KR20050123156A - 박막을 측정하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 막(22)과 접촉하는 기체 또는 액체 매체에서의 굴절 지수 회절 격자의 발생에 기초하여 매우 얇은 고체 막(22)의 레이저 기반의 도량형의 새로운 방법을 제공한다. 제 1 실시예에서, 기체 또는 액체 매체에서 여기된 탄성파(25)가 고체 샘플에서 여기된 음향 모드의 주파수에 비해 낮은 주파수의 신호 성분을 초래하는 회절된 탐침 빔의 강도를 조절한다. 이러한 낮은 주파수 성분의 진폭은 막(22)에 의해 흡수된 에너지의 양, 따라서 막 두께와 상관되고, 절연 하부층(underlayer) 상의 금속 막의 검출에 관한 것뿐만 아니라, 막 두께 측정에 관한 방법을 제공한다.

Description

박막을 측정하는 방법{METHOD FOR MEASURING THIN FILMS}

본 출원은 2003년 4월 16일 출원된 미국 가출원 일련 번호 60/463,259호의 이익을 주장하고 있으며, 그 가르침은 본 명세서에 참조로 통합되어 있다.

본 발명은 샘플의 특성, 예를 들어 박막 구조를 결정하는 광학 도량형 분야에 관한 것이다.

예를 들어, 실리콘 기판이나 절연층 상에 증착된 얇은 금속막의 특성을 측정하는 비접촉 광학적 방법은 산업 공정 감시와 제어에서 많이 요구되고 있다. 공정 제어 적용에 대한 가장 중요한 파라미터는 금속 막의 두께 측정을 포함하고 있다. 일반적으로 마이크로 전자공학에서 현재 사용되는 금속막의 두께가 100 내지 200Å에서 수 미크론 범위인데 반해, 훨씬 앞선 기술은 두께에 있어서 100Å 또는 그 이하인 보다 얇은 막의 사용을 요구한다. 100Å 미만 두께의 금속막의 측정을 요하는 하나의 응용은 구리의 상호 연결을 위한 개선된 산란 장벽의 구성이다. 또 다른 가능한 응용은 구리 상호 연결 공정에 있어서의 연마 단계의 끝에서 남아 회로의 전기 특성을 저하시킬 수도 있는 절연층 위의 금속 잔여물의 검출이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 유도 과도 격자나 또는 임펄스 자극 열 산란(여기서는 Impulse Stimulated Thermal Scattering: ISTS)이라고 불리는 하나의 알려진 방법에서, 제 1 여기 레이저 펄스(3, 3')는 막(확대된 8을 참조)의 면에 전파하는 탄성 표면파(SAW)를 발생시킨다. 제 2 탐침 레이저 펄스(6, 6')는 막(1)의 표면에서 회절되고 센서(7)는 SAW의 주파수를 측정한다. SAW 주파수는 막의 두께에 관련된다. 예를 들어, ISTS는 미국 특허 5,633,711호(제목이 "광학적으로 유도된 음향 양자를 구비한 물질 특성의 측정")와, 미국 특허 5,812,261호(제목이 "불투명하고 투명한 막의 두께를 측정하기 위한 방법 및 디바이스")에 기술되어 있고, 이들의 내용은 본 명세서에 참조로 통합되어 있다.

전술한 기술은 금속막의 두께를 100Å 내지 10㎛의 범위에서 측정하는데 성공적으로 이용되어져 왔다. 그러나 대단히 얇은 막(<100Å)까지 상기 방법의 측정 능력을 확대하는 것은 간단하지 않다는 것이 증명되었다. 주된 어려움은 수 미크론의 전형적인 SAW 파장에 대해서는 수십Å의 막 두께는 SAW 파장의 1/1000과 거의 비슷할 것이라는 사실에 있다. 따라서 막은 SAW 전파에 거의 영향을 주지 않을 것이므로, SAW 주파수에 기초한 정밀한 막 두께 측정을 하는 것을 어렵게 한다.

고체 표면에서 ISTS를 이용하여 발생된 신호 파형은 여기 광의 흡수에 의해서 시작된 다른 물리 프로세스에 기인한 몇 가지 성분을 포함한다. 통상적으로, 신호에 대한 주된 기여는 표면 리플(ripple)로부터 탐침 빔을 회절시키는 것에 기인한다. 탄성 표면파로 인한 표면 변위는 신호의 고주파 성분을 야기하지만, 온도 분포와 연관된 변이는 서서히 감쇠하는 성분을 야기한다.

