KR20230043835A

KR20230043835A - 샘플의 다양한 화학적 및 전기적 특성을 결정하기 위한 전자 분광법 기반 기술

Info

Publication number: KR20230043835A
Application number: KR1020237002282A
Authority: KR
Inventors: 하게이 코헨
Original assignee: 코자이 엘티디
Priority date: 2020-06-28
Filing date: 2021-06-28
Publication date: 2023-03-31
Also published as: US20230243766A1; WO2022003678A1; WO2022003677A1; US20230288355A1

Abstract

샘플의 하나 이상의 매개변수를 측정하기 위한 측정 시스템 및 방법이 제공된다. 상기 측정 시스템은 여기 시스템과 검출 시스템으로 구성된다. 상기 여기 시스템은 측정 중인 샘플의 적어도 일부에 적용되는 상이한 유형의 다수의 여기 신호의 단일- 또는 다중-파라미터 변조를 포함하는 결합된 여기 방사선을 생성하여 상기 결합된 여기 방사선에 대한 샘플 적어도 일부의 전자 방출 응답을 유도하도록 구성된다. 상기 검출 시스템은 샘플의 적어도 일부의 전자 방출 응답을 검출하고 샘플의 적어도 일부의 전기적 상태의 변조된 변화를 나타내는 측정 데이터를 생성하도록 구성되어, 상기 측정된 데이터로부터 샘플의 하나 이상의 파라미터를 결정할 수 있도록 한다.

Description

샘플의 다양한 화학적 및 전기적 특성을 결정하기 위한 전자 분광법 기반 기술

본 발명은 일반적으로 전자 분광법 분야에 관한 것으로, 특히 샘플을 특성화하고 테스트하기 위한 비접촉 및 비파괴 기술에 관한 것이다. 본 발명은 반도체 산업에서 웨이퍼를 특성화하고 테스트하기 위한 집적 회로(IC)의 프로세스 제어를 위한 툴로서 특히 유용하다.

전자 분광법 기술에서 예를 들어 X선 또는 하전 입자에 의해 샘플로부터 방출된 전자의 에너지와 양이 샘플의 특징을 결정하기 위해 측정하고 분석된다. 예를 들어, 방출된 전자의 특성 에너지는 샘플을 구성하는 화학 원소를 식별하는 데 사용할 수 있으므로 화학 조성을 결정하는 데 사용할 수 있다. 이러한 전자 분광기 기술은 방출된 전자의 운동 에너지에 따라 특정 원자 층(예를 들면, 싱크로트론을 사용하여 증가되거나 감소될 수 있는 20nm 깊이 내)으로부터의 정보를 얻는 데 사용할 수 있다. 샘플의 화학적 일관성을 찾고 식별하고 정량화하는 데 일반적으로 사용되는 전자 분광법 기술은 X선 광전자 분광법(XPS), Auger 전자 분광법(AES) 및 가능한 추가 관련 기술을 기반으로 한다.

XPS에서는 잘 정의된 에너지의 X선을 사용하여 샘플을 조사하여 샘플의 조사된 표면에서 원자로부터 코어 전자를 방출하도록 한다. 입사 X선은 일반적으로 조사된 샘플 내에 깊숙이 침투하지만 샘플 표면 근처의 원자로부터 방출된 전자만이 도중에 에너지 손실 없이 탈출하여 분석기에 도달할 수 있다. 여기된 X-선의 에너지와 방출된 전자의 운동 에너지의 차이는 여기된 전자의 초기 상태의 결합 에너지를 결정하는 데 사용되며, 이는 조사된 샘플의 조성을 결정하는 데 사용된다. 따라서 XPS는 샘플 표면에서 방출되는 전자의 스펙트럼을 기반으로 샘플 표면에서 화학 원소와 이들의 산화 상태를 식별하는 데 사용할 수 있다.

AES에서 샘플은 수 keV의 집속 전자 빔(수십 나노미터)에 의해 조사될 수도 있다. 이 같은 분광법에서는 들뜬 원자 내에 일시적으로 코어 레벨 빈 공간이 생성된다. 상기 빈 공간이 외부 궤도 전자에 의해 채워짐에 따라 이 같은 전이와 관련된 과도 에너지는 샘플로부터 반응적으로 방출되는 다른 전자(Auger 전자)로 전달될 수 있다. 상기 방출된 Auger 전자의 운동 에너지를 측정하고 분석하여 들뜬 원자의 특성을 결정하도록 한다. 전자 빔 입력 소스와 함께 작동하는 AES는 일반적으로 더 나은 공간 분해능을 제공하여, 샘플 표면의 더 작은 영역을 특성화할 수 있지만, AES에서 샘플은 고 에너지 충격 전자에 의해 시작되는 추가 프로세스로 인해 표면 손상에 더 취약하다.

샘플 충전은 방출된 전자의 스펙트럼을 왜곡하므로 예를 들어 XPS 및 AES 기반 기술의 감도와 정밀도에 영향을 미친다. 예를 들어 XPS에서 양 전하는 내재하는 아티팩트이며, 양 전하 표면을 중화할 수 있는 eFG(전자 플러드 건)와 같은 전하 보상 수단이 자주 사용된다. 차례로 충전 조건에 대한 제어가 사용되어 샘플의 전기적 특성을 탐색할 수 있다.

본 출원의 발명자에 의해 개발된 일부 초기 전자 분광법 기술은 모두 본 출원의 양수인에게 양도된 다음 특허에 설명되어 있다.

미국 특허 제6,720,556호는 샘플 표면 부분이 제1 전하 상태에 있을 때 샘플 표면 부분의 제1 분광 분석을 수행하는 단계; 샘플 표면 부분을 제1 전기 하전 상태와 상이한 제2 전기 하전 상태에 놓고 샘플 표면 부분이 제2 전기 하전 상태에 있을 때 샘플의 표면 부분에 대한 제2 분광 분석을 수행하는 단계; 및 상기 제1 분광 분석 결과와 상기 제2 분광 분석 결과를 비교하여 상기 샘플에 대한 구조적 정보 및 전기적 정보 중 적어도 하나를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.

특히, 위의 방법을 패턴이 있는 표면에 적용하여 거시적 XPS 기반 툴에 의해 획득된 표면 종의 nm 스케일 분해능을 입증했다. [K. Shabtai, I. Rubinstein, S.R. Cohen 및 H. Cohen, "거시적 프로브를 사용한 고해상도 측면 차별화: XPS of Organic Monolayers on Composite Au-SiO₂ Surfaces" J. Am. Chem. Soc. 122, 4959-4962 (2000).]

미국 특허 제7,148,478호는 샘플의 전기적 특성을 측정하는 방법 및 장치를 설명한다. 시편은 고 에너지 방사선으로 여기되어 시편으로부터 내부 하전 입자를 방출하게 한다. 전력은 시편과 시편의 후면 접점에 연결된 추가 구성 요소에 의해 형성되는 회로에 공급된다. 전력 공급 장치는 다음 중 적어도 하나를 포함한다: 전하를 띤 입자로 회로를 조사하는 단계; 방출된 내부 하전 입자의 플럭스에 영향을 미치는 종류의 외부 장에 회로를 노출시키는 단계; 및 시편의 후면 접점에 바이어스 전압을 공급하는 단계를 포함한다. 시편에 전원이 공급되는 동안 다음 중 적어도 하나가 수행된다: 시편을 통과하는 전류가 측정되고, 방출된 하전 입자가 에너지와 비교하여 분석도며(비접촉식 전압계 사용), 상기 분석이 시편의 화학적 엔티티에서 로컬 전위 값을 제공한다. .

미국 특허 제 8,507,853호는 향상된 정확도와 신뢰성을 갖는 깊이 프로파일링을 위한 시스템 및 방법을 설명한다. 상기 방법은 샘플에 대한 적어도 2개의 상이한 전기적 조건 하에서 샘플로부터 분광 데이터를 획득하는 것을 포함하며, 상기 분광 데이터는 샘플로부터 방출된 하전 입자의 신호를 포함하고, 샘플에 대한 상이한 전기적 조건 하에 있는 동안 샘플로부터의 신호 진폭, 스펙트럼 위치 및 스펙트럼 형태의 변화를 나타내며, 상기 변화는 샘플을 통과하는 방향을 따라 샘플 내의 적어도 하나의 화학 원소에 대한 공간 분배 및 조성 프로파일을 나타낸다.

크기 축소를 위한 프런트 엔드 집적 회로 설계 규칙은 심층 자외선(예를 들면, 193nm 파장) 및 극 자외선(EUV, 예를 들면, 13.5nm 파장)에 의한 다중 노출과 같은 혁신적인 포토 리소그래피 방법을 적용하여 최근 10nm 미만 수준에 도달했다. CMOS 기술(Complementary Metal Oxide Semiconductors) 생산에는 주로 로직 IC 또는 메모리 셀의 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)용으로 작은 피쳐를 인쇄하는 작업이 포함된다. 그러나 MOSFET 트랜지스터 크기 축소는 최근 FET 게이트 임계 치수(CD), 라인 에지 거칠기, 층 오버레이 문제, 두께 변화 등을 포함하여 제어하기 더 어려워진 몇 가지 물리적 한계에 도달했다.

동시에 광학 또는 EM(전자 현미경) 기반 기술과 같은 기존 공정 제어 방법은 IC 성능에 대한 충분한 데이터를 제공하는 데 한계에 도달했으며 따라서 생산 수율이 위험한 수준으로 저하되었다.

또한 IC 성능에 대한 요구 사항에는 전력 소비, 장치 속도 및 안정성에 대한 누설 전류의 사소한 영향 외에도 CMOS 게이트 레벨에서 최소 누설 전류로 저 전압에서 안정적인 트랜지스터 스위칭에 대한 엄격한 요구 사항이 포함된다.

게이트 크기 축소를 위한 접근 방식에는 도전성 핀(finFET) 또는 게이트 '전체 주변'(GAA)으로 3D 게이트를 둘러싸는 것과 같이 누설 및 불안정성을 최소화하기 위한 혁신적인 기하학도 수반된다. 특히, 유전 층의 크기가 줄어들었기 때문에 게이트의 절연 층이 브레이크다운을 방지하기 위해 선택된 높은 유전 상수(높은 K)를 가진 더 얇은 층이 필요로 한다.

마지막으로, 대부분이 HfO₂이지만 SiO₂, SiOxN 등의 고유전율 유전체는 일반적으로 IC 인쇄 공정 후에 제어하기가 매우 어렵다. 따라서 현재의 어떤 공정 제어 기술도 최근의 위기를 적절하게 해결할 수 없기 때문에 새로운 혁신적인 방법이 필수적이다.

다른 기술 분야에서 독립적으로 부상하고 있는 XPS 기반 전자 분광법의 일반 원리를 활용하여 입자/샘플의 다양한 파라미터/조건을 측정하기 위한 새로운 접근 방식이 당업계에 필요하다.

실제로, 전자 분광법은 검사된 표본의 전기적 특성에 대해 고유한 감도를 가지고 있다. 제어 표면 전하(CSC) 및 화학적 분해 전기 측정(CREM)과 같은 이전 기술은 샘플의 내부 전기장을 활용하여 화학 분석을 개선하거나 파생된 화학 정보를 활용하여 측정 중인 다양한 전기적 특성을 획득한다. 원래 표면의 화학적 분석을 위해 개발된 XPS는 선택된 도메인의 I-V 곡선, 특정 샘플 부위의 광 전압 측정, 고급 일 함수 측정을 포함하여 다양한 전기적 측정이 가능하다.

본원 발명자는 어떠한 상부 접촉도 없이 전기적 테스트를 수행하는 CREM의 능력이 장치 생산의 초기 단계에서 전기적 품질 제어를 도입하는 데 사용될 수 있음을 보여주었다. 이를 통해 장치의 실제 주요 속성에 직접 액세스할 수 있도록 하며, 따라서 계측 특성화 기술의 필요성을 줄인다. 그러나 이 같은 CREM 처리량은 산업 응용 분야에 충분하지 않다.

또한 몇 나노미터 규모까지 내려간, 장치 요소의 소형화는 알려진 검사 기술(일반적으로 광학 검사 및 전자 빔 검사)에 의한 각 소자 요소(예를 들면, 트랜지스터 하나씩)의 직접 검사를 복잡하게 만든다. 이것은 특히 반도체 웨이퍼와 같이 매우 작은 형상을 갖는 다중 층/멀티-구성요소 샘플의 측정에 필수적인 측정의 더 높은 공간 분해능에 대한 요구 사항과 관련이 있다. 이와 관련하여 매우 작은 형상(메모리 셀, 트랜지스터 등)에 측정을 적용하기 위한 측면 축(샘플 전체)과 얕은 층과 깊은 층을 선택적으로 조사하기 위한 수직 축(샘플을 관통하는) 모두에서 측정의 공간 해상도를 증가시킬 필요가 있다. 또한 다양한 산업 분야에서는 작은 형상의 여러 패턴을 가진 복잡한 샘플에서 상대적으로 빠르고 고품질(높은 정확도)의 측정이 필요하다. 예를 들어, 본 발명은 메모리 셀과 같은 구조의 고속 테스트를 제공한다. 메모리 셀에서는 휘발성 및 비휘발성 유형이 포함된다: 휘발성 메모리에는 랜덤 액세스 메모리(RAM)(Random Access Memory), SRAM(Static RAM) 및 캐시 메모리가 포함된다. 전기적 특성 및 대기 시간의 고속 결정이 초기 단계에서 알려질 필요가 있다. 본 발명의 기술은 플래시 메모리 유형 NAND 및 NOR와 같은 비휘발성 메모리 유형의 측정에 특히 유용하다.

본 발명은 화학적 일관성을 특성화하고/하거나 샘플의 원자 층에 형성된 작은 구조(예를 들면, 나노구조)를 검사하는 데 사용할 수 있는 새로운 전자 분광법 기반 측정 기술을 제공하며, 글로벌 및 로컬 속성을 포함하여 샘플의 전기적 속성을 나타내는 데이터를 제공한다. 본 발명의 새로운 접근법은 모드 중 일부에서 많은 요소 중에서 단일 요소에서의 고장을 식별하기에 충분히 민감한 대면적 검출을 이용한다.

본 발명의 일부 특징에 따르면, 샘플의 일 함수를 측정하기 위한 새로운 기술을 제공한다. 일 함수 측정을 위한 본 발명의 새로운 접근법은 불가피하게 존재하여 종래의 접근법에 기초한 측정을 방해하는 샘플의 음전하 또는 양전하와 관련된 아티팩트를 제거하도록 한다.

본 발명은 또한 테스트 샘플의 CMOS 게이트 및 메모리 셀과 같은 용량성 요소에서 자발적인 전하 누설을 비접촉 모드에서 검출할 수 있도록 한다. 이는 원하는 시간 일정에 따라 짧은 스캔을 사용하여 구현할 수 있다.

본 발명의 일부 다른 특징에 따르면, 샘플(또는 적어도 그의 영역)을 고 에너지 방사선 여기(예를 들면, X선 방사선 또는 전자 빔 여기), 및 다음 추가 여기 중 하나 이상을 포함하는 상이한 유형의 복수의 여기에 가함으로써 샘플의 다양한 화학적 및/또는 전기적 특성/파라미터를 측정하는 것을 제공한다: 상대적으로 낮은 에너지 이온 방사선; 소위 "와이드" 전자 빔 방사(비집속 전자 빔)인 상대적으로 낮은 에너지 전자 방사(예를 들면, 플러드 건 방사); 집속 전자 빔 조사; 하나 이상의 광학 빔을 포함하는 조명에 의한 여기; 그리고 샘플의 전기 바이어스(즉, 전력 공급)에 의한 여기.

본 명세서에서 사용된 "고 에너지 방사선"이라는 용어는 전자기 방사선뿐만 아니라 고 에너지 하전 입자를 광범위하게 포함하는 것으로 해석되어야 한다는 점에 유의해야 한다. 이러한 고 에너지 방사선(이들 두 유형 모두)은 에너지의 유연한 범위, 예를 들면, 0.1-10keV 에 적용된다.

이러한 여기는 다음과 같이 샘플(샘플의 적어도 일부)의 이러한 특성 중 하나 이상을 검출/모니터링할 수 있도록 사전 결정된 방식으로 변조되는 적어도 하나의 여기를 포함한다: 샘플의 표면 패턴(비 상부 접촉 테스트 포함); 정밀한 일 함수(WF); 뿐만 아니라 광학 측정과 CREM의 조합에서 전기적 도체/리드의 무결 성 테스트.

본 발명의 일부 실시 예에서, 적어도 2개의 여기는 미리 결정된 방식으로 변조된다. 이는 샘플의 적어도 일부의 이러한 특성 중 하나 이상의 측정/모니터링을 제공한다(예를 들면, 상기 특성 중 임의의 하나와 조합하여): I-V 및 V-V 특성; 작은 스폿 XPS; 요소의 소프트 브레이크다운(비 상면 접촉 테스트 모드).

변조된 여기(들)를 포함하는 다중 여기의 사용은 샘플의 효과적인 결합 응답을 야기하며, 이는 전자 분광계(분석기 및 검출기) 및 아마도 전류계를 포함하는 검출 시스템에 의해 적절하게 검출될 수 있으며, 일부 실시 예에서는 또한 다양한 여기 소스에 의해 여기된/유도된 조명 및/또는 발광의 샘플 반사/산란을 검출하기 위한 광학 검출기를 포함할 수 있다. 다중 여기에 대한 샘플의 효과적인 응답(예를 들면, 샘플의 전자 방출 응답 및/또는 샘플을 통한 전류의 변화를 통한 샘플의 응답)은 적어도 샘플 영역의 전기 상태의 변조된 변화를 나타낸다. 측정된 응답을 나타내는 데이터는 샘플의 적어도 영역의 파라미터(들)/조건(들)을 결정하기 위해 상기 적어도 2개의 여기의 공지된 변조를 이용하여 처리될 수 있다.

