KR20040054049A - 반도체 소자의 개구부 검사방법 - Google Patents

Abstract

반도체 소자의 개구부 검사방법이 개시되어 있다. 복수개의 개구부를 갖는 절연막이 형성된 기판을 도입하고, 상기 기판에 자외선을 조사한다. 상기 조사된 자외선에 의해 기판의 이미지를 유도하고, 상기 유도된 이미지를 초고 해상도로 제공한다. 상기 제공된 이미지의 명암 차이에 의해 각각의 개구부를 절연막이 덮인 영역과 구분 짓는다. 이와 같이, 개구부가 형성된 절연막이 도포된 기판을 자외선으로 조사하고 초고 해상도로 관찰함으로써 추가공정 없이 정확하게 검사할 수 있다.

Description

반도체 소자의 개구부 검사방법{METHOD FOR MONITORING A OPEN REGION OF THE SEMICONDUCTOR DEVICE}

본 발명은 반도체 소자의 개구부 검사방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광학 검사 장치를 이용한 반도체 소자의 개구부 검사방법에 관한 것이다.

반도체 장치가 집적화 되면서, 반도체 장치를 제작하기 위한 디자인 룰(design rule)은 점점 감소하고 있다. 즉, 반도체 장치를 이루고 있는 구성요소들의 크기가 감소하고 있다. 반도체 제조방법에서 칩의 크기를 작게 하는데 가장 중요한 요소 중에 하나가 콘택홀을 작게 만드는 것이다.

반도체 장치를 집적화 시키기 위해서는 막을 형성하고 상기 막을 가공하는 과정을 반복하여 패턴을 형성하며, 상기 각층마다 형성된 패턴들을 콘택에 의해 전기적으로 연결한다. 이때, 상기 콘택을 형성하기 위해서 콘택홀을 형성하게 된다.하나의 막을 형성하고 가공하기 위해서는 수많은 공정을 필요로 하며, 각 공정마다 가공 상태를 점검하기 위해서 필수적으로 검사(inspection) 과정을 거치게 된다. 정확한 검사 과정은 모든 공정에 매우 중요하며, 각각의 막을 전기적으로 연결하기 위한 콘택 형성 과정에도 마찬가지이다.

콘택 형성 과정은 도전 영역 및/또는 도전성 패턴을 도포하도록 절연막을 형성하고 상기 절연막을 일부 식각하여 상기 도전 영역 및/또는 도전성 패턴을 노출시키는 콘택홀(contact hole)을 형성한 후, 상기 콘택홀을 도전성 물질로 매립함으서 이루어진다. 후속에 상기 매립 영역 상면에 형성되는 도전성 패턴 등은 상기 콘택에 의해 하층에 형성되어 있는 도전 영역 및/또는 도전성 패턴과 전기적으로 도통하게 된다. 만약, 콘택홀이 완전히 식각되지 않아 하면의 도전 영역 및/또는 도전성 패턴을 노출시키지 못하면 반도체 소자로서의 역할을 수행할 수 없다. 따라서, 상기 콘택 형성 과정에 있어서, 콘택홀의 하면에 도전 영역 및/또는 도전성 패턴이 완전히 노출되었는지의 여부를 검사하는 것은 매우 중요하다. 그러나, 반도체 소자의 디자인 룰이 감소하면서 상기 반도체 소자 내에 형성할 수 있는 콘택홀의 임계치수(Critical Dimension) 또한 급속도로 감소하고 있다. 따라서, 상기 콘택홀을 검사하는 과정에 많은 오류가 발생한다.

