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KR101677748B1 - 펄스 플라즈마 장치 및 펄스 플라즈마 장치 구동 방법 - Google Patents

펄스 플라즈마 장치 및 펄스 플라즈마 장치 구동 방법 Download PDF

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KR101677748B1
KR101677748B1 KR1020140148444A KR20140148444A KR101677748B1 KR 101677748 B1 KR101677748 B1 KR 101677748B1 KR 1020140148444 A KR1020140148444 A KR 1020140148444A KR 20140148444 A KR20140148444 A KR 20140148444A KR 101677748 B1 KR101677748 B1 KR 101677748B1
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Abstract

본 발명의 기술적 사상에 의한 펄스 플라즈마 장치는 공정 챔버에서 반사되는 반사 전력을 최소화하여 펄스 플라즈마를 이용한 반도체 웨이퍼의 식각 공정의 효율성을 향상시키기 위해, 0이 아닌 복수의 레벨을 가진 펄스 플라즈마 전력을 인가하고, 상기 복수의 레벨의 플라즈마 전력에 따른 임피던스 정합 커패시턴스를 상기 복수의 레벨 플라즈마의 듀티 사이클의 비율에 따라 조합하여 임피던스를 정합할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

펄스 플라즈마 장치 및 펄스 플라즈마 장치 구동 방법{Pulse plasma apparatus and method for operating the same}
본 발명은 펄스 플라즈마 장치 및 펄스 플라즈마 장치의 구동 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 상부 전극과 하부 전극으로 이루어진 반도체 기판의 식각 공정을 수행하는 플라즈마 장치에 펄스 플라즈마 전력을 인가하는 경우 펄스 플라즈마 전력의 주파수 동조를 이용하여 반사파 저감을 할 수 있는 펄스 플라즈마 장치 및 펄스 플라즈마 장치의 구동 방법에 관한 것이다.
펄스 플라즈마 장치를 이용하여 반도체 기판 등의 식각 공정을 수행하는 경우 RF 전력 발생기 또는 RF 전력 소스로부터의 전력이 동적으로 조정되는(tuned) 정합망(matching network)을 통하여 플라즈마 공정 챔버 내의 전극과 결합되어야 한다. 펄스 전력은 플라즈마 공정 챔버 내의 전극으로부터 플라즈마 공정 챔버 내부의 프로세스 가스들과 결합되어 식각 공정에 사용되는 플라즈마를 형성한다. 정합망은 플라즈마 공정 챔버의 반사 전력을 최소화하여 RF 전력 소스의 출력이 플라즈마에 결합되는 전력량을 극대화시킬 수 있다. 정합망은 플라즈마의 복소 임피던스에 전형적으로 50Ω으로 정합(matching)시킨다. 식각 공정이 수행되는 동안 플라즈마 특성이 변화함에 따라 동적 정합을 원활하게 하기 위해, 정합망은 공정 전반에 걸쳐 정합이 달성 및 유지되도록 보장하기 위해 연속적으로 조정가능하다.
일반적으로, 식각 공정을 수행하는 제어기는 정합망을 제어한다. 제어기는 또한 정합망으로부터의 반사 전력을 측정하고, 정합망으로부터의 반사 전력이 상승되는 경우, 제어기는 플라즈마 공정 챔버 내부의 존재하는 플라즈마에 대한 RF 전력 소스의 정합을 위해 정합망의 커패시턴스 또는 인덕턴스를 조정한다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상부 전극 및 하부 전극으로 이루어진 펄스 플라즈마 장치에서 상부 전극에 0이 아닌 복수의 파워 레벨을 갖는 펄스 파워를 인가하는 경우 주파수 동조 방법을 이용하여 플라즈마 공정 챔버에서 반사되는 반사 전력의 저감 효과를 극대화시키는 펄스 플라즈마 장치 및 펄스 플라즈마 장치의 구동 방법을 제공하려는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 기술적 사상은 상부 전극과 하부 전극을 구비하는 공정 챔버; 상기 상부 전극에 연속파 모드의 제1 레벨 RF 전력, 연속파 모드의 제2 레벨 RF 전력, 제1 듀티 사이클을 갖는 제1 레벨 RF 펄스 전력 및 제2 듀티 사이클을 갖는 제2 레벨 RF 펄스 전력을 인가하는 소스 RF 전원(Source RF generator); 상기 공정 챔버에서 상기 소스 RF 전원으로 재반사되는 반사 RF 전력을 측정하는 반사 전력 측정기; 상기 공정 챔버의 임피던스와 상기 소스 RF 전원의 임피던스를 정합(match)시키는 제1 정합망(first matching network); 및 상기 반사 전력 측정기로부터 측정된 반사 RF 전력이 최소화되도록 상기 소스 RF 전원과 상기 제1 정합망을 제어하는 제어부; 를 포함하고, 상기 제1 정합망은 상기 연속파 모드의 제1 레벨 RF 전력이 공급되는 경우 상기 공정 챔버의 임피던스와 상기 소스 RF 전원의 임피던스를 제1 정합 커패시턴스로 정합하고, 상기 연속파 모드의 제2 레벨 RF 전력이 공급되는 경우 상기 공정 챔버의 임피던스와 상기 소스 RF 전원의 임피던스를 제2 정합 커패시턴스로 정합하며, 상기 제어부는 상기 제1 정합 커패시턴스 및 상기 제2 정합 커패시턴스를 상기 제1 듀티 사이클과 상기 제2 듀티 사이클의 비율에 따라 조합하여 제3 정합 커패시턴스를 계산하고, 상기 상부 전극에 상기 제1 레벨 RF 펄스 전력 및 상기 제2 레벨 RF 펄스 전력이 공급되는 경우 상기 제3 정합 커패시턴스를 상기 제1 정합망에 전달하여 상기 공정 챔버의 임피던스와 상기 소스 RF 전원의 임피던스를 정합하며, 상기 제1 듀티 사이클과 상기 제2 듀티 사이클이 동일하고, 상기 제어부는 상기 제1 정합 커패시턴스와 상기 제2 정합 커패시턴스의 중간값을 제3 커패시턴스로 계산하는 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 레벨 RF 펄스 전력은 상기 제2 레벨 RF 펄스 전력보다 작은 값을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 듀티 사이클과 상기 제2 듀티 사이클이 동일하고, 상기 제어부는 상기 제1 정합 커패시턴스와 상기 제2 정합 커패시턴스의 중간값을 제3 커패시턴스로 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하부 전극에 제3 레벨 RF 펄스 전력을 인가하는 제1 바이어스 RF 전원(Bias RF generator); 상기 소스 RF 전원 및 상기 제1 바이어스 RF 전원과 연결되고, 상기 제1 레벨 RF 펄스 전력의 듀티 사이클과 상기 제3 레벨 RF 펄스 전력의 듀티 사이클을 동기화시키는 동기화 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 동기화 장치는 상기 소스 RF 전원이 제1 듀티 사이클로 제1 레벨 RF 펄스 전력을 인가하는 동안 상기 제1 바이어스 RF 전원이 상기 하부 전극에 RF 펄스 전력을 인가하지 않게 하고, 상기 소스 RF 전원이 제2 듀티 사이클로 제2 레벨 RF 펄스 전력을 공급하는 동안 상기 제1 바이어스 RF 전원이 상기 제2 듀티 사이클로 상기 제3 레벨 RF 펄스 전력을 상기 하부 전극에 인가하도록 듀티 사이클을 동기화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1 정합 커패시턴스 및 상기 제2 커패시턴스의 정보를 저장하는 메모리; 및 상기 제1 듀티 사이클과 상기 제2 듀티 사이클의 비율에 따라 상기 제1 정합 커패시턴스와 상기 제2 정합 커패시턴스에 가중치를 부여하여 상기 공정 챔버의 임피던스와 상기 소스 RF 전원의 임피던스를 정합하는 상기 제3 정합 커패시턴스를 계산하는 알고리즘을 수행하는 연산 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하부 전극에 연결되고, 상기 제3 레벨 RF 전력보다 낮은 주파수를 갖는 제4 RF 펄스 전력을 상기 하부 전극에 인가하는 제2 바이어스 RF 전원을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 소스 RF 전원은 100MHz 내지 200MHz의 주파수로 제1 레벨 RF 펄스 전력 및 상기 제2 레벨 RF 펄스 전력을 인가하고, 상기 제1 바이어스 RF 전원은 2MHz내지 100MHz의 주파수로 상기 제3레벨 RF 펄스 전력을 인가하며, 상기 제2 바이어스 RF 전원은 0MHz 내지 2MHz의 주파수로 상기 제4 레벨 RF 전력을 