KR20080063285A - 반도체 분석 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 분석 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 과제는, 전자빔량의 변동에 대하여, 양호한 정밀도로 측정값을 얻을 수 있는 반도체 분석 장치를 제공하는 것에 있다. 본 발명의 반도체 분석 장치는, 반도체 기판에 전자빔을 조사했을 때 상기 반도체 기판에 유도된 기판 전류를 측정하도록 구성된 분석 장치로서, 반도체 기판을 지지하는 반도체 기판 지지 수단과, 전자빔을 발생하는 전자빔 발생 수단과, 전자빔의 조사량을 검출하기 위한 전자빔 검출 수단과, 반도체 기판에 유도된 기판 전류와 전자빔 검출 수단에 의해 검출된 전자빔량을 측정하는 전류 측정 수단을 구비한다.

Description

반도체 분석 장치{SEMICONDUCTOR ANALYZER}

본 발명은, 전자빔을 이용한 반도체 분석 장치에 관한 것으로서, 특히 반도체 디바이스의 제조 공정을 평가하기에 바람직한 반도체 분석 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은, 반도체 기판에 조사되는 전자빔의 조사량을 양호한 정밀도로 측정함으로써, 전자빔 총(銃)의 경년(經年) 변화나 환경 변화에 따른 전자빔량의 변동이 분석 결과에 주어지는 영향을 억제하기 위한 기술에 관한 것이다.

도 10에, 전자빔을 이용한 종래의 반도체 분석 장치의 구성을 개략적으로 나타낸다. 이 분석 장치는, 반도체 디바이스의 제조 공정을 관리하는 것을 목적으로 하여, 반도체 기판 상에 형성된 미세 구조를 분석하기 위한 장치로서, 전자빔을 반도체 기판에 조사하고, 이 때 반도체 기판에 생기는 기판 전류를 측정함으로써 반도체 기판 상의 미세 구조의 형성 상태를 분석하는 것이다. 이 분석 장치를 사용하여, 단기 혹은 장기 등의 다양한 시간 주기로 반도체 디바이스의 제조 공정이 관리된다.

여기서, 이 종류의 반도체 분석 장치에 의한 기판 전류의 측정값의 신뢰도를 유지하기 위해서는, 그 측정값의 정밀도가 장기간에 걸쳐 안정되어 있을 필요가 있고, 일반적으로, 측정값 자체의 변동량이 1% 이하일 필요가 있다. 측정값의 변동 량이 1%이하가 되도록 전자빔을 안정화시키기 위해서는, 전자빔원의 온도를 ±0.1℃의 범위 내로 엄격하게 유지하는 것이 필수적이다. 한편, 전자빔원 자체가 소모 부품이므로, 전자빔의 특성은 시간 경과에 따라 변화되고, 장기간에 걸쳐 전자빔원의 특성을 일정하게 유지하는 것은 곤란하다.

그래서, 종래, 도 10에 나타낸 바와 같이, 반도체 기판(4)에 조사되는 전자빔(13)의 조사량을 모니터링하기 위한 패러데이 컵(8, Faraday cup)을 트레이(5)의 단부(端部)에 설치하여, 이 패러데이 컵(8)에 전자빔을 조사하고, 이 때 패러데이 컵(8)에 나타나는 전류량을 전류계 B로 측정함으로써, 전자빔(13)의 조사량의 관리가 정기적으로 행해지고 있다.

여기서, 도 10에 나타내는 종래 장치의 구성을 간단하게 설명하면, 진공 챔버(7)의 내부에는, XY 스테이지(6)에 장착된 트레이(5)가 배치되고, 이 트레이(5)에는 분석 대상물인 반도체 기판(4)이 탑재되어 있다. 이 트레이(5)에는 전류계 A가 접속되어 있고, 트레이(5)에 탑재된 반도체 기판(4)의 기판 전류가 전류계 A에 의해 측정되도록 되어 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 이 트레이(5)의 단부에는 패러데이 컵(8)이 장착되어 있고, 이 패러데이 컵(8)에는 전류계 B가 접속되어 있다. 전자빔(13)의 조사량은, 전류계 B에 의해 전류량으로서 측정되도록 되어 있다.

진공 챔버(7)의 상부에는, 전자빔원(1)을 구비한 전자총(11)이 장착되어 있고, 그 전자총(11)의 빔 방향이 트레이(5) 상의 반도체 기판(4)으로 향하고 있다. 전자총(11)의 내부에는, 컨덴서 렌즈(2), 조리개(10, aperture), 대물 렌즈(3)가 이 순서로 배치되어 있다. 전자빔원(1)에는, 고압 전원(9)으로부터 동작 전압으로서 고전압이 공급된다.

일반적으로, 전자빔원(1)을 구성하는 전자빔 방출 소자로서는, 열전계 방출기(thermal field emitter)가 사용된다. 열전계 방출기는, 선단이 예리한 텅스텐 전극의 표면에, 일함수(work function)를 저감시키기 위한 ZrO 등이 코팅된 것이며, 전자를 방출하기 위해 180OK정도 가열한 상태로 이용된다. 이 열전계 방출기는, 진공 상태나 온도의 변화 등의 근소한 환경 변화의 영향을 받기 쉽고, 방출되는 전자빔의 성질이나 양이 환경 변화에 의해 변동하는 특성을 가지고 있다.

또한, 이 종류의 반도체 분석 장치에서는, 반도체 기판을 향해 조사되는 전자빔량은, 전류량으로 환산하면 피코 암페어 오더 이하의 극히 미약한 전류량에 해당한다. 이와 같이 미약한 전자빔의 조사량은, 전술한 바와 같은 각종 환경 요인의 영향을 받아 변동하기 쉽고, 전자빔의 조사량이 변동하면 기판 전류의 측정값도 변동되고, 그 결과 측정 정밀도가 저하된다.

그래서, 전자빔을 이용한 이 종류의 반도체 분석 장치에서는, 기판 전류의 측정값을 전자빔의 조사량으로 정규화함으로써(즉, 측정 결과를 전자빔의 조사량에 대한 기판 전류의 비율로 나타냄으로써), 전자빔의 조사량이 변동되어도, 그 영향이 측정값에 나타나지 않도록 하고 있다.

따라서, 전자빔에 의해 반도체 기판에 유도된 기판 전류를 측정하는 이 종류의 반도체 분석 장치에서는, 종래의 SEM 등과는 달리, 전자빔의 조사량을 정확하게 아는 것이 중요하다. 왜냐하면, 전자빔의 조사량이 부정확하면, 이 전자빔의 조사 량으로 정규화된 기판 전류의 측정값도 부정확해지기 때문이다.

특허 문헌 1: 일본국 특개 2005-026449호 공보

도 10에 나타내는 종래 기술에 의하면, 기판 전류의 측정에 사용하는 전류계 A와는 다른 전류계 B를 사용하여 전자빔의 조사량을 측정하기 위하여, 측정계의 특성의 차이가 측정값의 오차로서 나타나고, 양호한 정밀도로 기판 전류를 정규화할 수 없는 문제가 있다.

또한, 전술한 종래 기술에 의하면, 전자빔의 조사량을 측정하기 위해서는, 하나의 웨이퍼 또는 하나의 측정점에 대하여 기판 전류의 측정이 종료될 때마다, XY 스테이지(6)에 의해 전자빔(13)의 조사 위치를 패러데이 컵(8)의 위치까지 이동시켜서 패러데이 컵(8)에 전자빔(13)을 조사할 필요가 있다.

그러므로, 기판 전류를 측정중에 전자빔의 조사량을 실시간으로 측정할 수는 없고, 전자빔의 조사량을 개략적으로만 알 수 있는 문제가 있다. 따라서, 기판 전류를 측정중에 전자빔의 조사량이 변동하면, 그 변동이, 정규화된 기판 전류의 측정값에 그대로 오차로서 나타나는 문제가 있다.

또한, 전술한 종래 기술에 의하면, 전자빔의 조사량을 측정하는 경우, 전자빔의 조사 위치를 트레이(5) 상의 패러데이 컵(8)의 위치까지 기계적으로 이동시킬 필요가 있으므로, 측정 작업이 번잡해지고, 측정에 시간을 필요로 하여, 측정 작업의 스루풋(throughput)이 저하되는 문제가 있다.

본 발명은, 반도체 기판에 전자빔을 조사하고, 상기 전자빔에 의해 상기 반도체 기판에 유도된 기판 전류를 측정하고, 상기 기판 전류를 상기 전자빔의 조사량으로 규격화한 값을 출력하도록 구성된 반도체 분석 장치로서, 상기 반도체 기판을 지지하는 반도체 기판 지지 수단과, 상기 전자빔을 발생하는 전자빔 발생 수단과, 상기 전자빔을 검출하기 위한 전자빔 검출기와, 상기 반도체 기판에 유도된 기판 전류와 상기 전자빔 검출기로 검출된 전자빔의 조사량을 측정하기 위해 공용되는 측정 수단을 구비한 반도체 분석 장치의 구성을 가진다.

