KR0145646B1 - 측정 마크 패턴을 사용하는 반도체 장치의 제조방법 - Google Patents

Abstract

반도체 장치의 제조 방법은, 포토리소그래피 공정으로 반도체 기판상에 하층의 측정 마크를 형성하는 단계와, 포토리소그래피 공정으로 반도체 하층의 측정 마크상에 중첩되도록 상층의 측정 마크를 형성하는 단계와, 평면상의 X와 Y방향으로 하층 및 상층의 측정 마크사이의 상대적인 사이즈를 측정하는 단계와, 그리고 측정장치를 토대로 기준치와 관련시켜 측정 마크의 오차 사이즈와 측정 마크사이의 상대적인 정렬 오차 사이즈를 계산하는 단계를 포함하며, 포토리소그래피 공정이 결과는 계산된 오차 사이즈를 기초로하여 정해진다.

Description

측정 마크 패턴을 사용하는 반도체 장치의 제조방법

제1도는 종래의 반도체 장치 제조 방법 단계를 설명하기 위하여 도시된 흐름도.

제2a, 2b도는 각각 본 발명의 제1실시예에서의 측정 마크 패턴을 도시하는 평면도 및 전자빔이 측정 패턴을 스캔할때 제2차 전자의 강도 파형을 나타내는 도면.

제3도는 본 발명의 반도체 장치의 제조 방법 단계를 설명하기 위하여도 도시된 흐름도.

제4도는 본 발명의 제2 실시예에서의 측정 마크 패턴을 도시하는 평면도.

제5도는 본 발명의 제3 실시예에서의 측정 마크 패턴을 도시하는 평면도.

본 발명은 포토리소그래피 기술을 사용하는 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 측정 마크 패턴(measurement mark pattern)을 사용하는 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 장치의 제조 공정에 있어서, 포토리소그래피 기술을 사용하여 다양한 패턴 필름, 개구부등이 형성된다. 상층에 패턴 또는 개구부를 형성할 경우, 상기 패턴 또는 개구부는 하층의 패턴과 비교하여 정렬되어야 한다. 예를들면, 상층과 하층의 배선을 서로 전기적으로 접속하기 위하여 콘택을 형성함에 있어, 만약 상기 콘택의 정렬이 어긋나면, 상기 콘택은 배선층 또는 층내에 형성된다. MOS 트랜지스터의 소오스/드레인 형성에 있어서, 만약 상층 마스크 필름의 정렬이 어긋나면, 하층의 기대한 영역에서 벗어난 영역내에 불순물이 주입되어 결함있는 장치가 만들어진다.

또한, MOS 트랜지스터 또는 이러한 형태의 다른 장치의 전기적 특성, 즉 동작 속도, 용량, 및 스레쉬홀드 전압과 같은 다양한 조건은 반도체 기판상에 형성된 구조의 2차원 사이즈에 의하여 자주 결정된다. 만약 상술한 정렬 어긋남 또는 노광으로 인하여 사이즈 오차가 초래되었다면, 소정의 경우에 있어서 바람직한 특성을 얻을 수가 없다. 따라서, 각 패턴을 형성함에 있어서, 사이즈 측정이 수행될 필요가 있다.

종래에 있어서, 정렬 마크는 하층 및 상층상에 형성된다. 이들 정렬 마크사이의 중첩 오차가 측정함으로서 상기 설명한 정렬을 실시한다. 형성될 층에 대하여, 사이즈 측정 마크가 형성되고, 노광한 후에 현상된 사이즈 측정 마크의 사이즈가 측정되고, 따라서 사이즈 오차를 검출한다.

이 경우에 있어서, 앞의 정렬 오차의 측정에 있어서, 대략 수 ㎛ 또는 그 이상의 사이즈를 갖는 각각의 정렬 마크가 형성된다. 각 정렬 마크는 현미경을 사용하여 육안으로 읽어낼 수 있고, 상층과 하층의 정렬 마크사이의 정렬 어굿남이 측정되고, 따라서 정렬 오차가 측정된다. 다른 방법으로, 정렬 마크는 광학 시스템을 사용하여 감지된다. 얻어진 영상은 전기 신호로 바뀌고, 소정 공정이 수행되어 정렬 오차가 측정된다.

