[논문]PE-CVD 장비의 샤워헤드 표면 온도 모니터링 방법

왕현철; 서화일

Abstract ▼ AI-Helper

How accurately reproducible energy is delivered to the wafer in the process of making thin films using PE-CVD (Plasma enhanced chemical vapor deposition) during the semiconductor process. This is the most important technique, and most of the reaction on the wafer surface is made by thermal energy. I...

How accurately reproducible energy is delivered to the wafer in the process of making thin films using PE-CVD (Plasma enhanced chemical vapor deposition) during the semiconductor process. This is the most important technique, and most of the reaction on the wafer surface is made by thermal energy. In this study, we studied the method of monitoring the change of thermal energy transferred to the wafer surface by monitoring the temperature change according to the change of the thin film formed on the showerhead facing the wafer. Through this research, we could confirm the monitoring of wafer thin-film which is changed due to abnormal operation and accumulation of equipment, and we can expect improvement of semiconductor quality and yield through process reproducibility and equipment status by real-time monitoring of problem of deposition process equipment performance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 PE-CVD설비 공정진단 기술 중 샤워헤드 표면에 온도를 비 접촉식으로 측정하여 박막이 증착 되면서 변화되는 방사율에 의한 공정의 변화를 진단 및 평가 하였다. 이러한 측정을 통해 샤워헤드에 쌓이는 박막에 의해 웨이퍼 표면에서 발생하는 반응(reaction)이 영향을 받음을 확인할 수 있었다.
본 연구는 이러한 복합막 증착공정(multi-layer deposition process)에서 진행성 공정변화 및 설비 이상 진단을 확인 할 수 있는 모니터링 방법 개발에 목적에 두고 있으며, PECVD설비의 샤워헤드(showerhead)의 온도변화를 측정하여 샤워 헤드 표면 방사율(emissivity)의 변화에 의한 온도변화를 측정, 웨이퍼 표면으로 반사되는 복사열을 모니터링 함으로써 웨이퍼의 공정 변화 예측 및 설비의 이상 진단 (Fault detection)을 모니터링 할 수 있는 기술에 대해 연구하고자 한다.
또한, 샤워헤드 밑면 온도 측정을 통해 챔버 내 공정이상 및 누적 경시변화를 감지하여 정상과 비정상 상태의 공정 결과에 따른 샤워헤드 표면 온도 변화도 측정할 수 있었다. 본 연구를 통해 RF를 사용하는 설비에서 노이즈(noise)성분에 영향이 없는 비 접촉방식의 진단 방법을 제안하였고 비 접촉방식의 온도계로 적외선 영역(0.75~25um)물체의 열복사에 의한 온도를 측정하고자 본 연구에서는 Pyrometer를 사용하였다.
화학적 분석법의 대표적인 방법인 RGA(Residual Gas Analyzer)가 있으며 PE-CVD 설비의 EPD분석이나 by product 분석에 많이 사용되고 있다. 최근 PE-CVD설비의 진단기 술은 다양한 센서를 이용하여 챔버와 웨이퍼의 상태변화를 모니터링 하는 방법으로 실험되고 개발되고 있는데 간접적, 직접적인 방법으로 측정 및 모니터링 되어 지고 있고 본 논문에서는 웨이퍼 위에 박막이 형성하는데 가장 중요한 인자인 표면온도(surface temperature)를 샤워헤드 (showerhead)의 온도를 측정함으로써 실시간으로 모니터링 하는 방법에 대해 연구 하려한다[5]-[7].

