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KR101989205B1 - 플라즈마 처리 챔버의 압력 제어 밸브 어셈블리 및 급속한 교번 처리 - Google Patents

플라즈마 처리 챔버의 압력 제어 밸브 어셈블리 및 급속한 교번 처리 Download PDF

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KR101989205B1
KR101989205B1 KR1020147015395A KR20147015395A KR101989205B1 KR 101989205 B1 KR101989205 B1 KR 101989205B1 KR 1020147015395 A KR1020147015395 A KR 1020147015395A KR 20147015395 A KR20147015395 A KR 20147015395A KR 101989205 B1 KR101989205 B1 KR 101989205B1
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KR
South Korea
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slot valve
chamber
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미르자페르 아바체프
카멜리아 루수
브라이언 맥밀린
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램 리써치 코포레이션
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Abstract

압력 제어 밸브 어셈블리는 유입부, 유출부 및 도관을 갖는 하우징을 포함하고; 유입부는 플라즈마 처리 챔버와 연결되고 유출부는 진공 펌프와 연결된다. 고정된 슬슬롯 밸브 플레이트 내에 평행한 슬롯들의 제1 세트를 갖는 고정된 슬롯 밸브 플레이트는 챔버로부터 도관으로 인출되는 가스들이 평행한 슬롯들의 제1 세트를 통과하도록 도관 내에 고정된다. 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트 내에 평행한 슬롯들의 제2 세트를 갖는 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트는 챔버 내에서 압력을 조절하도록 고정된 슬롯 밸브 플레이트에 대하여 이동 가능하다. 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트에 부착된 구동 메커니즘은 더 높은 압력으로부터 더 낮은 압력으로 또는 더 낮은 압력으로부터 더 높은 압력으로 챔버 내의 압력을 변화시키도록 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트를 급속히 이동시킨다.

Description

플라즈마 처리 챔버의 압력 제어 밸브 어셈블리 및 급속한 교번 처리{PRESSURE CONTROL VALVE ASSEMBLY OF PLASMA PROCESSING CHAMBER AND RAPID ALTERNATING PROCESS}
본 발명은 반도체 기판들이 처리되는 플라즈마 처리 챔버와 진공 펌프 사이에 위치된 압력 제어 밸브 어셈블리와 관련한다. 압력 제어 밸브 어셈블리는 챔버 압력의 변화가 요구되는 복수-단계 처리를 겪는 (undergoing) 반도체 기판의 처리 동안 플라즈마 챔버에서 급속한 압력 변화를 초래하도록 (effect) 이용될 수 있다.
보슈 (Bosch) 처리는 반도체 산업에서, 트렌치들 (trenches) 및 비아들 (vias) 과 같은, (수십 내지 수백 마이크로미터와 같은 깊이를 갖는) 깊은 수직의 (높은 종횡비) 피처들을 제작하는데 널리 이용된 플라즈마 에칭 처리이다. 보슈 처리는 에칭 단계들 및 증착 단계들을 교번하는 사이클들을 포함한다. 보슈 처리의 세부사항들은 본 명세서에 참조로서 인용되는 미국 특허 제5,501893호에서 발견될 수 있다. 보슈 처리는, 무선 주파수 (RF) 바이어스된 기판 전극과 함께, 유도성 커플링된 플라즈마 (ICP) 소스와 같은 고-밀도 플라즈마 소스로 구성된 플라즈마 처리 장치 내에서 수행될 수 있다. 실리콘을 에칭하기 위한 보슈 처리에서 이용되는 처리 가스들은 에칭 단계에서 6플루오르화황 (SF6) 일 수 있고 증착 단계에서 8플루오르화사이클로뷰테인 (C4F8) 일 수 있다. 에칭 단계에서 이용되는 처리 가스와 증착 단계에서 이용되는 처리 가스는 이하 "에칭 가스" 및 "증착 가스" 로 각각 지칭된다. 에칭 단계 동안, SF6 은 실리콘 (Si) 의 자발적 그리고 등방성 에칭을 용이하게 하고; 증착 단계 동안, C4F8은 에칭된 구조체의 하부뿐만 아니라 측벽상에 보호 폴리머 층의 증착을 용이하게 한다. 보슈 처리는 깊은 구조체로 하여금 마스킹된 실리콘 기판 내에 구성되는 것을 가능하게 하는 에칭 단계 및 증착 단계 사이에서 주기적으로 (cyclically) 교번한다. 에칭 단계들에서 나타나는 고에너지 및 방향성 이온 충격 (bombardment) 시에, 이전 증착 단계로부터 에칭된 구조체의 하부에 코팅된 임의의 폴리머 막은 더 에칭하기 위해 실리콘 표면을 노출시키도록 제거될 것이다. 측벽 상의 폴리머 막은 방향 이온 충격을 겪지 않으므로 남아있을 것이고, 이로써 측방의 에칭을 억제한다.
미국 특허 공보 제2009/0242512호는, 챔버 압력이 패시베이션 (passivation) 막의 증착 동안 5초 동안 35 mTorr, 저압력 에칭 단계 동안 1.5초 동안 20 mTorr, 그리고 고압력 에칭 단계 동안 7.5초 동안 325 mTorr (표 4.2.1참조) 또는 증착 동안 5초 동안 35 mTorr, 저압력 에칭 동안 1.5초 동안 20 mTorr, 고압력 에칭 동안 7.5초 동안 325 mTorr 그리고 저압력 에칭 동안 1초 동안 15 mTorr (표 4.2.2참조) 인, 복수-단계 보슈 타입 처리의 예시를 개시한다.
