KR100644390B1 - 박막 두께 측정방법 및 이를 수행하기 위한 장치 - Google Patents
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Abstract
두께 측정값의 판정기준의 신뢰수준을 향상할 수 있는 박막두께 측정방법 및 장치에 있어서, 측정대상 박막이 형성된 기준기판을 최적화시켜 최적 스큐(skew)신호를 생성하고, 상기 최적 스큐신호에 관한 기준값을 박막 측정을 위한 판정기준값으로 설정한다. 상기 박막이 형성된 측정 기판으로부터 반사된 광을 분석하여 상기 광의 파장별로 측정신호를 생성한다. 가정적 두께를 포함하는 상기 박막에 관한 다수의 물리량으로부터 상기 파장별로 이론적인 모델신호를 계산한다. 상기 측정신호와 모델신호로부터 상기 광의 각 파장별로 측정용 스큐신호를 생성한다. 상기 기준값 및 상기 측정용 스큐신호를 이용하여 생성된 신뢰지수가 허용값을 만족하는 경우 상기 가정적 두께를 상기 박막의 두께로 결정한다. 이에 따라, 상기 박막의 종류와 실제두께에 상관없이 동일한 판정기준을 사용할 수 있는 장점이 있다.
Description
도 1a 및 도 1b는 종래의 GOF값을 신뢰도 판정기준으로 이용하여 측정한 측정신호 및 이론적인 모델신호를 나타내는 도면이다.
도 2는 웨이퍼 상에 15000Å의 두께로 형성된 박막에 대한 측정스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 3a는 도 1a에 도시된 측정신호와 모델신호를 기반으로 한 스큐 스펙트럼이다.
도 3b는 도 2에 도시된 측정신호와 모델신호를 기반으로 한 스큐 스펙트럼이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 박막 두께 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 박막 두께 측정방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 기준값 저장단계에 관한 세부 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 측정용 스큐신호를 생성하는 세부 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일실시에에 의한 신뢰지수가 허용값 이상인 경우 박막의 두께를 결정하는 단계에 관한 세부 흐름도이다.
도 9a 는 도 1a에 도시된 측정신호 및 상기 측정신호에 가장 근접한 최적 모델신호를 나타내는 도면이다.
도 9b는 도 1b에 도시된 측정신호 및 상기 측정신호에 가장 근접한 최적 모델신호를 나타내는 도면이다.
도 10a 는 도 1a 및 도 9a에 나타난 제1 측정신호에 관한 측정용 스큐신호 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 10b는 도 1b 및 도 9b에 나타난 제2 측정신호에 관한 측정용 스큐신호 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 레서피 저장부 200: 측정신호 생성부
300: 모델신호 생성부 400: 스큐신호 생성부
500: 중앙처리부 900: 박막 두께 측정장치
본 발명은 박막 두께 측정방법 및 이를 수행하기 위한 장치에 관한 것으로 서, 보다 상세하게는 측정신호와 모델신호의 측정광의 파장에 따른 스큐 스펙트럼의 면적을 기준으로 신뢰도를 판단하는 박막의 두께 측정방법 및 이를 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 장치의 제조공정은 단결정 실리콘 재질의 웨이퍼 상에 절연막, 유전막, 금속막 등의 다양한 박막을 형성하는 공정과 상기 박막을 원하는 형태의 패턴으로 형성하는 패턴 형성 공정을 포함한다. 따라서, 박막의 물리적 특성은 상기 박막의 상부에 이루어지는 다양한 후속 공정에 영향을 미친다. 특히, 최근에는 반도체 장치가 고집적화 되면서 기판 상에 형성되는 박막의 수가 증가하고, 박막의 물리적 특성이 후속공정에 미치는 영향은 더욱 증대되고 있다.
이에 따라, 박막을 형성 한 후에는 상기 박막의 물리적 특성에 대한 평가를 수행하고 이를 후속공정에 반영하는 것이 필요하며, 박막의 물리적 특성에 따라 다양한 평가공정이 수행되고 있다. 박막의 물리적 특성 중 박막의 두께 및 광학상수(굴절률, 소광계수)는 반도체 장치의 품질에 특히 중대한 영향을 미친다. 예를 들면, 게이트 산화막의 경우 원하는 두께와 광학적 성질이 보장되지 않으면 트랜지스터의 특성저하를 가져와 수율저하를 초래한다.
종래에는 웨이퍼를 절단하여 시편을 제작하고 VSEM과 같은 전자를 이용하는 분석장비를 이용하여 절단된 시편을 분석하는 방법을 이용하였지만, 시간과 비용 소모가 크다는 치명적 단점 때문에 비파괴적 방법으로 측정하기 위해 광을 이용하는 광측정 기술이 개발 되었다.
상기 광측정 기술은 측정 대상이 되는 박막의 하부에 위치하는 패턴에 의한 광학적 간섭과 조사광의 빔 사이즈(beam size or beam spot)에 의한 제약 때문에, 셀 영역이 아니라 박막 두께 측정을 위해 별도로 마련된 사이트(site) 상에 형성된 박막을 대상으로 수행하거나, 별도의 모니터링 웨이퍼 상에 형성된 박막에 대하여 수행되었다. 이에 따라, 상기 웨이퍼 사이트 상에 형성된 박막 또는 상기 모니터링 웨이퍼 상에 형성된 박막에 대한 두께 측정은 셀 상에 형성된 박막의 두께를 직접 측정하는 것이 아니기 때문에 정확한 두께 측정이 어렵다는 점과 별도의 웨이퍼 사이트 또는 모니터링 웨이퍼를 제작함으로 인한 비용 증가라는 문제점은 여전히 남아 있다.
광측정 기술의 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 기판 상에 박막이 다층으로 형성되어 있다 할지라도 각 박막의 두께를 비파괴적으로 측정할 수 있는 듀얼 빔 스펙트로메트리(dual beam spectrometry) 또는 스펙트로스코픽 엘립소메트리(spectroscopic ellipsometry) 방식이 널리 이용되고 있다.
상기 듀얼 빔 스펙트로메트리 방식 또는 상기 스펙트로스코픽 엘립소메트리 방식은 측정 가능한 물리량보다 이론적 모델이 요구하는 미지수가 많기 때문에, 하나의 미지수를 가정하고 이론적 모델을 완성한 후 상기 이론적 모델과 측정된 물리량과의 근사도를 기준으로 가정된 미지수의 진정성 여부를 판단한다.
예를 들면, 상기 스펙트로스코픽 엘립소메트리 방식으로 웨이퍼에 형성된 박막의 두께를 측정하는 엘립소미터에 의하면, 상기 웨이퍼의 표면으로부터 반사된 편광의 수직 및 수평성분의 위상차 및 반사도 비율을 측정하고 상기 박막의 두께를 가정하여 이론적으로 상기 위상차 및 반사도 비율을 계산한다. 이어서, 상기 측정값과 이론적 계산값이 신뢰도 범위 내에서 일치하면 상기 가정된 두께를 상기 박막의 두께로 채택하고, 일치하지 않으면 새로운 두께를 가정하고 상기 측정값과 가정된 새로운 두께에 근거하여 계산된 이론적 계산값의 일치여부를 확인하는 과정(이하, 회귀적 피팅(regression fitting) 과정)을 반복한다. 상기 박막에서 반사된 광의 반사도를 변수로 이용하여 박막의 두께를 측정하는 스펙트로미터도 동일한 회귀적 피팅과정으로 박막의 두께를 측정한다.
