KR20170138207A - 표면 검사 방법 - Google Patents

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KR20170138207A
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강경식
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 표면 검사 방법은 미세 패턴이 형성된 검사 대상 소자의 표면에 금속막을 형성하는 단계; 상기 검사 대상 소자의 상면과 수직한 방향으로 평행한 광선을 입사시키는 단계; 상기 검사 대상 소자의 표면으로부터 반사된 광선의 스펙트럼을 획득하는 단계; 및 상기 스펙트럼을 통하여 상기 검사 대상 소자에 형성된 상기 미세 패턴의 구조적 특징에 대한 정보를 획득하는 단계; 를 포함할 수 있다.

Description

표면 검사 방법{Method for Inspecting Surface}
본 발명의 기술적 사상은 표면 검사 방법에 관한 것으로, 특히 광학적 방법에 의한 표면 검사 방법이다.
반도체 소자의 제조에 있어서 각 제조 공정마다 설계한 패턴이 반도체 소자에 정확하게 형성되어야 한다. 이러한 패턴의 검사를 위하여 광학적으로 반도체 소자의 형상을 관찰하는 방법이 사용되고 있으나, 이는 나노 수준의 패턴을 검사하기에는 한계가 있어 정확한 분석이 어려울 수 있다. 이에 따라 광학적 방법을 이용하면서도 나노 수준의 패턴을 검사할 수 있는 표면 방법 및 나아가 그 방법을 이용한 반도체 소자를 제조하는 방법이 개발되고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 검사 대상에 형성된 나노 수준의 패턴을 검사할 수 있고 검사 비용이 절감될 수 있는 표면 검사 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 표면 검사 방법은 미세 패턴이 형성된 검사 대상 소자의 표면에 금속막을 형성하는 단계; 상기 검사 대상 소자의 상면과 수직한 방향으로 평행한 광선을 입사시키는 단계; 상기 검사 대상 소자의 표면으로부터 반사된 광선의 스펙트럼을 획득하는 단계; 및 상기 스펙트럼을 통하여 상기 검사 대상 소자에 형성된 상기 미세 패턴의 구조적 특징에 대한 정보를 획득하는 단계; 를 포함할 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 표면 검사 방법은 웨이퍼에 검사 보조 층을 형성하는 단계; 상기 웨이퍼의 표면과 수직한 방향으로 평행한 광선을 입사시켜 상기 검사 보조 층에 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR)을 발생시키는 단계; 상기 웨이퍼의 표면으로부터 반사된 광선의 파장에 따른 반사율을 획득하는 단계; 및 상기 반사율을 통하여 상기 웨이퍼에 형성된 패턴의 구조적 특징에 대한 정보를 획득하는 단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 표면 검사 방법에 의하면, 검사하고자 하는 소자의 표면 처리를 통하여 나노 수준의 패턴을 광학적으로 검사할 수 있고, 패턴이 미세화되어도 기존에 사용되던 설비를 사용할 수 있어 비용이 절감될 수 있다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2a는 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법에 사용되는 표면 검사 장치 및 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법이 적용되는 검사 대상 소자를 나타내는 개략도이다. 도 2b는 도 2a의 A부분을 확대하여 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법을 나타내는 흐름도로써, 도 1의 S140단계를 구체화한 흐름도이다.
도 4a는 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법이 적용되는 검사 대상 소자를 나타내는 단면도이다.
도 4b는 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법에 따라 측정된 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법이 적용되는 검사 대상 소자를 나타내는 단면도이다.
도 5b는 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법에 따라 측정된 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법이 적용되는 검사 웨이퍼를 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법을 나타내는 흐름도로써, 도 6의 S230단계를 구체화한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법을 나타내는 흐름도로써, 도 6의 S240단계를 구체화한 흐름도이다.
본 발명의 실시 예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 검사 방법은 미세 패턴이 형성된 검사 대상 소자의 표면에 금속막을 형성하고(S110), 상기 검사 대상 소자에 표면 검사를 위한 광선을 입사시킬 수 있다(S120). 이 때, 검사를 위해 사용되는 상기 광선은 광대역 파장을 가진 광선일 수 있다. 따라서, 경사 조명에 의한 스펙트럼 왜곡을 최소화 하기 위하여 상기 검사 대상 소자의 상면의 수직한 방향으로 광선을 입사시킬 수 있다. 상기 표면 검사 방법은 상기 검사 대상 소자의 표면으로부터 반사된 광선의 스펙트럼을 획득하고(S130), 상기 스펙트럼을 통하여 상기 검사 대상 소자에 형성된 상기 미세 패턴의 구조적 특징에 대한 정보를 획득할 수 있다(S140). 상기 미세 패턴은 주기적으로 혀성된 복수의 패턴들일 수 있다. 상기 미세 패턴의 구조적 특징에 대한 정보는 인접하는 미세 패턴과의 유사 여부에 대한 것이거나, 상기 미세 패턴의 폭, 상기 미세 패턴의 깊이 및 상기 미세 패턴 간의 간격에 대한 정보일 수 있다.
