1. 300mm 차세대 반도체 공장의 운송 시스템 FOUP 채용으로 Full Direct Transport System화
세계 300mm Fab 형태의 동향
현재 가동 중이거나 설치 중인 300mm Fab의 형태를 보면, 반도체 제품별, 규모별 Fab형태로서 표 1-1과 같이 파악하는 것이 가능하다. 그 중 하나가 소규모 Fab으로, 이전부터 S사가 제창하고 있는 [mini line]이다. 소규모 Fab에서는 제품 life cycle이 짧은 system LSI를 대상으로 소량 다품종을 high speed로 생산할 필요가 있다. 이상적으로는 wafer 매엽 생산과 매엽 운송을 조합한 형태라고 생각할 수 있다. 거기에 첫번째 step으로서 FOUP의 Full Direct transport system(inter + Intra transport)화를 생각할 수 있다.
이미 200mm Fab에서는 있지만, S사 Fab에서는 프로세스 flow shop 방식으로, SMIF를 채용하고 작업자에 의한 운송이지만, 프로세스 장치에서 다음 프로세스 장치로 Direct Transport가 이루어지고 있다.
또 하나가 대규모 Fab으로, MPU, logic, DRAM 등의 소품종 다량 생산을 대상으로 한 이른바 양산 공장 형태이다. TTI는 완전 매엽화와 완전 자동화를 조합한 [scalable hub]라고 하는 새로운 컨셉을 도입한 300mm 양산 라인을 건설하여 가동하고 있다. 공정 간 운송에 OHS, 공정간과 공정 내의 interface에 mini buffer를 설치하고, 공정 내 운송에 RGV를 채용한, wafer 완전 자동 운송 시스템을 도입했다.
현재의 첫번째 step은 2계의 반의 space를 사용하고, 7000매/월 생산의 생산 규모로 start했는데, 장래적으로는 1계와 2계를 통합한 시스템 규모로 확장하여, 4만매/월 생산의 규모가 되도록 설계하고 있다. 1계와 2계를 통합한 시스템으로 하기 위해서 불가피한 장치가 clean lifter이고, 이제 clean lifter는 프로세스 장치와 같은 정도로 중요한 것으로 인식되고 있다. 현재 DSK가 세계 No.1의 기업으로, share 80% 이상을 확보하고 있다. Clean lifter의 설계 컨셉은 mini environment 생각을 기구에 반영하였으며, 바구니만을 clean화하는 방식으로, 에너지를 절약하고, 높은 clean화와 고정도의 정지 정도를 달성하고 있다.
FOUP의 Full Direct Transport System화를 가능하게 하는 요소 기술 검증
(1) AMHS
AMHS는 세계에서 TOP 4사에 의해 독점화 되고 있으며, clean 운송 시스템의 파이오니아로 현재도 세계 clean 운송 시스템의 리더 역할을 하고 있는 D사에서는 이미 모든 기종의 brash up화 (OHS, OHT, AGV, RGV, Stocker)를 완료하여 타사보다 우수한 사양으로 개량했다. 그리고 타사에 선구하여 D사가 세계 최초로 개발한 비접촉 급전 시스템으로 vehicle(운송대차)을 구동하는 운송 시스템을 현재 일본에 있어서, 역시 세계 최초의 Full Direct Transport System을 설치 했다. 이렇게 OHT에 의한 분기, 합류 그리고 vehicle control, EFEM과의 맞대는 기술 등은 D사에서 이미 완성되었다고 생각해도 좋다. 그리고 전술한 clean lifter는 이미 개발이 완료되었으며, AMHS와의 상하계 통합된 Full Direct Transport System의 구축은 가능하다.
(2) FOUP
현재 FOUP는 세계에서 TOP 5사에 의해 독점화되고 있는데, 각 사 모두 사양은 SEMI std.에 준거하였으며, 서로의 FOUP의 호환성에는 대응하고 있다. 그러나, 상세 사양 부분에서 각 사의 긴 경험과 노하우로 연구를 이룬 특징(out gas, 내열성, ESD 대책, teeth부 Wafer 미끄러짐 방지, latch 자기 유지 기능, 질소 purge 대응 등)을 좁혀가고 있다. 실제로는 OHT 등에 의해 사용해 보면 mushroom 강도나, 본체 body 강도 등 몇 가지의 문제점이 생기게 되며, 각 사 모두 개량을 실시하고 있다. 따라서, Full Direct Transport system화에 대한 대응은 가능하다.
(3) EFEM
반도체 기업이 공동으로 제작한 Selet, I300의 멤버는 SEMI를 포함하여 세계 연합에 의한 합동 작업으로 표준화 활동을 실시하고, 고정 buffer type의 EFEM F. S. Model을 standard화 했다. (그림 1-1) 그 결과 EFEM은 세계에서 10여 개 회사가 혼전상태에 있는데 선행하는 6사의 비교를 표 1-2에 정리했다.
EFEM의 필요 중요 조건은 비교 항목에 나타냈는데, 특히 Good Design = Good Quality라고 하듯이 total balance design이 중요하다.
소형화는 지구 환경에 친근한 에너지 절약에 관련되어 역시 중요한 항목이다. 2 FOUP 타입이 EFEM은 Y축(주행 축)이 없는 것이 기술 trend이고, 이 기능을 만족하는 것이 Smart Motion(정식 SKARA)이다. 이 외에도 비교 항목에 오른 중요 항목이 많지만, Da사는 이것들을 포함하여 중요 평가 항목을 TOP에서 전부 망라한 EFEM을 개발하였기에 표1- 2에 나타냈다.
