KR20070054811A - 2종의 분석 현미경에 적용되는 분석시편의 제작 방법 - Google Patents

Abstract

2종의 분석 현미경에 적용되는 분석시편 제작 방법에 따르면, 분석 포인트를 포함하는 제1 시편을 형성한 후 유리막을 형성한다. 상기 유리막이 형성된 제1 시편의 측면을 상기 분석 포인트를 정의하는 마킹에 근접될 때까지 제1 연마하여 제1 연마면을 갖는 제1 시편을 형성한 후 유리막을 제거한다. 제1 연마면을 갖는 제1 시편의 상면과 저면에 더미 실리콘 패턴을 부착시켜 스택 시편을 형성한다. 상기 제1 시편의 제1 연마면을 포함하는 상기 스택 시편의 측면을 상기 마킹이 노출될 때까지 제2 연마하여 제2 연마면을 갖는 스택시편을 형성한다. 상기 스택 시편에 커팅 공정을 수행하여 상기 제1 시편의 제1 연마면이 중심에 위치하는 상면을 갖는 주사 커패시턴스 현미경용 시편을 형성한다. 상기 주사 커패시턴스 현미경용 시편의 저면을 제3 연마하여 제2 시편을 형성한다. 상기 제2 시편에 딤플링 공정 이온밀링 공정을 수행한다. 그 결과 투과 전자 현미경 분석용 시편이 형성된다.

Description

2종의 분석 현미경에 적용되는 분석시편의 제작 방법{method of forming an analysis sample using the transmission electron microscope and the Scanning Capacitance Microscope}

도 1 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 2 종의 원자 현미경 분석에 적용되는 분석 시편의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

110 : 제1 시편 112 : 유리막

114 : 더미 패턴 130 : 스택 시편

140 : 주사 커패시턴스 현미경 분석용 시편

170 : 투과 전자 현미경 분석용 시편

본 발명은 분석 장치에 적용되는 분석용 시편의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 기판의 특정 부위를 분석하기 위한 2종의 분석 현미경에 적용되는 분석시편의 제작 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 장치는 실리콘웨이퍼 상에 집적 회로를 형성하기 위한 팹 공정(Fabrication process)과, 상기 팹 공정을 통해 형성된 반도체 장치들을 개별화시키기 위한 패키지 공정을 통해 제조된다. 상기 팹(FAB)공정은 증착 공정, 식각 공정, 확산 공정, 이온 주입 공정, 기계적 화학적 연마 공정, 세정 공정, 검사 공정 등과 같은 단위 공정들을 포함한다.

상술한 팹 공정으로 형성되는 반도체 소자에는 보이드(Void), 콘택의 낫 필(Not Fill), 이온 주입된 불순물의 결함 및 파티클 등의 다양한 결함(Defect)이 발생될 수 있기 때문에 상기 결함을 분석하기 위한 검사 공정이 필수적으로 수행된다. 상기 검사 공정에는 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM), 투과전자현미경(transmission electron microscope; TEM), 주사 커패시턴스 현미경(Scanning Capacitance Microscope), 이차이온질량분석기(secondary ion mass spectrometer; SIMS) 등과 같은 다양한 검사 장치가 사용되고 있다.

상기 검사 장치중에서 투과전자현미경은 반도체 기판에 형성된 패턴들의 구조적 결함을 분석하는데 적용되고, 상기 주사 커패시턴스 현미경은 반도체 기판에 이온주입된 불순물들의 거동의 상태를 분석하는데 적용되는데 주로 불량이 발생한 특정한 위치를 분석하는 경우에 적용된다.

상기 반도체 장치를 형성하기 위한 공정의 정밀도가 보다 요구됨에 따라 형성되는 반도체 장치의 불량 원인을 파악하기 위해 불량이 초래된 반도체 기판의 특정 위치에 이온 주입된 불순물의 거동 및 상기 반도체 기판의 특정 위치에 존재하는 패턴들의 구조를 평가하는 것이 요구되고 있다. 따라서, 상기 주사 커패시턴스 현미경을 이용하여 특정 위치의 전기적(Electrical) 특성을 파악하고, 투과 전자 현미경을 이용하여 특정 구조적 특성을 동시에 파악하는데 적용되는 시료도 함께 요구되고 있다.

