위 또는 경계-구동 전위로 상승한다. 안전 마진은 인공 전위 또는 경계-구동 전위에 정착하는데 대략 1 마이크로초가 소요된다는 것이다. 따라서, 펄스 (56) 전 대략 5 내지 15 마이크로초 전에 펄스 (54) 를 시작함으로써, 플라즈마 (20) 가 인공 전위 또는 경계-구동 전위에서 안정화되기에 적절한 시간보다 많은 시간이 제공된다. 10 내지 15 마이크로초를 넘어서, Vf는 기판 (26) 의 표면에 충격을 가하는 이온들로 인해 상향으로 드리프트하기 시작할 수도 있다. 이를 염두에 두고, 펄스들 (54 및 56) 사이의 시간 갭은 바람직하게 약 5 내지 10 마이크로초이고, 15 마이크로초보다 길지 않아야 한다. 또한, Vf가 너무 많이 드리프트하는 것을 방지함으로써, 탄소 이온들 C+의 에너지는 바람직한 레벨들로 유지된다. Vf가 너무 높게 드리프트하면, 인공 전위 또는 경계-구동 전위의 플라즈마 (20) 와 기판 (26) 사이의 전압 차가 감소하여, 보다 적은 충격 에너지를 갖는 탄소 이온들 C+를 발생시킨다.
부가적인 기판 표면 전하 제어
특정한 비배타적인 실시 예들에서, 중화 배리어 (28) 는 또한 기판 (26) 상의 표면 전하들을 제어하도록 사용될 수 있다. 홀들을 갖는 흑연 플레이트와 같은 전자-베어링 재료로 중화 배리어 (28) 가 이루어짐으로써, 이용 가능한 전자들은 기판 (26) 에 충격을 가하면서 통과할 때 양으로 대전된 이온들에 끌린다. 그 결과, 이온들의 전하는 다소 중화되고, 기판 (26) 표면 상의 에너지 플럭스는 감소될 수 있다. 탄도성 전자들과 함께, 중화 배리어의 사용은 기판 (26) 의 표면 상의 에너지 플럭스를 제어하기 위해 함께 또는 개별적으로 사용될 수 있다.
대규모 반도체 웨이퍼 제조
종래의 PECVD 툴들에서 ta-C와 같은 DLC 층들을 형성하는 능력은 반도체 웨이퍼들의 대규모, 산업적 생산을 위한 가능성을 연다.
도 5를 참조하면, 반도체 웨이퍼들의 대규모, 산업적 제조 동안 하드 마스크로서 DLC 층들을 사용하기 위한 흐름도 (80) 가 예시된다.
초기 단계 82에서, 패터닝되고 그리고/또는 도핑될 임의의 층들이 반도체 웨이퍼 상에 형성된다. 이러한 층들은 이로 제한되는 것은 아니지만, 실리콘 층들, 폴리실리콘 층들, 알루미늄, 구리, 텅스텐, 등과 같은 금속 층들, 절연 층들, 옥사이드 층들, 등을 포함할 수도 있다.
단계 84에서, DLC 하드 마스크 층이 본 명세서에 기술된 바와 같이 반도체 웨이퍼 상에 형성된다. DLC 층은 ta-C를 포함하는, 상기 언급된 다이아몬드-유사 재료들 중 임의의 재료들일 수도 있다.
단계 86에서, DLC 하드 마스크 층은 다른 영역들을 커버하면서 특정한 영역들을 노출하도록 패터닝된다.
단계 88에서, 반도체 웨이퍼 상의 노출된 영역들은 에칭되거나, 도핑되거나, 둘 모두 된다. DLC 층에 의해 커버된 채로 남아 있는 반도체 웨이퍼의 영역들은 보호된 채로 남고, 에칭 및/또는 도핑되지 않는다.
결정 90에서, 반도체 웨이퍼 상의 부가적인 층들이 형성, 에칭 및/또는 도핑되어야 하는지 여부가 결정된다. 그렇다면, 동작 82 내지 동작 88이 반복된다. 그렇지 않다면, 프로세스는 완료되지만, 반도체 기술 분야에 공지된 바와 같이, 웨이퍼는 통상적으로 제조가 완료될 때까지 다른 프로세싱 단계들을 겪을 것이다.
다시, DLC 층들이 종래의 PECVD 툴들에서 형성되고 그리고/또는 패터닝될 수 있기 때문에, 상기 프로세스는 대규모, 산업적 규모로 구현될 수 있다.
본 명세서에 기술된 실시 예들이 대체로 증착 툴들과 관련되지만, 이는 결코 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다는 것이 이해되어야 한다. 반대로, 본 명세서에 기술된 주제는 워크피스의 타입 또는 워크피스가 프로세싱되는 방법과 무관하게, 플라즈마 에칭 툴들을 포함하여, 임의의 타입의 워크피스 프로세싱 툴과 함께 사용될 수도 있다.
