[논문]OES를 이용한 질화막/산화막의 식각 스펙트럼 데이터 분석

박수경; 강동현; 한승수; 홍상진

doi:10.4313/jkem.2012.25.5.353

문제 정의

그러나 식각공정을 OES로 모니터링 하는 경우, 플라즈마 내의 이온과 라디컬이 박막과 반응하며 발생하는 빛에너지를 검출하여 분석하는 원리이므로 플라즈마와 척 또는 캐리어 웨이퍼의 반응을 비교할 필요가 있다. 따라서 이 논문에서는 low open area인 쿠폰웨이퍼를 이용한 식각공정을 OES로 실시간 모니터링할 경우, 쿠폰 웨이퍼를 포토레지스트 (photoresist)가 코팅된 캐리어 웨이퍼 (carrier wafer)에 부착하여 실험하는 경우와 캐리어 웨이퍼 없이 척 (chuck)에 올려놓고 식각하는 경우의 데이터가 동일하다는 조건 하에 데이터 간의 유사 정도를 검증하고자 한다.
일반적으로 경험적 방법으로 식각 조건을 찾을 경우에는 open area를 제외한 나머지 영역이 식각반응을 하지 않는다고 가정하지만, OES를 이용하여 식각 공정을 데이터를 이용하여 분석할 경우에는 식각 외 영역 또한 플라즈마와 충분히 반응할 수 있고, 이는 곧바로 데이터에 영향을 줄 수 있음을 고려해야 한다. 따라서 이 논문에서는 쿠폰 웨이퍼를 제외한 나머지 부분을 포토레지스트로 채우기 위해 웨이퍼에 포토레지스트를 코팅하고 쿠폰 웨이퍼 테스트를 진행한 실험군과 쿠폰 웨이퍼만 사용하여 실험을 진행한 실험군을 비교하였다.
본 논문에서는 두 가지 경우가 모두 본래 웨이퍼의 open area와 동일하다고 가정하고, 식각 결과와 OES 데이터가 동일한지를 확인하고자 한다. Low open area에서의 식각에 따른 상태를 확인하기 위해 약 0.

가설 설정

이 방법은 산업에서 실제 생산에 적용하기 전 최적 공정 조건을 간접적으로 파악하는데 사용하고 있다. 쿠폰 웨이퍼를 척 (chuck) 위에 두고 공정을 진행할 경우, 이는 쿠폰 웨이퍼의 open area가 패턴 웨이퍼 (whole patterned wafer)와 동일한 open area를 가진다는 가정을 바탕으로 한다. 즉, 식각하고자 하는 부분 외 나머지 영역은 식각되지 않는데, chuck은 반응에 관여하지 않으므로 open area 산정에 포함할 수 있다는 논리를 근거로 삼는다.

