KR100483357B1 - 반도체의 미소 결함을 검출하는 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 포토루미네슨스를 이용하여 실온 및 효율적인 시간으로 반도체 또는 실리콘 구조체내의 결함을 검출하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 바람직하게는 스폿 사이즈가 0.1㎜-0.5미크론 사이에 있고 피크 또는 평균 전력이 104 -109 와트/㎠ 사이에 있는 높은 세기의 광빔을 사용하여, 전하 캐리어의 고농도를 발생시키며, 이 전하 특성은 상기 반도체와 상호작용함으로써 반도체 내의 결함을 검출한다. 이 결함들은 상기 반도체의 포토루미네슨스 이미지를 발생시킴으로써 가시화된다. 선택된 깊이에서의 결함들을 식별하기 위해 다수의 파장들이 사용될 수 있을 뿐만 아니라 공초점이 사용될 수 있다.

Description

반도체의 미소 결함을 검출하는 장치 및 방법{Apparatus and method for detecting micro defects in semi-conductors}
본 발명은 반도체 또는 실리콘 특히, 이에 한정하는 것은 아니지만 대부분이 실리콘으로 이루어진 반도체에서 미소 결함을 검출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
결정 성장법(crystal growth)이 개발됨에 따라 디스로케이션(dislocation)이 없는 실리콘 웨이퍼의 제조가 가능하게 되었다. 그러나, 이 결정 성장법을 사용하더라도 디스로케이션 없는 웨이퍼들이 고온 처리된 후에는 디스로케이션 없는 웨이퍼를 유지할 수가 없다. 웨이퍼내의 디바이스의 활성 영역내에서 형성된 결함들 및 게이트 산화물내에서 발생된 결함들은 전반적으로 디바이스의 성능을 저하시켜 수율 손실 및 신뢰성 문제를 일으킨다. 본 발명은 이러한 결함들을 검출하여 그 전기적 기능을 측정하는데 사용될 수 있다.
실리콘내에서 고속 확산 물질인 전이 금속들은 쉽게 심층 레벨을 형성, 즉 가전자 대역 또는 전도 대역 엣지로부터 멀어지며, 또한 포인트 및 포인트가 확장된 결함들을 형성시켜 궁극적으로 디바이스의 손상을 초래한다. 이러한 전이 금속 불순물들은, 또한 캐리어 수명을 크게 감소시키는 한편 빛이 없을 경우 전하 누설을 일으키는 암전류 발생 사이트로서 역할을 하는 재결합 센터 및 트랩을 형성한다. 손상된 사이트를 제공하기 위해 마모와 같은 기계적 손상을 일으키는 게터링 기법(gettering technique)은 전형적으로 웨이퍼에서 불순물들을 흡수하는 스펀지로서의 역할을 효과적으로 수행하는 한편 디바이스 활성 영역으로부터 전이 금속 불순물들을 제거하기 위해 개발되었다. 그러므로 전술한 손상은 전기적 디바이스로부터 멀리 떨어진 웨이퍼 영역에 의도적으로 초점이 맞추어진다. 따라서 내부 게터링(internal gettering) 기법은 디바이스 영역으로부터 떨어진 원하지 않는 불순물들을 끌어당기는 실리콘 기판의 결함들을 초래하고 있다. 게터링 사이트(gettering site)는 상이한 프로세스 조건에 대한 그 분포도를 제어(이 태스크는 본 발명에 따라 수행될 수 있음)하는 특징을 가질 필요가 있다.
최상부에 증착된 실리콘층인 에피택셜 실리콘은 전형적으로 수 미크론 정도의 두께이며, CZ(Czochralski) 웨이퍼 성장에 따라 발생되는 문제를 해결하는데 사용될 수 있다. 다시 말해서, 이 에피택셜 실리콘이 결함없는 방식으로 성장될 수 있다고 가정한 경우, 이 에피택셜 실리콘의 두께가 증가할수록 이 실리콘은 디바이스의 기능에 영향을 끼치는 벌크 실리콘에서의 오염에 대한 염려없이, 전기적 디바이스의 사이트로서 사용될 수 있다. 그러나, 이 전기적 기능을 위해 항상 충분한 두께의 에피택셜 층을 사용할 수 있는 것은 아니다. 에피택셜 층이 얇은 경우, 벌크 웨이퍼에서의 결함들은 전기적 디바이스에 장애를 일으킬 수 있다. 또한 에피택셜 층은 금속 오염의 문제로부터 장애를 일으킬 수도 있다.
