KR100664868B1 - 이차이온 질량분석기 분석을 위한 표준시료 및 이를이용한 이차이온 질량분석기 분석 방법 - Google Patents

이차이온 질량분석기 분석을 위한 표준시료 및 이를이용한 이차이온 질량분석기 분석 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 이차이온 질량분석기(SIMS) 분석을 위한 표준시료는, 실리콘 기판의 표면에 동일한 일정 깊이(ΔL)를 갖는 다수의 불순물층이 소정 간격으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 그리고 본 발명에 따른 이차이온 질량분석기(SIMS) 분석 방법은, 이러한 표준시료를 준비하는 단계; 표준시료의 각 불순물층의 깊이(ΔL)를 측정하는 단계; 표준시료를 실제 분석하고자 하는 분석시료와 동일 홀더(holder)에 함께 로딩(loading)하는 단계; 로딩된 표준시료와 분석시료를 동일한 조건에서 이차이온 질량분석기(SIMS)로 분석하는 단계; 표준시료의 뎁스 프로파일 데이터(depth profile data)로부터 불순물층의 수를 계산하는 단계; 표준시료의 불순물층의 깊이(ΔL)와 불순물층의 수를 이용하여 표준시료의 크레이터 뎁스(crater depth)를 계산하는 단계; 표준시료의 크레이터 뎁스(crater depth)를 이용하여 표준시료의 이온 스퍼터링 레이트(ion sputtering rate)를 계산하는 단계; 표준시료의 이온 스퍼터링 레이트(ion sputtering rate)를 이용하여 분석시료의 크레이터 뎁스(crater depth)를 계산하는 단계; 분석시료의 크레이터 뎁스(crater depth)를 이용하여 분석시료의 표면 근처의 뎁스 프로파일(depth profile)을 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다
SIMS, 크레이터(crater), 표준시료

Description

이차이온 질량분석기 분석을 위한 표준시료 및 이를 이용한 이차이온 질량분석기 분석 방법{Standard Specimen for Secondary Ion Mass Spectrometry and Method for Analyzing The Same by Secondary Ion Mass Spectrometry}
도 1은 본 발명에 따른 이차이온 질량분석기(SIMS) 분석을 위한 표준시료를 나타내는 단면도.
도 2는 표준시료의 뎁스 프로파일 데이터(depth profile data)를 도식화 한 분포도.
도 3은 표준시료에 대한 SIMS 분석 후의 크레이터(crater)를 나타내는 단면도.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
10 : 실리콘 기판 20 : 불순물층
30 : 실리콘 프로파일 40 : 불순물층 프로파일
50 : 크레이터
본 발명은 이차이온 질량분석기 분석을 위한 표준시료 및 이를 이용한 이차 이온 질량분석기 분석 방법에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 크레이터 뎁스 측정을 위한 기존의 서페이스 프로파일러를 사용하지 않고 시료의 표면에 대한 정확한 뎁스 프로파일을 정량적으로 측정할 수 있는 이차이온 질량분석기 분석 방법과, 이러한 분석 방법을 위해 사용되는 표준시료에 관한 것이다.
고집적의 반도체 소자는 수많은 공정을 반복적으로 되풀이하여 제조한다. 이러한 공정에는, 다양한 종류의 막 형성, 막에 대한 사진 식각 공정, 막의 평탄화 공정 및 세정 공정 등과 같이 다양한 종류의 공정이 포함된다. 따라서, 각 공정에 사용되는 물질을 정확하게 제어하는 것뿐만 아니라, 각 공정을 진행하기 전후의 공정 상태를 점검하는 것 또한 매우 중요하다. 공정을 반복적으로 진행하면서 오염될 위험의 소지가 높기 때문이다.
한편, 공정 상태를 점검하기 위해, 물질에 존재하는 불순물의 농도를 분석하거나, 주입된 이온의 프로파일을 분석하는 방법이 사용된다. 일반적으로 물질의 상태를 분석하기 위한 장비 중, 시료의 얕은 표면에 대한 뎁스 프로파일을 측정하기 위한 장비로서 주로 이차 이온 질량 분석기(Secondary Ion Mass Spectrometry; SIMS)가 사용된다. SIMS는 표면 분석을 위한 3대 장비 중의 하나로 불릴 정도로 널리 사용되고 있는 표면 분석 장비이다.
SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry) 분석 방법은, 시료 표면에 가속된 일차 이온을 충돌시키면 시료의 표면으로부터 이차 입자들 (이차이온,중성입자, 분자, 전자 등)이 튀어나오는데, 이때 이차 이온의 질량과 개수를 측정하여 시료 표면에 분포하고 있는 물질의 성분 및 깊이 방향으로 각 성분에 대한 농도 분포를 분 석하는 방법이다.
이러한 SIMS의 원리에 대해 간단하게 살펴보면 다음과 같다.
1~20KeV의 운동에너지로 가속된 이온이 고체 표면과 충돌하면, 일차이온의 운동에너지가 고체 표면과 표면 내부의 원자들에 전달되면서 일련의 충돌 현상이 일어난다. 입사 이온의 일부분은 표면에 탄성 충돌한 후 후방산란하지만, 대부분의 이온은 표적내의 원자와 연속적으로 충돌하여 운동 방향이 변하면서 진행한다. 한편, 충돌된 표적 원자는 어떤 에너지 이상의 에너지가 주어지면, 격자 위치에서 탄성 산란하게 된다. 탄성 산란된 일차 충돌 원자는 다시 차례차례 충돌을 일으켜서, 충돌되는 원자의 수를 증가시킨다. 또한 입사 이온은 비탄성 충돌에 의하여 원자의 전자를 여기시키고, 그 운동 에너지를 모두 소모시켜 결국 정지하게 된다. 이와 같이 입사 이온은 이온궤적에 많은 격자 결함을 만들고 표면 부근에서 연쇄충돌(collision cascade)을 일으킨다.
이러한 연쇄충돌 도중 표면 결합에너지보다 높은 운동에너지를 시료 바깥 방향으로 가진 원자는 시료를 떠나 진공 속으로 떨어져 나간다. 이러한 현상을 스퍼터링(sputtering) 이라고 한다. 이때, 스퍼터링된 입자들은 대부분이 기저 상태 혹은 여기 상태의 중성원자로 방출 되고, 이차 전자도 함께 생성된다. 스퍼터링된 입자들 중의 극히 일부가 양이온과 음이온의 상태로 방출되는데 이를 검출하여 개수와, 질량 대 전하의 비(m/e)를 측정하게 된다. SIMS에서 이차이온의 일드(Yield)는 시료 표면의 성분 원소의 농도, 이온화 확률, 스퍼터링 및 일차이온의 전류밀도 등의 곱으로 나타낼 수 있다. 그러므로 이온화 확률과 스퍼터링 일드(yield)를 알 면 실험조건에서 주어지는 일차 이온의 전류밀도와 실험에서 얻어지는 이차 이온의 강도로부터 시료 표면의 농도를 구할 수 있다.
이러한 SIMS 분석 방법의 주요 장점은 극 미량 분석으로서, 검출한계는 AES보다 훨씬 낮은 수준인 ppm 내지 ppb 수준이고, 또한 동위원소를 분석할 수 있으며, 뎁스 프로파일(depth profile)과 이온 이미지(ion image)가 가능하며, 미량 성분의 깊이 분포 측정과 3차원 분석을 할 수 있다. 그러나, 이차이온 일드(yield)가 매질(matrix)과 표면의 전자 상태에 극히 민감하여 매질(matrix)에 따라 스퍼터링된 이차이온의 양이 현저히 다르게 나타나는 매질효과(matrix effect)가 있고, 또한 본질적으로 파괴적인 분석 방법이라는 단점이 있다. 그러나 이러한 매질효과(matrix effect)로 인해, 분석하고자 하는 분석시료와 동일한 매질(matrix)에 정확한 주입량을 알고 있는 표준시료의 분석을 함께 수행함으로써 비교적 정확한 정량 분석 데이터(data)를 얻을 수 있다.
한편, SIMS의 분석 방법 중 뎁스 프로파일(depth profile) 분석 방법은 표면의 깊이(depth)에 따른 불순물의 농도 및 프로파일(Profile)을 분석하는 방법이다. 이하에서는 종래 기술에 의한 SIMS의 분석 방법, 특히 뎁스 프로파일(depth profile) 분석 방법에 대해 살펴본다.