그러나 상기 주사 커패시턴스 현미경의 시료 제작 방법과 투과 전자 현미경의 시료 제작 방법의 차이점으로 인하여, 주사 커패시턴스 현미경 시료를 투과 전가 현미경 분석 시료로 응용 제작하여 방법이 어려울 뿐만 아니니라 그 성공률 또한 매우 낮은 실정이다.

상기 주사 커패시턴스 현미경의 시료제작 방법은 반도체 기판의 분석 포인트를 포커싱 이온빔(FIB)을 이용하여 마킹하는 단계와 상기 반도체 기판을 커팅하여 분석 포인트를 포함하는 시편을 형성하는 단계와 더미 패턴을 부착하여 스택 시편을 형성하는 단계와 상기 스택 시편의 앞면을 연마하는 단계와, 경면을 형성하여 주사 커패시턴스 현미경 분석용 시편을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 시편에 대한 주사 커패시턴스 현미경 분석이 진행된 후 상기 시편을 투과 전자 현미경 분석용 시편으로 형성하기 위한 연마, 딤플링 공정 및 이온 밀링 공정을 수행하여 투과 전자 현미경 시편을 형성할 수 있다.

그러나, 상술한 방법에서는 분석 패턴을 관찰하기 위해 유리막을 붙여 스택 시편을 제작한 후 분석 포인트를 현미경으로 확인하면서 연마를 진행할 경우 상기 유리막 때문에 상기 분석 포인트 확인이 용이한 장점을 갖는다. 그러나 이후 딤플링 공정을 진행할 때 상기 유리막이 실리콘으로 이루어진 시료보다 더 빨리 연마되기 때문에 딤플링 공정이 끝나기도 전에 상기 유리막에 홀이 발생하면서 분석 포인트도 같이 사라지는 문제점이 발생한다.

또한, 상기 유리막에 홀이 생성되는 것을 방지하기 위해 시편으로 치우쳐 딤플링 공정을 수행할 경우 딤플링의 중심이 시편 쪽으로 치우치게 되어 분석 포인트에 해당하는 시편의 두께가 너무 두꺼워 분석이 어려운 문제점이 발생하여 실질적으로 분석용 시편을 형성하기 어렵다.

따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 2종의 분석 현미경 분석에 동시에 적용되는 분석 시편의 용이하게 형성할 수 있는 시편 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 2종의 분석 현미경에 적용되는 분석시편 제작 방법에서는 먼저 분석 패턴들이 포함된 분석 포인트를 포함하는 기판을 절단하여 상기 분석 포인트를 포함하는 제1 시편을 형성한다. 상기 제1 시편의 상면에 보호용 유리막을 형성한다. 상기 유리막이 형성된 제1 시편의 측면을 상기 분석 포인트를 정의하는 마킹에 근접될 때까지 제1 연마하여 제1 연마면을 갖는 제1 시편을 형성한다. 상기 제1 시편의 상면을 커버하는 유리막을 제거한다. 상기 제1 연마면을 갖는 제1 시편의 상면과 저면에 더미 실리콘 패턴을 부착시켜 스택 시편을 형성한다. 상기 제1 시편의 제1 연마면을 포함하는 상기 스택 시편의 측면을 상기 마킹이 노출될 때까지 제2 연마하여 제2 연마면을 갖는 스택시편을 형성한다. 상기 스택 시편에 커팅 공정을 수행하여 상기 제1 시편의 제1 연마면이 중심에 위치하는 상면을 갖는 주사 커패시턴스 현미경용 시편을 형성한다. 상기 주 사 커패시턴스 현미경용 시편의 저면을 제3 연마하여 제2 시편을 형성한다. 상기 제2 시편에 딤플링 공정 이온밀링 공정을 수행한다. 그 결과 투과 전자 현미경 분석용 시편이 형성된다.

