KR100394585B1

KR100394585B1 - 패턴들간의 정렬 상태 측정 방법 및 오버레이 측정 프로세스

Info

Publication number: KR100394585B1
Application number: KR10-2000-0032583A
Authority: KR
Inventors: 굴드크리스; 뮬러케이폴; 자이프래카시브이씨; 반덴버그로버트
Original assignee: 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션; 인피니언 테크놀로지스 노쓰 아메리카 코포레이션
Priority date: 1999-06-17
Filing date: 2000-06-14
Publication date: 2003-08-14
Also published as: KR20010007356A; EP1061417A2; EP1061417A3; TW468232B; JP3444490B2; JP2001033213A; US6463184B1

Abstract

반도체 웨이퍼(33)상의 상이한 층들의 정렬 상태를 측정하기 위한 프로세스는 웨이퍼(33)상의 상이한 층들상에 사실상 동일한 주기를 갖는 반복적인 정렬 마크(14, 24)를 형성하는 것을 포함한다. 오버레이 정렬 마크(14, 24) 이미지는 푸리에 변환에 의해 공간 영역으로부터 주파수 영역으로 변환된다. 정렬 상태 측정은 상이한 층들상의 반복적 패턴(14, 24)에 대응하는 이미지들간의 위상차를 계산함으로써 수행된다.

Description

패턴들간의 정렬 상태 측정 방법 및 오버레이 측정 프로세스{METHOD AND APPARATUS FOR OVERLAY MEASUREMENT}

본 발명은 전반적으로 광학 측정에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 패턴 오버레이 측정(pattern overlay measurements)에 관한 것이다.

최신 기술의 반도체 장치 및 집적 회로는 1마이크로미터 미만의 치수를 갖는 다층 구조물을 포함한다. 제조된 반도체 장치 및 회로들의 적절한 성능을 위해 상이한 층들을 정확히 정렬하는 것이 필수적이다. 정확한 정렬을 검증하기 위해 통상 오버레이 측정이 수행된다. 정렬의 정확성 결여는 전형적으로 사양(specification)의 오버레이 측정을 초래하며 재작업을 야기한다.

오버레이 측정은 반도체 웨이퍼상의 구조물의 상이한 층들상의 오버레이 마크들의 상대적 위치를 광학적으로 측정한다. 보다 구체적으로, 직사각형의 오버레이 마크가 구조물의 각 층상에 형성된다. 두 개의 연속하는 층들상의 두 개의 직사각형 오버레이 마크가 서로에 대해 센터링될 때, 두 개의 층들은 서로에게 정확히 정렬된다. 이들 직사각형 오버레이 마크는 또한 박스-인-박스(box-in-box) 패턴으로도 칭해진다. 폭, 길이, 패턴 밀도 등의 측면에서 박스-인-박스 오버레이 패턴은 웨이퍼상의 장치 관련 어레이 패턴과는 매우 다르다. 더욱이, 예컨대, 리소그래피, 에칭, 스트립(strip), 필(fill) 등과 같은 제조 프로세스는 장치 관련 어레이 패턴의 최상의 성능을 위해 최적화된다. 이들은 흔히 오버레이 마크 무결성을 감소시키기도 한다. 이들 프로세스는 오버레이 측정 기능에 악영향을 준다. 또한, 1마이크로미터 미만의 치수를 갖는 박스-인-박스 패턴의 에지 위치를 광학적으로 측정하는 것은 어렵다.

따라서, 미크론 이하의 범위에서 구현하기 용이한 오버레이 측정 방법 및 장치를 제공하는 것이 유리하다. 오버레이 측정 기능이 반도체 장치 제조 프로세스에 의해 악영향을 받지 않는 것이 바람직하다. 간단하고 비용 효율적인 장치를 제공하는 것이 또한 유리하다.

도 1은 본 발명에 따른 오버레이 정렬 마크를 개략적으로 도시한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 다른 오버레이 정렬 마크를 개략적으로 도시한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 오버레이 측정 장치의 블록도,

도 4는 본 발명에 따른 다른 오버레이 측정 장치의 블럭도.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

