KR20180128647A - 광학 측정 방법 및 장치, 및 이를 이용한 반도체 장치의 제조 방법 - Google Patents

광학 측정 방법 및 장치, 및 이를 이용한 반도체 장치의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

광학 측정 방법에 있어서, 베셀 빔을 생성한다. 상기 베셀 빔을 필터링하여 집속 베셀 빔을 생성한다. 상기 집속 베셀 빔을 개구가 형성된 기판 상에 수직하게 조사한다. 상기 기판으로부터 반사된 광을 검출하여 상기 개구의 바닥면에 대한 이미지를 획득한다.

Description

광학 측정 방법 및 장치, 및 이를 이용한 반도체 장치의 제조 방법{OPTICAL MEASURING METHODS AND APPARATUS, AND METHOD OF MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICES USING THE SAME}
본 발명은 광학 측정 방법 및 장치, 및 이를 이용한 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 자세하게, 본 발명은 기판에 형성된 고종횡비를 갖는 구조물을 측정하기 위한 광학 측정 장치 및 방법, 및 이를 이용한 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
DRAM, VNAND 등과 같은 반도체 장치들, 및 관통 실리콘 비아(through silicon via, TSV)를 이용한 스택 칩 패키지 등과 같은 반도체 패키지들을 제조하기 위한 반도체 제조 공정에 있어서, 웨이퍼 상에 고종횡비(high aspect ratio)를 갖는 개구들을 형성하기 위한 공정이 수행될 수 있다. 이 때, 상기 개구 바닥면을 비파괴적 방법으로 정확하게 측정할 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명의 일 과제는 고종횡비의 개구의 바닥면을 높은 해상도로 측정할 수 있는 광학 측정 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 과제는 상술한 광학 측정 방법을 수행하기 위한 광학 측정 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 과제는 상술한 광학 측정 방법을 이용하여 반도체자 장치를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 광학 측정 방법에 있어서, 베셀 빔을 생성한다. 상기 베셀 빔을 필터링하여 집속 베셀 빔을 생성한다. 상기 집속 베셀 빔을 개구가 형성된 기판 상에 수직하게 조사한다. 상기 기판으로부터 반사된 광을 검출하여 상기 개구의 바닥면에 대한 이미지를 획득한다.
상기 본 발명의 다른 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 광학 측정 장치는 개구가 형성된 기판을 지지하기 위한 스테이지, 조명 광으로부터 베셀 빔을 생성하기 위한 베셀 빔 생성기, 상기 베셀 빔의 경로 상에 설치되며 상기 베셀 빔을 제한하여 집속된 베셀 빔으로 조정하기 위한 베셀 빔 조정기, 상기 집속된 베셀 빔을 상기 스테이지 상의 상기 기판을 향하도록 하는 광학 요소, 및 상기 기판으로부터 반사된 광을 검출하여 상기 개구 바닥면의 이미지를 획득하기 위한 광 검출기를 포함한다.
상기 본 발명의 또 다른 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 반도체 장치의 제조 방법에 있어서, 기판 상에 개구를 갖는 구조물을 형성한다. 베셀 빔을 생성한다. 상기 베셀 빔을 필터링하여 집속 베셀 빔으로 조정한다. 상기 집속 베셀 빔을 상기 기판 상에 수직하게 조사한다. 상기 기판으로부터 반사된 광을 검출하여 상기 개구의 바닥면에 대한 이미지를 획득한다. 상기 획득된 이미지를 분석하여 상기 개구의 결함 여부를 결정한다.
예시적인 실시예들에 따른 광학 측정 방법 및 장치에 있어서, 베셀 빔 생성기를 이용하여 조명 광원으로부터의 조명 광을 베셀 빔으로 생성하고, 베셀 빔 조정기를 이용하여 상기 베셀 빔을 필터링하여 집속된 베셀 빔을 생성할 수 있다. 따라서, 상기 베셀 빔을 필터링 및 제한하여 조정된 베셀 빔을 생성함으로써, 웨이퍼에 형성된 개구의 바닥면에 도달하는 깊이, 상기 개구로 입사되는 입사광의 입사 각도, 신호 대 노이즈 등을 조절할 수 있다.
