Development of PI-VM for Etch Control in Wafer Edge Region = 웨이퍼 가장자리 식각 조절을 위한 PI-VM 진단기술 개발
저자
발행사항
서울 : 서울대학교 대학원, 2024
학위논문사항
학위논문(석사)-- 서울대학교 대학원 : 에너지시스템공학부 2024. 2
발행연도
2024
작성언어
한국어
주제어
DDC
622.33
발행국(도시)
서울
형태사항
viii, 46 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 김곤호
UCI식별코드
I804:11032-000000181312
DOI식별코드
소장기관
The semiconductor industry aims to enhance manufacturing efficiency as a primary goal to increase profits. There are three main methods to achieve this. First, by increasing the number of layers or reducing the pitch size of cells to improve integration density. Second, by ensuring process uniformity across the entire wafer to increase die yield. Third, by maximizing production speed. As a strategy to maximize productivity, virtual metrology (VM) has been proposed, which predicts equipment and process performance using data generated from process equipment. Since most unit processes utilize plasma, recent research suggests that it is advantageous to include plasma information (PI) parameters when applying VM to plasma processes. PI literally refers to information about the process plasma within the chamber and typically consists of non-linearly combined equipment and sensor data. Therefore, PI-VM, which includes these PI parameters in the input dataset, can mediate the complex non-linearity of plasma in linear VM models and has high predictive power in plasma processes. However, traditional VM, developed to predict wafer-level process results based on zero-dimensional data, i.e., data averaged over the entire wafer, lacks spatial resolution and therefore has limitations in identifying key features affecting process uniformity within the wafer, which corresponds to a one-dimensional concept. The need for spatial resolution in PI-VM for ensuring plasma process uniformity is due to the plasma's distribution within the chamber caused by various physical phenomena. Such distributions of plasma characteristics affect process uniformity. Particularly in semiconductor etching processes, the plasma density is higher at the center of the chamber and decreases as it moves outward, leading to uniformity issues such as reduced etching rate and tilting at the wafer edge region. To solve these problems, manufacturing sites adjust recipe parameters or utilize equipment parts. In etching processes using capacitively coupled plasma (CCP), a part known as edge ring or focus ring near the wafer edge region is used to adjust the sheath at the wafer edge region by altering the height of the edge ring or changing its RF characteristics. Therefore, to effectively utilize edge ring for process control, it is necessary to develop a methodology that systematizes its role and usage. For this purpose, the concept of plasma distribution was introduced into PI-VM. By operating the powered edge ring (PER) and observing the changes in plasma characteristics, PI parameters were derived, and areas where these changes occur were distinguished to develop PI-VM for each region, referred to as ‘Regional PI-VM.’ In this study, diagnostic equipment was installed in very high frequency (VHF) CCP etching equipment, and plasma distribution data were acquired while adjusting the RF frequency and power applied to the PER. When additional power was applied to the PER, the plasma characteristics were locally enhanced near the PER. Based on this understanding of plasma phenomena, the wafer space was divided, and regional PI-VMs were developed to predict the etching uniformity on a 300 mm wafer for each region. The results of the regional PI-VM showed higher predictive accuracy in all regions compared to the conventional global PI-VM. PER at 2 MHz altered the ion energy flux, which significantly contributes to mask etching in the wafer edge region. PER at 400 kHz hardly caused any changes in the ion energy flux and etching rate within the wafer space. Through the analysis of selected key features for each region, the effects of PER operating parameters on plasma characteristics and their impact on process control in the wafer edge region could be predicted. The development of regional PI-VM is an important proactive research for the development of process recipes and equipment parts for process uniformity control, offering the possibility to alleviate process issues caused by high density in the center. As this methodology advances, it is expected to contribute to the selection of control parameters for spatial controllers that can selectively control the regions necessary to ensure process uniformity.
