KR20140098477A - 플라즈마 마이크로 아킹 예측 방법 및 그를 이용한 생산 설비의 플라즈마 공정 관리 방법 - Google Patents

플라즈마 마이크로 아킹 예측 방법 및 그를 이용한 생산 설비의 플라즈마 공정 관리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 마이크로 아킹 예지 방법 및 그를 이용한 생산 설비의 플라즈마 공정 관리 방법을 개시한다. 그의 예지 방법은, 해당 플라즈마 공정에서의 스펙트럼 신호를 획득하는 단계와, 상기 스펙트럼 신호의 광학적 세기를 크기에 따라 소프트 아킹 이벤트와 하드 아킹 이벤트로 분류하는 단계와, 상기 소프트 아킹 이벤트의 발생을 단위 시간들마다 구분하여 카운트하는 단계와, 상기 단위 시간들 중 해당 단위 시간과, 그의 이전 단위 시간 동안의 상기 소프트 아킹 이벤트 발생 횟수를 비교하는 단계와, 상기 소프트 아킹 이벤트의 발생 횟수가 이전 단위 시간보다 해당 단위 시간에서 증가되었을 때, 상기 해당 단위 시간 이후의 후속 단위 시간에 상기 하드 아킹 이벤트의 발생 횟수가 증가될 것으로 판단하는 단계를 포함한다.

Description

플라즈마 마이크로 아킹 예측 방법 및 그를 이용한 생산 설비의 플라즈마 공정 관리 방법{method for anticipating plasma micro arcing and plasma process management method of the production equipment used the same}
본 발명은 반도체 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로 플라즈마 마이크로 아킹 예측 방법 및 그를 이용한 생산 설비의 플라즈마 공정 관리 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자는 박막의 증착 공정 및 식각 공정을 포함하는 다수의 단위공정을 통해 제조되고 있다. 그 중 식각 공정은 주로 플라즈마 반응을 통해 수행되고 있다. 플라즈마 반응은 고주파 파워에 의해 발생되고 있다. 고주파 파워는 플라즈마 반응 중에 아킹을 유발시킬 수 있다. 아킹은 플라즈마 공정 파라미터 변화 또는 제품 불량을 야기할 수 있다. 그러나, 아킹은 플라즈마 설비의 이상 또는 추측할 수 없는 이유로 발생되고 있기 때문에 사후(follow up)에 관리되고 있는 실정이다. 현재까지는 아킹의 발생을 예측하는 기술은 거의 대부분 존재하지 않고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 플라즈마 마이크로 아킹 불량을 사전에 파악할 수 있는 플라즈마 마이크로 아킹 예지 방법 및 그를 이용한 생산 설비의 플라즈마 공정 관리 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 과제는, 플라즈마 마이크로 아킹을 억제할 수 있는 플라즈마 마이크로 아킹 예지 방법 및 그를 이용한 생산 설비의 플라즈마 공정 관리 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 마이크로 아킹 예지방법은, 해당 플라즈마 공정에서의 스펙트럼 신호를 획득하는 단계; 상기 스펙트럼 신호의 광학적 세기를 크기에 따라 소프트 아킹 이벤트와 하드 아킹 이벤트로 분류하는 단계; 상기 소프트 아킹 이벤트의 발생을 단위 시간들마다 구분하여 카운트하는 단계; 상기 단위 시간들 중 해당 단위 시간과, 그의 이전 단위 시간 동안의 상기 소프트 아킹 이벤트 발생 횟수를 비교하는 단계; 및 상기 소프트 아킹 이벤트의 발생 횟수가 이전 단위 시간보다 해당 단위 시간에서 증가되었을 때, 상기 해당 단위 시간 이후의 후속 단위 시간에 상기 하드 아킹 이벤트의 발생 횟수가 증가될 것으로 판단하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 소프트 아킹 이벤트와 상기 하드 아킹 이벤트는 표준 편차(standard deviation)와 상기 광학적 세기의 크기를 변수로 갖는 분포 함수로부터 산출될 수 있다. 상기 분포 함수는 정규 분포 함수를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 소프트 아킹 이벤트는 상기 정규 분포 함수로부터 변환되는 로그 스케일 분포 함수에서 카운트될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 로그 스케일 분포 함수는 정상 구간, 소프트 아킹 구간 및 하드 아킹 구간을 가질 수 있다. 