KR100468865B1 - 이차원적인 도펀트 분포의 분석을 위한 선택적 전기화학에칭방법 - Google Patents
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Abstract
선택적 전기화학에칭방법에 관해 개시된다. 개시된 방법은: 대향 전극이 마련되고 애쳔트가 수용된 베스 내에서, 그 상면에 적어도 하나의 도핑영역이 형성된 시편을 전기적으로 바이어스 시킨 상태에서 상기 도핑영역의 도핑농도에 의존하여 도핑영역을 선택적으로 에칭하는 방법에 있어서, 상기 바이어스 전압을 도핑영역이 형성되는 면에 대향하는 상기 시편의 저면에 인가하여 홀커런트가 상기 시편의 저면으로부터 공급되도록 한다. 본 발명에 의하면, 시편의 저면에 콘택트층을 형성하여 이로부터 홀 커런트가 공급되게 함으로써 종래 방법에 비해 실제와 매우 근접하고 재현성이 양호한 도핑 분포를 얻을 수 있게 되었다.
Description
본 발명은 전기화학 에칭방법(electrochemical etching method)에 관한 것으로서, 상세히는 이차원적인 도펀트 분포(dopant profile)의 분석을 위한 선택적 전기화학 에칭방법(selective electrochemical etching method for two dimensional dopant profiling)에 관한 것이다.
1980년대 중반이래 Si 반도체 공정 기술의 눈부신 발전은 소자의 크기를 서브미크론(submicron) 이하로 줄이는데 성공하였다. 이러한 미세한 소자의 제작을가능하게 만든 기술 중의 하나가, 정확히 조절된 에너지(energy)와 농도(dose)의 도펀트를 기판에 가속시켜 주입시키는 이온 주입(ion implantation) 기술이다.
더욱 더 발전된 고집적, 고성능 Si 소자의 실현과 소자의 정확한 동작 특성을 제어하기 위해서는 주입된 도펀트의 분포 상태에 대한 정확한 정보의 확보가 필수 불가결한 요소가 되었다.
이러한 요구를 충족시키기 위하여, SIMS(secondary ion mass spectroscopy)혹은 SRP(spreading resistance profiling) 등이 널리 사용되고 있다. 그러나 SIMS와 SRP는 수 백 미크론(㎛)의 크기를 갖는 영역에 대해서 웨이퍼에 수직인 방향으로의 1 차원적인 도펀트의 분포 상태를 분석 할 수 있지만, 일정 크기 이상의 2차원적인 영역에 대해서 도펀트 분포 상태를 분석하기 어렵고, 더욱이 게이트(gate) 밑의 채널(channel) 영역에 존재하는 도펀트의 수직 방향과 측면(lateral) 방향을 모두 포함하는 이차원적인 분포에 관한 정보를 얻는데 있어서, 시편 준비의 어려움과 낮은 공간 해상도(spatial resolution) 에 따른 측정 한계를 가진다.
이러한 SIMS와 SRP의 한계성을 극복하기 위해 제안된 방법이 선택적 화학 에칭(selective chemical etching) 방법이다. 선택적 화학 에칭방법을 이용하여 n+/p 정크션(junction)내에 존재하는 도펀트, 예를 들어 비소(As)와 같은 5족 원소의 분포 상태는 비교적 쉽게 얻을 수 있는 반면, p+/n 정크션 내에 존재하는 도펀트 예를 들어 보론(boron)과 같은 3족 원소의 분포 상태는 쉽게 얻을 수 없다. 이것은 선택적 화학에칭의 메커니즘이 홀 커런트(hole current)의 공급과 밀접한 연관이 있기 때문이다. 이러한 문제를 해소하기 위하여 p+/n 정크션에 존재하는 도펀트 분포의 분석을 위하여 선택적 화학 에칭 시, UV 를 조사하여 홀 커런트를 Si에 주입시키는 방법이 제안되었다(J. Liu, M. L. A. Dass, and R. Gronsky, Journal of Vacuum Science & Technology, B12, (1994) pp. 353). 그러나, 이 방법은 UV 조사(illumination)를 위해 사용되어지는 UV 램프와 시편 사이의 거리 변화에 대해 에칭율(etching rate)이 민감하게 변화되는 문제점과 에칭 선택도(etching sensitivity)이 n+/p 정크션에 존재하는 비소 분포(As profile)에 비해 매우 떨어진다는 단점을 가지고 있다. 더욱이 시편 두께에 따라 도펀트 분포가 바뀐다는 크나 큰 단점을 가지고 있다 (C. Spinella, Materials Science in Semiconductor Processing, 1 (1998) pp. 55).
