KR102281621B1 - 반도체 웨이퍼 검사 및 계측을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

시스템은 정규화된 신호들 및 반사된 총 세기들에 기초하여 웨이퍼 상의 층의 두께, 표면 거칠기, 물질 농도, 및/또는 임계 치수와 같은 값을 결정한다. 광원은 빔을 웨이퍼의 표면에 지향시킨다. 센서는 반사된 빔을 수신하고, 적어도 한 쌍의 편광 채널들을 제공한다. 편광 채널들로부터의 신호들은 제어기에 의해 수신되고, 제어기는 한 쌍의 신호들 간의 차이를 정규화하여 정규화된 결과를 생성한다. 웨이퍼의 값은 시스템의 모델링을 통한 신호의 분석을 통해 결정된다.

Description

반도체 웨이퍼 검사 및 계측을 위한 시스템 및 방법
본 출원은 2015년 1월 12일에 출원되고 미국 특허 출원 제62/102,312호를 할당받은 가특허 출원의 우선권을 청구하며, 이 가특허 출원 전체는 참조로서 본 명세서 내에서 원용된다.
본 발명개시는 웨이퍼 검사 및 계측에 관한 것이다.
반도체 제조자는 웨이퍼 당 디바이스 개수를 최대화하기 위해 가능한 한 웨이퍼 가장자리에 가깝게 다이를 인쇄한다. 그러나, 웨이퍼 가장자리 근처의 다이는 일반적으로 가장 낮은 수율을 나타낸다. 가장자리 수율 문제를 해결하기 위해, 반도체 제조자는 웨이퍼의 평평한 앞면 상이나 또는 평평한 표면을 지나 경사 사면 내와 같이, 각각의 막의 가장자리가 안착하는 곳을 제어할 필요가 있다. 반도체 제조자는 또한 각각의 막의 주변부를 디바이스 처리 동안 그 앞뒤에 배치된 막들의 주변부와 일치시킬 필요가 있다.
에피택셜 웨이퍼를 검사하거나, 포토레지스트 가장자리 비드 제거(edge bead removal; EBR)를 검사 및 측정하거나, 웨이퍼 가장자리에서 막의 z 컷(z-cut) 높이를 검사하는 것과 같은, 공정 제어를 위해 현재의 검사 및 계측 툴이 사용된다. 이러한 현재 검사 및 계측 툴은 신호를 검출하고 샘플의 위상 이미지(phase image)를 생성한다. 그러나, 하드웨어 구성 및 정렬 프로시저들 마다, 이러한 신호들에 대한 명확한 물리적 평균은 없다. 신호를 해석하거나 또는 신호를 샘플 파라미터들에 연계시키는 것은 문제를 일으킬 수 있으며, 이는 추가적인 개발을 제한시킨다. 또한, 광학기기의 수광 효율은 웨이퍼 가장자리에서 웨이퍼마다 다를 수 있기 때문에, 계측 요구사항 관점에서 원본 신호로부터는 단하나의 양만이 추론될 수 있는데, 이는 신호로부터 추출될 수 있는 정보의 양을 제한시킨다.
따라서, 웨이퍼 검사 및 계측을 위한 새로운 시스템 및 방법이 필요하다.
제1 실시예에서, 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 웨이퍼를 홀딩하도록 구성된 스테이지; 스테이지 상의 웨이퍼의 표면에 빔을 지향시키도록 구성된 광원; 표면에서 반사된 빔을 수신하고 적어도 두 개의 편광 채널들을 제공하도록 구성된 센서; 및 센서와 전자 통신하는 제어기를 포함한다. 각각의 편광 채널들은 신호를 제공한다. 상기 제어기는, 편광 채널들 각각으로부터 신호를 수신하고; 한 쌍의 신호들 간의 차이를 정규화하여 정규화된 결과를 생성하며; 정규화된 결과 및 한 쌍의 신호들의 총 세기에 기초하여 웨이퍼 상의 층의 값을 결정하도록 구성된다. 이 값은 두께, 표면 거칠기, 물질 농도 또는 임계 치수 중 하나이다. 각각의 편광 채널들은 편광 빔 스플리터에 의해 생성될 수 있다. 센서는 편광 감응성 검출기일 수 있다.