상기 소프트 아킹 구간은 제 1 소프트 아킹 구간 및 제 2 소프트 아킹 구간을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 해당 단위 시간 동안에 상기 제 2 소프트 아킹 구간에서 나타나는 제 2 소프트 아킹 이벤트의 발생 횟수가 상기 이전 단위 시간보다 문턱 값 이상으로 증가될 때, 상기 후속 단위 시간에 상기 하드 아킹 이벤트의 발생 횟수가 증가될 것으로 예측될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 생산 설비의 플라즈마 공정 관리 방법은, 챔버 내의 플라즈마 반응으로부터 스펙트럼 신호를 획득하는 단계; 상기 스펙트럼 신호의 노이즈를 제거하여 고주파 신호를 획득하는 단계; 상기 고주파 신호의 광학적 세기에 따라 소프트 아킹 구간과 하드 아킹 구간을 갖는 적어도 하나의 분포 함수를 산출하는 단계; 상기 분포 함수를 로그 스케일 함수로 변환하는 단계; 상기 로그 스케일 함수에서 상기 소프트 아킹 구간에 나타난 소프트 아킹 이벤트의 발생횟수를 단위 시간들마다 구분하여 카운트하는 단계; 상기 단위 시간들 중에서 해당 단위 시간과 그의 이전 단위 시간 동안의 상기 소프트 아킹 이벤트 발생 횟수를 비교하는 단계; 및 상기 소프트 아킹 이벤트의 발생 횟수가 상기 이전 단위 시간보다 해당 단위 시간에서 증가되었을 때, 상기 해당 단위 시간 이후의 후속 단위 시간에 상기 하드 아킹 이벤트의 발생 횟수가 증가될 것으로 판단하고, 상기 후속 단위 시간에 연속적으로 상기 플라즈마 반응이 수행되지 못하도록 인터락 제어 신호를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 인터락 제어 신호의 출력 후에 상기 챔버를 세정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 챔버의 세정 단계는 인시츄 건식 세정 단계를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 과제의 해결 수단에 따르면, 제어 시스템은 플라즈마 반응의 광학적 세기를 크기에 따라 소프트 아킹 이벤트와 하드 아킹 이벤트로 분류하고, 해당 단위 시간 동안에 상기 소프트 아킹 이벤트의 발생 횟수를 카운트 하고, 해당 단위 시간 동안의 소프트 아킹 이벤트가 이전 단위 시간보다 과도하게 증가될 경우, 후속 단위 시간 동안에 하드 아킹 이벤트의 발생이 증가될 것으로 판단할 수 있다. 하드 아킹 이벤트의 증가는 플라즈마 공정의 불량을 발생시킬 수 있다. 플라즈마 공정은 챔버 내에서의 식각 공정 또는 증착 공정에 사용될 수 있다. 제어 시스템은 하드 아킹 이벤트가 증가가 예측될 경우, 인터락 제어 신호를 출력할 수 있다. 인터락 제어 신호에 의해 챔버 내에 웨이퍼(14)의 투입이 정지될 수 있다. 챔버는 인시튜 건식 세정(In-Situ Dry cleaning)에 의해 세정된 이후, 웨이퍼(14)의 식각 공정 또는 증착 공정이 수행될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 생산 설비의 플라즈마 공정 관리 방법은, 플라즈마 마이크로 아킹을 효과적으로 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 생산 설비의 플라즈마 공정 관리 방법을 설명하기 위해 나타낸 플라즈마 설비의 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 생산 설비의 플라즈마 공정 관리 방법을 나타내는 플로우 챠트이다.
도 3은 스펙트럼 신호를 나타내는 그래프이다.
도 4는 스펙트럼 신호의 저주파 신호가 제거된 고주파 신호를 나타내는 그래프이다.
도 5는 고주파 신호의 플라즈마 마이크로 아킹 이벤트를 확대하여 나타낸 그래프이다.
도 6은 고주파 신호의 광학적 세기를 크기에 따라 나타낸 분포 함수(76)의 그래프이다.
도 7은 도 6의 정규 분포 함수의 로그 스케일 분포 함수를 나타낸 그래프이다.
도 8은 직류 파괴 전압에 의한 박막의 손상을 순차적으로 나타낸 도면이다. 도 9는 도 8의 박막의 손상에 따른 절연 파괴 전압 강하를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 10 내지 도 12는 제 1 소프트 아킹 이벤트, 제 2 소프트 아킹 이벤트, 및 하드 아킹 이벤트 각각의 발생 횟수와 소자 불량률의 관계를 나타낸 그래프들이다.
도 13은 제 2 소프트 아킹 이벤트와 하드 아킹 이벤트의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 생산 설비의 플라즈마 공정 관리 방법을 설명하기 위한 도 1의 제어 시스템을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 생산 설비의 플라즈마 공정 관리 방법을 설명하기 위해 나타낸 플라즈마 설비의 도면이다.
도 1을 참조하면, 플라즈마 설비(100)는 챔버(10), 상부 전극(20), 하부 전극(30), 검출기(40) 및 제어 시스템(50)을 포함할 수 있다.
챔버(10)는 플라즈마(12)를 유도하기 위해 외부로부터의 독립된 공간을 제공할 수 있다. 플라즈마(12)는 상부 전극(20) 및 하부 전극(30)으로부터 인가되는 고주파 파워(60)에 의해 챔버(10) 내에 유도될 수 있다. 고주파 파워(60)는 파워 공급부(power supply, 미도시) 및 매쳐(matcher, 미도시)로부터 상부 전극(20) 및 하부 전극(30)에 제공될 수 있다. 파워 공급부 및 매쳐는 제어 시스템(50)의 제어 신호에 의해 통제될 수 있다. 상부 전극(20) 및 하부 전극(30) 웨이퍼(14)의 상하부에 각각 배치되어 있다. 상부 전극(20)은 플라즈마 가스 또는 식각 가스를 웨이퍼(14)에 분출하는 샤워 헤드를 포함할 수 있다. 하부 전극(30)은 웨이퍼(14)을 고정하는 척을 포함할 수 있다.
