KR20010061251A - 식각종말점 제어장치 및 그를 이용한 식각종말점 제어 방법 - Google Patents

식각종말점 제어장치 및 그를 이용한 식각종말점 제어 방법 Download PDF

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Abstract

정확한 식각종말점을 제어하는 반도체 소자의 식각종말점 제어 장치 및 그를 이용한 식각종말점 제어 방법에 관한 것으로, 이를 위한 본 발명의 식각종말점 제어 방법은 식각절연층이 형성된 반도체기판을 플라즈마식각장치에 장착하여 상기 절연층을 식각하는 제 1 단계, 상기 플라즈마식각장치에 복수개의 광학탐침을 장착하여 식각종말점 선정에 적합한 식각반응물들에 대한 상기 광학탐침의 파장을 선정하는 제 2 단계, 상기 선정된 광학탐침을 이용하여 상기 선정된 식각반응물들의 스펙트럼 변화를 분석하는 제 3 단계, 상기 분석된 스펙트럼을 다중 산술조합하여 예상되는 식각종말점 구간의 형태를 선정하는 제 4 단계, 상기 식각종말점 구간의 형태에 대한 신경망분석을 실시하여 일정 식각종말점 형태로 기억시키는 제 5 단계, 상기 절연층 식각 중 검출되는 다중처리된 스펙트럼의 형태와 상기 기억된 식각종말점 형태를 비교하여 식각종말점을 결정하는 제 6 단계를 포함하여 이루어진다.

Description

식각종말점 제어장치 및 그를 이용한 식각종말점 제어 방법{METHOD OF DETECTING END POINT OF PLASMA PROCESSING AND APPARATUS FOR THE SAME}
본 발명은 반도체 소자의 식각 방법에 관한 것으로, 특히 플라즈마를 이용한식각 공정에 적용되는 식각종말점 제어장치 및 그를 이용한 식각종말점 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 제조 공정에서 건식식각(Dry etch) 기술은, 도 1에 도시된 바와 같이, 하부층(Sub layer)(11) 상부에 형성된 식각대상층(Etch target layer)(12)에 대한 주식각공정(Main etch step)(14)과 하부층(11)이 드러나기 시작하는 시점(End Of Point Detection; 이하 'EPD')부터 적용되는 과도식각공정(over etch step)(15)으로 이루어진다. 이러한 주식각공정(14)과 과도식각공정(15)의 구분은 식각종말점(EPD)을 기준으로 구분된다. 도면부호 '13' 은 식각마스크로 이용된 감광막패턴(Photoresist pattern)을 도시한다.
상기와 같은 식각종말점(EPD)의 제어 방법으로는 단순 광학플라즈마분석법, RF 임피던스분석법, 시간결정방식등이 이용되고 있다.
종래기술의 식각종말점 제어 방법중 단순 광학플라즈마 분석방법(Single optic plasma analyzer)은 플라즈마(Plasma) 내부의 특정 식각반응물에 대한 광학분석기술을 이용하여 식각종말점(EPD) 전후의 신호 변화를 정량적으로 분석하여 식각종말점을 결정하는 방법으로서, 단위소자 공정이 실시된 웨이퍼(Wafer)를 장착하고 소오스파워(Source power)와 RF 바이어스파워(Radio Frequency bias power)를 인가하여 공정가스(Process gas)의 플라즈마로 상기 웨이퍼를 식각하는 플라즈마식각장치(16)와, 상기 플라즈마의 스펙트럼을 검출하는 하나의 광학탐침(Optical probe)(17)과, 상기 광학탐침(17)으로부터 발생되는 스펙트럼(Spectrum)을 분석하여 식각종말점(18)을 분석하여 기억하는 주제어기(Main controller)(19)로 구성된다. 상기 하나의 광학탐침(17)을 이용한 광학분석기술로 모니터링(Monitoring)되는 신호(Signal)의 세기가 식각 단면의 면적에 비례하기 때문에, 고집적 소자 제조 공정에서는 상대적으로 미약한 신호세기 (Signal intensity)와 식각종말점(EPD) 전후의 작은 신호 변화로 공정 적용이 제한적이며, 정량분석 방식으로 웨이퍼 또는 로트(Lot)별 신호 변화에 대한 능동적인 대처가 불가능하다.
