KR100817082B1 - 표면 균일도 평가 시스템 및 그 평가 방법 - Google Patents

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KR100817082B1
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김문경
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Abstract

본 발명은 시료 표면에 광을 조사하고 이로부터 반사되어 산란되는 광을 이용하는 표면 균일도 평가 시스템 및 표면 균일도 평가 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 표면 균일도 평가 시스템은, 복수의 반복적 패턴을 갖는 시료 표면의 검사 영역에 광을 조사하는 광원부; 검사 영역으로부터 반사되어 산란되는 광을 수용하는 하나 이상의 콜렉터 렌즈부; 콜렉터 렌즈부에 의해 수용된 광을 전기적 신호로 변환하는 광센서부; 및 반복적 패턴을 따라 반복성을 갖는, 전기적 신호의 백그라운드 레벨의 신호를 추출하여 시료 표면의 좌표와 맵핑시켜 표면 균일도를 측정하는 제 1 신호 처리부를 포함한다.
표면 결함, 파티클, 광센서, 레이저

Description

표면 균일도 평가 시스템 및 그 평가 방법{System for evaluating surface uniformity and method of evaluating the same}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 표면 균일도 평가 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 표면 균일도 평가 시스템에 의해 측정된 시료 표면을 나타내는 사진이며, 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 평가 시스템의 광센서부에 의해, 도 3a에 도시된 시료 표면으로부터 얻어진 전기적 신호를 나타내는 그래프이다.
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 신호 처리부에서 수행되는 신호 처리 연산 과정을 도시하는 순서도이다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 표면 균일도 평가 시스템으로부터 얻어진 표면 균일도 정보를 도시하는 그래프이며, 도 4b는 도 4a의 표면 균일도 정보를 검증하기 위해 상용화된 다른 표면 균일도 측정 장치에 의해 측정된 결과를 나타내는 3차원 이미지이다.
본 발명은 시료의 표면 균일도 평가 시스템 및 시료 균일도 평가 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 시료 표면에 광을 조사하고 이로부터 반사되어 산란되는 광을 이용하는 표면 균일도 평가 시스템 및 표면 균일도 평가 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 제조 공정 중에 반도체 기판 상에 존재하는 파티클과 같은 오염물 또는 스크래치와 같은 결함이 존재하는지를 평가하는 단계가 수회에 걸쳐서 이루어진다. 반도체 기판에 오염물 또는 결함이 존재하는 것으로 판단되는 경우, 이를 해소하기 위하여 세정 공정이 이루어지거나, 불량 제품으로 평가되어 후속 공정에서 제외하는 추가적 조치가 수행된다.
종래의 광학 장치는 레이저 광을 기판의 표면에 수직으로 입사시키고, 기판의 표면으로부터 반사되거나 산란되는 레이저 광을 광센서에 의해 전기적 신호로 변환한다. 광학 장치는 상기 전기적 신호로 변환된 광의 산란 데이터로부터, 오염물 또는 결함이 존재하지 않는 반도체 기판에 대한 산란 데이터, 즉 노이즈를 제거함으로써, 오염물 또는 결함의 존재를 판정한다.
