KR20040016681A - 이차 이온 질량 분석기를 이용한 웨이퍼 시편 분석 방법및 이에 이용되는 시편 지지 어셈블리 - Google Patents

Abstract

이차 이온 질량 분석기를 이용한 웨이퍼 시편 분석 방법 및 이에 이용되는 시편 지지 어셈블리(assembly)를 제공한다. 본 발명의 일 관점에 따르면, 이차 이온 질량 분석기를 이용하여 웨이퍼 시편을 분석할 때, 이차 이온 방출을 위해 시편 표면에 입사하는 일차 이온 빔(primary ion beam)의 입사 각도를 보다 줄여주기 위해서 시편의 표면이 경사지게 하는 방법을 제공한다. 이때, 시편을 경사지도록 유도하는 가변형 시편 스테이지(stage) 또는 경사면을 가진 시편 홀더(holder)를 포함하여 시편 지지 어셈블리가 구성되어, 시편의 표면에 보다 낮은 입사 각도로 일차 이온 빔이 입사되도록 한다.

Description

이차 이온 질량 분석기를 이용한 웨이퍼 시편 분석 방법 및 이에 이용되는 시편 지지 어셈블리{Method for analyzing wafer specimen with using secondary ion mass spectrometer and specimen supporting assembly}

본 발명은 반도체 제조에 이용되는 시편 분석에 관한 것으로, 특히, 시편에의 이온 충돌 캐스케이드(ion collision cascade)에 의한 손상을 최소화할 수 있는 이차 이온 질량 분석기(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometer)를 이용하여 웨이퍼 시편을 분석하는 방법 및 이에 이용되는 시편지지 어셈블리(specimen supporting assembly)에 관한 것이다.

반도체 소자의 집적화가 가속화되면서 얇은 박막과 표면에 대한 해석이 많이 요구되고 있고 이로 구현하기 위한 많은 연구들이 심도있게 진행 중이다. SIMS는 극소량의 불순물을 검출할 수 있는 몇 안 되는 분석기로 반도체 기술 분야에서는 없어서는 안 될 중요한 분석 수단 중의 하나이다.

SIMS는 일차 이온(primary ion)을 발생시켜 시편 표면에 수 keV 내지 수십 keV로 가속된 이온 빔(ion beam)을 입사시켜 시편 표면으로부터 방출되는 이차 이온들을 수집하여 그 질량을 측정하여, 시편의 표면을 구성하고 있는 원소 및 분자의 종류 및 양을 분석해내는 표면 분석 장비이다. SIMS는 이온 빔이 시편 표면을 스퍼터링(sputtering)할 때 발생하는 이차 이온의 질량을 분리할 수 있으므로, 반도체 기술 분야에서는 이온 주입된 불순물 및 막질 내의 불순물에 대한 정성 분석에 많이 활용되고 있다.

그런데, 이러한 SIMS를 반도체 기술 분야에 적용하기 데에는 다소의 어려움이 상존하고 있다. SIMS에 사용하는 시료는 홀더(holder)에 고정되어, SIMS의 측정 챔버 내에 고정된 스테이지(stage)에 홀더를 장착함으로써 SIMS에 장착된다. 스테이지에는 일정한 바이어스(bias) 전압이 가해지는 데, 이는 일차 이온의 가속 또는발생된 이차 이온의 가속을 위해서이다. 즉, 현재 사용되고 있는 SIMS는 일차 이온을 발생시켜 추출하고 이를 시편이 장착되어 있는 스테이지까지 보내기 위하여 고전압을 사용하여야만 하고 시편에서 발생되는 이차 이온을 검출기까지 보내기 위해서도 고전압을 사용해야만 한다. 이때, 사용하는 바이어스 전압은 수 keV 이상의 고전압을 사용하고 있다.

