KR20230034217A - 인-피처 (in-feature) 습식 에칭 레이트 비 감소 - Google Patents
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Abstract
Description
많은 반도체 디바이스 제조 프로세스들은 실리콘 옥사이드와 같은 실리콘-함유 막들을 포함하는 막들의 형성을 수반한다. 실리콘 옥사이드 막들의 일부 증착은 원자 층 증착 (atomic layer deposition; ALD) 및/또는 화학적 기상 증착 (chemical vapor deposition; CVD) 을 수반하지만, 일부 경우들에서 고품질 막들을 달성하기 어려울 수도 있다.
본 명세서에 제공된 배경기술 기술 (description) 은 본 개시의 맥락을 일반적으로 제시할 목적이다. 이 배경기술 섹션에 기술된 정도의 본 명세서에 명명된 발명자들의 업적, 뿐만 아니라 출원 시 종래 기술로서 달리 인증되지 않을 수도 있는 본 기술의 양태들은 본 개시에 대한 종래 기술로서 명시적으로나 암시적으로 인정되지 않는다.
관련 출원들
PCT 신청 양식은 본 출원의 일부로서 본 명세서와 동시에 제출되었다. 본 출원이 동시에 제출된 PCT 신청 양식에서 식별된 바와 같이 우선권 또는 이익을 주장하는 출원 각각은 전체가 모든 목적들을 위해 참조로서 본 명세서에 인용된다.
본 명세서의 다양한 실시 예들은 열적 기상-기반 (vapor-based) 증착 기법들을 사용하여 반도체 기판 상에 고품질 실리콘 옥사이드를 증착하기 위한 방법들 및 장치에 관한 것이다. 개시된 실시 예들의 일 양태에서, 열적 원자 층 증착 또는 열적 화학적 기상 증착을 사용하여 기판 상에 실리콘 옥사이드를 증착하기 위한 방법이 제공되고, 방법은: (a) 반응 챔버 내에 기판을 수용하는 단계; (b) 제 1 반응 물질의 제 1 플로우를 반응 챔버 내로 도입하고 그리고 기판을 제 1 반응 물질에 노출시키는 단계로서, 제 1 반응 물질은 실리콘-함유 반응 물질을 포함하는, 제 1 반응 물질 도입 및 노출 단계; (c) 제 1 반응 물질과 제 2 반응 물질 사이의 반응을 유발하도록 제 2 반응 물질의 제 2 플로우를 반응 챔버 내로 도입하는 단계를 포함하고, (i) 제 2 반응 물질은 수소 (H2) 및 산소-함유 반응 물질을 포함하고, (ii) 반응은 기판 상에 실리콘 옥사이드를 증착하고, 그리고 (iii) 반응은 반응 챔버 내의 압력이 10 Torr 초과이고 약 40 Torr 이하일 때 개시된다 (initiate).
일부 경우들에서, 단계 (b) 및 단계 (c) 는 상이한 시간들에 발생할 수도 있고, 그리고 실리콘 옥사이드는 열적 원자 층 증착을 통해 증착될 수도 있다. 다른 경우들에서, 단계 (b) 및 단계 (c) 는 동시에 발생할 수도 있고, 그리고 실리콘 옥사이드는 열적 화학적 기상 증착을 통해 증착될 수도 있다.
일부 실시 예들에서, 반응은 반응 챔버 내의 압력이 10 Torr 초과이고 약 20 Torr 이하일 때 개시된다. 일부 실시 예들에서, 반응은 반응 챔버 내의 압력이 10 Torr 초과이고 약 30 Torr 이하일 때 개시된다. 다양한 구현 예들에서, 수소 및 산소-함유 반응 물질은 반응 챔버 내로 동시에 흐를 수도 있다.
특정한 실시 예들에서, 고압 예상치 못하게 스위치 (high-pressure limit switch) 는 반응 챔버와 유체로 연통할 (in fluidic communication) 수도 있고, 그리고 고압 제한 스위치는 최대 압력에서 작동시키도록 (trip) 구성될 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 최대 압력은 약 40 Torr 이하이다. 일부 실시 예들에서, 최대 압력은 약 30 Torr 이하이다. 일부 실시 예들에서, 최대 압력은 약 20 Torr 이하이다.
다양한 실시 예들에서, 반응이 개시된 후, 반응 챔버 내 압력은 적어도 최대 압력으로 상승하여, 이에 따라 고압 제한 스위치로 하여금 작동되게 할 수도 있고, 방법은 (d) 고압 제한 스위치를 작동시킨 결과로서 제 2 반응 물질의 제 2 플로우를 중지시키거나 감소시키는 단계를 더 포함한다.
일부 실시 예들에서, 산소-함유 반응 물질은 산소 (O2), 오존 (O3), 과산화수소 (H2O2), 물 (H2O), 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 반응 물질을 포함할 수도 있다. 일부 이러한 실시 예들에서, 산소-함유 반응 물질은 산소 (O2) 를 포함한다.
개시된 실시 예들의 또 다른 양태에서, 열적 원자 층 증착 또는 열적 화학적 기상 증착을 사용하여 기판 상에 실리콘 옥사이드를 증착하기 위한 장치가 제공되고, 장치는: (a) 반응 챔버; (b) 반응 물질들을 반응 챔버로 도입하기 위한 유입구; (c) 반응 챔버로부터 재료들을 제거하기 위한 유출구; (d) 증착 동안 기판을 지지하기 위한 기판 지지부; (e) 반응 챔버와 유체로 연통하는 고압 제한 스위치로서, 고압 제한 스위치는 반응 챔버 내 압력이 최대 압력을 초과하면 작동시키도록 구성되고, 최대 압력은 적어도 10 Torr이고 약 40 Torr 이하인, 고압 제한 스위치; 및 (f) 적어도 하나의 프로세서 및 메모리를 갖는 제어기를 포함하고, 적어도 하나의 프로세서 및 메모리는 서로 통신 가능하게 연결되고, 그리고 메모리는 본 명세서에 기술된 방법들 중 어느 한 방법에 기재된 방법들을 유발하도록 적어도 하나의 프로세서를 제어하기 위한 컴퓨터-실행 가능 (computer-executable) 인스트럭션들을 저장한다.
개시된 실시 예들의 또 다른 양태에서, 열적 원자 층 증착 또는 열적 화학적 기상 증착을 사용하여 기판 상에 실리콘 옥사이드를 증착하기 위한 장치가 제공되고, 장치는: (a) 반응 챔버; (b) 반응 물질들을 반응 챔버로 도입하기 위한 유입구; (c) 반응 챔버로부터 재료들을 제거하기 위한 유출구; (d) 증착 동안 기판을 지지하기 위한 기판 지지부; (e) 반응 챔버와 유체로 연통하는 고압 제한 스위치로서, 고압 제한 스위치는 반응 챔버 내 압력이 최대 압력을 초과하면 작동시키도록 구성되고, 최대 압력은 적어도 10 Torr이고 약 40 Torr 이하인, 고압 제한 스위치; 및 (f) 적어도 하나의 프로세서 및 메모리를 갖는 제어기를 포함하고, 적어도 하나의 프로세서 및 메모리는 서로 통신 가능하게 연결되고, 그리고 메모리는 (i) 반응 챔버 내에 기판을 수용하는 동작; (ii) 제 1 반응 물질의 제 1 플로우를 반응 챔버 내로 도입하고 그리고 기판을 제 1 반응 물질에 노출시키는 동작으로서, 제 1 반응 물질은 실리콘-함유 반응 물질을 포함하는, 제 1 반응 물질 도입 및 노출 동작; 및 (iii) 제 1 반응 물질과 제 2 반응 물질 사이의 반응을 유발하도록 제 2 반응 물질의 제 2 플로우를 반응 챔버 내로 도입하는 동작을 유발하도록 적어도 하나의 프로세서를 제어하기 위한 컴퓨터-실행 가능 인스트럭션들을 저장하고, (1) 제 2 반응 물질은 수소 (H2) 및 산소-함유 반응 물질을 포함하고, (2) 반응은 기판 상에 실리콘 옥사이드를 증착하고, 그리고 (3) 반응은 반응 챔버 내의 압력이 10 Torr 초과이고 약 40 Torr 이하일 때 개시된다.
일부 실시 예들에서, 고압 제한 스위치의 최대 압력은 약 30 Torr 이하일 수도 있다. 일부 이러한 실시 예들에서, 고압 제한 스위치의 최대 압력은 약 20 Torr 이하일 수도 있다.
일부 실시 예들에서, 장치는 수소 및 산소-함유 반응 물질이 반응 챔버로 동시에 도입되게끔 제 2 반응 물질을 흘리도록 구성될 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 제어기는 고압 제한 스위치를 작동시킨 결과로서 제 2 반응 물질의 제 2 플로우를 중단시키거나 감소시키도록 구성될 수도 있다.
이들 및 다른 양태들은 도면들을 참조하여 이하에 더 기술된다.
도 1은 특정한 실시 예들에 따른 열적 원자 층 증착 메커니즘을 사용하여 실리콘 옥사이드를 증착하는 방법을 기술하는 플로우 차트이다.
도 2는 특정한 실시 예들에 따른 열적 화학적 기상 증착 메커니즘을 사용하여 실리콘 옥사이드를 증착하는 방법을 기술하는 플로우 차트이다.
도 3은 특정한 실시 예들에 따라 반응 챔버로 비-반응성 가스를 도입하기 위한 샤워헤드 위에 유입구를 포함하는 반응 챔버를 도시한다.
도 4는 특정한 실시 예들에 따른 실리콘 옥사이드를 증착하기 위해 사용될 수도 있는 반응 챔버를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 특정한 실시 예들에 따라 몇몇 기판들을 동시에 프로세스하도록 사용될 수도 있는 멀티-스테이션 프로세싱 툴들을 도시한다.
도 6 및 도 7은 습식 에칭 레이트 비에 대한 압력의 영향을 조사하는 실험 결과들을 도시한다.
도 8은 사이클 시간에 대한 압력의 영향을 조사하는 실험 결과들을 도시한다.
도 9는 상이한 피처 깊이들에서 습식 에칭 레이트들에 대한 상이한 압력들 및 상이한 타입들의 증착 프로세스들의 영향을 조사하는 실험 결과들을 도시한다.
도 2는 특정한 실시 예들에 따른 열적 화학적 기상 증착 메커니즘을 사용하여 실리콘 옥사이드를 증착하는 방법을 기술하는 플로우 차트이다.
도 3은 특정한 실시 예들에 따라 반응 챔버로 비-반응성 가스를 도입하기 위한 샤워헤드 위에 유입구를 포함하는 반응 챔버를 도시한다.
도 4는 특정한 실시 예들에 따른 실리콘 옥사이드를 증착하기 위해 사용될 수도 있는 반응 챔버를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 특정한 실시 예들에 따라 몇몇 기판들을 동시에 프로세스하도록 사용될 수도 있는 멀티-스테이션 프로세싱 툴들을 도시한다.
도 6 및 도 7은 습식 에칭 레이트 비에 대한 압력의 영향을 조사하는 실험 결과들을 도시한다.
도 8은 사이클 시간에 대한 압력의 영향을 조사하는 실험 결과들을 도시한다.
도 9는 상이한 피처 깊이들에서 습식 에칭 레이트들에 대한 상이한 압력들 및 상이한 타입들의 증착 프로세스들의 영향을 조사하는 실험 결과들을 도시한다.
이하의 기술 (description) 에서, 제시된 실시 예들의 완전한 이해를 제공하기 위해 수많은 구체적 상세들이 제시된다. 개시된 실시 예들은 이들 구체적인 상세들 중 일부 또는 전부 없이 실시될 수도 있다. 다른 예들에서, 공지된 프로세스 동작들은 개시된 실시 예들을 불필요하게 모호하게 하지 않기 위해 상세히 기술되지 않았다. 개시된 실시 예들이 구체적인 실시 예들과 함께 기술될 것이지만, 이는 개시된 실시 예들을 제한하는 것으로 의도되지 않았다는 것이 이해될 것이다.
