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KR100323946B1 - 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 도핑농도 및 미세구멍 측정방법 및 장치 - Google Patents

광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 도핑농도 및 미세구멍 측정방법 및 장치 Download PDF

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KR100323946B1
KR100323946B1 KR1019990020158A KR19990020158A KR100323946B1 KR 100323946 B1 KR100323946 B1 KR 100323946B1 KR 1019990020158 A KR1019990020158 A KR 1019990020158A KR 19990020158 A KR19990020158 A KR 19990020158A KR 100323946 B1 KR100323946 B1 KR 100323946B1
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South Korea
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optical fiber
measuring
fiber probe
semiconductor
electrons
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김진태
김완섭
정성곤
허남회
박용기
Original Assignee
정명세
한국표준과학연구원
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Abstract

본 발명은 초집적 반도체 제작공정에서 발생할 수 있는 불 균일한 도핑이나 절연 층의 미세한 구멍(pin hole)을 높은 분해능으로 소자 제작 중에 검사할 수 있는 반도체 표면의 도핑농도 및 미세한 구멍 측정방법과 그 장치에 관한 것이다
본 발명에서는 작은 크기의 빛 도파관(aperture)을 갖는 광섬유 탐침을 통하여 조사된 자외선 영역의 빛에 의해 시료 표면에서 전자들이 여기되어 튀어나오게 하며, 이러한 여기된 전자에 의해서 생성될 수 있는 미세한 전류를 초전도 양자 간섭 소자를 이용하여 자기장으로 측정하는 방법 및 장치를 제공한다. 이런 측정 방법 및 장치에 의하면, 손쉽고 비교적 빠른 시간에 시료의 결함(도핑농도의 불균일 또는 미세구멍) 측정이 이루어지므로 반도체 제조 공정 단계에서 도핑농도와 절연 층의 미세한 구멍을 직접 검사하여 초집적 반도체 소자의 불량여부를 초기에 알아낼 수 있게 한다.

Description

광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 도핑농도 및 미세구멍 측정방법 및 장치{Method and apparatus of detecting doping concentration and pin-holes on the surface of semiconductor by optical fiber prove and SQUID}
본 발명은 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 도핑농도 및 미세구성 측정방법에 관한 것으로서, 특히 반도체의 불 균일한 도핑여부나 제작 공정에서 자주 발생하는 절연층의 미세구멍과 같은 결함을 고감도로 빠른 시간 내에 검사할 수 있는 측정방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자 제작에서 가장 어렵고 중요한 기술 가운데 하나는 도핑을 균일하게 할 수 있는 가에 있고, 그 도핑의 균일성을 검사하여 불량 반도체를 초기에 검출하는데 있다.
현재 반도체 도핑 검사에 주로 사용되고 있는 방법으로는 전도도, 포토-루미네센스(photo-luminescence), 축전용량(capacitance) 등을 측정함으로써, 도핑농도를 검사하는 방법들이 사용되고 있다.
전도도 측정방법은 공간 분해능이 떨어지며, 반도체의 표면을 손상시킬 수 있다. 포토-루미네센스 측정방법은 도핑 농도에 대한 공간 분해능은 상기 전도도 측정 방법보다 좋으나, 도핑 농도의 측정에 있어서 정확도가 떨어진다. 축전용량 측정방법은 수은 방울을 반도체 표면에 접촉시키는 고난도의 기술이 필요하고, 긴 측정시간 때문에 측정 면적의 한계를 가진다. 또한, 측정하고자 하는 반도체 시료의 표면에 절연층이 있는 경우에는 도핑 농도의 측정이 불가능하다. 그리고 이런전도도 측정방법과 축전용량 측정방법으로는 열에너지에 의해 영향을 받지 않는 깊은 도핑 에너지 상태에 있는 전하를 측정할 수 없다. 그러므로 도핑 농도의 절대값을 측정하지 못하는 단점이 있다.
또한 이런 기존의 측정 방법들은 기술적 난이도나 반도체 표면에 손상을 주는 것, 넓은 면적의 반도체 표면을 측정할 수 없다는 문제, 그리고 긴 측정 시간의 문제 등으로 인하여 집적 반도체 제작 공정에 적용될 수 없다.
따라서 종래의 반도체 제작 공정에서는 한 배취(Batch)에서 반도체 기판을 임의로 추출해서 도핑 농도를 측정하고, 그 도핑 농도가 원하는 범위가 있다면, 다른 제품의 도핑 농도는 측정하지 않고 그대로 제작 공정에 투입한다. 이로 인해, 제작된 반도체 소자가 균일하지 않은 도핑 농도에 의해 불량품으로 만들어지는 경우가 종종 있다.
