KR20030088568A

KR20030088568A - 박막 두께 측정 방법

Info

Publication number: KR20030088568A
Application number: KR1020020026227A
Authority: KR
Inventors: 전충삼; 전상문; 현필식; 조형석; 최상봉
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2002-05-13
Filing date: 2002-05-13
Publication date: 2003-11-20
Also published as: US20030210408A1; KR100438787B1; JP2003344039A

Abstract

박막 두께 측정 방법이 개시되어 있다. 개시된 본 발명은 기판 상에 소정의 형태로 패터닝된 하부막과 상기 하부막을 덮는 상부막을 순차적으로 형성한 다음, 상기 상부막의 두께를 측정하는 박막 두께 측정 방법에 있어서, 상기 하부막을 모델링하는 단계와, 상기 상부막의 두께를 측정하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 하부막의 모델링 단계는 상기 하부막을 소정의 물질막으로 설정한 다음, 이것을 조화 진동 모델을 사용하여 상기 하부막으로 모델링하되, 상기 소정의 물질막에 대한 흡수율, 굴절률 및 두께를 피팅(fitting) 파라미터로 사용한다.

Description

박막 두께 측정 방법{Method for measuring thickness of thin layer}

본 발명은 박막 두께 측정 방법에 관한 것으로서, 자세하게는 반도체 기판의 가장자리 영역뿐만 아니라 셀 영역의 박막 두께도 측정할 수 있는 박막 두께 측정 방법에 관한 것이다.

반도체 장치가 고집적화 되면서 기판 상에 적층되는 박막의 수가 급격히 증가되고 있다. 이에 따라, 기판 상에 적층되는 박막 하나 하나가 갖는 의미도 전에 비해 커지고 있다. 이것은 기판 상에 형성된 하나의 박막이 다음 공정에 미치는 영향이 크다는 것을 의미한다. 따라서, 반도체 장치의 제조 공정에서 어느 한 단계에서 박막이 형성된 후에는 형성된 박막에 대한 특성 평가를 실시하고, 그 결과를 후속 공정에 적용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 형성된 박막의 두께를 측정하여 박막이 균일한 두께로 형성되었는지를 평가한 다음, 그 결과를 후속 공정에 적용하여 후속 공정에서는 보다 균일한 두께로 박막을 형성할 수 있게 하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이 기판 상에 다층 박막이 적층되는 경우에, 각 박막의 두께는 제조 공정 상 중요한 파라미터(parameter)로 작용한다. 따라서, 박막이 원하는 소정의 두께로 형성되지 않는 경우, 후속 공정에서 불량이 유발될 수 있다. 예컨대, 박막이 기판의 전면에서 허용된 범위로 균일하게 형성되지 않는 경우, 사진 공정에서감광막이 균일한 두께로 도포되어야할 영역에서 감광막 도포 두께가 달라질 수 있고, 이러한 결과에 의해 사진 공정의 마진이 감소될 수 있고, 결국 수율 저하로 이어질 수 있다.

이러한 이유 때문에, 반도체 장치의 제조 공정에서 박막 두께를 측정하는 일은 중요한 의미를 갖는다. 반도체 장치가 고집적화되고 있는 상황에서는 더욱 그러하다.

이에 따라 다양한 박막 두께 측정 방법이 제시되고 있고, 몇 가지 방법은 산업 현장에서 널리 사용되고 있다.

이러한 종래 기술에 의한 박막 두께 측정은 측정 대상이 되는 박막의 하부에 존재하는 패턴에 의한 광학적 간섭과 조사 빔의 스폿(spot) 크기에 따른 제약 때문에 셀 영역 상에 형성된 박막이 아닌, 박막 두께 측정을 위해 별도로 마련된 사이트 상에 형성된 박막을 대상으로 이루어진다.

예를 들면, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 웨이퍼(1) 상에 형성된 박막, 특히 소정의 하부 패턴(3)이 형성된 셀 영역(B) 상에 형성된 상부막에 대한 두께 측정은 셀 영역(B) 사이에 준비된 사이트(A) 상에 형성된 부분을 대상으로 이루어진다. 사이트(A)는 평평한 영역으로써 패턴이 형성되어 있지 않다. 사이트(A)의 크기는 박막 두께 측정을 위해 사이트(A)에 조사되는 빔 스폿의 크기를 고려하여 20×20 내지 100×200 ㎛²정도이다.

이와 같이, 종래 기술에 의한 박막 두께 측정은 사이트(A) 상에 형성된 박막 두께를 측정하는 것으로써, 셀 영역(B) 상에 형성된 박막의 두께를 간접적으로 측정하기 때문에, 셀 영역(A) 상에 형성된 박막 두께를 정확하게 산출하기 어렵고, 특히 샷(shot) 또는 칩 내의 박막 두께 균일성을 측정하기 어렵다. 또, 상기 별도로 마련된 박막 두께 측정 사이트가 기판 가장자리로부터 10∼20mm정도 안쪽에 위치하기 때문에, 기판의 가장자리에 형성된 박막에 대한 두께 특성도 측정하기 어렵다.

