KR20060041456A - 미스얼라인먼트 검출 마크 - Google Patents

Abstract

반도체 웨이퍼에 형성되어지는 패턴들의 미스얼라인먼트를 측정하기 위한 미스얼라인먼트 검출 마크가 개시되어 있다. 그러한 미스얼라인먼트 검출 마크는, 각 변이 소정의 폭을 갖는 사각형으로 형성되어지고, 상기 패턴의 제1 방향을 기준 방향으로 할 때, 상기 패턴의 제1 방향에서 대략 ±45도 회전한 방향으로 형성된 어미자, 및 네 변이 상기 어미자의 내부의 네 변보다 작으며, 상기 어미자의 내부의 네 변과 평행하게 형성된 사각형의 아들자로 이루어진다. 그리하여 본 발명은 개선된 미스얼라인먼트 검출 마크를 제공함으로써, 소정의 각도(예를 들면 45도)로 회전한 방향으로 미스얼라인먼트가 생기는 패턴들에 대하여 미스얼라인먼트를 측정할 수 있다.

노광장치, 오버레이(overlay), 오정렬, 미스얼라인먼트(misalignment),

Description

미스얼라인먼트 검출 마크{Mark for detecting misalignment}

도 1은 종래의 반도체 장치의 미스얼라인먼트 검출 마크를 보인 평면도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 미스얼라인먼트 검출 마크를 보인 평면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

12 : 어미자 14 : 아들자

본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로서, 특히 반도체 장치의 제조과정에서 반도체 기판 위에 형성되는 패턴이 어느 정도 오정렬(misalign)되었는지를 검출하는 미스얼라인먼트 검출 마크(mark)에 관한 것이다.

집적 회로 디바이스의 제조는 실리콘 기판의 소 영역들 내에 불순물들을 주입하는 공정과, 이 영역들을 상호 연결하여 회로 구성물들을 형성하는 공정을 요구 한다. 그리고, 이러한 영역들을 정의하는 패턴(pattern)들은 포토리소그래피 공정에 의해 형성된다.

포토리소그래피(photo-lithography) 공정은 복수의 레티클(reticle)에 형성된 각기 다른 패턴 이미지(pattern image)를 웨이퍼 상에 전사시키기 위한 것으로서, 이들 패턴 이미지는 식각 또는 막 증착 등의 다른 공정 수행과 함께 웨이퍼 상에 순차적으로 전사되어 조합됨으로써 복수의 층을 갖는 회로패턴을 이룬다.

좀 더 상세히 살펴보면, 먼저 반도체 웨이퍼(wafer)의 상부에 포토 레지스트(photo resist)를 스핀 코팅한 후, 자외선, 전자-빔 또는 X-선과 같은 광선의 조사에 의해 포토 레지스트층을 선택적으로 노광시킨다. 포토 레지스트층 내의 패턴들은 웨이퍼가 그 후에 수반되는 현상 단계를 거칠 때 형성된다. 현상 후에 남아 있는 포토 레지스트 영역들은 그것이 덮고 있는 기판 영역들을 보호한다. 포토 레지스트가 제거되어진 영역들은 기판의 표면 위로 패턴을 전사하기 위한 여러 가지 공정들, 즉 리프트-오프(lift-off)나 식각(etch) 공정을 겪게 된다.

상술한 포토 공정에서 패턴들은 포토 레지스트가 도포되어 있는 웨이퍼 상에 전사시키기 위해 사용되는 장치, 즉 프린터(printer), 노광 툴(exposure tool) 또는 정렬기(aligner)로 불리우는 장치는 포토레지스트를 변형시키기 위한 광학 에너지를 제공하는 광원, 패턴들을 웨이퍼 표면 상에 포커싱하고 노광 시간을 제어하기 위한 광학 시스템, 노광되어질 웨이퍼를 지탱하기 위한 이동성 스테이지(stage), 수동 얼라인먼트와 같은 얼라인먼트 시스템, 웨이퍼 핸들링 시스템, 노광계등을 포함한다. 여기서, 스테이지의 위치는 마스크나 레티클과 같은 광학적 패 턴 전사 도구로부터의 이미지가 웨이퍼의 상부에 이미 인쇄되어 있는 패턴들에 대해 얼라인될 수 있도록 매우 정교하게 조절되어야 한다.

통상의 얼라인먼트 방법에 의하면, 노광 설비에서 단파장의 레이저를 통한 회절 현상이나 광대역(broad band)의 백색광을 이용한 강도의 차이를 이용하여 전 단계의 식각을 동반한 사진 공정에 의해 형성된 얼라인먼트 마크의 좌표값을 읽고 그 보정값을 산출하여 얼라인을 진행한 후, 노광 및 현상 공정을 진행한다. 이어서, 웨이퍼 상에 형성되어 있는 오버레이 마크를 사용하여 별도의 계측 시스템(metrology system)에서 이전 층에 대한 현 패턴의 오버랩(overlap) 정도를 측정한다.