예시로서, 센서는 여섯 개의 편광 채널들을 제공하도록 구성된다. 이 예시에서, 센서는, 제1 빔 스플리터; 제1 빔 스플리터로부터 광을 수신하도록 구성된 제2 빔 스플리터; 제1 빔 스플리터로부터 광을 수신하도록 구성된 제1 편광 빔 스플리터; 제2 빔 스플리터로부터 광을 수신하도록 구성된 제2 편광 빔 스플리터; 및 제2 빔 스플리터로부터 광을 수신하도록 구성된 제3 편광 빔 스플리터를 포함한다. 제1 편광 빔 스플리터는 여섯 개의 편광 채널들 중 두 개의 편광 채널들을 생성하도록 구성된다. 제2 편광 빔 스플리터는 여섯 개의 편광 채널들 중 두 개의 편광 채널들을 생성하도록 구성된다. 제3 편광 빔 스플리터는 여섯 개의 편광 채널들 중 두 개의 편광 채널들을 생성하도록 구성된다. 제1 빔 스플리터는 30/70 빔 스플리터일 수 있다. 제2 빔 스플리터는 50/50 빔 스플리터일 수 있다. 제2 편광 빔 스플리터는 입사면에 대해 45°로 있을 수 있고, 제3 편광 빔 스플리터는 0°로 있을 수 있다. 1/4 파장판이 제1 빔 스플리터와 제1 편광 빔 스플리터 사이에 배치될 수 있다. 제어기는 또한 신호들의 쌍들을 정규화하여 세 개의 정규화된 결과들을 생성하고 세 개의 정규화된 결과들에 기초하여 값을 결정하도록 구성될 수 있다.
제어기는 수학식 V=(Pq-Sq)/(Pq+Sq)를 사용하여 한 쌍의 신호들 간의 차이를 정규화하도록 구성될 수 있으며, 여기서 Pq와 Sq는 한 쌍의 신호들이고, V는 정규화된 결과이며, Sp=Pq+Sq는 총 세기이다.
센서는 표면에서 반사된 빔의 네 개 이하의 편광 채널들을 제공하도록 구성될 수 있다.
광원은 복수의 파장들의 빔을 지향시키도록 구성될 수 있다. 광원은 상이한 파장들에서 작동하는 파장 가변 레이저(tunable laser) 또는 복수의 레이저들의 파장 멀티플렉스일 수 있다.
제어기는 한 쌍의 신호들 또는 정규화된 결과를 비선형 최소 제곱 최적화 알고리즘으로 피팅(fitting)함으로써 층의 값을 결정하도록 구성될 수 있다.
제2 실시예에서, 방법이 제공된다. 방법은, 광원으로부터의 빔을 웨이퍼의 표면에 지향시키는 단계; 표면에서 반사된 빔을 센서로 수신하는 단계; 적어도 하나의 편광 빔 스플리터를 사용하여 센서 내의 빔을 복수의 편광 채널들로 분할하는 단계; 편광 채널들 각각으로부터의 신호를 생성하는 단계; 정규화된 결과를 생성하기 위해 한 쌍의 신호들 간의 차이를 정규화하는 단계; 및 정규화된 결과 및 한 쌍의 신호들의 총 세기에 기초하여 웨이퍼 상의 층의 값을 결정하는 단계를 포함한다. 이 값은 두께, 표면 거칠기, 물질 농도 또는 임계 치수 중 하나이다.
정규화하는 단계는 수학식 V=(Pq-Sq)/(Pq+Sq)를 사용할 수 있으며, 여기서 Pq와 Sq는 한 쌍의 신호들이고, V는 정규화된 결과이며, Sp=Pq+Sq는 총 세기이다.
분할하는 단계는 세 개의 편광 빔 스플리터들을 사용하여 빔을 여섯 개의 편광 채널들로 분할하는 단계를 더 포함할 수 있다. 정규화하는 단계는 세 개의 정규화된 결과들을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 방법은 웨이퍼 상의 층의 값을 결정하기 위해 측정된 신호들을 분석하기 위한 모델을 이용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
빔은 복수의 파장들을 가질 수 있다. 복수의 파장들은 상이한 파장들에서 작동하는 파장 가변 레이저에 의해 또는 복수의 레이저들의 파장 멀티플렉스에 의해 생성될 수 있다.