플라즈마(12)는 뷰 포트(16)를 통해 챔버(10)의 외부로 보여질 수 있다. 검출기(40)는 챔버(10)의 뷰 포트(view port, 16)에 배치될 수 있다. 플라즈마(12)는 플라즈마 가스 또는 식각 가스와 그에 반응되는 식각 대상 박막의 종류에 따라 고유의 스펙트럼을 발생시킬 수 있다. 검출기(40)는 스펙트럼 신호를 생성하는 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 스펙트럼 신호는 제어 시스템(50)에 입력될 수 있다.
제어 시스템(50)은 스펙트럼 신호를 이용하여 플라즈마(12)를 모니터링할 수 있다. 플라즈마(12)는 식각 가스의 비등방성(anisotropic) 식각 특성을 극대화시킬 수 있다. 플라즈마(12)를 이용한 식각 공정 중에 마이크로 아킹(micro-arcing)이 발생될 수 있다. 마이크로 아킹은 식각 공정의 불량을 야기할 수 있다. 마이크로 아킹에 의한 식각 공정의 불량은 웨이퍼(14) 표면의 국부적인 손상으로 나타날 수 있다.
마이크로 아킹은 그의 원인으로 분류하면, 직류 아킹(DC arcing) 과 고주파 아킹(RF arcing)으로 구분될 수 있다. 직류 아킹은 주로 음극 전자 방출(cathodic electron emission)에 의해 발생될 수 있다. 또한, 직류 아킹은 금속 표면의 박막 절연체 증발에 의해 발생될 수 있다.
고주파 아킹(RF arcing)은 접지 전극(ground electrode, 미도시)에서의 급작 폭발 필드 방출(sudden explosive field emission)로부터 발생될 수 있다. 필드 방출 전자(field emission electrons)는 시스 전압(sheath voltage)에 의해 가속되어 강력한 전자 흐름(electron stream)을 형성시킬 수 있다. 필드 방출 전자는 플라즈마 포텐셜 붕괴(plasma potential collapse) 및 급격한 플라즈마(12)의 밀도(density) 증가를 야기할 수 있다. 또한 높은 플로팅 포텐셜(floating potential)은 마이크로 아킹(micro-arcing)의 발생 빈도에 관계될 수 있다.
또한, 고주파 아킹은 챔버(10) 내부의 박막 파괴(thin film breakdown)로부터 발생될 수 있다. 챔버(10)의 내벽은 이리듐 산화막(Y2O3) 또는 알루미늄 산화막(Al2O3)과 같은 박막 절연 필름(thin insulation film)으로 코팅(coating)되어 있다. 박막 절연 필름(thin insulation film)은 높은 플라즈마 포텐셜(plasma potential)의 이온 폭발(ion bombardment)과, 고주파 전압(RF voltage)의 전기적 스트레스(electrical stress)에 의해 지속적으로 손상(damage)될 수 있다. 박막 절연 필름은 플라즈마 공정(plasma process) 중 파괴(breakdown)되면 그의 내에 축적된 전자를 방출할 수 있다. 방출된 전자는 전계 방출 전자와 유사한 마이크로 아킹의 전기적 기폭제(electrical trigger)가 될 수 있다.
따라서, 마이크로 아킹은 챔버(10)의 내벽에서의 박막 절연 필름의 손상 발생과 밀접한 관계를 갖는다. 플라즈마(12)에 의한 박막 절연 필름의 손상은 점진적으로 증가될 수 있다. 마이크로 아킹은 플라즈마(12)의 스펙트럼 세기(intensity)의 크기 변화로부터 관측될 수 있다. 플라즈마(12)의 변화는 육안으로 거의 나타나지 않을 수 있다. 마이크로 아킹은 스펙트럼의 세기에 따라 소프트 아킹과 하드 아킹으로 구분될 수 있다. 소프트 아킹은 박막 절연 필름을 거의 손상시키지 않을 수 있다. 반면, 하드 아킹은 박막 절연 필름을 심각하게 손상시킬 수 있다. 하드 아킹은 소프트 아킹의 다발 후에 나타나는 경향을 보여 주고 있다.
이하, 하드 아킹과 같은 마이크로 아킹 불량을 사전에 예지할 수 있는 플라즈마 공정 관리방법을 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 생산 설비의 플라즈마 공정 관리 방법을 나타내는 플로우 챠트이다. 도 3은 스펙트럼 신호를 나타내는 그래프이다.
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 검출기(40)는 스펙트럼 신호(70)를 검출한다(S10). 스펙트럼 신호(70)는 연속적으로 계측될 수 있다. 스펙트럼 신호(70)는 저주파 신호, 고주파 신호를 포함할 수 있다. 스펙트럼 신호(70)는 1MHz로 계측되었다. 저주파 신호는 광학적 세기의 평균값은 가스 압력(gas pressure), 고주파 파워(RF power), 식각 부산물(etch by-product)등의 플라즈마 상태에 따라 공정 중1KHz보다 느리게 변화된다. 저주파 신호는 노이즈가 될 수 있다.
도 4는 스펙트럼 신호(70)의 저주파 신호가 제거된 고주파 신호(72)를 나타내는 그래프이다. 도 5는 고주파 신호(72)의 플라즈마 마이크로 아킹 이벤트(74)를 확대하여 나타낸 그래프이다.
