KR100835482B1 - 원자힘 현미경을 이용한 반도체 소자의 토폴로지 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자힘 현미경에 사용되는 레이저를 이용하여 반도체 소자의 정렬키를 인식하도록 함으로써 반도체 소자 패턴의 토폴로지를 측정함에 있어서 반복적인 작업을 간단히 수행할 수 있게 하는 원자힘 현미경을 이용한 반도체 소자의 토폴로지 측정 방법에 관한 것이다. 이를 실현하기 위한 본 발명은, 원자힘 현미경의 레이저 장치에서 발사된 레이저 광선을 웨이퍼의 정렬키에 조사하고 반사되는 광선을 감지하여 상기 정렬키의 위치를 측정하고, 상기 정렬키로부터 측정 대상 패턴까지의 위치를 측정하여 패턴 인식 작업 화일로 생성하는 단계; 상기 패턴 인식 작업 화일에 따라 상기 원자힘 현미경을 동일한 위치의 패턴으로 이동시키는 단계; 상기 원자힘 현미경의 캔티레버 끝단의 팁을 패턴 표면에 근접시키면서, 상기 레이저 광선을 상기 캔티레버의 상면에 조사하고 반사되는 레이저 광선의 각도를 포토 다이오드로 측정하는 단계;및 상기 측정 각도에 대응하는 토폴로지를 디스플레이 장치에 나타내는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 원자힘 현미경을 이용하여 동일한 패턴의 토폴로지를 반복적으로 측정할 때 패턴의 위치를 자동적으로 찾아가게 되므로 반복된 측정을 간단히 수행할 수 있는 장점이 있다.

원자힘 현미경, AFM, 패턴인식방법, 캔티레버, 포토 다이오드, 스캐너

Description

원자힘 현미경을 이용한 반도체 소자의 토폴로지 측정 방법{Semiconductor device topology measuring method using atomic force microscope}

도 1은 원자힘 현미경의 작동 원리를 설명하기 위한 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 패턴 인식 기능에 사용되는 정렬키가 형성된 웨이퍼의 평면도,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 원자힘 현미경을 이용한 반도체 소자의 토폴로지 측정 방법의 흐름도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 원자힘 현미경 11 : 캔티레버

12 : 팁 13 : 패턴

14 : 레이저 장치 15 : 입사 레이저 광선

16 : 반사 레이저 광선 17 : 포토 다이오드

18 : 스캐너 19 : 스캔 제어 장치

20 : 디스플레이 장치 21 : 웨이퍼

22 : 반도체 칩 24 : 스크라이브 라인

26 : 정렬키

본 발명은 원자힘 현미경(AFM; Atomic Force Microscope)의 기능을 향상시키는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원자힘 현미경에 사용되는 레이저를 이용하여 반도체 소자의 정렬키(align key)를 인식하도록 함으로써 반도체 소자의 특정 패턴의 토폴로지(topology)를 측정함에 있어서 반복적인 작업을 간단히 수행할 수 있게 하는 원자힘 현미경을 이용한 반도체 소자의 토폴로지 측정 방법에 관한 것이다.

반도체 소자가 고집적화됨에 따라서 미세영역을 검사하는 방법이 더욱 중요해지고 있다. 그 결과 전자현미경보다 더 큰 배율과 분해능을 가지는 원자현미경의 사용이 늘어나고 있다.

원자현미경 중 처음으로 등장한 STM(scanning tunneling microscope)은 터널링(tunneling) 현상에 의해 탐침과 시료(반도체 패턴 등) 사이에 전류가 흐르도록 해서 시료의 토폴로지(topology; 위상, 웨이퍼 표면의 높고 낮은 층의 상태)를 보여주는 것인데, 만일 시료가 부도체여서 전류가 흐르지 않는 경우라면 사용하기가 곤란하였다.

이와 달리 원자힘 현미경은 전기적으로 부도체인 시료의 경우에도 사용이 가능하다.

도 1은 원자힘 현미경(10)의 작동 원리를 설명하기 위한 개략도를 나타낸다.

원자힘 현미경(10)에서는 마이크로 머시닝(micro machining)으로 제작된 캔티레버(cantilever, 11)라 불리는 작은 막대와 실리콘으로 식각하여 뾰족하게 만든 삼각뿔 모양의 팁(tip, 12)을 사용한다. 상기 캔티레버(11)는 길이 100 ㎛, 폭 10 ㎛, 두께 1 ㎛ 로 아주 작아서 미세한 힘에 의해서도 아래위로 쉽게 휘어지도록 만들어졌다. 또한 상기 팁(12)은 원자 몇 개 정도의 크기로 매우 첨예하다.

