KR20160121206A - 오버레이 에러의 검출 방법 및 이를 이용한 반도체 장치의 제조 방법 - Google Patents

오버레이 에러의 검출 방법 및 이를 이용한 반도체 장치의 제조 방법 Download PDF

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송길우
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삼성전자주식회사
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Abstract

오버레이 에러의 검출 방법이 제공된다. 오버레이 에러의 검출 방법은, 제1 레이어에 제1 오버레이 키를 형성하고, 상기 제1 오버레이 키는 제1 피치를 갖는 복수의 제1 타겟 패턴을 포함하고, 상기 제1 레이어에 대해 수직으로 배치된 제2 레이어에 제2 오버레이 키를 형성하고, 상기 제2 오버레이 키는 상기 제1 피치와 다른 제2 피치를 갖는 복수의 제2 타겟 패턴을 포함하고, 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어에 제1 파장을 갖는 입사광을 조사하고, 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어로부터 반사된 반사광으로부터 상기 입사광에 대한 상기 반사광의 위상 패턴을 획득하고, 상기 반사광의 위상 패턴을 분석하여 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 오버레이 에러를 검출하는 것을 포함한다.

Description

오버레이 에러의 검출 방법 및 이를 이용한 반도체 장치의 제조 방법{METHOD FOR DETECTING AN OVERLAY ERROR AND METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR USING THE SAME}

본 발명은 오버레이 에러의 검출 방법 및 이를 이용한 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 제조 공정 중에 여러 레어어들이 형성될 수 있다. 여러 레이들이 적층되는 상대적인 구조, 즉 오버레이(overlay)를 정확하게 결정하기 위해 각각의 레이어에 오버레이 키(overlay key)가 사용될 수 있다. 오버레이의 정확하게 결정하기 위해 오버레이 키 내에 존재하는 다수의 측정점을 기준으로 오버레이 키를 여러번 측정할 수 있다. 그런데, 이러한 방법은 연산 부하가 높고 측정점의 위치 결정을 위한 추가적인 비용을 필요로 한다. 따라서 오버레이 키를 효율적으로 측정하기 위한 방안이 요구된다.

미국등록특허 제5,907,405호는 웨이퍼를 얼라인먼트하기 위한 방법을 개시하고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 스캐터로메트리(scatterometry) 타겟을 이용하여 오버레이 키를 효율적으로 측정하기 위한 오버레이 에러의 검출 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 이미지 타원 계측기(Image Ellipsometer) 또는 분광 이미지 타원 계측기(Spectroscopic Image Ellipsometer)를 이용하여 오버레이 키를 효율적으로 측정하기 위한 오버레이 에러의 검출 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 이미지 타원 계측기(Image Ellipsometer) 또는 분광 이미지 타원 계측기(Spectroscopic Image Ellipsometer)를 이용하여 오버레이 키를 효율적으로 측정하기 위한 오버레이 에러의 검출 방법을 이용하여 반도체 장치를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 이미지 타원 계측기(Image Ellipsometer) 또는 분광 이미지 타원 계측기(Spectroscopic Image Ellipsometer)를 이용하여 오버레이 오차를 효율적으로 측정하기 위한 오버레이 키를 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 방법은, 제1 레이어에 제1 오버레이 키를 형성하고, 제1 오버레이 키는 제1 피치를 갖는 복수의 제1 타겟 패턴을 포함하고, 제1 레이어에 대해 수직으로 배치된 제2 레이어에 제2 오버레이 키를 형성하고, 제2 오버레이 키는 제1 피치와 다른 제2 피치를 갖는 복수의 제2 타겟 패턴을 포함하고, 제1 레이어 및 제2 레이어에 제1 파장을 갖는 입사광을 조사하고, 제1 레이어 및 제2 레이어로부터 반사된 반사광으로부터 입사광에 대한 반사광의 위상 패턴을 획득하고, 상기 반사광의 위상 패턴의 피크 포인트(peak point) 또는 밸리 포인트(valley point)의 위치를 연산하고, 상기 위상 패턴의 상기 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치를 이용하여 제1 레이어 및 제2 레이어의 오버레이 에러를 검출하는 것을 포함한다.

상기 제1 피치는 상기 복수의 제1 타겟 패턴 중 인접한 제1 타겟 패턴 사이의 공간 피치(space pitch)와 상기 제1 타겟 패턴의 라인 피치(line pitch)를 포함하고, 상기 제2 피치는 상기 복수의 제2 타겟 패턴 중 인접한 제2 타겟 패턴 사이의 공간 피치와 상기 제2 타겟 패턴의 라인 피치를 포함할 수 있다.

상기 제1 타겟 패턴의 라인 피치(line pitch)는 상기 제2 타겟 패턴의 라인 피치와 동일할 수 있다.

상기 인접한 제1 타겟 패턴 사이의 공간 피치는 상기 인접한 제2 타겟 패턴 사이의 공간 피치와 다를 수 있다.

상기 인접한 제1 타겟 패턴 사이의 공간 피치는 상기 인접한 제2 타겟 패턴 사이의 공간 피치보다 작을 수 있다.

상기 제2 피치는 상기 제1 피치보다 크고, 상기 제2 피치와 상기 제1 피치의 차이 값은 상기 제1 피치의 0.01 % 내지 상기 제1 피치의 1 %의 범위일 수 있다.

상기 제1 피치는 상기 제1 파장 이하의 범위일 수 있다.

상기 제1 타겟 패턴과 상기 제2 타겟 패턴의 너비(width), 길이(length) 및 높이(height) 중 적어도 하나는 서로 동일할 수 있다.

상기 제1 타겟 패턴과 상기 제2 타겟 패턴의 형상은 서로 동일할 수 있다.

상기 제1 타겟 패턴과 상기 제2 타겟 패턴은 회로 패턴을 포함할 수 있다.

상기 오버레이 에러의 검출 방법은, 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어가 정렬된 경우 측정된 반사광의 기준 위상 패턴을 획득하는 것을 더 포함하고, 상기 위상 패턴의 상기 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치를 이용하여 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 오버레이 에러를 검출하는 것은, 상기 기준 위상 패턴의 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치를 연산하고, 상기 기준 위상 패턴의 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치와 상기 반사광의 위상 패턴의 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치를 비교하여 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 오버레이 에러를 검출하는 것을 포함할 수 있다.

상기 기준 위상 패턴 및 상기 반사광의 위상 패턴은 무아레 패턴(Moire pattern)을 포함할 수 있다.

상기 위상 패턴의 상기 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치를 이용하여 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 오버레이 에러를 검출하는 것은, 상기 위상 패턴의 상기 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치를 이용하여 상기 제1 레이어의 상기 제1 오버레이 키와 상기 제2 레이어의 상기 제2 오버레이 키의 오프셋 값을 연산하는 것을 포함할 수 있다.

상기 제1 레이어 또는 상기 제2 레이어에 제3 오버레이 키를 더 형성하는 것을 포함하고, 상기 제3 오버레이 키는 상기 제1 피치 및 상기 제2 피치와 다른 복수의 제3 타겟 패턴을 포함할 수 있다.

상기 제2 피치는 상기 제1 피치보다 크고 상기 제3 피치는 상기 제1 피치보다 작을 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 방법은, 제1 레이어에 제1 오버레이 키를 형성하고, 제1 오버레이 키는 제1 피치를 갖는 복수의 제1 타겟 패턴을 포함하고, 제1 레이어에 대해 수직으로 배치된 제2 레이어에 제2 오버레이 키를 형성하고, 제2 오버레이 키는 제1 피치와 다른 제2 피치를 갖는 복수의 제2 타겟 패턴을 포함하고, 제1 레이어 및 제2 레이어에 제1 파장을 갖는 입사광을 조사하고, 이미지 센서를 이용하여 제1 레이어 및 제2 레이어로부터 반사된 반사광의 위상 패턴 이미지를 획득하고, 반사광의 위상 패턴 이미지를 분석하여 제1 레이어 및 제2 레이어의 오버레이 에러를 검출하는 것을 포함한다.

상기 오버레이 에러의 검출 방법은, 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어가 정렬된 경우 측정된 반사광의 기준 위상 패턴 이미지를 획득하는 것을 더 포함하고, 상기 반사광의 위상 패턴 이미지를 분석하여 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 오버레이 에러를 검출하는 것은, 상기 기준 위상 패턴 이미지와 상기 반사광의 위상 패턴 이미지를 비교하여 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 오버레이 에러를 검출하는 것을 포함할 수 있다.

상기 기준 위상 패턴 이미지 및 상기 반사광의 위상 패턴 이미지는 무아레 패턴(Moire pattern) 이미지를 포함할 수 있다.