요즈음 초집적 기가 디램(Giga DRAM)의 반도체 소자를 만드는데 필요한 면적은 ㎛2정도이기 때문에 균일한 도핑 농도가 더욱 절실히 요구된다. 그러나 기존의 도핑 농도 측정방법으로는 마이크론 크기(micron size)의 공간 분해능을 가지고 수 % 미만의 작은 도핑 농도의 변화를 비접촉, 비파괴적으로 측정하기 어렵다.
또한 반도체 소자의 제작 공정에서 실제로 많은 불량품을 만드는 또 하나의 원인이 되는 것이 미세구멍을 통한 전류 누수 현상이다.
초집적 반도체 소자 제작 공정에서는 금속 전극을 만들 목적으로 직경 0.1㎛, 높이 1㎛의 미세한 구멍을 의도적으로 절연층에 제작하기도 한다. 하지만 절연박막에 이러한 미세구멍이 원하지 않게 생길 수도 있다. 이와 같이 원하지 않게 생기는 미세구멍은 전류 누수 현상을 일으켜 불량 소자의 원인이 되는 요소 가운데 하나이기 때문에, 이러한 미세구멍에 대한 측정 기술은 초집적 반도체 소자의 제작을 위해서는 필수적인 요소이다.
하지만 기존의 측정 장비 가운데 전자 주사 현미경(SEM)으로는 이러한 미세구멍의 크기 정도를 파악할 수 있을 뿐이며, 실제로 그 구멍이 절연층을 관통해 있는지 혹은 뚫린 구멍 밑의 반도체 표면이 깨끗한 지를 관측할 수 없었다.
그리고, 주사 투과 현미경(STM)으로는 절연층이 얇은 박막일 경우에 미세구멍이 관찰될 수 있지만, 초집적 반도체 소자의 경우처럼 절연층이 1㎛ 정도되는 두께에서는 관측이 불가능하였다.
이미 서술한 바와 같이 기존의 미세 구조 측정 방법들을 초고진공, 대상 시료의 전도성, 접촉 방식에 의한 시료의 손상, 그리고 오랜 측정 시간으로 인한 검사 면적의 한계 등으로 인하여, 제작 공정 상의 반도체 소자는 그 미세구멍의 존재 여부를 모두 검사할 수는 없다.
더욱이 초집적 반도체 소자 제작 기술에서 핵심이 되는 금속 전극을 제작하기 위한 미세구멍 밑의 반도체 표면이 깨끗한지 절연층으로 막혀 있는 지의 여부를 측정할 수 있는 방법이 없다.
따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명은 광섬유 탐침을 이용한 광학적인 방법과 초전도 양자 간섭 소자를 접목하여 비접촉, 비파괴적이면서, 손쉽게 빠른 시간 내에 반도체 표면의 도핑 농도를 측정하고, 절연층의 미세구멍이나 여타의 다른 결함들을 검사할 수 있는 반도체 표면의 도핑농도 및 미세구멍 측정방법과 그 장치를 제공하는 데에 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에서는, 특정 파장의 광원을 광학렌즈를 통해 광섬유로 집속시키고, 상기 광섬유를 도파한 집속 광원을 반도체 시료에 조사하는 과정; 상기 조사된 광원에 의해 반도체 시료에서 여기되어 나온 전자들을 전압 인가된 특정 전극으로 집속시켜, 상기 전자들이 도선을 따라 움직이게 하는 과정; 상기 전자들의 움직임에 따라 생성되는 전류를 자기장으로 변환하여 측정하는 과정; 상기 측정된 자기장으로부터 반도체 시료의 도핑농도를 산출하거나 미세구멍 유/무를 판단하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 도핑농도 및 미세구멍 측정방법을 제공한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시 예에서는, 특정 파장의 광원을 광섬유로 집속시켜 반도체 시료에 조사하는 광 집속 및 조사수단; 상기 조사된 광원에 의해 반도체 시료로부터 여기되어 나온 전자들을 특정 전극으로 집속시켜, 상기 전자들이 도선을 따라 움직이게 하여 전류를 생성하는 여기전자 집속 및 전류 생성수단; 상기 전자들에 의해 생성되는 전류를 자기장으로 변환하여 측정하는 전류 측정수단; 상기 측정된 자기장으로부터 반도체 시료 내의 도핑농도를 산출하거나 또는 미세구멍 유/무를 판단하는 도핑농도 산출 및 미세구멍 유/무 판단수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 도핑농도 및 미세구멍 측정장치를 제공한다.
