KR100417212B1 - 오버레이 측정 장치 및 이를 이용한 오버레이 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 오버레이(overlay) 측정의 정밀도를 높일 수 있는 오버레이 측정 장치 및 이를 이용한 오버레이 측정 방법을 개시한다. 개시된 본 발명의 오버레이 측정 방법은, 광원과 상기 광원으로부터 나온 빔을 투과 및 반사시키는 빔스플리터와 상기 빔스플리터에 의해 분리된 빔을 이용해서 웨이퍼 상의 아우터 박스와 인너 박스로 구성된 오버레이 측정 패턴의 이미지를 촬상하는 촬상 수단부 및 상기 웨이퍼 표면의 국소 부위를 정밀하게 스캐닝하는 근접-장(Near-Field) 스캐닝 수단부가 구비된 오버레이 측정 장치를 이용하여 상기 아우터 박스와 인너 박스간의 오버레이를 측정하는 방법에 있어서, 상기 촬상 수단에 의한 이미지 처리로 상기 아우터 박스 및 인너 박스의 각 에지(edge)를 검출하는 제1단계; 상기 근접-장 스캐닝 수단으로 아우터 박스 및 인너 박스의 국소 부위를 정밀하게 스캐닝하는 제2단계; 상기 제2단계에서 구해진 데이터 값으로 상기 제1단계에서 구해진 데이터 값을 보정하는 제3단계; 및 상기 제3단계에 얻어진 최종 데이터 값을 특정 에지 검출 알고리즘에 따라 연산하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 이전 레이어와 현 레이어간의 오버레이(ovelay)를 정밀하게 측정하기 위한 오버레이 측정 장치 및 이를 이용한 오버레이 측정 방법에 관한 것이다.
적층 구조의 반도체 소자를 제조함에 있어서, 전(前) 공정에서 형성시킨 레이어(layer)와 현(現) 공정을 통해 형성시키는 레이어간의 정렬이 매우 중요하다. 따라서, 종래에는 각 레이어에 하부 레이어와 상부 레이어간의 정렬 상태를 파악 및 보정하기 위한 오버레이(overlay) 측정 패턴을 설치하고 있다.
참고로, 오버레이란 전(前) 공정에 구현된 레이어와 현(現) 공정에서 형성하는 레이어간의 정렬 상태를 수치로 표시하는 것을 말하며, 통상의 반도체 제조 공정에서는 측정된 오버레이 값을 스캐너(scanner) 또는 스텁퍼(steppter)와 같은 노광 장비에 피드백(feedback)함으로써, 하부 레이어와 상부 레이어간의 중첩도를 향상시킨다.
상기 오버레이 측정 패턴은 웨이퍼에서 다이(Die)와 다이 사이를 분할하는 스크라이브 라인(Scribe line) 내에 설치하는 것이 보통이며, 예컨데, 하부 레이어로서 형성된 아우터 박스(Outer Box)와 상부 레이어로서 형성하는 인너 박스(Inner Box)로 구성된다. 여기서, 상기 아우터 박스는 하부층 패턴으로 이루어지는 반면, 상기 인너 박스는 상기 하부층 패턴을 패터닝하기 위해 포토리소그라피 공정을 통해 형성되는 감광막 패턴으로 이루어진다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 오버레이 측정 패턴을 도시한 평면도 및 그 단면도이다.
종래의 오버레이 측정 패턴은, 도 1a에 도시된 바와 같이, 박스 인 박스(Box in Box) 구조로 형성되며, 외측에 배치된 아우터 박스(1)와 그 내측에 배치되는 인너 박스(2)로 구성된다.
