KR20110017279A

KR20110017279A - 이차이온 질량분석기를 이용한 반도체 소자의 표면 분석방법

Info

Publication number: KR20110017279A
Application number: KR1020090074861A
Authority: KR
Inventors: 박지연
Original assignee: 주식회사 동부하이텍
Priority date: 2009-08-13
Filing date: 2009-08-13
Publication date: 2011-02-21

Abstract

본 발명은 이차이온 질량분석기를 이용한 반도체 소자의 표면 분석방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 패터닝된 반도체 시료에서 더욱 정확한 크레이터 깊이를 측정할 수 있는 이차이온 질량분석기를 이용한 반도체 소자의 표면 분석방법에 관한 것이다.

본 발명의 이차이온 질량분석기를 이용한 반도체 소자의 표면 분석방법은 시료의 표면에 존재하는 패턴에 대하여 SIMS를 이용하여 스퍼터링하면서 발생하는 이차이온을 질량분석기로 분석하는 제1 단계; 스퍼터링이 완료된 시료의 표면을 깊이 측정기를 이용하여 상기 패턴의 아래에 존재하는 하지층에 형성되는 단차(A)를 구하는 제2 단계; 상기 깊이 측정기를 이용하여 상기 패턴과 동일한 구조를 갖는 인접한 패턴의 단차(B)를 구하는 제3 단계; 그리고 상기 제2 단계에서 구한 A값과 상기 제3 단계에서 구한 B값을 합하여 크레이터 깊이를 구하는 제4 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 이차이온 질량분석기를 이용한 반도체 소자의 표면 분석방법에 의하면 분석하고자 하는 패턴의 크기가 작은 경우에도 정확한 RSF값을 적용할 수 있으며, 정량분석을 가능하게 하여 SIMS 데이터의 정량 분석에 대한 신뢰성을 높이는 효과가 있다.

이차이온 질량분석기(Secondary Ion Mass Spectrometry), RSF, SIMS

Description

이차이온 질량분석기를 이용한 반도체 소자의 표면 분석방법{Surface analyzing method of semiconductor device using Secondary Ion Mass Spectrometer}

일반적으로 반도체 소자의 시료 표면 분석(Surface analysis)을 위한 장비로서, AES(Auger Electron Spectroscopy), XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy), 이차이온 질량분석기(Secondary Ion Mass Spectrometry) 등이 널리 사용되고 있다.

상기 이차이온 질량분석기(이하 'SIMS'라 한다) 분석 방법은, 시료 표면에 가속된 일차 이온을 충돌시키면 시료의 표면으로부터 이차 입자들(이차이온, 중성입자, 분자, 전자 등)이 튀어나오는데, 이때 이차 이온의 질량과 개수를 측정하여 시료 표면을 분석하는 방법이다.

이러한 SIMS의 원리에 대해 간단하게 살펴보면 다음과 같다.

1 ~ 20KeV의 운동에너지로 가속된 이온이 고체 표면과 충돌하면, 일차이온의 운동에너지가 고체 표면과 표면 내부의 원자들에 전달되면서 일련의 충돌 현상이 일어난다. 입사 이온의 일부분은 표면에 탄성 충돌한 후 후방산란하지만, 대부분의 이온은 표적내의 원자와 연속적으로 충돌하여 운동 방향이 변하면서 진행한다.

한편, 충돌된 표적 원자는 어떤 에너지 이상의 에너지가 주어지면, 격자 위치에서 탄성 산란하게 된다. 탄성 산란된 일차 충돌 원자는 다시 차례차례 충돌을 일으켜서, 충돌되는 원자의 수를 증가시킨다.

또한 입사 이온은 비탄성 충돌에 의하여 원자의 전자를 여기시키고, 그 운동 에너지를 모두 소모시켜 결국 정지하게 된다. 이와 같이 입사 이온은 이온궤적에 많은 격자 결함을 만들고 표면 부근에서 연쇄충돌(collision cascade)을 일으킨다.

이러한 연쇄충돌 도중 표면 결합에너지보다 높은 운동에너지를 시료 바깥 방향으로 가진 원자는 시료를 떠나 진공 속으로 떨어져 나간다. 이러한 현상을 스퍼터링(sputtering) 이라고 한다.

