KR102592917B1 - 표면 검사 방법 및 반도체 소자의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 기술적 사상에 의한 표면 검사 방법 및 반도체 소자의 제조 방법은, 검사 대상인 기판을 준비하는 단계; 제1 광학 장치의 공간 분해능을 선택하는 단계로써, 상기 제1 광학 장치는 광원으로부터 전달받은 광을 상기 기판에 조사하는 대물 렌즈와 상기 기판으로부터 반사된 광을 검출기에 결상시키는 결상 광학계를 포함하고, 상기 결상 광학계의 배율을 변화시켜 상기 제1 광학 장치의 공간 분해능을 선택하는 단계; 다파장 광을 상기 기판의 제1 측정 영역에 조사하여 제1 파장별 이미지를 획득하는 단계; 상기 제1 파장별 이미지를 기초로 각 픽셀에서의 제1 스펙트럼 데이터를 생성하는 단계; 및 상기 제1 스펙트럼 데이터로부터, 상기 제1 측정 영역 이하의 범위를 가지는 적어도 하나의 제1 검사 영역의 스펙트럼을 추출하여 분석하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

표면 검사 방법 및 반도체 소자의 제조 방법{Method for inspecting surface and method for manufacturing semiconductor device}
본 발명의 기술적 사상은 표면 검사 방법 및 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 미소 영역의 표면을 검사하는 단계를 포함하는 표면 검사 방법 및 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 소자는 웨이퍼 상에 수백 개의 제조 공정을 수행하여 제조될 수 있다. 이 때, 웨이퍼의 수율 및 품질 향상을 위하여 개개의 제조 공정을 수행한 후에 제조 공정 결과물을 신속하게 검사 또는 계측하는 기술이 필요하다. 또한, 최근 반도체 소자의 고집적화에 따라 미세 패턴이나 복잡한 구조를 고속으로 검사하는 기술이 요구되고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 미소 영역을 신속하게 검사하는 단계를 포함하는 표면 검사 방법 및 반도체 소자의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 표면 검사 방법은, 검사 대상인 기판을 준비하는 단계; 제1 광학 장치의 공간 분해능을 선택하는 단계로써, 상기 제1 광학 장치는 광원으로부터 전달받은 광을 상기 기판에 조사하는 대물 렌즈와 상기 기판으로부터 반사된 광을 검출기에 결상시키는 결상 광학계를 포함하고, 상기 결상 광학계의 배율을 변화시켜 상기 제1 광학 장치의 공간 분해능을 선택하는 단계; 다파장 광을 상기 기판의 제1 측정 영역에 조사하여 제1 파장별 이미지를 획득하는 단계; 상기 제1 파장별 이미지를 기초로 각 픽셀에서의 제1 스펙트럼 데이터를 생성하는 단계; 및 상기 제1 스펙트럼 데이터로부터, 상기 제1 측정 영역 이하의 범위를 가지는 적어도 하나의 제1 검사 영역의 스펙트럼을 추출하여 분석하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 반도체 소자의 제조 방법은, 기판에 선행 제조 공정을 수행하는 단계; 광학 장치를 이용하여 상기 기판을 1차 검사하는 단계로써, 상기 광학 장치는 광원으로부터 전달받은 광을 상기 기판에 조사하는 대물 렌즈와 상기 기판으로부터 반사된 광을 검출기에 결상시키는 결상 광학계를 포함하고, 상기 결상 광학계의 배율을 변화시켜 상기 광학 장치의 공간 분해능을 선택하는 단계; 다파장 광을 상기 기판의 측정 영역에 조사하여 파장별 이미지를 획득하는 단계; 상기 파장별 이미지를 기초로 각 픽셀에서의 스펙트럼 데이터를 생성하는 단계; 및 상기 스펙트럼 데이터로부터, 상기 측정 영역 이하의 범위를 가지는 적어도 하나의 검사 영역의 스펙트럼을 추출하여 분석하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 반도체 소자의 제조 방법은, 정렬 마크가 형성된 기판을 준비하는 단계; 광학 장치의 공간 분해능을 선택하는 단계로써, 상기 광학 장치는 광원으로부터 전달받은 광을 상기 기판에 조사하는 대물 렌즈와 상기 기판으로부터 반사된 광을 검출기에 결상시키는 결상 광학계를 포함하고, 상기 결상 광학계의 배율을 변화시켜 상기 광학 장치의 공간 분해능을 선택하는 단계; 상기 광학 장치를 이용하여, 상기 정렬 마크가 형성된 영역에 광을 조사하여 이미지를 획득하는 단계; 및 상기 이미지에 기초하여 상기 기판을 정렬하는 단계로써, 상기 이미지에 기초하여 상기 기판의 정렬 마크의 위치를 확인하는 단계; 및 상기 정렬 마크가 미리 설정된 좌표에 정렬되도록 상기 기판을 이동시키는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 표면 검사 방법 및 반도체 소자의 제조 방법은, 비교적 넓은 측정 영역에 대한 스펙트럼 데이터를 확보하면서, 상기 스펙트럼 데이터로부터 복수의 검사 영역들을 신속하게 추출하여 분석할 수 있다. 이 때, 결상 광학계의 배율 변화에 의해 광학 장치의 측정 가능한 최소 영역이 검출기의 픽셀에 근접하는 미소 영역까지 축소되므로, 복수의 미소한 검사 영역들을 신속하게 추출하여 분석할 수 있다.
또한, 반도체 소자의 제조 공정마다 검사 단계를 실시간으로 진행함으로써, 공정 이상 유무를 즉시 확인 가능하고, 제조 공정 설비에 적절한 피드백을 함으로써 반도체 제조 공정시 최적 공정 조건을 도출할 수 있다.
또한, 기판 상의 정렬 마크가 위치한 영역을 선택적으로 추출 및 분석하여 정확한 위치를 확보할 수 있으므로, 반도체 소자의 제조 공정 및 검사 공정에 있어서 기판의 정확한 정렬이 가능하다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 도 1의 반도체 소자의 제조 방법에 이용되는 광학 장치의 개략적인 구성을 나타내는 구성도이다.
도 3은 도 2의 광학 장치에 의한 기판 상의 측정 영역을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 측정 영역의 파장별 이미지 및 각 픽셀에서의 스펙트럼 데이터를 나타내는 개념도이다.
도 5는 도 1의 분석 단계를 구체적으로 나타내는 흐름도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 5의 레퍼런스 맵을 생성하는 원리를 설명하기 위한 3차원 구조물 및 이에 대응하는 스펙트럼이다.
도 7은 도 3의 측정 영역으로부터 추출된 임의의 검사 영역을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따라 광의 다양한 각 분포로 인한 광 세기 분포의 보정 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 9a 및 도 9b는 도 8의 보정 단계가 해결하고자 하는 과제에 대한 것으로, 광의 다양한 각 분포로 인해 균질한 기판의 두 지점에 나타나는 광 세기 차이를 나타내는 도면들이다.
도 10a 및 도 10b는 도 8의 보정 테이블을 생성하기 위한 과정으로, 광의 다양한 각 분포로 인해 균질한 기판의 복수의 지점들에서 나타나는 광 세기 분포를 나타내는 도면들이다.
도 11은 도 8의 보정 테이블을 나타낸 도면으로, 보정 테이블은 도 10a 및 도 10b의 복수의 지점들의 광 세기 분포가 일정한 광 세기를 가지도록 복수의 지점들마다 광 세기 분포 보상률을 나타낸 것이다.
도 12는 도 11의 보정 테이블을 이용하여 복수의 지점들의 광 세기 분포를 보정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따라 도 1의 파장별 이미지 획득 단계에 포함되는 파장별 이미지 오정렬 및 사이즈 변동의 보정 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 14a 내지 도 14d는 도 13의 보정 단계가 해결하고자 하는 과제에 대한 것으로, 서로 다른 파장으로 인해 파장별 이미지들이 상호간에 위치 오정렬 및/또는 사이즈 차이가 나타나는 문제를 나타내는 도면들이다.
도 15는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 16은 도 15의 반도체 소자의 제조 방법에 이용되는 광학 장치의 개략적인 구성을 나타내는 구성도이다.
도 17은 도 16의 광학 장치에 의한 기판 상의 측정 영역 및 검사 영역을 나타내는 도면이다.