물질 성장에 따라 발생하는 결함들을 검출하기 위한 기존의 기법들에는 플로우 패턴 결함(flow pattern defects)을 검출하는 습식 화학 에칭법과, 광을 사용하여 하부구조의 결함을 나타내는 파동을 검출함으로써 표면 웨이퍼의 토포그래피를 검사하는 광 산란 토포그래피법과, 웨이퍼를 통과하는 광 투과율을 검사하고 작은 경로 변화에 기인한 위상 변이를 사용하여 웨이퍼의 결함을 이미지화하는 투과 간섭 비교 현미경법이 있다. 이 모든 기법들은 웨이퍼내의 결함들의 물리적 존재를 측정하는데 사용된다. 그러나 이들은 결함들의 전기적 특성을 측정하는 것은 아니며, 또한 임의의 경우에 이들 기법은 파괴적일 수 있다. 따라서, 이들 기법은 웨이퍼의 구조적인 무결성을 결정하는 기법으로서 제공하는 정보의 측면에서 만족스러운 기법이 아닐 뿐만 아니라 이들 기법은 또한 파괴적일 수 있다. 포토루미네슨스(PL) 분광기법은 반도체의 불순물 및 결함에서의 진성 및 비진성 전자 전이를 조사하기 위한 매우 민감한 기법이다. 실리콘이 물질의 밴드갭 이상의 레이저 조사에 의해 매우 낮은 온도에서 여기될 때 전자 정공 쌍이 생성된다. 이러한 캐리어들은 다양한 방식으로 재결합할 수 있지만 이들의 일부는 루미네슨스(발광)를 일으킬 수 있다. 낮은 온도에서 형성된 이 전자 정공 쌍은 실리콘의 불순물에 트랩되어 상호작용의 광자 특성을 방출하며, 이에 따라 포토루미네슨스 스펙트럼내에 불순물 고유 정보가 생성된다. 다양한 프로세싱 단계, 가령 주입, 산화, 플라즈마 에칭, 포인트 결함 화합물의 검출 및 디스로케이션의 존재 검출과 같은 디바이스 제조 단계 이후의 실리콘의 특징화를 비롯한 실리콘에 대한 PL 분광 기법의 적용예는 다양하다. 가장 중요한 적용예들 중의 하나는 비소, 붕소, 및 인과 같은 얕은 도너 및 억셉터의 비파괴적 측정이 있다. 특히, 이러한 기법은 얕은 도너 및 억셉터의 농도 측정을 가능하게 한다. 그러나, 이러한 적용예에서 스펙트럼 정보 및 광 중심의 명확한 화학적 분석을 얻기 위해서는 액체 헬륨 온도에서 측정을 행할 필요가 있다. 실온에서는 PL 신호가 매우 미약하며 유용한 스펙트럼 정보를 거의 얻을 수 없다고 하는 것은 본 산업 분야에서 널리 알려져 있다.
우리는 실온에서 PL 분광 기법을 사용하는 것을 기술하는 하나의 실험예를 알고 있다("Mapping of Micro Defects in Silicon Crystals by Photoluminence at Room Temperature"라는 명칭의 1990년 반도체 실리콘 회보지 볼륨 90-7, 994-1004페이지 참조). 비록 이 논문에서 심층 레벨의 PL 및 밴드 엣지의 PL이 실온에서 실리콘 웨이퍼들내에서 검출될 수 있다고 기술하고 있지만, 사용된 기법은 스펙트럼 정보 획득과 관련되고 있음으로 인해, 공간 해상도가 제한되었고 관련된 시간이 길었다는 것에 유의해야 한다. 이러한 것은 이 기법의 성공적인 사용을 크게 제한하고 있다. 이것은, 결함들의 재결합 특성에 대한 비파괴적 조사를 위해 실온의 PL이 이상적으로 사용되기 때문에 단점으로 되고 있다.
