KR100664855B1 - 에너지 분산형 엑스선 분광기 분석용 시료의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 EDX 분석용 시료의 제조방법은, 관찰하고자 하는 분석 포인트에 마킹(marking) 작업을 실시하는 단계; 시료를 스테이지(stage)에 수직하게 로딩(loading)하는 단계; 시료의 양 측면에 구리 테이프(Cu tape)를 부착하는 단계; 분석 포인트에 보호막을 코팅(coating)하는 단계; FIB 장비로 분석 포인트의 주변을 밀링(milling)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 마킹(marking) 작업은 분석 포인트에서 3㎛ ~ 4㎛의 거리를 두고 실시되고, 분석 포인트의 양면에 부착되는 구리 테이프(Cu tape)의 길이는 1mm ~ 1.5mm가 되며, 보호막은 백금(Pt)막으로 이루어지고, 밀링(milling) 이후 분석 포인트 주변의 두께는 0.5㎛ ~ 1㎛가 되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따르면, 반도체 소자의 결함을 유발하는 파티클(particle) 등에 대한 EDX 분석을 수행할 때, 분석 포인트의 주변부에 존재하는 기타 레이어(layer)를 제거하여, 성분 분석을 하고자 하는 분석 포인트 영역만 남아있는 박막의 시료를 제작함으로써, 신뢰성 있는 데이터를 공정 및 소자 파트로 피드백(Feedback) 하여, 웨이퍼의 수율의 안정화와 선행공정 개발에 기여할 수 있다.

EDX, FIB, SEM, 시료

Description

에너지 분산형 엑스선 분광기 분석용 시료의 제조방법 {Method for Preparing Samples for Energy Dispersive X-ray Spectroscopy}

도 1 및 도 2는 EDX 원리를 나타내는 개략도.

도 3은 종래 기술에 따른 EDX 분석용 시료의 제조방법을 나타내는 공정 단면도.

도 4는 종래 기술에 따른 방법으로 제작된 시료를 EDX 장비로 분석하는 방법을 나타내는 공정 단면도.

도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 EDX 분석용 시료의 제조방법을 나타내는 공정 단면도.

도 8은 본 발명에 따른 방법으로 제작된 시료를 EDX 장비로 분석하는 방법을 나타내는 공정 단면도.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

10 : FIB 장비 20 : 시료

30 : 분석 포인트 40 : 스테이지

50 : SEM 장비 60 : EDX 장비

100 : FIB 장비 200 : 시료

300 : 분석 포인트 400 : 스테이지

500 : 구리 테이프 600 : SEM 장비

700 : EDX 장비

본 발명은 에너지 분산형 X선 분광기(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy; EDX)의 분석용 시료에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 시료의 데미지(damage)를 최소화하고, 신뢰성 있는 데이터를 제공할 수 있는 EDX 분석용 시료의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 장치는 반도체 기판 상에 전기적 특성을 갖는 패턴을 형 성하기 위한 막 형성, 식각, 확산, 금속 배선 등의 단위 공정을 반복적으로 수행함으로서 제조된다. 최근, 이러한 반도체 장치는 고용량 및 고속의 응답 속도 등을 구현하기 위해 고집적화, 미세화 되어가고 있으며, 이에 따라 보다 미세한 영역의 구조적, 화학적 분석에 필요한 분석 장치 또는 기술의 중요성이 부각되고 있다.

특히, 여러 가지 분석 장치 중에서, EDX(에너지 분산형 X선 분광기)라고 불리는 장비는 정성분석이 가능한 장비로서, 주로 투과 전자현미경(Tranmission Electron Microscope; TEM), 주사 전자현미경(Scanning Electron Microscope: SEM) 등의 전자현미경 계열에 같이 부착시켜 사용하게 된다. 한편, 본 발명은 나노 미터급의 해상도를 가지고 마이크로 스케일 이하에 대한 매우 작은 성분을 영상화 하 는데 대단히 유용한 SEM에서 사용되는 EDX 분석용 시료의 제조방법에 관한 것이므로, 이하에서는 주로 SEM에 대해 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 시료의 표면에 전자현미경의 타겟에서 발생된 전자(incident beam)가 충돌하게 되면, 시료의 표면에 입사된 전자는 시료를 구성하고 있는 원자들을 이온화 및 여기 시키면서 에너지를 읽고 멈추게 되는데, 이 과정에서 상호작용 영역(interaction volume)이 형성되고, 그 상호작용 영역(interaction volume)에서 그 시료의 특성을 갖는 여러 종류의 전자, 예를 들면 2차 전자(secondary electron), 후방산란전자(backscattered electron), 오제 전자(auger electron)과, 이온 및 특성 X-선 등이 방출된다.