도 1, 도 2, 도 4및 도 5를 참조하면, 제어 시스템(50)은 스펙트럼 신호로부터 노이즈를 제거하여 고주파 신호를 획득한다(S20). 노이즈는 스펙트럼 신호(70)의 미분에 의해 제거될 수 있다. 고주파 신호(72)의 광학적 분포(optical distribution)의 중심값은 거의 0에 근접될 수 있다. 고주파 신호(72)는 마이크로 아킹 이벤트(MAE: Micro-Arcing Event, 74)를 포함할 수 있다. 마이크로 아킹 이벤트는 마이크로 아킹 신호에 대응될 수 있다. 마이크로 아킹 이벤트(74)는 백그라운드 광학적 세기(Background optical intensity)와 다르게 플라즈마(12)의 광학적 세기가 매우 강하고, 불규칙적으로 발생될 수 있다. 마이크로 아킹 이벤트(74)는 10μs 내지 100μs 사이의 지속 시간(duration time)을 가질 수 있다. 스펙트럼 신호(70)는 적어도 10μs보다 작은 시간 간격(term), 즉, 1MHz정도의 주파수로 획득될 수 있다.
도 6은 고주파 신호(72)의 광학적 세기를 크기에 따라 나타낸 분포 함수(76)의 그래프이다.
도 1, 도 2 및 도 6을 참조하면, 고주파 신호의 광학적 세기(optical intensity)를 리니어 스케일에서 분석하여 분포 함수(76)를 산출한다(S30). 분포 함수(76)는 서브 단위 시간 동안에 검출된 스펙트럼 신호(70)의 광학적 세기의 크기에 분포를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 서브 단위 시간은 약 10초 내지 약 1분을 포함할 수 있다. 단위 시간은 하프 롯 또는 30분 내지 1시간을 포함할 수 있다. 단위 시간에 대해서는 이후에 구체적으로 설명하기로 한다.
광학적 세기의 분포 함수(76)는 정규 분포(Gaussian distribution)를 만족할 수 있다. 정규 분포 함수는 광학적 세기의 발생확률에 대응(matching)될 수 있다. 광학적 세기 분포(optical intensity distribution)는 표준편차(Standard deviation, σ(t))를 가질 수 있다. Ni σ, - Nf σ　사이에 마이크로 아킹 이벤트(MAE)가 존재한다고 가정하면, 광학적 세기의 발생확률, P?N은 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, Ni, Nf는 소자의 불량률(device fail rate)에 의해 정의되는 실수(real number)이며, σ(t)는 광학적 크기(optical amplitude)의 표준 편차(standard deviation) 이다. 플라즈마(12)으로부터 측정된 광학적 세기 크기(optical intensity amplitude)는 표준 편차(standard deviation)로 표현될 수 있다(optical amplitude = Nσ). 확률 분포는 오차 함수로 나타날 수 있다.
확률 분포를 이용한 마이크로 아킹 이벤트(74)의 구분은 대량 생산 시스템에서 유리한 점이 있다. 반도체 생산 라인 내의 챔버(10)마다 뷰 포트(16)의 상태가 모두 다르게 나타나고, 챔버(10)의 가동 시간에 따라 뷰 포트(16)의 윈도우 클로깅(window clogging)이 변화될 수 있다. 확률분포를 이용해 마이크로 아킹 이벤트(74)를 구분하게 되면, 표준 편차(σ(t))가 윈도우 클로깅에 따라 함께 변화되기 때문에 RF 지속 시간(on-time)에 따른 마이크로 아킹 이벤트(74)의 데이터 왜곡이 거의 나타나지 않을 수 있다. 즉, 표준 편차를 변수로 갖는 분포 함수는 세기의 상대적인 차이를 나타낸다. 따라서, 동일한 마이크로 아킹 이벤트(74) 분류 기준은 서로 다른 챔버(10)에 대해 적용될 수 있다.
도 7은 도 6의 정규 분포 함수의 로그 스케일 분포 함수를 나타낸 그래프이다.
도 1, 도 2 및 도 7을 참조하면, 분포 함수(76)를 로그 스케일(logarithmic scale) 분포 함수(78)로 변환한다(S40). 로그 스케일 분포 함수(78)의 광학적 세기 분포는 ±5σ 이상에서 불연속적(discontinuous)으로 나타날 수 있다. 로그 스케일 분포 함수(78)는 백그라운드(background) 광학적 세기(optical intensity) 분포로부터 마이크로 아킹 이벤트(74)를 구분시킬 수 있다. 예를 들어, 로그 스케일 분포 함수는 표준 편차의 배수에 따라 정상 구간(80), 소프트 아킹 구간(82), 및 하드 아킹 구간(88)으로 구분될 수 있다. 대부분의 플라즈마(12)는 정상 구간(80)에서의 광학적 세기 분포를 가질 수 있다. 예를 들어, 정상 구간은 0에서부터 8σ까지의 범위일 수 있다. 소프트 아킹 구간(82)은 제 1 소프트 아킹 구간(84)과, 제 2 소프트 아킹 구간(86)으로 나누어질 수 있다. 제 1 소프트 아킹 구간(84)은 8σ 내지 11σ 사이의 범위일 수 있다. 제 2 소프트 아킹 구간(86)은 11σ 내지 15σ 사이의 범위일 수 있다. 제 1 소프트 아킹 구간(84) 및 제 2 소프트 아킹 구간(86)에서 나타나는 광학적 세기 분포는 각각 제 1 소프트 아킹 이벤트 또는 제 2 소프트 아킹 이벤트이다. 하드 아킹 구간(88)은 15σ 내지 20σ 사이의 범위일 수 있다. 마찬가지로, 하드 아킹 구간(88)에서 나타나는 광학적 세기 분포는 하드 아킹 이벤트이다. 하드 아킹 이벤트는 소자의 치명적인 불량을 야기할 수 있다. 제어 시스템(50)은 제 2 소프트 아킹 이벤트의 발생으로부터 하드 아킹 이벤트의 발생을 사전에 예측할 수 있다. 하드 아킹 이벤트 발생 확률은 제 2 소프트 아킹 이벤트 발생확률과 수학적으로 밀접한 관계를 가질 수 있다. 제 2 소프트 아킹 이벤트 발생 확률과 하드 아킹 이벤트 발생 확률은 수학식 2와 같이 나타날 수 있다.
