KR102566129B1

KR102566129B1 - 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크, 이를 이용한 오버레이 측정방법, 및 반도체 소자의 제조방법

Info

Publication number: KR102566129B1
Application number: KR1020220008304A
Authority: KR
Inventors: 이현철; 장현진; 홍성훈; 우영제
Original assignee: (주) 오로스테크놀로지
Priority date: 2022-01-20
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2023-08-16
Anticipated expiration: 2042-01-20
Also published as: TW202331428A; KR20230112261A; TWI812515B; JP7663689B2; JP2024512852A; US20230282597A1; WO2023140468A1; US12021040B2; CN116848470A

Abstract

본 발명은 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크 및 이를 이용한 오버레이 측정방법 및 반도체 소자의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 두 개 이상의 패턴 층들 사이의 상대적 엇갈림을 결정하는, 이미지 기반 오버레이 측정용 오버레이 마크로서, 제1 내지 제4 오버레이 마크를 포함한다. 상기 제1 오버레이 마크는, 제1 대칭 중심(COS₁)을 구비하며, 상기 제1 대칭 중심(COS₁)을 기준으로 180도 회전 대칭이며, 중심축이 서로 일치하며, 상기 오버레이 마크의 중심부에 배치되는 한 쌍의 제1 모아레 패턴들이 형성되도록 구성되며, 상기 제2 오버레이 마크는, 제2 대칭 중심(COS₂)을 구비하며, 상기 제2 대칭 중심(COS₂)을 기준으로 180도 회전 대칭이며, 중심축이 서로 일치하며, 상기 제1 모아레 패턴들을 사이에 두고 마주보도록 배치되는 한 쌍의 제2 모아레 패턴들이 형성되도록 구성되며, 상기 제3 오버레이 마크는, 제3 대칭 중심(COS₃)을 구비하며, 상기 제3 대칭 중심(COS₃)을 기준으로 180도 회전 대칭이며, 상기 제1 모아레 패턴들을 사이에 두고 제1 대각선상에 배치되는 한 쌍의 제3 모아레 패턴들이 형성되도록 구성되며, 상기 제4 오버레이 마크는, 제4 대칭 중심(COS₄)을 구비하며, 상기 제4 대칭 중심(COS₄)을 기준으로 180도 회전 대칭이며, 상기 제1 모아레 패턴들을 사이에 두고 상기 제1 대각선과 교차하는 제2 대각선상에 배치되는 한 쌍의 제4 모아레 패턴들이 형성되도록 구성된다.

Description

모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크, 이를 이용한 오버레이 측정방법, 및 반도체 소자의 제조방법{Overlay mark forming moire pattern, overlay measurement method and semiconductor device manufacturing method using the same}

본 발명은 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크 및 이를 이용한 오버레이 측정방법 및 반도체 소자의 제조방법에 관한 것이다.

반도체 기판상에는 복수 개의 패턴 층들이 순차적으로 형성된다. 또한, 더블 패터닝 등을 통해서 하나의 층의 회로가 두 개의 패턴으로 나뉘어 형성되기도 한다. 이러한 패턴 층들 또는 하나의 층의 복수의 패턴이 미리 설정된 위치에 정확하게 형성되어야만, 원하는 반도체 소자를 제조할 수 있다.

따라서 패턴 층들이 정확하게 정렬되었는지를 확인하기 위해서, 패턴 층들과 동시에 형성되는 오버레이 마크들이 사용된다.

오버레이 마크를 이용하여 오버레이를 측정하는 방법은 아래와 같다. 먼저, 이전 공정, 예를 들어, 에칭 공정에서 형성된 패턴 층에, 패턴 층 형성과 동시에 오버레이 마크의 일부인 하나의 구조물을 형성한다. 그리고 후속 공정, 예를 들어, 포토리소그래피 공정에서, 포토레지스트에 오버레이 마크의 나머지 구조물을 형성한다.

그리고 오버레이 측정장치를 통해서 이전 공정에 형성된 패턴 층의 오버레이 구조물(포토레지스트 층을 투과하여 이미지 획득)과 포토레지스트 층의 오버레이 구조물의 이미지를 획득하고, 이들 이미지들의 중심들 사이의 오프셋 값을 계측하여 오버레이 값을 측정한다.

좀 더 구체적으로, 일본공개특허 2020-112807에는 기판에 형성된 오버레이 마크의 이미지를 캡처하고, 캡처된 이미지에서 복수의 워킹 존은 선택하고, 선택된 워킹 존의 각각에 대해 정보를 가진 신호를 형성하고, 이들을 비교함으로써 서로 다른 층 또는 서로 다른 패턴 사이의 상대적인 어긋남을 결정하는 방법이 개시되어 있다.

또한, 한국등록특허 10-1604789에는 오버레이 마크의 이미지를 획득하고, 획득된 이미지의 중심을 기준으로 오버레이 마크의 180도 회전 이미지를 획득한 후, 두 개의 이미지를 비교하여, 일치하면 현재 이미지 중심을 오버레이 마크의 중심으로 정하고, 일치하지 않으면 일치할 때까지 위치를 변경하며 오버레이 마크 이미지를 획득하면서 상기 단계를 반복하는 오버레이 측정방법이 개시되어 있다.

또한, 한국공개특허 2000-0006182에는 서로 포개지는 반복적인 오버레이 마크로 모아레 패턴을 형성하고, 이를 광학적으로 관찰하여, 정렬시의 모아레 패턴과 관찰된 모아레 패턴을 비교하여 오버레이를 측정하는 방법이 개시되어 있다.

또한, 미국공개특허 US2021-0072650A1에는 서로 포개지는 X축 방향 1차원 격자 패턴들과 Y축 방향 1차원 격자 패턴들을 이용하여 180도 회전 대칭인 4쌍의 모아레 패턴들을 형성하고, 이들을 이용하여 X축과 Y축 방향의 오버레이를 측정하는 방법이 개시되어 있다.

이러한 모아레 패턴들의 이미지를 이용하는 방식은 층간 오정렬을 증폭하여 나타낸다는 점에서 오버레이 마크 자체의 이미지를 이용하는 방식에 비해서 장점이 있다. 그러나 현재 층에 형성된 오버레이 마크에서 반사된 빛에 의한 간섭 등의 영향에 의해서 모아레 패턴에 노이즈가 생긴다는 문제가 있다.

또한, 미국공개특허 US2021-0072650A1에 도시된 각각의 모아레 패턴들은 오버레이 마크의 중심으로부터 오버레이 마크의 외곽까지의 긴 영역에 걸쳐서 형성되기 때문에, 오버레이 측정장치의 경사진 광학 요소, 예를 들어, 빔 스플리터에 의한 광학 수차의 영향을 크게 받을 수 있다는 문제도 있다. 특히, 바들이 배치되는 방향을 따라서 광학계와의 거리의 변화가 큰, 특정 방향 오버레이 측정용 모아레 패턴들은 오버레이 마크의 중심에 가까운 바들까지의 광 경로와 외곽에 배치된 바들까지의 광 경로 사이의 차이가 크기 때문에 광학 수차의 영향을 크게 받는다.