신호의 또 다른 성분은 샘플 표면 위의 공기의 굴절률의 변화 때문이다. 샘플 표면에서의 여기 펄스가 흡수되면, 발생된 열의 일부는 열 확산을 거쳐 대기로 이동된다. 이것은 대기중에 공간적으로 주기적인 온도 상승을 초래한다. 이러한 임펄스에 의한 대기 온도 상승은 또한 탄성파의 여기를 초래한다. 이들 탄성파는 탐치 펄스의 굴절률의 주기적인 변조를 야기하고 그것의 회절에 기여한다. 대기 중에서 소리가 비교적 저속이므로, 대기 중에서의 탄성파의 주파수는 동일한 파장에서의 SAW 주파수보다 통상 크기 자리 수가 하나 더 낮다. 이러한 낮은 주파수로 인해, 대기 중에서의 파의 기여도는 신호의 다른 성분과 쉽게 구분될 수 있다.

대기 중에서 탄성파 때문에, 과도 격자 신호의 성분은, 예를 들어 Yang 등에 의한 제목이 "Optical Measurement of the Elastic Moduli and Thermal diffusivity of a C-N film"(J. Mater, Res., Vol.10 No.1 1995년 1월)인 논문에서 이전에 주목되었지만 신호의 이 성분으로부터의 유용한 정보를 추출하려는 어떠한 시도도 없었다. 그러므로 ISTS 신호에 포함된 이 이전의 미사용 추가 정보를 이용하는 것은 바람직하다.

도 1은 종래 기술에 따라 임펄스 자극된 열 산란을 이용하여 시험된 금속 박막을 도시하는 도면.

도 2는 본 발명에 따른 임펄스 열 산란을 이용하여 시험된 금속 박막을 도시하는 도면.

도 3은 금속 표면 막이 없는 Si 웨이퍼 위에 SiO₂층으로 구성된 샘플 상에 생성된 신호 파형을 도시하는 도면.

도 4는 SiO₂층 위에 증착된 TiSiN의 아주 얇은 막이 있는 Si 웨이퍼 위에 SiO₂층으로 구성된 샘플 상에 생성된 신호 파형을 도시하는 도면.

도 5는 수학식 1에 따른 최상의 피트를 포함하는 신호 파형을 도시하는 도면.

도 6은 금속 막 두께 대 공기파 진폭을 보여주는 차트를 도시하는 도면.

도 7은 본 발명에 따라 측정된 TiSiN막의 직경 프로파일의 예를 도시하는 도면.

본 발명에서는 샘플과 접촉하고 있는 기체나 액체 매체의 굴절률의 교란에 의해서 일어난 과도전류 격자 신호의 성분은 아주 얇은 금속 막의 두께를 검출하고 측정하는데 이용된다.

어느 한 국면에서, 본 발명은 열 격자를 생성하기 위해 공간적으로 주기적인 여기 필드로 막을 조사하여 그 막을 여기시키고, 막으로부터 언급된 매체로의 열 이동을 통해 막과 접촉하고 있는 기체나 액체 매체에 공간적으로 주기적인 굴절률 간섭을 발생시키고; 신호 빔을 형성하기 위해 탐침 레이저 빔을 언급된 매체에서 굴절률 간섭으로부터 회절시키고; 신호 파형을 생성하기 위하여 신호 빔을 시간 함수로서 검출하고, 및 신호 파형에 기초하여 막의 적어도 한 가지 특성을 결정함으로써 막을 측정하는 방법을 포함하고 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 막은 금속막이다. 또 다른 실시예에서는, 막이 100Å 미만의 두께를 갖는 금속막이다.

또 다른 실시예에서, 막은 하부에 놓인 층 위에 증착되고, 여기 방사에 투명하다. 또한, 또 다른 실시예에서는 여기 파장에서 하부에 놓인 층의 광학 흡수 계수는 막 자재의 흡수 계수보다 더 작다.

또 다른 실시예에서, 막과 접촉하고 있는 기체 매체는 공기이다.

또 다른 실시예에서, 샘플과 접촉하고 있는 기체나 액체 매체에서의 굴절률의 교란은 매체에서 탄성파에 의해 생긴다.

또 다른 실시예에서, 매체에서의 탄성파는 신호 파형의 저주파 변조를 일으킨다.

또 다른 실시예에서, 상기 결정 단계는 전술한 신호 파형의 저주파 성분의 분석에 기초한다.

또 다른 실시예에서, 상기 결정 단계는 신호 파형을 경험적인 교정(calibration)으로 분석하는 단계를 포함한다.

