KR102523730B1

KR102523730B1 - 이중 주파수 표면파 플라즈마 소스

Info

Publication number: KR102523730B1
Application number: KR1020170151775A
Authority: KR
Inventors: 세르게이 에이. 보로닌; 제이슨 마리온; 알록 란잔
Original assignee: 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date: 2016-11-14
Filing date: 2017-11-14
Publication date: 2023-04-19
Anticipated expiration: 2037-11-14
Also published as: US10083820B2; TWI738920B; US20180138018A1; TW201833976A; KR20180054495A

Abstract

플라즈마 처리 시스템에 안정된 이온화를 제공하는 이중 주파수 표면파 플라즈마 소스를 이용하는 방법에 관한 기술을 여기에 설명한다. 구체적으로, 이중 주파수 표면파 플라스마 소스는 1차 표면파 전력 플라즈마 소스와, 복수의 오목부의 각각의 오목부에 제공되는 2차 전력 플라즈마 소스를 포함할 수 있다. 예컨대 2차 전력 플라즈마 소스가 플라즈마 처리 시스템에 안정된 이온화를 제공할 수 있다.

Description

이중 주파수 표면파 플라즈마 소스{DUAL-FREQUENCY SURFACE WAVE PLASMA SOURCE}

반도체 산업에서의 집적 회로(IC)의 제조는 통상 플라즈마 처리를 이용하여, 플라즈마 처리 챔버 내에서 기판으로부터 재료를 제거하고 기판에 재료를 퇴적하는데 필요한 표면 화학반응(surface chemistry)을 일으키고 지원한다. 플라즈마 처리 장치의 예로는 기판 상에 박막을 퇴적하도록 구성된 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition) 장치와, 기판으로부터 재료를 제거하도록 구성된 플라즈마 에칭 장치가 있으며, 플라즈마 에칭 장치는 재료를 제거하기 위한 위치를 규정하기 위해 에칭 마스크를 사용하는 것을 포함할 수 있다.

일반적으로, 이러한 플라즈마 처리 장치는 처리 가스를 처리 챔버 내로 유동시킴으로써 진공 상태에서 플라즈마를 형성한다. 플라즈마 내의 가열된 전자는 해리성 충돌 및 이온화를 유지하기에 충분한 에너지를 가질 수 있다. 이와 같이, 하전된 종 및/또는 화학적으로 반응하는 종의 집단(population)을 생성하기 위해 미리 정해진 조건(예컨대, 챔버 압력, 가스 유량 등) 하에서의 특정 세트의 가스가 선택될 수도 있다. 이들 종은 예컨대 처리 챔버 내에서 수행되는 특정 공정에 적합할 수 있다.

첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도면에 있어서, 도면부호의 최좌측 숫자는 그 도면부호가 맨 처음 등장하는 도면을 가리킨다. 동일한 도면부호는 도면 전체에서 유사한 피처 및 구성요소를 가리키는데 사용된다.
도 1은 본 명세서에 설명하는 구현예에 따른 예시적인 플라즈마 처리 시스템을 도시한다.
도 2는 본 명세서에 설명하는 표면파 플라즈마(surface-wave plasma, SWP) 소스의 예시적인 개략도를 도시한다.
도 3은 본 명세서에 설명하는 전자기파 라디에이터(electromagnetic wave radiator)의 예시적인 구현예를 도시한다.
도 4는 본 명세서에 설명하는 복수의 오목부의 각 오목부 상에 배치될 수 있는 예시적인 2차 전력 플라즈마 소스를 도시한다.
도 5는 본 명세서에 설명하는 이중 주파수 표면파 플라즈마 소스에 대한 예시적인 방법을 도시하는 예시적인 공정도를 나타낸다.
도 6은 본 명세서에 설명하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 예시적인 개략 단면도를 도시한다.

플라즈마 처리 시스템에 안정된 이온화를 제공하는 이중 주파수 표면파 플라즈마 소스를 이용하는 방법에 관한 기술을 여기에 설명한다. 구체적으로, 이중 주파수 표면파 플라스마 소스는 1차 표면파 전력 플라즈마 소스와, 상이한 전력 및 주파수에서 동작할 수 있는 2차 전력 플라즈마 소스를 포함할 수 있다.

예를 들어, 1차 표면파 전력 플라즈마 소스와 2차 전력 플라즈마 소스는 400 MHz 내지 5.0 GHz의 주파수 범위와 1 MHz 내지 100 MHz의 주파수 범위에서 각각 동작할 수 있다. 또한, 1차 표면파 전력 플라즈마 소스는 최대 5000 와트까지 생성할 수 있고, 2차 전력 플라즈마 소스는 최대 100 와트까지 생성할 수 있다.

본 명세서에 설명하는 바와 같이, 플라즈마 처리 시스템은 무선 주파수(RF) 마이크로파 소스 및 전자기파 라디에이터를 더 포함하는 플라즈마 소스를 포함할 수도 있다. 이 예에서, 복수의 오목부 또는 딤플(dimple)이 전자기파 라디에이터의 평면 상에 형성될 수 있다. RF 마이크로파 소스는 플라즈마 영역 상에 플라즈마를 형성하기 위해 복수의 오목부를 통해 1차 표면파 전력 플라즈마 소스를 제공할 수 있다. 형성된 플라즈마는 예컨대, 본 명세서에 설명하는 바와 같이 에칭 및/또는 플라즈마 강화 퇴적 공정에 사용될 수도 있다.