또한, 스캐너(scanner) 방식의 노광 장비를 사용하여 오버레이 마크를 형성할 경우, 스캔 방향을 따라 배치되는 모아레 패턴들은 편차가 작고, 스캔 방향과 직교하는 방향을 따라 배치되는 모아레 패턴들은 편차가 크지만, 종래의 오버레이 마크는 스캔 방향과 상관없이 모아레 패턴들이 배치되므로 스캔 방향과 직교하는 방향을 따라 배치되는 모아레 패턴들의 편차가 오버레이 측정단계에서도 영향을 줄 수 있다는 문제도 있다.

일본공개특허 2020-112807 한국등록특허 10-1604789 한국공개특허 2000-0006182 미국공개특허 US2021-0072650A1

본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 광학 수차의 영향을 최소화할 수 있는 오버레이 마크, 이를 이용한 새로운 오버레이 측정방법 및 반도체 소자의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 스캐너의 스캔 방향에 따른 영향을 최소화할 수 있는 오버레이 마크, 이를 이용한 새로운 오버레이 측정방법 및 반도체 소자의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 두 개 이상의 패턴 층들 사이의 상대적 엇갈림을 결정하는, 이미지 기반 오버레이 측정용 오버레이 마크로서, 제1 내지 제4 오버레이 마크를 포함하며, 상기 제1 오버레이 마크는, 제1 대칭 중심(COS₁)을 구비하며, 상기 제1 대칭 중심(COS₁)을 기준으로 180도 회전 대칭이며, 중심축이 서로 일치하며, 상기 오버레이 마크의 중심부에 배치되는 한 쌍의 제1 모아레 패턴들이 형성되도록 구성되며, 상기 제1 모아레 패턴들은 제1 패턴 층과 함께 형성되며, 제1 방향을 따라서 제1 피치를 가지는 제1 격자 패턴과, 제2 패턴 층과 함께 상기 제1 격자 패턴에 겹치도록 형성되며, 상기 제1 방향을 따라서 상기 제1 피치와 다른 제2 피치를 가지는 제2 격자 패턴에 의해서 형성되며,

상기 제2 오버레이 마크는, 제2 대칭 중심(COS₂)을 구비하며, 상기 제2 대칭 중심(COS₂)을 기준으로 180도 회전 대칭이며, 중심축이 서로 일치하며, 상기 제1 모아레 패턴들을 사이에 두고 마주보도록 배치되는 한 쌍의 제2 모아레 패턴들이 형성되도록 구성되며, 상기 제2 모아레 패턴들은 상기 제1 패턴 층과 함께 형성되며, 제1 방향을 따라서 제3 피치를 가지는 제3 격자 패턴과, 제2 패턴 층과 함께 상기 제3 격자 패턴에 겹치도록 형성되며, 상기 제1 방향을 따라서 상기 제3 피치와 다른 제4 피치를 가지는 제4 격자 패턴에 의해서 형성되며,

상기 제3 오버레이 마크는, 제3 대칭 중심(COS₃)을 구비하며, 상기 제3 대칭 중심(COS₃)을 기준으로 180도 회전 대칭이며, 상기 제1 모아레 패턴들을 사이에 두고 제1 대각선상에 배치되는 한 쌍의 제3 모아레 패턴들이 형성되도록 구성되며, 상기 제3 모아레 패턴들은 제1 패턴 층과 함께 형성되며, 제2 방향을 따라서 제5 피치를 가지는 제5 격자 패턴과, 제2 패턴 층과 함께 상기 제5 격자 패턴에 겹치도록 형성되며, 상기 제2 방향을 따라서 상기 제5 피치와 다른 제6 피치를 가지는 제6 격자 패턴에 의해서 형성되며,

상기 제4 오버레이 마크는, 제4 대칭 중심(COS₄)을 구비하며, 상기 제4 대칭 중심(COS₄)을 기준으로 180도 회전 대칭이며, 상기 제1 모아레 패턴들을 사이에 두고 상기 제1 대각선과 교차하는 제2 대각선상에 배치되는 한 쌍의 제4 모아레 패턴들이 형성되도록 구성되며, 상기 제4 모아레 패턴들은 제1 패턴 층과 함께 형성되며, 제2 방향을 따라서 제7 피치를 가지는 제7 격자 패턴과, 제2 패턴 층과 함께 상기 제7 격자 패턴에 겹치도록 형성되며, 상기 제2 방향을 따라서 상기 제7 피치와 다른 제8 피치를 가지는 제8 격자 패턴에 의해서 형성되며,

상기 제1 대칭 중심(COS₁)과 상기 제2 대칭 중심(COS₂)의 상기 제1 방향으로의 오차는 상기 제1 패턴 층과 상기 제2 패턴 층 사이의 상기 제1 방향으로의 오버레이 오차를 나타내며,

상기 제3 대칭 중심(COS₃)과 상기 제4 대칭 중심(COS₄)의 상기 제2 방향으로의 오차는 상기 제1 패턴 층과 상기 제2 패턴 층 사이의 상기 제2 방향으로의 오버레이 오차를 나타내는 것을 특징으로 하는 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크를 제공한다.

또한, 상기 오버레이 마크는 스캐너 방식의 노광 장치를 이용하여 형성되며, 상기 제2 방향은 상기 노광 장치의 스캔 방향과 나란한 것을 특징으로 하는 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크를 제공한다.

삭제

또한, 상기 제1 내지 제4 모아레 패턴들의 피치는 오버레이 측정 장치의 광학 해상도보다 크며, 상기 제1 내지 제8 격자 패턴들의 피치는 상기 오버레이 측정 장치의 광학 해상도보다 작은 것을 특징으로 하는 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크를 제공한다.

또한, 상기 제1 피치는 상기 제4 피치와 동일하며, 상기 제2 피치는 상기 제3 피치와 동일한 것을 특징으로 하는 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크를 제공한다.

또한, 상기 제5 피치는 상기 제8 피치와 동일하며, 상기 제6 피치는 상기 제7 피치와 동일한 것을 특징으로 하는 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크를 제공한다.

또한, 본 발명은, 복수의 연속하는 패턴 층 사이의 오버레이를 측정하는 방법으로서, 복수의 연속하는 패턴 층에 패턴을 형성함과 동시에 형성된 오버레이 마크에 의해 형성된 모아레 패턴 이미지를 획득하는 단계와, 상기 모아레 패턴 이미지를 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법을 제공한다.