더보기반도체 산업은 수익 증대를 위해 제조 효율을 향상시키는 것을 주요 목표로 하고 있다. 이를 달성하기 위한 방법은 크게 3가지로 나눌 수 있다. 첫째, 적층 단수를 증가시키거나 셀의 피치 크기를 줄여 집적도를 향상시키는 것이다. 둘째, 웨이퍼 전체에 걸쳐 공정 균일도를 확보하여 다이 수율을 높이는 것이다. 셋째, 생산 속도를 최대화하는 것이다. 특히, 생산성을 극대화하기 위한 전략으로 공정 장비에서 생산되는 데이터를 활용하여 장비 및 공정 성능을 예측하는 가상 계측(VM) 방법론이 제안되었다. 최근의 반도체 공정은 대부분의 단위 공정에서 플라즈마를 활용하고 있기 때문에, 최신 연구 결과에 따르면 플라즈마 공정에 VM을 적용할 때 플라즈마 정보(PI) 인자를 포함시키는 것이 유리하다. PI는 글자 그대로 챔버 내 공정 플라즈마에 대한 정보를 가리키며, 일반적으로 장비 및 센서 데이터가 비선형적으로 조합된 형태이다. 따라서 이러한 PI 인자를 입력 데이터 세트에 포함시킨 PI-VM은 선형 VM 모델에서도 플라즈마의 복잡한 비선형성을 중재할 수 있으며 플라즈마 공정에서 높은 예측력을 갖는다. 그러나 기존의 VM은 웨이퍼 전체를 평균한 데이터, 즉 공간 분해능은 가지고 있지 않은 0차원의 데이터를 바탕으로 웨이퍼 단위의 공정 결과를 예측하도록 개발되기 때문에, 1차원 개념에 해당하는 웨이퍼 내 공정 균일도에 영향을 미치는 주요 인자를 파악하는 데는 한계가 있다. 플라즈마 공정 균일도 확보를 위한 PI-VM에 공간 분해능이 필요한 이유는 플라즈마가 다양한 물리적 현상들에 의해 챔버 내에서 분포를 이루기 때문이다. 이러한 플라즈마의 특성 분포는 공정 균일도에도 영향을 미친다. 특히 반도체 식각 공정에서는 챔버 중심부의 플라즈마 밀도가 높고 중심에서 멀어질수록 밀도가 감소하는 경향이 있어, 이는 웨이퍼 가장자리에서의 식각 속도 감소, 틸팅 등의 균일도 문제를 야기한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 제조 현장에서는 레시피 파라미터들을 조절하거나 설비 부품을 활용한다. 용량 결합 플라즈마(CCP)를 이용하는 식각 공정에서는 웨이퍼 가장자리 부근의 에지 링 또는 포커스 링이라 불리는 부품을 이용한다. 에지 링의 높이를 조절하거나 RF 특성을 변화시켜서 웨이퍼 가장자리의 쉬스를 조절한다. 따라서 에지 링을 공정 제어에 효과적으로 활용하기 위해서는 그 역할과 사용 방법을 체계화하는 방법론 개발이 필요하다. 이를 위해 PI-VM에 플라즈마 분포 개념을 도입함으로써, 전력 인가 에지 링(PER)을 운용함에 따라 발생하는 플라즈마 특성의 변화를 확인하여 PI 파라미터들을 도출하고 이러한 변화가 발생하는 영역을 구분 지어, 영역별로 PI-VM을 개발하는 방법을 제시한다. 이를 영역별 PIVM(Regional PI-VM)이라 한다. 본 연구에서는 초고주파(VHF) CCP 식각 장비에 진단계를 설치하고, PER에 인가하는 RF 주파수와 전력을 조절하며 플라즈마 분포 데이터를 취득하였다. VHF에 의해 생성된 플라즈마에 더해 별도의 PER 전력을 인가했을 때 PER 근방에서 국부적으로 플라즈마 특성이 강화되었다. 이러한 플라즈마 현상학을 기반으로 웨이퍼 공간을 나누고, 300 mm 웨이퍼 상의 식각 균일도를 예측하기 위한 regional PI-VM을 개발하였다. Regional PI-VM 결과는 기존의 공간 평균 PI-VM (Global PI-VM) 결과보다 모든 영역에서 더 높은 예측력을 보였다. PER 2 MHz는 웨이퍼 가장자리 영역에서 마스크 식각에 주요하게 기여하는 이온 에너지 플럭스를 변화시켰다. PER 400 kHz는 웨이퍼 공간 내 이온 에너지 플럭스 및
식각률 변화를 거의 일으키지 않았다. 영역 별로 선택된 주요 인자에 대한 분석을 통해 PER 운전 인자가 플라즈마 특성에 미치는 영향을 파악하고 웨이퍼 가장자리 영역의 공정 제어에 미치는 영향을 예측할 수 있었다. Regional PI-VM 개발은 공정 균일도 제어를 위한 공정 레시피 개발 및 설비 부품 개발에 중요한 선제적 연구로서, 중심부 고밀도에 의한 공정 문제들도 완화할 수 있는 가능성을 제시한다. 이 방법론이 발전하면, 공정 균일도 확보에 필요한 제어 영역을 찾아 선택적으로 제어할 수 있는 공간 제어기의 제어 인자를 선정하는 데 기여할 것으로 기대한다.
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