후자의 사이즈 오차 측정에 있어서, 장치의 소자 패턴의 사이즈와 거의 동일한 사이즈(1㎛ 이하)를 갖는 사이즈 측정 마크가 형성된다. 측정 마크상에 전자빔이 스캔되고, 이곳에서, 방출되는 제2차 전자가 검출된다. 상기 제2차 전자의 강도 파형(intensity waveform)에 따라서 사이즈가 계산된다.

이러한 이유로, 종래 제조 공정에 있어서는, 정렬 오차의 측정 및 사이즈 오차의 측정은 상이한 기계장치에 의하여 수행되어야 하며, 이들 측정을 동시에 수행하는 것은 어렵다. 또한, 정렬 마크를 검출하는 처리 방법이 사이즈 측정 마크를 검출하는 처리 방법과 상이하고, 상기 두개의 감지 프로세스에 필요한 정확도가 매우 다르기 때문에, 동일한 마크를 사용하여 이들 측정을 수행함은 바람직하지 않다. 예를 들면, 사이즈를 측정하기 위하여 사이즈가 수 ㎛인 정렬 마크가 사용된다면, 매우 작은 사이즈 오차는 측정할 수 없다. 반대로, 정렬 오차를 측정하기 위하여 사이즈가 1㎛ 이하인 사이즈 측정 마크가 상용된다면, 기계장치의 한정된 정확도 때문에 이렇게 작은 마크의 사이즈 및 정렬 오차는 측정할 수 없다. 상술한 것처럼, 사이즈 오차의 측정과 정렬 오차의 측정을 동시에 수행하는 것은 어렵다. 결과적으로, 이들 측정은 독립적으로 수행되어야 한다.

따라서, 종래의 포토리소그래피 공정에 있어서, 제1도의 흐름도에 보여진바와 같이, 한개 또는 수개의 반도체 기판에 대하여 테스트 노광(파일롯 노광(pilot exposure))이 수행된다. 하층의 정렬 마크와 상층의 정렬 마크 사이의 정렬은 작업자 또는 기계장치를 사용하여 결정되고, 정렬 오차가 측정되고 피드 백된다. 다음에, 잔존하는 모든 반도체 기판이 노광된다. 포토레지스트를 현상한 후에 사이즈 측정 마크를 사용하여 각각의 노광된 기판에 대하여 사이즈 오차가 측정된다. 만약 어떤 기판이 소정 범위를 벗어나면, 포토레지스트 공정의 반복된다. 만약 기판이 소정 범위내에 있으면, 정렬 오차가 다시 측정된다. 만약 상기 기판이 소정 범위를 벗어나면, 포토레지스트 공정이 다시 반복된다.

이러한 이유로 종래에는, 소정 범위내에서 사이즈 오차를 갖는 수개의 기판은 정렬 오차 측정에 의하여 결함이 있을 수 있고, 따라서 반도체 장치의 제조 효율은 낮아진다. 반대로, 정렬 오차의 측정후에 사이즈 오차의 측정이 수행될 경우에도, 소정 범위내에서 정렬 오차를 갖는 수개의 기판은 사이즈 오차 측정에 의하여 결함이 있을 수 있다. 이것도 반도체 장치의 제조 효율을 낮춘다.

본 발명은 상기 상황을 고려하여 만들어 졌으며, 결함성 반도체의 제조를 방지하여 반도체 장치의 제조 효율을 개선시킬 수 있는 측정 마크 패턴을 사용하는 반도체 장치 제조 방법을 제공하는 것이 목적이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 양태에 있어서, 포토리소그래피 공정으로 반도체 기판상에 하층의 측정 마크를 형성하는 단계와, 포토리소그래피 공정으로 반도체 하층의 측정 마크상에 중첩되도록 상층의 측정 마크를 형성하는 단계와, 평면상의 X와 Y방향으로 하층 및 상층의 측정 마크사이의 상대적인 사이즈를 측정하는 단계와, 그리고 측정치를 토대로 기준치와 관련시켜 측정 마크의 오차 사이즈와 측정 마크사이의 상대적인 정렬 오차 사이즈를 계산하는 단계를 포함하며, 포토리소그래피 공정의 결과는 계산된 오차 사이즈를 기초로하여 정해지는 반도체 장치 제조 방법을 제공한다.