결정하는 단계는 한 쌍의 신호들 또는 정규화된 결과를 비선형 최소 제곱 최적화 알고리즘으로 피팅하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명개시의 성질 및 목적에 대한 보다 완전한 이해를 위해서는, 첨부 도면과 관련하여 취해진 다음의 상세한 설명을 참조해야 하며, 첨부 도면들과 관련하여,
도 1은 본 발명개시에 따른 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 2는 본 발명개시에 따른 도 1의 센서의 실시예의 개략도이다.
도 3은 도 2의 센서를 이용하여 신호 대 두께를 비교하는 그래프이다.
도 4 내지 도 6은 상이한 양의 게르마늄을 갖는 Si1 - xGex 에피택셜층들에 대한 신호 대 에피택셜층 두께를 비교하는 그래프이다.
도 7은 Pq 및 Sq에 대한 신호 대 두께를 비교하는 그래프이다.
도 8은 도 7의 Pq 및 Sq에 대한 위상 대 두께를 비교하는 그래프이다.
도 9는 도 3의 여섯 개의 신호들에 대한 정규화된 결과로부터 추론될 수 있는 표면으로부터의 반사 측정치를 비교하는 그래프이다.
청구된 발명내용은 특정 실시예들의 측면에서 설명될 것이지만, 본원에서 설명된 모든 장점들과 특징들을 제공하지는 않는 실시예들을 비롯한 다른 실시예들이 또한 본 발명개시의 범위 내에 있다. 본 발명개시의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 구조적, 논리적, 공정 단계, 및 전자적 변경이 이루어질 수 있다.
본 명세서에 개시된 시스템 및 방법의 실시예는 샘플 파라미터들의 정량적 모니터링을 가능하게 하고 향상된 검사 능력을 제공한다. 본 시스템은 파장마다 웨이퍼 상의 지점 당 더 신뢰성 있고 측정가능한 양을 생성한다. 이것은 가능한 응용성을 증가시키고 결과를 향상시킨다. 검사 툴로부터 샘플 파라미터들을 추출하는 것은 공정 파라미터 드리프트의 검출에 도움을 주는데, 이는 반도체 제조가 예방적 또는 시정 조치를 취할 수 있게 해줄 것이다.
도 1은 시스템(100)의 실시예의 개략도이다. 광원(101)은 스테이지(104) 상의 웨이퍼(105)의 표면(108)에 지향되는 빔(102)을 생성한다. 빔(102)은 웨이퍼(105)의 표면(108)으로 나오기 전에 편광 제어기 및 포커싱 메커니즘(103)을 통과한다. 광원(101)은 일 실시예에서, 청색 파장 반도체 레이저와 같은 레이저일 수 있다. 다른 실시예에서, 광원(101)은 단일 빔(102)을 형성하기 위해 파장 멀티플렉스 기술과 결합된 상이한 파장의 복수의 반도체 레이저일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 광원(101)은 특정 응용에 대한 레시피 파라미터에 기초하여 설정된 파장을 갖는 파장 가변 반도체 레이저일 수 있다. 빔(102) 출력은 일반적으로 수 mW 내지 수백 mW의 범위의 전력으로 편광화된다. 광원(101)은 그 안정성을 향상시키기 위해 온도 제어될 수 있다.
스테이지(104)는 빔(102)에 대해 웨이퍼(105)를 스캐닝하도록 구성될 수 있다. 스테이지(104)에 의한 이러한 스캐닝은, 예를 들어, x-y 평면으로 행해질 수 있다. 광원(101)은 또한 표면(108)에 걸쳐 빔(102)을 스캐닝하도록 구성될 수 있다. 광원(101)은 스테이지(104)를 스캐닝하는 것과 별도로 또는 이와 함께 빔(102)을 스캐닝할 수 있다. 스테이지(104)는 웨이퍼(105)의 정전적, 기계적, 또는 진공 클램핑을 제공할 수 있다.
웨이퍼(105)는, 예를 들어, 반도체 웨이퍼일 수 있다. 반도체 웨이퍼는 150mm, 200mm, 300mm, 또는 450mm 직경의 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 웨이퍼(105)는 또한 발광 다이오드(LED) 또는 태양 전지를 제조하는데 사용되는 웨이퍼와 같은 다른 유형의 웨이퍼일 수 있다.