1차 표면파 전력 플라즈마 소스만을 이용하면, 즉 2차 전력 플라즈마 소스가 없다면, 복수의 오목부 상의 일부 오목부는 안정적인 방전을 유지하기 위한 이온화가 부족하다. 그 결과, 일부 오목부 상에서의 이온화의 부족은 플라즈마 불안정성 및 불균일성을 초래할 수 있다. 불균일한 플라즈마는 에칭 불균일성을 초래하여 기판(웨이퍼)의 상이한 부분들의 현저한 언더에칭(under-etching) 및 오버에칭(over-etching)을 야기할 수 있다. 예를 들어, 이온화의 부족은 복수의 오목부를 통한 불균일한 전력 분배를 초래하는 "비대칭적인" 플라즈마 임피던스 부하를 생성할 수 있다. 이 예에서, 불균일한 전력 분배는 기판에 에칭 불균일 및 손상을 야기할 수 있는 플라즈마 밀도의 강한 불균일성을 유발할 수도 있다. 플라즈마 안정성 및 균일성은 특정 변수를 조정함으로써 제어될 수도 있다. 이러한 변수는 플라즈마 밀도, 플라즈마 온도 등을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다. 이러한 변수를 검출/조정하기 위해 처리 챔버에서 포토 또는 광 검출이 구현될 수도 있다. 특히, 다수의 오목부의 각 오목부에서 광 세기 모니터링이 수행될 수 있다. 표면파 플라즈마 소스 내의 동작 불안정성에 관한 더 많은 세부 내용은 Voronin 등이 2017년 1월 26일에 출원한 발명의 명칭이 METHOD FOR OPERATION INSTABILITY DETECTION IN A SURFACE WAVE PLASMA SOURCE인 미국 출원 번호 15/416422를 참조할 수 있으며, 이 특허문헌은 참조로 본 명세서에 그 전체가 포함된다.

따라서, 2차 전력 플라즈마 소스는 플라즈마 소스의 전자기파 라디에이터의 복수의 오목부에 안정한 이온화를 제공하기 위하여 추가로 국부적 전력 전달을 행하도록 구성될 수 있다. 다수의 오목부와 복수의 오목부란 어구는 상호 교환적으로 사용된다.

도 1은 본 명세서에 설명하는 구현예에 따른 예시적인 플라즈마 처리 시스템(100)을 도시한다. 도시하는 플라즈마 처리 시스템(100)은 플라즈마 소스(102), 플라즈마 처리 챔버(104), 플라즈마 영역(106). 기판(110)을 유지하는 기판 홀더(108), 가스 공급 시스템(112), 펌프(114), 및 컨트롤러(116)를 포함할 수 있다.

플라즈마 처리 시스템(100)은 기판(110)의 표면 등의 표면의 화학 및 물리적 특성을 개질하는데 사용되는 마이크로파 플라즈마 처리 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 처리 시스템(100)은 플라즈마 강화 퇴적 공정 등의 에칭 용도로 사용될 수도 있다.

도시하는 처리 챔버(104)는 마이크로파 전력이 방사될 수 있는 플라즈마 영역(106)을 둘러쌀 수 있다. 본 명세서에 설명하는 바와 같이, 플라즈마 영역(106) 상의 방사된 마이크로파 전력은 1차 표면파 전력 플라즈마 소스(102)에 의해 생성될 수 있다. 예를 들어, 1차 표면파 전력 플라즈마 소스는 400 MHz 내지 5.0 GHz의 주파수 범위에서 약 300 내지 5000 와트의 전력을 생성하도록 구성될 수 있다. 이 예에서, 400 MHz 내지 5.0 GHz의 주파수 범위에서의 약 300 내지 5000 와트의 전력은 전술한 바와 같이 1차 표면파 전력 플라즈마 소스(102)를 포함할 수 있다.

처리 챔버(104)는 플라즈마 영역(106) 내에서 기판(110)을 지지할 수 있는 기판 홀더(108)를 더 포함할 수 있다. 기판(110)은 다양한 기판 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 반도체 디바이스가 SOI(실리콘 온 절연체, silicon-on-insulator) 기판의 활성층 내에 그리고 그 활성층 위에 형성될 수 있는 SOI 기판 구성을 가질 수 있다. 또 다른 예로, 기판(110)은 실리콘으로 또는 실리콘 외 다른 재료로 제조될 수도 있다.

기판(110)은 에칭, 플라즈마 강화 퇴적 공정 등의 처리를 받을 수 있다. 이와 관련하여, 기판(110)은 플라즈마 영역(106) 상에서, 플라즈마, 처리용 화학물질, 또는 이들 양쪽의 조합에 노출될 수 있다.

플라즈마 소스(102)는 플라즈마 영역(106)에 에너지를 공급하기 위해 전자기파를 방사하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 소스(102)는 레이디얼 라인 슬롯 안테나(radial line slot antenna)를 포함할 수 있는 표면파 플라즈마(SWP) 소스일 수 있다. 이 예에서, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(도시 생략)는 이하에서 더 설명하겠지만 플라즈마 영역(106)으로의 전자기파의 방사를 용이하게 하기 위해 복수의 슬롯을 구비한 슬롯 플레이트 및 유전체 플레이트를 포함할 수도 있다.

플라즈마 처리 시스템(110)의 동작 시에, 처리 챔버(104)는 가스 공급 시스템(112)으로부터 가스 공급을 받을 수 있다. 예를 들어, 가스 공급 시스템(112)은 불활성 가스, 에칭용 가스(etchant gas), 또는 이들의 조합을 공급할 수 있다. 플라즈마 에칭을 수행하기 위해, 예를 들어, 가스 공급 시스템(112)은 산소, 이산화탄소, 플루오로 카본계 또는 할로겐계 화학물질, 및/또는 이들의 조합을 공급할 수 있다. 다른 화학물질 및 가스가 구현될 수 있음을 이해해야 한다.