이와 같은 종래 기술에 의한 박막 두께 측정 방법의 난점은 VSEM(Vertical SEM)을 이용함으로써 개선될 수 있다. 그러나 상기 VSEM을 이용하기 위해서는 웨이퍼를 절단하여 시편을 제작하고, 이를 분석하여야 하는 등 많은 시간이 소요된다. 따라서 반도체 장치의 생산성을 고려할 때, VSEM 이용은 차선책은 될 수도 있으나 최선책은 될 수 없다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술이 갖는 문제점을 개선하기 위한 것으로써, 비 파괴적이면서 기판의 임의 영역 또는 전 영역 상에 형성된 박막 두께를 실시간으로 측정할 수 있는 박막 두께 측정 방법을 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 웨이퍼의 평면도이다;

도 2는 도 1에 도시된 웨이퍼의 부분 확대 단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 박막 두께 측정 방법을 설명하기 위한 도면으로써, 하부막 및 상부막이 순차적을 형성된 기판의 셀 영역의 일부를 나타낸 단면도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 박막 두께 측정 방법에서 SE를 이용하여 박막 두께 측정을 위해 별도로 마련된 사이트에서 박막 두께를 측정할 때 나타나는 SE 스펙트럼을 입사빔의 파장대 진폭반사율비의 탄젠트 값으로 나타낸 그래프이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 의한 박막 두께 측정 방법에서 SE를 이용하여 박막 두께 측정을 위해 별도로 마련된 사이트에서 박막 두께를 측정할 때 나타나는 SE 스펙트럼을 입사빔의 파장대 위상차의 코사인 값으로 나타낸 그래프이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 의한 박막 두께 측정 방법에서 SE를 이용하여 셀 영역에 형성된 박막의 두께를 측정할 때 나타나는 SE 스펙트럼을 입사빔의 파장대 진폭반사율비의 탄젠트 값으로 나타낸 그래프이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 의한 박막 두께 측정 방법에서 SE를 이용하여 셀 영역에 형성된 박막 두께를 측정할 때 나타나는 SE 스펙트럼을 입사빔의 파장대 위상차의 코사인 값으로 나타낸 그래프이다.

도 8은 본 발명의 제1 실험예에 의한 박막 두께 측정 방법에서 측정된 사이트 및 셀 영역 상에 형성된 산화막의 두께 사이의 상관 관계를 나타낸 그래프이다.

도 9는 본 발명의 제2 실험예에 의한 박막 두께 측정 방법에서 측정한 셀 영역 및 이에 인접한 사이트 상에 형성된 산화막의 두께 변화를 측정한 곳에 따라 나타낸 그래프이다.

도 10은 본 발명의 제2 실험예에 의한 박막 두께 측정 방법에서 셀 영역과 사이트에서 측정한 산화막 두께 사이의 상관 관계를 나타낸 그래프이다.

도 11은 본 발명의 제3 실험예에 의한 박막 두께 측정 방법에서 사이트 및 셀 영역에서 측정한 산화막 두께를 측정 포인트별로 나타낸 그래프이다.

도 12는 본 발명의 제3 실험예에 의한 박막 두께 측정 방법에서 사이트 및 셀 영역에서 측정한 산화막 두께 사이의 상관 관계를 나타낸 그래프이다.

도 13은 본 발명의 제4 실험예에 의한 박막 두께 측정 방법에서 셀 영역 및 사이트에서 측정한 상부막의 두께 변화를 측정 포인터 별로 나타낸 그래프이다.

도 14는 본 발명의 제4 실험예에 의한 박막 두께 측정 방법에서 셀 영역 및 사이트에서 측정된 상부막 두께 사이에 상관 관계를 나타낸 그래프이다.

도 15는 본 발명의 실시예에 의한 박막 두께 측정 방법을 검증하기 위해 SE 스펙트럼 및 VSEM을 이용하여 측정한 상부막 두께를 측정 포인트별로 나타낸 그래프이다.

도 16은 본 발명의 실시예에 의한 박막 두께 측정 방법을 검증하는 과정에서SE 스펙트럼 피팅을 통해 측정한 상부막의 두께와 VSEM을 통해 측정한 상부막의 두께 사이의 상관 관계를 나타낸 그래프이다.

도 17은 본 발명의 실시예에 의한 박막 두께 측정 방법을 기판의 샷영역 상에 형성된 상부막의 두께 측정에 적용한 경우의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.

도 18은 본 발명의 실시예에 의한 박막 두께 측정 방법을 칩 영역의 두께 측정에 적용한 경우의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.

도 19는 본 발명의 실시예에 의한 박막 두께 측정 방법을 박막 두께 측정을 위한 사이트를 포함하지 않는 최외각 셀 영역의 두께 측정에 적용한 경우의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.

도 20은 본 발명의 실시예에 의한 박막 두께 측정 방법을 요약하여 단계별로 나타낸 블록도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명*

40:반도체 기판 42:하부막

44:상부막 48:빔

48a, 48b:반사빔들 100:막대 그래프

G, G1:그래프 200:그래프(G)의 앞쪽 부분

300:그래프(G) 중간부분

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 상에 소정의 형태로 패터닝된 하부막과 상기 하부막을 덮는 상부막을 순차적으로 형성한 다음, 상기 상부막의 두께를 측정하는 박막 두께 측정 방법에 있어서, 상기 하부막을 모델링한 다음, 상기 상부막의 두께를 측정하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정 방법을 제공한다.

이 과정에서, 상기 제1 단계는 상기 하부막을 소정의 물질막으로 설정하는 단계와, 조화 진동 모델(Harmonic Oscillator Model)을 사용하여 상기 소정의 물질막을 상기 하부막으로 피팅(fitting)하는 단계를 더 포함한다.

