KR100797420B1 - 펄스화 광대역의 광원을 이용하는 플라즈마 에칭 및 퇴적프로세스의 인-시튜 모니터링 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 넓은 스펙트럼폭을 갖고서 높은 순간전력펄스를 제공하는 펄스화 섬광등을 이용하여 박막두께와 에칭율 및 퇴적율의 인-시튜 모니터링 간섭측정방법 및 장치에 관한 것으로, 웨이퍼로부터 반사된 빛을 검출하는 데에 이용되는 분광기와 섬광등 사이의 광 경로는 스펙트럼의 자외선 범위에 대체로 투과하며, 막두께와 에칭율 및 퇴적율이 소프트웨어의 알고리즘에 의해 계산된다.
플라즈마, 에칭, 퇴적

Description

펄스화 광대역의 광원을 이용하는 플라즈마 에칭 및 퇴적 프로세스의 인-시튜 모니터링 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR IN-SITU MONITORING OF PLASMA ETCH AND DEPOSITION PROCESSES USING A PULSED BROADBAND LIGHT SOURCE}
본 발명은 반도체 기판처리분야에 관한 것으로, 특히 반도체 기판의 플라즈마 에칭과 퇴적(deposition) 프로세스 동안 재료의 두께와 에칭율 및 퇴적율의 모니터링에 관한 것이다.
집적회로장치의 제조에는 필수 구성요소와 배선부를 형성하도록 기판 위에 여러 층(양쪽 전도층과 반전도층 및 부전도층)을 형성하는 것을 필요로 한다. 제조 프로세스 동안, 여러 구성요소와 배선부를 형성하기 위해서 임의의 층 또는 층의 일부가 제거되어야 한다. 이는 통상 에칭 프로세스에 의해 이루어진다. 사용중인 에칭기술로는 습식 또는 화학적 에칭과 건식 또는 플라즈마 에칭이 있다. 후자의 기술은 전형적으로 에칭될 재료의 표면에 충돌하는 프로세스 가스로부터 생성되는 반응종에 의존하게 된다. 화학반응이 재료와 상기 반응종들 사이에서 일어나고, 그 후에 가스상인 반응생성물이 상기 표면으로부터 제거된다.
도 1을 참조로 하면, 전형적으로 제조 또는 조립 프로세스에 사용하기 위한 플라즈마의 생성은 전체적으로 12로 표시된 플라즈마 반응기의 플라즈마 챔버(10)내에 여러 프로세스 가스를 넣음으로써 시작된다. 이들 가스는 입구(13)를 통해 챔버(10)로 들어가고, 출구(15)를 통해 나오게 된다. 집적회로 웨이퍼와 같은 소재(workpiece; 14)는 챔버(10)내에 위치되고 웨이퍼홀더(16)상에 유지된다. 또한, 상기 반응기(12)는 플라즈마 밀도 생성기구(18) (예컨데, 유도코일) 를 구비한다. 플라즈마유도 파워서플라이(20)에 의해 공급된 플라즈마유도신호는 플라즈마 밀도 생성기구(18)에 제공되는데, 이 플라즈마유도신호는 바람직하게는 RF 신호이다. 세라믹 또는 수정과 같은 RF 방사선 (RF radiation) 에 투과성인 재료로 구성된 상부(22)는 챔버(10)의 상부면에 병합되어 있다. 이 상부(22)는 코일(18)에서부터 챔버(10) 내부로의 RF 방사선을 효과적으로 투과시킬 수 있다. 이 RF 방사선은 차례로 챔버내의 가스분자를 여기(勵起)시켜 플라즈마(24)를 발생시키게 된다. 발생된 플라즈마(24)는 당해분야에 잘 알려진 바와 같이 웨이퍼에서 층들을 에칭하거나 웨이퍼상에 층들을 퇴적시키는 데에 유용하다.