이 구성에 의하면, 측정 수단이, 반도체 기판에 유도된 기판 전류와 전자빔 검출기에 의해 검출된 전자빔의 조사량의 양쪽의 측정에 공용되므로, 측정 수단의 특성(예를 들면, 측정 정밀도)이 기판 전류 및 전자빔 조사량의 각 측정값에 주는 영향은 동일하다. 그러므로, 전자빔의 조사량으로 기판 전류를 정규화하여 얻어지는 값에는, 측정 수단의 특성에 의한 영향이 나타나지 않는다. 따라서, 측정계의 특성의 영향을 받지 않고, 전자빔의 조사량으로 양호한 정밀도로 기판 전류를 정규화할 수 있게 된다.

본 발명은, 반도체 기판에 전자빔을 조사하고, 상기 전자빔에 의해 상기 반도체 기판에 유도된 기판 전류를 측정하고, 상기 기판 전류를 상기 전자빔의 조사량으로 규격화한 값을 출력하도록 구성된 반도체 분석 장치로서, 상기 반도체 기판을 지지하는 반도체 기판 지지 수단과; 전자를 방출하는 전자빔원과; 상기 전자빔원으로부터 방출된 전자류(電子流)의 일부를 선택적으로 통과시키기 위한 관통구멍을 가지고, 상기 전자류의 통과를 제한하여 상기 반도체 기판에 조사되는 전자빔을 형성하는 전자빔 제한 부재와; 상기 전자빔 제한 부재와 전기적으로 절연되고, 상기 관통구멍과 상기 관통구멍을 둘러싸는 상기 전자빔 제한 부재 상의 소정 영역을 제외하고, 상기 전자빔원으로부터 방출된 상기 전자류를 차폐하는 차폐 부재와; 상기 반도체 기판에 유도된 기판 전류를 측정하는 제1 측정 수단과; 상기 전자빔 제한 부재에 유도된 전류를 측정하는 제2 측정 수단을 구비한 반도체 분석 장치의 구성을 가진다.

이 구성에 의하면, 관통구멍을 둘러싸는 전자빔 제한 부재 상의 소정 영역에 전자류가 조사되는 결과, 실제로 반도체 기판에 조사되는 전자빔과 극히 근사한 특성을 가지는 주변의 전자류가 전자빔 제한 부재에 의해 검출되고, 그 전류량이 제2 측정 수단에 의해 측정된다. 따라서, 제2 측정 수단의 측정값은, 실제로 반도체 기판에 조사되는 전자빔의 조사량과 밀접한 상관 관계를 가지고, 이 제2 측정 수단의 측정값으로부터 실제 전자빔의 조사량을 알 수 있게 된다. 따라서, 실제로 반도체 기판에 조사되는 전자빔에 영향을 주지 않고, 기판 전류를 측정중에 전자빔의 조사량을 실시간으로 파악할 수 있게 되고, 기판 전류를 측정중에 전자빔의 조사량이 변동되어도, 기판 전류를 양호한 정밀도로 정규화할 수 있게 된다.

본 발명은, 반도체 기판에 전자빔을 조사하고, 상기 전자빔에 의해 상기 반도체 기판에 유도된 기판 전류를 측정하고, 상기 기판 전류를 상기 전자빔의 조사량으로 규격화한 값을 출력하도록 구성된 반도체 분석 장치로서, 상기 반도체 기판을 지지하는 반도체 기판 지지 수단과; 전자를 방출하는 전자빔원과; 상기 전자빔원으로부터 방출된 전자류의 일부를 선택적으로 통과시키기 위한 관통구멍을 가지고, 상기 전자류의 통과를 제한하여 상기 반도체 기판에 조사되는 전자빔을 형성하는 전자빔 제한 부재와; 상기 전자빔을 순간적으로 편향시키기 위한 전자빔 편향 수단과; 상기 전자빔 편향 수단에 의해 편향된 전자빔을 검출하기 위한 전자빔 검출기와; 상기 반도체 기판에 유도된 기판 전류를 측정하는 제1 측정 수단과; 상기 전자빔 검출기로 검출된 전자빔의 조사량을 측정하는 제2 측정 수단을 구비한 반도체 분석 장치의 구성을 가진다.

이 구성에 의하면, 전자빔 제한 부재의 관통구멍을 통과한 전자빔의 조사 방향을 전자빔 편향 수단에 의해 패러데이 컵으로 향하도록 할 수 있다. 따라서, 기계적으로 반도체 기판을 이동시키지 않고, 실제로 반도체 기판에 조사되는 전자빔의 조사량을 측정할 수 있게 된다. 따라서, 측정 작업을 신속히 행할 수 있게 되고, 측정 작업의 스루풋을 향상시킬 수 있다.

본 발명은, 반도체 기판에 전자빔을 조사하고, 상기 전자빔에 의해 상기 반도체 기판에 유도된 기판 전류를 측정하고, 상기 기판 전류를 상기 전자빔의 조사량으로 규격화한 값을 출력하도록 구성된 반도체 분석 장치로서, 상기 반도체 기판을 지지하는 반도체 기판 지지 수단과; 전자를 방출하는 전자빔원과; 상기 전자빔원으로부터 방출된 전자류의 일부를 선택적으로 통과시키기 위한 관통구멍을 가지고, 상기 전자류의 통과를 제한하여 상기 반도체 기판에 조사되는 전자빔을 형성하는 전자빔 제한 부재와; 상기 전자빔 제한 부재와 전기적으로 절연되고, 상기 관통구멍과 상기 관통구멍을 둘러싸는 상기 전자빔 제한 부재 상의 소정 영역을 제외하고, 상기 전자빔원으로부터 방출된 상기 전자류를 차폐하는 차폐 부재와; 상기 전자빔을 순간적으로 편향시키기 위한 전자빔 편향 수단과; 상기 전자빔 편향 수단에 의해 편향된 전자빔을 검출하기 위한 전자빔 검출기와; 상기 반도체 기판에 유도된 기판 전류를 측정하는 제1 측정 수단과; 상기 전자빔 제한 부재에 유도된 전류를 측정하는 제2 측정 수단과; 상기 전자빔 검출기로 검출된 전자빔의 조사량을 측정하는 제3 측정 수단을 구비한 반도체 분석 장치의 구성을 가진다.

이 구성에 의하면, 실제로 반도체 기판에 조사되는 전자빔에 영향을 미치지 않고, 기판 전류를 측정중에 전자빔의 조사량을 실시간으로 취득할 수 있고, 이 전자빔의 조사량을 사용하여 기판 전류의 정규화를 양호한 정밀도로 행할 수 있게 된다. 또한, 기계적으로 반도체 기판을 이동시키지 않고, 전자빔 편향 수단에 의해 전자빔의 조사 방향을 패러데이 컵으로 향하도록 함으로써, 그 조사량을 측정할 수 있게 된다. 따라서, 전자빔 제한 부재에 의해 검출된 전자빔의 전류량을, 반도체 기판에 조사되는 전자빔의 조사량으로 환산하기 위한 환산식을 실시간으로 갱신할 수 있게 되고, 한층 양호한 정밀도로 기판 전류를 정규화할 수 있게 된다.

본 발명에 의하면, 측정 수단을 공용하여 기판 전류와 전자빔량의 양쪽을 측정하도록 했으므로, 측정계의 특성의 차이에 영향을 받지 않고, 기판 전류의 측정값을 전자빔의 조사량으로 정규화할 수 있게 된다. 따라서, 정규화된 기판 전류값의 정밀도를 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명에 의하면, 실제로 반도체 기판에 조사되는 전자빔 근방의 전자류를 전자빔 제한 수단(조리개)을 통하여 검출하도록 했으므로, 기판 전류를 측정중에 실시간으로 실제 전자빔의 조사량을 알 수 있다. 따라서, 전자빔의 조사량의 변동에 의해 기판 전류가 변동되어도, 이 기판 전류의 변동을 가져온 전자빔의 조사량을 사용하여 상기 기판 전류의 측정값이 정규화되므로, 결과적으로 기판 전류의 측정값에는 전자빔의 변동의 영향이 나타나지 않고, 양호한 정밀도로 기판 전류를 정규화할 수 있게 된다. 또한, 장시간에 걸친 기판 전류의 측정 작업에서도, 전자빔의 변동을 의식하지 않고 기판 전류를 측정할 수 있게 된다. 따라서, 전자빔의 조사량의 관리 조정 작업 등이 불필요하게 되므로, 장치의 실효(實效) 가동률을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 기판 전류를 측정중에 전자빔의 조사량을 실시간으로 측정할 수 있으므로, 전자빔원의 돌발적인 전류 증감 현상이 발생해도, 이 현상에 기인하는 전자빔의 조사량의 변동을 즉시 검출할 수 있게 된다. 따라서, 전술한 현상에 의한 노이즈의 영향을 받지 않고, 안정적이며 정밀도가 높은 측정이 가능해진다.

본 발명에 의하면, 전자빔을 순간적으로 편향시켜서 전자빔의 조사량을 측정하도록 했으므로, 전자빔의 조사량을 측정할 때, 전자빔의 조사 위치를 기계적으로 이동시킬 필요가 없게 된다. 따라서, 전자빔의 조사량의 측정 시간을 대폭 단축할 수 있다.

