KR102365983B1 - 초박막의 두께 산출 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 nm 오더 두께를 갖는 초박막의 두께 산출 방법으로, 본 발명에 따른 초박막의 두께 산출 방법은 a) 초박막의 두께를 달리하며, 길이 단위 소급성을 갖는 제1두께측정법으로 초박막 샘플의 두께를 측정하여 제1측정값을 얻고, 이와 독립적으로 오프셋 소급성을 갖는 제2두께측정법으로 초박막 샘플의 두께를 측정하여 제2측정값을 얻는 단계; b) 상기 제1두께측정법의 두께를 y축으로, 상기 제2두께측정법의 두께를 x축으로 하고, 상기 두께를 달리한 초박막 별 제1측정값과 제2측정값으로 특정되는 포인트(point)들을 선형 피팅(linear fitting)하여 기울기 m과 y축 절편값 c를 갖는 상호보정용 그래프를 얻는 단계; 및 c) 제1측정값에서 절편값 c를 뺀 보정된 제1두께를 얻고, 제2측정값에 기울기 m을 곱하여 보정된 제2두께를 얻고, 보정된 제1두께와 보정된 제2두께의 평균값을 산출하는 단계;를 포함한다.

Description

초박막의 두께 산출 방법{Method of Measuring Thickness of a Ultra-thin Film}
본 발명은 초박막의 두께 산출 방법 및 초박막의 두께 산출시 사용되는 보정 기준에 관한 것이다.
게이트 절연막(gate insulating film)은 절연성이 있는 박막으로 반도체 소자에서 전자의 이동을 조절하는 역할을 한다. 반도체 산업 초기에는 게이트 절연막로서 실리콘산화막(SiO2)이 주로 이용되었지만 최근에는 절연성이 높은 실리콘산화질화막(SiON)이나 하프늄산화막(HfO2) 등 유전율이 매우 높은 고유전 물질이 사용되고 있다. 반도체 소자의 크기가 축소됨에 따라 더욱 얇은 두께의 절연막이 요구되고 있다. 특히 최근의 시스템 반도체 산업의 발전과 더불어 수 나노미터에 불과한 초박막 형태의 절연막 두께를 정확히 측정하는 기술은 반도체 산업에서 가장 중요한 공정 분석 이슈 중의 하나이다.
대한민국 공개특허 제2010-0078097호
본 발명은 단일 측정기술로는 정확한 두께측정이 불가능한 nm 두께 영역의 초박막 두께를 정확하게 측정할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 보정기준은 nm 오더 두께를 갖는 초박막의 두께 산출시 보정을 위해 사용되는 그래프형 보정기준으로, 측정하고자 하는 초박막을 포함하는 기준 샘플을 대상으로 하되, 기준 샘플 내 초박막의 두께를 달리하며 두께를 측정한 측정값들에 기반하며, 상기 측정값은 길이 단위 소급성을 갖는 제1두께측정법을 이용한 제1측정값과 오프셋 소급성을 갖는 제2두께측정법을 이용한 제2측정값을 포함하고, 상기 제1측정값을 y축 값으로 갖고 상기 제2측정값을 x축 값으로 갖는 포인트(point)들을 선형 피팅(linear fitting)하여 얻어진, 기울기 m과 y축 절편값 c를 갖는 상호보정용 1차 그래프를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 보정기준에 있어, 제1두께측정법은 고분해능 투과전자현미경(HR-TEM)을 이용한 두께측정법이며, 상기 제2두께측정법은 중에너지이온산란분광법(MEIS)을 이용한 두께측정법일 수 있다.
본 발명은 상술한 보정기준을 이용한 nm 오더 두께를 갖는 초박막의 두께 산출방법을 포함한다.