본 명세서의 다양한 실시 예들은 실리콘 옥사이드를 증착하기 위한 방법들 및 장치에 관한 것이다. 실리콘 옥사이드는 반도체 기판의 표면 상의 리세스된 피처들 내에 증착될 수도 있다. 실리콘 옥사이드는 원자 층 증착 (atomic layer deposition; ALD) 또는 화학적 기상 증착 (chemical vapor deposition; CVD) 을 통해 증착될 수도 있다. 많은 경우들에서, 증착은 열 에너지에 의해 구동된다. 즉, 증착은 열적 ALD 또는 열적 CVD를 통해 발생한다. 열적 ALD 기법 및 열적 CVD 기법은 갭 충진 적용 예들을 위해 고품질 실리콘 옥사이드로 리세스된 피처들을 충진하는데 특히 유용하다.
본 명세서의 실리콘 옥사이드 ALD 기법 및 CVD 기법은 반응 챔버로 수소 (H2) 및 산소-함유 반응 물질 (예를 들어, O2 및/또는 이하에 더 기술된 바와 같은 상이한 산소-함유 반응 물질) 모두의 전달을 수반한다. 그러나, 고온 반응 챔버로의 수소 및 산소 모두의 전달은 특정한 안전 문제들을 제시한다. 예를 들어, 수소와 산소가 고온들 (예를 들어, 500 ℃ 초과) 에서 함께 혼합될 때, 발열 (exothermic) 반응이 발생한다. 보다 낮은 온도들에서, 이 반응은 통상적으로 발생하지 않는다. 고온들에서 기판들을 프로세싱할 때, 발열 연쇄 반응을 유발할 위험이 있고, 이는 신속하게 제어를 벗어날 수 있고 그리고 폭발 또는 다른 안전 위험을 유발할 수 있다. 단일 수소 분자와 단일 산소 분자의 반응은 주변 혼합물에서 부가적인 수소 분자/산소 분자의 반응을 유발하는 에너지를 방출하고, 그리고 이 반응은 전체 반응 챔버를 통해 신속하게 전파될 (propagate) 수 있어, 잠재적으로 폭발을 유발한다. 반응이 폐쇄된 시스템 (예를 들어, 단열 (adiabatic) 시스템) 에서 수행되는 경우들에서, 수소/산소 반응은 반응 챔버 내 압력을 상승시킨다. 일반적으로, 반응 챔버 내 압력이 약 1 대기압 초과 (예를 들어, 약 760 Torr 초과) 에 도달하면, 심각한 안전 문제인 폭발의 위험이 있다.
이러한 타입의 안전 문제는 반응 챔버와 유체로 연통하는 (in fluidic communication) 고압 제한 스위치 (high-pressure limit switch) 를 포함함으로써 해결될 수 있다. 반응 챔버 내의 압력이 고압 제한 스위치의 한계를 초과할 때, 고압 제한 스위치는 신호를 작동시키고 (trip) 제어기로 전송하고, 이어서 반응 챔버 내로의 반응 물질들의 플로우를 제한하거나 신호를 정지시키도록 작용한다. 고압 제한 스위치는 통상적으로 특정한 압력에서 작동시키도록 캘리브레이팅되는 (calibrate) 스트레인 (strain) 게이지를 포함한다. 고압 제한 스위치가 작동되는 압력은 스트레인 게이지의 설계에 기초하고, 그리고 이 압력은 개별 고압 제한 스위치에 대해 조정 가능하지 않다. 많은 ALD 반응기들 및 CVD 반응기들은 10 Torr에서 작동시키도록 구성된 고압 제한 스위치를 포함한다. 많은 ALD 기법들 및 CVD 기법들이 매우 낮은 압력들 (예를 들어, 통상적으로 10 Torr 미만) 에서 수행되기 때문에, 10 Torr 고압 제한 스위치는 문제가 있거나 과도하게 제한하는 것으로 보이지 않는다. 오히려, 중요한 안전 조치 (measure) 로 간주되었다.
그러나, 본 발명자들은 실리콘 옥사이드가 보다 높은 압력들에서 안전하게 증착될 수 있고, 이러한 보다 높은 압력 증착들이 개선된 막 특성들을 예상치 못하게 발생시킨다는 것을 발견하였다. 구체적으로, (10 Torr 미만에서 증착된 실리콘 옥사이드와 비교하여) 상대적으로 낮고, 상대적으로 균일한 습식 에칭 레이트로 실리콘 옥사이드를 생성하기 위한 약 10 내지 40 Torr의 증착이 도시되었다. 또한, 보다 높은 압력에서의 증착은 증가된 쓰루풋 (throughput) 을 허용한다. 통상적으로, 보다 낮은 습식 에칭 레이트를 생성하는 기법들은 또한 쓰루풋을 감소시키는 효과를 갖는다. 막의 습식 에칭 레이트를 낮추면서 증가된 쓰루풋을 제공하는 기법을 찾은 것은 예상치 못한 일이었다.
10 Torr 고압 제한 스위치는 목표된 챔버 압력을 달성하는 것을 물리적으로 불가능하게 만들었다. 이와 같이, 목표된 압력들에서 동작하기 위해, (이전의 10 Torr 고압 제한 스위치와 비교하여) 반응 챔버 내에서 상대적으로 보다 높은 압력을 허용하는 상이한 고압 제한 스위치가 사용된다. 다양한 실시 예들에서, 고압 제한 스위치는 약 20 Torr, 약 30 Torr, 또는 약 40 Torr의 최대 압력으로 반응 챔버를 제한할 수도 있다. 약 40 Torr 이하의 챔버 압력에서 반응을 개시/점화하는 것은 반응 챔버 내에서 수소와 산소 사이의 발열 반응으로부터 발생하는 모든 압력 상승이 1 대기압/760 Torr 한계를 초과하지 않는 최대 챔버 압력을 생성하도록 제한된다는 것을 보장한다. 즉, 반응은 폭발의 위험 없이, 약 40 Torr 이하의 압력에서 안전하게 개시될 수 있다.
다양한 경우들에서, 반응이 개시될 때, 반응 챔버 내 압력은 적어도 약 10 Torr, 적어도 약 12 Torr, 적어도 약 15 Torr, 적어도 약 20 Torr, 적어도 약 25 Torr, 또는 적어도 약 30 Torr일 수도 있다. 반응을 개시할 때 챔버 압력의 상한 (upper limit) 은 사용되는 특정한 고압 제한 스위치에 종속된다.
상기 언급된 바와 같이, 실리콘 옥사이드는 ALD 또는 CVD를 통해 증착될 수도 있다. ALD는 순차적인 자기-제한 (self-limiting) 반응들을 사용하여 재료의 박층들을 증착하는 기법이다. 통상적으로, ALD 사이클은 기판 표면에 적어도 하나의 반응 물질을 전달하고 흡착시키는 동작, 및 이어서 적어도 부분적인 막 층을 형성하도록 흡착된 반응 물질을 하나 이상의 반응 물질과 반응시키는 동작을 포함한다. 예로서, 실리콘 옥사이드 증착 사이클은 다음의 동작들을 포함할 수도 있다: (i) 실리콘-함유 반응 물질의 전달/흡착, (ii) 챔버로부터 실리콘-함유 반응 물질의 선택 가능한 (optional) 퍼지 (purge), (iii) 흡착된 실리콘-함유 반응 물질과 산소-함유 반응 물질 사이의 반응을 구동하기 위한 에너지 (예를 들어, 열 에너지 또는 플라즈마 에너지) 의 선택 가능한 인가에 의한 산소-함유 반응 물질의 전달, 및 (iv) 챔버로부터 산소-함유 반응 물질 (및/또는 존재한다면, 플라즈마) 의 선택 가능한 퍼지. 열 에너지가 실리콘-함유 반응 물질과 산소-함유 반응 물질 사이의 반응을 구동하도록 사용될 때, ALD 기법은 열적 ALD로 지칭된다. 대조적으로, 플라즈마가 반응을 구동하도록 사용될 때, ALD 기법은 플라즈마 강화된 원자 층 증착 (plasma-enhanced atomic layer deposition; PEALD) 으로 지칭된다. 본 명세서의 다양한 실시 예들에서, 열적 ALD가 사용된다.
ALD 반응 동안, 실리콘-함유 반응 물질의 전달 또는 흡착은 "도즈 (dose)" 동작으로 지칭될 수도 있고 그리고 흡착된 실리콘-함유 반응 물질과 반응하기 위한 제 2 반응 물질 (예를 들어, 수소 및 산소-함유 반응 물질) 의 전달은 "변환 (conversion)" 동작으로 지칭될 수도 있다. ALD 프로세스들은 층 단위 (layer-by-layer basis) 로 막들을 증착하도록 표면-매개된 (surface-mediated) 증착 반응들을 사용한다.
실리콘 옥사이드를 형성하기 위한 열적 ALD 프로세스의 일 예가 도 1에 도시된다. 동작 (101) 에서, 기판 상부에 형성된 리세스된 피처들을 갖는 기판이 반응 챔버 내에 수용된다. 리세스된 피처들은 표면-활성 사이트들의 집단을 포함하는 표면에 형성된다. 동작 (103) 에서, 기판은 실리콘-함유 반응 물질인 제 1 반응 물질에 노출된다. 제 1 반응 물질에 대한 예시적인 플로우 레이트들은 약 200 내지 500 sccm일 수도 있고, 그리고 제 1 반응 물질에 대한 예시적인 도즈 시간들은 약 0.2 내지 2 초일 수도 있다. 일부 경우들에서, 푸시 가스 (push gas) 는 약 1000 내지 2000 sccm, 예를 들어 약 1500 sccm의 플로우로 제공될 수도 있다. 푸시 가스는 플로우 오버 볼륨 설정 (flow over volume setting) 에서 실리콘-함유 반응 물질을 담는 앰플 내로 흐를 수도 있다. 실리콘-함유 반응 물질의 물리 흡착된 (physisorbed) 분자들 및/또는 화학 흡착된 (chemisorbed) 종을 포함하는, 실리콘-함유 반응 물질의 분자들은 기판 표면 상으로 흡착된다. 본 명세서에 기술된 바와 같이 화합물이 기판 표면 상에 흡착될 때, 흡착된 층은 화합물뿐만 아니라 화합물의 유도체들을 포함할 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 실리콘-함유 반응 물질의 흡착된 층은 실리콘-함유 반응 물질뿐만 아니라 실리콘-함유 반응 물질의 유도체들도 포함할 수도 있다.
실리콘-함유 반응 물질의 제 1 반응 물질 도즈 후, 대부분 또는 흡착된 종만이 남도록 가스상 (gas phase) 으로 남아 있는 실리콘-함유 반응 물질의 대부분 또는 전부를 제거하기 위해 동작 (105) 에서 챔버는 선택 가능하게 배기되고 그리고/또는 퍼지된다. 일부 구현 예들에서, 챔버는 완전히 배기되지 않을 수도 있다. 예를 들어, 챔버는 가스상의 실리콘-함유 반응 물질의 분압이 반응을 완화시키기에 충분히 낮도록 배기될 수도 있다. 일부 경우들에서, 불활성 (noble) 가스 및/또는 N2와 같은 비-반응성 퍼지 가스가 사용된다. 다양한 실시 예들에서, 동작 (105) 에서 퍼지/배기는 약 2 초 이하의 지속 기간을 가질 수도 있다. 퍼지 가스가 사용되는 경우, 약 25,000 내지 65,000 sccm의 레이트로 흐를 수도 있다.
