KR20240008074A - 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크, 이를 이용한 오버레이 측정 방법, 및 반도체 소자의 제조방법 - Google Patents

모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크, 이를 이용한 오버레이 측정 방법, 및 반도체 소자의 제조방법 Download PDF

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KR20240008074A KR1020220084988A KR20220084988A KR20240008074A KR 20240008074 A KR20240008074 A KR 20240008074A KR 1020220084988 A KR1020220084988 A KR 1020220084988A KR 20220084988 A KR20220084988 A KR 20220084988A KR 20240008074 A KR20240008074 A KR 20240008074A
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Abstract

본 발명은 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크 및 이를 이용한 오버레이 측정 방법 및 반도체 디바이스 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 두 개 이상의 패턴 층들 사이의 오버레이 오차를 결정하는, 이미지 기반 오버레이 측정용 오버레이 마크로서, 제1 오버레이 마크와, 제2 오버레이 마크를 포함하는 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크를 제공한다. 제1 오버레이 마크는, 제1 중심(C1)을 구비하며, 상기 제1 중심(C1)을 기준으로 대각선상에 배치되며, 교차 격자(intersection grating) 형태인 한 쌍의 제1 모아레 패턴들이 형성되도록 구성된다. 그리고 상기 제1 모아레 패턴들은 제1 패턴 층과 함께 제1 회전 각도로 형성되는 제1 교차 격자 패턴과, 제2 패턴 층과 함께 상기 제1 교차 격자 패턴에 겹치도록 제2 회전 각도로 형성되는 제2 교차 격자 패턴에 의해서 형성된다. 그리고 상기 제1 회전 각도와 상기 제2 회전 각도는 서로 다르다. 제2 오버레이 마크는, 제2 중심(C2)을 구비하며, 상기 제2 중심(C2)을 기준으로 대각선상에 배치되며, 교차 격자 형태인 한 쌍의 제2 모아레 패턴들이 형성되도록 구성된다. 그리고 상기 제2 모아레 패턴들은 상기 제1 패턴 층과 함께 제3 회전 각도로 형성되는 제3 교차 격자 패턴과, 상기 제2 패턴 층과 함께 상기 제3 교차 격자 패턴에 겹치도록 제4 회전 각도로 형성되는 제4 교차 격자 패턴에 의해서 형성된다. 그리고 제3 회전 각도와 상기 제4 회전 각도는 서로 다르다. 제1 중심(C1)과 제2 중심(C2) 사이의 차이는 오버레이 오차를 표시한다.

Description

모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크, 이를 이용한 오버레이 측정 방법, 및 반도체 디바이스 제조방법{Overlay mark forming moire pattern, overlay measurement method and semiconductor device manufacturing method using the same}
본 발명은 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크 및 이를 이용한 오버레이 측정 방법 및 반도체 디바이스 제조방법에 관한 것이다.
반도체 기판상에는 복수 개의 패턴 층들이 순차적으로 형성된다. 또한, 더블 패터닝 등을 통해서 하나의 층의 회로가 두 개의 패턴으로 나뉘어 형성되기도 한다. 이러한 패턴 층들 또는 하나의 층의 복수의 패턴이 미리 설정된 위치에 정확하게 형성되어야만, 원하는 반도체 소자를 제조할 수 있다.
따라서 패턴 층들이 정확하게 정렬되었는지를 확인하기 위해서, 패턴 층들과 동시에 형성되는 오버레이 마크들이 사용된다.
오버레이 마크를 이용하여 오버레이를 측정하는 방법은 아래와 같다. 먼저, 이전 공정, 예를 들어, 에칭 공정에서 형성된 패턴 층에, 패턴 층 형성과 동시에 오버레이 마크의 일부인 하나의 구조물을 형성한다. 그리고 후속 공정, 예를 들어, 포토리소그래피 공정에서, 포토레지스트에 오버레이 마크의 나머지 구조물을 형성한다.
그리고 오버레이 측정장치를 통해서 이전 공정에 형성된 패턴 층의 오버레이 구조물(포토레지스트 층을 투과하여 이미지 획득)과 포토레지스트 층의 오버레이 구조물의 이미지를 획득하고, 이들 이미지들의 중심들 사이의 오프셋 값을 계측하여 오버레이 값을 측정한다.
