KR100850176B1 - 오버레이 측정을 위한 메탈층의 중앙값 계산 방법 및 오버레이 측정장치 - Google Patents

오버레이 측정을 위한 메탈층의 중앙값 계산 방법 및 오버레이 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 비대칭적으로 증착된 메탈층에 의해 발생되는 오버레이 측정 오차를 극복하여 정확한 오버레이 측정이 이루어질 수 있도록 된 오버레이 측정 방법 및 측정장치를 제공함에 있다.
이에 본 발명은 오버레이 측정 방법에 있어서, 증착된 메탈층의 두께를 측정하는 단계와, 증착된 메탈층의 수평면 길이를 측정하는 단계, 상기 증착된 메탈층의 양 경사면 길이를 측정하는 단계, 수식을 이용하여 상기 양 경사면의 수평부 길이를 계산하는 단계, 상기 메탈층의 수평면 길이와 상기 양 경사면의 수평부 길이를 더하여 중앙값을 계산하는 단계를 포함하는 오버레이 측정방법을 제공한다.
메탈층, 중앙값, 경사면

Description

오버레이 측정을 위한 메탈층의 중앙값 계산 방법 및 오버레이 측정장치{Calculating method of numerical middle value of metal layer for overlay measurement and overlay measuring device}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 오버레이 측정과정을 설명하기 위하여 메탈레이어의 오버레이 측정시 콘택트 레이어에서 형성된 어미자와 아들자를 도시한 개략적인 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 오버레이 측정장치를 도시한 개략적인 도면,
도 3은 종래기술에 따른 오버레이 측정시 중앙값의 차이를 설명하기 위해 도시한 개략적인 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
103 : 메탈층 L : 수평면
B1,B2 : 경사면 C : 수평부
A : 두께 200 : 카메라
201 : 지지대
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 포토리소그라피 공정에서 하부 레이어와 상부 레이어간의 오버레이를 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 반도체 소자는 복수의 층으로 이루어지는 다층 구조를 갖는다. 이러한 다층 구조의 반도체 소자는 그 집적도가 높아질수록 제조 공정상 요구되는 패턴의 최소 선폭이 점점 작아지게 되며, 이에 따라, 미세 패턴들을 서로 연결시킬 때, 특정 층과 그 하부에 형성되어 있거나, 상부에 형성될 다른 층과의 오버레이(overlay)의 정확성, 즉, 정렬도(alignment)의 정확성이 크게 요구된다.
따라서, 통상의 반도체 제조 공정에서는 전(前) 공정에서 형성시킨 레이어와 현(現) 공정을 통해 형성되는 레이어간의 정렬 상태를 파악 및 보정하기 위한 오버레이 측정 패턴을 설치하고 있다. 이러한 오버레이 측정 패턴은 다이(Die) 사이를 분할하는 웨이퍼의 스크라이브 라인(Scribe line) 내에 설치하는 것이 보통이며, 통상, 이전 레이어에서 형성시킨 어미자와 상기 어미자 내에 배치되도록 현 레이어에서 형성하는 아들자로 구성된 박스 인 박스(Box In Box) 구조로 형성된다.
상기 박스 인 박스 구조의 오버레이 측정 패턴에 있어서, 예컨대 상기 어미자는 이전 레이어에서 도전막 패턴으로 형성되며, 상기 아들자는 현 레이어에서 감광막 패턴으로 형성한다.
상기한 바와 같은 박스 인 박스 구조의 오버레이 측정 패턴을 이용한 종래의 오버레이 측정방법을 설명하면, 우선, 오버레이 측정 장비를 이용해서 어미자와 아들자의 각 중앙값을 측정하고, 그런 다음, 측정된 값들을 연산해서 아들자의 쉬프트(shift) 정도를 측정한다.
그러나, 종래의 오버레이 측정방법은 하부 패턴, 즉, 어미자의 증착 특성과 CMP(Chemical Mechanical Polishing)의 영향으로 인해 정확한 오버레이 측정이 어려운 문제점이 있다.
도 3은 비대칭적인 메탈층 측정에 따라 실제 콘택트 레이어의 중앙값과 오버레이장비를 통해 측정되는 중앙값의 차이를 보여주고 있다.
상기한 도면에서 도면부호 (101)은 콘택트 레이어에서 형성된 어미자를 가리키며, (102)는 형성된 어미자에 증착된 텅스텐, (103)은 상기 텅스텐 위에 일정두께로 증착된 메탈층, (104)는 실제 콘택트 레이어에서 형성된 어미자의 중앙값을 나타내며, (105)는 공정 영향에 의해 오버레이 장비에서 측정되는 중앙값을 나타내고 그리고 (106)은 상기 실제 중앙값(105)와 오버레이 장비에서 읽은 중앙값의 차를 나타낸다.
