KR100292063B1 - 임계치수 및 중첩도 측정방법 - Google Patents

임계치수 및 중첩도 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 임계 치수 및 중첩도를 일원화하여 측정하는 방법으로서, 종래에 '임계 부호 정렬→임계치수 측정→측정 결과 표시→이동→중첩 부호 정렬→중첩도 측정→측정 결과 표시' 단계와 같이 임계 치수 측정 과정과 중첩도 측정 과정이 별도의 측정 장비에 의해서 개별적으로 이루어지던 방법에서 중복되는 단계를, '임계 부호 정렬→임계치수 측정 및 이동 위치 연산→중첩도 측정→측정 결과 표시'와 같이 일원화하고, 특히, 임계 부호로부터 중첩도 측정 위치를 산출하여 중첩도 측정을 위한 정렬 시간을 감축함으로써, 전체 공정 시간의 단축을 통한 생산성 증대를 얻을 수 있다.

Description

임계치수 및 중첩도 측정방법{METHOD FOR MEASURING CRITICAL DIMENSION AND OVERLAY IN SEMICONDUCTOR FABRICATE PROCESS}
본 발명은 반도체 제조 공정의 테스트 및 평가 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 웨이퍼 상에 형성된 패턴의 임계치수(CD : critical dimension)와 중첩도(overlay)를 연속적으로 측정하는 데 적합한 중첩도 및 임계치수 측정 방법에 관한 것이다.
주지하다시피, 반도체 제조 공정 중 어느 한 단계에서만 결함이 발생되더라도 제조된 반도체 장치는 사용할 수 없게 되므로, 반도체 제조 공정의 매 공정 단계마다 공정 결과에 대한 테스트 또는 평가가 수반된다.
그 중에서 포토리쏘그래피(photolithography) 공정이 종료된 후에는 임계치수 및 중첩도의 측정이 필수적으로 이루어진다. 즉, 포토리쏘그래피 공정은 레티클에 형성된 패턴을 감광막 또는 웨이퍼의 최상층에 정확히 전사하는 공정이므로, 그 패턴의 크기가 정확히 형성되었는지를 측정하기 위한 임계치수 측정과, 이전 패턴의 상부에 정확히 정렬되어 있는지를 측정하기 위한 중첩도 측정이 이루어져야 한다.
그와 같은 임계치수 측정은 통상적으로 전자 주사 현미경(SEM : scanning electron microscope)에 의해서 이루어지고, 중첩도 측정은 중첩도 측정 장치에 의해서 이루어지는 바, 도 1 및 도2를 참조하여 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 일반적으로 전자 주사 현미경으로 임계치수를 측정하는 과정에 대해서 도시한 도 1을 중심으로 도 5를 참조하면, 정렬 수단(110)에 의해서 웨이퍼(100)에 형성된 임계치수 측정용 정렬 부호(alignment mark for CD ; 이하, '임계 부호'라 칭함)(510)를 이용한 정렬이 이루어지면, 전자 공급원(electron source)(120)에서는 웨이퍼(100)의 표면에 전자 빔(eclctron beam)을 주사하고, 2차 전자 검출 수단(130)에서는 웨이퍼(100)의 표면에 도포된 시료에 의해서 반사되는 2차 전자 빔을 검출한 후, 그 검출된 2차 전자 빔을 전기적 신호로 변환하여 표시 수단(140)에 제공하며, 표시 수단(140)에서는 제공받은 전기적 신호를 모니터(도시 생략한) 등의 주사 주기와 동기(同期)하여 화면으로 표시함으로써 임계 치수의 측정이 이루어진다.
그 다음, 일반적으로 중첩도 측정 장비로 중첩도를 측정하는 과정에 대해서 도시한 도 2를 중심으로 도 5를 참조하면, 정렬 수단(210)에 의해서 웨이퍼(200)에 형성된 중첩도 측정용 정렬 부호(alignment mark for overlay ; 이하, '중첩 부호'라 칭함)(520)를 이용한 정렬이 이루어지면, 광원(230)에서는 가시광(visual beam)을 방출하여 정렬된 반도체 웨이퍼(220)의 전면에 조사하고, 그 조사된 광이 웨이퍼(200)의 표면으로부터 반사되는 반사 광을 반사광 검출 수단(230)으로 검출하여 전기적 신호로 변환한 후, 표시 수단(240)에 의해서 표시함으로써, 이전 단계에서 형성된 패턴과 현재 단계에서 수행된 패턴의 중첩도를 측정한다.