챔버 압력의 변화는 원자 층 증착, 플라즈마 강화된 CVD, 마스크 재료 내의 플라즈마 에칭 개구들의 복수-단계 처리들, 복수-단계 플라즈마 에칭 처리들과 같은 다른 처리들에서 요구되고, 에천트 (etchant) 가스의 농도는 주기적으로 (periodically) 변화되거나 상이한 재료의 층들은 순차적으로 에칭된다. 전체 (overall) 처리 시간을 감소시키기 위해, 이러한 주기적 (cyclical) 처리의 고압력 페이즈와 저압력 페이즈 사이의 천이 주기의 감소가 바람직하다. 예를 들어, 미국 특허 공보 제2009/0325386호는 대략 수십 밀리초 동안 저부피 진공 챔버 내에서 압력의 급속한 조절을 위한 컨덕턴스 제한 엘리먼트 (conductance limiting element) 를 개시한다. '386 공보는 처리 동안 단일의 화학종들이 복수의 압력 사이클들 동안 처리 영역 내에 흘려질 수 있다는 것 또는 상이한 화학종들이 0.1초부터 2초까지의 범위의 고압력 또는 저압력에서 시간에 따라 복수의 압력 사이클들 동안 도입될 수 있다는 것을 개시한다.
일 실시예에 따르면, 반도체 기판들이 처리되는 플라즈마 처리 챔버의 압력 제어 밸브 어셈블리는 하우징 (housing), 고정된 슬롯 밸브 플레이트 (fixed slotted valve plate), 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트 (movable slotted valve plate), 및 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동 가능한 슬롯 플레이트를 이동시키는 구동 메커니즘을 포함한다. 하우징은 유입부 (inlet), 유출부 (outlet) 및 유입부와 유출부 사이에서 확장하는 도관 (conduit) 을 포함하고 유입부는 플라즈마 처리 챔버의 내부와 연결되도록 구성되고 유출부는 기판을 처리하는 동안 요구되는 압력 세트 포인트들에서 플라즈마 처리 챔버를 유지하는 진공 펌프로 연결되도록 구성된다. 바람직한 플라즈마 처리는 챔버 내에서 처리를 겪는 반도체 기판으로의 높은 종횡비의 에칭 및 보호 폴리머의 증착의 급속히 교번하는 페이즈들이다.
고정된 슬롯 밸브 블레이트는 그 안에 평행한 슬롯들의 제1 세트를 포함하고 고정된 슬롯 밸브 플레이트는 챔버로부터 인출되는 (withdrawn) 가스들이 도관으로 이동하고 평행한 슬롯들의 제1 세트를 통해 통과하도록 도관 내에 이동 불가능하게 고정된다. 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트는 그 안에 평행한 슬롯들의 제2 세트를 포함하고 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트는 챔버 압력에 변화를 초래하도록 제1 위치와 제2 위치 사이에서 구동 메커니즘에 의해 이동된다. 예를 들어, 제1 위치에서 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트는 가스 흐름 컨덕턴스 (conductance) 를 감소시키도록 그리고 챔버 압력을 상승시키도록 평행한 슬롯들의 제1 세트를 완벽히 차단하거나 부분적으로 차단할 수 있다. 제2 위치에서, 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트는 가스 흐름 컨덕턴스를 증가시키도록 그리고 챔버 압력을 낮추도록 슬롯들의 제1 세트를 슬롯들의 제2 세트와 정렬시킬 수 있다. 구동 메커니즘은 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트를 제1 위치와 제2 위치 사이에서 급속하게 이동시키도록 동작 가능하다. 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트의 이동의 바람직한 방향은 선형 이동이다.
챔버의 유출부에 부착된 압력 제어 밸브 어셈블리를 갖는 챔버에서 반도체 기판을 처리하는 방법에서, 방법은 챔버로 처리 가스를 공급하는 동안 제1 위치 내에 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트를 위치시킴으로써 더 낮은 압력으로부터 더 높은 압력으로 챔버 압력을 조절하는 단계 및 챔버로 동일한 처리 가스 또는 상이한 처리 가스를 공급하는 동안 제2 위치 내에 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트를 위치시킴으로써 더 높은 압력으로부터 더 낮은 압력으로 챔버 압력을 조절하는 단계를 포함한다. 챔버는 바람직하게는 RF 에너지가 유전체 윈도우를 통해 챔버로 전송되는 유도성 커플링된 플라즈마 (ICP) 챔버이다. 300mm 직경 웨이퍼들의 단일의 웨이퍼 처리를 위해 이용되는 ICP 챔버들은 100 리터 까지의 챔버 부피를 가질 수 있고 챔버 내의 압력 세팅들은 20 mTorr 내지 300 mTorr 로 변화할 수 있다. 본 명세서에 기술된 압력 제어 밸브 어셈블리는 60 리터 이상의 챔버 부피를 갖는 ICP 챔버의 유출부와 진공 펌프 사이에 맞춰질 수 있고 챔버 내의 압력 변화들이 급속히 사이클하는 것은 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트의 왕복 선형 이동에 의해 초래될 수 있다.
