KR20230117005A - 박막 모니터링 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20230117005A
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조만호
김종훈
정광식
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연세대학교 산학협력단
동국대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 기판 상의 박막 내에 여기된 캐리어를 형성할 수 있도록 레이저광을 박막에 입사하는 단계; 박막 내 여기된 캐리어가 재결합하는 동안 박막에 전자기파를 조사하는 단계; 박막 내 여기된 캐리어와 반응하는 전자기파의 특성 정보를 측정하는 단계; 및 측정된 전자기파의 특성 정보를 포함하는 파라미터를 이용하여 기판 상의 위치에 따른 박막의 조성 균일도 또는 박막의 결함 분포를 판별하는 단계;를 포함하는, 박막 모니터링 방법을 제공한다.

Description

박막 모니터링 방법 및 장치{Methods of monitoring thin film and apparatus of the same}
본 발명은 박막 모니터링 방법 및 박막 모니터링 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기판 상의 위치에 따른 박막의 조성 균일도 또는 박막의 결함 분포를 비접촉 및 비파괴적으로 분석할 수 있는 박막 모니터링 방법 및 박막 모니터링 장치에 관한 것이다.
반도체 분야 기술은 수백 나노미터 크기의 패턴에서 수 내지 수십 나노미터 크기의 패턴을 가지는 초미세 기술로 발전하고 있다. 이로 인해, 반도체 소자에서 양호한 품질의 박막을 구현하는 것이 중요해지고 있다. 따라서 반도체 제조 공정에서 기판 상의 위치에 따른 박막의 조성 균일도 또는 박막의 결함 분포를 비접촉 및 비파괴적 방식으로 모니터링할 수 있는 박막 모니터링 방법 및 박막 모니터링 장치의 개발이 필요하다.
대한민국 공개특허공보 제10-2004-0106107호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 기판 상의 위치에 따른 박막의 조성 균일도 또는 박막의 결함 분포를 비접촉 및 비파괴적 방식으로 모니터링할 수 있는 박막 모니터링 방법 및 박막 모니터링 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따른 박막 모니터링 방법은 기판 상의 박막 내에 여기된 캐리어를 형성할 수 있도록 레이저광을 박막에 입사하는 단계; 박막 내 여기된 캐리어가 재결합하는 동안 박막에 전자기파를 조사하는 단계; 박막 내 여기된 캐리어와 반응하는 전자기파의 특성 정보를 측정하는 단계; 및 측정된 전자기파의 특성 정보를 포함하는 파라미터를 이용하여 기판 상의 위치에 따른 박막의 조성 균일도 또는 박막의 결함 분포를 판별하는 단계;를 포함한다.
상기 박막 모니터링 방법에서, 전자기파의 특성 정보는 전자기파의 투과율 또는 반사율을 포함할 수 있다.
상기 박막 모니터링 방법에서, 측정된 전자기파의 특성 정보를 포함하는 파라미터는 시간에 따른 전자기파의 투과율 감쇠 변화량일 수 있다.
상기 박막 모니터링 방법에서, 측정된 전자기파의 특성 정보를 포함하는 파라미터는 시간에 따른 전자기파의 투과율 감쇠 함수에 대하여 라플라스 역변환 연산을 통해 산출된 캐리어 재결합 시상수일 수 있다.
상기 박막 모니터링 방법에서, 캐리어 재결합 시상수는, 박막 내 결함의 유형 별로 분리될 수 있으며, 박막 내 결함 밀도와 반비례할 수 있다. 캐리어 재결합 시상수는 박막 내 제1 유형의 결함에 따른 제1 캐리어 재결합 시상수 및 박막 내 제2 유형의 결함에 따른 제2 캐리어 재결합 시상수로 분리될 수 있다. 제1 캐리어 재결합 시상수는 제1 유형의 결함에 따른 제1 결함 밀도와 반비례하고, 제2 캐리어 재결합 시상수는 제2 유형의 결함에 따른 제2 결함 밀도와 반비례하되, 제1 캐리어 재결합 시상수와 제2 캐리어 재결합 시상수의 대소 관계는 박막 내 제1 결함 밀도와 제2 결함 밀도의 대소 관계와 서로 반대일 수 있다.
상기 박막 모니터링 방법에서, 시간에 따른 전자기파의 투과율 감쇠 함수는 하기의 수학식 1에 의하여 모사될 수 있다.
(수학식 1)
Figure pat00001
(△T: 전자기파의 투과율 감쇠 변화량, T0: 여기된 캐리어를 형성하기 위한 레이저광이 박막에 입사되지 않는 경우 전자기파의 투과율, n: 박막 내 결함 유형 개수, ai: 박막 내 각 결함에 따른 캐리어 재결합 기여도, t: 시간, τi: 각 결함에 따른 캐리어 재결합 시상수)
상기 박막 모니터링 방법에서, 레이저광은 펨토초 레이저광을 포함하고, 전자기파는 테라헤르츠 파를 포함할 수 있다.
상기 박막 모니터링 방법에서, 박막 내 여기된 캐리어는 박막 내 여기된 자유전자 또는 정공을 포함할 수 있다.
상기 박막 모니터링 방법에서, 기판 상의 위치는 기판의 중앙부 및 에지부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 박막 모니터링 장치는 기판 상의 박막 내에 여기된 캐리어를 형성할 수 있도록 박막에 입사하는 광을 생성하는 발광부; 박막 내 여기된 캐리어가 재결합하는 동안 박막에 전자기파를 조사하는 전자기파 조사부; 박막을 투과하거나 반사된 전자기파를 수신하는 전자기파 수신부; 전자기파 수신부로 수신된 전자기파의 특성 정보를 측정하는 측정부; 및 측정된 전자기파의 특성 정보를 포함하는 파라미터를 이용하여 기판 상의 위치에 따른 박막의 조성 균일도 또는 박막의 결함 분포를 판별하는 연산제어부;를 포함한다.
