KR101360251B1 - 웨이퍼 디펙트 검사장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

나노급 디펙트를 리뷰하기 위한 웨이퍼 디펙트 검사장치 및 그 방법을 제공한다. 상기 웨이퍼 디펙트 검사장치는 진공챔버 내에서 웨이퍼를 지지하고, 이송하기 위한 스테이지를 구비한다. 상기 진공챔버의 제 1 윈도우를 통해 주입되는 레이저 광을 발생시키는 광원부가 구비된다. 상기 진공챔버 내에 존재하고, 상기 광원부에서 발생된 레이저 광의 진행방향을 변경하는 반사미러를 구비한다. 상기 웨이퍼 검사면에서 산란된 레이저 광을 이용하여 디펙트를 검출하는 광학현미경을 구비한다. 상기 검출된 디펙트를 고배율로 리뷰하기 위한 주사전자현미경을 구비한다.

레이저 광, 반사미러, 웨이퍼 디펙트, 얼라인 유닛

Description

웨이퍼 디펙트 검사장치 및 그 방법{Reviewing apparatus of wafer defect and Method thereof}

본 발명은 웨이퍼 디펙트 검사장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 나노급 디펙트를 리뷰하기 위한 웨이퍼 디펙트 검사장치 및 그 방법에 관한 것이다.

실리콘 단결정 잉곳(ingot)을 쵸크랄스키 방법(Czochralski method)에 의하여 결정 성장시키는데 있어서 단결정 내 결함은 결정의 인상속도 및 냉각 등의 성장 조건에 크게 의존한다. 이러한 결함은 반도체 소자의 특성에 큰 영향을 준다. 특히, 반도체 소자의 집적도가 VLSI(Very Large Scale circuit) 시대에서 ULSI(Ultra Very Large Scale circuit) 시대로 발전하면서 반도체 소자의 선폭이 더욱 미세하게 되며, 이에 따라, 반도체 소자의 제조 공정은 더욱 세분화되고 복잡해지고 있다. 이로 인해 웨이퍼의 미세 결함은 반도체 소자의 성능과 수율에 중대한 영향을 끼치므로 웨이퍼에 대한 품질 요구 수준이 더욱 높아질 뿐만 아니라 이러한 웨이퍼 표면 상의 미세 결함을 정확히 측정하는 것이 요구되고 있다.

제조효율에 영향을 미치는 요인은 제조공정 중에 반도체 웨이퍼 상에 존재하는 결함이다. 결함은 예를 들어, 반도체 웨이퍼 상의 스크래치, 미립자 및 피복층 의 미제거 부분과 같이 여러 형태를 취할 수 있다. 이러한 여러 형태의 결함에도 불구하고, 미탐지된 결함은 웨이퍼로부터 제조된 반도체 칩의 결함을 초래할 수 있다.

반도체 웨이퍼의 결함을 검출하고 분류하는 것은 결함의 원인을 확인하기 위해 결함의 크기, 형태 및 경계와 같은 정확한 정보를 추출해야 할 필요가 있다. 이를 위해서는 매우 높은 이미지 해상도가 요구된다. 그러나, 반도체 웨이퍼 상의 미세 구조물이 더욱 소형화되면서, 수율에 영향을 끼칠 수 있는 결함의 크기도 종래의 광학기구의 해상도 보다 작아지게 되었다. 그러므로, 광학 시스템을 이용하여 결함을 분류할 수 있는 성능도 매우 제한적이게 되었다. 따라서, 결함을 분류하기 위한 보다 높은 해상도를 갖는 시스템에 대한 요구가 증대되고 있다.

