KR20150143162A - 광학 측정 방법 및 광학 측정 시스템 - Google Patents

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Abstract

광학 측정 방법에 있어서, 계측 설비를 통해 기판 상의 구조물로부터 반사된 광을 검출하여 원시 스펙트럼을 획득한다. 공정 변화에 민감한 파장 대역에서의 상기 원시 스펙트럼을 분석하여 상기 기판에 수행된 실제 공정의 공정 변화를 결정한다. 상기 공정 변화에 기초하여 결정된 상기 계측 설비의 스펙트럼 오프셋에 따라 상기 원시 스펙트럼을 교정한다.

Description

광학 측정 방법 및 광학 측정 시스템{OPTICAL MEASURING METHODS AND SYSTEM}
본 발명은 광학 측정 방법 및 광학 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 웨이퍼의 특성들을 측정하기 위한 광학 측정 방법 및 이를 수행하기 위한 광학 측정 시스템에 관한 것이다.
반도체 제조에 있어서, 광학 계측은 나노 패턴의 형상 또는 광물성 등과 같은 물성을 비파괴적으로 실시간으로 제조 공정 단계에서 측정 및 평가하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 계측 프로세스는 반도체 공정 동안에 웨이퍼 상에 형성된 구조물들의 치수(예를 들면, 두께, 선폭 등)를 결정하기 위해 사용될 수 있다.
예를 들면, 다수개의 웨이퍼들은 순차적으로 하나의 반도체 제조 장치에 로딩된 후, 특정한 반도체 공정이 상기 웨이퍼들 상에서 각각 수행될 수 있다. 특정 공정이 수행된 웨이퍼들은 샘플링되어 서로 다른 계측 설비들에 의해 계측될 수 있다.
상기 샘플링된 웨이퍼들은 하나의 계측 설비가 아닌 다수개의 계측 설비들에서 정해진 순서대로 계측되므로, 상기 계측 설비들 사이에서 광학 구성요소 및 광 빔 프로파일 등의 미세한 차이로 인하여 측정값들 사이에서 오차가 발생할 수 있다. 이러한 설비간 차이에 의한 오차를 보상하기 위하여, 최종 데이터에 오프셋을 적용할 수 있다. 그러나, 측정 위치 및 공정 변화에 따라 설비간 오차가 변화하여 최종 데이터는 설비간 차이뿐만 아니라 측정 위치와 공정 차이에 기인한 오차를 모두 포함하므로, 최종 데이터에 선택적인 오프셋으로 교정하는 방법은 설비들 간의 오차를 완벽하게 보정할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명의 일 목적은 광학 계측 설비간 차이에 기인한 오차를 보상할 수 있는 광학 측정 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상술한 광학 측정 방법을 수행하기 위한 광학 측정 시스템을 제공하는 데 있다.
다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 상기 언급된 과제에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 일 목적을 달성하기 위해 예시적인 실시예들에 따른 광학 측정 방법에 있어서, 계측 설비를 통해 기판 상의 구조물로부터 반사된 광을 검출하여 원시 스펙트럼을 획득한다. 공정 변화에 민감한 파장 대역에서의 상기 원시 스펙트럼을 분석하여 상기 기판에 수행된 실제 공정의 공정 변화를 결정한다. 상기 공정 변화에 기초하여 결정된 상기 계측 설비의 스펙트럼 오프셋에 따라 상기 원시 스펙트럼을 교정한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 원시 스펙트럼을 획득하는 것은 타원분광기를 이용하여 상기 구조물로부터 반사된 광의 상대적 반사도(Ψ) 또는 위상차(Δ) 스펙트럼을 획득하는 것을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기준 공정과 실제 공정 간의 공정 변화를 나타내는 파장 대역에서는 설비 변화에 대한 스펙트럼 민감도보다 공정 변화에 대한 스펙트럼 민감도가 더 클 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 계측 설비의 스펙트럼 오프셋을 결정하는 것은 기준 설비의 스펙트럼에 대한 상기 계측 설비의 스펙트럼의 차이 또는 전체 설비의 평균 스펙트럼에 대한 상기 계측 설비의 스펙트럼의 차이를 결정하는 것을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 방법은 상기 교정된 스펙트럼으로부터 모델링 기술을 이용하여 상기 구조물의 프로파일을 산출하는 것을 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 구조물의 프로파일은 상기 구조물의 두께일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 방법은 상기 산출된 구조물의 프로파일을 이용하여 공정 제어를 수행하는 것을 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 구조물은 격자 구조를 가질 수 있다.
