KR20230160820A - 플라즈마 공정을 위한 고속 중성자 생성 - Google Patents
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Abstract
플라즈마 공정 방법은, 제1 종, 제2 종, 및 주 표면을 포함하는 기판을 포함하는 플라즈마 공정 챔버 내에 글로 상의 전기양성 플라즈마를 생성하는 단계; 및 전기양성 플라즈마의 전자를 제2 종의 원자 또는 분자와 결합함으로써, 플라즈마 공정 챔버 내에 전기양성 플라즈마의 잔광 상의 전기음성 플라즈마를 생성하는 단계를 포함한다. 전기양성 플라즈마는, 전자 및 제1 종의 양이온을 포함한다. 전기음성 플라즈마는, 양이온 및 제2 종의 음이온을 포함한다. 방법은, 음의 바이어스 전압을 기판에 인가함으로써 중성 입자를 생성하는 단계, 및 음이 아닌 바이어스 전압을 기판에 인가하는 단계를 잔광 상에서 주기적으로 수행하는 단계를 더 포함한다. 평균 속도의 중성 입자는 기판의 주 표면을 향하며, 기판의 주 표면에 실질적으로 수직이다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2021년 3월 25일자로 출원된 미국 가특허출원 일련번호 제17/212,038호의 우선권을 주장하며, 이는 그 전체가 참조로 포함된다.
본 발명은 일반적으로 플라즈마 공정(processing)에 관한 것이며, 구체적인 실시형태에서, 기판에 고속 수직 중성자(neutrals)를 생성하는 플라즈마 공정을 위한 방법, 장치, 및 시스템에 관한 것이다.
마이크로 전자 소재(microelectronic workpiece) 내의 소자 제조는, 기판 상의 다수의 재료층의 형성, 패터닝(patterning), 및 제거를 포함하는 일련의 제조 기술을 포함할 수 있다. 마이크로 전자 기술의 제조 공정, 특성, 및 기능을 개선하기 위한 일관되고 지속적인 노력이 있다. 이러한 개선은 공정 제어를 위한 새로운 첨단 방법 뿐만 아니라, 새로운 화학(chemistry) 발전을 필요로 할 수 있다.
플라즈마 공정은, 증착 및 에칭과 같은 많은 제조 기술을 위해 반도체 소자 제조에 사용된다. 펄스화(pulsed) 플라즈마 공정 방법은, 플라즈마 공정 동안 다양한 파라미터를 제어하기 위해 소스 전력 및/또는 바이어스 전력의 펄스를 사용할 수 있다. 예를 들어, 무선 주파수(RF) 전력 또는 직류(DC) 전력이 펄스화될 수 있다. RF 전력은, 예를 들어 바이어스 펄스를 전극에 인가하는 경우, DC 오프셋(offset)과 조합될 수도 있다. 예를 들어 임피던스 정합망에서 차단 커패시터(blocking capacitor)를 사용하는 경우와 같은, 특정 상황 하에서, 전력 공급 전극에 음의 DC 셀프 바이어스(self-bias) 전압이 시간이 지남에 따라 축적될 수 있다.
플라즈마는, 공정 챔버 내에서 함께 혼합되는 다양한 종(species)을 포함할 수 있다. 추가적으로, 플라즈마 내의 각각의 종은, 이온, 라디칼, 전자, 및 해리 생성물과 같은 다양한 플라즈마 생성물을 생성할 수 있다. 각각의 종의 플라즈마 생성물은 상이한 특성을 가질 수 있으며, 플라즈마 내에 상이한 목적으로 포함될 수 있다. 예를 들어, 상이한 종의 플라즈마 생성물은, 플라즈마 내의 종 또는 처리되는 기판의 다양한 재료에 대한 상이한 반응성과 같은 상이한 화학적 특성을 가질 수 있다. 또한, 플라즈마 내의 다양한 종은, 이온 형성 시에 차이를 야기하는, 상이한 전기음성도 및 이온화 에너지를 가질 수 있다. 종은 상이한 방식으로 표면에 접근할 수 있다. 하전 입자는 시스(sheath)를 통하여 가속될 수 있으며, 증가된 수직성으로 표면에 수직으로 지향될 수 있다. 이러한 종은 이방성 각분포를 갖는 것으로 지칭된다. 대조적으로, 중성자 종(neutral species)은 단위 입체각당 동일한 확률로 표면에 접근한다. 이들은 등방성 각분포를 갖는 것으로 지칭된다.
메모리 및 로직 소자의 제조와 같은 고종횡비 적용예를 위해, 프로파일 제어가 중요할 수 있다. 고종횡비 형상부(feature) 내의 차등 하전은, 이온 패닝(ion fanning)과 같은 효과로 인해 이온 수직성을 감소시키고 종횡비를 감소시킬 수 있다. 추가적으로, 형상부 자체에 의해 고종횡비 형상부의 측면 및 하부로부터 저속 (등방성) 중성 입자가 셰이딩(shading)되는 경우 발생할 수 있는 라디칼 셰이딩에 의해, 에칭 프로파일이 악영향을 받을 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따라, 플라즈마 공정 방법은, 제1 종, 제2 종, 및 주 표면을 포함하는 기판을 포함하는 플라즈마 공정 챔버 내에 글로 상(glow phase)의 전기양성(electropositive) 플라즈마를 생성하는 단계; 및 전기양성 플라즈마의 전자를 제2 종의 원자 또는 분자와 결합함으로써, 플라즈마 공정 챔버 내에 전기양성 플라즈마의 잔광 상(afterglow phase)의 전기음성(electronegative) 플라즈마를 생성하는 단계를 포함한다. 전기양성 플라즈마는, 전자 및 제1 종의 양이온을 포함한다. 전기음성 플라즈마는, 양이온 및 제2 종의 음이온을 포함한다. 방법은, 음의 바이어스 전압을 기판에 인가함으로써 중성 입자를 생성하는 단계, 및 음이 아닌(non-negative) 바이어스 전압을 기판에 인가하는 단계를 잔광 상에서 주기적으로 수행하는 단계를 더 포함한다. 평균 속도의 중성 입자는 기판의 주 표면을 향하며, 기판의 주 표면에 실질적으로 수직이다.
본 발명의 다른 실시형태에 따라, 플라즈마 공정 방법은, 무선 주파수 소스 전력 전극, 무선 주파수 바이어스 전력 전극, 및 무선 주파수 소스 전극과 무선 주파수 바이어스 전극 사이에 배치된 기판을 포함하는 플라즈마 공정 챔버 내로 적어도 2개의 가스를 유동시키는 단계를 포함한다. 가스는 제1 종 및 제2 종을 포함한다. 방법은, 제1 종의 전자 및 양이온을 생성하도록, 무선 주파수 소스 전력을 가스에 인가하는 단계; 제1 종의 전자를 제2 종의 원자 또는 분자와 결합함으로써 제2 종의 음이온을 생성하도록, 가스로부터 무선 주파수 소스 전력을 제거하는 단계; 및 중성 입자를 기판에 전달하기 위해, 미리 결정된 지연 후에 그리고 무선 주파수 소스 전력의 제거 후에, 무선 주파수 바이어스 전력을 기판에 인가하는 단계를 더 포함한다. 무선 주파수 바이어스 전력은, 기판에서의 약 10 MHz 미만의 주파수를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따라, 플라즈마 공정 장치는, 제1 종의 양이온 및 제2 종의 음이온을 포함하는 전기음성 플라즈마를 포함하도록 구성된 플라즈마 공정 챔버; 플라즈마 공정 챔버에 결합되고, 플라즈마 공정 챔버 내에 전기양성 플라즈마를 생성하도록 구성되는, 소스 전력 공급기; 플라즈마 공정 챔버 내에 배치된 주 표면을 포함하는 기판; 및 기판과 바이어스 전력 공급기 사이에 결합된 바이어스 전력 생성기 회로를 포함한다. 바이어스 전력 생성기 회로는, 무선 주파수 바이어스 전압을 기판에 인가하도록 구성된다. 전기양성 플라즈마는, 음이온을 형성하도록 제2 종과 결합되는 전자 및 제1 종의 양이온을 포함한다. 무선 주파수 바이어스 전압은, 음의 전압과 음이 아닌 전압 간에 교호한다. 음의 전압은, 기판의 주 표면에 실질적으로 수직으로 그리고 기판의 주 표면의 방향으로 지향되는 속도 벡터를 갖는 중성 입자를 생성한다.
이제 본 발명 및 이의 이점에 대한 보다 완전한 이해를 위해, 첨부된 도면과 함께 고려되는 이하의 설명을 참조하며, 첨부된 도면으로서:
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 예시적인 플라즈마 공정 방법의 개략적인 타이밍도 및 해당 정성적 그래프를 도시한다;
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따라, 고속 제1 종 중성자를 야기하는 백그라운드 제1 종 중성자와 양으로 하전된 제1 종 이온 간의 예시적인 전하 교환 충돌의 개략도를 도시한다;
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 고속 제1 종 중성자를 야기하는 백그라운드 제1 종 중성자와 음으로 하전된 제1 종 이온 간의 예시적인 전하 교환 충돌의 개략도를 도시한다;
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따라, 고속 제1 종 중성자를 야기하는 백그라운드 제2 종 중성자와 제1 종 이온 간의 예시적인 전하 교환 충돌의 개략도를 도시한다;
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따라, 상부 전극과 하부 전극 사이에 배치된 전기음성 플라즈마를 포함하는 예시적인 플라즈마 공정 시스템의 개략도를 도시하는 것으로서, 하부 전극에서의 인가된 전압은, 하부 전극의 주 표면을 향하여 그리고 하부 전극의 주 표면에 실질적으로 수직으로 평균 속도를 갖는 고속 중성자의 캐스케이드(cascade)를 생성한다;
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 시스 형성, 전자 가열, 및 하전을 위한 방식을 나타내는, 바이어스 전압 주파수 대 플라즈마 밀도의 정성적 그래프를 도시한다;
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 대칭 및 비대칭 전하 교환 상호 작용에 대한 전하 교환 단면적 대 이온 에너지의 정성적 그래프를 도시한다;
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 차등 하전이 있는 그리고 차등 하전이 없는 플라즈마 에칭 공정 동안의 예시적인 기판의 단면도를 도시한다;
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따라, 라디칼 셰이딩이 있는 그리고 라디칼 셰이딩이 없는 플라즈마 에칭 공정 동안의 예시적인 기판의 단면도를 도시한다;
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 상부 전극과 하부 전극 사이에 배치된 전기음성 플라즈마를 포함하는 플라즈마 공정 챔버를 포함하는 예시적인 플라즈마 공정 장치의 개략도를 도시한다;
도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따른 예시적인 플라즈마 공정 방법을 도시한다; 그리고
도 12는 본 발명의 일 실시형태에 따른 다른 예시적인 플라즈마 공정 방법을 도시한다.
