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수치 제어 건식 평탄화 장치
 
 
월간 기계기술기자 | 2002.08.01 | 2002년 8월호
 
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실적이 있는 종전의 슬러리와 패드를 사용하는 기계 가공 기술에 있어서도 고평탄도를 달성하기 위한 개선이 진행되고 있다. 연삭 기술과 양면 연삭 기술의 도입 그리고 습식 에칭 공정을 개선함으로써 100nm까지의 평탄도를 실현하는 기술은 점점 목표가 세워지고 있으나 80nm 이하의 평탄성으로 안정되게 가공하는 것은꽤 곤란할 것으로 보인다.
  본고에서는 새로운 초(超)평탄 웨이퍼 가공법으로서 다운 스트림 플라즈마를 이용한 수치 제어 건식 평탄화 기술(Numerically Controlled Local Dry Etching : NC-LDE)에 대해 보고한다. 이 기술은 수치 제어 가공 기술과 국소화 건식 에칭 기술을 접목시킨 것으로 다운 스트림 플라즈마를 이용함으로써 웨이퍼에 대해 손상 없이 평탄화하는 기술로서는 세계 최초이다.
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ULSI의 미세 구조화에 수반하여 고해상도에 노광 하기 위해 단(短)노광 파장화가 진행되고 있다.
  노광 해상도 R, 초점 심도 DOF는 노광 장치의 개구 수를 NA(Numerical Aperture), 노광 파장을 λ라고 하면
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로 표시된다. 여기서 k1, k2는 레지스트 프로세스나 대물 렌즈의 동(瞳)함수 등에 의존하는 정수이다. 식(1)에따라 노광 파장의 단파장화가 진행되면 식(2)에 의해 초점 심도는 작아지고 Si 웨이퍼에 요구되는 평탄도는 아주 까다로워지게 된다.
  <표 1>은 반도체 프로세스의 기술 로드맵 ITRS (The International Roadmap for Semiconductors, 2001 Edition)이다. 이 로드맵에 의하면 2003년에는 100nm, 2005년에는 80nm로 아주 높은 평탄성(sight flatness)을 가진 웨이퍼의 양산이 개시될 것으로 예측하 였다. 그러나 현시점에서 80nm 이하의 평탄도를 안정적으로 실현하는 기술은 아직 확립되어 있지 않다.
  실적이 있는 종전의 슬러리와 패드를 사용하는 기계 가공 기술에 있어서도 고평탄도를 달성하기 위한 개선이 진행되고 있다. 연삭 기술과 양면 연삭 기술의 도입 그리고 습식 에칭 공정을 개선함으로써 100nm까지의 평탄도를 실현하는 기술은 점점 목표가 세워지고 있으나 80nm 이하의 평탄성으로 안정되게 가공하는 것은꽤 곤란할 것으로 보인다.
  본고에서는 새로운 초(超)평탄 웨이퍼 가공법으로서 다운 스트림 플라즈마를 이용한 수치 제어 건식 평탄화 기술(Numerically Controlled Local Dry Etching : NC-LDE)에 대해 보고한다. 이 기술은 수치 제어 가공 기술과 국소화 건식 에칭 기술을 접목시킨 것으로 다운 스트림 플라즈마를 이용함으로써 웨이퍼에 대해 손상 없이 평탄화하는 기술로서는 세계 최초이다.
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1. 수치 제어 건식 평탄화 가공 (NC-LDE)의원리와 장치
가. 가공 장치
 
  <그림 1>은 당사에서 개발한 수치 제어 건식 평탄화 장치의 개념도이다.
  프로세스 가스는 방전관 상부에서부터 공급된다.
  마그네트론(magnetron)에서 발생한 2.45GHz의 마이크로파는 플라즈마 발생기에 있어서 프로세스 가스에 조사(照射)된다. 프로세스 가스 SF6는 여기서 아래의 식(3)과 같이 전리, 해리되어 중성 활성종 F*(라디칼)이생성된다. 방전관의 선단에는 웨이퍼와 마주 보는 라디칼 수송 노즐(이하 노즐이라고 한다)이 접속되어 있고 라디칼은 이 노즐 내부를 통과하여 웨이퍼상으로 수송되고 아래 식(4) 표면의 실리콘 원자와 결합하여 에칭 반응을 진행한다.
 