상기 반사광의 위상 패턴 이미지를 분석하여 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 오버레이 에러를 검출하는 것은, 상기 반사광의 위상 패턴 이미지의 농담 패턴(Gray pattern)으로부터 피크 포인트(peak point) 또는 밸리 포인트(valley point)의 위치를 추출하고, 상기 기준 위상 패턴 이미지의 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치와 상기 반사광의 위상 패턴 이미지의 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치를 비교하여 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 오버레이 에러를 검출하는 것을 포함할 수 있다.

상기 반사광의 위상 패턴 이미지를 분석하여 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 오버레이 에러를 검출하는 것은, 상기 반사광의 위상 패턴 이미지를 분석하여 상기 제1 레이어의 상기 제1 오버레이 키와 상기 제2 레이어의 상기 제2 오버레이 키의 오프셋 값을 연산하는 것을 포함할 수 있다.

이미지 센서를 이용하여 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어로부터 반사된 반사광의 위상 패턴 이미지를 획득하는 것은, 이미지 타원 계측기(Image Ellipsometer)를 이용하여 상기 반사광의 위상 패턴 이미지를 획득하는 것을 포함할 수 있다.

이미지 센서를 이용하여 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어로부터 반사된 반사광의 위상 패턴 이미지를 획득하는 것은, 분광 이미지 타원 계측기(Spectroscopic Image Ellipsometer)를 이용하여 상기 반사광의 위상 패턴 이미지를 획득하는 것을 포함할 수 있다.

상기 기준 위상 패턴 이미지 및 상기 반사광의 위상 패턴 이미지는 무아레 패턴(Moire pattern) 이미지를 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 방법은, 제1 레이어에 제1 오버레이 키를 형성하고, 제1 오버레이 키는 제1 피치를 갖는 복수의 제1 타겟 패턴을 포함하고, 제1 레이어의 상부에 배치된 제2 레이어에 제2 오버레이 키를 형성하고, 제2 오버레이 키는 제1 오버레이 키와 오버랩되며 제1 피치와 다른 제2 피치를 갖는 복수의 제2 타겟 패턴을 포함하고, 제2 레이어에 제3 오버레이 키를 형성하고, 제3 오버레이 키는 제3 피치를 갖는 복수의 제3 타겟 패턴을 포함하고, 제2 레이어의 상부에 배치된 제3 레이어에 제4 오버레이 키를 형성하고, 제4 오버레이 키는 제3 오버레이 키와 오버랩되며 제3 피치와 다른 제4 피치를 갖는 복수의 제4 타겟 패턴을 포함하고, 제1 레이어 및 제2 레이어에 제1 파장을 갖는 제1 입사광을 조사하고 그 반사광의 위상 패턴의 피크 포인트(peak point) 또는 밸리 포인트(valley point)의 위치를 이용하여 제1 레이어 및 제2 레이어의 오버레이 에러를 검출하고, 제2 레이어 및 제3 레이어에 제2 파장을 갖는 제2 입사광을 조사하고 그 반사광의 위상 패턴의 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치를 이용하여 제2 레이어 및 제3 레이어의 오버레이 에러를 검출하는 것을 포함한다.

상기 제1 타겟 패턴과 상기 제2 타겟 패턴의 너비(width), 길이(length) 및 높이(height) 중 적어도 하나는 서로 동일하고, 상기 제3 타겟 패턴과 상기 제4 타겟 패턴의 너비(width), 길이(length) 및 높이(height) 중 적어도 하나는 서로 동일할 수 있다.

상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어에 제1 파장을 갖는 제1 입사광을 조사하고 그 반사광의 위상 패턴의 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치를 이용하여 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 오버레이 에러를 검출하는 것은, 상기 제1 레이어의 제1 오버레이 키 및 상기 제2 레이어의 제2 오버레이 키에 상기 제1 입사광을 조사하고, 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어로부터 반사된 반사광의 제1 위상 패턴 이미지를 획득하고, 상기 반사광의 제1 위상 패턴 이미지를 분석하여 상기 제1 오버레이 키 및 상기 제2 오버레이 키의 오프셋 값을 연산하는 것을 포함할 수 있다.

상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어로부터 반사된 반사광의 제1 위상 패턴 이미지를 획득하는 것은, 분광 이미지 타원 계측기(Spectroscopic Image Ellipsometer)를 이용하여 상기 반사광의 제1 위상 패턴 이미지를 획득하는 것을 포함할 수 있다.

상기 제2 레이어 및 상기 제3 레이어에 제2 파장을 갖는 제2 입사광을 조사하고 그 반사광의 위상 패턴의 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치를 이용하여 상기 제2 레이어 및 상기 제3 레이어의 오버레이 에러를 검출하는 것은, 상기 제2 레이어의 제3 오버레이 키 및 상기 제3 레이어의 제4 오버레이 키에 상기 제2 입사광을 조사하고, 상기 제2 레이어 및 상기 제3 레이어로부터 반사된 반사광의 제2 위상 패턴 이미지를 획득하고, 상기 반사광의 제2 위상 패턴 이미지를 분석하여 상기 제2 오버레이 키 및 상기 제3 오버레이 키의 오프셋 값을 연산하는 것을 포함할 수 있다.

상기 제2 레이어 및 상기 제3 레이어로부터 반사된 반사광의 제2 위상 패턴 이미지를 획득하는 것은, 분광 이미지 타원 계측기(Spectroscopic Image Ellipsometer)를 이용하여 상기 반사광의 제2 위상 패턴 이미지를 획득하는 것을 포함할 수 있다.

상기 제1 위상 패턴 이미지 및 상기 제2 위상 패턴 이미지는 무아레 패턴(Moire pattern) 이미지를 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치의 제조 방법은, 제1 영역 및 제2 영역이 정의된 기판을 제공받고, 상기 제1 영역에는 제1 요소(element)와 제2 요소를 포함하는 반도체 칩을 형성하고, 상기 제2 영역에는 제1 및 제2 타겟 패턴을 포함하는 오버레이 패턴을 형성하고, 상기 오버레이 패턴을 이용하여 오버레이 에러를 검출하는 것을 포함하되, 상기 반도체 칩과 상기 오버레이 패턴을 형성하는 것은, 제1 피치로 이격된 상기 제1 요소를 상기 제1 영역에 형성하고, 상기 제1 피치로 이격된 제1 타겟 패턴을 상기 제2 영역에 형성하고, 상기 제1 피치보다 작은 제2 피치로 이격된 상기 제2 요소를 상기 제1 영역에 형성하고, 상기 제2 피치로 이격된 제2 타겟 패턴을 상기 제1 타겟 패턴 상에 형성하는 것을 포함하고, 상기 오버레이 패턴을 이용하여 오버레이 에러를 검출하는 것은, 상기 제1 및 제2 타겟 패턴에 제1 파장을 갖는 입사광을 조사하고, 상기 제1 및 제2 타겟 패턴으로부터 반사된 반사광으로부터 상기 입사광에 대한 상기 반사광의 위상 패턴을 획득하고, 상기 반사광의 위상 패턴을 분석하여 상기 제1 및 제2 타겟 패턴의 오버레이 에러를 검출하는 것을 포함한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 시스템은, 하나 이상의 프로세서 및 메모리를 구비하는 컴퓨팅 시스템; 및 하나 이상의 이미지 센서를 구비하고, 상기 이미지 센서를 이용하여 반도체 기판을 계측하는 이미지 타원 계측 장치(Image Ellpsometer)를 포함하고, 상기 기판은 제1 레이어 및 상기 제1 레이어에 수직으로 배치된 제2 레이어를 포함하고, 상기 제1 레이어는 상기 제1 오버레이 키는 제1 피치를 갖는 복수의 제1 타겟 패턴을 포함하는 제1 오버레이 키를 포함하고, 상기 제2 레이어는 상기 제1 피치와 다른 제2 피치를 갖는 복수의 제2 타겟 패턴을 포함하는 제2 오버레이 키를 포함하고, 상기 이미지 타원 계측 장치는, 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어에 제1 파장을 갖는 입사광을 조사하고, 상기 이미지 센서를 이용하여 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어로부터 반사된 반사광의 위상 패턴 이미지를 획득하고, 상기 컴퓨팅 시스템은 상기 이미지 타원 계측 장치로부터 제공받은 상기 반사광의 위상 패턴 이미지를 상기 메모리에 로드하고, 상기 프로세서를 이용하여 상기 반사광의 위상 패턴의 피크 포인트(peak point) 또는 밸리 포인트(valley point)의 위치를 연산하고, 상기 프로세서는 상기 위상 패턴의 상기 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치를 이용하여 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 오버레이 에러를 검출하는 것을 포함한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 오버레이 키는 제1 레이어에 형성되고, 제1 피치를 갖는 복수의 제1 타겟 패턴을 포함하는 제1 오버레이 키; 및 제1 레이어에 수직으로 배치된 제2 레이어에 형성되고, 제1 피치와 다른 제2 피치를 갖는 복수의 제2 타겟 패턴을 포함하는 제2 오버레이 키를 포함한다.