Figure pat00002
PHard는 하드 아킹 이벤트 발생 확률이고, PSfot _ II는 제 2 소프트 아킹 이벤트 발생 확률이다. Ni, Nf는 작업자에 의해 결정된 상수이다. 수학식 2의 양변이 시간으로 미분되면, 수학식 3과 같이 나타날 수 있다.
Figure pat00003
제 2 소프트 아킹 이벤트 발생 확률(PSfot _ II)과 하드 아킹 이벤트 발생 확률(PHard)은 선형적으로 비례할 수 있다. 따라서, 제 2 소프트 아킹 이벤트 발생 확률이 획득되면 하드 아킹 이벤트 발생 확률이 예측될 수 있다. 수학식 3은 박막 절연 파괴에 기인하는 플라즈마 마이크로 아킹 이벤트의 발생 확률에 부합될 수 있다.
도 8은 직류 파괴 전압에 의한 박막(18)의 손상을 순차적으로 나타낸 도면이다. 도 9는 도 8의 박막(18)의 손상에 따른 절연 파괴 전압 강하를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 챔버(10)의 내벽(inner wall, 11)에 존재하는 모든 박막(18)의 손상 공정(damage process)은 반도체 소자(device)의 불량(fail)에 거의 영향을 주지 않는 제 1 소프트 아킹 이벤트로부터 시작될 수 있다. 제 1 소프트 아킹 이벤트는 제 2 소프트 아킹 이벤트로 전이되고, 다시 제 2 소프트 아킹 이벤트는 하드 아킹 이벤트로 전이될 수 있다. 제 2 소프트 아킹 이벤트에 의해 손상된 박막(18)의 면적은 점진적으로 증가될 수 있다. 제 2 소프트 아킹 이벤트에 의해 손상된 박막(18)은 이미 직류 파괴 전압(DC breakdown voltage)가 충분히 낮아져 있다. 또한, 박막(18)은 작은 플라즈마 손상(plasma damage)에 의해서도 쉽게 절연파괴가 발생될 수 있다. 즉, 박막(18)은 고주파 파워의 아킹에 내성이 떨어질 수 있다. 박막(18)의 손상은 누적되어 직류 파괴 전압(DC breakdown voltage)을 점진적으로 떨어뜨릴 수 있다. 하드 아킹 이벤트는 소자를 직접적으로 손상시킬 수 있고, 그의 발생 빈도가 충분하지 않다. 때문에, 제 2 소프트 아킹 이벤트와 하드 아킹 이벤트의 상관 관계를 이용하여 하드 아킹 이벤트의 발생을 예측하는 것이 더욱 합리적일 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 제어 시스템(50)은 제 2 소프트 아킹 이벤트의 횟수(number)를 카운트한다(S50). 여기서, 제 2 소프트 아킹 이벤트는 서브 단위 시간 동안에 발생된 것이다. 서브 단위 시간 동안의 제 2 소프트 아킹 이벤트의 횟수는 단위 시간 동안에 누적되어 카운트될 수 있다.
도 10 내지 도 12는 제 1 소프트 아킹 이벤트, 제 2 소프트 아킹 이벤트, 및 하드 아킹 이벤트 각각의 발생 횟수와 소자 불량률의 관계를 나타낸 그래프들이다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 소자 불량률은 제 1 소프트 아킹 이벤트 발생 횟수와 상관 없이 일정한 반면, 제 2 소프트 아킹 이벤트와 하드 아킹 이벤트 각각의 발생 횟수(number of occurrences)에 따라 증가될 수 있다. 제 2 소프트 아킹 이벤트의 발생 횟수(second soft arcing number)는 소자 불량률에 대해 일정한 기울기를 가질 수 있다. 하드 아킹 이벤트 발생 횟수는 소자 불량률에 대해 제 2 소프트 아킹 이벤트 발생 횟수보다 높은 기울기를 가질 수 있다. 소자 불량률은 제 2 소프트 아킹 이벤트보다 하드 아킹 이벤트에 의해 더욱 가파르게 증가할 수 있다. 하드 아킹 이벤트는 제 2 소프트 아킹 이벤트보다 더 빠른 속도로 소자를 손상시킬 수 있다. 제 2 소프트 아킹 이벤트를 이용한 하드 아킹 이벤트의 발생 예측은 바람직할 수 있다.
