KR900006478B1 - 에칭 깊이 측정장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

에칭 깊이 측정장치

제 1 도는 본 발명의 1실시예의 중요부의 구성을 도시한 도면.

제 2 도는 반도체 기판위에 형성된 구멍치수와 회절광 상호의 간섭강도변화량(콘트래스트)와의 관계를 도시한 도면.

제 3 도는 조사광의 파장과 회절광 상호의 간섭강도변화량(콘트래스트)와의 관계를 도시한 도면.

제 4 도는 측정대상의 1예를 도시한 사시도.

제 5 도는 본 발명의 측정장치에 의한 검출신호를 도시한 도면.

제 6 도는 단결정 실리콘 기판의 반사율을 도시한 도면.

본 발명은 광학적 수단을 사용하는 것에 의하여 재료의 검사 또는 분석을 행하는 장치에 관하여, 특히 반도체 장치 제조시의 드라이 에칭공정에 있어서, 에칭 깊이의 측정을 가능하게 하는 장치에 관한 것이다.

반도체 디바이스는, 기존의 기술 일반의 제어성을 향상시키는 전자장치에 많이 사용되고 있다. 또 많은 정보를 축적하여 고속으로 처리하기 위하여, 고집적화, 미세화의 경향에 있다. 이러한 상황에 있어서는, 종래의 평면적 소자구성에서 입체적 소자구조로의 전환이 필수의 기술사항이다.

이상의 과제를 달성하기 위하여서는, 반도체 기판위에 폭 0.5∼0.2μm, 깊이 1.0∼10μm정도의 구멍, 홈을 형성하는 것이 필요하다. 종래의 약액에 의한 에칭으로는 불가능하므로, 반도체 기판에 대해, 반응성이 있는 기체를 사용한 드라이 에칭 기술이 이용된다. 그러나, 드라이 에칭에 있어서는 조건의 설정이 어렵고, 에칭 처리중에 그 상황을 감시하는 것, 구체적으로는 깊은 홈 또는 깊은 구멍의 에칭을 그 즉시 감시하는 것이 필요하다.

반도체 기판의 에칭을 광학적으로 감시하는 공지의 문헌으로써, Solid State Science ＆ Technology 1973, 5월호에 H.P.Kleinknecht ＆ H.Melier씨의 "Optical Monitoring of the Etchiing of SiO₂and Si₃N₄on Si by the Use of Grating Test Patern"이 있다.

이 방법에 있어서는 He-Ne 레이저광을 사전에 준비된 회절격자를 포함한 테스트 패턴에 조사하고, 그 1차 회절광의 강도변화를 감시하는 것으로, 에칭 비율이나 에칭 깊이를 기록 가능하게 하는 것이다. 그러나, 이 방법에서는 측정하는 패턴폭이 적어졌을 경우, 회절광의 간섭강도변화가 적어져서, 감시를 충분하게 행할 수가 없게 된다. 그 원인으로써, He-Ne 레이저광(파장 약 0.6μm)과 그 조사 대상인 홈, 구멍 등의 형상이 같은 정도의 치수로 되기 때문에, 거시적으로 관찰하였을 경우의 반사광 자체가 약해지기 때문이라고 생각된다. 또, 조사대상으로 에칭 감시용의 테스트 패턴을 만들어두고, 테스트 패턴의 에칭을 실제의 반도체 디바이스의 에칭과 동일시하는 방법에서는 반도체 디바이스의 고집적화에 따른 높은 정밀도화의 요청에 충분히 보답할 수가 없다. 에칭의 속도가 에칭의 치수에 강하게 의존하기 때문이다.

본 발명의 목적은 조사대상으로부터 반사해 오는 회절광에 있어서, 충분한 간섭강도변화를 확보하기 위하여, 조사대상인 홈, 구멍에 대한 흡수율이 적은 광원을 이용해서 에칭 깊이를 양호하게 측정하는 장치를 제공하는데 있다.

일반적으로 광의 파장이 짧은 쪽이 거시적 관찰에 있어서의 반사율이 높다. 본 발명에 있어서, 반도체 기판위에 형성된 깊은 구멍, 깊은 홈에 있어서도, 상기 일반측이 성립되는 것이 확인되었다. 즉, 조사하는 광의 파장과 측정대상(조사대상이기도 하다)에 있어서의 흡수율을 조사한 바, 파장의 짧은 쪽이 흡수율이 적은 것으로 판명되었다.

그래서, 본 발명에서는 조사대상에서 반사해 오는 회절광을 가장 확실하게 포착할 수가 있는 검출수단, 보다 구체적으로는 직교하는 2축 방향 및 회전방향으로 움직임이 자유로운 검출수단을 준비하여, 레이저 광원으로써, He-Ne뿐만 아니라 He-Ne, N₂, Ar의 각 레이저광을 조합하여 검출한 간섭강도변화에서 깊이를 산출하는 것으로 하였다.

