KR100772783B1 - 반도체 소자의 에러 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자의 에러 측정 방법에 관한 것으로서, 반도체 소자의 이중 노광 공정시 두 마스크 패턴 간의 중첩 정확도를 정확하고 빠르게 측정할 수 있도록 하는 기술을 개시한다. 이러한 본 발명은 이중 노광 공정에서 중첩 노광되며 인접하여 형성되는 두 마스크 패턴을 하나의 단위 패턴으로 간주하여 모델링하고, 두 마스크 패턴에 관한 선폭 차이를 동시에 측정하여 그 계산 값을 라이브러리에 저장하며, 단위 패턴에 빔을 조사하여 입사된 광원의 파장에 따라 반사된 빔의 편광 변이 신호를 측정하며, 라이브러리에 기저장된 계산 값과 편광 변이 신호를 비교하여 두 마스크 패턴의 중첩 에러를 측정하도록 한다.

Description

반도체 소자의 에러 측정 방법{Method for measuring error of semiconductor device}

도 1a 내지 도 1d는 종래기술의 이중 노광 공정에 따른 패턴 형상을 나타낸 도면.

도 2는 종래의 이중 노광 공정에서 중첩 에러를 설명하기 위한 패턴 형상을 나타낸 도면.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 반도체 소자의 에러 측정 방법을 설명하기 위한 도면.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 오버레이 측정 방법의 패턴 형상을 나타낸 도면.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 코마 수차 측정 방법의 패턴 형상을 나타낸 도면.

본 발명은 반도체 소자의 에러 측정 방법에 관한 것으로서, 반도체 소자의 리소그래피 공정의 해상도 한계를 확장하기 위한 이중 노광 공정에서 중첩 노광되 는 두 마스크 패턴 간의 중첩 정확도를 정확하고 빠르게 측정할 수 있도록 하는 기술이다.

일반적으로 고집적 반도체 소자는 다수개의 노광 마스크가 중첩 사용되는 복잡한 공정을 거치게 되며, 단계별로 사용되는 노광 마스크들 간의 정렬은 특정 형상의 마크를 기준으로 이루어진다.

이러한 마크들의 종류로는 다른 마스크들 간의 정렬(Layer to layer alignment)이나, 하나의 마스크에 대한 다이 간의 정렬에 사용되는 정렬 키(Alignment key) 혹은 정렬 마크와, 패턴 간의 중첩 정밀도인 오버레이(Overlay)를 측정하기 위한 중첩정밀도 측정 마크가 있다.

반도체 소자의 제조 공정에서 사용되는 스텝 앤 리피트(Step and repeat) 방식의 노광 장비인 스테퍼(Stepper)는 스테이지가 X-Y 방향으로 움직이며 반복적으로 이동 정렬하여 노광하는 장치이다. 이러한 스테이지는 정렬 마크를 기준으로 자동 또는 수동으로 웨이퍼의 정렬이 이루어진다. 그런데, 스테이지는 기계적으로 동작하므로 반복되는 공정의 수행시 정렬 오차가 발생하게 되고, 정렬 오차가 허용 범위를 초과하게 되면 소자에 불량이 발생하게 된다.

또한, 반도체 기판상에 형성된 각 층들 간의 정렬이 정확하게 이루어졌는지를 확인하는 중첩 정밀도 측정 마크 또는 오버레이 측정 마크도 정렬 마크와 동일한 방법으로 사용된다.

종래의 정렬마크 및 오버레이 측정 마크는 반도체 웨이퍼에서 칩이 형성되지 않는 부분인 스크라이브 라인(Scribe lane)상에 형성된다. 그리고, 정렬마크를 이 용한 오정렬 정도의 측정 방법으로는 버니어(Vernier) 정렬 마크를 이용한 시각 점검 방법과, 박스 인 박스(Box in Box)나 박스 인 바(Box in Bar) 정렬 마크를 이용한 자동 점검 방법이 있고, 이러한 방법들에 의해 오정렬 정도를 측정한 이후에 이를 보상한다.

한편, 마스크 공정의 해상 한계는 패턴의 반복적인 주기에 의해 결정된다. 따라서, 해상 한계를 극복하기 위해 작은 패턴을 형성하고자 할 경우 이용될 수 있는 방법이 이중 노광 및 식각 공정을 적용하는 방법이다. 그런데, 실제의 패턴이 각각 다른 마스크에 나누어져 있으므로 하나의 마스크는 실제보다 두 배의 반복주기를 갖게 되어 동일한 리소그래피 장비에서 해상이 가능하도록 한다.

