KR100351059B1 - 반도체 소자의 전기적 결함 검사 장치, 이를 이용한 반도체 소자의 전기적 결함 검사 방법 - Google Patents

반도체 소자의 전기적 결함 검사 장치, 이를 이용한 반도체 소자의 전기적 결함 검사 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 전기적 결함 검사 장치 및 그 방법을 제공한다. 본 발명은 반도체 기판 상에 복수개의 도전성 라인들, 상기 도전성 라인들을 절연시키는 절연막들와 상기 절연막들 사이에 형성된 도전성 패드들을 갖는 반도체 소자를 준비한다. 이어서, 상기 도전성 패드들의 표면을 전자 또는 홀을 축적한 후, 상기 전자 또는 홀로 축적된 도전성 패드들에 1차 전자빔를 조사한다. 계속하여, 상기 1차 전자빔이 조사된 도전성 패드들에서 방출되는 2차 전자에 따라 상기 도전성 패드들간의 전압 콘트라스트를 검출하여 상기 반도체 기판에 존재하는 전기적 결함을 판정한다. 상기 도전성 패드들의 표면을 전자 또는 홀을 축적하는 것은 이온 발생기를 이용하거나, 1차 전자빔의 에너지를 조절하여 수행할 수 있다. 상기 전기적 결함 판단시 2차 전자에 의한 전압 콘트라스트를 명 또는 암 이미지로 하여 수행할 수 있다.

Description

반도체 소자의 전기적 결함 검사 장치, 이를 이용한 반도체 소자의 전기적 결함 검사 방법{apparauts for detecting electrical defect in semiconductor device and electrical defect detection method of semiconductor device using the same}
본 발명은 반도체 소자의 결함 검사 장치 및 이를 이용한 반도체 소자의 결함 검사 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 소자의 전기적 결함 검사 장치 및 이를 이용한 반도체 소자의 전기적 결함 검사 방법에 관한이다.
일반적으로, 반도체 소자의 제조 공정 중에 반도체 소자의 오동작(mis-operation) 내지 불량(failure)을 유발하는 다양한 형태의 결함들(defects)이 발생한다. 상기 결함들은 크게 두가지로 대별할 수 있다. 즉, 파티클(particle)과 같이 반도체 기판의 표면에 물리적 비정상(physical abnormality)을 발생시키는 물리적 결함(physical defet)과 물리적 결함 없이 전기적 불량를 발생시키는 전기적 결함(electrical defect)으로 대별할 수 있다. 상기 물리적 결함은 일반적인 영상 측정 장치를 이용하여 용이하게 검출할 수 있으나, 상기 전기적 결함은 일반적인 표면 검사 장치로는 검출하기가 어렵다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 반도체 소자의 전기적 결함을 비파괴적으로 검사할 수 있는 반도체 소자의 전기적 결함 검사 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 반도체 소자의 전기적 결함 검사 장치를 이용한 반도체 소자의 전기적 결함 검사 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 의한 반도체 소자의 전기적 결함 검사 장치를 설명하기 위하여 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1의 반도체 소자의 전기적 결함 검사 장치를 이용할 때 반도체 기판의 표면과 후면간의 전압차에 따른 2차 전자 수율을 도시한 그래프이다.
도 3a 및 도 3b는 미식각된 콘택부를 갖는 반도체 소자를 도 1의 전기적 결함 검사 장치를 이용하여 검사했을 경우 나타나는 결함 이미지를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 접합 리키지 소스를 갖는 반도체 소자를 도 1의 전기적 결함 검사 장치를 이용하여 검사했을 경우 나타나는 결함 이미지를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 도전성 패드와 도전성 라인이 쇼트된 반도체 소자를 도 1의 전기적 결함 검사 장치를 이용하여 검사했을 경우 나타나는 결함 이미지를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 6은 도 1의 반도체 소자의 전기적 결함 검사 장치를 이용하여 전기적 결함을 분류할 수 있는 반도체 소자의 전기적 결함 검사 방법의 일 예를 도시한 흐름도이다.
도 7은 도 1의 반도체 소자의 전기적 결함 검사 장치를 이용하여 전기적 결함을 분류할 수 있는 반도체 소자의 전기적 결함 검사 방법의 다른 예를 도시한 흐름도이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 반도체 소자의 전기적 결함 검사 장치는 반도체 기판이 로딩되는 보조 챔버와, 상기 보조 챔버 내의 반도체 기판의 표면에 홀(양이온)이나 전자(음이온)를 도핑시킬 수 있는 이온 발생부와, 상기 보조 챔버와 연결되고 상기 반도체 기판이 로딩되는 스테이지를 포함하는 주챔버를 포함한다. 상기 주챔버 내에 위치하는 반도체 기판에 전기적 결함을 검사하기 위하여 1차 전자빔을 주사할 수 있는 전자빔 소스부를 포함한다. 상기 주사된 1차 전자빔으로 인해 상기 반도체 기판에서 발생된 2차 전자의 전압 콘트라스트에 의한 전기적 신호를 검출하여 증폭할 수 있는 신호 처리부를 포함한다. 상기 신호 처리부에 상기 신호 처리부에서 처리된 전기적 신호를 영상 처리하여 처리하여 눈으로 볼수 있게 하는 영상 디스 플레이부가 연결되어 있다. 