다음에, 반도체 기판위에 형성된 구멍, 홈의 열린구멍 치수, 조사광의 파장 및 회절광 상호의 간섭강도변화량의 관계에 대해서, 실험결과(제 2 도와 제 3 도)에 따라서 간단하게 설명한 후, 본 발명의 실시예의 설명을 한다.

제 2 도는 본 발명의 1실시예로써, 파장 633nm의 He-Ne레이저를 사용한 경우에 회절광 상호의 간섭강도변화량과 구멍의 열린구멍 치수의 관계를 도시한 것이다. 구멍의 깊이가 약 1μm일때의 변화량이다. 열린 구멍 치수가 0.5μm∼0.3μm로 변화량이 저하하는 것을 알 수 있다. 또, 제 3 도는 열린 구멍 치수 0.3μm의 패턴에 대해서 다른 파장의 광을 조사하였을 때의 변화량을 도시하고 있다. 역시 구멍의 깊이 약 1μm일 때의 변화량이다. 파장 325nm일 때는, 변화량이 약 40%로 되어 충분히 검출 가능하다.

이러한 실험결과에서 열린 구멍 치수가 0.3μm정도의 패턴 측정에는 He-Cd 레이저가 보다 바람직하다. 제 1 도에 본 발명의 1실시예의 전체 구성도를 도시한다. 본 실시예는 도시되지 않은 지지를, 모터(24), 볼나사(28), 스테이지(1), 모터(21), 볼나사(29), 가이드(30), 스테이지(2)로 구성되는 XY스테이지부, 모터(5), 기어(4), θ스테이지(3), 그라운드 글라스(3l), 모터(15), 볼나사(14), 암(13)으로 구성되는 검출위치 결정부, He-Ne 레이저 또는 He-Cd 레이저(8), 미러(6),(9), 렌즈(10),(11), 하프미러(12), 광검출기(32),(33)으로 구성되는 광 검출부, A/D변환기(16), 모터 제어회로(17), 마이크로 컴퓨터(18), CRT(20)으로 구성되는 제어연산부로 구성된다.

여기서, 제 1 도는 본 발명을 양극(25), 음극(26), 저압처리실(27), 고주파전원(34), 제어계(57), 창(22)로 구성되는 드라이에칭 장치에 적용한 예이다. 미러 (6)과 (9)는 파장 325nm의 자외광도 반사하는 특징을 갖는다. 구체적으로는 Al 증착후, SiO₂의 코팅을 실시하고 있다. 하프미러(12), 그라운드 글라스(31) 및 렌즈(10),(11)은 자외광을 투과하도록 석영제로 하고 있다. 드라이에칭 장치의 창(22)도 마찬가지의 이유로 석영제인 것이 필요하다. 또, 광검출기도 325nm의 광으로 감지된 것을 선택하고 있다.

처리순서를 다음에 기술한다. 웨이퍼(23)이 양극(25)에 배치되어, 저압처리실(27)은 처리조건으로 설정된다.

여기서, He-Ne 레이저 또는 He-Cd 레이저(8)이 점등하여, 미러 (6)과 (9)를 통하여, 렌즈(10),(11)에서 약 Φ5∼10nm의 평행 빔으로, 하프미러(l2), 그라운드 글라스(31)위의 투명부(도시하지 않음), 창(22)를 통하여 웨이퍼(23)위에 조사된다.

웨이퍼(23)위에 조사된 광은 웨이퍼(23)위의 규칙적인 패턴에 의해, 다음에 설명하는 것과 같이 반사, 회절, 간섭하여 창(22)를 통해서 그라운드 글라스(31)위에 도달한다. 이 광은 그라운드 글라스의 면에서 확산하여 광검출기(32)로 입사된다.

이때, 광검출기(32)의 위치는 θ스테이지(3)의 회전과 암(13)의 위치변경에 의해 결정되어, 창(22)에서 사출하는 임의의 광을 검출할 수 있다.

또, 웨이퍼(23)내의 광의 조사위치는 XY스테이지부의 모터 (21),(24)를 구동하는 것으로 임의로 결정할 수 있다. 또, 웨이퍼(23) 표면에서 회절하지 않고, 정 방사한 광은 하프미러(12)를 통하여 광검출기(33)으로 들어간다. 들어간 광은 광전변환되어, A/D변환기(16)을 통해서 마이크로컴퓨터(18)로 보내져 데이타처리된다.

다음에, 제 4 도에 도시한 패턴의 배치된 반도체장치의 에칭과정을 예로 하여 동작을 설명한다.

