[논문]TEM의 CBED(Convergent Beam Electron Diffraction)법을 이용한 반도체 소자의Strain 거동 분석

이주희; 이덕원; 김원; 김호정; 이순영; 서주형; 박찬경

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이주희 ((주)하이닉스반도체 연구소 분석개발팀) , 이덕원 ((주)하이닉스반도체 연구소 분석개발팀) , 김원 ((주)하이닉스반도체 연구소 분석개발팀) , 김호정 ((주)하이닉스반도체 연구소 분석개발팀) , 이순영 (포항공과대학교 신소재공학과) , 서주형 (포항공과대학교 신소재공학과) , 박찬경 ((주)하이닉스반도체 연구소 분석개발팀)

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문제 정의

반도체 공정에서는 소자의 고집적화와 적용 물질의 다양화로 인하여 TEM의 필요성이 크게 부각되고 있으며 특히 STI(shallow trench isolation) 공정에서의 strain 분석은 refresh와 같은 소자의 특성 향상을 위하여 필요하다[2][3] 이를 위하여 STI 공정에서 strain release에 대한 많은 연구 진행되고 있지만 명확한 분석 tool이 제공되지 않고 있는 실 정 이다. 본 연구에서는 TEM5] CBED기술을 이용하여 STI공정 중에 발생하는 strain의 종류 및 위치에 따른 경향성을 분석하고자 한다.[4]

제안 방법

STI의 크기는 Bar type (110)방향으로 너비 1560nm, 깊이 214nm이다. 단면 STI 구조에서의 CBED 패턴을 측정하기 위해 STI 내부는 epoxy를 이용하여 보호하였으며 sawing, gluing, ultrasonic drilling, mechanical dimpling, ion beam mill(PIPS gatan 691)의 일반적인 표준시료 제작법으로 만들었다. 시편을 최대한 균일한 두께로 제작하기 위하여 dimpling시 wide wheel을 사용하여 넓은 부분을 milling 하였다 CBED 패턴 관찰을 위하여 JEOL JEM2010UHR LaB6와 gatan CCD camera를 이용하였다.
단면 STI 구조에서의 CBED 패턴을 측정하기 위해 STI 내부는 epoxy를 이용하여 보호하였으며 sawing, gluing, ultrasonic drilling, mechanical dimpling, ion beam mill(PIPS gatan 691)의 일반적인 표준시료 제작법으로 만들었다. 시편을 최대한 균일한 두께로 제작하기 위하여 dimpling시 wide wheel을 사용하여 넓은 부분을 milling 하였다 CBED 패턴 관찰을 위하여 JEOL JEM2010UHR LaB6와 gatan CCD camera를 이용하였다.
3ºtilt를 실시하였다. 패턴 측정 위치는 etch등의 다른 외부적 영향이 미치지 않는 부분에서 reference를 잡고 이를 기준으로 표면 방향으로 5point를 lOOnm간격을 두고 측정하였다. STI 의 측벽 부분은 측벽에서 100/200nm정도 떨어진 부분에서 각 좌우측으로 측정을 실시하였다.
패턴 측정 위치는 etch등의 다른 외부적 영향이 미치지 않는 부분에서 reference를 잡고 이를 기준으로 표면 방향으로 5point를 lOOnm간격을 두고 측정하였다. STI 의 측벽 부분은 측벽에서 100/200nm정도 떨어진 부분에서 각 좌우측으로 측정을 실시하였다. CBED의 홀즈라인 변화량 분석을 위해 ASAC(Automatic strain analysis by CBED) simulation tool을 사용하였다.
STI의 straine 그림 (1)에 표시된 것과 같이 Active 중앙 하단부를 reference로 하여 표면에 근접하는 위치에 따른 CBED 패턴 변화를 측정하였다. 표면에 근접함(1, 2번 위치)에 따라 패턴의 홀즈라인이 점점 흐려지고 split되는 것을 확인할 수 있으며, 측벽 위치(L1, L2)에서도 홀즈 라인의 변화가 관찰 되었다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 시료는 200mm (110) 방향성을 가진 n-type 실리콘 웨이퍼에 padoxide /gate poly/ Hard mask nitride 필름을 형성하고 STI etch를 실시한 것이다. STI의 크기는 Bar type (110)방향으로 너비 1560nm, 깊이 214nm이다.

이론/모형

STI 의 측벽 부분은 측벽에서 100/200nm정도 떨어진 부분에서 각 좌우측으로 측정을 실시하였다. CBED의 홀즈라인 변화량 분석을 위해 ASAC(Automatic strain analysis by CBED) simulation tool을 사용하였다.
반도체 소자의 STI strain 분석을 CBED법에 의하여 실시하였다. Si 기판의 결정방위에 따른 strain 발생 경향은 그림 (2)로 이해할 수 있다.
본 연구에서는 CBED측정 시 인접 패턴의 영향을 최소화하기 위하여 Bar type의 STI구조를 사용하였다. 향후 DRAM 소자에 적용되는 Isolated STI 구조에서의 3차원적인 strain분석을 실시할 계획이다.

성능/효과

즉, Active 표면부위의 경우 STI etch 실시 후 ε xy, E yx 방향으로 힘이 분산되려고 하여 tensile strain이 점점 크게 발생하며, ε xx, E yy는 이에 대한 상대적 힘에 의하여 compressive strain이 발생되는 것으로 판단된다. STI 측벽의 strain 경향은, ε XX, ε yy 방향의 경우 표면에서와 동일하게 compressive strain이 발생하며 그 정도는 보다 크게 증가함을 확인할 수 있었다. 반면에 ε xy, s yx 방향의 경우 tensile strain이 발생하나 표면에 비하여 상대적으로 strain이 감소하는 것으로 나타났다.

후속연구

본 연구에서는 CBED측정 시 인접 패턴의 영향을 최소화하기 위하여 Bar type의 STI구조를 사용하였다. 향후 DRAM 소자에 적용되는 Isolated STI 구조에서의 3차원적인 strain분석을 실시할 계획이다.

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