KR100769148B1 - 패턴크기 모니터링을 동시에 수행하기 위한 오버레이 마크 및 그 이용방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외측 방향으로 다수 구비된 서브 레이어 오버레이 마크(sub layer overlay mark) 및 내측으로 서브 레이어 오버레이 마크에 대응하는 다수의 현 레이어 오버레이 마크를 포함하는 오버레이 마크로서, 상기 서브 레이어 오버레이 마크와 상기 현 레이어 오버레이 마크는 포토 레지스트 재질로 형성되고, 상기 현 레이어 오버레이 마크는 폭을 절반으로 나누어 일측 방향의 절반 영역은 포토리소그래피 공정에 의해 광이 조사(照射)된 영역과 광이 조사되지 않은 영역이 각각 반복적으로 형성되어 체크무늬 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 패턴크기 모니터링을 동시에 수행하기 위한 오버레이 마크 및 그 이용방법에 관한 것이다.

오버레이 마크, 패턴크기, 프로세스의 적정성, 패턴

Description

패턴크기 모니터링을 동시에 수행하기 위한 오버레이 마크 및 그 이용방법{Overlay Mark and Using Method for Monitoring Critical Dimension Simultaneously}

도 1은 본 발명에 따른 오버레이 마크의 형태와 확대된 단면을 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 오버레이 마크를 이용하여 오버레이와 패턴크기를 측정하여 이용하는 방법을 설명하기 위한 순서도.

도 3은 본 발명에 따른 오버레이 마크를 이용하여 오버레이를 측정하는 방법을 설명하기 위한 예시도.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 오버레이 마크를 이용하여 임계치수를 모니터링하는 방법을 설명하기 위한 예시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 서브 레이어 오버레이 마크 200: 현 레이어 오버레이 마크

본 발명은 패턴크기 모니터링을 동시에 수행하기 위한 오버레이 마크 및 그 이용방법에 관한 것으로, 특히 반도체 기판에 대해 형성된 다양한 패턴의 패턴크기(CD: critical dimension) 및 정렬상태를 동시에 판독할 수 있는 오버레이 마크 및 그 이용방법에 관한 것이다.

회로 패턴들은 다양한 공정기술들을 사용하여 제조되는데 예를 들어, 리소그래피 기술을 사용하는 것이고, 이러한 리소그래피 기술을 이용하는 제조과정 중 정확한 포지셔닝(positioning) 및 정렬은 정확한 패턴의 제조에 대단히 중요하다.

정렬 방법들은 이에 관하여 확립되었는데, 통계적 및 모델링(modelling) 기술들이 노출 장치의 정렬을 용이하게 하도록 하기 위하여 노출 장치에 의해 또는 노출 장치와 관련하여 생성된 패턴의 레티클(reticle)의 정렬을 결정하는데 사용된다. 이러한 기술은 보통 노출 장치 광학계 내에서 생성되거나 노출 장치 광학계에 의해 반도체 기판상에 투사된 이미지(images)들을 활용한다. 유사한 모델-기반 및 통계적 방법들은 예를 들어, 패턴 제조공정 동안 노출 장치를 정렬하는데 이용된다.

반도체 소자 제조공정에서 오버레이 측정은 하나의 인쇄층이 이전 인쇄층상에 얼마나 잘 오버레이 되었는지를 결정하는데 이용되고, 소자 내의 모든 점에서 각각의 정렬은 설계(design) 목적을 달성하고, 제조된 반도체 소자의 품질 및 성능에 획득하기 위한 결정적인 요인이다. 결과적으로 웨이퍼 상에 두 개의 패턴화된 층들사이에서의 정렬 오류(misregistration)가 빠르고 정확하게 측정될 수 있는 것이 제조 공정의 효율성을 위하여 중요한 것이다.

종래의 오버레이 측정은 제조공정 동안 반도체 웨이퍼의 연속하는 층들상에 인쇄된 광학적으로 독취가능한 타겟(target) 패턴들을 이용하여, 두 개의 연속하는 층들의 상대적인 변위는 이미지를 고배율 영상화하고, 이미지를 디지털화하며 오버레이 오류의 양을 측정하기 위하여 알려진 다양한 이미지 분석 알고리즘을 사용하여 이미지 데이터를 처리하여 측정한다. 따라서, 오버레이 측정 기술들은 제조된 각각의 층들에 대해 직접적으로 관련하여 형성된 패턴들에서 오등록의 직접 측정을 포함하며, 특히 패턴들은 영상화 기기의 광학계로부터 투사된 이미지들보다는 각각의 층들의 표면내에서 또는 표면상에서 현상되거나 잠상이 될 수 있다.