인가하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서 본 발명의 기술적 사상은 또한, 소스 RF 전원이 공정 챔버의 상부 전극에 제1 시간 동안 연속파 모드의 제1 RF 전력을 인가하는 단계; 제1 정합부가 상기 공정 챔버의 임피던스와 상기 소스 RF 전원의 임피던스가 정합되도록 제1 정합 커패시턴스 값을 결정하는 단계; 상기 소스 RF 전원이 상기 상부 전극에 제2 시간 동안 연속파 모드의 제2 RF 전력을 인가하는 단계; 상기 제1 정합부가 상기 공정 챔버의 임피던스와 상기 소스 RF 전원의 임피던스가 정합되도록 제2 정합 커패시턴스 값을 결정하는 단계; 제어부가 상기 제1 정합 커패시턴스 값과 상기 제2 정합 커패시턴스 값을 조합하여 제3 정합 커패시턴스 값을 계산하는 단계; 상기 제어부가 상기 제3 정합 커패시턴스 값을 상기 제1 정합부에 전달하는 단계; 상기 소스 RF 전원이 상기 제1 듀티 사이클을 갖는 제1 레벨 RF 펄스 전력 및 상기 제2 듀티 사이클을 갖는 제2 레벨 RF 펄스 전력을 상기 상부 전극에 교대로 인가하는 단계를 포함하는 펄스 플라즈마 장치 구동 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부가 상기 제3 정합 커패시턴스 값을 계산하는 단계는, 상기 제어부가 상기 제1 듀티 사이클과 상기 제2 듀티 사이클의 비율을 계산하고, 상기 제1 정합 커패시턴스 값과 상기 제2 정합 커패시턴스 값에 상기 비율에 따른 가중치를 적용하여 상기 제3 정합 커패시턴스 값을 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 정합 커패시턴스를 결정하는 단계 이후 상기 제어부의 메모리에 상기 제1 정합 커패시턴스의 정보를 저장하는 단계; 및 상기 제2 정합 커패시턴스를 결정하는 단계 이후 상기 제어부의 메모리에 상기 제2 정합 커패시턴스의 정보를 저장하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 소스 RF 전원이 상기 제1 RF 전력을 인가하는 단계는 상기 공정 챔버의 하부 전극에 연결된 제1 바이어스 RF 전원이 상기 하부 전극에 상기 제1 시간 동안 제3 RF 전력을 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 소스 RF 전원이 상기 제1 RF 전력을 인가하는 단계는 상기 하부 전극에 연결된 제2 바이어스 RF 전원이 상기 하부 전극에 상기 제1 시간 동안 제4 RF 전력을 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 소스 RF 전원과 상기 제1 바이어스 RF 전원은 제1 듀티 사이클 및 제2 듀티 사이클로 동기화되어 각각 상기 제1 RF 전력 및 상기 제3 RF 전력을 인가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 소스 RF 전원이 제1 듀티 사이클을 갖는 제1 레벨 RF 펄스 전력을 인가하는 동안 상기 제1 바이어스 RF 전원이 상기 하부 전극에 RF 펄스 전력을 인가하지 않고, 상기 소스 RF 전원이 제2 듀티 사이클을 갖는 제2 레벨 RF 펄스 전력을 상기 상부 전극에 인가하는 동안 상기 제1 바이어스 RF 전원은 상기 제2 듀티 사이클을 갖는 제3 레벨 RF 펄스 전력을 상기 하부 전극에 인가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 펄스 플라즈마 장치를 사용하여 반도체 기판의 식각 공정을 수행하는 경우 RF 전력 소스에서 플라즈마 공정 챔버에 인가되었다가 반사되는 반사 전력을 저감할 수 있어 플라즈마 식각 공정의 전력 효율을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 펄스 플라즈마 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상에 의한 펄스 플라즈마 장치에서 발생되는 연속파 모드 플라즈마 전력의 시간에 따른 상태도이다.
도 3(a) 내지 도 3(c)는 본 발명의 기술적 사상에 의한 펄스 플라즈마 장치에서 발생되는 펄스 플라즈마 전력의 시간에 따른 상태도이다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상에 의한 펄스 플라즈마 장치에서 발생되는 펄스 플라즈마 전력이 펄스 플라즈마 임피던스 정합에 따라 동기화되는 과정을 시간 경과에 따라 도시한 상태도이다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상에 의한 펄스 플라즈마 임피던스 정합망의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상에 의한 펄스 플라즈마 임피던스 정합을 위한 제어 흐름도(flow chart)이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시 예들에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 과장되거나 축소될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "상에" 있다거나 "접하여" 있다고 기재된 경우, 다른 구성 요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성 요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "바로 위에" 있다거나 "직접 접하여" 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, "~사이에"와 "직접 ~사이에" 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 펄스 플라즈마 장치(1000)를 개략적으로 도시한 개념도이다. 상기 펄스 플라즈마 장치(1000)는 펄스화된 플라즈마를 사용하여 반도체 웨이퍼 기판들을 처리하는 장치를 의미할 수 있다. 일부 실시예에서, 소스 RF 전원(200) 및/또는 바이어스 RF 전원(300, 400)에 대한 플라즈마 펄싱 프로세스는 트렌칭(trenching) 및 노칭(notching) 문제들을 감소시킬 수 있고, 웨이퍼 레벨에서의 적은 손상으로 식각 정도의 균일성 및 선택성을 포함하는 식각 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 펄스 플라즈마 장치(1000)는 플라즈마 공정 챔버(100), 소스 RF 전원(Source RF generator, 200), 제1 정합망(Matching network, 210), 제1 측정기(Indicator, 220), 제1 바이어스 RF 전원(Bias RF generator, 300), 제2 정합망(310), 제2 측정기(320), 제2 바이어스 RF 전원(400), 제3 정합망(410), 제3 측정기(420), 동기화 장치(500) 및 제어기(600)를 포함할 수 있다.
플라즈마 공정 챔버(100)는 진공 챔버(110), 상부 전극(120), 하부 전극(130), 플라즈마(140) 및 프로세스 가스 공급부(150)를 포함할 수 있다. 상기 상부 전극(120)은 상기 진공 용기(110)의 상부에 배치되고, 상기 하부 전극(130)은 상기 진공 용기(110)의 하부에 배치될 수 있다. 상기 하부 전극(130)은 상기 상부 전극(120)보다 아래 부분에 배치될 수 있다. 상기 상부 전극(120) 또는 하부 전극(130)에서 발생되는 RF 전력(Radio Frequency power)은 플라즈마와 결합될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 상부 전극(120) 또는 하부 전극(130)은 상기 프로세스 가스 공급부(150)에 의해 진공 용기(110) 내부에 공급되는 프로세스 가스들에 전력을 유도성으로(inductively) 결합할 수 있다. 상기 상부 전극(120) 또는 상기 하부 전극(130)에 의해 인가되는 RF 전력은 반도체 웨이퍼 기판(W) 상의 반응 영역에 플라즈마(140)를 형성하기 위하여 프로세스 가스들에 유도성으로 결합될 수 있다. 상기 프로세스 가스 공급부(150)에서 공급되는 프로세스 가스들은 상기 반도체 웨이퍼 기판(W) 상의 물질들을 식각할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 프로세스 가스는 CxFy를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상부 전극(120)에서 인가되는 RF 전력은 플라즈마(140)를 점화(ignition)하고, 하부 전극(130)에서 인가되는 RF 전력은 상기 플라즈마(140)의 이온(ion), 라디컬(radical) 등을 제어할 수 있다.