이때, 상기 피팅과정에서 측정값과 이론값의 근사도를 판단하는 기준으로서 GOF(Goof of fitness) 값을 이용한다. GOF값은 측정값의 신뢰도를 나타내는 지수로서 제곱평균 오차함수(Mean-Square Error Function, MSE)에 이론적 근거를 두고 있으며, 상기 측정값과 이론값이 완전히 일치하는 가장 이상적일 경우는 1의 값을 갖는다. 즉, 회귀적 피팅과정에서 측정의 신뢰도를 판정하는 기준으로 GOF를 이용하고 있다.
그러나, GOF값은 측정의 신뢰도를 판정기준으로서 일의적(unique)이지 않다는 문제점이 있다. 즉, GOF값은 높지만 실제 측정값과 이론값은 상당한 차이가 있는 경우가 빈번하게 발생한다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 GOF값을 신뢰도 판정기준으로 이용하여 측정한 측정신호 및 이론적인 모델신호를 나타내는 도면이다. 도 1a 및 도 1b의 측정신호는 스펙트로스코픽 엘립소미터(Nanometrics사 제품)에서 상기 박막에 대하여 약 65ㅀ의 각도로 광을 조사한 후 상기 박막으로부터 반사된 광을 분석하여 획득하였다. 도면에서 점선은 측정신호를 나타내며, 실선은 이론적 모델신호를 나타내고 있다. 도 1a는 반사도 비율의 역탄젠트 값을 도시하고 있으며, 도 1b는 위상차를 도시하고 있다. 상기 측정신호 및 모델신호는 상기 박막으로 조사된 광의 파장을 따라 정렬되어 있으므로 이하에서는 측정신호 스펙트럼 및 모델신호 스펙트럼이라 지칭한다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 측정신호 스펙트럼과 모델신호 스펙트럼사이에 충분한 근사가 이루어지지 않았음을 누구나 직관적으로 알수 있지만, 이 경우 GOF값은 0.976으로서 상당히 높은 수치를 보이고 있다. 즉, GOF 수치만으로 판단하면 상기 측정신호와 모델신호는 상당히 높은 신뢰도로서 근사한 신호로 해석할 수 있지만, 도 1a 및 도 1b에 나타난 측정신호 스펙트럼 및 모델신호 스펙트럼은 상당한 차이를 보이고 있다. 실제로 도 1a 및 도 1b의 측정결과를 다시 최적화시키면 GOF 수치를 0.99까지 상승시킬 수 있다.
이와 같은 이유는 GOF값의 이론적 기반이 되는 MSE가 측정값의 범위나 모양에 관한 고려 없이 측정신호와 모델신호의 수치 차이(이하 스큐(skew))만을 기준으로 신뢰도를 판단하기 때문이다. 즉, 측정신호의 범위(range)가 좁고 스펙트럼의 형상이 단순한 경우에는 작은 스큐에도 스펙트럼 형상 전체의 근사도는 크게 차이 나지만, GOF값은 상당히 높게 나타난다. 반면, 측정신호의 범위가 넓고 스펙트럼의 형상이 복잡한 경우에는 스펙트럼 전체의 근사도는 잘 일치하지만, GOF 값은 상대적으로 낮게 나온다. 이와 같은 결과는 도 2 및 도 3a, 도 3b를 통해 확인할 수 있다.
도 2는 웨이퍼 상에 15000Å의 두께로 형성된 박막에 대한 측정스펙트럼을 나타내는 도면이다. 도 2의 측정조건은 도1a 및 도 1b를 얻기 위한 측정조건과 동일하며, 반사도 비율의 역탄젠트 값을 도시하고 있다. 도 2는 측정신호 스펙트럼과 모델신호 스펙트럼이 거의 일치한 경우로서 GOF값은 0.976이다. 도 2에서 측정한 박막의 두께는 아무리 피팅을 해도 0.976 이상의 높은 수치를 갖는 GOF를 얻을 수 없다. 도1a, 도 1b 및 도 2를 비교하면 GOF 수치가 측정신호의 모양과 측정신호의 범위에 따라 서로 다른 신뢰도를 나타낼 수 있음을 보여주고 있다. 도 1a 및 도 1b에 대응하는 GOF 수치와 도 2에 대응하는 GOF 수치는 서로 동일하게 0.976 이지만, 도 1a 및 도 1b의 측정신호와 모델신호는 일치하지 않고 도 2의 측정신호와 모델신호는 잘 일치함을 알 수 있다.
도 1b의 측정신호의 범위는 20-27사이인 반면, 도 2의 측정신호의 범위는 20-80사이로서 상당히 넓은 범위에 걸쳐 있다. 또한, 측정신호 스펙트럼의 형상도 도 1b와 비교하여 도 2의 경우가 더 복잡하다. 그러나, 도 3a 및 도 3b에 나타난 바와 같이, 도 1a에 나타난 측정결과를 기준으로 한 스큐와 도 2에 나타난 측정결과를 기준으로 한 스큐는 큰 차이를 보이지 않는다. 이하에서는, 상기 스큐의 광 파장을 따른 분포를 스큐 스펙트럼이라 한다.
도 3a는 도 1a에 도시된 측정신호와 모델신호를 기반으로 한 스큐 스펙트럼이며, 도 3b는 도 2에 도시된 측정신호와 모델신호를 기반으로 한 스큐 스펙트럼이다.
도 3a에 나타난 바와 같이, 피팅이 잘 이루어지지 않은 도 1의 경우 스큐의 최대값은 +1.534와 -1.226이며, 도 3b에 나타난 바와 같이 피팅이 잘 이루어 진 도 2의 경우 스큐의 최대값은 +1.285와 -1.319이다. 따라서, 피팅이 잘 된 경우와 잘 되지 않은 경우 스큐값의 차이는 크지 않으며, 이에 기반한 GOF값도 큰 차이를 보이지 않음을 알 수 있다.
이에 따라, 광측정 기술을 이용하는 회귀적 피팅과정에서, 측정의 신뢰도를 평가할 수 있는 새로운 기준이 제시될 것이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 측정신호와 모델신호의 스큐값이 아니라 스큐 스펙트럼의 면적을 이용한 회귀적 피팅과정에 의해 박막의 두께를 측정할 수 있는 박막 두께 측정장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 박막 두께 측정장치를 이용하여 박막의 두께를 측정하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 박막의 두께 측정방법에 의하면, 측정대상 박막 과 동일한 기준 박막 을 최적화시켜 최적 스큐(skew)신호를 생성하고, 상기 최적 스큐신호 를 가공하여 신뢰지수를 결정하기 위한 기준값을 생성한다. 상기 측정대상 박막이 형성된 측정 기판으로부터 반사된 광을 분석하여 상기 광의 파장별로 측정신호를 생성한다. 가정적 두께를 포함하는 상기 측정대상 박막에 관한 다수의 물리량으로부터 상기 파장별로 이론적으로 계산한 모델신호를 생성 한다. 상기 측정신호와 모델신호로부터 상기 광의 각 파장별로 측정용 스큐신호를 생성 하고, 상기측정용 스큐신호를 가공하여 상기 기준값과 동일한 단위를 갖는 피팅지수를 생성한다. 상기 기준값 및 상기 피팅지수를 가공하여 생성된 신뢰지수가 허용값을 만족하는 경우 상기 가정적 두께를 상기 박막의 측정 두께로 결정한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막의 두께 측정장치는 측정대상 박막과 동일한 기준 박막을 구비하는 기준기판에 관한 회귀적 피팅과정에 의해 생성된 최적 스큐신호를 가공한 기준값 및 박막 측정용 기초 데이터인 레서피를 저장하는 레서피 저장부, 측정 대상 박막이 형성된 측정 기판으로 광을 조사하여 상기 광의 파장별로 측정신호를 검출하는 측정신호 생성부, 가정적 두께를 이용한 이론적 계산에 의해 상기 측정대상 박막에 관한 이론적 모델신호를 상기 광의 파장별로 계산하는 모델신호 생성부, 상기 측정용 스큐신호를 처리하여 상기 기준값과 동일한 단위를 갖는 피팅지수를 생성하는 스큐신호 가공기 및 상기 피팅지수와 상기 기준값을 가공하여 상기 신뢰지수를 생성하는 신뢰지수 연산기를 포함하는 연산유닛 , 및 상기 신뢰지수가 허용범위에 포함되는 경우 상기 모델신호를 생성하기 위해 이용된 상기 가 정 적 두께를 상기 박막의 측정 두께로 결정하는 결정유닛을 포함한다.