적합한 여기 변조의 예는 다음과 같다: 변조된 광폭 전자 빔은 특정 주파수(들)에서 전류 진폭 변조 및/또는 특정 주파수(들)에서 운동 에너지(즉, 랜딩 에너지) 변조/조정을 가질 수 있다. 광학 빔 변조의 경우, 이것은 진폭 및/또는 선택된 파장 주변의 소스 파장(예를 들면, 200nm - 1800nm 범위 내; 바람직하게는 가시 영역 380- 700nm내 예를 들어 샘플의 공진 조건 주변의 파장 변조) 및/또는 편광 및/또는 시간 주파수(즉, 반복률) 변조. 하나 이상의 광학 빔이 사용되는 경우, 이러한 파라미터 중 적어도 하나에서 서로 다른 빔을 포함할 수 있다. 전기적 바이어싱 변조는 미리 정해진 시간 함수에 따라 샘플 바이어스 값(전압)을 변경시켜 구현될 수 있으며, 이는 또한 변조된 플러드 건 e-방사선(e-radiation)에 의해 샘플의 여기와 유사한 효과를 유도하는 데에도 사용될 수도 있다.

따라서, 본 발명의 이러한 새로운 접근법은 측정 중인 샘플(적어도 그 일부)에 적용되는 상이한 유형의 다중 여기(여기 신호)의 미리 결정된 단일- 또는 다중-파라미터 변조의 사용을 기반으로 한다. 또한, 샘플의 서로 다른 충전 조건(예를 들면, 샘플의 서로 다른 바이어싱) 하에서 이러한 다중 변조 여기를 갖는 두 개 이상의 측정 세션이 수행될 수 있다.

이 같은 접근 방식은 샘플의 자동 검사에 유리하게 사용될 수 있는, 샘플의 다양한 재료 및 전기적 특성 관련 파라미터 및 조건의 상대적으로 빠르고 높은 정확도의 측정을 수행할 수 있도록 한다. 상기 샘플은 예를 들어 장치 R&D 목적 또는 샘플에 적용되는 제조 프로세스와 관련된 프로세스 제어를 위해 생산 라인에서 진행 중인 샘플이다. 또한 이 같은 기술은 생산 라인에서 진행 중인 샘플에 적용될 때 "결함" 샘플을 식별하고 적절하게 분류하는 데 사용될 수 있다.

이러한 빠르고 정확한 전기 및 재료 관련 측정은 광학 측정과 결합될 수 있다. 예를 들어, 광학적 검사/측정 또는 전자 빔 검사/측정 중에 대전될 수 있는 유형의 샘플의 경우, 본 발명의 측정 시스템은 자동 광학 검사 장비와 함께(또는 검사 장비와 통합될 수 있음) 사용될 수 있다.

이러한 조합된 측정/검사의 일부 예에서, 본 발명은 "잠재적으로 결함이 있는" 샘플을 식별하기 위해 자동 광학 검사를 위한 샘플의 수를 제거하거나 상당히 줄일 수 있는 예비 자동 "전기" 검사를 수행하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 본 발명의 전기적 측정은 자동 광학 검사에 의해 "잠재적으로 결함이 있는" 것으로 분류된 그와 같은 샘플과 관련하여 샘플의 성능 및 상태의 예비 검증을 수행하기 위해 사용될 수 있으며, 이에 따라 더 복잡한 엔지니어링 검사 툴에 의해 더욱 수작업 입증을 필요로 한다. 실제로, 광학 기술에 의해 식별된 이러한 "잠재적으로 결함이 있는" 샘플 중 일부는 전기적 특성에 결함이 없는 것처럼 보일 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지 이고, 이는 프로빙 기술을 나타낼 수 있으므로 검사/검증 툴에 의한 잘못된 결과를 제거할 수 있다.

또한, 본 발명은 변조된 여기(즉, 하나 이상의 변조된 여기 신호 포함)에 대한 샘플의 응답(방사선 시그니처)의 측정을 실제로 활용하기 때문에, 기계 학습 기술이 적절하게 사용되어서, (a) 사전 결정된 샘플에 대한 사전 결정된 여기 조건 세트에 대한 응답으로 획득된 방사선 시그니처(즉, 측정 모드에 해당하는 방사선 시그니처)과 (b) 샘플의 전기 및 재료 관련 파라미터 사이 관계(상관)를 결정할 수 있음을 주목해야 한다. 이러한 데이터는 데이터베이스를 생성하는 데 사용될 수 있으며, 특정 여기 조건에서 특정 샘플에 대한 방사선 시그니처를 측정하고 데이터베이스로부터 일치하는 샘플 매개 변수 세트를 획득함으로써 자동 검사에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 측정을 다양한 다른 유형의 측정/검사 기술(예를 들면, 광학 측정)과 결합하는 것을 고려하면, 기계 학습을 사용하여 다양한 유형의 샘플의 모든 획득된 시그너처(응답) 사이의 상관 관계를 결정할 수 있다. 이를 통해 특정 샘플의 측정된 시그너처들 간의 일치하는 조건을 활용하여 단일 유형 측정으로부터 직접 파생할 수 없는 샘플의 다양한 매개 변수를 결정할 수 있다.

본 발명의 하나의 광범위한 특징에 따르면, 샘플의 파라미터를 측정하는 방법이 제공되며, 이 방법은 다음을 포함한다:

샘플에 대해 적어도 하나의 측정 세션을 수행하고 적어도 하나의 대응하는 측정 데이터를 획득하는 단계 - 여기서 측정 세션을 수행하는 단계는 다음을 포함함: 각각 미리 결정된 변조 프로파일을 갖는 미리 결정된 수의 여기를 포함하는 상이한 타입의 다중 여기에 의해 상기 샘플의 적어도 일부를 여기 시킴, 상기 다중 여기는 고 에너지 방사선, 그리고 다음 중 하나 이상을 포함함: 상대적으로 낮은 에너지의 이온 빔, 적어도 하나의 광폭 전자 빔을 포함하는 e-방사선, 적어도 하나의 집속된 전자 빔을 포함하는 e-방사선, 하나 이상의 광선 및 바이어스 전압을 포함하는 조명 -;

상기 샘플의 적어도 일부의 적어도 전자 방출 분광법을 포함하는 상기 다중 여기에 대한 상기 샘플의 적어도 일부의 결합된 유효 응답을 검출하는 단계; 그리고

검출된 조합된 유효 응답을 나타내는 측정 데이터를 생성하는 단계,

측정된 데이터를 처리하고 샘플의 적어도 일부 내에서 샘플의 하나 이상의 파라미터를 결정하는 단계.

본 명세서에서 사용되는 "유효 응답(effective response)"이라는 용어는 샘플의 결합된 여기의 효과가 샘플로부터의 전자 방출(2차 전자 방출 및/또는 광전자 방출 및/또는 Auger 전자 방출)에 의해 구성된 샘플의 직접적인 응답에 의해 평가되고/측정될 수 있으며, 또는 샘플의 전기 파라미터의 검출 가능한 변화, 예를 들어 샘플을 통한 전류 또는 검출 가능한 광학 신호에 의해 평가되거나/측정될 수 있다. 또한 서로 다른 여기 신호는 서로 다른 유형이므로 샘플에 다르게 영향을 미칠 수 있으며, 이러한 서로 다른 여기 신호에 대한 샘플의 응답이 샘플에 대한 다양한 서로 다른 정보 조각을 나타내며, 샘플에 대한 멀티플 데이터를 끼워 넣기 하는 함께 결합된 효과적인 응답을 형성하도록 한다.

여기 신호의 미리 결정된 여러 변조를 사용하면 결합된 유효 응답에 포함된 정보를 정확하게 추출할 수 있다.

전술한 바와 같이, 소정의 여기 횟수는 결정될 샘플의 파라미터/특성에 따라 하나 이상의 여기를 포함한다.

본 발명의 또 다른 광범위한 특징에 따르면, 샘플의 하나 이상의 파라미터를 측정하기 위한 측정 시스템을 제공하며, 이 같은 측정 시스템은:

측정 중인 샘플의 적어도 일부에 적용되는 상이한 유형의 다수의 여기 신호의 1- 또는 다중-파라미터 변조를 포함하는 결합된 여기 방사선을 생성하도록 구성 및 작동 가능한 여기 시스템 - 상기 조합된 여기 방사선에 대한 상기 샘플의 적어도 일부의 전자 방출 응답을 유도하도록 함-;

상기 샘플의 적어도 일부의 전자 방출 응답을 검출하고 상기 샘플의 적어도 일부의 전기적 상태의 변조된 변화를 나타내는 측정 데이터를 생성하여 샘플의 하나 이상의 파라미터를 상기 측정 데이터로부터 결정할 수 있게 하는 검출 시스템을 포함한다.

본 발명의 또 다른 광범위한 특징에 따르면, 다음을 포함하는 측정 시스템을 제공한다:

고 에너지 방사선을 생성하는 고 에너지 방사선 소스 및 다음 중 적어도 하나를 포함하는 상이한 유형의 여기를 생성하는 복수의 여기 소스를 포함하는 여기 시스템: 이온 빔 소스; 광폭 전자 빔의 형태로 e-방사선을 생성시키는 플러드 건(flood gun); 집속된 전자 빔의 형태로 e-방사선을 생성시키는 전자 빔 소스; 하나 이상의 광학 빔을 포함하는 조명을 생성시키는 광원; 그리고 샘플로 하나 이상의 바이어스 전압을 제공하는 전원;

상기 여기 소스의 수 각각과 관련된 미리 결정된 수의 변조기를 포함하여, 여기 수 각각이 미리 결정된 방식으로 변조되도록 하는 신호 변조 시스템;

적어도 하나의 전자 분광계를 포함하고, 다수의 여기에 대한 샘플의 적어도 한 영역의 유효 응답을 검출하고 검출된 유효 응답을 나타내는 측정된 데이터를 생성하도록 구성되며 작동 가능한 검출 시스템 - 이는 샘플의 적어도 상기 영역의 전기적 상태의 변조된 변화를 나타냄 -;

측정된 데이터를 처리하고 상기 적어도 샘플 영역의 파라미터/조건 중 하나 이상을 결정하기 위해 검출 시스템과 신호 통신하도록 구성된 제어 유닛.

전술한 바와 같이, 검출 시스템은 또한 샘플을 통해 전류를 측정하기 위한 전류 측정 어셈블리(전류계)를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 검출 시스템은 상기 여기 중 하나 이상에 의해 유도된 샘플로부터의 조명 및/또는 광 방출의 반사/산란을 검출하기 위한 광학 검출기(들)를 포함할 수 있다.

본 발명은 전자 방출을 유도할 수 있는 임의의 적합한 고 에너지 방사선을 이용할 수 있음을 주목해야 한다. 특히, 본 발명은 X-선 방사선을 이용하고, 따라서 이러한 유형의 고 에너지 입자 방사선에 대해 이하에서 설명하고, 본 발명의 시스템 및 기술은 이하에서 때때로 XPS 기반 시스템/기술로 지칭된다. 그러나, 본 발명의 원리는 X-선 방사선으로 제한되지 않고, 샘플로부터 전자 방출을 유도하기 위해 샘플을 여기시키는데 적합한 임의의 다른 유형의 고 에너지 방사선(예를 들어, 충분히 높은 에너지의 전자 소스)에 유사하게 적용 가능하다는 것을 이해해야 한다.

여기 신호의 다중 파라미터 변조를 이용하는 본 발명의 기술은 샘플을 가로질러 그리고 샘플을 관통하여 다양한 작은 위치로부터 샘플의 작은 특징에 대한 로컬 정보를 추출할 수 있게 한다. 검출된 신호의 변화를 변조된 여기 신호와 연관시킴으로써, 변조의 선택에 따라 작은 공간 도메인 또는 특정 샘플의 특성에 대한 향상된 감도를 제공하는 검출된 신호의 파생물을 추출할 수 있다. 예를 들어, 일반적인 XPS 입사 방사선(샘플에서) 스폿 크기는 10-500μm이며, 여기서 "작은 스폿 크기"는 10nm범위에서 단지 최대 몇 미크론 범위 - 두 자리 수 크기만큼 작은- 내에 있을 수 있다.

실제로, 본 발명은 소위 "작은 스폿" 변조 여기(들)를 사용하기 위해 CREM 기반 시스템으로서 구성 및 동작을 수정하는 것을 제공한다. 그 결과 위치 데이터(1D, 2D 및 3D)의 공간 분해능이 높아져서 샘플의 화학적 분석을 개선하고 샘플의 전기적 특성을 모니터링할 수 있으며, 샘플의 화학적 및 전기적 특성의 3D XPS 맵핑을 제공한다.

국소(소면적) 전기적 특성의 측정을 고려하면, 이들은 다음을 포함한다: 샘플의 비상면 접촉 I-V 및/또는 V-V 특성(본 발명은 XPS 프로브 크기보다 훨씬 낮은 측면 분해능을 제공함); 정전기 전위 매핑과 같은 수직 및/또는 측면 분해 전기적 특성; 비 상부 접촉 브레이크다운 테스트 모드를 사용하여 요소의 소프트 브레이크다운 검출; 이종 표면의 로컬 일 함수 값; 샘플의 표면 패턴 내 전기 도체/리드의 무결성에 대한 비 상부 접촉 테스트.

일부 실시 예에서, 전기적 측정은 예를 들어 고정된 조건에서 X선 소스와 eFG가 작동하도록 설정함을 통해 샘플의 I-V 및 V-V 특성을 제공하고, 샘플 바이어스가 스캔되고 2개의 검출 장치: 샘플 전류를 판독하기 위한 전류계와 방출된 전자의 스펙트럼을 판독하기 위한 분광계가 동시에 작동한다. 예를 들어, 데이터 표시 방법은 2개의 상보적인 플롯을 도시함에 의해 사용될 수 있다: V-V 특성, 즉 샘플 바이어스(V_B)의 함수로서의 표면 전위(V_S), 그리고 I-V 특성, 즉 샘플 전류(I) 대 표면 전위. 후자는 두 개의 측정된 신호를 나타내지만 입력 신호 자체인 샘플 바이어스는 도시되지 않는다. 서로 다른 XPS 신호의 라인 이동을 측정함에 의해 전류 값 각각에 대해 서로 다른 V_S 값이 획득될 수 있으므로, 선택된 샘플 위치에서 전위를 분석할 수 있는 수단을 제공한다는 점에 유의해야 한다.

입력 신호의 다양한 파라미터에 대한 기기 제어를 활용하여 비 상부 접촉 방식으로 전기 샘플의 속성을 기록하는 데 다양한 옵션이 사용될 수 있다. 예를 들어, 저 에너지 전자 소스의 다른 파라미터를 변경함에 의해 들어오는 전자의 플럭스를 선택적으로 제어함이 가능하며, 이와 별도로 이러한 전자의 운동 에너지를 선택적으로 제어할 수 있다. 따라서 트랩 상태의 에너지 레벨이 추출되는 전하 트랩 분광법에 전용 실험 프로토콜이 사용될 수 있다. 이 같은 특성은 주입된 전자의 운동 에너지에 대한 I-V 곡선의 히스테리시스 의존성을 뒤따름에 의해 획득된다.

이론적으로 히스테리시스 크기(즉, 곡선으로 둘러싸인 영역)는 샘플의 가전자대 상단 위의 트랩 에너지(E_T)가 주입된 전자 샘플의 친화도(E)와 운동 에너지(Ek)의 합과 같을 때, 즉 E_T = E + Ek, 최대값을 나타내야 한다. 위에서 논의한 바와 같이, 변조된 제2의 여기 소스를 적용하면 후자의 분석을 개선하고 베어-XPS 분석 스폿보다 훨씬 더 작은 영역을 해결할 수 있다. 그러나 스폿 크기가 작더라도 단일 MOSFET 트랜지스터의 게이트보다 두 자릿수 더 클 수 있으므로(IC 프런트 엔드 기술은 ~40nm 이하의 일반적인 게이트 크기를 갖는다), 모든 측정은 산란측정법에 의한 광학 CD 계측에서 수행되는 것처럼 국부적으로 평균화된다.

본 발명의 소프트 브레이크다운 검출 기술과 관련하여 다음 사항에 유의해야 한다: 특정 층(예를 들면, SiO₂ 또는 HfO₂, 또는 임의의 다른 높은 K 유전체가, 예를 들어 다중 층 구조에서 바닥 또는 중간 또는 상단)에 너무 높은 전압을 인가함은 층 전체에 브레이크다운 효과를 일으킬 수 있다. 본 발명은 브레이크다운이 발생하기 직전의 브레이크다운 상태(소위 프리-BD 상태)를 검출할 수 있다. 이것은 하나 이상의 다른 여기에 의해 여기된 샘플의 더 큰 영역의 작은 영역/스폿에 변조된 집속된 여기(focused excitation)(예를 들면, 변조된 집속된 광학 빔)를 적용함으로써 구현될 수 있으며, 이에 의해 상기 층에 걸쳐 효과적인 방전 효율의 증가를 유도하고 따라서 측정된 유효 응답으로부터 이 같은 층 기여도를 추출한다. 특정 예로서, 기판이 인가된 전위의 일부를 일반적으로 공유하는 진성 Si 층일 때 소프트 브레이크다운 검출을 위해 적색광 변조 여기가 사용될 수 있지만, 광 조명 아래의 광전도성으로 인해 이 같은 전위 성분이 크게 감소될 수 있고, 따라서, 상기 층 양단의 유효 전압을 증가시키고, 따라서 이 같은 층의 BD 전압에 국소적으로 접근한다. 또한, 조명된 스폿에서 테스트된 절연체(예를 들면, SiO₂ 또는 HfO₂ 층) 내의 국부 전하 여기로 인해 공간 분해능(측면 축을 따라)이 증가될 수 있으며, 이는 변조된 방식으로 상기 층을 가로지르는 전하 수송을 국부적으로 개선할 것이다. 따라서 유전층의 pre-BD 조건은 여기 조명으로 인한 향상된 방전을 통해 결정될 수 있다.