모든 에칭 및 퇴적 프로세스에서 중요한 고려점은 에칭율 및 퇴적율과, 막두께 및, 소위 종료점이라고 불리우는 프로세스가 종료되는 시간의 결정과 같은 프로세스 파라미터를 모니터링하는 것이다. 플라즈마 에칭과 퇴적 프로세스를 모니터링하는 일반적인 방법은 분광측정과 간섭측정을 포함한다. 분광측정방법은 플라즈마 챔버내의 화학종을 모니터링하는 단계와, 에칭 프로세스 동안 하나의 막층이 제거되어 아래에 놓인 층이 노출될 때 플라즈마내에 있는 방출화학종의 농도변화를 검출하는 단계를 포함한다. 하지만, 이 방법은 아래에 놓인 막이 노출되지 않는 몇몇 의 에칭 프로세스에서는 유용하지 않다. 예컨대, 게이트 에칭 프로세스에서는 다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘으로 된 층이 얇은 산화물층 위에 놓인다. 폴리실리콘층은 산화물층이 움푹 들어가게 하거나 뚫어지지 않게 하고서, 얇은 산화물층을 남겨둔 채로 에칭되어야 한다. 이를 성취하기 위해서, 폴리실리콘층이 제거되기 전의 시점에서 에칭 화학 반응작용 (etch chemistry) 이 변화되어야 한다. 또한, 분광측정은 얕은 트렌치 분리 (trench isolation) 와 리세스 에칭 프로세스 (recess etch process) 에는 유용하지 않다.
간섭측정방법은 사윈 (Sawin) 등의 미국 특허 제5,450,205호에 기술되어 있고, 레이저 간섭측정 및 광학 방사 (optical emission) 간섭측정을 포함한다. 이 레이저 간섭측정에서는 입사 레이저빔이 플라즈마 챔버의 플라즈마와 같은 챔버의 주위환경과 웨이퍼 사이의 계면(界面)을 타격하게 된다. 반사된 빔은, 간섭측정신호가 시간의 함수로 기록되는 포토다이오드로 대역통과 필터 (bandpass filter) 를 통해 유도된다. 이 대역통과 필터는 플라즈마 방사가 포토다이오드로 들어가는 것을 방지하는 한편, 반사된 레이저빔이 포토다이오드를 타격할 수 있게 한다.
광학 방사 간섭측정에서는, 플라즈마에 의해 발생된 빛이 간섭측정용 광원으로 이용된다. 이 빛은 렌즈에 의해 플라즈마 챔버로부터 수집되고, 대역통과 필터를 거쳐 포토다이오드로 전달된다. 상기 대역통과 필터는 간섭측정신호로서 이용되는 빛의 파장을 제한하고, 플라즈마 배경이 포토다이오드에 도달하지 못하도록 원하지 않는 파장에서의 빛을 차단한다. 레이저 간섭측정과 광학 방사 간섭측정 모두에서, 에칭율과 막두께는 간섭측정신호의 인접한 최대값들 또는 인접한 최소값들 사이의 시간을 검출함으로써 용이하게 계산된다.
간섭측정방법에 광대역 광원을 이용하는 것은 당해분야에서 잘 알려져 있다. 레저 (Ledger) 의 미국 특허 제5,291,269호는 발산하는 다색광의 빔을 형성하는 확장된 광원을 구비하는, 박막층 두께를 측정하는 장치를 기술하고 있다. 상기 빔은 웨이퍼의 전체 표면을 비추고, 웨이퍼의 밖으로 반사되면서 필터를 통과하여 검출기 배열부로 투사되는 단색광의 빔을 형성하게 된다. 이 단색광의 빔은 상기 검출기 배열부에 간섭의 줄무늬패턴을 나타내 보인다. 상기 패턴은 기준 반사율데이터에 대해 비교되는 측정 반사율데이터의 사상 (map) 을 창출하도록 처리되어, 웨이퍼의 전체 구경에 걸쳐 박막층 두께의 사상을 생성하게 된다.
플라즈마를 통한 간섭측정을 착수하기 위해서는, 간섭계 신호로부터 플라즈마 방사의 기여 (contribution) 를 제거하고, 이로써 웨이퍼상에 박막구조물을 모델링하는 데에 이용되는 알고리즘에 대한 이러한 기여의 영향을 감소시키는 것이 필요하다. 또한, 플라즈마 방사의 변동은 웨이퍼에 있는 막의 에칭율을 결정하는 데에 이용되는 모델을 뒤죽박죽으로 되게 할 수 있다. 레이저 간섭측정의 이용은 플라즈마 방사에 대한 감도를 크게 감소시키지만, 단일 파장에 대한 측정을 제한한다. 광학 방사 간섭측정기술은 플라즈마 방사 자체에 의존하여서 방사의 변동에 민감하고, 분석에 유효한 파장의 범위는 프로세스 화학작용에 의해 변화한다. 확장된 광대역 광원을 이용한 방법은 분석에 유용한 파장의 범위를 제공하나, 일반적으로 잡음비에 대해 낮은 신호와 약한 세기의 간섭신호의 문제를 안고 있다.
