KR20030000274A - Multichannel spectrum analyzer for real time plasma monitoring and thin film analysis in semiconductor manufacturing process - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 제조공정에서 플라즈마를 이용한 박막의 식각공정에서 측정한 플라즈마의 방출 스펙트럼과 빛을 웨이퍼 표면에 반사시켜 얻은 광간섭 스펙트럼으로부터 박막을 분석하는 분광분석기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마를 이용하여 박막을 벗겨낼때 발생하는 화학종의 광학적 방출 스펙트럼(Optical Emission Spectrum)을 측정하여 박막 제거과정의 종말점을 판별하고, 넓은 파장범위를 가지는 빛을 웨이퍼의 표면에 반사시켜 측정한 반사광의 간섭 스펙트럼(Interference Spectrum)으로부터 박막의 두께변화를 실시간으로 측정할 수 있는 분광분석기에 관한 것이다.The present invention relates to a spectroscopic analyzer for analyzing a thin film from the emission spectrum of the plasma measured in the etching process of the thin film using plasma in the semiconductor manufacturing process and the optical interference spectrum obtained by reflecting light onto the wafer surface. The optical emission spectrum of chemical species generated when peeling off the thin film is used to determine the end point of the thin film removal process, and the interference spectrum of the reflected light measured by reflecting light having a broad wavelength range on the surface of the wafer. The present invention relates to a spectrometer capable of measuring the thickness change of a thin film in real time from an interference spectrum.
반도체 집적회로의 기술이 발달함에 따라 집적회로의 크기가 미크론 이하의 초소형으로 극소화 되고있다 따라서 반도체 집적회로의 제조공정은 더욱 엄격하고 정밀한 웨이퍼 표면의 분석과 이를 이용한 공정의 정밀제어가 요구되고 있다. 일반적으로 반도체 제조공정은 실리콘 기저 위에 여러 층의 박막을 입히고 식각하는 과정에 의하여 만들어지고 있으며, 특히 플라즈마에 의한 박막의 건식 식각과정은 고집적 회로를 형성하는데 있어서 필수적인 기술로서 매우 정밀하게 박막의 두께변화를 측정하여 식각공정의 종말점을 정확하게 제어해야 한다. 만약 이러한 식각과정의 검출이 정확하지 못하여 대상 막질이 일부 남아 있거나 혹은 과도하게 식각되어 하부의 막질이 손상될 경우에는 반도체의 목적하는 성능을 얻을 수 없다.As the technology of semiconductor integrated circuits is advanced, the size of integrated circuits is miniaturized to sub-micron size. Therefore, the manufacturing process of semiconductor integrated circuits requires more rigorous and precise analysis of wafer surface and precise control of the process using the same. In general, semiconductor manufacturing process is made by coating and etching multiple layers of thin film on the silicon base. Especially, dry etching of thin film by plasma is an essential technique for forming a highly integrated circuit. The end point of the etch process should be accurately controlled by measuring. If the detection of such an etching process is inaccurate and some of the target film remains or is excessively etched to damage the underlying film, the desired performance of the semiconductor cannot be obtained.
가장 널리 쓰이고 있는 플라즈마 식각공정의 종말점 검출법은 식각과정에서 일어나는 화합물의 변화를 측정하는 방법이다. 특히, 식각공정중에 작업의 중단없이 실시간으로 식각상태를 측정해야 하므로 분광분석법에 의한 광학적인 분석방법이 가장 선호되고 있으며, 분광분석법은 빛을 이용하므로 반도체 웨이퍼나 식각 공정에 손상을 주지 않고 순간적으로 측정이 가능하다. 현재 많이 쓰이고 있는 분광학적인 플라즈마에 의한 건식식각의 종말점 검출법은 광학 방출분석법 (Optical Emission Spectroscopy, OES)과 반사광의 간섭 스펙트럼 분석법(Interferometric Reflectance Spectroscopy, IRS)이다.The endpoint detection method of the most widely used plasma etching process is a method of measuring the change of a compound during the etching process. In particular, the optical analysis method by spectroscopic method is most preferred because the etching state must be measured in real time without interruption during the etching process. Since the spectroscopic method uses light, it does not damage the semiconductor wafer or etching process instantaneously. Measurement is possible. The end point detection method of dry etching by spectroscopic plasma is widely used in optical emission spectroscopy (OES) and interferometric reflectance spectroscopy (IRS) of reflected light.
