KR102566134B1 - 반도체 소자의 3d 프로파일링 시스템 및 이의 동작 방법 - Google Patents

반도체 소자의 3d 프로파일링 시스템 및 이의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

반도체 소자의 3D 프로파일링 시스템 및 이의 구동 방법이 제공된다. 반도체 소자의 3D 프로파일링 시스템은, 복수의 서로 다른 인자들에 대하여 각각의 데이터를 갖는 복수의 반도체 소자의 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지 및 상기 SEM 이미지의 그레이 레벨을 수신하는 저장부, 상기 SEM 이미지의 그레이 레벨에 대하여 PCA(Principal Component Analysis)를 수행하여 상기 복수의 서로 다른 인자 중 주요 인자를 분리하는 추출부 및 상기 복수의 반도체 소자에 대한 실측값을 제공받아, 상기 실측값을 기준으로 상기 주요 인자에 다중 선형 회귀를 적용하여 상기 반도체 소자의 3D 프로파일을 완성하는 계산부를 포함한다.

Description

반도체 소자의 3D 프로파일링 시스템 및 이의 동작 방법{A system and method for 3D Profiling of semiconductor device}
본 발명은 반도체 소자의 3D 프로파일링 시스템 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 소형화로 인하여, 미세 패턴의 형성을 위한 공정 마진(margin)이 감소하고 있다. 미세 패턴의 피치(pitch)의 크기에 대한 공정 마진뿐 아니라, 미세 패턴의 식각 깊이에 대한 공정 마진도 감소하고 있다. 그러므로, 미세 패턴의 피치를 측정하기 위한 2차원적 CD(Critical Dimension)를 측정하는 기술뿐 아니라, 미세 패턴의 식각 깊이를 측정하기 위한 3차원적 깊이를 정밀하게 측정하는 기술이 필요하다.
반도체 소자 내에 형성된 다양한 형태의 미세 패턴의 구조 분석을 위하여, 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)을 이용한 비파괴 방식이 사용되고 있다. 그러나 SEM을 이용하여 얻어진 이미지는 기본적으로 2D 이미지이므로, 구조물의 입체적 정보를 얻기 위해서는 결국 파괴적 방식에 의존할 수 밖에 없는 한계가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 SEM 이미지 및 이의 그레이 레벨 정보를 이용하여 반도체 소자의 3D 프로파일 정보를 획득할 수 있는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 SEM 이미지 및 이의 그레이 레벨 정보를 이용하여 반도체 소자의 3D 프로파일 정보를 획득할 수 있는 시스템의 동작 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 3D 프로파일링 시스템은, 복수의 서로 다른 인자들에 대하여 각각의 데이터를 갖는 복수의 반도체 소자의 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지 및 상기 SEM 이미지의 그레이 레벨을 수신하는 저장부, 상기 SEM 이미지의 그레이 레벨에 대하여 PCA(Principal Component Analysis)를 수행하여 상기 복수의 서로 다른 인자 중 주요 인자를 분리하는 추출부 및 상기 복수의 반도체 소자에 대한 실측값을 제공받아, 상기 실측값을 기준으로 상기 주요 인자에 다중 선형 회귀를 적용하여 상기 반도체 소자의 3D 프로파일을 완성하는 계산부를 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 계산부가 상기 주요 인자에 다중 선형 회귀를 적용하는 것은, 상기 SEM 이미지의 그레이 레벨과 상기 주요 인자 간의 연관 계수(correlation coefficient)를 포함하는 관계식을 생성하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 주요 인자들 간의 상기 그레이 레벨과의 연관 계수는 서로 다를 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 관계식은, 를 포함하되, S는 그레이 레벨이고, yk는 실제 측정에 의하여 얻어진 k번째 반도체 소자의 인자이고, ai는 연관 계수이고, xi는 상기 주요 인자 a0은 상수일 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 계산부는 타겟 반도체 소자의 실측값을 제공받고, 상기 주요 SEM 이미지의 그레이 레벨과 상기 주요 인자 간의 연관 계수를 수정할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 복수의 인자는, 상기 반도체 소자의 깊이, TCD(Top Critical Dimension), BCD(Bottom Critical Dimension), 측벽의 프로파일 각도 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 SEM 이미지는, 제1 가속 전압에 의하여 획득되는 상기 반도체 소자의 제1 이미지와, 상기 제1 가속 전압과 다른 제2 가속 전압에 의하여 획득되는 상기 반도체 소자의 제2 이미지를 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 제1 이미지는 상기 반도체 소자의 제1 높이의 데이터를 포함하고, 상기 제2 이미지는 상기 반도체 소자의 상기 제1 높이와 다른 제2 높이의 데이터를 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 복수의 반도체 소자는, 제1 반도체 소자 및 제2 반도체 소자를 포함하되, 상기 제1 반도체 소자의 상기 복수의 서로 다른 인자에 대한 데이터와, 상기 제2 반도체 소자의 복수의 서로 다른 인자에 대한 데이터는 서로 다를 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 분리부가 상기 주요 인자를 분리하는 것은, 상기 복수의 서로 다른 인자 중 상기 그레이 레벨과의 연관 계수가 소정값 이상인 인자를 분리하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 SEM 이미지는, SE(Secondary Electron) 또는 BSE(Backscattered Electron)에 의한 이미지 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자의 