그러나, 우리는 수 분내에 이미지를 생성시킬 수 있다고 하는 산업상의 적용예를 갖는 PL 기법을 개발하였다. 이 PL 기법은 또한 웨이퍼의 표면과 인접한 곳에 위치한 미소 개별 결함의 미소 이미지를 얻을 수 있다고 하는 또다른 효과를 가지고 있는데, 이는 웨이퍼의 깊은 곳에 위치한 대형의 결함 클러스터의 매크로 뷰(macro view)를 발생시키는 경향이 있는 전술한 PL 실온 기법과는 대조적이다.
본 출원인의 기법은 다음의 정보와 관련하여 기술될 수 있다.
레이저 빔의 위치 함수로서의 PL 세기, IPL 은 다음의 수학식으로 주어진다.
[수학식 1]
여기서, k는 광 수집 효율, 검출기의 양자화 효율과 같은 실험적인 파라미터들용으로 사용될 수 있는 비례 계수이다. A 및 Rr 은 각각 물질(A) 내부의 흡수 손실에 대한 보정 계수와 표면(Rr )에서의 반사 손실에 대한 보정 계수이다. η은 반도체의 내부 양자화 효율(internal quantum efficiency), Δn은 과도 캐리어 밀도(excess carrier density), d3 은 발광 물질의 체적이다.
결함들은 PL 이미지의 세기 변화로서 관측되는 캐리어의 재결합 특성을 변경시킨다. 본 출원인은 PL 콘트라스트, C를 다음의 수학식으로 정의한다.
[수학식 2]
여기서, IPL (∞)은 결함으로부터 멀리 떨어져 있는 세기이며, IPL (x, y)은 위치 x, y에서의 세기이다.
과도 전자 정공 쌍이 밴드갭 이상의 여기에 의해 실리콘내에서 생성될 때 재결합은 방사성(발광)이거나 비방사성일 수 있다. 전체 재결합율은 두 개의 비율의 합산으로 다음과 같은 수학식으로 표현된다.
[수학식 3]
반도체의 내부 양자화 효율, η은 다음과 같은 수학식으로 주어진다.
[수학식 4]
포토루미네슨스 이미지가 획득될 때 PL 신호내에서 관측된 임의의 변화는 Rrr 과 Rnr 의 공간적 변화에 기인한 것일 수 있다.
결함의 재결합 특성은 밴드갭내의 레벨의 위치(심층(깊은) 레벨이거나 천층(얕은) 레벨) 및 단면을 통과하는 캐리어의 포착율에 따라 달라진다. 낮은 주입 레벨에서, 재결합율은 소수 캐리어의 이용가능성에 의해 제한되는 반면, 주입된 전하가 평형 상태의 캐리어 농도를 초과하는 고 주입 레벨에서, 재결합율은 트랩의 수에 의해 제한을 받는다. 따라서, 주입 레벨의 증가는 결함에서의 재결합의 증가를 초래한다.
도 1은 초크랄스키(CZ) 실리콘의 1㎜ × 1㎜의 주사 영역에서 본 발명의 장치를 사용하여 성장된 결함의 PL 이미지를 도시한 도면이고,
도 2는 초크랄스키(CZ) 실리콘의 1㎜ × 1㎜의 주사 영역에서 1×1011 원자수/㎝-3 의 농도로 철이 첨가된 후 본 발명의 장치를 사용하여 성장된 결함의 PL 이미지를 도시한 도면이고,
도 3은 어닐링된 실리콘의 1㎜ × 1㎜의 주사 영역에서 본 발명의 장치를 사용하여 산소 첨가된 PL 이미지를 도시한 도면이고,
도 4는 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 처리된 테스트 웨이퍼의 500㎛ ×500㎛ 주사 영역에서 본 발명의 장치를 사용하여 니켈 실리사이드가 첨가된 PL 이미지를 도시한 도면이고,
도 5는 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 처리된 테스트 웨이퍼의 100㎛ ×100㎛ 주사 영역에서 본 발명의 장치를 사용하여 구리 실리사이드가 첨가된 PL 이미지를 도시한 도면이고,
도 6은 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 처리된 테스트 웨이퍼의 37㎛ ×39㎛ 주사 영역에서 (a) 고 주입의 경우와 (b) 저 주입의 경우에 구리 실리사이드가 첨가된 PL 이미지를 도시한 도면이고,
도 7은 국소 실리콘 산화법( LOCOS) 테스트 구조체의 120㎛ ×60㎛의 주사 영역의 마이크로그래프를 본 발명의 장치를 사용하여 도시한 도면이고,
도 8은 고밀도의 디스로케이션을 드러내는 국소 실리콘 산화법(LOCOS) 테스트 구조체의 120㎛ ×60㎛ 주사 영역에서 본 발명의 장치를 사용하여 PL 이미지를 도시한 도면으로서, 이미지 오른쪽의 어두운 선은 고밀도 디스로케이션 영역을 나타내며,
도 9는 본 발명에 따른 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
따라서, 본 발명의 목적은 실온에서 수행될 수 있는 포토루미네슨스 기법을 제공하는 데 있으며, 이 기법은 산업상의 용도에 적합한 속도로 반도체 또는 실리콘 구조체내에서 결함들과 관련한 정보를 제공하는 동시에 반도체 또는 실리콘 구조체 상부 영역의 결함뿐만 아니라 특히 그 반도체 표면 근처의 결함까지 시각화할 수 있게 한다.