도 18은 도 16의 반도체 소자의 제조 방법에 의해 기판 상의 서로 다른 반도체 칩들의 특정 영역에 대해 검사하는 단계를 예시한 도면이다.
도 19는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 20은 도 19의 반도체 소자의 제조 방법에 의해 기판을 정렬하는 단계를 예시한 도면이다.
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법에 따라 반도체 소자의 복수의 셀 블록 지점들에 대해 두께 균일도를 검사한 결과를 나타내는 도면들이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 개시의 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법(M100)을 나타내는 흐름도이다. 도 2는 도 1의 반도체 소자의 제조 방법(M100)에 이용되는 광학 장치(100)의 개략적인 구성을 나타내는 구성도이다. 도 3은 도 2의 광학 장치(100)에 의한 기판(111) 상의 측정 영역(FOV)을 나타내는 도면이다. 도 4는 도 3의 측정 영역의 파장별 이미지 및 이를 기초로 한 각 픽셀에서의 스펙트럼 데이터를 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 제조 공정이 완료될 때마다 기판(111)의 구조 변화를 검사할 수 있다. 구체적으로, 기판(111)에 선행 제조 공정을 수행한 뒤(S101), 선행 제조 공정이 수행된 상기 기판(111)에 대해 표면 검사를 수행할 수 있다. 상기 선행 제조 공정이 수행된 상기 기판(111)에는 칩 영역이 형성되어 있을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 선행 제조 공정은 증착 공정, 패턴 형성 공정, 식각 공정, 세정 공정 등 반도체 소자의 제조에 필요한 임의의 공정일 수 있다.
상기 검사 단계에 앞서, 상기 광학 장치(100)의 결상 광학계(109)의 배율을 변화시켜 공간 분해능을 선택할 수 있다(S102).
상기 광학 장치(100)는, 광원(101), 모노크로미터(102), 입사 광학계(103), 입사 편광기(104), 빔 스플리터(105), 조리개(106), 대물 렌즈(107), 출사 편광기(108), 결상 광학계(109), 검출기(110), 스테이지(112), 신호 처리부(113), 및 신호 해석부(114)를 포함할 수 있다.
상기 결상 광학계(109)는 상기 기판(111)의 이미지를 결상시키기 위한 구성일 수 있다. 상기 결상 광학계(109)는 그 배율에 따라 측정할 수 있는 공간 분해능이 결정될 수 있다. 즉, 상기 결상 광학계(109)에 의해 측정 가능한 최소 영역이 선택될 수 있다. 이 때, 상기 결상 광학계(109)의 배율은 상기 검출기(110)의 최소 픽셀 영역을 측정 가능한 최소 영역으로 선택하도록 조절될 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 결상 광학계(109)의 배율은 광의 스폿 사이즈 이하 영역을 측정 가능한 최소 영역으로 선택하도록 조절될 수 있다. 상기 결상 광학계(109)는 상기 기판(111)으로부터 반사된 광의 배율 조절을 위한 적어도 하나의 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 광원(101)은 넓은 파장 대역을 가지는 다파장 광, 예를 들어 가시광선 파장 대역을 가지는 광을 발생시킬 수 있다. 이 때 가시광선의 파장 범위는 400nm 내지 800nm일 수 있다. 상기 모노크로미터(102)는 상기 광원(101)으로부터 전달받은 다파장 광을 좁은 파장 대역의 광으로 변조할 수 있다. 구체적으로 상기 모노크로미터(102)는 다파장 광 중 특정 파장 대역만을 선택하도록 이용될 수 있다. 상기 입사 광학계(103)는 전달받은 광을 집광시켜 평행광을 만들 수 있다. 상기 입사 편광기(104)는 상기 기판(111)으로 입사되는 광의 편광 상태를 조절할 수 있다. 상기 빔 스플리터(105)는 상기 입사 편광기(104)로부터 전달받은 광의 방향을 변화시키거나, 상기 기판(111)으로부터 반사된 광을 통과시킬 수 있다. 상기 조리개(106)는 상기 빔 스플리터(105)로부터 광을 전달받아 광의 입사각 범위를 제어할 수 있다.
상기 대물 렌즈(107)는 상기 기판(111)에 광을 조사하는 구성으로써, 위치 조정을 통해 측정되는 이미지의 배율을 변화시킬 수 있다. 한편, 상기 대물 렌즈(107)의 개구수(Numerical Aperture; NA)가 큰 경우 광의 분해능이 증가할 수 있다. 반대로, 상기 대물 렌즈(107)의 개구수가 작은 경우 분해능이 감소할 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 결상 광학계(109)의 배율 변화에 의한 공간 분해능 선택 단계(S102) 후에, 상기 대물 렌즈(107)를 변경하여 측정 모드를 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 측정 모드는, 제1 개구수를 가지는 제1 측정 모드와, 상기 제1 개구수보다 작은 제2 개구수를 가지는 제2 측정 모드 중 어느 하나를 선택하는 단계일 수 있다. 상기 제1 측정 모드는 상기 제2 측정 모드에 비해 상대적으로 고분해능으로 구동할 수 있다. 도 2를 함께 참조하면, 상기 제1 및 제2 측정 모드를 선택하는 단계는, 대물 렌즈(107)를 변경하거나 조리개(106)의 모양을 변경하는 과정에 의해 수행될 수 있다.
상기 측정 모드는 상기 기판(111)으로부터 검사하고자 하는 파라미터의 종류에 기초하여 선택될 수 있다. 상기 파라미터는, 막의 균일도(uniformity), 구조물의 두께, 구조물의 너비, 식각된 깊이, 임계 치수, 형상, 및 막의 물성 중 적어도 하나일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 파라미터가 막의 균일도, 단일 구조물의 두께, 단일 구조물의 너비, 단일 홀의 식각된 깊이, 단일 구조물의 임계 치수, 단일 구조물의 형상일 경우 상기 제1 측정 모드를 선택할 수 있다. 상기 제1 측정 모드는 단일 구조물 등의 3차원 구조를 정확하게 이미징할 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 파라미터가 복수의 구조물들의 배치인 경우 제2 측정 모드를 선택할 수 있다. 상기 제2 측정 모드는 제1 측정 모드보다 분해능이 다소 작을 수 있으나, 복수의 구조물들의 상이 겹치는 문제를 해결할 수 있다.
상기 출사 편광기(108)는 상기 기판(111)으로부터 반사된 광의 편광 상태를 조절할 수 있다. 상기 입사 편광기(104) 및 상기 출사 편광기(108)는 검출하고자 하는 대상에 대해 민감하게 반응하는 입사 편광 각도 및 출사 편광 각도를 갖도록 선택될 수 있다.
상기 검출기(110)는 상기 결상 광학계(109)에 의해 광이 결상되어 이미지를 검출할 수 있다. 상기 스테이지(112)는 상기 기판(111)을 지지할 수 있으며, X 방향, Y 방향, 및 Z 방향으로 이동할 수 있다. 상기 신호 처리부(113)는 상기 검출기(110)로부터 신호를 획득하고, 상기 신호 해석부(114)는 상기 신호 처리부(113)로부터 신호를 전달받아 분석할 수 있다.
상기 공간 분해능의 선택 단계(S102) 이후에, 다파장 광(L)을 선행 제조 공정이 수행된 기판(111)의 제1 측정 영역(FOV)에 조사하여 파장별 이미지(IMG1, IMG2, IMG3, IMG4, IMG5)를 획득할 수 있다(S103). 구체적으로, 상기 기판(111)으로 조사된 다파장 광(L)은 상기 제1 측정 영역(FOV)에서 반사되어 상기 결상 광학계(109)를 거쳐 검출기(110)로 입사되고, 상기 파장별 이미지(IMG1, IMG2, IMG3, IMG4, IMG5)로 나타날 수 있다.
일부 실시예들에서, 선행 제조 공정이 수행된 기판(111)에 대한 파장별 이미지(IMG1, IMG2, IMG3, IMG4, IMG5)를 획득하기 전에, 상기 선행 제조 공정이 수행되기 전의 기판(111)에 대한 파장별 베이스 이미지를 획득할 수 있다. 이어서, 선행 제조 공정이 수행된 기판(111)의 파장별 이미지로부터 상기 파장별 베이스 이미지를 제거할 수 있다. 이에 따라, 선행 제조 공정이 수행된 기판(111)의 파장별 이미지를 획득하는 데 있어서, 상기 기판(111) 내에 포함된 구조물들로부터 반사되는 광에 의한 광 간섭 효과를 최소화할 수 있다.