3D 프로파일링 시스템은, 복수의 서로 다른 인자에 대하여 각각의 데이터를 갖는 반도체 소자를 향해 전자 빔을 주사하는 전자 조사부, 상기 반도체 소자를 지지하는 스테이지, 상기 반도체 소자로부터 방출되는 전자의 강도(intensity)를 검출하여 SEM 이미지의 그레이 레벨을 생성하는 검출부, 상기 SEM 이미지의 그레이 레벨에 대하여 PCA를 수행하여 상기 복수의 서로 다른 인자 중 주요 인자를 분리하는 추출부 및 상기 복수의 반도체 소자에 대한 실측값을 제공받아, 상기 실측값을 기준으로 상기 주요 인자에 다중 선형 회귀를 적용하여 상기 반도체 소자의 3D 프로파일을 완성하는 계산부를 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 SEM 이미지의 그레이 레벨을 제공받아 이를 저장하고, 상기 추출부에 상기 그레이 레벨을 제공하는 저장부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 검출부는 SE(Secondary Electron) 또는 BSE(Backscattered Electron) 중 어느 하나를 검출할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 반도체 소자는 제1 영역과 제2 영역을 포함하되, 상기 검출부는 상기 제1 영역의 SE에 의한 그레이 레벨을 검출하고, 상기 제2 영역의 BSE에 의한 그레이 레벨을 검출할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 3D 프로파일링 방법은 서로 다른 하나 이상의 인자들에 대하여 각각의 데이터를 갖는 복수의 반도체 소자를 제공하고, 상기 복수의 반도체 소자 각각의 SEM 이미지 및 상기 SEM 이미지의 그레이 레벨을 획득하되, 상기 그레이 레벨은 상기 적어도 하나 이상의 인자와 연관(correlated)되고, 상기 그레이 레벨에 대하여 PCA(Principal Component Analysis)를 수행하여 상기 서로 다른 하나 이상의 인자로부터 주요 인자를 분리하고, 상기 복수의 반도체 소자에 대한 실측값을 획득하고, 상기 실측치를 기준으로 하여 상기 주요 인자에 다중 선형 회귀를 적용하여 3D 프로파일을 완성한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 복수의 반도체 소자 각각의 SEM 이미지를 획득하는 것은, 제1 가속 전압에 의하여 획득되는 제1 이미지와, 상기 제1 가속 전압과 다른 제2 가속 전압에 의하여 획득되는 이미지를 각각 획득하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 제1 이미지는 상기 반도체 소자의 제1 높이에서의 상기 인자들에 대한 데이터를 포함하고, 상기 제2 이미지는 상기 반도체 소자의 상기 제1 높이와 다른 제2 높이에서의 상기 인자들에 대한 데이터를 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 복수의 반도체 소자에 대한 실측값을 획득하는 것은, 상기 반도체 소자의 단면에 대한 TEM 이미지로부터 측정된 측정값 또는 AFM을 이용한 표면 측정값을 획득하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 실측치를 기준으로 하여 상기 주요 인자에 다중 선형 회귀를 적용하는 것은, 상기 SEM 이미지의 그레이 레벨과 상기 주요 인자 간의 연관 계수(correlation coefficient)를 포함하는 관계식을 생성하는 것을 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 반도체 소자의 3D 프로파일링 시스템의 블록도이다.
도 2는 도 1의 시스템의 동작을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 시스템의 측정 대상이 되는 반도체 소자의 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 3a 내지 도 3c의 반도체 소자의 SEM 이미지의 그레이 레벨을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 시스템이 수행하는 PCA에 의하여 분리된 주요 인자를 도시하는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 시스템에 포함된 계산부의 다른 구성을 도시한 블록도이다.
도 7은 도 6의 계산부가 수행하는 연관 계수의 수정을 설명하는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자의 3D 프로파일링 시스템의 블록도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 의해 측정할 수 있는 반도체 소자를 포함하는 SoC 의 블록도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 3D 프로파일링을 시스템을 이용하여 주요 인자들을 측정한 반도체 소자 및 SoC를 포함하는 전자 시스템의 블록도이다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 실시예에 따라 측정된 반도체 소자를 적용할 수 있는 예시적인 반도체 시스템들이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 표시된 구성요소의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자나 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자나 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자나 구성요소를 다른 소자나 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자나 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자나 구성요소 일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 반도체 소자의 3D 프로파일링 시스템의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 소자의 3D 프로파일링 시스템(1)은 저장부(10), 추출부(20) 및 계산부(30)을 포함할 수 있다.
저장부(10)는 SEM을 이용하여 촬영된 반도체 소자의 이미지를 제공받을 수 있다. 또는 저장부(10)가 제공받는 것은 검출기에 의하여 해석된 SEM 이미지의 그레이 레벨일 수 있다.