일반적으로 이러한 포토리소그래피 공정에 있어서 중요한 관리 항목은 정밀한 회로패턴의 설계와 회로패턴을 이루는 각기 다른 패턴 층이 상호 정확하게 정렬되어 중첩되는가 하는 것이다. 이러한 것을 측정하기 위한 설비가 오버레이(overlay) 설비이다.

현재에 있어서도 오버레이라는 관리 항목에 대하여 레티클의 회로 패턴을 개정한다든지 포토레지스트를 변경하는 등 더욱 집적화되고, 보다 정밀도가 높은 회로패턴을 구현하기 위해 많은 한계에 도전하고 있는 실정이다.

여기서, 패턴의 크기는 설비의 사양과 포토레지스트에 의해 거의 결정이 되지만 각 패턴 이미지의 오버레이는 정기적인 예방 보전(preventive management, PM)이라든지 계측기의 발달에 의해서 끊임없이 개선될 것이 요구되고 있다.

반도체 장치의 포토리소그래피 공정에서 오버레이(overlay)의 정확성 즉 미 스얼라인먼트(misalignment)를 측정하는 것은 매우 중요하다. 이를 위해 미스얼라인먼트를 측정하기 위한 마크(통상 KLA 마크)를 형성한다.

통상의 오버레이 마크는 기준이 되는 하지층의 식각된 패턴으로 이루어진 트렌치(trench) 형태의 어미자와, 현재의 포토 공정에서 형성된 포토 레지스트 패턴으로 이루어진 메사(mesa) 형태의 아들자로 구성된다.

오버레이 관리의 궁극적인 목적은, 전사된 패턴 이미지에 의한 패턴층이 기존 패턴층에 대하여 가능한한 정확하게 중첩되게 하기 위한 것으로서, 이 오버레이의 계측을 통해 현상과 후속되는 공정 진행 또는 기존 패턴의 미스얼라인을 보정하기 위한 자료 및 재작업 여부 등을 판단하기 위한 기준을 구하는데 있다.

그러므로, 이와 같은 마크는 정확하게 형성되어야 하고 공정의 변화에 따른 영향을 최소화하여야 한다. 통상적으로 미스얼라인 측정용 마크는 어미자와 아들자로 구성되는데 그 형태와 제원은 다소의 차이가 있다.

반도체 장치의 제조 과정에서는 웨이퍼를 대상으로 배선, 컨택 홀, 이온 주입 영역 등의 형성이 각 포토 마스크 처리시에 행해진다. 이러한 제조 과정에서는 선행 처리 과정에서 형성된 패턴과 후속 처리 과정에서 형성될 패턴을 고 정밀도로 얼라인시키는 것이 필요하다. 이러한 이유 때문에 선행 처리 과정에서의 패턴의 형성과 동시에 미리 웨이퍼 상에 얼라인 마크를 형성한다. 그리고, 선행 처리 과정에서의 얼라인 마크를 사용하여 후속 처리 과정에서의 패턴의 형성시에 얼라인을 실시하여 웨이퍼에 대한 미스얼라인을 수정하면서 노광이 행해진다.

그러나, 반복되는 노광 공정 동안, 상기와 같은 과정을 통하여 형성된 패턴 이라 하더라도 미스얼라인된 유닛이 늘 생기게 마련이다. 미스얼라인의 정도 즉, 미스얼라인먼트가 허용 한계 범위를 넘어가는 경우, 반도체 장치는 결함을 가지는 것으로 분류되게 된다. 이런 이유 때문에 현상후에 미스얼라인 검사를 행할 필요가 있는 것이다.

이하에서는 종래 기술에 의한 반도체 장치의 미스얼라인먼트 검출 마크가 도면을 참조하여 상세하게 설명된다.

도 1은 종래의 반도체 장치의 미스얼라인먼트 검출 마크를 보인 평면도이다.

도 1을 참조하면, 종래 기술에 의한 반도체장치의 미스얼라인먼트 검출 마크의 평면 형태는 특정 물질층을 패터닝하여 형성된 일정폭의 정방형 테두리 형태로 형성된 어미자(2)와 상기 어미자(2)의 내부에 형성되어 있으며, 상기 어미자(2)의 네 변과 일정한 간격을 유지하고 있는 정방형의 아들자(4)로 구성되어 있다.

상기 어미자(2)가 형성된 특정 물질층은 통상 물리적 성질 예컨대, 열팽창계수가 서로 다른 물질을 결합시켜 구성되며 BPSG(borophosposilicate glass)와 같은 유동적인 막질속에 존재하게 된다.