이에 따라, 상기 웨이퍼에 형성된 상기 개구가 고종횡비를 갖더라도, 향상된 해상도를 갖는 개구 바닥면의 이미지를 획득하고 상기 개구 바닥면의 검출 성능을 향상시킬 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 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 P1 평면에서의 베셀 빔의 강도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 1의 P2 평면에서의 조정된 베셀 빔의 강도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 1의 스테이지 상의 웨이퍼에 형성된 개구 및 입사되는 빔의 각도를 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 도 1의 베셀 빔 생성기를 나타내는 단면도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 도 1의 베셀 빔 생성기를 나타내는 단면도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 도 1의 베셀 빔 조정기를 나타내는 단면도이다.
도 8은 도 7의 베셀 빔 조정기의 터렛형 애퍼처 필터를 나타내는 평면도이다.
도 9는 도 8의 터렛형 애퍼처 필터의 애퍼처를 나타내는 평면도이다.
도 10a 내지 도 10d는 도 8의 터렛형 애퍼처 필터의 애퍼처들에 의해 조정된 집속 베셀 빔들의 프로파일들을 나타내는 그래프들이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 도 1의 베셀 빔 조정기를 나타내는 평면도이다.
도 12는 도 1의 결합 검사 장치의 제어부를 나타내는 블록도이다.
도 13은 예시적인 실시예들에 따른 광학 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 14 내지 도 16은 예시적인 실시예들에 따른 수직형 메모리 장치를 제조하는 방법을 나타내는 수직 단면도들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 광학 측정 장치를 나타내는 블록도이다. 도 2는 도 1의 P1 평면에서의 베셀 빔의 강도 프로파일을 나타내는 그래프이다. 도 3은 도 1의 P2 평면에서의 조정된 베셀 빔의 강도 프로파일을 나타내는 그래프이다. 도 4는 도 1의 스테이지 상의 웨이퍼에 형성된 개구 및 입사되는 빔의 각도를 나타내는 도면이다. 도 5는 일 실시예에 따른 도 1의 베셀 빔 생성기를 나타내는 단면도이다. 도 6은 다른 실시예에 따른 도 1의 베셀 빔 생성기를 나타내는 단면도이다. 도 7은 일 실시예에 따른 도 1의 베셀 빔 조정기를 나타내는 단면도이다. 도 8은 도 7의 베셀 빔 조정기의 터렛형 애퍼처 필터를 나타내는 평면도이다. 도 9는 도 8의 터렛형 애퍼처 필터의 애퍼처를 나타내는 평면도이다. 도 10a 내지 도 10d는 도 8의 터렛형 애퍼처 필터의 애퍼처들에 의해 조정된 집속 베셀 빔들의 프로파일들을 나타내는 그래프들이다. 도 11은 다른 실시예에 따른 도 1의 베셀 빔 조정기를 나타내는 평면도이다. 도 12는 도 1의 결합 검사 장치의 제어부를 나타내는 블록도이다.
도 1 내지 도 12를 참조하면, 광학 측정 장치(100)는 피검사물로서의 기판을 지지하는 스테이지(110), 조명 광원(120), 베셀 빔 생성기(130), 베셀 빔 조정기(140), 광 검출기(170), 및 제어부(180)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 광학 측정 장치(100)는 DRAM, VNAND 등과 같은 반도체 장치들, 및 관통 실리콘 비아(through silicon via, TSV)를 이용한 스택 칩 패키지 등과 같은 반도체 패키지들을 제조하기 위한 반도체 공정을 비파괴적 방법으로 모니터링하기 위해 사용될 수 있다.
예를 들면, 도 1의 광학 측정 장치(100)는 반도체 제조 공정에 의해 고종횡비를 갖는 개구가 형성된 웨이퍼(W) 상에 측정 광을 조사하고 상기 개구의 바닥면의 이미지를 획득하여 상기 개구의 결함 여부를 검사하는 데 사용될 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.
