KR100855496B1

KR100855496B1 - 플라즈마 식각 공정의 종말점 검출 방법

Info

Publication number: KR100855496B1
Application number: KR1020060055958A
Authority: KR
Inventors: 김대진; 김영채
Original assignee: (주)네오엔시스; 김영채
Priority date: 2006-06-21
Filing date: 2006-06-21
Publication date: 2008-09-01
Also published as: KR20070121198A

Abstract

본 발명은 반도체 소자의 식각 방법에 관한 것으로, 특히 플라즈마를 이용한 식각 공정에 적용되는 식각종말점 검출 장치 및 이를 이용한 식각종말점 검출 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 EPD(End Point Detector)를 갖는 반도체 플라즈마(Plasma) 식각공정 진행 후 실시간 입력 파형이 최초 생성한 기준파형과 일치하지 않거나 시간 내에 종말점(End Of Point)를 검출하지 못할 시 인터락(Interlock) 신호를 발생하여 식각 불량을 감지하고 공정의 생산 이력을 정보화하는 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 반도체 제조공정의 식각공정에서 정확한 EPD검출로 통하여 EPD 검출오류 시 발생할 수 있는 문제들을 방지할 수 있으며 기존 전용 컨트롤러의 경우 지정된 식각장비에만 제한적으로 적용 가능하지만 PC기반 유연한 소프트웨어를 이용함으로써 식각장비에 범용적으로 적용 가능하며 편리하게 검출방식 및 검출지점을 사용자 지정으로 사용할 수 있는 장점이 있다.

플라즈마 식각, 종말점, EPD

Description

플라즈마 식각 공정의 종말점 검출 방법{Method for detecting end point of plasma etching process}

도 1은 일반적인 반도체 소자의 건식 식각 방법을 나타낸 도면이고,

도 2는 본 발명에 따른 종말점 검출 장치에 대한 구성 블럭도이고,

도 3은 본 발명에 따른 종말점 검출 방법에 따른 실시예로서 파형 비교 방법을 나타낸 것으로 3a는 EPD 정상 검출인 경우, 3b는 EPD 오류 검출인 경우를 나타낸 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 하부 막 12 : 식각 대상막

13 : 감광성 수지 패턴 14 : 주식각공정

15 : 과도식각공정 20 : 식각 설비의 진공 챔버

21 : 정전척(ESC) 22 : 웨이퍼

23 : 소스파워부 24 : EPD 포트(EPD port)

25 : RF 매칭 박스 26 : RF 바이어스 파워부

31 : 광도 분석기 32 : EPD 제어장치

33 : PC

본 발명은 반도체 소자의 식각 방법에 관한 것으로, 특히 플라즈마를 이용한 식각 공정에 적용되는 식각종말점 검출 장치 및 이를 이용한 식각종말점 검출 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 기판 제조 공정에서 폴리실리콘 및 이산화 실리콘은 기판 상에 증착되고 회로패턴을 형성시켜 주기 위해 화학물질이나 반응성 가스를 사용하여 필요없는 부분을 선택으로 제거시키는 식각공정을 행한다. 패턴을 형성할 부분은 마스크 물질로 커버한 후 상기 식각 공정을 행하여 필요없는 부분을 식각하고, 후속 공정에서 마스크 물질을 제거하여 패턴을 형성하게 된다. 주로 마스크 물질은 감광성 폴리머를 사용하며, 상기 식각 공정은 플라즈마를 형성시켜서 식각하는 플라즈마 건식 식각 공정이 반도체 또는 LCD 기판의 제조에 광범위하게 사용되고 있다. 반도체 제조 공정은 여러가지 물질 층이 적층된 구조를 가지고 있으므로 상부에 형성된 식각 대상막을 선택적으로 에칭하는 것이 필요하고, 하부 막에 대한 식각이 과도하게 이루어지지 않도록 제어하는 것이 필요하다. 이와 같은 건식 식각 기술을 도 1을 참조하여 설명하면, 하부막(11) 상부에 형성된 식각대상막(12) 및 식각 대상막 상부에 형성된 식각마스크인 감광성 수지 패턴(13)을 포함하는 웨이퍼에 대한 식각 공정에서 주식각공정(main etch)(14)은 감광성 수지 패턴(13)에 의해 노출된 부분의 식각대상막(12)을 식각하는 단계이고, 하부막(11)에 대한 식각이 이루어지는 과도식각공정(over etch)(15) 단계로 이루어진다. 이러한 주식각공정과 과도식각공정의 구분은 식각종말점(End of point)을 기준으로 구분된다.