상기 신호 처리부에서 처리된 전기적 신호를 분석하여 전기적 결함을 판정하여 통계처리 수 있는 데이터 분석부와, 외부 컴퓨터로부터 상기 반도체 기판의 물리적 결함의 위치 데이터를 받아출력할 수 있고 각 구성요소들을 제어할 수 있는 중앙 컴퓨터와, 상기 중앙 컴퓨터로부터 전달받은 상기 반도체 기판의 물리적 결함의 위치를 추적할 수 있는 스테이지 조절부를 포함한다. 상기 스테이지 조절부는 주 챔버 내의 스테이지를 이동시킬 수 있는 스테이지 이동부와 이에 연결된 레이저 간섭계 조절기로 구성된다. 특히, 상기 신호 처리부에서 처리된 전기적 신호를 이미지 처리하여 전기적 결함을 판단하고, 탑재된 전기적 결함 분류 흐름도에 따라 이를 상기 중앙 검퓨터에 피드백할 수 있는 이미지 처리부를 포함한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 반도체 소자의 전기적 결함 검사 방법은 반도체 기판 상에 복수개의 도전성 라인들, 상기 도전성 라인들을 절연시키는 절연막들와 상기 절연막들 사이에 형성된 도전성 패드들을 갖는 반도체 소자를 준비하는 단계를 포함한다. 이어서, 상기 도전성 패드들의 표면을 전자 또는 홀을 축적한 후, 상기 전자 또는 홀로 축적된 도전성 패드들에 1차 전자빔를 조사한다. 계속하여, 상기 1차 전자빔이 조사된 도전성 패드들에서 방출되는 2차 전자에 따라 상기 도전성 패드들간의 전압 콘트라스트를 검출하여 상기 반도체 기판에 존재하는 전기적 결함을 판정한다. 상기 도전성 패드들의 표면을 전자 또는 홀을 축적하는 단계는 이온 발생기를 이용하거나, 1차 전자빔의 에너지를 조절하여 수행할 수 있다. 상기 전기적 결함 판단시 2차 전자에 의한 전압 콘트라스트를 명 또는 암 이미지로 하여 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 예에 의한 반도체 소자의 전기적 결함 검사 방법은 반도체 기판 상에 복수개의 도전성 라인들, 상기 도전성 라인들을 절연시키는 절연막들와 상기 절연막들 사이에 형성된 도전성 패드들을 갖는 반도체 소자를 준비한다. 이어서, 상기 도전성 패드들의 표면을 전자로 축적한 후, 1차 전자빔를 조사한 후 방출되는 2차 전자에 따라 상기 도전성 패드들간의 전압 콘트라스트에 의해 얻어지는 결함 이미지를 1차 검출한다. 상기 1차 검출된 결함 이미지가 암 이미지인가를 판단한 후, 상기 1차 검출된 결함 이미지가 암이면 상기 도전성 패드들의 표면을 홀로 축적한다. 상기 홀로 축적된 도전성 패드들에 1차 전자빔를 조사한 후 방출되는 2차 전자에 따라 상기 도전성 패드들간의 전압 콘트라스트에 의해 얻어지는 결함 이미지를 2차 검출한다. 상기 2차 검출된 결함 이미지가 암 이미지인 도전성 패드는 물리적인 결함이고, 암이 아닌 이미지인 도전성 패드는 접합 리키지 소스에 의한 전기적 결함이라고 판단한다. 상기 1차 검출된 결함 이미지가 암 이미지가 아니면 상기 도전성 패드들의 표면을 홀로 축적한다. 상기 홀로 축적된 도전성 패드들에 1차 전자빔을 조사한 후 방출되는 2차 전자에 따라 상기 도전성 패드들간의 전압 콘트라스트에 의해 얻어지는 결함 이미지를 3차 검출한다. 상기 3차 검출된 결함 이미지가 암 이미지인 도전성 패드는 비식각된 콘택부에 의한 전기적 결함이고, 암이 아닌 이미지인 도전성 패드는 상기 도전성 패드와 도전성 라인 간의 쇼트에 의한 전기적 결함이라고 판단한다.
또한, 본 발명의 일 예에 의한 반도체 소자의 전기적 결함 검사 방법은 반도체 기판 상에 도전성 라인들, 상기 도전성 라인들을 절연시키는 절연막들과 상기 절연막들 사이에 형성된 도전성 패드들을 갖는 반도체 소자를 준비한다. 상기 도전성 패드들의 표면을 홀로 축적한 후 1차 전자를 조사한 후 방출되는 2차 전자에 따른 전압 콘트라스트에 의해 얻어지는 결함 이미지를 1차 검출한다. 상기 1차 검출된 결함 이미지가 암 이미지인가를 판단한다. 상기 1차 검출된 결함 이미지가 암 이미지이면 상기 도전성 패드들의 표면을 전자로 축적한다. 상기 전자로 축적된 도전성 패드들에 1차 전자를 조사한 후 방출되는 2차 전자에 따른 전압 콘트라스트에 의해 얻어지는 결함 이미지를 2차 검출한다. 상기 2차 검출된 결함 이미지가 암 이미지인 도전성 패드는 물리적인 결함이고, 암이 아닌 이미지인 도전성 패드는 비식각된 콘택부에 의한 전기적 결함이라고 판단한다. 상기 1차 검출된 결함 이미지가 암 이미지가 아니면 상기 도전성 패드들의 표면을 전자로 축적한다. 상기 전자로 축적된 도전성 패드에 1차 전자빔을 조사한 후 방출되는 2차 전자에 따른 전압 콘트라스트에 의해 얻어지는 결함 이미지를 3차 검출한다. 상기 3차 검출된 결함 이미지가 암인 도전성 패드는 접합 리키지 소스에 의한 전기적 결함이고, 암이 아닌 도전성 패드는 상기 도전성 패드와 도전성 라인간의 쇼트에 의한 전기적 결함이라고 판단한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 반도체 소자의 전기적 결함 검사 장치는 전기적 결함을 검사하기 전에 반도체 소자의 패드의 표면을 전자 또 홀로 축적시켜 반도체 소자의 전기적 결함을 검출하고 이를 종류별로 분류할 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기위하여 제공되어지는 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 반도체 소자의 전기적 결함 검사 장치를 설명하기 위하여 도시한 개략도이다.
