KR100225230B1 - 리소그래피 공정에 의해 형성된 기판내의 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟 - Google Patents

리소그래피 공정에 의해 형성된 기판내의 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟

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KR100225230B1
KR100225230B1 KR1019960044018A KR19960044018A KR100225230B1 KR 100225230 B1 KR100225230 B1 KR 100225230B1 KR 1019960044018 A KR1019960044018 A KR 1019960044018A KR 19960044018 A KR19960044018 A KR 19960044018A KR 100225230 B1 KR100225230 B1 KR 100225230B1
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크리스토퍼 피 오쉬니트
윌리암 에이 무스
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포만 제프리 엘
인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
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Abstract

본 발명은 기판상의 한 쌍의 직선 버니어 어레이(vernier array)들의 평행 요소들, 스태거드(staggered) 버니어 어레이들의 평행한 요소들, 및 택일적으로 적어도 하나의 이미지 축소 어레이를 사용하는, 리소그래피 공정에 의해 형성된 기판의 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하는 타겟에 관한 것이다.
요소들의 단부들은 어레이 에지들을 형성한다. 직선 어레이들과 스태거드 어레이들의 요소들이 평행하고, 스태거드 어레이의 에지들의 일측이 일측 직선 어레이들의 에지들의 일측과 교차하고, 스태거드 어레이들의 에지들의 타측이 타측 직선 어레이들의 에지들의 일측과 교차할 정도로 버니어 어레이들이 겹쳐진다. 바이어스 또는 오버레이 에러는 (1) 제 2 버니어 어레이의 에지들과 제 1 버니어 어레이의 에지들과의 교차점을 지정하고 교차점의 이격 정도를 측정하고, (2) 이미지 축소 어레이의 인접 에지들 사이의 이격 및 해당하는 요소 폭과 요소 간격을 갖는 제 1 또는 제 2 버니어 어레이들의 이격을 측정함으로써 결정된다. 바람직하게는 어레이들의 일측상의 고정점에 관련한 교차점의 위치가 측정된다. 바이어스는 어레이들의 일측상의 고정점에 관련한 교차점들의 위치 차이에 비례한다. 오버레이 에러는 어레이들의 일측상의 고정점에 관련한 교차점들의 위치 합에 비례한다. 모아레 프린지 패턴(Moire fringe pattern)은 직선과 스태거드 어레이들의 오버랩 정도에 의해 생성될 수 있고, 바이어스 또는 오버레이 에러 또한 모아레 프린지 패턴에 형성된 프린지를 측정함으로써 결정될 수 있다.
제 1, 제 2 버니어 어레이들은 기판상의 동일 레벨에 이미 인터록킹된 노광을 함으로써 생성될 수 있거나 또는 기판상의 상이한 레벨에도 생성될 수 있다. 바람직하게는, 요소들 각각의 폭이 리소그래피 공정의 최소 임계 치수에 해당하고, 요소들 각각의 폭이 각 요소의 길이보다 작고, 어레이들의 요소들의 폭과 간격이 동일하다.

Description

리소그래피 공정에 의해 형성된 기판내의 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟(TARGET FOR DETERMINING BIAS OR OVERLAY ERROR IN A SUBSTRATE FORMED BY A LITHOGRAPHIC PROCESS)
본 발명은 리소그래피(lithography) 공정을 필요로 하는 제조공정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로일렉트로닉스 제조공정에 사용되는 리소그래피 공정과 식각공정의 바이어스(bias)와 오버레이 에러를 모니터링하는, 0.5μm보다 작은 치수의 패턴 형상을 모니터링하기에 유용한 에지 오버레이 측정 타겟에 관한 것이다.
일반적으로, 리소그래피 공정은 반도체, 평판표시장치, 마이크로머신(micro- machine) 및 디스크 헤드의 제조를 포함하는 산업 분야 전반에 응용되고 있다. 리소그래피 공정은 마스크 또는 레티클 패턴을 공간 변조 광(spatially modulated light)(가상 이미지)을 거쳐 기판상의 포토레지스트막에 전달할 수 있게 한다. 에너지가 포토레지스트물질의 광활성 성분(PAC)의 화학적 결합의 임계에너지를 초과하는, 흡수된 가상 이미지 부분들은 포토레지스트에 잠상(latent image)을 형성한다. 일부 포토레지스트 시스템에서는 광활성 성분이 잠상을 직접 형성한다. 다른 포토레지스트 시스템(예, 산 촉매 포토레지스트막)에서는 광화학 상호작용이 잠상을 형성하는 노광후 베이크(post-exposure bake)동안 다른 포토레지스트 성분들과 반응하는 산(acid)들을 먼저 생성한다. 어떤 경우에도, 잠상은 포토레지스트막에 3차원 패턴을 생성하도록 현상 공정동안 제거되거나(포지티브 포토레지스트의 경우), 현상 공정후 남는(네거티브 포토레지스트의 경우) 포토레지스트 물질의 양을 표시한다.
포토레지스트 이미지의 주요 결정인자는 노광 에너지가 포토레지스트막의 임계에너지와 동일하게 되는 표면이다. "노광"과 "초점"은 상기 표면의 모양을 제어하는 변수이다. 조사시간과 세기가 정해진 노광은 단위 면적당 가상 이미지의 평균 에너지를 결정한다. 기판 반사도와 형태(topography)의 변화는 노광의 국부적 변화를 야기시킬 수 있다. 이미징 시스템의 초점면과 관련하여 포토레지스트막의 위치에 의해 정해지는 초점은 인포커스(in-focus) 이미지에 관련한 변조의 감소를 결정한다. 기판 필름의 두께와 형태의 변화는 초점의 국부 변화를 야기시킬 수 있다.
일반적으로, 노광과 초점의 변화 때문에 리소그래피 공정에서 현상된 패턴들은 그 치수가 수용가능한 범위내에 있는지 여부를 판단하기 위해 계속하여 모니터링되고 측정되어야 한다. 분해가능한 최소 형상 크기로 통상 정의되는, 리소그래피 공정의 분해 한계가 가까워짐에 따라 상기 모니터링의 중요성은 상당히 증가하게 된다. 반도체 기술에서 현상되는 패턴들은 일반적으로 직선과 사선의 형태이고, 폭 치수와 동일하거나 폭 치수의 몇 배가 되는 길이 치수를 갖고 있다. 폭 치수는 정의상으로는 보다 작은 치수로, 현재 선도하는 반도체 기술에서는 1μm 보다 약 0.1μm 이상이다. 폭 치수는 패턴들의 최소 치수이므로 리소그래피 공정의 분해 한계에 도전하는 것은 폭 치수이다. 이점에 있어서, 폭이 개발할 최소이고 가장 도전하는 치수이기 때문에 리소그래피 공정의 성능을 평가하기 위해 통상적으로 모니터링하는 것이 폭 치수이다. "바이어스(bias)" 라는 용어는 형상의 공칭값으로부터 치수의 변화를 기술하는데 사용된다. 통상 관심있는 바이어스는 소정 형상의 최소 치수들에서의 변화이다. 더욱이, "바이어스"라는 단어는 레지스트 이미징, 에칭, 현상 등과 같은 공정과 연관하여 변함없이 사용되고, 이미지 바이어스, 식각 바이어스, 프린트 바이어스 등과 같은 용어로 기술된다.
패턴 형상의 모니터링과 그 치수의 측정(계측술)은 일반적으로 전자주사현미경(SEM) 또는 광학 장치를 이용하여 이루어진다. SEM 계측술은 매우 높은 분해 능력을 가지며 0.1μm 수준의 형상을 분해할 수 있다. 불행하게도, SEM 계측술은 실현하기에는 비용이 많이 들고, 동작 속도가 비교적 느리며, 자동화가 어렵다는 문제점을 갖고 있다. 광학 계측술은 SEM과 관련된 상기 단점들을 극복하지만, 광학 계측술 시스템은 약 1μm보다 작은 형상의 치수 측정을 적절하게 해결하지 못한다. 따라서, 광학 계측술 시스템은 현재 1μm보다 작은 수준인 기 개발된 기술의 회로 라인 폭 치수를 해결할 수 없었다.
따라서, 1μm보다 작은 치수의 패턴 형상을 모니터링하며, 실현하는데 있어 비용이 싸고, 동작 속도가 빠르고, 자동화가 용이한 방법이 여전히 요구되고 있다.
패턴 형상의 임계 치수와 바이어스를 측정하는 것과 함께, 기판에 연속적인 층들을 형성할 때 패턴 오버레이(overlay)의 정확성을 결정할 수 있는 것이 중요하다. 에지 오버레이(edge overlay)는 레벨 대 레벨 이미지 크기 바이어스와 오버레이 에러에 의해 결정되며 소자 기능성에 대한 핵심요소이다. 현재의 기술로는 연속적인 패턴 레벨들의 에지의 근접상태를 정확하게 또는 용이하게 측정할 수 없다. 리소그래피 공정을 모니터링하는데 있어 버니어(vernier)들이 사용되어온 경우, 버니어들은 최소 폭으로 형상 길이를 모니터링하지 못하였는데, 본 발명자들은 이것이 공정 변화에 대한 가장 민감한 척도란 것을 알게 되었다. 부가하여, 버니어 설계는 서브미크론 수준에서 제품 기본 룰(rule)을 자주 위반하게 된다.
자동 측정을 위해 설계되어 왔던 종래의 광학 계측 장치들은 통상적인 박스- 인-박스(box-in-box) 또는 바-인-바(bar-in-bar) 형태의 타겟을 사용하고 있다. 종래의 바-인-바 형태의 타겟이 사용되어 오는 동안 제품 기본 룰, 즉 0.5μm 이하의 기본 룰에 근접할 수 있기 때문에, 그러한 종래 기술의 바-인-바 오버레이 측정 타겟 치수는 광학 측정장치 분해 범위내에 머물도록 제품 기본 룰을 초과하여야만 하였다. 이는 오버레이 타겟 근처에 측정 정확성을 악화시키는 공정 변화를 가져왔다. 종래의 타겟 설계는 자동 측정을 보완하는 인간이 판독 가능한 버니어들을 포함하고 있지 않아 오버레이 타겟의 임계 치수를 측정할 수 없었는데, 이는 임계 치수 및 에지 오버레이 에러에 기여하는 오버레이 에러를 동시에 판단하지 못하게 하여왔다. 부가하여, 기계에 의해 판독 가능한 타겟과 인간이 판독 가능한 타겟들이 모두 사용될 때, 기판 영역에 상당한 낭비가 생긴다.
따라서, 종래 기술의 문제점과 단점을 고려하여 본 발명의 목적은 리소그래피 공정의 결과로서 증착된 패턴내 바이어스와 오버레이 에러를 판단하기 위한 방법과 타겟을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 증착된 패턴내 바이어스 및 오버레이 에러의 측정을 결합하는 방법과 타겟을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 웨이퍼 기판위 작은 간격을 이용하는 바이어스와 에지 오버레이 타겟들을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 기판 처리공정동안 인간이 판독 가능한 바이어스와 에지 오버레이 타겟들을 제공하는데 있다.
도 1은 이미지 축소 효과를 설명하기 위한 개략도.
도 2(A)는 이미지 축소 효과를 설명하기 위한 라인들을 나타낸 SEM 사진.
도 2(B)는 도 2(A)의 테스트 지점을 사용하여 측정한 이격 데이터를 나타낸 그래프.
도 3은 폭의 함수로서 라인과 간격에 대한 이미지 축소 효과를 나타낸 그래프.
도 4(A)와 (B)는 상이한 이미지 초점에 대한 노광량의 함수로서 폭과 길이에 대한 측정 효과를 나타낸 그래프.
도 5는 공칭값으로부터 폭과 길이의 편차에 대한 디포커스(defocus) 효과를 나타낸 그래프.
도 6은 노광량에 대한 길이-폭 감도를 나타낸 그래프.
도 7은 디포커스에 대한 길이-폭 감도를 나타낸 그래프.
도 8은 길이와 폭 치수를 갖는 형상의 구조를 나타낸 개략도.
도 9는 바이어스(CD) 측정을 사용하여 리소그래피 공정을 제어하는 플로우 차트.
도 10은 제품 웨이퍼상 테스트 패턴의 실시예를 나타낸 도면.
도 11은 모니터링 공정에서 사용하기 위한 테스트 패턴을 나타낸 도면.
도 12는 소정 SEM상에서 측정한 어레이 요소의 폭 대 광학 계측술 장치상에서 측정한 해당하는 어레이 길이를 나타낸 그래프.
도 13은 공정 분석을 위한 여러 가지의 최소 형상 어레이들을 포함하는 테스트 패턴을 나타낸 도면.
도 14는 기판상 언더사이즈(undersize) 바이어스를 나타내는 버니어 마킹을 포함하는 테스트 패턴을 나타낸 도면.
도 15는 기판상 오버사이즈(oversize) 바이어스를 나타내는 버니어 마킹를 포함하는 테스트 패턴을 나타낸 도면.