상기 본 발명의 일 목적을 달성하기 위해 예시적인 실시예들에 따른 광학 측정 방법에 있어서, 계측 설비들을 이용하여 다수개의 기판들로부터 원시 스펙트럼들을 각각 획득한다. 설비 변화에 대한 스펙트럼 민감도보다 공정 변화에 대한 스펙트럼 민감도가 큰 파장 대역에서의 상기 원시 스펙트럼들을 분석하여 상기 기판들 상에 수행된 공정들 간의 공정 변화들을 결정한다. 상기 공정 변화들에 대응하여 상기 계측 설비들 각각의 스펙트럼 오프셋을 결정한다. 상기 스펙트럼 오프셋에 따라 상기 원시 스펙트럼을 교정한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 원시 스펙트럼을 획득하는 것은 타원분광기를 이용하여 상기 구조물로부터 반사된 광의 상대적 반사도(Ψ) 또는 위상차(Δ) 스펙트럼을 획득하는 것을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 방법은, 상기 기판들 상에 수행된 공정들 간의 공정 변화들을 결정한 이후에, 상기 공정 변화들을 나타내는 스펙트럼들을 분석하여 기준 공정의 스펙트럼을 설정하는 것을 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 방법은, 상기 기준 공정에서 상기 계측 설비들에 따른 스펙트럼들을 분석하여 기준 설비의 스펙트럼을 설정하는 것을 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 계측 설비의 스펙트럼 오프셋을 결정하는 것은 상기 기준 설비의 스펙트럼에 대한 상기 계측 설비의 스펙트럼의 차이 또는 전체 설비들의 평균 스펙트럼에 대한 상기 계측 설비의 스펙트럼의 차이를 결정하는 것을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 방법은, 상기 교정된 스펙트럼으로부터 모델링 기술을 이용하여 상기 기판 상의 구조물의 프로파일을 산출하는 것을 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 방법은, 상기 산출된 구조물의 프로파일을 이용하여 공정 제어를 수행하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해 예시적인 실시예들에 따른 광학 측정 시스템은 광학 계측 장치 및 데이터 보정 장치를 포함한다. 상기 광학 계측 장지는 제조 공정 라인에 배치되고, 제조 공정에 의해 구조물이 형성된 기판 상에 광을 조사하며 반사된 광을 검출하여 원시 스펙트럼을 제공하기 위한 다수개의 계측 설비들을 갖는다. 상기 데이터 보정 장치는 상기 광학 계측 장치에 연결되며, 공정 변화에 민감한 파장 대역과 설비 변화에 민감한 파장 대역에서의 상기 원시 스펙트럼을 분석하여 상기 계측 설비들 간의 오차를 보정한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 계측 설비는 광 검출기로서 타원분광기를 포함하고, 상기 계측 설비는 상기 샘플로부터 반사된 광의 상대적 반사도(Ψ) 또는 위상차(Δ) 스펙트럼을 획득할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 데이터 보정 장치는, 설비 변화에 대한 스펙트럼 민감도보다 공정 변화에 대한 스펙트럼 민감도가 큰 파장 대역에서의 상기 원시 스펙트럼들을 분석하여 상기 기판들 상에 수행된 공정들 간의 공정 변화들을 결정하는 분석부, 및 상기 공정 변화들에 기초하여 결정된 상기 계측 설비들 각각의 스펙트럼 오프셋에 따라 상기 원시 스펙트럼을 교정하기 위한 교정부를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 분석부는 상기 공정 변화들을 나타내는 스펙트럼들을 분석하여 기준 공정의 스펙트럼을 설정하고, 상기 기준 공정에서 상기 계측 설비들에 따른 스펙트럼들을 분석하여 기준 설비의 스펙트럼을 설정할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 교정부는 상기 계측 설비의 스펙트럼 오프셋으로서 상기 기준 설비의 스펙트럼에 대한 상기 계측 설비의 스펙트럼의 차이 또는 전체 설비들의 평균 스펙트럼에 대한 상기 계측 설비의 스펙트럼의 차이를 결정할 수 있다.
이와 같이 구성된 발명에 따른 광학 계측 방법 및 광학 계측 시스템에 따르면, 광학 계측 설비들에 의해 측정된 웨이퍼들의 원시 스펙트럼들을 획득한 후, 설비 변화에 대한 스펙트럼 민감도보다 공정 변화에 대한 스펙트럼 민감도가 큰 파장 대역에서의 상기 원시 스펙트럼들을 분석하여 상기 웨이퍼 상에 수행된 공정의 공정 변화를 파악할 수 있다. 이어서, 상기 공정 변화에 해당하는 스펙트럼 오프셋을 사용 설비별로 적용하여 상기 원시 스펙트럼을 교정한 후, 상기 교정된 스펙트럼을 이용하여 상기 웨이퍼 상에 형성된 구조물의 프로파일을 산출할 수 있다.