상기 팁(12)을 패턴(13)의 표면에 접근시키면, 팁(12) 끝부분의 원자와 패턴(13) 표면의 원자 사이에 끌어당기거나 밀치는 힘이 작용한다. 이 힘은 1 nN ~ 10 nN 으로 아주 작지만, 캔티레버(11)는 이러한 작은 힘에 의해서도 아래위로 휘어진다. 캔티레버(11)의 휘는 정도를 측정하기 위해 레이저 장치(14)로 입사 레이저 광선(15)을 캔티레버(11)의 상면에 비추고, 상기 캔티레버(11)의 상면에서 반사되어 나오는 반사 레이저 광선(16)의 각도를 포토 다이오드(17)로 측정한다.

상기 과정을 통하여 캔티레버(11)가 0.01 ㎛ 정도로 미세하게 움직이는 것까지 측정할 수 있고, 측정 결과를 피드백(feedback)하여 캔티레버(11)가 일정하게 휘도록 팁(12)과 패턴(13) 표면 사이의 거리를 조절하면 패턴의 토폴로지를 얻을 수 있다.

상기 팁(12)과 패턴(13) 표면 사이의 거리 조절은 스캐너(18)의 상하 좌우 위치 조절을 통해 이루어지며, 스캐너(18)의 위치 조절은 스캔 제어 장치(19)에 의해 제어된다. 상기 스캔 제어 장치(19)는 포토 다이오드(17)로부터 피드백 루프를 통해 전달된 신호를 기준으로 하여 스캐너(18)의 위치를 제어한다.

그러나 종래 원자힘 현미경을 이용한 반도체 소자의 토폴로지 측정에 있어서 는 반도체 소자의 정렬키 인식기능을 적용하고 있지 않다. 따라서 웨이퍼 표면에 형성되어 있는 패턴의 토폴로지를 측정함에 있어서, 측정하고자 하는 패턴의 위치를 찾아가 측정을 하게 되는데, 실험실에서의 일회적인 측정에서는 크게 문제될 것이 없지만, 반도체 라인과 같이 동일한 위치의 특정한 패턴의 토폴로지를 반복적으로 측정해야 하는 경우에 있어서는 측정할 때마다 서로 다른 웨이퍼들의 같은 위치를 매번 찾아가야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 원자힘 현미경을 이용하여 반도체 소자의 특정 패턴의 토폴로지를 반복적으로 측정함에 있어서 원자힘 현미경의 위치 이동 작업을 간단히 수행할 수 있게 하는 원자힘 현미경을 이용한 반도체 소자의 토폴로지 측정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 원자힘 현미경을 이용한 반도체 소자의 토폴로지 측정 방법은, 원자힘 현미경의 레이저 장치에서 발사된 레이저 광선을 최초 측정 대상 웨이퍼의 스크라이브 라인상에 형성되어 있는 정렬키에 조사하고 반사되는 레이저 광선을 감지하여 상기 정렬키의 위치를 측정하고, 상기 정렬키로부터 측정 대상 패턴까지의 위치를 측정하여 패턴 인식 작업 화일로 생성하는 단계; 상기 패턴 인식 작업 화일에 저장된 위치 데이터에 따라 상기 원자힘 현미경을 다음 측정 대상 웨이퍼의 동일한 위치의 패턴으로 이동시키는 단계; 상기 원자힘 현미경의 캔티레버 끝단의 팁을 패턴 표면에 근접시키면서, 상기 레이저 광선을 상기 캔티레버의 상면에 조사하는 단계; 상기 캔티레버의 상면에서 반사되는 레이저 광선의 각도를 포토 다이오드로 측정하는 단계;및 상기 포토 다이오드의 측정 각도에 대응하는 상기 패턴의 토폴로지를 디스플레이 장치에 나타내는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 포토 다이오드의 측정 각도를 스캔 제어 장치로 피드백하는 단계;및 상기 스캔 제어 장치로 피드백된 각도 중에서 상기 팁과 상기 패턴 표면간에 최단 거리가 되는 각도를 유지하도록 상기 스캔 제어 장치의 제어에 따라 스캐너가 상하 좌우 방향으로 이동하는 궤적을 상기 디스플레이 장치에 나타내는 단계;를 추가로 실시함을 특징으로 한다.