상기 본 발명의 각 실시 예에서는, 자외선 파장 영역의 빛을 광섬유 탐침을 통해 반도체 시료에 조사하고, 상기 광섬유 탐침에 형성한 전극에 전압을 인가하여, 상기 반도체 시료에서 여기되어 나온 전자들을 집속시키는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 본 발명의 각 실시 예에서는, 상기 특정 전극에 집속된 전자들을 자기장 측정센서를 사용하여 측정하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 도핑농도 측정방법을 설명하기 위한 흐름도
도 2는 본 발명의 미세구멍 측정방법을 설명하기 위한 흐름도
도 3은 본 발명 장치의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 개념도
도 4는 도 3의 금속 코팅된 광섬유 탐침을 통해 조사된 빛에 의해 반도체 시료의 도핑농도를 측정하는 것을 도시한 모식도
도 5는 도 3의 반도체 시료의 절연 층에 형성된 미세구멍을 광섬유 탐침을 이용해서 측정하는 것을 도시한 모식도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 자외선 광원 31 : 광 집속기
32 : 광섬유 33 : 광섬유 탐침 전극
40 : 반도체 시료 41 : 미세구멍(pin-hole)
42 : 절연층 50 : 전압 공급원
51 : 도선 60 : 초전도 양자 간섭 소자
70 : 콘트롤러 80 : 컴퓨터(PC)
이하에서, 본 발명에 따른 도핑농도 및 미세구멍 측정방법 및 장치에 대한 각 실시 예를 첨부된 도면(반도체 시료를 사용하는 경우를 예로 든 도면)을 참고로 하여, 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명 방법의 한 실시 예로서, 반도체 표면의 도핑농도 측정방법을 설명하기 위하여 도시한 흐름도이다.
도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 한 실시방법은, 반도체 시료의 전도대의 도핑준위에 있는 전자들을 여기시켜 튀어나올 수 있을 만큼 충분한 에너지를 갖는 광원을 광섬유로 집속시켜 반도체 시료에 조사하는 과정(S11)과; 상기 과정에서 조사된 광에 의해 반도체 시료에서 여기되어 나오는 전자들을 특정 전극으로 모으기 위해 전압을 인가하는 과정(S12)과; 상기 과정에서 전압이 인가된 전극으로 상기 전자들을 집속시키는 과정(S13)과; 상기 집속된 전자들이 도선을 따라 움직이게 하여 전류를 생성하는 과정(S14)과; 상기 전자들의 움직임에 의해 생성되는 전류를 자기장으로 변환하여 측정하는 과정(S15)과; 상기 측정된 자기장으로부터 전류량을 계산하고, 그 전류량으로부터 반도체 시료의 도핑농도를 산출하는 과정(S16, S17)을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명 방법의 다른 실시 예로서, 반도체 표면의 미세구멍 측정방법을 설명하기 위하여 도시한 흐름도이다.
도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시방법은, 반도체 시료의 전도대의 도핑준위에 있는 전자들을 여기시켜 튀어나올 수 있을 만큼 충분한 에너지를 갖는 광원을 광섬유로 집속시켜 반도체 시료의 절연층에 조사하는 과정(S21)과; 상기 과정에서 조사된 광에 의해 반도체 시료에서 여기되어 나오는 전자들을 특정 전극으로 모으기 위하여 전압을 인가하는 과정(S22)과; 상기 전압이 인가된 전극으로 전자들을 집속시키는 과정(S23)과; 상기 모아진 전자들이 도선을 따라 움직이게 하여 전류를 생성하는 과정(S24)과; 상기 전자들의 움직임에 따라 생성되는 전류를 자기장으로 변환하여 측정하는 과정(S25)과; 상기 측정된 자기장으로부터 전류량을 산출하여 전류 유/무를 검출하고, 그 전류 유/무 검출결과로 상기 반도체 시료의 절연층에 형성된 미세구멍 유/무 또는 미세 구멍 밑의 반도체 표면이 깨끗한 지의 여부를 판단하는 과정(S26, S27)을 포함할 수 있다.
