KR100289073B1

KR100289073B1 - 트렌치 깊이 측정 장치

Info

Publication number: KR100289073B1
Application number: KR1019990001892A
Authority: KR
Inventors: 김진섭
Original assignee: 한신혁; 동부전자주식회사
Priority date: 1999-01-22
Filing date: 1999-01-22
Publication date: 2001-04-16
Also published as: KR20000051420A

Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼에 기설정된 목표 트렌치 깊이로 트렌치 형성한후, 상기 트렌치의 깊이를 측정하는 트렌치 깊이 측정 장치에 관한 것으로, 반도체 웨이퍼에 형성된 상기 트렌치에 광을 입사하는 발광 수단; 상기 트렌치 내부에서 소정의 반사 경로를 거쳐 나오는 광을 수광하는 수광 수단; 상기 발광 수단을 이동시켜 상기 트렌치에 입사되는 광의 입사각을 조절하고, 상기 수광 수단이 상기 발광 수단과 수직적으로 대칭적 지점에 위치하도록 상기 수광 수단을 이동시키는 구동 수단; 상기 수광 수단에서 수신되는 광량이 최대가 되도록 상기 구동 수단을 제어한후, 수학식 1을 연산한후, 수학식 1로부터 도출되는 다수개의 값들중, 상기 기설정된 목표 트렌치 깊이에 가장 근접한 값을 상기 트렌치의 깊이로 판별하는 제어 연산부; 상기 판별된 트렌치 깊이를 표시하는 표시 수단을 구비하여 구성한다.

[수학식 1]

φ: 트렌치 깊이

N: 양의 정수

λ: 트렌치 폭

θ: 상기 수광 수단에서 수신된 광량이 최대일때의 상기 광의 입사각

Description

트렌치 깊이 측정 장치{METHOD FOR MEASURING TRENCH DEPTH}

본 발명은 반도체 소자의 트렌치 캐패시터(trench capacitor) 깊이 측정 장치에 관한 것으로, 특히 레이져빔을 이용하여 트렌치 캐패시터의 깊이를 측정하는 장치에 관한 것이다.

최근 반도체 디바이스가 초고집적화되어 갈수록 디자인룰(design rule)이 극미세화되고, 토폴로지(topology) 단차는 더욱 높아만 가고 있는 실정이다. 이에 따라 반도체 디바이스의 구조를 스택(stack) 구조에서 토폴로지 단차를 줄일수 있는 트렌치 구조로 시도되고 있으나, 트렌치 제조 공정의 복잡성과, 안정된 공정 관리의 어려움으로 인하여 스택 구조로 주로 생산하고 있다. 그럼에도 불구하고, 초고집적화율을 높이기 위해 최근 트렌치 구조 디바이스 기술에 대한 활발한 연구가 진행되고 있다.

통상, 트렌치 식각(trench etching) 및 리세스(recess) 공정, 즉 실리콘(Si) 기판 밑부분속으로 깊이를 식각하는 공정은, 깊이에 따른 식각 속도를 시간으로 정하여 수행하는, 시간 식각 기법을 적용하고 있다. 예를들어, 식각 깊이가 10㎛이고, 식각 속도가 분당 0.8㎛일 경우, 시각 시간을 12분 30초로 정해놓고 식각을 수행하는 것이다. 그러나, 상술한 시간 식각 기법을 이용한 트렌치 형성 방법은 비교적 오랜 시간동안, 또는 정해진 시간동안 식각을 하기 때문에 식각 시스템의 파라메타, 예를들어, 압력, 개스(gas), 파워(power), 온도등이 불안정하게 진행될수 있어 공정 특성의 변화를 초래할수 있으며, 각 파라메타의 변화에 따른 트렌치 프로파일 깊이들이 일정하지 않음으로 인하여 공정의 재현성 문제가 존재한다.

