KR100435260B1 - 포토리소그래피 공정의 얼라인 계측방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 웨이퍼 상의 각 쇼트 영역에 대한 보정 얼라인 위치를 구하여 노광한 것에 오차 범위를 계측하는 과정에서 웨이퍼의 확대·축소에 대한 오차 범위를 각 웨이퍼 사양에 따른 실험값 데이터로 보정하여 정확한 얼라인이 이루어질 수 있도록 하는 포토리소그래피 공정의 얼라인 계측방법에 관한 것으로서, 이에 대한 특징은, 노광을 위해 얼라인 보정 값으로 웨이퍼가 위치됨에 대응하여 웨이퍼 상의 단차에 따른 얼라인 보정 값의 오차 범위에 대한 보상 값을 대입하여 재얼라인을 수행하는 단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다. 이에 따르면, 패턴의 웨이퍼의 수축·팽창에 대한 얼라인 위치 설정을 동일 공정을 수행하는 웨이퍼를 각 종류별로 구분하고 또 각 웨이퍼 상에 형성되는 얼라인 마크의 단차 정도 및 그에 따른 증착막의 형성 관계를 보다 세분화시켜 데이터화 함으로써 이를 이용하여 얼라인 위치시킴에 대한 자료로 활용하게 되어 그에 따른 재작업률이 감소되고, 이를 통해 불필요한 작업시간의 낭비를 줄이게 되며, 생산성과 작업성 향상 및 제품의 품질과 그 신뢰도가 높아지는 효과가 있게 된다.

Description

포토리소그래피 공정의 얼라인 계측방법{align measuring method of photo-lithography fabrication}

본 발명은 포토리소그래피 공정의 얼라인 계측방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 웨이퍼 상의 각 쇼트 영역에 대한 얼라인 상태를 계측하고, 이를 토대로 얼라인을 보정토록 함에 있어서, 전사되는 패턴 이미지의 수축 팽창에 대한 오차 범위를 보다 효과적이고도 신뢰성 있게 보정할 수 있도록 하는 포토리소그래피 공정의 얼라인 계측방법에 관한 것이다.

일반적으로 포토리소그래피(photo-lithography) 공정은 복수 레티클(reticle)에 형성된 각기 다른 패턴 이미지(pattern image)를 웨이퍼 상에 전사시키기 위한 것으로서, 이들 패턴 이미지는 식각 또는 막 증착 등의 다른 공정 수행과 함께 웨이퍼 상에 순차적으로 전사되어 조합됨으로써 요구되는 회로패턴을 이루게 된다.

이러한 포토리소그래피 공정에 있어서 중요한 관리 항목으로는 정밀한 회로패턴의 디자인과 회로패턴을 이루는 각기 다른 패턴 층이 상호 정확하게 정렬되어 중첩될 것 즉, 오버레이(overlay) 될 것 등이 있다.

현재에 있어서도 오버레이의 관리항목에 대하여 레티클의 패턴을 개정한다든지 포토레지스트(photoresist)를 변경하는 등 더욱 집적화되고 보다 정밀도가 높은 회로패턴을 구현하기 위해 많은 한계에 도전하고 있는 실정이다.

여기서, 패턴의 크기는 설비의 사양과 포토레지스트에 의해 거의 결정이 되지만 각 패턴 이미지의 오버레이는 정기적인 예방 보전이라든지 계측기의 발달에 의해서 끊임없이 개선될 것이 요구되고 있다.

오버레이 관리의 궁극적인 목적은, 전사된 패턴 이미지에 의한 패턴층이 기존 패턴층과 가능한 정확하게 중첩되게 하기 위한 것으로서, 이 오버레이이의 계측을 통해 현상을 포함한 계속적인 공정의 진행 또는 기존 패턴의 정렬 오차(misalign:미스얼라인)를 보정하기 위한 자료 및 재작업 여부 등을 판단하기 위한 기준을 구하기 위한 것이다.

따라서, 오버레이는 정확한 자료가 요구되지만 이에 대한 문제점으로는, 패턴 이미지를 전사하기 위해 기준이 되는 얼라인마크(align-mark)가 각 설비에서 그 형성 관계가 다르고, 또 동일 얼라인마크에 대해서도 각 설비별로 검출 결과가 다르게 나타난다는 점을 들 수 있으며, 무엇보다 가장 큰 문제는 각 쇼트 영역에 대한 선형적·비선형적 요소가 혼재된 파라미터(parameter)를 이용함에 그 이유가 있다고 할 것이다.

