KR102019538B1 - 웨이퍼 좌표계와 직교하지 않는 방향을 따라서 형성된 패턴 층용 오버레이 마크 및 이를 이용한 오버레이 측정방법 및 반도체 디바이스 제조방법 - Google Patents

웨이퍼 좌표계와 직교하지 않는 방향을 따라서 형성된 패턴 층용 오버레이 마크 및 이를 이용한 오버레이 측정방법 및 반도체 디바이스 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오버레이 마크 및 이를 이용한 오버레이 계측방법 및 반도체 디바이스 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 소스 마스크 최적화 기술을 통해서 최적화된 광원을 이용하여, 웨이퍼 좌표계와 직교하지 않는 방향을 따라서 형성된 패턴 층과 다른 층 사이의 오버레이 측정에 사용되는 오버레이 마크 및 이를 이용한 오버레이 측정방법 및 반도체 디바이스 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 X축 및 Y축 방향의 오버레이 측정에 사용되는 오버레이 마크이며, X축 및 Y축과 나란하지 않은 A 방향을 따라서 형성된 반도체 디바이스 구조물을 형성하기에 최적화된 소스 광원에 의해서 형성된 반도체 디바이스 층의 오버레이 측정에 사용되는 오버레이 마크로서, 상기 반도체 디바이스 층에 형성되며, 상기 A 방향과 나란한 방향으로 길게 형성된 한 쌍의 제1 바와 상기 제1 바와 직교하는 한 쌍의 제2 바를 포함하는 제1 오버레이 구조물을 포함하는 오버레이 마크를 제공한다. 본 발명에 따른 오버레이 마크는 반도체 디바이스 영역의 패턴 형성에 최적화된 광원을 사용하여 형성하여도 에지 부분이 선명하다는 장점이 있다. 따라서 별도의 복잡한 보정 과정을 거칠 필요없이 종래의 오버레이 측정용 광학시스템을 이용하여 오버레이를 정확하게 측정할 수 있다.

Description

웨이퍼 좌표계와 직교하지 않는 방향을 따라서 형성된 패턴 층용 오버레이 마크 및 이를 이용한 오버레이 측정방법 및 반도체 디바이스 제조방법{Overlay mark, overlay measurement method and semiconductor device manufacturing method using the overlay mark}
본 발명은 오버레이 마크 및 이를 이용한 오버레이 계측방법 및 반도체 디바이스 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 소스 마스크 최적화 기술(Source mask optimization, SMO)을 통해서 최적화된 광원을 이용하여, 웨이퍼 좌표계와 직교하지 않는 방향을 따라서 형성된 패턴 층과 다른 층 사이의 오버레이 측정에 사용되는 오버레이 마크 및 이를 이용한 오버레이 측정방법 및 반도체 디바이스 제조방법에 관한 것이다.
현재 반도체 공정에서는 광학적인 해상도보다 높은 수준의 해상도의 패턴을 형성하기 위해서 소스 마스크 최적화 기술(Source mask optimization, SMO)이 사용되고 있다. 소스 마스크 최적화 기술은 해당 패턴에 최적화된 마스크 레이아웃과 소스 광원을 이용하여 조명 에러, 회절, 프로세싱 아티팩트 등에 의한 패턴의 부정확도를 감소시키는 기술이다.
이러한 소스 마스크 최적화 기술이 웨이퍼의 X-Y 직교 좌표계와 직교하지 않는 방향을 따라서 형성된 패턴의 형성에 적용되면, 소스 광원이 특별한 방향성을 가질 수 있다.
예를 들어, 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이, DRAM의 셀의 비트 라인(bit line)과 워드 라인(word line)이 서로 직교하도록 형성되었다. 그러나 도 2에 도시된 바와 같이, 최근에는 집적도를 높이기 위해서, DRAM의 셀의 비트 라인(bit line)과 워드 라인(word line)이 서로 직교하지 않도록 형성한다. 이런 경우에는 웨이퍼의 X-Y 직교 좌표계와 직교하지 않는 비트 라인 구조물이 형성된 층을 형성할 필요가 있다.
