KR20160034491A - 반도체 검사 장비 및 이를 이용한 반도체 소자의 검사 방법 - Google Patents

반도체 검사 장비 및 이를 이용한 반도체 소자의 검사 방법 Download PDF

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Abstract

반도체 검사 장비는, 샘플 웨이퍼의 표면 상으로 클러스터 이온 빔을 조사하여 상기 샘플 웨이퍼의 상기 표면을 식각하는 이온 빔 밀링 유닛, 및 상기 샘플 웨이퍼의 식각된 표면 상으로 전자빔을 조사하여 상기 식각된 표면의 이미지를 측정하는 이미지 측정 유닛을 포함한다.

Description

반도체 검사 장비 및 이를 이용한 반도체 소자의 검사 방법{SEMICONDUCTOR INSPECTION SYSTEM AND A METHOD OF INSPECING A SEMICONDUCTOR DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 반도체 검사 장비 및 이를 이용한 반도체 소자의 검사 방법에 관한 것이다.
반도체 소자들은 그들의 소형화, 다기능화, 및/또는 낮은 제조 비용 등의 특성들로 인하여 전자 산업에서 널리 사용되고 있다. 반도체 소자들은 포토리소그라피 공정, 식각 공정, 증착 공정, 이온 주입 공정, 및 세정 공정과 같은 다양한 제조 공정들에 의해 제조될 수 있다.
반도체 소자의 상기 제조 공정들을 수행한 후, 검사 공정을 수행하여 반도체 소자를 구성하는 패턴들의 불량 여부를 판별할 수 있다. 이러한 계측 공정을 통하여 상기 제조 공정들의 조건들을 최적화할 수 있고, 반도체 소자들의 불량 여부를 조기에 확인할 수 있다.
반도체 소자의 고집적화 경향에 따라 반도체 소자의 패턴들은 더욱 미세화되고 있으며, 미세화된 패턴들의 파라미터들을 측정할 수 있는 보다 높은 신뢰성의 반도체 검사 방법 및 반도체 검사 장비가 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 고속 대면적 파괴 검사가 가능한 반도체 검사 장비 및 반도체 소자의 검사 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 검사의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 검사 장비 및 반도체 검사 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 반도체 검사 장비는, 샘플 웨이퍼의 표면 상으로 클러스터 이온 빔을 조사하여 상기 샘플 웨이퍼의 상기 표면을 식각하는 이온 빔 밀링 유닛; 및 상기 샘플 웨이퍼의 식각된 표면 상으로 전자빔을 조사하여 상기 식각된 표면의 이미지를 측정하는 이미지 측정 유닛을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 이온 빔 밀링 유닛은, 상기 샘플 웨이퍼의 상기 표면 상으로 제1 클러스터 이온 빔을 조사하여 상기 샘플 웨이퍼의 상기 표면을 식각하고, 상기 샘플 웨이퍼의 상기 식각된 표면 상으로 제2 클러스터 이온 빔을 조사하여 상기 식각된 표면을 평탄화할 수 있다. 상기 제2 클러스터 이온 빔은 상기 제1 클러스터 이온 빔보다 낮은 에너지를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 이미지 측정 유닛은 주사전자현미경(SEM)일 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 검사 장비는, 상기 샘플 웨이퍼의 상기 표면이 식각되는 동안, 상기 표면로부터 발생되는 이차 전자들의 질량 스펙트럼을 측정하는 질량 분석 유닛을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 질량 분석 유닛은 사중극자 질량 분석계(quadrupole mass spectrometer)일 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 검사 장비는, 진공 챔버를 더 포함하되, 상기 이온 빔 밀링 유닛, 상기 이미지 측정 유닛, 및 상기 질량 분석 유닛 각각은 상기 진공 챔버에 결합할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 검사 장비는, 상기 진공 챔버 내에 제공되는 스테이지를 더 포함할 수 있다. 상기 샘플 웨이퍼는 상기 스테이지 상에 로드될 수 있다. 상기 이미지 측정 유닛은 상기 스테이지의 상면 위에 배치되고, 상기 스테이지로부터 제1 방향으로 이격되어 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 이온 빔 밀링 유닛은 상기 스테이지의 상기 상면 위에 배치되고, 상기 스테이지로부터 제2 방향으로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제2 방향은 상기 제1 방향에 대하여 제1 각도로 기울어진 방향일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 질량 분석 유닛은 상기 스테이지의 상기 상면 위에 배치되고, 상기 스테이지로부터 제3 방향으로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제3 방향은 상기 제1 방향에 대하여 제2 각도로 기울어진 방향이고, 상기 이온 빔 밀링 유닛과 상기 질량 분석 유닛은 상기 이미지 측정 유닛을 사이에 두고 서로 마주하도록 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 이온 빔 밀링 유닛과 상기 질량 분석 유닛은, 상기 제1 방향에 수직하고 상기 제2 방향 및 제3 방향에 교차하는 제4 방향을 따라 배열될 수 있다. 상기 스테이지는 상기 제4 방향에 평행한 회전축을 가지고, 상기 회전축을 중심으로 소정의 각도로 기울어질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 스테이지가 상기 제1 방향을 따라 수직적으로 이동함에 따라, 상기 이미지 측정 유닛과 상기 스테이지 사이의 상기 제1 방향에 따른 거리가 조절될 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 검사 장비는, 상기 진공 챔버와 결합된 웨이퍼 운송 유닛을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 검사 장비는, 상기 진공 챔버와 상기 웨이퍼 운송 유닛을 연결시키는 로드 락 챔버를 더 포함할 수 있다. 상기 웨이퍼 운송 유닛은, 외부로부터 제공되는 상기 샘플 웨이퍼를 로드하는 로드 포트; 및 상기 로드 포트 내에 로드된 상기 샘플 웨이퍼를 상기 로드 락 챔버로 운송하는 로봇 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 검사 장비는, 상기 이온 빔 밀링 유닛 및 상기 질량 분석 유닛에 연결되는 제어기를 더 포함할 수 있다. 상기 제어기는, 상기 질량 분석 유닛에 의해 측정된 상기 질량 스펙트럼으로부터 미리 정해진 식각 정지 물질을 검출하고, 상기 식각 정지 물질이 검출될 때 상기 샘플 웨이퍼의 식각이 정지되도록 상기 이온 빔 밀링 유닛을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 검사 방법은, 샘플 웨이퍼의 표면 상으로 제1 클러스터 이온 빔을 조사하여 상기 샘플 웨이퍼의 검사 대상 영역을 식각하는 것; 상기 검사 대상 영역의 식각된 표면 상으로 제2 클러스터 이온 빔을 조사하여 상기 식각된 표면을 평탄화하는 것; 및 상기 검사 대상 영역의 상기 식각된 표면 상으로 전자빔을 조사하여 상기 식각된 표면의 이미지를 측정하는 것을 포함할 수 있다. 