KR20080095614A - 반도체 소자의 오버레이 측정 장비 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자의 오버레이 측정 장비에 관한 것으로, 대물렌즈를 통해 입사되는 반사광을 편광판을 통해 한방향으로 편광시킴으로써 난반사되는 광과 광량이 큰 광을 제외한 반사광을 분광하여 이를 계측 촬상 소자로 측정함으로써, 난반사된 광과 광량이 큰 광에 의한 계측 불량을 억제하여 정확한 오버레이 값을 측정할 수 있는 반도체 소자의 오버레이 측정 장비를 제공하는 데 있다.

오버레이, RGB, 편광, 분광

Description

반도체 소자의 오버레이 측정 장비{Overlay mesurement system of semiconductor device}

도 1은 종래 기술에 따른 반도체 소자의 오버레이 측정 장비를 나타내는 구성도이다.

도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 반도체 소자의 오버레이 측정 장비를 나타내는 구성도이다.

도 3은 반사광의 편광 및 분광되는 것을 설명하기 위한 개략도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

110 : 광소스 생성기 120 : 대물 렌즈

130 : 편광판 140 : 제1 분광기

150 : 계측 촬상기 160 : 제2 분광기

170 : 리딩장치

본 발명은 반도체 소자의 오버레이 측정 장비에 관한 것으로, 특히 계측 능력을 향상시킨 반도체 소자의 오버레이 측정 장비에 관한 것이다.

일반적으로 고집적 반도체 소자는 다수개의 노광 마스크가 중첩 사용되는 복잡한 공정을 거치게 되며, 단계별로 사용되는 노광 마스크들간의 정렬은 특정 형상의 마크를 기준으로 이루어진다.

상기 마크들은 다른 마스크들간의 정렬(layer to layer alignment)이나, 하나의 마스크에 대한 다이간의 정렬에 사용되는 정렬 키(alignment key) 혹은 정렬마크와, 패턴간의 중첩 정밀도인 오버레이(overlay)를 측정하기 위한 오버레이 측정 마크가 있다.

반도체 소자의 제조 공정에 사용되는 스탭 앤 리피트(step and repeat) 방식의 노광 장비인 스테퍼(steper)는 스테이지가 X-Y 방향으로 움직이며 반복적으로 이동 정렬하여 노광하는 장치이다. 상기 스테이지는 정렬마크를 기준으로 자동 또는 수동으로 웨이퍼의 정렬이 이루어지며, 스테이지는 기계적으로 동작되므로 반복되는 공정시 정렬 오차가 발생되고, 정렬오차가 허용 범위를 초과하면 소자에 불량이 발생된다.

상기와 같이 오정렬에 따른 중첩 정확도의 조정범위는 소자의 디자인 롤(disign rule)에 따르며, 통상 디자인 룰의 20∼30% 이내이다.

또한 반도체기판상에 형성된 각층들간의 정렬이 정확하게 이루어졌는지를 확인하는 중첩정밀도(overlay accuracy) 측정 마크 또는 오버레이 측정 마크도 정렬 마크와 동일한 방법으로 사용된다.

종래 정렬마크 및 오버레이 측정 마크는 반도체 웨이퍼에서 칩이 형성되지 않는 부분인 스크라이브 라인(scribe line) 상에 형성되며, 상기 정렬마크를 이용한 오정렬 정도의 측정 방법으로는 버어니어(venier) 정렬마크를 이용한 시각 점검 방법과, 박스 인 박스(box in box)나 박스 인 바아(box in bar) 정렬 마크를 이용한 자동 점검 방법에 의해 측정한 후, 보상한다.

도 1은 종래 기술에 따른 오버레이 측정 장비를 이용한 반도체 소자의 오버레이 측정 방법을 설명하기 위한 구성도이다.

도 1을 참조하면, 자 버니어(1)와 모 버니어(3)로 구성된 오버레이키(5)에 수직으로 일반적인 조명광을 입사시켜 CCD 카메라(7)로 오버레이키(5)를 측정한다. 이때, 오버레이키(5)에 반사되는 회절광은 화살표로 표시된 바와 같이 0차 및 ±1차 회절광이 대물렌즈(9)를 통하여 입사되고 이를 이용하여 CCD 카메라(9)가 오버레이키(5)를 측정한다.

상술한 오버레이 측정 장비는 입사광을 웨이퍼 표면에 전사하고 그 반사된 광을 통하여 이미지의 RGB값을 CCD 카메라(9)와 같은 찰상 소자를 이용하여 측정한다. 그러나 반도체 소자의 금속층의 오버레이 값을 측정할 때, 금속층의 난반사 및 반사광의 크기가 커서 계측 촬상기로 이미지를 읽을때 성광 현상을 발생하여 정확한 RGB값을 측정할 수 없어 오버레이 계측 불량을 유발시키는 문제점이 발생할 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 대물렌즈를 통해 입사되는 반사광을 편광판을 통해 한방향으로 편광시킴으로써 난반사되는 광과 광량이 큰 광을 제외한 반사광을 분광하여 이를 계측 촬상 소자로 측정함으로써, 난반사된 광과 광량이 큰 광에 의한 계측 불량을 억제하여 정확한 오버레이 값을 측정할 수 있는 반도체 소자의 오버레이 측정 장비를 제공하는 데 있다.