도 2a는 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법에 사용되는 표면 검사 장치 및 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법이 적용되는 검사 대상 소자를 나타내는 개략도이다. 도 2b는 도 2a의 A부분을 확대하여 나타낸 개략도이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 검사 장치(300)는 광대역 광원(broadband light source, 310), 상기 광대역 광원 (310)으로부터 출사된 광선(La)을 집광시키는 제1 및 제2 집광 렌즈(condensing lens, 320, 330), 빔 스플리터(beam splitter, 340), 대물 렌즈(objective lens, 350), 검사 대상 소자(100)로부터 반사되는 광선(Lr)을 집광하는 튜브 렌즈(tube lens, 360), 상기 검사 대상 소자(100)에 대한 정보를 검출하는 검출기(detector, 370) 및 상기 검사 대상 소자를 지지하는 스테이지(380)를 포함할 수 있다. 상기 표면 검사 장치(300)는 균일한 온도를 유지하는 챔버 내에 배치될 수 있다.
상기 광대역 광원(310)은 광선(La)을 출사할 수 있다. 상기 광대역 광원(310)은 점광원일 수 있으며, 상기 점광원에 의해 상기 광선(La)이 확산하여 출사하는 경우 상기 대물 렌즈(350)에 의해 평행한 광선(Le)으로 조정될 수 있다. 상기 광대역 광원(310)은 백색 광원일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 광선(La)은 제1 및 제2 집광 렌즈(320, 330)로 전달될 수 있다.
상기 빔 스플리터(340)는 광대역 광원(310)으로부터 출사되고, 상기 제1 및 제2 집광 렌즈(320, 330)를 통해 전달된 광선(La)을 반사하여 상기 대물 렌즈(350)로 전달할 수 있다. 또한, 상기 검사 대상 소자(100)로부터 반사되어 상기 대물 렌즈(350)를 통해 전달된 광선(Lb)을 투과시켜 상기 튜브 렌즈(360)를 통해 상기 검출기(370)로 전달하는 기능을 할 수 있다.
상기 대물 렌즈(350)는 상기 광대역 광원으로부터 출사되고, 상기 빔 스플리터(340)를 통해 전달된 광선(La)을 평행한 광선(Le)으로 조정할 수 있다. 이에 따라, 상기 광선(Le)의 단면은 일정 면적(area)을 가지게 되고, 상기 광선(Le)은 상기 검사 대상 소자(100)의 비교적 넓은 면적에 조사될 수 있다. 상기 대물 렌즈(350)는 금속막(200)이 형성된 상기 검사 대상 소자(100)로부터 반사된 반사 광선(Lr)을 집광시켜 빔 스플리터(340)로 전달할 수 있다.
상기 검출기(370)는 상기 광선(Lr)을 받아들여 전기 신호로 변환하는 장치이다. 상기 검출기(370)는 CCD (Charge Coupled Device), CMOS (Complementary Metal–Oxide Semiconductor), 또는 PMT (Photo Multiplier Tube) 등의 광전 소자를 포함할 수 있다. 상기 검출기(370)는 응답 파장 분석기를 포함할 수 있다. 상기 응답 파장 분석기는 상기 검사 대상 소자(100)로부터 반사된 상기 광선(Lr)의 파장을 분석하여 파장에 따른 반사율을 분석할 수 있다. 즉, 상기 광선(Lr)의 스펙트럼을 분석할 수 있다. 이를 통하여 상기 검사 대상 소자(100)에 형성된 미세 패턴의 구조적 특징에 대한 정보를 획득할 수 있다. 상기 응답 파장 분석기는 인접하는 미세 패턴간의 유사 여부를 판단하거나, 상기 미세 패턴의 폭, 상기 미세 패턴의 깊이 및 상기 미세 패턴 간의 간격을 계측할 수 있다.
상기 스테이지(380)는 상기 검사 대상 소자(100)를 지지하는 역할을 할 수 있다. 상기 스테이지(380)는 종방향 및 횡방향으로 이동하여 상기 검사 대상 소자(100)를 측정하고자 하는 영역으로 이동시킬 수 있다.