구체적으로, 핸들러부(11)에 의하여 반도체 소자가 만들어지는 반도체 기판(반도체 웨이퍼, 도시 안함)이 로딩되는 보조 챔버(sub-chamber, 13)와, 상기 보조 챔버(13)에 로딩된 반도체 기판이 로딩되는 스테이지(도시 암함)를 포함하는 주챔버(main chamber, 15)와, 상기 주챔버(15) 및 보조 챔버(13)에 연결되어 상기 주챔버(15) 및 보조 챔버(13)의 진공을 조절할 수 있는 진공 조절부(vacuum control unit, 16)와, 상기 주챔버(15)에 로딩된 반도체 기판 상의 패턴 이미지를 현미경과 같은 광학수단(32)을 이용하여 인식한 후 메모리에 저장되어 있는 원점 이미지에 맞추어 대략적으로 얼라인먼트의 수행을 위한 패턴 정렬부(35)를 구비한다.
상기 주챔버(15)에 연결되어 상기 주챔버(15) 내에 위치하는 반도체 기판에 전기적 결함을 검사하기 위하여 1차 전자빔(primary electron beam)을 주사할 수 있는 전자빔 소스부(19)와, 상기 주사된 1차 전자빔으로 인해 상기 반도체 기판에서 발생된 2차 전자의 전압 콘트라스트에 의한 전기적 신호를 검출하여 증폭할 수 있는 신호 처리부(21)를 포함한다. 특히, 상기 보조 챔버(13)에 연결되어 상기 보조 챔버(13) 내의 반도체 기판의 표면에 미리 홀(양 이온)이나 전자(음이온)를 도핑시킬 수 있는 이온 발생부(ion generation unit, 17)가 포함되어 있다. 상기 이온 발생부(17)로 인하여 후에 반도체 기판에 발생된 전기적 결함을 종류별로 용이하게 검출할 수 있다.
상기 신호 처리부(21)에 연결되어 상기 신호 처리부(21)에서 처리된 전기적 신호를 영상 처리하여 처리하여 눈으로 볼수 있게 하는 영상 디스 플레이부(image display unit, 23)와, 상기 신호 처리부(21)에 연결되어 상기 신호 처리부(21)에서 처리된 전기적 신호를 분석하여 전기적 결함을 판정하고 통계처리 수 있는 데이터 분석부(data analyzer unit, 25)를 포함한다.
외부 컴퓨터(26)로부터 반도체 기판의 물리적 결함의 위치 데이터를 받아 출력할 수 있고 각 구성요소들을 제어할 수 있는 중앙 컴퓨터(host computer, 27)와, 상기 중앙 컴퓨터(27)로부터 전달받은 반도체 기판의 물리적 결함의 위치를 추적할 수 있도록 레이저 간섭계 조절기(laser interferometer controller, 29) 및 스테이지 이동부(stage moving unit, 31)로 구성된 스테이지 조절부(stage control unit: 37)가 포함되어 있다. 상기 반도체 기판의 물리적 결함 위치를 추적하기 전에는 상기 반도체 기판을 정밀하게 정렬할 수 있는 정렬 마크의 기준점을 정할 필요가 있다. 상기 정렬 마크의 기준점은 중앙 컴퓨터에 입력되어 있는 정렬 마크와 실제의 반도체 기판의 정렬 마크를 측정하여 상대적으로 비교한 후 이를 스테이지 조절부를 이용하여 미세 조정함으로써 수행한다.
그리고, 상기 중앙 컴퓨터(27)로부터 전달받은 물리적 결함 위치 데이터를 이미지 처리하여 이를 스테이지 조절부(37)에 피드백하며, 상기 신호 처리부(21)에서 처리된 2차 전자에 따른 전기적 신호를 명 또는 암으로 이미지 처리하고 탑재된 전기적 결함 분류 흐름도에 따라 이를 중앙 검퓨터(27)에 피드백할 수 있는 이미지 처리부(image processing unit, 33)를 포함한다.
이하에서는, 도 2 내지 도 5를 이용하여 도 1의 반도체 소자의 전기적 결함 검사 장치를 이용하여 반도체 소자의 전기적 결함을 검사하는 방법에 대하여 자세하게 설명한다.
먼저, 도 1의 반도체 소자의 전기적 결함 검사 장치를 이용하여 1차 전자빔을 반도체 소자에 조사했을 경우 각 물질, 예컨대 산화막이나 실리콘에 따라 방출되는 2차 전자 수율이 얼마나 되는지를 알아본다.
도 2는 도 1의 반도체 소자의 전기적 결함 검사 장치를 이용할 때 반도체 기판의 표면과 후면간의 전압차에 따른 2차 전자 수율을 도시한 그래프이다. X축은 1차 전자빔이 인가될 때 반도체 기판의 표면과 후면의 전압차를 나타내며, Y축은 1차 전자빔에 대하여 방출되는 2차 전자의 비율인 2차 전자 수율을 나타낸다. 특히, SEsi(second electron yield in silicon)은 실리콘의 2차 전자 수율이며, SEox(second electron yield in oxide)는 산화막의 2차 전자 수율을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 2차 전자 수율이 1을 넘지 못할 경우 반도체 웨이퍼의 표면에 인가되는 전자보다 방출되는 전자가 더 적기 때문에 반도체 소자(반도체 웨이퍼)의 표면, 예컨대 도전성 패드의 표면에는 전자들이 축적된다. 이와 반대로, 2차 전자 수율이 1을 초과할 경우 반도체 기판에 인가되는 전자보다 방출되는 전자가 더 많이 때문에 반도체 기판의 표면, 예컨대 도전성 패드의 표면에는 홀이 축적된다. 이에 따라, 2차 전자 수율이 1 이하인 영역은 전자 발생 영역이며, 2차 전자 수울이 1 이상인 영역은 홀 발생 영역이 된다. 이렇게 상기 반도체 기판의 표면에 전자 또는 홀이 축적되면 후에 설명하는 바와 같이 도 1의 반도체 소자의 전기적결함 검사 장치를 이용하여 보다 용이하게 전기적 결함을 검사 및 분류할 수 있다. 상기 반도체 소자의 표면에 전자 및 홀을 축적하는 방법은 도 1의 전기적 결함 검사 장치의 이온 발생기를 이용하여 수행할 수도 있다. 도 1에서는 대표적으로 실리콘이나 산화막에서의 2차 전자 수율을 나타냈으나, 다른 물질에 대해서도 전자 발생 영역과 홀 발생 영역이 존재한다.