도 16은 다수의 스태거드(staggered) 어레이와 직선 어레이들의 요소들을 갖는 테스트 패턴을 나타낸 도면.
도 17은 기판상 언더사이즈 바이어스와 오버레이 에러를 나타내는 버니어 마킹를 포함하는 테스트 패턴을 나타낸 도면.
도 18은 (a)에서 (e)로 감소하는 요소 폭과 요소 간격을 갖는 일련의 버니어 마킹를 나타낸 도면.
도 19a, 19b, 19c는 상이한 요소 길이 대 어레이 간격 관계를 갖는 일련의 버니어 마킹를 나타낸 도면.
도 20은 버니어와 이미지 축소 효과 마킹들을 결합하는, 기판의 별개 층에 형성된 두 개의 타겟부들을 나타내는 도면.
도 21은 바이어스 및 오버레이 에러를 측정하기 위해 인접 기판 층들에 도 20의 타겟부들을 겹쳐지게 형성한 타겟을 나타낸 도면.
도 22는 도 21의 결합된 타겟의 확대부를 나타낸 도면.
도 23 내지 도 25는 바이어스 및 오버레이 에러를 측정하기 위해 이미지 축소 효과 마킹를 사용하는 버니어로 관측할 수 있는 모아레 프린지(Moire fringe) 패턴형 효과를 나타낸 도면.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 최소 형상에 대응하는 폭 및 간격, 그리고 길이를 갖는 요소들의 어레이를 생성함으로써 리소그래피 공정의 최소 형상의 바이어스를 측정하는 것이다. 본 발명은 리소그래피 공정의 이미지 축소 효과로부터 야기된 어레이 요소의 길이 변화를 측정하고, 폭 치수에서 요소의 바이어스를 계산한다. 한 그룹의 어레이 요소들을 갖는 테스트 지점은 어레이 길이와 이격의 자동 바이어스 측정을 용이하게 하고, 모니터링되는 최소 형상 폭을 측정할 수 없게 하는 비 SEM 계측 장치의 사용을 허용케 한다. 상기 방법에 의한 측정과, 기판의 리소그래피 공정과 제품의 일상 모니터링 그리고 최소 바이어스의 리소그래피 장치 및 공정을 제어하는데 사용된 테스트 지점이 개시되어 있다.
본 발명의 다른 특징은 기판에 1쌍의 제 1 버니어 어레이들의 요소들을 먼저 형성함으로써 리소그래피 공정에 의해 형성된 기판 내 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하는 방법을 제공하는 것이다. 제 1 어레이 각각은 소정의 길이와 폭을 갖는, 다수의 이격되고 대체로 평행한 요소들을 포함한다. 각 제 1 어레이 내 각 요소의 단부들은 각 요소의 길이에 제 1 각도로 서로 평행한 한 직선들을 따라 정렬되고 어레이 에지들을 형성한다. 상기 제 1 어레이들은 서로 이격되고, 대체로 평행한 어레이 에지들을 갖고 있다. 또한, 기판위에 적어도 하나의 제 2 버니어 어레이의 요소들이 형성되어 있고, 상기 제 2 어레이는 소정의 길이와 폭을 갖는 다수의 이격되고 평행한 요소들을 포함한다. 상기 제 2 어레이의 요소들의 단부들은 각 요소의 길이에 제 2 각도로 서로 평행한 직선들을 따라 정렬되고, 적어도 두 개의 어레이 에지들을 형성한다.
상기 방법은 1) 상기 제 1 어레이들과 제 2 어레이들의 요소들이 평행하고; 2) 상기 제 2 어레이의 에지들의 일측이 상기 제 1 어레이의 일측의 에지들의 일측과 교차하고; 그리고 3) 상기 제 2 어레이의 에지들의 타측이 상기 제 1 어레이의 타측의 에지들의 일측과 교차할 정도로 상기 제 1 어레이들과 제 2 어레이들을 겹치게 하는 것을 포함하고 있다. 바이어스 또는 오버레이 에러는 상기 제 2 어레이의 에지들과 상기 제 1 어레이들의 에지들의 교차점들을 정하고 상기 교차점들의 이격 정도를 측정함으로써 결정된다. 바람직하게도, 상기 어레이들의 일측상의 고정점에 관련한 상기 교차점들의 위치가 측정된다. 바이어스는 어레이들의 일측상의 고정점에 관련한 교차점들의 위치 차이에 비례하는 한편, 오버레이 에러는 어레이들의 일측상의 고정점에 관련한 교차점들의 위치 합에 비례한다.
X 방향의 바이어스 또는 오버레이 에러는 X축에 평행한 어레이들의 요소들의 길이를 정렬함으로써 결정될 수 있다. 유사한 방법으로 Y 방향의 바이어스 또는 오버레이 에러는 제 3 어레이들과 제 4 어레이들의 요소들이 Y축에 평행한, 상기 제 1 어레이들과 제 2 어레이들에 각각 대응하는 상기 제 3 어레이들, 제 4 어레이들을 형성하고 Y 방향의 바이어스 또는 오버레이 에러를 반복 측정함으로써 결정된다.
상기 제 1 어레이들과 제 2 버니어 어레이들은 기판상에 동일 레벨에 이미 인터록킹(interlocking)된 노광을 함으로 생성될 수 있거나, 또는 상기 제 1 어레이들과 제 2 버니어 어레이들은 상기 버니어의 어레이들을 인터록킹한 스텝핑 노광(stepping exposures)을 함으로서 동일 기판 레벨에 생성될 수 있다. 상기 제 1 어레이들과 제 2 어레이들은 또한 기판상에 상이한 레벨에 생성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 리소그래피 공정에 의해 형성된 기판의 바이어스와 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟에 관한 것이다. 상기 타겟은 기판위의 1쌍의 제 1 버니어 어레이들의 요소들을 포함하고, 상기 제 1 어레이 각각은 소정의 길이와 폭을 갖는, 다수의 이격되고 대체로 평행한 요소들을 포함한다. 각 제 1 어레이 내 각 요소의 단부들은 각 요소의 길이에 제 1 각도로 서로 평행한 직선을 따라 정렬되고 어레이 에지를 형성한다. 상기 제 1 어레이들은 서로 이격되고, 대체로 평행한 어레이 에지들을 갖는다. 상기 타겟은 또한 기판상에 적어도 하나의 제 2 버니어 어레이의 요소들을 포함하며, 상기 제 2 어레이가 소정의 길이와 폭을 갖는, 다수의 이격되고 대체로 평행한 요소들을 포함한다. 상기 제 2 어레이의 요소들의 단부들은 각 요소의 길이에 제 2 각도로 서로 평행한 직선들을 따라 정렬되고 적어도 두 개의 어레이 에지들을 형성한다.
상기 제 1, 제 2 버니어 어레이들은 1) 상기 제 1, 제 2 어레이들의 요소들이 평행하고; 2) 제 2 어레이 일측의 에지들의 일측이 상기 제 1 어레이들의 에지들의 일측과 교차하고; 3) 상기 제 2 어레이의 에지들의 타측이 상기 제 1 어레이들의 타측의 에지들의 일측과 교차할 정도로 서로 겹쳐져 있다. 바이어스 또는 오버레이 에러는 1) 상기 제 2 어레이의 에지들과 상기 제 1 어레이들의 에지들의 교차점들을 정하고 상기 교차점들의 이격 정도를 측정함으로써 상기 인용된 방법에 따라 결정될 수 있다.
상기 요소들 각각의 폭은 리소그래피 공정의 최소 임계 치수에 대응될 수 있다. 바람직하게도, 상기 요소들 중 각각의 폭이 해당 각 요소의 길이보다 작고, 상기 제 1, 제 2 어레이의 요소들의 폭과 간격이 동일하며, 이격된 제 1 어레이들 각각의 요소들은 서로에 대해 정렬되어 있다. 상기 타겟은 제 1 각도가 90도이고 제 2 각도가 90도보다 크거나 작을 정도로 형성되거나 또는 제 2 각도가 90도이고 제 1 각도가 90도보다 크거나 작을 정도로 형성될 수 있다.
상기 타겟은 X 방향의 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위해 상기 어레이들의 요소들의 길이가 X축에 평행하도록 방향잡을 수 있다. Y 방향의 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위해, 상기 타겟은 상기 제 3, 제 4 어레이들의 요소들이 Y축에 평행하도록, 상기 제 1, 제 2 어레이들에 각각 해당하는 제 3, 제 4 어레이들을 포함하고 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 기판상에 1쌍의 제 1 버니어 어레이들의 요소들, 적어도 하나의 제 2 버니어 어레이의 요소들 그리고 적어도 하나의 이미지 축소 어레이를 형성함으로써 리소그래피 공정에 의해 형성된 기판의 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하는 방법에 관한 것이다. 상기 제 1 버니어 어레이 각각은 소정의 길이와 폭을 갖는, 다수의 이격되고 대체로 평행한 요소들을 포함하며 제 1 어레이 각각의 각 요소들의 단부들이 각 요소의 길이에 제 1 각도로 서로 평행한 직선을 따라 정렬되고 어레이 에지를 형성한다. 상기 제 1 어레이들은 평행한 어레이 에지들을 가지며, 서로 이격되어 있다. 상기 제 2 버니어 어레이는 소정의 길이와 폭을 갖는, 다수의 이격되고 대체로 평행한 요소들을 포함하며 상기 요소들의 단부들이 각 요소의 길이에 제 2 각도로 서로 평행한 직선들을 따라 정렬되고, 적어도 두 개의 어레이 에지들을 형성한다. 적어도 제 1 또는 제 2 버니어 어레이들중의 하나는 요소 폭과 리소그래피 공정에서 형성된 최소 형상에 해당하는, 인접 요소들 사이에 간격을 갖는다.
상기 이미지 축소 어레이는 소정의 길이와 폭을 갖는 다수의 이격되고 대체로 평행한 요소들을 포함하고, 상기 요소 폭과 인접 요소들 사이의 간격은 리소그래피 공정에서 형성된 최소 형상에 해당한다. 상기 이미지 축소 어레이는 해당하는 요소 길이와 요소 간격을 갖는 상기 제 1 또는 제 2 버니어 어레이들의 에지로부터 이격된 어레이 에지들을 형성하는 요소들의 단부를 갖는다.
상기 제 1, 제 2 버니어 어레이들은 1) 상기 제 1, 제 2 어레이들의 요소들이 평행하고; 2) 제 2 어레이의 에지들의 일측이 상기 제 1 어레이 일측의 에지들의 일측과 교차하고; 3) 상기 제 2 어레이의 에지들의 타측이 상기 제 1 어레이들의 타측의 에지들의 일측과 교차할 정도로 서로 겹쳐져 있다. 바이어스 또는 오버레이 에러는 1) 상기 제 2 버니어 어레이의 에지들과 상기 제 1 어레이들의 에지들과의 교차점들을 정하고 상기 교차점들의 이격 정도를 측정하고, 2) 이미지 축소 어레이의 인접 에지들 사이의 이격과, 해당하는 요소의 폭과 간격을 갖는 제 1, 제 2 버니어 어레이들의 이격을 측정함으로써 결정될 수 있다. 바람직하게도, 상기 어레이들의 일측상의 고정점에 관련한 상기 교차점들의 위치가 측정된다. 바이어스는 상기 어레이들의 일측의 고정점에 관련한 교차점들의 위치 차이에 비례한다. 오버레이 에러는 상기 어레이들의 일측상의 고정점에 관련한 교차점들의 위치 합에 비례한다.
상기 어레이들의 요소들의 길이는 X 방향의 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위해 X축에 평행하게 정렬될 수 있다. 부가적인 버니어 그리고 이미지 축소 어레이들은 Y 방향의 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위해 요소들의 길이가 Y축에 평행하게 형성될 수 있다.
상기 제 1, 제 2 버니어 어레이들은 기판상에 동일 레벨에 이미 인터록킹한 노광을 하여 생성될 수 있거나, 또는 상기 제 1 어레이들과 제 2 버니어 어레이들은 상기 버니어의 어레이들을 인터록킹한 스텝핑 노광을 함으로서 동일 기판 레벨에 생성될 수 있다. 상기 제 1 어레이들과 제 2 어레이들은 기판상 상이한 레벨에 생성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 리소그래피 공정에 의해 형성된 기판의 바이어스와 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟에 관한 것이다. 상기 타겟은 기판위에 1쌍의 제 1 버니어 어레이들의 요소들, 적어도 하나의 제 2 버니어 어레이의 요소들, 그리고 적어도 하나의 이미지 축소 어레이를 포함한다. 제 1 버니어 어레이 각각은 소정의 길이와 폭을 갖는, 다수의 이격되고 대체로 평행한 요소들을 포함한다. 제 1 어레이 각각의 각 요소의 단부들은 각 요소의 길이에 제 1 각도로 서로 평행한 직선을 따라 정렬되고 어레이 에지를 형성한다. 상기 제 1 어레이들은 서로 이격되고, 대체로 평행한 어레이 에지들을 갖는다. 상기 제 2 버니어 어레이는 소정의 길이와 폭을 갖는 다수의 이격되고 대체로 평행한 요소들을 가지며 상기 요소들의 단부들이 각 요소들의 길이에 제 2 각도로 서로 평행한 직선을 따라 정렬되고 적어도 두 개의 어레이 에지들을 형성한다. 적어도 하나의 상기 제 1 또는 제 2 버니어 어레이들은 리소그래피 공정에서 형성된 최소 형상에 해당하는, 인접 요소들 사이의 요소 폭과 간격을 갖는다. 상기 제 1, 제 2 버니어 어레이들은 1) 상기 제 1, 제 2 어레이들의 요소들이 평행하고; 2) 제 2 어레이들의 에지들의 일측이 상기 제 1 어레이 일측의 에지들의 일측과 교차하고; 3) 상기 제 2 어레이의 에지들의 타측이 상기 제 1 어레이들의 타측의 에지들의 일측과 교차하도록 서로 겹쳐져 있다.
