KR19980087127A - 반도체 디바이스를 이미지화하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

반도체 디바이스들은 2-광자(two-photon) 흡수를 이용하여 이미지화된다. 이 방법은, 사용된 광 빔이 반도체 밴드갭(bandgap)을 가로질러 전자들을 여기시키기에 불충분한 주파수(광자 에너지)를 갖는다는 점만 제외하고, 종래의 광 빔 유도 이미지화와 유사하다. 그러나, 저주파 광의 순시 강도는 펄스형 레이저 광원을 사용함으로써 증가되어, 빔이 집속되는 국부 영역에서 2-광자 흡수에 의한 전자 천이가 대부분 발생한다. 이로 인해, 레이저 빔이 집속되지 않고 기판을 통과하는 동안에는 흡수가 최소로 되고, 빔이 집속되는, 다수의 구성 요소들이 존재하는 활성 층에서는 흡수가 최대로 된다. 이것은 미세한 세부를 갖는 반도체 디바이스의 이미지화를 향상시킨다. 특히, 여기 강도에 대한 자유 캐리어 발생의 2차 의존성은 해상도를 높이고 3차원적 분할 능력을 제공한다.

Description

반도체 디바이스를 이미지화하기 위한 방법 및 장치
본 발명은 반도체 디바이스의 이미지화에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 2-광자 흡수를 이용하여 디바이스를 이미지화하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
반도체내에 회로 구조를 이미지화하는 것은 집적 회로와 같이 반도체 전자 소자 및 반도체 광전자 소자의 설계, 제조, 검사에 있어서, 연구 도구로서 뿐만 아니라 매우 중요한 실제 기술로서 관심 분야이다. 이러한 디바이스의 동작 구성 요소들은 마이크로스코프 기법(microscopic techniques)에 의해서만 의미있게 관측될 수 있는 초미세한 특징들을 갖는 초소형 구조체이다.
다수의 연결 금속층들이 동작 구성 요소의 위에 놓이고 비교적 두꺼운 실리콘층이 동작 구성 요소의 아래에 놓이기 때문에, 최신 반도체 디바이스를 관측하는 데에는 상당한 어려움이 있다.
이들 구성 요소를 현미경으로 이미지화하는 하나의 방법은 광 빔 유도 전류 이미지화를 사용하는 것이다. 가전자대(valance band)로부터 전도대(conduction band)로 전자들을 여기시키기에 적합한 주파수로 집속된 빔이 반도체 칩 위로 주사되고, 그로 인해 발생되는 전류가 측정된다. 발생된 전류와 주사 빔의 위치로부터, 컴퓨터는 이미지 프로세싱 소프트웨어를 이용하여 디바이스의 특징들을 나타내는 이미지를 발생할 수 있다.
통상적으로, 반도체 칩의 상부가 금속으로 덮혀있기 때문에, 디바이스는 하부를 통해 주사된다. 그러나, 이러한 방법에 있어서의 문제점은 빔이 디바이스의 상부 표면에 있는 활성층에 도달하기 전에 하부 기판을 통과하는 중에 흡수된다는 것이다. 이에 의해 다수의 구성 요소들이 존재하는 활성층에서 전자를 여기시키는데 이용가능한 광이 감소되고, 의사 배경 효과(superimposes spurious background effects)가 부가된다. 따라서, 반도체 디바이스들을 이미지화하기 위한 개선된 방법 및 장치가 요구된다.
도 1은 본 발명에 따라 반도체 디바이스를 이미지화(imaged)하는 데 포함되는 단계들의 블록도,
도 2는 도 1의 방법을 실시하기 위한 장치의 개략도,
도 3은 도 1의 방법을 설명하기 위한 통상적인 반도체의 간략화된 에너지 대역도,
도 4는 도 3에 도시된 장치의 전자 제어부 및 측정부를 나타내는 도면,
도 5, 도 6 및 도 7은 도 1의 방법에 따라 형성된 집적 회로 디바이스의 예시적인 이미지.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
20 : 반도체 디바이스 21 : 조명원
22 : 스캐너 23 : 빔
24a, 24b : 릴레이 렌즈 25 : 대물 렌즈
201 : 플라스틱 몸체 202 : 기판 하부 표면
203 : 상부 표면 204, 205 : 리드선
210 : 펌프 레이저 211 : 발진기
212 : 감쇄기
본 발명에 따르면, 반도체 디바이스들이 2-광자(two-photon) 흡수를 이용하여 이미지화된다. 본 방법은, 사용된 광 빔이 반도체 밴드갭(bandgap)을 가로질러 전자들을 여기시키기에 불충분한 주파수(광자 에너지)를 갖는다는 점만 제외하고, 종래의 광 빔 유도 이미지화와 유사하다. 오히려, 저주파 광의 순시 강도는 펄스형 레이저 광원을 사용함으로써 증가되므로, 빔이 집속되는 국부 영역에서 2-광자 흡수에 의한 전자 천이가 대부분 발생한다. 이 결과, 레이저 빔이 기판을 통과하는 동안에는 흡수가 최소이고, 빔이 집속되는, 다수의 구성 요소를 갖는 활성층에서 최대 흡수가 발생한다. 이것은 미세한 세부를 갖는 반도체 디바이스의 이미지화를 향상시킨다. 특히, 여기 강도에 대한 자유 캐리어 발생의 2차 의존성은 해상도를 높이고 3차원적 분할 능력을 제공한다.
