KR20110001804A - 오버레이 버니어 패턴을 이용한 하부 단차 변화 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 특정 오버레이 버니어 패턴을 이용하여 노광 공정 전의 하부 단차 변화를 측정함으로써 노광 공정시 하부 단차에 의한 패턴의 끊김, 패턴의 연결 등을 방지할 수 있도록 하는 것이다. 이를 위한 하부 단차 변화 측정 방법은, 다각형 형태의 모 버니어를 형성하는 단계, 상기 모 버니어 내측에 다수 개의 바 형태의 버니어 패턴을 포함하고, 각각의 바형 버니어 패턴이 다수 개의 폭이 다른 바형 서브 패턴을 포함하는 자 버니어를 형성하는 단계, 상기 자 버니어의 디포커싱된 정도를 측정하는 단계 및 상기 측정값을 이용하여 하부 단차 변화를 측정하는 단계를 포함하며, 상기 모 버니어와 상기 자 버니어를 포함하는 오버레이 버니어 패턴은 인접하는 칩 간의 노광 필드가 중첩되는 영역에 형성한다.

오버레이 버니어 패턴, 하부 단차, 노광 공정

Description

오버레이 버니어 패턴을 이용한 하부 단차 변화 측정 방법{METHOD FOR MEASURING STEP VARIATION OF UNDERLYING LAYERS USING OVERLAY VERNIER PATTERN}

본 발명은 고집적 반도체 장치의 제조 기술에 관한 것으로, 특히 특정 오버레이 버니어를 이용하여 노광 공정 전에 하부 단차 변화를 측정하는 방법에 관한 것이다.

웨이퍼에 회로를 만드는 과정에서 웨이퍼에 제조될 회로의 패턴을 기록하는 것은 필수적이며, 이러한 과정을 흔히 리소그래피(lithography) 기술이라 한다. 리소그래피 기술은 웨이퍼 상에 포토레지스트를 도포한 후 노광, 현상, 에칭, 포토레지스트 제거에 이르는 일련의 공정을 모두 포함한다. 리소그래피 기술 중 핵심은 웨이퍼 상에 포토레지스트를 형성한 후 빛을 주사하는 노광 공정을 통해 포토레지스트를 패터닝하는 것이다.

그러나, 최근 반도체 장치가 점점 고집적화되어감에 따라 반도체 장치의 회로 패턴을 형성하기 위한 노광 공정의 공정 마진이 매우 작아지고 있다.

이것은 노광 공정상에서의 어려움뿐만 아니라 노광 공정 전의 하부 단차에 의해서도 공정 변화가 매우 크게 일어날 수 있다는 것을 의미한다.

공정 변화는 단순히 DI CD(develop inspection critical dimension)의 변화 뿐만 아니라 패턴의 끊김이나 붙음, 콘택 홀이 오픈되지 않는 등의 결함을 동반할 수 있으므로 반도체 장치에 있어서 매우 치명적이다.

근래의 반도체 장치에서의 노광 공정의 마진이 더욱 작아져서, 최근에는 100nm 이하의 공정 마진을 가진다. 이것은 하부 층의 50nm 미만의 두께 차이에 의해서도 패턴이 붙거나 끊어질 수 있다는 것이다.