이렇게 식각 종말점를 중심으로 단계별로 식각을 하는 공정에서는 종말점의 검출이 매우 중요하며, 종말점 검출 에러 발생시 과도하게 에칭되는 현상이 발생하여 기판에 손상이 발생하거나, 패턴이 제대로 형성되지 않는 문제점이 있어 반도체 수율 및 품질의 저하를 유발할 수 있다.

종래의 식각 종말점 검출 방법은 주로 광학 플라즈마 분석법으로 이는 플라즈마 식각 공정 중에 플라즈마 내부의 특정 물질에 의해 방출되는 광도를 광학 분석기술을 이용하여 식각 종말점 전후의 신호 변화를 정량적으로 분석하여 식각 종말점을 결정하는 방법이다. 상기 방출 광도 분석법에서는 식각 가스의 분해물 또는 반응 형성물인 활성화된 종(species) 중에서 가장 용이하게 관찰될 수 있는 활성화 종이 선정되고, 그 활성화 종에 관련된 파장을 설정하여 설정된 파장에 따른 방출 세기의 변화에 기초하여 식각종말점이 검출된다.

그러나, 종래의 방출 광도 분석에 의한 식각 종말점 검출 방법은 특정 파장에 대한 방출 세기의 변화를 저장한 최초의 데이타에 대하여 식각 공정시 측정되는 방출세기의 변화 데이타을 비교할 때, 설정시간에 따른 전압차를 비교하거나 방출세기 하강 시간을 체크하여 인터락(interlock) 신호를 발생하나, 이는 공정 시간이 달라지거나 전압레벨이 달라지는 경우 정확하게 식각 종말점을 검출하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 반도체 식각 공정에 적용되는 식각 종말점 검출 방법에 있어서, 보다 정확하게 식각 종말점을 검출하기 위한 새로운 식각 종말점 검출 방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 플라즈마 식각 공정에 있어서 정확한 식각 종말점 검출을 통하여 종말점을 검출하지 못하여 과도하여 발생할 수 있는 웨이퍼 손상 및 불량을 방지하고, 정상적인 식각 공정과 비정상적인 식각공정을 판별함으로써 양품 판별 및 생산정보화를 제공하는 데 또 다른 목적이 있다.

본 발명은 종래의 식각 종말점 검출 방법에 있어서, 설정 시간에 대한 전압차 또는 파형 하강 시간을 체크하는 방법은 시간에 따른 특정 시점의 데이터를 이용하여 식각 종말점을 결정하는 방법으로서 기판에서 식각 대상막의 노출 면적의 변화 등 미세한 공정의 변화에도 식각 종말점을 제대로 검출하지 못하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 종래 식각 종말점 검출 방법의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 기준 파형과 식각 공정에서 얻어지는 샘플 파형을 비교하여 식각종말점을 검출하는 방법으로서, 파형 비교 시점을 사용자가 설정하고, 설정된 지점에서 측정된 전압치를 기준으로 파형을 재보정하여 식각 종말점을 설정하는 새로운 식각 종말점 검출 방법을 제공하게 되었다.

보다 구체적으로 본 발명은 EPD(End Point Detector)를 갖는 반도체 플라즈마(Plasma) 식각공정 진행 후 실시간 입력 파형이 최초 생성한 기준파형과 일치하지 않거나 시간 내에 종말점(End Of Point)를 검출하지 못할 시 인터락(Interlock) 신호를 발생하여 식각 불량을 감지하고 공정의 생산 이력을 정보화 하는 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 하기의 단계를 포함하는 플라즈마 식각 공정에서의 식각 종말점 검출 방법을 제공한다.

a) 플라즈마 식각 공정에서 특정 파장에서의 시간에 따른 방출 스펙트럼을 측정하여 기준 파형을 설정하는 단계;

b) 상기 기준 파형으로부터 파형 기준 시점 및 파형 비교를 시작하는 검출 시작 조건을 선정하는 단계;

c) 플라즈마 식각 공정에서 특정 파장에서의 시간에 따른 방출 스펙트럼을 측정하여 샘플 파형을 수득하는 단계; 및

d) 기준 파형과 대비하여 샘플 파형의 정상 또는 오류를 판단하는 단계.

상기 파형 기준 시점은 플라즈마 식각 장비의 RF ON 시점으로부터 식각 공정 방출 스펙트럼이 안정적인 수준을 유지하기 시작하는 시간으로 선정할 수 있다.

