KR20060074578A

KR20060074578A - 웨이퍼 두께 측정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20060074578A
Application number: KR1020040113335A
Authority: KR
Inventors: 최정환
Original assignee: 동부일렉트로닉스 주식회사
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2006-07-03

Abstract

본 발명은 웨이퍼 두께 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 개시된 웨이퍼 두께 측정 장치는, 모니터링 웨이퍼의 박막 두께를 측정하는 두께 측정장비를 포함하는 두께 측정 장치로서, 가열라인이 설치된 웨이퍼 스테이지와, 가열라인으로 열 에너지를 공급하는 가열부와, 웨이퍼 스테이지의 온도를 측정하는 온도 측정부와, 웨이퍼 스테이지에 모니터링 웨이퍼가 로딩된 상태에서 온도 측정부의 측정 온도값에 따라 가열부를 제어하여 기 설정된 시간동안 기 설정된 온도로 웨이퍼 스테이지를 가열하는 제어부를 포함하며, 박막 두께를 측정하기에 앞서 모니터링 웨이퍼를 가열하여 오염물질을 제거한 후에 박막 두께를 측정하여 기준값으로 설정함으로써 두께 측정장비의 정확도가 향상되는 이점이 있다.

모니터링 웨이퍼, 두께 측정, 엘립소미터, 오염

Description

웨이퍼 두께 측정 장치 및 방법{APPARATUS FOR MEASURING THICKNESS OF WAFER AND METHOD THEREFOR}

도 1a는 일반적인 두께 측정용 모니터링 웨이퍼의 오염 전 상태를 보인 구조도,

도 1b는 도 1a에 도시된 모니터링 웨이퍼의 오염 후 상태를 보인 구조도,

도 2a는 도 1b에 도시된 모니터링 웨이퍼가 본 발명에 따른 웨이퍼 두께 측정 장치에 로딩된 상태를 보인 구조도,

도 2b는 본 발명에 따른 웨이퍼 두께 측정 장치에 의해 모니터링 웨이퍼의 두께를 측정하는 상태를 보인 구조도,

도 3은 본 발명에 따른 웨이퍼 두께 측정 과정을 보인 흐름도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101 : 웨이퍼 스테이지 103 : 가열라인

105 : 냉각라인 107 : 가열부

109 : 냉각부 111 : 제어부

본 발명은 웨이퍼 두께 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 웨이퍼에 형성된 박막 두께를 측정할 때에 기준값을 설정하기 위하여 이용되는 모니터링 웨이퍼의 박막 두께를 측정하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 소자의 제조시의 금속 증착 공정 또는 절연막 증착 등의 박막 증착 공정을 마친 후에는 증착막의 두께가 적정수준인지 여부를 두께 측정장비(예로서, 엘립소미터(Elipsomete), 스펙트로미터 등)에서 검사하게 된다.

최근의 반도체 기술 동향을 보면 점점 소형화, 고집적화로 진행되고 있으며, 이런 상황에서 두께 측정장비의 정확도 및 정밀도의 중요성도 그 만큼 높아진다고 할 수 있다. 반도체 웨이퍼에는 여러 가지의 다양한 물질이 증착되며, 공정상 두께의 마진도 매우 적어지면서, 한층 더 모니터링이 중요해지고 있다. 특히, 공정 디자인 룰(Process Design Rule)이 한층 적어지면서 게이트 옥사이드 막질의 두께 대역은 50∼100Å 이하로 낮아지면서, 두께 측정장비의 정확도가 상당히 중요해지고 있다.

따라서, 반도체 제조 공정에서는 두께 측정장비의 자체 정확도를 유지 또는 향상하기 위하여 각 생산 라인마다 모니터링 웨이퍼(또는 "기준 웨이퍼"라 함)를 장비의 보정 및 검사에 사용하고 있다.

이러한 모니터링 웨이퍼는 도 1a에 나타낸 바와 같이, 실리콘 웨이퍼 기판(1) 위에 실리콘 다이옥사이드(Silicon Dioxide) 막질(2)을 증착하여 사용한다.