전형적인 반도체 제조과정은 웨이퍼상에 절연층 실리콘 산화막을 만들고 다시 그 위에 폴리 실리콘 층과 같은 전도성 박막을 입히고 정해진 패턴에 따라 식각하는 과정으로, 빛이 통과할 수 있는 박막위에 빛을 조사시키면 도 1에 표시된 바와 같이 빛의 일부는 박막표면에서 반사되고 나머지는 박막을 투과한 다음 하부 층과의 경계면에서 반사된다. 같은 파장의 빛이 두 개의 서로 다른 경로를 통과한 다음 다시 합쳐지게 되면 상호 간섭현상이 일어나게 되며, 박막층의 두께는 다음식과 같이 입사광의 파장과 관련이 있다.A typical semiconductor manufacturing process is a process of forming an insulating silicon oxide film on a wafer and then applying a conductive thin film such as a polysilicon layer on it and etching it according to a predetermined pattern. As indicated, part of the light is reflected at the thin film surface and the remainder is transmitted through the thin film and then at the interface with the underlying layer. When light of the same wavelength passes through two different paths and then recombines, mutual interference occurs. The thickness of the thin film layer is related to the wavelength of incident light as shown in the following equation.
2d= N (L/n)2d = N (L / n)
상기 식에서 d는 박막두께, N은 상수, L은 빛의 파장, 그리고 n은 빛이 투과한 박막의 굴절율이다. 따라서, N이 정수이면 간섭은 보강되어 반사광의 세기는 커지고 반면에 N이 반정수이면 간섭효과는 상호 상쇄되어 반사광의 세기는 감소한다. 따라서, 일정 파장의 빛을 두께 d인 박막에 조사하여 반사광을 측정하면 최소점과최대점이 일정하게 반복되는 간섭 스펙트럼을 얻게 되며, 이로부터 박막의 두께를 계산할 수 있다. 플라즈마를 이용한 박막의 식각공정에서 박막의 표면에 빛을 조사하면서 반사광의 간섭 스펙트럼을 측정하면 시간이 경과함에 따라 박막의 두께가 얇아지므로 간섭 스펙트럼의 주기가 변화하게 되며, 식각공정에 의하여 식각중인 박막이 완전히 사라지면 이러한 반복패턴이 중단되어 식각공정의 종말점에 이르게 된다.Where d is a thin film thickness, N is a constant, L is a wavelength of light, and n is a refractive index of the thin film. Therefore, if N is an integer, the interference is enhanced to increase the intensity of the reflected light, whereas if N is a half integer, the interference effect is canceled out and the intensity of the reflected light is decreased. Therefore, when a light having a predetermined wavelength is irradiated onto a thin film having a thickness d, the reflected light is measured to obtain an interference spectrum in which the minimum and maximum points are constantly repeated, and the thickness of the thin film can be calculated. When measuring the interference spectrum of the reflected light while irradiating light to the surface of the thin film in the etching process of the thin film using plasma, the thickness of the thin film becomes thinner with time, so the period of the interference spectrum is changed, and the thin film being etched by the etching process If this disappears completely, this repeating pattern is stopped and reaches the end point of the etching process.
