KR20020086760A - 측정 조사용 기준 웨이퍼와 이를 이용한 장비의 측정 조사방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수의 박막 층에 의해 제조되는 반도체 소자의 각 층 및 전체 두께를 측정하는 장비의 측정 조사 시간 및 과정을 절감할 수 있도록 한다는 것으로, 이를 위하여 본 발명은, 반도체 소자의 제조를 위해 웨이퍼 상에 형성하고자 하는 다수의 박막 층들을 기준 웨이퍼에 한 층씩 형성한 후에 광원을 이용하는 장비를 통해 그 두께를 측정함으로써 각 박막 층 및 전체 두께에 대한 장비의 측정 조사를 수행하는 종래 기술과는 달리, 웨이퍼 상에 형성하고자 하는 다수의 박막 층들을 기준 웨이퍼 상에 차례로 형성하고, 다수의 박막 층이 형성된 기준 웨이퍼의 상부에 측정 조사를 위한 측정 영역을 설정하며, 설정된 측정 포인트를 통해 광원을 조사하여 그 반사각을 검출함으로써 각 박막 층의 두께 및 전체 두께에 대한 장비의 측정 조사를 수행함으로써, 박막 층의 두께 정밀도에 대한 장비의 측정 조사 시간 및 작업 과정을 대폭 절감할 수 있는 것이다.

Description

측정 조사용 기준 웨이퍼와 이를 이용한 장비의 측정 조사 방법{REFERENCE WAFER FOR CALIBRATION AND METHOD FOR CALIBRATING A APPARATUS FOR THICKNESS MEASUREMENT USING IT}

본 발명은 반도체 소자를 제조할 때 웨이퍼 상에 각 공정들을 통해 형성되는 박막의 두께를 측정하는 장비의 측정 조사를 수행하는데 적합한 측정 조사용 기준 웨이퍼와 이를 이용한 장비의 측정 조사 방법에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 반도체 소자는 웨이퍼 상에 임의의 두께를 갖는 다양한 종류의 박막(예를 들면, 산화막, 질화막, 절연막, 금속막 등)들을 차례로 적층 및 패터닝하는 여러 가지 공정들을 통해 제조되는데, 이와 같이 웨이퍼 상에 형성되는 각 층들은 오차 허용 범위를 갖는 임의의 두께로 형성되기 때문에 웨이퍼 상에 각 층들을 형성할 때마다 레이저 등의 광원을 이용하는 두께 측정 장비를 사용하여 해당 층이 원하는 두께로 형성되었는지의 여부를 검사하게 된다.

따라서, 웨이퍼 상에 형성된 박막의 층들에 대한 두께를 측정하는 장비는 그 측정 정밀도가 정확하게 유지할 필요가 있으며, 이를 위하여 종래에는 웨이퍼 상에 형성하고자 하는 다양한 박막의 층들을 기준 웨이퍼에 한 층씩 형성한 후에 장비를 통해 그 두께를 측정함으로써 장비의 측정 조사를 수행하였다.

예를 들어, 반도체 소자의 제조를 위해 웨이퍼 상에 형성해야 할 박막의 층이 15층이라고 가정할 때 하나의 층을 기준 웨이퍼 상에 형성한 후에 레이저 등의 광원을 조사하여 그 두께를 검출하는 측정 조사(즉, 측정 정밀도 조사) 과정을 15번 반복함으로써, 각 층들에 대한 두께 정밀도 측정 조사를 실시하고, 모든 층들에 대해 검출한 두께 값을 더함으로서 전체 두께를 산출하며, 이러한 방식을 통해 각 층의 두께 및 전체 두께에 대한 장비의 측정 조사(측정 정밀도 조사)를 실시하고 있다.

