KR20080039055A - 게이트 절연막의 두께 측정방법 - Google Patents

게이트 절연막의 두께 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 게이트 절연막의 두께 측정방법을 제공한다. 상기 게이트 절연막의 두께 측정 방법은 게이트 절연막이 형성된 기판을 세정하는 단계, 상기 세정된 기판에 X-선 입사각도에 따른 반사율(X-ray reflectivity; XRR)의 변화를 측정하여 반사율곡선을 측정하는 단계, 상기 게이트 절연막 상에 존재하는 표면 오염층을 고려한 층구조 모델을 적용하여 반사율을 계산하는 단계, 및 상기 반사율곡선과 계산된 반사율로부터 게이트 절연막의 두께를 도출하는 단계를 포함한다.
게이트 절연막, 나노 박막, X-선 반사율 측정, 두께 측정

Description

게이트 절연막의 두께 측정방법{Measurement method of gate insulation layer}
도 1a는 X-선의 조사 또는 비조사에 따른 X-선의 반사율 변화를 나타낸 그래프,
도 1b는 일정 시간 간격으로 측정한 X-선의 반사율 곡선의 변화를 나타낸 그래프,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 게이트 절연막의 두께 측정방법을 나타낸 다이어그램도,
도 3은 X-선이 전반사에 대한 임계각도 근처로 입사될 때 굴절율이 서로 다른 두 물질의 계면에서의 굴절(refaction)과 반사(reflection)를 나타낸 단면도,
도 4는 X-선 입사각에 따른 박막의 일반적인 반사율 곡선(typical reflectivity curve)을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 표면 오염층을 고려한 층구조 모델을 나타낸 단면도,
도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 단일 오염층을 고려한 층구조 모델의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프,
도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 이중 오염층을 고려한 층구조 모델의 시뮬 레이션 결과를 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 여러 가지 조건에서의 반사율 곡선을 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 오염층의 두께와 실리콘 산화막 두께의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 게이트 절연막의 두께 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 표면 오염층을 고려한 층구조 모델을 적용하고 X-선 반사율 측정법을 이용하는 게이트 절연막의 두께 측정방법에 대한 것이다.
반도체 기술의 발달에 따라 최근 나노 수준의 박막 형성 기술이 급속도로 개발되고 있으며, 이에 따른 박막의 측정기술 또한 개발이 요구되고 있다.
X-선을 이용한 대표적인 박막 측정 기술로는 XPS(x-ray photoelectron spectroscopy)가 있다. 상기 XPS에서 얻어지는 스펙트럼은 그 자체만으로는 에너지 준위와 상기 에너지 준위에 따른 원소 분석만을 할 수 있기 때문에, 흔히 가우시안 보정(Gaussian curve fitting)을 함으로써 하나의 성분을 자세하게 분석할 수 있다. 따라서, 한 층의 박막인 경우에 정확한 측정이 가능하며, 두께가 수십 나노미터 수준 또는 두 개 이상의 층을 구비하게 되면 XPS로서는 정확한 평가가 불가능하다고 볼 수 있다. 또한, XPS는 두께를 평가할 때 두께 기준이 필요하므로, 주로 전 자현미경 사진의 결과를 기준으로 이용해서 계산을 하는 방법을 사용한다.
상기의 문제점을 해결하기 위해, X-선 반사율(X-ray reflectivity; XRR) 측정법이 개발되고 있다. 상기 X-선 반사율 측정법은 계면간의 X-선의 두께 줄무늬(fringe)로 측정되는 각도와 사용하는 X-선의 에너지에 의하여 두께가 결정된다. 그러므로, 두께 측정을 위한 기준이 필요하지 않으며, 두 층 이상의 구조를 가지는 박막에서도 두께 측정이 가능하다. 또한 반도체 산화막 이외의 절연막, 금속막 등 다른 박막에서도 효과적으로 적용할 수 있고, 측정 두께도 서브 나노미터에서 수백 나노미터인 비교적 넓은 영역을 가지는 장점이 있다.
