WO2017209544A1 - 패턴 구조물 검사 장치 및 검사 방법 - Google Patents

패턴 구조물 검사 장치 및 검사 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and an inspection method for inspecting an abnormality in pattern formation of a structure having a pattern in two or three dimensions (hereinafter referred to as a 'pattern structure') using a chaotic wave sensor.
  • a technology for manufacturing a pattern region in which a structure having a predetermined pattern is formed on a substrate is widely used in the industry.
  • a technique of forming a fine pattern by selectively removing a metal or an insulator coated with a predetermined thickness on a substrate is typical.
  • the material constituting the pattern is an optically opaque material, for example, a metal
  • the region existing below is covered by the metal pattern of the uppermost layer to optically observe the abnormality of the other pattern existing at the bottom. It is practically impossible.
  • semiconductor devices such as memory devices and logic devices are generally manufactured by sequentially stacking layers having a predetermined pattern on a silicon wafer.
  • FIG. 15 illustrates a cross-sectional structure of an exemplary MOSFET device.
  • active regions 801 and 802 doped with a dopant are formed on a surface of a silicon wafer substrate, and a gate 803 of a MOS transistor is formed on the active region.
  • Various levels of metallization layers 805 and 806 are formed on the gate 803 in the state where the insulating layer 804 is interposed.
  • a passivation layer 808 is formed to protect the fabricated structures from the external environment. As described above, it is common to have a structure in which semiconductor devices are sequentially stacked from an active region to a final passivation layer.
  • FIG. 8 illustrates a multi-layer metalization structure stacked by way of example.
  • reference numeral 601 denotes a lower first metal wire
  • reference numeral 602 denotes an upper second metal wire
  • the first and second metal wires 601 stacked vertically in a direction perpendicular to each other.
  • An insulating layer 604 is formed between the 602.
  • the first metal wire 601 and the second metal wire 602 are electrically connected to each other by a metal 603 embedded in a via formed through the insulating layer 604. It is conducting.
  • voids 610 may be formed in the middle of the via without filling the via as shown in FIG. 8B.
  • an abnormal pattern in which the via does not normally penetrate the insulating layer 604 may be formed in the insulating layer 604 (620).
  • the above-described problem may be a problem that is common to many other devices manufactured by sequentially stacking a plurality of pattern layers in addition to the semiconductor device.
  • the present invention is to solve the various problems including the above problems, the inspection that can inspect the abnormalities of the pattern form formed on the top of the pattern region laminated in a multi-layer structure on the substrate non-destructively To provide equipment and inspection methods.
  • these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.
  • the step of irradiating the wave with a sample including a pattern region in which a structure having a predetermined pattern on the substrate from the wave source; Collecting information on speckles formed by multiple scattering in the pattern region by using an information collector; And comparing the collected information with reference information to analyze whether or not there is an abnormality in the form of the structure formed in the pattern area.
  • the collecting of the information may be performed between the sample and the information collecting unit or in an area inside the information collecting unit.
  • the collecting of the information may include a first surface including a first point spaced a first distance from a surface of the sample, and a second surface farther from the surface of the sample; It may be made in the area between the second face including the second point spaced apart.
  • the method may further include generating a 3D speckle image using a plurality of speckles detected from the plurality of information collection units. .
  • the collecting of the information may further include amplifying the number of multi-scattering in the sample by reflecting at least a portion of the wave multi-scattered from the sample to the sample. have.
  • the wave irradiated from the wave source may include a laser.
  • the sample may have a structure in which a plurality of patterns are sequentially stacked on a substrate in a direction perpendicular to the substrate.
  • the structure of the sample may include a pattern region made of a metal and a pattern region made of an insulator.
  • a method for inspecting a pattern structure is formed so that a plurality of pattern regions having the same shape on the substrate is periodically repeated at a predetermined distance, the inspection method for any of the plurality of pattern regions from the wave source
  • the pattern structure inspection method may be provided.
  • the wave source for irradiating the wave with a sample including a pattern region in which a structure having a predetermined pattern is formed on the substrate;
  • An information collector configured to detect speckles generated by the scattered waves of the irradiated waves by the sample;
  • a pattern structure inspection apparatus including an information analysis unit for receiving and analyzing the speckle information collected from the information collecting unit, and outputs it to the display.
  • the information collecting unit may detect the laser speckle between the sample and the information collecting unit or in a region inside the information collecting unit.
  • the information collecting unit may detect the speckle in a first area spaced a predetermined distance from the surface of the sample.
  • the first area is a first surface including a first point spaced a first distance from the surface of the sample and a second distance spaced apart from the surface of the sample a second distance It may be arranged between the second side including the two points.
  • the first area is a first surface including a first point spaced a first distance from the surface of the sample and a second distance spaced apart from the surface of the sample a second distance It may be arranged between the second side including the two points.
  • the controller when including the two or more collectors, three-dimensional image generation unit for generating a three-dimensional speckle image using the plurality of speckles detected from the plurality of information collectors;
  • the controller may further detect the sample characteristic using the 3D speckle image.
  • a multi-scattering amplifier for amplifying the number of multiple scattering in the sample by reflecting at least a portion of the wave is multi-scattered from the sample to the sample;
  • the multi-scattering amplifier is disposed on an extension line passing through the center of the sample, the first multi-scattering amplification for reflecting at least a portion of the wave emitted by the multi-scattered from the sample to the sample part; And a second multiscattering amplifier disposed to face the first multiscattering amplifier based on the sample and reflecting at least a portion of the wave emitted by the multiscattering from the sample to the sample.
  • the sample holder for receiving a sample and the reference sample holder for receiving a reference sample;
  • a wave source for irradiating the wave with the sample and the reference sample;
  • An information collection unit for detecting speckles generated by multiple scattering of the irradiated waves by the sample and the reference sample;
  • an information analyzer configured to receive speckle information collected from the information collector and analyze the speckle information, and output the same to a display, wherein the sample and the reference sample include a pattern region in which a structure having a predetermined pattern is formed on a substrate. Structure inspection apparatus may be provided.
  • the information collecting unit may detect the laser speckle between the sample and the information collecting unit or in a region inside the information collecting unit.
  • the pattern structure inspection apparatus may include: a multiple beam reflector for dividing a wave incident from the wave source and providing a plurality of wave paths; And a beam splitter disposed on the wave paths provided from the multi-beam reflector and configured to change the paths of the wave reflected from the sample and the reference sample and to provide the information to the information collecting unit. .
  • the present invention made as described above, it is possible to inspect the pattern abnormality of the structure sequentially stacked on the substrate in a non-destructively fast time. According to one embodiment of the present invention, the pattern abnormality in the uppermost part of the pattern structure as well as the abnormality of the pattern form formed in the lower part thereof can be inspected quickly.
  • the scope of the present invention is not limited by these effects.
  • FIG. 1A and 1B are diagrams for explaining the principle of a chaotic wave sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram schematically illustrating an apparatus for inspecting a pattern structure according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a method of detecting a laser speckle in the information collecting unit of FIG. 1.
  • FIG. 4A to 4C are conceptual views schematically showing an embodiment of the pattern structure inspecting apparatus of FIG. 1.
  • 5A and 5B are conceptual views schematically illustrating an apparatus for inspecting a pattern structure according to another embodiment of the present invention.
  • FIG 6 and 7 are conceptual views schematically showing the pattern structure inspection apparatus according to the second and third embodiments of the present invention.
  • 8A through 8C are cross-sectional views of a semiconductor device having a metal wiring structure stacked in multiple layers.
  • 9A and 9B are plan views illustrating metal wiring structures of a semiconductor device.
  • FIGS. 11A and 11B show the computer simulation results of the laser speckle.
  • FIGS. 13A and 13B show a transfer simulation result of a laser speckle.
  • FIG. 14 exemplarily illustrates a silicon wafer in which a plurality of pattern regions are periodically formed.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of a typical MOSFET semiconductor device.
  • wave a part of waves scattered in a complicated path through multiple scattering passes through an inspection target surface. Waves passing through various points on the surface to be examined will cause constructive or destructive interference with each other, and the constructive / destructive interference of these waves will result in a speckle that is a grain pattern. do.
  • chaos waves can be detected by laser speckle.
  • a stable medium having no movement of the internal constituent material is irradiated with interference light (for example, a laser)
  • interference light for example, a laser
  • a stable speckle pattern without change can be observed.
  • a configuration for measuring such speckle patterns is defined as a chaotic wave sensor.
  • a chaotic wave sensor for inputting a predetermined wavelength from a wave source into a pattern structure (a structure in which a pattern region is formed in at least a partial region on a substrate) and analyzing a speckle generated from the sample is provided.
  • the chaotic wave sensor may be referred to as a pattern structure inspection device in that it is a device for inspecting the presence or absence of abnormalities in some areas of the pattern structure.
  • FIG. 1B exemplarily shows the formation of a speckle pattern in the case where a semiconductor device 600 having a multilayer metal wiring structure is used as a sample.
  • a semiconductor device constitutes a pattern structure made of a plurality of materials having different characteristics from each other in optical characteristics, for example, refractive index and light transmittance.
  • the electrical conductors 601, 602, and 603 are opaque because they do not transmit visible light, but the electrical insulators 604 and 605 made of silicon oxide or silicon nitride have high transmittance in the visible light region.
  • the first insulating layer 604 is formed between the first metal wiring 601 and the second metal wiring 602, and the second insulating layer 605 is formed on the second metal wiring 602.
  • the insulating layers 604 and 605 may be representatively silicon oxide (SiO 2), but other insulating materials having transparency through which light is transmitted may be used. For example, aluminum, tungsten, copper, or the like may be used as the material of the metal wires 601 and 602.
  • portions d spaced apart from each other are formed during patterning of the uppermost second metal wiring 602, and the spaced portions are filled with an insulator 605 for insulation.
  • the laser irradiated onto the surface of the sample is introduced into the lower portion of the second metal wiring 602 through the spaced area d of the second metal wiring 602, and then multi-scattering occurs.
  • the laser is reflected from the surface of the buried metal 603 or the lower second metal wiring 601 connected thereto, and then scattered toward the second metal wiring 602 to exit the sample.
  • speckle is formed by the constructive / destructive interference of the waves. Therefore, the pattern of the laser speckle can be determined according to the shape of the structure constituting the sample (metal wiring, via, insulation layer, etc.), and the pattern of the laser speckle changes in conjunction with the change of the structure.
  • any kind of source apparatus capable of generating waves may be applied.
  • it may be a laser capable of irradiating light of a specific wavelength band.
  • the present invention is not limited to the type of wave source, hereinafter, a device using a laser irradiation apparatus as a wave source (or a light source) will be described for convenience of description.
  • One embodiment of the present invention may be referred to as a laser inspection device in that it uses a laser as a light source.
