KR101323721B1 - Ｓｉｍｓ를 이용한 시료 분석 방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 이차 이온 질량 분석기(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometer)를 이용한 시료 분석 방법은, 적어도 두 개의 층을 포함하는 시료에 대해 하나의 래스터(raster)를 사용하여 스터퍼링하면서 발생하는 이차 이온을 분석하여 시료의 각 층의 두께를 분석하는 제1 단계; 상기 시료의 제1 층을 제1 래스터(raster)를 사용하여 스터퍼링하면서 발생하는 이차 이온을 분석하여 상기 제1 층을 분석하는 제2 단계; 상기 스터퍼링 후 발생된 이차 이온이 제거될 때까지 대기하는 제3 단계; 및 상기 시료의 제n 층(n≥2)을 제n 래스터(raster)를 사용하여 스터퍼링하면서 발생하는 이차 이온을 분석하여 상기 제n 층을 분석하는 제4 단계; 를 포함하고, 상기 제n 래스터의 면적은 제1 래스터의 면적보다 작다.

Description

ＳＩＭＳ를 이용한 시료 분석 방법{SAMPLE ANALYSIS METHOD USING SIMS}
실시예는 반도체용 실리콘 웨이퍼의 분석 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 재료로서 사용되는 실리콘 웨이퍼는, 단결정 실리콘 잉곳을 웨이퍼 단위로 얇게 절단하는 슬라이싱 공정(slicing), 원하는 웨이퍼의 두께로 연마하면서 평탄도를 개선하는 래핑 공정(lapping), 웨이퍼의 손상(damage) 제거를 위한 에칭 공정(etching), 표면 경면화 및 평탄도를 향상시키기 위한 연마 공정(polishing), 웨이퍼 표면의 오염 물질을 제거하기 위한 세정 공정(cleaning) 등의 단계를 거쳐 생산된다. 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.
반도체 소자 제조 시 통상적으로 이용되는 이온 주입 공정에서 웨이퍼 막질 내에 주입된 불순물 농도 및 분포는 표면 분석 장비를 이용해서 확인할 수 있는데 그 대표적인 것이 이차 이온 질량 분석기(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometer)이다.
SIMS는 일차 이온 펄스가 시료에 입사되었을 때, 시료 표면의 원자에서 에너지 전이에 의해 방출되는 이차 이온의 질량 및 전하를 이용하여 원소의 성분을 알아내는 장비이다.
이러한 SIMS의 원리에 대해 간단히 살펴보면 다음과 같다.
수 keV 내지 수십 keV의 운동 에너지로 가속된 일차 이온이 고체 표면과 충돌하면, 일차 이온의 운동 에너지가 고체 표면과 표면 내부의 원자들에 전달되면서 일련의 충돌 현상이 일어난다. 입사 이온의 일부분은 표면에 탄성 충돌한 후 후방 산란하지만, 대부분의 이온은 표면내의 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 같은 입사 이온은 이온궤적에 많은 격자 결함을 만들고 표면 부근에서 연쇄충돌(collision cascade)을 일으킨다.
이러한 연쇄충돌 도중 표면 결합 에너지보다 높은 운동 에너지를 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 중성 원자로 방출되고, 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 이차 이온의 방출량(yield)은 시료 표면의 성분 원소의 농도, 이온화 확률, 스퍼터링 및 일차 이온의 전류 밀도 등의 곱으로 나타낼 수 있다. 그러므로, 이온화 확률과 스퍼터링 방출량을 알면 실험 조건에서 주어지는 일차 이온의 전류 밀도와 실험에서 얻어지는 이차 이온의 강도로부터 시료 표면의 농도를 구할 수 있다.
이러한 SIMS 분석의 주요 장점은 극미량 분석으로서, 검출한계는 수소에서 우라늄까지 거의 모든 원소를 ppm 내지 ppb 수준으로 정밀 분석이 가능하고, 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 있는 것이다.
그러나, 이차 이온의 방출량이 매질(matrix)과 표면의 전자 상태에 극히 민감하여 매질에 따라 스퍼터링된 이차 이온의 양이 현저히 다르게 나타나는 매질 효과(matrix effect)가 있고, 또한 본질적으로 파괴적인 분석 방법이라는 단점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 SIMS 분석 방법을 도시한 도면이다.