좀 더 구체적으로, 일본공개특허 2020-112807에는 기판에 형성된 오버레이 마크의 이미지를 캡처하고, 캡처된 이미지에서 복수의 워킹 존은 선택하고, 선택된 워킹 존의 각각에 대해 정보를 가진 신호를 형성하고, 이들을 비교함으로써 서로 다른 층 또는 서로 다른 패턴 사이의 상대적인 어긋남을 결정하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 한국등록특허 10-1604789에는 오버레이 마크의 이미지를 획득하고, 획득된 이미지의 중심을 기준으로 오버레이 마크의 180도 회전 이미지를 획득한 후, 두 개의 이미지를 비교하여, 일치하면 현재 이미지 중심을 오버레이 마크의 중심으로 정하고, 일치하지 않으면 일치할 때까지 위치를 변경하며 오버레이 마크 이미지를 획득하면서 상기 단계를 반복하는 오버레이 측정 방법이 개시되어 있다.
또한, 한국공개특허 2000-0006182에는 서로 포개지는 반복적인 오버레이 마크로 모아레 패턴을 형성을 형성하고, 이를 광학적으로 관찰하여, 정렬시의 모아레 패턴과 관찰된 모아레 패턴을 비교하여 오버레이를 측정하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 미국공개특허 US2021-0072650A1에는 서로 포개지는 X축 방향 1차원 격자 패턴들과 Y축 방향 1차원 격자 패턴들을 이용하여 180도 회전 대칭인 4쌍의 모아레 패턴들을 형성하고, 이들을 이용하여 X축과 Y축 방향의 오버레이를 측정하는 방법이 개시되어 있다.
이러한 모아레 패턴들의 이미지를 이용하는 방식은 층간 오정렬을 증폭하여 나타낸다는 점에서 오버레이 마크 자체의 이미지를 이용하는 방식에 비해서 장점이 있다.
일본공개특허 2020-112807 한국등록특허 10-1604789 한국공개특허 2000-0006182 미국공개특허 US2021-0072650A1 한국공개특허 2022-0062348
본 발명은 차지하는 면적이 작은 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크, 이를 이용한 새로운 오버레이 측정 방법 및 반도체 디바이스 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 두 개 이상의 패턴 층들 사이의 오버레이 오차를 결정하는, 이미지 기반 오버레이 측정용 오버레이 마크로서, 제1 오버레이 마크와, 제2 오버레이 마크를 포함하는 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크를 제공한다.
제1 오버레이 마크는, 제1 중심(C1)을 구비하며, 상기 제1 중심(C1)을 기준으로 대각선상에 배치되며, 교차 격자(intersection grating) 형태인 한 쌍의 제1 모아레 패턴들이 형성되도록 구성된다.
그리고 상기 제1 모아레 패턴들은 제1 패턴 층과 함께 제1 회전 각도로 형성되는 제1 교차 격자 패턴과, 제2 패턴 층과 함께 상기 제1 교차 격자 패턴에 겹치도록 제2 회전 각도로 형성되는 제2 교차 격자 패턴에 의해서 형성된다.
그리고 상기 제1 회전 각도와 상기 제2 회전 각도는 서로 다르다.
제2 오버레이 마크는, 제2 중심(C2)을 구비하며, 상기 제2 중심(C2)을 기준으로 대각선상에 배치되며, 교차 격자 형태인 한 쌍의 제2 모아레 패턴들이 형성되도록 구성된다.
그리고 상기 제2 모아레 패턴들은 상기 제1 패턴 층과 함께 제3 회전 각도로 형성되는 제3 교차 격자 패턴과, 상기 제2 패턴 층과 함께 상기 제3 교차 격자 패턴에 겹치도록 제4 회전 각도로 형성되는 제4 교차 격자 패턴에 의해서 형성된다.
그리고 제3 회전 각도와 상기 제4 회전 각도는 서로 다르다.
제1 중심(C1)과 제2 중심(C2) 사이의 차이는 오버레이 오차를 표시한다.
또한, 본 발명은 상기 한 쌍의 제1 모아레 패턴들은 피치와 회전각도가 서로 동일하며, 상기 한 쌍의 제2 모아레 패턴들도 피치와 회전각도가 서로 동일한 모아레 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 오버레이 마크를 제공한다.
