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Improvement of OES measurement for monitoring etching non-uniformity between the center and edge regions of a wafer in plasma etching process

  • Mirae Si (시미래, 공학대학원 전기전자컴퓨터공학과)

초록/요약

Critical Dimension (CD)은 반도체 제조에서 특정 구조의 물리적 측정을 나타내는 중요한 매개변수로, CD의 정확한 제어는 반도체 장치의 성능, 전력 소비 및 신뢰성에 중요한 영향을 미친다. 기존에 사용되고 있는 CD 측정 방법은 비용이 높고, 양산 중 실시간 모니터링에 적합하지 않아 결함을 감지하고 줄이기 위한 실시간 CD 균일도 모니터링의 필요성이 제기된다. 따라서, 플라즈마 공정의 이상을 실시간으로 모니터링하여 플라즈마 상태와 CD 균일도의 상관관계를 도출함으로써, 플라즈마의 변동이 CD 균일도에 미치는 영향을 실시간으로 확인하려 한다. 기존의 Optical Emission Spectroscopy (OES)는 식각 공정에서 챔버를 실시간으로 모니터링하고 공정 완료 시점을 확인하는 용도로 사용된다. OES는 설치 비용이 낮고 플라즈마와 챔버의 상태에 직접적으로 영향을 주지 않는 장점이 있지만, 챔버 내부의 모든 플라즈마가 아닌 웨이퍼의 중앙부 영역에 발생하는 플라즈마만을 측정하므로 가장자리 영역에서 발생하는 플라즈마의 이상과 웨이퍼 전영역의 CD 균일도를 모니터링하는 데에는 한계가 있다. 이 연구에서는 CD 균일도 모니터링을 위해 OES에 입사각이 넓은 렌즈를 도입하여 웨이퍼의 전체 면적에서 발생하는 플라즈마를 활용하는 새로운 방법을 제안한다. 플라즈마를 이용한 식각 공정 중 웨이퍼의 중앙부와 가장자리 영역 간의 식각 비균일도를 실시간으로 모니터링하고, 설비의 이상을 확인하기 위한 새로운 방법을 탐구한다. 렌즈의 위치를 조절하여 웨이퍼의 중심부와 가장자리 영역에서 발생하는 CD 비균일도를 확인하고 이를 설비 정비에 활용한다. 기존 OES 렌즈는 좁은 각도 범위 내에서 플라즈마를 모니터링하여 가장자리 영역의 이상을 감지하기에 충분하지 않았으나, 광각 렌즈는 전체 웨이퍼 영역을 커버할 수 있어 웨이퍼 위치 별 발생하는 플라즈마 강도 차이와 이상을 더 정확하게 이해할 수 있다. 모의 실험에서는 고밀도 플라즈마를 생성하는 ICP 챔버를 활용하여 중심 및 가장자리 영역의 식각 가스의 유량을 변경하여 CD 불균일성을 유도한 후, 기존 OES렌즈와 광각 렌즈 위치를 웨이퍼 전체 영역을 모니터링할 수 있는 위치와 전체 영역의 10 %에 해당하는 가장자리 영역을 제외하는 위치로 각각 조정하여 중심부와 가장자리 영역 간의 플라즈마 강도 차이를 모니터링한다. 특정 파장에서 플라즈마 강도의 변화를 모니터링하고, 예상 결과로는 광각 렌즈가 기존 렌즈에 비해 웨이퍼 가장자리 영역의 이상을 더 잘 감지할 수 있음을 확인한다. 이 논문에서는 광각 렌즈를 사용하여 플라즈마 강도 차이를 모니터링함으로써 장비 이상을 감지하는 방법을 제안한다. 이는 기존 OES 방법의 한계를 극복하고 실시간 CD 모니터링을 가능하게 하여 반도체 제조에서 공정 안정성을 유지하고 수율을 개선하는 데 기여할 수 있다. 300 mm 웨이퍼에서 가장자리 영역이 전체의 10 %를 차지한다고 가정하면, 면적이 20〖 mm〗^2 (4.47 mm x 4.47 mm)의 die를 배치했을 때 전체 3,545 개 중 234 개의 die가 가장자리 영역에 배치된다. 이 기술을 통해 가장자리 영역의 수율을 향상시키면 전체의 약 10 %에 해당하는 die의 수율을 확보할 수 있다. 따라서, 이 기술은 생산성을 향상시키고 측정 비용을 줄여 양산 중 CD 균일성을 실시간으로 모니터링하여 공정 안정성을 유지하는 중요한 이점을 제공할 것으로 기대된다.