도 1a 내지 도 1d는 종래의 이중 노광 공정에서 중첩 정확도에 따른 패턴의 형상을 비교한 도면이다.

도 1a에서와 같은 마스크 (A)와 도 1b에서와 같은 마스크 (B)를 이용하여 이중 노광 공정으로 패턴을 형성할 경우, 노광 및 식각 공정의 수행 이후에 도 1c에서와 같이 정 얼라인(Align)으로 패턴이 분할된 상태가 나타난다. 이때, (C)는 노광 및 식각 공정 이후에 패턴으로 남는 부분을 나타낸 것이고, (D)는 노광 및 식각 공정 이후에 제거되는 부분을 나타낸다.

이러한 이중 노광 공정에 의한 패터닝에 있어서 가장 어려운 문제가 두 마스크(A,B) 공정 간의 중첩 정확도를 제어하는 것이다. 즉, 마스크 간의 중첩 정확도를 면밀히 제어하지 못할 경우, 도 1d에서와 같이 이중 노광 공정의 수행 이후에 미스 얼라인(Mis-align) 상태가 나타나게 된다.

도 2는 이중 노광 공정에서 중첩 에러에 의한 인접한 패턴 간의 CD 차이를 나타낸 도면이다.

도 2에 나타난 바와 같이, 마스크 (B)에 대하여 마스크 (A)의 중첩 에러가 오른쪽 방향에 존재하면, 마스크 (A)에 의해 형성되는 스페이스 패턴의 왼쪽에 있는 라인(Line)은 굵어지게 되고 오른쪽에 있는 라인은 얇아지게 되는 것을 볼 수 있다. 따라서, 인접하는 두 라인의 CD 차이는 두 마스크 (A,B) 패턴의 중첩 에러의 두 배만큼 발생하게 된다. 즉, 인접하는 두 마스크 (A,B) 패턴의 선폭의 차이가 두 마스크 (A,B) 공정간의 중첩 정확도를 나타낼 수 있게 되는 것이다.

그런데, 오버레이 버니어를 이용하여 중첩 정밀도를 측정하는 경우에는 스크라이브 라인에 삽입하는 마크의 수가 제한되므로 중첩 정밀도를 정확히 측정하는 것이 불가능하며, 마크와 실제 패턴 간의 불일치가 존재할 가능성이 큰 문제점이 있다. 또한, CD SEM(Critical Dimension Scanning Electron Microscope)을 이용하여 미세 패턴의 중첩 정밀도를 측정하는 경우에는 측정 시간이 오래 걸리며, 측정 결과가 패턴의 로컬(Local) CD 변화에 영향을 받게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 반도체 소자의 리소그래피 공정의 해상 한계를 확장하기 위한 이중 노광 공정에서 중첩 노광되는 두 마스크 패턴 간의 중첩 에러의 측정시, 광학 CD 스캐터로미터를 이용하여 실제 패턴 내부에서 중첩 정확도를 정확하고 빠르게 측정할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 소자의 에러 측정 방법은, 이중 노광 공정에서 중첩 노광되며 인접하여 형성되는 두 마스크 패턴을 하나의 단위 패턴으로 간주하여 모델링하고, 두 마스크 패턴에 관한 선폭 차이를 동시에 측정하여 그 계산 값을 라이브러리에 기저장하는 제 1단계; 단위 패턴에 빔을 조사하여 입사된 광원의 파장에 따라 반사된 빔의 편광 변이 신호를 측정하는 제 2단계; 및 라이브러리에 기저장된 계산값과 편광 변이 신호를 비교하여 두 마스크 패턴의 중첩 에러를 측정하는 제 3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 인접하여 형성되는 두 마스크 패턴을 하나의 단위 패턴으로 간주하여 모델링하고, 두 마스크 패턴에 관한 선폭 차이를 동시에 측정하여 그 계산 값을 라이브러리에 기저장하는 제 1단계; 단위 패턴에 빔을 조사하여 입사된 광원의 파장에 따라 반사된 빔의 편광 변이 신호를 측정하는 제 2단계; 및 라이브러리에 기저장된 계산 값과 상기 편광 변이 신호를 비교하여 렌즈의 코마 수차를 측정하는 제 3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 반도체 소자의 에러 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다. 본 발명에서는 인접하는 두 패턴의 선폭 간의 차이를 측정하기 위한 방법으로 광학(Optical) 선폭 스캐터로미트리(Scatterometry)의 측정 원리를 이용한다.

