KR20230002742A - 3d 디바이스들의 검사 및 검토를 위한 전자 빔 시스템 - Google Patents

3d 디바이스들의 검사 및 검토를 위한 전자 빔 시스템 Download PDF

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신롱 지앙
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케이엘에이 코포레이션
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Abstract

웨이퍼 검사 및 3D 디바이스들의 검토를 위한 전자 빔 시스템은 최대 20 미크론의 초점 심도를 제공한다. 수백 내지 수천 전자 볼트의 낮은 랜딩 에너지로 웨이퍼 표면들 또는 서브 미크론 미만의 표면 결함들을 검사 및 검토하기 위해, 3개의 자기 편향기들을 가진 빈 필터가 없는 빔 분할 광학 장치는 대물 렌즈의 구면 수차 및 색수차 계수를 감소시키기 위해 에너지 부스팅 상부 웨넬트(Wehnelt) 전극과 함께 사용될 수 있다.

Description

3D 디바이스들의 검사 및 검토를 위한 전자 빔 시스템
본 출원은 2020년 4월 15일에 출원되고 양도된 미국 출원 번호 63/010,097의 가특허 출원에 대한 우선권을 주장하며, 그 개시 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다.
이 개시내용은 전자 빔 시스템들에 관한 것이다.
반도체 제조 산업의 발전으로 수율 관리, 특히 계측 및 검사 시스템들에 대한 요구들이 높아지고 있다. 임계 치수들은 계속 줄어들고 있지만 업계에서는 고수율, 고부가가치 생산을 달성하기 위한 시간을 단축해야 한다. 수율 문제를 검출하여 해결하는 데 걸리는 총 시간을 최소화하는 것이 반도체 제조업체의 투자 수익(return-on-investment)을 결정한다.
로직 및 메모리 디바이스들과 같은 반도체 디바이스들을 제조하는 것은 전형적으로 반도체 디바이스들의 다양한 피처들 및 다중 레벨들을 형성하기 위해 다수의 제조 프로세스들을 사용하여 반도체 웨이퍼를 프로세싱하는 것을 포함한다. 예를 들어, 리소그래피는 레티클로부터 반도체 웨이퍼 상에 배열된 포토레지스트로 패턴을 전사하는 것을 수반하는 반도체 제조 프로세스이다. 반도체 제조 프로세스들의 추가 예들은 화학 기계적 연마(CMP), 에칭, 성막 및 이온 주입을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 단일 반도체 웨이퍼 상에 제조된 다수의 반도체 디바이스들의 배열은 개별 반도체 디바이스들로 분리될 수 있다.
웨이퍼들 상의 결함들을 검출하여 제조 프로세스에서 보다 높은 수율과 이에 따라 보다 높은 이윤을 촉진시키기 위해 반도체 제조 동안 다양한 단계들에서 검사 프로세스들이 사용된다. 검사는 항상 집적 회로(IC, integrated circuit)들과 같은 반도체 디바이스들을 제조하는 중요한 부분이 되어왔다. 하지만, 반도체 디바이스들의 치수가 감소함에 따라, 보다 작은 결함들이 반도체 디바이스들을 고장나게 할 수 있으므로, 수용가능한 반도체 디바이스들의 성공적인 제조에 있어서 검사는 훨씬 더 중요해진다. 예를 들어, 반도체 디바이스들의 치수들이 감소함에 따라, 비교적 작은 결함들이라도 반도체 디바이스들에서 원치 않는 수차를 야기할 수 있기 때문에 감소하는 사이즈의 결함들의 검출이 필요하게 되었다.
그러나, 설계 규칙들이 축소됨에 따라, 반도체 제조 프로세스들은 프로세스들의 성능 능력에 대한 제한에 더 가깝게 작동될 수 있다. 또한 더 작은 결함들은 설계 규칙들이 축소됨에 따라 디바이스들의 전기 파라미터들에 영향을 미칠 수 있으며, 이는 더 민감한 검사들을 유도한다. 설계 규칙들이 축소됨에 따라, 검사에 의해 검출될 수 있는 잠재적인 수율 관련 결함들의 수가 급격히 증가하고, 검사에 의해 검출된 성가신 결함들의 수도 또한 크게 증가한다. 따라서, 웨이퍼 상에서 더 많은 결함들이 검출될 수 있고, 모든 결함들을 제거하기 위한 프로세스들을 수정하는 것은 어렵고 비용이 많이 들 수 있다. 결함들 중 실제로 장치의 전기 파라미터들 및 수율에 영향을 미치는 결함을 결정하는 것은 프로세스 제어 방법들이 다른 결함들을 크게 무시하면서 이러한 결함들에 집중하게 할 수 있다. 또한, 더 작은 설계 규칙들에서 프로세스로 인한 실패들은 몇몇 경우에 체계적인 경향이 있다. 즉, 프로세스로 인한 실패들은 설계 내에서 종종 여러 번 반복되는 미리 결정된 설계 패턴들에서 실패하는 경향이 있다. 공간적으로 체계적이고 전기적으로 관련된 결함들의 제거는 수율에 영향을 미칠 수 있다.
집적 회로들의 제조에 사용되는 실리콘 웨이퍼와 같은 물품들의 마이크로구조물을 생성하거나 검사하기 위해 집속된 전자 빔 시스템이 일반적으로 사용된다. 전자 빔은 전자 총의 이미터로부터 방출된 전자들로 형성되며, 이는 웨이퍼와 상호작용하여 마이크로구조물을 검사할 때 미세 프로브 역할을 한다.
나노 제조들의 2D 평면 프로세스들은 IC 집적 밀도의 증가에 따라 발생하는 물리적 효과들로 인해 반도체 칩들의 개발을 충족시키려 할 때 병목 현상에 직면하고 있다. 칩 제조들의 3D 입체 프로세스들은 2D 프로세스들의 단점을 해결하기 위해 개발되었다. 3D 나노 제조 프로세스들의 중요한 발전은 3D NAND 플래시 메모리의 설계 및 제조이다. 도 1은 3D NAND 플래시 메모리의 개략도를 보여준다. 도 2는 도 1의 단면도로서, 3D NAND 플래시 메모리 디바이스에서 스택된 비트들 및 메모리 홀들의 모델 역할을 한다. 3D 낸드 플래시 디바이스는 기판 상에 형성된 다수의 적층 박막들(예를 들어, Si 및 SiO2 박막들)과 메모리 홀들(또는 채널 홀들)을 포함한다. SiO2 막과 함께 Si 막은 NAND 디바이스의 층을 형성하고, 적층된 막들의 층은 메모리 홀과 함께 약간의 NAND 플래시를 형성한다. 현재 96 층 NAND 플래시가 시장에 출시되어 있으며, 가까운 장래에 128 층 및 최대 256 층 NAND 플래시 디바이스들이 시장에 출시될 것으로 예상된다.
96 층 NAND는 192개 Si 및 SiO2 박막들을 필요로 한다. 일반적으로 사용되는 8 GB NAND 플래시에는 약 8300만개의 메모리 홀들이 필요하다(8e9/96=8.3e7). 완전한 웨이퍼를 보면 수천억 개의 메모리 홀들이 있을 것이다. 이러한 모든 메모리 홀들은 도 2와 같이 나노 에칭 기술들로 생성된다. 좋은 에칭 결과는 도 2의 (c)와 같은 메모리 홀을 형성해야 한다. 그러나 수백억 층의 깊이를 가진 수천억 개의 메모리 홀들에 대한 높은 균일성 에칭 결과들은 기술의 한계로 인해 항상 발생하는 것은 아니다. 예를 들어, 일부 메모리 홀들은 도 2의 (a) 및 (b)에서와 같이 과도 에칭되거나 과소 에칭될 수 있다. 다른 메모리 홀들은 에칭되어 결함을 남기거나 도 2의 (d) 또는 (e)에서와 같이 각각 틸트 에칭될(tilt-etched) 수 있다. 따라서, 3D 낸드 플래시 메모리들을 개발하기 위해서는 이러한 수천억 개의 메모리 홀들에 대한 전자 빔 웨이퍼 검사 및 검토가 필요할 수 있다.
도 3은 3D NAND 메모리 홀을 검사하기 위해 집속된 전자 빔을 사용하는 모델을 도시한다. 3D NAND 플래시가 있는 메모리 홀들은 매우 높은 종횡비(AR)가 특징이다. AR은 홀 직경 D와 홀 깊이 H의 비율로 정의된다. 예를 들어 D = 0.1㎛, H = 20㎛인 경우 AR = 1:200이고, 이는 100 층 NAND 플래시의 경우 각각의 박막의 두께가 0.1 ㎛에 불과하다는 것을 의미한다.