따라서, 반도체 장치의 제조공정에서 고온공정과 저온공정을 거치면서 특정물질층은 서로 다른 열 팽창을 보이게 되고 이 결과 특정 물질층은 그 구성하는 물질중 열 팽창계수가 작은 쪽으로 휘게되어 평면상으로 보면 상기 어미자(2)는 원래의 위치에서 안쪽으로 수축된 것으로 보인다. 이는 곧 상기 아들자(4)의 변화를 유발하고 정확한 미스얼라인먼트 측정이 이루어질 수 없게 된다. 즉, 상기 어미자(2)의 수축에 의해 상기 아들자(4)가 영향을 받게 되어 정확한 미스얼라인먼트 측정을 방해하게 되는 상황이 발생하기도 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 패턴 상호간 미스얼라인먼트 검출 방법은 한 개의 패턴 오버레이 측정 마크(Overlay Measurement Mark), 즉 미스얼라인먼트 검출 마크(misalignment detecting mark)에 다른 층의 패턴 미스얼라인먼트 검출 마크를 일부 혹은 주변에 형성하여 이들 두 개의 패턴 미스얼라인먼트 검출 마크 상호간의 이격 거리를 재어 정확히 두 측 방향 즉, X축과 Y축으로의 벗어난 크기를 측정하였다.

즉, 미스얼라인먼트 검출 방법은 X축의 미스얼라인먼트로 두 패턴 마크(2, 4) 사이의 거리 a와 a'를 측정한 뒤 이 두 값의 차 a-a'를 X축의 미스얼라인먼트로 하고, 마찬가지로 Y축의 미스얼라인먼트로 두 패턴(2, 4) 사이의 거리 b와 b'를 측정한 뒤 이 두 값의 차 b-b'를 Y축의 미스얼라인먼트로 한다.

그러나, 특정 스텝에서는 예를 들어 45도 회전한 방향으로 미스얼라인먼트가 생기는 패턴들이 있으며, 이러한 패턴들에 대하여 상술한 수평 방향인 X축과 수직방향인 Y축으로 나누어 미스얼라인먼트를 측정하기 위한 미스얼라인먼트 검출 마크를 적용하기에는 불합리한 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 소정의 각도(예를 들면 45도)로 회전한 방향으로 미스얼라인먼트가 생기는 패턴들에 대하여 미스얼라인먼트를 측정하기 위한 미스얼라인먼트 검출 마크를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 미스얼라인먼트의 측정을 정확하고 빠르게 하기 위한 미스얼라인먼트 검출 마크를 제공함에 있다.

상기의 목적들을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예적 구체화에 따라 반도체 웨이퍼에 형성되어지는 패턴들의 미스얼라인먼트를 측정하기 위한 미스얼라인먼트 검출 마크는, 각 변이 소정의 폭을 갖는 사각형으로 형성되어지고, 상기 패턴의 제1 방향을 기준 방향으로 할 때, 상기 패턴의 제1 방향에서 대략 ±45도 회전한 방향으로 형성된 어미자; 및 네 변이 상기 어미자의 내부의 네 변보다 작으며, 상기 어미자의 내부의 네 변과 평행하게 형성된 사각형의 아들자로 이루어진다.

여기서, 상기 어미자는 내부 및 외부는 정사각형으로 형성되어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 아들자는 정방향으로 형성되어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 방향은 상기 패턴의 기준이 되는 한 면을 X축 또는 Y축으로 잡은 경우, X축 또는 Y축 방향인 것이 바람직하다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다양한 실시예에서의 설명들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가지는 자에게 본 발명의 보다 철저한 이해를 돕기 위한 의도 이외에는 다른 의도없이 예를 들어 도시되고 한정된 것에 불과하므로, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 사용되어서는 아니 될 것이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 미스얼라인먼트 검출 마크를 보인 평면도이다.

도 2를 참조하면, 상기 미스얼라인먼트 검출 마크는 어미자(12), 아들자(14)로 구성되어져 있다.

상기 어미자(12)는 각 변이 소정의 폭을 갖는 사각형으로 형성되어지고, 상기 패턴의 제1 방향을 기준 방향으로 할 때, 상기 패턴의 제1 방향에서 소정의 각도만큼 회전한 방향으로 형성된다. 상기 소정의 각도로는 ±45인 것이 가장 바람직하다. 그리고, 상기 어미자(12)는 특정한 물질에 의하여 물질층을 이루도록 형성되어지는데, 상기 특정 물질층은 통상 물리적 성질 예컨대, 열팽창계수가 서로 다른 물질을 결합시켜 구성되며 BPSG(borophosposilicate glass)와 같은 유동적인 막질속에 존재하게 된다.

