KR20020009210A - Method of plasma process simulation - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 플라즈마 공정의 시뮬레이션 방법에 관한 것이다. 반도체 소자의 미세화 경향에 따라 플라즈마(plasma)를 이용한 공정은 전체 반도체 공정의 60%이상을 차지하고 있다. 플라즈마 공정은 반도체 공정 설비 내에서 방전 현상을 일으켜, 생성된 이온과 중성입자들이 웨이퍼에 도달하여 휘발성 물질을 생성(식각)하거나, 흡착(증착)하는 표면 반응을 이용한 공정방법이다.The present invention relates to a method for simulating a plasma process. According to the tendency of semiconductor devices to be miniaturized, the process using plasma takes up more than 60% of the overall semiconductor process. The plasma process is a process method using a surface reaction in which a discharge phenomenon occurs in a semiconductor processing facility, and generated ions and neutral particles reach the wafer to generate (etch) or adsorb (deposit) volatile materials.
이러한 플라즈마 식각 및 증착 공정에 있어서, 시간에 따른 형상을 얻는 기존의 시뮬레이션 방법 여러 가지가 있으며, 이미 상용화된 시뮬레이션 방법도 있다. 종래의 통상적인 형상 시뮬레이션 방법은 다음과 같은 절차에 의하여 진행된다.In the plasma etching and deposition process, there are a number of existing simulation methods for obtaining shapes over time, and there are also simulation methods that are already commercially available. Conventional shape simulation methods are performed by the following procedure.
첫째, 해석적인 방법 또는 플라즈마 시드 몬테 카를로(plasma sheath Monte Carlo) 시뮬레이션을 이용하여 계산된 이온의 입사각 및 입사 에너지를 입력 변수로 정의한다.First, the incident angle and the incident energy of the calculated ions are defined as input variables using analytical methods or plasma sheath Monte Carlo simulations.
둘째, 흡착 및 반사 계수, 스퍼터 산출 함수(sputter yield function), 반응 상수로 구성된 표면 반응 파라미터를 입력변수로 정의한다.Second, the surface reaction parameters consisting of adsorption and reflection coefficients, sputter yield functions, and reaction constants are defined as input variables.
세째, 웨이퍼 표면에서의 반응 노드를 정의하고 반응 노드에서 이온 및 중성입자의 유량을 계산한다.Third, the reaction node at the wafer surface is defined and the flow rate of ions and neutral particles at the reaction node is calculated.
네째, 반응 노드에서의 표면 반응 변수 및 유량으로 구성된 반응 식을 이용하여 표면 반응 속도를 계산한다.Fourth, the surface reaction rate is calculated using a reaction formula consisting of surface reaction variables and flow rates at the reaction node.
다섯째, 표면 진행 알고리즘을 이용하여 시간 진행에 따른 형상을 재현한다.Fifth, the surface progress algorithm is used to reproduce the shape over time.
종래의 시뮬레이션 방법을 도 1에 나타내었다. 종래의 시뮬레이션은 상기한 절차에 따라 진행되며, 사용자가 공정별로 표면 반응을 묘사하는 파라미터를 정의하는 작업이 필요하다.The conventional simulation method is shown in FIG. Conventional simulation proceeds according to the procedure described above, and requires the user to define a parameter describing the surface reaction for each process.
상기한 바와 같이 종래 기술의 경우, 사용자가 정의한 표면 반응 상수를 고려한 형상 시뮬레이션 상용화 방법은 존재하지만, 플라즈마에서 발생한 이온의 성질을 고려한 표면 반응 상수를 체계적으로 고려할 수 있는 시뮬레이션 도구 및 방법은 없다. 상기한 바와 같이 종전의 시뮬레이션 방법은 공정 변화에 따라 사용자가 시뮬레이션 도구의 캘리브레이션을 수행하여야 하므로 많은 시간이 소요되며, 표면 반응에 대해서는 물리적으로 해석하는데 한계가 있다.As described above, in the prior art, there is a shape simulation commercialization method considering the user-defined surface reaction constant, but there are no simulation tools and methods that can systematically consider the surface reaction constant in consideration of the ions generated in the plasma. As described above, the conventional simulation method requires a lot of time because the user needs to calibrate the simulation tool according to the process change, and there is a limitation in physically analyzing the surface reaction.