광학적으로 말해서, AR이 매우 높다는 것은 웨이퍼 검사 및 검토를 수행하는 데 사용되는 전자 빔 시스템을 사용하는 큰 초점 심도(DOF)를 의미한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 빔의 모든 전자들을 메모리 홀의 하단에 덤프(dump)하기 위해 집속된 전자 빔의 DOF는 AR이 1:200인 예를 충족하기 위해 20 ㎛보다 커야 할 수 있다. 즉, 도 3의 d(z)가 메모리 홀의 상단으로부터 하단으로의 전자 빔 스폿 사이즈인 경우, d(z)는 모든 전체 깊이(H)에서 D보다 작아야 한다.
수십 미크론의 DOF를 갖는 전자 빔 시스템은 설계 및 구현이 어렵다. 그러나 웨이퍼 검사, 검토 및 임계 치수(CD) 측정을 위해, 대형 DOF 전자 빔 시스템은 3D NAND 플래시들에 뿐만 아니라 3D 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM, Dynamic Random-Access Memory) 전자 장치 및 기타 모든 고종횡비(HAR, high aspect ratio) 디바이스들(예를 들어, 딥 트렌치 로직 디바이스들 등)에도 사용될 수 있다.
집속된 광자 빔의 개구수(NA)가 상당히 크기 때문에(예를 들어, 수십도까지), 광자 빔들은 일반적으로 HAR 디바이스를 검사하고 검토하는 데 사용되지 않는다. NA는 도 3의 빔 반각 β와 같다. 집속된 빔의 DOF는 NA에 반비례하여, 광자 빔 DOF를 상당히 짧게 만든다.
전자 빔 시스템들은 웨이퍼 검사들, 검토들 및 CD 측정들을 수행 및/또는 완료하기 위한 신호로서 2차 전자(SE)들을 사용했다. 그러나 2차 전자 신호들은 재료들의 표면으로부터의 특성들만을 반영할 수 있다. 2차 전자들은 그들의 낮은 에너지들(예를 들어, 수 전자 볼트)과 그들이 메모리 홀들의 벽에 의해 차단되는 큰 방출 극 각도들로 인해 HAR 메모리 홀의 하단으로부터 빠져나올 수 없다.
전자 빔 시스템들은 또한 도 4에 도시된 바와 같이 상대적으로 높은 AR을 갖는 DRAM 내의 콘택 홀 또는 수십 층의 적층된 박막들을 갖는 메모리 홀의 하단을 검사하고 검토하기 위한 신호로서 후방 산란된 전자(BSE, back-scatted electron)들을 사용했다. 도 4에서, 일반적으로 약 1 keV 내지 20 keV 범위의 랜딩 에너지(LE, landing energy)를 갖는 1차 빔의 전자들이 메모리 홀의 하단에 충돌한다. 랜딩 에너지와 동일한 에너지를 갖는 BSE들은 그들의 상대적으로 높은 에너지들 및큰 방출 극 각도들로 인해 적층된 박막 재료들을 관통하고 재료들의 상부면으로부터 탈출하도록 생성된다. 관통을 통해 적층된 박막 재료들로부터 탈출하는 BSE들은 웨이퍼 위의 전자 빔 광학 열에 배치된 하나 이상의 검출기에 의해 수집될 수 있다.
HAR 디바이스를 검사 및/또는 검토하기 위해 사용되는 BSE 신호들을 갖는 이전의 전자 빔 시스템들은 결점들이 있다. 첫째, 이들 시스템들은 애플리케이션들이 제한적이다. 전자 빔 전압(또는 빔 에너지)은 일반적으로 35 kV 미만 또는 25 kV 미만으로 제한되거나, 또는 전자 빔 랜딩 에너지는 일반적으로 30 keV 미만으로 제한된다. 따라서, BSE 에너지도 또한 일반적으로 30 keV 미만으로 제한된다. 따라서 적층된 박막 재료들은 너무 두꺼울 수 없거나, 또는 BSE들은 재료들의 대부분을 관통하기에 불충분하게 전력이 공급된다. 이것은 이러한 전자 빔 시스템들을 3D NAND 플래시 디바이스의 수십개 층들의 검사 및 검토로 제한한다. 3D NAND 플래시 디바이스의 수백개 층들을 검사하고 검토하기 위해 최대 대략 50 keV 내지 100 keV의 전자 빔 랜딩 에너지가 필요할 수 있다.
둘째, BSE 신호들을 갖는 이전의 전자빔 시스템들은 1차 전자 빔의 제한된 DOF를 갖는다. DOF를 증가시키기 위해, 집속된 전자 빔의 작은 NA가 사용될 수 있다(즉, 도 3에서 빔 반각 β). 빔 에너지들이 낮거나 랜딩 에너지들이가 낮은 시스템은 여러 가지 단점들을 갖는다. NA가 작을수록 전자 빔이 좁아질 때 전자 밀도가 높아지기 때문에, 1차 전자들 사이의 쿨롱(Coulomb) 상호작용들에 의해 야기되는 광학적 블러(optical blur)들이 우세해진다. 전자 총 렌즈 수차들은 더 작은 NA 또는 더 큰 광학 배율로 인해 광학 장치의 이미지 측으로 더 확대되어, 웨이퍼에서 결합된 해상도를 저하시킨다. 총 렌즈가 정전기 렌즈라면, 작은 NA 광학 장치의 경우 총 렌즈 수차들이 대물 렌즈 수차들보다 훨씬 더 우세할 수 있다.
10 kV 빔 전압 및 9 keV 랜딩 에너지를 갖는 상업적으로 이용가능한 전자 빔 시스템의 몬테카를로 시뮬레이션들을 통해, 도 5(a) 및 도 5(b)는 전자 빔 시스템의 적용이 어떻게 제한되는지를 보여준다. 1차 전자들은 x 및 y 방향으로 긴 꼬리로 넓게 분포되어 있다. 0.3 x 0.3 ㎛의 큰 메모리 홀의 경우에도, 95%와 97%의 전자들(도 5(a)에 표시된 백분율)만이 z = -3.5 ㎛인 홀 상단(도 5(a)) 및 z = 4.5 ㎛인 하단(도 5(b))에 포함될 수 있고, 이는 종횡비가 AR = 0.3 : 8.0 = 1:27일 뿐임을 의미한다. 홀 사이즈가 0.1 x 0.1 ㎛로 좁혀지는 경우, 종횡비는 AR = 1:81로 상승되지만, 많은 외부 전자들은 메모리 홀의 상단 가장자리에서 멈추게 될 것이다. 이 외부 전자들은 BSE들을 생성하고 메모리 홀의 하단으로부터 BSE 신호를 오염시킬 것이다.
BSE 수율은 일반적으로 SE 수율보다 훨씬 낮다. 신호 대 잡음비의 충분한 비율을 갖기 위해, 1차 전자빔에서 빔 전류는 높아질 수 있다. 그러나 전자들 간의 쿨롱 상호 작용들은 빔 전류에 상당히 민감할 수 있어, 전자 분포들의 꼬리들이 급격히 증가하고 메모리 홀의 하단으로부터 일반적인 신호를 더욱 오염킨다.
따라서, 전자 빔을 생성하기 위한 개선된 시스템들 및 방법들이 필요하다.
제1 실시예에서 시스템이 제공된다. 시스템은 전자 빔을 생성하는 전자 빔 소스; 전자 빔의 경로에 배치된 빔 제한 애퍼처; 전자 빔의 경로에 배치된 하부 웨넬트 전극(Wehnelt electrode); 하부 웨넬트 전극과 빔 제한 애퍼처 사이의 전자 빔의 경로에 배치된 상부 웨넬트 전극; 하부 웨넬트 전극에 면하는 상부 웨넬트 전극의 표면 상에 배치된 환형 검출기; 상부 웨넬트 전극과 빔 제한 애퍼처 사이의 전자 빔의 경로에 배치된 자기 집광 렌즈; 상부 웨넬트 전극과 상기 집광 렌즈 사이에 상기 전자 빔의 경로에 배치된 편향기; 편향기와 상부 웨넬트 전극 사이의 전자 빔의 경로에 배치된 자기 대물 렌즈 코일; 및 전자 빔의 경로에 배치된 그라운드 튜브를 포함한다. 자기 집광 렌즈는 자극편(pole piece)들과 집광 렌즈 코일을 포함한다. 자기 대물 렌즈 코일은 그라운드 튜브 주위에 배치된다.
시스템은 집광 렌즈와 빔 제한 애퍼처 사이의 전자 빔의 경로에 배치된 애퍼처를 포함할 수 있다.
전자 빔 소스는 1 ㎛ 미만의 반경을 가진 팁을 포함할 수 있다.
편향기는 자기 편향기 또는 빈 필터(Wien filter)일 수 있다. 실시예에서, 편향기는 자기 편향기이다. 시스템은 상부 자기 편향기 및 중간 자기 편향기를 더 포함할 수 있다. 상부 자기 편향기가 편향기와 자기 집광 렌즈 사이의 전자 빔의 경로에 배치된다. 중간 자기 편향기가 상부 자기 편향기와 자기 편향기 사이의 전자 빔의 경로에 배치된다.
