WO2014084574A1 - 발열 분포 측정을 이용한 불량 분석 장치 및 방법 - Google Patents

발열 분포 측정을 이용한 불량 분석 장치 및 방법 Download PDF

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WO2014084574A1
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heat distribution
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장기수
유선영
최우준
김건희
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한국기초과학지원연구원
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L22/00—Testing or measuring during manufacture or treatment; Reliability measurements, i.e. testing of parts without further processing to modify the parts as such; Structural arrangements therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/72—Investigating presence of flaws
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    • H01L22/00—Testing or measuring during manufacture or treatment; Reliability measurements, i.e. testing of parts without further processing to modify the parts as such; Structural arrangements therefor
    • H01L22/10—Measuring as part of the manufacturing process
    • H01L22/12—Measuring as part of the manufacturing process for structural parameters, e.g. thickness, line width, refractive index, temperature, warp, bond strength, defects, optical inspection, electrical measurement of structural dimensions, metallurgic measurement of diffusions

Definitions

  • the present invention relates to a failure analysis apparatus and method using a heat generation distribution measurement, and more particularly, the sub-micron spatial resolution, local heat generated by a defect (or failure) such as a semiconductor device,
  • the present invention relates to a defect analysis apparatus and method for measuring in a non-contact manner and superimposing a semiconductor micropattern image to track and analyze defect locations with high accuracy.
  • defects include mask misalignment, impurity concentration, non-uniformity within the wafer such as thin film thickness, and micro defects in the wafer.
  • defects include short circuits of metal, increased local resistance, abnormal contact resistance, and microplasma oxide. Microplasma leakage, oxide breakdown, and device latch-up.
  • the operation of identifying the cause of the defect when the defect occurs in the semiconductor device is as follows. First, after the completion of the manufacturing process, the electrical defects of the device are checked, and the location of the defects is tracked with precision within several micros using various non-destructive methods (Thermal emission microscopy, photon emission microscopy, scanning acoustic microscopy, etc.). Will be performed. After that, the semiconductor wafer is cut at the point where the defect is suspected by using a focused ion beam (FIB), and the cut section is magnified and observed using a scanning electron microscope (SEM) or using a component analysis device. Analyze the cause of the defect.
  • FIB focused ion beam
  • SEM scanning electron microscope
  • the physical limit of the spatial resolution due to the optical diffraction limit is about 3 ⁇ m, and there is a limit in the defect location tracking precision of the micro pattern semiconductor.
  • a new principle rather than the existing mid-infrared heat radiation detection method, irradiates the sample with light having a short wavelength in the ultraviolet or visible light band through an optical microscope and reflects the distribution of the change in reflectance caused by local heat generation of the sample.
  • Thermo-reflectance microscopy technique which measures the exothermic distribution of a sample, has been reported in various ways, and heat distribution measurement / analysis techniques of semiconductor devices using the same have been reported.
  • thermoreflectance thermography discloses the invention of improving the spatial resolution of a thermal image by adding a confocal microscope principle to a thermal reflection microscope principle.
  • the surface of the semiconductor device such as a metal, a dielectric, a semiconductor material may be exposed to a variety of materials, there is a problem that it is not easy to effectively measure the heat distribution of various materials when measuring the heat distribution using a general heat reflection microscope.
  • an object of the present invention is to provide a new failure analysis method that has not been proposed in the case of failure analysis that can use the exothermic phenomenon.
  • Another object of the present invention is to enable local heating distribution resulting from defects in semiconductor devices to be measured in a spatial resolution of 1 ⁇ m or less and in a non-contact manner.
  • Another object of the present invention is to provide a means for tracking and analyzing defect locations with high accuracy by overlapping with a semiconductor micropattern image.
  • Another object of the present invention is to provide a means for more effectively measuring the heat distribution of various materials exposed to semiconductor devices and the like.
  • the first aspect of the present invention comprises a sample mounting unit for mounting a sample to check whether or not through the heat distribution characteristics; A light source for irradiating the visible light to a sample; A power supply unit generating a driving signal for causing periodic heat generation at a defective point of the sample; A first detector detecting light reflected from a surface of the sample; And a signal generator for synchronizing driving signals of the detector and the power supply unit.
  • the apparatus further includes a controller and an image processor, wherein the controller measures a change in reflectance due to temperature change at a point of failure of the sample by a phase-locked heat reflection method and converts it into a heat distribution.
  • the control unit and the image processing unit obtain a thermal distribution according to the wavelength to derive a wavelength range that can most appropriately observe the thermal distribution at the point of failure of the sample.
  • the analysis apparatus may further include a first optical splitter, and transmits the beam emitted from the light source unit to the sample unit and delivers the beam transmitted from the sample unit to the detector.
  • the detection unit is preferably triggered at multiple times the period for temperature-modulating the sample.
  • the analyzer further includes a second optical splitter, and performs a function of transferring the beam transmitted from the sample unit to the second detector, a spectrometer may be further provided in front of the second detector.
