KR20230148710A - 반도체 소자 검사 계측 장치 및 방법 - Google Patents

반도체 소자 검사 계측 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 기술적 사상은 계측 대상이 배치되도록 구성된 스테이지; 상기 계측 대상에 반사된 반사광으로부터 스펙트럴 이미지를 검출하도록 구성된 검출부; 및 상기 검출부에서 검출된 스펙트럴 이미지를 이용하여 스펙트럴 매트릭스를 생성하는 처리부;를 포함하고, 상기 검출부는 TDI 방식으로 상기 스펙트럴 이미지를 검출하도록 구성된 TDI 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 검사 계측 장치를 제공한다.

Description

반도체 소자 검사 계측 장치 및 방법{Apparatus and method for inspecting and measuring semiconductor device}
본 발명의 기술적 사상은 반도체 소자 검사 계측 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 스펙트럴 이미지를 이용한 반도체 소자 검사 계측 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 소자는 웨이퍼를 이용하여 제조되며, 수백 개의 제조 공정을 거치면서 제조된다. 따라서, 웨이퍼 상에 여러 반도체 소자 제조 공정을 수행한 후에, 제조 공정의 결과물을 빠른 시간 안에 검사 또는 계측할 필요가 있다.
반도체 제조 공정의 고집적화가 이루어짐에 따라 반도체 미세 패턴이나 복잡한 구조들에 대한 3차원 프로파일 측정 기술이 개발되고 있다. 최근 메모리 및 로직 제품의 경우 20nm 이하의 선폭을 가지는 미세 공정 기술을 이용하여 웨이퍼가 제작되고 있으며, 웨이퍼 수율 및 품질 향상을 위하여 고속 미세 패턴 공정 모니터링 기술이 요구되고 있다. 공정 불량 검사 및 프로파일 측정 기술은 크게 광학적인 방법과 전자빔을 이용한 방법으로 나뉘어 있으며, 검사 속도 면에서 광학적인 방법이 선호되고 있다.
본 발명의 기술적 과제는, 계측 정밀도 및 검사 속도를 향상시키고, 처리율을 향상시키는 반도체 소자 검사 계측 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 기술적 사상은 계측 대상이 배치되도록 구성된 스테이지; 상기 계측 대상에 반사된 반사광으로부터 스펙트럴 이미지를 검출하도록 구성된 검출부; 및 상기 검출부에서 검출된 스펙트럴 이미지를 이용하여 스펙트럴 매트릭스를 생성하는 처리부;를 포함하고, 상기 검출부는 TDI(time delayed integration) 방식으로 상기 스펙트럴 이미지를 검출하도록 구성된 TDI 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 검사 계측 장치를 제공한다.
상술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 기술적 사상은 계측 대상이 배치되도록 구성된 스테이지; 광대역(broadband)의 입사광을 생성하여 출력하도록 구성된 광원부; 상기 입사광의 편광 특성을 변화시키도록 구성된 제1 편광자부; 상기 입사광을 투과시킴과 아울러, 상기 입사광이 상기 계측 대상의 표면에서 반사된 반사광을 투과시키는 대물 렌즈; 상기 반사광의 편광 특성을 변화시키도록 구성된 제2 편광자부; 상기 반사광으로부터 스펙트럴 이미지를 검출하도록 구성된 검출부; 상기 대물 렌즈의 사출동을 상기 검출부 상에 결상시키는 집광 광학계; 상기 검출부에서 검출된 복수의 스펙트럴 이미지를 이용하여 스펙트럴 매트릭스를 생성하는 처리부;를 포함하고, 상기 스테이지는 수평 방향으로 이동하도록 구성되며, 상기 검출부는, TDI 방식으로 스펙트럴 이미지를 검출하도록 구성된 TDI 센서, 및 상기 TDI 센서 상에 배치되며, 상기 검출부가 특정한 파장 대역을 검출하도록 구성된 복수의 파장 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 검사 계측 장치를 제공한다.
상술한 과제를 해결하기 위해, 계측 대상을 제공하는 단계; 상기 계측 대상에 반사된 반사광으로부터 복수의 스펙트럴 이미지를 추출하는 단계; 상기 복수의 스펙트럴 이미지를 이용하여, 스펙트럴 매트릭스를 생성하는 단계; 상기 계측 대상의 적어도 하나의 케어 영역(care area)을 판별하는 단계; 및 상기 케어 영역을 검사하는 단계;를 포함하고, 상기 복수의 스펙트럴 이미지를 추출하는 단계는 TDI 방식을 이용하 이용하며, 상기 복수의 스펙트럴 이미지를 이용하여, 상기 계측 대상의 불량을 검사하고, 구조를 계측하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 검사 계측 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 반도체 소자 검사 계측 장치 및 방법은 넓은 파장 대역을 갖는 광원에 의한 계측에서, 스펙트럴 이미지를 신속하게 생성할 수 있다. 또한, 측정하고자 하는 측정 변수 값에 가장 민감하게 반응하는 파장 대역을 추출할 수 있다.
이에 따라, 반도체 소자에 대한 검사에서, 다양한 파장 대역에서 획득된 스펙트럴 이미지를 분석하여 측정하고자 하는 측정 변수 값에 가장 민감하게 반응하는 파장 대역을 추출할 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 기술적 사상에 의한 반도체 소자 검사 계측 장치 및 방법은 반도체 소자의 제조 수율과 생산성 향상에 기여하고, 반도체 소자의 비용 절감에도 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 검사 계측 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 검사 계측 장치를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 검출부의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 검사 계측 장치에서 이용하는 TDI(Time Delayed Integration) 스캔 방식을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장에 대한 스펙트럴 이미지를 나타내는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트럴 매트릭스를 나타내는 개념도이다.
도 7은 하나의 픽셀에 따른 스펙트럴 이미지들의 반사광의 파장에 따른 광량의 변화를 나타내는 스펙트럼을 나타내는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 검사 계측 장치를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 검사 계측 장치를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 분석 장치를 나타내는 블록 구성도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 샘플에 대한 스펙트럴 이미지 큐브 생성 방법을 나타내는 순서도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자 검사 계측 방법을 나타내는 순서도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자 검사 계측 방법을 나타내는 순서도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 주성분 분석 알고리즘을 설명하기 위한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 상관도 분석 알고리즘을 설명하기 위한 그래프이다.
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 검사 계측 장치의 효과를 설명하는 도면들이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼의 측정 영역별로 파장에 따른 광량을 나타내는 도면이다.
도 18a 내지 도 18c는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 검사 계측 장치의 효과를 설명하는 도면들이다.
도 19a 내지 도 19d는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 검사 계측 방법을 나타내는 도면들이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 검사 계측 장치를 설명하기 위한 개념도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 검사 계측 장치를 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 검출부의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예의 반도체 소자 검사 계측 장치(1)는 스테이지(90), 조명 광학계(110), 집광 광학계(120), 이미지 렌즈(123), 검출부(140) 및 처리부(200)를 포함할 수 있다. 반도체 소자 검사 계측 장치(1)는, 웨이퍼(80)에서 반사된 반사광(R)을 수광하여, 스펙트럴 이미지(도 5의 20)를 취득할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 검사 계측 장치(1)는 스펙트럴 이미지 센싱(spectral image sensing) 방법을 이용하여 웨이퍼(80)를 검사할 수 있다. 먼저, 광원(111)에서 웨이퍼(80) 상의 측정 영역(82)으로 입사광(L)을 조사한다. 웨이퍼(80) 상에는 제조 공정이 수행되어 복수 개의 영역들, 예컨대 칩 영역들(84)이 형성되어 있을 수 있다. 측정 영역(82)은 입사광(L)을 조사하는 범위에 따라 하나의 칩 영역(84)일 수 도 있고, 복수 개의 칩 영역들(84)일 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 측정 영역(82)은 하나 이상의 셀 영역일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 검사 계측 장치(1)는 복수의 포지션에 대한 스펙트럴 이미지를 한번에 측정할 수 있다.
