KR100268040B1 - 반도체 웨이퍼 패턴의 크기 및 오버레이 측정 장치 - Google Patents

반도체 웨이퍼 패턴의 크기 및 오버레이 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼상에 형성된 패턴의 패턴 크기 및 오버레이를 측정하는 장치에 관한 것이다. 본 발명은 반도체 웨이퍼의 패턴 크기를 측정하는 데 사용되는 전자 빔 또는 반도체 웨이퍼의 오버레이를 측정하는 데 사용되는 가시광 빔을 선택적으로 반도체 웨이퍼상에서 각각의 패턴 크기 측정 위치 및 오버레이를 측정하고자하는 위치로 집광시키고 상기 각각의 측정 위치로부터 반사되는 광빔을 선택적으로 저 배율의 대물 렌즈 또는 고 배율의 대물 렌즈로 확대시켜 촬상 소자에 확대된 패턴 영상을 제공한다. 제어/측정부는 가시광 빔을 저배율로 확대시킨 패턴 영상을 이용하여 웨이퍼 정렬을 수행하고, 가시광 빔 및 전자 빔을 고 배율로 확대된 패턴 영상을 이용하여 각기 패턴의 크기 및 오버레이를 측정한다.
따라서, 별도의 장비에 의해 패턴 크기 및 오버레이 측정을 수행하는 종래 기술에 비하여 하나의 장비내에서 웨이퍼를 정렬한 후, 정렬된 웨이퍼에 대하여 패턴 크기의 측정과 오버레이 측정을 동시에 수행됨으로써 별도로 진행되는 웨이퍼 정렬에 소요되는 시간이 절감되고, 장비의 효율화를 기대할 수 있다.

Description

반도체 웨이퍼 패턴의 크기 및 오버레이 측정 장치
본 발명은 반도체 웨이퍼 가공(fabrication)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 웨이퍼상에 형성된 다층 패턴의 크기 및 오버레이 측정 장치에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이, 반도체 웨이퍼 가공은 로트(lot) 단위의 매 반도체 웨이퍼의 표면에 여러 종류의 막을 형성시키고, 패턴 마스크를 이용하여 반도체 웨이퍼의 특정 부분을 선택적으로 깍아내는 작업을 되풀이함으로서 반도체 웨이퍼상의 각각의 칩상에 동일한 패턴을 갖는 전자 회로를 구성해나가는 전 과정을 지칭한다.
상술한 반도체 웨이퍼 가공 과정에서, 스테퍼(stepper)로부터 자외선을 발생하여 패턴 마스크상에 그려진 회로 패턴을 반도체 웨이퍼 표면에 전사해주는 포토마스킹(photomasking) 공정은 웨이퍼 스테이지상에 안착된 반도체 웨이퍼의 정확한 정렬과 정렬된 웨이퍼에 대하여 정확한 노광량 또는 노광 시간조절을 필요로한다. 따라서, 이와 같은 포토 마스킹 공정의 완료후 그 공정이 정확히 이루어졌는지 확인하는 측정 과정이 수행된다. 이때, 측정 과정에서 필요한 측정 항목은 첫 번째로 이전에 수행된 포토마스킹 공정에 의해 형성된 패턴과 현재 수행된 포토마스킹 공정에의해 형성된 패턴과의 위치 정렬이 제대로 이루어졌는지를 확인하는 것이고, 두 번째로 반도체 웨이퍼상에 전사된 패턴의 크기가 원하는 크기로 형성되어있는지를 확인하는 것이다. 통상적으로, 패턴 크기의 측정과 오버레이 측정은 반도체 웨이퍼상에 형성된 노광 폭을 측정하기위한 전자주사빔 현미경(critical dimension scanning elecronic beam microscope : CD SEM)과 오버레이(overlay) 측정 장치를 이용하여 수행된다.
