KR101801023B1 - 반도체 공정의 가상계측을 이용한 사전공정제어 방법 - Google Patents

반도체 공정의 가상계측을 이용한 사전공정제어 방법 Download PDF

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Abstract

반도체 공정의 가상계측을 이용한 사전공정제어 방법이 개시된다. 본 발명의 반도체 공정의 가상계측을 이용한 사전공정제어 방법은, 실제로 공정을 진행하면서 계측하면서 초기 가상계측모델을 설정하는 단계; 타겟 공정을 정하여 공정을 진행하는 단계; 상기 타겟 공정에 대하여 초기 가상계측모델을 이용하여 가상 계측을 실시하는 단계; 상기 가상계측에 대하여 사전 공정 조건 제어를 하는 단계; 및 상기 사전 공정 조건 제어에 따라서 공정이 진행되는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 가상계측을 이용한 사전공정제어를 사용하여 실제로 공정을 진행하여 실제 계측값과 가상 계측값을 비교해보면, 그 차이가 미미하여 실제 공정에 적용할 수 있다. 또한, 가상계측을 이용한 사전공정제어를 사용하여 저비용으로 단시간 내에 계측과 공정제어를 수행할 수 있으며, 시간에 따라 축적되는 데이터의 주기적인 업데이트에 의하여 초기 모델은 업데이트되며, 시간이 지날수록 신뢰성은 향상될 수 있다.