EFEM을 사용하는 입장에서 제품에 대한 안심, 신뢰성이라는 면을 생각하면, 지금 유행하는 벤처 기업이 아니라, 기업의 역사가 길고, 경영 상태도 안정되어 있어, ISO9001등을 취득한 기업 제품이 바람직하다. Da사의 이것을 채용하면 바로라도 Full Direct Transport System화는 가능하다.
300mm 차세대 반도체 공장의 운송 시스템
(1) FOUP 채용으로 Full Direct Transport System 화
300mm 차세대 반도체 공장의 운송 시스템은 “지구 환경에 친근하고, Flexibility로, 고효율 운송을 달성”하는 것도 없어서는 안 된다.
200mm/300mm Wafer Transport System을 그림1- 2에 나타냈는데, 300mm 시대는 세계적으로 운송 용기로서 clean area의 극소화를 가능하게 하는, Mini Environment 사상을 도입한 FOUP가 채용되는 것으로 집약된다고 생각한다. 그리고 AMHS는 공정간 +Stocker +공정 내라는 200mm와 같은 종래 타입의 것과, 공정간 +공정내 +Direct Transport(OHT)의 두 가지의 운송 시스템이 채용되어 나갈 것으로 생각한다.
① 300mm Wafer Advanced Fab Lay out I
그림 1-3에 OHT를 채용하여 FOUP를 프로세스 장치에서 다음 프로세스 장치로 direct로 운송하는 mini 라인 안을 나타냈다. 라인의 투자는 Phase I, Phase II로 스텝을 나누어서 실시하는 제품 수요 동향에 의해 증설 실시 타이밍을 적당히 판단하는 것이 된다.
시스템의 특징은 지구 환경에 친숙한 시스템으로 에너지 절약화를 고려했다.
- 필요한 Wafer(FOUP)를, 필요한 때에, 필요한 장치로 direct 운송한다.
- 운송대차는 최단거리를, 최소 시간에 Wafer(FOUP)를 운송한다.
- Clean stocker less로 제로 footprint화. 이것을 가능하게 하기 위해서는 첨단 기술을 구사한 “CATS”를 충분히 반영한 것이라야 한다. 즉, CIM+AMHS+TOOL의 Total Solution화이다.
- 차세대 CIM 시스템은 : e-Manufacturing에 의해 프로세스 장치와 Wafer 운송을 싱크로너스화 하는 것에
의해 제작중인 물건을 없애고, 장치 가동률의 향상화를 도모한다. 또 최적 vehicle 운송 지시나 RTS(Real Time Scheduling)에 대한 대응이 가미된 것이다.
- 차세대 AMHS란 : 이미 D사가 개발 설치 중인 비접촉 급전 시스템 채용 OHT의 분기, 합류 기능이나 최적 vehicle control로, High speed로 운송하여 wafer를 갖고 있는 시간을 제로화 하는 것을 달성한 것이다.
- 차세대 Tool이란 : EES(Equipment Engineering System)과의 연동화에 의한 In-situ monitoring 등의 채용에 의해 Tool 가동률 향상으로, 종래의 2배 이상을 달성한 것이다.
그림1-4에 CATS의 개발 완성에 의해 양산 공장에 대해서 발전을 이룬 모습을 나타냈다.
이것을 성공으로 이끌기 위해서는 반도체 공장 건설 관계 각 사가 SEMI에서 정한 표준화를 준수하는 것. 또 FOUP의 품질, 신뢰성, 호환성의 한 층의 향상을 도모하는 것. 그리고 CIM(생산관리, 장치관리, OHT 운행 관리)의 한 층의 향상을 도모하는 것이 불가피하다.
쩗 ITRS 동향과 차세대 반도체 공장 모습
그림 1-5, 그림 1-6은 ITRS 발표의 2014년까지의 roadmap에서 인용한 것이다. 이것에 의하면 종래의 공정 간 + Stocker +공정 내의 wafer 운송 방식은 2004년 까지로 상정되어 있다. 그 이후는 그림 1-5, 그림 1-6에 나타낸 것과 같이 wafer(FOUP)는 프로세스 장치에서 프로세스 장치로 direct로 운송되는 Full Direct Transport가 된다. 그림 1-5는 프로세스 장치에서 프로세스 장치의 FOUP 운송 기종에 OHT를 채용한 예를 나타낸다. 오늘날 최첨단 기술의 OHT는 vehicle(운송 대차)에 대한 전원 공급을 비접촉 급전 시스템으로 실시하는 것이고, 분기, 합류도 그림 1-4 오른쪽 아래에 나타낸 것과 같은 드라이브 through 타입(분기 합류부 vehicle이 일단 정지하지 않는 형식)인 것이 trend이다. 이것에 의해 FOUP는 프로세스 장치에서 다음의 프로세스 장치로 최단거리를 최소 시간에 운송되는 것이 된다.
이 드라이브 through 타입 채용으로 종래의 공정간 + stocker + 공정 내 운송의 50% 이상의 speed up이 도모되어, 높은 생산성 향상으로 이어진다.
