KR100687398B1 - 반도체 장치의 오버레이 측정 방법 - Google Patents

반도체 장치의 오버레이 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 장치의 오버레이 측정 방법에 관한 것으로, 반도체 제조 공정 중 반도체 기판의 패턴을 그레이 레벨로 표시하는 패턴 검사 장비로 이미지화 하여 반도체 장치의 오버레이 측정 방법이 개시된다.
오버레이, 그레이 레벨, KLA

Description

반도체 장치의 오버레이 측정 방법{Method for measuring overlay of semiconductor device}
도 1은 종래의 오버레이 측정 방법에 사용되는 오버레이 키의 레이아웃도이다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명에 따른 오버레이 측정 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도와 그레이 레벨의 이미지도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
11 : 모 버니어 12 : 자 버니어
100 : 반도체 기판 101 : 소자 분리막
102 : 터널 산화막 103 : 폴리 실리콘막
104 : 포토레지스트 패턴
본 발명은 반도체 장치의 오버레이 측정 방법에 관한 것으로, 특히 반도체 제조 공정 중 반도체 기판의 패턴을 그레이 레벨로 표시하는 패턴 검사 장비로 이미지화 하여 반도체 장치의 오버레이 측정 방법에 관한 것이다.
반도체 장치가 고집적화됨에 따라 웨이퍼 상에 형성되는 패턴들의 밀도가 조밀해지고 있는데, 특히 메모리 소자에서는 셀 영역의 패턴 밀도가 주변 영역에 비하여 패턴 밀도가 매우 높다. 한편, 셀 영역이나 주변 영역에 형성되는 소자들은 박막 증착 공정 및 박막 패터닝 공정을 여러번 반복 수행하여 제조된다.
이러한 박막 패턴 형성 공정 즉, 사진 식각 공정에서 가장 중요한 요소 중의 하나는 이전 스텝에서 웨이퍼 상에 이미 형성된 박막과 현재 스텝에서 새로이 패터닝될 박막간의 오버레이 정도이다. 이러한 웨이퍼 상에 이미 형성된 박막과 새로이 패터닝될 박막간의 오버레이 정도를 측정하기 위하여 오버레이 키가 사용된다.
도 1은 종래의 오버레이 키를 도시한 것으로서, 모 버니어(11)와 자 버니어(12)를 포함하여 구성된다. 이러한 모 버니어(11)와 자 버니어(12)의 거리를 측정함으로서 이전 스텝에서 웨이퍼 상에 이미 형성된 박막과 현재 스텝에서 형성될 박막간의 오버레이 정도를 측정하게 된다. 이와 같은 오버레이 키는 웨이퍼의 스크라이브 영역에 형성된다. 오버레이 키는 10~20㎛ 정도의 크기로 형성되는데, 현재 오버레이 정밀도는 0.02㎛ 이내로 조절이 요구되는 상황이므로 약간의 오버레이 버니어의 어택(attack)은 심각한 미스어라인(misalign)을 유발할 수 있다. 또한 오버레이 버니어는 웨이퍼의 스크라이브 영역에 형성이 되므로 실제 셀 영역에서의 오버레이 정도를 완벽하게 반영하지 못하는 경우가 존재하게 된다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 반도체 제조 공정 중 반도체 기판의 패턴을 그레이 레벨로 표시하는 패턴 검사 장비로 이미지화 하여 반도체 장치의 정렬 오차를 측정하는 것이다.
본 발명에 따른 반도체 장치의 오버레이 측정 방법은 반도체 기판 상에 제 1 패턴으로 형성된 하부층과, 상기 하부층을 포함한 전체 구조상에 형성된 상부층과, 상기 상부층 상에 제 2 패턴으로 형성된 마스크를 포함한 반도체 기판이 제공되는 단계와, 상기 마스크의 패턴과 상기 상부층과 상기 하부층의 중첩 구조를 그레이 레벨로 나타내는 패턴 검사 장비로 상기 반도체 기판을 측정하는 단계, 및 측정된 상기 그레이 레벨을 이용하여 정렬 오차를 구하고, 상기 정렬 오차에 따라 상기 마스크를 재정렬 하는 단계를 포함하여 이루어진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 반도체 장치의 오버레이 측정 방법을 설명 하기 위한 소자의 단면도와 그레이 레벨 이미지도이다. 도 2a와 도 2b를 참조하여 본 발명에 따른 반도체 장치의 오버레이 측정 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 2a를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 소자 분리막(101)과 터널 산화막(102)이 형성되고, 소자 분리막(101)과 터널 산화막(102)을 포함한 반도체 기판(100)의 전체 구조 상에 폴리 실리콘막(103)이 형성된다. 이 후, 폴리 실리콘막(103)을 선택적으로 식각하기 위하여 폴리 실리콘막(103)을 포함한 반도체 기판(100)의 전체 구조상에 포토레지스트 패턴(104)이 형성된다.
