KR100612410B1 - 오버레이 키, 이를 이용한 오버레이 측정방법 및 측정장치 - Google Patents

오버레이 키, 이를 이용한 오버레이 측정방법 및 측정장치 Download PDF

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Abstract

반도체 소자의 오버레이 키와 이를 이용한 오버레이 측정방법 및 측정장치가 제공된다. 본 발명의 오버레이 키는, x축 방향으로 평행한 복수의 바(bar) 패턴과 y축 방향으로 평행한 복수의 바 패턴들의 조합으로 이루어지는데, 이전 레이어에 형성된 제 1 오버레이 키와 현 레이어에 형성되는 제 2 오버레이 키가 소정의 규칙을 가지고 서로 구분된 평면 영역에 형성된다. 따라서, 오버레이 측정을 위한 오버레이 키의 이미지 정보를 획득하기 이전에 수행되는 오버레이 키에 대한 포커싱 작업이 이전 레이어에 형성된 제 1 오버레이 키에 대해서만 수행될 수 있다.
오버레이 키(overlay key), 레이저 빔, 정렬도

Description

오버레이 키, 이를 이용한 오버레이 측정방법 및 측정장치{Overlay key, method and apparatus for measuring overlay accuracy using the same}
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 오버레이 키를 이용하여 오버레이를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 오버레이 키의 형상을 나타낸 평면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 오버레이 측정장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 오버레이 측정방법을 순서대로 도시한 순서도.
도 5는 도 3에 도시된 장치에 따른 레이저 빔의 경로에 따른 단면도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 오버레이 측정예를 설명하기 위한 도면.
<도면의 주요 참조 부호에 대한 설명>
700..레이저빔 발생기 710..콜리메이터
720..빔 스플리터 730..원주렌즈
740..미러 750..대물렌즈
760A.시그날 감지기 760B.. CCD카메라
770..기판
본 발명은 반도체 소자의 오버레이 키(overlay key), 이를 이용한 오버레이 측정방법 및 측정장치에 관한 것으로서, 보다 상게하게는 반도체 소자를 제조함에 있어서, 이전 레이어와 현 레이어간의 층간정렬도(overlay)를 측정하기 위한 오버레이 키, 오버레이 측정장치 및 오버레이 측정방법에 관한 것이다.
반도체 소자가 고집적화됨에 따라 형성되는 소자들은 박막 증착공정 및 박막 패턴공정을 여러번 반복 수행하여 제조된다. 이러한 적층 구조의 반도체 소자를 제조하는데 있어서, 전(前) 공정에서 형성된 이전 레이어와 현(現) 공정에서 형성된 현 레이어간의 정렬이 매우 중요한 요소이다. 따라서, 두 레이어 간의 정렬상태를 측정하여 보정하기 위한 오버레이 키가 사용되고, 반도체 공정 중 측정된 오버레이 값은 스텝퍼(stepper), 스캐너(scanner)와 같은 노광장비에 피드백되어 이전 레이어와 현 레이어간의 정렬도를 향상시키는 데에 사용된다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 오버레이 키를 도시한 것으로 도 1a는 오버레이 키의 평면구조를 도시한 것이고, 도 1b는 도 1a의 B-B'선에 따른 오버레이 키의 단면 구조를 도시한 것이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 오버레이 키는 제 1 오버레이 키(10)와 제 2 오버레이 키(11)로 이루어져, 제 1 오버레이 키(10)와 제 2 오버레이 키(11)간의 거리를 측정함으로써 전 공정에서 기판 상에 이미 형성된 박막과 현 공정에서 형성될 박막간의 정렬도를 파악하게 된다.
상기와 같은 구조를 갖는 오버레이 키의 층간정렬도를 측정하기 위해서는, 오버레이 측정장치를 이용하여 오버레이 키에 광(13)을 조사하여 x축 방향 및 y축 방향에 해당되는 스캔영역 1(12)과 스캔영역 2(12')를 스캐닝 한다. 그러면 기판(16)상에 형성된 오버레이 키, 즉 제 1 오버레이 키(10)와 제 2 오버레이 키(11)의 에지에서는 빛이 산란되어 각 산란된 광(15, 14)은 오버레이 측정장비 내의 광센서로 입사되지 않게 된다. 따라서, 광센서에서 검출되는 신호는 도 1c와 같은 파형이 얻어진다. 그러므로 도 1c와 같은 서로 이웃하는 제 1 오버레이 키(10)와 제 2 오버레이 키(11)의 검출신호의 거리 d21과 d22를 측정하여 제 1 오버레이 키(10)가 형성된 레이어와 제 2 오버레이 키(11)가 형성된 레이어 간의 층간정렬도 즉, 이전 공정에서 형성된 박막과 현 공정에서 형성될 박막의 오버레이 정도를 파악한다.