그럼에도 불구하고, 측정하고자하는 박막의 공기와의 접촉을 통해 발생한 오염 및 X-선의 조사 중 발생하는 유기 오염은 X-선의 반사율 곡선에 영향을 미치게되어, 이는 박막 두께 측정 결과에 영향을 줄 수 있다.
도 1a는 X-선의 조사 또는 비조사에 따른 X-선의 반사율 변화를 나타낸 그래프이고, 도 1b는 일정 시간 간격으로 측정한 X-선 반사율 곡선의 변화를 나타낸 그래프이다.
도1a를 참조하면, 거울 반사 조건을 디텍터의 각도 2θ=2°, 입사각의 각도 ω=1°로 설정하고 반사율을 측정하였다. 기판을 고정하고 반사율 측정의 최적조건을 설정하고 난 후 초기에는 X-선을 조사하지 않은 상태에서 일정 시간 간격으로 거울반사 조건을 확인하였고 후반에는 X-선을 조사하면서 일정시간 간격으로 거울반사조건을 확인하였다. 그 결과 초기의 X-선을 조사하지 않은 상태에서의 시간에 따른 반사율은 측정한 2시간 동안 거의 일정하고 변화가 없는 것을 알 수 있다. 하 지만 X-선을 계속 조사하는 상태에서는 시간에 따라 반사율이 점점 감소하였음을 알 수 있다. 이것은 X-선의 조사에 의하여 시료 표면의 오염층의 상태가 변화되었음을 보여주는 것이다. 즉 X-선 조사에 의하여 유기된 오염 효과(X-ray induced contamination effect : XIC)를 나타낸 것이라 볼 수 있다.
도 1b를 참조하면, 측정 1, 2, 3은 시료를 고정하고 최적조건을 설정한 후 세 시간의 간격으로 순차적으로 측정한 결과를 보여준다. 그래프를 보면, 입사각도 2.5° 이상에서 곡선의 꼬리 부분(반사율 곡선이 background 수준으로 떨어지는 영역)이 크게 영향을 받고 있음을 알 수 있다. 또한, 2.3° 정도에서 나타나는 두께 줄무늬의 위치도 약간 변하는 것을 볼 수 있으며, 곡선의 기울기가 변하였음을 알 수 있다. 도 1a와 마찬가지로 X-선 조사에 의하여 야기된 X-선 유기 오염효과를 보여주는 결과라 할 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 게이트 절연막 상에 존재하는 오염층을 고려한 층구조 모델을 적용하고, X-선 반사율 측정법을 사용함으로써 게이트 절연막 두께 측정의 정밀도를 개선시키는 게이트 절연막의 두께 측정방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 표면오염을 최소화시킴으로서 X-선 반사율 변화에 기인한 오차를 최소화하여 두께를 측정하는 게이트 절연막의 두께 측정방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명은 게이트 절연막이 형성된 기판을 세정하는 단계;
상기 세정된 기판에 X-선 입사각도에 따른 반사율(X-ray reflectivity; XRR)의 변화를 측정하여 반사율곡선을 측정하는 단계;
층구조모델을 적용하여 반사율을 계산하는 단계;
상기 반사율곡선과 계산된 반사율곡선으로부터 게이트 절연막의 두께를 도출하는 단계;
를 포함하는 게이트 절연막의 두께를 측정하는 방법을 제공한다.
상기 게이트 절연막은 실리콘 산화막 또는 고유전율을 가진 박막일 수 있으며, 상기 게이트 절연막은 0.5nm 까지의 서브 나노미터에서 60~80nm 까지의 수십 나노미터 두께로 형성된 것일 수 있다.
상기 층구조 모델은 게이트 절연막 상에 표면 오염층이 위치하고, 상기 표면 오염층 내에는 공기 노출로 인한 탄소, 수소, 산소 등과 같은 물질이 포함될 수 있다.
