KR20040072780A - 박막의 두께 측정 방법 - Google Patents

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    • H01L22/12Measuring as part of the manufacturing process for structural parameters, e.g. thickness, line width, refractive index, temperature, warp, bond strength, defects, optical inspection, electrical measurement of structural dimensions, metallurgic measurement of diffusions

Abstract

웨이퍼 상에 형성된 박막의 두께를 측정하는 공정이 개시되어 있다. 박막의 두께 측정 공정에는 X선 형광 분석 방법(XRF)이 사용되며, 박막의 두께를 산출하기 위한 기준값은 X선 반사율 측정 방법(XRR)에 의해 설정된다. 기준값은 기준 웨이퍼 상에 형성된 기준 박막에 X선을 조사하고, 반사된 X선을 검출한 후 검출된 X선으로부터 산출된 X선의 반사율로부터 설정될 수 있다. 피측정 웨이퍼 상에 형성된 피측정 박막의 두께는 X선의 조사에 의해 발생되는 형광 X선의 세기를 검출하고, 검출된 값을 기준값과 비교하여 산출된다.

Description

박막의 두께 측정 방법{Method for measuring a thickness of a thin layer}

본 발명은 웨이퍼 상에 형성된 박막의 두께를 측정하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 기준값을 이용하여 웨이퍼 상에 형성된 티타늄(Ti) 박막의 두께를 측정하는 방법에 관한 것이다.

근래에, 정보 통신 기술의 비약적인 발달에 따라 반도체 장치의 처리 속도 및 저장 능력의 향상이 요구되고 있다. 이에 따라, 상기 반도체 장치의 제조 기술은 집적도, 신뢰도 및 응답 속도 등을 향상시키는 방향으로 발전되고 있다.

일반적으로 반도체 장치는 반도체 기판으로 사용되는 실리콘웨이퍼 상에 전기적인 회로를 형성하는 팹(Fab) 공정과, 상기 팹 공정에서 형성된 반도체 장치들의 전기적인 특성을 검사하는 공정과, 상기 반도체 장치들을 각각 에폭시 수지로 봉지하고 개별화시키기 위한 패키지 조립 공정을 통해 제조된다.

상기 팹 공정은 웨이퍼 상에 막을 형성하기 위한 증착 공정과, 상기 막을 평탄화하기 위한 화학적 기계적 연마 공정과, 상기 막 상에 포토레지스트 패턴을 형성하기 위한 포토리소그래피 공정과, 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 막을 전기적인 특성을 갖는 패턴으로 형성하기 위한 식각 공정과, 웨이퍼의 소정 영역에 특정 이온을 주입하기 위한 이온 주입 공정과, 웨이퍼 상의 불순물을 제거하기 위한 세정 공정과, 상기 막 또는 패턴이 형성된 반도체 기판의 표면을 검사하기 위한 검사 공정 등을 포함한다.

최근, 반도체 장치의 고집적화에 따라 웨이퍼 상에 형성되는 막의 두께는 점차 다양해지고, 패턴의 임계치수(critical dimension; CD)는 점차 감소되며, 패턴의 종횡비는 점차 증가하는 추세이다. 또한, 웨이퍼 상에 형성된 막 또는 패턴의 특성을 검사하는 공정의 중요성이 더욱 부각되고 있다.

상기 검사 공정에는 다양한 검사 장치가 사용되는데, 예를 들면, 주사 전자 현미경(scanning electron microscope; SEM), 투과 전자 현미경(transmission electron microscope; TEM), 이차이온 질량 분석 장치(secondary ion mass spectrometer; SIMS), X선 형광 분석 장치(X-ray fluorescence spectroscopy; XRF), X선 반사율 측정 장치(X-ray reflectometry; XRR) 등이 있다.

일 예로서, 미합중국 등록특허 제4,510,573호(issued to Boyce, et al.)에는 X선 형광 분석 장치가 개시되어 있으며, 미합중국 등록특허 제5,778,039호(issued to Hossain, et al.)에는 X선 형광 분석 장치를 이용하여 반도체 기판의 표면을 검사하는 방법 및 장치가 개시되어 있고, 미합중국 등록특허 제6,453,006호(issuedto Koppel, et al.)에는 X선 반사율 측정 장치가 개시되어 있다.