웨이퍼(105)는 층(109)을 포함한다. 이 층(109)은, 예를 들어, 에피택셜 방식으로 성장되거나 또는 퇴적되는 층일 수 있다. 예시로서, 층(109)은 최상부 실리콘 캡층에 의해 보호되는 Si1 - xGex 에피택셜층이다. 층(109)은 Si1 - xGex 에피택셜층 이외의 다른 유형의 층들일 수 있다.
빔(102)은 웨이퍼(105)의 표면(108)에서 반사되기 전에 편광 제어기 및 포커싱 메커니즘(103) 속으로 지향될 수 있다. 예시에서, 편광 제어기 및 포커싱 메커니즘(103)은 입사면으로부터 45°로 설정된 편광기이다. 다른 실시예에서, 편광 제어기 및 포커싱 메커니즘(103)은 1/4 파장판 및 이어서 편광기를 포함하며, 이것들은 약 45°만큼 오프셋된 광축을 갖는다. 편광 제어기 및 포커싱 메커니즘(103)은 또한 웨이퍼(105) 상에 투영된 빔 스폿 크기를 제어하는 포커싱 광학기기를 포함할 수 있다.
센서(106)는 웨이퍼(105)의 표면(108)에서 반사된 빔(102)을 수신하고, 적어도 한 쌍의 편광 채널들을 제공한다. 각각의 편광 채널 쌍은 두 개의 광 다이오드(PD) 검출기들을 각각 가지며, 이 검출기들은 편광 채널 쌍의 편광 상태 쌍을 수신한다. 각 쌍의 PD 검출기들은 두 개의 직교 편광 상태들에 대응하는 두 개의 세기 신호들을 제공한다. 예시에서, 센서(106)는 편광 감응성 검출기이다. 센서(106)는 한 개, 두 개, 세 개, 또는 그 이상의 쌍의 편광 검출기들에 의해 형성될 수 있는 두 개, 네 개, 여섯 개, 또는 그 이상의 편광 채널들을 가질 수 있다. 센서(106)는 표면(108)으로부터 나오는 광을 시준(collimate)하기 위한 포커싱 메커니즘을 포함할 수 있다. 포커싱 메커니즘은 센서(106)의 편광 제어 정확도 및 집광 효율성을 향상시킬 수 있다.
센서(106)는 제어기(107)와 전자 통신한다. 제어기(107)는 프로세서, 프로세서와 전자 통신하는 전자적 저장 디바이스, 및 프로세서와 전자 통신하는 통신 포트를 포함할 수 있다. 프로세서는 전자 연결을 통해서와 같이 센서로부터 신호를 수신할 수 있다. 예시에서, 제어기(107)는 각각의 편광 채널들에 대한 신호를 수신하도록 구성된다. 그런 후, 제어기(107)는 한 쌍의 신호들 간의 차이를 정규화하여 정규화된 결과를 생성한다. 정규화된 결과에 기초하여, 제어기(107)는 층(109)과 같은, 웨이퍼(105) 상의 층의 값을 결정한다. 이 값은 예컨대, 두께, 표면 거칠기, 물질 농도(예를 들어, Si1 - xGex 층 중의 Ge 퍼센티지 x), 및/또는 임계 치수일 수 있다.
도 1에서는 편광 제어기 및 포커싱 메커니즘(103)이 45°배향된 것으로 도시되어 있지만, 편광 방향 및 편광기 배향은 시스템 성능을 최적화하기 위해 또는 표면(108)으로 나오는 빔(102)의 총 세기를 제어하기 위해 편광기 방향과 일치하도록 회전될 수 있다. 편광 제어기 및 포커싱 메커니즘(103) 내의 편광기의 배향은 반사된 s- 및 p- 편광 상태들 간의 간섭 신호를 최대화하기 위해 45°보다 크거나 작은 각도일 수 있다. 그러나, 편광 방향 및 편광기 배향은 등방성 표면(108)에 대한 간섭이 없는 입사면에 대해서는 일반적으로 0° 또는 90°로 설정되지 않는다. 예시로서, 편광 제어기 및 포커싱 메커니즘(103)은 1/4 파장판 및 이어서 편광기를 포함한다. 표면(108)으로 나오는 원형 편광을 형성하도록 파장판과 편광기의 광축은 45°로 설정된다. 편광 제어기 및 포커싱 메커니즘(103)을 갖는 1/4 파장판은 선택적인 것이며, 다른 경우에서는 포함되지 않는다.