제안 방법

두 번째 조건인 x1*10장 조건에서는 1장의 웨이퍼를 정해진 TEOS 공정을 진행한 후에 클린공정을 매장 진행 하여서 공정 후 샤워헤드에 막이 누적으로 쌓이지 않게 하여 샤워헤드의 방사율(emissivity)을 누적으로 변화시켜 샤워헤드의 표면 온도변화와 공정 결과를 분석하였다.
PE-CVD설비에 Pyrometer를 장착하기 위해서는 샤워헤드위에 Pyrometer spot size에 맞게 구멍(hole)을 뚫어 측정하는 방법과 챔버 벽면(chamber wall)에 장착된 view port를 이용하여 측정하는 방법이 있는데 샤워헤드에 구멍을 뚫는 방법은 측정 구멍에 의해 원하지 않는 공정변화가 발생 할 수 있고 너무 작은 구멍을 뚫으면 측정에 대한 불확실성이 높아진다. 본 논문에서는 챔버 벽면에 장착된 view port를 이용하여 샤워헤드의 표면(즉, End plate 밑면)을 바라보는 입사각으로 온도를 측정하였고, 입사각 확보가 가능한 jig를 추가로 제작하였고 이를 통해 샤워헤드 표면에 온도를 측정할 수 있었다. Fig.
샤워헤드에 쌓이는 박막에 따라 웨이퍼로 전달되는 복사열이 변경되는 점을 이용하여 단일막 공정 진행 시 ① 샤워헤드 표면 온도, ② 설비로그, ③ 공정결과를 비교하여 샤워헤드 표면 변화와 공정에 대한 상관관계를 분석 하였고, 본 연구에서 실험은 PE-CVD설비에서 TEOS 공정의 웨이퍼 간 진행성 변화를 모니터링 하는 방법으로 진행 하였고, 샤워헤드 온도변화와 공정 결과와의 상관성을 분석하기 위해 단일막 x1*10장과 x10*10장 두 가지 조건으로 평가를 진행하였다. 여기서 x1*10장은 증착(deposition) 공정 후 클린(clean)공정을 10번 반복적으로 진행하는 것으로 의미하고 각 공정 진행 후 샤워헤드 표면에 박막을 제거한 경우이고, x10*10장은 증착공정을 반복적으로 10 회 돌리고 클린 공정을 진행한 경우를 뜻하며 샤워헤드 표면의 박막의 차이가 공정에 미치는 영향을 보고자 샤워헤드 표면 박막을 클린 공정으로 제거하는 경우와 박막이 공정 진행에 따라 누적으로 쌓여가는 경우를 비교 하여 실험하였다.
샤워헤드에 쌓이는 박막에 따라 웨이퍼로 전달되는 복사열이 변경되는 점을 이용하여 단일막 공정 진행 시 ① 샤워헤드 표면 온도, ② 설비로그, ③ 공정결과를 비교하여 샤워헤드 표면 변화와 공정에 대한 상관관계를 분석 하였고, 본 연구에서 실험은 PE-CVD설비에서 TEOS 공정의 웨이퍼 간 진행성 변화를 모니터링 하는 방법으로 진행 하였고, 샤워헤드 온도변화와 공정 결과와의 상관성을 분석하기 위해 단일막 x1*10장과 x10*10장 두 가지 조건으로 평가를 진행하였다. 여기서 x1*10장은 증착(deposition) 공정 후 클린(clean)공정을 10번 반복적으로 진행하는 것으로 의미하고 각 공정 진행 후 샤워헤드 표면에 박막을 제거한 경우이고, x10*10장은 증착공정을 반복적으로 10 회 돌리고 클린 공정을 진행한 경우를 뜻하며 샤워헤드 표면의 박막의 차이가 공정에 미치는 영향을 보고자 샤워헤드 표면 박막을 클린 공정으로 제거하는 경우와 박막이 공정 진행에 따라 누적으로 쌓여가는 경우를 비교 하여 실험하였다.
첫 번째 조건인 x10*10장 조건에서는 10장의 웨이퍼를 정해진 TEOS 공정을 진행한 후에 클린공정을 진행하여서 공정 중 샤워헤드에 막이 누적으로 쌓이게 하여 샤워 헤드의 방사율(emissivity)을 누적으로 변화시켜 샤워헤드의 표면 온도변화와 공정 결과를 분석하였다.