상부 자기 편향기는 전자 빔을 중간 자기 편향기로 편향시키도록 구성될 수 있다. 중간 자기 편향기는 상부 자기 편향기와 반대 방향으로 자기 편향기를 향해 전자 빔을 편향시키도록 구성될 수 있다. 자기 편향기는 전자 빔을 편향시키고 그라운드 튜브로의 경로를 따라 전자 빔을 시준하도록 구성될 수 있다.
자기 편향기, 상부 자기 편향기, 및 중간 자기 편향기 각각은 회전식으로 대칭인 8개의 자기 자극편들을 가질 수 있다.
시스템은 중간 자기 편향기와 자기 편향기 사이에 배치되는 측면 검출기를 포함할 수 있다. 측면 검출기는 적어도 2차 전자들을 수집하도록 구성될 수 있다.
시스템은 중간 자기 편향기와 자기 편향기 사이에 배치되는 전자 빔 벤더(bender)를 더 포함할 수 있다. 전자 빔 벤더는 측면 검출기에서 후방 산란된 전자들로부터의 2차 전자들 사이를 필터링하도록 구성될 수 있다.
제2 실시예에서 방법이 제공된다. 방법은 전자 빔 소스로 전자 빔을 생성하는 단계를 포함한다. 전자 빔은 빔 제한 애퍼처를 통해 지향된다. 전자 빔은 빔 제한 애퍼처의 하류에서 전자 빔의 경로를 따라 배치되는 자기 집광 렌즈를 통해 지향된다. 전자 빔은 자기 집광 렌즈의 하류에서 전자 빔의 경로를 따라 배치되는 편향기를 통해 지향된다. 전자 빔은 대물 렌즈를 통해 지향되고, 대물 렌즈는 그라운드 튜브, 상부 웨넬트 전극, 및 하부 웨넬트 전극을 포함한다. 전자 빔이 웨이퍼의 표면에서 하부 웨넬트 전극으로부터 지향된다. 웨이퍼로부터 후방 산란된 전극들은 상부 웨넬트 전극의 표면 상에 배치되는 환형 검출기에서 수신된다. 상부 웨넬트 전극의 표면은 하부 웨넬트 전극에 면한다.
예를 들어, 전자 빔의 빔 전압은 50 kV 내지 100 kV이고 50 keV 내지 100 keV의 랜딩(landing) 에너지를 갖는다.
자기 집광 렌즈는 작은 초점 심도 모드 및 큰 초점 심도 모드를 갖게끔 전자 빔을 형성하도록 구성될 수 있다. 개구수는 작은 초점 심도 모드보다 큰 초점 심도 모드에서 더 작을 수 있다.
웨이퍼는 2차원 반도체 구조물을 포함할 수 있다.
예를 들어, 전자 빔에 대한 초점 심도는 최대 20 ㎛이다.
전자 빔 소스는 1 ㎛ 미만의 반경을 가진 팁을 포함할 수 있다.
편향기는 자기 편향기 또는 빈 필터(Wien filter)일 수 있다. 예를 들어, 편향기는 자기 편향기이다. 방법은 편향기와 자기 집광 렌즈 사이에 전자 빔의 경로를 따라 배치되는 중간 자기 편향기 및 상부 자기 편향기를 통해 전자 빔을 지향시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상부 자기 편향기는 전자 빔을 중간 자기 편향기로 편향시키도록 구성될 수 있다. 중간 자기 편향기는 상부 자기 편향기와 반대 방향으로 자기 편향기를 향해 전자 빔을 편향시키도록 구성될 수 있다. 자기 편향기는 전자 빔을 편향시키고 그라운드 튜브로의 경로를 따라 전자 빔을 시준하도록 구성될 수 있다.
방법은 중간 자기 편향기와 자기 편향기 사이에 배치되는 측면 검출기에서 2차 전자들을 수신하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 중간 자기 편향기와 자기 편향기 사이에서 웨이퍼로부터 반환된 전자들을 구부리는(bending) 단계를 포함하여, 측면 검출기에서 후방 산란된 전자들로부터 2차 전자들 사이를 필터링할 수 있다.
개시내용의 성질 및 목적에 대한 보다 완전한 이해를 위해, 첨부 도면들과 함께 취해진 다음의 상세한 설명을 참조해야 하며, 여기서:
도 1은 예시적인 3D NAND 플래시 메모리의 개략도이고;
도 2는 예시적인 3D NAND 플래시 디바이스 내의 적층된 비트들 및 메모리 홀들의 모델이고;
도 3은 예시적인 HAR 메모리 홀 내의 집속된 전자 빔 프로파일들의 모델이고;
도 4는 예시적인 메모리 홀의 하단으로부터 재료를 관통하고 재료들의 상부면으로부터 빠져나가는 BSE의 개략도이고;
도 5(a)는 0.3 x 0.3 ㎛ 메모리 홀의 상단(z = -3.5 ㎛)에서의 1차 전자 분포들이고;
도 5(b)는 0.3 x 0.3 ㎛ 메모리 홀의 하단(z = 4.5 ㎛)에서의 1차 전자 분포들이고;
도 6(a)는 전자 빔 시스템의 제1 실시예이고;
도 6(b)는 도 6(a)의 전자 빔 시스템의 제1 실시예의 광학 장치이고;
도 7(a)는 0.1 x 0.1 ㎛의 메모리 홀의 상단(z = -10 ㎛)에서의 1차 전자 분포들이고;
도 7(b)는 0.1 x 0.1 ㎛의 메모리 홀의 하단(z = 10 ㎛)에서의 1차 전자 분포들이고;
도 8은 BSE 검출을 위한 시스템의 제2 실시예이고;
도 9는 3개의 자기 편향기들을 갖는 전자 빔 분할 광학 장치의 제3 실시예이고;
도 10은 도 9의 제3 실시예의 8극 자기 편향기이고;
도 11은 도 9의 제3 실시예의 8극 자기 편향기의 자기 등전위선을 보여주고;
도 12는 낮은 랜딩 에너지들과 함께 사용하기 위한 도 9의 제3 실시예에서의 SE/BSE 수집들이고;
도 13은 낮은 랜딩 에너지 애플리케이션들에서 SE/BSE에 대한 광선 추적 시뮬레이션들을 예시하고;
도 14는 전자 빔 벤더의 실시예이며;
도 15는 본 개시내용에 따른 방법의 흐름도이다.
청구된 주제가 특정 실시예들과 관련하여 설명될 것이지만, 본 명세서에 설명된 모든 이점들 및 피처들을 제공하지 않는 실시예들을 포함하는 다른 실시예들도 또한 본 개시내용의 범위 내에 있다. 개시내용의 범위를 벗어나지 않고 다양한 구조적, 논리적, 프로세스 단계 및 전자적 변경들이 이루어질 수 있다. 따라서, 개시물의 범위는 첨부된 청구항들만을 참조해서 정의된다.
칩 나노 제조들의 3D 입체 프로세스들은 나노 기술들의 2D 평면 프로세스들의 단점이 더 많이 발생함에 따라 발전하고 있다. 3D NAND 플래시, 3D DRAM 및 3D 로직과 같은 많은 칩 디바이스들은 제조 동안 검사 및 검토될 필요가 있을 수 있는 메모리 홀들, 채널 홀들, 계단 스텝(staircase step)들 및 깊은 트렌치들로 구성된다. 예를 들어, 96 층 3D NAND 플래시의 경우 웨이퍼에는 수십 미크론 깊이의 수천억 개의 메모리 홀들이 있다.
본 명세서에 개시된 실시예들은 3D 칩 디바이스들(예를 들어, AR = 1 : 100 이상)에서 높은 AR 구조들에 대해 수십 미크론의 DOF를 제공할 수 있다. 이러한 실시예들은 AR = 1 : 200 웨이퍼 검사들 및 검토들을 충족하는 60 kV 전자 빔 시스템에서 20 ㎛ DOF를 제공할 수 있다. 이러한 실시예들은 또한 SE 및 BSE 이미지들을 동시에 형성하는 웨이퍼 표면 검사들 및 검토들을 위한 고해상도 시스템을 제공할 수 있다.
이전 시스템들의 단점들을 해결하기 위해, 전자 빔 시스템은 고해상도, 좁은 전자 분포 꼬리들을 제공하고 높은 AR 전자 디바이스들의 검사 및 검토를 위해 큰 DOF를 제공하도록 구성될 수 있다. 빔 전압(BV)은 조정가능할 수 있는 대략 50 kV 내지 100 kV로 상승될 수 있으며, 전자 랜딩 에너지를 최대 대략 50 keV 내지 100 keV로 허용할 수 있다. 기계적 설계는 고전압(HV, high voltage) 아킹(arcing)을 방지할 수 있다. 빔 전압 및 랜딩 에너지의 그룹을 고려해볼 때, 빔 전류가 증가되어 더 많은 BSE들을 생성하고 처리량 및 신호 대 잡음비를 증가시킬 수 있다. 가장 높은 빔 전류는 메모리 홀의 상단 및 하단 림 모두에 충돌하는 외부 전자들을 예를 들어, 총 1차 전자의 2% 미만이도록 제한함으로써 선택될 수 있다.