일반적으로, 검사시스템은 반도체 웨이퍼에 광을 주사하여 결함이 예상되는 반도체 웨이퍼상의 영역에 대한 결함지도를 생성하는데 사용된다. 그 후, 결함지도는 각 결함에 대한 고도의 해상도를 얻기 위해 주사식 전자 현미경(SEM)으로 이송되어 재검사를 하게 된다. 그러나, 검사기구에 의해 생성된 결함지도는 결함 크기에 비해 정확도가 매우 낮다. 이 때문에, SEM은 분류에 필요한 높은 해상도를 얻기 전까지는 결함을 재발견해내야 한다. 특히, 검사기구의 정밀도는 결함의 존재를 밝혀내기에는 충분하지만 결함의 위치를 결정하기에는 불충분하다. 그러므로, 검사기구에 의해 생성된 결함지도는 SEM을 결함에 대한 정확한 위치로 안내할 수 없다.

상기 문제점을 해결하기 위해 대한민국 공개특허 10-2001-0007394호에 "목적물의 결함을 검사하기 위한 장치 및 방법(Apparatus and method for reviewing defects on an object)"라는 이름으로 도탄 등에 의해 개시된 바 있다. 상기 공개특허는 광학 현미경을 이용하여 결함을 정확하게 재감지하기 위해 목적물을 수용하는 스테이지, 광학 현미경 및 주사전자현미경을 포함한다. 상기 광학 현미경은 목적물 표면 상의 이미 작도된 결함을 재검출하기 위해 사용되며, 목적물 표면의 선택된 부분을 향해 광을 주사하는 조사원을 포함한다. 상기 광학현미경은 밝은 필드 조사 및 어두운 필드 조사 중 어느 하나 또는 이들 모두를 발생시키도록 구성되어 있다. 일단 결함이 재검출되면, 결함이 SEM에 의해 검사될 수 있는 위치에 놓이도록 이송시스템은 상기 스테이지를 소정의 위치로 이동시킨다.

SEM을 이용하여 웨이퍼 상의 결함을 리뷰하기 위한 전제로 광학현미경을 통해 웨이퍼 결함을 재검출하여 결함의 위치, 유무를 좀 더 정확하게 파악하는 것이 필요하다. 하지만, 결함이 작아질수록 이미지의 관찰영역도 작아져서 결함을 재발견해내기 위해서는 결함에 대한 보다 정확한 위치가 알려져야 한다. 이 과정에서 비패턴 웨이퍼의 나노급의 디펙트인 경우는 광학현미경의 렌즈를 통해 광을 조사하여도 디펙트의 형상이 나타나지 않는 문제가 발생한다. 또한, 광학 현미경 렌즈 내의 어두운 필드에서 경사진 각도로 광을 조사하여도 디펙트의 형상이 나타나지 않는 문제가 있다. 결국, 광학 현미경으로의 상세 위치 검출이 어려워 주사전자현미경으로 리뷰시 SEM의 시야범위 내에 해당 디펙트가 존재하지 않게 된다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 웨이퍼의 나노급 디펙트를 주사전 자현미경으로 리뷰하는 경우 시야범위에서 벗어나는 것을 개선하기 위한 웨이퍼 디펙트의 검사장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 주사전자현미경의 시야범위에서 디펙트를 리뷰하기 위한 웨이퍼 디펙트의 검사방법을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 웨이퍼 디펙트 검사장치를 제공한다. 상기 웨이퍼 디펙트 검사장치는 진공챔버 내에서 웨이퍼를 지지하고, 이송하기 위한 스테이지를 구비한다. 상기 진공챔버의 제 1 윈도우를 통해 주입되는 레이저 광을 발생시키는 광원부를 포함한다. 상기 진공챔버 내에 존재하고, 상기 광원부에서 발생된 레이저 광의 진행방향을 변경하는 반사미러를 포함한다. 상기 웨이퍼 검사면에서 산란된 레이저 광을 이용하여 디펙트를 검출하는 광학현미경이 구비된다. 상기 검출된 디펙트를 고배율로 리뷰하기 위한 주사전자현미경을 포함한다.