상기 제2 클러스터 이온 빔은 상기 제1 클러스터 이온 빔보다 낮은 에너지를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 검사 대상 영역을 식각하는 것은: 상기 검사 대상 영역의 표면이 식각되는 동안, 상기 검사 대상 영역의 상기 표면로부터 발생되는 이차 전자들의 질량 스펙트럼을 실시간으로 측정하는 것; 상기 질량 스펙트럼을 이용하여 상기 검사 대상 영역의 식각 깊이에 따른 상기 검사 대상 영역의 표면 물질에 대한 정보를 획득하는 것; 상기 획득된 정보로부터 미리 정해진 식각 정지 물질을 검출하는 것; 및 상기 식각 정지 물질이 검출될 때 상기 검사 대상 영역의 식각을 정지하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 질량 스펙트럼을 측정하는 것은, 사중극자 질량 분서계를 이용하여 수행될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 검사 대상 영역의 상기 표면 물질에 대한 정보를 획득하는 것은: 상기 질량 스펙트럼을 이용하여 상기 표면 물질의 성분을 분석하는 것; 상기 질량 스펙트럼으로부터 획득된 각 질량 대 전하비(mass to charge ratio)에 대응하는 물질의 검출 강도(detection intensity)를 획득하는 것; 및 상기 질량 스펙트럼으로부터 획득된 각 질량 대 전하비에 대응하는 물질의 질량 분포 이미지를 획득하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 식각 정지 물질을 검출하는 것은: 상기 표면 물질 중 상기 식각 정지 물질이 존재하는지 여부를 판단하는 것; 상기 표면 물질 중 상기 식각 정지 물질이 존재하는 경우, 상기 식각 정지 물질의 검출 강도가 검출 범위 내에 있는지 여부를 판단하는 것; 및 상기 식각 정지 물질의 검출 강도가 상기 검출 범위 내에 있는 경우, 검출 신호를 발생시키는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 식각 정지 물질을 검출하는 것은, 상기 식각 정지 물질의 검출 강도가 상기 검출 범위 내에 있는 경우, 상기 식각 정지 물질의 질량 분포 이미지가 상기 검사 대상 영역의 검출 위치에서 검출되는지 여부를 판단하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 검출 신호는, 상기 식각 정지 물질의 상기 질량 분포 이미지가 상기 검사 대상 영역의 상기 검출 위치에서 검출되는 경우에 발생될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 검사 대상 영역을 식각하는 것은, 상기 검출 신호가 발생될 때 예상되는 상기 검사 대상 영역의 예상 식각 깊이와, 상기 검사 대상 영역의 식각이 실제로 정지되는 상기 검사 대상 영역의 실제 식각 깊이 사이의 차이를 이용하여, 상기 검사 대상 영역이 식각되는 시점과 상기 질량 스펙트럼이 측정되는 시점의 오차를 보정하는 것을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 검사 대상 영역의 식각을 정지하는 것은, 상기 제1 클러스터 이온 빔의 빔 전류(beam current)를 순차적으로 낮추는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 식각된 표면의 상기 이미지를 측정하는 것은, 주사전자 현미경을 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, 하나의 챔버에 결합된, 클러스터 이온 빔 밀링 유닛, 이미지 측정 유닛, 및 질량 분석 유닛을 포함하는 파괴 검사 장비가 제공될 수 있다. 클러스터 이온 빔을 이용하여 샘플 웨이퍼의 검사 대상 영역의 표면을 식각(즉, 밀링)함으로써, 검사 대상 영역의 대면적 밀링 및 정밀한 밀링이 가능할 수 있고, 상기 이미지 측정 유닛을 이용하여 상기 식각된 표면의 이미지가 측정될 수 있다. 이에 따라, 고속 대면적 파괴 검사가 가능할 수 있다.
더하여, 상기 클러스터 이온 빔 밀링 유닛을 이용하여 상기 검사 대상 영역의 상기 표면을 식각하는 것은, 상기 질량 분석 유닛을 이용하여 상기 검사 대상 영역의 상기 표면으로부터 식각 정지 물질을 검출함으로써 제어될 수 있다. 이에 따라, 파괴 검사의 분해능이 향상되어, 검사의 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 검사 장비를 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1의 이미지 측정 유닛, 이온 빔 밀링 유닛, 및 질량 분석 유닛의 상대적인 배치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3 및 도 4는 도 1의 진공 챔버 내부에 제공되는 스테이지를 구체적으로 설명하기 개념도들이다.
도 5a 및 도 5b는 진공 챔버 내부에 제공되는 스테이지의 움직임에 따라, 이미지 측정 유닛에 의해 측정되는 샘플 웨이퍼의 단면을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 검사 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 검사 방법을 나타내는 개략도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 검사 방법을 설명하기 위한 샘플 웨이퍼의 예시적인 단면도들이다.
도 9는 도 6의 단계(S100)을 구체적으로 나타내는 순서도이다.
도 10은 실험적으로 획득된, 검사 대상 영역의 식각 깊이에 따른 표면 물질의 성분 및 검출 강도를 나타내는 그래프이다.
도 11a 및 도 11b는 실험적으로 획득된, 검사 대상 영역의 식각 깊이에 따라 검출되는 표면 물질의 질량 분포 이미지들이다.
도 12는 도 9의 단계(S130)을 구체적으로 나타내는 순서도이다.
도 13은 도 9의 단계(S150)을 구체적으로 나타내는 순서도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
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 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 검사 장비를 나타내는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 검사 장비(500)는, 샘플 웨이퍼(90)의 파괴 검사가 수행되는 진공 챔버(10), 및 상기 진공 챔버(10)와 결합하여 상기 샘플 웨이퍼(90)가 상기 진공 챔버(10)로 이송되는 통로를 제공하는 로드 락 챔버(20)를 포함할 수 있다. 상기 샘플 웨이퍼(90)는 반도체 소자를 형성하기 위한 패턴들을 포함할 수 있다. 상기 샘플 웨이퍼(90)는 상기 로드 락 챔버(20)와 상기 진공 챔버(10) 사이에 제공되는 도어(미도시)를 통하여 상기 로드 락 챔버(20)로부터 상기 진공 챔버(10)로, 상기 진공 챔버(10)로부터 상기 로드 락 챔버(20)로 이송될 수 있다. 상기 진공 챔버(10) 및 상기 로드 락 챔버(20)는 상기 샘플 웨이퍼(90)가 로딩되는 스테이지(80)을 각각 포함할 수 있다.