SIMS 분석 방법은 반도체 웨이퍼의 표면으로부터 수직으로 스퍼터링을 하면서 분석을 진행하는 특성상, 반도체 웨이퍼가 다층(multi layer)인 경우에 그 전체에 대한 정보가 한꺼번에 수집되어 검사결과에 오류가 발생할 수 있는 취약점이 있다.
도 1a를 참조하면, 다층의 반도체 웨이퍼를 하나의 래스터(raster)를 이용해 스퍼터링하면서 분석을 진행한다. 반도체 웨이퍼의 A층(10)을 SIMS 분석하는 경우에는 일차 이온 I가 A층(10)으로 입사되어 A층(10)이 스퍼터링되면서 이차 이온으로 A 이온이 방출된다. 그러나, 도 1b를 참조하면, B층(20)을 분석하는 경우에 SIMS 분석이 반도체 웨이퍼를 수직으로 스퍼터링을 하게 되므로, B층(20)을 스퍼터링하는 경우라 하더라도 A층(10)의 측벽이 B층(20)과 함께 스퍼터링될 수 밖에 없어, 이차 이온으로 A 이온이 B 이온과 함께 발생된다. 이렇게 발생된 A 이온이 B 이온에 간섭을 일으켜 원래의 농도 데이터(data)를 얻지 못하고 B층(20)의 분석 결과에 오차가 발생하게 된다. 도 1c에서 C층(30)을 분석하는 경우에도 C층(30)과 함께 A층(10)의 측벽과 B층(20)의 측벽이 함께 스퍼터링되어, 이차 이온으로 A 이온 및 B 이온이 C 이온과 함께 발생되어 C층(30)의 분석 결과에 오차가 발생하게 된다.
즉, B층(20)을 분석하는 경우에, A층(10)의 측벽도 함께 스퍼터링되어 A층(10)에 의한 이차 이온인 A 이온이 B층(20)에 의한 이차 이온인 B 이온과 함께 검출되어 B층(20)에 A층(10)의 원소가 오염되어 있는 것처럼 해석될 수 있다. C층(30)을 분석하는 경우에도 C층(30)에 B층(20) 및 A층(10)의 원소가 오염되어 있는 것처럼 해석될 수 있다.
특히 반도체 웨이퍼 각 층 내의 불순물 농도가 약 1018 atom/cm3 이상의 고농도인 경우에 이러한 분석의 오류는 심해질 수 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 SIMS 분석 그래프를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, B층(20)을 분석하는 경우 A층(10)의 측벽이 함께 스퍼터링되면서 A 이온이 이차 이온을 발생되는 테일링(tailing) 현상이 발생하게 되며, 이렇게 발생된 A 이온에 의한 노이즈(noise)가 B층(20)의 분석 결과에 영향을 미치게 된다. 또한 C층(30)을 분석하는 경우에는 A 이온 및 B 이온에 의한 노이즈가 C층(30)의 분석 결과에 영향을 미치게 된다.
따라서, 다층의 반도체 웨이퍼를 SIMS를 이용한 분석 시 다른 층에서 발생된 이차 이온에 의해 분석 결과에 영향을 미치지 않는 분석 방법의 개발이 필요하다.
실시예는, 종래 기술에 따라 다층 반도체 실로콘 웨이퍼를 SIMS 분석하는 경우, 다른 층에서 발생된 이차 이온에 의해 분석 결과에 오류가 발생하는 문제점을 개선하여, 분석 시 다른 층에서 발생된 이차 이온의 발생을 감소시키고, 이에 의한 간섭 효과를 억제하여, 각 층에 대한 정확한 분석 데이터를 얻고자 한다.
실시예에 따른 이차 이온 질량 분석기(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometer)를 이용한 시료 분석 방법은, 적어도 두 개의 층을 포함하는 시료에 대해 하나의 래스터(raster)를 사용하여 스터퍼링하면서 발생하는 이차 이온을 분석하여 시료의 각 층의 두께를 분석하는 제1 단계; 상기 시료의 제1 층을 제1 래스터(raster)를 사용하여 스터퍼링하면서 발생하는 이차 이온을 분석하여 상기 제1 층을 분석하는 제2 단계; 상기 스터퍼링 후 발생된 이차 이온이 제거될 때까지 대기하는 제3 단계; 및 상기 시료의 제n 층(n≥2)을 제n 래스터(raster)를 사용하여 스터퍼링하면서 발생하는 이차 이온을 분석하여 상기 제n 층을 분석하는 제4 단계; 를 포함하고, 상기 제n 래스터의 면적은 제1 래스터의 면적보다 작다.