그러나, 상술한 바와 같은 종래 방식의 경우, 반도체 소자의 제조에 필요로 하는 각 층을 기준 웨이퍼에 각각 별도로 형성하여 두께 정밀도에 대한 측정 조사를 실시해야만 하기 때문에 장비를 측정 조사하는데 불필요하게 많은 시간이 소요된다는 문제가 있으며, 이러한 문제는 결국 반도체 소자의 생산성 측정, 장비의 효율적 운용 등을 저하시키는 요인으로 작용하고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다수의 박막 층에 의해 제조되는 반도체 소자의 각 층 및 전체 두께를 측정하는 장비의 측정 조사 시간 및 과정을 절감할 수 있는 측정 조사용 기준 웨이퍼와 이를 이용한 장비의 측정 조사 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 일 관점에 따른 본 발명은, 반도체 소자의 제조를 위해 웨이퍼 상에 형성되는 박막 층의 두께를 측정하는 장비의 두께 정밀도에 대한 측정 조사에 사용하기 위한 기준 웨이퍼에 있어서, 기판; 상기 기판 상에 순차 적층되며, 광 굴절율이 적어도 서로 다른 다수의 박막 층으로 된 박막 층 그룹;및 상기 박막 층 그룹 내의 상부 박막 층상에 형성되며, 소정 부분에 두께 인증용의 측정 영역이 형성된 보호막 층으로 이루어진 측정 조사용 기준 웨이퍼를 제공한다.

상기 목적을 달성하기 위한 다른 관점에 따른 본 발명은, 반도체 소자의 제조를 위해 웨이퍼 상에 형성되는 박막 층의 두께를 측정하는 장비의 두께 정밀도에 대한 측정 조사를 수행하는 방법에 있어서, 적어도 하나 이상의 박막 층으로 된 박막 층 그룹이 기판 상에 형성되며, 상부의 소정 부분에 두께 인증을 위한 측정 영역이 형성된 기준 웨이퍼를 준비하는 과정; 상기 기준 웨이퍼 내의 측정 영역에 광을 조사하는 과정; 상기 각 박막 층의 굴절율에 대응하는 굴절각으로 상기 측정 영역으로부터 출사되는 반사각을 검출하는 과정; 및 상기 검출 결과의 비교를 통해 상기 각 박막 층의 두께 및 전체 두께에 대한 상기 장비의 측정 조사를 수행하는 과정으로 이루어진 기준 웨이퍼를 이용한 장비의 측정 조사 방법을 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 측정 조사용 기준 웨이퍼의 단면도,

도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 제조된 측정 조사용 기준 웨이퍼의 단면도,

도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라 제조된 측정 조사용 기준 웨이퍼의 단면도,

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 측정 조사용 기준 웨이퍼의 평면도,

도 5는 반도체 소자의 제조를 위해 웨이퍼 상에 형성된 박막의 두께를 측정하는 장비의 일 예에 대한 개략 구성도,

도 6은 반도체 소자의 제조를 위해 웨이퍼 상에 형성된 박막의 두께를 측정하는 장비의 다른 예에 대한 개략 구성도.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

