KR100450979B1

KR100450979B1 - 플라즈마 진단용 웨이퍼 제조 방법

Info

Publication number: KR100450979B1
Application number: KR10-2002-0024215A
Authority: KR
Inventors: 강대환
Original assignee: 강대환
Priority date: 2002-05-02
Filing date: 2002-05-02
Publication date: 2004-10-02
Also published as: KR20030085912A

Abstract

본 발명은 플라즈마를 진단하는 웨이퍼 장치에 관한 것으로 반도체 소자 제조 혹은 평판 디스플레이 제조 공정에 이용되는 대면적 플라즈마의 제어를 위해 플라즈마 변수 (전자 밀도, 전자 에너지, 이온 밀도, 이온 에너지, 이온 전류, 플라즈마 전위 등)를 실시간으로 분석 가능한 실리콘 혹은 유리 웨이퍼를 구성하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 실리콘 혹은 유리 기판 위에 이온 콜렉터용 금속 박막을 형성하는 단계, 층간 절연막과 2차 전자 제거용 그리드 박막을 형성하는 단계, 그 위에 층간 절연막과 이온 분리용 금속 그리드 박막을 형성하는 단계, 그리고 다시 층간 절연막과 최상부 금속 그리드 박막을 형성하는 단계, 마지막으로 습식 식각법으로 층간 절연막을 선택적으로 제거함으로써 플라즈마 진단용 실리콘 혹은 유리 웨이퍼를 구성한다. 이러한 플라즈마 진단용 웨이퍼는 반도체 소자 혹은 평판 디스플레이 소자 생산 라인에서 실시간으로 플라즈마를 진단하여 공정 제어 함으로써 생산성과 수율을 향상시키는 것이 가능하다.

Description

플라즈마 진단용 웨이퍼 제조 방법{METHOD FOR FABRICATING PLASMA DIAGNOSTIC WAFER}

본 발명은 반도체 소자 혹은 LCD(Liquid Crystal Display)와 PDP(Plasma Display Panel)과 같은 평판 디스플레이 (FPD ; Flat Panel Display) 제조 공정에 이용되는 대면적 플라즈마 원을 개발하거나 생산 라인에서 실시간으로 플라즈마 상태를 진단, 제어하여 생산성과 웨이퍼 수율을 향상시키기 위해 필요한 플라즈마 진단 장치에 관한 것으로서, 특히 이온 에너지 분석장치 및 이온 전류 분석 장치와 같은 진단장치를 별도로 구비하지 않고 포토, 식각 등의 반도체 처리공정을 이용하여 실리콘 또는 유리 웨이퍼에 형성시키는 구성을 갖는 플라즈마 진단용 웨이퍼 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 이온화 가스, 플라즈마는 반도체 장치의 프로세싱 및 제조 시에 사용된다. 상기 플라즈마는 반도체 집적 회로 웨이퍼로부터 재료를 에치(etch)하거나 제거하고, 반도체의 전도 또는 절연 표면상으로 재료를 스퍼터(sputter)하거나 증착시키는데 사용할 수 있다. 재료의 제작 또는 제조 공정에서 사용하기 위한 플라즈마 생성은 통상적으로 가스가 집적 회로 기판과 같은 작업편(workpiece)과 접하는 플라즈마 리액터(reactor)내의 챔버로 다양한 공정 가스(process gas)를도입함으로써 진행된다. 상기 챔버내의 가스 분자는 외부 전원으로부터 플라즈마 챔버내로 공급된 DC 전압, RF 혹은 Microwave 신호에 의해 플라즈마로 이온화되는 것이다.

이때, 상기 공정중의 플라즈마 이온을 진단하기 위하여 이온 에너지 분석기(ion energy analyzer)와 이온 전류 분석기(ion current analyzer)를 플라즈마 챔버의 원하는 위치에 위치시켜 사용하여 왔다.

도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 플라즈마 이온 에너지 분석 장치를 도시한 구성도로써, 이온 콜렉터용 금속판(11), 2차 전자 제거용 금속 그리드(13), 이온 분리용 금속 그리드(14), 최상부 금속 그리드(15) 그리고 이들을 절연 시켜주는 절연체(12)로 구성된다. 이러한 장치를 진단하고자 하는 플라즈마 내부로 장입하여 특정 위치에 고정시킨 다음, 이온 콜렉터용 금속판(11)에 일정한 음의 전압을 가하고 동시에 이온 분리용 금속 그리드(14)에 0으로부터 양의 전압을 증가시키면서 이온 콜렉터용 금속판(11)에 흐르는 이온 전류를 측정한다.