  • the pattern structure inspection apparatus is a light source for irradiating a laser, a sample holder for supporting a sample, the government gathering collecting the laser speckle information formed by multiple scattering of light incident on the sample And an information analysis unit for analyzing the collected information and outputting the analyzed result to a user on a display.
  • the information analyzer may include a controller and a display.
  • the control unit analyzes the collected information and transmits the analysis result to the display unit.
  • the display unit outputs the received analysis result to the outside.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram schematically illustrating an apparatus 100 for inspecting a pattern structure according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 illustrates a method for detecting a laser speckle in the information collecting unit 130 of FIG. 1.
  • Drawing. 4A to 4C are conceptual views schematically showing an embodiment of the pattern structure inspecting apparatus 100.
  • the pattern structure inspecting apparatus 100 may include a light source 120 and an information collecting unit 130.
  • the pattern structure inspection apparatus 100 may further include a sample holder 110, a multi-scattering amplifier 150, a controller 140 and a display 190.
  • the light source 120 may irradiate the wave toward the sample S in the sample holder 110.
  • a laser having good coherence can be used as a wave to form speckles in the sample holder 110.
  • the shorter the spectral bandwidth of the wave that determines the coherence of the laser wave the higher the measurement accuracy. That is, the longer the coherence length, the greater the accuracy of measurement.
  • the laser light having the spectral bandwidth of the wave less than the predetermined reference bandwidth may be used as the light source 120, and the shorter than the reference bandwidth may increase the measurement accuracy.
  • the spectral bandwidth of the laser wave may be set to be 1 nm or less.
  • the information collecting unit 130 may include a sensing means corresponding to the type of the light source 120.
  • a sensing means corresponding to the type of the light source 120.
  • a camera or an image sensor which is a photographing device for photographing an image, is used. Can be.
  • the camera is preferably a camera capable of measuring two-dimensional information, but a camera that measures one-dimensional information may also be used.
  • the camera may be inclined at an angle to face the surface where light is incident on the sample to measure the laser speckle signal from the sample S.
  • the information collector 130 may detect a laser speckle including an image sensor and one or more lenses having a predetermined focal length.
  • the focal length may be shorter than the distance between the sample S and the information collecting unit 130, but is not limited thereto.
  • the information collecting unit 130 may be an image sensor that does not include a lens.
  • the information collecting unit 130 may detect a laser speckle generated by multiple scattering of waves irradiated with the sample S by the sample S. Referring to FIG. In other words, the information collector 130 may detect the laser speckle caused from the sample S.
  • the information collecting unit 130 may detect the laser speckle on the surface F of the sample S, but in one region A1 on the path along which the wave multi-scattered by the sample S travels.
  • the laser speckle can be detected at every preset time point.
  • the first region A1 may be a region spaced apart from the surface F of the sample S by a predetermined distance.
  • the first area A1 includes a first surface B1 and a sample S including a first point x1 spaced apart from the surface F of the sample S by a first distance d1. It may be an area disposed between the second surface (B2) including a second point (x2) spaced apart from the first distance (d1) of the second distance (d2) from the surface (F) of. That is, the laser speckle may be detected in the first area A1 between the information collecting unit 130 and the sample.
  • the laser speckle may be detected inside the information collector 130, for example, when the information collector 130 is a CCD sensor.
  • the information collector 130 may detect the laser speckle using the image sensor.
  • the laser speckle may be detected by reducing the focal length than in the case of observing the laser speckle on the surface of the sample S. FIG.
  • the image sensor when used as the information collecting unit 130, the image sensor may be disposed such that the size d of one pixel of the image sensor is smaller than or equal to the grain size of the speckle pattern.
  • the pattern structure inspection apparatus 100 may further include a multi-scattering amplifier 150.
  • the multi-scattering amplifier 150 may amplify the number of multi-scattering in the sample S by reflecting at least a portion of the wave multi-scattered from the sample S to the sample S.
  • the multi-scattering amplifier 150 may include multiple scattering material.
  • the multi-scattering material includes particles having a diameter of less than a micrometer having a large refractive index, for example, titanium oxide (TiO 2) nanoparticles, and the multi-scattering amplifier 150 includes the multi-scattering amplifier 150. Reflect at least a portion of the incident wave.
  • the multi-scattering amplifier 150 is disposed adjacent to the sample S, and the wave multiplied from the sample S exits the space between the sample S and the multi-scattering amplifier 150 at least once. You can make a round trip.
  • Pattern structure inspection apparatus 100 by amplifying the number of times the multi-scattering wave in the sample (S) through the multi-scattering amplification unit 150, the abnormal region of the fine size included in the sample Can improve the detection sensitivity.
  • the multi-scattering amplifier 150 may reflect a portion of the incident wave and transmit the remaining wave. Alternatively, the multi-scattering amplifier 150 may transmit a portion of the incident wave and reflect the remaining wave. Alternatively, the multi-scattering amplifier 150 may reflect all of the incident waves.
  • the multi-scattering amplifier 150 may be selected from at least one of the above configurations so as to correspond to the optical system structure of the light source 120 and the information collecting unit 130.
  • the pattern structure inspecting apparatus 100-1 may include a reflective optical system including a light source 120 and an information collecting unit 130.
  • the wave L1 incident on the sample S may have a multi-scattering phenomenon due to the optical nonuniformity of the sample S, and thus some waves may be reflected.
  • the information collecting unit 130 photographs a laser speckle signal generated as the wave is reflected from the sample S due to the optical non-uniformity of the sample S, and the laser is caused by the sample S. Speckle can be measured.
  • the pattern structure inspection apparatus 100-1 may include a first multi-scattering amplifier 151 and a second multi-scattering amplifier 153.
  • the first multi-scattering amplifier 151 is disposed on the extension line C passing through the center of the sample S, and reflects at least a portion of the wave multi-scattered from the sample S to the sample S. have.
  • the second multi-scattering amplifier 153 is disposed to face the first multi-scattering amplifier 151 on the basis of the sample S, and samples at least a portion of the wave that is multi-scattered from the sample S and outputs. ) Can be reflected.
  • the first multi-scattering amplifier 151 may be made of a transflective type that transmits a portion of the wave and reflects the portion.
  • the second multi-scattering amplifier 153 may have a reflection type that reflects all of the incident waves. Through this, it is possible to significantly amplify the number of times the wave is multi-scattered in the sample (S).
  • the wavelength of the light source 120 and the intensity of the wave may be used without limitation, and the type of the information collecting unit 130 may be a camera capable of measuring two-dimensional information, but measuring one-dimensional information. A camera can also be used.
  • the positions of the light source 120 and the sample S are not limited, and the information collecting unit 130 measuring the reflected laser speckle signal has a measured speckle size of the information collecting unit 130. It may be positioned to correspond to at least two to three pixels of the pixels of. For example, the information collecting unit 130 may be inclined at a predetermined angle with a surface on which light is incident on the sample S in order to measure a laser speckle signal due to reflection of a wave by the sample S.
  • the pattern structure inspecting apparatus 100-2 may be configured to have a transmission type optical system including a light source 120 and an information collecting unit 130.
  • the wave incident on the sample S may have a multi-scattering phenomenon due to the optical non-uniformity of the sample S, so that some waves may be transmitted through the sample S.
  • the information collecting unit 130 may measure the laser speckle caused by transmitting the sample S by photographing the laser speckle signal generated as the wave is transmitted through the sample (S).
  • the first multiscattering amplifier 151 and the second multiscattering amplifier 153 transmit a part of the wave and reflect a part thereof. It may be made of a transmissive type.
  • an optical system including the light source 120 and the information collecting unit 130 may have a spectroscopic type.
  • the wave L1 incident on the sample S has a multi-scattering phenomenon due to the optical non-uniform characteristic of the sample S, and thus some waves are reflected, and some waves are generated by using a beam splitter 181.
  • the path of may be changed to the information collecting unit 130.
  • an optical unit such as a phase delay plate or a polarizing plate may be further included.
  • the information collecting unit 130 may be located between the light source 120 and the sample S, and may change the path of the wave reflected by the sample S and emitted.
  • the information collector 130 may measure the laser speckle generated as the reflection and the path are changed by the sample S.
  • the first multi-scattering amplifier 151 may be made of a semi-transmissive type to transmit a portion of the wave, reflecting the portion.
  • the second multi-scattering amplifier 153 may have a reflection type that reflects all of the incident waves.
  • the pattern structure inspecting apparatus 100 may further include a controller 140 and a display 190.
  • the controller 140 analyzes the speckle information collected by the information collector 130 and transmits the analysis result to the display 190. For example, the controller 140 may analyze the shape of the laser speckle to determine whether the pattern shape in the sample pattern structure is the same as the preset design.
  • the display 190 may display the information analyzed by the controller 140 to the outside for the user to check.
  • 5A and 5B are conceptual views schematically illustrating a pattern structure inspecting apparatus 100-4 according to another embodiment of the present invention.
  • 5A and 5B illustrate the relationship between the optical unit 135 and the information collecting unit 130 for convenience of description.
  • the pattern structure inspecting apparatus 100-4 may modulate the first wave signal scattered from the sample into a second optical signal before the wave of the light source 120 is scattered by the sample.
  • the optical unit 135 may further include.
  • the optical unit 135 may include a spatial light modulator (SLM) 1351 and an information collecting unit 130.
  • SLM spatial light modulator
  • the optical unit 135 may control the wavefront of the scattered wave, restore the wave before being scattered, and provide the wave to the information collecting unit 130.
  • waves (light) scattered from a sample may be incident.
  • the spatial light modulator 1351 may control the wavefront of the wave scattered in the sample to provide the lens 1352.
  • the lens 1352 may collect the controlled light and provide it to the information collecting unit 130 again.
  • the information collecting unit 130 may detect and output a wave collected from the lens by restoring the wave output from the first wave source to be scattered.
  • the pattern structure inspection apparatus 200-1 may include two or more information collecting units 230A, 230B, 230C, and 230D.
  • the pattern structure inspection apparatus 200-1 is a three-dimensional image generating unit for generating a three-dimensional speckle image using a plurality of laser speckle detected from the plurality of information collecting units 230A, 230B, 230C, 230D 245 may be further included.
  • the number of theoretically necessary information collecting units 230 for generating a 3D image is two units, but in the case of two units, since the relative images are grasped, at least three information collecting units 230 are generated in order to generate an absolute 3D image. ) May be included. In the drawings, four information collecting units 230A, 230B, 230C, and 230D are illustrated for improving accuracy.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing an embodiment of the pattern structure inspection apparatus 200-2 according to the third embodiment of the present invention.
  • the pattern structure inspecting apparatus 200-2 includes a sample holder 210, a reference sample holder 215, a light source 220, an information collecting unit 230, and a controller 240. ), A beam splitter 281 and a multiple beam reflector 283. Since the present embodiment further includes a reference sample holder 215 and the same components as those of the above-described embodiments except that the wave path is different, the overlapping description will be omitted.
