KR100851212B1

KR100851212B1 - 반도체 웨이퍼 표면결함 검사 방법 및 이를 위한원자간력현미경 장치

Info

Publication number: KR100851212B1
Application number: KR1020070089593A
Authority: KR
Inventors: 정정규
Original assignee: 주식회사 실트론
Priority date: 2007-09-04
Filing date: 2007-09-04
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2027-09-04

Abstract

본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 표면결함 검사방법은, 파티클 카운터를 이용하여 측정 대상 웨이퍼에 대하여 파티클 맵을 측정하는 단계; 측정된 웨이퍼 내 결함들의 좌표파일을 원자간력현미경(AFM) 장치의 좌표파일로 변환하는 단계; 변환된 파티클 좌표파일을 상기 원자간력현미경 장치에 입력하고, 상기 원자간력현미경 장치에 상기 웨이퍼를 공급한 후 정렬하는 단계; 파티클 맵에서 형상 관찰이 필요한 결함을 선택한 후 해당 결함 위치로 상기 원자간력현미경 장치를 이동시키는 단계; 상기 원자간력현미경 장치에 마련된 미분간섭 현미경을 이용하여 결함의 위치를 확인하는 단계; 위치가 파악된 결함에 대해 상기 원자간력현미경 장치에 마련된 탐침을 이용하여 결함 이미지를 측정하는 단계; 및 측정된 이미지에서 결함의 크기, 높이 또는 깊이를 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

원자간력현미경, 암시야 현미경, 명시야 현미경, 미분간섭 현미경, 광산란

Description

반도체 웨이퍼 표면결함 검사 방법 및 이를 위한 원자간력현미경 장치{Method of inspecting surface defect on semiconductor and AFM therefor}

본 발명은 반도체 웨이퍼의 표면결함 검사에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원자간력현미경(AFM: Atomic Force Microscope) 구조를 이용하여 반도체 웨이퍼 표면에 존재하는 표면결함의 형상, 크기, 높이 등을 측정하는 반도체 웨이퍼 표면결함 검사 방법 및 그 검사 장치에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼 표면에 존재하는 결함의 검출 및 유형분류를 위한 형상관찰 방법으로서 현재까지 가장 진보한 기술로는 파티클 카운터를 이용해 결함을 검출한 후 수직분해능(Vertical resolution)이 상대적으로 우수한 원자간력현미경을 통해 관찰하는 방법을 들 수 있다.

이를 위해, 종래에는 원자간력현미경 장치를 사용하여 도 1에 도시된 바와 같이 결함의 형상을 관찰하는 검사 방법이 수행되었다.

도 1을 참조하여 검사 방법을 살펴보면, 먼저 제조된 웨이퍼에 대하여 파티클 카운터를 이용하여 결함의 크기, 분포 및 밀도를 나타내는 파티클 맵을 측정한다(S110). 이때, 파티클 측정은 주로 암시야(dark field) 방식으로 측정한다.

다음, 파티클 카운터에서 측정된 웨이퍼 내 결함들의 좌표파일을 원자간력현미경 장치의 좌표파일로 변환한다(S120). 파티클 카운터의 좌표계와 원자간력현미경 장치의 좌표계는 상이하므로 파티클 맵에서 표시된 결함 개개의 형상관찰을 위해서는 좌표계의 변환이 필요하다.

다음, AFM 좌표계로 변환된 파티클 좌표파일을 도 2에 도시된 원자간력현미경 장치에 입력하고 원자간력현미경 장치의 스테이지(10)에 결함(2)이 존재하는 웨이퍼(1)를 입력 후 정렬(alignment)을 실시한다(S130). 이때, 입력된 좌표파일은 파티클 맵 형태로 모니터에 출력되며, 출력된 파티클 맵의 결함위치와 실제 웨이퍼 내 결함위치가 수 마이크로미터(㎛) 이내로 일치해야 각 결함의 형상관찰이 가능하므로, 웨이퍼의 에지(Edge)를 이용해 대략적인 위치를 보정하고 다시 표면에 존재하는 결함을 이용하여 미세 정렬을 실시한다.