상기 이미지 축소 어레이는 소정의 길이와 폭을 갖는 다수의 이격되고, 대체로 평행한 요소들을 포함한다. 인접 요소들 사이의 상기 요소 폭과 간격은 리소그래피 공정에서 형성된 최소 형상에 해당한다. 상기 이미지 축소 어레이는 해당하는 요소 폭과 요소 간격을 갖는 제 1 또는 제 2 버니어 어레이들의 에지로부터 이격된 어레이 에지를 형성하는 요소들의 단부들을 갖는다.
바이어스 또는 오버레이 에러는 1) 상기 제 2 버니어 어레이의 에지들과 상기 제 1 버니어 어레이들의 에지들과의 교차점들을 정하고 상기 교차점들의 이격 정도를 측정하며, 2) 이미지 축소 어레이의 인접 에지들 사이의 이격과, 해당하는 요소 폭과 요소 간격을 갖는 제 1 또는 제 2 버니어 어레이들의 이격을 측정함으로써 상기 인용된 방법에 따라 결정될 수 있다.
바람직하게도, 상기 요소들 각각의 폭은 리소그래피 공정의 최소 임계 치수에 해당하고 상기 요소들 각각의 폭은 각 요소의 길이보다 작고 상기 어레이들의 요소들의 폭과 간격은 동일하다. 또한, 이격된 제 1 버니어 어레이들 각각의 요소들은 서로 정렬되는 것이 바람직하다.
상기 타겟은 상기 제 1 버니어 각도가 90도이고 제 2 각도가 90도보다 크거나 작을 정도로 구성될 수 있거나 또는 상기 제 2 각도가 90도이고, 상기 제 1 각도가 90도보다 크거나 작을 정도로 구성될 수 있다.
X 방향의 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 상기 타겟 어레이들의 요소들의 길이는 X 축에 평행하게 정렬될 수 있다. Y 방향의 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 길이가 Y 축에 평행한 요소들을 갖는 버니어와 이미지 축소 어레이들이 추가적으로 제공될 수 있다.
본 발명에서는 또한 리소그래피 공정에 의해 형성된 기판에서 측정 가능한 모아레 프린지 효과(Moire fringe effect)에 의해 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 기판상에 다수의 제 1 어레이들의 요소들과 다수의 제 2 어레이들의 요소들을 형성하는 것을 포함한다. 상기 제 1 어레이 각각은 소정의 길이와 폭을 갖는 다수의 이격되고, 대체로 평행한 요소들을 포함하고 상기 제 1 어레이 각각의 각 요소의 단부들은 각 요소의 길이에 제 1 각도로 서로 평행하는 직선을 따라 정렬되고 상기 제 1 어레이들 각각에 대한 에지들을 형성한다. 상기 제 1 어레이들은 서로 이격되고, 대체로 평행한 어레이 에지들을 갖는다. 상기 제 2 어레이들 각각은 소정의 길이와 폭을 갖는 다수의 이격되고, 대체로 평행한 요소들을 포함하고 상기 제 2 어레이 각각의 각 요소들의 단부들은 각 요소들의 길이에 제 2 각도로 서로 평행하는 직선들을 따라 정렬되고 상기 제 2 어레이들 각각에 대한 에지들을 형성한다. 상기 제 2 어레이들은 서로 이격되고, 대체로 평행한 어레이 에지들을 갖는다.
상기 제 1, 제 2 어레이들은 1) 상기 제 1, 제 2 어레이들의 요소들이 평행하고; 2) 제 2 어레이들의 에지들이 상기 제 1 어레이들의 에지들과 교차할 정도로 겹쳐져 있다. 모아레 프린지 패턴은 상기 제 1, 제 2 어레이들의 오버랩 정도만큼 생성될 수 있다. 상기 제 1, 제 2 어레이들의 각 요소의 길이는 모아레 프린지의 크기를 결정한다. 바이어스 또는 오버레이 에러는 모아레 프린지 패턴내 생성된 프린지를 측정함으로써 결정된다.
바람직하게도, 상기 요소들 각각의 폭은 리소그래피 공정의 최소 임계 치수에 해당한다. 또한, 제 1, 제 2 어레이들의 요소들의 폭과 간격은 동일하고 상기 요소들 각각의 폭이 각 요소의 길이보다 작은 것이 바람직하다. 상기 제 1, 제 2 어레이들은 기판상의 동일 레벨에 형성될 수 있거나 기판상의 상이한 레벨에 형성될 수 있다.
본 발명은 또한 기판상에 제 1, 제 2 세트의 이미지 축소 어레이들을 포함하는, 리소그래피 공정에 의해 형성된 기판의 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟을 제공한다. 이미지 축소 어레이 각각은 소정의 길이와 폭을 갖는 다수의 이격되고 대체로 평행한 요소들을 가지며, 요소 폭과 인접 요소들 사이의 간격은 리소그래피 공정에서 형성된 최소 형상에 해당한다. 상기 요소들의 단부들은 상기 이미지 축소 어레이 에지들을 형성한다. 상기 제 1 세트의 이미지 축소 어레이들은 기판의 한 레벨에 위치하고, 대체로 평행한 어레이 에지들을 가지며 X 방향으로 서로 이격된 제 1 쌍의 상기 어레이들과, 대체로 평행한 어레이 에지들을 가지며 Y 방향으로 서로 이격된 제 2 쌍의 상기 어레이들을 포함한다. 상기 제 2 세트의 이미지 축소 어레이들은 기판의 또 다른 레벨에 위치하고, 대체로 평행한 어레이 에지들을 가지며 상기 제 1 쌍의 어레이들의 X 방향 간격과 달리 X 방향으로 서로 이격된 제 3 쌍의 상기 어레이들과, 대체로 평행한 어레이 에지들을 가지며 상기 제 2 쌍의 어레이들의 Y 방향 간격과 달리 Y 방향으로 서로 이격된 제 4 쌍의 상기 어레이들을 포함한다. 상기 제 1, 제 2 세트의 어레이들은 상기 제 1, 제 3 쌍의 어레이들 각각이 X 방향으로 이격되고, 상기 제 2, 제 4 쌍의 어레이들 각각이 Y 방향으로 이격되도록 그러하게 겹쳐진다. 오버레이 에러는 각 쌍의 어레이들 에지들을 사용하는 각 세트의 이미지 축소 어레이들의 중심을 결정하고 상기 제 1, 제 2 세트의 이미지 축소 어레이들의 소정 중심 차이값을 측정함으로써 결정된다. 바람직하게도, 상기 요소들 각각의 폭은 리소그래피 공정의 최소 임계 치수에 해당한다. 또한, 상기 어레이들의 요소들의 폭과 간격은 동일하고, 상기 이미지 축소 어레이들 내 각 요소들은 서로 정렬된다.
이하, 본 발명에 의한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 "이미지 축소(image shortening)" 현상을 광범위하게 특징지움으로써 리소그래피동안 형상을 모니터링하는 새로운 방법과 절차를 포함하고 있다. 이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 이미지 축소 개념을 간단히 기술한다.
도 1을 참조하면, 공칭 길이 Ln가 공칭 폭 Wn보다 큰 라인 또는 간격에 대해, 리소그래피 장치에 의해 포토레지스트에 묘화된 패턴은 프린트 치수 Lp, Wp를 갖게 된다. 이미지 축소 또는 원근화(foreshortening)는 길이 (Ln - Lp)의 프린트 바이어스가 폭 (Wn - Wp)의 프린트 바이어스를 초과하는 경우를 기술하고 있다. 리소그래피 장치/공정의 분해 한계에 가까워짐에 따라 이미지 축소 효과는 현저해진다는 사실을 알 수 있다.
도 2A는 이미지 축소 효과를 나타내기 위해 사용된 두 개의 라인 어레이들의 SEM 사진이다.
도 2A의 테스트 패턴의 일부인 어레이 요소 폭들은 250nm 내지 700nm의 넓은 범위에 걸쳐 변화하였다. 이 경우에, 이미지 축소 효과는 어레이들의 대응하는 요소들 사이의 간격 변화로 측정되며, 이 간격 변화는 라인 길이의 변화와 거의 동일하다. 도 2B는 도 2A에 도시된 바와 같은 어레이들로부터 형상의 최소 폭의 함수로 이미지 축소의 실험 측정값을 나타낸 그래프이다. 프린트 라인 폭이 SEM 사진의 위에서 아래로 감소함에 따라, 라인 단부들은 평행한 디스플레이 커서(cursor)로부터 멀리 벗어난다. 어떠한 폭에서든, 노광, 초점, 현상 공정을 포함하는 공정 조건들은 이미지 축소 값을 변화시키도록 조정될 수 있다. 도 3의 그래프에서는 라인폭이 감소함에 따라, 길이 치수의 바이어스는 실제로 폭의 바이어스 또는 최소 형상 바이어스 이상으로 증가한다. 따라서, 측정 가능한 양이 더 커지고 이로 인하여 측정이 용이해짐에 따라, 길이 바이어스 측정은 리소그래피 공정의 최소 형상 바이어스를 특징지우는데 유익하게 사용될 수 있다.
이미지 축소에 기여하는 인자(factor)들은 다음의 것들을 포함하고 있다.
(1) 라인 또는 간격의 단부를 형성하여야만 하는 코너(corner)들은 라인 또는 간격의 중앙부에 대해 더 높은 공간 주파수 성분에 기여한다. 따라서, 영상 시스템은 중앙부와 더불어 단부를 분해할 수 없고 가상 이미지내에 약간의 축소가 있게 된다.
(2) 광여기 화합물(PAC)은 모든 포토레지스트에 이미지를 형성하기 위한 주요 화학물 성분이다. PAC의 확산은 노광과 노광후 베이크 공정동안 포토레지스트막내에서 일어난다. 이 확산은 라인 또는 간격의 폭이 확산 길이에 접근함에 따라 축소를 크게 한다.
(3) 마스크 자체는 마스크 패터닝에 고유한 분해/공정 한계 때문에 축소에 기여할 수 있다. 이들 효과들은 마스크상의 코너 라운딩(corner rounding) 및 예비축소의 형태로 1X 마스크에 가장 심하게 영향을 끼치지만, 5X 또는 10X 마스크들에도 상당히 큰 영향을 끼친다. 마스크상의 코너 라운딩은 리소그래피 장치의 가상 이미지에 존재하는 축소를 크게 한다.
(4) 현상공정에서 레지스트 응력 완화는 또한 축소 효과를 가져올 수 있다.
본 발명자는 폭 치수에 관련한 길이 치수대 노광과 초점 변화의 감도 증가를 철저하게 측정하였다. 예를 들면, 도 4A, 4B는 상이한 초점 조건에 대해 라인의 폭과 길이 치수에 대한 노광량의 효과를 나타내고 있다. 상기 데이터로부터 길이 치수의 노광 의존성과 폭 치수의 노광 의존성을 비교하면, 공칭 라인 폭이 250nm이고 공칭 라인 길이가 2μm인 경우, 폭 바이어스 대 노광의 감도(기울기)가 약 17nm/mj /cm2이고, 길이 바이어스 대 노광의 감도(기울기)는 약 29nm/mj/cm2임을 알 수 있다. 따라서, 길이는 폭보다 노광변화에 대한 감도가 약 1.7배 크다. 주어진 공정에 대해 이러한 감도 인자의 크기는 상기한 바와 같은 이미지 축소에 영향을 주는 인자들에 의존한다.
더욱이, 도 5에 도시된 바와 같이, 길이의 초점 의존성과 폭의 초점 의존성을 비교하여 보면, 디포커스(defocus)로 인해 길이가 공칭 길이와 상당히 큰 차이를 나타낸다. 도 6은 가변 폭의 격리된 트렌치(trench)에 대한 데이터와, 노광에 대한 차동(differential) 바이어스(길이 바이어스- 폭 바이어스)의 감도가 트렌치 폭의 함수로서 변하는 것을 나타내고 있다. 상기 데이터는 길이 바이어스가 폭 바이어스보다 노광면에서 적어도 동일하거나 보다 민감하다는 것을 보여주고, 최소 형상 크기를 갖는 경향을 보여준다. 도 7은 도 6과 유사한 데이터를 보여주나 시간과 디포커스는 변경된다. 실험 데이터는 길이 바이어스가 더욱 민감해지고, 폭 바이어스가 길이 바이어스 측정으로부터 예측될 수 있다는 것을 보여준다.