일반적으로, 콘택홀 저면의 완전 노출 여부는 상기 콘택홀을 포함한 반도체 기판을 절단하여 검사하는 방식으로 이루어진다. 즉, 콘택홀이 존재하는 부위의 반도체 기판을 측면으로 절단하여 프로파일(profile)을 검사하는 방식으로 이루어진다. 이때, 절연막을 이루고 있는 대부분의 절연물질의 투명한 특성 때문에 선명하게 관찰하기 위해 상기 콘택홀이 형성된 절연막 상에 금속 물질을 증착한 후, 검사를 진행하게 된다. 따라서, 금속 물질을 증착하는 부가적인 공정을 필요로 하여 검사 시간이 지연될 뿐만 아니라, 상기 금속 물질 자체의 손실을 초래한다. 또한, 상기 방식은 반도체 기판을 절단해야 하므로 반도체 기판의 손실을 초래하여 공정 단가를 상승시키게 된다.

또 다른 검사방법으로는 이차 전자 SEM(Secondary Electron Scanning Electron Microscope)방식이 있다. 이차 전자 SEM 방식은 가장 정확도가 높은 검사 장비로 알려져 있으나, 별도로 진공 상태를 형성하여야 하며 상기 공정 상태를 유지하기 위해 처리가 불편하다. 또한, 검사의 정확도는 높으나 오랜 시간을 요하므로 반도체 장치 제조공정을 지연시키게 된다.

한편, 광학 검사 장비에 의한 반도체 소자의 콘택홀 검사방법은 별도로 진공을 형성하지 않으므로 반도체 소자의 검사 시간이 단축된다. 또한, 평면적으로 검사할 수 있으므로 비파괴적으로 검사할 수 있으나, 선명도를 증가시키기 위해서 반도체 소자의 표면에 부가적으로 베리어 금속을 증착하여야 한다. 그러나, 상기 베리어 금속막은 반도체 소자의 제조공정의 정규 과정이 아니다. 따라서, 부가적으로 공정을 추가하여 공정 시간이 지연될 뿐만 아니라, 상기 베리어 금속막 형성공정에 의해 비용이 증가된다. 또한, 상기 베리어 금속막은 검사하고자 하는 개구부의 선명도는 증가시키나, 증착된 상기 베리어 금속막의 형성 상태에 의해 오류 발생률이 증가한다. 따라서, 검사의 정확도가 저하된다.

따라서, 본 발명의 목적은 기판의 손실을 초래하지 않는 정확한 반도체 소자의 개구부 검사방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 검사방법에 대한 순서도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광학 검사 장비의 개략도이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 복수개의 개구부를 갖는 절연막이 형성된 기판을 도입하는 단계, 상기 기판에 자외선을 조사하는 단계, 상기 조사된 자외선에 의해 기판의 이미지를 유도하는 단계, 상기 유도된 이미지를 초고 해상도로 제공하는 단계, 상기 제공된 이미지의 명암 차이에 의해 각각의 개구부를 절연막이 덮인 영역과 구분 짓는 단계 및 상기 이미지로 개구부의 형성상태를 판단하는 단계를 포함한다.

이와 같이, 개구부가 형성된 절연막이 도포된 기판을 자외선으로 조사하고, 초고 해상도로 관찰함으로써 추가공정 없이 정확하게 검사할 수 있다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

반도체 소자의 개구부 검사방법은 복수개의 개구부를 갖는 절연막이 형성된 기판을 도입하는 단계, 상기 기판에 자외선을 조사하는 단계, 상기 조사된 자외선에 의해 기판의 이미지를 유도하는 단계, 상기 유도된 이미지를 초고 해상도로 제공하는 단계, 상기 제공된 이미지의 명암 차이에 의해 각각의 개구부를 절연막이 덮인 영역과 구분 짓는 단계 및 상기 이미지로 개구부의 형성상태를 판단하는 단계를 포함한다.

이때, 상기 개구부의 형성상태를 판단하는 단계에서 복수개의 개구부들은 복수개의 그룹으로 나누어지고, 상기 각 그룹의 개구부들은 전후에 위치한 그룹의 개구부들과 상대적인 이미지 비교에 의해 구분된다. 상기 자외선은 365nm 이하의 단파장이며, 상기 초고해상도는 수십μm 이하이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 검사방법에 대한 순서도이다.