또한, 상기 한 쌍의 제1 모아레 패턴들은 상기 제1 중심(C1)을 기준으로 180°회전 대칭이며, 상기 한 쌍의 제2 모아레 패턴들은 상기 제2 중심(C2)을 기준으로 180°회전 대칭인 모아레 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 오버레이 마크를 제공한다.
또한, 오버레이 오차가 있을 경우 상기 제1 중심(C1)과 상기 제2 중심(C2)의 이동 거리와 이동 방향 중 적어도 하나가 서로 다른 것을 특징으로 하는 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크를 제공한다.
또한, 상기 제1 교차 격자 패턴과 상기 제2 교차 격자 패턴의 피치가 동일한 것을 특징으로 하는 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크를 제공한다.
또한, X축 방향의 오버레이 오차는 상기 제1 모아레 패턴들 및 상기 제2 모아레 패턴들의 Y축 방향과 나란한 방향으로의 이동을 유발하며, Y축 방향의 오버레이 오차는 상기 제1 모아레 패턴들 및 상기 제2 모아레 패턴들의 X축 방향과 나란한 방향으로의 이동을 유발하는 것을 특징으로 하는 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크를 제공한다.
또한, 상기 제1 모아레 패턴들과 상기 제2 모아레 패턴들을 구성하는 선분들은 X축 또는 Y축과 나란한 것을 특징으로 하는 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크를 제공한다.
또한, 본 발명은 반도체 소자의 제조방법으로서, 복수의 연속하는 패턴 층 또는 하나의 패턴 층에 따로 형성된 복수 개의 패턴을 형성함과 동시에 오버레이 마크를 형성하는 단계와, 상기 오버레이 마크를 이용하여 오버레이 값을 측정하는 단계와, 측정된 오버레이 값을 복수의 연속하는 패턴 층 또는 하나의 패턴 층에 따로 형성된 복수의 패턴을 형성하기 위한 공정제어에 이용하는 단계를 포함하며, 상기 오버레이 마크는 상술한 오버레이 마크인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 복수의 연속하는 패턴 층 또는 하나의 패턴 층에 따로 형성된 복수의 패턴 사이의 오버레이를 측정하는 방법으로서, 복수의 연속하는 패턴 층 또는 하나의 패턴 층에 따로 형성된 복수의 패턴을 형성함과 동시에 형성된 오버레이 마크 이미지를 획득하는 단계와, 상기 오버레이 마크 이미지를 분석하는 단계를 포함하며, 상기 오버레이 마크는 상술한 오버레이 마크인 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법을 제공한다.
본 발명에 따른 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크는 종래의 오버레이 마크와 달리 X축과 Y축 방향의 오버레이 오차를 동시에 측정할 수 있다. 따라서 X축 방향과 Y축 방향 측정용 구조를 따로 형성해야 하는 종래의 오버레이 마크에 비해서, 작은 면적으로 형성할 수 있다. 그 결과, 반도체 웨이퍼의 스크라이브 레인에서 차지하는 면적이 작아질 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크의 일실시예의 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크 중에서 제1 패턴 층과 함께 형성되는 제1 교차 격자 패턴과, 제3 교차 격자 패턴을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크 중에서 제2 패턴 층과 함께 형성되는 제2 교차 격자 패턴과, 제4 교차 격자 패턴을 나타낸 도면이다.
도 4는 회전 각도 차이에 따른 모아레 패턴의 피치의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명의 일실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태들로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장된 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.
도 1은 본 발명에 따른 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크의 일실시예의 평면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크 중에서 제1 패턴 층과 함께 형성되는 제1 교차 격자 패턴과, 제3 교차 격자 패턴을 나타낸 도면이며, 도 3은 도 1에 도시된 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크 중에서 제2 패턴 층과 함께 형성되는 제2 교차 격자 패턴과, 제4 교차 격자 패턴을 나타낸 도면이다. 도 1은 제1 오버레이 마크와 제2 오버레이 마크(100, 200)가 정렬된 상태를 나타낸다. 즉, 제1 패턴 층과 제2 패턴 층 사이에 오버레이 오차가 없는 경우를 나타낸다.
