KR20030075925A - 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법 - Google Patents

주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법은, 분석 대상물의 기준 패턴을 스캐닝하여 2차원 흑백 이미지로 이루어지는 기준패턴 이미지를 주사전자현미경의 데이터 저장부에 저장하는 단계, 상기 분석 대상물의 대상패턴을 스캐닝하여 2차원 흑백 이미지로 이루어지는 대상패턴 이미지를 구하는 단계, 상기 기준패턴 이미지와 대상패턴 이미지가 동일 패턴인지의 유무를 분석하는 단계 및 상기 대상패턴의 CD를 측정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
따라서, 주사전자현미경의 데이터 저장부의 저장용량을 축소할 수 있고, 기준패턴 이미지와 대상패턴 이미지를 비교하는데 소요되는 시간을 단축시킬 수 있고, 패턴의 형상, 크기 등이 미세하게 다른 대상패턴의 이미지에 대해서도 CD측정을 수행할 수 있는 효과가 있다.

Description

주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법{Method for analyzing of semiconductor device using scanning electron microscope}
본 발명은 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 2차원 흑백 이미지로 분석 대상물을 분석함으로써 데이터 저장용량을 축소할 수 있고, 노광량 등의 차이에 의해서 형성된 비정상적인 패턴에 대해서도 CD측정을 수행할 수 있는 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법에 관한 것이다.
최근에, 반도체소자가 256MDRAM 및 1GDRAM 등으로 고집적화됨에 따라 반도체기판 상에 적층되는 레이어(Layer)의 수는 증가하고, 회로선폭(Critical Dimension : CD)의 크기는 점점 작아지고, 신호대 응답속도는 빨라지고 있다.
그리고, 상기 반도체소자 제조공정은 높은 정밀도 및 균일도를 요구하고 있으며, 상기 정밀도 및 균일도의 요구에 대응하기 위하여 반도체 단위 제조공정 과정에 검사공정을 진행함으로써 적층된 레이어 패턴의 CD를 측정하고 있다.
이와 같은 검사공정은 주사전자현미경(Scanning Electro Microscope) 등을이용하여 이루어지고, 상기 주사전자현미경을 이용한 검사공정은 최근에 반도체소자가 고집적화됨에 따라 인라인(In-line)화 즉, 자동화로 진행되고 있다.
상기 주사전자현미경을 이용하여 자동화로 패턴의 CD를 측정하는 방법은, 특정 패턴 및 콘택홀(Contact hole)의 기준패턴 이미지를 스캐닝(Scanning)하여 이를 데이터 저장부에 저장 기억시킨다. 그리고, 자동화에 따라 웨이퍼 상부를 이동하며 이와 동일한 대상패턴을 다시 스캐닝하여 대상패턴 이미지를 생성한 후, 상기 생성된 대상패턴 이미지와 데이터 저장부에 저장된 기준패턴 이미지를 서로 비교하여 크기 등이 동일한 경우에 이에 대한 CD를 측정하게 된다.
이때, 상기 주사전자현미경의 CD측정 과정을 보다 상세히 살펴보면, 주사전자현미경의 전자총(Electron gun)은 고에너지를 가진 전자빔을 높은 진공상태에서 발생시켜 분석대상 웨이퍼 상에 주사하고, 상기 전자빔과 분석대상 웨이퍼가 반응하여 발생된 후방산란전자(Backscattered electron), 이차전자(Secondary electron) 및 엑스선(X-ray) 중의 이차전자는 디텍터(Detector)에 의해서 검출된다. 그리고, 상기 디텍터는 이차전자의 검출량에 따른 웨이퍼 표면의 이미지(Image)를 전기신호로 모니터(Monitor)에 전송함으로써 모니터에는 웨이퍼 표면의 이미지가 도1 또는 도2에 도시된 바와 같은 3차원 명암의 화상으로 디스플레이되어 CD측정이 이루어진다.