12, 22 : 정렬 마크 어레이 14, 24 : 정렬 마크 패턴

17, 27 : 피치 19, 29 : 심도

30, 60 : 오버레이 측정 장치 32 : 웨이퍼 플랫폼

33 : 웨이퍼 36 : 비디오 카메라

41, 71 : 측정 회로 42, 72 : 이미지 프로세서

43 : 디지타이저 45 : 고속 푸리에 변환기

48 : 위상 비교기 62 : 마스크 스테이지

63 : 마스크 64 : 광원

65 : 광학 렌즈 66, 68 : 광 빔

67 : 광 편향기 74 : 감산기

전반적으로, 본 발명은 오버레이 측정 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 반복적인 패턴이 서로에 대해 정렬되도록 상이한 레벨 또는 층들상에 형성된다. 이들 패턴은 오버레이 정렬 마크로서 기능한다. 바람직하게는, 상이한 레벨상의 반복적인 오버레이 마크는 서로에 대해 사실상 동일한 주기를 갖는다. 또한, 이들은 바람직하게는 제품 패턴의 주기와 사실상 동일하다. 이미지 프로세서는 반복적인 오버레이 마크의 이미지를 위상 이미지(phase images)로 변환한다. 오버레이 측정은 상이한 레벨상의 반복적인 오버레이 마크들간의 위상차를 분석함으로써 수행된다.

이제부터 본 발명이 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명된다. 이들 도면은 반드시 실제 축적대로 도시되어 있는 것은 아니며, 유사한 기능을 갖는 구성요소들에는 동일한 참조 부호를 이용하여 도시하였다.

이하 본 명세서에서 본 발명의 바람직한 실시예들은 예로서 반도체 웨이퍼상에 형성된 구조물들의 오버레이 측정을 이용하여 설명된다. 본 발명의 응용은 반도체 장치 제조 프로세스에만 제한되지 않음을 이해해야 한다. 본 발명은 다층 구조 패턴의 정렬 측정에서도 적용가능하다.

도 1에는 본 발명에 따른 오버레이 정렬 마크(12)를 나타내는 개략도가 도시되어 있다. 예로서, 마크(12)는 반도체 웨이퍼(도시되지 않음)상에 형성된다. 마크(12)는 반복적인 패턴(14)의 어레이이다. 패턴(14)의 어레이(12)는 행으로 배열된다. 각각의 행내에서 두 개의 인접하는 패턴(14)간의 거리는 어레이(12)의 피치(pitch)(17)로서 칭해진다. 패턴(14)의 두 인접하는 행간의 거리는 어레이(12)의 심도(depth)(19)로서 칭해진다. 어레이(12)의 피치(17)와 심도(19)는 어레이(12)의 주기를 특성화한다. 패턴(14)의 어레이(12)는 더욱 큰 반복적 패턴 어레이의 일부일 수 있다.

도 2에는 본 발명에 따른 다른 오버레이 정렬 마크(22)를 나타내는 개략도가 도시되어 있다. 예로서, 마크(22)는 도 1에 도시된 마크(12)와 마찬가지로 반도체 웨이퍼(도시되지 않음)상에 형성되거나 마스크(도시되지 않음)상에 형성된다. 마크(12)와 마찬가지로, 마크(22)는 반복적인 패턴(24)의 어레이이다. 패턴(24)의어레이(22)는 행으로 배열된다. 각각의 행내에서, 두 개의 인접하는 패턴(24)간의 거리는 어레이(22)의 피치(27)로서 칭해진다. 패턴(24)의 두 인접하는 행들간의 거리는 어레이(22)의 심도(29)로서 칭해진다. 어레이(22)의 피치(27)와 심도(29)는 어레이(22)의 주기를 특성화한다. 패턴(24)의 어레이(22)는 더욱 큰 반복적 패턴 어레이의 일부일 수 있다.

바람직하게, 어레이(12, 22)의 주기는 사실상 서로 동일하다. 즉, 어레이(12)의 피치(17)와 어레이(22)의 피치(27)는 바람직하게 사실상 서로 동일하며, 어레이(12)의 심도(19)와 어레치(22)의 심도(29)는 바람직하게 사실상 서로 동일하다. 제조 프로세스의 최적화 동안 이들 어레이(12, 22)의 무결성을 유지하기 위해, 어레이(12, 22)의 주기는 바람직하게 사실상 반도체 웨이퍼상의 장치 관련 어레이 패턴의 주기와 동일하다. 피치(17, 27)와 심도(19, 29)는 전형적으로 수십 마이크로미터 정도로부터 수백 마이크로미터 정도에 이르는 범위이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 두 인접하는 행에서 패턴(14)의 위치는 서로 변위된다. 이 변위는 패턴(14)의 행에 대해 사실상 평행한 방향이며, 피치(17)의 1/2과 대략 동일한 크기를 갖는다. 마찬가지로, 도 2에서도 패턴(24)의 행에 사실상 평행한 방향으로 두 개의 인접하는 행내의 패턴(24)의 위치가 변위되어 있다. 이들 패턴 배열은 본 발명을 제한하는 것으로서 해석되지 않아야 함을 알 것이다. 본 발명에 따르면, 패턴(14)의 어레이(12)와 패턴(24)의 어레이(22)는 임의의 반복적인 배열을 가질 수 있다. 예컨대, 어레이(12)내의 두 개의 인접하는 행간의 패턴(14) 위치에 있어서의 변위는 임의의 값, 예컨대, 피치(17)의 1/4 피치(17)의 1/3, 피치(17)의 3/5 등을 가질 수 있다. 또한, 어레이(12)내의 상이한 행들내의 패턴(14)은 서로 정렬될 수 있다. 마찬가지로, 어레이(22)내의 상이한 행들내의 패턴(24)도 서로로부터 임의의 값만큼 변위되거나 서로에 대해 정렬될 수 있다.