최근에, 스피넬라(C. Spinella)는 p+/n 정크션에 존재하는 도펀트 분포를 이차원적으로 규명하기 위해 선택적인 전기화학적 에칭법(selective electrochemical etching method)을 이용한 새로운 방법을 제안하였다(C. Spinella, Materials Science in Semiconductor Processing, 1 (1998) pp. 55).
스피넬라가 제안한 전기화학적 에칭법은 도 1에 도시된 바와 같이 에칭액이 수용된 에칭 배스(electrochemical etching bath) 내에 시편을 에칭하는 것이다. 시편의 상면에는 더미 실리콘(dummy Si)가 형성되어 있고 관찰대상인 시편의 제 1 면(선택적 에칭이 수행되는 면)의 반대인 제 2 면에 Au 콘택트층(contact layer) 및 은 페인트(Ag paint)이 형성되어 있다. 그리고 시편의 제 1 면에 대응하여 금 전극(Au electrode)이 소정거리를 두고 위치된다. 전류는 전원(power supplier)을 통해 시편의 은 패이스트 막을 통해서 공급되고 홀 커런트는 금 전극을 통해 공급된다.
그러나, 이러한 전기화학적 에칭 방법을 이용하기 위해서는 관찰하고자 하는 시편의 제1면이 폴리싱(polishing)되어야 하고, 그리고 제2면에는 제1면의 폴리싱 이후에 Au 가 증착되어야 한다. 이러한 시편의 제2면에 대한 증착 과정 중 혹은, 시편의 취급(handling) 중에 폴리싱된 면이 쉽게 손상 될 수 있다는 공정상의 문제점을 가지고 있다.
도 2는 상기와 같은 방법으로 에칭된 시편의 제1면의 SEM 사진으로 제1면에서의 2차원적인 보론 분포를 보인다. 도 2에서 보이는 것처럼, 보론 분포의 고르지 않아서, 측정된 정크션들의 깊이가 일관성이 없는 결과를 보이고 심지어는 오버 에칭(over etching)에 의해서 게이트 밑에서 보론이 분포된 p+ 영역이 상호 연결되어 있는 것으로 관찰된다(화살표). 즉, 상기와 같은 종래의 선택적 전기화학적 에칭에 의해서는 신뢰성 있는 결과를 얻기 힘들다는 것이다. 이러한 결과는 Au 콘택트층과 시편 간의 접착성 즉 Au와 Si 간의 좋지 않은 접착성, 이로 인한 Au 막의 박리(peel up)에 기인한다고 할 수 있다(H. Nagata, T. Shinriki, K. Shima, M. Tamai, and E. M. Haga, Journal of Vacuum Science & Technology, A17 (1999) pp. 1018).
다른 원인 중의 하나는 시편에 가해지는 홀 커런트 플럭스(hole current flux)의 불균질성(inhomogeneity)이다. 즉, 콘택트층이 형성되는 시편의 제 2 면에 바이어스를 인가되면, 홀 커런트는 분석하고자 하는 모든 p+/n 영역에 균일하게 공급되어야 하지만, 실제 시편 준비 과정 중 발생하는 시편의 단면의 국부적인 차이와 시편의 표면의 기하학적(geometry)의 왜곡 등이 원인이 되어 불균질의 홀 커런트 플럭스가 형성된다. 즉, 도 2에서 보이는 것처럼 에칭에 의해 얻어진 도핑된 영역의 프로파일이 실제와 같이 정확히 보여지지 않고 그 재현성이 결여된 것은, 관찰 대상이 되는 도핑 영역에 홀 커런트가 균일하게 공급되지 못하기 때문이다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 보론 등의 불순물에 의한 도핑 영역의 관찰을 위한 2차원적인 프로파일을 실제에 가깝고 재현성이 있게 얻을 수 있는 선택적인 전기화학적 에칭방법을 제공하는 것이다.
도 1은 종래 선택적 전기화학 에칭방법을 설명하는 도면이다.