다음으로, 동작 (107) 에서, 기판은 수소 (H2) 및 산소-함유 반응 물질 모두를 포함하는 제 2 반응 물질에 노출되고, 그리고 이들 분자들 중 일부는 실리콘 옥사이드를 형성하도록 표면 상에 흡착된 실리콘-함유 반응 물질과 반응한다. 수소에 대한 예시적인 플로우 레이트들은 약 2000 내지 5000 sccm일 수도 있고, 그리고 산소-함유 반응 물질에 대한 예시적인 플로우 레이트들은 약 2000 내지 20,000 sccm일 수도 있다. 예시적인 변환 시간들 (예를 들어, 제 2 반응 물질이 전달되는 지속 기간) 은 약 0.1 내지 2 초일 수도 있다.
일부 프로세스들에서, 제 2 반응 물질은 흡착된 실리콘-함유 반응 물질과 즉시 반응한다 (예를 들어, 즉각적인 반응을 유발하기에 충분한 열 에너지가 있음). 다른 실시 예들에서, 제 2 반응 물질은 활성화 소스가 일시적으로 인가된 후에만 반응한다. 일부 실시 예들에서, 이 활성화 소스는 기판에 제공된 부가적인 열 에너지이다. 어느 경우든, 기판은 반응을 구동하기 위해 상승된 온도들, 예를 들어 약 500 내지 750 ℃에 노출될 수도 있다. 일부 경우들에서 이는 증착 동안 기판을 지지하는 기판 홀더의 온도를 지칭할 수도 있다.
반응 챔버 내 압력이 증착 동안 고압 제한 스위치의 한계를 초과하면 또는 초과할 때, 고압 제한 스위치는 제어기로 하여금 반응 챔버로의 반응 물질들의 플로우를 중단시키거나 제한하게 (restrict) 하도록 작동시키고 제어기로 신호를 전송한다. 다양한 실시 예들에서, 고압 제한 스위치는 10 Torr 초과이고 약 40 Torr 이하, 일부 경우들에서 약 30 Torr 이하, 또는 약 20 Torr 이하의 압력에서 작동시킬 수도 있다.
동작 (109) 에서, 챔버는 제 2 반응 물질의 결합되지 않은 분자들을 제거하도록 선택 가능하게 퍼지되고 그리고/또는 다시 배기될 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 챔버는 완전히 배기되지 않을 수도 있다. 동작 (109) 에서 퍼지/배기는 약 0 내지 1 초의 지속 기간을 가질 수도 있다. 퍼지 가스가 사용되는 경우, 불활성 가스 및/또는 N2와 같은 비-반응성 가스일 수도 있고, 이는 약 25,000 내지 65,000 sccm의 레이트로 흐를 수도 있다.
다음으로, 동작 (111) 에서, 실리콘 옥사이드 막이 충분히 두꺼운지 여부가 결정된다. 많은 경우들에서, 이 결정은 (특정 프로세스에 대해 상당히 균일한) 사이클 각각에서 증착된 실리콘 옥사이드의 양뿐만 아니라 수행된 ALD 사이클들의 수에 기초하여 이루어질 수도 있다. 실리콘 옥사이드 막이 목표된 두께에 도달하면, 방법은 기판이 반응 챔버로부터 제거되는 동작 (113) 으로 계속된다. 그렇지 않으면, 부가적인 막 두께가 목표된다면, 방법은 동작 (103) 에서 시작하여 반복될 수 있다. ALD 단계들은 막이 최종 목표된 두께에 도달할 때까지 도 1에 도시된 바와 같이 순환된다.
특정한 실시 예들에서, ALD 제 1 반응 물질 도즈는 기판 표면을 부분적으로 포화시킨다. 일부 실시 예들에서, ALD 사이클의 도즈 페이즈 (phase) 는 표면을 고르게 (evenly) 포화시키기 위해 반응 물질이 기판과 콘택트하기 전에 종료된다. 통상적으로, 반응 물질 플로우는 이 지점에서 턴 오프되거나 방향 전환되고, 퍼지 가스만이 흐른다. 이 아포화 레짐 (sub-saturation regime) 에서 동작함으로써, ALD 프로세스는 사이클 시간을 감소시키고 쓰루풋을 증가시킨다. 그러나, 반응 물질 흡착이 포화 제한되지 않기 때문에, 흡착된 반응 물질 농도는 기판 표면에 걸쳐 약간 가변할 수도 있다.
ALD 표면-매개 반응들과 달리, CVD는 가스상 반응들에 의존한다. CVD에서, 반응 물질들은 동시에 반응 챔버로 전달되고 그리고 가스상으로 반응한다. 반응의 생성물들은 기판의 표면 상에 증착된다. 열적 CVD가 사용되는 경우, 반응은 열 에너지에 의해 구동된다. 플라즈마 강화된 CVD가 사용되는 경우, 반응은 플라즈마 에너지에 의해 구동된다. 본 명세서의 다양한 실시 예들에서, 실리콘 옥사이드는 열적 CVD를 사용하여 증착될 수도 있다.
도 2는 열적 CVD를 사용하여 실리콘 옥사이드를 증착하는 방법에 대한 플로우 차트를 예시한다. 방법은 리세스된 피처들을 갖는 기판이 반응 챔버 내에 제공되는 동작 (201) 에서 시작된다. 동작 (203) 에서, 제 1 반응 물질 및 제 2 반응 물질이 반응 챔버에 동시에 제공되고 그리고 실리콘 옥사이드를 생성하도록 가스상으로 서로 반응하고, 이어서 기판의 표면 상에 증착된다. 제 1 반응 물질은 실리콘-함유 반응 물질이고, 그리고 제 2 반응 물질은 수소 (H2) 및 산소-함유 반응 물질 모두를 포함한다. 실리콘-함유 반응 물질에 대한 예시적인 플로우 레이트들은 약 200 내지 500 sccm일 수도 있고, 수소에 대한 예시적인 플로우 레이트들은 약 2000 내지 5000 sccm일 수도 있고, 그리고 산소-함유 반응 물질에 대한 예시적인 플로우 레이트들은 약 2000 내지 20,000 sccm일 수도 있다. 상기 기술된 바와 같이, 푸시 가스는 약 1000 내지 2000 sccm, 예를 들어 약 1500 sccm의 레이트로 흐를 수도 있다. 푸시 가스는 플로우 오버 볼륨 설정에서 실리콘-함유 반응 물질을 담는 앰플 내로 흐를 수도 있다. 동작 (203) 은 목표된 두께로 실리콘 옥사이드 막을 형성하기에 충분한 지속 기간 동안 발생한다. 예시적인 지속 기간들은 약 1 초 내지 수백 초, 예를 들어 약 1 내지 400 초일 수도 있다. 지속 기간은 목표된 막 두께에 종속된다. 동작 (203) 동안, 기판은 예를 들어 약 500 내지 750 ℃의 상승된 온도에 노출된다.
반응 챔버 내 압력이 증착 동안 고압 제한 스위치의 한계를 초과하면 또는 초과할 때, 고압 제한 스위치는 제어기로 하여금 반응 챔버로의 반응 물질들의 플로우를 중단시키거나 제한하게 하도록 작동시키고 제어기로 신호를 전송한다. 고압 제한 스위치에 대한 예시적인 제한들은 상기 논의되었다.
상기 언급된 바와 같이, 본 명세서의 많은 실시 예들에서, (플라즈마 에너지가 아닌) 열 에너지가 실리콘-함유 반응 물질과 산소-함유 반응 물질 사이의 반응을 구동하도록 사용된다. 그러나, 특정한 경우들에서, 기판은 또한 간헐적인 플라즈마 처리들에, 예를 들어 ALD 사이클들 사이에 또는 CVD 프로세스의 상이한 부분들 사이에 (예를 들어, CVD 막의 제 1 절반 (half) 을 증착하는 단계와 제 2 절반을 증착하는 단계 사이에) 노출될 수도 있다. 이러한 플라즈마 처리들이 사용된다면, 새로운 재료를 증착하기 위해 실리콘-함유 반응 물질과 산소-함유 반응 물질 사이의 반응을 구동하는 대신, 기존의 재료 층을 수정한다는 것이 이해된다. 이와 같이, 증착은 간헐적인 플라즈마 처리들에 대한 기판의 노출에도 불구하고 열적 ALD 기법 또는 열적 CVD 기법을 통해 여전히 발생한다는 것이 이해된다.
다수의 상이한 실리콘-함유 반응 물질들이 사용될 수도 있다. 일부 구현 예들에서, 실리콘-함유 반응 물질은 아미노실란과 같은 실란을 포함한다. 아미노실란은 실리콘 원자에 결합된 적어도 하나의 질소 원자를 함유하지만, 또한 수소들, 산소들, 할로겐들 및 탄소들을 함유할 수도 있다. 아미노실란들의 예들은 비스(tert-부틸아미노)실란 (bis(tert-butylamino)silane; BTBAS), N-(디에틸아미노실릴)-N-에틸에탄아민 (N-(diethylaminosilyl)-N-ethylethanamine; SAM-24), 트리스(디메틸아미노)실란 (tris(dimethylamino)silane; 3DMAS), 테트라키스(디메틸아미노)실란 (tetrakis(dimethylamino)silane; 4DMAS) 및 트리실릴아민 (trisilylamine; TSA) 을 포함할 수도 있다.
유사하게, 다수의 상이한 산소-함유 반응 물질들이 사용될 수도 있다. 일부 구현 예들에서, 산소-함유 반응 물질은 산소 (O2), 오존 (O3), 과산화수소 (H2O2), 물 (H2O), 및 이들의 조합들로부터 선택된 적어도 하나의 반응 물질을 포함할 수도 있다.
고압 제한 스위치에 더하여, 하나 이상의 보조적인 안전 조치들이 폭발의 위험을 감소시키기 위해 취해질 수도 있다. 예를 들어, 일부 실시 예들에서, 비-반응성 가스 (예를 들어, 불활성 가스 또는 N2) 의 플로우가 반응 챔버 내에 제공될 수도 있다. 이 비-반응성 가스의 플로우는 기판 프로세싱 공간 내에, 예를 들어 샤워헤드와 기판 사이에 반응성 가스들을 한정하도록 구성될 수 있다.
도 3은 증착을 위해 구성된 반응 챔버 (301) 를 예시한다. 반응 챔버 (301) 는 증착 동안 기판 (미도시) 을 지지하기 위한 기판 지지부 (303), 및 샤워헤드 (305) 를 포함한다. 샤워헤드 (305) 는 반응 물질들 (및 관련된다면, 다른 종) 을 반응 챔버 (301) 로 전달하기 위한 유입구로서 작용한다. 샤워헤드 (305) 를 통한 플로우는 반응 챔버와 유체로 연통하는 고압 제한 스위치 (미도시) 와 연통하는 제어기 (미도시) 에 의해 제어된다. 반응 챔버 내 압력이 고압 제한 스위치의 최대 압력을 초과한다면 그리고 초과할 때, 고압 제한 스위치는 신호를 작동시키고 제어기로 전송한다. 이에 응답하여, 제어기는 반응 챔버 내로 반응 물질들 (예를 들어, H2 및 산소-함유 반응 물질) 의 플로우를 중단하거나 제한한다.
유출구들 (309) 은 반응 챔버 (301) 로부터 재료들을 제거하도록 제공된다. 유출구들 (309) 은 예를 들어 진공 소스에 연결될 수도 있다. 제 1 퍼지 가스는 프로세싱 동안, 예를 들어 ALD 사이클 동안 반응 챔버 (301) 로부터 과잉 반응 물질들을 퍼지하도록 샤워헤드 (305) 에 의해 제공될 수도 있다. 이에 더하여, 제 2 퍼지 가스 (예를 들어, 상기에 언급된 비-반응성 가스) 가 제공될 수도 있다. 제 2 퍼지 가스의 플로우는 화살표들 (307) 로 도시된다. 제 2 퍼지 가스는 샤워헤드 (305) (예를 들어, 샤워헤드 (305) 는 샤워헤드 (305) 아래의 반응 물질들의 전달 및 샤워헤드 (305) 위의 제 2 퍼지 가스의 전달을 포함하도록 수정될 수도 있음) 에 의해, 또는 2 차 샤워헤드 또는 다른 가스 유입구에 의해 제공될 수도 있다. 일반적으로, 제 2 퍼지 가스는 반응 물질들 (특히 제 2 반응 물질의 수소 및 산소-함유 반응 물질) 을 샤워헤드 (305) 와 기판 지지부 (303) 사이의 영역으로 유체적으로 한정하고 (fluidically confine), 수소와 산소-함유 반응 물질 사이의 연쇄 반응을 중단하도록 제공되고, 따라서 폭발을 야기할 수 있는 에너지 전파를 중단시키거나 감쇠시킨다.