또한 상기 패턴 인식 작업 화일로 생성하는 단계는, 수평방향으로 선정된 직교하는 X축, Y축 방향으로 상기 정렬키 지점으로부터 상기 측정 대상 패턴까지의 위치를 인식하여 상기 X축, Y축 거리값을 데이터로 저장하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 패턴 인식 기능에 사용되는 정렬키가 형성된 웨이퍼의 평면도이다.

본 발명은 원자힘 현미경(10)에 패턴 인식 작업 화일 생성 기능을 도입하여 반복되는 패턴의 토폴로지 측정 작업을 간단히 수행하기 위한 구성이 제시된다. 웨 이퍼(21)상에 반도체 칩(22)이 형성될 부분을 구획하는 경계 부분인 스크라이브 라인(scribe line, 24)상에 형성되어 있는 정렬키(align key, 26)의 위치를 원자힘 현미경(10)의 레이저 장치(14)를 이용하여 측정한다. 그 후 정렬키(26)의 위치점을 기준으로 하여 웨이퍼(21) 상에 직교하는 X-Y 좌표를 설정하고, 상기 정렬키(26)로부터 측정 대상 패턴 위치인 'A' 지점까지의 거리값(X_A,Y_A)을 측정하여 패턴 인식 작업 화일을 생성하게 된다.

이하에서는 본 발명을 이용하여 반도체 소자의 패턴에 대한 토폴로지를 측정하는 방법에 대하여 단계에 따라 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 원자힘 현미경을 이용한 반도체 소자의 토폴로지 측정 방법의 흐름도이다.

측정 대상 반도체 패턴의 토폴로지를 측정하기 위해서는 원자힘 현미경을 측정하고자 하는 패턴의 위치로 이동시키기 위한 기준점이 필요하다. 이를 위해 패터닝된 웨이퍼의 한 샷(shot)의 반도체 칩 모서리 부분의 스크라이브 라인상에 형성되어 있는 정렬키를 이용한다.

상기 정렬키에 레이저 광선을 조사하여 반사되는 레이저 광선을 광이미지 센서가 감지하게 되고, 원자힘 현미경은 최초 위치점에서 정렬키 위치까지 이동하게 된다. 이후 상기 정렬키를 원점으로 하여 원자힘 현미경을 측정하고자 하는 패턴의 위치까지 이동시킨 후 X-Y 좌표의 위치를 측정한다(S 301).

상기 과정에서 얻어진 정렬키의 위치 및 상기 정렬키를 기준으로 하여 얻어진 측정 대상 패턴의 위치에 해당하는 X-Y 좌표값에 해당하는 패턴 인식 작업 화일(Job File)을 생성한다(S 302).

상기 (S 301)에서 (S 302)까지의 단계는 기준이 되는 패턴 인식 작업 화일을 생성하는 단계이며, 이하 단계는 반복적으로 반도체 소자 패턴의 토폴로지를 측정하는 경우에 상기 패턴 인식 작업 화일로 생성된 위치 데이터를 이용하여 다른 웨이퍼의 반도체 소자 패턴의 토폴로지를 측정하는 단계에 관한 것이다.

상기 패턴 인식 작업 화일의 위치 데이터에 해당하는 위치로 원자힘 현미경을 이동시키고(S 303), 캔티레버의 팁을 패턴의 표면에 근접시키면서 레이저 광선을 캔티레버의 상면에 조사한다(S 304). 이때 캔티레버의 상면에서 반사되는 레이저 광선의 각도를 포토 다이오드로 측정한다(S 305).

상기 (S 304)에서 (S 305) 단계는 측정하고자 하는 패턴의 갯수가 적은 경우에 각각의 패턴의 토폴로지를 측정하는 경우에 이용될 수 있다.

캔티레버의 팁과 패턴 표면간의 거리에 따라 원자간에 작용하는 인력과 척력이 달라지므로 이에 따라 캔티레버의 휘어지는 각도를 이용함으로써 측정 대상 패턴의 높낮이 정도를 파악할 수 있는 것이다.