상기 기판(111)으로 조사되는 다파장 광(L)은 높은 개구수를 가지는 대물 렌즈(107)에 의해 상기 기판(111)의 구조물들을 고분해능의 이미지로 나타낼 수 있다.
상기 제1 측정 영역(FOV)은 상기 다파장 광(L)을 조사하는 범위에 따라 하나의 칩 영역 또는 복수개의 칩 영역들일 수 있다. 상기 제1 측정 영역(FOV)에 대한 상기 파장별 이미지(IMG1, IMG2, IMG3, IMG4, IMG5)는 적어도 하나의 픽셀(PIXEL)들로 이루어질 수 있다. 도시되지는 않았으나, 일부 실시예들에서, 상기 제1 측정 영역(FOV)은 상기 검출기(110)의 최소 픽셀(PIXEL)에 해당하는 영역일 수 있다. 이 경우, 상기 공간 분해능 선택 단계(S102)에서, 상기 결상 광학계(109)의 배율을 증가하여, 높은 공간 분해능을 가지도록 선택할 수 있다.
상기 파장별 이미지(IMG1, IMG2, IMG3, IMG4, IMG5)의 획득 단계(S103) 이후, 상기 파장별 이미지(IMG1, IMG2, IMG3, IMG4, IMG5)를 기초로 각 픽셀(PIXEL)에서의 스펙트럼 데이터(SPD)를 생성할 수 있다(S105). 상기 스펙트럼 데이터(SPD)는 상기 검출기(110)를 통해 얻는 이미지 데이터일 수 있다. 상기 스펙트럼 데이터(SPD)는 공간 영역(spatial area)과 스펙트럼 영역(spectrum area)의 픽셀 재배열(re-sampling) 과정을 통해 얻어질 수 있다. 상기 스펙트럼 데이터(SPD)는 도 4에 도시한 바와 같이 공간 좌표, 즉 공간 X 및 공간 Y와, 파장 λ에 따른 복수개의 파장별 이미지(IMG1, IMG2, IMG3, IMG4, IMG5)로 구성될 수 있다. 도 4에서는 5개의 파장별 이미지(IMG1, IMG2, IMG3, IMG4, IMG5)만을 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 스펙트럼 데이터(SPD) 생성 단계(S105) 이후, 상기 스펙트럼 데이터(SPD)로부터 상기 제1 측정 영역(FOV) 이하의 범위를 가지는 적어도 하나의 검사 영역의 스펙트럼을 추출 및 분석할 수 있다(S107). 전술한 바와 같이, 상기 제1 측정 영역(FOV)에 대한 상기 스펙트럼 데이터(SPD)는 적어도 하나의 픽셀(PIXEL)들로 이루어질 수 있다. 따라서, 복수의 검사 영역은 픽셀(PIXEL)에 대응하는 영역일 수 있다. 상기 복수의 검사 영역은 서로 이격된 두 개의 픽셀(PIXEL)에 해당하는 영역들일 수 있다.
상기 복수의 검사 영역에 대응하여, 상기 스펙트럼 데이터(SPD)로부터 추출된 각각의 스펙트럼은 상기 복수의 검사 영역의 표면의 상태에 대한 정보를 나타내는 것으로, 상기 스펙트럼을 분석하여 상기 복수의 검사 영역의 표면의 상태를 예측할 수 있다.
도 7을 함께 참조하면, 측정 영역에 대응하는 이미지(IMG) 중 제1 및 제2 검사 영역에 대한 제1 및 제2 스펙트럼(IR1, IR2)을 각각 추출할 수 있다. 이 때, 상기 제1 및 제2 스펙트럼(IR1, IR2)은 각각의 스펙트럼으로부터 최대 광 세기를 나타내는 파장만으로 상기 이미지(IMG) 상에 표시될 수 있다. 따라서, 각 검사 영역의 표면 상태를 용이하게 확인할 수 있다.
상기 제1 및 제2 검사 영역은 픽셀(PIXEL)에 대응하는 영역일 수 있다. 상기 제1 및 제2 검사 영역은 서로 이격된 두 개의 픽셀(PIXEL)에 해당하는 영역들이다.
이후, 선행 제조 공정이 수행된 기판(111)에 후행 제조 공정을 수행할 수 있다(S109). 상기 후행 제조 공정은 증착 공정, 패턴 형성 공정, 식각 공정, 세정 공정 등 반도체 소자의 제조에 필요한 모든 공정일 수 있다.
이 후, 상기 후행 제조 공정이 수행된 기판에 대해 표면 검사 필요성을 판단할 수 있다(S111). 표면 검사가 필요한 경우, 전술한 바와 같이 파장별 이미지 획득 단계(S103), 각 픽셀별 스펙트럼 데이터의 생성 단계(S105), 검사 영역의 스펙트럼 추출 및 분석 단계(S107)를 거쳐 기판(111)의 표면 검사를 수행할 수 있다. 이 경우, 상기 후행 제조 공정이 수행된 기판(111)에 대한 측정 영역은 상기 선행 제조 공정이 수행된 기판(111)에 대한 측정 영역과 동일할 수 있다. 이에 따라, 상기 후행 제조 공정에 의해 측정 영역의 구조적 변화를 모니터링할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 기술적 사상에 따르면, 반도체 제조 공정과 실시간 공정 검사를 실시간으로 진행함으로써, 공정 이상 유무를 즉시 확인 가능하고, 제조 공정 설비에 적절한 피드백을 함으로써 반도체 제조 공정시 최적 공정 조건을 도출할 수 있다.
도 1 내지 도 4에서는 기판(111) 표면의 검사 방법을 반도체 소자의 제조 방법(M100)을 예시하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 기판(111) 표면의 검사 방법은 반도체 소자가 아닌 검사 대상의 표면을 검사하기 위해 이용될 수 있다.
도 5는 도 1의 분석 단계(S107)를 구체적으로 나타내는 흐름도이다. 도 6a 및 도 6b는 도 5의 레퍼런스 맵을 생성하는 원리를 설명하기 위한 3차원 구조물 및 이에 대응하는 스펙트럼이다. 도 7은 도 3의 측정 영역으로부터 추출된 임의의 검사 영역의 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 1의 분석 단계(S107)는, 레퍼런스 맵을 생성하는 단계(S107-1)와 검사 영역의 3차원 구조를 예측하는 단계(S107-2)를 포함할 수 있다.
도 6a 및 도 6b를 함께 참조하면, 시험 기판 상에 형성된 서로 다른 3차원 구조들(S1, S2)과 각각 대응하는 스펙트럼(SS1, SS2)을 획득하여 레퍼런스 맵을 생성할 수 있다. 예를 들면, 제1 구조물(S1)은 제1 폭(W1)과 제1 높이(H1)를 가지며, 이 경우 상기 제1 구조물(S1)에 광을 조사하여 제1 스펙트럼(SS1)을 얻을 수 있다. 상기 제1 스펙트럼(SS1)에서는 제1 파장 대역(λ1)의 광 세기가 가장 클 수 있다. 또한, 상기 제1 구조물(S1)과는 다른 제2 구조물(S2)은 제2 폭(W2)과 제2 높이(H2)를 가지며, 이 경우 상기 제2 구조물(S2)에 광을 조사하여 상기 제1 스펙트럼(SS1)과는 다른 제2 스펙트럼(SS2)을 얻을 수 있다. 상기 제2 스펙트럼(SS2)에서는 상기 제1 파장 대역(λ1)과는 다른 제2 파장 대역(λ2)의 광 세기가 가장 클 수 있다. 즉, 스펙트럼의 양상으로부터 검사 영역의 3차원 구조를 예측할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 레퍼런스 맵을 예시하기 위한 것으로, 레퍼런스 맵이 상술한 구조물들에 대한 스펙트럼만으로 한정되는 것은 아니다. 상기 레퍼런스 맵은 다양한 3차원 구조물 및 다양한 물성에 대한 스펙트럼들을 포함할 수 있다.