  • the second aspect of the present invention comprises the steps of irradiating the sample with visible light to the sample to determine whether or not through the exothermic distribution characteristics; Supplying power to generate a driving signal for causing periodic heat generation at a defective point of the sample; And detecting light reflected from the surface of the sample, and generating a signal for synchronizing driving signals of the detector and the power supply unit.
  • the method further comprises the step of measuring the change in reflectance due to the temperature change at the point of failure of the sample by a phase-locked heat reflection method and converting it into a heat distribution.
  • the method further includes the step of measuring the wavelength dependence of the thermal reflection coefficient using the beam transmitted from the sample unit and calculating the optimum wavelength.
  • the method may further include transmitting a beam emitted from the light source unit to the sample unit and transferring a beam transmitted from the sample unit to the detector.
  • the detector may further include triggering a plurality of times a period for temperature-modulating the sample.
  • semiconductor manufacturing companies in order to accurately track the defect location requires a higher spatial resolution than the current defect inspection equipment has the effect that can meet this.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a failure analysis apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an image of measuring a heat distribution with respect to a failure analysis position according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a graph illustrating an example in which the heat reflection coefficient is changed for each wavelength due to the interference effect of light of the semiconductor device.
  • Figure 4 is a comparison image of the semiconductor defect inspection equipment by other equipment commercially available thermal distribution image according to the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a failure analysis apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • a failure analysis apparatus may include a light source unit 100, a sample unit 200, a first detection unit 300, a control unit and an image processing unit 400, a power supply unit 500,
  • the signal generator 600 includes a lock-in correlator (not shown), a first optical splitter 237, and various lenses 233, 235, and 239.
  • the present invention may further include a second optical splitter 250, a spectrometer 265, and a second detector 310.
  • the additional part is a part for selecting the optimum wavelength for each sample by detecting the wavelength dependence of the reflectance change according to the temperature change of the sample by performing the detection by the second detector 310 through the spectroscope 265 for each wavelength. to be.
  • This part is not an essential part of the present invention, but it can play a more effective role in failure analysis. This will be described later in detail.
  • the light source 100 is a light source that provides light in which light rays having a plurality of wavelengths are mixed in the visible light wavelength region.
  • the type includes a wavelength filter (not shown) that selects only a certain wavelength together with a light source capable of obtaining a broad wavelength line width, such as white light having multiple rays, an LED, a solid light source, or a specific line width of about 10 nm to 50 nm. LEDs having a line width can be used.
  • the emission region of the light source 100 may include a collimating lens 239 for emitting the light source as a parallel beam.
  • the first and second detectors 300 and 310 may include a plurality of optical signal detectors including a charged coupled device (CCD), a photo detector, an avalanche photo diode (APD), and a photo multiplier tube (PMT). .
  • CCD charged coupled device
  • APD avalanche photo diode
  • PMT photo multiplier tube
  • the first optical splitter 237 transmits the beam emitted from the light source unit 100 to the sample unit 200 and transmits the beam transmitted from the sample unit 200 to the first detection unit 300. It is.
  • the optical splitter 237 is not directly required for the exothermic temperature distribution measurement, and thus can be selectively removed.
  • the second optical splitter 250 distributes the beam transmitted from the sample to the first detector 300 and the second detector 310.
  • the controller and the image processor 400 may include a signal generator 600 for synchronizing the power supply unit 500, the first and second detectors 300 and 310, and the control of the power supply unit 500, and the measured signal processor (not shown). It consists of hardware and software, including).
  • the connection lines of the system control unit and the image processing unit 400 are schematically illustrated and may be implemented to include a function of controlling them through connection with a detection unit, a vacuum chamber, a light source, etc. in an actual implementation.
  • the controller and the image processor 400 may be connected to the second detector 310 and may be synchronized, or may not be synchronized. This approach is explained further.
  • the temperature change on the front surface of the sample may be changed by using a thermoelectric cooler (TEC) to which the sample is attached.
  • TEC thermoelectric cooler
  • phase-locked thermal reflection can be used to measure the wavelength dependence of reflectance change with temperature change, and a method of obtaining and averaging multiple images at each temperature (for example, 20 degrees, 30 degrees, 40 degrees, etc.) can be used.
  • the thermoelectric element driving signal and the second detection unit need to be synchronized, and in the latter case, the synchronization is not necessary.
  • an electrical signal is applied to an object having a heat distribution, and at the same time, visible light is irradiated to the object through an optical microscope and a transparent window to detect the distribution of reflected light with a CCD camera, for example, to generate a heat distribution of the object.
  • the heat distribution of the object is measured by measuring the reflectance distribution according to the phase lock thermal reflection method.
  • the sample is temperature-modulated by a specific frequency f, and is configured by the power supply 500 to apply a periodic drive signal such that the heating and cooling are repeated periodically.
  • a periodic temperature change of the sample is generated by the driving signals of the periodic heating and cooling.
  • the CCD which is the first detection unit 300 can detect the light reflected from the sample.
  • the CCD, which is the first detection unit 300 is triggered in multiple times (eg, two times or more) of the period for temperature-modulating the sample, and thus multiple times (eg, two times or more) in the period of temperature modulation of the sample.