두께를 측정하는 방법을 살펴보면, 두께 측정장비에서 두께를 측정하기 위한 프로그램을 선택하는 단계, 모니터링 웨이퍼를 두께 측정장비로 로딩하는 단계, 모 니터링 웨이퍼의 박막 두께를 측정하여 기준값을 설정하는 단계, 모니터링 웨이퍼를 두께 측정장비에서 언로딩하는 단계, 측정 대상인 런 웨이퍼(rum wafer)를 두께 측정장비로 로딩하는 단계, 측정 대상 웨이퍼의 두께를 측정하여 설정된 기준값과 비교하는 단계, 측정 대상 웨이퍼를 두께 측정장비에서 언로딩하는 단계로 이루어진다.

그러나, 기간(시간)이 지남에 따라서 모니터링 웨이퍼의 막질 계면 위에 수분, 미세 먼지 입자, 기타 유기물(organic) 등이 화학 흡착(Chemisorption)되어 도 1b에 나타낸 바와 같이 실리콘 다이옥사이드 막질(2)의 상부에 수 Å 오염물질(3)이 쌓이면 두께 측정장비의 측정 기준값이 변하게 된다.

따라서, 모니터링 웨이퍼의 필름 계면 위에 오염물질이 상당부분 증착된 후에 측정된 값을 두께 측정용 기준값으로 사용할 경우에는 두께 측정장비의 측정 정확도가 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로, 박막 두께를 측정하기에 앞서 모니터링 웨이퍼를 가열하여 오염물질을 제거한 후에 박막 두께를 측정하여 기준값으로 설정함으로써 두께 측정장비의 정확도를 향상시키는 데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명의 일 관점으로서 웨이퍼 두께 측정 장치는, 모니터링 웨이퍼의 박막 두께를 측정하는 두께 측정장비를 포함하는 두께 측정 장치로서, 가열라인이 설치된 웨이퍼 스테이지와, 가열라인으로 열 에너지를 공급하는 가열부와, 웨이퍼 스테이지의 온도를 측정하는 온도 측정부와, 웨이퍼 스테이지에 모니터링 웨이퍼가 로딩된 상태에서 온도 측정부의 측정 온도값에 따라 가열부를 제어하여 기 설정된 시간동안 기 설정된 온도로 웨이퍼 스테이지를 가열하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 다른 관점으로서 웨이퍼 두께 측정 방법은, 두께 측정장비를 이용하여 모니터링 웨이퍼의 박막 두께를 측정하는 방법으로서, 모니터링 웨이퍼를 기 설정된 시간동안 기 설정된 온도로 가열하는 단계와, 가열을 종료한 후에 두께 측정장비를 이용하여 모니터링 웨이퍼의 박막 두께를 측정하는 단계를 포함한다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2a는 오염된 모니터링 웨이퍼가 본 발명에 따른 웨이퍼 두께 측정 장치에 로딩된 상태를 보인 구조도이고, 도 2b는 본 발명에 따른 웨이퍼 두께 측정 장치에 의해 모니터링 웨이퍼의 두께를 측정하는 상태를 보인 구조도이다.

도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 본 발명의 웨이퍼 두께 측정 장치는, 내부에 가열라인(103)과 냉각라인(105)이 설치된 웨이퍼 스테이지(101)와, 가열라인(103)으로 열 에너지를 공급하는 가열부(107)와, 냉각라인(105)으로 공기 또는 물 등의 냉각제를 공급 및 회수하는 냉각부(109)와, 웨이퍼 스테이지(101)의 온도를 측정하는 온도 측정부(도시 생략됨)와, 웨이퍼 스테이지(101)에 모니터링 웨이퍼(W)가 로딩된 상태에서 온도 측정부의 측정 온도값에 따라 가열부(107)를 제어하여 기 설정된 시간동안 기 설정된 온도로 웨이퍼 스테이지(101)를 가열한 후에 냉각부(109)를 제어하여 기 설정된 시간동안 웨이퍼 스테이지(101)를 냉각하는 제어부(111)를 포함하여 구성된다.