상기 박막 모니터링 장치에서, 전자기파 조사부는 기판의 상방에 위치하고, 전자기파 수신부는 박막을 투과한 전자기파를 수신하기 위하여 기판의 하방에 위치할 수 있다.
상기 박막 모니터링 장치에서, 전자기파 조사부는 기판의 상방에 위치하고, 전자기파 수신부는 박막에서 반사된 전자기파를 수신하기 위하여 기판의 상방에 위치할 수 있다.
상기 박막 모니터링 장치에서, 기판 상의 박막의 위치에 따른 전자기파의 특성 정보를 측정하기 위하여, 전자기파 조사부와 전자기파 수신부는 서로 대응되는 복수의 쌍으로 배열될 수 있다.
상기 박막 모니터링 장치에서, 기판이 안착될 수 있는 서셉터;를 더 포함하되, 서셉터는 기판 상의 박막의 위치에 따른 전자기파의 특성 정보를 측정하기 위하여 기판의 상면과 나란한 방향으로 이동할 수 있다.
상기 박막 모니터링 장치에서, 측정부는 전자기파의 특성 정보로서 전자기파의 투과율 또는 반사율을 측정할 수 있다.
상기 박막 모니터링 장치에서, 연산제어부는 측정된 전자기파의 특성 정보를 이용한 결과로서 시간에 따른 전자기파의 투과율 감쇠 함수에 대하여 라플라스 역변환 연산을 통해 캐리어 재결합 시상수를 산출하되, 캐리어 재결합 시상수는, 박막 내 결함의 유형 별로 분리될 수 있으며, 박막 내 결함 밀도와 반비례할 수 있다.
상기 박막 모니터링 장치에서, 캐리어 재결합 시상수는 박막 내 제1 유형의 결함에 따른 제1 캐리어 재결합 시상수 및 박막 내 제2 유형의 결함에 따른 제2 캐리어 재결합 시상수로 분리될 수 있으며, 제1 캐리어 재결합 시상수는 제1 유형의 결함에 따른 제1 결함 밀도와 반비례하고, 제2 캐리어 재결합 시상수는 제2 유형의 결함에 따른 제2 결함 밀도와 반비례하되, 제1 캐리어 재결합 시상수와 제2 캐리어 재결합 시상수의 대소 관계는 박막 내 제1 결함 밀도와 제2 결함 밀도의 대소 관계와 서로 반대일 수 있다.
상기 박막 모니터링 장치는 기판 상의 위치에 따른 박막의 조성 균일도 또는 박막의 결함 분포를 시각화하여 표시하는 디스플레이부;를 더 포함할 수 있다.
상기 박막 모니터링 장치에서, 발광부는 펨토초 레이저광을 생성하며, 전자기파 조사부는 테라헤르츠 파를 조사할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판 상의 위치에 따른 박막의 조성 균일도 또는 박막의 결함 분포를 비접촉 및 비파괴적 방식으로 모니터링할 수 있는 박막 모니터링 방법 및 박막 모니터링 장치를 구현할 수 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 모니터링 방법을 도해하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 모니터링 방법을 구현하는 박막 모니터링 장치의 구성을 도해하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 모니터링 방법을 이용하여 시간에 따른 자유전자 재결합 측정 과정을 도해하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 모니터링 방법에서 시간에 따라 전자기파의 투과율이 감쇠되는 양상을 도해하는 그래프이다.
도 5는 게르마늄(Ge) 조성에 따른 밴드(band) 구조를 도해하는 도면이다.
도 6은 SiGe 박막에서 게르마늄(Ge) 조성에 따른 자유전자 재결합 양상을 도해하는 도면이다.
도 7 내지 도 9는 광 펌프 적용 후 테라헤르츠 파의 검출 방법을 이용하여 시간에 따른 자유전자 재결합 측정 결과를 기판(Wafer A, Wafer B, Wafer C)에 따라 나타낸 그래프이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 모니터링 방법에서 라플라스 역변환 연산으로 분리한 결함 별 시상수를 기판에 따라 나타낸 도면이다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 박막 모니터링 장치의 일부 구성을 도해하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
본 발명은 기판 상의 반도체 박막의 조성 균일도와 결함 특성의 분포를 분석하기 위하여 펨토초 레이저광을 이용한 광 여기된 캐리어의 재결합 과정을 테라헤르츠 파의 투과 또는 반사의 시분해 측정을 통하여 분석하는 박막 모니터링 방법과 이를 수행하는 박막 모니터링 장치에 관한 것이다. 나아가, 기판 내 여러 포인트(point)에 대하여 펨토초 레이저광을 이용하여 광 여기된 캐리어의 결함 밀도에 따른 재결합 시상수 변화를 테라헤르츠 파의 투과율 또는 반사율의 시분해 측정을 통하여 분석하여 기판 상의 위치에 따른 박막의 조성 균일도 또는 박막의 결함 분포를 분석하는 박막 모니터링 방법과 이를 수행하는 박막 모니터링 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 모니터링 방법을 도해하는 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 모니터링 방법을 구현하는 박막 모니터링 장치의 구성을 도해하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 모니터링 방법은 기판 상의 박막 내에 여기된 캐리어를 형성할 수 있도록 레이저광을 박막에 입사하는 단계(S10); 박막 내 여기된 캐리어가 재결합하는 동안 박막에 전자기파를 조사하는 단계(S20); 박막 내 여기된 캐리어와 반응하는 전자기파의 특성 정보를 측정하는 단계(S30); 및 측정된 전자기파의 특성 정보를 포함하는 파라미터를 이용하여 기판 상의 위치에 따른 박막의 조성 균일도 또는 박막의 결함 분포를 판별하는 단계(S40);를 포함한다.