장치
본 명세서의 다양한 실시 예들에서, 열적 ALD 기법 또는 열적 CVD 기법이 실리콘 옥사이드를 증착하도록 사용된다. 그러나, 이러한 기법들은 열적 프로세싱 및/또는 플라즈마 프로세싱을 위해 사용된 반응 챔버 내에서 발생할 수도 있다는 것이 이해된다. 이와 같이, 이하의 기술들이 플라즈마의 사용을 언급할 수도 있지만, 이러한 플라즈마 피처들은 특정한 실시 예들에서 생략될 수도 있다는 것이 이해된다. 다른 실시 예들에서, 본 명세서에 기술된 열적 증착 기법들은 또한 플라즈마 프로세싱을 위해 사용되는 반응 챔버에서 발생할 수도 있다.
도 4는 ALD 및/또는 CVD를 사용하여 재료 (예를 들어, 실리콘 옥사이드) 를 증착하기 위해 사용될 수도 있는 프로세스 스테이션 (400) 의 실시 예를 개략적으로 도시한다. 간략함을 위해, 프로세싱 스테이션 (400) 은 저압 분위기를 유지하기 위한 프로세스 챔버 바디 (402) 를 갖는 독립형 프로세스 스테이션으로서 도시된다. 그러나, 복수의 프로세스 스테이션들 (400) 이 공통 프로세스 툴 환경에 포함될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 일부 실시 예들에서, 이하에 상세히 논의된 하드웨어 파라미터들을 포함하는, 프로세스 스테이션 (400) 의 하나 이상의 하드웨어 파라미터들이 하나 이상의 컴퓨터 제어기들에 의해 프로그램적으로 (programmatically) 조정될 수도 있다는 것이 인식될 것이다.
프로세스 스테이션 (400) 은 분배 샤워헤드 (406) 로 프로세스 가스들을 전달하기 위해 반응 물질 전달 시스템 (401) 과 유체로 연통한다 (fluidly communicate). 반응 물질 전달 시스템 (401) 은 샤워헤드 (406) 로 전달을 위해, 프로세스 가스들을 블렌딩 (blending) 및/또는 컨디셔닝하기 (conditioning) 위한 혼합 용기 (mixing vessel) (409) 를 포함한다. 하나 이상의 혼합 용기 유입구 밸브들 (420) 은 프로세스 가스들의 혼합 용기 (404) 로의 도입을 제어할 수도 있다. 유사하게, 샤워헤드 유입구 밸브 (405) 는 샤워헤드 (406) 로의 프로세스 가스들의 도입을 제어할 수도 있다.
제어기 (미도시) 는 이하에 더 설명되는 바와 같이, 프로세스 스테이션 (400) 의 다양한 양태들을 제어하도록 사용될 수도 있다. 제어기는 고압 제한 스위치 (미도시) 와 연통한다. 고압 제한 스위치는 반응 챔버 내에 또는 반응 챔버와 유체로 연통하는 또 다른 위치에 포지셔닝될 수도 있다. 이러한 방식으로, 고압 제한 스위치에 노출된 압력은 반응 챔버 내 압력과 동일하다. 반응 챔버 내 압력이 고압 제한 스위치의 한계를 초과한다면 그리고 초과할 때, 고압 제한 스위치는 신호를 작동시키고 제어기로 전송한다. 이에 응답하여, 제어기는 예를 들어 샤워헤드 유입구 밸브 (405) 및/또는 혼합 용기 유입구 밸브들 (420) 을 완전히 또는 부분적으로 폐쇄함으로써 반응 챔버 내로 반응 물질들의 플로우를 중단시키거나 그렇지 않으면 제한한다. 고압 제한 스위치는 수소 및 산소-함유 반응 물질들로 하여금 반응 챔버 내로 동시에 흐르게 하도록 구성될 수도 있다. 이전의 10 Torr 고압 제한 스위치들은 예를 들어, 폭발의 위험을 감소시키기 위해 이들 종이 동시에 흐르는 것을 방지하는 소프트웨어-기반 인터록 (interlock) 을 포함한다. 본 명세서의 다양한 실시 예들에서, 이 인터록은 생략된다.
BTBAS와 같은 일부 반응 물질들은 기화 및 프로세스 스테이션으로의 후속 전달 전에 액체 형태로 저장될 수도 있다. 예를 들어, 도 4의 실시 예는 혼합 용기 (404) 로 공급될 액체 반응 물질을 기화시키기 위한 기화 지점 (403) 을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 기화 지점 (403) 은 가열된 기화기일 수도 있다. 이러한 기화기들로부터 생성된 반응 물질 증기가 다운스트림 (downstream) 전달 파이핑 (piping) 에서 응결될 수도 있다. 응결된 반응 물질로의 양립할 수 없는 가스들의 노출은 작은 입자들을 생성할 수도 있다. 이들 작은 입자들은 파이핑을 막고 (clog), 밸브 동작을 방해하고 (impede), 기판들을 오염시키는, 등을 할 수도 있다. 이들 문제들을 해결하기 위한 일부 접근법들은 잔류 반응 물질을 제거하기 위해 전달 파이핑을 스윕핑 (sweep) 및/또는 배기하는 것을 수반한다. 그러나, 전달 파이핑을 스윕핑하는 것은 프로세스 스테이션 사이클 시간을 증가시킬 수도 있어, 프로세스 스테이션 쓰루풋을 저하시킨다. 따라서, 일부 실시 예들에서, 기화 지점 (403) 의 다운스트림 전달 파이프는 열 추적될 수도 있다. 일부 예들에서, 혼합 용기 (404) 는 또한 열 추적될 수도 있다. 일 비-제한적인 예에서, 기화 지점 (403) 의 다운스트림 파이프는 혼합 용기 (404) 에서 대략 100 ℃로부터 대략 150 ℃로 연장하는 상승하는 온도 프로파일을 갖는다.
일부 실시 예들에서, 반응 물질 액체는 액체 주입기에서 기화될 수도 있다. 예를 들어, 액체 주입기는 액체 반응 물질의 펄스들을 혼합 용기의 업스트림 (upstream) 의 캐리어 가스 스트림 내로 주입할 수도 있다. 일 시나리오에서, 액체 주입기는 보다 높은 압력으로부터 보다 낮은 압력으로 액체를 플래싱함으로써 (flash) 반응 물질을 기화시킬 수도 있다. 또 다른 시나리오에서, 액체 주입기는 가열된 전달 파이프 내에서 후속하여 기화되는 분산된 (disperse) 마이크로 액적들 (microdroplets) 로 액체를 원자화할 수도 있다. 보다 작은 액적들은 보다 큰 액적들보다 보다 빠르게 기화될 수도 있고, 액체 주입과 완전한 기화 사이의 지연을 감소시킨다는 것이 인식될 것이다. 보다 빠른 기화는 기화 지점 (403) 으로부터 다운스트림의 파이프 길이를 감소시킬 수도 있다. 일 시나리오에서, 액체 주입기는 혼합 용기 (404) 에 바로 장착될 수도 있다. 또 다른 시나리오에서, 액체 주입기는 샤워헤드 (406) 에 바로 장착될 수도 있다.
일부 실시 예들에서, 기화 지점 (403) 의 업스트림의 액체 유량 제어기 (liquid flow controller; LFC) 가 기화 및 프로세스 스테이션 (400) 으로의 전달을 위해 액체의 질량 유량 (mass flow) 를 제어하기 위해 제공될 수도 있다. 예를 들어, LFC는 LFC의 다운스트림에 위치된 열적 질량 유량 미터 (mass flow meter; MFM) 를 포함할 수도 있다. 이어서 LFC의 플런저 (plunger) 밸브가 MFM과 전기적으로 통신하는 PID (proportional-integral-derivative) 제어기에 의해 제공된 피드백 제어 신호들에 응답하여 조정될 수도 있다. 그러나, 이는 피드백 제어를 사용하여 액체 플로우를 안정화시키기 위해 1 초 이상 소요될 수도 있다. 이는 액체 반응 물질을 도즈하기 (dose) 위한 시간을 연장할 수도 있다. 따라서, 일부 실시 예들에서, LFC는 피드백 제어 모드와 직접 제어 모드 사이에서 동적으로 스위칭될 수도 있다. 일부 실시 예들에서, LFC는 LFC 및 PID 제어기의 센싱 튜브를 디스에이블함으로써 (disable) 피드백 제어 모드로부터 직접 제어 모드로 동적으로 스위칭될 수도 있다.
샤워헤드 (406) 는 기판 (412) 을 향해 프로세스 가스들을 분배한다. 도 4에 도시된 실시 예에서, 기판 (412) 은 샤워헤드 (406) 밑에 위치되고, 페데스탈 (408) 상에 놓인 것으로 도시된다. 샤워헤드 (406) 는 임의의 적합한 형상을 가질 수도 있고, 기판 (412) 으로 프로세스 가스들을 분배하기 위해 임의의 적합한 수 및 배열의 포트들을 가질 수도 있다는 것이 인식될 것이다.
일부 실시 예들에서, 마이크로볼륨 (407) 이 샤워헤드 (406) 아래에 위치된다. 프로세스 스테이션의 전체 볼륨이 아니라 마이크로볼륨에서 ALD 및/또는 CVD 프로세스를 수행하는 것은 반응 물질 노출 및 스윕핑 시간들을 감소시킬 수도 있고, 프로세스 조건들 (예를 들어, 압력, 온도, 등) 을 변경하기 위한 시간들을 감소시킬 수도 있고, 프로세스 스테이션 로봇들의 프로세스 가스들로의 노출을 제한할 수도 있는, 등을 할 수도 있다. 예시적인 마이크로볼륨 사이즈들은 이로 제한하는 것은 아니지만, 0.1 리터 내지 2 리터의 체적들을 포함한다. 이 마이크로볼륨은 또한 생산성 쓰루풋에 영향을 준다. 사이클 당 증착 레이트가 떨어지지만, 사이클 시간 또한 동시에 감소한다. 특정한 경우들에서, 후자의 영향은 미리 결정된 (given) 타깃 두께의 막에 대한 모듈의 전체 쓰루풋을 개선하기에 충분히 극적이다.
일부 실시 예들에서, 페데스탈 (408) 은 기판 (412) 을 마이크로볼륨 (407) 에 노출하고 그리고/또는 마이크로볼륨 (407) 의 체적을 가변시키도록 상승되거나 하강될 수도 있다. 예를 들어, 기판 이송 페이즈에서, 페데스탈 (408) 은 기판 (412) 으로 하여금 페데스탈 (408) 상으로 로딩되게 하도록 하강될 수도 있다. 증착 프로세스 페이즈 동안, 페데스탈 (408) 은 마이크로볼륨 (407) 내에 기판 (412) 을 포지셔닝시키도록 상승될 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 마이크로볼륨 (407) 은 증착 프로세스 동안 고 플로우 (high flow) 임피던스 (impedance) 의 영역을 생성하도록 페데스탈 (408) 의 일부뿐만 아니라 기판 (412) 을 완전히 인클로징할 (enclose) 수도 있다. 도 3에 대해 언급된 바와 같이, 2 차 퍼지 가스 (도 4에 미도시) 가 마이크로볼륨 (407) 내에 반응성 가스들을 한정하도록 제공될 수도 있다.