상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어는, 이미지 타원 계측 장치(Image Ellpsometer)로부터 제1 파장을 갖는 입사광을 수광하여, 상기 입사광에 대한 반사광을 발광할 수 있다.

상기 제2 피치는 상기 제1 피치보다 크고, 상기 제2 피치와 상기 제1 피치의 차이 값은 상기 제1 피치의 0.01 % 내지 상기 제1 피치의 1 %의 범위일 수 있다.

상기 제1 피치는 상기 제1 파장의 1 % 내지 상기 제1 파장 이하의 범위일 수 있다.

상기 제1 타겟 패턴의 너비(width)는 10 um 내지 200 um의 범위일 수 있다.

상기 제2 타겟 패턴의 너비(width)는 10 um 내지 200 um의 범위일 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 장치를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 방법에 사용되는 분광 이미지 타원 계측기(Spectroscopic Image Ellipsometer)를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 방법의 오버레이 키를 설명하기 위한 상면도이다.
도 4는 도 3의 A-A를 따라 절단한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 방법의 위상 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 방법의 위상 패턴을 분석하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 방법의 오버레이 키를 설명하기 위한 상면도이다.
도 9는 도 8의 B-B를 따라 절단한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 방법의 오버레이 키를 설명하기 위한 개략도이다.
도 11은 도 10의 실시예에 따른 다중 레이어를 절단한 단면도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 층 및 영역들의 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

하나의 소자(elements)가 다른 소자와 "접속된(connected to)" 또는 "커플링된(coupled to)" 이라고 지칭되는 것은, 다른 소자와 직접 연결 또는 커플링된 경우 또는 중간에 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 하나의 소자가 다른 소자와 "직접 접속된(directly connected to)" 또는 "직접 커플링된(directly coupled to)"으로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자를 개재하지 않은 것을 나타낸다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 장치를 설명하기 위한 개략도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 장치(1)는 분광 이미지 타원 계측기(Spectroscopic Image Ellipsometer)(100) 및 컴퓨팅 시스템(200)을 포함한다.

분광 이미지 타원 계측기(100)는 반도체 웨이퍼에 입사광을 조사하고, 반도체 웨이퍼로부터 반사된 반사광으로부터 반도체 웨이퍼의 특성 값을 측정한다. 구체적으로 분광 이미지 타원 계측기(100)는 시료, 즉 반도체 웨이퍼에서 반사된 편광 상태를 검출함으로써 반도체 웨이퍼를 분석한다. 이러한 편광 상태는 Ψ(psi)와 Δ(delta)로서 설명될 수 있으며, 여기서 Ψ(psi)는 p파와 s파의 반사계수비이고 Δ(delta)는 위상차이다. 이에 따라 분광 이미지 타원 계측기(100)는 입사광의 파장에 따른 반도체 웨이퍼를 이루는 물질의 복소 굴절률(complex refrective index) 등을 측정하여, 반도체 웨이퍼를 비롯한 박막의 두께뿐 아니라 복소 굴절률, 형태, 결정 상태, 화학적 구조, 전기 전도도 등을 비롯한 시료, 즉 반도체 웨이퍼에 대한 다양한 정보를 제공한다.

특히, 본 발명의 다양한 실시예에서 이용되는 분광 이미지 타원 계측기(100)는 일반적인 타원 계측기(Ellipsometer)에 비해 다음과 같은 2 가지의 주요한 특징을 갖는다. 첫째로 분광 이미지 타원 계측기(100)는 도 2에 도시된 파장 선택기(112) 또는 단색화 장치(monochrometer)에 의해 분광된 단파장의 광을 측정광으로서 사용한다. 둘째로 분광 이미지 타원 계측기(100)는 반사광을 검출하는 검출기(detector)로서 이미지 센서 또는 이미지 센서를 구비한 카메라를 사용한다. 그러나 본 발명의 범위가 분광 이미지 타원 계측기(100)만을 사용하는 것으로 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 다양한 실시예는 검출기로서 이미지 센서 또는 이미지 센서를 구비한 카메라를 사용하되 여러 파장의 광을 측정광으로서 사용하는 이미지 타원 계측기(Image Ellipsometer)를 사용하여 구현될 수도 있다. 분광 이미지 타원 계측기(100)에 관한 구체적인 설명은 도 2와 관련하여 후술하도록 한다.

컴퓨팅 시스템(200)은 분광 이미지 타원 계측기(100)에 의해 측정된 데이터, 예컨대 Ψ(psi)와 Δ(delta)로 표현되는 시료의 편광 상태에 관한 데이터를 수신하고 상기 데이터를 분석한다. 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 컴퓨팅 시스템(200)은 프로세서(210) 및 메모리(220)를 포함하고, 프로세서(210) 및 메모리(220)는 버스(230)를 통해 데이터를 주고 받을 수 있다. 예를 들어, 분광 이미지 타원 계측기(100)에 의해 측정된 데이터는 컴퓨팅 시스템(200)으로 전송된 후 컴퓨팅 시스템(200)의 메모리(220)에 저장될 수 있다. 그리고 메모리(220)에 측정된 데이터는 프로세서(210) 상에서 실행되는 분석 소프트웨어 또는 어플리케이션을 통해 그래프로 도시되거나, 다양한 분석 과정을 거치게 될 수 있다.

본 발명의 몇몇의 실시예에서, 컴퓨팅 시스템(200)은 데스크톱 컴퓨터, 서버, 노트북 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터 등과 같은 포터블 컴퓨터뿐 아니라 스마트폰, 태블릿 컴퓨터 등을 비롯한 모바일 컴퓨터를 포함할 수 있지만, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 한편, 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 컴퓨팅 시스템(200)는 분광 이미지 타원 계측기(100)와 (예컨대 케이블을 통해) 다이렉트로 연결될 수도 있고, LAN(Local Area Network), WAN(Wide Area Network) 등을 비롯한 유선 네트워크 또는 WiFi 네트워크, 셀룰러 네트워크 등을 비롯한 무선 네트워크를 통해 연결되어 서로 데이터를 주고 받을 수도 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 방법에 사용되는 분광 이미지 타원 계측기를 설명하기 위한 개략도이다.

도 2를 참조하면 분광 이미지 타원 계측기(100)는 광원(110), 파장 선택기(112), 편광기(114), 보정기(116), 조명 광학계(118), 결상 광학계(120), 편광 선택기(122), 이미지 센서(124) 등을 포함할 수 있다.

도 1과 관련하여 앞서 설명한 바와 같이, 분광 이미지 타원 계측기(100)는 측정광으로서 단파장의 빛을 사용한다. 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 광원(110)은 백색광원(white light source)일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 본 발명의 다른 몇몇의 실시예에서, 광원(110)에서 발산된 빛을 특정 파장을 갖는 빛 또는 특정 대역의 파장을 갖는 빛으로 변환시키기 위한 파장 선택기(112), 예컨대 단색화 장치(monochrometer) 또는 스캐닝 단색화 장치(scanning monochrometer)가 사용될 수 있다.

광원(110)으로부터 발생된 빛은 편광기(polarizer)(114)에 의해 편광되어 조명 광학계(illuminator)(118)를 통해 임의의 입사각으로 시료, 즉, 반도체 웨이퍼(300)에 조사된다. 본 발명의 몇몇의 실시예에서 광원으로부터 발생된 빛은 편광기(114)뿐 아니라 보정기(compensator)(116)를 거쳐 반도체 웨이퍼(300)에 조사되거나, 보정기(116) 대신 위상 변조기(phase modulator)를 거쳐 반도체 웨이퍼(300)에 조사될 수 있다.

반도체 웨이퍼(300)로부터 반사된 반사광은 결상 광학계(imaging optics)를 거친 후, 편광 선택기(analyzer)(122)에 의해 특정 편광 성분만이 선택된다. 본 발명의 몇몇의 실시예에서 반도체 웨이퍼(300)로부터 반사된 반사광은 편광 선택기(122)에 입사되기 전에 보정기(compensator)를 거칠 수도 있다.