본 발명의 몇몇 실시예에 있어서, 상기 광원부에 연결되고, 상기 광원부를 회전 및 이동시키는 얼라인 유닛을 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 얼라인 유닛은 상기 산란된 레이저 광이 상기 진공챔버의 제 2 윈도우를 통해 상기 광학현미경의 시야범위에 들어가도록 할 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 상기 광원부는 상기 레이저 광이 상기 제 1 윈도우를 통해 수직하게 상기 진공챔버 내로 입사하도록 배치될 수 있다.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 반사미러는 상기 웨이퍼 표면에 입사하는 레 이저 광이 8 내지 16도의 경사각을 갖도록 배치될 수 있다.

또한, 본 발명은, 웨이퍼 디펙트 검사방법을 제공한다. 검사장치를 통해 디펙트 좌표가 설정된 웨이퍼를 제공한다. 상기 웨이퍼 검사면에 레이저 광을 경사지게 조사한다. 여기서, 상기 레이저 광은 상기 웨이퍼 검사면의 디펙트에 의해 산란된다. 상기 산란된 레이저 광을 광학현미경으로 감지하여 웨이퍼 디펙트 위치를 재검출한다. 상기 재검출된 디펙트의 좌표를 기준으로 상기 웨이퍼를 주사전자현미경으로 이송한다. 상기 주사전자현미경으로 상기 웨이퍼 디펙트를 리뷰한다.

본 발명의 몇몇 실시예에 있어서, 상기 레이저 광을 경사지게 조사한 후에 상기 광원부에 연결된 얼라인 유닛을 이용하여 상기 레이저 광이 상기 광학현미경의 시야범위에 들어가도록 상기 광원부를 회전 및 이동시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 주사전자현미경을 이용하여 웨이퍼 디펙트를 리뷰하기 위한 웨이퍼 디펙트 검사장치 및 그 방법을 제공할 수 있다. 반사미러를 통해 광원부에서 발생한 레이저 광을 웨이퍼 검사면에 경사지게 주사할 수 있다. 또한, 산란된 레이저 광이 광학현미경의 시야범위에 들어갈 수 있도록 얼라인 유닛으로 광원부를 조정하여 웨이퍼 디펙트의 정확한 위치를 검출할 수 있다. 따라서, 웨이퍼 디펙트의 정확한 위치정보를 바탕으로 주사전자현미경을 이용해 리뷰함으로써, 웨이퍼 디펙트의 고해상도 이미지를 얻을 수 있어, 웨이퍼 디펙트 분류가 가능하다.

첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기 로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 디펙트 검사장치를 나타내는 개략적인 구성도이다.

도 1을 참조하면, 웨이퍼 디펙트 검사장치(100)는 진공챔버(200) 내에서 웨이퍼(300)를 지지하고, 이송하기 위한 스테이지(700)를 구비할 수 있다. 상기 웨이퍼(300)는 검사장치를 통해 디펙트의 좌표가 미리 설정될 수 있다. 상기 진공챔버(200)의 제 1 윈도우(460)를 통해 레이저 광이 주입될 수 있다. 상기 레이저 광은 광원부(400)에서 발생할 수 있다. 상기 진공챔버(200) 내에 존재하고, 상기 광원부(400)에서 발생된 레이저 광의 진행방향을 변경하는 반사미러(420)가 구비될 수 있다. 상기 웨이퍼 검사면에서 산란된 레이저 광을 이용하여 디펙트를 검출하는 광학현미경(440)이 포함될 수 있다. 상기 검출된 디펙트를 고배율로 리뷰하기 위한 주사전자현미경(500)을 포함할 수 있다.

상기 스테이지(700)는 상기 웨이퍼(300)를 충분히 지지하고, 상기 웨이 퍼(300)의 전영역을 스캐닝할 수 있도록 상기 웨이퍼(300)의 크기보다 더 큰 사각 플레이트로 구성될 수 있다. 상기 스테이지(700)는 상기 주사전자현미경(500)과 상기 광학현미경(440) 사이에서 웨이퍼 이송수단으로 사용될 수 있다. 상기 스테이지(700)는 상기 웨이퍼(300)를 X-Y축으로 이동시킬 수 있다.

