KR100481542B1 - 반도체 소자의 오버레이 마크 및 오버레이 측정방법 - Google Patents

반도체 소자의 오버레이 마크 및 오버레이 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 오버레이 마크 및 오버레이 측정방법에 관한 것으로, 특히 반도체 기판의 소정 구조물 4면에 V자의 밴드 패턴이 대칭으로 배치된 아우터 박스와, 아우터 박스에 일정 간격과 단차를 갖으며 4면에 V자의 밴드 패턴이 대칭으로 배치된 이너 박스로 이루어진 오버레이 마크를 오버레이 측정에 이용함으로써 4개 미만의 오버레이 마크를 이용해서도 X축, Y축의 변형 및 회전을 충분히 측정할 수 있어 결국 오버레이 마크가 차지하는 포토마스크의 영역을 줄일 수 있다.

Description

반도체 소자의 오버레이 마크 및 오버레이 측정방법{OVERLAY MARK AND METHOD FOR MEASURING OVERLAY OF SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 반도체 소자의 오버레이 마크(Overlay Mark) 및 오버레이 측정방법에 관한 것으로서, 특히 X, Y축 변형, 회전 등 보다 많은 오버레이 측정 데이터를 얻을 수 있어 포토마스크의 샷 영역에 4개 미만의 오버레이 마크를 줄일 수 있는 반도체 소자의 오버레이 마크 및 오버레이 측정방법에 관한 것이다.
오버레이 측정이란 반도체 소자의 제조 공정시 이전 단계와 현재 단계 사이의 층간 정렬상태를 나타내는 지수로서, 포토마스크 제작시 발생하는 에러와 반도체 소자의 제조 공정 및 시스템 에러에 의해 영향을 받는다. 일반적으로 오버레이 측정은 다이(Die) 사이를 분할하는 스크라이브 라인(Scribe Line) 내에 오버레이 마크를 형성하고 있다. 더욱이 반도체 제조 공정 중 포토리소그래피 공정에서 오버레이 측정은 생산 수율과 직접적으로 관계되는 중요한 변수이다. 따라서 반도체 소자의 오버레이 측정을 향상시키기 위한 많은 연구가 진행되고 있으며 측정 장비에서 오버레이 마크에 대한 모니터링을 통하여 최적의 오버레이 측정 제어가 필요하다.
도 1a는 종래 기술에 의한 반도체 소자의 바 형태의 오버레이 마크를 나타낸 평면도이고 도 1b는 도 1a의 A-A'선을 절단한 측면도이다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 종래의 바 형태의 오버레이 마크는 아우터 박스(Outer Box)(10)와 이너 박스(Inner Box)(20)로 이루어진다. 여기서, 아우터 박스(10)는 반도체 기판의 하부 구조물(10) 4면에 바 패턴이 배치된 박스 형태로 이루어지고, 이너 박스(20)는 층간 절연막(15) 상부에 하부 구조물(10)을 패터닝하기 위하여 사용되는 마스크, 예를 들어 포토레지스트가 4면에 바 패턴이 배치된 박스 형태로 이루어진다.
종래에는 아우터 박스(10)와 이너 박스(20) 사이의 거리(X1, X2)를 측정하여 이들 거리가 동일한지 아니면 다른지에 따라 반도체 소자의 오버레이를 측정하였다. 즉, 오버레이 측정값은 이다.
도 2는 종래 기술에 의한 바 형태의 오버레이 마크를 이용하여 오버레이를 측정하는 것을 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 종래 오버레이 측정은 오버레이 마크의 에지 신호를 측정하는 간섭계를 이용하여 아우터 박스(10)와 이너 박스(20)를 스캔하고 스캔한 영역(30)내 에지 신호 위치의 각 중심점을 확인하고 중심점 간격인 X1, X2를 이용하여 오버레이 측정값을 계산하게 된다. 만약 아우터 박스(10)에 대해 비대칭적으로 배치된 이너 박스(20a)가 있을 경우 해당 스캔 영역(30)을 통해 상기 아웃터 박스(10)와 이너 박스(20a)의 바 패턴 사이의 오버레이값을 측정하게 된다. 아우터 박스(10)와 비대칭형 이너 박스(20a)의 거리는 서로 상이하게 되어 오버레이 측정값이 달라진다.
도 3은 종래 기술에 의한 바 형태의 오버레이 마크가 포토마스크의 샷 영역에 배치된 위치를 나타낸 도면이다. 오버레이 마크의 아우터 박스와 이너 박스가 X, Y축으로 변형되었거나 회전되었다면 많은 오버레이 데이터가 요구된다. 그래서 도 3에 도시된 바와 같이, 포토 마스크의 샷 영역(40) 외곽에 4개 이상의 오버레이 마크(ⓒ, ⓓ, ⓔ, ⓕ)가 필요하게 되어 포토 마스크의 상당한 영역을 오버레이 마크가 차지하게 된다.
이에 따라 오버레이 마크의 개수를 줄이게 되면 오버레이 측정시 스캔 회수를 감소할 수 있지만 모니터링에 요구되는 상/하, 좌/우의 오버레이 측정값이 요구되므로 최소 4개 이상의 오버레이 마크를 필요로 한다.
본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 오버레이 마크의 아우터 박스 및 이너 박스의 바 패턴을 V자 밴드형태로 변경함으로써 4개 미만의 오버레이 마크에 의해서도 X축, Y축의 변형 및 회전을 충분히 측정할 수 있어 오버레이 마크가 차지하는 포토마스크의 영역을 줄일 수 있는 반도체 소자의 오버레이 마크 및 오버레이 측정방법을 제공하는데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 반도체 소자의 층간 오버레이를 측정하기 위한 오버레이 마크에 있어서, 반도체 기판의 소정 구조물 4면에 V자의 밴드 패턴이 대칭으로 배치된 아우터 박스와, 아우터 박스에 일정 간격과 단차를 갖으며 4면에 V자의 밴드 패턴이 대칭으로 배치된 이너 박스를 구비한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 반도체 소자의 오버레이 마크를 이용하여 오버레이를 측정하는 방법에 있어서, 반도체 기판의 소정 구조물 4면에 V자의 밴드 패턴이 대칭으로 배치된 아우터 박스와, 아우터 박스에 일정 간격과 단차를 갖으며 4면에 V자의 밴드 패턴이 대칭으로 배치된 이너 박스에서 각각 밴드 패턴들의 첨점 좌표를 측정하는 단계와, 아우터 박스와 이너 박스의 첨점 좌표들의 X축, Y축 오버레이값을 측정하는 단계와, 측정된 X축 오버레이값과 Y축 오버레이값의 tan-1값을 밴드 패턴의 회전값으로 구하는 단계를 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하고자 한다.