또한 또 다른 실시예에서는, 상기 결정 단계가 이론적인 모델로 신호 파형을 분석하는 단계를 포함한다.

또 다른 실시예에서, 상기 적어도 하나의 특성은 막의 두께를 포함한다.

또한 또 다른 실시예에서, 상기 적어도 하나의 특성은 막의 존재를 포함한다.

본 발명은 다음 설명, 도면, 및 청구항으로부터 명백한 많은 장점을 제공한다.

본 발명은 다음 도면을 참조하여 더 완전히 이해될 수 있다.

새롭게 발명된 방법에서, 공기파 신호는 통상 실리콘 웨이퍼 상의 절연층 위에 증착된 아주 얇은 금속막의 두께를 검출하고 측정하는데 사용된다.

도 2는 실리콘 기판(24) 상에 투명한 절연층(23)(예를 들면, SiO₂)층 위에 증착된 아주 얇고 반투명한 금속 막(22)을 가지고 있는 샘플(21)을 개략적으로 보여준다. 2개의 짧은 레이저 펄스(26, 26')는 이전의 기술 방법과 비슷한 주기(27)를 가지고 있는 공간적으로 주기적인 광학 강도 패턴을 일으킨다. 만약 금속막(22)이 없으면, 여기 광(26, 26')의 흡수는 오직 Si 기판(24)에서만 일어난다. 실리콘과 비교하여 통상적인 상호연결 절연체의 훨씬 낮은 열 전도도 때문에 다량의 열이 대기로 이동되지는 않는다. 따라서, 대기 중에 탄성파가 생기지는 않는다.

도 3은 여기 기간 8.86m로 실리콘 웨이퍼 상에 열로 성장된 0.55m 두께의 SiO₂막으로 구성된 샘플 상에서 측정된 신호 파형을 도시한다. 이 파형은 금속 막(22)이 샘플에 없기 때문에, 대기 중에서 생성된 탄성파로 인한 기여는 포함하지 않는다.

만약 얇은 금속막(22)이 샘플 외의 표면 상에 존재하면, 여기 펄스(26, 26')의 에너지 일 부분은 막(22)에 흡수되고, 열 발산을 통해 대기 중으로 이동된다. 도 2는 화살표(25)로 이러한 이동을 표시하고 있다. 이것은 결국 공기의 임펄스에 의한 열 팽창과 탄성파의 여기를 초래하여, 공기의 굴절률을 변조시킨다. 결과로서 초래된 공기 굴절률의 공간적인 정기적 변동은 회절된 신호 빔(6')에 기여하고 있는 회절 격자로서 탐침 빔(6)에 작용할 것이다.

도 4는 Si 웨이퍼 상에서 0.55㎛의 SiO₂ 위에 46Å의 화학 기상 증착한 TiSiN막으로 구성된 샘플 상의 도 3에서 서술된 파형과 같은 조건 하에서, 측정된 신호 파형을 서술하고 있다. 그래서, 도 3과 도 4에 도시된 측정 사이의 유일한 차이점은 후자의 경우에서 아주 얇은 TiSiN막(22)의 존재이다. 이제 신호 파형이 느린 진동(200)으로 변조된다는 것을 알 수 있다. 느린 진동(200)의 25.4㎱ 주기로 여기 패턴의 공간적 주기에 의해 결정된 8.86㎛의 음향 파장을 나누면, 즉 통상적인 상태 하의 공기 중에서 음속은 349m/s의 속도가 된다. 그 결과, 느린 진동(200)은 TiSiN막으로부터 그 막 위의 공기로의 열 이동에 의해 생긴 공기 내의 탄성파 때문에, 신호 성분에 대응한다. 그러한 낮은 주파수로 인해, 공기 중에서 신호에 대한 탄성파의 기여는 신호의 다른 성분과 쉽게 구별될 수 있다{예를 들어, 파형에서 고주파 진동(100)으로 인한 SAW 성분}.

금속막의 두께가 0일 때, 공기 중의 탄성파로 인해, 신호 성분이 없어지므로, 이 신호 성분의 진폭은 어떤 일정한 두께 범위 내에서 막 두께와 함께 증가해야 한다. 막이 두꺼우면 두꺼울수록, 더 많은 여기 에너지를 흡수하고, 결국 더 많은 에너지가 공기 중으로 이동된다. 이러한 경향은 막이 물질에 따라 100 내지 300Å까지, 대부분은 투명한 이상 관찰될 수 있다. 더 두꺼운 불투명한 막에서, 이러한 경향은 반대로 된다. 이는 막이 두꺼워질수록, 막 두께에 통한 열 이동이 막의 표면을 냉각시키므로, 공기 중으로 이동된 열의 양을 감소시키기 때문이다.