그러나, 상기와 같은 종래의 오버레이 측정방법은 오버레이 측정장비 내 광학현미경을 통해 오버레이 키의 오버레이 정도를 측정하는데, 제 2 오버레이 키는 통상 포토레지스트로 만들어지기 때문에 높은 콘트라스트를 가져 계측 신뢰도가 높 은 반면에 제 1 오버레이 키는 제 1 오버레이 키 형성후 여러 단계의 후속공정이 진행되므로 콘트라스트가 낮을 뿐만 아니라 오버레이 키가 손상될 경우, 에지 검출이 어려워 정확한 오버레이 측정이 이루어지지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 과제들을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 정확한 층간정렬도 측정이 가능한 오버레이 키와, 이를 위한 오버레이 측정장치 및 오버레이 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 이전 레이어에 형성된 제 1 오버레이 키와 현 레이어에 형성된 제 2 오버레이 키가 소정의 규칙을 가지고 평면상에서 서로 구분된 영역에 배열되도록 함으로써, 이전 레이어에 형성된 제 1 오버레이 키에 대해서만 포커싱(focusing) 작업이 가능하도록 한다.
즉, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 오버레이 키는, 웨이퍼 상의 소정 부위에 형성되는 오버레이 키에 있어서, 소정의 간격으로 이격된 적어도 2 이상의 바(bar)가 x축 방향으로 평행하게 배열된 제 1 패턴과, 제 1 패턴에 대하여 x축 방향으로 인접하여 위치하고, 소정의 간격으로 이격된 적어도 2 이상의 바가 y축 방향으로 평행하게 배열된 제 2 패턴과, 제 2 패턴에 대하여 y축 방향으로 인접하여 위치하고, 소정의 간격으로 이격된 적어도 2 이상의 바가 x축 방향으로 평행하게 배열된 제 3패턴 및 제 3패턴에 대하여 x축 방향으로, 제 1 패턴에 대하여 y축 방향으로 인접하여 위치하고, 소정의 간격으로 이격된 적어도 2 이상의 바가 y축 방 향으로 평행하게 배열된 제 4패턴으로 이루어진 제 1 단위 패턴과, 제 1 단위 패턴과 동일한 패턴을 가지며 제 1 단위 패턴을 기준점을 중심으로 180° 회전시킨 위치에 형성된 제 2 단위 패턴을 포함하는 제 1 오버레이 키; 및 제 1 오버레이 키와 동일한 패턴을 가지고, 제 1 오버레이 키와 다른 레이어에 형성되며, 제 1 오버레이 키를 기준점을 중심으로 90° 회전시킨 위치에 형성된 제 2 오버레이 키;를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 오버레이 키는, 웨이퍼 상의 소정 부위에 형성되는 오버레이 키에 있어서, 소정의 간격으로 이격된 적어도 2 이상의 바(bar)가 y축 방향으로 평행하게 배열된 제 1 패턴과, 제 1 패턴과 동일한 패턴을 가지며, 제 1 패턴을 기준점에 대하여 각각 90°, 180° 및 270° 회전시킨 위치에 형성된 제 2 패턴, 제 3패턴 및 제 4패턴으로 이루어진 제 1 오버레이 키; 및 제 1 패턴과 동일한 패턴을 가지며, 제 1 패턴과 y축 방향으로 인접해 있는 제 5패턴과, 제 5패턴과 동일한 패턴을 가지며, 제 5패턴을 기준점에 대하여 각각 90°, 180° 및 270° 회전시킨 위치에 형성된 제 6패턴, 제 7패턴 및 제 8패턴으로 이루어지며, 제 1 오버레이 키와 다른 레이어에 형성되는 제 2 오버레이 키;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 오버레이 키는, 웨이퍼 상의 소정 부위에 형성되는 오버레이 키에 있어서, 소정의 간격으로 이격된 적어도 2 이상의 바(bar)가 x축 방향으로 평행하게 배열된 제 1 패턴과, 제 1 패턴에 대하여 x축 방향으로 인접하여 위치하고, 소정의 간격으로 이격된 적어도 2 이상의 바가 y축 방향으로 평행하게 배열된 제 2 패턴으로 이루어진 제 1 단위 패턴과, 제 1 단위 패턴과 동 일한 패턴을 가지며 제 1 단위 패턴을 기준점을 중심으로 180° 회전시킨 위치에 형성된 제 2 단위 패턴을 포함하는 제 1 오버레이 키; 및 제 1 오버레이 키와 동일한 패턴을 가지고, 제 1 오버레이 키와 다른 레이어에 형성되며, 제 1 오버레이 키를 기준점을 중심으로 90° 회전시킨 위치에 형성된 제 2 오버레이 키;를 포함한다.
