KR20050033699A - 투과전자현미경 분석용 시편의 제작 방법 - Google Patents

Abstract

관찰하고자 하는 분석 영역을 포함하고, 시편의 두께가 얇고 균일한 TEM 분석용 시편 제작 방법이 개시되어 있다. 금속 패턴 및 절연막 패턴을 포함하는 기판의 상면과 하면에 더미 웨이퍼를 각각 부착하여 예비 시편을 마련한다. 예비 시편의 상면에 금속 패턴 및 절연막 패턴을 관찰하고자 하는 분석영역의 위치를 마킹한다. FIB를 조사하여 예비 시편을 상면의 외측부에서 마킹 방향으로 식각함으로서 전자가 투과하는 두께를 갖는 중심구조물을 포함하는 TEM 분석용 시편을 형성한다. 따라서, 상술한 방법으로 형성된 TEM 분석용 시편은 분석 포인트를 포함하는 부위의 두께가 전자빔이 투과할 정도로 얇고 균일한 특성을 갖는다.

Description

투과전자현미경 분석용 시편의 제작 방법{Method for forming sample using analysis by TEM}

본 발명은 투과 전자 현미경(TEM, Transmission Electron Microscope)분석용 시편제작 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 집속 이온빔(FIB, Focus ion beam)을 사용하여 상기 TEM 분석용 시편을 제작할 시에 사용할 수 있는 시편제작 방법에 관한 것이다.

최근, 반도체 장치 및 소자재료는 고기능, 대용량 구현을 위해 급속히 고집적화, 미세화 되어감에 따라 반도체 FAB공정에서는 반도체 기판 표면에 Particle과 특정층에 보이드(Void)현상, 콘택의 낫 필(Not Fill)현상 등의 결함(Defect)이 다양하게 발생되고 있다. 이에 따라 보다 미세한 영역의 구조적, 화학적 분석을 할 수 있는 분석장비와 기술의 중요성이 증대되어지고 있다.

상기 반도체 장치의 결함을 확인하기 위한 분석 방법으로는 광학 현미경, 주사 전자 현미경(SEM, scanning Electron Microscope) 또는 투과 전자 현미경(TEM, Transmission Electron Microscopy )을 사용하는 분석방법이 있다. 여러 가지 분석방법 중에서 특히 TEM은 분석 시편을 투과한 전자들을 이용하여 영상 또는 회절 패턴을 얻어 재료의 모양뿐만 아니라 구조적인 정보까지 수득할 수 있으므로, 상기 미세한 불량을 분석하기 위한 매우 강력한 도구로서 사용되고 있어 분해기능이나 응용 면에 있어서 가장 우수한 기술중의 하나로 큰 관심을 받고 있다.

상기 TEM은 가속된 전자를 분석 시편내로 투과시켜 형성된 이미지로부터 상기 분석 시편의 정보를 수득하기 때문에 상기 분석 시편은 원하는 목적에 맞는 분석 결과를 얻기 위해서 최적의 시편을 준비해야 하며, 시편의 제조 및 분석 결과에 따라 성패가 좌우된다. 따라서, TEM에 적용되는 시편의 제조 방법이 보다 강조되고 있는 실정이다.

현재까지 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer) 등과 같은 반도체 기판 시편의 투과전자 현미경 분석을 하기 위한 시편의 제작 방법으로는 아르곤 이온 밀링법, 케미컬 연마법, 케미컬 식각법, cleavage system을 이용하는 방법, 전자 연마법 등이 있으며, 지금까지는 아르곤 이온 밀링법이 TEM시편 제조에 있어서 큰 역할을 차지해 왔다.

그러나 반도체 소자가 점차 고집적화됨과 동시에 불량이 점점 미세해지게 되었으며, 이러한 써브 마이크론 단위의 불량 분석기술과 관련하여서는 아르곤 이온 밀링법을 사용하는 경우에는 특정영역에서 정확히 TEM 시편을 얻을 수 있는 확률이 매우 작다. 이 때문에 최근에는 분석 포인트를 전자상으로 관찰하면서, 분석 포인트의 주변부를 식각하고, 시편의 두께를 조절할 수 있는 포커싱 이온빔(FIB)장치를 이용하여 TEM시편을 제작하는 실정이다.

도 1a 내지 도 1d는 종래의 FIB를 이용하는 TEM 시편제작 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1d의 분석 포인트가 형성된 막질을 나타내는 SEM 사진이다.

도 1a를 참조하면, 기판에서 TEM을 이용하여 분석하고자 하는 분석 포인트의 위치를 개략적으로 찾아내어, 상기 분석 포인트의 위치를 식별할 수 있도록 마킹(5)한다. 이어서, TEM에 구비되는 시편홀더에 장착될 수 있는 크기로 상기 기판을 절단한다. 상기 기판을 절단하여 형성된 분석용 제1예비 시편(10)에는 상기 분석 포인트가 반드시 포함되어 있어야 한다.