반도체 기판 상에는 다양한 막들이 형성되며, 막의 농도 및 두께의 균일도는 최근 중요한 공정 변수로 대두되고 있다. 따라서, 상기 막의 검사 공정이 더욱 중요한 공정으로 인식되고 있다.

최근, 웨이퍼 상에 트랜지스터와 커패시터와 같은 전기적 소자를 형성하는 공정 또는 금속 배선 공정 등에서 장벽층(barrier layer)으로 사용되는 티타늄 박막의 경우, 그 두께가 점차 얇아지고 있는 실정이다. 예를 들면, 플래쉬 메모리 공정에서 장벽층으로 사용되고 있는 티타늄 박막의 경우, 그 두께가 약 50Å 정도이다.

상기 티타늄 박막의 두께 측정에는 X선 형광 분석 장치가 사용된다. X선 형광 분석 방법은 웨이퍼의 표면에 X선을 조사하고, 웨이퍼로부터 방출되는 형광 X선을 검출한 후, 검출된 형광 X선의 세기(intensity)를 기준값과 비교하여 웨이퍼 상에 형성된 막의 두께를 산출한다.

종래의 박막 두께 측정 방법에 있어서, 상기 X선 형광 분석 장치는 자체 기준값을 설정하는 기능이 없기 때문에 외부에서 기준값을 입력해야 한다. 상기 기준값은 투과 전자 현미경을 이용한 두께 측정 방법에 의해 설정될 수 있다. 즉, 투과 전자 현미경을 사용하여 기준 웨이퍼 상에 형성된 기준 박막의 두께를 측정하고, 측정된 기준 박막의 두께를 기준값으로 설정하는 것이다. 그러나, 최근 약 50Å의 두께를 갖는 티타늄 박막의 두께를 측정하는 경우, 티타늄 박막의 두께와 거칠기(roughness)가 너무 낮기 때문에 투과 전자 현미경으로 정확한 기준값을 설정할 수 없는 문제점이 있다.

상기와 같이 약 50Å 정도의 두께를 갖는 티타늄 박막의 두께 측정 공정에서 부정확한 기준값이 사용되는 경우, 측정된 티타늄 박막의 두께 측정 공정의 신뢰도가 저하되며, 이는 부적절한 공정의 수행에 따른 반도체 기판의 신뢰도 및 생산성을 저하시키는 문제점을 발생시킨다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 웨이퍼 상에 형성된 박막의 두께를 측정하는 공정에서 정확한 기준값의 설정하여 상기 박막의 두께 측정의 신뢰도를 향상시키는데 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 두께 측정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 2는 X선 반사율 측정 데이터의 선형성을 보여주기 위한 그래프이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기준 박막이 형성된 기준 웨이퍼의 표면에 X선을 조사하는 단계와, 상기 기준 웨이퍼로부터 반사된 X선을 검출하여 상기 기준 박막의 두께를 측정하는 단계와, 측정된 기준 박막의 두께로 기준값을 설정하는 단계와, 피측정 박막이 형성된 피측정 웨이퍼의 표면에 X선을 조사하는 단계와, 상기 피측정 웨이퍼로부터 발생되는 형광 X선의 세기(intensity)를 측정하는 단계와, 상기 측정된 형광 X선의 세기와 상기 기준값을 비교하여 상기 피측정 박막의 두께를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막의 두께 측정 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기준 박막 및 상기 피측정 박막은 티타늄 박막에 적용되며, 상기 기준 박막 및 상기 피측정 박막의 두께는 약 30Å 이상인 것이 바람직하다. 특히, 약 50Å 정도의 두께를 갖는 티타늄 박막에 바람직하게 적용될 수 있다.

웨이퍼로부터 반사된 X선을 이용하여 티타늄 박막의 두께를 측정하는 경우 티타늄 박막의 두께 측정값은 티타늄 박막의 두께에 따라 선형적으로 나타나며, 이를 티타늄 박막의 두께 측정 공정의 기준값으로 사용하므로, 보다 신뢰성이 높은 티타늄 박막의 측정 공정을 수행할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 두께 측정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 1을 참조하면, 먼저, 기준 박막이 형성된 기준 웨이퍼를 준비하고, 기준 웨이퍼의 표면에 X선을 조사한다.(S100)