  플라즈마 중의 SF6→ SF5+SF4+…F* …………(3)
  Si 표면 Si+4F* → SF4↑ …………………(4)
 
  반응 생성물인 SiF4는 물과 쉽게 반응하여 SiO2, HF,H2SiF6를 만들기 때문에 배기 가스는 물로 샤워링 (showering) 처리하여 제해(除害)할 수있다.
 
 나. 에칭 영역의 공간 한정 방법
 
  본 방식에 의한 가공 원리는 웨이퍼 전면을 평탄화하기 위해 상대적으로 두꺼운 부분만 가공하는 것이다. 따라서 에칭 영역을 반지름 수십mm로 한정하고 필요한 부분만 선택적으로 에칭하여야 한다.
  <그림 2>에서는 ф200mm인 실리콘 웨이퍼를 실제로 에칭하고 있을 때의 모습을 나타내는데 웨이퍼와 노즐은 상대적으로 정지해 있다. ⒜는 가스 압력을 제어 하지 않고 에칭하였을 경우이고 웨이퍼 전면에 생긴 발광은 실리콘과 플루오르화소 라디칼의 결합 반응에서 생기는 케미컬 루미네선스(chemical luminesc ence)이다.
  발광 부분이 웨이퍼 전면에 미쳐 있기 때문에 에칭이 전면에 미쳐 있음을 알 수있다. ⒝는 가스 압력을 제어한 경우로 발광 부분의 넓이로 볼 때 약 ф25mm 영역에 한정된 에칭이 실현되어 있다.
  <그림 2>의 ⒝와 같이 에칭 영역이 한정되어 있을때 노즐 바로 밑의 에칭 프로필을 <그림 3⒜>에 나타 낸다.
  에칭 프로필이 가우스 곡선에 가까운 형상으로 1/2값 폭이 약 20mm, 에칭률이 제로가 되는 이른바 「저변」의 크기는 약 40mmф이다. 이 프로필은 가스 압력을 제어 함으로써 그 폭을 변화시킬 수 있다. 에칭률은 130㎛ /min으로 높은 값을 실현하여 다음 식(6)에서 계산되는 체적 제거 속도(Volume Removal Rate ; VRR)는45.9mm3이다.
 
 VRR=∬P(r) dr dθ …………………………………(5)
 
  여기서 P(r)은 에칭 프로필이고 r은 에칭 중심으로부 터의 반경 방향 위치를 나타낸다.
 
 다. 평탄화 가공의 주사 제어 방법
 
  평탄화하는 웨이퍼는 미리 두께 측정기로 전면의 두께 분포 T(x, y)를 측정해 둔다. 웨이퍼와 노즐의 상대 주사 속도의 역수(1/V)와 에칭 깊이와의 관계는 <그림 3⒝>에 나타내는 것처럼 좋은 비례 관계를 보이고 있다. 이 결과에서 볼 때주사 속도를 제어함으 로써 고정밀도의 수치 제어 가공이 가능함을 알 수 있다. 장치 설치시 실험을 통해 얻은 비례 정수 a, b를 사용하여 아래 식(6)에 의해 두께 데이터를 속도 데이 터로 변환한다.
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여기서 V는 웨이퍼와 노즐의 상대 주사 속도이고 ~T는 두께의 변동 성분이다.
  실제로 웨이퍼 전면을 평탄화하려면 <그림 4>에 나타 내는 바와 같이 Y 방향으로는 두께에 따른 속도로, X방향으로는 일정한 피치로 스텝 이동시켜 인접한 Y 방향 주사를 겹치면서 전면을 주사하였다. <그림 4>는 에칭률의 시간적인 안정성을 조사하기 위해 200mm 웨이퍼 전면을 등속도로 주사 에칭하였을 때의 에칭 깊이를 조사한 것이다. 200mm 웨이퍼의 X방향 깊이 분포에 대한 균일성은 0.69%로 매우 안정된 프로세스임을 알았다.
  <그림 5>는 에칭 프로필의 크기와 제거할 수 있는 Si 웨이퍼상의 요철 공간 파장과의 관계를 조사한 것이다.
  에칭 프로필의 크기는 노즐 지름에 의존하여 변화하고 이에 따라 요철의 공간 파장 제거 특성도 노즐 지름에 의존한다. 이 관계에서 볼 때지름이 작은 노즐일수록 단파장 성분까지 제거할 수 있게 되나 한편으로는 가공 시간이 길어져 양산 프로세스로서는 바람직하지 않다.
  따라서 웨이퍼가 가진 요철 파장 분포, 목표로 하는 평탄도나 가공 시간에 따라 가장 적당한 지름의 노즐을 선정할 필요가 있다.
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2. 가공 특성
가. 피가공 웨이퍼의 사양
 