도 6(a)는 전자 빔 시스템(100)의 제1 실시예를 보여준다. 도 6(b)는 도 6(a)의 실시예의 광학 장치의 개략도를 보여준다. 자기 총 렌즈가 전자 빔 시스템(100)에 사용될 수 있다. 이것은 더 작은 NA 또는 더 큰 DOF에 대해 광학 배율이 증가되더라도, 총으로부터 웨이퍼 측의 블러(blur)들이 무시할 정도로 우세하도록 총 렌즈 수차들을 줄일 수 있다. 이것은 또한 원하는 빔 전류를 선택하기 위해 고전압 전자 빔의 포커스/디포커스를 가능하게 할 수 있다.
전자 빔 시스템(100)은 전자 빔(103)을 생성하는 전자 빔 소스(101)를 포함한다. 전자 빔(103)은 플래튼(platen) 상에 위치설정될 수 있는 웨이퍼(110)에서 지향된다. 전자 빔 소스(101)는 대략 0.3 ㎛ 내지 1.0 ㎛ 미만과 같이 1 ㎛ 미만의 반경을 갖는 팁을 포함할 수 있다. 전자 빔 소스(101)는 또한 추출기(115), 애노드(116), 총 자기 렌즈 코일(117), 및 총 자기 렌즈 자극편(118)을 포함할 수 있다. 이들 컴포넌트들은 총 렌즈(GL, gun lens)의 일부일 수 있다.
열계 방출(TFE, thermal-field emission) 전자 소스의 작은 반경 팁(예를 들어, 낮은 서브미크론)은 높은 밝기 및 작은 가상 소스 사이즈를 제공할 수 있다. 광학 배율이 큰(예를 들어, 대략 1.0X) 작은 NA 광학 장치에서, 가상 소스 사이즈는 해상도 저하에 영향을 미칠 수 있다. 색수차는 높은 BV 및 높은 LE 광학 장치에서 덜 중요할 수 있지만, 소스 에너지 확산은 TFE 전자 소스들의 작은 반경 팁으로 증가될 수 있다.
빔 제한 애퍼처(BLA, beam-limiting aperture)(102)는 전자 빔(103)의 경로에 배치된다. 빔 제한 애퍼처(102)는 애플리케이션에서 가장 높은 빔 전류를 선택할 수 있다. 빔 제한 애퍼처(102)는 다양한 빔 전류들에 대해 대략 50 ㎛ 내지 대략 100 ㎛의 직경 또는 단면 길이를 갖는 애퍼처를 포함할 수 있다.
애퍼처(104)가 집광 렌즈(105)와 빔 제한 애퍼처(102) 사이의 전자 빔(103)의 경로에 배치될 수 있다. 애퍼처(104)는 대략 10 ㎛ 내지 대략 30 ㎛의 직경 또는 단면 길이를 가질 수 있다. 총 렌즈의 강도에 기초하여 크로스오버(xo) 위치가 조정가능할 수 있다. 애퍼처(104)는 열(column) 애퍼처일 수 있다.
자기 집광 렌즈(105)는 상부 웨넬트 전극(107)과 빔 제한 애퍼처(102) 사이에 전자 빔(103)의 경로에 배치된다. 예를 들어, 자기 집광 렌즈(105)는 애퍼처(104)와 편향기(106) 사이의 전자 빔(103)의 경로에 배치될 수 있다. 자기 집광 렌즈(105)는 자극편들(111), 집광 렌즈 코일(112) 및 차폐부(125)를 포함할 수 있다.
자기 집광 렌즈(105)는 최적의 NA를 선택하거나 더 큰 DOF에 대해 더 작은 NA를 선택하는 데 사용될 수 있다. 정전 집광 렌즈는 아킹 문제들을 피하기 위해 집속 전압들이 제한될 수 있기 때문에 고에너지 전자 빔을 집속시키기에 불충분할 수 있다. 자기 집광 렌즈(105)는 빔을 더 집속시킬 수 있다. 자기 집광 렌즈(105)는 자기 자극편들(111) 및 코일들(112)을 포함한다.
편향기(106)가 상부 웨넬트 전극(107)과 집광 렌즈(105) 사이에 전자 빔(103)의 경로에 배치된다. 편향기(106)는 자기 편향기 또는 빈 필터(Wien filter)일 수 있다.
대물 렌즈(OL, objective lens)(119)가 포함될 수 있다. 자기 대물 렌즈 코일(113)이 편향기(106)와 상부 웨넬트 전극(107) 사이의 전자 빔(103)의 경로에 배치된다. 그라운드 튜브(114)는 전자 빔(103)의 경로에 배치되어, 자기 대물 렌즈 코일(113)은 그라운드 튜브(114) 주위에 배치된다. 그라운드 튜브(114)는 그라운드 튜브가 전자 빔(103)과 자기 대물 렌즈 코일(113) 사이에 있도록 전자 빔(103)과 마주할 수 있다.
대물 렌즈(119)는 정전 대물 렌즈와 자기 대물 렌즈를 포함하는 결합 렌즈이다. 대물 렌즈(119)는 그라운드 튜브(114), 상부 웨넬트(UW, upper Wehnelt) 전극(107) 및 하부 웨넬트(LW, lower Wehnelt) 전극(108)을 포함한다. 상부 웨넬트 전극(107) 및/또는 하부 웨넬트 전극(108)은 정전기적일 수 있다. 대물 렌즈(119)는 대물 렌즈 자극편(120)이 포화되게 하지 않고 렌즈 수차들을 최소화하기 위한 적합한 작동 거리를 가질 수 있다. 예를 들어, 작동 거리는 대략 1 ㎜ 내지3 ㎜이다. 낮은 랜딩 에너지(예를 들어, 대략 0.1-10 keV)의 경우, 대략 1 ㎜ 작동 거리가 사용될 수 있다. 대략 3 ㎜의 작동 거리는 더 높은 LE(예를 들어, 대략 30-60 keV)에 대해 사용할 수 있다. 대물 렌즈(119)는 또한 자기 자극편들(120) 및 코일들(113)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하부 자기 자극편은 하부 웨넬트(LW) 전극(108)으로서 사용될 수 있다.
상부 웨넬트 전극(107)은 하부 웨넬트 전극(108)과 빔 제한 애퍼처(102) 사이의 전극 빔(103)의 경로에 배치된다. 예를 들어, 상부 웨넬트 전극(107)이 편향기(106)와 하부 웨넬트 전극(108) 사이의 전자 빔(103)의 경로에 배치될 수 있다. 상부 웨넬트 전극(107)은 다양한 애플리케이션들에 따라 접지, 네거티브 플로팅 또는 포지티브 플로팅일 수 있다.
상부 웨넬트 전극(107)은 대물 렌즈의 색수차를 감소시키거나, 쿨롱 상호작용 효과들을 감소시키거나, 또는 BSE들을 수집하는 것을 돕기 위해 양의 전압으로 작동될 수 있다. 상부 웨넬트 전극(107)의 형상은 BSE 수집 효율을 증가시키는 데 사용되는 환형 검출기(109)를 수용하도록 구성될 수 있다. 상부 웨넬트 전극(107)의 중심 개구 크기는 모든 SE들 및 소각 BSE들이 통과하여 측면 검출기(123)에 의해 수집될 수 있도록 약 1 ㎜일 수 있다(도 12에 도시됨).
하부 웨넬트 전극(108)이 전자 빔(103)의 경로에 배치된다. 하부 웨넬트 전극(108)은 웨이퍼 층들의 다양한 검사들을 위한 적합한 추출 필드를 위해 웨이퍼(110)를 충전할 수 있다. 추출 필드는 대략 0 V/㎜ 내지 2000 V/㎜일 수 있다. 더 낮은 추출 필드들(예를 들어, 대략 0-500 V/㎜)은 전형적으로 검사용이고 더 높은 추출 필드들(예를 들어, 대략 1000-2000 V/㎜)은 통상적으로 검토용이다.
환형 검출기(109)는 하부 웨넬트 전극(108)에 면하는 상부 웨넬트 전극(107)의 표면 상에 배치된다. 환형 검출기(109)는 BSE들을 수집할 수 있는 검출 디바이스이다. 광축을 중심으로 하는 환형 검출기(109)는 메모리 홀의 하단에서 발생되어 적층된 박막 재료들을 관통하는 BSE들을 수집할 수 있다. 광축 주위의 환형 검출기(109)(예를 들어, 반도체 검출기)는 상부 웨넬트 전극(107)의 하단에 매립될 수 있다. 환형 검출기(109)의 활성 영역은 웨이퍼(110)를 향할 수 있고, 그 후면은 검출 신호 회로를 형성하기 위해 일반적으로 수백 볼트(예를 들어, 대략 100-300 V)로 바이어스될 수 있다.