제안 방법

두 가지 경우에 대해 모두 동일한 조건으로 실험을 진행하였으며, 각각 3회씩 반복 실험하였다. CHF₃와 O₂가스를 주입하여 silicon oxide와 silicon nitride를 동시에 식각하였으며, overetch가 일어나도록 하기 위해 공정을 30분 동안 진행하였다. OES 데이터를 얻기 위하여 에쳐 전면부에 위치한 뷰포트에 광케이블을 설치하였고, RF power가 켜진 순간부터 데이터를 저장하였다.
CHF₃와 O₂가스를 주입하여 silicon oxide와 silicon nitride를 동시에 식각하였으며, overetch가 일어나도록 하기 위해 공정을 30분 동안 진행하였다. OES 데이터를 얻기 위하여 에쳐 전면부에 위치한 뷰포트에 광케이블을 설치하였고, RF power가 켜진 순간부터 데이터를 저장하였다. 그림 3은 OES 장착 사진과 실험환경을 도식화한 이미지이다.
쿠폰 웨이퍼로부터 발생하는 모든 화학종은 플라즈마의 에너지로 인해 에천트, 부산물 등의 화학종이 들뜬 상태로 여기 된다. OES의 파장 중 에천트, 부산물 종을 선택한 후, 두 화학 종간의 비율을 확인하였다 [11]. 식 3.
이러한 단점을 보완하기 위해 식각 공정에 반응성이 낮은 아르곤 가스를 소량 포함시켜 공정을 진행한 후, 확인하고자 하는 화학종과 아르곤 가스와의 비율을 통해 해당 화학종의 변화를 확인한다 [12]. 그러나 이 실험에서는 아르곤 가스를 사용하지 않아 argon actinometry방법을 적용하기 어려워 패턴의 형태를 비교하는데 사용하는 DTW (dynamic time warping) 알고리즘으로 데이터 간의 차이 정도를 비교하였다.
동일한 실험 조건 동안 식각한 결과를 확인하기 위해 주사 전자현미경 (scanning electron microscope, SEM)으로 쿠폰 웨이퍼의 단면을 확인하고, 식각이 된 정도를 확인하였다. 식각 전과 식각 후의 쿠폰 웨이퍼의 상태를 비교하기 위하여 식각 전, 식각 후 포토레지스트 제거 전, 포토레지스트 제거 후를 SEM으로 확인하였다.
표 1은 쿠폰 웨이퍼 테스트의 실험 조건이다. 두 가지 경우에 대해 모두 동일한 조건으로 실험을 진행하였으며, 각각 3회씩 반복 실험하였다. CHF₃와 O₂가스를 주입하여 silicon oxide와 silicon nitride를 동시에 식각하였으며, overetch가 일어나도록 하기 위해 공정을 30분 동안 진행하였다.
두 가지 테스트 환경을 비교하기 위하여 첫 번째 실험군은 4 inch 실리콘 웨이퍼 위에 포토레지스트를 도포하고, 그 위에 쿠폰 웨이퍼 5개를 부착하였다. 포토레지스트는 AZ3312 positive photoresist를 사용하였고, 약 5 ㎛ 두께로 도포한 후 하드 베이킹 (hard baking) 하였다.
포토레지스트는 AZ3312 positive photoresist를 사용하였고, 약 5 ㎛ 두께로 도포한 후 하드 베이킹 (hard baking) 하였다. 두 번째 실험군은 캐리어 웨이퍼 없이 chuck 위에 쿠폰 웨이퍼 5개로 공정을 진행했다.
식각공정의 부산물로 발생하는 종으로부터 나오는 특정 파장 선택에 대한 연구는 1970년 이후부터 꾸준히 연구되어 오며, 단일 파장 또는 2개 이상의 파장을 비교하는 방법을 사용한다. 따라서 화학식으로 추정하여 발생 가능한 화학종을 근거로 확인하려는 파장을 선택하였다.
가 부산물로 생성된다 [14]. 본 실험에서는 불소계열의 가스를 이용 하여 식각 공정을 진행하였고, fluorine polymer의 증착으로 인한 식각률의 감소를 줄이기 위해 O₂가스를 첨가하였다 [15]. 따라서 포토레지스트 제거 반응이 불가피하게 발생하였으며, 이로 인해 OES 데이터 상에서는 캐리어 웨이퍼가 없는 실험 군이 over-etch가 일어났음에도 불구하고 두 실험군의 데이터가 가장 낮은 비율의 non-similarity를 나타냈다고 추측한다.
식각 공정 조건의 최적화에 소모되는 비용을 절감하기 위해 동일한 open area를 가지는 쿠폰 웨이퍼로 대신하여 테스트를 한다. 일반적으로 경험적 방법으로 식각 조건을 찾을 경우에는 open area를 제외한 나머지 영역이 식각반응을 하지 않는다고 가정하지만, OES를 이용하여 식각 공정을 데이터를 이용하여 분석할 경우에는 식각 외 영역 또한 플라즈마와 충분히 반응할 수 있고, 이는 곧바로 데이터에 영향을 줄 수 있음을 고려해야 한다.
동일한 실험 조건 동안 식각한 결과를 확인하기 위해 주사 전자현미경 (scanning electron microscope, SEM)으로 쿠폰 웨이퍼의 단면을 확인하고, 식각이 된 정도를 확인하였다. 식각 전과 식각 후의 쿠폰 웨이퍼의 상태를 비교하기 위하여 식각 전, 식각 후 포토레지스트 제거 전, 포토레지스트 제거 후를 SEM으로 확인하였다. 표 2는 식각 후 over-etch 정도를 측정한 결과이다.
OES는 뷰포트 (viewport)로부터 유입되는 광원의 세기를 측정하는 방식으로 정량적인 측정방식이라고는 할 수 없다. 이러한 단점을 보완하기 위해 식각 공정에 반응성이 낮은 아르곤 가스를 소량 포함시켜 공정을 진행한 후, 확인하고자 하는 화학종과 아르곤 가스와의 비율을 통해 해당 화학종의 변화를 확인한다 [12]. 그러나 이 실험에서는 아르곤 가스를 사용하지 않아 argon actinometry방법을 적용하기 어려워 패턴의 형태를 비교하는데 사용하는 DTW (dynamic time warping) 알고리즘으로 데이터 간의 차이 정도를 비교하였다.
즉, 식각 이온과의 반응이 활발하게 일어남을 확인할 수 있으며, 부산물 또한 발생량에 차이를 보일 것이라고 예측한다. 이러한 차이를 OES로 확인하고자 하며, 데이터 상에서 차이가 있는지 비교하였다.
8% 정도의 open area를 갖는 쿠폰 웨이퍼 5장을 사용하였다. 쿠폰의 크기는 가로 세로 1 cm인 정사각형이고, 4 inch 실리콘 웨이퍼 (silicon wafer)를 다이싱 (dicing)하였다. 실리콘 substrate 위에 silicon oxide, silicon nitride인 이중 층 (double layer)으로 구성되어 있으며, 식각 패턴은 라인 패턴, 비아 (via) 패턴, 홀 (hole) 패턴 3종류이고, 패턴 크기는 5 ㎛부터 5 ㎛씩 증가하여 50 ㎛까지로 구성되어 있다.
두 가지 테스트 환경을 비교하기 위하여 첫 번째 실험군은 4 inch 실리콘 웨이퍼 위에 포토레지스트를 도포하고, 그 위에 쿠폰 웨이퍼 5개를 부착하였다. 포토레지스트는 AZ3312 positive photoresist를 사용하였고, 약 5 ㎛ 두께로 도포한 후 하드 베이킹 (hard baking) 하였다. 두 번째 실험군은 캐리어 웨이퍼 없이 chuck 위에 쿠폰 웨이퍼 5개로 공정을 진행했다.