상기 본 발명 방법의 각 실시 예에서, 반도체 시료에 조사되는 빛은, 상기 반도체 시료의 전도대의 도핑 준위에 있는 전자들을 여기시킬 수 있을 만큼의 충분한 에너지를 갖는 자외선 파장 영역의 것을 사용함이 바람직하며, 또한 상기 빛 전달매체인 광섬유는 빛이 나가는 쪽의 끝단을 당김(pulling)과 식각(etching)에 의해 테이퍼 처리하여 뾰족하게 만든 광섬유 탐침을 통해 조사되도록 함으로써, 반도체 시료와 직접 접촉되지 않은 상태에서, 반도체 시료의 국부적인 영역, 특히 절연층에 형성된 미세한 구멍과 같이 아주 좁은 영역을 비출 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반도체 시료의 표면에서 튀어나온 전자들에 의해 생성되는 미세한 전류 측정과정에서는, 고온 초전도 양자 간섭 소자(SQUID)를 사용하여 자기장으로 측정하고, 상기 측정된 자기장으로부터 전류량을 환산할 수 있다.
그리고, 본 발명 방법의 각 실시 예에서 사용 가능한 검사 대상 시료는 반드시 반도체 특성을 갖는 시료만으로 한정되는 것은 아니며, 특정한 빛(자외선이 아니어도 무방함)을 시료에 조사하여 시료내의 전자들이 여기될 수 있는 시료이면 사용가능함은 물론이다.
도 3은 본 발명 장치의 일 실시예 구성을 개략적으로 구현한 개념도로서, 이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명 장치는 특정 파장의 광원(10)을 광섬유로 집속시켜 반도체 시료(40), 또는 상기 반도체 시료의 절연층(42)에 형성된 미세구멍(41)에 조사하는 광 집속 및 조사수단과; 상기 집속 광원 조사에 의해 반도체 시료로부터 여기되어 나온 전자들을 특정 전극으로 집속시키고, 상기 전극에 집속된 전자들이 그에 연결된 폐회로의 도선을 따라 움직이게 하여 전류를 생성하는 여기전자 집속 및 전류 생성수단과; 상기 여기전자들에 의해 생성되는 전류를 자기장으로 변환하여 측정하는 전류 측정수단과; 상기 측정된 전류량으로부터 반도체 시료 내의 도핑농도를 산출하거나 또는 미세구멍 유/무를 판단하기 위하여 상기전류 측정수단에 연결된 콘트롤러(70) 및 상기 콘트롤러와 연결된 컴퓨터(80)를 포함하여 구성할 수 있다.
상기 본 발명 장치에서, 상기 광 집속 및 조사수단은, 빛을 전달하기 위한 광섬유(32)와; 광학 렌즈를 통해 상기 광섬유로 빛을 집속시키는 광집속기(31)와; 상기 집속된 빛이 도파되어 나오는 광섬유의 한 끝단을 당김(pulling)과 식각(etching)에 의해 테이퍼 처리하여 소정 크기(예를 들어 수십 nm)의 구경(口徑)을 갖도록 형성한 광섬유 탐침(도면상에는 도시되지 않음)을 포함한다. 이때 상기 광원(10)은 반도체 시료의 전도대의 도핑준위에 있는 전자들을 여기시키기에 충분한 에너지를 갖는 자외선 파장 영역의 빛을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 여기전자 집속 및 전류 생성수단은, 상기 광섬유 탐침의 개구 부분을 제외한 나머지 부분을 금속으로 코팅하여 형성한 광섬유 탐침 전극(33)과; 상기 광섬유 탐침 전극(33)과 반도체 시료(40)에 각각 도선(51)을 연결하여 폐회로를 형성하고, 상기 도선을 통해 전압을 인가하기 위한 전압 공급원(50)을 포함한다.
상기 전류 측정수단은, 상기 광섬유 탐침 전극(33)과 전압 공급원(50) 사이에 연결한 자기장 측정센서인 고온 초전도 양자 간섭 소자(SQUID; 60)로 이루어져, 상기 여기전자들이 도선을 따라 움직이는 것에 의해 생성되는 미세전류를 자기장으로 검출할 수 있도록 구성한다.
이상과 같은 구성을 참고로 하여 본 발명의 동작 및 그에 따른 작용효과를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 광원(10)으로는 반도체의 전도 대역(conduction band)의 도핑 준위에있는 전자들을 여기시켜 공기 중으로 튀어나오도록 하기 위한 충분한 에너지를 가지고 있는 빛이어야 되기 때문에, 자외선 파장의 빛을 광원(10)으로 사용하며, 그 자외선을 광학렌즈를 이용한 광집속기(31)를 통하여 광섬유(32)로 집속한다.