본 발명에 의하면, 종래의 GOF 대신에 측정용 스큐신호의 스펙트럼 면적을 기준으로 한 신뢰지수를 새로운 판정기준으로 설정하여 측정대상 박막의 종류나 실제 두께에 상관없이 동일한 정도의 신뢰수준으로 두께를 측정할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 박막 두께측정 공정의 신뢰도를 향상하고 이를 포함하는 반도체 장치의 불량률을 줄일 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 박막 두께 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 박막 두께 측정장치(900)는 측정 대상 박막(W)에 관한 기초 데이터를 저장하는 레서피 저장부(100), 상기 박막(W)에 관한 측정신호를 생성하는 측정신호 생성부(200), 상기 박막(W)에 관한 가 정 적 두께를 가정하여 이론적 모델신호를 생성하는 모델신호 생성부(300), 상기 측정신호와 모델신호의 차이를 계산하여 측정용 스큐 신호를 생성하는 스큐신호 생성부(400) 및 상기 측정용 스큐신호와 상기 기준값을 이용하여 신뢰지수를 계산하는 연산유닛과 상기 계산된 신뢰지수가 허용범위에 포함되는 경우 상기 모델신호를 생성하기 위해 이용된 상기 가 정 적 두께를 상기 박막(W)의 측정 두께로 결정하는 결정유닛을 구비하는 중앙처리부(500)를 포함한다.
상기 레서피 저장부(100)는 스큐신호에 관한 기준값을 포함한 측정대상 박막에 관한 기초 데이터를 저장한다. 일실시예로서, 상기 레서피 저정부(100)는 상기 기준값을 저장하는 제1 저장부(110) 및 상기 측정용 기초 데이터를 저장하기 위한 제2 저장부(120)를 포함한다. 상기 스큐신호에 관한 기준값은 상기 측정대상 박막(W)이 형성된 웨이퍼의 측정신호와 최적화된 이론적 모델신호의 차이인 기준용 스큐신호를 상기 광의 파장을 따라 배열한 기준용 스큐신호 스펙트럼의 면적으로 설정한다.
동일한 공정조건에서 박막이 형성된 수매의 웨이퍼 중 어느 하나의 웨이퍼를 기준 웨이퍼로 선택하고, 상기 기준 웨이퍼로부터 반사된 광을 분석하여 기준용 측정신호를 생성한다. 상기 기준 웨이퍼에 형성된 박막의 두께를 가정하여 상기 박막 에 관한 이론적 모델신호를 생성하고, 상기 이론적 모델신호가 상기 기준용 측정신호와 일치하는지 여부를 확인하는 과정을 소정의 조건을 만족할 때까지 반복한다. 상기 조건을 만족하는 경우, 상기 이론적 모델신호를 생성하기 위해 가정된 상기 박막의 두께 및 광학적 데이터를 상기 공정에 의한 박막의 두께 측정을 위한 제2 레서피로 설정하고 상기 제2 저장부(120)에 저장한다. 또한, 상기 기준용 측정신호와 상기 모델신호의 차이인 기준용 스큐신호를 상기 광의 파장을 따라 배열하여 기준용 스큐신호 스펙트럼을 생성하고 상기 광의 파장에 대한 상기 기준용 스큐신호 스펙트럼의 면적을 계산하여 상기 공정에 의한 박막의 두께 측정을 위한 제1 레서피로 설정하고 상기 제1 저장부(110)에 저장한다. 본 실시예에서는 상기 제1 레서피를 두께 측정을 위한 공정의 신뢰지수의 기준값으로 이용하며, 상기 제2 레서피로서 상기 박막의 굴절률(refractive index, n)과 소광계수(extinction coefficient, k)를 이용한다. 그러나, 상기 제2 레서피는 박막 측정을 위해 이용하는 광측정 기술의 종류에 따라 달라질 수 있음은 자명하다.
상기 측정신호 생성부(200)는 상기 측정대상 박막(W)이 형성된 웨이퍼를 분석하여 측정신호를 생성한다. 일실시예로서, 상기 측정대상 생성부(200)는 편광을 이용하여 박막의 두께를 측정하는 엘립소미터의 일부이다. 그러나, 상기 측정대상 생성부(200)는 박막의 두께를 측정하기 위해 이용되는 광측정 기술의 종류에 따라 상이할 수 있음은 자명하다.
상기 측정신호 생성부(200)는 상기 박막을 구비하는 웨이퍼(W)를 고정하고 지지하는 지지유닛(210), 상기 박막으로 광을 조사하는 광원(220) 및 상기 박막으 로부터 반사된 광을 검출하여 상기 광의 파장별로 측정신호를 생성하는 신호 생성유닛(230)을 포함한다.
상기 지지유닛(210)은 소정의 챔버 내부에 설치된 평판으로서, 상기 웨이퍼(W)는 상기 챔버의 외부로부터 로딩되어 상기 지지유닛(210)의 상부면에 고정된다. 상기 광원(220)은 상기 지지유닛(210)의 상부면에 고정된 상기 웨이퍼(W)의 표면으로 광을 조사하고, 상기 웨이퍼의 표면으로부터 반사된 광은 상기 신호 생성유닛(230)에 검출되어 상기 박막에 관한 측정신호를 생성한다.
일실시예로서, 상기 측정신호 생성부(200)는 상기 광원(220)으로부터 발생한 광을 편광시키기 위한 편광기(240)를 더 포함하며, 상기 편광기(240)을 경유한 광은 상기 웨이퍼(W)의 표면에 대하여 소정의 각도만큼 경사지게 입사한다. 상기 신호 생성유닛(230)은 상기 웨이퍼(W)의 표면으로부터 반사된 편광을 검출하는 검출기(미도시), 검출된 편광을 수직 및 수평성분으로 분해하기 위한 분해자(analyzer, 미도시) 및 상기 수직 및 수평 편광성분을 가공하여 제1 측정신호 및 제2 측정신호를 생성하는 신호 처리기(signal processor, 미도시)를 포함한다.
일실시예로서, 상기 신호처리기는 상기 웨이퍼로부터 반사된 편광의 수직 및 수평성분 사이의 위상차(
)에 관한 제2 측정신호 및 상기 반사된 편광의 수직 및 수평성분 사이의 반사도 의 크기 비율에 관한 역 탄젠트 값(
)값에 관한 제1 측정신호를 생성한다. 본 실시예에서, 상기 제1 및 제2 측정신호는 모두 각도단위로 표현되며, 상기 광의 파장별로 각각 측정된다.
상기 신호 처리기에서 발생하는 측정신호는 박막 두께 측정에 이용되는 광 측정기술의 종류에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 듀얼 빔 스펙트로미터의 경우에는 상기 신호처리기는 광의 반사도 (reflectance)에 관한 측정신호를 생성한다.