전자 빔 소스(101)의 팁 반경은 낮은 서브미크론일 수 있다. 추출기(115) 전압은 충분한 소스 밝기 및 각도 강도를 위해 팁 바이어스보다 높게 설정될 수 있다. 팁 방출 전자들은 애노드(116)에 의해 대략 50 kV 내지 100 kV로 가속되고 자기 집광 렌즈(105)에 의해 집속되어 빔 제한 애퍼처(102)와 애퍼처(104) 사이에 전자 빔 교차를 형성한다. 애퍼처(104)는 웨이퍼(110)에 전달되는 실제 빔 전류를 선택할 수 있다. 도 6(a)에서, 1차 전자(PE, primary electron)들로부터 SE들 및/또는 BSE들을 분리하기 위해 빈(Wien) 필터 또는 자기 편향기가 배치될 수 있다. 애퍼처(104)는 다중 애퍼처들을 포함하는 독립적인 애퍼처 로드(rod)일 수 있다. 하나의 애퍼처가 손상되거나 오염된 경우, 다른 애퍼처가 이동되어 손상되거나 오염된 애퍼처를 교체할 수 있다.
도 6(b)에서 상이한 애플리케이션들을 위한 2개의 이미징 모드가 있을 수 있다. 하나의 이미징 모드는 상대적으로 작은 DOF를 갖는 고해상도(RES) 모드이다. 또 다른 이미징 모드는 상대적으로 낮은 해상도의 큰 DOF 모드이다. 고해상도 모드에서, 집광 렌즈(105)는 웨이퍼에서 전자빔 스폿 사이즈가 최소화되는 최적의 NA(예를 들어, 도 6(b)의 NA2)를 형성하기 위해 전자 빔(103)을 집속시킨다. 큰 DOF 모드에서, 집광 렌즈(105)는 더 작은 NA(예를 들어, 도 6(b)의 NA1)를 형성하기 위해 빔을 추가로 집광시키며, 여기서 DOF는 3D NAND, 3D DRAM, 그리고 딥 트렌치 로직과 같은 높은 AR 디바이스들의 검사들 및 검토들에 대한 요건들을 충족하도록 최대화된다.
도 7(a) 및 7(b)는 60 kV 빔 에너지 및 55keV 랜딩 에너지에서 큰 DOF 모드를 갖는 도 6(a) 전자 광학 열에 대한 몬테카를로 시뮬레이션 결과들을 보여준다. 이 시뮬레이션에서는 상부 웨넬트 전극이 접지되어 있다. 도 5(a) 및 도 5(b)와 비교하기 위해, 웨이퍼에서 빔 전류 및 추출 필드는 도 7(a) 및 도 7(b)에 대한 시뮬레이션들에서 도 5(a) 및 도 5(b)와 동일하게 설정된다.
도 7(a) 및 7(b)에서, 1차 전자들은 높은 빔 전압들을 갖는 전자들 사이의 감소된 쿨롱 상호작용들로 인해 x 및 y 방향으로 짧은 꼬리들로 좁게 분포된다. 도 7(a) 및 도 7(b)에 도시된 바와 같이 0.1 x 0.1 ㎛의 작은 메모리 홀 사이즈의 경우에도, 98개 초과의 전자들(도 7(a) 및 도7(b)에 디스플레이된 퍼센트)이 각각 z = -10 ㎛인 홀 상단(도 7(a)) 및 z = 10 ㎛인 하단(도 7(b))에 포함되며, 이는 종횡비가 AR = 0.1 : 20 = 1 : 200만큼 높음을 의미한다. 이 애플리케이션에서 20 ㎛의 DOF는 크고, 도 7(a) 및 도 7(b)의 20-80 및 12-88 전류 사이즈로 측정한 스폿 사이즈들을 도 5(a) 및 도 5(b)의 스폿 사이즈들과 비교할 때, 해상도들은 도 5(a) 및 도 5(b)의 해상도들보다 여전히 우수하다.
높은 랜딩 에너지(예를 들어, 대략 50 keV 내지 100 keV)를 갖는 전자들이 메모리 홀들의 하단에 충돌할 때, 동일한 고에너지 BSE들이 생성되어 도 4에 도시된 바와 같이 수백 개의 3D NAND 층들을 위한 박막들의 적층된 재료들 밖으로 침투한다. 이러한 BSE들은 1차 전자 빔 열의 BSE 검출기들에 의해 수집될 수 있다.
도 8은 BSE 검출을 위한 시스템의 제2 실시예이다. 광축 주위의 BSE들을 검출하기 위한 환형 검출기(109)는 상부 웨넬트 전극(107) 내부에 적어도 부분적으로 있을 수 있다. 예에서, 환형 검출기(109)의 표면은 BSE들에 노출될 수 있다. 다른 예에서, 환형 검출기(109)는 BSE에 대한 노출 없이 완전히 상부 웨넬트 전극(107) 내부에 있으며, 이는 여전히 BSE 수집을 허용한다.
상부 웨넬트 전극(107)은 플로팅되거나 접지될 수 있다. 하부 웨넬트 전극(108)은 요구되는 추출 필드에 대해 웨이퍼를 충전하는 데 사용될 수 있다. 도 7(a) 및 도 7(b)의 조건들과 동일한 조건들에서 3D NAND 메모리 홀의 하단으로부터 BSE들을 광선 추적하기 위한 시뮬레이션들은 높은 수집 효율성을 보여준다. 따라서, 대략 10 내지 60 도의 극 각도를 갖는 BSE들이 검출될 수 있다. BSE 각도 분포들의 특성으로 인해, 전체 방출된 BSE들의 대부분이 대략 10 내지 60 도의 각도들로 포함되어 왔다.
도 9는 3개의 자기 편향기를 갖는 전자 빔 분할 광학계의 제3 실시예이다. 도 9의 실시예에서, 편향기(106)는 자기 편향기(MD-3)이다. 3D NAND 메모리들과 같은 높은 AR 디바이스들을 검사하기 위해 고에너지 BSE들을 수집하고 사용하는 경우에만, PE(1차 전자)들로부터 BSE들을 분할하기 위한 기존의 빈(Wien) 필터와 같은 광학 설계가 필요하지 않다.
시스템은 또한 상부 자기 편향기(121)(MD-1) 및 편향기(106)와 자기 집광 렌즈(105) 사이의 전자 빔(103)의 경로에 배치된 중간 자기 편향기(122)(MD-2)를 포함한다. 상부 자기 편향기(121)가 편향기(106)와 자기 집광 렌즈(105) 사이의 전자 빔(103)의 경로에 배치된다. 중간 자기 편향기(122)가 상부 자기 편향기(121)와 자기 편향기(106) 사이의 전자 빔(103)의 경로에 배치된다.
상부 자기 편향기(121)는 전자 빔(103)을 중간 자기 편향기(121)로 편향시키도록 구성될 수 있다. 중간 자기 편향기는 상부 자기 편향기(121)와 반대 방향으로 자기 편향기(106)를 향해 전자 빔(103)을 편향시키도록 구성될 수 있다. 자기 편향기는 전자 빔(103)을 편향시키고 그라운드 튜브(114)로의 경로를 따라 전자 빔(103)을 시준하도록 구성된다.
도 6의 구성의 실시예는 2개의 광학 모드들에서 작동될 수 있다. 하나의 모드는 HAR NAND 플래시 메모리들의 검사들 및 검토들을 위해 더 작은 NA를 갖는 대형 DOF 모드이다. 또 다른 모드는 웨이퍼 표면의 물리적 결함들 또는 웨이퍼 하부 표면(sub-surface) 내부의 전압 콘트라스트 결함들을 수십 내지 수백 나노미터 범위로 검사 및 검토하기 위한 최적의 NA를 갖는 고해상도 모드이다. 고해상도 모드에서, 전자들 간의 쿨롱 상호 작용들에 의해 야기된 모든 렌즈 수차들 및 모든 블러(blur)들이 균형을 이룬다. 웨이퍼 표면을 검사하기 위한 랜딩 에너지(LE)들은 수백 내지 수천 전자 볼트로 낮아야 한다. SE들은 검사들 및 검토들을 위해 수집된 신호들일 수 있다. 낮은 방출 에너지(예를 들어, 수 전자 볼트)로 인해, SE들은 대물 렌즈로부터의 자기장에 의해 강하게 집속될 수 있다. 따라서 SE들은 환형 검출기들에 의해 항상 잘 수집되는 것은 아니며 대신 측면 검출기들에 의해 수집될 수 있다.