도 1을 참조하면, 반도체 소자의 제조공정에 있어서, 개구부를 형성하는 공정은 다음과 같다. 기판 상에 절연막을 형성한다. 상기 기판에는 활성 영역이 정의되어 있을 수 있으며, 다수의 도전성 패턴이 형성되어 있을 수 있다. 상기 절연막 상에 통상의 사진 식각에 의해 상기 절연막의 일부를 노출시키는 포토 레지스트 패턴을 형성한다. 상기 포토 레지스트 패턴을 식각 마스크로 이용하여 상기 절연막의 노출 영역을 식각하여 상기 기판의 상부면을 노출시킴으로서 복수개의 개구부를 형성한다.(S100) 상기 개구부들은 일정 영역을 기준으로 하나의 그룹을 형성하며 상기 그룹별로 반복적으로 형성된다.

상기 개구부가 형성된 기판 상에는 별도의 베리어 금속막을 도포하지 않고 공정 진행 상태 그대로 광학 검사 장비에 도입된다.(S110)

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광학 검사 장비의 개략도이다.

도 2를 참조하면, 광원(미도시) 및 기판 스테이지(205)를 포함하는 상기 광학 검사 장비에 기판(207)을 도입하여 상기 기판 스테이지(205)에 장착한다. 상기 기판 스테이지(205)는 회전 및 이동할 수 있다.

상기 기판 스테이지(205)에 광원으로부터 광을 조사한다.(S120) 상기 광원은 자외선(Ultra-Violet lay)으로서, 365nm의 파장을 갖는 빛이다. 상기 광원은 355-480nm의 범위의 빛을 제공할 수 있으며, 특정 파장의 빛만을 제공하기 위한 필터를 사용할 수 있다. 또한, 상기 광원은 특정의 단 파장만을 조사하는 광원일 수 있다. 높은 정확도를 갖는 영상을 얻기 위해서는 단파장의 빛을 사용하는 것이 타당하다. 상기 조사된 빛은 일정 광로로 제공되기 위해 렌즈를 통해 제공된다.

일반적으로, 반도체 소자의 제조공정에서 해상도 한계(resolution limited)는 Rayleigh의 식(1)으로 정의된다.

(1) R = k1 (λ(lamda)/NA)

여기서, R은 광학계의 최대 해상도를 나타내고, 람다(λ)는 광원으로 사용되는 광의 파장을 나타내고, NA는 광학장비 lens의 최대 수차(Numerical aperture)를 나타낸다. 그리고, 상기 k는 해상도 이외의 공정에 의해서 결정되는 공정 상수를 나타낸다. 그리고, 상기 렌즈의 NA가 커질수록 회절광을 보다 많이 기판 상으로 전사시킬 수 있어 보다 높은 해상도를 구현할 수 있다.

따라서, 상기 식(1)을 참조하면, 단파장을 사용할수록 해상도를 향상시킬 수 있다. 즉, 더 작은 면적에 대한 관찰이 가능하다.

상기 광원은 필터에 의해 조사하고자 하는 파장을 사용하여 기판에 얼라인(align)한 후 조사된다. 상기 기판에 조사된 빛(200)은 일부 기판에 흡수되거나, 산란되어 반사된다. 이때, 상기 반사된 빛(210)은 일차적으로 광학 검사 장비의 렌즈(220)에 의해 수집된다. 상기 렌즈에 의해 수집된 빛은 다시 초점렌즈(230)에 의해 하나로 집중되어 중심이 맞춰짐으로써 중간 영상(image)으로서 나타내진다. 상기 중간 영상(image)은 광감도에 의해 일차적으로 기판의 영상을 명암에 대비로서 표현한다.

상기 중간 영상은 평면 렌즈(240) 및 곡면 렌즈(250)에 의해 최종 영상으로서 표현된다.(S130) 상기 최종 이미지는 CCD(Charge-Coupled Device;이하, "CCD"라고 한다.) 카메라와 같은 영상 픽업(image pickup)부(260)에 의해 픽업되어 디스플레이부(270)에 의해 가시적으로 이미지가 표현된다. 상기 이미지는 검사하고자 하는 개구부와 절연막을 명암 대비에 의해 표현하며, 이는 검사 장비에 의해 조절할 수 있다. 즉, 개구부들을 어둡게 표시하는 경우에는, 상기 절연막은 상대적으로 밝게 표현된다. 반대로, 상기 절연막을 어둡게 표현하는 경우에는 상기 개구부들은 밝게 표시된다.