트렌치의 깊이는 트렌치 캐패시터의 용량을 결정하는 것으로, 디바이스에 치명적인 영향을 줄수 있으며, 불균일한 공정 결과는 후속 공정에도 영향을 주어 불량을 유발하기 때문에 공정 결과를 확인하는 작업이 필요하다. 따라서 종래에는 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 셀지역(A)내에 트렌치 캐패시터(capacity)(5)를 형성한후, AFM(Automic Force Microscopy), 장비를 이용하여, 프로파일 깊이를 측정하는 방식을 적용하였다. 그러나, 이러한 측정 장비는, 비교적 측정 시간이 짧게 소요됨에도 불구하고, 트렌치 캐패시터의 깊이 대 폭 관계에 따른 측정 범위의 한계를 갖고 있으며, 디바이스가 초고집적화 될 수록 트렌치 내부의 작고 깊은 홀은 더욱 측정하기 힘들게 되었다.

따라서 종래의 개선된 기술로, SEM(Scanning Electron Microscopy) 프로파일로 트렌치의 프로파일 깊이를 측정하는 기술이 이용되고 있다. 그러나, SEM 프로파일로 트렌치의 프로파일 깊이를 측정하는 기술을 이용할 경우, 인-라인-팹(IN LINE FAB) 내에서는 측정이 어려워 인-라인-팹 밖으로 웨이퍼를 가져나가야하는 번거로움과, 공정 관리의 불안정에 따른 품질 저하가 우려되고, 웨이퍼를 절단하여 수직 SEM 프로파일로 측정하기 때문에 시간 및 비용이 비교적 많이 소요되어 생산성이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 트렌치 내부에 광을 입사한후, 그 반사되는 량에 의해 트렌치의 깊이를 측정함으로서, 웨이퍼를 절단하지 않고 또한 인-라인-팹내에서 트렌치 깊이를 측정할수 있는 트렌치 깊이 측정 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 웨이퍼에 기설정된 목표 트렌치 깊이로 트렌치 형성한후, 상기 트렌치의 깊이를 측정하는 트렌치 깊이 측정 장치에 있어서: 상기 반도체 웨이퍼에 형성된 상기 트렌치에 광을 입사하는 발광 수단;상기 트렌치 내부에서 소정의 반사 경로를 거쳐 나오는 광을 수광하는 수광 수단; 상기 발광 수단을 이동시켜 상기 트렌치에 입사되는 광의 입사각을 조절하고, 상기 수광 수단이 상기 발광 수단과 수직적으로 대칭적 지점에 위치하도록 상기 수광 수단을 이동시키는 구동 수단; 상기 수광 수단에서 수신되는 광량이 최대가 되도록 상기 구동 수단을 제어한후, 하기 수학식으로부터 도출되는 다수개의 값들중, 상기 기설정된 목표 트렌치 깊이에 가장 근접한 값을 상기 트렌치의 깊이로 판별하는 제어 연산부;

φ: 트렌치 깊이

N: 양의 정수

λ: 트렌치 폭

상기 판별된 트렌치 깊이를 표시하는 표시 수단을 구비하여 구성함을 특징으로 한다.

도 1은 종래 기술의 트렌치 깊이 측정 방법을 설명하기 위한 도면,

도 2는 트렌치 내부에 입사되는 광의 경로를 설명하기 위한 도면,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 깊이 측정 장치를 나타낸 도면.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

300 : 웨이퍼

310 : 발광부

320 : 수광부

330 : 구동부

340 : 웨이퍼 스테이지

350 : 제어 연산부

360 : 표시부

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

일반적으로, 트렌치(100)에 광이 입사되면, 그 광은 트렌치(100) 내부에서 여러 반사 경로를 거쳐 트렌치(100) 밖으로 나오게 된다. 이상적으로 반도체 기판이 전반사 물질이라고 가정할 때, 트렌치(100) 내부로 입사된 광량은 트렌치(100) 밖으로 나오는 광량은 트렌치(100) 내부에 입사된 광량과 실질적으로 동일하다.

반면, 트렌치(100)로 입사된 광은, 트렌치(100) 내부의 깊이 및 입사 각도에 따라 나오는 방향이 달라진다.

