KR20070016210A - 웨이퍼 표면 측정 방법 - Google Patents

Abstract

소정의 패턴이 형성된 웨이퍼 표면을 측정하는 방법에 있어서, 웨이퍼 상에 형성된 패턴으로 광을 조사하고, 상기 조사된 광이 상기 패턴에 일 측 및 타 측에 각각 반사되고, 상기 반사광들을 검출부에서 제1 회절 신호 및 제2 회절신호로 각각 검출한다. 이때, 상기 제1 회절 신호 및 제2 회절 신호가 서로 차이가 발생될 수 있으며, 상기 차이 값이 설정된 값 내에 있는 경우, 상기 패턴은 비대칭적인 수직 프로파일을 갖는 것으로 판단한다. 상기 제1 회절 신호 및 제2 회절 신호를 전자기 이론에 적용하여 상기 패턴의 물리적 정보를 획득할 수 있다. 또한, 상기 제1 회절 신호 및 제2 회절 신호의 차이 값으로 상기 패턴의 비대칭한 정도를 수치화할 수 있다.

Description

웨이퍼 표면 측정 방법{Method of measuring a surface of a wafer}

도 1은 웨이퍼 표면 측정 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 웨이퍼 표면 측정 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.

도 3은 비대칭적인 수직 프로파일을 갖는 패턴을 설명하기 위한 개략적인 공정 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 웨이퍼 표면 측정 장치 110 : 광원부

120 : 조사부 130 : 웨이퍼 스테이지

140 : 검출부

본 발명은 웨이퍼 상에 형성된 패턴의 물리적인 정보를 측정하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 웨이퍼 상에 형성된 패턴의 물리적인 정보를 OCD(optical critical dimension)을 이용하여 측정하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 장치는 반도체 기판으로 사용되는 실리콘 웨이퍼 상에 전 기 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, 웨이퍼 상의 불순물을 제거하기 위한 세정 공정과, 상기 막 또는 패턴이 형성된 웨이퍼의 표면에 검사하기 위한 검사 공정 등을 포함한다.

상기 검사 공정을 수행하기 위한 검사 장치는 전자빔을 이용하는 장치와 특정한 파장 범위의 광을 이용하는 장치 등이 있다. 전자빔의 예로써는 주사 전자 현미경(scanning electron microscope : SEM)이 있으며, 특정한 파장을 이용하는 예로써는 광학적 임계 치수(optical critical dimension : 이하 'OCD'라 나타낸다) 측정 장치가 있다.

OCD 측정 장치를 보다 상세하게 살펴보면, 상기 OCD 측정 장치는 광원부(light source unit), 조사부(projector unit) 및 스펙트로미퍼부(spectrometer unit)를 포함한다. 광원부에서 방출된 광은 조사부를 통하여 웨이퍼 상에 형성된 패턴으로 조사된다. 조사된 광은 상기 웨이퍼 상의 패턴에 반사되며, 상기 반사되 광을 스펙트로미터부에서 검출한다. 상기 검출된 회절 신호를 이용하여 전자기 이 론을 이용하여 역으로 계산하여 상기 패턴의 임계 치수(critical dimension : CD), 높이(hight), 경사각도(side wall angle), 하부 막의 두께(sub layer thickness) 등을 획득한다.

상기 OCD 측정 장치는 스루풋(throughput)이 높고 검사 대상을 파괴하지 않고 검사할 수 있는 특징이 있으며, 통상적으로 소자를 분리하기 위한 트렌치(trench)의 깊이를 측정하는데 사용되어 왔다. 최근에는 상기 OCD를 이용하여 파괴 검사로만 측정이 가능하던 수직 프로파일을 갖는 패턴을 비파괴 측정 방식으로 측정하고 있다.

그러나, 상기 OCD 측정 장치는 대칭적인 수직 프로파일을 갖는 패턴에만 적용이 가능하다. 따라서, 자기 정렬 콘택 방식 등으로 형성되어 비대칭적인 수직 프로파일을 갖는 패턴에 대해서는 기존의 파괴 측정 방식으로 상기 패턴의 물리적 정보들을 획득하고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 비대칭 수직 프로파일을 갖는 패턴의 임계 치수, 높이, 경사각도, 하부 막의 두께 등의 물리적 정보를 비파괴 방식으로 측정할 수 있는 웨이퍼 표면 측정 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 웨이퍼 표면 측정 방법에 있어서, 웨이퍼 상에 형성된 패턴으로 광을 조사한다. 상기 조사된 광 중 패턴의 일 측에 의해 반사된 제1 반사광의 제1 회절 신호(diffraction signal)를 검출한다. 상기 조사된 광 중 패턴의 다른 측에 의해 반사된 제2 반사광의 제2 회절 신호를 검출한다. 이어서, 상기 제1 회절 신호와 제2 회절 신호의 차이 값을 분석하여 상기 패턴의 비대칭성을 판단한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 차이 값을 이용하여 상기 패턴의 비대칭한 정도를 수치화할 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 비대칭 수직 프로파일을 갖는 패턴에 대하여 OCD 측정 장치를 이용하여 상기 패턴의 물리적 정보를 획득할 수 있다. 따라서, 상기 검사 대상을 파괴하지 않고 검사할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따른 웨이퍼 표면 측정 장치에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 웨이퍼 표면 측정 장치를 설명하기 위한 개략적인 사시도다.