웨이퍼(80)에 조사된 입사광(L)은 웨이퍼(80) 상의 측정 영역(82)에서 반사되고, 측정 영역(82)에서 반사된 반사광(R)은 검출부(detector, 140)로 입사될 수 있다. 검출부(140)는 예를 들어, 스펙트럴 이미징 카메라(spectral imaging camera)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 검출부(140)는 TDI(time delayed integration) 스캔 방식을 이용한 스펙트럴 이미지 카메라를 포함할 수 있다. TDI 스캔 방식은 도 4에서 자세히 서술하겠다. 검출부(140)는 입사된 반사광(R)으로부터 스펙트럴 이미지(spectral image)를 검출할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 도 5 내지 도 7에서 서술하도록 한다.
웨이퍼(80)는 측정 영역(82)을 포함할 수 있다. 웨이퍼(80)는 예를 들어, 반도체(semiconductor) 기판일 수 있다. 이러한 기판은 실리콘, 스트레인 실리콘(strained Si), 실리콘 합금, 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘 게르마늄(SiGe), 실리콘 게르마늄 카바이드(SiGeC), 게르마늄, 게르마늄 합금, 갈륨 아세나이드(GaAs), 인듐 아세나이드(InAs) 및 III-V 반도체, II-VI 반도체 중 하나, 이들의 조합물, 이들의 적층물을 포함할 수 있다. 또한, 웨이퍼(80)는 필요에 따라서 반도체 기판이 아닌 유기(organic) 플라스틱 기판일 수도 있다. 웨이퍼(80)는 스테이지(90) 상에 위치할 수 있다.
스테이지(90)는 웨이퍼(80)를 지지할 수 있다. 스테이지(90)는 반도체 공정 중에 웨이퍼(80)의 위치를 고정시키거나, 웨이퍼(80)를 특정 위치로 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 스테이지(90)는 수평 방향(X 방향 및/또는 Y 방향)으로 움직일 수 있다. 즉, 스테이지(90)는 수평 방향(X 방향 및/또는 Y 방향)으로 웨이퍼(80)를 이동시킬 수 있다.
여기서, 본 실시예의 반도체 소자 검사 계측 장치(1)에 대한 설명의 편의를 위해, XYZ 직교좌표축계를 도입한다. 수직 방향(Z 방향)을 광축(C)으로 한다. 수직 방향(Z 방향)에 직교하며, 서로 직교하는 2개 방향을 수평 방향(X 방향 및/또는 Y 방향)으로 한다.
조명 광학계(110)는, 직선 편광을 포함하는 입사광(L)으로 시료를 조명할 수 있다. 상기 시료는 웨이퍼(80)일 수 있다. 조명 광학계(110)는 광원(111), 제1 렌즈부(112), 제1 편광자부(113), 빔 스플리터(114), 및 대물 렌즈(115)를 포함할 수 있다.
광원(111)은, 입사광(L)을 생성할 수 있다. 광원(111)이 생성하는 입사광(L)은, 광대역 파장의 광(broadband light)을 포함할 수 있다. 입사광(L)은, 예컨대, 백색광일 수 있다. 예를 들어, 광원(111)은 가시광선을 조사할 수 있다. 이때, 가시광선의 파장 범위는 약 400nm 내지 약 800nm일 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 광원(111)의 파장대역은 측정 대상물에 따라 가변될 수 있으며, 통상적으로 UV 대역으로부터 NIR 대역까지의 대역폭을 가질 수 있다. 광원(111)은 특정 파장의 광을 방출하거나, 여러 파장의 광을 동시에 방출할 수 있다. 그러나 광원(111)이 생성하는 입사광(L)이 백색광에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 입사광(L)은 특정 파장을 갖는 단색광, 또는 특정의 파장 폭을 갖는 광을 포함할 수 있다. 광원(111)은 웨이퍼(80) 상의 측정 영역(82)에 대한 감도가 광원(111)의 파장대마다 다르므로 여러 범위의 파장대를 사용할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 광원(111)에서 생성된 입사광(L)은, 제1 렌즈부(112)에 입사할 수 있다.
제1 렌즈부(112)는, 예컨대, 볼록 렌즈를 포함할 수 있다. 제1 렌즈부(112)는, 입사한 입사광(L)의 각도 분포를 변화시키며, 입사광(L)을 제1 편광자부(113)에 조사시킬 수 있다. 예컨대, 제1 렌즈부(112)는 광원(111)에서 출사한 입사광(L)을 평행광으로 변환할 수 있다. 또한, 제1 렌즈부(112)는 평행광으로 변환된 입사광(L)을 제1 편광자부(113)에 입사시킬 수 있다.
제1 편광자부(113)에는 광원(111)에서 생성된 입사광(L)이 입사될 수 있다. 제1 편광자부(113)는, 예컨대, 직선 편광을 생성하는 직선 편광자를 포함할 수 있다. 따라서, 제1 편광자부(113)는 일방향의 직선 편광을 포함하는 입사광(L)을 투과시킬 수 있다. 예컨대, 제1 편광자부(113)는, 편광 방향이 지면(紙面)에 대해 45° 기울어진 직선 편광의 입사광(L)을 빔 스플리터(114)로 출사할 수 있다.
빔 스플리터(114)는, 입사한 입사광(L)의 일부를 반사하고, 입사한 입사광(L)의 일부를 투과시킬 수 있다. 빔 스플리터(114)는, 입사한 입사광(L)의 일부가 대물 렌즈(115)를 향하도록 반사할 수 있다. 빔 스플리터(114)에서 반사된 입사광(L)은, 대물 렌즈(115)에 입사할 수 있다.
대물 렌즈(115)는, 직선 편광을 포함하는 입사광(L)으로 웨이퍼(80)를 조명할 수 있다. 대물 렌즈(115)는, 빔 스플리터(114)에서 반사된 입사광(L)을 점 형상으로 집광시켜 웨이퍼(80)를 조명할 수 있다. 대물 렌즈(115)는, 입사광(L)을 투과시킴과 아울러, 입사광(L)이 웨이퍼(80)의 측정면에서 반사된 반사광(R)을 투과시킬 수 있다. 본 실시예의 반도체 소자 검사 계측 장치(1)에서, 웨이퍼(80)에 입사하는 입사광(L)의 광축(C)과 웨이퍼(80)에서 반사된 반사광(R)의 광축(C)은, 웨이퍼(80)의 측정면에 대해 직교할 수 있다.
집광 광학계(120)는, 웨이퍼(80)에서 반사된 반사광(R)을 집광할 수 있다. 집광 광학계(120)는, 대물 렌즈(115), 빔 스플리터(114), 제2 편광자부(121), 제2 렌즈부(122) 및 이미지 렌즈(123)를 포함할 수 있다. 빔 스플리터(114) 및 대물 렌즈(115)는, 조명 광학계(110)의 부재이기도 하고, 집광 광학계(120)의 부재이기도 하다. 빔 스플리터(114)는, 입사한 반사광(R)의 일부를 투과시킬 수 있다. 예컨대, 빔 스플리터(114)를 투과한 반사광(R)은 제2 편광자부(121)에 입사할 수 있다. 대물 렌즈(115)는, 입사광(L)이 웨이퍼(80)에서 반사된 반사광(R)을 투과시켜 빔 스플리터(114)에 입사시킬 수 있다.
제2 편광자부(121)의 구성은 제1 편광자부(113)의 구성과 실질적으로 동일할 수 있다.
제2 렌즈부(122)는, 빔 스플리터(114) 및 제2 편광자부(121)를 투과한 반사광(R)을 집광시켜 이미지 렌즈(123)에 입사시킬 수 있다. 제2 렌즈부(122)는 예를 들어, 하부 릴레이 렌즈(122-1) 및 상부 릴레이 렌즈(122-2)를 포함할 수 있다.