바람직하게는, 어레이(12, 22)는 반도체 웨이퍼의 활성 칩 영역(도시되지 않음) 외측에 형성된다. 어레이(12, 22)는 반도체 웨이퍼상의 상이한 레벨 또는 상이한 층들상에 형성된다. 예컨대, 패터(14)의 어레이(12)는 깊은 트렌치 레벨내에 형성될 수 있고, 패턴(24)의 어레이(22)는 깊은 트렌치 레벨 위의 활성 영역 레벨에 형성될 수 있다. 두 레벨 간의 수직 거리는 1마이크로미터 미만으로부터 대략 10마이크로미터에 이르는 범위일 수 있다. 일실시예에서, 어레이(12, 22)는 반도체 웨이퍼의 주 표면에 대해 사실상 수직 방향으로 관측되었을 때 어레이(12, 22)가 서로에 대해 인접하게 나란하도록 형성된다. 다른 실시예에서, 어레이(22)는 반도체 웨이퍼의 주 표면에 대해 사실상 평행한 방향으로부터 관측되었을 때 패턴(24)의 어레이(22)가 패턴(14)의 어레이(12)상에 중첩되도록 어레이(12)의 상부에 형성된다.

도 3에는 본 발명에 따른 오버레이 측정 장치(30)를 개략적으로 예시하는 블록도가 도시되어 있다. 장치(30)는 웨이퍼 플랫폼(32), 비디오 카메라(36) 및 측정 회로(41)를 포함한다. 오버레이 측정 프로세스 중에 반도체 웨이퍼(33)는 웨이퍼 플랫폼(32)상에 배치된다. 바람직하게는, 플랫폼(32)은, 예컨대, 측정 프로세스 동안 반도체 웨이퍼(33)를 지지하기 위한 진공 시스템(도시되지 않음)과 같은 쳐크 시스템(chuck system)을 갖는다. 반도체 웨이퍼(33)는 적어도 두 개의 정렬 패턴 어레이, 예컨대, 도 1에 도시된 패턴(14)의 어레이(12) 및 도 2에 도시된 패턴(24)의 어레이(22)를 가지며, 이들은 상이한 레벨들 또는 층들에 형성된다. 카메라(36)는 오버레이 정렬 패턴 어레이, 예컨대, 웨이퍼(33)상의 패턴(14)의 어레이(12) 및 패턴(24)의 어레이(22)의 사진을 찍는다. 측정 회로(41)는 어레이 패턴의 사진을 처리하여 비교함으로써 오버레이 측정을 수행한다.

측정 회로(41)는 이미지 프로세서(42) 및 위상 비교기(48)를 포함한다. 이미지 프로세서(42)는 카메라(36)의 어레이 패턴 사진을 위상 이미지로 변환한다. 위상 비교기(48)는 이미지 프로세서(42)에 결합된다. 동작시에, 위상 비교기(48)는 반도체 웨이퍼(33)상의 상이한 레벨들에서의 어레이 패턴들의 위상 이미지들간의 위상차를 계산함으로써 오버레이 측정을 수행한다.

보다 구체적으로, 이미지 프로세서(42)는 디지타이저(43) 및 신호 프로세서(45)를 포함한다. 디지타이저(43)는 카메라(36)에 접속된 입력단과 출력단을 갖는다. 디지타이저(43)는 카메라(36)의 사진을 디지털화하여 자신의 출력단으로 디지털화된 이미지 신호를 발생한다. 예로서, 신호 프로세서(45)는 고속 푸리에 변환 회로로서, 때로는 고속 푸리에 변환기 또는 간단히 푸리에 변환기로도 칭해진다. 푸리에 변환기(45)는 디지타이저(43)의 출력단에 접속된 입력단과 위상 비교기(48)에 접속된 출력단을 갖는다. 오버레이 측정 프로세스 동안, 푸리에 변환기(45)는 디지타이저(43) 출력단의 디지털화된 이미지 신호에 대한 고속 푸리에 변환을 수행하여 각각의 디지털화된 이미지로부터 기하 스펙트럼(geometric spectrum) 또는 스펙트럼 이미지를 발생한다. 기하 스펙트럼은 위상 비교기(48)로 전송된다.