상기 기준 웨이퍼로부터 반사된 X선을 측정하여 상기 기준 웨이퍼 상에 형성된 기준 박막의 두께를 측정한다.(S200)

측정된 기준 박막의 두게를 박막 두께 측정 공정의 기준값으로 설정한다.(S300)

상기와 같은 박막의 두께 측정 방법은 X선 반사율 측정 방법(X-ray reflectometry; XRR)으로 잘 알려져 있다. X선 반사율 측정 방법은 기판 상에 형성된 박막의 두께, 밀도 및 거칠기 등을 측정하는 방법으로 정확하고 비파괴적인 방법으로 알려져 있다. X선 튜브를 사용하여 웨이퍼의 표면으로 기 설정된 입사각(예를 들면, 2°)으로 X선을 입사하고, 웨이퍼의 표면으로부터 반사된 X선을 검출한다. 이때, 웨이퍼의 표면으로 조사된 X선의 일부는 웨이퍼 상에 형성된 박막을 입사각보다 작은 굴절각으로 투과하며, 입사각과 동일한 반사각으로 반사된다. 한편, 박막을 투과한 X선은 박막의 하부 계면에서 다시 일부는 반사되고, 나머지는 투과한다. 상기와 같은 X선의 반사 특성을 이용하여 웨이퍼로부터 반사된 X선을 검출하고, 반사된 X선의 반사율을 산출함으로써 박막의 두께를 검출할 수 있다.

상기 X선 반사율 측정 방법은 매우 얇은 박막의 두께를 정확하게 측정할 수 있으므로, 상기와 같이 측정된 기준 웨이퍼의 기준 박막 두께는 웨이퍼 상에 형성된 박막의 두께를 측정하는 공정의 기준값으로 설정될 수 있다.

이어서, 피측정 박막이 형성된 피측정 웨이퍼를 준비하고, 상기 피측정 웨이퍼의 표면에 X선을 조사한다.(S400)

상기 피측정 웨이퍼로부터 발생되는 형광 X선의 세기(intensity)를 측정한다.(S500)

상기와 같이 형광 X선의 세기를 측정하여 박막의 두께를 측정하는 방법은 비파괴 검사로서 널리 알려져 있다. X선 튜브로부터 조사된 X선에 의해 웨이퍼 상의 박막을 구성하는 원소는 1차 빛살의 흡수에 의해 들떠서, 그 자신의 특성적인 형광 X선을 방출한다. 방출된 특성 형광 X선은 검출기에 의해 검출되며, 검출된 형광 X선의 세기에 따라 박막의 두께를 측정할 수 있다.

이어서, 상기 측정된 형광 X선의 세기와 상기 기준 박막의 두께로부터 획득된 기준값을 비교하여 상기 피측정 박막의 두께를 산출한다.(S600)

상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면, 정확한 기준값을 사용하여 웨이퍼 상에 형성된 박막의 두께를 측정함으로써, 웨이퍼 상의 박막 두께 측정 공정의 신뢰도를 향상시키고, 반도체 장치의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

상기 본 발명의 효과를 입증하기 위하여 웨이퍼 상에 형성된 티타늄 박막을 대상으로 다음과 같은 실험을 수행하였다.

[실험예 1]

웨이퍼 상에 각각 예상 두께별로 티타늄 박막을 형성하였다. 기준은 티타늄 200Å 대역을 기준으로 하여 증착 시간을 조절하여 각각의 티타늄 박막을 형성하였다. 이어서, X선 형광 분석 장치를 이용하여 웨이퍼로부터 발생된 형광 X선의 세기를 측정하였다. 그 결과는 아래의 표 1에 나타내었다.

박막두께 형광 X선세기 박막두께 형광 X선세기 박막두께 형광 X선세기 박막두께 형광 X선세기 30Å 6.1046 40Å 8.6833 50Å 10.056 75Å 13.018 7.1716 9.8343 13.148 8.6401 7.2606 10.181 13.073 8.6312 7.6992 10.075 13.029 8.6999 7.1834 9.8066 13.167 8.4236 100Å 16.649 200Å 28.725 300Å 41.668 16.284 28.739 41.935 16.366 28.901 41.628 16.322 28.123 41.625 16.216 28.207 41.506

상기 표 1을 참조하며, 티타늄 박막의 예상 두께에 따라 방출된 형광 X선의 세기가 선형적으로 증가하고 있음을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 티타늄 박막의 두께 측정 공정에서 X선 형광 분석 방법이 적절하게 적용될 수 있음을 보여준다.