상이한 도면의 해당 숫자 및 기호는 달리 명시되지 않는 한, 전반적으로 대응하는 부분을 지칭한다. 도면은 실시형태의 관련 양태를 명확하게 예시하기 위해 도시되며, 반드시 일정한 비율로 도시된 것은 아니다. 도면에 도시된 특징부의 에지는 반드시 특징부의 범위의 종료를 나타내는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 예시적인 플라즈마 공정 방법의 개략적인 타이밍도 및 해당 정성적 그래프를 도시한다;
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따라, 고속 제1 종 중성자를 야기하는 백그라운드 제1 종 중성자와 양으로 하전된 제1 종 이온 간의 예시적인 전하 교환 충돌의 개략도를 도시한다;
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 고속 제1 종 중성자를 야기하는 백그라운드 제1 종 중성자와 음으로 하전된 제1 종 이온 간의 예시적인 전하 교환 충돌의 개략도를 도시한다;
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따라, 고속 제1 종 중성자를 야기하는 백그라운드 제2 종 중성자와 제1 종 이온 간의 예시적인 전하 교환 충돌의 개략도를 도시한다;
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따라, 상부 전극과 하부 전극 사이에 배치된 전기음성 플라즈마를 포함하는 예시적인 플라즈마 공정 시스템의 개략도를 도시하는 것으로서, 하부 전극에서의 인가된 전압은, 하부 전극의 주 표면을 향하여 그리고 하부 전극의 주 표면에 실질적으로 수직으로 평균 속도를 갖는 고속 중성자의 캐스케이드(cascade)를 생성한다;
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 시스 형성, 전자 가열, 및 하전을 위한 방식을 나타내는, 바이어스 전압 주파수 대 플라즈마 밀도의 정성적 그래프를 도시한다;
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 대칭 및 비대칭 전하 교환 상호 작용에 대한 전하 교환 단면적 대 이온 에너지의 정성적 그래프를 도시한다;
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 차등 하전이 있는 그리고 차등 하전이 없는 플라즈마 에칭 공정 동안의 예시적인 기판의 단면도를 도시한다;
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따라, 라디칼 셰이딩이 있는 그리고 라디칼 셰이딩이 없는 플라즈마 에칭 공정 동안의 예시적인 기판의 단면도를 도시한다;
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 상부 전극과 하부 전극 사이에 배치된 전기음성 플라즈마를 포함하는 플라즈마 공정 챔버를 포함하는 예시적인 플라즈마 공정 장치의 개략도를 도시한다;
도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따른 예시적인 플라즈마 공정 방법을 도시한다; 그리고
도 12는 본 발명의 일 실시형태에 따른 다른 예시적인 플라즈마 공정 방법을 도시한다.
상이한 도면의 해당 숫자 및 기호는 달리 명시되지 않는 한, 전반적으로 대응하는 부분을 지칭한다. 도면은 실시형태의 관련 양태를 명확하게 예시하기 위해 도시되며, 반드시 일정한 비율로 도시된 것은 아니다. 도면에 도시된 특징부의 에지는 반드시 특징부의 범위의 종료를 나타내는 것은 아니다.
다양한 실시형태의 제조 및 사용이 아래에 상세히 설명된다. 그러나, 본원에 설명된 다양한 실시형태는 다양한 구체적인 상황에서 적용 가능함을 이해해야 한다. 설명된 구체적인 실시형태는 단지 다양한 실시형태를 제조하고 사용하기 위한 구체적인 방식을 예시하는 것일 뿐이며, 제한된 범위로 해석되어서는 안된다.
고속 중성 입자는, 기판 하전 및 라디칼 셰이딩의 바람직하지 않은 영향을 완화시킬 수 있다. 예를 들어, 기판의 표면에 전하를 부여하지 않는 중성 입자를 사용함으로써, 기판 하전이 완화될 수 있다. 중성 라디칼의 수직성을 증가시킴으로써, 라디칼 셰이딩의 영향이 감소될 수 있다. 즉, 백그라운드 중성자(background neutrals)는 저속(즉, 저온)이고 무작위 방향으로 이동하는 반면에, 고속 중성자는 한정된 방향을 갖는다. 예를 들어, 기판 표면에 실질적으로 수직으로(즉, 수직형) 평균 속도를 갖는 고속 중성자가 기판 표면을 향해 지향될 수 있다. 그 다음, 더 적은 고속 중성 입자는, 저속 백그라운드 중성자보다 형상부 내로 깊게 도달하지 않도록 셰이딩된다.
중성 빔은 고속 중성 입자의 하나의 소스이다. 이온이 중화되는 오리피스(orifice)를 통하여 플라즈마로부터 이온을 추출함으로써, 중성 빔이 형성된다. 그러나, 중성 빔은, 고비용, 복잡성 증가, 및 기판 표면에 대한 원격 위치와 같은 다양한 이유로 인해, 비현실적인 솔루션일 수 있다. 따라서, 기판 표면 근처의 플라즈마로부터 생성된 고속 중성 입자가 바람직할 수 있다.
본원에 설명된 실시형태의 방법 및 플라즈마 공정 장치는, 플라즈마 공정 챔버 내에 포함된 전기음성 플라즈마로부터 고속 중성 입자를 생성할 수 있도록 한다. 전기음성 플라즈마의 구체적인 일 실시예는, 양이온 및 음이온의 유사한 밀도를 포함하지만, 시스가 형성되지 않도록 적은(예를 들어, < 10^8 cm-3 또는 실질적으로 0의) 자유 전자를 포함하는, "이온-이온" 플라즈마이다. 바이어스 전압을 기판에 결합함으로써, 플라즈마 공정 챔버 내에 배치된 기판의 표면에 고속 중성 입자가 생성된다. 시스가 거의 없거나 전혀 없기 때문에, 인가된 전기장은 전체 챔버에 걸쳐서 감지된다. 다양한 실시형태에서, 바이어스 전압은, 바이어스 전력 펄스로서, 적합한 주파수로 기판에 인가되는 RF 바이어스 전압이다. 바이어스 전압 및 결과적인 전기장은 전기음성 플라즈마 내의 이온을 기판을 향해 가속시킴으로써, 고속 중성 입자를 생성하는 전하 교환 충돌을 야기한다. 바이어스 전압에 의해 생성된 고속 중성 입자는, 표면을 향하여 그리고 표면에 실질적으로 수직으로 평균 속도를 갖는다.
실시형태의 방법 및 플라즈마 공정 장치는, 바람직하게는 통상적인 방법 및 장치에 비해 다양한 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 고속 중성 입자는, 바람직하게는 기판을 포함하는 플라즈마 공정 챔버 내의 기존 플라즈마로부터 생성될 수 있다. 고속 중성 입자를 사용함으로써, 바람직하게는 플라즈마 공정 동안 기판 하전(예를 들어, 이온 패닝)을 감소시킬 수 있다. 또한, 고속 중성자 수직성에 따라, 바람직하게는 플라즈마 공정 동안 라디칼 셰이딩을 감소시킬 수 있다. 기판 하전 및/또는 라디칼 셰이딩의 감소에 따라, 형상부 프로파일을 개선하는 바람직한 이점을 제공할 수 있다.
다양한 실시형태에서, RF 바이어스 전력을 인가함으로써, 바람직하게는 고속 중성 입자를 생성하는 동안 시스 형성을 방지할 수 있다. 현저한 시스 형성이 없어서 전하 공핍을 방지할 수 있으므로, 바람직하게는 대량의 플라즈마에 걸쳐서 실질적으로 균일한 전기장이 유지될 수 있다. 또한, RF 바이어스 전력은, 단일 방향으로의 인가된 전압의 지속시간을 제한함으로써, 바람직하게는 기판 하전을 방지할 수 있다. 기판에서 셀프 바이어스를 생성하지 않는 실시형태의 경우, 이러한 이점은 추가로 향상될 수 있다. 충분히 저주파수의 RF 바이어스 전력의 인가에 따라, 바람직하게는 전자 가열을 방지할 수 있다.
일부 실시형태에서, 전기음성 플라즈마의 낮은 전자 밀도에 따라, 바람직하게는 현저한 시스 형성 없이 이온이 가속될 수 있는 시간을 증가시킬 수 있다. 결과적으로, 낮은 전자 밀도는, 바람직하게는 기판으로의 고속 중성 입자의 플럭스를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 인가된 바이어스 전압의 증가된 지속시간으로 인해, 고속 이온과 백그라운드 중성 입자 간의 다수의 전하 교환 충돌이 동일한 초기 이온으로부터 발생할 수 있다.
현저한 시스가 없으므로, 더 큰 체적의 플라즈마가 전기장을 받아서, 바람직하게는 더 많은 전하 교환 충돌을 야기할 수 있다. 따라서, 전기장을 받는 체적이 더 클수록, 그리고 각각의 바이어스 전압 인가의 증가된 지속시간에 따라, 바람직하게는 고속 중성자 생성을 위한 기회를 증가시킬 수 있고, 이에 따라 기판에서 고속 중성자 플럭스를 증가시킬 수 있다.
바람직하게는 고속 중성자 플럭스는, RF 바이어스 주파수, 바이어스 전력, 플라즈마 밀도 등과 같은 다양한 제어 가능 파라미터에 연결될 수 있다. 이러한 방식으로, 본원에 설명된 실시형태의 방법의 이점은, 다양한 제어 가능 파라미터를 사용하여 고속 중성자 플럭스 제어를 가능하게 할 수 있다는 점일 수 있다. 또한, 고속 중성자 플럭스는, 바람직하게는 이온 플럭스와 같은 다른 관심 메트릭과 비교하여 조정 가능할 수 있다.
아래에 제공되는 실시형태는 플라즈마 공정을 위한 다양한 방법, 장치, 및 시스템을 설명하며, 특히, 기판 표면을 향하여 그리고 기판 표면에 실질적으로 수직으로 지향되는 고속 중성 입자가 전기음성 플라즈마로부터 생성되는, 플라즈마 공정을 위한 방법, 장치, 및 시스템을 설명한다. 이하의 설명은 실시형태를 설명한다. 일 실시형태의 플라즈마 공정 방법의 예시적인 개략적인 타이밍도가 도 1을 사용하여 설명된다. 고속 중성자를 야기하는 몇몇 실시형태의 전하 교환 충돌이 도 2 내지 도 4를 사용하여 설명된다. 도 5는 상부 전극과 하부 전극 사이에 배치된 전기음성 플라즈마를 포함하는 일 실시형태의 플라즈마 공정 시스템을 설명하기 위해 사용된다. 실시형태의 플라즈마 공정 방법과 부합하는 예시적인 2개의 정성적 그래프가 도 6 및 도 7을 사용하여 설명되며, 도 8 및 도 9는 예시적인 바람직하지 않은 두 가지 시나리오가 있는 그리고 없는 실시형태의 에칭 공정을 설명하기 위해 사용된다. 일 실시형태의 플라즈마 공정 장치는 도 10을 사용하여 설명된다. 2개의 실시형태의 플라즈마 공정 방법이 도 11 및 도 12를 사용하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 예시적인 플라즈마 공정 방법의 개략적인 타이밍도 및 해당 정성적 그래프를 도시한다.
도 1을 참조하면, 개략적인 타이밍도(100)는, 소스 전력 지속시간(11)을 갖는 적어도 하나의 소스 전력 펄스(12), 및 바이어스 전력 지속시간(13)을 갖는 적어도 하나의 바이어스 전력 펄스(14)를 포함하는, 펄스 시퀀스의 타이밍을 도시한다. 소스 전력 펄스(12)는 소스 전력(P S)을 가지며, 바이어스 전력 펄스(14)는 바이어스 전력(P B)을 갖는다. 다양한 실시형태에서, 소스 전력 펄스(12)는, 소스 전력 주파수(f S)로 인가된 RF 소스 전력 펄스이다. 소스 전력 주파수(f S)는 임의의 적합한 주파수일 수 있지만, 다양한 실시형태에서 고주파(HF) RF이다. 일 실시형태에서, 소스 전력 주파수(f S)는 약 13.56 MHz이다. 유사하게, 일부 실시형태에서, 바이어스 전력 펄스(14)는, 바이어스 전력 주파수(f B)로 인가된 RF 바이어스 전력 펄스이다. 바이어스 전력 주파수(f B)는 소스 전력 주파수(f S) 미만일 수 있다.
선택적으로 바이어스 전력 펄스(14)는, 도시된 바와 같이 지연 지속시간(15)만큼 소스 전력 펄스(12)와 시간적으로 분리될 수 있다. 지연 지속시간(15) 동안, 소스 전력은 인가되지 않는다. 동일한 방식으로, 다양한 실시형태에서, 지연 지속시간(15) 동안, 바이어스 전력이 인가되지 않는다.