본 발명에 따른 두께 산출 방법은 nm 오더 두께를 갖는 초박막의 두께 산출 방법으로, a) 초박막의 두께를 달리하며, 길이 단위 소급성을 갖는 제1두께측정법으로 초박막 샘플의 두께를 측정하여 제1측정값을 얻고, 이와 독립적으로 오프셋 소급성을 갖는 제2두께측정법으로 초박막 샘플의 두께를 측정하여 제2측정값을 얻는 단계; b) 상기 제1두께측정법의 두께를 y축으로, 상기 제2두께측정법의 두께를 x축으로 하고, 상기 두께를 달리한 초박막 별 제1측정값과 제2측정값으로 특정되는 포인트(point)들을 선형 피팅(linear fitting)하여 기울기 m과 y축 절편값 c를 갖는 상호보정용 그래프를 얻는 단계; 및 c) 제1측정값에서 절편값 c를 뺀 보정된 제1두께를 얻고, 제2측정값에 기울기 m을 곱하여 보정된 제2두께를 얻고, 보정된 제1두께와 보정된 제2두께의 평균값을 산출하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 두께 산출 방법에 있어, 상기 제1두께측정법은 고분해능 투과전자현미경(HR-TEM)을 이용한 두께측정법이며, 상기 제2두께측정법은 중에너지이온산란분광법(MEIS)을 이용한 두께측정법일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 두께 산출 방법에 있어, 상기 a) 단계의 초박막은 실리콘 단결정 기판 상 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 두께 산출 방법에 있어, 상기 고분해능 투과전자현미경을 이용한 두께측정 시, 실리콘 단결정의 면간 거리를 기준으로 초박막의 두께를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 두께 산출 방법에 있어, 상기 고분해능 투과전자현미경을 이용한 두께측정 시, 실리콘 단결정 기판과 초박막 적층체의 고분해능 투과전자현미경 수직 단면 이미지상, 실리콘 단결정 기판의 표면에 수직이 되도록 실리콘 단결정에서 초박막을 가로지르는 가상의 선에 대해 명암세기 분포를 얻고, 명암세기 분포에서 경계를 이루는 두 영역 각각의 평균 명암세기를 산출하고, 두 평균 명암세기의 중간 지점을 두 영역간의 계면의 위치로 하여, 초박막의 두께인 제1측정값이 산출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 두께 산출 방법에 있어, 중에너지이온산란분광법(MEIS)을 이용한 두께측정 시, 중에너지이온산란분광 스펙트럼 상 실리콘에 해당하는 에너지 구간에서 일정 구간의 신호 세기를 적분하여 기판 신호세기(IA)를 얻고, 동일 스펙트럼상 초박막 성분원소의 에너지 구간 전 영역에서의 신호 세기를 적분하여 박막 신호세기(IB)를 얻어, 제2측정값인 박막 신호세기(IB)/기판 신호세기(IA)를 산출할 수 있다.
본 발명에 따른 두께 산출 방법은 10 nm 이하, 구체적으로 5 nm 이하의 초박형 막의 두께를, 물질의 종류에 제한되지 않고, 극히 정확하게 산출할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 고분해능 투과전자현미경을 이용한 초박막의 두께측정 시 실리콘 단결정을 기준하는 예를 도시한 도면이다.
도 2는 고분해능 투과전자현미경을 이용한 초박막의 두께측정 시 평균명암세기법을 이용한 계면 및 표면의 위치를 결정하는 예를 도시한 도면이다.
도 3은 초박막의 두께에 따른 중에너지이온산란분광 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 4는 중에너지이온산란분광법을 이용한 초박막의 두께측정 시, 기판 신호세기와 박막 신호세기를 구하는 예를 도시한 도면이다.
도 5는 길이 단위 소급성을 갖는 제1두께측정법과 오프셋 소급성을 갖는 제2두께측정법으로 측정된 측정값을 이용하여 산출된 상호보정용 그래프를 도시한 도면이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 두께 산출 방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다. 본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미한다.
본 발명에 따른 두께 산출 방법은 초박막의 두께 산출 방법으로, nm 오더 두께, 구체적으로 1 내지 9 nm의 두께, 보다 구체적으로 1 내지 5 nm의 두께를 갖는 초박막의 두께 산출 방법이다.
본 발명에 따른 두께 산출 방법은 a) 초박막의 두께를 달리하며, 길이 단위 소급성을 갖는 제1두께측정법으로 초박막 샘플의 두께를 측정하여 제1측정값을 얻고, 이와 독립적으로 오프셋 소급성을 갖는 제2두께측정법으로 초박막 샘플의 두께를 측정하여 제2측정값을 얻는 단계; b) 상기 제1두께측정법의 두께를 y축으로, 상기 제2두께측정법의 두께를 x축으로 하고, 상기 두께를 달리한 초박막 별 제1측정값과 제2측정값으로 특정되는 포인트(point)들을 선형 피팅(linear fitting)하여 기울기 m과 y축 절편값 c를 갖는 상호보정용 그래프를 얻는 단계; 및 c) 제1측정값에서 절편값 c를 뺀 보정된 제1두께를 얻고, 제2측정값에 기울기 m을 곱하여 보정된 제2두께를 얻고, 보정된 제1두께와 보정된 제2두께의 평균값을 산출하는 단계;를 포함한다.