  • the reference sample holder 215 is disposed adjacent to the sample holder 210 and can receive the reference sample.
  • the reference sample may be a standard semiconductor device confirmed to be normally manufactured, and the sample may be a semiconductor device to confirm whether the process proceeds normally.
  • the light source 220 may irradiate a laser toward a sample in the sample holder 210 and a reference sample in the reference sample holder 215.
  • the multiple beam reflector 283 and the beam splitter 281 may be located between the light source 220, the sample holder 210, and the reference sample holder 215.
  • it may further include a mirror 285 for changing the wave path provided from the light source 220.
  • the multi-beam reflector 283 may divide the wave incident from the light source 220 and provide it as a plurality of wave paths.
  • the multiple beam reflector 283 may reflect waves at the front and rear surfaces, respectively, to provide parallel and divided first waves L2 and second waves L3.
  • the beam splitter 281 may be disposed on a plurality of wave paths provided from the multiple beam reflector 283, and may provide the first wave L2 and the second wave L3 as a sample and a reference sample, respectively. Subsequently, the paths of the waves reflected from the sample and the reference sample may be changed and provided to the information collecting unit 230.
  • the information collector 230 may detect the first laser speckle and the reference laser speckle generated by multiple scattering of the irradiated wave from each of the sample and the reference sample.
  • the information collecting unit 230 includes a first information collecting unit 231 disposed corresponding to the path of the first wave reflected from the sample and a second information collecting unit disposed corresponding to the path of the second wave reflected from the reference sample. 233 may include.
  • the controller 240 compares the detected first and second laser speckle information with each other to determine whether a difference between the first and second laser speckle information is equal to or less than a preset reference value. If the difference between the first and second laser speckle information is less than or equal to the reference value, it may be determined that the pattern structure of the sample semiconductor device proceeds normally like the standard semiconductor device. In the opposite case, the pattern structure of the semiconductor device, which is a sample, may be determined to be out of normal, and thus it may be estimated that a problem occurs during the manufacturing process.
  • FIG. 8 illustrates a multilayer metallization structure of a semiconductor device as an example of a sample.
  • a speckle pattern analysis method using the change of the sample structure will be described with reference to FIG. 8.
  • FIG. 8A illustrates a normal process
  • FIG. 8B illustrates a cavity 110 formed in a via portion
  • FIG. 8C illustrates that no contact penetrating through the insulating layer 604 is formed.
  • the information analyzing unit includes a control unit and a display unit.
  • the controller constituting the information analyzer is connected to a standard sample, that is, a DB in which laser speckle information is stored as in FIG. 8A.
  • the controller derives a difference value of the speckle pattern by comparing the collected laser speckle information with the laser speckle information of the standard sample stored in the DB. If the difference is less than a predetermined criterion, the analysis sample is interpreted to have the same structure as the standard sample, and thus the process may be determined to have proceeded normally.
  • the determination result of the controller is transmitted to the display unit for output by the user.
  • FIG. 9 is another example of confirming the change in the line width of the metal wiring by laser speckle analysis.
  • the difference from the standard sample will be remarkable, and it can be determined from this that the process has been abnormally performed.
  • the laser speckle result was simulated for the pattern structure having the shapes of FIGS. 9A and 9B.
  • Figure 10 shows a design used for computer simulation.
  • 10C shows a cross-sectional structure of a semiconductor device designed for simulation.
  • the substrate 1100 is a silicon single crystal, and a metal wiring 1110 made of aluminum is formed on the substrate 1100 at a predetermined distance. After the metal wiring 1110 was formed, the silicon oxide film 1120 coated the metal wiring 1110.
  • the grid spacing was 100 nm, and the wavelength of the laser irradiated from the light source was 532 nm.
  • FIG. 10A illustrates a case where a metal wiring is normally formed
  • FIG. 10B illustrates a case where a short circuit is formed in a part of the metal wiring.
  • FIG. 11 shows the results of computer simulation.
  • FIG. 11A is a laser speckle result of the structure shown in FIG. 10A
  • FIG. 11B is a laser speckle result of the structure shown in FIG. 10B.
  • FIGS. 11A and 11B when the formation of the metal wiring proceeds abnormally (FIG. 11B), it can be seen that the laser speckle results are remarkably different from those when the metal wiring is normally progressed (FIG. 11A). By comparing the results of FIGS. 11A and 11B with each other, it is possible to determine whether there is a process abnormality in the metallization manufacturing step.
  • Figure 12 shows a design used for another computer simulation.
  • 12C illustrates a cross-sectional structure of a semiconductor device designed for simulation.
  • the substrate 2100 is a silicon single crystal, and a first metal wiring 2110 made of aluminum is formed on the substrate 2100 at a predetermined distance.
  • the first insulator layer 2120 is formed of a silicon oxide layer on the first metal wire 2110.
  • the second insulator layer 2140 is also formed on the top of the first insulator layer 2120 with a silicon oxide film. Formed.
  • the metal wires 2110 and 2130 were all made of aluminum.
  • both the first and second metal wires 2110 and 2130 are normally formed, but in FIG. 12B, a short circuit exists in a part of the lower first metal wire 2110. .
  • the metal wiring 2130 is normally patterned, the short circuit portion of the first metal wiring 2110 is blocked by the second metal wiring 2130 and is not observed when viewed in a plan view. 12A to 12C, the grid spacing was 100 nm, and the wavelength of the laser irradiated from the light source was 532 nm.
  • FIG. 13 shows the results of computer simulation.
  • FIG. 13A is a laser speckle result of the structure shown in FIG. 12A
  • FIG. 13B is a laser speckle result of the structure shown in FIG. 12B.
  • FIGS. 13A and 13B when the formation of the metal wiring proceeds abnormally (FIG. 13B), it can be seen that the laser speckle results are remarkably different from those when the metal wiring is normally progressed (FIG. 13A).
  • FIGS. 13A and 13B By comparing the results of FIGS. 13A and 13B with each other, it is possible to determine whether there is a process abnormality in the metallization manufacturing step.
  • the abnormality of the active region formed by ion implantation into the silicon substrate can be inspected in the same manner.
  • a function of determining whether or not each pattern region is abnormal can be performed in a device in which a plurality of pattern regions having the same shape are periodically repeated at a predetermined distance on a substrate.
  • a function of determining whether or not each pattern region is abnormal can be performed in a device in which a plurality of pattern regions having the same shape are periodically repeated at a predetermined distance on a substrate.
  • a plurality of pattern regions formed on the silicon wafer may be sequentially inspected to determine whether each pattern region formed in the silicon wafer has a pattern shape.
  • the pattern region is divided by sawing when the process is finally completed and divided into a final device.
  • a plurality of pattern regions for example, starting from the left uppermost pattern region as shown by the arrow in FIG. Collect the relevant laser speckle information and save it on the DB.
  • the government analysis unit analyzes the laser speckle information of each pattern area stored in the DB and sets the criteria for determining the abnormality of the pattern.
  • the intensity or shape of the laser speckle pattern may be a characteristic for setting the reference. After setting the characteristics that are the targets of these criteria, statistical analysis such as mean value and standard deviation in the entire pattern area is performed. The reference target characteristic derived from the performance is set based on the mean value and standard deviation.
  • a pattern region in which the collected laser speckle information is significantly out of the average value may be interpreted as having a different structure from other pattern regions, and may be regarded as an abnormally progressed process. Therefore, by outputting the information on the abnormally advanced pattern region, it is possible to obtain information on the abnormal pattern region without the user locally cut and irradiated the silicon wafer.
  • a pattern abnormality of a structure sequentially stacked on a substrate in a non-destructively fast time.

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Abstract

본 발명의 일 관점에 따르면, 파동원으로부터 기판 상에 일정한 패턴을 가지는 구조물이 형성된 패턴영역을 포함하는 샘플로 파동을 조사하는 단계; 정보수집부를 이용하여 상기 패턴영역에서의 다중 산란에 의해 형성된 스펙클(speckle)에 대한 정보를 수집하는 단계; 및 사이 수집된 정보를 기준 정보와 비교하여 상기 패턴영역에 형성된 구조물 형태의 이상 여부를 분석하는 단계;를 포함하는, 패턴 구조물 검사 방법이 제공된다.

Description

패턴 구조물 검사 장치 및 검사 방법
본 발명은 혼돈파 센서를 이용하여 2차원 또는 3차원적으로 패턴을 가지는 구조물(이하 ‘패턴 구조물’이라 함)의 패턴 형성의 이상 여부를 검사하는 장치 및 검사 방법에 대한 것이다.
기판 상에 일정한 패턴을 가지는 구조물이 형성된 패턴영역을 제조하는 기술이 산업계에 널리 사용되고 있다. 예를 들어, 반도체 소자, 디스플레이 소자, 멤스(MEMS) 소자 등과 같이 기판 상에 소정의 두께로 도포된 금속 또는 절연체를 선택적으로 제거하여 미세한 패턴을 형성하는 기술이 대표적이다.
이러한 패턴영역을 제조하는 기술의 경우, 패턴을 형성한 이후에 이러한 패턴이 정상적으로 형성되었는지 여부를 확인하는 작업이 수행되는 경우가 있다. 이를 위해, 종래부터 광학 현미경을 이용하여 패턴의 최상층을 관찰하거나 탐침을 이용하여 패턴 표면의 이상 유무를 검사하는 방법이 사용되어 왔다.
기판 위에 복수의 패턴이 기판에 수직한 방향으로 순차적으로 적층되는 경우, 이러한 종래의 검사 방법에 의할 시에는 최상층 패턴의 하부에 배치된 패턴의 이상 유무를 관찰하기 어려운 문제가 있다. 특히 패턴을 구성하는 소재가 광학적으로 불투명한 소재, 예를 들어 금속인 경우에는 최상층의 금속 패턴에 의해 그 하부에 존재하는 영역이 가려지게 되어 하부에 존재하는 다른 패턴의 이상 유무를 광학적으로 관찰하는 것은 실질적으로 불가능하다.
반도체 소자 제조 공정을 예를 들면, 일반적으로 메모리 소자, 로직 소자와 같은 반도체 소자들은 실리콘 웨이퍼 상에 일정한 패턴을 가지는 레이어(layer)를 순차적으로 적층하여 제조하게 된다.