성능/효과

이러한 시간적 공간적 문제를 해결하기 위해회로설계 방식을 수평적인 구조에서 수직적인 구조로 설계하는 차세대 기술을 적용한 Vertical NAND (VNAND) 플래시 메모리가 개발되었다. VNAND 플래시 메모리는 메모리 셀들을 3차원으로 집적 하여 기존 기술보다 소비전력은 줄이고, 동작속도와 저장 용량을 획기적으로 높일 수 있게 되었다[2].
그 결과 Fig. 8처럼 누적으로 공정 두께(thickness)가 상승 하는 결과(Δ330Å)를 확인하였고 이는 샤워헤드 표면에 누적으로 증착된 박막에 의해 방사율이 증가하고 이에 따른 웨이퍼 표면 온도의 감소로 인해 TEOS 박막의 증착이 증가하는 경향으로 분석되며 이때 샤워헤드 표면을 측정한 Pyrometer 온도 분석 결과도 첫 장부터 온도가 점점 감소하며 누적으로 낮아지는 것으로 측정되어 박막에 의한 샤워헤드 온도변화가 웨이퍼의 증착률(deposition rate) 과 상관관계가 있다는 것을 확인할 수 있었다.
Pyrometer로 측정된 샤워헤드 표면 온도 기준으로 x10 10매의 경우 약 Δ27℃의 변화가 있었던 반면 x1 10매의 경우 약 Δ2℃의 변화로 약 1/10이 적은 표면 온도 변화가 측정 되었다. 또한, x1 10매 공정 진행 중 비정상 상태 시 샤워 헤드의 온도와 정상 상태의 샤워헤드 온도의 차이를 확인할 수 있었으며 정상시 대비 약 12℃ 낮게 형성됨을 확인할 수 있었다(Fig. 9(b)).
이러한 측정을 통해 샤워헤드에 쌓이는 박막에 의해 웨이퍼 표면에서 발생하는 반응(reaction)이 영향을 받음을 확인할 수 있었다. 또한, 샤워헤드 밑면 온도 측정을 통해 챔버 내 공정이상 및 누적 경시변화를 감지하여 정상과 비정상 상태의 공정 결과에 따른 샤워헤드 표면 온도 변화도 측정할 수 있었다. 본 연구를 통해 RF를 사용하는 설비에서 노이즈(noise)성분에 영향이 없는 비 접촉방식의 진단 방법을 제안하였고 비 접촉방식의 온도계로 적외선 영역(0.
T/C를 이용한 방법이나 용매를 이용한 방법은 RF 전극에서 전도 및 방사되는 노이즈(noise)로 인해 측정오차가 발생할 수 있으며 측정 위치에 따라 다른 온도 경향이 나오고 설비의 이상유 무나 진행성 변화를 관측할 수는 있으나 공정과 직접적으로 연계되는 웨이퍼의 온도를 예측할 수는 없는 단점이 있다. 본 논문에서 소개하는 Pyrometer를 이용한 샤워 헤드 온도 모니터링 방법은 웨이퍼에서 가장 가까운 위치인 샤워헤드 표면에서 측정하는 부분과 비접촉식 측정 방법이라 RF 노이즈에 상관없이 정확한 온도를 측정할 수 있다는 장점이 있다.
비정상 상태의 경우는 웨이퍼의 중심이 틀어지는 misalign형태엣 히터 포켓(heater pocket) 위에 웨이퍼가 올라타 있었음을 확인할 수 있었고 이러한 비정상 상태의 경우 에도 샤워헤드 표면 온도가 차이를 나타내며 이를 통해 설비 진단도 가능한 것을 본 실험을 통해 확인할 수 있었다(Fig. 9(c)).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PE-CVD란?	PE-CVD(Plasma enhanced chemical vapor deposition)는 반도체 제조 공정에서 주로 사용되는 박막 증착 장비이다[3]. 챔버 안에 반응가스를 주입하고, 전극에 RF(radio frequency) 파워를 인가하여 플라즈마를 생성시킨다.
	Plasma를 이용하는 설비의 진단기술은 어떤 기술이 있는가?	Plasma를 이용하는 설비의 진단기술은 크게 전기적 (electrical), 광학적(optical), 화학적(chemical) 기술이 있다. 전기적 시그날(signal)을 분석하는 센서(sensor)로는 VI Probe, ZScan, Impedance Analyzer 등 많은 상용화된 제품이 있으며 PE-CVD 설비의 경우 plasma에 의한 공정변화가 많은 공정이라 이러한 전기적인 시스날을 모니터링 하면서 설비의 이상 유무를 많이 진단한다.
	PE-CVD설비 공정진단 기술 중 샤워헤드 표면에 온도를 비 접촉식으로 측정하여 박막이 증착 되면서 변화되는 방사율에 의한 공정의 변화를 진단 및 평가 하였는데, 그 결과는?	본 연구는 PE-CVD설비 공정진단 기술 중 샤워헤드 표면에 온도를 비 접촉식으로 측정하여 박막이 증착 되면서 변화되는 방사율에 의한 공정의 변화를 진단 및 평가 하였다. 이러한 측정을 통해 샤워헤드에 쌓이는 박막에 의해 웨이퍼 표면에서 발생하는 반응(reaction)이 영향을 받음을 확인할 수 있었다. 또한, 샤워헤드 밑면 온도 측정을 통해 챔버 내 공정이상 및 누적 경시변화를 감지하여 정상과 비정상 상태의 공정 결과에 따른 샤워헤드 표면 온도 변화도 측정할 수 있었다. 본 연구를 통해 RF를 사용하는 설비에서 노이즈(noise)성분에 영향이 없는 비 접촉방식의 진단 방법을 제안하였고 비 접촉방식의 온도계로 적외선 영역(0.