이와 같은 오버레이 측정 패턴을 형성하기 위해, 도 1b에 도시된 바와 같이, 종래에는 전 공정 단계에서 TEOS 또는 BPSG와 같은 산화막(11)에 사진틀 형상으로 요홈(12)을 형성하는 것에 의해 아우터 박스(1)를 형성하며, 현 공정 단계에서 구현하고자 하는 매질인 금속막(13)의 증착 후에 상기 금속막(13) 상에 포토리소그라피 공정으로 감광막 패턴(14)을 형성하는 것에 의해 상기 아우터 박스(1) 내에 배치되는 인너 박스(2)를 형성한다.
한편, 상기와 같은 오버레이 측정 패턴을 이용하여 오버레이를 측정함에 있어서, 종래에는 도 2에 도시된 바와 같은 오버레이 측정 장치를 이용한다.
도 2를 참조하면, 종래의 오버레이 측정 장치는 간섭계를 이용한 화상처리 방식으로 웨이퍼 상에 구현된 오버레이 측정 패턴을 CCD 카메라로 촬상한 다음, 에지(edge) 검출 알고리즘(algolithm)을 이용해 오버레이 측정 패턴의 각 에지를 검출하여 하부레이어와 상부레이어간의 오버레이를 측정한다.
이와 같은 오버레이 측정 장치를 이용한 오버레이 측정 방법을 간략하게 설명하면 다음과 같다.
우선, 광원(21)에서부터 나온 빔은 광섬유(optical fiber : 22)를 거쳐 빔스플리터(Beam Splitter : 23)로 입사된 후, 상기 빔스플리터(23)를 투과 및 반사하여 제1 및 제2경로(L1, L2)로 나뉘어 진행한다.
그런다음, 투과되어 제1경로(L1)로 진행한 빔은 기준 미러(reference mirror : 24)에 의해 반사되어 다시 빔스플리터(23)로 입사되고, 반사되어 제2경로(L2)로 진행한 빔은 웨이퍼(25)에 입사된 후에 오버레이 측정 패턴에서 반사되어 빔스플리터(23)로 다시 입사된다.
다음으로, 빔스플리터(23)로 입사된 두 경로(L1, L2)의 빔을 촬상 수단, 즉, CCD 카메라(26)에서 촬상하고, 그리고나서, 이를 특정 알고리즘에 따라 해석하여 오버레이 정렬도를 파악한다.
도 2에서, 미설명된 도면부호 30은 렌즈를 나타낸다.
그러나, 전술한 바와 같은 종래의 오버레이 측정방법의 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, CCD 카메라에 의한 화상처리 방식으로 오버레이 측정 패턴, 즉, 아우터 박스와 인너 박스의 각 에지를 검출하기 때문에 CMP 공정의 적용이 보편화되고 있는 현 공정 기술에서 오버레이 박스가 손상될 경우에는 에지 검출이 어려워 정확한 오버레이 측정이 이루어지지 못하고, 이에 따라, 노광 공정에서의 웨이퍼와 레티클간의 정확한 정렬이 이루어지지 못함으로써, 제조수율의 저하를 초래하게 된다.
도 4는 종래 오버레이 측정시의 문제점을 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도면부호 1은 아우터 박스, 2는 인너 박스, 11은 산화막, 13는 금속막, 14는 감광막 패턴, 그리고, A는 어택을 받는 아우터 박스 부분을 각각 나타낸다.
도시된 바와 같이, CMP 공정에 의해 산화막(11)에 형성된 아우터 박스(1)가 어택(Attack)을 받음에 따라, 금속막(13)은 비등방적으로 증착되며, 아울러, 완만한 프로파일(profile)을 갖게 되고, 그래서, 종래의 CCD 카메라를 이용한 화상처리 방식으로는 오버레이 박스의 에지를 검출하는데 어려움이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 정밀한 오버레이 측정이 이루어지도록 할 수 있는 오버레이 측정 장치 및 이를 이용한 오버레이 측정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 오버레이 측정 패턴을 도시한 평면도 및 단면도.
도 2는 종래의 오버레이 측정 장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 종래 오버레이 측정 패턴의 에지 검출 방법을 설명하기 위한 도면.