  본 장치에서는 슬라이스, 랩, 에칭이나 연삭 후의 웨이퍼 등 원리적으로 두께 분포를 측정할 수 있는 웨이퍼 라면 가공할 수 있다. 기본적으로 가공후의 표면은 가공 전의 상태를 그대로 유지한다.
  웨이퍼의 저항률에 관해서는 10mΩ·cm~30mΩ· cm 범위에서 확인하였더니 에칭률 등의 특성에 차이는 없고 저항률 의존성도 없으며 또 전도(傳導)형 의존성도 없는 것으로 확인되었다. 이것은 플라즈마로부터의 전하 입자가 웨이퍼 표면에 입사되지 않고 중성 라디칼만 작용하여 에칭되고 있기 때문이다.
 
 나. 가공후의 표면 상태
 
  <그림 6>은 경면 연마 웨이퍼를 전면에 걸쳐 에칭하 였을 때 에칭을 전후로 한 AFM 측정 결과이다. 에칭 전R-2a=9.62×10 nm이었던 것이 2㎛ 에칭 후에는Ra=7.44×10 -2 nm로 약20% 개선되었다. 에칭 깊이를 1㎛에서 4㎛까지 변화시켜 에칭 후의 미소한 표면 거칠 기를 조사하였더니 그 어느 경우에도 가공 전에 비해 개선된 결과로 나왔다.
  에칭 후의 표면 및 표층의 손상을 조사하기 위해 μ-PCD법에 의한 캐리어 라이프 타임(carrier life time)을 조사한 결과를 <그림 7>에 나타낸다. 웨이퍼마다 편차의 영향을 물리치고 평가하기 위해 웨이퍼한 장의 좌측 1/2면 5㎛만 에칭하고 우측 1/2면은 에칭하지 않은 채 비교용으로 평가에 사용하였다. 에칭한 좌측 1/2면의 라이프 타임이 약간 증가하였기 때문에 NC-LDE 프로세스에 의한 손상 발생이 확인되지 않았을 뿐만 아니라 표면 근방에 다소 남아 있는전(前)가공의 손상도 본 가공으로 제거할 수 있음을 시사하였다.
  NC-LDE의 손상 제거 능력에 관해 보다 상세히 조사 하기 위해 He-Ne 레이저의 후방 산란광을 이용한 서브 서피스(sub surface) 손상 측정 장치 PBS 장치를 사용 하여 측정한 결과를 <그림 8>에 나타낸다. 피측정 웨이 퍼는 미리 전(前)가공 단계에서 가공 손상이 잔존하게해 두고 이것을 약 1/2면(그림에서는 하반면) 2㎛ 가공 하였다.
  PBS에서는 손상 레벨이 커지면 백색에서 흑색으로 변하는 회색(grey scale)으로 표시되어 있다. 이 그림에서 에칭을 실시한 영역에서는 흑색부가 소실되어 있기 때문에 이 측정 결과에서도 손상을 제거하는 효과가 있음이 확실해졌다.
  에칭 후의 미소 거칠기, 손상을 포함하는 표면 상태를 종합적으로 평가하기 위해 GOI(Gate Oxide Integrity)를 측정한 결과를 <그림 9>에 나타낸다. 하단은 경면 연마한 웨이퍼이고 중단은 NC-LDE로 전면을 2㎛ 에칭한 것그리고 상단은 비교로서 수소 어닐 웨이퍼를 측정한 결과이다. 경면 연마 웨이퍼의 평균 파괴 전압(EBD)8.56MV/cm에 대해 에칭 후에는 9.43MV/cm로 향상 되어 수소 어닐 웨이퍼의 9.80MV/cm에 가까운 값으로 되어 있다. 이러한 점에서 볼 때에칭 후의 표면은 고품위 웨이퍼와 동등한 품질을 갖고 있음을 알았다.
 