이상 언급된 실시예들중 하나의 실시예에서, 웨이퍼(33)는 그에 대해 사실상 수직한 방향으로부터 관측되었을 때 서로에게 인접하여 형성되는 반복적 패턴(14)의 어레이(12)(도 1에 도시됨) 및 반복적 패턴(24)의 어레이(22)(도 2에 도시됨)를 갖는다. 카메라(36)는 두 개의 사진을 찍는다. 제 1 사진은 패턴(14)의 어레이(12)의 이미지를 포함한다. 제 2 사진은 패턴(24)의 어레이(22)의 이미지를 포함한다. 디지타이저(43)는 제 1 사진을 디지털화하여 제 1 디지털화된 이미지를 발생한다. 푸리에 변환기(45)는 이러한 제 1 디지털화된 이미지에 대한 푸리에 변환을 수행하여 제 1 기하 스펙트럼 또는 제 1 위상 이미지를 발생한다. 즉, 푸리에 변환기(45)는 패턴(14)의 어레이(12)의 이미지를 공간 영역으로부터 주파수 영역으로 변환한다. 디지타이저(43)는 또한 제 2 사진을 디지털화하여 제 2 디지털화된 이미지를 발생한다. 푸리에 변환기(45)는 이러한 제 2 디지털화된 이미지를 제 2 기하 스펙트럼 또는 제 2 위상 이미지로 변환한다. 위상 비교기(48)는 제 1 기하 스펙트럼과 제 2 기하 스펙트럼간의 위상차를 계산함으로써 패턴(14)의 어레이(12)와 패턴(24)의 어레이(22)를 포함하는 웨이퍼(33)상의 두 레벨들간의 정렬 상태를 측정한다. 대안적으로, 카메라(36)는 웨이퍼(33)에 대해 하나의 사진을 찍는다. 사진의 제 1 부분은 패턴(14)의 어레이(12)의 이미지를 포함하고, 사진의 제 2 부분은 패턴(24)의 어레이(22)의 이미지를 포함한다. 디지타이저(43)는 사진의 제 1 및 제 2 부분으로부터 제각기 제 1 디지털화된 이미지 및 제 2 디지털화된 이미지를 발생한다. 신호 프로세서(45)는 제 1 및 제 2 디지털화된 이미지를 제각기 제 1 및 제 2 기하 스펙트럼으로 변환한다. 위상 비교기(48)는 이들 두 기하 스펙트럼간의 위상차를 계산함으로써 정렬 상태 측정을 수행한다.

이상 언급된 실시예들중 다른 하나의 실시예에서, 웨이퍼(33)는 반복적 패턴(24)의 어레이(22)(도 2에 도시됨) 아래에 형성된 반복적 패턴(14)의 어레이(12)(도 1에 도시됨)를 갖는다. 반복적 패턴(24)의 어레이(22)는 웨이퍼(33)에 대해 사실상 수직 방향으로부터 관측되었을 때의 반복적 패턴(14)의 어레이(12)상에 중첩된다. 카메라(36)는 두 개의 사진을 찍는다. 제 1 사진은 카메라(36)가, 예컨대, 패턴(14)의 어레이(12)를 포함하고 있는 깊은 트렌치 레벨상에 포커싱되고 있는 동안에 찍히며, 제 2 사진은 카메라(36)가, 예컨대, 패턴(24)의 어레이(22)를 포함하고 있는 활성 영역 레벨상에 포커싱되고 있는 동안 찍힌다. 이러한 실시예에서, 카메라(36)는 바람직하게는 선명한 포커스(sharp focus) 또는 얕은 심도의 시계(shallow depth of view)를 갖는다. 결과적으로, 제 1 사진이 찍힐 때 패턴(24)의 어레이(22)를 포함하는 레벨은 초점 밖에 놓이며, 제 2 사진이 찍힐 때 패턴(14)의 어레이(12)를 포함하는 레벨은 초점 밖에 놓인다. 디지타이저(43)는 제 1 및 제 2 사진을 디지털화하여 제각기 제 1 및 제 2 디지털화된 이미지를 발생한다. 푸리에 변환기(45)는 제 1 및 제 2 디지털화된 이미지를 제 1 및 제 2 기하 스펙트럼으로 변환한다. 위상 비교기(48)는 제 1 및 제 2 기하 스펙트럼간의 위상차를 계산함으로써 패턴(14)의 어레이(12) 및 패턴(24)의 어레이(22)를 포함하는 웨이퍼(33)상의 두 레벨들간의 오버레이 정렬 상태를 측정한다.