타겟 마크의 패턴은 임의의 적당한 방법에 의해 반도체 기판에 적용될 수 있고, 특히 마크는 예를 들어 포토리소그래피 방법을 사용하여 반도체 기판상에 인쇄되는 것은 종종 바람직하다. 층 정렬의 정확성은 반도체 기판 내에 형성된 회로 패턴 정렬의 정확성에 대응하므로, 일반적으로 각각의 층들의 정렬을 나타내는 정렬 정보가 측정될 수 있도록 테스트될 두 개의 웨이퍼층들 각각에 대해 동일한 기술이 오버레이 타겟 마크들에 적용하여 사용된다.

종래의 오버레이 측정은 예를 들어 직사각형 대칭을 가진 다수의 타겟에 의해 실행되고, 각각의 측정을 위하여 두 개의 타겟들 중 하나는 상부 층에 다른 하나는 하부 층에 형성되거나, 또는 동일층 내에 각각의 패턴과 관련하여 형성될 수 있다. 또한, 두 개의 타겟은 동일한 중심을 가지지만, 다른 크기로 형성되어 차별화될 수 있으며, 이와 같이 형성된 타겟들을 이용한 오버레이 측정은 타겟들의 중심에 대해 각각의 변위를 측정하는 것이다.

이와 같이 오버레이 측정을 수행한 후에, 오버레이가 측정된 반도체 기판을 패턴크기(critical dimension) 측정장비로 이동하여 반도체 기판에 대해서 패턴크기 측정장비에 의한 패턴크기 측정이 수행된다.

따라서, 오버레이 측정과 패턴크기 측정이 별도로 이루어지기 때문에 반도체 기판이 오염될 우려가 있고, 별도로 이루어지는 측정으로 인한 비용이 추가적으로 발생하며 측정결과에 따른 반도체 기판의 재작업(rework)으로 인한 수율 감소가 초래되는 문제점이 있다.

본 발명은 반도체 기판상에 형성된 패턴에 대한 오버레이 측정과 패턴크기 측정을 동시에 수행할 수 있는 오버레이 마크를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 반도체 기판상에 형성된 패턴에 대한 오버레이 측정과 패턴크기 측정을 동시에 수행할 수 있는 오버레이 마크를 이용한 모니터링 방법을 제공하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 외측 방향으로 다수 구비된 서브 레이어 오버레이 마크(sub layer overlay mark) 및 내측으로 서브 레이어 오버레이 마크에 대응하는 다수의 현 레이어 오버레이 마크를 포함하는 오버레이 마크로서, 상기 서브 레이어 오버레이 마크와 상기 현 레이어 오버레이 마크는 포토 레지스트 재질로 형성되고, 상기 현 레이어 오버레이 마크는 폭을 절반으로 나누어 일측 방향의 절반 영역은 포토리소그래피 공정에 의해 광이 조사(照射)된 영역과 광이 조사되지 않은 영역이 각각 반복적으로 형성되어 체크무늬 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 패턴크기 모니터링을 동시에 수행하기 위한 오버레이 마크에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 반도체 기판에 대해 본 발명에 따른 오버레이 마크를 구비하는 단계; 상기 오버레이 마크를 이용하여 오버레이와 패턴크기를 동시에 측정하는 단계; 상기 오버레이 측정값과 패턴크기 측정값이 적정범위에 있는지를 모니터링하고 프로세스의 적정성 여부를 판단하는 단계; 및 상기 적정범위 내에 있는 것으로 측정되면, 패턴형성이 양호한 것으로 판단하여 적정표시를 나타내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오버레이 마크 이용방법에 관한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 오버레이 마크의 형태와 확대된 단면을 도시한 도면으로서, 본 발명에 따른 오버레이 마크는 외측 방향으로 다수 구비된 서브 레이어 오버레이 마크(sub layer overlay mark: 100) 및 내측으로 서브 레이어 오버레이 마크(100)에 대응하는 다수의 현 레이어 오버레이 마크(200)를 포함하여 구비된다.