도 2b를 참조하면, 검사 대상 소자(100) 상에 금속막(200)이 형성될 수 있다. 상기 검사 대상 소자(100)에 광선이 입사될 때, 상기 금속막(200)에는 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR)이 발생할 수 있다. 나노미터 크기의 구조에서 표면상에는 플라즈몬이 국부적으로 존재할 수 있고, 상기 플라즈몬이 빛과 결합하여 표면 플라즈몬 공명 현상이 발생할 수 있다.
상기 금속막(200)은 표면 검사를 돕기 위한 것으로, 바람직하게는, 상기 금속막은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 중 적어도 일부를 포함할 수 있다. 상기 금속막(200)은 화학 기상 증착(chemical vapor depositon, CVD), 물리 기상 증착(physical vapor deposition, PVD) 또는 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD), 스퍼터링(sputtering), E-beam 증착, 열 증착(thermal deposition) 등의 공정을 통해 형성할 수 있다. 상기 공정들은 조합하여 이용할 수도 있지만, 어느 하나의 방법을 단독으로 이용할 수도 있다. 특히, 집속 이온빔(focused ion beam, FIB) 증착 건을 사용하여 상기 금속막(200)을 상기 검사 대상 소자(100)의 표면에 증착시킬 수 있다.
검사를 위해 사용되는 상기 광선(Le)은 광대역 파장을 가진 광선일 수 있다. 광대역 광원으로부터 상기 광선이 확산하여 출사하는 경우에는 대물 렌즈(350)에 의해 평행한 광선(Le)으로 조정될 수 있다. 상기 평행하게 조정된 평행 광선(Le)은 경사가 있는 광선에 의한 스펙트럼 왜곡을 최소화 하기 위하여 상기 검사 대상 소자(100)의 상면의 수직한 방향으로 입사될 수 있다.
도 3는 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법을 나타내는 흐름도로써, 도 1의 S140단계를 구체화한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 검사 방법은 미세 패턴의 구조적 특징에 대한 정보를 획득하는 단계(S140)를 포함할 수 있다. 상기 정보를 획득하는 단계(S140)에서는 이론 모델의 이론적인 스펙트럼과 검사 대상 소자에서 측정된 스펙트럼을 비교하고(S142), 상기 이론적인 스펙트럼의 결과와 상기 측정된 스펙트럼의 결과가 일치하는 일치 조건을 획득하여(S144) 상기 정보를 획득할 수 있다.
상기 이론 모델은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 검사 방법이 수행되기 전에 표면 검사가 수행된 시료일 수 있으며, 상기 시료는 상기 검사 대상 소자에 형성된 상기 미세 패턴과 실질적으로 동일한 형상의 미세 패턴을 가질 수 있다. 상기 이론 모델의 구조적 특징에 따른 표면 검사 결과는 라이브러리 상에 저장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표면 검사 방법이 수행되고, 검사 대상 소자로부터 스펙트럼이 도출되면, 라이브러리 상에 저장되어 있던 상기 이론 모델의 스펙트럼 데이터와 상기 측정된 스펙트럼을 비교할 수 있다. 이러한 비교를 통하여 상기 이론 모델의 이론적인 결과와 상기 검사 대상 소자의 측정된 결과가 일치하는 조건을 획득하고, 이를 통하여 상기 검사 대상 소자에 형성된 미세 패턴의 구조적 특징에 대한 정보를 획득할 수 있다.
도 4a는 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법이 적용되는 검사 대상 소자를 나타내는 단면도이다. 도 4b는 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법에 따라 측정된 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 검사 방법이 적용되는 검사 대상 소자(100)에는 미세 패턴이 형성될 수 있으며, 상기 미세 패턴은 주기적으로 형성된 복수의 패턴들일 수 있다. 상기 미세 패턴은 라인 앤 스페이스(line and space) 패턴일 수 있으며 격자 무늬의 형상을 가질 수 있다. 따라서 상기 미세 패턴은 일정한 깊이(d) 및 폭(w)을 가질 수 있다. 또한, 상기 미세 패턴은 일정한 주기(p)를 가지고 반복적으로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 검사 방법은 상기 검사 대상 소자(100)에 형성된 상기 미세 패턴의 폭(w), 상기 미세 패턴의 깊이(d) 및 상기 미세 패턴 간의 간격(s)을 계측하는 단계가 포함될 수 있다.
