KR20010108541A - 반도체 공정에서의 오버레이 패턴 측정 방법 - Google Patents

Abstract

기판상에 순차적으로 형성하는 막들의 정렬을 확인하기 위한 반도체 공정에서의 오버레이 패턴 측정 방법이 개시되어 있다. 기판상에 순차적으로 형성하는 막들의 정렬을 위한 오버레이 패턴들 중에서 상기 기판의 주연 영역에 형성하는 오버레이 패턴들 각각은 1군데를 측정하고, 상기 기판의 중심 영역에 형성하는 오버레이 패턴은 적어도 2군데 이상을 측정하여 상기 정렬을 확인한다. 따라서 상기 오버레이 패턴의 측정 영역을 최소화하여 상기 측정에 소요되는 시간을 단축한다. 때문에 반도체 장치의 제조에 따른 생산성을 향상시킬 수 있다.

Description

반도체 공정에서의 오버레이 패턴 측정 방법{METHOD FOR MEASURING OVERLAY PATTERN IN SEMICONDUCTOR PROCESSING}

본 발명은 오버레이 패턴 측정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판상에 순차적으로 형성하는 막들의 정렬을 확인하기 위한 반도체 공정에서의 오버레이 패턴 측정 방법에 관한 것이다.

근래에 컴퓨터와 같은 정보 매체의 급속한 보급에 따라 반도체 장치도 비약적으로 발전하고 있다. 그 기능 면에 있어서, 상기 반도체 장치는 고속으로 동작하는 동시에 대용량의 저장 능력을 가질 것이 요구된다. 이러한 요구에 부응하여 반도체 장치는 집적도, 신뢰도 및 응답 속도 등을 향상시키는 방향으로 제조 기술이 발전되고 있다. 이에 따라 상기 반도체 장치의 집적도 향상을 위한 주요한 기술로서 사진 식각(photolithograpy) 기술과 같은 미세 가공 기술에 대한 요구도 엄격해지고 있다.

상기 사진 식각 기술은 잘 알려져 있는 바와 같이, 유기적인 포토레지스트를 사용하여 포토레지스트막을 형성한 후, 상기 포토레지스트막을 포토레지스트 패턴으로 형성하는 기술이다. 구체적으로는 먼저, 절연막 또는 도전막을 포함하는 반도체 기판상에 자외선이나 X선과 같은 광을 조사하면 알칼리성 용액에 대해 용해도 변화가 일어나게 되는 유기층인 포토레지스트막을 형성한다. 그리고 상기 포토레지스트막의 상부에 소정 부분만을 선택적으로 노광할 수 있도록 패터닝된 패턴 마스크를 개재하여 상기 포토레지스트막에 선택적으로 광을 조사한 다음, 현상하여 용해도가 큰 부분(포지티브형 포토레지스트의 경우, 노광된 부분)은 제거하고 용해도가 작은 부분은 남겨 포토레지스트 패턴을 형성한다.

상기 사진 식각에서는 상기 사진 식각에 의해 형성되고, 하부막 패턴상에 형성되어 있는 상부막을 상부막 패턴으로 형성하기 위한 포토레지스트 패턴이 상기 하부막 패턴과 대비하여 정확하게 정렬된 위치에 형성되는 가를 측정한다. 이는 상기 기판상에 순차적으로 형성하는 막들이(하부막 패턴과 상기 하부막 패턴상에 형성되는 상부막 패턴) 올바른 위치에 형성되는 가를 확인하고, 상기 위치를 올바르게 보정하기 위함이다.

이때 상기 측정은 상기 포토레지스트 패턴을 형성할 때 함께 형성하는 제1 오버레이 패턴 및 상기 하부막 패턴에 포함되는 제2 오버레이 패턴을 사용하여 측정한다. 그리고 상기 오버레이 패턴들을 사용하는 정렬에 대한 확인은 주로 KLA 시리즈(제품명)와 같은 검사 장치를 사용한다.

상기 KLA 시리즈를 사용한 오버레이 패턴들을 사용하는 정렬에 대한 확인은 헤네세이(Hennessey et al.)에게 허여된 미합중국 특허 제5,696,835호에 개시되어 있다. 이외에도 상기 오버레이 패턴을 측정하는 방법이 타나카(Takana)에게 허여된 미합중국 특허 제5,468,580호에 개시되어 있다.

특히, 상기 미합중국 특허 제5,468,580호에 의하면, 상기 오버레이 패턴들이 형성되는 영역 및 상기 오버레이 패턴을 측정하는 영역들이 개시되어 있다.