따라서, 플라즈마 방사에 대해 검출기의 감도를 감소시키지만, 광범위한 파 장에 걸쳐, 특히 스펙트럼의 자외선 영역에서 측정할 수 있게 하는 플라즈마 에칭 또는 퇴적 프로세스 모니터링 방법 및 장치를 제공해야 할 필요가 있게 되었다. 집적회로의 제작에 이용되는 재료는 일반적으로 자외선 범위에서 더 반사적이며, 더 짧은 파장의 이용은 막두께의 측정에 향상된 정확도를 제공하는 간섭신호의 더 큰 분해능 (resolution) 을 허용한다.
종래기술의 자외선 광원은 전형적으로 확장된 광원이고, 이들 광원으로부터 빛을 효과적으로 결합시키는 것이 광학적으로 어렵다. 게다가, 이들 광원은 단색광원으로 되기 쉽다. 끝으로, 이들 광원은 전형적으로 비교적 약한 세기를 가져서, 간섭신호가 플라즈마 방사의 배경 위에서 검출되기가 더욱 어렵게 한다.
그러므로, 광학시스템내에서 효과적으로 결합되는 빛을 발생시키는 확장되지 않은 광원을 제공하는 플라즈마 에칭 또는 퇴적 프로세스 모니터링 방법 및 장치를 제공하는 것이 필요하게 되었다.
또한, 넓은 스펙트럼 범위와 고강도를 가지며 잡음비에 대해 높은 간섭신호를 제공하는 플라즈마 에칭 또는 퇴적 프로세스 모니터링 방법 및 장치를 제공하는 것이 필요하게 되었다.
끝으로, 종래기술의 확장된 광대역 광원 보다 긴 수명을 갖는 광원을 구비하는 플라즈마 에칭 또는 퇴적 프로세스 모니터링 장치를 제공해야 될 필요가 있었다.
본 발명은 넓은 스펙트럼폭을 갖는 높은 순간전력펄스를 제공하는 펄스화 섬광등을 이용하여 박막두께와 에칭율 및 퇴적율의 인-시튜 모니터링 간섭측정방법 및 장치를 제공한다. 웨이퍼로부터 반사된 빛을 검출하는 데에 이용되는 분광기와 섬광등 사이의 광 경로는, 바람직한 짧은 파장으로 막두께와 에칭율 및 퇴적율을 계산하는 데에 동작가능한 소프트웨어의 알고리즘에 이용가능한 스펙트럼의 자외선 범위에 대체로 투과한다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 상기 장치는 광원, 시준기, 웨이퍼로부터 반사된 빛의 세기를 모니터링하는 분광기와 같은 광감도검출기, 다중의 검출기에 의 해 검출된 다중 파장으로 빛을 산란시키는 데에 사용가능한 분광기 및, 이 분광기로부터의 신호를 처리하고 기판상의 임의의 막두께를 측정하는 데이터 처리소자를 구비한다. 상기 광원은 바람직하게는 분광기의 데이터 획득주기와 동기(同期)적인 광대역의 광학 방사선을 방출하는 섬광등이다. 데이터는 단지 섬광등으로부터의 짧은 출력펄스 동안 기록되고, 이로써 분광기의 적분시간이 감소된다. 처리용 플라즈마로부터 받아들여진 배경광은 적분시간에 대해 비례하여서 분광기 신호에 대한 플라즈마 방사의 영향이 크게 배제된다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 섬광등이 꺼져 있는 동안 플라즈마의 세기가 기록되고, 검출된 신호는 섬광등이 켜진 채로 기록된 신호로부터 감산된다. 또한, 이 실시예는 측정에 대한 플라즈마 방사의 영향을 감소시킨다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 분광기는 다중채널 분광기를 구비한다. 분광기의 한 채널은 각 펄스에서 섬광등 신호를 모니터링하는데에 이용된다. 섬광등 신호의 변동이 신호로부터 제거되어 간섭신호에서의 변동을 감소시킨다.
본 발명에 의하면, 넓은 스펙트럼 범위와 고강도를 가지며 잡음비에 대해 높은 간섭신호를 제공하는 플라즈마 에칭 또는 퇴적 프로세스 모니터링 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 전술한 장점 및 다른 장점은 여러 도면을 참조로 하여 본 발명의 다음 설명을 이해할 때 당해분야의 숙련자들에게 명확히 될 것이다.