선택 가능하게, 페데스탈 (408) 은 마이크로볼륨 (407) 내에서 프로세스 압력, 반응 물질 농도, 등을 조절하기 (modulate) 위해 증착 프로세스의 부분들 동안 하강 및/또는 상승될 수도 있다. 프로세스 챔버 바디 (402) 가 증착 프로세스 동안 기준 압력으로 유지되는 일 시나리오에서, 페데스탈 (408) 을 하강시키는 것은 마이크로볼륨 (407) 으로 하여금 배기되게 할 수도 있다. 마이크로볼륨 대 프로세스 챔버 체적의 예시적인 비들은 이로 제한하는 것은 아니지만, 1:400 내지 1:10의 체적 비들을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 페데스탈 높이는 적합한 컴퓨터 제어기에 의해 프로그램적으로 조정될 수도 있다는 것이 인식될 것이다.
또 다른 시나리오에서, 페데스탈 (408) 의 높이를 조정하는 것은 플라즈마 밀도로 하여금 증착 프로세스에 포함된 플라즈마 활성화 및/또는 처리 사이클들 동안 가변되게 할 수도 있다. 증착 프로세스 페이즈의 종료 시, 페데스탈 (408) 은 페데스탈 (408) 로부터 기판 (412) 의 제거를 허용하도록 또 다른 기판 이송 페이즈 동안 하강될 수도 있다.
본 명세서에 기술된 예시적인 마이크로볼륨 변동들이 높이 조정 가능한 페데스탈을 참조하지만, 일부 실시 예들에서, 샤워헤드 (406) 의 위치는 마이크로볼륨 (407) 의 체적을 가변시키도록 페데스탈 (408) 에 대해 조정될 수도 있다는 것이 인식될 것이다. 또한, 페데스탈 (408) 및/또는 샤워헤드 (406) 의 수직 위치는 본 개시의 범위 내의 임의의 적합한 메커니즘에 의해 가변될 수도 있다는 것이 인식될 것이다. 일부 실시 예들에서, 페데스탈 (408) 은 기판 (412) 의 배향을 회전시키기 위한 회전 축을 포함할 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 이들 예시적인 조정들 중 하나 이상이 하나 이상의 적합한 컴퓨터 제어기들에 의해 프로그램적으로 수행될 수도 있다는 것이 인식될 것이다.
도 4에 도시된 실시 예를 다시 참조하면, 샤워헤드 (406) 및 페데스탈 (408) 은 플라즈마에 전력을 공급하기 위해 RF 전력 공급부 (414) 및 매칭 네트워크 (416) 와 전기적으로 통신한다. 일부 실시 예들에서, 플라즈마 에너지는 프로세스 스테이션 압력, 가스 농도, RF 소스 전력, RF 소스 주파수 및 플라즈마 전력 펄스 타이밍 중 하나 이상을 제어함으로써 제어될 수도 있다. 예를 들어, RF 전력 공급부 (414) 및 매칭 네트워크 (416) 는 목표된 조성의 라디칼 종을 갖는 플라즈마를 형성하도록 임의의 적합한 전력에서 동작될 수도 있다. 적합한 전력들의 예들이 상기에 포함되었다. 유사하게, RF 전력 공급부 (414) 는 임의의 적합한 주파수의 RF 전력을 제공할 수도 있다. 일부 실시 예들에서, RF 전력 공급부 (414) 는 고주파수 RF 전력 소스 및 저주파수 RF 전력 소스를 서로 독립적으로 제어하도록 구성될 수도 있다. 예시적인 저주파수 RF 주파수들은, 이로 제한하는 것은 아니지만, 50 ㎑ 내지 400 ㎑의 주파수들을 포함할 수도 있다. 예시적인 고주파수 RF 주파수들은, 이로 제한하는 것은 아니지만, 1.8 ㎒ 내지 2.45 ㎓의 주파수들을 포함할 수도 있다. 임의의 적합한 파라미터들은 표면 반응들 또는 플라즈마 처리들을 위한 플라즈마 에너지를 제공하도록 이산적으로 (discretely) 또는 연속적으로 (continuously) 조절될 수도 있다는 것이 인식될 것이다. 일 비-제한적인 예에서, 플라즈마 전력은 연속적으로 전력 공급된 플라즈마들에 대해 기판 표면과의 이온 충돌 (ion bombardment) 을 감소시키도록 간헐적으로 펄싱될 수도 있다. 상기 언급된 바와 같이, 본 명세서의 다양한 실시 예들에서, 막은 열적 ALD 기법 및/또는 열적 CVD 기법을 통해 증착된다. 이와 같이, 플라즈마를 생성하기 위해 본 명세서에 기술된 컴포넌트들은 생략될 수도 있다. 다른 경우들에서, 플라즈마를 생성하기 위한 컴포넌트들이 포함될 수도 있지만, 비-증착 플라즈마 처리들, 어닐링들, 등을 위해서만 사용될 수도 있다.
일부 실시 예들에서, 플라즈마는 하나 이상의 플라즈마 모니터들에 의해 인 시츄 (in-situ) 모니터링될 수도 있다. 일 시나리오에서, 플라즈마 전력은 하나 이상의 전압 센서들, 전류 센서들 (예를 들어, VI 프로브들) 에 의해 모니터링될 수도 있다. 또 다른 시나리오에서, 플라즈마 밀도 및/또는 프로세스 가스 농도는 하나 이상의 광 방출 분광법 (optical emission spectroscopy; OES) 센서들에 의해 측정될 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 하나 이상의 플라즈마 파라미터들은 이러한 인 시츄 플라즈마 모니터들로부터의 측정 값들에 기초하여 프로그램적으로 조정될 수도 있다. 예를 들어, OES 센서는 플라즈마 전력의 프로그램적 제어를 제공하기 위해 피드백 루프 (feedback loop) 내에서 사용될 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 다른 모니터들이 플라즈마 및 다른 프로세스 특성들을 모니터링하도록 사용될 수도 있다는 것이 인식될 것이다. 이러한 모니터들은 이로 제한하는 것은 아니지만, 적외선 (IR) 모니터들, 음향 모니터들 및 압력 트랜스듀서들 (transducers) 을 포함할 수도 있다.
일부 실시 예들에서, 플라즈마는 입력/출력 제어 (input/output control; IOC) 시퀀싱 인스트럭션들을 통해 제어될 수도 있다. 일 예에서, 플라즈마 프로세스 페이즈에 대한 플라즈마 조건들을 설정하기 위한 인스트럭션들은 증착 프로세스 레시피의 대응하는 플라즈마 활성화 레시피 페이즈에 포함될 수도 있다. 일부 경우들에서, 프로세스 레시피 페이즈들은 증착 프로세스 페이즈에 대한 모든 인스트럭션들이 해당 프로세스 페이즈와 동시에 실행되도록 순차적으로 배열될 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 하나 이상의 플라즈마 파라미터들을 설정하기 위한 인스트럭션들은 플라즈마 프로세스 페이즈에 선행하는 레시피 페이즈에 포함될 수도 있다. 예를 들어, 제 1 레시피 페이즈는 불활성 가스 및/또는 반응 물질 가스의 플로우 레이트를 설정하기 위한 인스트럭션들, 플라즈마 생성기를 전력 설정점으로 설정하기 위한 인스트럭션들 및 제 1 레시피 페이즈에 대한 시간 지연 인스트럭션들을 포함할 수도 있다. 제 2, 후속 레시피 페이즈는 플라즈마 생성기를 인에이블하기 (enable) 위한 인스트럭션들 및 제 2 레시피 페이즈에 대한 시간 지연 인스트럭션들을 포함할 수도 있다. 제 3 레시피 페이즈는 플라즈마 생성기를 디스에이블하기 (disable) 위한 인스트럭션들 및 제 3 레시피 페이즈에 대한 시간 지연 인스트럭션들을 포함할 수도 있다. 이들 레시피 페이즈들은 본 개시의 범위 내에서 임의의 적합한 방식으로 더 세분되고 그리고/또는 반복될 수도 있다는 것이 인식될 것이다.
일부 증착 프로세스들에서, 플라즈마 스트라이크들 (strikes) 은 대략 수 초 이상의 지속 기간 지속된다. 특정한 구현 예들에서, 훨씬 보다 짧은 플라즈마 스트라이크들이 사용될 수도 있다. 이들은 대략 10 ㎳ 내지 1 초, 통상적으로 약 20 내지 80 ㎳일 수도 있고, 50 ㎳가 특정한 예이다. 이러한 매우 짧은 RF 플라즈마 스트라이크들은 플라즈마의 매우 신속한 안정화를 필요로 한다. 이를 달성하기 위해, 플라즈마 생성기는 임피던스 매칭이 특정한 전압으로 미리 설정되는 한편, 주파수가 플로팅되도록 구성될 수도 있다. 통상적으로, 고주파수 플라즈마들은 약 13.56 ㎒의 RF 주파수에서 생성된다. 본 명세서에 개시된 다양한 실시 예들에서, 주파수는 이 표준 값과 상이한 값으로 플로팅되게 된다. 임피던스 매칭을 미리 결정된 전압으로 고정하는 동안 주파수가 플로팅하게 함으로써, 플라즈마는 일부 타입들의 증착 사이클들과 연관된 매우 짧은 플라즈마 스트라이크들을 사용할 때 중요할 수도 있는 결과를 훨씬 보다 신속하게 안정화할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 페데스탈 (408) 은 히터 (410) 를 통해 온도 제어될 수도 있다. 또한, 일부 실시 예들에서, 증착 프로세스 스테이션 (400) 에 대한 압력 제어가 버터플라이 밸브 (418) 에 의해 제공될 수도 있다. 도 4의 실시 예에 도시된 바와 같이, 버터플라이 밸브 (418) 는 다운스트림 진공 펌프 (미도시) 에 의해 제공된 진공을 쓰로틀한다 (throttle). 그러나, 일부 실시 예들에서, 프로세스 스테이션 (400) 의 압력 제어는 또한 프로세스 스테이션 (400) 으로 도입된 하나 이상의 가스들의 플로우 레이트를 가변시킴으로써 조정될 수도 있다.
도 5a는 인바운드 로드 록 (502) 및 아웃바운드 로드 록 (504) 을 갖는 멀티-스테이션 프로세싱 툴 (500) 의 실시 예의 개략도를 도시하고, 인바운드 로드 록 (502) 및 아웃바운드 로드 록 (504) 중 하나 또는 모두는 리모트 플라즈마 소스를 포함할 수도 있다. 대기압에서 로봇 (506) 은, 카세트로부터 포드 (pod) (508) 를 통해 인바운드 로드 록 (502) 으로 로딩된 웨이퍼들을 대기 포트 (510) 를 통해 이동시키도록 구성된다. 웨이퍼는 인바운드 로드 록 (502) 내의 페데스탈 (512) 상에 로봇 (506) 에 의해 배치되고, 대기 포트 (510) 는 폐쇄되고, 로드 록은 펌핑 다운된다 (pump down). 인바운드 로드 록 (502) 이 리모트 플라즈마 소스를 포함하면, 웨이퍼는 프로세싱 챔버 (514) 내로 도입되기 전에 로드 록 내에서 리모트 플라즈마 처리에 노출될 수도 있다. 또한, 웨이퍼는 또한 예를 들어, 수분 및 흡착된 가스들을 제거하기 위해 인바운드 로드 록 (502) 내에서 또한 가열될 수도 있다. 다음으로, 프로세싱 챔버 (514) 로의 챔버 이송 포트 (516) 가 개방되고, 또 다른 로봇 (미도시) 이 프로세싱을 위한 반응기 내에 도시된 제 1 스테이션의 페데스탈 상의 반응기 내로 웨이퍼를 배치한다. 도 5a에 도시된 실시 예는 로드 록들을 포함하지만, 일부 실시 예들에서, 프로세스 스테이션 내로 웨이퍼의 직접 진입이 제공될 수도 있다는 것이 인식될 것이다.