여기서, 상술한 선형 파라미터는, 웨이퍼 상의 기존 패턴에 대해 전사되는 패턴 이미지의 x 축과 y 축 방향 오차 간격, 그 중심 위치로부터 가장자리의 확대 또는 축소 비율, 회전각 정도 등으로 구분되고, 이들 선형적 파라미터와 공존하는 비선형적 파라미터는, 기존 패턴의 미스얼라인과, 정렬마크의 정밀도, 계측설비의 오류 등을 들 수 있으며, 이들 각 선형적 또는 비선형적 파라미터는 웨이퍼 또는 레티클에 대하여 다시 분리 해석될 것이 요구된다.

이들 선형 또는 비선형 파라미터에 따른 종래의 오버레이 관리에 대하여 살펴보면, 먼저 웨이퍼의 각 쇼트 영역 또는 이를 대신하여 분포된 복수의 정렬마크로부터 기존 패턴층에 대한 전사된 패턴 이미지의 오버레이 정도를 계측하게 된다.

이에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 포토리소그래피 공정을 살펴보면, 도 1에 도시된 바와 같이, 포토레지스트가 도포된 웨이퍼를 그 상측에 위치되는 레티클에 대향하도록 로딩 위치시키게 된다(ST100).

이후 포토리소그래피 공정설비는 웨이퍼의 특정 쇼트 영역에 대한 얼라인 마크와 레티클 상에 형성된 얼라인 마크 등을 이용하여 웨이퍼와 레티클을 얼라인 위치시키게 되고(ST102), 이어 위치된 웨이퍼에 대하여 레티클 상의 패턴 이미지를 노광하여 전사시키게 된다(ST104).

이러한 과정을 마친 웨이퍼는, 계속하여 기존 패턴층의 각 쇼트 영역 또는 랜덤한 간격의 쇼트 영역에 대하여 전사되는 패턴 이미지가 웨이퍼의 중심으로부터 x축·y축 방향으로의 오차 거리, 웨이퍼 중심으로부터의 확대·축소 비율 및 x축 또는 y축을 기준한 회전각 정도 등의 파라미터와 그에 따른 미스얼라인 량을 구하게 된다(ST106).

이에 따라 작업자는 계측에 의해 얻어진 데이터가 오차범위 내에 있는지 여부를 판단하게 되고, 이 판단을 근거로 웨이퍼에 대한 포토리소그래피 공정의 재작업 또는 계속적으로 공정을 수행토록 할 것인지를 결정하게 된다(ST108).

여기서, 상술한 바와 같이, 계측에 의해 얻어진 데이터가 설정된 오차범위를 넘어선 경우의 웨이퍼는, 다시 그 표면상에 도포된 포토레지스트를 제거하기 위한 스트립 과정(ST110)과 이후의 세정 및 건조를 포함한 과정(ST112)을 거쳐 다시 로딩 위치되는 재작업 과정으로 이어지게 된다(ST100).

또 그 계측에 따른 오차 범위의 데이터 값 즉, 각 성분의 파라미터와 그에따른 미스얼라인 량은 다음 웨이퍼 또는 재작업에 따른 웨이퍼에 적용하도록 얼라인 검출 위치를 보정하게 되고(ST114), 계측에 의해 얻어진 데이터가 설정된 오차범위 내에 있을 경우의 웨이퍼는, 전사된 패턴 이미지를 현상하고 또 세정하는 과정(ST120)과 언로딩 과정(ST122)을 순차적으로 수행하게 된다.

그러나, 상술한 계측 과정에서 웨이퍼 상의 기존 패턴층은 패턴 형성에 따른 증착 정도 또는 식각에 의한 홈의 깊이 정도가 공정 수행에 따라 각기 다른 단차를 이루고 있으며, 또 증착되는 금속막 등은, 도 2에 도시된 바와 같이, 그 증착 과정에서 웨이퍼의 중심으로부터 가장자리 방향으로 그 흐름성을 갖게 되고, 이 경우 증착되는 막질은 웨이퍼 가장자리 부위에 위치될수록 얼라인 마크의 웨이퍼 내측 부위가 그 외측 부위보다 더 증착되어 실질적인 얼라인 마크의 기준하여 비대칭 상태를 이루게 된다.

이것은 검출되는 얼라인 위치(wafer align 위치)가 실질적인 얼라인 마크(real mark) 위치의 내측에 있게 되어 웨이퍼가 수축된 것으로 판단하게 되고, 이를 토대로 얼라인 위치시킴과 동시에 패턴 이미지를 보다 축소하여 전사하게 됨으로써 공정 불량을 초래하게 된다.