펄스 시퀀스는, 적어도 하나의 소스 전력 펄스 및 적어도 하나의 바이어스 전력 펄스를 포함하는 각각의 사이클(16)로 반복적으로 인가될 수 있다. 각각의 소스 전력 펄스(12)의 인가 동안, P S는 0 초과이다. 일부 실시형태에서, P B는 소스 전력 펄스(12) 동안 0이다. 대안적으로, 소스 전력 펄스(12) 동안, 일부 바이어스 전력(P B > 0)이 인가될 수 있다. 유사하게, 바이어스 전력 펄스(14) 동안, P B > 0인 반면에, P S는 낮거나 0이다. 바이어스 전력 펄스(14) 동안 소스 전력을 인가하지 않음으로써, 바람직하게는 전자 생성을 방지할 수 있고, 낮은 플라즈마 온도를 유지할 수 있다.
정성적 그래프(102)는 개략적인 타이밍도(100)에 해당하며, 플라즈마 공정 시스템 내의 양이온 밀도(n +), 음이온 밀도(n -), 및 전자 밀도(n e)의 정성적 특성을 나타낸다. 소스 전력 펄스(12)는, 소스 전력 지속시간(11) 동안 (예를 들어, 플라즈마 공정 챔버 내에) 플라즈마를 생성한다. 소스 전력이 인가되는 동안, 플라즈마의 글로 상(17)이 유지되며, 플라즈마는 전기양성 플라즈마(41)이다. 플라즈마는, n + 및 n e의 높은 값으로 나타낸 바와 같이, 양이온 뿐만 아니라 자유 전자의 상당한 밀도를 갖는 이온-전자 플라즈마일 수 있다. 즉, 이온-전자 플라즈마 내에 일부 음이온이 (예를 들어, 최대 90%까지도) 존재할 수 있지만, 상당한 전자 밀도로 인해 시스가 여전히 존재한다. 이온-전자 플라즈마 내의 음이온의 수는, 구체적인 구현예의 화학적 특성에 따라 좌우된다.
소스 전력 펄스(12)의 종료 시에 소스 전력이 제거된 후에, 재결합으로 인해 n + 및 n e가 감소함에 따라, 플라즈마의 잔광 상(18)이 시작된다. 전자의 증가된 이동성으로 인해 그리고 음이온을 형성하기 위한 다른 이용 가능한 전기음성 중성자와 전자의 결합으로 인해서도, 전자 밀도(n e)는 n +보다 더 빠른 속도로 감소한다. 결과적으로, 지연 지속시간(15) 동안(즉, 전력이 시스템에 거의 인가되지 않거나 전혀 인가되지 않는 경우), 플라즈마의 전하 중성이 유지되면서, 음이온 밀도(n -)가 급격히 상승한다. (n e가 0에 가까워짐에 따라, 이온-이온 플라즈마가 되는) 전기음성 플라즈마(42)가 잔광 상(18)으로 형성된다. 전기음성 플라즈마(42)는 양이온 및 음이온을 모두 포함하지만, 상대적으로 적은 자유 전자를 포함하거나, 자유 전자를 전혀 포함하지 않는다.
전기양성 플라즈마 및 전기음성 플라즈마라는 용어는, 각각 이온-전자 플라즈마 및 이온-이온 플라즈마보다 더 넓은 용어로서 간주될 수 있다. 예를 들어, 전기음성 및 전기양성은, 플라즈마의 전자 밀도가 플라즈마 내에서 증가하거나 감소하는 경향을 설명하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 적절한 시간 기간 후에, 순수 전기양성 플라즈마는 자연적으로 유의미한 수의 자유 전자를 가질 수 있는 반면에(이온-전자 플라즈마), 순수 전기음성 플라즈마는 충분한 양의 음이온을 생성하여 이온-이온 플라즈마를 야기할 수 있다.
플라즈마의 전기음성도는, 전기양성 및 전기음성 종의 존재와 관련될 수 있다. 예를 들어, 순수 전기양성 플라즈마 또는 순수 전기음성 플라즈마는, 전기양성 플라즈마(예를 들어, Ar 등) 뿐만 아니라 전기음성 플라즈마(예를 들어, Cl, O 등)를 동시에 포함할 수 있다. 집합적 전기양성도 및 전기음성도 간의 균형은, 플라즈마 내의 종의 상대 밀도, 압력, 인가된 전력 및 바이어스 등과 같은 외부 조건에 따라 좌우될 수 있다.
이러한 방식으로, 지연 지속시간(15)은, 전기양성 플라즈마(41)의 잔광 상(18)으로 전기음성 플라즈마(42)를 생성하도록 적절하게 이용될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 지연 지속시간은, 양이온 및 음이온 밀도가 모두 높고 전자 밀도가 낮은 경우(전기음성 플라즈마), 바람직하게는 바이어스 전력의 인가를 활성화시킬 수 있는, 대략적으로 주어진 전기양성 플라즈마의 이온-전자 완화 시간(τ+)이다. 일부 실시형태에서, 지연 지속시간(15)은 약 5 ㎲ 미만이다. 일 실시형태에서, 지연 지속시간(15)은 약 10 ㎲이다. 다른 실시형태에서, 지연 지속시간은 약 50 ㎲이다.
(개략적인 타이밍도(100)에도 해당하는) 정성적 그래프(104)에 도시된 바와 같이, 글로 상(17)으로의 소스 전력 펄스(12)의 인가 동안, 이온 온도(T i)가 급상승한 다음, 상승된 상태를 유지한다. 소스 전력이 제거된 후에, T i는 n e와 함께 감소한다. 전기음성 플라즈마(42)가 충분히 형성된 그러한 시점에, 그리고 다수의 양이온 및 음이온이 서로 중화되기 전에, 바이어스 전력 펄스(14)가 인가된다. 바이어스 전력 지속시간(13) 동안 인가된 바이어스 전력은, n + 및 n -가 천천히 감소하는 동안, T i 및 n e를 실질적으로 증가시키지 않으면서, 고속 중성자 플럭스(Γ FN)를 생성한다.
전기음성 플라즈마(42)는, 잔광 상(18)에서의 낮은 전자 밀도(n e)로 인해, 바람직하게는 시스 형성 속도를 감소시킬 수 있다. 즉, 시스 형성의 시간 척도는, (전자의 낮은 질량에 비해) 매우 큰 이온 질량 및 낮은 이온 온도에 의해 좌우될 수 있다. 이러한 조건 하에서, 이온은 무거울 뿐만 아니라 저온이므로, 높은 전자 밀도를 포함하는 플라즈마에 비해, 재결합 시간이 증가된다. 이러한 길어진 완화 시간은, 최소한의 시스 형성과 함께 기판의 방향으로 이온을 가속시키기에 충분할 수 있으므로, 바람직하게는 전기음성 플라즈마(42) 내의 전하 교환 충돌을 위한 유리한 조건을 야기한다.
바이어스 전력 주파수(f B)는, 완화 시간에 의해 직접적으로 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 완화 시간이 증가됨에 따라, 더 낮은 바이어스 전력 주파수가 실행 가능하게 된다(시스 형성은 더 긴 시간 기간 동안 방지될 수 있다). 또한, 더 높은 바이어스 전력 주파수(f B)는, 바람직하지 않은 전자 가열을 유발할 수 있다. 따라서, 더 낮은 f B를 가능하게 하기 위한 전기음성 플라즈마(42)의 사용의 가능한 이점은, 상승된 전자 온도로 인한 2차 방출을 감소시키거나 방지한다는 점이다.
(f B를 감소시킴으로써) 길어진 바이어스 전압 인가와 조합되는 낮은 이온 온도(T i)는, 바람직하게는 바이어스 전력 펄스(14) 동안 고도로 방향성 이온을 야기할 수 있다. 이러한 고도로 방향성 이온은, 전기음성 플라즈마(42) 내에서 전하 교환 충돌 시에 백그라운드 중성 입자(예를 들어, 라디칼)와 상호 작용한다. 전하 교환 충돌은, 방향성 이온과 실질적으로 유사한 속도를 갖는 고속 중성 입자를 생성한다. 즉, 바람직하게는 고속 중성 입자는, 바이어스 전력이 인가된 기판의 주 표면을 향하여 그리고 기판의 주 표면에 실질적으로 수직으로 평균 속도를 가질 수 있다.
전기음성 플라즈마(42)로부터의 고속 중성 입자의 생성은, 통상적인 중성 빔의 단점 없이, 기판 하전 및 라디칼 셰이딩과 같은 바람직하지 않은 영향을 방지하도록 고속 중성자의 사용을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 개략적인 타이밍도(100)는 기판의 표면에 인접하는 기존 플라즈마로부터 고속 중성 입자를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 대조적으로, 통상적인 중성 빔 소스는, 기판에 대한 중성 빔 소스(예를 들어, 오리피스 플레이트)의 원격 위치, 기존 시스템과의 비호환성, 및 고비용으로 인해, 비실용적일 수 있다.
바이어스 전력 지속시간(13)은 상대적으로 짧을 수 있다. 예를 들어, 플라즈마는 시간이 지남에 따라 더 저항성이 될 수 있으며, 플라즈마 밀도는 계속 감소할 것이고, 고속 중성자 플럭스(Γ FN)는 시간이 지남에 따라 감소할 것이다. 일 실시형태에서, 바이어스 전력 지속시간(13)은 약 50 ㎲ 미만이다. 플라즈마 밀도가 빠르게 안정화될 수 있고, 소스 전력 펄스(12)의 목적은 단지 이후에 사용하기 위한 양이온 및 전자를 생성하는 것이기 때문에, 소스 전력 지속시간(11)이 또한 가능한 한 짧게 유지될 수 있다. 결과적으로, 펄스 시퀀스의 사이클(16)은 상대적으로 짧을 수 있다. 예를 들어, 사이클(16)은 약 200 ㎲ 미만일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따라, 고속 제1 종 중성자를 야기하는 백그라운드 제1 종 중성자와 양으로 하전된 제1 종 이온 간의 예시적인 전하 교환 충돌의 개략도를 도시한다. 도 2의 전하 교환 충돌은, 예를 들어 도 1의 플라즈마 공정 방법과 같은, 본원에 설명된 플라즈마 공정 방법 동안 발생될 수 있다. 유사하게 표시된 요소는 앞서 설명된 바와 같을 수 있다.
도 2를 참조하면, 전하 교환 충돌(200)은, 양으로 하전된 제1 종 이온(21)(A+) 및 백그라운드 제1 종 중성자(23)(A)를 포함한다. A+ 및 A가 상호 작용하기에 서로 충분히 가깝기 전의 제1 순간(201)에, A+는 A의 기준 프레임 내에서 A의 방향으로의 속도()를 갖는다(여기서, A는 움직이지 않음). 또한, 이는 A가 저온(저속)인 플라즈마 백그라운드 내의 중성 입자이기 때문에, 시스템의 기준 프레임의 적정한 근사치이다.
제1 순간(201) 동안, A+는 속도 로 A를 향해 이동한다. 충돌 파라미터(β)로 지칭되는 양은, A+ 및 A가 서로를 감지하는(예를 들어, 상호 작용하기에 충분히 가까운) 거리를 한정한다. 도 2에 도시된 전하 교환 충돌(200)은, A+ 및 A 둘 모두가 전자만이 서로 상이한 일부 제1 종이기 때문에 대칭적이다. 따라서, 전하 교환 충돌(200)은 대칭적인 양이온 전하 교환 충돌이다.