본 발명에 따른 오버레이 마크에서 서브 레이어 오버레이 마크(100)는 포토 레지스트 재질로 형성된 바의 형태로 반도체 기판의 하부면 또는 절연층 하측면에 외측 방향으로 4개가 형성될 수 있다.
현 레이어 오버레이 마크(200)는 현재 진행된 레이어로써, 서브 레이어 오버레이 마크(100)보다 작은 바의 형태로 반도체 기판의 상부면 또는 절연층의 상측면에 내측 방향으로 4개가 포토 레지스트 재질로 형성되어 구비될 수도 있다. 물론, 도시하지는 않았지만, 서브 레이어 오버레이 마크(100)와 현 레이어 오버레이 마크(200)는 프레임 인 박스(Frame in Box)형 또는 프레임 인 프레임(Frame in Frame)형 중에서 선택된 어느 한 형태로 이루어질 수도 있다.

현 레이어 오버레이 마크(200)는 폭이 예를 들어 2㎛이고, 도 1에 도시된 바와 같이 폭을 절반으로 나누어 일측 방향의 절반 영역은 패턴형성이 없이 구비하고, 다른 측 방향의 절반 영역은 포토리소그래피 공정에 의해 광이 조사(照射)된 영역(A) 및 광이 조사되지 않은 영역(B)이 각각 반복적으로 형성되어 체크무늬 형태로 구비될 수 있다. 여기서, 광이 조사된 영역(A) 및 광이 조사되지 않은 영역(B)은 각각 예를 들어, 0.25㎛×0.25㎛의 규격으로 형성될 수 있다.

이하, 이와 같은 오버레이 마크를 이용하여 오버레이를 측정함과 동시에 패턴크기를 측정하는 방법을 도 2 내지 도 4c를 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 오버레이 마크를 이용하여 오버레이와 패턴크기를 측정하여 이용하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 소정의 반도체 기판에 대해 본 발명에 따른 오버레이 마크를 구비한다(S201).

예를 들어, 소정의 반도체 기판에서 칩 영역 외곽의 스크라이브 라인 상에 본 발명에 따른 오버레이 마크를 형성하여, 도 1에 도시된 서브 레이어 오버레이 마크(100)와 현 레이어 오버레이 마크(200)를 구비하되, 서브 레이어 오버레이 마크(100)는 포토 레지스트 재질로서 바의 형태로 반도체 기판의 하부면 또는 절연층 하측면에 외측 방향으로 4개가 형성될 수 있고, 현 레이어 오버레이 마크(200)는 서브 레이어 오버레이 마크(100)보다 작은 바의 형태로 서브 레이어 오버레이 마크(100) 둘레의 내측 방향으로 4개가 포토 레지스트 재질로 형성될 수 있다.

이와 같이 형성된 본 발명에 따른 오버레이 마크를 이용하여 오버레이와 패턴크기를 동시에 측정한다(S202). 오버레이 측정은 포토레지스트 패턴이 정확한 위치에 형성되었는지를 확인하는 작업으로서, 포토 미스얼라인과 같은 불량 방지를 위해 필수적인 과정이다.

구체적으로, 본 발명에 따라 반도체 기판에 형성된 오버레이 마크에 대해 도 3에 도시된 바와 같이, 노광양이 많은 오버 프로세스(over process)가 이루어진 경우에 형성되는 패턴 형태(C)에 대응하는 측정 시그널이 C`의 그래프로 측정되고, 노광양이 적은 언더 프로세스(under process)가 이루어진 경우에 형성되는 패턴 형태(D)에 대해서는 D`의 그래프로 측정된다.

또한, 본 발명에 따른 오버레이 마크를 이용하여 패턴크기를 측정하는 경우, 언더 프로세스가 이루어진 경우에는 도 4a에 도시된 바와 같이 광이 조사된 영역(A)이 광이 조사되지 않은 영역(B)보다 상당한 영역을 차지하게 형성되고, 패턴크기 측정의 시그널이 도 4c의 그래프(F)처럼 측정된다.