상기 반도체 검사 장비(500)는 상기 로드 락 챔버(20)와 결합하는 웨이퍼 운송 유닛(wafer handling unit, 50)을 더 포함할 수 있다. 상기 웨이퍼 운송 유닛(50)은 상기 로드 락 챔버(20)를 사이에 두고 상기 진공 챔버(10)에 연결될 있다. 상기 웨이퍼 운송 유닛(50)은, 상기 반도체 검사 장비(500)의 외부로부터 제공되는 상기 샘플 웨이퍼(90)를 로드하는 로드 포트(40), 및 상기 로드 포트(40) 내에 로드된 상기 샘플 웨이퍼(90)를 상기 로드 락 챔버(20)로 운송하는 로봇 시스템(30)을 포함할 수 있다. 상기 샘플 웨이퍼(90)는 상기 로드 락 챔버(20)와 상기 로봇 시스템(30) 사이에 제공되는 도어(미도시)를 통하여 상기 로드 락 챔버(20)로부터 상기 로봇 시스템(30)으로, 상기 로봇 시스템(30)으로부터 상기 로드 락 챔버(20)로 이송될 수 있다. 상기 로봇 시스템(30)은 상기 샘플 웨이퍼(90)가 로딩되는 스테이지(80)을 포함할 수 있다.
상기 반도체 검사 장비(500)는 상기 진공 챔버(10) 및 상기 로드 락 챔버(20) 각각의 내부의 진공 상태를 조절하는 진공 시스템(70), 및 상기 진공 챔버(10) 및 상기 로드 락 챔버(20)의 진동을 최소화하기 위한 방진 시스템(60)을 더 포함할 수 있다.
상기 반도체 검사 장비(500)는, 상기 샘플 웨이퍼(90)의 표면 상으로 클러스터 이온 빔(cluster ion beam, 114)을 조사하여 상기 샘플 웨이퍼(90)의 상기 표면을 식각하는 이온 빔 밀링 유닛(110), 상기 샘플 웨이퍼(90)의 식각된 표면 상으로 전자빔(electron beam, 104)을 조사하여 상기 식각된 표면의 이미지를 측정하는 이미지 측정 유닛(100), 및 상기 샘플 웨이퍼(90)의 상기 표면이 식각되는 동안 상기 샘플 웨이퍼(90)로부터 발생되는 이차 이온들(secondary ions, 124)의 질량을 분석하는 질량 분석 유닛(120)을 포함할 수 있다. 상기 이온 빔 밀링 유닛(110)은 상기 클러스터 이온 빔(114)을 조사하는 조사부(112)를 포함할 수 있고, 상기 질량 분석 유닛(120)은 상기 이차 이온들(124)을 검출하는 검출부(122)를 포함할 수 있다. 상기 이차 이온들(124)의 검출 효율을 최대화하기 위해, 상기 조사부(112) 및 상기 검출부(122)의 위치가 미세하게 조절될 수 있다. 상기 이미지 측정 유닛(100)은 일 예로, 주사전자현미경(SEM)일 수 있고, 상기 질량 분석 유닛(120)은 일 예로, 사중극자 질량 분석계(quadrupole mass spectrometer)일 수 있다. 상기 이미지 측정 유닛(100), 상기 이온 빔 밀링 유닛(110), 및 상기 질량 분석 유닛(120)은 상기 진공 챔버(10)와 각각 결합할 수 있다.
도 2는 도 1의 이미지 측정 유닛, 이온 빔 밀링 유닛, 및 질량 분석 유닛의 상대적인 배치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 상기 이미지 측정 유닛(100)은 상기 진공 챔버(10) 내부에 제공되는 상기 스테이지(80)의 상면(80U) 위에 배치될 수 있고, 상기 스테이지(80)으로부터 제1 방향(D1)으로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제1 방향(D1)은 상기 진공 챔버(10)의 수직축에 평행한 방향일 수 있다.
상기 이온 빔 밀링 유닛(110)은 상기 스테이지(80)의 상기 상면(8OU) 위에 배치될 수 있고, 상기 스테이지(80)으로부터 상기 제1 방향(D1)에 교차하는 제2 방향(D2)으로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제2 방향(D2)은 상기 제1 방향(D1)에 대하여 제1 각도(θ1)로 기울어진 방향일 수 있다. 일 예로, 상기 제1 각도(θ1)는 30도, 45도, 또는 60도일 수 있다. 상기 이온 빔 밀링 유닛(110)의 상기 조사부(112)는 상기 스테이지(80)의 상기 상면(80U)에 인접하게 배치될 수 있다.
상기 질량 분석 유닛(120)은 상기 스테이지(80)의 상기 상면(80U) 위에 배치될 수 있고, 상기 스테이지(80)으로부터 상기 제1 방향(D1) 및 상기 제2 방향(D2)에 교차하는 제3 방향(D3)으로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제3 방향(D3)은 상기 제1 방향(D1)에 대하여 제2 각도(θ2)로 기울어진 방향일 수 있다. 상기 제1 각도(θ1)와 상기 제2 각도(θ2)는 서로 같거나 다를 수 있다. 일 예로, 상기 제2 각도(θ2)는 45도일 수 있다. 상기 질량 분석 유닛(120)은 상기 이미지 측정 유닛(100)을 사이에 두고 상기 이온 빔 밀링 유닛(110)과 마주하도록 배치될 수 있다. 상기 이온 빔 밀링 유닛(110)과 상기 질량 분석 유닛(120)은, 상기 제1 방향(D1)에 수직하고 상기 제2 방향(D2) 및 상기 제3 방향(D3)에 교차하는 제4 방향(D4)을 따라 배열될 수 있다. 상기 질량 분석 유닛(120)의 상기 검출부(122)는 상기 스테이지(80)의 상기 상면(80U)에 인접하게 배치될 수 있다.
도 3 및 도 4는 도 1의 진공 챔버 내부에 제공되는 스테이지를 구체적으로 설명하기 개념도들이다.