그림 1-6은 전혀 새로운 wafer 운송 컨셉이며, OHS나 OHT의 대차에 의한 운송이 아니라, 이른바 연속 운송기(콘베어)의 부류에 속하는 것이다. 따라서, 높은 운송 능력(1500이상/h/Loop)이 나올 것으로 생각한다. 또 컨베어 위에 FOUP를 storage할 수 있기 때문에 보관 Stocker를 생략할 수 있다. 가장 큰 특징은 각 장치부 lifter와의 조합에 의해 FOUP 공정간 & 공정 내의 direct 운송을 실시할 수 있다는 것에 있다. 이미 maker에서 200mm fab에서 가동하고 있다고 발표되고 있다. 고려해야 할 점은 분기, 합류, 각 장치부 lifter 등에 대한 FOUP tracking 제어 기술의 향상이나, 구동 롤러 수가 여러 개 필요하기 때문에 시스템의 신뢰성이나 에너지 절약이라는 점에서 금후 해결이 필요한 과제도 있다고 생각한다.
③ 300mm Agile Fab Layout “궁극적인 반도체 Fab은 Wafer매엽 운송화”
그림 1-7에 ITRS 발표 2014년까지의 road map에서의 Agile Manufacturing(A/M)에서 인용한 것을 나타낸다. A/M의 지표로서는 Speed up과 cost 삭감의 향상을 main으로 하고 있다. 이를 위해서 전자동화에 의한 생산 시스템의 채용, 매엽 생산 시스템, direct 운송 시스템, RTS (Real time Scheduling), SCM (Supply Chain Management), EES (Equipment Engineering System), 등을 담당하는 e-Manufacturing의 도입을 제창하고 있다.
그림 1-7은 wafer 매엽 생산 시스템의 module automation 예를 나타낸 것이다. 공정 간은 FOUP를 채용한 25매 단위 운송으로 공정 내를 wafer 매엽 단위로 direct하고 있다. 그림 1-7의 검은 동그라미가 wafer를 나타내고 있으며, 프로세스 장치 내나 프로세스 장치 사이를 wafer 단위로 처리나 운송이 이루어지게 된다. 당연한 것이지만, 이 때에는 장치 배열은 프로세스 flow shop이 상도가 되어, wafer 매엽 단위에서의 처리나 direct 운송에 의해 종래의 FOUP 운송에 의한 25매까지의 Wafer를 갖고 있는 시간이 제로가 되고, FOUP Opener나 EFEM이라고 하는 부속 장치가 불필요하게 된다.
따라서, A/M의 목표로서의 Speed Up과 cost 삭감의 향상을 달성하는 일이 가능하게 된다. 궁극적인 반도체 공장은 당연히 지구 환경에 친숙하고, high speed이고, Flexibility이고, 고 효율 생산을 달성하는 것이어야 한다.
ITRS에서는 이 형태의 Fab의 출현을 450mm wafer 시대라고 읽고 있는 듯 한데, 이미 가동중인 300mm fab에서 Wafer 매엽 처리 장치나, wafer 매엽 관리 soft가 채용되었으며, 생각한 것보다 빠른 시기에 이 300mm 전자동 wafer 매엽 생산 Fab이 출현할 것으로 생각된다.
2. 300mm용 인 라인 원자간력 Profiler [Vx330]
300mm wafer및 0.13㎛ 프로세스에 대한 반도체 생산 라인의 이행이 진행됨에 따라, 원자 레벨의 분해능을 갖는 최첨단 계측 툴에 대한 요구가 높아지고 있다. Dimension Vx 시리즈는, Veeco Instruments가 89년에 R&D에서 실증을 끝낸 원자간력 현미경(AFM)기술과 비 파괴로 고 분해능인 롱 스캔을 실시할 수 있는 원자간력 profiler(AFP)를 조합한 전자동 계측 툴이다. Vx 시리즈는 비파괴 계측기이기 때문에, STI등의 production wafer의 3차원 계측이나 CMP process에서의 공정 관리에 널리 적용되고 있다. 본 고에서는 300mm에 대응한 Vx330의 기능과 계측 예를 소개한다.
Dimension Vx 330
Veeco Instruments에서는 원자를 보는 기술로서 개발한 원자간력현미경(AFM)의 3차원 분해능과 자사 독자적인 damage free의 측정법 [Tapping mode]를 활용하여 production용 wafer 검사 장치를 제공해 왔다.
300mm에 대응한 Dimension Vx 330 (이하 Vx 330, 사진 2-1)은, 시료에 damage를 주지 않는 독자적인 [Tapping mode]AFM 측정법으로, poly-Si의 grain(사진 2-2)을 평가할 수 있는 분해능과 CD(Critical Dimension) 측정의 기능을 겸비한 metrology 해드를 채용했다.
이 metrology 해드는 사진 2-2에 나타낸 것과 같은 분해능 뿐만 아니라, wafer 검사 장치로서 요구되는 측정 data의 재형성에 관해서도 우수한 performance를 갖고 있다. 그림 2-1에 단차 계측에 대한 Vx 330의 재현성을 나타낸다. 측정에는 Si를 etching한 1.7㎛ 단차의 표준 샘플을 사용했다. 10회 반복 계측을 실시한 결과, 평균치가 1,718.2nm, 3σ가 1.6nm였다. 이 측정 결과는, Vx330이 1.7㎛깊이에 대해서 ±0.1%의 우수한 재현성을 갖는다는 것을 증명하고 있다.
그리고 Vx330에는 범용 AFM 장치에서 가장 고민했던 probe 교환을 자동화 한 [Tip X]를 탑재했으며, probe의 교환 시기는 [Tip Qualification]에 의해, 자동으로 설정된다. 여기에 더해서, 비파괴 고 분해능인 롱 스캔을 실시할 수 있다. [원자간력 profiler(AFM)]을 탑재하고 있다. 이들 기술에 의해, Vx330은 300mm production wafer의 3차원 계측 검사를 전자동으로 실시할 수 있게 되었다.