이 장치로 플라즈마 내의 이온 에너지를 알아내는 간단한 원리는 다음과 같다.

우선 외부로부터 절연 상태인 최상부 금속 그리드(15)는 플라즈마 내부에서 음의 절연 전위(floating potential)를 갖게 되므로 대부분의 플라즈마 전자들을 반사하고 이온들만 통과시킨다. 통과된 이온들은 이온 분리용 금속 그리드(14)에 걸어주는 양의 가변 전압에 따른 전위 언덕(potential hill)을 만나는데, 이 전위 언덕을 넘을 수 있는 에너지를 가진 이온만이 고정된 음의 전위를 갖는 이온 콜렉터용 금속판(11)에 도달하므로 플라즈마 내의 이온이 갖는 전위 즉 에너지를 알 수 있는 것이다. 한편, 측정하고자 하는 플라즈마 이온의 에너지가 큰 경우에는 이온 콜렉터용 금속판(11)에 도달하는 이온들의 충돌로 인한 2차 전자의 방출을 억제하기 위해 2차 전자 제거용 금속 그리드(13)에 이온 콜렉터용 금속판(11)보다 더 큰 음의 전압을 가해준다.

최근 들어 Sub-quarter micron 이하의 고밀도 DRAM (Dynamic Random Access Memory) 소자나 TFT-LCD (Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display) 그리고 PDP (Plasma Display Panel) 평판 디스플레이 소자 제조 공정에서 생산성과 수율 향상을 위해 고밀도 대면적 플라즈마에 대한 제어가 요구되는 실정이다. 그러나, 위와 같은 종래의 플라즈마 이온 에너지 진단 장치는 일반적으로 플라즈마 내의 특정 위치에서만 진단이 가능하고, 수십 ~ 수백 mm이상의 비교적 큰 높이와 폭으로 인해 생산 라인의 대면적 플라즈마 공정 제어용으로는 응용하기가 힘든 문제점이 발생하게 되었다.

이를 해결하기 위하여 미합중국에서 1994년 10월 31일 출원한 미국 특허번호 제 5,451,784(Loewenhardt외)호에는 플라시보 웨이퍼(placebo wafer)상에 콜렉터(collectro) 및 각각의 그리드(secondary electron repelling grid, discriminator grid, floating grid)와 절연체를 에폭시 수지 등을 사용하여 물리적으로 적층시키는 이온 진단 장치를 방사선 형태로 부착함으로써 플라즈마 내 여러 위치에서 동시에 플라즈마 이온을 진단하는 방법을 고안하였지만, 여전히 진단 장치의 높이가 100~150 mm로 반도체 소자 혹은 평판 디스플레이 생산 라인에서 직접 응용하기 힘든 문제점이 발생하게 되었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 종래의 분석 장치 구성 요소인 이온 콜렉터용 금속과 이온 분리용 금속 그리드 그리고 최상부 금속 그리드를 종래의 크기보다 훨씬 작은 수 ㎛ 이내의 박막 (thin film) 형태로 된 박막형 이온 에너지 및 전류 분석 장치를 여러 위치에 구성한 실리콘 혹은 유리 웨이퍼를 제작하여, 대면적 플라즈마에 대한 실시간 진단을 가능하게 함으로써 반도체 소자 혹은 평판 디스플레이 소자 생산 공정에 활용하고자 하는 플라즈마 진단용 웨이퍼 제조 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 플라즈마 이온 에너지 분석 장치를 도시한 구성도.

도 2a 내지 도 2i는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이온 에너지 분석 장치와 이온 전류 분석 장치가 형성되는 플라즈마 진단용 웨이퍼의 제조 공정 단계를 각각 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 도 2a 내지 도 2i의 공정에 의해 제조된 다수의 이온 에너지 분석 장치와 이온 전류 분석 장치가 배열된 8인치 대면적 플라즈마 진단용 웨이퍼를 도시한 평면도.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

21: 실리콘 또는 유리 기판 22: 자연 실리콘 산화막

23: 실리콘 질화막 또는 산화막 24: 이온 콜렉터용 금속 박막

25, 27, 29: 실리콘 산화막

26: 2차 전자 제거용 금속 그리드 박막

28: 이온 분리용 금속 그리드 박막 30: 최상부 금속 그리드 박막

31: 실리콘 질화막 100: 이온 에너지 분석 장치

200: 이온 전류 분석 장치

상기의 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 잘 알려진 반도체 제조 공정 기술인 포토(photo lithography) 및 식각 공정(etching), 물리적 기상 증착법 (PVD), 혹은 화학 기상 증착법(CVD)등을 활용하여 실리콘 혹은 유리 웨이퍼 기판 여러 위치에 플라즈마 이온 에너지와 이온 전류를 측정하기 위한 구성 요소인 이온 콜렉터용 금속과 이온 분리용 금속 그리드, 그리고 최상부 금속 그리드를 수 ㎛ 박막 형태로 구성하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참고로 하여 자세하게 설명하면 다음과 같다. 도 2a 내지 도 2i는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이온 에너지 분석장치와 이온 전류 분석 장치가 형성되는 플라즈마 진단용 웨이퍼의 제조 공정 단계를 각각 도시한 도면이다.