SEM에 의하여 획득된 그레이 레벨은 반도체 소자로부터 방출된 전자의 강도(intensity)일 수 있다. 즉 저장부(10)는 반도체 소자로부터 반사 또는 산란되어 나오는 2차 전자들의 양 또는 속도를 제공받을 수 있다.
SEM 이미지 또는 그레이 레벨에 의하여 측정된 반도체 소자는, 그 특성을 규정하는 복수의 서로 다른 인자(component)들과, 각각의 인자들에 대한 각각의 데이터를 가질 수 있다.
즉, 반도체 소자는, 소자의 높이, TCD(Top Critical Dimension), BCD(Bottom Critical Dimension) 및 측벽의 프로파일 등 복수의 인자들에 의하여 그 특성이 규정될 수 있다.
또한, 복수의 서로 다른 반도체 소자들은 이러한 인자들에 대하여 다른 데이터를 가질 수 있다. SEM에 의하여 획득된 반도체 소자의 이미지 또는 그레이 레벨에는 이러한 정보가 포함되어 있고, 이 데이터들은 그레이 레벨의 강도와 일정한 연관 관계를 이루며 분산되어 있을 수 있다.
추출부(20)는 저장부(10)로부터 SEM 이미지의 그레이 레벨을 제공받고, 그레이 레벨에 대하여 PCA(Principal Component Analysis)를 수행할 수 있다. 상기 PCA의 수행 결과, 복수의 서로 다른 인자들 중, 반도체 소자들의 그레이 레벨에 대한 주요 인자(principal component)를 추출할 수 있다.
만약 PCA 수행 결과, m 개의 서로 다른 인자들 가운데 n 개의 주요 인자가 추출된 경우, 반도체 소자의 그레이 레벨은 n 차원 데이터로 나타내어질 수 있을 것이다.
계산부(30)는 추출부(20)로부터 주요 인자를 제공받는 한편, 반도체 소자의 실측값을 제공받아 상기 실측값을 기준으로 주요 인자에 다중 선형 회귀(multiple linear regression)를 적용하여, 그레이 레벨과 주요 인자들에 대한 관계식을 구성할 수 있다.
반도체 소자의 실측값은 반도체 소자의 TEM(Transmission Electron Microscopy, X-SEM 및 AFM(Atomic Force Microscope)로 측정된 것일 수 있다.
도 2는 도 1의 시스템의 동작을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 3D 프로파일링 방법은, 복수의 서로 다른 인자들에 대하여 각각의 데이터를 갖는 반도체 소자를 제공하고(S100), 상기 복수의 반도체 소자들에 대하여 SEM 이미지 및 SEM 이미지의 그레이 레벨을 생성하고(S110), 그레이 레벨에 대하여 PCA를 수행하여 주요 인자를 분리하고(S120), 주요 인자에 다중 선형 회귀를 적용하여 반도체 소자의 3D 프로파일을 완성할 수 있다(S130).
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 시스템의 측정 대상이 되는 반도체 소자의 단면도이고, 도 4a 내지 도 4b는 도 3a 내지 도 3c의 반도체 소자의 SEM 이미지의 그레이 레벨을 도시한 그래프이다.
이하 도 2와 함께 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 3D 프로파일링 방법을 설명한다.
먼저, 복수의 서로 다른 인자들에 대하여 각각의 데이터를 갖는 반도체 소자를 제공한다(S100).
본 발명의 몇몇 실시예에 따르면, 서로 다른 프로파일을 갖는 제1 내지 제3 반도체 소자(101~103)가 제공될 수 있다. 제1 내지 제3 반도체 소자(101~103)는, 각각 서로 다른 깊이(D1~D3)와, 서로 다른 TCD(T1~T3)와, 서로 다른 BCD(B1~B3)를 가질 수 있다. 도시되지는 않았지만, 제1 내지 제3 반도체(101~103)의 측벽과 하면이 이루는 각도는 각각 다를 수 있다.
다음으로, 복수의 반도체 소자(101~103)들에 대하여 SEM 이미지 및 SEM 이미지의 그레이 레벨을 생성한다(S110).
SEM은 반도체 소자들(101~103)에 대하여 서로 다른 가속 전압을 이용하여 전자를 조사할 수 있다. 즉, SEM은 제1 가속 전압에 의하여 조사된 전자(41a), 제2 가속 전압(42a)에 의하여 조사된 전자 및 제3 가속 전압(43a)에 의하여 조사된 전자를 이용하여 반도체 소자(101)를 측정할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 제3 가속 전압은 제2 가속 전압보다 크고, 제2 가속 전압은 제1 가속 전압보다 클 수 있다.
SEM이 방출하는 전자의 가속 전압에 따라서, 제1 반도체 소자(101)에 대한 전자의 투과 능력은 달라질 수 있다.