또한, 상기 기판을 세정하는 것은 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol; IPA)용액을 이용하여 세정하는 것일 수 있으며, 나아가서, 상기 이소프로필 알코올 용액을 이용하여 세정한 후 상기 세정된 기판을 초음파 세척하는 것을 더욱 포함할 수 있다.
상기 X-선 반사율(X-ray reflectivity; XRR) 측정법을 이용하여 상기 게이트 절연막의 두께를 측정하는 것은 상기 기판을 진공 또는 고순도 질소, 헬륨 등의 불 활성 기체분위기 내에 위치시키고 측정하는 것일 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 게이트 절연막의 두께 측정방법을 나타낸 다이어그램도이다.
도면을 참조하면, 먼저 게이트 절연막이 형성된 기판을 세정(10)한다. 상기 기판을 세정하는 것은 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol; IPA)용액을 이용하여 세정하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판을 이소프로필 알코올 용액에 넣고 약 3분간 끓임으로써 상기 기판을 세정할 수 있다.
나아가서, 상기 이소프로필 알코올 용액을 이용하여 세정한 후 상기 세정된 기판을 초음파 세척하는 것을 더욱 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 초음파 세척은 5 내지 30분 정도의 시간으로 수행할 수 있으며, 상기 세척 과정을 반복할 수도 있다. 상기의 이소프로필 용액 세정 및 초음파 세척으로 인해 상기 박막 상에 존재하는 오염물들을 최소화할 수 있게 된다.
상기 게이트 절연막은 실리콘 산화막일 수 있으며, 또한, 상기 게이트 절연막은 서브 나노미터에서 수백 나노미터 두께로 형성된 것일 수 있다.
다음으로, 상기 세정된 기판을 X-선 반사율(X-ray reflectivity; XRR) 측정법을 이용하여 상기 게이트 절연막의 두께를 측정(20)한다. 상기 X-선 반사율(X-ray reflectivity; XRR) 측정법을 이용하여 상기 게이트 절연막의 두께를 측정하는 것은 상기 기판을 진공, 질소 또는 헬륨 등의 불활성 기체 분위기내에 위치시키고 측정하는 것일 수 있다.
도 3은 X-선이 전반사에 대한 임계각도 근처로 입사될 때 굴절율이 서로 다른 두 물질의 계면에서의 굴절(refaction)과 반사(reflection)를 나타낸 단면도이고, 도 4는 X-선 입사각에 따른 박막의 일반적인 반사율 곡선(typical reflectivity curve)을 나타낸 그래프로써, 상기 X-선 반사율 측정법을 설명한 것이다.
먼저 도 3을 참조하면, 기판 상에 하나의 층이 있을 때 입사되는 X-선은 공기와의 계면과 기판과의 계면에서 반사가 일어난다. 두 계면에서 반사된 X-선의 동역학적 회절이론에 의한 (dynamical diffraction theory) 이상적인 반사율은 다음의 식 (1)과 같다.
Figure 112006079833910-PAT00001
여기서 r 1, r 2는 각각 공기층과 박막, 그리고 박막과 기판과의 계면에서 Fresnel 반사계수(reflectivity coefficients)이다. 위 식에서 두 계면에서 반사된 X-선들이 서로 간섭하고, 두께 t 의 영향으로 인해 간섭 줄무늬가 나타남을 알 수 있다.
간섭무늬의 최대치는
Figure 112006079833910-PAT00002
일 때 나타난다. X-선이 박막과 기판 사이의 계면을 전파할 때 박막의 굴절율이 기판의 그것보다 클 때 즉,
Figure 112006079833910-PAT00003
일 경우 반사 X-선은 입사 X-선의 위상과 동일하게 된다. 또한, 박막의 굴절율이 기판의 굴절율보다 작을 때, 즉
Figure 112006079833910-PAT00004
일 경우에는 반사 X-선의 위상이 변화되고 임사 X-선의 위상에 비해 π/2, 즉 반파장 만큼 앞서게 된다. 따라서 간섭 줄무늬의 최대치
Figure 112006079833910-PAT00005
는 다음의 식 (2) 및 식 (3)과 같다.