한편, 본 발명에 따른 오버레이 측정방법은, 광원으로부터 발생된 빔을 빔의 진행방향에 수직한 단면의 형상이 타원형이 되도록 가공한 후, 단면 형상이 타원형인 빔을 이전 레이어에 형성된 제 1 오버레이 키와 현재 레이어에 형성된 제 2 오버레이 키로 이루어진 오버레이 키가 형성된 기판에 조사하되, 제 1 오버레이 키에 포커싱하여 초점을 맞추고, 초점이 맞춰진 오버레이 키의 이미지 정보를 획득하고, 획득된 오버레이 키의 이미지 정보를 이용하여 제 1 오버레이 키와 제 2 오버레이 키의 이격거리를 계산한다.
또한, 본 발명에 따른 오버레이 키 측정장치는, 광원과, 광원으로부터 발생된 빔을 평행광으로 변환하는 콜리메이터와, 콜리메이터에 의해 평행광으로 변환된 빔을 투과 및 반사시키는 분리수단과, 분리수단에 의해 투과된 빔을 빔의 진행방향에 수직한 단면 형상이 타원이 되도록 가공하는 단면 광학계와, 타원형 빔을 기판에 형성된 오버레이 키로 집광시켜 조사하는 집광수단과, 오버레이 키의 이미지 정보를 획득하는 이미지 정보 획득수단 및 이미지 정보 획득 수단으로부터 오버레이 키의 이미지 정보를 전달받아 오버레이 정도를 계산하는 연산수단을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하 기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 오버레이 키의 형상을 나타낸 평면도이다.
도 2a를 참조하면, 본 실시예의 오버레이 키는 웨이퍼 상에 소정의 간격으로 이격된 적어도 2 이상의 바(bar)로 구성된 다수개의 패턴이 이전 레이어에 형성된 제 1 오버레이 키와, 현 레이어에 형성된 제 2 오버레이 키로 이루어진다. 또한, 본 실시예에 따른 오버레이 키는 단면이 타원형인 빔을 이용하여 제 1 오버레이 키에 대하여 포커싱하기 위한 형태로서, 한 쌍의 단위 패턴이 대각선 방향으로 형성된 것을 특징으로 한다.
즉, 본 실시예의 오버레이 키는, 이전 레이어에 형성되는 제 1 오버레이 키(1)와, 제 1 오버레이 키와 동일한 패턴을 가지고 제 1 오버레이 키(1)와는 대각선 방향으로 크로스 되면서 현 레이어에 형성되는 제 2 오버레이 키(2)로 이루어진다. 또한, 제 1 및 제 2 오버레이 키(1, 2)는, 동일한 패턴을 가지고 대각선 방향으로 배치되는 한 쌍의 단위 패턴(100, 100')(200, 200') 으로 이루어진다. 각 단위 패턴(100, 100', 200, 200')은, 소정 간격으로 이격된 적어도 2 이상의 바로 구성된 x축 방향으로 평행하게 배열된 제 1 패턴(110)과, 제 1 패턴(110)에 대하여 x축 방향으로 인접하여 위치하고, 소정의 간격으로 이격된 적어도 2 이상의 바가 y축 방향으로 평행하게 배열된 제 2 패턴(120)과, 제 2 패턴(120)에 대하여 y축 방향으로 인접하여 위치하고, 소정 간격으로 이격된 적어도 2 이상의 바가 x축 방향으로 평행하게 배열된 제 3 패턴(130) 및 제 3 패턴(130)에 대하여 x축 방향으로, 또한 제 1 패턴(110)에 대하여 y축 방향으로 인접하여 위치하고, 소정 간격으로 이격된 적어도 2 이상의 바가 y축 방향으로 수평하게 배열된 제 4 패턴(140)으로 이루어진다.
여기서, 제 1 오버레이 키(1) 및 제 2 오버레이 키(2)는 라인(210) 및 스페이스(220) 패턴으로 구성되며, 라인(210) 패턴의 폭은 500nm 정도이다.
전술한 바와 같이, 도 2a에 도시된 바와 같이, 제 1 오버레이 키(1) 및 제 2 오버레이 키(2)는 각각 한 쌍의 단위 패턴을 가지고 서로 대각선 방향으로 크로스 되도록 배치된다. 따라서 상세히는 후술하겠지만, 포커싱을 위한 타원형 빔(50)이 이전 레이어에 형성된 제 1 오버레이 키(1)에 대해서만 조사될 수 있다.