일 실시예에서, 처리는 에칭 및 증착의 교번하는 단계들을 이용하는 실리콘 내의 플라즈마 에칭 개구들 (opening) 을 포함할 수 있고 제1 처리 가스는 1.3초 미만 동안 공급되고 150 mTorr 초과의 압력을 유지하는 동안 플라즈마 상태로 에너자이징되는 (energized) 플루오르 함유 가스를 포함하고 제2 처리 가스는 0.7 초 미만 동안 공급되고 130 mTorr 미만의 제2 압력을 유지하는 동안 플라즈마 상태로 에너자이징되는 플루오르화탄소 함유 가스를 포함한다. 방법은 에칭 단계 전에 폴리머 클리어링 단계를 더 포함할 수 있고 폴리머 클리어링 단계는 적어도 200 밀리초 동안 폴리머 클리어링 가스를 공급함으로써 그리고 150 mTorr 미만의 챔버 압력을 유지하는 동안 폴리머 클리어링 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징함으로써 수행된다.
추가의 처리는 증착 처리를 포함하고 챔버 압력은 챔버 압력이 다양한 세트 포인트들 사이에서 사이클되는 동안 동일한 처리 가스 또는 상이한 처리 가스를 공급하는 동안 반복적으로 변화된다. 예를 들어, 다른 챔버 압력들에서 다른 처리 가스가 공급될 수 있고 또는 동일한 처리가스가 다른 흐름 레이트들로 공급될 수 있다.
도 1은 반도체 기판의 급속히 교번하는 처리를 수행하도록 이용될 수도 있는 플라즈마 처리 시스템 및 압력 제어 밸브를 도시한다.
도 2a는 압력 제어 밸브 시스템의 종래 기술을 도시한다.
도 2b는 도 2a에 도시된 시스템의 스로틀 (throttle) 밸브의 평면도를 도시한다.
도 3a는 고정된 슬롯 밸브 플리이트 및 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트를 갖는 스로틀 밸브 어셈블리를 통합하는 압력 제어 시스템을 도시한다.
도 3b는 고정된 슬롯 밸브 플레이트 및 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트 내의 평행한 슬롯들이 정렬되고 유체 연통하는 측방으로 오프셋된 위치에서의 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트를 도시한다.
도 3c는 이동 가능한 밸브 플레이트는 5개의 평행한 슬롯들을 갖고 고정된 밸브 플레이트는 6개의 평행한 슬롯들을 갖는 슬롯 밸브 플레이트들의 일 실시예를 도시한다.
본 발명은 지금 첨부 도면들에 도시된 바와 같이 본 발명의 몇몇의 바람직한 실시예들에 관하여 상세히 기술될 것이다. 이하 설명에서, 다수의 특정한 세부사항들이 본 발명의 철저한 이해를 제공하도록 제시된다. 그러나, 당업자에게, 본 발명이 이 특정한 세부사항들의 일부 또는 전부 없이 실시될 수도 있다는 것은 명백할 것이다. 다른 예시들에서, 잘 알려진 처리 단계들 및/또는 구조들은 본 발명을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 상세히 기술되지 않았다. 본 명세서에 이용된 것으로서, 용어 "약"은 설명된 값들의 위 또는 아래로 10% 까지의 값들을 포함하도록 해석되어야 한다.
본 명세서에 개시된 플라즈마 처리 챔버의 압력 제어 밸브 어셈블리는 급속한 압력 변화들이 요구된다. 예를 들어, 반도체 기판들의 깊은 피처들은 상이한 챔버 압력들에서 에칭 및 패시베이션 (재료의 보호층의 증착) 의 급속한 교번하는 페이즈들에 의해 처리될 수 있다. 압력 제어 밸브 어셈블리는 압력이 플라즈마 처리 챔버 내에서 변화할 수 있는 시간을 최소화하도록 설계된다. 보슈 처리의 하나의 한계는 에칭된 깊은 피처들의 조면화된 (roughened) 측벽들이다. 이 한계는 보슈 처리에서 이용되는 주기적 (periodic) 에칭/증착 기법 (scheme) 에 기인하고 기술분야에서 측벽 "스캘러핑 (scalloping)"으로 알려져 있다. 다수의 디바이스 응용들을 위해, 이 측벽 조도 (roughness) 또는 스캘러핑을 최소화하는 것이 바람직하다. 스캘러핑의 정도 (extent) 는 통상적으로 스캘럽 길이 및 깊이로 측정된다. 스캘럽 길이는 측벽 조도의 피크-대-피크 (peak-to-peak) 거리이고 단일의 에칭 사이클 동안 달성되는 에칭 깊이와 직접적으로 연관된다. 스캘럽 깊이는 측벽 조도의 피크-대-밸리 (peak-to-valley) 거리이고 개별적 에칭 단계의 비등방도 (degree of anisotropy) 와 연관된다. 스캘럽 형성의 정도는 에칭/증착 단계 각각의 지속기간을 단축시킴으로써 (즉, 더 높은 빈도로 반복되는 더 짧은 에칭/증착 단계들) 최소화될 수 있다.
더 평활한 피처 측벽들에 더하여, 더 높은 전체 (overall) 에칭 레이트를 달성하는 것이 또한 바람직하다. 전체 에칭 레이트는 처리의 총 (total) 지속기간으로 제산된 (divided) 처리에서 에칭된 총 깊이로서 정의된다. 전체 에칭 레이트는 처리 단계에서 효율을 증가시킴으로써 (즉, 데드 타임을 감소시킴으로써) 증가될 수 있다.