본 발명의 이점들과, 성질 및 여러 가지 부가적인 특징들은 첨부한 도면을 참조하여 이제 상세하게 설명될 예시적인 실시예를 고려하면 더욱 분명해질 것이다.
도면들은 본 발명의 개념을 설명하기 위한 목적으로 제공된 것이며, 사진을 제외하고는 실측도가 아님을 이해해야 한다.
도면을 참조하면, 도 1에는 본 발명에 따라 반도체 디바이스를 이미지화 하기 위한 방법의 블록도가 도시된다. 블록 A에 도시된 바와 같이, 단계 1은 이미지화 하기에 적합한 프리젠테이션(presentation)으로 반도체 디바이스를 제공한다. 통상, 디바이스는 상부 평탄 면에 인접하여 형성된 활성 구성 요소들을 구비하는, 단결정 실리콘 칩과 같은 반도체 칩의 형태이다. 이들 구성 요소들은 저항들과, 캐패시터들과 혹은 트랜지스터들과 같은 전자 디바이스들, 또는 LED 고체 레이저들과, 평탄한 도파관들과 같은 광전자 디바이스들을 정의하는 여러 가지 불순물 도핑된 영역들을 포함할 수 있다.
장애물이 없는 경우에, 디바이스들은 활성 표면 위로부터 혹은 하부 기판을 통해 활성 표면 아래로부터 이미지화될 수 있다. 그러나, 통상적으로 활성 표면의 상부는 금속층으로 덮혀있으므로 활성 표면 상부로부터의 광 액세스는 차단된다. 상부 표면을 덮고 있는 금속층은 제거될 수 있지만, 그러한 금속층 제거는 종종 관찰될 회로 구조를 손상시킨다. 따라서, 디바이스 구성 요소들은 기판을 통해 활성 표면 하부로부터 이미지화된다.
도 1의 방법을 실시하기 위한 바람직한 장치의 개략도인 도 2는, 관찰되기 위해 노출된 기판 하부(202) 및 플라스틱 본체(201)내에 매립된 다수의 구성 요소가 존재하는 상부 표면(203)을 갖는, 플라스틱 본체(201)내에 매립된 반도체 디바이스(20)의 바람직한 프리젠테이션을 나타낸다. 이미지화될 영역을 가로지르는 전극으로 사용될 도전성 리드선(leads)(204, 205)들은 플라스틱 본체(201)의 밖으로 연장된다. 기판 하부 표면(202)은 적절하게 연마되어 거울(mirror)로서 끝마무리된다.
블록 B에 도시된 다음 단계는 통상적으로는 기판에 의해 흡수되지 않지만, 2-광자 흡수에 의해 충분한 광도로 흡수되는 파장의 광에 디바이스를 노출시키는 것이다. 이러한 단계는 결정 반도체의 잘 알려진 에너지 대역 특성을 개략적으로 도시하는 도 3을 고찰함으로써 이해될 수 있다. 본질적으로, 가전자대(31)와 전도대(32) 사이에 전자들이 존재할 수 없는 금지 에너지 갭(gap)(30)이 있다. 이들 대역 사이의 에너지 차는 에너지 갭 E이다. 에너지 갭 E보다 더 큰 광자 에너지 hf1을 갖는 광(33)은 전자들을 가전자대(전도성 정공을 발생)로부터 전도대로 여기시킬 수 있으므로, 그러한 광은 흡수될 수 있다. 에너지 갭 E보다 작은 광자 에너지 hf2를 갖는 광(34)은 통상적으로 전자 천이를 여기시키지 않는다. 그러한 정상 강도의 광은 감쇄되지 않고 반도체를 통과할 것이다. 그러나, 에너지 갭 E보다 작은 광자 에너지를 갖는 두 개의 광의 강도가 더해지면, 즉, 2hf2E가 되면, 충분한 강도에서 몇 개 전자들이 동시에 두 개의 광자들(35, 36)을 흡수하여, 가전자대로부터 전도대로 여기됨으로써 전하 캐리어(charge carrier) 및 전류를 발생한다.