상기 피팅하는 단계에서 상기 물질막의 흡수율, 굴절율 및 두께를 피팅 파라미터로 사용한다.

상기 상부막은 CMP(Chemical Mechanical Polishing)된 상부막이다.

상기 상부막의 두께는 상기 기판의 소정 영역 상에 형성된 상부막을 대상으로 측정하되, 적어도 셀 영역을 포함하는 소정 영역 상에 형성된 상부막을 대상으로 측정한다.

상기 상부막의 두께는 SE(Spectroscope Ellipsometer) 스펙트럼을 이용하여 측정한다.

이러한 본 발명을 이용하면, 실시간으로 셀 영역 상에 형성된 박막의 두께를 직접 측정할 수 있고, 특히 샷(shot)영역 또는 칩 영역 별로 박막 두께 균일성을 알 수 있고, 웨이퍼 가장 자리 칩 영역 상에 형성된 박막의 두께를 측정할 수 있어 공정 개선 및 공정 문제 분석에 활용할 수 있다.

이하 본 발명의 실시예에 의한 박막 두께 측정 방법을 첨부된 도면을 참고하면서 상세히 설명한다.

도 3은 기판의 셀 영역의 일부를 나타낸 단면도로써, 참조번호 40은 반도체 기판, 예컨대 p형 실리콘 기판을 나타내고, 참조번호 42는 반도체 기판(40) 상에 형성된 패턴(이하, 하부막(42)이라 한다)을 나타낸다. 그리고 참조번호 44는 하부막(42)을 덮는 상부막이다.

이와 같이, 반도체 기판(40) 상에 물질막이 적층되어 있는 상태에서의 상부막(44) 두께는 상부막(44)에 빔(48)을 조사하고 상부막(44)으로부터 반사되는빔들(48a, 48b)을 검출하여 검출된 빔 사이의 위상 또는 편광 상태를 비교함으로써 측정할 수 있다. 이때, 반사빔들(48a, 48b)은 상부막(44)의 표면에서 반사된 빔(48a)과 하부막(42)에 의해 반사된 빔(48b)이다.

그런데, 하부막(42)이 반도체 기판(40)의 전 영역에 걸쳐 균일한 두께로 형성된 것이 아니라 도 3에 도시한 바와 같이 이격된 복수의 패턴들로 구성되는 경우, 상기 복수의 패턴들의 존재로 인해 반사 빔(48b)의 상태가 달라지게 된다. 곧, 입사빔(48)이 반도체 기판(40)의 전 영역에 걸쳐 균일한 두께로 형성된 하부막으로부터 반사된 반사빔은 상부막(44)에 대한 두께 정보를 정확히 포함하고 있는 반면, 입사빔(48)이 반도체 기판(40) 상에 소정의 간격으로 이격된 복수개의 패턴들로 구성된 하부막으로부터 반사된 반사빔은 상기 복수의 패턴들에 대한 정보도 함께 포함하고 있기 때문에 후자의 반사빔을 이용해서는 상부막(44)에 정확한 두께 정보를 얻기 어려울 수 있다.

이러한 이유로, 상부막(44)의 두께 측정은 대개 상기 복수의 패턴들이 형성되지 않은 별도의 사이트(미도시) 상에 형성된 상부막(44)의 두께 측정을 통해서 셀 영역 상에 형성된 상부막(44)의 두께도 간접적으로 측정하여 왔다.

한편, 입사빔(48)과 반사빔(48a, 48b)과의 상관관계에서 상부막(44)의 두께가 하부막에 비해 훨씬 두꺼운 경우에 반사빔(48a, 48b)에 실린 정보의 대부분은 상부막(44)에 대한 것으로 볼 수 있다. 곧, 입사빔(48)의 상태, 예컨대 세기(intensity)나 편광 상태 등은 상부막(44)에 의해 반사되면서 상부막(44)의 물리량들, 예컨대 두께, 굴절률, 흡수율 또는 결정성 등에 의해 영향을 받게 되고,그 정도에 따라 입사빔(48)과 반사빔(48a, 48b) 사이의 상태 변화 정도가 결정되므로, 반사빔(48a, 48b)의 분석을 통해서 상부막(44)에 대한 물성을 측정할 수 있다.

따라서, 하부막(42)이 복수의 패턴들로 구성된 경우라 하더라도, 상부막(44)의 두께가 두꺼운 경우에는 특정 파장 대역에서 하부막(42)에 대한 모델링을 통해서 하부막(42)의 파라미터를 최적화할 경우 상부막(44)의 두께를 정확히 측정할 수 있다. 이것은 상기 사이트뿐만 아니라 셀 영역에서도 상부막(44)의 두께를 정확히 측정할 수 있음을 의미한다.

이러한 사실은 도 4 내지 도 7을 참조함으로써 명확해진다.