상기 박막 모니터링 방법에서, 레이저광은 펨토초 레이저광을 포함할 수 있으며, 전자기파는 테라헤르츠 파를 포함할 수 있다.
상기 박막 모니터링 방법에서, 전자기파의 특성 정보는 전자기파의 투과율 또는 반사율을 포함할 수 있다. 측정된 전자기파의 특성 정보를 포함하는 파라미터는, 시간에 따른 전자기파의 투과율 감쇠 변화량이거나, 시간에 따른 전자기파의 투과율 감쇠 함수에 대하여 라플라스 역변환 연산을 통해 산출된 캐리어 재결합 시상수일 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 모니터링 방법을 구현하는 박막 모니터링 장치(100)는 기판 상의 박막 내에 여기된 캐리어를 형성할 수 있도록 박막에 입사하는 광을 생성하는 발광부(10); 박막 내 여기된 캐리어가 재결합하는 동안 박막에 전자기파를 조사하는 전자기파 조사부(20); 박막을 투과하거나 반사된 전자기파를 수신하는 전자기파 수신부(30); 전자기파 수신부로 수신된 전자기파의 특성 정보를 측정하는 측정부(40); 및 측정된 전자기파의 특성 정보를 포함하는 파라미터를 이용하여 기판 상의 위치에 따른 박막의 조성 균일도 또는 박막의 결함 분포를 판별하는 연산제어부(50);를 포함한다. 나아가, 박막 모니터링 장치(100)는 연산제어부(50)에서 판별된 기판 상의 위치에 따른 박막의 조성 균일도 또는 박막의 결함 분포를 시각화하여 표시하는 디스플레이부(60);를 더 포함할 수 있다.
도 1과 도 2를 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 모니터링 방법을 구현하는 박막 모니터링 장치(100)에서, 발광부(10)를 통하여 기판 상의 박막 내에 여기된 캐리어를 형성할 수 있도록 레이저광을 박막에 입사하는 단계(S10)의 적어도 일부가 수행될 수 있으며, 조사부(20)를 통하여 박막 내 여기된 캐리어가 재결합하는 동안 박막에 전자기파를 조사하는 단계(S20)의 적어도 일부가 수행될 수 있으며, 전자기파 수신부(30) 및 측정부(40)를 통하여 박막 내 여기된 캐리어와 반응하는 전자기파의 특성 정보를 측정하는 단계(S30)의 적어도 일부가 수행될 수 있으며, 연산제어부(50)를 통하여 측정된 전자기파의 특성 정보를 포함하는 파라미터를 이용하여 기판 상의 위치에 따른 박막의 조성 균일도 또는 박막의 결함 분포를 판별하는 단계(S40)의 적어도 일부가 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 모니터링 장치에서는 전자기파 수신부(30)와 측정부(40)를 구분하여 설명하였으나, 변형된 실시예에서 전자기파 수신부(30)와 측정부(40)는 각각의 기능이 통합된 하나의 구성요소로 제공될 수도 있다.
이하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 모니터링 방법의 각 단계들을 구체적으로 설명한다. 따라서, 본 발명의 박막 모니터링 방법을 수행하는 박막 모니터링 장치(100)에 대한 설명은 도 1 및 도 2에 대한 상술한 내용과 함께 이하의 내용으로 대체될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 모니터링 방법을 이용하여 시간에 따른 자유전자 재결합 측정 과정을 도해하는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 모니터링 방법에서 시간에 따라 전자기파의 투과율이 감쇠되는 양상을 도해하는 그래프이다.
도 3 및 도 4에서, △T는 전자기파(테라헤르츠 파)의 투과율 감쇠 변화량을 나타내고, T0는 여기된 캐리어를 형성하기 위한 레이저광이 박막에 입사되지 않는 경우 전자기파의 투과율을 나타낸다. "Pump delay" 항목은 박막에 레이저광을 입사한 후 도과 시간을 의미하며, t=t1, t=t2, t=t3은 박막에 레이저광을 입사한 후 테라헤르츠 파를 조사하는 시점을 의미한다.
기판(80) 상에 형성된 박막(70)에 입사된 레이저광(11)에 의하여 여기된 캐리어(예를 들어, 자유전자 또는 정공)는 다양한 경로를 통해 특정 시상수를 가지고 재결합한다. 박막 내에 입사되는 레이저광은 박막 내에 여기된 캐리어를 형성한다는 점에서 펌프(Pump) 광으로 이해될 수 있다.
일반적으로 재결합 경로에 따른 재결합 시상수는 i) 밸리 내 스캐터링(Intra valley scattering) 경로에 따른 재결합 시상수(< ps), ii) 밸리 간 스캐터링(Inter valley scattering) 경로에 따른 재결합 시상수(~ 수 ps), iii) 결함 보조 재결합(Defect assisted recombination) 경로에 따른 재결합 시상수(수 ps ~ 수 ns), iv) 대역 간 스캐터링(Inter band scattering) 경로에 따른 재결합 시상수(수백 ps ~ μs)가 있다.
이 중에서 결함 보조 재결합(Defect assisted recombination) 과정은 박막(70)을 구성하는 물질의 결함 밀도에 따라 시상수가 반비례하여 재결합 과정의 시상수 분석을 통하여 박막(70)의 결함 밀도를 측정할 수 있다.