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초록/요약

Critical Dimension (CD) is a crucial parameter representing the physical measurement of specific structures in semiconductor manufacturing. Accurate control of CD significantly impacts the performance, power consumption, and reliability of semiconductor devices. Existing CD measurement methods are expensive and not suitable for real-time monitoring during mass production, highlighting the need for real-time CD uniformity monitoring to detect and reduce defects. Therefore, this study aims to introduce an improved method to monitor plasma process anomalies in real-time and hence to establish the correlation between plasma conditions and CD uniformity, enabling real-time assessment of the impact of plasma variations on CD uniformity. Conventional Optical Emission Spectroscopy (OES) is usually used to monitor the etching process in real-time and to determine the endpoint of the process. While OES is cost-effective and does not directly affect the plasma or chamber conditions, and hence it is limited to measuring plasma generated in the central region of the wafer, failing to monitor plasma anomalies and CD uniformity across the entire wafer, especially at the edges. This study proposes a novel method to monitor CD uniformity over the whole wafer by introducing a wide-angle lens to OES, allowing it to utilize plasma generated over the entire wafer surface. By monitoring the etching non-uniformities between the central and edge regions of the wafer in real-time during the plasma etching process, equipment anomalies can be detected. Adjusting the position of the lens enables the detection of CD non-uniformities occurring in both the central and edge regions, which can be utilized for equipment maintenance. Traditional OES lenses monitor plasma within a narrow angle range, insufficient for detecting edge anomalies, whereas wide-angle lenses cover the entire wafer area, providing a more accurate understanding of plasma intensity differences and anomalies at various wafer positions. In the simulated experiment, an ICP chamber generating high-density plasma is used to induce CD non-uniformities by varying the etching gas flow between the central and edge regions. The positions of the conventional OES lens and the wide-angle lens are adjusted to monitor the entire wafer area and a position excluding the edge area corresponding to 10 % of the total area, respectively. Plasma intensity differences between the central and edge regions are monitored at specific wavelengths, with expected results showing that the wide-angle lens detects edge anomalies more effectively than the conventional lens. This thesis proposes a method for detecting equipment anomalies by monitoring plasma intensity differences using a wide-angle lens. Overcoming the limitations of conventional OES methods, this approach enables real-time CD monitoring, contributing to process stability and yield improvement in semiconductor manufacturing. Assuming the edge area of a 300 mm diameter wafer accounts for 10 % of the total area, placing dies with an area of 20 mm2 (4.47 mm  4.47 mm) results in 234 out of 3,545 dies being located in the edge area. By improving the yield of the edge area through this technology, approximately 10 % of the total die yield can be secured. Consequently, this technology is expected to enhance productivity, reduce measurement costs, and provide significant benefits in maintaining process stability by enabling real-time CD uniformity monitoring during mass production.

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목차

1. Introduction
1.1. Challenges in real-time CD monitoring during plasma etching process

2. Theoretical background
2.1. Background knowledge
2.1.1. Definition of endpoint and OES
2.1.2. Challenges in yield control for edge regions
2.1.3. Improvement methods for yield in the edge region
2.2 OES lens modeling
2.2.1. Lens design and modeling
2.2.2. Comparison of monitoring range based on incident angle differences

3. Experimental results and analysis
3.1. Experiment simulation conditions and methods
3.1.1. Explanation of chamber concept
3.1.2. Conditions for plasma etching process to induce CD non-uniformity
3.1.3. Experiment design
3.2. Experimental simulation results
3.3. Advantages summary of the proposed technique

4. Conclusions

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