또한, 상기 모아레 패턴 이미지를 획득하는 단계는, 경사진 광학 요소를 구비한 오버레이 측정장치를 이용하여 모아레 패턴 이미지를 획득하는 단계이며, 상기 모아레 패턴 이미지를 획득하는 단계에서 상기 오버레이 측정장치는 상기 경사진 광학 요소와 상기 오버레이 마크 사이의 거리가 상기 제1 방향으로 진행할수록 증가 또는 감소하고, 상기 제2 방향으로 진행할 때에는 일정하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법을 제공한다.

또한, 상기 경사진 광학 요소는 빔 스플리터인 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법을 제공한다.

또한, 상기 모아레 패턴 이미지를 분석하는 단계는, 상기 모아레 패턴 이미지의 일부를 1차원으로 프로젝션하여 주기적인 그래프를 얻는 단계와, 상기 주기적인 그래프를 정현파로 표현하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법을 제공한다.

또한, 상기 정현파로 표현하는 단계는, 상기 주기적인 그래프와 아래의 수학식 9로 표현된 정현파의 차이가 작아지도록 회귀분석을 통해서 수학식 9의 A₀, A₁, A₂, θ₁, θ₂, f₁, f₂ 값을 피팅하는 단계인 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법을 제공한다.

[수학식 9]

이러한 오버레이 측정방법은 피팅하는 단계를 통해 기존 패턴의 고주파 성분을 제거한 모아레 패턴의 저주파 성분을 안정적으로 얻을 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 반도체 소자의 제조방법으로서, 복수의 연속하는 패턴 층을 형성함과 동시에 오버레이 마크를 형성하는 단계와, 상기 오버레이 마크를 이용하여 오버레이 값을 측정하는 단계와, 측정된 오버레이 값을 복수의 연속하는 패턴 층을 형성하기 위한 공정제어에 이용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 오버레이 마크를 형성하는 단계는, 스캐너 방식의 노광 장치를 이용하여 상기 오버레이 마크를 형성하는 단계이며, 상기 제2 방향은 상기 노광 장치의 스캔 방향과 나란한 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 오버레이 마크, 이를 이용한 새로운 오버레이 측정방법 및 반도체 소자의 제조방법은 광학 수차의 영향을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 스캐너의 스캔 방향에 따른 영향을 최소화할 수 있다.

삭제

도 1은 본 발명에 따른 오버레이 마크의 일실시예의 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 제1 오버레이 마크의 일부의 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 제2 오버레이 마크의 일부의 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 제3 오버레이 마크의 일부의 단면도이다.
도 5는 도 1에 도시된 제4 오버레이 마크의 일부의 단면도이다.
도 6은 도 1에 도시된 오버레이 마크에 빛을 조사하였을 때 형성되는 모아레 패턴의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 모아레 패턴 이미지 획득 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 1에 도시된 오버레이 마크로부터 획득된 신호를 나타낸다.
도 9는 도 8에 도시된 신호를 정현파로 변경하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명의 일실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태들로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장된 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.

도 1은 본 발명에 따른 오버레이 마크의 일실시예의 평면도이며, 도 2 내지 5는 도 1에 도시된 제1 내지 제4 오버레이 마크의 일부의 단면도이며, 도 6은 도 1에 도시된 오버레이 마크에 빛을 조사하였을 때 형성되는 모아레 패턴의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다. 도 1은 제1 내지 제4 오버레이 마크(100, 200, 300, 400)가 정렬된 상태를 나타낸다.

도 1과 2에 도시된 바와 같이, 제1 오버레이 마크(100)는 오버레이 마크(10)의 중심부에 배치되는 한 쌍의 제1 격자 패턴(110)과 한 쌍의 제2 격자 패턴(120)을 구비한다. 한 쌍의 제1 격자 패턴(110)은 일정한 간격을 두고 나란하게 형성된다. 한 쌍의 제2 격자 패턴(120)은 제1 격자 패턴(110)에 겹치도록 형성된다. 한 쌍의 제2 격자 패턴(120)은 일정한 간격을 두고 나란하게 형성된다.

제1 격자 패턴(110)은 제1 패턴 층(아래층)과 함께 형성된다. 제1 격자 패턴(110)은 제1 방향(도 1에서는 X축 방향)을 따라서 제1 피치(P₁)를 가진다. 제1 격자 패턴(110)은 복수의 얇은 바들을 포함한다.

제2 격자 패턴(120)은 제2 패턴 층(위층)과 함께 형성된다. 제2 격자 패턴(120)은 제1 방향(도 1에서는 X축 방향)을 따라서 제2 피치(P₂)를 가진다. 여기서 제2 피치(P₂)는 제1 피치(P₁)와 다르다. 제2 격자 패턴(120)은 복수의 얇은 바들을 포함한다.

이러한 제1 격자 패턴(110)과 제2 격자 패턴(120)은 오버레이 마크(10)의 중심부에 한 쌍의 제1 모아레 패턴(M₁)들을 형성한다. 즉, 이러한 제1 격자 패턴(110)과 제2 격자 패턴(120) 위에 빛을 조사하면, 주기적인 패턴을 겹칠 때 발생하는 간섭현상에 의해서, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 모아레 패턴(M₁)이 형성된다.

이때, 제1 모아레 패턴(M₁)의 피치(P_M1)는 아래의 수학식 1과 같이, 제1 격자 패턴(110)의 피치(P₁)와 제2 격자 패턴(120)의 피치(P₂)에 의해서 결정된다. 수학식 1에서 알 수 있듯이, 제1 모아레 패턴(M₁)의 피치(P_M1)는 제1 격자 패턴(110)의 피치(P₁)와 제2 격자 패턴(120)의 피치(P₂)에 비해서 훨씬 큰 값이 된다.

여기서 제1 모아레 패턴(M₁)의 피치(P_M1)는 오버레이 측정 장치의 광학 해상도보다 크며, 제1 격자 패턴(110)의 피치(P₁)와 제2 격자 패턴(120)의 피치(P₂)는 오버레이 측정 장치의 광학 해상도보다 작은 것이 바람직하다. 격자 패턴(110, 120), 특히, 위층인 제2 격자 패턴(120)에서 반사된 빛에 의한 간섭 등의 영향에 의해서 모아레 패턴에 노이즈가 생기는 것을 최소화하기 위함이다.

그리고 제1 격자 패턴(110)에 대한 제2 격자 패턴(120)의 격자 요소의 배열 방향(본 실시예에서는 X축 방향)으로의 상대 이동은 제1 모아레 패턴(M₁)의 이동을 일으킨다. 그리고 제2 격자 패턴(120)의 상대 이동 거리와 제1 모아레 패턴(M₁)의 이동 거리의 비인 제1 모아레 게인(G_M1)은 아래의 수학식 2에 의해서 결정된다.