검사 대상 소자(100)의 표면에는 금속막(200)이 형성될 수 있다. 상기 금속막(200)은 상기 검사 대상 소자(100)의 표면을 따라 형성되므로, 상기 금속막(200)도 일정한 주기(p1)를 갖는 미세 패턴을 형성할 수 있다. 상기 금속막(200)이 형성되는 두께(t)는 상기 검사 대상 소자(100)에 형성된 상기 미세 패턴 간의 간격(s)의 1/2보다 작을 수 있다. 만약, 상기 금속막(200)이 형성되는 두께(t)는 상기 검사 대상 소자(100)에 형성된 상기 미세 패턴 간의 간격(s)의 1/2보다 크거나 같을 경우, 상기 금속막(200)은 미세 패턴을 형성하지 못하게 될 수 있다. 상기 금속막(200)이 미세 패턴을 형성하지 못한다면, 상기 검사 대상 소자(100)의 표면 검사를 위한 광선을 상기 금속막(200)에 조사시켜도 상기 검사 대상 소자(100)에 형성된 상기 미세 패턴의 구조적 특징에 대한 정보를 획득하기 어렵다.
이 때, 상기 금속막(200)이 상기 검사 대상 소자(100) 상에 형성된 상태에서 광선을 조사시키고, 상기 검사 대상 소자(100)에서 반사된 광선의 스펙트럼을 획득할 경우, 상기 금속막(200)으로 인한 오차가 발생할 수 있다. 즉, 상기 금속막(200)에 형성된 상기 미세 패턴의 폭(w1), 상기 미세 패턴의 깊이(d1) 및 상기 미세 패턴 간의 간격(s1)을 계측한 결과가 도출될 수 있다.
따라서, 상기 검사 대상 소자(100)에 형성된 미세 패턴의 구조적 특징에 대한 정보를 획득하기 위해 상기 금속막(200)으로 인하여 발생하는 오차를 계산하고, 이를 반영할 수 있다. 상기 금속막(200)으로 인하여 발생하는 오차는 상기 검사 대상 소자(100)의 상기 미세 패턴의 폭(w), 상기 미세 패턴의 깊이(d), 상기 미세 패턴 간의 간격(s) 및 상기 금속막(200)의 물질 등을 고려하여 계산될 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 금속막(200)이 형성되지 않은 검사 대상 소자(100)의 표면을 검사하는 경우 및 금속막(200)이 형성된 검사 대상 소자(100)의 표면을 검사하는 경우의 파장에 따른 상기 검사 대상 소자(100) 표면에서의 반사율을 알 수 있다. 본 실험에서 사용된 금속막(200)은 금으로 구성된 것이다.
표면 검사에서는 검사 대상 소자(100)에서 반사되는 광선의 반사율이 최저 값을 갖는 파장 값(λn, λm1, λm2)을 바탕으로 상기 검사 대상 소자(100)에 형성된 미세 패턴의 구조적 특징에 대한 정보를 획득할 수 있다. 상기 미세 패턴의 구조적 특징은 상기 미세 패턴의 폭(w) 및 상기 미세 패턴 간의 간격(s)의 값을 포함할 수 있다.
상기 검사 대상 소자(100)에서 반사되는 광선의 반사율을 비교하면, 상기 금속막(200)이 형성되지 않은 경우에 반사율이 최저 값을 갖는 파장 값(λn)보다 상기 금속막(200)이 형성된 경우에 반사율이 최저 값을 갖는 파장 값(λm1, λm2)이 크다는 것을 알 수 있다. 즉, 금속막(200)에 발생하는 표면 플라즈몬 효과에 의하여 표면에서의 반사율이 최저 값을 갖는 파장 값이 커짐을 알 수 있다. 상기 금속막(200)이 형성된 경우에 반사율이 최저 값을 갖는 파장 값(λm1, λm2)을 비교할 때, 상기 금속막(200)의 두께가 30nm에서 50nm로 변할수록, 반사율이 최저 값을 갖는 파장 값이 더 커짐을 알 수 있다. 즉, 형성되는 상기 금속막(200)의 두께가 두꺼울수록 반사율이 최저 값을 갖는 파장 값이 더 커질 수 있다. 이는 상기 금속막(200)의 두께가 두꺼울수록 표면 검사에 사용되는 광선의 투과 손실이 감소되어 대부분의 빛이 플라즈몬 공명 발생에 기여하기 때문이다.