상기 시료가 세 개 이상의 층을 포함하는 경우, 상기 제2 단계는 상기 제1 층과 함께 제2 층 내지 제n-1 층을 상기 제1 래스터를 사용하여 스퍼터링하면서 발생하는 이차 이온을 분석하여 상기 제1 층 내지 제n-1 층을 분석할 수 있다.
상기 이온 질량 분석기를 이용한 시료 분석 방법은, 상기 제4 단계 이후에, 상기 시료에 다른 층이 있는 경우 상기 제3 단계와 제4 단계를 반복하는 제5 단계;를 더 포함하고, 상기 제n 래스터의 면적은 제n-1 래스터의 면적보다 작을 수 있다.
상기 제n 래스터의 면적은 상기 제1 래스터의 면적보다 40 내지 60% 작을 수 있다.
상기 제n 래스터의 면적은 상기 제n-1 래스터의 면적에 비해 일정 비율로 줄어들 수 있다.
상기 제n 래스터의 면적은 상기 제n-1 래스터의 면적보다 40 내지 60% 작을 수 있다.
상기 대기하는 단계는 5분 내지 10분간 대기할 수 있다.
상기 대기하는 단계는 상기 스터퍼링 후 발생된 이차 이온에 의해 증가된 SIMS의 내부 압력이 80% 내지 90%로 떨어질 때까지 대기할 수 있다.
상기 대기하는 단계는 SIMS의 내부 압력이 8*10-10 내지 9*10-10 torr가 될 때까지 대기할 수 있다.
상기 시료 내의 불순물 농도가 1018 atom/cm3 이상인 경우에만 상기 대기하는 단계를 수행하고, 상기 시료 내의 불순물 농도가 1018 atom/cm3 미만인 경우에는 상기 대기하는 단계를 수행하지 않을 수 있다.
상기 SIMS의 내부 압력이 8*10-10 내지 9*10-10 torr 이상인 경우에만 상기 대기하는 단계를 수행하고, 상기 SIMS의 내부 압력이 8*10-10 내지 9*10-10 torr 미만인 경우에는 상기 대기하는 단계를 수행하지 않을 수 있다.
실시예에 따르면, 다층을 포함하는 시료를 SIMS를 이용한 분석시, 각 층을 래스터의 면적을 변화하여 분석함으로써, 다른 층에서 발생된 이차 이온으로 인한 간섭 효과를 억제하고, 분석 결과에 오차 발생을 줄여, 각 층에 대한 정확한 농도 데이터를 얻을 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 SIMS 분석 방법을 도시한 도면이고,
도 2는 종래 기술에 따른 SIMS 분석 그래프를 나타낸 도면이고,
도 3은 일 실시예에 따른 이차 이온 질량 분석기(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometer)를 이용한 시료 분석이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이고,
도 4는 일 실시예에 따른 3개 층을 갖는 시료의 SIMS 분석을 도시한 도면이고,
도 5는 일 실시예에 따른 SIMS 분석 결과를 나타낸 그래프이고,
도 6은 제2 실시예에 따른 이차 이온 질량 분석기(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometer)를 이용한 시료 분석이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이고,
도 7은 제2 실시예에 따른 3개 층을 갖는 시료의 SIMS 분석을 도시한 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 3은 일 실시예에 따른 이차 이온 질량 분석기(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometer)를 이용한 시료 분석이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 실시예에 따른 시료 분석 과정은 적어도 두 개의 층(layer)을 포함하는 시료의 각 층의 두께를 분석하는 제1 단계(S1), 제1 래스터(raster)로 제1 층을 분석하는 제2 단계(S2), 이차 이온이 제거될 때까지 대기하는 제3 단계(S3), 제n 래스터(n≥2)로 제n 층을 분석하는 제4 단계(S4)를 차례로 수행한다.
실시예에 따라, 상기 시료에 다른 층이 있는 경우 상기 제3 단계와 제4 단계를 반복하는 제5 단계(S5)를 수행할 수 있다.