 다. 웨이퍼의 초(超)평탄 가공
 
  <그림 10>은 본장치에서 200mm Si 웨이퍼를 평탄화 가공한 예이다.
  상단은 평탄화하기 전이고 하단은 평탄화 실시후의 조감도이다. ⒜, ⒝의 다른 두 가지 형상에 대해서도 평탄화가 충분히 실현되어 있다.
  GBIR은 상당히 개선되어 0.11㎛로 되어 있다. <그림 11>에서는 다른 웨이퍼에 대한 평탄성(SBIR)의 분포를 나타낸다.
  평탄화 후에는 최대 SBIR이 0.04㎛로 아주 높은 평탄도를 실현하였고 ITRS에 의하면 2006년에는 70nm 프로세스에 충분히 적용할 수 있는 값을 실현하며 2010년 이후에는 45nm 프로세스를 실현할 수 있을 정도의 가능성을 시사하였다.
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3. 양산형 장치 DCP 200/300X
Si 웨이퍼 평탄화의 양산 공정에 본 기술을 적용하기 위해 평탄화 프로세스 챔버를 하나의 반송 장치에 복수 접속하여 처리 능력을 향상시킨 멀티 챔버형 장치 DCP 200/300X를 개발하여 이미 여러 웨이퍼 메이커에서 사용되고 있다<그림 12>. 표준 구성(3프로세스 모듈)에서 설계 스루풋(th roughput)은 200mm 웨이퍼가 약 50wafers/h이고 300mm 웨이퍼는 27wafers/h이다. DCP 200/300X는 전자동 장치로 옵션인 EFEM 유닛을 추가함으로써 공장의 자동 반송 시스템에도 대응시킬 수 있다. 그리고 소프트웨어 옵션으로 웨이퍼 외주 부근의 형상을 만들어 가는 외주 수정 모듈이나 평탄도를 약간 희생시켜 스루풋을 중시한 COARSE 모드 운전 등 사용자측에서 최적 프로세스를 만들어 넣는 자유도도 풍부히 장비되어 있다.
4. 향후 전망
수치 제어 건식 평탄화 기술은 입력하는 형상 데이 터대로 평탄화뿐만 아니라 임의의 형상을 만들어 가는 응용성이 탁월하다. 그 일례로 최근 문제되고 있는 나노 토포그래피 제거에 응용한 예를 <그림 13>에 나타 낸다. 여기서는 형상 측정 장치로서 ADE사의 Nano Mapper을 사용하여 나노 지름을 최적화시킨 다음 에칭을 실시하였다.
  2차원 컬러 맵 및X, Y 단면 형상에 있어서도 표면에 생긴 미소한 요철을 제거할 수 있음을 알 수있다.
  그리고 부식액으로서 플루오르화소 라디칼을 사용 하였기 때문에 Si뿐만 아니라 다른 재료에도 적용할수 있다.
  예를 들면 수정(水晶)이나 석영 등에 대해서도 그평탄화, 단층화 및 형상 창성 등의 적용을 검토했다.
  이들의 가공 능력에 대해서는 다음 기회에 보고하기로 한다.

 
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