도 2a와 도 2b에는 트렌치의 깊이에 따라 변화되는 광 진행 경로를 설명하기 위한 도면이 도시된다. 도 2a에는 트렌치(100)에 입사되는 광의 입사각(θ)이 45°이고, 트렌치 깊이(φ)가 폭(λ)의 2배(φ=3λ)인 경우가 도시되고, 도 2b에는 트렌치(100)에 입사되는 광의 입사각(θ)이 45°이고, 트렌치(100)의 깊이(φ)가 폭(λ)의 3.5배(φ=3.5λ)인 경우가 도시된다.

도 2a를 참조하면, 트렌치(100)에 45°로 입사된 광은 트렌치 내부에서 소정 반사 경로를 거쳐, 입사된 광량 모두가 반대 방향으로 나가게 된다. 그러나, 도 2b를 참조하면, 트렌치(100)에 45°로 입사된 광은 트렌치 내부에서 소정 반사 경로를 거친후, 입사 광량의 절반은 반대 방향으로 나가지만, 나머지 절반은 입사 방향으로 되돌아 나가게 된다.

도 2c와 도 2d에는 트렌치에 입사되는 광의 입사각에 따라 변화되는 광 진행 경로를 설명하기 위한 도면이 도시된다.

도 2c에는 트렌치(100)에 입사되는 광의 입사각이 25°이고, 트렌치 깊이(φ)가 폭(λ)의 2배(φ=2λ)인 경우가 도시되고, 도 2d에는 트렌치(100)에 입사되는 광의 입사각이 63°이고, 트렌치 깊이(φ)가 폭(λ)의 2배(φ=2λ)인 경우가 도시된다.

도 2c를 참조하면, 트렌치(100)에 25°로 입사된 광은 트렌치 내부에서 소정 반사 경로를 거쳐, 입사된 광량의 일부는 반대 방향으로 나가고, 나머지는 입사 방향으로 되돌아 나가게 된다. 그러나, 도 2d를 참조하면, 트렌치(100)에 63°로 입사된 광은 트렌치 내부에서 소정 반사 경로를 거쳐, 입사된 광량 모두가 반대 방향으로 나가게 된다.

이와 같이, 트렌치(100) 내부의 깊이 및 입사 각도에 따라 나오는 방향이 달라진다. 한편, 도 2a와 도 2c를 보면, 트렌치(100)에 입사된 광이 트렌치 내부에서 소정 반사 경로를 거쳐, 입사된 광량 모두가 반대 방향으로 나간다. 여기에서, 도 2a와 도 2d의 트렌치 깊이(φ)가 λ·tanθ의 정수배일 때, 트렌치(100)에 입사된 광량 모두가 반대 방향으로 나감을 알수 있다.

따라서, 이와 같는 원리를 이용하여 트렌치 깊이(φ)를 측정하기 위한 일반식을 얻을수 있다.

수학식 1에서, φ는 트렌치 깊이, N은 양의 정수, λ는 트렌치 폭, θ는 트렌치(100)에 입사된 광량 모두가 입사 방향과 반대 방향으로 나갔을때의 광의 입사각을 나타낸다.

본 발명에서는 이와 같은 원리를 이용하여 트렌치의 깊이를 측정한다는데 그 특징점이 있다.

도 3에는 본 발명의 실시예에 따른 트렌치 깊이 측정 장치가 도시된다.

도 3에서, 트렌치 깊이 측정 장치는 웨이퍼(300), 발광부(310), 수광부(320), 구동부(330), 웨이퍼 스테이지(340), 제어 연산부(350), 표시부(360)를 포함한다.

웨이퍼(300)에는 기설정된 목표 트렌치 깊이로 트렌치 마크가 형성된다. 웨이퍼(300)가 웨이퍼 스테이지(340)에 놓이면, 제어 연산부(350)는 발광부(310) 및 수광부(320)를 온시킨다.

따라서 발광부(310)에서 발생된 광은 웨이퍼(300)에 형성된 트렌치 마크에 입사된후, 트렌치 마크 내부의 반사 경로를 거쳐 나온후 수광부(320)에 전달된다. 제어 연산부(350)는 발광부(310)에서 발생된 광이 트렌치 마크 내부의 반사 경로를 거쳐 나온후 수광부(320)에 전달될 때, 수광부(320)에 전달되는 광량이 최대가 되도록 구동부(330)를 제어한다.