수학식 2에서 알 수 있듯이, 제2 격자 패턴(120)이 조금만 이동하여도 제1 모아레 패턴(M₁)은 상대적으로 훨씬 긴 거리를 이동하게 된다. 따라서 미세한 오버레이 오차도 모아레 패턴의 이미지를 통해서 측정할 수 있다.

제1 모아레 패턴(M₁)들은 제1 대칭 중심(COS₁)을 구비한다. 제1 모아레 패턴(M₁)들은 제1 대칭 중심(COS₁)을 기준으로 180도 회전 대칭이다. 제1 모아레 패턴(M₁)들의 중심축(C₁)은 서로 일치한다.

도 1과 3에 도시된 바와 같이, 제2 오버레이 마크(200)는 제1 오버레이 마크(100)의 제1 격자 패턴(110)을 사이에 두고 마주보도록 배치되는 한 쌍의 제3 격자 패턴(210)과 제2 격자 패턴(120)을 사이에 두고 마주보도록 배치되는 한 쌍의 제4 격자 패턴(220)을 구비한다. 한 쌍의 제4 격자 패턴(220)은 제3 격자 패턴(210)에 겹치도록 형성된다.

제3 격자 패턴(210)은 제1 패턴 층과 함께 형성된다. 제3 격자 패턴(210)은 제1 방향(도 1에서는 X축 방향)을 따라서 제3 피치(P₃)를 가진다. 제3 격자 패턴(210)은 복수의 얇은 바들을 포함한다.

제4 격자 패턴(220)은 제2 패턴 층과 함께 형성된다. 제4 격자 패턴(220)은 제1 방향(도 1에서는 X축 방향)을 따라서 제4 피치(P₄)를 가진다. 여기서 제4 피치(P₄)는 제3 피치(P₃)와 다르다. 제4 격자 패턴(220)은 복수의 얇은 바들을 포함한다. 여기서 제4 피치(P₄)는 제1 피치(P₁)와 동일하고, 제3 피치(P₃)는 제2 피치(P₂)와 동일할 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 이러한 제3 격자 패턴(210)과 제4 격자 패턴(220)은 제1 모아레 패턴(M₁)을 사이에 두고 마주보도록 배치되는 한 쌍의 제2 모아레 패턴(M₂)들을 형성한다.

제2 모아레 패턴(M₂)의 피치(P_M2)는 아래의 수학식 3과 같이, 제3 격자 패턴(210)의 피치(P₃)와 제4 격자 패턴(220)의 피치(P₄)에 의해서 결정된다.

그리고 제4 격자 패턴(220)의 상대 이동 거리와 제2 모아레 패턴(M₂)의 이동 거리의 비인 제2 모아레 게인(G_M2)은 아래의 수학식 4에 의해서 결정된다.

여기서 제2 모아레 패턴(M₂)의 피치(P_M2)는 오버레이 측정 장치의 광학 해상도보다 크며, 제3 격자 패턴(210)의 피치(P₃)와 제4 격자 패턴(220)의 피치(P₄)는 오버레이 측정 장치의 광학 해상도보다 작은 것이 바람직하다. 격자 패턴에서 반사된 빛에 의한 간섭 등의 영향에 의해서 모아레 패턴에 노이즈가 생기는 것을 최소화하기 위함이다.

수학식 4에서 알 수 있듯이, 제4 격자 패턴(220)이 조금만 이동하여도 제2 모아레 패턴(M₂)은 상대적으로 훨씬 긴 거리를 이동하게 된다.

제2 모아레 패턴(M₂)들은 제2 대칭 중심(COS₂)을 구비한다. 제2 모아레 패턴(M₂)들은 제2 대칭 중심(COS₂)을 기준으로 180도 회전 대칭이다. 제2 모아레 패턴(M₂)들의 중심축(C₂)은 서로 일치한다. 정렬시에는 제1 모아레 패턴(M₁)들의 중심축(C₁)과 제2 모아레 패턴(M₂)들의 중심축(C₂)이 일치한다.

도 6에서는 오버레이 마크(10)는 정렬된 상태이므로, 제1 모아레 패턴(M₁)의 대칭 중심(COS₁)과 제2 모아레 패턴(M₂)의 대칭 중심(COS₂)이 서로 일치한다.

오버레이 마크(10)가 정렬되지 않았을 때에는 제1 모아레 패턴(M₁)의 대칭 중심(COS₁)과 제2 모아레 패턴(M₂)의 대칭 중심(COS₂)이 서로 일치하지 않는다.

제1 모아레 패턴(M₁)의 대칭 중심(COS₁)과 제2 모아레 패턴(M₂)의 대칭 중심(COS₂)의 제1 방향(X축 방향)으로의 차이를 이용하면 제1 방향으로의 오버레이 오차를 측정할 수 있다.

도 1과 4에 도시된 바와 같이, 제3 오버레이 마크(300)는 제1 오버레이 마크(100)의 제1 격자 패턴(110)을 사이에 두고 제1 대각선(D₁)상에 배치되는 한 쌍의 제5 격자 패턴(310)과 제2 격자 패턴(120)을 사이에 두고 제1 대각선(D₁)상에 배치되는 한 쌍의 제6 격자 패턴(320)을 구비한다. 한 쌍의 제6 격자 패턴(320)은 제5 격자 패턴(310)에 겹치도록 형성된다.

제5 격자 패턴(310)은 제1 패턴 층과 함께 형성된다. 제5 격자 패턴(310)은 제2 방향(도 1에서는 Y축 방향)을 따라서 제5 피치(P₅)를 가진다. 제5 격자 패턴(310)은 복수의 얇은 바들을 포함한다.

제6 격자 패턴(320)은 제2 패턴 층과 함께 형성된다. 제6 격자 패턴(320)은 제2 방향(도 1에서는 Y축 방향)을 따라서 제6 피치(P₆)를 가진다. 여기서 제6 피치(P₆)는 제5 피치(P₅)와 다르다. 제6 격자 패턴(320)은 복수의 얇은 바들을 포함한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 이러한 제5 격자 패턴(310)과 제6 격자 패턴(320)은 제1 모아레 패턴(M₁)을 사이에 두고 제1 대각선(D₁)상에 배치되는 한 쌍의 제3 모아레 패턴(M₃)들을 형성한다. 즉, 이러한 제5 격자 패턴(310)과 제6 격자 패턴(320) 위에 빛을 조사하면, 주기적인 패턴을 겹칠 때 발생하는 간섭현상에 의해서, 도 6에 도시된 바와 같이, 제3 모아레 패턴(M₃)이 형성된다.