도 4는 종래 오버레이 측정시의 문제점을 설명하기 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 오버레이 측정 장치를 도시한 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
31 : 광원 32 : 제1빔스플리터
33 : 제1광섬유 34 : 제2빔스플리터
35 : 기준 미러 36 : 웨이퍼
37 : CCD 카메라 41 : Z-스페이지
42 : 파이버-팁(Fiber-Tip) 43 : 포토 다이오드
44 : 제2광섬유 50 : 렌즈
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 오버레이 측정 장치는, 광원; 상기 광원으로부터 나온 빔을 투과 및 반사시키는 제1빔스플리터; 상기 제1빔스플리터를 투과한 빔을 집광시켜 진행시키는 제1광섬유; 상기 제1광섬유를 거쳐 진행하는 빔을 투과 및 반사시켜 제1 및 제2경로로 진행시키는 제2빔스플리터; 상기 제2빔스플리터를 투과한 제1경로의 빔을 반사시켜 상기 제2빔스플리터에 다시 입사시키는 기준 미러; 상기 제2빔스플리터에 재입사되어 반사된 제1경로의 빔과, 상기 제2빔스플리터에서 반사되어 웨이퍼의 오버레이 패턴에 의해 재반사된 후에 상기 제2빔스플리터에 재입사되어 투과된 제2경로의 빔을 촬상하는 CCD 카메라; 상기 제1빔스플리터에 의해 반사된 빔을 집광시켜 진행시키는 제2광섬유; 상기 제2광섬유의 끝단에 연결되며, 근접-장(Near-Field) 스캐닝을 위한 파이버-팁(Fiber-Tip)이 부착된 Z-스테이지; 및 상기 파이버-팁에 의해 스캐닝된 이미지를 전달받아 전기적 신호로 출력하는 포토 다이오드를 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 오버레이 측정 방법은, 광원과, 상기 광원으로부터 나온 빔을 투과 및 반사시키는 빔스플리터와, 상기 빔스플리터에 의해 분리된 빔을 이용해서 웨이퍼 상의 아우터 박스 및 인너 박스로 구성된 오버레이 측정 패턴의 이미지를 촬상하는 촬상 수단부, 및 상기 웨이퍼 표면의 국소 부위를 정밀하게 스캐닝하는 근접-장(Near-Field) 스캐닝 수단부가 구비된 오버레이 측정 장치를 이용하여 상기 아우터 박스와 인너 박스간의 오버레이를 측정하는 방법에 있어서, 상기 촬상 수단에 의한 이미지 처리로 상기 아우터 박스 및 인너 박스의 각 에지(edge)를 검출하는 제1단계; 상기 근접-장 스캐닝 수단으로 아우터 박스 및 인너 박스의 국소 부위를 정밀하게 스캐닝하는 제2단계; 상기 제2단계에서 구해진 데이터 값으로 상기 제1단계에서 구해진 데이터 값을 보정하는 제3단계; 및 상기 제3단계에 얻어진 최종 데이터 값을 특정 에지 검출 알고리즘에 따라 연산하는 제4단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 기존의 측정 방식에 근접-장(near-field) 스캔 방식을 도입함으로써, 오버레이 측정 패턴의 에지 검출 오류를 극복할 수 있으며, 따라서, 정밀한 오버레이 측정이 이루어지도록 할 수 있다.
(실시예)
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 오버레이 측정 장치를 도시한 도면으로서, 이를 설명하면 다음과 같다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 오버레이 측정 장치는, 크게, He-Ne 레이저로 이루어진 광원(31)과, 상기 광원(31)으로부터 나온 빔을 투과 및 반사시키는 제1빔스플리터(32)와, 상기 제1빔스플리터(32)에 의해 분리된 빔을 이용해서 웨이퍼 상의 오버레이 측정 패턴의 이미지를 촬상하는 촬상 수단부(A) 및 웨이퍼의 국소 부위를 정밀하게 스캐닝하는 근접-장(Near-Field) 스캐닝 수단부(B)를 포함한다.