이때 자유전자의 재결합 과정을 측정하기 위해서 전자기파(21, 22)로서, 예를 들어, 테라헤르츠 파를 이용할 수 있다. 도 3에서는, 이해의 편의를 위하여, 발광부의 일부인 프로브(Thz probe)에서부터 박막(70)을 투과하기 전의 전자기파(21)인 테라헤르츠 파와 박막(70)을 투과한 후의 전자기파(22)인 테라헤르츠 파(Transferred Thz wave)를 구분하여 도시하였다. 테라헤르츠 파는 주파수가 0.01 THz ~ 10 THz 정도의 전자기파로서 자유전자에 대하여 선택적으로 반응하는 특성을 가진다. 따라서 반도체 박막(70)을 구성하는 물질을 투과한 테라헤르츠 파의 세기 변화를 측정하여, 박막(70) 내부에 존재하는 자유전자의 특성 및 양을 비접촉적 방법으로 측정할 수 있다.
박막 내 여기된 캐리어를 형성할 수 있는 레이저광(11)으로서, 예를 들어, 펨토초 레이저광을 입사한 후 일정 시간이 지난 후, 여기된 캐리어와 반응하는 전자기파(21)로서 테라헤르츠 파를 투과시키면 펨토초 레이저에 의해 박막(70) 내 여기된 자유전자에 의하여 전자기파(22)인 테라헤르츠 파의 투과율이 감소하게 된다. 따라서 자유전자의 생성 및 재결합 양을 비접촉 비파괴적 방법으로 알 수 있다.
이때 펨토초 레이저광을 입사한 후 시간에 따른 테라헤르츠 파의 투과율 변화를 측정하면 자유전자의 재결합 시상수를 측정하는 것이 가능하고, 따라서 반도체 소자를 구성하는 박막(70)의 결함 밀도를 비접촉, 비파괴적 방법으로 측정할 수 있다.
또한 여기된 자유전자의 재결합이 여러 경로로 발생할 시 각각의 경로로 재결합하는 자유전자의 시상수를 분해하는 것이 가능하다. 이를 이용하여 결함 보조 재결합(Defect assisted recombination) 과정에 기여하는 결함의 종류가 여러 종류일 경우 재결합 시상수 분리를 통하여 각 결함의 밀도를 독립적으로 측정하는 것이 가능하다. 즉, 캐리어 재결합 시상수는, 박막 내 결함의 유형 별로 분리될 수 있으며, 박막 내 결함 밀도와 반비례할 수 있다.
도 5는 게르마늄(Ge) 조성에 따른 밴드(band) 구조를 도해하는 도면이고, 도 6은 SiGe 박막에서 게르마늄(Ge) 조성에 따른 자유전자 재결합 양상을 도해하는 도면이다. "Delay" 항목은 박막에 레이저광을 입사한 후 도과 시간을 의미한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 실리콘(Si)은 가전자대(Valence band)의 최대 에너지값과 전도대(Conduction band)의 최소 에너지값이 운동량이 다른 위치에서 나타나는 간접 간격(Indirect gap)을 가지며, 게르마늄(Ge)은 가전자대의 최대 에너지값과 전도대의 최소 에너지값이 운동량이 같은 위치에서 나타나는 직접 간격(Direct gap)을 가진다. 실리콘(Si)은 느린 밴드 간 전이(inter-band transition)를 가지고 게르마늄(Ge)은 빠른 밴드 간 전이를 가진다. SiGe는 Ge의 농도가 증가함에 따라 점진적으로 간접 간격(Indirect gap)에서 직접 간격(Direct gap)으로 전이하게 되고 이에 따라 밴드 간 전이 속도가 빨라지게 된다.
따라서 긴 시상수를 가지는 나노초(ns) 이상의 시간에서 남은 캐리어(carrier)의 양을 통해 Ge의 농도를 판단하는 것이 가능하다. Ge의 조성에 따른 광 펌프(pump) 후 시간에 따른 테라헤르츠 파(THz) 투과율 변화를 나타낸 도 6을 참조하면, Ge의 조성이 높아질수록 1 ns 정도에서의 투과율 변화값이 작은(여기된 캐리어의 양이 적은) 것을 확인할 수 있다.
이를 이용하여 기판 상의 박막에 대하여 위치별 광 펌프를 적용한 후 시간에 따른 테라헤르츠 파(THz)의 투과율 또는 반사율의 변화를 측정하여 기판 상의 위치에 따른 박막의 조성 균일도 또는 박막의 결함 분포를 판별하는 것이 가능하다.
화학 기상 증착(CVD; Chemical Vapor Deposition) 공정으로 기판(300mm 웨이퍼) 상에 형성한 박막에 대하여 위치 별 광 펌프를 적용한 후 시간에 따른 테라헤르츠 파(THz)의 투과율을 측정하고 기존의 원자힘현미경(AFM), 홀 효과(Hall effect) 측정, 분광타원측정법(SE; Spectroscopic Ellipsometry)으로 측정한 결과와 비교하였다.
표 1은 기존 측정방법으로 측정된 박막의 물성을 나타낸 것이다.
Figure pat00002
도 7 내지 도 9는 광 펌프 적용 후 테라헤르츠 파의 검출 방법을 이용하여 시간에 따른 자유전자 재결합 측정 결과를 기판(Wafer A, Wafer B, Wafer C)에 따라 나타낸 그래프이다. 기판(300mm 웨이퍼) 상에 제작된 반도체 박막에 400nm 파장을 가지는 펨토초 레이저광을 입사 후 시간에 따른 테라헤르츠 파의 투과율 변화를 측정하였다. "Delay" 항목은 박막에 레이저광을 입사한 후 도과 시간을 의미한다.