다음, 파티클 맵에서 형상 관찰이 필요한 결함을 선택하고(S140), 선택된 결함 위치로 CCD 카메라(12)가 장착된 광학현미경(11)과 스캐너(13)를 이동시킨다(S150).

다음, 결함 위치에서 광산란 방식을 이용하여 결함의 위치를 확인한다(S160). 출력된 파티클 맵의 결함위치와 실제 웨이퍼 내 위치가 일치하도록 이미 위에서 2단계에 걸쳐 웨이퍼 정렬을 실시했으나, 원자간력현미경에 있어서 스캔 가능한 면적은 20㎛ 이내이므로 보다 정확한 위치 보정이 필요하다. 따라서, 레이저를 결함(2)이 존재하는 웨이퍼(1) 면에 조사하고, 결함(2)에 의해 산란된 빛의 위치를 암시야 방식으로 관찰하여 정확한 결함의 위치를 파악하는 방법이 사용된다.

결함 형상을 관찰한 후에는 위치가 파악된 결함에 대하여 탐침(14)을 이용하여 결함 이미지를 측정하고(S170), 최종적으로 측정 이미지에서 결함의 크기, 높이, 깊이 등을 측정한다(S180).

이상의 설명과 같이 종래의 반도체 웨이퍼 표면결함 검사 방법은 레이저를 결함이 존재하는 위치에 조사한 후 결함에 의해 산란된 빛의 위치를 암시야 현미경으로 관찰하여 정확한 결함의 위치를 파악하고, 이를 다시 탐침이 부착된 스캐너로 스캔하여 결함 형상을 측정하는 방식으로 진행되지만, 레이저 조사시 산란광을 발생시키지 않는 결함에 대해서는 형상 측정이 불가한 단점이 있다.

고평탄, 고반사면을 갖는 반도체 웨이퍼 표면에 존재하는 결함 중 레이저 조사시 산란광을 발생시키지 않는 결함은 주로 수십 내지 수백 마이크로미터(㎛)의 크기이고, 높이 또는 깊이가 수 나노미터(nm) 수준이다. 이러한 결함은 일반 광학현미경으로도 관찰 가능한 크기이나, 높이 또는 깊이가 수 나노미터(nm) 수준이어서 집광등 하에서 육안이나, 평탄도(Flatness), 나노토포그래피(Nanotopography) 검사시 출력되는 웨이퍼 맵으로 결함유무를 확인 후 광학현미경(Optical microscope)으로 검사하는 방법으로는 형상 관찰이 불가하다. 따라서, 암시야 방식만으로는 수 나노미터(nm) 수준의 결함 높이 또는 깊이에 대한 정보는 알 수 없어 반도체소자 공정에서 발생되는 공정불량이나 생산 수율에 미치는 영향을 전혀 예측할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 산란광을 발생시키지 않는 수 나노미터(nm) 수준의 높이 또는 깊이를 갖는 결함의 측정이 가능한 반도체 웨이퍼 표면결함 검사 방법 및 그 검사 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 크기가 수십 내지 수백 마이크로미터(㎛)이고, 높이나 깊이가 수 나노미터(nm) 수준의 결함에 대하여 명시야(bright field) 방식으로 파티클 검출을 수행하고, 미분간섭 현미경(Differential Interference Contrast Microscope)을 사용하여 결함의 형상을 관찰하는 반도체 웨이퍼 표면결함 검사 방법 및 그 검사 장치를 개시한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, (a) 파티클 카운터를 이용하여 측정 대상 웨이퍼에 대하여 파티클 맵을 측정하는 단계; (b) 측정된 웨이퍼 내 결함들의 좌표파일을 원자간력현미경(AFM) 장치의 좌표파일로 변환하는 단계; (c) 변환된 파티클 좌표파일을 상기 원자간력현미경 장치에 입력하고, 상기 원자간력현미경 장치에 상기 웨이퍼를 공급한 후 정렬하는 단계; (d) 파티클 맵에서 형상 관찰이 필요한 결함을 선택한 후 해당 결함 위치로 상기 원자간력현미경 장치를 이동시키는 단계; (e) 상기 원자간력현미경 장치에 마련된 미분간섭 현미경을 이용하여 결함의 위치를 확인하는 단계; (f) 위치가 파악된 결함에 대해 상기 원자간력현미경 장치에 마련된 탐침을 이용하여 결함 이미지를 측정하는 단계; 및 (g) 측정된 이미지에서 결함의 크기, 높이 또는 깊이를 측정하는 단계;를 포함하는 반도체 웨이퍼 표면 결함 검사방법이 제공된다.