본 발명의 다른 목적은 반도체 또는 실리콘 구조체내의 결함들의 전자 정공 쌍의 비방사성 재결합을 증가함으로써 반도체 또는 실리콘 구조체내에서 반도체 또는 실리콘 구조체의 PL 이미지 콘트라스트를 증가시켜 그 결함의 시각화를 향상시키는 데 있다.
넓은 측면에서, 본 발명은 결함 사이트에서 캐리어의 수명의 변화에 따라 결함이 관측될 선택된 여기 조건하에서 반도체 또는 실리콘 구조체로부터의 루미네슨스 수집에 근거하고 있다.
따라서, 본 출원인은 본 발명의 방법에서 고 주입 레벨 레이저를 사용하며, 결함들은 그 결함의 캐리어 수명의 국소 변화에 기인하여 검출된다. 이러한 결함들은 전형적으로 결함의 물리적 위치에서 어두운 영역으로서 관측되지만, 일부의 경우에 증가된 방사성 재결합은 배경과 관련하여 비교적 밝은 영역을 발생시킨다.
결함에서의 재결합은 주입 레벨을 증가시킴으로써 증가되며 소수 캐리어의 이용가능성에 의해서는 제한을 받지 않는다.
본 출원인은 본 발명의 방법의 성공으로 인해 부분적으로는 레이저의 조사 볼륨(probing volume)이 작은 것(공간 해상도는 0.1- 20㎛이며, 바람직하게는 2-5㎛임)에 기인함에 따라 국소화된 결함들은 측정된 PL 세기에 커다란 영향을 끼치고 있다고 믿고 있다. 또한 본 출원인은 본 발명의 방법이 부분적으로는 여기가 주입 캐리어 밀도가 높다는 것에 초점이 맞추어져 있기 때문에 성공적이라고 믿고 있다. 이것은 결함, 즉 결함의 위치에서 비방사성 재결합의 확률을 크게 증가시킨다.
따라서, 본 발명의 제 1 특징에 따르면, 반도체 또는 실리콘 구조체내의 공간 및 깊이 해상도를 높이는 방법이 제공되는데, 이 방법은 상기 반도체 또는 실리콘 구조체를 높은 세기의 레이저에 노광시켜 그 포토루미네슨스를 결정하는 것을 포함하고 있다.
이상적으로 본 발명은 콘트라스트 및 해상도를 높임으로써 반도체 또는 실리콘 구조체내의 결함을 검출하도록 수행된다.
본 명세서에서 의미하는 높은 세기의 레이저라는 것은 제한없은 높은 전력 밀도의 레이저, 즉 레이저의 전력과는 무관하게 에미턴스(emittance)가 포커싱되는 레이저를 의미한다.
본 출원인은 캐리어 확산 길이가 고 주입 레이저 조건하에서는 크게 감소되었으며, 그 결과 유효 샘플링 깊이는 대개 여기 레이저 투과 깊이에 의해 결정되며 여기 레이저 투과 깊이는 여기 소스(excitation source)에 의해 결정된다는 것을 발견하였다. 표면 근처에서 단파장을 사용함으로써 결함이 검사될 수 있다. 반대로 그 샘플의 보다 깊은 곳의 결함을 보기 위해서는 보다 더 긴 장파장이 사용될 수 있다.