도 1은 반도체 분석 장치의 기본적인 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 분석 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다

도 3A는 본 발명의 제1 실시예에 따른 분석 장치의 동작(제1 동작예)을 설명 하기 위한 도면이다.

도 3B는 본 발명의 제1 실시예에 따른 분석 장치의 동작(제2 동작예)을 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 분석 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다

도 5A는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 분석 장치의 주요부인 조리개(전자빔 제한 수단)의 제1 구성예를 설명하기 위한 도면이다.

도 5B는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 분석 장치의 주요부인 조리개(전자빔 제한 수단)의 제2 구성예를 설명하기 위한 도면이다.

도 5C는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 분석 장치의 주요부인 조리개(전자빔 제한 수단)의 제3 구성예를 설명하기 위한 도면이다.

도 5D 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 분석 장치의 주요부인 조리개(전자빔 제한 수단)의 제4 구성예를 설명하기 위한 도면이다.

도 5E는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 분석 장치의 주요부인 조리개(전자빔 제한 수단)의 제5 구성예를 설명하기 위한 도면이다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 분석 장치의 교정 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 분석 장치의 교정 방법에 의해 얻어지는 패러데이 컵 전류와 조리개 전류와의 대응 관계를 나타낸 특성도이다.

도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 반도체 분석 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다

도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 반도체 분석 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다

도 10은 종래의 반도체 분석 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

[부호의 설명]

1: 전자빔원 2: 컨덴서 렌즈

3: 대물 렌즈 4: 반도체 기판(샘플)

5: 트레이 6: XY 스테이지

7: 진공 챔버 8: 패러데이 컵

9: 고압 전원 10: 조리개

11: 전자총 12: 2차 전자 검출기

13: 전자빔

본 발명의 실시예를 설명하기 전에, 본 발명에 의한 반도체 분석 장치가 전제로 하는 동작 원리를 설명한다. 이 동작 원리는, 후술하는 각 실시예의 반도체 분석 장치에 공통되어 있다.

도 1은, 본 발명의 반도체 분석 장치가 전제로 하는 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 1에서, 「입력」은, 분석 대상물인 반도체 기판에 조사되는 전자빔량이며, 「출력」은, 반도체 기판에 조사된 전자빔에 의해 반도체 기판에 유도되는 기판 전류량이다.

반도체 기판에 일정한 전자빔을 「입력」으로 하여 조사하면, 반도체 기판에 기판 전류가 유도된다. 이 기판 전류의 양은 반도체 기판에 도달하는 전자빔의 양에 의존하고, 이 반도체 기판에 도달하는 전자빔의 양은, 상기 전자빔의 조사 위치에서의 반도체 기판 상의 미세 구조의 형성 상태에 따르게 된다. 예를 들면, 미세 구조를 이루는 폴리실리콘의 막 두께가 큰 부위에서는 전자빔의 통과량이 감소하므로, 기판에 도달하는 전자빔의 양이 적어지고, 그 결과 이 전자빔에 의해 유도되는 기판 전류가 적어진다. 이에 비해, 미세 구조의 막 두께가 작은 부위에서는, 전자빔의 통과량이 증가하므로, 기판에 도달하는 전자빔의 양이 많아지고, 그 결과 이 전자빔에 의해 유도되는 기판 전류가 많아진다.

이와 같이, 반도체 기판에 도달한 전자빔은 상기 「출력」으로서 기판 전류를 유도하지만, 이 기판 전류량은, 반도체 기판에 도달한 전자빔량에 따르게 되고, 반도체 기판에 도달하는 전자빔량은 반도체 기판 상의 미세 구조의 영향을 받는다. 따라서, 반도체 기판에 도달한 전자빔에 의해 유도되는 기판 전류량에는 미세 구조의 형성 상태가 반영되고, 이 기판 전류로부터 반도체 기판 상에 형성된 미세 구조의 형성 상태를 알 수 있게 된다.

또한, 전술한 바와 같이, 반도체 기판에 조사되는 전자빔량은, 전류로 환산하면, 약 10pA의 극히 미약한 전류량에 해당하고, 환경 변화의 영향을 받아 쉽게 변동된다. 그러므로, 측정된 기판 전류값 그 자체를 최종적인 측정값으로서 출력하는 것이 아니라, 도 1에 나타낸 바와 같이, 「입력」인 전자빔의 조사량에 대한 「출력」인 기판 전류량의 비율(단위 전자빔량을 조사할 때의 기판 전류량), 즉 전 자빔을 조사했을 때 측정되는 기판 전류량을 전자빔의 조사량으로 규격화한 값을 최종적인 측정값으로서 출력한다.

전술한 바와 같이 정규화한 값을 최종적인 측정값으로서 출력함으로써, 전자빔의 조사량의 변동에 영향을 받지 않고, 반도체 기판 상의 미세 구조를 양호한 정밀도로 분석할 수 있게 된다. 왜냐하면, 전자빔의 조사량이 변동하면, 이 전자빔의 조사에 의해 유도되는 기판 전류량도 마찬가지로 변동하고, 그 결과 정규화된 값에는 전자빔의 변동이 나타나지 않기 때문이다.

이와 같이, 본 발명에 따른 반도체 분석 장치는, 반도체 기판에 전자빔을 조사하고, 상기 전자빔에 의해 상기 반도체 기판에 유도된 기판 전류를 측정하고, 상기 기판 전류를 상기 전자빔의 조사량으로 규격화한 값을 출력하도록 구성되어 있다. 이상으로, 본 발명의 반도체 분석 장치가 전제로 하는 동작 원리를 설명하였다.

다음에, 본 발명에 의한 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

그리고, 각 실시예에서 공통되는 요소에는 동일 부호를 부여한다.

[제1 실시예]

도 2에, 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 분석 장치의 구성을 나타낸다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 반도체 분석 장치는, 분석 대상물인 반도체 기판(4)을 수용하는 진공 챔버(7)와, 진공 챔버(7)의 상부에 배치된 전자총(11)과, 진공 챔버(7)의 내부에 배치된 트레이(5) 및 XY 스테이지(6)와, 트레이(5)의 단부에 설치된 패러데이 컵(8)과, 트레이(5) 및 패러데이 컵(8)의 양쪽에 전기적으로 접속된 전류계 A로 구성된다.

트레이(5)에는 반도체 기판(4)이 탑재되고, 이 반도체 기판(4)의 표면에 전자총(11)으로부터 전자빔(13)이 조사되도록, 트레이(5)와 전자총(11)의 위치 관계가 설정되어 있다. 또한, 트레이(5)는 XY 스테이지(6) 상에 장착되어 있고, XY 스테이지(6)에 의해 트레이(5)의 위치를 이동시킴으로써, 반도체 기판(4)에 대한 전자빔(13)의 조사 위치를 조정할 수 있도록 되어 있다. 또한, 이 XY 스테이지(6)에 의해 트레이(5)의 위치를 이동시킴으로써, 전자빔(13)의 조사 위치를 패러데이 컵(8)에 맞출 수 있도록 되어 있다.

또한, 전자총(11)은 전자빔원(1)을 구비하고, 전자빔원(1)에는 고압 전원(9)이 접속되어 있다. 또한, 전자총(11)에는, 전자빔원(1)으로부터의 전자류의 방출 방향을 따라 컨덴서 렌즈(2), 조리개(10), 대물 렌즈(3)가 이 순서로 배치되어 있다. 또한, 본 발명의 반도체 분석 장치는, 도시하지 않지만, 전류계 A로 측정된 전류값을 디지털 신호로 A/D 변환하는 A/D 변환기와, A/D 변환된 디지털 신호를 연산 처리하기 위한 컴퓨터를 구비하고 있다. 이 컴퓨터는, 본 장치의 각 부의 동작을 제어하기 위한 처리도 실행한다.

청구항과의 대응 관계를 보충 설명하면, 트레이(5) 및 XY 스테이지(6)는, 반도체 기판(4)을 지지하는 반도체 기판 지지 수단을 구성하고, 전자총(11)은, 전자빔을 발생하는 전자빔 발생 수단을 구성하고, 패러데이 컵(8)은, 전자빔을 검출하기 위한 전자빔 검출기를 구성하고, 전류계 A는, 반도체 기판(4)에 유도된 기판 전류와 전자빔 검출기에 의해 검출된 전자빔의 조사량을 측정하기 위해 공용되는 측 정 수단을 구성한다.

다음에, 본 발명의 반도체 분석 장치의 동작을 설명한다.

개략적으로는, 본 발명의 반도체 분석 장치는, 반도체 기판(4)에 전자빔(13)을 조사함으로써 반도체 기판(4)에 유도된 기판 전류를 전류계 A로 측정하고, 패러데이 컵(8)에 전자빔(13)을 조사함으로써 패러데이 컵(8)에서 검출된 전류량(즉, 전자빔의 조사량에 해당하는 전류량)을 동일하게 전류계 A로 측정한다. 즉, 전류계 A는, 반도체 기판(4)에 유도된 기판 전류의 측정과, 패러데이 컵(8)에 의해 검출된 전자빔의 조사량의 측정에 공용된다. 그리고, 기판 전류의 측정값을 전자빔의 조사량의 측정값으로 규격화한 값을 최종적인 측정값으로서 출력한다.