도 1은 반도체 공정에서의 오버레이 패턴을 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 1은 기판상에 오버레이 패턴을 측정하기 위한 영역들을 지시하고 있다.상기 오버레이 패턴은 상기 기판(10)의 중심 영역(100), 상기 중심 영역(100)을 기준으로 수평한 좌측 주연 영역(110), 우측 주연 영역(120), 수직한 상측 주연 영역(130) 및 플렛죤 영역(140)에 형성되고, 상기 영역들 각각에 5군데를 측정한다. 상기 5군데는 상기 오버레이 패턴내의 중심 측정부(160a) 및 모서리 측정부(160b)다. 그리고 상기 영역 이외에도 상기 영역들 사이 영역(150a, 150b, 150c, 150d) 각각에 오버레이 패턴을 형성하고, 상기 오버레이 패턴내의 중심 측정부(160a)를 측정한다.

상기 오버레이 패턴의 측정은 단일층에 대한 오버레이 패턴의 측정에 대한 예를 나타내는 것으로서, 29군데를 측정한다. 따라서 이층에 대한 오버레이 패턴은 58군데를 측정하고, 삼층에 대한 오버레이 패턴은 87군데를 측정한다.

그리고, 상기 측정 결과, 상기 오버레이 패턴내의 중심 측정부(160a)의 측정 결과가 잘못된 것으로 나타날 경우에는 상기 기판(10)의 정렬이 잘못된 것으로 판단할 수 있고, 상기 오버레이 패턴내의 모서리 측정부(160b)의 측정 결과가 잘못된 것으로 나타날 경우에는 레티클(reticle)을 포함하는 패턴 마스크의 정렬이 잘못된 것으로 판단할 수 있다.

여기서 상기 패턴 마스크의 정렬은 상기 기판(10)에 광을 전사하는 노광 부재의 렌즈 등에 의존하는데, 상기 패턴 마스크에 의한 잘못된 정렬은 거의 발생하지 않고, 이전 로트(lot)와 이후 로트가 거의 유사한 측정 결과를 나타낸다. 그러나 상기 기판(10)에 의한 잘못된 정렬은 스테이지의 구동, 마크 센싱 등에 의존하기 때문에 빈번하게 발생할 뿐만 아니라 이후의 로트에 미치는 영향 또한 심각할수 있다.

따라서 로트 단위마다 1매 이상의 기판에 대하여 상기 오버레이 패턴을 측정하고, 상기 측정한 결과를 통하여 상기 정렬에 대하여 보정한다. 그러나 상기 오버레이 패턴을 측정하기 위한 영역이 많기 때문에 상기 오버레이 패턴의 측정에 소요되는 시간이 문제점으로 지적된다. 특히, 단일층이 아닌 이층 또는 삼층의 막들에 대한 정렬을 위한 오버레이 패턴의 측정은 측정 영역의 증가로 인하여 상기 시간이 더욱 많이 소요된다. 때문에 반도체 장치의 제조에 있어 생산성이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은, 기판상에 순차적으로 형성하는 막들의 정렬을 확인하기 위한 오버레이 패턴을 측정하는 측정 영역을 최소화하기 위한 반도체 공정에서의 오버레이 패턴 측정 방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 반도체 공정에서의 오버레이 패턴을 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 공정에서의 오버레이 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 반도체 공정에서의 오버레이 패턴을 나타내는 평면도이다.

도 4는 반도체 공정에서의 오버레이 패턴을 나타내는 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10, 20, 300 : 기판 100, 200 : 중심 영역

110, 210 : 좌측 영역 120, 220 : 우측 영역

130, 230 : 상측 영역 140, 240 : 플렛죤 영역

150a, 150b, 150c, 150d, 250a, 250b, 250c, 250d : 사이 영역

160a, 260a : 중심 측정부 160b, 260b : 모서리 측정부

310 : 제1 오버레이 패턴 315 : 상부막

320 : 제2 오버레이 패턴

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 공정에서의 오버레이 패턴 측정 방법은, 기판상에 순차적으로 형성하는 막들의 정렬을 위한 오버레이 패턴들 중에서 상기 기판의 주연 영역에 형성하는 오버레이 패턴들 각각은 1군데를 측정하여 상기 정렬을 확인하는 단계와, 상기 오버레이 패턴들 중에서 상기 기판의 중심 영역에 형성하는 오버레이 패턴은 적어도 2군데 이상을 측정하여 상기 정렬을 확인하는 단계를 포함한다.

상기 기판의 주연 영역에 형성하는 오버레이 패턴들은 상기 기판의 중심 영역을 기준으로 수평한 좌측 주연 영역, 수평한 우측 주연 영역, 수직한 상측 주연 영역 및 수직한 플렛죤 영역 그리고 상기 좌측, 우측, 상측 및 플렛죤 영역 사이에 각각 하나를 형성하고, 상기 오버레이 패턴의 측정은 중심 1군데를 측정하고, 상기 기판의 중심 영역에 형성하는 오버레이 패턴의 측정은 각각 모서리 영역 및 중심 영역을 포함하여 5군데를 측정한다.