도 1은 플라즈마 반응기 (302) 내에 플라즈마 처리 챔버 (301) 를 갖는 플라즈마 반응기 (302) 를 포함하는 플라즈마 처리 시스템 (300) 의 개략도를 도시한다. 매치 네트워크 (324) 에 의해 튜닝되는 플라즈마 전력 공급부 (322) 는 플라즈마 처리 챔버 (301) 내에서 플라즈마 (308) 를 생성하도록 윈도우 (304) 가까이 위치되는 안테나 (306) 로 전력을 공급한다. 안테나 (306) 는 처리 챔버 (301) 내에 균일한 확산 프로파일을 생산하도록 구성될 수도 있다; 예를 들어, 안테나 (306) 는 플라즈마 (308) 내에 토로이달 (toroidal) 전력 분포를 위해 구성될 수도 있다. 윈도우 (304) 는 안테나 (306) 와 플라즈마 챔버 (301) 의 내부 사이에 제공되고 RF 에너지가 안테나 (306) 로부터 플라즈마 챔버 (301) 로 통과하도록 허용하는 유전체 재료로 이루어진다. 매치 네트워크 (328) 에 의해 튜닝되는 웨이퍼 바이어스 전압 전력 공급부 (326) 는 웨이퍼를 지지하는 기판 지지부에 통합되는 전극 (310) 에 의해 지지되는 웨이퍼 (312) 상에 바이어스 전압을 세팅하도록 전극 (310) 에 전력을 제공한다. 플라즈마 전력 공급부 (322) 및 웨이퍼 바이어스 전압 전력 공급부 (326) 에 대한 세트 포인트들은 제어기 (336) 에 의해 세팅된다. 챔버 (301) 는 진공 펌핑 장치 (320), 및 챔버 (301) 의 내부 압력을 제어하는 압력 제어 밸브 어셈블리 (318) 를 포함한다.
도 2a는 통상의 압력 제어 밸브 어셈블리를 도시한다. 압력 제어 밸브 어셈블리는 플라즈마 처리 시스템 (300) 의 처리 챔버 (301) 와 터보분자 펌프 (320) 사이에 진자 스로틀 밸브 (11) 을 포함한다. 스로틀 밸브 (11) 의 피봇식 이동은 0 회 (count) 에서 밸브가 완전히 닫히고 1000 회에서 완전히 열리는 (도시되지 않은) 스테퍼 모터에 의해 제어된다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 스로틀 밸브 (11) 는 가스 흐름 컨덕턴스를 제어하도록 챔버 (301) 와 진공 펌프 (320) 사이에서 도관을 가로질러 스윙된다.
실리콘 내의 높은 종횡비 피처들에 대한 다수의 급속한 교번하는 처리들은 패시베이팅 페이즈와 에칭 페이즈 사이에서 압력의 상당한 변화들을 요구한다. 대부분의 급속한 교번하는 처리들은 300 밀리초 미만 안에 50 회와 250 회 사이의 스로틀 밸브 이동을 요구하고, 현재의 진공 시스템들은 이 요구되는 범위를 커버할 수 없다. 예시로서, 300 밀리초 미만 안에 최대 255 회로부터 최소 위치 90 회까지 스로틀 밸브를 이동시키는 것이 바람직할 수도 있다. 그러나, 진자 스로틀 밸브로 340 밀리초 안에 235 회의 최대로부터 90회의 최소 위치까지 (425 회/초) 밸브를 움직이는 것만이 가능할 수도 있다.
도 3a는 압력 제어 시스템의 일 실시예를 도시하고 압력 제어 밸브 어셈블리 (2) 는 유입부 (4), 유출부 (5) 및 유입부와 유출부 사이에서 확장하는 도관 (6) 을 포함하고, 유입부는 플라즈마 처리 챔버 (301) 의 내부와 연결되도록 구성되고 유출부는 챔버 내에서 반도체 기판의 처리 동안 요구되는 압력 세트 포인트들로 플라즈마 처리 챔버를 유지하는 진공 펌프 (320) 와 연결되도록 구성된다. 압력 제어 밸브 어셈블리는 고정된 슬롯 밸브 플레이트 내에 평행한 슬롯들의 제1 세트 (14) 를 갖고 챔버로부터 도관으로 인출되는 가스들이 평행한 슬롯들의 제1 세트를 통과하도록 도관 내에 고정되는 고정된 슬롯 밸브 플레이트 (12) 및 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트 내에 평행한 슬롯들의 제2 세트 (15) 를 갖고 제2 위치 내에서 보다 제1 위치 내에서 더 큰 정도로 평행한 슬롯들의 제1 세트 (14) 를 차단하도록 고정된 슬롯 플레이트에 대하여 제1 위치 및 제2 위치로 이동 가능한 이동 가능한 슬롯 플레이트 (13) 을 포함한다. 고정된 슬롯 밸브 플레이트 (12) 는 바람직하게는 슬롯 디스크 (slotted disk) 의 형상이고, 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트 (13) 는 바람직하게는 플라즈마 처리 장치 (300) 의 처리 챔버 (301) 와 터보분자 펌프 (320) 사이에서 도관 (6) 내에 선형 방향으로 왕복될 수 있는 슬롯 디스크의 형상이다. 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트 (13) 는 (도시되지 않은) 스테퍼 모터를 포함하는 구동 메커니즘 (16) 에 의해 제어된다. 고정된 슬롯 밸브 플레이트 (12) 는 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트 (13) 위 또는 아래에 있을 수도 있다.