전자 칩 내의 전도 라인 무결성은 품질 테스트의 중요한 특징이다. 이러한 테스트는 일반적으로 전기 접점에 접근할 수 있는 생산 후반 단계에서 수행하도록 제한된다. 따라서 조기(비 접촉) 테스트가 필요하다. 본 발명은 측면 접촉뿐만 아니라 측면 접촉을 사용하지 않는 전기 전도체의 무결성에 대한 비-상부 접촉 테스트를 위하여 전술한 기술을 사용함을 제공한다. 측면 접촉 실시 예에서, 테스트는 변조된 광폭 빔 e-방사선(전자 플러드 건)의 적용 및 측정된 XPS 스펙트럼 응답(광전자 방출 스펙트럼)의 피크 이동의 검출에 의해, 또는 변조 집속된 전자 방사선(예를 들면, 전자 빔 펄스)의 적용 및 전자 빔 유도 전류 검출을 사용함으로써 수행될 수 있다. 비 측면 접촉 실시 예의 경우, 이것은 전기 전도체 상의 제1 영역(예를 들어, 작은 스폿)으로 여기(예를 들어, 집속된 e-방사선, 바람직하게는 변조된 e-빔)를 적용함으로써 구현될 수 있으며, 상기 전기 전도체 상의 제1 영역은 상기 전기 전도체의 제2 영역의 바깥쪽으로 멀리 떨어져 있으며 제2 영역의 XPS 응답을 검출한다. 따라서 양호한 전기 전도도가 없는 경우에 XPS 응답이 검출되는 곳으로부터 멀리 떨어진 말단 스폿에서 집속된 e-빔의 영향은 작으며, 반면 전기 전도도가 양호한 경우에는 상대적으로 먼 거리에서도 전도 라인은 임포트되는 전하에 신속하게 반응한다. 변조 집속된 전자 빔을 사용하면 이 효과를 더 잘 해결할 수 있다. 추가적인 제2 변조 여기를 사용하면 특정 관심 면적(더 큰 XPS 분석 면적 내)의 검사를 개선할 수 있다.

전도 라인의 완전성 테스트와 관련하여, 본 발명은 광범위하고 집속된 여기 소스의 조합으로 제한되지 않는다는 점에 유의해야 한다. 또한 향상된 공간 해상도를 얻기 위해 두 개의 집속된 빔(예를 들면, 서로 다른 공간 위치로 향하는 두 개의 e-빔)에도 적용된다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 일부 측면에서, 샘플의 국부적 화학적 및/또는 전기적 특성을 해결하기 위해 CREM 기반 기술에서 다중 변조 여기를 사용하는 것을 제공한다. 보다 구체적으로, 이는 둘 이상의 변조된 여기 신호를 사용하여 특정 도메인/위치 또는 속성 또는 위치의 속성을 해결할 수 있다. 이것은 단일 층 내의 화학적 및/또는 전기적 특성의 3D 매핑 뿐만 아니라, XPS X선 소스 및 검출 설정이외의 다중 층/다중 성분 샘플 내에서 변조 집속된 빔의 크기에 의해 결정되는 공간 분해 능과 함께 유리하게 사용될 수 있다.

예를 들어, 다중 층 샘플(수직 축을 따라)의 특정 층에서 데이터를 추출하기 위해, 위상 차 및 변조 주파수의 조합과 같은, 예를 들어 여기에서 소위 역위상 스윕과 같은, 적용된 여기의 특정 패턴에 대한 응답 식별을 통해 유효 응답으로부터 수직 위치를 추출할 수 있다. 이를 위해, 특정 예에서, 샘플은 X선 방사선 여기 하에 바이어스 전압 및 역위상으로 적용되는 광폭 빔 e-방사선(즉, 하나는 점진적으로 증가하고 다른 하나는 점차 감소하는)에 노출된다. 그 결과 다중 층 샘플의 각 층은 고유한 XPS 피크/라인 이동에 의해 응답하므로 변화가 없는 노드를 안정화할 수 있으며, 관심 층을 제외한 모든 층의 응답을 필터링을 통해 선택된 전자 에너지 윈도우(예를 들면, 원소 코어 레벨로 정의됨)에서 관심 층의 신호를 식별/추출할 수 있다. 관심을 가질 수 있는 층의 화학적 및 전기적 특성에는 구성 요소, 전하 캡처, 전위 기울기 등이 포함된다. 다음에 측면 스캔 모드는 검사된 속성의 측면 프로파일을 추출하기 위해 변조된 조명 또는 집속된 e-방사선으로 국부 전위를 변조함으로써 사용될 수 있다. 또한 특정 정보를 추출하기 위해 주어진 스폿의 최고 전위가 광폭 e-방사선 또는 집속된 e-방사선에 의해 고정될 수 있으며, 바이어스 전압이 주기적으로 스윕되어 상단 스폿을 제외한 모든 위치의 응답을 주기적으로 변경하도록 한다.

또한 고 에너지 입자 여기 상태에서, 예를 들어 샘플에 추가적인 변조 여기를 적용시키는 X선 방사선(변조 여부에 관계없이), 변조 조명 및/또는 변조 이온 빔 방사선 및/또는 변조 광폭 빔 e-방사선 및/또는 변조 집속 e- 방사선에 의해 샘플에서 측면 방향으로 작은 스폿을 선택하여 특정 샘플 위치에서 전하 트래핑을 해결할 수 있도록 함을 주목하여야 한다.

따라서, 일부 실시 예에서, 샘플의 비교적 큰 부분이 X-선 방사선(예를 들어, >500μm)에 의해 여기 되고, 미리 결정된 변조를 갖거나 갖지 않으며, 추가로 X 선 방사선에 의해 조사된 샘플 부분 내의 비교적 작은 영역(예를 들어, <1μm)이 집속되고 변조된 빔(들)(광선 빔(들) 및/또는 전자 빔 포함)에 의해 여기된다. 샘플로부터의 전자 방출에 의해 형성된 샘플의 결합된 유효 응답, 그리고 가능하면 샘플을 통과하는 전류가 검출되고 분석되어 검사된 샘플 내의 작은 영역의 특징을 나타내는 측정 데이터를 생성하도록 한다.

에너지 레벨(준위) 각각에 대해 검사된 샘플로부터 방출된 에너지 레벨 및 전자의 양은 임의의 공지된 적합한 전자 검출기 및 전자 에너지 분석 기기를 사용하여 측정될 수 있다. XPS 기반 시스템에서 널리 사용되는 이러한 장비의 구성 및 작동은 그 자체로 알려져 있으며 본 발명의 일부를 형성하지 않으므로 이러한 시스템이 진공 조건(예를 들어, 초고진공)에서 작동 가능하다는 점을 제외하고는 자세히 설명할 필요가 없다. 뿐만 아니라 주변 압력에 가깝고 지연/포커싱 입력 전자 렌즈 어셈블리, 반구형 에너지 분석기 및 위치 감지 전자 검출기를 사용할 수 있다. 전자 렌즈는 검사된 샘플로부터 반구형 에너지 분석기의 입구 슬릿으로 방출된 전자(예를 들면, 광전자)를 지연하거나/포커스하며, 여기서 이들의 경로는 조정 가능한 전자기장의 적용에 의해 구부러져서, 주어진 속도(즉, 운동 에너지)를 가진 전자가 위치 감지 검출기에 도달하도록 한다. 결정된 시간 간격 동안 검출기에 도달하는 전자의 양은 검사된 샘플의 일관성을 특성화하는 선 플롯의 구성을 위해 에너지 분석기 이전 또는 그 내부에서 다양한 레벨의 필드 크기에 대해 측정된다.

이렇게 생성된 측정 데이터는 샘플의 여기된 영역/부분의 응답에서 데이터를 추출하기 위해 처리되고 분석된다. 예를 들어, 위에서 설명한 바와 같이, 여기에는 X선 방사선(예를 들면, ~100μm)에 의해 여기된 샘플의 상대적으로 큰 영역에 걸쳐 스캔 모드에서 변조된 집속 빔에 의해 여기된 샘플 표면의 작은 부분(예를 들면, ~1μm)과 관련된 데이터 추출이 포함할 수 있다. 이는 전자 분광기 측정의 분해능을 크게 증가시킬 수 있는데, 왜냐하면 측정이 집속된 변조 빔에 의해 여기된 매우 작은 샘플 영역으로 제한될 수 있기 때문이다.

일부 가능한 실시 예에서, 저 에너지 전하 소스(플러드 건)는 변조기와 연관되고 집속되지 않은/광폭 전자 빔은 제1 주기 함수(예를 들어, 직사각형 펄스파 캐리어)에 의해 변조되어 샘플의 최상부 원자 층, 즉 특정 원자 층 위의 원자 층을 나타내는 신호에서 스펙트럼 이동을 유도하도록 구성된, 제1 변조 빔(저속 변조 빔으로도 언급됨)을 제공하도록 한다. 선택적으로, 그러나 일부 실시 예에서 바람직하게는, 제2 변조 빔의 변조 주파수는 제1 변조 빔의 주파수보다 실질적으로 더 크다. 예를 들어, 전자 분광 측정은 일부 실시 예에서 검사된 샘플을 전기적으로 충전하는 데 사용되는 저 에너지 전하 소스의 저속(제1) 변조 전자 빔 그리고 예를 들어 X선 방사선에 의해 조사되는 샘플 영역의 작은 부분을 조사하는 데 사용되는 고도로 집속된 광원의 고속(제2) 변조 빔을 포함한다.

일부 실시 예에서, 제2 변조 빔에 의해 여기된 작은 영역(예를 들어, 수 미크론)과 연관된 측정 데이터는 상기 획득된 측정 데이터의 제2 (고) 주파수 변조 신호 주기 각각 내에서 감산에 의해 추출되며, 샘플이 제2 변조 빔에 의해 여기 되지 않은 상태에서 획득된 측정 데이터로부터 제2 변조 빔에 의해 여기 된다. 상기 여기된 영역과 연관된 추출된 측정 데이터는 다양한 깊이(예를 들면, 10nm)에서 샘플을 특징짓는 데이터를 추출하기 위해 제1변조된(저주파 주기 신호로) 여기로 인해 나타나는 라인/피크 이동을 결정하기 위해 처리 및 분석될 수 있다.

일부 실시 예에서, 제1 변조된 여기(modulated excitation)는 각 주기 내에서 샘플이 저 에너지 전하 소스에 노출되는 기간과 샘플이 저 에너지 전하 소스에 노출되지 않는 기간을 정의하도록 구성된 주기적인 직사각형 펄스파에 의해 변조된다(예를 들면, 50% 듀티 사이클). 다양한 깊이에서 샘플의 특성을 나타내는 특징적인 XPS 피크/라인의 이동은 샘플이 저 에너지 전하 소스에 영향을 받는 시간 간격 동안 획득된 측정 데이터와 샘플이 저 에너지 전하 소스에 영향을 받지 않는 시간 간격 동안 획득된 측정된 데이터를 상호 연관시켜 식별할 수 있다. 제2 변조된 여기에 의해 여기된 작은 영역과 관련된 추출된 측정 데이터에 이와 같은 교차 상관 식별 체계를 적용하면 제2 변조된 여기에 의해 여기된 작은 영역 내의 다양한 깊이에서 테스트된 샘플의 특성을 결정하는 데 사용될 수 있다.

일부 실시 예에서, 측정 시작은 비 상부 접촉 모드에서 작동되는, 샘플의 표면 패턴(예를 들어, CMOS 메모리 셀 및 논리 FET 게이트)에 형성된 용량성 요소의 누설 테스트를 수행하기 위해 이용될 수 있다. 이 같은 목적을 위해, 샘플은 분리된 저 에너지 전하 소스(예를 들면, 전자 플러드 건 - eFG)에 의해 전기적으로 바이어스되고 충전될 수 있다(예를 들면, ~6V). 그 후, 샘플은 고 에너지 입자 소스(예를 들면, X 선 또는 UV 방사선)에 의해 여기되고 응답 방출 전자 에너지 레벨 및 강도가 측정되고 분석되어 테스트된 샘플의 일 함수(WF)를 결정하도록 한다. 상기 측정은 자발적인 샘플의 방전을 따르는 것과 같이 상이한 시간 간격으로 반복된다. 일부 실시 예에서, 시간 간격 각각에 대해, 빔 유도(예를 들어, X선 조사에 의해) 방전을 제거하기 위해 2개의 연속 측정이 수행된다.

테스트 샘플의 용량성 소자 또는 트랜지스터 게이트 유전체 층에 전하 누설이 있는 경우, 용량성 소자가 방전됨에 따라 시간이 지남에 따라 결정되는 일 함수에서 약간의 변화가 관찰된다. 이러한 누출 테스트 측정은 변조된 집속 여기(예를 들면, 광선)에 의한 샘플의 여기 없이 수행될 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 명세서에 개시된 측정 기술은 정밀한 일 함수 측정을 수행하는 데 사용될 수 있다. 반대되는 전하 아티팩트를 갖는 두 개의 상이한 전자 분광 측정 모드를 개별적으로 독립적으로 수행함으로써 이 기술에서 샘플의 일 함수 식별을 개선할 수 있다. 두 개의 다른 전자 분광 측정 모드는 최소한의 노출 조건에서 수행되어 측정 각각에서 유도된 전하 아티팩트 최소화를 보장하도록 한다. 제1 측정 모드는 양전하 아티팩트로 구성되며 여기에서는 e-out 모드라고 하며, 여기서 e-in 모드라고 하는 제2 측정 모드는 음전하 아티팩트로 구성된다.

일부 실시 예에서, 제1 측정 모드는 검사된 샘플에서 전자를 여기시키고 방출된 전자의 낮은 운동 에너지 개시로부터 샘플의 일 함수를 결정하기 위해 광자 에너지에 약간만 의존하는 X선 방사선 소스를 사용하여 수행된다. 제2 측정 모드는 전자의 eFG 소스만을 사용하여 검사된 샘플을 조사하고 샘플 표면에 도달하는 가장 낮은 전자 에너지로부터 일 함수를 결정하도록 한다. 제1 및 제2 측정 모드를 사용하여 얻은 측정은 두 모드 간의 평균 및 차이 값을 결정하기 위해 분석 및 처리된다.

일 함수의 제1 및 제2 측정 모드의 전하 효과는 반대되는 방향이기 때문에, 전하 아티팩트의 제거는 평균값을 계산하고 바람직하게는 소스, X 선 방사선 및 전자 플러드 각각에 대한 샘플의 최소 노출로 제한함으로써 달성될 수 있다. 제1 및 제2 측정 모드를 사용하여 획득된 측정 결과의 평균화는 각 측정 모드(즉, X-선 및 eFG)에서 서로 다른 여기 소스에 의해 유도된 반대되는 전하 아티팩트가 실질적으로 소거되기 때문에 상기 획득된 결과의 정확도를 상당히 향상시킨다. 제1 측정과 제2 측정 간의 계산된 차이를 사용하여 이 같은 세련된 측정 절차의 실험 오류를 평가할 수 있다. 어떤 경우에는 이러한 측정에서 샘플의 여기와 집중되고 변조된 추가 여기(예를 들면, e-방사선 및/또는 조명)를 결합하여 정밀한 측정 결과를 샘플의 작은 영역으로 제한할 수 있다. 그러나 가능한 애플리케이션에서는 측정을 샘플의 작은 영역으로 제한할 필요가 없으므로 이러한 측정은 변조된 여기 없이 유사하게 수행될 수 있다.

본원 명세서에서 개시된 측정 설정이 일부 실시 예에서 비 상부 접촉 BD 테스트 모드를 사용하여 유전체 요소의 소프트 브레이크다운(BD) 테스트를 수행하는 데 사용된다. 이러한 BD 테스트에서 검사된 샘플로부터의 전자 방출은 eFG의 고정된 조건에서 샘플 바이어스가 점차 증가하는 동안 측정될 수 있다. 낮은 바이어스 값에서, 절연 층으로부터의 측정된 곡선(특성화 라인)은 eFG에 의한 충전으로 인해 스펙트럼 이동이 없을 것으로 예상된다. 그러나 바이어스 크기가 점차 증가함에 따라 절연체 내의 전기장이 증가하고, 샘플의 적어도 일부 도메인에서 갑작스런 브레이크다운 발생이 예상되며 샘플 특정 임계 필드 크기로 나타나므로, 측정된 스펙트럼 라인은 즉시 왜곡된다.

이 메커니즘은 상승된 필드 아래의 스펙트럼 왜곡이 제2의 잠재적으로 변조된 입력 신호에 의해 향상되어 관련 샘플 손상을 억제하는 브레이크다운 이전 조건을 정의하도록 개선되었다. 이러한 BD 테스트 측정은 집속된 고주파 변조 여기에 의해 샘플의 여기(예를 들면, 조명)를 사용하거나 사용하지 않고 수행할 수 있다. 샘플이 집속된 여기에 의해 여기되면, BD 테스트 측정은 위와 아래에 설명된 바와 같이 샘플의 작은 영역으로 제한될 수 있다.

선택적으로, 그러나 일부 실시 예에서 바람직하게는, 측정 설치에 사용되는 전자 검출기는 에너지 분석기의 출력 슬릿을 따라 배열된 센서 요소의 어레이/매트릭스를 포함한다. 검출기에서 센서 요소의 어레이/매트릭스를 사용함으로써, 에너지 분석기에서 적용된 전자기장(예를 들면, 반구형)은 측정 내내 일정한 수준으로 유지될 수 있으며 방출된 전자의 각 에너지 레벨과 관련된 전자의 양은 상기 어레이에서의 상대 위치에 따라 센서 요소 각각에 의해 측정된다. 이러한 방식으로 에너지 분석기에 의해 적용되는 전자기장을 변경하여 수행되는 반복적인 에너지 레벨 스캔 프로세스 없이도 측정 설정이 사용되어서 서로 다른 에너지 레벨의 전자를 동시에 측정할 수 있다. 즉, 방출된 전자의 에너지 레벨 범위를 한 번에 측정할 수 있기 때문에 측정 속도를 크게 향상(적어도 2배 이상)할 수 있다. 이 같은 목적으로 CCD와 유사한 센서(전하 결합 장치)를 사용하여 서로 다른 에너지 레벨 내에서 전자의 양을 동시에 측정할 수 있다(즉, 전자는 에너지 분석기에서 서로 다른 궤적을 따라 전파되어 센서 요소들 매트릭스 내 서로 다른 "픽셀"에 의해 검출됨).

