[논문]반도체 미세 패턴 식각을 위한 EPD 시스템 개발 및 연구

김재필; 황우진; 신유식; 남진택; 김홍민; 김창은

doi:10.12812/ksms.2015.17.3.355

반도체 미세 패턴 식각을 위한 EPD 시스템 개발 및 연구
The Develop and Research of EPD system for the semiconductor fine pattern etching 원문보기

대한안전경영과학회지 = Journal of the Korea safety management & science, v.17 no.3, 2015년, pp.355 - 362

김재필 (기가레인) , 황우진 (기가레인) , 신유식 (기가레인) , 남진택 (기가레인) , 김홍민 (명지대학교) , 김창은 (명지대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

There has been an increase of using Bosch Process to fabricate MEMS Device, TSV, Power chip for straight etching profile. Essentially, the interest of TSV technology is rapidly floated, accordingly the demand of Bosch Process is able to hold the prominent position for straight etching of Si or another wafers. Recently, the process to prevent under etching or over etching using EPD equipment is widely used for improvement of mechanical, electrical properties of devices. As an EPD device, the OES is widely used to find accurate end point of etching. However, it is difficult to maintain the light source from view port of chamber because of contamination caused by ion conflict and byproducts in the chamber. In this study, we adapted the SPOES to avoid lose of signal and detect less open ratio under 1 %. We use 12inch Si wafer and execute the through etching 500um of thickness. Furthermore, to get the clear EPD data, we developed an algorithm to only receive the etching part without deposition part. The results showed possible to find End Point of under 1 % of open ratio etching process.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