상술한 임계치수 측정 과정과 중첩도 측정 과정은 통상적으로 개별 수행되고 있는바, 예를 들어, 전자 주사 현미경에 의한 임계치수 측정이 완료된 후, 반도체 웨이퍼를 중첩도 측정 장비로 이동하여 중첩도를 측정하고 있다.
이와 같이, 종래에는 임계 치수와 중첩도 각각에 대한 측정이 개별 측정 장비에 의해서 별도로 수행되므로, 전체 공정 시간을 증가시켜 생산성을 저하시키는 원인이 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위해서 안출한 것으로서, 임계치수 측정과 중첩도 측정에서 중복되는 과정을 일원화하여 임계치수의 측정 및 중첩도의 측정을 연속적으로 수행할 수 있는 임계치수 및 중첩도 측정 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에서는, 웨이퍼 상에 형성된 패턴의 임계 치수 및 중첩도를 일체화된 장비로 측정하는 방법에 있어서, 상기 임계 치수를 측정하기 위한 임계 부호에 의거해서 상기 웨이퍼를 임계 치수 측정 위치에 정렬하는 제 1 단계; 상기 웨이퍼 상에 형성된 패턴의 임계 치수를 측정함과 동시에 기설정된 레티클 정보에 의거하여 상기 웨이퍼의 중첩도 측정 위치를 산출하는 제 2 단계; 상기 제 2 단계에서 측정된 임계 치수에 대한 정보를 저장하는 제 3 단계; 상기 제 2 단계에서 산출된 중첩도 측정 위치로 상기 웨이퍼를 이동하는 제 4 단계; 상기 웨이퍼에 형성된 패턴의 중첩도를 측정하고, 상기 측정된 중첩도에 대한 정보를 저장하는 제 5 단계; 상기 저장된 임계 치수에 대한 정보 및 중첩도에 대한 정보를 표시하는 제 6 단계를 포함하는 임계 치수 및 중첩도 측정 방법을 제공한다.
도 1은 일반적으로 전자 주사 현미경으로 임계치수를 측정하는 과정에 대해서 도시한 도면,
도 2는 일반적으로 중첩도 측정 장비로 중첩도를 측정하는 과정에 대해서 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 임계치수 및 중첩도 측정 방법을 구현하기 위한 장치를 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 임계치수 및 중첩도 측정 방법을 도시한 상세 흐름도,
도 5는 통상적으로 레티클에 형성되는 임계 치수용 정렬 부호와 중첩도 측정용 정렬 부호 및 본 발명에 따라 그 양 부호 사이의 상대적 위치 관계를 도시한 도면.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 광원 20 : 반사경
30, 60 : 렌즈 40 : 플라이 아이
50 : 애퍼처 70 : 레티클
75 : 패턴 80 : 투영 렌즈
90 : 웨이퍼 스테이지 110 : 조도 감지 센서(종래)
120 : 마이컴(종래) 210 : 전원 공급 블록
220 : 전압 가변 블록 230 : 조도 감지 블록
240 : 마이컴(본 발명)
이하, 첨부된 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 임계치수 및 중첩도 측정 방법에 대해서 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 임계치수 및 중첩도 측정 방법을 구현하기 위한 장치를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 다른 임계치수 및 중첩도 측정 방법을 도시한 상세 흐름도이다.
먼저, 본 발명의 핵심 기술 사상은, 종래에 '임계 부호 정렬→임계치수 측정→측정 결과 표시→이동→중첩 부호 정렬→중첩도 측정→측정 결과 표시' 단계와 같이 임계 치수 측정 과정과 중첩도 측정 과정이 별도의 측정 장비에 의해서 개별적으로 이루어지던 방법에서 중복되는 단계를, '임계 부호 정렬→임계치수 측정 및 이동 위치 연산→중첩도 측정→측정 결과 표시'와 같이 일원화하여, 공정 시간의 단축을 통한 생산성 증대를 얻는 데 있는 바, 이하에서는 그와 같은 본 발명의 핵심 기술 사상에 중점을 두어 설명하기로 한다.
먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 임계치수 및 중첩도 측정 방법을 구현하기 위한 장치는, 중첩도 측정용의 광원(350), 중첩도 측정 수단(360) 및 임계치수 측정용의 전자 공급원(320), 임계치수 측정 수단(330), 임계치수용 정렬 수단(340)을 개별구비하고, 웨이퍼 스테이지(370), 저장 수단(380) 및 표시 수단(390)을 공통 구비하며, 그와 같은 구성 부재 전반을 제어하는 장치 제어 수단(310)을 구비한다.
그중에서 중첩도 측정용의 광원(350), 중첩도 측정 수단(360)은 통상적인 중첩도 측정 장비에서의 기능과 동일한 역할을 수행하고, 임계치수 측정용의 전자 공급원(320), 임계치수 측정 수단(330), 임계치수용 정렬 수단(340)은 통상적인 전자 주사 현미경에서의 임계 치수 측정 동작과 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략한다.
웨이퍼 스테이지(370)는 광원(350)으로부터의 광조사 영역과 전자 공급원(320)으로부터의 전자 빔 주사 영역을 경유하는 이동 경로 상에서, 장치 제어 수단(310)의 제어에 의거하여, 웨이퍼를 안착한 상태에서 이동한다. 이때, 본 실시예에서는 웨이퍼 스테이지(370)에 도시 생략한 이동 수단을 포함한다.
저장 수단(380)은 통상적인 메모리(memory)로 구성되며, 임계 부호와 중첩 부호의 상대적 위치 정보가 기저장되어 있으며, 임계 치수 측정 수단에서 측정된 임계 치수 정보와 중첩도 측정 수단에서 측정한 중첩도 정보가 저장된다. 이때, 임계 부호와 중첩 부호의 상대적 위치 정보는 레티클 제조 업체로부터 제공받은 레티클 정보로부터 얻을 수 있을 것이다.
표시 수단(390)은 음극선관 표시 장치(CRT(cathode-ray tube) display unit) 및 그 신호 처리 수단을 포함하여 이루어지며, 장치 제어 수단(310)의 제어에 의해서 제공되는 임계치수 정보 및 중첩도 정보를 화상 및 문자로 표시한다.
장치 제어 수단(370)은 기설정된 임계 부호 및 중첩 부호의 상대적 위치 및 레티클과 패턴간의 축소 배율로부터 스테이지 웨이퍼(370)의 이동 위치를 산출하고, 그 산출된 이동 위치에 의거하여 스테이지 웨이퍼(370)를 구동 제어함으로써, 중첩 부호에 의한 중첩도 측정용 정렬을 대신한다. 이때, 장치 제어 수단(370)으로부터 산출된 위치로 직접 이동하므로, 정렬에 소요되는 공정 시간이 단축될 것이다.
이하, 상술한 기능을 수행하는 구성 부재로 이루어진 장치에서 본 발명에 따른 임계 치수 및 중첩도 측정이 이루어지는 과정에 대해서 도 4를 중심으로 도 3 및 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 웨이퍼 스테이지(370)에 웨이퍼(도시 생략함)가 탑재된 상태에서(S 10), 측정 장비의 스위치가 턴온(turn on)되면(S 20), 장치 제어 수단(310)은 전자 빔을 주사하도록 전자 공급원(320)을 제어하는 한편, 전자 공급원(320)의 전자 빔 주사 영역 내로 웨이퍼를 이동시키도록 웨이퍼 스테이지(370)를 구동 제어한다. 그러한 장치 제어 수단(320)의 제어에 의해서, 전자 공급원(320)에서는 전자 빔을 주사하고(S 30), 웨이퍼 스테이지(370)은 전자 빔 주사 영역 내로 웨이퍼를 이동시킨다(S 40).