스테이지(110)는 웨이퍼(W)와 같은 기판을 지지할 수 있다. 광학 검사 장치(100)는 스테이지(110)를 이동시키기 위한 구동 메커니즘(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 상기 구동 메커니즘에 의해 스테이지(300)는 제1 방향 및 제2 방향으로 이동할 수 있다. 또한, 스테이지(110)는 웨이퍼(W)에 형성된 개구 내부에 초점 위치를 맞추기 위하여 제3 방향으로 이동할 수 있다. 상기 구동 메커니즘은 제어부(180)에 연결되고, 제어부(180)로부터 입력된 제어 신호에 응답하여 스테이지(110)를 이동시킬 수 있다. 도 1에 있어서, 지면의 좌우 방향을 제1 방향으로 하고, 지면의 수직 방향을 제2 방향으로 하고, 지면의 상하 방향을 제3 방향으로 하였다.
조명 광원(120)은 레이저 빔과 같은 조명 광을 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 광원(120)에 의해 발생된 조명 광은 약 266nm 이하의 단파장을 가질 수 있다. 상기 조명 광은 가우시안 강도 프로파일(Gaussian intensity profile)을 갖는 가우시안 빔일 수 있다. 조명 광원(120)은 상기 조명 광을 빔 스플리터(150)를 향하도록 구성될 수 있다.
베셀 빔 생성기(130)는 조명 광원(120)과 빔 스플리터(150) 사이에 상기 조명 광의 광로 상에 배치되어 상기 조명 광으로부터 베셀 빔을 생성할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 베셀 빔 생성기(130)에 의해 생성된 베셀 빔은 제1 종의 베셀 함수(Bessel function)로 묘사되는 크기를 갖는 베셀-가우스(Bessel-Gauss) 빔일 수 있다. 상기 베셀 빔을 비회절광(non-diffracting beam)일 수 있다. 상기 베셀 빔의 단면은 빔 축의 중심부에 원형의 중심 영역과 상기 중심 부분 둘레에 복수 개의 환형 링들의 주변 영역을 가질 수 있다. 상기 원형의 중심 영역은 가장 큰 제1 피크를 갖고, 상기 주변 영역은 상기 빔 축으로부터 순차적으로 감소하는 크기의 피크들을 가질 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 있어서, 베셀 빔 생성기(130)는 환형의 슬릿을 갖는 링 마스크로서의 회절 광학 요소(132) 및 양의 굴절률을 갖는 렌즈(134)를 포함할 수 있다. 상기 링 마스크는 초점 거리만큼 렌즈(134)로부터 이격될 수 있다. 상기 조명 광이 회절 광학 요소(132)로 조명되어 렌즈(134)의 후초점면(back focal plane)에 얇은 환형의 광을 생성할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에 있어서, 베셀 빔 생성기(130)는 엑시콘 렌즈(136)를 포함할 수 있다. 엑시콘 렌즈(136)는 원뿔 형상의 광학 요소일 수 있다. 상기 빔 축을 가로질러 대략적으로 가우시안 강도 분포를 갖는 상기 조명 광은 엑시콘 렌즈(136)를 통과함으로써 상기 베셀 빔이 형성될 수 있다.
베셀 빔 조정기(140)는 베셀 빔 생성기(130)와 빔 스플리터(150) 사이에 상기 베셀 빔의 광로 상에 배치되어 상기 베셀 빔을 필터링하여 집속된 베셀 빔(concentrated Bessel beam)을 생성할 수 있다. 베셀 빔 조정기(140)는 베셀 빔 생성기(130)에 의해 생성된 베셀 빔을 필터링 또는 제한하여 집속된 베셀 빔(concentrated Bessel beam)으로 조정할 수 있다. 베셀 빔 조정기(140)는 상기 배셀 빔의 경로 상에서 이동 가능하도록 설치되어 상기 베셀 빔의 초점 심도(depth of focus, DOF)를 조정할 수 있다. 베셀 빔 조정기(140)는 공간 필터(spatial filter), 대역 필터(band pass filter)의 역할을 수행할 수 있다.
구체적으로, 베셀 빔 조정기(140)는 상기 베셀 빔의 중심 영역을 제외한 주변 영역을 필터링하여 집속된 베셀 빔으로 조정할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 베셀 빔 조정기(140)에 의해 조정된 집속된 베셀 빔은 가장 큰 제1 피크를 갖는 원형의 강도 분포만을 가질 수 있다.