블록 C에 도시된 바와 같이, 디바이스에 조사된 광이 집속되어, 이미지화 되는 디바이스를 손상시키지 않으면서도 2-광자 흡수를 달성한다. 이것은, 통상적인 응용에 있어서, 광이 공간중에서 집속에 의해 집중됨을 의미한다. 또한, 펄스형 레이저 광원을 사용함으로써, 제때에 적절하게 광을 집속시킬 수 있다. 이러한 방법의 이점은, 2-광자 흡수를 여기시키기 위해서 광이 초점에 충분히 집속될 때까지 감쇄되지 않으면서 반도체 기판을 통과한다는 것이다. 집속의 심도를 제어함으로써, 검사될 영역의 디바이스내로의 광의 심도를 선택할 수 있다. 따라서, 관심있는 특정한 평탄 영역을 이미지화 하거나, 혹은 변위된 평탄 영역들을 연속적으로 검사함으로써 디바이스의 3 차원 이미지를 발생하는 것이 가능하다. 펄스형 레이저의 사용은, 이용가능한 광 파워(optical power)를 집속할 뿐만 아니라, 필요한 평균 파워를 감소시킴으로써, 반도체 디바이스에 대한 손상을 최소화한다. 블록 D에 도시된 노출 단계 동안에, 광이 주사되고, 이 주사된 영역에서 2-광자 흡수에 의해 발생된 전류가 측정된다.
블록 E에 도시된 마지막 단계에서는, 각각의 빔 위치에서 발생된 전류에 근거하여 주사된 영역의 이미지가 생성된다. 이러한 단계는 컴퓨터를 사용하여 수행되는데, 컴퓨터는 주사를 제어함과 동시에 각각의 주사 위치에 대해 측정된 전류를 수신한다.
도 2에는 2-광자 흡수(hfε2hf)로 흡수될 비흡수 주파수 f의 빔을 제공하기 위한 조명원(21)을 포함하는, 반도체 디바이스(20)를 이미지화하는 바람직한 장치가 개략적으로 도시된다. 조명원(21)은 펌프 레이저(210), 광학적 파라메터 발진기(an optical parametric oscillator)(211), 조명 강도를 제어하기 위한 감쇄기(212)를 적절하게 포함할 수 있다. 바람직한 디바이스에 있어서, 레이저(210)는 스펙트라 피직스사에 의해 상표명 츠나미(Tsunami)로 판매되는 모드 동기된 10-15초(femtosecond) Ti:사파이어 펄스형 레이저이다. 발진기(211)는 캘리포니아 마운틴뷰에 거주한 스펙트라 피직스사에 의해 상표명 오팔(Opal)로 판매되는 광학적 파라메터 발진기이다. 감쇄기는 캘리포니아 어빈에 거주한 뉴포트사로부터의 50G00AV.1일 수 있다. 실리콘 집적 회로를 이미지화하기 위해, 예시적인 여기 펄스 폭은 120fs이고, 반복 속도는 80MHz일 수 있으며, 파장은 1-광자 흡수를 방지하기 위해 1.2 마이크로미터보다 길어야 한다. 바람직하게는, 파장은 1.6 내지 1.2 마이크로미터 범위이다. 대안적으로, 광학적 여기는 1300nm 및 1550nm 파장 영역의 통신 응용을 위해 개발된 펄스형 서브 피코세컨드 레이저와 같은 다른 광원에 의해 제공될 수 있다.
스캐너(22)는 이미지화될 디바이스 상에 빔(23)을 주사하기 위해 제공된다. 바람직한 스캐너는 MA 워터타운에 위치한 캠브리지 테크놀리지사에 의해 판매되는 6800 소형 위치 제어 시스템과 같은 두 개의 주사 거울로 구성된 래스터 스캐너(raster sanner)이다.
주사 거울에서 대물 렌즈(25)의 후부 개구로 이미지화하기 위한 릴레이 렌즈들(24a, 24b)이 적절히 제공된다. 또한, 이 릴레이 렌즈들은 빔의 직경을 제어한다. 릴레이 렌즈에 적합한 렌즈들은 스핀들러 앤드 호이어사 제품이다.
대물 렌즈(25)는 조명빔(23)을 디바이스(20)의 원하는 영역 상에 집속한다. 본 출원인은 뉴욕 쏜우드에 위치한 카알 제이스사로부터 구입한 4개의 대물 렌즈들(10x/0.3NA, 20x/0.5NA, 100x/1.3NA, 63x/1.4NA)을 사용했다.
