In the age of big data and Internet of things (IoT), the semiconductor industry continues to produce and develop the semiconductor devices with higher integration density and more functionality. Accurate measurement of the thickness, height, and depth of the structures constituting the 3D semiconductor devices is highly important for the reliability of the final product. As the size and shape of semiconductor devices become smaller and more complex, accurate and fast measurement method without damaging the device has been required. In this thesis, non-destructive 3D semiconductor devices metrology methods are proposed and demonstrated. First, accurate multilayer thickness characterization method was demonstrated with a root-mean-square error of 1.6 Å by combining ellipsometry and machine learning for 3-D semiconductor multilayer devices with more than 200 layers. Second, a line-scan time-of-flight detection based on 785-nm femtosecond pulsed laser has been demonstrated for imaging the surface profiles of silicon devices. The line-scan time-of-flight detection has the advantages of ultra-fast speed, high resolution, large measurement range, and high spatial resolution compared to the conventional surface profilometry. In particular, using a 785-nm femtosecond pulsed laser have additional advantage that can measure various silicon and semiconductor devices due to its short penetration depth in the silicon material. The result shown in this thesis is expected to be applied in various semiconductor fabrication and inspection processes.
빅데이터와 사물인터넷 시대에서 오늘날 반도체 산업은 더 높은 밀도의 집적성과 더 많은 기능을 가진 반도체 소자를 지속적으로 생산하고 개발해왔다. 삼차원 반도체 소자를 구성하는 물질들의 두께, 높이, 깊이 등을 정확하게 측정하는 것은 완제품의 신뢰성을 위해서 매우 중요하다. 반도체 소자의 크기가 갈수록 작아지고 형태가 다양해짐에 따라 소자에 손상을 입히지 않으면서 정확하고 빠르게 치수를 측정할 수 있는 방법이 요구되어 왔다. 본 학위논문에서는 비파괴적으로 삼차원 반도체 소자를 측정하는 방법에 대해 다루고자 한다. 첫째로, 200 층이 넘는 반도체 다층 장치에 대하여 타원계측법과 머신러닝을 결합하면 1.6 Å의 평균제곱근오차로 각 층의 두께를 예측할 수 있는 것을 알 수 있었다. 두번째로, 785-nm 펨토초 펄스 레이저 기반의 라인-스캔 비행시간 검출법을 이용한 반도체 장치의 표면형상 이미징을 증명하였다. 라인-스캔 비행시간 검출법은 기존의 표면형상 측정법과 비교하여 초고속, 고분해능, 넓은 측정범위, 그리고 높은 공간 분해능의 장점이 있다. 특히 785-nm 펨토초 펄스 레이저는 실리콘 물질에서 짧은 투과 길이를 갖기 때문에 다양한 실리콘 반도체 장치들을 측정하는데 추가적인 이점을 가지고 있다. 본 학위논문의 결과물들은 다양한 반도체 공정과 검수과정에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