대상 데이터

본 논문에서는 두 가지 경우가 모두 본래 웨이퍼의 open area와 동일하다고 가정하고, 식각 결과와 OES 데이터가 동일한지를 확인하고자 한다. Low open area에서의 식각에 따른 상태를 확인하기 위해 약 0.8% 정도의 open area를 갖는 쿠폰 웨이퍼 5장을 사용하였다. 쿠폰의 크기는 가로 세로 1 cm인 정사각형이고, 4 inch 실리콘 웨이퍼 (silicon wafer)를 다이싱 (dicing)하였다.
위 실험은 Georgia Institute of Technology MiRC Pettit Cleanroom에서 진행하였으며, Text Instruction사의 Plasma Thermal RIE를 사용하였다. 표 1은 쿠폰 웨이퍼 테스트의 실험 조건이다.

이론/모형

이를 화학종에 따른 OES 패턴 비교에 적용하기 위해 같은 실험군 간의 시간에 따른 평균 열을 구한 후, 실험군끼리 DTW 알고리즘을 적용하였다.

성능/효과

Run #1 ∼ #3에 사용한 캐리어 웨이퍼 위의 포토레지스트의 두께를 alpha-step으로 측정한 결과, 약 1.8 ㎛이 남아있음을 확인하였다.
SEM 결과와 OES 데이터를 비교한 결과, 캐리어 웨이퍼가 없는 실험군에서 overetch가 발생하였으며, SiF2, CN, N2, CO 종에 해당하는 OES 처리 전 데이터를 확인한 결과 특히 CN 이 데이터 패턴과 세기에서 차이를 보임을 확인하였다. 이로써 식각 외 영역의 물질이 무엇인가에 따라 식각결과에 차이가 있으며, OES 데이터 상으로도 차이가 있음을 확인할 수 있었다.
또한, 데이터간의 공분산과 coefficient를 비교한 결과는 표 5와 같다. 공분산 수치 비교 결과, CN을 제외한 나머지 화학종에 대해서는 모두 공통적인 경향성을 높게 보임을 확인할 수 있었다.
본 실험에서는 불소계열의 가스를 이용 하여 식각 공정을 진행하였고, fluorine polymer의 증착으로 인한 식각률의 감소를 줄이기 위해 O₂가스를 첨가하였다 [15]. 따라서 포토레지스트 제거 반응이 불가피하게 발생하였으며, 이로 인해 OES 데이터 상에서는 캐리어 웨이퍼가 없는 실험 군이 over-etch가 일어났음에도 불구하고 두 실험군의 데이터가 가장 낮은 비율의 non-similarity를 나타냈다고 추측한다.
또한 모든 실험에서 silicon nitride의 옆면도 식각이 발생함을 확인하였다. 이는 silicon oxide과 반응하면서 동시에 silicon nitride도 반응한 경우와 긴 공정시간으로 인해 식각반응이 과하게 일어난 것으로 추측한다.
식각 후 포토레지스트 제거 전의 표면을 확인한 결과, 6회 실험 모두 포토레지스트 부식이 발생함을 확인할 수 있었다. 특히 silicon substrate의 식각정도를 측정한 결과 캐리어 웨이퍼가 없는 경우는 모두 3,000 Å 이상 over-etch가 일어났으나, 캐리어 웨이퍼가 있는 경우는 이상적으로 식각이 종료되거나 Run #2의 경우는 under-etch가 발생함을 확인할 수 있었다.
에천트와 부산물 종의 세기 비율을 확인해 본 결과, SiF₂와 CN 종은 캐리어 웨이퍼가 없는 실험군에서 세기 비율이 높게 나타남을 확인할 수 있었다. 이는 두 실험군 모두 같은 파장을 선택하여 비교함을 고려하였을 때, 캐리어 웨이퍼가 없는 군이 상대적으로 더 많은 부산물을 발생시킨다고 추측할 수 있다.
SEM 결과와 OES 데이터를 비교한 결과, 캐리어 웨이퍼가 없는 실험군에서 overetch가 발생하였으며, SiF2, CN, N2, CO 종에 해당하는 OES 처리 전 데이터를 확인한 결과 특히 CN 이 데이터 패턴과 세기에서 차이를 보임을 확인하였다. 이로써 식각 외 영역의 물질이 무엇인가에 따라 식각결과에 차이가 있으며, OES 데이터 상으로도 차이가 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 차이는 앞으로 OES 데이터의 데이터 전처리를 통한 공정 특성 분석을 통해 두 실험군의 차이가 있는지에 대한보다 정확한 추가연구가 진행될 필요가 있으며, 패턴 웨이퍼와의 실험 결과의 비교가 진행된다면 OES 데이터를 바탕으로 공정 모니터링 시 고려해야 할 중요한 요소인 신뢰성을 결정하는데 더욱 큰 영향을 미칠 것으로 기대한다.
지금까지 OES데이터로부터 화학종에 따른 세기의 차이, 패턴의 경향성을 모두 확인해 본 결과, 캐리어 웨이퍼가 없는 경우에 대해 세기가 높게 나타났으며, 특히 실험군끼리 비교한결과 CN 종이 가장 큰 차이를 보임을 확인하였다. 반면, SEM 결과에서 확인한 바와 같이 캐리어 웨이퍼가 없는 경우에는 overetch가 발생함을 고려하였을 때, silicon oxide etch EPD를 확인하는데 가장 많이 사용하는 CO 파장에서는 예상과 달리큰 차이를 확인할 수 없었다.
캐리어 웨이퍼가 있는 조건과 캐리어 웨이퍼가 없을 경우, 동일한 공정조건임에도 불구하고 식각율에 차이가 있음을 SEM 측정을 통해 확인하였다. 즉, 식각 이온과의 반응이 활발하게 일어남을 확인할 수 있으며, 부산물 또한 발생량에 차이를 보일 것이라고 예측한다.
특히 silicon substrate의 식각정도를 측정한 결과 캐리어 웨이퍼가 없는 경우는 모두 3,000 Å 이상 over-etch가 일어났으나, 캐리어 웨이퍼가 있는 경우는 이상적으로 식각이 종료되거나 Run #2의 경우는 under-etch가 발생함을 확인할 수 있었다.