본 명세서에 제공된 실시 예들이 단지 예시적이고, 어떠한 관점으로도 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다는 것이 이해되어야 한다. 몇몇 실시 예들만이 상세히 기술되었지만, 본 출원은 본 명세서에 제공된 개시의 정신 또는 범위로부터 벗어나지 않고 많은 다른 형태들로 구현될 수도 있다는 것이 인식되어야 한다. 따라서, 본 실시 예들은 제한적이지 않고 예시적인 것으로 간주되어야 하고, 본 명세서에 제공된 상세들로 제한되지 않고, 첨부된 청구항들의 범위 및 등가물 내에서 수정될 수도 있다.

Claims (47)

  1. 프로세싱 챔버;
    상기 프로세싱 챔버 내에 기판을 홀딩하기 위한 기판 홀더;
    상기 프로세싱 챔버 내에서 제 1 플라즈마를 생성하도록 구성된 제 1 플라즈마 소스;
    상기 프로세싱 챔버 내에서 제 2 플라즈마를 생성하도록 구성된 제 2 플라즈마 소스; 및
    상기 프로세싱 챔버 내에서 서로에 대해 시간적으로 (temporally) 또는 공간적으로 (spatially) 상기 제 1 플라즈마 및 상기 제 2 플라즈마의 활성화 (activation) 를 조절하도록 구성된 제어기를 포함하는, 증착 툴.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제 1 플라즈마 및 상기 제 2 플라즈마가 서로에 대해 활성화될 때를 선택적으로 제어함으로써 상기 제 1 플라즈마 및 상기 제 2 플라즈마를 시간적으로 변조하도록 구성되고, 상기 제 1 플라즈마는 상기 기판 상에 증착되는 재료의 원자들의 생성을 발생시키고 상기 제 2 플라즈마는 상기 기판에 충격을 가하는 (bombard) 상기 재료의 이온들을 발생시키는, 증착 툴.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기는 다음의 방식들:
    (a) 불연속 (discrete), 비중첩 펄스들로 상기 제 1 플라즈마 및 상기 제 2 플라즈마의 상기 활성화를 교번하는 동작; 또는
    (b) 부분적으로 중첩하는 펄스들로 상기 제 1 플라즈마 및 상기 제 2 플라즈마의 상기 활성화를 교번하는 동작으로서, 상기 시간적 변조는 상기 부분적으로 중첩하는 펄스들의 비중첩 부분들 동안 발생하는, 상기 활성화 교번 동작 중 적어도 하나의 방식으로 상기 제 1 플라즈마 및 상기 제 2 플라즈마를 시간적으로 변조하는, 증착 툴.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 플라즈마 및 상기 제 2 플라즈마의 상기 공간적 변조는 상기 제 1 플라즈마에 의해 생성된 상기 원자들의 상기 공간적 변조 및 상기 기판의 상기 표면의 불연속 부분들에 걸쳐 상기 제 2 플라즈마로부터 발생되는 상기 이온들의 상기 충격을 발생시키는, 증착 툴.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 플라즈마는 상기 기판 상에 증착되는 저 에너지 원자들을 생성하도록 구성되는 한편, 상기 제 2 플라즈마는 상기 기판의 상기 표면에 충격을 가하는 고 에너지 이온들을 생성하도록 구성되는, 증착 툴.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 플라즈마는:
    (a) 상기 프로세싱 챔버 내에서 상기 기판 상에 증착될 재료로 적어도 부분적으로 이루어진 중공 캐소드;
    (b) 상기 프로세싱 챔버 내에서 상기 기판 상에 증착될 재료를 포함하거나 수용하도록 구성된 중공 캐소드; 또는
    (c) 상기 프로세싱 챔버 내에서 상기 기판 상에 증착될 재료의 입자들을 생성하도록 구성되는 마그네트론 중 하나에 의해 생성되는, 증착 툴.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세싱 챔버 내에서 상기 제 1 플라즈마 소스에 인접하게 위치된 복수의 홀들을 포함하는 메시 (mesh) 를 더 포함하고, 상기 복수의 홀들은 상기 프로세싱 챔버 내에서 상기 기판과 대면하고 상기 제 1 플라즈마 소스에 의해 생성된 원자들로 하여금 상기 제 1 플라즈마로부터 상기 기판으로 통과하게 하는, 증착 툴.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 메시는 상기 제 1 플라즈마에 존재하는 전자들이 상기 기판에 부딪치는 (strike) 것을 적어도 부분적으로 차단하도록 더 구성되는, 증착 툴.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 상기 제 1 플라즈마 및 상기 제 2 플라즈마에 대해 접지되거나 바이어스되는, 증착 툴.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 상의 표면 전하들의 평형을 유지하도록 상기 기판에 대해 활성화될 때 상기 제 2 플라즈마의 전압을 선택적으로 그리고 동적으로 제어하기 위한 애노드를 더 포함하는, 증착 툴.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 플라즈마가 상기 기판에 대해 활성화될 때 상기 제 1 플라즈마에 음전압을 선택적으로 인가하기 위한 음 전력 소스를 더 포함하는, 증착 툴.