이때 이 중에서 EDX 장치는 방출된 특성 X-선만을 따로 디텍팅(detecting) 하여 빔의 에너지대별로 화면에 표시하게 된다. 그리고 이러한 특성 X-선의 에너지의 세기는 물질이 갖는 고유한 값이므로, EDX 장치는 이 시료의 표면에서 방출된 특성 X-선의 에너지의 값을 사전에 입력된 물질마다의 특정 값과 대조하여 최적으로 일치하는 물질을 유추해내게 된다.

한편, 시료에 입사된 1차 전자빔에 의해 바닥의 전자가 여기되어, 내각(예를 들면, K-각)에 홀(hole)이 생기면, 두 가지 과정에 의해 바닥 상태로 돌아가게 된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상부 에너지 준위의 전자가 내각으로 전이되면서 특성 X-선이 방출되거나, 에너지가 주위의 전자로 전달되어 오제 전자(auger electron)가 방출된다. 이때, 특성 X-선과 오제 전자(auger electron)의 에너지는 시료의 원자 번호에 의존하는데, 즉 원자 번호가 클수록 특성 X-선이 더욱 잘 발생 하게 된다.

특히, 입사 전자의 침투 깊이를 나타내는 상호작용 영역(interaction volume)은, SEM의 가속 전압과 시료의 밀도(density)에 의존하여 발생한다. 따라서 SEM에 있어서, 동일한 가속전압의 경우 시료의 밀도의 차이에 따라 상호작용 영역(interaction volume)이 달라지는데, 저밀도의 경우 상호작용 영역이 커지며, 고밀도의 경우 상호작용 영역이 작아지게 된다. 이는 저밀도의 경우 전자의 스캐터링(scattering)이 감소하기 때문이다. 또한 동일한 밀도에서는 가속전압이 클수록 상호작용 영역이 커지는데, 이는 가속전압이 커지면 입사 전자가 더욱 큰 에너지를 가지고 시료와 상호 작용하여 그 상호작용 영역이 커지게 된다. 따라서 시료의 표면에 입사된 전자가 시료와 상호 작용하여 특성 X-선이 형성될 때, 입사 전자의 에너지 크기에 따라 특성 X-선의 에너지 영역이 결정된다.

한편, 이와 같은 원리를 이용하여 반도체 소자의 특성 및 불량 분석을 수행하기 위해서는 EDX 분석용 시료의 제작이 요구된다. 도 3에는 종래 기술에 따른 EDX 분석용 시료의 제작 방법이 도시되어 있고, 도 4에는 종래 기술에 따른 방법으로 제작된 시료를 EDX 장비로 분석하는 방법이 도시되어 있다.

도시된 바와 같이, 종래에는 분석 포인트(30)가 포함된 시료(20)를 수평 방향으로 스테이지(stage)(40) 위에 로딩(loading)한 후, FIB(Focused Ion Beam) 장비(10)로 이온 밀링(milling)을 행하여 시료를 제작하고, 그 시료(20)에 대해 SEM 장비(50)로 전자를 입사한 후, 그 시료(20)에서 방출되는 특성 X-선을 EDX 장비(60)로 디텍팅(detecting)하는 방법으로 분석 공정을 진행하였다.

이러한 EDX 분석에 따르면, 일반적으로 깊이(depth)가 3㎛, 너비(width)가 1.5㎛인 에너지 검출 영역을 형성하고, 그 에너지 검출 영역에 포함된 시료 및 파티클(particle)의 성분을 분석하였다. 그러나 이와 같은 종래 기술에 의한 EDX 분석용 시료의 경우, 웨이퍼의 결함을 유발하는 파티클(particle) 등에 대한 분석을 수행할 때, 파티클(particle)의 주변에 존재하는 다른 성분의 검출로 인해 신뢰성 있는 데이터를 얻을 수 없고, 그로 인해 공정 및 소자 파트(part)로 피드백(feedback) 하였을 때 웨이퍼의 수율이 불안정하고, 특히 0.13㎛, 0.09㎛의 게이트 소자와 같은 선행 공정 개발의 문제점이 발생하게 된다.