시료의 각 층의 두께를 분석하는 제1 단계(S1)는, 종래 기술에 따른 SIMS 분석에 의해서 수행한다. 즉, 준비된 시료를 하나의 래스터(raster)를 사용하여 스퍼터링을 진행하면서 시료를 분석한다. 하나의 래스터를 사용하여 발생된 일차 이온으로 시료를 스퍼터링하면서 발생되는 이차 이온을 검출하는 경우 시료의 제1 층과 제2 층의 경계에서는 제1 층에서 검출되던 이차 이온과 다른 새로운 이차 이온이 발생하게 되거나, 이차 이온의 농도가 급격히 달라지게 된다. 이때 스퍼터링된 깊이를 측정하게 되면 제1 층의 두께를 알 수 있다. 계속 스퍼터링을 진행하면서 새로운 이차 이온이 발생하는 때 또는 이차 이온의 농도가 급격히 변하는 때의 스퍼터링된 깊이를 측정하면 시료의 층의 개수와 각 층의 두께를 얻을 수 있다.
제1 단계(S1)에서는 하나의 래스터(raster)를 이용해 스퍼터링을 진행하면서 시료를 분석하였기 때문에, 층과 층의 경계에서 검출되는 이차 이온의 종류가 달라지거나 이차 이온의 농도가 달라져 층이 변경된 사실과 그 두께를 알 수 있는 것이다. 그러나, 앞서 도 1 및 도 2와 관련해 살핀 바와 같이 층과 층의 경계에서는 앞선 층의 측벽이 계속 스퍼터링되어 각 층에서 발생한 이차 이온만에 의한 정확한 데이터를 얻을 수 없다.
도 4는 일 실시예에 따른 3개 층을 갖는 시료의 SIMS 분석을 도시한 도면이다.
도 4(a)를 참조하면, 제1 래스터(raster)로 제1 층(110)을 분석하는 제2 단계(S2)는, 제1 단계(S1)에서 얻어진 시료의 각 층의 두께 정보를 토대로 제1 층(110)을 제1 래스터로 스퍼터링을 진행한다. 이때 스퍼터링은 제1 층(110)의 두께까지만 진행된다. 제2 단계(S2)에서 제1 래스터에 의한 제1 층(110)의 분석은 제1 층(110)만이 스퍼터링되기 때문에, 제1 층(110)에 대한 정확한 데이터를 얻을 수 있다.
이차 이온이 제거될 때까지 대기하는 제3 단계(S3)는 제2 단계(S2)에서 제1 층(110)에서 발생된 이차 이온이 어느 정도 제거될 때까지 대기하는 것이다. 제2 단계(S2)에서 제1 층(110)의 스퍼터링에 의해 발생된 이차 이온들은 SIMS의 챔버(chamber) 내부에 잔류하게 되고 챔버 내부 압력이 상승하게 된다. 이렇게 제1 층(110)에서 발생된 이차 이온들이 잔존하는 상태에서 제2 층(120)의 분석을 진행하는 경우, 제1 층(110)에서 발생된 이차 이온이 제2 층(120)의 분석 시에도 검출될 수 있어서, 제2 층(120) 내에 제1 층(110)의 물질이 오염되었다고 결과에 오류를 만들 수 있다. 이런 이유로, 제2 단계(S2)에서 발생된 이차 이온이 어느 정도 제거될 때까지 안정화 시간을 갖는 것이다. 챔버 내에 존재하던 이온들은 펌핑(pumping)을 통해 SIMS의 내부 공간에서 제거될 수 있다.
제n 래스터(n≥2)로 제n 층을 분석하는 제4 단계(S4)는, 도 4(b)에 도시된 실시예에서는 n은 2인, 즉 제2 래스터로 제2 층(120)을 분석하는 것이다. 제4 단계(S4)에서는 제1 단계(S1)에서 얻어진 시료의 각 층의 두께 정보를 토대로 제2 층(120)을 제2 래스터로 스퍼터링을 진행한다. 이때, 제2 래스터의 면적은 제1 래스터의 면적보다 작다. 제2 래스터의 면적이 제1 래스터의 면적보다 작은 경우, 도 4(b)에 도시된 바와 같이 제2 층(120)의 스퍼터링시에 제1 층(110)의 측벽이 함께 스퍼터링되지 않고, 제2 층(120)만이 스퍼터링되어, 제2 층(120)에서만 이차 이온이 발생하게 된다. 제3 단계(S3)에서 제1 층(110)에 의해 발생된 이차 이온이 제거되었고, 제4 단계(S4)에서는 제2 층(120)만이 스퍼터링되기 때문에, 제2 층(120)에 대한 정확한 농도 데이터를 얻을 수 있다.