  12. 제 16 항에 있어서,
    상기 음전압은 -100 eV 내지 -200 eV의 범위 내인, 증착 툴.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 플라즈마는 용량 결합 플라즈마 (Capacitive Coupled Plasma; CCP) 인, 증착 툴.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 플라즈마 소스는 상기 제 2 플라즈마를 활성화하기 위한 무선 주파수 (Radio Frequency; RF) 전력 소스를 포함하는, 증착 툴.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 RF 전력 소스는,
    (a) 대략 100 ㎒;
    (b) 대략 27 ㎒;
    (c) 13.56 ㎒; 또는
    (e) 400 ㎑ 내지 5.0 ㎓ 범위 중 하나인, 증착 툴.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세싱 챔버는 적어도 부분적으로 비전도성 재료로 이루어지는, 증착 툴.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 비전도성 재료는 세라믹, 석영, 또는 다른 유전체 재료들을 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 증착 툴.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 제 2 플라즈마를 생성하기 위해 사용된 RF 소스 사이에 커플링된 RF 루프를 더 포함하고, 상기 RF 루프는 상기 프로세싱 챔버 둘레에 접지 차폐부를 효과적으로 규정하는, 증착 툴.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 플라즈마와 상기 기판 사이에 제공된 배리어를 더 포함하고, 상기 배리어는 상기 제 2 플라즈마가 상기 기판과 콘택트하는 것을 실질적으로 방지하는, 증착 툴.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 제 2 탄소 플라즈마 사이에 제공된 중화 엘리먼트 (neutralizing element) 를 더 포함하고, 상기 중화 엘리먼트는 전자들로 하여금 상기 기판에 충격을 가하기 전에 이온들과 결합하게 함으로써 상기 기판 상의 에너지 플럭스를 감소시키도록 작용하는, 증착 툴.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 재료는 탄소이고 상기 기판 상에 증착되는 상기 원자들은 sp3 결합을 갖는 비정질 탄소 층으로 변환되는 비정질 탄소 원자들인, 증착 툴.
  22. 프로세싱 챔버;
    상기 프로세싱 챔버 내에 기판을 홀딩하기 위한 기판 홀더;
    상기 프로세싱 챔버 내부에 제 1 탄소 플라즈마를 생성하기 위한 제 1 탄소 플라즈마 소스로서, 상기 제 1 탄소 플라즈마는 상기 기판의 표면 상에 증착되는 저 에너지를 갖는 탄소 원자들을 생성하도록 구성된, 상기 제 1 탄소 플라즈마 소스; 및
    상기 탄소 원자들을 이온화하도록 구성된 제 2 플라즈마로서, 상기 탄소 이온들은 상기 기판의 상기 표면에 충격을 가하는, 상기 제 2 플라즈마를 포함하고,
    상기 탄소 이온들의 상기 충격은 상기 증착된 탄소 원자들을 상기 기판의 상기 표면 상의 다이아몬드-유사 탄소 (Diamond-Like Carbon; DLC) 막으로 변환하는, 증착 툴.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 기판의 상기 표면 상에 형성된 상기 DLC 막은 상기 기판의 상기 표면에 충격을 가하는 상기 이온화된 탄소 입자들로부터 발생하는 sp3 결합들의 형성을 통해 발생하는, 증착 툴.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 DLC 막은 수소화된 비정질 탄소 (a-C:H) 및 수소화된 사면체 비정질 탄소 (ta-C:H) 및 사면체 비정질 탄소 또는 "ta-C"를 포함하는 그룹으로 구성되는, 증착 툴.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 탄소 이온들은 상기 기판에 대해 100 eV 내지 500 eV 범위의 에너지 레벨을 갖는 단일 에너지 (mono-energetic) 인, 증착 툴.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 프로세싱 챔버 내에서 상기 제 1 탄소 플라즈마 및 상기 제 2 플라즈마를 시간적으로 변조하도록 구성된 제어기를 더 포함하는, 증착 툴.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 제어기는 불연속, 비중첩 펄스들로 상기 제 1 탄소 플라즈마 및 상기 제 2 플라즈마의 활성화를 교번함으로써 상기 제 1 탄소 플라즈마 및 상기 제 2 플라즈마를 시간적으로 변조하는, 증착 툴.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 제어기는 부분적으로 중첩하는 펄스들의 비중첩 부분들 동안, 상기 제 1 탄소 플라즈마 및 상기 제 2 플라즈마의 각각의 활성화에 의해 상기 제 1 탄소 플라즈마 및 상기 제 2 플라즈마를 시간적으로 변조하는, 증착 툴.