일부 또 다른 특징에서, 본 발명은 다음을 포함하는 샘플의 일 함수 측정 방법을 제공한다:

상기 샘플에 대해 적어도 하나의 측정 세션을 수행하여 상기 샘플의 일 함수를 결정하도록 하고, 상기 측정 세션은 상기 샘플에 대해 순차적으로 수행되는 제1 및 제2 측정 모드를 포함하며,

제1 측정 모드는 고 에너지 전자기 방사선(예를 들어, X선 방사선 또는 UV 방사선)에 의해 샘플을 여기 시키고, 동시에 상기 X선 방사선 또는 UV 방사선에 대한 샘플의 2차 전자 방출(SEE) 스펙트럼 응답을 모니터링하는 것을 포함하여, 스펙트럼 응답의 낮은 운동 에너지 시작이 샘플의 일 함수의 제1 측정을 나타내는 것임을 검출하도록 하며, 그리고

제2 측정 모드는 샘플에 초기 바이어스 전압을 공급하고, 전자기 방사선의 여기를 상대적으로 낮은 에너지 전자 플럭스의 e-방사선에 대한 노출에 의해 대체한 다음, 상기 초기 바이어스 전압으로부터 인가된 샘플 바이어스 전압의 점진적인 변화가 뒤이어지고, 그리고 샘플을 통과하는 전류를 모니터링하여 샘플 전류 판독값에서 전환점(TP)을 검출하도록 함을 포함하며- 이는 전자가 샘플 표면에 도달하는 효과에 해당하고 샘플의 일 함수의 제2 측정값을 나타냄 -.

샘플의 유효 일 함수의 제1 및 제2측정값을 분석하고 샘플의 유효 일 함수를 결정함을 포함한다.

상기 제1 및 제2 측정치로부터의 유효 일 함수의 결정은 평균값의 결정을 포함할 수 있고, 또한 빔 유도 아티팩트와 관련된 오류의 크기의 평가를 포함할 수 있다.

일부 실시 예에서, 2개 이상의 측정 세션이 순차적으로 수행될 수 있고, 그 결과 제1 및 제2 측정 모드가 교대로 수행된다. 이를 통해 샘플의 전하 트래핑 효율을 결정할 수 있다. 따라서 전자 및 정공 트랩 밀도의 대략적인 평가가 수행될 수 있다.

일부 실시 예에서, 일 함수 측정은 샘플 내 용량성 요소에서 전하 누설을 검출하기 위해 사용되며, 이는 용량성 요소로부터 방전시 시간에 따라 결정되는 일 함수의 변화를 통해 식별된다. 전하 누설 검출은 제1 측정 모드와 제2 측정 모드 중 어느 하나만의 반복 수행에 의해 구현될 수 있음을 이해해야 한다.

본 발명을 이해하고 그것이 실제로 수행될 수 있는 방법을 보기 위해, 첨부된 도면을 참조하여 단지 비제한적인 예로서 실시 예가 설명될 것이다. 달리 암시적으로 나타내지 않는 한, 도면에 도시된 특징은 본 발명의 일부 실시 예만을 예시하기 위한 것이다. 도면에서 유사한 참조 번호는 대응하는 부분을 나타내기 위해 사용된다.
도 1a는 본 발명의 원리에 따라 구성되고 동작 가능한 X선 기반 측정 시스템의 블록도이다.
도 1b는 측정되는 샘플의 다양한 파라미터/조건을 결정하기 위한 본 발명의 측정 시스템의 동작의 일부 예를 요약한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일부 가능한 실시 예에 따른 전자 분광법 측정 시스템을 블록 다이어그램으로 개략적으로 도시한다.
도 3a 내지 도 3e는 도 2의 측정 시스템의 구성 및 동작의 일부 예를 보다 구체적으로 도시하며, 여기서 도 3a는 측정 시스템의 가능한 구현의 일례의 블록도이고, 도 3b는 인가된 여기의 공간적 분포, 그리고 도 3c는 측정 시스템의 다른 가능한 구현의 블록도이다. 도 3d는 특정 높이(z-값)으로부터 XPS 신호를 선택적으로 프로브하고 구성 분석으로 수직 분해능을 가능하게 하기 위해 2개의 변조된 소스, eFG 및 역위상 방식의 샘플 바이어스 작동을 예시하며, 도3e는 전도선의 무결성에 대한 선택적 테스트 모드를 도시하고, 여기서 변조된 집중 전자 빔은 XPS 감지 설정에 의해 조사된 영역과 교차하지 않는 영역을 가로질러 스캔한다.
도 4a 내지 4d는 일 함수 결정 및 누설 테스트 프로세스를 위한 본 발명 기술의 사용을 예시하며, 여기서 도 4a는 이 같은 프로세스의 흐름도(30)를 도시하고, 도 4b 및 4c는 일 함수 측정 플롯을 도시하고, 도 4d는 누설 측정을 예시한다.
도 5는 본 발명의 일부 가능한 실시 예에 따른 개선된 WF 측정 프로세스의 예를 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 6a 및 도 6b는 일부 가능한 실시 예에 따른 항복 시험을 개략적으로 예시하며, 여기서 도 6a는 측정 셋업의 블록도이고 도 6b는 그것으로 수행된 실험에서 얻은 특성화 라인을 도시하며, 여기서 CL₁ 및 CL₂는 절연 층 내에서의 표준 조건을 나타내고, CL₃은 고장점 바로 아래에 있는 P1의 소프트 브레이크다운 상태를 예시한다.
도 7a 내지 도 7c는 측정 프로세스를 가속화하기 위해 검출기 내 센서 요소의 어레이/매트릭스의 사용을 개략적으로 예시하며, 도 7a는 측정 설정에서 센서 요소의 어레이/매트릭스의 사용을 예시하는 블록도이고, 도 7b는 전자 분광법 검출 설정에 의한 종래의 에너지 스캔을 이용하여 얻은 측정 결과의 라인 플롯을 도시하고, 도 7c는 센서 요소의 어레이/매트릭스를 사용하는 가속 측정 프로세스를 이용하여 얻은 측정 결과를 도시한다.
도 8은 샘플의 비전통적인 I-V-V 특성을 측정하기 위한 본 발명 기술의 사용을 예시하며, 여기서 전류는 샘플 후면 접촉부 상에서 측정되고, 제1 전압은 측정된 표면 전위에 관련되고 제2 전압은 eFG 전자의 운동 에너지에 관련된다.

본 발명의 일부 특정 실시 예는 도면을 참조하여 아래에서 설명될 것이며, 도면은 모든 측면에서 단지 예시적인 것으로서 어떠한 방식으로도 제한되지 않는 것으로 간주되어야 한다. 이들 실시 예의 간결한 설명을 제공하기 위한 노력의 일환으로, 실제 구현의 모든 특징이 명세서에 기술되지는 않는다. 도면에 예시된 요소는 반드시 축척에 맞춰지거나 올바른 비례 관계로 되어 있지는 않으며, 이는 중요하지 않다. 대신에 강조 할 점은 당업자가 본 명세서에서 개시된 주제의 원리를 이해하면 본 발명 개시의 전자 분광법 측정 기술을 만들고 사용할 수 있도록 본 발명의 원리를 명확하게 예시하는 데 있다. 본 발명은 본 명세서에 기술된 본질적인 특징을 벗어나지 않고 다른 특정한 형태 및 실시 예로 제공될 수 있다.

본 출원은 전자 분광법 측정의 분해능뿐만 아니라 전자 분광법 설정에 의해 수행될 수 있는 검사된 샘플의 표면에 형성된 나노 구조의 특성 범위를 세련되게 하고 개선하도록 적응된 전자 분광법 측정 기술을 제공한다.

도 1a를 참조하면, 샘플(11)에 대한 전자 분광 측정을 수행하기 위한 본 발명의 일부 실시 예에 따른 측정 시스템(10)이 블록도로서 도시되어 있다. 측정 시스템(10)은 여기 시스템(excitation system)(100) 및 검출 시스템(102)을 포함하고, 또한 본 발명의 일부 측면에서 변조 시스템(104)을 포함한다. 측정 시스템은 또한 여기 동작을 제어하는 제어 유닛(15), 검출 시스템, 및 변조 시스템(사용되는 경우)을 포함하고, 검출 시스템의 출력 데이터 처리를 위해 구성될 수도 있다. 제어 유닛(15)은 경우에 따라 측정 시스템과 통합될 수 있거나 통신 네트워크를 통해 측정 시스템(10)에 연결될 수 있는 원격 중앙 시스템의 일부일 수 있는 제어 시스템(120)에 (유선 또는 무선 신호 연결을 통해) 연결될 수 있다. 이를 위해, 측정 시스템(10)은 적절한 통신 유틸리티(구체적으로 도시하지 않음)를 구비할 수 있다.

여기 시스템(100)은 다수의 여기 신호에 의해 형성되는 여기(122)를 생성하도록 구성 및 작동 가능하다 - m개의 이러한 신호 S₁ ㆍ S_M 은 도면에 예시되고, 서로 다른 유형이며, 샘플의 일부에 동시에 인가되어 검출 시스템(102)에 의해 검출되는 이러한 다중 신호 여기에 대한 샘플의 결합된 유효 응답(124)을 발생시킨다.

전술한 바와 같이, 샘플의 유효 응답(124)은 샘플로부터의 전자 방출에 의해 구성되는 직접 응답(124a) 및/또는 예를 들면 각각의 장치/회로(125)에 의해 측정된 샘플을 통한 전류와 같은 샘플의 전기 파라미터의 측정 가능한 변화에 의해 구성되는 응답(124b)을 포함할 수 있다. 또한, 일부 실시 예에서 유효 응답은 광학 응답(124c)을 포함할 수 있다.

변조된 여기(들)를 이용하는 본 발명의 일부 특징에 따른 실시 예에서, 여기 시스템(100)은 여기 신호 중 적어도 하나가 미리 결정된 방식으로 변조되도록 변조 시스템(104)에 의해 제어 가능하게 동작할 수 있다. 상기 기술한 바와 같이, 서로 다른 여기 신호는 서로 다른 유형이므로 샘플에 다르게 영향을 미치며, 샘플의 특정 위치 및/또는 특성에 대한 정보를 추출할 수 있다.

따라서, 여기 시스템(100)은: 검사된 샘플을 조사하여 샘플로부터 전자 방출을 야기하도록 구성된 X-선 소스(106)(고 에너지 방사선 소스(예를 들어, 1.5keV, 그러나 매우 상이한 소스 에너지가 선택될 수 있음)를 구성함); 검사된 샘플(11)을 원하는 전압 레벨로 전기적으로 충전(바이어싱)하기 위한 전기 전하 소스로서 구성 및 작동할 수 있으며, 고정된 값이거나 전압 전원의 시간 변조에 대한 미리 결정된 함수의 형태인, 전원 공급 장치(예를 들면, 전압 소스)(108); 그리고 또한 일반적으로 (110)으로 지정되는 하나 이상의 추가 여기 소스를 포함한다.

도 1a의 비제한적 예에서, n개의 여기 소스(ES ₁ , ES ₂ , ES _N )가 도시되어 있다. 이러한 추가적인 여기 소스는 다음 중 하나 이상을 포함한다: 상대적으로 낮은 에너지의 이온 빔(들)을 생성하기 위한 이온 빔 소스; "와이드" 전자 빔의 형태로 e-방사선을 생성하는 플러드 건(flood gun); 집속된 전자 빔의 형태로 e-방사선을 생성하는 전자 소스; 하나 이상의 광선(예를 들면, 레이저 광선) 형태로 조명을 생성하는 광원 시스템.

전술한 바와 같이, 본 발명의 일부 측면에 따르면, 여기 시스템에 의해 생성된 여기 신호 중 적어도 하나는 미리 결정된 방식으로 변조된다. 아래에서 더욱 설명되는 바와 같이, 본 발명의 일부 실시 예에서, 각각 미리 결정된 방식으로 적어도 2개의 여기 신호가 변조된다.

X-선 소스(106)는 검사된 샘플을 조사하고 샘플로부터 전자의 방출을 야기하도록 구성된 고 에너지 입자 소스인 전자 빔에 의해 대체될 수 있음을 이해해야 한다. 아래에 설명된 예에서, 고 에너지 입자 소스는 X선 소스로 구성되지만, 본 발명은 이러한 구성에 제한되지 않으며, 고 에너지 입자는 또한 예를 들어 전자 빔 내의 전자와 관련될 수 있음을 이해해야 한다..

다양한 여기 소스가 다양한 크기의 샘플 영역에 영향을 미친다는 것을 이해해야 한다. 플러드 건(flood gun)(와이드 e-빔)에 의한 e-방사선은 일반적으로 x-선 소스에 의해 여기될 수 있는 영역 R ₂ 보다 더 큰 영역 R ₁ 을 여기시키며, 이는 집속된 전자 빔 또는 레이저 빔에 의해 여기될 수 있는 영역 R ₃ 보다 그 자체로 더 크다. 예를 들어, 변조된 광선의 사용을 고려하면, 더 큰 부분/ X선 빔이 조사되는 샘플 영역 내에 위치하는 또는 이 같은 영역과 적어도 부분적으로 상호 작용하는 샘플의 작은 부분(예를 들면, 마이크로미터 또는 서브-um 사이즈)을 조명하도록 조정될 수 있다. X선 여기(변조 여부) 및 넓은 e-빔 방사선(예를 들면, 변조) 하에서 샘플의 스폿(비교적 작은 부분)의 변조된 여기(예를 들면, 조명)는 검사된 샘플의 작은 부분으로부터 광전자의 방출에 영향을 준다.

따라서, 본 발명의 여기 시스템은 (예를 들어, 특정 하전 조건/상태 하에 있는 동안) 샘플의 비교적 넓은 영역을 여기시키고, 집속된 전자 빔 및/또는 레이저 빔(들)을 사용하여 로컬 여기(들)에 의해 그와 같이 여기된 큰 영역을 스캔하며, 이때 이들 "글로벌" 및/또는 "로컬" 여기 중 2개 이상이 미리 결정된 변조를 갖는다. 이는 상기 사전 결정된 변조에 의해 "표시된" 샘플의 결합된 유효 응답을 생성하며, 검출된 신호에 해당하는 데이터의 복조/디코딩을 가능하게 한다. 예를 들어, 전자 검출기의 판독 회로의 타이밍은 변조된 여기 소스(들)와의 시간적 상관관계를 엄격하게 유지하기 위해 트리거 신호에 의해 제어될 수 있다.

e-방사선(비집속 또는 집속)은 다음 변조 중 하나 이상을 가질 수 있다: 전류 변조(current modulation) 및/또는 임의의 선택된 주파수로 변조된 다양한 운동 에너지(즉, 랜딩 에너지). 조명의 변조는 시간적 주파수 변조뿐만 아니라 파장, 편광 및/또는 진폭 변화에 의해 구현될 수 있다. 이들 파라미터 중 적어도 하나에서 서로 다른 2개 이상의 광선이 사용될 수 있다.

상기 검출 시스템(102)은 여기(excitation)에 대한 샘플의 전자 방출 응답, 가능하게는 여기(excitation)에 응답하는 샘플의 전류 변화를 검출하도록 구성되고, 일부 실시 예에서는 하나 이상의 여기에 대한 샘플의 광학적 반응도 검출하도록 구성된다. 인가된 여기(122)에 응답하여 검사된 샘플의 전자 방출(124a)은 검출 시스템(102)에서 수신되며, 이 같은 검출 시스템(102)은 에너지 준위의 특정 범위 내의 전자를 검출기에 도달하는 전자의 양을 측정하도록 구성된 전자 검출 장치(132)로 향하게 하도록 구성된 전자 에너지 분석기 유닛(130)을 포함한다.

상기 에너지 분석기 유닛(130)은 예를 들어 일정한 운동 에너지 레벨로 검사된 샘플로부터 방출된 전자의 경로를 구부리기 위해 예를 들어 전자기장을 인가하여, 각기 다른 에너지를 갖는 전자를 분해하도록 구성되며, 이에 의해 이들 전자가 전자 검출기 장치(132)로 향하게 한다. 또한 측정 회로(125)와 관련된 샘플 파라미터 검출기(SPD)(134)가 상기 검출 시스템(102) 내에 제공될 수 있다.

전자 검출기 장치(132)에 의해 생성된 데이터 및 가능한 경우 검출기(134)에 의해 생성된 샘플의 전기 파라미터에 대한 데이터를 포함하는, 측정된 데이터는 다중 변조된 여기에 대한 샘플의 검출된 결합 유효 응답에 대응하며, 제어 유닛(15)에 의해 처리되어서, 특정 운동 에너지 레벨로 검사된 샘플로부터 방출되는 전자의 양과 관련된 정량화 데이터를 생성하도록 한다. 이 같은 프로세스는 일반적으로 전자의 모든 관련 에너지 레벨이 스캔될 때까지 에너지 분석기 유닛(130) 내에서 다른 전자기장 강도를 사용하여 여러 번 반복된다. 상이한 에너지 레벨에 대해 생성된 정량화 데이터는 상이한 에너지 레벨 측정에서 방출된 전자의 양을 나타내는 특징적인 라인 플롯을 생성하도록 처리된다. 특징적인 성격 라인 플롯을 나타내는 데이터는 측정 시스템의 메모리에 저장될 수 있고, 제어 시스템(120)에 전달될 수 있다.

또한 도 1a에 도시된 바와 같이, 검출 시스템(102)은 파장의 함수로서 조명(예를 들어, 변조된 집속 광학 빔(들))에 대한 샘플의 광학 응답(124c)(반사/산란)을 검출하기 위한 광학 검출기(135)를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 광학 검출기(135)는 임의의 비광학 여기(들)에 대한 샘플의 광학 응답(예를 들어, 발광)을 포함할 수 있다. 광학 측정은 전기 측정의 일부로서(즉, 위에서 설명한 두 개 이상의 여기에 의한 샘플의 여기와 동시에) 또는 별도의 측정 세션으로 적용될 수 있다.

예를 들어, 전술한 변조된 CREM 기반 측정은, 예를 들어 생산 라인에서 진행되는 샘플에 대한 자동 검사의 일부로서, 샘플에 대한 광학 유형 측정과 결합될 수 있다. 이것은 예를 들어 자동 광학 검사와 동시에 적용되는 예비 자동 "전기" 검사에 사용되어 순수한 광학 검사로 인한 "잠재적 결함" 샘플의 수를 줄일 수 있으며, 또한 순수 광학 측정에 의해 "잠재적 결함"으로 분류된 샘플에 대하여, 샘플 상태의 예비 검증을 수행하는 데 사용할 수 있다. 특정 샘플의 XPS 기반 유효 방사선 응답 및 광학적 응답과 관련하여 적절한 머신 러닝을 사용하여, 상이한 유형의 응답 간의 상관 관계(매칭 조건)를 미리 결정하고 결합된 자동 검사에 사용할 수 있으며, 이러한 응답의 불일치에 의해 특징되는 샘플을 검출하여 잠재적 결함으로 분류되도록 한다.

