KR100193977B1 - 광기전 산화물 전하 측정 프로브 기술 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 필드 영역에서 두꺼운 산화물 및 높은 기판 도핑 레벨을 특징으로하는 매우 고밀도의 제품칩을 포함하는 실리콘 기판 위에 배치되는 산화물층의 전하를 측정하는 장치에 관한 것이다. 특별 설계된 극히 얇은 도전성 프로브는 전하가 측정될 산화물층으로 눌러진다. 밑에 있는 실리콘 표면을 축적 또는 역전으로 바이어스하기 위해 바이어스가 프로브에 인가된다. 세기 변조된 광 빔은 프로브 접촉점에 포커스된다. 결과적인 진폭 변조 광전압은 검파되고 그로부터 산화물 전하의 값을 도출하기 위해 게산기에 인가된다.

Description

광기전 산화물 전하 측정 프로브 기술
도면은 프로브와 실리콘 디바이스 성분의 단면도 및 가장 양호한 실시예의 나머지 성분들의 블록 다이어그램을 포함하는 간략화된 복합도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 광 소스 2 : 광 소스 구동기
3 : 발진기 4 : 광 빔
5 : 프로브 6 : 산화물층
7 : 실리콘 기판 8 : 커패시터
9 : 증폭기-검파기 10 : 산화물 전하 계산기
11 : D.C. 바이어스 소스
본 발명은 일반적으로 마이크로일렉트로닉 디바이스 칩의 산화물의 전하를 측정하는 것에 관한 것으로서, 특히 디바이스 신장 밀도가 높고, 필드 영역에서 산화물이 비교적 두꺼우며 기판 도핑 레벨이 비교적 높은 것을 특징으로 하는 VLSI 제품 칩의 산화물의 전하를 측정에 관한 것이다.
산화물의 전하(oxide charge)를 측정하기 위한 공지된 커패시턴스 대 바이어스 전압(capacitance versus bias) 기술은 칩의 실리콘 상 산화물(oxide-on-sillicon) 영역 내의 액세스 공간 구속 조건(access space constraints)으로 인하여 허용 프로브 사이즈가 매우 제한되기 때문에 현재의 디바이스 밀도가 높은 칩용으로서는 적합하지 않다. 제한된 프로브 영역은 소망된 산화물 전하 측정을 획득하기 위한 최종 데이터 신호의 신호-대-잡음비를 감소시킨다. 더욱이, 접근 가능한 VLSI 측정 위치의 전형인, 산화물의 두께가 증가하고 실리콘 도핑 농도가 증가하는 경우에 이러한 상황은 악화되며, 이에 의해 C-V 트레이스의 최대 및 최소 커패시턴스가 서로 같아지게 된다. 따라서, 잡음이 가득하고 거의 동일한 크기의 커패시턴스들 간의 격차를 증폭하려는 것이 문제로 대두되었다. 결과적으로 신호는 사용하기에는 너무 약해지고 잡음 투성이가 된다.
반도체 디바이스의 표면에스의 무접촉 측정(contactless measurement)을 이행하기 위해 용량성 픽업(capacitive pick-up) 상에 가변 바이어스 전압을 활용하는 광기전 효과를 채용하는 것이 공지되어 있다.(광이 투과할 수 있도록 하기 위한) 투명 전극 및 전극과 밑에 있는 반도체 사이의 절연체 또는 에어갭(air gap)은 항상 채용된다. 상기와 같은 픽업 프로브는 비교적 광범위한 일루미네이션(illumination) 및 주변 용량성 픽-업 영역이 측정 이행 중인 디바이스 상에서도 유용할 수 있게 되는 것을 요구한다. 1992. 2. 11에 제출된 Lesz다 Reiss 등의 미합중국 특허 제5,087,876호, 1991. 6. 18에 제출된 Jacek J. Lagowski의 미합중국 특허 제5,025,145호, 1989. 5. 2에 제출된 Emil Kamieniecki의 미합중국 특허 제4,827,212호, 1984. 8. 7에 제출된 Chusuke Munakata 등의 미합중국 특허 제4,464,627호, R. L. VerKuil의 제목이 Rapid Contactless Method for Measuring Fixed Oxide Charge Associated With Silicon Processing인 IBM% Technical Disclosure Bulletin, 1981년 11월, Vol. 24, No. 6의 논문, 이들 모두는 상술된 광기전 효과 기술의 예시들이다.