이와 같이 종래의 광학 장치는 오염물 또는 결함으로부터 발생하는 비정상적으로 큰 신호만을 이용할 뿐, 작은 크기의 신호들은 노이즈로 평가되어 분석시 제외된다. 그러나, 종래의 광학 장치에 의해 검출되는 작은 크기의 신호를 포함하는 산란 데이터를 적절히 가공하는 경우, 기판, 특히 웨이퍼 상에 형성된 소자 패턴의 높이 균일도를 측정하는데 작은 크기의 신호가 사용될 수 있음이 간과되어 왔다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 종래의 광학 장치로부터 얻어지는 산란 데이터를 가공하여, 반도체 소자 패턴이 형성된 반도체 기판 표면의 균일도에 대한 유용한 측정을 수행할 수 있는 표면 균일도 평가 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 종래의 광학 장치로부터 얻어지는 산란 데이터를 가공하여 반도체 소자 패턴이 형성된 반도체 기판 표면의 균일도를 더욱 신속하게 측정할 수 있는 표면 균일도 평가 시스템을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 표면 균일도 평가 시스템은, 복수의 반복적 패턴을 갖는 시료 표면의 검사 영역에 광을 조사하는 광원부; 상기 검사 영역으로부터 반사되어 산란되는 광을 수용하는 하나 이상의 콜렉터 렌즈부; 상기 콜렉터 렌즈부에 의해 수용된 광을 전기적 신호로 변환하는 광센서부; 및 상기 반복적 패턴을 따라 반복성을 갖는, 상기 전기적 신호의 백그라운드 레벨의 신호를 추출하여 상기 시료 표면의 좌표와 맵핑시켜 표면 균일도를 측정하는 제 1 신호 처리부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 광은 레이저 광일 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 신호 처리부는 상기 추출된 백그라운드 레벨의 전기적 신호에 대하여 각 반복 구간마다 평균화할 수 잇다.
또한, 본 발명의 일부 실시예에서, 표면 균일도 평가 시스템에 의해 측정되 는 상기 시료는 표면 상에 셀 영역 및 상기 셀 영역 주변의 페리 영역으로 이루어진 반도체 소자 패턴이 형성된 복수의 다이를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 반복 구간은 상기 시료의 상기 다이에 각각 대응될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 표면 균일도 평가 시스템은, 복수의 반복적 패턴을 갖는 시료 표면의 검사 영역으로부터 추출되는 반복성을 갖는 전기적 신호의 백그라운드 레벨의 신호를 이용하여 상기 시료 표면의 좌표와 맵핑시키는 신호 처리부를 구비함으로써, 종래의 광학 장치에서 그 중요성이 간과된 백그라운드 레벨의 신호를 활용하여 상기 신호의 표면 균일도를 측정할 수 있다.
또한, 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 표면 균일도 평가 방법은, 복수의 반복적 패턴을 갖는 시료 표면의 검사 영역에 광을 조사하고, 상기 검사 영역으로부터 반사되어 산란되는 광을 전기적 신호로 변환한다. 이후, 상기 반복적 패턴을 따라 반복성을 갖는, 상기 전기적 신호의 백그라운드 레벨의 신호를 추출하고, 상기 추출된 백그라운드 레벨의 신호와 상기 시료 표면의 좌표를 맵핑시킴으로써 상기 시료 표면의 표면 균일도 정보를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 표면 균일도 평가 방법에 의하면, 종래의 광학 장치에서 그 중요성이 간과된 백그라운드 레벨의 신호를 활용하여 상기 신호의 표면 균일도에 관한 신뢰성 있는 정보를 얻을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 이하의 설명에서 어떤 층이 다른 층의 위에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 층의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 층이 게재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 표면 균일도 평가 시스템(1000)을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 표면 균일도 평가 시스템(1000)은 복수의 반복적 패턴을 갖는 시료(100)의 표면(100a) 상의 검사 영역에 광(L1)을 조사하는 광원부(200); 검사 영역으로부터 반사되어 산란되는 광(L2)을 수용하는 하나 이상의 콜렉터 렌즈 부(300); 콜렉터 렌즈부(300)에 의해 수용된 광(L3)을 전기적 신호로 변환하는 광센서부(400); 및 상기 전기적 신호(S)를 처리하는 신호 처리부(500)를 포함한다.
일부 실시예에서, 광(L1, L2, L3)은 He-Ne 레이저 또는 Ar 레이저와 같은 레이저 광일 수 있다. 광센서부(400)는 PMT(photo multiplier tube), CCD(charge coupled device), 또는 TDI(time delay integration)와 같은 광 신호를 전기적 신호로 변환시킬 수 있는 소자이다. 일부 실시예에서, 표면 균일도 평가 시스템(1000)은, 신호 강도 및 집광 효율을 개선하기 위하여 검사 영역에 조사된 광을 포커싱하기 위한 하나 이상의 콘덴서 렌즈부(600)를 더 포함할 수도 있다. 이하, 표면 균일도 평가 시스템의 신호 처리부(500)에 대하여 도 2a 및 도 2b를 참조하여 상술한다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 표면 균일도 평가 시스템에 의해 측정된 시료 표면을 나타내는 사진이며, 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 표면 평가 시스템(1000)의 광센서부(400)에 의해, 도 2a에 도시된 시료 표면으로부터 얻어진 전기적 신호를 나타내는 그래프이다.
