[논문]ISPM 및 PBMS를 이용한 BPSG 및 PSG CVD 공정 중 발생하는 오염입자의 실시간 측정

나정길; 최재붕; 문지훈; 임성규; 박상현; 이헌정; 채승기; 윤주영; 강상우; 김태성

문제 정의

본 논문에서는 실시간 나노입자 측정장비인 ISPM 및 PBMS 를 이용하여 BPSG 및 PSG 븐[므上 증착을 위한 CVD 공정 중 발생하는 오염 입자 발생특성에 대해 비교.평가하였다.
이러한 절연체 박막은 기본적으로 수십 的 이하의 두께와 고순도, 고품질을 요구하기 때문에 박막증착 공정에 있어서 오염입자 측정 및 분석은 매우 중요하다 할 수 있다. 본 연구에서는 BPSG 및 PSG 박막 증착을 위해 실제 양산라인에서 활용되고 있는 CVD 장비에 대하여 ISPM 및 PBMS를 동시에 설치하여 발생 입자를 모니터링하고 그 결과를 비교■평가하였다.
,(1998)은 반응기의 배기라 인에 연결된 PBMS를 이용하여 Lam Research 사의 low pressure CVD(model: DSMTM 9800) 장비에 대하 여 borophosphosilicate glass(BPSG) 박막 증착 공정 동 안 발생하는 오염 입자에 관한 모니터링을 수행한 바 있다. 특히, 공정압력 및 전구체로 쓰인 Tetraethoxysilane(TEOS) 의 유량에 따른 입자 발생 특성에 대해 규명하였다.

제안 방법

PBMS 와 ISPM 을 배기구의 배기라인에 순서대로 설치하고 발생입자를 동시에 모니터링하였다. 소스는 TEB(T riethylborate), TEPO(T ri ethyl phosphate) 및 TEOS(Tetraethoxysilane) 를 사용하였고, 운반 가스는 He, 반응가스로 O₂ 및 O₃ 를 사용하였다.
입자를 측정한 결과이다. 공정은 3회를 수행하였으며, PBMS 에서는 3번째 공정에서 측정하였다. 약 1600 초 까지는 1-2회 공정, 약 1600초 이후는 3 회 공정을 나타낸다.
본 실험에서는 BPSG 및 PSG CVD 공정 중 발생하는 입자를 측정하기 위해 ISPM 과 PBMS 를 Figure 1과 같이 설치하였다. CVD 장비는 나노종합팹센터에서 실제 양산 장비로 활용되고 있는 APPLIED MATERIALS 사의 Precision 5000 모델을 활용하였다.
, 1995), 편향판을 통해 입자를 90° 굴절 시켜 패러데이 컵에서 입자전류를 측정한다. 본 실험에서는 편향판에 1000 V를 가전 하여 패러데이 컵의 전류 변화량을 측정하는 모니터링 방식 (monitoring mode) 을 사용하여 500 ran 이하의 입자의 크기를 측정하였고, 그 이상의 크기는 고려하지 않았다. 한편, 입자가 안정적으로 발생하는 증착 단계에서는 시간에 따라 편향전압을 변 화시키는 스캐닝 방식(scanning mode)를사용하여 입자 크기 분포를 측정하였다.
소스는 TEB(T riethylborate), TEPO(T ri ethyl phosphate) 및 TEOS(Tetraethoxysilane) 를 사용하였고, 운반 가스는 He, 반응가스로 O₂ 및 O₃ 를 사용하였다. 증착 온도와 압력은 양산을 위해 쓰이는 전형적인 조건으로 각각 4401, 200 Torr 로 설정하였다. 공정순서는 조건확보(set-up), 안정화(stabilize), 증착(deposition), 배기 (purge) 및 펌핑(pumping) 순으로 크게 5단계로 나눌 수 있으며, Table 1에 정리하였다.
본 실험에서는 편향판에 1000 V를 가전 하여 패러데이 컵의 전류 변화량을 측정하는 모니터링 방식 (monitoring mode) 을 사용하여 500 ran 이하의 입자의 크기를 측정하였고, 그 이상의 크기는 고려하지 않았다. 한편, 입자가 안정적으로 발생하는 증착 단계에서는 시간에 따라 편향전압을 변 화시키는 스캐닝 방식(scanning mode)를사용하여 입자 크기 분포를 측정하였다.