이후, 장치 제어 수단(310)의 제어에 의해서, 임계치수용 정렬 수단(340)에서는 전자 공급원(320)으로부터의 전자 빔 주사 영역 내에 돌입한 웨이퍼에 대해서 임계 부호(510)를 이용한 정렬을 수행한다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이 레티클(500)상에는 임계 부호(510)가 형성되어 있는 바, 그와 같은 임계 부호(510)를 이용하여 웨이퍼를 임계 치수 측정 위치에 정렬한다(S 50).
그와 같은 정렬에 의해서, 전자 공급원(320)으로부터 주사되는 전자빔은 웨이퍼의 전면에 주사되고, 그와 같이 주사된 전자 빔은 웨이퍼의 표면에 도포된 시료에 의해서 반사되어 2차 전자 빔으로 방출된다. 임계치수 측정 수단(330)에서는 그와 같이 방출되는 2차 전자 빔을 검출한 후, 그 검출된 2차 전자 빔을 장치 제어 수단(310)에서 인식할 수 있는 전기적 신호, 즉, 측정된 임계 치수 정보(이하, '임계 정보'라 칭함)로 변환하여 장치 제어 수단(310)에 제공한다(S 60).
장치 제어 수단(310)에서는 임계치수 측정 수단(330)에서 제공답은 임계 정보를 저장 수단(380)의 소정 영역에 저장한다(S 70).
한편, S 60 및 S 70 단계가 진행되는 동안, 장치 제어 수단(310)에서는 기설정된 임계 부호(510)와 중첩 부호(520)의 상대적 위치 및 레티클과 웨이퍼 상의 패턴과의 축소 배율에 의거하여 중첩 부호를 측정하기 위한 이동 위치를 산출한다. 즉, 본 발명에서는 저장부(380)에 레티클 제조 회사등으로부터 제공받은 레티클 정보, 즉, 중첩 부호의 위치 정보, 임계 부호의 위치 정보 및 레티클의 축소 배율 정보 등이 기저장되어 있으므로, 장치 제어 수단(310)에서는 다음과 같은 과정에 의해서 중첩도를 측정하기 위한 웨이퍼의 이동 위치를 산출한다.
먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 임계 부호(510)의 위치 정보(예를 들어, 좌표(x1,y1))와 중첩 부호(520)의 위치 정보(예를 들어, 좌표(x2, y2))로부터, 임계 부호(510)에 대한 중첩 부호(520)의 상대적 위치를 산출한다. 예를 들어, 임계 부호(510)에 대한 x방향으로의 이동량 Δx와 y방향으로의 이동량Δy를 산출한다. 다른 실시예에서는, 임계 부호(510)의 위치(x1,y1)에 대한 중첩 부호(520)의 위치(x2, y2)가 갖는 방향(예를 들어, θ) 및 직선 거리(L)로 이루어진 벡터로 산출할 수도 있을 것이다. 그 다음, 장치 제어 수단(310)은 그와 같이 산출된 값을, 레티클에 대한 웨이퍼(500) 상의 패턴이 갖는 축소 배율(예를 들어, 1/5)로 축소해서 최종 이동 위치를 산출한다. 즉, x,y방향에 대한 이동 거리(Δx/5, Δy/5) 또는 임계 부호(510)에 대해서 중첩 부호(520)가 이루는 방향(θ)으로의 직선 거리 L/5을 산출한다.(S 80)
이후, 장치 제어 수단(310)은 임계 정보에 대한 저장이 완료되고(S 90), 중첩도 측정을 위한 이동 위치에 대한 정보의 산출이 완료되면(S 100), 그 산출된 이동 위치 위치 정보에 의거하여 웨이퍼 스테이지(370)를 구동 제어한다. 웨이퍼 스테이지(370)는 장치 제어 수단(310)의 구동 제어에 의해서, 중첩도를 측정하기 위한 위치에 정확히 이송된다. 이때, 임계 치수에 대한 정렬이 완료된 상태에서 웨이퍼의 이동이 이루어지므로 중첩 부호에 의한 정렬 위치에 웨이퍼가 정확히 배치될 것이다.(S 110)