Description

반도체 공정의 가상계측을 이용한 사전공정제어 방법{ADVANCED PROCESS CONTROL METHOD FOR SEMICONDUCTOR PROCESS USING VIRTUAL METROLOGY }
본 발명은 반도체 공정의 가상계측을 이용한 사전공정제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실제 공정을 파악할 수 있는 센서를 이용하여 가상계측을 수행하며, 또한 가상계측에 기반하여 사전에 공정을 제어하는 반도체 공정의 가상계측을 이용한 사전공정제어 방법에 관한 것이다.
반도체 또는 평판디스플레이 양산 라인에서는 제품 생산을 위해 각각의 공정을 진행하는데, 공정이 제대로 진행하는지 대하여 계측을 하게 된다. 공정이 진행되는 모든 웨이퍼에 대하여 공정 후 계측을 진행하게 되면, 너무 많은 비용과 시간이 필요하므로 몇 개의 샘플에 대하여 계측설비에서 계측을 진행하고 그 결과값을 통하여 공정 조건을 튜닝(tuning)을 하면서 양산을 진행한다. 이는 공정 시간이 지남에 따라 챔버 내부의 공정환경의 변화(폴리머증착, 내부 부품(Part)들의 변화)가 발생하고,이에 따른 증착에서의 두께 변화 또는 에치에서의 CD(선폭)와 같은 공정의 계측치들이 이동(drift)하며 변화하기 때문이다.
즉, 동일한 레시피(recipe)를 적용하더라고, 대부분의 공정 결과의 계측치들은 일정하게 변화하거나 또는 때때로 갑자기 변화하게 된다. 예로, 다수의 웨이퍼를 고정하는 캐리어가 달라지면서 그 계측치들은 캐리어에 따라 매우 심각하게 변화하다.
공정 계측치들의 이동(drift) 원인은 여러 가지가 있겠지만, 공정이 진행되는 챔버의 상태가 공정에 따라서 항상 다른 환경에 놓이기 때문이다. 증착의 예를 들면, 챔버 내부에서 이상적으로는 증착 두께는 동일하여야 하지만, 챔버 내에서의 플라즈마의 밀도의 차이 또는 다양한 소모품들의 열화 정도가 각각 다르기 때문에 증착 두께의 변화가 발생한다.
따라서, 공정 변화를 일정하게 제어하는 것은 반도체 수율에 있어서 해결하여야 할 문제점들 중의 하나이다.
현재 이러한 계측치들의 이동(drift)의 해결책은 공정 진행 중에 실제 계측을 하여 공정 조건을 보정하는 방법을 사용하고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 반도체 공정제어방법을 설명하는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 공정(1, Process)이 진행(7, Flow)될 때 주기적으로 실제계측장치(5)에서 실제 계측(3, Real Measurement)을 실시하게 되며, 계측치가 기준값 이내이면 공정이 계속 진행(7)되며, 기준값을 벗어나거나 공정조건의 변화가 필요하다고 판단되면 공정 조건을 조정하게 된다.
이러한 종래의 실제 계측을 통한 공정 제어 방법은 세밀한 관리를 위해서는 많은 수의 계측을 해야되고 이에 따른 계측 시스템의 구매는 많은 투자가 필요하고, 또한 실제 계측을 위하여 시간이 많이 소요되는 단점이 있다. 현실적으로 이러한 이유 때문에, 모든 웨이퍼들을 계측할 수 없으며, 모든 웨이퍼들에서의 계측치들의 이동(drift)을 파악할 수 없다.
대한민국 공개특허 제10-2007-0120806호 대한민국 공개특허 제10-2007-0127681호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 실제 공정을 파악할 수 있는 센서를 이용하여 가상계측을 수행하며, 또한 가상계측에 기반하여 사전에 공정을 제어하는 반도체 공정의 가상계측을 이용한 사전공정제어 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 반도체 공정의 가상계측을 이용한 사전공정제어 방법은, 타겟 공정을 정하여 공정을 진행하는 단계; 공정을 진행하면서 주기적인 계측을 통한 초기 가상계측모델을 설정하는 단계; 상기 타겟 공정에 대하여 초기 가상계측모델을 이용하여 가상 계측을 실시하는 단계; 상기 가상계측에 대하여 사전 공정 조건 제어를 하는 단계; 및 상기 사전 공정 조건 제어에 따라서 공정이 진행되는 단계를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 타겟 공정에 대하여 주기적으로 실제 계측을 실시하는 단계; 상기 실제 계측에 의한 실제 계측값을 반영하여 가상계측모델을 업데이트하는 단계; 및 상기 보정된 가상계측모델을 이용하여 가상 계측을 실시하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 실제 계측에 의한 실제 계측값을 반영하여 가상계측모델을 업데이트하는 단계는, 상기 실제 계측값이 가상계측모델에 입력되면 바로 이를 반영하여 가상계측모델을 업데이트하거나 또는 일정 시간의 기간을 두고 배수에 의하여 업데이트할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 가상 계측을 실시하는 단계는, 상기 공정이 진행되는 실제 장비에서 얻을 수 있는 설비데이터와, 상기 공정을 실제 상황을 파악할 수 있는 센서를 공정 챔버 또는 관련 부위에 장착하여 얻은 직접 데이터를 취합하여 가상 계측을 실시할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 가상계측에 대하여 사전 공정 조건 제어를 하는 단계는, 상기 가상계측이 미리 반영되게 공정 파라미터들을 조정하여 타겟 공정을 변하게 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 가상계측은 반도체 식각의 PM(정기점검)에 따른 CD(선폭) 변화 또는 반도체 증착공정에서의 증착 두께의 변화를 계측할 수 있다.
본 발명에 따르면, 가상계측과 사전공정제어를 사용하여 실제로 공정을 진행하여 실제 계측값과 가상 계측값을 비교해보면, 그 차이가 미미하여 실제 공정에 적용할 수 있다.
또한, 가상계측과 사전공정제어를 사용하여 저비용으로 단시간 내에 계측과 공정제어를 수행할 수 있다.
또한, 시간에 따라 축적되는 데이터의 주기적인 업데이트에 의하여 초기 모델은 업데이트되며, 시간이 지날수록 신뢰성은 향상될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 반도체 공정제어방법을 설명하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예 따른 가상계측방법을 설명하는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예 따른 가상계측을 이용한 사전공정제어방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 실제 계측값과 가상 계측값 사이의 관계를 설명하는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이종 센서가 부착된 플라즈마 식각 장비를 나타내는 도면이다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예 따른 가상계측방법을 설명하는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 공정(11, Process)이 진행(17, Flow)될 때 주기적으로 가상계측장치(15)에서 가상계측(13, Virtual Metrology)을 실시하게 되며, 가상 계측값에 따라서 공정 조건을 제어하면서 공정을 진행하게 된다.