대상 데이터

같이 설치하였다. CVD 장비는 나노종합팹센터에서 실제 양산 장비로 활용되고 있는 APPLIED MATERIALS 사의 Precision 5000 모델을 활용하였다. ISPM은 광 소멸 방식의 INFICON사의 9020 모델을 사용하였으며 약 260 的 이상의 입자를 측정할 수 있다.
CVD 장비는 나노종합팹센터에서 실제 양산 장비로 활용되고 있는 APPLIED MATERIALS 사의 Precision 5000 모델을 활용하였다. ISPM은 광 소멸 방식의 INFICON사의 9020 모델을 사용하였으며 약 260 的 이상의 입자를 측정할 수 있다. PBMS에서는 공기역학 렌즈를 통해 입자를 중심축으로 포커싱 하고(Liu et al.
소스는 TEB(T riethylborate), TEPO(T ri ethyl phosphate) 및 TEOS(Tetraethoxysilane) 를 사용하였고, 운반 가스는 He, 반응가스로 O₂ 및 O₃ 를 사용하였다. 증착 온도와 압력은 양산을 위해 쓰이는 전형적인 조건으로 각각 4401, 200 Torr 로 설정하였다.
2x104 #/飾로 측정되었다. 측정 신뢰성을 검증하기 위해 증착공정 중 PBMS 내 장착된 TEM gid를 이용하여 입자를 포집하였다. 이를 TEM 으로 분석한 결과 Figure 4와 같이 최빈입경인 약 110 ra 입자의 존재를 확인하였으며, 추후 연구에서 이미지 분석을 통하여 입경 분포측정 결과와 비교 한다면 더욱 신뢰성 있는 데이터를 확보할 수 있을 것으로 사료된다.

성능/효과

측정 결과 ISPM과 PBMS에서 1-5단계에 따라 유사한 패턴의 입자 발생을 보였다. 그러나 1-2단계와 4-5단계의 100-170초, 490 초 구간에서는 PBMS 의 측정 결과에서 나타나지 않는 입자가 ISPM 에서 일정한 패턴을 보이며 측정되었으며, 3단계의 전 구간에서는 PBMS 가 기준 전류 수치 (noise level)인 1.0x10-14 A 보다 높은 1.1Q0-11 A 수준의 균일한 전류를 나타내며 ISPM 보다 안정적으로 측정되었다. 이는 ISPM 과 PBMS 의 측정범위를 벗어나는 260 ran 이하, 500 ran 이상의 입자를 각각의 장비에서 측정되었기 때문으로 사료된다.
이를 통해 BPSG 증착에 첨가된 TEB 에 의한 화학종들의 다양한 반응에 의해 PSG 의 경우보다 입자의 성장이 활발히 일어남을 확인하였다. 두 장비의 측정성능 평가에 있어서 ISPM 은 입자 발생에 따라 변동이 심하게 나타났으나, PBMS 의 경우 안정된 입자전류량을 나타내었고, 이는 앞서 기술한 바와 같이 각 장비의 측정 범위의 차이에 의하여 발생한 것으로 판단된다. 본 연구를 통하여 반도체 제조 공정 중 발생되는 오염 입자를 실시간으로 측정하는 기술에 대한 가능성을 확보하였으며, PBMS 와 ISPM 의 장단점을 상호 보완하여 응용 한다면 반도체 제조 공정의 실시간 측정 기술로 효율적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
평가하였다. 반응기의 배기 라인에 ISPM 과 PBMS를 설치하고 500 ran 이하의 입자에 대해 조건확보, 안정화, 증착, 배기 및 펌핑 단계에 따라 모니터링 한 결과 각 장비의 측정 범위에 의하여 약간의 차이만을 보이며 비슷한 경향의 입자발생분포를 나타내었다. 입자발생이 안정적으로 일어나는 증착 공정 중 PBMS 를 통하여 입자분포를 측정한 결과 최빈입경이 BPSG의 경우 약 110 ra, PSG의 경우 약 80 ra로 나타났다.
입자발생이 안정적으로 일어나는 증착 공정 중 PBMS 를 통하여 입자분포를 측정한 결과 최빈입경이 BPSG의 경우 약 110 ra, PSG의 경우 약 80 ra로 나타났다. 이를 통해 BPSG 증착에 첨가된 TEB 에 의한 화학종들의 다양한 반응에 의해 PSG 의 경우보다 입자의 성장이 활발히 일어남을 확인하였다. 두 장비의 측정성능 평가에 있어서 ISPM 은 입자 발생에 따라 변동이 심하게 나타났으나, PBMS 의 경우 안정된 입자전류량을 나타내었고, 이는 앞서 기술한 바와 같이 각 장비의 측정 범위의 차이에 의하여 발생한 것으로 판단된다.
반응기의 배기 라인에 ISPM 과 PBMS를 설치하고 500 ran 이하의 입자에 대해 조건확보, 안정화, 증착, 배기 및 펌핑 단계에 따라 모니터링 한 결과 각 장비의 측정 범위에 의하여 약간의 차이만을 보이며 비슷한 경향의 입자발생분포를 나타내었다. 입자발생이 안정적으로 일어나는 증착 공정 중 PBMS 를 통하여 입자분포를 측정한 결과 최빈입경이 BPSG의 경우 약 110 ra, PSG의 경우 약 80 ra로 나타났다. 이를 통해 BPSG 증착에 첨가된 TEB 에 의한 화학종들의 다양한 반응에 의해 PSG 의 경우보다 입자의 성장이 활발히 일어남을 확인하였다.
또한, 1600초부터 1700초1까지는 1, 2단계, 1900초 까지는 3단계, 2000초까지 는 4단계를 나타낸다. 측정 결과 3번째 공정의 1, 2단계에서 ISPM에서는 입자가 측정되지 않았으나, PBMS는 약 1X10-13 A 대의 입자전류가 측정되었다. 이는 PBMS 의 경우 ISPM 에서 측정하지 못하는 260ran 이하의 입자들이 측정된 것으로 판단된다.
공정은 2 회를 수행하였으며, 약 180초 까지는 1-2단계, 약 380 초까지는 3단계 그리고 약 500 초까지는 4-5단계를 나타낸다. 측정 결과 ISPM과 PBMS에서 1-5단계에 따라 유사한 패턴의 입자 발생을 보였다. 그러나 1-2단계와 4-5단계의 100-170초, 490 초 구간에서는 PBMS 의 측정 결과에서 나타나지 않는 입자가 ISPM 에서 일정한 패턴을 보이며 측정되었으며, 3단계의 전 구간에서는 PBMS 가 기준 전류 수치 (noise level)인 1.
(a)는 편향전압에 따른 입자 전류 측정 결과이며, (b)는 이를 입자분포로 환산한 결과이다. 측정 결과 입자크기 및 농도는 약 80 ra, 7x104 #/W로 측정되었다. 주목할만한 것은 BPSG 공정은 PSG에 대비하여 입자크기는 증가하였고 농도는 감소하였는데, 이는 TEB 공급에 의해 PSG 공정보다 반응 기체의 농도가 증가하여 화학반응이 다양해지고, 기체상들 간의 평균 자유 행정이 짧아져서 충돌 빈도가 증가하여 이를 통해 입자의 응축성장이 보다 활발하게 일어났기 때문으로 판단된다.