Tapping mode와 자동 계측 기능
Production wafer의 계측을 실시하는 가장 큰 이유는 자사 독자적인 [Tapping mode] AFM 측정법을 채용하고 있다는 것이다. 종래의 AFM 측정법은 contact 모드라고 부른다. 이 contact 모드는 종래의 profiler와 측정 원리가 비슷하며, Probe의 끝을 시료 표면에 접촉 시켜, 일정한 하중으로 시료 표면을 써서, 표면 형상을 측정하고 있다. Profiler와 다른 점은, 곡률 반경이 10nm 이하의 날카로운 probe가 상당히 부드러운 판 스프링의 끝에 설치되어 있는 cantilever를 사용하고 있다는 점이다. 이 cantilever가 상당히 부드럽다는 것과 cantilever의 제어를 실시하는 광학 센서의 검출 감도가 높기 때문에, 측정 하중이 profiler의 1/20 이하로 수직 하중에서는 Si에 대해서 탄성 변형의 영역에서 고 분해능의 측정이 가능했다. 그러나, contact 모드는, 시료 표면을 깎아 내고, 특히, 반도체 프로세스에서 요구하는 것과 같은 계측 대상에 있어서는 그 edge부에 damage가 발생하고, 측정 data의 취득 시간도 증가했다.
이에 대해서, [Tapping mode] AFM 측정법은 시료 표면 위를 1nN 이하의 매우 약한 힘으로 probe 끝이 닿거나 떨어지거나를 반복하면서, 시료의 형상을 계측한다. (그림 2-2) 이것은 종래의 profiler의 1/500, contact 모드 AFM 측정법의 1/20 정도의 상당히 약한 힘이다. 또, Probe 끝이 접촉/ 비접촉을 반복하기 때문에, 종래의 AFM에서도 존재했던 probe와 시료 표면 간의 마찰이 전혀 발생하지 않는다. 이것에 의해 probe에 의한 끌림이 없고, resist와 같은 부드러운 시료에서도 damage를 주지 않고 정확한 측정을 실시할 수 있게 되었다. 또, 종래의 contact 모드 AFM과 같은 절연물의 표면의 측정을 반복하여 실시할 경우 발생하는 정전기도 전혀 발생하지 않는다. 이 때문에, 측정법이나 시료의 도전성 유무에서 기인하는 data의 변화가 전혀 없다. 여기에 더해서, STI나 trench등 aspect ratio가 높은 샘플에 대해서도 prove의 추종성이 좋아, 측정 시간의 단축이 도모되었다.
AFM을 production의 자동 계측에 사용할 경우에는 Key parts인 probe의 자동 교환이 중요하게 된다. 이것에 대해서, Vx330에는 자사 독자적인 [Tip X]와 [Tip Qualification]을 탑재하였다. [Tip X]는 probe를 자동 교환하는 기능이다. 전자동 계측기로서는 probe를 교환하는 타이밍이 중요하다. 이 probe의 교환 시기를 자동으로 측정하는 것이 [Tip Qualification]이다. (사진 2-3) [Tip Qualification]에서는 우선, 처음에 Vx330내에 탑재되어 있는 예리한 돌기를 갖는 표준 샘플을 AFM으로 측정한다. (사진2-3(a)) 이 AFM data를 근거로 probe 곡률 반경을 계산한다. (사진 2-3(b)). 이 곡률 반경이 어떤 값 이하일 경우는 probe가 계측에 유효하다는 것이 표시되고 자동 계측모드로 돌아간다. 한편, probe의 곡률 반경이 클 경우에는 [Tip X]로 이행되어 자동으로 Probe 교환을 실시한다. Vx 330에 이러한 기능을 탑재한 것에 의해, probe 열화를 염려할 필요 없이, 정확한 계측 data를 자동으로 출력 가능하게 되었다.
Dishing & erosion
원자간력 profiler(AFP)는 고 분해능의 롱 스캔이 가능하기 때문에, CMP 프로세스에서의 공정 관리에 주로 사용되고 있다. AFP의 기능으로서는 최대 100mm까지의 측정 길이를 갖으며, 측정 속도는 최고 1mm/s를 실현하고 있다. 취득 data point수는 최대 262,000포인트이다. 게다가 사용하는 probe의 곡률 반경은 10nm 이하이며, 측정에는 [Tapping mode]를 채용하고 있다. 이 때문에, CMP 처리 후의 광역의 erosion과 미소 영역의 dishing을 비파괴로 동시에 계측할 수 있다. 즉, dishing과 erosion은 yield의 50% 가까이를 차지하는 Cu-CMP 프로세스에 있어서,그 제어가 가장 중요한 파라메터이다.
그림 2-3에 Cu 라인의 dishing과 erosion의 동시 측정의 일 예를 나타낸다. 이 Cu 라인은 90%의 고밀도 배선이다. 측정 data는 erosion이 63.9nm이고, dishing이 65.9nm였다. 또, AFP의 높이 방향의 측정 재현성은 180nm의 단차에 표준 단차가 0.5nm 이하이다. AFP의 처리 능력은 wafer 내 5곳 측정에서 7매/hr이다. 이것에 의해, AFP는 wafer를 자르지 않고, 개 개의 dishing을 정확하게 계측할 수 있는 횡 분해능을 갖고 있다. 또, 종래의 profiler에서는 분리할 수 없었던 dishing과 erosion이 AFP에 의해 완전히 분리되었다.