본 발명에서, 길이 단위 소급성을 갖는 두께측정법(length-unit traceable thickness measurement method)은 물리적인 길이 기본단위 (m)에 근거하여 박막의 두께가 정해지는 방법을 의미한다. 일 예로, 길이 단위 소급성을 갖는 두께측정법은 고분해능 투과전자현미경을 이용한 두께측정일 수 있다. 단결정 실리콘의 격자상수를 기준으로 두께를 결정하는 고분해능 투과전자현미경(HR-TEM)을 이용한 두께측정 방법을 들 수 있다. 고분해능 투과전자현미경을 이용한 두께측정 시, 초박막의 기판은 단결정 실리콘일 수 있으며, 단결정 실리콘의 격자상수를 기준으로 초박막의 두께가 결정될 수 있다. 특히, 고분해능 투과전자현미경을 이용한 측정은 표면산화막의 영향으로부터 자유로울 수 있어(영향을 받지 않아) 유리하다.
본 발명에서, 오프셋 소급성을 갖는 두께측정법(offset traceable thickness measurement method)은 박막의 실제 두께가 0이 될 때 측정 두께가 0이 되는 두께측정법을 의미하며, 일 예로, 박막을 구성하는 성분의 화학적인 양을 두께로 환산하는 방법을 의미한다. 구체 예로, 오프셋 소급성을 갖는 두께측정법은 중에너지이온산란분광법 (Medium Energy Ion scattering Spectrometry: MEIS)을 이용한 두께측정 방법을 들 수 있다. 다른 오프셋 소급성을 갖는 측정 방법 대비 중에너지이온산란분광법은 표면 산화막의 영향 및 비탄성자유행로 차이등의 영향으로부터 자유로울 수 있어 유리하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 두께 산출 방법은, 오프셋 소급성을 갖는 두께측정법에 의한 두께측정 결과와 물리적인 길이 단위 소급성을 갖는 두께측정법 에 의한 두께측정 결과를 이용하여, 일 측정 방법의 장점으로 다른 일 측정 방법의 단점을 보완함으로써, 수 nm로 극히 얇은 초박막의 절대 두께를 산출할 수 있는 장점이 있다.
a) 단계는, 초박막의 두께를 달리하며, 길이 단위 소급성을 갖는 제1두께측정법으로 초박막 샘플의 두께를 측정하여 제1측정값을 얻고, 이와 독립적으로 오프셋 소급성을 갖는 제2두께측정법으로 초박막 샘플의 두께를 측정하여 제2측정값을 얻는 단계이다.
a) 단계에서, 동일 물질의 초박막이되, 서로 두께가 다른 2개 이상의 초박막 각각을 대상으로 제1측정값과 제2측정값을 얻을 수 있다. a) 단계에서 제1측정값과 제2측정값이 측정되는 초박막의 수는 2 내지 8개, 구체적으로 3 내지 6개일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 서로 상이한 두께를 갖는 초박막 각각 두께는, 10 nm 이하, 구체적으로 5 nm 이하일 수 있다.
이에 따라, a) 단계에서 서로 상이한 두께를 갖는 N개(N은 2 내지 8의 자연수)의 초박막 각각에 대해 제1측정값과 제2측정값이 얻어질 수 있다.
a) 단계에서, 초박막은 실리콘 단결정 기판 상 형성된 것일 수 있다. 이에, 길이 소급성을 갖는 제1두께측정법으로 초박막의 두께를 측정할 때, 실리콘 단결정 기판, 즉, 단결정 실리콘의 격자상수나 면간 거리가 길이의 기준으로 작용할 수 있다. 측정 대상인 초박막이 형성되는 실리콘 단결정 기판의 표면은 (100), (110) 또는 (111) 결정면등과 같은 저지수 면일 수 있다.
일 예로, 고분해능 투과전자현미경을 이용한 두께측정 시, 실리콘 단결정의 면간 거리를 기준으로 초박막의 두께를 측정함으로써, 길이 단위 소급성을 가질 수 있다.