전자 주사빔 현미경은 먼저 측정을 위한 반도체 웨이퍼를 정확한 측정 위치에 배치하는 웨이퍼 정렬(wafer alignment)을 수행한 다음, 전자 빔(electron beam)을 정렬된 웨이퍼상에 방사하고, 그 웨이퍼로부터 반사되는 2차 전자 빔을 검출함으로써 반도체 웨이퍼상의 패턴의 모양을 구하고 그로부터 패턴의 크기를 측정한다. 오버레이 측정 장치는 전자 주사빔 현미경에서 수행되는 바와 동일한 웨이퍼 정렬을 수행한 후, 가시광 빔(visual beam)을 정렬된 웨이퍼상에 방사하고, 그 웨이퍼로부터 반사되는 반사 광빔을 검출함으로써 반도체 웨이퍼상에 형성된 이전의 패턴과 현재 패턴과의 벗어난 정도를 측정한다.
상술한 전형적인 반도체 웨이퍼상의 패턴 크기의 측정과 오버레이 측정은 각기 전자 주사빔 현미경과 오버레이 측정 장치에 의해 별도로 수행되고 있으며, 전자 주사빔 현미경과 오버레이 측정 장치에서 패턴 크기의 측정과 오버레이 측정에 앞서 각기 동일한 웨이퍼 얼라인 작업을 수행하고 있다. 또한, 그 측정 절차에 있어서, 전자 주사빔 현미경에 의한 패턴 크기의 측정이 완료된 다음 웨이퍼를 다시 오버레이 장치로 이동하여 오버레이를 측정하는 방식으로 진행되고 있다.
따라서, 이러한 이중적인 작업으로 인하여, 반도체 가공 공정 시간이 상대적으로 많이 소요되는 문제가 대두되고 있다. 따라서, 이를 개선하기위하여 반도체 웨이퍼상의 패턴의 크기와 오버레이의 측정을 일관적으로 수행함으로써 반도체 가공 공정 시간을 단축시키는 것이 바람직하다.
그러므로, 본 발명은 상술한 문제를 해결하고자 안출된 것으로, 반도체 웨이퍼상에 형성된 다층 패턴의 패턴 크기 및 오버레이 측정을 겸용할 수 있는 하나의 패턴 크기 및 오버레이 측정 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기위한 본 발명에 따르면, 반도체 웨이퍼상에 형성된 다층 패턴의 크기 및 오버레이를 측정하는 장치는: 가시광 빔을 발생하는 가시광 빔원; 상기 가시광 빔을 반도체 웨이퍼상에서 각각의 패턴 크기 측정 위치 및 오버레이를 측정하고자하는 위치로 집광시키고 상기 각각의 측정 위치로부터 반사되는 광빔을 상이한 배율로 확대시키는 다수개의 대물 렌즈; 상기 다수개의 대물 렌즈를 수용하며, 상기 다수개의 대물 렌즈를 선택적으로 상기 가시광 빔원의 가시광빔의 방사 경로상에 배치하도록 회전 가능한 회전 트레이 수단; 상기 회전 트레이 수단에 의해 선택된 대물 렌즈에 의해 확대된 광빔에 의해 촬상되는 촬상 수단; 상기 촬상 수단에 촬상된 광빔으로부터 상기 반도체 웨이퍼상의 패턴의 크기 및 오버레이를 측정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼상에 형성된 다층 패턴의 오버레이 및 패턴 크기를 측정하는 데 적합한 장치의 블록 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 회전 트레이상에 수용되는 세 개의 대물 렌즈의 배치를 예시하는 도면,
도 3a 및 도 3b는 각기 반도체 웨이퍼상의 오버레이 측정 위치 및 패턴 측정 위치로부터 반사된 확대 영상을 도시하는 도면.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
10 : 빔 발생기 20 : 빔분리기
30 : 회전 트레이 50 : CCD 카메라
60 : 제어/측정부 70 : 반도체 웨이퍼
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 반도체 웨이퍼상에 형성된 패턴의 크기와 오버레이를 선택적으로 측정할 수 있는 장치의 블록 구성도를 도시한다. 도시된 본 발명의 패턴 크기 및 오버레이 측정 장치는 웨이퍼 위치 조절기(5), 빔 발생기(10), 빔 스플리터(beam spliter)(20), 회전 트레이(30), 회전 트레이 구동부(40), 촬상 소자(50) 및 제어/측정 유니트(60)를 포함한다.