상기 광원부(400)는 상기 진공챔버(200) 외부에 배치될 수 있다. 상기 광원부(400)에서 나온 레이저 광은 상기 제 1 원도우(460)를 통과하여 상기 진공챔버(200) 내부로 들어갈 수 있다. 상기 진공챔버(200) 내부로 들어온 레이저 광은 상기 반사미러(420)에서 반사되어 진행방향이 변경될 수 있다. 상기 반사미러(420)는 디펙트를 검사하고자 하는 웨이퍼 검사면에 상기 레이저 광이 경사지게 조사되도록 배치될 수 있다. 이 때, 상기 웨이퍼 검사면과 상기 레이저 광이 이루는 경사각(θ)이 8 내지 16도가 되는 것이 바람직하다. 상기 경사각(θ)을 좁히는 이유는 이미지 인텐서티(intensity)를 크게 할 수 있고 검출된 디펙트의 양이 많기 때문이다.

상기 광원부(400)에 연결되고, 상기 광원부(400)를 회전 및 이동시키는 얼라인 유닛(600)을 포함할 수 있다. 상기 얼라인 유닛(600)은 여러 축의 스테이지로 구성될 수 있다. 상기 반사미러(420)에 의해 진행방향이 바뀐 레이저 광이 상기 웨이퍼 검사면에 조사되면, 상기 레이저 광은 디펙트가 있는 위치에서 산란이 일어날 수 있다. 이 때, 산란된 레이저 광이 상기 제 2 윈도우(470)를 통해 상기 광학현미경(440)의 시야범위로 들어가도록 상기 얼라인 유닛(600)은 상기 광원부(400)를 조정하는 역할을 할 수 있다.

상기 광학현미경(440)에서 상기 웨이퍼 디펙트의 유무 및 위치가 정확히 재검출 된 후, 상기 웨이퍼 디펙트를 분류하기 위한 리뷰를 하기 위해 주사전자현미경(500)이 제공될 수 있다. 상기 주사전자현미경(500)은 전자빔을 집속하여 상기 웨이퍼(300) 표면을 조사하는 장치로 상기 웨이퍼(300) 상의 나노급 디펙트를 리뷰할 수 있다. 구체적으로, 웨이퍼 표면에 전자빔을 주사하여 그로부터 반사된 2차 전자에 의해 모니터에 나타난 웨이퍼의 이미지를 리뷰함으로써 웨이퍼 표면 구조를 분석할 수 있다.

상기 주사전자현미경(500)은 상기 진공챔버(200) 내로 연장될 수 있다.

상기 진공챔버(200)는 고진공상태에 있는 것이 바람직하다. 이것은 상기 스테이지(700)에 안착된 웨이퍼(300)의 디펙트를 리뷰하기 위해 상기 주사전자현미경(500)에서 전자를 집속하여 주사할 때, 공기 등 저항성분이 있으면 수직으로 주사하기 어렵기 때문이다. 상기 진공챔버(200) 내부를 고진공 상태로 유지시켜 주기 위해 상기 진공챔버(200)에 연결된 펌핑장치(800)가 구비될 수 있다. 상기 펌핑장치(800)는 고진공 상태를 유지시키기 위해 2개의 드라이 펌프(미도시)와 2개의 터보 펌프(미도시)를 포함할 수 있다.