그러므로 노광 공정 전에 하부 단차의 변화를 미리 알아야 이러한 불량을 미리 방지할 수 있다. 이러한 하부 단차의 변화를 측정하기 위해서는 노광 공정 전에 하부 두께를 측정하는 방법밖에 없다. 하지만 이러한 두께 측정 방법의 경우에는 측정될 잔막 두께의 패턴이 존재하지 않거나 측정이 제대로 이루어지지 않았을 때에 웨이퍼를 잘라서 결과를 도출할 수 있는데, 이러한 과정은 웨이퍼의 손실을 가져오게 되며 측정에 매우 많은 시간이 소요된다. 따라서, 하부 단차의 변화를 보다 효율적으로 측정할 수 있는 방법이 요구된다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 특정 오버레이 버니어 패턴을 이용하여 기존의 오버레이 측정 장비를 이용하여 노광 공정 전에 하부 단차 변화를 측정함으로써, 노광 공정에서의 불량을 방지하는 하부 단차 측정 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면 하부 단차 변화 측정 방법은, 다각형 형태의 모 버니어를 형성하는 단계, 상기 모 버니어 내측에 다수 개의 바 형태의 버니어 패턴을 포함하고, 각각의 바형 버니어 패턴이 다수 개의 폭이 다른 바형 서브 패턴을 포함하는 자 버니어를 형성하는 단계, 상기 자 버니어의 디포커싱된 정도를 측정하는 단계 및 상기 측정값을 이용하여 하부 단차 변화를 측정하는 단계를 포함하며, 상기 모 버니어와 상기 자 버니어를 포함하는 오버레이 버니어 패턴은 인접하는 칩 간의 노광 필드가 중첩되는 영역에 형성하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 노광 필드가 중복되는 영역의 폭이 약 80um 내지 약 100um 범위에 속하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 노광 필드가 중복되는 영역에 4개의 오버레이 버니어 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 자 버니어가 디포커싱된 정도를 측정하는 단계는 상기 자 버니어의 바형 서브 패턴의 형성 상태의 변화량을 측정하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 자 버니어의 바형 서브 패턴이 적게 형성될수록 디포커싱 정도가 크고 하부 단차가 심하다고 판단하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 모 버니어는 프레임 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 프레임 구조의 모 버니어의 폭이 2um 이상인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 자 버니어의 바형 서브 패턴 중 폭이 가장 넓은 것은 약 2um이며 폭이 가장 좁은 것은 약 0.1um인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 자 버니어에 포함된 다수 개의 바 형태의 버니어 패턴의 개수는 상기 모 버니어의 다각형 형태에 대응하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 노광 필드가 중첩되는 영역에서 상기 모 버니어와 상기 자 버니어를 형성할 때, 이전 노광 필드에서는 상기 모 버니어를 노광하고 중첩되는 후속 노광 필드에서는 상기 자 버니어를 노광하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의해서 노광 공정시 하부 단차에 의한 패턴의 끊김, 패턴의 연결 등을 방지할 수 있다.

이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

본 발명에서는 노광 공정 전의 하부 단차 변화를 측정하기 위하여 특정 오버레이 버니어 패턴을 노광하게 되는데 이러한 과정은 이른바 버팅 버니어(butting vernier)라고 지칭하는 오버레이 버니어 패턴을 이용하여 실시된다. 버팅 버니어는 노광 공정에서 일정 스크라이브 레인(scribe lane)을 중복하여 노광하는 중에 모 버니어와 자 버니어가 모두 노광되게 되는데 이러한 패턴으로 오버레이 값을 측정할 수 있다. 이러한 오버레이의 측정값은 이른바 버팅이라는 용어로 노광 장비의 스테이지 움직임에 대한 균일도 측정값으로 사용되고 있는데 이러한 버팅 버니어에 인접하게 본 발명의 버니어를 위치시켜서 노광을 실시하게 된다. 본 발명의 특정 버니어로 이루어지는 것에 대해서도 오버레이 값을 측정하게 되며, 이 측정값이 하부 단차의 변화를 알 수 있게 고안되어 있다.

도 1은 본 발명에 따른 오버레이 버니어 패턴을 이용한 하부 단차 변화 측정 방법을 실현하기 위한 노광 필드를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 이웃하는 반도체 칩 간에 노광 필드를 중첩시킨다. 즉, 웨이퍼 상에서 좌우로 인접하는 제 1 반도체 칩(110)과 제 2 반도체 칩(120) 사이에는 두 칩의 노광 필드가 겹쳐지는 제 1 노광 영역(140)이 존재하고, 상하로 인접하는 제 1 반도체 칩(110)과 제 3 반도체 칩(130)사이에는 두 칩의 노광 필드가 겹쳐지는 제 2 노광 영역(150)이 존재한다.

이렇게 제 1 및 제 2 노광 영역(140, 150)을 포함하는 노광 필드 영역은 그 폭이 약 80um 내지 약 100um 정도이며 그 안에 본 발명의 오버레이 버니어가 위치 하게 된다.

도 2a는 버팅 노광 결과를 도시한 도면이고, 도 2b는 도 2a에 형성된 오버레이 버니어 패턴을 도시한 것으로 오버레이 버니어 패턴은 모 버니어(220)와 자 버니어(230)를 포함한다.

도 2a 및 2b를 참조하면, 반도체 칩(210)의 노광 필드가 겹쳐지는 부분을 이용하여 앞서 노광하는 필드에서는 모 버니어(220)를 노광하고 이에 겹쳐지는 후속의 노광하는 필드에서는 자 버니어(230)를 노광하게 된다. 따라서, 노광 필드 영역에 형성되는 오버레이 버니어 패턴은 도면에서와 같이 C1 내지 C4까지의 4개이며 이러한 오버레이 버니어 패턴의 변화량을 이용하여 하부 단차를 측정할 수 있다. C1 내지 C4와 같은 오버래인 버니어 패턴은 웨이퍼 내에서는 매우 많은 숫자가 존재하게 된다.