본 발명은 상기한 기존의 시뮬레이션 방법의 문제점을 해결하기 위하여 두가지 시뮬레이션 도구를 첨가하고, 전체적인 흐름도를 제시함으로써 플라즈마 공정 변화에 따른 공정의 최적화 및 표면에서의 물리적 모델 셋(model set)을 시뮬레이션을 통하여 추출할 수 있는, 새로운 플라즈마 공정 시뮬레이션 방법을 개발하고 추가적으로 대표적 반응 상수인 스퍼터 산출 함수를 검증하는 방법을 개발하는 것이다.In order to solve the problems of the conventional simulation method, the present invention adds two simulation tools and presents an overall flowchart to optimize the process according to the plasma process change and to simulate a physical model set on the surface. We will develop new plasma process simulation methods that can be extracted and additionally validate the sputter yield function, a typical reaction constant.
도 1은 종래의 플라즈마 공정 시뮬레이션 방법을 나타낸 공정 순서도이다.1 is a process flowchart showing a conventional plasma process simulation method.
도 2는 본 발명에 의한 플라즈마 공정 시뮬레이션 방법을 나타낸 공정 순서도이다.2 is a process flowchart showing a plasma process simulation method according to the present invention.
도 3a은 실리콘 및 산소의 각 입사각에 대한 스퍼터 산출 함수(sputter yield function)및 이들의 합을 나타낸 그래프이다.FIG. 3A is a graph showing a sputter yield function and their sum for each incident angle of silicon and oxygen. FIG.
도 3b는 상기 도 3a의 스퍼터 산출 함수를 이용한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.3B is a diagram illustrating a simulation result using the sputter calculation function of FIG. 3A.
도 3c는 상기 도 3a 및 상기 도 3b에 나타난 시뮬레이션 결과의 검증을 위해, 실험한 형상을 나타낸 도면이다.FIG. 3C is a diagram illustrating an experimental shape for verifying the simulation result shown in FIGS. 3A and 3B.
도 4a는 형상 시뮬레이션 및 특정 이온을 수집하는 장비를 이용하여, 식각 패턴 사진간의 비교를 통해 비정질 재료의 표면에서 플라즈마 효과를 고려한 이온의 스퍼터 산출 함수의 유도과정을 나타낸 공정 순서도이다.FIG. 4A is a process flowchart illustrating a process of deriving a sputtering function of ions in consideration of a plasma effect on a surface of an amorphous material through comparison between etching pattern photographs using a shape simulation and a device for collecting specific ions.
도 4b는 아르곤 이온에 의한 스퍼터링 공정에서 식각 형상을 재현하는 스퍼터 해석 함수와 상기 도 3에서 얻은 실험 결과를 재현하는 분자 동역학적으로 얻은 스퍼터 산출 함수를 나타낸 그래프이다.FIG. 4B is a graph showing a sputtering analysis function for reproducing an etched shape in an argon ion sputtering process and a molecular dynamics obtained sputtering function for reproducing an experimental result obtained in FIG. 3.
상기 목적을 해결하기 위하여 본 발명에서는 플라즈마 시뮬레이션에 의해 플라즈마 공정 변화에 따른 이온의 종류 및 에너지 분포를 얻는 단계; 분자 동역학시뮬레이션에 의해 입사 이온에 따른 스퍼터 산출함수를 얻는 단계; 상기 플라즈마 시뮬레이션에서 얻은 상기 에너지 분포 함수와 상기 분자 동역학 시뮬레이션에서 얻은 상기 표면 반응 상수에 대한 값의 조합에 따라 형상 시뮬레이션 표면 모델 파라미터를 얻는 단계; 및 상기 표면 모델 파라미터를 이용하여 시간에 따른 시뮬레이션을 수행하여 표면 형상을 얻는 것을 특징으로 하는 플라즈마 시뮬레이션 방법을 제공한다.In order to solve the above object, the present invention includes the steps of obtaining the type and energy distribution of the ion according to the plasma process change by plasma simulation; Obtaining a sputter calculation function according to incident ions by molecular dynamics simulation; Obtaining a shape simulation surface model parameter according to a combination of the energy distribution function obtained in the plasma simulation and the value for the surface reaction constant obtained in the molecular dynamics simulation; And performing a simulation over time using the surface model parameters to obtain a surface shape.