상기 집속된 빛이 도파되어 나오는 광섬유(32)의 한 끝단은 광섬유 당김(pulling)과 식각(etching) 방법을 이용하여, 탐침 끝 도파관(aperture)의 크기가 50nm 정도인 광섬유 탐침(광섬유 탐침 전극으로 코팅된 내부)으로 만들어져 좁은 영역에 빛을 조사할 수 있도록 되어 있으므로, 이렇게 광섬유로 유도된 빛은 반도체 시료(40)와 매우 가까운 거리에서 주사되며, 따라서 반도체 시료의 국부적인 영역(직경 : 수십 nm)을 비추게 된다.
그리고, 상기 광섬유 탐침은 빛이 나오는 부분(도파관의 개구부)을 제외한 부분이 금속으로 코팅되어 전극(33)을 형성하고 있다.
따라서, 이렇게 빛에 의해 여기되어 나온 전자들을 측정하기 위해서는 반도체 시료(40)와 금속으로 코팅된 광섬유 탐침 전극(33)에 폐회로를 형성할 수 있는 도선(51)을 연결하고, 상기 도선을 통해 전압 공급원(50)으로부터 광섬유 탐침 전극(33)에는 소정의 (+) 전압을, 반도체 시료(40)에는 소정의 (-) 전압을 각각 인가한다.
그러면 빛에 의해 여기되어 나온 전자들은 두 전극(광섬유 탐침 전극과 반도체 시료 전극)에 인가된 전압 차에 의해 광섬유 탐침 전극(33)으로 집속되어, 그에 연결된 도선(51)을 따라서 움직이게 되며, 그러한 전자들의 움직임은 바로 도선 상을 흐르는 전류량을 결정하게 된다. 그런데, 상기 전류량은 수 펨토 암페어 정도로아주 미약하며, 이런 미약한 전류는 기존의 전류 측정 장치로는 측정이 어렵다.
따라서 이러한 미세전류를 자화율이 큰 물질을 이용한 코일을 이용하여, 수 나노 테슬라(10-9T)의 자기장으로 변환하고, 이렇게 변환된 자기장을 고온 초전도 양자 간섭 소자(SQUID; 60)로 측정한다.
이러한 미세 자기장은 초전도 양자 간섭 소자(SQUID)에 의해서만 가능하며, 기존의 다른 자기장 측정센서로는 측정이 어렵다. 상기 초전도 양자 간섭 소자는 인류가 만들어낸 가장 고감도의 자기장 측정센서로서, 수 펨토 테슬라(10-15T)의 아주 작은 자기 신호를 측정할 수 있도록 만들어져 있다.
이런 초전도 양자 간섭 소자를 이용하여 자기장으로 변환된 도선에 흐르는 미약한 전류를 정확하게 측정할 수 있고, 이 전류량으로부터 반도체 시료의 도핑 농도를 알아낼 수 있게 된다. 여기서 상기 전류량으로부터 반도체 시료의 도핑 농도를 산출하는 방법으로는, 예를 들어 이미 도핑농도를 알고 있는 임의의 표준 시료를 설정하여 그 표준시료에 상기와 동일한 방법으로 빛을 조사하여 전자들을 여기시키고 그 여기된 전자들을 광섬유 탐침 전극으로 집속시켜 도선을 따라 움직이게 한 후 코일에 발생되는 자기장을 측정해냄으로써, 이미 알고 있는 상기 표준시료의 도핑농도와 상기 측정된 표준시료의 자기장 측정치로부터 상기 표준시료가 갖는 도핑농도와 자기장 측정치와의 관계를 산출할 수 있게 되며, 따라서 표준시료의 도핑농도와 자기장 측정치와의 관계를 이용하여 상기 검사대상 시료의 자기장 측정치로부터 상기 검사대상 시료의 도핑농도를 산출해낼 수 있게 된다.
그리고 광섬유 탐침과 반도체 시료의 거리는, 근접장 광학 현미경(NSOM)의 거리 유지 방법을 이용하여 수십 nm 정도로 유지되며, 평면 이동 장치(XY scanning stage; 도면에서는 도시되지 않음)를 이용하여 넓은 표면을 탐사할 수 있다. 상기 근접장 광학 현미경은 검사 시료 표면의 진행하지 않는 파(evanescent wave)를 검출하여 분석하는 장치로서, 검사 시료의 근접 거리에 존재하는 근거리력(shear force)의 세기를 측정하여 반도체 시료와 광섬유 탐침과의 거리를 일정하게 유지시킬 수 있다.
상기한 방법으로 설명된 본 발명은 수십 nm정도의 공간 분해능으로 미세구멍을 관측할 수 있으며, 99.9% 이상의 정확도로 도핑 농도를 측정할 수 있다.