따라서, 제어 시스템(50)은 해당 단위 시간 동안에 제 2 소프트 아킹 이벤트의 발생 횟수를 카운트하여 후속의 단위 시간 동안에 하드 아킹 이벤트의 발생 증가를 예측할 수 있다.
다음, 제어 시스템(50)은 해당 단위 시간 동안의 플라즈마 마이크로 아킹 모니터링이 완료되었는지를 판단한다(S60). 해당 단위 시간 동안의 플라즈마 마이크로 아킹 이벤트의 모니터링이 완료될 때까지 S30 단계에서 S60 단계까지의 반복적으로 수행될 수 있다. 제어 시스템(50)은 S30 단계에서 S60 단계를 거칠 때마다 하나의 분포 함수를 획득할 수 있다. 한번의 서브 단위 시간 마다 하나의 분포 함수가 획득될 수 있다. 상술한 바와 같이, S50 단계에서 제 2 소프트 아킹 이벤트의 발생 횟수는 누적되어 카운트될 수 있다. 단위 시간은 누적 식각 공정 시간 또는 공정 로트 단위로 설정될 수 있다. 예를 들어, 단위 시간은 하프 랏(half lot)에 대응될 수 있다. 랏은 반도체 생산 라인 내에서 웨이퍼(14)의 물류 이동 단위이다. 웨이퍼(14)는 반도체 생산라인 내에서 카세트(cassette) 또는 풉(foup)에 탑재되어 이송될 수 있다. 랏은 카세트 또는 풉에 대응될 수 있다. 하나의 랏은 약 24개의 웨이퍼(14)를 포함할 수 있다. 하프 랏은 약 12개의 웨이퍼(14)를 포함할 수 있다. 플라즈마를 이용한 식각 공정은 하나의 웨이퍼(14) 당 약 약 3분 내지 5분 정도의 시간 동안에 수행될 수 있다. 단위 시간은 약 36분 내지 약 60분일 수 있다. 따라서, 제 2 소프트 아킹 이벤트는 36분 내지 1시간 동안 누적 카운트될 수 있다.
그 다음, 단위 시간이 경과하였다면, 제어 시스템(50)은 해당 단위 시간에서의 제 2 소프트 아킹 이벤트의 발생 횟수를 백업하고, 이전의 단위 시간에서의 제 2 소프트 아킹 이벤트의 발생 횟수를 로딩한다(S70). 이전 단위 시간과 해당 단위 시간에서의 제 2 소프트 아킹 이벤트 발생 횟수의 증감은 다음 단위 시간동안의 하드 아킹 이벤트의 발생과 밀접한 관계를 갖는다. 제 2 소프트 아킹 이벤트의 발생 횟수는 될 수 있다. 이전 단위 시간에서의 제 2 소프트 아킹 이벤트의 발생 횟수가 존재하지 않을 경우, 작업자 또는 알고리즘에 의해 미리 설정된 값으로 입력될 수 있다.
도 13은 제 2 소프트 아킹 이벤트와 하드 아킹 이벤트의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2 및 도 13을 참조하면, 제어 시스템(50)은 제 2 소프트 아킹 이벤트의 발생 횟수가 과도하게 증가되었는지를 판단한다(S80). 해당 단위 시간 동안의 제 2 소프트 아킹 이벤트의 발생이 이전 단위 시간에 비해 과도하게 증가되면, 하드 아킹 이벤트의 발생이 후속(next) 단위 시간에서 증가될 수 있다. 제 2 소프트 아킹 이벤트 발생 확률이 시간에 따라 증가하면 하드 아킹 이벤트로 진전될 수 있는 박막 절연 파괴 면적이 증가하기 때문일 수 있다. 하드 아킹 이벤트 발생확률은 시간에 따라 선형적으로 비례하여 증가될 수 있다. 예를 들어, 제 2 소프트 아킹 이벤트가 하프 랏(half lot) 당 약 300회 이상 증가하여 발생되면, 후속 하프 랏 당 하드 아킹 이벤트가 증가될 수 있다. 여기서, 하드 아킹 이벤트의 발생은 랏 단위로 표시되고, 제 2 소프트 아킹 이벤트의 발생 증가율은 하프 랏 단위로 표시되어 있다. 하드 아킹 이벤트가 다발하기 하프 랏 이전에 제 2 소프트 아킹 이벤트의 발생이 과도하게 증가될 수 있다. 제 2 소프트 아킹 이벤트의 발생 증가율(gradient)은 하드 아킹 발생 증가의 전조(precursor)일 수 있다. 제어 시스템(50)은 제 2 소프트 아킹 이벤트의 발생이 증가(increase)되면, 후속의 하프 랏 이후에 하드 아킹 이벤트가 다발되는 것으로 예지할 수 있다. 제 2 소프트 아킹 이벤트의 발생이 해당 단위 시간에서 이전 단위 시간에 비해 증가되지 않을 경우, 새로운 후속 단위 시간에서의 플라즈마 마이크로 아킹 이벤트 모니터링으로 갱신될 수 있다.