도 3a 및 3b는 도 2a에서와 같이 형성된 오버레이 버니어 패턴의 정렬도를 장비에서 측정하는 원리를 나타내는 도면으로, 그 원리는 모 버니어(310)의 중심값과 자 버니어(320)의 중심값을 각각 구하고 그 차이를 이용하여 모 버니어(310)와 자 버니어(320)의 위치 차이를 알아내는 것이다.

도 3a은 오버레이 버니어 패턴의 종류를 예시한 것으로, 좌측 오버레이 버니어 패턴은 박스 인 박스(box in box) 구조를 가지며 우측 오버레이 버니어 패턴은 박스 인 프레임(box in frame) 구조를 가진다.

도 3b에서는 도 3a와 같이 형성된 오버레이 버니어 패턴의 오버레이 측정 방법을 보여준다.

우선, 오버레이 버니어가 구비된 기판에 대해 측정 장비 내에서 오버레이 스캔(overlay scan)을 진행하고 도면의 좌측에 도시한 바와 같이 오버레이 스캔으로 얻은 오버레이 측정 시그널을 이용하여 모 버니어(310)의 중심값과 자 버니어(320)의 중심값을 각각 구하고 그 차이를 이용하여 모 버니어(310)와 자 버니어(320)의 위치 차이를 알아낸다.

예를 들어, 저 버니어(320)의 중심값에서 모 버니어(310)을 중심값을 빼서 그 차이가 (+) 부호를 가지면 자 버니어(320)가 우측으로 치우친 것이고, 그 차이가 (-) 부호를 가지면 자 버니어(320)가 좌측으로 치우친 것이며, 그 차이가 0이면 정렬이 제대로 된 것을 의미한다고 본다.

도 4a 내지 4c는 본 발명의 원리를 설명하기 위한 오버레이 버니어 패턴의 평면도이다. 본 발명의 오버레이 버니어 패턴은 사각형 프레임 구조의 모 버니어(410)와 모 버니어(410) 내측에 사방으로 바(bar) 형태의 버니어 패턴을 포함하고, 각각의 바형 버니어 패턴(430)은 여러 개의 폭이 다른 바형 서브 패턴을 갖는 자 버니어(420)를 포함한다.

일반적으로 하부 단차가 없은 부분에서는 도 4a과 같이 자 버니어(420)가 양호하게 형성되어 오버레이 측정값이 0를 나타낼 것이다. 즉, 모 버니어(410)의 중심값과 자 버니어(420)의 중심값이 일치하는 형태를 나타내게 될 것이다.

하지만 하부 단차에 의해서 패턴 디포커스(pattern defocus)가 생기기 시작하면 자 버니어(420)에서 디포커스 현상이 나타나게 될 것이며, 본 발명에서 고안한 자 버니어의 모양에서 폭이 큰 바형 패턴은 그 모양을 그대로 유지 할 것이나 폭이 작은 바형 패턴에서는 디포커스가 나타나서 패턴이 점차 사라지게 될 것이다.

즉, 하부 단차가 점점 커지면 도 4b에서와 같은 자 버니어(420a)의 형태가 나타나게 되고, 단차가 더욱더 커지면 자 버니어의 모양에 변화가 일어나면서 도 4c에서와 같이 폭이 작은 바형 패턴이 다 사라지고 폭이 큰 바형 패턴만 남은 자 버니어(420b)의 형태를 나타내게 될 것이다.

도 4b 및 4c에 도시한 바와 같이 하부 단차에 의해 자 버니어(420a, 420b)의 디포커스 정도를 나타내는 ΔA 값이 하부단차에 의한 디포커스 정도가 심해짐에 따라서 커지게 될 것이다.

이러한 ΔA 값을 웨이퍼 전체에 나타내게 되면 단차가 심한 부분에서는 그 값이 크게 나타날 것이고, 이러한 부분을 실제로 패터닝 했을 때 패턴끼리 붙는 패턴 브릿지(pattern bridge)혹은 노치(notch)가 나타나게 될 것이다.

도 5는 ΔA 값을 웨이퍼 수준에서 나타낸 것으로, 예시적으로 하부 단차가 30nm 이하인 칩에서부터 60nm 이상인 칩까지 나타내고 있다. 이것은 노광 공정을 진행하는데 매우 귀중한 데이터가 될 것이다.

도 5에서는 ΔA 값을 데이터로 이용하는 것을 도시하고 있지만, 다른 실시 예에서는 ΔA 값이 아닌 오버레이 값을 이용할 수도 있다.

또한, 실제로 오버레이 변화량과 실제 단차 차이를 계산할 수 있는데, 그것을 실제로 노광 장비에서 실제로 디포커스를 발생시켜서 노광한 것과 그때의 특정 패턴에 의한 오버레이 변화량을 매칭시켜 가능하다.