이때, 스퍼터링된 입자들은 대부분이 기저 상태 혹은 여기 상태의 중성원자로 방출되고, 이차 전자도 함께 생성된다. 스퍼터링된 입자들 중의 극히 일부가 양이온과 음이온의 상태로 방출되는데 이를 검출하여 개수 및 질량 대 전하의 비(m/e)를 측정하게 된다.

SIMS에서 이차이온의 일드(yield)는 시료 표면의 성분 원소의 농도, 이온화 확률, 스퍼터링 및 일차이온의 전류밀도 등의 곱으로 나타낼 수 있다. 그러므로 이온화 확률과 스퍼터링 일드를 알면 실험조건에서 주어지는 일차 이온의 전류밀도와 실험에서 얻어지는 이차 이온의 강도로부터 시료 표면의 농도를 구할 수 있다.

이러한 SIMS 분석 방법의 주요 장점은 극미량 분석으로서, 검출한계는 AES 보다 훨씬 낮은 수준인 ppm 내지 ppb 수준이고, 또한 동위원소를 분석할 수 있으며, 뎁스 프로파일(depth profile)과 이온 이미지(ion image)가 가능하며, 미량 성분의 깊이 분포 측정과 3차원 분석을 할 수 있다.

그러나, 이차이온 일드가 매질(matrix)과 표면의 전자 상태에 극히 민감하여 매질에 따라 스퍼터링된 이차이온의 양이 현저히 다르게 나타나는 매질효과(matrix effect)가 있고, 또한 본질적으로 파괴적인 분석 방법이라는 단점이 있다.

이러한 매질효과로 인해, 분석하고자 하는 분석시료와 동일한 매질에 정확한 주입량을 알고 있는 표준시료의 분석을 함께 수행함으로써 비교적 정확한 정량 분석 데이터를 얻을 수 있다.

첨부된 도 1에 도시한 바와 같이, 반도체 소자 제조시 통상적으로 이용되는 이온주입 공정에서 웨이퍼 막질 내에 주입된 불순물 농도 및 분포는 표면 분석 장비를 이용해서 확인할 수 있는데 그 대표적인 것이 SIMS이다.

한편, 웨이퍼 제조 공정의 모든 공정(Full process)이 진행된 시료의 SIMS 분석은 대부분 패턴의 크기가 작은 EM 박스(Etch Monitoring box; 이하 'EM 박스'라 한다)를 분석하는 경우로 EM 박스의 크기(대략 100㎛ 이내)와 비슷하게 래스터(raster)의 크기를 조절한다.

그러나 분석 빔(beam)의 크기 및 분석장비 조건상의 한계로 무한정 래스터의 크기를 줄일 수 없기 때문에 분석 후 깊이 측정기를 이용하여 크레이터 깊이를 측 정할 기준면이 없는 경우가 발생한다.

예를 들어, 첨부된 도 2a에 도시한 바와 같이 패턴의 크기가 큰 경우에는, 첨부된 도 2b에 도시한 바와 같이 SIMS 분석이 완료된 후 깊이 측정기를 이용하여 크레이터 깊이를 측정할 때 스퍼터링되지 아니한 패턴이 인접하여, 이러한 면을 기준면으로 하여 크레이터 깊이를 측정할 수 있다.

그러나 첨부된 도 3a에 도시한 바와 같이 패턴의 크기가 작은 경우에는, 첨부된 도 3b에 도시한 바와 같이 SIMS 분석이 완료된 후 크레이터 깊이를 측정할 때 분석 패턴의 대부분이 스퍼터링되어 기준면이 없어 크레이터 깊이를 측정할 수 없는 경우가 발생하는 것이다.

더욱이 이러한 시료는 대부분 케미컬(chemical)을 사용하여 디캡(de-cap)을 한 후 분석을 하기 때문에 디캡에 의한 시료 표면의 손실이 있어 기준점 설정이 매우 곤란한 경우가 많다.