300회의 제 2 소프트 아킹 이벤트 발생 증가는 인터락 포인트(interlock point)이다. 도 13의 인덱스(index) α는 제 2 소프트 아킹 이벤트의 발생 증가(gradient)가 300회 이상인 하드 아킹 이벤트 발생 전조(precursor)를 나타내며, 인덱스 β는 α의 발생 직후에 하드 아킹 이벤트가 크게 증가한 시점을 나타낸다. 600매 이상의 웨이퍼(14)에 대해 플라즈마 마이크로 아킹 이벤트를 모니터링한 결과, 인덱스 α 검출 이후에 모두 인덱스 β가 나타남을 확인할 수 있었다. 제 2 소프트 아킹 이벤트의 발생 증가가 300회 이하인 경우, 하드 아킹 이벤트 예측의 정합성(consistency)이 떨어질 수 있다. 이는, 하드 아킹 이벤트로 발전하기 위해 필요한 제 2 소프트 아킹 이벤트 발생 증가의 문턱 전압(threshold value)이 존재함을 보여준다. 즉, 단위 시간당 충분히 많은 횟수의 제2 소프트 아킹 이벤트 증가가 있어야만 하드 아킹 이벤트의 발생 증가가 가능함을 의미한다. 이러한 특성은 이온 폭발(ion bombardment)에 의한 스퍼터링 공정 수율(sputtering process yield) 특성과도 매우 유사하다. 박막(18)의 스퍼터링(sputtering)을 위해서는 분자들 주변의 결합 에너지(bonding energy)를 이겨낼 수 있는 문턱 에너지(threshold energy) 이상의 이온 폭발 에너지(ion bombardment energy)가 필요하다. 이처럼, 하드 아킹 이벤트가 증가되기 위해서는 제 2 소프트 아킹 이벤트가 문턱 값(threshold value) 이상의 횟수로 발생해야 한다는 의미이다.
다시 도 2를 참조하면, 제어 시스템(50)은 제 2 소프트 아킹 이벤트의 발생 빈도가 과도하게 증가되는 것으로 판단되면, 하드 아킹 이벤트의 발생 가능성이 높은 것으로 인지하여 인터락 제어 신호를 출력한다(S90). 인터락 제어 신호에 의해 챔버(10) 내의 웨이퍼(14) 투입이 중지될 수 있다. 일반적인 인터락 제어 신호는 플라즈마 마이크로 아킹 이벤트의 발생 후에 챔버(10)의 손상 부품 또는 공정 리커버리(process recovery)를 진행하는 경우가 대부분이었다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 공정 관리방법은 하드 아킹 이벤트의 발생 증가를 사전에 예지하여 플라즈마 공정의 불량을 방지할 수 있다. 하드 아킹 예측 방법은 플라즈마 양산공정(plasma production process) 결과에 전혀 영향을 주지 않을 수 있다.
마지막으로, 챔버(10)의 세정 공정을 수행한다(S100). 세정 공정은 인시츄 건식 세정(ISD: In-situ Dry Cleaning)공정과, 습식 세정공정을 포함할 수 있다. 인시츄 건식 세정공정은 플라즈마에 의해 챔버(10) 내벽(11)에서 손상된 박막(18)이 제거 또는 안정화할 수 있는 공정이다. 습식 세정 공정은 작업자에 의해챔버(10)의 내벽(11)을 약액 또는 유기 용매로 세정하는 공정이다. 습식 세정 후에 시즈닝 공정이 수행될 수 있다. 시즈닝 공정은 챔버(10)의 내벽에 박막(18)을 형성하는 예비 공정을 포함할 수 있다. 세정 공정 및 시즈닝 공정이 완료되면, 계속해서 플라즈마 공정이 수행될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 생산 설비의 플라즈마 공정 관리 방법은, 플라즈마 공정(plasma process)에서의 플라즈마 마이크로 아킹 이벤트를 예측하고, 플라즈마 마이크로 아킹을 효과적으로 억제할 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 생산 설비의 플라즈마 공정 관리 방법을 설명하기 위한 도 1의 제어 시스템(50)을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 1 및 도 14를 참조하면, 제어 시스템(50)은 설비 컴퓨터(equipment computer, 52)와, 호스트 컴퓨터(host computer, 54)와, 분석 서버(analysis server, 56)를 포함할 수 있다. 설비 컴퓨터(52)는 검출기(40)의 스펙트럼 신호(70)를 호스트 컴퓨터(54) 및 분석 서버(56)에 전달할 수 있다. 호스트 컴퓨터(54)는 해당 플라즈마(12)의 반응이 수행되는 웨이퍼(14)에 대한 정보를 분석 서버(56)에 제공할 수 있다. 분석 서버(56)는 해당 단위 시간 동안의 플라즈마(12)에서 제 2 소프트 아킹 이벤트의 발생 횟수를 카운터링하여 후속 단위 시간에서의 하드 아킹 이벤트의 발생 증가를 예측할 수 있다. 호스트 컴퓨터(54)는 하드 아킹 이벤트의 발생 증가가 예측되면, 인터락 제어 신호를 설비 컴퓨터(52)에 출력한다. 설비 컴퓨터(52)는 챔버(10) 내에 웨이퍼(14)의 투입을 중지시킬 수 있다. 또한, 설비 컴퓨터(52)는 챔버(10) 내부에서 웨이퍼(14)가 제거된 상태에서 챔버(10)의 인시츄 건식 세정 공정을 수행 시킬 수 있다. 또한 챔버(10)는 습식 세정 공정이 수행될 수 있다. 인시츄 건식 세정 공정 및 습식 세정 공정은 예방정비(PM: Preventive Maintanance)로서 정기적으로 수행될 수도 있다. 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 실시 변경이 가능하다. 예를 들어, 호스트 컴퓨터(54) 및 설비 컴퓨터(52)는 분석 서버(56)의 기능과 역할을 대신할 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 이는 본 발명의 기술적 사상에 대한 이해를 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐, 본 발명의 기술적 사상이 위에서 설명된 설비에 한정적으로 적용될 수 있음을 의미하지는 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 챔버 11: 내벽