여기서, 상기 촬상 수단부(A)는 상기 제1빔스플리터(32)를 투과한 빔을 집광시켜 진행시키는 제1광섬유(33)와, 상기 제1광섬유(33)를 거쳐 진행하는 빔을 투과 및 반사시켜 제1 및 제2경로로 진행시키는 제2빔스플리터(34)와, 상기 제2빔스플리터(34)를 투과한 제1경로의 빔을 반사시켜 상기 제2빔스플리터(34)에 다시 입사시키는 기준 미러(35), 및 상기 제2빔스플리터(34)에 재입사되어 반사된 제1경로의 빔과 상기 제2빔스플리터(34)에서 반사되어 웨이퍼(36)의 오버레이 측정 패턴에서 재반사된 후에 상기 제2빔스플리터(34)에 재입사되어 투과된 제2경로의 빔을 촬상하는 실질적인 촬상 수단인 CCD 카메라(37)를 포함한다.
상기 근접-장 스캐닝 수단부(B)는 실질적인 스캐닝 수단인 파이버-팁(Fiber Tip : 42)과, 상기 파이버-팁(42)에 의해 스캐닝된 웨이퍼 표면의 이미지를 전달받아 전기적 신호로 출력하는 포토 다이오드(43)을 포함하며, 상기 파이버-팁(42)은 Z-스테이지(41)에 고정되고, 이러한 Z-스테이지(41)에는 집광된 빔을 전달하기 위한 제2광섬유(44)가 연결된다.
도 5에서, 도면부호 50은 렌즈를 나타내며, 이러한 렌즈(50)는 상기 제1빔스플리터(32)와 제1광섬유(33) 사이, 상기 제1광섬유(33)와 제2빔스플리터(34) 사이, 상기 제2빔스플리터(34)와 기준 미러(35) 사이, 상기 제2빔스플리터(34)와 해당 웨이퍼(36) 사이, 그리고, 상기 제1빔스플리터(32)와 제2광섬유(44) 사이 각각에 배치된다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 오버레이 측정 장치를 이용한 오버레이 측정 방법은 다음과 같다.
먼저, 기존의 오버레이 측정 방식에 따라, 촬상 수단부(B)로부터 아우터 박스와 인너 박스의 이미지를 촬상하고, 이를 통해, 상기 아우터 박스와 인너 박스의 각 에지(edge)를 검출한다.
그런다음, 근접-장 스캐닝 수단부(B)를 이용해서 웨이퍼 표면에 대한 정밀 스캐닝을 수행하고, 이를 통해, 웨이퍼의 국소 부위, 즉, 아우터 박스와 인너 박스로 구성되는 오버레이 측정 패턴에 대해 2차원 또는 3차원적인 프로파일을 구한다.
이어서, 상기 근접-장 스캐닝에 의해 얻어진 아우터 박스 및 인너 박스의 각 중심 값으로 상기 이미지 처리에 의한 에지 검출 방식으로 구한 아우터 박스 및 이너 박스의 중심 값을 보정한다.
그리고나서, 이렇게 보정된 중심 값을 특정한 에지 검출 알고리즘에 따라 연산함으로써, 아우터 박스와 인너 박스간의 오버레이 정렬도를 측정한다.
이와 같은 방법으로 오버레이를 측정하게 되면, 근접-장 스캐닝 방식에 의해 얻어진 데이터로 기존의 이미지 처리에 의해 얻어진 데이터가 보정되기 때문에, 보다 정확한 오버레이 측정이 이루어지게 되며, 따라서, 오버레이 측정 불량에 기인하는 소자의 제조수율 저하를 방지할 수 있게 된다.