일부 예에서, 측정 세션은 샘플의 상대적으로 큰 영역(R ₂ ), 예를 들어 영역 R ₁ 의 작은 부분 R ₃ (예를 들면, 직경이 ≤1 νν)을 조명하기 위해, 광 빔의 상대적으로 고속 변조와 함께, "와이드" 전자 빔의 상대적으로 저속 변조에 의해 여기된 훨씬 더 큰 영역 R ₁ (예를 들면, ~3mm 직경)의 일부인, ~500 μm의 스폿을 X-선 여기를 사용하여 수행된다. 빠르게 변조된 광자 소스에 의한 샘플의 조명은 샘플의 조명된 작은 부분에 대한 측정 신호/데이터 정보로부터 추출을 허용한다. 전기 충전 소스의 저속 변조는 생성된 특성 라인의 이동(shifts)을 유발하며, 이러한 이동은 검사된 샘플의 깊이 방향에서 원자 위치와 관련이 있으며, 따라서 광자 소스에 의해 조명되는 샘플의 선택된 작은 부분에 의해 공간 분해능을 이용하여, 샘플의 전기적/화학적 특성의 3D 매핑을 허용한다.

도 1B는 측정되는 샘플의 다양한 파라미터/조건을 결정하기 위한 본 발명의 측정 시스템의 전술한 동작을 자명한 블록도를 통해 요약한 것이며, 이는 아래에서 더 구체적으로 설명될 것이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 시스템은 상이한 유형의 다중 여기에 의해 샘플의 여기를 수행하도록 구성된다. 일부 파라미터/특성(예를 들면, 일 함수, 누설)의 결정을 위한 일부 실시 예에 따르면, 임의의 여기 신호의 변조가 사용되지 않을 수 있다(따라서 변조 단계는 점선 블록으로 표시됨). 본 발명의 일부 다른 실시 예에 따르면, 여기(excitations) 중 적어도 하나는 제어 가능하게 변조되고(예를 들어, 리드 및/또는 정밀한 WF 및/또는 결합된 광학 검출 및 CREM의 전도 무결성 검출을 위해); 그리고 하나 이상의 다른 파라미터(I-V 및 V-V 특성 및/또는 작은 스폿 XPS 및/또는 소프트 BD)의 대안적 또는 추가적 결정 요인에 대해, 여기 중 적어도 2개가 제어 가능하게 변조된다. 상기 여기에 대한 샘플의 효과적인 응답이 감지되며; 그리고 검출된 효과적인 반응의 분석은 샘플(샘플의 적어도 일부/스팟)의 다양한 파라미터/조건 중 하나 이상을 결정하기 위해 제공된다.

상기 여기는 다음 중 둘 이상을 포함한다: 고 에너지 여기(들)(X선 및/또는 전자; 그리고 일부 실시 예에서는 일 함수(WF) 결정을 위한 UV 방사선; 저 에너지 여기(들)(전자 및/또는 이온); 작은 스폿(예를 들면, 포커스된) 여기(전자 및/또는 광선); 및 전원 공급 장치(예를 들면, 샘플 바이어싱)을 포함할 수 있다. 신호 변조는 다음을 포함할 수 있다: 하전 입자(예를 들면, 전자) 여기 변조를 위한 플럭스(전류) 및/또는 랜딩 에너지; 광자 형 여기 변조를 위한 플럭스(진폭) 및/또는 파장 및/또는 편광; 뿐만 아니라 사용되는 여기에 대한 형상 및/또는 주파수 변조.

전술한 2개 이상의 변조 여기를 사용하여 얻은 검출된 유효 응답은 방출된 전자의 스펙트럼 및/또는 샘플 전류 및/또는 광학 신호를 포함한다. 자극에 대한 샘플의 검출된 효과적인 응답을 나타내는 데이터로부터 추출된 샘플의 파라미터/조건은 다음 중 하나 이상을 포함한다: 샘플의 I-V, V-V, I-V-V 특성; 작은 스폿 XPS 데이터; 소프트 브레이크다운(BD) 테스트; 샘플의 표면 패턴에서 전기 전도체/리드의 무결성; 일 함수(WF); 뿐만 아니라 위에 나열된 전기적 특성과 결합된 광학적 파라미터.

본 명세서에 개시된 전자 분광 측정 설정은 심사된 샘플의 일관성을 나타내는 고해상도 데이터를 수집하고, 실질적으로 개선된 정확도 및 해상도로 심사된 샘플의 특정 원자층에 형성된 나노구조의 다양한 테스트를 수행하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 기술은 로직 및 메모리 집적 회로(IC)의 패턴화 또는 비패턴화 웨이퍼의 전기적 특성을 결정하기 위해 제공되며; 이와 같은 전기적 특성에는 CMOS MOSFET 게이트 I-V 및 반도체 층 위에 있는 고 유전율 절연 층이 있는 커패시턴스가 포함된다.

상기 및 이하에서 상세히 기술된 바와 같이, 본원 명세서에서 개시된 전자 분광 측정 셋업은 특히 정밀한 일 함수(WF)를 추출; 검사된 샘플의 특정 원자층에 형성된 용량성 요소(예를 들면, 메모리 셀, FET의 게이트 고 유전율 유전체 층)의 누설 테스트 수행; 및/또는 정밀한 일 함수 측정 수행; 및/또는 검사된 샘플의 특정 원자 층에 형성된 유전체 요소의 비 상부 접촉(non top-contact) 소프트 브레이크다운 테스트 구현; 및/또는 내부에 형성된 전기 리드의 비 상부 접촉 무결성 테스트 및/또는 검사된 샘플의 특정 도메인 내에 형성된 유전체 요소의 IV 특성 및/또는 V-V 특성 제공을 위해 사용될 수 있다.

상기 및 하기에 상세히 기술된 바와 같이, 본 명세서에 개시된 측정 셋업은 전자 검출기에서 센서 요소의 어레이/매트릭스를 사용함으로써 측정 프로세스를 상당히 가속화하도록 적응될 수 있으며, 이들 각각은 어레이/매트릭스 내 센서의 상대적인 위치에 따라 특정 운동 에너지 레벨로 검사된 샘플로부터 방출되는 광전자의 양을 나타내는 데이터/신호를 생성하도록 구성된다. 이러한 방식으로 검사된 샘플의 특징이 되는 라인은 전자 분석 장치에서 적용되는 전자기장의 후속 변화 없이 단일 측정 세션에 의해 생성될 수 있다. 즉, 시간 소모적인 에너지 스캔 단계를 피할 수 있다.

본 발명의 몇 가지 예시적인 특징, 공정 단계 및 원리의 개요를 위해, 도면에 개략적으로 및 도식적으로 예시된 예는 전자 분광법 응용을 위한 것이다. 이러한 측정 설정은 샘플의 특정 원자층에 대한 특징이 되는 정보를 제공하는 데 사용되는 여러 기능, 프로세스 및 원리를 보여주는 하나의 예시 구현으로 표시되지만, 다른 응용 프로그램에도 유용하며 다양한 변형이 가능하다. 따라서, 본 설명은 도시된 예를 참조하여 진행될 것이지만, 일단 본 발명의 원리가 본 명세서의 설명, 설명 및 도면으로부터 이해되면, 아래의 청구범위에 인용된 발명이 무수한 다른 방식으로도 구현될 수 있음을 이해하여야 한다. 전자 분광법 응용 분야에서 유용한 당업자에게 자명하고 유용한 임의의 다른 변형뿐만 아니라 이러한 모든 변형이 적절하게 사용될 수 있으며, 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다.

도 2는 검사된 샘플(11)의 일관성을 결정하기 위해 및/또는 검사된 샘플(11) 내에 형성된 나노구조의 비-상부 접촉 테스트를 위해 사용 가능한 본 발명의 전자 분광 측정 시스템(10)의 동작의 예를 개략적으로 예시한다. 이 같은 특정의 비 제한적인 예에서, 여기 시스템은 다음을 포함하는 방사선 소스를 포함한다: 샘플(11)의 상부 표면의 일부/영역을 조사하고 그 속에 있는 원자 구조 내 전자를 여기시키는 X-레이 방사선(13b)(고 에너지, 예를 들어 1.5keV 빔)을 생성하는 X-레이 소스(13), X-선 방사선 여기 영역을 덮는 영역 내에서 샘플의 적어도 일부를 전기적으로 대전시키기 위해 변조된 전자 빔(12b)을 생성하기 위해 변조기(본원 명세서에는 도시되지 않음)와 연관될 수 있는 플러드 건(12)(저 에너지 전기 대전 입자 소스), 및 X선 방사선(13b)에 의해 방사된 샘플(11)의 해당 부분에 포함된(또는 해당 부분과 교차하는) 샘플의 상부 표면 영역의 일 부분(아마도 작은 부분)을 조명하도록 구성된 변조된 집속 광 빔(14b)을 생성하는 변조기(본원 명세서에서는 도시되지 않음)와 연관될 수 있는 광원(14). 전자 분광기(16)(도 1a의 분석기(130))는 검사된 샘플(11)로부터 방출된 전자(11c) 및 이를 나타내는 데이터를 전자 검출기 장치(도 1a의 132)로 전달하여, 다양한 운동 에너지 레벨로 검사된 샘플(11)로부터 방출된 광전자 양을 나타내는 상응하는 측정된 데이터/신호(16s)를 생성하도록 한다.

제어 유닛(15)은 시스템(10)의 상이한 유닛/장치의 동작을 조율하도록 작동한다. 특히, 제어 유닛(15)은 각각의 변조기로 전자 빔 소스(12)(플러드 건)를 작동시키기 위한 제어 신호/데이터(12c), X-선 소스(13)를 동작시키기 위한 제어 신호/데이터(13c), 및 광원(14)을 동작시키기 위한 제어 신호/데이터(14c)를 생성하도록 구성될 수 있다. 제어 신호(13c 및 14c)는 X-선 방사선(13b)에 의해 방사되는 샘플(11)의 부분 및 변조된 여기(예를 들어, 집속 광자 빔)(14b)에 의해 여기된 샘플의 작은 부분의 위치를 조정하기 위해, 또는 샘플(11)의 다른 영역을 시험하기 위해, 또는 이에 의해 샘플의 전체 상부 표면을 스캔하기 위해 사용될 수 있다.

제어 유닛(15)은 검사된 샘플(11)의 특정 원자층에서 화학 원소/분자를 나타내는 특성 스펙트럼 라인을 생성하기 위해, 및/또는 그의 일 함수를 결정하기 위해, 및/또는 그 안에 형성된 나노 구조의 무결성을 나타내는 테스트 데이터를 생성하기 위해, 및/또는 검사된 샘플의 I-V 특성 및/또는 V-V 또는 I-V-V 특성을 나타내기 위해, 검출 시스템(도 1a의 102)에 의해 생성된 데이터/신호(16s)를 수신하고 처리하도록 구성될 수 있다.

광원(14)에 의해 생성된 집속된 광자 빔(14b)은 고주파 주기적 캐리어 신호를 변조할 수 있다. 선택적으로, 그러나 일부 실시 예에서 바람직하게는, 고주파 주기적 반송파 신호는 검사된 샘플(11)의 작은 부분이 집속된 광자 빔(14b)에 의해 조명되는 조명 시간 간격 및 이에 의해 조명되지 않는 비조명 시간 간격을 각 조명 주기 내에서 정의하도록 구성된 결정된 듀티 사이클을 갖는 직사각형 모양의 주기 신호이다.

제어 유닛(15)은 전자 분광기 시스템(16)에 의해 생성된 측정된 데이터/신호(16s)를 변조된 집속 광자 소스(14)의 고주파 주기적 캐리어 신호로 복조하도록 구성되며, 데이터/신호(16s)로부터 광자 소스(14)에 의해 조명되는 샘플의 작은 영역을 나타내는 조명 관련 정보를 추출하도록 한다. 선택적으로, 그러나 일부 실시 예에서 바람직하게는, 상기 조명 관련 정보는 주기의 조명 시간 간격(도 3A의 S _on ) 동안 측정된 데이터/신호(16s)로부터 주기의 비조명 시간 간격(도 3A의 S _off ) 동안 측정된 데이터/신호(16s)의 일부를 빼서 조명 시간 주기 각각에서 획득된 측정 데이터/신호(16s)로부터 추출된다.

선택적으로, 그러나 일부 실시 예에서 바람직하게는, 저 에너지 전기 대전 입자 소스(12)에 의해 생성된 대전 입자(12b)는 이 같은 소스의 출력을 변조하여 저주파 캐리어 신호를 생성하도록 한다. 샘플의 충전 조건의 변조는 생성된 특성 라인의 이동을 유발하며, 이는 예를 들어 깊이 방향으로 원자 위치와 관련이 있으며, 따라서 여기에서 방출된 전자에 대한 정보를 제공하며, 또한 샘플의 다른 원자층(최대 20nm)에 대한 정보를 제공한다.

도 3a는 본 발명의 전자 분광 측정 시스템(10)의 가능한 구성의 비제한적 예를 개략적으로 도시한다. 이 예에서, 여기 시스템은 검사된 샘플(11)의 상부 표면을 변조된 전자 빔(12b)으로 플러딩(flooding)하기 위한 전자 플러드 건(eFG)(12), X-선 빔(13b)으로 검사된 샘플의 일부를 조사하기 위한 X-선 소스(13), 그리고 광자(14b)의 집속 변조 빔에 의해 샘플의 작은 영역을 조명하기 위한 광원(14)을 포함한다. 이 예에서 전자 분광기(16)는 샘플(11)로부터 방출된 광전자(11e)를 수신하고 포커싱/지연시키도록 구성된 지연/포커싱 입력 전자 렌즈 어셈블리(16n), 전자 렌즈 조립체(16n)로부터 포커싱/지연된 전자(11e)를 수신하고, 전자 검출기 장치(16d)로 향하게 하기 위해 전자기장의 인가에 의해 이들의 경로를 구부리도록 구성된 동심원 반구형 분석기 어셈블리(16t)를 포함한다.

제어 유닛(15)은 제어 신호/데이터(12c, 13c, 14c)를 생성하고 전자 검출기 장치(16d)에 의해 생성된 데이터/신호(16s)를 처리하도록 프로그래밍된 소프트웨어 명령을 실행하도록 구성 및 작동 가능한 하나 이상의 프로세서(15p) 및 메모리(15m)를 포함한다. 아날로그-디지털(A/D) 변환기(17)는 전자 검출기 장치(16d)에 의해 생성된 신호(16s)를 디지털화하기 위해 제어 유닛(15) 내부 또는 외부에 제공될 수 있다.

감산 모듈(15c)은 조명 주기 각각의 조명(S _on ) 및 비조명(S _off ) 시간 간격 동안 측정된 데이터/신호를 감산하고 이를 나타내는 감산 신호/데이터(S _sub )를 생성하기 위해 제어 유닛(15) 내부 또는 외부에 제공된다. 감산 모듈(15c)이 외부 유닛으로 구현되는 경우, 추가 아날로그-디지털 변환기(도시되지 않음)는 그에 의해 생성된 감산 신호(S _sub )를 디지털화하는 데 사용될 수 있다. 평균화 모듈(15a)은 또한 조명 주기의 조명 및 비조명 시간 간격 동안 측정된 데이터/신호(16s)의 평균값(S _avg )을 계산하기 위해 제어 유닛(15) 내부 또는 외부에 제공될 수 있다. 평균화 모듈(15a)이 외부 유닛으로서 구현되는 경우, 또 다른 아날로그-디지털 변환기(도시되지 않음)가 그에 의해 생성된 계산된 평균값(S _avg )을 디지털화하기 위해 사용될 수 있다.

일부 가능한 실시 예에서 전류계(18)는 검사된 샘플(11)을 통과하는 전류를 측정하는 데 사용된다. 이것은 샘플에 대한 X선 방사선의 영향뿐 아니라 임의의 다른 입력 신호를 측정하는 데 사용될 수 있으며, 따라서 상기 여기(excitation)에 대한 샘플의 효과적인 응답 일부를 제공한다. 대안적으로 또는 부가적으로, 전류 측정은 일 함수 측정을 포함하는 다른 동작 모드에서 사용될 수 있다. 추가의 아날로그-디지털(A/D) 변환기는 전류계 장치(18)에 의해 생성된 신호(18s)를 디지털화하기 위해 제어 유닛(15) 내부 또는 외부에 제공될 수 있다.

도 3b는 전자 분광 시스템(10)에 의해 가능한 실시 예에서 검사된 샘플(11)의 상부 표면에 적용되는 상이한 빔의 공간 분배를 예시한다. 이 구체적이고 비제한적인 예에서 eFG(12)는 검사된 샘플(11)의 상당한 면적(12r)(상대적으로 넓은 영역 R ₁ )을 커버하는 와이드 전자 플러드 빔(12b)을 생성한다. 상기 X-선 소스(13)로부터의 X-선 빔(13b)은 상기 면적(12r)(내부 영역 R ₁ ) 내에 포함된 검사된 샘플(11)의 다소 작은 면적(13r)(영역 R ₂ )을 커버하며, 또는 전자 빔(12b)에 의해 플러드된 면적(12r)과 실질적으로 교차한다. 레이저 빔(14r)은 X-선 빔(13b)에 의해 조사된 면적(13r)과 실질적으로 교차하거나 내부에 포함된 검사된 샘플의 상당히 작은 영역(R ₃ /spot)(14r)을 조사하도록 구성된다.

또한 도 3b에 도시된 바와 같이, X-선 및 가능한 집중 조명은 서로 떨어져 있는 상대적으로 작은 스폿(R ₃ 및 R ₃ ' )을 여기 시키기 위해 사용될 수 있다. 아래에서 추가로 설명되는 바와 같이, 이는 전기 전도선/리드의 무결성 측정을 위해 사용될 수 있다..