오버 프로세스가 이루어진 경우에는 도 4b에 도시된 바와 같이 광이 조사된 영역(A)이 광이 조사되지 않은 영역(B)보다 적은 영역을 차지하게 형성되고, 패턴크기 측정의 시그널이 도 4c의 그래프(E)처럼 측정된다.

따라서, 본 발명에 따른 오버레이 마크를 이용하여 오버레이를 측정하여 오버레이 측정 시그널을 검출하고, 오버레이 측정 시그널을 이용하여 오버레이 데이터를 산출할 수 있으며, 패턴크기 측정을 통해 검출된 패턴크기 측정 시그널을 이용하여 포토 레지스트 패턴의 정밀한 패턴형성 여부를 알 수 있다.

이와 같은 오버레이 측정과 패턴크기 측정을 통해 프로세스의 적정성 여부를 판단하되, 특히 패턴크기 측정 시그널을 이용하여 프로세스의 적정성을 판단할 수 있어서 도 4c에 도시된 바와 같은 패턴크기 측정 시그널의 그래프에서 표준 상태의 패턴크기 측정 그래프(G)를 기준으로 패턴크기 측정 시그널의 피크치(Peak Value)를 비교하여 프로세스의 적정성 여부를 판단할 수 있다.

[표 1]

피크치 이동량	패턴크기 변화량 (㎛)
0.1 ㎛	0.05
0.08 ㎛	0.04
0.06 ㎛	0.03
0.04 ㎛	0.02
0.02 ㎛	0.01
0	0
-0.02 ㎛	-0.01
-0.04 ㎛	-0.02
-0.06 ㎛	-0.03
-0.08 ㎛	-0.04
-0.1 ㎛	-0.05

따라서, 본 발명에 따른 오버레이 마크를 이용하여 오버레이 측정과 패턴크기 측정의 결과를 이용하여 오버레이 측정값과 패턴크기 측정값이 적정범위에 있는지를 모니터링하고 프로세스의 적정성 여부를 판단한다(S203).

예를 들어, 표 1에 기재된 바와 같이 표준 상태의 패턴크기 측정 그래프(G)와 패턴크기 측정 시그널의 피크치를 비교하여, 표준 상태의 그래프(G)의 피크치에 대해 패턴크기 측정 시그널의 피크치가 어느 정도로 이동했는지를 나타내는 "피크치 이동량"에 대응하는 패턴크기 변화량을 이용한다.

-0.03 ~ +0.03의 패턴크기 변화량 범위를 프로세스의 적정성을 판단하는 적정범위로 참고하는 경우, 이 적정범위를 벗어나는 결과가 측정되면 패턴형성이 불량한 것으로 판단하여 에러표시를 나타낸다(S205).

-0.03 ~ 0.03의 패턴크기 변화량 범위에서 "+" 부호는 표준 상태의 그래프(G)의 피크치에 대해 위쪽으로 패턴크기 측정 시그널의 피크치가 위치한다는 표시로서 오버 프로세스가 이루어졌음을 의미하고, "-" 부호는 표준 상태의 그래프(G)의 피크치에 대해 아래쪽으로 패턴크기 측정 시그널의 피크치가 위치한다는 표시로서 언더 프로세스가 이루어졌음을 의미한다.

반면에, 패턴크기 변화량이 -0.03 ~ 0.03의 적정범위 내에 있는 것으로 측정되면 패턴형성이 양호한 것으로 판단하여 적정표시를 나타내고, 이후의 공정으로 반도체 기판을 이송할 수 있다(S204).

따라서, 종래에 오버레이 측정과 패턴크기 측정을 별도로 수행할 필요가 없이, 본 발명에 따른 오버레이 마크를 이용하여 측정된 시그널의 피크치를 이용하여 오버레이 측정과 패턴크기 측정의 목적인 포토 공정의 프로세스 적정성을 판단하여 생산성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.

또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명은 본 발명은 오버레이 마크를 이용하여 패턴크기 모니터링을 겸하여 사용할 수 있게 하여 오버레이 측정과 동시에 패턴크기 측정도 모니터링하여 포토 공정의 프로세스 적정성을 판단하는 프로세스 시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있다.