도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 오버레이 마크(10)는 제1 오버레이 마크(100)와 제2 오버레이 마크(200)를 포함한다.
제1 오버레이 마크(100)는 오버레이 마크(10)의 제1 사분면과 제3 사분면에 배치되는 한 쌍의 제1 교차 격자 패턴(110)들과 한 쌍의 제2 교차 격자 패턴(120)들을 구비한다. 한 쌍의 제1 교차 격자 패턴(110)들은 일정한 간격을 두고 대각선상으로 배치된다. 한 쌍의 제2 교차 격자 패턴(120)들은 제1 교차 격자 패턴(110)들과 겹치도록 형성된다. 한 쌍의 제2 교차 격자 패턴(120)들은 일정한 간격을 두고 대각선상으로 배치된다.
제1 교차 격자 패턴(110)은 제1 패턴 층(아래층)과 함께 형성된다. 제1 교차 격자 패턴(110)은 메쉬 형태이다. 제1 교차 격자 패턴(110)은 대체로 Y축 방향을 따르는 제1 방향을 따라서 제1 피치(P1)를 가진다. 또한, 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라서 제2 피치(P2)를 가진다. 본 실시예에서 제1 피치(P1)와 제2 피치(P2)는 동일하다. 제1 교차 격자 패턴(110)의 제1 방향은 Y축 방향과 제1 회전 각도(θ1)를 이루도록 기울어져 있다.
제2 교차 격자 패턴(120)은 제2 패턴 층(위층)과 함께 형성된다. 제2 교차 격자 패턴(120)은 메쉬 형태이다. 제2 교차 격자 패턴(120)은 제1 교차 격자 패턴(110)과 동일한 피치를 갖는다. 제2 교차 격자 패턴(120)은 Y축 방향과 제2 회전 각도(θ2)를 이루도록 기울어져 있다. 제1 회전 각도(θ1)와 제2 회전 각도(θ2)는 서로 다르다.
이러한 제1 교차 격자 패턴(110)과 제2 교차 격자 패턴(120)은 오버레이 마크(10)의 제1 사분면과 제3 사분면에 동일한 형태의 한 쌍의 제1 모아레 패턴(M1)들을 형성한다. 한 쌍의 제1 모아레 패턴(M1)들의 형태가 동일하다는 것은 피치와 회전각도가 동일하다는 것을 의미한다. 즉, 이러한 제1 격자 패턴(110)과 제2 격자 패턴(120) 위에 빛을 조사하면, 주기적인 패턴을 겹칠 때 발생하는 간섭현상에 의해서, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 모아레 패턴(M1)이 형성된다.
도 1에서는 용이하게 식별할 수 있도록, 노란색으로 제1 모아레 패턴(M1)과 제2 모아레 패턴(M2)을 표시하였다.
이때, 제1 모아레 패턴(M1)은 교차 격자(메쉬) 형태이며, 제1 회전 각도(θ1)와 제2 회전 각도(θ2)의 차이에 의해서 제1 모아레 패턴(M1)의 피치가 결정된다.
도 4의 (a)는 회전 각도의 차이가 5°도일 때의 모아레 패턴이며, (b)는 회전 각도의 차이가 10°도일 때의 모아레 패턴이며, (c)는 회전 각도의 차이가 15°도일 때의 모아레 패턴을 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 회전 각도의 차이가 작을수록 모아레 패턴의 피치가 커진다.
제1 격자 패턴(110)에 대한 제2 격자 패턴(120)의 상대 이동은 제1 모아레 패턴(M1)의 이동을 일으킨다. 예를 들어, 도 1에 도시된 실시예에서, 제2 격자 패턴(120)이 +Y 축 방향으로 이동하면, 제1 모아레 패턴(M1)은 +X 축 방향으로 움직인다 그리고 제2 격자 패턴(120)이 +X 축 방향으로 이동하면, 제1 모아레 패턴(M1)은 -Y 축 방향으로 움직인다.