또한, 상기 편광기(240)는 광측정 기술의 종류에 따라 선택적으로 설치할 수 있는 부품으로서, 광의 반사도를 이용하는 듀얼 빔 스펙트로미터인 경우에는 상기 편광기(240)가 반드시 필요한 것은 아니다. 또한, 상기 광이 상기 웨이퍼(W)의 표면에 대하여 소정의 각도로 입사하는 구성은 본 실시예에 의한 엘립소미터의 특성에 따른 것이며, 광측정 기술과 이를 구현하는 장치의 특성에 따라 수직하게 입사할 수도 있음은 자명하다.
상기 모델신호 생성부(300)는 광 측정기술의 이론에 따라 시뮬레이션되어 상기 광의 파장별로 모델신호를 생성한다. 상기 모델신호는 상기 측정신호와 비교하기 위한 이론적 신호이므로 물리적으로 상기 측정신호와 동일한 단위를 갖는다.
일실시예로서, 일립소미트리 이론에 따라 상기 모델신호를 생성하는 경우에는 가정된 상기 박막의 임시두께 및 상기 박막의 굴절율(n)과 소광계수(k)를 이용하여 상기 제1 및 제2 측정신호에 대응하는 모델신호를 각각 생성한다. 이때, 상기 모델신호도 상기 광의 파장에 따라 각각 생성한다. 일실시예로서, 상기 모델신호는 상기 박막 두께 측정장치의 내부에 설치된 별도의 알고리즘을 통하여 생성되어 저장된다. 상기 박막의 임시두께 및 굴절율과 소광계수는 상기 레서피 저장부(100)의 제2 저장부(120)로부터 전송되어 상기 모델신호를 생성하기 위한 알고리즘의 기초 데이터로 제공된다.
상기 스큐신호 생성부(400)는 상기 측정신호 생성기(200) 및 상기 모델신호생성기(300)로부터 전송된 측정신호 및 모델신호의 차이를 계산하여 측정용 스큐 신호를 생성한다. 일실시예로서, 상기 스큐신호 생성기(400)는 상기 측정신호 생성기(200)와 연결되어 상기 측정신호를 입력받는 제1 입력부(410), 상기 모델신호 생성기(300)와 연결되어 상기 모델신호를 입력받는 제2 입력부(420) 및 상기 측정신호의 크기로부터 상기 모델신호의 크기를 빼서 측정용 스큐신호를 생성하는 뺄셈기(430)를 포함한다. 상기 뺄셈기(430)로 전송되는 상기 측정신호와 모델신호는 모두 동일한 광 파장을 갖는다. 따라서, 상기 측정용 스큐신호는 상기 광의 파장별로 계산된다.
상기 중앙처리부(500)는 상기 측정용 스큐신호와 상기 기준값을 이용하여 상기 박막에 관한 측정두께를 결정한다. 일실시예로서, 상기 중앙처리부(500)는 상기 측정용 스큐신호와 상기 기준값을 이용하여 신뢰지수를 계산하는 연산유닛(510)과 상기 계산된 신뢰지수가 허용범위에 포함되는 경우 상기 모델신호를 생성하기 위해 이용된 상기 가 정 적 임시두께를 상기 박막(W)의 측정두께로 결정하는 결정유닛(520)을 포함한다.
일실시예로서, 상기 연산유닛(510)은 상기 측정용 스큐신호를 처리하여 상기 기준값과 동일한 단위를 갖는 피팅지수를 생성하는 스큐신호 가공기(511) 및 상기 피팅지수와 상기 기준값의 비율을 계산하여 신뢰지수를 생성하는 신뢰지수 연산기(512)를 포함한다.
상기 스큐신호 가공기(511)는 상기 측정용 스큐신호를 상기 광의 파장을 따 라 배열하여 측정용 스큐신호 스펙트럼을 생성하고, 상기 측정용 스큐신호 스펙트럼과 상기 광의 파장 사이의 면적을 구한다. 상기 스큐신호 가공기(511)는 수치해석 알고리즘을 이용하여 상기 측정용 스큐신호 스펙트럼을 상기 광의 파장에 대하여 적분하는 적분기(미도시)를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 광의 특정파장을 적분구간의 시작점과 끝점으로 지정하면 상기 시작점과 끝점 사이의 광의 파장에 대해 상기 측정용 스큐신호 스펙트럼을 적분하여 상기 스펙트럼에 대한 면적을 구할 수 있다. 이때, 상기 적분결과가 음의 값을 갖는 경우에는 그 절대값을 상기 측정용 스큐신호 스펙트럼의 면적으로 취한다.
상기 신뢰지수 연산기(512)는 상기 레서피 저장부(100)의 제1 저장부(110)에 저장된 기준값과 상기 스큐신호 가공기(511)로부터 전송된 상기 피팅지수를 이용하여 상기 모델신호의 상기 측정신호에 대한 근사도를 판정하기 위한 신뢰지수를 계산한다.
일실시예로서, 상기 신뢰지수는 상기 피팅지수에 대한 상기 기준값의 비율을 포함한다. 즉, 상기 측정신호의 스큐신호 스펙트럼의 면적에 대한 최적 스큐신호 스펙트럼의 면적비율을 상기 신뢰지수로 선택한다. 상기 측정신호와 모델신호가 완전히 일치한다면, 상기 측정용 스큐신호 스펙트럼의 면적은 상기 기준용 스큐신호 스펙트럼의 면적과 동일하게 되어 상기 기준값과 상기 피팅지수는 동일한 값을 갖는다. 즉, 상기 신뢰지수는 1을 갖는다. 한편, 상기 모델신호가 상기 측정신호와 완전히 다른 신호라면, 각 파장에 있어서 상기 측정신호와 모델신호의 차이가 클 것이므로 상기 측정용 스큐신호 스펙트럼의 면적은 최적 스큐신호 스펙트럼의 면적 과 비교하여 상당히 큰 값을 갖는다. 따라서, 상기 신뢰지수는 0에 가까운 값을 갖는다. 이때, 상기 측정용 스큐신호 스펙트럼의 면적이 상기 최적 스큐신호 스펙트럼의 면적보다 작은 값을 갖는 경우에는, 상기 기준용 웨이퍼 최적화 과정보다 더 우수한 정밀도로 최적화된 경우이므로 상기 측정용 스큐신호 스펙트럼의 면적을 상기 기준값으로 치환하여 저장한다. 일실시예로서, 상기 신뢰지수 연산기(512)는 상기 신뢰지수가 1보다 큰 경우의 상기 측정용 스큐신호 스펙트럼의 면적을 상기 레서피 저장부(100)의 제1 저장부(110)로 전송하기 위한 스큐 전송기(512a)를 더 포함한다. 본 실시예에서는 상기 신뢰지수를 0과 1사이의 값으로 정하여 이용하지만, 스케일을 크게 하여 사용상의 편의성을 높일 수 있음은 자명하다. 예를 들면, 상기 신뢰지수의 값을 100배 하여 %단위를 사용할 수도 있다.
