KR100308639B1 - 반도체소자의트렌치프로파일깊이측정방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 셀내에 형성된 트렌치의 프로파일 깊이를 측정하는 트렌치 프로파일 깊이 측정 방법에 관한 것으로, 반도체 소자의 셀 내에 트렌치를 형성할 때 반도체 소자의 스크라이브 라인 상에는 트렌치 폭보다 기설정된 배율만큼 큰 테스트 패턴을 형성하는 단계와; 트렌치 및 테스트 패턴이 형성된 후, 테스트 패턴의 프로파일 깊이를 측정하는 단계와; 측정된 테스트 패턴의 프로파일 깊이 및 배율에 의거하여 트렌치의 프로파일 깊이를 측정하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명은 AFM 장비를 이용하여 트렌치 내부의 프로파일 깊이를 측정할 수 있도록 함으로서, 측정 시간의 단축, 비용 절감을 통해 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 트렌치 프로파일(trench profile) 깊이 측정 방법에 관한 것으로, 특히 트렌치 테스트 패턴(trench test pattern)을 스크라이브 라인(scribe line)상에 형성하여, 셀(cell)내의 트렌치 프로파일 깊이를 측정하는 트렌치 프로파일 깊이 측정 방법에 관한 것이다.
최근 반도체 디바이스가 초고집적화되어 갈수록 디자인룰(design rule)이 극미세화되고, 토폴로지(topology) 단차는 더욱 높아만 가고 있는 실정이다. 이에 따라 반도체 디바이스의 구조를 스택(stack) 구조에서 토폴로지 단차를 줄일수 있는 트렌치 구조로 시도되고 있으나, 트렌치 제조 공정의 복잡성과, 안정된 공정 관리의 어려움으로 인하여 스택 구조로 주로 생산하고 있다. 그럼에도 불구하고, 초고집적화율을 높이기 위해 최근 트렌치 구조 디바이스 기술에 대한 활발한 연구가 진행되고 있다.
통상, 트렌치 에칭(trench etching) 및 리세스(recess) 공정, 즉 실리콘 서브(Si sub) 밑부분속으로 깊이를 에칭하는 공정은, 깊이에 따른 에치(etch) 속도를 시간으로 정하여 수행하는, 시간 에치 기법을 적용하고 있다. 예를 들어, 에칭 깊이가 10㎛이고, 에칭 속도가 분당 0.8㎛일 경우, 에칭 시간을 12분 30초로 정해놓고 에칭을 수행하는 것이다. 그러나, 상술한 시간 에치 기법을 이용한 트렌치 형성 방법은 비교적 오랜 시간동안, 또는 정해진 시간동안 에칭을 하기 때문에 에칭 시스템의 파라미터, 예를 들어, 압력, 가스(gas), 전력(power), 온도 등이 불안정하게 진행될 수 있어 공정 특성의 변화를 초래할 수 있으며, 각 파라미터의 변화에따른 트렌치 프로파일 깊이들이 일정하지 않음으로 인하여 공정의 재현성 문제가 존재한다.
트렌치의 프로파일 깊이는 커패시터의 용량을 결정하는 것으로, 디바이스에 치명적인 영향을 줄 수 있으며, 불균일한 공정 결과는 후속 공정에도 영향을 주어 불량을 유발하기 때문에 공정 결과를 확인하는 작업이 필요하다. 따라서, 종래에는 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 셀 지역(A)내에 트렌치 커패시터(capacity)(5)를 형성한 후, AFM(Automic Force Microscopy), 장비를 이용하여, 프로파일 깊이를 측정하는 방식을 적용하였다. 그러나, 이러한 측정 장비는, 비교적 측정 시간이 짧게 소요됨에도 불구하고, 트렌치 커패시터의 깊이 대 폭 관계에 따른 측정 범위의 한계를 갖고 있으며, 디바이스가 초고집적화 될수록 트렌치 내부의 작고 깊은 홀은 더욱 측정하기 힘들게 되었다.