플라즈마 처리 시스템(110)은 예컨대 처리 챔버(104) 내의 압력을 제어하도록 구성될 수 있는 펌프(114)를 더 포함할 수 있다. 펌프(114)는 에칭 및 플라즈마 강화 퇴적 공정에 대한 단계를 제어하고 체계화하도록 구성될 수 있는 컨트롤러(116)에 연결될 수 있다.

일 구현예에 있에서, 플라즈마 소스(102)는 2차 전력 플라즈마 소스를 포함하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 이하에서 더 설명하겠지만, 플라즈마 소스(102)는 1차 표면파 전력 플라즈마 소스와는 독립적인 저전력(low-power) 플라즈마 소스를 포함할 수 있다. 이 예에서, 저전력 플라즈마 소스는 1차 표면파 전력 플라즈마 소스와 비교해서 상이한 주파수 및 전력 와트에서 동작할 수 있다. 또한, 저전력 플라즈마 소스는 플라즈마 소스(102)의 복수의 오목부(도시 생략)의 각각의 오목부에서의 이온화를 안정화시키도록 구성될 수 있다.

본 명세서에 설명하는 바와 같이, 저전력 플라즈마 소스는 1 MHz 내지 100 MHz에서 동작하여 플라즈마 소스(102)의 플라즈마 표면 상의 복수의 오목부의 오목부당 최대 100 와트의 전력을 공급할 수 있다. 예를 들어, 저전력 플라즈마 소스는 복수의 오목부의 각 오목부에서 불균일한 이온화를 보상할 수 있다. 이 예에서, 저전력 플라즈마 소스는 이하에서 더 논의하겠지만 플라즈마 영역(106)에 플라즈마 안정성을 제공할 수 있다.

도 2는 본 명세서에 설명하는 표면파 플라즈마(SWP) 소스의 예시적인 개략도를 도시한다. 구체적으로, 도 2는 SWP 소스의 일례일 수 있는 플라즈마 소스(102)의 개략도를 나타낸다. 도시하는 플라즈마 소스(102)는 무선 주파수(RF) 마이크로파 소스(200), 도파관(202), 및 플라즈마 표면(206)을 갖는 전자기파 라디에이터(204)를 포함할 수 있다.

전자기파 라디에이터(204)는 플라즈마 표면(206)(즉, 유전체 창)을 통해 플라즈마 영역(106) 상에 전자기파를 생성하기 위한 레이디얼 라인 슬롯 안테나(radial line slot antenna)를 포함할 수 있다. 생성된 전자기파는 예컨대 플라즈마 처리 시스템(100) 상에 에칭 또는 플라즈마 강화 퇴적 공정을 위한 플라즈마를 형성하는데 사용될 수 있다.

플라즈마 소스(102)는 도파관(202)을 통해 전자기파 라디에이터(204)에 공급되는 전자기파 에너지를 생성할 수 있는 RF 마이크로파 소스(200)를 더 포함할 수 있다. 도 1를 다시 참조하면, 생성된 전자기파 에너지는 예컨대 1차 표면파 전력 플라즈마 소스(102)를 포함할 수 있다. 이 예에서, 생성된 전자기파 에너지는 400 MHz 내지 5.0 GHz의 주파수 범위에서 약 300 내지 5000 와트의 전력을 포함할 수도 있다.

도 3은 도 2를 참조하여 전술한 전자기파 라디에이터(204)의 예시적인 구현예를 도시한다. 구체적으로, 도 3은 복수의 오목부(302)를 가진 공진기 플레이트(300) 및 복수의 슬롯(306-2 내지 306-N, 여기서 "N"은 정수)을 가진 레이디얼 라인 슬롯 안테나(304)를 포함하는 전자기파 라디에이터(204)를 도시한다. 본 명세서에 설명하는 바와 같이, 도 1의 1차 표면파 전력 플라즈마 소스(102) 및 2차 전력 플라즈마 소스를 사용하면, 전계(E-필드) 분포(308)로 나타낸 바와 같이 복수의 오목부(302) 상에 균일한 전계를 생성할 수 있다.

공진기 플레이트(300)는 도 2에 도시하는 바와 같이 전자기파 라디에이터(204)의 평면(206)을 따라 배치되는 유전체 플레이트를 포함할 수 있다. 도시하는 바와 같이, 공진기 플레이트(300)는 도 2의 전자기파 라디에이터(204)의 저면도인데, 공진기 플레이트(300)가 도 1의 플라즈마 영역(106) 상에 형성된 플라즈마와 대면하여 배치되어 있다.

복수의 오목부(302)는 특정 구현예의 경우, 공진기 플레이트(300)의 평면 상에 형성될 수도 있다. 다른 구현예에서는, 공진기 플레이트(300)의 표면이 비평면일 수도 있다.

복수의 오목부(302)의 각각의 오목부는 공진기 플레이트(300)의 평면 또는 비평면 표면 형상에 오목부 또는 딤플을 형성하기 위한 중공형 오목 자국(hollow indentation)을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 형성된 오목부 또는 딤플은 원통형 형상을 포함할 수 있다. 이 예에서, 각각의 형성된 오목부 또는 딤플은 길이, 폭, 및/또는 깊이의 특징이 있을 수 있다.