도 1을 참조하면, 웨이퍼 표면을 측정하기 위한 OCD 장치(100)는 웨이퍼 스테이지(stage, 130), 광원부(110), 조사부(120) 및 검출부(140)를 포함한다.

웨이퍼 스테이지(130)는 반도체 웨이퍼(W)를 지지하며, 상기 웨이퍼 스테이지(130)는 상기 지지된 반도체 웨이퍼(W)를 X축 및 Y축으로 이동이 가능하도록 위치 조절부와 연결되어 있다.

상세하게 도시되어 있지는 않지만 상기 위치 조절부(도시되지 않음)는 상기 웨이퍼 스테이지(130)를 X축 방향으로 구동시키기 위한 제1 축 구동 유닛과, 상기 웨이퍼 스테이지(130)를 Y축 방향으로 구동시키기 위한 제2 축 구동 유닛을 포함한다. 상기 위치 조절부로는 예컨대, 직교 좌표 로봇을 사용할 수 있다. 또한, 상기 위치 조절부는 상기 제1 및 제2 축 구동 유닛을 제어하기 위하여 제어부(도시되어 있지 않음)와 연결될 수 있다.

상기 위치 조절부를 조절하여 상기 웨이퍼 스테이지(130)를 목적하는 영역에 위치시킬 수 있다.

광원부(110)는 백색 광원을 구비한다. 상기 백색 광원은 복합 파장의 광을 발생시킨다.

조사부(120)는 상기 광원부로부터 발생된 광을 상기 웨이퍼 스테이지(130) 상에 지지된 반도체 웨이퍼(W)의 일 영역 조사시킨다. 자세하게 도시되어 있지는 않지만 상기 조사부(120)는 집광 렌즈, 분광기 및 각종 반사용 거울 등을 구비할 수 있다. 이때, 상기 반도체 웨이퍼(W)로 조사되는 광은 상기 조사부(120)의 분광기를 통하여 각 파장별로 조사된다.

검출부(140)는 상기 반도체 웨이퍼(W) 표면으로부터 반사된 광을 검출한다. 이때, 상기 조사광이 각 파장별로 상기 반도체 웨이퍼(W) 상으로 조사되고, 상기 반도체 웨이퍼(W)으로부터 반사된 반사광은 파장별로 상기 검출부(140)에서 회절 신호로 검출된다. 상기 회절 신호를 전자기 이론에 적용하여 상기 반도체 웨이퍼(W) 상에 형성된 패턴의 임계 치수(critical dimension : CD), 높이(hight), 경사각도(side wall angle), 하부 막의 두께(sub layer thickness) 등의 물리적 정보를 획득할 수 있다.

이하, 상기와 같은 구성 요소들을 포함하는 OCD 장치를 이용하여 반도체 웨이퍼(W) 상에 형성된 패턴들의 물리적 정보를 획득하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 웨이퍼 표면 측정 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.

도 3은 비대칭적인 수직 프로파일을 갖는 패턴을 설명하기 위한 개략적인 공정 단면도이다.

도 2를 참조하면, 패턴이 형성된 반도체 웨이퍼(W)를 웨이퍼 스테이지(130) 상에 로딩시킨다.(S100) 여기서, 상기 반도체 웨이퍼(W) 상에 형성된 패턴은 라인 앤 스페이스 패턴, 자기 정렬 콘택 방법으로 형성된 절연 패턴 또는 불 휘발성 메모리 장치의 플로팅 게이트 패턴 등일 수 있다. 이때, 상기 라인 앤 스페이스 패턴(line and space pattern)은 통상적으로 대칭적인 수직 프로파일을 갖는 패턴이고, 상기 절연 패턴 및 플로팅 게이트 패턴은 대칭적인 수직 프로파일을 갖는 패턴들이 형성될 뿐만 아니라 공정 특성 상 비대칭적인 수직 프로파일을 갖는 패턴들이 형성될 수 있다.

이어서, 상기 웨이퍼 스테이지(130) 상에 지지된 반도체 웨이퍼(W)의 일 영역에 광원부로부터 광을 발생시키고, 상기 발생된 광은 상기 조사부(120)를 통과하여 반도체 웨이퍼(W)로 조사된다.(S110) 이때, 상기 광원은 백색 광원으로 다수의 파장들을 가지며, 상기 조사부(120)에서 상기 광원을 상기 반도체 웨이퍼(W)로 파장별로 조사시킨다.

상기 조사된 광의 일부(제1 조사광)는 패턴의 일 측으로 조사되어 반사되며(제1 반사광), 상기 조사된 광의 다른 일부(제2 조사광)는 패턴의 다른 측으로 조사 되어 반사된다(제2 반사광).