이러한 가상계측은 모든 캐리어의 모든 웨이퍼에 대하여 계측이 가능하다.
상기 가상계측장치(15)는 초기 가상계측모델과 실제 공정장비의 설비데이터 및 공정장비에 설치된 센서들로부터 수신되는 실제 공정 데이터를 분석하여 가상적으로 계측데이터를 측정하게 된다.
도 3은 본 발명의 일실시예 따른 가상계측을 이용한 사전공정제어방법을 나타내는 순서도이다. 이해의 편의를 위하여,예로 반도체 식각 설비의 공정 진행 시의 시간에 따른 CD(선폭) 변화를 예로 든다. 반도체 공정 식각 공정의 평균 CD값은 시간에 따라서 변화하게 되는데, 통상적으로 공정이 진행되면서 증가하며, PM(정기점검) 후에는 직하강하는 특징이 있다. 또한, CD 값은 "가장자리-중심부(Edge-Center)"로 갈수록 음에서 양의 편차를 보여준다. 즉, 웨이퍼에서 CD 값은 PM(정기점검) 전후에 완전하게 변화된다.
본 발명의 가상계측은 이러한 변화의 경향들을 이용하여 모든 웨이퍼 내에서 계측값들을 가상적으로 계측한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 실제 계측값과 가상 계측값 사이의 관계를 설명하는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 가상 계측값과 실제 계측값 차이가 평균 2나노미터인 것을 확인할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 먼저 실제로 공정을 진행하면서 모니터링하여 초기 가상계측모델(30)을 설정한다. 가상계측모델은 공정 타켓에 대하여 실제로 2번의 PM을 진행하면서 실제로 모니터링한 데이터일 수 있으며, 또는 실제로 모니터링한 값들 사이에서 보정치를 적용한 가상계측모델일 수 있다.
다음으로, 공정 타겟을 정하여 타겟 공정(31)을 진행한다.
다음으로, 타겟 공정(31)에 대하여 초기 가상계측모델(30)을 이용하여 가상 계측(33)을 실시한다. 여기서 가상계측(33)을 진행할 때, 실제 장비에서 얻을 수 있는 설비데이터뿐만 아니라 별도의 실제 공정을 파악할 수 있는 센서를 공정 챔버 또는 관련 부위에 장착하여 센서를 이용한 직접 데이터(39)를 취합하여, 이러한 직접 센서 데이터 위주로 공정 지표를 생성하여 가상 계측을 수행하게 된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 센서가 부착된 플라즈마 식각 장비 또는 증착 장비를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 전극에 전달되는 파워를 계측할 수 있는 프루브(61, VI Probe), 필름두께를 측정하는 IEP(62, Interferometer), 플라즈마의 상태를 모니터링할 수 있는 광학센서(63, OES), 플라즈마의 화학 물질의 정보를 얻을 수 있는 셀프플라즈마 광학센서(64, SPOES), 잔류가스를 분석할 수 있는 QMS-RGA(65, Quadrupole Mass Spectrometer-Residual Gas Analyser) 등의 이종센서들을 식각 장비에 직접 부착되어 실제 공정을 모니터링하며, 이러한 센서들의 모니터링 데이터와 장비의 설비 데이터가 취합되어 가상계측을 수행하게 된다.
다음으로, 가상계측에 대하여 사전 공정 조건 제어(35)를 하게 되며, 사전 공정 조건 제어에 따라서 공정이 진행(37)되게 된다.
그런데, 여기서 공정 조건의 제어는 가상계측이 이미 반영되게 공정 파라미터들을 조정하는 것을 특징으로 한다. 즉, 사전공정제어(Advanced Process Control)로서, 실제로 공정을 진행하면서 계측값에 대하여 확인 후에 공정조건을 진행하는 것이 아니라, 가상 계측값을 미리 알고 있으므로, 이를 기반하여 사전에 공정을 제어하여 타겟 공정(target process)을 변하게 하는 것이다.
또한, 본 발명은 주기적으로 실제계측 값을 통한 모델 갱신을 실시(50)한다. 즉, 실제 계측값을 적용하여 가상계측모델(30)을 보정(51) 또는 갱신한다. 실제 계측 데이터가 가상계측모델(30)에 입력되면 바로 이를 반영하여 가상계측모델을 업데이트할 수도 있고, 일정 시간의 기간을 두고 업데이트할 수 있다. 예컨대, 가상계측모델의 업데이트를 입력되는 실제 계측값의 적용 방법에 따라 가상계측 모델의 갱신을 조절할 수가 있다. 즉 가상계측모델의 갱신을 실제 계측데이터가 입력될 때마다 가상계측모델이 업데이트될 수도 있고, 주기를 설정하여 그 설정된 주기에 따라 입력되는 그 시점의 계측 데이터를 적용하여 가상계측모델이 업데이트될 수 있다. 이는 가상계측 모델이 고정되어 사용하는 방법과 주기적인 갱신을 통한 가상계측 모델의 변경을 행하는 방법이다.
다음으로, 보정된 가상계측모델(30)을 이용하여 가상 계측(33)을 진행한다.
충분한 데이터와 주기적인 업데이트에 의하여 초기 모델은 업데이트되며, 시간이 지날수록 신뢰성은 향상될 것이다.
가상 계측(Virtual Metrology)에 대한 사전공정제어(Advanced Process Control)는 공정 진행 시의 설비 레시피(Recipe)에 적용된 파라미터들로 한정 된다. 사전 공정 조건 제어(35)을 위해서는 실제 설비의 레시피(Recipe)의 설정 값을 조정하여서 공정 진행 후의 계측 값이 사전공정제어를 통하여 목표하는 계측값이 나올 수 있도록 레시피(Recipe)의 공정 조건을 변경 결과값을 도출하는 방법이다.
사전공정제어 파라미터들은 공정 레시피에 있는 조건들이며, 예컨대 공정시간, 압력, 공정온도, 인가전압, 공정가스의 종류, 가스량, 가스흐름 속도 등이다.
이러한 가상계측을 사용하여 실제로 공정을 진행하여 가상 계측값 과 CD값을 실제 계측값을 비교해보면, 에러값은 수 나노 이하로 가상 예측할 수 있다.
또한, 사전공정제어를 통하여 실제 공정시의 변화가 편차 내에 유지하도록 조절함으로써, 가상계측에 기반하여 웨이퍼 공정 결과가 이동(drift) 없이 안정적인 제품 품질(Quality)를 유지할 수가 있다.
1, 11, 31: 공정 3: 실제계측
5: 실제계측장치 7, 17, 37: 진행
13: 가상계측 15: 가상계측장치
30: 가상계측모델 설정 31: 타겟 공정
33: 가상계측모델을 이용하여 가상계측
35: 사전공정제어
39: 센서를 이용한 직접데이터 50: 실제 계측
51: 가상계측모델 보정 61: 프루브
62: IEP 63: 광학센서
64: SPOES 65: QMS-RGA