이미지 렌즈(123)는 반사광(R)의 색수차를 조절할 수 있다. 이미지 렌즈(123)는 집광 광학계(120)와 검출부(140)의 사이에 배치될 수 있다. 이미지 렌즈(123)는 초점 거리(f)를 가지며, 상기 초점 거리는 이미지 렌즈(123)와 측정 샘플과의 거리에 반비례하고, 이미지 렌즈(123)와 검출부(140)와의 거리에 비례할 수 있다.
검출부(140)는 반사광(R)으로부터 스펙트럴 이미지(spectral image)를 검출할 수 있다. 예를 들어, 검출부(140)는 특정 파장에 대한 스펙트럴 이미지를 검출 할 수 있다. 검출부(140)는 반사광(R)을 감지할 수 있는 TDI 센서(142)를 포함할 수 있다. TDI 센서(142)에 입사되는 반사광(R)은 수직으로 입사될 수 있다. 또 다른 실시예에서, TDI 센서(142)에 입사되는 반사광(R)은 수직이 아닌 각도로 입사될 수 있다.
예를 들어, 상기 검출부(140)는 TDI 스펙트럴 이미지 카메라를 포함할 수 있다. TDI 스펙트럴 이미지 카메라는 신속하게 웨이퍼(80)의 스펙트럴 이미지를 검출할 수 있다. TDI 스펙트럴 이미지 카메라는 단일 촬영에 대해, 복수 개의 파장에 대한 이미지를 검출할 수 있다. 예를 들어, TDI 센서(142) 상에 파장 필터(144)가 배치될 수 있다. 상기 파장 필터(144)는 RGB 필터일 수 있다. 또한, 상기 파장 필터(144) 상에 포커싱 렌즈(146)가 배치될 수 있다. 포커싱 렌즈(146)는 반사광(R)을 제어하여, 상기 TDI 센서(142) 상에 반사광(R)이 맺히도록 제어할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 반도체 소자 검사 계측 장치(1)는 이미지 렌즈(123) 및 포커싱 렌즈(146) 중 어느 하나만 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 검출부(140)는 제1 파장, 제2 파장 및/또는 제3 파장 각각에 대응되는 제1 내지 제3 스펙트럴 이미지를 입력받을 수 있다. 상기 제1 파장, 제2 파장 및 제3 파장 각각은 파란색, 초록색 및 빨간색에 대응될 수 있다. 예를 들어, 제1 파장은 450nm 내지 490nm일 수 있고, 제2 파장은 495nm 내지 570nm일 수 있고, 및 제3 파장은 630nm 내지 750nm일 수 있다.
여기서는 예시적으로 검출부(140)가 3개의 서로 다른 파장을 검출하는 것을 예시적으로 설명하였지만, 검출부(140)가 검출하는 파장의 개수는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 검출부(140)는 두 개 또는 네 개 이상의 서로 다른 파장을 검출할 수 있다.
처리부(200)는 검출부(140)로부터 스펙트럴 이미지(도 5의 20)를 입력받을 수 있다. 처리부(200)는 입력받은 스펙트럴 이미지(도 5의 20)를 이용하여 스펙트럴 매트릭스(도 6의 30)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 처리부(200)는 검출부(140)로부터 제1 파장에 대응되는 제1 스펙트럴 이미지와, 상기 제1 파장과 다른 제2 파장에 대응되는 제2 스펙트럴 이미지를 입력받고, 상기 제1 및 제2 스펙트럴 이미지를 이용하여 스펙트럴 매트릭스(도 6의 30)를 생성할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 처리부(200)는 제1 처리 장치(210)와 제2 처리 장치(220)를 포함할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 도 2에서 처리부(200)는 제1 처리 장치(210)와 제2 처리 장치(220)를 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 제2 처리 장치(220)는 제1 처리 장치(210)와 분리되어 구성될 수도 있다.
제1 처리 장치(210)는 검출부(140)에서 검출된 상기 제1 및 제2 스펙트럴 이미지를 상기 스펙트럴 매트릭스(도 6의 30)로 변환하여 저장할 수 있다. 스펙트럴 매트릭스(도 6의 30)에 대한 자세한 설명은 후술하도록 한다. 제1 처리 장치(210)는 스펙트럴 매트릭스(도 6의 30)를 이용하여 각각의 픽셀에서 파장에 따른 광량(intensity)의 변화를 나타내는 스펙트럼(도 7의 40)을 생성할 수 있다. 제1 처리 장치(210)는 제2 처리 장치(220)와 연결될 수 있으며, 제2 처리 장치(220)의 요청이 있는 경우 스펙트럼(도 7의 40) 생성 동작을 수행할 수 있다. 제1 처리 장치(210)는 데이터 리드아웃 컴퓨터(Data readout computer)가 될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 제1 처리 장치(210)는 스펙트럴 매트릭스(도 6의 30)를 이용하여 각각의 픽셀에서 파장에 따른 광량의 비율(ratio)의 변화를 나타내는 스펙트럼(미도시)을 생성할 수 있다.
제2 처리 장치(220)는 제1 처리 장치(210)에서 생성된 스펙트럼(도 7의 40)을 분석하여, 측정 변수에 대한 최적 조건(optimal condition)의 파장 대역을 선택할 수 있다. 제2 처리 장치(220)는 데이터 분석기(data analyzer)일 수 있다. 제2 처리 장치(220)는 웨이퍼(80)의 검사 영역의 물리적인 파라미터들을 스펙트럼 데이터로부터 추출할 수 있다. 또한, 제2 처리 장치(220)는 복수 스펙트럼으로부터 프로파일 변화값을 추출하기 위한 상관도 분석 알고리즘 및 주성분 분석 알고리즘 등의 변수 분리 알고리즘을 수행할 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 후술하도록 한다.
반도체 소자 검사 계측 장치(1)가 측정할 수 있는 측정 변수에는 임계 치수(Critical Dimension), 패턴의 높이(height), 리세스(recess), 오버레이(overlay), 물성(material) 및/또는 결함(Defect) 등이 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 검사 계측 장치(1)는 측정하고자 하는 측정 변수에 가장 민감하게 반응하는 파장 대역을 찾을 수 있다. 반도체 소자 검사 계측 장치(1)는 측정 변수 별로 최적 조건의 파장 대역을 획득한 후, 측정 변수 모니터링에 활용함으로써, 측정 변수의 값의 변화 여부를 고속으로 확인할 수 있다.
일반적인 반도체 소자 검사 계측 장치는 검출부가 스펙트럴 카메라 및/또는 TDI 스펙트럴 카메라를 포함하지 않았다. 따라서, 일반적인 반도체 소자 검사 계측 장치가 웨이퍼에 대한 2차원 공간 스펙트럴 이미지를 형성하기 위해서, 반도체 소자 검사 계측 장치의 편광기 및/또는 미러들을 회전시켜 복수 번의 웨이퍼 촬영을 필요로 했다.
반면, 본 실시예의 반도체 소자 검사 계측 장치(1)는 검출부(140)가 스펙트럴 카메라 및/또는 TDI 스펙트럴 카메라를 포함하여, 반도체 소자 검사 계측 장치(1)의 편광계 및/또는 광학 장치들을 회전시키지 않고도, 2차원 공간 스펙트럴 이미지를 검출할 수 있다. 따라서, 상기 반도체 소자 검사 계측 장치(1)는 신속하게 2차원 공간 스펙트럴 이미지를 검출할 수 있다. 또한, 상기 반도체 소자 검사 계측 장치(1)는 TDI 방식의 카메라를 포함하여, 동일한 횟수의 시료 촬영에 대해, 더 많은 정보를 획득할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 검사 계측 장치에서 이용하는 TDI(Time Delayed Integration) 스캔 방식을 설명하기 위한 개념도로서, 설명의 편의상 검출부(140)와 검사 대상인 웨이퍼(80) 만을 도시한다.