도 15에는 예시적으로 MOSFET 소자의 단면 구조가 도시되어 있다. 도 15를 참조하면, 실리콘 웨이퍼 기판 표면에는 도판트(dopant)가 도핑되어 있는 활성영역(801, 802)을 형성하게 되며, 이러한 활성영역 상부에는 MOS 트랜지스터의 게이트(803)가 형성된다. 게이트(803)의 상부에는 절연층(804)이 개재된 상태에서 도전을 위한 다양한 레벨의 금속배선층(805,806)이 형성되게 된다. 최종적으로는 기 제조된 구조물들을 외부 환경으로부터 보호하기 위한 패시베이션층(808)이 형성되게 된다. 이와 같이 반도체 소자의 경우에는 활성 영역에서부터 최종 패시베이션층까지 순차적으로 적층되는 구조를 가지는 것이 일반적이다.
이러한 수직적 적층 구조에서는 최종적으로 공정이 완료된 후에는 최상위층의 아래 부분에 배치되어 있는 하부 구조물의 이상 여부를 비파괴적으로 검사하는 것이 용이하지 않다.
도 8에는 예시적으로 다층으로 적층된 금속배선 구조(multi-layer metalization structure)가 도시 되어 있다. 도 8에서 도면부호 (601)는 하부의 제 1 금속배선이며, 도면부호 (602)는 상부의 제 2 금속배선이며, 서로 수직한 방향으로 상하로 적층된 제 1 및 제 2 금속배선(601, 602) 사이에는 절연층(604)이 형성되어 있다.
도 8(a)에 예시된 것과 같이 제 1 금속배선(601)과 제 2 금속배선(602)은 절연층(604)을 관통하여 형성된 비아(via) 내부에 매립된 금속(603)에 의해 전기적으로 도통되고 있다. 도 8(a)는 정상적으로 비아 매립이 일어난 경우이나 경우에 따라 비정상적으로 진행된 공정으로 인하여 도 8(b)와 같이 비아 매립이 정상적으로 일어나지 않고 비아 중간에 공공(void, 610)이 형성될 수 있다. 또는 도 6(c)와 같이 절연층(604) 내에 비아가 정상적으로 절연층(604)를 관통하지 않는 비정상적인 패턴을 형성할 수 있다(620).
이러한 비아 내 공공의 존재 여부, 비아 형성의 정상 정도를 알아내기 위해서는 공정이 완료된 후 소자단위에서 전기적 테스트를 통하여 확인하여야 하며, 공정의 진행 중간에 확인하기 위해서는 웨이퍼를 절단하여 해당 부분을 투과전자현미경(TEM, transmission electron microscopy)이나 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscopy) 같은 검사장비로 관찰해야 한다. 이러한 공정 이상을 확인하기 위하여 국부적인 영역의 관찰이 필요하나 웨이퍼 전체를 파괴해야하므로 상당한 시간 및 비용이 소요되게 된다. 또한 공정 확인에 소요되는 시간 때문에 공정진행이 그 만큼 지연되는 문제점이 있다.
상술한 문제는 반도체 소자 이외에도 복수의 패턴층을 순차적으로 적층하여 제조하는 다른 여러 소자에서도 공통적으로 발생되는 문제일 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 비 파괴적으로 기판 상에 다층구조로 적층된 패턴영역의 최상부는 물론 그 아래 부분에 형성된 패턴 형태의 이상을 검사할 수 있는 검사 장비 및 검사 방법의 제공을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 파동원으로부터 기판 상에 일정한 패턴을 가지는 구조물이 형성된 패턴영역을 포함하는 샘플로 파동을 조사하는 단계; 정보수집부를 이용하여 상기 패턴영역에서의 다중 산란에 의해 형성된 스펙클(speckle)에 대한 정보를 수집하는 단계; 및 상기 수집된 정보를 기준 정보와 비교하여 상기 패턴영역에 형성된 구조물 형태의 이상 여부를 분석하는 단계;를 포함하는, 패턴 구조물 검사 방법이 제공된다.
상기 패턴 구조물 검사 방법에 있어서, 상기 정보를 수집하는 단계는 상기 샘플과 상기 정보수집부의 사이 또는 상기 정보수집부 내부의 일 영역에서 수행될 수 있다.
상기 패턴 구조물 검사 방법에 있어서, 상기 정보를 수집하는 단계는, 상기 샘플의 표면으로부터 제 1 거리 이격된 제 1 지점을 포함하는 제 1 면과, 상기 샘플의 표면으로부터 상기 제 1 거리보다 먼 제 2 거리 이격된 제 2 지점을 포함하는 제 2 면 사이의 영역에서 이루어질 수 있다.
상기 패턴 구조물 검사 방법에 있어서, 상기 정보수집부를 2개 이상 포함하는 경우, 상기 복수의 정보수집부들로부터 검출된 복수의 스펙클을 이용하여 3차원 스펙클 이미지를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 패턴 구조물 검사 방법에 있어서, 상기 정보를 수집하는 단계는 상기 샘플로부터 다중산란되어 출사되는 파동의 적어도 일부를 상기 샘플로 반사시켜 상기 샘플에서의 다중산란의 횟수를 증폭시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 패턴 구조물 검사 방법에 있어서, 상기 파동원에서 조사되는 파동은 레이저를 포함할 수 있다.
상기 패턴 구조물 검사 방법에 있어서, 상기 샘플은 기판 상에 복수의 패턴이 상기 기판에 수직한 방향으로 순차적으로 적층된 구조를 가지는 것일 수 있다.
상기 패턴 구조물 검사 방법에 있어서, 상기 샘플의 구조물은 금속으로 이루어진 패턴 영역 및 절연체로 이루어진 패턴 영역을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 기판 상에 동일한 형태를 가지는 복수의 패턴영역이 일정한 이격 거리를 두고 주기적으로 반복되도록 형성되는 패턴 구조물에 대한 검사 방법으로서, 파동원으로부터 상기 복수의 패턴영역 중 임의의 하나인 제 1 패턴영역을 선택하여 상기 제 1 패턴영역에 파동을 조사하고, 상기 제 1 패턴영역에서의 다중 산란에 의해 형성된 스펙클(speckle)에 대한 정보를 수집하여 DB에 저장하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계와 동일한 단계를 상기 제 1 패턴영역으로터 이격된 적어도 하나의 다른 패턴영역에 반복적으로 수행하여 상기 다른 패턴영역에서의 스펙클 정보를 DB에 저장하는 제 2 단계; 상기 제 1 단계 및 제 2 단계에서 수집된 스펙클 정보를 분석하여 상기 패턴영역의 이상 유무를 판단하는 기준을 설정하는 단계; 및 상기 DB에 저장된 상기 패턴영역의 스펙클 정보를 상기 기준과 비교하고 판단하는 단계:를 포함하는, 패턴 구조물 검사 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 의하면, 기판 상에 일정한 패턴을 가지는 구조물이 형성된 패턴영역을 포함하는 샘플로 파동을 조사하는 파동원; 상기 조사된 파동이 상기 샘플에 의해 다중 산란(multiple scattering)되어 발생된 스펙클(speckle)을 검출하는 정보수집부; 및 상기 정보수집부로부터 수집된 스펙클 정보를 전송받아 분석하고, 이를 디스플레이로 출력하는 정보분석부를 포함하는 패턴 구조물 검사 장치가 제공된다.
상기 패턴 구조물 검사 장치에 있어서, 상기 정보수집부는 상기 샘플과 상기 정보수집부 사이 또는 상기 정보수집부 내부의 일영역에서 상기 레이저 스펙클을 검출할 수 있다.
상기 패턴 구조물 검사 장치에 있어서, 상기 정보수집부는 상기 샘플의 표면으로부터 일정 거리 이격된 제1 영역에서 상기 스펙클을 검출할 수 있다.
상기 패턴 구조물 검사 장치에 있어서, 상기 제 1 영역은 상기 샘플의 표면으로부터 제 1 거리 이격된 제1 지점을 포함하는 제 1 면과 상기 샘플의 표면으로부터 상기 제 1 거리보다 먼 제 2 거리 이격된 제2 지점을 포함하는 제 2 면 사이에 배치될 수 있다.
상기 패턴 구조물 검사 장치에 있어서, 상기 제 1 영역은 상기 샘플의 표면으로부터 제 1 거리 이격된 제1 지점을 포함하는 제 1 면과 상기 샘플의 표면으로부터 상기 제 1 거리보다 먼 제 2 거리 이격된 제2 지점을 포함하는 제 2 면 사이에 배치될 수 있다.
상기 패턴 구조물 검사 장치에 있어서, 상기 정부수집부를 둘 이상 포함하는 경우, 상기 복수의 정보수집부들로부터 검출된 복수의 상기 스펙클들을 이용하여 3차원 스펙클 이미지를 생성하는 3차원 이미지 생성부;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 3차원 스펙클 이미지를 이용하여 상기 샘플 특성을 탐지할 수 있다.
상기 패턴 구조물 검사 장치에 있어서, 상기 샘플로부터 다중산란되어 출사되는 상기 파동의 적어도 일부를 상기 샘플로 반사시켜 상기 샘플에서의 다중 산란 횟수를 증폭시키는 다중산란증폭부;를 더 포함할 수 있다.
상기 패턴 구조물 검사 장치에 있어서, 상기 다중산란증폭부는, 상기 샘플의 중심을 지나는 연장선 상에 배치되며, 상기 샘플로부터 다중산란되어 출사되는 상기 파동의 적어도 일부를 상기 샘플로 반사시키는 제1 다중산란증폭부; 및 상기 샘플을 기준으로 상기 제1 다중산란증폭부와 대향되게 배치되며, 상기 샘플로부터 다중산란되어 출사되는 상기 파동의 적어도 일부를 상기 샘플로 반사시키는 제2 다중산란증폭부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 의하면, 샘플을 수용하는 샘플 홀더 및 기준 샘플을 수용하는 기준 샘플 홀더; 상기 샘플 및 기준 샘플로 파동을 조사하는 파동원; 상기 조사된 파동이 상기 샘플 및 기준 샘플에 의해 다중 산란(multiple scattering)되어 발생된 스펙클(speckle)을 검출하는 정보수집부; 및 상기 정보수집부로부터 수집된 스펙클 정보를 전송받아 분석하고, 이를 디스플레이로 출력하는 정보분석부를 포함하고, 상기 샘플 및 기준 샘플은 기판 상에 일정한 패턴을 가지는 구조물이 형성된 패턴영역을 포함하는 패턴 구조물 검사 장치가 제공될 수 있다.
상기 패턴 구조물 검사 장치에 있어서, 상기 정보수집부는 상기 샘플과 상기 정보수집부 사이 또는 상기 정보수집부 내부의 일영역에서 상기 레이저 스펙클을 검출할 수 있다.