상기 단계 (a)에서는, 레이저 조사시 산란광을 발생시키는 결함에 대해서는 암시야 방식으로 상기 파티클 맵을 측정하고, 산란광을 발생시키지 않는 결함에 대해서는 명시야 방식으로 파티클 맵을 측정하는 처리가 수행될 수 있다.

상기 단계 (e)에서는, 레이저 조사시 산란광을 발생시키는 결함에 대하여 상기 원자간력현미경 장치에 마련된 암시야 현미경을 통한 광산란 방식으로 결함의 위치를 확인하는 단계;가 더 수행될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 반도체 웨이퍼의 표면에 존재하는 결함의 위치 확인을 위한 광학현미경과, 탐침을 이용해 결함 이미지를 측정하는 스캐너를 구비한 원자간력현미경(AFM) 장치에 있어서, 상기 광학현미경에는, 명시야 현미경 모드와 암시야 현미경 모드 간의 상호 변환기능을 제공하는 명시야/암시야 변환모듈; 및 상기 명시야/암시야 변환모듈에 의해 상기 광학현미경이 명시야 현미경 모드로 작동시 측정된 결함의 위치를 확인하기 위한 미분간섭 현미경 모듈;이 장착된 것을 특징으로 하는 원자간력현미경 장치가 제공된다.

상기 미분간섭 현미경 모듈은 편광소자 및 Normarski 프리즘을 구비한 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 명시야/암시야 변환 모듈 및 미분간섭 현미경 모듈이 장착된 원자간력현미경(AFM)을 이용하여 종래에는 관찰하지 못했던, 레이저 조사시 산란광을 발생시키지 않는 표면결함의 형상과 깊이를 정확히 관찰하여 평가할 수 있 으므로 반도체 소자의 공정불량이나 생산수율에 미치는 영향을 예측할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 레이저 조사시 산란광을 발생시키는 결함과 산란광을 발생시키지 않는 결함을 동일한 장비를 이용해 모두 관찰할 수 있으므로 장비의 효율성을 높일 수 있으며 비용을 절약할 수 있는 이점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 웨이퍼(1) 표면결함 검사 방법이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 먼저 제조된 웨이퍼(1)에 대하여 파티클 카운터를 이용하여 결함의 크기, 분포 및 밀도를 나타내는 파티클 맵(particle map)을 측정한다(S210). 웨이퍼(1) 표면상의 파티클 측정은 광산란 방식의 파티클 측정 장 치(Scatterometric particle measurement system)를 사용하여 행해지며, 예컨대 KLA Tencor사 Surfscan SP1, SP2 등의 장비가 이용된다.

파티클 맵의 측정은 레이저 조사시 산란광을 발생시키지 않는 결함의 분포 및 밀도를 관찰하는 경우에는 명시야 방식이 사용되고, 레이저 조사시 산란광을 발생시키는 결함의 분포 및 밀도를 관찰하는 경우에는 암시야(dark field) 방식이 사용된다.

다음, 파티클 카운터에서 측정된 웨이퍼(1) 내 결함들의 좌표파일을 원자간력현미경(AFM) 장치의 좌표파일로 변환하고(S220), 이어서 상기 변환된 파티클 좌표파일을 원자간력현미경 장치에 입력하고 원자간력현미경 장치에 결함이 존재하는 웨이퍼(1)를 세팅한 후 정렬(alignment)을 실시한다(S230).