또한, 제 1 오버레이 키(1)와 제 2 오버레이 키(2)는 서로 x축 방향과 y축 방향에 대하여 각각 인접해 있다. 그러므로, 인접해 있는 제 1 오버레이 키와 제 2 오버레이 키의 x축 및 y축 방향으로 한 번씩 스캐닝(I, I')함으로써, 제 1 오버레이 키(1)와 제 2 오버레이 키(2)의 x, y축 이격거리를 계산할 수 있다.
도 2b 및 도 2c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 오버레이 키 형상을 나타내는 평면도이다. 이들 실시예에 따른 오버레이 키에 대하여 도 2a를 참조하여 설명한 실시예의 오버레이 키와의 차이점을 중심으로 설명한다.
도 2b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 오버레이 키는, 복수의 바 패턴으로 이루어지고, 이전 레이어에 형성되는 제 1 오버레이 키(3)와 현 레이어에 형성되는 제 2 오버레이 키(4)를 포함하는 점은 전술한 실시예와 동일하나, 구체적인 배치가 다르다. 즉, 본 실시예의 오버레이 키에서, 제 1 오버레이 키(3)는 바람개비 모양으로 배치되는데, 구체적으로, 소정 간격으로 이격된 복수의 바가 y축 방향으로 평행하게 배열된 제 1 패턴(310)과, 제 1 패턴(310)과 동일한 패턴을 가지며, 제 1 패턴(310)을 기준점(P')에 대하여 각각 90°, 180° 및 270° 회전시킨 위치에 형성된 제 2 패턴(320), 제 3 패턴(330) 및 제 4 패턴(340)으로 이루어진다. 또한, 제 2 오버레이 키(4)는 제 1 오버레이 키(3)의 제 1 내지 제 4 패턴(310~340)과 동일한 방향의 동일한 패턴인 제 5 내지 제 8 패턴(410~440)이, 각각 제 1 내지 제 4 패턴(310~340)의 바깥 쪽으로 배열된다.
도 2b에 도시된 본 실시예의 오버레이 키에 있어서도 타원형 빔(50)을 이용하여 제 1 오버레이 키(3)에 대해서 선택적으로 포커싱이 가능하다. 한편, 본 실시예의 오버레이 키에서는, x축, y축 방향으로 각각 두 번씩의 스캐닝(I1, I2, I1', I2')에 의해 제 1 오버레이 키(3)와 제 2 오버레이 키(4)의 x, y축 이격거리를 계산할 수 있다.
도 2c를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 오버레이 키는, 도 2a 에 도시된 실시예에서 각 단위 패턴(100, 100', 200, 200')을 이루는 제 1 내지 제 4 패턴(110~140) 중 제 1 및 제 2 패턴(110, 120)만을 구비하는 변형예로 볼 수 있다. 즉, 본 실시예의 오버레이 키는 이전 레이어에 형성되는 제 1 오버레이 키(5)와 현 레이어에 형성되는 제 2 오버레이 키(6)를 포함하고, 제 1 및 제 2 오버레이 키를 이루는 한 쌍의 단위 패턴(500, 500')(600, 600')의 각각은, 복수의 바가 x축 방향으로 평행하게 배열된 제 1 패턴(510)과, 제 1 패턴(510)에 대하여 x축 방향으로 인접하여 위치하고, 복수의 바가 y축 방향으로 평행하게 배열된 제 2 패턴(520)으로 이루어진다. 또한, 제 1 오버레이 키(5)와 제 2 오버레이 키(6)는 기준점(P")을 중심으로 서로 대각선 방향으로 배열된다.
본 실시예의 오버레이 키에 있어서도 타원형 빔(50)을 이용하여 제 1 오버레이 키(5)에 대해서 선택적으로 포커싱이 가능하다. 또한, 본 실시예의 오버레이 키에서도, x축, y축 방향으로 각각 한 번씩의 스캐닝(I, I')에 의해 제 1 오버레이 키(4)와 제 2 오버레이 키(5)의 x, y축 이격거리를 계산할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 오버레이 키를 사용하여 이전 레이어와 현 레이어 즉, 두 층간의 오버레이를 측정하기 위한 측정장치를 설명한다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 오버레이 측정장치는 광원(700)과, 광원(700)으로부터 발생된 빔을 평행광으로 집속하는 콜리메이터(710), 분리수단인 빔 스플리터(720), 빔의 단면 형상을 변환하는 단면 광학계(730), 미러(740) 및 집광수단인 대물렌즈(750)와, 오버레이 키의 이미지 정보 획득수단인 CCD 카메라(760B) 및 획득된 이미지 정보로부터 오버레이 정도를 계산하여 출력하는 연산수단(미도시)을 포함한다.