도 5는 격자 패턴의 상대 이동에 따른 모아레 패턴의 이동을 설명하기 위한 도면이다. 도 5에서는 모아레 패턴의 이동을 용이하게 확인할 수 있도록, 격자 패턴 사이의 회전 각도 차이를 조절하여, 도 1에 비해서 피치가 큰 모아레 패턴을 형성하였다. 도 5의 (b)는 (a)의 상태에서 상부 격자 패턴을 +Y 축 방향으로 이동시킨 상태를 나타내며, (c)는 +X축 방향으로 이동시킨 상태를 나타낸다. 상술한 바와 같이, 도 5의 (b)에서는 모아레 패턴이 +X축 방향으로 이동하며, (c)에서는 -Y축 방향으로 이동한다.
이때, 제2 격자 패턴(120)이 조금만 이동하여도 제1 모아레 패턴(M1)은 상대적으로 훨씬 긴 거리를 이동하게 된다. 격자 패턴의 이동 거리와 모아레 패턴의 이동 거리의 비인 확대 비율을 모아레 게인(moire gain)이라고 한다. 따라서 미세한 오버레이 오차도 모아레 패턴의 이미지를 통해서 좀 더 정확하게 측정할 수 있다.
제1 모아레 패턴(M1)들은 제1 중심(C1)을 구비한다. 제1 모아레 패턴(M1)들은 제1 중심(C1)을 기준으로 대각선상에 같은 거리만큼 간격을 두고 위치한다. 도 1에 도시된 제1 모아레 패턴(M1)들은 모아레 패턴을 구성하는 선분들이 X축 또는 Y축과 나란하기 때문에 제1 중심(C1)을 기준으로 180도 회전 대칭이다. 회전 대칭일 경우에는 오버레이 오차를 측정할 때 종래의 프로젝션 방법을 이용하여 제1 중심(C1)을 비교적 간단하게 찾을 수 있다는 점에서 장점이 있다. 하지만, 제1 모아레 패턴(M1)들이 제1 중심(C1)을 기준으로 반드시 180도 회전 대칭이어야 하는 것은 아니다.
제2 오버레이 마크(200)는 오버레이 마크(10)의 제2 사분면과 제4 사분면에 배치되는 한 쌍의 제3 교차 격자 패턴(210)들과 한 쌍의 제4 교차 격자 패턴(220)들을 구비한다. 한 쌍의 제3 교차 격자 패턴(210)들은 일정한 간격을 두고 대각선상으로 배치된다. 한 쌍의 제4 교차 격자 패턴(220)들은 제3 교차 격자 패턴(210)들과 겹치도록 형성된다. 한 쌍의 제4 교차 격자 패턴(220)들은 일정한 간격을 두고 대각선상으로 배치된다.
제3 교차 격자 패턴(210)은 제1 패턴 층(아래층)과 함께 형성된다. 제3 교차 격자 패턴(210)은 메쉬 형태이다. 제3 교차 격자 패턴(210)은 제1 교차 격자 패턴(110)과 동일한 피치를 갖는다. 제3 교차 격자 패턴(210)은 Y축 방향과 제3 회전 각도(θ3)를 이루도록 기울어져 있다. 본 실시예에서는 제3 회전 각도(θ3)와 제2 회전 각도(θ2)가 동일한 것으로 도시되어 있으나, 다를 수도 있다.
제4 교차 격자 패턴(220)은 제2 패턴 층(위층)과 함께 형성된다. 제4 교차 격자 패턴(220)은 메쉬 형태이다. 제4 교차 격자 패턴(220)은 제1 교차 격자 패턴(110)과 동일한 피치를 갖는다. 제4 교차 격자 패턴(220)은 Y축 방향과 제4 회전 각도(θ4)를 이루도록 기울어져 있다. 본 실시예에서는 제4 회전 각도(θ4)와 제2 회전 각도(θ1)가 동일한 것으로 도시되어 있으나, 다를 수도 있다. 제3 회전 각도(θ3)와 제4 회전 각도(θ4)는 서로 다르다.
이러한 제3 교차 격자 패턴(210)과 제4 교차 격자 패턴(220)은 오버레이 마크(10)의 제2 사분면과 제4 사분면에 동일한 형태의 한 쌍의 제2 모아레 패턴(M2)들을 형성한다. 즉, 이러한 제3 격자 패턴(210)과 제4 격자 패턴(220) 위에 빛을 조사하면, 주기적인 패턴을 겹칠 때 발생하는 간섭현상에 의해서, 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 모아레 패턴(M2)이 형성된다.