도 2a를 참조하면, 표면 균일도 평가 시스템에 의해 측정될 시료(100)는 그 표면(100a) 상에 복수의 반복적 패턴을 가질 수 있다. 이러한 시료(100)는 표면(100a) 상에 통상적인 반도체 제조 공정에 의해 제조되는 반복적인 패턴을 갖는 복수의 반도체 소자(이하,"다이(die)"라 함)들이 형성된 웨이퍼일 수 있다. 상기 다이는 메모리 셀이 배치되는 셀 영역 및 상기 메모리 셀을 구동하기 위하여 상기 셀 영역 주변에 배치되는 페리 영역으로 이루어진 반도체 소자 패턴을 포함할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 도 2a에 도시된 시료 표면(100a)의 검사 영역(100s)으로부터 얻어진 전기적 신호는 큰 신호(S1, S2)와 큰 신호(S1, S2) 주변의 백그라운드 레벨의 신호(Sb)로 이루어진다. 큰 신호(S1, S2)는 상기 다이의 페리 영역으로부터 얻어진 신호이며, 이와 대조적으로, 백그라운드 레벨의 신호(Sb)는 상기 다이의 셀 영역으로부터 얻어진 신호이다. 상기 백그라운 레벨의 신호(Sb)는, 이하 후술하는 신호 처리 연산에 의해 표면 균일도 평가하는 유용한 신호가 될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 신호 처리부에서 수행되는 신호 처리 연산 과정을 도시하는 순서도이다.
도 3을 참조하면, 표면 균일도 평가 시스템의 신호 처리부(500)는 전기적 신호(S1, S2, Sb) 중 시료 표면의 반복적 패턴을 따라 반복성을 갖는 백그라운드 레벨의 신호(Sb)를 추출한다(S100). 일부 실시예에서, 백그라운드 레벨의 신호(Sb)를 추출하기 위하여, 전체 전기적 신호로부터 임의의 임계값(Sv) 이상의 강도를 갖는 큰 신호(S1, S2)를 제거할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 이와 같이 얻어진 백그라운드 레벨의 신호(Sb)로부터 노이즈성 신호를 제거하기 위하여, 표면 균일도 평가 시스템에 의해 먼저 패턴이 형성되지 않은 웨이퍼로부터 전기적 신호를 얻고, 다음으로 백그라운드 레벨의 신호(Sb)로부터 상기 패턴이 형성되지 않은 웨이퍼로부터 얻어진 전기적 신호를 감산 연산하여 시료의 반복적 패턴으로부터 발생하는 고유한 백그라운드 레벨의 신호(Sb)를 얻을 수도 있다.
이와 같이, 반복적 패턴을 갖는 시료 표면에 대하여 반복성을 갖는 백그라운드 레벨의 신호(Sb)를 추출한 후에, 실제 시료 표면의 좌표와 맵핑시킨다(S200). 더욱 구체적으로는, 백그라운드 레벨의 신호(Sb)는 시료 표면의 반복적 패턴, 예를 들면 각 다이의 크기에 해당하는 크기를 갖는 반복 구간을 가질 수 있는데, 이러한 각 반복 구간의 신호를 실제 각 다이에 맵핑시킨다. 그 결과, 백그라운드 레벨의 신호는 실제 각 다이의 패턴 정보를 반영하는 유용한 정보가 될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 신호 처리부(500)는 각 반복 구간의 전기적 신호의 평균값을 구하여, 각 다이에 맵핑된 백그라운드 레벨의 신호(Sb)를 평균화할 수 있다(S300). 이러한 평균화 연산은 각 반복 구간에서 발생하는 전기적 신호의 편차를 줄임으로써 인접하는 다른 반복 구간의 전기적 신호 사이에 분명한 대조를 제공하여 표면 균일도 분석을 더욱 용이하게 한다. 본 발명의 실시예에서 신호 처리부는 수치 연산을 수행할 수 있는 소프트웨어 또는 마이크로 프로세서와 같은 하드웨어일 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 표면 균일도 평가 시스템으로부터 얻어 진 표면 균일도 정보를 도시하는 그래프이며, 도 4b는 도 4a의 표면 균일도 정보를 검증하기 위해 상용화된 다른 표면 균일도 측정 장치에 의해 측정된 결과를 나타내는 3차원 이미지이다. 도 4a 및 도 4b는 얕은 트렌치 절연막(shallow trench insulator) 형성 공정을 거친 실리콘 웨이퍼에 대한 측정 결과이다.