  • the data secured through the CCD is sent to the controller and the image processor 400 to process the data.
  • the signal generator 600 modulates the sample by a specific frequency, and the CCD of the first detector 300 synchronizes to trigger a plurality of times (eg, two or more times) a period of temperature-modulating the sample. It is a function to perform a task.
  • the amount of change in temperature has a relation proportional to the rate of change in reflectance, and in this case, k has a value of about 10 -2 to 10 -5 as a heat reflection coefficient. . That is, the exothermic temperature distribution can be measured through the change in reflectance.
  • the measured result indicates relative thermal distribution information according to the type of sample.
  • each material has a characteristic of varying an appropriate wavelength band. Therefore, it is desirable to vary the appropriate wavelength band according to the material or region to be measured. In the case of continuously monitoring a semiconductor substrate on which a certain pattern is formed, it is necessary to select an appropriate wavelength band in advance and continuously use it. In addition, when measuring an object that does not know the appropriate wavelength band, it may be effective to use the spectrometer 265 and the second detector 310.
  • the thermal distribution image may be obtained for each wavelength using the spectrometer.
  • the appropriate wavelength band is calculated according to the object (or a specific region of the object), and the object is measured in the corresponding wavelength band using the same.
  • FIG. 2 is an image of measuring a heat distribution with respect to a failure analysis position according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the method according to the embodiment of the present invention in the case of a metal wiring short circuit, contact resistance abnormality, etc. of the semiconductor device, heat is generated and it can be accurately tracked.
  • the local heat distribution generated from the defect of the micropattern semiconductor element is measured by a spatial resolution of 1 ⁇ m or less and a non-contact method, and the defect position is accurately tracked and analyzed by overlapping with the semiconductor micropattern image.
  • the material constituting the sample surface is varied, and most of them have a multilayer structure, so the wavelength dependence of the heat reflection coefficient is very large.
  • the value of the thermal reflection coefficient changes rapidly according to the wavelength of light.
  • the value of the thermal reflection coefficient changes rapidly even with the change of the protective film thickness of several nanometers. Therefore, depending on the wavelength of light used to measure the heat reflection of the sample, the use of light with a wavelength whose heat reflection coefficient value is close to 0 may not be possible to measure the heat distribution. On the contrary, when the light having the maximum heat reflection coefficient is used. High sensitivity heating distribution measurement is possible.
  • the wavelength of the light used in the measurement, the type of sample material, and the sample having a multi-layer structure may vary depending on the thickness of the layer as well as the material of the layer due to the interference effect of light occurring in the multi-layer structure.
  • FIG. 3 is a graph showing an example in which the heat reflection coefficient is changed for each wavelength due to the interference effect of light of the semiconductor device, and the heat reflection coefficient according to the wavelength of the SiNx passivation layer / Poly-Si / SiO 2 / Si substrate structure. Referring to FIG. 3, it may be confirmed that the heat reflection coefficient may change rapidly according to the wavelength of light used for the heat reflection measurement, and even the heat reflection coefficient may have a wavelength close to zero.
  • a second light splitter In the heat reflection microscope system, a second light splitter, a reflector, a light receiving lens, and a spectroscopic imaging system are provided to measure a spectrum of light reflected from a sample surface.
  • the spectrum of the relative reflectance change on the surface of the sample.
  • Figure 4 is a comparison image of the semiconductor defect inspection equipment by other equipment commercialized by the prior art. The image of FIG. 4 is provided for comparison with the image of FIG. 2.
  • the analysis apparatus according to the present invention can measure hot spots generated from microdefects with high magnification and high resolution.
  • the spatial resolution The physical limit of 3 ⁇ m was compared to the limit of defect tracking accuracy of highly integrated and fine pattern semiconductors.

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Abstract

본 발명은 발열 분포 특성으로 통해 불량 여부를 확인하고자 하는 시료를 탑재하는 시료 탑재부와 가시광을 시료에 조사시키기 위한 광원과 시료를 주기적으로 발열을 야기 시키기 위한 구동신호를 발생시키는 전원공급부와 시료의 표면으로부터 반사된 광을 검출하는 검출부 및 검출부와 전원공급부의 구동신호를 동기화를 위한 신호발생기를 포함하는 발열 분포 측정을 이용한 불량 분석 방법을 제공한다.

Description

발열 분포 측정을 이용한 불량 분석 장치 및 방법
본 발명은 발열 분포 측정을 이용한 불량 분석 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 반도체 소자 등의 결함(또는 불량)에 의해 발생하는 국부적인 발열을 서브-마이크론(sub-micron) 공간 분해능, 비접촉 방식으로 측정하고, 반도체 미세패턴 영상과 중첩하여 고정밀도로 결함 위치를 추적하고 분석할 수 있는 위한 불량 분석 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 반도체 소자의 고집적화, 미세화 및 제조공정의 복잡함으로 인하여 소자의 동작에 문제를 발생시키는 다양한 불량이 발생하고 있다. 이러한 불량의 발생은 반도체 소자의 성능 저하 및 수율 감소의 원인으로 작용하고 있어 반도체 소자 제조 기업들은 이를 해결하기 위한 많은 노력을 실행하고 있는 실정이다.