도 7을 함께 참조하면, 도 4의 스펙트럼 데이터(SPD)로부터 제1 측정 영역(FOV)의 복수의 검사 영역들의 스펙트럼을 각각 추출할 수 있으며, 상기 레퍼런스 맵의 스펙트럼과 매칭하여 3차원 구조를 각각 예측할 수 있다. 예를 들어, 제1 검사 영역에 대응하는
상기 제1 검사 영역의 스펙트럼(IR1)이 도 6a의 제1 스펙트럼(SS1)과 일치할 경우, 상기 제1 검사 영역은 상기 제1 구조물(S1)에 대응하는 표면이 형성되어 있다고 예측할 수 있다. 마찬가지로, 상기 제2 검사 영역의 스펙트럼(IR2)이 도 6b의 제2 스펙트럼(SS2)과 일치할 경우, 상기 제2 검사 영역은 상기 제2 구조물(S2)에 대응하는 표면이 형성되어 있다고 예측할 수 있다.
상기 제1 및 제2 검사 영역의 스펙트럼과 레퍼런스 맵의 스펙트럼을 매칭하는 단계는 스펙트럼 인식 알고리즘이 포함된 광 임계 범위(Optical Critical dimension(OCD)) 계측기에 의해 수행될 수 있다. 상기 광 임계 범위 계측기는 도 2의 신호 해석부(114)에 포함될 수 있으며, 상기 광 임계 범위 계측기는 스펙트럼 데이터로부터 3차원 구조들을 추출하기 위한 장비일 수 있다. 상기 광 임계 범위 계측기의 스펙트럼 인식 알고리즘은 엄격한 결합파 분석(Rigorous coupled-wave analysis, RCWA) 알고리즘을 이용할 수 있다. 엄격한 결합파 분석 알고리즘은 격자 구조의 표면으로부터 전자기파의 회절 또는 반사를 설명하는데 유용하게 사용될 수 있다. 따라서, 신호 해석부(114) 내에 저장된 스펙트럼 데이터로부터 추출된 검사 영역의 스펙트럼은 상기 광 임계 범위 계측기를 이용한 스펙트럼 매칭 단계를 거쳐 3차원 구조물을 예측하는 데 이용될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 기술적 사상에 의하면, 대물 렌즈(107)의 위치를 조절하여 비교적 넓은 측정 영역(FOV)에 대한 스펙트럼 데이터(SPD)를 확보하면서, 상기 스펙트럼 데이터(SPD)로부터 복수의 검사 영역들을 신속하게 추출하여 분석할 수 있다. 이 때, 결상 광학계(109)의 배율 변화에 의해 측정 가능한 최소 영역이 검출기(110)의 픽셀에 해당하는 미소 영역까지 축소되므로, 복수의 미소한 검사 영역들을 신속하게 추출하여 분석할 수 있다. 또한, 상기 대물 렌즈(107)는 고배율 대물 렌즈로써, 3차원 구조물을 고분해능으로 분석할 수 있다.
한편, 도 2를 함께 참조하면, 대물 렌즈(107)로부터 기판(111)의 측정 영역(FOV) 상에 조사되는 광(L)은 다양한 각 분포를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 측정 영역(FOV) 내의 복수의 검사 영역들이 모두 상기 광(L)에 의해 공통적으로 이미징되는 것이긴 하나, 상기 광(L) 내의 다양한 각 분포로 인해 상기 검사 영역의 위치에 따라 상기 파장별 광 세기 분포가 달라질 수 있다. 구체적으로, 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 위치에 따라 구조적 및 물성적 차이가 없는 균질한 시험 기판(121)의 측정 영역에 다양한 각 분포를 갖는 광을 조사할 경우, 상기 균질한 시험 기판(121)의 두 검사 영역(Pa, Pb)은 광의 다양한 각 분포로 인해 스펙트럼(SPa, SPb)에서 파장별 광 세기 차이(ΔI)를 나타낼 수 있다.
이에 따라, 상기 파장별 이미지 획득 단계(S103)는, 광의 다양한 각 분포들로 인해 측정 영역(FOV) 내 복수의 검사 영역들에 나타나는 광 세기 분포를 보정하는 단계가 필요할 수 있다. 이에 대해서는 도 8 내지 도 12를 참조하여 후술하도록 한다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따라 도 1의 파장별 이미지 획득 단계(S103)에 포함되는 단계로써, 광의 다양한 각 분포로 인한 광 세기 분포의 보정 단계를 나타내는 흐름도이다. 도 9a 및 도 9b는 도 8의 보정 단계가 해결하고자 하는 과제에 대한 것으로, 전술한 바와 같다.
도 8을 참조하면, 광의 다양한 각 분포로 인한 광 세기 분포의 보정 단계는, 다양한 각 분포를 포함하는 광을 균질한 시험 기판에 조사하고, 상기 균질한 시험 기판으로부터 반사된 광의 광 세기 분포를 기초로 보정 테이블을 생성하는 단계(S103-1), 다양한 각 분포를 포함하는 광을 측정 영역에 조사하고 상기 측정 영역에 대한 예비 이미지를 획득하는 단계 (S103-2), 및 상기 보정 테이블을 이용하여 상기 예비 이미지를 보정하고 보정된 이미지를 획득하는 단계 (S103-3)를 포함할 수 있다.
상기 보정 테이블을 생성하는 단계(S103-1)는 도 10a 내지 도 12를 참조하여 후술하도록 한다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따라 도 1의 파장별 이미지 획득 단계(S103)에 포함되는 단계로써, 광의 다양한 각 분포로 인한 광 세기 분포의 보정 단계를 나타내는 흐름도이다. 도 9a 및 도 9b는 도 8의 보정 단계가 해결하고자 하는 과제에 대한 것으로, 전술한 바와 같다.
도 8을 참조하면, 광의 다양한 각 분포로 인한 광 세기 분포의 보정 단계는, 다양한 각 분포를 포함하는 광을 균질한 시험 기판에 조사하고, 상기 균질한 시험 기판으로부터 반사된 광의 광 세기 분포를 기초로 보정 테이블을 생성하는 단계(S103-1), 다양한 각 분포를 포함하는 광을 측정 영역에 조사하고 상기 측정 영역에 대한 예비 이미지를 획득하는 단계 (S103-2), 및 상기 보정 테이블을 이용하여 상기 예비 이미지를 보정하고 보정된 이미지를 획득하는 단계 (S103-3)를 포함할 수 있다.
상기 보정 테이블을 생성하는 단계(S103-1)는 도 10a 내지 도 12를 참조하여 후술하도록 한다.
도 10a 및 도 10b는 도 8의 보정 테이블을 생성하기 위한 과정으로, 광의 다양한 각 분포로 인해 균질한 기판의 복수의 지점들에서 나타나는 광 세기 분포를 나타내는 도면들이다. 도 11은 도 8의 보정 테이블을 나타낸 도면으로, 보정 테이블은 도 10a 및 도 10b의 복수의 지점들의 광 세기 분포가 일정한 광 세기를 가지도록 복수의 지점들마다 광 세기 분포 보상률을 나타낸 것이다. 도 12는 도 11의 보정 테이블을 이용하여 복수의 지점들의 광 세기 분포를 보정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 위치에 따라 구조적 및 물성적 차이가 없는 균질한 시험 기판의 측정 영역에 파장별 이미지 획득 단계(S103)에서 이용할 모드로 설정된 광을 조사하고, 상기 측정 영역에 대한 파장별 이미지(IMGex)를 획득할 수 있다. 이 때, 상기 광은 다양한 각 분포를 포함할 수 있다.
이후, 상기 파장별 이미지(IMGex)를 기초로 상기 측정 영역에 대응하는 각 픽셀에서의 스펙트럼 데이터를 생성할 수 있다. 이어서, 상기 스펙트럼 데이터 중 복수의 영역들(P1, P2, … PN -1, PN)에 대해 각각 스펙트럼(SP1, SP2,… SPN -1, SPN)을 추출할 수 있다. 상기 복수의 영역들(P1, P2, … PN -1, PN) 각각의 스펙트럼(SP1, SP2, … SPN -1, SPN)을 참조하면, 상기 복수의 영역들(P1, P2, … PN -1, PN)은 균질한 표면을 형성하고 있으나, 광의 다양한 각 분포로 인해 파장별로 광 세기 분포에 차이가 나타난다.