상기에서는 낸드 플래시 메모리 소자의 제조 공정에서 오버레이 측정 방법을 예로써 제시하고 있으며, 이경우 하부층이 소자 분리막(101)이 되고 상부층이 폴리 실리콘막(103)이 된다. 소자 분리막(101), 터널 산화막(102), 폴리 실리콘막(103), 및 포토레지스트 패턴(104)이 형성된 반도체 기판(100)의 표면을 반도체 기판(100)에 형성된 패턴들의 물질이나 두께, 이들의 중첩 상태를 그레이 레벨로 표시하는 스캐닝 장비로 스캐닝(scaning)한다. 그러면, 반도체 기판(100) 상에 형성된 막들의 정렬 상태를 한눈에 확인할 수 있다. 이러한 스캐닝 장비로써 결함 검출 장치(Defect inspection device) 장비가 사용될 수 있다. 이러한 스캐닝 장치는 렌즈가 구비되는 광학장치를 이용하여 광을 반도체 웨이퍼에 조사하고 반사되는 반사광을 신호감지부에서 검출한 다음, 검출된 신호를 이용하여 웨이퍼 상에 구현된 패턴 상태를 그레이 레벨로 나타내는 시스템이다. KLA 장비는 그레이 레벨을 0~255의 밝기 차이로 나타낼 수 있으며 TSK 장비는 그레이 레벨을 0~455의 밝기 차이로 나타낼수 있다.
도시된 바와 같이, 이미지도에서 그레이 레벨 B(Gray Level B)가 나타내는 부분은 반도체 소자에서 소자 분리막(101)과 포토레지스트 패턴(104)이 중첩되어 있는 영역이다. 도 2a를 참조하면, 포토레지스트 패턴(104)이 오차 없이 정렬되어 있는 경우 그레이 레벨 B 영역의 크기 즉, a와 b의 크기가 같게 나타난다.
도 2b는 정렬 오차를 가지는 소자의 단면도와 그것의 그레이 레벨 이미지도이다. 반도체 제조 공정에서 마스크의 오정렬로 인하여 포토레지스트 패턴(104)이 미스어라인되었을 시, 그레이 레벨 B로 나타나는 영역의 크기 즉, c와 d의 크기가 다르게 나타낸다. c의 크기가 d의 크기보다 크게 나타날 경우, 포토레지스트 패턴(104)이 c영역으로 치우쳐 형성된 것을 나타낸다. 또한 d의 크기가 c의 크기보다 크게 나타날 경우, 포토레지스트 패턴(104)이 d영역으로 치우쳐 형성된 것을 나타낸다. 이와 같이 그레이 레벨의 크기(c 및 d)를 측정하여 보정치 값을 계산한다.
정렬 오차가 발생한 경우 포토레지스트 패턴(104)을 스트립한 후, 계산된 보정치 만큼 노광 장비를 보정하여 리워크(rework)한다.
상기의 공정이 진행되는 동안에도 스크라이브 영역에 오버레이 키를 함께 형성하여 모 버니어와 자 버니어에 의한 오버레이 측정 방법과 병행하여 실시할 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명은 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
따라서 본 발명에 따르면, 포토 레지스트 패턴을 형성후 웨이퍼의 패턴을 그레이 레벨로 표시하는 장치로 이미지화 하여 반도체 장치의 오버레이를 측정할 수 있어 정밀한 정렬도를 측정할 수 있고, 실제 셀 영역을 측정할수 있어 정렬도 오차를 감소시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 반도체 기판 상에 제 1 패턴으로 형성된 하부층과, 상기 하부층을 포함한 전체 구조상에 형성된 상부층과, 상기 상부층 상에 제 2 패턴으로 형성된 마스크를 포함한 반도체 기판이 제공되는 단계;
    상기 마스크의 패턴과 상기 상부층과 상기 하부층의 중첩 구조를 그레이 레벨로 나타내는 패턴 검사 장비로 상기 반도체 기판을 측정하는 단계; 및
    측정된 상기 그레이 레벨을 이용하여 정렬 오차를 구하고, 상기 정렬 오차에 따라 상기 마스크를 재정렬 하는 단계로 이루어지는 반도체 장치의 오버레이 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 스크라이브 영역에 모 버니어와 자 버니어가 형성되어 있고, 상기 모 버니어와 상기 자 버니어를 이용한 정렬 오차 측정 방법을 병행하여 사용하는 것을 더 포함하는 반도체 장치의 오버레이 측정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴 검사 장비는 상기 반도체 기판 상에 형성되어 있는 상기 하부층과 상기 상부층 및 상기 마스크의 구조, 물질, 및 높이의 차이를 각각의 상기 그레이 레벨로 나타내는 반도체 장치의 오버레이 측정 방법.
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