도시된 프로세싱 챔버 (514) 는 도 5a에 도시된 실시 예에서 1 내지 4로 번호가 붙여진, 4 개의 프로세스 스테이션들을 포함한다. 스테이션 각각은 가열된 페데스탈 (스테이션 1에 대해 (518) 로 도시됨), 및 가스 라인 유입구들을 갖는다. 일부 실시 예들에서, 프로세스 스테이션 각각이 상이한 목적들 또는 복수의 목적들을 가질 수도 있다는 것이 인식될 것이다. 도시된 프로세싱 챔버 (514) 는 4 개의 스테이션들을 포함하지만, 본 개시에 따른 프로세싱 챔버는 임의의 적합한 수의 스테이션들을 가질 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 일부 실시 예들에서, 프로세싱 챔버는 5 개 이상의 스테이션들을 가질 수도 있는 반면, 다른 실시 예들에서 프로세싱 챔버는 3 개 이하의 스테이션들을 가질 수도 있다.
도 5a는 또한 프로세싱 챔버 (514) 내에서 웨이퍼들을 이송하기 위한 웨이퍼 핸들링 시스템 (590) 의 실시 예를 도시한다. 일부 실시 예들에서, 웨이퍼 핸들링 시스템 (590) 은 다양한 프로세스 스테이션들 사이 그리고/또는 프로세스 스테이션과 로드 록 사이에서 웨이퍼들을 이송할 수도 있다. 임의의 적합한 웨이퍼 핸들링 시스템이 채용될 수도 있다는 것이 인식될 것이다. 비-제한적인 예들은 웨이퍼 캐로절들 (carousels) 및 웨이퍼 핸들링 로봇들을 포함한다. 도 5a는 또한 프로세스 툴 (500) 의 프로세스 조건들 및 하드웨어 상태들을 제어하도록 채용된 시스템 제어기 (550) 의 실시 예를 도시한다. 시스템 제어기 (550) 는 하나 이상의 메모리 디바이스들 (556), 하나 이상의 대용량 저장 디바이스들 (554), 및 하나 이상의 프로세서들 (552) 을 포함할 수도 있다. 프로세서 (552) 는 CPU 또는 컴퓨터, 아날로그 입력/출력 연결부 및/또는 디지털 입력/출력 연결부, 스텝퍼 모터 제어 보드들, 등을 포함할 수도 있다.
일부 실시 예들에서, 시스템 제어기 (550) 는 프로세스 툴 (500) 의 모든 액티비티들을 제어한다. 시스템 제어기 (550) 는 대용량 저장 디바이스 (554) 에 저장되고 메모리 디바이스 (556) 내로 로딩되어 프로세서 (552) 상에서 실행되는 시스템 제어 소프트웨어 (558) 를 실행한다. 시스템 제어 소프트웨어 (558) 는 타이밍, 가스의 혼합물, 챔버 및/또는 스테이션들로 가스들의 전달, 챔버 및/또는 스테이션 압력, 챔버 및/또는 스테이션 온도, 퍼지 조건들 및 타이밍, 웨이퍼 온도, RF 전력 레벨들, RF 주파수들, 기판 페데스탈, 척 및/또는 서셉터 (susceptor) 포지션, 및 프로세스 툴 (500) 에 의해서 수행된 특정한 프로세스의 다른 파라미터들을 포함할 수도 있다. 시스템 제어 소프트웨어 (558) 는 임의의 적합한 방식으로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 다양한 프로세스 툴 컴포넌트 서브루틴들 (subroutines) 또는 제어 객체들은 개시된 방법들에 따른 다양한 프로세스 툴 프로세스들을 수행하기 위해 필요한 프로세스 툴 컴포넌트들의 동작을 제어하도록 작성될 수도 있다. 시스템 제어 소프트웨어 (558) 는 임의의 적합한 컴퓨터 판독 가능 프로그래밍 언어로 코딩될 수도 있다.
다양한 실시 예들에서, 시스템 제어기 (550) 는 프로세싱 챔버 (514) 와 유체로 연통하는 고압 제한 스위치 (미도시) 와 연통한다. 프로세싱 챔버 (514) 내의 압력이 고압 제한 스위치의 한계를 초과한다면 그리고 초과할 때, 고압 제한 스위치는 작동시키고 시스템 제어기 (550) 로 신호를 전송한다. 이에 응답하여, 시스템 제어기 (550) 는 프로세싱 챔버 (514) 내로의 반응 물질들의 플로우를 중단하거나 그렇지 않으면 제한한다.
일부 실시 예들에서, 시스템 제어 소프트웨어 (558) 는 상기 기술된 다양한 파라미터들을 제어하기 위한 IOC (Input/Output Control) 시퀀싱 인스트럭션들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, PEALD 프로세스의 페이즈 각각은 시스템 제어기 (550) 에 의한 실행을 위한 하나 이상의 인스트럭션들을 포함할 수도 있다. PEALD 프로세스 페이즈에 대한 프로세스 조건들을 설정하기 위한 인스트럭션들은 대응하는 PEALD 레시피 페이즈에 포함될 수도 있다. 일부 실시 예들에서, PEALD 레시피 페이즈들은 PEALD 프로세스 페이즈에 대한 모든 인스트럭션들이 그 프로세스 페이즈와 동시에 실행되도록 순차적으로 배열될 수도 있다.
시스템 제어기 (550) 와 연관된 대용량 저장 디바이스 (554) 및/또는 메모리 디바이스 (556) 에 저장된 다른 컴퓨터 소프트웨어 및/또는 프로그램들이 일부 실시 예들에서 채용될 수도 있다. 이 목적을 위한 프로그램들 또는 프로그램들의 섹션들의 예들은 기판 포지셔닝 (positioning) 프로그램, 프로세스 가스 제어 프로그램, 압력 제어 프로그램, 히터 제어 프로그램, 및 플라즈마 제어 프로그램을 포함한다.
기판 포지셔닝 프로그램은 페데스탈 (518) 상에 기판을 로딩하고 기판과 프로세스 툴 (500) 의 다른 부분들 사이의 간격을 제어하도록 사용된 프로세스 툴 컴포넌트들에 대한 프로그램 코드를 포함할 수도 있다.
프로세스 가스 제어 프로그램은 가스 조성 및 플로우 레이트들을 제어하기 위한 코드 및 선택 가능하게 프로세스 스테이션 내 압력을 안정화시키기 위해 증착 전에 하나 이상의 프로세스 스테이션들 내로 가스를 흘리기 위한 코드를 포함할 수도 있다. 프로세스 가스 제어 프로그램은 임의의 개시된 범위들 내에서 가스 조성 및 플로우 레이트들을 제어하기 위한 코드를 포함할 수도 있다. 압력 제어 프로그램이 예를 들어, 프로세스 스테이션의 배기 시스템의 쓰로틀 밸브를 조절함으로써, 프로세스 스테이션 내 압력, 프로세스 스테이션 내로 가스 플로우, 등을 제어하기 위한 코드를 포함할 수도 있다. 압력 제어 프로그램은 임의의 개시된 압력 범위들 내에서 프로세스 스테이션의 압력을 유지하기 위한 코드를 포함할 수도 있다.
히터 제어 프로그램은 기판을 가열하는 데 사용되는 가열 유닛으로의 전류를 제어하기 위한 코드를 포함할 수도 있다. 대안적으로, 히터 제어 프로그램은 기판으로 (헬륨과 같은) 열 전달 가스의 전달을 제어할 수도 있다. 히터 제어 프로그램은 임의의 개시된 범위들 내에서 기판의 온도를 유지하기 위한 인스트럭션들을 포함할 수도 있다.
플라즈마 제어 프로그램은 예를 들어 본 명세서에 개시된 임의의 RF 전력 레벨들을 사용하여, 하나 이상의 프로세스 스테이션들에서 프로세스 전극들에 인가된 RF 전력 레벨들 및 주파수들을 설정하기 위한 코드를 포함할 수도 있다. 플라즈마 제어 프로그램은 또한 플라즈마 노출 각각의 지속 기간을 제어하기 위한 코드를 포함할 수도 있다.
일부 실시 예들에서, 시스템 제어기 (550) 와 연관된 사용자 인터페이스가 있을 수도 있다. 사용자 인터페이스는 디스플레이 스크린, 장치 및/또는 프로세스 조건들의 그래픽 소프트웨어 디스플레이들, 포인팅 디바이스들, 키보드들, 터치 스크린들, 마이크로폰들, 등과 같은 사용자 입력 디바이스들을 포함할 수도 있다.
일부 실시 예들에서, 시스템 제어기 (550) 에 의해 조정된 파라미터들은 프로세스 조건들에 관련될 수도 있다. 비-제한적인 예들은 프로세스 가스 조성 및 플로우 레이트들, 온도, 압력, (RF 전력 레벨들, 주파수, 및 노출 시간과 같은) 플라즈마 조건들, 등을 포함한다. 이들 파라미터들은 사용자 인터페이스를 활용하여 입력될 수도 있는 레시피의 형태로 사용자에게 제공될 수도 있다.
프로세스를 모니터링하기 위한 신호들은 다양한 프로세스 툴 센서들로부터 시스템 제어기 (550) 의 아날로그 입력 연결부 및/또는 디지털 입력 연결부에 의해 제공될 수도 있다. 프로세스를 제어하기 위한 신호들은 프로세스 툴 (500) 의 아날로그 출력 연결부 및 디지털 출력 연결부 상에 출력될 수도 있다. 모니터링될 수도 있는 프로세스 툴 센서들의 비-제한적인 예들은 질량 플로우 제어기들, (마노미터들과 같은) 압력 센서들, 열전대들 (thermocouples), 등을 포함한다. 적절하게 프로그래밍된 피드백 및 제어 알고리즘들이 프로세스 조건들을 유지하기 위해 이들 센서들로부터 데이터와 함께 사용될 수도 있다.
임의의 적합한 챔버가 개시된 실시 예들을 구현하는 데 사용될 수도 있다. 예시적인 증착 장치들은 이로 제한하는 것은 아니지만, California, Fremont 소재의 Lam Research Corp.로부터 각각 입수 가능한 ALTUSⓡ 제품군, VECTORⓡ 제품군, 및/또는 SPEEDⓡ 제품군으로부터의 장치, 또는 임의의 다양한 다른 상업적으로 입수 가능한 프로세싱 시스템들을 포함한다. 스테이션들 중 2개 이상이 동일한 기능들을 수행할 수도 있다. 유사하게, 2 개 이상의 스테이션들은 상이한 기능들을 수행할 수도 있다. 스테이션 각각은 목표된 바와 같이 특정한 기능/방법을 수행하도록 설계/구성될 수 있다.
일부 구현 예들에서, 시스템 제어기 (550) 는 상기 기술된 예들의 일부일 수도 있는, 시스템의 일부이다. 이러한 시스템들은, 프로세싱 툴 또는 툴들, 챔버 또는 챔버들, 프로세싱용 플랫폼 또는 플랫폼들 및/또는 특정 프로세싱 컴포넌트들 (웨이퍼 페데스탈, 가스 플로우 시스템, 등) 을 포함하는, 반도체 프로세싱 장비를 포함할 수 있다. 이들 시스템들은 반도체 웨이퍼 또는 기판의 프로세싱 이전에, 프로세싱 동안에, 그리고 프로세싱 이후에 그들의 동작을 제어하기 위한 전자 장치들과 통합될 수도 있다. 전자 장치는 시스템들 또는 시스템의 서브 파트들 또는 다양한 컴포넌트들을 제어할 수도 있는 "제어기 (controller)"로서 지칭될 수도 있다. 시스템 제어기 (550) 는, 시스템의 프로세싱 요건들 및/또는 타입에 따라서, 프로세싱 가스들의 전달, 온도 설정 (예를 들어, 가열 및/또는 냉각), 압력 설정, 진공 설정, 전력 설정, 일부 시스템들에서 RF (무선 주파수) 생성기 설정, RF 매칭 회로 설정, 주파수 설정, 플로우 레이트 설정, 유체 전달 설정, 포지션 및 동작 설정, 툴 및 다른 이송 툴들 및/또는 특정 시스템과 연결되거나 인터페이싱된 로드 록들 내외로의 웨이퍼 이송들을 포함하는, 본 명세서에 개시된 프로세스들 중 임의의 프로세스들을 제어하도록 프로그래밍될 수도 있다.