도 3c는 검사된 샘플(11)의 다양한 측정 및/또는 테스트를 수행하기 위한 전자 분광 시스템(10)에서 프로브 유닛(25)의 사용을 설명한다. 상기 시스템(10)은 에너지 입자 소스(예를 들면, X선)(21), 고속 변조 광자 소스(예를 들면, 레이저)(23) 및 검사된 샘플(11)로부터 방출된 전자(11e)를 검출하도록 구성된 검출 시스템(24)을 포함한다. 각각의 제어 신호(22c, 21c 및 23c)에 의해 시스템(10)의 다양한 구성요소를 동작시키기 위해 제어 유닛(15)가 사용될 수 있다. 전자 분광 시스템(10)의 다양한 구성요소는 검사된 샘플을 전기적으로 충전하고, 샘플 내 전자의 여기를 위해, 그리고 샘플을 광학적으로 조명하기 위해 위에서 또는 아래에서 설명된 동일한 유닛에 의해 구현될 수 있다.

프로브 유닛(25)은 외부 독립 유닛으로 도 3c에서 도시되지만, 일부 실시 예에서 그것은 제어 유닛(15)에 부분적으로 또는 완전히 내장될 수 있다.

검출 시스템(24)에 의해 생성된 데이터/신호(16s)는 데이터/신호(25s)를 제어 유닛(15)과 통신하도록 구성될 수 있는 프로브 유닛(25)에 의해 처리된다. 프로브 유닛(25)은 신호(16s)를 복조하고, 그로부터 변조된 광자 빔에 의해 조명되는 샘플(14r)의 부분과 연관된 정보를 추출하도록 구성된 복조 유닛(25d)을 가질 수 있다. 선택적으로, 그러나 일부 실시 예에서 바람직하게는, 프로브 유닛(25)은 비조명 시간 간격 동안 검출기(24)에 의해 측정된 신호(16s)를 조명 시간 간격 동안 검출기(24)에 의해 측정된 측정신호(16s)로부터 감산함으로써 샘플(14r)의 조명된 부분과 관련된 정보를 추출하도록 구성된 감산 유닛을 포함한다.

제어 유닛(15)은 집속 소스(23)의 고속 변조를 위해 사용된 주파수를 결정하고, 원하는 고속 변조 여기(예를 들어, 광자 빔 또는 e-빔)를 생성하며, 샘플이 초점 소스(23)에 의해 조명되고 있는 시간 간격을 나타내기 위해 프로브 유닛(25)에 대응 신호/데이터(25s)를 제공하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 프로세스 및 메모리가 검출 시스템(24)에 의해 생성된 신호/데이터(16s)를 저장하고, 저장된 신호/데이터(16s)를 조명 또는 비 조명 시간 간격과 연관시키며, 조명 및 비 조명 시간 간격 동안 측정된 신호/데이터(16s)의 감산(15c)에 의해 감산 신호(S_sub)를 생성하도록 프로브 유닛(25)에서 사용될 수 있다.

프로브 유닛(25)은 검사된 샘플(11) 및/또는 특정 원자층 내에 형성된 마이크로/나노 구조의 다양한 특성을 결정하기 위해 검출 시스템(24)으로부터의 신호/데이터(16s)를 처리하도록 구성될 수 있다. 이 같은 목적을 위해 프로브 유닛(25)은 I-V 및/또는 V-V 특성을 추출하기 위한 프로세서 유닛, 유닛(25k), 정밀한 일 함수 결정 유닛(25w), 소프트 브레이크다운 테스트 유닛(25b) 및 리드 무결성 테스트 유닛(25e)을 포함한다. 이들 유닛(25k)(I-V뿐만 아니라 V-V 출력도 제공하는)(25w, 25b 및 25e)은 복조(25d) 및/또는 감산(15c) 없이 검출기(24)에 의해 생성된 신호/데이터(16s)를 직접 사용하도록 구성될 수 있음에 유의한다. 그러나, 도 3c에서, 프로브(25)의 유닛(25k, 25w, 25b 및 25e)은 감산기(15c)로부터 감산된 신호(S _sub )를 수신하여, 그에 의해 수행되는 처리를 고속 변조 집중 소스(23)에 의해 조명되는 검사된 샘플(11)의 작은 부분으로 제한하도록 한다.

전술한 바와 같이, 다중 변조된 여기를 이용하는 본 발명의 기술은 샘플 전체에 걸쳐 그리고 샘플을 통해 높은 공간 분해능으로 샘플의 재료 관련 특성뿐만 아니라 위에서 언급한 샘플의 전기적 특성 중 임의의 것을 측정하기 위해 제공된다.

특정 층(예를 들면, SiO₂ 층이 있거나 없는 HfO₂, 예를 들어 다중 층 구조 내의 층)에 너무 높은 전압이 가해질 때 발생하는 효과에 대해 소프트 브레이크다운 검출이 적용되며, 상기 브레이크다운 효과는 상기 층을 가로질러 수직으로 발생된다. 변조된 광학 빔이 샘플의 작은 스폿에 초점을 맞추는 위에서 설명한 다중 변조 여기를 사용함에 의해, X선 및 가능하면 e-빔으로 샘플의 더 큰 면적 여기(바람직하게는 변조된 여기(들))하에서, 상기 층 전체에 걸친 유효 전압 차이의 수정(예를 들어, 증가)을 유도한다(예를 들어, 층 전도성에 따라 강화된 방전을 통해). 이로 인해 검출된 응답에서 XPS 라인의 층 특성 이동을 발생시킨다. 이를 통해 표준 브레이크다운(즉, 암흑에서의 브레이크다운)이 발생하기 직전에 사전 브레이크다운 조건을 평가할 수 있다.

일부 실시 예에서, 샘플의 특정 층으로부터 데이터를 추출하기 위해(수직 축을 따라), 수직 위치(z-위치)는 본 발명의 기술을 사용하여 얻은 유효 응답으로부터 추출될 수 있다. 많은 장치에는 화학적으로 동일한(의도적으로 그래야 하는) 서로 다른 높이의 층이 있다. 구성 분석을 층별 분석으로 펼치는 것은 모든 동일한 층들로부터의 XPS 라인들이 자연스럽게 겹치기 때문에 일반적으로 매우 어렵다. 구조 전체에 걸쳐서 포텐셜 그래디언트를 적용함으로써, 서로 다른 층에 대해 서로 다른 라인 이동이 있게 되며, 따라서 이를 하나씩 해결하는 옵션이 원칙적으로 가능하다. 또한 층 내에서 예를 들어 불순물과 같은 주어진 요소의 z-분포를 식별하려는 경우, 표준 XPS 기술로는 이를 얻기가 매우 어려울 수 있다. 본 발명의 기술은 예를 들어 여기(excitations)에서 소위 역-위상 스위프에 대한 효과적인 응답의 식별을 통해 이러한 검출을 가능하게 한다.

이와 관련하여, 도 3d를 참조한다. 예를 들어, 여기하는 넓은 전자 빔 e-방사선이 주어진 상태로 설정되면, 전위 구배가 비금속 층, 예를 들어 라인 L1에 의해 도시된 바와 같은, 산화물 층 전체에 걸쳐 유도된다. 플러드 건의 파라미터를 변조함으로써, 해당 전압 함수 V(z)의 기울기가 주기적으로 변경된다. 또한 샘플에 인가된 바이어스 전압을 변조함으로써, 라인 L2로 표시된 것처럼 샘플 전위도 변경될 수 있다. 변조된 집속 e-방사선과 샘플 바이어스의 특정 조합 하에서, 라인 이동의 진폭이 실질적으로 0인 라인 L1과 L2 사이의 교차로 표시된 것처럼, 특정 높이를 제외한 모든 곳에서 큰 잠재적 변동이 지시될 수 있다. 그런 다음, 모든 높이로부터의 XPS 스펙트럼 라인은 일정한 전위가 있는 관심 높이 주변의 작은 영역을 제외하고 엄청난 확장으로 지워질 수 있다.

따라서, 샘플을 X-선 방사 여기 하에서 역 위상으로 인가되는 바이어스 전압 및 e-방사선(즉, 하나는 점진적으로 증가하고 다른 하나는 점차 감소함)에 노출시킴으로써, 관심 층의 전기적 특성(예를 들어, 특정 z 위치에서 정전기 전위 또는 전위 기울기)을 추출할 수 있다. 이는 다중 층 샘플의 각 층이 특징적인XPS 피크/라인 이동에 의해 응답하기 때문이며, 따라서 관심 층 이외의 모든 층들의 응답을 검출된 유효 응답으로부터 필터링하여 관심 층의 응답을 식별/추출할 수 있기 때문이다. 다음, 필요한 경우, 특정 층 전체에 걸쳐 전위 프로파일을 추출하기 위해 변조된 조명 또는 집속된 e-방사선으로 국부 전위를 변조하여 상기 층이 측면으로 스캔될 수 있다.

전기 전도선의 무결성에 대한 비접촉 테스트(Non-top-contact tests)는 다음과 같이 구현할 수 있다. 일부 실시 예에서, 이것은 측면 접촉(들) 및 변조된 광폭 빔 e-방사선(전자 플러드 건의) 적용 및 측정된 XPS 스펙트럼 응답(광전자 방출 스펙트럼)의 피크 이동 검출을 사용하거나, 변조된 집속 e-방사선(예를 들면, e-빔 펄스) 및 전자 빔 유도 전류 검출을 사용하여 수행된다.

일부 다른 실시 예에서, 그러한 테스트는 측면 접촉 없이 수행될 수 있다. 이와 관련하여, 그러한 측정의 원리를 개략적으로 설명하는 도 3e를 참조한다. 본 발명의 기술에 따른 XPS 기반 측정은 신호를 검출하기 위해 주어진 면적/영역 A1(도 3b 및 3c의 스폿 R ₃ )에서 수행되며, 이 경우 양전하가 자연스러운 상황이다. 일반적으로, 집속된 전자 빔은 충전 조건을 국지적으로 변경하고, 이러한 효과는 전술한 본 발명의 CREM 기반 시스템에 의해 검출 가능해야 한다. 집속된 e-빔이 먼 스폿/영역 A2(도 3b 및 3c의 스폿 R ₃ ')에 위치하는 경우 전기 전도성이 양호하지 않는 한 영역 A1의 XPS 응답에 미치는 영향은 훨씬 적다. 따라서 전도선은 상대적으로 먼 거리에서도 유입된 전하에 신속하게 응답해야 한다. 효과를 더 잘 해결하기 위해 집속된 전자 빔을 변조할 수 있다. 선택적으로 특정 관심 면적(더 큰 XPS 분석 면적 내)을 더 잘 해결하기 위해 두 번째 변조가 도입될 수 있다(예를 들면, 변조된 집속 광선).

이제 도 4a 내지 4d를 참조하며 이들 도면은 일 함수 결정 및 누설 테스트 프로세스(30)를 위한 본 발명의 기술의 사용을 예시한다. 도 4a는 이 같은 프로세스의 흐름도(30)를 도시한다. 도 4b 및 4c는 일 함수 측정 플롯을 나타내고, 도 4d는 누설 측정을 예시한다.

이 실시 예에서, 다중 변조의 사용이 일부 경우에 샘플 전체에 걸친 일 함수 프로파일의 결정을 제공하지만, 샘플에 인가된 여기가 전혀 변조되지 않을 수 있다. 일 함수 측정을 위한 측정 세션에는 각 모드에 존재하는 아티팩트를 보상하기 위해(또한 아티팩트 관련 오류 크기를 결정하기 위해) 순차적으로 수행되는 1차 및 2차 측정 모드가 포함된다.

프로세스(30)는 제어 유닛(15)이 샘플의 일 함수의 제1 측정치를 결정하기 위해 제1 측정 모드를 구현하도록 시스템을 작동시키는 단계 S1에서 시작한다. 이를 위해, 제어 유닛은 샘플에 상대적으로 낮은 플럭스의 X-선 방사를 샘플에 적용하기 위해 고 에너지 소스(예를 들어, X-선 소스)를 작동시키고, 이차 전자 방출(SEE) 스펙트럼 응답을 모니터링하기 위한, 제어 신호(22c)를 생성한다. 이는 도 4b에 도시된 바와 같이 스펙트럼 응답(단계 S2)의 낮은 운동 에너지 개시를 검출할 수 있게 한다. 이 같은 시작은 샘플의 일 함수 WF1의 첫 번째 측정을 나타낸다. 일 함수 WF1의 제1 측정은 메모리에 저장될 수 있다(단계 S3).

그러면 제어부(15)가 동작하여 제2측정모드로 전환된다. 이를 위해, 초기 바이어스 전압이 샘플에 인가되고(단계 S4), X-선 여기가 비교적 낮은 에너지 전자의 플럭스를 제공하는 소스에 대한 노출에 의해 대체된다(단계 S5). 초기에, 샘플 바이어스 전압은 예를 들어 전자 소스로부터 방출된 전자가 샘플에 도달하는 것을 방지하기 위해 높은 음의 값으로 설정된다. 그 다음, 샘플 바이어스가 점차적으로 감소되고 샘플을 통과하는 전류를 모니터링 된다(단계 S6). 이를 통해 외부 소스의 전자가 샘플에 도달하기 시작하는 조건에 해당하는 바이어스 전압의 전환점(TP)을 검출할 수 있으며, 도 4c 그래프에 표시된 대로 샘플의 일 함수의 제2 측정을 나타낸다. 일 함수 WF2의 제2 측정이 저장될 수 있다(단계 S7).

일 함수 WF1 및 WF2의 제1 및 제2 측정은 제어 유닛에 의해 분석되어 샘플의 유효(무 충전) 일 함수 WF를 결정하도록 한다(단계 S8). 이것은 평균값의 결정을 포함할 수 있거나, 제1 측정과 제2 측정 사이의 차이에 의해 결정되는 인공물 관련 오류의 평가를 고려할 수도 있다.

구체적으로 도시되지는 않았지만, 일부 실시 예에서, 2개 이상의 측정 세션이 순차적으로 수행될 수 있고, 그 결과 제1 및 제2 측정 모드가 번갈아 수행될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 이를 통해 샘플의 전하 트래핑 효율을 결정할 수 있다. 따라서 전자 및 정공 트랩 밀도의 대략적인 평가가 수행될 수 있다.

일 함수 측정은 또한 특히 샘플 및 게이트 절연층 내의 용량성 요소로부터 전하 누설을 검출하는 데 사용될 수 있다. 상기 전하 누설은 용량성 요소가 자발적으로 방전할 때 시간이 지남에 따라 결정되는 일 함수의 약간의 변화를 통해 식별할 수 있다. 예를 들어, 이는 전술한 측정 모드 중 어느 하나의 반복 수행을 사용하여 구현될 수 있다.

도 4d는 각각 2개의 스캔으로 구성되고, 결합 에너지 스케일로 제시되며, 테스트된 용량성 요소가 접지로 전하 누출을 일으키는 때, 시간 경과에 따라 반복 측정 동안 얻어지는 일 함수 측정(WF1, WF2, WF3)의 점진적인 감소를 도시하는, 특징적인 라인 플롯(p1, p2 및 p3)을 도시한다.

프로브(25)의 일 함수 결정 유닛(25w)에 의해 수행되는 정밀한 일 함수 결정 프로세스에 대한 본 발명의 기술의 예를 블록도(40)를 통해 도시하는 도 5를 참조한다. 이 같은 일 함수 결정 프로세스에서, 측정 세션에 사용되는 변조된 여기(modulated excitation)는 최소 선량의 x-선과 저 에너지 전자에 의해 샘플의 여기에 번갈아 가며 영향을 주도록 교대로 작동하는 고 에너지(X선) 입자 소스(41)와 저 에너지 전하(eFG) 소스(42)에 의해 생성된 여기 신호의 시간 패턴이다. 이것은 저 에너지 전하(eFG) 소스(42), 그리고 고 에너지 입자 소스의 제어 신호(41c)를 생성하기 위한 인버터 회로(41i)를 통한 고 에너지(x-레이) 방사선 소스를 직접 작동시키는 직사각형 파형 제어 신호(42c)에 의해 도 5에 개략적으로 도시된다. 즉 고 에너지 입자에 노출되는 동안 저 에너지 입자에 대한 노출이 중단되고 그 반대도 마찬가지이다.

저 에너지 및 고 에너지 입자 소스(41 및 42)는 반대 방향에서 샘플의 전하 상태에 영향을 미치도록 선택된다. 예를 들어, 그리고 제한 없이, X선 노출을 사용한 전자의 여기(excitation)는 일반적으로 그로부터 광전자가 방출되기 때문에 샘플을 양으로 대전하는 반면, eFG에 대한 노출은 샘플을 음으로 대전시킨다.

제어 신호(42c)는 일 함수 결정 유닛(25w) 또는 제어 유닛(15)에 의해 생성될 수 있고, 샘플이 저-에너지 및 고-에너지 입자 소스에 노출되는 각각의 노출 사이클에서 상이한 노출 시간 간격을 제공하기 위해 특정 듀티 사이클을 갖도록 구성될 수 있다. 검사된 샘플(11)의 매우 작은 부분을 조사하기 위해 정밀한 일 함수 결정 프로세스가 필요한 경우, 고속 변조 광자 빔(43)(점선 박스 선으로 표시됨)은 제어 신호(43c)에 의해 활성화되어 저 에너지 및 고 에너지 노출 동안 검사된 샘플(11)의 매우 작은 부분을 주기적으로 조명할 수 있다; 이는 일부 샘플에서 시작 에너지 및/또는 전환점을 수정할 수 있는 작용이다. 제어 신호(43c)는 일 함수 결정 유닛(25w) 또는 제어 유닛(15)에 의해 생성될 수 있다.

검사된 샘플(11)로부터 방출된 전자(11e)의 운동 에너지, 그리고 에너지 레벨 각각에서의 이들의 속도는 전자 분광기(eSpec)(24)에 의해 측정된 후 일 함수 결정 유닛(25w)으로 공급된다. 광학 조명(43)이 또한 사용되는 경우, 측정 결과(16s)는 복조/미분화(예를 들어, 도 2c의 감산기(15c)를 사용함)되어서, 광원에 의해 조명되는 샘플(11)의 작은 부분과 관련된 정보를 추출하도록 한다.