따라서 제1 가속 전압에 의하여 조사된 전자(41a)에 의하여 제1 반도체 소자(101)의 상면에서 전자(41b)가 방출될 수 있으며, 제2 가속 전압에 의하여 조사된 전자(42a)에 의하여 제1 반도체 소자(101) 내에서 전자(42b)가 방출될 수 있다. 또한 제3 가속 전압에 의하여 조사된 전자(43a)에 의하여 전자(43b)가 제1 반도체 소자(101)의 하면 상에서 반사될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 제1 가속 전압은 0.8KeV이고, 제2 가속 전압은 10KeV이고, 제3 가속 전압은 20KeV일 수 있다.
이와 같이, 각각 다른 가속 전압에 의하여 반도체 소자에 조사된 전자에 의하여 제1 반도체 소자(101)의 각각 다른 부분에 대한 정보를 측정할 수 있다. 따라서, 투과력이 다른 전자들에 의하여 측정된 제1 반도체 소자(101)의 그레이 레벨은, 제1 반도체 소자(101)의 복수의 서로 다른 인자들에 대하여 각각 다른 데이터를 포함하고 있을 수 있다.
제2 및 제3 반도체 소자(102, 103) 또한 마찬가지로, 서로 다른 가속 전압에 의하여 전자를 조사하였을 때, 제2 및 제3 반도체 소자(102, 103)의 그레이 레벨은 제2 및 제3 반도체 소자(102, 103)의 복수의 서로 다른 인자들에 대하여 각각 다른 데이터를 포함하고 있을 수 있다.
이하 도 2 내지 도 4c를 참조하여 상기 실시예에 대한 설명을 보충한다. 도 4a에서 도시된 것과 같이, 세 가지 가속 전압에 의하여 조사된 전자에 의하여 서로 다른 그레이 레벨의 정보를 포함하고 있을 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 제1 내지 제3 그래프(51a~51c)는 제1 반도체 소자(101)의 그레이 레벨을 나타내되, 제1 그래프(51a)는 제1 가속 전압에 의하여 측정된 제1 반도체 소자(101)의 그레이 레벨이고, 제2 그래프(51b)는 제2 가속 전압에 의하여 측정된 제1 반도체 소자(101)의 그레이 레벨이고, 제3 그래프(51c)는 제3 가속 전압에 의하여 측정된 제3 반도체 소자(101)의 그레이 레벨일 수 있다.
제1 가속 전압에 의하여 제1 반도체 소자(101)의 상면의 정보가 측정될 수 있으므로, 제1 폭(W1)은 제1 반도체 소자(101)의 TCD 정보를 포함하고 있을 수 있다. 또한 제3 가속 전압에 의하여 제1 반도체 소자(101)의 하면의 정보가 측정될 수 있으므로, 제4 폭(a1)은 제1 반도체 소자(101)의 BCD 정보를 포함하고 있을 수 있다.
제2 가속 전압에 의하여 측정된 제1 반도체 소자(101)의 그레이 레벨은 제1 반도체 소자(101)의 상부의 두께의 정보를 포함하고 있을 수 있다.
한편, 제1 그래프(51a)는 제1 반도체 소자(101)의 상면의 데이터를 포함하므로, 제1 그래프(51a)의 최대값(L1) 및 최소값(M1)에 의하여 제1 반도체 소자(101)의 깊이(D1) 정보가 표현될 수 있다.
즉, 제1 그래프(51a)는 제1 반도체 소자(101)의 상면으로부터 방출되는 전자에 의하여 생성되는 그레이 레벨의 정보를 포함하므로, 제1 그래프(51a)의 최대값 및 최소값의 차이(L1-M1)에 의하여 제1 반도체 소자(101)의 상면과 하면의 레벨 차이(D1)가 표현될 수 있다.
이와 같이, 제1 반도체 소자(101)의 SEM 이미지의 그레이 레벨에 의하여 복수의 서로 다른 인자들, 예를 들어 제1 반도체 소자(101)의 깊이, TCD, BCD 등에 대한 데이터가 표현될 수 있다.
마찬가지로, 도 4b 내지 도 4c에서 도시된 것과 같이, 제2 내지 제3 반도체 소자(102, 103)의 그레이 레벨(52a~52c, 53a~53c)에 의하여 제2 및 제3 반도체 소자(102, 103)의 복수의 서로 다른 인자들에 대한 데이터가 표현될 수 있다.
즉, 제2 폭(W2) 및 제3 폭(W3)에 의하여 제2 반도체 소자(102)와 제3 반도체 소자(103)의 TCD(T2, T3) 정보가 표현될 수 있고, 제5 폭(a2) 및 제6 폭(a3)에 의하여 제2 및 제3 반도체 소자(102, 103)의 BCD(B2, B3) 정보가 표현될 수 있다.
이와 같이 제1 내지 제3 반도체 소자(101~103)의 그레이 레벨과 서로 다른 복수의 인자들은 상호 연관(correlated)되어 있을 수 있다. 서로 다른 복수의 인자들은 제1 내지 제3 반도체 소자(101~103)의 그레이 레벨의 연관 계수(correlation coefficient)는 각각 다를 수 있다.