소스 RF 전원(200)은 상부 전극(120)에 제1 레벨 RF 전력 및 제2 레벨 RF 전력을 인가할 수 있다(도 3a 참조). 제1 바이어스 RF 전원(300)과 제2 바이어스 RF 전원(400)은 하부 전극(130)에 각각 제3 레벨 RF 전력, 제4 레벨 RF 전력을 인가할 수 있다(도 3b 및 도 3c 참조). 상기 소스 RF 전원(200), 상기 제1 바이어스 RF 전원(300) 및 상기 제2 바이어스 RF 전원(400) 중 적어도 하나는 고속으로 주파수 조정될 수 있도록 구성될 수 있다. 상기 소스 RF 전원(200), 상기 제1 바이어스 RF 전원(300) 및 상기 제2 바이어스 RF 전원(400) 중 적어도 하나는 연속파 모드(Continuous Wave, CW) 또는 펄스 모드(Pulse)로 동작할 수 있다(도 2 내지 도 3c 참조). 상기 소스 RF 전원(200)은 펄스 모드로 동작하는 경우 100MHz 내지 200MH 주파수로 펄스화될 수 있다. 상기 제1 바이어스 RF 전원(300)은 2MHz내지 100MHz의 주파수로 펄스화될 수 있다. 상기 제2 바이어스 RF 전원(400)은 0MHz보다 크고, 2MHz보다 작거나 같은 주파수로 펄스화될 수 있다. 상기 소스 RF 전원(200), 상기 제1 바이어스 RF 전원(300) 및 상기 제2 바이어스 RF 전원(400) 중 적어도 하나는 10% 내지 90%의 듀티 사이클(duty cycle, 주어진 사이클에서 온(on) 시간 및 오프(off) 시간의 합계 중에서 온 시간의 퍼센티지)에서 동작될 수 있다(도 2 내지 도 3c 참조).
제1 정합망(210)은 플라즈마 공정 처리기(110)에서 반사되는 반사 전력을 최소화할 수 있다. 반사 전력을 최소화하기 위해 상기 제1 정합망(210)은 상기 플라즈마 공정 챔버(100)의 임피던스와 소스 RF 전원(200)의 임피던스를 동일하게 정합(matching)할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 플라즈마 공정 챔버(100)의 복소 임피던스와 상기 소스 RF 전원(200)의 복소 임피던스가 50Ω으로 정합되는 경우 반사 전력이 최소화될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 제1 정합망(210)은 상기 플라즈마 공정 챔버(100)의 복소 임피던스와 상기 소스 RF 전원(200)의 복소 임피던스가 50Ω이 되도록 정합시켜 반사 전력을 최소화할 수 있다. 상기 플라즈마 공정 챔버(100)에서 반도체 웨이퍼 기판(W)이 식각되는 동안 플라즈마(140)의 특성이 변화할 수 있는데, 상기 플라즈마(140)의 특성이 변화됨에 따라 동적 정합을 원활하게 하기 위해, 제1 정합망(210)은 식각 공정 전반에 걸쳐 정합이 달성 및 유지되도록 보장하기 위해 연속적으로 조정될 수 있다. 상기 제1 정합망(210)의 구조 및 정합 방법에 대한 상세한 설명은 도 5 및 도 6의 설명 부분에서 후술하도록 한다. 제2 정합망(310) 및 제3 정합망(410)은 각각 제1 바이어스 RF 전원(300), 제2 바이어스 RF 전원(400)의 임피던스를 상기 플라즈마 공정 챔버(100)의 임피던스와 정합시킬 수 있다. 상기 제2 정합망(310) 및 상기 제3 정합망(410)에 대한 설명은 상기 제1 정합망(210)과 중복되는바, 생략하기로 한다.
제1 측정기(220)는 플라즈마 공정 챔버(100)의 플라즈마 임피던스와 소스 RF 전원(200)의 임피던스를 정합하기 위한 제1 정합망(210)에 연결되고, 상기 제1 정합망(210)의 정합 효율성을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 제1 측정기(220)는 상기 플라즈마 공정 챔버(100)로부터 반사되는 반사 전력을 측정하고 모니터링(monitoring)할 수 있다. 상기 반사 전력에 대한 신호는 상기 제1 정합망(210)으로부터 상기 제1 측정기(220)로 전달될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 제1 측정기(220)는 상기 제1 정합망(210) 내에 통합될 수 있다. 상기 제1 측정기(220)는 정합 유효성 표시자 신호가 반사 전력의 크기를 나타내는 전압이도록 하기 위해 RF 검출기에 결합된 지향성 커플러(directional coupler)로 이루어질 수 있다. 상기 제1 측정기(220)는 동기화 장치(500)를 통해 제어기(600)와 연결될 수 있다.
동기화 장치(500)는 하나의 RF 전원의 동작을 다른 RF 전원의 동작에 동기화시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 동기화 장치(500)는 소스 RF 전원(200), 제1 바이어스 RF 전원(300) 및 제2 바이어스 RF 전원(400)을 결합시켜 동작 주파수를 동기화시킬 수 있다. 상기 동기화에 대한 상세한 설명은 도 3a 내지 도 3c의 설명 부분에서 후술하도록 한다.
제어기(600)은 동기화 장치(500)와 연결되고, 상기 동기화 장치(500)를 거쳐 소스 RF 전원(200), 제1 정합망(210), 제1 바이어스 RF 전원(300), 제2 정합망(310), 제2 바이어스 RF 전원(400) 및 제3 정합망(410)을 제어할 수 있다. 구체적으로, 상기 제어기(600)는 상기 제1 정합망(210) 내지 상기 제3 정합망(410)으로부터의 반사 전력을 측정하고, 상기 반사 전력이 상승되는 경우 플라즈마 공정 챔버(100)의 임피던스를 상기 소스 RF 전원(200)의 임피던스와 정합시키기 위해 상기 제1 정합망(210)의 커패시턴스 또는 인덕턴스를 조정할 수 있다. 상기 제1 정합망(210)을 통한 정합 방법에 대한 상세한 설명은 도 5 및 도 6의 설명 부분에서 후술하도록 한다.
상기 제어기(600)는 연산 장치(610) 및 메모리(620)을 포함할 수 있다. 상기 제어기(600)는 아날로그, 디지털, 유선, 무선, 광, 및 광섬유 인터페이스들로서 광범위하게 설명될 수 있는 인터페이스들을 통하여 플라즈마 공정 챔버(100) 내에서의 식각 공정을 조절 및 모니터링할 수 있다. 상기 연산 장치(610)는 상기 플라즈마 공정 챔버(100) 및 서브프로세서들을 제어하기 위해 사용될 수 있는 임의의 형태의 범용 컴퓨터 프로세서 중 하나일 수 있다. 상기 메모리(620)는 상기 연산 장치(610)에 결합되는 랜덤 액세스 메모리(Random Access Memory, RAM), 리드 온리 메모리(Read Only Memory, ROM), 플로피 디스크, 하드 디스크, 또는 임의의 다른 형태의 로컬 또는 원격 디지털 저장장치와 같은 하나 이상의 용이하게 이용가능한 메모리 소자일 수 있다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상에 의한 펄스 플라즈마 장치(1000)에서 발생되는 연속파 모드 RF 플라즈마 전력(Continuous wave mode RF plasma power)의 시간에 따른 상태도이다.