이어서, 본 발명에 의한 반도체 분석 장치의 동작을 상세하게 설명한다.

반도체 기판(4)이 신규로 진공 챔버(7) 내의 트레이(5) 상에 탑재되면, 본 장치의 컴퓨터의 제어하에, XY 스테이지(6)를 이동시켜, 전자총(11)의 바로 아래에 패러데이 컵(8)을 위치시킨다. 그 상태에서, 전자총(11)으로부터 전자빔(13)을 패러데이 컵(8)에 조사하고, 패러데이 컵(8)의 SEM 상을 취득한다. 그리고, 취득한 패러데이 컵(8)의 SEM 상을, 미리 등록되어 있는 패턴 매칭용의 템플레이트와 비교함으로써, 패러데이 컵(8)의 중심에 전자빔(13)이 조사되도록 패러데이 컵(8)의 위치 결정을 행한다.

패러데이 컵(8)의 위치 결정이 완료되면, 실제로 반도체 기판(4)에 조사할 때와 같은 양만큼 패러데이 컵(8)에 전자빔(13)을 조사하고, 패러데이 컵(8)에 접속된 전류계 A로 그 전자빔의 조사량을 측정한다.

전술한 전자빔 조사량의 측정이 종료하면, 이어서, 반도체 기판(4)의 분석 동작, 즉 기판 전류의 측정이 행해진다. 구체적으로는, 컴퓨터의 제어하에, 반도체 기판(4)에 전자빔(13)이 조사되도록 XY 스테이지(6)의 위치를 조정함으로써, 반도체 기판(4)의 위치 결정을 행한다. 그리고, 반도체 기판(4) 상의 측정점(분석 대상의 미세 구조)에 전자빔(13)을 조사하고, 그 전자빔(13)의 조사에 의해 반도체 기판(4)에 유도되는 기판 전류를, 트레이(5)를 통하여 전류계 A에 의해 측정한다.

이와 같이, 트레이(5)를 통하여 측정된 기판 전류와, 패러데이 컵(8)을 통하여 측정된 전자빔의 조사량의 2종류의 측정값은, 단일 전류계 A에 의해 측정되어 이들 2종류의 측정값은 A/D 변환기(도시하지 않음)에 의해 디지털 신호로 변환된 후, 컴퓨터에 받아들여진다. 컴퓨터에 받아들여진 상기 2종류의 측정값은 컴퓨터 내의 기억 장치에 보존된다.

다음에, 컴퓨터는, 그 기억 장치에 보존된 상기 2종류의 전류 측정값(기판 전류의 측정값과 전자빔의 조사량의 측정값)을 판독하고, 기판 전류의 측정값을 전자빔의 조사량의 측정값으로 규격화한 값을 최종적인 측정값으로서 출력한다. 구체적으로는, 기판 전류의 측정 동작에서 측정된 기판 전류의 측정값을, 전자빔의 조사량의 측정 동작에서 측정된 전자빔의 조사량으로 규격화(나눗셈)하고, 이 규격화된 값을 최종적인 측정값으로서 출력한다.

이와 같이 측정된 기판 전류값을 전자빔량으로 규격화함으로써, 전자빔의 조사량이 변동되는 것에 의한 기판 전류의 측정값으로의 영향을 배제할 수 있다.

전술한 설명에서는, 기판 전류의 측정과 전자빔의 조사량의 측정 횟수는 각 각 1회로 하였으나, 각종 기판 전류의 측정 순서와 전자빔의 조사량의 측정 순서를 조합시켜도 된다.

도 3A 및 도 3B를 참조하여, 기판 전류와 전자빔의 조사량의 각 측정 순서의 편성예를 차례로 설명한다.

먼저, 도 3A의 예에서는, 본 발명의 반도체 분석 장치는, 새로운 1개의 반도체 기판(4)의 분석 동작 전후에, 패러데이 컵(8)을 사용하여 전자총(11)으로부터 조사되는 전자빔(13)의 조사량을 측정한다. 즉, 새로운 1개의 반도체 기판(4)의 복수개의 측정점에서의 기판 전류의 측정 동작 전후에, 패러데이 컵(8)을 사용하여 전자총(11)으로부터 조사되는 전자빔(13)의 조사량을 측정한다. 그리고, 각 측정점에서 측정된 기판 전류값을 규격화하기 위해 사용되는 전자빔의 조사량으로서, 기판 전류의 측정 동작 전후에 행해진 2회의 전자빔의 조사량의 평균값을 사용한다.

구체적으로 설명하면, 도 3A의 흐름에서, 본 발명의 반도체 분석 장치에 반도체 기판(4)이 로드되면(단계 SA1), 패러데이 컵(8)에 의한 1회째의 전자빔의 조사량의 측정이 실시되고, 그 측정값이 기억 장치에 보존된다(단계 SA2). 이어서, 전자빔이 반도체 기판(4)의 최초의 측정점에 조사되어 1회째의 기판 전류의 측정이 행해지고, 그 측정값이 기억 장치에 보존된다(단계 SA3). 이어서, 전자빔이 반도체 기판(4)의 2번째의 측정점에 조사되어 2회째의 기판 전류의 측정이 행해지고, 그 측정값이 기억 장치에 보존된다(스텝 SA4). 그 후, 다시, 패러데이 컵(8)에 의한 2회째의 전자빔의 조사량의 측정이 실시되어 그 측정값이 기억 장치에 보존되 고(단계 SA5), 반도체 기판(4)이 언로드된다(단계 SA6). 전술한 바에 의해, 1회째와 2회째의 전자빔의 조사량의 측정 동작에서의 측정값(전자빔의 조사량의 측정값)과, 1회째와 2회째의 기판 전류의 측정 동작에서의 측정값(기판 전류의 측정값)의 조(組)를 얻을 수 있다.

이어서, 기판 전류의 측정 동작 전에 행해진 1회째의 전자빔 조사량의 측정 동작으로 얻어진 전자빔 조사량의 측정값과, 기판 전류의 측정 동작 후에 행해진 2회째의 전자빔 조사량의 측정 동작으로 얻어진 전자빔 조사량의 측정값의 평균값을 구한다. 그리고, 전술한 각 측정점에서의 기판 전류의 측정값을 상기 전자빔 조사량의 평균값으로 규격화(구체적으로는 나눗셈)하고, 이 규격화된 각 측정점에서의 기판 전류값을 최종적인 측정값으로서 출력한다.

이와 같이 각 측정점에서 측정된 기판 전류값을 전자빔 조사량의 평균값으로 규격화함으로써, 기판 전류의 측정 동작 전후에서 전자빔 조사량이 변동되어도, 그 변동이, 규격화된 기판 전류값에게 미치는 영향을 작게 억제할 수 있게 되고, 전자빔 조사량의 변동에 대하여, 규격화된 기판 전류값을 안정화시킬 수 있다.

그리고, 전술한 도 3A에 나타낸 예에서는, 기판 전류의 측정점을 2개소로 하였으나, 측정점의 개수는 임의로 정할 수 있다.

도 3B에 나타낸 예에서는, 전자빔 조사량의 측정 동작과 기판 전류의 측정 동작을 교대로 행하고, 임의의 측정점에서의 기판 전류값을 규격화하기 위해 사용되는 전자빔량으로서 그 측정점의 직전과 직후에 측정된 각 전자빔량의 평균값을 채용한다.

구체적으로 설명하면, 도 3B의 흐름에서, 본 발명의 반도체 분석 장치에 반도체 기판(4)이 로드되면(단계 SB1), 패러데이 컵(8)에 의한 1회째의 전자빔의 조사량의 측정이 실시되고, 그 측정값이 기억 장치에 보존된다(단계 SB2). 이어서, 전자빔이 반도체 기판(4)의 최초의 측정점에 조사되어 1회째의 기판 전류의 측정이 행해지고, 그 측정값이 기억 장치에 보존된다(단계 SB3). 이어서, 패러데이 컵(8)에 의한 2회째의 전자빔의 조사량의 측정이 실시되고, 그 측정값이 기억 장치에 보존된다(단계 SB4).

이어서, 전자빔이 반도체 기판(4)의 2번째의 측정점에 조사되어 2회째의 기판 전류의 측정이 행해지고, 그 측정값이 기억 장치에 보존된다(단계 SB4). 그 후, 도시하지 않지만, 패러데이 컵(8)에 의한 3회째의 전자빔의 조사량의 측정이 실시되고, 패러데이 컵(8)에 의한 측정과 기판 전류의 측정이 교대로 행해진다. 그리고, 최후의 측정점에 대하여 기판 전류의 측정을 한 후, 패러데이 컵(8)에 의한 전자빔의 조사량의 측정이 행해지고, 반도체 기판(4)이 언로드된다.