도 4a는 본 발명에 따른 반도체 소자의 바 형태의 오버레이 마크를 나타낸 평면도이고 도 4b는 도 4a의 A-A'선을 절단한 측면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명에 따른 V자 밴드 형태의 오버레이 마크는 아우터 박스(100)와 이너 박스(110)로 이루어진다. 여기서, 아우터 박스(100)는 반도체 기판의 하부 구조물(1) 4면에 V자 밴드 패턴이 대칭으로 배치된 박스 형태로 이루어진다. 이너 박스(110)는 아우터 박스(100)에 대해 일정한 간격과 단차를 갖도록 층간 절연막(105) 상부에 하부 구조물(1)을 패터닝하기 위하여 사용되는 마스크, 예를 들어 포토레지스트가 4면에 V자 밴드 패턴이 배치된 박스 형태로 이루어진다.
도 5는 본 발명에 따른 V자 밴드 형태의 오버레이 마크를 이용하여 오버레이를 측정하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 오버레이 측정 과정을 설명하기 위한 도면들이다. 이들 도면을 참조하면, 본 발명의 오버레이 측정 방법은 다음과 같다.
먼저, 스캔 영역(130)에서 오버레이 마크인 아우터 박스(100)와 이너 박스(110)의 이미지를 기억시킨다. 이때 아우터 박스(100)와 이너 박스(110)를 구성하는 V자 밴드 패턴을 스캔하여 각 박스의 밴드 패턴의 첨점 좌표값(Xa, Xb)을 구한다.(S10)
예를 들어, 이너 박스(110)가 어느 정도의 X, Y 방향의 변형과 회전을 가지고 노광이 진행되었다고 가정하면, 130 영역의 스캔을 통하여 아웃터 박스(100)와 이너 박스(110)를 구성하는 각각의 V자 밴드 패턴의 첨점 좌표값을 구한다.
그리고 아우터 박스(100)와 이너 박스(110)의 첨점 좌표들의 X축, Y축 오버레이값을 측정한다.(S20)
예를 들어, ①과 ②의 X축 첨점 좌표값이 Xb, Xa(x1=Xb-Xa)이고 ③과 ④의 X축 첨점 좌표값이 Xc, Xd(x2=Xd-Xc)일 경우 X축 오버레이값이 이 된다. ⑤과 ⑥의 X축 첨점 좌표값이 Xe, Xf(x3=Xf-Xe)이고 ⑦과⑧의 X축 첨점 좌표값이 Xg, Xh(x4=Xh-Xg)일 경우 X축 오버레이값이 이 된다. 또한 ①과 ②의 Y축 첨점 좌표값이 Ya, Yb(y1=Yb-Ya)이고 ③과 ④의 Y축 첨점 좌표값이 Yc, Yd(y2=Yd-Yc)일 경우 Y축 오버레이값이 이 된다. ⑤와 ⑥의 Y축 첨점 좌표값이 Ye, Yf(y3=Yf-Ye)이고 ⑦과 ⑧의 Y축 첨점 좌표값이 Yg, Yh(y4=Yh-Yg)일 경우 Y축 오버레이값이 이 된다.
이와 같이 측정된 X축 오버레이값들과 Y축 오버레이값들을 이용하여 다음 하기 수학식 1과 같이 tan-1값을 계산해서 오버레이 마크의 회전값(θr)을 구한다.(S30)
즉 도 6b에 도시된 ①, ②, ③, ④의 오버레이 마크의 회전값(θr)은 상기 수학식 1과 같다. 그리고 ⑤, ⑥, ⑦, ⑧의 오버레이 마크의 회전값(θr)은 이다.
따라서 데이터의 정확성을 위하여 회전값와 회전값의 평균을 계산하여 본 발명의 오버레이 마크의 평균 회전값을 구한다.
그러므로 본 발명의 오버레이 마크는 종래와 동일한 영역을 스캔할 경우 스캔된 영역에서 보다 많은 오버레이 정보를 얻을 수 있다. 따라서 오버레이 측정에 요구되는 포토마스크의 샷 외곽 영역에 배치된 오버레이 마크 개수를 줄일 수 있는데, 이에 대한 설명은 도 7을 참조하기로 한다.
도 7은 본 발명에 따른 V자 밴드 형태의 오버레이 마크가 포토마스크의 샷 영역에 배치된 위치를 나타낸 도면이다. 본 발명에 따라 V자 밴드 패턴을 갖는 아우터 박스(100)와 이너 박스(110)로 구성되는 오버레이 마크는 포토마스크의 샷 영역(140) 외곽에 1개 내지 3개로 형성된다. 도 7에서는 오버레이 마크가 포토마스크의 샷 영역(140) 외곽에 2개(ⓐ, ⓑ) 배치되어 있다. 오버레이 마크가 2개 또는 3개 이상 형성될 경우 포토마스크의 샷 영역(140)의 대각선 거리에 반드시 2개를 배치되는 것이 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 기존의 오버레이 마크 형태를 변형하여 부족한 포토마스크 영역의 여유를 확보하고 오버레이 측정시 스캔 영역의 개수를 4개 미만으로 감소할 수 있어 오버레이 측정 시간을 단축하고 이로 인하여 반도체 생산 능력을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.
도 1a는 종래 기술에 의한 반도체 소자의 바 형태의 오버레이 마크를 나타낸 평면도이고 도 1b는 도 1a의 A-A'선을 절단한 측면도,
도 2는 종래 기술에 의한 바 형태의 오버레이 마크를 이용하여 오버레이를 측정하는 것을 설명하기 위한 도면,
도 3은 종래 기술에 의한 바 형태의 오버레이 마크가 포토마스크의 샷 영역에 배치된 위치를 나타낸 도면,
도 4a는 본 발명에 따른 반도체 소자의 바 형태의 오버레이 마크를 나타낸 평면도이고 도 4b는 도 4a의 A-A'선을 절단한 측면도,
도 5는 본 발명에 따른 V자 밴드 형태의 오버레이 마크를 이용하여 오버레이를 측정하는 방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 오버레이 측정 과정을 설명하기 위한 도면들,
도 7은 본 발명에 따른 V자 밴드 형태의 오버레이 마크가 포토마스크의 샷 영역에 배치된 위치를 나타낸 도면.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
1 : 반도체 기판의 하부 구조물 100 : 아우터 박스
105 : 층간 절연막 110 : 이너 박스
120 : 스캔 영역