광학 방출분광법(OES)은 플라즈마에 의한 박막의 식각과정에서 발생하는 특정 화합물의 방출스펙트럼을 분광분석법에 의하여 측정한 후 그 방출신호의 세기가갑자기 작아질 때를 식각공정의 종말점으로 판단하는 방법이다. 흔히, 플라즈마 식각공정에는 박막과 반응하여 식각작용을 하는 기체가 유입되고, 이 반응의 결과 생성된 여러 화합물들은 플라즈마로부터 양자역학적으로 허용된 에너지를 받아 여기되어 다시 기저상태의 안정한 에너지 준위로 되돌아오면서 특정파장의 빛을 방출하게 된다. 따라서, 식각작용이 왕성하게 일어날 때는 방출신호는 일정 세기로 유지되나 식각과정이 완료되어 더 이상 화학반응이 일어나지 않게 되면 그에 따라 생성되는 화학종의 수가 급격하게 감소하므로 방출신호의 세기는 급감하게 된다. 측정되는 방출신호가 급감하여 변곡점을 이루는 점이 식각공정의 종말점이 된다.Optical emission spectroscopy (OES) is a method of determining the end point of an etching process when the emission spectrum of a specific compound that occurs during the etching process of a thin film by plasma is measured by spectroscopic method and then the intensity of the emission signal decreases suddenly. . In the plasma etching process, gas that reacts with a thin film to be etched is introduced, and various compounds generated as a result of the reaction are excited by quantum mechanically allowed energy from the plasma, and then are returned to a stable energy level of the ground state. It emits light of a specific wavelength. Therefore, when the etching process is active, the emission signal is maintained at a constant intensity, but when the etching process is completed and no further chemical reaction occurs, the number of chemical species generated is drastically reduced, so the intensity of the emission signal is drastically decreased. . The end point of the etching process is the point at which the measured emission signal drops sharply to form an inflection point.
상술한 반사광 측정에 의한 간섭 스펙트럼 분석법은 흔히 레이져광을 사용하므로 여러 층으로 이루어진 박막을 식각시에는 박막의 빛의 투과성에 따라 제한된 범위 내에서 사용해야 하며, 빛투과성이 서로 다른 여러 층으로 이루어진 박막의 식각공정에는 사용할 수 없다. 또한, 방출신호를 측정하여 종말점을 찾는 OES 방법은 화합물의 농도는 측정이 가능하나 실제 박막의 두께변화는 알 수 없으므로 식각공정의 진행상태에 따라 박막의 상태변화를 정확하게 파악을 할 수 없다. 따라서, 상기한 두 가지 방법들은 각각 장단점을 가지고 있으며, 이러한 두 가지 방법들의 장점들을 모두 적용할 수 있는 분광분석장비가 있다면 플라즈마 식각공정 과정에서 여러 층으로 이루어진 박막들의 두께변화와 동시에 플라즈마에 의한 식각상태의 변화를 실시간으로 관찰이 가능하여 제품의 품질관리가 용이하고 작업수율을 높일 수 있다.Since the above-described interference spectrum analysis method using the reflected light measurement often uses laser light, when the thin film of several layers is etched, it should be used within the limited range according to the light transmittance of the thin film. It cannot be used for etching process. In addition, in the OES method of finding the end point by measuring the emission signal, the concentration of the compound can be measured, but since the actual thickness change is not known, the state change of the thin film cannot be accurately determined according to the progress of the etching process. Therefore, each of the above two methods has advantages and disadvantages, and if there is a spectroscopic analysis device that can apply the advantages of both methods, the plasma etching process changes the thickness of the thin films made of several layers and the etching by plasma at the same time. The change of state can be observed in real time, so it is easy to control the quality of product and increase the work yield.
본 발명에서는 상술한 바와 같이 플라즈마를 이용한 분광분석법에 의하여 식각공정의 상태변화를 정확하게 분석하고 다층으로 이루어진 박막들의 두께변화를 실시간으로 관찰하여 반도체의 품질향상과 생산수율을 증가 시킬 수 있는 고성능 분광분석장비를 제공하는데 그 목적이 있다.In the present invention, high-performance spectroscopic analysis can improve the quality and production yield of semiconductors by accurately analyzing the change of state of the etching process by the spectroscopic method using plasma as described above and observing the thickness change of multilayered thin films in real time. The purpose is to provide the equipment.
이를 위하여 본 발명의 첫 번째 기술적 과제는 넓은 파장범위에서 고속으로 박막시료의 반사광 간섭 스펙트럼을 측정할 수 있는 다채널 분광분석기를 제공하는 것이다.To this end, the first technical problem of the present invention is to provide a multi-channel spectrometer capable of measuring a reflected light interference spectrum of a thin film sample at a high speed in a wide wavelength range.