[실험예 2]

실험예 1에서와 동일한 방법으로 형성된 티타늄 박막들에 대하여 X선 반사율 측정 장치를 사용하여 티타늄 박막의 두께 측정 공정을 수행하였다. 그 결과는 다래의 표 2에 나타내었으며, 도 2에 도시하였다.

박막 두께 형광 X선 세기 XRR 분석 결과 30Å 7.3727 43.52 40Å 8.7564 52.16 50Å 10.2048 59.3 75Å 13.2574 63.48 100Å 16.6556 90.91 200Å 29.4139 185.25 300Å 42.2257 268.99

상기 표 2 및 도 2를 참조하면, X선 반사율 측정 데이터의 경우 형광 X선의 세기 및 티타늄 박막의 예상 두께와 유사한 선형성을 나타내고 있음을 알 수 있다. 또한, X선 반사율 측정 데이터는 티타늄 박막의 예상 두께와 유상한 결과를 보여주고 있다.

X선 형광 분석 장치의 경우 지름 35mm의 넓은 면적의 형광 X선의 세기를 평균하고, X선 반사율 측정 장치의 경우 지름 15mm의 넓은 면적에 대하여 X선의 반사율을 측정하고, 측정된 값을 분석하기 때문에 티타늄 박막의 거칠기(roughness)의 영향을 작게 받는다는 것을 알 수 있다.

또한, X선 반사율 측정 데이터는 30Å 이상의 티타늄 예상 박막에서 선형적인 결과를 보여주고 있으며, 이러한 결과는 X선 반사율 측정 데이터로 티타늄 박막의 두께 측정 공정의 기준값을 설정할 수 있음을 의미한다.

[비교예]

상기 실험예 1에서와 동일한 방법으로 형성된 티타늄 박막에 대하여 투과 전자 현미경을 사용하여 그 두께를 측정하였다. 측정 결과는 표 3에 나타내었다.

박막 두께 1차 TEM 측정 2차 TEM 측정 비교 30Å 40 ~ 44Å 50Å 6 ~ 10Å 40Å 45 ~ 48Å 60Å 12 ~ 15Å 50Å 55 ~ 64Å 100Å 36 ~ 45Å 75Å 53 ~ 60Å 80Å 20 ~ 27Å

상기 표 3을 참조하면, 1차 투과 전자 현미경 측정에서 측정 데이터가 선형성을 보이지 않아, 2차 투과 전자 현미경 측정을 하였으나, 티타늄 박막의 거칠기 및 두께가 얇은 이유로 측정 데이터의 신뢰성에 문제가 있음을 확인하였다. 상기와 같은 측정 결과에서, 투과 전자 현미경이 국소 부위에 대한 측정을 수행하기 때문에 측정 결과는 티타늄 박막의 거칠기에 많은 영향을 받는다는 것을 알 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 웨이퍼 상에 형성된 박막의 두께 측정 공정에서, X선 반사율 측정 장치를 사용하여 기준값을 설정하고, X선 형광 분석 장치를 사용하여 박막의 두께를 측정한다. 따라서, 기준값 설정 오류에 따른 박막의 두께 측정 오류를 방지할 수 있으며, 정확한 기준값을 박막의 두께 측정 공정에 적용함으로써, 박막의 두께 측정의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

  1. 기준 박막이 형성된 기준 웨이퍼의 표면에 X선을 조사하는 단계;
    상기 기준 웨이퍼로부터 반사된 X선을 검출하여 상기 기준 박막의 두께를 측정하는 단계;
    측정된 기준 박막의 두께로 기준값을 설정하는 단계;
    피측정 박막이 형성된 피측정 웨이퍼의 표면에 X선을 조사하는 단계;
    상기 피측정 웨이퍼로부터 발생되는 형광 X선의 세기(intensity)를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 형광 X선의 세기와 상기 기준값을 비교하여 상기 피측정 박막의 두께를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막의 두께 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기준 박막 및 피측정 박막은 티타늄 박막인 것을 특징으로 하는 박막의 두께 측정 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기준 박막 및 피측정 박막의 두께는 30Å 이상인 것을 특징으로 하는 박막의 두께 측정 방법.
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