따라서, 원시 스펙트럼에서 공정 변화에 따른 스펙트럼 변화를 파악한 후, 이를 고려하여 각각의 설비에 적용한 스펙트럼 오프셋을 계산하여 상기 원시 스펙트럼을 교정할 수 있다. 이에 따라, 최종 데이터가 아닌 원시 스펙트럼을 교정함으로써 설비 간 차이에 기인한 오차를 극복할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 광학 측정 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 계측 설비를 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 1의 계측 설비들로부터 획득한 측정 스펙트럼들을 나타내는 그래프들이다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 스펙트럼의 교정 과정을 나타내는 그래프이다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 광학 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 광학 측정 시스템을 나타내는 블록도이다. 도 2는 도 1의 계측 설비를 나타내는 블록도이다. 도 3은 도 1의 계측 설비들로부터 획득한 측정 스펙트럼들을 나타내는 그래프들이다. 도 4는 예시적인 실시예들에 따른 스펙트럼의 교정 과정을 나타내는 그래프이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 광학 측정 시스템은 제조 공정 라인에 배치되며 기판을 계측하기 위한 다수개의 계측 설비들(100a, 100b, 100c)을 갖는 광학 계측 장치(100) 및 상기 계측 설비들 간의 오차를 보상하기 위하여 상기 계측 설비들에 의해 생성된 계측 데이터를 보정하기 위한 데이터 보정 장치(210)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 광학 측정 시스템은 비파괴적 방법으로 DRAM, VNAND 등과 같은 반도체 소자들을 형성하기 위한 반도체 공정을 모니터링하기 위해 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 공정 장비들(10, 20)을 이용하여 반도체 웨이퍼와 같은 기판을 순차적으로 처리하여 반도체 소자를 형성할 수 있다. 예를 들면, 공정 장비들(10, 20)은 리소그래피 장치, 식각 장치, 증착 장치 등과 같은 반도체 제조 기술에 알려진 적절한 공정 장치를 포함할 수 있다.
상기 웨이퍼는 반도체 또는 비반도체 물질로 이루어진 기판을 의미할 수 있다. 상기 웨이퍼는 기판 상에 형성된 하나 이상의 층들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 층은 포토레지스트, 유전 물질, 전도성 물질을 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 웨이퍼는 반복되는 패턴들의 격자 구조를 각각 갖는 다수개의 다이들을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 다수개의 웨이퍼들이 제1 공정 장비(10) 및 제2 공정 장비(20)에 의해 순차적으로 처리될 수 있다. 상기 웨이퍼가 제1 공정 장비(10)에 의해 처리된 후, 상기 웨이퍼의 하나 이상의 특성은 광학 계측 장치(100)에 의해 측정될 수 있다. 이어서, 상기 측정된 웨이퍼는 제2 공정 장비(20)에 의해 처리될 수 있다. 예를 들면, 제1 공정 장비(10)는 증착 장치를 포함할 수 있고, 제2 공정 장비(20)는 식각 장치를 포함할 수 있다.
광학 계측 장치(100)는 다수개의 계측 설비들(100A, 100B, 100C)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 계측 장치(100)는 제1 계측 설비(100A), 제2 계측 설비(100B) 및 제3 계측 설비(100C)를 포함할 수 있다. 그러나, 상기 계측 설비들의 개수는 이에 제한되지는 않는다.
상기 광학 계측 장치는 제1 공정 장비(10)에 의해 처리된 웨이퍼들 중에서 샘플링된 웨이퍼들만을 계측할 수 있다. 상기 샘플링된 웨이퍼의 하나 이상의 특성은 제1 내지 제3 계측 설비들(100A, 100B, 100C) 중에서 선택된 어느 하나의 계측 설비에서 측정될 수 있다. 즉, 상기 샘플링된 웨이퍼들은 서로 다른 제1 내지 제3 계측 설비들(100A, 100B, 100C)에 의해 각각 계측될 수 있다. 상기 샘플링된 웨이퍼들의 개수는 반도체 제조 공정의 전체적인 작업 처리량을 고려하여 결정될 수 있다. 또한, 공정 시간과 작업 처리량을 고려하여, 상기 계측은 웨이퍼 상의 오직 한 위치 또는 제한된 개수의 위치들에서만 수행될 수 있다.
예를 들면, 샘플링된 제1 웨이퍼들(W3k-2, k는 자연수)은 제1 계측 설비(100A)에 의해 각각 계측될 수 있다. 샘플링된 제2 웨이퍼들(W3k-1, k는 자연수)은 제2 계측 설비(100B)에 의해 각각 계측될 수 있다. 샘플링된 제3 웨이퍼들(W3k, k는 자연수)은 제3 계측 설비(100C)에 의해 각각 계측될 수 있다.