이런 층을 형성하기에 최적화된 소스 광원과 최적화된 마스크를 이용하여 패턴을 형성하면, 정확도가 향상된 패턴이 형성된다.
그런데 이러한 소스 마스크 최적화 기술은 웨이퍼의 다이 영역에 형성되는 반도체 디바이스 제작의 최적화를 위한 것으로서, 오버레이 패턴의 형성에는 최적화된 기술이 아니라는 점에서 문제가 있다.
다이 영역 사이의 스크라이브 영역에 형성되는 오버레이 마크는 패턴 층들이 정확하게 정렬되었는지를 확인하기 위해서 형성된다. 오버레이 패턴은 다이 영역에 형성되는 패턴에 비해서 훨씬 스케일 크며, 오버레이 측정장치는 굴절 광학계를 이용하여 오버레이 마크의 광학이미지를 획득하여, 웨이퍼의 X-Y 직교 좌표계에서의 인접한 층 간의 오버레이를 측정한다. 따라서 소스 마스크 최적화 기술은 오버레이 패턴의 형성 및 오버레이의 정확한 측정에는 오히려 방해가 될 수 있다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 박스 인 박스(BIB, box in box) 오버레이 마크를 이용한다면 경사진 비트 라인의 형성에 최적화된 광원의 사용은 형성된 오버레이 마크의 에지 부분을 불명확하게 만든다. 도 3에서 안쪽 박스는 경사진 반도체 디바이스와 동시에 형성된 오버레이 구조물이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 바깥쪽 박스의 바는 X축 방향으로 연장된 대체로 직사각형 형태의 복수의 세그먼트가 Y축 방향으로 일정한 간격으로 배치되어 전체적으로 바를 이루는 것이며, 안쪽 박스는 X축과 경사진 방향으로 연장된 직사각형 형태의 세크먼트가 Y축 방향을 따라서 배치되어 전체적으로 바를 이루는 것이다. 바깥쪽 바는 바의 에지 부분이 세크먼트의 에지와 나란하므로, 바의 에지가 명확하지만, 안쪽 바는 바의 에지와 세크먼트의 에지가 나란하지 않기 때문에 바의 에지가 불명확하다.
이러한 에지가 불명확한 오버레이 마크를 이용하여 오버레이 값을 정확하게 측정하기 위해서는 빛의 파장과 설계 패턴 상의 차이를 보상해주는 광학 근접 보정(Optical Proximity Correction, OPC) 과정과 같은 별도의 보정 과정을 거쳐야 한다는 문제가 있다. 또한, 이러한 보정을 거치더라도 정확도가 떨어질 수 있다는 문제가 있다.
등록특허 제10-1564312호
본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 경사진 비트 라인과 같은 반도체 디바이스 영역의 패턴 형성에 최적화된 광원 사용시에 별도의 보정 과정을 거칠 필요없이 종래의 오버레이 측정용 광학시스템을 이용하여 정확한 측정을 할 수 있는 오버레이 마크를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 이러한 오버레이 마크를 이용한 반도체 소자의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 이러한 오버레이 마크를 이용한 오버레이 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 X축 및 Y축 방향의 오버레이 측정에 사용되는 오버레이 마크이며, X축 및 Y축과 나란하지 않은 A 방향을 따라서 형성된 반도체 디바이스 구조물을 형성하기에 최적화된 소스 광원에 의해서 형성된 반도체 디바이스 층의 오버레이 측정에 사용되는 오버레이 마크로서, 상기 반도체 디바이스 층에 형성되며, 상기 A 방향과 나란한 방향으로 길게 형성된 한 쌍의 제1 바와 상기 제1 바와 직교하는 한 쌍의 제2 바를 포함하는 제1 오버레이 구조물을 포함하는 오버레이 마크를 제공한다.
또한, 상기 반도체 디바이스는 비트 라인 구조물인 오버레이 마크를 제공한다.
또한, 상기 제1 바와 제2 바는 상기 A 방향과 나란하거나 직교하는 복수의 세그먼트들을 포함하는 오버레이 마크를 제공한다.