광원(700)은, 정렬도를 측정하기 위한 레이저 빔을 형성하여 오버레이 키가 형성된 기판에 조사하기 위한 수단이다. 본 실시예에서는 광원으로서, 레이저빔 발생기를 사용한다.
한편, 본 실시예에서는 광원(700)으로서 레이저빔 발생기를 사용하는 것으로 설명되었지만, 본 발명의 오버레이 측정장치에 사용되는 광원이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 레이저가 아닌 발광 다이오드와 같은 광원을 사용할 수도 있고, 직선상의 어레이 구조로 배열된 다수의 광원을 사용할 수도 있다.
콜리메이터(710)는 레이저빔 발생기로부터 출사되어 소정의 각도로 퍼져나가는 레이저 빔을 평행광으로 집속하는 렌즈이다.
빔 스플리터(720)는 콜리메이터(710)에 의해 집속된 레이저 빔의 일부를 투과시키고, 일부는 반사시키는 수단이다. 투과된 빔은 기판에의 조사에 쓰이고, 반사된 빔은 기판으로부터의 반사광으로서 포커싱(760A) 또는 이미지 정보(760B)의 획득에 쓰인다.
단면 광학계(730)는 빔 스플리터(720)에 의해 투과된 레이저 빔을 진행방향에 수직한 단면 형상이 타원형이 되도록 빔을 가공한다. 여기서, 단면 광학계(730)는 원주렌즈(cylindrical lens)를 사용한다. 가공후의 레이저 빔의 형상이 타원형이 되는 것은, 원래의 레이저 빔의 형상이 실질적으로 원형에 가깝기 때문이다. 또한, 단면 광학계(730)로서의 원주렌즈는 레이저 빔의 진행방향에 수직한 평면상에서 회동가능하게 설치됨으로써 기판 상에 조사되는 타원형 빔의 장축이 기판 평면 의 x축 및 y축과 원하는 각도로 기울여져 조사될 수 있도록 한다.
미러(740)는 단면 광학계(730)에 의해 가공된 타원형 빔의 경로를 변환시켜 오버레이 키가 형성된 기판(770)을 향하게 하고, 미러(740)와 기판(770) 사이에는 대물렌즈(750)가 배치되어 레이저 빔을 기판(770)으로 집광시킨다.
CCD(Charge-Coupled Device) 카메라(760B)는 오버레이 키를 촬상한다. 즉, 타원형 빔을 기판(770)에 조사하여 제 1 오버레이 키에 대하여 포커싱함으로써 빔이 오버레이 키에 정렬되면, 이 상태에서 CCD 카메라는 조명광(미도시)을 이용하여 오버레이 키를 촬상한다.
CCD는 미세한 화소(pixel)가 세밀하게 집적된 형태로 각 화소는 오버레이 키로부터 반사되어 CCD 카메라의 렌즈를 통해서 입사된 빛을 전하로 바꾸고, 그 전하를 축적한다. 따라서 각 전하의 위치와 크기를 이용하여 패턴의 위치에 따른 반사광을 데이터로 저장한다. 여기서 CCD에 축적된 전하는 아날로그 데이터여서, 이를 아날로그/디지털 변환기를 이용하여 디지털 데이터로 변환하는 것이 필요하다. 이렇게 디지털 데이터로 변환된 오버레이 키의 이미지 정보는 비트맵 데이터의 형태를 취한다.
한편, 본 실시예에서 이미지 정보 획득수단(760B)으로서 CCD 카메라를 들어 설명했지만, 본 발명이 반드시 이에 한하지는 않는다. 예컨대, CCD 카메라 대신에 단순한 수광 다이오드와 같은 수광소자를 사용하여 스캐닝되어 반사되는 빔의 강도에 기초하여 전기적 신호(펄스)를 발생하도록 할 수도 있다.
연산수단(미도시)은, CCD 카메라(760B)로부터 오버레이 키의 이미지 정보를 전달받아 오버레이 정도를 계산한다. 연산수단의 구체적인 오버레이 계산방법은 후술한다.
이어서, 이상과 같은 구성을 가진 본 실시예의 오버레이 측정장치의 동작에 대해 상세히 설명함으로써 본 발명에 따른 오버레이 측정방법을 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 오버레이 측정방법을 순서대로 도시한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 오버레이 측정방법은, 광원으로부터 발생된 빔을 단면 형상이 타원형인 빔으로 가공하는 단계(S10)와, 타원형 빔을 오버레이 키가 형성된 기판에 조사하여 이전 레이어에 형성된 오버레이 키인 제 1 오버레이 키에 대하여 포커싱 하는 단계(S20)와, 포커싱된 오버레이 키의 이미지 정보를 획득하는 단계(S30) 및 획득된 오버레이 키의 이미지 정보로부터 제 1 오버레이 키와 제 2 오버레이 키의 이격거리를 계산함으로써 오버레이 정도를 계산하는 단계(S40)를 포함한다. 이하, 구체적으로 설명한다.