도 4a에 도시한 본 발명의 오버레이 버니어 패턴은 모 버니어(410)는 그 폭 이 약 2um 이상이고, 자 버니어(420)의 바형 패턴(430)에서 좌측의 가장 두꺼운 바형 패턴은 약 2um이며 오른쪽 방향으로 갈수록 그 폭이 작아져서 약 0.1um 수준까지 그 크기가 작아진다. 그러나, 모 버니어(410) 및 자 버니어(420)의 크기는 이에 한정되지 않으며, 반도체 장치 및 레이어(layer)에 따라서 각기 다른 값을 취할 수 있다.

본 발명에서 얻어질 수 있는 값은 오버레이 x, y값과, 노광 필드에서 가장 큰 값 즉, 오버레이 단차가 심한 값을 취하여 데이터로 이용한다. 본 발명에서 취할 수 있는 데이터를 실제 이용하는 방법은 반도체 장치에 따라 다르게 적용될 수 있다.

도 3b에 일반적인 오버레이 측정 원리를 나타내고 있는데, 본 발명에 의한 오버레이 측정도 동일 원리로 같은 오버레이 측정 장비 내에서 측정 가능하다.

전술한 바와 같이 특정 오버레이 버니어 패턴을 이용하여 모 버니어와 자 버니어 간의 포커싱 정도를 측정하여 노광 공정 전의 하부 단차를 측정하게 되면, 노광 공정시 하부 단차에 의한 패턴의 끊김, 패턴의 연결 등을 방지할 수 있게 된다.

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

도 1은 본 발명에 따른 오버레이 버니어 패턴을 이용한 하부 단차 변화 측정 방법을 실현하기 위한 노광 필드를 도시한 도면.

도 2a는 버팅 노광 결과를 도시한 도면.

도 2b는 도 2a에 형성된 오버레이 버니어 패턴을 도시한 도면.

도 3a 및 3b는 도 2a에서와 같이 형성된 오버레이 버니어 패턴을 장비에서 측정하는 원리를 나타낸 도면.

도 4a 내지 4c는 본 발명의 원리를 설명하기 위한 오버레이 버니어 패턴의 평면도.

도 5는 ΔA 값을 웨이퍼 수준에서 나타낸 도면.

Claims (10)

1. 다각형 형태의 모 버니어를 형성하는 단계;

   상기 모 버니어 내측에 다수 개의 바 형태의 버니어 패턴을 포함하고, 각각의 바형 버니어 패턴이 다수 개의 폭이 다른 바형 서브 패턴을 포함하는 자 버니어를 형성하는 단계;

   상기 자 버니어의 디포커싱된 정도를 측정하는 단계; 및

   상기 측정값을 이용하여 하부 단차 변화를 측정하는 단계

   를 포함하고,

   상기 모 버니어와 상기 자 버니어를 포함하는 오버레이 버니어 패턴은 인접하는 칩 간의 노광 필드가 중첩되는 영역에 형성하는 하부 단차 변화 측정 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 노광 필드가 중복되는 영역의 폭이 약 80um 내지 약 100um 범위에 속하는 하부 단차 변화 측정 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 노광 필드가 중복되는 영역에 4개의 오버레이 버니어 패턴을 형성하는 하부 단차 변화 측정 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 자 버니어가 디포커싱된 정도를 측정하는 단계는,

   상기 자 버니어의 바형 서브 패턴의 형성 상태의 변화량을 측정하는 하부 단차 변화 측정 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 자 버니어의 바형 서브 패턴이 적게 형성될수록 디포커싱 정도가 크고 하부 단차가 심하다고 판단하는 하부 단차 변화 측정 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 모 버니어는 프레임 구조를 갖는 하부 단차 변화 측정 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 프레임 구조의 모 버니어의 폭이 2um 이상인 하부 단차 변화 측정 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 자 버니어의 바형 서브 패턴 중 폭이 가장 넓은 것은 약 2um이며 폭이 가장 좁은 것은 약 0.1um인 하부 단차 변화 측정 방법.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 자 버니어에 포함된 다수 개의 바 형태의 버니어 패턴의 개수는 상기 모 버니어의 다각형 형태에 대응하는 하부 단차 변화 측정 방법.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 노광 필드가 중첩되는 영역에서 상기 모 버니어와 상기 자 버니어를 형성할 때, 이전 노광 필드에서는 상기 모 버니어를 노광하고 중첩되는 후속 노광 필드에서는 상기 자 버니어를 노광하는 하부 단차 변화 측정 방법.

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