KR20060100531A - 패턴의 두께 측정 방법 및 장치 - Google Patents

패턴의 두께 측정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

웨이퍼 상에 형성된 패턴의 두께를 측정하기 위한 두께 측정 방법은 상기 웨이퍼 상에 형성된 패턴의 틸팅 이미지를 얻은 후, 상기 이미지로부터 상기 패턴의 단차 또는 상기 패턴을 형성하는 막의 두께를 측정하고, 상기 측정된 두께를 보상하여 상기 패턴의 단차 또는 막의 두께를 측정한다. 상기 틸팅된 패턴의 이미지는 상기 웨이퍼와 이미지 촬상부를 상대적으로 틸팅시킨 후, 상기 이미지 촬상부에서 상기 패턴의 이미지를 촬상하여 얻게 된다. 따라서 상기 웨이퍼를 손상시키지 않고 상기 패턴의 단차 또는 상기 패턴을 형성하는 막들의 두께를 측정할 수 있다.

Description

패턴의 두께 측정 방법 및 장치{Method and apparatus for measuring thickness of pattern}
도 1은 종래 기술에 따른 패턴의 두께 측정 방법을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 2는 다른 종래 기술에 따른 패턴의 두께 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 패턴의 두께 측정 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 4는 측정된 두께의 보상을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 8은 옥사이드 사이트의 이미지들이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 패턴의 두께 측정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 10은 도 9의 패턴 이미지 획득 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
110 : 스테이지 120 : 제1 구동부
130 : 이미지 촬상부 140 : 제2 구동부
150 : 두께 측정부 160 : 계산부
본 발명은 웨이퍼 상에 형성된 패턴의 두께를 측정하기 위한 패턴 두께 측정 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 패턴을 형성하는 막의 두께 또는 상기 패턴에 의해 형성되는 단차의 두께를 측정하기 위한 패턴 두께 측정 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 장치는 반도체 기판으로 사용되는 실리콘웨이퍼 상에 전기 소자들을 포함하는 전기적인 회로를 형성하는 팹(Fab) 공정과, 상기 팹 공정에서 형성된 반도체 장치들의 전기적인 특성을 검사하기 위한 EDS(electrical die sorting) 공정과, 상기 반도체 장치들을 각각 에폭시 수지로 봉지하고 개별화시키기 위한 패키지 조립 공정을 통해 제조된다.
상기 팹 공정은 웨이퍼 상에 막을 형성하기 위한 증착 공정과, 상기 막을 평탄화하기 위한 화학적 기계적 연마 공정과, 상기 막 상에 포토레지스트 패턴을 형성하기 위한 포토리소그래피 공정과, 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 막을 전기적인 특성을 갖는 패턴으로 형성하기 위한 식각 공정과, 웨이퍼의 소정 영역에 특정 이온을 주입하기 위한 이온 주입 공정과, 웨이퍼 상의 불순물을 제거하기 위한 세정 공정과, 상기 막 또는 패턴이 형성된 웨이퍼의 표면을 검사하기 위한 검사 공정 등을 포함한다.
최근, 반도체 장치의 고집적화에 따라 웨이퍼 상에 형성되는 막의 두께는 점 차 다양해지고, 패턴의 임계치수(critical dimension; CD)는 점차 감소되며, 패턴의 종횡비는 점차 증가하는 추세이다. 또한, 웨이퍼 상에 형성된 막 또는 패턴의 특성, 특히 두께를 검사하는 공정의 중요성이 더욱 부각되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 패턴의 두께 측정 방법을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 1을 참조하면, 웨이퍼의 스크라이브 레인에 형성된 옥사이드 사이트(10)에서 단차의 두께를 측정한다. 측정 방법을 살펴보면, 프로브(12)로 상기 옥사이드 사이트(10)를 직접 스캐닝하여 상하로 움직인 거리를 측정함으로써 상기 단차의 두께를 확인할 수 있다.