도 2a를 참조하면, 실리콘 혹은 유리 웨이퍼 기판(21)위에 산화 공정을 통해 자연실리콘 산화막(native silicon oxide)(22)을 5 ~ 100 nm 두께로 성장시킨 다음, 화학 기상 증착법으로 실리콘 질화막 혹은 실리콘 산화막(23)을 0.01 내지 100㎛ 두께로 도포한다. 상기 실리콘 질화막 혹은 실리콘 산화막(23)위에 물리적 혹은 화학적 기상 증착법으로 열적 안정성과 전기적 전도도가 우수한 금속 물질인 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni) 혹은 타이타늄 질화물(TiN)을 0.01 내지 100㎛ 두께로 도포한다. 이어서 포토 및 식각 공정을 통해 10 ×10 ㎛²이상의 면적을 갖는 이온 콜렉터용 금속 박막(24)을 형성한다.

상기에서 실리콘 질화막 혹은 산화막(23)은 웨이퍼 기판(21)과 이온 콜렉터용 금속 박막(24)을 전기적으로 절연 시켜주는 역할을 한다.

도 2b를 참조하면, 화학 기상 증착법으로 실리콘 산화막(25)을 0.01 내지 100㎛ 두께로 도포한다.

도 2c를 참조하면, 물리적 혹은 화학적 기상 증착법으로 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni) 혹은 타이타늄 질화물(TiN)을 0.01 내지 100㎛ 두께로 도포한다. 이어서 포토 및 식각 공정을 통해 10 ×10 ㎛²이상의 면적을 갖고 동시에 10 ×10 nm²이상 크기의 구멍(aperture)들이 일정한 간격을 두고 배치된 2차 전자 제거용 금속 그리드 박막(26)을 형성한다.

도 2d를 참조하면, 화학 기상 증착법으로 다시 실리콘 산화막(27)을 0.01 내지 100㎛ 두께로 전면 도포한다.

도 2e를 참조하면, 물리적 혹은 화학적 기상 증착법으로 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni) 혹은 타이타늄 질화물(TiN)을 0.01 내지 100㎛ 두께로 도포한다. 이어서 포토 및 식각 공정을 통해 10 ×10 ㎛²이상의 면적을 갖고 동시에10 ×10 nm²이상 크기의 구멍들이 일정한 간격을 두고 배치된 이온 분리용 금속 그리드 박막(28)을 형성한다.

도 2f를 참조하면, 화학 기상 증착법으로 다시 실리콘 산화막(29)을 0.01 내지 100㎛ 두께로 전면 도포한다.

도 2g를 참조하면, 물리적 혹은 화학적 기상 증착법으로 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni) 혹은 타이타늄 질화물(TiN)을 0.01 내지 100㎛ 두께로 도포한다. 이어서 포토 및 식각 공정을 통해 10 ×10 ㎛²이상의 면적을 갖고 동시에 10 ×10 nm²이상 크기의 구멍들이 0.01 내지 100㎛ 사이의 일정한 간격을 두고 배치된 최상부 금속 그리드 박막(30)을 형성한다.

도 2h를 참조하면, 화학 기상 증착법으로 실리콘 질화막을 0.01 내지 100㎛ 두께로 도포하고 포토 및 식각 공정을 통해서 최상부 금속 그리드 박막(30)이 있는 부분을 제외한 하부 층들을 덮는 보호용 실리콘 질화막(31)을 형성한다.

도 2i를 참조하면, 비방향성 특성을 갖는 습식 식각 공정을 통해서 실리콘질화막(31)으로 덮이지 않은 부분과 세 개의 금속 그리드 (26,28,30)사이의 실리콘 산화막(25,27,29)만을 선택적으로 제거한다.

이때, 상기 각 금속 그리드 박막 사이에 개제된 실리콘 산화막(25, 27, 29)는 BOE(Buffered Oxide Etchant, NH₂F + HF) 또는 희석 처리된 HF(Diluted HF) 용액에 의해서 선택적으로 제거될 수 있다.