102, 202, 302 : 기판104 : 알루미늄 층

106, 208, 308 : 질화티타늄 층 108, 204, 304 : 산화막 층

110, 212, 310 : 보호막 층112, 214, 312 : 측정 영역

206, 306 : 티타늄 층210 : 텅스턴 층

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 핵심 기술은, 반도체 소자의 제조를 위해 웨이퍼 상에 형성하고자 하는 다수의 박막 층들을 기준 웨이퍼에 한 층씩 형성한 후에 광원을 이용하는 장비를 통해 그 두께를 측정함으로써 각 박막 층 및 전체 두께에 대한 장비의 측정 조사(calibration)를 수행하는 전술한 종래 기술과는 달리, 웨이퍼 상에 형성하고자 하는 다수의 박막 층들을 기준 웨이퍼 상에 차례로 형성하고, 다수의 박막 층이형성된 기준 웨이퍼의 상부에 측정 조사를 위한 측정 영역(또는 두께 인증 영역)를 설정하며, 설정된 측정 포인트를 통해 광원을 조사함으로써 각 박막 층의 두께 및 전체 두께에 대한 장비의 측정 조사를 수행한다는 것으로, 이러한 기술적 수단을 통해 본 발명에서 목적으로 하는 바를 쉽게 달성할 수 있다. 이때, 웨이퍼 상에 형성되는 각 박막 층들은 광 굴절율이 서로 다르며, 이러한 서로 다른 광 굴절율을 이용하여 각 박막 층의 두께 및 전체 두께에 대한 측정 조사를 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 측정 조사용 기준 웨이퍼의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 특정 조사용 기준 웨이퍼는 다양한 반도체 공정들을 통해 제조되는 반도체 소자가 갖는 박막 층들과 대응하는 것으로, 반도체 소자를 이루는 각 박막 층들에 대응하는 수의 박막 층들을 갖는데, 여기에서는 일 예로서 기판, 예를 들면 실리콘 기판(Si-Sub)(102) 상에 알루미늄(Al) 층(104), 질화티타늄(TiN) 층(106), 산화막(Ox) 층(108) 및 보호막 층(110)이 순차 적층되는 구조를 갖는다. 이때, 기판(102) 상에 순차 형성된 각 층의 광 굴절율은 서로 다른데, 이것은, 이 기술분야에 잘 알려진 다양한 기법들을 이용하여 각 층의 물리적 상수를 조절함으로써 굴절율을 서로 다르게 설정할 수 있다.

또한, 기준 웨이퍼의 맨 상부에 형성된 보호막 층(110)의 소정 부분(대략 중앙 부분)에는, 일 예로서 도 4에 도시된 바와 같이, 대략 원형의 모양을 갖는 측정 영역(112)(또는 두께 인증 영역)이 형성되는 데, 이러한 측정 영역은 장비에 대한 측정 조사를 수행할 때 광원으로부터 생성되어 입사되는 광이 조사되는 지점이다.여기에서, 보호막 층으로는, 예를 들면 폴리 물질이 사용될 수 있다.

상술한 바와 같은 구조를 갖는 본 실시 예의 기준 웨이퍼는 기판(102) 상에 목표로 하는 두께의 알루미늄 물질을 증착한 후에 그 두께가 원하는 두께만큼 형성되었는지를 측정하는 방식으로 목표 두께의 알루미늄 층(104)을 형성하고, 알루미늄 층(104)의 상부에 목표로 하는 두께의 질화티타늄 물질을 증착한 후에 그 두께가 원하는 두께만큼 형성되었는지를 측정하는 방식으로 목표 두께의 질화티타늄 층(106)을 형성한다.

이어서, 질화티타늄 층(106)의 상부에 목표로 하는 두께의 산화막 물질을 증착한 후에 그 두께가 원하는 두께만큼 형성되었는지를 측정하는 방식으로 목표 두께의 산화막 층(108)을 형성하고, 산화막 층(108)의 상부에 소정 두께의 보호막 물질(예를 들면, 폴리 물질)을 증착한 후 포토 마스크 공정을 수행하여 대략 중앙 부분에 있는 보호막 물질의 일부를 제거하여 하부에 있는 산화막 층(108)의 일부를 노출시킴으로써 측정 영역(112)이 형성된 보호막 층(110)을 형성하며, 이러한 일련의 과정들을 통해 본 실시 예에 따른 측정 조사용 기준 웨이퍼의 제조를 완성한다.

이때, 본 실시 예에 따른 측정 조사용 기준 웨이퍼는 두께 인증을 위한 측정 영역을 원형 구조로 형성하기 때문에 측정 시에 방향성을 고려할 필요가 없다는 장점을 가지며, 상부 박막 층상에 보호막 층을 형성하기 때문에 여러 가지 외부적인 요인들에 의해 상부 박막 층 및 두께 인증 영역이 손상되는 것을 확실하게 방지할 수 있는 장점을 갖는다.