측정하고자 하는 초박막이 하프늄 산화막인 일 예에 있어, 고분해능 투과전자현미경을 이용한 초박막의 두께측정 시, 도 1과 같이, Si(100) 기판의 수직 단면에서 <110> 방향으로 관찰되는 {100}면의 면간거리인 격자상수(=0.543 nm)를 기준으로, 하프늄 산화물 막의 두께를 측정할 수 있다.
또한, 고분해능 투과전자현미경을 이용한 초박막의 두께측정 시, 실리콘 단결정 기판과 초박막 적층체의 고분해능 투과전자현미경 수직 단면 이미지상, 실리콘 단결정 기판의 표면에 수직이 되도록 실리콘 단결정에서 초박막을 가로지르는 가상의 선에 대해 명암세기 분포를 얻고, 명암세기 분포에서 경계를 이루는 두 영역 각각의 평균 명암세기를 산출하고, 두 평균 명암세기의 중간 지점을 두 영역간의 계면의 위치로 하여, 초박막의 두께인 제1측정값이 산출될 수 있다.
도 2는, 도 1의 고배율투과전자현미경 이미지에서 실리콘(100)에 수직인 가상의 선에 따른 명암세기 분포를 도시한 도면으로, 접착제(glue), 하프늄 산화막, 실리콘 산화막의 평균 명암 세기를 구하고, 명암 세기가 두 평균 명암세기의 중간이 되는 지점을 표면이나 계면으로 정의할 수 있으며, 이때, 앞서 상술한 바와 같이, 10개의 {100}면간 거리인 5.43nm 의 거리를 기준으로 하프늄 산화물 막의 두께인 제1측정값이 얻어질 수 있다.
도 1 및 도 2를 기반으로 상술한 바와 같이, 길이 단위 소급성을 갖는 제1두께측정법의 경우 정해진 표면과 계면이 실제 위치와 다를 수 있으나, 측정되는 모든 초박막에 대해 동일한 기준으로 두께측정이 수행됨에 따라, 원래 위치에서 같은 방향으로 표면 및 계면의 위치가 정해져 동일한 방향 및 동일한 두께 차이 즉 두께 오프셋이 형성 될 수 있으며, 두께 오프셋의 크기는 오프셋 소급성을 갖는 제2두께측정법을 통해 산출될 수 있다.
실험적으로, 고분해능 투과전자현미경을 이용한 두께측정 시 기준이 되는 실리콘의 격자 모양이 선명하게 관찰되도록, 이미지 분해능은 일반적으로 40만배 이상인 것이 좋고, 서로 상이한 5개 이상의 위치에서 각각 측정된 고분해능 투과전자현미경 이미지를 이용하여 초박막의 두께를 측정한 후, 이의 평균값을 취하는 것이 좋다.
a) 단계에서, 오프셋 소급성을 갖는 제2두께측정법은 박막의 실제 두께가 0일 때 측정 두께가 0이 되는 두께측정법으로, 오프셋 소급성을 갖는 제2두께측정법은 박막성분의 화학적인 양을 두께로 변환하는 방법임에 따라, 박막이 없을 경우 그 두께는 0이 된다.
측정하고자 하는 초박막이 하프늄 산화막인 일 예에 있어, 오프셋 소급성을 갖는 제2두께측정법인 중에너지이온산란분광을 이용한 두께측정 시, 도 3과 같이 하프늄 산화막의 두께(3.36, 2.52, 2.08, 1.64, 1.20, 0.76)가 얇아질수록 하프늄의 피크면적이 감소하며 두께가 0에 다다르면 그 두께도 0에 수렴하므로 오프셋 소급성을 가진다. 즉 시료표면에 입사된 후 산란되어 나오는 이온의 숫자는 박막 내 성분 원소의 양에 비례하므로 박막성분 원소의 개수를 측정할 수 있고 박막성분의 원자밀도로부터 두께가 측정될 수 있다.
중에너지이온산란분광법(MEIS)을 이용한 두께측정 시, 중에너지이온산란분광 스펙트럼 상 실리콘에 해당하는 에너지 구간에서 일정 구간의 신호 세기를 적분하여 기판 신호세기(IA)를 얻고, 동일 스펙트럼상 초박막 성분원소의 에너지 구간 전 영역에서의 신호 세기를 적분하여 박막 신호세기(IB)를 얻어, 제2측정값인 박막 신호세기(IB)/기판 신호세기(IA) 비율을 산출할 수 있다.