일반적으로 말하면, 제어기는 인스트럭션들을 수신하고, 인스트럭션들을 발행하고, 동작을 제어하고, 세정 동작들을 가능하게 하고, 엔드포인트 측정들을 가능하게 하는, 등을 하는 다양한 집적 회로들, 로직, 메모리 및/또는 소프트웨어를 갖는 전자 장치로서 규정될 수도 있다. 집적 회로들은 프로그램 인스트럭션들을 저장하는 펌웨어의 형태의 칩들, 디지털 신호 프로세서들 (DSPs), ASICs (Application Specific Integrated Circuits) 로서 규정되는 칩들 및/또는 프로그램 인스트럭션들 (예를 들어, 소프트웨어) 을 실행하는 하나 이상의 마이크로프로세서들, 또는 마이크로제어기들을 포함할 수도 있다. 프로그램 인스트럭션들은 반도체 웨이퍼 상에서 또는 반도체 웨이퍼에 대한 특정 프로세스를 수행하기 위한 동작 파라미터들을 규정하는, 다양한 개별 설정들 (또는 프로그램 파일들) 의 형태로 제어기와 통신하는 또는 시스템과 통신하는 인스트럭션들일 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 동작 파라미터들은 하나 이상의 층들, 재료들, 금속들, 옥사이드들, 실리콘, 실리콘 다이옥사이드, 표면들, 회로들 및/또는 웨이퍼의 다이들 (dies) 의 제조 동안에 하나 이상의 프로세싱 단계들을 달성하도록 프로세스 엔지니어들에 의해서 규정된 레시피의 일부일 수도 있다.
제어기는, 일부 구현 예들에서, 시스템과 통합되거나, 시스템에 커플링되거나, 그렇지 않으면 시스템에 네트워킹되거나, 또는 이들의 조합인 컴퓨터에 커플링되거나 이의 일부일 수도 있다. 예를 들어, 제어기는 웨이퍼 프로세싱의 원격 액세스를 가능하게 할 수 있는 팹 (fab) 호스트 컴퓨터 시스템의 전부 또는 일부이거나 "클라우드" 내에 있을 수도 있다. 컴퓨터는 제조 동작들의 현 진행을 모니터링하거나, 과거 제조 동작들의 이력을 조사하거나, 복수의 제조 동작들로부터 경향들 또는 성능 계측치들을 조사하거나, 현 프로세싱의 파라미터들을 변경하거나, 현 프로세싱을 따르는 프로세싱 단계들을 설정하거나, 새로운 프로세스를 시작하기 위해서, 시스템으로의 원격 액세스를 인에이블할 수도 있다. 일부 예들에서, 원격 컴퓨터 (예를 들어, 서버) 가 로컬 네트워크 또는 인터넷을 포함할 수도 있는, 네트워크를 통해 프로세스 레시피들을 시스템에 제공할 수 있다. 원격 컴퓨터는 차후에 원격 컴퓨터로부터 시스템으로 전달될 파라미터들 및/또는 설정들의 입력 또는 프로그래밍을 인에이블하는 사용자 인터페이스를 포함할 수도 있다. 일부 예들에서, 제어기는 하나 이상의 동작들 동안 수행될 프로세싱 단계들 각각에 대한 파라미터들을 특정하는, 데이터의 형태의 인스트럭션들을 수신한다. 파라미터들은 제어기가 제어하거나 인터페이싱하도록 구성되는 툴의 타입 및 수행될 프로세스의 타입에 특정적일 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서 상기 기술된 바와 같이, 제어기는 예컨대 본 명세서에 기술된 프로세스들 및 제어들과 같은, 공통 목적을 향해 함께 네트워킹되고 작동하는 하나 이상의 개별 제어기들을 포함함으로써 분산될 수도 있다. 이러한 목적들을 위한 분산형 제어기의 일 예는 챔버 상의 프로세스를 제어하도록 조합되는 원격으로 (예컨대 플랫폼 레벨에서 또는 원격 컴퓨터의 일부로서) 위치한 하나 이상의 집적 회로들과 통신하는 챔버 상의 하나 이상의 집적 회로들일 것이다.
비한정적으로, 예시적인 시스템들은 플라즈마 에칭 챔버 또는 모듈, 증착 챔버 또는 모듈, 스핀-린스 (spin-rinse) 챔버 또는 모듈, 금속 도금 챔버 또는 모듈, 세정 챔버 또는 모듈, 베벨 에지 에칭 챔버 또는 모듈, 물리적 기상 증착 (physical vapor deposition; PVD) 챔버 또는 모듈, 화학적 기상 증착 (chemical vapor deposition; CVD) 챔버 또는 모듈, 원자 층 증착 (atomic layer deposition; ALD) 챔버 또는 모듈, 원자 층 에칭 (atomic layer etch; ALE) 챔버 또는 모듈, 이온 주입 챔버 또는 모듈, 트랙 (track) 챔버 또는 모듈 및 반도체 웨이퍼들의 제작 및/또는 제작 시에 사용되거나 연관될 수도 있는 임의의 다른 반도체 프로세싱 시스템들을 포함할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 툴에 의해서 수행될 프로세스 단계 또는 단계들에 따라서, 제어기는, 반도체 제작 공장 내의 툴 위치들 및/또는 로드 포트들로부터/로드 포트들로 웨이퍼들의 컨테이너들을 이동시키는 재료 이송 시에 사용되는, 다른 툴 회로들 또는 모듈들, 다른 툴 컴포넌트들, 클러스터 툴들, 다른 툴 인터페이스들, 인접 툴들, 이웃하는 툴들, 공장 도처에 위치한 툴들, 메인 컴퓨터, 또 다른 제어기, 또는 툴들 중 하나 이상과 통신할 수도 있다.
도 5b는 도 5a에 도시된 것과 유사한 멀티-스테이션 프로세싱 툴의 또 다른 실시 예의 개략도를 도시한다. 프로세싱 장치 (500B) 는, 각각 특정한 프로세스 스테이션에서, 페데스탈과 같은 웨이퍼 홀더 내에 홀딩된 기판 상에서 프로세싱 동작들을 수행하도록 사용될 수도 있는, 복수의 제조 프로세스 스테이션들을 포함하는 집적 회로 제조 챔버 (563) 를 채용한다. 도 5b의 실시 예에서, 4 개의 프로세스 스테이션들 (541, 542, 543, 및 544) 을 갖는 집적 회로 제조 챔버 (563) 가 도시된다. 다른 유사한 멀티-스테이션 프로세싱 장치들은 구현 예, 그리고 예를 들어, 병렬 웨이퍼 프로세싱의 목표된 레벨, 사이즈/공간 제약들, 비용 제약들, 등에 따라 보다 많거나 보다 적은 프로세스 스테이션들을 가질 수도 있다. 또한, 웨이퍼 카세트 (도 5b에 미도시) 로부터 기판들을 로딩 포트 (580) 로부터 집적 회로 제조 챔버 (563) 내로, 그리고 프로세스 스테이션들 (541, 542, 543, 및 544) 중 하나 상으로 이동시키도록 구성된, 시스템 제어기 (591) 의 제어 하에 동작할 수도 있는 기판 핸들러 로봇 (575) 이 도 5b에 도시된다.
도 5b는 또한 프로세싱 장치 (500B) 의 프로세스 조건들 및 하드웨어 상태들을 제어하도록 채용된 시스템 제어기 (591) 의 실시 예를 도시한다. 시스템 제어기 (591) 는 하나 이상의 메모리 디바이스들, 하나 이상의 대용량 저장 디바이스들, 및 하나 이상의 프로세서들을 포함할 수도 있다. 시스템 제어기 (591) 는 도 5a의 시스템 제어기 (550) 와 관련하여 기술된 바와 같을 수도 있다.
특정한 실시 예들에서, RF 서브 시스템 (595) 은 RF 전력을 생성하고 무선 주파수 입력 포트들 (567) 을 통해 집적 회로 제조 챔버 (563) 로 RF 전력을 전달할 수도 있다. 특정한 실시 예들에서, 집적 회로 제조 챔버 (563) 는 무선 주파수 입력 포트들 (567) 에 더하여 입력 포트들 (도 5b에 도시되지 않은 부가적인 입력 포트들) 을 포함할 수도 있다. 따라서, 집적 회로 제조 챔버 (563) 는 8 개의 RF 입력 포트들을 활용할 수도 있다. 특정한 실시 예들에서, 집적 회로 제조 챔버 (563) 의 프로세스 스테이션들 (541 내지 544) 은 각각 제 1 입력 포트 및 제 2 입력 포트를 활용할 수도 있고, 제 1 입력 포트가 제 1 주파수를 갖는 신호를 전달할 수도 있고 제 2 입력 포트가 제 2 주파수를 갖는 신호를 전달할 수도 있다. 듀얼 주파수들의 사용은 향상된 플라즈마 특성들을 초래할 수도 있다. 본 명세서의 다양한 실시 예들에서, 기판은 플라즈마에 노출되지 않거나, 증착된 막을 어닐링하거나 달리 처리하기 위해 비-증착 플라즈마들에만 노출된다.
실험
발명자들은 본 명세서에 기술된 기법들이 고 쓰루풋에서 열적 기상-기반 증착 기법들을 사용하여 고품질 실리콘 옥사이드를 안전하게 증착하도록 사용될 수도 있다는 것을 증명했다. 특히, 개시된 기법들에 따라 상대적으로 보다 높은 압력 (예를 들어, 약 10 내지 40 Torr) 에서 형성된 실리콘 옥사이드 막들은 상대적으로 보다 낮은 압력 (예를 들어, 10 Torr 미만) 에서 증착된 유사한 (comparable) 막들보다 보다 낮은 습식 에칭 레이트 비를 나타낸다. 또한, 상대적으로 고압은 보다 짧은 프로세싱 시간들을 가능하게 하고, 따라서 쓰루풋을 증가시킨다. 습식 에칭 레이트 비를 개선/저하하는 기법들은 또한 쓰루풋을 감소시키는 경향이 있기 때문에, 보다 높은 프로세싱 압력으로의 변화가 이들 인자들 모두를 개선한다는 것은 예상치 못했다.
도 6 내지 도 8은 습식 에칭 레이트 비 (도 6 및 도 7) 에 대한 그리고 사이클 시간 (도 8) 에 대한 압력의 영향을 조사하는 실험 결과들을 도시한다. 압력은 반응이 개시될 (initiate) 때의 반응 챔버 내 압력을 지칭한다. 도 6 내지 도 8의 예들에서, 20 Torr 고압 제한 스위치가 사용되었다. 이와 같이, 이들 예들에서, 반응은 도면들에 도시된 바와 같이, 항상 약 20 Torr 이하의 챔버 압력에서 개시되었다. 습식 에칭 레이트 비는 표준 실리콘 옥사이드의 습식 에칭 레이트와 비교하여 (예를 들어, 리세스된 피처 내의) 증착된 재료의 습식 에칭 레이트를 지칭한다. 예를 들어, 조건들의 특정한 세트 하에서 표준 실리콘 옥사이드의 2 배만큼 빠르게 에칭하는 재료는 2의 습식 에칭 레이트 비를 갖는 것으로 이해된다. 유사하게, 조건들의 특정한 세트 하에서 표준 실리콘 옥사이드의 4 배만큼 빠르게 에칭하는 재료는 4의 습식 에칭 레이트 비를 갖는 것으로 이해된다. 보다 낮은 습식 에칭 레이트들 및 습식 에칭 레이트 비들은 보다 느린 에칭, 보다 높은 품질의 막을 나타낸다. 이와 같이, 실리콘 옥사이드 갭 충진의 맥락에서, 습식 에칭 레이트는 상대적으로 낮은 것, 그리고 습식 에칭 레이트 비는 1에 가까운 것이 일반적으로 바람직하다.
