KR20200038900A - 플라즈마 측정용 웨이퍼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체공정 모니터링을 위한 웨이퍼에 있어서, 특히 플라즈마 균일도나 밀도 등의 상태를 측정하는 플라즈마 측정용 웨이퍼에 관한 것으로, 상부의 제1웨이퍼와 하부의 제2웨이퍼가 본딩되어 형성되는 웨이퍼 본체와, 플라즈마 상태 측정을 위해 상기 웨이퍼 본체의 내부에 격리되게 형성되는 한 쌍의 메탈전극과, 상기 한 쌍의 메탈전극이 형성된 영역을 제외한 상기 웨이퍼 본체의 외부면에 형성되는 메탈층을 구비하여, 플라즈마 균일도나 밀도 등의 상태를 측정하기 위해 구비되는 메탈전극이 공정 중에 오염되거나 마모되는 문제를 해소할 뿐만 아니라 플라즈마 형성에 따라 발생하는 고주파 성분(RF component)에 의해 내부 회로가 파손되는 문제를 해소해주는 발명이다.

Description

플라즈마 측정용 웨이퍼{wafer for measuring plasma condition}

본 발명은 반도체공정 모니터링을 위한 웨이퍼에 관한 것으로, 특히 플라즈마 균일도나 밀도 등의 상태를 측정하는 플라즈마 측정용 웨이퍼에 관한 것이다.

반도체 제조공정에서는 플라즈마가 널리 활용되고 있다.

반도체 소자를 제조하는 공정으로는 이온주입공정, 성장 및 증착공정, 노광공정, 그리고 식각공정 등이 있는데, 이들 공정 중에서 진공 상태의 챔버 내에 플라즈마를 형성하고 반응가스를 주입하여 물질막을 증착하거나 식각하는 공정에 플라즈마 장비가 널리 사용되고 있다.

이온주입공정 이후에 플라즈마를 이용하여 물질막을 증착하는 공정을 진행하면 웨이퍼에 주입된 불순물의 확산이 더이상 일어나지 않기 때문에 저온에서 공정을 진행할 수 있으며, 증착되는 물질막의 두께 균일도가 우수해 진다. 또한, 플라즈마를 이용하여 식각공정을 진행할 시에는 웨이퍼 전면에 걸쳐 식각 균일도도 우수해 진다.

한편, 반도체 제조공정에서 이용되는 플라즈마의 전자밀도나 이온밀도 측정은 필수적이라 할 수 있는데, 가장 일반적인 것이 랑뮈어 프로브(Langmuir probe)다.

랑뮈어 프로브는 외부에서 챔버 내에 탐침을 삽입시키고 그 탐침에 인가되는 전원(전압)을 가변하여 플라즈마 특성을 측정하는 것으로, 탐침에 음전위가 인가되면 플라즈마의 양이온이 탐침으로 포집되어 이온에 의한 전류가 발생하며, 반대로 탐침에 양전위가 인가되면 플라즈마의 전자들이 탐침으로 포집되어 전자에 의한 전류가 발생한다. 이때, 이온 또는 전자에 의해 발생된 전류를 측정한 후에 탐침에 인가된 전압과의 상관관계를 분석하여 플라즈마 밀도를 측정할 수 있다.

이와 같은 종래의 랑뮈어 프로브는 챔버 내에 탐침을 삽입하여 플라즈마의 밀도를 측정하기 때문에, 공정이 진행되는 동안 실시간으로 플라즈마의 밀도를 측정할 수 있다. 그러나, 플라즈마 밀도를 측정하기 위해서는 탐침을 챔버 내에 삽입해야 하기 때문에 증착공정 시에는 증착물질에 의해 탐침이 오염되는 문제가 있으며, 식각공정 시에는 탐침이 식각되어 마모되는 문제가 발생한다. 그에 따라 실제 양산공정에 적용하기에는 어려움이 따른다.

그외에도 플라즈마 특성을 측정하기 위한 도구들로서, 플라즈마 오실레이션 탐침이나 플라즈마 흡수 탐침 등이 개발되었지만 플라즈마 오실레이션 탐침은 높은 압력에서 열선이 견디는 동작조건에서만 측정이 가능하다는 한계가 있으며 플라즈마 흡수 탐침은 측정 전에 교정과정을 거쳐야 하는 번거로움과 복잡한 계산과정이 수반되는 단점이 있었다. 결국, 이러한 개량된 기술도 실효성이 떨어지는 문제점이 있었다.