한편, S 110 단계가 진행되는 전 또는 후에 장치 제어 수단(310)은 전자 빔의 주사를 중단하도록 전자 공급원(320)을 제어하는 한편, 중첩도 측정을 위한 광을 조사하도록 광원(350)을 구동 제어한다. 그와 같은 장치 제어 수단(310)의 제어에 의거하여 전자 공급원(320)은 전자 빔의 주사를 중단하고, 광원(350)에서는 중첩도 측정용 광을 조사하며, 그와 같이 조사된 광은 웨이퍼의 표면으로부터 반사된다.(S 120)
장치 제어 수단(310)의 제어에 의해서, 중첩도 측정 수단(360)은 그와 같이 웨이퍼 표면으로부터 반사되는 반사광을 검출하고, 그 검출된 반사광을 장치 제어 수단(310)에서 인식할 수 있는 전기적 신호, 즉 측정된 중첩도에 대한 정보(이하, '중첩 정보'라 칭함)로 변환하며, 그 변환된 중첩 정보를 장치 제어 수단(310)에 제공한다.(S 130)
중첩도 측정 수단(360)으로부터 중첩 정보를 제공받은 장치 제어 수단(310)은, 그 중첩 정보를 저장 수단(380)에 저장(S 140)하는 한편, 이전 단계(즉, S 70 단계)에서 저장한 임계 정보와 S 130 단계에서 제공받은 중첩 정보를 표시 수단(390)에 제공한다. 표시 수단(390)에서는 장치 제어 수단(310)으로부터 제공받은 임계 정보 및 중첩 정보를 모니터(도시 생략한) 등의 주사 주기와 동기(同期)하여 화면상에 화상 또는 문자등으로 표시한다(S 150).
상술한 본 발명에 따르면, 임계 치수 측정과 중첩도 측정을 일원화하는 과정에서, 중첩되는 단계를 공통으로 수행함으로써, 공정에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있어, 생산효율이 증대되는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (3)

  1. 웨이퍼 상에 형성된 패턴의 임계 치수 및 중첩도를 일체화된 장비로 측정하는 방법에 있어서,
    상기 임계 치수를 측정하기 위한 임계 부호에 의거해서 상기 웨이퍼를 임계 치수 측정 위치에 정렬하는 제 1 단계;
    상기 웨이퍼 상에 형성된 패턴의 임계 치수를 측정함과 동시에 기설정된 레티클 정보에 의거하여 상기 웨이퍼의 중첩도 측정 위치를 산출하는 제 2 단계;
    상기 제 2 단계에서 측정된 임계 치수에 대한 정보를 저장하는 제 3 단계;
    상기 제 2 단계에서 산출된 중첩도 측정 위치로 상기 웨이퍼를 이동하는 제 4 단계;
    상기 웨이퍼에 형성된 패턴의 중첩도를 측정하고, 상기 측정된 중첩도에 대한 정보를 저장하는 제 5 단계;
    상기 저장된 임계 치수에 대한 정보 및 중첩도에 대한 정보를 표시하는 제 6 단계를 포함하는 임계 치수 및 중첩도 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레티클 정보는, 임계 부호의 위치 정보(x1,y1), 중첩 부호의 위치 정보(x2,y2) 및 축소 배율 정보(×1/z)로 이루어지고,
    상기 제 2 단계의 중첩도 측정 위치를 산출하는 단계는, x축 이동 거리 Δx와 y축 이동 거리 Δy에 상기 축소 배율(×1/z)을 각각 곱하여 산출하는 것을 특징으로 하는 임계 치수 및 중첩도 측정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 레티클 정보는, 임계 부호의 위치 정보(x1,y1), 중첩 부호의 위치 정보(x2,y2) 및 축소 배율 정보(×1/z)로 이루어지고,
    상기 제 2 단계의 중첩도 측정 위치를 산출하는 단계는,
    상기 임계 부호에 대한 상기 중첩 부호의 방향(θ)과, 상기 임계 부호와 상기 중첩 부호의 직선 거리(L)에 상기 축소 배율(×1/z)을 곱한 이동 거리(L/z)로 산출하는 것을 특징으로 하는 중첩도 측정 방법.
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