플라즈마 에칭 프로세스 및 스펙트모터로 끝점 모니터링의 응용

1. 배경

플라즈마 식각은 반도체 제조 및 기타 마이크로/나노 공정 분야에서 널리 사용되는 건식 식각 기술입니다. 플라즈마 내 고에너지 이온과 라디칼을 활용하여 물질 표면에 물리적으로 충돌하고 화학적으로 반응시켜 정밀한 물질 식각을 수행합니다. 플라즈마 식각 공정은 하전 입자 간의 상호 작용, 화학 반응 속도 및 메커니즘을 포함하여 복잡한 물리적 및 화학적 상호 작용을 수반합니다. 이러한 공정은 이론적으로 완전히 시뮬레이션하고 분석하기 어려우므로 실험적 방법을 통해 실시간 모니터링 및 제어가 필요합니다.

2. 방법

식각 공정을 모니터링하는 다양한 방법이 있으며, 질량 분석법, 랑뮤어 탐침, 임피던스 방법, 광 반사율 측정법, 광 방출 분광법(OES) 등이 있습니다. 이 중 OES는 널리 사용되는 주류 엔드포인트 감지 기술입니다. OES는 특정 조건에서 방출된 스펙트럼을 측정하여 물질의 조성과 특성을 결정하는 실시간, 현장 분석 기술입니다. 플라즈마 식각 공정을 방해하지 않으며 식각 공정에서 엔드포인트 변화 및 매개변수 변동을 감지할 수 있습니다.

3. OES 모니터링의 원리

플라즈마 식각 공정에서 OES에 의해 감지되는 원소는 식각된 물질의 조성과 식각 중에 형성될 수 있는 반응 생성물 및 휘발성 그룹에 따라 달라집니다. OES는 플라즈마에서 방출되는 스펙트럼을 분석하여 원소의 종류와 농도를 결정함으로써 식각 공정을 모니터링합니다.

구체적으로 OES는 금속 원소(예: 알루미늄, 구리, 철), 비금속 원소(예: 실리콘, 산소, 질소) 및 식각 과정에서 형성될 수 있는 휘발성 화합물과 같은 원소를 감지할 수 있습니다. 반도체 제조에서 플라즈마 식각이 실리콘 기반 재료에 자주 사용되는 경우 OES는 실리콘의 스펙트럼 특징에 중점을 둡니다. 또한 불소 또는 염소 함유 가스(예: SF6, Cl2)가 식각 중에 사용되는 경우 OES는 불소 또는 염소 스펙트럼 신호를 감지할 수도 있습니다.

OES에 의해 감지되는 원소와 농도는 플라즈마 여기 조건, 분광기의 분해능 및 감도, 시료의 특성과 같은 요인의 영향을 받습니다. 따라서 특정 식각 공정 및 재료에 따라 적절한 OES 감지 조건과 매개변수를 선택해야 합니다.

고급 모니터링 기술인 OES는 반도체 식각 공정, 특히 엔드포인트 감지에서 중요한 역할을 합니다. 식각 공정이 진행되고 상부 필름이 점차 제거되어 하부 재료가 드러나면서 플라즈마 내 가스 환경이 크게 변화합니다. 하부 재료에서 방출되는 휘발성 식각 부산물로 인한 이러한 변화는 플라즈마 내 중성 물질의 농도와 해당 방출 스펙트럼 강도에 직접적인 영향을 미칩니다. OES 신호의 시간적 변화를 지속적으로 모니터링함으로써 유전체층의 식각 진행 상황을 정확하게 추적하여 과도한 식각을 효과적으로 방지할 수 있습니다.

OES는 또한 플라즈마 내 불순물 신호를 감지할 수 있습니다. 식각 장비의 정상 및 비정상 작동 조건에서 OES 스펙트럼은 상당한 차이를 보여 잠재적인 시스템 문제를 진단하는 강력한 도구를 제공합니다. 예를 들어, 스펙트럼을 비교하면 공기 누출, 보조 가스 흐름 이상을 유발하는 질량 유량 제어기(MFC)의 부적절한 조정 또는 불순 가스에 의한 오염이 있는지 빠르게 식별할 수 있습니다.

OES는 플라즈마 및 식각 균일성을 평가할 수 있으며, 이는 웨이퍼 전체에 플라즈마 및 화학 에칭제를 균일하게 분포시켜 고품질 식각을 달성하는 데 중요합니다. 다중 광학 경로 측정 방법을 사용하여 OES는 방사형 식각 균일성 분포를 매핑하여 공정 최적화를 위한 귀중한 데이터를 제공할 수 있습니다. 실험 결과, 서로 다른 웨이퍼 위치에서의 OES 신호 강도와 식각 균일성 간의 밀접한 관계가 나타났습니다. 플라즈마 매개변수를 동적으로 조정하면 방사형 식각 불균일성을 효과적으로 제어하고 줄일 수 있습니다.

OES는 선형 방출 스펙트럼을 통해 플라즈마 내 중성 입자, 이온 및 라디칼의 농도를 정량적으로 측정할 수 있습니다. 알려진 농도의 불활성 가스(예: 저농도 Ar)를 노출 가스로 사용하여, 측정 중인 활성 화학 이온과 유사한 특성 방출선을 사용하면 플라즈마 입자의 상대적 농도를 간접적으로 계산할 수 있습니다.

Cl2 및 Ar 혼합 가스 식각 환경에서 Cl2 농도와 RF 전력 간의 관계는 복잡합니다. 실험 데이터에 따르면 밝은 시야 모드에서 스펙트럼 강도는 RF 전력이 증가함에 따라 감소하여 복잡한 플라즈마 환경에서 OES의 감도와 응용 가치를 강조합니다.

OES는 구성 요소 식별의 편리성, 식각 장비와의 높은 통합성, 새로운 공정 개발 및 분석에 대한 강력한 지원을 통해 엔드포인트 감지에서 선호되는 도구입니다. 그러나 데이터 해석의 복잡성과 방대한 양의 원시 데이터는 실제 응용 분야에서 어려움을 야기합니다.

4. 시스템 구성 요소

OES 감지 시스템은 Jinsp SR100Q 분광기와 같은 기기를 사용할 수 있으며, 넓은 파장 범위(UV-가시광선-근적외선), 높은 분해능, 낮은 미광, 높은 감도, 낮은 노이즈, 높은 신호 대 잡음비 및 고속 테스트를 위한 쉬운 소프트웨어 통합을 제공합니다. 노화 방지 섬유 및 코사인 보정기를 사용하여 모니터링 시스템을 설정할 수 있습니다. 코사인 보정기는 반응 챔버에서 창을 통해 플라즈마 스펙트럼을 수집하여 광섬유를 통해 분광기로 신호를 전송하여 처리하고 분석을 위해 모니터링 스펙트럼을 출력합니다.