도 2의 도파관(202)은 도 2의 전자기파 라디에이터(204)의 공급 지점(도시 생략)과 공진기 플레이트(300) 사이에 배치될 수 있는 레이디얼 라인 슬롯 안테나(304)를 포함할 수 있다. 또한, 도 2의 도파관(202)은 레이디얼 라인 슬롯 안테나(304)에 전자기 에너지를 공급할 수 있다.

일 구현예에서, 복수의 오목부(302) 상의 각각의 오목부에는 2차 전력 플라즈마 소스가 제공될 수 있다. 예를 들어, 저전력 플라즈마 소스(도시 생략)는 복수의 오목부(302)에 연결되어 저 RF 플라즈마 전력을 제공할 수 있다. 이 예에서, 복수의 오목부(302)의 각각의 오목부에서의 플라즈마 전력의 분배 또는 방전은 균일하고, 플라즈마 방전 안정성이 유지된다.

전계 분포(308)를 참조하면, 복수의 오목부(302)의 각 오목부에 2차 전력 플라즈마 소스가 있으면 유전체 공진기 플레이트(300)의 모든 딤플 또는 오목부에 효과적이고 안정적인 이온화를 제공할 수 있다. 즉, 도 1의 1차 표면파 전력 플라즈마 소스(102)(즉, 고전력 마이크로파 플라즈마 소스)만 존재하고 2차 저 RF 플라즈마 소스가 없으면 복수의 오목부(302) 중 일부 오목부에 불안정한 전계를 생성할 수 있다.

도 4는 본 명세서에 설명하는 복수의 오목부의 각 오목부 상에 배치될 수 있는 예시적인 2차 전력 플라즈마 소스를 도시한다. 도시하는 바와 같이, 개략적 그래프(400)가 용량성 밸러스트 부하(capacitive ballast load)(402)(즉, 402-2, 402-4, ..., 402-12), 캐소드(404)(즉, 404-2, 404-4 ..., 404-12), 및 RF 소스(406)를 포함한 저 RF 및 전력 플라즈마 소스를 묘사할 수 있다. 특정 구현예에서는, 다른 방법이 전력 분배에 사용될 수도 있다. 캐소드(404)는 "링" 또는 캐소드 링으로 구현될 수도 있다. 본 명세서에 설명하는 바와 같이, 개략 그래프(400)가 묘사하는 저전력 플라즈마 소스는 도 3에 도시하는 바와 같이 유전체 공진기 플레이트(300)의 모든 오목부 상에 효과적이고 균일한 이온화를 제공하기 위해, 도 3에 도시하는 바와 같이 복수의 오목부(302)의 각각의 오목부 상에 배치 또는 구현될 수 있다.

일 구현예에서는, 저전력 플라즈마 소스가 도 3의 복수의 오목부(302)의 각각의 오목부 상에 플라즈마 균일성 및 플라즈마 안정성을 제공할 수 있다. 예를 들어, 저전력 플라즈마 소스는 캐소드(404)와 직렬로 배치된 용량성 밸러스트 부하(402)를 포함할 수 있다. 이 예에서, 용량성 밸러스트 부하(402)는 RF 소스(406)로부터 전력을 공급받도록 구성될 수 있는 하나 이상의 커패시터를 포함할 수 있다.

플라즈마 동작 시에, 각 용량성 밸러스트 부하(402)는 복수의 오목부(302) 중 대응하는 오목부 상에서 플라즈마 균일성 및 안정성을 유지하기 위해 2차 전력 플라즈마 소스의 활성화를 촉진시킬 수 있다.

예를 들어, 용량성 밸러스트 부하(402-2)는 도 3의 복수의 오목부(302) 중 오목부(302-2) 상에 배치되어 그 주위를 감싸는 캐소드(404-2)에 방전 또는 전자기파를 공급할 수 있다. 즉, 용량성 밸러스트 부하(402-2)는 캐소드(404-2)를 통해 도 3의 오목부(302-2)에 전력을 전달할 수 있다. 이 예에서는, 캐소드(404-2)가 도 3의 오목부(302-2) 주위를 감쌀 수 있다. 계속 이 예에 있어서, 캐소드(404-2)는 용량성 밸러스트 부하(402-2)로부터 2차 전력 플라즈마 소스를 받아서 도 3의 복수의 오목부(302) 중 오목부(302-2)에 공급할 수 있다.

도 4를 참조하면, 전술한 예에서, 오목부(302-2)는 최대 100 와트까지의 전력을 공급받을 수 있는데, 이것은 복수의 오목부(302)의 각각의 오목부에서 효과적인 이온화를 유지하기에 충분하다. 1차 표면파 전력 플라즈마 소스와 비교하여, 1차 표면파 전력 플라즈마 소스는 복수의 오목부(302)의 오목부마다 약 300 내지 5000 와트를 제공할 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 1차 표면파 전력 플라즈마 소스는 복수의 오목부(302) 중 일부에 불안정한 전계를 생성하여 도 1에 도시한 플라즈마 영역(106) 상에 심각한 이온 밀도 불균일을 야기할 수 있다.

일 구현예에서는, 1차 표면파 전력 플라즈마 소스가 400 MHz부터 5.0 GHz까지 동작할 수 있고, 2차 전력 플라즈마 소스는 1 MHz 내지 100 MHz에서 동작할 수 있다. 이 이중 주파수 표면파 플라즈마 소스는 도 1의 플라즈마 처리 시스템에 의해 효과적인 에칭 및 플라즈마 강화 퇴적 공정을 제공할 수 있다. 1차 표면파 전력 플라즈마 소스는 제1 플라즈마 이온화 소스로서 간주될 수 있고, 2차 전력 플라즈마 소스는 제2 플라즈마 이온화 소스로서 간주될 수 있다.