1990. 9. 11에 제출된 Vincenzo Russo의 미합중국 특허 제4,956,603호에는 접합의 한쪽 측면에 알려진 세기의 광을 조사하는 단계 및 접합의 단부에서 광기전 효과에 의해 발생된 전압을 측정하는 단계를 포함하는 PN 반도체 접합의 수명 측정방법이 개시되어 있다. 상기 방법은 LSI 웨이퍼의 산화물 전하 측정에 적합하지 않다.
본 발명의 목적은 25 마이크론-크기 이하의 두꺼운 산화물이 있는 MOS 구조 및 다량으로 도핑된 실리콘 구조 상의 산화물 전하를 측정하는 기술을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 VLSI 제품 칩의 산화물 전하의 인라인(in-line) 측정을 위한 기술을 제공하는 것이다.
산하물 전하를 나타내는 신호-대-잡음비가 우수한 강력 신호를 제공하기 위한 광기전 효과 기술 및 특별 설계된 접촉 프로브를 사용함으로써 본 발명의 상기의 목적 및 그 외의 목적들이 가장 양호한 실시예에서 실현된다. 앞서 논의된 커패시턴스 대 바이어스 전압에서와 같이, 실리콘 표면이 축적(accumulation)에서 반전(inversion)으로 바이어스되는 경우 MOS 커패시턴스는 충분히 변화하지 않는 반면에, 광기전 효과는 실리콘 표면의 현격하게 큰 축적에서 반전으로의 변화를 보이는 MOS 시스템의 상이한 전기적 성질을 측정할 수 있게 한다.
간략하게, 대단히 얇고 불투명한 도전성 프로브는 전하가 측정될 산화물층으로 향하게 된다. 바이어스는 밑에 있는 실리콘면을 축적 또는 반전으로 바이어스하기 위해 프로브에 인가된다. 세기 변조 광빔(intensity modulated light beam)은 프로브 접촉점의 지점에 측면으로부터 포커스된다. 종래의 충분한 광이 투과할 수 있는 투명 프로브 내의 영역은 제거되어서 더 좁은 프로부 접촉점(contact)을 가능하게 한다. 결과적이 진폭 변조 광전압(photo voltage)은 프로브로부터 광을 세기 변조하는 신호와 동일한 신호에 의해 구동되는 동기 검파기까지 용량적으로 결합된다. 검파된 신호는 산화물 전하의 값을 도출해내기 위해 계산기에 인가된다.
광기전 효과 또는 표면 광전압 효과는 전자-정공 쌍이 발생하기에 충분한 에너지를 갖는 광이 실리콘 표면에 입사하는 경우에 발생한다. 실리콘 표면이 결핍(depleted)되고 역전(inverted)되는 것으로 인하여 실리콘의 표면에 전기장이 존재하는 경우, 이에 따라 광 유도 전자 정공쌍은 실리콘 표면의 전기장에 의해 분리되며 이에 의해 전자 정공쌍은 원래 표면 전기장의 반대 방향으로 그들 고유의 전기장을 만들고 원래의 표면 전기장을 상쇄한다. 실리콘 표면의 알짜 전기장이 감쇠함에 따라, 실리콘 표면 전위에는 광전압이라고 알려진, 상응하는 변화가 발생한다.