분광 이미지 타원 계측기(100)는 이미지 센서(124)를 포함하며, 이미지 센서(124)는 편광기(114)와 편광 선택기(122)를 거친 측정광의 편광 변화 또는 편광 상태를 이미지로서 측정할 수 있도록 한다. 이미지의 형태로 수집된 편광 변화 또는 편광 상태에 대한 데이터, 예컨대 Ψ(psi)와 Δ(delta)로 표현될 수 있는 데이터는 도 1에 도시된 컴퓨팅 시스템(200)으로 전송되어 처리될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 방법의 오버레이 키를 설명하기 위한 상면도이다.

도 3을 참조하면, 복수의 레이어를 포함하는 반도체 웨이퍼(300)는 복수의 타겟 패턴을 갖는 오버레이 키를 포함한다. 구체적으로 반도체 웨이퍼(300)의 제1 레이어(310)에는 오버레이 키가 형성되고, 오버레이 키는 피치(P)를 갖는 복수의 타겟 패턴(311, 312, 313, 314)을 포함한다. 여기서 타겟 패턴은 상하로 적층된 레이어들의 정렬 여부를 결정하기 위한 스캐터로메트리(scatterometry) 타겟을 포함한다. 즉, 도 3에 도시된 제1 레이어(310) 하부에는 제2 레이어(320)가 배치되어 있고, 스캐터로메트리 타겟은 제1 레이어(310)와 제2 레이어(320)의 정렬 여부를 결정하기 위해 사용된다.

스캐터로메트리 타겟, 즉 복수의 타겟 패턴(311, 312, 313, 314)은 제1 레이어(310) 상에, 또는 제1 레이어(310) 위의 임의의 박막 상에 돌출되도록 형성될 수 있다. 도 3에서는 복수의 타겟 패턴(311, 312, 313, 314)이 공간(space)을 두고 서로 일정한 간격으로 이격되어 배치된 라인(line) 형태인 라인 및 공간(line and space) 패턴으로서 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 복수의 타겟들이 일정한 간격 또는 피치를 갖고 배치되는 패턴이라면 본 발명의 범위에 포함되며, 예를 들어 복수의 타겟 패턴은 격자 패턴일 수도 있다.

한편, 일정한 간격 또는 피치만큼 이격되어 배치된 복수의 타겟 패턴(311, 312, 313, 314) 각각의 형상은 서로 동일할 수 있다. 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 복수의 타겟 패턴(311, 312, 313, 314)의 형상은 직육면체 또는 정육면체의 형상을 포함할 수 있다. 또한 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 복수의 타겟 패턴(311, 312, 313, 314)은 회로 패턴, 예컨대, 액티브 핀 패턴, 더미 게이트 전극 패턴 등으로 형성될 수도 있다.

이어서 도 4는 도 3의 A-A를 따라 절단한 단면을 도시한다.

도 4를 참조하면, 제1 레이어(310) 및 제2 레이어(320)는 수직으로 배치되어 있고, 제1 레이어(310)는 상부 레이어이고 제2 레이어(320)는 하부 레이어로서 도시되어 있다.

제1 레이어(310)에는 제1 오버레이 키가 형성되고, 제1 오버레이 키는 제1 피치(P1)를 갖는 복수의 제1 타겟 패턴(311, 312, 313, 314)을 포함한다. 한편, 제1 레이어(310)에 대해 수직으로 배치된 제2 레이어(320)에는 제2 오버레이 키가 형성되고, 제2 오버레이 키는 제1 피치(P1)와 다른 제2 피치(P2)를 갖는 복수의 제2 타겟 패턴(321, 322, 323, 324)을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 방법은 이와 같이 배치된 복수의 제1 타겟 패턴(311, 312, 313, 314)을 포함하는 제1 레이어(310)와 복수의 제2 타겟 패턴(321, 322, 323, 324)을 포함하는 제2 레이어(320)에 특정 파장, 예컨대 제1 파장을 갖는 입사광을 조사한다. 즉, 제1 레이어(310) 및 제2 레이어(320)는, 예컨대, 이미지 타원 계측 장치(Image Ellpsometer)로부터 제1 파장을 갖는 입사광을 수광하여, 상기 입사광에 대한 반사광을 발광할 수 있다.

타겟 패턴들의 피치는 공간 피치(space pitch)와 라인 피치(line pitch)의 합일 수 있다. 여기서 공간 피치는 복수의 타겟 패턴 중 인접한 타겟 패턴 사이의 피치를 의미하고, 라인 피치는 도 4의 단면도에서 돌출된 타겟 패턴 자체의 폭을 의미한다. 예를 들어, 제1 레이어(310)에 형성된 복수의 제1 타겟 패턴(311, 312, 313, 314)에 해당되는 제1 피치(P1)는 복수의 제1 타겟 패턴(311, 312, 313, 314) 중 인접한 제1 타겟 패턴(312, 313) 사이의 공간 피치(PS1)와 제1 타겟 패턴(312)의 라인 피치(PL)를 포함한다. 마찬가지로, 제2 레이어(320)에 형성된 복수의 제2 타겟 패턴(321, 322, 323, 324)에 해당되는 제2 피치(P2)는 복수의 제2 타겟 패턴(321, 322, 323, 324) 중 인접한 제2 타겟 패턴(322, 323) 사이의 공간 피치(PS2)와 제2 타겟 패턴(322)의 라인 피치(PL)를 포함한다.

여기서 제1 타겟 패턴(311, 312, 313, 314) 사이의 공간 피치(PS1)는 제2 타겟 패턴(321, 322, 323, 324) 사이의 공간 피치(PS2)와 다른 반면, 제1 타겟 패턴(311, 312, 313, 314) 사이의 라인 피치(PL)는 제2 타겟 패턴(321, 322, 323, 324) 사이의 공간 피치(PL)와 동일하다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 제1 타겟 패턴(311, 312, 313, 314) 사이의 공간 피치(PS1)는 제2 타겟 패턴(321, 322, 323, 324) 사이의 공간 피치(PS2)보다 작다. 그러나 본 발명의 다른 몇몇의 실시예에서, 제1 타겟 패턴(311, 312, 313, 314) 사이의 공간 피치(PS1)는 제2 타겟 패턴(321, 322, 323, 324) 사이의 공간 피치(PS2)보다 크게 형성될 수도 있다.

상술한 바와 같이 제1 레이어(310)의 제1 타겟 패턴(311, 312, 313, 314)과 제2 레이어(320)의 제2 타겟 패턴(321, 322, 323, 324)의 피치는 다르도록 설정되기만 하면 된다. 그런데 이하에서는 설명의 편의를 위해 제2 타겟 패턴(321, 322, 323, 324)의 제2 피치(P2)가 제1 타겟 패턴(311, 312, 313, 314)의 제1 피치(P1)보다 크다는 전제하에 설명하도록 한다.

본 발명의 몇몇의 실시예에서, 제2 피치(P2)와 제1 피치(P1)의 차이 값은 제1 피치(P1)의 0.01 % 내지 제1 피치(P1)의 1 %의 범위일 수 있다. 다시 말해서 공간 피치(PS2)와 공간 피치(PS1)의 차이 값은 제1 피치(P1)의 0.01 % 내지 제1 피치(P1)의 1 %의 범위일 수 있다. 바람직하게는 제2 피치(P2)와 제1 피치(P1)의 차이 값은 제1 피치(P1)의 0.01 %(즉, P1/1000)일 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예에서는 반사광으로부터 획득한 무아레 패턴(Moire pattern)을 분석하여 오버레이 오차를 측정하게 되는데, 이와 같은 제2 피치(P2)와 제1 피치(P1)의 차이 값이 갖는 수치 범위는 무아레 패턴의 주기(2d)와 제1 피치(P1) 및 제2 피치(P2)와 제1 피치(P1)의 차이 값(δP) 사이의 관계를 나타내는 무아레 방정식(Moire Equation)으로부터 도출될 수 있다. 무아레 방정식은 다음과 같다.

반사광부터 획득한 무아레 패턴은 제1 암영역(dark zone), 제2 암영역 및 제1 암영역과 제2 암영역 사이에 명영역(pale zone)을 포함할 수 있다. 명영역의 중심과 제2 암영역의 중심 사이에 n개의 제1 타겟 패턴이 형성된다고 가정하면, 명영역의 중심으로부터 제2 암영역의 중심까지의 거리

Figure pat00001
이다. 한편, 제1 암영역의 중심은
Figure pat00002
만큼 시프팅(shift)되고, 제2 타겟 패턴 중 n 번째 패턴은 제1 타겟 패턴 중 n 번째 패턴보다
Figure pat00003
만큼 시프팅되므로,
Figure pat00004
Figure pat00005
가 성립한다. 이로부터 다음과 같은 무아레 방정식이 도출될 수 있다.