일반적으로 검사 대상 소자(100)에 형성된 미세 패턴의 폭이 좁아질수록 상기 반사율이 최저 값을 갖는 파장 값은 감소한다. 따라서, 미세 패턴이 형성된 상기 검사 대상 소자(100)를 검사하기 위해서는 표면 검사 장치가 분석할 수 있는 파장 영역대가 낮아져야 하고, 이에 따라 기존에 사용되던 표면 검사 장치를 교체해야할 수 있다. 그러나 상기 검사 대상 소자(100)에 금속막(200)을 형성하면, 상기 검사 대상 소자(100)에 금속막(200)을 형성하지 않은 때에 비하여, 상기 반사율이 최저 값을 갖는 파장 값이 커지게 된다. 따라서, 상기 검사 대상 소자(100)에 형성되는 미세 패턴이 더욱 미세화되더라도 기존에 사용되던 표면 검사 장치를 그대로 사용하여 상기 미세 패턴의 폭(w) 및 상기 미세 패턴 간의 간격(s)의 값을 계측할 수 있다. 형성되는 상기 금속막(200)의 두께는 사용자가 설정하여 조절할 수 있으며, 두껍게 형성할수록 상기 반사율의 최저 값을 갖는 파장 값의 변화가 커질 수 있으나, 상기 검사 대상 소자(100)에 형성된 미세 패턴의 폭(w)에 제한을 받을 수 있다.
또한, 도 4b의 그래프에 따르면, 상기 금속막(200)을 형성한 경우, 상기 검사 대상 소자(100)로부터 반사되는 광선의 파장에 따른 반사율이 더욱 급격하게 변함을 알 수 있다. 상기 파장에 따른 반사율이 급격하게 변할수록, 표면 검사 장치가 상기 검사 대상 소자(100)로부터 반사되는 광선의 반사율이 최저 값일 때의 파장값을 감지하기 상대적으로 용이하므로 효율적으로 상기 검사 대상 소자(100)의 표면을 검사할 수 있다.
도 5a는 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법이 적용되는 검사 대상 소자를 나타내는 단면도이다. 도 5b는 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법에 따라 측정된 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 5a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 검사 방법이 적용되는 검사 대상 소자(100)의 표면에는 금속막(200)이 형성될 수 있다. 또한 상기 검사 대상 소자(100)에는 미세 패턴이 형성될 수 있으며, 상기 미세 패턴은 주기적으로 형성된 복수의 패턴들일 수 있다. 상기 미세 패턴들은 서로 동일한 형상을 가질 수 있으나, 일부의 미세 패턴(B)은 인접한 미세 패턴들과 상이한 형상을 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 검사 방법은 인접하는 미세 패턴과의 유사 여부를 판단할 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 금속막(200)이 형성되지 않은 검사 대상 소자(100)의 표면을 검사하는 경우 및 금속막(200)이 형성된 검사 대상 소자(100)의 표면을 검사하는 경우의 파장에 따른 상기 검사 대상 소자(100) 표면에서의 반사율을 알 수 있다. 이 때, 본 실험에서 사용된 상기 금속막(200)은 금으로 구성된 것이며, 검사 대상 소자(100)의 표면에 형성된 미세 패턴의 폭(w)이 250nm인 경우 및 검사 대상 소자(100)의 표면에 형성된 미세 패턴의 폭(w)이 275nm인 경우의 반사율을 알 수 있다.
상기 그래프에 따르면, 검사 대상 소자(100)의 표면에 형성된 미세 패턴의 폭(w)이 다를 경우에는 상기 파장에 따른 상기 검사 대상 소자(100) 표면에서의 반사율이 달라짐을 알 수 있다. 따라서 표면 검사 장치는 상기 반사율의 차이를 감지함으로써, 인접하는 미세 패턴과의 유사 여부를 판단할 수 있다. 상기 검사 대상 소자(100)의 표면에 금속막(200)을 형성한 경우, 상기 미세 패턴의 폭(w)값의 변화에 따른 반사율의 차이를 상기 표면 검사 장치가 감지할 수 있는 파장 구간을 Δλm라고 하고, 상기 금속막(200)을 형성하지 않은 경우의 상기 미세 패턴의 폭(w)값의 변화에 따른 반사율의 차이를 상기 표면 검사 장치가 감지할 수 있는 파장 구간을 Δλn라고 정의 하겠다. 상기 그래프에 따르면, 상기 금속막(200)이 형성된 경우의 상기 파장 구간(Δλm)은 상기 금속막(200)이 형성되지 않은 경우의 상기 파장 구간(Δλn)보다 큰 값을 갖는 영역대에서 형성될 수 있다.