도 4a는 도 4b에 도시된 3차원 이미지에 표시된 점선을 따라 절취된 단면의 표면 균일도 정보를 나타낸다. 도 4a에 도시된 각 점들은 각 다이에 맵핑된 백그라운 레벨의 평균화된 값을 나타낸다. 도 4b에서, 측정된 산화막의 두께가 두꺼울수록 3차원 이미지 정보는 짙은 색으로 나타난다.
도 4a에 도시된 각 점들의 분포를 참조하면, 얕은 트렌치 절연막 형성 공정을 거친 웨이퍼의 중앙 영역(Aw)의 산화막이 가장자리 영역(Ab)의 산화막에 비하여 두께가 더 작음을 확인할 수 있다. 마찬가지로, 도 4b를 참조하면, 상기 웨이퍼의 중앙 영역(Aw)의 산화막이 가장자리 영역(Ab)에 비하여 두께가 더 작음을 확인할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 분석 결과와 종래의 균일도 측정 장치에 의해 얻어진 분석 결과는 서로 동일하다. 이와 같은 결과로부터 본 발명의 실시예에 따른 표면 균일도 평가 시스템 및 표면 균일도 평가 방법의 신뢰성을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예를 통하여 얻어지는 표면 균일도 정보는 제품 성능에 있어 표면 균일도가 중요한 인자가 되는 플래시 메모리 제품에 적용할 수 있으므로, 플래시 메모리 제품에 대하여 더욱 신속하고 신뢰성있는 표면 균일도 평가 시스템 및 표면 균일도 평가 방법을 제공할 수도 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 광센서부에 의해 생성된 전기적 신호중 큰 신호를 이용하여 파티클 또는 결함 등을 검출하기 위한 다른 신호 처리 단계를 더 포함함으로써, 큰 신호를 이용하여 파티클 또는 결함 등을 검출하고, 이와 동시에 백그라운드 레벨의 신호를 이용하여 표면 균일도를 동시에 측정할 수 있는 표면 균일도 평가 시스템 및 표면 균일도 평가 방법을 제공할 수도 있다.
예를 들면, 본 발명의 실시예에 따른 표면 균일도 평가 시스템은 광센서부로부터 발생된 전기적 신호를 추출하여 상기 시료 표면의 좌표와 맵핑시켜 파티클 또는 표면 결함을 측정하는 제 2 신호 처리부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 제 2 신호 처리부는, 제 1 신호 처리부와 동일하게, 수치 연산을 수행할 수 있는 소프트웨어 또는 마이크로 프로세서와 같은 하드웨어일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어, 검사 영역을 시료 표면 상에 확장시켜 3차원 표면 균일도 정보를 얻을 수 있음은 자명하다. 당업자에게 있어서, 본 발명의 범위가 광원부; 콜렉터 렌즈부 및 광센서부의 구성 및 배치에 관한 변형 및 변경을 포함한다는 자명하다. 이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명의 표면 균일도 평가 시스템은, 복수의 반복적 패턴을 갖는 시료 표 면의 검사 영역으로부터 추출되는 반복성을 갖는 전기적 신호의 백그라운드 레벨의 신호를 이용하여 상기 시료 표면의 좌표와 맵핑시키는 신호 처리부를 구비함으로써, 종래의 광학 장치에서 그 중요성이 간과된 백그라운드 레벨의 신호를 활용하여 상기 시료의 표면 균일도를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 표면 균일도 평가 방법은 복수의 반복적 패턴을 갖는 시료 표면의 검사 영역으로부터 추출되는 반복성을 갖는 전기적 신호의 백그라운드 레벨의 신호를 이용하여 상기 시료 표면의 좌표와 맵핑시킴으로써, 종래의 광학 장치에서 그 중요성이 간과된 백그라운드 레벨의 신호를 활용하여 상기 시료의 표면 균일도를 측정할 수 있다.