제1양태에서 설명된 X와 Y방향으로의 두개의 측정 마크 사이의 상대적인 사이즈는 다음과 같이 계산된다. 전자빔이 평면상의 X와 Y방향으로 하층 및 상층의 측정 마크를 스캔하고, 반사 신호가 검출된다. 검출된 값을 기초로하여 상대적인 사이즈가 계산된다.

본 발명의 제2양태에 있어서, 제조되는 복수개의 반도체 기판의 하나 또는 소수개에 대하여, 제1양태와 같은 포토리소그래피 공정을 수행하는 단계와, 하층과 상층의 얻어진 측정 마크를 사용하여 사이즈 오차의 측정 및 정렬 오차의 측정을 수행하는 단계와, 얻은 측정치를 기초로하여 수정된 조건하에서 상기 반도체 기판 전부에 대하여 포토리소그래피 공정을 수행하는 단계와, 그리고 하층과 상층의 상기 측정 마크를 사용하여 상기 반도체 기판 전부에 대하여 사이즈 오차의 측정 및 정렬 오차의 측정을 동시에 수행하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 반도체 장치 제조 방법이 제공되었다.

제1양태 및 제2양태에서 사용된 하층 및 하층의 측정 마크에서, 한 측정 마크는 0.2 내지 4㎛의 사이즈를 갖는 패턴으로 형성되고, 다른 하나는 0.1 내지 2㎛의 사이즈를 갖는 패턴으로 형성된다.

예를 들면, 측정 마크 하나는 0.2 내지 4㎛의 사이즈를 가지는 사각형으로 형성되고, 다른 측정 마크는 0.1 내지 2㎛의 사이즈를 가지는 유사한 시각형으로 형성된다.

상기 양태로부터 명백한 것처럼, 본 발명에 있어서, 평면상에서 X와 Y방향으로의 하층 및 상층의 측정 마크 사이의 상대적인 사이즈가 측정된다. 기준치에 대한 마크의 마크의 오차 사이즈와 두개의 측정 마크 사이의 상대적인 정렬 오차 사이즈는 측정치를 기초로하여 계산된다. 이러한 이유로, 포토리소그래피 공정에서, 사이즈와 정렬의 결과는 상기 계산된 오차 사이즈를 기초로 하여 동시에 결정되며, 따라서 제조 공정이 단순화된다.

특히, 포토리소그래피 공정은, 단일 조건하에서 제조되는 복수개의 반도체 기판이 하나 또는 소수개에 대하여 수행된다. 제1 포토리소그래피 공정에서 얻어진 정렬 오차 및 사이즈 오차의 측정치를 기초로 하여 수정된 조건하에서, 상기 포토리소그래피 공정은 모든 반도체 기판에 대하여 수행된다. 다음에, 모든 반도체 기판에 대하여 정렬 오차의 측정과 사이즈 오차의 측정은 동시에 수행된다. 따라서, 결함성 반도체 장치의 제조를 방지할 수 있고, 이와 동시에, 더욱 간단하고 빠른 속도의 오차 측정 공정을 얻을 수 있다.

또한, 측정 마크 하나는 0.2 내지 4㎛의 사이즈를 가지는 패턴으로 형성되고, 다른 측정 마크는 0.1 내지 2㎛의 사이즈를 가지는 패턴으로 형성된다. 전자빔이 사용되어 이들 마크 사이의 상대적인 사이즈가 검출될때, 측정 마크를 형성하기 위한 포토리소그래피 공정에서, 사이즈 오차의 측정과, 측정 마크 사이이 정렬 오차 사이즈의 측정은 동시에 수행될 수 있다. 이러한 이유로, 제조 단계의 수는 감소된다.

본 발명의 상기 내용과 또 다른 장점, 특징, 그리고 부가적인 목적은, 예시적인 실시예로서 보여진 본 발명 원리를 내포하는 바람직한 실시예의 후술된 상세한 설명과 첨부된 도면과 관련하여 당 업자에게 명백할 것이다.