도 3 에 도시된 종래기술의 다른 식각종말점 제어장치는 임피던스 (Impedance) 검출을 위한 임피던스센서(20)를 이용하는 RF 임피던스(RF Impedance) 분석방법으로 식각 진행에 대한 플라즈마챔버(Plasma chamber)의 임피던스 변화를 이용하여 식각종말점(EPD)을 결정하는 방법이다. 그러나, 도 2 의 단순 광학플라즈마 분석방법과 마찬가지로 검출신호의 세기가 식각 단면의 면적에 비례하며, 전기적인 양을 이용하므로 장비 상태에 따른 노이즈(Noise) 특성 변화에 더욱 민감하다.
도면에 도시되지 않았지만, 시간결정방식은 측정된 식각률(Etch rate)을 이용하여 예상 식각종말점을 결정하는 방법으로, 패턴크기(Pattern size), 식각대상 면적의 차이에 의하여 식각률이 달라지는 마이크로/매크로 로딩 효과 (Micro/macro loading effect)등의 변수들에 대한 반영이 불가능하여 셀지역에 대한 식각종말점의 정확도가 떨어진다. 또한 반도체 제조 공정 중 발생할 수 있는 식각 이전 증착조건의 미세한 변화 및 식각 장치의 상태변화등에 대한 대처가 불가능하여 안정성 확보 차원에서 충분한(또는 과도한) 공정 조건을 적용해야만 하는 문제점이 있다.
상술한 바와 같이 종래기술의 식각종말점 제어방법들로는 반도체 소자의 절연막(또는 산화막) 콘택 식각시 정확한 식각종말점 제어에 어려움이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 복합 광학분석기술과 다양한 광학분석 신호에 대한 조합기술을 적용하여 미세한 신호변화를 극대화하고, 신경망(Neural network) 분석을 이용한 형태(Shape) 분석방법을 이용하여 반도체 소자의 콘택식각 공정에 대해 안정적이고 효과적으로 적용가능한 식각종말점 제어 장치 및 그를 이용한 식각종말점 제어 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1 은 일반적인 반도체 소자의 건식식각 방법을 나타낸 도면,
도 2 는 종래기술의 단순 광학분석법을 이용한 식가종말점 제어장치를 나타낸 구성 블럭도,
도 3 은 종래기술의 다른 예로 RF 임피던스분석법을 이용한 식각종말점 제어 장치를 나타낸 구성 블럭도,
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 복합 광학분석법과 신경망을 이용한 식각종말점 제어장치를 나타낸 구성 블럭도,
도 5 는 식각종말점 선정에 적합한 식각반응물들에 대한 광학탐침을 이용한 모니터링 데이터를 나타낸 도면,
도 6 은 도 4 의 신호변환기를 이용하여 조합한 SiF/C2신호의 스펙트럼을 나타낸 도면,
도 7 은 도 4의 신경망을 이용한 식각종말점 구간 선정 및 식각종말점 분석을 나타낸 도면,
도 8 은 본 발명의 실시예에 따른 신경망을 나타낸 도면,
도 9 는 식각종말점이 분석된 스펙트럼을 나타낸 도면,
도 10 은 도 9 에 나타난 식각종말점포인트(EPD#02)를 적용한 식각대상층의 식각방법을 나타낸 도면,
도 11a 내지 도 11b 는 본 발명의 실시예를 감광막 에치백공정과 텅스텐 에치백공정에 적용한 경우를 나타낸 도면,
도 12 는 도 11의 감광막 에치백공정에 적용된 경우의 식각종말점 스펙트럼을 나타낸 도면,
도 13 은 본 발명의 실시예를 복합적층구조의 절연층에 적용한 경우를 나타낸 도면,
도 14 는 도 13 의 식각종말점 스펙트럼을 나타낸 도면,
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100 : 플라즈마식각장치 200 : 광학탐침
300 : 신호변환기 400 : 신경망분석
500 : 제어기
