테라헤르츠 시간 영역 분광법을 이용한 실리콘웨이퍼 증착물의 두께 예측에 관한 연구

초록

최근 무선통신, 사물인터넷, 인공지능 및 자율주행 산업의 성장으로 인해 반도체에 대한 수요가 증가하고 있다. 실리콘 웨이퍼는 반도체칩 생산에 있어서 높은 활용도로 인해 핵심 소재로 사용되고 있다. 절연 및 식각을 위해서 SiO2, SiNx 및 Photo resistor 등 물질을 실리콘웨이퍼 상에 증착한다[1]. 대량생산을 위해 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 공정을 이용하지만 플라즈마 및 유입기체의 불균형으로 인해 실리콘 웨이퍼간 증착두께의 불균형 및 실리콘 웨이퍼 내 증착두께의 불균형이 발생한다. 이러한 두께 불균형을 모니터링하기 위한 비파괴검사에 대한 수요가 증가하고 있다. Ellipsometer 를 이용한 증착물 두께측정 방법은 박막의 ±90°에 대한 편광특성을 통해 두께를 측정하여 시간이 오래걸리기 때문에, Ellipsometer 를 두께 측정방법은 반도체 ln-line 공 정에 적용하기 어렵다. 또한, X-ray 를 이용한 비파괴검사 방법은 X-ray 의 높은 에너지로 인해 반도체 칩의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 본 연구에서는 테라헤르츠 파 (THz 파)를 이용한 비파괴 검사 기법을 통해서 실리콘 웨이퍼에 증착된 물질의 두께를 예측하는 연구를 수행하였다. THz 파는 공기중에서 직진성을 가지고 있고 비금속 물질을 투과하는 성질을 가지고 있기 때문에 비접촉식 비파괴검사로 활용하기에 적절하다[2]. 또한, THz 파는 낮은 에너지를 가지고 있는 주파수 영역대의 전자기파로 인체에 무해하며 반도체의 성능에 영향을 주지 않는다. Terahertz Time-Domain Spectroscopy(THz-TDS) system 의 투과모드를 이용하여 0.1-3.0 THz 영역대의 THz 파를 SiO2 가증착된 실리콘웨이퍼에 조사하였으며, THz 파의 거동을 분석하였다. 이를 통해 SiO2 layer 의 두께에 따른 복소 굴절률의 변화를 확인하였다. 이를 기반으로 SiO2 layer 의 두께를 예측할 수 있는 알고리즘을 개발하였으며, 5% 이내의 오차로 예측할 수 있음을 확인하였다.