전술한 측정 동작에 의해 얻어진 기판 전류의 측정값과 전자빔의 조사량의 측정값이 컴퓨터로 연산 처리되어, 각 측정점의 기판 전류를 전자빔의 조사량으로 규격화한 값이 최종적으로 출력된다. 예를 들면, 1회째의 기판 전류의 측정에 의해 얻어진 기판 전류의 규격화에는, 패러데이 컵(8)에 의한 1회째와 2회째의 각 측정값의 평균값이 사용된다. 또한, 2회째의 기판 전류의 측정에 의해 얻어진 기판 전류의 규격화에는, 패러데이 컵(8)에 의한 2회째와 3회째의 각 측정값의 평균값이 사용된다. 마찬가지로, 각 측정점에서의 기판 전류의 규격화에는, 그 직전과 직후 에 패러데이 컵(8)에 의해 측정된 전자빔의 조사량의 평균값이 사용된다.

이 예에 따르면, 도 3A에 나타낸 예와 비교하여, 전자빔 조사량의 변동이, 규격화된 기판 전류값에 미치는 영향을 더 한층 작게 억제할 수 있게 된다.

[제2 실시예]

도 4에, 본 발명에 의한 제2 실시예에 따른 반도체 분석 장치의 구성을 나타낸다.

본 발명의 반도체 분석 장치는, 반도체 기판(4)에 전자빔을 조사하고, 이 전자빔에 의해 반도체 기판(4)에 유도된 기판 전류를 측정하고, 이 기판 전류를 전자빔의 조사량으로 규격화한 값을 측정값으로서 출력하도록 구성되며, 열전계 방출기(41), 서프레서 전극(42, suppressor electrode), 인출 전극(43), 쉐이드(44, shade), 조리개(45), 대물 렌즈(46), 전류계 A1 및 전류계 A2를 구비한다. 전자빔 방출 소자(41)에는, 각종 구동 전원 Vex, Vf, Vb가 접속되어 있다.

청구항과의 대응 관계를 보충 설명하면, 트레이(5)는 반도체 기판 지지 수단을 구성하고, 열전계 방출기(41)는 전자빔 발생원을 구성한다. 조리개(45)는 전자빔 제한 부재를 구성하고, 쉐이드(44)는 차폐 부재를 구성하고, 전류계 A2는 제1 측정 수단을 구성하고, 전류계 A1은 제2 측정 수단을 구성한다. 도 4에는 나타나 있지는 않지만, 본 실시예에서도, 전술한 제1 실시예와 마찬가지로, 반도체 기판(4)은 트레이(5)에 탑재되어 있고, 이 트레이(5)는 도 2에 나타낸 바와 같은 XY 스테이지(6)에 장착되어 있다.

여기서, 열전계 방출기(41)로부터 방출되는 전자의 양은, 환경 변화의 영향 을 받기 쉽고, 불안정하다. 예를 들면, 쇼트키 노이즈(Schottky noise)로 불리우는 돌발적이며 매우 고속의 전류 변동이 생기는 경우가 있다. 또한, 열전계 방출기(41)는, 선단이 예리한 텅스텐 전극 등의 표면에 ZrO 등의 재료를 부착시킨 것으로 만들어져 있다. 전극의 선단 형상이나 표면 상태, 또는 ZrO의 부착의 정도, 또한 이미터 자체의 온도는 용이하게 변화되므로, 전자빔 조사량은 항상 변화하고 있다. 따라서, 전술한 제1 실시예와 같이 전자빔의 조사량의 평균값으로 규격화해도, 전자빔의 조사량이 돌발적으로 변동한 경우에는, 측정값에 오차가 생기는 경우가 있다. 따라서, 전자빔의 조사량이 돌발적인 변동에 대응하기 위해서는, 전자빔 조사량을 실시간으로 측정할 필요가 있다. 그래서, 본 실시예에서는, 전자빔 조사량을 실시간으로 측정하는 장치를 제안하고, 조리개를 포함하는 그 주변의 구성에 특징을 가지고 있다.

이하에서는, 조리개를 포함하는 그 주변의 구성에 착안하여 설명한다.

도 4에서, 열전계 방출기(41)로부터 방출된 전자류는, 다양한 방향으로 다양한 에너지로 방출되며, 대략 원추형으로 분포한다. 이 열전계 방출기(41)로부터 방출된 전자류에는, 다양한 에너지량을 가지는 전자가 혼재하고 있으므로, 이대로 두면, 전자빔으로서의 수속성(收束性)이 저하되어, 높은 해상도를 얻을 수 없다.

그래서, 중심에 수십 미크론의 관통구멍(45A)이 형성된 조리개(45)에 의해, 열전계 방출기(41)로부터 원추형으로 방출된 전자류 중, 에너지가 고르게 된 중심 부분이 선택적으로 내보내져서 전자빔(13)으로서 사용된다. 열전계 방출기(41)로부터 방출된 전자 중, 실제로 전자빔(13)으로서 내보내지는 전자의 양은, 열전계 방출기(41)로부터 방출된 모든 전자량의 100만 분의 1 이하이다. 예를 들면, 열전계 방출기(41)로부터 방출되는 모든 전자량은 약 100㎂이며, 실제로 전자빔으로서 반도체 기판에 조사되는 전자량은 약 10pA 이하이다. 이와 같이 미소한 관통구멍(45A)을 가지는 조리개(45)를 사용하여 공간적으로 같은 장소로부터 방출된 전자빔을 선택적으로 추출함으로써, 전자빔 중의 전자 에너지를 고르게 함으로써, 전자빔의 수속성과 분해능을 향상시키고 있다.

전술한 바와 같이, 실제로 반도체 기판에 조사되는 전자빔량은, 열전계 방출기(41)로부터 방출된 모든 전자 중, 조리개(45)의 관통구멍(45A)을 통과한 근소한 전자량에 해당하고, 이 전자빔량의 변동이 기판 전류의 측정값에 영향을 미친다. 따라서, 전술한 제1 실시예에서 설명한 바와 같이, 기판 전류의 측정값을 정규화하기 위해 사용되는 전자빔의 조사량을 결정하기 위해서는, 조리개(45)를 통과하여 실제로 반도체 기판(4)에 조사되는 전자빔량을 측정하는 것이 바람직하다.

그러나, 전술한 제1 실시예에 따르면, 기판 전류를 측정중에 전자빔 조사량을 측정할 수는 없고, 반도체 기판(4)의 기판 전류를 실시간으로 측정할 수는 없다. 그래서, 본 실시예에서는, 반도체 기판(4)에 실제로 조사되는 전자빔(13)의 주변 근방의 전자빔으로서 조리개(45)에 의해 차단된 전자빔을 검출하고, 그 전류값을 측정함으로써, 실제로 반도체 기판(4)에 조사되는 전자빔량을 간접적으로 파악한다.

본 실시예에서는, 반도체 기판(4)에 조사되는 전자빔의 주변 근방의 전자빔량을 검출하기 위하여, 조리개(45)의 관통구멍(45A)보다 약간 큰 소정의 구멍 직경 을 가지는 쉐이드(44)를, 절연체를 통하여 조리개(45)의 일면(열전계 방출기(41)를 바라보는 면)에 장착한다. 그리고, 조리개(45)에 전류계 A1을 접속하고, 쉐이드(44)는 접지된다.

도 5에, 조리개(45) 주변의 상세한 구성을 나타낸다.

도 5에서, 관통구멍을 가지는 원판형의 지지체(47) 상에 조리개(45)가 형성되어 있고, 조리개(45)의 중심부에는, 지지체(47)의 상기 관통구멍보다 작은, 예를 들면, 10㎛ 내지 30㎛ 정도의 관통구멍(45A)이 형성되어 있다. 이 관통구멍(45A)은, 전자빔원의 열전계 방출기(41)로부터 방출된 모든 전자류의 일부를 선택적으로 통과시키기 위한 것이며, 이 조리개(45)에 의해, 상기 전자류의 통과를 제한하여 전자빔(13)을 형성하고 있다.

조리개(45)에는 전류계 A1이 접속되어 있고, 상기 전자류에 의해 조리개(45)에 유도된 전류량을 측정할 수 있도록 되어 있다. 조리개(45)의 외주측의 지지체(47) 상에는, 관통구멍(45A)보다 큰 관통구멍을 가지는 쉐이드(44)가 절연체(46)를 통하여 형성되어 있고, 이 쉐이드(44)에 의해, 조리개(45)의 관통구멍(45A)과, 관통구멍(45A)을 둘러싸는 조리개(45) 상의 소정 영역을 제외하고, 열전계 방출기(41)로부터 방출된 전자류를 차폐하도록 되어 있다. 이 쉐이드(44)는, 접지되어 있고, 조리개(45)에 대해서는 전기적으로 절연되어 있다. 지지체(47)의 관통구멍과 조리개(45)의 관통구멍(45A)과 쉐이드(44)의 관통구멍의 중심은 거의 일치하고 있고, 조리개(45)의 관통구멍(45A)의 구멍 직경에 따라서, 전술한 열전계 방출기(41)로부터 방출된 전자의 통과량이 제한되도록 되어 있다.