12: 플라즈마 반응 14: 웨이퍼
16: 뷰 포트 18: 박막
20: 상부 전극 30: 하부 전극
40: 검출기 50: 제어 시스템
52: 설비 컴퓨터 54: 호스트 컴퓨터
56: 분석 서버 60: 고주파 파워
70: 스펙트럼 신호 72: 고주파 신호
74: 마이크로 아킹 이벤트 76: 분포 함수
78: 로스 스케일 분포 함수 80: 정상 구간
82: 소프트 아킹 구간 84: 제 1 소프트 아킹 구간
86: 제 2 소프트 아킹 구간 88: 하드 아킹 구간

Claims (10)

  1. 해당 플라즈마 공정에서의 스펙트럼 신호를 획득하는 단계;
    상기 스펙트럼 신호의 광학적 세기를 크기에 따라 소프트 아킹 이벤트와 하드 아킹 이벤트로 분류하는 단계;
    상기 소프트 아킹 이벤트의 발생을 단위 시간들마다 구분하여 카운트하는 단계;
    상기 단위 시간들 중 해당 단위 시간과, 그의 이전 단위 시간 동안의 상기 소프트 아킹 이벤트 발생 횟수를 비교하는 단계; 및
    상기 소프트 아킹 이벤트의 발생 횟수가 이전 단위 시간보다 해당 단위 시간에서 증가되었을 때, 상기 해당 단위 시간 이후의 후속 단위 시간에 상기 하드 아킹 이벤트의 발생 횟수가 증가될 것으로 판단하는 단계를 포함하는 플라즈마 마이크로 아킹 예지 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 소프트 아킹 이벤트와 상기 하드 아킹 이벤트는 표준 편차(standard deviation)와 상기 광학적 세기의 크기를 변수로 갖는 분포 함수로부터 산출되는 플라즈마 마이크로 아킹 예지 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 분포 함수는 정규 분포 함수를 포함하는 플라즈마 마이크로 아킹 예지 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 소프트 아킹 이벤트는 상기 정규 분포 함수로부터 변환되는 로그 스케일 분포 함수에서 카운트되는 플라즈마 마이크로 아킹 예지 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 로그 스케일 분포 함수는 정상 구간, 소프트 아킹 구간 및 하드 아킹 구간을 갖는 구분되는 플라즈마 마이크로 아킹 예지 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 소프트 아킹 구간은 제 1 소프트 아킹 구간 및 제 2 소프트 아킹 구간을 포함하는 플라즈마 마이크로 아킹 예지 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 해당 단위 시간 동안에 상기 제 2 소프트 아킹 구간에서 나타나는 제 2 소프트 아킹 이벤트의 발생 횟수가 상기 이전 단위 시간보다 문턱 값 이상으로 증가될 때, 상기 후속 단위 시간에 상기 하드 아킹 이벤트의 발생 횟수가 증가될 것으로 예측되는 플라즈마 마이크로 아킹 예지 방법.
  8. 챔버 내의 플라즈마 반응으로부터 스펙트럼 신호를 획득하는 단계;
    상기 스펙트럼 신호의 노이즈를 제거하여 고주파 신호를 획득하는 단계;
    상기 고주파 신호의 광학적 세기에 따라 소프트 아킹 구간과 하드 아킹 구간을 갖는 적어도 하나의 분포 함수를 산출하는 단계;
    상기 분포 함수를 로그 스케일 함수로 변환하는 단계;
    상기 로그 스케일 함수에서 상기 소프트 아킹 구간에 나타난 소프트 아킹 이벤트의 발생횟수를 단위 시간들마다 구분하여 카운트하는 단계;
    상기 단위 시간들 중에서 해당 단위 시간과 그의 이전 단위 시간 동안의 상기 소프트 아킹 이벤트 발생 횟수를 비교하는 단계; 및
    상기 소프트 아킹 이벤트의 발생 횟수가 상기 이전 단위 시간보다 해당 단위 시간에서 증가되었을 때, 상기 해당 단위 시간 이후의 후속 단위 시간에 상기 하드 아킹 이벤트의 발생 횟수가 증가될 것으로 판단하고, 상기 후속 단위 시간에 연속적으로 상기 플라즈마 반응이 수행되지 못하도록 인터락 제어 신호를 출력하는 생산 설비의 플라즈마 공정 관리 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 인터락 제어 신호의 출력 후에 상기 챔버를 세정하는 단계를 더 포함하는 생산 설비의 플라즈마 공정 관리 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 챔버의 세정 단계는 인시츄 건식 세정 단계를 포함하는 생산 설비의 플라즈마 공정 관리 방법.
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