구체적으로, 도 4 및 도 5는 상기 사이트 상에 형성된 상부막(44)의 두께를 측정하기 위해, 도 6 및 도 7은 SE(Spectroscopic Ellipsometer)를 사용한 결과인 SE 스펙트럼을 나타낸 것으로써, 도 4 및 도 6은 입사빔의 파장대 진폭반사율비(Ψ)의 탄젠트 값(tan(Ψ))의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 5 및 도 7은 입사빔의 파장대 위상차(Δ)의 코사인 값(cos(Δ))의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 사이트 상에 하부막(42)이 패턴 형태가 아니라 균일한 두께로 형성되어 있기 때문에, 상기 복수의 패턴들에 의한 영향이나 하부막(42)의 불균일성에 의한 영향은 없다. 따라서, 상기 사이트 상에 형성된 상부막(44)으로부터 반사되는 반사빔의 SE 스펙트럼은 주기적인 형태로 나타난다. 이에 따라, 상기 사이트 상에 형성된 하부막(42)의 파라미터와 두께를 아는 경우, 전 파장 영역에서 상기 SE 스펙트럼을 피팅하는 것이 가능하다.

반면, 도 6 및 도 7을 참조하면, 셀 영역 상에 형성된 상부막(44)으로부터반사되는 반사빔의 SE 스펙트럼은 하부막(42)이 복수의 패턴들로 구성되어 있는 등 하부 막질의 구조가 복잡하고, 두께도 불균일하여 비주기적 형태로 나타남을 알 수 있다.

그러나, 해당 막별로 특정 파장 대역에서 일정한 스펙트럼을 나타내고 있어 하부막(42)을 모델링하고 이를 위한 파라미터를 적절하게 설정할 경우 피팅이 가능하고, 이렇게 해서 얻어지는 상부막(44)에 대한 두께 정보는 정확한 것으로 볼 수 있다.

한편, 상기 셀 영역 상에 형성된 상부막(44)에 대한 SE 스펙트럼의 경우, 300∼450㎚ 파장 대역에서 상부막(44)은 상기 사이트 상에 형성된 상부막(44)과 동일한 구조로 하고, 하부막(42)은 임의의 물질막으로 설정한 다음, 조화 진동 모델(HOM)을 사용하고 흡수율, 굴절율, 두께를 비롯한 기타 물리량을 상기 물질막을 하부막(42)으로 피팅하기 위한 파라미터로 사용하여 하부막(42)을 모델링한 결과, 상기 사이트 상에 형성된 상부막(44)에 대한 SE 스펙트럼과 좋은 상관 관계를 나타내었다. 이것은 상기 사이트 및 상기 세 영역 상에 형성된 상부막(44) 사이에 좋은 상관관계가 있음을 의미하는 것이며, 이러한 사실로부터 상기한 모든 가정들이 신뢰성이 있는 것으로 판단되어 여러 디바이스에 대해 다음 실험을 실시하였다.

<제1 실험예>

4M FAST SRAM 제조 공정에서 CMP후에 두께 측정을 위해 별도로 마련된 사이트 및 셀 영역 상에 형성된 상부막의 두께를 측정하였다. 이때 상기 상부막으로 실리콘 산화막을 사용하였다.

하부막의 복잡성과 하부 패턴의 영향을 최소화하고 상부막에 대한 정보를 많이 얻기 위해 상대적으로 두께가 두꺼운 CMP 공정에서 상기 상부막에 대한 두께 측정을 실시하였다. 측정 위치는 두께를 상대적으로 비교할 수 있도록, 현재 상부막에 대한 두께 측정이 실시되고 있는 사이트, 예컨대 1번 사이트(표1의 OS＃1)와 셀 영역을 설정하였다. 상기 상부막에 대한 두께 측정은 SE를 이용하였고, 분석은 SE의 반사도 스펙트럼을 이용하였다. 상기 반사도 스펙트럼은 모델링을 통한 피팅을 시도하였다. 아래의 표 1은 상기 피팅시 사용한 레시피(recipe) 조건들이다.

	OS#01	Cell 영역
	Film	T(Å)	N	K	Model	Film	T(Å)	N	K	Model
layer2						Oxide	10800-12800	1.457	0	Table
layer1	Oxide	10800-2800	1.458	0	Table	Other	3200-3800	1.3402	0.4157	Ho
sub.	Si		3.8806	0.0199	Table	Si		3.8806	0.0199	Table
측정값	THK1	THK1, THK2, N1, K1

표 1에서 "sub", "layer1" 및 "layer2"는 각각 반도체 기판과 반도체 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 및 제2 물질막을 나타낸다. 그리고 "Oxide"는 실리콘 산화막으로써, 상기 사이트 및 상기 셀 영역의 상부막이다. "Other"는 셀 영역의 반도체 기판과 실리콘 산화막 사이에 형성된 임의의 제1 물질층으로써, 하부막을 나타낸다. 또, THK1, THK2, N1 및 K1은 각각 상부막으로 사용된 물질막의 두께, 셀 영역에서 하부막으로 사용된 물질막의 두께, 상부막의 굴절률 및 상부막의 흡수율을 나타낸다. 또, "Model"은 각 물질막에 적용한 적용 모델을 나타낸다. 예컨대, "HO"는 셀 영역에서 하부막(Other)에 대해 적용한 조화 진동 모델을 나타낸다.

이와 같이, 상기 사이트는 반도체 기판 상에 실리콘 산화막이 있는 단순 구조를 가지는 반면, 셀 영역의 경우 상부막은 상기 사이트의 그것과 동일하지만 상기 상부막과 상기 반도체 기판 사이에 하부막을 더 구비하는 다소 복잡한 구조이다. 이때, 상기 하부막은 상기한 바와 같이 임의의 물질막으로 설정하고 조화 진동 모델(HOM)을 이용하여 흡수율, 굴절율 및 두께 모두를 피팅 파라미터로 사용하였다.