상기 CCD 카메라의 해상도(resolution)는 약 수 내지 수십μm 이다. 상기 해상도는 상기 CCD 카메라의 하나의 최소 영상 픽업 단위인 화소(pixel)가 검사하고자 하는 기판에서 어느 정도의 면적에 해당하는지를 나타내는 것이다.

상기 해상도로 영상이 확대되어 가시화되면, 임계치수가 매우 작은 콘택홀도 선명하게 표현되므로 상기 콘택홀을 디펙트(defect)로 감지하는 것과 같은 오류발생률이 매우 낮다. 상기 영상은 명암의 단계인 그레이 레벨로써 표현되어 콘택홀이 뚫린 것과 실제 디펙트를 구분할 수 있다. 따라서, 상기 영상에 의해 검출력을 향상시킬 수 있다.

상기 최종 영상으로 개구부의 형성상태를 검사한 후, 상기 개구부가 공정 기준에 부합하는지 여부를 판단한다.(S140) 상기 개구부의 형성이 기준에 부합하는 경우에는 다음 공정을 진행하며, 기준에 부합하지 않는 경우에는 제어부(280)에 의해 불량으로 판정한다.(S150) 상기 개구부들은 몇몇의 개구부들을 하나의 그룹으로 하여 반복적으로 형성되므로, 상기 하나의 그룹을 검사하기 위해서는 상기 그룹 전후에 위치한 그룹들과 상대적으로 이미지를 비교하면서 검사한다.

상기 조건을 갖는 광학 검사 장비에서는 실제 공정에서 콘택홀이 형성된 절연막에 대해 부가적으로 베리어 금속(barrier metal)을 형성하지 않고, 바로 측정이 가능하다. 또한, 기존에는 베리어 금속을 사용하여 해상도를 증가시키려 하였으나, 상기 베리어 금속으로 인한 금속 그레인에 의해 오류 발생이 빈번하였다. 그러나, 상기 조건의 광학 검사 장비에서는 베리어 금속을 부가적으로 사용하지 않으므로 오류 발생율이 감소할 뿐 아니라, 공정 시간을 단축시키고, 베리어 금속을 증착시키는데 소모되는 공정 비용을 감소시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 특정 파장의 자외선 및 초고 해상도를 갖는 광학 검사 장비를 이용하고, 기판 상에 형성된 절연막의 개구부 상에 별도의 베리어 금속을 도포하지 않고 그대로 검사한다.

이와 같이, 특정 파장의 자외선 및 초고해상도로 베리어 금속이 반도체 소자의 제조공정 진행 중의 개구부의 형성여부를 검사함으로써, 공정 시간이 지연되는 것을 방지하며 정화도를 증가시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 복수개의 개구부를 갖는 절연막이 형성된 기판을 도입하는 단계;

   상기 기판에 자외선을 조사하는 단계;

   상기 조사된 자외선에 의해 기판의 이미지를 유도하는 단계;

   상기 유도된 이미지를 초고해상도로 제공하는 단계;

   상기 제공된 이미지의 명암 차이에 의해 각각의 개구부를 절연막이 덮인 영역과 구분 짓는 단계; 및

   상기 이미지로 개구부의 형성상태를 판단하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 개구부 검사방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 개구부의 형성상태를 판단하는 단계에서 상기 복수개의 개구부들은 복수개의 그룹으로 나누어지고, 상기 각 그룹의 개구부들은 전후에 위치한 그룹의 개구부들과 상대적인 이미지 비교에 의해 구분되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 개구부 검사방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 자외선은 365nm 이하의 단파장이며, 상기 초고해상도는 수십μm 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 개구부 검사방법.