상기 복수의 영역들(P1, P2, … PN -1, PN)은 광 세기를 보정하는 단위 영역이 될 수 있다. 따라서, 상기 복수의 영역들(P1, P2, … PN -1, PN) 간의 거리(IS)가 좁아질 수록 보다 세밀한 광 세기 보정이 가능할 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 영역들(P1, P2, … PN -1, PN)은 상기 스펙트럼 데이터의 각 픽셀에 대응하는 영역일 수 있다.
도 11을 참조하면, 상기 복수의 영역들(P1, P2, … PN -1, PN) 각각의 스펙트럼(SP1, SP2, … SPN -1, SPN)으로부터 광 세기 분포 보상률(ΔI1, ΔI2, … ΔIN -1, ΔIN)을 획득할 수 있다. 상기 광 세기 분포 보상률(ΔI1, ΔI2, … ΔIN -1, ΔIN)은 파장별 보상률일 수 있다.
도 12를 참조하면, 도 10b의 복수의 영역들(P1, P2, … PN -1, PN) 각각의 파장별 스펙트럼(SP1, SP2, … SPN -1, SPN)에 도 11의 보정 테이블을 적용하면, 상기 복수의 영역들(P1, P2, … PN -1, PN) 각각에서 동일한 광 세기를 가지는 파장별 보정 스펙트럼(SP1', SP2', … SPN -1', SPN')을 획득하게 되므로, 상기 보정 테이블의 유용성이 검증될 수 있다.
구체적으로 도 7을 참조하여 예시하면, 다양한 각 분포들을 포함하는 광을 기판(111)의 측정 영역(FOV)에 대해 조사하여 파장별 예비 이미지를 획득할 수 있다. 상기 파장별 예비 이미지는 광의 다양한 각 분포로 인해 파장별로 광 세기 분포에 차이가 발생하므로, 측정 영역(FOV)의 표면에 대한 정보에 오차가 발생할 수 있다. 따라서, 미리 확정된 보정 테이블을 이용하여, 상기 파장별 예비 이미지의 불균일한 광 세기 분포를 보상하여 파장별 보정된 이미지를 획득할 수 있다. 이에 따라, 고분해능의 이미지를 획득하는 동시에, 오차 발생을 억제하여 정확한 파장별 이미지를 획득할 수 있다.
이후, 상기 파장별 보정된 이미지에 기초하여 보정된 스펙트럼 데이터를 생성하고, 측정 영역 이하의 범위를 가지는 적어도 하나의 검사 영역의 스펙트럼을 추출하여 분석할 수 있음은 전술한 바와 같다. 이 때, 각각의 스펙트럼은 상기 보정 단계에 의해 상기 검사 영역에 대한 매우 정확한 정보를 포함하므로, 검사 영역의 3차원 구조를 높은 정확도로 분석하거나 예측할 수 있다.
도 13은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따라 도 1의 파장별 이미지 획득 단계(S103)에 포함되는 파장 차이로 인한 파장별 이미지의 위치 오정렬 및 사이즈 차이의 보정 단계를 나타내는 흐름도이다. 도 14a 내지 도 14d는 도 13의 보정 단계가 해결하고자 하는 과제에 대한 것으로, 서로 다른 파장으로 인해 파장별 이미지들이 상호간에 위치 오정렬 및/또는 사이즈 차이가 나타나는 문제를 나타내는 도면들이다.
도 14a 내지 도 14d를 먼저 참조하면, 측정 영역에 대해 레퍼런스 파장 대역(λ0)에 대한 레퍼런스 이미지(IMG_λ0)의 위치 및 사이즈를 기준으로, 제1 내지 제3 파장 대역(λ1, λ2, λ3)에 대한 제1 내지 제3 이미지(IMG_λ1, IMG_λ2, IMG_ λ3)가 나타나 있다. 상기 제1 파장 대역(λ1)에 대한 제1 이미지 IMG_λ1)는 레퍼런스 이미지(IMG_λ0)에 비해 위치 오정렬을 포함할 수 있다. 상기 제2 파장 대역(λ2)에 대한 제2 이미지(IMG_λ2)는 레퍼런스 이미지(IMG_λ0)에 비해 사이즈 차이를 포함할 수 있다. 상기 제3 파장 대역(λ3)에 대한 제3 이미지 IMG_λ3)는 레퍼런스 이미지(IMG_λ3)에 비해 위치 오정렬 및 사이즈 차이를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 미소 영역의 검사를 위해 고분해능의 광학 장치를 이용할 경우, 광학계의 수차와 배율 변화로 인해 파장별 이미지에 도 14b 내지 도 14d와 같은 오차가 발생할 수 있다. 이 경우, 상기 파장별 이미지를 기초로 스펙트럼 데이터를 생성하는 단계에서 검출기의 특정 픽셀에서 파장별 다른 위치의 정보가 입력되므로, 측정 영역을 정확하게 반영하는 픽셀별 스펙트럼을 생성하는 데 한계가 있을 수 있다. 따라서, 파장별 이미지 획득 단계(S103)에서 파장별 이미지의 위치 오정렬 및 사이즈 차이를 보정하는 단계를 포함함으로써, 검출기의 특정 픽셀에서 파장별로 동일한 위치의 정보가 입력될 수 있다.
구체적으로, 도 13을 참조하면, 먼저 측정 영역을 이미징하여 얻어진 파장별 이미지를 기초로, 파장별 이미지 상호간의 위치 오정렬 및 사이즈 차이를 측정할 수 있다(S103-4). 이후, 파장별 이미지의 위치 오정렬 및 사이즈 차이를 보상하도록, 각 파장마다 측정 영역을 포함하는 기판 및 광학계 중 적어도 하나를 이동할 수 있다(S103-5). 상기 광학계는 상기 광학 장치(100) 중 상기 스테이지(112)를 제외한 구성을 지칭할 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 기판 및/또는 광학계는 상기 기판(111)을 지지하는 스테이지(112)에 의해 이동하거나, 상기 광학계를 지지하는 광학계 스테이지(도시되지 않음)에 의해 이동될 수 있다. 이 경우, 상기 스테이지(112) 및 상기 광학계 스테이지는 X방향, Y방향, Z방향으로 이동할 수 있다. 상기 스테이지(112) 및 상기 광학계 스테이지는 위치 오정렬 보상하기 위해 수평 방향으로 이동하고, 사이즈 차이를 보상하기 위해 수직 방향으로 이동할 수 있다.
이후, 각 파장별로 파장별 보정 이미지를 재획득할 수 있다(S103-6). 상기 위치 오정렬 및 사이즈 차이 보상 단계에 따라, 상기 기판(111)의 측정 영역 중 특정 위치로부터 반사된 각 파장별 광이 검출기(110)의 동일한 픽셀에서 검출될 수 있으므로, 정확한 파장별 보정 이미지 및 이에 기초하여 생성된 스펙트럼 데이터를 획득할 수 있다.
이후, 상기 파장별 보정된 이미지에 기초하여 보정된 스펙트럼 데이터를 생성하고, 측정 영역 이하의 범위를 가지는 적어도 하나의 검사 영역의 스펙트럼을 추출하여 분석할 수 있음은 전술한 바와 같다. 이 때, 각각의 스펙트럼은 상기 보정 단계에 의해 상기 검사 영역에 대한 정확한 표면 정보를 포함하므로, 검사 영역의 3차원 구조를 높은 정확도로 분석하거나 예측할 수 있다.
도 15는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법(M200)을 나타내는 흐름도이다. 상기 반도체 소자의 제조 방법(M200)은 도 1을 참조하여 설명한 반도체 소자의 제조 방법(M200)과 유사하나, 넓은 측정 영역에 대해 1차 검사를 수행한 후, 1차 검사에서 관심 영역으로 판단된 영역에 대해 세부적인 2차 검사를 수행하는 차이가 있다. 도 1의 반도체 소자의 제조 방법(M100)에서 설명한 단계와 동일한 단계에 대해서는 간략히 설명하도록 한다.
도 16은 도 15의 반도체 소자의 제조 방법(M200)에 이용되는 제1 및 제2 광학 장치(100, 200)의 개략적인 구성을 나타내는 구성도이다. 도 17은 도 16의 광학 장치에 의한 기판 상의 측정 영역을 나타내는 도면이다.