그리고, 상기 사이트에서는 반사도 스펙트럼 피팅을 통해 반도체 기판 상에 형성된 제1 물질층이자 상부막인 실리콘 산화막의 두께(THK1)만을 측정하였고, 상기 셀 영역에서는 상부막 및 하부막의 두께(THK1, THK2)와 상기 상부막의 굴절률(N1) 및 흡수율(K1)을 측정하였다.

도 8은 상기 사이트 및 상기 셀 영역의 상부막, 곧 상기 실리콘 산화막의 두께 측정 결과를 나타낸 것으로써, 가로축은 상기 사이트에서 측정한 상기 실리콘 산화막의 두께를, 세로축은 상기 셀 영역에서 측정한 상기 실리콘 산화막의 두께를 나타낸다.

도 8을 참조하면, 상기 사이트에서 측정한 상기 상부막의 두께와 상기 셀 영역에서 측정한 상기 상부막의 두께 사이에 우수한 상관 관계(0.9874)가 있음을 알 수 있다. 그리고 상기 사이트에서 측정한 상기 실리콘 산화막의 두께가 셀 영역에서 측정한 두께에 비해 100Å정도 두꺼운 것으로 나타나고 있으나, 상기 상관 관계를 토대로 볼 때, 상기 측정값에 대한 신뢰성은 있는 것으로 판단된다.

<제2 실험예>

상기한 제1 실험예의 경우, 반사도 스펙트럼에 의한 피팅 결과이고, 반사도보다 정보가 많은 SE 스펙트럼을 이용한 피팅시에 좀 더 정확한 두께 측정이 이루어질 것으로 판단되어 2M PB3 CMP후의 산화막 두께, 예를 들면 BPSG(Boron-doped Phospho-Silicate Glass)두께를 상기 모델링을 통해 셀 영역에서 측정하였고 인접한 사이트 상에 형성된 상기 산화막의 두께도 함께 측정하였다. 그리고 상기 셀 영역 및 상기 사이트에서 측정한 측정값들을 비교하였다. 상기 측정은 웨이퍼의 16곳(point)을 대상으로 이루어졌으며, 2장의 웨이퍼를 사용하였다. 또, 상기 측정을 위해 SE를 사용하였다. 이때, 상기 모델링을 위해 제1 실험예와 유사한 파라미터들을 사용하였으며, 300∼450nm 파장 대역의 광을 피팅에 사용하였다.

도 9 및 도 10은 본 실험예의 측정 결과를 나타낸 그래프들로써, 도 9는 본 실험예에서 측정한 상기 셀 영역 및 이에 인접한 사이트 상에 형성된 산화막의 두께 변화를 측정한 곳에 따라 나타낸 그래프로써, 가로축은 측정한 곳의 번호를, 세로축은 산화막의 두께를 나타낸다. 도 9에서 참조 도형 "◆"는 사이트에서 측정한 산화막의 두께 변화를, 참조 도형 "■"는 셀 영역에서 측정한 상기 산화막의 두께 변화를 나타낸다. 그리고 도 10은 상기 셀 영역과 상기 사이트에서 측정한 상기 산화막 두께들 사이의 상관 관계를 나타낸 그래프로써, 가로축은 상기 사이트에서 측정한 상기 산화막의 두께 변화를, 세로축은 상기 셀 영역에서 측정한 상기 산화막의 두께 변화를 나타낸다.

도 9를 참조하면, 제1 실험예와 마찬가지로 사이트에서 측정한 산화막의 두께가 셀 영역에서 측정한 상기 산화막의 두께보다 두껍게 측정됨을 알 수 있다.

그리고 도 10을 참조하면, 제1 실험예와 마찬가지로 셀 영역 및 이에 인접한상기 사이트에서 측정한 측정값들 사이에 우수한 상관 관계(0.9795)가 있음을 알 수 있다.

<제3 실험예>

SRAM과 하부 구조에서 차이가 있는 DRAM에서의 경향성을 알아보기 위한 실험이었다.

구체적으로, 상부막인 산화막으로써 BPSG를 사용하였으며, 상기 산화막에 대해 CMP 공정을 실시한 후에 셀 영역 및 사이트에서 상기 산화막의 두께를 측정하여 비교하였다. 상기 측정은 웨이퍼 당 9곳(point)의 사이트 및 셀 영역을 대상으로 이루어졌으며, 상기 측정 장비로써 SE를 사용하였다. 또, 본 실험예에 적용한 모델링을 제1 또는 제2 실험예에 적용한 모델링 기법을 따랐다. 다만, DRAM의 BPSG CMP후 공정에서 반사도 스펙트럼을 이용한 모델링을 통한 피팅이 여의치 않아 SE 스펙트럼을 이용하여 모델링 하였다.

도 11 및 도 12는 상기 측정 결과를 나타낸 그래프들로써, 도 11은 사이트 및 셀 영역에서의 산화막 두께를 측정 포인트별로 나타낸 것이고, 도 12는 사이트 및 셀 영역 사이의 상관 관계를 나타낸 것이다.

도 11에서 참조 도형 "◆"는 사이트에서의 두께 변화를, "▲"는 셀 영역에서의 두께 변화를 나타내는데, 사이트에서 측정된 산화막의 두께가 셀 영역에서 측정된 상기 산화막의 두께보다 두꺼운 것으로 나타났다.