PE들로부터 SE들을 분리하기 위해, 빈(Wien) 필터가 통상적으로 사용된다. 그러나 빈 필터는 소스 에너지 확산으로 인해 전송 색 블러들을 생성할 수 있다. 전송 색 블러를 제거하기 위해, 다른 빈 필터가 소스 에너지 확산으로 인해 야기된 궤적 변위들을 보상하는 데 사용될 수 있다. 이것은 원하는 동작을 제공할 수 있지만, 광학 장치의 복잡성을 증가시킬 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 빈 필터가 없는 전자 빔 분할 광학 장치가 사용될 수 있다. 3개의 자기 편향기들(상부 자기 편향기(121), 중간 자기 편향기(122) 및 편향기(106))이 집광 렌즈(105)와 대물 렌즈(119) 사이에 배치된다. 상부 자기 편향기(121)는 소스로부터 중간 자기 편향기(122)로 전자 빔(103)을 편향시키고, 중간 자기 편향기(122)는 반대 방향으로 편향기(106)를 향해 전자 빔(103)을 편향시키고, 편향기(106)는 전자 빔(103)을 다시 편향시키고 광축을 따라 전자 빔(103)을 대물 렌즈(119)로 시준한다. 편향 각도는 측면 검출기(123)와 관련될 수 있다. 도 12 또는 도 14에서 측면 검출기(123)는 xoz 평면에 있으므로 1차 전자들은 반대 방향으로 동일한 xoz 평면에서 편향된다. 1차 전자들의 xoz 편향의 경우, 자기 편향기 자속 필드는 yoz 평면에 있을 수 있으며, 이는 자기 편향기 회전 각들이 도 11에 따라 고정됨을 의미한다.
상부 자기 편향기(121), 중간 자기 편향기(122) 및 편향기(106) 각각은 도 10 및 도 11에 도시된 것과 같은 동일한 구조 및/또는 구성을 가질 수 있다. 도 10은 자기 편향기의 단면도를 보여준다. 8개의 자기 자극편들은 8극 편향기로서 회전 대칭으로 배열된다. 동일한 수의 코일 권선들(도 11의 "N")이 각각의 자극편 주위에 감겨있다. 자극편들은 도시된 바와 같이 차폐되어 있다. 코일을 통한 전류의 적절한 설정으로, 넓은 영역의 자기 편향 필드의 분포들은 큰 각도 편향들로 인한 코마(coma) 블러를 최소화하기 위해 상당히 균질할 수 있다. 등전위선들을 사용하여, 도 11은 코일 전류들이가 Ix=1 단위, Ixy=1/√2 단위, 및 Iy=0 단위로 적용되는 균질 자기 편향 필드들의 시뮬레이션들을 나타낸다. x축의 자기장의 자속은 도 9에 도시된 바와 같이 y축의 1차 전자 빔을 편향시킨다.
낮은 랜딩 에너지들로도, 전자들 사이의 쿨롱 상호 작용들이 감소되는 큰 최적의 NA(도 6(b)의 NA2)로 인해 1차 전자 빔의 높은 이미지 형성 해상도들은 본 명세서에 개시된 실시예들을 사용하여 여전히 달성될 수 있다. 총 스폿 사이즈는 대물 렌즈 수차들에 의해 주어진 절반 및 쿨롱 상호 작용들에 의한 다른 절반일 수 있다. 대물 렌즈 수차들 및 쿨롱 상호 작용 효과들은 도 9에 개시된 바와 같이 상부 웨넬트 전극(107)을 사용함으로써 더욱 감소될 수 있다. 상부 웨넬트 전극(107)은 에너지 부스팅 튜브로 간주될 수 있다. 상부 웨넬트 전극(107)에 인가되는 전압은 빔 전압보다 높을 수 있다. 웨이퍼(110)를 충전하는 하부 웨넬트 전극(108)을 통한 동일한 추출 필드가 주어지면, 시뮬레이션들은 빔 전압보다 높은 상부 웨넬트 전극(107) 전압이 대물 렌즈(119)의 구면 및 색수차 계수가 더 낮아지고 쿨롱 상호작용 효과들도 동시에 더 낮다는 것을 의미함을 보여준다.
도 9의 구성의 3개의 자기 편향기 실시예는 소스 에너지 확산으로 인해 빈 필터에서 일반적으로 발생되는 전달 색 블러들을 제거할 수 있다. 빈 필터 기반 광학 장치에서, 소스 에너지 확산으로 인한 궤적 변위들을 보상하는 데 다른 추가 빈 필터가 사용될 수 있다. 도 9의 3개의 자기 편향기 구성에서, 전체 순 자기 편향 각도는 0이므로, 소스 에너지 확산, 전자 잡음들 및/또는 열 잡음들로 인한 총 전자 궤적 변위를 모두 0으로 만든다.
도 12는 낮은 랜딩 에너지들과 함께 사용하기 위한 도 9의 제3 실시예에서의 SE/BSE 수집들을 보여준다. 도 13은 낮은 랜딩 에너지들에 대한 SE/BSE에 대한 광선 추적 시뮬레이션들을 예시한다. 측면 검출기(123)는 중간 자기 편향기(122)와 자기 편향기(106) 사이에 배치된다. 편향기(106)로부터의 SE 편향 각도(θ)는 일반적으로 대략 6° 내지 12°이며, 이는 편향기(106)로부터 측면 검출기(123)까지의 거리가 대략 100 ㎜ 이상임을 의미한다.
측면 검출기는 적어도 SE들을 수집하도록 구성된다. 중간 자기 편향기(122)와 자기 편향기(106) 사이에 예시되어 있지만, 측면 검출기(123)는 상부 자기 편향기(121)와 중간 자기 편향기(122) 사이에 있을 수 있다. 측면 검출기(123)는 또한 상부 자기 편향기(121)의 상류에 있을 수 있다. 측면 검출기(123)는 반도체 검출기, 고속 신틸레이터(scintillator) 검출기, 또는 다른 시스템들일 수 있다.
도 12 및 도 13은 SE/BSE 수집을 보여준다. PE들 및 SE들의 반대 이동 방향으로 인해, SE들의 편향기(106) 편향 각도는 도 12에 도시된 각도 θ와 같이 PE들과 반대이다. 측면 검출기(123)는 도 12의 실시예에서 중간 자기 편향기(122) 아래에 배치된다. 주어진 빔 전압 및 랜딩 에너지에 대해, 편향기(106)의 여기는 SE들이 θ의 각도로 편향되고 SE를 측면 검출기(123)의 중심 쪽으로 안내하도록 선택될 수 있다. 편향기(106) 여기를 고려할 때, 상부 자기 편향기(121) 및 중간 자기 편향기(122)의 여기가 조정되어 소스 방출 빔을 대물 렌즈의 광축에 시준할 수 있다.
수백 내지 수천 전자 볼트의 낮은 랜딩 에너지와 함께 사용되는 고해상도의 경우, 도 13에 도시된 방식으로 저 에너지 BSE들이 또한 수집될 수 있다. 모든 SE들은 더 낮은 방출 에너지들(수 eV)을 가지며 도 13의 중앙 빔에 도시된 바와 같이 대물 렌즈의 자기장에 의해 즉시 얇은 빔으로 집속된다. SE들은 편향기(106)에 의해 편향되고, 측면 검출기(123)에 의해 수집된다. BSE들은 더 높은 방출 에너지들(랜딩 에너지와 동일한 에너지)을 가지며, 이들은 측면 검출기(123) 및 환형 검출기(109) 모두에 의해 수집될 수 있다. 작은 극 각도들(예를 들어, 10도 미만)을 갖는 BSE들은 도 13에서 BSE-1의 광선들에 의해 도시된 바와 같이 상부 웨넬트(Wehnelt) 전극(107) 구멍(bore)을 통과하도록 집중되고 가속될 수 있다. BSE-1 전자들은 또한 측면 검출기(123)에 의해 수집되어 명시야 이미지들을 형성할 수 있다. 큰 극 각도들(예를 들어, 45도 초과)을 갖는 BSE들은 도 13에서 BSE-2의 광선들에 의해 도시된 바와 같이 암시야 이미지들을 형성하기 위해 환형 검출기(109)에 의해 수집될 수 있다.
도 14는 전자 빔 벤더(bender)(124)의 실시예이다. 전자 빔 벤더(124)는 중간 자기 편향기(122)와 자기 편향기(106) 사이 또는 측면 검출기(123)에 근접한 다른 위치들 사이에 배치된다. 전자 빔 벤더(124)는 2개의 원통형 표면들을 갖고, 측면 검출기(123)에서 BSE들로부터 SE들 사이를 필터링하도록 구성된다. 따라서, 전자 빔 벤더(124)는 BSE들로부터 SE들을 또는 그 반대로 필터링하기 위해 사용될 수 있다.