따라서, 길이 치수는 폭 치수보다 노광 및 초점에 대한 더 큰 감도를 나타낸다. 폭에 대한 길이 감도는 공칭 폭이 감소함에 따라 증가한다. 그 자체만으로, 폭에 대한 길이의 보다 높은 감도에 의해 길이는 리소그래피 패터닝 공정의 제어를 위하여 모니터하기에 보다 바람직한 치수가 된다. 이는 상기 제어를 위해 폭 치수를 측정하여 온 통상적인 사고와 관습에 대조적이다.
도 8을 참조하면, 길이 측정은 폭 측정과는 다른 많은 문제점들을 지니고 있다. 폭 방향으로, 측정 장치의 창(10)은 많은 측정 픽셀(pixel)이 존재하는 것처럼 긴 길이의 라인 또는 간격 패턴에 걸쳐 통합되도록 설정될 수 있다. 이 경우, 폭이 줄어드는 패턴들의 단부들을 피할 수 있기 때문에 측정치는 패턴에 대한 측정창(10)의 위치에 민감하지 않다.
대응하는 길이 측정은 측정창(12)을 패턴 폭보다 훨씬 좁게 하는 것을 필요로 한다. 이는, 예를 들면 약 250nm의 좁은 라인 또는 간격 패턴에 대해서는, 측정창(12)을 수 픽셀 폭으로 설정하는 것을 의미한다. 더욱이, 측정치는 패턴에 관련한 측정창의 위치에 극히 민감하므로 측정 정밀성과 재현성의 악화를 가져온다.
본 발명의 특징에 따라 반도체 소자 제조에 사용된 패턴들의 임계 치수들을 결정하고 제어하며, 이미지 축소 표시를 사용하는 개선된 방법이 제공된다. 본 방법에서, 측정은 소자 치수, 이미지화 능력 및 측정 능력에 대해 고유하게 관련된 테스트 패턴상에서 이루어진다.
도 9를 참조하여 광학 스테퍼를 사용하는 일반적인 광 리소그래피 공정에 본 발명을 실시하는 것을 기술하기로 한다. 리소그래피 공정의 시작단계인 단계 20에서 웨이퍼에 포토레지스트를 코팅한다. 상기 포토레지스트의 두께는 제품의 이미지화와 식각 요구조건에 의해 결정되고, 일반적으로 5,000Å 내지 20,000Å의 범위를 갖는다. 이후, 마스크 또는 레티클을 사용하여 포토레지스트 위에 패턴을 노광한다. 웨이퍼상의 스테핑 패턴은 노광 장치의 전체 제품 패턴 크기와 이미지 필드 크기에 의해 결정된다. 일반적인 이미지 필드 크기는 약 20,000μm2보다 크다. 포토레지스트 패턴을 형성하기 위해 적절한 이미지가 포토레지스트가 코팅된 웨이퍼에 투사되고 현상된다. 본 발명에 적용된 웨이퍼와 공정의 특성은 제조된 소자에 의해 나타난다. 일반적인 제품들은 각 레벨에서 상이한 설계 룰에 의해 특징지어지는 서로 다른 패턴들을 구비한 다수의 패턴 레벨을 갖는다. 본 발명에 따라, 포토레지스트막 패턴은 하나 이상의 테스트 패턴을 포함하여야만 하는데, 이는 제품의 이미지 필드 외부영역에 위치될 수 있다. 이하, 상기 테스트 패턴(들)을 더욱 상세하게 기술하기로 한다.
도 10을 참조하면, 제품 모니터링과 제어를 위해 테스트 패턴(40)은 제품 웨이퍼(42)상에 원하는 소자 패턴과 함께 프린트 형성되어야 한다. 제품을 나타내기 위해, 테스트 패턴(40)의 요소들은 소자 패턴의 가장 중요한 형상의 폭 및 피치와 동일하거나 또는 작은 폭 및 피치를 가지고 있어야 한다. 어플리케이션에 따라, 테스트 패턴 (40)은 다수의 어레이 라인들을 포함할 수 있고, 상기 어레이들의 최소 폭과 간격은 의도한 설계 최소 형상 이하 또는 이상의 치수 범위 또는 리소그래피 공정과 장치의 최소 능력을 커버하도록 변경될 수 있다. 최소한으로, 적어도 한 개의 어레이 라인들이 상기 테스트 패턴들을 구성한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 테스트 패턴(40)은 제품 패턴(44) 및 다른 필수적인 정렬과 측정 패턴들이 점유하지 않은 어떠한 영역에도 배치될 수 있다. 선택적으로, 포토레지스트/식각 이미지 특징화가 목적일 때, 변화하는 라인 폭 및 패치(patch)의 유사 테스트 패턴들은 이미지 필드와 웨이퍼 전체에 걸쳐 배치될 수 있다.
도 11은 본 발명에 사용하기 위해 개발된 테스트 패턴 레이아웃(layout)의 예를 나타내고 있다. 테스트 패턴(46)의 기본 성분들은 갭으로 분리된 두 개의 라인-간격 어레이들이며, 상기 어레이 요소들의 길이 Lm와 상기 두 개의 어레이들 사이의 간격 또는 갭 Sm은 사용되는 광학 측정 시스템의 분해 한계내에 있어야만 한다. 일반적으로, 광학 측정 시스템들은 약 1μm 보다 큰 분해 능력을 가지며, 일반적으로 Lm ＝ Sm ＝ 2μm이다.
테스트 패턴(46) 요소들의 폭과 피치(폭+간격)는 제품의 가장 중요한 형상의 폭과 피치보다 작거나 동일하도록 설계된다. 제품 기본 룰이 진취적일수록 개별 요소들의 폭과 피치는 더 작아진다. 일 예로서 패턴 레벨상에 0.55μm 피치와 0.25μm의 최소 폭을 갖는 이미 개발된 반도체 제품에서, 두 개의 15 요소 어레이들이 테스트 패턴으로 사용되었다. 상기 어레이들은 2μm 길이의 요소들로 구성되고, 어레이들 사이의 간격이 2μm이다. 라인들 및 간격들의 상대 크기와 톤(tone), 그리고 주변 영역의 톤을 프린트되는 특정 소자 레벨 패턴의 톤과 기본 룰에 적응되었다. 레벨에 따라 다음의 4개 결합들이 사용되었다:
(1) 클리어(clear) 영역에서 0.3μm 이격된, 0.25μm 폭의 크롬 라인들.
(2) 클리어 영역에서 0.25μm 이격된, 0.3μm 폭의 크롬 라인들.
(3) 크롬 영역에서 0.3μm 이격된, 0.25μm 폭의 클리어 라인들.
(4) 크롬 영역에서 0.25μm 이격된, 0.3μm 폭의 클리어 라인들.
상기 테스트 패턴(46)은 도 10의 테스트 패턴(40)과 도 13의 테스트 패턴에 도시된 바와 같이 각 위치에서 수평 및 수직 방위로 놓여져 있다. 전체 패턴 크기는 주위 영역을 포함하여 20μm X 20μm보다 작다. 상이한 형상 크기에 동시에 프로세스 정보를 제공할 수 있기 때문에, 도 13에 도시된 바와 같은 다양한 형상 크기의 테스트 패턴들은 공정 조건들을 특징지우는데 사용될 수 있다.
기술이 진전하고 더 작은 라인 폭과 간격이 형성될 수 있음에 따라, 요소 폭 및 간격의 한계는 더 낮아질 수 있다. 하지만, 요소 길이는 광 측정 시스템의 분해 한계에 비하여 상대적으로 크게 유지되어야 한다. 포토레지스트가 현상된 후, 테스트 패턴 요소들의 길이를 두 번 측정한다. 길이는 광학 현미경에 의해 잘 분해되기 때문에, 측정창이 테스트 패턴 어레이의 많은 요소들에 대해 평균적으로 설정되면, 특정한 측정 수단으로 광학 장치가 될 수 있다. 검출된 이미지의 집적밀도는 패턴 요소들의 평균 단부가 위치할 수 있도록 패턴에 의해 변조된다. 위치설정 수단은 간단한 임계 기술이 되거나, 또는 상기 검출된 이미지에 선천성(priori) 기능을 적용하는 복잡한 기술이 될 수 있다.
레지스트 이미지의 두 가지의 측정치는 1) 패턴 어레이내 평균 요소 길이 Lr와, 2) 두 개의 상기 어레이들 사이의 평균 간격 Sr이다. 마스크 값 Lm,Sm이 주어지면, 상기 요소 길이의 포토레지스트 이미지 바이어스(Br)를 어레이의 길이 및 간격 치수의 평균 변화값에 의해 아래 수학식 1과 같이 산출할 수 있다.
Br ＝ {(Lr - Sr)-(Lm - Sm)}/2
측정치 Lr,Sr는 또한 측정 정밀도 Pr를 모니터링하는 자동 수단을 제공한다. 길이 및 간격의 피치는 마스크와 프린트된 포토레지스트에서 일정하고 동일하여야 한다. 그러므로, 용어 Pr은 수학식 2와 같이 정의된다.
Pr ＝ {(Lr + Sr)-(Lm + Sm)}/2
상기 Pr은 측정의 특성을 확인하기 위해 측정되고 계산될 수 있다. 이상적인 조건에서 Pr은 Br에 독립적이고 0과 동일하다. 양호한 측정을 위해 Pr의 범위는 광학 계측 장치의 측정 정밀도, 일반적으로 10-20nm을 초과하지 않아야 한다. 수학식 2에서 결정된 Pr의 값은 불량 측정을 가려내기 위한 기준으로서 사용된다. 즉, ｜Pr｜＞ 20nm인 측정치 Lr,Sr은 가려내게 된다.
제조에 있어서 계측 측정의 중요한 일상적인 적용은 웨이퍼를 리소그래피 공정을 통하여 재작업할 필요가 있는지 여부를 판단하는 것이다. 형상이 소정의 바이어스를 초과하거나 분해되지 않으면, 이 시점에서 웨이퍼를 재작업하는 것이 더 경제적이다. 이는 다음과 같이 이루어질 수 있다. 측정에 의해 결정된 Br은 선천(Priori) 타겟 레지스트 이미지 바이어스 Tr에 비교된다. Tr은 최적 소자 성능을 보장하는 레지스트 이미지 바이어스로서 정의된다. 타겟으로부터 측정 레지스트 이미지 바이어스의 편차는 수학식 3과 같이 정의된다.
Dr ＝ Br - Tr
이는 레지스트 이미징 공정을 모니터하고 제어하는데 사용된다. 측정된 특정 세트의 웨이퍼들(통상 롯트(lot)로 명명됨)에 대해, Dr은 상기 롯트를 다음의 공정으로 이송할 것인지 여부를 결정하기 위한 기준이다.
한 롯트의 제품 웨이퍼들에 대한 Dr의 평균 또는 편차가 수용할 수 있는 허용치(양호한 소자 수율을 보장하는 허용치)를 초과하면, 레지스트 이미지는 "불량(fail)" 상태로 판단되며, 웨이퍼(들)는 도 9의 단계 38에 따라 재작업되어야 한다. 재작업에는 포토레지스트를 벗겨내고, 재코팅하며 수정된 광량으로 웨이퍼를 재노광하는 것이 수반된다. 광량의 수정은 Dr의 평균에 비례한다. Dr이 수용할 만한 허용치내에 있으면, 포토레지스트 이미지는 "합격(pass)" 상태로 판단되고 웨이퍼(들)는 다음 공정 단계로 이송된다.
웨이퍼 롯트들이 연속하여 공정처리되므로 웨이퍼내, 웨이퍼 대 웨이퍼, 롯트 대 롯트의 Dr 편차에 적용되는 통계적 분석은 노광 장치로 광량 수정의 동적 피드백을 가능하게 하고, 공정 편차의 자동 프래깅(flagging)을 가능하게 한다. 예를 들면, Dr에 영향을 주는 공정 편차에 상기 광량을 동기화시키기 위하여 다량의 웨이퍼 롯트들에 대한 Dr의 연속적인 평균에 비례하는 광량 수정이 노광 장치에 피드백될 수 있다.
단계 26은 단계 24의 다음 공정 단계로서 식각공정을 일반적으로 실시하여 포토레지스트 패턴을 아래의 웨이퍼에 전사한다. 식각 단계는 일반적으로 추가적인 바이어스를 도입한다. 따라서, 남은 모든 포토레지스트를 제거한 뒤에, 상기 식각된 이미지가 수용할 만한 허용치내에 있는지를 확인하기 위해 단계 28에서 또 다른 측정을 실시한다.