다음에는, 도 1의 전기적 결함 검사 장치를 이용하여 1차 전자빔을 반도체 소자의 표면에 조사했을 경우 전기적 결함의 종류에 따라 결함 이미지가 어떻게 나타나는가를 도 3 내지 도 5를 이용하여 상세히 설명한다. 상기 전기적 결함은 비식각된 콘택부에서 발생하는 저항성 결함과, 접합 리키지 소스나 콘택부와 도전성 라인의 쇼트에 의에 발생하는 리키지성 결함으로 구분한다.
도 3 내지 도 5에서 사용된 반도체 소자는 분리 절연막(102)에 의하여 활성영역이 한정된 반도체 기판(100)상에 게이트 절연막(도시 안함), 폴리실리콘막(104) 및 실리사이드막(106), 예컨대 텅스텐 실리사이드막으로 구성되고 게이트 전극의 역할을 하는 도전성 라인(108), 캡핑 절연막(110)이 순차적으로 적층된 게이트 패턴이 복수개 형성되어 있다. 그리고, 본 발명에 사용된 반도체 소자는 상기 게이트 패턴을 감싸 절연하도록 스페이서(112)가 형성되어 있고, 상기 스페이서(112) 사이에는 불순물 영역(116), 예컨대 소오스나 드레인 영역에 전기적으로 접속하는 도전성 패드(114)가 형성되어 있다. 상기 도전성 패드(114)는 불순물이 도핑된 폴리실리콘막, 텅스텐막, 알루미늄막 또는 구리막으로 구성된다. 본 실시예에서는 도전성 라인(108)으로 게이트 전극을 예로 들었으나, 비트 라인 등에도 적용할 수도 있다.
도 3a 및 도 3b는 미식각된 콘택부를 갖는 반도체 소자를 도 1의 전기적 결함 검사 장치를 이용하여 검사했을 경우 나타나는 결함 이미지를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 3a를 참조하면, 먼저, 도 1의 전기적 결함 검사 장치을 이용할 때 1차 전자빔의 에너지를 크게 하여 반도체 기판(100)의 표면과 후면간의 전압차를 크게 함으로써 2차 전자 수율을 1보다 작게 한다. 이렇게 하면, 앞서 설명한 바와 같이 반도체 기판(100)에 인가되는 전자보다 방출되는 전자가 더 적기 때문에 도전성 패드(114a, 114b)의 표면에는 전자들이 축적된다. 특히, 미식각된 콘택부(150)를 갖는 도전성 패드(114b)는 전자들(e)이 반도체 기판(100)으로 이동하지 못하여 오픈된 콘택부를 갖는 도전성 패드(114a)보다 더 많은 양의 전자들(e)이 표면에 남게 된다.
다음에, 도 1의 전기적 결함 검사 장치를 이용하여 도전성 패드(114a, 114b)가 포함된 반도체 기판(100)의 표면에 1차 전자빔을 인가한다. 이때, 미식각된 콘택부(150)에 많이 남아 있는 전자들(e)은 이웃하는 오픈된 콘택부보다 반발력을 크게 하는 역할을 한다. 이에 따라, 미식각된 콘택부(150)를 갖는 도전성 패드(114b)는 오픈된 콘택부를 갖는 도전성 패드(114a)보다 2차 전자들이 많이 방출되어 명 이미지(밝은 이미지)를 나타낸다.
도 3b를 참조하면, 먼저, 도 1의 전기적 결함 검사 장치을 이용하여 1차 전자빔의 에너지를 작게 하여 반도체 기판(100)의 표면과 후면간의 전압차를 작게 함으로써 2차 전자 수율을 1보다 크게 한다. 이렇게 하면, 앞서 상술한 바와 같이 반도체 기판(100)에 인가되는 전자보다 방출되는 전자가 더 많기 때문에 도전성 패드(114c, 114d)의 표면에는 홀들(h)이 축적된다. 특히, 미식각된 콘택부(150)가 존재하는 도전성 패드(114d)의 경우 홀들(h)이 반도체 기판(100)으로 이동하지 못하여 오픈된 콘택부를 갖는 도전성 패드(114c)보다 더 많은 양의 홀(h)이 표면에 남게 된다.
다음에, 도 1의 전기적 결함 검사 장치를 이용하여 도전성 패드(114c, 114d)가 포함된 반도체 기판(100)의 표면에 1차 전자빔을 인가한다. 이때, 도전성 패드(114c, 114d) 표면에 존재하는 홀들은 2차 전자를 방출하는 트랩으로 작용하기 때문에, 미식각된 콘택부(150)를 갖는 도전성 패드(114d)는 오픈된 콘택부를 갖는 도전성 패드(114c)보다 2차 전자들이 작게 방출되어 암(어두운) 이미지를 나타낸다.