본 발명의 두 번째 기술적 과제는 상기한 첫 번째 기술적 과제와 동시에, 플라즈마에 의한 식각공정 과정에서 실시간으로 식각상태를 분석하고, 식각과정에서 일어나는 플라즈마의 상태변화를 방출 스펙트럼을 측정하여 정확하게 진단하고, 종말점을 판단할 수 있는 고성능 다채널 분광분석기를 제공하는 것이다.The second technical problem of the present invention is to simultaneously analyze the etching state in real time during the etching process by the plasma, and simultaneously diagnose the state change of the plasma occurring during the etching process by measuring the emission spectrum accurately, It is to provide a high performance multi-channel spectrometer that can determine the end point.
레이져광을 이용한 반사광 간섭스펙트럼 분석법은 레이져광의 특성상 단파장에서만 사용이 가능하다. 광학특성이 서로 다른 여러 층으로 이루어진 박막시료의 경우 빛의 투과성이 나쁘면 사용이 불가능하다. 따라서, 본 발명에서는 넓은 파장범위를 가지는 광원을 사용하여 박막시료의 특성에 따라 파장을 가변적으로 선택하여 빛의 투과특성이 서로 다른 다층구조의 박막을 분석할 수 있으며, 여러 파장을 동시에 분석이 가능하고, 여러 종류의 박막시료에 대한 광학적 선택성이 우수하며, 다양한 박막시료의 분석에 유용한 고성능 다채널 분광분석기를 제공하는 것이 본 발명의 마지막 과제이다.The reflected light interference spectrum analysis method using laser light can be used only in short wavelength due to the characteristics of laser light. In the case of a thin film sample composed of several layers having different optical properties, it is impossible to use it if the light transmittance is poor. Therefore, in the present invention, by using a light source having a wide wavelength range, the wavelength can be variably selected according to the characteristics of the thin film sample to analyze thin films having a multi-layered structure having different light transmission characteristics, and can simultaneously analyze multiple wavelengths. In addition, it is the last problem of the present invention to provide a high performance multichannel spectrometer which is excellent in optical selectivity for various kinds of thin film samples and useful for analyzing various thin film samples.
도 1 : 다층 박막표면에서 빛의 반사에 의한 간섭현상1: Interference due to reflection of light on multilayer thin film surface
도 2 : 간섭 스펙트럼에 의한 종말점 검출2: Endpoint detection by interference spectrum
도 3 : 플라즈마에 의한 전형적인 광학 방출스펙트럼Fig. 3: Typical optical emission spectrum by plasma
도 4 : 광학 방출 스펙트럼에 의한 종말점 검출4: Endpoint detection by optical emission spectrum
도 5 : 플라즈마 측정과 박막분석을 위한 다채널 분광분석기5: Multichannel Spectrometer for Plasma Measurement and Thin Film Analysis
도 6 : 플라즈마 반응기6: plasma reactor
도 7 : 반사광 간섭 스펙트럼 측정용 광섬유 프로브Fig. 7: Optical fiber probe for measuring the reflected light interference spectrum
도 8 : 다채널 분광기8: Multichannel Spectrometer
〈대표도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols on main parts of representative drawing>
1 : 광원 2 : 광섬유1: light source 2: optical fiber
3 : 반사광 검출용 광섬유 프로브 4 : 플라즈마 반응기3: optical fiber probe for detecting reflected light 4: plasma reactor
5 : 방출광 검출 용 광섬유 프로브 6, 7 : 분광기5: fiber optic probe for emission light detection 6, 7: spectrometer
8 : 신호증폭 및 처리부 9 : RF전원8: signal amplification and processing unit 9: RF power