그러나, 종래의 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법은, 웨이퍼 상의 패턴 이미지가 3차원 명암의 화상으로 이루어짐으로서 주사전자현미경의 데이터 저장부의 저장용량이 과다한 문제점이 있었다.
특히, 최근에 고집적화된 반도체소자의 미세패턴에 대한 측정요구가 커지고, 공정안정화를 위하여 많은 양의 패턴을 측정해야 하는 경우가 빈번해져 주사전자현미경의 데이터 저장부의 저장용량이 과도하게 증가하고 있다.
그리고, 웨이퍼 상의 패턴 이미지가 3차원 명암 화상으로 이루어짐으로써 기준패턴 이미지와 대상패턴 이미지를 서로 비교하는 데 많은 시간이 소요되는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법은, 특정 패턴 및 콘택홀(Contact hole)의 기준패턴 이미지를 스캐닝(Scanning)하여 이를 저장 기억시킨 후, 자동화에 따라 웨이퍼 상부를 이동하며 이와 동일한 대상패턴을 다시 스캐닝하여 대상패턴 이미지를 생성하여 동일 패턴인지의 유무를 분석하게 된다.
이때, 포토리소그래피공정의 노광량, 노광시간 등의 가변요소에 의해서 도1a 내지 도1c와 도2a 내지 도2c에 도시된 바와 같이 패턴의 형상, 크기, 명암 등이 미세하게 다른 대상패턴의 이미지가 모니터에 디스플레이된다.
그러나, 종래의 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법은, 주사전자현미경은 상기 미세하게 다른 대상패턴의 이미지는 기준패턴 이미지와 다른 패턴 이미지로 인식함으로써 CD측정이 진행되지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은, 데이터 저장부의 저장용량을 축소할 수 있는 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 자동화에 의해서 웨이퍼 상에 구현된 복수의 패턴중의 특정 대상패턴과 기준패턴이 동일한 패턴인지의 유무를 확인하는 시간을 단축시킬 수 있는 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 포토리소그래피공정의 노광량, 노광시간 등의 가변요소에 의해서 패턴의 형상, 크기, 명암 등이 미세하게 다른 대상패턴의 이미지에 대해서도 CD측정을 진행할 수 있는 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법을 제공하는 데 있다.
도1a 내지 도1c는 종래의 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법에 따른 반도체소자의 패턴 이미지를 나타내는 사진이다.
도2a 내지 도2c는 종래의 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법에 따른 반도체소자의 다른 패턴 이미지를 나타내는 사진이다.
도3은 일반적인 주사전자현미경의 구성도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도5a 내지 도5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법에 따른 반도체소자의 패턴 이미지를 나타내는 사진이다.
도6a 내지 도6c는 본 발명의 일 실시예예 따른 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법에 따른 반도체소자의 다른 패턴 이미지를 나타내는 사진이다.
도7a 및 도7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법에 의해서 기준패턴 이미지와 대상패턴 이미지가 동일 이미지인지의 유무를 분석하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 전자총 12 : 필라멘트
14 : 조절렌즈 16 : 분석 웨이퍼
18 : 디텍터 20 : 제어부
22 : 데이터 저장부24 : 모니터
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법은, 분석 대상물의 기준 패턴을 스캐닝하여 2차원 흑백 이미지로 이루어지는 기준패턴 이미지를 주사전자현미경의 데이터 저장부에 저장하는 단계; 상기 분석 대상물의 대상패턴을 스캐닝하여 2차원 흑백 이미지로 이루어지는 대상패턴 이미지를 구하는 단계; 상기 기준패턴 이미지와 대상패턴 이미지가 동일 패턴인지의 유무를 분석하는 단계; 및 상기 대상패턴의 CD를 측정하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기준패턴 및 대상패턴의 2차원 흑백 이미지는 포토삽 등의 응용프로그램을 이용하여 형성할 수 있다.