본 장치(30) 및 오버레이 측정 프로세스는 본 명세서에서 도 3을 참조하여 이상 설명된 것들에 제한되지 않음을 이해해야 한다. 본 발명의 대안적인 장치 실시예에서, 장치(30)의 이미지 프로세서(42)는 디지타이저(43)와 위상 비교기(48) 사이에 병렬 결합된 두 개의 신호 프로세서를 포함한다. 각각의 신호 프로세서는 신호 프로세서(45)와 기능적으로 유사하다. 오버레이 측정 프로세스 동안, 하나의 신호 프로세서는 제 1 디지털화된 이미지를 제 1 위상 이미지로 변환하고, 다른 하나의 신호 프로세서는 제 2 디지털화된 이미지를 제 2 위상 이미지로 변환한다. 본 발명의 대안적인 프로세스 실시예에서, 측정 프로세스는 웨이퍼(33)상의 두 개를 초과하는 레벨들간의 오버레이 정렬 상태를 측정한다. 이러한 실시예에서, 디지타이저(43)는 두 개를 초과하는 디지털화된 이미지를 발생하는데, 하나의 디지털화된 이미지는 웨이퍼(33)상의 하나에 레벨에 대응한다. 신호 프로세서(45)는 각각의 디지털화된 이미지로부터 위상 이미지를 발생한다. 위상 비교기(48)는 웨이퍼(33)상의 상이한 레벨들에 대응하는 위상 이미지들간의 위상차를 계산함으로써 상이한 레벨들간의 오버레이 정렬 상태를 측정한다.

도 4에는 본 발명에 따른 오버레이 측정 장치(60)를 개략적으로 예시하는 블록도가 도시되어 있다. 도 3을 참조하여 앞서 설명된 장치(30)와 마찬가지로, 장치(60)는 웨이퍼 플랫폼(32), 비디오 카메라(36) 및 측정 회로(71)를 포함한다. 또한, 장치(60)는 마스크 스테이지(62), 광원(64), 광학 렌즈(65) 및 광 편향기(67)를 포함한다. 장치(60)는 레티클 또는 마스크, 예컨대, 마스크 스테이지(62)상에 배치된 마스크(63)와 웨이퍼, 예컨대, 웨이퍼 플랫폼(32)상에 배치된 반도체 웨이퍼(33)간의 오버레이 정렬 상태를 측정하는데 사용된다. 웨이퍼(33)는 그 위에 패턴을 갖는다. 예로서, 웨이퍼(33)상의 패턴은 도 1에 도시된 반복적 패턴(14)의 어레이(12)를 포함한다. 마스크(63)는 포토리소그래피 프로세스에서 반도체 웨이퍼(33)상의 다음 레벨상에 형성되어야 할 패턴을 갖는다. 예로서, 마스크(63)상의 패턴은 도 2에 도시된 반복적 패턴(24)의 어레이(22)를 포함한다.

광원(64)은 오버레이 측정 프로세스 동안 플랫폼(32)상에 배치된 웨이퍼(33)를 조사하도록 간헐적으로 스위칭 온(on)된다. 광학 렌즈(65)는 수렴 렌즈(converging lens)로서 웨이퍼(33)가 광원(64)에 의해 조사될 때 마스크(63)상에 웨이퍼(33)의 이미지를 형성한다. 바람직하게는, 렌즈(65)의 광학 특성은 포토리소그래피 프로세스 동안 마스크(63)상의 패턴을 웨이퍼(33)상으로 인쇄하는데 이용되는 렌즈의 특성과 사실상 동일하다. 예로서, 인쇄용 렌즈는 포토리소그래피 프로세스 동안 4:1 축소된 마스크(63) 이미지를 웨이퍼(33)상에 투사하며, 렌즈(65)는 웨이퍼(33)가 오버레이 측정 프로세스 동안 조사될 때 1:4 확대된 웨이퍼(33) 이미지를 마스크(63)상에 투사한다. 광 편향기(67)는 도 4에 광 빔(66, 68)로 도시된 바와 같이 마스크(63)로부터의 광을 카메라(36)로 편향시킨다. 광 편향기(67)는 빔 스플리터, 프리즘, 미러 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 광 편향기(67)는 본 장치(60)에서 선택사양적임을 이해해야 한다.