본 발명에 있어서, 상기 플라즈마 시뮬레이션 도구는 몬테카를로법을 이용한 동역학 해석, 유체 해석, 상기 동역학 해석 및 상기 유체 해석을 함께 사용한 혼합법 및 플라즈마 화학 해리 반응만을 해석한 방법중 어느 하나 또는 2이상인 것이 바람직하다.In the present invention, the plasma simulation tool is preferably any one or two or more of kinetic analysis using the Monte Carlo method, fluid analysis, mixing method using the kinetic analysis and the fluid analysis, and the method of analyzing only the plasma chemical dissociation reaction. .
또한, 상기 분자 동역학 시뮬레이션은 맥스웰-볼츠만 분포에 따라 이온의 초기 속도 및 입사에너지를 정의하는 단계; 입사 각도 빈(incident angle bin)에 따라 입사한 이온 및 웨이퍼의 표면 물질 간의 상호작용을 계산하는 단계; 상기 이온 및 웨이퍼 표면 물질 간의 상호작용에 따라 이온의 새로운 추적 속도 및 방향의 설정에 의해 일정 시간후의 이온의 새로운 평형 상태의 위치를 지정하는 단계; 및 상기 과정을 소정의 시간동안 수행하여 수행의 초기 시간은 에너지 수렴 과정으로 표면 반응 정보를 추출하는 과정에서 제외시키고, 나머지 시간 동안 얻어진 이온의 속도, 방향, 반사 운동 에너지, 반사 방향 및 표면 반응 생성물에 대한 통계적 자료를 수집하는 단계;로 이루어진 것이 바람직하다.In addition, the molecular dynamics simulation may include defining an initial velocity and an incident energy of ions according to the Maxwell-Boltzmann distribution; Calculating an interaction between the incident ions and the surface material of the wafer according to an incident angle bin; Positioning a new equilibrium state of ions after a period of time by setting a new tracking speed and direction of the ions in accordance with the interaction between the ions and the wafer surface material; And the initial time of performing the process for a predetermined time is excluded from the process of extracting the surface reaction information by the energy convergence process, and the velocity, direction, reflection kinetic energy, reflection direction and surface reaction product of the ions obtained for the remaining time. Collecting statistical data for; preferably consists of.
본 발명에 의한 시뮬레이션 도구는 플라즈마 방전 해석을 포함한 이온의 입사각 및 에너지 분포를 얻을 수 있는 시뮬레이션 방법 및 플라즈마 방전에 의해서 발생된 운동 에너지를 가진 이온의 웨이퍼에서의 거동을 이용하여 흡착 계수나 스퍼터 함수등의 모델 파라미터 셋을 추출하는 분자 동역학 시뮬레이션 방법이다. 상기 추출된 모델 파라미터 셋을 적당한 함수로 표현된 반응식 및 표면 진행 알고리즘을 이용하여 시간의 진행에 따른 형상을 추출할 수 있다.The simulation tool according to the present invention utilizes a simulation method to obtain the incident angle and energy distribution of ions including plasma discharge analysis, and the adsorption coefficient, sputter function, etc. using the behavior of ions with kinetic energy generated by plasma discharge. Molecular dynamics simulation to extract a set of model parameters. The shape of the extracted model parameter set may be extracted over time using a reaction equation and a surface progression algorithm represented by a suitable function.
본 발명에 의한 시뮬레이션 도구의 장점은 플라즈마에서 발생된 이온의 종류 및 에너지에 따라 시뮬레이션 도구를 통해 흡착 계수나 스퍼터 함수를 추출하기 때문에 사용자가 시뮬레이션 도구를 캘리브레이션(calibration)하는 작업이 불필요하며, 최적의 형상 및 공정을 셋업하기 위해 필요한 플라즈마 발생 이온 및 에너지에 대한 정보를 체계적으로 추출할 수 있다.The advantage of the simulation tool according to the present invention is that the user does not need to calibrate the simulation tool because the extraction coefficient or sputter function is extracted through the simulation tool according to the type and energy of ions generated in the plasma. Information about the plasma generated ions and energy needed to set up the shape and process can be systematically extracted.