본 발명의 목적은, 반도체 소자에 대한 공정의 진행 과정에서 발생되는 소자의 불량을 분석하기 위한 시료를 제조할 때, 그 시료가 받는 데미지를 최소화하고, 신뢰성 있는 분석 데이터를 제공할 수 있도록 시료를 제조하여, 웨이퍼의 수율 향상 및 안정화를 도모하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 EDX 분석용 시료의 제조방법은, 관찰하고자 하는 분석 포인트에 마킹(marking) 작업을 실시하는 단계; 시료를 스테이지(stage)에 수직하게 로딩(loading)하는 단계; 시료의 양 측면에 구리 테이프(Cu tape)를 부착하는 단계; 분석 포인트에 보호막을 코팅(coating)하는 단계; FIB 장비로 분석 포인트의 주변을 밀링(milling)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 마킹(marking) 작업은 분석 포인트에서 3㎛ ~ 4㎛의 거리를 두고 실시되고, 분석 포인트의 양면에 부착되는 구리 테이프(Cu tape)의 길이는 1mm ~ 1.5mm가 되며, 보호막은 백금(Pt)막으로 이루어지고, 밀링(milling) 이후 분석 포인트 주변의 두께는 0.5㎛ ~ 1㎛가 되는 것이 바람직하다.

구현예

이하 도면을 참조로 본 발명의 구현예에 대해 설명한다.

도 5 내지 도 7에는 본 발명에 따른 EDX 분석용 시료의 제조 과정이 도시되어 있다.

우선, 시료의 관찰하고자 하는 특정 부위 및 파티클(particle)이 존재하는 위치(이하 "분석 포인트"라 함)를 광학 현미경을 통하여 정확히 파악한 후, 레이저 현미경(Laser Microscope)를 통하여 분석 포인트에 마킹(marking) 작업을 실시한다. 이때 분석 시료가 레이저(laser)의 데미지(damage)를 받지 않도록 분석 포인트에서 3㎛ ~ 4㎛의 거리를 두고 마킹(marking) 작업을 실시한다.

그리고 도 5에 도시된 바와 같이, FIB 장비(100)로 분석 포인트(300)가 포함된 시료(200)를 스테이지(stage)(400)에 수직하게 로딩(loading)한다. 한편, 갈륨(Ga) 이온이나 2차 전자 모두 시료의 표면을 통하여 이동하므로, 분석 시료(200)를 스테이지(stage)(400)에 로딩(loading)할 때, 전도성이 좋은 구리 테이프(Cu tape)(500)를 시료의 양 측면에 부착하는 것이 바람직하다. 이때, 시료(200)의 차징(charging) 현상을 방지하기 위해 구리 테이프(Cu tape)(500)의 길이, 즉 스테이지(stage)(400)에서 수직하게 시료(200)에 부착된 구리 테이프(Cu tape)(500)의 높이는 1mm ~ 1.5mm가 되는 것이 바람직하다.

그리고 이와 같이 시료(200)를 스테이지(stage)(400)에 수직하게 로딩한 다음, 이후 FIB 장비에 의한 이온 밀링(milling) 공정에서 분석 포인트가 손상되는 것을 방지하기 위해, 도 5에 도시된 바와 같이 분석 포인트(300)에 보호막을 코팅(coating) 한다. 이러한 보호막 코팅은, FIB 장비(100)에서 1000pA 내지 5000pA 커런트 레벨(Current Level)의 애퍼츄어(Aperture)를 사용하여 시료의 분석 포인트에 백금(Pt) 재질로 보호막을 형성하는 것이 바람직하다.

그리고 도 6에 도시된 바와 같이, 보호막이 형성된 시료에 대해 FIB 장비(100)로 갈륨(Ga) 이온을 시료(200)에 수직하게 입사하여, 분석 포인트(300)의 주변을 수직 방향으로 밀링(milling) 한다. 이때, 구리 테이프(Cu tape)(500)가 부착된 부분에 대해서는 밀링(milling)이 일어나지 않고, 분석 포인트(300) 주변에만 밀링(milling)이 일어난다.

이와 같이 시료(200)가 FIB 장비(100)에 의해 밀링되면, 도 7에 도시된 바와 같이 분석 포인트(300) 주변의 두께는 더욱 얇아지게 된다. 한편, 그 밀링(milling) 이후 분석 포인트(300) 주변의 두께는 0.5㎛ ~ 1㎛가 되도록 하는 것이 바람직하다.