또한, 반도체 소자의 제조방법에 있어서, 두 개의 연속하는 패턴 층 또는 하나의 패턴 층에 따로 형성된 두 개의 패턴을 형성함과 동시에 오버레이 마크를 형성하는 단계와, 상기 오버레이 마크를 이용하여 오버레이 값을 측정하는 단계와, 측정된 오버레이 값을 두 개의 연속하는 패턴 층 또는 하나의 패턴 층에 따로 형성된 두 개의 패턴을 형성하기 위한 공정제어에 이용하는 단계를 포함하며, 상기 오버레이 마크는 상술한 오버레이 마크인 것 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.
또한, 두 개의 연속하는 패턴 층 또는 하나의 패턴 층에 따로 형성된 두 개의 패턴 사이의 오버레이를 측정하는 방법으로서, 두 개의 연속하는 패턴 층 또는 하나의 패턴 층에 따로 형성된 두 개의 패턴을 형성함과 동시에 형성된 오버레이 마크의 이미지를 획득하는 단계와, 상기 오버레이 마크의 이미지를 분석하는 단계를 포함하며, 상기 오버레이 마크는 상술한 오버레이 마크인 것 특징으로 하는 오버레이 측정방법를 제공한다.
본 발명에 따른 오버레이 마크는 반도체 디바이스 영역의 패턴 형성에 최적화된 광원을 사용하여 형성하더라도 에지 부분이 선명하다는 장점이 있다. 따라서 별도의 복잡한 보정 과정을 거칠 필요없이 종래의 오버레이 측정용 광학시스템을 이용하여 오버레이를 정확하게 측정할 수 있다.
도 1은 반도체 셀의 서로 직교하는 비트 라인과 워드 라인을 간략하게 도시한 개념도이다.
도 2는 반도체 셀의 서로 직교하지 않는 비트 라인과 워드 라인을 간략하게 도시한 개념도이다.
도 3은 경사진 구조물의 형성에 최적화된 소스 광원을 이용하여 형성된 종래의 박스 인 박스 오버레이 마크의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 오버레이 마크의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 오버레이 마크의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 오버레이 마크의 평면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명의 일실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태들로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장된 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.
본 발명의 오버레이 마크는 소스 마스크 최적화 기술에 의해서 최적화된 소스 광원이 사용되며, 본 발명의 오버레이 마크의 적어도 하나의 오버레이 구조물은 웨이퍼의 X-Y 좌표축과 직교하거나 나란하지 않은 방향을 따라서 형성되는 패턴과 동시에 형성된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 오버레이 마크의 평면도이다. 도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 오버레이 마크(100)의 일실시예는 제1오버레이 구조물(10)과 제2오버레이 구조물(20)을 포함한다. 오버레이 마크(100)는 웨이퍼의 스크라이브 레인에 형성되어 웨이퍼 상의 2개 이상의 패턴 층들 사이 또는 단일 층 상의 2개 이상의 패턴들 간의 오버레이를 측정하기 위해 제공될 수 있다.
서로 다른 패턴 층들 사이의 오버레이 측정에 활용될 경우에는 제1오버레이 구조물(10)과 제2오버레이 구조물(20)이 서로 다른 패턴 층에 형성된다. 그리고 동일 층의 서로 다른 패턴들, 예를 들어, 더블 패터닝 공정에서 형성되는 두 개의 패턴, 사이의 오버레이 측정에 활용될 경우에는 제1오버레이 구조물(10)과 제2오버레이 구조물(20)이 동일한 층에 형성된다. 이때, 제1오버레이 구조물(10)과 제2오버레이 구조물(20)은 서로 다른 공정을 통해서 동일한 층에 형성된다. 이하에서는 편의상, 서로 다른 패턴 층들 사이의 오버레이 측정을 기준으로 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 있어서, 제1오버레이 구조물(10)은 제1바들(12a, 12b)과 제2바들(14a, 14b)을 포함한다. 서로 마주보는 한 쌍의 제1바들(12a, 12b)은 제1방향으로 길게 형성된다. 서로 마주보는 한 쌍의 제2바들(14a, 14b)은 제1방향과 직교하는 제2방향으로 길게 형성된다. 제1방향과 제2방향을 각각 Y축 방향과 X축 방향일 수 있다. 제1오버레이 구조물(10)은 전체적으로는 대체로 정사각형 형태로서 중심점에 대해서 점대칭이다.