또한, 종래 기술에서는 플라즈마 발생을 위해 고주파 전력이 인가되는데, 그 고주파 전력으로 인한 고주파 성분이 공정 모니터링을 위한 내부 회로를 오작동하게 하거나 파손시키는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 상기한 점들을 감안하여 안출한 것으로, 플라즈마 균일도나 밀도 등의 상태를 측정할 수 있는 플라즈마 측정용 웨이퍼를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 플라즈마 측정을 위한 메탈전극을 웨이퍼 내부에 격리시켜 메탈전극의 오염도 없으면서 고주파 전력의 인가에 따른 고주파 성분의 유입을 차단할 수 있는 플라즈마 측정용 웨이퍼를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 측정용 웨이퍼의 특징은, 상부의 제1웨이퍼와 하부의 제2웨이퍼가 본딩되어 형성되는 웨이퍼 본체와, 플라즈마 상태 측정을 위해 상기 웨이퍼 본체의 내부에 격리되게 형성되는 한 쌍의 메탈전극과, 상기 한 쌍의 메탈전극이 형성된 영역을 제외한 상기 웨이퍼 본체의 외부면에 형성되는 메탈층과, 상기 메탈층이 형성된 상기 웨이퍼 본체의 외부면 전체에 형성되는 보호막과, 상기 웨이퍼 본체의 내부에 구비되어 상기 한 쌍의 메탈전극을 구성하는 제1메탈전극과 제2메탈전극 간에 형성된 정전용량의 변화를 측정하는 회로를 상기 웨이퍼 본체의 내부에 구비할 수 있으며, 상기 제1메탈전극과 상기 제2메탈전극은 서로 이격되게 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 한 쌍의 메탈전극은 상기 제1웨이퍼에 구비된 제1리세스(1st recess)의 내부에 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 한 쌍의 메탈 전극과 상기 제1웨이퍼 사이에 절연막이 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 제2웨이퍼는 상기 제1웨이퍼와 본딩 시에 상기 한 쌍의 메탈전극을 하부에서 커버하게 형성되는 제2리세스(2nd recess)를 구비할 수 있다.

본 발명에 따르면, 플라즈마 균일도나 밀도 등의 상태를 측정하기 위해 구비되는 메탈전극이 공정 중에 챔버 내에서 노출되지 않기 때문에 오염되는 문제가 발생하지 않는다. 특히, 본 발명에 따른 플라즈마 측정용 웨이퍼는 반도체 전체 공정 동안에 챔버 내에 장착되어 각 공정 조건을 모니터링하는 것으로 플라즈마 공정 이외에 식각공정과 같은 타 공정 동안에 챔버 내에 장착되어 있다 하더라도 메탈전극이 마모되는 문제가 발생하지 않는다.

또한, 메탈전극이 형성된 영역을 제외하고 전영역에 걸쳐 고주파 성분(RF component)의 유입을 차단하는 메탈층을 구비함으로서, 플라즈마 공정 동안에 플라즈마의 상태를 측정하는 감도에는 큰 영향을 주지 않으면서 내부 회로가 파손되는 문제는 해결할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 플라즈마 측정용 웨이퍼의 구조를 도시한 단면도이고,
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 플라즈마 측정용 웨이퍼의 구조를 도시한 단면도이고,
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 플라즈마 측정용 웨이퍼의 구조를 도시한 단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 측정용 웨이퍼에서 정전용량을 측정하기 위한 메탈전극 쌍들의 배치 구조를 도시한 평면도이다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 플라즈마 측정용 웨이퍼의 바람직한 실시 예를 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 플라즈마 측정용 웨이퍼의 구조를 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 플라즈마 측정용 웨이퍼의 구조를 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 플라즈마 측정용 웨이퍼의 구조를 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 측정용 웨이퍼에서 정전용량을 측정하기 위한 메탈전극 쌍들의 배치 구조를 도시한 평면도이다.

도 1 내지 4를 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 측정용 웨이퍼는 웨이퍼 본체(100)와, 그 웨이퍼 본체(100)의 내부에 격리되게 형성되는 한 쌍의 메탈전극(300)과, 한 쌍의 메탈전극(300)이 형성된 영역을 제외한 웨이퍼 본체(100)의 외부면에 형성되는 메탈층(13c)을 포함하여 구성된다. 여기서, 한 쌍의 메탈전극(300)은 제1메탈전극(30a)과 제2메탈전극(31a)으로 구성되며, 제1메탈전극(30a)과 제2메탈전극(31a)은 일정 거리만큼 이격된다. 특히, 한 쌍의 메탈전극(300)은 도 4에 도시된 바와 같이 웨이퍼 본체(100)의 다수 영역에 배치될 수 있는데, 그 배치 형태는 한 쌍의 메탈전극(300) 간에 균일한 이격거리를 갖는 것이 바람직하다.