즉, 본 발명은 도 3a에서와 같이 패턴반복주기(피치)를 갖고 격자형으로 형성된 패턴라인(10)에 빔(20)을 조사하여 반사된 빛의 강도를 측정하게 된다. 즉, 분광타원분석기(Spectroscopic ellipsometer)의 하드웨어를 이용하여 입사된 광원(UV 및 Visible Light)의 파장(Wavelength)에 따라 반사된 빔(20)의 편광 변이 신호(COS)를 측정하게 된다.

그리고, 도 3b의 그래프에서 보는 바와 같이, 편광 변이 신호의 측정 결과와, 모델링을 통해 계산한 시뮬레이션 결과를 비교하여, 선폭에 따른 계산 결과가 실제 패턴과 가장 유사한 경우를 선택하여 선폭을 예측하게 된다. 즉, 미리 계산해둔 다양한 선폭값이나 필름의 변화에 따른 신호의 계산결과를 나타내는 라이브러리(Library)에서 실제 패턴의 선폭과 가장 유사한 경우를 선택하여 계산에 이용된 선폭을 패턴의 선폭으로 측정하게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 오버레이 측정 방법의 패턴 형상을 나타낸 도면이다.

본 발명은 광학 선폭 스캐터로미트리 모델링 방법을 사용하여 이중 노광 공정의 중첩 정확도를 측정하도록 한다.

한번의 마스크 공정으로 이루어지는 패턴은 하나의 패턴이 계속 반복되도록 모델링한다. 하지만, 도 4에 나타난 바와 같이 본 발명의 이중 노광 공정에서는 인접한 두 패턴 라인(10)을 단위패턴(30)으로 간주하여 모델링 함으로써 인접한 패턴라인의 선폭 A,B을 동시에 측정할 수 있게 된다.

즉, 서로 상이한 선폭 A,B을 가지며 인접하는 두 패턴 라인(10)을 반복되는 단위패턴(30)으로 간주하여 모델링하고 이를 라이브러리 신호로 준비하게 된다. 이때, 하나의 단위 패턴(30)에 형성된 두 패턴 라인(10)은 선폭 A,B과, 패턴라인(10) 간의 간격, 높이 및 필름 등이 서로 다르게 모델링된다.

그리고, 빛의 편광 현상을 이용하는 분광타원분석기의 하드웨어에 의해 실제적으로 측정된 신호와 기설정된 라이브러리 신호를 비교하여 인접하는 패턴라인(10) 간의 선폭의 차이를 측정하게 된다. 이렇게 측정된 인접 패턴 라인(10) 간의 선폭의 차이는 두 마스크 간의 중첩 에러의 두 배로 나타나게 되어 결과적으로 그 절반값이 중첩 에러의 값이 된다.

한편, 이중 노광에 이용된 패턴이 복잡한 구조를 갖는 경우 실제 패턴 영역에서 중첩 정확도를 측정하지 않고, 스크라이브 라인에 측정용 라인 스페이스(Line space) 패턴을 배치하여 중첩 정확도를 측정하게 된다. 또한, 본 발명에서는 이중 노광 공정을 그 실시예로 설명하였지만 본 발명은 이에 한정되지 않고 노광과 식각을 두 번 이상의 횟수로 분할하여 진행하는 경우에도 적용이 가능하여 분할 횟수에 맞추어 모델링하는 단위 패턴을 설정할 수도 있다.

도 5는 본 발명에 따른 코마 수차 측정 방법의 패턴 형상을 나타낸 도면이다. 본 발명의 광학 선폭 스캐터로미트리 모델링 방법은 렌즈의 코마 수차(COMA aberration) 측정에 적용될 수도 있다.

렌즈에 코마 수차가 존재하는 경우 두 패턴 라인(40)이 다른 패턴 라인과 격리되어 떨어져 있다면 인접한 두 패턴 라인(40) 간의 선폭의 차이가 발생하게 된다. 하지만, 본 발명의 광학 선폭 스캐터로미트리 모델링 방법에서는 패턴이 반복되어야만 필요한 신호를 얻을 수 있게 된다.

따라서, 도 5에서와 같이 인접한 두 패턴 라인(40)을 한 쌍으로 하는 단위패턴(50)이 반복적으로 배치되도록 한다. 그리고, 단위패턴(50) 간의 사이가 일정 간격 이상으로 벌어지도록 하여 렌즈의 코마수차에 의해 두 패턴라인(40)의 선폭 사이에 차이가 발생하도록 한다.