전술한 주사 및 집속 장치 대신에, 카알 제이스사의 LSM321R 혹은 비오래드사의 MRC600과 같은 상업적으로 이용가능한 주사 현미경으로 적절하게 대체할 수 있다. 조명원(21)과 같이 2-광자 흡수를 여기하기에 적합한 광원은 OEM 광원으로 대체된다. 컴퓨터 소프트웨어는 이들 현미경과 함께 2-광자 이미지를 형성하는 데 사용될 수 있다.
이제, 본 발명의 성질 및 이점들은 다음의 특정한 예를 고찰함으로써 더욱 명확하게 이해될 수 있다. 텍사스 인스트루먼츠사의 μA741 연산 증폭기 칩이 도 2에 도시된 프리젠테이션을 위해 준비되었다. 도 4에 도시된 바와 같이, 칩(40)의 증폭기 바이어스 전류는 증폭기(41)와 A/D 변환기(42)를 통해 스캐너(44)를 제어하는 데 사용되는 컴퓨터(43)에 접속된다. 따라서, 컴퓨터는 원하는 이미지를 프로세싱하기 위한 위치 및 전류 정보를 갖는다.
도 5에는 10x/0.3NA 대물 렌즈를 사용하여 발생된 이미지가 도시된다. 이미지의 밝기는 유기된 전류 레벨을 나타내며, 전류는 어느 극성일 수도 있는데, 배경보다 어두운 집적 회로의 부분은 음 입력으로부터의 전류를 나타낸다. 이 사진은 에지 강화(edge enhancement)가 사용되었다. 화살표는 트랜지스터를 표시한다.
도 6에는 100x/1.3NA 오일 침지 렌즈(oil immersion lens)를 사용하여 표시된 트랜지스터를 확대한 사진이 도시된다. 이 사진은 에지 강화가 사용되지 않았다. 도 7에는 도 6의 박스 부분의 확대된 사진이 도시된다.
전술된 실시예들은 본 발명의 원리의 응용을 나타낼 수 있는 다수의 가능한 특정 실시예들 중 단지 몇 개를 예시한 것임을 주지해야 한다. 당업자라면 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 많은 변형이 이루어질 수 있음을 알 것이다.
본 발명에 의하면, 레이저 빔이 기판을 통과하는 동안에는 흡수가 최소화되고, 빔이 집속되는 다수의 구성 요소가 존재하는 활성 층에서는 흡수가 최대가 되므로, 미세한 세부를 갖는 반도체 디바이스를 이미지화할 수 있다. 특히, 여기 강도에 대한 자유 캐리어 발생의 2차 의존성은 해상도를 높이고 3차원적 분할 능력을 제공한다.

Claims (6)

  1. 반도체 칩의 영역 상에 형성된 반도체 디바이스의 광 빔 유도 전류(optical beam induced current)에 의해 이미지화하는 방법에 있어서, 전자들을 반도체의 가전자대로부터 전도대로 여기시킬 수 있는 광의 빔으로 상기 영역을 주사하는 단계와, 상기 영역을 주사함으로써, 상기 빔에 노출된 영역에 전하 캐리어 및 전류를 발생시키는 단계와, 상기 빔에 노출된 영역의 위치 및 노출된 영역 내에 발생된 전류로부터, 주사된 영역의 특징들을 나타내는 이미지를 발생하는 단계를 포함하되, 상기 주사는 2-광자 흡수에 의해 상기 에너지 대역간에 전자를 여기시키기에 충분한 광자 에너지 및 강도를 갖지만, 1-광자 흡수에 의해 상기 대역들간에 전자를 여기시키기에는 불충분한 광자 에너지를 갖는 광 빔으로 수행되는 광 빔 유도 전류에 의한 이미지화 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 디바이스는 제 1 및 제 2 주표면들을 갖는 반도체 칩을 포함하고, 상기 제 1 주표면은 디바이스 구성 요소들을 포함하는 활성 영역을 가지며, 상기 주사는 상기 활성 영역에 집속된 상기 광 빔으로 수행되는 광 빔 유도 전류에 의한 이미지화 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 주사는 상기 제 2 주표면을 통해 수행되는 광 빔 유도 전류에 의한 이미지화 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 주사는 펄스형 레이저 광의 빔으로 수행되는 광 빔 유도 전류에 의한 이미지화 방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 반도체 디바이스는 실리콘 반도체 디바이스이고, 상기 주사는 1.6 내지 1.2 마이크로미터 범위의 파장을 갖는 광의 빔으로 수행되는 광 빔 유도 전류에 의한 이미지화 방법.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 반도체 디바이스는 실리콘 집적 회로 디바이스인 광 빔 유도 전류에 의한 이미지화 방법.
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