따라서, 종래의 개선된 기술로, 브로큰(broken) SEM 프로파일로 트렌치의 프로파일 깊이를 측정하는 기술이 이용되고 있다. 그러나, 브로큰 SEM 프로파일로 트렌치의 프로파일 깊이를 측정하는 기술을 이용할 경우, 인-라인-팹(IN LINE FAB) 내에서는 측정이 어려워 인-라인-팹 밖으로 웨이퍼를 가져나가야 하는 번거로움과, 공정 관리의 불안정에 따른 품질 저하가 우려되고, 웨이퍼를 파괴(broken)하여 수직 SEM 프로파일로 측정하기 때문에 시간 및 비용이 비교적 많이 소요되어 생산성이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 트렌치 테스트 패턴을 반도체 소자의 스크라이브 라인상에 형성하여, AFM 장비로서도 충분히 트렌치 내부의 프로파일 깊이를 측정할 수 있도록 함으로서, 측정 시간의 단축, 비용 절감을 통해 생산성을 향상시킬 수 있는 트렌치 프로파일 깊이 측정 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여, 반도체 소자의 셀내에 형성된 트렌치의 프로파일 깊이를 측정하는 트렌치 프로파일 깊이 측정 방법에 관한 것으로, 반도체 소자의 셀 내에 트렌치를 형성할 때 반도체 소자의 스크라이브 라인 상에는 트렌치 폭보다 기설정된 배율만큼 큰 테스트 패턴을 형성하는 단계와; 트렌치 및 테스트 패턴이 형성된 후, 테스트 패턴의 프로파일 깊이를 측정하는 단계와; 측정된 테스트 패턴의 프로파일 깊이 및 배율에 의거하여 트렌치의 프로파일 깊이를 측정하는 단계를 제공한다.
도 1a은 셀내에 형성된 트렌치 구조를 나타낸 평면도,
도 1b는 셀내에 형성된 트렌치 구조를 나타낸 단면도,
도 2a는 본 발명의 실시예에서 적용된 AFM 장비의 구조도,
도 2b는 반데로발스 힘에 대한 그래프,
도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 스크라이브 라인상에 형성된 트렌치 구조를 나타낸 평면도,
도 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 스크라이브 라인상에 형성된 트렌치 구조를 나타낸 단면도.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
10 : 캔틸레버 20 : 탐침
30 : 레이저빔 발생부 40 : 스플릿 포토 다이오드
50 : 제어부 A : 셀
L : 스크라이브 라인 5, K : 트렌치
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에서, 트렌치 프로파일 깊이를 측정하는데 이용되는 AFM 장비는 샘플위로 움직이는 뾰쪽한 탐침을 이용하여 원자간의 척력이나 인력(반데로발스 힘 : Van der waals force)을 조정하여 이미지를 형성하는 것으로, 도 2a에는 AFM 장비를 이용하여 소정 시편의 프로파일을 측정하는 측정 원리를 설명하기 위한 도면이 도시되고, 도 2b에는 반데로발스 힘에 대한 그래프가 도시된다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 캔틸레버(cantilever)(10)의 끝단에는 탐침(20)이 부착되어 있으며, 레이저 빔 발생부(30)는 캔틸레버(10)를 향하여 레이저빔을 조사하는 작용을 한다. 스플릿 포토 다이오드(split photo diode)(40)는 탐침(20)으로부터 반사되어 오는 레이저빔을 수신한후, 이를 전기적 신호로 변환하여 제어부(50)에 제공하며, 제어부(50)는 스플릿 포토 다이오드(40)로부터 입력되는 전기적 신호에 의거하여, 캔틸레버(10)의 휨변화를 측정하고, 시편(100)의 프로파일을 측정하는 작용을 한다.
도 2a에서, 캔틸레버(10)의 끝단에 부착된 탐침(20)이 시편(100)에 접근하면, 탐침(20)과 시편(100)간에는 도 2b와 같은 반데로발스 힘이 작용한다. 따라서, 탐침(20)과 시편(100)간에 작용하는 반데로발스 힘에 의해 캔틸레버(10)가 휘게되는데, 여기에서 캔틸레버(10)의 휨은 캔틸레버(10)의 이동을 나타낸다 할수 있으며, 그것은 캔틸레버(10)가 후크의 법칙(hooke's law)을 따르기 때문이다. 한편, 레이저빔 발생부(30)는 캔틸레버(10)를 향하여 레이저빔을 조사하고, 캔틸레버(10)로부터 반사된 레이저빔은 스플릿 포토 다이오드(40)로 제공된다.
스플릿 포토 다이오드(40)는 도 2a에 도시된 바와 같이, 두 개의 서로 다른 포토 다이오드(40a, 40b)가 이격되어 설치된 것으로, 캔틸레버(10)로부터 반사되어 오는 레이저빔을 각각으로 수신한 후, 이를 전기적 신호로 변환하여 제어부(50)에 제공한다. 제어부(50)는 스플릿 포토 다이오드(40)로부터 입력되는 전기적 신호에 의거하여, 캔틸레버(10)의 휨변화를 측정하고, 휨변화에 따라 시료의 프로파일을 측정한다.