Claims (15)

  1. 복수의 반복적 패턴을 갖는 시료 표면의 검사 영역에 광을 조사하는 광원부;
    상기 검사 영역으로부터 반사되어 산란되는 광을 수용하는 하나 이상의 콜렉터 렌즈부;
    상기 콜렉터 렌즈부에 의해 수용된 광을 전기적 신호로 변환하는 광센서부; 및
    상기 반복적 패턴을 따라 반복성을 갖는, 상기 전기적 신호의 백그라운드 레벨의 신호를 추출하여 상기 시료 표면의 좌표와 맵핑시켜 표면 균일도를 측정하는 제 1 신호 처리부를 포함하는 표면 균일도 평가 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광은 레이저 광인 표면 균일도 평가 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 검사 영역에 상기 조사된 광을 포커싱하기 위한 하나 이상의 콘덴서 렌즈부를 더 포함하는 표면 균일도 평가 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 상기 추출된 백그라운드 레벨의 전기적 신호에 대하여 각 반복 구간마다 평균화하는 표면 균일도 평가 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 시료는 표면 상에 셀 영역 및 상기 셀 영역 주변의 페리 영역으로 이루어진 반도체 소자 패턴이 형성된 복수의 다이를 포함하는 표면 균일도 평가 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 각 반복 구간은 상기 시료의 상기 다이에 각각 대응하는 표면 균일도 평가 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 셀 영역은 플래시 메모리 셀로 이루어진 표면 균일도 평가 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기적 신호의 큰 신호를 추출하여 상기 시료 표면의 좌표와 맵핑시켜 파티클 또는 표면 결함을 측정하는 제 2 신호 처리부를 더 포함하는 표면 균일도 평가 시스템.
  9. 복수의 반복적 패턴을 갖는 시료 표면의 검사 영역에 광을 조사하는 단계;
    상기 검사 영역으로부터 반사되어 산란되는 광을 전기적 신호로 변환하는 단계;
    상기 반복적 패턴을 따라 반복성을 갖는, 상기 전기적 신호의 백그라운드 레벨의 신호를 추출하는 단계; 및
    상기 추출된 백그라운드 레벨의 신호와 상기 시료 표면의 좌표를 맵핑시키는 단계를 포함하는 표면 균일도 평가 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 추출된 백그라운드 레벨의 신호는 각 반복 구간마다 평균화되는 표면 균일도 평가 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 시료는 표면 상에 셀 영역 및 상기 셀 영역 주변의 페리 영역으로 이루어진 반도체 소자 패턴이 형성된 복수의 다이를 포함하는 표면 균일도 평가 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 각 반복 구간은 상기 시료의 상기 다이에 각각 대응하는 표면 균일도 평가 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 백그라운드 레벨의 신호는 상기 다이의 상기 셀 영역에 대응하는 표면 균일도 평가 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 셀 영역은 플래시 메모리 셀로 이루어진 표면 균일도 평가 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기적 신호의 큰 신호를 추출하여 상기 큰 신호와 상기 시료 표면의 좌표를 맵핑시키는 단계를 더 포함하는 표면 균일도 평가 방법.
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KR101136865B1 (ko) 2007-04-19 2012-04-20 삼성전자주식회사 패턴 균일도 검사장치

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KR20020039019A (ko) * 2000-11-20 2002-05-25 황인길 반도체 웨이퍼의 평탄도 측정방법
KR20050002471A (ko) * 2003-06-30 2005-01-07 삼성전자주식회사 반도체 소자의 검사방법

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