제2 순간(202)에, A+ 및 A는 상호 작용하기에 충분히 가깝고 전자(29)가 교환된다. 구체적으로, 전자(29)는 A로부터 A+로 이동된다. 결과적으로, 제3 순간(203)에, 저속 양전하 제1 종 이온(26)(A+), 및 속도()를 갖는 고속 제1 종 중성자(25)(A)가 생성된다. 그 다음, 전하 교환 충돌(200)의 상호 작용 수식은 로서 표기될 수 있다.
전하 교환 충돌(200)의 전체적인 효과는, 고속 입자의 독자성(identity)을 양이온으로부터 중성 입자로 "변화"시키는 것이다. 바람직하게는, 전하 교환 충돌(200)은 무시 가능한 운동량 전달을 갖는 전방 산란 충돌이기 때문에, 고속 제1 종 중성자(25)는 속도()를 유지한다. 예를 들어, 도 1의 바이어스 전력 펄스(14) 동안, 인가된 바이어스 전압을 사용하여, 플라즈마 내의 양이온을 속도()로 가속시킴으로써, 전하 교환 충돌(200)과 같은 충돌이 플라즈마 내에 발생될 수 있다.
전하 교환 충돌 이벤트의 확률은 입자의 밀도 및 충돌 파라미터(β)와 직접적으로 관련되며, 이온과 중성자 간의 상대 속도()에 반비례한다. 따라서, 더 느린 상대 속도()는 (증가된 충돌 확률로 인해) 더 많은 수의 생성된 고속 중성 입자를 야기할 것이지만, 고속 중성 입자는 더 느린 속도를 가질 것이다. 이러한 방식으로, 고속 중성자 에너지와 고속 중성자 플럭스 간에 트레이드오프(trade-off)가 존재할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 고속 제1 종 중성자를 야기하는 백그라운드 제1 종 중성자와 음으로 하전된 제1 종 이온 간의 예시적인 전하 교환 충돌의 개략도를 도시한다. 도 3의 전하 교환 충돌은, 예를 들어 도 1의 플라즈마 공정 방법과 같은, 본원에 설명된 플라즈마 공정 방법 동안 발생될 수 있다. 유사하게 표시된 요소는 앞서 설명된 바와 같을 수 있다.
도 3을 참조하면, 전하 교환 충돌(300)은, 음으로 하전된 제1 종 이온(22)(A-) 및 백그라운드 제1 종 중성자(23)(A)를 포함한다. 도 2의 전하 교환 충돌(200)과 유사하게, A-는 제 1 순간(301)에 A에 대한 속도() 및 충돌 파라미터(β)를 갖는다. 제2 순간(302)에, 전자(29)가 A-로부터 A로 이동되어, 제3 순간(303)에, 음으로 하전된 저속 제1 종 이온(28)(A-), 및 속도()를 갖는 고속 제1 종 중성자(25)를 야기한다. 따라서, 전하 교환 충돌(300)의 상호 작용 수식은 로서 표기될 수 있다.
도 2의 전하 교환 충돌(200)과 유사하게, 충돌은 대칭적이며, 전하 교환 충돌(300)은 대칭적인 음이온 전하 교환 충돌이다. 전하 교환 충돌(300)의 전체적인 효과는, 고속 입자의 독자성을 음이온으로부터 중성 입자로 "변화"시키는 것이다. 예를 들어, 도 1의 바이어스 전력 펄스(14) 동안, 인가된 바이어스 전압을 사용하여, 플라즈마 내의 음이온을 속도()로 가속시킴으로써, 전하 교환 충돌(300)과 같은 충돌이 플라즈마 내에 발생될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따라, 고속 제1 종 중성자를 야기하는 백그라운드 제2 종 중성자와 제1 종 이온 간의 예시적인 전하 교환 충돌의 개략도를 도시한다. 도 4의 전하 교환 충돌은, 예를 들어 도 1의 플라즈마 공정 방법과 같은, 본원에 설명된 플라즈마 공정 방법 동안 발생될 수 있다. 유사하게 표시된 요소는 앞서 설명된 바와 같을 수 있다.
도 4를 참조하면, 전하 교환 충돌(400)은, 양으로 하전된 제1 종 이온(21)(A+) 및 백그라운드 제2 종 중성자(24)(B)를 포함할 수 있다. 앞서 설명된 전하 교환 충돌과 대조적으로, 하전 입자(A+)는 중성 입자(B)와 동일한 종(예를 들어, 원자, 분자, 복합체)이 아니다. 결과적으로, 전하 교환 충돌(400)은 비대칭적인 전하 교환 충돌이다.
제1 순간(401)에, A+는 B에 대한 제1 속도() 및 충돌 파라미터(β)를 갖는다. 제2 순간(402)에, 전자(29)가 B로부터 A+로 전달되어, 제3 순간(403)에, 양으로 하전된 저속 제2 종 이온(27)(B+), 및 제2 속도()를 갖는 고속 제1 종 중성자(25)를 야기한다. 그러나, 제1 종과 제2 종 간의 비대칭성으로 인해, B로부터 A+로의 전하의 전달을 촉진시키기 위해, 일부 에너지 변화(ΔE)가 필요하다.
예를 들어, 대칭적인 전하 교환 상호 작용에서, 초기 상태 및 최종 상태는 동일한 에너지를 갖는다. 즉, 위치 에너지 대 원자간 분리를 나타내는 대칭적인 상호 작용 다이어그램(404)에 도시된 바와 같이, 가 아닌 의 결과를 획득하기 위해 추가적인 에너지가 필요하지 않다. 대조적으로, 비대칭적인 전하 교환 상호 작용의 경우, 의 최종 상태(즉, 전하 이동이 이루어진 상태)는, 비대칭적인 상호 작용 다이어그램(405)에 도시된 바와 같이, 의 초기 상태보다 더 높은 에너지를 갖는다.
시스템의 상호 작용 전위는 (아래의) 실선으로 정성적으로 도시되며, 실선이 우측으로부터 좌측으로 이동됨에 따라, A+와 B 사이의 거리는 감소한다. 전위 곡선을 따라 일부 지점(여기서, 최소값)에서, 시스템은, 과잉 양전하가 A와 B 간에 공유되고 (AB)+로서 표시되는, 과도 상호 작용 상태에 있다. (AB)+를 더 높은 에너지 상태 (AB)+*로 여기시키기 위해 추가적인 에너지(E)가 필요하며, 이로부터 의 원하는 최종 상태가 획득될 수 있으며, 이는 (위의) 점선으로 표시된다. 따라서, 전하 교환 충돌(400)(비대칭적인 양이온 전하 교환 충돌)에 대한 상호 작용 수식은 로서 표기될 수 있다.
비대칭적인 전하 교환 충돌을 위한 전하 이동을 가능하게 하는 추가적인 에너지는, 임의의 적합한 소스로부터 비롯될 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 추가적인 에너지(E)는 A+의 속도()로부터 비롯될 수 있다. 이 경우, 충돌 후에 방향은 유지되지만, 결과적인 고속 중성자(A)의 속도()는 미만이다. 대안적으로, 에너지의 일부 또는 전부는, 복사 에너지(예를 들어, 플라즈마로부터의 광 방출)와 같은 다른 소스로부터 비롯될 수 있으며, 는 과 같거나 매우 근접할 것이다.
도 1을 참조하여 앞서 설명된 바와 같은 전기음성 플라즈마 내에서, 낮은 이온 온도(T i) 및 낮은 전자 온도(T e)로 인해, 주어진 이온 속도 외에는 이용 가능한 에너지가 거의 없을 수도 있음을 유의해야 한다. 따라서, 더 저속 이온(더 작은 )은 여기 상태로 전이될 가능성이 더 적을 수 있으므로, 원래의 고속 이온 및 저속 중성자를 야기하는 초기 상태로 다시 완화될 가능성이 더 높을 수 있다. 물론, 회합 및 해리를 수반하는 보다 복잡한 전하 교환 충돌도 가능하며, 플라즈마 내의 가속된 이온으로부터 고속 중성 입자를 생성하기 위해 사용될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따라, 상부 전극과 하부 전극 사이에 배치된 전기음성 플라즈마를 포함하는 예시적인 플라즈마 공정 시스템의 개략도를 도시하는 것으로서, 하부 전극에서의 인가된 전압은, 하부 전극의 주 표면을 향하여 그리고 하부 전극의 주 표면에 실질적으로 수직으로 평균 속도를 갖는 고속 중성자의 캐스케이드를 생성한다. 도 5의 플라즈마 공정 시스템은, 예를 들어 도 1의 플라즈마 공정 방법과 같은, 본원에 설명된 바와 같은 플라즈마 공정 방법을 수행하기 위해 사용될 수 있다. 유사하게 표시된 요소는 앞서 설명된 바와 같을 수 있다.
도 5를 참조하면, 플라즈마 시스템(500)은, 상부 전극(31)과 하부 전극(32) 사이에 형성된 전기음성 플라즈마(42)를 포함한다. 상부 전극(31)은 거리 L만큼 하부 전극(32)과 분리된다. 다양한 실시형태에서, 거리 L은 대략 수십 센티미터 정도이며, 일부 실시형태에서 약 15 cm 미만이다. 일 실시형태에서, 거리 L은 약 15 cm이다. 전기음성 플라즈마(42)는 양이온(21) 및 음이온(22)을 포함한다. 또한, 전기음성 플라즈마(42)는 백그라운드 중성 입자를 포함하며, 다른 양성, 음성, 및 중성 입자를 포함할 수 있다.
상부 전극(31)은 기준 전위(V = 0)로 유지된다. 예를 들어, 상부 전극(31)은 접지 전위에 결합될 수 있다. 바이어스 전압(±V B)은 하부 전극(32)에 생성된다. 예를 들어, 도 1을 참조하여 앞서 설명된 바와 같이, 바이어스 전력 펄스를 사용하여 바이어스 전력을 하부 전극(32)에 인가함으로써, 바이어스 전압이 생성될 수 있다.
상부 전극(31)의 기준 전압에 대하여 바이어스 전압이 음(-V B)인 경우, 전극 사이의 생성된 전기장 내에서 양이온이 가속된다. 양이온은 백그라운드 중성 입자와의 전하 교환 충돌에 참여함으로써, 하부 전극(32)의 표면을 향하여 그리고 하부 전극(32)의 표면에 실질적으로 수직으로 평균 속도를 갖는 고속 중성 입자를 생성한다.
전하 교환 충돌은 대칭적 또는 비대칭적일 수 있으며, 각각의 양이온은 다수의 전하 교환 충돌에 참여할 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 양이온(21)은 하부 전극(32)을 향하여 가속될 수 있으며, 백그라운드 중성자(23)와 충돌하여, 고속 중성 입자(25) 및 저속 양이온(26)을 야기할 수 있다. 하부 전극(32)이 여전히 음의 전압인 한, 새로운 저속 양이온(26)이 또한 가속되며 다른 백그라운드 중성자(23)와 충돌하여, 다른 고속 중성 입자(25) 및 저속 양이온(26)을 생성할 수 있다.
이러한 방식으로, 전하 교환 충돌의 캐스케이드는, 하부 전극(32)의 표면(그리고 예를 들어, 하부 전극(32) 상에 배치된 기판의 표면)에 수직인 속도를 갖는 다수의 고속 중성 입자(25)를 생성할 수 있다. 본원에 설명된 실시형태는, 전기음성 플라즈마(42)에 바이어스 전력을 인가하는 동안 시스 형성이 최소이기 때문에, 이온당 다수의 충돌을 발생시키는 이점을 가질 수 있다. 무시 가능한 시스는, 바람직하게는 플라즈마가 전기장을 받는 거리를 증가시킬 수도 있다. 이에 따라, 더 많은 이온을 가속시키고, 더 많은 전하 교환 충돌을 발생시켜서 고속 중성자 생성의 기회를 증가시키는 이점을 갖는다.