본 발명의 방법에서, 본 출원인은 펄스형 레이저 여기 소스를 사용하며, 이상적으로는 시간의 함수로서의 루미네슨스 이미지를 측정하고 있다. 이것은 깊이 및 공간 해상도가 향상되어 결함의 단면을 통과하는 캐리어의 포착에 관한 정보를 얻는 데 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 또한 유효 캐리어 수명을 측정하여 수명맵(lifetime map)을 얻는 데 시분할 측정법(time resolved measurement)이 사용될 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 레이저를 사용하여 상기 대량의 반도체를 여기시켜 일련의 초점면으로부터 이미지들을 수집함으로써 결함들의 깊이 분별을 행하는 데 공초점 광(confocal optics)이 사용되고 있다.
본 발명의 또다른 특징에 따르면, 반도체 또는 실리콘 구조체내의 결함들을 식별하는 방법이 제공되는데, 이 방법은 반도체 또는 실리콘 구조체를 적어도 하나의 높은 세기의 광빔에 노광시키되, 스폿(spot)의 사이즈는 0.1㎜-0.5미크론 사이에 있으며 피크 또는 평균 전력은 104 내지 109 와트/㎠ 사이로 하여 노광시키는 단계와, 반도체 또는 실리콘 구조체내의 결함들을 관측하기 위해 그들로부터 루미네슨스를 수집하는 단계를 포함하고 있다.
본 발명의 한 방법을 사용하면, 대부분 실리콘으로 이루어진 반도체 내의 결함의 분포를 이미지화할 수 있다. 이 방법은 모든 반도체내의 결함 분포를 결정하고 또한 밀도 및 공간 해상도를 결정하여 반도체의 결함 재결합을 측정하는 적용예를 갖는다.
본 발명의 또다른 특징에 따르면, 반도체 또는 실리콘 구조체의 포토루미네슨스 이미지화를 수행하는 장치가 제공되는데, 이 장치는 본 명세서에 기술되는 바와 같은 높은 세기의 레이저를 포함하고 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 레이저는 그 여기 파장을 조정하여 사용자가 상기 반도체 또는 실리콘 구조체를 상이한 깊이에서 샘플링할 수 있도록 변조될 수 있다. 가령, 상기 반도체 또는 실리콘 구조체의 표면 근처에서 샘플링하는 데에는 단파장이 사용되며, 반도체 또는 실리콘 구조체 내부를 보다 면밀히 보기 위해서는 장파장이 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 장치는 상기 레이저 및 바람직하게는 시간의 함수로 얻을 수 있는 PL 이미지에 대한 펄싱 가능수단을 구비한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 장치에는 상기 레이저를 고주파수(0.1-100㎒)로 변조하여 사용자가 반도체 또는 실리콘 구조체를 상이한 깊이에서 샘플링할 수 있도록 하는 변조 수단이 제공된다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 장치는 스폿(spot)의 사이즈가 0.1㎜-0.5미크론 사이에 있으며 피크 또는 평균 전력이 104 내지 109 와트/㎠ 사이에 있는 레이저를 포함하고 있다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 장치는 레이저를 통해 대량의 반도체를 여기시켜 일련의 초점면으로부터 이미지를 수집함으로써 결함의 깊이를 식별하는 데 사용된다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 도면과 관련하여 기술한다.
도 9를 참조하면 본 발명에 따른 장치의 개략적 도면이 도시되어 있다.
이 장치는 도면의 오른쪽에 도시된 일련의 레이저(3-8)로 구성되는 PL 촬상 현미경과, 버튼측의 X-Y 테이블 또는 R-Θ테이블과 같은 샘플 스테이지와, 도면의 왼쪽에 도시된 마이크로제어기(40) 및 디스플레이 스크린(39)과, 그리고 도면의 중앙에 도시된 시스템을 향해 광을 지향시키는 다양한 광학 구성소자를 포함하고 있다.
도 9에 도시한 실시예에서, 6개의 레이저는 샘플에서의 다양한 깊이를 조사할 목적으로 제공되고 있다. 그러나, 단지 하나의 레이저를 사용하는 것도 본 발명의 범주에 속하지만 6개 이상의 레이저를 사용하는 것도 마찬가지로 본 발명의 범주에 속한다. 여하튼 간에, 적어도 하나의 레이저는 높은 세기의 레이저이며, 이상적으로는 0.1㎜와 0.5미크론 사이의 스폿 사이즈를 가지며 또한 104 과 109 와트/㎠ 사이의 전력 밀도를 갖는다. 상기 일련의 레이저에 접속된 레이저 선택기(16)는 용도에 따라 하나 이상의 레이저들을 선택할 목적으로 제공되는 한편 레이저의 주파수 및 파장을 선택할 목적으로도 제공되고 있다.