참고문헌 (8)

Y. Park, J. Lee, S. S. Cho, G. Jin, and E. Jung, "Scaling and Reliability of NAND Flash Devices," in Proc. IEEE Int. Reliab. Symp., pp. 2E.1.1-2E.1.4, Jun., 2014.
Y. Kim, J.-G. Yun, S. H. Park, W. Kim, J. Y. Seo, M. Kang, K.-C. Ryoo, J.-H. Oh, J.-H. Lee, H. Shin, and B.- G. Park, "Three-Dimensional NAND Flash Architecture Design Based on Single-Crystalline Stacked Array," IEEE Trans Electron Devices, vol.59, no.1, pp. 35-45, Jan., 2012.

상세보기
H.C. Wang and H.I. Seo, "RF Loss Minimization Method Using High Impedance Filter for Research" J. of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 19, No. 1, pp. 55-60, 2020.
J.H. Choi, S.C. Roh, J.D. Jung and H.I. Seo, "The Silicon Nitride Films according to The Frequency Conditions of Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition" J. of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 13, No. 13, pp. 21-25, 2014.
K.J. Jo and S.J. Hong, "Improved Self Plasma-Optical Emission Spectroscopy for In-situ Plasma Process Monitoring", J. of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 16, No. 2, pp. 75-78, 2017.
Ho Jae Lee, Dong Sun Seo, Sang Jeen Hong, Gary S.May, "PECVD Chamber Cleaning End Point Detection (EPD) Using Optical Emission Spectroscopy Data", Transactions on Electrical and Electronic Materials, Vol. 14, no. 5, pp.254-257, 2013.

원문보기 상세보기
S. C. Kim "A Semiconductor Etching Process Monitoring System Development using OES Sensor", J. of the Korea society of computer and information, Vol.18, No.3, 2013.
Young-Kee Ryu, Choon-Suk Oh, Seo-Young Lee, "A Noncontact Optical Sensor Development for Measuring the Thickness of Transparent Plates", J. of Electronics Engineers of Korea, Vol.43, no.1, 2006.

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