웨이퍼 본체(100)는 적어도 2개의 웨이퍼가 결합되는 것이다. 바람직하게는 웨이퍼 본체(100)가 제1웨이퍼(10)와 제2웨이퍼(20)로 구성될 수 있다.

제2웨이퍼(20)는 하부 구조를 형성하며, 제1웨이퍼(10)가 제2웨이퍼(20)의 상부에 본딩된다. 즉, 제1웨이퍼(10)는 상부 웨이퍼이고 제2웨이퍼(20)는 하부 웨이퍼일 수 있다.

제1웨이퍼(10)와 제2웨이퍼(20)가 본딩되어 웨이퍼 본체(100)를 형성한다. 이를 위해 제1웨이퍼(10)와 제2웨이퍼(20)는 본딩 패드를 구비할 수 있다. 그에 따라 제1웨이퍼(10)와 제2웨이퍼(20) 사이의 공간은 외부로부터 차폐될 수 있다.

본 발명에 따른 플라즈마 측정용 웨이퍼는 반도체 공정 중에 챔버 내에서 플라즈마 밀도, 플라즈마 균일도, 온도, 가스 등의 공정 조건을 모니터링하기 위한 것이며, 특히 한 쌍의 메탈전극(300)은 플라즈마 밀도나 균일도와 같은 플라즈마 상태를 측정하기 위한 것이다.

플라즈마 밀도의 경우, 플라즈마를 형성하기 위한 고주파 전력이 인가됨에 따라 챔버 내에 전기장이 형성되는데, 그 전기장의 변화를 측정하면 플라즈마의 밀도 변화를 측정할 수 있다.

플라즈마 균일도의 경우, 도 4에서와 같이 균일한 이격거리로 배치된 한 쌍의 메탈전극(300) 다수에서 각각 측정되는 플라즈마 밀도 변화에서 오차가 발생하는 지의 여부로부터 측정할 수 있다.

플라즈마 밀도 변화의 측정 원리는 한 쌍의 메탈전극(300)에 신호(전류나 전압)를 인가함에 따라 제1메탈전극(30a)과 제2메탈전극(31a) 간에 정전용량이 형성되는데, 그 정전용량의 변화를 측정하여 플라즈마 밀도 변화를 측정할 수 있다.

예를 들어, 고주파 전력에 의해 일정 수준의 전기장이 챔버 내에 형성된 상태에서 한 쌍의 메탈전극(300)에 인가된 신호(전류나 전압)에 의해 형성된 정전용량이 A라고 정의한다. 이후에 어떠한 원인으로 인해 챔버 내에 전기장의 변화가 발생하면 제1메탈전극(30a)과 제2메탈전극(31a) 간에 형성된 정전용량이 변화한다. 따라서 A 값을 기준으로 정전용량이 변화한 오차가 어느 정도인가를 측정할 수 있으며, 그 오차의 정도로부터 플라즈마 밀도 변화의 정도를 측정할 수 있다. 여기서, 정전용량의 변화는 방전속도(방전량)의 변화와 관련된다. 즉, 한 쌍의 메탈전극(300)에 신호를 인가함에 따라 제1메탈전극(30a)과 제2메탈전극(31a) 간에 정전용량이 형성되는데, 챔버 내의 전기장 변화나 플라즈마 상태 변화에 따라 방전속도(방전량)가 변화한다.

본 발명에 따른 플라즈마 측정용 웨이퍼는 플라즈마 밀도 변화의 측정을 위해 제1메탈전극(30a) 및 제2메탈전극(31a)과 전기적으로 연결되어 제1메탈전극(30a)과 제2메탈전극(31a) 간에 형성된 정전용량의 변화를 측정하는 회로(미도시)를 웨이퍼 본체(100)의 내부에 더 구비할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 메탈전극(300)은 제1웨이퍼(10)의 표면에 결합되게 형성될 수 있다.

한 쌍의 메탈전극(300)이 형성된 제1웨이퍼(10)는 고주파 전력이 인가됨에 따라 형성되는 전기장에 접하는 상부의 웨이퍼로서, 제1웨이퍼(10)의 두께는 측정 감도에 반비례할 수 있다. 그에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이, 플라즈마 상태에 대한 측정 감도를 높일 수 있도록 제1웨이퍼(10)가 요부를 형성하는 제1리세스(1st recess)(11)를 구비하고, 한 쌍의 메탈전극(300)이 그 제1리세스(1st recess)(11)의 내부에 형성될 수 있다. 이와 같이, 한 쌍의 메탈전극(300)이 제1리세스(1st recess)(11)의 내부에 형성됨에 따라 플라즈마 측정용 웨이퍼의 전체 두께도 줄일 수 있다.