결과적인 고속 중성 입자(25)는 하부 전극(32)의 전압 변화에 의해 영향을 받지 않는다. 즉, 음의 전압과 음이 아닌 전압 간에 발진하는 RF 바이어스 전력 펄스를 사용하여 바이어스 전압이 인가되는 경우, 고속 중성 입자(25)는 하부 전극(32)을 향하는 이들의 궤적을 유지한다. 이의 가능한 이점은, 전기음성 플라즈마(42)의 내부에 생성된 고속 중성 입자(25)가 여전히 하부 전극(32)에 도달할 것이라는 점이다.
유사하게, 바이어스 전압이 하부 전극에서 양이 되는(+V B) 실시형태에서, 음이온(22)이 하부 전극(32)을 향해 가속될 수 있으며, 백그라운드 중성자(23)와 충돌하여, 고속 중성 입자(25) 및 저속 음이온(28)을 야기할 수 있다. 그 다음, 저속 음이온(28)은, 하부 전극(32)이 양의 전압인 동안, 백그라운드 중성자(23)와의 전하 교환 충돌의 캐스케이드에 참여할 수 있다.
하부 전극에 RF 바이어스 전력을 인가함으로써, 고속 중성자가 전기장 발진에 의해 영향을 받지 않으면서, 주파수(f B)를 통해 하전 입자가 전후로 이동하기 때문에, 바람직하게는 하부 전극(32)을 하전시키지 않으면서 고속 중성 입자를 생성할 수 있다. 이에 따라, 이온 플럭스(Γ i)에 비하여 높은 고속 중성자 플럭스(Γ FN)를 기판에 전달하는 이점을 추가로 제공할 수 있다.
특히, 일부 실시형태에서, Γ FN은 기판에서 Γ i 초과이다. 다양한 실시형태에서, Γ FN:Γ i의 비율은 약 2:1 초과이다. Γ FN:Γ i의 비율은, 다른 변수 중에서도, 압력, 시스 두께, 및 바이어스 전압에 관련될 수 있다. 하나의 시나리오(예를 들어, 더 높은 압력 방식)에서, Γ FN:Γ i의 비율은 약 10:1일 수 있다. 예를 들어, 100 mTorr 압력, 5 mm 시스 두께, 및 1 kV 바이어스 전압의 경우, 10:1의 비율이 달성 가능할 수 있지만, 다른 변수도 비율에 영향을 줄 수 있다. 추가적으로, 시스 두께는 바이어스 전압 및 전자 밀도의 함수이기 때문에, 20 mTorr와 같은 더 낮은 압력의 경우, Γ FN:Γ i의 비율이 더 낮을 수 있다.
하부 전극(32)의 전압은 기준 전압(V = 0)을 중심으로 발진할 수 있다. 즉, 전압은 +V B로부터 -V B로 반복적으로 순환될 수 있으며, 전기음성 플라즈마(42) 내의 하전 입자는 비교적 정지된 상태로 유지될 수 있다. 결과적으로, 하부 전극(32)에서 셀프 바이어스를 방지함으로써, RF 바이어스 전력을 인가하는 이점이 추가로 향상될 수 있다. 일부 실시형태에서, RF 바이어스 전력의 인가 동안, 하부 전극(32)에서 실질적으로 셀프 바이어스가 생성되지 않는다. 이는 예를 들어, 이온-이온 플라즈마의 균형 잡힌 전류 및 전극의 교호하는 양 및 음의 전압의 일부 조합으로 인한 것일 수 있다. 즉, 사이클의 일부분 동안 양이온이 주입될 수 있는 반면에, 사이클의 나머지 부분에서 음이온이 주입되어, 기판 표면에서의 차등 하전을 감소시키거나 제거하며, 차등 하전은 셀프 바이어스 생성의 주요한 원인이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 시스 형성, 전자 가열, 및 하전을 위한 방식을 나타내는, 바이어스 전압 주파수 대 플라즈마 밀도의 정성적 그래프를 도시한다. 도 6의 정성적 그래프는, 예를 들어 도 1의 플라즈마 공정 방법과 같은, 본원에 설명된 플라즈마 공정 방법 동안의 조건과 부합할 수 있다. 유사하게 표시된 요소는 앞서 설명된 바와 같을 수 있다.
도 6을 참조하면, 정성적 그래프(600)는 로그-로그 축 상에 바이어스 전력 주파수(f B) 대 플라즈마 밀도(n)를 나타낸다. 시스 형성을 방지하기 위해, 시스 형성 시간(τ-)은, 인가된 RF 바이어스 전력(1/f B)의 기간 초과이어야 한다. 시스 형성 시간(τ-)은, 아래의 수식에 의해 플라즈마 밀도(n) 및 이온 드리프트 속도()와 관련된다:
여기서, 는 자유 공간의 유전율이고, e는 기본 전하이며, Φ는 시스 전위이다.
시스가 형성되지 않았지만, 전극 간의 대략적으로 선형 전위 강하(전기음성 플라즈마에 의해 받는 일정한 전기장)로 인해, 전기음성 플라즈마 내에서 대규모 전하 교환이 가능하다. 그 다음, 이하의 조건을 사용하여, 주어진 전기음성 플라즈마 시스템이 전하 교환 방식인 경우를 나타낼 수 있다:
2 × 1016 m-3의 밀도(n) 및 1000 m/s의 이온 드리프트 속도()를 갖는 전기음성 플라즈마 내의 시스 형성(여기서 예를 들어, 10 V의 시스 전위로서 한정됨)을 위한 전형적인 시간은 τ- = 150 ns이다. 정성적 그래프(600)는 위에 주어진 부등식 조건을 나타내는 분할 라인(601)과 함께 이러한 두 가지 방식을 도시한다.
이용 가능한 주파수의 범위는, 보다 저밀도 플라즈마를 위해 보다 저주파수로 확장된다. 그러나, 고속 중성자 플럭스(Γ FN)는 플라즈마 밀도에 정비례하므로, 주어진 플럭스를 달성하기 위해, 밀도와 주파수 간의 균형이 바람직할 수 있다. 플라즈마 밀도는 예를 들어, 소스 전력을 사용하여 제어될 수 있는 반면에, 바이어스 주파수(f B)는 직접 제어될 수 있다.
또한, 추가적인 바람직하지 않은 영향이 정성적 그래프(600)에 도시된다. 이들은 도시된 바와 같이, 약 10 MHz 초과의 바이어스 주파수에 대해 상당한 정도로 발생할 수 있는 전자 가열이다. 추가적으로, 전자 및 이온이 플라즈마 내에 잔류하지 않고 기판에 도달함에 따라, 기판 하전은 충분히 저주파수(예를 들어, 약 1 MHz 미만)의 경우 문제가 될 수 있다. 결과적으로, 도시된 바와 같이, 바이어스 주파수(f B)가 약 1 MHz 내지 약 10 MHz이고, 플라즈마 밀도(n)가 약 1 × 1017 m-3 미만인, 이상적인 범위가 존재할 수 있다.
위의 조건은, 전자 밀도(n e)가 전기음성 플라즈마 내에서 무시 가능한 것으로 가정하여 결정되었다. 전자 밀도(n e)의 임의의 증가는 더 빠른 시스 형성을 야기할 것이다. 따라서, 인가된 바이어스 전력 동안의 낮은 전자 밀도(n e)는 이온이 가속될 수 있는 시간량을 증가시키므로, 고속 중성자 플럭스 뿐만 아니라 고속 중성 입자의 평균 속도를 잠재적으로 증가시킬 수 있다.
위의 조건에서 이온 속도()도 존재한다는 점을 유의해야 한다. 가 증가함에 따라, τ-는 바이어스 주파수(f B)의 상승을 감소시켜서, 시스 형성을 상당히 방지한다. 바이어스 전력은 이온 속도()를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 약 1 MHz 내지 10 MHz의 이상적인 범위 내의 주파수가 사용될 수 있도록 하기 위해, 더 낮은 바이어스 전력이 바람직할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 바이어스 전력(P B) 피크 전압은 약 500 V 미만이다. 일 실시형태에서, 바이어스 전력(P B) 피크 전압은 약 400 V이다. 다른 실시형태에서, 바이어스 전력(P B) 피크 전압은 약 100 V이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 대칭 및 비대칭 전하 교환 상호 작용에 대한 전하 교환 단면적 대 이온 에너지의 정성적 그래프를 도시한다. 도 7의 정성적 그래프는, 예를 들어 도 1의 플라즈마 공정 방법과 같은, 본원에 설명된 플라즈마 공정 방법 동안의 조건과 부합할 수 있다. 유사하게 표시된 요소는 앞서 설명된 바와 같을 수 있다.
도 7을 참조하면, 정성적 그래프(700)는 대칭적 충돌(702), 대략적으로 대칭적 충돌(703), 및 비대칭적 충돌(704)에 대한 로그-로그 축 상의 전하 교환 단면적 대 이온 에너지를 도시한다. 일반적으로, (대칭적 충돌(702)에서와 같이) 전하 이동이 발생하기 위해 에너지가 필요하지 않는 경우, 도시된 바와 같이, 이온 에너지가 감소됨에 따라, 전하 교환 단면적이 증가한다. 대략적으로 대칭적 충돌(703)의 경우, 가장 저속 이온만이 전하를 이동시킬 수 없으며, 이로 인해, 0에서부터 완전 대칭 곡선까지 전하 교환 단면적의 급격한 증가를 야기한다.
대조적으로, 비대칭적 충돌(704)에서, 전하 이동을 촉진시키기 위해 더 높은 속도가 필요하므로, 0보다 상당히 더 높은 속도 값에서 이온 에너지의 한정된 피크를 야기한다. 따라서, (이온에 속도를 부여하는) 바이어스 전력은 위에 주어진 이유로 바람직하게는 낮게 유지되지만, 비대칭적 전하 교환 충돌을 통한 고속 중성자 생성이 요구되는 구현예에서, 바이어스 전력에 대한 실질적인 하한이 존재할 수 있다.
2개의 종의 특성의 차이(예를 들어, 전기음성도, 이온화 전위, 질량 등의 차이)로 인해, 각각의 가능한 상이한 전하 교환 충돌 반응은 주어진 속도 계수를 갖는다. 비대칭적 전하 교환 충돌 반응은, (추가적인 이온 에너지 없이 발생하는) 발열 반응 및 (전형적으로 전하 이동이 발생하기 위해 수 eV를 필요로 하는) 흡열 반응의 두 가지 그룹으로 분할될 수 있다. 흡열 반응은, 위에 언급된 그리고 대략적으로 대칭적 충돌(702) 및 비대칭적 충돌(704)을 포함하는 2개의 서브그룹으로 분할될 수 있다. 발열 반응에 대한 속도 계수는 높은 반면에, 비대칭적 충돌의 속도 계수는 이에 비해 비교적 낮다. 대략적으로 대칭적 종류의 전하 교환 충돌의 속도 계수는 중간 지점을 차지한다.
실험적으로 결정된 일부 선택된 속도 계수는, (플루오로카본 종에 대한 대칭적 전하 교환 반응)의 경우 1.0 × 10-9 cm3/s이며(높은 속도 계수로서 간주됨), (해리 및 회합을 수반하는 비대칭적 전하 교환 반응)의 경우 2.5 × 10-12 cm3/s이다(낮은 속도 계수로서 간주됨). 중간에 속하는 일부 속도 계수는, (해리를 수반하는 비대칭적 전하 교환 반응)의 경우 5.0 × 10-10 cm3/s이며, (카복시드(carboxide) 종에 대한 비대칭적 전하 교환 반응)의 경우 1.4 × 10-10 cm3/s이다.