이때, 제3 모아레 패턴(M₃)의 피치(P_M3)는 아래의 수학식 5와 같이, 제5 격자 패턴(310)의 피치(P₅)와 제6 격자 패턴(320)의 피치(P₆)에 의해서 결정된다. 수학식 5에서 알 수 있듯이, 제3 모아레 패턴(M₃)의 피치(P_M3)는 제5 격자 패턴(310)의 피치(P₅)와 제6 격자 패턴(320)의 피치(P₆)에 비해서 훨씬 큰 값이 된다.

여기서 제3 모아레 패턴(M₃)의 피치(P_M3)는 오버레이 측정 장치의 광학 해상도보다 크며, 제5 격자 패턴(310)의 피치(P₅)와 제6 격자 패턴(320)의 피치(P₆)는 오버레이 측정 장치의 광학 해상도보다 작은 것이 바람직하다. 격자 패턴에서 반사된 빛에 의한 간섭 등의 영향에 의해서 모아레 패턴에 노이즈가 생기는 것을 최소화하기 위함이다.

그리고 제5 격자 패턴(310)에 대한 제6 격자 패턴(320)의 격자 요소의 배열 방향으로의 상대 이동은 제3 모아레 패턴(M₃)의 이동을 일으킨다. 그리고 제6 격자 패턴(320)의 상대 이동 거리와 제3 모아레 패턴(M₃)의 이동 거리의 비인 제3 모아레 게인(G_M3)은 아래의 수학식 6에 의해서 결정된다.

수학식 6에서 알 수 있듯이, 제6 격자 패턴(320)이 조금만 이동하여도 제3 모아레 패턴(M₃)은 상대적으로 훨씬 긴 거리를 이동하게 된다. 따라서 미세한 오버레이 오차도 모아레 패턴의 이미지를 통해서 측정할 수 있다.

제3 모아레 패턴(M₃)들은 제3 대칭 중심(COS₃)을 구비한다. 제3 모아레 패턴(M₃)들은 제3 대칭 중심(COS₃)을 기준으로 180도 회전 대칭이다.

도 1과 5에 도시된 바와 같이, 제4 오버레이 마크(400)는 제1 오버레이 마크(100)의 제1 격자 패턴(110)을 사이에 두고 상기 제1 대각선(D₁)과 교차하는 제2 대각선(D₂)상에 배치되는 한 쌍의 제7 격자 패턴(410)과 제2 격자 패턴(120)을 사이에 두고 제2 대각선(D₂)상에 배치되는 한 쌍의 제8 격자 패턴(420)을 구비한다. 한 쌍의 제8 격자 패턴(420)은 제7 격자 패턴(410)에 겹치도록 형성된다.

제7 격자 패턴(410)은 제1 패턴 층과 함께 형성된다. 제7 격자 패턴(410)은 제2 방향(도 1에서는 Y축 방향)을 따라서 제7 피치(P₇)를 가진다. 제7 격자 패턴(410)은 복수의 얇은 바들을 포함한다.

제8 격자 패턴(420)은 제2 패턴 층과 함께 형성된다. 제8 격자 패턴(420)은 제2 방향(도 1에서는 Y축 방향)을 따라서 제8 피치(P₈)를 가진다. 여기서 제8 피치(P₈)는 제7 피치(P₇)와 다르다. 제8 격자 패턴(420)은 복수의 얇은 바들을 포함한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 이러한 제7 격자 패턴(410)과 제8 격자 패턴(420)은 제1 모아레 패턴(M₁)을 사이에 두고 제2 대각선(D₂)상에 배치되는 한 쌍의 제4 모아레 패턴(M₄)들을 형성한다. 즉, 이러한 제7 격자 패턴(410)과 제8 격자 패턴(420) 위에 빛을 조사하면, 주기적인 패턴을 겹칠 때 발생하는 간섭현상에 의해서, 도 6에 도시된 바와 같이, 제4 모아레 패턴(M₄)이 형성된다.

이때, 제4 모아레 패턴(M₄)의 피치(P_M4)는 아래의 수학식 7과 같이, 제7 격자 패턴(410)의 피치(P₇)와 제8 격자 패턴(420)의 피치(P₈)에 의해서 결정된다. 수학식 7에서 알 수 있듯이, 제4 모아레 패턴(M₄)의 피치(P_M4)는 제7 격자 패턴(410)의 피치(P₇)와 제8 격자 패턴(420)의 피치(P₈)에 비해서 훨씬 큰 값이 된다.

여기서 제4 모아레 패턴(M₄)의 피치(P_M4)는 오버레이 측정 장치의 광학 해상도보다 크며, 제7 격자 패턴(410)의 피치(P₇)와 제8 격자 패턴(420)의 피치(P₈)는 오버레이 측정 장치의 광학 해상도보다 작은 것이 바람직하다. 격자 패턴에서 반사된 빛에 의한 간섭 등의 영향에 의해서 모아레 패턴에 노이즈가 생기는 것을 최소화하기 위함이다.

그리고 제7 격자 패턴(410)에 대한 제8 격자 패턴(420)의 격자 요소의 배열 방향으로의 상대 이동은 제4 모아레 패턴(M₄)의 이동을 일으킨다. 그리고 제8 격자 패턴(420)의 상대 이동 거리와 제4 모아레 패턴(M₄)의 이동 거리의 비인 제4 모아레 게인(G_M4)은 아래의 수학식 8에 의해서 결정된다.

수학식 8에서 알 수 있듯이, 제8 격자 패턴(420)이 조금만 이동하여도 제4 모아레 패턴(M₄)은 상대적으로 훨씬 긴 거리를 이동하게 된다. 따라서 미세한 오버레이 오차도 모아레 패턴의 이미지를 통해서 측정할 수 있다.

제4 모아레 패턴(M₄)들은 제4 대칭 중심(COS₄)을 구비한다. 제4 모아레 패턴(M₄)들은 제4 대칭 중심(COS₄)을 기준으로 180도 회전 대칭이다.

도 6에서는 오버레이 마크(10)가 정렬된 상태이므로, 제3 모아레 패턴(M₃)의 대칭 중심(COS₃)과 제4 모아레 패턴(M₄)의 대칭 중심(COS₄)이 서로 일치한다.

오버레이 마크(10)가 정렬되지 않았을 때에는 제3 모아레 패턴(M₃)의 대칭 중심(COS₃)과 제4 모아레 패턴(M₄)의 대칭 중심(COS₄)이 서로 일치하지 않는다.

제3 모아레 패턴(M₃)의 대칭 중심(COS₃)과 제4 모아레 패턴(M₄)의 대칭 중심(COS₄)의 제2 방향(Y축 방향)으로의 차이를 이용하면 제2 방향으로의 오버레이 오차를 측정할 수 있다.