도 2는 여섯 개의 편광 채널들을 갖는 센서(106)의 실시예의 개략도이다. 센서(106)는 제1 빔 스플리터(200) 및 제1 빔 스플리터(200)로부터의 광을 수신하도록 구성된 제2 빔 스플리터(201)를 갖는다. 제1 편광 빔 스플리터(203)는 제1 빔 스플리터(200)로부터의 광을 수신하고, 여섯 개의 편광 채널들 중 두 개의 편광 채널들(D1, D2)을 생성하도록 구성된다. 제2 편광 빔 스플리터(204)는 제2 빔 스플리터(201)로부터의 광을 수신하고, 여섯 개의 편광 채널들 중 두 개의 편광 채널들(D3, D4)을 생성하도록 구성된다. 제3 편광 빔 스플리터(205)는 제2 빔 스플리터(201)로부터의 광을 수신하고, 여섯 개의 편광 채널들 중 두 개의 편광 채널들(D5, D6)을 생성하도록 구성된다. 도 2에서는 센서(106)가 여섯 개의 편광 채널들을 갖는 것으로서 도시되었지만, 센서(106)는 다른 개수의 편광 채널들을 포함할 수 있다.
도 2에서의 세 개의 편광 채널 쌍 각각은 빔 스플리터 및 편광 빔 스플리터의 구성으로 인해 하나 이상의 상이한 광학 특성을 측정할 수 있다. 따라서, 각각의 편광 채널 쌍은 고유한 특성을 가질 수 있다. 예시에서, 제1 빔 스플리터(200)는 30/70 빔 스플리터이고, 제2 빔 스플리터(201)는 50/50 빔 스플리터이고, 제2 편광 빔 스플리터(204)는 입사면에 대해 45°로 있을 수 있고, 제3 편광 빔 스플리터(205)는 0°로 각각 있을 수 있다. 센서(106)는 제1 빔 스플리터(200)와 제1 편광 빔 스플리터(203) 사이에 1/4 파장판(206)을 포함한다. 1/4 파장판(206)과 제1 편광 빔 스플리터(203)의 광축은 대략 45°만큼 상이할 수 있다.
도 3은 도 2의 센서(106)를 이용하여 신호 대 두께를 비교하는 그래프이다. 각각의 편광 채널로부터의 여섯 개의 신호들(D1~D6)이 도시된다. D1 및 D2와 같은, 한 쌍의 편광 채널들로부터의 신호들은 웨이퍼의 값을 결정하는데 사용될 수 있다. 이 두 신호들을 Pq와 Sq라고 부를 수 있다. Pq와 Sq는 웨이퍼 가장자리의 위상 이미지를 생성하도록 추가로 분석될 수 있다. 한 쌍의 편광 채널들로부터의 정규화된 결과는 또한, 웨이퍼의 두께와 같은 값을 결정할 때 향상된 정확도 또는 정밀도를 제공할 수 있다.
예시에서, 한 쌍의 편광 채널들로부터의 신호들은 수학식 1을 사용하여 정규화된다.
V=(Pq-Sq)/(Pq+Sq) (수학식 1)
Pq-Sq를 Ph라고 부를 수 있고, Pq+Sq를 Sp라고 부를 수 있다. Pq와 Sq는 한 쌍의 신호들이고, V는 정규화된 결과이며, Sp는 한 쌍의 신호들의 총 세기이다. V를 시감도(visibility)라고도 부를 수 있다. 예시로서, Pq와 Sq는 광자 신호들이며, 이것들은 실수이다.
도 4 내지 도 6은 상이한 양의 게르마늄(x)을 갖는 Si1 - xGex 에피택셜층들에 대한 신호 대 에피택셜층 두께를 비교하는 그래프이다. 도 4 내지 도 6 각각은 Pq, Sq, 및 수학식 1을 사용하여 계산된 결과 V를 도시한다. V는 에피택셜층 두께와 게르마늄 농도에 반응한다. 도 5와 도 6에서 살펴볼 수 있듯이, V는 게르마늄 농도가 높을수록 에피택셜층 두께에 대한 더 높은 감도를 갖는다. V는 또한 도 4에서와 같이, 더 낮은 게르마늄 농도를 갖는 샘플에서 얇은 에피택셜층 두께에서는 그 부호를 반전시킨다.