도 2는 종래의 에칭방법에 의해 에칭된 시편의 SEM 사진이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 전기화학 에칭방법 중 시편을 제작하는 공정을 보이는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 선택적 전기화학 에칭방법을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 에칭방법에 의해 에칭된 시편의 SEM 사진이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면,
대향 전극이 마련되고 애쳔트가 수용된 베스 내에서, 그 상면에 적어도 하나의 도핑영역이 형성된 시편을 전기적으로 바이어스 시킨 상태에서 상기 도핑영역의 도핑농도에 의존하여 도핑영역을 선택적으로 에칭하는 방법에 있어서,
상기 바이어스 전압을 도핑영역이 형성되는 면에 대향하는 상기 시편의 저면에 인가하여 홀커런트가 상기 시편의 저면으로부터 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 선택적 전기화학 에칭방법이 제공된다.
상기 본 발명의 한 실시예에 따르면, 상기 기판은 n-형이며, 상기 콘택트층은 Al, Ti, W, Ta 그리고 V 로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질로 형성된다.
상기 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 기판은 p-형이며, 상기 콘택트층은 Au, Ag, Pd, Pt 그리고 Ni로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질로 형성된다.
상기 본 발명의 방법에 있어서, 상기 콘택트층은 알루미늄으로 형성하는 것이 바람직하며, 상기 콘택트층에 연결되는 배선으로 은선을 이용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 본 발명의 방법에 있어서, 상기 시편 및 대향전극에 걸리는 상기 바이어스 전압은 0.01 내지 100 V의 범위인 것이 바람직하며, 상기 콘택트층의 두께는 1 nm 내지 100 ㎛의 범위인 것이 바람직하다.
또한, 상기 대향전극 및 이에 연결되는 배선은 Au, Pt, Os, Pd, Ir, Rh, Ru, Co, Ni, Mo, Ti, Fe, W, Ta, V, Be, Cu으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 에쳔트는 HF가 포함되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 선택적 전기화학에칭방법의 한 실시예를 상세히 설명한다.
<<시편 제작>>
이하의 시편의 제작은 웨이퍼 레벨로 이루어지며, 그러나 이해를 돕기 위하여 웨이퍼 전체가 아닌 웨이퍼로부터 분리된 하나의 시편에 대해서만 도면에 도시한다.
도 3a에 도시된 바와 같이 n-타입 Si(100) 웨이퍼(10)을 열적으로 산화시켜 약 10nm 의 실리콘옥사이드(SiO2)막(11)을 형성한다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘옥사이드막(11) 위에 실리콘나이트라이드(Si3N4)막(12)을 소정 두께 예를 들어 160nm 의 두께로 증착한다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 포토리소그래피 및 에칭에 의해 상기 실리콘 나이트라이드막(12)과 그 하부의 실리콘옥사이드(11)을 패터닝한다. 이때의 패턴은 실제 소자에서 게이트에 대응하는 형태를 가진다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 이온 주입장치 등에 의해 Si 웨이퍼(10)의 노출표면에 대한 불순물의 도핑을 실시한다. 이때에 불순물은 예를 들어 BF2이며, 에너지는 75keV, 농도는 1×1015/cm2로 조절한다. 불순물 도핑 후에는 950℃에서 약 30분 동안 어닐링(annealing)을 실시한다.
도 3e에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(10)의 저면에 형성된 자연산화막을 제거한 후 여기에 금속성 콘택트층(13)을 형성한다. 이때에 바람직하기로는 n-Si 와 접착성이 좋고 양질의 오믹 콘택(ohmic contact)을 이룰수 있는 알루미늄(Al)으로 콘택트층(13)을 형성한다. 알루미늄 콘택트층(13)은 스퍼터링에 의해 약 500nm의 두께로 형성된다.
도 3f에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(10)를 전자현미경 관찰에 용이한 크기로 커팅(cutting) 하여 개별적 소자를 얻고 개별 소자 위에 더미 실리콘(dummy Si, 16)를 접착제 예를 들어 에폭시(epoxy, 15)를 접착하여 샌드위치 구조의 시편(100)을 얻는다. 그리고 최종적으로 시편(100)의 관찰 대상면에 대해 그라인딩 및 폴리싱을 행하여 완성된 시편(100)을 얻는다.