10 : RF 전원 제어부 11 : 제어컴퓨터10: RF power control unit 11: control computer
여러 종류의 박막으로 구성된 반도체 표면에서의 두 개의 파장을 가지는 빛의 반사현상을 도 1에 도시하였다. 도 1에서 층 1은 실리콘이며 그 위에 절연층 2, 그리고 또 다른 박막층 3이 형성되어 있는 구조이다. 박막층 3에서 파장 1과 2는 잘 투과하나 박막층 2에서는 파장 2는 투과하나 파장 1은 투과할 수 없다. 상기한 바와 같은 광학적 특성을 가지는 박막시료를 플라즈마 반응로에서 식각을 진행하면서 두 개의 파장에서 반사광을 측정하면 도 2에 도시한 바와 같이 서로 상반된 간섭 스펙트럼을 얻을 수 있다. 즉, 식각과정에서 층 3이 남아 있는 동안에는 파장 1에 의한 반사가 관찰되며, 식각공정이 진행되어 층 3이 사라지기 시작하면 파장 1에 의한 반사광은 급격하게 약해진다. 이와 동시에 새로운 층 2가 나타나게 되고 층 2에서 파장 2는 잘 투과되므로 새로운 파장 2의 반사광이 나타나게 된다. 이와 같이, 두 개의 파장을 사용하여 동시에 반사광을 측정하면 각 단계별 식각에 의한 박막의 두께변화를 실시간으로 측정이 가능하게 된다. 따라서, 플라즈마에 의한 박막의 건식 식각공정에서 여러 파장의 빛을 사용하여 각각의 반사광을 동시에 측정하면 각각의 간섭 스펙트럼에 의한 단계별 박막의 두께변화를 실시간으로 관찰이 가능할 뿐만 아니라 박막시료의 다양한 재질에 따라 가변적으로 가장 최적의 파장을 선택하여 박막시료를 분석할 수 있기 때문에 분석의 정밀도와 정확성을 높일 수 있는 장점이 있다. 또한, 각 간섭 스펙트럼의 봉우리 간 간격변화를 측정하면 플라즈마에 의한 박막의 식각속도를 측정할 수 있으므로 그에 따라 식각공정을 정밀하게 제어할 수 있다.1 illustrates a reflection of light having two wavelengths on a semiconductor surface composed of various types of thin films. In FIG. 1, layer 1 is silicon, and an insulating layer 2 and another thin film layer 3 are formed thereon. In the thin film layer 3, the wavelengths 1 and 2 are well transmitted, but in the thin film layer 2, the wavelength 2 is transmitted but the wavelength 1 cannot be transmitted. By measuring the reflected light at two wavelengths while etching the thin film sample having the optical characteristics as described above in a plasma reactor, interference spectra opposite to each other can be obtained as shown in FIG. 2. That is, while layer 3 remains in the etching process, reflection by wavelength 1 is observed, and when the etching process proceeds and layer 3 begins to disappear, the reflected light by wavelength 1 is rapidly weakened. At the same time a new layer 2 appears and wavelength 2 is well transmitted in layer 2, resulting in reflected light of a new wavelength 2. As such, when the reflected light is simultaneously measured using two wavelengths, the thickness change of the thin film due to the etching in each step may be measured in real time. Therefore, in the dry etching process of a thin film by plasma, by measuring the reflected light simultaneously using light of various wavelengths, it is possible not only to observe the thickness change of the thin film according to each interference spectrum in real time, but also to various materials of the thin film sample. Accordingly, the thin film sample can be analyzed by selecting the most optimal wavelength in a variable manner, thereby increasing the accuracy and accuracy of the analysis. In addition, by measuring the change in the distance between the peaks of each interference spectrum can be measured the etching rate of the thin film by the plasma it is possible to precisely control the etching process accordingly.