일반적으로 알려진 불량의 원인으로는 마스크 오정렬, 불순물 농도, 박막두께 등 웨이퍼 내부의 불균일성, 웨이퍼 내의 미소결함 등이 있고, 불량 종류로는 금속배선 단락, 국부적 저항 증가, 컨택 저항 이상, 산화막의 마이크로 플라즈마 누설(microplasma leakage), 산화막 브레이크다운(breakdown), 소자 래치업(latch-up) 등이다.
그런데, 최근 반도체 소자의 미세 패턴화 및 고집적화로 인하여 약 1㎛ 이하의 크기를 갖는 내부 결함, 공정 불량, 패턴 결함에 의해서도 커다란 수율감소가 발생하여 수율개선을 통한 생산량 증가, 이로 인한 생산원가 절감을 위해 불량분석의 중요성이 크게 대두되고 있다.
반도체 소자 등의 불량 발생시 불량의 원인을 확인하는 작업은 다음과 같다. 먼저, 제조공정 완료 후 소자의 전기적인 결함을 확인한 후에 결함의 위치를 여러 가지 비파괴 방법들 (Thermal emission microscopy, photon emission microscopy, scanning acoustic microscopy 등)을 이용하여 수 마이크로 이내의 정밀도로 추적하는 작업을 수행하게 된다. 이후 집중이온빔 (FIB: Focused Ion Beam)을 이용하여 결함으로 추정되는 지점에서 반도체 웨이퍼를 절단하고, 절단된 단면을 주사전자현미경 (SEM: Scanning Electron Microscope)을 통해 확대하여 관찰하거나 성분분석 장비를 이용하여 결함의 원인을 분석한다.
반도체 소자에서 발생하는 여러 종류의 불량들 중 metal short, resistive open, microplasma leakage, oxide layer breakdown, device latch-up 등 많은 종류의 불량들이 국부적인 발열(hot spot)을 야기 시킨다.
따라서 반도체 결함에서 발생되는 국부적 발열에 의한 적외선 열방사를 중적외선(Mid-infrared, 파장: 3~5㎛) 현미경으로 검출해 결함위치를 추적하는 반도체 결함 검사기술이 상용화 되어 반도체 제조 기업에서 사용되고 있다.
그러나 기존 적외선 열화상을 이용한 반도체 결함 검사장비의 경우 광학적 회절 한계로 인한 공간분해능의 물리적 한계가 3㎛ 정도로 고집적, 미세패턴 반도체의 불량위치 추적 정밀도에 한계가 있었다.
반도체 제조 공정기술의 발전으로 미세 패턴화, 고집적화가 빠르게 진행됨에 따라 정밀한 불량위치 추적을 위해 반도체 제조 기업들은 현재 상용화되어 있는 결함 검사장비 보다 높은 공간분해능이 절실하게 요구되는 상황이다.
또한, 기존 중적외선 열방사 검출 방식이 아닌 새로운 원리, 즉 자외선이나 가시광 대역의 짧은 파장을 가지는 빛을 광학현미경을 통해 시료에 조사하고 시료의 국부적인 발열에 의한 반사율 변화의 분포를 위상잠금열반사법으로 측정함으로써 시료의 발열 분포를 측정하는 열반사 현미경(Thermo-reflectance microscopy) 기술이 다양하게 보고되었으며 이를 이용한 반도체소자 등의 열분포 측정/분석 기술이 보고되었다.
예를 들어, US 7,173,245 "Submicron thermal imaging method and enhanced resolution (super-resolved) ac-coupled imaging for thermal inspection of integrated circuits"는 열반사현미경 기본 시스템, 반도체소자 열분석에 관한 발명을 개시하고 있다.
또한, US 7,429,735, "Methods of thermoreflectance thermography"는 열반사현미경 원리에 공초점현미경 원리를 더해서 열영상 이미지의 공간분해능 향상 시키는 발명을 개시하고 있다.
또한, US2009/0084659의 "High performance ccd-based thermoreflectance imaging using stochastic resonance"는 열반사 현미경에 stochastic resonance (digital signal processing) 윈리를 부가하여 thermal resolution 향상에 관한 발명을 개시하고 있다.
그러나, 이러한 특성 측정 방식들은 아직까지 반도체의 불량분석에 활용된 적은 없었고, 또 일부 방식들은 시료를 절단하여야 하는 경우도 있고, 시간도 많이 소비되는 등 여전히 많은 문제점을 가지고 있다. 제한된 개수의 불량들을 갖는 반도체 소자를 분석하는 경우, 시료 웨이퍼는 부정확한 웨이퍼 절단 과정에서 불량분석이 불가능할 정도로 손상될 수 있는데, 이 경우, 불량의 원인을 알아낼 수 없기 때문에 개발 기간이 크게 지연될 수 있는 문제점이 있다.
또한, 반도체 소자 등의 표면은 금속, 유전체, 반도체 물질 등 다양한 소재들이 노출될 수 있어 일반적인 열반사현미경을 활용하여 열분포를 측정하는 경우 다양한 소재들의 열분포를 효과적으로 측정하는 것도 용이하지 않은 문제점이 있었다.