또한, 상기 파형 비교를 시작하는 검출 시작 조건은 파형 기준 시점의 방출 스펙트럼 세기에 대하여 5 ~ 20% 정도의 세기 변화를 나타내는 시점으로 선정할 수 있으며, 보다 바람직하게는 파형 기준 시점의 방출 스펙트럼 세기에 대하여 10 ~ 15% 정도의 감소 또는 증가가 발생하기 시작한 경우 EPD 검출을 시작하는 것이 바람직하다. 5% 미만의 세기 변화는 종말점이 발생하는 경우가 아니라도 공정 조건의 미세한 변화로도 발생할 수 있으므로 바람직하지 않고, 20%를 초과하는 값으로 설정하는 경우에는 세기가 지나치게 감소한 다음부터 파형 분석을 하게 되어 파형의 비교 분석에 정확성이 떨어질 수 있다.

상기 a) 및 c)단계에서 특정 파장은 플라즈마 식각 공정에서 방출 세기의 변화율이 가장 큰 파장을 선택하는 것이 식각종말점 검출이 용이하여 바람직하다.

상기 d) 단계에서 기준 파형과 대비하여 샘플 파형의 정상 또는 오류를 판단하는 것은 사용자가 지정한 다수의 설정 지점에 대하여 기준 파형과 샘플 파형을 비교하는 것을 특징으로 하며, 다수의 설정 지점에서 허용 오차율을 선정하여 정상 또는 오류를 판단할 수 있다.

또한, 설정 시간 안에 방출 세기가 감소되는 파형이 생성되지 않는 경우에는 파형 비교 이전에 식각 설비로 인터락 신호를 발생시켜 식각 종말점이 검출되지 않았음을 피드백하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 다수의 설정 지점에서의 비교와 함께 전체적인 파형의 왜곡을 방지하기 위하여 파형 비교 구간을 설정하고, 설정 구간별로 기준 파형과 샘플 파형 의 오차를 적분하여 적분오차 최대 허용치를 초과하는 지의 여부에 따라 정상 또는 오류를 판별할 수 있다. 상술한 바와 같이 다수의 설정지점 또는 파형 비교 구간에서 기준 파형과 실시간 공정에 의해 생성되는 샘플 파형을 비교함으로써 파형이 일치하지 않을 경우 인터락(interlock) 신호를 발생시켜 식각 공정이 정상 또는 오류임을 식각 설비로 피드백하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 2를 참조하면, 진공챔버(20) 내에는 식각공정이 수행될 웨이퍼(22)가 정전척(21) 위에 놓여지며 챔버내 공정 가스가 유입되고 플라즈마가 형성되어 웨이퍼의 식각대상막을 식각한다. 진공 챔버 내로 공정 가스 유입후 진공 챔버 상부에 위치한 소스 파워부(23)에서 소스 파워가 인가되고, 챔버 하부에 위치한 RF 바이어스 파워부(26)에서 RF 바이어스 파워가 인가되면 진공 챔버 내부에 플라즈마가 형성된다. 플라즈마 식각 공정 중에서 방출되는 방출광은 투명한 석영과 같은 재질로 이루어진EPD 포트(port)(24)를 투과하여 광도 분석기(31)에서 특정 파장에 대한 방출광의 세기를 광전변환소자에 의해 전압(0 ~ 10volt)으로 변환하여 EPD(End point detection) 제어 장치(32)로 송신한다. EPD 제어장치는 입력받은 아날로그 신호(Analog Signal)를 디지털신호(Digital Signal)로 전환하여 USB 인터페이스(interface)를 통하여 PC(33)로 전송한다. RF 바이어스 파워 부(26)으로부터 RF 바이어스 파워 인가 여부에 관한 신호도 EPD 제어장치로 입력되도록 되어 있으며, EPD 제어장치(32)는 플라즈마(Plasma) 식각공정 후 실시간 입력 파형이 최초 생성 한 기준파형과 일치하지 않거나 시간 내에 종말점(End Of Point)를 검출하지 못할 시 인터락(Interlock) 신호를 플라즈마 식각 설비로 보내도록 구성되어 있다.