본 발명에 따라 포토레지스트 이미지에 유사한 방식으로, 식각된 이미지 Le,Se를 광학 장치에서 측정하며, 식각 바이어스(Be)와 측정 정밀도(Pe)는 수학식 4와 수학식 5에 의해 다음과 같이 정의된다.
Be ＝ {(Le - Se) - (Lm - Sm)}/2
Pe ＝ {(Le + Se)-(Lm + Sm)}/2
또한 포토레지스트막에 관련한 식각 바이어스(Bx)는 수학식 6에 의해 주어진다.
Bx ＝ Be-Br
따라서, 포토레지스트 이미지 공정 이후와 식각 공정 이후에 테스트 영역(test site)을 연속하여 측정함으로써, 식각 공정 바이어스를 결정할 수 있다.
단계 30에서는 포토레지스트 이미지의 경우와 같이, 기 측정된 식각 바이어스(Be)를 선천(priori) 타겟 식각 이미지 바이어스(Te)와 비교한다. Te는 최적 소자 성능을 보장하는 식각 이미지 바이어스로서 정의된다. 이 타겟은 포토레지스트/식각 공정내에 내재하는 상대 바이어스(Bx)로 인하여 포토레지스트 이미지의 타겟과는 다를 수도 있다. 이상적인 조건에서 타겟 Te,Tr은 Bx만큼 차이를 갖는다. 측정된 식각 바이어스의 타겟으로부터의 편차 Be-Te이 수용할 만한 허용치(양호한 소자 수율을 보장)를 초과하면, 식각 이미지는 "불량" 상태로 판단되고, 웨이퍼(들)를 폐기하여야 한다.(재작업은 식각다음에는 불가능함)
단계 32에서 표시한 바와 같이, 반복되는 식각 이미지 불량은 포토레지스트/식각 바이어스의 이동으로 인하여 포토레지스트 임계 치수(Critical Dimension; CD) 타겟을 조정할 필요가 있음을 표시할 수도 있다.
Be-Te의 편차가 수용할만한 허용치내에 있으면, 식각 이미지는 "합격" 상태로 판단되고, 웨이퍼(들)는 다음 공정 단계로 이송된다.
요약하면, 이미지 축소 효과 표시를 이용하는 본 발명의 특징은 각 소자 레벨의 포토레지스트 이미지와 식각 이미지 공정 단계에서 고유한 테스트 패턴들을 사용하여 웨이퍼 롯트의 제조에서 최소 형상 바이어스와 그 분포를 정확히 측정함으로서 제품의 모니터링과 제어를 가능하게 한다. 본 발명은 계측술 장치를 사용하여 최소 형상이 계측술 장치의 분해능 이하로 된 설계를 측정하고 모니터할 수 있게 한다. 특히 광학 측정 장치가 사용될 수 있다. 예를 들면, 최소 형상(폭)의 편차는 광학적으로 측정된 길이의 편차로부터 추론될 수 있다. 길이와 폭 사이의 관계는 관심있는 폭에 걸쳐 특징지워질 수 있다. 도 12는 도 11에 도시된 바와 같은 테스트 패턴의 요소의 폭(Opal SEM에서 측정됨)과, 전체 어레이의 요소들의 평균 길이(Biorad Metrology System에서 측정됨) 사이의 관계를 나타내고 있다. 이 경우, 어레이 요소들은 0.55μm 피치 상태로 있는 0.3μm X 2μm의 포토레지스트막의 개구부이다. 치수는 고정 초점에서 노광량을 변화시킴으로써 변화된다. 변화하는 범위에 걸쳐서, 길이 대 폭의 관계는 선형적이다. 앞서 주지한 바와 같이, 길이는 폭보다 빠르게 변화된다. 상기 경우의 감도는 약 2:1로, 100nm의 길이 변화가 500nm의 폭 변화에 해당한다.
상기한 제품 웨이퍼의 처리이외에, 또 다른 본 발명의 응용은 포토레지스트/식각 이미징 공정의 두께에 있어 특징지우는 것이다. 이 경우, 이미지 필드와 웨이퍼에 걸쳐 상이한 패턴 밀도와 방위로 테스트 패턴들을 샘플링(sampling)하는 것은 필드내 및 웨이퍼 전반의 이미지 변화를 결정하기에 충분하다. 제품 마스크 위에 테스트 패턴들을 적절히 분포시키는 것은 제품 소자가 점유한 영역으로 인하여 가능하지 않을 수도 있다. 그러므로, 어떠한 경우에는 테스트 패턴 어레이들에 중점을 둔 테스트 마스크가 요구될 수도 있다. 도 4A, 4B 그리고 도 5에 기 도시된 바와 같이, 본 발명에서 기술된 테스트 패턴을 사용한 길이 측정은 디자인의 최소 형상 폭에서 노광, 현상 및 초점 조건들을 모니터링하고 제어하는데에 동일하거나 혹은 더 많은 감도를 제공한다. 따라서, 리소그래피 공정은 일상적인 계측술 장치를 사용하여 지금까지 가능하였던 것보다 더 쉽게 모니터링되고 조절될 수 있다.
본 발명의 다른 응용으로는 노광 장치/공정이 확장될 수 있는 최소 형상 크기 또는 최소 바이어스 크기에 의해 상기 노광 장치/공정의 능력을 결정하고 노광 장치/공정을 개발하는데 있다. 이러한 응용을 위해, 패턴들의 라인 폭과 간격이 예상되는 장치/공정 능력 근처에 분포되는 어레이들을 갖는 테스트 패턴을 사용할 수 있다. 도 13에 도시된 바와 같은 테스트 패턴을 사용하면, 0.35μm 최소 형상이 사용된 노광 장치/공정에 사용하는데 적합한 테스트 영역은 더 작은 형상 크기로의 확장가능성을 위해 테스트될 수 있다. 상기 확장성 연구는 상이한 구경을 갖는 상이한 렌즈와 같은 하드웨어 변화, 상이한 포토레지스트 또는 초점을 맞추기 위한 상이한 소프트웨어 등을 포함할 수 있다. 이미지 축소를 측정하고 특정 어레이의 최소 형상의 함수로서 길이 변화의 바이어스를 사용함으로써, 최소 형상의 바이어스는 계산될 수 있고 사용될 타겟 값에 비교될 수 있다. 유사하게, 하드웨어 또는 공정 편차의 이점은 정량화될 수 있다.
본 발명의 방법은 여러 가지 이점들을 제공한다. 첫째, 본 발명에 따라 측정된 라인 길이가 종래 기술에 따라 측정된 폭보다 공정(노광, 초점, 식각) 편차에 더욱 민감하기 때문에 리소그래피 및 식각 공정에서 더 양호한 센터링이 이루어질 수 있다. 둘째, 본 발명은 요소 길이와 테스트 패턴 어레이를 포함하는 요소들의 개수가 요소 폭에 의존하지 않고 상기 장치의 분해 능력내에 유지될 수 있기 때문에, 정밀도의 손실없이 낮은 측정장치 분해능력으로도 측정을 가능하게 한다. 실제로, 본 발명에 따라 측정될 수 있는 요소들의 최소 폭에 대한 측정 한계는 없다. 상기 요소 폭이 감소함에 따라 많은 패턴 요소들이 소정의 배율로 평균화되어 측정 정밀도가 개선된다. 셋째, 본 발명은 제품 웨이퍼들의 평범한 포토레지스트/식각 이미지 처리에 SEM 계측술 대신에 광학 계측술을 가능하게 한다. 광학 측정은 속도, 자동화 및 설비 가격의 측면에서 주요한 이점들을 제공한다. SEM 측정에 관련한 광학 측정의 속도와 자동화가 개선됨으로 해서 단위 웨이퍼당 더 많은 측정이 가능하게 되고, 이에 따라 이미징 공정에 대해 더 철저한 인라인(in-line) 분석이 가능하게 된다. 마지막으로, 기술의 본질적인 풍부함은 계측술 장치의 고장, 공정 및 테스트 패턴 결함으로 인한 불량 측정값들을 자동으로 가려낼 수 있게 한다.
본 발명의 다른 특징은 반도체 소자를 제조하는데 있어 바이어스(임계 치수) 또는 오버레이 에러(overlay error)를 결정하기 위해 인간 및 기계에 의한 판독이 가능한 버니어 마킹들을 사용하는 개선된 방법과 타겟을 제공하는 것이다. 한편, 개선된 반도체 소자의 제조에서 임계 치수와 오버레이의 측정은 자동 측정 시스템, 예를 들면, 광학 및 SEM 계측술 장치에 의해 점차 실시되고 있음에도 불구하고, 계측술 장치들의 조립 및 조정과 측정 결과들의 신속한 확인 과정에서 인간에 의한 판독이 가능한 버니어들의 역할은 여전히 중요하게 남아 있다. 더욱이, 본 발명의 이러한 특징에 따라 사용된 버니어들은 그 측정이 수동이건 자동이건 간에 측정 자체의 기준이 될 수 있다.
본 발명의 상기 특징은 여러 가지의 문제점들에 대한 해결책을 제공한다.
(1) 종래 기술의 버니어 설계는 "에지 오버레이"의 성분, 즉 소자 기능성의 주요 결정인자인 레벨 대 레벨 이미지 크기 바이어스 및 오버레이 에러 모두를 결정할 수 없다. 현재 기술로 연속적인 패턴 레벨의 에지들 부근을 측정하는 것은 어렵거나 불가능하다.
(2) 종래 기술의 임계 치수 버니어 설계는 최소 폭에서 형상 길이를 모니터하지 못한다. 형상의 길이는 공정 편차의 가장 민감한 척도이다.
(3) 종래 기술의 버니어 설계는 서브미크론 구조의 제품 기본 룰을 종종 위반한다.
본 발명의 버니어 마킹 구성은 상기 문제들에 대한 해결책을 제공한다. 본 발명의 버니어 마킹 구성의 기본적인 메커니즘은, 적어도 하나의 어레이들의 연속적인 라인들의 위치가 기판위의 포토레지스트막에 전사될 패턴을 형성하기 위해 사용되는 마스크의 최소 그리드(grid) 크기(S)의 배수 N으로 스태거드(staggered)될 때, 평행 라인들 또는 간격들(제품 기본 룰 폭과 피치에서)의 어레이들 사이에서 오버랩이 이동한다는 것이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 버니어(102)는 요소들(112)의 제 2 스태거드 어레이(110)위에 겹쳐지는 요소들(108),(109)의 제 1 직선 어레이들(104),(106) 한 쌍에 의해 형성된다. 요소들(108),(109)은 소정의 길이와 폭을 가지고, 평행하며 동일하게 이격되어 있다. 각 요소에 있어서, 요소들은 길이가 폭과 동일하거나 작도록 구성될 수 있지만, 요소 길이가 요소 폭보다 큰 것이 바람직하다. 요소들의 단부들은 직선들을 따라 바람직하게 정렬되고 각각 평행한 어레이 에지들(114),(116)을 형성하고 있다. 유사하게, 평행한 어레이 에지들(118),(120)은 직선들을 따라 정렬된, 평행하고 동일하게 이격된 요소들(112)의 대향하는 단부들에 의해 스태거드 어레이(110)상에 형성되어 있다. 버니어(102)의 어레이들내 요소들 각각은 마스크 또는 레티클에 의해 최초에 형성된 것과 동일한 길이와 동일한 폭을 가질 수 있다. 부가적으로, 어레이(104)의 요소들(108)은 어레이(106)의 요소들(109)과 정렬되어 있다. 어레이들을 구성하는 요소들은 원하는 소자 패턴(도 10에 도시됨)에 인접한 버니어 테스트 패턴 또는 타겟을 노광시키기 위해 웨이퍼 기판의 포토레지스트층에 투사되고 이어서 현상되며, 그 다음에 제조되는 소자 패턴을 따라 식각된다. 각 요소의 폭은 리소그래피 공정의 최소 임계 치수에 대응하도록 선택될 수도 있다. 예를 들면, 0.25μm(0.55μm 피치) 기본 룰 제품의 경우, 각 요소의 폭은 0.25μm이고, 각 요소의 길이는 2μm이며, 인접 요소들 사이의 간격은 0.3μm이다.