그리고 도 12에서 볼 수 있듯이, 셀 영역 및 사이트에서 측정한 상기 산화막 두께 사이의 상관 정도는 0.9875정도로써 양자의 상관 관계는 우수함을 알 수 있다.

<제4 실험예>

상기 제1 내지 제3 실험예는 상부막의 두께가 비교적 두꺼운 경우에 대한 것으로써, 이들 실험 결과를 통해서 셀 영역 및 사이트 사이에 우수한 상관 관계가 나타남을 알 수 있었다. 즉, 상부막의 두께가 두꺼운 경우, 셀 영역에서 상기 상부막에 대한 두께 측정이 SE 스펙트럼을 사용하여 실시간으로 가능함을 알 수 있었다.

이에, 상기 상부막의 두께가 얇은 경우에도 그 두께 측정이 가능한지를 알아보기 위해 산화막, 예를 들면 BPSG막을 셀 영역 및 사이트에 증착한 후, 상기 셀 영역과 상기 사이트에 형성된 산화막 두께를 측정하였다. 이때, 측정 장비로는 SE를 사용하였으며, 웨이퍼의 12곳(point)에서 측정하였다.

도 13 및 도 14는 상기 측정 결과를 나타낸 그래프들로써, 도 13은 셀 영역 및 사이트에서 측정한 상부막의 두께 변화를 측정 포인터 별로 나타낸 것이고, 도 14는 셀 영역 및 사이트에서 측정된 상부막 두께 사이에 상관 관계를 나타낸 것이다.

도 13에서 참조 도형 "■" 및 "◆"은 각각 셀 영역 및 사이트에서 측정한 상부막의 두께 변화를 나타낸다. 이들을 참조하면, 제1 내지 제3 실험예의 경우에 비해 상부막에 대한 셀 영역 및 사이트에서 측정된 측정값들 사이의 차가 훨씬 크다는 것을 알 수 있다. 또, CMP공정에서와 달리 사이트에서 측정한 상부막의 두께가 셀 영역에서 측정한 상부막의 두께보다 얇은 것으로 나타나는데, 이에 대해서는 추가 검증이 필요하다.

도 14를 참조하면, 셀 영역 및 사이트에서 측정된 상부막 두께들 사이의 상관 정도도 0.8627 정도로써, 상관 관계가 제1 내지 제3 실험예의 그것들에 비해서는 낮지만 여전히 양호한 상관 관계가 있음을 알 수 있다. CMP공정에 비해 상기 상관 관계가 다소 낮은 것은 상부막 두께가 얇아서 상기 상부막으로부터 얻을 수 있는 정보가 적은데 기인한 것이다.

<검 증>

상기한 모든 실험예에서 하부막의 모델링을 통해 셀 영역에서 상기 하부막 상에 형성된 상부막의 두께를 측정한 결과, 상기 셀 영역에 인접한 사이트에서 측정한 상부막의 두께와 양호한 상관 관계를 얻었다. 이에 이를 검증하기 위해, 사이트 아래의 셀 영역을 피팅한 다음 상부막 두께를 측정한 결과와 수직 주사전자현미경(VSEM)을 이용하여 상기 상부막 두께를 측정한 결과를 비교하여 양자의 상관 관계를 검증하였다. 상기 검증은 웨이퍼의 16곳을 대상으로 실시하였다. 또, 상기 상부막은 산화막으로써, CMP된 것이다.

상기 검증에서 셀 영역에서의 상기 상부막 두께 측정은 SE 스펙트럼 피팅을 통해 측정하였고, 피팅시의 레시피 조건 특이 사항으로써 상기 상부막과 상기 하부막 사이에 나이트라이드막을 형성하였으며, 상기 나이트라이드막에 대해 HO 모델을 적용하였다. 따라서 셀 영역 상에 적층된 적층물의 적층 구조는 아래에서 위로 반도체 기판(Si)/하부막/나이트라이드막/상부막(산화막)이 된다. 상기 측정은 300∼450nm대역에 속하는 파장을 갖는 광을 이용하여 진행하였다. 이때, 측정 파라미터로 상기 상부막 및 하부막의 두께, 상기 하부막의 굴절률 및 흡수율을 사용하였다.

상기 검증의 결과는 도 15 및 도 16에서 볼 수 있는데, 도 15는 SE 스펙트럼 및 VSEM을 이용하여 측정한 상부막 두께를 측정 포인트별로 나타낸 그래프로써, 참조 도형 "■"은 VSEM에 의한 것을, "◆"은 SE 스펙트럼에 의한 것을 나타낸다. 그리고 막대 그래프(100) 들은 스큐(skew)를 나타낸다.

한편, 도 16은 SE 스펙트럼 피팅을 통해 측정한 상기 상부막의 두께와 상기 VSEM을 통해 측정한 상기 상부막의 두께 사이의 상관 관계를 나타낸 것으로써, 가로축의 SE 데이터는 SE 스펙트럼을 이용하여 측정한 상기 상부막의 두께 변화를, 세로축은 VSEM을 이용하여 측정한 상기 상부막의 두께 변화를 나타낸다.