즉, 오버레이를 측정할 때 통상 웨이퍼에 수직으로 존재하는 CCD 카메라에 의해 오버레이 마크를 캡쳐한 후 하부 레이어와 현 레이어의 장렬 정도를 측정하나, 메탈 레이어의 경우 하부 콘텍트 레이어에서 형성된 오버레이 마크에 비대칭적으로 메탈층이 증착되어 실제 콘택트 레이어의 중앙값과 오버레이 장비에서 측정된 값에 차이가 발생하고 이에 따라 리소그라피 공정 후와 에칭 공정 후의 오버레이 정렬 정도에 차이가 발생하게 되는 것이다.
이러한 잘못된 오버레이 측정 결과로 인해 오버레이 정확도가 떨어지게 되는 것이다.
이에 본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 비대칭적으로 증착된 메탈층에 의해 발생되는 오버레이 측정 오차를 극복하여 정확한 오버레이 측정이 이루어질 수 있도록 된 오버레이 측정 방법 및 측정장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 증착된 메탈층의 두께와 사선 길이를 측정하여 비대칭적으로 증착된 메탈층의 중앙값을 보정함을 그 요지로 한다.
실시예에 의한 오버레이 측정을 위한 메탈층의 중앙값 계산 방법은, 트렌치형 단차를 이루는 메탈층의 두께를 측정하는 제1단계; 상기 단차 내부에서 상기 메탈층이 수평면을 이루는 영역의 길이를 측정하는 제2단계; 상기 단차 내부에서 상기 메탈층이 경사면을 이루는 영역의 길이를 측정하는 제3단계; 상기 제1단계의 측정치 및 상기 제3단계의 측정치를 이용하여, 상기 단차의 경사면을 이루는 상기 메탈층 영역이 수직하게 투영된 경우의 수평면의 길이를 계산하는 제4단계; 상기 제2단계의 측정치 및 상기 제4단계의 계산치를 이용하여 상기 단차 전체 길이의 중앙값을 계산하는 제5단계를 포함한다.
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한편, 오버레이 측정 오차를 해결하기 위하여 웨이퍼를 촬영하는 카메라를 포함하는 오버레이 측정 장치에 있어서, 상기 카메라가 설치된 지지대를 웨이퍼에 대해 회동가능한 구조로 되어 카메라를 회동시켜 메탈층의 양 경사면을 촬영할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 오버레이 측정과정을 설명하기 위하여 메탈레이어의 오버레이 측정시 콘택트 레이어에서 형성된 어미자와 아들자를 도시한 개략적인 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 오버레이 측정장치를 도시한 개략적인 도면이다.
먼저 도 1에서와 같이 메탈층(103)은 하부 콘택트 패턴의 증착 특성과 CMP(chemical mechanical polishing)의 영향으로 인해 비대칭적으로 증착되어 있음을 확인할 수 있으며 이 경우 메탈층(103)에서의 정확한 오버레이 측정에 어려움이 발생되나 본 측정방법을 통해 메탈층(103)의 정확한 중앙값을 얻을 수 있게 된다.
즉, 상기 메탈층(103)은 하부층에 형성된 2개의 어미자 및 어미자 사이의 텅스텐층의 구조에 의하여 트렌치형 단차를 이루며, 트렌치형 단차는 아들자로서의 역할을 한다.
그러나, 도 1에 도시된 바와 같이 트렌치형 단차의 양측단의 경사면 길이(B1, B2)가 상이한 경우, 경사면 길이(B1, B2)를 아들자의 중앙값 계산에 반영하기 어려우므로, 단차 내부에서 상기 메탈층(103)이 수평면을 이루는 영역(L)을 기준으로 하여 아들자의 중앙값을 계산한다.
이와 같이 계산된 아들자의 중앙값은 우측 경사면(B1)의 종료점 또는 좌측 경사면(B2)의 종료점의 위치에 가산되어 좌표수치로 계산된다.
한편, 어미자 사이의 중앙값은 어미자의 위치에 가산되어 좌표수치로 계산되고, 아들자의 중앙값 좌표수치와 어미자의 중앙값 좌표수치는 상호 비교되어 오버레이 여부를 판단한다.
그러나, 상기 단차의 우측 경사면(B1)의 길이와 좌측 경사면(B2)의 길이가 상이하므로, 상기 단차 내부의 수평면(L)의 중앙값은 우측 경사면(B1)의 종료점 또는 좌측 경사면(B2)의 종료점 중 어느 곳을 기준으로 하는 지의 여부에 따라 아들자의 중앙값 좌표수치는 변동된다.
따라서, 어미자의 중앙값 좌표수치와의 정확한 비교가 불가능해진다.
이러한 이유로, 실시예는 상기 단차의 우측 경사면(B1)의 시작점과 좌측 경사면(B2)의 시작점을 기준으로 중앙값을 계산한다.
따라서, 이렇게 계산된 아들자의 중앙값을 우측 경사면(B1)의 시작점 또는 좌측 경사면(B2)의 시작점의 위치에 가산함으로써 아들자의 중앙값 좌표수치를 계산할 수 있으며, 이렇게 계산된 아들자의 중앙값 좌표수치는 변동되지 않는 고정수치로서 어미자의 중앙값 좌표수치와의 정확한 비교가 가능해진다.
제1단계로서, 트렌치형 단차를 이루는 메탈층(103)의 두께(A)를 측정한다.