광섬유(9)와 같은 기존의 광학 요소는 콜리메이터(10) 및 레이저빔 확장기(11)로 광을 지향시키기 위해 사용된다. 아포디제이션판(apodization plate)(12)은 레이저빔 확장기(11)와 빔스플리터(31) 사이에 위치한다. 빔스플리터(31)는 일부의 광을 전술한 레이저로부터 대물 렌즈(34)를 거쳐 샘플(2)로 지향시킨다.
자동 초점 제어기(30)가 제공되어 피에조 구동 초점 스테이지(33)에 접속된다. 현미경에는 기존의 회전 터릿(rotating turret)(36)이 장착되며, 이 터릿에는 마이크로 조사를 위한 적어도 하나의 높은 도수의 개구 대물 렌즈(34)와 매크로 조사를 위한 하나의 낮은 도수의 개구 대물 렌즈(35)가 각각 장착된다. 또한, 광학 변위 측정 시스템(38)이 제공되어 터릿(36)에 접속된다.
자동 초점 제어기(30)와 마이크로프로세서(40)를 접속하고 또한 현미경 대물 렌즈 인덱싱 장치(32)와 마이크로프로세서(40)를 접속할 목적으로 케이블이 제공된다.
빔스플리터(31)의 하방에는 레이저 노치 필터를 위한 필터 휠(13)이 제공되며, 휠(13)의 하방에는 측면 스윙 폴딩 미러(a swing-aside folding mirror)(14)가 제공되며, 그 기능은 후술될 것이다. 상기 미러(14)와 정렬되어 있는 필터 휠(27)은 파장 선택을 위해 제공되며, 그 휠(27)의 후방에는 적절한 CCD 2-D 어레이 검출기(29)에 부착된 줌 렌즈가 제공된다.
파장 선택을 위한 다른 필터 휠(23)과 UV 및 가시광 검출기(25)의 앞쪽에 위치한 초점 렌즈(24)로 광을 지향시키는 콜드 미러(cold mirror)(17)의 바로 이전 광로에는 무한계 보상 렌즈(infinity system compensating lens)(37)가 제공된다. 검출기(25)는 록인 증폭기(lock-in amplifier)(26)에 접속된다. 이것은 표면의 반사된 이미지를 얻는데 사용된다.
콜드 미러(17)의 바로 후방에는 다시 파장 선택을 위한 또다른 필터 휠(18)이 제공되며, 휠(18)의 바로 후방에는 초점 렌즈(22) 및 핀홀(pinhole) 선택을 위한 또다른 개구 휠(19)이 제공되며, 이 휠(19)의 바로 후방에는 루미네슨스 검출을 위한 검출기(21)이 제공된다. 자외선 및 가시광 영역의 검출기(25) 및 적외선 검출기(21)은 록인 증폭기(26)에 접속된다.
시스템의 동작을 이하에서 기술한다.
수 개의 레이저(3-8)들은 샘플의 상이한 면을 조사할 일련의 파장들을 제공한다. 이 레이저들은 주파수 발생기(16)에 의해 변조되고, 그에 따라 샘플(2)로부터 방출된 신호는 록인 증폭기(26)에 의해 레이저 변조 주파수에 동기되는 검출기에 의해 배경광과 분리된다. 또다른 실시예에서, 일련의 파장들은 동조가능한 레이저 및/또는 광 파라메트릭 발진기(Optical Parametric Osicillator)에 의해 발생될 수도 있다. 각각의 레이저는 다중 분기 광섬유(9)에 접속 및 정렬되고, 그에 따라 모든 레이저들은 샘플(2)을 조사할 수 있다. 다중 분기 광섬유의 공통 단부는 발생광을 콜리메이팅하는 광학계(10)내에 존재한다. 이 광학계는 빔 확장기(11)에 정렬되며, 이 빔 확장기는 레이저 빔의 직경과 샘플(2) 위의 현미경 대물 렌즈(34, 35)가 필요로 하는 직경을 정합시킨다. 확장된 빔은 다시 아포디제이션판(12)를 관통하게 되며, 이 판은 빔 영역상에서 골고루 빔 에너지를 분산시킨다.