Deep Trench
비파괴의 계측 장치로서 주목 받고 있는 deep trench 측정 예를 사진 2-4에 나타낸다. trench 형상은 개구부 폭이 0.2㎛이고, 깊이가 2㎛이다. 사진 2-4(a)가 trench의 단면 SEM사진이며 (b)가 AFM으로 측정한 단면 profiler이다. 측정에 사용한 probe는 자사 제품 FIB probe이다. (c)
이 probe는 끝에서 2㎛ 높이에 직경이 100nm이다. 즉, 같은 aspect ratio로 5㎛이상의 trench가 측정 가능한 probe도 line up 되어 있다. 사진2-4에 나타낸 단면 SEM사진과 AFM data와의 비교에서, Vx330은 wafer를 자르지 않고 aspect ratio가 10이상인 trench의 측정을 정확하게 실시할 수 있다는 것을 나타낸다. 또, 이 wafer에 있어서 면내 5곳의 측정을 20회 반복했을 때의 재현성은 3σ에서 거의 1% 이하 였다. 즉 5곳의 단차는 2.1~1.9㎛였다. 이 결과는 AFM 측정 data의 정확성과 단면 SEM에서는 불가능에 가까운 측정하고 싶은 임의의 trench의 위치 설정을 정확하게 할 수 있다는 것을 나타낸다.
AFM에 의한 CMP STI의 단차 측정
CMP후의 STI와 디바이스의 active area간의 미소 step은, transistor gate의 형성 및 성능에 크게 관여한다. 따라서, STI 및 active area 사이의 step을 최소한으로 control하는 것은, 반도체 process에 있어서, 상당히 중요하다. 이 STI의 단차는 active area에 대해서 미소한 凹거나, 완전히 평탄하다거나 반대로 凸이거나 한다. 종래는, wafer를 잘라서 SEM으로 관찰한다거나, 매뉴얼로 AFM 측정으로 밖에 계측할 수 없었다. 당사는 이런 문제에 대해서, 새로운 기술의 개발로 비파괴 production wafer의 자동 측정을 가능하게 했다.
사진 2-5에 나타낸 샘플은 100nm의 node에서 제작된 DRAM의 test STI 패턴이다. 사진2-5(a)는 단차가 거의 평탄한 STI의 AFM 사진이다. (b)는, STI가 active area에서 10nm 위에 올라가 있고, (c)는 STI가 active area보다 10nm 내려갔다.
wafer 내 또는 같은 공정의 wafer 사이에 혼재하는 이들의 STI를 자동 계측하기 위해서 [Tapping mode] AFM 기술의 하나인 [Phase Imaging]을 이용했다. [Phase Imaging]은 측정 샘플의 상대적인 경도의 차이를 2D로 mapping하는 측정법이다. 여기에 더해서, 표면의 재료가 같다면, 급준한 단차의 edge를 강조한다.
이 때문에, 사진2-5(a)~(c)와 같은 형상의 STI를 [Phase Imaging]으로 측정하면, 모두 그림 (d)에 나타낸 것과 같이 STI의 윤곽만 강조되어 화상화 된다. 이 [Phase Imaging]으로 취득한 화상을 AFM에서의 측정 포인트인 위치 결정에 이용하는 것으로, 단차가 다른 같은 pattern의 자동 위치 결정과 단차 측정이 가능하게 되었다
측정한 STI의 단차의 해석에는 자사 soft [Nanoscope IIIa]의 해석 툴[Localized Depth Analysis(LDA)]을 사용했다. (사진 2-6) [LDA]는 기준 면에 대한 상대적인 높이나 깊이를 해석하여 출력한다. LDA에 있어서는 기준면이 되는 영역을 녹선의 box(Ref R)에서 임의로 지정할 수 있고, 이 기준면에 대해서 최대 4곳의 box(box A~D)로 지정된 장소의 깊이나 높이를 계측할 수 있다.
이 Phase Imaging에 의한 화상 인식과 LDA에 의한 CMP STI의 측정 정도의 확인을 실시했다. wafer 면내 18곳의 DRAM 디바이스 중의 STI의 측정을 load/ unload를 6회 반복하여 실시했다. 결과로서, Phase Imaging에 의한 STI의 위치 결정은 100%의 성공률이었다. LDA로 해석한 18곳의 STI의 평균 치는 -8.7~+41.5nm였다. 여기에서 -는 기준면에서 올라갔다는 것을 나타낸다. 각 측정 포인트의 측정 재현성(3σ)는 최대 10%이하 였다. 예를 들면, 평균 치가 3nm로 상당히 낮은 단차에서, 3σ가 0.3nm이며, 이것은 Si의 단 원자 step과 거의 동등한 재현성을 본 측정법이 갖는다는 것을 증명한다.
Phase Imaging과 LDA를 조합한 신기술의 도입에 의해, CMP STI의 자동 측정을 확실하게 증명할 수 있다는 것을 소개했다. 금후에도 미세화 될 반도체 프로세스에 있어서 다양한 요구를 충분히 파악하면서, wafer를 파괴하는 일 없이 쉽게 production wafer의 계측을 실시할 수 있는 SPM 기술을 제공해 나가고자 한다.
3. 세정 건조 장치
미세화는 한계에 도달했다고 하면서도, 그 진전은 머물 곳을 모르고, 신 재료의 도입을 동반하면서, 0.13~0.1㎛ 디자인 룰의 단계에 와 있다. 세정 기술은 반도체 프로세스의 기본 기술이며, 더욱 청정한 wafer 표면, 신규 재료의 도입에 대응한 세정에 대한 요구는 물론이고, 장치 가격/ running cost의 저감, 환경에 대해 배려한 약품 사용등에 대한 요구가 금후 점점 강해지게 될 것이다.