광전압의 검파를 촉진하기 위해, 도면의 광 소스(1)의 세기는 광 소스 구동기(2)에 의해 사인 함수의 형태로 변조된다. 구동기(2)는 발진기(3)로부터 사인 함수형 제어 신호를 교대로 수신한다. 소스(1)로부터의 광 빔(4)은 실리콘 기판(7) 위에 배치되는 프로브(5)와 산화물층(6) 사이의 접촉점에 포커스된다. 광 빔(4)은 접촉점에서 불투명한 도전성 프로브(5)의 그림자 효과를 최소화하기 위해 도시된 바와 같이 측면부로부터 발산하는 경로를 따라 지향된다. 프로브에 가능한한 최소의 직경을 허용하기 위해 광을 축방향으로 유도하기 위한 어떠한 설비도 프로브내에는 갖추어져 있지 않다.
산화물층(6)으로의 접촉점에 입사하고 산화물층을 투과하여 밑에 있는 실리콘 기판을 향하는 세기 변조 광빔으로부터 유발된 사인 함수형 광전압은 커패시터(8)를 통해서 록-인(lock-in) 증폭기-검파기(9)에 결합된다. 검파기(9)는 사인 함수형 광전압의 동기 검파를 위해 발진기(3)로부터 사인 함수형 기준 신호를 수신한다. 검파된 광전압의 진폭은 산화물 전하 계산기(10)에 인가된다. D.C. 바이어스 소스(11)는 프로브(5)를 통해서 전압을 제공하여서 밑에 있는 실리콘 표면을 축적 또는 역전으로 바이어스한다.
주어진 광세기에 대해서, 광전압 신호는 하부 산화물이 비교적 두껍고 실리콘 도핑 농도가 비교적 높음에도 불구하고 실리콘 표면이 축적에서 역전으로 구동되는 경우에 10배 내지 100배로 변화한다. 예를 들어, 산화물 두께가 1000Å이며 실리콘 도핑 농도가 5E17 원자/㎤인 경우, 축적-대-반전 MOS 커패시턴스 신호는 단지 10%만이 변화한다. 이것은 본 발명에 의해 사용된 인자 100에 의한 상응하는 광전압 변화와는 대조적이다. 수반된 신호-대-잡음 전압은 산화물 전하 측정을 위해 유용한 데이터를 획득하면서 프로브 팁 면적을 현저하게 감소시킬 수 있다. 프로브 팁 면적을 감소시키는 데에는 두가지 주된 이유가 있다. (1) 측정을 위해 매우 작을 오픈 면적이 가능하기 때문에 소영역 산화물 측정은 제품 웨이퍼 상에 직접 전하 문제를 모니터하고 진단하기에 가장 적합하다. 그리고, (2) 후술하겠지만 특정한 기계적 성직을 갖는 경성의 불투명한 바늘을 사용함으로써 적은 면적의 전극이 구현될 수 있다.
본 발명에 사용하기 위한 양호한 프로브가 발명자가 본 발명과 동일하며 본 발명의 양수인에게 양도된 1993년 12월 22일에 출원된 제08/173,320호 Probe Oxide-Semiconductor Method and Apparatus for Measuring Oxide Charge on a Semiconductor Wafer에 설명되어 있다. 산화물 전하를 측정하기 위해 상기 프로브를 사용하는 특별 설계 프로브 및 커패시턴스 대 바이어스 전압 기술을 설명한다. 또한 동일한 프로브가 본 발명의 산화물의 두께가 두껍고 도핑 농도가 높은 광전압 환경에 특히 적합하다. 본 발명은 대면적의 프로브가 광기전 신호를 발생시키기에 필요한 광빔을 너무 많이 차단하기 때문에 적은 면적의 프로브를 사용할 필요가 있다. 본 발명의 한 경우, 광방출 다이오드(LED)는 밑에 있는 실리콘 표면을 축적 또는 역전으로 바이어스시키는 텅스텐 바늘의 약 15마이크론 직경의 팁에 포커스된다.