제어부(111)는 온도 측정부에 의한 웨이퍼 스테이지(101)의 측정 온도값과 기 설정된 온도값과의 편차가 없어지도록 출력을 계산하는 궤환(Feed-Back)제어계로서, 비례연산(Proportional), 적분연산(Integral), 미분연산(Derivative)의 결과를 가산하여 출력하는 PID 제어기로 구현하는 것이 바람직하며, 웨이퍼 스테이지(101)는 두께 측정장비의 스테이지 척(Chuck)에 가열라인(103)과 냉각라인(105)을 설치하여 구현하는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 웨이퍼 두께 측정 장치에 의해 수행되는 모니터링 웨이퍼의 박막 두께 측정 과정을 도 2a, 도 2b, 도 3을 참조하여 설명하기로 한다. 여기서, 도 2a에 나타낸 바와 같이 두께 측정에 이용되는 모니터링 웨이퍼(W)는 막질 계면 위에 수분, 미세 먼지 입자, 기타 휘발성 유기물 등이 화학 흡착되어 실리콘 다이옥사이드 막질(2)의 상부에 수 Å 오염물질(3)이 쌓여있는 상태라고 가정한다.

먼저, 오염물질(3)이 쌓인 모니터링 웨이퍼(W)를 박막 두께 측정을 위해 별도의 웨이퍼 이송장치를 이용하여 웨이퍼 스테이지(101)에 로딩한다(S201).

이후, 두께 측정장비에서 박막 두께를 측정하기 위한 프로그램을 선택하면 두께 측정장비에서 제어부(111)로 오염물질(3) 제거 명령이 전달된다.

제어부(111)는 가열부(107)를 제어하여 웨이퍼 스테이지(101)의 내부에 설치 된 가열라인(103)을 통해 열 에너지를 제공하는 데, 온도 측정부(도시 생략됨)는 웨이퍼 스테이지(101)의 온도를 실시간 측정하여 제어부(111)로 제공한다.

제어부(111)는 입력되는 측정 온도값과 기 설정된 온도값(예로서, 200∼250℃)을 비교하여 온도 편차가 발생하지 않도록 열 에너지의 공급을 조절하며, 이러한 웨이퍼 스테이지(101)의 가열 제어는 기 설정된 가열 시간(예로서, 2∼3분)동안 수행한다(S203).

여기서, 가열 온도는 모니터링 웨이퍼(W)의 오염물질(3)만 날려버리고, 막질 자체의 결정 및 물성변화가 없는 정도로 설정하며, 통상의 옥사이드 막질인 경우 300℃ 이하인 경우에는 물성자체의 변화가 없기 때문에 200∼250℃의 온도로 가열하는 것이 바람직하다.

웨이퍼 스테이지(101)의 가열에 의해 그 상부에 로딩된 모니터링 웨이퍼(W)에 열이 전달되며, 웨이퍼 스테이지(101)의 오염물질(3)은 열 에너지에 의한 증발 등을 통해 제거되어 모니터링 웨이퍼(W)의 실리콘 웨이퍼 기판(1) 위에는 순수한 실리콘 다이옥사이드 막질(2)만이 남는다.

가열 제어가 종료되면 제어부(111)는 다시 냉각부(109)를 제어하여 웨이퍼 스테이지(101)의 내부에 설치된 냉각라인(105)을 통해 공기 또는 물 등의 냉각제를 공급 및 회수하는 열교환 제어를 통해 웨이퍼 스테이지(101)를 기 설정된 냉각 시간(예로서, 10∼15분)동안 냉각시킨다(S205).

냉각 제어가 종료되어 제어부(111)가 두께 측정장비로 오염물질 제거 완료를 보고하면 비로소 두께 측정장비가 모니터링 웨이퍼(W)의 박막 두께를 측정한다 (S207). 이렇게 측정된 박막 두께는 두께 측정장비의 기준값으로 설정된다.

이후, 모니터링 웨이퍼를 두께 측정장비, 즉 웨이퍼 스테이지(101)에서 언로딩하며(S209), 측정 대상인 런 웨이퍼를 두께 측정장비로 로딩하고, 측정 대상 웨이퍼의 두께를 측정하여 설정된 기준값과 비교하며, 측정 대상 웨이퍼를 두께 측정장비에서 언로딩한다.

지금까지의 상세한 설명에서는 본 발명의 실시예에 국한하여 설명하였으나, 이하의 특허청구범위에 기재된 기술사상의 범위 내에서 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 수 있음이 자명하다.