포토 다이오드의 측정 각도에 대응하는 패턴의 토폴로지를 디스플레이 장치에 표시하고(S 306), 상기 포토 다이오드의 측정 각도를 스캔 제어 장치로 피드백한다(S 307). 상기 피드백 과정을 통하여 포토 다이오드의 측정 각도와 패턴의 토폴로지의 상관 관계를 분석할 수 있게 되며, 역으로 캔티레버의 팁과 측정 패턴간 의 간격을 일정하게 유지하도록 캔티레버의 기울기를 결정한다.

스캔 제어 장치는 상기 상관 관계를 분석하여 캔티레버의 팁과 측정 패턴간의 간격이 일정하게 유지되는 상태에서 스캐너가 상하 좌우로 이동하도록 제어한다. 즉, 상기 스캔 제어 장치로 피드백된 각도 중에서 상기 팁과 상기 패턴 표면간에 최단 거리가 되는 각도를 유지하도록 상기 스캔 제어 장치의 제어에 따라 스캐너가 상하 좌우 방향으로 이동하는 궤적을 상기 디스플레이 장치에 나타낸다(S 308). 이때 팁과 패턴 표면간 최단 거리는 상호 작용하는 인력과 척력이 평형 상태를 유지하게 되는 지점에서의 거리로 선정한다.

상기 (S 307)에서 (S 308)까지의 단계를 통하여 측정하고자 하는 반도체 소자의 패턴이 다수개인 경우에 스캐너가 스캔 제어 장치의 제어하에 자동으로 패턴간을 이동함으로써 패턴의 토폴로지를 연속적으로 측정할 수 있게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 원자힘 현미경을 이용한 반도체 소자의 토폴로지 측정 방법에 의하면, 원자힘 현미경을 이용하여 동일한 패턴의 토폴로지를 반복적으로 측정할 때 정렬키를 인식하여 측정하고자 하는 패턴의 위치를 자동적으로 찾아가게 되므로 반복된 측정을 간단히 수행할 수 있는 장점이 있다.

또한 반복 측정을 자동으로 수행함으로써 원자힘 현미경을 생산 측정 장비로도 사용할 수 있는 장점이 있다.

Claims (3)

1. 원자힘 현미경(AFM)을 이용하여 동일한 위치에 있는 반도체 소자 패턴의 토폴로지를 반복적으로 측정하는 방법에 있어서,

   원자힘 현미경의 레이저 장치에서 발사된 레이저 광선을 최초 측정 대상 웨이퍼의 스크라이브 라인상에 형성되어 있는 정렬키에 조사하고 반사되는 레이저 광선을 감지하여 상기 정렬키의 위치를 측정하고, 상기 정렬키로부터 측정 대상 패턴까지의 위치를 측정하여 패턴 인식 작업 화일로 생성하는 단계;

   상기 패턴 인식 작업 화일에 저장된 위치 데이터에 따라 상기 원자힘 현미경을 다음 측정 대상 웨이퍼의 동일한 위치의 패턴으로 이동시키는 단계;

   상기 원자힘 현미경의 캔티레버 끝단의 팁을 패턴 표면에 근접시키면서, 상기 레이저 광선을 상기 캔티레버의 상면에 조사하는 단계;

   상기 캔티레버의 상면에서 반사되는 레이저 광선의 각도를 포토 다이오드로 측정하는 단계;및

   상기 포토 다이오드의 측정 각도에 대응하는 상기 패턴의 토폴로지를 디스플레이 장치에 나타내는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자힘 현미경을 이용한 반도체 소자의 토폴로지 측정 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 포토 다이오드의 측정 각도를 스캔 제어 장치로 피 드백하는 단계;및 상기 스캔 제어 장치로 피드백된 각도 중에서 상기 팁과 상기 패턴 표면간에 최단 거리가 되는 각도를 유지하도록 상기 스캔 제어 장치의 제어에 따라 스캐너가 상하 좌우 방향으로 이동하는 궤적을 상기 디스플레이 장치에 나타내는 단계를 추가로 실시함을 특징으로 하는 원자힘 현미경을 이용한 반도체 소자의 토폴로지 측정 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 패턴 인식 작업 화일로 생성하는 단계는, 수평방향으로 선정된 직교하는 X축, Y축 방향으로 상기 정렬키 지점으로부터 상기 측정 대상 패턴까지의 위치를 인식하여 상기 X축, Y축 거리값을 데이터로 저장하는 것을 특징으로 하는 원자힘 현미경을 이용한 반도체 소자의 토폴로지 측정 방법.

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