본 발명은 첨부도면을 참조로 하는 다음의 상세한 설명에 의해 쉽게 이해될 것인데, 첨부도면에서 유사한 참조번호는 유사한 부재를 표시한다.
도 2는 전체적으로 30으로 표시된 다중 파장의 조사(照射)를 이용하는 시스템의 구성요소를 도시한다. 이 시스템(30)은 섬광등(35)과 트리거를 갖춘 파워서플라이(37)를 갖춘 조사모듈(33)을 구비한다. 또한, 이 시스템(30)은 다중채널 분광기(40)와, 아날로그-디지털 변환기(43), 동기장치 및 버스인터페이스장치(45), 제 1 및 제 2데이터파일(47,49), 데이터처리 및 알고리즘 전개블록(50)을 구비한다. 광학적으로, 광섬유(60)가 섬광등(35)과 분광기(40)를 플라즈마 챔버의 외부에 위치된 빔형성모듈(70)에 연결한다. 이 시스템(30)은 아래에 기술되는 바와 같이 플라즈마 챔버내에 위치된 웨이퍼상의 막두께를 계산하는 데에 이용된다.
상기 섬광등(35)은 대략 200 나노미터에서 2 미크론의 범위내에 있는 광대역 빛을 발생시킨다. 광섬유(60)는 섬광등(35)으로부터 플라즈마 챔버의 외부에 위치된 빔형성모듈(70)로 상기 광대역 빛을 이송한다. 빔형성모듈(70)은 광대역 빛의 직경을 변화시켜 웨이퍼(74)의 표면에 대체로 수직하게 대체로 평행한 빔을 웨이퍼(74)의 표면에 조준하는 시준기(72; collimator, 도 3 참조)를 구비한다. 이 시준기(72)는 단일 또는 다중 렌즈 또는 현미경 대물렌즈를 구비한다. 또한, 시준기(72)는 광섬유(60)에 되반사된 빛을 집중시킨다.
상기 광대역 빛의 빔이 웨이퍼(74)를 비출 때, 이 웨이퍼(74)는 광대역 빛의 빔 일부를 반사한다. 분광기(40)는 반사된 빛의 스펙트럼을 측정하고, 반사율의 스펙트럼을 나타내는 아날로그 신호를 발생시킨다. 아날로그-디지털 변환기(43)는 아 날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키고, 이 디지털 신호를 동기장치 및 버스인터페이스장치(45)로 보낸다.
이 동기장치 및 버스인터페이스장치(45)는 광원인 섬광등(35)이 광빔을 발생시키게 할 수 있고, 분광기(40)가 소정의 시간격으로 웨이퍼(74)로부터 반사된 빛의 스펙트럼을 검출하게 할 수 있다. 또한, 동기장치 및 버스인터페이스장치(45)는 섬광등(35)에 의해 비춰지지 않을 때 분광기가 웨이퍼(74)로부터 반사된 플라즈마 방사의 스펙트럼을 검출할 수 있게 한다.
상기 동기장치 및 버스인터페이스장치(45)는 3가지 기능을 통합하고 있다. 첫째로 파워서플라이(37)에 주기적인 트리거를 보내어, 섬광등(35)이 광대역 빛의 펄스를 발생시키고 분광기(40)의 데이터 획득주기와 동기적으로 웨이퍼(74)를 비추게 한다. 둘째로 상기 동기장치 및 버스인터페이스장치(45)는 아날로그-디지털 변환기(43)로부터의 디지털 신호를 제 1 데이터파일(47)에 기록한다. 셋째로 상기 동기장치 및 버스인터페이스장치(45)는 웨이퍼(74)가 비춰지지 않을 때 아날로그-디지털 변환기(43)로부터의 제 2 디지털신호를 제 2 데이터파일(49)에 기록한다.