도 1 및 도 2를 참조하여 플라즈마 식각 공정에 대하여 설명하면, 플라즈마 식각 설비의 진공 챔버(20)에 식각대상 웨이퍼(22)가 정전척(21)위에 놓여지고 플라즈마에 의해 활성화된 종에 의해 식각 대상 웨이퍼의 식각대상막(12)이 식각된다. 이 때 감광성 수지 패턴(13)에 의해 가려진 부분은 제외하고 노출된 식각대상막(12)을 식각하는 공정에서 식각 생성물에 의한 특정 파장의 방출광이 형성되며, 이는 식각대상막이 식각이 완료되는 시점에서 그 광도가 약해지게 된다. 따라서, 식각대상막이 식각되면서 방출하는 특정파장의 방출광의 세기를 시간에 따라 측정하면 일정시간이 지난 후에 하부막(11)이 노출되면서 감소하는 파형을 가지게 되고, 이러한 파형을 이용하여 식각대상막(12)의 식각이 완료되는 식각종말점을 검출하게 된다.

본 발명에 따른 식각종말점 검출 방법은 플라즈마 식각 설비로부터 공정 진행 신호인 RF 바이어스 파워 인가(RF ON) 신호를 수신한 이후부터 파형의 레벨을 결정할 수 있는 지점, 즉 파형 기준 시점을 사용자가 임의의 지점을 설정하고 이 지점에 측정된 전압치를 기준으로 한 상대값으로 파형을 인식하여 식각종말점을 검출한다. 상기 파형 비교를 시작하여 식각종말점점을 검출하기 위한 검출 시작 조건은 파형 기준 시점의 방출 스펙트럼 세기에 대하여 일정 정도로 방출세기가 변화하는 시점으로 선정하며 5 ~ 20% 정도의 세기 변화를 나타내는 시점으로 선정하는 것이 바람직하고, 10~15%의 변화를 나타내기 시작한 시점으로부터 파형을 비교하여 EPD 지점을 검출하는 것이 더욱 바람직하다.

또한 EPD 지점을 검출한 이후에도 RF 바이어스 파워 오프(RF OFF) 순간까지 사용자가 지정한 다수의 설정지점에 대하여 최초 기준 파형과 비교하여 허용 오차률을 비교하여 정상적인 식각공정 여부를 판단한다.

또한 각 지점의 비교와 함께 전체적인 파형 왜곡을 방지하기 위하여 설정 구간별 오차를 적분하여 적분오차 최대 허용치를 초과할 경우 인터락(Intelock) 신호를 발생한다. 이와 같이 구간별 오차를 적분하여 적분 오차 최대 허용치를 기준으로 파형을 비교하는 경우 실질적으로 식각 공정이 제대로 이루어지고 있는지에 대한 보다 정확하고 신뢰성 있는 판별을 할 수 있는 장점이 있다. 예를 들어 최초 기준파형이 45도의 추이로 전압이 감소되며 오차율 5%라고 했을 경우 실제 측정오차가 -5% ~ 5% 로 사이에서 45도의 추이를 따라가지 않고 항상 +4.9% 의 오차만을 발생할 경우 적분값을 이용하지 않는다면 기준 파형과 다른 파형이 발생하였어도 오차허용률을 초과하지 않았으므로 에러가 발생하지 않을 것이다. 따라서 오차를 적분하여 허용치를 초과하는 경우 EPD 에러를 발생하도록 하는 방법은 샘플 파형이 기준 파형과의 왜곡 정도를 파악으로써 보다 정확한 파형 비교가 가능한 장점이 있다.

도 3 을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도 3은 플라즈마 식각 공정에서 특정 파장에서 방출광 세기의 시간에 따른 변화를 나타낸 것으로RF 바이어스파워가 인가되는 시점으로부터 시간에 따른 방출광의 세기를 전압의 변화로 나타낸 것이다. 도 3을 참조하면, RF 바이어스 파워가 인가된 후 방출광의 세기가 점점 증가하다가 특정 시점이 지난 후부터 일정한 세기의 파형을 유지하고 그 후에는 감소하는 파형을 가지며 일정시간 후 0V에 가까워지면서 식각이 완료된 것을 알 수 있다. 상기 파형에서 파형 기준 시점은 34초로 설정하였다. 파형 기준 시점은 사용자가 샘플 파형을 수득하기 전에 기준 파형을 저장하기 위하여 다수의 실험을 통하여 RF 바이어스 파워가 켜지는 RF ON 시점으로부터 안정적인 방출 세기를 나타내는 선정한 것이다. 도 3에서 4개의 설정지점이 있는데, 첫번째 설정지점이 검출 시작 지점으로서 파형 기준 시점에서의 방출광 세기를 기준으로 하여 11% 감소하는 시점을 첫번째 설정지점으로 하였고, 이 첫번째 설정지점에서 2초 간격으로 하여 3개의 설정지점을 추가로 더 선정하였다. 각 설정지점에서의 허용오차 폭을 5%로 선정하였고, 4개의 설정지점에 대한 누적 오차율은 12%로 선정하였다. 이러한 조건에서 도 3a와 같은 샘플 파형을 측정한 경우에 파형 분석을 실시한 결과 4개의 설정지점에서 허용 오차 구간 안에 방출세기가 포함되고 누적오차율도 12% 미만으로 나타나 정상적으로 종말점이 검출되는 것을 알 수 있다. 동일한 설정 조건하에서 도 3b와 같은 샘플 파형을 측정한 경우에는 두번째 설정지점에서부터 허용 오차 구간을 벗어난 파형이 얻어지므로 정상적인 종말점이 형성되지 않은 것을 알 수 있고, 이러한 경우 인터락(interlock) 신호를 발생시켜서 정상적인 식각 공정이 이루어지지 않았음을 피드백한다.