웨이퍼 스테이지(5)는 도시안된 스테퍼로부터 이송되어온 반도체 웨이퍼(70)를 수용하며, 제어/측정 유니트(60)에 의해 미세 위치 조정됨으로서 수용된 웨이퍼(70)를 정렬시키는 데 사용된다.
빔 발생기(10)는 반도체 웨이퍼(70)의 패턴 크기를 측정하는 데 사용되는 전자 빔을 생성하는 전자 빔원 또는 오버레이를 측정하는 데 사용되는 가시광 빔을 생성하는 가시광 빔원을 구비하며, 패턴 크기 또는 오버레이 측정에 따라 선택된 하나의 빔원에 의해 생성된 전자 빔 또는 가시광 빔을 생성하여 빔 스플리터(20)로 제공한다. 빔 스플리터(20)는 빔 발생기(10)에서 선택적으로 발생되어 입사하는 빔의 일부를 반사하고 일부를 투과시켜 회전 트레이(30)로 향하게 한다.
회전 트레이(30)는 회전 트레이 구동부(40)에 의해 회전 구동되며, 도 2에 상세히 도시된 바와 같이 다수개, 예로, 적어도 세 개의 개구부(32, 34, 36)를 가지고 있다. 각각의 개구부(32, 34, 36)에는 각기 상이한 배율을 갖는 세 개의 제1, 제 2, 및 제 3 대물 렌즈(52, 54, 56)가 장착된다. 제 1, 제 2 및 제 3 렌즈(52, 54, 56)의 배율은 그 순서대로 높아지는 배율, 예로, 10, 50 및 100 배율을 가지고 있다. 각각의 대물 렌즈(52, 54, 56)는 빔 스플리터(20)로부터 투과된 빔을 반도체 웨이퍼(70)상의 측정하고자하는 위치로 집광시키고 반도체 웨이퍼(70)로부터 반사되는 반사 빔을 확대하는 기능을 수행한다. 각각의 대물 렌즈에 의해 확대된 빔은 반도체 웨이퍼(70)상에 형성된 패턴의 확대 영상을 포함한다. 제 1 대물 렌즈(52)에 의해 확대된 패턴 영상은 반도체 웨이퍼(70)내 전체 패턴 영역중 일부의 넓은 영역의 확대 영상을 제공할 수 있고, 제 2 대물 렌즈(54)는 제 1 대물 렌즈(52)보다는 패턴 영역이 좁지만 보다 확대된 영상을 제공할 수 있으며, 제 3 렌즈(56)는 가장 패턴 영역이 좁지만 패턴 크기 및 오버레이를 측정하는 데 가장 적합한 확대 영상을 제공할 수 있다. 따라서, 제 1 대물 렌즈(52)는 저배율로 반도체 웨이퍼의 정렬(wafer alignment) 절차에 사용되고, 제 2 대물 렌즈(54)는 제 1 렌즈(52)보다 높은 배율로 정렬된 반도체 웨이퍼의 정렬 정도를 체크하는 절차에 사용된다. 마지막으로, 제 3 대물 렌즈(56)는 가장 높은 배율로 패턴 크기 및 오버레이를 측정하는 절차에 사용된다.
회전 트레이 구동부(40)는 회전 트레이(30)를 회전 구동시킴으로써 다수개의 대물렌즈(52, 54, 56)를 선택적으로 빔 발생기(10)의 빔 방사 위치로 이동시켜주는 기능을 수행한다. 회전 트레이 구동부(40)에 의해 회전 구동됨으로써 선택되는 어느 하나의 대물 렌즈를 통과하는 빔은 반도체 웨이퍼(70)상에 집광된다음, 그로부터 반사되어 대물 렌즈를 통과하면서 확대된다. 대물 렌즈에 의해 확대된 반사 빔은 다시 빔 스플리터(20)에서 일부 반사되고, 반사경 또는 제 2 빔 스플리터(25)를 경유하여 촬상 소자(50)측으로 제공된다.