제2오버레이 구조물(20)은 제1오버레이 구조물(10)의 바깥에 배치된다. 제2오버레이 구조물(20)은 제3바들(22a, 22b)와 제4바들(24a, 24b)을 포함한다. 서로 마주보는 한 쌍의 제3바들(22a, 22b)은 제3방향으로 길게 형성된다. 서로 마주보는 한 쌍의 제4바들(24a, 24b)은 제3방향과 직교하는 제4방향으로 길게 형성된다. 제3방향은 X축 방향과 직각이나 평행을 이루지 않으며, 일정한 예각을 이룬다. 제2오버레이 구조물(20)과 함께 형성되는 반도체 디바이스는 제3방향 또는 제4방향 중에서 하나를 따라서 형성된다. 제2오버레이 구조물(20)은 전체적으로는 대체로 정사각형 형태로서 중심점에 대해서 점대칭이다.
도 4의 확대된 부분에서 확인할 수 있듯이, 본 실시예에 있어서, 제1바(12b)를 이루는 세그먼트(13b)의 에지는 제1바(12b)의 에지와 일치하며, 제3바(22a)를 이루는 세그먼트(23a)의 에지는 제3바(23a)의 에지와 일치한다. 다른 바들도 마찬가지이다. 따라서 본 실시예에서는 바들의 에지가 선명하다.
도 4에서는 제1오버레이 구조물(10)이 X축 방향 및 Y축 방향으로 연장된 것으로 도시되었으나, 도 5에 도시된 바와 같이, 반대로 제2오버레이 구조물(120)이 X축 방향 및 Y축 방향으로 연장될 수도 있다. 보통 크기가 작은 박스 형태의 오버레이 구조물을 상층에 형성하고, 크기가 큰 박스 형태의 오버레이 구조물을 하층에 형성하므로, 상층에 형성되는 반도체 디바이스가 웨이퍼의 X축 방향이나 Y축 방향이 아닌 다른 방향을 따라서 형성되는 경우에는 도 5에 도시된 바와 같은 형태의 오버레이 마크(200)가 형성되며, 하층에 형성되는 반도체 디바이스가 웨이퍼의 X축 방향이나 Y축 방향이 아닌 다른 방향을 따라서 형성되는 경우에는 도 4에 도시된 바와 같은 형태의 오버레이 마크(100)가 형성될 수 있다.
도 5의 확대된 부분에서 확인할 수 있듯이, 도 5에 도시된 오버레이 마크(200)도 바들의 에지 부분이 선명하다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1오버레이 구조물(210)과 제2오버레이 구조물(220)이 모두 X축 방향이나 Y축 방향이 아닌 다른 방향을 따라서 형성될 수도 있다.
이하에서는 도 4에 도시된, 오버레이 마크(100)를 이용한 오버레이 계측방법에 대해서 설명한다. 오버레이 계측방법은 오버레이 마크(100)의 이미지를 획득하는 단계와, 오버레이 마크(100)의 이미지를 분석하는 단계를 포함한다. 오버레이 마크(100)는 두 개의 연속하는 패턴 층 또는 하나의 패턴 층에 따로 형성된 두 개의 패턴을 형성함과 동시에 형성된다.
오버레이 마크(100)의 이미지를 획득하는 단계는 제1오버레이 구조물(10)의 이미지를 획득하는 단계와, 제2오버레이 구조물(20)의 이미지를 획득하는 단계와, 이들 이미지의 결합 이미지를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
제1오버레이 구조물(10)과 제2오버레이 구조물(20)이 서로 다른 층에 형성되어 있는 경우에는 서로 다른 광원을 사용하여 이미지를 획득할 수 있다. 이전 공정에서 형성된 제2오버레이 구조물(20)은 후속 공정에서 형성된 패턴 층에 의해서 덮이므로, 후속 공정에서 형성된 패턴 층을 통과할 수 있는 파장의 빛을 이용하여 이미지를 획득하는 것이 바람직하다.