그러므로, 두께가 100Å보다 작은 막의 경우, 신호에서의 느린 진동(200)의 진폭과 막 두께 사이에는 상관이 존재하게 된다. 이는 막 두께 측정에 관한 느린 진동(200)의 진폭의 사용을 허용한다.

상기 진폭을 찾기 위해, 신호 파형의 "후미(tail)"는 지수함수적으로 감쇠하는 함수, 감쇠하는 진동, 및 일정한 오프셋의 함으로 이루어지는 다음 함수 형태에 맞추어진다:

S=Aexp(-t/τ₁)+Bexp(-t/τ₂)sin(ωt+θ)+C

공기파의 주파수 ω, 위상 θ, 및 감쇠 시간 τ₂는 TiSiN막 샘플 중 하나로부터의 데이터에 기초하여 결정되었고, 이후 그 결정된 값에 고정되었다. 다른 파라미터, 즉 A, τ₁, B 및 C는 다중 파라미터 피트(fit)에서 공기파 진폭으로 취해진 B의 최상의 피트 값을 가지고 변화되었다. 도 5는 측정된 신호 파형과 라인(202)을 보여주는 라인(201)과, 수학식 1에 따라 계산된 최상의 피트를 보여주는, 라인(201)의 일부와 나란하게 된 라인(202)이 도시된, 맞추는(fitting) 절차를 도시한다.

도 6은 그레이징(grazing)-입사 x-레이 반사율(XRR)의 또 다른 알려진 방법에 의해 또한 측정된 한 세트의 TiSiN막 샘플에 관한 신호의 느린 진동 성분의 측정된 진폭을 도시한다. 도 6에서의 기호(60)는 기호(60)를 연결하는 라인(61)이 이어지는 측정에서 교정 곡선으로 사용된 보간된 다항식 곡선을 나타내는데 반해, 실험을 통해 측정된 데이터를 나타낸다. 고안된 방법으로 행해진 측정과 XRR 사이의 상관은 상당히 양호하다. 보간된 곡선은 0에서 x축과 만나지 않고 약 13Å에 대응하는 점에서 x축과 만난다는 사실은 막 증착과 측정 사이의 시간 동안에 주위의 공기에 노출되는 것으로 인해, 막이 부분적으로 산화되었음을 가리킨다. 금속 산화물은 통상 금속에 비해 훨씬 작은 흡수 계수를 가지고, 따라서 고안된 방법은 금속 막(22)의 나머지 산화되지 않은 부분에만 민감하다.

도 7은 열적으로 성장한 0.55㎛의 SiO₂를 가지는 직경이 200㎜인 Si 웨이퍼 상에 증착된 2개의 TiSiN막의 직경 프로파일을 도시한다. 전술한 절차에 따라 신호에서의 느린 진동(200)의 진폭이 측정되고, 도 6에 따라 경험을 통한(empirical) 교정을 적용함으로써 데이터가 얻어졌다. 신호 대 잡음을 개선하기 위해, 데이터는 10개의 연속해서 측정된 직경 스캔에 대해 평균되었다. 전술한 측정예는 경험을 통한 교정을 이용하였지만, 본 방법은 다음 단계; 즉

(1) 다층 구조 위에 증착된 측정된 막에서의 광학적 흡수를 계산하는 단계로서, 이는 관련 분야에 알려진 방법에 따라 행해질 수 있는, 계산 단계;

(2) 샘플과 접촉하는 기체 또는 액체 매체에서의 온도 증가를 결정하기 위해 열 확산 문제를 해결하는 단계; 및

(3) 기체 또는 액체 매체에서 발생된 탄성파의 진폭을 계산하는 단계를 포함하는 이론상 모델을 사용하여 강화될 수 있음이 주목되어야 한다.

열 확산과, 고체 샘플과 접촉하는 액체에 있어서의 음향학 상의 문제점(2, 3)을 해결하기 위해 이용될 수 있는 모델과 방법이 관련 분야에 알려져 있다.

도 7에 도시된 데이터는 Cu 상호연결(두께 ~50Å)에 관한 화학 기상 증착 장벽 막의 두께와 균일성의 측정에 본 방법을 실제로 적용하는 예를 나타낸다.