상기 계측 설비는 웨이퍼 상에 형성된 얇은 막의 두께, 웨이퍼 상에 형성된 격자 구조물의 프로파일(예를 들면, 구조물의 폭, 높이, 측벽 각도) 등과 같은 특성을 측정하는 데 사용할 수 있는 타원 분광기(spectroscopic ellipsometry)와 같은 계측기를 포함할 수 있다. 이와 다르게, 상기 계측 설비는 웨이퍼 표면의 거칠기, 웨이퍼 상에 형성된 막의 표면 거칠기와 같은 특성을 측정하는 데 사용할 수 있는 원자력 현미경(AFM), 스캐닝 프로브 현미경(SPM)과 같은 계측기를 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예들에 있어서, 제1 내지 제3 계측 설비들(100A, 100B, 100C)은 타원 분광기(112)를 포함할 수 있다. 이 경우에 있어서, 샘플링된 웨이퍼(W)는 스테이지(120) 상에 배치되고, 광 조사부(110)로부터 편광된 두 종류의 광(P, S)을 웨이퍼(W) 상의 구조물(G)에 각각 입사시킨다. 이어서, 타원 분광기(112)를 이용하여 웨이퍼(W)로부터 반사된 광으로부터 계측 데이터로서의 원시 스펙트럼(raw spectrum)을 생성할 수 있다. 예를 들면, 타원 분광기(112)는 상기 반사된 광으로부터 각각의 파장에서 두 종류 편광에 대한 상대적 반사도(Ψ) 및/또는 위상차(Δ) 스펙트럼을 각각 생성할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 제어 모듈(200)은 광학 계측 장치(100)의 제1 내지 제3 계측 설비들(100A, 100B, 100C)에 연결되며, 상기 계측 설비들 간의 오차를 보상하기 위하여 상기 계측 설비들에 의해 생성된 계측 데이터를 보정하기 위한 데이터 보정 장치(210)를 포함할 수 있다.
제어 모듈(200)은 케이블 전송 링크 및/또는 무선 전송 링크를 포함하는 데이터 전송매체를 거쳐 상기 계측 설비들과 각각 연결될 수 있다. 제어 모듈(200)은 상기 계측 설비들에서 생성된 측정 데이터(원시 스펙트럼들(raw spectra))를 수신할 수 있다. 또한, 제어 모듈(200)은 컴퓨터 시스템을 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 시스템은 저장 매체로부터의 명령어를 실행하는 하나 이상의 프로세서를 가진 임의의 장비를 포함할 수 있다.
데이터 보정 장치(210)는 측정 데이터로서 제공된 원시 스펙트럼을 분석하기 위한 분석부(212) 및 상기 분석 결과에 따라 상기 원시 스펙트럼을 교정하기 위한 교정부(214)를 포함할 수 있다.
분석부(212)는 설비 변화에 대한 스펙트럼 민감도보다 공정 변화에 대한 스펙트럼 민감도가 큰 파장 대역에서의 상기 원시 스펙트럼들을 분석하여 상기 웨이퍼들 상에 수행된 공정들 간의 공정 변화들을 결정할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 공정 장비(10)에 의해 제1 공정(P1)과 제2 공정(P2)이 각각 수행된 웨이퍼들은 제1 및 제2 계측 설비들(100A, 100B)에 의해 계측되어 원시 스펙트럼들을 각각 획득할 수 있다. 상기 원시 스펙트럼은 상기 웨이퍼 상에 형성된 막질에서 검출되는 측정 스펙트럼일 수 있다. 상기 원시 스펙트럼은 파장에 따른 반사도(Ψ) 또는 위상차(Δ) 스펙트럼일 수 있다.
제1 공정(P1)이 수행된 웨이퍼는 제1 계측 설비(100A)에 의해 계측되어 원시 스펙트럼(A1)이 생성되고 제2 계측 설비(100B)에 의해 원시 스펙트럼(B1)이 생성될 수 있다. 제2 공정(P2)이 수행된 웨이퍼는 제1 계측 설비(100A)에 의해 계측되어 원시 스펙트럼(A2)이 생성되고 제2 계측 설비(100B)에 의해 계측되어 원시 스펙트럼(B2)이 생성될 수 있다.
따라서, 상기 계측 설비에 의해 획득된 상기 원시 스펙트럼은 상기 계측 설비들 간의 차이뿐만 아니라 상기 웨이퍼 상에 수행되는 공정 변화에 따라 변화할 수 있다.