Figure 112006079833910-PAT00006
Figure 112006079833910-PAT00007
그리고, 두께에 의한 간섭 줄무늬의 진폭은 두 물질의 δ항의 크기 차이, 즉 물질 밀도의 차이에 의해 좌우된다.
예를 들어, SiO2/Si의 경우에는 δ(SiO2) ~ δ(Si)이고 따라서 두께 간섭 줄무늬의 진폭도 대단히 작게 나타난다고 볼 수 있다. 상기 식 (1)의 Fresnel 반사율은 표면상태가 이상적일(ideal) 경우이므로, 표면이나 계면이 거칠어지면(rough) 반사율은 더 이상 Fresnel 반사율이 적용되지 않고 훨씬 더 줄어든다고 볼 수 있다.
따라서 일반적인 물질의 표면이나 계면인 경우는 표면의 거칠기(roughness)로 인한 영향을 Debye-Waller factor 형태의
Figure 112006079833910-PAT00008
항을 고려해주므로, 일반적인 반사율 곡선은 다음의 식 (4)와 같다.
Figure 112006079833910-PAT00009
여기서 σ는 거칠기(roughness)에 대한 가우스 함수의 표준편차를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 상기에서 살펴본 것처럼 전반사가 나타나는 임계각도까지는 전반사로 인하여 반사율이 일정하지만 임계각도를 지나면서 반사율은 급격히 줄어든다. X-선 전반사에 대한 임계각도는 그 물질의 밀도에 의존하게 되므로 물질의 밀도가 클수록 임계각도가 증가하게 된다. 또한 입사각에 따른 반사율 기울기는 물질 표면의 거칠기에 의존하여 변하게 된다. 즉 물질 표면의 거칠기가 크면 클수록 입사각에 따른 반사율은 급격하게 감소하게 된다.
그림에서 볼 수 있듯이 시료의 표면과 계면에서 반사되는 X-선의 간섭 효과에 의하여 반사율의 변화에 두께 줄무늬가 중첩되어 전체 반사율이 결정된다. 두께에 의한 간섭효과에 의해 나타나는 줄무늬의 간격은 박막의 두께에 반비례하게 되고 그 간격을 측정하여 박막의 두께가 결정된다. 따라서 X-선 반사율 측정법은 박막의 두께, 표면/계면의 거칠기 그리고 물질의 밀도 등을 평가하는 중요한 방법이라 볼 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 상기 X-선 반사율 측정 시 진공, 고순도 질소 또는 헬륨 등의 불활성 기체 분위기 아래 기판을 위치시키고, 측정을 수행함으로써 외부 오염물질을 최소화하여 두께 측정치의 오차를 최소화할 수 있다.
다음으로, 상기 게이트 절연막 상에 존재하는 표면 오염층을 고려한 층구조 모델을 적용하고, 시뮬레이션(30)한다. 상기 층구조 모델은 게이트 절연막 상에 표면 오염층이 위치하고, 상기 표면 오염층 내에 탄소, 수소, 산소가 포함된 것일 수 있다.
예를 들어, 상기 게이트 절연막이 실리콘 산화막인 경우로써, 다음의 (표 1)은 상기 실리콘 산화막이 형성된 기판을 XPS로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
(표 1)
Figure 112006079833910-PAT00010
일반 공기 중에서 X-선을 조사한 후 결과를 조사 전과 비교해 보면 X-선 유기 오염 효과로 인해 상기 실리콘 산화막의 표면에 산소 및 탄소의 양이 증가한 것을 알 수 있다. 따라서, X-선의 조사 후 상기 실리콘 산화막의 표면에 존재하는 오염층은 탄소 및 산소 등으로 구성되는 탄소를 함유하는 탄화수소 등의 물질이거나 물분자(H2O)임을 알 수 있다. 그러므로, 상기 층구조 모델의 표면 오염층은 탄소, 수소, 산소가 포함된 것일 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 상기 표면 오염층 층구조 모델과 상기 X-선 반사율 측정치를 시뮬레이션하여, 상기 게이트 절연막의 최종 두께를 도출(40)한다.