그리고, 상기 기준패턴 이미지와 대상패턴 이미지가 동일 패턴인지의 유무를 분석하는 단계는 상기 대상패턴 이미지를 대칭이동시킴으로써 상기 기준패턴 이미지와 대상패턴 이미지가 동일 패턴인지의 유무를 분석할 수 있다.
이때, 상기 대칭이동은 점대칭 또는 선대칭으로 이루어질 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.
도1은 본 발명에 따른 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법을 설명하기 위한 주사전자현미경의 구성도이다.
일반적인 주사전자현미경은, 도1에 도시된 바와 같이 분석 웨이퍼(16) 상에 전자빔을 주사할 수 있는 전자총(10)을 구비한다.
이때, 상기 전자총(10)은 고에너지를 가진 전자빔을 높은 진공상태에서 발생시키는 필라멘트(12)와 전자빔의 주사 각도를 조절하는 조절렌즈(14)를 구비한다.
또한, 주사전자현미경은 분석대상 웨이퍼(16) 상에 주사된 전자빔과 분석대상 웨이퍼(16)가 반응하여 발생된 후방산란전자(Backscattered electron), 이차전자(Secondary electron) 및 엑스선(X-ray) 중의 이차전자를 검출하는 디텍터(Detector : 18)를 구비한다.
그리고, 상기 디텍터(18)는 이차전자의 검출량에 따른 웨이퍼(16) 표면의 이미지(Image)를 전기신호로 제어부(20)에 전송하고, 상기 제어부(20)는 전기신호에 따른 이미지를 구현하여 모니터(Monitor : 24)에 전송함으로써 모니터(24)에는 웨이퍼(16) 표면의 이미지가 2차원 흑백의 화상 이미지로 디스플레이(Display)되고, 상기 모니터(24)에서 디스플레이된 패턴 이미지로 CD측정이 이루어지도록 되어 있다.
이때, 상기 2차원 흑백의 화상으로 이루어지는 웨이퍼(16) 표면 이미지는 상용화된 포토삽 등의 응용프로그램을 통해서 3차원 명암의 화상 이미지를 2차원 흑백 화상 이미지로 변환함으로써 형성할 수 있다.
또한, 상기 웨이퍼(16) 표면의 패턴 이미지 및 CD의 측정값은 데이터 저장부(22)에 저장되도록 되어 있다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명에 따른 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법은, 도2에 도시된 바와 같이 S2단계에서 필라멘트(12) 및 조절렌즈(14)를 구비한 전자총(10)은 전자빔을 발생시켜 분석 웨이퍼(16)의 기준패턴에 이를 주사한다.
그리고, 분석 웨이퍼(16)의 기준패턴과 전자빔의 반응에 의해서 발생된 후방산란전자(Backscattered electron), 이차전자(Secondary electron) 및 엑스선(X-ray) 중의 이차전자는 디텍터(Detector : 18)에 검출되고, 상기 디텍터(18)는 이차전자의 검출량에 따른 기준패턴의 이미지를 전기신호로 제어부(20)에 전송하게 된다. 또한, 상기 제어부(20)는 전기신호에 따른 이미지를 구현하여 모니터(24)에전송함으로써 모니터(24)에는 도5a 또는 도6a에 도시된 바와 같이 2차원 흑백의 화상으로 이루어지는 기준패턴의 이미지가 디스플레이되고, 상기 기준패턴 이미지는 데이터 저장부(22)에 저장된다.
이때, 상기 기준패턴의 이미지는, 상용화된 포토삽 등의 응용프로그램을 통해서 3차원 명암의 화상 이미지를 2차원 흑백 화상 이미지로 변환함으로써 형성할 수 있다.
다음으로, S4단계에서 주사전자현미경의 전자총(10)은 분석 웨이퍼(16)의 소정부로 이동하여 웨이퍼(16) 상의 대상패턴에 전자빔을 주사한다.