촬상 소자(50)는 CCD(charge coupled device) 카메라로 구성될 수 있으며, 빔 스플리터(20)에 의해 반사된 광 빔에 의해 촬상되어 반도체 웨이퍼상의 패턴과 동일한 형상의 패턴을 형성한다. 제어/측정 유니트(60)는 웨이퍼 스테이지(5)를 정밀 위치 제어하는 기능을 수행한다. 또한, 제어/측정 유니트(60)는 내부적으로 패턴 크기 및 오버레이를 측정하기위한 프로그램 등을 가지고 있으며, 각각의 프로그램을 이용하여 촬상 소자(50)에 형성된 패턴 영상으로부터 반도체 웨이퍼상의 패턴의 패턴 크기 및 오버레이를 측정한다.
상술한 구성을 갖는 본 발명의 패턴 크기 및 오버레이 측정 장치의 동작은 다음과 같이 보다 상세히 설명된다.
먼저, 패턴 크기 및 오버레이 측정에 앞서, 측정 대상 반도체 웨이퍼(70)의 웨이퍼 정렬이 수행되어야한다. 통상적으로 반도체 웨이퍼(70)에는 웨이퍼 정렬을 위하여 스크라이브 라인을 가로질러 기설정된 위치값을 갖는 적어도 두 개의 특정한 마크가 표시되어있다. 이 특정한 마크의 위치 값이 제어/측정부(60)에 등록된 위치값과 일치될 때 웨이퍼 얼라인이 성취된 것이다. 그러나, 반도체 웨이퍼가 패턴 크기 및 오버레이 측정을 위하여 어느정도 정렬된 상태로 배치된다 하더라도 1㎛ 이하 크기의 마크를 웨이퍼(70)상에서 찾는 것은 쉬운일이아닐 것이다. 따라서, 웨이퍼 정렬을 위해서는 최저 배율의 제 1 대물 렌즈(52)에 의해 최대로 확대된 패턴 영상으로부터 특정 마크를 탐색하는 것이 바람직하다. 따라서, 빔 발생기(10)에서 가시광 빔원이 선택되고, 선택된 가시광 빔원으로부터 가시광 빔이 출력된다. 또한, 회전 트레이 구동부(40)에 의해 회전 트레이(20)가 구동됨으로써 제 1 대물 렌즈(52)가 선택되어 빔 발생기(10)에서 발생되는 가시광 빔을 수광하는 위치로 배치된다. 빔 발생기(10)에서 발생된 가시광 빔이 저 배율의 제 1 대물 렌즈(52)를 통하여 반도체 웨이퍼(70)상에 집광되고, 반도체 웨이퍼(70)로부터 다시 제 1 대물 렌즈(52)로 반사된다. 반사된 빔은 다시 제 1 렌즈(52)를 통과하면서 확대된 패턴 영상을 수반하는 반사 빔으로서 형성되어 빔 스플리터(20)를 경유하여 CCD 카메라(50)에 촬상된다. 제어/측정부(60)는 웨이퍼 스테이지(5)에 의한 제어를 통하여 반도체 웨이퍼(70)의 위치를 조정하면서 CCD 카메라(50)에 촬상된 패턴 영상을 스캔하여 보다 신속하게 특정 마크를 찾는다. 이러한 스캔 작업에 의해 반도체 웨이퍼(70)상에 형성된 하나의 특정 마크 부분이 탐색되면, 그 위치로부터 기설정된 수평 또는 또는 수직 방향으로 이동하면서 다른 하나의 특정 마크 부분을 탐색하게된다. 탐색된 다른 하나의 특정 마크의 기설정 위치 값이 제어/측정부(60)에 등록된 위치 값과 일치하면, 반도체 웨이퍼(70)의 정렬이 이루어진 것으로 간주된다.