도 4a 및 도 4b는 접합 리키지 소스를 갖는 반도체 소자를 도 1의 전기적 결함 검사 장치를 이용하여 검사했을 경우 나타나는 결함 이미지를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 4a를 참조하면, 먼저, 앞서 설명한 바와 같이 2차 전자 수율을 1보다 크게 하여 도전성 패드(114e, 114f)의 표면에 전자가 축적되도록 한다. 이때, 리키지 소스 부분(160)을 갖는 도전성 패드(114f)는 전자가 리키지 소스 부분(160)으로 빠져 표면에는 적은 전자(e)가 축적된다.
다음에, 도 1의 전기적 결함 검사 장치를 이용하여 도전성 패드(114e, 114f)가 포함된 반도체 기판(100)의 표면에 1차 전자빔을 인가한다. 이때, 리키지 소스부(160)를 갖는 도전성 패드(114f)는 리키지 소스를 갖지 않는 도전성 패드(114e)에 비하여 방출되는 2차 전자의 양이 감소하여 암 이미지를 나타낸다.
도 4b를 참조하면, 먼저, 앞서 설명한 바와 같기 2차 전자 수율을 1보다 크게 하여 도전성 패드(114g, 114h)의 표면에 홀(h)이 축적되도록 한다. 다음에, 도 1의 전기적 결함 검사 장치를 이용하여 도전성 패드(114g, 114h)가 포함된 반도체 기판(100)의 표면에 1차 전자빔을 인가한다.
이때, 반도체 기판(100)이 P형이고 N형 접합 영역일 경우는 역방향 바이어스가 걸린 형태이므로 표면 전하의 양에는 변화가 없어 리키지 소스 부분을 갖는 도전성 패드(114h)는 그렇치 않은 도전성 패드(114g)와 결함 이미지가 구분되지 않는다. 그리고, 반도체 기판(100)이 N형이고, P형 접합 영역일 경우는 정방향 바이어스 걸린 형태이므로 홀(h)이 빠져 리키지 소스 부분을 갖는 도전성 패드(114h)는 그 외부분에 비하여 명 이미지를 나타낸다.
도 5a 및 도 5b는 도전성 패드와 도전성 라인이 쇼트된 반도체 소자를 도 1의 전기적 결함 검사 장치를 이용하여 검사했을 경우 나타나는 결함 이미지를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 5a를 참조하면, 먼저, 앞서 설명한 바와 같이 2차 전자 수율을 1보다 작게 하여 도전성 패드(114i, 114j)의 표면에 전자가 축적되도록 한다. 다음에, 도 1의 전기적 결함 검사 장치를 이용하여 도전성 패드(114i, 114j)가 포함된 반도체 기판(100)의 표면에 1차 전자빔을 인가한다. 이때, 도전성 패드(114j)가 전자를 갖는 도전성 라인(108), 예컨대 실리사이드막(106)과 쇼트된 경우에는 도전성 라인(108)으로 전자가 빠질 수 없으므로 상대적으로 많은 전자가 표면에 남게 된다. 따라서, 1차 전자빔 인가시 도전성 라인(108)과 쇼트된 도전성 패드(114j)는 그렇치 않은 경우보다 방출되는 2차 전자의 양이 증가하여 명 이미지를 나타낸다.
도 5b를 참조하면, 먼저, 앞서 설명한 바와 같이 2차 전자 수율을 1보다 크게 하여 도전성 패드(114k, 114l)의 표면에 홀(h)이 축적되도록 한다. 다음에, 도 1의 전기적 결함 검사 장치를 이용하여 도전성 패드(114k, 114l)가 포함된 반도체 기판(100)의 표면에 1차 전자빔을 인가한다. 이때, 홀을 갖는 도전성 라인(108), 예컨대 실리사이드막(106)과 쇼트된 도전성 패드(114l)는 홀(h)이 도전성 라인(108)으로 빠져 상대적으로 적은 양의 홀(h)이 표면에 존재한다. 따라서, 1차 전자빔 인가시 홀을 갖는 도전성 라인(108)과 쇼트된 도전성 패드(114l)는 그렇치 않은 경우보다 방출되는 2차 전자의 양이 증가하여 명 이미지를 나타낸다.
이상과 같이 도 3 내지 도 5에서 설명한 바와 같이 도전성 패드들의 표면에 1차 전자빔을 인가한 후 방출되는 2차 전자에 의한 전압 콘트라스트를 검출하고 이를 명 또는 암 이미지로 하여 반도체 소자의 전기적 결함을 검사할 수 있다. 도 3 내지 도 5에서는 도전성 패드들간을 비교하여 명 또는 암 이미지를 판정하였으나, 기준값을 설정하고 이를 근거로 명 또는 암 이미지로 판정할 수 도 있다. 그리고, 도 3 내지 도 5에서 도전성 패드(114a∼114l)의 표면에 전자나 홀을 적층시키는 방법으로 1차 전자빔의 에너지를 조절하였으나, 바로 도 1의 이온 발생부를 이용하여 직접 도핑할 수 도 있다.
그런데, 저항성 전기적 결함, 예컨대 비식각된 콘택부를 갖는 도전성 패드(114b)를 갖는 반도체 소자의 결함 이미지와, 리키지성 전기적 결함, 예컨대 도전성 패드(114j)와 도전성 라인(108)간에 쇼트된 반도체 소자의 결함 이미지는 도전성 패드(114b, 114j)의 표면에 전자가 축적되었을 경우 동일한 명 이미지를 나타낸다. 따라서, 반도체 소자의 제조 공정중에 전기적 결함이 발생할 경우 이것이 어떠한 전기적 결함의 종류에 따른 것인가를 분류하는 것이 필요하다. 이렇게 전기적 결함을 분류할 수 있어야만 반도체 소자의 제조 공정중에 발생하는 전기적 결함을 정확하게 치유할 수 있고, 앞서의 제조 공정으로 피드백할 수 있다.