상기 결정유닛(520)은 상기 신뢰지수가 허용범위에 포함되는지 여부를 판정한다. 상기 허용범위에 포함된다면, 상기 모델신호를 계산하기 위해 가정된 가상의 임시두께를 상기 박막의 측정두께로 결정한다. 한편, 상기 신뢰지수가 상기 허용범위를 만족하지 않으면, 상기 박막의 임시두께를 새로이 가정하고 이에 근거하여 새로운 모델신호를 생성하여 상기 측정신호와의 근사도를 다시 평가한다. 이와 같은 과정을 반복하여 상기 허용범위에 속하는 신뢰지수를 갖는 가정적 임시두께를 상기 박막의 측정두께로 결정한다. 상기 신뢰지수의 허용범위는 별도의 저장부(미도시)에 저장되어 상기 결정부(520)에서 상기 임시두께의 적합성여부를 판정하는 자료로 이용된다. 이와 달리, 상기 신뢰지수와 상기 가정적 임시두께를 매 피팅과정이 종료될 때마다 작업자가 확인할 수 있도록 하여 작업자가 작업환경를 고려하여 상기 허용범위를 선택할 수 있게 구성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 종래의 스큐신호의 크기에만 의존하던 GOF에 비하여 최적스큐신호와 측정용 스큐신호의 비율을 이용한 신뢰지수를 이용함으로써 두께 측정을 위한 피팅 과정의 판정기준으로서의 신뢰성을 향상 할 수 있다. 또한, 상기 박막의 종류에 상관없이 동일한 판정기준을 적용할 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 도 4에 도시된 박막 두께 측정장치를 이용한 박막의 두께 측정방법을 설명한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 박막 두께 측정방법을 나타내는 흐름도이다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 기준값 저장단계에 관한 세부 흐름도이며, 도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 측정용 스큐신호를 생성하는 세부 흐름도이다. 도 8은 본 발명의 일실시에에 의한 신뢰지수가 허용값 이상인 경우 박막의 두께를 결정하는 단계에 관한 세부 흐름도이다.
도 4 내지 도 8을 참조하면, 최적 스큐신호에 관한 기준값을 박막 측정을 위한 레서피로 저장한다 (단계 S100).
일실시예로서, 최적 스큐신호에 관한 상기 기준값은 종래의 두께 측정장비를 이용하여 설정될 수 있다. 측정대상 박막은 동일한 공정조건에서 수매의 웨이퍼 상에 형성된다. 따라서, 상기 웨이퍼들 중 어느 하나의 웨이퍼를 임의로 선택하여 종래의 두께 측정기로 로딩한다. 이하 상기 기준값을 설정하기 위하여 선택된 상기 샘플 기판을 기준 웨이퍼라 한다. 상기 기준 웨이퍼 상에 형성된 상기 박막의 표면으로 광을 조사하고, 상기 박막으로부터 반사된 광을 분석하여 기준용 측정신호를 생성한다(단계 S110).
상기 박막에 관한 가정적 두께 및 다수의 물리량으로부터 상기 박막에 관한 광측정 이론에 의해 기준용 모델신호를 생성한다(단계 S120). 상기 기준용 모델신호와 상기 기준용 측정신호의 차이가 허용 오차범위내인지 여부를 확인하는 과정을 반복한다. 상기 차이가 허용 오차범위를 만족하는 기준용 모델신호인 최적 모델신호를 결정한다. 상기 최적 기준용 모델신호를 생성하기 위해 가정된 상기 박막의 두께 및 상기 물리량을 상기 공정에 의한 박막의 두께 측정을 위한 제2 레서피로 설정하고 상기 제2 저장부(120)에 저장한다. 또한, 상기 광의 각 파장별로 상기 기준용 측정신호의 크기로부터 상기 최적 기준용 모델신호의 크기를 빼서(단계 S130), 기준용 스큐신호를 상기 광의 각 파장별로 생성한다. 상기 기준용 스큐신호를 박막측정을 위한 제1 레서피로 설정하고 상기 제1 저장부(110)에 저장한다. 일실시예로서, 상기 허용오차는 GOF(goodness of fitting)를 이용하여 설정할 수 있다. 본 실시예에서는 상기 제1 레서피를 박막의 두께측정을 위한 반복적인 피팅과정의 탈출조건인 신뢰지수를 계산하기 위한 기준값으로 이용한다. 상기 기준값은 상기 기준용 측정신호와 최적 기준용 모델신호의 차이인 기준용 스큐신호를 상기 광의 파장을 따라 배열한 기준용 스큐신호 스펙트럼의 면적으로 설정한다. 또한 상기 제2 레서피는 일실시예로서 상기 박막의 굴절률(refractive index, n) 및 소광계수(extinction coefficient, k)를 포함한다. 그러나, 상기 제2 레서피는 박막 측정을 위해 이용하는 광측정 기술의 종류에 따라 달라질 수 있음은 자명하다.
상술한 바와 같이 두께 측정용 레서피 설정이 완료되면, 측정대상 박막이 형 성된 웨이퍼(W)를 상기 측정신호 생성부(200)로 로딩하여 상기 측정대상 박막에 관한 측정신호를 생성한다(단계 S200). 일실시예로서, 상기 측정신호 생성부(200)는 편광을 이용하여 박막의 두께를 측정하는 엘립소미터의 일부이다. 그러나, 상기 측정신호 생성부(200)는 박막의 두께를 측정하기 위해 이용되는 광측정 기술의 종류에 따라 상이할 수 있음은 자명하며, 광의 반사도(reflectance)를 이용하는 듀얼 빔 스펙트로미터의 반사광 분석 유닛을 포함한다.
측정대상 박막을 구비하는 상기 웨이퍼(W)가 상기 지지유닛(210)의 상부면으로 로딩되어 고정되면, 상기 광원(220)으로부터 박막의 표면으로 광을 조사한다. 상기 광은 상기 박막의 표면으로부터 반사되어 상기 신호 생성유닛(230)에 검출되어 상기 박막에 관한 측정신호를 생성한다.
본 실시예에 의하면, 상기 광원(220)으로부터 발생한 광은 편광기(240) 경유하여 편광으로 전환되고, 상기 웨이퍼(W)의 표면에 대하여 소정의 각도만큼 경사지게 입사한다. 상기 웨이퍼(W)의 표면으로부터 반사된 편광은 검출기(미도시)에서 검출되고, 분해자(analyzer, 미도시)에서 수직 및 수평성분으로 분해된다. 이어서, 상기 수직 및 수평 편광성분은 상기 신호처리기(미도시)에서 가공되어 제1 측정신호 및 제2 측정신호를 생성한다.
상기 제2 측정신호는 상기 웨이퍼로부터 반사된 편광의 수직 및 수평성분 사이의 위상차(
)를 포함하며, 상기 제1 측정신호는 상기 반사된 편광의 수직 및 수평성분 사이의 반사도 의 크기 비율에 관한 역 탄젠트 값(
)값을 포함한다. 본 실시예에서, 상기 제1 및 제2 측정신호는 모두 각도단위로 표현되며, 상기 광의 파장별로 각각 측정된다.
상기 신호 처리기에서 발생하는 측정신호는 박막 두께 측정에 이용되는 광 측정기술의 종류에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 듀얼 빔 스펙트로미터의 경우에는 상기 신호처리기는 광의 반사도 (reflectance)에 관한 측정신호를 생성한다.
가정적 두께를 포함하는 상기 박막에 관한 다수의 물리량으로부터 상기 파장별로 이론적인 모델신호를 계산한다(단계 S300). 상기 이론적 모델신호는 상기 모델신호 생성부(300)에서 광 측정기술의 이론에 따라 시뮬레이션되어 상기 광의 파장별로 생성된다. 상기 모델신호는 상기 측정신호와 비교하기 위한 이론적 신호이므로 물리적으로 상기 측정신호와 동일한 단위를 갖는다.