도 4는 본 발명을 이용하여 반도체 소자의 도핑농도를 측정하는 것을 상세하게 도시한 모식도이다.
이에 의하면, 광섬유 탐침을 통해 조사된 자외선 파장 영역의 빛(10)이 반도체 시료(40)의 도핑준위에 있는 전자를 여기시키는 것을 볼 수 있고, 이렇게 여기된 전자는 반도체 시료(40)와 광섬유 탐침 전극(33)에 인가된 전압에 의해, 상기 광섬유 탐침 전극(33)으로 집속되어 도선(51)을 따라 움직이게 되고, 그 결과로 도선 상에 전류를 흐르게 하는 것을 알 수 있다. 따라서 이러한 전류량을 측정함으로써, 반도체 시료의 도핑농도를 알아낼 수 있게 된다. 또한 광섬유 탐침을 통해 충분한 양의 빛을 반도체 시료에 조사하면 도핑준위에 있는 모든 전자가 여기되고 도핑농도의 절대량을 측정할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서는 빛을 광섬유 탐침을 통하여 조사하므로 공간 분해능을 수십 nm로 높일 수 있으며, 상온에서의 열적 에너지가 도핑 준위에 비해 매우 작은 경우에도 빛에 의해 도핑 준위의 모든 전하를 이온화시킬 수 있으므로, 기존의 전도도 측정방법이나 정전 용량 측정 방법에 비해 더욱 정확하게 도핑 농도를 측정할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 반도체 시료의 도핑농도를 신속하게 측정할 수 있으므로, 모든 반도체 소자 제작 공정에서 도핑 농도를 측정하여, 반도체 소자의 불량 여부를 초기에 알아낼 수 있다.
도 5는 본 발명을 이용하여, 반도체 제작 공정에서 생길 수 있는 미세구멍을측정하는 것을 상세하게 도시한 모식도이다.
이에 의하면, 광섬유 탐침을 도파한 빛은 반도체 시료(40)의 절연층(42)을 투과하여 미세구멍(41)의 주변에서 전자들을 여기시키는 것을 볼 수 있다. 이 전자들은 미세구멍(41)이 막혔을 경우 절연층(42)을 투과하지 못하게 되고, 반대로 미세구멍(41)이 형성되어 있는 경우 미세구멍 주변의 전자들은 두 전극의 전압차에 의해서 미세구멍(41)을 통과하여 (+)극인 광섬유 탐침 전극(33)으로 집속되고, 따라서 상기 전극과 도선과 전압 공급원이 이루는 폐회로 상에 미세한 전류를 형성하게 된다.
이러한 원리에 의해, 도선 상의 전류 형성 유/무로부터 미세구멍의 유/무 또는 미세구멍 밑의 반도체 표면이 깨끗한지 혹은 절연층으로 막혀있는지의 여부를 측정할 수 있게 된다.
상기 도 5에서 보는 바와 같이 본 발명은 광섬유 탐침을 이용하여 수십 nm의 공간 분해능으로 미세구멍 밑의 반도체 표면이 깨끗한지에 대한 정확한 관측을 수행하므로, 실제 반도체 소자 제작 공정에서 비접촉방식으로, 비파괴적으로 반도체 시료의 도핑농도 및 미세구멍을 측정할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명은 광섬유 탐침을 이용한 수십 nm의 공간 분해능으로, 전자 검출을 통한 반도체 미세구멍의 정확한 관측, 99.9% 이상의 도핑 농도 분해능을 가지며, 광학적인 비접촉, 비파괴적인 측정 방식을 채택함으로써 대상 시료에 손상을 주지 않는다.
그리고 평면 이동장치를 이용하여 반도체 표면 전체에 대한 도핑 농도와 미세구멍의 존재 여부를 반도체 소자 제작 과정 중에 쉽게 검사할 수 있게 된다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 반도체 소자 제작과정 중에 반도체 표면을 주사하면서 빠르고 손쉽게 수십 nm의 높은 공간 분해능으로 99.9% 이상의 정확도로 반도체 도핑농도를 측정할 수 있으며, 반도체 표면에 절연 박막층을 증착하는 과정에서 원하지 않게 발생될 수 있는 미세구멍의 존재여부를 측정할 수 있다. 또한 초집적 반도체 소자 제작에서 금속 전극을 위해 의도적으로 형성되는 미세구멍 밑의 반도체 표면이 깨끗한지를 비접촉, 비파괴적 방식으로 측정할 수 있다.