본 발명은 첨부된 도면과 함께 설명딜 것이다. 제2a도는 본 발명의 제1실시예에서의 측정 마크 패턴을 나타낸다. 제2a도에 있어서, 하층의 측정 마크 M1은 0.2 내지 4㎛의 측면을 갖는 작은 정방형 또는 사각형으로 형성된다. 상층의 측정 마크 M2는 0,1 내지 2㎛의 측면을 갖는 작은 정방형 또는 사각형으로 형성되며, 이것은 하층의 측정 마크 M1 보다 더 작다. 이 경우에, 하층과 상층의 측정 마크 M1, M2는 비슷한 형태를 가진다.

상기 측정 마크 M1, M2를 사용하여 정렬 오차 및 사이즈 오차를 측정할때는, 제2a도의라인을 따라서 전자빔을 스캔한다. 스캔에 의하여 방출된 제2차 전자가 검출되고, 제2차 전자의 강도 파형에 따라서 동일 패턴으로 중첩 오차 및 사이즈 오차가 측정된다.

제2b도는 전자빔이방향으로 측정 마크 M1, M2를 스캔할때 얻어진 제2차 전자의 강도 파형을 보여준다. 이 경우에, 피크 P1, P2 사이의 사이즈 LX 및 피크 P3, P4 사이의 사이즈를 측정하면, X방향으로의 어긋난 정렬 사이즈는로 계산된다. 비슷하게, 전자빔이방향으로 스캔되고, Y방향으로의 어긋난 정렬 사이즈는로 계산된다. 또한, 피크 P2, P3 사이의 사이즈 W를 기준 사이즈와 비교하여 그 차이 또는 비율을 계산하여 사이즈 오차 δL을 얻는다.

이들 어긋난 정렬 사이즈와 사이즈 오차 δL을 측정하기 위하여, 스레쉬홀드(threshold) 방법, 선형 가정(linear approximation) 방법, 제2차 전자의 강도의 파형을 사용하는 방법 등이 사용된다. 동일 방향으로 두개 이상의 측정치가 나타나면, 평균값이 사용된다. 상술한 바와 같이, 정렬 오차의 측정 및 사이즈의 측정은 동일 패턴상에 전자빔을 스캔닝하면서 동시적으로 측정할 수 있다.

이러한 이유로, 본 발명은 제3도의 흐름도에 나타난 바와 같이, 한개 또는 수개의 반도체 기판에 대하여 테스트 노광(파일롯 노광)이 수행된다. 상기 정렬 오차의 측정 및 사이즈 오차의 측정은 하층과 상층의 측정 마크를 사용하여 수행하며, 그 측정결과는 피드 백된다. 그 다음에, 잔존하는 모든 반도체 기판은 노광된다. 모두 노광된 기판에 있어서, 포토레지스트를 현상한 후에 측정 마스크를 사용하여 정렬 오차 및 사이즈 오차가 측정된다. 만약 기판이 소정 범위 바깥에 있다고 결정되면, 상기 포토레지스트 공정은 반복적으로 수행한다. 동시에, 소정 범위내에 있는 기판은 결함이 없다고 판단된다.

따라서, 정렬 사이즈 오차는 한 단계에서 동시에 측정될 수 있다. 비구체화된 사이즈를 갖는 기판은 상기 측정에서 제거되고, 따라서 측정은 반복적으로 수행될 필요는 없다. 또한, 소정 범위 밖에 있는 기판에 대하여 단기 한번 이상의 포토리소그래피 공정을 수행할 필요가 있다. 이러한 이유로, 포토리소그래피 공정의 효율성은 전체적으로 개선될 수 있다.

제4도는 본 발명의 제2실시예에서는 측정 마크 패턴을 나타낸다. 이 실시예에서, 하층의 측정 마크 M11은 제1실시예와 같이 사각형으로 형성된다. 상층의 측정 마트 M12는 하층의 측정 마크의 내부 가장자리를 따라서 사각형의 프레임 같은 형상으로 형성된다. 또한 이 경우에 있어서, 하층의 측정 마크 M11이 사이즈는 0.2 내지 4㎛이고, 상층의 측정 마크 M12의 사이즈는 0.1 내지 2㎛이다.방향을 따라서 측정 마크 M11, M12 상을 전자빔이 스캔한다. 얻어진 데이터로부터 정렬 오차 및 사이즈 오차가 계산된다. 제1실시예에서 처럼, 동일한 부분은 그에 대응하는 사이즈를 갖는다.