그러나 상기의 방법은 상기 단차를 형성하는 모든 적층막 각각의 두께를 합한 두께, 즉 전체의 두께만 확인할 수 있다. 그러므로 상기 전체의 두께에 이상이 있는 경우, 상기 단차를 형성하는 적층막들 각각의 두께를 확인할 수 없다는 문제점이 있다. 또한 상기 전체 두께에 이상이 있는 경우, 상기 적층막들의 하부에 위치하는 하부막의 식각량을 파악할 수 없다. 그리고 상기 프로브(12)를 이용한 단차의 두께는 측정시마다 그 값이 달라져 재현성이 매우 낮은 단점이 있다.
막 또는 패턴의 두께 측정 방법으로 광학적 두께 측정 방법이 있다. 백색광이나 레이저 등 광학적인 소스(source)를 이용하여 웨이퍼 상에 형성된 막들의 식각 전의 두께와 식각 후의 두께를 각각 측정한다.
그러나, 상기 광학적 두께 측정 방법은 금속과 같이 광학 측정 설비로 투과할 수 없는 막이 존재하는 경우 상기 막의 두께를 측정할 수 없다.
도 2는 다른 종래 기술에 따른 패턴의 두께 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 하부 막질(20) 상에 적층된 상부 막질(22)의 식각시 과식각되어 하부 막질(20)의 상부면보다 더 깊이까지 식각되면 상기 식각으로 인한 단차의 두께를 정확하게 측정할 수 없게 된다. 이는 상기와 같이 과식각이 발생하더라도 상기 광학적 두께 측정 장치는 하부 막질(20)의 상부면 위의 두께를 측정하므로 오차가 발생하기 때문이다. 예를 들어 식각 전 상부 막질(22)의 두께(d1) 및 식각된 막질의 두께(d2)를 측정한 후, 상기 식각 전 두께에서 식각된 두께의 차(d1-d2)의 값이 마이너스인 경우를 측정할 수 없게 된다.
한편 수직 주사 전자 현미경(VSEM)을 이용한 두께 측정 방법이 있다. 상기 방법은 웨이퍼를 수직으로 절단하고, 절단된 웨이퍼의 단면에 전자 빔을 주사하여 반사되는 이차전자를 영상화한 이미지에서 두께를 측정한다.
그러나 상기 수직 주사전자 현미경을 이용한 방법은 웨이퍼를 파괴해야 하기 때문에 제조공정 중 실시간으로 두께를 측정할 수 없고, 특히 측정 대상의 두께를 얻기 위한 분석에 많은 시간이 소요된다. 또한 상기 파괴된 웨이퍼로 제품을 만들 수 없다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 웨이퍼를 파괴하지 않으며 금속막이 포함된 다층막 각각 또는 전체의 두께를 측정할 수 있는 패턴 두께 측정 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은 상기 패턴 두께 측정 방법을 수행하기 위한 패턴 두께 측정 장치를 제공하는데 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 두께 측정 방법을 제공한다. 상기 두께 측정 방법은 우선 웨이퍼 상에 형성된 패턴의 틸팅 이미지를 얻는다. 다음으로 상기 이미지로부터 상기 패턴의 단차 또는 상기 패턴을 형성하는 막의 두께를 측정한 후, 상기 측정된 두께를 하기하는 식을 이용하여 보상한다.
Figure 112005013961740-PAT00001
(여기서, 상기 Y는 보상된 두께이고, 상기 X는 측정된 두께이며, 상기 θ는 상기 이미지 촬상부에서 조사된 광이 상기 웨이퍼에 입사되는 각도를 의미한다)
상기에서 상기 패턴의 틸팅 이미지는 상기 웨이퍼와 이미지 촬상부를 상대적으로 틸팅시킨 후, 상기 이미지 촬상부에서 상기 패턴의 이미지를 촬상하여 얻는다.
상기 본 발명이 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 패턴의 두께 측정 장치는 웨이퍼 상에 형성된 패턴의 틸팅 이미지를 획득하기 위한 이미지 획득 유닛을 구비한다. 측정부는 상기 이미지 획득 유닛에서 얻어진 상기 이미지로부터 상기 패턴의 단차 또는 상기 패턴을 형성하는 막의 두께를 측정하며, 계산부는 상기 측정부에서 측정된 두께를 보상하는 계산을 수행한다.