100Å의 금속 막과 용제(thinner)가 스펙트럼 엘립소메트리(ellipsometry)뿐만 아니라, 전술한 XRR 기술와 같은 다른 기술에 의해 측정될 수 있음을 주목하라. 본 발명의 방법의 장점은 그것의 높은 선택성에 있는데, 즉 공기에서의 탄성파로 인해 전이 격자 신호의 성분이 전적으로 금속막의 존재로부터 생긴다는 점이다. 이는 특히 구리 연결 상호 연결 구조물의 화학-기계적 연마(polishing)(CMP) 이후의 금속 잔여물 검출과 같은 금속 막의 존재를 검출하는 것이 필요한 응용에서 유리하다. 또 다른 장점은 이러한 측정이 표준 상업적으로 이용 가능한 ISTS 기구로 수행될 수 있다는 점으로, 이는 단일 기구를 사용하여 종래 기술의 ISTS 기술로 더 두꺼운 막을 측정하는 것뿐만 아니라 본 발명에 따른 매우 얇은 막의 측정을 허용한다.

공기 중에서의 음향 파 여기의 전술한 메카니즘이 샘플과 접촉하는 다른 기체 또는 액체 매체에 있어 동등하게 유효하다는 점이 주목되어야 한다. 액체에 잠긴 샘플의 측정은 CMP 공정의 본래 장소에서의 제어와 같은 잠재적인 응용을 가질 수 있다. 본 발명은 상세한 설명, 도면, 및 청구항으로부터 명백한 많은 추가적인 장점을 제공한다.

전술한 표현과 예는 예시적인 것으로, 다음의 청구항 범위를 제한하려는 의도는 아니다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 박막 구조를 결정하는 광학 도량형 분야에 이용 가능하다.

Claims (13)

1. 막(22)을 측정하는 방법으로서,

   열 격자를 발생시키기 위해 공간적으로 주기적인 광학 여기 필드(3, 3')로 상기 막(22)을 조사하는 단계;

   상기 막(22)으로부터 기체 또는 액체 매체로의 열 이동을 통해 상기 막(22)과 접촉하는 상기 기체 또는 액체 매체에 공간적으로 주기적인 굴절률 교란을 발생시키는 단계;

   신호 빔(6')을 형성하기 위해, 탐침 레이저 빔(6)을 상기 매체에서 상기 굴절률 교란으로부터 회절시키는 단계;

   신호 파형을 발생시키기 위해 시간의 함수로서 상기 신호 빔(6')을 검출하는 단계; 및

   상기 신호 파형에 기초하여 상기 막(22)의 적어도 하나의 특성을 결정하는 단계를 포함하는, 막의 측정 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 막(22)은 금속 막을 포함하는, 막의 측정 방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 막(22)은 100Å 미만의 두께를 가지는 금속 막인, 막의 측정 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 막(22)은 상기 여기 방사에 투명한 하부층 상에 증착되는, 막의 측정 방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 막(22)은 상기 막 물질에 비해 여기 파장에서 더 작은 흡수 계수를 특징으로 하는 상기 하부층 상에 증착되는, 막의 측정 방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 막과 접촉하는 매체는 공기인, 막의 측정 방법.
7. 제 1항에 있어서, 상기 매체에서의 상기 굴절률 교란은 탄성파와 연관되는, 막의 측정 방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 매체에서의 상기 탄성파는 상기 신호 파형의 저주파 변조(200)를 야기하는, 막의 측정 방법.
9. 제 1항에 있어서, 상기 결정 단계는 상기 신호 파형의 상기 저주파 변조(200)의 분석에 기초하는, 막의 측정 방법.
10. 제 1항에 있어서, 상기 결정 단계는 경험을 통한(empirical) 교정으로 신호 파형을 분석하는 단계를 포함하는, 막의 측정 방법.
11. 제 1항에 있어서, 상기 결정 단계는 상기 막(22)에 의한 광학적 흡수의 계산을 포함하는 이론상 모델로 상기 신호 파형을 분석하는 단계;

    상기 막(22)과 접촉하는 기체 또는 액체 매체에서 온도 증가를 야기하는 열 확산(25)을 분석하는 단계;

    상기 온도 증가에 의해 야기된 상기 탄성파 여기를 분석하는 단계;

    상기 매체에서의 상기 온도 증가(25)와 탄성파(27)에 의해 야기된 상기 굴절률 교란으로부터의 상기 탐침 빔(6') 회절의 분석 단계를 포함하는, 막의 측정 방법.
12. 제 1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 성질은 상기 막(22)의 두께를 포함하는, 막의 측정 방법.
13. 제 1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 성질은 상기 막(22)의 존재를 포함하는, 막의 측정 방법.