일실시예로서, 일립소미트리 이론에 따라 상기 모델신호를 생성하는 경우에는 가정된 상기 박막의 임시두께 및 상기 박막의 굴절율(n)과 소광계수(k)를 이용하여 상기 제1 및 제2 측정신호에 대응하는 모델신호를 각각 생성한다. 이때, 상기 모델신호도 상기 광의 파장에 따라 각각 생성한다. 본 실시예에서, 상기 모델신호는 상기 박막 두께 측정장치의 내부에 설치된 별도의 알고리즘을 통하여 생성되어 저장된다. 상기 박막의 임시두께 및 굴절율과 소광계수는 상기 레서피 저장부(100)의 제2 저장부(120)로부터 전송되어 상기 모델신호를 생성하기 위한 알고리즘의 기초 데이터로 제공된다.
이어서, 상기 측정신호와 모델신호로부터 상기 광의 각 파장별로 측정용 스큐신호를 생성한다(단계 S400). 구체적으로, 상기 측정신호는 상기 측정신호 생성 기(200)로부터 제1 입력부(410)로 전송되고, 상기 모델신호는 상기 모델신호 생성기(300)로부터 제2 입력부(420)로 전송된다(단계 S410). 상기 측정신호 및 모델신호는 상기 뺄셈기(430)에서 그 차이가 계산되어 측정용 스큐신호를 생성한다. 일실시예로서, 상기 뺄셈기(430)는 상기 측정신호의 크기로부터 상기 모델신호의 크기를 뺀다. 상기 뺄셈기(430)로 전송되는 상기 측정신호와 모델신호는 모두 동일한 광 파장을 가지므로, 상기 측정용 스큐신호는 상기 광의 파장별로 계산된다.
상기 기준값 및 상기 측정용 스큐신호를 이용하여 생성된 신뢰지수가 허용값 이상인 경우 상기 가정적 두께를 상기 박막의 두께로 결정한다(단계 S500).
먼저 상기 측정용 스큐신호를 처리하여 상기 기준값과 동일한 단위를 갖는 피팅지수를 생성한다(단계 S510). 상기 스큐 신호 가공기(511)는 상기 측정용 스큐신호를 상기 광의 파장을 따라 배열하여 측정용 스큐신호 스펙트럼을 생성하고, 상기 측정용 스큐신호 스펙트럼과 상기 광의 파장 사이의 면적을 구한다. 상기 스큐신호 가공기(511)는 수치해석 알고리즘을 이용하여 상기 측정용 스큐신호 스펙트럼을 상기 광의 파장에 대하여 적분하는 적분기(미도시)를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 광의 특정파장을 적분구간의 시작점과 끝점으로 지정하면 상기 시작점과 끝점 사이의 광의 파장에 대해 상기 측정용 스큐신호 스펙트럼을 적분하여 상기 스펙트럼에 대한 면적을 구할 수 있다. 이때, 상기 적분결과가 음의 값을 갖는 경우에는 그 절대값을 상기 측정용 스큐신호 스펙트럼의 면적으로 취한다. 이어서, 상기 피팅지수에 대한 상기 기준값의 비율을 계산하여 상기 신뢰지수를 생성한다(단계 S520). 즉, 상기 신뢰지수는 다음과 같은 식으로 표현된다.
신뢰지수(Quality Of Fitting) = 기준값/피팅지수 ------ (1)
상기 신뢰지수 연산기(512)는 상기 레서피 저장부(100)의 제1 저장부(110)로부터 전송된 기준값과 상기 스큐신호 가공기(511)로부터 전송된 상기 피팅지수를 이용하여 상기 모델신호의 상기 측정신호에 대한 근사도를 판정하기 위한 신뢰지수를 상기 식(1)과 같이 계산한다. 즉, 상기 측정신호의 스큐신호 스펙트럼의 면적에 대한 최적 스큐신호 스펙트럼의 면적비율을 상기 신뢰지수로 선택한다.
상기 측정신호와 모델신호가 완전히 일치한다면, 상기 측정용 스큐신호 스펙트럼의 면적은 상기 기준용 스큐신호 스펙트럼의 면적과 동일하게 되어 상기 기준값과 상기 피팅지수는 동일한 값을 갖는다. 즉, 상기 신뢰지수는 1을 갖는다. 한편, 상기 모델신호가 상기 측정신호와 완전히 다른 신호라면, 각 파장에 있어서 상기 측정신호와 모델신호의 차이가 클 것이므로 상기 측정용 스큐신호 스펙트럼의 면적은 최적 스큐신호 스펙트럼의 면적과 비교하여 상당히 큰 값을 갖는다. 따라서, 상기 신뢰지수는 0에 가까운 값을 갖는다.
이어서, 상기 신뢰지수와 상기 허용값을 비교하여(단계 S530), 상기 신뢰지수가 상기 허용값의 범위에 포함되면, 상기 모델신호를 계산하기 위해 이용된 가정적 두께를 상기 박막의 임시두께로 선택(단계 S540)하고 버퍼(미도시)에 저장한다. 그러나, 상기 신뢰지수가 상기 허용값을 만족하지 않으면, 상기 박막에 관한 두께를 새로이 가정하고 (단계 S550) 새롭게 가정된 두께를 이용하여 상기 박막에 관한 모델신호를 다시 생성하고, 재생성된 모델신호와 상기 측정신호에 대하여 상기 측정용 스큐신호를 재생성한다. 이어서, 재생성된 측정용 스큐신호에 관한 피팅지수 및 신뢰지수를 다시 생성하여 상기 허용값과의 비교단계를 반복한다. 최종적으로, 상기 허용값을 만족하는 신뢰지수를 형성하기 위해 이용된 가정적 두께를 상기 박막의 측정두께로 선택하고 상기 버퍼에 저장한다.
이때, 상기 신뢰지수가 1보다 큰 경우에는, 상기 측정용 스큐신호 스펙트럼의 면적이 상기 최적 스큐신호 스펙트럼의 면적보다 작은 값을 갖는 경우로서 상기 기준용 웨이퍼 최적화 과정보다 더 우수한 정밀도로 최적화된 경우이다. 따라서, 상기 측정용 스큐신호 스펙트럼의 면적은 상기 레서피 저장부(100)의 제1 저장부(110)로 전송되어 이후의 두께측정을 위한 신뢰지수의 기준값으로 이용된다.
상기 신뢰지수를 평가하기 위한 허용값은 별도의 저장부(미도시)에 저장되어 상기 결정부(520)에서 상기 임시두께의 적합성여부를 판정하는 자료로 이용된다. 이와 달리, 상기 신뢰지수와 상기 가정적 임시두께를 매 피팅과정이 종료될 때마다 작업자가 확인할 수 있도록 하여 작업자가 작업환경을 고려하여 상기 허용범위를 선택할 수 있게 구성할 수도 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 의한 박막 두께 측정방법에 의하면, 측정대상 박막의 종류 및 실제 두께에 관계없이 두께측정을 위한 피팅과정에 일의적으로 적용할 수 있는 판정기준을 제시함으로써 측정된 두께의 신뢰도를 향상할 수 있다.
실험예
도 9a 는 도 1a에 도시된 측정신호 및 상기 측정신호에 가장 근접한 최적 모 델신호를 도면이며, 도 9b는 도 1b에 도시된 측정신호 및 상기 측정신호에 가장 근접한 최적 모델신호를 도면이다. 따라서, 상기 측정신호를 생성하기 위한 조건은 도 1a 및 도 1b의 그것과 동일하며, 상기 도 9a는 제1 측정신호에 관한 도면이며, 도 9b는 제2 측정신호에 관한 도면이다.
실험결과에 의하면, 가장 잘 최적화 된 상기 모델신호의 GOF는 0.996임을 알수 있다. 상기 최적화 GOF 값은 최적화 전의 도 1a 및 도 1b에 근거한 GOF값인 0.976과 비교하여 큰 차이가 없으므로, 도 9a 및 도 9b에 나타난 결과가 가장 최적화된 경우임에도 불구하고, GOF의 수치에만 근거하여 판단하면 충분히 최적화된 것인지 여부를 알기 어렵다.