상기 예에서 스태거드 어레이(110)는 앞서의 레벨 A의 2개의 직선 어레이들(104),(106)의 위 및 사이에 위치한 레벨 B에 놓여지거나 그 반대로 놓여진다. 또한, 스태거드 어레이(110)와 직선 어레이(104),(106)는 상기 스태거드 어레이가 직선 어레이들 쌍의 노광필드와 반대되는 소자 패턴의 노광 필드 쪽에 있도록 마스크를 패터닝하고, 노광 필드가 기판의 하나의 레벨에 걸쳐 스테핑(stepping)됨에 따라 어레이들의 노광을 인터록킹함으로써 동일 레벨에 노광될 수 있다. 상기 스태거드 및 직선 어레이들은 버니어가 단일 노광에 의해 단일 레벨상에 형성되도록 마스크 패턴 자체에 인터록킹될 수도 있다. 하지만, 상기 마지막 예는 이후에 기술되는 바와 같이, 임계 치수 측정만을 제공하고 오버레이 측정은 제공하지 못한다. 스태거드 및 직선 어레이들이 동일 레벨에 형성되는 경우, 어레이들내 요소들 폭이 어레이들내 인접 요소들 사이의 간격보다 작고, 어레이들이 교차할 때 상이한 어레이들내 요소들 자체가 서로 접촉하지 않도록 스태거드 어레이내 요소들이 직선 어레이내 요소들 사이에서 등거리(equidistant)에 놓이거나 그 반대로 하는 것이 우수한 판독성을 위해 바람직하다. 스태거드 및 직선 어레이들이 상이한 레벨에 형성되는 경우 또는 노광 필드를 스테핑함으로써 어레이들이 동일 레벨에 인터록되는 경우, 이러한 요구는 필요하지 않다.
버니어(102)가 한 쌍의 직선 어레이들과 하나의 스태거드 어레이를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 본 발명의 넓은 의도에 따라 다른 변형도 가능하다. 필요한 것은 적어도 한 쌍의 제 1 어레이들로, 각각의 제 1 어레이내 요소들의 적어도 하나의 단부는 요소들의 길이에 대하여 소정의 제 1 각도 α로 직선을 형성한다. 도 14에 도시된 바와 같이, 제 1 각도는 90도이다. 요소들의 적어도 하나의 제 2 어레이는 요소들의 길이에 대하여 소정의 제 2 각도 β로 직선을 형성하는 요소들의 단부들을 가지며, 제 2 각도는 제 1 각도와 상이하다. 도 14에서는 설명의 편의상 어레이(112)가 기 주지된 스태거드 배치를 갖도록, 제 2 각도는 약 80도(또는 측정된 각도의 사이드에 따라 100도)이다. 각도들 α,β이 90도 이외의 각도로 되고 두 세트의 어레이들이 스태거되는 것이 가능하다. 높은 감도와 정확성을 위해서 각도들 α,β 사이의 차이는 실제로 작을수록 바람직하다.
어레이들의 오버랩은 어레이 에지들(114,118),(116,120)의 교차에 의해 형성된 두 개의 "칼표식(dagger)"을 정의한다. 각각 화살표(122),(124)로 표시된 칼표식 팁들(dagger tips)은 어레이들(104),(106),(110)을 노광 및 식각하는 동안 형성된 이미지 바이어스 및 오버레이 에러에 의존하면서 상호 관련하여 이동한다. 길이 마킹 또는 거리에 대한 다른 표시가 버니어 측정을 해석하기 위해 추가될 수 있다. 예를 들면, 도 14에서는 어레이 요소들을 형성한 마스크가 어레이(104)의 에지(114)와 어레이(106)의 에지(116) 사이의 거리와 동일한 어레이(110)의 요소(112) 길이를 가지면, 어레이 에지들(114),(116) 사이의 거리보다 작을 정도로 요소들(112)의 길이가 축소한다는 것은 어레이들(104),(106)과 어레이(110)가 증착된 일측 또는 양측 레벨(들)위의 패턴이 언더사이즈되었다는 것을 나타낸다. -1 지점에 화살표(124)로 표시된 칼표식 팁으로부터 기준점 0의 반대측상 +1 지점에 화살표(122)로 표시된 칼표식 팁으로 위치설정함으로써 사용자는 언더사이즈 바이어스의 정도를 계량화할 수 있다.
도 15는 어레이 요소들을 형성한 마스크가 어레이(104')의 에지(114')와 어레이(106')의 에지(116') 사이의 거리와 동일한 어레이(110')의 요소 길이를 갖고 있다고 가정할 때, 버니어(102')에 의해 측정된 대로 반대의 오버사이즈(oversize) 바이어스를 나타낸다. 어레이 에지들(114'),(116') 사이의 거리보다 클 정도로 어레이(110)의 요소들의 길이가 연장한다는 것은 어레이들(104'),(106')와 어레이(110')가 증착된 일측 또는 양측 레벨(들)위의 패턴이 오버사이즈화되었다는 것을 나타낸다. +2 지점에 화살표(124)로 표시된 칼표식 팁으로부터 기준점 0의 반대측상 -2 지점에 화살표(122)로 표시된 칼표식 팁을 위치설정함으로써 사용자는 오버사이즈 바이어스의 정도를 계량화할 수 있다.
도 16은 다수의 직선 어레이들(126)과 다수의 스태거드 어레이(128)의 사용 예를 나타내고 있다. 도시된 예에서, 마스크에 형성된 바와 같이, 어레이들의 모든 요소들은 동일한 길이와 동일한 간격을 가지나, 인접한 직선 또는 스태거드 어레이들의 에지들 사이의 거리는 요소들의 길이보다 크다. 직선 및 스태거드 어레이들은 버니어의 상부에서 서로 정렬되어 있고(즉, 에지들이 일치함), 일측 어레이위에 시프트되더라도 하부에서 다시 정렬될 때까지 하나가 아래로 이동함에 따라 서로 멀어진다.
스태거드 어레이들이 직선 어레이들의 대향하는 측부들 사이의 거리와 동일하거나(도 14와 도 15) 직선 어레이들의 대향하는 측부들 사이의 거리보다 큰(도 16) 공칭 요소 길이를 가지는 것으로 나타나 있지만, 마스크의 공칭 요소 길이는 직선 어레이들의 대향하는 측부들 사이의 거리보다 작을 수도 있다.
칼표식 팁들은 각 방향에 대해 두 개의 교차점(P1,P2)을 정의한다. 마스크 바이어스(상대적인 어레이 요소 길이들)는, 레벨들 사이의 상대 바이어스가 타겟에 있을 때, 상기 팁들이 서로 직접적으로 대향하도록 조절될 수 있다. 상대 패턴 크기가 감소함에 따라(네거티브 이미지 바이어스) 상기 칼표식들은 서로 멀어진다. 반대로, 상대 패턴 크기가 증가함에 따라 상기 칼표식들은 서로 가까워진다. 바이어스 B는 교차점의 이격 정도에 비례하고 수학식 7에 의해 주어진다.
B ＝ (P1- P2)×N×S/2
여기서, P1과 P2는 인쇄 패턴으로부터 판독 가능하고, S는 형성되는 리소그래피 패턴 설계의 최소 그리드 크기이고, N은 스텝 중에 이동한 최소 그리드 증분값에 해당하는 정수이다.
반면에, 오버레이 에러는 양측 칼표식들 사이의 거리를 변화시키지 않은 채, 공칭의 완전한 오버레이 위치(P1+ P2=0)에 대해 양측 칼표식들을 이동시킨다. 오버레이 에러는 하나 이상의 어레이들상의 고정점에 관련하는 교차점들의 위치의 합에 비례한다. 따라서, 오버레이 에러(Ｏ)는 수학식 8에 의해 주어진다.
Ｏ ＝ (P1+ P2)×N×S/2
도 17은 언더사이즈 및 오버레이 에러의 예를 나타내고 있고, 화살표들(122"),(124")로 표시된 칼표식 팁들은 각각 -2 지점과 -5 지점에 위치하고 있다. 이 패턴은 어레이들(104"),(106")에 대하여 어레이(110")의 오른쪽으로 이동한 것을 나타내는데, 이는 언더사이즈 에러와 더불어 오버레이 에러를 포함하고 있다.
수학식 7과 수학식 8의 결과는 2개 레벨상의 패턴 에지들의 상대 위치의 이동 또는 에지 오버레이(E)를 결정하기 위해 결합될 수 있다.
E +/- ＝ B +/- Ｏ
여기서, E ＝ 0 는 모든 에지들의 상대 위치가 설계된 바와 같은 상태에 해당한다.
예를 들면, 패턴들이 언더사이즈되고, 본 발명의 버니어상에서 P1＝ -4, P2＝ -1 이 되도록 하는 오버레이 에러가 있고, N×S ＝ 25nm로 되면, 바이어스와 오버레이는 다음과 같이 결정된다.
B ＝ (-4 - (-1))* 12.5 ＝ -37.5nm
Ｏ ＝ (-4 + (-1))* 12.5 ＝ -62.5nm
따라서, 상대 패턴 에지 지점의 최소 및 최대 이동은 다음과 같다.
Emin ＝ 25nm
Emax ＝ 100nm
상기 경우에서는 레벨 대 레벨 패턴들이 100nm(Emax)보다 작게끔 겹쳐지도록 설계되면, 바이어스 및 오버레이 에러들은 결합하여 소자 불량을 야기시킨다.
본 발명의 보다 단순한 실시예는 이미지 크기만을 모니터하기 위해 동일 레벨에 인터디지트된(interdigited) A 와 B 성분을 포함하는 단일 패턴을 사용한다. 이러한 경우, 오버레이 에러의 가능성이 없기(Ｏ = 0) 때문에 P1과 P2의 판독은 중복(동일하고 반대임)이 된다.
버니어의 타측 어레이의 에지에 대하여 상기 버니어의 일측 어레이의 에지의 바람직한 각도는 어레이를 구성하는 요소들의 패턴 피치와 최소 그리드 간격에 의해 결정된다. 패턴의 피치(PT)는 어레이의 요소 폭과 요소 간격의 합과 동일하다. 버니어의 타측 어레이의 에지에 대하여 일측 어레이의 에지의 바람직한 각도(θ)는 수학식 10에 의해 주어진다.
θ ＝ tan-1(N×S/M×PT)
여기서, 스태거드와 직선 어레이들이 상이한 레벨에 형성되거나, 노광 필드를 스테핑하여 어레이들이 동일 레벨에 인터록킹되는 상태에서는 M ＝ 1이고, 스태거드와 직선 어레이들이 스테핑없이 동일 레벨에 생성되는 상태에서는 M ＝ 2이다.
버니어를 구성하는 어레이들은 X 와 Y 오버레이 에러와 비점수차를 밝히기 위해 수평과 수직(X 와 Y 방향) 방위로 놓여질 수 있다. 이러한 경우, X 방향의 오버레이 에러를 결정하기 위해 요소들의 길이가 X축에 평행하도록 제 1 세트의 제 1, 제 2 어레이들이 놓여진다. 제 2 세트의 제 3, 제 4 어레이들이 구비되고, 제 3, 제 4 어레이들의 요소들의 길이가 Y축에 평행하다는 것을 제외하면 제 3 어레이는 제 1 어레이와 동일하고, 제 4 어레이는 제 2 어레이와 동일하다. 제 2 세트의 제 3, 제 4 어레이들은 Y 방향의 오버레이 에러를 동시에 결정한다.
모든 경우에서 본 발명의 버니어 마킹에 의해 측정되는 바이어스는 어레이 요소의 길이 바이어스이다. 상기한 바와 같이, 길이가 항상 폭보다 민감한 공정 편차의 척도이므로, 폭이 노광 장치의 분해 한계에 더욱 가까이 접근할수록 본 발명의 버니어의 상대 감도가 증가한다.
도 9의 블록도와 관련하여 기술된 이미지 축소 효과 마킹을 사용한 방법과 타겟에 관하여, 본 발명의 상기 특징에 따라 이루어지는 버니어 측정은 기판위에 소자 및 관련 버니어 패턴을 노광하고 현상한 직후(노광 공정으로 인한 바이어스 및 오버레이 에러를 결정하기 위해)와, 또한 기판에 소자 및 관련 버니어 패턴을 식각한 후(식각 공정으로 인한 바이어스 및 오버레이 에러를 결정하기 위해)에 실시된다.
도 18은 본 발명에 따른 작은 요소 폭과 간격을 갖는 일련의 버니어 마킹들을 나타내고 있다. 상기 요소 폭은 각 버니어의 좌측에 있고, 도 18(a)의 400nm에서 도 18(e)의 250nm까지의 범위를 갖는다. 각 경우에 있어서, 최소 마스크 그리드 크기(S)는 25nm이다. 줄어드는 요소 폭(최소 형상 임계 치수에 접근하는)의 다수의 버니어 테스트 패턴들 또는 타겟들은 라인 축소 효과들을 결정하도록 놓여질 수 있고, 이는 스태거드와 직선 어레이들 사이의 계산된 교차점들의 위치 변화에 의해 명백하게 된다.
도 19a, 19b 그리고 19c는 본 발명에 따라 구성된 버니어들의 어레이들 사이의 요소 크기와 간격의 편차를 나타낸다. 도 19a에서는 스태거드 어레이(128')의 요소(129') 길이가 인접 직선 어레이들(126')의 에지들 사이의 거리 또는 간격보다 크다. 도 19b에서는 스태거드 어레이(128")의 요소(129") 길이가 인접 직선 어레이들(126")의 에지들 사이의 거리 또는 간격보다 작다. 도 19c에서는 요소(129") 폭은 요소 길이와 동일하고 상기 요소 길이는 인접 직선 어레이들(126"')의 에지들 사이의 거리 또는 간격보다 작다. 어레이들 사이의 간격에 대하여 요소 크기의 편차들은 특정 공정과 측정되는 기판에 따라 요구되는 판독성에 의해 결정된다.