SPOES를 활용한 EPD 적용 실리콘 관통 공정 테스트 진행을 위하여 기가레인 사의 12인치 DRIE(Deep Reative Ion Etching) 장비를 사용하였다. 폴리머 증착 가스(C4F8)와 실리콘 식각 가스(SF6)의 빠른 스위칭이 가능한 fast MFC를 적용하였고, 잔류 가스의 빠른 배기를 위하여 터보 펌프가 챔버의 바로 하부에 장착되어 있는 직하배기 구조를 채택하였다.
7nm를 타겟으로 식각 스텝에서만 F* intensity를 획득하여 EPD 커브를 형성시키고 그 결과를 관찰하였다. 결과의 신뢰성을 획득하기 위하여 동일 시료와 동일 공정 조건으로 3회에 걸쳐 연속적인 EPD 검출 실험을 진행하였다. 0.
EPD 검출 알고리즘은 연속된 2가지의 스텝에 만족이 되어야 성립된다. 기록된 첫 스텝은 Box in type 의 완만한 커브를 검출하고, 두 번째 스텝은 Box out type의 경사가 있는 커브를 검출한다. EPD 알고리즘을 적용한 결과 총 3회의 테스트에서 EPD 오차 시간은 총 4시간 40여분의 식각 공정 시간 중 약 2분 20여초로 전체 시간 대비 0.
또한 획득되는 데이터의 굴곡이 크게 나타나 EPD 알고리즘의 혼선이 야기될 가능성이 크다. 따라서 본 실험에서는 intensity 변화가 비교적 크게 나타나는 F* 라디컬을 다루기로 하였다.
5초로 총 시간 대비 약 40 % 정도의 비율을 같는다. 따라서 이러한 불필요한 증착 공정의 스펙트럼을 제거하기 위하여 식각 공정에서만 EPD 스펙트럼을 획득하고 그 데이터를 연속적으로 나열하여 한 라인의 커브로 생성시키는 알고리즘을 개발하였다. 그 예를 figure 5에서 나타내고 있다.
7nm로 figure 6 (b)에서 나타내고 있다. 따라서 파장 703.7nm를 타겟으로 식각 스텝에서만 F* intensity를 획득하여 EPD 커브를 형성시키고 그 결과를 관찰하였다. 결과의 신뢰성을 획득하기 위하여 동일 시료와 동일 공정 조건으로 3회에 걸쳐 연속적인 EPD 검출 실험을 진행하였다.
본 연구에서는 SPOES를 활용하여 12인치 실리콘 웨이퍼의 관통 공정을 진행하였고, 식각 종료 구간에 대한 분석을 진행하였다. 또한 보쉬 공정 특성 상 폴리머 도포에 적용되는 증착 공정을 제외한 특정 식각 스텝에서의 검출만 가능한 알고리즘을 개발하여 식각 종료 구간의 검출 감도를 극대화 시킬 수 있는 알고리즘을 개발 및 적용하였다.
측정 가능한 전체 파장 대역은 200nm ~ 850nm 이고 초당 5회의 샘플링 주기로 파장 intensity 변화를 관찰하였다. 또한 증착 공정과 식각 공정이 반복되는 보쉬 공정 특성 상 전체 파장의 변화가 심하기 때문에 파장 변화를 최소화하기 위하여 식각 부분만 추출하여 검출할 수 있는 알고리즘을 개발 및 적용하였다.
본 연구에서는 SPOES를 활용하여 12인치 실리콘 웨이퍼의 관통 공정을 진행하였고, 식각 종료 구간에 대한 분석을 진행하였다. 또한 보쉬 공정 특성 상 폴리머 도포에 적용되는 증착 공정을 제외한 특정 식각 스텝에서의 검출만 가능한 알고리즘을 개발하여 식각 종료 구간의 검출 감도를 극대화 시킬 수 있는 알고리즘을 개발 및 적용하였다.
식각 스텝은 총 4스텝으로 구성되어 있다. 식각 가스는 SF6를 사용하고 상부 RF 파워와 하부 Bias 파워를 동시에 인가시켜 이온과 라디컬의 밀도 및 에너지를 상승시키고자 하였다. 50um 너비에 500um의 높은 종횡비로 인해 하부에서의 이온 에너지 감소를 방지하고자 압력은 비교적 낮게 형성하였다.
이 때 SPOES가 위치되어 있는 foreline의 압력은 수 mTorr로 SPOES 자체 플라즈마가 방전되는데에 최적의 압력이다. 측정 가능한 전체 파장 대역은 200nm ~ 850nm 이고 초당 5회의 샘플링 주기로 파장 intensity 변화를 관찰하였다. 또한 증착 공정과 식각 공정이 반복되는 보쉬 공정 특성 상 전체 파장의 변화가 심하기 때문에 파장 변화를 최소화하기 위하여 식각 부분만 추출하여 검출할 수 있는 알고리즘을 개발 및 적용하였다.
SPOES를 활용한 EPD 적용 실리콘 관통 공정 테스트 진행을 위하여 기가레인 사의 12인치 DRIE(Deep Reative Ion Etching) 장비를 사용하였다. 폴리머 증착 가스(C4F8)와 실리콘 식각 가스(SF6)의 빠른 스위칭이 가능한 fast MFC를 적용하였고, 잔류 가스의 빠른 배기를 위하여 터보 펌프가 챔버의 바로 하부에 장착되어 있는 직하배기 구조를 채택하였다. 상부 RF Power는 13.

대상 데이터

본 연구에서는 500um 두께를 갖는 (100) 결정 방향의 12 inch p-type 실리콘 기판을 사용하였다. 식각 마스크 물질로는 negative photoresist를 사용하였고 23um 두께로 코팅 및 패터닝하였다.
본 연구에서는 500um 두께를 갖는 (100) 결정 방향의 12 inch p-type 실리콘 기판을 사용하였다. 식각 마스크 물질로는 negative photoresist를 사용하였고 23um 두께로 코팅 및 패터닝하였다. 식각 패턴의 크기는 가로 50um, 세로 5mm이고 1 % 이내의 open ratio에 맞게 수량을 조절하여 총 1,413개의 트렌치 형상을 배치하였다.
식각 마스크 물질로는 negative photoresist를 사용하였고 23um 두께로 코팅 및 패터닝하였다. 식각 패턴의 크기는 가로 50um, 세로 5mm이고 1 % 이내의 open ratio에 맞게 수량을 조절하여 총 1,413개의 트렌치 형상을 배치하였다. 관통 시 ESC에 가해지는 ion energy로부터의 damage 방지를 위하여 실리콘 웨이퍼의 바닥면에 1um의 SiO2를 PECVD 방식으로 증착하였다(Figure 3).