이하, 상술한 오버레이 마크(10)를 이용한 오버레이 측정방법을 설명한다.

오버레이 측정방법은 오버레이 마크(10)에 의해 형성된 모아레 패턴 이미지를 획득하는 단계와, 모아레 패턴 이미지를 분석하는 단계를 포함한다. 오버레이 마크(10)는 두 개의 연속하는 패턴 층을 형성함과 동시에 형성된다.

모아레 패턴 이미지를 획득하는 단계는 오버레이 측정장치를 이용하여 제1 내지 제4 모아레 패턴(M₁, M₂, M₃, M₄)의 이미지를 한 번에 획득하는 단계이다. 예를 들어, 도 6과 같은 이미지를 획득하는 단계이다.

본 단계는 경사진 광학 요소와, 렌즈(L), 오버레이 마크(10)가 형성된 디바이스(D)를 지지하는 스테이지(S) 등을 구비한 오버레이 측정장치를 이용하여 오버레이 마크 이미지를 획득하는 단계일 수 있다. 경사진 광학 요소는 예를 들어, 빔 스플리터(BS)일 수 있다.

도 7은 오버레이 마크 이미지 획득 단계를 설명하기 위해, 오버레이 측정장치의 일 예의 일부를 나타낸 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 단계에서 오버레이 측정장치는 경사진 광학 요소인 빔 스플리터(BS)와 오버레이 마크(10)가 형성된 디바이스(D) 사이의 거리가 제1 오버레이 마크(100)와 제2 오버레이 마크(200)에 의한 제1 모아레 패턴(M₁)과 제2 모아레 패턴(M₂)이 배치되는 방향인 X축 방향으로 진행할수록 증가 또는 감소하고, Y축 방향으로 진행할 때에는 일정하도록 배치되는 것이 바람직하다. 즉, 빔 스플리터(BS)는 X축에 대해서 경사지게 배치된다.

이렇게 오버레이 측정장치를 배치한 상태에서 오버레이 마크 이미지를 획득하면, 광학 수차의 영향을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 제1 오버레이 마크(100)와 제2 오버레이 마크(200)는 X축 방향을 기준으로 오버레이 마크(10)의 중심부에만 형성되기 때문이다.

오버레이 마크(10)의 전체 면적이 동일하다면, 제1 오버레이 마크(100)와 제2 오버레이 마크(200)의 X축 방향 폭이 상대적으로 좁다.

따라서 X축 방향 양단과 경사진 광학 요소인 빔 스플리터(BS) 사이의 Z축 방향 거리의 차이가 종래의 오버레이 마크에 비해서는 작아진다. 따라서, 경사 광학 요소와의 거리 차이에 따른 광학 수차의 영향이 최소화된다.

제3 오버레이 마크(300)와 제4 오버레이 마크(400)는 Y축 방향을 기준으로 오버레이 마크(10) 전체 영역에 형성되지만, 경사진 광학 요소인 빔 스플리터(BS)는 Y축에 대해서는 경사지게 배치되지 않아 Y축 방향으로의 왜곡이 적으므로, 제3 오버레이 마크(300)와 제4 오버레이 마크(400)에 의한 제3 모아레 패턴(M₃)과 제4 모아레 패턴(M₄)은 경사진 광학 요소에 의한 광학 수차의 영향을 거의 받지 않는다.

본 발명에서는 한쪽 방향(도 1에서는 X 축 방향)으로 배치되는 제1 모아레 패턴(M₁)과 제2 모아레 패턴(M₂)을 중심부에 몰아서 배치하고, 모아레 패턴의 이미지를 획득할 때에 이를 고려하여 경사진 광학 요소인 빔 스플리터(BS)가 그 방향의 축(도 7에서는 X 축)과 각을 이루도록 오버레이 측정장치를 배치하여, 광학 수차의 영향을 최소화한다.

모아레 패턴 이미지를 분석하는 단계는 획득된 모아레 패턴 이미지에서 제1 모아레 패턴(M₁)의 X축 방향 중심과 제2 모아레 패턴(M₂)의 X축 방향 중심의 오프셋을 측정하는 단계와, 제3 모아레 패턴(M₃)의 Y축 방향 중심과 제4 모아레 패턴(M₄)의 Y축 방향 중심의 오프셋을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.

제1 모아레 패턴(M₁)의 X축 방향 중심과 제2 모아레 패턴(M₂)의 X축 방향 중심의 오프셋을 측정하는 단계는 다음과 같은 단계들을 포함할 수 있다.

먼저, 제1 모아레 패턴(M₁)의 대칭 중심(COS₁)의 X 값과 획득된 모아레 패턴 이미지의 중심(COI)의 X 값 사이의 차이를 구한다(S11). 도 6에서는 COI는 이미지 영역 자체의 중심으로서, 모아레 패턴의 대칭 중심과는 무관한다. 도 6에서는 편의상 COI가 제1 모아레 패턴(M₁)의 대칭 중심(COS₁)과 일치하는 것으로 도시하였다.

도 6에 도시된 바와 같이, 획득된 모아레 패턴 이미지에서 위쪽 하나의 제1 모아레 패턴(M₁)의 일부 영역(R₁)을 선택한다. 그리고 획득된 모아레 패턴 이미지의 중심을 기준으로 180도 대칭이 되는 영역(R₂)도 선택한다. 이 영역(R₂)은 아래쪽 다른 하나의 제1 모아레 패턴(M₁)에 위치한다.

그리고 선택된 두 개의 영역(R₁, R₂)의 2차원 이미지들을 각각 1차원으로 프로젝션한다. 즉, 2차원 이미지에서 동일한 X 값을 가지는 픽셀들의 그레이 값들을 모두 더하거나, 그레이 값들의 평균을 구하거나, 그레이 값들을 정규화한다.

그러면 도 8에 도시된 바와 같이, X 값에 따른 그레이 값의 변화를 나타내는 주기적인 그래프(G)를 그릴 수 있다. 제1 모아레 패턴(M₁)의 그레이 값은 X 값에 따라 차이가 있으므로, 도 8에 도시된 그래프(G)를 얻을 수 있다.

도 8에서 알 수 있듯이, 획득된 주기적인 그래프(G)는 노이즈가 많이 포함되어 있다. 이러한 노이즈는 실제 격자 패턴에 의한 보강 간섭으로 발생하는 노이즈일 수 있다. 따라서 도 8의 주기적인 그래프(G)의 고주파 성분을 제거하여, 도 9에 도시된 바와 같이 정현파(S)로 표현한다.