오버레이 마크(100)의 이미지를 분석하는 단계는 획득된 결합 이미지에서 제1오버레이 구조물(10)의 중심과 제2오버레이 구조물(20)의 중심의 오프셋을 측정하는 단계일 수 있다. 또한, 제2오버레이 구조물(20)의 중심과 제1오버레이 구조물(10)의 내측 가장자리에 대응하는 선들 사이의 거리를 측정하는 단계일 수도 있다.
이하에서는 도 4에 도시된, 오버레이 마크(100)를 이용한 반도체 소자의 제조방법을 설명한다. 오버레이 마크(100)를 이용한 반도체 소자의 제조방법은 오버레이 마크(100)를 형성하는 단계로 시작된다. 두 개의 연속하는 패턴 층 또는 하나의 패턴 층에 따로 형성된 두 개의 패턴을 형성함과 동시에 오버레이 마크(100)를 형성한다.
다음으로, 오버레이 마크(100)를 이용하여 오버레이 값을 측정한다. 오버레이 값을 측정하는 단계는 상술한 오버레이 계측 방법과 같다.
마지막으로, 측정된 오버레이 값을 두 개의 연속하는 패턴 층 또는 하나의 패턴 층에 따로 형성된 두 개의 패턴을 형성하기 위한 공정제어에 이용한다. 즉, 도출된 오버레이를 공정제어에 활용하여 연속하는 패턴 층 또는 두 개의 패턴이 정해진 위치에 형성되도록 한다.
이상에서 설명된 실시예들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
100, 200, 300: 오버레이 마크
10, 110, 210: 제1오버레이 구조물
20, 120, 220: 제2오버레이 구조물

Claims (5)

  1. X축 및 Y축 방향의 오버레이 측정에 사용되는 오버레이 마크이며, X축 및 Y축과 나란하지 않은 A 방향을 따라서 형성된 반도체 디바이스 구조물을 형성하기에 최적화된 소스 광원에 의해서 형성된 반도체 디바이스 층의 오버레이 측정에 사용되는 오버레이 마크로서,
    상기 반도체 디바이스 층에 형성되며, 상기 A 방향과 나란한 방향으로 길게 형성된 한 쌍의 제1 바와 상기 제1 바와 직교하는 한 쌍의 제2 바를 포함하는 제1 오버레이 구조물을 포함하는 오버레이 마크.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 디바이스는 비트 라인 구조물인 오버레이 마크.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 바와 제2 바는 상기 A 방향과 나란하거나 직교하는 복수의 세그먼트들을 포함하는 오버레이 마크.
  4. 반도체 소자의 제조방법에 있어서,
    두 개의 연속하는 패턴 층 또는 하나의 패턴 층에 따로 형성된 두 개의 패턴을 형성함과 동시에 오버레이 마크를 형성하는 단계와,
    상기 오버레이 마크를 이용하여 오버레이 값을 측정하는 단계와,
    측정된 오버레이 값을 두 개의 연속하는 패턴 층 또는 하나의 패턴 층에 따로 형성된 두 개의 패턴을 형성하기 위한 공정제어에 이용하는 단계를 포함하며,
    상기 오버레이 마크는 청구항 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 기재된 오버레이 마크인 것 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  5. 두 개의 연속하는 패턴 층 또는 하나의 패턴 층에 따로 형성된 두 개의 패턴 사이의 오버레이를 측정하는 방법으로서,
    두 개의 연속하는 패턴 층 또는 하나의 패턴 층에 따로 형성된 두 개의 패턴을 형성함과 동시에 형성된 오버레이 마크의 이미지를 획득하는 단계와,
    상기 오버레이 마크의 이미지를 분석하는 단계를 포함하며,
    상기 오버레이 마크는 청구항 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 기재된 오버레이 마크인 것 특징으로 하는 오버레이 측정방법.

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