KR100872984B1 - 반도체 소자의 미세 패턴 임계치수 측정방법 및 측정용 sem - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 SEM을 통해 한번의 스캐닝으로 미세 패턴의 상,하부CD 및 상,하부CD비율을 측정할 수 있도록 된 반도체 소자의 미세 패턴 임계치수 측정방법을 제공함에 있다.

이에 본 발명은 SEM 장비를 이용한 반도체 소자의 미세 패턴 CD 측정방법에 있어서, 스캐닝되어 얻어지는 1차수평선상에서 일정 기울기를 갖는 곡선이 나타나는 지점의 값과, 상기 기울기를 갖는 곡선과 연결되는 2차수평선이 나타나는 지점의 값, 상기 2차수평선이 끝나는 지점의 값, 상기 2차수평선과 연결되어 나타나는 일정 기울기를 갖는 곡선과 연결되는 1차수평선이 나타나는 지점의 값을 구하는 단계와; 상기 각 지점의 값에 기초하여 1차수평선이 나타나는 지점의 값에 의한 하부CD와 2차수평선이 나타는 지점의 값에 의한 상부CD 값을 구하는 단계; 상기 측정값에 기초하여 각 값과 기울기와의 관계식에 의해 상,하부CD비율을 구하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 미세 패턴 임계치수 측정방법을 제공한다.

상부CD, 하부CD, 상,하부CD비율, SEM

Description

반도체 소자의 미세 패턴 임계치수 측정방법 및 측정용 SEM{Method and SEM for measuring CD of circuit}

도 1은 SEM에 의해 측정되어 영상으로 구현된 미세패턴의 이미지를 도시한 도면,

도 2a는 일반적인 미세패턴의 프로파일을 도시한 도면,

도 2b는 도 1a의 미세 패턴에 대응되는 SEM 파형을 나타낸 도면이다.

본 발명은 반도체 소자의 미세패턴의 임계치수(Critical Dimension; 이하 CD 라 칭함) 측정방법에 관한 것으로, 특히 패턴의 CD를 측정하는 측정장비인 샘(SEM; Scanning Electron Microscope)에 있어서, 패턴의 상,하부CD를 동시에 측정하여 CD비율을 측정함으로써 반도체 소자의 제조 공정 수율을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 미세패턴 CD 측정방법에 관한 것이다.

초대규모 집적회로(ULSI;ultra large scale integrated circuit)와 관련된 고밀도 및 성능에 대해서는 현재, 서브미크론 단위의 미세구조물, 증대된 트랜지스터및 회로 속도, 및 향상된 신뢰도를 필요로 하고 있다. 그러한 요구에 부응하기 위해서는 고정밀도 및 균일도를 갖는 반도체 미세구조물을 필요로 하며, 이는 결국 반도체 소자들을 반도체 웨이퍼상에서 제조하는 동안의 반도체 소자들에 대한 빈번하고 상세한 검사를 포함하는 세심한 공정감시를 필요로 한다.

세심한 검사를 요하는 하나의 중요한 공정은 회로 패턴을 반도체 웨이퍼로 전사하는데 마스크가 사용되는 사진평판 공정이다. 통상적으로, 미리결정된 연속 공정에 일련의 마스크들이 사용된다. 각각의 사진평판 마스크들은 웨이퍼상에 집적될 회로 성분에 대응하는 복잡한 패턴을 포함한다. 일련의 마스크 내에 있는 각각의 마스크들은 실리콘 웨이퍼상에 형성된 폴리실리콘 층 또는 금속층과 같은 층위에 미리 피복되어 있는 감광층(즉, 포토레지스트 층)상에 대응 패턴을 전사시키는데 사용된다. 마스크 패턴을 포토레지스트 층에 전사시키는 것은 통상적으로, 포토레지스트의 노출을 위해 광 또는 다른 방사선이 마스크를 투과할 수 있게 하는 스캐너 또는 스텝퍼와 같은 광 노출기구에 의해 수행된다. 그 후에, 포토레지스트는 포토레지스트 마스크를 형성하도록 현상되며, 라인 또는 게이트와 같은 미세구조물을 형성하도록 하부의 폴리실리콘 또는 금속 층이 상기 마스크에 따라 선택적으로 에칭된다.