도 5는 본 명세서에 설명하는 이중 주파수 표면파 플라즈마 소스에 대한 예시적인 방법을 도시하는 예시적인 공정도(500)를 보여준다. 방법을 설명하는 순서는 제한으로서 해석되는 것이 의도되지 않으며, 설명하는 방법의 임의 개의 블록은 임의의 순서로 조합되어 그 방법, 또는 대안의 방법을 구현할 수도 있다. 추가로, 본 명세서에 설명하는 요지의 사상 및 범위에서 벗어나는 일 없이 개별 블록이 방법에서 삭제될 수도 있다. 또한, 방법은 본 발명의 범위에서 벗어나 일 없이 임의의 적절한 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 이들의 조합으로 구현될 수도 있다.

블록 502에서, 플라즈마 안정성 및 균일성을 보장하기 위한 제어가 수행될 수 있다. 이 제어에 대해서는 예컨대 이전 단락 <0007>에 설명되어 있다. 측정된 변수가 결정된 범위에 있다면, 공정(500)이 진행될 수 있다.

블록 504에서, 복수의 오목부를 포함하는 유전체 플레이트의 표면 위에 1차 표면파 전력 플라즈마 소스가 제공된다. 예를 들어, 도 1의 1차 표면파 전력 플라즈마 소스(102)는 도 2의 RF 마이크로파 소스(200) 및 도 2의 전자기파 라디에이터(204)를 포함할 수 있다. 도 2도 함께 참조하면, 이 예에서, RF 마이크로파 소스(200)는 제1 1차 표면파 전력 플라즈마 소스를 전자기파 라디에이터(204)의 플라즈마 표면(206)에 제공할 수 있다. RF 마이크로파 소스(200)는 전자기파 라디에이터(204) 상에 표면파 플라즈마 전력을 제공하는 제1 플라즈마 이온화 소스로 칭해질 수 있다.

본 명세서에 설명하는 바와 같이, RF 마이크로파 소스(200)는 약 400 MHz 내지 5.0 GHz의 주파수에서 동작하여 약 5000 와트를 생성할 수 있다.

다시 도 5를 참조하면, 블록 506에서, 다수의 오목부의 각각에 2차 전력 플라즈마 소스가 제공된다. 예를 들어, 도 4의 도면부호 400에 묘사하는 바와 같이, 플라즈마 이온화 소스로도 간주되는 저 RF 전력 플라즈마 소스 또는 저전력 플라즈마 소스는 도 3의 복수의 오목부(302) 각각에 2차 전력 플라즈마 소스를 제공할 수 있다. 이 예에 있어서, 저전력 플라즈마 소스는 캐소드 링(404)과 직렬로 배치된 용량성 밸러스트 부하(402)를 포함할 수 있다. 계속 이 예에 있어서, 저전력 플라즈마 소스는 1차 표면파 전력 플라즈마 소스를 제공하는 도 2의 RF 마이크로파 소스(200)와 독립적으로 동작하도록 구성될 수 있다.

저전력 플라즈마 소스는 때때로 도 3의 복수의 오목부(302)의 각 오목부 상에 배치될 수 있는 다수의 플라즈마 이온화 소스로 칭해질 수 있다.

블록 508에서, 용량성 밸러스트 부하에 의해 2차 전력 플라즈마 소스가 활성화된다. 전술한 바와 같이, 다른 방법과 디바이스가 전력 분배에 사용될 수도 있다. 이제 도 4를 참조하면, 상이한 구현예에서, 전술한 소스 중 임의의 것에 의해 방전이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 용량성 밸러스트 부하(402)는 2차 전력 플라즈마 소스를 활성화하는데 사용될 수 있다. 이 예에서, 용량성 밸러스트 부하(402)는 RF 소스(406)로부터 전력을 공급받도록 구성될 수 있는 하나 이상의 커패시터를 포함할 수 있다. 계속 이 예에 있어서, 2차 전력 플라즈마 소스는 전자기파 라디에이터(204)의 공진기 플레이트(300) 또는 유전체 플레이트 위에 안정적 이온화를 제공하도록 활성화된다. 또한, 용량성 밸러스트 부하(402)는 각 오목부에 대한 전압 임계치에 도달할 경우에 2차 전력 플라즈마 소스를 활성화한다.

예를 들어, 전압 임계치는 도 3의 복수의 오목부(302)의 각 오목부 상에 최소량의 전계 에너지를 포함하도록 미리 정해질 수 있다. 이 예에 있어서, 전압 임계치에 도달할 경우에, 용량성 밸러스트 부하(402)는 2차 전력 플라즈마 소스를 활성화할 수 있다.

도 6은 본 명세서의 실시형태에 따른 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 개략 단면도이다. 특히, 도 6은 전술한 도 1의 구현예를 포함한다.

마이크로파 플라즈마 처리 장치는 마이크로파 및 평판형 슬롯 안테나를 이용하여 여기된 표면파 플라즈마 하에서, 예컨대 플라즈마 에칭, 플라즈마 화학적 기상 증착(CVD), 플라즈마 원자층 퇴적(ALD) 등의 플라즈마 처리를 수행하도록 구성될 수 있다. 플라즈마 처리는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 등의 금속으로 이루어진 원통형 진공 챔버일 수 있는 처리 챔버(104) 내에서 실행될 수 있다. 처리 챔버(104)는 접지 와이어(602)에 의해 접지된다. 처리 챔버(104)는 플라즈마 생성을 위한 플라즈마 영역(106)을 제공하는 처리 용기를 한정한다. 처리 용기의 내벽은 알루미나, 이트리아, 또는 다른 보호제(protectant)로 코팅될 수 있다.