또한, 시료에 또 다른 층이 존재하는 경우, 제5 단계(S5)에서는 제3 단계(S3)와 제4 단계(S4)를 반복하여 각 층을 분석할 수 있다. 도 4(c)에 도시된 실시예에서는 제3 층(130)에 대해 분석을 진행하게 된다. 제3 층(130)의 분석은, 앞선 제2 층(120)의 분석과 동일하게 제2 층(120)에 의해 발생된 이차 이온이 어느 정도 제거될 때까지 대기하고(S3'), 제3 래스터로 제3 층(130)을 스퍼터링하면서 제3 층(130)을 분석한다(S4'). 이때, 제3 래스터의 면적은 제2 래스터의 면적보다 작다. 제3 래스터의 면적이 제2 래스터의 면적보다 작기 때문에, 도 4(c)에 도시된 바와 같이 제3 층(130)의 스퍼터링시에 제2 층(120) 및 제1 층(110)의 측벽이 함께 스퍼터링되지 않고 제3 층(130)에서만 이차 이온이 발생하게 된다. 그 결과 제3 층(130)에 대한 정확한 농도 데이터를 얻을 수 있다.
시료에 제4 층 등의 또 다른 층이 있는 경우, 제3 단계(S3)와 제4 단계(S4)를 반복하되, 제n 래스터의 면적을 제n-1 래스터의 면적보다 작게 하여 제n 층의 분석을 진행할 수 있다. 이렇게 래스터의 면적을 변화시키면서 시료의 분석을 진행하면, 시료의 각 층에 대한 정확한 정보를 얻을 수 있을 것이다.
실시예에 따라, 제n 래스터(n≥2)의 면적은 제n-1 래스터의 면적에 비해 일정 비율로 줄어들 수 있다. 또한, 제n 래스터의 면적은 제n-1 래스터의 면적보다 약 40 내지 60% 작을 수 있고, 제n 래스터의 면적은 제n-1 래스터의 면적보다 약 50% 작을 수 있다. 제n 래스터의 면적이 제n-1 래스터의 면적과 큰 차이가 없는 경우 제n 층의 스퍼터링시 제n-1 층의 측벽이 스퍼터링될 수 있어 분석 결과에 오류가 발생할 수 있다. 또한 제n 래스터의 면적이 제n-1 래스터의 면적보다 너무 작은 경우 제n 층의 스퍼터링 효율과 이차 이온 발생량이 작아 분석 효율이 떨어질 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 SIMS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 제1 층(110)의 두께가 2000nm인 시료의 제1 층(110)과 제2 층(120)을 SIMS 분석하여, 제1 층(110)에서 발생한 이차 이온의 농도를 나타낸 그래프이다. 도 5의 실시예에서 래스터는 시료의 2200nm의 두께에서 변경되어 분석이 진행되었다. 도 5에서 점선으로 나타난 그래프는 종래 기술에 따라 하나의 래스터로 제1 층(110)과 제2 층(120)을 한번에 분석한 결과를 나타낸 것이고, 실선으로 나타난 그래프는 실시예에 따라 제1 래스터로 제1 층(110)을 분석하고, 이차 이온이 제거될 때까지 약 5분간 대기한 후, 제2 래스터로 제2 층(120)을 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 5에서 점선으로 도시된 바와 같이, 하나의 래스터로 분석을 진행하는 경우, 시료의 2200nm를 넘어 제2 층(120)을 스퍼터링하는 경우에도 제1 층(110)에 의해 발생된 이차 이온이 검출되는 것을 알 수 있다. 이는 제2 층(120)을 스퍼터링을 하는 도중에도 여전히 제1 층(110)의 측벽이 함께 스퍼터링되기 때문이다. 이렇게 제1 층(110)에 의해 발생된 이차 이온은 제2 층(120)의 분석 결과에 영향을 미쳐 정확한 데이터를 얻을 수 없다.
반면, 도 5에서 실선으로 도시된 바와 같이, 실시예에 따라 제1 층(110)을 제1 래스터로 분석을 진행한 후, 제1 래스터보다 면적이 작은 제2 래스터로 제2 층(120)의 분석을 진행하는 경우, 래스터를 변경한 두께 2200nm 지점에서 제1 층(110)에 의해 발생하는 이차 이온의 농도가 급격히 감소하는 것을 알 수 있다. 때문에, 제1 층(110)에 의해 발생하는 이차 이온이 제2 층(120)의 분석에 미치는 영향이 극히 적어 제2 층(120)에 대한 정확한 데이터를 얻을 수 있는 것이다.