게르마늄 농도는 그 광학 특성으로 인해 V에 잠재적으로 영향을 미친다. 게르마늄과 실리콘은 상이한 굴절률과 광 흡수 특성을 갖는다. 따라서, Si1 - xGex 에피택셜층에서의 게르마늄 농도가 변함에 따라, 웨이퍼의 표면에서 반사되는 광이 변하게 된다. 게르마늄 농도가 V에 미치는 영향에 관한 다른 메커니즘도 가능하다. 게르마늄 농도에 따른 신호 변화는 Si1 - xGex 에피택셜층의 두께를 결정하는 것 외에 측정된 신호 V 및 Sp를 분석하여 Ge 농도를 측정할 수 있는 가능성을 제공한다.
장치로부터 지점 당 추가적인 정량화된 숫자들의 이용은 웨이퍼 상의 층의 값의 결정 정확도를 향상시킬 수 있다. 이것은 파장 멀티플렉스 기술을 사용하여 웨이퍼쪽으로 지향되는 입사 빔 경로를 미리 결합하고, 다중 레이저를 사용함으로써 더 많은 파장들을 포함할 수 있다. 이것은 검출기에서 분리된 파장들이거나, 레이저를 변조하고 각 레이저로부터의 신호의 검출을 동기화할 수 있는 시간 멀티플렉스이거나, 또는 파장 디멀티플렉스 기술을 사용하여 각각의 파장을 도 1에서 도시된 복수의 세트의 센서(106) 중 하나로 전송하는 것일 수 있다. 파장마다의 지점 당 더 많은 측정가능한 신호들을 사용하여 웨이퍼 상의 층의 값의 결정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 7은 Pq 및 Sq에 대한 신호 대 두께를 비교하는 그래프이다. 도 8은 도 7의 Pq 및 Sq에 대한 위상 대 두께를 비교하는 그래프이다. Pq와 Sq는, 예를 들어, D1과 D2, D3과 D4, 또는 D5와 D6에 대응할 수 있지만, 도 7과 도 8에서는 D1과 D2만이 도시되어 있다. 도 3에서는, 도 7에서와 동일한 웨이퍼의 경우에서의 센서(106)로부터의 여섯 개의 신호들이 도시되어 있다.
도 9는 표면(108)으로부터의 반사 측정치를 비교하는 그래프이며, 여기서 N, S, 및 C는 도 3의 여섯 개의 신호들(D1~D6)에 대한 정규화된 결과들로부터 추론될 수 있다. N, S, 및 C는, 시스템이 특정 방식으로 구성될 때 각 쌍의 상이한 신호에 비례하는, 표면(108)의 편광 특성으로부터 정의되며, 선형적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, N, S, 및 C 각각은 세 쌍의 정규화된 차이 신호들 중 한 쌍의 정규화된 차이 신호들(예를 들어, D5와 D6, D1과 D2, D3와 D4)에 비례한다. 이것은 S가 도 8에서 도시된 V 결과와 유사한 형상을 갖는다는 것을 주목함으로써 입증된다. N, S, 및 C의 조합은, 예를 들어, S 단독일 때보다 더 많은 정보를 제공한다. N, S, 및 C의 사용은 웨이퍼 가장자리의 불규칙성과 같은 체계적인 오류에 대해 더 신뢰할 수 있다. 예를 들어, s- 및 p- 편광에 대한 표면(108)의 복소 반사율이 Rs과 Rp이면, N=|Rp|-|Rs|이고; S=2Im(Rp*conj(Rs))이며; C=2Re(Rp*conj(Rs))이다.
두 개 이상의 정규화된 결과들의 사용은 시스템으로 하여금 0nm 내지 5nm 범위의 두께의 웨이퍼 상의 층의 두께를 측정할 수 있게 해준다. S 단독만으로는 두 개의 상이한 두께에 대응하는 하나의 신호 레벨의 모호성으로 인해 0nm 내지 5nm 범위의 층 두께를 결정할 수 없다. 예를 들어, S와 N, S와 C, 또는 S, N 및 C는 0nm 내지 5nm 범위의 두께의 웨이퍼 상의 층의 두께를 결정하기 위한 적절한 정보를 제공할 수 있다. N, S, 및 C는 두께에 따라 변한다. 두께를 결정하기 위해, 측정된 양(N, S, 및 C의 조합)은 원하는 두께 범위에서 수학적으로 결정된다. 예를 들어, S 양 단독으로는 도 9에 따른 0~3nm 범위의 두 개의 상이한 두께에서 동일한 값을 가지며, N 단독으로는 두께 6nm와 18nm에서 동일한 값을 갖는다. 따라서, 하나의 양 단독만으로는 두께를 결정할 수 없다.