여기서, 상기 제1 시편을 형성하기 전에 상기 기판에 상기 분석하고자 하는 패턴들의 분석 포인트를 정의하는 마킹을 형성하는 단계를 더 수행하는 것이 바람직하다. 상기 제조 방법에서 상기 보호용 유리막은 200 내지 120㎛의 두께를 갖고, 왁스에 의해 상기 제1 시편의 상면에 부착되는 것이 바람직하다.

따라서, 상술한 2종의 원자 현미경 분석용 시편 제작 방법은 주사 커패시턴스 분석용 시편을 투과 전자 현미경 분석에 적용되는 시편으로 보다 용이하게 형성할 수 있다. 즉, 주사 커패시턴스 현미경 분석에 적용된 주사 커패시턴스 분석용 시편을 높은 성공률로 형성되고, 기판의 특정 분석 포인트를 평면에서 관찰이 용이한 구조를 갖는 TEM 분석용 시편으로 형성할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 그러나, 본 발명은 하기의 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구현될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 보다 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상과 특징이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공된다. 도면들에 있어서, 각 장치 또는 막(층) 및 영역들의 두께는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 과장되게 도시되었으며, 또한 각 장치는 본 명세서에서 설명되지 아니한 다양한 부가 장치들을 구비할 수 있으며, 막(층)이 다른 막(층) 도는 기판 상에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 다른 막(층) 또는 기판 상에 직접 형성되거나 그들 사이에 추가적인 막(층)이 개재될 수 있다.

도 1 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 2종의 분석 현미경에 적용되는 분석시편의 제작 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.

도 1을 참조하면, 다수의 패턴(도시하지 않음)들을 포함하는 반도체 기판을 마련한 후 상기 패턴들 중 분석하고자 하는 패턴의 불량 및 결함을 분석하기 위해 먼저 광학 현미경을 통해 분석하고자 하는 분석 포인트를 확인한다. 여기서, 상기 패턴들은 금속 패턴, 절연 패턴, 폴리 패턴, 이온 주입된 불순 영역을 포함한다.

이어서, 상기 분석 하고자는 패턴들을 포함하는 분석 포인트를 전자상으로 관찰하여 분석하고자 하는 분석 포인트의 정확한 위치를 나타내는 마킹(M)을 상기 기판의 상면에 형성한다. 상기 마킹은 포커싱 이온빔 장치 내로 상기 기판을 이송한 후 전자상으로 관찰하면서, 상기 분석 포인트를 중심으로 방사상으로 이온빔을 조사함으로서 형성된다. 이때, 상기 마킹(M)은 현미경으로 관찰할 수 정도로 기판에 표시되며, 상기 분석 포인트에 손상을 주지 않을 정도로 상기 분석 포인트로부터 이격되어 형성된다.

이어서, 상기 반도체 기판을 커팅하여 상기 분석 포인트의 위치를 정의하는 마킹 및 분석 포인트를 포함하는 제1 시편(110)을 추출한다. 상기 반도체 기판은 초음파 절단기(ultrasonic cutter) 또는 다이아몬드 절단기(diamond cutter)를 사용하여 절단할 수 있다. 여기서, 상기 제1 시편(110)은 약 4mm의 폭과 약 5mm의 길이를 갖고, 마킹(M)이 형성된 면이 상면에 해당하고, 상기 상면과 대응되는 면이 저면에 해당하며, 상면과 수직된 면이 측면에 해당한다.

도 2를 참조하면, 분석 포인트를 포함하는 제1 시편(110) 상에 제거가 용이한 보호막(112)을 형성한다. 상기 보호막(112)은 약 200um이하의 두께를 갖는 유리막(112)으로 상기 제1 시편(110)의 상면에 접착된다. 이때, 상기 유리막(112)은 약 120 내지 200㎛의 두께를 갖고, 왁스에 의해 상기 제1 시편(110) 상에 접착된다. 상기 왁스는 열에 의해 녹는 특성을 갖는다. 상기 제1 시편(110)과 연마속도가 다른 유리막(112)은 그 두께가 얇기 때문이 이후 연마 공정시 상기 제1 시편(110)을 원하는 위치까지 정확하게 연마될 수 있도록 한다.