마스크의 제조는 가공 및 설계 한계에 따라 설정된 미리 결정된 설계기준을 따른다. 이러한 설계 기준들은 반도체 소자와 상호 연결된 라인 사이의 공간적 한계 및 라인 자체의 폭을 규정함으로써, 반도체 소자 또는 라인들이 바람직하지 않게 중복되거나 상호작용하는 것을 방지할 수 있게 한다. 이러한 설계기준 상의 제약을 임계치수("CD")라 지칭하며, 이는 반도체 소자들의 제조에 허용된 두 개의 라 인들 사이의 최소 공간 또는 최소 회로선폭으로 정의된다. 초대규모 집적회로에의 적용을 위한 CD는 미크론 단위 정도이다.

설계 기준의 미세화 및 프로세스 윈도우(즉, 공정상의 에러 마진)의 소형화에 따라, 표면 미세구조물의 CD 및 횡단면 형상에 대한 검사와 측정의 중요성이 증대되었다. 미세구조물의 CD 및 프로파일에 대한 설계 치수로부터 편차는 최종 반도체 장치의 성능에 악영향을 끼친다. 또한, 미세구조물의 CD 및 프로파일의 측정으로 과노출로 인한 포토레지스트의 손실 또는 스텝퍼의 초점 이탈과 같은 공정상의 문제점을 파악할 수 있다.

이와 같이, CD 및 프로파일의 수치와 설계치수로부터 미세구조물 CD의 편차는 포토레지스트 및 에칭 공정의 정확도와 안정성에 대한 중요한 지표이며, 그러한 편차를 감소시키기 위한 "CD 제어"는 반도체 처리공정에 있어서 중요한 부분이다.

현재의 CD가 초미세화됨으로 인해, 사진평판 공정에 의해 생성되는 표면 미세구조물의 측정 및 검사를 위해 선택되는 기구는 "CD 주사식 전자 현미경"(CD-SEM; 이하 SEM으로 칭한다)으로 공지된 주사식 전자 현미경으로, SEM은 패턴의 이미지를 육안으로 볼 수 있게 구현해준다.

이러한 SEM에 의한 소자 패턴 CD 측정방법은 다음과 같다.

즉 반도체 하부 구조물의 상부에 소정 구조의 패턴을 형성하기 위한 포토레지스트 패턴을 형성한 후, SEM 장비내에서 전자를 주사하여 상기 형성된 패턴의 CD를 측정한다.

이때 상기 SEM 내에서 패턴의 CD를 측정하게 되는 원리는, 우선 SEM에서 전자를 패턴을 향해 주사시키고, 상기 주사된 전자는 다시 패턴 표면으로부터 되튀어 나오게 되는 데, 상기 되튀어 나오는 2차 전자(secondary electron; 이하, SE라 칭한다)에 의해 상이 형성되는 것으로 측정한다.

그러나 SEM에 의한 종래 측정 방법은 한번의 스캐닝을 통하여 패턴의 상부CD와 하부CD를 모두 측정할 수 없으므로 패턴의 경사도 관리가 중요한 경우 작업자가 수치적으로 판단해야하므로 작업이 힘들었다.

예컨데, 포토리소그라피공정에서 웨이퍼 상에 도포된 포토레지스트는 패턴화되면서 빛을 받은 포토레지스트가 변하게 되고 이를 SEM을 통해 측정하여 그 파형을 이미지화하면 도 1에 도시된 바와 같은 영상을 얻게 된다.

이를 통해 포토레지스트 패턴의 하부 CD가 측정되어 질수도 있고, 측정방법 중 상부CD를 측정하는 변수로 변경하게 되면 포토레지스트 패턴의 상단부분인 도 1 중앙의 검게 보이는 상부CD만을 측정할 수도 있다.

여기서 포토레지스트 패턴에서 중요한 것은 패턴의 슬로프 즉 경사도관리이기 때문에 작업자 입장에서는 상부CD와 하부CD를 측정하고 원하는 적정한 상,하부CD비율을 정하여 포토리소그라피 공정을 진행하게 된다.