이러한 배경 하에서, 본 발명의 목적은 발열 현상을 이용할 수 있는 불량분석의 경우 기존에 제시된 바 없는 새로운 불량분석 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 반도체 소자의 결함으로부터 발생하는 국부적인 발열분포를 1㎛ 이하의 공간 분해능, 비접촉 방식으로 측정할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 반도체 미세패턴 영상과 중첩하여 고정밀도로 결함위치를 추적·분석할 수 있는 수단을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 반도체 소자 등에 노출되는 다양한 소재들의 열분포를 보다 효과적으로 측정하기 위한 수단을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 측면은 발열 분포 특성을 통해 불량 여부를 확인하고자 하는 시료를 탑재하는 시료 탑재부; 상기 가시광을 시료에 조사시키기 위한 광원; 상기 시료의 불량지점에서 주기적인 발열을 야기 시키기 위한 구동신호를 발생시키는 전원공급부; 상기 시료의 표면으로부터 반사된 빛을 검출하는 제1 검출부; 및 상기 검출부와 전원공급부의 구동신호를 동기화시키기 위한 신호발생기를 포함하는 발열 분포 측정을 이용한 불량 분석 장치를 제공한다.
바람직하게는, 제어부 및 영상처리부를 더 포함하되, 제어부는 시료의 불량지점에서 온도변화에 의한 반사율 변화를 위상잠금 열반사법으로 측정하고 이를 열분포로 변환한다. 또한, 제어부 및 영상처리부는 파장에 따른 열분포를 획득함으로써 시료의 불량 지점에서 열분포를 가장 적절하게 관찰할 수 있는 파장 범위를 도출한다.
본 분석장치는 제1 광분배기를 더 포함할 수 있고, 상기 광원부로부터 출사되는 빔을 시료부에 전달하고 시료부로부터 전달되어 온 빔을 검출부로 전달하는 기능을 수행한다.
검출부는 시료를 온도-모듈레이션 시키는 주기의 복수배로 트리거되는 것이 바람직하다.
또한, 본 분석장치는 제2 광분배기를 더 포함하고, 상기 시료부로부터 전달되어 온 빔을 제2 검출부로 전달하는 기능을 수행하고, 제 2 검출부 전단에는 분광기가 더 구비될 수 있다.
본 발명의 제2 측면은 발열 분포 특성을 통해 불량 여부를 확인하고자 하는 시료에 가시광을 시료에 조사하는 단계; 상기 시료의 불량지점에서 주기적인 발열을 야기 시키기 위한 구동신호를 발생시키기 위해 전원을 공급하는 단계; 및 상기 시료의 표면으로부터 반사된 빛을 검출하고, 상기 검출부와 전원공급부의 구동신호를 동기화시키기 위한 신호를 발생하는 단계를 포함하는 발열 분포 측정을 이용한 불량 분석 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 시료의 불량지점에서 온도변화에 의한 반사율 변화를 위상잠금 열반사법으로 측정하고 이를 열분포로 변환하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 시료부로부터 전달되어 온 빔을 이용하여 열반사계수의 파장의존도를 측정하고 최적파장을 산출하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 광원부로부터 출사되는 빔을 시료부에 전달하고 시료부로부터 전달되어 온 빔을 검출부로 전달하는 단계를 더 포함한다.
또한, 검출부는 시료를 온도-모듈레이션 시키는 주기의 복수배로 트리거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 발명에 의하면, 정밀한 불량위치 추적을 위해 반도체 제조 기업들은 현재 상용화되어 있는 결함검사장비 보다 높은 공간분해능을 필요로 하는 바 이에 부응할 수 있는 효과가 있다.
또한, 열반사 현미경에 분광 이미징 장치를 구비하여 시료의 물질, 구조에 따라 다른 열반사계수의 파장 의존도 측정, 이를 통한 최적파장 선택, 그리고 최적파장을 이용한 시료의 발열영상을 고분해능, 고감도로 측정함으로써 고정밀도로 반도체 결함 위치를 추적, 분석할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 불량분석 장치의 구성을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라서, 불량분석 위치에 대하여 열분포를 측정한 이미지이다.
도 3은 반도체 소자의 빛의 간섭효과로 인해 파장별로 열반사 계수가 변화하는 일예를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 열분포 이미지와 상용화된 타 장비에 의한 반도체 결함검사장비의 비교이미지들이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 불량 분석 장치의 구성을 도시한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 불량 분석 장치는 광원부(100), 시료부(200), 제1 검출부(300), 제어부 및 영상처리부(400), 전원공급부(500), 신호발생기(600), 락-인 코릴레이터(Lock-in correlator)(미도시), 제1 광분배기(237)와 각종 렌즈들(233,235,239)을 포함하여 구성된다. 한편, 본 발명에는 추가로 제2 광분배기(250), 분광기(265), 및 제2 검출부(310)를 구비하도록 할 수 있다. 추가되는 부분은, 시료의 온도변화에 따른 반사율 변화의 파장 의존도를 측정함에 있어, 파장별로 분광기(265)를 통해서 제2 검출부(310)에서 검출을 수행하여, 시료별로 최적파장을 선택하기 위한 부분이다. 이 부분은 본 발명의 필수적인 부분은 아니지만 불량 분석시 더욱 효과적인 역할을 수행할 수 있게 한다. 이에 대해서는 상세히 후술한다.