도 2를 참조하면, 연속파 모드의 RF 플라즈마 전력은 일정한 주기(PCW)를 갖는 사인파(sine wave) 형태로 제공되는 전압파에 의해 발생될 수 있다. 상기 연속파 모드의 RF 플라즈마 전력의 크기의 절대값은 최대값 M과 최소값 0을 가질 수 있다. 상기 최대값 M 값은 소스 RF 전원(200)의 경우가 제1 바이어스 RF 전원(300) 및 제2 바이어스 RF 전원(400, 이상 도 1 참조)의 경우보다 작은 값일 수 있다. 즉, 상기 소스 RF 전원(200)에서 발생되는 연속파 모드의 RF 전력의 최대값의 크기는 상기 제1 바이어스 RF 전원(300) 및 상기 제2 바이어스 RF 전원(400)에서 발생되는 RF 전력의 최대값의 크기보다 작을 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 연속파 모드의 RF 전력을 플라즈마 공정 챔버(100, 도 1 참조)에 인가하여 반도체 웨이퍼 기판(W, 도 1 참조)를 식각하는 경우 플라즈마에 포함되어 있는 이온뿐만 아니라 전자 혹은 라디컬(radical) 등에 의해 식각의 선택성이 양호하지 않을 수 있다. 따라서 최근에는 공정 영역을 확대하고 공정 마진을 증가시키기 위해 펄스(pulse) 형태의 RF 전력을 적용하는 식각 공정이 널리 사용되고 있다. 펄스 RF 전력을 상기 플라즈마 공정 챔버(100)에 인가하여 반도체 웨이퍼 기판(W)을 식각하는 경우 연속파 모드의 RF 전력 대비 높은 선택비를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 공정진행 시 발생하는 차징 데미지, UV Radiation, Physical Sputtering과 같은 문제를 해결 또는 완화할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 기술적 사상에 의한 펄스 플라즈마 장치(1000)에서 발생되는 펄스 플라즈마 RF 전력의 시간에 따른 상태도이다. 구체적으로, 도 3a는 소스 RF 전원(200, 도 1 참조)에서 발생되는 RF 펄스 전력을 시간에 따라 도시한 것이고, 도 3b는 제1 바이어스 RF 전원(300, 도 1 참조)에서 발생되는 RF 펄스 전력을 시간에 따라 도시한 것이며, 도 3c는 제2 바이어스 RF 전원(400, 도 1 참조)에서 발생되는 RF 펄스 전력을 시간에 따라 도시한 것이다.
도 3a를 참조하면, 상기 소스 RF 전원(200)은 제1 듀티 사이클(D1)을 갖는 제1 레벨 RF 펄스 전력과 제2 듀티 사이클(D2)를 갖는 제2 레벨 RF 펄스 전력을 발생시켜 상부 전극(120, 도 1 참조)에 인가할 수 있다. 상기 제1 듀티 사이클(D1)과 상기 제2 듀티 사이클(D2)은 동일한 시간일 수 있으나, 서로 다른 시간일 수도 있다. 상기 제1 레벨 RF 펄스 전력의 최대값(H1)은 상기 제2 레벨 RF 펄스 전력의 최대값(L)보다 큰 값일 수 있다. 상기 제1 레벨 RF 펄스 전력 및 상기 제2 레벨 RF 펄스 전력은 0이 아닌 양수값을 가지는 RF 펄스 전력일 수 있다.
도 3b를 참조하면, 제1 바이어스 RF 전원(300)은 제3 듀티 사이클(D3)을 갖는 제3 레벨 RF 펄스 전력을 하부 전극(130, 도 1 참조)에 인가할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 제3 듀티 사이클(D3)은 제1 듀티 사이클(D1)과 동일할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 동기화 장치(500, 도 1 참조)는 상기 제1 바이어스 RF 전원(300)을 소스 RF 전원(200)과 제1 듀티 사이클(D1)로 동기화시킬 수 있다. 상기 제1 바이어스 RF 전원(300)은 제2 듀티 사이클(D2) 동안에는 0의 RF 전력을 인가, 즉 RF 전력을 상기 하부 전극(130)에 인가하지 않을 수 있다. 상기 제3 레벨 RF 펄스 전력의 최대값(H2)는 상기 제1 레벨 RF 펄스 전력의 최대값(H1)보다 큰 값일 수 있다.
도 3c를 참조하면, 제2 바이어스 RF 전원(400)은 제4 듀티 사이클(D4)을 갖는 제4 레벨 RF 펄스 전력을 하부 전극(130, 도 1 참조)에 인가할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 제4 듀티 사이클(D4)은 제1 듀티 사이클(D1) 및 제3 듀티 사이클(D3)과 동일할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 동기화 장치(500, 도 1 참조)는 상기 제2 바이어스 RF 전원(300)을 소스 RF 전원(200) 및 상기 제1 바이어스 RF 전원과 제1 듀티 사이클(D1)로 동기화시킬 수 있다. 상기 제2 바이어스 RF 전원(400)은 제2 듀티 사이클(D2) 동안에는 0의 RF 전력을 인가, 즉 RF 전력을 상기 하부 전극(130)에 인가하지 않을 수 있다. 상기 제4 레벨 RF 펄스 전력의 최대값(H3)는 상기 제1 레벨 RF 펄스 전력의 최대값(H1)보다 큰 값일 수 있다. 상기 제4 레벨 RF 펄스 전력의 최대값(H3)은 상기 제3 레벨 RF 펄스 전력의 최대값(H2)보다는 큰 값일 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다.
도 4는 본 발명의 기술적 사상에 의한 펄스 플라즈마 장치(1000)에서 발생되는 펄스 플라즈마 RF 전력이 펄스 플라즈마 임피던스 정합에 따라 동기화되는 과정을 시간 경과에 따라 도시한 상태도이다.
도 4를 참조하면, 소스 RF 전원은 연속파 모드의 제1 RF 전력(CW1)을 제1 시간(T1) 동안 상부 전극(120, 도 1 참조)에 인가하고, 제2 시간(T2) 및 제3 시간(T3) 동안에는 제2 RF 전력(CW2)을 상기 상부 전극(120)에 인가될 수 있다. 다만, 상기 제1 시간(T1) 내지 상기 제3 시간(T3)은 설명을 위해 예시로 든 시간이며, 상기 시간은 정해진 값이 아니며 여러 실시예에 따라 임의적으로 정해질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 제2 RF 전력(CW2)이 제2 시간(T2) 동안만 상기 상부 전극(120)에 인가될 수도 있다. 상기 제1 RF 전력(CW1) 및 제2 RF 전력(CW2)는 연속파 모드의 사인파(sine wave)이고, 도 4에서 일직선으로 도시된 것은 설명의 편의를 상기 제1 RF 전력(CW1) 및 상기 제2 RF 전력(CW2)의 최대값만을 도시한 것이다. 상기 제1 RF 전력(CW1)의 최대값(L)의 크기는 상기 제2 RF 전력의 최대값(H1)의 크기보다 작을 수 있다. 제1 바이어스 RF 전원은 상기 제1 시간(T1) 내지 상기 제3 시간(T3) 동안 연속파 모드의 제3 RF 전력(CW3)을 하부 전극(130, 도 1 참조)에 인가할 수 있다. 제2 바이어스 RF 전원은 상기 제1 시간(T1) 내지 상기 제3 시간(T3) 동안 연속파 모드의 제4 RF 전력(CW4)을 상기 하부 전극에 인가할 수 있다.
제1 정합망은 제1 시간(T1) 동안 플라즈마 공정 챔버(100, 도 1 참조)에서 반사되는 반사 전력을 최소화시키도록 상기 플라즈마 공정 챔버(100)의 임피던스와 소스 RF 전원의 임피던스를 정합시킬 수 있다. 상기 제1 정합망에 연결되는 제어기(600, 도 1 참조)는 상기 플라즈마 공정 챔버(100)의 임피던스와 상기 소스 RF 전원의 임피던스를 정합시키는 제1 정합 커패시턴스(C1) 값을 계산할 수 있다. 상기 제1 정합망은 제2 시간(T2) 및 제3 시간(T3) 동안에도 마찬가지로 상기 플라즈마 공정 챔버(100)의 임피던스와 상기 소스 RF 전원의 임피던스를 정합시킬 수 있다. 상기 제어기(600)는 상기 제2 시간(T2) 및 상기 제3 시간(T3) 동안의 상기 플라즈마 공정 챔버(100)와 상기 소스 RF 전원의 임피던스를 정합되게 하는 제2 정합 커패시턴스(C2) 값을 계산할 수 있다. 상기 제1 정합망과 상기 제어기(600)의 임피던스 정합 알고리즘에 대한 상세한 설명은 도 5 및 도 6의 설명 부분에서 후술하도록 한다.