확장되고 분산된 빔은 빔스플리터(31)에 의해 반사되어 현미경의 대물 렌즈(34, 35)로 전달된다. 이 빔은 샘플상에서 현미경 대물 렌즈(34 또는 35)에 의해 포커싱된다. 이 대물 렌즈는 회절 제한된 스폿 사이즈에 빔을 포커싱시키도록 하기 위해 선택된다. 회전 터릿(36)은 인덱싱 메카니즘(32)에 의해 동작되어 대물 렌즈를 샘플의 대영역이 조사되는 매크로 모드용으로 변화시킨다. 또다른 실시예로서, 아포디제이션판(12)이 제거되어, 마이크로 모드용의 스폿이 보다 높은 주입 레벨을 가능하게 하도록 보다 작게 만드는 것이 가능하다.
광학 변위 센터(38)는 샘플까지의 거리를 측정하며, 자동초점 제어기(autofocus controller)(30)를 통한 피드백 루프에 의해, 피에조 구동 포커싱 스테이지(33)에 의한 보정 간격을 유지한다.
샘플로부터의 포토루미네슨스 신호는 (마이크로 모드에서) 현미경 대물 렌즈(34)에 의해 수집되어 다시 빔스플리터(31) 및 필터 휠(13)의 노치 필터를 통해 투과되는데, 필터 휠(13)은 일련의 레이저 파장들과 정합하는 노치 필터들을 포함하고 있다. 노치 필터는 모든 반사된 레이저 광을 제거하며, 단지 포토루미네슨스 신호만을 통과시킨다.
폴딩 미러(14)는 빔의 외부로 스윙되어 신호를 튜브 렌즈(tube lens)(37)와 콜드 미러(17)로 전달하며, 이 튜브 렌즈(37)는 사용될 수 있는 모든 무한계 현미경 대물 렌즈를 보상하도록 내장될 수 있다. 이 콜드 미러는 선택된 차단 포인트 아래의 파장들(대략 700㎚)을 포커싱 렌즈(24)로 반사시키며, 이 포커싱 렌즈는 신호를 검출기(25)내로 포커싱한다. 검출기 포커싱 렌즈(24) 앞쪽의 필터 휠(23)은 선택된 파장 대역들을 분리시키는 필터들을 포함하고 있다.
차단 포인트 이상의 파장 범위에 존재하는 포토루미네슨스 신호의 부분은 콜드 미러(17)를 투과하며, 마찬가지로 렌즈(22)에 의해 검출기(21)내로 포커싱된다. 이 신호는 또한 선택된 파장 대역들을 분리시키는 필터들을 포함하고 있는 필터 휠(18)을 투과한다.
상이한 직경들의 일련의 핀홀들은 검출기(21) 앞에 위치한 개구 휠(19)내에 포함된다. 이 개구 휠은 피에조 액츄에이터(20)에 의해 축방향으로 제거될 수 있고, 그에 따라 핀홀들은 소정의 이미지 면에 공초점으로 위치할 수 있다. 이에 따라 샘플(2)내의 상이한 깊이에서의 평면들은 정확한 깊이 정보를 제공하기 위해 촬상(이미지화)될 수 있다.
검출기(21, 25)로부터의 전기적 신호는 록인 증폭기(26)에 전달되며, 이 증폭기에서 전기적 신호는 주파수 발생기(15)로부터 반사된 신호에 의해 레이저(3-8)의 변조 주파수에 동기된다. 이 전기적 신호는 다시 분석을 위해 중앙의 마이크로프로세서(40)로 전달된다. PL 이미지는 스테이지를 주사하는 래스터에 의해 획득된다. 대안으로, 갈보 미러(galvo mirror)를 사용하는 광학 스캐닝 장치가 사용될 수도 있다.