따라서 본 발명은 초집적 반도체 소자 생산라인에서 발생하는 불량품 소자 생산을 미연에 방지할 수 있어, 제작 능률 및 가격 경쟁력을 크게 향상시킬 수 있는 이점이 있으며, 반도체 산업 이외의 다른 여러 고순도 물질의 소자 제작에도 사용될 수 있어서, 새로운 과학 기술의 한 분야를 창출해낼 수 있는 이점이 기대된다.

Claims (25)

  1. 특정 파장의 광원을 광학렌즈를 통해 광섬유로 집속시켜 도파하고, 상기 광섬유를 도파한 집속 광원을 검사 대상 시료에 조사하여 시료 내의 전자들을 여기시킨 후 광섬유 탐침 전극에 정(+)전압을 인가하여 상기 집속 광원 조사에 의해 여기된 전자들을 상기 전극으로 집속시키는 여기전자 집속과정;
    상기 광섬유 탐침 전극 및 검사대상 시료에 도선을 연결하여 상기 집속된 여기전자들을 도선을 따라 움직이게 하고, 상기 도선 상에 코일을 연결하여 코일에 발생되는 자기장을 측정하는 여기전자 측정과정;
    상기 여기전자들로부터 측정된 자기장 값을 이용하여 상기 검사 시료내의 결함 존재여부를 판단하는 결함 판단과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 시료 측정방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 검사대상 시료에 조사되는 광원은,
    검사 대상 시료의 전도대의 도핑준위에 있는 전자들을 여기시키기 위하여, 자외선 파장 영역의 빛을 사용하는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 시료 측정방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 검사대상 시료에 조사되는 광원은,
    광학렌즈를 통해 광섬유로 집속되고, 상기 광섬유를 도파하여 광섬유 탐침을 통해 조사되는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 시료 측정방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 여기 전자를 측정하는 수단이,
    자기장 측정센서로 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 시료 측정방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 여기 전자를 측정하는 수단이,
    고온 초전도 양자 간섭 소자로 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 시료 측정방법.
  6. 특정 파장의 광원을 광학렌즈를 통해 광섬유로 집속시키고, 상기 광섬유를 도파한 집속 광원을 반도체 시료에 조사하는 광 조사과정;
    상기 집속 광원 조사에 의해 반도체 시료에서 여기되어 나온 전자들을 특정 전극으로 집속시켜, 상기 전자들이 도선을 따라 움직이게 하는 여기전자 집속 및 전류 생성과정;
    상기 전자들의 움직임에 따라 생성되는 전류를 자기장으로 변환하여 측정하는 전류 측정과정;
    상기 측정된 자기장으로부터 전류량을 계산하여, 반도체 시료의 도핑농도를 산출하는 도핑농도 산출과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 도핑농도 측정방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 광 조사과정은,
    상기 반도체 시료의 전도대의 도핑준위에 있는 전자들을 여기시키기 위하여, 자외선 파장 영역의 빛을 사용하는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 도핑농도 측정방법.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 광 조사과정은,
    상기 광학렌즈로 집속된 빛이 도파되는 광섬유의 한 끝단을 당김(pulling)과 식각(etching)에 의해 테이퍼 처리한 광섬유 탐침을 통해 광조사가 이루어지는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 도핑농도 측정방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 여기전자 집속과정은,
    상기 광섬유 탐침의 개구 부분을 제외한 나머지 부분을 금속으로 코팅 처리한 광섬유 탐침 전극을 통해 여기전자의 집속이 이루어지는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 도핑농도 측정방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 전류 생성과정은,
    상기 광섬유 탐침 전극과 반도체 시료에 각각 도선을 통해 전압을 인가하여, 상기 광섬유 탐침 전극에 집속된 전자들이 상기 도선을 따라 움직이게 하여 전류를 생성하는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 도핑농도 측정방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 전류 측정과정은,
    상기 도선을 따라 흐르는 전류를 자기장으로 변환하여 측정하고, 상기 측정된 자기장으로부터 전류를 환산하여, 상기 여기 전자들에 의해 생성된 전류량을 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 도핑농도 측정방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 전류 측정과정은,
    고온 초전도 양자 간섭 소자를 사용하여 상기 도선 상의 전류에 의해 형성되는 자기장을 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 도핑농도 측정방법.