도 3b는 슬롯들 (14, 15) 이 축 방향으로 정렬되도록 위치된 고정된 슬롯 밸브 플레이트 (12) 및 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트 (13) 의 평면도를 도시한다. 슬롯들 (14 및 15) 은 바람직하게는 동일한 폭과 변화하는 길이를 갖고 스테퍼 모터가 0 회인 경우 슬롯들이 정렬되지 않고 0이 아닌 위치에서 슬롯들 (14 및 15) 이 챔버로부터 가스들의 더 큰 흐름 컨덕턴스를 제공하기 위해 정렬되도록 배열되는 선형 슬롯들이다. 도 3a를 다시 참조하면, 챔버 내에서 압력을 변화시키도록 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트 (13) 가 짧은 거리를 이동함으로써 챔버내에서 압력을 급속히 변화시키는 것이 가능하다. 예를 들어, 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트 (13) 는 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트 (13) 가 슬롯들 (14 및 15) 이 압력 밸브 어셈블리를 통해 더 큰 흐름 컨덕턴스로 인해 더 낮은 챔버 압력을 달성하도록 거의 차단되지 않는 제2 위치에 있는 경우보다 슬롯들 (14 및 15) 이 더 높은 챔버 압력을 달성하도록 더 차단되는 제1 위치에 있을 수 있다. 슬롯들의 정렬은 처리 챔버 (301) 의 압력이 (따라서 컨덕턴스) 도 2b에 도시되는 통상적 압력 제어 어셈블리보다 더 적은 스테퍼 모터 횟수 (count) 에서 요구되는 세트 포인트들로 급속히 변화되도록 허용한다.
도 3c는 디스크의 원주와 빗겨나간 6개의 평행한 슬롯들 (14) 을 갖는 디스크의 형상의 고정된 슬롯 밸브 플레이트 (12) 를 도시한다. 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트 (13) 는 디스크 (12) 와 동일한 직경을 갖지만 디스크의 원주와 빗겨나간 5개의 평행한 슬롯들 (15) 을 갖는 디스크이다. 슬롯들 (14 및 15) 은 스테퍼 모터 횟수 0에서 오버랩이 없도록 (슬롯들이 차단되고), 그리고 0이 아닌 위치에서 슬롯들 (14 및 15) 이 챔버 내에서 급속한 압력 변화가 압력을 낮추는 것을 가능하게 하기 위해 오버랩하도록 구성될 수 있다. 5개의 슬롯들 또는 6개의 슬롯들을 갖는 밸브 플레이트들이 설명되었으나, 밸브 플레이트들은 2개 내지 20개의 평행한 슬롯들 및/또는 다른 구성의 슬롯들과 같은 다른 슬롯 배열을 가질 수 있다.
평행한 슬롯들 (14 및 15) 을 갖는 고정된 슬롯 밸브 플레이트 (12) 및 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트 (13) 는 처리 챔버 (301) 압력을 제어하는 개선된 압력 제어 시스템을 제공한다. 개선된 압력 제어 시스템은 플라즈마 처리 장치를 위한 처리 챔버들의 압력 (컨덕턴스) 을 변화시키도록 높은 단계 횟수를 갖는 통상적 압력 제어 시스템들이 그 안에 갖는 "스캘러핑"과 같은 문제들을 극복할 수 있다.
바람직한 배열에서 고정된 슬롯 밸브 플레이트는 (12) 처리 챔버와 터보분자 펌프 사이에 위치된 하우징 (3) 내에 이동 가능한 슬롯 스로틀 플레이트 (13) 아래의 자리에 이동 불가능하게 고정된다. 또한 고정된 슬롯 밸브 플레이트 (12) 는 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트 (13) 위에 위치될 수도 있다. 이 구성은 처리 챔버의 압력 및 컨덕턴스가 높은 속력으로 교번하도록 허용할 것이고 반도체 기판의 급속한 처리를 충족시킨다.
사용 중에, 반도체 기판은 챔버의 유출부에 부착된 압력 제어 밸브 어셈블리를 갖는 챔버 내에서 처리될 수 있다. 처리는 챔버로 제1 처리 가스를 공급하는 동안 고정된 슬롯 밸브 플레이트가 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트의 슬롯 없는 부분에 의해 차단되는 제1 위치내에 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트를 위치시킴으로써 더 높은 압력으로 챔버 압력을 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 챔버 압력은 고정된 슬롯 밸브 플레이트 내의 슬롯들이 챔버로부터 제거되는 가스들의 흐름 컨덕턴스를 증가시키도록 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트 내의 슬롯들과 정렬되는 제2 위치에 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트를 위치시킴으로써 더 낮은 압력으로 조절될 수 있다. 챔버는 60 리터를 초과하는 챔버 부피를 갖는 유도성 커플링된 플라즈마 챔버일 수 있다.
슬롯들의 개방 영역은 25% 내지 50%, 바람직하게는 30% 내지 50%일 수 있다. 흐름 컨덕턴스를 변화시키는 속력은 더 큰 수의 슬롯들을 갖는 밸브 플레이트들을 이용함으로써 증가될 수 있다. 예를 들어, 밸브 플레이트들은 2개 내지 20개의 동일한 폭의 평행한 슬롯들을 각각 가질 수 있다. 슬롯들 사이의 공간은 슬롯 폭보다 더 크거나 같을 수 있다. 예시로서, 반경 R의 밸브 플레이트 및 균일한 폭의 8개의 평행한 슬롯들에 대하여, 슬롯 각각의 폭은 약 35%의 개방 영역을 제공하도록 약 0.1R일 수 있다.