제 4 도에 도시한 것과 같은 에칭중의 반도체 기판위의 패턴에 광을 조사하는 경우를 생각한다. 이 패턴에서는, a(μm)×a(μm)의 열린 구멍, 깊이 h(μm)의 구멍이 피치 l(μm)로 연속해서 늘어져 있다. 여기서, 구멍부분의 면적, 구멍이의의 면적은 각각 b,s로 한다.

이 패턴에 넓은 범위에서 수직으로 광을 조사하였을 경우, 그 반사광은 표면의 규칙성에 의해 회절상을 형성한다. 이 회절상의 중앙의 상을 0차로 하고, 바깥쪽으로 1차, 2차,.. , n차 회절상이라 부르며, 각각의 광강도를 I¹,I²,...,Iⁿ으로 표시한다. Iⁿ은 구멍의 바닥에서 반사하여, 열린 구멍에서 회절하는 광과 구멍이외의 부분에서 반사하여 회절하는 광과의 간섭광 강도이고, 간섭을 일으키는 2개의 광강도를 각각 Ibⁿ, Isⁿ으로 표기한다. 또, 구멍으로 들어간 광은 감쇠하여, α배로 되어 구멍에서 사출하는 것으로 한다(α

1).

이와같은 모델에서는 열린 구멍과 구멍이외의 부분은 바비네트(babinet)의 원리에 따르는 상보적인 도형이다.

본 발명은 "2개의 상보적인 도형(백 흑의 반전된 도형)에 의한 프란호퍼(fraunhofer)영역의 회절상은 중앙의 1점(0차 회절상)을 제외한 점에서, 각각의 광강도가 같게 위상이 π만큼 엇갈려 있다"(바비네프의 원리)인 특징을 응용한 것이다.

물론, 실제에서는 구멍으로 입사되어 구멍의 바닥에서 반사하여, "구멍에서 나오려고 할때의 광의 피면은 산란되어서 구멍에 입사할 때의 광의 파면과는 동일하지 않으므로, 완전히 상보적인 도형이라고 말할 수 없으나 근사적으로 상보적인 도형이라고 생각하여도 좋다. 따라서 다음식이 성립한다.

또 구멍부와 그 이외의 면적비에서,

I^o _b와I^o _s에 대해서는 프레넬 키르호프(fresnel kirchhoff)의 식을 프레넬 근사(입사광의 파면 또는 사출광의 파면이 평면파로 간주되는 근사)에 의해 얻어진 식에 있어서, x_i→0, yi→0의 극한을 취한 다음식이 성립한다.

여기서, g(x₀,y₀),u(x_i,y_i)는 각각 열린 구멍면, 회절상면위의 점(x₀,y₀),(x_i,y_i)에 있어서의 광강도분포, j는 허수단위, k는 파수벡터(2π/λ)이다.

2중적분의 부분은 g(x,y)=1, 즉 균일한 광강도분포를 가진 열린 구멍의 면적을 나타내므로, I^o는 열린 구멍부의 면적의 제곱에 비례한다. 따라서,

이상의 (1),(2),(4)의 식에서

식 (5),(6)에서, I^o _s와 I^o _b의 간섭에 의한 광강도 I^o, Iⁿ _s과 Iⁿ _b의 간섭에 의한 광강도가 구해진다.

식 (7),(8)에서, I^o, I^s의 강도변화, 즉 콘트래스트 C^o, Cⁿ을 구하면,

으로 된다.

따라서, n차 회절광을 사용하면, 면적비에 의한 콘트래스의 감소는 없어진다. 그러나 구멍내에서의 흡수에 의한 콘트래스트의 감소는 방지할 수 없다.

본 발명의 제 2 의 실시예에서는 파장이 He-Ne 레이저보다 짧은 He-Cd 레이저를 사용하면, α가 크게되는 것을 발견하여, 콘트래스트 Cⁿ을 향상하고 있다.

n차 회절광으로써, 1차 회절광을 검출하는 경우를 생각한다. 1차 회절광의 사출각도 θ₁은 다음식에 따른다.

따라서, 모터(15)를 구동하고, 상기 θ₁로 반사하여 오는 광을 잡을 수 있는 위치에 광검출기(32)를 설정한다. 마찬가지로 n차 회절광의 사출각도 θ₁은 다음식으로 주어진다.

또 식(11)에서 명확한 바와 같이, 1

λ인 경우, 1차 회절광은 검출되지 않는다. 따라서, 패턴이 적은 경우는 조사광의 파장 λ도 이것에 따라서 적게 할 필요가 있다. He-Cd 레이저를 이용하면, 이 피치 1이 325nm까지의 미세패턴에 대해서 대응가능하게 된다.

이와 같이 하여, 검출되는 광속이 결정된다. 에칭이 개시되면, 식(8)에 따라, 제 5도에 도시한 신호가 검출된다. 이 주기신호의 1주기는 식(8)에서 파장 325nm의 1/2의 에칭이 진행된 것을 의미한다.