펨토초 레이저광으로 여기된 캐리어는 박막의 조성, 결함에 따라 다양한 시상수로 재결합하므로 시간에 따른 캐리어 재결합을 위치 별로 측정하여 비교한다면 기판 상의 위치에 따른 박막의 조성 균일도 또는 박막의 결함 분포를 판단하는 것이 가능하다. 기판 상의 위치는, 예를 들어, 기판의 중앙부(Center) 및 에지부(Edge)를 포함할 수 있다.
조성에 관한 정보는 1ns 근처에서 여기되어 재결합 하지 않은 캐리어의 양 또는 투과율의 변화로 판단할 수 있다. 제1 기판(Wafer A) 상에 형성된 박막의 경우 시간에 따른 테라헤르츠 파의 투과율 변화가 중앙부(Center) 및 에지부(Edge)의 위치에서 거의 비슷하게 측정되어 박막의 조성이 위치에 따라 균일하다고 판단할 수 있다. 그러나 제2 기판(Wafer B) 상에 형성된 박막과 제3 기판(Wafer C) 상에 형성된 박막의 경우 중앙부(Center) 및 에지부(Edge) 위치에 따라 시간에 따른 테라헤르츠 파의 투과율 차이가 매우 크게 측정되어 위치에 따른 조성의 차이가 크다고 판단할 수 있다.
실제 분광타원측정법(SE; Spectroscopic Ellipsometry)을 이용하여 측정한 결과 제1 기판(Wafer A) 상에 형성된 박막의 경우 중앙부(Center)와 에지부(Edge) 간의 조성 차이가 적었으나 제2 기판(Wafer B) 상에 형성된 박막과 제3 기판(Wafer C) 상에 형성된 박막의 경우 조성 차이가 큰 것을 확인할 수 있다.
수학적 처리를 통해 시상수를 정밀하게 분석함으로써 반도체 박막 내 결함의 각 위치에 따른 상대비를 구하는 것이 가능하다. 레이저광에 의하여 여기된 전자가 수백 ps 간 재결합하며 시간에 따른 테라헤르츠 파의 투과율을 변화시키고 이때 시간에 따른 투과율의 감쇠는 n개 종류의 결함이 있다고 가정하면 다음과 같은 수학식 1을 따른다.
Figure pat00003
(△T: 전자기파의 투과율 감쇠 변화량, T0: 여기된 캐리어를 형성하기 위한 레이저광이 박막에 입사되지 않는 경우 전자기파의 투과율, n: 박막 내 결함 유형 개수, ai: 박막 내 각 결함에 따른 캐리어 재결합 기여도, t: 시간, τi: 각 결함에 따른 캐리어 재결합 시상수)
또한, 반도체 박막의 조성이 유사할 때 재결합 시상수와 결함 밀도는 수학식 2와 같이 반비례 관계를 가진다.
Figure pat00004
(Ndefect : 결함 밀도, τdefect : 결함에 의한 재결합 시상수)
따라서 시상수 분석을 통해 결함 밀도의 상대비에 대한 기판 내 분포를 각 결함에 대하여 구할 수 있다. 한편, 박막 내 결함 밀도의 작은 차이로 인하여 감쇠(Decay) 경향만으로 서로 구별하는 것이 용이하지 않을 수도 있다. 유사한 감쇠 신호간 시상수를 구분하기 위하여 수학적 처리를 도입할 수 있다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 모니터링 방법에서 라플라스 역변환 연산으로 분리한 결함 별 시상수를 기판에 따라 나타낸 도면이다.
본 발명에서는 라플라스 역변환을 이용하면 시간에 따른 감쇠(Decay) 함수를 시상수에 따른 함수로 변형이 가능하며, 시간에 따른 감쇠를 도 10 내지 도 12에 개시된 시상수의 분포로 변환하는 것이 가능함을 확인하였다.
시간에 따른 테라헤르츠 파의 투과율 변환 곡선은 복수의 감쇠인자로 인해 발생한다. 각각의 감쇠인자들의 영향을 모두 더하였을 때 측정 데이터를 가져다 주므로 감쇠 곡선 S(t)는 모든 k에 대하여 확률밀도 F(k)와 감쇠함수를 곱한 값의 적분으로 표현된다(수학식 3 참조).
Figure pat00005
이는 라플라스 변환식과 형태가 동일하며 각 감쇠인자들의 영향 척도인 F(k)를 구하기 위해서는 라플라스 역변환 과정이 필요하다. 정확한 F(k)를 구하는 것은 불가능하기에 근사 함수를 대입하여 오차율을 줄여 나가는 과정이 필요하며 목표로 하는 정밀도에 맞춰 한계 오차율을 설정하여 변환이 진행된다. 결과적으로 시상수 k의 근사치와 근사함수 F(k)의 근사치가 나오며 F(k)를 감쇠인자 영향 정도로 생각할 수 있다. 도 10 내지 도 12는 시간에 따른 테라헤르츠 파의 투과율을 라플라스 역변환을 이용하여 시상수에 대한 함수로 변환한 결과이다.
표 2는 펨토초 레이저광 입사 후 시간에 따른 테라헤르츠 파의 투과율 또는 반사율 변화 측정을 통해 추정된 기판 위치에 따른 결함 밀도의 상대비를 나타낸 것이다. 즉, 중앙부(Center)에 대한 에지부(Edge)의 결함 밀도의 상대비를 나타내었다.