이하, 도면을 참고하면서 본 발명에 의한 새로운 플라즈마 공정 시뮬레이션 방법의 일 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 2에서는 종래의 시뮬레이션 도구에 표면 반응 상수들을 플라즈마 공정에 따라 추출할 수 있는 새로운 시뮬레이션 도구 및 방법을 제시하였다. 여기서 플라즈마 시뮬레이션을 이용하여 플라즈마 공정 변화에 따라 발생하는 이온의 종류 및 에너지 분포를 얻는 방법과 분자 동역학을 이용하여 입사각에 따른 스퍼터 산출 함수를 얻는 법 및 두 함수간의 조합을 이용하여 형상 시뮬레이션을 수행하는 형태를 도시하였다.Hereinafter, an embodiment of a novel plasma process simulation method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In FIG. 2, a new simulation tool and a method for extracting surface reaction constants according to a plasma process are proposed in a conventional simulation tool. Here, plasma simulation is used to obtain the type and energy distribution of ions generated by plasma process change, molecular dynamics is used to obtain the sputter calculation function according to the incident angle, and shape simulation is performed using a combination of the two functions. The form is shown.
먼저, 플라즈마 시뮬레이션 도구에 대해 설명하면, 플라즈마 시뮬레이션 도구는 종래의 몬테카를로(Monte Carlo)법을 이용한 동역학 해석, 유체 해석, 상기 2가지를 함께 사용한 혼합법 및 플라즈마 화학 해리 반응만을 해석한 방법이 모두이용될 수 있다. 상기 플라즈마 시뮬레이션 도구는 전자기장 해석, 전자 동역학, 화학종의 유체 해석 및 시드(sheath) 모델을 이용하여 이온 종류, 이온 분포, 이온의 웨이퍼 입사각 및 에너지 분포함수를 얻을 수 있다. 도 2에서는 이온의 입사각 및 입사에너지에 따른 분포를 그래프로 나타내었다.First, the plasma simulation tool will be described. The plasma simulation tool uses a conventional Monte Carlo method, a dynamic analysis, a fluid analysis, a mixing method using the two together, and a method of analyzing only the plasma chemical dissociation reaction. Can be. The plasma simulation tool can obtain ion type, ion distribution, wafer incidence angle of ions, and energy distribution function using electromagnetic field analysis, electrodynamics, chemical species analysis and seed model. In FIG. 2, the distribution according to the incident angle and the incident energy of the ions is shown in a graph.
다음 단계로, 분자 동역학 시뮬레이션의 도구는 플라즈마 공정을 표현하는 함수인 분포, 입사각 및 에너지로 나타내어지는 이온을 웨이퍼로부터 예를 들어, 약 100Å 상부에서 각 입사 각도 별로 웨이퍼에 입사시킨다. 입사시킨 위치로부터 분자 동역학에 따른 분자 동역학적 방법을 이용하여 입사 이온의 거동을 추적(ion trajectory)한다. 분자 동역학적 방법은 일반적인 방법을 사용하며, 하기한 바와 같은 순서로 진행시킨다.In a next step, the tool of molecular dynamics simulation introduces ions, represented by distribution, angle of incidence, and energy, which are functions representing the plasma process, from the wafer, for example, at each angle of incidence above about 100 Hz. From the position of incidence, the behavior of incident ions is traced using a molecular dynamics method according to molecular dynamics. The molecular dynamics method uses a general method and proceeds in the order as described below.
첫째, 맥스웰 볼츠만(Maxwell-boltzman) 분포에 따라 100개 내지 200개의 이온의 초기속도 및 입사 에너지를 정의한다.First, the initial velocity and incident energy of 100 to 200 ions are defined according to the Maxwell-boltzman distribution.
둘째, 입사 각도 빈(incident angle bin)에 따라 입사한 이온과 웨이퍼의 표면 물질간의 상호작용을 계산한다. 이경우 입사 이온과 웨이퍼 표면물질간의 상호작용의 포텐셜은 터소프(Tersoff)포텐셜 등의 장단범위 상호작용(short and long range interaction)을 표현하는 식을 사용한다.Second, the interaction between the incident ions and the surface material of the wafer is calculated according to the incident angle bin. In this case, the potential of the interaction between the incident ions and the surface material of the wafer uses an expression representing short and long range interactions such as Tersoff potential.