소스 RF 전원은 제4 시간(T4) 동안 펄스 형태의 RF 전력을 상부 전극(120, 도 1 참조)에 인가할 수 있다. 상기 소스 RF 전원은 0이 아닌 복수의 펄스 RF 전력, 즉 제1 레벨 RF 펄스 전력(P1)과 제2 레벨 RF 펄스 전력(P2)을 상기 상부 전극(120)에 교대로 인가할 수 있다. 상기 제1 레벨 RF 펄스 전력(P1)은 제1 듀티 사이클(D1)로 상기 상부 전극(120)에 인가되고, 상기 제2 레벨 RF 펄스 전력(P2)는 제2 듀티 사이클(D2)로 상기 상부 전극(120)에 인가될 수 있다. 상기 소스 RF 전원이 서로 다른 레벨의 RF 펄스 전력을 인가하는 경우, 예컨대, 제1 듀티 사이클(D1) 동안 RF 펄스 전력을 인가했다가 제2 듀티 사이클(D2) 동안 인가하지 않는 경우에 비해서 플라즈마(140, 도 1 참조) 내의 전자 온도 및 전자 밀도의 제어가 가능하기 때문에 식각 공정에 맞도록 플라즈마(140)의 특성을 바꿀 수 있다. 이는 상기 소스 RF 전원이 RF 펄스 전력을 인가하지 않을 때, 상기 플라즈마(140)의 이온과 전자는 에너지를 잃게 되고, 이온보다 높은 이동도(mobility)를 갖고 있는 전자는 이온화 반응과 플라즈마 공정 챔버(100, 도 1 참조) 벽면 충돌로 이온보다 빠르게 손실되어 RF 펄스 조건에서 연속파 모드의 RF 전력 대비 평균적으로 낮은 전자온도(Te)를 유지하게 된다. 이는 CxFy 를 사용하는 플라즈마 식각 공정에서 해리도를 조절하고, F/CF2 의 비율을 크게 함으로써 높은 식각 선택비(selectivity)를 얻을 수 있다.
제1 정합망은 제4 시간(T4) 동안에는 동작을 멈추는 홀드 상태(hold)일 수 있다.
제1 바이어스 RF 전원은 제4 시간(T4) 동안 제3 듀티 사이클(D3)로 제3 레벨 RF 펄스 전력을 하부 전극(130, 도 1 참조)에 인가할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제3 듀티 사이클(D3)은 제2 듀티 사이클(D2)과 동일할 수 있다. 즉, 상기 제1 바이어스 RF 전원이 제3 레벨 RF 펄스 전력을 상기 하부 전극(130)에 인가하는 동안 소스 RF 전원은 제2 레벨 RF 펄스 전력을 상부 전극(120)에 인가할 수 있다. 상기 소스 RF 전원이 제1 레벨 RF 펄스 전력을 상기 상부 전극(120)에 인가하는 동안 상기 제1 바이어스 RF 전원은 0의 펄스 전력을 상기 하부 전극(130)에 인가할 수 있다. 즉, 제1 듀티 사이클(D1) 동안 상기 제1 바이어스 RF 전원은 상기 하부 전극(130)에 RF 전력을 인가하지 않을 수 있다.
제1 바이어스 RF 전원과 마찬가지로 제2 바이어스 RF 전원은 제4 시간(T4) 동안 제4 레벨 RF 펄스 전력을 하부 전극(130, 도 1 참조)에 인가할 수 있다. 상기 제4 레벨 RF 펄스 전력은 제4 듀티 사이클(D4)로 인가될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제4 듀티 사이클(D4)은 제2 듀티 사이클(D2) 및 제3 듀티 사이클(D3)과 동일할 수 있다. 즉, 상기 제2 바이어스 RF 전원이 제4 레벨 RF 펄스 전력을 상기 하부 전극(130)에 인가하는 동안 소스 RF 전원과 제1 바이어스 RF 전원은 각각 제2 레벨 RF 펄스 전력 및 제3 레벨 RF 펄스 전력을 상부 전극(120) 및 하부 전극(130)에 인가할 수 있다. 상기 소스 RF 전원이 제1 레벨 RF 펄스 전력을 상기 상부 전극(120)에 인가하는 동안 상기 제2 바이어스 RF 전원은 상기 하부 전극(130)에 RF 전력을 인가하지 않을 수 있다.
도 5는 본 발명의 기술적 사상에 의한 펄스 플라즈마 장치(1000)의 일부 구성 요소를 도시한 구성도이고, 도 6은 상기 펄스 플라즈마 장치(1000)의 임피던스 정합을 위한 제어 흐름도(flow chart)이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 플라즈마 공정 챔버(100)의 임피던스와 소스 RF 전원(200)의 임피던스의 정합을 위해서, 제1 정합망(210), 제1 측정기(220), 동기화 장치 및 제어기(600)가 사용될 수 있다. 본 발명의 기술적 사상에 의한 펄스 플라즈마 장치(1000)의 임피던스 정합 제어 방법은 플라즈마를 점화(ignition)한 후, 소스 RF 전원(200)이 상부 전극(120)에 연속파 모드의 RF 전력을 인가하는 단계(S1001), 상기 소스 RF 전원(200)이 제1 시간 동안 제1 RF 전력을 상부 전극(120, 도 1 참조)에 인가하고, 상기 제1 정합망(210)이 제1 정합 커패시턴스 값을 출력하는 단계(S1002), 메모리(620)에 상기 제1 정합 커패시턴스 값을 저장하는 단계(S1003), 상기 소스 RF 전원(200)이 제2 시간 동안 연속파 모드의 제2 RF 전력을 상기 상부 전극(120)에 인가하고, 상기 제1 정합망(210)이 제2 정합 커패시턴스 값을 출력하는 단계(S1004), 메모리(620)에 상기 제2 정합 커패시턴스 값을 저장하는 단계(S1005), 연산 장치(610)가 제1 듀티 사이클과 제2 듀티 사이클의 비율에 따른 가중치를 상기 제1 정합 커패시턴스 값 및 상기 제2 정합 커패시턴스 값에 적용하여 제3 정합 커패시턴스 값을 계산하는 단계(S1006), 제어기(600)가 상기 제3 정합 커패시턴스 값의 정보를 상기 제1 정합망(210)에 제공하는 단계(S1007) 및 상기 소스 RF 전원(200)이 상기 제1 듀티 사이클을 갖는 제1 레벨 RF 펄스 전력 및 상기 제2 듀티 사이클을 갖는 제2 레벨 RF 펄스 전력을 상기 상부 전극(120)에 인가하는 단계(S1008)를 포함할 수 있다.