위에서는 제1 내지 제3 반도체 소자(101~103)와 상호 연관되는 복수의 인자의 일 예로 제1 내지 제3 반도체 소자(101~103)의 깊이, TCD 및 BCD를 설명하였으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 서로 다른 복수의 인자는 제1 내지 제3 반도체 소자(101~103)의 특성을 표현하는 인자라면 얼마든지 포함할 수 있다.
다음으로, 반도체 소자의 그레이 레벨에 대하여 PCA를 수행하여 주요 인자를 분리한다(S120).
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 시스템이 수행하는 PCA에 의하여 분리된 주요 인자를 도시하는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 복수의 서로 다른 인자들은 반도체 소자로부터 측정된 그레이 레벨과 서로 다른 연관 계수를 가질 수 있으며, 이를 도 5에 도시된 것과 같이 서로 다른 인덱스값으로 나타낼 수 있다.
예를 들어, 반도체 소자로부터 측정된 그레이 레벨이 m개의 서로 다른 인자(x1, x2, ··, xm)들에 대하여 표현될 수 있고, 그레이 레벨은 x1, x2, ··, xm와 상호 연관되어 표현될 수 있다.
이러한 m 개의 서로 다른 인자들 가운데, 반도체 소자로부터 측정된 그레이 레벨과 연관 정도가 큰 n 개(단, n은 m보다 작거나 같을 수 있다.)의 인자를 주요 인자로 정하고, 나머지 m-n 개의 인자에 대하여 무시할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 3D 프로파일링 시스템에서, 반도체 소자의 그레이 레벨과 상호 연관된 인자들이 늘어날 때마다 반도체 그레이 레벨이 고려해야 하는 데이터들의 차원이 늘어날 수 있다. 컴퓨터 시스템을 이용한 반도체 소자의 3D 프로파일링에서, 처리해야 할 데이터 차원의 증가는 필연적으로 처리 시간의 증가를 야기할 수 있다. 따라서 반도체 소자로부터 측정된 그레이 레벨과 상호 연관성이 적은 인자들을 판별하고, 이를 제거하는 것은 3D 프로파일링의 처리 시간 및 프로세싱 파워를 줄일 수 있다.
마지막으로, 반도체 소자의 실측값을 제공받아, 상기 실측값을 기준으로 주요 인자에 다중 선형 회귀를 적용하여 3D 프로파일링을 완성할 수 있다.
반도체 소자의 실측값은 반도체 소자의 단면에 대한 TEM 이미지 또는 AFM을 이용한 표면 측정치를 측정하는 것에 의하여 얻어질 수 있다.
예를 들어, 반도체 소자의 단면에 대한 TEM 이미지 또는 AFM을 이용한 표면 측정에 의하여 j 개의 반도체 소자의 깊이를 측정하였을 때, 이는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
여기서 S는 SEM으로부터 측정된 반도체 소자의 그레이 레벨이고, yk는 실제 측정에 의하여 얻어진 k 번째 반도체 소자의 깊이이고, ai는 연관 계수이고, a0은 상수이다.
상기 식들로부터 연관 계수 a0, a1, a2, ··· , an을 계산하여 반도체 소자의 그레이 레벨과 복수의 서로 다른 인자들 간의 관계식을 완성할 수 있다. 복수의 서로 다른 인자들에 대한 연관 계수들은 서로 다를 수 있다.
상기 j 개의 반도체 소자의 깊이를 측정하는 것은, 동일한 반도체 소자 내에서 서로 다른 패턴의 깊이를 측정하는 것으로 대신할 수도 있다.
이와 같이 그레이 레벨 및 복수의 서로 다른 인자들 간의 관계식을 구성함으로써, 반도체 소자 내 패턴에 대하여 입체적 구조 분석을 수행할 수 있다. 즉, 측정이 필요한 서로 다른 복수의 SEM 이미지 및 SEM 이미지의 그레이 레벨을 획득하고, 주요 인자를 분리한 후 상기 관계식에 대입하여 각각의 주요 인자들의 값을 예측할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 3D 프로파일링 시스템에 따르면, 비파괴 방식인 SEM 이미지 촬영 방식을 이용하여 반도체 소자 내의 미세 패턴의 입체적 구조 정보를 얻을 수 있다. 또한, 반도체 소자의 단면에 대한 TEM 이미지 촬영 또는 AFM 탐침을 이용한 표면 측정과 비교하면, SEM 이미지 및 이의 그레이 레벨에 대한 통계적 분석을 이용하여 신속한 구조 분석을 수행할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 시스템에 포함된 계산부의 다른 구성을 도시한 블록도이고, 도 7은 도 6의 계산부가 수행하는 연관 계수의 수정을 설명하는 그래프이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 계산부(31)는 타겟 반도체 소자의 실측값을 제공받아, 앞서 다중 선형 회귀를 이용하여 완성한 반도체 소자의 SEM 이미지의 그레이 레벨과 주요 인자 간의 관계식을 수정할 수 있다.