반응 장벽을 극복하기에 충분하게 이온 에너지(즉, 속도)를 증가시킴으로써, 주어진 비대칭적 반응의 상호 작용 단면적이 증가될 수 있다. 플라즈마 내의 많은 라디칼/이온의 불안정한 특성으로 인해, 대부분의 전하 교환 반응의 반응 장벽이 바람직하게는 낮을 수 있으므로, 이러한 반응은, 적절한 조건 하에서(예를 들어, 전술한 바와 같은 플라즈마 밀도, 바이어스 전력 주파수, 바이어스 전력의 경우) 플라즈마로부터 고속 중성 입자를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 다른 이온-중성자 전하 교환 반응에 대한 속도 계수의 완전하지 않은 목록은, 511-513 및 518 페이지의 해당 관련 본문과 함께 본원에 참조로 포함되는, Vasenkov 등의 " 유도 결합 플라즈마의 특성. II. 방전의 모델링을 위한 플라즈마 화학 및 반응 메커니즘"(2004년 J. Vac. Sci. Technol.)의 표 IV에서 확인될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 차등 하전이 있는 그리고 차등 하전이 없는 플라즈마 에칭 공정 동안의 예시적인 기판의 단면도를 도시한다. 유사하게 표시된 요소는 앞서 설명된 바와 같을 수 있다.
도 8을 참조하면, 기판(843)의 단면도가 도시된다. 제1 시나리오(801)에서, 마스크 재료(52)를 사용하여 기판 재료(51)를 에칭하기 위해 양으로 하전된 이온(21)을 사용하는 플라즈마 에칭 공정으로부터 비롯되는 이상적인 에칭 프로파일이 도시된다. 에칭 공정에 따라, (기판(843)의 주 표면(46)에 대하여) 완전히 수직 측벽 및 평탄한 하부 표면을 갖는 고종횡비 리세스(53)를 기판 재료(51) 내에 형성한다.
제2 시나리오(802)에서, 기판 재료(51) 및 마스크 재료(52)(이 중 하나 또는 둘 모두는 유전체 재료일 수 있음) 내의 차등 하전(55)으로 인한 이온 팬(54)을 나타내는 에칭 프로파일이 도시된다. 기판(843)의 표면 상에 전하가 축적되는 경우, 양으로 하전된 이온(21)이 전적으로 수직 경로로부터 편향되어, 측벽을 넓히고, 에칭 깊이를 감소시키며, 리세스의 하부를 불균일하게 에칭함으로써 형상부 프로파일을 왜곡시킨다.
주 표면(46)(예를 들어, 하부 전극 상에 배치된 기판(843)의 노출된 상부 표면)을 향하여 그리고 주 표면(46)에 수직으로 지향되는 고속 중성자의 사용을 증가시킴으로써, 바람직하지 않은 제2 시나리오(802)가 감소되거나 완전히 방지될 수 있다. 예를 들어, 고속 중성 입자의 중성은, 고속 중성자 플럭스(Γ FN)가 기판(843)에 가해지는 경우, 기판 재료(51) 및 마스크 재료(52)가 전하를 축적하지 않도록 보장한다. 추가적으로, 고속 중성 입자는, 기판에서 발생하는 임의의 하전 효과에 의한 편향의 영향을 받지 않는다.
고속 중성자의 수직성 및 에너지는, 수직 이온을 사용하는 에칭과 동등하거나 실질적으로 유사하지만, 바람직하지 않은 기판 하전 효과가 없는, 효과적인 에칭을 가능하게 할 수 있다. 추가적으로, 주어진 에칭 공정의 결과를 달성하기 위해 고속 이온이 필요한 정도까지, 본원에 개시된 방법을 사용하여 기판에서 큰 고속 중성자 플럭스(Γ FN)로 이온 플럭스(Γ i)를 보충함으로써, 기판에 필요한 이온의 플럭스가 바람직하게는 감소될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따라, 라디칼 셰이딩이 있는 그리고 라디칼 셰이딩이 없는 플라즈마 에칭 공정 동안의 예시적인 기판의 단면도를 도시한다. 유사하게 표시된 요소는 앞서 설명된 바와 같을 수 있다.
도 9를 참조하면, 기판(943)의 단면도가 도시된다. 제1 시나리오(901)로서, 기판 재료(51)와의 중성 입자(예를 들어, 라디칼)의 상호 작용으로부터 고종횡비 리세스(53)의 하부 표면 및 측벽 상에 균일하게 형성된 균일한 에지 층(56)을 갖는 이상적인 에칭 프로파일이 도시된다. 균일한 에지 층(56)은, 리세스(53) 내의 기판 재료(51)의 표면을 패시베이션시키고 활성 입자(예를 들어, 바이어스 전압에 의해 가속된 양으로 하전된 이온(21) 및/또는 충분히 높은 에너지를 갖는 고속 중성 입자(25))에 의해서만 에칭을 촉진시키도록 작용할 수 있으며, 이에 따라 달성가능한 종횡비 및 에칭 프로파일을 추가로 향상시킨다.
제2 시나리오(902)에서, 라디칼 셰이딩은 리세스(53) 내의 라디칼의 불균일한 도포(57)를 야기한다. 방향성이 없는 저온 중성 라디칼은, 특히 형상부의 종횡비가 증가함에 따라, 형상부 자체에 의한 셰이딩에 취약하다. 결과적으로, 형상부의 하부에 도달하는 저온 중성 라디칼의 수는, 형상부 측벽의 상부 부분에 영향을 미치는 수보다 훨씬 더 적을 수 있다. 이러한 불균일한 라디칼 도포는, 라디칼에 의한 패시베이션으로 인해, 기판 재료(51)의 일부 영역이 다른 영역보다 더 느리게 에칭되도록 할 수 있다. 결과적으로, 불균일한 형성부 표면 및 형상부 왜곡이 발생할 수 있다.
주 표면(46)을 향하여 그리고 주 표면(46)에 수직으로 지향되는 고속 중성 입자(25)의 사용을 증가시킴으로써, 바람직하지 않은 제2 시나리오(902)가 감소되거나 완전히 방지될 수 있다. 이러한 고속 중성 입자(25)는, 이들의 속도의 주 성분이 수직이기 때문에, 주로 리세스(53)의 하부로 전달된다. 리세스(53)의 하부 영역에 에지 층이 형성되고, 이는 충분하게 활성 입자에 의해 후속적으로 에칭된다. 고속 중성 입자(25)가 측벽 상에 잔류하고 리세스(53)의 하부가 계속 에칭됨에 따라, 바람직하게는 균일한 에지 층(56)이 형성될 수 있다. 균일한 에지 층(56)은, 저에너지(예를 들어, 저속)를 갖는 입자에 의해 측벽이 에칭되는 것을 방지함으로써, 종횡비 및 에칭 프로파일을 바람직하게 개선할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 상부 전극과 하부 전극 사이에 배치된 전기음성 플라즈마를 포함하는 플라즈마 공정 챔버를 포함하는 예시적인 플라즈마 공정 장치의 개략도를 도시한다. 도 10의 플라즈마 공정 장치는, 예를 들어 도 1의 플라즈마 공정 방법과 같은, 본원에 설명된 바와 같은 플라즈마 공정 방법을 수행하기 위해 사용될 수 있다. 유사하게 표시된 요소는 앞서 설명된 바와 같을 수 있다.
도 10을 참조하면, 플라즈마 공정 장치(1000)는, 플라즈마 공정 챔버(30), 상부 전극(31), 및 하부 전극(32)을 포함한다. 하부 전극(32)과 바이어스 전력 공급기(33) 사이에 바이어스 전력 생성기 회로(34)가 결합된다. 바이어스 전력 생성기 회로(34)는 바이어스 전력(예를 들어, RF 바이어스 전력 펄스)을 하부 전극(32)에 인가하도록 구성된다. 소스 전력 공급기(35)와 상부 전극(31) 또는 하부 전극(32) 사이에 소스 전력 생성기 회로(36)가 결합된다. 도시된 바와 같이, 바이어스 전력 공급기(33), 소스 전력 공급기(35), 및 플라즈마 공정 챔버(30)는 접지 연결부(37)에 각각 결합될 수 있다.
소스 전력 생성기 회로(36)는, 플라즈마 공정 챔버(30)에 의해 수용된 상부 전극(31)과 하부 전극(32) 사이에 글로 상의 플라즈마를 생성하기 위해, (상부 전극(31) 또는 하부 전극(32)을 사용하여) 플라즈마 공정 챔버(30)에 소스 전력을 공급하도록 구성된다. 일 실시형태에서, 생성된 플라즈마는 전기양성 플라즈마이다. 일부 실시형태에서, 플라즈마는 용량성 결합 플라즈마이지만, 유도성 결합 플라즈마, 표면파 플라즈마 등과 같은, 다른 유형의 플라즈마가 적합할 수 있다. 예를 들어, 나선형 공진기 또는 나선 공진기와 같은 공진기를 사용하여 유도성 결합 플라즈마를 생성할 수 있으며, 바이어스 전력을 인가하기 위해 별도의 상부 전극이 사용된다.
제1 종(23) 및 제2 종(24)이 플라즈마 공정 챔버(30) 내로 (예를 들어, 기상으로) 유입된다. 예를 들어, 도시된 바와 같은 상부 전극(31)의 샤워헤드 구성을 사용하여, 제1 종(23) 및 제2 종(24)이 제공될 수 있다. 제1 종(23) 및 제2 종(24)을 종으로 유입시키기 위한 다른 적합한 구성도 가능하다.
상부 전극(31)과 하부 전극(32) 사이의 제1 종(23) 및 제2 종(24)으로부터 전기음성 플라즈마(42)가 생성된다. 예를 들어, 인가된 소스 전력을 사용하여, 전자 및 제1 종(23)의 양이온을 포함하는 글로 상의 전기양성 플라즈마를 생성할 수 있다. 그 다음, 전기양성 플라즈마의 전자를 제2 종(24)과 결합하여 제2 종의 음이온을 형성함으로써, 전기양성 플라즈마의 잔광 상의 전기음성 플라즈마(42)가 생성될 수 있다.
바이어스 전력(예를 들어, RF 바이어스 전력 펄스)은 양의 바이어스 전압(V B)과 음의 바이어스 전압(V B와 크기가 동일한 -V B) 간에 교호할 수 있다(예를 들어, 바이어스 전력의 인가 동안, 하부 전극(32)에 셀프 바이어스가 축적되지 않는다). 또한, 바이어스 전력의 파형은 정현파일 수 있거나, 이중펄스(bi-pulse), 삼각 펄스, 또는 다른 적합한 파형일 수도 있다. 기판(43)은 하부 전극(32) 상에 배치된다. 기판(43)은 주 표면(46)을 포함한다. 바이어스 전력의 인가에 의해 가속되는 전기음성 플라즈마의 이온으로부터 생성된 고속 중성 입자(25)는, 기판(43)의 주 표면(46)을 향하여 그리고 기판(43)의 주 표면(46)에 실질적으로 수직으로 평균 속도를 획득한다.
제1 종(23) 및 제2 종(24)의 총 밀도 및 상대 밀도는, 챔버 배기 속도 및 종의 개별 유량을 제어함으로써 조정될 수 있다. 예를 들어, 소스 전력 펄스 지속시간 및 소스 전력과 조합되는 종의 밀도는, 대규모 전하 교환 충돌 발생을 위해 적합한 전기음성 플라즈마(42)의 플라즈마 밀도를 달성하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 더 많은 종이 플라즈마 공정 챔버(30) 내로 공급될 수 있으며, 주어진 플라즈마 공정의 구체적인 요건에 따라 좌우될 수 있다. 제1 종(23), 제2 종(24)으로부터의 그리고 제1 종 및 제2 종과 상이한 제3 종과 같은 다른 종으로부터의 대칭적 및 비대칭적 전하 교환 충돌 모두에서, 전기음성 플라즈마(42)로부터 고속 중성 입자가 생성될 수 있다.