이와 같이 절연체(46)를 통하여 쉐이드(44)를 설치함으로써, 조리개(45)의 관통구멍(45A)으로부터 비교적 이격된 영역의 전자는 쉐이드(44)에 의해 차폐되고, 관통구멍(45A)의 근방에 위치하는 조리개(45) 상의 소정 영역(이 예에서는, 조리개(45)의 표면)에 조사되는 전자빔량이 조리개(45)를 통하여 전류계 A1에 의해 측정된다. 또한, 쉐이드(44)에 의해 차폐된 전자가 쉐이드(44)에 축적되면, 이 전자에 의해 형성되는 전계가 전자빔의 궤도에 영향을 미칠 우려가 있지만, 쉐이드(44)는 접지되어 있으므로, 쉐이드(44)에는 전자가 축적되지 않고, 이와 같은 전자에 의한 영향은 방지된다.

전술한 전류계 A1에 의해 측정되는 전류량은, 반도체 기판(4)에 조사되는 전자빔(13)에 의한 전류량이 아니고, 그 주변 근방의 전자빔에 의한 전류량이므로, 전류계 A1의 측정값은, 직접적으로는 전자빔(13)의 조사량을 나타내고 있지 않다. 그러나, 조리개(45)의 관통구멍(45A)을 통과하는 전자빔(13)과, 그것을 둘러싸는 주변 근방의 조리개(45) 상에 조사되는 전자빔은, 공간적인 위치가 극히 접근하고 있으므로, 이들 전자빔의 특성(에너지, 위상 등)은 극히 근사하다. 따라서, 예를 들면, 관통구멍(45A)의 면적과 조리개(45)의 표면적(전자류가 조사되는 면적)과의 관계에 기초하여, 전류계 A1의 측정값으로부터 전자빔(13)의 조사량을 추정할 수도 있다.

따라서, 본 실시예에 의하면, 실제로 반도체 기판(4)에 조사되는 전자빔(13)과 극히 특성이 근사한 주변 근방의 전자빔을 검출하므로, 실제로 반도체 기판(4)에 조사되는 전자빔(13)의 조사를 방해하지 않고, 기판 전류를 측정중에 실시간으 로 전자빔(13)의 조사량을 파악할 수 있게 된다.

전술한 쉐이드(44)의 관통구멍은 조리개(45)의 관통구멍(45A)의 면적의 2배 내지 10배 정도의 크기가 바람직하다. 쉐이드(44)의 관통구멍의 면적은, 쉐이드(44)에 조사되는 전자빔량에 직접적인 영향을 미치므로, 쉐이드(44)의 관통구멍을 정확하게 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 쉐이드(44)의 재료로서는, 2차 전자 방출비가 1에 가까운 재료(즉, 전하가 쉽게 축적할 수 없는 재료)인 실리콘 등을 도핑하여 이용하는 것이 바람직하다.

조리개(45)는 도전성 재료로 구성되며, 특히 전자빔을 조사했을 때, 전자빔을 효율적으로 전류로 변환하는 재료가 바람직하다. 재료의 종류에 따라서는, 전자빔을 조사해도 2차 전자를 같은 양만 방출하고, 전자빔이 효율적으로 전류로 변환되지 않는 경우가 있다. 그래서, 본 실시예에서는, 조리개(45)의 재료로서, 예를 들면, 텅스텐, 동, 알루미늄을 사용한다. 조리개(45)의 표면(전자빔의 조사면)에 가늘고 깊은 홈이나 구멍을 형성함으로써, 조리개(45)에 흡수되는 전자량을 증가시키도록 해도 된다.

반대로, 조리개(45)의 재료로서, 조사된 전자빔량보다 많은 2차 전자를 방출하는 재료(전자 증배 효과를 가지는 재료)를 사용해도, 마찬가지로, 전자빔(13)의 주변 근방의 전자빔을 양호한 감도로 검출할 수 있다. 이와 같은 재료로서는 금속 산화물이나 도전성 세라믹 등을 들 수 있다. 조리개(45) 및 쉐이드(44)는, 사용 시에 100℃ 이상으로 가열되는 경우가 있으므로, 가열에 견딜 수 있는 재료로 구성된다.

다음에, 도 5B를 참조하여, 조리개 주변의 제2 구성예를 설명한다.

도 5B에 나타낸 예는, 전술한 도 5A의 구성에서, 쉐이드(44) 및 조리개(45)를 패러데이 컵형으로 형성한 것이다. 즉, 쉐이드(44)의 내주 에지와 외주 에지를 따라 각각 벽부(44B)를 형성하고 있다. 이와 같이 벽부(44B)를 형성함으로써, 쉐이드(44)에 부딪힌 전자빔의 주변으로의 비산을 방지하고, 조리개(45)에 조사되는 전자에 미치는 영향을 억제할 수 있다. 마찬가지로, 조리개(45)의 내주 에지를 따라 벽부(45B)를 형성하여, 관통구멍(45A)을 통과하는 전자에 미치는 영향을 방지해도 된다.

도 5C에 조리개 주변의 제3 구성예를 나타낸다.

도 5C에 나타낸 구성예는, 전자빔을 통과시키는 관통구멍(60A)의 중심 영역에 전자빔을 검출하기 위한 영역(전류 측정 영역)을 구비한다. 즉, 이 구성예에서는, 도전성 부재로 이루어지는 지지체(60)가 대략 링형으로 형성되고, 이 지지체(60)에는 전류계 A1이 접속되어 있다. 지지체(60)의 일부분(60B)은 관통구멍(60A)의 중심을 향해 십자형으로 연장되어 있고, 이 십자 부분(60B)의 교차부, 즉 지지체(60)의 관통구멍(60A)의 중심 영역에는, 직경이 수 미크론의 원판형의 전자빔 검출 영역(61)이 설치되어 있다. 전술한 지지체(60)의 십자 부분(60B)은, 전자빔 검출 영역(61)과 지지체(60) 사이의 배선으로서 기능하고, 전자빔 검출 영역(61)에서 변환된 전류는, 십자 부분(60B)을 통하여 지지체(60)에 접속된 전류계 A1으로 측정된다. 지지체(60)의 상부에는, 절연체(62)를 통하여 쉐이드(63)가 형성되어 있고, 이 쉐이드(63)는, 전자빔에 의한 전하가 축적되지 않도록 접지되어 있다.

이 구성예에서는, 지지체(60)의 관통구멍(60A) 중, 전자빔 검출 영역(61)과 십자 부분(60B)을 제외한 영역을 통과하는 전자빔이 반도체 기판에 조사된다. 이와 같은 미세한 조리개의 구조는, 최근의 실리콘 미세 가공(silicon micromachining) 등의 에칭 기술을 사용하여 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 도 5B에 나타낸 예와 같이, 쉐이드(63)를 패러데이 컵형으로 형성해도 된다.

도 5D에, 조리개 주변의 제4 구성예를 나타낸다.

도 5D에 나타낸 구성예는, 전술한 도 5C의 구성에서, 동심원형의 2개의 전자빔 검출 영역(70A) 및 (70B)를 더 구비한다. 이 구성예에 의하면, 전자빔 에너지 분포를 반영시켜서, 보다 양호한 정밀도로 전자빔량을 추정할 수 있게 된다. 즉, 전술한 열전계 방출기(41)로부터 방출되는 전자빔의 에너지는, 그 빔의 중심을 최대값으로 하여 정규 분포가 되고, 같은 성질을 가지고 동심원형으로 분포되어 있다. 따라서, 전자빔의 중심 부분과 그 주변 부분에서는, 엄밀하게는, 에너지 분포가 상이하였다. 도 7에 나타낸 예에서는, 동심원형의 전자빔 검출 영역(70A 및 70B)에 의해 중심 영역의 외측에 위치하는 전자빔도 검출되므로, 검출되는 전자빔의 에너지 분산이 작아지고, 또한 전자빔의 검출량의 절대값을 크게 취할 수 있다. 따라서, 전술한 도 5C에 나타낸 예와 비교하여, 반도체 기판에 조사되는 전자빔량을, 더 한층 양호한 정밀도로 추정할 수 있게 된다.

전자빔 흡수 영역(61, 70A, 70B)은 실리콘 미세가공 등으로 형성하고, 그 표면에는 전자빔 전류 변환 효율이 높은 재료를 피복한다. 전술한 바와 같이, 쉐이 드(63)는, 전자빔의 조사에 의해 전하가 축적되지 않는 재료를 선택하는 것이 바람직하고, 실리콘 등이 바람직하다. 또한, 전자빔 검출 영역(61, 70A, 70B)과 쉐이드(63)는 전기적으로 절연되어 있고, 쉐이드(63)는 접지되어 있다. 또한, 도 5B에 나타낸 예와 같이, 쉐이드(63)를 패러데이 컵형으로 형성해도 된다.

도 5E에 조리개 주변의 제5 구성예를 나타낸다.