상기 이미지 획득 유닛은 상기 웨이퍼를 지지하기 위한 스테이지와, 상기 스 테이지의 상부에 구비되며, 상기 웨이퍼 상에 형성된 패턴의 틸팅 이미지를 촬상하기 위한 이미지 촬상부 및 상기 스테이지와 상기 이미지 촬상부를 상대적으로 틸팅시키기 위한 구동부를 포함한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 패턴의 두께 측정 방법 및 장치를 이용하여 상기 패턴의 단차 또는 상기 패턴을 형성하는 막들의 개별적인 두께를 측정할 수 있다. 또한 상기 패턴 두께 측정 방법 및 장치는 상기 웨이퍼를 파괴하지 않고 측정이 가능하며, 반도체 제조 공정 중 실시간으로 상기 패턴의 두께 측정이 가능하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 두께 측정 장치에 대해 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 패턴의 두께 측정 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 3을 참조하면, 두께 측정 장치는 스테이지(110), 제1 구동부(120), 이미지 촬상부(130), 제2 구동부(140), 측정부(150) 및 계산부(160)로 구성된다.
상기 스테이지(110)는 평판 형태를 가지며, 상부면에는 패턴의 두께 측정을 위한 웨이퍼(W)가 놓여진다. 상기 스테이지(110)는 상기 웨이퍼(W)를 용이하게 지지하기 위해 상기 웨이퍼(W)의 면적보다 더 넓은 면적을 가지는 것이 바람직하다. 상기 스테이지(110)는 후술하는 이미지 촬상부(130)에 대하여 틸팅(tilting)이 가능하도록 구비된다.
상기 제1 구동부(120)는 상기 스테이지(110)와 연결되어 상기 스테이지(110) 를 틸팅시키기 위한 구동력을 제공한다.
상기 이미지 촬상부(130)는 상기 스테이지(110)의 상부에 구비되며, 상기 스테이지(110)에 놓여진 웨이퍼(W)의 이미지를 촬상한다. 상기 이미지 촬상부(130)는 상기 웨이퍼(W)의 두께 측정을 위해 도 5 및 도 6에 도시된 스크라이브 레인 상에 형성된 옥사이드 사이트의 이미지를 촬상하는 것이 바람직하다. 상기 이미지 촬상부(130)는 상기 스테이지(110)에 대하여 틸팅이 가능하도록 구비된다.
구체적으로 도 5는 웨이퍼 상에 스크라이브 레인에 형성된 옥사이드 사이트의 현미경 이미지이고, 상기 도 5에서 A는 상기 옥사이드 사이트이다.
도 6은 절단된 웨이퍼에서의 옥사이드 사이트의 수직 전자 주사 현미경 이미지이다.
상기 이미지 촬상부(130)로는 전자주사현미경이 사용되는 것이 바람직하며, 다른 이미지 촬상 장치가 사용될 수도 있다.
상기 제2 구동부(140)는 상기 이미지 촬상부(130)와 연결되어 상기 이미지 촬상부(130)를 틸팅시키기 위한 구동력을 제공한다.
따라서 상기 제1 구동부(120)의 구동이나 상기 제2 구동부(140)의 구동에 의해 상기 스테이지(110)와 상기 이미지 촬상부(130)는 서로 틸팅된 상태로 배치될 수 있다. 상기 이미지 촬상부(130)에서 조사된 광은 상기 스테이지(110)와 수직하는 직선과 임의의 각도(θ)를 이룬다. 상기 임의의 각도는 0도 보다는 크고 90도 보다는 작은 것이 바람직하다.
한편, 상기 제1 구동부(120) 및 상기 제2 구동부(140)가 동시에 구동하여 상 기 스테이지(110)와 상기 이미지 촬상부(130)가 서로 틸팅된 상태로 배치될 수도 있다.