먼저, 오버레이 측정장치의 광원인 레이저빔 발생기(700)로부터 레이저 빔이 발생되고, 이 빔은 콜리메이터(710)를 통과하면서 단면이 원형이고 평행하게 진행되는 평행광으로 변환된다. 이러한 평행광은 빔 스플리터(720)에 의해 일부만 투과되고, 투과된 빔은 원주 렌즈(730)에 의해 단면 형상이 타원형인 빔으로 변환된다(S10). 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 레이저 빔의 경로를 통과하는 빔은 그 단면이 원형에서 타원형으로 변형되고, 대물렌즈(750)에 의해 집광되어 기판에 조사된다.
이때, 원형의 원주 렌즈(730)의 각도는 빔의 진행방향에 수직한 평면에서 y 축에 대하여 소정 각도(예컨대, 45°, 22.5° 또는 67.5°)로 기울여짐으로써, 도 2a 내지 도 2c에 도시한 바와 같이 포커싱을 위한 타원형 빔(50)이 이전 레이어에 형성된 제 1 오버레이 키(1, 3, 5)에만 걸치도록 레이저 빔이 변형된다.
이렇게 하여, 이전 레이어에 형성된 제 1 오버레이 키를 기준으로 포커싱 작업을 수행하여 대물렌즈(750)와 기판(770) 간의 거리를 조절한다(S20). 여기서, 제 1 오버레이 키를 기준으로 포커싱 작업을 수행하는 것은, 현 레이어에 형성된 제 2 오버레이 키는 이전 레이어에 형성된 제 1 오버레이 키에 비해 상대적으로 콘트라스트도 높고 손상도 적으므로, 이미지 정보의 획득이 상대적으로 어려운 제 1 오버레이 키를 중심으로 포커싱을 행하면 족하기 때문이다.
한편, 종래에는, 오버레이 키의 형상 자체가 제 1 및 제 2 오버레이 키를 구분하여 포커싱을 행할 수 있는 구조가 되지 않았기 때문에, 상대적으로 문제가 많은 제 1 오버레이 키를 중심으로 포커싱을 행할 수 없었거나, 설령 제 1 및 제 2 오버레이 키를 구분하여 포커싱을 행할 수 있었다 하더라도 포커싱 빔의 형상과 각도를 변형시키는 구조가 아니었기 때문에 두 번의 포커싱 작업을 행할 수밖에 없었다. 따라서, 종래의 오버레이 측정기술에서는 포커싱의 정확도가 떨어지고 포커싱 작업에 소요되는 시간과 노력이 상당하였다. 본 발명은, 제 1 및 제 2 오버레이 키의 영역 구분이 가능하도록 독특한 형상의 오버레이 키를 제공하고, 포커싱 빔을 타원형으로 함과 동시에 소정 각도로 기울임으로써 1회의 포커싱으로 제 1 오버레이 키에만 포커싱이 가능하게 한다.
그리고 나서, CCD 카메라(760B)를 이용하여 오버레이 키에 의한 반사광을 촬 상함으로써 오버레이 키의 이미지 정보를 획득한다(S30). 이어서, 이렇게 획득된 이미지로부터 제 1 오버레이 키와 제 2 오버레이 키의 이격거리를 계산함으로써 층간정렬도(오버레이)를 계산한다(S40).
오버레이 정도를 계산하는 구체적인 방법을 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 6의 (a)는 도 2a에 도시된 오버레이 키의 일부를 도시한 평면도이고, 도 6의 (b)는 (a)의 일점쇄선을 따라 스캐닝했을 때의 비트맵 이미지(라인 패턴에 대응되는 화소들은 '1', 스페이스 패턴에 대응되는 화소들은 '0')를 예시한 것이다. 한편, 도 6의 (c)는 이미지 정보 획득수단(760B)이 CCD 카메라가 아닌 수광 다이오드와 같은 수광소자인 경우, 마찬가지로 (a)의 일점쇄선을 따라 스캐닝했을 때 발생되는 전기적 신호를 도시한 파형도이다.