그런데, 이와 같이 많은 양의 커런트(current)로 시편 표면을 스퍼터링하게 되면서 얇은 박막이나 표면에서의 정확한 정보를 얻기 위한 분석 시에는 부적합하며 일부 데이터(data)는 왜곡되게 나타나기도 한다. 이는 일차 이온을 발생시키는 곳과 이차 이온을 발생시키는 스테이지에 가해지는 고전압에 의한 전위차가 매우 큼으로 인해서 발생하는 현상이다.

고전압으로 많은 양의 이차 이온을 생성하여 검출함으로써 감도는 좋아지고 설비의 운영이 쉬운 반면에, 스테이지가 고정되어 있어 일차 이온을 발생시키는 곳과 이차 이온을 발생시키는 곳에 가해지는 고전압의 전위차에 의해서 많은 커런트가 발생하여 시편에 가해지는 손상 영역이 도 1에서 묘사된 바와 같이 크게 증가하면서, 얇은 박막 및 표면에서의 정확한 정보를 얻기가 사실상 불가능하며 일부 얻어지는 데이터는 왜곡되게 표현된다.

도 1은 SIMS를 이용한 분석 과정에서 일차 이온 입사에 따른 시편에의 손상을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 시편(10)에 과도하게 많은 커런트(current)의 일차 이온 빔이 입사되므로, 시편(10)의 표면 아래 영역에는 매우 큰 범위, 예를 들어, 수 백Å 범위의 손상부(15)가 형성된다. 이러한 큰 범위의 손상부(15)의 발생은 반도체 소자에 근래 채용되고 있는 매우 얇은 박막이나 불순물층, 또는, 표면에서의 정확한 정보가 얻어지는 것을 심각하게 방해하게 된다.

이런 문제를 해결하기 위하여 일차 이온을 가속시켜 주는 곳의 전압을 임의로 감속시켜서 시편의 표면 손상을 줄이는 방법이 제시되고 있으나, 낮은 전위차에 의한 적은 커런트를 이용하여 시편을 스퍼터링하여야 하는 설비 운영상의 어려움이 있으며, 방출되는 이차 이온의 양이 적음으로써 검출할 수 있는 감도 또한 많이 떨어져서 사용하기에는 많은 무리가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 이차 이온 질량 분석기를 이용하여 웨이퍼 시편을 분석할 때, 시편 표면에 입사시키는 일차 이온 빔에 의해서 시편에 손상이 크게 발생하는 것을 방지하여 표면에서의 불순물 분포 등의 정확한 정보를 얻을 수 있는 이차 이온 질량 분석기를 이용한 웨이퍼 시편 분석 방법 및 이에 효과적으로 이용될 수 있는 시편 지지 어셈블리를 제공하는 데 있다.

도 1은 종래의 이차 이온 질량 분석기(secondary ion mass spectrometer)를 이용한 분석 과정에서 일차 이온 입사에 따른 시편에의 손상을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 이온 질량 분석기를 이용한 웨이퍼 시편 분석 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.

도 3은 도 2의 본 발명의 실시예에 따른 이차 이온 질량 분석기를 이용한 웨이퍼 시편 분석 방법에 이용되는 시편 지지 어셈블리의 일례를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.

도 4는 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 이온 질량 분석기를 이용한 웨이퍼 시편 분석 방법에 이용되는 시편 지지 어셈블리의 다른 일례를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 관점은, 이차 이온 질량 분석기를 이용하여 웨이퍼 시편을 분석할 때, 이차 이온 방출을 위해 상기 시편 표면에 입사하는 일차 이온 빔의 입사 각도를 보다 줄여주기 위해서 상기 시편의 표면이 경사지게 하는 이차 이온 질량 분석기를 이용한 웨이퍼 시편 분석 방법을 제공한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 관점은, 이차 이온 질량 분석기를 이용하여 웨이퍼 시편을 분석할 때 상기 분석 중에 상기 시편을 잡아주는 시편 홀더, 및 이차 이온 방출을 위해 상기 시편 표면에 입사하는 일차 이온 빔의 입사 각도를 보다 줄여주기 위해 상기 시편의 표면이 경사지게 상기 시편 홀더를 경사지게 하는 가변형 시편 스테이지를 포함하는 이차 이온 질량 분석기에 채용되는 시편 지지 어셈블리를 제공한다.