그러나, 이 경우 상기 측정용 스큐신호의 스펙트럼 면적을 이용하여 비교하면 최적화 여부를 쉽게 알 수 있다.
도 10a 는 도 1a 및 도 9a에 나타난 제1 측정신호에 관한 측정 스큐신호 스펙트럼을 나타내는 도면이며, 도 10b는 도 1b 및 도 9b에 나타난 제2 측정신호에 관한 측정용 스큐신호 스펙트럼을 나타내는 도면이다. 도 10a 및 10b에서, 스퍽트럼 I은 도 1a 및 도 1b에 관한 스큐신호 스펙트럼으로서 최적화 하기 전의 스큐신호 스펙트럼이며, 스펙트럼 II는 도 9a 및 도 9b에 관한 스큐신호 스펙트럼으로서 최적화 한 이후의 스큐신호 스펙트럼이다.
상기 도 10a 및 도 10b에 나타난 측정용 스큐신호 스펙트럼을 적분기를 이용하여 상기 스큐신호 스펙트럼의 상기 광의 파장축에 대한 면적을 계산하였다. 적분계산 결과는 표 1에 나타나 있다.
표 1
| 최적화 전 | 최적화 후 | |||
 |
 |
 |
 |
|
| 면적 | 310 | 728 | 36 | 98 |
최적화 전과 후에 있어서 상기 GOF값의 차이는 크지 않지만, 표 1은 최적화 전후에 있어서 상기 스큐 신호 스펙트럼의 면적은 크게 차이가 남을 보여주고 있다. 즉, GOF값으로서는 최적화 여부를 판단할 수 없지만, 스큐신호 스펙트럼의 면적을 기준으로 판단하면 상당한 신뢰수준으로 최적화되었음을 알 수 있다.
유사한 실험결과는 다양한 공정조건에서 형성된 박막 두께 측정을 통해서도 확인되었다. 표 2 및 표 3은 서로 다른 공정조건에서 형성된 박막에 대하여 도 10a 및 도 10b와 같은 과정을 거쳐 스큐신호 스펙트럼의 면적을 계산한 결과를 정리한 것이다.
표 2
| 최적화 전 | 최적화 후 | |||
 |
 |
 |
 |
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| 면적 | 495 | 1257 | 41 | 168 |
표 3
| 최적화 전 | 최적화 후 | |||
 |
 |
 |
 |
|
| 면적 | 310 | 817 | 66 | 184 |
표2의 경우는 최적화 전의 GOF 값은 0.959이고 최적화 후의 GOF 값은 0.982이다. 표 3의 경우 최적화 전의 GOF 값은 0.957이고, 최적화 후의 GOF값은 0.993이 다. 상기 표 1과 마찬가지로 GOF값으로서는 최적화 여부를 판단할 수 없지만, 스큐신호 스펙트럼의 면적을 기준으로 판단하면 상당한 신뢰수준으로 최적화되었음을 알 수 있다.
그런데, 상기 측정용 스큐신호 스펙트럼의 면적만을 피팅과정의 판정기준으로 사용하는 경우, 측정대상 박막이 두꺼운 경우와 얇은 경우에 있어서 동일한 신뢰수준을 제공해 주지 못한다.
이를 확인하기 위해, 도 10a에 도시한 측정용 스큐신호 스펙트럼의 면적 및 도 3b에 도시한 측정용 스큐신호 스펙트럼의 면적을 비교해 보았다. 도 10a에 도시한 측정용 스큐신호 스펙트럼은 측정대상 박막의 실제두께가 1000Å인 경우이며, 도 3b에 도시한 측정용 스큐신호 스펙트럼은 측정대상 박막의 실제두께가 15000Å인 경우이다. 도 10a 및 도 3b에 도시한 스펙트럼은 모두 최적화된 모델신호를 이용하여 계산한 측정용 스큐신호 스펙트럼이다.
표 4
| GOF |  |
|
| 얇은 막 | 0.996 | 36 |
| 두꺼운 막 | 0.976 | 177 |
상기 표 4에 의하면, 얇은 막과 두꺼운 막에 대한 두께 측정 결과는 양자 모두 최적 피팅 결과임에도 불구하고 GOF값은 서로 다른 값을 보이고 있다. 즉, 상기 GOF값이 최적 피팅 결과의 신뢰성을 일의적(uniquely)으로 결정해 주는 기준이 되지 못하고 있다. 이러한 최적 피팅에 대한 신뢰성의 일의성 결함은 스큐 스펙트럼 의 면적을 사용하는 경우에도 마찬가지로 발생하며 오히려 더 심각하게 차이가 남을 알 수 있다. 즉, 상기 스큐신호 스펙트럼의 면적이나 GOF 모두 하나의 신뢰수준을 일의적으로 대응시켜 주지 못한다는 문제점은 여전히 내포하고 있다.
이러한 단점은 상기 식(1)에 표시된 바와 같은 신뢰지수에 의해 해결 될 수 있다. 즉, 동일공정에서 형성된 박막의 두께 측정과정에서 측정신호와 가장 근접하게 구하여진 모델신호를 대상으로 스큐신호 스펙트럼의 면적을 기준값으로 설정해 두고 측정용 스큐신호 스펙트럼의 면적인 피팅지수가 상기 기준값에 얼마나 근접했는지를 기준으로 최적화의 신뢰도를 결정한다면 박막의 종류와 실제 두께에 상관없이 모든 박막에 대하여 판정기준으로 사용할 수 있다.
표 5는 상기 표1 내지 표 3에 나타난 측정용 스큐신호 스펙트럼의 면적을 대상으로 상기 신뢰지수를 계산한 것이다.
표 5
 |
신뢰지수 | ||
| 박막 1 | 최적화 전 | 310 | 11.6129 |
| 최적화 후 | 36 | 100 | |
| 박막 2 | 최적화 전 | 495 | 8.282828 |
| 최적화 후 | 41 | 100 | |
| 박막 3 | 최적화 전 | 310 | 21.29 |
| 최적화 후 | 66 | 100 |
상기 표 5에 의하면, 상기 박막 1 내지 3은 서로 다른 조건에서 형성된 박막이지만, 최적화전의 스펙트럼 면적만으로는 어느 정도의 신뢰수준을 갖는 것인지 알 수 없다. 그러나, 각 박막에 대한 신뢰지수에 의하면, 박막 3이 상대적으로 가장 신뢰수준이 높으며 박막 2가 가장 신뢰수준이 낮다는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 신뢰지수가 특정의 허용값을 넘는 경우의 
스펙트럼의 면적에 대응하는 가 정적 두께를 측정두께로 결정하면, 상기 박막의 종류나 실제두께와 상관없이 동일한 신뢰수준으로 측정박막의 두께를 결정할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 종래의 GOF 대신에 측정용 스큐신호의 스펙트럼 면적을 기준으로 한 신뢰지수를 새로운 판정기준으로 설정하여 측정대상 박막의 종류나 실제 두께에 상관없이 동일한 정도의 신뢰수준으로 두께를 측정할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 박막 두께측정 공정의 신뢰도를 향상하고 이를 포함하는 반도체 장치의 불량률을 줄일 수 있는 장점이 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (22)
- 측정대상 박 막과 동일한 기준 박막 이 형성된 기준 기판을 회귀적피팅 과정에 의해 최적화시켜 최적 스큐(skew)신호를 생성하고, 상기 최적 스큐신호 를 가공하여 신뢰지수를 결정하기 위한 기준값을 생성하는 단계;상기 측정대상 박막이 형성된 측정 기판으로부터 반사된 광을 분석하여 상기 광의 파장별로 측정신호를 생성하는 단계;가정적 두께를 포함하는 상기 측정대상 박막에 관한 다수의 물리량으로부터 상기 파장별로 이론적 으로 계산한 모델신호를 생성 하는 단계;상기 측정신호와 상기 모델신호로부터 상기 광의 각 파장별로 측정용 스큐신호를 생성하는 단계;상기 측정용 스큐신호를 가공하여 상기 기준값과 동일한 단위를 갖는 피팅지수를 생성하는 단계; 및 상기 기준값 및 상기 피팅지수를 가공하여 생성된 신뢰지수가 허용값을 만족하는 경우 상기 가정적 두께를 상기 박막의 측정 두께로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정방법.