따라서, 도 2i의 왼쪽에 형성된 이온 에너지 분석 장치 구조에서 최상부 금속 그리드 박막(30)은 절연, 접지 혹은 기판과 같은 전위를 갖게 유지하고 이온 콜렉터용 금속 박막(24)에는 일정한 음의 전압을 가한 상태에서, 이온 분리용 금속 그리드 박막(28)에 0V 에서 1000V 까지 전압을 변화시키면서 이온 콜렉터용 금속 박막(24)에 흐르는 이온 전류를 분석함으로써 플라즈마 이온 에너지를 분석한다.

또한, 도 2i의 이온 에너지 분석 장치(100)의 일측(도 2i의 오른쪽)에는 습식 식각 공정을 통해서 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막을 이온 콜렉터용 금속 박막(24')까지 제거시킨다. 이때, 이 부분에는 각각의 그리드, 즉 2차 전자 제거용 금속 그리드 박막(26), 이온 분리용 금속 그리드 박막(28) 및 최상부 금속 그리드 박막(30)은 형성되지 않게 되며, 상기 이온 콜렉터용 금속 박막(24')은 이온 전류를 측정하는 이온 전류 분석 장치(200)로 작용하게 된다.

또한, 상기 이온 에너지 분석장치(100)와 이온 전류 분석장치(200)에 사용되는 콜렉터용 금속 박막(24, 24')은 서로 전기적으로 절연된 상태를 유지하게 되며, 실제적으로는 서로 개별적인 전압을 인가시키게 되는 것이다. 따라서, 실제 플라즈마 공정시, 상기 전도성 이온 콜렉터용 금속 박막(24')에 플라즈마 이온이 충돌되므로써 이온 전류를 측정할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 도 2a 내지 도 2i의 공정에 의해 제조된 다수의 이온 에너지 분석 장치와 이온 전류 분석 장치가 배열된 8인치 대면적 플라즈마 진단용 웨이퍼를 도시한 평면도로써, 상술한 이온 에너지 분석 장치(100)와 이온 전류 분석 장치(200)의 구조를 실리콘 내지 유리 웨이퍼 기판 위 원하는 위치에 방사형 형태로 동시에 다수 개 형성함으로써 웨이퍼 기판의 중심으로부터 가장자리 사이의 플라즈마 이온 에너지와 이온 전류를 동시에 진단하는 대면적 플라즈마 진단용 웨이퍼를 구성할 수 있게 된다.

한편, 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여질 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.

본 발명에 의한 대면적 플라즈마 진단용 실리콘 혹은 유리 웨이퍼는 DRAM 반도체 소자 혹은 TFT-LCD 그리고 PDP 평판 디스플레이 소자 제작 공정시 이용되는 대면적 플라즈마를 실시간으로 진단하여 주로 플라즈마 불균일에서 발생하는 웨이퍼 가장자리의 불량률을 최소화하고 플라즈마 발생 외부 변수인 가스, 압력, 외부 전원에 따른 변화를 직접적으로 제어함으로써 플라즈마 상태를 최적화하여 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

실리콘 또는 유리 웨이퍼와 같은 반도체 제조용 웨이퍼 기판상에 적어도 한 쌍의 이온 에너지 분석 장치와 이온 전류 분석 장치를 반도체 처리 공정을 이용하여 동시에 형성함을 특징으로 하는 플라즈마 진단용 웨이퍼 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 이온 에너지 분석 장치는,

상기 실리콘 또는 유리 웨이퍼상에 자연 실리콘 산화막을 일정 두께로 성장시키고, 실리콘 질화막을 전면 도포하고 이온 콜렉터용 금속 박막을 형성하는 단계;

상기 이온 콜렉터용 금속 박막을 덮는 실리콘 산화막과, 그 위에 이온 분리용 금속 그리드 박막을 형성하는 단계;

상기 이온 분리용 금속 그리드 박막을 덮는 실리콘 산화막과, 그 위에 최상부 금속 그리드 박막을 형성하는 단계;

상기 최상부 금속 그리드 박막의 구멍이 있는 부분을 제외한 하부 구조를 모두 덮는 보호용 실리콘 질화막을 형성하는 단계; 및,

습식 식각 공정에 의하여 상기 이온 분리용 금속 그리드 박막과 최상부 금속 그리드 박막의 구멍을 통하여 상기 이온 콜렉터용 금속 그리드 박막까지 실리콘 산화막만을 선택적으로 제거하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 플라즈마 진단용 웨이퍼 제조 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 이온 콜렉터용 금속 박막과 이온 분리용 금속 그리드 박막의 사이에는 2차 전자 제거용 금속 그리드 박막을 형성하고, 그 상 하부에는 실리콘 산화막에 의해 절연되도록 하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 플라즈마 진단용 웨이퍼 제조 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 이온 전류 분석 장치는 상기 이온 에너지 분석장치의 일측에 어셈블리로 형성되며, 상기 이온 콜렉터용 금속 박막이 형성될 때, 일측에 별도로 다른 금속 박막이 형성되고, 최종적으로 상기 별도의 금속 박막의 상부면이 외부에 완전히 노출되도록 함을 특징으로 하는 플라즈마 진단용 웨이퍼 제조 방법.
제 4 항에 있어서,