그런데, 종래에는 이미 언급한 바와 같이 상부CD와 하부CD를 동시에 계측할 수 없기 때문에 작업자는 상,하부CD를 하나하나씩 계측하고 이를 수치적으로 계산하여야만 상,하부CD비율을 판단할 수 있게 된다.

이에 본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, SEM을 통해 한번의 스캐닝으로 미세 패턴의 상,하부CD 및 상,하부CD비율을 측정할 수 있도록 된 반도체 소자의 미세 패턴 임계치수 측정방법을 제공함에 그 목적이있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, SEM 장비를 이용한 반도체 소자의 미세 패턴 CD 측정방법에 있어서, 상기 SEM에 의해 측정된 파형 중 패턴의 상부CD 시작점과 패턴의 하부CD 시작점을 측정하여 이들 시작점간의 기울기를 계산하여 상,하부CD비율을 동시에 측정할 수 있도록 한다.

이를 위해 상기 SEM은 측정되어 나타난 파형에서 상부CD 시작점과 하부CD 시작점을 구하여 이를 상부CD와 하부CD로 환산하고 각 CD를 통해 패턴의 슬로프 기울기를 계산할 수 있게 된다.

상,하부CD간의 기울기 측정은 첫째, 스캐닝되어 얻어지는 1차수평선상에서 일정 기울기를 갖는 곡선이 나타나는 지점의 값과, 상기 기울기를 갖는 곡선과 연결되는 2차수평선이 나타나는 지점의 값, 상기 2차수평선이 끝나는 지점의 값, 상기 2차수평선과 연결되어 나타나는 일정 기울기를 갖는 곡선과 연결되는 1차수평선이 나타나는 지점의 값을 구하고, 둘째 상기 각 지점의 값에 기초하여 1차수평선이 나타나는 지점의 값에 의한 하부CD와 2차수평선이 나타는 지점의 값에 의한 상부CD 값을 구하고, 셋째 상기 측정값에 기초하여 각 값과 기울기와의 관계식에 의해 상,하부CD비율을 구함으로써 달성된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한 다.

도 2a는 기판상에 형성된 포토레지스트 프로파일을 나타낸다. 포토레지스트(10)의 형상은 예시적인 목적을 위해 평탄면(11)과, 동일 각이며 대향된 경사각을 갖는 기울어진 벽(12)을 갖도록 하여 임의로 선택된다.

그리고 도 2b는 SEM에 의해 측정된 상기 포토레지스트의 파형을 나타낸다.

입사 전자 빔은 SEM(도시 안됨)에 의해 방출되며, SEM에서 전자 검출기에 충돌하는 포토레지스트(10)에 의해 방출된 SE의 수는 카운트된다. 빔은 빔에 대해 소정의 각으로 있는 포토레지스트(10) 표면의 일부분에 향하게 되고, 상기 각에 대한 SE값이 기록된다. 각과 SE 값은 하나의 데이터 점을 구성하게 되며 다수의 그러한 데이터 점은 공지된 방법에 의해 곡선으로 유도되어 도 2b와 같이 나타난다.

이와같이 도 2b에 나타난 SEM의 파형을 통해 본 발명은 1차 수평선(20)과 일정 기울기를 갖는 곡선(22)이 만나는 최초의 지점의 값(21;이하, 1차지점값이라 칭한다)을 얻을 수 있게 된다.

또한, 상기 일정 기울기를 갖는 곡선(22)과 이 곡선과 연결되면서 기울기를 갖지않는 2차 수평선(24)이 나타나는 데, 상기 곡선(22)과 2차수평선(24)이 만나는 최초의 지점의 값(23;이하, 2차지점값이라 칭한다)을 얻을 수 있게 된다.

마찬가지로, 2차수평선(24)의 끝단에서 일정기울기를 갖는 곡선(26)으로 넘어가는 지점의 값(25;이하, 3차지점값이라 칭한다)과, 이 곡선(26)의 끝단이 1차수평선(20)과 만나는 지점의 값(27;이하, 4차지점값이라 칭한다)을 구한다.

상기의 값들은 SEM에 내장되어 있는 계산식에 의해 계산되어 측정대상이 된 포토레지스트(10)의 상부CD값과 하부 CD값을 얻게 되는 데, 즉 1차지점값(21)과 4차지점(27)값 사이의 거리를 계산식에 의해 환산하여 포토레지스트(10)의 하부CD값을 얻게 되고 2차지점값(23)과 3차지점값(25) 사이의 거리가 바로 상부CD값이 된다.