도 3을 참조하면, 상기 진공 챔버(10) 내부에 제공되는 상기 스테이지(80)은 일 방향으로 기울어질 수 있다. 구체적으로, 상기 진공 챔버(10) 내부에 제공되는 상기 스테이지(80)는 상기 제4 방향(D4)에 평행한 회전축(80r)을 가질 수 있다. 상기 스테이지(80)는 상기 회전축(80r)을 중심으로 상기 제1 방향(D1) 및 상기 제1 방향(D1)에 반평행한 방향으로 제3 각도(θ3)만큼 회전할 수 있다. 상기 제3 각도(θ3)는 일 예로, 0도보다 크고 90도보다 작을 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 진공 챔버(10) 내부에 제공되는 상기 스테이지(80)는 상기 제1 방향(D1)을 따라 수직적으로 이동할 수 있다. 구체적으로, 상기 스테이지(80)의 상기 상면(80U)은 상기 이미지 측정 유닛(100)으로부터 제1 거리(d1)만큼 이격될 수 있다. 상기 스테이지(80)가 상기 제1 방향(D1)을 따라 수직적으로 이동하는 경우, 상기 스테이지(80)의 상기 상면(80U)은 상기 이미지 측정 유닛(100)으로부터 제2 거리(d2)만큼 이격될 수 있다. 상기 제1 거리(d1) 및 상기 제2 거리(d2)는 상기 제1 방향(D1)에 따른 거리일 수 있다. 일 예로, 상기 제2 거리(d2)는 상기 제1 거리(d1)보다 작을 수 있다. 즉, 상기 스테이지(80)가 상기 제1 방향(D1)을 따라 수직적으로 이동됨에 따라, 상기 스테이지(80)의 상기 상면(80U)과 상기 이미지 측정 유닛(100) 사이의 거리가 조절될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 진공 챔버 내부에 제공되는 스테이지의 움직임에 따라, 이미지 측정 유닛에 의해 측정되는 샘플 웨이퍼의 단면을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 5a를 참조하면, 상기 스테이지(80)의 상기 상면(80U) 상에 상기 샘플 웨이퍼(90)가 로드되어, 상기 이미지 측정 유닛(100)과 상기 스테이지(80) 사이에 상기 샘플 웨이퍼(90)가 개재될 수 있다. 상기 샘플 웨이퍼(90)는, 상기 이온 빔 밀링 유닛(110)에 의해 상기 샘플 웨이퍼(90)의 표면이 식각되어 형성된 리세스 영역(R)을 포함할 수 있다. 상기 이미지 측정 유닛(100)은 상기 샘플 웨이퍼(90)의 식각된 표면 상으로 상기 전자빔(104)을 조사하여 상기 리세스 영역(R)의 바닥면(90h)의 이미지를 측정할 수 있다. 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 스테이지(80)가 상기 제1 방향(D1)을 따라 수직적으로 이동됨에 따라, 상기 이미지 측정 유닛(100)과 상기 샘플 웨이퍼(90) 사이의 거리(d)가 조절될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 상기 스테이지(80)는, 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 회전축(80a)을 중심으로 상기 제1 방향(D1) 및 상기 제1 방향(D1)에 반평행한 방향으로 상기 제3 각도(θ3)만큼 기울어질 수 있다. 이 경우, 상기 스테이지(80)의 상기 상면(80U) 상에 로드된 상기 샘플 웨이퍼(90)도 상기 제3 각도(θ3)만큼 기울어질 수 있고, 상기 이미지 측정 유닛(100)은 상기 샘플 웨이퍼(90)의 상기 식각된 표면 상으로 상기 전자빔(104)을 조사하여 상기 리세스 영역(R)의 내측벽(90v)의 이미지를 측정할 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 상기 반도체 검사 장비(500)는 상기 이온 빔 밀링 유닛(110), 상기 이미지 측정 유닛(100), 및 상기 질량 분석 유닛(120)에 연결되는 컴퓨터 시스템(200)을 더 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 시스템(200)은 상기 이온 빔 밀링 유닛(110), 상기 이미지 측정 유닛(100), 및 상기 질량 분석 유닛(120)에 의해 획득되는 데이터를 처리할 수 있다. 상기 컴퓨터 시스템(200)은 다양한 데이터를 처리할 수 있는 제어기(210, controller), 및 다양한 데이터를 저장할 수 있는 저장 장치(220, memory device)를 포함할 수 있다. 상기 저장 장치(220)는 비휘발성 기억 매체를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 저장 장치(220)는 하드디스크 및/또는 비휘발성 반도체 기억 소자(예컨대, 플래쉬 메모리 소자, 상변화 기억 소자, 및/또는 자기 기억 소자 등)을 포함할 수 있다. 상기 제어기(210) 및 상기 저장 장치(220)의 기능들은 추후에 보다 상세히 설명한다. 더하여, 상기 컴퓨터 시스템(200)은 입출력 유닛(230, input/output unit) 및 인터페이스 유닛(240, interface unit)을 더 포함할 수 있다. 상기 입출력 유닛(230)은 키보드(keyboard), 키패드(keypad), 및/또는 디스플레이 장치(display device)를 포함할 수 있다. 상기 이온 빔 밀링 유닛(110), 상기 이미지 측정 유닛(100), 및 상기 질량 분석 유닛(120)에 의해 획득되는 데이터는 상기 인터페이스 유닛(540)을 통해 상기 컴퓨터 시스템(200)으로 전달될 수 있다. 더하여, 상기 컴퓨터 시스템(200)에서 처리된 데이터는 상기 인터페이스 유닛(240)을 통해, 상기 이온 빔 밀링 유닛(110), 상기 이미지 측정 유닛(100), 및 상기 질량 분석 유닛(120)으로 전달될 수도 있다. 상기 인터페이스 유닛(240)은 유선 요소, 무선 요소, 및/또는 USB(universal serial bus) 포트 등을 포함할 수 있다. 상기 제어기(210), 상기 저장 장치(220), 상기 입출력 유닛(230), 및 상기 인터페이스 유닛(240)은 데이터 버스(data bus)를 통하여 서로 결합될 수 있다.
상술한 반도체 검사 장비(500)를 이용하여 반도체 소자의 검사 방법이 수행될 수 있다. 이하에서, 반도체 소자의 검사 방법을 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 검사 방법을 나타내는 순서도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 검사 방법을 나타내는 개략도이다. 도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자의 검사 방법을 설명하기 위한 샘플 웨이퍼의 예시적인 단면도들이다.
먼저, 도 1 및 도 8a를 참조하면, 반도체 검사 장비(500)의 진공 챔버(10) 내에 샘플 웨이퍼(90)가 제공될 수 있다. 상기 샘플 웨이퍼(90)는 상기 진공 챔버(10) 내부에 제공되는 스테이지(80) 상에 로드될 수 있다. 상기 샘플 웨이퍼(90)는 반도체 소자를 형성하기 위한 패턴들을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 샘플 웨이퍼(90)는, 도 8a에 도시된 바와 같이, 차례로 적층된 제1 층(L1), 제2 층(L2), 및 제3 층(L3)을 포함할 수 있고, 상기 제1 내지 제3 층들(L1, L2, L3) 중 적어도 하나의 층을 관통하는 패턴들(P)을 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제3 층들(L1, L2, L3) 중 적어도 하나의 층은, 상기 제1 내지 제3 층들(L1, L2, L3) 중 나머지 층들과 다른 물질을 포함할 수 있다.