따라서 본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 분석하고자 하는 패턴의 크기가 작은 경우에도 RSF 값에 큰 영향을 주는 크레이터 깊이 측정의 오차 원인을 제거하여 정확도를 향상시킬 수 있는 이차이온 질량분석기를 이용한 반도체 소자의 표면 분석방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 이차이온 질량분석기를 이용한 반도체 소자의 표면 분석방법은 시료의 표면에 존재하는 패턴에 대하여 SIMS를 이용하여 스퍼터링하면서 발생하는 이차이온을 질량분석기로 분석하는 제1 단계; 스퍼터링이 완료된 시료의 표면을 깊이 측정기를 이용하여 상기 패턴의 아래에 존재하는 하지층에 형성되는 단차(A)를 구하는 제2 단계; 상기 깊이 측정기를 이용하여 상기 패턴과 동일한 구조를 갖는 인접한 패턴의 단차(B)를 구하는 제3 단계; 그리고 상기 제2 단계에서 구한 A값과 상기 제3 단계에서 구한 B값을 합하여 크레이터 깊이를 구하는 제4 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 패턴은 폴리실리콘으로 이루어진 게이트 전극이고 상기 하지층은 반도체 기판인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 시료와 동일한 구조를 갖는 것으로서 정확한 도즈가 알려진 표준시료를 동시에 분석하고나서 하기 수학식에 의하여 구한 상대 감도 계수(RSF) 값을 상기 시료에 적용하여 정량화 데이터를 구하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서 C₁은 표준시료의 도즈를 크레이터 깊이로 나눈 값이고, I_M은 검출된 매질 이온의 갯수이고, I_I는 검출된 불순물 이온의 갯수이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 실시할 수 있도록 상세히 설명하면 다음과 같다.

다만, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술 적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.

따라서 본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 표면 분석방법을 설명하기 위한 웨이퍼 표면에 존재하는 패턴을 보여주는 레이아웃도이고, 도 4b는 도 4a의 패턴들을 수평방향으로 잘라서 본 단면의 개략도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 이차이온 질량분석기를 이용한 반도체 소자의 표면 분석방법은 제1 단계 내지 제4 단계를 포함하여 이루어져 있다.

상기 제1 단계는 시료의 표면에 존재하는 패턴에 대하여 SIMS를 이용하여 스퍼터링하면서 발생하는 이차이온을 질량분석기로 분석하는 단계이다. 예를 들어 첨부된 도 4a에서 3번째 EM 박스 패턴에 대하여 SIMS 분석을 수행하는 것이다.

이러한 EM 박스의 크기는 약 100 ㎛ 이내로 SIMS 분석 후 첨부된 도 4b에 도시한 바와 같이 스퍼터링에 의해 상기 EM 박스의 표면이 모두 손실되어 기준면이 없어지게 된다.

상기 제2 단계는 스퍼터링이 완료된 시료의 표면을 깊이 측정기(depth profiler)를 이용하여 상기 패턴의 아래에 존재하는 하지층에 형성되는 단차(A)를 구하는 단계이고, 상기 제3 단계는 상기 깊이 측정기를 이용하여 상기 패턴과 동일한 구조를 갖는 인접한 패턴의 단차(B)를 구하는 단계이다.

첨부된 도 4b를 참조하면, 상기 패턴은 폴리실리콘으로 이루어진 게이트 전극(20)이고 상기 하지층은 반도체 기판(10)일 수 있다. 따라서 깊이 측정기를 이용하여 반도체 기판의 표면과 스퍼터링된 영역의 단차(A)를 구하고 나서, 상기 3번째 EM 박스의 폴리실리콘으로 이루어진 게이트 전극과 동일한 구조를 갖는 인접한 패턴, 예를 들어 7번째 EM 박스의 게이트 전극과 반도체 기판의 표면과의 단차(B)를 구하는 것이다.

이때 상기 A값과 B값을 구하는 순서를 바꾸어도 상관이 없다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 당연한 것이다. 나아가 상기 7번째 EM 박스의 게이트 전극 대신에 9번째 EM 박스의 게이트 전극의 단차를 구하는 것이 가능함은 자명한 것이다.

상기 제4 단계는 상기 제2 단계에서 구한 A값과 상기 제3 단계에서 구한 B값을 합하여 크레이터 깊이(crater depth)를 구하는 단계이다.

따라서 작은 패턴에 대하여 SIMS 분석하는 과정에서 기준면이 없어진 경우라도 본 발명의 일실시예에 따른 이차이온 질량분석기를 이용한 반도체 소자의 표면 분석방법에 의하면 상기 패턴과 동일한 구조를 갖는 인접한 패턴의 단차를 구함으로써 간접적으로 크레이터 깊이를 측정할 수 있는 것이다.