상술한 웨이퍼 정렬이 완료된 후, 정렬 정도를 확인하기위하여 회전 트레이 구동부(40)에 의해 회전 트레이(20)를 구동시켜 제 1 대물 렌즈(52)보다 높은 배율을 갖는 제 2 대물 렌즈(54)를 선택하여 가시광 빔원(10)의 가시광빔 방사 위치에 정렬시킨다. 따라서, 가시광 빔은 제 2 대물 렌즈(54)를 통과하고, 반도체 웨이퍼(70)에서 반사되고, 다시 제 2 대물 렌즈(54)에 의해 확대되어, CCD 카메라(50)에 확대된 패턴 영상으로서 촬상된다. 이때, CCD 카메라(50)에 촬상된 확대된 패턴 영상은 제 1 대물 렌즈(52)에 의해 확대된 영상보다 높은 배율을 갖지만, 그보다 좁은 크기의 패턴 영상일 것이다. 따라서, 제 2 대물 렌즈(54)에 의해 형성된 확대 영상을 이용하여 보다 1 차적으로 수행된 웨이퍼 정렬 보다 더욱 정교한 2 차적인 웨이퍼 정렬을 수행할 수 있다.
그 다음에, 가시광 빔을 이용하여 정확한 웨이퍼 정렬이 완료된 이후, 패턴 크기의 측정 또는 오버레이 측정이 수행된다. 통상적으로, 패턴 크기의 측정이 오버레이 측정보다 선행된다. 먼저, 패턴 크기 측정을 위하여, 빔 발생기(10)에 의해 전자빔원이 선택되고, 회전 트레이 구동부(40)에 의해 회전 트레이(20)를 구동시켜 제 2 대물 렌즈(32)보다 더 높은 배율을 갖는 제 3 대물 렌즈(56)를 웨이퍼 정렬된 반도체 웨이퍼(70)상의 측정하고자하는 위치와 빔 발생기(10)와의 사이에 배치시키는 과정으로부터 시작된다. 이 상태에서, 빔 발생기(10)의 전자빔원에서 발생된 전자 빔이 제 3 대물 렌즈(56)를 통하여 반도체 웨이퍼(70)상의 패턴 크기 측정 위치에 집광되고, 집광된 빔이 반도체 웨이퍼(70)로부터 반사된다.
이와 반대로, 오버레이를 측정하고자 할 때는 빔 발생기(10)에 의해 가시광 빔원이 선택되고, 회전 트레이 구동부(40)에 의해 회전 트레이(20)를 구동시켜 제 2 대물 렌즈(32)보다 더 높은 배율을 갖는 제 3 대물 렌즈(56)를 웨이퍼 정렬된 반도체 웨이퍼(70)상의 측정하고자하는 위치와 빔 발생기(10)와의 사이에 배치된다. 이 상태에서, 빔 발생기(10)의 가시광 빔원에서 발생된 가시광 빔이 제 3 대물 렌즈(56)를 통하여 반도체 웨이퍼(70)상의 패턴 크기 측정 위치에 집광되고, 집광된 빔이 반도체 웨이퍼(70)로부터 반사된다.
도 3a 및 3b는 반도체 웨이퍼(70)상의 패턴 크기 측정 위치 및 오버레이 측정 위치로부터 반사되고 제 3 대물 렌즈(56)에 의해 확대된 영상을 도시한다. 도 3a에 있어서, 식각된 패턴(72)과 식각되지않은 패턴(74)이 도시되며, 이들 두 패턴(72, 74)으로부터 반사되는 빔은 서로 상이한 파장을 갖는 패턴 영상으로서 CCD 카메라(50)에 촬상된다. CCD 카메라(50)에 촬상된 패턴 영상은 두 패턴(72, 74)사이에서 형성된 시각 폭 또는 패턴 크기(75)를 가지고 있다. 한편, 도 3b에 있어서, 반도체 웨이퍼(70)상에서 이전에 형성된 층의 패턴(76)과 현재 형성된 층의 패턴(78)로부터 각기 서로 상이한 파장으로서 반사되는 빔에 의해 형성되는 패턴 영상이 CCD 카메라(50)에 촬상된다.
제어부(60)는 패턴 크기 측정 위치로부터 취득되어 CCD 카메라(50)에 촬상된 패턴 영상으로부터 식각 폭에 대응하는 패턴 크기(75)를 측정할 수 있다. 또한, 제어부(60)는 오버레이 측정 위치로부터 취득되어 CCD 카메라(50)에 촬상된 패턴 영상으로부터 두 패턴 층(76, 78)간의 가로 및 세로 방향정렬을 나타내는 오버레이를 측정할 수 있다. 이렇게 측정된 오버레이 및 패턴 크기 정보는 다음번에 스테퍼에서 진행될 반도체 웨이퍼들에 대한 오버레이 및 노광량을 제어하기위한 정보로서 활용될 것이다.