도 6, 도 7, 및 도 8b를 참조하면, 상기 샘플 웨이퍼(90)의 표면 상으로 제1 클러스터 이온 빔(114a)을 조사하여, 상기 샘플 웨이퍼(90)의 검사 대상 영역(IR)이 식각될 수 있다(S100). 상기 검사 대상 영역(IR)의 상기 표면이 식각됨에 따라, 상기 샘플 웨이퍼(90) 내에 리세스 영역(R)이 형성될 수 있다. 상기 검사 대상 영역(IR)의 상기 표면을 식각하는 것은, 일 예로, 도 8b에 도시된 바와 같이, 상기 리세스 영역(R)이 상기 제1 층(L1)을 노출할 때까지 수행될 수 있다. 상기 제1 층(L1)은 미리 정해진 식각 정지 물질을 포함할 수 있고, 상기 검사 대상 영역(IR)의 상기 표면을 식각하는 것은, 상기 식각 정지 물질을 이용하여 제어될 수 있다.
구체적으로, 도 1을 참조하여 설명한 이온 빔 밀링 유닛(110)의 조사부(112)로부터 상기 샘플 웨이퍼(90)의 상기 검사 대상 영역(IR)의 표면 상으로 상기 제1 클러스터 이온 빔(114a)이 조사될 수 있다. 상기 제1 클러스터 이온 빔(114a)은 대전된 이온들의 덩어리로, 일 예로, Ar+, Cu+, Cs+ 등이 이용될 수 있다. 상기 대전된 이온들은 덩어리(cluster)의 형태로 상기 검사 대상 영역(IR)의 상기 표면 상으로 가속될 수 있고, 상기 표면과 충돌하여 작은 단위의 이온 덩어리들로 흩어질 수 있다. 상기 흩어진 이온 덩어리들의 에너지는 상기 표면의 넓은 영역으로 전달될 수 있고, 이에 따라, 상기 검사 대상 영역(IR)의 대면적 밀링이 가능할 수 있다. 더하여, 상기 흩어진 이온 덩어리들의 에너지는 상기 검사 대상 영역(IR)의 얕은 깊이까지 전달될 수 있고, 이에 따라, 상기 검사 대상 영역(IR)의 정밀한 밀링이 가능할 수 있다.
상기 제1 클러스터 이온 빔(114a)이 상기 검사 대상 영역(IR)의 상기 표면 상으로 조사됨에 따라, 상기 검사 대상 영역(IR)의 상기 표면이 식각(즉, 밀링)될 수 있고, 이에 따른 식각 부산물로서, 상기 검사 대상 영역(IR)의 상기 표면으로부터 이차 이온들(secondary ions, 124)이 발생될 수 있다. 상기 이차 이온들(124)로부터 상기 식각 정지 물질이 검출될 수 있다. 상기 검사 대상 영역(IR)의 상기 표면을 식각하는 것은, 상기 이차 이온들(124)로부터 상기 식각 정지 물질을 검출함으로써 제어될 수 있다.
도 9는 도 6의 단계(S100)을 구체적으로 나타내는 순서도이다. 도 10은 실험적으로 획득된, 검사 대상 영역의 식각 깊이에 따른 표면 물질의 성분 및 검출 강도를 나타내는 그래프이다. 도 11a 및 도 11b는 실험적으로 획득된, 검사 대상 영역의 식각 깊이에 따라 검출되는 표면 물질의 질량 분포 이미지들이다.
도 7 및 도 9를 참조하면, 상기 검사 대상 영역(IR)의 상기 표면이 식각되는 동안, 도 1을 참조하여 설명한 질량 분석 유닛(120)의 검출부(122)에 의해 상기 이차 이온들(124)이 검출될 수 있고, 상기 질량 분석 유닛(120)에 의해 상기 이차 이온들(124)의 질량 스펙트럼이 측정될 수 있다(S110). 상기 질량 분석 유닛(120)은, 일 예로, 사중극자 질량 분석계일 수 있다. 상기 질량 스펙트럼은 상기 검사 대상 영역(IR)의 상기 표면이 식각되는 동안 실시간으로 측정될 수 있고, 이에 따라, 상기 검사 대상 영역(IR)의 식각 깊이에 따라 측정된 질량 스펙트럼들이 획득될 수 있다.
상기 검사 대상 영역(IR)의 상기 식각 깊이에 따라 측정된 상기 질량 스펙트럼들을 이용하여, 상기 식각 깊이에 따른, 상기 검사 대상 영역(IR)으로부터 제거된 표면 물질에 대한 정보가 획득될 수 있다(S120). 상기 표면 물질에 대한 정보를 획득하는 것은, 상기 질량 스펙트럼들을 이용하여 상기 표면 물질의 성분을 분석하는 것, 및 상기 질량 스펙트럼들로부터 획득된 각 질량 대 전하비(mass to charge ratio)에 대응하는 물질의 검출 강도(detection intensity)를 획득하는 것을 포함할 수 있다. 상기 표면 물질의 상기 성분, 및 각 질량 대 전하비(mass to charge ratio)에 대응하는 상기 물질의 상기 검출 강도는, 상기 검사 대상 영역(IR)의 상기 식각 깊이에 따라 획득될 수 있다. 일 예로, 참조 웨이퍼를 이용하여 도 9의 단계(S110) 및 단계(S120)을 수행한 실험에서, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 참조 웨이퍼 내 검사 대상 영역의 식각 깊이에 따라, 상기 검사 대상 영역으로부터 제거된 표면 물질의 성분이 분석되었다. 상기 분석 결과, 소정의 식각 깊이(PD)에서, 상기 표면 물질은 실리콘 질화물(SiN), 실리콘(Si), 실리콘 산화물(SiO2), 및 텅스텐(W)으로 구성됨을 확인하였다. 더하여, 상기 표면 물질을 구성하는 물질들 각각의 검출 강도가 획득되었다. 그 결과, 상기 소정의 식각 깊이(PD)에서, 실리콘 질화물(SiN)의 검출 강도가 나머지 물질들의 검출 강도보다 현저하게 큼을 확인하였다.
상기 표면 물질에 대한 정보를 획득하는 것은, 상기 질량 스펙트럼들로부터 획득된 각 질량 대 전하비에 대응하는 물질의 질량 분포 이미지를 획득하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 질량 분포 이미지는, 각 질량 대 전하비에 대응하는 물질의 검출 강도의 이차원적 분포를 나타내는 이미지일 수 있다. 각 질량 대 전하비에 대응하는 상기 물질의 상기 질량 분포 이미지는, 상기 검사 대상 영역(IR)의 상기 식각 깊이에 따라 획득될 수 있다. 일 예로, 참조 웨이퍼를 이용하여 도 9의 단계(S110) 및 단계(S120)을 수행한 실험 결과, 도 11a에 나타난 바와 같이, 상기 참조 웨이퍼의 검사 대상 영역의 제1 식각 깊이에서, 상기 검사 대상 영역으로부터 제거된 표면 물질 중 특정 물질의 질량 분포 이미지는, 평면적 관점에서, 상기 검사 대상 영역의 제1 위치(①)에서 주로 검출되었다. 더하여, 도 11b에 나타난 바와 같이, 상기 검사 대상 영역의 제2 식각 깊이에서 상기 특정 물질의 상기 질량 분포 이미지는, 평면적 관점에서, 상기 제1 위치(①)와 다른 제2 위치(②)에서 주로 검출되었다. 즉, 상기 특정 물질의 상기 질량 분포 이미지가 상기 검사 대상 영역의 식각 깊이에 따라 상기 검사 대상 영역의 서로 다른 평면적 위치에서 검출됨을 확인하였다.