뎁스 프로파일(depth profile)의 정량 분석을 위해서는 시료의 스퍼터링된 부위 즉, 크레이터 뎁스(crater depth)의 측정이 필수적이다. 한편, 반도체 소자의 크기가 점차 집속화, 소형화 되어감에 따라 불순물의 형성 깊이 또한 점점 줄어들고 있고, 분석장비의 분석능력이 점점 그 한계에 달하고 있다. 따라서 위와 같 은 조건을 가진 시료의 분석을 위해서는 시료에 가해지는 임팩트 에너지(Impact energy)를 최대한 낮추고 1Å/s 이내의 낮은 스퍼터링 레이트(low sputtering rate)의 조건으로 분석을 실행해야 한다. 이때 크레이터 뎁스(crater depth)를 서페이스 프로파일러(Surface Profiler)를 이용하여 측정하게 되는데, 이러한 서페이스 프로파일러(Surface Profiler)를 이용하기 위해서는 크레이터 뎁스(crater depth)가 수 마이크론 이상이 되어야 한다.
그러나 낮은 스퍼터링 레이트(low sputtering rate)의 조건으로 크레이터 뎁스(crater depth)가 수 마이크론이 되도록 스퍼터링(sputtering) 하기 위해서는 분석 시간이 필요이상 길어지게 된다. 그리고 분석 시간이 길어지게 되면, 프라이머리 이온 커런트(Primary ion current)가 조금씩 변하게 되며, 이로 인해 스퍼터링 레이트(Sputtering rate)에도 변화가 생기게 되어 정확한 프로파일(Profile)을 얻을 수 없고, 이로 인해 정확한 크레이터 뎁스(crater depth) 측정 및 정량 분석에 어려움이 발생하게 된다.
본 발명의 목적은, 기존의 서페이스 프로파일러(Surface Profiler)를 이용하지 않고 시료 표면의 뎁스 프로파일을 측정하는 것이 아니라, 표준시료의 뎁스 프로파일 데이터를 이용하여 분석시료의 정확한 정량 분석 데이터를 얻을 수 있는 SIMS 분석 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, SIMS 분석 방법 중 뎁스 프로파일(depth profile) 기법 분석을 위한 수십Å 내지 수백Å 이하의 크레이터 깊이의 측정을 위한 불순물 다층으로 이루어진 표준시료의 제작을 위한 것이다.
본 발명에 따른 이차이온 질량분석기(SIMS) 분석을 위한 표준시료는, 실리콘 기판의 표면에 동일한 일정 깊이(ΔL)를 갖는 다수의 불순물층이 소정 간격으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 여기서, 각 불순물층의 깊이(ΔL)는 10Å 이하이고, 각 불순물층에 고농도(high dose)의 불순물을 동일하게 주입하여 각 불순물층의 깊이를 동일하게 형성하며, 주입 에너지를 스플릿(split)하여 여러 번에 걸쳐서 주입하여 각 불순물층 사이의 간격을 동일하게 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 이차이온 질량분석기(SIMS) 분석 방법은, 실리콘 기판의 표면에 동일한 일정 깊이(ΔL)를 갖는 다수의 불순물층이 소정 간격으로 형성되는 표준시료를 준비하는 단계; 표준시료의 각 불순물층의 깊이(ΔL)를 측정하는 단계; 표준시료를 실제 분석하고자 하는 분석시료와 동일 홀더(holder)에 함께 로딩(loading)하는 단계; 로딩된 표준시료와 분석시료를 동일한 조건에서 이차이온 질량분석기(SIMS)로 분석하는 단계; 표준시료의 뎁스 프로파일 데이터(depth profile data)로부터 불순물층의 수를 계산하는 단계; 표준시료의 불순물층의 깊이(ΔL)와 불순물층의 수를 이용하여 표준시료의 크레이터 뎁스(crater depth)를 계산하는 단계; 표준시료의 크레이터 뎁스(crater depth)를 이용하여 표준시료의 이온 스퍼터링 레이트(ion sputtering rate)를 계산하는 단계; 표준시료의 이온 스퍼터링 레이트(ion sputtering rate)를 이용하여 분석시료의 크레이터 뎁스(crater depth)를 계산하는 단계; 분석시료의 크레이터 뎁스(crater depth)를 이용하여 분석시료의 표면 근처의 뎁스 프로파일(depth profile)을 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 표준시료의 크레이터 뎁스(crater depth)는 불순물층의 수와 불순물층의 깊이(ΔL)를 곱한 값이 되고, 표준시료의 이온 스퍼터링 레이트(ion sputtering rate)는 표준시료의 크레이터 뎁스(crater depth)를 분석 시간으로 나눈 값이 되며, 분석시료의 이온 스퍼터링 레이트(ion sputtering rate)는 표준시료의 이온 스퍼터링 레이트(ion sputtering rate)와 동일한 값을 가진다.