상기 어셈블리는 상기 시편 표면이 경사지도록 상기 시편 스테이지를 경사지게 하는 구동력을 전달하는 경사 구동축을 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 관점은, 이차 이온 질량 분석기를 이용하여 웨이퍼 시편을 분석할 때 이차 이온 방출을 위해 상기 시편 표면에 입사하는 일차 이온 빔의 입사 각도를 보다 줄여주기 위해 상기 시편의 표면이 경사지게 상기 시편을 잡는 시편 홀더, 및 상기 시편 홀더가 올려지는 고정된 시편 스테이지를 포함하는 이차 이온 질량 분석기에 채용되는 시편 지지 어셈블리를 제공한다.

여기서, 상기 홀더는 상기 시편이 올려지는 경사면을 가질 수 있다.

본 발명에 따르면, 이차 이온 질량 분석기를 이용하여 웨이퍼 시편을 분석할 때, 시편 표면에 입사시키는 일차 이온 빔에 의해서 시편에 손상이 크게 발생하는 것을 방지하여 시편에 대한 정확한 정보를 효과적으로 얻는 것이 가능하다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것으로 이해되는 것이 바람직하다. 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.

본 발명의 실시예에서는 이차 이온 질량 분석기(SIMS)를 이용하여 웨이퍼 시펀을 분석할 때, 시편 표면에 입사되는 일차 이온 빔에 의한 손상이 최소화하는 방안으로 시편의 표면에 입사되는 이온 빔의 입사 각도를 경사지게 주는 방안을 제시한다. 즉, 이온 빔의 입사를 낮은 각도(low angle)로 주어 얕은 깊이(shallow depth) 분석이 가능하게 유도하고 낮은 식각 속도(low etch rate)로의 분석이 가능하도록 유도한다. 이온 빔의 시편으로의 입사 각도를 낮게 유지하기 위해서 시편을 경사(tilt)지게 하도록 새로운 시편 지지 어셈블리를 도입한다. 이러한 시편 지지 어셈블리는 시편을 경사(tilt)지게 하여 시편 표면에의 이온 빔의 입사 각도를 낮추도록 허용한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 이온 질량 분석기를 이용한 웨이퍼 시편 분석 방법을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 시편 분석 방법은 현재까지 알려진 전형적인 이차 이온 질량 분석기의 구성을 기본적으로 구비한 설비를 이용한다. 그러나, 시편(100)에의 일차 이온 빔의 입사에 따른 손상을 보다 얕은 깊이로 유도하기 위해서, 시편(100)에 입사되는 일차 이온 빔의 입사 각도(α)를 낮게 도입한다. 그럼에도 불구하고, 일차 이온 빔의 가속 에너지(acceleration energy)는 이제까지의 SIMS에서와 같이 수 keV 내지 수십 keV의 고전압으로 주어, 충분한 양의 커런트가 발생하여 시편(100)에서 스퍼터링에 의해서 발생되는 이차 이온의 양이 충분하도록 유지할 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 일차 이온 빔의 입사 각도(α)를 낮은 각도로 도입함으로써, 일차 이온 빔의 커런트를 높은 상태로 유지하면서도 일차 이온 빔에 의한 손상(150)이 표면으로부터 얕은 깊이에만 전파되도록 유도한다. 스퍼터링에 의해서 발생되어 시편(100) 표면으로부터 방출되고 검출기에서 검출되어 질량 분석되는 이차 이온의 양은 실질적으로 입사되는 일차 이온 빔의 커런트에 의존한다. 그런데, 본 발명에서는 비록 얕은 깊이로 손상(150)이 한정되도록 유도하지만, 입사 각도(α)를 낮게 하고 실질적으로 일차 이온 빔의 커런트는 종래에서와 같이 높게 유지하고 있다. 따라서, 이차 이온의 양은 검출 및 분석에 충분한 상태로 유지될 수 있어, SIMS 운용에의 편리성 및 높은 감도를 유지할 수 있다.