도 4a 및 도 4b에 대한 설명에서 전술한 바와 같이, 종래보다 더욱 규모가 작은 미세 패턴이 형성된 상기 검사 대상 소자(100)를 검사하기 위해서는 표면 검사 장치가 분석할 수 있는 파장 영역대가 낮아져야 하고, 이에 따라 기존에 사용되던 표면 검사 장치를 교체해야할 수 있다. 그러나 상기 검사 대상 소자(100)에 금속막(200)을 형성하면, 상기 미세 패턴의 폭(w)값의 변화에 따른 반사율 그래프의 변화가 확연하게 드러나는 파장 구간(Δλm)이 큰 값을 갖는 영역대에서 형성되므로 상기 검사 대상 소자(100)에 형성되는 미세 패턴이 더욱 미세화되더라도 기존에 사용되던 표면 검사 장치를 그대로 사용하여 인접하는 미세 패턴과의 유사 여부를 판단할 수 있다.
또한, 상기 금속막(200)이 형성된 경우의 상기 파장 구간(Δλm)은 상기 금속막(200)이 형성되지 않은 경우의 상기 파장 구간(Δλn)보다 넓게 형성될 수 있다. 따라서, 표면 검사 장치가 상기 미세 패턴의 폭(w)값의 변화에 따른 반사율의 변화를 감지하는 것이 용이할 수 있다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 검사 방법은 웨이퍼에 검사 보조 층을 형성하고(S210), 상기 웨이퍼의 표면에 평행한 광선을 입사시켜 상기 검사 보조 층에 표면 플라즈몬 공명을 발생시킬 수 있다(S220). 검사를 위해 사용되는 상기 광선은 광대역 파장을 가진 광선일 수 있다. 따라서, 경사 조명에 의한 스펙트럼 왜곡을 최소화 하기 위하여 상기 검사 대상 소자의 상면의 수직한 방향으로 광선을 입사시킬 수 있다.
전술한 바와 같이 상기 검사 보조 층에 표면 플라즈몬 공명이 발생되면, 표면 플라즈몬 공명이 발생하지 않는 경우와 비교하여 상기 웨이퍼 표면으로부터 반사된 광선의 파장에 따른 반사율이 달라질 수 있다. 따라서, 상기 반사된 광선의 파장에 따른 반사율이 급격하게 변화하여, 표면 검사 장치가 상기 반사율의 변화를 감지할 수 있는 구간의 파장의 범위는, 상기 표면 검사 장치가 검사할 수 있도록 설정된 파장의 범위와 서로 일치할 수 있다. 상기 표면 검사 장치는 상기 웨이퍼의 표면으로부터 반사된 광선의 파장에 따른 반사율을 획득할 수 있다(S230). 상기 웨이퍼 표면으로부터 반사된 광선의 파장에 따른 상기 반사율을 통하여 상기 웨이퍼에 형성된 패턴의 구조적 특징에 대한 정보를 획득할 수 있다(S240).
상기 검사 보조 층은 상기 웨이퍼의 표면 검사를 돕기 위한 것으로, 금속을 포함하는 금속막일 수 있다. 바람직하게는, 상기 금속막은 금, 은(Ag), 구리, 알루미늄 중 적어도 일부를 포함할 수 있다. 다만, 상기 검사 보조 층은 금속막에 한정되는 것은 아니며, 표면 플라즈몬 공명 현상이 발생할 수 있는, 유전율의 실수부가 음수인 비금속으로 구성될 수도 있다. 상기 검사 보조 층은 화학 기상 증착, 물리 기상 증착, 원자층 증착, 스퍼터링, E-beam 증착 또는 열 증착 등의 공정을 통해 형성할 수 있다. 상기 공정들은 조합하여 이용할 수도 있지만, 어느 하나의 방법을 단독으로 이용할 수도 있다. 상기 표면 검사 방법에서는 도 2a에서 설명한 표면 검사 장치가 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7은 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법이 적용되는 검사 웨이퍼를 나타내는 단면도이다. 도 6에서의 설명과 중복되는 사항에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 검사 방법이 적용되는 웨이퍼(10)는 반도체 칩 영역(20) 및 상기 반도체 칩 영역(20) 사이에 반도체 칩을 구획하는 스크라이브 레인(scribe lane) 영역(30)을 포함할 수 있다. 상기 스크라이브 레인 영역(30)은 상기 반도체 소자가 형성된 웨이퍼(10)를 다수의 칩으로 분리하기 위하여, 다이아몬드 커터 또는 레이져 등으로 웨이퍼(10) 표면에 가로, 세로로 흠을 낼 수 있는 영역을 의미한다. 흠을 낸 상기 반도체 소자가 형성된 웨이퍼(10)는 다수의 칩으로 분리할 수 있다. 반도체 소자는 상기 반도체 칩 영역(20)에 형성될 수 있다.