먼저, 도 6의 (b)를 이용하여 오버레이 정도를 측정하는 구체적인 방법을 설명한다. 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 비트맵 이미지는 제 2 오버레이 키(2)의 제 1 패턴(210)을 지날 때는 계속해서 1 또는 0의 값을 나타내다가 제 2 패턴(220)을 지날 때 소정 비트수(라인 패턴의 선폭에 비례)의 1과 소정 비트수(스페이스 패턴의 폭에 비례)의 0이 규칙적으로 반복된다. 이어서, 제 1 오버레이 키(1)의 제 1 패턴(110)을 지날 때는 마찬가지로 계속해서 1 또는 0의 값을 나타내다가 제 2 패턴(120)을 지날 때 소정 비트수의 1과 소정 비트수의 0이 규칙적으로 반복된다. 따라서, 제 2 오버레이 키(2)의 제 2 패턴(220)의 시작 위치와 제 1 오버레이 키(1)의 제 2 패턴(120)의 시작 위치를 판별할 수 있고, 이 두 시작 위치 간의 변위를 계산함으로써 제 1 및 제 2 오버레이 키 간의 이격거리를 파악할 수 있고 미리 정 해진 이격거리와의 차 정도에 따라 x축 방향의 층간정렬도를 계산할 수 있다.
한편, 도 6의 (c) 전기적 신호 파형을 이용하여 층간정렬도를 계산하는 방법 역시 유사하게, 주기적 펄스파의 발생에 의해 제 2 패턴(220, 120)간의 거리(d)를 계산한 후 스캐닝함으로써 층간정렬도를 계산한다.
한편, 도 6에는 x축 방향의 스캐닝 및 이격거리에 대해서만 도시하고 설명하였으나 y축 방향의 경우 각 오버레이 키의 제 1 패턴(110, 210)을 이용하여 층간정렬도를 계산한다는 점을 제외하고 그 방법이 동일하므로 상세한 설명을 생략한다. 또한, 도 6에서는 도 2a에 도시된 오버레이 키에 대해서만 도시하고 설명하였으나, 도 2b 및 도 2c에 도시된 오버레이 키에 대해서도 층간정렬도의 계산방법은 동일하므로 그 상세한 설명을 생략한다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명에 의하면, 이전 레이어에 형성된 오버레이 키와 현 레이어에 형성된 오버레이 키를 소정의 규칙에 따라 구분되는 영역에 배치하고, 포커싱 빔을 타원형으로 함과 동시에 이전 레이어에 형성된 오버레이 키에만 선택적으로 걸치도록 함으로써, 패턴의 콘트라스트가 작고 손상이 상대적으로 많은 이전 레이어의 오버레이 키에만 선택적으로 포커싱 할 수 있다. 따라서, 오버레이 측정의 정확도를 높이 면서도 그 소요시간을 단축할 수 있어, 반도체 소자의 제조 공정중 오버레이 측정에 소요되는 비용과 시간을 단축할 수 있다.

Claims (8)

  1. 웨이퍼 상의 소정 부위에 형성되는 오버레이 키에 있어서,
    소정의 간격으로 이격된 적어도 2 이상의 바(bar)가 x축 방향으로 평행하게 배열된 제 1 패턴; 상기 제 1 패턴에 대하여 x축 방향으로 인접하여 위치하고, 소정의 간격으로 이격된 적어도 2 이상의 바가 y축 방향으로 평행하게 배열된 제 2 패턴; 상기 제 2 패턴에 대하여 y축 방향으로 인접하여 위치하고, 소정의 간격으로 이격된 적어도 2 이상의 바가 x축 방향으로 평행하게 배열된 제 3패턴; 및 상기 제 3패턴에 대하여 x축 방향으로 또한 상기 제 1 패턴에 대하여 y축 방향으로 인접하여 위치하고, 소정의 간격으로 이격된 적어도 2 이상의 바가 y축 방향으로 수평하게 배열된 제 4패턴;으로 이루어진 제 1 단위 패턴과, 상기 제 1 단위 패턴과 동일한 패턴을 가지며 상기 제 1 단위 패턴을 기준점을 중심으로 180° 회전시킨 위치에 형성된 제 2 단위 패턴을 포함하는 제 1 오버레이 키; 및
    상기 제 1 오버레이 키와 동일한 패턴을 가지고, 상기 제 1 오버레이 키와 다른 레이어에 형성되며, 상기 제 1 오버레이 키를 상기 기준점을 중심으로 90° 회전시킨 위치에 형성된 제 2 오버레이 키;를 포함하는 오버레이 키.