제2단계로서, 상기 단차 내부에서 상기 메탈층(103)이 수평면을 이루는 영역(L)의 길이를 측정한다.
제3단계로서, 상기 단차 내부에서 상기 메탈층(103)이 경사면을 이루는 영역(B1, B2)의 길이를 측정한다.
제4단계로서, 상기 단차의 양측면에서 경사면을 이루는 상기 메탈층(103) 영역(B1, B2)이 수직하게 투영된 경우의 수평면(C)의 길이를 계산한다.
도 1을 참조하면, 상기 우측 경사면(B1)이 수직하게 투영된 경우의 수평면(C)만 예시되어 있으나, 상기 좌측 경사면(B2)이 수직하게 투영된 경우의 수평면 역시 동일한 방식으로 계산된다.
가령, "상기 경사면을 이루는 상기 메탈층(103) 영역(B1, B2)이 수직하게 투영된 경우의 수평면(C)의 길이"는, 상기 제1단계의 측정치와 상기 제3단계의 측정치를 이용하여 계산될 수 있다.
"상기 우측 경사면(B1)이 수직하게 투영된 경우의 수평면(C)"의 길이와 "상기 좌측 경사면(B2)이 수직하게 투영된 경우의 수평면"의 길이는 각각,
"
Figure 112008023601396-pat00004

의 수식에 의하여 계산될 수 있다.
참고로, 상시 수식은 피타고라스 정리에 의한 것이다.
제5단계로서, 상기 제4단계에서 계산된 2개의 계산치와 상기 제2단계의 측정치를 합산한 후 2로 나눈다. 따라서, 상기 트렌치형 단자, 즉 아들자의 중앙값을 계산할 수 있으며, 아들자의 중앙값은 우측 경사면(B1) 또는 좌측 경사면(B2)의 시작점의 위치에 가산됨으로써 어미자와 비교 가능한 중앙값 좌표수치를 얻을 수 있다.
상기 각 길이 측정에는 도 2에 도시된 바와 같이 카메라(200)가 사용되는 데, 상기 카메라(200)는 웨이퍼(108) 상부에 위치하며 카메라(200)의 초점각도를 수평면(L)과 더불어 경사면(B1,B2)에 직각으로 대응시킬 수 있도록 회동가능한 구조로 되어 있다.
이를 위해 본 장치는 상기 카메라(200)가 설치되는 카메라 지지대(201)가 타원형으로 이루어져 웨이퍼(108)를 향해 오목하게 만곡되어 있어서 지지대(201)에 설치된 카메라(200)를 웨이퍼(108)에 대해 회동가능한 구조로 되어 있다.
따라서 상기 메탈층(103)의 수평면(L) 길이 측정 단계는 카메라(200)가 웨이퍼(108)에 대해 직각으로 배치된 상태에서 이루어지며, 경사면(B1,B2) 길이 측정은 상기 지지대(201)의 회동작동에 따라 카메라(200)가 회동되어 경사면(B1,B2)에 대해 카메라(200)가 직각으로 배치된 상태에서 이루어지게 된다.
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본 발명은 이상과 같이 상당히 획기적인 기능을 갖는 오버레이 측정방법을 제공하는 것을 알 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 오버레이 측정을 위한 메탈층의 중앙값 계산 방법 및 오버레이 측정장치에 의하면, 오버레이 측정 오차를 획기적으로 줄일 수 있게 되으며, 따라서 정확한 오버레이 측정을 구현할 수 있는 것으로 인해 소자의 제조수율 및 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 오버레이 측정 방법에 있어서,
    트렌치형 단차를 이루는 메탈층의 두께를 측정하는 제1단계;
    상기 단차 내부에서 상기 메탈층이 수평면을 이루는 영역의 길이를 측정하는 제2단계;
    상기 단차 내부에서 상기 메탈층이 경사면을 이루는 영역의 길이를 측정하는 제3단계;
    상기 제1단계의 측정치 및 상기 제3단계의 측정치를 이용하여, 상기 단차의 경사면을 이루는 상기 메탈층 영역이 수직하게 투영된 경우의 수평면의 길이를 계산하는 제4단계;
    상기 제2단계의 측정치 및 상기 제4단계의 계산치를 이용하여 상기 단차 전체 길이의 중앙값을 계산하는 제5단계를 포함하는 오버레이 측정을 위한 메탈층의 중앙값 계산 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 수평면의 길이를 계산하는 제4단계에서,
    "상기 단차의 경사면을 이루는 상기 메탈층 영역이 수직하게 투영된 경우의 수평면의 길이"는
    "
    Figure 112008023601396-pat00005
    의 수식에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정을 위한 메탈층의 중앙값 계산 방법.
  3. 웨이퍼를 촬영하는 카메라를 포함하는 오버레이 측정장치에 있어서,
    상기 카메라가 설치된 지지대가 타원형으로 이루어져 웨이퍼를 향해 오목하게 만곡된 구조로 되어, 지지대에 설치된 카메라를 웨이퍼에 대해 회동시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 오버레이 측정장치.
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