상기 반사된 광들은 검출부(140)에서 각각 검출되어 회절 신호로 변환된다.(S120, S130) 즉, 상기 제1 반사광은 제1 회절 신호로, 상기 제2 반사광은 제2 회절 신호로 변환되며, 상기 회절 신호들을 전기 이론에 적용하여 상기 패턴의 물리적인 정보를 획득할 수 있다.(S145)

이때, 상기 제1 회절 신호 및 상기 제2 회절 신호가 차이가 나는 경우, 상기 차이 값을 계측한다. 여기서, 상기 차이 값이 설정된 값 내에 있는 경우,(S140) 기 패턴은 자기 정렬 콘택 방식으로 형성된 패턴 등과 같이 비대칭한 수직 프로파일을 갖는 패턴이라고 것을 판단한다.(S150) 또한, 상기 차이 값을 이용하면, 상기 자기 정렬 콘택 공정 시, 상기 패턴의 비대칭한 정도 즉, 미스 얼라인 값을 얻을 수 있다.

보다 상세하게 설명하면, 도 3에 도시된 바와 같이 마스크 패턴(202)이 하부의 도전 패턴(200)과 미스 얼라인 되는 경우, 상기 마스크 패턴(202)을 식각 마스크로 상기 도전 패턴을 매립하는 절연막(204)을 식각하면, 하부의 도전 패턴(200)은 비대칭한 수직 프로파일을 갖게 된다. 상기와 같은 패턴을 비파괴 방식으로 상기 OCD 장치를 이용하여 상기 패턴의 물리적 정보를 획득할 수 있다. 즉, 상기 패턴으로 광을 조사하고, 상기 패턴의 일 측 및 타 측에 각각 반사된 광들의 회절 신호들을 각각 검출하고, 상기 회절 신호들을 전자기 이론에 적용하여 상기 패턴의 물리적 정보를 획득할 수 있다.(S160) 또한, 상기 회전 신호들은 차이를 갖게되며, 상기 차이 값을 이용하여 상기 미스 얼라인 정도를 계산할 수 있다.(S170)

도시되어 있지는 않지만 상기 불 휘발성 메모리 장치의 플로팅 게이트의 미스 얼라인 경우, 비대칭한 수직 프로파일을 갖는 플로팅 게이트도 상기 도 3에서 설명한 바와 같은 방법으로 상기 플로팅 게이트의 물리적인 정보들을 획득할 수 있으며, 미스 얼라인 정도도 계산할 수 있다.

한편, 상기 제1 회절 신호 및 제2 회절 신호의 차이 값이 설정된 값을 벗어나는 경우, 상기 패턴은 쓰러지거나 패턴으로 기능할 수 없는 것으로 불량으로 판단한다.(S155)

종래의 OCD 장치는 상기 라인 앤 스페이스 패턴과 같이 대칭적인 수직 프로파일을 갖는 패턴의 물리적 정보를 획득할 수 있었으나, 상기와 같은 방법을 사용하면, 비대칭적인 수직 프로파일을 갖는 패턴의 물리적 정보를 획득할 수 있다.

또한, 미스 얼라인으로 인하여 형성된 비대칭적인 수직 프로파일을 가진 패턴일 경우, 획득된 회절 신호들의 차이 값을 이용하여 미스 얼라인된 값을 얻을 수 있다.

계속해서 상기한 과정을 반도체 웨이퍼(W)의 다른 영역에 대하여 X축 또는 Y축 방향으로 스캔하여 반복적으로 실시하여 반도체 웨이퍼(W)의 전체 패턴에 대한 물리적 정보를 획득할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 패턴의 일 측 및 타 측으로 광을 각각 조사시키고, 상기 패턴에 의해 반사된 광을 검출하고, 상기 검출된 광의 회절 신호로 변환시킨다. 상기 변환된 각각의 회절 신호의 차이 값을 이용하여 상기 패턴의 수직 프로파일의 대칭 또는 비대칭성을 계측할 수 있다.

또한, 상기 패턴이 비대칭적인 수직 프로파일을 갖는 경우, 상기 각각의 회절 신호의 차이 값을 이용하여 상기 비대칭한 정도를 수치화 할 수 있어, 상기 패턴의 얼라인 마진 등을 계측할 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 (2)

1. 웨이퍼 상에 형성된 패턴으로 광을 조사하는 단계;

   상기 조사된 광 중 패턴의 일 측에 의해 반사된 제1 반사광의 제1 회절 신호(diffraction signal)를 검출하는 단계;

   상기 조사된 광 중 패턴의 다른 측에 의해 반사된 제2 반사광의 제2 회절 신호를 검출하는 단계; 및

   상기 제1 회절 신호와 제2 회절 신호의 차이 값을 분석하여 상기 패턴의 비대칭성을 판단하는 단계를 포함하는 웨이퍼 표면 측정 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 차이 값을 이용하여 상기 패턴의 비대칭한 정도를 수치화하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 표면 측정 방법.

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