또한, 이에 대한 계측 과정에서 그 오차됨을 계측하게 되지만 이렇게 계측된 데이터는 다른 파라미터와 상관 관계에 따른 함수값으로 얻어지는 것으로서 실질적으로 얼라인 위치를 결정하는 얼라인 마크의 위치 검출에 대하여 통계적이며 보조적으로 이용되어 계속적인 확대·축소에 대한 오차 범위를 갖게 된다.

그리고, 얼라인 마크에 대한 증착막의 편중에 있어서, 각기 다른 종류 및 공정을 수행한 웨이퍼 상의 각 얼라인 마크는, 도 3 또는 도 4에 도시된 바와 같이, 그 단차(h, h') 정도가 상이하게 형성됨이 일반적이고, 이들 얼라인 마크의 단차 차이는 증착되는 막질의 비대칭 정도를 더욱 차별화시켜 그 오차 범위를 보다 증대시키는 문제를 갖게 된다.

이러한 얼라인 계측의 오류는 정상적인 확대·축소 비율을 불량으로 인식하여 불량 데이터 값으로서 얼라인이 보정됨으로써 포토리소그래피 공정의 재작업률을 증대시키게 되고, 이것은 다시 작업 효율과 생산성이 저하로 이어지게 되며, 또 상술한 웨이퍼를 포함한 대상체가 제품으로 제작되기까지의 기간을 연장시키는 등의 문제의 결과를 초래하게 된다.

본 발명의 목적은, 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 계측장비의 확대·축소에 대한 얼라인 위치 설정을 보다 세분화시킨 데이터 베이스를 구축토록 하여 이를 각 웨이퍼의 사향에 따라 보정의 자료로 활용토록 함으로써 그에 따른 얼라인 보정의 신뢰도를 높이도록 함과 동시에 재작업률을 감소시키도록 하고, 이를 통해 불필요한 작업시간의 낭비를 방지토록 하며, 생산성과 작업성을 높임과 제품의 품질 향상 및 신뢰성을 높이도록 하는 포토리소그래피 공정의 얼라인 계측방법을 제공함에 있다.

도 1은 종래의 포토리소그래피 공정의 얼라인 과정을 설명하기 위한 순서도이다.

도 2는 도 1에 따른 얼라인 검출에 따른 웨이퍼의 수축·팽창에 대한 오류 검출을 설명하기 위한 부분적으로 확대하여 나타낸 단면도이다.

도 3과 도 4는 웨이퍼 상에 형성되는 얼라인 마크의 형상에 대하여 얼라인 검출 위치가 상호 다르게 나타나는 것을 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토리소그래피 공정의 얼라인 과정을 나타낸 순서도이다.

도 6은 웨이퍼의 사양에 따른 패턴층의 단차 정도를 데이터 베이스화하여 나타낸 그래프이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 노광을 위해 얼라인 보정 값으로 웨이퍼가 위치됨에 대응하여 웨이퍼 상의 단차에 따른 얼라인 보정 값의 오차 범위에 대한 보상 값을 대입하여 재얼라인을 수행하는 단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

또한, 상기 보상 값은, 형성된 패턴의 단차에 따라 각 웨이퍼 군으로 구분하고, 이들 각 웨이퍼 군에 대한 계측된 확대·축소 비율의 얼라인 보정 값에 패턴의 단차에 따른 오차 범위를 산출하여 이를 보상하기 위한 데이터 값으로 설정함이 바람직하고, 상기 각 웨이퍼 군에 대한 보상 값은 각 웨이퍼 군이 갖는 패턴의 단차에 따른 확대·축소 비율의 미스얼라인에 따라 구분되게 데이터 베이스화 하여 이용토록 함이 바람직하다.

그리고, 상기 보상 값은, 소정 단차 범위를 갖는 각 웨이퍼 군에 대한 확대·축소 비율의 파라미터에 대한 복수회의 실험적 데이터를 통계적으로 산출하여 구하도록 함이 효과적이다.