Figure pat00006

본 발명의 다양한 실시예에 따라, 반사광의 무아레 패턴을 측정하기 위해서는, 타겟 패턴들이 1 무아레 주기(즉, 2d)를 이루어야 하고, 무아레 패턴을 촬영하는 이미지 센서(124)의 하나의 픽셀에는 적어도 10개의 패턴이 포함되어야 하고, 무아레 패턴을 측정하기 위해 이미지 센서(124)에는 적어도 100개의 픽셀이 필요하다. 이로부터 1 무아레 주기(즉, 2d)는 바람직하게는 10 * 100 * P1 = 1000 P1이 되어야 한다. 다시 말해서, 무아래 패턴의 주기(2d) 내에는 제1 피치(P1)를 갖는 타겟 패턴이 약 100 개 내지 약 10000개, 바람직하게는 약 1000 개 정도가 포함되어야, 이미지 센서(124)에 대해 충분한 해상력(resolution)을 얻을 수 있다. 이 경우 값(δP)은 다음과 같은 범위를 가질 수 있다.

Figure pat00007

바람직하게 무아래 패턴의 주기(2d) 내에 제1 피치(P1)를 갖는 타겟 패턴이 1000 개 포함되는 경우, 값(δP)은 다음과 같이 도출될 수 있다.

Figure pat00008

이와 같은 과정에 의해, 제2 피치(P2)와 제1 피치(P1)의 차이 값은 제1 피치(P1)의 0.01 % 내지 제1 피치(P1)의 1 %의 범위, 바람직하게는 제1 피치(P1)의 0.01 %가 될 수 있다.

한편, 제1 피치(P1)는 제1 파장 이하에서 선택될 수 있다. 만일 제1 피치(P1)가 제1 파장을 초과하게 되는 경우에는 반사광의 출사 방향이 이미지 센서(124)를 벗어나게 되어 오버레이 오차의 측정이 어렵게 될 수 있다. 또한, 이와 유사한 이유로, 제1 피치(P1)는 제1 파장의 1 % 이상에서 선택될 수 있다. 바람직하게는 오버레이 오차 측정의 안정성과 정확도를 확보할 수 있도록 제1 피치(P1)가 제1 파장의 약 10 %이 되도록 선택될 수 있다.

이러한 조건을 만족하도록 제1 레이어(310)의 제1 타겟 패턴(311, 312, 313, 314)과 제2 레이어(320)의 제2 타겟 패턴(321, 322, 323, 324)의 배치를 다르게 함으로써, 제1 레이어(310) 및 제2 레이어(320)로부터의 반사광들의 간섭 효과를 기대할 수 있다. 제1 레이어(310) 및 제2 레이어(320)로부터의 반사광들의 간섭으로 인한 위상 패턴에 대해서는 도 5와 함께 후술하도록 한다.

본 발명의 몇몇의 실시예에서, 제1 타겟 패턴(311, 312, 313, 314)과 제2 타겟 패턴(321, 322, 323, 324)의 너비(width), 길이(length) 및 높이(height) 중 적어도 하나는 서로 동일할 수 있다. 나아가, 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 제1 타겟 패턴(311, 312, 313, 314)과 제2 타겟 패턴(321, 322, 323, 324)의 형상이 서로 동일할 수도 있다. 다시 말해서, 제1 타겟 패턴(311, 312, 313, 314)과 제2 타겟 패턴(321, 322, 323, 324)에서 제1 피치(P1)와 제2 피치(P2)가 서로 차이가 난다는 점이 중요하다.

한편, 앞서 설명한 바와 같이, 제1 타겟 패턴(311, 312, 313, 314)과 제2 타겟 패턴(321, 322, 323, 324)은 회로 패턴을 포함할 수도 있다. 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 제1 타겟 패턴(311, 312, 313, 314)과 제2 타겟 패턴(321, 322, 323, 324) 중 어느 하나는 포토 레지스트(photo resist) 패턴을 포함할 수 있다. 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 제1 타겟 패턴(311, 312, 313, 314)과 제2 타겟 패턴(321, 322, 323, 324) 중 어느 하나는 BPSG(Borophosphosilicate glass) 패턴을 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 제1 타겟 패턴(311, 312, 313, 314)의 너비 또는 제2 타겟 패턴(321, 322, 323, 324)의 너비는 10 um 내지 200 um의 범위일 수 있다. 반도체 장치의 오버레이 오차를 측정하기 위해 광학적 포커싱(focusing)을 하기 위해서는 제1 타겟 패턴(311, 312, 313, 314)의 너비 또는 제2 타겟 패턴(321, 322, 323, 324)의 너비가 상기 범위를 만족하도록 형성되는 것이 바람직하나, 본 발명의 범위에 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 방법은 상술한 바와 같이 배치된 복수의 제1 타겟 패턴(311, 312, 313, 314)을 포함하는 제1 레이어(310)와 복수의 제2 타겟 패턴(321, 322, 323, 324)을 포함하는 제2 레이어(320)에 제1 파장을 갖는 입사광을 조사한 후, 제1 레이어(310)와 제2 레이어(320)로부터 반사된 반사광으로부터 상기 입사광에 대한 반사광의 위상 패턴을 획득한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 방법은 획득한 반사광의 위상 패턴을 분석하여 제1 레이어(310)와 제2 레이어(320)의 오버레이 에러를 검출한다.

이어서 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 방법의 위상 패턴을 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 도 5의 그래프는 오버레이의 방향 중 x축 방향에 대해, 도 4에서 설명한 바와 같은 측정을 통해 분광 이미지 타원 계측기(100)로부터 획득한 위상차를 의미하는 Δ(delta)를 나타낸다.

지점(x1)에서 제1 레이어(310)에 형성된 제1 타겟 패턴(315, 316)은 제2 레이어(320)에 형성된 제2 타겟 패턴(325)와 그 위상이 정반대이다. 이러한 경우는 제1 레이어(310)와 제2 레이어(320)의 오버레이 오차가 최대인 경우이다. 지점(x1)에서 Δ(delta)는 Δ1이라는 피크 포인트(peak point)를 가진다. 이와 유사하게 지점(x3)에서 제1 레이어(310)에 형성된 제1 타겟 패턴(318)은 제2 레이어(320)에 형성된 제2 타겟 패턴(328, 329)와 그 위상이 정반대이다. 이러한 경우 역시 제1 레이어(310)와 제2 레이어(320)의 오버레이 오차가 최대인 경우에 해당한다. 지점(x3)에서 Δ(delta)는 Δ2라는 밸리 포인트(valley point)를 가진다.

한편, 지점(x2)에서 제1 레이어(310)에 형성된 제1 타겟 패턴(317)은 제2 레이어(320)에 형성된 제2 타겟 패턴(327)와 그 위상이 동일하다. 즉 이러한 경우는 제1 레이어(310)와 제2 레이어(320)가 정렬되어 오버레이 오차가 최소인 경우 또는 오버레이 오차가 없는 경우이다. 지점(x2)은 Δ(delta)를 나타내는 곡선(f)에서 2차 도함수의 부호가 바뀌는 변곡점에 대응될 수 있다. 지점(x4) 역시 제1 레이어(310)와 제2 레이어(320)가 정렬되어 오버레이 오차가 최소인 경우 또는 오버레이 오차가 없는 경우로서, 곡선(f)의 변곡점에 대응될 수 있다.

즉 제1 피치(P1)를 갖는 타겟 패턴들이 형성된 제1 레이어(310) 및 제1 피치(P2)를 갖는 타겟 패턴들이 형성된 제2 레이어(320)로부터의 반사광들의 간섭으로 인한 위성 패턴은 상술한 바와 같이 Δ(delta)를 나타내는 곡선(f)으로 표현될 수 있고, Δ(delta)를 나타내는 곡선(f)을 분석하여 제1 레이어(310)와 제2 레이어(320)의 오버레이 에러를 검출하거나, 제1 레이어(310)의 제1 오버레이 키와 제2 레이어(320)의 제2 오버레이 키의 오프셋 값을 연산할 수 있다.

특히, 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 방법은 제1 레이어(310) 및 제2 레이어(320)가 정렬된 경우 측정된 반사광의 기준 위상 패턴을 획득하는 것을 더 포함한다. 이에 따라 반사광의 위상 패턴을 분석하여 제1 레이어(310) 및 제2 레이어(320)의 오버레이 에러를 검출하는 것은 기준 위상 패턴과 반사광의 위상 패턴을 분석하여 제1 레이어(310) 및 제2 레이어(320)의 오버레이 에러를 검출하는 것을 포함할 수 있다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 방법의 위상 패턴을 분석하는 것을 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 도 6의 그래프는 오버레이의 방향 중 x축 방향에 대해, 도 4에서 설명한 바와 같은 측정을 통해 분광 이미지 타원 계측기(100)로부터 획득한 위상차를 의미하는 Δ(delta)를 나타낸다. 여기서 곡선(f1)은 도 5와 관련하여 상술한 기준 위상 패턴을 의미하고, 곡선(f2)은 반사광의 위상 패턴을 의미한다.