도 16을 참조하면, SE 스펙트럼 피팅을 통해 측정한 상기 상부막의 두께와 상기 VSEM을 통해 측정한 상기 상부막의 두께 사이의 상관 관계는 상관 정도가 0.6정도로써 절대적으로 일치하지 않지만, 이것은 VSEM의 측정 위치와 SE를 이용한 측정 위치가 정확하게 일치하지 않기 때문이며, 경향성 측면에서는 유사한 결과가 나타나므로 SE를 이용한 셀 영역에서의 상기 상부막 두께 측정 데이터는 신뢰성이 있다고 볼 수 있다.

<샷영역의 두께 균일도 측정>

계속해서, 상술한 본 발명에 의한 박막 두께 측정 방법을 평가하고자 종래의 박막 두께 측정 방법으로는 모니터가 불가능한 샷(shot) 영역에 형성된 박막의 균일성(uniformity)을 알아보았다. 이를 위해, 9개 샷 영역 각각의 좌상(UL),우상(UR), 좌하(LL) 및 우하(LR) 등 네 부분의 포인트를 측정하였다.

도 17은 이러한 측정 결과를 나타낸 그래프로써, 가로축은 9개의 샷 영역을, 세로축은 샷 영역에서 측정된 상부막의 두께를 나타낸다. 그리고 그래프(G)에서 앞쪽 부분(200)은 웨이퍼의 탑(top)의 최외각에 분포된 샷영역에 대한 두께 균일도 분포를 나타내고, 중간 부분(300)은 웨이퍼의 중심 영역에 분포된 샷영역에 대한 두께 균일도 분포를 나타낸다.

도 17을 참조하면, 탑의 최외각에 분포된 샷영역 상에 형성된 상부막의 두께 분포는 최저 두께가 7800Å이고, 최대 두께가 8500Å으로써, 최대 두께차가 700Å정도인 두께 균일도를 보이고 있다. 나머지 샷영역내에서의 상기 상부막의 두께 균일도는 최저 및 최대 두께 차가 100Å∼500Å정도인 두께 균일도를 보여주고 있다.

종래 기술에 의한 박막 두께 측정 방법의 경우, 별도로 마련된 박막 두께 측정 사이트를 통해서 박막의 두께를 측정하고, 상기 사이트가 샷영역에 하나만 존재하므로, 샷영역내의 두께 균일도에 대한 정보를 얻을 수가 없다. 또한, 최외각 사이트 위치가 웨이퍼 가장자리로부터 10-20mm안쪽에 있기 때문에 웨이퍼 가장자리의 균일도를 확인할 수 없는데, 상기한 바와 같이 본 발명에 따라 셀 영역에서 상부막의 두께를 측정하는 경우, 실시간으로 셀 영역에 형성된 박막에 대한 정보를 얻을 수 있기 때문에 후속 공정을 개선할 수 있다.

<칩의 두께 균일도 측정>

다음에는 본 발명에 의한 박막 두께 측정 방법을 이용하여 디바이스의 칩내 두께 균일도를 알아보기 위하여, 웨이퍼의 최외각에 위치한 칩을 대상으로 두께 균일도를 측정하였으며, CMP후의 상부막 두께를 측정하여 칩의 두께 균일도를 측정하였다. 상기 측정을 위해, 웨이퍼의 플렛존 영역, 플렛존 영역과 마주하는 탑영역 및 상기 플렛존 영역의 좌우측 영역에 위치한 최외각 칩으로부터 3개 칩에 대한 두께 균일도를 측정하였다.

도 18은 상기 측정에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로써, 참조부호 A1, A2 및 A3는 각각 상기 CMP후의 상기 상부막 두께가 10500-11000Å인 영역, 11000-11500Å인 영역 및 11500-12000Å인 영역을 나타낸다.

이를 참조하면, 웨이퍼의 탑 및 플렛존 영역에 위치한 칩 상에 형성된 상부막에 비해 웨이퍼의 좌측(L) 및 우측(R) 영역에 위치한 최외각 칩 상에 형성된 상기 상부막의 두께보다 얇은데, 이것은 상기 좌측(L) 및 우측(R) 영역에 위치한 최외각 칩 상에 형성된 상기 상부막이 과도하게 연마됨을 나타낸다.

이와 같은 칩들의 두께 균일도 정보는 종래의 사이트를 통한 박막 두께 측정으로는 얻기 불가능한 정보이다. 따라서 본 발명에 의한 박막 두께 측정 방법을 이용함으로써, CMP공정에서 과도 연마된 부분을 제품상에 정확하게 규명할 수 있을 것이다.

다음에는 칩의 두께 균일도 측정에 사용한 디바이스에서, 박막 두께 측정을 위해 별도로 마련한 사이트가 존재하지 않는 위치, 곧 최외각을 포함하는 셀 영역내의 두께 균일도를 확인하였다. 두께 균일도는 상부막을 형성한 다음, 상기 상부막을 CMP한 후 측정하였다. 이때, 상기 상부막은 산화막, 예를 들면 BPSG막으로 형성하였다.

상기 두께 균일도는 플렛존 영역에서 탑 영역 방향으로 측정하되, 칩 단위로 레시피를 셋-업하여 칩 내의 네 곳(UL, UR, LL, LR)에서 상기 상부막의 두께를 측정한 다음, 이들을 평가하여 측정하였다.

도 19는 이러한 측정 결과를 나타낸 그래프로써, 그래프(G1)의 왼쪽 부분은 플렛존 영역을, 우측은 탑 영역을 나타낸다.