다만 깊이 측정기를 이용한 측정에서 기준점이 멀 경우, 측정 오차가 발생할 확률이 높으므로 되도록 가까운 곳을 기준으로 삼는다.

한편 SIMS를 이용한 분석 원소의 정량화 분석에는 분석하고자 하는 시료와 같은 표준 시료를 이용하여 RSF(relative sensitivity factor; 이하 'RSF'라 한다) 를 구하는 방식이 일반적이다.

상기 RSF를 구하기 위해서는 깊이 측정기를 이용하여 분석이 완료된 시료의 크레이터 깊이를 측정한 후 간단한 식을 통하여 계산한다.

따라서, 상기 시료와 동일한 구조를 갖는 것으로서 정확한 도즈가 알려진 표준시료를 동시에 분석하고나서 하기 수학식에 의하여 구한 상대 감도 계수(RSF) 값을 상기 시료에 적용하여 정량화 데이터를 구하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

여기서 C₁은 표준시료의 도즈를 크레이터 깊이로 나눈 값이고, I_M은 검출된 매질 이온의 개수이고, I_I는 검출된 불순물 이온의 개수이다.

본 발명은 크레이터 깊이 측정이 불가능한 시료를 측정 가능하도록 하고, 크레이터 깊이에 대한 오차율을 감소시켰다. 즉, 스퍼터링에 의해 기준면을 잡을 수 없는 패턴이나 디캡 과정에서 시료의 표면 손실이 있는 패턴의 크레이터 깊이 측정 정확도를 향상시켰다.

따라서 본 발명은 RSF 값에 큰 영향을 주는 크레이터 깊이 측정의 오차 원인을 제거하여 더욱 정확한 RSF 값을 적용할 수 있으며, SIMS 데이터의 정량 분석에 대한 신뢰성을 높일 수 있는 것이다.

본 발명은 전술한 실시 예에 한정되지 아니하고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정·변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.

도 1은 깊이 방향으로 시료의 특정 성분에 대한 농도 분포를 보여주는 SIMS 분석 그래프,

도 2a는 분석 대상인 패턴의 크기가 스퍼터링 영역보다 큰 경우를 보여주는 광학현미경 사진,

도 2b는 도 2a의 a-a'선을 잘라서 본 단면의 개략도,

도 3a는 분석 대상인 패턴의 크기가 스퍼터링 영역보다 작은 경우를 보여주는 광학현미경 사진,

도 3b는 도 2a의 a-a'선을 잘라서 본 단면의 개략도,

도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 표면 분석방법을 설명하기 위한 웨이퍼 표면에 존재하는 패턴을 보여주는 레이아웃도,

도 4b는 도 4a의 패턴들을 수평방향으로 잘라서 본 단면의 개략도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 반도체 기판 20 : 게이트 전극

Claims

시료의 표면에 존재하는 패턴에 대하여 SIMS를 이용하여 스퍼터링하면서 발생하는 이차이온을 질량분석기로 분석하는 제1 단계; 스퍼터링이 완료된 시료의 표면을 깊이 측정기를 이용하여 상기 패턴의 아래에 존재하는 하지층에 형성되는 단차(A)를 구하는 제2 단계; 상기 깊이 측정기를 이용하여 상기 패턴과 동일한 구조를 갖는 인접한 패턴의 단차(B)를 구하는 제3 단계; 그리고 상기 제2 단계에서 구한 A값과 상기 제3 단계에서 구한 B값을 합하여 크레이터 깊이를 구하는 제4 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이차이온 질량분석기를 이용한 반도체 소자의 표면 분석방법.
제1항에 있어서, 상기 패턴은 폴리실리콘으로 이루어진 게이트 전극이고 상기 하지층은 반도체 기판인 것을 특징으로 하는 이차이온 질량분석기를 이용한 반도체 소자의 표면 분석방법.
제1항에 있어서, 상기 시료와 동일한 구조를 갖는 것으로서 정확한 도즈가 알려진 표준시료를 동시에 분석하고나서 하기 수학식에 의하여 구한 상대 감도 계수(RSF) 값을 상기 시료에 적용하여 정량화 데이터를 구하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차이온 질량분석기를 이용한 반도체 소자의 표면 분석방법.

여기서 C₁은 표준시료의 도즈를 크레이터 깊이로 나눈 값이고, I_M은 검출된 매질 이온의 갯수이고, I_I는 검출된 불순물 이온의 갯수