제 1 및 제 2 데이터파일(47,49)에 저장된 정보는 데이터처리 및 알고리즘 전개블록(50)에서 사용된다. 본 발명의 제 1 양태에 따르면, 상기 블록(50)은 제 1 데이터파일(47)에 저장된 정보를 사용하여 웨이퍼(74)의 막두께와 에칭율 또는 퇴적율을 계산한다. 검출된 스펙트럼의 반사작용의 컴퓨터해석, 특히 최소값들과 최대값들의 컴퓨터해석은 막두께 뿐만 아니라 에칭율 또는 퇴적율을 제공한다. 또한, 이 데이터로부터 프로세스의 종료점도 용이하게 계산된다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 상기 블록(50)은 제 2 데이터파일(49)에 저장된 정보를 사용하여, 비춰진 간섭신호에서 플라즈마 방사신호를 감산한다. 그 후에, 블록(50)은 이 정보와 제 1 데이터파일(47)에 저장된 정보를 사용하여 상기 웨이퍼(74)의 막두께와 에칭율 또는 퇴적율을 계산한다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 섬광등(35)에 의해 발생된 펄스의 세기는 광섬유(62)에 의해 분광기(40)로 검출된다. 예컨대, 섬광등(35)이 노후되어 생긴 펄스 세기의 변동에 관련된 정보는 제 3 데이터파일(도시되지 않음)에 저장된다. 상기 블록(50)은 제 3 데이터파일에 저장된 정보를 사용하여 펄스 세기의 변동에 대하여 제 1 데이터파일(47)의 정보를 정규화시킨다. 그 후에, 블록(50)은 이 정규화된 정보와 제 1 데이터파일(47)에 저장된 정보를 사용하여 상기 웨이퍼(74)의 막두께와 에칭율 또는 퇴적율을 계산한다.
바람직한 실시예의 섬광등(35)은 바람직하게는 본 발명의 광학시스템에 효율적으로 결합하는 거의 점광원에 비슷한 작은 호형상 (arc) 크기를 갖는 크세논 섬광등이다. 바람직하게는, 이 크세논 섬광등은 단기간(백만분의 1 초와 거의 비슷한)의 고에너지 펄스를 제공한다. 그러므로, 분광기(40)의 적분시간이 감소되고, 간섭신호에 대한 플라즈마 방사의 영향이 대부분 제거될 수 있다. 또한, 웨이퍼(74)에 전달된 평균에너지는 낮다. 또한, 펄스화 광원을 이용함으로써, 광원의 수명이 연장될 수 있다.
본 발명에 따른 방법과 장치는 바람직하게는 자외선 방사선에 대체로 투과성인 시스템과 함께 이용된다. 자외선 방사선에 투과성인 광학 관찰윈도우와 시준기 는 당해분야에서 잘 알려져 있어서, 플라즈마 챔버내에서의 이들의 특성과 구조는 설명하지 않는다.
여기에 본 발명에 따른 단지 몇가지의 실시예가 상세히 기술되었지만, 본 발명은 그 정신과 범주로부터 벗어남 없이 다른 많은 특정한 형상으로 실시될 수 있다. 따라서, 이들 실시예는 제한하지 않고 도해하기 위한 것으로 간주될 것이며, 본 발명은 여기에 주어진 상세한 설명에 한정되지 않고 청구범위의 범주내에서 변형될 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 플라즈마 반응기의 개략도이고,
도 2는 본 발명에 따른 모니터링 시스템의 블록도,
도 3은 본 발명의 광학식 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10: 챔버 12: 플라즈마 반응기
13: 입구 14: 소재(workpeice)
15: 출구 16: 웨이퍼 홀더
18: 플라즈마 밀도 생성 기구 20, 37: 파워 서플라이
22: 상부 24: 플라즈마
33: 조사 모듈 35: 섬광등
40: 다중채널 분광기 43: 아날로그-디지털 변환기
45: 동기장치 및 버스 인터페이스 장치 47, 49: 데이터 파일
50: 데이터 처리 및 알고리즘 전개 블록 60: 광섬유
70: 빔형성 모듈 72: 시준기
74: 웨이퍼

Claims (1)

  1. 웨이퍼의 플라즈마 에칭 프로세스 동안 프로세스 파라미터를 결정하는 프로
    세스 모니터로서,
    광대역의 광학 방사선을 방출하는 섬광등;
    상기 웨이퍼로부터 반사된 광학 방사선에 반응하는 분광기;
    상기 웨이퍼로부터 반사된 방출 광학 방사선을 나타내는, 상기 분광기로부터의 제 1 신호를 처리하고, 프로세스 파라미터를 결정하는 데이터 처리소자; 및
    상기 방출 광학 방사선을 시준하도록 동작가능한 빔형성 모듈을 구비하며,
    상기 시준된 광학 방사선은 상기 웨이퍼에 수직으로 입사하는, 프로세스 모니터.
KR1020077016805A 1999-09-30 2000-09-27 펄스화 광대역의 광원을 이용하는 플라즈마 에칭 및 퇴적프로세스의 인-시튜 모니터링 방법 및 장치 KR100797420B1 (ko)

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