즉, 종래의 오버레이 측정 방법은 오버레이 측정 패턴, 특히, 아우터 박스가 CMP에 의해 손상을 받게 될 경우, 에지 검출에 오류가 발생하게 되지만, 본 발명은이러한 오류를 근접-장 스캐닝 방식에 의해 보정할 수 있기 때문에 보다 정확한 오버레이 측정을 행할 수 있게 된다.
이상에서와 같이, 본 발명은 기존의 측정 방식에 따라 오버레이 측정 패턴의 에지를 검출한 후, 근접-장 스캔 방식에 의해 오버레이 측정 패턴의 프로파일을 추가 검출하여 보정을 행함으로써, 오버레이 측정 패턴의 손상에 기인하는 에지 검출 오류를 극복할 수 있다.
따라서, 정밀한 오버레이 측정이 이루어지도록 할 수 있는 바, 노광 공정의 신뢰성을 향상시킬 수 있음은 물론, 더 나아가, 소자의 제조수율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
기타, 본 발명은 그 요지가 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
Claims (4)
- 광원;상기 광원으로부터 나온 빔을 투과 및 반사시키는 제1빔스플리터;상기 제1빔스플리터를 투과한 빔을 집광시켜 진행시키는 제1광섬유;상기 제1광섬유를 거쳐 진행하는 빔을 투과 및 반사시켜 제1 및 제2경로로 진행시키는 제2빔스플리터;상기 제2빔스플리터를 투과한 제1경로의 빔을 반사시켜 상기 제2빔스플리터에 다시 입사시키는 기준 미러;상기 제2빔스플리터에 재입사되어 반사된 제1경로의 빔과, 상기 제2빔스플리터에서 반사되어 웨이퍼의 오버레이 측정 패턴에서 재반사된 후에 상기 제2빔스플리터에 재입사되어 투과된 제2경로의 빔을 촬상하는 CCD 카메라;상기 제1빔스플리터에 의해 반사된 빔을 집광시켜 진행시키는 제2광섬유;상기 제2광섬유의 끝단에 연결되며, 근접-장(Near-Field) 스캐닝을 위한 파이버-팁(Fiber-Tip)이 부착된 Z-스테이지; 및상기 파이버-팁에 의해 스캐닝된 이미지를 전달받아 전기적 신호로 출력하는 포토 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제1빔스플리터와 제1광섬유 사이, 상기 제1광섬유와 제2빔스플리터 사이, 상기 제2빔스플리터와 기준 미러 사이, 상기 제2빔스플리터와웨이퍼 사이, 및 상기 제1빔스플리터와 제2광섬유 사이 각각에 렌즈가 배치된 것을 특징으로 하는 오버레이 측정 장치.
- 광원과, 상기 광원으로부터 나온 빔을 투과 및 반사시키는 빔스플리터와, 상기 빔스플리터에 의해 분리된 빔을 이용해서 웨이퍼 상의 아우터 박스 및 인너 박스로 구성된 오버레이 측정 패턴의 이미지를 촬상하는 촬상 수단부, 및 상기 웨이퍼 표면의 국소 부위를 정밀하게 스캐닝하는 근접-장(Near-Field) 스캐닝 수단부가 구비된 오버레이 측정 장치를 이용하여 상기 아우터 박스와 인너 박스간의 오버레이를 측정하는 방법에 있어서,상기 촬상 수단에 의한 이미지 처리로 상기 아우터 박스 및 인너 박스의 각 에지(edge)를 검출하는 제1단계;상기 근접-장 스캐닝 수단으로 아우터 박스 및 인너 박스의 국소 부위를 정밀하게 스캐닝하는 제2단계;상기 제2단계에서 구해진 데이터 값으로 상기 제1단계에서 구해진 데이터 값을 보정하는 제3단계; 및상기 제3단계에 얻어진 최종 데이터 값을 특정 에지 검출 알고리즘에 따라 연산하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정 방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 촬상 수단은 CCD 카메라이고, 근접-장 스캐닝 수단은 파이버-팁(Fiber Tip)인 것을 특징으로 하는 오버레이 측정 방법.
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