따라서, X-선 조사에 의해 유기된 오염층이 존재하여도 상기 층구조 모델을 적용하여 상기 게이트 절연막의 두께를 보정할 수 있으므로 보다 정밀한 두께를 측정할 수 있다. 즉, 세정 공정 진공 또는 고순도 불활성 가스 분위기 내의 X-선 조사로 1차적인 오염을 방지하고, 오염효과를 고려한 층구조 모델을 적용하여 두께 측정치를 보정함으로써 종래보다 더욱 개선된 두께 측정치를 구할 수 있다. 층 구조 모델에 대한 시뮬레이션은 산소와 수소 및 탄소로 이루어진 오염층으로 가정하여 PANalytical사의 WinGixa 프로그램을 사용하여 계산하였으며, 상기와 같은 X-선 반사율 계산 프로그램의 알고리즘은 당업자라면 자명하게 알 수 있는 것이므로 더 이상의 설명을 생략한다.[S. K. Sinha, E. B. Sirota, S. Garoff, H.B. Stanley, Phys. Rev. B 38 2297 (1988), L. G. Parratt, Phys. Rev. 95, 359 (1954)] 또한 본 발명에서는 산소와 수소 및 탄소로 이루어진 오염층을 가정하여 계산한 것에서는 산소와 수소 및 탄소의 조성이 변하여도 궁극적으로 오염 층의 영향을 배제한 측정하고자 하는 산화층의 두께에는 의미 있는 차이가 없다.
이하, 본 발명에 따른 게이트 절연막의 두께 측정방법을 하기 실험예들을 통해 설명하겠는바, 하기 실험예들은 본 발명을 설명하기 위한 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.
실험예 1
APMP(Asia-Pacific Metrology Programme:아시아태평양 측정학 협력기구)에서 국제비교시험(RRT)용으로 사용한, 실리콘 산화막이 형성된 실리콘 기판(SiO2/Si) 시료를 사용하였다. 실리콘 산화막(SiO2)의 명목상의 두께는 8 nm이었다. 상기 시료를 이소프로필 알코올 용액으로 세정한 후 초음파 세척을 실시하였다. 그리고, 고순도의 질소 분위기 내에 시료를 위치시킨 후 X-선 반사율 측정법으로 두께를 측정하였다. 다음으로, 단일층의 오염층으로 탄소와 산소 및 수소가 몰비로 1:1:2로 하여 단일 오염층 모델을 적용하여 PANalytical사의 WinGixa 프로그램을 사용하여 실리콘 산화막의 두께를 시뮬레이션 하였다.
실험예 2
두 개의 오염층을 가정한 오염층 모델을 적용한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법으로 실험하였다.
비교예 1
APMP(Asia-Pacific Metrology Programme:아시아태평양 측정학 협력기구)에서 국제비교시험(RRT)용으로 사용한 SiO2/Si 시료를 사용하였다. 실리콘 산화막의 명목상의 두께는 8 nm이었다. 상기 시료를 XPS를 사용하여 두께를 측정하였다.
비교예 2
비교에 1과 동일한 시료를 사용하여 세척과 측정 분위기를 임의의 조건으로 달리하면서, 오염층의 두께가 서로 다르게 형성되도록 유도하였다. 그 후, X-선 반사율 측정법을 이용하여 두께를 측정하였다.