다음에는 도 3 내지 도 5에 설명한 것을 근거로 반도체 소자의 전기적 결함을 어떻게 분류하고 검사할 수 있는지에 대하여 도 6 및 도 7을 이용하여 설명한다. 도 6 및 도 7에 샘플로서 사용된 반도체 소자는 도 3 내지 도 5에 설명한 바와 같이 반도체 기판(100) 상에 복수개의 도전성 라인들(108), 상기 도전성 라인들(108)을 절연시키는 절연막들(110,112)과, 상기 절연막들(110, 112)사이에 형성된 도전성 패드들(114a∼114l)을 갖는다.
도 6은 도 1의 반도체 소자의 전기적 결함 검사 장치를 이용하여 전기적 결함을 분류할 수 있는 반도체 소자의 전기적 결함 검사 방법의 일 예를 도시한 흐름도이다.
구체적으로, 1차 전자빔 에너지를 높게 조절하여 2차 전자 수율을 1 미만으로 되게 하여 도전성 패드들의 표면을 전자로 축적한다(스텝 201). 이어서, 전자로 축적된 도전성 패드들에 1차 전자빔을 조사한 후 방출되는 2차 전자에 따라 상기도전성 패드들간의 전압 콘트라스트에 의해 얻어지는 결함 이미지를 결함 이미지를 1차로 검출한다(스텝 203). 다음에, 상기 도전성 패드들의 표면을 전자로 축적한 후 1차로 검출된 결함 이미지가 암(어두운) 이미지인지 아닌지를 판단한다(스텝 205).
계속하여, 1차 검출된 결함 이미지가 암 이미지이면 다시 1차 전자빔 에너지를 낮게 조절하여 도전성 패드들의 표면을 홀로 축적한다(스텝 207). 이어서, 상기 홀로 축적된 도전성 패드들에 1차 전자빔을 조사한 후 방출되는 2차 전자에 따라 상기 도전성 패드들 간의 전압 콘트라스트에 의해 얻어지는 결함 이미지를 2차로 검출한다(스텝 209). 상기 도전성 패드들의 표면을 홀로 축적한 후 2차로 검출된 결함이미지가 암인지 아닌지를 판단한다(스텝 211), 만약, 2차 검출된 결함 이미지가 암 이미지이고 1차 전자빔 에너지가 최저값이면 암 이미지인 도전성 패드는 물리적인 결함을 나타낸다(스텝 213 및 215). 만약, 2차 검출된 결함 이미지가 암 이미지이고 1차 전자빔 에너지가 최저값이 아니면 다시 1차 전자빔 에너지를 다시 낮추어 결함 이미지를 검출하는 단계인 스텝 207 및 209로 피드백한다. 그리고, 도전성 패드들의 표면을 홀로 축적한 후 검출된 2차 결함 이미지가 암 이미지가 아닌 도전성 패드는 접합 리키지 소스에 의한 결함 이미지를 나타낸다(스텝 217).
다음에, 상기 1차 검출된 결함 이미지가 암 이미지가 아니면 다시 1차 전자빔 에너지를 낮게 조절하여 도전성 패드들의 표면을 홀로 축적한다(스텝 307). 이어서, 상기 홀로 축적된 도전성 패드들에 1차 전자빔을 조사한 후 방출되는 2차 전자에 따라 상기 도전성 패드들 간의 전압 콘트라스트에 의해 얻어지는 결함 이미지를 3차로 검출한다(스텝 309) 상기 도전성 패드들의 표면을 홀로 축적한 후 3차로 검출된 결함 이미지가 암 이미지인지 아닌지를 판단한다(스텝 311). 상기 3차 검출된 결함 이미지가 암 이미지인 도전성 패드는 비식각된 콘택부에 의한 결함을 나타낸다(스텝 317). 만약, 3차로 검출된 결함 이미지가 암이 아니면 1차 전자빔 에너지가 최저값인지를 판단한다(스텝 313). 만약 최저값이면 암이 아닌 이미지인 도전성 패드는 콘택부와 도전 라인간의 쇼트에 의한 전기적 결함을 나타내고(스텝 315), 그렇지 않으면 다시 1차 전자빔 에너지를 다시 낮추어 결함 이미지를 검출하는 단계로 피드백한다.
요약하자면, 전자를 축적한 후 전기적 결함 검사 장치로 결함을 검출할 때 암 이미지인 도전성 패드는 접합 리키지와 물리적 결함에 의한 전기적 결함을 나타내는데, 표면 전하를 홀로 축적한 후 검사할 경우 접합 리키지를 갖는 도전성 패드의 결함 이미지는 반전되는 반면 물리적 결함을 갖는 도전성 패드의 결함 이미지는 반전되지 않는다. 그리고, 전자를 축적한 후 전기적 결함 검사장치를 결함을 검출할 때 암이 아닌 이미지인 도전성 패드는 비식각된 콘택부와 콘택부와 라인간의 쇼트에 의한 전기적 결함을 나타내는데, 표면 전하를 홀로 축적한 후 검사할 경우 비식각된 콘택부의 도전성 패드는 암 이미지로 반전되나 콘택부와 라인간의 쇼트를 포함하는 도전성 패드의 이미지는 반전되지 않는다.
도 7은 도 1의 반도체 소자의 전기적 결함 검사 장치를 이용하여 전기적 결함을 분류할 수 있는 반도체 소자의 전기적 결함 검사 방법의 다른 예를 도시한 흐름도이다.