슬롯들의 수 및 사이즈는 이동 가능한 밸브 플레이트가 제1 위치에 있는 경우 슬롯들이 양 밸브 플레이트를 통해 연장하는 10% 내지 20%의 개방 영역을 제공하기 위해 부분적으로 오버랩하도록 배열될 수 있다. 제2 위치로 이동되는 경우, 이동 가능한 밸브 플레이트 내의 슬롯들은 25% 내지 50%, 바람직하게는 30% 내지 40%의 개방 영역을 제공하도록 더 큰 범위로 고정된 밸브 플레이트 내의 슬롯들과 오버랩할 수 있다. 스테퍼 모터는 100 밀리초 (ms) 내에, 예컨대, 70 ms 내에, 제1 위치로부터 제2 위치로 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트를 급속히 이동시킬 수 있다.
통상의 밸브 플레이트와 8개의 균일한 폭 슬롯들을 갖는 슬롯 밸브 플레이트 어셈블리 간의 비교에서, 이하의 표는 통상의 분당 500 회 스테퍼 모터를 이용하여 밸브 플레이트들의 움직임을 달성하도록 요구되는 스테퍼 모터 횟수, 상대적 개방 영역 및 시간을 도시한다.
상대적 개방 영역 스테퍼 모터 횟수 시간
통상의 값 11%
30%		 90
235		 340 msec
슬롯 값 11%
30%		 18
48		 70 msec
플라즈마 처리 장치는 적어도 10 μm/min 의 레이트로 기판 지지부 상에 지지되는 반도체 기판 상에서 실리콘을 에칭하는데 이용될 수 있고 플라즈마 처리 장치는 약 500 밀리초 안에 처리 챔버 내의 플라즈마 한정 존 (챔버 갭) 내에서 에칭 가스 및 증착 가스를 교대로 공급할 수 있다. 일 실시예에서, 에칭 가스는 SF6 과 같은 플루오르 함유 가스이고, 증착 가스는 C4F8 과 같은 플루오르화탄소 함유 가스이다.
동작 중에, 가스 공급 시스템은 바람직하게는 챔버로의 증착가스의 공급 동안 에칭가스를 진공 라인으로 전환하지 않고, 챔버로의 에칭 가스의 공급 동안 증착 가스를 진공 라인으로 전환하지 않는다. 상술된 플라즈마 처리 장치를 이용하는 기판의 처리는 바람직하게는 (a) 챔버 내에 기판을 지지하는 단계, (b) 챔버로 에칭 가스를 공급하는 단계, (c) 제1 플라즈마로 챔버 내에서 증착 가스를 에너자이징하고 제1 플라즈마로 기판을 처리하는 단계, (d) 챔버로 증착 가스를 공급하는 단계, (e) 제2 플라즈마로 챔버 내에서 증착가스를 에너자이징하고 제2 플라즈마로 기판을 처리하는 단계, (f) 단계 (b) 내지 (e) 를 1.8 초 보다 크지 않은 총 사이클 시간으로 반복하는 단계를 포함한다. 에칭 가스는 바람직하게는 단계 (b) 에서 약 500 밀리초의 기간 안에 증착 가스의 적어도 90%를 교체하고, 증착 가스는 바람직하게는 단계 (d) 에서 약 500 밀리초의 기간 안에 에칭 가스의 적어도 90%를 교체한다. 처리 동안, 챔버 내의 압력은 단계 (b) 내지 (e) 동안 제1 압력 세팅으로부터 제2 압력 세팅까지 변화된다. 에칭 가스 및 증착 가스를 공급하는 사이클 동안, 에칭 가스를 공급하는 총 시간은 1.5초 이하일 수 있고 증착 가스를 공급하는 총 시간은 1초 이하일 수 있다. 예를 들어, 에칭 가스로서 SF6 및 증착 가스로서 C4F8 을 이용하여, 압력은 단계 (c) 에서 150 mTorr 초과로 유지될 수 있고 단계 (e) 에서 140 mTorr 미만으로 유지될 수 있다.
챔버 압력은 단계 (c) 동안 더 높은 챔버 압력이 요구되는 제1 위치 내에 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트를 유지함으로써 그리고 단계 (e) 동안 더 낮은 챔버 압력이 요구되는 제2 위치에 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트를 유지함으로써 급속히 조절될 수 있다. 따라서, 에칭 가스의 공급 동안 챔버 내의 압력을 70 mTorr보다 더 크게 (예컨대, 80 mTorr) 또는 150 mTorr 보다 더 크게 (예컨대, 180 mTorr) 유지하는 것이 가능하고 증착 가스의 공급 동안 챔버 내의 압력을 140 mTorr 보다 더 작게 (예컨대, 120 mTorr) 또는 60 mTorr 보다 더 작게 (예컨대, 50 mTorr) 유지하는 것이 가능하다. 바람직한 처리에서, 에칭 가스는 적어도 500 sccm 의 흐름 레이트에서 챔버로 공급되고 증착 가스는 500 sccm 보다 작은 흐름 레이트에서 챔버로 공급된다. 에칭 가스 및 증착 가스를 공급하는 교번하는 단계들은 적어도 100 사이클 동안 수행될 수 있다.