세째, 입사 이온의 에너지 및 힘(force)을 계산한 후, 분자간의 상호작용 힘(f=ma)에 의해 이온의 새로운 추적 속도 및 방향이 설정되면 0.5 내지 1ps( pico-second : 피코세컨드) 후의 분자의 새로운 평형상태의 위치를 지정한다.Third, after calculating the energy and force of the incident ions, if the new tracking speed and direction of the ions are set by the intermolecular interaction force (f = ma), after 0.5 to 1 ps (pico-second: picoseconds) Specifies the position of the new equilibrium of the molecule.
네째, 상기한 과정을 100 내지 200ps 동안 수행하며, 초기의 100ps는 에너지수렴 과정으로 표면 반응 정보를 추출하는 과정에서 제외시키고, 나머지 100ps 동안에 얻어진 이온의 속도, 방향, 반사 운동 에너지, 반사 방향 및 표면 반응 생성물에 대한 통계적인 자료를 수집한다.Fourth, the above process is performed for 100 to 200 ps, and the initial 100 ps is excluded from the process of extracting the surface reaction information by the energy convergence process, and the velocity, direction, reflected kinetic energy, reflection direction and surface of the ions obtained during the remaining 100 ps. Collect statistical data about the reaction product.
도 2의 분자 동역학 시뮬레이션에서는 이온의 입사 에너지의 각 입사각에 따른 스퍼터 산출함수(sputter yield function)를 그래프로 나타내고 있는데, 여기서는 50eV(electron Volt) 및 100eV의 에너지를 갖는 이온의 각 입사각에 따른 스퍼터 산출 함수를 나타내었다.In the molecular dynamics simulation of FIG. 2, the sputter yield function according to the incident angle of the incident energy of ions is shown in a graph. Here, the sputter calculation according to each incident angle of ions having an energy of 50 eV (electron Volt) and 100 eV is shown. The function is shown.
다음 단계로, 상기한 바에 따라 플라즈마 시뮬레이션 및 분자 동역학 시뮬레이션을 수행하고 상기 플라즈마 시뮬레이션에서 얻은 에너지 분포 함수와 상기 분자 동역학 시뮬레이션에서 얻은 표면 반응 상수에 대한 값 들간의 조합, 즉 평균, 합 또는 상관식 등을 이용하여 형상 시뮬레이션의 표면 모델 파라미터를 얻는다.Next, perform the plasma simulation and the molecular dynamics simulation as described above, and combine the values of the energy distribution function obtained from the plasma simulation with the surface response constants obtained from the molecular dynamics simulation, i.e., mean, sum or correlation, etc. Is used to obtain the surface model parameters of the shape simulation.
마지막 단계로서, 상기 형상 시뮬레이션의 표면 모델 파라미터를 이용하여, 종래의 형상 시뮬레이션과 같은 방법으로 시간에 따른 시뮬레이션을 수행하여 표면 형상을 얻는다.As a last step, using the surface model parameters of the shape simulation, a simulation over time is performed in the same manner as the conventional shape simulation to obtain a surface shape.
도 3a, 3b 및 3c에서는 본 발명에 의한 플라즈마 시뮬레이션 장치를 이용하여 추출한 대표적인 표면 반응 상수인 스퍼터 산출 함수(sputter yield function)를 이용한 일련의 시뮬레이션의 결과들을 나타내고 있다. 상기 시뮬레이션의 검증과정은 Ar/O2, ICP(inductively cuopled plasma)장비에서 물리적인 스퍼터링 효과만 나타내는 표면 반응에 대해 수행한 것이다.3A, 3B and 3C show the results of a series of simulations using a sputter yield function, which is a representative surface reaction constant extracted using the plasma simulation apparatus according to the present invention. The verification process of the simulation was performed on the surface reaction showing only the physical sputtering effect in Ar / O 2 , ICP (inductively cuopled plasma) equipment.