도 6은 제2 실시예에 따른 이차 이온 질량 분석기(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometer)를 이용한 시료 분석이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이다.
제2 실시예는 특정한 제n 층에 대한 정확한 정보를 얻기 위한 분석이다. 도 6을 참조하면, 실시예에 따른 시료 분석 과정은 적어도 두 개의 층(layer)을 포함하는 시료의 각 층의 두께를 분석하는 제1 단계(SS1), 제1 래스터(raster)로 제1 층 내지 제n-1 층(n≥2)을 분석하는 제2 단계(SS2), 이차 이온이 제거될 때까지 대기하는 제3 단계(SS3), 및 제n 래스터로 제n 층을 분석하는 제4 단계(SS4)를 차례로 수행한다.
시료의 각 층의 두께를 분석하는 제1 단계(SS1)는, 종래 기술에 따른 SIMS 분석에 의해서 수행한다. 즉, 준비된 시료를 하나의 래스터(raster)를 사용하여 스퍼터링을 진행하면서 시료를 분석한다. 하나의 래스터를 사용하여 발생된 일차 이온으로 시료를 스퍼터링하면서 발생되는 이차 이온을 검출하는 경우 시료의 제1 층과 제2 층의 경계에서는 제1 층에서 검출되던 이차 이온과 다른 새로운 이차 이온이 발생하거나 이차 이온의 농도가 급격하게 변하게 된다. 이때 스퍼터링된 깊이를 측정하게 되면 제1 층의 두께를 알 수 있다. 계속 스퍼터링을 진행하면서 새로운 이차 이온이 발생하거나 이차 이온의 농도가 급격히 변하는 때의 스퍼터링된 깊이를 측정하면 시료의 층의 개수와 각 층의 두께를 얻을 수 있다.
도 7은 제2 실시예에 따른 3개 층을 갖는 시료의 SIMS 분석을 도시한 도면이다.
실시예는 제3 층에 대한 정보를 얻기 위한 분석을 수행한다. 도 7(a)를 참조하면, 제1 래스터(raster)로 제1 층(110) 내지 제2 층(120)을 분석하는 제2 단계(SS2)는, 제1 단계(SS1)에서 얻어진 시료의 각 층의 두께 정보를 토대로 제1 층(110) 내지 제2 층(120)을 제1 래스터로 스퍼터링을 진행한다. 이때 스퍼터링은 제1 층(110) 내지 제2 층(120)의 두께까지만 진행된다.
이차 이온이 제거될 때까지 대기하는 제3 단계(SS3)는 제2 단계(SS2)에서 제1 층(110) 내지 제2 층(120)에서 발생된 이차 이온이 어느 정도 제거될 때까지 대기하는 것이다. 제2 단계(SS2)에서 제1 층(110) 내지 제2 층(120)의 스퍼터링에 의해 발생된 이차 이온들은 SIMS의 챔버(chamber) 내부에 잔류하게 되고 챔버 내부 압력이 상승하게 된다. 이렇게 제1 층(110) 내지 제2 층(120)에서 발생된 이차 이온들이 잔존하는 상태에서 제3 층(130)의 분석을 진행하는 경우, 제1 층(110) 내지 제2 층(120)에서 발생된 이차 이온이 제3 층(130)의 분석 시에도 검출될 수 있어서, 제3 층(130) 내에 제1 층(110) 내지 제2 층(120)의 물질이 오염되었다고 결과에 오류를 만들 수 있다. 이런 이유로, 제2 단계(SS2)에서 발생된 이차 이온이 어느 정도 제거될 때까지 안정화 시간을 갖는 것이다. 챔버 내에 존재하던 이온들은 펌핑(pumping)을 통해 SIMS의 내부 공간에서 제거될 수 있다.