분석부(212)는 상기 원시 스펙트럼들을 분석하여 공정 변화에 대한 스펙트럼 변화가 상대적으로 큰 제1 파장 대역(Rp)을 찾을 수 있다. 제1 파장 대역(Rp)에서는 설비 변화에 대한 스펙트럼 민감도보다 공정 변화에 대한 스펙트럼 민감도가 큰 영역이므로 웨이퍼에 수행된 실제 공정 상태를 정확히 나타낼 수 있다. 따라서, 원시 스펙트럼들(A1, B1)은 제1 파장 대역(Rp)에서 서로 거의 일치하고, 원시 스펙트럼들(A2, B2) 역시 제1 파장 대역(Rp)에서 서로 거의 일치하게 된다. 이에 반해, 제2 파장 대역(Rt)에서는 설비 변화 및 공정 변화 모두에 대해 스펙트럼 민감도가 크므로, 원시 스펙트럼들(A1, B1)은 제2 파장 대역(Rt)에서 서로 다른 값들을 갖고, 원시 스펙트럼들(A2, B2) 역시 제2 파장 대역(Rt)에서 서로 다른 값들을 갖게 된다.
제1 파장 대역(Rp)에서의 상기 원시 스펙트럼들을 분석함으로써, 제1 및 제2 계측 설비들(100A, 100B) 간의 차이에 영향을 받지 않고 상기 웨이퍼 상에 수행된 공정들 간의 차이를 명확히 파악할 수 있다. 즉, 설비간 차이가 가장 적으면서 공정 변화에만 민감한 파장 대역에서의 원시 스펙트럼을 분석하여 웨이퍼 상에 수행된 실제 공정의 공정 변화를 결정할 수 있다.
이에 따라, 분석부(212)는 제1 파장 대역(Rp)에서의 원시 스펙트럼들을 분석하여 상기 원시 스펙트럼이 어떤 공정에 의해 수행되었는지 파악할 수 있다. 도 3에 있어서, 원시 스펙트럼들(A1, B1)은 웨이퍼 상에 제1 공정(P1)이 수행되었음을 알 수 있고, 원시 스펙트럼들(A2, B2)은 웨이퍼 상에 제2 공정(P2)이 수행되었음을 알 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 분석부(212)는 공정 변화에 대한 스펙트럼 민감도가 큰 기준 파장 대역(Rp)을 찾고, 기준 파장 대역(Rp)에서의 원시 스펙트럼들을 분석하여 각각의 원시 스펙트럼에 해당하는 웨이퍼에 대해 수행된 공정을 파악할 수 있다. 분석부(212)는 동일한 공정이 수행된 원시 스펙트럼들 간의 차이를 분석함으로써, 동일한 공정에서 계측 설비들 간의 차이에 의해 기인한 원시 스펙트럼의 차이를 파악할 수 있다.
예를 들면, 분석부(212)는 상기 공정 변화들을 나타내는 스펙트럼들을 분석하여 기준 공정의 스펙트럼을 설정하고, 상기 기준 공정에서 상기 계측 설비들에 따른 스펙트럼들을 분석하여 기준 설비의 스펙트럼을 설정할 수 있다.
도 3에 있어서, 제 1파장 대역(Rp)에서 제1 공정(P1)을 나타내는 원시 스펙트럼들(A1, B1)과 제2 공정(P2)을 나타내는 원시 스펙트럼들(A2, B2) 중에서 기준 공정의 스펙트럼을 설정할 수 있다. 예를 들면, 제1 공정(P1)을 기준 공정(또는 대표 공정)으로 결정하고, 제1 공정(P1)을 나타내는 원시 스펙트럼들(A1, B1)을 기준 공정의 스펙트럼으로 결정할 수 있다.
또한, 제1 내지 제3 계측 설비들(100A, 100B, 100C) 중에서 기준 설비로 결정하고, 상기 계측 설비들에 따른 스펙트럼들 중에서 기준 설비의 스펙트럼을 설정할 수 있다.
도 3에 있어서, 제1 및 제2 계측 설비들(100A, 100B) 중에서 제1 계측 설비(100A)를 기준 설비로 결정하고, 기준 공정인 제1 공정(P1)에서 제1 계측 설비(100A)에 따른 원시 스펙트럼(A1)을 기준 설비의 스펙트럼으로 결정할 수 있다. 제1 계측 설비(100A)는 제2 및 제3 계측 설비들(100B, 100C)에 대한 기준 설비로 설정될 수 있다.
이와 다르게, 동일한 공정에 해당하는 전체 설비들(100A, 100B, 100C)의 평균 스펙트럼을 기준 설비의 스펙트럼으로 설정할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 교정부(214)는 상기 공정 변화들에 기초하여 상기 계측 설비들 각각의 스펙트럼 오프셋(spectrum offset)을 결정하고, 상기 결정된 오프셋에 따라 상기 원시 스펙트럼을 교정할 수 있다. 상기 계측 설비의 스펙트럼 오프셋은 동일 공정임에도 불구하고 설비간 차이에서 기인한 원시 스펙트럼 차이값을 나타낼 수 있다.