후속연구

Boron(원자번호 5)의 경우 결합 에너지가 약 1 keV로서 EDS 측정한계로 인하여 분석이 되지 않았지만, 분석된 입자는 주로 Si》에 bow 과 phosphorus가 도핑된 입자일 것으로 추측된다. boron 을 측정하기 위해서는 FT-IR spectroscopy 나 inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy(AES) 등을 이용한 추가 분석이 필요할 것으로 판단된다.
두 장비의 측정성능 평가에 있어서 ISPM 은 입자 발생에 따라 변동이 심하게 나타났으나, PBMS 의 경우 안정된 입자전류량을 나타내었고, 이는 앞서 기술한 바와 같이 각 장비의 측정 범위의 차이에 의하여 발생한 것으로 판단된다. 본 연구를 통하여 반도체 제조 공정 중 발생되는 오염 입자를 실시간으로 측정하는 기술에 대한 가능성을 확보하였으며, PBMS 와 ISPM 의 장단점을 상호 보완하여 응용 한다면 반도체 제조 공정의 실시간 측정 기술로 효율적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
측정 신뢰성을 검증하기 위해 증착공정 중 PBMS 내 장착된 TEM gid를 이용하여 입자를 포집하였다. 이를 TEM 으로 분석한 결과 Figure 4와 같이 최빈입경인 약 110 ra 입자의 존재를 확인하였으며, 추후 연구에서 이미지 분석을 통하여 입경 분포측정 결과와 비교 한다면 더욱 신뢰성 있는 데이터를 확보할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 입자성분을 분석하기 위해 포집된 입자에 대하여 FEI 사의 energy dispersive spectro- scopy(EDS, model: SIRION) 로 분석한 결과를 Table 2 에 정리하였다.

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