구체적으로, 도 1의 보조 챔버 내에 로?? 반도체 소자의 도전성 패드들의 표면을 이온 발생기를 이용하여 홀로 축적한다(스텝 401). 이어서, 상기 홀로 축적된 반도체 소자를 전기적 결함 검사 장치의 주챔버에 로딩한다(스텝 403). 이어서, 상기 전기적 결함 검사 장치의 주챔버에서 홀로 축적된 도전성 패드들에 1차 전자빔을 조사한 후 방출되는 2차 전자에 따른 전압 콘트라스트에 의해 얻어지는 결함 이미지를 1차로 검출한다. 다음에, 1차로 검출된 결함 이미지가 암 이미지인지 아닌지를 판단한다(스텝 405).
만약, 1차 검출된 결함 이미지가 암 이미지이면 전기적 결함 검사 장치의 보조챔버로 반도체 소자를 언로딩한다(스텝 407). 보조 챔버로 언로??된 반도체 소자의 도전성 패드의 표면을 이온 발생기를 이용하여 전자로 축적한다(스텝 409). 이어서, 전자로 축적된 도전성 패드들에 1차 전자빔을 조사한 후 방출되는 2차 전자에 따른 전압 콘트라스트에 의해 얻어지는 결함 이미지를 2차로 검출한다. 이어서, 2차로 검출된 결함 이미지가 암인지를 판단한다(스텝 411). 2차 결함 이미지가 암이미지인 도전성 패드는 물리적인 결함을 나타내고(스텝 413), 그렇치 않으면 비식각된 콘택부에 의한 전기적 결함을 나타낸다(스텝 515).
다음에, 상기 1차 검출된 결함 이미지가 암 이미지가 아니면 전기적 결함 검사 장치의 보조챔버로 반도체 소자를 언로딩한다(스텝 507). 이어서, 보조 챔버로 언로??된 반도체 소자의 도전성 패드의 표면을 이온 발생기를 이용하여 전자로 축적한다(스텝 509). 이어서, 전자로 축적된 도전성 패드들에 1차 전자빔을 조사한 후 방출되는 2차 전자에 따른 전압 콘트라스트에 의해 얻어지는 결함 이미지를 3차로 검출한다. 이어서, 3차로 검출된 결함 이미지가 암인지를 판단한다(스텝 511). 3차 결함 이미지가 암 이미지인 도전성 패드는 접합 리키지 소스에 의한 전기적 결함을 나타내고(스텝 513), 그렇치 않으면 콘택부와 도전 라인간의 쇼트에 의한 전기적 결함을 나타낸다(스텝 515).
요약하자면, 홀을 축적한 후 전기적 결함 검사 장치로 결함을 검출할 때 암 이미지인 도전성 패드는 물리적 결함과 비식각된 콘택부에 의한 전기적 결함인데, 표면 전하를 전자로 축적한 후 검사할 경우 비식각된 콘택부를 갖는 도전성 패드의 결함 이미지는 반전되는 반면 물리적 결함을 갖는 도전성 패드의 결함 이미지는 반전되지 않는다. 그리고, 홀를 축적한 후 전기적 결함 검사장치로 결함을 검출할 때 암이 아인 결함 이미지는 접합 리키지와 콘택부와 라인간의 쇼트에 의한 전기적 결함인데, 표면 전하를 전자로 축적한 후 검사할 경우 콘택부와 도전성 라인간의 쇼트를 갖는 도전성 패드의 결함 이미지는 암 이미지로 반전되나 접합 리키지 소스를 갖는 도전성 패드는 반전되지 않는다.
상술한 바와 같이 본 발명의 반도체 소자의 전기적 결함 검사 장치는 전기적 결함을 검사하기 전에 반도체 소자의 패드의 표면을 전자 또 홀로 축적시켜 반도체 소자의 전기적 결함을 검출하고 이를 종류별로 분류할 수 있다. 특히, 본 발명의 반도체 소자의 전기적 결함 검사 장치는 보조 챔버에 연결된 이온 발생기를 이용하거나 1차 전자빔의 에너지를 조절하여 반도체 소자의 도전성 패드를 전자 또는 홀로 축적시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. 반도체 기판이 로딩되는 보조 챔버;
    상기 보조 챔버 내의 반도체 기판의 표면에 홀(양이온)이나 전자(음이온)를 도핑시킬 수 있는 이온 발생부;
    상기 보조 챔버와 연결되고 상기 반도체 기판이 로딩되는 스테이지를 포함하는 주챔버;
    상기 주챔버 내에 위치하는 반도체 기판에 전기적 결함을 검사하기 위하여 1차 전자빔을 주사할 수 있는 전자빔 소스부;
    상기 주사된 1차 전자빔으로 인해 상기 반도체 기판에서 발생된 2차 전자의 전압 콘트라스트에 의한 전기적 신호를 검출하여 증폭할 수 있는 신호 처리부;
    상기 신호 처리부에서 처리된 전기적 신호를 분석하여 전기적 결함을 판정하고 통계처리 수 있는 데이터 분석부;
    외부 컴퓨터로부터 상기 반도체 기판의 물리적 결함의 위치 데이터를 받아 출력할 수 있고 각 구성요소들을 제어할 수 있는 중앙 컴퓨터;
    상기 중앙 컴퓨터로부터 전달받은 상기 반도체 기판의 물리적 결함의 위치를 추적할 수 있는 스테이지 조절부; 및
    상기 신호 처리부에서 처리된 전기적 신호를 이미지 처리하고, 탑재된 전기적 결함 분류 흐름도에 따라 이를 상기 중앙 검퓨터에 피드백할 수 있는 이미지 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 전기적 결함 검사 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스테이지 조절부는 주 챔버 내의 스테이지를 이동시킬 수 있는 스테이지 이동부와 이에 연결된 레이저 간섭계 조절기로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 전기적 결함 검사 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 신호 처리부에 상기 신호 처리부에서 처리된 전기적 신호를 영상 처리하여 처리하여 눈으로 볼수 있게 하는 영상 디스 플레이부가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전기적 결함 검사 장치.