이때, 제2 모아레 패턴(M2)은 교차 격자(메쉬) 형태이며, 제3 회전 각도(θ3)와 제2 회전 각도(θ2)의 차이에 의해서 제2 모아레 패턴(M2)의 피치가 결정된다.
제3 격자 패턴(210)에 대한 제4 격자 패턴(220)의 상대 이동은 제2 모아레 패턴(M2)의 이동을 일으킨다. 예를 들어, 도 1에 도시된 실시예에서, 제4 격자 패턴(220)이 +Y 축 방향으로 이동하면, 제1 모아레 패턴(M1)은 -X 축 방향으로 움직인다. 그리고 제4 격자 패턴(220)이 +X 축 방향으로 이동하면, 제2 모아레 패턴(M2)은 +Y 축 방향으로 움직인다. 본 실시예에서는 제1 모아레 패턴(M1)과 제2 모아레 패턴(M2)이 서로 반대 방향으로 이동한다.
제2 모아레 패턴(M2)들은 제2 중심(C2)을 구비한다. 제2 모아레 패턴(M2)들은 제2 중심(C2)을 기준으로 대각선상에 같은 거리만큼 간격을 두고 위치한다. 도 1에 도시된 제2 모아레 패턴(M2)들은 모아레 패턴을 구성하는 선분들이 X축 또는 Y축과 나란하기 때문에 제2 중심(C2)을 기준으로 180도 회전 대칭이다. 회전 대칭일 경우에는 오버레이 오차를 측정할 때 종래의 프로젝션 방법을 이용하여 제2 중심(C2)을 비교적 간단하게 찾을 수 있다는 점에서 장점이 있다. 하지만, 제2 모아레 패턴(M2)들이 제2 중심(C2)을 기준으로 반드시 180도 회전 대칭이어야 하는 것은 아니다.
본 실시예에서는 제2 패턴 층의 상대 이동(제2 격자 패턴(120)과, 제4 격자 패턴(220)의 상대 이동)에 따라서 제1 모아레 패턴(M1)과 제2 모아레 패턴(M2)이 서로 반대 방향으로 이동하도록 격자 패턴들을 회전 각도들이 조절되어 있다. 하지만, 반드시 반대방향으로 이동하여야 하는 것은 아니다. 서로 같은 방향으로 서로 다른 거리를 이동하도록 격자 패턴들의 회전 각도들을 조절할 수도 있다. 다만, 제1 모아레 패턴(M1)과 제2 모아레 패턴(M2)이 서로 반대방향으로 이동하면, 오버레이 오차와 제1 중심(C1)과 제2 중심(C2) 사이의 거리의 비율이 커지기 때문에, 즉, 확대 비율이 더 커지기 때문에 오버레이 측정에 유리하다.
이하, 상술한 오버레이 마크(10)를 이용한 오버레이 측정 방법을 설명한다.
오버레이 측정 방법은 오버레이 마크(10)에 의해 형성된 모아레 패턴 이미지를 획득하는 단계와, 모아레 패턴 이미지를 분석하는 단계를 포함한다. 오버레이 마크(10)는 두 개의 연속하는 패턴 층을 형성함과 동시에 형성된다.
모아레 패턴 이미지를 획득하는 단계는 오버레이 측정장치를 이용하여 제1 내지 제2 모아레 패턴(M1, M2)의 이미지를 한 번에 획득하는 단계이다. 예를 들어, 도 1과 같은 이미지를 획득하는 단계이다.
모아레 패턴 이미지를 분석하는 단계는 획득된 모아레 패턴 이미지에서 제1 모아레 패턴(M1)의 제1 중심(C1)과 제2 모아레 패턴(M2)의 제2 중심(C2) 사이의 오프셋을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 단계는 다음과 같은 단계들을 포함할 수 있다. 아래의 단계는 모아레 패턴을 구성하는 선분들이 X축 또는 Y축과 나란한 경우에 적용될 수 있는 하나의 예시이며, 다른 방법으로 측정할 수도 있다.