도 4를 참조하면, TDI 스캔 방식이 도시된다. TDI 스캔 방식은 웨이퍼(80)가 멈춤이 없이 계속 이동하지만, 다수의 라인 형태의 픽셀을 포함하는 TDI 센서(142)를 이용하여, 소정 시간 간격을 가지고 패턴을 여러 장 촬영할 수 있다. TDI 센서(142)는 각각의 촬영을 통해 획득한 영상들을 중첩함으로써, 선명한 하나의 영상을 획득할 수 있다. 이러한 TDI 스캔 방식은 촬영시마다 동일한 패턴을 촬영하기 때문에 개체의 이동 속도에 맞춰 뒤의 픽셀 부분들이 앞의 라인 픽셀(Px) 부분들보다 조금 늦게 패턴을 촬영하며, "Time Delay"라는 이름은 이러한 특성에서 유래한다. TDI 스캔 방식은 동일한 패턴을 여러 번 촬영한 후 이를 중첩시켜 선명한 영상을 얻기 때문에, TDI 센서(142)의 촬영 속도와 검사 대상의 이동 속도를 동기화시키는 것이 중요할 수 있다. 여기서, 웨이퍼(80) 상의 화살표는 스캔 방향인 이동 방향(Xm)을 나타낸다. 또한, 하부 부분의 다수의 도면들은 복수의 라인 픽셀(Px)들이 포함된 촬영 영역에 패턴이 연속적으로 촬영되는 모습을 보여준다. 스테이지(90)의 수평 방향(X 방향 및 Y 방향) 이동에 의해 상기 웨이퍼(80)는 수평 방향(X 방향 및 Y 방향) 이동을 할 수 있다.
라인 스캔 CCD 센서의 경우 노출 시간이 짧으므로 높은 조도를 갖는 조명이 요구되며, 고속 애플리케이션에는 적용하기 힘들 수 있다. 그에 비해 TDI 센서(142)는 라인 스캔 CCD 센서보다는 낮은 조도를 지니는 조명을 이용할 수 있고, 라인 스캔 CCD 센서가 설치되기 힘든 고속 애플리케이션에도 적용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장에 대한 스펙트럴 이미지를 나타내는 개념도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트럴 매트릭스를 나타내는 개념도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 복수의 파장 별로 각각의 스펙트럴 이미지(20)가 측정될 수 있다. 스펙트럴 이미지(20)는 공간좌표 X(spatial X) 및 공간좌표Y(spatial Y)에 대한 데이터로 구성될 수 있다. 상기 파장에 대응되는 스펙트럴 이미지(20)들이 각각 측정될 수 있다. 예를 들어, n개의 파장(λ)에 대하여 n개의 스펙트럴 이미지(20)가 측정될 수 있다.
스펙트럴 매트릭스(30)는 복수의 스펙트럴 이미지(20)를 이용하여 처리부(200)에서 형성될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 검출부(140)에서 반사광(R)을 측정하여 검출부(140) 내에서 바로 얻어질 수 있고, 검출부(140)에서 출력된 스펙트럴 매트릭스(30)는 처리부(200)의 제1 처리 장치(210)에 저장될 수 있다.
스펙트럴 매트릭스(30)는 공간 영역(spatial area)과 스펙트럼 영역(spectrum area)의 픽셀 재배열(resampling) 과정을 통해 얻어지는 가상적인 스펙트럴 데이터 구조를 의미한다. 스펙트럴 매트릭스(30)는 스펙트럴 큐브(spectral cube)라 명명할 수 있다. 스펙트럴 매트릭스(30)는 도 5에 도시한 바와 같이 공간 좌표(Spatial Axes), 즉 공간좌표 X(spatial X), 공간좌표 Y(spatial Y)로 구성되고, 폭으로는 파장(λ)에 따른 복수 개의 스펙트럴 이미지(20)들로 구성될 수 있다. 즉, 스펙트럴 매트릭스(30)는 상기 측정 샘플의 픽셀 어레이에 대한 공간좌표 X 및 공간좌표 Y와, 파장 λ를 좌표축으로 갖는 스펙트럴 큐브(spectral cube) 형태의 데이터로 구성될 수 있다.
스펙트럴 매트릭스(30)는 좌표로 I(x, y, λ)로 명명될 수 있다. 스펙트럴 이미지(20)는 스펙트럴 도메인(Spectral Domain)으로 명명될 수 있다. 스펙트럴 매트릭스(30)는 검출부(140)에 포함된 광 센서의 FOV(Field Of View)에 의해 촬영된 각 측정 샘플(22)의 공간 좌표를 가진 스펙트럴 이미지들(20)과, 파장에 따른 각 측정 샘플(22)들의 스펙트럼을 포함할 수 있다. 즉, 스펙트럴 매트릭스(30)는 복수 개의 스펙트럴 이미지들(20)과, 스펙트럴 이미지들(20)의 개개 측정 샘플(22)에서 파장에 따른 광량 변화를 나타내는 스펙트럼을 포함할 수 있다.
상기 측정 샘플(22)은 복수의 픽셀을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 측정 샘플(22)의 픽셀 각각의 수평 폭은 약 40nm 이상일 수 있다. 상기 측정 샘플(22)에 반사된 반사광(R)의 광량은 상기 복수의 픽셀 각각에 반사된 반사광(R)의 광량의 대표값으로 정해질 수 있다. 상기 대표값은 상기 복수의 픽셀 각각에 반사된 반사광(R)의 광량의 평균값, 최빈값, 최고값, 최저값 및/또는 중간값을 포함할 수 있다.
도 7은 도 5에 도시된 화살표로 표시한 바와 같이 하나의 픽셀에 따른 스펙트럴 이미지(20)들의 반사광(R)의 파장에 따른 광량(intensity)의 변화를 나타내는 스펙트럼을 나타내는 개념도이다. 도 7에서 Y축은 광량을, Z축은 파장을 나타낸다.
도 2 내지 도 7을 참조하면, 제2 처리 장치(220)는 복수 스펙트럼으로부터 프로파일 변화값을 추출하기 위한 상관도 분석 알고리즘 및 주성분 분석 알고리즘 등의 변수 분리 알고리즘을 수행할 수 있다.
상관도 분석 알고리즘은 스펙트럴 매트릭스(30)에서 추출된 상기 스펙트럼(예를 들어, 도 15의 S1, S2)과 이상적인 스펙트럼 값(예를 들어, 도 15의 Sref) 사이의 유사도를 측정할 수 있다. 이상적인 스펙트럼 값(예를 들어, 도 15의 Sref)은 측정 샘플(도 2의 22)에 대하여 사용자가 미리 정해놓은 값에 해당한다. 즉, 측정 샘플(22)은 이상적인 스펙트럼 값(예를 들어, 도 15의 Sref)을 충족하도록 사용자에 의해 제작될 수 있다. 측정 샘플(22)은 측정하고자 하는 측정 변수에 따라 달라질 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 하나의 측정 샘플(22)로 복수의 측정 변수를 다룰 수 있다.
주성분 분석 알고리즘은 추출된 스펙트럼(40) 내에서 측정 변수의 변위가 가장 크게 나타나는 파장 대역을 우선하여 선정할 수 있다. 선택된 파장 대역에 대하여, 동일 조건에서 여러 측정 변수들이 최적의 민감도를 보일 경우, 조건을 미세하게 재조정하여 각 측정 변수들에 대한 독립적인 최종 조건을 선택할 수 있다.