측정 회로(71)는 이미지 프로세서(72) 및 위상 비교기(48)를 포함한다. 이미지 프로세서(72)는 카메라(36)의 어레이 패턴 이미지를 위상 이미지로 변환한다. 위상 비교기(48)는 이미지 프로세서(72)에 결합되어, 위상 이미지들간의 위상차를계산함으로써, 오버레이 측정을 수행한다. 도 3에 도시된 이미지 프로세서(42)와 마찬가지로, 이미지 프로세서(72)는 디지타이저(43)와, 예컨대, 고속 푸리에 변환기(45)와 같은 신호 프로세서를 포함한다. 또한, 이미지 프로세서(72)는 디지타이저(43)와 고속 푸리에 변환기(45) 사이에 결합된 디지털 감산 회로 또는 감산기(74)를 포함한다. 디지타이저(43)의 입력단은 비디오 카메라(36)에 접속된다. 감산기(74)는 디지타이저(43)의 출력단에 접속된 입력단과 고속 푸리에 변환기(45)의 입력단에 접속된 출력단을 갖는다. 고속 푸리에 변환기(45)의 출력단은 위상 비교기(48)에 접속된다.

오버레이 측정 프로세스는 카메라(36)를 이용해서 마스크(63)에 대해 두 개의 사진을 찍는 것을 포함한다. 제 1 사진은 웨이퍼(33)가 조사되지 않도록 광원(64)을 오프시킴으로써 찍힌다. 제 1 사진은 마스크(63)상의 반복적 패턴(24)의 어레이(22)의 이미지를 포함한다. 제 2 사진은 웨이퍼(33)가 조사되도록 광원(64)을 스위치 온시킴으로써 찍힌다. 제 2 사진은 반복적 패턴(24)의 어레이(22)상에 중첩된 반복적 패턴(14)의 어레이(12)의 이미지를 포함한다. 디지타이저(43)는 제 1 사진을 디지털화하여 마스크(63)상의 반복적 패턴(24)의 데이터를 포함하는 제 1 디지털화된 이미지를 발생한다. 디지타이저(43)는 또한 제 2 사진을 디지털화하여 합성 디지털화된 이미지를 발생한다. 합성 디지털화된 이미지는 마스크(63)상의 반복적 패턴(24)상에 중첩된 웨이퍼(33)상의 반복적 패턴(14)의 데이터를 포함한다.

제 1 디지털화된 이미지 및 합성 디지털화된 이미지는 신호 프로세서(72)의감산기(74)로 전송된다. 감산기(74)는 합성 디지털화된 이미지로부터 제 1 디지털화된 이미지를 감산함으로써 제 2 디지털화된 이미지를 발생한다. 따라서, 제 2 디지털화된 이미지는 웨이퍼(33)상의 반복적 패턴(14)의 데이터를 포함한다. 푸리에 변환기(45)는 제 1 디지털화된 이미지에 대해 고속 푸리에 변환을 수행하여 제 1 기하 스펙트럼을 발생한다. 마찬가지로, 푸리에 변환기(45)는 제 2 디지털화된 이미지를 제 2 기하 스펙트럼으로 변환한다. 위상 비교기(48)는 제 1 기하 스펙트럼과 제 2 기하 스펙트럼간의 위상차를 계산함으로써, 마스크(63)상의 반복적 패턴(24)의 어레이(22)와 웨이퍼(33)상의 반복적 패턴(14)의 어레이(12)간의 정렬 상태를 측정한다.

지금까지, 본 발명에 따른 오버레이 측정을 위한 방법 및 장치가 제공되었음을 알 수 있다. 본 발명에 따르면, 반복적 오버레이 정렬 마크는 서로 정렬되도록 상이한 레벨 또는 층상에 형성된다. 이미지 프로세서는 반복적 오버레이 마크의 이미지를 위상 이미지로 변환한다. 상이한 층들상의 반복적 오버레이 마크들간의 위상차를 계산하여 상이한 레벨들간의 오버레이 정렬 상태를 측정한다. 본 발명을 반도체 제조 프로세스들에서 오버레이 측정 프로세스에 적용할 경우, 반복적 오버레이 마크의 주기는 반도체 웨이퍼상의 장치 관련 패턴의 주기에 따라 결정되는 것이 바람직하다. 이것은, 오버레이 마크와 장치 관련 패턴이 모두 반복적 어레이 패턴이기 때문인데, 예컨대, 리소그래피, 에칭, 스트립, 디포지션, 필 등과 같은 장치 제조 프로세스의 최적화에 의해 오버레이 마크의 무결성이 악영향을 받지 않는다. 오버레이 마크는 장치 관련 어레이 패턴과 동일한 프로세스에서 형성될 수 있으며, 따라서, 장치 관련 어레이 패턴과, 예컨대, 폭, 길이, 심도에 있어 사실상 동일한 특성을 가질 수 있다. 그러므로, 장치 제조 프로세스와 장치 규모의 축소에 의해 본 발명의 오버레이 측정이 악영향을 받지 않는다. 본 발명의 오버레이 측정을 위한 위상 분석은 간단하고 정확하다. 또한, 나노미터 범위의 치수를 갖는 미세 패턴에 대해서도 용이하게 수행될 수 있다. 본 발명의 오버레이 측정을 수행하기 위한 장치는 간단하며, 통상의 오버레이 측정 장치에 적절한 신호 처리 회로 및 소프트웨어 프로그램을 부가함으로써 구성될 수 있다. 그러므로, 간단하고 비용 효율적이다.