  29. 제 26 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 DLC 막이 상기 기판의 상기 표면 상에 형성될 때 상기 제 1 탄소 플라즈마 및 상기 제 2 플라즈마를 연속적으로 활성화하는 상기 제 1 탄소 플라즈마 및 상기 제 2 플라즈마를 공간적으로 변조하는, 증착 툴.
  30. 제 26 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 기판의 상기 표면 상의 표면 전하들의 평형을 유지하고 제어하도록 상기 제 1 탄소 플라즈마 및 상기 제 2 플라즈마를 변조하는, 증착 툴.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 기판의 상기 표면에 부딪치는 전자들의 에너지를 제어함으로써 상기 기판의 상기 표면 상의 상기 표면 전하들을 제어하고, 상기 전자들은 상기 탄소 이온들의 상기 충격으로 인해 상기 웨이퍼의 상기 표면 상에 수집되는 양전하들을 오프셋하는 (offset), 증착 툴.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제 1 플라즈마를 활성화함으로써 상기 전자들이 생성되게 하는, 증착 툴.
  33. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 1 플라즈마 및 상기 제 2 플라즈마의 상기 공간적 변조는 상기 탄소 원자들의 상기 공간적 변조 및 상기 기판의 상기 표면 상의 불연속 위치들에 걸쳐 상기 탄소 이온들의 상기 충격을 각각 발생시키는, 증착 툴.
  34. 제 22 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 제 2 플라즈마 사이에 제공된 중화 엘리먼트를 더 포함하고, 상기 중화 엘리먼트는 상기 기판의 상기 표면에 충격을 가하기 전에 상기 탄소 이온들의 전하를 중화하는, 증착 툴.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 중화 엘리먼트는 상기 탄소 이온들이 상기 중화 엘리먼트를 통과할 때 상기 탄소 이온들로 하여금 전자들을 끌어당기게 (attract) 하는 복수의 홀들을 갖는 흑연 플레이트인, 증착 툴.
  36. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 2 플라즈마가 상기 기판과 콘택트하는 것을 방지하도록 구성된 배리어 엘리먼트를 더 포함하는, 증착 툴.
  37. 제 22 항에 있어서,
    상기 기판 홀더는 상기 기판의 온도를 대략 300 ℃ 이하로 유지하도록 구성되는, 증착 툴.
  38. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 1 탄소 소스는 중공 캐소드인, 증착 툴.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 중공 캐소드는 흑연으로 이루어지는, 증착 툴.
  40. 제 38 항에 있어서,
    상기 중공 캐소드는 복수의 셀들을 포함하고 탄소 입자 생성 재료가 상기 복수의 셀들 내로 삽입되거나 상기 복수의 셀들 내에 포함되도록 구성되는, 증착 툴.
  41. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 1 탄소 소스는 마그네트론인, 증착 툴.
  42. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 1 탄소 플라즈마는:
    상기 중공 챔버 내로 점화 가스를 공급함으로써 상기 제 1 탄소 플라즈마 소스에 포함된 중공 챔버 내에서 탄소를 점화하는 동작;
    상기 탄소가 점화된 후, 상기 중공 챔버 내로의 상기 점화 가스의 공급을 중단하거나 (wean) 중지하는 (stop) 동작을 함으로써 상기 제 1 탄소 플라즈마 소스에 의해 생성되고,
    상기 점화 가스의 상기 공급이 중단되거나 중지된 후, 상기 제 1 탄소 플라즈마는 실질적으로 탄소만을 함유하는, 증착 툴.
  43. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 1 탄소 플라즈마가 생성될 때 음전압이 상기 제 1 플라즈마 소스에 인가되고, 상기 음전압은 -100 eV 내지 -200 eV의 범위 내인, 증착 툴.
  44. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 2 플라즈마는 용량 결합 플라즈마 (CCP) 인, 증착 툴.
  45. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 2 플라즈마는 RF 전력 소스에 의해 활성화되고, 상기 RF 전력 소스는:
    (a) 대략 100 ㎒;
    (b) 대략 27 ㎒;
    (c) 13.56 ㎒; 또는
    (e) 400 ㎑ 내지 5.0 ㎓ 범위 중 하나인, 증착 툴.
  46. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 2 플라즈마의 전압을 선택적으로 제어하기 위한 애노드를 더 포함하는, 증착 툴.
  47. 제 22 항에 있어서,
    상기 기판은 접지로 유지되거나 상기 제 1 탄소 플라즈마 및 상기 제 2 플라즈마에 대해 바이어스되는, 증착 툴.
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