상기 제1 방향은 상기 패턴의 기준이 되는 한 면을 X축 또는 Y축으로 잡은 경우, X축 또는 Y축 방향을 일컫는다. 즉, 반도체 웨이퍼에 형성되어지는 패턴들에 있어서, 상기 패턴들은 대개 두 개의 방향을 갖게 되고, 그 중 하나를 기준 방향으로 할 때의 방향이 제1 방향이 되는 것이다. 이러한 제1 방향을 X축, 또는 Y축이라고 한다면, 직교하는 다른 한 방향은 각각 Y축, 또는 X축이 된다. 이와 같은 X축 또는 Y축을 기준으로 할 때, 상기 어미자(12)는 도 2에 보여지는 바와 같이 소정의 각만큼 회전하여 있는 형태로 형성되어져 있게 된다.

상기 아들자(14)는 네 변이 상기 어미자의 내부의 네 변보다 작으며, 상기 어미자의 내부의 네 변과 각각 평행한 사각형으로 형성되어져 있다. 상기 아들자 (14)는 정방향으로 형성되어지는 것이 바람직하다.

또한, 도 2에 도시된 XQ 및 YQ는 상기 X축 및 Y축이 소정의 각도 만큼 회전한 기준 축이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 미스얼라인먼트 검출 마크에 의한 미스얼라인먼트 측정 방법은 한 개의 패턴 미스얼라인먼트 검출 마크에, 다른 층의 패턴 미스얼라인먼트 검출 마크를 일부 혹은 주변에 형성하여 이들 두 패턴 미스얼라인먼트 검출 마크 상호간의 이격 거리를 재어 정확히 두 측 방향 즉, XQ축과 YQ축으로의 벗어난 크기를 측정한다. 즉, 미스얼라인먼트 측정방법은 XQ축의 미스얼라인먼트로 두 패턴 미스얼라인먼트 검출 마크(2, 4) 사이의 거리 A와 A'를 측정한 뒤 이 두 값의 차 A-A'를 XQ축의 미스얼라인먼트로 한다. 그리고, 마찬가지로 YQ축의 미스얼라인먼트로 두 패턴 미스얼라인먼트 검출 마크(2, 4) 사이의 거리 B와 B'를 측정한 뒤 이 두 값의 차 B-B'를 YQ축의 미스얼라인먼트로 한다.

이렇게 함으로써, 특정 스텝에서는 예를 들어 45도 회전한 방향으로 미스얼라인먼트가 생기는 패턴들이 있으며, 이러한 패턴들에 대하여 상기 미스얼라인먼트 검출 마크를 형성하고, XQ축과 YQ축으로 나누어 미스얼라인먼트를 측정하여 보다 편리하고 빠르게 미스얼라인먼트를 측정할 수 있게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 미스얼라인먼트 검출 마크는 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기본 원리를 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 설계되고, 응용될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게는 자명한 사실이라 할 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 개선된 미스얼라인먼트 검출 마크를 제공함으로써, 소정의 각도(예를 들면 45도)로 회전한 방향으로 미스얼라인먼트가 생기는 패턴들에 대하여 미스얼라인먼트를 측정할 수 있다.

또한, 본 발명은 소정의 각도(예를 들면 45도)로 회전한 방향으로 미스얼라인 검출 마크를 형성함으로써, 반도체 웨이퍼에 형성되어지는 패턴들에 있어서의 미스얼라인먼트의 측정을 보다 정확하고 빠르게 수행할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 반도체 웨이퍼에 형성되어지는 패턴들의 미스얼라인먼트를 측정하기 위한 미스얼라인먼트 검출 마크에 있어서:

   각 변이 소정의 폭을 갖는 사각형으로 형성되어지고, 상기 패턴의 제1 방향을 기준 방향으로 할 때, 상기 패턴의 제1 방향에서 대략 ±45도 회전한 방향으로 형성된 어미자; 및

   네 변이 상기 어미자의 내부의 네 변보다 작으며, 상기 어미자의 내부의 네 변과 평행하게 형성된 사각형의 아들자로 이루어진 미스얼라인먼트 검출 마크.
2. 제1항에 있어서,

   상기 어미자는 내부 및 외부는 정사각형으로 형성되어지는 것을 특징으로 하는 미스얼라인먼트 검출 마크.
3. 제2항에 있어서,

   상기 아들자는 정방향으로 형성되어지는 것을 특징으로 하는 미스얼라인먼트 검출 마크.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제1 방향은 상기 패턴의 기준이 되는 한 면을 X축 또는 Y축으로 잡은 경우, X축 또는 Y축 방향임을 특징으로 하는 미스얼라인먼트 검출 마크.

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