앞서 통계적 방법으로 획득한 반도체 소자로부터 측정된 그레이 레벨과 주요 인자 간의 관계식은 일정한 오차를 포함할 수 있다. 따라서 새로운 타겟 반도체 소자의 그레이 레벨 및 복수의 서로 다른 인자들에 대한 데이터를 제공받아, 보정된 계수(modified coefficient)를 생성하고, 이를 기반으로 새로운 관계식을 생성할 수 있다.
계산부(31)가 새로운 타겟 반도체 소자의 측정값을 이용하여 새로운 관계식을 생성하는 것은 머신 러닝(machine learning)에 의한 것일 수 있다.
도 7에서는 예시적으로 반도체 소자의 깊이와 그레이 레벨의 강도 간의 계수 수정을 나타내었다. 설명의 편의를 위하여, 다른 인자들은 생략되어 도시되었지만, 복수의 서로 다른 인자에 대하여 동일한 방식으로 연관 계수의 수정이 이루어질 수 있다는 것은 통상의 기술자에게 자명할 것이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자의 3D 프로파일링 시스템의 블록도이다.
반도체 소자의 3D 프로파일링 시스템(2)는, 전자 조사부(110), 검출부(120) 및 반도체 칩이 탑재된 스테이지(130)를 더 포함할 수 있다.
전자 조사부(110)는 전자 빔을 발생시키기 위한 전자 빔 소스, 전자 빔을 집속하기 위한 전자기 렌즈(electromagnetic lens) 등을 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
검출부(120)는 전자 조사부(110)의 전자 주사를 통해 방출되는 이차 전자(Secondary Electrons, SE) 또는 후방 산란 입자(Backscattered Electron, BSE)를 검출하여, 반도체 소자(140)의 SEM 이미지 및 SEM 이미지의 그레이 레벨을 획득할 수 있다.
이차 전자와 후방 산란 입자에 의하여 검출되는 것은 반도체 소자 내의 서로 다른 영역에 대한 SEM 이미지의 그레이 레벨일 수 있다.
검출부(120)는 반도체 소자(140)의 SEM 이미지 및 SEM 이미지의 그레이 레벨을 획득하여 저장부(10)에 제공할 수 있다. 저장부(10)는 제공된 이미지 또는 그레이 레벨을 임시적으로 저장할 수 있는 휘발성 메모리일 수 있다. 반면에, 저장부(10)는 제공된 이미지 및 그레이 레벨을 반영구적으로 저장할 수 있는 비휘발성 메모리, 자기 테이프 또는 하드 디스크일 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
스테이지(130) 상에는 측정이 필요한 반도체 소자(140)가 탑재될 수 있다. 필요에 따라서, 스테이지(130) 상에 복수의 반도체 소자(140)가 탑재될 수도 있다. 스테이지(130)는 필요에 따라 전자 빔이 반도체 소자(140)와 소정 각도를 이루며 조사되도록 소정 각도로 기울어질 수 있다.
제어부(150)는 전자 조사부(110)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(150)는 전자 조사부(110)의 이동, 틸팅(tilting) 등의 동작을 제어할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 의해 측정할 수 있는 반도체 소자를 포함하는 SoC 의 블록도이다.
도 9을 참조하면, SoC(1000)는 어플리케이션 프로세서(1001)와, DRAM(1060)을 포함할 수 있다.
어플리케이션 프로세서(1001)는 중앙처리부(1010), 멀티미디어 시스템(1020), 멀티레벨 연결 버스(1030), 메모리 시스템(1040), 주변 회로(1050)을 포함할 수 있다.
중앙처리부(1010)는 SoC(1000)의 구동에 필요한 연산을 수행할 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 중앙처리부(1010)는 복수의 코어를 포함하는 멀티 코어 환경으로 구성될 수 있다.
멀티미디어 시스템(1020)은, SoC시스템(1000)에서 각종 멀티미디어 기능을 수행하는데 이용될 수 있다. 이러한 멀티미디어 시스템(1020)은 3D 엔진(3D engine) 모듈, 비디오 코덱(video codec), 디스플레이 시스템(display system), 카메라 시스템(camera system), 포스트-프로세서(post -processor) 등을 포함할 수 있다.
멀티레벨 연결 버스(1030)는, 중앙처리부(1010), 멀티미디어 시스템(1020), 메모리 시스템(1040), 및 주변 회로(1050)가 서로 데이터 통신을 하는데 이용될 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 이러한 멀티레벨 연결 버스(1030)는 다층 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 이러한 멀티레벨 연결 버스(1030)의 예로는 다층 AHB(multi-layer Advanced High-performance Bus), 또는 다층 AXI(multi-layer Advanced eXtensible Interface)가 이용될 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
메모리 시스템(1040)은, 어플리케이션 프로세서(1001)가 외부 메모리(예를 들어, DRAM(1060))에 연결되어 고속 동작하는데 필요한 환경을 제공할 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 메모리 시스템(1040)은 외부 메모리(예를 들어, DRAM(1060))를 컨트롤하기 위한 별도의 컨트롤러(예를 들어, DRAM 컨트롤러)를 포함할 수도 있다.