즉, 도 4의 일 예와 같이, 일정 에너지 구간의 기판(실리콘) 신호세기를 적분하여 기판 신호세기(IA)를 구할 수 있다. 이 때 기판의 에너지 구간은 도 4와 같이 박막영역이 배제되고 박막성분원소가 포함되지 않으며 다중충돌의 영향이 적은 고에너지 영역으로 설정하는 것이 좋다. 이때, 모든 시편에 동일한 에너지 구간이 적용됨은 물론이다. 또한, 도 4의 예와 같이, 초박막 성분원소의 신호세기가 얻어지는 전 구간을 적분하여 박막 신호세기(IB)를 구할 수 있다. 이후, 기판 신호세기(IA)와 박막 신호세기(IB)로부터 세기비율(RMEIS=IB/IA)인 제2측정값을 산출할 수 있다.
실험적으로, 중에너지이온산란분광법을 이용한 두께측정 시, 측정 대상 초박막의 결정성에 의해 정량 분석이 영향을 받지 않도록 랜덤 스펙트럼을 얻는 것이 좋다. 이러한 랜덤 스펙트럼은 기판 또는 박막이 결정 시료인 경우에는 일반적으로 시료면의 수직방향을 축으로 시료를 회전시키면서 측정하며, 비정질 시료와 결정질 시료의 스펙트럼이 동일하게 측정되도록 입사각 및 산란각을 결정함으로써 얻어질 수 있다. 또한, 제2측정값인 세기비율 산출시 서로 상이한 5개 이상의 위치에서 각각 측정된 세기비율을 평균하여, 그 평균값을 취하는 것이 좋다.
서로 상이한 두께를 갖는 초박막을 대상으로, 제1측정값과 제2측정값을 얻은 후, 제1두께측정법의 두께를 y축으로, 상기 제2두께측정법의 두께를 x축으로 하고, 상기 두께를 달리한 초박막 별 제1측정값과 제2측정값으로 특정되는 포인트(point)들을 선형 피팅(linear fitting)하여 기울기 m과 y축 절편값 c를 갖는 상호보정용 그래프를 얻는 단계가 수행될 수 있다.
이후, 제1측정값에서 절편값 c를 뺀 보정된 제1두께를 얻고, 제2측정값에 기울기 m을 곱하여 보정된 제2두께를 얻고, 보정된 제1두께와 보정된 제2두께의 평균값을 산출함으로써, 초박막의 실제 두께를 구할 수 있다.
일 예로, 도 5는 Si (100) 면 상, 5 nm 이하의 서로 상이한 두께를 갖도록 초박막을 형성한 6개의 시료를 대상으로, 고분해능 투과전자현미경을 이용하여 측정된 제1측정값과, 중에너지이온산란분광법을 이용하여 측정된 제2측정값(세기비율)을 얻은 후, 제1측정값을 y축 값으로 하고 제2측정값인 세기비율(RMEIS)을 x축 값으로 하여 6개의 시료에 의한 포인트[(x,y)=(제2측정값,제1측정값)]를 사각점으로 도시하고, 이러한 포인트들을 선형 피팅하여 기울기 m과 y축 절편값 c를 갖는 상호보정용 그래프를 얻은 예이다.
이후, 고분해능 투과전자현미경을 이용하여 측정된 두께(TTEM)에서 상호 보정용 그래프의 절편값 c(=오프셋 값)을 빼주어 보정된 TEM 두께(Tc TEM, TC TEM = TTEM - 0.497 nm)를 구하고, 세기비율(RMEIS=IB/IA)에 상호 보정용 그래프의 기울기 값(m=3.065)을 곱하여 보정된 MEIS 두께(Tc MEIS, TC MEIS = RMEIS x 3.065 nm)를 구한 후, 보정된 TEM 두께(Tc TEM)와 보정된 MEIS 두께(Tc MEIS)의 평균값으로부터 인증두께(Tcer, Tcer = (TC TEM + TC MEIS) / 2)를 산출할 수 있다.