도 5E에 나타낸 예는, 전술한 도 5C에 나타낸 구성에서, 방사형의 전자빔 검출 영역(71A∼71F)을 더 구비한다. 이와 같이 전자빔 검출 영역을 방사형으로 형성함으로써, 전술한 전자빔의 에너지 분포를 한층 양호한 정밀도로 반영시켜서 전자빔량을 추정할 수 있게 된다. 이 예에서는, 4개의 전자빔 검출 영역(71A∼71D)을 구비하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 그 개수 및 배치 위치를 적절하게 설정할 수 있다.

전술한 도 4 및 도 5A∼5E에 나타낸 제2 실시예에서는, 전류계 A1에 의해 측정되는 전자빔량은, 실제로 조리개를 통과하여 반도체 기판에 조사되는 전자빔량이 아니라, 조리개(또는 전자빔 검출 영역)에 조사된 전자빔량이다. 따라서, 전류계 A1의 측정값으로부터 실제로 반도체 기판에 조사되는 전자빔량을 알기 위해서는, 미리 전류계(1)의 측정값과 조리개(45)를 통과하는 전자빔량의 대응 관계를 파악하여 두고, 이 소정의 대응 관계에 기초하여 전류계 A1의 측정값을 환산할 필요가 있다.

이하에서는, 도 6을 참조하여, 전류계 A1의 측정값을 반도체 기판(4)에 조사되는 전자빔의 조사량으로 환산하는 방법에 대하여 설명한다. 이 환산을 행하기 위해서는, 조리개(45)에 접속된 전류계(1)의 측정값과 조리개(45)를 통과하는 전자빔량의 대응 관계를 파악할 필요가 있다.

도 6은, 전술한 대응 관계를 구하기 위한 장치 구성을 나타내고 있다. 이 도 6에 나타내는 장치 구성은, 기본적으로는, 도 4에 나타내는 장치 구성과 마찬가지이지만, 조리개(45)를 통과한 전자빔의 조사 위치에 반도체 기판 대신, 전류계 A2에 접속된 패러데이 컵(80)을 배치한 점만이 상이하다.

이하, 도 6에 나타낸 장치 구성을 사용하여 전술한 대응 관계를 구하는 순서를 설명한다.

먼저, 열전계 방출기(41)로부터 방출되는 전자빔의 양을 0부터 서서히 늘려가고, 이 때 패러데이 컵(80)에 조사되는 전자빔의 전류량(이하, 패러데이 컵 전류라고 칭함)을 전류계 A2에 의해 측정하고, 조리개(45)에 조사된 전자빔의 전류량(이하, 조리개 전류량이라 칭함)을 전류계 A1에 의해 측정한다. 이와 같이 하여 얻어진 전류계 A1의 측정값(조리개 전류)과 전류계 A2의 측정값(패러데이 컵 전류)을 플롯하면, 도 7에 나타내는 특성도를 얻을 수 있다. 도 7에서, 가로 축은 조리개 전류(전류계 A1의 측정값)를 나타내고, 세로 축은 패러데이 컵 전류(전류계 A2의 측정값)를 나타낸다.

양 측은 대략 직선 관계를 이루므로, 회귀식을 구하여, 조리개 전류로부터 패러데이 컵 전류로의 환산식을 얻는다. 예를 들면, 「조리개 전류 = 10*패러데이 컵 전류」가 되는 환산식을 얻을 수 있다. 이 환산식을 이용함으로써 전류계 A1의 측정값(조리개 전류)으로부터 반도체 기판에 조사되는 전자빔의 조사량을 추정할 수 있게 된다. 도 7에 나타낸 조리개 전류와 패러데이 컵 전류의 대응 관계는, 전술한 바와 같은 환산식으로서 본 발명의 반도체 분석 장치의 컴퓨터에 기억되어 있고, 컴퓨터는, 조리개 전류의 측정값을 환산하여, 전술한 기판 전류값의 정규화에 사용하는 전자빔의 조사량을 결정한다.

[제3 실시예]

도 8에, 본 발명에 의한 제3 실시예에 따른 반도체 분석 장치의 구성을 나타낸다.

본 발명의 반도체 분석 장치는, 반도체 기판(4)에 전자빔을 조사하고, 상기 전자빔에 의해 상기 반도체 기판에 유도된 기판 전류를 측정하고, 상기 기판 전류를 상기 전자빔의 조사량으로 규격화한 값을 측정값으로서 출력하도록 구성되며, 열전계 방출기(41), 서프레서 전극(42), 인출 전극(43), 조리개(106), 블랭크 전극(106), 블랭킹 제어 장치(107), 패러데이 컵(108), 대물 렌즈(46), 전류계 A2 및 전류계 A3를 포함한다. 전자빔 방출 소자(41)에는, 각종 구동 전원 Vex, Vf, Vb가 접속된다.

여기서, 조리개(105)는, 열전계 방출기(41)로부터 방출된 전자류의 일부를 선택적으로 통과시키기 위한 관통구멍을 가지고, 상기 전자류의 통과를 제한하여 반도체 기판(4)에 조사되는 전자빔을 형성하는 것이다. 이 조리개(105)의 관통구멍의 근방에는 블랭킹 전극(106)이 설치되고, 이 블랭킹 전극(106)에는, 블랭킹 제어 장치(107)가 접속되어 있다. 블랭킹 전극(106)은, 블랭킹 제어 장치(107)의 제어 하에, 조리개(105)를 통과한 전자빔을 순간적으로 편향시키기 위한 것이다. 블 랭킹 전극(106)에 의해 편향된 전자빔의 조사 위치에는, 전류계 A3에 접속된 패러데이 컵(108)이 설치된다. 이 패러데이 컵(108)에 의해, 편향된 상기 전자빔이 검출되도록 되어 있다.

다음에, 본 실시예의 동작을 설명한다.

반도체 기판(4)의 기판 전류를 측정하는 통상적 동작에서는, 블랭킹 전극(106)에 의한 편향은 행해지지 않고, 조리개(105)를 통과한 전자빔은 그대로 반도체 기판(4)에 조사되고, 이 때 발생하는 기판 전류가 전류계 A2에 의해 측정된다.

전자빔의 조사량의 측정 동작에서는, 블랭킹 제어 장치(107)의 제어 하에, 조리개(105)를 통과한 전자빔을 블랭킹 전극(106)에 의해 순간적으로 편향시키고, 이것을 패러데이 컵(108)에 안내한다. 편향된 전자빔의 조사량은 패러데이 컵 A3로 검출되고, 전류계 A3에 의해 측정된다. 즉, 이 예에 따르면, 실제로 반도체 기판(4)에 조사되는 전자빔(13)의 조사량이 직접적으로 측정된다.

통상적으로, 반도체 기판 상의 측정점에서의 기판 전류를 측정하는 시간은 1초 정도이지만, 그 측정 전후 또는 필요에 따라 블랭킹 전극(106)에 의해 전자빔을 편향시키고, 패러데이 컵(108)에 입사시킨다. 그 타이밍에서 전류계 A3에 의해 전류값을 측정한다. 전류계 A3에 의해 측정된 값은, 컴퓨터(도시 생략)에 기억되고, 전술한 바와 같이, 전류계 A2에 의해 측정된 기판 전류의 규격화에 이용된다.

본 실시예에 의하면, 전자빔의 조사량을 간접적으로 추정하는 전술한 제2 실시예와 비교하여, 전자빔의 조사량을 직접적으로 측정할 수 있다. 또한, 블랭킹 동작(순간적인 편향 동작)의 속도와 타이밍을 조절함으로써, 반도체 기판의 기판 전류의 측정 동작에 거의 영향을 주지 않고, 전자빔의 조사량을 순간적으로 측정할 수 있다. 예를 들면, 블랭킹 속도는 수 MHz 이상의 속도로 행할 수 있으므로, 기판 전류를 측정중에 순간적으로 패러데이 컵(108)의 방향으로 전자빔을 편향시켜 전류계 A3에 의해 전류를 측정하고, 다음 순간 전자빔의 조사 방향을 반도체 기판(4)의 방향으로 되돌려서 전류계 A2에 의해 기판 전류의 측정을 행할 수 있다.

[제4 실시예]

도 9에 본 발명의 제4 실시예의 구성을 나타낸다.

도 9에 나타낸 반도체 분석 장치는, 전술한 제2 실시예와 제3 실시예를 조합한 것이다.

본 실시예의 동작을 설명한다.

본 장치의 동작은, 제2 실시예의 동작, 즉 조리개(45)에 조사되는 전자빔량으로부터 전자빔의 조사량을 추정하는 동작을 기본으로 하면서, 패러데이 컵(108)을 통하여 측정되는 전자빔의 조사량의 전류값을 사용하여, 전술한 도 7에 나타내는 조리개 전류와 패러데이 컵 전류의 대응 관계를 갱신한다.

본 실시예에 의하면, 기판 전류의 측정 중에 전자빔을 패러데이 컵(108)에 편향시킴으로써, 조리개를 통과한 전자빔의 조사량을 전류계 A3에 의해 양호한 정밀도로 측정할 수 있다. 그리고, 이 전류계 A3의 측정값과 전류계 A1의 측정값을 사용함으로써, 도 7에 나타낸 조리개 전류와 패러데이 컵 전류의 대응 관계에 기초한 환산식을 거의 실시간으로 갱신할 수 있게 된다. 따라서, 조리개 전류로부터 전자빔의 실제 조사량을 고속으로 또한 양호한 정밀도로 환산할 수 있으며, 양호한 정밀도로 전자빔량을 추정할 수 있게 된다. 따라서, 한층 양호한 정밀도로 전자빔량에 의해 기판 전류를 정규화할 수 있게 된다.