이하, 본 발명에 따른 포토리소그래피 공정의 얼라인 계측방법에 대하여 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 다른 포토리소그래피 공정의 얼라인 계측방법의 공정 흐름을 나타낸 순서도이고, 도 6은 웨이퍼의 사양에 따른 패턴층의 단차 정도를 데이터 베이스화하여 나타낸 그래프로서, 종래와 도일한 부분에 대하여 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 포토리소그래피 공정의 얼라인 계측방법은, 도 5에 도시된 순서도에서 보는 바와 같이, 포토레지스트가 도포된 웨이퍼가 그 상측에 위치되는 레티클에 대향하도록 로딩 위치되고(ST200), 이들 웨이퍼와 레티클은 각 부위에 형성된 정렬 마크를 이용하여 정렬 과정을 거치게 된다(ST202). 이때, 상기 정렬은 이전 웨이퍼의 정렬 측정 결과로부터 얻어진 정렬 데이터가 저장된 데이터 베이스로부터 출력되는 상기 정렬 데이터를 이용하여 이루어진다. 이어 얼라인 위치된 웨이퍼에 대하여 레티클 상의 패턴 이미지를 노광하여 전사시키게 된다(ST204).

이러한 과정을 마친 웨이퍼는, 계속하여 실질적으로 전사된 패턴 이미지를 상기 웨이퍼 상에 형성된 각 쇼트 영역 또는 랜덤한 간격의 쇼트 영역의 패턴층과 비교하여 x 축 방향, y 축 방향, 회전각도 및 웨이퍼 상에 형성된 기존 패턴층에 대한 확대·축소 비율에 따른 파라미터를 이용하여 그 정렬 오차 정도를 계측하는 과정을 거치게 된다(ST206).

이에 따라 작업자는 계측에 의해 얻어진 정렬 오차의 데이터가 소정범위 내에 있는지 여부를 판단하고, 이 판단을 근거로 웨이퍼에 대한 포토리소그래피 공정의 재작업 또는 계속적으로 공정을 수행토록 할 것인지를 결정하게 된다(ST208).

여기서, 상술한 바와 같이, 계측에 의해 얻어진 정렬 오차가 설정된 범위를 넘어선 경우의 웨이퍼는, 다시 그 표면상에 도포된 포토레지스트를 제거하기 위한 스트립 과정(ST210)과 이후의 세정 및 건조를 과정(ST212)을 포함한 재작업 과정을 거쳐 다시 로딩 위치로 이송되게 된다(ST200).

또한, 계측에 의해 얻어진 정렬 오차가 설정된 범위 내에 있을 경우의 웨이퍼는, 전사된 패턴 이미지를 현상하고 또 세정하는 과정(ST220)과 언로딩 과정(ST222)을 순차적으로 수행하게 된다. 그리고, 그 계측에 따른 정렬 오차의 데이터를 다음 웨이퍼 또는 재작업에 따른 웨이퍼에 적용하도록 상기 데이터 베이스에입력하여 상기 정렬 데이터를 보정 또는 갱신하게 된다(ST214).

즉, 데이터 베이스에 입력되는 상기 정렬오차는 패턴이미지와 기존 패턴층 사이에서 측정된 정렬 에러를 보상하기 위해 포토공정 장비에 적용되어진다. 여기서, 계측에 따른 정렬 오차의 데이터는 이후의 노광에 대한 얼라인 보정 값으로 활용된다. 그러나, 상기 얼라인 보정값은 패턴층의 단차 높이에 따라 웨이퍼가 확대 또는 축소될 때, 상기 패턴층과 상기 패턴층 상부에 형성되는 포토레지스트의 오버레이 패턴 사이의 비대칭에 의해 발생되는 확대·축소 비율에 의해 변화될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 얼라인 계측방법은 상기 웨이퍼의 확대 또는 축소에 따른 측정 오차의 데이터를 더 입력하여(ST230) 정확한 얼라인 보정을 수행할 수 있다.

이에 대하여 도 6에 도시된 그래프는, 실질적으로 확대·축소 비율이 정상인 웨이퍼를 대상으로 각기 다른 패턴층을 갖는 것에 대하여 이들의 표면상에 형성된 기존 패턴층의 패턴 단차 높이에 따라 각각의 웨이퍼 군으로 구분하고, 그래프 상의 각 점들은 이들 각 웨이퍼 군에 대하여 확대·축소 비율에 따른 측정 오차의 정도를 복수회의 실험 결과를 토대로 얻은 각 데이터를 통계적으로 산출하여 그 보상 값으로 구하고, 이것을 데이터 베이스화 하여 나타낸 것이다.

이에 따르면, 도 6의 그래프 상에 나타난 바와 같이, 상기 패턴층의 단차 높이에 따라 구분된 각 웨이퍼 군이 정상적인 확대·축소 비율을 이루고 있을 경우 웨이퍼 상의 기존 패턴층이 이루는 패턴의 단차 높이가 높을수록 실질적으로 전사된 패턴이미지는 정상적으로 전사되었음에도 불구하고 보다 확대 전사된 것으로 오인됨을 알 수 있으며, 그 단차 높이가 낮을 경우에는 상대적으로 보다 축소된 것으로 오인된다.