도 19를 참조하면, 탑 영역에 위치한 두 칩(가로축의 17 및 18번)내의 두께 균일도는 500Å∼600Å정도로써, 다른 영역에 비해 크게 나타남을 알 수 있고, 플렛존 영역에 위치한 칩의 경우, 데이터 중심치가 다른 영역에 위치한 칩에 비해 400Å∼1,000Å정도 크게 나타나고 있어 디바이스 불량의 원인이 될 수 있음을 알 수 있다.

또, 전체적으로는 웨이퍼 중심이 탑 영역이나 플렛존 영역에 비해 많이 연마된 것을 알 수 있고, 상기 탑 영역의 두께 균일도가 좋지 않음을 알 수 있는데, 이러한 사실은 종래의 박막 두께 측정 방법으로는 알 수 없는 것들이다.

아래의 표 2는 상기한 실험예 및 검증 결과를 요약한 것이다.

	셀 영역과 사이트의 상관 관계	셀 영역과 사이트의 두께 차(Å)	비고
제1 실험예	0.9874	∼100(사이트>셀 영역)
제2 실험예	0.9795	∼200(사이트>셀 영역)
제3 실험예	0.9975	∼700(사이트>셀 영역)
제4 실험예	0.8627	∼150(셀 영역>사이트)
검증실험예	0.6196	±300

표 2를 참조하면, SE 스펙트럼을 이용한 모든 실험예 및 검증 결과에서 사이트 및 셀 영역에서 측정한 상부막 두께 값 사이에 우수한 상관 관계가 얻어짐을 알수 있다. 또, CMP공정의 경우, 셀 영역에 형성된 상부막의 두께가 사이트 상에 형성된 상부막의 두께보다 얇은 반면, BPSG 증착 공정의 경우 반대의 경향을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 또, 상부막의 두께가 두꺼울수록 셀 영역 및 사이트에서의 두께 상관 관계가 우수해지며, 셀 영역에서의 두께 측정 정확도가 증가된다는 것을 알 수 있다.

한편, VSEM을 이용한 본 발명의 검증과정에서, VSEM과의 매칭시 정확한 측정 포인트 매칭이 이루어지지 못하고, VSEM에서 발생하는 오차등으로 인해 ±300Å정도의 오차가 나타나고 있으나, 경향성 측면에서 유사하다. 따라서 본 발명에 의한 박막 두께 측정 방법으로 측정한 두께 데이터는 신뢰할 수 있다.

도 20은 이러한 본 발명에 의한 박막 두께 측정 방법을 단계별로 요약한 블록도로써, 제1 단계(500)는 기판 상에 형성된 하부막을 모델링하는 단계이고, 제2 단계(510)는 상기 하부막 모델링 후에 상기 하부막 상에 형성된 상부막의 두께를 측정하는 단계이다. 상기 하부막은 HO모델을 사용하여 모델링하고, 상기 상부막의 두께는 상기 실험예들에 기술한 바와 같이 SE 스펙트럼을 사용하여 측정한다.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 SE가 아닌 다른 박막 두께 측정 장비를 사용하거나 SE의 구성을 변경하거나 별도의 구성 요소를 추가한 SE를 사용할 수 있을 것이다. 이와 같은 본 발명의 다양성 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 박막 두께 측정 방법은 SE 스펙트럼을 이용하고, 하부막 모델링함으로써 상기 하부막 상에 형성된 상부막에 대한 두께를 측정하는 비파괴적인 박막 두께 측정 방법이다. 이러한 본 발명의 방법을 이용하면 셀 영역 특히, 종래에는 모니터링할 수 없는 샷영역 또는 칩 영역의 두께를 측정하여 상기 각 영역의 두께 균일도를 측정할 수 있다. 이와 함께 웨이퍼의 가장 자리에 위치한 칩의 두께도 측정할 수 있어 공정 개선 및 공정 문제 분석에 활용할 수 있다. 특히, 상부막의 두께가 두꺼워 안정적인 측정이 이루어질 수 있고, 웨이퍼의 전체 균일도가 중요한 CMP공정에 본 발명을 적용한다면 공정 개선 효과는 배가될 수 있다.

Claims

기판 상에 소정의 형태로 패터닝된 하부막과 상기 하부막을 덮는 상부막을 순차적으로 형성한 다음, 상기 상부막의 두께를 측정하는 박막 두께 측정 방법에 있어서,

상기 하부막을 모델링하는 제1 단계; 및

상기 상부막의 두께를 측정하는 제2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제1 단계는 상기 하부막을 소정의 물질막으로 설정하는 단계; 및

상기 소정의 물질막을 조화 진동 모델(Harmonic Oscillator Model)을 사용하여 상기 하부막으로 피팅(fitting)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 피팅하는 단계에서 상기 물질막의 흡수율, 굴절율 및 두께를 피팅 파라미터로 사용하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 상부막은 CMP(Chemical Mechanical Polishing)된 물질막인 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 상부막의 두께는 상기 기판의 소정 영역 상에 형성된 상부막을 대상으로 측정하되, 적어도 셀 영역을 포함하는 소정 영역 상에 형성된 상부막을 대상으로 측정하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정 방법.
제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 상부막의 두께는 SE(Spectroscope Ellipsometer) 스펙트럼을 이용하여 측정하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정 방법.