상기 패턴 구조물 검사 장치는 상기 파동원으로부터 입사된 파동을 분할시켜 복수의 파동 경로로 제공하는 다중 빔 리플렉터; 및 상기 다중 빔 리플렉터로부터 제공되는 상기 파동 경로들 상에 배치되고, 상기 샘플 및 상기 기준 샘플에서 반사되어 출사되는 상기 파동의 경로들을 변경하여 상기 정보수집부로 제공하는 빔 스플리터;를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판에 순차적으로 적층된 구조물의 패턴 이상을 비 파괴적으로 빠른 시간 내에 검사하는 것이 가능하다. 본 발명의 일 실시예에 의하면 패턴 구조물의 최상부 부분에서의 패턴 이상은 물론 그 하부에 형성된 패턴 형태의 이상도 빠른 시간 내에 검사하는 가능하다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1a 및 도 1b은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼돈파 센서의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 패턴 구조물 검사 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 3은 도 1의 정보수집부에서의 레이저 스펙클의 검출 방법을 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 1의 패턴 구조물 검사 장치의 실시 형태를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 패턴 구조물 검사 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 제 2 및 제 3 실시예에 따른 패턴 구조물 검사 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 8a 내지 8c는 다층으로 적층된 금속배선 구조를 가지는 반도체 소자의 단면도이다.
도 9a 및 9b는 반도체 소자의 금속배선 구조를 나타낸 평면도이다.
도 10a 내지 10c는 레이저 스펙클의 분석 결과를 전사모사하기 위한 설계안이며, 도 11a 및 11b는 레이저 스펙클의 전산모사 결과를 나타낸 것이다.
도 12a 내지 12c는 또 다른 레이저 스펙클의 분석 결과를 전사모사하기 위한 설계안이이며, 도 13a 및 13b는 레이저 스펙클의 전사모사 결과를 나타낸 것이다.
도 14는 복수의 패턴영역이 주기적으로 형성된 실리콘 웨이퍼를 예시적으로 도시한 것이다.
도 15은 일반적인 MOSFET 반도체 소자의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
유리와 같이 내부 굴절율이 균질한 물질의 경우에는 광을 조사했을 때에 일정한 방향으로 굴절이 일어난다. 하지만, 내부 굴절률이 불균질한 물체에 레이저와 같은 간섭광(Coherent Light)을 조사하면, 물질 내부에서 매우 복잡한 다중 산란(multiple scattering)이 발생하게 된다.
도 1a를 참조하면, 파동원에서 조사한 빛 또는 파동(이하, 간략화를 위하여 파동이라 함) 중, 다중 산란을 통해 복잡한 경로로 산란된 파동의 일부는 검사대상면을 통과하게 된다. 검사 대상면의 여러 지점을 통과하는 파동들이 서로 보강 간섭(constructive interference) 또는 상쇄 간섭(destructive interference)를 일으키게 되고, 이러한 파동들의 보강/상쇄 간섭은 낱알 모양의 무늬인 스펙클(speckle)을 발생시키게 된다.
본 명세서에서는 이러한 복잡한 경로로 산란되는 파동들을 "혼돈파(Chaotic wave)"라고 명명하였으며, 혼돈파는 레이저 스펙클을 통해 검출할 수 있다. 도 1a와 같이 시간에 따라 내부 구성 물질의 움직임이 없는 안정한 매질을 간섭광(예를 들면 레이저)로 조사하였을 때에는 변화가 없는 안정한 스펙클 패턴(speckle pattern)을 관측할 수 있다. 본 명세서는 이러한 스펙클 패턴을 측정하는 구성을 혼돈파 센서(Chaotic Wave Sensor)라 정의한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 파동원으로부터 소정의 파장을 샘플인 패턴 구조물(기판 상의 적어도 일부 영역에 패턴 영역이 생성된 구조물)에 투입하고 상기 샘플로부터 발생되는 스펙클을 분석하는 혼돈파 센서가 제공된다. 이러한 혼돈파 센서는 패턴 구조물 내 일부 영역의 형태의 이상 유무를 검사하기 위한 장치라는 점에서 패턴 구조물 검사 장치로 지칭될 수 있다.
도 1b에는 예시적으로 다층 금속 배선 구조를 가지는 반도체 소자(600)를 샘플로 사용한 경우의 스펙클 패턴의 형성을 나타내고 있다. 일반적으로 반도체 소자는 광학특성, 예를 들어 굴절률, 광투과도 등이 서로 특성이 상이한 복수의 재료들로 패턴 구조물을 구성하고 있다. 예를 들어, 도 1b를 참조하면 전기전도체인 금속(601, 602, 603)은 가시광선이 투과하지 못하여 불투명하나 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물으로 이루어진 전기절연체(604, 605)는 가시광선 영역에서 높은 투과도를 가진다.
제 1 금속배선(601)과 제 2 금속배선(602) 사이에는 제1절연층(604)이 형성되어있으며, 제2금속배선(602) 상부에는 제2절연층(605)이 형성되어 있다.
절연층(604, 605) 재료는 대표적으로 실리콘 산화물(SiO2)일 수 있으나, 그 외에도 빛이 투과되는 투명도가 있는 절연물은 어떠한 재료로 이용될 수 있다. 금속배선(601, 602)의 재료는 예시적으로 알루미늄, 텅스텐, 구리 등이 이용될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 반도체 소자의 경우 최상부의 제 2 금속배선(602)을 패턴화 하는 중에 서로 이격된 부분(d)이 형성되며, 이러한 이격된 부분은 절연을 위해 절연체(605)가 매립된다. 예를 들어 샘플의 표면으로 조사된 레이저는 이러한 제2금속배선(602)의 이격영역(d)을 통해 제2금속배선(602)의 하부까지 투입된 후 다중 산란이 일어나게 된다. 예를 들어 상기 레이저는 비아를 매립한 금속(603) 또는 이와 연결된 하부의 제2금속배선(601)의 표면에서 반사된 후 다시 제2금속배선(602)쪽으로 산란되어 샘플의 외부로 출사하게 되며, 이 과정에서 파동들의 보강/상쇄 간섭에 의해 스펙클이 형성되게 된다. 따라서 샘플의 구성하는 구조물(금속배선, 비아, 절연층 등)의 형태에 따라 레이저 스펙클의 패턴이 결정될 수 있으며, 이러한 구조물의 변화에 연동하여 레이저 스펙클의 패턴도 변화하게 된다.
본 발명의 기술 사상을 따르는 패턴 구조물 검사 장치의 파동원으로는 파동(wave)을 생성할 수 있는 모든 종류의 소스 장치를 적용할 수 있다. 예를 들면, 특정 파장 대역의 광을 조사할 수 있는 레이저(laser)일 수 있다. 본 발명은 파동원 종류에 제한이 없으나, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 레이저 조사 장치를 파동원(또는 광원)으로 사용하는 장치에 대해서 기술한다. 이러한 본 발명의 일 실시예는 광원으로 레이저를 사용한다는 점에서 레이저 검사 장치로 지칭될 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 따르는 패턴 구조물 검사 장치는 레이저를 조사하는 광원, 샘플을 지지하는 샘플 홀더, 샘플로 입사된 광이 다중산란(multiple scattering)됨에 따라 형성된 레이저 스펙클 정보를 수집하는 정부수집부, 및 수집된 정보를 분석하고, 분석된 결과를 디스플레이로 사용자에게 출력하는 정보분석부를 포함한다. 상기 정보분석부는 제어부 및 디스플레이부를 포함할 수 있다. 제어부는 수집된 정보를 분석하고, 분석 결과를 디스플레이부로 전송한다. 디스플레이부는 전송받은 분석 결과를 외부로 출력한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 패턴 구조물 검사 장치(100)를 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 3은 도 1의 정보수집부(130)에서의 레이저 스펙클의 검출 방법을 도시한 도면이다. 또한, 도 4a 내지 도 4c는 패턴 구조물 검사 장치(100)의 실시 형태를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 패턴 구조물 검사 장치(100)는 광원(120) 및 정보수집부(130)를 포함할 수 있다. 또한, 패턴 구조물 검사 장치(100)는 샘플 홀더(110), 다중산란증폭부(150), 제어부(140) 및 디스플레이부(190)를 더 포함할 수 있다.
광원(120)은 샘플 홀더(110) 내의 샘플(S)를 향하여 파동을 조사할 수 있다. 예를 들어, 샘플 홀더(110)에 스펙클을 형성하기 위해서 간섭성(coherence)이 좋은 레이저를 파동으로 이용할 수 있다. 이때, 레이저 파동의 간섭성을 결정하는 파동의 스펙트럴 대역폭(spectral bandwidth)이 짧을수록 측정 정확도가 증가할 수 있다. 즉, 간섭길이(coherence length)가 길수록 측정 정확도가 증가할 수 있다. 이에 따라, 파동의 스펙트럴 대역폭이 기 정의된 기준 대역폭 미만인 레이저광이 광원(120)으로 이용될 수 있으며, 기준 대역폭보다 짧을수록 측정 정확도는 증가할 수 있다. 예컨대, 레이저 파동의 스펙트럴 대역폭은 1nm 이하가 되도록 설정될 수 있다.
정보수집부(130)는 광원(120) 종류에 대응한 감지수단을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 가시광선 파장 대역의 광원을 이용하는 경우에는 영상을 촬영하는 촬영장치인 카메라 또는 이미지 센서가 이용될 수 있다.
카메라의 종류는 2 차원 정보를 측정할 수 있는 카메라가 선호되나 1차원 정보를 측정하는 카메라도 사용될 수 있다. 예컨대, 카메라는 샘플(S)로부터 나오는 레이저 스페클 신호를 측정하기 위해, 샘플로 광이 입사되는 면과 마주보며 일정 각도로 기울어져 위치할 수 있다.
일 실시예로서, 정보수집부(130)는 이미지 센서 및 소정의 초점 거리를 갖는 하나 이상의 렌즈를 포함하여 레이저 스펙클을 검출할 수 있다. 이때, 초점 거리는 샘플(S)와 정보수집부(130) 사이의 거리보다 짧을 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 다른 실시예로서, 정보수집부(130)는 렌즈를 포함하지 않는 이미지 센서가 이용될 수도 있다.
도 3을 참조하면, 정보수집부(130)는 샘플(S)로 조사된 파동이 샘플(S)에 의해 다중 산란(multiple scattering)되어 발생된 레이저 스펙클을 검출할 수 있다. 다시 말해, 정보수집부(130)는 샘플(S)로부터 유발된(caused) 레이저 스펙클을 검출할 수 있다.