일 함수 결정 유닛(25w)에서 저 에너지 전자 소스(예를 들면, eFG) 및 고 에너지 광자 소스(예를 들면, X선 또는 UV 전리 방사선(ionizing radiation))에 노출되는 동안 획득된 측정 결과(16s)는 정밀한 측정 결과를 제공하는 것으로 간주된다. 이것은 저 에너지 및 고 에너지 노출 동안 획득된 측정치를 서로 빼도록 구성된 합산 유닛(45s), 그리고 저 에너지 및 고 에너지 노출 동안 획득된 평균값 측정치를 계산하도록 구성된 평균화 유닛(45m)에 의해 도 5에서 도시된다. 입력 단자에서 측정 결과(16s)를 수신하도록 구성된 디멀티플렉서(45x), 그리고 출력 선택 신호로서 제어 신호(42c)는 측정 결과(16s)를 이들의 제1 또는 제2 피드 라인을 통해 선택적으로 제공하도록 사용될 수 있다. 지연 장치(D)가 상기 제1 또는 제2 피드 라인에서 사용되어서, 저 에너지 소스(예를 들면, 전자 소스) 및 고 에너지 소스(X- 선 또는 이온 빔 소스)에 노출되는 동안 측정 결과(16s)의 감산 및 평균이 획득 되도록 한다.

저 에너지 및 고 에너지 소스(41 및 42)의 반대되는 전기 충전 효과 및 그 속에서 최소 노출 조건의 사용으로 인해, 저 에너지 및 고 에너지 노출 동안 획득된 측정 결과(16s)의 평균화는 정 시스템에 의해 유도된 전기 충전 아티팩트를 실질적으로 소거한다. 저 에너지 및 고 에너지 노출 동안 획득된 측정 결과(16s) 하나를 다른 하나로부터 차감함은 정밀한 일 함수 측정 프로세스의 평가된 오차 범위를 정의하는 데 사용될 수 있다. 광자 조명이 이용되는 경우, 샘플(11) 상의 광자 조명의 위치는 WF 측정 프로세스 각각을 완료한 후 샘플(11)의 새로운 위치로 변경될 수 있어서, 샘플(11)의 전체/실질적 또는 모든 관련 부분이 완료될 때까지 추가 WF 측정 프로세스를 수행하도록 한다.

도 6a를 참조하면, 프로브(25)의 소프트 브레이크다운 테스트 유닛(25b)에서 일부 실시 예에서 사용되는 소프트 브레이크다운 테스트 프로세스의 예가 블록도(50)로 도시되어 있다. 이 테스트 프로세스에서, 검사된 샘플은 고정된 조건에서 작동되는 일정한 고 에너지 입자 빔(41)(X선 빔) 및 저 에너지 전자 빔(42)(와이드 전자 빔)에 의해 연속적으로 조사된다. 그런 다음 샘플 바이어스가 양수 값이 증가하는 방향으로 점진적으로 변경된다. 완벽한 절연체의 경우 이 프로세스 중에 그 표면의 특성 신호가 변경되지 않고 유지되어야 한다. 따라서, BD 전압은 절연층 양단의 전위 강하를 나타내는 스펙트럼 왜곡이 검출되는 바이어스 값에 의해 결정된다. 순수한 BD 전압보다 약간 낮은 BD 현상을 캡처하기 위해, 제2 신호는 변조된 방식으로, 약간 낮은 BD에서, 상기 층의 광 전도도 역시 돌연한 증가를 경험한다는 사실을 이용하는 광 조명 소스가 암시된다. 제2 입력 신호가 집속된 빔인 경우, pre-BD 포인트는 작은 스폿으로부터 평가된 후 넓은 면적을 가로질러 스캔될 수 있다.

프로세싱 유닛(75z)은 메모리 디바이스(75m)에 저장되는 각각의 특성 라인(CL ₁ , CL ₂ ,..., CL _n (n은 정수))을 전기 충전 레벨 각각에서 획득된 측정 데이터/신호(16s)로부터 구성하기 위해 사용될 수 있다. 교차-상관 유닛(75r)은 새로 생성된 특성 라인(CL _n ) 각각에 대해 상기 새로 생성된 특성 라인(CL _n )과 다른 것 중 하나 이상, 예를 들면 메모리(75m)에 저장된 이전에 생성된 특성 라인 (CL ₁ , CL ₂ ,..., CL _n-1 ) 사이의 상관 정도를 나타내는 교차-상관 측정을 생성하는데 사용될 수 있다. 비교기(75c)는 교차-상관 유닛(75r)에 의해 생성된 교차-상관 측정치 각각을 메모리(75m)에 저장된 상관 임계값(Tcorr)과 비교하고, 브레이크다운 표시 BD를 교차 상관 유닛(75r)에 의해 생성된 교차-상관 측정치에 대한 기준으로서 생성하고, 따라서 상관 임계값(Tcorr)이 교차되는 조건을 식별한다.

도 6b는 가변 바이어스 전압 공급기(108)에 의해 지시되는 샘플(11)의 3개의 상이한 전기 상태에 대해 프로세서(75r)에 의해 생성된 3개의 특성 라인 플롯(CL ₁ , CL ₂ , CL ₃ )을 도시한다. 제1 특성 라인 플롯(CL ₁ )은 제1 전기 상태에 대해 생성된다. 그 후 제2 특성 라인 플롯(CL ₂ )을 생성하기 위해 미리 결정된 양(Δv)만큼 증가되고, 그 후 제3 특성 라인 플롯 (CL ₃ )을 생성하기 위해 미리 결정된 양(Δv)만큼 한 번 더 증가된다. 알 수 있는 바와 같이, 검사된 샘플(11)의 전기적 상태가 증가함에 따라 프로세서(75z)에 의해 생성된 각각의 특성 라인 플롯(CL _i )(단, 1

i

n 은 정수)은 각각 낮은 바인딩 에너지 값으로 이동된다.

또한 도 6b에서 볼 수 있는 바와 같이, 생성된 각각의 특성 라인 플롯(CL _i )에는 두 개의 피크(P1 및 P2)가 있으며, 각각은 검사된 샘플(11)의 특정 공간 도메인을 나타낸다. 샘플(11) 전체에 걸친 전기장이 증가하면, 제1 피크(P1)는 해당 샘플 영역 내에서 전개되는 전위 기울기로 인해 규칙적인 모양을 잃고 이중 피크 형상(CL ₃ )에 이를 때까지 점진적으로 넓어진다. 동시에 제2 피크(P2)는 넓어짐이 없이 이동한다. 교차 상관 유닛(75r), 비교기(75c) 및 상관 임계값(Tcorr)은 상대적으로 초기 단계에서 사전 브레이크다운 스펙트럼 왜곡으로서 생성된 특성 라인 플롯(CL _i )에서 그와 같은 피크 왜곡을 식별하도록 구성되고, 이에 응답하여 검사된 샘플(11)이 손상되기 전에 브레이크다운 표시(BD)를 발행하도록 구성된다. 검사된 샘플(11)의 손상을 방지하기 위해, 이러한 측정은 광 빔의 인가를 통해 수행되어 비가역적인 손상이 유발되는 조건을 피하는 조건 아래에서 검사된 샘플의 BD 포인트를 결정할 수 있게 한다.

이전에 설명된 실시 예에서와 같이, 브레이크다운 테스트 프로세스가 검사된 샘플의 매우 작은 부분으로 제한되어야 하는 경우, 측정은 집속 빔, 예를 들어 광자 또는 전자 소스(43)에 의해 검사된 샘플(11)의 주기적인 여기로 수행될 수 있다. 따라서 제어 신호(43c)는 검사된 샘플(11)을 주기적으로 조명하기 위해 브레이크다운 테스트 유닛(25b) 또는 제어 유닛(15)에 의해 생성될 수 있다. 따라서 도 6a의 소프트 브레이크다운 테스트 장치는 집속된 빔에 의해 조명된 샘플의 작은 부분과 관련된 정보를 측정 결과로부터 추출하기 위해 도 3c에 도시된 프로브 유닛(25)에서 사용된 바의 비교기(15c)를 포함할 수 있다. 샘플(11) 상의 광자 조명의 위치는 (예를 들어, 각각의 브레이크다운 테스트 프로세스를 완료한 후) 샘플의 모든 관련 부분이 테스트될 때까지 추가적인 브레이크다운 테스트 프로세스를 수행하기 위해 샘플의 새로운 위치로 변경될 수 있다.

도 7a는 단일 측정 세션, 즉, 반복적인 에너지 레벨 스캔 프로세스를 필요로 하지 않는 소위 병렬 검출(parallel detection) 내에서 방출된 전자의 특성 라인을 측정하도록 구성된 전자 에너지 분석 및 검출 시스템(70)을 개략적으로 도시한다. 전자 에너지 분석 및 검출 셋업(70)은 전술한 바와 같이 종래의 지연/포커싱 입력 전자 렌즈 조립체(16n) 및 동심원 반구형 전자 분석기 조립체(16t), 및 센서 요소(71p)의 어레이/매트릭스를 포함하는 전자 검출 조립체(70)(예를 들어, 128개 이상의 센서 요소 행)을 포함한다. 센서 요소(71p) 각각의 전자 검출 조립체(70)는 동심원 반구형 전자 분석기 조립체(16t)를 빠져나가는 광전자를 검출하고 상기 어레이/매트릭스 내의 상대 위치에 따라 내부에 수용된 전자의 양 및 이들의 에너지 레벨을 나타내는 각각의 신호/데이터를 생성하도록 구성된다.

전자가 분석기 조립체(16t)를 통과할 때 지연/포커싱 입력 전자 렌즈 조립체(16n)로부터 전자 궤도로 통과하는 그 같은 전자 궤도를 구부리기 위해, 일정한 전기장이 동심원 반구형 전자 분석기 조립체(16t)에 의해 인가될 수 있다. 상기 인가된 일정한 전기장은 동심원 반구형 전자 분석기 조립체(16t)의 출구 포트에 도달하는 전자가 그들의 운동 에너지에 따라, 즉 일정 범위의 운동 에너지 범위 내에서, 출구 포트의 가장자리 사이에 공간적으로 분포되도록, 일정 범위의 운동 에너지를 갖는 전자의 궤도를 구부리도록 구성될 수 있다. 특히, 더 높은 운동 에너지를 갖는 광전자는 그것의 외부 아크에 더 가까운 전자 분석기 조립체(16t)를 빠져나갈 것이고, 덜 에너지적인 광전자는 그것의 내부 아크에 더 가까운 전자 분석기 조립체(16t)를 나갈 것이다.

향상된 측정 속도에서 스펙트럼 품질을 예시하기 위해, 도 7b는 분광계의 검출 설정에서 표준 분광 스캔을 통해 다양한 샘플 충전 조건에서 기록된 일련의 스펙트럼을 도시하며, 도 7c는 동일한 샘플 충전 조건 하에서 스펙트럼은 '병렬 검출' 설정을 통해 기록되며, 따라서 측정 속도가 100배 향상된다. 도 7c의 스펙트럼 품질은 도 7b만큼 좋지는 않지만 충전 소스에 의해 유도된 라인 이동을 결정하기에는 충분하다.

검사된 샘플의 I-V 및 V-V 특성의 특정 구성을 결합하는 측정을 예시하는 도 8을 참조한다. 이 예에서 샘플은 Si 기판 위의 SiO₂ 층으로 구성된 구조이다. 상기 측정은 SiO₂ 층의 밴드갭에서 전하 트랩과 이들의 에너지 레벨에 대한 정보를 추출하는 것을 목표로 한다. 상기 도면은 7개의 곡선을 도시하며, 여기서 각 곡선은 전자의 저 에너지 광폭 빔 소스(eFG)에 의해 제공되는 전자의 가변 플럭스(그러나 고정된 운동 에너지) 하에서 기록된 I-V 플롯이다. 보다 구체적으로, eFG 파라미터를 통한 측정 중에 두 가지(저속) 변조가 적용되었다: eFG에서 필라멘트 전류의 단계적 변화 및 샘플 바이어스 V _B 의 단계적 변화(느림).

샘플을 통과하는 전류 I 는 샘플의 전압 Vs (검출된 광전자 스펙트럼에서 O 1s 라인의 이동으로부터 결정됨)의 함수로 도시된다. 여기서 I 와 Vs 는 모두 eFG 파라미터와 샘플 바이어스의 변화에 따라 변동된다. 이러한 곡선의 형상(로그 강도 스케일로 도시됨)은 히스테리시스, 즉 루프와 같은 형상을 나타낸다. 다양한 I-V 곡선 사이의 차이는 전자 소스에 의해 제공된 전자의 운동 에너지의 제어된 변화에 기인하며, 그 파라미터는 제어 가능한 방식으로 곡선 각각에 대해 고정된다. 이 같이 결합된 플롯에 의해 제안된 한 가지 기능만 언급하자면, 전자의 운동 에너지에 대한 곡선 히스테리시스의 의존성은 검사된 샘플에서 전하 트랩 및 해당 에너지 레벨에 대한 정보를 생성하도록 모델링될 수 있는 한 특징이다.

변조된 여기(들)를 이용하거나 이용하지 않을 수 있는 일 함수의 결합된 전자 방출 및 전자 입력 기반 측정의 것들뿐만 아니라 다중 변조 여기와 관련된 본 발명의 상기 설명된 특징은 샘플, 예를 들면 자동 검사/계측에 유익하게 사용되는, 반도체 산업에서 특히 유용한 생산 라인에서 발생되는 샘플에 적용되는 자동 검사/계측에서 유익하게 사용될 수 있다.

보다 구체적으로, FAB각각은 일반적으로 웨이퍼에 적용되는 대부분의 제조 공정 전후에 웨이퍼에 대한 검사를 수행?渼?. 이러한 검사 단계에는 자동 검사 및 계측, 예를 들면 "잠재적으로 결함이 있는" 샘플을 식별하기 위한 광학 검사 또는 전자 빔 검사를 포함하며, 그런 다음 실제 결함이 있는 샘플을 제거(분류)하기 위해 검사/계량 시스템의 필수 한계 내에 있어야 하는 데이터 처리에 의해 결함이 확인되며, 실제 결함의 원인이 될 수 있는 제조 공정의 작동 파라미터를 조정하기 위한 제어 데이터를 제공한다.

본 발명의 측정 기술은 전기적으로 충전될 수 있는 유형의 물품을 검사하기 위한 자동 광학 검사 스테이션의 일부로 사용될 수 있거나, 데이터 처리 확인 전에 불필요한 수동 검사를 줄이기 위해 추가 확인 스테이션으로 사용될 수 있다. 실제로, 광학 기술에 의해 식별된 "잠재적으로 결함이 있는" 샘플 중 일부는 전기적 특성에서 결함이 없는 것처럼 보일 수 있으며, 이는 "광학 결함"이 중요하지 않거나 잘못된 결함이라는 사실을 나타낼 수 있다.

또한, 기계 학습 기술을 사용하여 소정의 여기 조건 세트로 측정하는 동안 획득된 주어진 샘플의 전술한 결합된 유효 응답에 대응하는 방사선 시그니처와 샘플의 전기적 또는 재료 관련 특성 사이의 관계를 결정하여, 샘플의 관련 광학 및 전기/재료 특성 데이터베이스를 생성하도록 사용될 수 있다. 그런 다음 이 같은 데이터베이스가 자동 검사에 사용될 수 있으며, 그 동안 특정 샘플에 대한 시그니처가 위에서 설명한 특정 여기 조건에서 측정되고, 일치하는 샘플 파라미터 세트가 상기 데이터베이스에서 획득된다.

따라서, 본 발명은 다양한 XPS 기반 측정을 위한 새로운 접근법과 다양한 산업 응용 분야에서의 이들의 유리한 사용을 제공한다.

또한, 프로세스 또는 방법이 도시되거나 설명되는 본원 명세서 개시 전체에 걸쳐, 방법의 단계는 그 순서가 전후 문맥상 명백한 경우를 제외하고는 임의의 순서로 또는 동시에 수행될 수 있음을 이해해야 한다. 당업자는 본 명세서에 기술된 다양한 예시적 블록, 모듈, 요소, 컴포넌트, 방법, 동작, 단계 및 알고리즘과 같은 항목이 하드웨어 또는 하드웨어와 컴퓨터 소프트웨어의 조합으로 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 하드웨어와 소프트웨어의 호환성을 설명하기 위해 다양한 예시 블록, 유닛, 모듈, 요소, 구성 요소, 방법, 동작, 단계 및 알고리즘과 같은 항목이 기능 측면에서 일반적으로 설명되었다. 이러한 기능이 하드웨어로 구현되는지 소프트웨어로 구현되는지 여부는 전체 시스템에 적용되는 특정 응용 프로그램 및 설계 제약 조건에 따라 달라진다. 숙련된 기술자는 각각의 특정 응용 프로그램에 대해 다양한 방식으로 설명된 기능을 구현할 수 있다.

위에서 설명한 측정 설정의 기능은 제어 유닛 및/또는 프로브 유닛의 일부일 수 있는 컴퓨터 기반 제어 시스템에 의해 실행되는 명령을 통해 제어될 수 있다. 위에서 설명한 실시 예와 함께 사용하기에 적합한 제어 시스템은 예를 들어 통신 버스에 연결된 하나 이상의 프로세서, 하나 이상의 휘발성 메모리(예를 들면, 랜덤 액세스 메모리, RAM) 또는 비휘발성 메모리(예를 들면, 플래시 메모리)를 포함할 수 있다. 보조 메모리(예를 들면, 하드 디스크 드라이브, 이동식 저장 드라이브 및/또는 EPROM, PROM 또는 플래시 메모리와 같은 이동식 메모리 칩)는 데이터, 컴퓨터 프로그램 또는 기타 명령을 컴퓨터 시스템 내에 적재하기 위해 저장하는 데 사용할 수 있다.

본 발명이 소프트웨어를 사용하여 구현되는 실시 예에서, 소프트웨어는 컴퓨터 프로그램 제품에 저장될 수 있고 착탈식 저장 드라이브, 메모리 칩 또는 통신 인터페이스를 사용하여 컴퓨터 시스템 내에 적재될 수 있다. 제어 로직(소프트웨어)은 제어 프로세서에 의해 실행될 때 제어 프로세서가 본 명세서에 기술된 바와 같은 본 발명의 특정 기능을 수행하게 한다.