정규화된 결과 및 한 쌍의 신호들의 총 세기(예컨대, Sp)에 기초하여 웨이퍼 상의 층의 값이 결정될 수 있다.
S, N, 및 C에 의해 제공되는 여분의 정보가 추가적인 파라미터를 결정할 수 있다. 예를 들어, S, N, 및 C의 조합은 층 두께에 더하여 웨이퍼 상의 층에서의 Ge 농도를 결정하는데 사용될 수 있다. S, N, 및 C에 의해 제공되는 여분의 정보는 시스템 정확도와 정밀도를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, S, N, 및 C의 사용은 웨이퍼 상의 층의 두께를 과결정(over-determine)한다. 예를 들어, 표면, 두께, 농도, 및/또는 거칠기의 값은 측정된 신호(D1~D6, 또는 그 추론된 양들(N, S, C))를, 예를 들어 비선형 최소 제곱 최적화 알고리즘을 사용하여 시스템의 모델로 피팅함으로써 결정된다.
정규화된 결과(S, N, 및 C)가 개시되지만, 더 많은 수 또는 더 적은 수의 정규화된 결과들이 웨이퍼 상의 층의 값을 결정하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 더 간단한 구조의 층 또는 더 작은 두께 범위를 모니터링하는 경우, S만을 사용하거나 또는 S와 N을 사용할 수 있다. 층의 보다 복잡한 구조의 경우, S, N, C, 및 추가적인 정규화된 결과(Sp)를 사용할 수 있다.
시스템(100)은 작동 전에 교정될 수 있다. 신호(들)(예를 들어, D1~D6)와 샘플 광학 특성(예를 들어, N, S, C 또는 Sp) 간의 관계는 시스템(100)의 구성에 의존할 수 있다. 예를 들어, 편광 빔 스플리터의 각도가 변하면, D1~D6와 N, S, 및 C 사이의 관계도 변한다. 따라서, 시스템(100)은 작동 전에 교정될 수 있다. 예시로서, 공지된 특성을 갖는 교정 웨이퍼 상의 테스트 웨이퍼들의 세트 또는 테스트 구조물들의 세트가 D1~D6과 N, S, 및 C 사이의 관계를 제공하기 위해 측정된다. 이 교정 공정 이후, 샘플 광학 특성(N, S, 및 C)이 측정된 정규화된 결과(D1~D6)로부터 계산될 수 있으므로, D1~D6과 N, S, 및 C 사이의 관계가 결정된다.
광원 및 검출기 파장판 정렬 프로시저가 시스템(100)의 작동 이전에 수행될 수 있다. 이것은 시스템을 일관성 있게 유지하기 위해 광축의 각도를 설계된 값으로 설정할 수 있다.
Si1 - xGex 에피택셜층이 개시되었지만, 이 시스템은 다른 층 또는 다른 유형의 웨이퍼와 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 시스템은 질화물층, 실리콘 온 절연체(silicon-on-insulator; SOI) 웨이퍼, 웨이퍼 상의 손상된 층(예를 들어, 주입된 층), 또는 다른 유형의 퇴적을 사용하여 형성된 다른 박막의 두께, 임계 치수, 및/또는 다른 값들을 결정할 수 있다. 다른 예에서, SOI 웨이퍼 내의 실리콘층의 두께가 결정될 수 있다. 또 다른 예에서, 웨이퍼 분할 또는 쪼개기 공정에서 사용되는 웨이퍼 내의 실리콘층 또는 주입된 영역(예컨대, 수소 주입된 영역)의 두께가 결정될 수 있다. 또 다른 예에서, 웨이퍼 상에 성장된 산화물층의 두께가 결정될 수 있다. 또 다른 예에서, Si의 에피택셜층의 표면 거칠기 또는 결정 슬립 라인(slip-line)이 결정될 수 있다. 또 다른 예에서, 포토레지스트 두께가 EBR 공정 전후에 결정될 수 있다.