이상에서와 같이 일반적인 얼라인 보정 값 중 확대·축소 비율에 대한 얼라인 보상 값은, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 패턴층과 상기 패턴 이미지의 정렬 오차 측정 시 상기 웨이퍼 상에 형성된 기존 패턴층의 패턴 단차 높이에 따라 상기 패턴층과 상기 패턴 이미지의 측정 오차가 발생하고, 상기 측정 오차범위를 데이터 베이스화 하고, 노광의 대상체인 웨이퍼를 얼라인 위치시킴에 있어서 상기 데이터베이스로부터 정렬 데이터를 도 6의 그래프에 나타난 기울기와 같이 보상토록 함으로써(ST230) 보다 정확한 얼라인 보정이 이루어질 수 있게 된다.

따라서, 상술한 바와 같이, 얼라인 위치되는 웨이퍼에 대하여 웨이퍼 상에 형성된 패턴의 단차 정보에 따라 그 얼라인 보상 값을 대입하여 재얼라인을 수행하는 과정을 거치게 됨으로써 보다 정확한 얼라인이 이루어질 수 있게 된다.

이에 따르면, 동일 공정을 수행하는 웨이퍼에 대하여 그 수축·팽창에 따른 오차 파라미터를 사전에 적용하게 됨으로써 그 오차 보정을 보다 용이하게 하고 또 그 정밀도를 향상시키게 되어 품질 향상을 기대할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명에 의하면, 웨이퍼의 수축·팽창에 대한 얼라인 위치 설정을 소정 범위의 단차 높이를 갖는 각 웨이퍼 군으로 구분하고 또 이들 각 웨이퍼 군에 대한 얼라인 과정에서 단차 높이에 따라 확대·축소 비율이 틀어지는 것을 보다 효과적으로 보상함과 동시에 이 보상 값을 웨이퍼 상의 패턴 단차에 대한 보상 값으로 데이터 베이스화 하게 됨으로써 그 활용성과 신뢰성을 높이에 되며, 이를 이용함에 따라 보다 정확한 얼라인이 이루어지게 되어 재작업률이 감소와 불필요한 작업시간 및 노동력의 절감이 이루어지며, 생산성과 작업성 및 제품의 품질 향상이 기대되는 효과가 있게 된다.

본 발명은 구체적인 실시예에 대해서만 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 변형이나 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게는 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 할 것이다.

Claims (4)

1. 웨이퍼 상에 투영되는 패턴 이미지를 정렬하는 포토리소그래피 공정의 얼라인 계측방법에 있어서,

   데이터 베이스의 정렬 데이터를 사용하여 상기 패턴이미지가 형성된 레티클에 상기 웨이퍼를 정렬하는 단계와,

   상기 패턴이미지를 상기 웨이퍼에 전사하여 상기 웨이퍼를 노광하는 단계와,

   상기 웨이퍼 상에 형성된 패턴층과 상기 웨이퍼 상에 전사된 상기 패턴 이미지를 비교하여 정렬 오차를 측정하고, 상기 정렬 오차에 따른 보정 값을 산출하여 상기 정렬 데이터를 갱신하는 단계와,

   상기 패턴층과 상기 패턴 이미지의 정렬 오차 측정 시 상기 패턴층의 단차에 의해 발생되는 상기 패턴층과 상기 패턴 이미지의 측정 오차를 이용하여 상기 패턴층의 단차에 따른 보상 값을 산출하고, 상기 보상 값을 이용하여 상기 정렬 데이터를 정정하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 포토리소그래피 공정의 얼라인 계측방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 보상 값은, 상기 웨이퍼 상에 형성된 상기 패턴층의 단차에 따라 각 웨이퍼 군으로 구분하고, 이들 각 웨이퍼 군에 대한 상기 패턴층과 상기 패턴 이미지의 측정 오차를 이용하여 산출함을 특징으로 하는 상기 포토리소그래피 공정의 얼라인 계측방법.
3. (삭제)
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 보상 값은, 소정 단차 범위를 갖는 각 웨이퍼 군에 대한 확대·축소 비율의 파라미터에 대한 복수회의 실험적 데이터를 통계적으로 산출하여 구하여진 것을 특징으로 하는 상기 포토리소그래피 공정의 얼라인 계측방법.