예를 들면, 상기 계측 설비의 스펙트럼 오프셋은 상기 기준 설비의 스펙트럼에 대한 상기 계측 설비의 스펙트럼의 차이 또는 전체 설비들의 평균 스펙트럼에 대한 상기 계측 설비의 스펙트럼의 차이일 수 있다.
다양한 공정 변경에 따른 스펙트럼 보정값은 공정들 사이의 산포 및 웨이퍼 내의 측정 위치들 사이의 산포를 이용하여 계산될 수 있다. 대표 공정을 선택하고, 상기 선택된 대표 공정에 맞게 설비별로 스펙트럼 오프셋을 계산할 수 있다. 상기 대표 공정은 다수개가 결정될 수 있고, 상기 대표 공정들 사이의 스펙트럼 오프셋은 보간(interpolation)에 의해 계산될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 원시 스펙트럼(S)은 제1 내지 제3 계측 설비들(100A, 100B, 100C) 중에서 어느 하나의 계측 설비에 의해 획득될 수 있다. 원시 스펙트럼(S) 중에서 공정 변화에 민감한 파장 대역(Rp)에서의 스펙트럼을 분석하여 측정된 웨이퍼 상에 수행된 공정 변화를 판정할 수 있다. 상기 판정된 공정에서 스펙트럼 오프셋(예를 들면, 기준 설비의 스펙트럼에 대한 실제 사용된 계측 설비의 스펙트럼의 차이)을 계산한 후, 상기 오프셋에 따라 교정된 교정 스펙트럼(S')를 획득할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 데이터 보정 장치(210)는 교정된 스펙트럼으로부터 모델링 기술을 이용하여 상기 웨이퍼 상의 구조물의 치수 파라미터의 값을 산출하는 연산부(216)를 더 포함할 수 있다.
연산부(216)는 RCWA(rigorous coupled wave analysis)와 같은 모델링 기술을 이용하여 교정된 스펙트럼(S')으로부터 웨이퍼 상에 형성된 얇은 막의 두께, 웨이퍼 상에 형성된 격자 구조물의 프로파일(예를 들면, 구조물의 폭, 높이, 측벽 각도) 등과 같은 치수 파라미터의 값을 산출할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 교정된 스펙트럼으로부터 웨이퍼의 특성값(들)이 산출되면, 이 특성값들은 공정 제어(통계적 공정 제어(SPC))에 사용될 수 있다.
제어 모듈(200)은 데이터 보정 장치(210)에 의해 산출된 웨이퍼들의 특성들에 관한 정보를 분석하고 제1 공정 장비(10)에 의해 수행된 공정들의 성능을 평가할 수 있다. 만약 상기 웨이퍼들의 특성들이 기 설정된 범위를 벗어나 수용될 수 없다면 상기 공정에 의해 제조되는 웨이퍼들이 수용 가능한 특성을 갖도록 상기 공정의 하나 이상의 파라미터를 변경할 수 있다.
예를 들면, 제어 모듈(200)은 상기 웨이퍼들의 측정값들을 SPC 차트에 도표로 표시할 수 있다. 상기 SPC 차트는 측정 횟수나 측정 시간의 함수로서 특성들의 값을 나타내고, 웨이퍼의 특성 값에 대한 제어 상한선(UCL), 제어 하한선(LCL)을 보여줄 수 있다. 따라서, 상기 SPC 차트를 이용하여 웨이퍼 상에 수행되는 공정 상태를 시각적으로 모니터링할 수 있다.
상술한 바와 같이, 광학 계측 설비들에 의해 측정된 웨이퍼들의 원시 스펙트럼들을 획득한 후, 설비 변화에 대한 스펙트럼 민감도보다 공정 변화에 대한 스펙트럼 민감도가 큰 파장 대역에서의 상기 원시 스펙트럼들을 분석하여 상기 웨이퍼 상에 수행된 공정의 공정 변화를 파악할 수 있다. 이어서, 상기 공정 변화에 해당하는 스펙트럼 오프셋을 사용 설비별로 적용하여 상기 원시 스펙트럼을 교정한 후, 상기 교정된 스펙트럼을 이용하여 상기 웨이퍼 상에 형성된 구조물의 프로파일을 산출할 수 있다.
따라서, 원시 스펙트럼에서 공정 변화에 따른 스펙트럼 변화를 파악한 후, 이를 고려하여 각각의 설비에 적용한 스펙트럼 오프셋을 계산하여 상기 원시 스펙트럼을 교정할 수 있다. 이에 따라, 최종 데이터가 아닌 원시 스펙트럼을 교정함으로써 설비 간 차이에 기인한 오차를 극복할 수 있다.