도 15 및 도 17을 참조하면, 먼저 기판(111)에 선행 제조 공정을 수행할 수 있다(S201). 이후, 선행 제조 공정이 수행된 상기 기판(111)에 도 16의 제2 광학 장치(200)를 이용하여 1차 검사할 수 있다. 상기 1차 검사 단계는, 다파장 광(L1)을 상기 기판(111)의 측정 영역(FOV)에 조사하여 제1 파장별 이미지(IMGA)를 획득하는 단계와(S203), 상기 제1 파장별 이미지(IMGA)를 기초로 각 픽셀에서의 제1 스펙트럼 데이터를 생성하는 단계와(205), 상기 제1 스펙트럼 데이터로부터 적어도 하나의 제1 검사 영역(IRA)의 스펙트럼을 추출하여 1차 분석하는 단계를 포함할 수 있다(S207).
도 16을 함께 참조하면, 기판(111)의 1차 검사 단계에서는, 도 2에서 설명한 제1 광학 장치(100) 및 상기 제1 광학 장치(100)와 최대 측정 범위 및 분해능이 다른 제2 광학 장치(200)가 이용될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 광학 장치(100)는 상기 기판(111)을 지지하는 스테이지(112)의 상면과 수직한 방향의 광축을 가지는 수직형 광학 장치이고, 상기 제2 광학 장치(200)는 상기 스테이지(112)의 상면과 경사진 방향의 광축을 가지는 경사형 광학 장치일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 광학 장치(200)는 상기 제1 광학 장치(100)보다 높은 최대 시야각을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 광학 장치(200)는 상기 제1 광학 장치(100)의 최대 측정 범위보다 넓은 최대 측정 범위를 가질 수 있다. 다만, 상기 제2 광학 장치(200)의 분해능은 상기 제1 광학 장치(100)의 분해능보다 낮을 수 있다.
구체적으로, 상기 제2 광학 장치(200)는 광원(231) 및 입사측 광학 요소(204)를 포함할 수 있다. 상기 광원(231)은 다파장 광을 조사할 수 있다. 상기 광원(231)에는 입사측 광학 요소(204)가 연결될 수 있다. 상기 입사측 광학 요소(204)는 렌즈나 편광기일 수 있다. 도 17을 함께 참조하면, 상기 광원(231)에서 방출된 광(L1)은 상기 입사측 광학 요소(204)를 거쳐 스테이지(112) 상에 놓여있는 기판(111) 상의 제1 측정 영역(FOV1)에 조사될 수 있다. 상기 입사광(L1)은 입사 바디(도시되지 않음) 내에서 광축(205)을 따라 진행할 수 있다.
또한, 상기 제2 광학 장치(200)는 출사측 광학 요소(210) 및 검출기(211)를 포함할 수 있다. 상기 기판(111) 상에서 반사된 반사광(L2)은 상기 출사측 광학 요소(110)를 통하여 검출기(211)에 입사될 수 있다. 상기 반사광(L2)은 출사 바디(도시되지 않음) 내에서 광축(209)을 따라 진행할 수 있다.
상기 입사 바디 및 상기 출사 바디 사이에는 상기 입사광(L1)의 입사각 또는 상기 반사광(L2)의 반사각을 조절하여 측정 영역의 감도에 대한 각도를 조절할 수 있는 각도 조절기(212)가 설치될 수 있다.
상기 검출기(211)는 신호 처리부(214) 및 신호 해석부(215)와 연결될 수 있다. 상기 검출기(211)는 상기 기판(111) 상의 측정 영역에서 반사된 반사광(L2)을 이용하여 파장별 이미지를 획득할 수 있다. 또한, 상기 신호 처리부(214)는 상기 파장별 이미지에 기초하여 각 픽셀별 스펙트럼 데이터를 생성할 수 있다. 생성된 스펙트럼 데이터는 상기 신호 해석부(215)에 저장된 후, 적어도 하나의 제1 검사 영역(IRA)에 대한 스펙트럼을 추출하는 데 이용될 수 있다.
이어서, 상기 1차 분석 단계에서 상기 제1 검사 영역(IRA) 중 세부 검사가 필요한 관심 영역이 있는지 판단할 수 있다(S209). 상기 관심 영역은 스펙트럼 분석 단계에서 결함이 있는 것으로 판단된 영역일 수 있다. 세부 검사가 필요한 관심 영역이 결정되면, 상기 관심 영역에 대해 2차 검사를 수행할 수 있다.
상기 2차 검사 수행 전, 상기 2차 검사를 수행하기 위한 제1 광학 장치(100)의 결상 광학계의 배율을 변화시켜 공간 분해능을 선택할 수 있다(S211). 이에 따라, 상기 제1 광학 장치(100)는 높은 공간 분해능을 가지도록 설정될 수 있으며, 도 16의 제2 광학 장치(200)보다 미소한 영역까지 분석할 수 있다. 제1 광학 장치(100)는 도 2에서 전술한 바, 상세한 설명은 생략하도록 한다.
한편, 상기 2차 검사 단계는, 제1 광학 장치(100)를 이용하여, 광의 다양한 각 분포를 포함하는 다파장 광(L3)을 상기 관심 영역에 조사하여 제2 파장별 이미지(IMGB)를 획득하는 단계와(S213), 상기 제2 파장별 이미지(IMGB)를 기초로 각 픽셀에서의 제2 스펙트럼 데이터를 생성하는 단계와(S215), 상기 제2 스펙트럼 데이터로부터 적어도 하나의 제2 검사 영역(IRB)의 스펙트럼을 추출하여 2차 분석하는 단계(S217)를 포함할 수 있다. 상기 2차 검사 단계는 고분해능을 가지는 제1 광학 장치(100)에 의해 수행되므로, 상기 제2 광학 장치(200)에서 발견된 관심 영역의 결함을 보다 자세하게 검출할 수 있다. 즉, 상기 제1 검사 영역(IRA) 및 상기 관심 영역(IRA') 은 상기 제1 검사 단계의 측정 영역(FOV1)보다 좁고, 상기 제2 검사 단계의 측정 영역(FOV2)은 상기 관심 영역과 유사한 범위일 수 있으며, 상기 제2 검사 영역(IRB)은 상기 관심 영역보다 좁을 수 있다.
이와 같이, 1차 검사 단계에 따르면, 상기 기판(111)의 광역(wide area) 표면에 대한 제1 스펙트럼 데이터를 이용하므로, 복수의 검사 영역들을 추출하여 신속하게 검사할 수 있다. 또한, 2차 검사 단계에 따르면, 상기 1차 검사 단계를 리뷰하는 동시에, 저역(narrow area) 표면에 대해 1차 검사 단계보다 상세한 검사를 할 수 있다. 즉, 상기 2차 검사 단계는, 상기 1차 검사 단계에서 결함이 있는 것으로 판단된 관심 영역에 대해, 상기 관심 영역보다 미소한 영역을 검사 영역으로 하여 표면을 상세하게 검사할 수 있다.
상기 제1 및 제2 검사 단계 후, 선행 제조 공정이 수행된 상기 기판(111)에 후행 제조 공정을 더 수행할 수 있다(S219). 이후, 후행 제조 공정이 수행된 기판(111)에 대한 표면 검사의 필요성에 대해 판단하고(S221), 검사가 필요한 경우 후행 제조 공정이 수행된 기판(111)에 대해 전술한 제1 및 제2 검사 단계를 수행할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 기술적 사상에 따르면, 반도체 제조 공정과 실시간 공정 검사를 실시간으로 진행함으로써, 공정 이상 유무를 즉시 확인 가능하고, 제조 공정 설비에 적절한 피드백을 함으로써 반도체 제조 공정시 최적 공정 조건을 도출할 수 있다.
도 16의 제1 및 제 광학 장치(100, 200)로부터 조사되는 광(L1, L2, L3)은 설명의 편의를 위해 과장되게 표현되어 있으며, 본 발명의 기술적 사상이 도면에 한정되는 것은 아니다.
도 18은 도 15의 반도체 소자의 제조 방법(M200)에 의해 기판 상의 서로 다른 반도체 칩들의 특정 영역에 대해 검사하는 단계를 예시한 도면이다.
도 18을 참조하면, 복수의 반도체 칩들의 상호간의 비교를 통해 표면 검사를 수행할 수 있다. 이 경우, 경험적으로 결함이 적은 영역이 레퍼런스 영역이 될 수 있다.