처리 챔버(104) 내의 하부 중심 영역에서, (디스크 형상일 수 있는) 서셉터(612)가, 예컨대 처리 대상 기판(110)(예컨대, 반도체 웨이퍼)이 장착될 수 있는 장착용 테이블로서 기능할 수 있다. 기판(110)은 로딩/언로딩용 포트(637) 및 게이트 밸브(627)를 통해 처리 챔버(104)로 이동할 수 있다. 서셉터(612)의 상면에는 정전 척(electrostatic chuck)(636)이 설치되어 있다. 전극(635)은 DC 전원(639)(직류 전원)에 전기적으로 접속되어 있다. 정전 척(636)은 기판(110)을 서셉터(612)에 확실하게 장착하기 위해 직류 전원(639)으로부터의 직류 전압이 전극(635)에 인가될 때에 생성되는 정전기력에 의해 기판(110)을 흡인한다. RF 바이어스용 고주파 전원(629)이 정합 유닛(628)(임피던스 정합용) 및 급전봉(624)을 통해 서셉터(612) 또는 바이어스 전극에 전기적으로 접속된다. 고주파 전원(629)은 기판(110)에 인입된 이온의 에너지를 제어하기에 적합한 주파수의 고주파(high frequency wave)를 출력한다. 예를 들어, 13.56 MHz의 고주파 또는 다른 전력이 이온을 끌어당기는데 사용될 수 있다. 포커스 링(638)이 정전 척(636) 외부에 반경 방향으로 설치되어 기판(110)을 고리 모양으로 둘러싼다.

냉각제 유로(644)가 예를 들어 서셉터(612) 내에 원주 방향으로 연장될 수 있고, 정전 척(636) 상에서 기판(110)의 처리 온도를 제어하는 것을 돕기 위해 순환 냉각제를 수용하도록 구성될 수 있다. 또한, 가스 공급 라인(645)을 통해 정전 척(636)의 상면과 기판(110)의 배면 사이의 공간에, 열 전달 가스 공급 유닛(도시 생략)으로부터의 열 전달 가스가 공급될 수 있다.

배출로(633)가 지지 유닛(614) 및/또는 전도성 지지 유닛(616)의 외주 및 처리 챔버(104)의 내벽을 따라 형성될 수 있으며, 처리 챔버(104)에는 환형의 배플판(634)이 배출로(633) 및 배출 포트(632)(또는 다수의 배출 포트)에 부착되며, 배출 포트(632)는 배출로(633)의 바닥부에 설치되어 있다. 가스 배출 유닛(630)이 다수의 배출 라인을 가질 수 있는 가스 배출 라인(631)을 통해 각 배출 포트(632)에 연결된다. 가스 배출 유닛(630)은 처리 챔버(104) 내의 플라즈마 처리 공간을 원하는 진공 상태로 감압하도록 구성된 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프를 포함할 수 있다.

이하, 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 상부에 대해 설명한다. 유전체 창(657)(또는 플라즈마 표면(206))이 마이크로파를 도입하여 천장판으로서 기능하도록 구성될 수 있다. 처리 챔버(104) 내의 유전체 창(657) 바로 밑의 공간은 플라즈마 생성 공간, 즉 플라즈마 영역(106)으로서 기능한다. 유전체 창(657)은 예컨대 석영 또는 알루미늄 산화물과 같은 세라믹 등의 마이크로파 투과성 유전체 재료로 이루어질 수 있고, 예컨대 약 20 ㎜의 두께 또는 내압에 충분한 두께를 가질 수 있다. 유전체 창(657)에는 그 유전체 창(657)의 상면에 부착되거나 배치된 도체일 수 있는 슬롯판(654)이 제공될 수 있다. 슬롯판(654)은 다른 기하학적 구성이 사용될 수도 있지만, 회전 가능한 대칭 구성으로 동심원으로 분포된 마이크로파를 조사하도록 구성되는 복수의 슬롯쌍(도시 생략)을 가질 수 있다. 슬롯판(654) 상에서, 유전체 플레이트(656)가 슬롯판(654) 내부에서 전파되는 마이크로파의 파장을 단축시킬 수 있다. 슬롯판(654)은 마이크로파 전송 라인(202)에 전자기적으로 결합된다. 예컨대 평판형 슬롯 안테나 또는 디스크 형상의 레이디얼 라인 슬롯 안테나일 수 있는 슬롯 안테나(655)는 슬롯판(654), 유전체 플레이트(656), 및 그 슬롯 플레이트(654)에 대향하여 설치되는 안테나 후방 플레이트(도시 생략)를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 유전체 플레이트(656)는 도 3에서 설명한 바와 유사한 복수의 오목부(도시 생략)를 갖는다. 그 실시형태에 있어서, 유전체 플레이트(656)는 복수의 오목부의 각각을 통해 저 RF 플라즈마 전력을 제공하는 RF 발생기(690)에 결합된다.

마이크로파 전송 라인(202)은 예컨대 마이크로파 발생기(660)(즉, RF 마이크로파 소스(200))로부터 미리 정해진 전력으로 출력되는 2.45 GHz(또는 다른 주파수)의 마이크로파를 슬롯 안테나(655)에 전송하도록 구성되는 라인이며, 도파관(662), 도파관-동축 라인 변환기(664) 및 동축 튜브(666)를 포함할 수 있다. 도파관(662)은 예컨대 마이크로파 발생기(660)로부터 도파관-동축 라인 변환기(664)로 마이크로파를 전송하도록 구성된 직사각형 도파관일 수 있다. 동축 튜브(666)는 도파관-동축 라인 변환기(664)로부터 처리 챔버(104)의 상부의 중심부까지 수직으로 하향 연장되고, 동축 튜브(666)의 종단부는 유전체 플레이트(656)를 통해 슬롯 안테나(655)에 결합된다. 외부 도체(669) 및 내부 도체(668)가 마이크로파 전송을 위한 공간을 규정할 수 있다. 내부 도체(668)의 하단부에는 커넥터 유닛(679)이 접속된다.

