KR20040046854A - 반도체 소자의 오버레이 측정 방법 - Google Patents

반도체 소자의 오버레이 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 포토리소그래피 공정 중 오버레이 측정 장비를 이용하여 아들자와 어미자의 정렬도를 측정하는 방법에 있어서, SEM-EDS를 이용하여 아들자와 어미자로 구성된 오버레이 키 영역을 EDS 지도 제작하는 단계와, 상기 EDS로 제작된 어미자와 아들자의 구성 원소를 분석하여 에지부를 검출하여 오버레이를 측정하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 오버레이 측정 방법에 관한 것이다.

Description

반도체 소자의 오버레이 측정 방법{METHOD FOR DETECTION OF SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 반도체 소자의 오버레이 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광학적 방법에 의한 오버레이 측정 방법 대신 어미자와 아들자의 구성 원소의 분포를 검출하여 얼라인 정도를 측정하는 오버레이 측정 방법에 관한 것이다.
반도체 장치의 고집적화에 따라 디자인 룰이 감소하게 되고, 이에 따라 소자를 이루는 각 패턴을 형성하는 리소그래피 공정은 반도체 장치의 집적도를 결정하는 요인이 되고 있다. 리소그래피 공정은 도포된 포토레지스트의 소정 부분을 포토마스크를 통해 노광시킴으로서 선택적인 광화학 반응을 일으키고, 노광후 베이크를 통해 정재파 효과를 감소시키며, 알칼리 용액을 사용하여 노광 지역과 비노광 지역간의 용해도 차이에 의한 화학 반응을 이용하여 최종적인 패턴을 형성하는 공정이다.
이러한 리소그래피 공정을 진행함에 있어서, 기 형성된 하부층과 상부층의 오버레이 상태를 확인할 필요가 있으며, 이와 같은 오버레이(중첩도)의 측정을 위하여 오버레이 버니어를 사용하고 있다.
도 1은 종래의 오버레이 버니어의 레이아웃을 도시한 것으로, 종래의 오버레이 버니어는 도시된 바와 같이 정방형의 어미자(10)와 그 내부에 형성되는 아들자(12)로 이루어지며, 어미자(10)와 아들자(12)의 대응되는 각 변 사이의 거리를 측정하여 그 중심 위치를 비교하여 중첩도를 나타내게 된다.
그러나, 이러한 종래의 기술에 의한 오버레이 측정 방법은 어미자와 아들자의 중심 위치만을 비교하여 중첩도를 측정하므로, 측정 오차가 비교적 크게되고 글로벌 얼라인(Global align) 및 사이트 얼라인(Site align) 시에 대조에 의해 얼라인 하므로 웨이퍼간 차이가 있을 수 있으며, 웨이퍼 내에서도 위치에 따라 다를 수 있어 측정 오차가 자주 발생한다.
더구나, 금속층의 오버레이 측정시에는 앞 레이어인 어미자에서 텅스텐 CMP공정시 어미자의 각 변에 슬러리가 잔류하여 측정 오차가 발생하는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 아들자와 어미자의 경계부위를 검출하여 대조하는 방식 대신에 X-레이를 이용하여 아들자와 어미자의 원소 분석을 통해 에지부를 검출하여 오버레이를 측정함으로써, 측정시 웨이퍼 및 웨이퍼 내의 위치에 따른 대조 차이에 의한 얼라인 에러를 줄일 수 있는 반도체 소자의 오버레이 측정 방법을 제공하기 위한 것이다.
도 1은 종래의 오버레이 버니어의 레이아웃을 도시한 것이다.
도2는 본 발명에 이용되는 EDS 측정 원리를 나타낸 도면이다.
도3 내지 도4는 본 발명에 의한 반도체 소자의 오버레이 측정 방법을 나타낸 도면이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
10 : 어미자 12 : 아들자
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 반도체 소자의 포토리소그래피 공정 중 아들자와 어미자의 오버레이를 측정하는 방법에 있어서, 상기 아들자와 어미자를 구성하는 원소의 특성 X-선을 측정함으로써 상기 아들자와 어미자의 구성 원소 분포를 측정하는 단계와, 상기 구성 원소 분포를 통하여 구성 원소가 현저히 달라지는 에지부를 분석하여 어미자와 아들자의 오버레이를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 오버레이 측정 방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명에 따르면, 원소의 특성 X-선을 측정하여 아들자와 어미자의 구성 원소 분포를 구체적으로 분석한 후, 이를 이용하여 오버레이를 측정하므로 측정 오차를 최소화 할 수 있고, 특히 중심 위치만이 아닌 구체적 원소 분포를 대비하므로, 어미자의 각 변에 슬러리가 잔류하더라도 오버레이를 정밀하게 측정할 수 있다.
이때, 상기 아들자와 어미자의 에지부를 검출하는 단계에서 원소량이 변화되는 구간은 쓰레스홀드(Threshold) 방식으로 또는 폴드 미니멈(Fold Minimum) 방식으로 인식하는 것이 바람직하다.
상기 아들자와 어미자의 구성 원소 분포는 EDS 또는 WDS 장비를 이용하여 측정하는 것이 바람직하나, 포토리소그래피 공정에서 패턴의 CD를 측정하는 CD-SEM 장비에 EDS를 내장하여 CD와 오버레이를 동시에 측정할 수도 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이며 종래 구성과 동일한 부분은 동일한 부호 및 명칭을 사용한다.
도2는 본 발명에 이용되는 EDS 측정 원리를 나타낸 도면이다.
도2를 참조하면, 전자빔이 시편에 입사되면 가속된 입사전자들이 시편내 원자들의 내각의 전자를 추출하게 되고, 높은 에너지를 가진 전자가 축출된 전자 자리를 채우면서 이 에너지를 X-선으로 방출하게 되고 이를 특성 X-선이라고 한다.
이 특성 X-선은 원자의 종류 및 전자 궤도에 따라 다르므로 이를 이용하여 시편의 화학적 성분을 정성 혹은 정량 분석할 수 있게되는데, 이를 EDS(Energy Dispersive Spectroscoy) 라고 한다.
즉, 본 발명에 의하면 상기 특성 X-선을 통하여 어미자와 아들자의 구체적원소 분포를 측정하여 오버레이를 측정하게 되는바, 이에 따?? 중심 위치만을 비교하는 종래의 방법에 비해 좀 더 정밀하게 오버레이를 측정할 수 있다.
도3 내지 도4은 이러한 본 발명에 의한 반도체 소자의 오버레이 측정 방법을 나타낸 도면이다.
도3은 본 발명에 이용되는 오버레이 측정 모식도로, 이를 참조하면 SEM-EDS를 이용하여 아들자와 어미자로 구성된 오버레이 키 영역을 EDS 지도 제작하여 구성 원소의 분포를 측정한다.
상기 도3에서 제작된 EDS 지도를 이용하여 도4를 참조하면, 어미자(10)와 아들자(12)의 구성 원소의 분포를 분석하는데, 예를 들어 금속층의 오버레이 측정시에 어미자(10)는 텅스텐 원소의 분포로 나타나고, 아들자(12)는 폴리머를 특징으로 하는 원소의 분포로 나타나는데, 이 원소 분포를 통해 어미자(10)와 아들자(12)의 정렬도를 측정한다.
이때, 각 원소의 분포 그래프에서 원소 분포의 급격한 변화를 나타내는 경계 부위에서 쓰레스 홀드(Threshold) 방식 또는 Fold Minimum(폴드 미니멈) 방식으로 정의한다.
첫째로, 쓰레스 홀드 방식은 에지부를 찾아서 아래의 수학식에 의해 타겟 센터를 정의 하는 방식이다.
[수학식]
타겟 센터=(Smax-Smin)/100×T +Smin
Smax : 에지부 근처의 프로파일의 최대 레벨
Smin : 에지부 근처의 프로파일의 최소 레벨
T : 쓰레스 홀드 %
예를 들어, Smax가 90%, Smin가 10%, T가 50%이면,
타겟 센터=(90%-10%)/100×50%+10%=50%
즉, 이미지 프로파일의 최고, 최저 포인트 사이의 50% 즉 중간 지점이 센터가 되는 것이고, 각각의 수치는 임의로 조절이 가능하다.
둘째로, 폴드 미니멈 방식은 에지부를 찾고 폴딩(folding) 영역에서 디지털 이미지를 잘 맞추어 접었을 때의 폴딩 포인트가 타겟의 센터가 되는 것으로, 이때 폴딩 포인트가 프로파일 이미지의 미니멈 레벨에서 나타나도록 폴딩 영역을 설정하는 것이다.
또한, EDS 장비 대신 WDS(Wavelength Dispersive Dimension)를 사용하여 원소 분석을 통해 오버레이를 측정할 수 있다.
이와 같은 어미자와 아들자의 원소 분포에 의한 오버레이 측정 방법은 기존의 어미자와 아들자의 대조에 의해 얼라인에 의한 방법보다 측정 오차를 줄일 수 있고, 오버레이 키의 인식 다시 말해서 사이트 얼라인(Site align)도 특정 원소를 검출하는 방법을 사용함으로써 대조에 의한 측정 오차를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예로 오버레이 측정 장비를 별도로 사용하지 않고 포토리소그래피 공정에서 패턴의 CD를 측정하는 CD-SEM 장비에 EDS를 내장하여 CD와 오버레이를 동시에 측정할 수 도 있다.
상기한 바와 같이 본 발명은 아들자와 어미자의 원소 분석을 통해 에지부를 검출하여 오버레이를 측정함으로써, 측정시 웨이퍼 및 웨이퍼 내의 위치에 따른 대조 차이에 의한 얼라인 에러를 줄일 수 있는 이점이 있다.
또한, 어미자의 텅스텐 CMP 공정시 에지부에 잔류하는 슬러리에 의해 측정 오차가 발생하는 문제를 해결할 수 있는 이점이 있다.