한편, 본 실시예에서는 분광 이미지 타원 계측기(100)를 사용하여 기준 위상 패턴 또는 반사광의 위상 패턴을 측정하므로, 기준 위상 패턴 또는 반사광의 위상 패턴은 기준 위상 패턴 이미지 또는 반사광의 위상 패턴 이미지로서 획득될 수 있다. 여기서 기준 위상 패턴 이미지 또는 반사광의 위상 패턴 이미지는 무아레 패턴(Moire pattern) 이미지를 포함할 수 있다. 도 6의 그래프의 아래에 도시된 것은 기준 위상 패턴 이미지의 농담 패턴(Gray pattern)(M1) 및 반사광의 위상 패턴 이미지의 농담 패턴(M2)을 나타낸 것이다. 이것들은 일종의 스펙트럼으로서 표현될 수 있다.

본 실시예에서, 반사광의 위상 패턴 이미지를 분석하여 제1 레이어(310) 및 제2 레이어(320)의 오버레이 에러를 검출하는 것은, 반사광의 위상 패턴 이미지의 농담 패턴(M2)으로부터 밸리 포인트의 위치를 추출하고, 기준 위상 패턴 이미지의 농담 패턴(M1)의 밸리 포인트의 위치와 반사광의 위상 패턴 이미지의 농담 패턴(M2)의 밸리 포인트의 위치를 비교하여 제1 레이어(310) 및 제2 레이어(320)의 오버레이 에러를 검출하는 것을 포함한다. 여기서 제1 레이어(310) 및 제2 레이어(320)의 오버레이 에러를 검출하는 것은 제1 레이어(310)의 제1 오버레이 키와 제2 레이어(320)의 제2 오버레이 키의 오프셋 값(D1)을 연산하는 것을 포함할 수 있다.

예를 들어, 도 6에서는 기준 위상 패턴 이미지의 경우 지점(x1)이 곡선(f1)의 밸리 포인트인 반면 반사광의 위상 패턴 이미지의 경우에는 지점(x2)이 곡선(f2)의 밸리 포인트이다. 즉, 기준 위상 패턴 이미지의 농담 패턴(M1)에서 가장 어두운 영역인 지점(x1)이 곡선(f1)의 밸리 포인트에 대응되는 것이라면, 반사광의 위상 패턴 이미지의 농담 패턴(M2)에서 가장 어두운 영역인 곡선(f2)의 밸리 포인트에 대응되는 지점(x2)은 지점(x1)로부터 떨어져 있다. 이러한 스펙트럼 분석을 통해 제1 레이어(310)의 제1 오버레이 키와 제2 레이어(320)의 제2 오버레이 키는 오프셋 값(D1)만큼 어긋나 있음을 판단할 수 있다.

도 7을 참조하면, 도 7의 그래프는 오버레이의 방향 중 y축 방향에 대해, 도 4에서 설명한 바와 같은 측정을 통해 분광 이미지 타원 계측기(100)로부터 획득한 위상차를 의미하는 Δ(delta)를 나타낸다. 여기서 곡선(f1)은 도 5와 관련하여 상술한 기준 위상 패턴을 의미하고, 곡선(f3)은 반사광의 위상 패턴을 의미한다.

본 실시예에서, 반사광의 위상 패턴 이미지를 분석하여 제1 레이어(310) 및 제2 레이어(320)의 오버레이 에러를 검출하는 것은, 반사광의 위상 패턴 이미지의 농담 패턴(M3)으로부터 피크 포인트의 위치를 추출하고, 기준 위상 패턴 이미지의 농담 패턴(M1)의 피크 포인트의 위치와 반사광의 위상 패턴 이미지의 농담 패턴(M3)의 피크 포인트의 위치를 비교하여 제1 레이어(310) 및 제2 레이어(320)의 오버레이 에러를 검출하는 것을 포함한다. 여기서 제1 레이어(310) 및 제2 레이어(320)의 오버레이 에러를 검출하는 것은 제1 레이어(310)의 제1 오버레이 키와 제2 레이어(320)의 제2 오버레이 키의 오프셋 값(D2)을 연산하는 것을 포함할 수 있다.

예를 들어, 도 7에서는 기준 위상 패턴 이미지의 경우 지점(x1)이 곡선(f1)의 피크 포인트인 반면 반사광의 위상 패턴 이미지의 경우에는 지점(x3)이 곡선(f2)의 피크 포인트이다. 즉, 기준 위상 패턴 이미지의 농담 패턴(M1)에서 가장 밝은 영역인 지점(x1)이 곡선(f1)의 피크 포인트에 대응되는 것이라면, 반사광의 위상 패턴 이미지의 농담 패턴(M2)에서 가장 밝은 영역인 곡선(f3)의 피크 포인트에 대응되는 지점(x3)은 지점(x1)로부터 떨어져 있다. 이러한 스펙트럼 분석을 통해 제1 레이어(310)의 제1 오버레이 키와 제2 레이어(320)의 제2 오버레이 키는 오프셋 값(D2)만큼 어긋나 있음을 판단할 수 있다.

본 발명의 몇몇의 실시예에서, 상술한 방법을 이용하여 반도체 장치를 제조할 수 있다. 이와 같은 방법은, 구체적으로, 제1 영역 및 제2 영역이 정의된 기판을 제공받고, 상기 제1 영역에는 제1 요소(element)와 제2 요소를 포함하는 반도체 칩을 형성하고, 상기 제2 영역에는 제1 및 제2 타겟 패턴을 포함하는 오버레이 패턴을 형성하고, 상기 오버레이 패턴을 이용하여 오버레이 에러를 검출하는 것을 포함하되, 상기 반도체 칩과 상기 오버레이 패턴을 형성하는 것은, 제1 피치로 이격된 상기 제1 요소를 상기 제1 영역에 형성하고, 상기 제1 피치로 이격된 제1 타겟 패턴을 상기 제2 영역에 형성하고, 상기 제1 피치보다 작은 제2 피치로 이격된 상기 제2 요소를 상기 제1 영역에 형성하고, 상기 제2 피치로 이격된 제2 타겟 패턴을 상기 제1 타겟 패턴 상에 형성하는 것을 포함하고, 상기 오버레이 패턴을 이용하여 오버레이 에러를 검출하는 것은, 상기 제1 및 제2 타겟 패턴에 제1 파장을 갖는 입사광을 조사하고, 상기 제1 및 제2 타겟 패턴으로부터 반사된 반사광으로부터 상기 입사광에 대한 상기 반사광의 위상 패턴을 획득하고, 상기 반사광의 위상 패턴을 분석하여 상기 제1 및 제2 타겟 패턴의 오버레이 에러를 검출하는 것을 포함한다. 여기서, 제1 요소 및 제2 요소는 게이트, 컨택, 스페이서 등을 비롯한 반도체 소자를 포함할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 본 발명의 몇몇의 실시예에서, 상술한 방법을 이용한 오버레이 에러의 검출 시스템은, 하나 이상의 프로세서 및 메모리를 구비하는 컴퓨팅 시스템; 및 하나 이상의 이미지 센서를 구비하고, 상기 이미지 센서를 이용하여 반도체 기판을 계측하는 이미지 타원 계측 장치(Image Ellpsometer)를 포함하고, 상기 기판은 제1 레이어 및 상기 제1 레이어에 수직으로 배치된 제2 레이어를 포함하고, 상기 제1 레이어는 상기 제1 오버레이 키는 제1 피치를 갖는 복수의 제1 타겟 패턴을 포함하는 제1 오버레이 키를 포함하고, 상기 제2 레이어는 상기 제1 피치와 다른 제2 피치를 갖는 복수의 제2 타겟 패턴을 포함하는 제2 오버레이 키를 포함하고, 상기 이미지 타원 계측 장치는, 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어에 제1 파장을 갖는 입사광을 조사하고, 상기 이미지 센서를 이용하여 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어로부터 반사된 반사광의 위상 패턴 이미지를 획득하고, 상기 컴퓨팅 시스템은 상기 이미지 타원 계측 장치로부터 제공받은 상기 반사광의 위상 패턴 이미지를 상기 메모리에 로드하고, 상기 프로세서를 이용하여 상기 반사광의 위상 패턴의 피크 포인트(peak point) 또는 밸리 포인트(valley point)의 위치를 연산하고, 상기 프로세서는 상기 위상 패턴의 상기 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치를 이용하여 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 오버레이 에러를 검출하는 것을 포함한다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 방법의 오버레이 키를 설명하기 위한 상면도이다.