이론/모형

3회의 실험 결과에 의거하여 보면 대략 500um 깊이의 식각 중 중간 부분에서 발생하였고 식각 종료시점과는 거리가 멀다. 따라서 두 번째 변곡에 포커스를 두고 EPD 알고리즘을 적용하였다. Figure.

성능/효과

미세한 footing 현상이 보이지만 적절한 식각 종료로 프로파일의 비이상적 현상은 보이지 않았다. 12inch 웨이퍼의 식각 공정에서 관통이 완료되는 시점까지의 uniformity가 작을수록 변곡 커브가 급경사 형태를 이룰 것으로 판단되고 uniformity가 클수록 전체 관통이 완료되는 시점까지의 시간이 길어져 커브는 완만해질 것으로 판단된다. 따라서 최적의 이상적인 식각 프로파일을 획득하기 위해서는 uniformity의 최소화와 적절한 추가 식각시간에 대한 실험 및 고찰이 필수적이다.
첫 번째 변곡은 메인 식각 중 발생하였다. 3회의 실험 결과에 의거하여 보면 대략 500um 깊이의 식각 중 중간 부분에서 발생하였고 식각 종료시점과는 거리가 멀다. 따라서 두 번째 변곡에 포커스를 두고 EPD 알고리즘을 적용하였다.
기록된 첫 스텝은 Box in type 의 완만한 커브를 검출하고, 두 번째 스텝은 Box out type의 경사가 있는 커브를 검출한다. EPD 알고리즘을 적용한 결과 총 3회의 테스트에서 EPD 오차 시간은 총 4시간 40여분의 식각 공정 시간 중 약 2분 20여초로 전체 시간 대비 0.8%의 시간 오차율을 갖는다. Figure.
SPOES를 활용하여 12인치 실리콘 웨이퍼의 관통 공정을 진행하고, 식각 종료 구간에 대한 분석을 SPOES를 이용하여 진행한 결과 1 % 이내의 극한 Open Ratio 에서도 종료 시점을 명확히 찾을 수 있었다. 또한 보쉬 공정 특성 상 폴리머 도포에 적용되는 증착 공정을 제외한 특정 식각 스텝에서의 검출만 가능한 알고리즘을 개발하였고 그 효과로 식각 종료 구간의 검출 감도를 극대화시킬 수 있었다.
SPOES를 활용하여 12인치 실리콘 웨이퍼의 관통 공정을 진행하고, 식각 종료 구간에 대한 분석을 SPOES를 이용하여 진행한 결과 1 % 이내의 극한 Open Ratio 에서도 종료 시점을 명확히 찾을 수 있었다. 또한 보쉬 공정 특성 상 폴리머 도포에 적용되는 증착 공정을 제외한 특정 식각 스텝에서의 검출만 가능한 알고리즘을 개발하였고 그 효과로 식각 종료 구간의 검출 감도를 극대화시킬 수 있었다. EPD 장치로 최근까지 널리 사용되어 오던 OES의 시그널 감소 문제를 효과적으로 개선할 수 있는 시스템을 적용하여 MEMS Device, TSV Via 등의 기술 및 신뢰성 확보에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

