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반도체 형상 측정을 위한 주사전자 현미경 Imaging 시스템에 대한 연구
A Study on the SEM (Scanning Electron Microscopy) Imaging System for Critical Dimension Measurement of Semiconductor

DC Field Value Language
dc.contributor.advisor박희재-
dc.contributor.author박성훈-
dc.date.accessioned2017-07-13T06:12:11Z-
dc.date.available2017-07-13T06:12:11Z-
dc.date.issued2014-02-
dc.identifier.other000000016713-
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/10371/118350-
dc.description학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 기계항공공학부, 2014. 2. 박희재.-
dc.description.abstract본 논문에서는 메모리 반도체의 Critical Dimension(CD)의 측정에 관한 연구를 수행하였다. CD는 회로상에서 경계 길이나 회로 선 간의 간격 폭을 일컫는 말이다. 메모리 반도체의 경우 선폭이 수십nm 이하로 떨어지면서 고배율 광학계의 한계로 인하여 저 전압 전자빔 주사 영상장치를 이용하는 것이 메모리 표면 형상(CD)를 측정할 수 있는 유일한 방법이 되었다. 일반적으로 반도체 CD측정을 위해 사용되는 방법은 SEM(Scanning Electron Microscopy) 장비를 이용하여 반도체 마스크 형상 영상을 얻고, 이 영상에 대하여 이미지 프로세싱을 이용하여 CD를 측정하는 방법이 사용되고 있다. 본 논문에서는 SEM으로 얻은 마스크 형상 영상의 CD측정에 영향을 주는 비점수차 및 초점 이미지(focused image), 노이즈 개선, CD측정 알고리즘 개발 등 4가지 인자에 대한 개선작업을 바탕으로 CD반복도 향상에 대한 작업을 하였다.
SEM에서 발생하는 비점수차를 실시간으로 해결하기 위한 알고리즘을 제안하였고, 이와 더불어 Nonlinear Anistropic Diffusion Filter(이하 NADF)를 이용하여 전자기파간의 간섭에 의해 발생하는 Speckle Noise를 제거 하였다. NADF는 이미지를 일종의 빛의 흐름으로 인식하여 유체 해석에 이용되는 편미분 방정식(PDE: Partial Differential Equation)을 도입하여 확산 방정식(Diffusion Equation)을 이용한 영상 처리 기법이다.
또한 균일한 밝기의 SEM image를 얻기 위한 작업으로 이미지의 밝기 및 Contrast에 영향을 주는 Offset및 Gain Error를 보정하는 A/D Converter를 장착하였고, 이를 바탕으로 ABCC(Auto Bright and Contrast Control) 알고리즘을 고안하여 적용하였다. 마지막으로 NADF 및 ABCC의 구현으로 얻은 SEM 이미지의 intensity profile에 대하여 혼합 가우시안과 facet 모델링을 혼합 Fitting하여 최종적으로 CD를 구하였다.
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dc.description.tableofcontents국문 초록 ....................................................................................................... i
목 차 ............................................................................................................... ii
그림 목차 ....................................................................................................... v
표 목차 ........................................................................................................... ix

제 1장. 서론 ........................................................................................................................... 1
1.1 연구 배경 ................................................................................................................................. 1
1.2 연구 방향 ................................................................................................................................ 2
1.3 연구 내용 ........................................................................................................................ 3

제 2장. CD- SEM을 이용한 CD측정 개요 및 CD 반복도 저해 요소 ...................................... 5
2.1 CD-SEM을 이용한 CD 측정 Procedure....................................................................................... 5
2.2 SEM을 이용한 영상 획득......................................................................................................... 6
2.3 CD 측정 반복도 저해 요소........................................................................................................ 8
2.3.1 비점수차 .................................................................................................................. 8
2.3.2 Speckle Noise.................................................................................................................. 8
2.3.3 밝기................................................................................................................................ 9
2.3.4 CD 측정 알고리즘............................................................................................................... 11

제 3장. 비점 수차의 보정..................................................................................................... 12
3.1 비점 수차............................................................................................................... 12
3.1.1 비점수차의 발생원인 .......................................................................................... 12
3.1.2 Stigmator.................................................................................................................. 13
3.2 비점 수차 보정 알고리즘 ........................................................................................................... 13
3.2.1 기존 보정 방법.................................................................................................... 13
3.3 Preprocessing of Astigmatism Correction ........................................................................................... 16
3.3.1 White 노이즈 제거.................................................................................................. 16
3.3.2 디지털 필터 설계............................................................................................... 17
3.4 자동 비점 수차 보정 Algorithm 개발.........................................................................................19
3.4.1 Beam의 Spot Size분포와 SEM이미지의 주파수 Domain에서의 관계......................19
3.4.2 FFT Image Spectrum Analysis............................................................................................... 24
3.4.3 비점수차 보장 Algorithm 개발 ..................................................................................... 26
3.5 Simulation test ..................................................................................................................................... 29
3.6 In-Line CD SEM에 적용 및 결과.....................................................................................................29
3.7 소결론................................................................................................................................32