그러므로, 본 발명에 따라서 반도체 웨이퍼상에 형성된 패턴의 크기 및 오버레이를 측정하고자할 때, 하나의 장비내에서 웨이퍼 정렬을 수행한 다음 패턴 크기 및 오버레이 측정 위치를 바꾸어 각각의 패턴 크기 및 오버레이 측정을 동시에 수행함으로서 종래 기술에서와 같이 개별적으로 웨이퍼 정렬을 수행하는 과정에 따른 시간을 줄일 수 있다. 그와 더불어 두 측정 공정이 하나의 장비에서 수행됨으로 장비의 효율화를 기할 수 있는 효과가 또한 제공될 수 있다.

Claims (5)

  1. 반도체 웨이퍼상에 형성된 다층 패턴의 크기 및 오버레이를 측정하는 장치에 있어서,
    상기 반도체 웨이퍼의 패턴 크기를 측정하는 데 사용되는 전자 빔 또는 상기 반도체 웨이퍼의 오버레이를 측정하는 데 사용되는 가시광 빔을 선택적으로 발생하는 빔 발생기;
    상기 빔 발생기로부터 선택적으로 발생된 빔을 반도체 웨이퍼상에서 각각의 패턴 크기 측정 위치 또는 오버레이를 측정하고자하는 위치로 집광시키고 상기 각각의 측정 위치로부터 반사되는 빔을 상이한 배율로 확대시키는 다수개의 대물 렌즈;
    상기 다수개의 대물 렌즈를 수용하며, 상기 다수개의 대물 렌즈를 선택적으로 상기 빔 발생기의 빔 방사 경로상에 배치하도록 회전 가능한 회전 트레이 수단;
    상기 회전 트레이 수단에 의해 선택된 대물 렌즈에 의해 형성된 빔에 의해 촬상되는 촬상 수단;
    상기 촬상 수단에 촬상된 광빔으로부터 상기 반도체 웨이퍼상의 패턴의 크기 및 오버레이를 측정하는 수단을 포함하는 반도체 웨이퍼 패턴의 크기 및 오버레이 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 촬상 수단에 촬상되는 빔은 상기 웨이퍼상의 패턴과 동일한 형상의 확대 영상 패턴으로서 형성되는 것을 특징으로하는 반도체 웨이퍼 패턴의 크기 및 오버레이 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 다수개의 대물 렌즈는 상대적으로 낮은 배율을 갖는 대물 렌즈와 상대적으로 높은 배율을 갖는 대물 렌즈를 포함하며, 상기 저 배율의 대물 렌즈는 상기 선택된 빔으로부터 상기 반도체 웨이퍼를 상기 패턴 크기 및 오버레이 측정 장치내에 정렬시키는 필요한 상기 확대 영상 패턴을 제공하며, 상기 고 배율의 대물 렌즈는 상기 선택된 빔으로부터 상기 저 배율의 대물 렌즈에 의해 정렬된 반도체 웨이퍼의 패턴 크기 및 오버레이 측정에 필요한 상기 확대 영상 패턴을 제공하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 패턴의 크기 및 오버레이 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 정렬에 필요한 확대 영상 패턴을 형성하는 상기 선택된 빔은 가시광 빔이며, 상기 패턴 크기 및 오버레이 측정에 필요한 확대 영상 패턴을 형성하는 선택된 빔은 각기 전자 빔 및 가시광 빔인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 패턴의 크기 및 오버레이 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 장치는 상기 빔을 분리하여 상기 선택된 대물 렌즈로 제공하고, 상기 반사된 빔을 분리하여 상기 촬상 수단으로 제공하는 빔 스플리터를 더 포함하는 것을 특징으로하는 반도체 웨이퍼 패턴의 크기 및 오버레이 측정 장치.
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