후속연구

이로써 식각 외 영역의 물질이 무엇인가에 따라 식각결과에 차이가 있으며, OES 데이터 상으로도 차이가 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 차이는 앞으로 OES 데이터의 데이터 전처리를 통한 공정 특성 분석을 통해 두 실험군의 차이가 있는지에 대한보다 정확한 추가연구가 진행될 필요가 있으며, 패턴 웨이퍼와의 실험 결과의 비교가 진행된다면 OES 데이터를 바탕으로 공정 모니터링 시 고려해야 할 중요한 요소인 신뢰성을 결정하는데 더욱 큰 영향을 미칠 것으로 기대한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SPC는 어떤 방법인가?	SPC (statistical process control)는 통계적인 방법을 이용한 공정 관리 방법으로 반도체 소자 생산이 활발하게 진행된 1990년대 초반에 많이 사용된 방법이다. 그러나 세대를 거듭할수록 공정 변수의 허용범위가 좁아지면서 SPC를 이용한 공정 관리법은 이상 공정을 예방하는데 한계가 있다.
	쿠폰 웨이퍼 테스트는 무엇에 사용되는가?	따라서 식각하고자 하는 영역과 동일한 open area를 가진 웨이퍼 조각으로 대신 실험하는 방법을 사용하는데, 이를 쿠폰 웨이퍼 테스트 (coupon wafer test, 또는 coupon test) 라고 부른다. 이 방법은 산업에서 실제 생산에 적용하기 전 최적 공정 조건을 간접적으로 파악하는데 사용하고 있다. 쿠폰 웨이퍼를 척 (chuck) 위에 두고 공정을 진행할 경우, 이는 쿠폰 웨이퍼의 open area가 패턴 웨이퍼 (whole patterned wafer)와 동일한 open area를 가진다는 가정을 바탕으로 한다.
	APC는 어떤 방법인가?	APC (advanced process control)는 장비로부터 제공되는 주요 변수를 실시간으로 진단하고, 예기치 않은 오류 발생으로 인한 공정의 이상 유무를 판단하여 이상 공정의 발생을 최소화하고자 하는 방법이다. APC를 이용하여 반도체 생산 장비에 대한 현상 데이터를 수집하고, 데이터 분석을 통해 이상 공정 진단 등의 발전으로 인해 수율 증가와 공정 생산율의 증가 등의 이익을 기대할 수 있다 [2].

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