Claims

제 1 패턴과 제 2 패턴간의 정렬 상태(an alignment)를 측정하는 방법에 있어서,

제 1 표면 상에 상기 제 1 패턴을 형성하고 제 2 표면 상에 상기 제 2 패턴을 형성하는 단계와,

상기 제 2 패턴의 적어도 한 부분의 제 1 사진을 형성하는 단계와,

상기 제 1 패턴의 이미지를 상기 제 2 표면에 투사하는 단계와,

상기 제 2 패턴의 적어도 한 부분 및 그 위에 투사된 제 1 패턴의 상기 이미지의 적어도 한 부분으로 이루어지는 복합 사진을 형성하는 단계와,

제 1 디지털화된 이미지를 생성하기 위하여 상기 제 1 사진을 디지털화하고 복합 디지털화된 이미지를 생성하기 위하여 상기 복합 사진을 디지털화하는 단계와,

제 2 디지털화된 이미지 -상기 제 2 디지털화된 이미지는 상기 제 1 패턴의 적어도 한 부분을 포함함- 를 발생하도록 상기 복합 디지털화된 이미지로부터 상기 제 1 디지털화된 이미지를 감산하는 단계와,

상기 제 1 디지털화된 이미지와 상기 제 2 디지털화된 이미지를 비교하여 상기 제 1 패턴 및 상기 제 2 패턴간의 상기 정렬 상태를 계산하는 단계

를 포함하는 정렬 상태 측정 방법.
제 1 항에 있어서,

서로 실질적으로 같은 주기를 가지는 반복 패턴으로 상기 제 1 패턴 및 상기 제 2 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는

정렬 상태 측정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 디지털화된 이미지와 상기 제 2 디지털화된 이미지를 비교하는 단계는

㉮ 제각기 제 1 스펙트럼과 제 2 스펙트럼을 발생하도록 상기 제 1 디지털화된 이미지와 상기 제 2 디지털화된 이미지를 푸리에 변환하는 단계와,

㉯ 상기 제 1 스펙트럼과 상기 제 2 스펙트럼간의 위상차를 계산하는 단계를 더 포함하는

정렬 상태 측정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 웨이퍼상의 제 1 표면에 상기 제 1 패턴을 형성하고 웨이퍼상의 제 2 표면에 상기 제 2 패턴을 형성하는 단계

를 더 포함하는 정렬 상태 측정 방법.
제 4 항에 있어서,

상기 제 1 패턴과 상기 제 2 패턴을 형성하는 단계는

상기 웨이퍼상의 비활성 칩 영역에 상기 제 1 패턴 부분을 형성하는 단계와,

상기 제 1 패턴 부분에 인접하여 상기 웨이퍼상의 상기 비활성 칩 영역에 상기 제 2 패턴 부분을 형성하는 단계를 포함하는

정렬 상태 측정 방법.
제 5 항에 있어서,

제 1 디지털화된 이미지와 상기 제 2 디지털화된 이미지를 발생하는 단계는

㉮ 상기 제 1 패턴 부분 및 상기 제 2 패턴 부분의 이미지를 카메라에 형성하는 단계와,

㉯ 제각기 상기 제 1 디지털화된 이미지와 상기 제 2 디지털화된 이미지를 발생하도록 상기 제 1 패턴 부분에 대응하는 이미지의 제 1 부분과 상기 제 2 패턴 부분에 대응하는 이미지의 제 2 부분을 디지털화하는 단계를 포함하는

정렬 상태 측정 방법.
제 4 항에 있어서,

상기 제 1 패턴과 상기 제 2 패턴을 형성하는 단계는

상기 웨이퍼상의 비활성 칩 영역 내에 제 1 패턴 부분을 형성하는 단계와,

상기 웨이퍼의 비활성 영역 내의 그리고 상기 제 1 패턴 부분상에 중첩된 상기 제 2 패턴 부분을 형성하는 단계를 포함하는

정렬 상태 측정 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 제 1 디지털화된 이미지와 상기 제 2 디지털화된 이미지를 발생하는 단계는

㉮ 상기 제 1 패턴 부분의 제 1 이미지를 형성하도록 제 1 표면상에 카메라를 포커싱하는 단계와,

㉯ 상기 제 2 패턴 부분의 제 2 이미지를 형성하도록 제 2 표면상에 상기 카메라를 포커싱하는 단계를 포함하는

정렬 상태 측정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 표면은 웨이퍼이고 상기 제 2 표면은 마스크인