  4. 반도체 기판 상에 복수개의 도전성 라인들, 상기 도전성 라인들을 절연시키는 절연막들와 상기 절연막들 사이에 형성된 도전성 패드들을 갖는 반도체 소자를 준비하는 단계;
    상기 도전성 패드들의 표면을 전자 또는 홀을 축적하는 단계;
    상기 전자 또는 홀로 축적된 도전성 패드들에 1차 전자빔를 조사하는 단계; 및
    상기 1차 전자빔이 조사된 도전성 패드들에서 방출되는 2차 전자에 따라 상기 도전성 패드들간의 전압 콘트라스트를 검출하여 상기 반도체 기판에 존재하는 전기적 결함을 판정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 전기적 결함 검사 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 도전성 패드들의 표면을 전자 또는 홀을 축적하는 단계는 이온 발생기를 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 전기적 결함 검사 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 도전성 패드들의 표면을 전자 또는 홀을 축적하는 단계는 1차 전자빔의 에너지를 조절하여 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 전기적 결함 검사 방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 전기적 결함 판단시 2차 전자에 의한 전압 콘트라스트를 명 또는 암 이미지로 하여 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 전기적 결함 검사 방법.
  8. 반도체 기판 상에 복수개의 도전성 라인들, 상기 도전성 라인들을 절연시키는 절연막들와 상기 절연막들 사이에 형성된 도전성 패드들을 갖는 반도체 소자를 준비하는 단계;
    상기 도전성 패드들의 표면을 전자로 축적하는 단계;
    상기 전자로 축적된 도전성 패드들에 1차 전자빔를 조사한 후 방출되는 2차 전자에 따라 상기 도전성 패드들간의 전압 콘트라스트에 의해 얻어지는 결함 이미지를 1차 검출하는 단계;
    상기 1차 검출된 결함 이미지가 암 이미지인가를 판단하는 단계;
    상기 1차 검출된 결함 이미지가 암이면 상기 도전성 패드들의 표면을 홀로 축적하는 단계;
    상기 홀로 축적된 도전성 패드들에 1차 전자빔를 조사한 후 방출되는 2차 전자에 따라 상기 도전성 패드들간의 전압 콘트라스트에 의해 얻어지는 결함 이미지를 2차 검출하는 단계;
    상기 2차 검출된 결함 이미지가 암 이미지인 도전성 패드는 물리적인 결함이고, 암이 아닌 이미지인 도전성 패드는 접합 리키지 소스에 의한 전기적 결함이라고 판단하는 단계;
    상기 1차 검출된 결함 이미지가 암 이미지가 아니면 상기 도전성 패드들의 표면을 홀로 축적하는 단계;
    상기 홀로 축적된 도전성 패드들에 1차 전자빔을 조사한 후 방출되는 2차 전자에 따라 상기 도전성 패드들간의 전압 콘트라스트에 의해 얻어지는 결함 이미지를 3차 검출하는 단계;
    상기 3차 검출된 결함 이미지가 암 이미지인 도전성 패드는 비식각된 콘택부에 의한 전기적 결함이고, 암이 아닌 이미지인 도전성 패드는 상기 도전성 패드와 도전성 라인 간의 쇼트에 의한 전기적 결함이라고 판단하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 전기적 결함 검사 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 도전성 패드들의 표면을 전자 또는 홀을 축적하는 단계는 1차 전자빔의 에너지를 조절하여 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의전기적 결함 검사 방법.
  10. 반도체 기판 상에 도전성 라인들, 상기 도전성 라인들을 절연시키는 절연막들과 상기 절연막들 사이에 형성된 도전성 패드들을 갖는 반도체 소자를 준비하는 단계;
    상기 도전성 패드들의 표면을 홀로 축적하는 단계;
    상기 홀로 축적된 도전성 패드들에 1차 전자를 조사한 후 방출되는 2차 전자에 따른 전압 콘트라스트에 의해 얻어지는 결함 이미지를 1차 검출하는 단계;
    상기 1차 검출된 결함 이미지가 암 이미지인가를 판단하는 단계;
    상기 1차 검출된 결함 이미지가 암 이미지이면 상기 도전성 패드들의 표면을 전자로 축적하는 단계;
    상기 전자로 축적된 도전성 패드들에 1차 전자를 조사한 후 방출되는 2차 전자에 따른 전압 콘트라스트에 의해 얻어지는 결함 이미지를 2차 검출하는 단계;
    상기 2차 검출된 결함 이미지가 암 이미지인 도전성 패드는 물리적인 결함이고, 암이 아닌 이미지인 도전성 패드는 비식각된 콘택부에 의한 전기적 결함이라고 판단하는 단계;
    상기 1차 검출된 결함 이미지가 암 이미지가 아니면 상기 도전성 패드들의 표면을 전자로 축적하는 단계;
    상기 전자로 축적된 도전성 패드에 1차 전자빔을 조사한 후 방출되는 2차 전자에 따른 전압 콘트라스트에 의해 얻어지는 결함 이미지를 3차 검출하는 단계;
    상기 3차 검출된 결함 이미지가 암인 도전성 패드는 접합 리키지 소스에 의한 전기적 결함이고, 암이 아닌 도전성 패드는 상기 도전성 패드와 도전성 라인간의 쇼트에 의한 전기적 결함이라고 판단하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 전기적 결함 검사 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 도전성 패드들의 표면을 전자 또는 홀을 축적하는 단계는 이온 발생기를 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 전기적 결함 검사 방법.
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