계속해서, 파티클 맵에서 형상 관찰이 필요한 결함을 선택한 후(S240), 선택된 결함 위치로 원자간력현미경 장치의 광학현미경(101)과 스캐너(105)를 이동시킨다(S250).

다음으로 광학현미경(101)을 이용하여 결함의 위치를 확인하는 과정이 수행되는데, 레이저 조사시 광산란에 의해 위치 파악이 가능한 결함에 대해서는 암시야 방식을 적용하여 위치를 확인하고(S260), 광산란에 의해 위치 파악이 불가능한 결함에 대해서는 미분간섭(Differential Interference Contrast) 현미경을 이용하여 결함의 위치를 확인한다(S270).

상기 미분간섭 현미경은 원자간력현미경 장치의 광학현미경(101)에 편광소자와 Nomarski 프리즘을 장착함으로써 제공된다.

광학현미경(101)을 이용해 결함의 위치를 확인한 후에는 위치가 파악된 결함에 대하여 탐침(106)이 구비된 스캐너(105)를 이용하여 결함 이미지를 측정하고(S280), 최종적으로 측정 이미지에서 결함의 크기, 높이, 깊이 등을 확인하는 작업을 수행한다(S290).

도 4에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원자간력현미경 장치의 주요 구성이 개략적으로 도시되어 있다.

도 4에 나타난 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원자간력현미경 장치에는 검사 대상 웨이퍼(1)가 올려지는 스테이지(100) 상부에 광학현미경(101)과 스캐너(105)가 배치되며, CCD 카메라(104)가 연결된 광학현미경(101)에는 명시야/암시야 변환모듈(102)과 미분간섭 현미경 모듈(103)이 장착된 구조를 갖는다.

명시야/암시야 변환모듈(102)은 명시야 현미경 모드와 암시야 현미경 모드 간의 상호 변환기능을 제공하는 것으로서, 상용화되어 있는 모듈이 채용될 수 있다.

미분간섭 현미경 모듈(103)은 명시야/암시야 변환모듈(102)에 의해 광학현미경(101)이 명시야 현미경 모드로 전환된 경우에 결함의 위치를 확인한다. 즉, 미분간섭 현미경 모듈(103)은 레이저 조사시 광산란에 의해 위치 파악이 불가능한 결함에 대한 위치 확인에 사용된다. 미분간섭 현미경 모듈(103)은 편광소자와 Normarski 프리즘이 조합된 형태로 구성된다.

상기와 같은 구성을 갖는 원자간력현미경 장치는 스테이지(100) 상부에 올려진 웨이퍼(1)에 형성된 결함의 크기가 수십 내지 수백 마이크로미터(㎛)이고, 높이 나 깊이가 수 나노미터(nm) 수준인 경우에 명시야 방식으로 이를 측정하고, 미분간섭 현미경을 이용해 위치를 확인하도록 동작한다.

또한, 위치가 확인된 결함에 대해서는 스캐너(105)에서 탐침(106)을 이용하여 결함 이미지를 측정함으로써 결함의 크기, 높이, 깊이 등을 측정할 수 있다.

도 5는 레이저 조사시 산란광을 발생시키지 않는 결함에 대하여 (A) 명시야 현미경, (B) 암시야 현미경, (C) 미분간섭 현미경에서 측정한 이미지를 비교한 도면이다. 도 5를 참조하면, 산란광을 발생시키지 않는 결함의 정확한 형상관찰은 미분간섭 현미경을 통해서만 가능함을 확인할 수 있다. 따라서, 원자간력현미경 장치를 이용하여 산란광을 발생시키지 않는 결함을 관찰하기 위해서는 미분간섭 현미경이 반드시 필요함을 알 수 있다.