또한, 유전체 플레이트(656) 내에서 파장이 짧아지면서 반경 방향으로 확장된 마이크로파는 슬롯 안테나(655)의 각 슬롯 쌍으로부터 2개의 직교하는 편광 성분을 갖는 원편광의 평면파가 되며, 처리 챔버(104)의 내부를 향해 방사된다. 그 다음, 유전체 창(657)의 표면 근방의 처리 가스는 유전체 창(657)의 표면을 따라 반경 방향으로 전파되는 표면파의 전계(마이크로파 전계)에 의해 이온화되고, 그 결과, 고밀도 저전자 온도 플라즈마가 생성된다.

유전체 플레이트(656)는 처리 챔버(104)의 상부를 덮는 안테나 후방 플레이트로서 기능할 수 있는 냉각 재킷 플레이트(642)를 포함할 수 있다. 냉각 재킷 플레이트(642)는 유전체 창(657) 및 유전체 플레이트(656)으로부터 발생하는 유전 손실의 열(방사)을 흡수하도록 구성될 수 있다. 냉각을 제공하기 위해, 냉각제가 유로(643)에서 순환될 수 있고, 도관(646)과 도관(648)을 통해 공급 및 제거될 수 있다.

마이크로파 플라즈마 처리 장치는 처리 가스 도입을 위한 2개의 경로를 포함할 수 있다. 상부 가스 도입부(681)는 유전체 창(657)에 설치된 가스 유로와, 처리 챔버(104) 내에 처리 가스를 도입하도록 구성된 가스 도입 메카니즘으로서, 처리 챔버(104)의 측벽에 설치된 가스 유로를 포함하는 측면 가스 도입부(687)를 포함한다.

상부 가스 도입부(681)에는, 가스 유로(688)가 동축 튜브(666)의 내부 도체(668)에 설치되어 내부 도체(668)의 내부를 통해 축 방향으로 연장된다. 또한, 처리 가스 공급 시스템(680)으로부터의 제1 가스 공급 라인(684)이 내부 도체(668)의 상단부 및 제1 가스 공급 라인(684)의 가스 유로(688)에 연결된다. 커넥터 유닛(679)은 천공되어 공통 입구로부터 방사상으로 분기되는 복수의 내부 유로를 구비할 수 있다. 커넥터 유닛(679)은 도체로 이루어질 수 있고 전기적으로 접지될 수 있다. 유전체 창(657)은 처리 가스가 처리 챔버(104) 내의 플라즈마 생성 공간에 대면하도록 유전체 창(657)을 수직으로 통과하는 것과 같이 분기된 가스 공급 경로의 종단부에 연결된 내부 흐름 경로가 형성될 수 있다.

상부 가스 도입부(681)에는, 미리 정해진 압력으로 처리 가스 공급 시스템(680)으로부터 펌핑되는 처리 가스(예컨대, 에칭용 가스 또는 성막용 가스)가 제1 가스 공급 라인(684), 동축 튜브(666)의 가스 유로(688)를 통과하여, 종단부에서 각 가스 분사 포트(653)로부터 분출된다. 매스 플로우 컨트롤러(MFC)(686) 및 대응하는 밸브가 제1 가스 공급 라인(684)에서 처리 가스 흐름을 개폐하고 계량하기 위해 사용될 수 있다.

측면 가스 도입부(687)는 유전체 창(657)의 바닥면보다 낮은 위치에 배치되고, 버퍼 챔버(689)(매니폴드), 측벽 가스 분사 포트(659), 및 처리 가스 공급 시스템(680)으로부터 버퍼 챔버(689)로 연장되는 제2 가스 공급 라인(685)을 포함할 수 있다. 매스 플로우 컨트롤러(683) 및 대응하는 밸브가 제2 가스 공급 라인(685)에서 처리 가스 흐름을 개폐하고 계량하기 위해 사용될 수 있다. 측면 가스 도입부(687)로부터의 처리 가스는 각각의 측벽 가스 분사 포트(659)로부터 실질적으로 수평 흐름으로 분사되어 처리 공간(PS)에 확산될 수 있다. RF 발생기(690)는 마이크로파 플라즈마 처리 장치의 다른 구성요소에 대한 특정 인터페이스/연결부와 함께 포함될 수 있다. 마이크로파 발생기(660) 및 RF 발생기(690)는 능동 제어 기능을 가질 수도 있다. 구체적으로, 전력이 1000 와트 미만으로 떨어지지 않는 것을 보장하기 위해 마이크로파 발생기(660) 및 RF 발생기에서 전력을 측정할 수도 있다.