미세화 / 대구경화의 동향
ITRS(국제 반도체 기술 roadmap 2000 up date) (표 3-1)에 따르면, 2001년은 130nm, 2004년에는 90nm 대응의 기술이 요구되고 있으며, 실제의 디바이스에 있어서도 이 trend는 답습하게 될 것이다. 세정 프로세스에 요구되는 기본적인 성능은 particle 제거, metal contamination 제거, etching 제어성이다. 미세화에 따른 이들의 항목에 대한 요구는, 실용 측정 한계 값에 가까운 것이다.
또, 근래, 미세화에 따른 gate 전극, capacitor, 배선에 신 재료가 사용되기 시작했으며, 이들에 대응하는 세정 기술, 장치가 요구되고 있다.
대구경화에 관해서는 200mm wafer에서 300mm wafer로의 이행은 비즈니스 환경의 악화 때문에 늦어지는 감은 있지만, 양산을 시작한 디바이스 maker도 있다. 기술적으로는 200mm로부터의 큰 gap은 없기 때문에, 수년 후에는 크게 진전될 것으로 생각한다.
세정 프로세스 기술
세정 기술의 역할은 주로 이하의 4가지의 분야로 나눌 수 있다. 현상과 과제에 대해 서술한다.
(1) 확산 depo 전 세정
확산 depo 전 세정에는 약품으로서, 유산과수(SPM), 희불산(DHF), 암모니아 과수(APM), 염산 과수(HPM)를 이용하는 RCA 세정이 주로 이용되어 왔다. 이 세정 방식은 그 유기물 제거, 금속 오염 제거, particle 제거, chemical 산화막 제거의 기능의 유용성 때문에, 또, 사용 약품이 다른 산업에서도 사용되고 있는 일반적인 것이며, 폐액 처리가 환경에 대해서도 그렇게 부하가 되지 않는다고 하는 관점에서도, 다소의 변형 프로세스는 나온다고 해도, 금후에도 계속 사용될 것으로 생각한다. 오존 수와 전해 이온 수 등의 기능 수의 공급 장치도 시판되고 있는데, 반도체 분야에 있어서는 RCA 세정에 사용되는 약품을 프로세스 성능에서 크게 능가하는 데는 이르지 못하고, 널리 사용되고 있다고는 말하기 어렵다. 매엽 장치에 대한 활용이 주목된다.
(2) Etching 잔류물 제거 (폴리머 제거/ Particle 제거)
Pattern 형성에 있어서는 통상, depo 후, lithography에 의해 resist pattern이 형성되고, resist pattern을 mask로서, 플라즈마 etching이 실시되고, 이어서 플라즈마 ashing에 의해, resist가 제거된다. Ashing후, 피 가공 막에 있어서 etching 잔류물이 없다면 문제는 없지만, 플라즈마 ashing을 실시해도 폴리머 등이 pattern 위, 또는 측벽 부분에 남는 것이 보통이다. 그 성분은 피 가공막, etching gas에 따라 다르고, 유기물 계의 잔류물에는 유기용제계(아민계)의 약품, 산화물 계의 잔류물에는 불화 암모니움계의 약품 또는 그 조합이 사용된다. 현재는 공정에 대응하여 몇 가지의 약품을 나누어 사용할 필요가 있으며, 프로세스를 복잡화 하는 요인의 하나가 되고 있다. 한 종류의 약품으로 가능한 한 많은 공정의 etching 잔류물을 제거할 수 있는 약품이 요구된다. 또, 최근에는 새로운 target 전극 재료, capacitor재료, 배선 재료가 사용되는 상황에 있으며, 종래의 세정 약품을 사용할 수 없는 경우가 있다. 예를 들면, W metal을 사용하는 gate 전극 가공 후의 세정에는 W의 용해성이 크기 때문에 과산화수소수를 포함하는 약품을 사용할 수 없다고 하는 등이다.
(3) Wet 미세 가공
미세한 pattern을 얻으려고 할 경우, resist 이후의 산화막 등을 mask로 하여 플라즈마 etching을 실시하는 경우가 있는데, 약품을 사용하여 mask를 등방적으로 미세 가공하는 경우, wafer 면 내, wafer 간에 높은 wet etch 양 제어 성이 요구된다. 또, hole 내 세정에 있어서는 층간 막에 다른 재료를 적층 하면, 세정 시에 etching rate의 차에 의한 단차가 생기기 때문에, 이종막 간의 등속 etch가 필요하게 된다. 반대로, 높은 선택성 wet etch가 요구되는 공정도 있다. 특수한 약품을 사용하지 않는 한, wet에 의한 가공의 유용성은 바뀔 지도 모른다.
(4) Resist 박리/ 막 박리
Resist 박리에는 고온의 유산과수가 널리 사용되고 있는데, 최근, 고농도 오존 gas와 순수를 wafer 면 위에 혼합하여 박리하는 방식의 장치가 시판되고 있다. 약품 삭감의 면에서는 효과적이라고 생각한다. 막의 박리에 관해서는 depo 공정에 이은 wafer 뒷면의 산화막, poly Si 막 등을 제거하는 것은 종래부터 이루어져왔는데, 최근, Cu 등의 배선 재료, Ru, BST 등 memory의 capacitor에 사용하는 신 재료의 bulk 박리나, 그 contamination 제거가, 오염 방지의 관점에서, wafer 뒷면, 끝면, 표면의 외주에 있어서 필요하게 되었다.