본 발명의 또 다른 특징에 있어서, 이전에 기술된 이미지 축소 효과 마킹과 버니어 마킹을 사용한 방법과 타겟은 바이어스, 오버레이 에러, 및 에지 오버레이 에러 측정을 개선하기 위해 결합될 수 있다.
도 20은 결합된 이미지 축소/버니어 마킹 타겟의 일 실시예를 나타내고 있다. 제 1 타겟부(130)는 X 방향의 측정(X축에 평행한 요소 길이)을 위해 놓여진 어레이들(132),(134),(136),(138)과 Y 방향의 측정(Y축에 평행한 요소 길이)을 위해 놓여진 어레이들(140),(142),(144),(146)로 이루어진다. 대향하는 어레이들은 타겟 중심점(131)으로부터 등거리에 있다. 어레이 쌍(132,134),(136,138)은 상호 이격되고 평행한 인접 어레이 에지들을 가지고 있고, 상기 어레이 쌍(마스크 또는 레티클 위의)의 대향하는 에지들 사이의 공칭 거리가 미리 정해진 선택된 값이 되는 별개의 이미지 축소 타겟들을 포함한다. 마찬가지로, 어레이 쌍(140,142),(144,146)은 상호 이격되고 평행한 인접 어레이 에지들을 가지며 또한 유사한 방식으로 배열된 별개의 이미지 축소 타겟들을 포함한다. 더욱이, 어레이 쌍(132,138),(140,146)은 두 세트의 스태거드 어레이들을 형성하기 위해 상기 어레이 요소 길이들에 비직각으로 동시에 놓여진 대향하는 어레이 에지들을 갖는다. 어레이들(132,138)이 대향하고 평행한, 각진 에지들(133,139)을 각각 가지는 한편, 어레이들(140,146)은 대향하고 평행한, 각진 에지들(141,147)을 각각 가지며, 이들은 아래에 기술될, 버니어 측정을 위한 다른 어레이 쌍의 해당하는 에지들과 교차한다.
제 2 타겟부(150)는 X축에 평행한 요소 길이들을 갖는 어레이들(152),(154), (156),(158)과 Y축에 평행한 요소 길이들을 갖는 어레이들(160),(162),(164),(166)로 구성되어 있다. 대향하는 어레이들은 타겟 중심점(151)으로부터 등거리에 있다. 어레이 쌍(152,154),(156,158),(160,162),(164,166)은 평행한 인접 에지들을 가지고 별개 세트들의 이미지 축소 타겟들을 형성한다. 직선 어레이들(154),(156), (162),(164)은 각 어레이내 요소들의 길이에 90도로 방향지어지고, 본 발명에 따라 버니어 측정을 위해 타겟부(130)의 스태거드 에지들(133),(139),(141),(147)과 교차하기 위해 위치하며, 적절한 크기로 된 에지들을 형성하는 각각의 에지들(155),(157),(163),(165)을 갖는다.
에지 오버레이를 결정하기 위해서는 도 21에 도시된 바와 같이, 상기 타겟부들(130),(150)의 중심들(131),(151)이 일치하고 각각의 요소 길이의 X와 Y 방향이 유지되도록, 타겟부(130)의 이미지는 기판의 한 레벨 위에서 노광되고 식각되며, 타겟부(150)의 이미지는 상기 기판의 타측 레벨에서 노광되고 식각된다. 이러한 오버랩을 형성하는데 있어서, 스태거드 어레이들(132),(138)의 외측 대향 에지들은 어레이들(154),(156)의 내측 대향 에지들과 각각 겹쳐지고 교차하며, 스태거드 어레이들(140),(146)의 외측 대향 에지들은 어레이들(162),(164)의 내측 대향 에지들과 각각 겹쳐지고 교차한다. 도 22에 상세히 도시된 바와 같이, 스태거드 어레이 에지(139)와 직선 어레이 에지(157)의 교차 위치 P1는 육안 관측에 의해 측정될 수 있다. 마찬가지로, 스태거드 어레이 에지(133)와 직선 어레이 에지(155)의 교차 위치 P2는 육안 관측될 수 있다. P1과 P2의 값들을 이용하면, X 방향에 대한 바이어스 B와 오버레이 에러 Ｏ는 전술한 바와 같이 계산될 수 있다. 마찬가지로, Y 방향에 대한 바이어스 B와 오버레이 에러 Ｏ는 어레이 에지들(141,163), (147,165)의 교차점의 측정에 의해 계산될 수 있다. 또한 도 22에 도시된 바와 같이, 양측 레벨에 대한 어떠한 이미지 축소 효과라도 어레이들(136),(138)의 인접 에지들 사이의 거리 "a"와 어레이들(156),(158)의 인접 에지들 사이의 거리 "b"를 측정하고, 상기 측정값들을 마스크 또는 레티클에 형성된 공칭값들과 비교함으로써 결정될 수 있다.
따라서, 본 발명은 리소그래피 공정을 사용하여 기판에 패턴을 형성할 때 오버레이의 정확성을 결정하기 위해 사용할 수 있는 인간이 판독 가능한 버니어와 이미지 축소 표시들을 제공하는데 있어 상기 전술한 목적들을 달성한다. 더욱이, 여기에 기술된 방법과 타겟은 높은 측정 정밀도를 가지고 임계 치수, 바이어스 그리고 오버레이 에러의 결정을 위한 0.5μm 이하 제품 기본 룰에 사용될 수 있다. 원하는 소자 패턴의 노광과 현상 그리고 웨이퍼 기판내로의 상기 패턴의 후속 식각을 확인하는 측정이 공정중에 실시될 수 있다.
도 20-22에 도시된 타겟은 또한 종래의 박스-인-박스(box-in-box)형 타겟의 직접적인 대체물로서 사용될 수 있다. 종래 기술의 타겟 구성에서, 박스(코너들이 없는)의 측부를 형성하는 4개의 고르고 연결되지 않은 바들(solid unconnected bars)의 제 1 타겟이 기판의 한 레벨상에 소정의 리소그래피 공정에 의해 생성된다. 후속 레벨에서, 4개의 고르고 연결되지 않은 바들의 유사하지만 더 큰(또는 더 작은) 타겟 박스가 형성된다. 제 1 타겟 박스의 중심은 대향하는 바들 사이의 (X 와 Y 방향에서의) 중심점들을 측정함으로써 결정된다. 제 2 타겟 박스의 중심도 유사한 방식으로 결정되며, 중심들의 위치는 리소그래피 공정에서 오버레이 에러가 제 1 기판층과 제 2 기판층 사이에 있는지 여부를 결정하기 위해 비교된다. 하지만, 공정 때문에 종래 기술의 바들과 같은 큰 고른 형상은 왜곡될 수 있고, 이는 박스 중심을 측정하는 것에 영향을 준다.
본 발명에 따라, 도 20과 도 21의 어레이들(134),(136),(142),(144)로 구성되는 제 1 타겟 박스는 상기 기술한 바와 같은 기판의 제 1 층에 형성될 수 있다. 어레이들(152),(158),(160),(166)로 구성되는 제 2 타겟 박스는 상기 기술한 바와 같은 제 2 층에 형성될 수 있다. 각 타겟 박스의 대향하는 어레이들의 에지들을 사용함으로써, 각 타겟 박스의 중심이 결정될 수 있고 오버레이 에러를 결정하기 위해 비교될 수 있다. 각 어레이를 구성하는 요소들에 대한 라인 축소 효과들은 각 층 또는 레벨에 대해 유사하기 때문에(요소 폭이 임계 형상 치수이거나 근접하는 경우), 각 박스에 대한 중심은 일관성이 있으며 X 와 Y 방향 모두에 대해 정확하게 비교될 수 있다. 종래 기술의 고른 박스들에 영향을 미칠 수 있는 왜곡들은 개별 요소들의 어레이들로 이루어진 타겟 박스들을 측정하는데에는 영향을 주지 않는다.
버니어 마킹들 위의 오버랩을 직접 측정하는 것에 덧붙여, 본 발명의 또다른 특징인 측정가능한 모아레 프린지 패턴(moire fringe pattern)을 형성하는데에 이미지 축소 효과가 버니어 마킹과 함께 사용될 수 있다. 임계 치수의 요소 폭을 갖는 버니어 마킹들에 의해 형성된 기판 표면의 어레이들의 폭은 광량, 초점 조건 및 사용된 검사 시스템의 특성에 의해 결정된다. 모아레 프린지형 패턴은 전술한 바와 같이, 소정의 길이와 폭을 갖는 개별 요소들로 이루어지는 다수의 제 1 및 제 2 어레이들로 구성된 중첩 버니어 마킹들을 검사함으로써 형성될 수 있다. 제 1 및 제 2 어레이들은 상이한 각을 갖는다. 즉 모든 제 1 어레이들은 상기 어레이들을 구성하는 평행한 요소들에 대해 소정의 각을 가지며, 제 2 어레이들은 상기 어레이들을 구성하는 평행한 요소들에 대해 소정의 다른 각을 가진다. 리소그래피 공정에 의해 생성되는 기판의 최소 임계 치수들 또는 기본 룰에 대응하는 요소들을 사용함으로써, 이미지 축소 효과는 각 어레이의 폭(즉, 각 요소의 길이)이 상기 공정중 바이어스(노광, 식각 또는 모두)에 의해 결정되게 한다. 어레이 에지들은 볼 수 있으나 각 요소들은 분해할 수 없는 정도의 비교적 낮은 배율로 버니어 마킹들을 검사함으로써, 상기 어레이들의 오버랩에 해당하는 모아레 프린지 패턴이 나타나게 된다. 오버랩의 정도와 모아레 프린지 패턴에 형성된 최종의 프린지(F)는 상기 공정에서 바이어스의 정도를 결정하고 측정한다.
도 23 내지 도 25는 상이한 모아레 프린지 패턴들을 나타내고 있다. 도 23에서는 수직에 대해 +1°의 제 1 각도로 방향지어진 제 1 일련의 어레이들(180)은 수직에 대해 -1°의 제 2 각도로 방향지어진 제 2 일련의 어레이들(182)에 겹쳐져 있다. 도시된 바와 같은 어레이들(180),(182)의 개별 어레이들이 분해되지 않는 한, 상기 어레이들의 에지들은 여전히 볼 수 있고, 상기 개별 요소들의 길이들의 단부들을 나타낸다. 오버랩 또는 최종의 프린지 길이(F1)가 나타나 있다. 도 24에서 겹쳐진 어레이들(180),(182)은 더 큰 어레이 폭(보다 긴 요소 길이)을 갖고 있다. 더 큰 요소 길이와 어레이 폭 때문에, 도 24의 프린지(F2)는 더 길게 된다. 마지막으로, 도 25는 가장 큰 어레이 폭 및 요소 길이를 갖는 어레이들(180),(182)과 가장 짧은 프린지 치수(F3)를 나타내고 있다. 상기 어레이들을 형성하는 개별 요소들의 라인 축소 효과로 인하여 바이어스 차이는 어레이 폭과 프린지 길이를 개별 어레이 요소들의 노광 및 식각 정도에 따라 변화하게 한다. 그러므로, 바이어스는 본 발명에 따라 기판의 한 레벨에 형성된 일련의 디포커스(defocus) 버니어 마킹들 각각의 프린지 치수(F)를 앞서 결정한 공칭 프린지 치수와 비교함으로써 결정될 수 있다. 바이어스의 정도는 상기 프린지 치수(F)의 길이에 비례한다. 도 23-25에서, 유효 노광 부족은 도 23 에서 도 24로, 그리고 도 24 에서 도 25로 가면서 감소한다.
오버레이 에러 또한 결정될 수 있다. 상이하고 겹쳐진 어레이들(180),(182)이 상이한 레벨들에 형성되면, 오버레이 에러는 상기 패턴의 단부들에 대해 프린지의 중심 이동을 일으킨다. 따라서, 오버레이 에러는 하나 이상의 어레이들의 고정점에 대한 프린지 치수(F)의 중심 위치에 비례한다.
검사자가 바이어스 및 오버레이 에러를 결정하는 프린지 치수에 도달하도록 상기한 바와 같이 어레이들에 버니어 마킹들을 사용하는 것은 노광 효과의 감도와 관측성을 증폭시킨다. 증폭 인자(A)는 수학식 11에 의해 결정된다.
A ＝ PT/(N×S)
예를 들면, 버니어 어레이의 요소들의 피치가 500nm이고, 최소 그리드 크기가 25nm이고, N ＝ 1이면, 증폭 인자(A)는 다음과 같이 결정된다.