플라즈마를 이용한 박막의 건식 식각공정에는 흔히 박막과 화학반응을 할 수 있는 식각기체가 사용된다. 이러한 식각기체들은 박막재료에 따라 다른 종류들을 사용할 수 있으며, 산화 실리콘 박막을 식각시에는 흔히 불화탄소계열 (CF4)을 사용하며 이때 생성되는 화합물 CO 의 방출 스펙트럼(219 nm, 483.5 nm)을 측정한다. 브롬화 수소와 염소의 혼합기체를 사용하여 폴리 실리콘을 플라즈마에 의하여 식각하는 경우 염소가 실리콘과 결합된 염화 실리콘 화합물들이 생성되며 이들은 주로 282.3 nm 의 방출신호를 나타낸다. 플라즈마에 의한 식각공정중에서 측정된 전형적인 방출스펙트럼은 도 3에 도시된 바와 같이 생성된 여러 화합물들의 특징적인 봉우리들을 나타낸다. 일반적으로 측정된 방출 스펙트럼은 분석하고자 하는 특정 화학종외 수 많은 다른 화학종들의 봉우리들을 포함하고 있기 때문에 바탕신호를 보정해야 한다. 도 3의 스펙트럼 1은 플라즈마의 바탕신호이며, 스펙트럼 2는 플라즈마의 바탕신호와 식각과정에서 발생하는 화학종들의 신호가 중첩된 스펙트럼이다.따라서, 스펙트럼 2에서 바탕신호 스펙트럼 1을 빼면 스펙트럼 3에 도시된 바와 같이 식각과정에서 발생되는 화학종들의 순수한 스펙트럼 신호만을 얻게되어 분석에 사용된다. 플라즈마의 바탕신호는 플라즈마에 의한 본격적인 박막의 식각이 진행되기전, 즉, 방출신호가 급격하게 높아지기 전 순수한 플라즈마에 의한 신호를 측정한다. 플라즈마에 의한 건식 식각과정중의 광학 방출스펙트럼의 특정 파장신호를 측정하면 도 4에 도시된 바와같이 초기에 약한 신호가 식각이 진행됨에 따라 커져 일정한 크기를 유지하게 되며, 식각공정이 완료됨에 따라 급격하게 방출신호가 줄어들어 종말점에 이르게 된다.In the dry etching process of a thin film using plasma, an etching gas capable of chemical reaction with the thin film is often used. These etching gases can be used differently depending on the thin film material. When etching the silicon oxide thin film, carbon fluoride series (CF 4 ) is often used. do. When polysilicon is etched by plasma using a mixture of hydrogen bromide and chlorine, silicon chloride compounds in which chlorine is bonded to silicon are produced, and they mainly exhibit emission signals of 282.3 nm. Typical emission spectra measured during the etching process by plasma show characteristic peaks of the various compounds produced as shown in FIG. 3. In general, measured emission spectra contain peaks from many different species in addition to the specific species you are analyzing. Spectrum 1 of FIG. 3 is a background signal of the plasma, and spectrum 2 is a spectrum in which the signal of the chemical species generated during the etching process and the background signal of the plasma are overlapped. As such, only pure spectral signals of chemical species generated during etching are obtained and used for analysis. The background signal of the plasma measures the signal by the pure plasma before the etching of the thin film in earnest by the plasma, that is, before the emission signal rapidly increases. When measuring a specific wavelength signal of the optical emission spectrum during the dry etching process by the plasma, as shown in Figure 4 initially weak signal is increased as the etching proceeds to maintain a constant size, suddenly as the etching process is completed This reduces the emission signal to the end point.
본 발명에 의한 반도체 제조공정에서 실시간 플라즈마 측정과 박막분석을 위한 다채널 분광분석기의 전체 구성을 도 5에 도시하였다. 플라즈마 생성 및 반응기 4는 도 6에 도시된 바와같이 RF 전원에 연결되어 있어 내부 기체를 플라즈마로 만들어 웨이퍼의 박막을 식각하는데 사용토록 하였다. 반도체 웨이퍼는 플라즈마 발생 및 반응기 4의 하단부에 설치된 거치대위에 놓이게 되며, 광학 방출 스펙트럼의 측정을 위한 프로브 5와 플라즈마 반응기 상단부에 반사광 측정을 위한 또 다른 프로브 3이 설치되어 있다. 반사광 측정을 위한 광원은 넓은 파장범위를 가지는 xenon 램프 1을 사용하여 광섬유 2에 의하여 시료에 조사토록 제작하였다. 프로브 3은 도 7에 도시된 바와같이 여러개의 광섬유가 하나의 몸체로 이루어져 있으며 가운데 광섬유는 CCD 카메라에 연결되어 웨이퍼의 위치조정과 상태파악을 하는데 사용토록 하였다. 원형으로 나열된 광섬유들중 절반은 광원으로부터의 빛을 웨이퍼에 조사하는데 사용하고 나머지는 반사광을 받아 분광기로 전송하는데 사용된다. 도 7에 도시된 바와 같이 조사광과 반사광은 웨이퍼에 대하여 서로 같은 입사각과 반사각을 이루도록 대칭상으로 배열하여 반사광의 집광효율을 높이도록 하였다. 