상기 제 1 및 제 2 윈도우는 상기 진공챔버(200) 내의 진공도를 유지하기 위한 역할을 할 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 웨이퍼 디펙트 검사방법을 나타내기 위한 흐름도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 검사장치에 의해 웨이퍼 상의 디펙트의 좌표가 설 정된 웨이퍼(300)가 제공된다.(S100)

웨이퍼가 갖는 디펙트는 후속공정에 영향을 미치고, 수율을 떨어뜨리는 문제가 있으므로, 웨이퍼 검사를 하여 대략적인 웨이퍼 상의 디펙트의 위치를 검출한다. 웨이퍼 검사에 사용되는 광학현미경은 저배율로서 디펙트의 큰 이미지를 얻기 어렵다. 따라서, 리뷰장치로서 주사전자현미경을 사용하여 고배율의 디펙트 이미지를 얻을 수 있는데, 나노급 디펙트의 경우, 웨이퍼 검사장치만으로 웨이퍼 상 디펙트의 정확한 위치 또는 유무를 알기 힘들다. 따라서, 주사전자현미경으로 리뷰할 때, 시야범위를 벗어나 웨이퍼 디펙트의 이미지를 얻을 수 없는 바, 본 발명으로 이런 문제를 해결하고자 한다.

광학현미경을 이용해 좀 더 정확한 웨이퍼 디펙트의 유무와 위치를 알기 위해 상기 웨이퍼(300)를 진공챔버(200) 내 스테이지(700)로 이송할 수 있다.(S200)

상기 스테이지(700)는 X-Y축을 따라 이동하여 상기 웨이퍼(300)의 검사면을 상기 광학현미경(440)과 마주보도록 배치시킬 수 있다. 상기 진공챔버(200) 외부에 배치된 광원부(400)에서 레이저 광을 발생시킬 수 있다. 상기 레이저 광은 파장이 532㎚이고, 전력이 150mW 인 것을 사용할 수 있다. 상기 파장 값에서 더욱 선명한 디펙트 형상을 얻을 수 있다. 상기 전력 값에서 출력이 커서 선명한 디펙트 형상을 얻을 수 있다.

기 설정된 디펙트 좌표에 레이저 광을 경사지게 조사할 수 있다.(S300)

상기 레이저 광은 제 1 윈도우(460)를 통해 상기 진공챔버(200) 내부로 유입되어 반사미러(420)에서 진행방향이 변경될 수 있다. 상기 반사미러(420)에서 반사 된 레이저 광은 웨이퍼(300) 검사면에 경사지게 조사될 수 있다. 상기 레이저 광과 상기 웨이퍼(300) 검사면이 이루는 경사각(θ)이 8 내지 16도가 되도록 조사하는 것이 바람직하다.

상기 웨이퍼(300) 상의 디펙트에 의해 산란된 레이저 광을 통해 웨이퍼 디펙트의 좌표를 재설정할 수 있다.(S400)

상기 웨이퍼(300) 검사면에 조사된 레이저 광은 결함이 없는 부분에서는 입사각과 동일한 각으로 반사되며, 결함이 있는 부분에서는 난반사에 의해 산란될 수 있다. 상기 반사미러(420)에 의해 레이저 광을 경사지게 조사한다 할지라도 상기 웨이퍼(300) 검사면에 있는 디펙트에 의해 산란된 레이저 광은 상기 광학현미경(440)의 시야범위에서 벗어날 수 있다. 따라서, 상기 광원부(400)에 연결된 얼라인 유닛(600)을 이용하여 상기 반사미러(420)에 주사되는 레이저 광의 각을 조절하여 상기 웨이퍼(300) 검사면에서 산란된 레이저 광이 상기 진공챔버(200)의 제 2 윈도우(470)를 통해 상기 광학현미경(440)의 시야범위에 들어가도록 할 수 있다. 이는 상기 얼라인 유닛(600)이 상기 광원부(400)를 회전 및 이동시킴으로써 수행할 수 있다.