상기 표면 물질에 대한 상기 획득된 정보는, 도 1을 참조하여 설명한, 컴퓨터 시스템(200)의 저장 장치(220)에 저장될 수 있다.
도 12는 도 9의 단계(S130)을 구체적으로 나타내는 순서도이고, 도 13은 도 9의 단계(S150)을 구체적으로 나타내는 순서도이다.
도 9 및 도 12를 참조하면, 상기 획득된 정보로부터 상기 식각 정지 물질이 검출될 수 있다(S130). 상기 식각 정지 물질은, 참조 웨이퍼를 이용하여 도 9의 단계(S110) 및 단계(S120)을 수행하여 실험적으로 결정될 수 있다. 상기 참조 웨이퍼는 상기 샘플 웨이퍼와 동일한 층들 및 패턴들을 포함할 수 있다. 일 예로, 도 10을 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 소정의 식각 깊이(PD)에서 최대 검출 강도를 갖는 물질(일 예로, 실리콘 질화물)이 상기 식각 정지 물질로 결정될 수 있다. 다른 예로, 도 11a 및 도 11b를 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 제1 식각 깊이에서, 특정 물질의 질량 분포 이미지가 상기 검사 대상 영역의 제1 위치(①)에서 주로 검출되는 경우, 상기 특정 물질이 상기 식각 정지 물질로 결정될 수 있다.
상기 식각 정지 물질을 검출하는 것은, 도 1을 참조하여 설명한, 상기 컴퓨터 시스템(200)의 제어기(210)에 의해 수행될 수 있다.
구체적으로, 상기 표면 물질 중 상기 식각 정지 물질이 존재하는지 여부가 판단될 수 있다(S132). 상기 표면 물질 중 상기 식각 정지 물질이 존재하지 않는 경우, 도 9의 단계(S110)으로 되돌아가 상기 검사 대상 영역(IR)의 식각이 계속될 수 있다(S139).
상기 표면 물질 중 상기 식각 정지 물질이 존재하는 경우, 상기 식각 정지 물질의 검출 강도가 검출 범위 내에 있는지 여부가 판단될 수 있다(S134). 상기 검출 범위는 실험적으로 정해질 수 있다. 일 예로, 도 10을 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 식각 정지 물질로 결정된 실리콘 질화물의 최대 검출 강도를 포함하는 검출 강도의 범위가 상기 검출 범위로 정해질 수 있다. 상기 식각 정지 물질의 검출 강도가 상기 검출 범위를 벗어나는 경우, 도 9의 단계(S110)으로 되돌아가 상기 검사 대상 영역(IR)의 식각이 계속될 수 있다(S139).
상기 식각 정지 물질의 검출 강도가 상기 검출 범위 내에 있는 경우, 상기 식각 정지 물질의 질량 분포 이미지가 상기 검사 대상 영역(IR)의 검출 위치에서 검출되는지 여부가 판단될 수 있다(S136). 상기 검출 위치는 실험적으로 정해질 수 있다. 일 예로, 도 11a 및 도 11b를 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 검사 대상 영역(IR)의 상기 제1 식각 깊이에서, 상기 식각 정지 물질로 결정된 특정 물질의 질량 분포 이미지가 주로 검출되는 상기 제1 위치(①)가 상기 검출 위치로 정해질 수 있다. 상기 식각 정지 물질의 상기 질량 분포 이미지가 상기 검사 대상 영역(IR)의 상기 검출 위치에서 검출되지 않는 경우, 도 9의 단계(S110)으로 되돌아가 상기 검사 대상 영역(IR)의 식각이 계속될 수 있다(S139).
상기 식각 정지 물질의 상기 질량 분포 이미지가 상기 검사 대상 영역(IR)의 상기 검출 위치에서 검출되는 경우, 상기 식각 정지 물질의 검출 신호가 발생될 수 있다(S138).
도 7, 도 8b, 및 도 9를 다시 참조하면, 상기 식각 정지 물질의 상기 검출 신호가 발생되는 경우, 도 1을 참조하여 설명한, 상기 제어기(210)가 상기 이온 빔 밀링 유닛(110)을 제어하여 상기 검사 대상 영역(IR)의 식각이 정지될 수 있다(S140). 상기 검사 대상 영역(IR)의 식각이 정지됨에 따라, 도 8b에 도시된 바와 같이, 상기 샘플 웨이퍼(90) 내에 상기 제1 층(L1)을 노출하는 상기 리세스 영역(R)이 형성될 수 있다. 상기 검사 대상 영역(IR)의 식각을 정지하는 것은, 상기 제1 클러스터 이온 빔(114a)의 빔 전류(beam current)를 순차적으로 낮추는 것을 포함할 수 있다.
도 7, 도 8a, 도 8b, 도 9 및 도 13을 참조하면, 먼저, 도 9의 단계(S110)에서, 상기 검사 대상 영역(IR)이 식각되는 시점과 상기 이차 이온들(124)의 질량 스펙트럼이 측정되는 시점 사이에 시간 차이가 있을 수 있다. 이에 따라, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 상기 식각 정지 물질의 상기 검출 신호가 발생되는 때 예상되는 상기 검사 대상 영역(IR)의 예상 식각 깊이(Ex_ED)와, 상기 검사 대상 영역(IR)의 식각이 실제로 정지되는 상기 검사 대상 영역(IR)의 실제 식각 깊이(ED) 사이에 차이가 발생할 수 있다. 이러한 차이를 최소화하기 위해, 상기 검사 대상 영역(IR)이 식각되는 시점과 상기 이차 이온들(124)의 질량 스펙트럼이 측정되는 시점 사이의 오차가 보정될 수 있다(S150).
구체적으로, 상기 검출 신호가 발생될 때 상기 검사 대상 영역(IR)의 상기 예상 식각 깊이(Ex_ED)에 대한 정보가 획득될 수 있다(S152). 상기 예상 식각 깊이(Ex_ED)는 상기 샘플 웨이퍼(90) 내에 포함된 층들(L1, L2, L3) 및 패턴들(P)의 구조를 이론적으로 분석함으로써 획득될 수 있다. 일 예로, 상기 제1 층(L1)이 상기 식각 정지 물질을 포함하는 경우, 상기 예상 식각 깊이(Ex_ED)는 도 8a에 도시된 바와 같다.