도 7 내지 도 10d에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 있어서, 베셀 빔 조정기(140)는 터렛형 애퍼처 필터(142)를 포함할 수 있다. 터렛형 애퍼처 필터(142)는 둘레를 따라 배열된 복수 개의 애퍼처들(144a, 144b, 144c, 144d)을 포함할 수 있다. 터렛형 애퍼처 필터(142)는 제2 구동 메커니즘에 의해 회전 가능하도록 설치될 수 있다. 터렛형 애퍼처 필터(142)가 회전함에 따라, 복수 개의 애퍼처들(144a, 144b, 144c, 144d) 역시 회전할 수 있다. 터렛형 애퍼처 필터(142)는 중심축(C)에 대하여 기 설정된 각도만큼 회전하여 상기 애퍼처들 중에서 어느 하나를 선택하여 상기 베셀 빔을 필터링할 수 있다. 상기 제2 구동 메커니즘은 제어부(180)에 연결되고, 제어부(180)로부터 입력된 제어 신호에 응답하여 터렛형 애퍼처 필터(142)를 회전시킬 수 있다.
예를 들면, 상기 애퍼처는 선버스트(sunburst) 형상을 가질 수 있다. 상기 애퍼처는 방사상의, 방사형 라인들(radial, radiating lines)을 가질 수 있다. 애퍼처(144c)의 방사형 라인은 기 설정된 길이(L)와 두께(T)를 가질 수 있다. 복수 개의 애퍼처들(144a, 144b, 144c, 144d)은 서로 다른 형상의 방사형 라인들을 가질 수 있다.
도 10a 내지 도 10d는 애퍼처들(144a, 144b, 144c, 144d)에 의해 조정된 베셀 빔들의 강도 프로파일들을 나타낼 수 있다. 상기 조정된 베셀 빔의 프로파일의 강도(intensity), 노이즈 등은 상기 애퍼처의 방사형 라인의 길이(L)와 두께(T)에 의해 조절될 수 있다. 예를 들면, 상기 강도 프로파일의 크기가 커지면 노이즈가 증가하고, 상기 강도 프로파일의 크기가 감소할수록 노이즈가 감소할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에 있어서, 베셀 빔 조정기(140)는 공간 광 변조기(146)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 공간 광 변조기(146)는 원하는 형상의 애퍼처를 형성하여 상기 베셀 빔을 필터링할 수 있다.
빔 스플리터(150)는 베셀 빔 조정기(140)로부터의 상기 조정된 베셀 빔을 스테이지(110) 상의 웨이퍼(W)를 향하도록 할 수 있다. 굴절 광학 요소(160)가 빔 스플리터(150)로부터의 상기 조정된 베셀 빔을 웨이퍼(W)로 포커싱할 수 있다. 조명 광원(120), 베셀 빔 형성기(130), 베셀 빔 조정기(140), 빔 스플리터(150) 및 굴절 광학 요소(160)는 조명 채널을 형성할 수 있다.
상기 조명 채널에 의해 웨이퍼(W)로 입사되는 광은 수직 입사광일 수 있다. 베셀 빔 조정기(140)에 의해 조정된 집속 베셀 빔은 상대적으로 큰 초점 심도(depth of focus, DOF)를 가지며 향상된 해상도를 제공할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 기판(200) 상에 형성된 개구(220)는 상부면(210)으로부터 소정의 깊이(H) 및 폭(W)을 가질 수 있다. 개구(220)는 상대적으로 큰 종횡비를 가질 수 있다. 상기 수직 입사광은 상부면(210)의 수직선(N)에 대하여 기 설정된 각도(θ)를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 입사광은 상부면(210)의 수직선(N)에 대하여 약 3도 이하의 각도(θ)를 가질 수 있다. 따라서, 큰 DOF를 갖는 상기 조정된 집속 베셀 빔은 큰 종횡비를 갖는 개구(220)의 바닥면까지 용이하게 도달할 수 있다.
웨이퍼(W), 즉, 개구(220)의 바닥면으로부터 반사된 광은 굴절 광학 요소(160)에 의해 수집되고, 빔 스플리터(150)를 통해 광 검출기(170)로 향하게 된다. 광 검출기(170)는 전하 결합 소자(CCD)와 같은 촬상 소자를 포함할 수 있다. 이러한 검출 채널을 통해 웨이퍼(W), 즉, 개구(220)의 바닥면으로부터 반사된 광으로부터 이미지를 획득할 수 있다.