광섬유의 끝부분은 필요시 스냅-온 집광렌즈에 의하여 집광시켜 사용하였다.The overall configuration of a multi-channel spectrometer for real time plasma measurement and thin film analysis in a semiconductor manufacturing process according to the present invention is shown in FIG. 5. Plasma generation and reactor 4 is connected to the RF power source as shown in Figure 6 was used to etch the thin film of the wafer by making the internal gas into a plasma. The semiconductor wafer is placed on a cradle installed at the lower end of the plasma generation and the reactor 4, and the probe 5 for measuring the optical emission spectrum and another probe 3 for measuring the reflected light are installed at the upper end of the plasma reactor. The light source for measuring the reflected light was fabricated to irradiate the sample by the optical fiber 2 using the xenon lamp 1 having a wide wavelength range. As shown in FIG. 7, the probe 3 is composed of a single optical fiber, and a central optical fiber is connected to a CCD camera to be used for positioning and detecting a wafer. Half of the fibers listed in the circle are used to irradiate the wafer with light from the light source and the other to receive the reflected light and send it to the spectrometer. As shown in FIG. 7, the irradiated light and the reflected light are symmetrically arranged to form the same incident angle and the reflected angle with respect to the wafer to increase the light condensing efficiency of the reflected light. The tip of the optical fiber was collected by using a snap-on condenser lens if necessary.
플라즈마 반응기 상단부의 반사광 측정을 위한 광섬유 프로브 3에 표시된 화살표는 빛의 방향을 나타내며, xenon 램프 2에서 나온 넓은 파장영역 (UV, Visible, NIR)의 빛은 광섬유 프로브 3을 통하여 박막시료에 조사되고, 박막시료의 표면에서 반사된 빛은 다시 광섬유 프로브 3을 통하여 분광기 6에 연결된다. 또한, 광섬유 프로브 3의 가운데를 통하여 반사된 빛은 CCD 카메라에 공급된다. 플라즈마반응기의 옆면에 설치된 광섬유 프로브 5를 통한 방출신호는 또 다른 분광기 7에 연결되어 파장에 따라 분광된다. 분광기의 내부구조는 도 8에 도시하였다. 분광 시스템은 잘 알려진 Czerny-Turner 형으로 두 개의 거울과 하나의 반사형 회절발(grating)으로 구성되어 있으며, 광검출기는 고속으로 여러 파장에 대한 스펙트럼을 측정해야 하므로 다채널 선형 광센서 어레이 (photodiode array or CCD)를 사용하였다. 선형 광센서 어레이는 128-1024 개의 광센서들이 하나의 칩위에 선형으로 나열되어 집적되어 있으며, 각각의 광센서 신호는 전자적 주사신호에 따라 직렬로 출력된다. 따라서 각각의 광센서 신호들은 입사광의 각 파장에 대한 신호를 나타낸다. 시료로부터 나오는 빛은 광섬유를 통하여 분광기의 슬릿 1에 연결되며, 반사거울 2에 의하여 회절발 3에 입사된 빛은 파장에 따라 분광되어 또 다른 반사거울 4에 의하여 선형 광센서 어레이에 도달한다. 도 1의 8에 도시된 주사신호 발생장치 및 신호처리부에 의하여 디지탈 신호로 바뀌어 제어 컴퓨터에 입력된다.The arrow marked on the optical fiber probe 3 for measuring the reflected light at the top of the plasma reactor indicates the direction of light, and the light of the wide wavelength range (UV, Visible, NIR) from the xenon lamp 2 is irradiated onto the thin film sample through the optical fiber probe 3, The light reflected from the surface of the thin film sample is again connected to the spectrometer 6 through the optical fiber probe 3. In addition, light reflected through the center of the optical fiber probe 3 is supplied to the CCD camera. The emission signal from the optical fiber probe 5 installed on the side of the plasma reactor is connected to another spectrometer 7 and spectroscopy according to the wavelength. The internal structure of the spectrometer is shown in FIG. The spectroscopic system is a well-known Czerny-Turner type consisting of two mirrors and one reflective grating, and since the photodetector needs to measure the spectrum for multiple wavelengths at high speed, a multichannel linear optical sensor array (photodiode) array or CCD) was used. In the linear optical sensor array, 128-1024 optical sensors are linearly integrated on one chip, and each optical sensor signal is output in series according to the electronic scanning signal. Thus, each photosensor signal represents a signal for each wavelength of incident light. The light from the sample is connected to the slit 1 of the spectrometer through the optical fiber, and the light incident on the diffraction beam 3 by the reflecting mirror 2 is spectrally dependent on the wavelength and reaches the linear light sensor array by the reflecting mirror 4. The digital signal is converted into a digital signal and input to the control computer by the scanning signal generator and signal processor shown in FIG.