제n 래스터로 제n 층을 분석하는 제4 단계(SS4)는, 도 7(b)을 참조하면, 제1 단계(SS1)에서 얻어진 시료의 각 층의 두께 정보를 토대로 제3 층(130)을 제3 래스터로 스퍼터링을 진행한다. 이때, 제3 래스터의 면적은 제1 래스터의 면적보다 작다. 제3 래스터의 면적이 제1 래스터의 면적보다 작은 경우, 도 7(b)에 도시된 바와 같이 제3 층(130)의 스퍼터링시에 제1 층(110) 내지 제2 층(120)의 측벽이 함께 스퍼터링되지 않고, 제3 층(130)만이 스퍼터링되어, 제3 층(130)에서만 이차 이온이 발생하게 된다. 제3 단계(SS3)에서 제1 층(110) 내지 제2 층(120)에 의해 발생된 이차 이온이 제거되었고, 제4 단계(SS4)에서는 제3 층(130)만이 스퍼터링되기 때문에, 제3 층(130)에 대한 정확한 농도 데이터를 얻을 수 있다.
시료에 제4 층 등의 또 다른 층이 있고, 제n 층에 대한 정보를 얻고자 하는 경우, 제2 단계(SS2)에서 제1 층 내지 제n-1 층을 제1 래스터로 스퍼터링을 진행하고, 제4 단계(SS4)에서 제n 층을 제n 래스터로 스퍼터링을 진행하는 경우에 제n 층에 대한 정확한 정보를 얻을 수 있을 것이다.
실시예에 따라, 제n 래스터의 면적은 제1 래스터의 면적보다 약 40 내지 60% 작을 수 있고, 제n 래스터의 면적은 제 1 래스터의 면적보다 약 50% 작을 수 있다. 제n 래스터의 면적이 제 1 래스터의 면적과 큰 차이가 없는 경우 제n 층의 스퍼터링시 제1 층 내지 제 1 층의 측벽이 스퍼터링될 수 있어 분석 결과에 오류가 발생할 수 있다. 또한 제n 래스터의 면적이 제 1 래스터의 면적보다 너무 작은 경우 제n 층의 스퍼터링 효율과 이차 이온 발생량이 작아 분석 효율이 떨어질 수 있다.
실시예에 따라, 상기 이차 이온이 제거될 때까지 대기하는 제3 단계(S3, SS3)는 약 5분 내지 10분간 대기할 수 있고, 스터퍼링 후 발생된 이차 이온에 의해 증가된 SIMS의 내부 압력이 80% 내지 90%로 떨어질 때까지 대기할 수 있다. 예를 들면, 스퍼터링에 의해 발생된 이차 이온에 의해 SIMS의 챔버 내부 압력이 약 10-9 torr로 증가할 수 있고, 이렇게 증가된 SIMS의 내부 압력이 약 8*10-10 내지 9*10-10 torr 이하로 떨어질 때까지 안정화 시간을 가질 수 있다. SIMS의 내부 압력이 약 8*10-10 내지 9*10-10 torr 이하인 경우 챔버 내에 존재하던 이온들이 어느 정도 제거되었기 때문에, 다음 층의 분석에 미치는 영향이 작아 분석 결과의 오차를 줄일 수 있다.
실시예에 따른 SIMS를 이용한 시료 분석은 시료에 고농도로 불순물(dopant)이 주입된 경우뿐만 아니라 저농도로 주입된 경우에도 적용될 수 있다. 예를 들면, 불순물이 고농도로 주입된 경우는 약 1018 atom/cm3 이상인 경우를 의미하고, 저농도는 약 1012 내지1016 atom/cm3 인 경우 또는 약 1018 atom/cm3 이하인 경우를 의미한다.
이때, 상기 이차 이온이 제거될 때까지 대기하는 제3 단계(S3, SS3)를 시료 내의 불순물 농도가 약 1018 atom/cm3 이상인 경우에만 수행하고, 상기 시료 내의 불순물 농도가 약 1018 atom/cm3 미만인 경우에는 상기 제3 단계(S3, SS3)를 수행하지 않을 수 있다. 불순물이 고농도로 주입된 경우(약 1018 atom/cm3 이상인 경우)에는 각 층에서 발생되는 이차 이온이 챔버 내에 잔류하는 경우가 많다. 하지만 저농도인 경우(약 1018 atom/cm3 이하인 경우)에는 스퍼터링에 의해 발생되는 이차 이온이 챔버에 잔류하는 경우가 고농도인 경우보다 적어 다음 층의 분석에 미치는 영향이 작아, 이차 이온이 제거될 때까지 대기할 필요 없이 바로 다음 층을 분석할 수 있다.