정현파(S)로 표현하는 단계는, 주기적인 그래프(G)와 아래의 수학식 9로 표현된 정현파(S)의 차이가 최소화되도록 회귀분석을 통해서 아래의 수학식 9의 A₀, A₁, A₂, θ₁, θ₂, f₁, f₂ 값을 피팅하는 단계일 수 있다. 예를 들어, MSE(Mean Squared Error), RMSE(Root Mean Squared Error), MAE(Mean Absolute Error), MAPE(Mean Absolute Percentage Error), MPE(Mean Percentage Error) 등 다양한 오차함수를 사용하여 피팅할 수 있다.

다음, R₁과 R₂ 각각에서 획득된 정현파로 표현된 두 개의 그래프(S)를 이용하여 제1 모아레 패턴(M₁)의 중심의 X 값과 획득된 오버레이 마크 이미지의 중심의 X 값 사이의 차이를 구한다.

만약, 제1 모아레 패턴(M₁)의 대칭 중심(COS₁)의 X 값과 획득된 오버레이 마크 이미지의 중심(COI)의 X 값이 동일하다면, 두 개의 그래프(S)는 동일한 형태이어야 한다. 만약, 제1 모아레 패턴(M₁)의 제1 대칭 중심(COS₁)의 X 값과 획득된 오버레이 마크 이미지의 중심(COI)의 X 값이 동일하지 않다면, 하나의 그래프는 다른 그래프에 대해서 X 축 방향으로 오프셋된 형태가 될 것이다. 이때의 오프셋 값은 제1 모아레 패턴(M₁)의 중심의 X 값과 획득된 오버레이 마크 이미지의 중심(COI)의 X 값 사이의 차이를 나타낸다.

다음, 같은 방법으로 제2 모아레 패턴(M₂)의 제2 대칭 중심(COS₂)의 X 값과 획득된 오버레이 마크 이미지의 중심(COI)의 X 값 사이의 차이를 구한다(S12).

다음, 앞에서 구한 제1 모아레 패턴(M₁)의 제1 대칭 중심(COS₁)의 X 값과 획득된 오버레이 마크 이미지의 중심(COI)의 X 값 사이의 차이 및 제2 모아레 패턴(M₂)의 제2 대칭 중심(COS₂)의 X 값과 획득된 오버레이 마크 이미지의 중심(COI)의 X 값 사이의 차이를 이용해서, X 축 방향의 오버레이 값을 구한다(S13).

이 차이 값은 모아레 게인 값에 의해서 확대된 값이므로, 모아레 게인 값으로 나누면 실제 X 축 방향의 오버레이 값을 구할 수 있다.

다음, 같은 방법으로, 제3 모아레 패턴(M₃)의 제3 대칭 중심(COS₃)의 Y 값과 획득된 오버레이 마크 이미지의 중심(COI)의 Y 값 사이의 차이를 구한다(S14). 그리고 제4 모아레 패턴(M₄)의 제4 대칭 중심(COS₄)의 Y 값과 획득된 오버레이 마크 이미지의 중심(COI)의 Y 값 사이의 차이를 구한다(S15).

다음, 앞에서 구한 제3 대칭 중심(COS₃)의 Y 값과 획득된 오버레이 마크 이미지의 중심(COI)의 Y 값 사이의 차이 및 제4 모아레 패턴(M₄)의 제4 대칭 중심(COS₄)의 Y 값과 획득된 오버레이 마크 이미지의 중심(COI)의 Y 값 사이의 차이를 이용해서, Y 축 방향의 오버레이 값을 구한다(S16). 이 차이 값은 모아레 게인 값에 의해서 확대된 값이므로, 모아레 게인 값으로 나누면 실제 Y 축 방향의 오버레이 값을 구할 수 있다.

이하에서는 도 1에 도시된, 오버레이 마크(10)를 이용한 반도체 소자의 제조방법을 설명한다. 오버레이 마크(10)를 이용한 반도체 소자의 제조방법은 오버레이 마크(10)를 형성하는 단계로 시작된다. 두 개의 연속하는 패턴 층을 형성함과 동시에 오버레이 마크(10)를 형성한다.

오버레이 마크(10)를 형성하는 단계는, 스캐너 방식의 노광 장치를 이용하여 오버레이 마크(10)를 형성하는 단계일 수 있다. 그리고 이때, 노광 장치의 스캔 방향은 중심부에 배치되는 제1 오버레이 마크(100)와 제2 오버레이 마크(200)의 격자 패턴(110, 120, 210, 220)을 구성하는 얇은 바들의 길이 방향(도 3에서는 Y축 방향)과 나란한 것이 바람직하다. 노광 장치의 스캔 방향으로는 등속 제어할 수 있기 때문에 얇은 바들의 Y축 방향으로의 왜곡은 크지 않지만, X축 방향으로 왜곡이 생길 수 있으므로, 스캔 방향과 수직인 X축 방향을 따라서 배치되는 얇은 바들은 중심부에 배치하여 왜곡을 최소화하는 것이 바람직하기 때문이다.

다음으로, 오버레이 마크(10)를 이용하여 오버레이 값을 측정한다. 오버레이 값을 측정하는 단계는 상술한 오버레이 측정방법과 같다.

마지막으로, 측정된 오버레이 값을 두 개의 연속하는 패턴 층 또는 하나의 패턴 층에 따로 형성된 두 개의 패턴을 형성하기 위한 공정제어에 이용한다. 즉, 도출된 오버레이를 공정제어에 활용하여 연속하는 패턴 층 또는 두 개의 패턴이 정해진 위치에 형성되도록 한다.

이상에서 설명된 실시예들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

M₁: 제1 모아레 패턴
M₂: 제2 모아레 패턴
M₃: 제3 모아레 패턴
M₄: 제4 모아레 패턴
COS₁: 제1 대칭 중심
COS₂: 제2 대칭 중심
COS₃: 제3 대칭 중심
COS₄: 제4 대칭 중심
10: 오버레이 마크
100: 제1 오버레이 마크
110: 제1 격자 패턴
120: 제2 격자 패턴
200: 제2 오버레이 마크
210: 제3 격자 패턴
220: 제4 격자 패턴
300: 제3 오버레이 마크
310: 제5 격자 패턴
320: 제6 격자 패턴
400: 제4 오버레이 마크
410: 제7 격자 패턴
420: 제8 격자 패턴