Claims (9)

1. 외측 방향으로 다수 구비된 서브 레이어 오버레이 마크(sub layer overlay mark)(100) 및 내측으로 상기 서브 레이어 오버레이 마크(100)에 대응하는 다수의 현 레이어 오버레이 마크(200)를 포함하는 오버레이 마크로서,

   상기 서브 레이어 오버레이 마크(100)와 상기 현 레이어 오버레이 마크(200)는 포토 레지스트 재질로 형성되고,

   상기 현 레이어 오버레이 마크(200)는 폭을 절반으로 나누어 일측 방향의 절반 영역은 포토리소그래피 공정에 의해 광이 조사(照射)된 영역(A)과 광이 조사되지 않은 영역(B)이 각각 반복적으로 형성되어 체크무늬 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 패턴크기(CD: Critical Dimension) 모니터링을 동시에 수행하기 위한 오버레이 마크.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 서브 레이어 오버레이 마크(100)와 현 레이어 오버레이 마크(200)는 프레임 인 박스(Frame in Box)형 또는 프레임 인 프레임(Frame in Frame)형 중에서 선택된 어느 한 형태로 이루어질 수 있는 것을 특징으로 하는 패턴크기 모니터링을 동시에 수행하기 위한 오버레이 마크.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 현 레이어 오버레이 마크(200)는 상기 서브 레이어 오버레이 마크(100)보다 길이가 작은 바의 형태로 반도체 기판의 상부면 또는 절연층의 상측면에 내측 방향으로 4개가 포토 레지스트 재질로 형성되어 구비될 수 있는 것을 특징으로 하는 패턴크기 모니터링을 동시에 수행하기 위한 오버레이 마크.
4. 반도체 기판에 대해 본 발명에 따른 오버레이 마크를 구비하는 단계;

   상기 오버레이 마크를 이용하여 오버레이와 패턴크기를 동시에 측정하는 단계;

   상기 오버레이 측정값과 패턴크기 측정값이 적정범위에 있는지를 모니터링하고 프로세스의 적정성 여부를 판단하는 단계; 및

   상기 적정범위 내에 있는 것으로 측정되면, 패턴형성이 양호한 것으로 판단하여 적정표시를 나타내는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 오버레이 마크 이용방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 오버레이 마크는 외측 방향으로 다수 구비된 서브 레이어 오버레이 마크 및 내측으로 서브 레이어 오버레이 마크에 대응하는 다수의 현 레이어 오버레이 마크를 포함하고,

   상기 현 레이어 오버레이 마크는 폭을 절반으로 나누어 일측 방향의 절반 영역은 포토리소그래피 공정에 의해 광이 조사된 영역과 광이 조사되지 않은 영역이 각각 반복적으로 형성되어 체크무늬 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 오버레이 마크 이용방법.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 오버레이와 패턴크기를 동시에 측정하는 단계는

   상기 오버레이 마크를 이용하여 측정된 측정 시그널의 피크치를 측정하는 단계인 것을 특징으로 하는 오버레이 마크 이용방법.
7. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 프로세스의 적정성 여부를 판단하는 단계는

   상기 오버레이 마크를 이용하여 측정된 측정 시그널의 피크치를 이용하여 소정의 표준 그래프 피크치에 대한 상기 측정 시그널의 피크치 이동량을 계산하는 단계; 및

   상기 측정 시그널의 피크치 이동량에 대응하는 패턴크기 변화량을 계산하여 상기 패턴크기 변화량이 상기 적정범위에 내재하는지 여부를 판단하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 오버레이 마크 이용방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 적정범위에서

   "+" 부호는 오버 프로세스(Over Process)가 이루어졌음을 표시하고, "-" 부호는 언더 프로세스(Under Process)가 이루어졌음을 표시하는 것을 특징으로 하는 오버레이 마크 이용방법.
9. 제 2항에 있어서,

   상기 서브 레이어 오버레이 마크(100)는 포토 레지스트 재질로 형성된 바의 형태로 반도체 기판의 하부면 또는 절연층의 하측면에 외측 방향으로 4개가 형성되어 구비될 수 있는 것을 특징으로 하는 패턴크기 모니터링을 동시에 수행하기 위한 오버레이 마크.

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