이와는 달리 마이크로 동작 모드에서, 폴딩 미러(14)는 포토루미네슨스 신호내로 스윙된다. 반전된 신호는 필터 휠(27)을 투과하여 줌 렌즈(28)내로 전달되며, 이 필터 휠(27)은 선택된 파장 대역들을 분리시키는 필터들을 포함한다. 줌 렌즈는 샘플(2)상에 조사된 스폿을 상기 CCD 2-D 어레이(29)에 촬상시킬 때 상이한 배율로 사용될 수 있다. 이는 샘플(2)의 조사 영역이 상이한 해상도로 촬상될 수 있게 한다. CCD 어레이로부터의 전기적 신호는 분석을 위해 중앙의 마이크로프로세서(40)으로 전달된다.
본 발명의 전술한 장치를 사용함으로써 반도체내의 결함들을 시각화하는 연구가 수행되었으며, 이 연구에 따른 결과가 도 1 내지 도 8에 도시되어 있다. 이미지들은 고유한 것이며, 실온에서 어떠한 다른 방법을 사용하더라도 결코 얻을 수 없다. 전반적으로, 이러한 장치를 사용함에 따라 반도체내의 결함의 시각화 및 특징화가 가능하게 되었다는 것을 알 수 있다. 이는 하나 이상의 효율적인 스크린 웨이퍼의 디바이스 제조를 가능하게 하였으며, 이에 따라 결함있는 반도체의 제조로부터 안전하게 보호되고 있다.
따라서 본 발명이 반도체 또는 실리콘 구조체의 밀도 및 공간 분포도가 결정될 수 있도록 결함들을 이미지화(촬상)할 수 있는 반도체 또는 실리콘 구조체의 결함 이미지화 장치 및 방법을 제공하고 있음을 알 수 있다.

Claims (10)

  1. 반도체 또는 실리콘 구조체내의 결함을 시각화 및 관측을 허용하는 포토루미네슨스 이미지들을 생성하기 위하여 상기 반도체 또는 실리콘 구조체를, 스폿 사이즈가 0.1㎜-0.5미크론 사이에 있고 피크 또는 평균 전력이 104-109 와트/㎠ 사이에 있는 적어도 하나의 높은 세기의 광빔에 노광시키는 단계와,
    상기 반도체 및 실리콘 구조체로부터 루미네슨스를 수집하는 단계를 포함하는 반도체 또는 실리콘 구조체내의 결함 식별 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 노광단계 전에, 상기 반도체 또는 실리콘 구조체내의 선택된 깊이에서 결함들을 식별하도록 상기 광빔의 파장을 선택하는 단계를 더 포함하는 결함 식별 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 높은 세기의 광빔은 펄스화된 것을 특징으로 하는 결함 식별 방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,일련의 초점면들로부터 루미네슨스를 수집하는 단계를 더 포함하는 결함 식별 방법.
  5. 반도체 또는 실리콘 구조체내의 포토루미네슨스 이미지화를 수행하는 장치에 있어서,
    스폿 사이즈가 0.1㎜-0.5미크론 사이에 있고 피크 또는 평균 전력이 104-109 와트/㎠ 사이에 있는 광빔을 발생시키는 적어도 하나의 높은 세기의 광 발생 수단과,
    상기 반도체 또는 실리콘 웨이퍼로부터 루미네슨스를 수집하는 수단과,
    존재할 수 있는 임의의 결함들을 시각화 및 관측하기 위해 상기 반도체 또는 실리콘 구조체내의 포토루미네슨스 이미지들을 발생시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토루미네슨스 이미지화 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광 발생 수단에는 상기 광빔의 파장을 선택할 수 있는 변조 수단을 구비하는 포토루미네슨스 이미지화 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 광 발생 수단에는 상기 광빔의 세기를 선택할 수 있는 변조 수단을 구비하는 포토루미네슨스 이미지화 장치.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 광 발생 수단으로부터의 고강도의 광 빔을 펄스화시킬 수 있는 수단이 상기 광 발생수단과 상기 루미네슨스 수집수단과의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 포토루미네슨스 이미지화 장치.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 광 발생 수단에는 상기 광빔의 주파수를 선택할 수 있는 변조 수단을 구비하는 포토루미네슨스 이미지화 장치.
  10. 제 5 항에 있어서, 일련의 초점면을 통해 상기 이미지 발생수단으로부터 발생된 상기 반도체 또는 실리콘 구조체의 이미지들을 얻을 수 있는 공초점 광학 구성요소를 더 포함하는 포토루미네슨스 이미지화 장치.
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