광원(100)은 가시광 파장 영역에서 다수의 파장을 가지는 광선들이 혼합된 빛을 제공하는 광원이다. 그 종류로는 다중광선을 가지는 백색광, LED, 고체 광원 등 일반적으로 넓은 파장 선폭을 얻을 수 있는 광원과 함께 일정 파장만을 선택하는 파장필터(미도시)를 포함하거나 선폭이 약 10nm～50nm 이내의 특정 선폭을 가지는 LED 등을 이용할 수 있다. 광원(100)의 출사 영역에는 광원을 평행빔으로 출사하기 위한 시준렌즈(239)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 검출부(300, 310)는 charged coupled device(CCD), 포토디텍터, APD(avalanche photo diode), PMT (photo multiplier tube)를 포함하는 광신호 검출기가 다수개 배열되어 구성될 수 있다.
한편, 제1 광분배기(237)는 광원부(100)로부터 출사되는 빔을 시료부(200)에 전달하고 시료부(200)로부터 전달되어 온 빔을 제1 검출부(300)로 전달하는 기능을 수행하는 것이다. 광분배기(237)는 발열 온도분포 측정에 직접적으로 필요하지는 않으므로 선택적으로 제거할 수 있는 구성이다. 제2 광분배기(250)는 시료로부터 전달되는 빔을 제1 검출부(300)와 제2 검출부(310)로 분배하는 역할을 수행한다.
제어부 및 영상처리부(400)는 전원 공급부(500), 제1 및 제2 검출부(300, 310)와 전원공급부(500) 제어와의 동기화를 위한 신호 발생기(600) 그리고 측정된 신호처리부(미도시)를 포함하는 하드웨어와 소프트웨어로 구성된다. 본 시스템 제어부 및 영상처리부(400)의 연결선은 개략적으로 도시한 것으로 실제 구현에 있어서는 검출부, 진공챔버, 광원 등과의 연결을 통해서 이들을 제어하는 기능을 포함하도록 구현할 수 있다.
제어부 및 영상처리부(400)는 제2 검출부(310)와 연결되어 동기화되는 것도 가능하고 동기화 시키지 않는 방식도 가능하다. 이러한 방식을 좀 더 설명한다. 시료의 각 위치(표면물질) 별로 열반사계수의 파장 의존도를 측정할 때에는 시료 전면에 온도변화를 주고 그 온도변화에 따른 반사율 변화의 파장의존도를 측정할 수 있다. 이때 시료 전면의 온도변화는 시료가 부착되어 있는 열전소자(TEC, thermoelectric cooler)를 이용하여 온도변화를 줄 수 있다. 이렇게 온도변화에 따른 반사율 변화의 파장의존도 측정시 위상잠금 열반사법을 사용할 수도 있고 각각 온도에서 (예를 들어 20도, 30도, 40도 등등) 여러 장의 이미지를 얻고 평균을 취하는 방식을 사용할 수도 있다. 전자의 경우 열전소자 구동신호와 제 2 검출부의 동기화가 필요하고 후자의 경우는 동기화가 필요하지 않게 된다.
본 실시예에 의하면, 발열 분포를 가지는 대상물에 전기적 신호를 인가시키고, 동시에 가시광 조명을 광학현미경 및 투명 윈도우를 통해 대상물에 조사하여 반사된 빛의 분포를 예컨대 CCD 카메라로 검출함으로써 대상물의 발열분포에 따른 반사율 분포를 위상잠금 열반사법으로 측정하여 대상물의 발열분포를 측정하게 된다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 시료는 특정 주파수(f)에 의해 온도-모듈레이션 되는데 전원 공급부(500)에 의해 주기적으로 가열과 냉각이 반복되도록 주기적인 구동신호를 인가하도록 구성된다. 예를 들어 시료에는 전원공급부(500)에 의해 주기적으로 변하는 전류 또는 전압을 인가하는 것도 가능하다. 이와 같은 주기적인 가열과 냉각의 구동신호에 의해 시료의 주기적인 온도 변화가 발생되게 된다. 이 경우, 제1 검출부(300)인 CCD에서는 시료로부터 반사된 광을 검출할 수 있다. 제1 검출부(300)인 CCD는 시료를 온도-모듈레이션 시키는 주기의 복수배로(예컨대 2배 이상) 트리거되는데(trigger) 이를 통해 시료의 온도 모듈레이션의 주기 내에서 복수회(예컨대 2배 이상)의 이미지를 확보할 수 있게 된다. CCD를 통해 확보된 데이터는 제어부 및 영상처리부(400)로 송부되어 데이터 처리된다.