Figure pat00006
도 10과 표 1, 표 2를 함께 참조하면, 제1 기판(Wafer A) 상에 형성된 박막의 경우, 두 종류의 결함(결함 a, 결함 b)이 존재하며, 제1 유형의 결함인 결함 a, 제2 유형의 결함인 결함 b에서 모두 중앙부(Center)가 에지부(Edge)보다 결함 밀도가 높다. 실제 원자힘현미경과 홀 효과 측정을 통해 측정한 결과 중앙부(Center)는 에지부(Edge)보다 상대적으로 높은 캐리어 농도와 낮은 이동도, 높은 러프니스(roughness)를 가진다. 따라서 실제로 중앙부(Center)에서 에지부(Edge) 보다 결함이 많다고 판단할 수 있다.
도 11과 표 1, 표 2를 함께 참조하면, 제2 기판(Wafer B) 상에 형성된 박막의 경우, 중앙부(Center)는 에지부(Edge)에 비해 낮은 캐리어 농도와 높은 이동도 그리고 높은 러프니스(roughness)를 가진다. 일반적으로 원자의 추가 또는 결손에 의한 결함은 캐리어(carrier) 농도를 증가시키고 구조적 결함(line defect)은 러프니스(roughness)를 증가시킨다고 알려져 있다. 펨토초 레이저광을 이용해 여기된 캐리어의 재결합 시상수를 분석해 보면 결함 a는 에지부(Edge)에 비해 중앙부(Center)에서 상대적으로 적고(시상수가 크고), 결함 b는 에지부(Edge)에 비해 중앙부(Center)에서 상대적으로 많다(시상수가 작다). 따라서 제2 기판(wafer B) 상에 형성된 박막의 경우, 결함 a는 원자의 추가 또는 결손과 관련된 결함으로 판단할 수 있고, 결함 b는 구조적 결함(line defect)과 관련된 결함으로 판단할 수 있다.
도 12와 표 1, 표 2를 함께 참조하면, 제3 기판(Wafer C) 상에 형성된 박막의 경우, 제2 기판(Wafer B)과 마찬가지로 중앙부(Center)에서 결함 a가 상대적으로 적고(시상수가 상대적으로 크고), 결함 b는 상대적으로 많다(시상수가 상대적으로 작다). 실제 제3 기판(Wafer C) 상에 형성된 박막의 특성을 측정한 결과 중앙부(Center)는 에지부(Edge)에 비해 낮은 캐리어 농도와 높은 이동도 그리고 높은 러프니스(roughness)를 가진다.
표 2를 참조하면, 제1 캐리어 재결합 시상수는 제1 유형의 결함에 따른 제1 결함 밀도와 반비례하고, 제2 캐리어 재결합 시상수는 제2 유형의 결함에 따른 제2 결함 밀도와 반비례하되, 제1 캐리어 재결합 시상수와 제2 캐리어 재결합 시상수의 대소 관계는 박막 내 제1 결함 밀도와 제2 결함 밀도의 대소 관계와 서로 반대임을 확인할 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 모니터링 방법은 전자기파의 특성 정보로서 전자기파의 투과율을 포함하고, 측정된 전자기파의 특성 정보를 이용한 결과는 시간에 따른 전자기파의 투과율 감쇠 함수에 대하여 라플라스 역변환 연산을 통해 산출된 캐리어 재결합 시상수를 포함하는 경우를 상정하여 설명하였다.
하지만, 본 발명의 변형된 실시예에 따른 박막 모니터링 방법은 전자기파의 특성 정보로서 전자기파의 반사율을 포함할 수 있으며, 측정된 전자기파의 특성 정보를 이용한 결과는 시간에 따른 전자기파의 반사율 감쇠 함수에 대하여 라플라스 역변환 연산을 통해 산출된 캐리어 재결합 시상수를 포함할 수 있다. 예를 들어, 수학식 1, 도 4, 도 6 내지 도 9의 △T는 전자기파의 반사율 감쇠 변화량 △R로 대체될 수 있으며, 수학식 1, 도 4, 도 6 내지 도 9의 T0는 여기된 캐리어를 형성하기 위한 레이저광이 박막에 입사되지 않는 경우 전자기파의 반사율인 R0로 대체될 수 있다. 그 외에 도 10 내지 도 12를 참조하여 설명한 기술적 사상으로서, 캐리어 재결합 시상수가, 박막 내 결함의 유형 별로 분리될 수 있으며, 박막 내 결함 밀도와 반비례한다는 구성은 전자기파의 특성 정보가 전자기파의 반사율인 경우에서도 전자기파의 특성 정보로서 전자기파의 투과율인 경우와 마찬가지로 동일하게 적용될 수 있다.
이하에서는 상술한 본 발명의 박막 모니티링 방법을 구현하는 박막 모니터링 장치에 대한 구체적인 실시예들을 설명한다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 박막 모니터링 장치의 일부 구성을 도해하는 도면이다.
도 2 및 도 13을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 모니터링 장치(100)는 레이저광(11)에 의하여 박막(70) 내 여기된 캐리어가 재결합하는 동안 박막(70)에 전자기파(21)를 조사하는 전자기파 조사부(20) 및 박막(70)을 투과한 전자기파(22)를 수신하는 전자기파 수신부(30)를 포함한다. 전자기파 조사부(20)는 기판(80)의 상방에 위치하고, 전자기파 수신부(30)는 박막(70)을 투과한 전자기파(22)를 수신하기 위하여 기판(80)의 하방에 위치한다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 모니터링 장치(100)는 기판(80)이 안착될 수 있는 서셉터(susceptor)를 더 포함하되, 서셉터는 기판(80) 상의 박막(70)의 다양한 위치에 따른 전자기파의 특성 정보를 측정하기 위하여 기판(80)의 상면과 나란한 방향(도면에서 화살표 방향)으로 이동할 수 있다. 예컨대, 전자기파 조사부(20) 및 전자기파 수신부(30)가 고정된 상태로 상술한 위치 관계를 가지면서 기판(80)이 이동함에 따라, 기판 상의 다양한 위치(예를 들어, 중앙부 및 에지부)에서 박막에 대한 전자기파의 특성 정보(투과율)를 측정할 수 있다.