이하에서는, 상기 광학 측정 시스템을 이용하여 웨이퍼 상에 형성된 구조물의 치수 파라미터를 측정하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 광학 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1, 도 2 및 도 5를 참조하면, 먼저, 격자 구조물 또는 물질막(G)이 형성된 다수개의 웨이퍼들(W) 상에 제1 공정 장비(10)를 이용하여 소정의 반도체 제조 공정을 수행한다. 이어서, 계측 설비들(100A, 100B, 100C)을 이용하여 다수개의 웨이퍼들(W)로부터 원시 스펙트럼들을 각각 획득한다(S100).
예시적인 실시예들에 있어서, 웨이퍼들(W)은 서로 다른 계측 설비들(100A, 100B, 100C)의 스테이지들(120) 상에 각각 배치되고, 상기 계측 설비들의 타원분광기(112)를 이용하여 웨이퍼들(W)로부터 반사된 광을 검출하여 원시 스펙트럼들을 각각 획득할 수 있다.
이어서, 설비 변화에 대한 스펙트럼 민감도보다 공정 변화에 대한 스펙트럼 민감도가 큰 파장 대역에서의 상기 원시 스펙트럼들을 분석하여 상기 웨이퍼들 상에 수행된 공정들 간의 공정 변화들을 결정한다(S110).
상기 원시 스펙트럼들은 서로 다른 공정들 간의 차이에 따라 그리고 서로 다른 계측 설비들 간의 차이에 따라 변화될 수 있다. 상기 원시 스펙트럼들은 특정 파장 대역에서 공정 변화에 따라 민감하게 변화하는 반면 설비 변화에 따라 상대적으로 둔감하게 변화할 수 있다. 설비 변화에 대한 스펙트럼 민감도보다 공정 변화에 대한 스펙트럼 민감도가 큰 파장 대역에서는 웨이퍼에 수행된 실제 공정 상태를 정확히 나타낼 수 있다. 따라서, 설비간 차이가 가장 적으면서 공정 변화에만 민감한 파장 대역에서의 원시 스펙트럼을 분석하여 웨이퍼 상에 수행된 실제 공정의 공정 변화를 결정할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 공정 변화들을 나타내는 스펙트럼들을 분석하여 기준 공정의 스펙트럼을 설정하고, 상기 기준 공정에서 상기 계측 설비들에 따른 스펙트럼들을 분석하여 기준 설비의 스펙트럼을 설정할 수 있다. 또한, 상기 기준 공정에서 설비간 차이에서 기인한 원시 스펙트럼들의 차이를 파악할 수 있다.
상기 파장 대역에서 제1 공정을 나타내는 원시 스펙트럼들과 제2 공정을 나타내는 원시 스펙트럼들 중에서 기준 공정의 스펙트럼을 설정할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 공정을 기준 공정(또는 대표 공정)으로 결정하고, 상기 제1 공정을 나타내는 원시 스펙트럼들을 기준 공정의 스펙트럼으로 결정할 수 있다.
또한, 동일한 공정의 원시 스펙트럼들을 분석하여 상기 계측 설비들 중에서 어느 하나의 계측 설비를 기준 설비로 결정하고, 상기 계측 설비들에 따른 스펙트럼들 중에서 기준 설비의 스펙트럼을 설정할 수 있다. 이와 다르게, 동일한 공정의 원시 스펙트럼들을 분석하여 전체 설비들의 평균 스펙트럼을 기준 설비의 스펙트럼으로 설정할 수 있다.
이후, 상기 공정 변화들을 고려하여 상기 계측 설비들 각각의 스펙트럼 오프셋을 결정하고, 상기 스펙트럼 오프셋에 따라 상기 원시 스펙트럼을 교정한다(S120).
상기 계측 설비의 스펙트럼 오프셋은 상기 기준 설비의 스펙트럼에 대한 상기 계측 설비의 스펙트럼의 차이 또는 전체 설비들의 평균 스펙트럼에 대한 상기 계측 설비의 스펙트럼의 차이일 수 있다.
이어서, 상기 교정된 스펙트럼으로부터 모델링 기술을 이용하여 상기 웨이퍼 상의 구조물의 프로파일을 산출할 수 있다(S130).
예를 들면, RCWA(rigorous coupled wave analysis)와 같은 모델링 기술을 이용하여 상기 교정된 스펙트럼으로부터 웨이퍼 상에 형성된 얇은 막의 두께, 웨이퍼 상에 형성된 격자 구조물의 프로파일(예를 들면, 구조물의 폭, 높이, 측벽 각도) 등과 같은 치수 파라미터의 값을 산출할 수 있다.