구동부(330)는 제어 연산부(350)의 제어에 의해, 발광부(310)를 이동시켜 트렌치 마크에 입사되는 광의 입사각(θ)을 조절하고, 발광부(310)와 수직적으로 대칭적 지점으로 수광부(320)를 이동시킨다.

제어 연산부(350)는 수광부(320)에서 최대 광량을 수신하면, 구동부(330)를 제어하여 발광부(310) 및 수광부(320)의 이동을 멈추도록 한후, 그때의 발광부(310)에서 입사되는 광의 입사각(θ)을 검출한다.

한편, 제어 연산부(350)에는 기설정된 목표 트렌치 깊이(T)와, 트렌치 마크의 폭(λ)이 입력된다. 따라서, 제어 연산부(350)는 검출된 입사각(θ)과 트렌치 마크의 폭(λ)을 수학식 1에 대입하여 다수개의 값(φ₁, φ₂, … φ_N)들을 도출한다.

트렌치 마크의 깊이는 수학식 1로부터 도출된 다수개의 값(φ₁, φ₂, … φ_N)들중 어느 하나일 것이다. 따라서, 제어 연산부(350)는 수학식 1로부터 도출된 다수개의 값(φ₁, φ₂, … φ_N)들중, 기설정된 목표 트렌치 깊이(T)에 가장 근접한값을 검출하여, 검출된 값을 트렌치 마크의 깊이(φ)로 인식한다.

예를들어, 도 2a를 참조하면, 수학식 1에서, N=2일 때 도출되는 φ₂가 트렌치 마크의 실제 깊이(φ)가 될것이며, 도 2d를 참조하면, 수학식 1에서, N=1일 때 도출되는 φ₁이 트렌치 마크의 실제 깊이(φ)가 될 것이다.

제어 연산부(350)는 트렌치 마크의 실제 깊이가 검출되면, 표시부(360)를 제어하여 트렌치 마크의 깊이가 표시되도록 제어한다.

이상, 설명한 바와 같이 본 발명은 트렌치 내부에 광을 입사한후, 그 반사되는 량에 의해 트렌치의 깊이를 측정함으로서, 웨이퍼를 절단하지 않고 또한 인-라인-팹내에서 트렌치 깊이를 측정할수 있는 효과가 있다.

Claims

반도체 웨이퍼에 기설정된 목표 트렌치 깊이로 트렌치 형성한후, 상기 트렌치의 깊이를 측정하는 트렌치 깊이 측정 장치에 있어서:

상기 반도체 웨이퍼에 형성된 상기 트렌치에 광을 입사하는 발광 수단;

상기 트렌치 내부에서 소정의 반사 경로를 거쳐 나오는 광을 수광하는 수광 수단;

상기 발광 수단을 이동시켜 상기 트렌치에 입사되는 광의 입사각을 조절하고, 상기 수광 수단이 상기 발광 수단과 수직적으로 대칭적 지점에 위치하도록 상기 수광 수단을 이동시키는 구동 수단;

상기 수광 수단에서 수신되는 광량이 최대가 되도록 상기 구동 수단을 제어한후, 상기 트렌치의 폭과 상기 광의 입사각에 의거해 도출되는 다수개의 값들중, 상기 기설정된 목표 트렌치 깊이에 근접한 값을 상기 트렌치의 깊이로 판별하는 제어 연산부;

상기 판별된 트렌치 깊이를 표시하는 표시수단을 포함하는 트렌치 깊이 측정 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 제어연산부에서 목표 트렌치 깊이에 근접한 값을 상기 트렌치의 깊이로 판별하는 것을 하기와 같은 수학식 1을 이용하는 트렌치 깊이 측정 장치.

[수학식 1]

φ: 트렌치 깊이

N: 양의 정수

λ: 트렌치 폭

θ: 상기 수광 수단에서 수신된 광량이 최대일때의 상기 광의 입사각