플라즈마 측정용 웨이퍼의 전체 두께를 줄이기 위한 다른 예로는, 도 3에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 메탈전극(300)이 웨이퍼 본체(100)의 내부에 격리되게 상부의 제1웨이퍼(10)에 결합되고, 제2웨이퍼(20)가 요부를 형성하는 제2리세스(2nd recess)(21)를 구비할 수 있다. 그에 따라, 제1웨이퍼(10)와 제2웨이퍼(20)가 본딩될 때 제2리세스(2nd recess)(21)가 한 쌍의 메탈전극(300)을 하부에서 커버한다.

한편, 도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 메탈 전극(300)과 제1웨이퍼(10) 사이에 절연막(12a)이 구비된다. 보다 상세하게, 한 쌍의 메탈전극(300)이 형성될 제1웨이퍼(10)에 먼저 절연막(12a)을 형성하고, 이후에 그 절연막(12a) 상에 한 쌍의 메탈 전극(300)을 형성할 수 있다. 여기서, 절연막(12a)은 실리콘산화막(SiO₂)이나 실리콘질화막(SiNx)일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 플라즈마 측정용 웨이퍼는 고주파 전력이 인가됨에 따라 발생하는 고주파 성분이 내부 회로에 악영향을 미치는 것을 방지하기 위해, 한 쌍의 메탈 전극(300)이 형성된 영역을 제외한 영역으로 고주파 성분이 유입되는 것을 차단하는 메탈층(13c)을 구비할 수 있다.

고주파 성분의 유입을 차단하는 메탈층(13c)은 웨이퍼 본체(100)의 외부면 중 하나에 형성될 수 있는데, 제1웨이퍼(10)의 일 표면에 형성될 수 있다.

특히, 도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 본체(100)의 외부 표면 중 하나에 해당하는 제1웨이퍼(10)의 상면에 메탈층(13c)이 형성될 수 있다.

고주파 성분의 유입을 차단하는 메탈층(13c)은 한 쌍의 메탈전극(300)이 형성된 영역을 제외한 영역에 형성되어, 제1웨이퍼(10)의 상부 표면에 전면적으로 형성되는 것이 아니라 한 쌍의 메탈전극(300)이 형성된 부분에서는 오픈된 구조로 형성되는 것이 바람직하다.

메탈층(13c)이 형성된 웨이퍼 본체(100)의 외부면 전체에 메탈층(13c)을 보호하기 위한 보호막(14)을 더 구비할 수 있다. 특히, 보호막(14)은 메탈층(13c)이 형성된 제1웨이퍼(10)의 전면에 형성되는 것이 바람직하며, 보호막(14)은 산화막 계열일 수 있다.

한편, 본 발명은 절연막(12a)과 한 쌍의 메탈전극(300)이 제1웨이퍼(10)에 형성된 구조로만 한정하지 않으며, 도 1 내지 3에 도시된 바와 동일한 층 구조로 제2웨이퍼(20)에 절연막과 한 쌍의 메탈전극이 형성되게 구현할 수도 있다.

본 발명에서 제1웨이퍼(10)나 제2웨이퍼(20)는 절연성과 견고성과 열전도성 좋은 실리콘 계열 웨이퍼 또는 세라믹 계열 웨이퍼일 수 있다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다.

그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시 예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 제1웨이퍼
11: 제1리세스
12a: 절연막
13c: 메탈층
14: 보호막
20: 제2웨이퍼
21: 제2리세스
30a,31a: 메탈전극

Claims (3)

1. 상부의 제1웨이퍼와 하부의 제2웨이퍼가 본딩되어 형성되는 웨이퍼 본체;
   상기 제1웨이퍼에 구비되는 제1리세스(1st recess);
   플라즈마 상태 측정을 위해 상기 웨이퍼 본체의 내부에 격리되면서 상기 제1리세스의 내부에서 서로 이격되게 형성되는 한 쌍의 메탈전극;
   상기 한 쌍의 메탈전극이 형성된 영역을 제외한 상기 웨이퍼 본체의 외부면에 형성되는 메탈층;
   상기 메탈층이 형성된 상기 웨이퍼 본체의 외부면 전체에 형성되는 보호막; 그리고
   상기 웨이퍼 본체의 내부에 구비되어 상기 한 쌍의 메탈전극을 구성하는 제1메탈전극과 제2메탈전극 간에 형성된 정전용량의 변화를 측정하는 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 측정용 웨이퍼.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 한 쌍의 메탈 전극과 상기 제1웨이퍼 사이에 절연막이 구비되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 측정용 웨이퍼.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2웨이퍼는,
   상기 제1웨이퍼와 본딩 시에 상기 한 쌍의 메탈전극을 하부에서 커버하게 형성되는 제2리세스(2nd recess)를 구비하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 측정용 웨이퍼.

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