이후, 상기 산출된 구조물의 프로파일을 이용하여 공정 제어를 수행할 수 있다.
상기 교정된 스펙트럼으로부터 웨이퍼의 특성값(들)이 산출되면, 이러한 특성값들은 공정 제어(통계적 공정 제어(SPC))에 사용될 수 있다. 산출된 웨이퍼들의 특성들에 관한 정보를 분석하고 공정 장비에 의해 수행된 공정들의 성능을 평가할 수 있다. 만약 상기 웨이퍼들의 특성들이 기 설정된 범위를 벗어나 수용될 수 없다면 상기 공정에 의해 제조되는 웨이퍼들이 수용 가능한 특성을 갖도록 상기 공정의 하나 이상의 파라미터를 변경할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 광학 측정 방법 및 광학 측정 시스템을 이용하여 형성된 DRAM, VNAND 등과 같은 반도체 소자는 컴퓨팅 시스템과 같은 다양한 형태의 시스템들에 사용될 수 있다. 상기 시스템은 컴퓨터, 휴대용 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 개인휴대단말기, 태블릿, 휴대폰, 디지털 음악 재생기 등에 적용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 제1 공정 장비 20: 제2 공정 장비
100: 광학 계측 장치 100A: 제1 계측 설비
100B: 제2 계측 설비 100C: 제3 계측 설비
110: 광 조사부 112: 타원 분광기
120: 스테이지 200: 제어 모듈
210: 데이터 보정 장치 212: 분석부
214: 교정부 216: 연산부

Claims (10)

  1. 계측 설비를 통해 기판 상의 구조물로부터 반사된 광을 검출하여 원시 스펙트럼을 획득하고;
    공정 변화에 민감한 파장 대역에서의 상기 원시 스펙트럼을 분석하여 상기 기판에 수행된 실제 공정의 공정 변화를 결정하고; 그리고
    상기 공정 변화에 기초하여 결정된 상기 계측 설비의 스펙트럼 오프셋에 따라 상기 원시 스펙트럼을 교정하는 것을 포함하는 광학 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 원시 스펙트럼을 획득하는 것은 타원분광기를 이용하여 상기 구조물로부터 반사된 광의 상대적 반사도(Ψ) 또는 위상차(Δ) 스펙트럼을 획득하는 것을 포함하는 광학 측정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 기준 공정과 실제 공정 간의 공정 변화를 나타내는 파장 대역에서는 설비 변화에 대한 스펙트럼 민감도보다 공정 변화에 대한 스펙트럼 민감도가 큰 광학 측정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 계측 설비의 스펙트럼 오프셋을 결정하는 것은 기준 설비의 스펙트럼에 대한 상기 계측 설비의 스펙트럼의 차이 또는 전체 설비의 평균 스펙트럼에 대한 상기 계측 설비의 스펙트럼의 차이를 결정하는 것을 포함하는 광학 측정 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 교정된 스펙트럼으로부터 모델링 기술을 이용하여 상기 구조물의 프로파일을 산출하는 것을 더 포함하는 광학 측정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 산출된 구조물의 프로파일을 이용하여 공정 제어를 수행하는 것을 더 포함하는 광학 측정 방법.
  7. 계측 설비들을 이용하여 다수개의 기판들로부터 원시 스펙트럼들을 각각 획득하고;
    설비 변화에 대한 스펙트럼 민감도보다 공정 변화에 대한 스펙트럼 민감도가 큰 파장 대역에서의 상기 원시 스펙트럼들을 분석하여 상기 기판들 상에 수행된 공정들 간의 공정 변화들을 결정하고;
    상기 공정 변화들에 대응하여 상기 계측 설비들 각각의 스펙트럼 오프셋을 결정하고; 그리고
    상기 스펙트럼 오프셋에 따라 상기 원시 스펙트럼을 교정하는 것을 포함하는 광학 측정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 기판들 상에 수행된 공정들 간의 공정 변화들을 결정한 이후에, 상기 공정 변화들을 나타내는 스펙트럼들을 분석하여 기준 공정의 스펙트럼을 설정하는 것을 더 포함하는 광학 측정 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 기준 공정에서 상기 계측 설비들에 따른 스펙트럼들을 분석하여 기준 설비의 스펙트럼을 설정하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 측정 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 계측 설비의 스펙트럼 오프셋을 결정하는 것은 상기 기준 설비의 스펙트럼에 대한 상기 계측 설비의 스펙트럼의 차이 또는 전체 설비들의 평균 스펙트럼에 대한 상기 계측 설비의 스펙트럼의 차이를 결정하는 것을 포함하는 광학 측정 방법.
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