도 3을 참조하면, 상기 보호막이 형성된 제1 시편의 측면을 상기 분석 포인트를 정의하는 마킹(R)에 근접될 때까지 제1 연마(Grinding)한다. 그 결과 제1 연마면을 제1 측면으로 갖는 제1 시편(120)이 형성된다.

이때, 상기 마킹(M)은 제1 연마면과 평행한 상면의 X축 상에 존재한다. 특히, 상기 제1 연마면을 형성하기 위한 제1 연마는 트리 포드 그라인더를 이용하여 분석 포인트 바로 앞까지 상기 제1 시편(110)의 측면을 연마하는 것이 바람직하다.

이후, 상기 보호막인 유리막은 제거된다. 이는 상기 유리막은 이후 시편의 연마 공정시 연마 균일도를 감소시키기 때문이다.

도 4를 참조하면, 상기 유리막이 제거된 제1 시편(110)의 상면과 후면에 각각 적어도 하나의 더미 패턴(114)을 접착시킨다. 그 결과 제1 연마면을 갖는 제1 시편을 포함하는 스택 시편이 형성된다. 상기 스택 시편에서 제1 측면은 상기 제1 시편의 제1 연마면을 포함하는 면에 해당하고, 상기 스택 시편의 제2 측면은 상기 제1 연마면과 대응되는 측면을 포함하는 면에 해당한다.

이어서, 상기 제1 시편의 상면에 형성된 마킹이 노출될 때까지 상기 제1 연마면을 포함하는 상기 스택 시편의 제1 측면을 제2 연마하여 제2 연마면을 갖는 스택 시편(130)을 형성한다.

도 5를 참조하면, 상기 제2 연마면을 갖는 스택 시편(130)을 다이아몬드 톱(saw)을 이용하여 커팅(slicing)한 후 펀칭 공정을 수행한다. 그 결과 주사 커패시턴스 현미경 분석용 시편(140)이 형성된다. 상기 주사 커패시턴스 현미경 분석용 시편(140)은 약 3mm의 폭을 갖는 디스크 형상을 갖는다. 상기 시편은 상기 제2 연마면을 상면으로 갖는다. 이후, 상기 커팅 공정시 상기 시편에 발생된 스크레치를 제거하기 위한 연마 공정을 더 수행하는 것이 바람직하다.

이렇게 제조된 주사 커패시턴스 현미경 분석용 시편(140)은 상기 주사 커패시턴스 현미경을 이용하여 분석용 패턴에 이온 주입된 불순물들의 거동을 확인하는데 적용된 후 투과 전자 현미경 분석용 시편을 제조하는데 적용될 수 있다.

즉, 상기 주사 커패시턴스 현미경 분석용 시편(140)을 가공하여 투과 전자 현미경 분석용 시편을 형성할 경우 형성되는 투과 전자 현미경 분석용 시편은 약 50%이상의 성공률로 제조된다.

도 6을 참조하면, 투과 전자 현미경 분석용을 제조하기 위해 상기 주사 커패시턴스 현미경 분석용 시편(140)의 후면을 제3 연마하여 제2 시편(150)을 형성한다.

상기 제3 연마를 수행하는 동안 주사 커패시턴스 현미경 분석용 시편(140)의 후면은 다수의 디스크 그라인더들(미도시)에 의해 연마된다. 상기 디스크 그라인더 들은 각각 다른 그라인드 페이퍼들을 갖는다. 예를 들면, 40㎛, 15㎛, 5㎛ 실리콘 카바이드 페이퍼(silicon carbide paper)들이 순차적으로 사용될 수 있다. 따라서, 제3 연마된 제2 시편은 약 40 내지 70㎛ 정도의 두께를 갖는다.