이때, 길이 단위 소급성을 갖는 제1두께측정법과 오프셋 소급성을 갖는 제2두께측정법의 구체 방법에 따라 측정불확도가 산출될 수 있으며, 제1두께측정법이 고분해능 투과전자현미경(HR-TEM)을 이용한 방법인 경우, HR-TEM 측정 표준불확도 u2 TEM = u2 m + u2 L + u2 T 으로 표현될 수 있다. um: 유한한 측정 횟수에 의한 불확도로 측정 표준편차(standard deviation)을 측정 횟수의 제곱근으로 나눈 A형 불확도, - uL: 실리콘(100) 면간 간격 측정 시 표준불확도, uT: 계면 및 표면 위치 결정 시 표준불확도. 또한, 제2두께측정법이 중에너지이온산란분광법(MEIS)을 이용한 방법인 경우, MEIS 측정 표준불확도 u2 MEIS = u2 R로 표현될 수 있다. uR: RMEIS 측정 불확도로 측정 표준편차를 측정 횟수의 제곱근으로 나눈 A형 불확도. 이에, 박막 두께측정 불확도 u2 = u2 TEM + u2 MEIS 으로 표현될 수 있다.
본 발명에 따른 두께 산출 방법은 초박막의 구체 물질 종류에 의해 유의미하게 영향을 받지 않는다. 이에, 일 구체예에서 초박막 물질은, 절연성 물질, 반도체 물질 또는 금속일 수 있다. 절연성 물질은 실리콘, 알루미늄, 마그네슘, 칼슘, 지르코늄, 하프늄, 이트륨, 스트론튬, 란타늄, 탄탈륨, 바륨 및 티타늄등에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 원소의 산화물(둘 이상의 경우 복합 산화물), 질화물(둘 이상의 경우 복합 질화물), 또는 산질화물(둘 이상의 경우 복합 산질화물)등과 같이, 반도체 소자에서 통상적으로 사용되는 절연성 고유전율 막일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 상술한 nm 오더 두께를 갖는 초박막의 두께 산출시 보정을 위해 사용되는 그래프형 보정 기준을 포함한다. 그래프형 보정 기준은 상술한 상호 보정용 그래프를 포함할 수 있다.
이에, 본 발명에 따른 그래프형 보정 기준은 측정하고자 하는 초박막을 포함하는 기준 샘플을 대상으로 하되, 기준 샘플 내 초박막의 두께를 달리하며 두께를 측정한 측정값들에 기반하며, 상기 측정값은 길이 단위 소급성을 갖는 제1두께측정법을 이용한 제1측정값과 오프셋 소급성을 갖는 제2두께측정법을 이용한 제2측정값을 포함하고, 상기 제1측정값을 y축 값으로 갖고 상기 제2측정값을 x축 값으로 갖는 포인트(point)들을 선형 피팅(linear fitting)하여 얻어진, 기울기 m과 y축 절편값 c를 갖는 상호보정용 1차 그래프를 포함할 수 있으며, 유리하게, 제1두께측정법은 고분해능 투과전자현미경(HR-TEM)을 이용한 두께측정법일 수 있고, 상기 제2두께측정법은 중에너지이온산란분광법(MEIS)을 이용한 두께측정법일 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기판으로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (8)

  1. nm 오더 두께를 갖는 초박막의 두께 산출시 보정을 위해 사용되는 그래프형 보정기준을 이용한 nm 오더 두께를 갖는 초박막의 두께 산출 방법으로,
    상기 그래프형 보정 기준은 측정하고자 하는 상기 초박막을 포함하는 기준 샘플을 대상으로 하되, 기준 샘플 내 초박막의 두께를 달리하며 두께를 측정한 측정값들에 기반하며,
    상기 측정값은 길이 단위 소급성을 갖는 제1두께측정법을 이용한 제1측정값과 오프셋 소급성을 갖는 제2두께측정법을 이용한 제2측정값을 포함하고,
    상기 제1측정값을 y축 값으로 갖고 상기 제2측정값을 x축 값으로 갖는 포인트(point)들을 선형 피팅(linear fitting)하여 얻어진, 기울기 m과 y축 절편값 c를 갖는 상호보정용 1차 그래프를 포함하며,
    상기 제1두께측정법은 고분해능 투과전자현미경(HR-TEM)을 이용한 두께측정법이고, 상기 제2두께측정법은 중에너지이온산란분광법(MEIS)을 이용한 두께측정법이며,
    상기 초박막은 실리콘 단결정 기판 상 형성된 초박막이며, 상기 고분해능 투과전자현미경을 이용한 두께 측정시, 실리콘 단결정의 면간 거리를 기준으로 제1측정값이 산출되는 방법.