측면 검출기(123)가 배치되는 위치에 따라 SE들 또는 BSE들이 휘어질 수 있다. 예를 들어, 도 14에서 빔은 90도 구부러진다(편향기(106) 편향으로부터 대략 10도 및 전자 빔 벤더(124)로부터의 나머지). 굽힘 전압은 굽힘 각도와 무관할 수 있으므로, 모든 굽힘 정도가 동일한 전압을 사용할 수 있다. 굽힘 전압은 SE/BSE 에너지 및 전자 빔 벤더(124)의 갭에 좌우될 수 있다. 갭이 작을수록 굽힘 전압이 낮아질 것이다. 갭은 대략 8 ㎜ 내지 16 ㎜ 범위일 수 있다. SE들을 수집하는 낮은 랜딩 에너지 사용의 경우 굽힘 전압은 몇 kV일 수 있다.
도 12에서, SE 빔과 BSE-1 빔 사이의 에너지 차이는 낮은 랜딩 에너지들을 갖는 애플리케이션들로 인해 수백 내지 수천 전자 볼트만큼 좁다. SE 및 BSE-1 전자들은 측면 검출기(123)에 의해 함께 수집되어 하나의 이미징 신호를 다른 이미징 신호로 오염시킬 수 있다. 도 14의 전자 벤더(124)로, SE 빔은 적합한 굽힘 전압(Vb)에 의해 BSE-1 빔으로부터 필터링될 수 있다. SE 빔은 더 낮은 에너지로 인해 벤더에 의해 과도하게 편향되고 BSE-1 전자들은 출구 애퍼처를 관통해 측면 검출기(123)를 향해 통과한다. SE들은 또한 BSE-1이 전자 빔 벤더(124) 원통형 표면에서 편향되지 않고 정지되도록 하기 위해 더 낮은 굽힘 전압(Vb)을 사용함으로써 BSE-1 빔으로부터 선택될 수 있다.
SE들로부터 BSE들을(또는 그 반대) 필터링하는 이점에 추가하여, 전자 빔 벤더(124)를 갖는 실시예는 전자 빔 벤더(124)의 출구와 측면 검출기(123) 사이에 공간을 생성할 수 있다. SE 또는 BSE 에너지 필터링은 SE들 또는 BSE들 중 하나를 측면 검출기(123) 쪽으로 지향시키기 전에 공간에 저역 통과 필터, 고역 통과 필터, 또는 대역 필터를 구성함으로써 추가로 수행될 수 있으므로, 결함 속성들은 더 주의 깊게 분석되고 학습 주기를 가질 수 있다.
90도 SE/BSE 벤딩의 경우, 측면 검출기(123)는 전자 빔 벤더(124)의 출구로부터 특정 거리 떨어져 위치설정될 수 있다. 신호 프로세싱 광학 장치는 전자 빔 벤더(124)의 출구와 측면 검출기(123) 사이에 위치설정될 수 있다. 신호 프로세싱 광학 장치는 저역 통과 에너지 필터, 고역 통과 에너지 필터, 대역 통과 에너지 필터, 디-스캔(de-scan) 편향기들, 또는 보다 상세한 웨이퍼 결함 피처들을 특성화하기 위한 기타 시스템들일 수 있다. 도 12와 같은 전자 빔 벤더(124)가 없으면, SE/BSE는 큰 각도로 편향되지 않을 수 있고, 측면 검출기(123)는 신호 프로세싱 광학 장치를 수용하도록 위치설정되지 않을 수 있다.
도 14의 전자 빔 벤더(124)는 정전기적 또는 자기적일 수 있다. 평면에서 전자 굽힘의 경우 자속은 수직 평면으로 지향될 수 있다.
도 15는 방법(200)의 흐름도이다. 방법(200)은 본 명세서에 개시된 전자 빔 시스템의 실시예를 사용하여 수행될 수 있다. 201에서 전자 빔이 생성되고 202에서 빔 제한 애패처를 통해 지향된다. 전자 빔의 빔 전압은 50 kV 내지 100 kV일 수 있고, 50 keV 내지 100 keV의 랜딩(landing) 에너지를 가질 수 있다. 빔 에너지 또는 랜딩 에너지의 선택은 특정 애플리케이션에 좌우된다. 빔 에너지는 일반적으로 랜딩 에너지보다 크거나 그와 동일하다. 더 많은 박막 층들이 있는 더 깊은 메모리 홀들의 경우, 더 높은 랜딩 에너지가 사용하여 더 높은 BSE 에너지를 얻을 수 있으므로, BSE들이 더 두꺼운 적층된 박막들을 통해 침투하고 표면으로부터 벗어날 수 있다. 50 keV는 대략 96 내지 124개 층들에 대한 것일 수 있다. 100 keV는 256개 초과의 층들에 대한 것일 수 있다.
203에서, 전자 빔은 빔 제한 애퍼처의 하류에서 전자 빔의 경로를 따라 배치되는 자기 집광 렌즈를 통해 지향된다. 204에서, 전자 빔은 자기 집광 렌즈의 하류에서 전자 빔의 경로를 따라 배치되는 편향기를 통해 지향된다. 편향기는 자기 편향기 또는 빈 필터(Wien filter)일 수 있다. 205에서, 전자 빔은 대물 렌즈를 통해 지향된다. 대물 렌즈는 그라운드 튜브, 상부 웨넬트 전극, 및 하부 웨넬트 전극을 포함한다. 206에서, 전자 빔이 웨이퍼의 표면에서 하부 웨넬트 전극으로부터 지향된다. 전자 빔에 대한 초점 심도(depth of focus)는 최대 20 ㎛일 수 있다. 웨이퍼는 3D NAND, 3D DRAM, 3D 계단 스텝(staircase step)들 또는 3D 딥 트렌치 로직과 같은 3차원 반도체 구조를 포함할 수 있다. 207에서, 웨이퍼로부터 후방 산란된 전극들은 하부 웨넬트 전극을 향하는 상부 웨넬트 전극의 표면 상에 배치되는 환형 검출기에서 수신된다.
자기 집광 렌즈는 작은 초점 심도 모드 및 큰 초점 심도 모드를 갖는 전자 빔을 형성하도록 구성될 수 있다. 개구수는 작은 초점 심도 모드보다 큰 초점 심도 모드에서 더 작다.
예를 들어, 편향기는 자기 편향기이다. 전자 빔은 또한 편향기와 자기 집광 렌즈 사이에 전자 빔의 경로를 따라 배치되는 중간 자기 편향기 및 상부 자기 편향기를 통해 지향될 수 있다. 상부 자기 편향기는 전자 빔을 중간 자기 편향기로 편향시키도록 구성될 수 있다. 중간 자기 편향기는 상부 자기 편향기와 반대 방향으로 자기 편향기를 향해 전자 빔을 편향시키도록 구성될 수 있다. 자기 편향기는 전자 빔을 편향시키고 그라운드 튜브로의 경로를 따라 전자 빔을 시준하도록 구성될 수 있다.
2차 전자들은 중간 자기 편향기와 자기 편향기 사이에 배치되는 측면 검출기에서 수신될 수 있다. 웨이퍼로부터 반환된 전자들은 중간 자기 편향기와 자기 편향기 사이에서 구부질 수 있어, 측면 검출기에서 후방 산란된 전자들로부터 2차 전자들 사이를 필터링한다. 전자 빔 벤딩은 SE들로부터 BSE들을(또는 그 반대로) 필터링할 수 있으며, 이는 유용한 신호들로부터 전자 오염을 제거할 수 있다.
본 명세서에 설명된 시스템들 및 방법들의 실시예들은 딥 메모리 홀들을 검사하고 검토하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 60 kV에서 작동은 AR = 1 : 200 사용에 대해 20 ㎛ DOF를 제공하며, 이는 이전 설계들보다 5배 이상 향상되었다. 상대적으로 낮은 LE들을 가진 기존의 BSE 수집에 비해 높은 BV와 높은 LE가 사용되며 BSE들이 덜 집속되기 때문에, 환형 검출기를 사용하여 높은 BSE 수집 효율이 달성될 수 있다. 충분한 BSE 신호들의 이점으로, 상대적으로 낮은 빔 전류가 사용되어 전자들 간의 쿨롱(Coulomb) 상호작용들을 더욱 감소시키고 DOF를 더 길게 확장하는 동시에 전자 분포의 꼬리를 좁힐 수 있다.
빈 필터(Wien-filter)가 없는 전자 빔은 3개의 자기 편향기들로 광학 장치를 분할할 수 있으며, 이는 전체 순 편향각이 0일 때 소스 에너지 확산 및 전자 및/또는 열 잡음으로 인한 전달 색수차를 제거할 수 있다.