한편, 상기 포토레지스트(10)의 기울기값은 상기 1차지점값(21)과 2차지점값(23)에 의해 계산될 수 있다.

이렇게 계산된 값에 의해 기준이 되는 포토레지스트(10) 프로파일을 선정하여 공정을 진행하는 기준 상,하부CD비율을 정할 수 있고, 이 기준에 따라 포토리소그라피공정에서 기준치에서 얼마만큼의 상부CD 손실이 발생하였는지를 용이하게 파악할 수 있게 되고, 이를 피드백하여 CD편차를 방지할 수 있게 된다.

즉, 검사 대상 포토레지스트(10)는 SEM에 의해 측정되어 이미지화되고, 생성된 파형은 데이터에 저장되어 있는 최상의 파형과 비교된다. 포토레지스트(10)의 파형이 기준이 되는 최상의 파형과 실질적으로 일치하지 않는다면, 자동 또는 수동식 공정 조절을 통해 이전 공정으로 피드백되어 포토레지스트 피복 및 소성(baking) 균일도, 스텝퍼 또는 스캐너 스테이지의 레벨링, 에칭 마이크로-로딩의 균일도과 같은 가공기구를 제어하게 되는 것이다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 반도체 소자의 미세 패턴 임계치수 측정방법에 의하면, SEM에 의한 한번의 스캐닝으로 검사 패턴의 하부CD는 물론 상부CD까지 측정할 수 있고, 더욱이 상,하부CD에 의한 기울기를 측정할 수 있게 되어 기울기 측정에 소요되는 시간과 노력을 줄일 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 패턴의 CD 측정이 용이하고 이를 피드백하여 에러원인을 즉각치유할 수 있게 되어 반도체 소자의 제조 공정 수율 및 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

1. SEM 장비를 이용한 반도체 소자의 미세 패턴 CD 측정방법에 있어서,

   기판상에 패턴을 형성하는 단계:

   상기 패턴에 전자 빔을 입사하여 SEM 측정을 하여, 1차 수평선과 일정 기울기를 갖는 곡선이 만나는 1차지점값과, 상기 일정 기울기를 갖는 곡선과 상기 곡선과 연결되면서 기울기를 갖지않는 2차 수평선이 만나는 2차지점값과, 상기 2차수평선의 끝단에서 일정 기울기를 갖는 다른 곡선으로 넘어가는 3차지점값과, 상기 다른 곡선의 끝단이 상기 1차수평선과 만나는 4차지점값을 구하여 상기 패턴의 SEM 파형을 구하여, 상기 1차지점값과 상기 4차지점값의 거리를 계산식에 의해 환산하여 하부CD값을 구하고 상기 2차지점값과 상기 3차지점값 사이의 거리를 계산식에 의해 환산하여 상부CD값을 구하는 단계;

   상기 1차지점값과 상기 2차지점값에 의해 상기 패턴의 기울기를 계산하고 상기 각 1차 내지 4차지점값과 상기 기울기와의 관계식에 의해 상기 패턴의 상,하부CD비율을 구하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 미세 패턴 임계치수 측정방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 패턴의 상,하부CD비율을 구하는 단계 이후에,

   상기 SEM 파형과, 상기 패턴에 대하여 노광 공정을 적용하지 않은 데이터에 저장되어 있는 파형과 비교하는 단계;

   상기 SEM 파형과 상기 패턴에 대하여 노광 공정을 적용하지 않은 데이터에 저장되어 있는 파형이 일치하지 않으면 자동 또는 수동식 공정 조절을 통해 이전 공정으로 피드백되어 가공기구를 제어하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 미세 패턴 임계치수 측정방법.
3. 삭제
4. 제 1 항 및 제 2 항 중 어느 한 항의 방법을 이용하여 한번의 스캐닝으로 상기 패턴의 상부CD값과 하부CD값과 상기 패턴의 기울기값 및 상, 하부 CD비율을 측정할 수 있는 계산식이 내장된 전자 검출기를 포함하는 반도체 소자의 미세 패턴 임계치수 측정용 SEM.

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