먼저, 제1 모아레 패턴(M1)의 제1 중심(C1)과 획득된 모아레 패턴 이미지의 중심(COI) 사이의 차이를 구한다(S11). 도 1에서 COI는 이미지 자체의 중심으로서, 모아레 패턴의 중심과는 무관하다. 도 1에서는 편의상 COI가 제1 모아레 패턴(M1)의 제1 중심(C1) 및 제2 모아레 패턴(M2)의 제2 중심(C2)과 일치하는 것으로 도시하였다. 오버레이 오차가 있는 경우에는 제1 중심(C1)과 제2 중심(C2)이 서로 일치하지 않는다. COI는 이미지의 중심일 뿐 오버레이 오차와 무관하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 획득된 모아레 패턴 이미지에서 제1 사분면에 위치하는 제1 모아레 패턴(M1)의 일부 영역(R1)을 선택한다. 그리고 획득된 모아레 패턴 이미지의 중심(COI)을 기준으로 180도 대칭이 되는 영역(R2)도 선택한다. 이 영역(R2)은 제3 사분면의 다른 하나의 제1 모아레 패턴(M1)에 위치한다.
그리고 선택된 두 개의 영역(R1, R2)의 2차원 이미지들을 서로 비교한다. 만약, 제1 모아레 패턴(M1)의 중심(C1)과 모아레 패턴 이미지의 중심(COI)이 일치한다면, 두 개의 영역의 2차원 이미지들은 서로 일치한다. 차이가 있다면, 그 차이에 기초하여 제1 모아레 패턴(M1)의 중심(C1)과 모아레 패턴 이미지의 중심(COI)의 차이를 계산할 수 있다.
예를 들어, 각각의 2차원 이미지를 X축 방향과, Y축 방향으로 프로젝션하여 주기적인 1차원 그래프를 얻은 후 서로 비교하여 X축 방향과 Y축 방향으로 오프셋 값을 각각 구할 수 있다. 프로젝션은 2차원 이미지에서 동일한 X 값 또는 Y 값을 가지는 픽셀들의 그레이 값들을 모두 더하거나, 그레이 값들의 평균을 구하거나, 그레이 값들을 정규화하여 1차원 그래프를 얻는 것을 의미한다.
다음, R1과 R2 각각에서 획득된 1차원 그래프들을 이용하여 제1 모아레 패턴(M1)의 중심(C1)의 X 값과 획득된 오버레이 마크 이미지의 중심(COI)의 X 값 사이의 차이 및 제1 모아레 패턴(M1)의 제1 중심(C1)의 Y 값과 획득된 오버레이 마크 이미지의 중심(COI)의 Y 값 사이의 차이 구한다.
다음, 같은 방법으로 제2 모아레 패턴(M2)의 제2 중심(C2)과, 획득된 오버레이 마크 이미지의 중심(COI) 사이의 차이를 구한다(S12).
다음, 앞에서 구한 제1 모아레 패턴(M1)의 제1 중심(C1)과 획득된 오버레이 마크 이미지의 중심(COI)의 사이의 차이 및 제2 모아레 패턴(M2)의 제2 중심(C2)과 획득된 오버레이 마크 이미지의 중심(COI) 사이의 차이를 이용해서, 제1 모아레 패턴(M1)의 제1 중심(C1)과 제2 모아레 패턴(M2)의 제2 중심(C2) 사이의 차이를 구한다. 이 차이 값은 모아레 게인 값에 의해서 확대된 값이므로, 모아레 게인 값으로 나누어 X 축 방향과 Y축 방향의 오버레이 값을 구한다(S13).
이하에서는 도 1에 도시된, 오버레이 마크(10)를 이용한 반도체 소자의 제조방법을 설명한다. 오버레이 마크(10)를 이용한 반도체 소자의 제조방법은 오버레이 마크(10)를 형성하는 단계로 시작된다. 두 개의 연속하는 패턴 층을 형성함과 동시에 오버레이 마크(10)를 형성한다.
다음으로, 오버레이 마크(10)를 이용하여 오버레이 값을 측정한다. 오버레이 값을 측정하는 단계는 상술한 오버레이 측정 방법과 같다.
마지막으로, 측정된 오버레이 값을 두 개의 연속하는 패턴 층 또는 하나의 패턴 층에 따로 형성된 두 개의 패턴을 형성하기 위한 공정제어에 이용한다. 즉, 도출된 오버레이를 공정제어에 활용하여 연속하는 패턴 층 또는 두 개의 패턴이 정해진 위치에 형성되도록 한다.