A ＝ 500/25 ＝ 20
따라서, 버니어 어레이들을 구성하는 요소들의 길이가 25nm 만큼 감소할 때 어레이들 사이의 오버랩의 크로스오버(crossover) 지점은 500nm만큼 이동하게 된다. 0.3μm 폭(임계 형상 크기)과 1.5μm 길이의 요소들로 구성된, 도 23 내지 도 25에 도시된 바와 같은 어레이들은 각각의 어레이 요소들을 분해하지 않고 상기 어레이 에지들을 명확하게 볼 수 있게 하기 위해 청색 조명하에서 30X 배율로 검사될 수 있다. 바이어스와 오버레이 에러에 대한 프린지 치수들은 인간이 판독 가능하거나 기계가 판독 가능하다.
한편, 본 발명을 바람직한 실시예와 함께 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음은 자명하다.

Claims (33)

  1. 리소그래피 공정에 의해 형성된 기판내의 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟에 있어서,
    (1) 각각의 제 1 어레이가 소정의 길이와 폭을 가지고 이격되며 실질적으로 평행한 다수의 요소들을 포함하는 기판상의 요소들의 한 쌍의 제 1 어레이들과;
    (2) 소정의 길이와 폭을 가지고 이격되며 실질적으로 평행한 다수의 요소들을 포함하는 기판상의 적어도 하나의 요소들의 제 2 어레이를 포함하고,
    각각의 제 1 어레이내 각 요소의 단부들은 각 요소의 상기 길이에 제 1 각도로 서로 평행한 직선들을 따라 정렬되어 어레이 에지를 형성하고, 상기 제 1 어레이들은 서로 이격되고 실질적으로 평행한 어레이 에지들을 가지며,
    각각의 제 2 어레이내 각 요소의 단부들은 각 요소의 상기 길이에 제 2 각도로 서로 평행한 직선들을 따라 정렬되어 적어도 두 개의 어레이 에지들을 형성하며,
    상기 제 1 및 제 2 어레이들은
    (ⅰ) 상기 제 1, 제 2 어레이들의 상기 요소들이 실질적으로 평행하고,
    (ⅱ) 상기 제 2 어레이의 에지들의 일측은 상기 제 1 어레이들의 일측의
    에지들의 일측과 교차하고,
    (ⅲ) 상기 제 2 어레이의 에지들의 타측은 상기 제 1 어레이들의 타측의
    에지들의 일측과 교차하도록
    서로 겹쳐져 있고,
    상기 바이어스 또는 오버레이 에러는 상기 제 2 어레이의 에지들과 상기 제 1 어레이들의 에지들과의 교차점들을 설정하고 상기 교차점들의 이격 정도를 측정함으로써 결정할 수 있는 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 요소들 각각의 폭이 상기 리소그래피 공정의 최소 임계 치수에 해당하는 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 어레이들내 상기 요소들의 폭과 간격은 동일한 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 이격된 제 1 어레이들 각각의 요소들은 서로 실질적으로 정렬된 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 각도는 90도이고 상기 제 2 각도는 90도보다 크거나 작은 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 각도는 90도이고 상기 제 1 각도는 90도보다 크거나 작은 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 바이어스는 상기 어레이들의 일측상의 고정점에 관련한 상기 교차점들의 위치들 사이의 차이에 비례하는 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  8. 제 1 항에 있어서, X 방향의 상기 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위해 상기 어레이들의 요소들의 길이가 X 축에 평행한 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  9. 제 8 항에 있어서,
    (1) 각각의 제 3 어레이가 소정의 길이와 폭을 가지고 이격되며 실질적으로 평행한 다수의 요소들을 포함하는 기판상의 요소들의 한 쌍의 제 3 어레이들과;
    (2) 소정의 길이와 폭을 가지고 이격되며 실질적으로 평행한 다수의 요소들을 포함하는 기판상의 적어도 하나의 요소들의 제 4 어레이를 더 포함하고,
    각각의 제 3 어레이내 각 요소의 단부들은 각 요소의 상기 길이에 제 3 각도로 서로 평행한 직선들을 따라 정렬되어 어레이 에지를 형성하고, 상기 제 3 어레이들은 서로 이격되고 실질적으로 평행한 어레이 에지들을 가지며,
    각각의 제 4 어레이내 각 요소의 단부들은 각 요소의 상기 길이에 제 4 각도로 서로 평행한 직선들을 따라 정렬되어 적어도 두 개의 어레이 에지들을 형성하고, 상기 어레이들의 요소들의 상기 길이는 Y 축을 따라 정렬되며,
    상기 제 3 및 제 4 어레이들은
    (ⅰ) 상기 제 3, 제 4 어레이들의 상기 요소들이 실질적으로 평행하고,
    (ⅱ) 상기 제 4 어레이의 에지들의 일측은 상기 제 3 어레이들의 일측의
    에지들의 일측과 교차하고,
    (ⅲ) 상기 제 4 어레이의 에지들의 타측은 상기 제 1 어레이들의 타측의
    에지들의 일측과 교차하도록
    서로 겹쳐져 있고,
    상기 바이어스 또는 오버레이 에러는 상기 제 2 어레이의 에지들과 상기 제 1 어레이들의 에지들과의 교차점들을 설정하고 상기 교차점들의 이격 정도를 측정함으로써 Y 방향에서 결정할 수 있는 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 요소들 각각의 폭은 각 요소들의 길이보다 작은 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 어레이들은 상기 기판의 동일 레벨에 위치하는 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 어레이들은 상기 기판의 상이한 레벨에 위치하는 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 및 제 4 각도는 90도이고 상기 제 1 및 제 3 각도가 90도보다 크거나 작은 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 바이어스는 상기 어레이들의 일측상의 고정점에 관련한 상기 교차점들의 위치들 사이의 차이에 비례하는 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 오버레이 에러는 상기 어레이들의 일측상의 고정점에 관련한 상기 교차점들의 위치들 합에 비례하는 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  16. 리소그래피 공정에 의해 형성된 기판내의 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟에 있어서,
    (1) 각각의 제 1 어레이가 소정의 길이와 폭을 가지고 이격되며 실질적으로 평행한 다수의 요소들을 포함하는 기판상의 요소들의 한 쌍의 제 1 버니어 어레이들과;
    (2) 소정의 길이와 폭을 가지고 이격되며 실질적으로 평행한 다수의 요소들을 포함하는 상기 기판상의 적어도 하나의 요소들의 제 2 버니어 어레이들과;
    (3) 소정의 길이와 폭을 가지며 인접한 그들 사이의 폭과 간격이 상기 리소그래피 공정에서 형성된 최소 형상에 해당하며 이격되고 실질적으로 평행한 다수의 요소들을 포함하고, 대응하는 요소 폭과 요소 간격을 갖는 상기 제 1 또는 제 2 버니어 어레이들의 에지로부터 이격된 어레이 에지를 형성하는 상기 요소들의 단부들을 구비하는, 상기 기판상의 적어도 하나의 이미지 축소 어레이를 포함하며,
    각각의 제 1 어레이내 각 요소의 단부들은 각 요소의 상기 길이에 제 1 각도로 서로 평행한 직선들을 따라 정렬되어 어레이 에지를 형성하고, 상기 제 1 어레이들은 서로 이격되고 실질적으로 평행한 어레이 에지들을 가지며,
    각각의 제 2 어레이내 각 요소의 단부들은 각 요소의 상기 길이에 제 2 각도로 서로 평행한 직선들을 따라 정렬되어 적어도 두 개의 어레이 에지들을 형성하며,
    상기 제 1 및 제 2 버니어 어레이들중의 적어도 하나는 상기 리소그래피 공정에서 형성된 최소 형상에 해당하는, 인접 요소들 사이의 요소 간격과 폭을 가지며,
    상기 제 1 및 제 2 버니어 어레이들은
    (ⅰ) 상기 제 1, 제 2 어레이들의 상기 요소들이 실질적으로 평행하고,
    (ⅱ) 상기 제 2 어레이의 에지들의 일측은 상기 제 1 어레이들의 일측의 에지들의 일측과 교차하고,
    (ⅲ) 상기 제 2 어레이의 에지들의 타측은 상기 제 1 어레이들의 타측의
    에지들의 일측과 교차하도록
    서로 겹쳐져 있고,
    상기 바이어스 또는 오버레이 에러는
    (ⅰ) 상기 제 2 버니어 어레이의 에지들과 상기 제 1 버니어 어레이들의
    에지들과의 교차점들을 설정하고 상기 교차점들의 이격 정도를
    측정하며,
    (ⅱ) 상기 이미지 축소 어레이의 인접 에지들과 대응하는 요소 폭과
    요소 간격을 갖는 상기 제 1 또는 제 2 버니어 어레이들의 상기
    일측 사이의 간격을 측정함으로써
    결정할 수 있는 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 요소들 각각의 폭이 상기 리소그래피 공정의 최소 임계 치수에 해당하는 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 어레이들의 상기 요소들의 폭과 간격이 동일한 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 이격된 제 1 버니어 어레이들 각각과 상기 이미지 축소 어레이의 요소들이 서로 정렬되는 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  20. 제 16 항에 있어서, 상기 제 1 각도는 90도이고 상기 제 2 각도는 90도보다 크거나 작은 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  21. 제 16 항에 있어서, 상기 제 2 각도는 90도이고 상기 제 1 각도는 90도보다 크거나 작은 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  22. 제 16 항에 있어서, 상기 바이어스는 상기 어레이들의 일측상의 고정점에 관련한 상기 교차점들의 위치들 사이의 차이에 비례하는 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  23. 제 16 항에 있어서, 상기 오버레이 에러는 상기 어레이들의 일측상의 고정점에 관련한 상기 교차점들의 위치들의 합에 비례하는 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  24. 제 16 항에 있어서, X 방향의 상기 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위해 상기 어레이들의 요소들의 길이가 X 축에 평행하게 정렬되는 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  25. 제 24 항에 있어서, Y 방향의 상기 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위해 길이가 Y 축에 평행한 요소들을 갖는 부가적인 버니어와 이미지 축소 어레이들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  26. 제 16 항에 있어서, 상기 요소들 각각의 폭은 각 요소의 길이보다 작은 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  27. 제 16 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 버니어 어레이들은 상기 기판의 동일 레벨에 위치하는 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  28. 제 16 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 버니어 어레이들은 상기 기판의 상이한 레벨에 위치하는 것을 특징으로 하는 바이어스 또는 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  29. 리소그래피 공정에 의해 형성된 기판내의 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟에 있어서,
    소정의 길이와 폭을 가지며 인접한 그들 사이의 폭과 간격이 상기 리소그래피 공정에서 형성된 최소 형상에 해당하며 이격되고 실질적으로 평행한 다수의 요소들을 포함하고, 어레이 에지를 형성하는 상기 요소들의 단부들을 구비하는, 상기 기판상의 제 1 및 제 2 세트의 이미지 축소 어레이들을 포함하며,
    상기 제 1 세트의 이미지 축소 어레이들은 상기 기판의 한 레벨에 위치하고, 평행한 어레이 에지들을 가지며 X 방향으로 서로 이격된 상기 어레이들의 제 1 쌍과, 평행한 어레이 에지들을 가지며 Y 방향으로 서로 이격된 상기 어레이들의 제 2 쌍을 포함하며,
    상기 제 2 세트의 이미지 축소 어레이들은 상기 기판의 다른 레벨에 위치하고, 평행한 어레이 에지들을 가지며 상기 제 1 쌍의 어레이들의 X 방향 간격과는 다르게 X 방향으로 서로 이격된 상기 어레이들의 제 3 쌍과, 평행한 어레이 에지들을 가지며 상기 제 2 쌍의 어레이들의 Y 방향의 간격과는 다르게 Y 방향으로 서로 이격된 상기 어레이들의 제 4 쌍을 포함하며,
    상기 제 1 및 제 2 세트의 어레이들은 상기 제 1 및 제 3 쌍의 어레이들 각각이 X 방향으로 이격되고 상기 제 2 및 제 4 쌍의 어레이들 각각이 Y 방향으로 이격되도록 겹쳐지고, 이로 인해 오버레이 에러는 각 쌍의 어레이들의 에지들을 사용하여 각 세트의 이미지 축소 어레이들의 중심을 결정하고 상기 제 1 및 제 2 세트의 이미지 축소 어레이들의 중심들 사이의 어떠한 차이라도 측정함으로써 결정할 수 있는 것을 특징으로 하는 리소그래피 공정에 의해 형성된 기판내의 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 요소들 각각의 폭이 상기 리소그래피 공정의 최소 임계 치수에 해당하는 것을 특징으로 하는 리소그래피 공정에 의해 형성된 기판내의 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  31. 제 29 항에 있어서, 상기 어레이들의 상기 요소들의 폭과 간격이 동일한 것을 특징으로 하는 리소그래피 공정에 의해 형성된 기판내의 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  32. 제 29 항에 있어서, 상기 이미지 축소 어레이들 각각의 요소들이 서로 정렬되는 것을 특징으로 하는 리소그래피 공정에 의해 형성된 기판내의 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
  33. 제 29 항에 있어서, 상기 요소들 각각의 폭이 각 요소들의 길이보다 작은 것을 특징으로 하는 리소그래피 공정에 의해 형성된 기판내의 오버레이 에러를 결정하기 위한 타겟.
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