이러한 AFM 장비는 측정 범위가 정해져 있는데, 이를 표 1로 나타내면 다음과 같다.
| 최대 트렌치폭 | 측정 가능한 프로파일 최대 깊이 |
| 0.18㎛ | 0.80㎛ |
| 0.25㎛ | 1.00㎛ |
| 0.35㎛ | 1.50㎛ |
| 0.50㎛ | 2.00㎛ |
| 1.00㎛ | 7.00㎛ |
| 1.50㎛ | 10.00㎛ |
표 1을 보면 알 수 있는 바와 같이, 트렌치 폭이 작을수록 AFM 장비로 측정할 수 있는 프로파일 최대 깊이는 낮아진다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 반도체 소자의 스크라이브 라인(L)상에 충분히 큰 트렌치 테스트 패턴을 형성하되, 로딩 효과(loading effect)를 이용하기 위하여 서로 같거나 다른 여러 가지 크기의 패턴을 형성하고, 형성된 테스트 패턴을 이용하여 트렌치 마스크 패턴을 형성하고, 마스크 패턴을 이용하여 트렌치(K)를 에칭한다.
이후, 스크라이브 라인(L)상에 형성된 트렌치의 깊이(S)를 도 2a에 도시된 AFM 장비를 이용하여 측정하고, 수학식1에 의거하여, 스크라이브 라인(L)상의 트렌치 프로파일 깊이(S)로부터 셀내에 형성된 트렌치 프로파일 깊이(C)를 유도한다.
S : 스크라이브 라인(L)상에 형성된 트렌치의 프로파일 깊이
α : 비례 상수
C : 셀내에 형성된 트렌치의 프로파일 깊이
여기에서, 비례상수α는 셀내의 트렌치의 프로파일 깊이와 스크라이브 라인상의 트렌치의 프로파일 깊이의 비로써, 다수의 실험, 예를 들어 2 내지 3 회의 실험 등을 통해 결정된 비례상수이다.
반도체 소자의 트렌치 프로파일을 측정하는 AFM 장비는 근접한 시편 표면과 탐침의 원자들이 겹칠 때 발생하는 척력을 이용한 접촉 모드, 탐침과 시편 표면의 원자들 사이에 작용하는 인력을 이용한 비접촉 모드, 및 태핑 모드(tapping mode)로 분류할 수 있으며, 이중 포텐셜(potential)표면의 손실, 및 물리적인 손실을 제거할 수 있는 비접촉 모드의 AFM 장비를 이용함이 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시예의 원리를 리세스(recess) 공정에도 적용할지라도, 동일한 효과를 얻을 수 있음을 본 분야에 종사하는 자라면 누구라도 알 수 있을 것이다.
이상, 설명한 바와 같이, 본 발명은 AFM 장비를 이용하여 트렌치 내부의 프로파일 깊이를 측정할 수 있도록 함으로서, 측정 시간의 단축, 비용 절감을 통해 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Claims (3)
- 반도체 소자의 셀 내에 형성된 트렌치의 프로파일 깊이를 측정하는 방법에 있어서,상기 반도체 소자의 셀 내에 트렌치를 형성할 때 상기 반도체 소자의 스크라이브 라인 상에는 상기 트렌치 폭보다 기설정된 배율만큼 큰 테스트 패턴을 형성하는 단계와;상기 트렌치 및 테스트 패턴이 형성된 후, 상기 테스트 패턴의 프로파일 깊이를 측정하는 단계와;상기 측정된 테스트 패턴의 프로파일 깊이 및 상기 배율에 의거하여 상기 트렌치의 프로파일 깊이를 측정하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 트렌치 프로파일 깊이 측정 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 트렌치의 프로파일 깊이는,탐침을 구비한 AFM장비를 이용하여 측정하는 반도체 소자의 트렌치 프로파일 깊이 측정 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 제 2 트렌치의 프로파일 깊이는,상기 탐침과, 상기 제 2 트렌치 내부 표면의 원자들 사이에 작용하는 인력을 이용한 비접촉 모드로 작용하는 AFM 장비를 이용하여 측정하는 반도체 소자의 트렌치 프로파일 깊이 측정 방법.
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