<<전기화학적 에칭>>
위의 과정을 통해 얻은 시편(100)의 저면 알루미늄 콘택트층(14)에 Ag paint(15)로 은선(Ag wire, 16))을 고정한 후, 에쳔트에 강한 내부식성을 갖는 크리스탈왁스(crystal wax)을 이용해 관찰하고자 하는 시편(100)의 제 1 면을 제외한 모든 영역을 쉴딩(shielding) 한다. 이러한 시편(100)을 불산, 질산, 아세트산이 1: 100 : 10으로 혼합된 에쳔트가 담겨 있는 베스(bath)에서 선택적 전기화학적으로 시편(100)의 제1면을 에칭한다. 이때에 시편(100)의 제1면에 대향하여 대향전극으로서의 은 전극(Ag electrode, 19)이 위치하며, 이 전극(19)에 역시 은선(20)이 연결되어 있다. 전력공급장치(18)는 상기 두 은선(17)(20)에 연결되며 약 0.8 V 정도의 DC 바이어스 전압을 인가한다. 이때에 시편(100)의 Al 콘택트층(13)은 전기적으로 양(positive)이며 은 전극(19)은 음(negative)이다. 따라서 홀 커런트는 시편 저면의 Al 콘택트층(13)을 통해 시편 상부 측의 도핑영역으로 공급된다.
에칭 시간은 약 5초로 조절하며, 에칭이 완료된 후에는 순수(deionized water)로 세척하여 시편(100)에 잔류하는 에쳔트를 제거한다.
위에서 설명한 에쳔트의 성분과 혼합비, 에칭시간 그리고 바이어스 전압은 적절히 조절될 수 있다.
도 5는 상기와 같은 방법은 에칭된 시편의 제 1 면을 보이는 SEM 사진이다.
도 5에서 보이는 것처럼, 불순물 예를 들어 보론의 도핑 농도에 의존하는 선택적 전기화학 에칭에 의해서 형성된 2차원적인 보론 분포가 "U" 자 모양의 등농도선(iso-concentration line) 형태로 웰(well) 영역에 존재하는 것을 확연히 관찰할 수 있다. 웰 중앙에서, 보론의 등농도선은 시편의 횡방향에 평행하게 유지되지만, 게이트(시편에서는 실리콘나이트라이드막) 밑 부분에서는 위 방향으로 벤딩되어 결국 게이트옥사이드와 실리콘 기판의 경계(interface)에서 중지(termination) 되는 것을 볼 수 있다. 도 2에서 보여준 종래 방법에 의한 에칭결과와는 다르게, 본 발명의 에칭방법으로 얻어진 불순물, 예를 들어 보론이 분포된 영역들은 각각의 해당 웰에서 모두 동일한 경향과 모습을 갖고 있다. 이러한 것은 본 발명의 방법으로 불순물이 도핑된 영역을 균일(uniform)하게 선택적으로 전기화학적인 에칭이 가능하다는 것을 의미한다. 비록, 시편의 저면으로부터 홀 커런트를 공급시켜 주기 위해 n-타입 Si 기판의 저면으로부터 역 바이어스(reverse bias)를 걸어 주었지만, 파라미터 아날라이져(parameter analyzer)인 HP 4155를 이용하여 전류-전압(I-V 특성)을 평가해보면, 수 ㎂의 홀 커런트가 정크션에 공급된다는 것을 알 수 있었다. 도 5에서 가 도핑영역 각각의 웰 중앙에서 측정된 정크션 깊이(상면으로부터 등농도선까지의 거리)는 396 : 5 nm로 Si 소자 공정 시뮬레이션에 널리 쓰이고 있는 SUPREM-IV 시뮬레이터(simulator)을 이용하여 얻은 정크션 깊이인 390.1 nm와 비교적 잘 일치하고 있는 것을 알 수 있었다. 또한 정크션 하부의 경계에 위치하고 있는 등농도선이 게이트 에지(화살표로 표시)의 하부로 연장된 횡방향의 길이(lateral length)는 297 : 5 nm로 측정되었다. 이러한 횡방향의 길이는 기존의 SIMS 혹은 SRP로 측정이 어려운 것으로, 서브미크론(submicron) MOS 소자(device)의 동작 특성과 성능을 좌우할 있는 수 있는 매우 중요한 parameter로 작용할 수 있다.
위의 실시예의 설명에서는 기판이 n-타입이고 그리고 콘택트층이 Al로 형성되는 것으로 설명되었다. 그러나, 다른 실시예들에 따르면, 기판이 p-형이며, 이때에 콘택트층은 예를 들어 Au로 형성된다.