소스 RF 전원(200)이 상부 전극(120, 도 1 참조)에 연속파 모드의 RF 전력을 인가하는 단계(S1001)는 도 4에서 설명한 제1 시간(T1) 동안 제1 RF 전력이 인가되는 단계로 설명될 수 있다. 상기 소스 RF 전원(200)이 제1 시간(T1) 동안 제1 RF 전력을 상기 상부 전극(120)에 인가하고, 제1 정합망(210)이 제1 정합 커패시턴스 값(C1)을 출력하는 단계(S1002)는 상기 소스 RF 전원(200)에서 상기 상부 전극(120)에 인가되었지만, 플라즈마 공정 챔버(100)에서 반사되는 반사 전력을 측정하는 제1 측정기(220)와 상기 플라즈마 공정 챔버(100)의 임피던스를 상기 소스 RF 전원(200)의 임피던스와 정합시키는 상기 제1 정합망(210)의 동작으로 수행될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 정합망(210)은 조동 조절용으로 사용되는 제1 가변 커패시터(212), 미세 조절용으로 사용되는 제2 가변 커패시터(214), 상기 제1 가변 커패시터(212) 및 상기 제2 가변 커패시터(214)를 정방향이나 역방향으로 회전시켜 제1 정합 커패시턴스 값(C1) 또는 제2 정합 커패시턴스 값(C2)을 출력하도록 하는 제1 모터(212M), 제2 모터(214M), 상기 제1 모터(212M) 및 상기 제2 모터(214M)의 구동을 제어하는 콘트롤러(216), 상기 제1 모터(212M) 및 상기 제2 모터(214M)의 회전 동력을 전달하기 위한 제1 기어(212G), 제2 기어(214G), 직류 전압을 출력하는 파워 공급부(218), 상기 제2 가변 커패시터(214)로 출력되는 고주파 전력의 직류 성분을 제거하기 위한 인덕터(L) 및 상기 인덕터(L)에 연결되어 직류 바이어스 전압을 검출하기 위한 저항(R)을 포함할 수 있다. 제1 측정기(220)는 플라즈마 공정 챔버(100)에서 반사되는 반사 전력을 측정하여 상기 제1 정합망(210)에 반사 전력값을 전달할 수 있다.
제1 시간(T1) 동안 연속파 모드의 제1 RF 전력이 상기 플라즈마 공정 챔버(100)의 상부 전극(120, 도 1 참조)에 인가되는 경우 상기 제1 정합망(210)의 파워 공급부(218)는 교류 전원을 입력하여 전압 강하 하여 직류 전압을 출력할 수 있다. 상기 제1 모터(212M) 및 상기 제2 모터(214M)는 상기 파워 공급부(218)로부터 공급되는 직류 전압을 받아 모터 구동 제어 신호에 의해 정방향이나 역방향으로 회전 구동할 수 있다. 상기 콘트롤러(216)는 상기 제1 측정기(220)로부터 측정된 반사 전력값을 최소화하기 위한 커패시턴스 값, 즉 제1 정합 커패시턴스 값(C1)을 정하기 위해 상기 제1 모터(212M) 및 제2 모터(214M)의 구동 신호를 출력할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 플라즈마 공정 챔버(100)의 임피던스와 소스 RF 전원(200)의 임피던스가 50Ω으로 정합되는 경우 반사 전력이 최소화될 수 있는바, 상기 제1 모터(212M) 및 상기 제2 모터(214M)는 상기 콘트롤러(216)의 모터 구동 제어 신호에 의해 50Ω으로 임피던스 매칭을 하도록 제1 기어(212G) 및 제2 기어(214G)를 좌측이나 우측으로 회전시킬 수 있다. 상기 제1 기어(212G) 및 상기 제2 기어(214G)는 각각 상기 제1 모터(212M), 제2 모터(214M)의 회전 동력을 각각 제1 가변 커패시터(212), 제2 가변 커패시터(214)로 전달할 수 있다. 상기 제1 정합 커패시턴스 값(C1)은 상기 반사 전력이 최소가 되는 때의 제1 가변 커패시터(212) 및 제2 가변 커패시터(214)의 용량값(capacitance) 값의 조합으로 정의될 수 있다. 상기 제1 정합 커패시턴스 값(C1)은 상기 제1 가변 커패시터(212)의 커패시턴스 값과 상기 제2 가변 커패시터(214)의 커패시턴스 값에 대한 정보를 모두 포함할 수 있다. 상기 인덕터(L)는 상기 제2 가변 커패시터(214)로 출력되는 고주파 전력의 직류 성분을 제거할 수 있다. 상기 인덕터(L)를 통해 임피던스 매칭된 고주파 전력은 플라즈마 공정 챔버(100)로 공급될 수 있다.
제1 정합망(210)에서 정해진 제1 정합 커패시턴스 값(C1)은 제어기(600)의 메모리(620)에 저장될 수 있다(S1003). 상기 메모리(620)는 도 1에서 설명한 메모리(620)와 동일한 것으로서, 랜덤 액세스 메모리, 리드 온리 메모리, 플로피 디스크, 하드 디스크, 또는 임의의 다른 형태의 로컬 또는 원격 디지털 저장장치와 같은 하나 이상의 용이하게 이용 가능한 메모리 소자일 수 있다.
소스 RF 전원(200)이 제2 시간(T2) 동안 연속파 모드의 제2 RF 전력을 플라즈마 공정 챔버(100)의 상부 전극(120, 도 1 참조)에 인가하는 경우 전술한 바와 마찬가지로 제1 정합망(210)은 제2 정합 커패시턴스 값(C2)을 출력할 수 있다(S1004). 즉, 파워 공급부(218)가 제1 모터(212M) 및 제2 모터(214M)에 직류 전압을 공급하고, 콘트롤러(216)가 제1 측정기(220)로부터 측정된 반사 전력을 최소화시키는 커패시턴스 값을 정하기 위해 상기 제1 모터(212M) 및 상기 제2 모터(214M)에 모터 구동 제어 신호를 전달하며, 상기 제1 모터(212M) 및 상기 제2 모터(214M)에 의해 제1 가변 커패시터(212) 및 제2 가변 커패시터(214)가 가변되어 제2 정합 커패시턴스 값(C2)을 정할 수 있다. 제2 정합 커패시턴스 값(C2)은 상기 제2 RF 전력이 상기 상부 전극(120)에 인가되는 경우 반사 전력이 최소가 되는 때의 제1 가변 커패시터(212) 및 제2 가변 커패시터(214)의 용량값(capacitance) 값의 조합으로 정의될 수 있다. 상기 제2 정합 커패시턴스 값(C2)은 상기 제1 가변 커패시터(212)의 커패시턴스 값과 상기 제2 가변 커패시터(214)의 커패시턴스 값에 대한 정보를 모두 포함할 수 있다.
상기 제2 정합 커패시턴스 값(C2)은 메모리(620)에 저장될 수 있다(S1005).
제어기(600)의 연산 장치(610)는 제1 정합망(210)에서 출력되고, 메모리(620)에 저장되어 있는 제1 정합 커패시턴스 값(C1) 및 제2 정합 커패시턴스 값(C2)을 조합하여 제3 정합 커패시턴스 값(C3)을 계산할 수 있다. 상기 제3 정합 커패시턴스 값(C3)은 제1 듀티 사이클과 제2 듀티 사이클의 비율에 따라 상기 제1 정합 커패시턴스 값(C1)과 상기 제2 정합 커패시턴스 값(C2)을 조합하여 계산될 수 있다. 도 4를 참조하면, 상기 제1 듀티 사이클(D1)은 제1 레벨 RF 펄스 전력(P1)이 인가되는 시간으로 정의되고, 상기 제2 듀티 사이클(D2)은 제2 레벨 RF 펄스 전력(P2)이 인가되는 시간으로 정의될 수 있다. 제3 정합 커패시턴스 값(C3)은 아래와 같은 수식으로 계산될 수 있다.
Figure 112014104183084-pat00001
Figure 112014104183084-pat00002
수학식 1과 수학식 2를 참조하면, 제3 정합 커패시턴스 값(C3)은 제1 듀티 사이클(D1)과 제2 듀티 사이클(D2)의 합에서 상기 제1 듀티 사이클(D1)이 차지하는 비율, 즉 가중치(a)를 제1 정합 커패시턴스 값(C1)에 곱하고, 나머지 제2 듀티 사이클(D2)이 차지하는 비율(1-a)을 제2 정합 커패시턴스 값(C2)에 곱하여 구할 수 있다. 예컨대, 상기 가중치(a)가 0.2인 경우 제1 정합 커패시턴스 값(C1)의 제1 가변 커패시터(212)의 커패시턴스 값에 0.2를 곱하고, 제2 정합 커패시턴스 값(C2)의 제1 가변 커패시터(212)의 커패시턴스 값에 0.8을 곱하는 경우 제3 정합 커패시턴스 값(C3)의 제1 가변 커패시터(212)의 커패시턴스 값을 계산할 수 있다. 전술한 방법으로 제2 가변 커패시터(214)의 제3 정합 커패시턴스 값(C3)도 계산할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 가중치(a)가 0.5일 수 있다. 상기 가중치(a)가 0.5인 경우는 제1 듀티 사이클(D1)과 제2 듀티 사이클(D2)이 동일한 경우로서, 제3 정합 커패시턴스 값(C3)은 제1 정합 커패시턴스 값(C1)과 제2 정합 커패시턴스 값(C2)의 중간값일 수 있다.