Claims (5)

  1. 반도체 소자의 층간 오버레이를 측정하기 위한 오버레이 마크에 있어서,
    반도체 기판의 소정 구조물 4면에 V자의 밴드 패턴이 대칭으로 배치된 아우터 박스와,
    상기 아우터 박스에 일정 간격과 단차를 갖으며 4면에 V자의 밴드 패턴이 대칭으로 배치된 이너 박스를 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 오버레이 마크.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 아우터 박스와 이너 박스로 구성되는 오버레이 마크는 포토마스크의 샷 영역 외곽에 1개 내지 3개로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 오버레이 마크.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 샷 영역 외곽에 오버레이 마크가 2개 또는 3개이상 형성될 경우 샷 영역의 대각선 거리에 반드시 2개를 배치하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 오버레이 마크.
  4. 반도체 소자의 오버레이 마크를 이용하여 오버레이를 측정하는 방법에 있어서,
    반도체 기판의 소정 구조물 4면에 V자의 밴드 패턴이 대칭으로 배치된 아우터 박스와, 상기 아우터 박스에 일정 간격과 단차를 갖으며 4면에 V자의 밴드 패턴이 대칭으로 배치된 이너 박스에서 각각 상기 밴드 패턴들의 첨점 좌표를 측정하는 단계;
    상기 아우터 박스와 이너 박스의 첨점 좌표들의 X축, Y축 오버레이값을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 X축 오버레이값과 Y축 오버레이값의 tan-1값을 상기 밴드 패턴의 회전값으로 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 오버레이 측정방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 회전값은 상기 측정된 X축 오버레이값과 Y축 오버레이값의 tan-1값들의 평균으로 구하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 오버레이 측정방법.
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