왜냐하면, 시료의 분석 범위가 1㎛ 이내로 되면, 원천적인 특성 X-선의 발생 깊이를 1㎛ 이내로 줄일 수 있게 되어, 측정의 오차 및 시그널 노이즈(Signal Noise) 발생의 원인을 제거하여 분석의 신뢰도를 향상시킬 수 있기 때문이다. 즉, 기존의 EDX 분석의 경우에는 깊이(depth) 3㎛, 너비(width) 1.5㎛의 에너지 검출 영역을 분석하였기 때문에, 예를 들면 구리 배선 공정에서 발생한 파티클을 EDX 장비로 분석할 때, 원래 구리(Cu) 공정에서 사용하지 않는 텅스텐(W), 백금(Pt), 아르곤(Ar) 등의 특성 X-선이 검출되는 경우와 같이, 원하지 않는 파티클의 특성 X-선이 검색되어 분석의 오차를 가져오는 문제가 있었는데, 본 발명에서는 특성 X-선의 발생 깊이를 1㎛ 이내로 줄여서, 그러한 문제가 발생하지 않는다.

한편 도 8에는 본 발명에 따른 방법으로 제조된 시료를 SEM과 EDX 장비로 분석하는 과정이 도시되어 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 완성된 시료(200)의 분석 포인트(300)에 대해 수평 방향으로 SEM 장비(600)에서 전자를 입사하고, 그로 인해 방출되는 특성 X-선을 EDX 장비(700)로 디텍팅(detecting) 하여 시료(200)를 분석하게 된다. 이때 본 발명에 따르면, 분석 포인트(300) 주변의 두께가 매우 얇기 때문에 EDX 장비(700)에 의해 시료 또는 파티클의 특성 X-선만 디텍팅(detecting) 되고, 원하지 않는 다른 물질의 특성 X-선은 디텍팅(detecting) 되지 않으므로, 정확한 시료의 정성 분석을 행할 수 있다.

지금까지 본 발명의 구체적인 구현예를 도면을 참조로 설명하였지만 이것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 평균적 지식을 가진 자가 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것이고 발명의 기술적 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의하여 정하여지며, 도면을 참조로 설명한 구현예는 본 발명의 기술적 사상과 범위 내에서 얼마든지 변형하거나 수정할 수 있다.

본 발명에 따르면, 반도체 소자의 결함을 유발하는 파티클(particle) 등에 대한 EDX 분석을 수행할 때, 분석 포인트의 주변부에 존재하는 기타 레이어(layer)를 제거하여, 성분 분석을 하고자 하는 분석 포인트 영역만 남아있는 박막의 시료를 제작함으로써, 시료에서 발생하는 시그널 노이즈(Signal Noise)와, 분석과 상관없는 레이어(layer)에서 발생하는 특성 X-선을 사전에 제거하여 성분 분석을 실시함으로써, 신뢰성 있는 데이터를 공정 및 소자 파트로 피드백(Feedback) 하여, 웨이퍼의 수율의 안정화와 선행공정 개발에 기여할 수 있다.

Claims (5)

1. 관찰하고자 하는 분석 포인트가 포함된 EDX 분석용 시료의 제조방법에 있어서,

   상기 분석 포인트에 마킹(marking) 작업을 실시하는 단계;

   상기 시료를 스테이지(stage)에 수직하게 로딩(loading)하는 단계;

   상기 시료의 양 측면에 구리 테이프(Cu tape)를 부착하는 단계;

   상기 분석 포인트에 보호막을 코팅(coating)하는 단계;

   FIB 장비로 상기 분석 포인트의 주변을 밀링(milling)하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 EDX 분석용 시료의 제조방법.
2. 제1항에서,

   상기 마킹(marking) 작업은, 분석 포인트에서 3㎛ ~ 4㎛의 거리를 두고 실시되는 것을 특징으로 하는 EDX 분석용 시료의 제조방법.
3. 제1항에서,

   상기 분석 포인트의 양면에 부착되는 구리 테이프(Cu tape)의 길이는 1mm ~ 1.5mm인 것을 특징으로 하는 EDX 분석용 시료의 제조방법.
4. 제1항에서,

   상기 보호막은 백금(Pt)막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 EDX 분석용 시료의 제조방법.
5. 제1항에서,

   밀링(milling) 이후 분석 포인트 주변의 두께는 0.5㎛ ~ 1㎛인 것을 특징으로 하는 EDX 분석용 시료의 제조방법.

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