정렬 상태 측정 방법.
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오버레이 측정 프로세스에 있어서,

제 1 레벨상에 제 1 어레이 패턴을 형성하는 단계와,

제 2 레벨상에 제 2 어레이 패턴을 형성하는 단계와,

상기 제 2 어레이 패턴의 적어도 한 부분의 제 1 사진을 형성하는 단계와,

상기 제 2 레벨상에 제 1 패턴의 이미지를 투사하는 단계와,

상기 제 2 어레이 패턴의 적어도 한 부분의 제 2 사진 및 그 위에 투사된 상기 제 1 어레이 패턴의 적어도 한 부분을 형성하는 단계와,

제 1 디지털화된 이미지를 생성하기 위하여 상기 제 1 사진을 디지털화하는 단계와,

제 2 디지털화된 이미지를 생성하기 위하여 상기 제 1 사진을 디지털화하는 단계와,

상기 제 1 디지털화된 이미지를 상기 제 2 디지털화된 이미지로부터 감산하여 제 3 디지털화된 이미지를 생성하는 단계와,

제 1 기하 스펙트럼을 생성하기 위하여 상기 제 3 디지털화된 이미지를 처리하는(manipulate) 단계와,

제 2 기하 스펙트럼을 생성하기 위하여 상기 제 1 디지털화된 이미지를 처리하는(manipulate) 단계와,

상기 제 1 기하 스펙트럼과 상기 제 2 기하 스펙트럼간의 위상차를 계산하는 단계

를 포함하는 오버레이 측정 프로세스.
제 11 항에 있어서,

제 1 어레이 패턴을 형성하는 상기 단계와 제 2 어레이 패턴을 형성하는 상기 단계는 웨이퍼상의 활성 칩 영역 외측에 서로에 인접하여 상기 제 1 어레이 패턴 부분 및 상기 제 2 어레이 패턴 부분을 갖는 상기 제 1 어레이 패턴 및 상기 제 2 어레이 패턴을 웨이퍼상에 형성하는 것을 포함하는 오버레이 측정 프로세스.
제 12 항에 있어서,

상기 제 1 기하 스펙트럼을 형성하는 단계 및 상기 제 2 기하 스펙트럼을 형성하는 단계는

㉮ 상기 제 1 어레이 패턴 부분의 이미지와 상기 제 2 어레이 패턴 부분의 이미지를 카메라에 형성하는 단계와,

㉯ 상기 제 1 기하 스펙트럼을 발생하도록, 상기 제 1 어레이 패턴 부분에 대응하는 상기 이미지의 제 1 부분을 푸리에 변환하는 단계와,

㉰ 상기 제 2 기하 스펙트럼을 발생하도록, 상기 제 2 어레이 패턴 부분에 대응하는 상기 이미지의 제 2 부분을 푸리에 변환하는 단계를 포함하는

오버레이 측정 프로세스.
제 11 항에 있어서,

상기 제 1 어레이 패턴을 형성하는 단계 및 상기 제 2 어레이 패턴을 형성하는 단계는

㉮ 웨이퍼상에 상기 제 1 어레이 패턴을 형성하는 단계와,

㉯ 상기 제 1 어레이 패턴 부분상에 상기 제 2 어레이 패턴이 중첩되도록 상기 웨이퍼상에 상기 제 1 어레이 패턴의 상부에 상기 제 2 어레이 패턴을 형성하는 단계를 포함하는

오버레이 측정 프로세스.
제 14 항에 있어서,

상기 제 1 기하 스펙트럼을 발생하는 단계 및 상기 제 2 기하 스펙트럼을 발생하는 단계는

㉮ 상기 제 1 어레이 패턴 부분의 제 1 이미지를 형성하도록 상기 제 1 레벨상에 카메라를 포커싱하는 단계와,

㉯ 상기 제 2 어레이 패턴 부분의 제 2 이미지를 형성하도록 상기 제 2 레벨상에 상기 카메라를 포커싱하는 단계와,

㉰ 상기 제 1 기하 스펙트럼을 발생하도록 상기 제 1 이미지를 푸리에 변환하는 단계와,

㉱ 상기 제 2 기하 스펙트럼을 발생하도록 상기 제 2 이미지를 푸리에 변환하는 단계를 포함하는

오버레이 측정 프로세스.
제 11 항에 있어서,

제 1 어레이 패턴을 형성하는 단계는 웨이퍼상에 상기 제 1 어레이 패턴을 형성하는 것을 포함하고,

제 2 어레이 패턴을 형성하는 단계는 마스크상에 상기 제 2 어레이 패턴을 형성하는 것을 포함하는

오버레이 측정 프로세스.
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