상부 웨넬트 전극은 웨이퍼로 지연되기 전에 빔 에너지를 부스트(즉, 가속)하여 대물 렌즈의 구면 및 색수차 계수를 감소시키는 데 사용될 수 있다. 빔 에너지 부스팅으로 인해, 전자들 간의 쿨롱 상호작용들이 동시에 감소된다. 이것은 낮은 랜딩 에너지를 이용하는 사용에서 해상도를 향상시킨다.
방법(200)은 3D 디바이스들(예를 들어, 3D NAND, 3D DRAM, 3D 계단 스텝들, 및 3D 딥 트렌치 로직)에 대한 검사 및 검토를 위해 사용될 수 있다. 도 6 및 도 8의 실시예들은 AR=1:200 3D 디바이스들의 검사 및 검토를 위해 최대 20 미크론의 대형 DOF를 제공하며, 이는 차세대 3D NAND 메모리들에서 수백 개의 층들을 개발하는 데 사용될 수 있다.
수백 내지 수천 전자 볼트의 낮은 랜딩 에너지로 웨이퍼 표면 또는 서브 미크론 미만의 표면 결함들을 검사 및 검토하기 위해, 본 명세서에 개시된 실시예들은 도 9 내지 도 11에서 3개의 자기 편향기들을 가진 빈 필터가 없는 빔 분할 광학 장치를 사용할 수 있으며, 에너지 부스팅 상부 웨넬트 전극은 대물 렌즈의 구면 수차 및 색수차 계수를 감소시킬 수 있다(도 12 및 13) 전자 빔 벤더는 SE들로부터 BSE들을 필터링하거나 BSE들로부터 SE들을 필터링할 수 있으므로(도 14), SE들 및 BSE들의 고해상도 이미지 형성 및 높은 수집 효율성이 동시에 달성될 수 있다.
전자 빔과 관련하여 설명되었지만, 본 명세서에 개시된 실시예들은 또한 이온 빔 또는 입자 빔과 함께 사용될 수 있다.
본 개시물은 하나 이상의 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 개시물의 범위를 벗어나지 않으면서 본 개시물의 다른 실시예들이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 본 개시내용은 첨부된 청구범위 및 그에 대한 합리적인 해석에 의해서만 제한되는 것으로 간주된다.

Claims (20)

  1. 시스템에 있어서,
    전자 빔을 생성하는 전자 빔 소스;
    상기 전자 빔의 경로에 배치된 빔 제한 애퍼처;
    상기 전자 빔의 경로에 배치된 하부 웨넬트 전극(Wehnelt electrode);
    상기 하부 웨넬트 전극과 상기 빔 제한 애퍼처 사이에 상기 전자 빔의 경로에 배치된 상부 웨넬트 전극;
    상기 하부 웨넬트 전극에 면하는 상기 상부 웨넬트 전극의 표면 상에 배치된 환형 검출기;
    상기 상부 웨넬트 전극과 상기 빔 제한 애퍼처 사이의 상기 전자 빔의 경로에 배치된 자기 집광 렌즈 - 상기 자기 집광 렌즈는 자극편(pole piece)들과 집광 렌즈 코일을 포함함 ― ;
    상기 상부 웨넬트 전극과 상기 집광 렌즈 사이에 상기 전자 빔의 경로에 배치된 편향기;
    상기 편향기와 상기 상부 웨넬트 전극 사이에 상기 전자 빔의 경로에 배치된 자기 대물 렌즈 코일; 및
    상기 전자 빔의 경로에 배치된 그라운드 튜브
    를 포함하고, 상기 자기 대물 렌즈 코일은 상기 그라운드 튜브 주위에 배치되는 것인, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 집광 렌즈와 상기 빔 제한 애퍼처 사이의 상기 전자 빔의 경로에 배치된 애퍼처를 더 포함하는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전자 빔 소스는 1 ㎛ 미만의 반경을 가진 팁을 포함하는 것인, 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 편향기는 자기 편향기 또는 빈 필터(Wien filter)인 것인, 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 편향기는 자기 편향기이고, 상부 자기 편향기 및 중간 자기 편향기를 더 포함하며, 상기 상부 자기 편향기는 상기 편향기와 상기 자기 집광 렌즈 사이의 상기 전자 빔의 경로에 배치되고, 상기 중간 자기 편향기는 상기 상부 자기 편향기와 상기 자기 편향기 사이의 상기 전자 빔의 경로에 배치되는 것인, 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상부 자기 편향기는 상기 전자 빔을 상기 중간 자기 편향기에 편향시키도록 구성되고, 상기 중간 자기 편향기는 상기 전자 빔을 상기 상부 자기 편향기의 방향과 반대 방향으로 상기 자기 편향기를 향해 편향시키도록 구성되며, 상기 자기 편향기는 상기 전자 빔을 편향시키고 상기 그라운드 튜브 내로의 경로를 따라 상기 전자 빔을 시준시키도록 구성되는 것인, 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 자기 편향기, 상기 상부 자기 편향기, 및 상기 중간 자기 편향기 각각은 회전식으로 대칭인 8개의 자기 자극편들을 갖는 것인, 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 중간 자기 편향기와 상기 자기 편향기 사이에 배치되는 측면 검출기를 더 포함하고, 상기 측면 검출기는 적어도 2차 전자들을 수집하도록 구성되는 것인, 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 중간 자기 편향기와 상기 자기 편향기 사이에 배치되는 전자 빔 벤더(bender)를 더 포함하고, 상기 전자 빔 벤더는 상기 측면 검출기에서 후방 산란된 전자들로부터 상기 2차 전자들 사이를 필터링하도록 구성되는 것인, 시스템.
  10. 방법에 있어서,
    전자 빔 소스로 전자 빔을 생성하는 단계;
    빔 제한 애퍼처를 통해 상기 전자 빔을 지향시키는 단계;
    상기 빔 제한 애퍼처의 하류에서 상기 전자 빔의 경로를 따라 배치되는 자기 집광 렌즈를 통해 상기 전자 빔을 지향시키는 단계;
    상기 자기 집광 렌즈의 하류에서 상기 전자 빔의 경로를 따라 배치되는 편향기를 통해 상기 전자 빔을 지향시키는 단계;
    대물 렌즈를 통해 상기 전자 빔을 지향시키는 단계 ― 상기 대물 렌즈는 그라운드 튜브, 상부 웨넬트 전극, 및 하부 웨넬트 전극을 포함함 ― ;
    웨이퍼의 표면에서 상기 하부 웨넬트 전극으로부터 상기 전자 빔을 지향시키는 단계; 및
    상기 상부 웨넬트 전극의 표면 상에 배치되는 환형 검출기에서 상기 웨이퍼로부터 후방 산란된 전극들을 수신하는 단계 ― 상기 상부 웨넬트 전극의 표면은 상기 하부 웨넬트 전극을 면함(face) ―
    를 포함하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전자 빔의 빔 전압은 50 kV 내지 100 kV이고 50 keV 내지 100 keV의 랜딩(landing) 에너지를 갖는 것인, 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 자기 집광 렌즈는 작은 초점 심도(depth of focus) 모드 및 큰 초점 심도 모드를 갖도록 상기 전자 빔을 형성하게끔 구성되고, 상기 개구수(numeric aperture)는 상기 작은 초점 심도 모드보다 상기 큰 초점 심도 모드에서 더 작은 것인, 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 웨이퍼는 3차원 반도체 구조물을 포함하는 것인, 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 전자 빔에 대한 초점 심도는 최대 20㎛인 것인, 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 전자 빔 소스는 1 ㎛ 미만의 반경을 가진 팁을 포함하는 것인, 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 편향기는 자기 편향기 또는 빈 필터인 것인, 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 편향기는 상기 자기 편향기이고, 추가로 상기 편향기와 상기 자기 집광 렌즈 사이에 상기 전자 빔의 경로를 따라 배치되는 중간 자기 편향기 및 상부 자기 편향기를 통해 상기 전자 빔을 지향시키는 것인, 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 상부 자기 편향기는 상기 전자 빔을 상기 중간 자기 편향기에 편향시키도록 구성되고, 상기 중간 자기 편향기는 상기 전자 빔을 상기 상부 자기 편향기의 방향과 반대 방향으로 상기 자기 편향기를 향해 편향시키도록 구성되며, 상기 자기 편향기는 상기 전자 빔을 편향시키고 상기 그라운드 튜브 내로의 경로를 따라 상기 전자 빔을 시준시키도록 구성되는 것인, 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 중간 자기 편향기와 상기 자기 편향기 사이에 배치되는 측면 검출기에서 2차 전자들을 수신하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 중간 자기 편향기와 상기 자기 편향기 사이에서 상기 웨이퍼로부터 반환된 전자들을 구부려, 상기 측면 검출기에서 후방 산란된 전자들로부터 상기 2차 전자들 사이를 필터링하는 단계를 더 포함하는, 방법.
KR1020227039838A 2020-04-15 2021-04-13 3d 디바이스들의 검사 및 검토를 위한 전자 빔 시스템 KR20230002742A (ko)

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