도 7을 참조하면, 제2 연마면을 포함하는 제2 시편(150)의 상면을 딤플러(dimpler, 미도시)를 이용하여 딤플링(dimpling)공정을 수행한다. 상기 딤플링 공정은 약 20 내지 30분 수행됨으로써 완료되는데 이는 이전 공정에서 유리막이 제거되었기 때문이다.

구체적으로 상기 딤플링 공정은 먼저 투명 마운트 상에 상기 제2 시편(150)을 고정시킨 후 상기 딤플러를 이용하여 상기 제2 시편을 상면 중심부를 딤플 연마하는데 있다.

이어서, 딤플 연마된 제2 시편의 중심부를 거친 연마한 후 거친 연마된 제2 시편을 중심부를 미세 연마한다. 그 결과 분석 포인트를 포함하는 상기 제2 시편의 중심부의 두께가 매우 얇은 투과 전자 현미경 분석용 예비 시편(160)이 형성된다.

도 8을 참조하면, 이온 밀러(ion miller, 미도시)를 이용하여 상기 예비 시편의 중앙 부위에 홀(172)을 형성함으로써, 투과 전자 현미경 분석용 시편(170)을 완성한다.

상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 주사 커패시턴스 분석용 시편을 투과 전자 현미경 분석에 적용되는 시편으로 보다 용이하게 형성할 수 있다. 즉, 상기 주사 커패시턴스 현미경 분석에 적용된 주사 커패시턴스 분석용 시편을 높은 성공률 을 갖는 투과 전자 현미경 분석용 시편으로 형성할 수 있다. 이 때문에, 최종 형성된 투과 전자 현미경 분석용 시편은 투과 전자 현미경에서 더욱 정확하게 분석 포인트에 포함된 패턴들의 구조적 결점 및 문제점을 분석하는데 적용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 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. 분석 패턴들이 포함된 분석 포인트를 포함하는 기판을 절단하여 상기 분석 포인트를 포함하는 제1 시편을 형성하는 단계;

   상기 제1 시편의 상면에 보호용 유리막을 형성하는 단계;

   상기 유리막이 형성된 제1 시편의 측면을 상기 분석 포인트를 정의하는 마킹에 근접될 때까지 제1 연마하여 제1 연마면을 갖는 제1 시편을 형성하는 단계;

   상기 제1 시편의 상면을 커버하는 유리막을 제거하는 단계;

   상기 제1 연마면을 갖는 제1 시편의 상면과 저면에 더미 실리콘 패턴을 부착시켜 스택시편을 형성하는 단계;

   상기 제1 시편의 제1 연마면을 포함하는 스택시편의 측면을 상기 마킹이 노출될 때까지 제2 연마하여 제2 연마면을 갖는 스택시편을 형성하는 단계;

   상기 스택 시편에 커팅 공정을 수행하여 상기 제1 시편의 제1 연마면이 중심에 위치하는 상면을 갖는 주사 커패시턴스 현미경용 시편을 형성하는 단계;

   상기 주사 커패시턴스 현미경용 시편의 저면을 제3 연마하여 제2 시편을 형성하는 단계;

   상기 제2 시편의 상면에 딤플링 공정을 수행하는 단계; 및

   상기 딤플링 공정이 수행된 제2 시편에 이온밀링 공정을 수행하여 홀을 형성함으로써 투과 전자 현미경용 분석 시편을 형성하는 단계를 포함하는 2종의 분석 현미경에 적용되는 분석시편의 제작 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 시편을 형성하기 전에

   상기 기판에 상기 분석하고자 하는 패턴들의 분석 포인트를 정의하는 마킹을 형성하는 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 2종의 분석 현미경에 적용되는 분석시편의 제작 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 보호용 유리막은 120 내지 200㎛의 두께를 갖고, 왁스에 의해 상기 제1 시편의 상면에 부착되는 것을 특징으로 하는 2종의 분석 현미경에 적용되는 분석시편의 제작 방법.

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