KR20040046696A - 반도체 소자의 응력 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자 제조시에 소자 내부에서 발생되는 응력(stress)을 측정하기 위한 반도체 소자의 응력 측정방법을 개시한다. 개시된 본 발명의 방법은, 웨이퍼 상에 희생층과 응력 측정 대상층을 차례로 증착하는 단계와, 상기 응력 측정 대상층을 식각하여 라인 패턴을 형성한 후에 상기 라인 패턴의 길이 및 폭을 측정하는 단계와, 상기 라인 패턴을 갖는 응력 측정 대상층의 형태대로 상기 희생층을 식각한 후에 응력을 받은 상기 라인 패턴의 길이 및 폭을 재차 측정하는 단계와, 상기 희생층 식각 전후의 라인 패턴의 길이 및 폭의 값을 비교하여 웨이퍼의 전 영역에 대한 위치별 응력 등고선 지도를 만드는 단계와, 상기 등고선 지도로부터 웨이퍼의 위치별 응력을 측정하는 단계로 구성된다. 본 발명에 따르면, 희생층 식각 전후의 치수변화를 측정하여 각 응력 측정 패턴 마다의 응력을 구하고, 이를 등고선 형태로 나타냄으로써, 비교적 정확하고 신속하게 웨이퍼의 위치별 국부적 응력 뿐만 아니라 평균적 응력을 측정할 수 있으며, 따라서, 소자 제조시의 응력을 효과적으로 제거할 수 있는 바, 소자 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

반도체 소자의 응력 측정방법{Method for measuring stress of semiconductor device}

본 발명은 반도체 소자의 특성 평가방법에 관한 것으로, 특히, 소자 제조시에 발생되는 응력을 웨이퍼의 전 영역에 대해 위치별로 정확하게 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 소자의 제조시에는 소자 내부에서 응력(stress)이 발생하게 되며, 이러한 응력은 소자 내부에 그대로 존재하는 경우 소자 특성에 악영향을 미치게 된다.

따라서, 통상의 반도체 제조 공정에서는 소자 내부에서 발생되는 응력을 측정한 후, 이를 제거함으로써, 응력에 의한 소자 특성 및 신뢰성 저하가 방지되도록 하고 있다.

여기서, 반도체 소자의 제조시에 발생되는 응력을 측정하기 위해서 종래에는 대표적으로 곡률 반경 측정법과 X-ray 측정법을 이용하고 있다.

상기 곡률 반경 측정법은 이종 재료가 접합될 때 응력이 발생되고, 이 응력에 의해 재료가 변형되는 원리를 이용하는 방법이다. 예컨데, 평판 형태의 웨이퍼 상에 얇은 막이 형성되는 경우에 필연적으로 웨이퍼의 굽힘이 발생되는데, 이 굽힘량(=곡률)을 알고, 아울러, 재료의 탄성율을 안다면, 응력은 탄성율과 변형율의 곱으로 표시된다는 훅스 법칙(Hook's Law)에 따라 실제 발생된 응력을 구하는 방법이다. 여기서, 상기 굽힘량의 측정은 웨이퍼 표면에 레이저를 조사한 후, 반사된 레이저 각도의 변화를 통해 측정할 수 있다.

상기 X-ray 측정법은 박막의 격자 거리 변화를 측정하고, 무응력 상태의 격자 거리의 차이를 구하여 실제 발생된 응력을 구하는 방법이다.

그러나, 전술한 종래의 응력 측정방법들은 다음과 같은 문제점이 있다.

먼저, 곡률 반경 측정법은 굽힘량을 측정하여 평균 응력을 얻기 때문에 국부적 응력, 즉, 식각 공정이 진행된 후의 작은 치수를 갖는 구조물의 응력 값은 실질적으로 구할 수 없다.

그 다음, X-ray 측정법은 식각 공정이 진행된 후의 작은 치수를 갖는 구조물의 응력 측정이 가능하지만, 응력 측정에 소요되는 시간이 길고, 또한, 측정값의 오류가 일어날 요소가 많다. 특히, X-ray 측정법은 결정 구조를 갖는 물질, 예컨데, 금속재료에서만 측정이 가능하므로 결정 구조가 없는 물질에 의해 발생되는 응력은 측정할 수 없으며, 아울러, 웨이퍼 전체의 평균적 응력은 실제적으로 구하기 어렵다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 웨이퍼 전체에 대해 위치별 응력 측정은 물론 신속하고 정확한 응력 측정이 가능하도록 한 반도체 소자의 응력 측정방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 응력 측정방법을 설명하기 위한 단면도.

도 2a 내지 도 2c는 도 1a 내지 도 1c에 대응하는 평면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 기지층 2 : 희생층

3 : 응력 측정 대상층 4,4a : 라인 패턴

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 반도체 소자 제조시에 소자 내부에서 발생되는 응력(stress)을 측정하기 위한 반도체 소자의 응력 측정방법에 있어서, 웨이퍼 상에 희생층과 응력 측정 대상층을 차례로 증착하는 단계와, 상기 응력 측정 대상층을 식각하여 라인 패턴을 형성한 후에 상기 라인 패턴의 길이 및 폭을 측정하는 단계와, 상기 라인 패턴을 갖는 응력 측정 대상층의 형태대로 상기 희생층을 식각한 후에 응력을 받은 상기 라인 패턴의 길이 및 폭을 재차 측정하는 단계와, 상기 희생층 식각 전후의 라인 패턴의 길이 및 폭의 값을 비교하여 웨이퍼의 전 영역에 대한 위치별 응력 등고선 지도를 만드는 단계와, 상기 등고선 지도로부터 웨이퍼의 위치별 응력을 측정하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 응력 측정방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 웨이퍼의 전 영역에 대해 위치별로 응력 측정 패턴을 형성한 후, 각 패턴 마다의 응력을 측정하고, 이를 등고성 지도로 나타냄으로써, 국부적으로 나타나는 응력 및 평균 응력을 정확하게 측정할 수 있다.