본 발명에 의한 반도체 제조공정에서 실시간 플라즈마 측정과 박막분석을 위한 다채널 분광분석기는 다음과 같은 효과가 있다.In the semiconductor manufacturing process according to the present invention, the multi-channel spectrometer for real time plasma measurement and thin film analysis has the following effects.
첫째, 본 발명에 의한 다채널 분광분석기는 플라즈마 식각공정에서 박막시료의 반사광 간섭 스펙트럼의 측정에 의한 박막두께 변화의 측정과 동시에, 실시간으로 플라즈마의 방출 스펙트럼을 측정하여 플라즈마 건식 식각공정의 종말점을 정확하게 알 수 있다.First, the multi-channel spectrometer according to the present invention measures the thickness of the thin film by measuring the reflected light interference spectrum of the thin film sample in the plasma etching process and simultaneously measures the emission spectrum of the plasma to accurately determine the end point of the plasma dry etching process. Able to know.
두 번째, 다층구조의 박막에서 식각공정에 의한 각 층의 두께변화를 연속적으로 측정이 가능하다. 본 발명에 의한 다채널 분광분석기는 넓은 파장범위의 스펙트럼을 고속으로(10 ms 이하) 얻을 수 있기 때문에 박막시료 각층의 투과성이 다른파장의 빛을 선택하여 동시에 반사광을 측정시 다층구조 박막의 각 층별 두께측정이 가능하다.Second, it is possible to continuously measure the thickness change of each layer by the etching process in the multi-layer thin film. Since the multi-channel spectrometer according to the present invention can obtain a broad spectrum of spectrum at high speed (10 ms or less), when measuring light reflected at the same time by selecting light having a different transmittance of each thin film sample, Thickness measurement is possible.
세 번째, 본 발명에 의한 다채널 분광분석기는 플라즈마에 의한 식각 공정과정에서 실시간으로 여러 파장에 대한 방출 스펙트럼을 측정할 수 있기 때문에 식각과정에서 일어나는 플라즈마의 상태변화를 정확하게 진단하여 반도체 제품의 품질을 향상 시킬 수 있다.Third, since the multi-channel spectrometer according to the present invention can measure emission spectra for various wavelengths in real time during the plasma etching process, the quality of semiconductor products can be accurately diagnosed by accurately diagnosing plasma state changes occurring during the etching process. Can improve.
네 번째, 반사광 간섭 스펙트럼의 측정에 의한 봉우리 주기변화를 측정하면 플라즈마에 의한 식각속도의 측정이 가능하다. 따라서, 플라즈마에 의한 박막의 식 각공정에서 박막의 두께변화와 동시에 박막의 식각속도를 알 수 있으므로 플라즈마에 의한 박막의 식각공정을 정밀하게 제어할 수 있다.Fourth, by measuring the peak period change by the measurement of the reflected light interference spectrum it is possible to measure the etching rate by the plasma. Therefore, since the thickness of the thin film and the etching rate of the thin film can be known at the same time in the etching process of the thin film by plasma, the etching process of the thin film by plasma can be precisely controlled.
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