Claims (6)

  1. 반도체 공정의 가상계측을 이용한 사전공정제어 방법으로서,
    실제로 공정을 진행하면서 계측하면서 초기 가상계측모델을 설정하는 단계로서, 타겟 공정을 정하여 최소 1 PM(정기점검) 기간 동안의 실제 계측 데이터를 가상계측 모델 생성키 위한 공정 파라미터를 취득하는 단계;
    상기 타겟 공정에 대하여 초기 가상계측모델을 이용하여 가상 계측을 실시하는 단계;
    상기 가상계측에 대하여 사전 공정 조건 제어를 하는 단계; 및
    상기 사전 공정 조건 제어에 따라서 공정이 진행되는 단계를 포함하는 반도체 공정의 가상계측을 이용한 사전공정제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 공정에 대하여 주기적으로 실제 계측을 실시하는 단계;
    상기 실제 계측에 의한 실제계측값을 반영하여 가상계측모델을 업데이트하는 단계; 및
    상기 업데이트된 가상계측모델을 이용하여 가상 계측을 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정의 가상계측을 이용한 사전공정제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 실제 계측에 의한 실제계측값을 반영하여 가상계측모델을 업데이트하는 단계는,
    상기 실제 계측값이 가상계측모델에 입력되면 바로 이를 반영하여 가상계측모델을 업데이트하거나 또는 주기를 설정하고 설정된 주기에 따라 입력되는 그 시점의 계측 데이터를 적용하여 가상계측모델을 업데이트하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정의 가상계측을 이용한 사전공정제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가상 계측을 실시하는 단계는,
    상기 공정이 진행되는 실제 장비에서 얻을 수 있는 설비데이터와,
    상기 공정을 실제 상황을 파악할 수 있는 센서를 공정 챔버 또는 관련 부위에 장착하여 얻은 센서를 이용한 직접 데이터를 취합하여 가상 계측을 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정의 가상계측을 이용한 사전공정제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가상계측에 대하여 사전 공정 조건 제어를 하는 단계는,
    상기 가상계측이 미리 반영되게 공정 파라미터들을 조정하여 타겟 공정을 변하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정의 가상계측을 이용한 사전공정제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가상계측은 반도체 식각의 PM(정기점검)에 따른 CD(선폭) 변화 또는 반도체 증착공정에서의 증착 두께의 변화를 계측하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정의 가상계측을 이용한 사전공정제어 방법.
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