  2. 웨이퍼 상의 소정 부위에 형성되는 오버레이 키에 있어서,
    소정의 간격으로 이격된 적어도 2 이상의 바(bar)가 x축 방향으로 평행하게 배열된 제 1 패턴과, 상기 제 1 패턴과 동일한 패턴을 가지며, 상기 제 1 패턴을 기준점에 대하여 각각 90°, 180° 및 270° 회전시킨 위치에 형성된 제 2 패턴, 제 3패턴 및 제 4패턴으로 이루어진 제 1 오버레이 키; 및
    상기 제 1 패턴과 동일한 패턴을 가지며, 상기 제 1 패턴과 y축 방향으로 인접해 있는 제 5패턴과, 상기 제 5패턴과 동일한 패턴을 가지며 상기 제 5패턴을 상기 기준점에 대하여 각각 90°, 180° 및 270° 회전시킨 위치에 형성된 제 6패턴, 제 7패턴 및 제 8패턴으로 이루어지며, 상기 제 1 오버레이 키와 다른 레이어에 형성되는 제 2 오버레이 키;를 포함한 오버레이 키.
  3. 웨이퍼 상의 소정 부위에 형성되는 오버레이 키에 있어서,
    소정의 간격으로 이격된 적어도 2 이상의 바(bar)가 x축 방향으로 평행하게 배열된 제 1 패턴; 상기 제 1 패턴에 대하여 x축 방향으로 인접하여 위치하고, 소정의 간격으로 이격된 적어도 2 이상의 바가 y축 방향으로 평행하게 배열된 제 2 패턴;으로 이루어진 제 1 단위 패턴과, 상기 제 1 단위 패턴과 동일한 패턴을 가지며 상기 제 1 단위 패턴을 기준점을 중심으로 180° 회전시킨 위치에 형성된 제 2 단위 패턴을 포함하는 제 1 오버레이 키; 및
    상기 제 1 오버레이 키와 동일한 패턴을 가지고, 상기 제 1 오버레이 키와 다른 레이어에 형성되며, 상기 제 1 오버레이 키를 상기 기준점을 중심으로 90° 회전시킨 위치에 형성된 제 2 오버레이 키;를 포함하는 오버레이 키.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 오버레이 키 및 제 2 오버레이 키는 라인 및 스페이스 패턴으로 이루어진 것을 특징으로 하는 오버레이 키.
  5. 광원으로부터 발생된 빔을 빔의 진행방향에 수직한 단면의 형상이 타원형이 되도록 가공하는 단계;
    상기 단면 형상이 타원형인 빔을, 이전 레이어에 형성된 제 1 오버레이 키와 현 레이어에 형성된 제 2 오버레이 키로 이루어진 오버레이 키가 형성된 기판에 조사하되, 상기 제 1 오버레이 키에 대하여 포커싱하여 초점을 맞추는 단계;
    상기 초점이 맞춰진 오버레이 키의 이미지 정보를 획득하는 단계; 및
    상기 획득된 오버레이 키의 이미지 정보를 이용하여 제 1 오버레이 키와 제 2 오버레이 키의 정렬도를 계산하는 단계;를 포함하는 오버레이 측정방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 오버레이 키는 소정의 기준점을 중심으로 제 1 및 제 3사분면에 위치하고, 상기 제 2 오버레이 키는 제 2 및 제 4사분면에 위치하며,
    상기 단면 형상이 타원형인 빔의 장축이 상기 제 1 및 제 3사분면에 걸치도록, 상기 타원형 빔이 상기 사분면을 정의하는 x축 및 y축에 대하여 소정 각도로 기울여지는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 오버레이 키의 이미지 정보를 획득하는 단계는, CCD 카메라를 이용하여 촬상함으로써 상기 오버레이 키의 이미지를 획득하는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법.
  8. 광원;
    상기 광원으로부터 발생된 빔을 평행광으로 변환하는 콜리메이터;
    상기 콜리메이터에 의해 평행광으로 변환된 빔을 투과 및 반사시키는 분리수단;
    상기 분리수단에 의해 투과된 빔을 빔의 진행방향에 수직한 단면 형상이 타원형이 되도록 가공하는 단면 광학계;
    상기 타원형의 빔을 기판에 형성된 오버레이(overlay key)키로 집광시켜 조사하는 집광수단;
    상기 오버레이 키의 이미지 정보를 획득하는 이미지 정보 획득수단; 및
    상기 이미지 정보 획득수단으로부터 상기 오버레이 키의 이미지 정보를 전달받아 정렬도를 계산하는 연산수단;을 포함하고,
    상기 오버레이 키는 이전 레이어에 형성된 제 1 오버레이 키와 현 레이어에 형성된 제 2 오버레이 키로 이루어지며, 상기 단면 광학계는 상기 타원형 빔의 장축이 제 1 오버레이 키에만 걸치도록 상기 빔을 가공하는 것을 특징으로 하는 오버레이 측정장치.
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