(실시예)

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세하게 설명하도록 한다.

도 1a 내지 도 1c와 도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 응력 측정방법을 설명하기 위한 도면으로, 여기서, 도 1a 내지 도 1c는 단면도이고, 도 2a 내지 도 2c는 각각 도 1a 내지 도 1c에 대응하는 평면도이다.

먼저, 도 1a 및 도 2a에 도시된 바와 같이, 웨이퍼에 해당하는 기지층(base layer : 1) 상에 희생층(2)과 응력을 측정하고자 하는 응력 측정 대상층(3)을 차례로 증착한다.

그 다음, 도 1b 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 응력 측정 대상층(3)을 식각하고, 이를 통해, 응력 측정 대상층(3)에 브릿지(bridge) 형태의 라인 패턴(4)을 형성한다. 이어서, SEM 관찰을 통해 기지층(1) 및 희생층(2)에 의해 구속돼 있는 상태의 상기 라인 패턴(4)의 길이(L1)와 폭(W2)을 측정한다.

다음으로, 도 1c 및 도 2c에 도시된 바와 같이, 라인 패턴을 갖는 응력 측정 대상층의 형태대로 그 아래의 희생층(2)을 식각한다. 그런다음, 상기 희생층(2) 식각시에는 필연적으로 응력이 발생되는 바, 상기 희생층(2)의 식각 후인 구속이 해방된 상태의 라인 패턴(4a)의 길이(L2) 및 폭(W2)을 측정한다.

그리고나서, 희생층 식각 전후의 라인 패턴들(4, 4a)의 변형률, 즉, 상기 라인 패턴의 길이(L1, L2) 및 폭(W1, W2)의 치수 변화를 측정하고, 이를 통해, 상기 희생층의 식각시에 발생되는 응력을 구한다.

이와 같은 방식을 응용하여, 본 발명의 방법은 웨이퍼 전 영역에 대해 상기와 같은 방법, 즉, 웨이퍼 상에 희생층 및 응력 측정 대상층을 형성한 후, 상기 응력 측정 대상층에 라인 패턴을 형성하고, 이어서, 희생층을 식각하는 방법으로 수 개의 응력 측정 패턴을 형성하고, 그런다음, 각 응력 측정 패턴 마다의 응력을 구하여 이렇게 구해진 응력들로부터 등고선 지도를 만든 후, 이를 통해, 웨이퍼의 전 영역에 대해 위치별로 서로 다르게 나타나는 응력들 정확하고 용이하게 측정한다.

이 경우, 각 패턴에서 측정된 응력은 웨이퍼의 위치별 환경에 따라 나타나는 실제 응력에 접근하는 값이므로, 국부적으로도 비교적 정확한 응력 측정이 이루어질 수 있다, 또한, 등고선 형태로 나타낸 값을 통해 웨이퍼의 위치별 응력은 물론 평균적 응력도 정확하고 용이하게 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 방법은 상기 라인 패턴의 선폭을 다양화함으로써 선폭 변화에 따른 응력 변화도 측정할 수 있다.

게다가, 본 발명의 방법은 금속막의 식각은 물론 절연막의 증착시에 발생되는 응력 또한 측정할 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명은 희생층 식각 전후의 치수변화를 측정하여 각 응력 측정 패턴 마다의 응력을 구하고, 이를 등고선 형태로 나타냄으로써, 비교적 정확하고 신속하게 웨이퍼의 위치별 국부적 응력 뿐만 아니라 평균적 응력을 측정할수 있으며, 따라서, 소자 제조시의 응력을 효과적으로 제거할 수 있는 바, 소자 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

기타, 본 발명은 그 요지가 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.

Claims (2)

1. 반도체 소자 제조시에 소자 내부에서 발생되는 응력(stress)을 측정하기 위한 반도체 소자의 응력 측정방법에 있어서,

   웨이퍼 상에 희생층과 응력 측정 대상층을 차례로 증착하는 단계와,

   상기 응력 측정 대상층을 식각하여 라인 패턴을 형성한 후에 상기 라인 패턴의 길이 및 폭을 측정하는 단계와,

   상기 라인 패턴을 갖는 응력 측정 대상층의 형태대로 상기 희생층을 식각한 후에 응력을 받은 상기 라인 패턴의 길이 및 폭을 재차 측정하는 단계와,

   상기 희생층 식각 전후의 라인 패턴의 길이 및 폭의 값을 비교하여 웨이퍼의 전 영역에 대한 위치별 응력 등고선 지도를 만드는 단계와,

   상기 등고선 지도로부터 웨이퍼의 위치별 응력을 측정하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 응력 측정방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 라인 패턴의 선폭을 변경하여 선폭 변화에 따른 응력을 측정하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 응력 측정방법.