웨이퍼(10)는 Si, Ge, SiGe, GaP, GaAs, SiC, SiGeC, InAs, 및 InP로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 반도체 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 웨이퍼(10)는 실리콘 기판, SOI(Silicon On Insulator) 기판, 갈륨 비소 기판, 실리콘 게르마늄 기판, 세라믹 기판, 석영 기판, 또는 디스플레이용 유리 기판 등의 강성 기판이거나 폴리이미드(polyimide), 폴리에스테르(polyester) 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에테르술폰(polyethersulfone), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate) 등의 가요성 플라스틱 기판일 수 있다.
상기 웨이퍼(10)는 제1 도전형(예를 들어, P형) 기판일 수있으며, 웨이퍼(10)는 제1 도전형(예를 들어, P형)의 에피층을 성장시키고, 에피층을 식각하여 형성한 것일 수도 있다. 또한, 웨이퍼(10)는 제1 도전형(예를 들어, P형) 기판 자체를 식각하여 형성할 수도 있다.
상기 웨이퍼(10)에는 검사 보조 층(M)이 형성될 수 있다. 상기 검사 보조 층(M)은 상기 웨이퍼(10)의 일부 영역에만 형성될 수 있다. 도 7에 따르면, 반도체 칩 영역(20)의 일부에 상기 검사 보조 층(M)이 형성된 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않으며, 상기 스크라이브 레인 영역(30)의 일부에 상기 검사 보조 층(M)이 형성될 수도 있다. 상기 웨이퍼(10)의 일부 영역에만 상기 검사 보조 층(M)을 형성하는데 있어서, 집속 이온빔 증착 건을 사용할 수 있다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법을 나타내는 흐름도로써, 도 6의 S230단계를 구체화한 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 검사 방법은 상기 웨이퍼로부터 반사된 광선의 파장에 따른 반사율을 획득하는 단계(S230)를 포함할 수 있다. 상기 반사율을 획득하는 단계(S230)에서는 웨이퍼 표면으로부터 반사된 광선이 응답 파장 분석기로 입사되고(S232), 상기 응답 파장 분석기로 입사된 광선 중에서 가시광선 영역대의 광선의 반사율을 획득할 수 있다(S234).
전술한 바와 같이, 상기 웨이퍼 상에 형성한 검사 보조 층에서는 표면 플라즈마 공명 현상이 발생할 수 있다. 따라서 상기 검사 보조 층이 형성되지 않은 웨이퍼를 검사하는 경우에 비하여, 상기 검사 보조 층이 형성된 웨이퍼의 표면으로부터 반사되는 광선의 파장에 따른 반사율이 변할 수 있다.
일반적으로 웨이퍼에 형성된 나노 단위의 미세 패턴에 광선을 조사하고, 반사되는 광선을 분석하면, 자외선 영역대의 파장에서 반사율의 변화가 상대적으로 크게 측정될 수 있다. 특히, 상기 미세 패턴이 점점 더 미세됨에 따라 반사율이 크게 변하는 파장의 크기가 감소할 수 있다. 반면, 상기 웨이퍼에 표면 플라즈몬 공명 현상을 발생시키는 검사 보조 층을 형성하면, 상기 검사 보조 층으로부터 반사되는 광선은 가시광선 영역대에서 반사율의 변화가 상대적으로 크게 측정될 수 있다. 상기 응답 파장 분석기가 분석할 수 있는 광선의 파장 영역대가 가시광선 영역인 경우, 상기 표면 검사 방법을 수행하기 위한 표면 검사 장치가 검사할 수 있는 파장의 범위와 상기 검사 보조 층으로부터 반사되는 광선의 반사율의 변화가 크게 발생하는 파장의 범위가 일치할 수 있다. 또한, 파장에 따른 반사율이 변화되는 정도가 커지므로 상기 반사율이 최저 값 일 때의 파장값을 획득하기가 용이할 수 있다. 따라서 상기 표면 검사 장치가 따라서 상기 표면 검사 장치는 효율적으로 상기 웨이퍼의 표면을 검사할 수 있다.
도 9는 본 발명의 기술적 사상에 따른 표면 검사 방법을 나타내는 흐름도로써, 도 6의 S240단계를 구체화한 흐름도이다.