상기에서 산란된 빛의 세기는 결함의 크기에 따라 변하는데, 결함의 크기가 상대적으로 크면 빛의 세기가 상대적으로 강하고, 상대적으로 작으면 빛의 세기도 상대적으로 약하게 된다. 그리고, 레이저 광은 파장대가 매우 좁으므로 ㎛ 크기보다 작은 ㎚ 크기의 결함에 의해서도 산란될 수 있다. 웨이퍼 디펙트에 의해 산란된 레이저 광은 상기 웨이퍼에 대해 90도의 각도로 설치된 광학현미경에 의해 검출되 고, 촬상기(미도시)에서 전기적 신호로 변환되어 촬상될 수 있다. 상기 촬상기는 상기 광학현미경에 의해 검출된 레이저 광을 전기 신호로 변환하므로 결함이 있는 부분은 밝고, 결함이 없는 부분은 어둡게 촬상될 수 있다. 그리고, 상기 촬상기에 의해 전기적 신호로 촬상된 상을 모니터가 영상신호로 변환하여 영상으로 표시한다. 얻어진 영상을 통해 웨이퍼 디펙트의 정확한 위치와 유무를 확인할 수 있다.

재설정된 디펙트 좌표에서 주사전자현미경으로 디펙트를 리뷰할 수 있다.(S500)

상기 광학현미경(440)을 통해 얻어진 상기 웨이퍼(300) 디펙트의 위치에 대한 정확한 정보를 기초로 하여 상기 스테이지(700) 상의 상기 웨이퍼(300)를 주사전자현미경(500)으로 이송할 수 있다. 상기 웨이퍼(300) 검사면에 전자빔을 주사하여 그로부터 반사된 2차 전자에 의해 모니터에 나타난 웨이퍼의 이미지를 촬영함으로써 웨이퍼 표면 구조를 분석할 수 있다. 이에 따라, 주사전자현미경(500)을 이용하여 결함의 해당 위치를 정확하게 찾아가 결함의 종류, 결함의 크기, 결함의 생성 원인별로 구분할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 디펙트 검사장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 웨이퍼 디펙트 검사방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

Claims (6)

1. 진공챔버 내에서 웨이퍼를 지지하고, 이송하기 위한 스테이지;

   상기 진공챔버의 제 1 윈도우를 통해 주입되는 레이저 광을 발생시키는 광원부;

   상기 진공챔버 내에 존재하고, 상기 광원부에서 발생된 레이저 광의 진행 방향을 변경하는 반사미러;

   상기 웨이퍼 검사면에서 산란된 레이저 광을 이용하여 디펙트를 검출하는 광학현미경;

   상기 검출된 디펙트를 고배율로 리뷰하기 위한 주사전자현미경; 및

   상기 광원부에 연결되고, 상기 광원부를 회전 및 이동시키는 얼라인 유닛을 포함하되,

   상기 얼라인 유닛은 상기 산란된 레이저 광이 상기 진공챔버의 제 2 윈도우를 통해 상기 광학현미경의 시야범위에 들어가도록 하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 디펙트 검사장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 광원부는 상기 레이저 광이 상기 제 1 윈도우를 통해 수직하게 상기 진 공챔버 내로 입사하도록 배치된 것을 특징으로 하는 웨이퍼 디펙트 검사장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 반사미러는 상기 웨이퍼 표면에 입사하는 레이저 광이 8 내지 16도의 경사각을 갖도록 배치된 것을 특징으로 하는 웨이퍼 디펙트 검사장치.
5. 검사장치를 통해 디펙트 좌표가 설정된 웨이퍼를 제공하고,

   상기 웨이퍼 검사면에 레이저 광을 경사지게 조사하되, 상기 레이저 광은 상기 웨이퍼 검사면의 디펙트에 의해 산란되고,

   광원부에 연결된 얼라인 유닛을 이용하여 상기 레이저 광이 광학현미경의 시야범위에 들어가도록 상기 광원부를 회전 및 이동시키고,

   상기 산란된 레이저 광을 상기 광학현미경으로 감지하여 웨이퍼 디펙트를 재검출하고,

   상기 재검출된 디펙트의 좌표를 기준으로 상기 웨이퍼를 주사전자현미경으로 이송하고,

   상기 주사전자현미경으로 상기 웨이퍼 디펙트를 리뷰하는 것을 포함하는 웨이퍼 디펙트 검사방법.
6. 삭제

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