결과 1
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 표면 오염층을 고려한 층구조 모델을 나타낸 단면도로써, 상기 실험예 1 및 실험예 2의 층구조 모델을 나타낸 것이고, 도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 단일 오염층을 고려한 층구조 모델의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프, 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 이중 오염층을 고려한 층구조 모델의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프로써, 상기 실험예 1 및 실험예 2의 결과 를 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 오염층을 고려한 층구조 모델로써, 기판 상에 두 개의 실리콘 산화막이 위치하고, 그 상부에 오염층이 위치하도록 한 후 시뮬레이션을 실시하였다.
즉, 두개의 실리콘 산화막을 기본으로 한 후 오염층을 탄소, 수소, 산소로 구성된 단일층으로 가정한 경우(실험예 1)와 오염층을 탄소와 물분자의 이중층으로 가정한 경우(실험예 2)로 시뮬레이션을 실시한 것이다. 상기 실험예 1 및 실험예 2의 구체적 피팅(fitting) 수치는 다음의 표 2와 같다.
(표 2)
Figure 112006079833910-PAT00011
도 6a 및 도 6b를 동시에 참조하면, 실리콘 산화막의 두께와 오염층의 구성, 두께 등이 다를지라도, 오염층을 고려한 모델이면 정확한 값에 근사하는 결과를 보여주었고 차이를 거의 확인 할 수 없었다. 결국 현재로서는 오염층의 정확한 구조가 알려져 있기 않기 때문에, 오염층을 정확히 고려하여 그 영향을 배제하는 것은 불가능하다는 것을 보여준다. 즉, 층구조 모델로 피팅된 실리콘 산화막의 두께는 실제의 참값과는 근사한 수치이지만, 실제 실리콘 산화막 상에 형성된 오염층을 고 려하지 않음으로 인해, 다른 값을 가질 것이다. 그러나, 오염층에 관하여 한 가지 모델을 가정하고 오염층의 영향을 줄여 가면, 즉, 궁극적으로 오염층의 두께가 영(zero)이 될 때, 그 경우의 막의 두께는 참값을 가질 것임을 예상할 수 있다.
결과 2
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 여러 가지 조건에서의 반사율 곡선을 나타낸 그래프로써 상기 비교예 2의 결과를 나타낸 것이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 오염층의 두께와 실리콘 산화막 두께의 상관관계를 나타낸 그래프로써, 층구조 모델의 오염층 두께를 영(zero)으로 근사하는 방법을 나타낸 것이다.
상기 실시예 1의 층구조 모델인 두 개의 실리콘 산화막과 탄소, 수소, 산소로 구성되는 하나의 오염층 모델을 사용하고, 상기 비교예 2의 오염층의 두께가 임의의 값으로 각각 형성된 경우의 반사율 곡선, 즉 도 7의 결과에 대하여 시뮬레이션을 행하고 그 결과를 살펴보았다.
도 8을 참조하면, 오염층의 두께가 얇아지면서 오염층의 두께에 대한 영향이 거의 직선적으로 줄어들고 따라서 결정된 오염층의 두께도 점점 감소하는 것을 볼 수 있었다. 궁극적으로 오염층의 두께가 영(zero)이 될 때 오염층에 의한 영향이 없어지고, 따라서 참값의 실리콘 산화막의 두께가 될 것임을 예상할 수 있다. 따라서 그래프의 각 점들에 대하여 최소자승법에 의한 linear fitting을 행하여 다음과 같은 식을 구할 수 있었다.
Figure 112006079833910-PAT00012
상기 식으로부터 오염층의 두께가 영(zero)이 될 때 실리콘 산화막 두께는 77.5 Å이 된다는 것을 알 수 있었다. 동일한 시료에 대하여 XPS 측정을 통하여 결정된 실리콘 산화막의 두께는 75.9 Å이었음을 고려할 때, 두 값이 서로 잘 일치하는 결과이며 이는 중요한 의미를 갖는다고 볼 수 있다.