도 3a에서는 분자 동역학 시뮬레이션에 따라 실리콘 및 산소의 각 입사각에대한 스퍼터 산출 함수(sputter yield function)및 이들의 합을 나타내었고, 도 3b는 상기한 스퍼터 산출 함수를 이용한 시뮬레이션 결과를 나타내었고, 도 3c에서는 상기한 시뮬레이션의 검증으로 공정된 형상을 나타낸 것으로서 본 발명에 의한 플라즈마 공정 시뮬레이션 방법과 실재 실험이 유사한 결과를 나타내었다.In FIG. 3A, a sputter yield function and a sum thereof are shown for each incident angle of silicon and oxygen according to a molecular dynamics simulation. FIG. 3B shows a simulation result using the above-described sputter yield function. FIG. 3C In Figure 3 shows the shape processed by the verification of the above simulation, the plasma process simulation method and the actual experiment according to the present invention showed similar results.
도 4a에서는 형상 시뮬레이션 및 특정 이온을 수집하는 장비를 이용하여, 식각 패턴 사진간의 비교를 통해 비정질 재료의 표면에서 플라즈마 효과를 고려한 이온의 스퍼터 산출 함수의 유도과정을 나타내었다.In FIG. 4A, a process of deriving a sputter calculation function of ions in consideration of a plasma effect on the surface of an amorphous material is shown through comparison between etching pattern photographs using a shape simulation and a device for collecting specific ions.
즉, 실험에서 얻은 식각 형상에 따라 각 스퍼터 해석 함수의 수정을 하고, 수정된 스퍼터 해석함수로써 형상 시뮬레이션을 수행하여 비정질 표면에서의 스퍼터 해석 함수를 유도하는 것이다.That is, the sputtering analysis function is modified according to the etched shape obtained in the experiment, and the sputtering analysis function on the amorphous surface is derived by performing the shape simulation with the modified sputtering analysis function.
도 4b에서는 아르곤 이온에 의한 스퍼터링 공정에서 식각 형상을 재현하는 스퍼터 해석 함수가 도 3a에서 얻은 실험 결과를 재현하는 분자 동역학적으로 얻은 스퍼터 산출 함수와 10%의 오차 범위에서 일치하는 것을 그래프로서 나타내었다.In FIG. 4B, it is shown graphically that the sputter analysis function for reproducing an etched shape in the sputtering process using argon ions coincides with a molecular dynamics obtained sputter calculation function for reproducing the experimental result obtained in FIG. 3A in an error range of 10%. .
본 발명에 따르면, 기존의 시뮬레이션 방법의 문제점을 해결하기 위하여 두가지 시뮬레이션 도구를 첨가하고, 전체적인 흐름도를 제시함으로써 플라즈마 공정 변화에 따른 공정의 최적화 및 표면에서의 물리적 모델 셋(model set)을 시뮬레이션을 통하여 추출할 수 있는 새로운 플라즈마 공정 시뮬레이션 방법을 개발하였으며, 추가적으로 대표적 반응 상수인 스퍼터 산출 함수를 검증하는 방법을 개발하여 플라즈마에서 발생된 이온의 종류 및 에너지에 따라 시뮬레이션 도구를 통해 흡착계수나 스퍼터 함수를 추출하기 때문에 사용자가 시뮬레이션 도구를 캘리브레이션 하는 작업이 불필요하며, 최적의 형상 및 공정을 셋업하기 위해 필요한 플라즈마 발생 이온 및 에너지에 대한 정보를 체계적으로 추출할 수 있다.According to the present invention, in order to solve the problems of the conventional simulation method, by adding two simulation tools and presenting the overall flow chart, the optimization of the process according to the plasma process change and the physical model set on the surface are simulated. We have developed a new plasma process simulation method that can be extracted, and additionally developed a method to verify the sputter yield function, which is a typical reaction constant, and extracts the adsorption coefficient or sputter function through simulation tools according to the type and energy of ions generated in the plasma. This eliminates the need for users to calibrate simulation tools, and systematically extracts information about the plasma-generated ions and energy needed to set up optimal geometries and processes.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100403616B1 (en) * | 2001-01-03 | 2003-10-30 | 삼성전자주식회사 | Method for simulation of plasma processing by a plasma apparatus |
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2000
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