선택된 최적 조건의 파장 대역을 이용하면, 다른 웨이퍼(80)들에 대한 스펙트럴 이미지를 측정하여 이미지 내에서 프로파일들의 각각의 측정 변수에 대한 로컬 산포 및 결함 등을 고속으로 검출할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 검사 계측 장치를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 8을 참조하면, 반도체 소자 검사 계측 장치(1a)는 웨이퍼(80), 스테이지(90), 조명 광학계(110), 집광 광학계(120), 이미지 렌즈(130), 검출부(140), 라이트 모니터(150) 및 처리부(200)를 포함할 수 있다. 반도체 소자 검사 계측 장치(1a)의 웨이퍼(80), 스테이지(90), 조명 광학계(110), 집광 광학계(120), 이미지 렌즈(130), 검출부(140), 및 처리부(200)는 도 2의 반도체 소자 검사 계측 장치(1)의 웨이퍼(80), 스테이지(90), 조명 광학계(110), 집광 광학계(120), 이미지 렌즈(130), 검출부(140), 및 처리부(200)와 실질적으로 동일할 수 있다. 따라서, 여기서는 라이트 모니터(150)에 대해서만 설명하겠다.
라이트 모니터(150)는 빔 스플리터(114)를 통과한 입사광(L)의 광량의 세기를 계산할 수 있다. 입사광(L)의 광량의 세기를 모니터링 하여, 라이트 모니터(150)는 광원(111)의 정상 작동 여부를 판별할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 검사 계측 장치를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 1 및 도 9를 참조하면, 반도체 소자 검사 계측 장치(1b)는 웨이퍼(80), 스테이지(90), 조명 광학계(110), 집광 광학계(120), 이미지 렌즈(130), 검출부(140), 분기부(160), 리뷰 카메라(170) 및 처리부(200)를 포함할 수 있다. 반도체 소자 검사 계측 장치(1b)의 웨이퍼(80), 스테이지(90), 조명 광학계(110), 집광 광학계(120), 이미지 렌즈(130), 검출부(140), 및 처리부(200)는 도 2의 반도체 소자 검사 계측 장치(1)의 웨이퍼(80), 스테이지(90), 조명 광학계(110), 집광 광학계(120), 이미지 렌즈(130), 검출부(140), 및 처리부(200)와 실질적으로 동일할 수 있다. 따라서, 여기서는 분기부(160) 및 리뷰 카메라(170)에 대해서만 설명하겠다.
분기부(160)는, 입사한 반사광(R)의 일부를 투과시킬 수 있다. 예컨대, 분기부(160)를 투과한 반사광(R)의 일부는 검출부(140)에 입사할 수 있고, 분기부(160)를 투과한 반사광(R)의 일부는 리뷰 카메라(170)에 입사할 수 있다. 분기부(160)는 검출부(140)와 집광 광학계(120)의 사이에 배치될 수 있다.
상기 리뷰 카메라(170)는 웨이퍼(80)의 측정 영역(82)을 관측자의 육안으로 식별할 수 있는 이미지를 제공할 수 있다. 상기 육안으로 식별할 수 있는 이미지는 리뷰 이미지라 칭할 수 있다. 따라서, 반도체 소자 검사 계측 장치(1b)는 스펙트럴 이미지와 리뷰 이미지를 동시에 제공할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 분석 장치를 나타내는 블록 구성도이다.
이하에서, 도 1 내지 도 9를 함께 참조하여 설명한다. 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 분석 장치(202)는 프로세서(230), 제1 저장부(240) 및 제2 저장부(250)를 포함한다.
프로세서(230)는 특정 계산들 또는 태스크(task)들을 수행할 수 있다. 여기서, 프로세서(230)에는 앞서 설명한 본 발명의 실시예들에 따른 제2 처리 장치(220)가 포함될 수 있다. 실시예에 따라, 프로세서(230)는 마이크로 프로세서 (micro-processor), 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU)일 수 있다.
프로세서(230)는 어드레스 버스(address bus), 제어 버스(control bus) 및 데이터 버스(data bus)를 통하여 제1 저장부(240) 및 제2 저장부(250)와 통신을 수행할 수 있다. 실시예에 따라, 프로세서(230)는 주변 구성요소 상호 연결(Peripheral Component Interconnect; PCI) 버스와 같은 확장 버스에도 연결될 수 있다.
제1 저장부(240)와 제2 저장부(250)는 데이터 분석 장치(202)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 제1 저장부(240)와 제2 저장부(250)는 DRAM, 모바일 DRAM, SRAM, PRAM, FRAM, RRAM 및/또는 MRAM으로 구현될 수 있다. 제1 저장부(240)와 제2 저장부(250)는 솔리드 스테이트 드라이브(Solid State Drive(SSD)), 하드 디스크 드라이브(Hard Disk Drive(HDD)), CD-ROM 등을 포함할 수 있다.
제1 저장부(240)는 입력 데이터를 제공받을 수 있다. 예를 들어, 제1 저장부(240)는 검출부(140)로부터 입력 데이터를 제공받을 수 있다. 상기 입력 데이터는 스펙트럴 매트릭스(30)를 포함할 수 있다. 상기 스펙트럴 매트릭스(30)는 제1 파장에 대응되는 제1 스펙트럴 이미지와, 상기 제1 파장과 다른 제2 파장에 대응되는 제2 스펙트럴 이미지 및 제3 파장에 대응되는 제3 스펙트럴 이미지를 이용하여 생성될 수 있다. 제1 저장부(240)는 상기 프로세서(230)를 이용하여 측정 변수에 대한 최적 조건의 파장 대역을 도출하는 데이터 분석 모듈이 저장될 수 있다.
상기 측정 변수에 대한 파장 대역을 도출하는 것은, 상기 스펙트럴 매트릭스(30)를 이용하여 각각의 픽셀에서 파장에 따른 광량의 변화를 나타내는 스펙트럼(40)을 도출하고, 상기 스펙트럼(40)을 이용하여, 상기 측정 변수에 대한 상기 최적 조건의 파장 대역을 선택하는 것을 포함할 수 있다.
측정 변수에 대한 최적 조건의 파장 대역을 선택하는 것은, 스펙트럴 매트릭스(30)에서 추출된 상기 스펙트럼(40)과 상기 측정 변수에 대하여 미리 정한 값 사이의 유사도를 측정하는 상관도 분석 알고리즘, 또는 상기 스펙트럼(40) 내에서 상기 측정 변수의 변위가 가장 크게 나타나는 상기 파장 대역을 선정하는 주성분 분석 알고리즘을 이용하여 상기 최적 조건의 파장 대역을 선택하는 것을 포함할 수 있다.
제2 저장부(250)는 상기 입력 데이터를 저장할 수 있다. 제2 저장부(250)에 저장된 입력 데이터는 제1 저장부(240)에 저장된 상기 데이터 분석 모듈에 제공될 수 있다. 데이터 분석 장치(202)는 검출부(140)를 포함하는 스펙트럴 검출부와 전기적으로 연결될 수 있다. 앞에서 설명한 데이터 분석 장치(202)의 데이터 분석 방법은 프로그램이 저장된 기록 매체에 저장될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 샘플에 대한 스펙트럴 이미지 큐브 생성 방법을 나타내는 순서도이다.
이하에서, 도 1 내지 도 10을 함께 참조하여 설명한다. 도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙트럴 이미지 큐브 생성 방법은 먼저, 측정 샘플(22)을 준비한다(S310). 상기 측정 샘플(22)은 측정 변수에 대해 미리 정한 값이 설정되어 있을 수 있다. 측정 변수는 임계 치수(critical dimension), 패턴의 높이(height), 리세스(recess), 오버레이(overlay), 물성(material) 및/또는 결함(defect) 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 측정 샘플(22)은 여러 개의 높이를 가지는 패턴으로 형성될 수 있으며, 사용자는 각 높이에 대한 정보(예를 들어, 스펙트럼)을 측정 전에 가지고 있을 수 있다.
이어서, 스펙트럴 이미지를 추출한다(S320). 구체적으로, 상기 반사광(R)으로부터 제1 파장에 대응되는 제1 스펙트럴 이미지, 상기 제1 파장과 다른 제2 파장에 대응되는 제2 스펙트럴 이미지 및 제3 파장에 대응되는 제3 스펙트럴 이미지를 추출할 수 있다.