본 발명개시는 하나 이상의 특정 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 발명개시의 범위를 벗어나지 않고서 본 발명개시의 다른 실시예들이 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명개시는 첨부된 청구범위 및 그 합당한 해석에 의해서만 제한받는 것으로 한다.

Claims (20)

  1. 시스템에 있어서,
    웨이퍼를 홀딩하도록 구성된 스테이지;
    상기 스테이지 상의 상기 웨이퍼의 표면에 빔을 지향시키도록 구성된 광원;
    상기 표면에서 반사된 빔을 수신하고 적어도 두 개의 편광 채널들 - 상기 편광 채널들 각각은 신호를 제공함 - 을 제공하도록 구성된 센서; 및
    상기 센서와 전자 통신하는 제어기
    를 포함하고,
    상기 센서는 6개의 편광 채널들을 제공하도록 구성되며,
    상기 센서는,
    제1 빔 스플리터;
    상기 제1 빔 스플리터로부터 광을 수신하도록 구성된 제2 빔 스플리터;
    상기 제1 빔 스플리터로부터 광을 수신하도록 구성된 제1 편광 빔 스플리터 - 상기 제1 편광 빔 스플리터는 상기 6개의 편광 채널들 중 2개의 편광 채널들을 생성하도록 구성됨 -;
    상기 제2 빔 스플리터로부터 광을 수신하도록 구성된 제2 편광 빔 스플리터 - 상기 제2 편광 빔 스플리터는 상기 6개의 편광 채널들 중 2개의 편광 채널들을 생성하도록 구성됨 -; 및
    상기 제2 빔 스플리터로부터 광을 수신하도록 구성된 제3 편광 빔 스플리터 - 상기 제3 편광 빔 스플리터는 상기 6개의 편광 채널들 중 2개의 편광 채널들을 생성하도록 구성됨 -
    를 포함하고,
    상기 제어기는, 상기 편광 채널들 각각으로부터 상기 신호를 수신하도록, 복수의 쌍의 신호들을 정규화하여 3개의 정규화된 결과들을 생성하도록, 그리고 상기 3개의 정규화된 결과들에 기초하여 상기 웨이퍼 상의 층의 두께 및 물질 농도를 결정하도록 구성되는 것인 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서는 편광 감응성 검출기인 것인 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 빔 스플리터는 30/70 빔 스플리터인 것인 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 빔 스플리터는 50/50 빔 스플리터인 것인 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    입사면에 대해, 상기 제2 편광 빔 스플리터는 45°로 있고, 상기 제3 편광 빔 스플리터는 0°로 있는 것인 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 빔 스플리터와 상기 제1 편광 빔 스플리터 사이에 배치된 1/4 파장판
    을 더 포함하는 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 복수의 파장들의 빔을 지향시키도록 구성되며,
    상기 광원은 상이한 파장들에서 작동하는 복수의 레이저들의 파장 멀티플렉스(wavelength multiplex) 또는 파장 가변 레이저(tunable laser)인 것인 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 비선형 최소 제곱 최적화 알고리즘을 사용하여 결정하도록 구성된 것인 시스템.
  9. 방법에 있어서,
    광원으로부터의 빔을 웨이퍼의 표면에 지향시키는 단계;
    상기 표면에서 반사된 상기 빔을 센서로 수신하는 단계;
    3개의 편광 빔 스플리터들을 사용하여 상기 빔을 6개의 편광 채널들로 분할하는 단계;
    상기 편광 채널들 각각으로부터 신호를 수신하고, 복수의 쌍의 신호들을 정규화하여 3개의 정규화된 결과들을 생성하는 단계; 및
    상기 3개의 정규화된 결과들에 기초하여 상기 웨이퍼 상의 층의 두께 및 물질 농도를 결정하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    측정된 신호들을 모델을 사용하여 분석함으로써 결정하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 빔은 복수의 파장들을 가지며,
    상기 복수의 파장들은 상이한 파장들에서 작동하는 복수의 레이저들의 파장 멀티플렉스 또는 파장 가변 레이저에 의해 생성되는 것인 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는 상기 정규화된 결과를 비선형 최소 제곱 최적화 알고리즘으로 피팅하는 단계를 포함한 것인 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
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