따라서, 베셀 빔 조정기(140)는 상기 베셀 빔을 필터링 및 제한하여 조정된 베셀 빔을 생성함으로써, 개구(220)의 바닥면에 도달하는 깊이, 입사광의 입사 각도, 신호 대 노이즈 등을 조절할 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 제어부(180)는 이미지 저장부(182), 검사 조건 설정부(184) 및 매칭부(186)를 포함할 수 있다. 제어부(180)는 광학 측정 장치(100)의 검사 조건을 설정하고 획득한 이미지들로부터 검사 영역, 즉, 개구(220)의 바닥면의 결함을 검출할 수 있다.
구체적으로, 이미지 저장부(182)는 광 검출기(170)로부터 입력된 검출 신호들, 또는 이미지들을 저장할 수 있다. 이미지 저장부(182)는 웨이퍼(W) 표면을 스캐닝하면서 서로 다른 검사 영역들, 즉, 서로 다른 개구들에 대한 복수 개의 이미지들을 수신하고 수신하고 저장할 수 있다. 상기 이미지들은 관심 결함에 대한 검출 신호값들을 포함할 수 있다. 또한, 이미지 저장부(182)는 결함이 없는 개구의 바닥면에 대한 기준 이미지를 저장할 수 있다.
검사 조건 설정부(184)는 상기 이미지들로부터 검사 대상인 개구 바닥면의 반사도가 가장 크게 나타내는 조건을 검사 조건으로 선택할 수 있다. 복수 개의 수신된 이미지들 중에서 상기 개구 바닥면에 대한 반사도가 원하는 값 이상일 때의 조건을 검사 조건으로 선택할 수 있다.
예를 들면, 상기 검사 조건은 상기 베셀 빔 경로 상에서의 상기 베셀 빔 조정기의 위치, 상기 애퍼처의 종류, 상기 방사형 라인의 치수, 상기 스테이지의 위치 등을 포함할 수 있다.
검사 조건 설정부(184)는 상기 결정된 검사 조건을 검사 조건 제어 신호로서 상기 베셀 빔 조정기, 상기 스테이지 등으로 출력할 수 있다. 이에 따라, 광학 검사 장치(100)는 검사 조건 설정부(184)의 제어 신호에 응답하여 상기 결정된 검사 조건으로 상기 개구 바닥면의 이미지를 획득할 수 있다.
매칭부(186)는 상기 이미지들을 서로 매칭하여 상기 개구 바닥면에서의 결함을 검출할 수 있다.
예를 들면, 매칭부(186)는 특정 개구 바닥면에 대한 이미지와 기준 이미지를 서로 매칭하여 상기 개구 바닥면의 결함을 검출할 수 있다. 이와 다르게, 매칭부(186)는 인접한 개구들의 바닥면 이미지들을 서로 매칭하여 결함을 검출할 수 있다.
상술한 바와 같이, 광학 검사 장치(100)는 조명 광원(120)으로부터 조명 광을 베셀 빔으로 생성하는 베셀 빔 생성기(130) 및 상기 베셀 빔을 필터링하여 집속된 베셀 빔으로 조정하는 베셀 빔 조정기(140)를 포함할 수 있다.
따라서, 베셀 빔 조정기(140)는 상기 베셀 빔을 필터링 및 제한하여 조정된 베셀 빔을 생성함으로써, 개구 바닥면에 도달하는 깊이, 상기 개구로 입사되는 입사광의 입사 각도, 신호 대 노이즈 등을 조절할 수 있다.
이에 따라, 웨이퍼에 형성된 개구가 고종횡비를 갖더라도, 향상된 해상도를 갖는 개구 바닥면의 이미지를 획득하고 상기 개구 바닥면의 검출 성능을 향상시킬 수 있다.
이하에서는, 도 1의 광학 측정 장치를 이용하여 웨이퍼에 형성된 개구를 측정하는 방법 방법 및 이를 이용한 반도체 장치의 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 13은 예시적인 실시예들에 따른 광학 측정 방법을 나타내는 순서도이다. 상기 광학 측정 방법은 식각 공정에 의해 웨이퍼에 형성된 개구 바닥면의 이미지를 획득하기 위해 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 도 13을 참조하면, 고종횡비를 갖는 개구가 형성된 웨이퍼(W)를 광학 측정 장치(100)의 스테이지(110) 상에 로딩한 후, 베셀 빔 생성기(130)를 이용하여 조명 광원(120)에 의해 생성된 조명 광으로부터 베셀 빔을 생성시킬 수 있다(S100).