  2. 삭제
  3. nm 오더 두께를 갖는 초박막의 두께 산출 방법으로,
    a) 초박막의 두께를 달리하며, 길이 단위 소급성을 갖는 제1두께측정법으로 초박막 샘플의 두께를 측정하여 제1측정값을 얻고, 이와 독립적으로 오프셋 소급성을 갖는 제2두께측정법으로 초박막 샘플의 두께를 측정하여 제2측정값을 얻는 단계;
    b) 상기 제1두께측정법의 두께를 y축으로, 상기 제2두께측정법의 두께를 x축으로 하고, 상기 두께를 달리한 초박막 별 제1측정값과 제2측정값으로 특정되는 포인트(point)들을 선형 피팅(linear fitting)하여 기울기 m과 y축 절편값 c를 갖는 상호보정용 그래프를 얻는 단계; 및
    c) 제1측정값에서 절편값 c를 뺀 보정된 제1두께를 얻고, 제2측정값에 기울기 m을 곱하여 보정된 제2두께를 얻고, 보정된 제1두께와 보정된 제2두께의 평균값을 산출하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 제1두께측정법은 고분해능 투과전자현미경(HR-TEM)을 이용한 두께측정법이고, 상기 제2두께측정법은 중에너지이온산란분광법(MEIS)을 이용한 두께측정법이며,
    상기 a) 단계의 초박막은 실리콘 단결정 기판 상 형성된 초박막이며, 상기 고분해능 투과전자현미경을 이용한 두께측정 시, 실리콘 단결정의 면간 거리를 기준으로 제1측정값이 산출되는 초박막의 두께 산출 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 고분해능 투과전자현미경을 이용한 두께측정 시, 실리콘 단결정 기판과 초박막 적층체의 고분해능 투과전자현미경 수직 단면 이미지상, 실리콘 단결정 기재의 표면에 수직이 되도록 실리콘 단결정에서 초박막을 가로지르는 가상의 선에 대해 명암세기 분포를 얻고, 명암세기 분포에서 경계를 이루는 두 영역 각각의 평균 명암세기를 산출하고, 두 평균 명암세기의 중간 지점을 두 영역간의 계면의 위치로 하여, 초박막의 두께인 제1측정값이 산출되는 초박막의 두께 산출 방법.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 중에너지이온산란분광법(MEIS)을 이용한 두께측정 시, 중에너지이온산란분광 스펙트럼 상 실리콘에 해당하는 에너지 구간에서 일정 구간의 신호 세기를 적분하여 기재 신호세기(IA)를 얻고, 동일 스펙트럼상 초박막 성분원소의 에너지 구간 전 영역에서의 신호 세기를 적분하여 박막 신호세기(IB)를 얻어, 제2측정값인 박막 신호세기(IB)/기재 신호세기(IA) 비율을 산출하는 초박막의 두께 산출 방법.
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CN114061496B (zh) * 2021-11-23 2023-06-16 长江存储科技有限责任公司 样品表面膜层厚度的测量方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100252749B1 (ko) * 1997-06-30 2000-04-15 김영환 두께 측정 표준 웨이퍼 제조 방법
KR20030021299A (ko) * 2001-09-05 2003-03-15 동부전자 주식회사 막 두께 측정 장비를 위한 막 두께 표준 기준 물질 인증방법
US7209798B2 (en) * 2004-09-20 2007-04-24 Tokyo Electron Limited Iso/nested cascading trim control with model feedback updates
KR20100078097A (ko) 2008-12-30 2010-07-08 삼성전자주식회사 막의 두께 산출 방법 및 이를 이용한 막 형성 방법
KR101377938B1 (ko) * 2010-12-14 2014-03-24 한국표준과학연구원 중에너지 이온빔 산란을 이용한 분광분석기

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M.P.Seah et al., "Critical review of the current status of thickness measurements for ultrathin SiO2 on Si Part V: Results of a CCQM pilot study", SURFACE AND INTERFACE ANALYSIS, 2004, pp1269-1303*

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