본 발명의 일실시 예에 따른 반도체 소자의 오버레이 측정 장비는 광소스를 생성하는 광소스 생성기(110)와, 상기 광소스 생성기에서 발생된 상기 광소스를 집중시켜 웨이퍼에 입사시키고, 웨이퍼에서 반사된 반사광을 집중시켜 출력하는 대물 렌즈(120)와, 상기 대물 렌지를 통해 입사된 상기 반사광을 입사받아 난반사된 광을 걸러주는 편광판과, 상기 편광판에 의해 편광된 입사광을 분광하여 광경로가 다른 복수개의 분광원을 생성하는 제1 분광기, 및 상기 제1 분광기에서 출력된 복수개의 분광원 중 하나를 입사하여 RGB 신호를 측정하여 상기 웨이퍼의 이미지 패턴을 구현하는 계측 촬상기(150)를 포함한다.

상기 제1 분광원에서 출력된 다른 분광원을 재 분광하는 제2 분광기(150)와, 상기 제2 분광기에 의해 재 분광된 분광원을 입사하여 상기 대물 렌즈와 상기 웨이퍼 간의 초점 거리를 측정하는 리딩 장치를 더 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한 다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위는 본원의 특허청구범위에 의해서 이해되어야 한다.

도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 반도체 소자의 오버레이 측정 장비를 나타내는 구성도이다.

도 2를 참조하면, 반도체 소자의 오버레이 측정 장비는 광소스를 생성하는 광소스 생성기(110), 광소스 생성기(110)에서 발생된 광소스를 집중시켜 웨이퍼(200)에 입사시키고, 웨이퍼(200)에서 반사된 반사광을 집중시켜 편광판(130)으로 보내는 대물 렌즈(120), 입사된 반사광을 반사광의 난반사와 큰 광량에 따른 광을 걸러주는 편광판(130), 편광된 입사광을 광경로를 복수개의 방향으로 나누어 반사광을 분광하는 제1 및 제2 분광기(140, 및 160), 제1 분광기(140)를 통과한 반사광을 이용하여 오버레이 패턴의 이미지를 획득하는 계측 촬상기(150), 및 제2 분광기(160)을 통과한 반사광을 이용하여 웨이퍼의 초점거리를 인식하는 리딩장치(170)를 포함한다.

도 2를 참조하여, 본 발명의 일실시 예에 따른 반도체 소자의 오버레이 측정 장비를 이용한 오버레이 측정 방법을 설명하면 다음과 같다.

광소스 생성기(110)는 웨이퍼에 조사될 입사광을 생성하여 대물 렌즈(120)로 출력한다. 대물 렌즈(120)에 의해 입사광은 웨이퍼(200)의 표면에 조사된다. 이때 웨이퍼(200)의 상부 층이 알루미늄 또는 텅스텐 등과 같은 금속 재질의 층일 경우 반사광이 난반사를 일으키고, 반사광의 양이 크게 된다.

도 3은 반사광의 편광 및 분광되는 것을 설명하기 위한 개략도이다.

도 3을 참조하면, 웨이퍼(200)에 표면에서 반사된 반사광(L1)은 대물 렌즈(120)를 통해 편광판(130)에 조사된다. 편광판(130)은 조사된 반사광을 한방향으로 편광시켜 반사광의 난반사와 광량이 큰 반사광을 걸러주게 된다. 편광판(130)을 통과한 편광원(L2)은 제1 분광기(140)로 조사된다. 제1 분광기(140)는 입사된 편광원을 분광시켜 광경로를 복수개(L3, L4)로 분리한다.

제1 분광기(140)에 의해 광경로가 변경된 분광원(L3)은 밀러를 통해 계측 촬상기(150)에 입사된다. 계측 촬상기(150)는 입사된 분광원(L3)를 통해 웨이퍼(200)상의 오버레이 패턴의 이미지를 획득한다.

제1 분광기(140)를 통과한 분광원(L4)은 제2 분광기(160)로 입사된다. 제2 분광기(160)는 분광원(L4)을 재 분광하여 리딩장치(170)로 출력한다. 리딩장치(170)는 입사된 분광원을 분석하여 대물 렌즈(120)와 웨이퍼간의 초점 거리를 측정한다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명의 일실시 예에 따르면, 대물렌즈를 통해 입사되는 반사광을 편광판을 통해 한방향으로 편광시킴으로써 난반사되는 광과 광량이 큰 광을 제외한 반사광을 분광하여 이를 계측 촬상 소자로 측정함으로써, 난반사된 광과 광량이 큰 광에 의한 계측 불량을 억제하여 정확한 오버레이 값을 측정할 수 있다.

Claims (3)

1. 광소스를 생성하는 광소스 생성기(110);

   상기 광소스 생성기에서 발생된 상기 광소스를 집중시켜 웨이퍼에 입사시키고, 웨이퍼에서 반사된 반사광을 입사받는 대물 렌즈(120);

   상기 대물 렌즈를 통해 입사된 상기 반사광을 입사받아 편광원으로 출력하는 편광판(130);

   상기 편광원을 분광하여 광경로가 다른 복수개의 분광원을 생성하는 제1 분광기(140);

   상기 제1 분광기에서 출력된 복수개의 분광원 중 하나를 입사하여 RGB 신호를 측정하여 상기 웨이퍼의 이미지 패턴을 구현하는 계측 촬상기(150)를 포함하는 반도체 소자의 오버레이 측정 장비.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 분광원에서 출력된 다른 분광원을 재 분광하는 제2 분광기(150); 및

   상기 제2 분광기에 의해 재 분광된 분광원을 입사하여 상기 대물 렌즈와 상기 웨이퍼 간의 초점 거리를 측정하는 리딩 장치(170)를 더 포함하는 반도체 소자의 오버레이 측정 장비.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 편광기는 상기 반사광 중 난반사된 광들을 걸러 상기 편광원을 출력하는 오버레이 측정 장비.

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