제 4 장. 자동 밝기, 자동 contrast 제어 알고리즘.............................................................. 34
4.1 밝기에 따른 CD 정확도 Error........................................................................................ 34
4.2 A/D converter의 에러 최소화 방법................................................................................. 35
4.3 Offset 및 Gain error 보상에 의한
Auto Bright and Contrast Control 알고리즘 개발................................................................................. 37
4.4 소결론............................................................................................................................................... 38


제 5장. Speckle Noise 개선................................................................................................. 40
5.1 SEM에서의 기존speckle 노이즈 제거 방법 .......................................................................... 40
5.1.1 Sum line 노이즈 제거 ................................................................................................. 41
5.1.2 Smoothing 함수를 이용한 노이즈 제거......................................................................... 42
5.2 Diffusion(확산)을 이용한 Speckle 노이즈 제거.......................................................................... 43
5.2.1 등방성 확산 (Isotropic Diffusion).........................................................................................43
5.2.2 Nonlinear Isotropic 확산....................................................................................... 44
5.2.2.1 Perona-Malik Diffusion.......................................................................................... 44
5.2.2.2 Regularized Nonlinear Isotropic Diffusion............................................................... 46
5.3. Nonlinear Anisotropic Filtering........................................................................................................ 47
5.3.1 Edge Enhancing Diffusion.................................................................................................. 47
5.3.2 Edgeness Threshold(K)........................................................................................................... 50
5.4. 8근방 화소를 이용한 이방성 확산.............................................................................................. 53
5.5 결과 비교 및 소결론........................................................................................................................ 60
5.3.1 Edge Profile 비교................................................................................................................... 60
5.3.2 CD 측정 반복도 비교.......................................................................................................... 61
제6장. Edge Detection Algorithm............................................................................... 64
6.1 CD측정을 위한 패턴 개요 ....................................................................................................... 64
6.2 Overlay error측정 개요 ....................................................................................................... 65
6.3 기존 마스크 영상 측정 알고리즘........................................................................................... 66
6.3.1 Regression to baseline알고리즘........................................................................... 66
6.3.2 Maximum Derivative알고리즘................................................................................... 68
6.4 Subpixel Edge Detection 알고리즘 개발................................................................................. 69
6.4.1 Interpolation ......................................................................................................................... 69
6.4.2 Parametric Model ...................................................................................................................... 71
6.4.3 Facet Modeling을 이용한 Pixel level intensity의 보정(Sub pixeling) .............................. 74

제 7장. CD Analysis................................................................................................................................. 79
7.1 Resolution Calibration.......................................................................................................... 79
7.2 Analysis Functions ......................................................................................................... 80
7.3 Least Square Method .................................................................................................... 81
7.4 측정 결과 비교................................................................................................................. 84
7.4.1 Line CD 측정 결과 ...............................................................................................................84
7.4.2 Circle CD 측정 결과 ............................................................................................................. 86
7.4.3 Overlay CD 측정 결과 .......................................................................................................... 87
7.5 소결론............................................................................................................................ 88

제 8장. 결론 ........................................................................................................................................ 89

REFERENCE .......................................................................................................................................... 91
ABSTRACT .................................................................................................................................... 95
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dc.formatapplication/pdf-
dc.format.extent15887910 bytes-
dc.format.mediumapplication/pdf-
dc.language.isoko-
dc.publisher서울대학교 대학원-
dc.subjectAstigmatism-
dc.subjectNon-linear anisotropic diffusion filter-
dc.subjectABCC(Auto Bright and Contrast Control)-
dc.subjectGaussian mixed modeling-
dc.subjectFacet modeling-
dc.subject.ddc621-
dc.title반도체 형상 측정을 위한 주사전자 현미경 Imaging 시스템에 대한 연구-
dc.title.alternativeA Study on the SEM (Scanning Electron Microscopy) Imaging System for Critical Dimension Measurement of Semiconductor-
dc.typeThesis-
dc.description.degreeDoctor-
dc.citation.pagesix,95-
dc.contributor.affiliation공과대학 기계항공공학부-
dc.date.awarded2014-02-
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