도 2 및 도 14를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 박막 모니터링 장치(100)는 레이저광(11)에 의하여 박막(70) 내 여기된 캐리어가 재결합하는 동안 박막(70)에 전자기파(21)를 조사하는 전자기파 조사부(20) 및 박막(70)에서 반사된 전자기파(23)를 수신하는 전자기파 수신부(30)를 포함한다. 전자기파 조사부(20)는 기판(80)의 상방에 위치하고, 전자기파 수신부(30)는 박막(70)에서 반사된 전자기파(23)를 수신하기 위하여 기판(80)의 상방에 위치한다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 박막 모니터링 장치(100)는 기판(80)이 안착될 수 있는 서셉터(susceptor)를 더 포함하되, 서셉터는 기판(80) 상의 박막(70)의 다양한 위치에 따른 전자기파의 특성 정보를 측정하기 위하여 기판(80)의 상면과 나란한 방향(도면에서 화살표 방향)으로 이동할 수 있다. 예컨대, 전자기파 조사부(20) 및 전자기파 수신부(30)가 고정된 상태로 상술한 위치 관계를 가지면서 기판(80)이 이동함에 따라, 기판 상의 다양한 위치(예를 들어, 중앙부 및 에지부)에서 박막에 대한 전자기파의 특성 정보(반사율)를 측정할 수 있다.
도 2 및 도 15를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 박막 모니터링 장치(100)는 레이저광(11)에 의하여 박막(70) 내 여기된 캐리어가 재결합하는 동안 박막(70)에 전자기파(21)를 조사하는 전자기파 조사부(20) 및 박막(70)을 투과한 전자기파(22)를 수신하는 전자기파 수신부(30)를 포함한다. 전자기파 조사부(20)는 기판(80)의 상방에 위치하고, 전자기파 수신부(30)는 박막(70)을 투과한 전자기파(22)를 수신하기 위하여 기판(80)의 하방에 위치한다. 본 발명의 제3 실시예에 따른 박막 모니터링 장치(100)에서는 기판(80) 상의 박막(70)의 다양한 위치에 따른 전자기파의 특성 정보를 측정하기 위하여, 전자기파 조사부(20)와 전자기파 수신부(30)는 서로 대응되는 복수의 쌍으로 배열될 수 있다. 예컨대, 전자기파 조사부(20)와 전자기파 수신부(30)가 대응되는 쌍이 기판(80)의 중앙부(Center) 및 에지부(Edge)에 각각 제공됨으로써, 기판 상의 다양한 위치(예를 들어, 중앙부 및 에지부)에서 박막에 대한 전자기파의 특성 정보(투과율)를 측정할 수 있다.
도 2 및 도 16을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 박막 모니터링 장치(100)는 레이저광(11)에 의하여 박막(70) 내 여기된 캐리어가 재결합하는 동안 박막(70)에 전자기파(21)를 조사하는 전자기파 조사부(20) 및 박막(70)에서 반사된 전자기파(23)를 수신하는 전자기파 수신부(30)를 포함한다. 전자기파 조사부(20)는 기판(80)의 상방에 위치하고, 전자기파 수신부(30)는 박막(70)에서 반사된 전자기파(23)를 수신하기 위하여 기판(80)의 상방에 위치한다. 본 발명의 제4 실시예에 따른 박막 모니터링 장치(100)에서는 기판(80) 상의 박막(70)의 다양한 위치에 따른 전자기파의 특성 정보를 측정하기 위하여, 전자기파 조사부(20)와 전자기파 수신부(30)는 서로 대응되는 복수의 쌍으로 배열될 수 있다. 예컨대, 전자기파 조사부(20)와 전자기파 수신부(30)가 대응되는 쌍이 기판(80)의 중앙부(Center) 및 에지부(Edge)에 각각 제공됨으로써, 기판 상의 다양한 위치(예를 들어, 중앙부 및 에지부)에서 박막에 대한 전자기파의 특성 정보(반사율)를 측정할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 발광부
11: 레이저광
20: 전자기파 조사부
21, 22, 23: 전자기파
30: 전자기파 수신부
40: 측정부
50: 연산제어부
70: 박막
80: 기판
100: 박막 모니터링 장치

Claims (20)

  1. 기판 상의 박막 내에 여기된 캐리어를 형성할 수 있도록 레이저광을 박막에 입사하는 단계;
    박막 내 여기된 캐리어가 재결합하는 동안 박막에 전자기파를 조사하는 단계;
    박막 내 여기된 캐리어와 반응하는 전자기파의 특성 정보를 측정하는 단계; 및
    측정된 전자기파의 특성 정보를 포함하는 파라미터를 이용하여 기판 상의 위치에 따른 박막의 조성 균일도 또는 박막의 결함 분포를 판별하는 단계;를 포함하는,
    박막 모니터링 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    전자기파의 특성 정보는 전자기파의 투과율 또는 반사율을 포함하는,
    박막 모니터링 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    측정된 전자기파의 특성 정보를 포함하는 파라미터는 시간에 따른 전자기파의 투과율 감쇠 변화량인,
    박막 모니터링 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    측정된 전자기파의 특성 정보를 포함하는 파라미터는 시간에 따른 전자기파의 투과율 감쇠 함수에 대하여 라플라스 역변환 연산을 통해 산출된 캐리어 재결합 시상수인,
    박막 모니터링 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    캐리어 재결합 시상수는, 박막 내 결함의 유형 별로 분리될 수 있으며, 박막 내 결함 밀도와 반비례하는,
    박막 모니터링 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    캐리어 재결합 시상수는 박막 내 제1 유형의 결함에 따른 제1 캐리어 재결합 시상수 및 박막 내 제2 유형의 결함에 따른 제2 캐리어 재결합 시상수로 분리될 수 있는,
    박막 모니터링 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    제1 캐리어 재결합 시상수는 제1 유형의 결함에 따른 제1 결함 밀도와 반비례하고, 제2 캐리어 재결합 시상수는 제2 유형의 결함에 따른 제2 결함 밀도와 반비례하되, 제1 캐리어 재결합 시상수와 제2 캐리어 재결합 시상수의 대소 관계는 박막 내 제1 결함 밀도와 제2 결함 밀도의 대소 관계와 서로 반대인,
    박막 모니터링 방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    시간에 따른 전자기파의 투과율 감쇠 함수는 하기의 수학식 1에 의하여 모사될 수 있는,
    박막 모니터링 방법.