세정 장치 기술
세정 장치는 hard면에서 분류하면, 한번에 처리하는 매수에 따라서, 25~100매 정도를 처리하는 batch식, 1매씩 처리하는 매엽식으로 분류할 수 있고, 약품 처리의 방법에서, dip식, spray식으로 분류된다. 각각, 일장 일단이 있지만, 종래 batch dip 식이 manual draft의 연장선상에서, 처리 방식이 단순하다는 것, 처리 parameter가 주로 dip 시간 뿐이라고 하는 간편함 때문에 사용되어 왔다. 그러나, 단점으로서, particle, 폴리머 잔류물의 재 부착, metal 오염의 영향을 받기 쉽고, etching 균일성에 한계가 있다는 것 등을 들 수 있으며, 금후의 미세화에 대한 불리한 부분도 많다. 그러나, throughput 면에서 매엽 방식보다 우위에 있고, 현재의 디자인 룰에 있어서는 널리 사용되고 있다. Batch spray식은 자전식, 또는 공전식 드럼 안에, wafer를 넣고, 회전 시키면서, 약품, 순수를 토출 시켜 세정하는 방식이다. Particle/ 폴리머 잔류 등의 재 부착이 적고, 약품의 치환성이 좋고, 여러 종류의 약품을 하나의 chamber에서 사용할 수 있다는 등, dip식 보다 우수한 면은 있지만, 회전 수, 시간 설정 등 조건 설정에 know-how의 축적이 필요하다.
매엽식 세정 장치에 관해서는, dip batch식에 대한 merit로서 이하의 항목을 들 수 있다.
(1) particle 폴리머 잔류/ Metal 재부착의 억제
(2) 약품 치환성의 향상에 의한 etching 양 제어성/ etching 균일성 향상, 접합 특성의 개선
(3) 뒷면/ 베벨 막 박리 세정
(4) 고성능 scrubber
(5) Depo 장치와의 cluster화 연속 처리
매엽식은 기본적으로 wafer마다 새로운 약품의 공급이 가능하며, 또, 다른 wafer로부터의 영향을 받지 않기 때문에 재부착의 문제는 피할 수 있다. 또, 매엽식에서는 약품 처리 후, 순수 린스를 batch식과 같이 wafer의 이동을 하지 않고, 실시할 수 있고 또한 wafer를 회전 시키면서 빠른 유속으로 린스를 실시할 수 있기 때문에, 약품 치환성이 좋다. 그 때문에, etching 양 제어성/ 균일성의 향상, via hole 내에 있어서 약품 치환성 향상에서 전기적 접합 특성의 개선이 기대된다.
뒷면/ 베벨 막 박리 세정에서는 편면마다의 세정이 가능한 매엽 세정의 특성을 살려서, wafer 뒷면, 끝면/ wafer 표면 외주에서의 불필요한 막을 제거하는 것, contamination 제거가 이루어진다. 뒷면 약품 처리 시에는, wafer 표면 내부를 약품이 날아드는 것으로부터 보호하는 기능이 필요하게 된다. 표면 외주부의 막 박리의 폭을 제어하는 데는, 뒷면에서 액을 돌려 흘려 보내는 방법, edge에서 노즐로 약품을 토출하는 방법을 취할 수 있는데, 안정성이 중요하다.
세정 프로세스는 연속하여 다른 약품을 사용할 경우가 있으며, 매엽 세정에 있어서, 하나의 chamber에 복수의 약품을 사용할 수 있는 기능은, 공정 단축, 장치의 foot print 저감에 유용할 것이다.
매엽 세정 장치 외의 분야로서, 물리 세정을 이용하는 scrubber를 들 수 있다. Scrubber는 주로 depo 후의 particle 제거에 사용된다. 종래, 물리 세정 방법으로서, 나이론 등의 재질의 롤 브러쉬/ 펜 브러쉬, 메가소닉, 고압 순수 제트가 사용되어 왔다. 그러나, 미세화, 신규 depo 재료가 사용됨에 따라서, 이런 물리 세정 방식이 막에 주는 scratch 등의 damage가 문제가 되었다. 그 때문에 damage가 적고, particle제거 능력이 높은 물리 세정 방식이 요구되었다. 최근, 그 하나의 개선 기술로서, 순수와 N2 또는 DA( 건조 공기)를 하나의 노즐 내에 혼합하여, 순수를 미세한 물방울로서 wafer에 분출하는 2류체 제트 방식이 사용되기 시작했다. (그림 3-1) 기구가 간단하고, low damage, 높은 particle 제거 효과를 얻을 수 있기 때문에, 금후 이용이 확대될 것으로 생각한다.
Gate 형성 공정 등의 depo 품질 향상, 처리 시간 단축을 위해서, 각 depo chamber의 cluster화에 의한 연속 처리가 검토되고 있다. 그 전 처리로서 매엽 세정을 cluster의 일부에 붙이고, Si 면과 막 계면을 제어하는 것에 의한 transistor 성능의 안정성 향상이 기대된다.
다음에, 매엽 방식의 주요 과제인데, 프로세스 성능 면에서는 spin 건조에 의한 water mark 발생, 생산성면에서는 낮은 throughput을 들 수 있다. Water mark에 관해서는 N2에 의한 산소 차단, IPA의 도입 등의 기술에 의한 개선이 보여진다.
Throughput의 향상에 관해서는 chamber 수를 늘리면 향상되는데, foot print, 장치 가격의 증가로 연결된다. 약품 치환성이 좋다는 것을 이용하여, 매엽 세정에 적합한 고속 처리용의 약품을 개발하는 것, spin dry에 의한 건조에 시간을 필요로 하며, 신규 건조 방식을 개발하는 것 등, 높은 throughput화에 대한 대책이 요구된다.