상기 스테이지(110)와 상기 이미지 촬상부(130)가 서로 틸팅된 상태에서 상기 이미지 촬상부(130)는 상기 스테이지(110)에 놓여진 웨이퍼(W), 구체적으로 옥사이드 사이트를 촬상한다. 그러므로 상기 이미지 촬상부(130)는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 상기 틸팅된 옥사이드 사이트의 이미지를 얻게된다.
구체적으로 도 7은 옥사이드 사이트의 틸팅 이미지이고, 상기 도 7의 B는 상기 옥사이드 사이트의 단차 부위를 나타낸다.
도 8은 틸팅된 옥사이드 사이트의 단차를 확대한 이미지이고, d3 내지 d6은 상기 단차를 형성하는 다층막 각각의 두께를 나타내며, d7은 상기 단차 전체의 두께를 나타낸다.
상기 이미지 촬상부(130)에서 촬상된 웨이퍼(W)의 틸팅 이미지, 구체적으로 옥사이드 사이트의 틸팅 이미지는 상기 웨이퍼(W) 상에 형성된 패턴의 두께, 즉 상기 패턴의 단차 또는 상기 패턴을 형성하는 다층막 각각의 두께 측정에 용이하다.
상기 두께 측정부(150)는 상기 이미지 촬상부(130)에서 촬상된 옥사이드 사이트의 이미지에 나타난 패턴의 단차 또는 상기 패턴을 형성하는 다층막 각각의 두께를 측정한다.
상기 계산부(160)는 상기 두께 측정부(150)에서 측정된 단차의 두께 또는 막들의 두께를 실제 두께로 보상하는 계산을 수행한다. 상기 보상은 계산식 1에 의해 계산된다.
계산식 1
Figure 112005013961740-PAT00002
(Y : 보상된 두께, X : 측정된 두께, θ: 이미지 촬상부에서 조사된 광이 웨이퍼에 입사되는 각도)
도 4는 측정된 두께의 보상을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, X는 상기 이미지 촬상부(130)에서 촬상된 틸팅 이미지를 이용하여 상기 두께 측정부(150)에서 측정한 막의 평면 거리이다. 따라서 보상된 두께인 Y를 산출하기 위해서는 상기 X와 상기 이미지 촬상부(130)에서 조사된 광이 상기 웨이퍼(W)에 입사되는 각도인 θ와의 상관 관계가 필요하다.
도 4를 참조하여 삼각 함수의 정리를 이용하면 sinθ= X/Y 이다. 상기 식을 Y에 대하여 정리하면, 상기 계산식 1을 도출할 수 있다.
따라서 상기 웨이퍼(W)를 파괴하지 않고, 상기 웨이퍼(W) 상에 형성된 단차의 두께 또는 상기 단차를 형성하는 다수의 막 각각의 두께를 실시간으로 간단하게 확인할 수 있다.
이하에서는 상기 웨이퍼(W) 상에 형성된 패턴의 두께를 측정하기 위한 두께 측정 방법에 대해 설명하다.
도 9는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 두께 측정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 9를 참조하면, 상기 두께를 측정하기 위해서는 상기 이미지 촬상부(130) 를 이용하여 상기 웨이퍼(W) 상에 형성된 패턴의 틸팅 이미지를 얻는다(S100).
도 10은 도 9의 패턴 이미지 획득 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 10을 참조하면, 제1 구동부(120)의 구동에 의해 상기 웨이퍼(W)가 놓여진 스테이지(110)를 상기 이미지 촬상부(130)에 대해 일정한 각도 θ로 틸팅시킨다(S110). 상기 θ는 상기 이미지 촬상부(130)에서 조사되는 광이 상기 웨이퍼(W) 상으로 입사되는 각도이다.
한편 상기 제2 구동부(140)의 구동에 의해 상기 이미지 촬상부(130)를 상기 웨이퍼(W)가 놓여진 스테이지(110)에 대해 일정한 각도 θ로 틸팅시킬 수도 있다. 또한 상기 제1 구동부(120)와 제2 구동부(140)를 동시에 구동시켜 상기 웨이퍼(W)가 놓여진 스테이지(110)와 상기 이미지 촬상부(30)를 상대적으로 틸팅시킬 수도 있다.