에칭 개시로부터 최초의 피크위치까지의 에칭량 h_o은 제1의 피크위치와 제2의 피크위치의 사이의 시간t_1-2에서 외삽하여 산출된다.

여기에 t_0-1은 제1의 피크위치까지의 시간이다. 최종 피크위치에서 현상의 에칭위치까지의 에칭량도 마찬가지의 외삽을 한다. 마라서, 조사광의 파장이 짧은 쪽이 분해능이 향상되고, 보다 높은 정밀도로 깊이의 산출이 가능하게 된다.

제6도에 실리콘의 반사율의 분광 특성을 도시한다. 파장 300nm부근에서 반사율이 커지고 있다. 따라서, 식(10)중의 α를 크게 할 수 있는 효과가 있다.

여기서는, He-Cd레이저를 이용한 예를 설명하였으나, N₂레이저(337nm), Ar례이저(l26nm)등의 단파장의 레이저를 이용하여도 가능하며, He-Cd레이저를 이용하였을 때보다 콘트래스트를 크게할 수 있다.

Claims (10)

1. 기판위에 미세구멍 또는 미세홈의 깊이를 측정하기 위한 장치에 있어서, 반도체 기판(23)위에 미세구멍 또는 미세홈을 형성하는 작업수단, 짧은 파장이 되도록 소정의 파장보다 짧은 파장을 갖는 레이저광을 발생시키는 레이저원수단(8), 상기 작업수단에 의해 형성된 적어도 하나의 구멍 또는 홈을 갖는 반도체 기판의 주면부에 상기 반도체 기판의 표면과 수직방향으로 상기 레이저원수단에 의해 발생된 짧은 파장의 레이저광을 조사하는 광학적수단, 상기 적어도 하나의 구멍 또는 홈의 바닥에 의해 반사되고 상기 적어도 하나의 구멍 또는 홈의 열린 구멍에 의해 회절된 광과 상기 적어도 하나의 구멍 또는 홈이외의 상기 반도체 기간의 주면부에 의해 반사되어 회절된 광사이의 간섭광 강도를 검출하며, 검출된 간섭광을 전기신호로 변환하는 검출기(16)을 포함하는 검출수단과 상기 전기신호의 피크사이의 시간간격에 따라서 상기 작업수단에 의해 형성된 상기 적어도 하나의 구멍 또는 홈의 깊이를 산출하는 계산수단을 포함하는 에칭 깊이 측정장치.
2. 특허청구의 범위 제1항에 있어서, 상기 레이저원수단(8)은 He-Cd레이저원에 의해 발생원 파장보다 짧은 파장을 갖는 레이저광을 발생시키는 레이저원을 포함하는 에칭 깊이 측정장치.
3. 특허청구의 범위 제2항에 있어서, 상기 레이저원(8)은 325nm의 짧은 파장을 갖는 레이저광을 발생시키는 He-Cd레이저원인 에칭 깊이 측정장치.
4. 특허청구의 범위 제2항에 있어서, 상기 레이저원(8)은 337nm의 짧은 파장을 갖는 레이저광을 발생시키는 N₂레이저원인 에칭 깊이 측정장치.
5. 특허청구의 범위 제2항에 있어서, 상기 레이저원(8)은 126nm의 짧은 파장을 갖는 레이저광을 발생시키는 Ar 레이저원인 에칭 깊이 측정장치.
6. 특허청구의 범위 제2항에 있어서, 상기 작업수단은 상기 반도체 기판위에 0.5μm보다 작은 폭을 갖는 미세구멍 또는 미세홈을 형성하는 에칭 깊이 측정장치.
7. 특허청구의 범위 제6항에 있어서, 상기 작업수단은 에칭장치로 포함하는 에칭 깊이 측정장치.
8. 특허청구의 범위 제2항에 있어서, 또 상기 계산수단에 의해 산출된 상기 적어도 하나의 구멍 또는 홈의 깊이에 따라서 상기 작업수단을 제어하는 제어수단을 포함하는 에칭 깊이 측정장치.
9. 특허청구의 범위 제2항에 있어서, 상기 검출기는 θ_n=sin^-1(

   

   ), 여기서 1은 상기 반도체 기판위에 형성된 다수의 미세구멍 또는 미세홈의 피치이고, λ는 레이저광의 파장이고, n은 양의 정수로 한정된 사출각도 θ_n을 갖고 상기 반도체 기판의 상기 주면부에서 발생하는 광을 검출하는 위치에 배치된 에칭 깊이 측정장치.
10. 특허청구의 범위 제2항에 있어서, 상기 반도체 기판은 Si물질을 포함하는 에칭 깊이 측정장치.

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