    (수학식 1)
    Figure pat00007

    (△T: 전자기파의 투과율 감쇠 변화량, T0: 여기된 캐리어를 형성하기 위한 레이저광이 박막에 입사되지 않는 경우 전자기파의 투과율, n: 박막 내 결함 유형 개수, ai: 박막 내 각 결함에 따른 캐리어 재결합 기여도, t: 시간, τi: 각 결함에 따른 캐리어 재결합 시상수)
  9. 제 1 항에 있어서,
    레이저광은 펨토초 레이저광을 포함하고, 전자기파는 테라헤르츠 파를 포함하는,
    박막 모니터링 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    박막 내 여기된 캐리어는 박막 내 여기된 자유전자 또는 정공을 포함하는,
    박막 모니터링 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    기판 상의 위치는 기판의 중앙부 및 에지부를 포함하는,
    박막 모니터링 방법.
  12. 기판 상의 박막 내에 여기된 캐리어를 형성할 수 있도록 박막에 입사하는 광을 생성하는 발광부;
    박막 내 여기된 캐리어가 재결합하는 동안 박막에 전자기파를 조사하는 전자기파 조사부;
    박막을 투과하거나 반사된 전자기파를 수신하는 전자기파 수신부;
    전자기파 수신부로 수신된 전자기파의 특성 정보를 측정하는 측정부; 및
    측정된 전자기파의 특성 정보를 포함하는 파라미터를 이용하여 기판 상의 위치에 따른 박막의 조성 균일도 또는 박막의 결함 분포를 판별하는 연산제어부;를 포함하는,
    박막 모니터링 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    전자기파 조사부는 기판의 상방에 위치하고, 전자기파 수신부는 박막을 투과한 전자기파를 수신하기 위하여 기판의 하방에 위치하는,
    박막 모니터링 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    전자기파 조사부는 기판의 상방에 위치하고, 전자기파 수신부는 박막에서 반사된 전자기파를 수신하기 위하여 기판의 상방에 위치하는,
    박막 모니터링 장치.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    기판 상의 박막의 위치에 따른 전자기파의 특성 정보를 측정하기 위하여, 전자기파 조사부와 전자기파 수신부는 서로 대응되는 복수의 쌍으로 배열되는,
    박막 모니터링 장치.
  16. 제 12 항에 있어서,
    기판이 안착될 수 있는 서셉터;를 더 포함하되,
    서셉터는 기판 상의 박막의 위치에 따른 전자기파의 특성 정보를 측정하기 위하여 기판의 상면과 나란한 방향으로 이동할 수 있는,
    박막 모니터링 장치.
  17. 제 12 항에 있어서,
    측정부는 전자기파의 특성 정보로서 전자기파의 투과율 또는 반사율을 측정하는,
    박막 모니터링 장치.
  18. 제 12 항에 있어서,
    연산제어부는 측정된 전자기파의 특성 정보를 이용한 결과로서 시간에 따른 전자기파의 투과율 감쇠 함수에 대하여 라플라스 역변환 연산을 통해 캐리어 재결합 시상수를 산출하되, 캐리어 재결합 시상수는, 박막 내 결함의 유형 별로 분리될 수 있으며, 박막 내 결함 밀도와 반비례하는,
    박막 모니터링 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    캐리어 재결합 시상수는 박막 내 제1 유형의 결함에 따른 제1 캐리어 재결합 시상수 및 박막 내 제2 유형의 결함에 따른 제2 캐리어 재결합 시상수로 분리될 수 있으며, 제1 캐리어 재결합 시상수는 제1 유형의 결함에 따른 제1 결함 밀도와 반비례하고, 제2 캐리어 재결합 시상수는 제2 유형의 결함에 따른 제2 결함 밀도와 반비례하되, 제1 캐리어 재결합 시상수와 제2 캐리어 재결합 시상수의 대소 관계는 박막 내 제1 결함 밀도와 제2 결함 밀도의 대소 관계와 서로 반대인,
    박막 모니터링 장치.
  20. 제 12 항에 있어서,
    기판 상의 위치에 따른 박막의 조성 균일도 또는 박막의 결함 분포를 시각화하여 표시하는 디스플레이부;를 더 포함하는,
    박막 모니터링 장치.
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