도 1b를 참조하면, 상기 분석 포인트를 포함하는 부위의 두께가 감소하도록 상기 제1예비 시편(10)을 폴리싱하여 제2예비 시편(10a)을 형성한다.

도 1c를 참조하면, 상기 제2예비 시편(10a)에서 분석 포인트의 상부에 해당하는 성기 제2예비 시편(10a)의 표면 부위에 보호막(12)을 형성한다. 상기 보호막(12)은 텅스텐, 탄소와 같은 물질로 형성할 수 있다.

도 1d를 참조하면, 상기 제2예비 시편(10a)에 포함되어 있는 분석 포인트를 남기면서, 상기 제2예비 시편(10a)의 전면 및 배면을 FIB를 이용하여 국부적으로 식각함으로서 분석하고자 하는 중심구조물을 포함하는 TEM 분석용 시편(20)을 완성한다. 이때 상기 중심구조물은 절연막 패턴(16) 및 금속 패턴(18)을 포함하고 있다.

그러나 상술한 방법을 수행하여 TEM 분속용 시편을 형성할 경우 상기 중심구조물은 요철 형상을 갖기 때문에 균일한 두께를 가지고 있지 않다. 이는 상기 기판에는 반도체 소자를 형성하기 위해 다양한 물질로 이루어진 패턴들이 수직방향으로 배치되어 있을 경우 동일한 전류 밀도를 갖는 FIB으로 상기 패턴들을 식각 하더라도 상기 각각의 패턴들에 따라 식각되는 속도가 다르다. 구체적으로, 상기 FIB를 사용하여 막을 식각하는 경우, 금속 패턴(18)은 절연막 패턴(16)에 비해 식각되는 속도가 상대적으로 느리기 때문이다.

이 때문에, 상기 제2예비 시편의 금속막 패턴은 절연막 패턴에 비해 식각 속도가 느려져 상기 절연막 패턴에 비해 두꺼운 두께를 갖는다.(도 2참조) 따라서, 최종의 중심구조물이 균일한 두께를 갖기 어렵기 때문에 정확한 TEM 분석 결과를 수득하기가 어려운 문제점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 분석하고자 하는 시편의 금속 패턴과 절연막 패턴의 식각 속도차를 극복하여 균일한 두께를 갖는 박막을 포함하는 TEM 분석용 시편의 제작 방법을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

분석 영역을 포함하는 기판의 상면과 하면에 더미 웨이퍼를 각각 부착하여 예비 시편을 마련하는 단계; 상기 기판의 상면과 수직되고, 상기 기판의 측면을 포함하는 상기 예비 시편의 상면에 관찰하고자 하는 분석영역의 위치를 마킹하는 단계; 및 FIB를 조사하여 상기 예비 시편의 상면의 외측부에서 중심방향으로 FIB식각함으로서 전자가 투과하는 두께를 갖고, 분석영역을 포함하는 중심구조물을 형성하는 단계를 포함한다.

상술한 TEM 분석용 시편의 제작 방법은 금속 패턴과 절연막 패턴을 포함하는 분석 막질의 식각속도 차이에 의한 손상을 최소화시킬 수 있어 균일한 두께를 갖는 분석용 중심구조물을 포함하는 TEM 분석용 시편을 형성할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.

도 3a 내지 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 TEM 분석용 시편제작 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이고, 도 4는 도 3e의 분석포인트를 포함하는 중심 구조물을 나타내는 SEM 사진이다.

도 3a를 참조하면, MIS(metal-insulator-semiconductor) 커패시터의 금속 패턴 및 절연막 패턴을 포함하는 기판(W)을 마련한 후 상기 금속 패턴 및 절연막 패턴의 불량 및 결함을 분석하기 위해 먼저 광학 현미경을 통해 분석하고자 하는 분석위치를 확인한다.

이어서, 상기 금속 패턴(80) 및 절연막 패턴(90)이 포함되도록 상기 기판을 소정의 크기로 절단한 후, 상기 절단된 기판의 하면을 폴리싱하여 가로 3mm×세로 2mm 크기를 갖고 약 0.6mm의 두께를 갖는 기판 조각(100)을 형성한다. 상기 기판은 초음파 절단기(ultrasonic cutter) 또는 다이아몬드 절단기(diamond cutter)를 사용하여 절단할 수 있고, 폴리싱은 예컨대 트리포드(Tripod) 연마기를 사용하여 수행할 수 있다.