상기 본 발명의 다른 실시예들은 상기 기판은 n-형일 때, 상기 콘택트층은 Al, Ti, W, Ta 그리고 V 로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 또 다른 실시예들은, 상기 기판은 p-형일때, 상기 콘택트층은 Au, Ag, Pd, Pt 그리고 Ni로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질로 형성된다.
그러나 전수한 바와 같이 기판이 n-형일때에는 상기 콘택트층은 알루미늄으로 형성하는 것이 바람직하며, 상기 콘택트층에 연결되는 배선으로 은선을 이용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 실시예에서 시편 및 대향전극에 인가되는 바이어스 전압이 0.8 V 인 것으로 설명되었으나, 이 바이어스 전압은 0.01 내지 100 V의 범위에서 선택될 수 있다.
또한, 전술한 실시예에서 Al 콘택트층이 500nm 인 것으로 설명되었으나 다른 실시예들에 따르면 콘택트층의 두께는 10 nm 내지 100 ㎛의 범위 내에서 선택될 수 있다.
한편, 전류를 공급되는 상기 대향전극 및 이에 연결되는 배선은 은으로 형성되는 것으로 설명되었으나, 다른 실시예에 따르면, Au, Pt, Os, Pd, Ir, Rh, Ru,Co, Ni, Mo, Ti, Fe, W, Ta, V, Be, Cu으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 시편의 저면에 Al 콘택트층을 형성하여 이로부터 홀커런트가 공급되게 함으로써 종래 방법에 비해 실제와 매우 근접하고 재현성이 양호한 도핑 분포를 얻을 수 있게 되었다. 여기에서 n-기판에 대한 콘택트층의 물질로서 Al 이 바람직하다. Al은 n-Si와 양질의 오믹콘택을 이룬다. 그러나, Au의 경우는 n-Si 와 함께 쇼트키 접합을 이루기 때문에 콘택트층으로서는 부적합하다. 그러나, 콘택트층은 Al 외에 Si와 함께 오믹콘택을 이룰 수 있는 전술한 어떠한 물질로도 형성될 수 있다. 상기 Al과 같이 Si에 대해 양호한 접합성을 가지는 콘택트층은 Si 기판으로부터 박리되기 어렵고 따라서 전체적으로 균일한 분포의 홀 커런트, 즉 균질한 홀 커런트 플럭스를 형성할 수 있다. 이러한 좋은 효과에 의해 재현성과 신뢰성 있는 2차원적 도펀트 분포의 분석 결과를 얻을 수 있다.
Claims (8)
- 대향 전극이 마련되고 애쳔트가 수용된 베스 내에서, 그 상면에 적어도 하나의 도핑영역이 형성된 시편을 전기적으로 바이어스 시킨 상태에서 상기 도핑영역의 도핑농도에 의존하여 도핑영역을 선택적으로 에칭하는 방법에 있어서,상기 바이어스 전압을 도핑영역이 형성되는 면에 대향하는 상기 시편의 저면에 인가하여 홀커런트가 상기 시편의 저면으로부터 공급되도록 하는 것을 특징으로하는 선택적 전기화학 에칭방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판은 n-형이며, 상기 콘택트층은 Al, Ti, W, Ta 그리고 V 로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 선택적 전기화학 에칭방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판은 p-형이며, 상기 콘택트층은 Au, Ag, Pd, Pt 그리고 Ni로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질로 형성하는 것을 특징으로 하는 선택적 전기화학 에칭방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 콘택트층은 알루미늄으로 형성하며;상기 콘택트층에는 전기적인 바이어스를 위한 배선으로 은선을 이용하는 것을; 특징으로 하는 선택적 전기화학 에칭방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,상기 바이어스 전압은 0.01 내지 100 V의 범위인 것을 특징으로 하는 선택적 전기화학 에칭방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,상기 콘택트층의 두께는 1 nm 내지 100 ㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 선택적 전기화학 에칭방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,상기 대향전극 및 이에 연결되는 배선은 Au, Pt, Os, Pd, Ir, Rh, Ru, Co, Ni, Mo, Ti, Fe, W, Ta, V, Be, Cu으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 선택적 전기화학 에칭방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,상기 에쳔트는 HF를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 전기화학 에칭방법.
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