또한, 본 실시예에 의하면, 전술한 제2 실시예와 마찬가지로, 기판 전류를 측정중에 실시간으로 일어나는 고속 전류 변동이 조리개 전류의 변동으로서 전류계 A1에 의해 측정되고, 그 측정값을 기판 전류의 규격화를 위한 값으로서 이용할 수 있으므로, 전자빔의 돌발적인 변동에 의한 측정값의 변동에 즉시 대응할 수 있게 된다.

이상, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은, 전술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경할 수 있음은 물론이다. 예를 들면, 전술한 실시예에서는, 전자빔을 사용하는 분석 장치를 예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 이온 빔을 사용한 장치에 본 발명을 적용할 수도 있다.

본 발명은, 반도체 디바이스 또는 그 제조 공정에서의 분석, 제조, 측정 또는 평가 등에 사용되는 장치, 및 반도체 디바이스 제조 방법에 유용하다. 예를 들면, 웨이퍼 등의 반도체 기판에 전자 빔 또는 이온 빔을 조사하는 방법을 이용하는 분석 기술, 측정 기술, 평가 기술, 검사 기술, 및 반도체 디바이스 제조 장치 및 방법의 분야에, 본 발명을 이용할 수 있다.

Claims (18)

1. 반도체 기판에 전자빔을 조사하고, 상기 전자빔에 의해 상기 반도체 기판에 유도된 기판 전류를 측정하고, 상기 기판 전류를 상기 전자빔의 조사량으로 규격화한 값을 출력하도록 구성된 반도체 분석 장치로서,

   상기 반도체 기판을 지지하는 반도체 기판 지지 수단과,

   상기 전자빔을 발생하는 전자빔 발생 수단과,

   상기 전자빔을 검출하기 위한 전자빔 검출기, 및

   상기 반도체 기판에 유도된 기판 전류와 상기 전자빔 검출기로 검출된 전자빔의 조사량을 측정하기 위해 공용되는 측정 수단

   을 포함하는 반도체 분석 장치.
2. 반도체 기판에 전자빔을 조사하고, 상기 전자빔에 의해 상기 반도체 기판에 유도된 기판 전류를 측정하고, 상기 기판 전류를 상기 전자빔의 조사량으로 규격화한 값을 출력하도록 구성된 반도체 분석 장치로서,

   상기 반도체 기판을 지지하는 반도체 기판 지지 수단과,

   전자를 방출하는 전자빔원과,

   상기 전자빔원으로부터 방출된 전자류(電子流)의 일부를 선택적으로 통과시키기 위한 관통구멍을 가지고, 상기 전자류의 통과를 제한하여 상기 반도체 기판에 조사되는 전자빔을 형성하는 전자빔 제한 부재와,

   상기 전자빔 제한 부재와 전기적으로 절연되어, 상기 관통구멍과 상기 관통구멍을 둘러싸는 상기 전자빔 제한 부재 상의 소정 영역을 제외하고, 상기 전자빔원으로부터 방출된 상기 전자류를 차폐하는 차폐 부재와,

   상기 반도체 기판에 유도된 기판 전류를 측정하는 제1 측정 수단, 및

   상기 전자빔 제한 부재에 유도된 전류를 측정하는 제2 측정 수단

   을 포함하는 반도체 분석 장치.
3. 반도체 기판에 전자빔을 조사하고, 상기 전자빔에 의해 상기 반도체 기판에 유도된 기판 전류를 측정하고, 상기 기판 전류를 상기 전자빔의 조사량으로 규격화한 값을 출력하도록 구성된 반도체 분석 장치로서,

   상기 반도체 기판을 지지하는 반도체 기판 지지 수단과,

   전자를 방출하는 전자빔원과,

   상기 전자빔원으로부터 방출된 전자류의 일부를 선택적으로 통과시키기 위한 관통구멍을 가지고, 상기 전자류의 통과를 제한하여 상기 반도체 기판에 조사되는 전자빔을 형성하는 전자빔 제한 부재와,

   상기 전자빔을 순간적으로 편향시키기 위한 전자빔 편향 수단, 및

   상기 전자빔 편향 수단에 의해 편향된 전자빔을 검출하기 위한 전자빔 검출기와,

   상기 반도체 기판에 유도된 기판 전류를 측정하는 제1 측정 수단과,

   상기 전자빔 검출기로 검출된 전자빔의 조사량을 측정하는 제2 측정 수단

   을 포함하는 반도체 분석 장치.
4. 반도체 기판에 전자빔을 조사하고, 상기 전자빔에 의해 상기 반도체 기판에 유도된 기판 전류를 측정하고, 상기 기판 전류를 상기 전자빔의 조사량으로 규격화한 값을 출력하도록 구성된 반도체 분석 장치로서,

   상기 반도체 기판을 지지하는 반도체 기판 지지 수단과,

   전자를 방출하는 전자빔원과,

   상기 전자빔원으로부터 방출된 전자류의 일부를 선택적으로 통과시키기 위한 관통구멍을 가지고, 상기 전자류의 통과를 제한하여 상기 반도체 기판에 조사되는 전자빔을 형성하는 전자빔 제한 부재와,

   상기 전자빔 제한 부재와 전기적으로 절연되고, 상기 관통구멍과 상기 관통구멍을 둘러싸는 상기 전자빔 제한 부재 상의 소정 영역을 제외하고, 상기 전자빔원으로부터 방출된 상기 전자류를 차폐하는 차폐 부재와,

   상기 전자빔을 순간적으로 편향시키기 위한 전자빔 편향 수단과,

   상기 전자빔 편향 수단에 의해 편향된 전자빔을 검출하기 위한 전자빔 검출기와,

   상기 반도체 기판에 유도된 기판 전류를 측정하는 제1 측정 수단과,

   상기 전자빔 제한 부재에 유도된 전류를 측정하는 제2 측정 수단, 및

   상기 전자빔 검출기로 검출된 전자빔의 조사량을 측정하는 제3 측정 수단

   을 포함하는 반도체 분석 장치.
5. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 전자빔 검출기는 패러데이 컵(Faraday cup)인, 반도체 분석 장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 기판 전류의 측정 전후에, 상기 전자빔 발생 수단으로부터 발생된 전자빔을 상기 전자빔 검출기에서 검출하고, 상기 전자빔 검출기에서 검출된 전자빔의 조사량을 상기 측정 수단으로 측정하고, 상기 측정 수단으로 측정된 상기 전자빔의 조사량을, 상기 기판 전류를 정규화하기 위하여 사용하는, 반도체 분석 장치.
7. 제2항 또는 제4항에 있어서,

   상기 관통구멍의 중심 영역에 전자빔 검출 영역을 설치한, 반도체 분석 장치.
8. 제2항 또는 제4항에 있어서,

   상기 관통구멍에 동심원형의 전자빔 검출 영역을 설치한, 반도체 분석 장치.
9. 제2항 또는 제4항에 있어서,

   상기 관통구멍에 방사형의 전자빔 검출 영역을 설치한, 반도체 분석 장치.
10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 관통구멍에, 상기 전자빔 검출 영역에서 검출된 전류를 외부로 보내기위한 배선부를 설치한, 반도체 분석 장치.
11. 제2항 또는 제4항에 있어서,

    상기 제2 측정 수단의 측정값과 상기 반도체 기판에 조사되는 전자빔의 조사량 사이의 대응 관계에 기초한 소정의 환산식을 사용하여, 상기 제2 측정 수단의 측정값을 상기 전자빔의 조사량으로 환산하는, 반도체 분석 장치.
12. 제2항 또는 제4항에 있어서,

    상기 제2 측정 수단의 측정값을 사용하여 상기 제1 측정 수단의 측정값을 정규화하는, 반도체 분석 장치.
13. 제2항 또는 제4항에 있어서,

    상기 차폐 부재는 패러데이 컵형으로 형성되는, 반도체 분석 장치.
14. 제2항 또는 제4항에 있어서,

    상기 전자빔 제한 부재는 패러데이 컵형으로 형성되는, 반도체 분석 장치.
15. 제2항 또는 제4항에 있어서,

    상기 차폐 부재는, 상기 전자류를 흡수하는 성질을 가지는 재료로 이루어지는, 반도체 분석 장치.
16. 제2항 또는 제4항에 있어서,

    상기 차폐 부재는 실리콘을 포함하는, 반도체 분석 장치.
17. 제2항 또는 제4항에 있어서,

    상기 전자빔 제한 부재는, 텅스텐(W), 동(Cu), 알루미늄(AL) 중 어느 하나인, 반도체 분석 장치.
18. 제2항 또는 제4항에 있어서,

    상기 전자빔 제한 부재는, 금속 산화물, 도전성 세라믹 중 어느 하나인, 반도체 분석 장치.

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