간략하게 말하면, 상기 언급된 특허 공개 제08/173,320호에 교시된 바와 같이, 도전성인 프로브 바늘이 제공되는데, 이 바늘은 D1 영역에서는 제1곡률 반경 D2 영역에서는 제2곡률 반경을 갖는 원형 팁을 가지는데, 제2곡률 반경은 제1곡률 반경보다 크다. 프로브같은 바늘은 실리콘 기판(7)의 산화물층(6) 상에 배치되며 바늘팁은 니들 마운트(needle mount)에 의해 제어되면서 층(6)의 표면에 내려진다. 산화물층(6) 및 기판(7)의 표면 영역은 사운드(sound) 전기 접속을 하도록 인터메이트(intermate) 영역 접촉을 하기 위해 도시된 바와 같이 탄성 변형(elastic deformation)한다.
상술된 바와 같이, 본 발명은 바이폴러 또는 CMOS 제품 웨이퍼의 전하 문제점의 해결 방법 및/또는 이해에 그 주안점을 두고 있다. 자주, 제품 웨이퍼에 전하 문제가 발생하는 경우, 동일한 전하 소스가 제품 웨이퍼의 필드 영역에도 또한 영향을 끼칠 수 있다. 이러한 상황이 발생하는 경우, 필드 영역의 오픈 에리어는 매우 좁은 프로브에 접속될 수 있어서 예를 들어 중심에서부터 가장자리까지 웨이퍼를 가로질러서 뿐만 아니라 칩 내의 정보가 되는 기울기(informative gradient)에 대한 전하 문제점을 측정할 수 있다. 그러나, 필드 영역은 두꺼운 산화물을 가지려는 경향이 있으며 어떤 경우에는 높은 도핑 농도를 더 가지려는 경향이 있다. 이것은 엄밀하게는 본 발명에 의한 상술된 데이터-포함(data-bearing) 신호의 신호-대-잡음비의 향상이 매우 유익함을 증명한다.
본 발명이 양호한 실시예로서 설명되었으나, 당분야의 숙련공에게는 본 발명의 정신을 벗어남 없이 수 많은 변경 및 수정이 발생할 수 있다. 본 발명의 청구 범위는 본 발명의 범위 내에 있는 그러한 수정 및 변경들을 포함하고자 한다.

Claims (9)

  1. 실리콘 기판 위에 배치되는 산화물층 내의 전하를 측정하는 장치에 있어서, 상기 산화물층과 접촉하며, 팁과 프로브의 측면 방향으로부터 상기 프로브와 상기 산화물과의 접촉점을 조사(illuminating)하는 포커스된 광빔 수단을 가지는 프로브, 상기 광 빔 수단에 결합되고 상기 기판 내에 변조된 광전압을 발생시키기 위해 상기 광을 세기 변조하는 변조 수단, 상기 프로브 및 상기 변조 수단에 결합되고 상기 광전압을 검파하는 동기 검파기, 및 상기 검파된 광전압을 수신하여서 상기 광전압으로부터 상기 전하의 값을 도출하도록 결합된 계산 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물층 내에서의 전하 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 팁은 내부 접촉 영역이 제1곡률 반경을 가지며 외부 비접촉 영역이 제2곡률 반경을 가지는 것에 의해 특성지워지며, 상기 제1반경은 상기 제2반경보다 큰 것을 특징으로 하는 산화물층 내에서의 전하 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 프로브에 결합되고 상기 기판을 축적(accumulation)으로 바이어스하는 직류 바이어싱 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물층 내에서의 전하 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 프로브에 결합되고 상기 기판 표면을 역전으로 바이어스하는 직류 바이어싱 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물층 내에서의 전하 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 변조 수단은 상기 광을 사인 함수 형태로 세기 변조하는 것을 특징으로 하는 산화물층 내에서의 전하 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 프로브는 텅스텐 바늘인 것을 특징으로 하는 산화물층 내에서의 전하 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 바늘의 팁 직경은 15 마이크론 정도인 것을 특징으로 하는 산화물층 내에서의 전하 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 산화물층은 두께가 약 1000Å인 것을 특징으로 하는 산화물층 내에서의 전하 측정 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기판은 도핑 농도가 약 5E17 원자/㎤인 것을 특징으로 하는 산화물층 내에서의 전하 측정 장치.
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