주변 회로(1050)는, SoC시스템(1000)이 외부 장치(예를 들어, 메인 보드)와 원활하게 접속되는데 필요한 환경을 제공할 수 있다. 이에 따라, 주변 회로(1050)는 SoC시스템(1000)에 접속되는 외부 장치가 호환 가능하도록 하는 다양한 인터페이스를 구비할 수 있다.
DRAM(1060)은 어플리케이션 프로세서(1001)가 동작하는데 필요한 동작 메모리로 기능할 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, DRAM(1060)은, 도시된 것과 같이 어플리케이션 프로세서(1001)의 외부에 배치될 수 있다. 구체적으로, DRAM(1060)은 어플리케이션 프로세서(1001)와 PoP(Package on Package) 형태로 패키징될 수 있다.
이러한 SoC(1000)의 구성 요소 중 적어도 하나는 앞서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 3D 프로파일링 시스템을 이용하여 주요 인자들을 측정한 반도체 소자를 채용할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 3D 프로파일링을 시스템을 이용하여 주요 인자들을 측정한 반도체 소자 및 SoC를 포함하는 전자 시스템의 블록도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전자 시스템(1100)은 컨트롤러(1110), 입출력 장치(1120, I/O), 기억 장치(1130, memory device), 인터페이스(1140) 및 버스(1150, bus)를 포함할 수 있다. 컨트롤러(1110), 입출력 장치(1120), 기억 장치(1130) 및/또는 인터페이스(1140)는 버스(1150)를 통하여 서로 결합될 수 있다. 버스(1150)는 데이터들이 이동되는 통로(path)에 해당한다.
컨트롤러(1110)는 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세스, 마이크로컨트롤러, 및 이들과 유사한 기능을 수행할 수 있는 논리 소자들 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 입출력 장치(1120)는 키패드(keypad), 키보드 및 디스플레이 장치등을 포함할 수 있다. 기억 장치(1130)는 데이터 및/또는 명령어등을 저장할 수 있다. 인터페이스(1140)는 통신 네트워크로 데이터를 전송하거나 통신 네트워크로부터 데이터를 수신하는 기능을 수행할 수 있다. 인터페이스(1140)는 유선 또는 무선 형태일 수 있다. 예컨대, 인터페이스(1140)는 안테나 또는 유무선 트랜시버등을 포함할 수 있다.
도시하지 않았지만, 전자 시스템(1100)은 컨트롤러(1110)의 동작을 향상시키기 위한 동작 메모리로서, 고속의 디램 및/또는 에스램 등을 더 포함할 수도 있다.
또한, 앞서 설명한 본 발명의 실시예에 따라 측정된 반도체 소자는, 기억 장치(1130) 내에 제공되거나, 컨트롤러(1110), 입출력 장치(1120, I/O) 등의 일부로 제공될 수 있다.
전자 시스템(1100)은 개인 휴대용 정보 단말기(PDA, personal digital assistant) 포터블 컴퓨터(portable computer), 웹 타블렛(web tablet), 무선 전화기(wireless phone), 모바일 폰(mobile phone), 디지털 뮤직 플레이어(digital music player), 메모리 카드(memory card), 또는 정보를 무선환경에서 송신 및/또는 수신할 수 있는 모든 전자 제품에 적용될 수 있다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따라 측정된 반도체 소자를 적용할 수 있는 예시적인 반도체 시스템들이다.
도 9는 태블릿 PC(1200)을 도시한 도면이고, 도 10는 노트북(1300)을 도시한 도면이며, 도 11은 스마트폰(1400)을 도시한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 프로세서 중 적어도 하나는 이러한 태블릿 PC(1200), 노트북(1300), 스마트폰(1400) 등에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따라 측정된 반도체 소자는, 예시하지 않는 다른 집적 회로 장치에도 적용될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
즉, 이상에서는 본 실시예에 따른 반도체 시스템의 예로, 태블릿 PC(1200), 노트북(1300), 및 스마트폰(1400)만을 들었으나, 본 실시예에 따른 반도체 시스템의 예가 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 반도체 시스템은, 컴퓨터, UMPC (Ultra Mobile PC), 워크스테이션, 넷북(net-book), PDA (Personal Digital Assistants), 포터블(portable) 컴퓨터, 무선 전화기(wireless phone), 모바일 폰(mobile phone), e-북(e-book), PMP(portable multimedia player), 휴대용 게임기, 네비게이션(navigation) 장치, 블랙박스(black box), 디지털 카메라(digital camera), 3차원 수상기(3-dimensional television), 디지털 음성 녹음기(digital audio recorder), 디지털 음성 재생기(digital audio player), 디지털 영상 녹화기(digital picture recorder), 디지털 영상 재생기(digital picture player), 디지털 동영상 녹화기(digital video recorder), 디지털 동영상 재생기(digital video player) 등으로 구현될 수도 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 저장부 20: 추출부