  13. 특정 파장의 광원을 광학렌즈를 통해 광섬유로 집속시키고, 상기 광섬유를 도파한 집속 광원을 반도체 시료의 절연층에 조사하는 광 조사과정;
    상기 집속 광원 조사에 의해 반도체 시료에서 여기되어 나온 전자들을 특정 전극으로 집속시켜, 상기 전자들이 도선을 따라 움직이게 하는 여기전자 집속 및 전류 생성과정;
    상기 전자들의 움직임에 따라 생성되는 전류를 자기장으로 변환하여 측정하는 전류 측정과정;
    상기 측정된 자기장으로부터 전류 유/무를 검출하여, 그 검출결과로 상기 반도체 시료의 절연층에 형성된 미세구멍 유/무를 판단하는 미세구멍 유/무 판단과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 미세구멍 측정방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 광 조사과정은,
    상기 반도체 시료의 전도대의 도핑준위에 있는 전자들을 여기시키기 위하여, 자외선 파장 영역의 빛을 사용하는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 미세구멍 측정방법.
  15. 제 13항에 있어서, 상기 광 조사과정은,
    상기 광학렌즈로 집속된 빛이 도파되는 광섬유의 한 끝단을 당김(pulling)과 식각(etching)에 의해 테이퍼 처리한 광섬유 탐침을 통해 광조사가 이루어지는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 미세구멍 측정방법.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 여기전자 집속과정은,
    상기 광섬유 탐침의 개구 부분을 제외한 나머지 부분을 금속으로 코팅 처리한 광섬유 탐침 전극을 통해 여기전자의 집속이 이루어지는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 미세구멍 측정방법.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 전류 생성과정은,
    상기 광섬유 탐침 전극과 반도체 시료에 각각 도선을 통해 전압을 인가하여, 상기 광섬유 탐침 전극에 집속된 전자들이 상기 도선을 따라 움직이게 하여 전류를생성하는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 미세구멍 측정방법.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 전류 측정과정은,
    상기 도선을 따라 흐르는 전류를 자기장으로 변환하여 측정하고, 상기 측정된 자기장으로부터 전류를 환산하여, 상기 여기 전자들에 의해 생성된 전류량을 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 미세구멍 측정방법.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 전류 측정과정은,
    고온 초전도 양자 간섭 소자를 사용하여 상기 도선 상의 전류에 의해 형성되는 자기장을 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 미세구멍 측정방법.
  20. 특정 파장의 광원을 광섬유로 집속시켜 반도체 시료에 조사하는 광 집속 및 조사수단;
    상기 집속 광원 조사에 의해 반도체 시료로부터 여기되어 나온 전자들을 특정 전극으로 집속시켜, 상기 전자들이 도선을 따라 움직이게 하여 전류를 생성하는 여기전자 집속 및 전류 생성수단;
    상기 여기전자들에 의해 생성되는 전류를 자기장으로 변환하여 측정하는 전류 측정수단;
    상기 측정된 전류량으로부터 반도체 시료 내의 도핑농도를 산출하거나 또는 미세구멍 유/무를 판단하는 도핑농도 산출 및 미세구멍 유/무 판단수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 도핑농도 및 미세구멍 측정장치.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 광 집속 및 조사수단은,
    반도체 시료의 전도대의 도핑준위에 있는 전자들을 여기시키기 위하여, 자외선 파장 영역의 빛을 사용하는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 도핑농도 및 미세구멍 측정장치.
  22. 제 20항에 있어서, 상기 광 집속 및 조사수단은,
    빛을 전달하기 위한 광섬유;
    광학 렌즈를 통해 상기 광섬유로 빛을 집속시키는 광집속기;
    상기 집속된 빛이 도파되어 나오는 광섬유의 한 끝단을 당김(pulling)과 식각(etching)에 의해 테이퍼 처리하여 형성한 광섬유 탐침을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 도핑농도 및 미세구멍 측정장치.
  23. 제 20항에 있어서, 상기 여기전자 집속 및 전류 생성수단은,
    상기 광섬유 탐침의 개구 부분을 제외한 나머지 부분을 금속으로 코팅하여 형성한 광섬유 탐침 전극과;
    상기 광섬유 탐침 전극과 반도체 시료에 각각 도선을 연결하여 폐회로를 형성하고, 상기 도선을 통해 전압을 인가하기 위한 전압 공급원을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 도핑농도 및 미세구멍 측정장치.
  24. 제 23항에 있어서, 상기 전류 측정수단은,
    상기 광섬유 탐침 금속과 전압 공급원 사이에 연결한 자기장 측정센서로 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 도핑농도 및 미세구멍 측정장치.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 자기장 측정센서는,
    고온 초전도 양자 간섭 소자로 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 탐침과 초전도 양자 간섭소자를 이용한 반도체 표면의 도핑농도 및 미세구멍 측정장치.
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