도 9 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 검사 방법은 웨이퍼에 형성된 패턴의 구조적 특징에 대한 정보를 획득하는 단계(S240)를 포함할 수 있다. 상기 정보를 획득하는 단계(S240)에서는 상기 웨이퍼의 표면으로부터 반사된 광선의 파장에 따른 반사율이 최저값또는 최고 값을 가질 때의 파장 값을 획득하거나, 상기 반사율의 변화량이 임계치 이상의 값을 가질 때의 파장 값을 획득할 수 있다(S242). 상기 웨이퍼에 형성된 상기 패턴과 실질적으로 동일한 형상의 패턴을 가진 이론 모델을 도입하여, 상기 이론 모델의 구조적 특징에 따른 응답 파장 데이터와 상기 파장 값을 비교할 수 있다(S244). 이 때, 상기 임계치는 사용자가 설정할 수 있는 값이다. 또한, 상기 임계치는 상기 응답 파장 데이터와 상기 파장 값을 비교하기 위하여, 표면 검사에 사용되는 표면 검사 장치가 감지하기에 적절한 최소의 상기 반사율의 변화량 값일 수 있다.
상기 이론 모델은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 검사 방법이 수행되기 전에 표면 검사가 수행된 시료일 수 있으며, 상기 시료는 상기 웨이퍼에 형성된 상기 패턴과 실질적으로 동일한 형상의 패턴을 가질 수 있다. 상기 이론 모델의 구조적 특징에 따른 표면 검사 결과는 라이브러리 상에 저장될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 검사 방법이 수행되고, 웨이퍼의 표면으로부터 반사된 광선의 파장에 따른 반사율 데이터가 도출되면, 라이브러리 상에 저장되어 있던 상기 이론 모델의 응답 파장 데이터와 비교할 수 있다. 이를 통하여 상기 웨이퍼에 형성된 패턴의 구조적 특징에 대한 정보, 즉, 상기 패턴의 폭, 상기 패턴의 높이 및 상기 패턴 간의 간격에 대한 정보를 획득할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.
100: 검사 대상 소자 200: 금속막
10: 웨이퍼 300: 표면 검사 장치
310: 광대역 광원 320, 330: 제1, 제2 집광 렌즈
340: 빔 스플리터 350: 대물 렌즈
360: 튜브 렌즈 370: 검출기
380: 스테이지

Claims (10)

  1. 미세 패턴이 형성된 검사 대상 소자의 표면에 금속막을 형성하는 단계;
    상기 검사 대상 소자의 상면과 수직한 방향으로 평행한 광선을 입사시키는 단계;
    상기 검사 대상 소자의 표면으로부터 반사된 광선의 스펙트럼을 획득하는 단계; 및
    상기 스펙트럼을 통하여 상기 검사 대상 소자에 형성된 상기 미세 패턴의 구조적 특징에 대한 정보를 획득하는 단계; 를 포함하는 표면 검사 방법.
  2. 제1 항에 있어서
    상기 미세 패턴은 주기적으로 형성된 복수의 패턴들인 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 미세 패턴의 구조적 특징에 대한 정보를 획득하는 단계는 인접하는 미세 패턴과의 유사 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 미세 패턴의 구조적 특징에 대한 정보를 획득하는 단계는 상기 미세 패턴의 폭 및 상기 미세 패턴 간의 간격을 계측하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 미세 패턴의 구조적 특징에 대한 정보를 획득하는 단계는 상기 금속막으로 인하여 발생하는 오차를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 금속막으로 인하여 발생하는 오차를 반영하는 단계는 상기 미세 패턴의 폭, 상기 미세 패턴의 높이, 상기 미세 패턴 간의 간격 및 상기 금속막의 물질을 고려하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 금속막은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 중 적어도 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법.
  8. 웨이퍼에 검사 보조 층을 형성하는 단계;
    상기 웨이퍼의 표면과 수직한 방향으로 평행한 광선을 입사시켜 상기 검사 보조 층에 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR)을 발생시키는 단계;
    상기 웨이퍼의 표면으로부터 반사된 광선의 파장에 따른 반사율을 획득하는 단계; 및
    상기 반사율을 통하여 상기 웨이퍼에 형성된 패턴의 구조적 특징에 대한 정보를 획득하는 단계; 를 포함하는 표면 검사 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 검사 보조 층은 금속 또는 유전율의 실수부가 음수인 비금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 검사 보조 층을 형성하는 단계는 상기 웨이퍼의 일부에만 형성하는 것을 특징으로 하는 표면 검사 방법.
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