따라서, 상술한 바와 같은 일련의 과정들을 통해 제조되는 측정 조사용 기준웨이퍼는 광원으로부터 입사되는 광이 측정 영역(112)의 하부에 순차 형성된 각 층을 통해 하부로 조사되고, 각 층의 광 굴절율에 따라 가변적으로 반사되는 반사광이 광 검출 측으로 출사되며, 광 검출 측에서는 출사된 광(즉, 반사광)을 통해 각 층의 두께와 기판(102) 상에 형성된 다수 층들의 전체 두께를 검출하게 되며, 이러한 검출 결과와 미리 정의된 기준 값들간의 비교를 통해 장비의 두께 측정 정밀도에 대한 측정 조사(calibration)를 한번의 광 조사를 통해 간단하고 쉽게 실현할 수 있다.

예를 들어, 본 실시 예에 따라 제조된 측정 조사용 기준 웨이퍼(도 5의 참조번호 500)는, 일 예로서 도 5에 도시된 바와 같이, 광원(502), 빔 스프리터(504), 대물렌즈(506), 격자판(508), 거울(510) 및 CCD 어레이(512)로 구성되는 장비의 측정 조사에 사용될 수 있다.

즉, 광원(502)으로부터 발생된 광은 빔 스프리터(504) 및 대물렌즈(506)를 통해 기준 웨이퍼(500)의 측정 영역으로 조사되고, 각 층의 굴절율에 따라 변화되어 출사되는 반사광은 대물렌즈(506), 빔 스프리터(504), 격자판(508) 및 거울(510)을 경유하는 광 경로를 통해 출사되어 CCD 어레이(512)로 전달되며, 이와 같이 CCD 어레이(512)로 전달된 반사광의 스펙트럼 분석을 통해 각 층의 두께 및 전체 층의 두께를 검출하며, 이러한 반사광 검출 결과와 미리 정의된 기준 값과의 비교를 통해 다수의 층의 각 두께 및 전체 두께에 대한 장비의 측정 조사를 실현하게 된다.

또한, 본 실시 예에 따라 제조된 측정 조사용 기준 웨이퍼(도 6의 참조번호600)는, 다른 예로서 도 6에 도시된 바와 같이, 광원(602), 편광 프리즘(604), 회전 보상기(606), 분석기(608) 및 검출기(610)로 구성되는 장비의 측정 조사에 사용될 수 있다.

즉, 광원(602)으로부터 발생된 광은 편광 프리즘(604) 및 회전 보상기(606)를 통해 기준 웨이퍼(600)의 측정 영역으로 조사되고, 각 층의 굴절율에 따라 변화되어 출사되는 반사광은 분석기(608)를 경유하는 광 경로를 통해 검출기(610)로 전달되며, 이와 같이 검출기(610)로 전달된 반사광의 스펙트럼 분석을 통해 각 층의 두께 및 전체 층의 두께를 검출하고, 이러한 반사광 검출 결과와 미리 정의된 기준 값과의 비교를 통해 다수의 층의 각 두께 및 전체 두께에 대한 장비의 측정 조사를 실현하게 된다.

한편, 본 실시 예에서는 본 발명의 측정 조사용 기준 웨이퍼를 단지 두 개의 측정 장비에 적용하는 경우에 대해 일 예로서 설명하고 있으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 어떠한 다른 형태를 갖는 장비에도 적용할 수 있음을 이 기술분야의 숙련자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 제조된 측정 조사용 기준 웨이퍼의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라 제조된 측정 조사용 기준 웨이퍼의 단면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 기준 웨이퍼는, 필요 또는 용도에 따라, 기판(202) 상에 산화막 층(204), 티타늄 층(206), 질화티타늄 층(208), 텅스턴 층(210) 및 대략 중앙 부분에 측정 영역(214)을 갖는 산화막의 보호막 층(212)으로 구성되거나 혹은 기판(302) 상에 산화막 층(304), 티타늄 층(306), 질화티타늄 층(308) 및 대략 중앙 부분에 원형의 측정 영역(312)을 갖는 산화막의 보호막 층(310)으로 구성될 수 있으며, 이러한 구조를 형성하는 과정이나 이와 같은 구조의 기준 웨이퍼가 장비의 측정 조사에 사용되는 과정 또는 방법들은 앞에서 이미 기술한 방법들과 동일 내지 유사하다. 따라서, 이러한 기준 웨이퍼를 형성하는 과정과 이들을 이용하여 장비를 측정 조사하는 과정에 대해서는 생략한다.