절단 및 폴리싱 공정이 수행되어 형성된 기판 조각(100)의 크기는 절단기를 사용할 경우 상기 기판의 분석영역을 손상시키지 않으면서 상기 절단된 기판 조각(100)을 형성할 수 있는 최소한의 크기이다. 상기 금속 패턴(80) 및 절연막 패턴(90)은 상기 기판의 상면과 수직한 상태를 갖도록 배치되어 있다. 상기 폴리싱은 기판의 하면을 빠르게 식각하는 식각 공정이기 때문에 상기 기판 조각은 하면의 표면은 거칠게 형성된다.

여기서, 기판의 상면은 분석위치를 확인한 면이고, 하면은 상기 상면과 마주보는 면이다.

도 3b 및 도 3c를 참조하면, 금속 패턴(80) 및 절연막 패턴(90)의 결함을 관찰할 수 있는 분석 영역을 포함하는 기판 조각(100)의 상면과 하면 각각에 2장의 더미 웨이퍼(110a,110b)를 부착하여 가로 3mm×세로 3mm 크기를 갖고 약 2mm의 두께를 갖는 제1예비 시편(120)을 형성한다.

이어서, 상기 제1 예비시편(120)의 상면을 제외한 상기 제1예비 시편의 하면 및 2개의 측면을 각각 그라인딩(Grinding)하여 관찰하고자 하는 분석영역이 중심부에 위치하며, 가로 3mm×세로 40㎛의 크기를 갖고 약 1mm의 두께를 갖는 제2예비 시편(130)을 형성한다.

여기서, 제1 예비시편(130)의 상면은 상기 기판 조각(100)의 측면을 포함하는 면이고, 제1 예비시편(130)의 하면은 상기 제1 예비시편의 상면과 마주보는 면이다. 제1 예비시편의 4개의 측면은 상기 제1 예비시편의 상면과 수직되는 면이다.

제2 예비시편(130)에서, 상기 상면과 하면에 각각 수직되며 서로 마주보는 측면의 간격(P)이 작을수록 후속 공정에서 FIB에 의해 식각하여야 할 두께가 감소되어 시편제작에 소요되는 시간이 감소된다. 그러나 상기 그라인딩되어 형성된 제2 예비시편(130)에서 상기 전면 및 배면간의 간격(P)이 지나치게 작으면 작업자에 의해 제 2예비시편의 취급이 용이하지 않다.

그리고, 상기 그라인딩 방법에 의해 상기 제2 예비시편(130) 내에 포함된 분석영역을 손상하지 않으면서 서로 마주보는 측면의 간격(P)을 감소시키는데는 한계가 있다. 이 때문에, 제2예비 시편(130)의 파손 및 분석 포인트의 손상 등을 방지하려면, 상기 제시된 간격을 갖는 것이 바람직하다.

이어서, 제2예비 시편(130)의 기판 조각에 포함된 MIS(Metal Insulator Semiconductor) 커패시터의 금속 패턴(80a) 및 절연막 패턴(90a)을 전자상으로 관찰하여 분석하고자 하는 분석영역의 정확한 위치를 나타내는 마킹(145)을 상기 제2예비 시편의 상면에 형성한다.

도 3d를 참조하면, 상기 제2예비 시편(130)의 상면(A)에 금속 패턴(80a) 및 절연막 패턴(90a)을 포함하는 분석영역 상에 보호막(150)을 증착한다. 상기 보호막(150)은 FIB 이용하여 TEM 분석용 시편의 특정 영역을 관찰하거나 이후 마이크로 식각(micro milling)할 경우, 상기 FIB에 의한 TEM 분석용 시편 표면에 발생할 수 있는 데미지(damage)를 최소화 해주는 역할을 한다. 상기 보호막(150)은 텅스텐(W)막, 백금(Pt)막, 탄소(C)막 및 알루미늄(Al)막 등을 사용할 수 있다.

도 3e를 참조하면, 상기 2예비 시편(130)의 상면의 외각에서 상기 보호막이 형성된 분석영역의 중심 방향으로 FIB을 조사하여 전자가 투과하는 두께를 갖고, 금속 패턴(80a) 및 절연막 패턴(90a)을 포함하는 중심구조물을 갖는 TEM 분석용 시편을 형성한다.

구체적으로, 상기 제2예비 시편(130)을 FIB 장치의 시편홀더에 장착하고, 상기 제2예비 시편(130)의 상부면으로 FIB를 주사하여 분석 영역에서 가장 멀리 떨어진 제2예비 시편(130)의 상면의 주변부로부터 상기 분석영역의 중심 방향으로 제2예비 시편(130)의 전면 및 배면을 국부적으로 빠르게 식각(coarse milling)한다. 상기 빠른 식각은 FIB의 전류밀도를 2800 내지 2400pa로 설정하여 분석영역이 포함된 제2 예비시편(130)의 상면을 외측부를 빠르게 식각하는데 있다.

이어서 상기 제2예비 시편(130)의 전면과 배면이 상기 빠른 식각에 의해 어느 정도 식각되면, FIB의 전류밀도를 1100 내지 800pa(pico ampere)로 설정하여 상기 빠른 식각공정이 수행된 전면과 배면을 상기 빠른 식각보다 느리게 식각한다.