상기 검출 신호가 발생될 때 상기 검사 대상 영역(IR)의 상기 실제 식각 깊이(ED)에 대한 정보가 획득될 수 있다(S154). 상기 실제 식각 깊이(ED)는 상기 샘플 웨이퍼(90)와 동일한 층들 및 패턴들을 포함하는 참조 웨이퍼를 이용하여 도 9의 단계(S110) 내지 단계(S140)을 수행하고, 상기 참조 웨이퍼의 파괴 검사를 수행하여 획득될 수 있다. 상기 참조 웨이퍼의 파괴 검사는 일 예로, 주사전자 현미경을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 실제 식각 깊이(ED)는 일 예로, 도 8b에 도시된 바와 같다.
상기 예상 식각 깊이(Ex_ED)와 상기 실제 식각 깊이(ED)의 차이를 이용하여, 도 9의 단계(S130)에서 설명된, 상기 검출 신호의 발생 조건이 최적화될 수 있다(S156). 일 예로, 상기 예상 식각 깊이(Ex_ED)와 상기 실제 식각 깊이(ED)의 오차가 최소화되도록, 도 12의 단계(S134)에서 설명된, 상기 식각 정지 물질의 상기 검출 범위가 조절될 수 있다.
도 6, 도 7, 및 도 8b를 다시 참조하면, 상기 샘플 웨이퍼(90)의 상기 검사 대상 영역(IR)의 식각이 정지된 후, 상기 검사 대상 영역(IR)의 식각된 표면(즉, 상기 리세스 영역(R)의 내면) 상으로 제2 클러스터 이온 빔(114b)이 조사되어, 상기 식각된 표면이 평탄화될 수 있다(S200). 구체적으로, 상기 이온 빔 밀링 유닛(110)의 상기 조사부(112)로부터 상기 검사 대상 영역(IR)의 상기 식각된 표면 상으로 상기 제2 클러스터 이온 빔(114b)이 조사될 수 있다. 상기 제2 클러스터 이온 빔(114b)은 상기 제1 클러스터 이온 빔(114a)보다 낮은 에너지를 갖는 대전된 이온들의 덩어리일 수 있다. 상기 제2 클러스터 이온 빔(114b)이 상기 검사 대상 영역(IR)의 상기 식각된 표면 상으로 조사됨에 따라, 상기 식각된 표면이 평탄화되어, 상기 식각된 표면의 표면 거칠기가 최소화될 수 있다.
상기 검사 대상 영역(IR)의 상기 식각된 표면 상으로 전자빔(104)이 조사되어, 상기 식각된 표면의 이미지가 측정될 수 있다(S300). 구체적으로, 도 1을 참조하여 설명한, 이미지 측정 유닛(100)으로부터 상기 식각된 표면 상으로 상기 전자빔(104)이 조사될 수 있고, 상기 이미지 측정 유닛(100)은 상기 식각된 표면으로부터 발생되는 전자들을 이용하여 상기 식각된 표면의 이미지를 측정할 수 있다. 상기 이미지 측정 유닛(100)은 일 예로, 주사전자 현미경일 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, 하나의 챔버에 결합된, 클러스터 이온 빔 밀링 유닛, 이미지 측정 유닛, 및 질량 분석 유닛을 포함하는 파괴 검사 장비가 제공될 수 있다. 클러스터 이온 빔을 이용하여 샘플 웨이퍼의 검사 대상 영역의 표면을 식각(즉, 밀링)함으로써, 검사 대상 영역의 대면적 밀링 및 정밀한 밀링이 가능할 수 있고, 상기 이미지 측정 유닛을 이용하여 상기 식각된 표면의 이미지가 측정될 수 있다. 이에 따라, 고속 대면적 파괴 검사가 가능할 수 있다.
더하여, 상기 클러스터 이온 빔 밀링 유닛을 이용하여 상기 검사 대상 영역의 상기 표면을 식각하는 것은, 상기 질량 분석 유닛을 이용하여 상기 검사 대상 영역의 상기 표면으로부터 식각 정지 물질을 검출함으로써 제어될 수 있다. 이에 따라, 파괴 검사의 분해능이 향상되어, 검사의 신뢰성이 향상될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 대한 이상의 설명은 본 발명의 설명을 위한 예시를 제공한다. 따라서 본 발명은 이상의 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.
500: 반도체 검사 장비 10: 진공 챔버
20: 로드 락 챔버 30: 로봇 시스템
40: 로드 포트 50: 웨이퍼 운송 유닛
60: 방진 시스템 70: 진공 시스템
80: 스테이지 90: 샘플 웨이퍼
100: 이미지 측정 유닛 110: 이온 빔 밀링 유닛
120: 질량 분석 유닛 112: 조사부
122: 검출부 114: 클러스터 이온 빔
104: 전자빔 124: 이차 전자들
200: 컴퓨터 시스템 210: 제어기
220: 저장 장치 230: 입출력 유닛
240: 인터페이스 유닛

Claims (20)

  1. 샘플 웨이퍼의 표면 상으로 클러스터 이온 빔을 조사하여 상기 샘플 웨이퍼의 상기 표면을 식각하는 이온 빔 밀링 유닛; 및
    상기 샘플 웨이퍼의 식각된 표면 상으로 전자빔을 조사하여 상기 식각된 표면의 이미지를 측정하는 이미지 측정 유닛을 포함하는 반도체 검사 장비.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이온 빔 밀링 유닛은,
    상기 샘플 웨이퍼의 상기 표면 상으로 제1 클러스터 이온 빔을 조사하여 상기 샘플 웨이퍼의 상기 표면을 식각하고, 상기 샘플 웨이퍼의 상기 식각된 표면 상으로 제2 클러스터 이온 빔을 조사하여 상기 식각된 표면을 평탄화하되,
    상기 제2 클러스터 이온 빔은 상기 제1 클러스터 이온 빔보다 낮은 에너지를 갖는 반도체 검사 장비.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 이미지 측정 유닛은 주사전자현미경(SEM)인 반도체 검사 장비.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 샘플 웨이퍼의 상기 표면이 식각되는 동안, 상기 표면으로부터 발생되는 이차 전자들의 질량 스펙트럼을 측정하는 질량 분석 유닛을 더 포함하는 반도체 검사 장비.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 질량 분석 유닛은 사중극자 질량 분석계(quadrupole mass spectrometer)인 반도체 검사 장비.