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 식각종말점 제어장치는 건식식각을 위한 웨이퍼가 위치되는 플라즈마식각장치, 상기 웨이퍼 상부에 형성된 절연막 식각에 이용되는 플라즈마의 파장을 검출하는 복수개의 광학탐침, 상기 광학탐침에서 취합된 다수의 스펙트럼을 조합하는 신호변환기, 상기 신호변환기로부터 조합된 스펙트럼을 이용하여 예상되는 식각종말점 구간을 선정하고 신경망분석을 이용하여 식각종말점형태를 기억하는 제어기를 포함하여 구성됨을 특징으로 하고, 그를 이용한 식각종말점 제어 방법은 절연층이 형성된 반도체기판을 플라즈마식각장치에 장착하여 상기 절연층을 식각하는 제 1 단계, 상기 플라즈마식각장치에 복수개의 광학탐침을 장착하여 식각종말점 선정에 적합한 식각반응물들에 대한 상기 광학탐침의 파장을 선정하는 제 2 단계, 상기 선정된 광학탐침을 이용하여 상기 선정된 식각반응물들의 스펙트럼 변화를 분석하는 제 3 단계, 상기 분석된 스펙트럼을 다중 산술조합하여 예상되는 식각종말점 구간의 형태를 선정하는 제 4 단계, 상기 식각종말점 구간의 형태에 대한 신경망분석을 실시하여 일정 식각종말점 형태로 기억시키는 제 5 단계, 상기 절연층 식각 중 검출되는 다중처리된 스펙트럼의 형태와 상기 기억된 식각종말점 형태를 비교하여 식각종말점을 결정하는 제 6 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 복합 광학플라즈마 분석장치 및 신경망을 이용한 식각종말점 제어 장치를 나타낸 구성 블럭도로서, 건식식각을 위한 웨이퍼(42)를 지지하는 웨이퍼척(Wafer chuck)(41)을 포함하는 플라즈마식각장치 (100)와, 상기 웨이퍼(42) 상부에 형성된 절연막 식각에 이용되는 플라즈마의 파장 (Wavelength)을 검출하는 복수개의 광학탐침(200)과, 상기 광학탐침(200)에서 취합된 다수의 스펙트럼을 조합하는 신호변환기(Signal converter)(300)와, 상기 신호변환기(300)로부터 조합된 스펙트럼을 이용하여 예상되는 식각종말점(EPD) 구간을 선정하고 신경망(Neural network)분석(400)을 이용하여 식각종말점형태(EPD Shape)을 기억하는 제어기(500)로 구성된다. 여기서 상기 플라즈마식각장치(100)는 소오스파워(Source power)와 RF바이어스파워(RF bias power)를 인가받아 주입되는 공정가스(Process gas)의 플라즈마(Plasma)로 반도체 소자를 식각하는 장치이며, 상기광학탐침(200)은 다수개 구비되어 복수개의 다른 파장을 검출한다.
상기와 같이 구성된 식각종말점 제어 장치의 동작에 대해 첨부도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 5 에 도시된 바와 같이, 적용 공정의 특성에 따라 식각종말점 설정에 적합한 식각반응물들(CN,SiF,CO,C2)에 대하여 각각의 광학탐침(200)의 파장을 선정한다. 이 때 상기 식각반응물의 선정은 식각종말점 전후의 스펙트럼 변화를 최대화하기 위하여 식각공정의 진행에 따라 감소하는 반응물(SiF)과 증가하는 반응물(C2)을 선정한다.
이어 식각종말점 설정대상인 시편 예를 들면, 절연막에 대한 식각을 진행하며 선정된 광학탐침들(200)을 이용하여 스펙트럼의 변화를 모니터링(Monitoring)한다.
도 6 에 도시된 바와 같이, 신호변환기(300)를 이용하여 취합된 스펙트럼들을 조합하여 식각종말점 해상도(EPD Resolution)가 가장 뛰어난 등식(Equation)을 다음과 같이 결정한다.
도 7 에 도시된 바와 같이, 풀스펙트럼(Full spectrum)을 이용하여 예상되는식각종말점 구간의 형태(shape)를 선정하고 식각종말점 포인트를 분석한 후 도 8 에 도시된 신경망(400)을 이용하여 훈련과정(Traning)을 진행하여 예상 식각종말점 형태를 저장한다. 여기서 신경망 분석 방법에 대한 설명은 생략하기로 한다.
이어 식각 공정을 진행할 때, 기셋업된 등식을 이용하여 복합스펙트럼이 취합되고, 상기 복합스펙트럼의 변화는 신경망분석(400)에 의하여 기훈련된 작업을 통하여 기억되어 있는 식각종말점 형태(EPD Shape)(A)와 비교하여 식각종말점(EPD)을 결정한다.