신호발생기(600)는 시료를 특정주파수에 의해 온도-모듈레이션 시키는 것과 함께 제1 검출부(300)의 CCD는 시료를 온도-모듈레이션 시키는 주기의 복수 배로(예컨대 2배 이상) 트리거(trigger)하기 위해 동기화 시키는 작업을 수행하는 기능을 한다.
본 발명의 상술한 방식에 의하면, 아래 식 (1)에 의해 온도의 변화량은 반사율의 변화율에 비례하는 관계식을 가지게 되고 이 경우 k는 열반사 계수로 10-2 내지 10-5 정도의 값을 가진다. 즉, 반사율 변화를 통해서 발열 온도 분포를 측정할 수 있게 된다.
Figure PCTKR2013010797-appb-I000001
상대적인 반사율변화(ΔR/R)는 온도변화(ΔT)에 비례(ΔR/R = kΔT) 하므로, 측정된 결과는 시료의 종류에 따른 상대적인 열분포 정보를 나타낸다.
본 발명에서는 반도체 제조공정에서의 반도체 기판 상에 형성된 각종 금속, 유전막, 반도체막 등의 물질들의 발열 특성을 측정하여 불량분석을 하고자 하는 경우, 각 물질들은 적절한 파장대역을 달리하는 성격을 갖는다. 따라서, 측정하고자 하는 물질이나 영역에 따라 적절한 파장 대역을 달리하는 것이 바람직하다. 일정한 패턴이 형성된 반도체 기판을 지속적으로 모니터링하는 경우는 미리 적절한 파장 대역을 선택하고 이를 지속적으로 활용하면 된다. 또한, 적절한 파장 대역을 알지 못하는 대상물을 측정하는 경우는 분광기(265)와 제2 검출부(310)를 활용하는 것이 효과적일 수 있다.
예를 들어, 적절한 파장 대역을 알지 못하는 대상물을 측정하는 경우는 분광기(265)와 제2 검출부(310)를 활용하여 시료의 열 분포정보를 확인하되, 파장영역별로 수행한다. 이 경우는 제2 광분배기(250)를 활용하여 분광기(265)와 제2 검출부(310)로 광원을 전달한 뒤 분광기를 활용하여 파장별로 열분포 이미지를 구할 수 있다.
이러한 일련의 작업을 진행한 후, 대상물(또는 대상물의 특정 영역)에 따른 적절한 파장대역이 산출되면, 이를 이용하여 대상물을 해당 파장대역으로 측정하게 된다. 한편, 적절한 파장의 선택은 광원(100)의 내부 또는 전단부에 필터 등을 활용하는 것도 가능하다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라서, 불량분석 위치에 대하여 열분포를 측정한 이미지이다.
전술한 방법의 테스트를 위해 제작된 마이크로-저항 소자의 발열분포를 측정한 이미지이다. 금속전극과 폴리 실리콘(poly-Si) 저항 사이의 계면에 존재하는 여러 개의 결함에 의한 국부적 발열 (hot spot)을 고분해능로 검출 가능함을 보여주고 있다. 또한 도 2의 공간분해능이 1㎛ 이하를 가질 수 있음을 보여주고 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 방식에 의하면, 반도체 소자의 금속배선 단락, 컨택 저항 이상 등의 경우 열이 발생하고 이를 고정밀도로 추적할 수 있다. 구체적인 방식으로는 미세패턴 반도체 소자의 결함으로부터 발생하는 국부적인 발열 분포를 1㎛ 이하의 공간분해능, 비접촉방식으로 측정하고, 반도체 미세패턴 영상과 중첩하여 고정밀도로 결함위치를 추적·분석하게 된다.
반도체 소자의 경우 시료 표면을 구성하는 물질이 다양하고, 대부분 다층구조를 갖고 있어 열반사 계수의 파장 의존도가 매우 크다. 또한 대부분의 반도체 소자 표면에 가시광에 투명한 보호막 (passivation layer)이 형성되어 있어 빛의 파장에 따라 열반사계수의 값이 급격히 변화하는 특성이 있다. 예를 들어, 수 나노미터(nanometer)의 보호막 두께 변화에 의해서도 열반사계수의 값은 급격히 변화한다. 따라서 시료의 열반사 측정에 사용되는 빛의 파장에 따라, 열반사계수 값이 0에 근접하는 파장을 갖는 빛을 사용할 경우 발열분포 측정이 불가하기도 하며 반대로 열반사계수가 최대인 파장의 빛을 사용할 경우 고감도 발열분포 측정이 가능하게 된다.
따라서, 열반사현미경을 이용한 고감도, 고분해능 반도체 결함검사를 위해 각 시료마다 최대의 열반사계수를 갖는 최적파장 선택이 필수적으로 필요하고, 이때 κ는 열반사계수로 시료의 온도변화에 따른 반사율변화의 측정에 사용되는 빛의 파장, 시료물질의 종류, 다층구조를 갖는 시료의 경우 다층구조 내에서 일어나는 빛의 간섭효과로 인해 층을 구성하는 물질종류 뿐만 아니라 층의 두께에 따라 그 값이 달라진다.