상기 설명되고 관련 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명은 샘플의 특정 원자 층을 검사하기 위한 전자 분광 측정 기술 및 관련 방법을 제공한다. 그러나 때때로 이종 구조 내에 훨씬 더 깊이 묻혀 있는 구조 체계(regimes)에 대한 전기적 정보를 제공할 수 있다. 본 발명의 특정 실시 예가 설명되었지만, 특히 전술한 교시에 비추어 당업자에 의해 수정이 이루어질 수 있기 때문에 본 발명이 이에 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명은 청구항의 범위를 모두 벗어나지 않으면서 전술한 것 중 하나 이상의 기술을 채용하여 매우 다양한 방식으로 수행될 수 있다

Claims

샘플을 측정하기 위한 측정 시스템으로서,
다른 유형의 여기를 생성하는 복수의 여기 소스를 포함하는 여기 시스템으로서, 고 에너지 방사선을 생성하는 고 에너지 방사선 소스 및 다음 중 적어도 하나를 포함함: 적어도 하나의 광폭 빔을 생성하는 적어도 하나의 비교적 저 에너지 입자 소스; 집속 전자 빔의 형태로 e-방사선을 생성하는 적어도 하나의 전자 빔 소스; 하나 이상의 광학 빔을 포함하는 조명을 생성하는 광원; 및 샘플에 바이어스 전압을 제공하는 적어도 하나의 전원;
상기 여기 소스의 각각의 수와 관련된 미리 결정된 수의 변조기를 포함하여, 여기 수 각각이 미리 결정된 방식으로 변조되도록 하는 신호 변조 시스템;
적어도 하나의 전자 분광계를 포함하고, 상기 사전에 결정된 수의 변조된 여기를 포함하는 다수의 여기에 대한 샘플의 적어도 한 영역의 유효 응답을 검출하고 상기 검출된 유효 응답을 나타내는 측정된 데이터를 생성하도록 구성되며 작동 가능한 검출 시스템 - 이는 샘플의 적어도 상기 영역의 전기적 상태의 변조된 변화를 나타냄 -;
측정된 데이터를 처리하고 상기 적어도 샘플 영역의 파라미터/조건 중 하나 이상을 결정하기 위해 검출기와 신호 통신하도록 구성된 제어 유닛을 포함하는, 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 고 에너지 방사선 소스는 샘플의 표면 영역을 조사하고 그로부터 전자 방출을 유발하도록 구성 및 작동 가능한 X선 소스 및 전자 빔 소스 중 적어도 하나를 포함하는, 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 비교적 저 에너지 입자 소스는 전자 빔 소스 및 이온 빔 소스 중 적어도 하나를 포함하는, 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어 유닛은 여기 시스템 및 변조 시스템을 작동시켜서 고 에너지 방사선에 의해 샘플의 적어도 일부를 동시에 여기 시키고 상기 적어도 일부 내의 적어도 하나의 스폿을 집속된 전자 빔과 집속된 조명 중 하나 또는 둘 모두에 의해 여기 시키는, 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어 유닛은 상기 적어도 2개의 변조된 빔을 생성하는 데 사용되는 변조 데이터를 활용하고 측정된 데이터를 복조하여 샘플에 대한 정보를 그로부터 추출하도록 구성 및 작동 가능한, 측정 시스템.
제3항에 있어서, 상기 제어 유닛은 측정된 데이터를 복조하여 샘플의 여기 위치와 관련된 데이터를 그로부터 추출하도록 구성 및 작동 가능한, 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 변조 시스템은 적어도 하나의 여기 신호를 변조하도록 구성되고 작동 가능하며, 검출된 유효 응답은 적어도 상기 샘플 영역의 다음 속성: 리드의 전도 무 결성; 일 함수; 결합된 광학 및 전기 측정 결과 중 하나 이상을 나타내는, 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 변조 시스템은 적어도 2개의 여기 신호를 변조하도록 구성 및 작동 가능하며, 상기 검출된 유효 응답은 적어도 상기 샘플 영역의 다음 속성: IV 및 V-V 특성; 수직 및/또는 측면 분해 정전기 전위; 상기 영역의 작은 스폿에 대한 화학 분석 결과; 소자 요소의 소프트 브레이크다운 중 하나 이상을 나타내는, 측정 시스템.
제1항에 있어서, 변조될 때 상기 광폭 빔은 다음 변조: 특정 주파수에서의 전류 진폭 변조; 특정 주파수에서 랜딩 에너지 변조 중 하나 이상을 갖는, 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 조명은 변조될 때 선택된 파장 주위의 파장 변조, 편광 변조, 진폭 변조, 시간 주파수 변조 중 적어도 하나를 갖는 적어도 하나의 광학 빔을 포함하는, 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 광학 광원 시스템은 파장, 진폭, 편광, 시간 주파수 중 적어도 하나의 파라미터에서 서로 다른 2개 이상의 광학 빔의 형태로 조명을 생성하도록 구성 및 작동 가능한, 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 전원은 미리 결정된 시간 함수에 따라 변조된 바이어싱 전압을 생성하도록 상기 변조기에 의해 작동 가능한, 측정 시스템.
제1항에 있어서, 전자 소스는 고 에너지 방사선에 의해 여기된 샘플의 표면 부분을 포함하거나 적어도 부분적으로 교차하는 샘플의 영역을 여기 시키기 위한 변조된 집속 전자 빔을 생성하도록 변조기에 의해 구성되고 작동 가능한, 측정 시스템.
제4항에 있어서, 상기 조명은 샘플의 상기 부분 내에서 스폿을 주기적으로 여기 시키도록 변조되는, 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 여기 시스템 및 변조 시스템은 샘플의 제1 및 제2 원거리 영역을 여기 시키기 위한 제1 및 제2 집속 빔을 생성하도록 구성되고 작동 가능하며, 상기 제1 및 제2 빔 중 적어도 하나는 변조되고, 제1 및 제2 스폿 중 하나는 포함되거나 적어도 부분적으로 고 에너지 방사선에 의해 여기된 샘플의 표면 부분과 교차하는, 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 여기 시스템 및 변조 시스템은 여기 신호의 다중 파라미터변조를 제공하도록 구성되고 제어 가능하게 작동되어, 화학 조성 및/또는 샘플의 전기적 특성에 대한 2 차원 또는 3차원 맵을 결정하도록 하는, 측정 시스템.
제1항에 있어서, 여기 시스템 및 변조 시스템은 고 에너지 방사선 및 광폭 하전 입자 빔 중 하나 또는 둘 모두에 의해 여기된 샘플의, 비교적 큰 부분 내에 전자 빔 및 조명 중 적어도 하나를 포함하는 변조된 집속 여기에 의해 샘플의 비교적 작은 영역을 여기시키도록 구성 및 작동 가능하며, 상대적으로 작은 영역의 유효 전압의 수정을 유도하고 샘플의 검출된 유효 응답에서 상기 영역의 기여도를 추출할 수 있게 하는, 측정 시스템.
제1항에 있어서, 샘플 내에서 선택된 도메인의 화학적 및/또는 전기적 특성을 측정하도록 구성 및 작동 가능하며, 상기 여기는 상이한 유형의 여기의 위상 차 및 변조 주파수의 조합에 의해 형성된 인가된 여기의 패턴을 포함하여, 상기 선택된 도메인을 나타내는 샘플 특성 X-선 광전자 분광법(XPS) 라인 시프트의 유효 응답으로부터 추출할 수 있도록 하는, 측정 시스템.
제18항에 있어서, 상이한 유형의 여기의 상기 위상 차 및 변조 주파수의 조합이 고 에너지 방사선으로 샘플의 여기와 동시에 샘플을 여기 시키면서 반대 방향으로 점진적으로 변화하는 바이어스 전압 및 광폭 빔 e-방사선을 포함하는, 측정 시스템.
제18항에 있어서, 변조된 조명 및 변조된 집속 e-방사선 중 하나 또는 둘 모두를 적용함으로써, 상기 샘플의 도메인의 측면 스캔을 수행하도록 구성 및 작동 가능한, 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 검출 시스템은 상기 센서 요소 어레이 내의 상기 센서 요소의 상대적인 위치에 기초하여 특정 운동 에너지로 샘플로부터 방출된 전자의 양을 나타내는 측정된 데이터 피이스를 생성하도록 각각 구성된 센서 요소 어레이를 포함 검출기를 포함하는, 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 검출 시스템은 다중 여기에 대한 샘플의 광학적 반응을 검출하기 위한 광학 검출기를 포함하는, 측정 시스템.
제1항에 있어서, 조명기 및 샘플의 광학적 측정을 수행하도록 구성 및 작동 가능한 광학 검출기를 포함하는, 측정 시스템.
제23항에 있어서, 상기 조명기는 상기 여기 조명을 생성하기 위한 상기 광원 유닛을 포함하는, 측정 시스템.
샘플의 하나 이상의 파라미터를 측정하기 위한 측정 시스템으로서,
측정 중인 샘플의 적어도 일부에 적용되는 상이한 유형의 다수의 여기 신호의 단일- 또는 다중-파라미터 변조를 포함하는 결합된 여기 방사선을 생성하도록 구성 및 작동 가능한 여기 시스템 - 상기 조합된 여기 방사선에 대한 상기 샘플의 적어도 일부의 전자 방출 응답을 유도하도록 함-;
상기 샘플의 적어도 일부의 전자 방출 응답을 검출하고 상기 샘플의 적어도 일부의 전기적 상태의 변조된 변화를 나타내는 측정 데이터를 생성하여 샘플의 하나 이상의 파라미터를 상기 측정 데이터로부터 결정할 수 있게 하는 검출 시스템을 포함하는, 측정 시스템.
제1항에 있어서, 전자 방출 응답은 샘플의 결합된 여기에 의해 유도된 샘플로부터의 2차 전자 방출 및 상기 결합된 여기에 의해 여기되는 샘플의 전기 파라미터의 감지 가능한 변화를 나타내는, 측정 시스템.
샘플의 파라미터 측정 방법으로서,
샘플에 대해 적어도 하나의 측정 세션을 수행하고 적어도 하나의 대응하는 측정 데이터를 획득하는 단계 - 여기서 측정 세션을 수행하는 단계는 다음을 포함함:
각각 미리 결정된 변조 프로파일을 갖는 미리 결정된 수의 여기를 포함하는 상이한 타입의 다중 여기에 의해 상기 샘플의 적어도 일부를 여기 시킴, 상기 다중 여기는 고 에너지 방사선, 그리고 다음 중 하나 이상을 포함함: 상대적으로 낮은 에너지의 이온 빔, 적어도 하나의 광폭 전자 빔을 포함하는 e-방사선, 적어도 하나의 집속된 전자 빔을 포함하는 e-방사선, 하나 이상의 광선 및 바이어스 전압을 포함하는 조명 -;
상기 샘플의 적어도 일부의 적어도 전자 방출 분광법을 포함하는 상기 다중 여기에 대한 상기 샘플의 적어도 일부의 결합된 유효 응답을 검출하는 단계; 그리고
검출된 조합된 유효 응답을 나타내는 측정 데이터를 생성하는 단계,
측정된 데이터를 처리하고 샘플의 적어도 일부 내에서 샘플의 하나 이상의 매개변수를 결정하는 단계를 포함하는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제27항에 있어서, 고 에너지 방사선이 X선 방사선 또는 전자빔 방사선을 포함하는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제27항에 있어서, 상대적으로 낮은 에너지 입자의 상기 적어도 하나의 광폭 빔은 전자 빔 및 이온 빔 중 적어도 하나를 포함하는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제27항에 있어서, 고 에너지 방사선에 의해 샘플의 적어도 일부를 동시에 여기 시키고 상기 적어도 일부 내의 적어도 하나의 스폿을 집속된 전자 빔과 조명 중 하나 또는 둘 모두에 의해 여기 시키는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제27항에 있어서, 상기 처리가 사전에 결정된 수의 변조된 빔을 생성하는 데 사용되는 변조 데이터를 활용하고 샘플에 대한 정보를 그로부터 추출하도록 측정된 데이터를 복조 하는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제31항에 있어서, 상기 처리가 샘플의 여기 위치와 관련된 데이터를 그로부터 추출하도록 측정된 데이터를 복조함을 포함하는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제27항에 있어서, 적어도 하나의 여기 신호가 변조되고, 검출된 유효 응답은 적어도 상기 샘플 영역의 다음 속성: 리드의 전도 무 결성; 일 함수; 결합된 광학 및 전기 측정 결과 중 하나 이상을 나타내는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제27항에 있어서, 적어도 2개의 여기 신호가 변조되고, 상기 검출된 유효 응답은 적어도 상기 샘플 영역의 다음 속성: IV 및 V-V 특성; 수직 및/또는 측면 분해 정전기 전위; 상기 영역의 작은 스폿에 대한 화학 분석 결과; 소자 요소의 소프트 브레이크다운 중 하나 이상을 나타내는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제27항에 있어서, 상기 광폭 빔은 다음 변조: 특정 주파수에서의 전류 진폭 변조; 특정 주파수에서 랜딩 에너지 변조 중 하나 이상을 갖는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제27항에 있어서, 상기 조명은 파장 변조, 편광 변조, 진폭 변조, 시간 주파수 변조 중 적어도 하나를 갖는 적어도 하나의 광학 빔을 포함하는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제27항에 있어서, 상기 조명이 파장, 진폭, 편광, 시간 주파수 또는 위상 중 적어도 하나의 파라미터에서 서로 다른 2개 이상의 광학 빔의 형태인, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제27항에 있어서, 상기 전원은 미리 결정된 시간 함수에 따라 바이어싱 전압 변조를 포함하는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제27항에 있어서, 전자 빔 또는 집속 광 빔인 적어도 하나의 변조된 빔이, 고 에너지 방사선 빔에 의해 여기된 샘플의 표면 부분을 포함하거나 적어도 부분적으로 교차하는 샘플의 적어도 하나의 영역을 여기 시키는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제39항에 있어서, 전자빔 또는 집속 광 빔인 적어도 하나의 변조된 빔이, 고 에너지 방사선 빔에 의해 여기된 샘플의 상기 표면 부분 외부에 위치한 샘플의 적어도 하나의 추가 영역을 여기시키는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제27항에 있어서, 상기 조명은 샘플의 상기 부분 내에서 스폿을 주기적으로 여기 시키도록 변조되는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제27항에 있어서, 상기 여기가 샘플의 제1 및 제2 원거리 영역을 여기 시키기 위한 제1 및 제2 집속 빔을 포함하고, 상기 제1 및 제2 빔 중 적어도 하나는 변조되고, 제1 및 제2 스폿 중 하나는 포함되거나 적어도 부분적으로 고 에너지 방사선 빔에 의해 여기된 샘플의 표면 부분과 교차하는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제27항에 있어서, 상기 여기가 여기 신호의 다중 파라미터변조를 포함하여, 화학 조성 및/또는 샘플의 전기적 특성에 대한 2 차원 또는 3차원 맵을 결정하도록 하는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제27항에 있어서, 상기 하나의 측정 세션이 고 에너지 방사선 및 광폭 하전 입자 빔 중 하나 또는 둘 모두에 의해 여기된 샘플의, 비교적 큰 부분 내에 전자 빔 및 조명 중 적어도 하나를 포함하는 변조된 집속 여기에 의해 샘플의 비교적 작은 영역을 여기 시킴을 포함하며, 상대적으로 작은 영역의 유효 전압의 수정을 유도하고 샘플의 검출된 유효 응답에서 상기 영역의 기여도를 추출할 수 있게 하는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제27항에 있어서, 샘플 내에서 선택된 도메인의 화학적 및/또는 전기적 특성을 측정함을 포함하며, 상기 여기는 상이한 유형의 여기의 위상 차 및 변조 주파수의 조합에 의해 형성된 인가된 여기의 패턴을 포함하여, 상기 선택된 도메인을 나타내는 샘플 특성 X-선 광전자 분광법(XPS) 라인 시프트의 유효 응답으로부터 추출할 수 있도록 하는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제45항에 있어서, 상이한 유형의 여기의 상기 위상 차 및 변조 주파수의 조합이 고 에너지 방사선으로 샘플의 여기와 동시에 샘플을 여기 시키면서 반대 방향으로 점진적으로 변화하는 바이어스 전압 및 광폭 빔 e-방사선을 포함하는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제46항에 있어서, 측정 세션이 변조된 조명 및 변조된 집속 e-방사선 중 하나 또는 둘 모두를 적용함으로써, 상기 샘플의 도메인의 측면 스캔을 수행함을 포함하는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제27항에 있어서, 상기 검출이 상기 센서 요소 어레이 내의 상기 센서 요소의 상대적인 위치에 기초하여 특정 운동 에너지로 샘플로부터 방출된 전자의 양을 나타내는 측정된 데이터 피이스를 생성하도록 각각 구성된 센서 요소 어레이를 사용하는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제27항에 있어서, 상기 검출 단계가 다중 여기에 대한 샘플의 광학적 반응을 검출함을 더욱 포함하는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제27항에 있어서, 샘플의 광학적 측정을 수행함을 더욱 포함하는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제27항에 있어서, 서로 다른 유형의 상기 다중 여기의 조합에 의해 서로 상이한 샘플에 대한 2개 이상의 측정 세션을 순차적으로 수행하고, 각각의 2개 이상의 대응하는 측정 데이터를 획득하며, 각각이 검출된 결합된 유효 반응을 나타내는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제27항에 있어서, 상기 샘플은 집적 회로 구조를 포함하는, 방법.
제52항에 있어서, 상기 집적 회로 구조는 고 유전율 유전체 층을 포함하는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제27항에 있어서, 상기 샘플은 반도체 웨이퍼를 포함하는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제27항에 있어서, 상기 샘플은 패턴화된 구조를 포함하는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제55항에 있어서, 상기 패터닝된 구조는 메모리 셀의 어레이를 정의하는, 샘플의 파라미터 측정 방법.
제55항에 있어서, 상기 패터닝된 구조는 로직 IC의 트랜지스터 어레이를 정의하는, 샘플의 파라미터 측정 방법.