구현예
이하 도면을 참조로 본 발명의 구현예에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 이차이온 질량분석기(SIMS) 분석을 위한 표준시료를 나타내는 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(10)의 표면에 동일한 일정 깊이(ΔL)를 갖는 다수의 불순물층(20)이 소정 간격으로 형성되도록 표준시료를 제조한다. 즉, 실리콘 기판(10) 위에 일정한 양의 불순물을 이온 주입 공정에 의해 여러 번에 걸쳐서 주입한다. 이때 각 불순물층(20)의 형성을 위한 공정조건에서 주입 에너지만을 달리하고, 나머지 공정조건은 모두 동일하게 하여, 도시된 바와 같이 각 불순물층(20)이 일정한 깊이를 갖고 소정 간격으로 분리 형성될 수 있도록 한다.
여기서, SIMS 분석의 편의를 위하여 각 불순물층(20)의 깊이(ΔL)는 10Å 이하가 되도록 공정조건을 결정하고, 각 불순물층(20)에 고농도(high dose)의 불순물을 동일하게 주입하여 각 불순물층(20)의 깊이(ΔL)를 동일하게 형성하며, 주입 에너지를 스플릿(split)하여 여러 번에 걸쳐서 주입하여 각 불순물층(20) 사이의 간 격을 동일하게 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 고농도(high dose)의 불순물을 주입하는 이유는 다음과 같다.
표면 근처의 뎁스 프로파일(depth profile) 분석을 위해서는 시료의 이온 믹싱(ion mixing) 현상을 줄이고, 이온 스퍼터링 레이트(ion sputtering rate)를 줄여야 하기 때문에, 시료에 가해지는 일차 이온 빔의 임팩트 에너지(impact energy)와 커런트(Current)를 줄여야 한다. 이때 일차 이온 빔에 의해 발생되는 이차 이온의 인텐시티(Intensity) 또한 함께 감소하기 때문에 주입양(dose)이 높을수록 SIMS 분석이 용이하게 된다. 또한 만들어진 시료의 뎁스 캘리브레이션(depth calibration)을 위해서도 높은 주입양(high dose)의 시료로 제작하도록 한다.
이하에서는 이러한 표준시료를 이용하여, 실제 분석하고자 하는 분석시료를 이차이온 질량분석기(SIMS)를 이용하여 분석하는 방법에 대해 살펴본다.
위와 같은 방법으로 제조된 표준시료, 즉 실리콘 기판(10)의 표면에 동일한 일정 깊이(ΔL)를 갖는 다수의 불순물층(20)이 소정 간격으로 형성되는 표준시료를 준비하고, 그 표준시료의 불순물층(20)의 깊이(ΔL)를 측정한다. 이때, 시료의 정확한 분석을 위해 TEM(Transmission electron Microscope) 등의 장비로 정확한 ΔL 값을 산출한다.
이어서, 표준시료를 실제 분석하고자 하는 분석시료와 동일 홀더(holder)에 함께 로딩(loading)하고, 로딩된 표준시료와 분석시료를 동일한 공정 조건에서 이차이온 질량분석기(SIMS)로 분석한다.
분석이 완료되면, 다수의 불순물층(20)으로 이루어진 표준시료의 뎁스 프로 파일 데이터(depth profile data)를 얻고, 이를 이용하여 표준시료를 구성하는 불순물층(20)의 수를 계산하고, 또한 표준시료의 크레이터 뎁스(crater depth)를 계산한다. 도 2는 표준시료의 뎁스 프로파일 데이터(depth profile data)를 도식화 한 것이고, 도 3은 표준시료에 대한 SIMS 분석 후, 크레이터(crater)의 단면을 나타낸다.
여기서 표준시료의 크레이터 뎁스(crater depth)는 다음과 같이 계산될 수 있다.
크레이터 뎁스(crater depth) = 불순물층의 수 ? 불순물층의 깊이(ΔL)
즉, 표준시료의 크레이터 뎁스(crater depth)는 표준시료를 구성하는 불순물층의 수와 불순물층의 깊이(ΔL)를 곱한 값이 된다.
계속해서, 표준시료의 크레이터 뎁스(crater depth)를 이용하여 표준시료의 이온 스퍼터링 레이트(ion sputtering rate)를 다음과 같은 방법으로 계산한다.
이온 스퍼터링 레이트 = 크레이터 뎁스 / 분석 시간
즉, 표준시료의 이온 스퍼터링 레이트(ion sputtering rate)는 표준시료의 크레이터 뎁스(crater depth)를 분석 시간으로 나눈 값이 된다.