에칭 가스의 공급 동안 기판은 에칭 단계의 폴리머 클리어링 페이즈 동안 200 밀리초 동안 150 mTorr 보다 작게 그리고 플라즈마 에칭 단계의 나머지 동안 150 mTorr 초과로 유지되는 챔버 내의 압력으로 높은 종횡비 개구들의 플라즈마 에칭을 겪을 수 있다. 증착 가스의 공급 동안 제2 플라즈마는 전 (entire) 증착 단계 동안 150 mTorr 보다 작게 유지되는 챔버 내의 압력으로 개구들의 측벽 상에 폴리머 코팅을 증착시킬 수 있다. 에칭 가스는 CCl4 와 같은 일 이상의 SF6, CF4, XeF2, NF3, Cl 함유 가스일 수 있고, 증착 가스는 일 이상의 C4F8, C4F6, CH2F2, C3F6, CH3F 와 같은 플루오르화탄소일 수 있다. 에칭 가스는 빠른 작동 밸브들 (fast acting valves) 을 포함하는 임의의 적합한 가스 전달 시스템을 통해 공급될 수 있고, 제어기로부터 신호를 수신한 때 빠른 작동 솔레노이드 밸브들은 10 밀리초 안에 빠른 스위칭 밸브들 (fast switching valves) 로 공압 공기 (pneumatic air) 를 보내고 빠른 스위칭 밸브들을 열거나 닫는 총 시간은 30 밀리초 이하일 수 있다.
압력 제어 밸브 어셈블리는 에칭 외에 다른 처리에서 또한 이용될 수 있다. 예를 들어, 압력 제어 밸브 어셈블리는 막이 반도체 기판 상에 증착되는 증착 챔버 내에 통합될 수 있다. 증착 처리들에 대하여 챔버 내에서 가스 흐름들이 변화하는 동안 챔버 압력을 사이클하는 것이 요구되고, 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트는 챔버 내에서 압력 변화를 초래하도록 더 높은 컨덕턴스 위치와 더 낮은 컨덕턴스 위치 사이에서 왕복될 수 있다.
예시적인 실시예들 및 최선의 방식 (mode) 을 개시하였으나, 이하의 청구항들에 의해 정의되는 본 발명의 실체 및 진의 내에 남아있는 한 변경 및 변화가 개시된 실시예들로 만들어질 수도 있다.

Claims (18)

  1. 반도체 기판들이 처리되는 플라즈마 처리 챔버의 압력 제어 밸브 어셈블리로서,
    유입부 (inlet), 유출부 (outlet) 및 상기 유입부와 상기 유출부 사이에서 연장하는 도관 (conduit) 을 갖는 하우징 (housing) 으로서, 상기 유입부는 상기 플라즈마 처리 챔버의 내부와 연결되도록 구성되고 상기 유출부는 상기 플라즈마 처리 챔버 내에서 반도체 기판의 처리 동안 요구되는 압력 세트 포인트들로 상기 플라즈마 처리 챔버를 유지하는 진공 펌프와 연결되도록 구성되는, 상기 하우징;
    고정된 슬롯 밸브 플레이트 (fixed slotted valve plate) 내에 평행한 슬롯들의 제1 세트를 갖고, 상기 플라즈마 처리 챔버로부터 상기 도관으로 인출되는 (withdrawn) 가스들이 상기 평행한 슬롯들의 제1 세트를 통해 통과하도록 상기 도관 내에 움직이지 않게 (immovably) 고정되는 상기 고정된 슬롯 밸브 플레이트;
    이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트 (movable slotted valve plate) 내에 평행한 슬롯들의 제2 세트를 갖고, 제2 위치에서보다 더 큰 정도 (extent) 로 제1 위치에서 상기 평행한 슬롯들의 제1 세트를 부분적으로 차단 (block) 하도록 상기 고정된 슬롯 밸브 플레이트에 대하여 상기 제1 위치 및 상기 제2 위치로 이동 가능한 상기 도관 내의 상기 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트; 및
    상기 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트에 부착되고, 더 높은 압력으로부터 더 낮은 압력으로 또는 더 낮은 압력으로부터 더 높은 압력으로 상기 플라즈마 처리 챔버 내에서 압력을 변화시키도록 상기 제1 위치와 상기 제2 위치 사이에서 상기 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트를 급속히 이동시키도록 동작 가능한 구동 메커니즘 (drive mechanism) 을 포함하고,
    상기 고정된 슬롯 밸브 플레이트 및 상기 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트는 원형이고, 상기 평행한 슬롯들의 제1 세트 및 상기 평행한 슬롯들의 제2 세트는 균일한 폭 및 변화하는 길이를 가지는, 압력 제어 밸브 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 메커니즘은 상기 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트를 상기 제1 위치로부터 상기 제2 위치로 100 밀리초 내에 이동시키는 스테퍼 모터 (stepper motor) 를 포함하는, 압력 제어 밸브 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정된 슬롯 밸브 플레이트 및 상기 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트의 한쪽 절반 (one half) 상의 상기 평행한 슬롯들은 상기 고정된 슬롯 밸브 플레이트 및 상기 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트의 다른 절반 (the other half) 상의 상기 평행한 슬롯들의 미러 이미지인, 압력 제어 밸브 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 평행한 슬롯들의 제1 세트 및 상기 평행한 슬롯들의 제2 세트는 상기 고정된 슬롯 밸브 플레이트 및 상기 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트의 각각을 통해 30% 내지 50%의 개방 영역 (open area) 을 제공하는, 압력 제어 밸브 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정된 슬롯 밸브 플레이트 및 상기 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트는 반경 R을 갖고, 상기 평행한 슬롯들의 제1 세트 및 상기 평행한 슬롯들의 제2 세트의 상기 균일한 폭은 0.1R인, 압력 제어 밸브 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정된 슬롯 밸브 플레이트 및 상기 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트의 슬롯들은 상기 균일한 폭인 W보다 크거나 같은 거리 D만큼 이격되는, 압력 제어 밸브 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정된 슬롯 밸브 플레이트는 상기 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트보다 상기 유입부에 더 근접한, 압력 제어 밸브 어셈블리.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 스테퍼 모터는 상기 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트를 상기 제1 위치로부터 상기 제2 위치로 70 밀리초 내에 이동시키도록 동작 가능한 초당 500회 또는 더 빠른 스테퍼 모터인, 압력 제어 밸브 어셈블리.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정된 슬롯 밸브 플레이트는 30% 내지 40%의 개방 영역을 제공하는 6개의 평행한 슬롯들을 포함하고,
    상기 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트는 30% 내지 40%의 개방 영역을 제공하는 5개의 평행한 슬롯들을 포함하고,
    상기 평행한 슬롯들의 제1 세트 및 상기 평행한 슬롯들의 제2 세트는 폭이 일치하는, 압력 제어 밸브 어셈블리.