먼저, 도 16의 제2 광학 장치(200)를 이용하여 1차 검사 단계를 수행할 수 있다. 즉, 기판(111)에 형성된 복수의 반도체 칩들을 포함하는 제1 파장별 이미지를 획득하고, 이를 기초로 각 픽셀에서의 제1 스펙트럼 데이터를 생성할 수 있다. 이후, 상기 제1 스펙트럼 데이터로부터 레퍼런스 영역에 대응하는 레퍼런스 샷(Ref. shot) 및 타겟 영역에 대응하는 타겟 샷(Target shot)을 추출 및 분석할 수 있다.
이어서, 상기 레퍼런스 샷(Ref. shot) 및 상기 타겟 샷(Target shot) 중 일부 영역이 세부 검사가 필요한 관심 영역으로 판단되는 경우, 상기 관심 영역에 대해 도 6의 제1 광학 장치(100)를 이용하여 2차 검사 단계를 수행할 수 있다.
즉, 레퍼런스 영역 및 타겟 영역에 대해 각각 제2 파장별 이미지를 획득하고, 이를 기초로 각 픽셀에서의 제2 스펙트럼 데이터를 생성할 수 있다. 이후, 상기 제2 스펙트럼 데이터로부터 레퍼런스 지점(RR) 및 타겟 지점(TR)을 제2 검사 영역으로 추출 및 분석할 수 있다.
상기 타겟 지점(TR)의 스펙트럼과 상기 레퍼런스 지점(RR)의 스펙트럼을 비교하여, 상기 타겟 지점(TR)의 이상 여부를 확인할 수 있다. 구체적으로는, 도 1을 참조하여 설명한 레퍼런스 맵을 이용하여 세부적인 3차원 구조를 확인할 수 있다.
도 19는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법(M300)을 나타내는 흐름도이다. 상기 반도체 소자의 제조 방법(M300)은 도 1의 반도체 소자의 제조 방법(M100)과 유사하나, 광학 장치에 의해 획득된 이미지로부터 정렬 마크와 인접한 영역을 추출하여 세부적으로 확인하고, 기판(11)을 정렬하는 단계에 차이가 있다. 도 20은 도 19의 반도체 소자의 제조 방법(M300)에 의해 기판을 정렬하는 단계를 예시한 도면이다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 선행 정렬 마크(AM)가 형성된 기판(11)을 준비할 수 있다(S301). 이후, 도 2의 광학 장치(100)의 결상 광학계의 배율을 변화시켜 공간 분해능을 선택할 수 있다. 이에 따라, 상기 광학 장치(100)는 높은 공간 분해능을 가지도록 설정될 수 있다.
이어서, 상기 정렬 마크(AM)가 형성된 영역을 측정 영역(FOV)으로 하여 광을 조사하고, 상기 측정 영역(FOV)에 대한 이미지(IMGC)를 획득할 수 있다(S303). 이후, 상기 이미지(IMGC)에 기초하여 상기 기판(11)을 정렬할 수 있다.
상기 정렬 단계는, 상기 이미지(IMGC)에 기초하여 상기 기판(11)의 정렬 마크(AM)의 위치를 확인하는 단계(S305)와, 상기 정렬 마크(AM)가 미리 설정된 좌표에 정렬되도록 상기 기판(11)을 이동시키는 단계(S307)를 포함할 수 있다.
이후, 상기 기판(11)에 제조 공정 및 후행 정렬 마크를 형성하는 공정을 수행하고(S309), 제조 공정이 수행된 기판에 대한 정렬 검사의 필요성을 판단할 수 있다(S311). 정렬 검사가 필요한 경우, 전술한 이미지 획득 단계(S303), 정렬 마크 위치 확인 단계(S305), 정렬 마크 위치에 기반하여 기판의 이동 단계(S307)를 수행할 수 있다.
상기 기판(11)의 정렬 단계는 반도체 소자의 제조 공정이 완료될 때까지 계속적으로 수행될 수 있다(S313). 도 19에서는 제조 공정 후에 정렬 단계가 수행된다고 예시하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 정렬 단계는 반도체 소자의 전기적인 특성을 검사하는 검사 단계, 반도체 기판의 표면을 검사하기 위한 검사 단계, 포토리소그래피 공정을 수행하기 위한 스텝퍼 이용 단계 및 기타 기판 처리 설비 이용 단계에서 기판(11)을 처리하기 전에 상기 기판(11)을 상기 장치 내부의 소정 위치에 정확하게 위치시키기 위해 선행될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 기술적 사상에 의한 반도체 소자의 제조 방법(M300)은, 도 2의 광학 장치(100)의 결상 광학계(109)의 배율에 따라 공간 분해능을 선택하고, 획득된 이미지로부터 정렬 마크(AM)가 위치한 영역을 선택적으로 추출 및 분석하여 정확한 위치를 확보할 수 있으므로, 제조 공정 및 검사 공정에 있어서 기판(11)의 정확한 정렬이 가능하다.
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법에 따라 반도체 소자의 복수의 셀 블록 지점들에 대해 두께 균일도를 검사한 결과를 나타내는 도면들이다.
도 21a 및 도 21b를 참조하면, 복수의 셀 블록들을 포함하는 기판에 대해서 도 1 내지 도 18을 참조하여 설명한 표면 검사 단계를 수행할 수 있다.
기판의 9개의 셀 블록(CB1 내지 CB9)을 포함하는 영역을 측정 영역으로 하여 파장별 이미지를 획득한 후, 상기 파장별 이미지를 기초로 스펙트럼 데이터를 생성할 수 있다. 이후, 상기 스펙트럼 데이터로부터 상기 9개의 셀 블록 영역(CB1 내지 CB9) 각각에 대한 스펙트럼을 추출할 수 있다. 상기 검사 단계는 검출기의 픽셀 영역을 최소 측정 영역으로 설정할 수 있는 광학 장치에 의해 수행됨은 전술한 바와 같다.
따라서, 9개의 셀 블록 영역(CB1 내지 CB9) 각각은 복수의 픽셀 영역들의 스펙트럼들에 의해 분석될 수 있다. 예를 들어, 제1 셀 블록(CB1)은 중앙부 및 우측부에서 넓은 범위에 걸쳐 동일한 파장 대역으로 나타난다. 반면, 좌측부는 상기 중앙부 및 우측부와는 다른 파장 대역으로 나타나고, 좌측부 내에서도 여러 파장 대역이 나타난다. 따라서, 제1 셀 블록(CB)의 중앙부 및 우측부는 균일한 두께를 갖는 반면, 좌측부에서 두께 균일도가 감소하는 것으로 분석될 수 있다.
이와 같은 방법으로, 9개의 셀 블록 영역(CB1 내지 CB9) 상호간의 두께 균일도도 분석될 수 있다. 즉, 본 발명의 기술적 사상에 의한 검사 단계에 따르면, 넓은 영역에 분포한 검사 영역들을 신속하고 세부적으로 검사할 수 있다.
도 21b는 도 21a의 각각 추출된 9개의 셀 블록 영역(CB1 내지 CB9)을 하나의 이미지로 나타낸 것으로, 3차원 구조에 따라 서로 다른 파장 대역으로 표시되어 있어 9개의 셀 블록 영역(CB1 내지 CB9) 상호간의 두께 균일도를 용이하게 확인할 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 검사 대상인 기판을 준비하는 단계;
    제1 광학 장치의 공간 분해능을 선택하는 단계로써, 상기 제1 광학 장치는 광원으로부터 전달받은 광을 상기 기판에 조사하는 대물 렌즈와 상기 기판으로부터 반사된 광을 검출기에 결상시키는 결상 광학계를 포함하고, 상기 결상 광학계의 배율을 변화시켜 상기 제1 광학 장치의 공간 분해능을 선택하는 단계;
    다파장 광을 상기 기판의 제1 측정 영역에 조사하여 제1 파장별 이미지를 획득하는 단계;
    상기 제1 파장별 이미지를 기초로 각 픽셀에서의 제1 스펙트럼 데이터를 생성하는 단계; 및
    상기 제1 스펙트럼 데이터로부터, 상기 제1 측정 영역 이하의 범위를 가지는 적어도 하나의 제1 검사 영역의 스펙트럼을 추출하여 분석하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1 파장별 이미지를 획득하는 단계는,
    서로 다른 파장으로 인해 상기 제1 파장별 이미지 상호간에 발생하는 위치 오정렬 및 사이즈 차이를 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 분석하는 단계는,
    시험 기판 상에 형성된 서로 다른 3차원 구조들과 각각 대응하는 스펙트럼을 획득하여 레퍼런스 맵을 생성하는 단계; 및
    상기 제1 검사 영역의 스펙트럼과 상기 레퍼런스 맵의 스펙트럼을 매칭하여, 상기 제1 검사 영역의 3차원 구조를 예측하는 단계;를 포함하는 표면 검사 방법.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 제1 파장별 이미지를 획득하는 단계는,
    상기 다파장 광의 다양한 각 분포로 인한 광 세기 분포를 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 광 세기 분포를 보정하는 단계는,
    다양한 각 분포를 포함하는 광을 균질한 시험 기판에 조사하고, 상기 시험 기판으로부터 반사된 광의 광 세기 분포를 기초로 보정 테이블을 생성하는 단계;
    다양한 각 분포를 포함하는 광을 상기 제1 측정 영역에 조사하고, 상기 제1 측정 영역에 대한 예비 이미지를 획득하는 단계; 및
    상기 보정 테이블을 이용하여, 상기 예비 이미지로부터 보정된 이미지를 획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법.