도 8을 참조하면, 도 3에 도시된 앞선 실시예와 다른 점은, 반도체 웨이퍼(300)의 제1 레이어(310)에는 제1 오버레이 키 및 제3 오버레이 키가 형성되고, 제1 오버레이 키는 제1 피치(P1)를 갖는 복수의 타겟 패턴(311, 312, 313, 314)을 포함하고, 제3 오버레이 키는 제3 피치(P3)를 갖는 복수의 타겟 패턴(315, 316, 317)을 포함한다는 점이다. 또한, 반도체 웨이퍼(300)의 제1 레이어(310)의 다른 영역에는 제4 피치(P4)를 갖는 다른 타겟 패턴들도 형성될 수 있다.

이어서 도 9는 도 8의 B-B를 따라 절단한 단면을 도시한다.

도 9를 참조하면, 제1 레이어(310)에는 제1 오버레이 키가 형성되고, 제1 오버레이 키는 제1 피치(P1)를 갖는 복수의 제1 타겟 패턴(311, 312, 313, 314)을 포함한다. 또한, 제1 레이어(310)에는 제3 오버레이 키가 더 형성되고, 제3 오버레이 키는 제3 피치(P3)를 갖는 복수의 제3 타겟 패턴(315, 316, 317)을 포함한다. 한편, 제1 레이어(310)에 대해 수직으로 배치된 제2 레이어(320)에는 제2 오버레이 키가 형성되고, 제2 오버레이 키는 제1 피치(P1)와 다른 제2 피치(P2)를 갖는 복수의 제2 타겟 패턴(321, 322, 323, 324)을 포함한다. 여기서 제2 피치(P2)는 제1 피치(P1)보다 크고 제3 피치(P3)보다 작을 수 있다.

바꾸어 말하면 제1 타겟 패턴(311, 312, 313, 314), 제2 타겟 패턴(321, 322, 323, 324) 및 제3 타겟 패턴(315, 316, 317)의 라인 피치(PL)는 모두 동일하므로, 제2 타겟 패턴(321, 322, 323, 324)의 공간 피치(PS2)는 제1 타겟 패턴(311, 312, 313, 314)의 공간 피치(PS1)보다 크고 제3 타겟 패턴(315, 316, 317)의 공간 피치(PS3)보다 작을 수 있다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 방법의 오버레이 키를 설명하기 위한 개략도이다.

도 10을 참조하면, 반도체 웨이퍼(500)의 제1 레이어(510)에는 제1 오버레이 키(512)가 형성되고, 반도체 웨이퍼(500)의 제2 레이어(520)에는 제1 오버레이 키(512)와 오버랩되도록 제2 오버레이 키(522)가 형성된다. 제1 오버레이 키(512)와 제2 오버레이 키(522)는 제1 레이어(510)와 제2 레이어(520)의 오버레이 에러를 검출하기 위해 사용된다. 한편, 반도체 웨이퍼(500)의 제2 레이어(520)에는 제3 오버레이 키(524)가 형성되고, 반도체 웨이퍼(500)의 제3 레이어(530)에는 제3 오버레이 키(524)와 오버랩되도록 제4 오버레이 키(534)가 형성된다. 제3 오버레이 키(524)와 제4 오버레이 키(534)는 제2 레이어(520)와 제3 레이어(530)의 오버레이 에러를 검출하기 위해 사용된다.

이어서 도 11은 도 10의 실시예에 따른 다중 레이어를 절단한 단면을 도시한다.

도 11을 참조하면, 제1 오버레이 키(512)는 제1 피치(P1)를 갖는 복수의 제1 타겟 패턴(516, 517)을 포함하고, 제2 오버레이 키(522)는 제1 피치(P1)와 다른 제2 피치(P2)를 갖는 복수의 제2 타겟 패턴(526, 527)을 포함한다. 한편, 제3 오버레이 키(524)는 제3 피치(P3)를 갖는 복수의 제3 타겟 패턴(528, 529)을 포함하고, 제4 오버레이 키(534)는 제3 피치(P3)와 다른 제4 피치(P4)를 갖는 복수의 제4 타겟 패턴(538, 539)을 포함한다. 여기서 제1 타겟 패턴(516, 517)과 제2 타겟 패턴(526, 527)의 너비(width), 길이(length) 및 높이(height) 중 적어도 하나는 서로 동일하고, 제3 타겟 패턴(528, 529)과 상기 제4 타겟 패턴(538, 539)의 너비(width), 길이(length) 및 높이(height) 중 적어도 하나는 서로 동일할 수 있다.

본 실시예에 따른 오버레이 에러의 검출 방법은, 제1 레이어(510) 및 제2 레이어(520)에 제1 파장을 갖는 제1 입사광을 조사하고 그 반사광의 위상 패턴을 분석하여 제1 레이어(510) 및 제2 레이어(520)의 오버레이 에러를 검출하고, 제2 레이어(520) 및 제3 레이어(530)에 제2 파장을 갖는 제2 입사광을 조사하고 그 반사광의 위상 패턴을 분석하여 제2 레이어(520) 및 제3 레이어(530)의 오버레이 에러를 검출한다.

구체적으로, 제1 레이어(510) 및 제2 레이어(520)에 제1 파장을 갖는 제1 입사광을 조사하고 그 반사광의 위상 패턴을 분석하여 제1 레이어(510) 및 제2 레이어(520)의 오버레이 에러를 검출하는 것은, 제1 레이어(510)의 제1 오버레이 키(512) 및 제2 레이어(520)의 제2 오버레이 키(522)에 제1 입사광을 조사하고, 제1 레이어(510) 및 제2 레이어(520)로부터 반사된 반사광의 제1 위상 패턴 이미지를 획득하고, 상기 반사광의 제1 위상 패턴 이미지를 분석하여 제1 오버레이 키(512) 및 제2 오버레이 키(522)의 오프셋 값을 연산하는 것을 포함할 수 있다.

한편, 제2 레이어(520) 및 제3 레이어(530)에 제2 파장을 갖는 제2 입사광을 조사하고 그 반사광의 위상 패턴을 분석하여 제2 레이어(520) 및 제3 레이어(530)의 오버레이 에러를 검출하는 것은, 제2 레이어(520)의 제3 오버레이 키(524) 및 제3 레이어(530)의 제4 오버레이 키(534)에 제2 입사광을 조사하고, 제2 레이어(520) 및 제3 레이어(530)로부터 반사된 반사광의 제2 위상 패턴 이미지를 획득하고, 상기 반사광의 제2 위상 패턴 이미지를 분석하여 제3 오버레이 키(524) 및 제4 오버레이 키(534)의 오프셋 값을 연산하는 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예에 따라, 스캐터로메트리(scatterometry) 타겟 및 분광 이미지 타원 계측기(Spectroscopic Image Ellipsometer)를 이용하여 오버레이 키를 효율적으로 측정할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 오버레이 에러의 검출 장치 100: 분광 이미지 타원 계측기
110: 광원 112: 파장 선택기
114: 편광기 116: 보정기
118: 조명 광학계 120: 결상 광학계
122: 편광 선택기 124: 이미지 센서
200: 컴퓨팅 시스템 210: 프로세서
220: 메모리 230: 버스
300: 반도체 웨이퍼 310: 제1 레이어
311, 312, 313, 314, 315, 316, 317, 318: 제1 타겟 패턴
320: 제2 레이어
321, 322, 323, 324, 325, 326, 327, 328: 제2 타겟 패턴
400: 스테이지 510: 제1 레이어
512: 제1 오버레이 키 516, 517: 제1 타겟 패턴
520: 제2 레이어 522: 제2 오버레이 키
524: 제3 오버레이 키 526, 527: 제2 타겟 패턴
528, 529: 제3 타겟 패턴 530: 제3 레이어
534: 제4 오버레이 키 538, 539: 제4 타겟 패턴

Claims (25)