이어서, 검출한 파장의 크기가 미리 정한 값 N보다 작은지 판단한다(S330). 예를 들어, 상기 N은 800nm일 수 있다.
만약, 파장의 크기가 미리 정한 값 N보다 큰 경우, 파장의 크기를 축소한 뒤, 또 다른 스펙트럴 이미지를 추출한다(S335).
이와 달리, 파장의 크기가 미리 정한 값 N보다 작은 경우, 측정된 스펙트럴 이미지를 이용하여 스펙트럴 매트릭스를 생성한다(S340). 이를 통해, N 이하의 범위에 해당하는 파장에 대응되는 스펙트럴 이미지를 추출할 수 있다.
또한, 상기 S310 단계 내지 S340 단계를 반복하여 스펙트럴 매트릭스를 형성할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자 검사 계측 방법을 나타내는 순서도이다.
이하에서, 도 1 내지 도 11을 함께 참조하여 설명한다. 도 12를 참조하면, 계측 대상을 준비한다(S410). 예를 들어, 계측 대상은 웨이퍼(80)일 수 있다. 이어서, 상기 계측 대상의 복수의 스펙트럴 이미지(20)를 추출한다(S420). 이어서, 상기 복수의 스펙트럴 이미지(20)를 이용하여 스펙트럴 매트릭스(30)를 생성한다(S430). S410 내지 S430 단계는 S310 내지 S340 단계와 실질적으로 동일하게 수행될 수 있다.
이어서, 스펙트럼 분석 알고리즘을 수행한다(S440). 스펙트럼 분석 알고리즘은 처리부(200) 또는 데이터 분석 장치(202)에서 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 스펙트럴 매트릭스(30)를 이용하여 각각의 픽셀에서 파장에 따른 광량의 변화를 나타내는 스펙트럼(40)을 생성한다. 상기 광량은 각각의 픽셀에서 파장에 따른 반사광(R)의 광량의 평균값, 최빈값, 최고값, 최저값 및/또는 중간값을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 복수의 파장에 따른 광량의 비율의 변화를 나타내는 스펙트럼(40)을 생성할 수 있다.
이어서, 케어 영역을 판별한다(S450). 주성분 분석 알고리즘 및 상관도 분석 알고리즘을 이용하여, 상기 스펙트럴 매트릭스(30)에서 추출된 스펙트럼(40)과 측정 변수에 대해 미리 정한 값(Sref)의 차이가 케어 영역 판별 임계값보다 큰 경우, 상기 웨이퍼(80)의 칩 영역들(84)이 배치된 영역을 케어 영역(도 19a의 CA)으로 판별할 수 있다.
이어서, 측정 변수에 대한 최적 조건의 파장 대역을 선택한다(S460). 특정 파장에 대한 민감도를 변화시켜, 상기 케어 영역(도 19a의 CA)에 대한 정밀한 측정을 진행할 수 있다. 즉, 특정 파장 영역대에 대한 케어 영역 검사 임계값을 변화시켜, 케어 영역(도 19a의 CA)에 대한 정밀한 측정을 진행할 수 있다.
이어서, 케어 영역에 대한 검사를 실시한다(S470). 예를 들어, 상기 케어 영역(도 19a의 CA)에 대한 검사는, 추출된 스펙트럼(40)의 파장 대역을 변경하면서 광량의 변화를 계측하며 진행될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 케어 영역(도 19a의 CA)에 대한 검사는, 추가로 웨이퍼(80)에 대해 복수의 스펙트럴 이미지(20)를 추출한 후, 스펙트럴 매트릭스(30)를 생성하고, 스펙트럼 분석 알고리즘을 수행하여 진행될 수 있다.
동일한 측정 변수에 대해, 각각의 케어 영역(도 19a의 CA)별로 상기 케어 영역 검사 임계값이 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 케어 영역 검사 임계값이 상대적으로 작은 영역은 위크 영역(weak region)일 수 있고, 상기 케어 영역 검사 임계값이 상대적으로 큰 영역은 스테이블 영역(stable region)일 수 있다. 즉, 위크 영역에 대해서는, 더 정밀한 검사가 이루어질 수 있다. 상기 위크 영역 및 상기 스테이블 영역은, 파장에 따른 광량 또는 복수의 파장에 따른 광량의 비율에 의해 정해질 수 있다.
주성분 분석 알고리즘을 이용하여, 스펙트럼(40)과 측정 변수에 대해 미리 정한 값(Sref)의 차이가 검사 임계값보다 큰 경우, 상기 웨이퍼(80)의 칩 영역들(84)이 배치된 영역에 결함이 있는 것으로 판단될 수 있다.
케어 영역 판별 임계값은 케어 영역(도 19a의 CA)을 판별할 때 사용될 수 있고, 케어 영역 검사 임계값은 케어 영역(도 19a의 CA)을 검사할 때 사용될 수 있다. 동일한 측정 변수에 대해, 케어 영역별로 케어 영역 판별 임계값은 상이할 수 있다. 또한, 동일한 측정 변수에 대해, 케어 영역(도 19a의 CA)별로 케어 영역 검사 임계값은 상이할 수 있다. 그리고, 동일한 측정 변수에 대해, 케어 영역 판별 임계값과 케어 영역 검사 임계값은 상이할 수 있다.
도 13는 도 12의 스펙트럼 분석 알고리즘의 수행 방법을 나타내는 순서도이다. 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 주성분 분석 알고리즘을 설명하기 위한 그래프이다. 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 상관도 분석 알고리즘을 설명하기 위한 그래프이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, S440 단계에서 스펙트럼 분석 알고리즘을 수행하는 것은, 주성분 분석 알고리즘을 수행하고(S442), 상관도 분석 알고리즘을 수행하는 것을 포함한다(S444). 도 13에서는 S442 단계와 S444 단계를 순차적으로 수행하는 것으로 도시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. S442 단계와 S444 단계의 수행 순서는 변경되거나, 또는 동시에 수행될 수도 있다.
도 14를 참조하면, 주성분 분석 알고리즘은 스펙트럼(40) 내에서 측정 변수의 변위가 가장 크게 나타나는 파장 대역을 선정하는데 이용될 수 있다. 도 14의 스펙트럼(40)은 여러 개의 피크값(C1 내지 C5)을 가질 수 있는데, 각각의 피크값은 측정 변수의 주성분을 나타낼 수 있다. 따라서, 주성분 분석 알고리즘은 스펙트럼(40)의 파장 대역에서 측정 변수가 가장 민감하게 반응하는 주성분이 어느 대역(Ra 내지 Re)에 위치하는지를 판단하여, 최적의 파장 대역을 선정할 수 있다.
도 5, 도 6 및 도 15를 참조하면, 상관도 분석 알고리즘은 스펙트럴 매트릭스(30)에서 추출된 스펙트럼과 측정 변수에 대해 미리 정한 값(Sref) 사이의 유사도를 측정할 수 있다. 각각의 측정 변수에 대하여 사용자는 미리 정해진 이상적인 스펙트럼 값(Sref)을 가지고 있다. 즉, 측정 샘플(22)은 이상적인 스펙트럼 값(Sref)을 충족하도록 사용자에 의해 제작될 수 있다. 또한, 측정 샘플(22)은 측정하고자 하는 측정 변수에 따라 달라질 수 있다.
따라서, 측정하고자 하는 측정 변수의 이상적인 스펙트럼 값(Sref)과, 스펙트럴 매트릭스(30)에서 추출된 스펙트럼(40)의 유사도를 비교하여, 측정 변수에 가장 민감하게 반응하는 스펙트럼(40)을 선정할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 특정 파장에 대한 민감도를 변화시켜, 일부 케어 영역(도 19a의 CA)에 대한 정밀한 측정을 진행할 수 있다. 즉, 특정 파장 영역대에 대한 임계값을 변화시켜, 일부 케어 영역(도 19a의 CA)에 대한 정밀한 측정을 진행할 수 있다.