  10. 챔버의 유출부에 부착된 제 1 항에 기재된 압력 제어 밸브 어셈블리를 갖는 상기 챔버 내에서 반도체 기판을 처리하는 방법으로서:
    (a) 상기 챔버로 처리 가스를 공급하는 동안 상기 제1 위치 내에 상기 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트를 위치시킴으로써 더 낮은 압력으로부터 더 높은 압력으로 챔버 압력을 조절하는 단계; 및
    (b) 상기 챔버로 동일한 상기 처리 가스 또는 상이한 처리 가스를 공급하는 동안 상기 제2 위치 내에 상기 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트를 위치시킴으로써 더 높은 압력으로부터 더 낮은 압력으로 챔버 압력을 조절하는 단계를 포함하는, 반도체 기판을 처리하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 처리는 상기 챔버로 에칭 가스를 공급하는 동안 에칭하는 단계 및 상기 챔버로 증착 가스를 공급하는 동안 증착하는 단계의 교번하는 단계들을 이용하는 실리콘 내에 개구들을 플라즈마 에칭하는 단계를 포함하고, 상기 에칭 가스는 1.3초 미만 동안 공급되고 150 mTorr 초과의 제1 압력을 유지하는 동안 플라즈마 상태 (state) 로 에너자이징되는 (energized) 플루오르 함유 가스를 포함하고, 상기 증착 가스는 0.7초 미만 동안 공급되고 130 mTorr 미만의 제2 압력을 유지하는 동안 플라즈마 상태로 에너자이징되는 플루오르화탄소 (fluorocarbon) 함유 가스를 포함하는, 반도체 기판을 처리하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 에칭하는 단계 전에 폴리머 클리어링 단계를 더 포함하고,
    상기 폴리머 클리어링 단계는 적어도 200 밀리초 동안 폴리머 클리어링 가스를 공급함으로써 그리고 150 mTorr 미만의 상기 챔버 압력을 유지하는 동안 상기 폴리머 클리어링 가스를 플라즈마 상태로 에너자이징함으로써 수행되는, 반도체 기판을 처리하는 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 처리는 상기 기판 상에 막을 증착하는 단계를 포함하는, 반도체 기판을 처리하는 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    단계 (a) 및 단계 (b) 의 급속한 교번이 적어도 100 사이클 동안 수행되는, 반도체 기판을 처리하는 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트는 상기 제1 위치로부터 상기 제2 위치로 300 밀리초 내에 이동되는, 반도체 기판을 처리하는 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 챔버는 적어도 60 리터의 챔버 부피를 갖는 유도성 커플링된 플라즈마 챔버이고 상기 처리는 플라즈마 상태로 에칭 가스를 에너자이징하는 단계 및 상기 반도체 기판을 플라즈마 에칭하는 단계를 포함하는, 반도체 기판을 처리하는 방법.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 처리는 증착 처리를 포함하고, 챔버 압력은 상기 챔버가 다양한 세트 포인트들 사이에서 사이클되는 (cycled) 동안 동일한 상기 처리 가스 또는 상이한 처리 가스를 공급하는 동안 반복적으로 변화되는, 반도체 기판을 처리하는 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 평행한 슬롯들의 제1 세트 및 상기 평행한 슬롯들의 제2 세트는, 상기 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트가 상기 제1 위치에 위치할 때, 상기 고정된 슬롯 밸브 플레이트 및 상기 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트를 통해 10% 내지 20%의 개방 영역을 제공하고,
    상기 평행한 슬롯들의 제1 세트 및 상기 평행한 슬롯들의 제2 세트는, 상기 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트가 상기 제2 위치에 위치할 때, 상기 고정된 슬롯 밸브 플레이트 및 상기 이동 가능한 슬롯 밸브 플레이트를 통해 25% 내지 50%의 개방 영역을 제공하는, 압력 제어 밸브 어셈블리.
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