또한, SIMS의 내부 압력이 약 8*10-10 내지 9*10-10 torr 이상인 경우에만 상기 제3 단계(S3, SS3)를 수행하고, SIMS의 내부 압력이 약 8*10-10 내지 9*10-10 torr 미만인 경우에는 상기 제3 단계(S3, SS3)를 수행하지 않을 수 있다. SIMS의 내부 압력이 약 8*10-10 내지 9*10-10 torr 이하인 경우에는 챔버 내에 존재하던 이온들이 SIMS의 내부 압력이 약 8*10-10 내지 9*10-10 torr 이상인 경우보다 적어 다음 층의 분석에 미치는 영향이 작아, 이차 이온이 제거될 때까지 대기할 필요 없이 바로 다음 층을 분석할 수 있다.
본 발명에서는 SIMS로 자기 영역(magnetic sector) SIMS를 이용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이상과 같이 실시예는 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: A층 20: B층
30: C층
110: 제1 층 120: 제2 층
130: 제3 층

Claims (11)

  1. 적어도 두 개의 층을 포함하는 시료에 대해 하나의 래스터(raster)를 사용하여 스터퍼링하면서 발생하는 이차 이온을 분석하여 시료의 각 층의 두께를 분석하는 제1 단계;
    상기 시료의 제1 층을 제1 래스터(raster)를 사용하여 스터퍼링하면서 발생하는 이차 이온을 분석하여 상기 제1 층을 분석하는 제2 단계;
    상기 스터퍼링 후 발생된 이차 이온이 제거될 때까지 대기하는 제3 단계; 및
    상기 시료의 제n 층(n≥2)을 제n 래스터(raster)를 사용하여 스터퍼링하면서 발생하는 이차 이온을 분석하여 상기 제n 층을 분석하는 제4 단계; 를 포함하고,
    상기 제n 래스터의 면적은 제1 래스터의 면적보다 작은 이차 이온 질량 분석기(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometer)를 이용한 시료 분석 방법.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제2 단계는 상기 제1 층과 함께 제2 층 내지 제n-1 층을 상기 제1 래스터를 사용하여 스퍼터링하면서 발생하는 이차 이온을 분석하여 상기 제1 층 내지 제n-1 층을 분석하는 이차 이온 질량 분석기(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometer)를 이용한 시료 분석 방법.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 제4 단계 이후에, 상기 시료에 다른 층이 있는 경우 상기 제3 단계와 제4 단계를 반복하는 제5 단계;를 더 포함하고, 상기 제n 래스터의 면적은 제n-1 래스터의 면적보다 작은 이차 이온 질량 분석기(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometer)를 이용한 시료 분석 방법.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 제n 래스터의 면적은 상기 제1 래스터의 면적보다 40 내지 60% 작은 이차 이온 질량 분석기(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometer)를 이용한 시료 분석 방법.
  5. 제3 항에 있어서, 상기 제n 래스터의 면적은 상기 제n-1 래스터의 면적에 비해 일정 비율로 줄어드는 이차 이온 질량 분석기(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometer)를 이용한 시료 분석 방법.
  6. 제3 항에 있어서, 상기 제n 래스터의 면적은 상기 제n-1 래스터의 면적보다 40 내지 60% 작은 이차 이온 질량 분석기(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometer)를 이용한 시료 분석 방법.
  7. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 대기하는 단계는 5분 내지 10분간 대기하는 이차 이온 질량 분석기(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometer)를 이용한 시료 분석 방법.
  8. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 대기하는 단계는 스터퍼링 후 발생된 이차 이온에 의해 증가된 SIMS의 내부 압력이 80% 내지 90%로 떨어질 때까지 대기하는 이차 이온 질량 분석기(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometer)를 이용한 시료 분석 방법.
  9. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 대기하는 단계는 SIMS의 내부 압력이 8*10-10 내지 9*10-10 torr가 될 때까지 대기하는 이차 이온 질량 분석기(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometer)를 이용한 시료 분석 방법.
  10. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시료 내의 불순물 농도가 1018 atom/cm3 이상인 경우에만 상기 대기하는 단계를 수행하는 이차 이온 질량 분석기(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometer)를 이용한 시료 분석 방법.
  11. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 SIMS의 내부 압력이 8*10-10 내지 9*10-10 torr 이상인 경우에만 상기 대기하는 단계를 수행하는 이차 이온 질량 분석기(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometer)를 이용한 시료 분석 방법.
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