전술한 계산 방법 또는 제어 알고리즘은 제어기(600)의 연산 장치(610) 내에 소프트웨어 루틴 형태로 저장될 수 있다. 상기 소프트웨어 루틴은 상기 연산 장치(610)에 의해 제어되는 하드웨어로 인해 수행될 수 있다. 전술한 예시적인 실시예는 컴퓨터 시스템에서 실행되는 소프트웨어, 주문형 집적회로 또는 다른 타입의 하드웨어 구현으로서 하드웨어 또는 소프트웨어와 하드웨어의 조합으로 수행될 수 있다. 전술한 임피던스 정합 방법을 사용하는 경우 플라즈마 공정 챔버(100)에서 반사되는 반사 전력의 저감 효과가 극대화될 수 있다. 또한, 소스 RF 전원(200)과 상기 플라즈마 공정 챔버(100)의 임피던스 정합이 되기 전까지 불안정한 파형이 지속적으로 인가되어 반사 전력이 저감되지 못한 시간이 길어질수록 공정 랜덤성이 증가하여 재현성 확보에 어려움이 있을 수 있는 문제도 해결할 수 있다.
제어기(600)의 연산 장치(610)에서 전술한 제3 정합 커패시턴스 값(C3)을 계산하여 출력하면 제1 정합망(210)은 상기 제3 정합 커패시턴스 값(C3)의 정보를 소스 RF 전원(200)에 제공할 수 있다(S1007).
상기 소스 RF 전원(200)은 제1 듀티 사이클(D1)을 갖는 제1 레벨 RF 펄스 전력 및 제2 듀티 사이클(D2)을 갖는 제2 레벨 RF 펄스 전력을 교대로 상부 전극(120, 도 1 참조)에 인가할 수 있다.
동기화 장치(500)는 소스 RF 전원(200)이 상부 전극(120)에 인가하는 펄스 전력을 제1 바이어스 RF 전원 및 제2 바이어스 RF 전원이 인가하는 펄스 전력과 동기화시킬 수 있다. 도 4 및 도 6을 참조하면, 제2 듀티 사이클(D2)을 갖는 제2 레벨 RF 펄스 전력(P2)이 상기 상부 전극(120)에 인가되는 동안 제1 바이어스 RF 전원 및 제2 바이어스 RF 전원은 각각 제3 레벨 RF 펄스 전력(P3), 제4 레벨 RF 펄스 전력(P4)을 하부 전극(130, 도 1 참조)에 인가할 수 있다. 또한, 제1 듀티 사이클(D1) 동안 상기 제1 바이어스 RF 전원 및 상기 제2 바이어스 RF 전원은 RF 펄스 전원을 인가하지 않을 수도 있다. 다만, 전술한 내용은 예시적인 실시예에 해당하며, 일부 실시예에서는 제1 듀티 사이클(D1) 동안 상기 제1 바이어스 RF 전원 및 상기 제2 바이어스 RF 전원이 각각 제3 레벨 RF 펄스 전력, 제4 레벨 RF 펄스 전력을 상기 하부 전극(130)에 인가하고, 제2 듀티 사이클(D2) 동안에는 펄스 전력을 인가하지 않을 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다.
100: 플라즈마 공정 챔버, 110: 진공 용기, 120: 상부 전극, 130: 하부 전극, 140: 플라즈마, 150: 프로세스 가스 공급부, 200: 소스 RF 전원, 210: 제1 정합망, 212: 제1 가변 커패시터, 212G: 제1 기어, 212M: 제1 모터, 214: 제2 가변 커패시터, 214G: 제2 기어, 214M: 제2 모터, 216: 콘트롤러, 218: 파워 공급부, 220: 제1 측정기, 300: 제1 바이어스 RF 전원, 310: 제2 정합망, 320: 제2 측정기, 400: 제2 바이어스 RF 전원, 410: 제3 정합망, 420: 제3 측정기, 500: 동기화 장치, 600: 제어기, 610: 연산 장치, 620: 메모리, 1000: 펄스 플라즈마 장치

Claims (20)

  1. 상부 전극과 하부 전극을 구비하는 공정 챔버;
    상기 상부 전극에 연속파 모드의 제1 레벨 RF 전력, 연속파 모드의 제2 레벨 RF 전력, 제1 듀티 사이클을 갖는 제1 레벨 RF 펄스 전력 및 제2 듀티 사이클을 갖는 제2 레벨 RF 펄스 전력을 인가하는 소스 RF 전원(Source RF generator);
    상기 공정 챔버에서 상기 소스 RF 전원으로 재반사되는 반사 RF 전력을 측정하는 반사 전력 측정기;
    상기 공정 챔버의 임피던스와 상기 소스 RF 전원의 임피던스를 정합(match)시키는 제1 정합망(first matching network); 및
    상기 반사 전력 측정기로부터 측정된 반사 RF 전력이 최소화되도록 상기 소스 RF 전원과 상기 제1 정합망을 제어하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 제1 정합망은 상기 연속파 모드의 제1 레벨 RF 전력이 공급되는 경우 상기 공정 챔버의 임피던스와 상기 소스 RF 전원의 임피던스를 제1 정합 커패시턴스로 정합하고, 상기 연속파 모드의 제2 레벨 RF 전력이 공급되는 경우 상기 공정 챔버의 임피던스와 상기 소스 RF 전원의 임피던스를 제2 정합 커패시턴스로 정합하며,
    상기 제어부는 상기 제1 정합 커패시턴스 및 상기 제2 정합 커패시턴스를 상기 제1 듀티 사이클과 상기 제2 듀티 사이클의 비율에 따라 조합하여 제3 정합 커패시턴스를 계산하고, 상기 상부 전극에 상기 제1 레벨 RF 펄스 전력 및 상기 제2 레벨 RF 펄스 전력이 공급되는 경우 상기 제3 정합 커패시턴스를 상기 제1 정합망에 전달하여 상기 공정 챔버의 임피던스와 상기 소스 RF 전원의 임피던스를 정합하며,
    상기 제1 듀티 사이클과 상기 제2 듀티 사이클이 동일하고,
    상기 제어부는 상기 제1 정합 커패시턴스와 상기 제2 정합 커패시턴스의 중간값을 제3 커패시턴스로 계산하는 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 레벨 RF 펄스 전력은 상기 제2 레벨 RF 펄스 전력보다 작은 값을 갖는 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 장치.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 하부 전극에 제3 레벨 RF 펄스 전력을 인가하는 제1 바이어스 RF 전원(Bias RF generator);
    상기 소스 RF 전원 및 상기 제1 바이어스 RF 전원과 연결되고, 상기 제1 레벨 RF 펄스 전력의 듀티 사이클과 상기 제3 레벨 RF 펄스 전력의 듀티 사이클을 동기화시키는 동기화 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 동기화 장치는 상기 소스 RF 전원이 제1 듀티 사이클로 제1 레벨 RF 펄스 전력을 인가하는 동안 상기 제1 바이어스 RF 전원이 상기 하부 전극에 RF 펄스 전력을 인가하지 않게 하고,
    상기 소스 RF 전원이 제2 듀티 사이클로 제2 레벨 RF 펄스 전력을 공급하는 동안 상기 제1 바이어스 RF 전원이 상기 제2 듀티 사이클로 상기 제3 레벨 RF 펄스 전력을 상기 하부 전극에 인가하도록 듀티 사이클을 동기화시키는 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 정합 커패시턴스 및 상기 제2 정합 커패시턴스의 정보를 저장하는 메모리; 및
    상기 제1 듀티 사이클과 상기 제2 듀티 사이클의 비율에 따라 상기 제1 정합 커패시턴스와 상기 제2 정합 커패시턴스에 가중치를 부여하여 상기 공정 챔버의 임피던스와 상기 소스 RF 전원의 임피던스를 정합하는 상기 제3 정합 커패시턴스를 계산하는 알고리즘을 수행하는 연산 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 장치.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 하부 전극에 연결되고, 상기 제3 레벨 RF 펄스 전력보다 낮은 주파수를 갖는 제4 레벨 RF 펄스 전력을 상기 하부 전극에 인가하는 제2 바이어스 RF 전원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 소스 RF 전원은 100MHz 내지 200MHz의 주파수로 제1 레벨 RF 펄스 전력 및 상기 제2 레벨 RF 펄스 전력을 인가하고,
    상기 제1 바이어스 RF 전원은 2MHz내지 100MHz의 주파수로 상기 제3레벨 RF 펄스 전력을 인가하며,
    상기 제2 바이어스 RF 전원은 0MHz보다 크고 2MHz보다 작거나 같은 주파수로 상기 제4 레벨 RF 펄스 전력을 인가하는 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 장치.