이는 상기 오버레이 패턴내의 중심 영역이 기판의 정렬을 결정하기 때문이고, 상기 오버레이 패턴내의 모서리 영역이 레티클을 포함하는 패턴 마스크의 정렬을 결정하기 때문이다. 즉, 상기 측정 결과, 상기 중심 영역의 측정 결과는 이후의 로트에 미치는 영향 등이 심각하기 때문에 기판의 여러 영역을 설정하여 측정하고, 상기 모서리 영역의 측정 결과는 이전 로트와 이후 로트가 거의 유사한 측정 결과를 나타내기 때문에 생략할 수 있다.

따라서 상기 오버레이 패턴의 측정은 단일층인 경우 최대 13군데로 제한할 수 있다. 때문에 고밀도, 고층화를 요구하는 최근의 반도체 장치의 제조에 적극적으로 응용할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라서 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 공정에서의 오버레이 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 기판상에 오버레이 패턴을 측정하기 위한 측정 영역들을 나타내고 있다. 상기 오버레이 패턴은 상기 기판(20)의 중심 영역(200), 상기 중심 영역(200)을 기준으로 수평한 좌측 주연 영역(210), 우측 주연 영역(220), 수직한 상측 주연 영역(230) 및 플렛죤 영역(240)에 형성된다. 그리고 상기 좌측(210), 우측(220), 상측(230) 및 플렛죤 영역(240) 사이 영역(250a, 250b, 250c, 250d)에 각각 하나씩 더 형성된다.

상기 오버레이 패턴들 중에서 상기 기판의 주연 영역에 형성하는 오버레이 패턴들 각각은 상기 오버레이 패턴들내의 중심 측정부(260a) 1군데를 측정한다. 그리고 상기 기판의 중심 영역(200)에 형성하는 오버레이 패턴은 상기 오버레이 패턴내의 중심 측정부(260a) 및 모서리 측정부(260b) 5군데를 측정한다. 이는 단일층에 해당하는 측정으로서, 상기 측정을 기준으로 이층인 경우에는 두 번을, 삼층인 경우에는 세 번을 측정한다. 때문에 단일층의 정렬에 대한 오버레이 측정의 경우에는 최대 13군데를 측정하고, 이층의 정렬에 대한 오버레이 측정의 경우에는 최대 26군데를 측정하고, 삼층의 정렬에 대한 오버레이 측정의 경우에는 최대 39군데를 측정한다.

상기 오버레이 패턴내의 중심 측정부(260a)의 측정 결과는 상기 기판에 의존하는 정렬이고, 상기 오버레이 패턴내의 모서리 측정부(260b)의 측정 결과는 레티클을 포함하는 패턴 마스크에 의존하는 정렬이다. 상기 중심 측정부(260a)의 측정 결과는 스테이지의 구동, 마크 센싱 등에 의하여 달라질 수 있기 때문에 상기 측정 결과는 로트 단위마다 가변적이다. 따라서 상기 측정 결과를 이후의 로트에 적용할 수 없고, 만약 적용할 경우에는 상기 이후의 로트에 미치는 영향이 심각하다. 그리고 상기 모서리 측정부(260b)의 측정 결과는 노광 부재의 렌즈의 수축 또는 팽창등에 달라질 수 있기 때문에 이전 로트와 이후 로트가 거의 유사한 측정 결과를 나타낸다. 따라서 상기 측정 결과를 이후의 로트에 적용하여도 무방한 결과를 낳을 수 있다. 이는 상기 노광 부재에 포함되는 렌즈 등이 가변적이지 않기 때문으로 상기 노광 부재 등에 심각한 손상이 없을 경우에는 거의 유사한 측정 결과를 나타낸다.

따라서, 상기 오버레이 패턴내의 중심 측정부(260a) 측정은 상기 기판(20)의 주연 영역(210, 220, 230, 240, 250a, 250b, 250c, 250d) 및 중심 영역(200)에서 이루어지고, 상기 오버레이 패턴내의 모서리 측정부(260b)의 측정은 상기 기판(20)의 중심 영역(200)에서만 이루어져도 무방하다. 때문에 상기 오버레이 패턴의 측정 영역을 단축할 수 있다.

상기 오버레이 패턴은 포커스 디스턴스(focus distance)를 사용하는 프로버(prober) 및 상기 프로버를 사용하여 측정한 측정치를 제어하고, 모니터링(monitoring)할 수 있는 컴퓨터 시스템 등과 같은 부재들을 포함하는 KLA 시리즈와 같은 검사 장치를 사용하여 측정할 수 있다.