Claims

두 개 이상의 패턴 층들 사이의 상대적 엇갈림을 결정하는, 이미지 기반 오버레이 측정용 오버레이 마크로서,
제1 내지 제4 오버레이 마크를 포함하며,
상기 제1 오버레이 마크는,
제1 대칭 중심(COS₁)을 구비하며, 상기 제1 대칭 중심(COS₁)을 기준으로 180도 회전 대칭이며, 중심축이 서로 일치하며, 상기 오버레이 마크의 중심부에 배치되는 한 쌍의 제1 모아레 패턴들이 형성되도록 구성되며,
상기 제1 모아레 패턴들은, 제1 패턴 층과 함께 형성되며 제1 방향을 따라서 제1 피치를 가지는 제1 격자 패턴과, 제2 패턴 층과 함께 상기 제1 격자 패턴에 겹치도록 형성되며 상기 제1 방향을 따라서 상기 제1 피치와 다른 제2 피치를 가지는 제2 격자 패턴에 의해서 형성되며,
상기 제2 오버레이 마크는,
제2 대칭 중심(COS₂)을 구비하며, 상기 제2 대칭 중심(COS₂)을 기준으로 180도 회전 대칭이며, 중심축이 서로 일치하며, 상기 제1 모아레 패턴들을 사이에 두고 마주보도록 배치되는 한 쌍의 제2 모아레 패턴들이 형성되도록 구성되며,
상기 제2 모아레 패턴들은, 상기 제1 패턴 층과 함께 형성되며 상기 제1 방향을 따라서 제3 피치를 가지는 제3 격자 패턴과, 제2 패턴 층과 함께 상기 제3 격자 패턴에 겹치도록 형성되며 상기 제1 방향을 따라서 상기 제3 피치와 다른 제4 피치를 가지는 제4 격자 패턴에 의해서 형성되며,
상기 제3 오버레이 마크는,
제3 대칭 중심(COS₃)을 구비하며, 상기 제3 대칭 중심(COS₃)을 기준으로 180도 회전 대칭이며, 상기 제1 모아레 패턴들을 사이에 두고 제1 대각선상에 배치되는 한 쌍의 제3 모아레 패턴들이 형성되도록 구성되며,
상기 제3 모아레 패턴들은, 제1 패턴 층과 함께 형성되며 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라서 제5 피치를 가지는 제5 격자 패턴과, 제2 패턴 층과 함께 상기 제5 격자 패턴에 겹치도록 형성되며 상기 제2 방향을 따라서 상기 제5 피치와 다른 제6 피치를 가지는 제6 격자 패턴에 의해서 형성되며,
상기 제4 오버레이 마크는,
제4 대칭 중심(COS₄)을 구비하며, 상기 제4 대칭 중심(COS₄)을 기준으로 180도 회전 대칭이며, 상기 제1 모아레 패턴들을 사이에 두고 상기 제1 대각선과 교차하는 제2 대각선상에 배치되는 한 쌍의 제4 모아레 패턴들이 형성되도록 구성되며,
상기 제4 모아레 패턴들은, 제1 패턴 층과 함께 형성되며 상기 제2 방향을 따라서 제7 피치를 가지는 제7 격자 패턴과, 제2 패턴 층과 함께 상기 제7 격자 패턴에 겹치도록 형성되며 상기 제2 방향을 따라서 상기 제7 피치와 다른 제8 피치를 가지는 제8 격자 패턴에 의해서 형성되며,
상기 제1 대칭 중심(COS₁)과 상기 제2 대칭 중심(COS₂)의 상기 제1 방향으로의 오차는 상기 제1 패턴 층과 상기 제2 패턴 층 사이의 상기 제1 방향으로의 오버레이 오차를 나타내며,
상기 제3 대칭 중심(COS₃)과 상기 제4 대칭 중심(COS₄)의 상기 제2 방향으로의 오차는 상기 제1 패턴 층과 상기 제2 패턴 층 사이의 상기 제2 방향으로의 오버레이 오차를 나타내는 것을 특징으로 하는 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크.
제1항에 있어서,
상기 오버레이 마크는 스캐너 방식의 노광 장치를 이용하여 형성되며,
상기 제2 방향은 상기 노광 장치의 스캔 방향과 나란한 것을 특징으로 하는 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크.
제1항에 있어서,
상기 제1 내지 제4 모아레 패턴들의 피치는 오버레이 측정 장치의 광학 해상도보다 크며,
상기 제1 내지 제8 격자 패턴들의 피치는 상기 오버레이 측정 장치의 광학 해상도보다 작은 것을 특징으로 하는 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크.
제1항에 있어서,
상기 제1 피치는 상기 제4 피치와 동일하며,
상기 제2 피치는 상기 제3 피치와 동일한 것을 특징으로 하는 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크.
제1항에 있어서,
상기 제5 피치는 상기 제8 피치와 동일하며,
상기 제6 피치는 상기 제7 피치와 동일한 것을 특징으로 하는 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크.
복수의 연속하는 패턴 층 사이의 오버레이를 측정하는 방법으로서,
복수의 연속하는 패턴 층에 패턴을 형성함과 동시에 형성된 오버레이 마크에 의해 형성된 모아레 패턴 이미지를 획득하는 단계와,
상기 모아레 패턴 이미지를 분석하는 단계를 포함하며,
상기 오버레이 마크는 청구항 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 기재된 오버레이 마크인 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법.
제6항에 있어서,
상기 모아레 패턴 이미지를 획득하는 단계는,
경사진 광학 요소를 구비한 오버레이 측정장치를 이용하여 모아레 패턴 이미지를 획득하는 단계이며,
상기 모아레 패턴 이미지를 획득하는 단계에서 상기 오버레이 측정장치는 상기 경사진 광학 요소와 상기 오버레이 마크 사이의 거리가 상기 제1 방향으로 진행할수록 증가 또는 감소하고, 상기 제2 방향으로 진행할 때에는 일정하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법.
제7항에 있어서,
상기 경사진 광학 요소는 빔 스플리터인 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법.
제6항에 있어서,
상기 모아레 패턴 이미지를 분석하는 단계는,
상기 모아레 패턴 이미지의 일부를 1차원으로 프로젝션하여 주기적인 그래프를 얻는 단계와,
상기 주기적인 그래프를 정현파로 표현하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법.
제9항에 있어서,
상기 정현파로 표현하는 단계는,
상기 주기적인 그래프와 아래의 수학식 9로 표현된 정현파의 차이가 작아지도록 회귀분석을 통해서 수학식 9의 A₀, A₁, A₂, θ₁, θ₂, f₁, f₂ 값을 피팅하는 단계인 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법.
[수학식 9]
반도체 소자의 제조방법으로서,
복수의 연속하는 패턴 층을 형성함과 동시에 오버레이 마크를 형성하는 단계와,
상기 오버레이 마크를 이용하여 오버레이 값을 측정하는 단계와,
측정된 오버레이 값을 복수의 연속하는 패턴 층을 형성하기 위한 공정제어에 이용하는 단계를 포함하며,
상기 오버레이 마크는 청구항 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 기재된 오버레이 마크인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
제11항에 있어서,
상기 오버레이 마크를 형성하는 단계는,
스캐너 방식의 노광 장치를 이용하여 상기 오버레이 마크를 형성하는 단계이며,
상기 제2 방향은 상기 노광 장치의 스캔 방향과 나란한 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.