구체적으로, 정보수집부(130)는 샘플(S)의 표면(F)에서 레이저 스펙클을 검출할 수도 있지만, 샘플(S)에 의해 다중산란된 파동이 이동하는 경로 상의 일 영역(A1)에서 레이저 스펙클을 사전에 설정된 시점마다 검출할 수 있다. 이때, 제1 영역(A1)은 샘플(S)의 표면(F)으로부터 일정 거리 이격된 영역일 수 있다. 일 실시예로서, 제1영역(A1)은 샘플(S)의 표면(F)으로부터 제1 거리(d1) 이격된 제1 지점(x1)을 포함하는 제1 면(B1)과 샘플(S)의 표면(F)으로부터 제1 거리(d1)보다 먼 제2거리(d2) 이격된 제2 지점(x2)을 포함하는 제2 면(B2) 사이에 배치된 영역일 수 있다. 즉, 정보수집부(130)과 샘플 사이의 제 1 영역(A1)에서 레이저 스펙클을 검출할 수 있다. 또는 레이저 스펙클은 정보수집부(130) 내부, 예컨대, 정보수집부(130)가 CCD 센서일 경우, CCD 센서의 표면에서 검출될 수 있다.
다른 실시예로서, 정보수집부(130)는 이미지 센서를 이용하여 레이저 스펙클을 검출할 수도 있다. 이미지 센서를 이용하여 레이저 스펙클을 검출하는 경우, 샘플(S)의 표면에서 레이저 스펙클을 관찰하는 경우보다 초점 거리를 줄여 레이저 스펙클을 검출할 수 있다.
한편, 정보수집부(130)로 이미지 센서가 이용되는 경우, 이미지 센서 한 픽셀(pixel)의 크기 d가 스펙클 패턴의 입자 크기(grain size)보다 작거나 같아지도록 이미지 센서가 배치될 수 있다.
한편, 도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 구조물 검사 장치(100)는 다중산란증폭부(150)를 더 포함할 수 있다. 다중산란증폭부(150)는 샘플(S)로부터 다중산란되어 출사되는 파동의 적어도 일부를 샘플(S)로 반사시켜 샘플(S)에서의 다중산란 횟수를 증폭시킬 수 있다.
다중산란증폭부(150)는 다중산란물질(multiple scattering material)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 다중산란물질은 굴절률이 큰 마이크로 미터 크기 이하의 지름을 가지는 입자, 예를 들면 산화티타늄 (TiO2) 나노입자를 포함하며, 다중산란증폭부(150)는 상기 다중산란증폭부(150)로 입사되는 파동의 적어도 일부를 반사시킬 수 있다.
다중산란증폭부(150)는 샘플(S)와 인접하게 배치되어, 샘플(S)로부터 다중산란되어 출사되는 파동이 샘플(S)와 상기 다중산란증폭부(150) 사이의 공간을 적어도 1회이상 왕복하도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 구조물 검사 장치(100)는 다중산란증폭부(150)를 통해 샘플(S) 내에서 파동의 다중산란되는 횟수를 증폭시킴으로써, 샘플 내의 포함된 미세한 크기의 비정상 영역에 대한 검출 감도를 향상시킬 수 있다.
다중산란증폭부(150)는 입사되는 파동의 일부를 반사시키고, 나머지 파동은 투과시킬 수 있다. 또는, 다중산란증폭부(150)는 입사되는 파동의 일부를 투과시키고, 나머지 파동은 반사시킬 수 있다. 또는, 다중산란증폭부(150)는 입사되는 파동의 전부를 반사시킬 수도 있다. 다중산란증폭부(150)는 광원(120)과 정보수집부(130)의 광학계 구조에 대응되도록 전술한 구성 중 적어도 하나 이상 선택될 수 있다.
도 4a를 참조하면, 패턴 구조물 검사 장치(100-1)는 광원(120)과 정보수집부(130)를 포함하는 광학계가 반사형으로 구성될 수 있다. 샘플(S)에 입사된 파동(L1)은 샘플(S)의 광학적 불균일한 특징 때문에 다중산란 현상이 발행하여 일부 파동이 반사되어 나올 수 있다. 이때, 정보수집부(130)는 샘플(S)의 광학적 불균일 특성으로 인해 샘플(S)에 파동이 반사되어 출사됨에 따라 발생되는 레이저 스펙클 신호를 촬영하여, 샘플(S)에 의해 유발된 레이저 스펙클을 측정할 수 있다.
패턴 구조물 검사 장치(100-1)는 제1 다중산란증폭부(151) 및 제2다중산란증폭부(153)를 포함할 수 있다. 제1 다중산란증폭부(151)는 샘플(S)의 중심을 지나는 연장선(C) 상에 배치되며, 샘플(S)로부터 다중산란되어 출사되는 파동의 적어도 일부를 샘플(S)로 반사시킬 수 있다.
제2 다중산란증폭부(153)는 샘플(S)를 기준으로 제1 다중산란증폭부(151)와 대향되게 배치되며, 샘플(S)로부터 다중산란되어 출사되는 파동의 적어도 일부를 샘플(S)로 반사시킬 수 있다. 반사형 광학계의 경우, 제1 다중산란증폭부(151)는 파동의 일부를 투과시키고, 일부를 반사시키는 반투과형으로 이루어질 수 있다.
또한, 제2 다중산란증폭부(153)는 입사되는 파동의 전부를 반사시키는 반사형으로 이루어질 수 있다. 이를 통해, 샘플(S) 내에서 파동이 다중산란되는 횟수를 현저하게 증폭시킬 수 있다.
도 4a에서, 광원(120)의 파장, 파동의 세기 등 제한을 받지 않고 사용될 수 있으며, 정보수집부(130)의 종류는 2차원 정보를 측정할 수 있는 카메라가 선호되나, 1차원 정보를 측정하는 카메라도 사용될 수 있다.
도 4a에서, 광원(120), 샘플(S)의 위치는 제한되지 않으며, 반사된 레이저 스펙클 신호를 측정하는 정보수집부(130)는 측정된 하나의 스펙클 크기가 정보수집부(130)의 픽셀들 중 2 내지 3 픽셀 이상에 해당하도록 위치할 수 있다. 예컨대, 정보수집부(130)는 샘플(S)에 의한 파동의 반사로 인한 레이저 스펙클 신호를 측정하기 위해, 샘플(S)로 광이 입사되는 면과 일정 각도로 기울어져 위치할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 패턴 구조물 검사 장치(100-2)는 광원(120)과 정보수집부(130)를 포함하는 광학계가 투과형으로 구성될 수 있다. 샘플(S)에 입사된 파동은 샘플(S)의 광학적 불균일한 특징 때문에 다중산란 현상이 발생하여 일부 파동이 샘플(S)를 투과하여 출사될 수 있다.
그러면, 정보수집부(130)는 파동이 샘플(S)를 투과하여 출사됨에 따라 발생하는 레이저 스펙클 신호를 촬영함으로써, 샘플(S)를 투과함에 따라 유발된 레이저 스펙클을 측정할 수 있다.
샘플 특성탐지 장치(100-2)의 광학계가 투과형으로 구성되는 경우, 제 1다중산란증폭부(151) 및 제 2 다중산란증폭부(153)는 파동의 일부를 투과시키고, 일부를 반사시키는 반투과형으로 이루어질 수 있다.
도 4c를 참조하면, 패턴 구조물 검사 장치(100-3)는 광원(120)과 정보수집부(130)를 포함하는 광학계가 분광형으로 구성될 수 있다. 샘플(S)에 입사된 파동(L1)은 샘플(S)의 광학적 불균일한 특징 때문에 다중산란 현상이 발생하여 일부 파동이 반사되어 나오게 되고, 이를 빔 스플리터(Beam splitter, 181)를 이용하여 일부 파동의 경로를 정보수집부(130)로 변경할 수 있다.
분광형으로 이루어지는 경우, 파동의 편광상태를 이용하기 때문에, 위상지연판 또는 편광판과 같은 광학부를 더 포함할 수 있다. 이때, 정보수집부(130)는 광원(120)과 샘플(S) 사이에 위치하며, 샘플(S)에 의해 반사되어 출사되는 파동의 경로를 변경시킬 수 있다. 또한, 정보수집부(130)는 샘플(S)에 의해 반사 및 경로가 변경됨에 따라 발생되는 레이저 스펙클을 측정할 수 있다.
한편, 패턴 구조물 검사 장치(100-3)의 광학계가 분광형으로 구성되는 경우, 제 1 다중산란증폭부(151)는 파동의 일부를 투과시키고, 일부를 반사시키는 반투과형으로 이루어질 수 있다. 또한, 제 2 다중산란증폭부(153)는 입사되는 파동의 전부를 반사시키는 반사형으로 이루어질 수 있다.
한편, 패턴 구조물 검사 장치(100)는 제어부(140) 및 디스플레이부(190)를 더 포함할 수 있다.
제어부(140)은 정보수집부(130)에서 수집된 스펙클 정보를 분석하고 분석결과를 디스플레이부(190)으로 전송한다. 예를 들어 제어부(140)는 레이저 스펙클의 형태를 분석하여 샘플인 패턴 구조물 내의 패턴 형태가 기 설정된 설계안과 서로 동일한지 여부를 판단할 수 있다.
디스플레이부(190)는 제어부(140)로부터 분석된 정보를 사용자가 확인할 수 있게 외부로 표시할 수 있다.
도 5a 및 도 5b은 본 발명의 다른 실시예에 따른 패턴 구조물 검사 장치(100-4)를 개략적으로 도시한 개념도이다. 도 5a 및 도 5b에서는 설명의 편의를 위하여, 광학부(135)과 정보수집부(130)과의 관계를 중심으로 도시하였다.
도 5a 및 도 5b을 참조하면, 패턴 구조물 검사 장치(100-4)는 샘플에서 산란된 제1파동 신호를 광원(120)의 파동이 샘플에 의해 산란되기 전의 제2 광신호로 복원하는 변조하는 광학부(135)를 더 포함할 수 있다. 이때, 광학부(135)는 공간 광 변조부(Spatial Light Modulator; SLM, 1351) 및 정보수집부(130)를 포함할 수 있다. 광학부(135)는 측정 대상으로부터 산란된 파동이 입사되면, 산란된 파동의 파면을 제어하여, 다시 산란되기 전의 파동(광)으로 복원하여 정보수집부(130)로 제공할 수 있다. 공간 광 변조부(1351)는 샘플에서 산란된 파동(광)이 입사될 수 있다. 공간 광 변조부(1351)는 샘플에서 산란된 파동의 파면을 제어하여 렌즈(1352)에 제공할 수 있다. 렌즈(1352)는 제어된 광을 집약하여 다시 정보수집부(130)로 제공할 수 있다. 정보수집부(130)는 렌즈에서 집약된 파동을 감지하여 산란되기 최초 파동원에서 출력된 파동으로 복원하여 출력할 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 패턴 구조물 검사 장치(200-1)의 실시형태를 개략적으로 도시한 도면이다. 제 2 실시예에 있어서, 패턴 구조물 검사 장치(200-1)는 둘 이상의 정보수집부(230A, 230B, 230C, 230D)를 포함할 수 있다. 이때, 패턴 구조물 검사 장치(200-1)는 복수의 정보수집부(230A, 230B, 230C, 230D)로부터 검출된 복수의 레이저 스펙클을 이용하여 3차원 스펙클 이미지를 생성하는 3차원 이미지 생성부(245)를 더 포함할 수 있다. 3차원 이미지를 생성하기 위해서 이론적으로 필요한 정보수집부(230)의 대수는 2대이나, 2대인 경우에는 상대적인 이미지를 파악하는 것이므로, 절대적인 3차원 이미지를 생성하기 위하여 적어도 3대의 정보수집부(230)를 포함할 수 있다. 도면에서는 정확도 향상을 위하여 4개의 정보수집부(230A, 230B, 230C, 230D)를 도시하였다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 패턴 구조물 검사 장치(200-2)의 실시형태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 제 3 실시예에 따른 패턴 구조물 검사 장치(200-2)는 샘플홀더(210), 기준 샘플 홀더(215), 광원(220), 정보수집부(230), 제어부(240), 빔 스플리터(281) 및 다중 빔 리플렉터(283)를 포함할 수 있다. 본 실시예는 기준 샘플 홀더(215)를 더 포함하고, 이에 따른 파동 경로를 달리한다는 점을 제외하고 전술한 실시예들과의 구성요소와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 기준 샘플 홀더(215)는 샘플 홀더(210)와 인접하게 배치되며, 기준 샘플을 수용할 수 있다.