다양한 실시형태에서, 제1 종(23)은 희가스와 같은 비교적 불활성 종이다. 일 실시형태에서, 제1 종(23)은 아르곤(Ar)이다. 다른 실시형태에서, 제1 종(23)은 탄화수소, 플루오로카본, 카복시드 등과 같은 화합물이다. 일 실시형태에서, 제1 종(23)은 CH4이다. 일부 실시형태에서, 제2 종(24)은 할로겐 가스와 같은 비교적 전기음성(예를 들어, 반응성) 종이다. 일 실시형태에서, 제2 종(24)은, 이원자 가스(Cl2)로서 플라즈마 공정 챔버(30) 내로 유입될 수 있는 염소(Cl)이다. 다른 실시형태에서, 제2 종은 SF6와 같은 전기음성 화합물일 수 있다.
바람직하게는, 제1 종(23)과 제2 종(24) 간의 이온화 에너지의 차이에 따라, 인가된 소스 전력으로부터의 전기양성 플라즈마의 형성 이후에, 소스 전력이 제거된 후의 전기음성 플라즈마(42)의 형성을 촉진시킬 수 있다. 예를 들어, 제2 종(24)은 전자를 내어주는 것을 상대적으로 꺼려할 수 있지만(소스 전력의 RF 필드에 의해 이온화될 수 있음), 잔광 상의 전기양성 플라즈마의 전자를 획득하는 것을 상대적으로 열망할 수 있다.
또한, 제1 종(23)은, 소스 전력에 의해 이온화되는 보다 반응성 종(예를 들어, 에천트)일 수 있다. 예를 들어, 제1 종(23)은 수소, 탄소, 불소, 산소 등을 포함할 수 있다. 또한, 반응성 제1 종과 함께, 불활성 가스가 포함될 수 있다. 이 경우, 불활성 가스는 제1 종으로 간주될 수 있는 반면에, 반응성 종은, 제1 종과 상이한 전기음성도를 갖는 제3 종으로 간주된다. 그 다음, 예를 들어, 반응성 종 이온과 백그라운드 반응성 종 중성자 또는 불활성 가스 이온 및 백그라운드 반응성 종 중성자 간의 충돌을 통해, 고속 중성 입자가 생성될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따른 예시적인 플라즈마 공정 방법을 도시한다. 도 11의 방법은 다른 방법과 조합될 수 있으며, 본원에 설명된 바와 같은 시스템 및 장치를 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 도 11의 방법은, 도 1 내지 도 10의 실시형태 중 어느 하나와 조합될 수 있다. 논리적인 순서로 도시되지만, 도 11의 단계의 배치 및 넘버링은 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 도 11의 방법 단계는, 당업자에게 명백할 수 있는 바와 같이, 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있거나 서로 동시에 수행될 수 있다.
도 11을 참조하면, 플라즈마 공정 방법(1100)의 단계(1101)는, 제1 종, 제2 종, 및 주 표면을 포함하는 기판을 포함하는 플라즈마 공정 챔버 내에 글로 상(1102)의 전기양성 플라즈마를 생성하는 단계이다. 전기양성 플라즈마는, 전자 및 제1 종의 양이온을 포함한다.
단계(1103)는, 전기양성 플라즈마의 전자를 제2 종의 원자 또는 분자와 결합함으로써, 플라즈마 공정 챔버 내에 전기양성 플라즈마의 잔광 상(1104)으로 전기음성 플라즈마를 생성하는 단계이다. 전기음성 플라즈마는, 양이온 및 제2 종의 음이온을 포함한다.
단계(1105)는, 잔광 상(1104)에서 단계(1106) 및 단계(1107)를 주기적으로 수행하는 단계이다. 단계(1106)에서, 음의 바이어스 전압을 기판에 인가함으로써, 기판의 주 표면을 향하여 그리고 기판의 주 표면에 실질적으로 수직으로 평균 속도를 갖는 제1 중성 입자가 생성된다. 단계(1107)는 음이 아닌 바이어스 전압을 기판에 인가하는 단계이다. 그 다음, 방법(1100)은 원하는 대로 선택적으로 반복될 수 있으며, 이는 단계(1108)로 표시된다.
도 12는 본 발명의 일 실시형태에 따른 예시적인 플라즈마 공정 방법을 도시한다. 도 12의 방법은 다른 방법과 조합될 수 있으며, 본원에 설명된 바와 같은 시스템 및 장치를 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 도 12의 방법은, 도 1 내지 도 11의 실시형태 중 어느 하나와 조합될 수 있다. 논리적인 순서로 도시되지만, 도 12의 단계의 배치 및 넘버링은 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 도 12의 방법 단계는, 당업자에게 명백할 수 있는 바와 같이, 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있거나 서로 동시에 수행될 수 있다.
도 12를 참조하면, 플라즈마 공정 방법(1200)의 단계(1209)는, RF 소스 전력 전극, RF 바이어스 전력 전극, 및 RF 소스 전극과 RF 바이어스 전극 사이에 배치된 기판을 포함하는 플라즈마 공정 챔버 내로 적어도 2개의 가스를 유동시키는 단계이다. 가스는 제1 종 및 제2 종을 포함한다. 단계(1201)는, 제1 종의 전자 및 양이온을 생성하도록, RF 소스 전력을 가스에 인가하는 단계를 포함한다. RF 소스 전력을 가스에 인가하는 것은, 플라즈마의 글로 상(1202)으로 간주될 수 있다.
단계(1203)는, 제1 종의 전자를 제2 종의 원자 또는 분자와 결합함으로써 제2 종의 음이온을 생성하도록, 가스로부터 RF 소스 전력을 제거하는 단계이다. 예를 들어, 제2 종의 분자의 원자는, 전자 온도가 감소함에 따라 전자와 결합하는 중성 전기음성 종일 수 있다. 단계(1206)에서, 미리 결정된 지연 후에 그리고 중성 입자를 기판에 전달하기 위해 RF 소스 전력을 제거한 후에, RF 바이어스 전력이 기판에 인가된다. RF 바이어스 전력은, 기판에서의 약 10 MHz 미만의 주파수를 포함한다. 단계(1203) 및 단계(1206)는 플라즈마의 잔광 상(1204)으로 간주될 수 있다. 그 다음, 가스가 잔류하거나 플라즈마 공정 챔버 내로 유동되는 동안, 단계(1201), 단계(1203), 및 단계(1206)(예를 들어, 글로 상(1202) 및 잔광 상(1204))는 원하는 대로 선택적으로 반복될 수 있으며, 이는 단계(1208)로 표시된다.
본 발명의 예시적인 실시형태가 여기에 요약된다. 본원에 제출된 청구범위 뿐만 아니라 명세서 전체로부터 다른 실시형태도 이해될 수 있다.
실시예 1. 플라즈마 공정 방법으로서, 제1 종, 제2 종, 및 주 표면을 포함하는 기판을 포함하는 플라즈마 공정 챔버 내에 글로 상의 전기양성 플라즈마를 생성하는 단계로서, 상기 전기양성 플라즈마는 전자 및 상기 제1 종의 양이온을 포함하는, 단계; 상기 전기양성 플라즈마의 상기 전자를 상기 제2 종의 원자 또는 분자와 결합함으로써, 상기 플라즈마 공정 챔버 내에 상기 전기양성 플라즈마의 잔광 상의 전기음성 플라즈마를 생성하는 단계로서, 상기 전기음성 플라즈마는, 상기 양이온, 및 상기 제2 종의 음이온을 포함하는, 단계; 및 음의 바이어스 전압을 상기 기판에 인가함으로써 상기 기판의 상기 주 표면을 향하여 그리고 상기 기판의 상기 주 표면에 실질적으로 수직으로 평균 속도를 갖는 제1 중성 입자를 생성하는 단계, 및 음이 아닌 바이어스 전압을 상기 기판에 인가하는 단계를 상기 잔광 상에서 주기적으로 수행하는 단계를 포함하는, 플라즈마 공정 방법.
실시예 2. 실시예 1에 있어서, 상기 제1 중성 입자를 생성하는 단계는, 상기 평균 속도를 갖는 상기 제1 중성 입자를 생성하는 상기 전기음성 플라즈마 내의 전하 교환 충돌을 촉진시키기 위해, 상기 기판을 향하여 상기 양이온을 가속시키는 단계를 포함하는, 방법.
실시예 3. 실시예 2에 있어서, 상기 전기음성 플라즈마 내의 상기 전하 교환 충돌은, 상기 제1 종의 중성 백그라운드 입자와 상기 양이온의 양이온 간의 충돌을 포함하는, 방법.
실시예 4. 실시예 2에 있어서, 상기 전기음성 플라즈마 내의 상기 전하 교환 충돌은, 상기 제1 종과 상이한 전기음성도를 포함하는 제3 종의 중성 백그라운드 입자와 상기 양이온의 양이온 간의 충돌을 포함하는, 방법.
실시예 5. 실시예 1 내지 4 중 어느 하나에 있어서, 상기 음이 아닌 바이어스 전압을 상기 기판에 인가하는 단계는, 양의 바이어스 전압을 상기 기판에 인가함으로써, 상기 기판의 상기 주 표면을 향하여 그리고 상기 기판의 상기 주 표면에 실질적으로 수직으로 평균 속도를 갖는 제2 중성 입자를 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
실시예 6. 실시예 1 내지 5 중 어느 하나에 있어서, 상기 제2 종은 염소인, 방법.
실시예 7. 실시예 6에 있어서, 상기 제1 종은 아르곤인, 방법.
실시예 8. 실시예 6에 있어서, 상기 제1 종은 수소 및 탄소를 포함하는, 방법.
실시예 9. 플라즈마 공정 방법으로서, 무선 주파수(RF) 소스 전력 전극, RF 바이어스 전력 전극, 및 상기 RF 소스 전극과 상기 RF 바이어스 전극 사이에 배치된 기판을 포함하는 플라즈마 공정 챔버 내로 적어도 2개의 가스를 유동시키는 단계로서, 상기 가스는 제1 종 및 제2 종을 포함하는, 단계; 상기 제1 종의 전자 및 양이온을 생성하도록, RF 소스 전력을 상기 가스에 인가하는 단계; 상기 제1 종의 전자를 상기 제2 종의 원자 또는 분자와 결합함으로써 상기 제2 종의 음이온을 생성하도록, 상기 가스로부터 상기 RF 소스 전력을 제거하는 단계; 및 중성 입자를 상기 기판에 전달하기 위해, 미리 결정된 지연 후에 그리고 상기 RF 소스 전력의 제거 후에, RF 바이어스 전력을 상기 기판에 인가하는 단계로서, 상기 RF 바이어스 전력은 상기 기판에서의 약 10 MHz 미만의 주파수를 포함하는, 단계를 포함하는, 플라즈마 공정 방법.
실시예 10. 실시예 9에 있어서, 상기 주파수는 약 1 MHz 내지 약 10 MHz인, 방법.
실시예 11. 실시예 9 및 10 중 어느 하나에 있어서, 상기 RF 바이어스 전력을 인가하는 동안, 셀프 바이어스가 상기 기판에 생성되지 않으며, 상기 RF 바이어스 전력은, 상기 기판에서, 양의 전압 및 상기 양의 전압과 크기가 동일한 음의 전압을 생성하는 단계 간에 교호하는, 방법.
실시예 12. 실시예 9 내지 11 중 어느 하나에 있어서, 상기 RF 바이어스 전력의 피크 전압의 절대값은 약 500 V 미만인, 방법.