8은 식각 공정 스텝에서만 데이터를 추출한 후 두 회의 알고리즘을 만족하여 EPD 검출을 완료한 결과를 나타낸다. EPD 검출 후 추가 식각은 각 패턴별 공정 조건별 Uniformity 가 다르므로 추가적인 실험을 통하여 최적화 할 수 있다.
또한 보쉬 공정 특성 상 폴리머 도포에 적용되는 증착 공정을 제외한 특정 식각 스텝에서의 검출만 가능한 알고리즘을 개발하였고 그 효과로 식각 종료 구간의 검출 감도를 극대화시킬 수 있었다. EPD 장치로 최근까지 널리 사용되어 오던 OES의 시그널 감소 문제를 효과적으로 개선할 수 있는 시스템을 적용하여 MEMS Device, TSV Via 등의 기술 및 신뢰성 확보에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	OES를 활용한 방식에는 플라즈마 빛의 지속성이 장시간 유지되기 어려운 단점이 있는데, 이를 극복할 수 있는 시스템은 무엇인가?	이러한 단점을 극복할 수 있는 시스템으로 SPOES(Self Plasma Optical Emitting spectroscopy)가 있다. SPOES는 뷰포트를 활용하지 않고 공정 챔버 내의 가스를 별도의 모듈에서 직접 받아들여 내부 플라즈마를 띄우고 그 빛을 검출할 수 있기 때문에 유지 보수 기간이 길고 감도 분석 능력 또한 OES에 비하여 뛰어나다.
	보쉬 공정은 무엇인가?	특히 고집적 칩 제작을 위한 TSV 기술에 대한 관심이 급부상하고 있으며, 이에 따라 실리콘 웨이퍼를 비등방성으로 깊게 에칭할 수 있는 보쉬 공정에 대한 관심이 증대되고 있다[1]-[3]. 보쉬 공정은 식각, 증착을 동시에 진행함으로써 물리적 반응과 화학적 반응을 동시에 접목시킨 공정으로 측벽에 쌓인 폴리머에 의하여 등방성을 배제시켜 수직 식각이 가능한 장점을 갖는다. 따라서 MEMS sensor의 membrane 구조 제작이나, TSV의 Via 형성 시 보쉬 공정을 사용할 경우 우수한 식각 특성을 얻을 수 있다[4][5].
	TSV Via 형성 공정의 경우 과도한 식각이 진행되면 발생할 수 있는 현상은?	또한 보쉬 공정을 이용한 실리콘 관통 공정 후 하부에 전극이 드러나게 되는 소자의 경우 과도한 식각이 진행되게 되면 소자의 절연 파괴가 일어날 수도 있다. TSV Via 형성 공정의 경우 과도한 식각이 진행되면 footing 현상에 의하여 Via에 채워질 전극이 불균일하게 도포될 가능성이 있고, Via와 Via 간 간격이 작을 경우 전극의 쇼트 현상이 유발될 수 있다. Figure 1 (a)에서 과도한 식각 공정에 의하여 발생한 footing 현상을 나타내고 있다.

참고문헌 (9)

S. B. Jung(2006) et al., "Fabrication of Through-hole Interconnect in Si Wafer for 3D Package", Journal of KWS, Vol. 24, No. 2
M.Puech(2008) et al., "Fabrication of 3D Packaging TSV using DRIE", DTIP of MEMS & MOEMS 9-11
K. H. Baek(2009) et al., "DRIE Technology for TSV Fabrication", Journal of the Korean Society for Precision Engineering Vol. 26, No. 12, pp. 32-40
S. Hur(2010) et al., "Fabrication of two-chip type capacitive MEMS microphone", KSME, pp. 4300-4305
W. J. Hwang(2011) et al., "Development of Micro-Heaters with Optimized Temperature Compensation Design for Gas Sensors", pp. 2580-2591, Sensors
H.Y. Chaeet(2008) al., "Real-Time End-Point Detection Using Modified Principal Component Analysis for Small Open Area $SiO_2$ Plasma Etching", Ind.Eng.Chem.Res.47, 3907-3911

상세보기
Gary S. May(2013) et al., "Endpoint Detection Using Optical Emission Spectroscopy in TSV Fabrication", IEEE
S.J. Hong(2014) et al., "Endpoint Detection in Low Open Area TSV Fabrication Using Optical Emission Spectroscopy", IEEE
S.S. Han(2012) et al., "Endpoint Detection Strategy in Bosch Process Using PCA and HMM", ECS Transactions 44(1), pp. 1087-1091

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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