즉, 본 실시예의 반도체 소자 검사 계측 방법은 스펙트럴 이미지(20) 및 스펙트럴 매트릭스(30)를 이용하여 케어 영역(도 19a의 CA)을 판별하고, 판별된 케어 영역(도 19a의 CA)에 대해 측정 값(예를 들어, 사용하는 파장 대역 및/또는 임계값) 등을 변경하며, 신속하고 정확하게 반도체 소자를 검사할 수 있다.
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 검사 계측 장치의 효과를 설명하는 도면들이다.
도 1, 도 16a 및 도 16b을 참조하면, 반도체 소자 검사 계측 장치(1)는 복수의 파장을 이용하여 결함을 효과적으로 검출할 수 있다. 도 16a 및 도 16b는 반도체 소자 검사 계측 장치(1)가 임의의 결함 두 종류를 포함하는 웨이퍼(80)의 측정 영역(82)을 세 개의 다른 파장으로 촬영한 결과를 도시한다.
도 16a를 참조하면, 반도체 소자 검사 계측 장치(1)는 λ1 및/또는 λ3의 파장으로 웨이퍼(80)의 측정 영역(82)을 촬영한 경우 결함(DF)을 검출할 수 있으나, 반도체 소자 검사 계측 장치(1)가 웨이퍼(80)의 측정 영역(82)을 λ2의 파장으로 촬영하는 경우, 결함(DF)을 검출할 수 없다.
도 16b를 참조하면, 반도체 소자 검사 계측 장치(1)는 λ1 및/또는 λ2의 파장으로 웨이퍼(80)의 측정 영역(82)을 촬영한 경우 결함(DF)을 검출할 수 있으나, 반도체 소자 검사 계측 장치(1)가 웨이퍼(80)의 측정 영역(82)을 λ3의 파장으로 촬영하는 경우, 결함(DF)을 검출할 수 없다. 따라서, 반도체 소자 검사 계측 장치(1)는 복수의 파장을 이용하여 웨이퍼(80)를 촬영하는 경우, 다양한 종류의 결함을 효과적으로 검출할 수 있다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼의 측정 영역별로 파장에 따른 광량을 나타내는 도면이다. 도 18a 내지 도 18c는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 검사 계측 장치의 효과를 설명하는 도면들이다.
도 1 및 도 17 내지 도 18c을 참조하면, 웨이퍼(80)는 복수 개의 측정 영역들(82)을 포함할 수 있고, 각 측정 영역(82) 별로 파장에 따른 광량이 측정될 수 있다. 여기서, 웨이퍼(80) 우측에 도시된 그래프는 각 측정 영역(82)에 대한 파장에 따른 광량을 나타낸다. 그래프의 가로축은 파장을 나타내고, 그래프의 세로축은 광량을 나타낸다. 그래프의 가로축과 그래프의 세로축은 임의 단위(arbitrary unit, 이하 a.u.)로 표시된다. 광량은 예를 들어, 반사율(reflectance)을 의미할 수 있다.
상기 파장에 따른 광량을 이용하여, 반도체 소자 검사 계측 장치(1)는 웨이퍼(80)의 구조를 계측할 수 있다. 구조 계측은 측정 대상의 구성 요소간의 정렬 여부를 효과적으로 검출하는 기법을 의미할 수 있다. 예를 들어, 구조 계측은 웨이퍼 패턴(80p)과 웨이퍼 패턴 라인(80pl)이 정렬되지 않는 경우를 효과적으로 검출 할 수 있다.
도 18a 내지 도 18c는 예시적으로, 웨이퍼 패턴(80p)과 웨이퍼 패턴 라인(80pl)의 정렬 상태를 이용하여, 반도체 소자 검사 계측 장치(1)의 효과를 서술한다. 웨이퍼 패턴(80p)의 중심과 웨이퍼 패턴 라인(80pl)의 중심이 일치하는 경우, 웨이퍼 패턴(80p)과 웨이퍼 패턴 라인(80pl)은 완벽하게 정렬(align)될 수 있다. 웨이퍼 패턴(80p)의 중심과 웨이퍼 패턴 라인(80pl)의 중심이 일치하지 않는 경우, 웨이퍼 패턴(80p)의 중심과 웨이퍼 패턴 라인(80pl)의 중심의 이격 정도에 따라 정렬도가 달라질 수 있다. 웨이퍼 패턴(80p)의 중심과 웨이퍼 패턴 라인(80pl)의 중심의 이격 정도가 클수록, 웨이퍼 패턴(80p)과 웨이퍼 패턴 라인(80pl)의 정렬되지 않은 정도가 커질 수 있다. 반대로, 웨이퍼 패턴(80p)의 중심과 웨이퍼 패턴 라인(80pl)의 중심의 이격 정도가 작아질수록, 웨이퍼 패턴(80p)과 웨이퍼 패턴 라인(80pl)의 정렬되지 않은 정도가 작아질 수 있다.
도 18a는 웨이퍼 패턴(80p)과 웨이퍼 패턴 라인(80pl)이 완벽하게 정렬(align)된 상태를 예시적으로 도시한다. 도 18b 및 도 18c는 웨이퍼 패턴(80p)과 웨이퍼 패턴 라인(80pl)이 정렬되지 않은(misalign) 상태를 예시적으로 도시한다. 도 18c의 웨이퍼 패턴(80p)과 웨이퍼 패턴 라인(80pl)은 도 18b의 웨이퍼 패턴(80p)과 웨이퍼 패턴 라인(80pl)에 비해 정렬되지 않은 정도가 더 클 수 있다.
상기 웨이퍼 패턴(80p)과 웨이퍼 패턴 라인(80pl)의 정렬 정도는, 각 측정 영역(82) 별로 파장에 따른 광량을 이용하여 계측할 수 있다. 상기 계측은 도 13에서 서술한 상관도 분석 알고리즘 및/또는 주성분 분석 알고리즘을 통해 이루어질 수 있다.
도 19a 내지 도 19d는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 검사 계측 방법을 나타내는 도면들이다.
도 1 및 도 19a 내지 도 19d를 참조하면, 스펙트럴 이미지(20)를 이용하여, 웨이퍼(80)의 복수의 측정 영역들(82) 상의 불량을 검사하고, 구조를 계측할 수 있다. 불량은 예를 들어, 반복적인 패턴 중 결함이 있는 경우를 의미할 수 있고, 구조 계측은 예를 들어, 측정 대상의 구성 요소간의 정렬 여부를 검출하는 것을 의미할 수 있다. 상기 불량은 도 16a 및 도 16b의 방식으로 복수의 파장을 이용하여 효과적으로 검출될 수 있다. 또한, 상기 구조는 도 17의 방식으로 파장별로 광량을 측정하여 효과적으로 계측될 수 있다. 도 19a 내지 도 19d에서, 불량이 있는 측정 영역들(82)을 각각 제1 내지 제3 케어 영역(CA1, CA2, CA3)라 칭할 수 있다.
스펙트럴 이미지(20)의 우측에 위치하는 도면 중, 상측에 위치하는 도면은 웨이퍼(80) 상에 불량이 검출된 위치를 나타내는 도면이고, 하측에 위치하는 도면은 웨이퍼(80)의 측정 영역(82) 별로 파장에 따른 광량을 나타내는 도면이다.
도 19a는 측정 영역(82) 별로 파장에 따른 광량을 정밀하게 측정하기 위하여, 불량이 검출된 위치를 제외하고, 파장에 따른 광량을 분석하는 그래프를 나타낸다. 불량이 검출된 위치 및/또는 상기 불량이 검출된 위치의 주변 영역이 제외되어, 측정 결과의 노이즈(noise)가 감소될 수 있다.