즉, 본 발명에 따른 측정 조사용 기준 웨이퍼는, 제조하고자 하는 반도체 소자의 각 층에 대응할 수 있는 구조로 구성할 수 있다. 따라서, 여기에서는 단지 세 개의 기준 웨이퍼만을 예시적으로 도시하고 있으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 반도체 소자의 적층 구조에 대응할 수 있는 어떤 구조로도 형성될 수 있음은 물론이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 반도체 소자의 제조를 위해 웨이퍼 상에 형성하고자 하는 다수의 박막 층들을 기준 웨이퍼에 한 층씩 형성한 후에 광원을 이용하는 장비를 통해 그 두께를 측정함으로써 각 박막 층 및 전체 두께에 대한 장비의 측정 조사를 수행하는 전술한 종래 기술과는 달리, 웨이퍼 상에 형성하고자 하는 다수의 박막 층들을 기준 웨이퍼 상에 차례로 형성하고, 다수의 박막 층이 형성된 기준 웨이퍼의 상부에 측정 조사를 위한 측정 영역을 설정하며, 설정된 측정 포인트를 통해 광원을 조사하여 그 반사각을 검출함으로써 각 박막 층의 두께 및 전체 두께에 대한 장비의 측정 조사를 수행함으로써, 박막 층의 두께 정밀도에 대한 장비의 측정 조사 시간 및 작업 과정을 줄일 수 있다.

Claims (7)

1. 반도체 소자의 제조를 위해 웨이퍼 상에 형성되는 박막 층의 두께를 측정하는 장비의 두께 정밀도에 대한 측정 조사에 사용하기 위한 기준 웨이퍼에 있어서,

   기판;

   상기 기판 상에 순차 적층되며, 광 굴절율이 적어도 서로 다른 다수의 박막 층으로 된 박막 층 그룹; 및

   상기 박막 층 그룹 내의 상부 박막 층상에 형성되며, 소정 부분에 두께 인증용의 측정 영역이 형성된 보호막 층으로 이루어진 측정 조사용 기준 웨이퍼.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 측정 영역은, 상기 보호막 층의 대략 중심 부분에 형성되는 것을 특징으로 하는 측정 조사용 기준 웨이퍼.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 측정 영역은, 원형 구조로 된 것을 특징으로 하는 측정 조사용 기준 웨이퍼.
4. 반도체 소자의 제조를 위해 웨이퍼 상에 형성되는 박막 층의 두께를 측정하는 장비의 두께 정밀도에 대한 측정 조사를 수행하는 방법에 있어서,

   적어도 하나 이상의 박막 층으로 된 박막 층 그룹이 기판 상에 형성되며, 상부의 소정 부분에 두께 인증을 위한 측정 영역이 형성된 기준 웨이퍼를 준비하는과정;

   상기 기준 웨이퍼 내의 측정 영역에 광을 조사하는 과정;

   상기 각 박막 층의 굴절율에 대응하는 굴절각으로 상기 측정 영역으로부터 출사되는 반사각을 검출하는 과정; 및

   상기 검출 결과의 비교를 통해 상기 각 박막 층의 두께 및 전체 두께에 대한 상기 장비의 측정 조사를 수행하는 과정으로 이루어진 기준 웨이퍼를 이용한 장비의 측정 조사 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 기준 웨이퍼는, 상기 박막 층 그룹 내의 상부 박막 층상에 형성되며, 소정 부분에 상기 측정 영역이 형성된 보호막 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기준 웨이퍼를 이용한 장비의 측정 조사 방법.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 측정 영역은, 상기 보호막 층의 대략 중심 부분에 형성되는 것을 특징으로 하는 기준 웨이퍼를 이용한 장비의 측정 조사 방법.
7. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 측정 영역은, 원형 구조로 된 것을 특징으로 하는 기준 웨이퍼를 이용한 장비의 측정 조사 방법.