  6. 청구항 4에 있어서,
    진공 챔버를 더 포함하되,
    상기 이온 빔 밀링 유닛, 상기 이미지 측정 유닛, 및 상기 질량 분석 유닛 각각은 상기 진공 챔버에 결합하는 반도체 검사 장비.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 진공 챔버 내에 제공되는 스테이지를 더 포함하되,
    상기 샘플 웨이퍼는 상기 스테이지 상에 로드되고,
    상기 이미지 측정 유닛은 상기 스테이지의 상면 위에 배치되고, 상기 스테이지로부터 제1 방향으로 이격되어 배치되는 반도체 검사 장비.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 이온 빔 밀링 유닛은 상기 스테이지의 상기 상면 위에 배치되고, 상기 스테이지로부터 제2 방향으로 이격되어 배치되되,
    상기 제2 방향은 상기 제1 방향에 대하여 제1 각도로 기울어진 방향인 반도체 검사 장비.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 질량 분석 유닛은 상기 스테이지의 상기 상면 위에 배치되고, 상기 스테이지로부터 제3 방향으로 이격되어 배치되되,
    상기 제3 방향은 상기 제1 방향에 대하여 제2 각도로 기울어진 방향이고,
    상기 이온 빔 밀링 유닛과 상기 질량 분석 유닛은 상기 이미지 측정 유닛을 사이에 두고 서로 마주하도록 배치되는 반도체 검사 장비.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 이온 빔 밀링 유닛과 상기 질량 분석 유닛은, 상기 제1 방향에 수직하고 상기 제2 방향 및 제3 방향에 교차하는 제4 방향을 따라 배열되고,
    상기 스테이지는 상기 제4 방향에 평행한 회전축을 가지고, 상기 회전축을 중심으로 소정의 각도로 기울어지도록 구성되는 반도체 검사 장비.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 스테이지가 상기 제1 방향을 따라 수직적으로 이동함에 따라, 상기 이미지 측정 유닛과 상기 스테이지 사이의 상기 제1 방향에 따른 거리가 조절되는 반도체 검사 장비.
  12. 청구항 6에 있어서,
    상기 진공 챔버와 결합된 웨이퍼 운송 유닛을 더 포함하는 반도체 검사 장비.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 진공 챔버와 상기 웨이퍼 운송 유닛을 연결하는 로드 락 챔버를 더 포함하되,
    상기 웨이퍼 운송 유닛은:
    외부로부터 제공되는 상기 샘플 웨이퍼를 로드하는 로드 포트; 및
    상기 로드 포트 내에 로드된 상기 샘플 웨이퍼를 상기 로드 락 챔버로 운송하는 로봇 시스템을 포함하는 반도체 검사 장비.
  14. 청구항 4에 있어서,
    상기 이온 빔 밀링 유닛 및 상기 질량 분석 유닛에 연결되는 제어기를 더 포함하되,
    상기 제어기는, 상기 질량 분석 유닛에 의해 측정된 상기 질량 스펙트럼으로부터 미리 정해진 식각 정지 물질을 검출하고, 상기 식각 정지 물질이 검출될 때 상기 샘플 웨이퍼의 식각이 정지되도록 상기 이온 빔 밀링 유닛을 제어하는 반도체 검사 장비.
  15. 샘플 웨이퍼의 표면 상으로 제1 클러스터 이온 빔을 조사하여 상기 샘플 웨이퍼의 검사 대상 영역을 식각하는 것;
    상기 검사 대상 영역의 식각된 표면 상으로 제2 클러스터 이온 빔을 조사하여 상기 식각된 표면을 평탄화하는 것; 및
    상기 검사 대상 영역의 상기 식각된 표면 상으로 전자빔을 조사하여 상기 식각된 표면의 이미지를 측정하는 것을 포함하되,
    상기 제2 클러스터 이온 빔은 상기 제1 클러스터 이온 빔보다 낮은 에너지를 갖는 반도체 소자의 검사 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 검사 대상 영역을 식각하는 것은:
    상기 검사 대상 영역의 표면이 식각되는 동안, 상기 검사 대상 영역의 상기 표면로부터 발생되는 이차 전자들의 질량 스펙트럼을 실시간으로 측정하는 것;
    상기 질량 스펙트럼을 이용하여 상기 검사 대상 영역의 식각 깊이에 따른 상기 검사 대상 영역의 표면 물질에 대한 정보를 획득하는 것;
    상기 획득된 정보로부터 미리 정해진 식각 정지 물질을 검출하는 것; 및
    상기 식각 정지 물질이 검출될 때 상기 검사 대상 영역의 식각을 정지하는 것을 포함하는 반도체 소자의 검사 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 검사 대상 영역의 상기 표면 물질에 대한 정보를 획득하는 것은:
    상기 질량 스펙트럼을 이용하여 상기 표면 물질의 성분을 분석하는 것;
    상기 질량 스펙트럼으로부터 획득된 각 질량 대 전하비(mass to charge ratio)에 대응하는 물질의 검출 강도(detection intensity)를 획득하는 것; 및
    상기 질량 스펙트럼으로부터 획득된 각 질량 대 전하비에 대응하는 물질의 질량 분포 이미지를 획득하는 것을 포함하는 반도체 소자의 검사 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 식각 정지 물질을 검출하는 것은:
    상기 표면 물질 중 상기 식각 정지 물질이 존재하는지 여부를 판단하는 것;
    상기 표면 물질 중 상기 식각 정지 물질이 존재하는 경우, 상기 식각 정지 물질의 검출 강도가 검출 범위 내에 있는지 여부를 판단하는 것; 및
    상기 식각 정지 물질의 검출 강도가 상기 검출 범위 내에 있는 경우, 검출 신호를 발생시키는 것을 포함하는 반도체 소자의 검사 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 식각 정지 물질을 검출하는 것은,
    상기 식각 정지 물질의 검출 강도가 상기 검출 범위 내에 있는 경우, 상기 식각 정지 물질의 질량 분포 이미지가 상기 검사 대상 영역의 검출 위치에서 검출되는지 여부를 판단하는 것을 더 포함하되,
    상기 검출 신호는, 상기 식각 정지 물질의 상기 질량 분포 이미지가 상기 검사 대상 영역의 상기 검출 위치에서 검출되는 경우에 발생되는 반도체 소자의 검사 방법.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 검사 대상 영역을 식각하는 것은,
    상기 검출 신호가 발생될 때 예상되는 상기 검사 대상 영역의 예상 식각 깊이와, 상기 검사 대상 영역의 식각이 실제로 정지되는 상기 검사 대상 영역의 실제 식각 깊이 사이의 차이를 이용하여, 상기 검사 대상 영역이 식각되는 시점과 상기 질량 스펙트럼이 측정되는 시점의 오차를 보정하는 것을 더 포함하는 반도체 소자의 검사 방법.
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