- 제1항에 있어서, 상기 최적 스큐신호를 생성하는 단계는상기 기준 기판으로부터 반사된 광을 분석하여 상기 광의 파장별로 기준용 측정신호를 생성하는 단계;가정적 두께를 포함하는 상기 기준 박막에 관한 다수의 물리량으로부터 상기 광의 파장별로 이론적 으로 계산한 기준용 모델신호를 생성 하는 단계; 및상기 기준용 측정신호와 기준용 모델신호의 차이가 허용 오차범위 내인 경우, 상기 광의 각 파장별로 상기 기준용 측정신호의 크기로부터 상기 기준용 모델신호의 크기를 빼는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정방법.
- 제2항에 있어서, 상기 허용 오차범위는 피팅 적합도(Goodness of Fitting, GOF)를 기준으로 설정되는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정방법.
- 제1항에 있어서, 상기 광은 편광이며, 상기 측정신호 및 모델신호는 상기 편광의 수직 및 수평성분 사이의 위상차() 및 상기 편광의 수직 및 수평성분 사이의 반사도 의 크기 비율에 관한 역 탄젠트 값(
) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정방법.
- 제4항에 있어서, 상기 측정용 스큐신호를 생성하는 단계는상기 측정신호 및 모델신호를 입력하는 단계; 및상기 측정신호의 크기로부터 상기 모델신호의 크기를 빼는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정방법.
- 제1항에 있어서, 상기 박막 두께 결정단계는상기 피팅지수에 대한 상기 기준값의 비율을 계산하여 상기 신뢰지수를 생성하는 단계;상기 신뢰지수와 상기 허용값을 비교하는 단계; 및상기 신뢰지수가 상기 허용값을 만족하는 경우 상기 가정적 두께를 상기 박막의 측정두께 로 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정방법.
- 제6항에 있어서, 상기 기준값은 상기 최적 스큐신호를 상기 광의 파장별로 배열한 최적 스큐신호 스펙트럼의 면적을 포함하며, 상기 피팅지수는 상기 측정용 스큐신호를 상기 광의 파장별로 배열한 측정용 스큐신호 스펙트럼의 면적을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정방법.
- 제7항에 있어서, 상기 기준값 및 상기 피팅지수를 구하는 단계는 수치해석 알고리즘을 이용하여 상기 광의 파장에 대하여 상기 최적 스큐신호 스펙트럼 및 상기 측정용 스큐신호 스펙트럼을 적분하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 신뢰지수가 상기 허용값을 만족하지 않는 경우, 상기 박막의 두께에 관한 새로운 두께를 가정하고, 상기 모델신호 생성 단계, 상기 측정용 스큐신호 생성단계 및 상기 측정두께 결정단계를 반복하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 신뢰지수가 1보다 큰 경우 상기 피팅지수를 상기 기준값으로 치환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정 방법 .
- 측정대상 박막과 동일한 기준 박막을 구비하는 기준 기판에 대하여 회귀적 피팅 과정에 의해 생성된 최적 스큐신호 를 가공 한 기준값 및 박막 측정 용 기초 데이터인 레서피를 저장하는 레서피 저장부;측정 대상 박막이 형성된 측정 기판으로 광을 조사하여 상기 광의 파장별로 측정신호를 검출하는 측정신호 생성부;가정적 두께를 이용한 이론적 계산에 의해 상기 측정대상 박막에 관한 이론적 모델신호를 상기 광의 파장별로 계산하는 모델신호 생성부;상기 광의 각 파장별로 상기 측정신호와 모델신호의 차이를 계산하여 측정용 스큐 신호를 생성하는 스큐신호 생성부;상기 측정용 스큐신호를 가공하여 상기 기준값과 동일한 단위를 갖는 피팅지수를 생성하는 스큐 신호 가공기 및 상기 피팅지수와 상기 기준값을 가공하여 상기 신뢰지수를 생성하는 신뢰지수 연산기를 포함하는 연산 유닛; 및상기 신뢰지수가 허용범위에 포함되는 경우 상기 모델신호를 생성하기 위해 이용된 상기 가 정 적 두께를 상기 박막의 측정 두께로 결정하는 결정유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
- 제11항에 있어서, 상기 레서피 저장부는 상기 기준값을 저장하는 제1저장부 및 상기 박막 측정용 기초 데이터 인 레서피를 저장하기 위한 제2 저장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
- 제12항에 있어서, 상기 기초 데이터는 상기 박막의 굴절률(refractive index, n)과 소광계수(extinction coefficient, k) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
- 제11항에 있어서, 상기 측정 신호 생성부는상기 기판을 고정하고 지지하는 지지유닛;상기 박막으로 광을 조사하는 광원; 및상기 박막으로부터 반사된 광을 검출하여 상기 광의 파장별로 측정신호를 생성하는 신호 생성유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
- 제14항에 있어서, 상기 측정 신호 생성부는 상기 광원에서 생성된 광을 편광시키기 위한 편광기를 더 포함하며, 상기 신호 생성유닛은 상기 박막의 표면으로부터 반사된 편광의 수직 및 수평성분 사이의 위상차() 및 상기 반사된 편광의 수직 및 수평성분 사이의 반사도 의 크기 비율에 관한 역 탄젠트 값(
)값 을 생성하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
- 제14항에 있어서, 상기 신호 생성유닛은 상기 광의 반사도 (reflectance)에 관한 측정신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
- 제11항에 있어서, 상기 스큐신호 생성부는상기 측정신호 및 모델신호가 입력되는 입력부;상기 측정신호의 크기로부터 상기 모델신호의 크기를 빼서 측정용 스큐신호를 생성하는 뺄셈기를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
- 삭제
- 제1 1 항에 있어서, 상기 기준값은 상기 최적 스큐신호를 광의 파장 별로 배열한 최적 스큐신호 스펙트럼의 면적을 포함하며, 상기 피팅지수는 상기 측정용 스큐신호를 상기 광의 파장별로 배열한 측정용 스큐신호 스펙트럼의 면적을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
- 제19항에 있어서, 상기 스큐신호 가공기는 수치해석 알고리즘을 이용하여 상기 측정용 스큐신호 스펙트럼을 상기 광의 파장에 대하여 적분하는 적분기를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
- 제19항에 있어서, 상기 신뢰지수는 상기 피팅지수에 대한 상기 기준값의 비율을 포함하는 것을 특징으로 박막 두께 측정장치.
- 제19항에 있어서, 상기 신뢰지수 연산기는 상기 신뢰지수가 1 보다 큰 경우 상기 피팅지수를 상기 레서피 저장부로 전송하여 상기 기준값을 상기 피팅지수로 치환하는 스큐 전송기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
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