이와 같이 실시간 입력파형을 최초 생성한 기준 파형과 비교하여 제품에 양품검사를 실시할 수 있으며 불량제품에 대해서는 인터락(Intelock) 신호와 함께 경광등을 통하여 작업자에게 알린다.

또한, 모든 공정에 측정된 데이터는 데이터베이스를 통하여 저장되며 제품에 대한 양불 여부가 저장되어 제품 생산에 대한 이력정보를 언제든지 검색하여 확인 할 수 있으며 이력데이터를 분석함으로써 공정의 문제점을 파악하고 개선할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 식각종말점 검출 방법은 선정된 파형기준시점의 전압 값을 바탕으로 전압값의 변화가 선정한 값의 범위를 벗어날 때를 검출시작시점으로 하여 파형을 비교하는 방법으로 파형 전체 전압의 증폭에 관계없이 식각종말점을 검출할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 반도체 제조공정의 식각공정에서 정확한 EPD검출로 통하여 EPD 검출오류 시 발생할 수 있는 문제들을 방지할 수 있으며 종래의 전용 컨트롤러의 경우 지정된 식각장비에만 제한적으로 적용 가능하지만 PC 기반 유연한 소프트웨어를 이용함으로써 식각장비에 범용적으로 적용 가능하며 편리하게 검출방식 및 검출지점을 사용자 지정으로 사용할 수 있는 장점이 있다.

Claims

플라즈마 식각 공정에서 발생되는 플라즈마 방출광을 사용하여 식각종말점을 검출하는 방법에 있어서,

a) 플라즈마 식각 공정에서 방출 세기의 변화율이 가장 큰 파장에서의 시간에 따른 방출 스펙트럼을 측정하여 기준 파형을 설정하는 단계;

b) 상기 기준 파형으로부터 파형 기준 시점 및 파형 비교를 시작하는 검출 시작 조건을 선정하는 단계;

c) 플라즈마 식각 공정에서 특정 파장에서의 시간에 따른 방출 스펙트럼을 측정하여 샘플 파형을 수득하는 단계; 및

d) 기준 파형과 대비하여 샘플 파형의 정상 또는 오류를 판단하는 단계;

를 포함하는 플라즈마 식각 공정에서의 식각 종말점 검출 방법.
제 1항에 있어서,

상기 b)단계에서 파형 기준 시점은 플라즈마 식각 장비의 RF ON 시점으로부터 식각 공정 방출 스펙트럼이 안정적인 수준을 유지하기 시작하는 시간으로 선정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각 공정에서의 식각 종말점 검출 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 b)단계에서 파형 비교를 시작하는 검출 시작 조건은 파형 기준 시점의 방출 스펙트럼 세기에 대하여 5~20% 정도의 세기 변화를 나타내는 시점으로 선정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각 공정에서의 식각 종말점 검출 방법.
제 1항에 있어서,

상기 d) 단계에서 다수의 설정 지점에 대하여 기준 파형과 샘플 파형을 비교하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각 공정에서의 식각 종말점 검출 방법.
제 4 항에 있어서,

다수의 설정 지점에서 허용 오차율을 선정하여 기준 파형과 샘플 파형을 비교하여 정상 또는 오류를 판단하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각 공정에서의 식각 종말점 검출 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 d) 단계에서 파형 비교 구간을 설정하는 단계, 설정 구간별로 기준 파형과 샘플 파형의 오차를 적분하는 단계, 및 적분오차 최대 허용치를 초과하는 경 우 인터락 신호를 발생하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 식각 공정에서의 식각 종말점 검출 방법.
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