예를 들어, 기준 샘플은 정상적으로 제조된 것이 확인된 표준 반도체 소자일 수 있고, 샘플은 공정 진행의 정상 여부를 확인해야 하는 반도체 소자일 수 있다.
광원(220)은 샘플 홀더(210) 내의 샘플 및 기준 샘플 홀더(215) 내의 기준 샘플을 향하여 레이저를 조사할 수 있다. 여기서, 광원(220)과 샘플 홀더(210)및 기준 샘플 홀더(215) 사이에는 다중 빔 리플렉터(283) 및 빔 스플리터(281)가 위치할 수 있다. 또한, 광원(220)으로부터 제공된 파동 경로를 변경하기 위한 미러(285)를 더 포함할 수도 있다.
다중 빔 리플렉터(283)는 광원(220)으로부터 입사된 파동을 분할시켜 복수의 파동 경로로 제공할 수 있다. 다중 빔 리플렉터(283)는 전면과 후면에서 각각 파동을 반사시켜, 평행하면서 분할된 제 1 파동(L2) 및 제 2 파동(L3)을 제공할 수 있다.
빔 스플리터(281)는 다중 빔 리플렉터(283)로부터 제공되는 복수의 파동 경로상에 배치되고, 상기 제1 파동(L2) 및 제2 파동(L3)을 각각 샘플 및 기준 샘플로 제공할 수 있다. 이후, 샘플 및 기준 샘플에서 반사되어 출사되는 파동의 경로들을 변경하여 정보수집부(230)로 제공할 수 있다.
정보수집부(230)는 샘플 및 기준 샘플 각각으로부터, 조사된 파동의 다중 산란에 의해 발생된 제1 레이저 스펙클 및 기준 레이저 스펙클을 검출할 수 있다. 정보수집부(230)는 샘플로부터 반사된 제1 파동의 경로에 대응하여 배치된 제1 정보수집부(231) 및 기준 샘플로부터 반사된 제2 파동의 경로에 대응하여 배치된 제2 정보수집부(233)를 포함할 수 있다.
제어부(240)는 검출된 제 1 및 제 2 레이저 스펙클 정보를 서로 비교 분석하여 상기 제 1 및 제 2 레이저 스펙클 정보의 차이가 기 설정된 기준값 이하인지 여부를 판단한다. 만약 제 1 및 제 2 레이저 스펙클 정보의 차이가 상기 기준값 이하인 경우에는 샘플인 반도체 소자의 패턴 구조가 표준 반도체 소자와 같이 정상적으로 진행된 것으로 판단할 수 있다. 만약 그 반대의 경우에는 샘플인 반도체 소자의 패턴 구조에 정상에서 벗어난 부분이 있는 것으로 판단할 수 있으며, 따라서 제조 공정 중에 문제가 발생했음을 추정할 수 있다.
도 8에는 샘플의 예로서 반도체 소자의 다층 금속 배선 구조물이 도시되어 있다. 이하 도 8을 참조하여 이러한 샘플 구조물의 변화를 이용하는 스펙클 패턴 분석 방법에 대해서 설명한다.
도 8a는 정상적으로 공정이 진행된 것이며, 도 8b는 비아 부분에 공공(110)이 형성된 것이며, 도 8c는 절연층(604)를 관통하는 콘택(contact)이 형성되지 않은 것이다.
상술한 샘플을 샘플홀더에 장작한 후 샘플에 레이저를 조사하고, 샘플로부터 산란되는 레이저 스펙클 정보를 수집한다. 수집된 정보는 정보분석부에 분석된다. 정보분석부는 제어부 및 디스플레이부를 포함한다.
정보분석부를 구성하는 제어부는 표준 샘플, 즉 도 8a와 같이 진행되었을 경우의 레이저 스펙클 정보가 저장된 DB와 연결되어 있다. 상기 제어부는 수집된 레이저 스펙클 정보와 DB에 기 저장된 표준 샘플의 레이저 스펙클 정보를 상호 비교하여 스펙클 패턴의 차이값을 도출한다. 이러한 차이값이 기 설정된 기준 이하이면 분석 샘플은 표준 샘플과 동일한 구조를 가지고 있는 것으로 해석되며, 따라서 공정은 정상적으로 진행된 것으로 판정될 수 있다.
반면, 도 8b 또는 도 8c와 같이 비정상 적으로 공정이 진행되어 패턴상의 이상 영역이 존재할 경우에는 수집된 스펙클 정보와 표준 샘플의 스펙클 정보의 차이가 현저하여 그 차이값은 기 설정된 기준을 초과할 것이며, 따라서 공정이 비정상적으로 진행되었다는 것을 판단할 수 있다.
상기 제어부의 판단 결과는 디스플레이부로 전송되어 사용자가 확인할 수 있도록 출력된다.
도 9은 다른 예로서 금속배선의 선폭 변화를 레이저 스펙클 분석으로 확인하는 예이다. 도 9a와 같이 정상적인 선폭을 가진 경우에는 표준 샘플과의 차이가 기설정된 기준 이하일 것이다. 그러나 도 9b와 같이 비정상적으로 선폭이 형성된 영역(701)이 있는 경우에는 표준 샘플과의 차이가 현저하게 될 것이며, 이로부터 공정이 비정상적으로 진행되었다는 것을 판단할 수 있다.
패턴 구조물의 차이에 따른 레이저 스펙클 결과를 확인하기 위하여 도 9a 및 9b 형태를 가지는 패턴 구조물에 대해서 레이저 스펙클 결과를 전산모사(simulation)하였다.
도 10에는 전산모사에 사용된 설계안이 나타나 있다. 도 10c에는 시뮬레이션을 위해 설계한 반도체 소자의 단면 조직이 나타나 있다. 도 10c를 참조하면, 기판(1100)은 실리콘 단결정이었으며, 기판(1100) 상부에는 알루미늄으로 이루어진 금속배선(1110)이 소정의 이격거리를 두고 형성되어 있다. 금속배선(1110)이 형성된 후 실리콘 산화막(1120)이 금속배선(1110)을 도포하였다. 도 10a 내지 10c의 도면에서 그리드의 간격은 100nm 였으며, 광원에서 조사된 레이저의 파장은 532nm 이었다.
도 10a는 정상적으로 금속배선이 형성된 경우이며 도 10b는 금속배선의 일부에 단락(defect)이 형성된 경우이다.
도 11에는 전산모사의 결과가 도시되어 있다. 도 11a는 도 10a에 도시된 구조의 레이저 스펙클 결과이며, 도 11b는 도 10b에 도시된 구조의 레이저 스펙클 결과이다.
도 11a 및 11b에 도시된 것과 같이 금속배선의 형성이 비정상적으로 진행된 경우(도 11b)에는 정상적으로 진행된 경우(도 11a)와 현저하게 다른 레이저 스펙클 결과를 나타냄을 알 수 있다. 이러한 도 11a 및 11b의 결과를 상호 비교함으로써 금속배선 제조 단계에서의 공정 이상 유무를 판단할 수 있다.
도 12에는 또 다른 전산모사에 사용된 설계안이 나타나 있다. 도 12c에는 시뮬레이션을 위해 설계한 반도체 소자의 단면 조직이 나타나 있다. 도 12c를 참조하면, 기판(2100)은 실리콘 단결정이었으며, 기판(2100) 상부에는 알루미늄으로 이루어진 제 1 금속배선(2110)이 소정의 이격거리를 두고 형성되어 있다. 제 1 금속배선(2110)이 형성된 후 제 1 금속배선(2110) 상부에 실리콘 산화막으로 제 1 절연체층(2120)을 형성하였다. 제 1 절연체층(2120) 상부에 제 1 금속배선(2110)의 신장 방향에 수직하게 신장하는 제 2 금속배선(2130)을 형성한 후 그 상부에 역시 실리콘 산화막으로 제 2 절연체층(2140)을 형성하였다. 금속배선(2110, 2130)은 모두 알루미늄으로 구성되어 있었다.
다만, 도 12a의 경우에는 제 1 및 제 2 금속배선(2110, 2130)의 모두 정상적으로 형성되었으나, 도 12b의 경우에는 하부의 제 1 금속배선(2110)의 일부 영역에 단락(defect)이 존재하였다. 도 12b의 경우 금속배선(2130)은 정상적으로 패터닝 되었으므로 평면도 상에서 관찰할 경우 제 1 금속배선(2110)의 단락부분이 제 2 금속배선(2130)에 의해 차단되어 관찰되지 않는다. 도 12a 내지 12c의 도면에서 그리드의 간격은 100nm 였으며, 광원에서 조사된 레이저의 파장은 532nm 이었다.
도 13에는 전산모사의 결과가 도시되어 있다. 도 13a는 도 12a에 도시된 구조의 레이저 스펙클 결과이며, 도 13b는 도 12b에 도시된 구조의 레이저 스펙클 결과이다.
도 13a 및 13b에 도시된 것과 같이 금속배선의 형성이 비정상적으로 진행된 경우(도 13b)에는 정상적으로 진행된 경우(도 13a)와 현저하게 다른 레이저 스펙클 결과를 나타냄을 알 수 있다. 이러한 도 13a 및 13b의 결과를 상호 비교함으로써 금속배선 제조 단계에서의 공정 이상 유무를 판단할 수 있다.
특히 도 13b의 경우에는 최상층부의 형성된 금속배선이 가시광선 영역에서 불투명하므로 그 하부에 형성된 비정상 패턴 영역(defect)을 종래와 같은 방법으로 관찰하기 용이하지 않았다. 그러나 본 발명에 의할 경우 스펙클 패턴이 비정상적으로 검출됨에 따라 이를 통해 최상부 금속배선의 하부에 존재하는 비정상 패턴 영역의 존재를 추정할 수 있게 된다.