전술한 바와 같이 본 발명은 박막 두께를 측정하기에 앞서 모니터링 웨이퍼를 가열하여 오염물질을 제거한 후에 박막 두께를 측정하여 기준값으로 설정함으로써 두께 측정장비의 정확도가 향상된다.

즉, 막증착 장비에서 만들어진 제품용 실리콘 다이옥사이드는 증착한 후 바로 두께 측정을 하는데 반해, 장비 교정용 모니터링 웨이퍼는 주기적으로 장비상태를 체크하고 교정을 하기 때문에, 시간이 지남에 따라 표면에 이물질이 쌓이게 된다. 그러므로 이물질이 쌓인 모니터링 웨이퍼의 박막 두께가 기준값으로 설정되면 제품용 실리콘 다이옥사이드의 막두께는 실제 두께보다 얇은 것으로 측정된다. 그러나 본 발명에서는 이물질을 제거한 후에 모니터링 웨이퍼의 박막 두께를 측정하므로 제품용 실리콘 다이옥사이드의 막두께가 정상적으로 측정되는 높은 측정 정확도를 갖는다.

이로써, 궁극적으로는 반도체 소자의 품질 및 수율이 향상되는 효과가 있다.

또한, 반도체 생산라인(FAB.)과 생산라인 사이에서 측정장비의 상태를 점검하고 측정되는 제품이 정확히 측정되는지를 확인하기 위하여 점검하는 시점을 기준으로 그 이전의 장비상태와 비교할 때, 각 생산라인환경이 다르기 때문에 각 생산라인에서 보유한 모니터링 웨이퍼의 막표면에 생기는 이물질의 두께 또한 다르게 형성되므로 종래에는 정확한 데이터 비교를 할 수 없었지만, 본 발명에서는 동일한 박막을 측정하기 때문에 정확한 데이터 비교를 할 수 있다. 따라서 테크놀로지 트랜스퍼(Technology Transfer)를 할 때에 시행 착오 및 공정 조건을 일치하는데 이점을 제공한다.

Claims

모니터링 웨이퍼의 박막 두께를 측정하는 두께 측정장비를 포함하는 두께 측정 장치로서,

가열라인이 설치된 웨이퍼 스테이지와,

상기 가열라인으로 열 에너지를 공급하는 가열부와,

상기 웨이퍼 스테이지의 온도를 측정하는 온도 측정부와,

상기 웨이퍼 스테이지에 상기 모니터링 웨이퍼가 로딩된 상태에서 상기 온도 측정부의 측정 온도값에 따라 상기 가열부를 제어하여 기 설정된 시간동안 기 설정된 온도로 상기 웨이퍼 스테이지를 가열하는 제어부

를 포함하는 웨이퍼 두께 측정 장치.
제 1항에 있어서,

상기 웨이퍼 스테이지에는 냉각라인이 설치되며,

상기 두께 측정 장치는 상기 냉각라인으로 냉각제를 공급하는 냉각부를 더 포함하고,

상기 제어부는 상기 웨이퍼 스테이지를 가열한 후에 상기 냉각부를 제어하여 기 설정된 시간동안 상기 웨이퍼 스테이지를 냉각하는 것

을 특징으로 한 웨이퍼 두께 측정 장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 웨이퍼 스테이지는 상기 두께 측정장비의 스테이지 척에 상기 가열라인 또는 상기 냉각라인을 설치하여 구현하는 것

을 특징으로 한 웨이퍼 두께 측정 장치.
두께 측정장비를 이용하여 모니터링 웨이퍼의 박막 두께를 측정하는 방법으로서,

상기 모니터링 웨이퍼를 기 설정된 시간동안 기 설정된 온도로 가열하는 단계와,

상기 가열을 종료한 후에 상기 두께 측정장비를 이용하여 상기 모니터링 웨이퍼의 박막 두께를 측정하는 단계

를 포함하는 웨이퍼 두께 측정 방법.
제 4항에 있어서,

상기 두께 측정 방법은, 상기 가열을 종료한 후에 기 설정된 시간동안 상기 웨이퍼 스테이지를 냉각하는 단계를 더 포함하며,

상기 냉각을 종료한 후에 상기 모니터링 웨이퍼의 박막 두께를 측정하는 것

을 특징으로 한 웨이퍼 두께 측정 방법.