이때, 표준시료와 분석시료는 동일한 공정 조건에서 분석하므로, 분석시료의 이온 스퍼터링 레이트(ion sputtering rate)는 표준시료의 이온 스퍼터링 레이트(ion sputtering rate)와 동일한 값을 가지게 된다. 따라서 표준시료의 이온 스퍼터링 레이트(ion sputtering rate)를 분석시료의 데이터에 입력하여 크레이터 뎁스(crater depth)를 계산할 수 있다.
그리고 분석시료의 크레이터 뎁스(crater depth)를 이용하여 분석시료의 표면 근처의 뎁스 프로파일(depth profile)을 분석한다. 따라서 수십Å 크기를 갖는 분석시료의 뎁스 프로파일(depth profile) 분석 및 정량 분석이 가능해진다.
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, 동일한 깊이를 갖는 다수의 불순물층으로 이루어지는 이차이온 질량분석기(SIMS) 분석용 표준시료를 제작하여, 이차이온 질량분석기(SIMS)을 이용한 시료의 뎁스 프로파일의 측정을 용이하게 한다.
또한 본 발명에 따르면, 표준시료를 이용한 이차이온 질량분석기(SIMS) 분석 방법을 통해 수십Å 내지 수백Å 이하의 크레이터(crater) 깊이를 측정할 수 있고, 이로 인해 정확한 정량 분석 데이터를 얻을 수 있다.

Claims (6)

  1. 실리콘 기판의 표면에 동일한 일정 깊이(ΔL)를 갖는 다수의 불순물층이 소정 간격으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이차이온 질량분석기(SIMS) 분석을 위한 표준시료.
  2. 제1항에서,
    상기 각 불순물층의 깊이(ΔL)는 10Å 이하인 것을 특징으로 하는 이차이온 질량분석기(SIMS) 분석을 위한 표준시료.
  3. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 각 불순물층에 고농도(high dose)의 불순물을 동일하게 주입하여 각 불순물층의 깊이를 동일하게 형성하고,
    주입 에너지를 스플릿(split)하여 여러 번에 걸쳐서 주입하여 각 불순물층 사이의 간격을 동일하게 형성하는 것을 특징으로 하는 이차이온 질량분석기(SIMS) 분석을 위한 표준시료.
  4. 실제 분석하고자 하는 분석시료에 대한 이차이온 질량분석기(SIMS) 분석 방법에서,
    실리콘 기판의 표면에 동일한 일정 깊이(ΔL)를 갖는 다수의 불순물층이 소 정 간격으로 형성되는 표준시료를 준비하는 단계;
    상기 표준시료의 각 불순물층의 깊이(ΔL)를 측정하는 단계;
    상기 표준시료를 실제 분석하고자 하는 분석시료와 동일 홀더(holder)에 함께 로딩(loading)하는 단계;
    상기 로딩된 표준시료와 분석시료를 동일한 조건에서 이차이온 질량분석기(SIMS)로 분석하는 단계;
    상기 표준시료의 뎁스 프로파일 데이터(depth profile data)로부터 불순물층의 수를 계산하는 단계;
    상기 표준시료의 불순물층의 깊이(ΔL)와 불순물층의 수를 이용하여 상기 표준시료의 크레이터 뎁스(crater depth)를 계산하는 단계;
    상기 표준시료의 크레이터 뎁스(crater depth)를 이용하여 표준시료의 이온 스퍼터링 레이트(ion sputtering rate)를 계산하는 단계;
    상기 표준시료의 이온 스퍼터링 레이트(ion sputtering rate)를 이용하여 분석시료의 크레이터 뎁스(crater depth)를 계산하는 단계;
    상기 분석시료의 크레이터 뎁스(crater depth)를 이용하여 분석시료의 표면 근처의 뎁스 프로파일(depth profile)을 분석하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차이온 질량분석기(SIMS) 분석 방법.
  5. 제4항에서,
    상기 표준시료의 크레이터 뎁스(crater depth)는 불순물층의 수와 불순물층 의 깊이(ΔL)를 곱한 값이 되는 것을 특징으로 하는 이차이온 질량분석기(SIMS) 분석 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에서,
    상기 표준시료의 이온 스퍼터링 레이트(ion sputtering rate)는 표준시료의 크레이터 뎁스(crater depth)를 분석 시간으로 나눈 값이 되고,
    상기 분석시료의 이온 스퍼터링 레이트(ion sputtering rate)는 상기 표준시료의 이온 스퍼터링 레이트(ion sputtering rate)와 동일한 값을 가지는 것을 특징으로 하는 이차이온 질량분석기(SIMS) 분석 방법.
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