다른 예로서 실리콘 기판에 이온주입에 의해 형성된 활성영역의 이상 여부에 대해서도 동일한 방식으로 검사 가능하다.
본 발명의 일실시예를 따르는 다른 레이저 검사장치에 의하면 기판에 동일한 형태를 가지는 복수의 패턴영역이 일정한 거리를 두고 주기적으로 반복되도록 형성되는 소자에 있어서, 상기 각 패턴영역의 이상 유무를 판단하는 기능을 수행할 수 있다. 대표적으로 실리콘 웨이퍼상에 복수로 형성된 패턴영역을 순차적으로 검사하여 실리콘 웨이퍼 내에 형성된 복수개의 패턴영역 전체에 대해서 각각 패턴 형상의 유무를 판정하는 기능을 수행할 수 있다.
도 14에는 예시적으로 실리콘 웨이퍼 상에 복수개의 패턴영역 형성되어 있는 경우가 도시되어 있다. 이 경우 패턴영역은 최종적으로 공정이 완료될 경우 소잉(sawing)에 의해 분리되어 최종 하나의 소자가 되도록 구획된 영역이다.
본 발명의 일실시예를 따른 패턴 구조물 검사장치를 이용할 경우, 복수의 패턴영역 예를 들어 도 14의 화살표와 같이 좌측 최상단 패턴영역에서 출발하여 순차적으로 레이저를 조사하고 정보수집부는 각각의 패턴영역으로부터 해당되는 레이저 스펙클 정보를 수집하여 DB상에 저장한다.
정부분석부는 DB에 저장된 각 패턴영역의 레이저 스펙클 정보를 분석하여 패턴의 이상 유무를 판단할 수 있는 기준을 설정한다. 예시적으로 레이저 스펙클 무늬의 강도나 형태 등이 기준을 설정하기 위한 특성이 될 수 있다. 이러한 기준의 대상이 되는 특성을 설정한 후 전체 패턴영역에서의 평균값과 표준편차 등과 같은 통계적 분석을 수행한다. 수행결과 도출된 기준 대상 특성이 평균값 및 표준편차이 기준으로 설정된다.
예를 들어, 수집된 레이저 스펙클 정보가 평균값에서 현저하게 벗어난 패턴영역은 다른 패턴영역과 상이한 구조를 가지는 것으로 해석할 수 있으며, 공정이 비정상적으로 진행된 영역으로 간주할 수 있다. 따라서 이렇게 비정상적으로 진행된 패턴영역에 대한 정보를 출력함으로써 사용자가 실리콘 웨이퍼를 국부적으로 절단하여 조사하지 않아도 비정상적인 패턴영역에 대한 정보를 취득할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판에 순차적으로 적층된 구조물의 패턴 이상을 비 파괴적으로 빠른 시간 내에 검사하는 것이 가능하다. 본 발명의 일 실시예에 의하면 패턴 구조물의 최상부 부분에서의 패턴 이상은 물론 그 하부에 형성된 패턴 형태의 이상도 빠른 시간 내에 검사하는 가능하여, 시간적 효율성이 좋으며, 여러 시험을 가능하게 하여 검사비용을 절감할 수 있다.

Claims (19)

  1. 파동원으로부터 기판 상에 일정한 패턴을 가지는 구조물이 형성된 패턴영역을 포함하는 샘플로 파동을 조사하는 단계;
    정보수집부를 이용하여 상기 패턴영역에서의 다중 산란에 의해 형성된 스펙클(speckle)에 대한 정보를 수집하는 단계; 및
    상기 수집된 정보를 기준 정보와 비교하여 상기 패턴영역에 형성된 구조물 형태의 이상 여부를 분석하는 단계;
    를 포함하는,
    패턴 구조물 검사 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정보를 수집하는 단계는,
    상기 샘플과 상기 정보수집부의 사이 또는 상기 정보수집부 내부의 일 영역에서 수행되는,
    패턴 구조물 검사 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 정보를 수집하는 단계는,
    상기 샘플의 표면으로부터 제 1 거리 이격된 제 1 지점을 포함하는 제 1 면과, 상기 샘플의 표면으로부터 상기 제 1 거리보다 먼 제 2 거리 이격된 제 2 지점을 포함하는 제 2 면 사이의 영역에서 이루어지는,
    패턴 구조물 검사 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 정보수집부를 2개 이상 포함하는 경우, 상기 복수의 정보수집부들로부터 검출된 복수의 스펙클을 이용하여 3차원 스펙클 이미지를 생성하는 단계를 더 포함하는,
    패턴 구조물 검사 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 정보를 수집하는 단계는,
    상기 샘플로부터 다중산란되어 출사되는 파동의 적어도 일부를 상기 샘플로 반사시켜 상기 샘플에서의 다중산란의 횟수를 증폭시키는 단계를 더 포함하는,
    패턴 구조물 검사 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 파동원에서 조사되는 파동은 레이저를 포함하는,
    패턴 구조물 검사 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플은 기판 상에 복수의 패턴이 상기 기판에 수직한 방향으로 순차적으로 적층된 구조를 가지는,
    패턴 구조물 검사 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플의 구조물은 금속으로 이루어진 패턴 영역 및 절연체로 이루어진 패턴 영역을 포함하는,
    패턴 구조물 검사 방법.
  9. 기판 상에 동일한 형태를 가지는 복수의 패턴영역이 일정한 이격 거리를 두고 주기적으로 반복되도록 형성되는 패턴 구조물에 대한 검사 방법으로서,
    파동원으로부터 상기 복수의 패턴영역 중 임의의 하나인 제 1 패턴영역을 선택하여 상기 제 1 패턴영역에 파동을 조사하고, 상기 제 1 패턴영역에서의 다중 산란에 의해 형성된 스펙클(speckle)에 대한 정보를 수집하여 DB에 저장하는 제 1 단계;
    상기 제 1 단계와 동일한 단계를 상기 제 1 패턴영역으로터 이격된 적어도 하나의 다른 패턴영역에 반복적으로 수행하여 상기 다른 패턴영역에서의 스펙클 정보를 DB에 저장하는 제 2 단계;
    상기 제 1 단계 및 제 2 단계에서 수집된 스펙클 정보를 분석하여 상기 패턴영역의 이상 유무를 판단하는 기준을 설정하는 단계; 및
    상기 DB에 저장된 상기 패턴영역의 스펙클 정보를 상기 기준과 비교하고 판단하는 단계:를 포함하는,
    패턴 구조물 검사 방법.
  10. 기판 상에 일정한 패턴을 가지는 구조물이 형성된 패턴영역을 포함하는 샘플로 파동을 조사하는 파동원;
    상기 조사된 파동이 상기 샘플에 의해 다중 산란(multiple scattering)되어 발생된 스펙클(speckle)을 검출하는 정보수집부; 및
    상기 정보수집부로부터 수집된 스펙클 정보를 전송받아 분석하고, 이를 디스플레이로 출력하는 정보분석부를 포함하고,
    상기 정보수집부는,
    상기 샘플과 상기 정보수집부 사이 또는 상기 정보수집부 내부의 일영역에서 상기 레이저 스펙클을 검출하는,
    패턴 구조물 검사 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 정보수집부는 상기 샘플의 표면으로부터 일정 거리 이격된 제1 영역에서 상기 스펙클을 검출하는,
    패턴 구조물 검사 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 영역은 상기 샘플의 표면으로부터 제 1 거리 이격된 제1 지점을 포함하는 제 1 면과 상기 샘플의 표면으로부터 상기 제 1 거리보다 먼 제 2 거리 이격된 제2 지점을 포함하는 제 2 면 사이에 배치되는,
    패턴 구조물 검사 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 영역은 상기 샘플의 표면으로부터 제 1 거리 이격된 제1 지점을 포함하는 제 1 면과 상기 샘플의 표면으로부터 상기 제 1 거리보다 먼 제 2 거리 이격된 제2 지점을 포함하는 제 2 면 사이에 배치되는,
    패턴 구조물 검사 장치.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 정부수집부를 둘 이상 포함하는 경우, 상기 복수의 정보수집부들로부터 검출된 복수의 상기 스펙클들을 이용하여 3차원 스펙클 이미지를 생성하는 3차원 이미지 생성부;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 3차원 스펙클 이미지를 이용하여 상기 샘플 특성을 탐지하는
    패턴 구조물 검사 장치.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 샘플로부터 다중산란되어 출사되는 상기 파동의 적어도 일부를 상기 샘플로 반사시켜 상기 샘플에서의 다중 산란 횟수를 증폭시키는 다중산란증폭부;를 더 포함하는
    패턴 구조물 검사 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 다중산란증폭부는, 상기 샘플의 중심을 지나는 연장선 상에 배치되며, 상기 샘플로부터 다중산란되어 출사되는 상기 파동의 적어도 일부를 상기 샘플로 반사시키는 제1 다중산란증폭부; 및
    상기 샘플을 기준으로 상기 제1 다중산란증폭부와 대향되게 배치되며, 상기 샘플로부터 다중산란되어 출사되는 상기 파동의 적어도 일부를 상기 샘플로 반사시키는 제2 다중산란증폭부;를 포함하는
    패턴 구조물 검사 장치.
  17. 샘플을 수용하는 샘플 홀더 및 기준 샘플을 수용하는 기준 샘플 홀더;
    상기 샘플 및 기준 샘플로 파동을 조사하는 파동원;
    상기 조사된 파동이 상기 샘플 및 기준 샘플에 의해 다중 산란(multiple scattering)되어 발생된 스펙클(speckle)을 검출하는 정보수집부; 및
    상기 정보수집부로부터 수집된 스펙클 정보를 전송받아 분석하고, 이를 디스플레이로 출력하는 정보분석부를 포함하고,
    상기 샘플 및 기준 샘플은 기판 상에 일정한 패턴을 가지는 구조물이 형성된 패턴영역을 포함하는
    패턴 구조물 검사 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 정보수집부는,
    상기 샘플과 상기 정보수집부 사이 또는 상기 정보수집부 내부의 일영역에서 상기 레이저 스펙클을 검출하는,
    패넌 구조물 검사 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 파동원으로부터 입사된 파동을 분할시켜 복수의 파동 경로로 제공하는 다중 빔 리플렉터; 및
    상기 다중 빔 리플렉터로부터 제공되는 상기 파동 경로들 상에 배치되고, 상기 샘플 및 상기 기준 샘플에서 반사되어 출사되는 상기 파동의 경로들을 변경하여 상기 정보수집부로 제공하는 빔 스플리터;를 더 포함하는,
    패턴 구조물 검사 장치.
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