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서, 상기 제1 광학 장치는, 상기 기판을 지지하는 스테이지를 포함하고,
    상기 위치 오정렬 및 사이즈 차이를 보정하는 단계는,
    상기 제1 파장별 이미지 상호간의 위치 오정렬 및 사이즈 차이를 측정하는 단계;
    상기 위치 오정렬 및 사이즈 차이가 보상되도록 각 파장마다 상기 스테이지를 이동시키는 단계; 및
    각 파장마다 상기 스테이지를 이동한 상태에서 파장별 보정 이미지를 재획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 제1 파장별 이미지를 획득하는 단계 전에, 측정 모드를 선택하는 단계를 포함하고, 상기 측정 모드를 선택하는 단계는,
    상기 제1 검사 영역에서 검사하고자 하는 파라미터의 종류에 따라 제1 개구수를 가지는 제1 측정 모드와, 상기 제1 개구수보다 작은 제2 개구수를 가지는 제2 측정 모드 중 어느 하나를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 광학 장치는 상기 광원으로부터 발생한 광이 상기 기판을 향해 전달되는 광 경로 상에 배치된 조리개를 더 포함하고,
    상기 측정 모드를 선택하는 단계는,
    상기 대물 렌즈를 변경하거나 조리개의 모양을 변경하는 과정에 의해 수행하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 검사 영역은, 서로 이격된 복수의 제1 검사 영역들인 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법.
  10. 제1 항에 있어서, 상기 제1 검사 영역은, 상기 제1 파장별 이미지의 적어도 하나의 픽셀인 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법.
  11. 제1 항에 있어서, 상기 분석하는 단계는,
    상기 제1 스펙트럼 데이터로부터 레퍼런스 영역 및 상기 제1 검사 영역의 스펙트럼을 각각 추출하는 단계; 및
    상기 제1 검사 영역의 스펙트럼과 상기 레퍼런스 영역의 스펙트럼을 상호 비교하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법.
  12. 제1 항에 있어서, 상기 제1 광학 장치의 공간 분해능을 선택하는 단계 전에, 상기 기판을 선행 분석하는 단계를 더 포함하고, 상기 선행 분석하는 단계는,
    제2 광학 장치를 이용하여, 다파장 광을 상기 기판의 제2 측정 영역에 조사하여 제2 파장별 이미지를 획득하는 단계; 및
    상기 제2 파장별 이미지를 기초로 각 픽셀에서의 제2 스펙트럼 데이터를 생성하는 단계;
    상기 제2 스펙트럼 데이터로부터 적어도 하나의 제2 검사 영역에 대한 스펙트럼을 추출하여 선행 분석하는 단계; 및
    상기 선행 분석 단계에서 상기 제2 검사 영역 중 세부 검사가 필요한 관심 영역이 있는지 판단하는 단계;를 포함하고,
    상기 관심 영역은 상기 제1 측정 영역인 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법.
  13. 제12 항에 있어서, 상기 제1 광학 장치의 공간 분해능은 상기 제2 광학 장치의 공간 분해능보다 높은 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법.
  14. 기판에 선행 제조 공정을 수행하는 단계;
    광학 장치를 이용하여 상기 기판을 1차 검사하는 단계로써,
    상기 광학 장치는 광원으로부터 전달받은 광을 상기 기판에 조사하는 대물 렌즈와 상기 기판으로부터 반사된 광을 검출기에 결상시키는 결상 광학계를 포함하고, 상기 결상 광학계의 배율을 변화시켜 상기 광학 장치의 공간 분해능을 선택하는 단계;
    다파장 광을 상기 기판의 측정 영역에 조사하여 파장별 이미지를 획득하는 단계;
    상기 파장별 이미지를 기초로 각 픽셀에서의 스펙트럼 데이터를 생성하는 단계; 및
    상기 스펙트럼 데이터로부터, 상기 측정 영역 이하의 범위를 가지는 적어도 하나의 검사 영역의 스펙트럼을 추출하여 분석하는 단계;를 포함하고,
    상기 파장별 이미지를 획득하는 단계는,
    서로 다른 파장으로 인해 상기 파장별 이미지 상호간에 발생하는 위치 오정렬 및 사이즈 차이를 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  15. 제14 항에 있어서, 상기 파장별 이미지를 획득하는 단계는,
    상기 선행 제조 공정이 수행되기 전의 기판으로 인한 광 간섭을 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  16. 제14 항에 있어서, 상기 1차 검사하는 단계 후에,
    상기 기판에 후행 제조 공정을 수행하는 단계;
    상기 후행 제조 공정이 수행된 기판에 대해 검사 여부를 판단하는 단계; 및
    검사가 필요한 경우, 상기 후행 제조 공정이 수행된 기판에 대해 상기 1차 검사 단계와 동일한 방법으로 2차 검사하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  17. 제16 항에 있어서, 상기 2차 검사 단계의 검사 영역은 상기 1차 검사 단계의 검사 영역과 동일하고,
    상기 2차 검사 단계 후에,
    상기 선행 제조 공정이 수행된 기판에 대해 획득된 파장별 이미지와 상기 후행 제조 공정이 수행된 기판에 대해 획득된 파장별 이미지를 비교하여, 상기 후행 제조 공정에 의한 상기 검사 영역의 구조 변화를 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  18. 제14 항에 있어서, 상기 파장별 이미지에 기초하여 상기 기판을 정렬하는 단계를 더 포함하고, 상기 정렬하는 단계는,
    상기 파장별 이미지 중 적어도 하나의 파장에 대한 이미지에 기초하여 상기 기판의 정렬 마크의 위치를 확인하는 단계; 및
    상기 정렬 마크가 미리 설정된 좌표에 정렬되도록 상기 기판을 이동시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  19. 정렬 마크가 형성된 기판을 준비하는 단계;
    광학 장치의 공간 분해능을 선택하는 단계로써, 상기 광학 장치는 광원으로부터 전달받은 광을 상기 기판에 조사하는 대물 렌즈와 상기 기판으로부터 반사된 광을 검출기에 결상시키는 결상 광학계를 포함하고, 상기 결상 광학계의 배율을 변화시켜 상기 광학 장치의 공간 분해능을 선택하는 단계;
    상기 광학 장치를 이용하여, 상기 정렬 마크가 형성된 영역에 광을 조사하여 이미지를 획득하는 단계; 및
    상기 이미지에 기초하여 상기 기판을 정렬하는 단계로써,
    상기 이미지에 기초하여 상기 기판의 정렬 마크의 위치를 확인하는 단계; 및
    상기 정렬 마크가 미리 설정된 좌표에 정렬되도록 상기 기판을 이동시키는 단계;를 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
  20. 제19 항에 있어서, 상기 이미지를 획득하는 단계 전에,
    공간 분해능을 선택하는 단계를 더 포함하고, 상기 공간 분해능을 선택하는 단계는,
    상기 광학 장치는, 광원으로부터 전달받은 광을 상기 기판에 조사하는 대물 렌즈와 상기 기판으로부터 반사된 광을 검출기에 결상시키는 결상 광학계를 포함하고, 상기 결상 광학계의 배율을 변화시켜 공간 분해능을 선택하는 단계인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
KR1020160109331A 2016-08-26 2016-08-26 표면 검사 방법 및 반도체 소자의 제조 방법 KR102592917B1 (ko)

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