  9. 소스 RF 전원이 공정 챔버의 상부 전극에 제1 시간 동안 연속파 모드의 제1 RF 전력을 인가하는 단계;
    제1 정합부가 상기 공정 챔버의 임피던스와 상기 소스 RF 전원의 임피던스가 정합되도록 제1 정합 커패시턴스 값을 결정하는 단계;
    상기 소스 RF 전원이 상기 상부 전극에 제2 시간 동안 연속파 모드의 제2 RF 전력을 인가하는 단계;
    상기 제1 정합부가 상기 공정 챔버의 임피던스와 상기 소스 RF 전원의 임피던스가 정합되도록 제2 정합 커패시턴스 값을 결정하는 단계;
    제어부가 상기 제1 정합 커패시턴스 값과 상기 제2 정합 커패시턴스 값을 조합하여 제3 정합 커패시턴스 값을 계산하는 단계;
    상기 제어부가 상기 제3 정합 커패시턴스 값을 상기 제1 정합부에 전달하는 단계;
    상기 소스 RF 전원이 제1 듀티 사이클을 갖는 제1 레벨 RF 펄스 전력 및 제2 듀티 사이클을 갖는 제2 레벨 RF 펄스 전력을 상기 상부 전극에 교대로 인가하는 단계를 포함하는 펄스 플라즈마 장치 구동 제어 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제어부가 상기 제3 정합 커패시턴스 값을 계산하는 단계는,
    상기 제어부가 상기 제1 듀티 사이클과 상기 제2 듀티 사이클의 비율을 계산하고, 상기 제1 정합 커패시턴스 값과 상기 제2 정합 커패시턴스 값에 상기 비율에 따른 가중치를 적용하여 상기 제3 정합 커패시턴스 값을 계산하는 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 장치 구동 제어 방법.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 정합 커패시턴스를 결정하는 단계 이후 상기 제어부의 메모리에 상기 제1 정합 커패시턴스의 정보를 저장하는 단계; 및
    상기 제2 정합 커패시턴스를 결정하는 단계 이후 상기 제어부의 메모리에 상기 제2 정합 커패시턴스의 정보를 저장하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 장치 구동 제어 방법.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 소스 RF 전원이 상기 제1 RF 전력을 인가하는 단계는 상기 공정 챔버의 하부 전극에 연결된 제1 바이어스 RF 전원이 상기 하부 전극에 상기 제1 시간 동안 제3 RF 전력을 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 장치 구동 제어 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 소스 RF 전원이 상기 제1 RF 전력을 인가하는 단계는 상기 하부 전극에 연결된 제2 바이어스 RF 전원이 상기 하부 전극에 상기 제1 시간 동안 제4 RF 전력을 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 장치 구동 제어 방법.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 소스 RF 전원과 상기 제1 바이어스 RF 전원은 제1 듀티 사이클 및 제2 듀티 사이클로 동기화되어 각각 상기 제1 RF 전력 및 상기 제3 RF 전력을 인가하는 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 장치 구동 제어 방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 소스 RF 전원이 제1 듀티 사이클을 갖는 제1 레벨 RF 펄스 전력을 인가하는 동안 상기 제1 바이어스 RF 전원이 상기 하부 전극에 RF 펄스 전력을 인가하지 않고,
    상기 소스 RF 전원이 제2 듀티 사이클을 갖는 제2 레벨 RF 펄스 전력을 상기 상부 전극에 인가하는 동안 상기 제1 바이어스 RF 전원은 상기 제2 듀티 사이클을 갖는 제3 레벨 RF 펄스 전력을 상기 하부 전극에 인가하는 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 장치 구동 제어 방법.
  16. 상부 전극과 하부 전극을 구비하는 공정 챔버;
    상기 상부 전극에 제 1 시간 동안 연속파 형태의 제 1 RF 전력을 인가하고, 제 2 시간 동안 연속파 형태의 제 2 RF 전력을 인가하며, 제 3 시간 동안 제 1 듀티 사이클을 갖는 제 1 레벨 RF 펄스 전력과 제 2 듀티 사이클을 갖는 제 2 레벨 RF 펄스 전력을 교대로 인가하는 소스 RF 전원;
    상기 하부 전극에 제3 듀티 사이클을 갖는 바이어스 RF 전력을 인가하는 바이어스 RF 전원;
    상기 공정 챔버에서 상기 소스 RF 전원으로 반사되는 반사 RF 전력을 측정하는 반사 전력 측정기;
    상기 제1 시간 동안 및 상기 제2 시간 동안 상기 공정 챔버의 임피던스와 상기 소스 RF 전원의 임피던스를 정합(match)시키는 임피던스 정합망; 및
    상기 제1 시간 동안 및 상기 제2 시간 동안 상기 임피던스 정합망으로부터 정합된 제1 정합 커패시턴스와 제2 정합 커패시턴스를 각각 계산하고, 상기 제1 정합 커패시턴스와 상기 제2 정합 커패시턴스로부터 제3 정합 커패시턴스를 계산하며, 상기 제3 정합 커패시턴스를 이용하여 상기 임피던스 정합망을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 소스 RF전원은 상기 제 1시간 이후에 상기 제 2시간이 진행되고, 상기 제 2시간 이후에 상기 제 3시간이 진행되는 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 장치.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 정합 커패시턴스와 제1 가중치를 곱한 값과 상기 제2 정합 커패시턴스와 제 2 가중치를 곱한 값을 결합하여 제 3 정합 커패시턴스를 계산하고,
    상기 제1 가중치는 상기 제1 듀티 사이클과 상기 제2 듀티 사이클의 합에서 상기 제1 듀티 사이클이 차지하는 비율이고, 상기 제2 가중치는 1에서 상기 제1 가중치를 뺀 비율인 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 펄스 플라즈마 장치.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 제1 레벨 RF 펄스 전력, 상기 제2 레벨 RF 펄스 전력 및 상기 바이어스 RF 전력은 펄스의 형태로 제공되고, 상기 제1 레벨 RF 펄스 전력 및 상기 제2 레벨 RF 펄스 전력은 0이 아닌 RF 펄스 전력이며, 상기 바이어스 RF 전력은 RF 전력이 0인 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 장치.
  19. 제16 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 임피던스 정합망을 연속적으로 조정하는 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 장치.
  20. 제16 항에 있어서,
    상기 소스 RF전원 및 상기 바이어스 RF 전원과 연결되고, 상기 제1레벨 RF 펄스 전력의 상기 제1 듀티 사이클과 상기 바이어스 RF 펄스 전력의 상기 제3 듀티 사이클을 동기화시키는 동기화 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 장치.
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