Claims (5)

  1. 반도체 소자의 포토리소그래피 공정 중 아들자와 어미자의 오버레이를 측정하는 방법에 있어서,
    상기 아들자와 어미자를 구성하는 원소의 특성 X-선을 측정함으로써 상기 아들자와 어미자의 구성 원소 분포를 측정하는 단계와,
    상기 구성 원소 분포를 통하여 구성 원소가 현저히 달라지는 에지부를 분석하여 어미자와 아들자의 오버레이를 측정하는 단계를
    포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 오버레이 측정 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 아들자와 어미자의 에지부를 검출하는 단계에서 원소량이 변화되는 구간은 쓰레스홀드(Threshold) 방식으로 인식하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 오버레이 측정 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 아들자와 어미자의 에지부를 검출하는 단계에서 원소량이 변화되는 구간은 폴드 미니멈(Fold Minimum) 방식으로 인식하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 오버레이 측정 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 아들자와 어미자의 구성 원소 분포는 EDS 또는 WDS 장비를 이용하여 측정하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 오버레이 측정 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 아들자와 어미자의 구성 원소 분포는 포토리소그래피 공정에서 패턴의 CD를 측정하는 CD-SEM 장비에 EDS를 내장하여 CD와 오버레이를 동시에 측정하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 오버레이 측정 방법.
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