이후에, 상기 제2예비 시편(130)의 전면과 후면이 느린 식각에 의해 어느 정도 식각되면, FIB의 전류밀도를 300 내지 100pa(pico ampere)로 설정하여 제2 예비 시편의 전면과 배면을 미세 식각(fine milling)함으로서 금속 패턴 및 절연막 패턴을 포함하는 중심구조물(160) 두께가 70 내지 100nm인 TEM 분석용 시편(200)을 형성하였다.

상기 FIB를 사용하여 금속 패턴(80a)과 절연막 패턴(90a)을 동시에 식각할 경우 상기 금속 패턴의 식각 속도는 절연막 패턴이 식각되는 속도보다 상대적으로 느리다. 하지만, 상기 공정을 수행하여 TEM 분석용 시편(200)을 형성할 경우, 금속 패턴과 절연막 패턴이 이온빔의 식각방향과 수직한 방향으로 적층되어 있는 구조를 각기 때문에 식각 속도에 관계없이 금속 패턴, 절연막 패턴을 순차적으로 식각할 수 있다. 이 때문에, 도 4에 도시된 바와 같이 요철 구조를 갖지 않고, 균일한 두께를 갖는 절연막 패턴과 금속 패턴이 적층된 구조를 갖는 중심구조물(160)을 형성할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 분석하고자 하는 시편의 금속 패턴과 절연막 패턴의 식각 속도차를 극복하여 균일한 두께를 갖는 박막을 포함하는 TEM 분석용 시편의 제작 방법을 제공하는데 있다. 즉, 분석 하고자 하는 영역의 중심구조물이 요철 형상을 갖지 않고, 전자빔이 투과할 정도로 얇고 균일한 두께를 갖는 TEM 분석용 시편을 보다 용이하게 형성할 수 있는 특성을 가지고 있다. 이 때문에, 상기 TEM 분석용 시편을 사용하면, TEM 장비에서 더욱 정확하게 상기 TEM 분석 시편의 결점 및 문제점을 분석할 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.

도 1a 내지 도 1d는 종래의 FIB를 이용하는 TEM 분석용 시편의 제작 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.

도 2는 도 1e의 분석 포인트를 포함하는 중심 구조물의 결함을 나타내는 SEM 사진이다.

도 3a 내지 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 TEM 분석용 시편제작 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.

도 4는 도 3e의 분석포인트를 포함하는 중심 구조물을 나타내는 SEM 사진이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

80 : 금속 패턴 90 : 절연막 패턴

100 : 기판 조각 110a,b : 더미 웨이퍼

120 : 제1예비 시편 130 : 제2예비 시편

145 : 마킹 150 : 보호막

160 : 중심구조물 200 : TEM 분석용 시편

Claims (7)

1. (a) 분석 영역을 포함하는 기판의 상면과 하면에 더미 웨이퍼를 각각 부착하여 예비 시편을 마련하는 단계;

   (b) 상기 기판의 상면과 수직되고, 상기 기판의 측면을 포함하는 상기 예비 시편의 상면에 관찰하고자 하는 분석영역의 위치를 마킹하는 단계; 및

   (c) FIB를 조사하여 상기 예비 시편의 상면 외측부에서 중심방향으로 FIB식각함으로서, 전자가 투과하는 두께를 갖고 분석영역을 포함하는 중심구조물을 형성하는 단계를 포함하는 TEM 분석용 시편의 제작 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 기판은 MIS(Metal Insulator Semiconductor) 커패시터의 금속 패턴 및 절연막 패턴을 포함하는 기판 조각인 것을 특징으로 하는 TEM 분석용 시편의 제작 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 중심구조물은 상기 예비 시편의 상면과 평행한 방향으로 적층된 금속 패턴 및 절연막 패턴들을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 TEM 분석용 시편의 제작 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 더미 웨이퍼는 복수개가 중첩된 더미 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 TEM 분석용 시편 제작 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 (a) 또는 (b) 단계 이후, 상기 예비시편이 소정의 크기를 갖도록, 상기 예비시편의 상면과 수직되는 양쪽 측면을 그라인딩하는 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 TEM 분석용 시편제작 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 (b) 단계 이후, 상기 예비 시편의 FIB를 이용한 식각공정시 상기 분석영역의 금속 패턴 및 절연막 패턴의 손상을 방지하기 위한 보호막을 더 형성하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 TEM 분석용 시편의 제작 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 FIB 식각은 상기 예비시편의 상면에 집속되는 FIB의 전류 밀도를 조절하여, 상기 예비시편의 분석영역에 근접할수록 상기 예비 시편의 식각 속도가 느려지도록 식각 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 TEM 분석용 시편의 제작 방법.