도 6는 레이저 조사시 산란광을 발생시키지 않는 결함에 대하여 본 발명에 따른 원자간력현미경을 이용하여 측정한 (A) 2D 이미지, (B) 3D 이미지, (C) 단면곡선(Profile)을 나타내는 도면이다. 도 6을 참조하면, 산란광을 발생시키지 않는 결함은 크기가 수십 ~ 수백 마이크로미터(㎛)이고, 높이 또는 깊이가 수 나노미터(nm) 수준이며, 본 발명에 따른 원자간력현미경 장치를 이용하여 형상, 크기, 높이 등을 정확히 측정할 수 있음을 확인할 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상술한 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 종래기술에 따른 반도체 웨이퍼 표면결함 검사 방법이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이다.

도 2는 종래기술에 따른 원자간력현미경 장치의 주요 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 웨이퍼 표면결함 검사 방법이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원자간력현미경 장치의 주요 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 5는 명시야 현미경, 암시야 현미경, 미분간섭 현미경 등을 이용하여 산란광을 발생시키지 않는 결함을 측정한 결과를 비교한 사진이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원자간력현미경 장치를 이용하여 산란광을 발생시키지 않는 결함을 측정한 결과를 나타내는 사진 및 그래프이다.

<도면의 주요 참조 부호에 대한 설명>

100: 스테이지 101: 광학현미경

102: 명시야/암시야 변환모듈 103: 미분간섭 현미경 모듈

104: CCD 카메라 105: 스캐너

106: 탐침

Claims

(a) 파티클 카운터를 이용하여 측정 대상 웨이퍼에 대하여 파티클 맵을 측정하는 단계;

(b) 측정된 웨이퍼 내 결함들의 좌표파일을 원자간력현미경(AFM) 장치의 좌표파일로 변환하는 단계;

(c) 변환된 파티클 좌표파일을 상기 원자간력현미경 장치에 입력하고, 상기 원자간력현미경 장치에 상기 웨이퍼를 공급한 후 정렬하는 단계;

(d) 파티클 맵에서 형상 관찰이 필요한 결함을 선택한 후 해당 결함 위치로 상기 원자간력현미경 장치를 이동시키는 단계;

(e) 상기 원자간력현미경 장치에 마련된 미분간섭 현미경을 이용하여 결함의 위치를 확인하는 단계;

(f) 위치가 파악된 결함에 대해 상기 원자간력현미경 장치에 마련된 탐침을 이용하여 결함 이미지를 측정하는 단계; 및

(g) 측정된 이미지에서 결함의 크기, 높이 또는 깊이를 측정하는 단계;를 포함하는 반도체 웨이퍼 표면결함 검사방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 (a)에서,

산란광을 발생시키는 결함에 대해서는 암시야(dark field) 방식으로 상기 파티클 맵을 측정하고, 산란광을 발생시키지 않는 결함에 대해서는 명시야(bright field) 방식으로 상기 파티클 맵을 측정하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 표면결함 검사방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 (e)에서,

상기 원자간력현미경 장치에 마련된 암시야 현미경을 통한 광산란 방식으로 결함의 위치를 확인하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 표면결함 검사방법.
반도체 웨이퍼의 표면에 존재하는 결함의 위치 확인을 위한 광학현미경과, 탐침을 이용해 결함 이미지를 측정하는 스캐너를 구비한 원자간력현미경(AFM) 장치에 있어서, 상기 광학현미경에는,

명시야 현미경 모드와 암시야 현미경 모드 간의 상호 변환기능을 제공하는 명시야/암시야 변환모듈; 및

상기 명시야/암시야 변환모듈에 의해 상기 광학현미경이 명시야 현미경 모드로 작동시 측정된 결함의 위치를 확인하기 위한 미분간섭 현미경 모듈;이 장착된 것을 특징으로 하는 원자간력현미경 장치.
제4항에 있어서,

상기 미분간섭 현미경 모듈은 편광소자 및 Normarski 프리즘을 구비한 것을 특징으로 하는 원자간력현미경 장치.