실시예 13. 실시예 9 내지 12 중 어느 하나에 있어서, 상기 플라즈마 공정 챔버 내의 플라즈마 밀도는, 상기 RF 바이어스 전력의 인가의 지속시간 동안 약 1 × 1017 m-3 미만인, 방법.
실시예 14. 실시예 9 내지 13 중 어느 하나에 있어서, 상기 RF 소스 전력을 인가하는 단계 및 제거하는 단계 다음에, 상기 미리 결정된 지연 후에 상기 플라즈마 공정 챔버 내에 RF 바이어스 전력을 인가하는 단계를 주기적으로 수행하는 단계를 더 포함하는, 방법.
실시예 15. 플라즈마 공정 장치로서, 제1 종의 양이온 및 제2 종의 음이온을 포함하는 전기음성 플라즈마를 포함하도록 구성된 플라즈마 공정 챔버; 상기 플라즈마 공정 챔버에 결합되고, 상기 플라즈마 공정 챔버 내에 전기양성 플라즈마를 생성하도록 구성되는, 소스 전력 공급기로서, 상기 전기양성 플라즈마는, 상기 제2 종과 결합하여 상기 음이온을 형성하는 전자 및 상기 제1 종의 상기 양이온을 포함하는, 소스 전력 공급기; 상기 플라즈마 공정 챔버 내에 배치된 주 표면을 포함하는 기판 척; 및 상기 기판과 바이어스 전력 공급기 사이에 결합된 바이어스 전력 생성기 회로로서, 상기 바이어스 전력 생성기 회로는, 무선 주파수(RF) 바이어스 전압을 상기 기판에 인가하도록 구성되는, 바이어스 전력 생성기 회로를 포함하며, 상기 RF 바이어스 전압은 음의 전압과 음이 아닌 전압 간에 교호하고, 상기 음의 전압은, 상기 기판의 주 표면에 실질적으로 수직으로 그리고 상기 기판의 주 표면의 방향으로 지향되는 속도 벡터를 갖는 제1 중성 입자를 생성하는, 플라즈마 공정 장치.
실시예 16. 실시예 15에 있어서, 상기 바이어스 전력 생성기 회로는, 약 1 MHz 내지 약 10 MHz의 주파수로 상기 RF 바이어스 전압을 인가하도록 구성되는, 플라즈마 공정 장치.
실시예 17. 실시예 15 및 16 중 어느 하나에 있어서, 상기 플라즈마 공정 챔버에 결합되고, 상기 RF 바이어스 전압의 인가 동안 접지 전압으로 유지되도록 구성되는, 상부 전극; 및 상기 바이어스 전력 생성기 회로 및 상기 기판에 결합된 하부 전극을 더 포함하며, 상기 하부 전극은 상기 RF 바이어스 전압을 상기 기판에 인가하도록 구성되는, 플라즈마 공정 장치.
실시예 18. 실시예 17에 있어서, 상기 플라즈마 공정 챔버와 상기 소스 전력 공급기 사이에 결합된 소스 전력 생성기 회로를 더 포함하며, 상기 소스 전력 생성기 회로는, 고주파 RF 소스 전력을 상기 상부 전극에 인가하여 상기 전기양성 플라즈마를 생성하도록 구성되고, 상기 전기양성 플라즈마는 용량성 결합 플라즈마인, 플라즈마 공정 장치.
실시예 19. 실시예 18에 있어서, 상기 소스 전력 생성기 회로는 상기 상부 전극 또는 상기 하부 전극에 결합되는, 플라즈마 공정 장치.
실시예 20. 실시예 17 내지 19 중 어느 하나에 있어서, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극은 약 15 cm 미만의 거리만큼 분리되는, 플라즈마 공정 챔버.
본 발명은 예시적인 실시형태를 참조하여 설명되었지만, 이러한 설명은 제한적인 의미로 해석되는 것으로 의도되지 않는다. 설명을 참조하면, 본 발명의 다른 실시형태 뿐만 아니라, 예시적인 실시형태의 다양한 변경 및 조합은 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 임의의 그러한 변경 또는 실시형태를 포함하는 것으로 의도된다.
Claims (20)
- 플라즈마 공정 방법으로서,
제1 종, 제2 종, 및 주 표면을 포함하는 기판을 포함하는 플라즈마 공정 챔버 내에 글로 상의 전기양성 플라즈마를 생성하는 단계로서, 상기 전기양성 플라즈마는 전자 및 상기 제1 종의 양이온을 포함하는, 단계;
상기 전기양성 플라즈마의 상기 전자를 상기 제2 종의 원자 또는 분자와 결합함으로써, 상기 플라즈마 공정 챔버 내에 상기 전기양성 플라즈마의 잔광 상의 전기음성 플라즈마를 생성하는 단계로서, 상기 전기음성 플라즈마는, 상기 양이온, 및 상기 제2 종의 음이온을 포함하는, 단계; 및
음의 바이어스 전압을 상기 기판에 인가함으로써 상기 기판의 상기 주 표면을 향하여 그리고 상기 기판의 상기 주 표면에 실질적으로 수직으로 평균 속도를 갖는 제1 중성 입자를 생성하는 단계, 및
음이 아닌 바이어스 전압을 상기 기판에 인가하는 단계를
상기 잔광 상에서 주기적으로 수행하는 단계를 포함하는,
플라즈마 공정 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 중성 입자를 생성하는 단계는,
상기 평균 속도를 갖는 상기 제1 중성 입자를 생성하는 상기 전기음성 플라즈마 내의 전하 교환 충돌을 촉진시키기 위해, 상기 기판을 향하여 상기 양이온을 가속시키는 단계를 포함하는, 방법. - 제2항에 있어서,
상기 전기음성 플라즈마 내의 상기 전하 교환 충돌은, 상기 제1 종의 중성 백그라운드 입자와 상기 양이온의 양이온 간의 충돌을 포함하는, 방법. - 제2항에 있어서,
상기 전기음성 플라즈마 내의 상기 전하 교환 충돌은, 상기 제1 종과 상이한 전기음성도를 포함하는 제3 종의 중성 백그라운드 입자와 상기 양이온의 양이온 간의 충돌을 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 음이 아닌 바이어스 전압을 상기 기판에 인가하는 단계는,
양의 바이어스 전압을 상기 기판에 인가함으로써, 상기 기판의 상기 주 표면을 향하여 그리고 상기 기판의 상기 주 표면에 실질적으로 수직으로 평균 속도를 갖는 제2 중성 입자를 생성하는 단계를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제2 종은 염소인, 방법. - 제6항에 있어서,
상기 제1 종은 아르곤인, 방법. - 제6항에 있어서,
상기 제1 종은 수소 및 탄소를 포함하는, 방법. - 플라즈마 공정 방법으로서,
무선 주파수(RF) 소스 전력 전극, RF 바이어스 전력 전극, 및 상기 RF 소스 전극과 상기 RF 바이어스 전극 사이에 배치된 기판을 포함하는 플라즈마 공정 챔버 내로 적어도 2개의 가스를 유동시키는 단계로서, 상기 가스는 제1 종 및 제2 종을 포함하는, 단계;
상기 제1 종의 전자 및 양이온을 생성하도록, RF 소스 전력을 상기 가스에 인가하는 단계;
상기 제1 종의 전자를 상기 제2 종의 원자 또는 분자와 결합함으로써 상기 제2 종의 음이온을 생성하도록, 상기 가스로부터 상기 RF 소스 전력을 제거하는 단계; 및
중성 입자를 상기 기판에 전달하기 위해, 미리 결정된 지연 후에 그리고 상기 RF 소스 전력의 제거 후에, RF 바이어스 전력을 상기 기판에 인가하는 단계로서, 상기 RF 바이어스 전력은 상기 기판에서의 약 10 MHz 미만의 주파수를 포함하는, 단계를 포함하는,
플라즈마 공정 방법. - 제9항에 있어서,
상기 주파수는 약 1 MHz 내지 약 10 MHz인, 방법. - 제9항에 있어서,
상기 RF 바이어스 전력을 인가하는 동안, 셀프 바이어스가 상기 기판에 생성되지 않으며,
상기 RF 바이어스 전력은, 상기 기판에서, 양의 전압 및 상기 양의 전압과 크기가 동일한 음의 전압을 생성하는 단계 간에 교호하는, 방법. - 제9항에 있어서,
상기 RF 바이어스 전력의 피크 전압의 절대값은 약 500 V 미만인, 방법. - 제9항에 있어서,
상기 플라즈마 공정 챔버 내의 플라즈마 밀도는, 상기 RF 바이어스 전력의 인가의 지속시간 동안 약 1 × 1017 m-3 미만인, 방법. - 제9항에 있어서,
상기 RF 소스 전력을 인가하는 단계 및 제거하는 단계 다음에, 상기 미리 결정된 지연 후에 상기 플라즈마 공정 챔버 내에 RF 바이어스 전력을 인가하는 단계를 주기적으로 수행하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 플라즈마 공정 장치로서,
제1 종의 양이온 및 제2 종의 음이온을 포함하는 전기음성 플라즈마를 포함하도록 구성된 플라즈마 공정 챔버;
상기 플라즈마 공정 챔버에 결합되고, 상기 플라즈마 공정 챔버 내에 전기양성 플라즈마를 생성하도록 구성되는, 소스 전력 공급기로서, 상기 전기양성 플라즈마는, 상기 제2 종과 결합하여 상기 음이온을 형성하는 전자 및 상기 제1 종의 상기 양이온을 포함하는, 소스 전력 공급기;
상기 플라즈마 공정 챔버 내에 배치된 주 표면을 포함하는 기판 척; 및
상기 기판과 바이어스 전력 공급기 사이에 결합된 바이어스 전력 생성기 회로로서, 상기 바이어스 전력 생성기 회로는, 무선 주파수(RF) 바이어스 전압을 상기 기판에 인가하도록 구성되는, 바이어스 전력 생성기 회로를 포함하며,
상기 RF 바이어스 전압은 음의 전압과 음이 아닌 전압 간에 교호하고,
상기 음의 전압은, 상기 기판의 주 표면에 실질적으로 수직으로 그리고 상기 기판의 주 표면의 방향으로 지향되는 속도 벡터를 갖는 제1 중성 입자를 생성하는,
플라즈마 공정 장치. - 제15항에 있어서,
상기 바이어스 전력 생성기 회로는, 약 1 MHz 내지 약 10 MHz의 주파수로 상기 RF 바이어스 전압을 인가하도록 구성되는, 플라즈마 공정 장치. - 제15항에 있어서,
상기 플라즈마 공정 챔버에 결합되고, 상기 RF 바이어스 전압의 인가 동안 접지 전압으로 유지되도록 구성되는, 상부 전극; 및
상기 바이어스 전력 생성기 회로 및 상기 기판에 결합된 하부 전극을 더 포함하며,
상기 하부 전극은 상기 RF 바이어스 전압을 상기 기판에 인가하도록 구성되는, 플라즈마 공정 장치. - 제17항에 있어서,
상기 플라즈마 공정 챔버와 상기 소스 전력 공급기 사이에 결합된 소스 전력 생성기 회로를 더 포함하며,
상기 소스 전력 생성기 회로는, 고주파 RF 소스 전력을 상기 상부 전극에 인가하여 상기 전기양성 플라즈마를 생성하도록 구성되고,
상기 전기양성 플라즈마는 용량성 결합 플라즈마인, 플라즈마 공정 장치. - 제18항에 있어서,
상기 소스 전력 생성기 회로는 상기 상부 전극 또는 상기 하부 전극에 결합되는, 플라즈마 공정 장치. - 제17항에 있어서,
상기 상부 전극 및 상기 하부 전극은 약 15 cm 미만의 거리만큼 분리되는, 플라즈마 공정 챔버.
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