  1. 제1 레이어에 제1 오버레이 키를 형성하고, 상기 제1 오버레이 키는 제1 피치를 갖는 복수의 제1 타겟 패턴을 포함하고,
    상기 제1 레이어에 대해 수직으로 배치된 제2 레이어에 제2 오버레이 키를 형성하고, 상기 제2 오버레이 키는 상기 제1 피치와 다른 제2 피치를 갖는 복수의 제2 타겟 패턴을 포함하고,
    상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어에 제1 파장을 갖는 입사광을 조사하고,
    상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어로부터 반사된 반사광으로부터 상기 입사광에 대한 상기 반사광의 위상 패턴을 획득하고,
    상기 반사광의 위상 패턴의 피크 포인트(peak point) 또는 밸리 포인트(valley point)의 위치를 연산하고,
    상기 위상 패턴의 상기 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치를 이용하여 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 오버레이 에러를 검출하는 것을 포함하는 오버레이 에러의 검출 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 피치는 상기 복수의 제1 타겟 패턴 중 인접한 제1 타겟 패턴 사이의 공간 피치(space pitch)와 상기 제1 타겟 패턴의 라인 피치(line pitch)를 포함하고,
    상기 제2 피치는 상기 복수의 제2 타겟 패턴 중 인접한 제2 타겟 패턴 사이의 공간 피치와 상기 제2 타겟 패턴의 라인 피치를 포함하는 오버레이 에러의 검출 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 타겟 패턴의 라인 피치(line pitch)는 상기 제2 타겟 패턴의 라인 피치와 동일한 오버레이 에러의 검출 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 인접한 제1 타겟 패턴 사이의 공간 피치는 상기 인접한 제2 타겟 패턴 사이의 공간 피치와 다른 오버레이 에러의 검출 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 인접한 제1 타겟 패턴 사이의 공간 피치는 상기 인접한 제2 타겟 패턴 사이의 공간 피치보다 작은 오버레이 에러의 검출 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 피치는 상기 제1 피치보다 크고,
    상기 제2 피치와 상기 제1 피치의 차이 값은 상기 제1 피치의 0.01 % 내지 상기 제1 피치의 1 %의 범위인 오버레이 에러의 검출 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 피치는 상기 제1 파장 이하의 범위인 오버레이 에러의 검출 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 타겟 패턴과 상기 제2 타겟 패턴의 너비(width), 길이(length) 및 높이(height) 중 적어도 하나는 서로 동일한 오버레이 에러의 검출 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 타겟 패턴과 상기 제2 타겟 패턴의 형상은 서로 동일한 오버레이 에러의 검출 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 타겟 패턴과 상기 제2 타겟 패턴은 회로 패턴을 포함하는 오버레이 에러의 검출 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어가 정렬된 경우 측정된 반사광의 기준 위상 패턴을 획득하는 것을 더 포함하고,
    상기 위상 패턴의 상기 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치를 이용하여 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 오버레이 에러를 검출하는 것은,
    상기 기준 위상 패턴의 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치를 연산하고,
    상기 기준 위상 패턴의 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치와 상기 반사광의 위상 패턴의 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치를 비교하여 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 오버레이 에러를 검출하는 것을 포함하는 오버레이 에러의 검출 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기준 위상 패턴 및 상기 반사광의 위상 패턴은 무아레 패턴(Moire pattern)을 포함하는 오버레이 에러의 검출 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 위상 패턴의 상기 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치를 이용하여 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 오버레이 에러를 검출하는 것은,
    상기 위상 패턴의 상기 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치를 이용하여 상기 제1 레이어의 상기 제1 오버레이 키와 상기 제2 레이어의 상기 제2 오버레이 키의 오프셋 값을 연산하는 것을 포함하는 오버레이 에러의 검출 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이어 또는 상기 제2 레이어에 제3 오버레이 키를 더 형성하는 것을 포함하고, 상기 제3 오버레이 키는 상기 제1 피치 및 상기 제2 피치와 다른 복수의 제3 타겟 패턴을 포함하는 오버레이 에러의 검출 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 피치는 상기 제1 피치보다 크고 상기 제3 피치는 상기 제1 피치보다 작은 오버레이 에러의 검출 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 위상 패턴의 상기 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치를 이용하여 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 오버레이 에러를 검출하는 것은,
    상기 위상 패턴의 상기 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치를 이용하여 상기 제1 레이어의 상기 제1 오버레이 키와 상기 제2 레이어의 상기 제2 오버레이 키의 오프셋 값을 연산하는 것을 포함하는 오버레이 에러의 검출 방법.
  17. 제1 레이어에 제1 오버레이 키를 형성하고, 상기 제1 오버레이 키는 제1 피치를 갖는 복수의 제1 타겟 패턴을 포함하고,
    상기 제1 레이어의 상부에 배치된 제2 레이어에 제2 오버레이 키를 형성하고, 상기 제2 오버레이 키는 상기 제1 오버레이 키와 오버랩되며 상기 제1 피치와 다른 제2 피치를 갖는 복수의 제2 타겟 패턴을 포함하고,
    상기 제2 레이어에 제3 오버레이 키를 형성하고, 상기 제3 오버레이 키는 제3 피치를 갖는 복수의 제3 타겟 패턴을 포함하고,
    상기 제2 레이어의 상부에 배치된 제3 레이어에 제4 오버레이 키를 형성하고, 상기 제4 오버레이 키는 상기 제3 오버레이 키와 오버랩되며 상기 제3 피치와 다른 제4 피치를 갖는 복수의 제4 타겟 패턴을 포함하고,
    상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어에 제1 파장을 갖는 제1 입사광을 조사하고 그 반사광의 위상 패턴의 피크 포인트(peak point) 또는 밸리 포인트(valley point)의 위치를 이용하여 상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어의 오버레이 에러를 검출하고,
    상기 제2 레이어 및 상기 제3 레이어에 제2 파장을 갖는 제2 입사광을 조사하고 그 반사광의 위상 패턴의 피크 포인트 또는 밸리 포인트의 위치를 이용하여 상기 제2 레이어 및 상기 제3 레이어의 오버레이 에러를 검출하는 것을 포함하는 오버레이 에러의 검출 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 타겟 패턴과 상기 제2 타겟 패턴의 너비(width), 길이(length) 및 높이(height) 중 적어도 하나는 서로 동일하고, 상기 제3 타겟 패턴과 상기 제4 타겟 패턴의 너비(width), 길이(length) 및 높이(height) 중 적어도 하나는 서로 동일한 오버레이 에러의 검출 방법.
  19. 제1 영역 및 제2 영역이 정의된 기판을 제공받고,
    상기 제1 영역에는 제1 요소(element)와 제2 요소를 포함하는 반도체 칩을 형성하고,
    상기 제2 영역에는 제1 및 제2 타겟 패턴을 포함하는 오버레이 패턴을 형성하고,
    상기 오버레이 패턴을 이용하여 오버레이 에러를 검출하는 것을 포함하되,
    상기 반도체 칩과 상기 오버레이 패턴을 형성하는 것은,
    제1 피치로 이격된 상기 제1 요소를 상기 제1 영역에 형성하고, 상기 제1 피치로 이격된 제1 타겟 패턴을 상기 제2 영역에 형성하고,
    상기 제1 피치보다 작은 제2 피치로 이격된 상기 제2 요소를 상기 제1 영역에 형성하고, 상기 제2 피치로 이격된 제2 타겟 패턴을 상기 제1 타겟 패턴 상에 형성하는 것을 포함하고,
    상기 오버레이 패턴을 이용하여 오버레이 에러를 검출하는 것은,
    상기 제1 및 제2 타겟 패턴에 제1 파장을 갖는 입사광을 조사하고,
    상기 제1 및 제2 타겟 패턴으로부터 반사된 반사광으로부터 상기 입사광에 대한 상기 반사광의 위상 패턴을 획득하고,
    상기 반사광의 위상 패턴을 분석하여 상기 제1 및 제2 타겟 패턴의 오버레이 에러를 검출하는 것을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  20. 제1 레이어에 형성되고, 제1 피치를 갖는 복수의 제1 타겟 패턴을 포함하는 제1 오버레이 키; 및
    상기 제1 레이어에 수직으로 배치된 제2 레이어에 형성되고, 상기 제1 피치와 다른 제2 피치를 갖는 복수의 제2 타겟 패턴을 포함하는 제2 오버레이 키를 포함하는 오버레이 키(overlay key).
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제1 레이어 및 상기 제2 레이어는, 이미지 타원 계측 장치(Image Ellpsometer)로부터 제1 파장을 갖는 입사광을 수광하여, 상기 입사광에 대한 반사광을 발광하는 오버레이 키.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 제2 피치는 상기 제1 피치보다 크고,
    상기 제2 피치와 상기 제1 피치의 차이 값은 상기 제1 피치의 0.01 % 내지 상기 제1 피치의 1 %의 범위인 오버레이 키.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 제1 피치는 상기 제1 파장의 1 % 내지 상기 제1 파장 이하의 범위인 오버레이 키.
  24. 제20항에 있어서,
    상기 제1 타겟 패턴의 너비(width)는 10 um 내지 200 um의 범위인 오버레이 키.
  25. 제20항에 있어서,
    상기 제2 타겟 패턴의 너비(width)는 10 um 내지 200 um의 범위인 오버레이 키.
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