따라서 상기 검사 장치를 사용하여 로트 단위마다 1매 이상의 기판에 대하여 상기 오버레이 패턴을 측정하고, 상기 측정한 결과를 통하여 노광에서의 상기 정렬에 대하여 보정한다.

도 3은 반도체 공정에서의 오버레이 패턴을 나타내는 평면도이고, 도 4는 반도체 공정에서의 오버레이 패턴을 나타내는 단면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 오버레이 패턴(310) 및 제2 오버레이패턴(320)이 구비되어 있다. 상기 제1 오버레이 패턴(310)은 하부막 패턴에 해당되는 패턴으로서, 하부막 패턴을 형성할 때 함께 형성하는데, 중공(中空)의 아우트 박스(outer box) 형태로 형성한다. 이에 상기 제1 오버레이 패턴(310)은 중공의 홀(hole)을 약 20㎛로, 일측면을 약 30 내지 40㎛ 정도의 길이를 갖도록 형성한다. 상기 제2 오버레이 패턴(320)은 하부막상에 형성하는 상부막(315)을 상부막 패턴으로 형성하기 위한 패턴 마스크인 포토레지스트 패턴에 해당되는 패턴으로써, 상기 포토레지스트 패턴을 형성할 때 함께 형성하는데, 상기 제1 오버레이 패턴(310)보다 작은 면적을 갖도록 일측면을 약 10㎛ 정도의 길이로 형성한다.

상기 제2 오버레이 패턴(320)은 상기 정렬을 위한 측정 타겟(target)으로써, 상기 제1 오버레이 패턴(310)내에 상기 제2 오버레이 패턴(320)이 형성되었는 가를 측정한다. 이때 상기 제2 오버레이 패턴(320)이 상기 제1 오버레이 패턴(310)내에 허용 오차 범위를 만족하면서 형성될 때 정렬이 올바르게 이루어지는 것으로 판단한다.

상기 일 예는 단일층의 정렬에 대한 오버레이 패턴의 측정을 나타내는 것으로서, 이층 또는 삼층인 경우에는 상기 제1 오버레이 패턴 및 제2 오버레이 패턴 뿐만 아니라 제3 오버레이 패턴 및 제4 오버레이 패턴을 형성하고, 상기 제3 오버레이 패턴 및 제4 오버레이 패턴 각각을 측정하여 정렬을 확인할 수 있다.

이와 같이, 상기 정렬에 대한 오버레이 패턴의 측정을 기판(20)의 주연 영역의 경우에는 상기 오버레이 패턴내의 중심 측정부(260a)에서만 측정이 이루어지고, 기판(20)의 중심 영역(200)에서는 상기 오버레이 패턴내의 중심 측정부(260a) 및모서리 측정부(260b)에서 측정이 이루어지기 때문에 상기 오버레이 패턴의 측정을 위한 측정 영역을 단축할 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면 상기 측정 영역을 단축함으로서 오버레이 패턴의 측정에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다. 때문에 반도체 장치의 제조에서 있어 생산성이 향상되는 효과를 기대할 수 있다. 특히, 고밀도, 고층화를 요구하는 최근의 반도체 장치의 제조에서는 상기 측정 영역 또한 비례적으로 늘어나기 때문에 보다 적극적으로 응용할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 기판상에 순차적으로 형성하는 막들의 정렬을 위한 오버레이 패턴들 중에서 상기 기판의 주연 영역에 형성하는 오버레이 패턴들 각각은 1군데를 측정하여 상기 정렬을 확인하는 단계; 및

   상기 오버레이 패턴들 중에서 상기 기판의 중심 영역에 형성하는 오버레이 패턴은 적어도 2군데 이상을 측정하여 상기 정렬을 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오버레이 패턴 측정 방법.
2. 제1 항에 있어서, 상기 기판의 주연 영역에 형성하는 오버레이 패턴들은 상기 기판의 중심 영역을 기준으로 수평한 좌측 주연 영역, 수평한 우측 주연 영역, 수직한 상측 주연 영역 및 수직한 플렛죤 영역 그리고 상기 좌측, 우측, 상측 및 플렛죤 영역 사이에 각각 하나를 형성하고, 상기 오버레이 패턴의 측정은 중심 1군데를 측정하는 것을 특징으로 하는 오버레이 패턴 측정 방법.
3. 제1 항에 있어서, 상기 기판의 중심 영역에 형성하는 오버레이 패턴의 측정은 각각 모서리 영역 및 중심 영역을 포함하여 5군데를 측정하는 것을 특징으로 하는 오버레이 패턴 측정 방법.