또 모든 세정 방식에 공통된 문제점으로서, wafer 유지부에 있어서 wafer와 지지 재의 마찰에 의한 발진을 들 수 있다. edge cut 영역은 ITRS에서는 이미 1mm 이내가 요구되고 있다. Batch식 세정 장치에 있어서는 금후 특히 큰 문제가 될 것으로 생각되고, wafer 유지 방식, 유지 재료에 더욱 개선이 필요하다.
세정 건조 장치의 동향
건조 방식으로서는 현재, spin dryer, IPA vapor dryer, IPA 마란고니 dryer가 이용되고 있다. 각각 일장 일단이 있는데, 프로세스에 대한 적합성, throughput 또는 약품 사용량의 관점에서 맞게 사용하고 있다. Spin dryer는, water mark의 발생이 현저하고, Si 면이 노출되는 공정에서는 사용할 수 없다. 그러나, IPA를 사용할 수 없는 공정에서는 더욱 유용하다. IPA의 사용량 삭감에는 마란고니 dryer가 유리하지만, throughput이 낮다는 것이 난점이다. 금후, 새로운 건조 방식의 개발이 요구된다.
장치 모니터링(자기 진단) 기능
세정 장치의 모니터링 기능은, 현재, 약품 처리 후의 린스 상태를 모니터 하는 비저항계, 산화막 etching 균일성을 유지하기 위한 불산 농도계 등이 사용되고 있다. 또, 최근에는 metal 오염의 모니터도 가능하게 되었다. 또, 센서에서의 data를 일괄 관리하여, trouble을 사전에 예측하고, 예방 보전에 역할을 하는 soft wafer도 이용하기 시작했다. 제 1단계로서는 큰 trouble을 방지하는 레벨의 간편한 자기 진단 기능의 충실이 요구된다.
300mm 세정 장치
300mm 세정 장치는 기본적으로는 200mm 세정 장치의 단순 scale up이며, particle, metal contamination, etching 균일성, water mark등 프로세스 성능면에서 큰 문제는 없다고 생각한다. 장치의 다른 점으로서 batch식 세정 장치에 있어서 wafer 운송 방법의 변경을 들 수 있다. 300mm wafer에서 wafer 운송 case로서, FOUP(Front Opening Unified Pod)가 채용되고, 그 안에서는, wafer는 수평으로 유지되고 있다. 장치에 set되는 단계에서는 wafer는 수평하지만, 세정 bath내에서는 수직하게 할 필요가 있기 때문에, 수평에서 수직으로 위치 바꿈 기구가 필요하다. 또, FOUP내의 wafer pitch는 10mm이다. 10mm pitch인 채로는 bath 용량이 커지게 되고, 약품 및 순수 사용량이 지나치게 많다. Pitch를 적어도 half pitch인 5mm로 하는 것이 이루어지고 있으며, pitch 변환 기구를 필요로 한다. 위치 바꿈, pitch 변환 기구 자체는 개량이 계속되어 MWBI 5,000매 정도의 운송 신뢰성을 갖게까지 좁혀진 장치도 있다. 그러나, loader부가 크게 되는 경향에 있고, 금후 foot print 저감을 위해서 개량이 요구된다. 다른 300mm 장치의 특징은, 건조기에 있어서, IPA 사용량을 삭감하기 위해서, 개량형 vapor dryer나 마란고니 건조가 많이 사용되고 있다.
환경에 대한 대응
금후의 세정 약품 전반에 관해서, 폐액 처리가 쉽고, 환경에 부하가 걸리지 않도록 하는 것은, 그린 구매 활동이 활발하게 됨에 따라 강하게 요구될 것으로 생각한다. 개발 단계에서 충분한 조사가 필요하다. 또, 장치 구조를 간단하게 하고, 가격 up을 억제하고, 취급을 쉽게 하기 위해서는 위험물이 아닌 것이 바람직하다.
금후를 향하여
장치 maker의 기술력의 진가를 묻는 미세 pattern 영역에 들어왔다. 금후, 미세화에 대응하기 위해서는 particle, metal contamination 저감을 위해서, 접액하는 부품/ 재료의 선정에 있어서는 하나하나 세세한 검토, 조립 전의 부품의 세정, 조립 후 fresh 방법의 재 검토를 요한다. 약품에 관해서는 다용 재료에 대응할 것이 요구되는데, 환경 부하가 큰 재료는 피해야 할 것이다. Soft ware에 관해서는 온라인 soft, RGV, OHT등 자동 운송 기기와의 interface soft는 업계에서 통일하고, 인프라 부분의 cost 저감을 진행할 필요가 있다. 이러한 활동은 300mm wafer를 축으로서 Selete International SEMATECH, SEMI에 있어서 진행하고 있다. 또, 안전 기준에 관해서도 SEMI 표준을 확충해야 할 것이다. 표준화할 부분과 차별화할 부분을 나누고, 한층 cost 삭감의 노력을 하는 것이 업계 전체에 요구되고 있다.
㈜래디언테크는 신기술 벤쳐기업으로 반도체 공정용 장비 및 대기압 플라즈마의 개발/제조와 중고장비를 취급하는 회사입니다.
사업소개
- Dry Etch System 제조(RIE, ICP, Deep RIE)
- AP Plasma Application(대기압 플라즈마)
- 중고장비 Sourcing
- Turn-key Consulting & Refurbishment