한편, 이와 같이 손상(150)이 표면으로부터 보다 얕은 깊이로 한정되므로, 스퍼터링에 의한 식각 정도 또한 상대적으로 낮아지게 된다. 따라서, 상대적으로 낮은 식각 속도로 분석이 이루어질 수 있도록 유도할 수 있다.

상술한 바와 같이 시편(100) 표면으로의 일차 이온 빔의 입사 각도를 상대적으로 낮게 하기 위해서, 시편(100)은 일정 각도(β)로 경사지게 도입된다. 즉, 가상의 평평한 면(110)에 대해서 일정 각도(β로 경사지게 시편(100)을 장착한다. 이를 위해서, 시편(100)이 경사지게 SIMS에 장착되도록 유도하는 시편 지지 어셈블리를 새로 제시한다.

도 3은 도 2의 본 발명의 실시예에 따른 이차 이온 질량 분석기를 이용한 웨이퍼 시편 분석 방법에 이용되는 시편 지지 어셈블리의 일례를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.

도 4는 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 이온 질량 분석기를 이용한 웨이퍼 시편 분석 방법에 이용되는 시편 지지 어셈블리의 다른 일례를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, SIMS에 장착되는 시편(100)의 표면을 경사지게 하기 위해 시편(100)을 잡는 시편 홀더(specimen holder:100)가 올려지는 시편 스테이지(specimen stage:300)가 경사지게 기울어질 수 있도록 가변형으로 도입된다. 즉, 시편 스테이지(300)는 고정된 형태가 아니라, 가상의 평평한 면(110)에 대해서 일정 각도(β)만큼 기울지는 가변형으로 도입된다.

예를 들어, 스테이지(300)가 경사지게 기울어질 수 있도록 하는 구동력을 제공하는 구동부(400)와 이러한 경사지게 유도하는 구동력을 스테이지(300)에 전달하는 경사 구동축(450)을 포함하여 시편 지지 어셈블리를 구성한다. 경사 구동축(450)은 스테이지(300)가 도입되는 시편 챔버(chamber) 바깥에서 연장되어 나와 외부에서 스테이지(300)의 경사를 가변시켜 스테이지(300) 표면이 기울어지게 하는 것을 허용한다. 이러한 경사 구동축(450)은, 이차 이온을 가속시키기 위해 스테이지(300)에 고전압이 가해질 수 있도록 스테이지(300) 등이 전도성이 좋은 물질을 사용하여 전류의 흐름이 원활하도록 구성됨에 비해, 스테이지(350)를 시편 챔버바깥에서 경사시키기 위해 챔버 바깥에 연장되어야 할 부분, 예컨대, 마디 부분은 절연이 되어야 하며 이를 위해 세라믹 등과 같은 절연체로 절연(isolation)이 될 수 있도록 보호하여야 한다. 스테이지(300)는 분석할 시편(100)이 장착될 홀더(200)의 장착과 탈착이 가능하도록 홀더(200)를 붙잡는 역할을 한다.

한편, 도 4에서 제시된 바와 같이 시편(100)을 경사지게 하기 위해서, 스테이지(300')는 홀더(20'0)가 올려질 표면이 평평한 채로 고정되고, 홀더(200')가 시편(100)을 경사지게 잡도록 시편 지지 어셈블리를 구성할 수 있다. 즉, 시편 홀더(200')는 시편(100)을 고정하는 경사면(210)을 구비하고, 경사면(210)은 일정 각도(β)로 경사져 그 위에 올려져 고정되는 시편(100)이 경사지게 허용한다.