여기서, 단위패턴(50) 간의 간격은 두 패턴라인(40) 사이의 간격 (C) 보다 2배 이상으로 크게 설정하여 렌즈의 코마수차에 민감하게 두 패턴라인(40)의 선폭 차이가 나타날 수 있도록 한다. 이에 따라, 광학 선폭 스캐터로미트리 모델링 방법을 이용하여 렌즈의 코마 수차를 측정할 수 있도록 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 이중 노광 공정에서 중첩 노광되는 두 마스크 패턴 간의 중첩 에러의 측정시, 광학 CD 스캐터로미터를 이용하여 실제 패턴 내부에서 중첩 정확도를 정확하고 빠르게 측정할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명은 렌즈의 코마 수차의 측정시, 광학 CD 스캐터로미터를 이용하여 실제 패턴 내부에서 코마 수차를 정확하고 빠르게 측정할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (11)

1. 이중 노광 공정에서 중첩 노광되며 인접하여 형성되는 두 마스크 패턴을 하나의 단위 패턴으로 간주하여 모델링하고, 상기 두 마스크 패턴에 관한 선폭 차이를 동시에 측정하여 그 계산 값을 라이브러리에 기저장하는 제 1단계;

   상기 단위 패턴에 빔을 조사하여 입사된 광원의 파장에 따라 반사된 빔의 편광 변이 신호를 측정하는 제 2단계; 및

   상기 라이브러리에 기저장된 상기 계산 값과 상기 편광 변이 신호를 비교하여 상기 두 마스크 패턴의 중첩 에러를 측정하는 제 3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 에러 측정 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1단계에서 상기 하나의 단위 패턴에 형성된 상기 두 마스크 패턴의 선폭은 서로 상이한 값으로 설정됨을 특징으로 하는 반도체 소자의 에러 측정 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 제 1단계에서 상기 하나의 단위 패턴은 일정한 간격을 가지고 반복적으로 형성되며, 상기 하나의 단위 패턴에 형성된 상기 두 마스크 패턴은 필름 및 높이가 서로 상이한 값으로 설정됨을 특징으로 하는 반도체 소자의 에러 측정 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 제 2단계는 분광타원분석기의 하드웨어를 이용하여 상기 편광 변이 신호를 측정함을 특징으로 하는 반도체 소자의 에러 측정 방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 제 2단계에서 상기 단위 패턴은 반도체 소자의 스크라이브 라인에 형성된 측정용 라인 스페이스 패턴임을 특징으로 하는 반도체 소자의 에러 측정 방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 제 3단계는 상기 두 마스크 패턴 간의 상기 선폭 차이의 절반값을 상기 중첩 에러로 측정함을 특징으로 하는 반도체 소자의 에러 측정 방법.
7. 인접하여 형성되는 두 마스크 패턴을 하나의 단위 패턴으로 간주하여 모델링하고, 상기 두 마스크 패턴에 관한 선폭 차이를 동시에 측정하여 그 계산 값을 라이브러리에 저장하는 제 1단계;

   상기 단위 패턴에 빔을 조사하여 입사된 광원의 파장에 따라 반사된 빔의 편광 변이 신호를 측정하는 제 2단계; 및

   상기 라이브러리에 기저장된 상기 계산 값과 상기 편광 변이 신호를 비교하여 렌즈의 코마 수차를 측정하는 제 3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 에러 측정 방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 하나의 단위 패턴은 일정 간격을 가지고 반복적으로 형성됨을 특징으로 하는 반도체 소자의 에러 측정 방법.
9. 제 8항에 있어서, 상기 단위 패턴 간의 간격은 상기 두 마스크 패턴 사이의 간격보다 2배 이상으로 크게 설정됨을 특징으로 하는 반도체 소자의 에러 측정 방법.
10. 제 7항에 있어서, 상기 제 1단계에서 상기 하나의 단위 패턴에 형성된 상기 두 마스크 패턴의 선폭, 필름, 높이는 서로 상이한 값으로 설정됨을 특징으로 하는 반도체 소자의 에러 측정 방법.
11. 제 7항에 있어서, 상기 제 2단계는 분광타원분석기의 하드웨어를 이용하여 상기 편광 변이 신호를 측정함을 특징으로 하는 반도체 소자의 에러 측정 방법.

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