도 3은 반도체 소자의 빛의 간섭효과로 인해 파장별로 열반사 계수가 변화하는 일예를 나타낸 그래프로, SiNx passivation layer/Poly-Si/ SiO2/Si substrate 구조의 파장에 따른 열반사계수이다. 도 3을 참조하면, 열반사 측정에 사용되는 빛의 파장에 따라 급격하게 열반사계수가 변함을 할 수 있고, 심지어 열반사계수 값이 0에 근접하는 파장을 갖는 경우도 있음을 확인할 수 있다.
한편, 열반사 현미경 시스템에서, 제2 광분배기, 반사경, 수광렌즈, 분광영상장치(Spectral imaging system)를 구비하여 시료 표면에서 반사된 빛의 스펙트럼을 측정한다. 또한, 시료의 온도를 변화시키면서 시료 표면에서 상대적인 반사율 변화의 스펙트럼,
Figure PCTKR2013010797-appb-I000002
, 을 측정하면 열반사계수의 파장의존도, κ(λ)를 측정할 수 있다.
도 4는 종래 기술에 의한 것으로 상용화된 타 장비에 의한 반도체 결함검사장비의 비교이미지이다. 도 4의 이미지는 도 2의 이미지와 비교하기 위해 제공한다.
상용화된 장비는 중적외선 열방사 검출원리를 이용하는 방식이다.
비교 결과, 본 발명의 적용 따른 분석장치가 미세결함으로부터 발생하는 hot spot을 고배율, 고분해능으로 측정할 수 있음을 실험적으로 확인할 수 있었고, 기존 적외선 열화상을 이용한 상용화된 반도체 결함 검사장비의 경우 공간 분해능의 물리적 한계가 3㎛ 정도로 고집적, 미세패턴 반도체의 불량위치 추적 정밀도에 한계가 있는 것으로 비교되었다.
전술한 본 발명에 따른 발열 분포 측정을 이용한 불량 분석 장치에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.

Claims (12)

  1. 발열 분포 특성을 통해 불량 여부를 확인하고자 하는 시료를 탑재하는 시료 탑재부;
    상기 가시광을 시료에 조사시키기 위한 광원;
    상기 시료의 불량지점에서 주기적인 발열을 야기 시키기 위한 구동신호를 발생시키는 전원공급부;
    상기 시료의 표면으로부터 반사된 빛을 검출하는 제1 검출부; 및
    상기 검출부와 전원공급부의 구동신호를 동기화를 위한 신호발생기를 포함하는 발열 분포 측정을 이용한 불량 분석 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    제어부 및 영상처리부를 더 포함하되,
    상기 제어부는 시료의 불량지점에서 온도변화에 의한 반사율 변화를 측정하고 이를 열분포로 변환하는 발열 분포 측정을 이용한 불량 분석 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    제어부 및 영상처리부는, 상기 시료의 불량 지점에서 파장에 따른 열분포를 획득하는 발열 분포 측정을 이용한 불량 분석 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    제1 광분배기를 더 포함하고,
    상기 광원부로부터 출사되는 빔을 시료부에 전달하고 시료부로부터 전달되어 온 빔을 검출부로 전달하는 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 발열 분포 측정을 이용한 불량 분석 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 검출부는 시료를 온도-모듈레이션 시키는 주기의 복수배로 트리거되는 것을 특징으로 하는 발열 분포 측정을 이용한 불량 분석 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    제2 광분배기를 더 포함하고,
    상기 시료부로부터 전달되어 온 빔을 제2 검출부로 전달하는 기능을 수행하고, 제 2 검출부 전단에는 분광기가 더 구비되는 발열 분포 측정을 이용한 불량 분석 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 광원으로 통해서 나온 광이 선택적인 파장의 광을 전달하기 위해 필터를 더 포함하는 발열 분포 측정을 이용한 불량 분석 장치.
  8. 발열 분포 특성을 통해 불량 여부를 확인하고자 하는 시료에 가시광을 시료에 조사하는 단계;
    상기 시료를 주기적으로 발열을 야기 시키기 위한 구동신호를 발생시키기 위해 전원을 공급하는 단계; 및
    상기 시료의 표면으로부터 반사된 빛을 검출하고, 상기 검출부와 전원공급부의 구동신호를 동기화를 위한 신호를 발생하는 단계를 포함하는 발열 분포 측정을 이용한 불량 분석 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 시료의 반사율 변화로부터 위상잠금 열반사법으로 측정하고 이를 열분포로 변환하는 단계를 더 포함하는 발열 분포 측정을 이용한 불량 분석 방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 광원부로부터 출사되는 빔을 시료부에 전달하고 시료부로부터 전달되어 온 빔을 검출부로 전달하는 단계를 더 포함하는 발열 분포 측정을 이용한 불량 분석 방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 검출부는 시료를 온도-모듈레이션 시키는 주기의 복수배로 트리거하는 단계를 더 포함하는 발열 분포 측정을 이용한 불량 분석 방법.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 시료부로부터 전달되어 온 빔을 이용하여 파장별로 열반사 계수 변화를 산출하는 단계를 더 포함하는 발열 분포 측정을 이용한 불량 분석 방법.
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