상기 이온 에너지 분석 장치의 이온 콜렉터용 금속 박막과 이온 전류 분석장치의 별도의 다른 금속 박막은 개별적으로 전압이 인가됨을 특징으로 하는 플라즈마 진단용 웨이퍼 제조 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 자연 실리콘 산화막은 건식 혹은 습식 산화 공정을 통해서 5 ~ 100nm의 두께로 형성함을 특징으로 하는 플라즈마 진단용 웨이퍼 제조 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 이온 콜렉터용 금속 박막의 하부와, 최상부 금속 그리드 박막의 상부에 각각 위치한 실리콘 질화막은 화학 기상 증착법으로 형성함을 특징으로 하는 플라즈마 진단용 웨이퍼 제조 방법.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 이온 콜렉터용 금속 박막, 이온 분리용 금속 그라드 박막, 최상부 금속 그리드 박막 및 2차 전자 제거용 금속 그리드 박막은 화학적 혹은 물리적 기상 증착법을 이용하여 열적, 화학적 안정성과 전기적 전도도가 우수한 금속 물질인 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni) 혹은 타이타늄 질화물(TiN)로 형성함을 특징으로하는 플라즈마 진단용 웨이퍼 제조 방법.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 이온 콜렉터용 금속 박막의 하부에 적층된 실리콘 질화막 혹은 산화막은 웨이퍼 기판과 이온 콜렉터용 금속 박막을 전기적으로 절연시키며, 실리콘 산화막은 이온 콜렉터용 금속 박막, 이온 분리용 금속 그리드 박막, 최상부 금속 그리드 박막 및 2차 전자 제거용 금속 그리드 박막을 서로 전기적으로 절연시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단용 웨이퍼 제조 방법.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 이온 콜렉터용 금속 박막, 이온 분리용 금속 그리드 박막, 최상부 금속 그리드 박막 및 2차 전자 제거용 금속 그리드 박막은 0.01 ~ 100㎛의 두께를 가짐을 특징으로 하는 플라즈마 진단용 웨이퍼 제조 방법.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 이온 콜렉터용 금속 박막, 이온 분리용 금속 그리드 박막, 최상부 금속그리드 박막 및 2차 전자 제거용 금속 그리드 박막은 10 ×10 ㎛²이상의 면적을 가짐을 특징으로 하는 플라즈마 진단용 웨이퍼 제조 방법.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 이온 분리용 금속 그리드 박막, 최상부 금속 그리드 박막 및 2차 전자 제거용 금속 그리드 박막은 0.01 내지 100㎛의 일정 간격을 두고 10 ×10 nm²이상 크기의 구멍을 가짐을 특징으로 하는 플라즈마 진단용 웨이퍼 제조 방법.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 각 금속 그리드 박막 사이에 개제된 실리콘 산화막은 BOE(Buffered Oxide Etchant, NH₂F + HF) 또는 희석 처리된 HF(Diluted HF) 용액에 의해서 선택적으로 제거됨을 특징으로 하는 플라즈마 진단용 웨이퍼 제조 방법.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

플라즈마 이온 진단시, 최상부 금속 그리드 박막은 절연, 접지 또는 기판과 같은 전위 상태를 유지하고, 이온 콜렉터용 금속 박막에는 일정한 음의 전압을 가한 상태에서, 이온 분리용 금속 그리드 박막에 0에서 1000V까지 전압을 변화시키면서 이온 콜렉터용 금속 박막에 흐르는 이온 전류를 측정함으로써 플라즈마 이온 에너지를 진단함을 특징으로 하는 플라즈마 진단용 웨이퍼 제조 방법.
제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 이온 에너지 분석 장치와 이온 전류 분석 장치의 구조를 8인치와 12인치 실리콘 웨이퍼 또는 평판 디스플레이용 유리 기판위의 원하는 위치에 방사형 형태로 다수개 형성함으로써 웨이퍼 기판의 중심으로부터 가장자리 사이의 플라즈마 이온 에너지와 이온 전류를 동시에 진단하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단용 웨이퍼 제조 방법.