참고로, 실리콘 산화막의 박막 두께 측정에 관한 국제비교 결과에 의하면 지금까지는 나노미터 수준의 단일층 실리콘 산화막 두께는 표면 오염에 의한 영향이 거의 없는 XPS 측정의 결과가 신뢰성이 뛰어나다고 알려져 왔고, XPS 결과에 비하여 X-선 반사율(XRR) 측정법은 대략 5-10Å 정도 더 두껍게 결정되는 것으로 인식되었다.
그러나, 본 발명에서는 X-선 반사율 측정의 결과로부터 오염층의 영향을 배제한 산화막의 두께를 결정하였다. 그 결과 XPS 측정 수치와 근사한 값을 얻을 수 있었으며, 이것으로 볼 때 본 발명에 따른 X-선 반사율 측정법에 의해 측정된 결과는 종래의 동일한 측정법과 비교하여 신뢰성이 향상되었음을 알 수 있다.
본 발명에 따른 게이트 절연막 두께 측정방법은 표면의 오염이나 X-선 조사에 의해 유기된 오염층이 존재하여도 오염층을 고려한 층구조 모델을 적용하여 상기 게이트 절연막의 두께를 보정할 수 있으므로 보다 정밀한 두께를 측정할 수 있다. 즉, 세정 공정 및 진공 또는 고순도 불활성 가스 분위기 내의 X-선 조사로 1차적인 오염을 방지하고, 오염효과를 고려한 층구조 모델을 적용하여 두께 측정치를 보정함으로써 종래보다 더욱 개선된 두께 측정치를 구할 수 있다.
따라서, 두께 측정 결과의 오차를 감소시켜 종래보다 개선된 X-선 반사율 측 정법을 사용함으로써 나노수준의 두께를 보다 정확히 측정할 수 있는 장점이 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 (7)

  1. 게이트 절연막이 형성된 기판을 세정하는 단계;
    상기 세정된 기판에 X-선 입사각도에 따른 반사율(X-ray reflectivity; XRR)의 변화를 측정하여 반사율곡선을 측정하는 단계;
    층구조모델을 적용하여 반사율을 계산하는 단계;
    상기 반사율곡선과 계산된 반사율곡선으로부터 게이트 절연막의 두께를 도출하는 단계;
    를 포함하는 게이트 절연막의 두께 측정방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트 절연막은 실리콘 산화막 또는 고유전율을 가진 박막인 것을 특징으로 하는 게이트 절연막의 두께 측정방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트 절연막은 서브 나노미터에서 수십 나노미터 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 게이트 절연막의 두께 측정방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 층구조 모델은 게이트 절연막 상에 표면 오염층이 위치하고, 상기 표면 오염층 내에는 공기 노출로 인한 탄소, 수소, 산소 등과 같은 물질이 포함된 게이트 절연막의 두께 측정방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판을 세정하는 것은 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol; IPA)용액을 이용하여 세정하는 것인 게이트 절연막의 두께 측정방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 이소프로필 알코올 용액을 이용하여 세정한 후 상기 세정된 기판을 초음파 세척하는 것을 더욱 포함하는 게이트 절연막의 두께 측정방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 X-선 반사율(X-ray reflectivity; XRR) 측정법을 이용하여 상기 게이트 절연막의 두께를 측정하는 것은 상기 기판을 진공 또는 고순도 질소, 헬륨 등의 불활성 기체분위기 내에 위치시키고 측정하는 것인 게이트 절연막의 두께 측정방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100374894B1 (ko) * 2000-06-22 2003-03-06 이영춘 이온빔 보조 전자빔 진공증착기를 이용하여 수지계기판에투명 아이티오 도전박막을 형성하는 방법
KR20040072780A (ko) * 2003-02-11 2004-08-19 삼성전자주식회사 박막의 두께 측정 방법
KR100524211B1 (ko) * 2003-02-28 2005-10-26 삼성전자주식회사 반도체 소자 제조과정에서의 박막의 불순물 농도 측정방법및 제어방법
JP4216209B2 (ja) * 2004-03-04 2009-01-28 大日本スクリーン製造株式会社 膜厚測定方法および装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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