예시적인 실시예들에 있어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 환형의 슬릿을 갖는 회절 광학 요소(132)와 렌즈(134)를 이용하여 상기 베셀 빔을 생성할 수 있다. 이와 다르게, 도 6에 도시된 바와 같이, 엑시콘 렌즈(136)를 이용하여 상기 베셀 빔을 생성할 수 있다.
베셀 빔 생성기(130)에 의해 생성된 베셀 빔은 제1 종의 베셀 함수(Bessel function)로 묘사되는 크기를 갖는 베셀-가우스(Bessel-Gauss) 빔일 수 있다. 상기 베셀 빔을 비회절광(non-diffracting beam)일 수 있다.
이어서, 베셀 빔 조정기(140)를 이용하여 상기 베셀 빔을 필터링하여 단일 피크를 갖는 집속 베셀 빔을 생성할 수 있다(S110).
예시적인 실시예들에 있어서, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 베셀 빔의 광로 상에 터렛형 애퍼처 필터(142)를 배치시켜 상기 베셀 빔을 필터링 및 제한할 수 있다. 터렛형 애퍼처 필터(142)는 둘레를 따라 배열된 복수 개의 애퍼처들(144a, 144b, 144c, 144d)을 포함할 수 있다. 터렛형 애퍼처 필터(142)는 중심축(C)에 대하여 기 설정된 각도만큼 회전하여 상기 애퍼처들 중에서 어느 하나를 선택하여 상기 베셀 빔을 필터링할 수 있다. 상기 조정된 베셀 빔의 프로파일의 강도(intensity), 노이즈 등은 상기 애퍼처의 형상, 치수 등에 의해 조정될 수 있다.
이와 다르게, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 베셀 빔의 광로 상에 공간 광 변조기(146)를 배치시켜 상기 베셀 빔을 조정할 수 있다. 공간 광 변조기(146)는 원하는 형상의 애퍼처를 형성하여 상기 베셀 빔을 필터링할 수 있다.
이어서, 상기 집속 베셀 빔을 웨이퍼(W)의 표면에 수직한 수직 입사광으로 조사시킨 후(S120), 웨이퍼(W)에 형성된 상기 개구로부터 반사된 광을 검출하여 상기 개구 바닥면에 대한 이미지를 획득할 수 있다(S130).
예시적인 실시예들에 있어서, 베셀 빔 조정기(140)로부터의 상기 조정된 베셀 빔은 빔 스플리터(150)를 거쳐 스테이지(110) 상의 웨이퍼(W)로 입사되도록 진행할 수 있다. 웨이퍼(W)로 입사되는 광은 수직 입사광일 수 있다.
상기 수직 입사광은 웨이퍼(W) 상부면의 수직선 대하여 기 설정된 각도(θ)를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 입사광은 웨이퍼(W) 상부면의 수직선에 대하여 약 3도 이하의 각도(θ)를 가질 수 있다. 따라서, 큰 DOF를 갖는 상기 조정된 집속 베셀 빔은 큰 종횡비를 갖는 상기 개구의 바닥면까지 용이하게 도달할 수 있다.
웨이퍼(W), 즉, 상기 개구의 바닥면으로부터 반사된 광은 굴절 광학 요소(160)에 의해 수집되고, 빔 스플리터(150)를 통해 광 검출기(170)로 향하게 된다. 광 검출기(170)는 전하 결합 소자(CCD)와 같은 촬상 소자를 포함하여 상기 개구의 바닥면으로부터 반사된 광으로부터 이미지를 획득할 수 있다.
이어서, 상기 획득한 이미지를 분석하여 상기 개구 바닥면의 불량 여부를 검출할 수 있다.