제5도는 제3실시예에서의 측정 마크 패턴을 나타낸다. 이 실시예에서, 하층의 4개이 측정 마크 M21는 적당한 간격으로 서로 떨어져 배열된 작은 크기의 사각형으로 형성된다. 상층의 측정 마크 M22는 하층의 측정 마크 M21 중간에 십자가형태로 형성된다. 이 경우에, 하층의 측정 마크 M21 사이의 간격은 0.2 내지 4㎛이다. 상층의 측정 마크 M22의 폭은 0.1 내지 2㎛이다.

상기 실시예 처럼,방향을 따라서 측정 마크 M21, M22 상에 전자빔이 스캔되고, 얻어진 데이터로부터 정렬 오차 및 사이즈 오차가 측정된다. 이 실시예에서, 수직 및 수평 방향에 있어서, 복수개의 사이즈 측정치가 나타난다. 따라서, 만약 이들 측정치중의 평균치가 정렬 오차값 또는 사이즈 오차값으로 사용된다면, 더욱 정확한 측정치를 얻을 수 있다. 또한, 이 실시예에서, 중첩시에 발생하는 회전 방향으로의 편차(회전)도 또한 측정할 수 있다.

상술한 측정 마크는 본 발명의 전형적인 예이며, 다양한 마크 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 형성될 장치의 패턴 사이즈 또는 측정 장치의 측정 정확도에 따라서, 각각의 측정 마크의 사이즈는 상술한 범위내에서 적당하게 설정된다.

Claims (5)

1. 반도체 장치의 제조 방법에 있어서, 포토리소그래피 공정으로 반도체 기판상에 하층의 측정 마크를 형성하는 단계와, 상기 포토리소그래피 공정으로 상기 하층의 측정 마크상에 중첩되도록 상층의 측정 마크를 형성하는 단계와, 평면상의 X와 Y방향으로 상기 하층 및 상층의 마크사이의 상대적인 사이즈를 측정하는 단계와, 측정치를 토대로 기준치와 관련시켜 상기 측정 마크의 오차 사이즈와 측정 마크사이의 상대적인 정렬 오차 사이즈를 계산하는 단계를 포함하며, 상기 포토리소그래피 공정의 결과는 계산된 오차 사이즈를 기초로 하여 정해지는 반도체 장치의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 전자빔이 평면상의 X와 Y방향으로 상기 하층 및 상층의 상기 측정 마크를 스캔하고, 검출된 반사 신호는 상기 평면상의 X와 Y방향으로 상기 측정 마크 사이의 상대적인 사이즈를 측정함을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
3. 반도체 장치이 제조 방법에 있어서, 제조되는 복수개의 반도체 기판의 하나 또는 소수개에 대하여, 제1항과 같은 포토리소그래피 공정을 수행하는 단계와, 상기 하층과 상층의 얻어진 측정 마크를 사용하여 사이즈 오차의 측정 및 정렬 오차의 측정을 수행하는 단계와, 상기 얻은 측정치를 기초로 하여 수정된 조건하에서 상기 반도체 기판 전부에 대하여 포토리소그래피 공정을 수행하는 단계와, 소정의 결과를 결정하기 위하여 하층과 상기 측정 마크를 사용하여 상기 반도체 기판 전부에 대하여 사이즈 오차의 측정 및 정렬 오차의 측정을 동시에 수행하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 하층 및 상층의 상기 측정 마크중의 하나는 0.2 내지 4㎛의 사이즈를 가지는 패턴으로 형성되고, 다른 측정 마크는 0.1 내지 2㎛의 사이즈를 가지는 패턴으로 형성됨을 특징으로 하는 반도체 장치 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 측정 마크 하나는 0.2 내지 4㎛의 측면을 가지는 사각형으로 형성되고, 상기 다른 측정 마크는 0.1 내지 2㎛의 측면을 가지는 유사한 사각형으로 형성됨을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.