도 19b는 측정 영역(82) 별로 파장에 따른 광량을 정밀하게 측정하기 위하여, 케어 영역(CA) 간에 임계값을 변경하여 분석하는 도면을 나타낸다. 예를 들어, 제1 케어 영역(CA1)의 임계값은 상승시킬 수 있고, 제2 케어 영역(CA2)의 임계값은 하강시킬 수 있다. 따라서, 제1 케어 영역(CA1)은 민감도가 하강된 케어 영역(CA)이고, 제2 케어 영역(CA2)은 민감도가 상승된 케어 영역(CA)이다. 제1 케어 영역(CA1)의 민감도가 상승하여, 더 많은 불량들이 검출될 수 있다. 또한, 제2 케어 영역(CA2)의 민감도가 하강하여, 더 적은 불량들이 검출될 수 있다.
도 19c는 케어 영역(CA) 별로 파장에 따른 광량을 이용하여, 서로 다른 종류의 결함이 배치되는 것을 확인하는 것을 나타내는 도면이다. 예를 들어, 제1 케어 영역(CA1)에는 제1 결함(DF1)이 배치될 수 있고, 제2 케어 영역(CA2)에는 제2 결함(DF2)이 배치되며, 제3 케어 영역(CA3)에는 제3 결함(DF3)이 배치될 수 있다. 상기 제1 내지 제3 결함(DF1, DF2, DF3)은 파장에 따른 광량에 의해 분류될 수 있다. 상기 분류는 도 13에서 서술한 상관도 분석 알고리즘 및/또는 주성분 분석 알고리즘을 통해 이루어질 수 있다.
도 19d는 웨이퍼(80)의 불량 검사 결과와 웨이퍼(80)의 계측 결과를 기반으로, 웨이퍼(80)의 측정 영역(82) 별 관리가 가능함을 나타내는 도면이다. 예를 들어, 특정 측정 영역(82)에 다수의 불량이 존재하고, 정렬되지 않은 구성 요소가 많은 경우, 해당 측정 영역(82)에 대한 상대적으로 높은 수준의 관리가 요구될 수 있다. 반대로, 특정 측정 영역(82)에 소수의 불량이 존재하고, 정렬되지 않은 구성 요소가 적은 경우, 해당 측정 영역(82)은 상대적으로 낮은 관리가 요구될 수 있다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1, 1a, 1b: 반도체 소자 검사 계측 장치, 20: 스펙트럴 이미지, 30: 스펙트럴 매트릭스, 40: 스펙트럼, 80: 웨이퍼, 90: 스테이지, 111: 광원, 140: 검출부, 200: 처리부

Claims (10)

  1. 계측 대상이 배치되도록 구성된 스테이지;
    상기 계측 대상에 반사된 반사광으로부터 스펙트럴 이미지를 검출하도록 구성된 검출부; 및
    상기 검출부에서 검출된 스펙트럴 이미지를 이용하여 스펙트럴 매트릭스를 생성하는 처리부;를 포함하고,
    상기 검출부는 TDI 방식으로 상기 스펙트럴 이미지를 검출하도록 구성된 TDI 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 검사 계측 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 검출부에서 검출된 복수의 스펙트럴 이미지를 상기 스펙트럴 매트릭스로 변환하여 저장하고, 상기 스펙트럴 매트릭스를 이용하여 각각의 픽셀에서 파장에 따른 광량(intensity)의 변화를 나타내는 스펙트럼을 생성하도록 구성된 제1 처리 장치; 및
    상기 제1 처리 장치에서 생성된 상기 스펙트럼을 분석하여, 측정 변수에 대한 최적 조건(optimal condition)의 파장 대역을 선택하도록 구성된 제2 처리 장치;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 검사 계측 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 처리 장치는,
    상기 스펙트럴 매트릭스에서 추출된 상기 스펙트럼과 이상적인 스펙트럼 값 사이의 유사도를 측정하는 상관도 분석 알고리즘, 및
    상기 추출된 스펙트럼 내에서 상기 측정 변수의 변위가 가장 크게 나타나는 상기 파장 대역을 선정하는 주성분 분석 알고리즘 중
    적어도 하나를 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 검사 계측 장치.
  4. 계측 대상이 배치되도록 구성된 스테이지;
    광대역(broadband)의 입사광을 생성하여 출력하도록 구성된 광원부;
    상기 입사광의 편광 특성을 변화시키도록 구성된 제1 편광자부;
    상기 입사광을 투과시킴과 아울러, 상기 입사광이 상기 계측 대상의 표면에서 반사된 반사광을 투과시키는 대물 렌즈;
    상기 반사광의 편광 특성을 변화시키도록 구성된 제2 편광자부;
    상기 반사광으로부터 스펙트럴 이미지를 검출하도록 구성된 검출부;
    상기 대물 렌즈의 사출동을 상기 검출부 상에 결상시키는 집광 광학계;
    상기 검출부에서 검출된 복수의 스펙트럴 이미지를 이용하여 스펙트럴 매트릭스를 생성하는 처리부;를 포함하고,
    상기 스테이지는 수평 방향으로 이동하도록 구성되며,
    상기 검출부는,
    TDI 방식으로 스펙트럴 이미지를 검출하도록 구성된 TDI 센서, 및
    상기 TDI 센서 상에 배치되며, 상기 검출부가 특정한 파장 대역을 검출하도록 구성된 복수의 파장 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 검사 계측 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 파장 필터는 적어도 세 개의 서로 다른 제1 파장 필터, 제2 파장 필터 및 제3 파장 필터를 포함하고,
    제1 파장 필터는, 약 450nm 내지 약 490nm의 파장을 통과시키고,
    제2 파장 필터는, 약 495nm 내지 약 570nm의 파장을 통과시키며,
    제3 파장 필터는, 약 630nm 내지 약 750nm의 파장을 통과시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 검사 계측 장치.
  6. 계측 대상을 제공하는 단계;
    상기 계측 대상에 반사된 반사광으로부터 복수의 스펙트럴 이미지를 추출하는 단계;
    상기 복수의 스펙트럴 이미지를 이용하여, 스펙트럴 매트릭스를 생성하는 단계;
    상기 계측 대상의 케어 영역(care area)을 판별하는 단계; 및
    상기 케어 영역을 검사하는 단계;를 포함하고,
    상기 복수의 스펙트럴 이미지를 추출하는 단계는 TDI 방식을 이용하며,
    상기 복수의 스펙트럴 이미지를 이용하여, 상기 계측 대상의 불량을 검사하고, 구조를 계측하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 검사 계측 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 스펙트럴 매트릭스를 이용하여 각각의 픽셀에서 파장에 따른 광량의 변화를 나타내는 스펙트럼을 생성하는 단계; 및
    상기 스펙트럼을 이용하는 스펙트럼 분석 알고리즘을 통하여, 상기 케어 영역 각각의 측정 변수에 대한 최적 조건의 파장 대역을 선택하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 검사 계측 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 스펙트럼 분석 알고리즘은,
    상기 스펙트럴 매트릭스에서 추출된 상기 스펙트럼과 상기 측정 변수에 대한 이상적인 스펙트럼 값 사이의 유사도를 측정하는 상관도 분석 알고리즘, 및
    상기 스펙트럼 내에서 상기 측정 변수의 변위가 가장 크게 나타나는 상기 파장 대역을 선정하는 주성분 분석 알고리즘을
    포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 검사 계측 방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 케어 영역을 검사하는 단계는,
    노이즈를 감소시키기 위해, 상기 케어 영역의 내부에 존재하는 불량이 존재하는 영역을 제외하고, 상기 파장에 따른 광량의 변화를 나타내는 스펙트럼을 측정하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 검사 계측 방법.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 케어 영역을 검사하는 단계에서,
    동일한 상기 측정 변수에 대해서, 복수의 상기 케어 영역 중 적어도 두 개의 상기 케어 영역의 케어 영역 검사 임계값의 크기가 상이한 것을 특징으로 하는 반도체 소자 검사 계측 방법.

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