도 6은 BTBAS (예를 들어, 비스(t-부틸아미노)실란) 를 사용하여 약 550 ℃에서 발생한 실리콘 옥사이드 증착들과 관련된 결과들을 제공한다. 도 7은 3DMAS (예를 들어, 트리스(디메틸아미노)실란) 를 사용하여 약 650 ℃에서 발생한 실리콘 옥사이드 증착들과 관련된 결과들을 나타낸다. 두 경우 모두에서, 반응들이 열적 ALD 기법들을 통해 발생했다. 도 6 및 도 7의 결과들은 10 내지 20 Torr의 범위에서, 증가된 압력이 보다 낮은 습식 에칭 레이트 비들을 야기한다는 것을 도시한다. 즉, 증가된 압력은 보다 높은 품질의 실리콘 옥사이드 막들을 발생시켰다.
도 8은 사이클 시간에 대한 압력의 영향을 도시하는 결과들을 나타낸다. 10 내지 20 Torr의 범위에서, 증가된 압력은 감소된 사이클 시간을 야기했다. 사이클 시간은 쓰루풋에 반비례하기 때문에, 보다 높은 압력들에서 감소된 사이클 시간은 보다 높은 쓰루풋에 대응한다.
그러나 도 6 내지 도 8은 약 10 내지 20 Torr의 범위로 제한되고, 이러한 경향들은 보다 높은 압력들에서 계속된다고 여겨진다. 그러나, 반응이 안전하게 수행될 수 있다는 것을 보장하기 위해, 반응 챔버 내의 압력은 약 1 대기압/760 Torr 이상으로 상승되게 하지 않아야 한다. 반응 챔버가 약 40 Torr 이하의 압력일 동안 반응이 개시된다면, 수소와 산소-함유 반응 물질 사이의 반응으로부터 발생하는 모든 압력 상승은 1 대기압/760 Torr 제한 이하로 유지되도록 충분히 작을 것이라고 여겨진다.
도 9는 상이한 인-피처 (in-feature) 깊이들에서 습식 에칭 레이트 (WER) 에 대한 상이한 타입들의 증착 프로세스들의 영향을 조사하는 실험 결과들을 제공한다. 2 개의 상이한 열적 ALD 프로세스들은 한 프로세스가 10 Torr에서 그리고 다른 한 프로세스가 20 Torr에서 조사되었다. 열적 ALD 프로세스들 모두는 전체 피처 깊이에 걸쳐 상대적으로 일정한 습식 에칭 레이트를 발생시켰고, 이는 바람직하다. 20 Torr에서 증착된 막은 10 Torr에서 증착된 막과 비교하여 실질적으로 보다 낮은 습식 에칭 레이트를 나타냈다. 이들 결과들은 막 품질이 보다 높은 증착 압력들에 의해 개선된다는 것을 암시한다. 도 9는 또한 6 Torr에서 수행된 플라즈마 강화된 ALD 프로세스에 대한 결과들을 제공한다. 이 경우, 습식 에칭 레이트는 피처의 상단 근방에서 보다 낮은 습식 에칭 레이트 및 피처의 하단 근방에서 보다 높은 습식 에칭 레이트로 불균일하다. 이 불균일성은 피처의 상단 근방에서 막을 선택적으로 치밀화하는 피처의 상단 근방에서 상대적으로 보다 큰 이온 충돌의 결과인 것으로 여겨진다. 일반적으로, 이 불균일성은 바람직하지 않다.
결론
전술한 실시 예들이 이해의 명확성의 목적들을 위해 다소 상세히 기술되었지만, 특정한 변화들 및 수정들이 첨부된 청구항들의 범위 내에서 실시될 수도 있다는 것이 자명할 것이다. 본 실시 예들의 프로세스들, 시스템들 및 장치를 구현하는 많은 대안적인 방식들이 있다는 것을 주의해야 한다. 따라서, 본 실시 예들은 예시적이고, 제한적이지 않은 것으로 간주될 것이며, 실시 예들은 본 명세서에 주어진 상세들로 제한되지 않을 것이다.
Claims (19)
- 열적 원자 층 증착 (atomic layer deposition) 또는 열적 화학적 기상 증착 (thermal chemical vapor deposition) 을 사용하여 기판 상에 실리콘 옥사이드를 증착하는 방법에 있어서,
a. 반응 챔버 내에 기판을 수용하는 단계;
b. 제 1 반응 물질의 제 1 플로우를 상기 반응 챔버 내로 도입하고 그리고 상기 기판을 상기 제 1 반응 물질에 노출시키는 단계로서, 상기 제 1 반응 물질은 실리콘-함유 반응 물질을 포함하는, 상기 제 1 반응 물질 도입 및 노출 단계; 및
c. 상기 제 1 반응 물질과 제 2 반응 물질 사이의 반응을 유발하도록 상기 제 2 반응 물질의 제 2 플로우를 상기 반응 챔버 내로 도입하는 단계를 포함하고,
i. 상기 제 2 반응 물질은 수소 (H2) 및 산소-함유 반응 물질을 포함하고,
ii. 상기 반응은 상기 기판 상에 실리콘 옥사이드를 증착하고, 그리고
iii. 상기 반응은 상기 반응 챔버 내의 압력이 10 Torr 초과이고 약 40 Torr 이하일 때 개시되는 (initiate), 실리콘 옥사이드 증착 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 단계 (b) 및 상기 단계 (c) 는 상이한 시간들에 발생하고, 그리고 상기 실리콘 옥사이드는 열적 원자 층 증착을 통해 증착되는, 실리콘 옥사이드 증착 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 단계 (b) 및 상기 단계 (c) 는 동시에 발생하고, 그리고 상기 실리콘 옥사이드는 열적 화학적 기상 증착을 통해 증착되는, 실리콘 옥사이드 증착 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 반응은 상기 반응 챔버 내의 상기 압력이 10 Torr 초과이고 약 20 Torr 이하일 때 개시되는, 실리콘 옥사이드 증착 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 반응은 상기 반응 챔버 내의 상기 압력이 10 Torr 초과이고 약 30 Torr 이하일 때 개시되는, 실리콘 옥사이드 증착 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 수소 및 산소-함유 반응 물질은 상기 반응 챔버 내로 동시에 흐르는, 실리콘 옥사이드 증착 방법. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
고압 제한 스위치 (high-pressure limit switch) 는 상기 반응 챔버와 유체로 연통하고 (in fluidic communication), 그리고 상기 고압 제한 스위치는 최대 압력에서 작동시키도록 (trip) 구성되는, 실리콘 옥사이드 증착 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 최대 압력은 약 40 Torr 이하인, 실리콘 옥사이드 증착 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 최대 압력은 약 30 Torr 이하인, 실리콘 옥사이드 증착 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 최대 압력은 약 20 Torr 이하인, 실리콘 옥사이드 증착 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 반응이 개시된 후, 상기 반응 챔버 내 상기 압력은 적어도 상기 최대 압력으로 상승하여, 이에 따라 상기 고압 제한 스위치로 하여금 작동되게 하고, 상기 방법은,
상기 고압 제한 스위치를 작동시킨 결과로서 상기 제 2 반응 물질의 상기 제 2 플로우를 중지시키거나 감소시키는 단계를 포함하는, 실리콘 옥사이드 증착 방법. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산소-함유 반응 물질은 산소 (O2), 오존 (O3), 과산화수소 (H2O2), 물 (H2O), 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 반응 물질을 포함하는, 실리콘 옥사이드 증착 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 산소-함유 반응 물질은 산소 (O2) 를 포함하는, 실리콘 옥사이드 막 증착 방법. - 열적 원자 층 증착 또는 열적 화학적 기상 증착을 사용하여 기판 상에 실리콘 옥사이드를 증착하기 위한 장치에 있어서,
a. 반응 챔버;
b. 반응 물질들을 상기 반응 챔버로 도입하도록 구성된 유입구;
c. 상기 반응 챔버로부터 재료들을 제거하도록 구성된 유출구;
d. 증착 동안 상기 기판을 지지하도록 구성된 기판 지지부;
e. 상기 반응 챔버와 유체로 연통하는 고압 제한 스위치로서, 상기 고압 제한 스위치는 상기 반응 챔버 내 압력이 최대 압력을 초과하면 작동시키도록 구성되고, 상기 최대 압력은 적어도 10 Torr이고 약 40 Torr 이하인, 상기 고압 제한 스위치; 및
f. 적어도 하나의 프로세서 및 메모리를 갖는 제어기를 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서 및 상기 메모리는 서로 통신 가능하게 연결되고, 그리고 상기 메모리는 상기 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 유발하도록 상기 적어도 하나의 프로세서를 제어하기 위한 컴퓨터-실행 가능 (computer-executable) 인스트럭션들을 저장하는, 실리콘 옥사이드 증착 장치. - 열적 원자 층 증착 또는 열적 화학적 기상 증착을 사용하여 기판 상에 실리콘 옥사이드를 증착하기 위한 장치에 있어서,
a. 반응 챔버;
b. 반응 물질들을 상기 반응 챔버로 도입하도록 구성된 유입구;
c. 상기 반응 챔버로부터 재료들을 제거하도록 구성된 유출구;
d. 증착 동안 상기 기판을 지지하도록 구성된 기판 지지부;
e. 상기 반응 챔버와 유체로 연통하는 고압 제한 스위치로서, 상기 고압 제한 스위치는 상기 반응 챔버 내 압력이 최대 압력을 초과하면 작동시키도록 구성되고, 상기 최대 압력은 적어도 10 Torr이고 약 40 Torr 이하인, 상기 고압 제한 스위치; 및
f. 적어도 하나의 프로세서 및 메모리를 갖는 제어기를 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서 및 상기 메모리는 서로 통신 가능하게 연결되고, 그리고 상기 메모리는,
i. 상기 반응 챔버 내에 기판을 수용하는 동작;
ii. 제 1 반응 물질의 제 1 플로우를 상기 반응 챔버 내로 도입하고 그리고 상기 기판을 상기 제 1 반응 물질에 노출시키는 동작으로서, 상기 제 1 반응 물질은 실리콘-함유 반응 물질을 포함하는, 상기 제 1 반응 물질 도입 및 노출 동작; 및
iii. 상기 제 1 반응 물질과 제 2 반응 물질 사이의 반응을 유발하도록 상기 제 2 반응 물질의 제 2 플로우를 상기 반응 챔버 내로 도입하는 동작을 유발하도록 상기 적어도 하나의 프로세서를 제어하기 위한 컴퓨터-실행 가능 인스트럭션들을 저장하고,
1. 상기 제 2 반응 물질은 수소 (H2) 및 산소-함유 반응 물질을 포함하고,
2. 상기 반응은 상기 기판 상에 실리콘 옥사이드를 증착하고, 그리고
3. 상기 반응은 상기 반응 챔버 내의 압력이 10 Torr 초과이고 약 40 Torr 이하일 때 개시되는, 실리콘 옥사이드 증착 장치. - 제 15 항에 있어서,
상기 고압 제한 스위치의 상기 최대 압력은 약 30 Torr 이하인, 실리콘 옥사이드 증착 장치. - 제 16 항에 있어서,
상기 고압 제한 스위치의 상기 최대 압력은 약 20 Torr 이하인, 실리콘 옥사이드 증착 장치. - 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 장치는 상기 수소 및 산소-함유 반응 물질이 상기 반응 챔버로 동시에 도입되게끔 상기 제 2 반응 물질을 흘리도록 구성되는, 실리콘 옥사이드 증착 장치. - 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 고압 제한 스위치를 작동시킨 결과로서 상기 제 2 반응 물질의 상기 제 2 플로우를 중단시키거나 감소시키도록 구성되는, 실리콘 옥사이드 증착 장치.
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