이하에서는, 도 13의 광학 측정 방법을 이용하여 반도체 장치의 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 14 내지 도 16은 예시적인 실시예들에 따른 수직형 메모리 장치를 제조하는 방법을 나타내는 수직 단면도들이다. 상기 도면들에서 웨이퍼 기판 상면에 수직한 방향을 제1 방향, 상기 기판 상면에 평행하면서 서로 수직한 두 방향들을 각각 제2 및 제3 방향으로 정의하며, 도면상에서 화살표로 표시된 방향 및 이의 반대 방향은 모두 동일한 방향으로 간주한다. 전술한 방향에 대한 정의는 이후 모든 도면들에서 동일하다.
도 14를 참조하면, 웨이퍼 기판(300) 상에 제1 절연막(310) 및 희생막(320)을 교대로 반복적으로 적층한다. 이에 따라, 복수의 제1 절연막들(310) 및 복수의 희생막들(320)이 상기 제1 방향을 따라 교대로 적층될 수 있다. 웨이퍼 기판(300)은 실리콘, 게르마늄 등과 같은 반도체 물질을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 제1 절연막들(510) 및 희생막들(520)은 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition: CVD) 공정, 플라즈마 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD) 공정, 원자층 증착(Atomic Layer Deposition: ALD) 공정 등을 통해 형성할 수 있다.
제1 절연막들(310)은 실리콘 산화물을 사용하여 형성될 수 있으며, 희생막들(320)은 제1 절연막(310)에 대해 식각 선택비를 갖는 물질, 예를 들어, 실리콘 질화물을 사용하여 형성될 수 있다.
도 14를 참조하면, 제1 절연막들(310) 및 희생막들(320)을 관통하여 웨이퍼 기판(300) 상면을 노출시키는 복수 개의 개구들(350)을 형성한다.
예시적인 실시예들에 따르면, 개구들(350)은 최상층 제1 절연막(310) 상에 하드 마스크(도시되지 않음)를 형성하고, 상기 하드 마스크를 식각 마스크로 사용하는 건식 식각 공정을 통해 형성될 수 있다. 이에 따라, 각 개구들(350)은 상기 제1 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다. 다만, 상기 건식 식각 공정의 특성 상, 각 개구들(350)은 아래로 갈수록 폭이 좁아지도록 형성될 수도 있다.
이어서, 도 1 및 도 13을 참조로 설명한 광학 측정 방법을 이용하여 상기 구조물 상에 형성된 개구(300) 바닥면의 이미지를 획득함으로써, 상기 식각 공정을 모니터링할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 고종횡비를 갖는 개구(300)가 형성된 웨이퍼(300)를 광학 측정 장치(100)의 스테이지(110) 상에 로딩한 후, 집속 베셀 빔을 웨이퍼(300)로 조사한 후, 개구(300)의 바닥면으로부터 반사된 광을 검출하여 개구(300)의 바닥면의 불량 여부를 검출할 수 있다.
구체적으로, 베셀 빔 조정기(140)로부터의 상기 조정된 베셀 빔은 빔 스플리터(150)를 거쳐 스테이지(110) 상의 웨이퍼(300)로 입사되도록 진행할 수 있다. 웨이퍼(300)로 입사되는 광은 수직 입사광일 수 있다.
상기 수직 입사광은 웨이퍼(300) 상부면의 수직선 대하여 기 설정된 각도(θ)를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 입사광은 웨이퍼(W) 상부면의 수직선에 대하여 약 3도 이하의 각도(θ)를 가질 수 있다. 따라서, 큰 DOF를 갖는 상기 조정된 집속 베셀 빔은 큰 종횡비를 갖는 개구(350)의 바닥면까지 용이하게 도달할 수 있다.
개구(350)의 바닥면으로부터 반사된 광은 굴절 광학 요소(160)에 의해 수집되고, 빔 스플리터(150)를 통해 광 검출기(170)로 향하게 된다. 광 검출기(170)는 개구(350)의 바닥면으로부터 반사된 광으로부터 이미지를 획득할 수 있다. 상기 획득한 이미지를 분석하여 개구(350) 바닥면의 불량 여부를 검출할 수 있다.
도 16을 참조하면, 각 개구들(350)을 부분적으로 채우는 반도체 패턴(360)을 형성한 후, 개구들(350)의 내측벽, 반도체 패턴(360)의 상면 및 상기 하드 마스크의 상면에 제1 블로킹막(370), 전하 저장막(380), 터널 절연막(390), 제1 채널막(400), 식각 저지막(410) 및 스페이서막(420)을 순차적으로 형성할 수 있다.