30, 31: 계산부 110: 전자 조사부
120: 검출부 101~103: 반도체 소자
140: 스테이지 150: 제어부

Claims (10)

  1. 복수의 서로 다른 인자들에 대하여 각각의 데이터를 갖는 복수의 반도체 소자의 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지 및 상기 SEM 이미지의 그레이 레벨을 수신하는 저장부;
    상기 SEM 이미지의 그레이 레벨에 대하여 PCA(Principal Component Analysis)를 수행하여 상기 복수의 서로 다른 인자 중 주요 인자를 분리하는 추출부; 및
    상기 복수의 반도체 소자에 대한 실측값을 제공받아, 상기 실측값을 기준으로 상기 주요 인자에 다중 선형 회귀를 적용하여 상기 복수의 반도체 소자의 3D 프로파일을 완성하는 계산부를 포함하되,
    상기 SEM 이미지는, 제1 가속 전압에 의하여 획득되는 상기 복수의 반도체 소자의 제1 이미지와, 상기 제1 가속 전압과 다른 제2 가속 전압에 의하여 획득되는 상기 복수의 반도체 소자의 제2 이미지를 포함하는 반도체 소자의 3D 프로파일링 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 계산부가 상기 주요 인자에 다중 선형 회귀를 적용하는 것은,
    상기 SEM 이미지의 그레이 레벨과 상기 주요 인자 간의 연관 계수(correlation coefficient)를 포함하는 관계식을 생성하는 것을 포함하는 반도체 소자의 3D 프로파일링 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 관계식은,

    를 포함하되,
    S는 그레이 레벨이고, yk는 실제 측정에 의하여 얻어진 k번째 반도체 소자의 인자이고, ai는 연관 계수이고, xi는 상기 주요 인자 a0은 상수인 반도체 소자의 3D 프로파일링 시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 계산부는 타겟 반도체 소자의 실측값을 제공받고,
    상기 SEM 이미지의 그레이 레벨과 상기 주요 인자 간의 연관 계수를 보정하는 반도체 소자의 3D 프로파일링 시스템.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 이미지는 상기 복수의 반도체 소자의 제1 높이의 데이터를 포함하고, 상기 제2 이미지는 상기 복수의 반도체 소자의 상기 제1 높이와 다른 제2 높이의 데이터를 포함하는 반도체 소자의 3D 프로파일링 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 추출부가 상기 주요 인자를 분리하는 것은,
    상기 복수의 서로 다른 인자 중 상기 그레이 레벨과의 연관 계수가 소정값 이상인 인자를 분리하는 것을 포함하는 반도체 소자의 3D 프로파일링 시스템.
  8. 복수의 서로 다른 인자에 대하여 각각의 데이터를 갖는 반도체 소자를 향해 전자 빔을 주사하는 전자 조사부;
    상기 반도체 소자를 지지하는 스테이지;
    상기 반도체 소자로부터 방출되는 전자의 강도(intensity)를 검출하여 SEM 이미지의 그레이 레벨을 생성하는 검출부;
    상기 SEM 이미지의 그레이 레벨에 대하여 PCA를 수행하여 상기 복수의 서로 다른 인자 중 주요 인자를 분리하는 추출부; 및
    상기 반도체 소자에 대한 실측값을 제공받아, 상기 실측값을 기준으로 상기 주요 인자에 다중 선형 회귀를 적용하여 상기 반도체 소자의 3D 프로파일을 완성하는 계산부를 포함하되,
    상기 SEM 이미지는, 제1 가속 전압에 의하여 획득되는 상기 반도체 소자의 제1 이미지와, 상기 제1 가속 전압과 다른 제2 가속 전압에 의하여 획득되는 상기 반도체 소자의 제2 이미지를 포함하는 반도체 소자의 3D 프로파일링 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 검출부는 SE(Secondary Electron) 또는 BSE(Backscattered Electron) 중 어느 하나를 검출하는 반도체 소자의 3D 프로파일링 시스템.
  10. 서로 다른 하나 이상의 인자들에 대하여 각각의 데이터를 갖는 복수의 반도체 소자를 제공하고,
    상기 복수의 반도체 소자 각각의 SEM 이미지 및 상기 SEM 이미지의 그레이 레벨을 획득하되, 상기 그레이 레벨은 상기 서로 다른 하나 이상의 인자와 연관(correlated)되고,
    상기 그레이 레벨에 대하여 PCA(Principal Component Analysis)를 수행하여 상기 서로 다른 하나 이상의 인자로부터 주요 인자를 분리하고,
    상기 복수의 반도체 소자에 대한 실측값을 획득하고,
    상기 실측값을 기준으로 하여 상기 주요 인자에 다중 선형 회귀를 적용하여 3D 프로파일을 완성하는 것을 포함하되,
    상기 SEM 이미지는, 제1 가속 전압에 의하여 획득되는 상기 복수의 반도체 소자의 제1 이미지와, 상기 제1 가속 전압과 다른 제2 가속 전압에 의하여 획득되는 상기 복수의 반도체 소자의 제2 이미지를 포함하는 반도체 소자의 3D 프로파일 방법.
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