플라즈마 처리 장치의 구성요소들은 제어 유닛(650)에 접속되어 제어 유닛(650)에 의해 제어될 수 있으며, 제어 유닛(650)은 대응하는 저장 유닛(652) 및 사용자 인터페이스(651)에 접속될 수 있다. 제어 유닛(650)은 예컨대 가스 배출 유닛(630), 고주파수 전원(629), 정전 척을 위한 DC 전원(639), 마이크로파 발생기(660), 상부 가스 도입부(681), 측면 가스 도입부(687), 처리 가스 공급 시스템(680), 및 열 전달 가스 공급 유닛(도시 생략) 등의 마이크로파 플라즈마 처리 장치 내의 각각의 구성요소의 동작 또는 전체 장치의 동작을 제어하도록 구성된 마이크로컴퓨터를 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스(651)를 통해 다양한 플라즈마 처리 공정이 실행될 수 있으며, 다양한 플라즈마 처리 레시피 및 공정이 저장 유닛(652)에 저장될 수 있다. 따라서, 주어진 기판은 플라즈마 처리 챔버 내에서 다양한 미세가공 기술로 처리될 수 있다.

Claims

반도체 제조 방법에 있어서,
다수의 오목부를 포함하는 유전체 플레이트의 표면 위에 1차 표면파 전력 플라즈마 소스를 제공하는 단계와,
상기 다수의 오목부의 각각에 2차 전력 플라즈마 소스를 제공하는 단계
를 포함하고, 상기 2차 전력 플라즈마 소스는 상기 유전체 플레이트 위에 안정적인 이온화를 제공하도록 활성화되는 것인 반도체 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 1차 표면파 전력 플라즈마 소스와 상기 2차 전력 플라즈마 소스는 상이한 주파수에서 동작하는 것인 반도체 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 1차 표면파 전력 플라즈마 소스는 400 MHz부터 5.0 GHz까지 동작하고, 상기 2차 전력 플라즈마 소스는 1 MHz 내지 100 MHz에서 동작하는 것인 반도체 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 2차 전력 플라즈마 소스는 무선 주파수 소스(radio frequency source)인 것인 반도체 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 1차 표면파 전력 플라즈마 소스는 300 내지 5000 와트를 제공하는 것인 반도체 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 2차 전력 플라즈마 소스는 오목부당 최대 100 와트까지 제공하는 것인 반도체 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 2차 전력 플라즈마 소스는 용량성 밸러스트 부하(capacitive ballast load)에 의해 활성화되는 것인 반도체 제조 방법.
제1항에 있어서, 플라즈마 안정성 및 균일성 중 적어도 하나를 보장하기 위한 제어 단계를 수행하는 단계를 더 포함하는 반도체 제조 방법.
반도체 제조 디바이스에 있어서,
복수의 오목부를 가진 유전체 플레이트와,
상기 유전체 플레이트 위에 표면파 전력 플라즈마 소스를 제공하는 제1 플라즈마 이온화 소스와,
상기 유전체 플레이트 위에서 안정적인 플라즈마 이온화를 위해 조절하도록 상기 복수의 오목부의 각각에 위치하여 그 각각의 주위를 감싸는 제2 플라즈마 이온화 소스
를 포함하는 반도체 제조 디바이스.
제9항에 있어서, 상기 제1 플라즈마 이온화 소스는 마이크로파 전원인 것인 반도체 제조 디바이스.
제9항에 있어서, 상기 제2 플라즈마 이온화 소스는 무선 주파수(RF) 전원인 것인 반도체 제조 디바이스.
제9항에 있어서, 상기 제1 플라즈마 이온화 소스는 400 MHz부터 5.0 GHz까지 동작하고, 상기 제2 플라즈마 이온화 소스는 1 MHz 내지 100 MHz에서 동작하는 것인 반도체 제조 디바이스.
제9항에 있어서, 상기 제1 플라즈마 이온화 소스는 최대 5000 와트까지 제공하고, 상기 제2 플라즈마 이온화 소스는 오목부당 최대 100 와트까지 제공하는 것인 반도체 제조 디바이스.
제9항에 있어서, 플라즈마 안정성 및 균일성을 보장하기 위해 동작 변수를 제어하도록 구성된 컨트롤러를 더 포함하는 반도체 제조 디바이스.
제9항에 있어서, 상기 제2 플라즈마 이온화 소스는 각각의 오목부에서 전압 임계치에 도달할 경우에 방전을 활성화하는 용량성 밸러스트 부하를 포함하는 것인 반도체 제조 디바이스.
제9항에 있어서, 상기 제2 플라즈마 이온화 소스는 상기 안정적인 플라즈마 이온화를 위해 조절하도록 방전되는 캐소드를 포함하는 것인 반도체 제조 디바이스.
플라즈마 처리 시스템에 있어서,
복수의 오목부를 가진 유전체 플레이트와,
상기 복수의 오목부의 각각의 오목부에 저전력 플라즈마 소스를 제공하는 플라즈마 이온화 소스
를 포함하고, 상기 플라즈마 이온화 소스는,
상기 복수의 오목부의 각각의 오목부에 저전력을 공급하는 캐소드 링과,
상기 캐소드 링에 결합되며, 상기 플라즈마 이온화 소스를 활성화하는 용량성 밸러스트 부하를 포함하는 것인 플라즈마 처리 시스템.
제17항에 있어서, 상기 저전력 플라즈마 소스는 1 MHz 내지 100 MHz에서 동작하는 것인 플라즈마 처리 시스템.
제17항에 있어서, 상기 저전력 플라즈마 소스는 오목부당 최대 100 와트까지 제공하는 것인 플라즈마 처리 시스템.
제17항에 있어서, 각각의 상기 캐소드 링은 상기 복수의 오목부 중 대응하는 오목부 주위를 감싸는 것인 플라즈마 처리 시스템.
제17항에 있어서, 상기 용량성 밸러스트 부하는 상기 복수의 오목부의 각 오목부에서 전압 임계치에 도달할 경우에 상기 플라즈마 이온화 소스를 활성화하는 것인 플라즈마 처리 시스템.