도 9는 풀스펙트럼(full)과 각 식각종말점 포인트(EPD#01, EPD#02, EPD#3)의 스펙트럼이 나타난 식각종말점 포인트 분석 스펙트럼을 도시하고 있는 도면으로서, EPD#02 포인트에서 정확히 식각종말점(EPD)이 결정되었음을 확인할 수 있다. 도 9 에 나타난 바와 같이, 정량분석이 아닌 형태분석을 이용하므로써 각 시편들의 세기 (intensity) 차이에도 불구하고 안정적인 식각종말점(EPD)(B) 분석이 가능함을 확인할 수 있다.
상기의 EPD#02 식각종말점 포인트를 적용하여 본 발명의 실시예에 따른 식각공정을 진행했을 경우, 도 10 에 도시된 것처럼, 절연막의 정확한 식각종말점을 제어할 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 식각종말점 제어장치는 감광막 에치백(Etchback) 공정과 텅스텐 에치백 공정에 적용할 수 있는데, 도 11a에 도시된 것처럼, 절연막(51)의 평탄화를 위하여 절연막(51) 상부에 감광막(52)을 전면 도포한 후 감광막패턴없이 전면식각되는 감광막 에치백공정에 적용한다. 또한 도11b에 도시된 것처럼, 반도체기판(53) 상부에 형성된 도전층(54)과 전기적으로 연결하기 위한 콘택을 형성하기 위해 절연막(55)을 선택적으로 식각한 다음, 전면에 텅스텐층(56)을 도포한다. 이어 감광막없이 텅스텐층(56)을 에치백하여 텅스텐플러그(57)를 형성하는 경우, 본 발명의 실시예에 따른 식각종말점 제어 방법을 이용하여 텅스텐 전면식각의 식각종말점을 정확하게 제어할 수 있다.
이에 대해 자세히 설명하면 감광막 에치백공정의 경우는, 도 12 에 도시된 것처럼 절연막 타겟(Targer)에 대해 점차 감소하는 주식각 반응물로 카본(Carbon) 계열의 식각반응성분과 평탄화가 진행되는 시점의 절연막 관련 생성물의 대비를 이용하여 식각종말점형태(C)를 검출할 수 있으며, 텅스텐 에치백공정의 경우는 텅스텐 관련 식각반응성분과 식각종말점 이후의 하부 절연층 관련 생성물의 대비를 이용하여 식각종말점 형태를 검출한다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 식각종말점 제어 장치는 도 13에 도시된 것처럼 복합적층막구조의 보호막 식각공정에 적용할 수 있는데, 하부층(58) 상부에 2차 식각대상층(60), 1차 식각대상층(59)이 적층되어 보호막을 형성한다.
도 14 에 도시된 것처럼, 1차 식각대상층(SiON)(59)의 식각종말점 결정(D)이 이루어지는 제1주식각공정(61)과, 2차 식각대상층(SiO2)(60)에 대한 식각종말점 결정 (E)이 이루어지는 제2주식각공정(62)과, 하부층(58)에 대한 과도식각공정(63)으로 제어한다. 이 때 이용되는 식각 반응생성물은 1차 식각대상층(59)의 경우는 CN,C2이며 2차 식각대상층(60)의 경우는 SiF,C2의 비교를 이용한다.
또한 도면에 도시되지 않았지만, 본 발명의 실시예에 따른 식각종말점 제어 장치는 절연체 상부에 확산방지층과 알루미늄이 형성된 전도체 식각 공정에 적용할 수 있는데, 광학탐침으로 검출되는 식각 반응물로 식각 진행시 점차 감소하는 성분으로 알루미늄등을 선정할 수 있으며, 대비 성분으로 종말점에서 드러난 확산방지층의 티타늄성분이나 하부 절연체 관련 생성물을 선정한다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 식각종말점 제어 장치는 식각장비의 상태 이상유무 검증에 사용할 수 있는데 예를 들면, 데일리 에치레이트 모니터링(Daily etch rate monitoring)등의 상태 점검시 기록되는 광학 스펙트럼을 정상상태의 스펙트럼과 비교하여 일정 스펙(specification) 이상의 차이를 보일경우, 장비 상태의 이상 가능성 또는 이상 발생 잠재 가능성을 예측할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명은 복합 광학플라즈마 분석기술과 다수의 스펙트럼에 대한 조합기술을 이용하여 고집적 반도체소자의 초미세 콘택노출지역, 초미세 콘택의 크기에 대한 식각종말점 전후의 미세한 스펙트럼 변화를 극대화시킬 수 있으므로, 1% 미만의 콘택노출영역 식각 공정등에 대한 안정적인 식각종말점을 검출할 수 있다.