다음으로 상기 이미지 촬상부(130)에서 상기 웨이퍼(W)로 광, 즉 전자 빔을 조사하고, 상기 웨이퍼(W)로부터 방출되는 이차전자를 이용하여 도 7 및 도 8에서와 같이 상기 웨이퍼(W) 상에 형성된 패턴의 틸팅 이미지를 촬상한다(S120). 상기 이미지 촬상부(130)는 상기 측정부(150)에서의 두께 측정이 용이하도록 상기 틸팅 이미지를 고배율로 촬상하는 것이 바람직하다.
상기 패턴의 틸팅 이미지에는 상기 패턴에 의한 단차의 측면 또는 상기 패턴을 형성하는 다층막의 측면이 드러난다. 따라서 상기 측정부(150)에서 상기 틸팅 이미지로부터 상기 패턴의 단차 또는 상기 패턴을 형성하는 다층막의 두께를 각각 측정할 수 있다(S130).
마지막으로 상기 틸팅 이미지로부터 측정된 패턴의 단차 또는 상기 패턴을 형성하는 다층막의 두께를 상기 계산부(160)에서 상기 계산식 1을 이용하여 각각의 실제 두께로 보상한다.(S140) 이때 상기 이미지 촬상부(130)가 상기 틸팅 이미지를 촬상할 때의 배율을 고려하여 보상하여야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 두께 측정 방법은 웨이퍼의 틸팅 이미지를 이용하여 막 또는 단차의 두께를 측정한다. 따라서 상기 웨이퍼를 파괴하지 않고 상기 막 또는 단차의 두께를 측정할 수 있고, 상기 막 또는 단차의 측정에 소요되는 시간도 줄일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 웨이퍼 상에 형성된 패턴의 틸팅 이미지를 얻는 단계;
    상기 이미지로부터 상기 패턴의 단차 또는 상기 패턴을 형성하는 막의 두께를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 두께를 하기하는 식을 이용하여 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴의 두께 측정 방법.
    Figure 112005013961740-PAT00003
    (여기서, 상기 Y는 보상된 두께이고, 상기 X는 측정된 두께이며, 상기 θ는 상기 이미지 촬상부에서 조사된 광이 상기 웨이퍼에 입사되는 각도를 의미한다)
  2. 제1항에 있어서, 상기 패턴의 틸팅 이미지를 얻는 단계는,
    상기 웨이퍼와 이미지 촬상부를 상대적으로 틸팅시키는 단계; 및
    상기 이미지 촬상부에서 상기 틸팅된 패턴의 이미지를 촬상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴의 두께 측정 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 패턴의 틸팅 이미지는 상기 웨이퍼의 스크라이브 레인 상에 두께 측정을 위해 형성된 옥사이드 사이트의 이미지인 것을 특징으로 하는 패 턴의 두께 측정 방법.
  4. 웨이퍼 상에 형성된 패턴의 틸팅 이미지를 획득하기 위한 이미지 획득 유닛;
    상기 이미지 획득 유닛에서 얻어진 상기 이미지로부터 상기 패턴의 단차 또는 상기 패턴을 형성하는 막의 두께를 측정하기 위한 측정부; 및
    상기 측정부에서 측정된 두께를 보상하는 계산을 수행하는 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴의 두께 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 이미지 획득 유닛은,
    상기 웨이퍼를 지지하기 위한 스테이지;
    상기 스테이지의 상부에 구비되며, 상기 웨이퍼 상에 형성된 패턴의 틸팅 이미지를 촬상하기 위한 이미지 촬상부; 및
    상기 스테이지와 상기 이미지 촬상부를 상대적으로 틸팅시키기 위한 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴의 두께 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 구동부는 상기 스테이지와 연결되어 상기 스테이지를 상기 이미지 촬상부에 대해 틸팅시키는 것을 특징으로 하는 패턴의 두께 측정 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 구동부는 상기 이미지 촬상부와 연결되어 상기 이미지 촬상부를 상기 스테이지에 대해 틸팅시키는 것을 특징으로 하는 패턴의 두께 측정 방치.
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