이와 같이 SIMS 분석 및 측정이 진행되는 동안 시편(100)을 지지하는 데 사용되는 시편 지지 어셈블리가 시편을 경사진 상태로 지지하여 시편의 표면이 경사져 시편 표면에 입사되는 이온 빔의 입사 각도를 상대적으로 낮게하는 것을 허용할 수 있다. 이에 따라, 입사되는 이온 빔에 의해 손상되는 영역이 표면으로부터 상대적으로 낮은 깊이에 한정되도록 유도할 수 있고, 이온 빔의 스퍼터링에 의해서 시편 표면이 식각되는 속도를 상대적으로 느리게 유도할 수 있다. 이에 따라, 반도체 소자에 채용되는 매우 얇은 두께의 박막 또는 불순물층에 대한 SIMS 분석 또는 정성적인 성분 분석 등이 보다 정확하게 행해질 수 있다.

이제까지의 종래의 SIMS 분석에서 시편을 장착하는 스테이지는 고정되어 있어 가변이 불가능하며, 실질적으로 시편 표면에 입사되는 일차 이온 빔의 입사 각도를 상대적으로 낮게 유도하는 데 어려움이 있다. 또한, 이와 같이 스테이지가 고정되어 있어 이로 인한 에너지의 변화 폭이 상대적으로 적어 분석 시에 많은 어려움이 있었다. 그러나, 이제까지 설명한 본 발명의 실시예들은 종래에 사용하는 높은 입사 에너지를 유지하면서도, 시편(도 2의 100)의 손상(도 2의 150)을 최소화 할 수 있으며, 높은 커런트로 높은 감도를 유지하면서 시편의 식각되는 정도를 최소로 할 수 있어 얇은 막질이나 표면에서의 정확한 정보를 효과적으로 얻을 수 있게 허용한다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

상술한 본 발명에 따르면, 시편 표면에 입사되는 일차 이온 빔의 입사 각도를 보다 낮게 도입할 수 있어, 시편에 큰 손상이 발생하는 것을 방지하여 시편 표면, 예컨대, 박막의 성분 또는 불순물층의 분순물 분포 등과 같은 정보를 보다 정확하게 이차 이온 질량 분석으로 얻어 분석할 수 있다.

Claims (5)

1. 이차 이온 질량 분석기를 이용하여 웨이퍼 시편을 분석할 때

   이차 이온 방출을 위해 상기 시편 표면에 입사하는 일차 이온 빔의 입사 각도를 보다 줄여주기 위해서 상기 시편의 표면이 경사지게 하는 것을 특징으로 하는 이차 이온 질량 분석기를 이용한 웨이퍼 시편 분석 방법.
2. 이차 이온 질량 분석기를 이용하여 웨이퍼 시편을 분석할 때

   상기 분석 중에 상기 시편을 잡아주는 시편 홀더; 및

   이차 이온 방출을 위해 상기 시편 표면에 입사하는 일차 이온 빔의 입사 각도를 보다 줄여주기 위해 상기 시편의 표면이 경사지게 상기 시편 홀더를 경사지게 하는 가변형 시편 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 이온 질량 분석기에 채용되는 시편 지지 어셈블리.
3. 제2항에 있어서,

   상기 시편 표면이 경사지도록 상기 시편 스테이지를 경사지게 하는 구동력을 전달하는 경사 구동축을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 이온 질량 분석기에 채용되는 시편 지지 어셈블리.
4. 이차 이온 질량 분석기를 이용하여 웨이퍼 시편을 분석할 때

   이차 이온 방출을 위해 상기 시편 표면에 입사하는 일차 이온 빔의 입사 각도를 보다 줄여주기 위해 상기 시편의 표면이 경사지게 상기 시편을 잡는 시편 홀더; 및

   상기 시편 홀더가 올려지는 고정된 시편 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 이온 질량 분석기에 채용되는 시편 지지 어셈블리.
5. 제4항에 있어서, 상기 홀더는

   상기 시편이 올려지는 경사면을 가지는 것을 특징으로 하는 이차 이온 질량 분석기에 채용되는 시편지지 어셈블리.