그리고, 상기 대상패턴과 전자빔의 반응에 의해서 발생된 후방산란전자(Backscattered electron), 이차전자(Secondary electron) 및 엑스선(X-ray) 중의 이차전자는 디텍터(Detector : 18)에 검출되고, 상기 디텍터(18)는 이차전자의 검출량에 따른 대상패턴의 이미지를 전기신호로 제어부(20)에 전송함으로써 모니터(24)에는 대상패턴의 이미지가 도5b 및 도5c또는 도6b 및 도6c에 도시된 바와 같이 2차원 흑백 화상으로 디스플레이된다.
이때, 상기 기준패턴의 이미지는, 상용화된 포토삽 등의 응용프로그램을 통해서 3차원 명암의 화상 이미지를 2차원 흑백 화상 이미지로 변환함으로써 형성할 수 있다.
계속해서, S6단계에서 상기 제어부(20)는 데이터 저장부(22)의 기준패턴 이미지와 대상패턴의 이미지가 동일 패턴인지의 유무를 분석한다.
이때, 상기 분석은 도5b 및 도5c또는 도6b 및 도6c에 도시된 바와 같이 포토리소그래피공정의 노광량, 노광시간 등의 가변요소에 의해서 패턴의 형상, 크기 등이 미세하게 다른 대상패턴의 이미지에 대해서도 동일 패턴으로 인식하게 된다.
이는, 도7a에 도시된 바와 같이 기준패턴 이미지와 대상패턴 이미지를 서로 중첩시켜 기준패턴 이미지 또는 대상패턴 이미지를 점대칭 이동시키거나 또는 도7b에 도시된 바와 같이 기준패턴 이미지 또는 대상패턴 이미지를 선대칭 이동시켜 기준패턴 이미지와 대상패턴 이미지를 서로 비교함으로써 이루어진다.
다음으로, 상기 대상패턴 이미지와 기준패턴 이미지가 동일 패턴이 아니면, S8단계에서 주사전자현미경의 전자총(10)은 분석 웨이퍼(16)의 다른 소정부로 이동하고, 상기 다른 소정부의 대상패턴에 전자빔을 주사한다.
마지막으로, 상기 대상패턴 이미지와 기준패턴 이미지가 동일 패턴이면, S10단계에서 상기 대상패턴 이미지의 CD(Critical Dimension)를 측정하여 CD 측정값을 데이터 저장부(22)에 저장한다.
본 발명에 의하면, 분석 웨이퍼 상의 패턴 이미지가 2차원 흑백의 화상으로 이루어짐으로써 주사전자현미경의 데이터 저장부의 저장용량을 축소할 수 있고, 기준패턴 이미지와 대상패턴 이미지를 비교하는데 소요되는 시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.
그리고, 포토리소그래피공정의 노광량, 노광시간 등의 가변요소에 의해서 패턴의 형상, 크기 등이 미세하게 다른 대상패턴의 이미지에 대해서도 CD측정을 수행할 수 있는 효과가 있다.
이상에서는 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (4)

  1. 분석 대상물의 기준 패턴을 스캐닝하여 2차원 흑백 이미지로 이루어지는 기준패턴 이미지를 주사전자현미경의 데이터 저장부에 저장하는 단계;
    상기 분석 대상물의 대상패턴을 스캐닝하여 2차원 흑백 이미지로 이루어지는 대상패턴 이미지를 구하는 단계;
    상기 기준패턴 이미지와 대상패턴 이미지가 동일 패턴인지의 유무를 분석하는 단계; 및
    상기 대상패턴의 CD(Critical Dimension)를 측정하는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기준패턴 및 대상패턴의 2차원 흑백 이미지는 포토삽 등의 응용프로그램을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 기준패턴 이미지와 대상패턴 이미지가 동일 패턴인지의 유무를 분석하는 단계는 상기 대상패턴 이미지를 대칭이동시킴으로써 상기 기준패턴 이미지와 대상패턴 이미지가 동일 패턴인지의 유무를 분석하는 것을 특징으로 하는 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 대칭이동은 점대칭 또는 선대칭으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 주사전자현미경을 이용한 반도체소자의 분석방법.
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