그리고 신경망을 이용한 스펙트럼의 형태분석은 반도체 제조 공정 중 발생하는 식각 이전 증착조건의 미세한 변화 및 식각장치의 상태 변화등에 대한 스펙트럼의 변화까지도 식각종말점 결정에 반영하므로, 안정적이고 정밀한 식각종말점을 검출할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 반도체 소자의 식각장치에 있어서,
    건식식각을 위한 웨이퍼가 위치되는 플라즈마식각장치;
    상기 웨이퍼 상부에 형성된 절연막 식각에 이용되는 플라즈마의 파장을 검출하는 복수개의 광학탐침;
    상기 광학탐침에서 취합된 다수의 스펙트럼을 조합하는 신호변환기; 및
    상기 신호변환기로부터 조합된 스펙트럼을 이용하여 예상되는 식각종말점 구간을 선정하고 신경망분석을 이용하여 식각종말점형태를 기억하는 제어기
    를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 식각종말점 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 광학탐침의 분석 파장을 서로 다른 식각 반응물에 대하여 설정하는 것을 특징으로 하는 식각종말점 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중 신호 조합처리된 스펙트럼의 식각종말점 시점을 신경망을 이용하여 일정 식각종말점 형태로 상기 제어기에 기억시키는 것을 특징으로 식각종말점제어 장치.
  4. 절연층이 형성된 반도체기판을 플라즈마식각장치에 장착하여 상기 절연층을 식각하는 제 1 단계;
    상기 플라즈마식각장치에 복수개의 광학탐침을 장착하여 식각종말점 선정에 적합한 식각반응물들에 대한 상기 광학탐침의 파장을 선정하는 제 2 단계;
    상기 선정된 광학탐침을 이용하여 상기 선정된 식각반응물들의 스펙트럼 변화를 분석하는 제 3 단계;
    상기 분석된 스펙트럼을 다중 산술조합하여 예상되는 식각종말점 구간의 형태를 선정하는 제 4 단계;
    상기 식각종말점 구간의 형태에 대한 신경망분석을 실시하여 일정 식각종말점 형태로 기억시키는 제 5 단계; 및
    상기 절연층 식각 중 검출되는 다중처리된 스펙트럼의 형태와 상기 기억된 식각종말점 형태를 비교하여 식각종말점을 결정하는 제 6 단계
    를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 식각종말점 제어 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 3 단계에서,
    식각종말점 전후의 스펙트럼변화를 최대화하기 위해 식각공정 진행에 따라 감소하는 식각반응물과 증가하는 식각반응물을 선정하는 것을 특징으로 하는 식각종말점 제어 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 4 단계는,
    상기 스펙트럼들을 다중 산술조합하여 식각종말점 전후의 스펙트럼 변화가 극대화되도록 처리하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 식각종말점 제어 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 5 단계는,
    상기 다중 산술조합된 스펙트럼의 식각종말점 시점을 더 포함하여 기억시키는 것을 특징으로 하는 식각종말점 제어 방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 단계 내지 제 5 단계는,
    절연막평탄화를 위한 감광막과 텅스텐플러그를 형성하기 위한 텅스텐의 에치백 식각공정에 적용하는 것을 특징으로 하는 식각종말점 제어 방법.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 단계 내지 제 5 단계는,
    적층막의 식각 공정을 포함한 전도층의 식각 공정에 적용하는 것을 특징으로 하는 식각종말점 제어 방법.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 단계 내지 제 5 단계는,
    식각장치의 이상유무 및 공정과정의 이상상태를 판단하는 공정에 적용하는 것을 특징으로 하는 식각종말점 제어 방법.
KR1019990063742A 1999-12-28 1999-12-28 식각종말점 제어장치 및 그를 이용한 식각종말점 제어 방법 KR100562627B1 (ko)

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KR100855496B1 (ko) * 2006-06-21 2008-09-01 (주)네오엔시스 플라즈마 식각 공정의 종말점 검출 방법

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