개구들(350)에 의해서 노출된 기판(300) 상면을 시드(seed)로 사용하는 선택적 에피택시얼 성장(Selective Epitaxial Growth: SEG) 공정을 수행하여 개구들(350)을 부분적으로 채우는 반도체 패턴(360)을 형성할 수 있다.
예를 들면, 원자층 적층(ALD) 공정들을 수행하여 웨이퍼 기판(300) 상에 균일한 두께를 갖는 제1 블로킹막(370), 전하 저장막(380) 및 터널 절연막(390)을 순차적으로 형성할 수 있다.
이어서, 도면에 도시되지는 않았지만, 각 개구들(350) 내의 반도체 패턴(360) 상에 제1 블록킹막 패턴, 전하 저장막 패턴, 터널 절연막 패턴, 채널 및 제2 절연막 패턴을 형성하고, 희생막들(320)을 제거하고 웨이퍼 기판(300) 상면으로부터 상기 제1 방향을 따라 순차적으로 형성된 게이트 전극들(GSL, 워드 라인, SSL)을 형성하고, 상기 구조물 상에 제2 방향으로 각각 연장하는 비트 라인들을 형성하여 수직형 메모리 장치를 완성할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 광학 측정 방법 및 광학 측정 장치를 이용하여 형성된 DRAM, VNAND 등과 같은 반도체 소자, 및 TSV를 이용한 스택 칩 패키지 등과 같은 반도체 패키지는 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.
100: 광학 측정 장치 110: 스테이지
120: 조명 광원 130: 베셀 빔 생성기
132: 회절 광학 요소 134: 렌즈
136: 엑시콘 렌즈 140: 베셀 빔 조정기
142: 터렛형 애퍼처 필터 144a, 144b, 144c, 144d: 애퍼처
150: 빔 스플리터 160: 굴절 광학 요소
170: 광 검출기 180: 제어부
182: 이미지 저장부 184: 검사 조건 설정부
186: 매칭부 200, 300: 웨이퍼 기판
220, 350: 개구 310: 제1 절연막
320: 희생막 360: 반도체 패턴
370: 제1 블로킹막 380: 전하 저장막
390: 터널 절연막 400: 제1 터널막
410: 식각 저지막 420: 스페이서막

Claims (10)

  1. 베셀 빔을 생성하고;
    상기 베셀 빔을 필터링하여 집속 베셀 빔을 생성하고;
    상기 집속 베셀 빔을 개구가 형성된 기판 상에 수직하게 조사하고; 그리고
    상기 기판으로부터 반사된 광을 검출하여 상기 개구의 바닥면에 대한 이미지를 획득하는 것을 포함하는 광학 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 베셀 빔을 생성하는 것은
    가우시안 빔을 생성하고; 그리고
    상기 가우시안 빔의 경로 상에 설치된 제1 광학 요소를 통과시켜 상기 베셀 빔을 생성하는 것을 포함하는 광학 측정 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제1 광학 요소는 환형 슬릿을 갖는 회절 광학 요소 및 렌즈의 조합 또는 엑시콘 렌즈를 포함하는 광학 측정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 집속 베셀 빔을 생성하는 것은
    상기 베셀 빔의 중심 영역을 제외한 주변 영역을 필터링하여 단일 피크를 갖는 집속 베셀 빔으로 조정하는 것을 포함하는 광학 측정 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 집속 베셀 빔을 생성하는 것은
    상기 베셀 빔의 경로 상에 설치된 제2 광학 요소를 통과시켜 상기 베셀 빔을 필터링하는 것을 포함하는 광학 측정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제2 광학 요소는 둘레를 따라 배열된 복수 개의 애퍼처들을 갖는 터렛형 애퍼처 필터를 포함하는 광학 측정 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 애퍼처는 선버스트 형상을 갖는 광학 측정 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 제2 광학 요소는 상기 베셀 빔의 경로를 따라 이동 가능하도록 설치되는 광학 측정 방법.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 제2 광학 요소는 공간 광 변조기를 포함하는 광학 측정 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 기판 상에 입사되는 상기 집속 베셀 빔의 입사각은 상기 기판 표면의 수직선에 대하여 3도 이하의 각도를 갖는 광학 측정 방법.
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