이상에서 설명된 실시예들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
도 2와 3의 교차 패턴들은 예시에 불과하며, 서로 대각선상에 배치되며 형태가 동일한 한 쌍의 제1 모아레 패턴들과 제2 모아레 패턴들을 형성할 수 있는 다양한 교차 패턴들이 사용될 수 있다.
M1: 제1 모아레 패턴
M2: 제2 모아레 패턴
C1: 제1 중심
C2: 제2 중심
COI: 이미지 중심
10: 오버레이 마크
100: 제1 오버레이 마크
110: 제1 격자 패턴
120: 제2 격자 패턴
200: 제2 오버레이 마크
210: 제3 격자 패턴
220: 제4 격자 패턴

Claims (9)

  1. 두 개 이상의 패턴 층들 사이의 오버레이 오차를 결정하는, 이미지 기반 오버레이 측정용 오버레이 마크로서,
    제1 오버레이 마크와, 제2 오버레이 마크를 포함하며,
    상기 제1 오버레이 마크는,
    제1 중심(C1)을 구비하며, 상기 제1 중심(C1)을 기준으로 대각선상에 배치되며, 교차 격자(intersection grating) 형태인 한 쌍의 제1 모아레 패턴들이 형성되도록 구성되며,
    상기 제1 모아레 패턴들은 제1 패턴 층과 함께 제1 회전 각도로 형성되는 제1 교차 격자 패턴과, 제2 패턴 층과 함께 상기 제1 교차 격자 패턴에 겹치도록 제2 회전 각도로 형성되는 제2 교차 격자 패턴에 의해서 형성되며,
    상기 제1 회전 각도와 상기 제2 회전 각도는 서로 다르며,
    상기 제2 오버레이 마크는,
    제2 중심(C2)을 구비하며, 상기 제2 중심(C2)을 기준으로 대각선상에 배치되며, 교차 격자 형태인 한 쌍의 제2 모아레 패턴들이 형성되도록 구성되며,
    상기 제2 모아레 패턴들은 상기 제1 패턴 층과 함께 제3 회전 각도로 형성되는 제3 교차 격자 패턴과, 상기 제2 패턴 층과 함께 상기 제3 교차 격자 패턴에 겹치도록 제4 회전 각도로 형성되는 제4 교차 격자 패턴에 의해서 형성되며,
    상기 제3 회전 각도와 상기 제4 회전 각도는 서로 다르며,
    제1 중심(C1)과 제2 중심(C2) 사이의 차이는 오버레이 오차를 표시하는 것을 특징으로 하는 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 제1 모아레 패턴들은 피치와 회전각도가 서로 동일하며, 상기 한 쌍의 제2 모아레 패턴들도 피치와 회전각도가 서로 동일한 것을 특징으로 하는 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 제1 모아레 패턴들은 상기 제1 중심(C1)을 기준으로 180°회전 대칭이며, 상기 한 쌍의 제2 모아레 패턴들은 상기 제2 중심(C2)을 기준으로 180°회전 대칭인 것을 특징으로 하는 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크.
  4. 제1항에 있어서,
    오버레이 오차가 있을 경우 상기 제1 중심(C1)과 상기 제2 중심(C2)의 이동 거리와 이동 방향 중 적어도 하나가 서로 다른 것을 특징으로 하는 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 교차 격자 패턴과 상기 제2 교차 격자 패턴의 피치가 동일한 것을 특징으로 하는 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크.
  6. 제1항에 있어서,
    X축 방향의 오버레이 오차는 상기 제1 모아레 패턴들 및 상기 제2 모아레 패턴들의 Y축 방향과 나란한 방향으로의 이동을 유발하며, Y축 방향의 오버레이 오차는 상기 제1 모아레 패턴들 및 상기 제2 모아레 패턴들의 X축 방향과 나란한 방향으로의 이동을 유발하는 것을 특징으로 하는 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 모아레 패턴들과 상기 제2 모아레 패턴들을 구성하는 선분들은 X축 또는 Y축과 나란한 것을 특징으로 하는 모아레 패턴을 형성하는 오버레이 마크.
  8. 반도체 소자의 제조방법으로서,
    복수의 연속하는 패턴 층 또는 하나의 패턴 층에 따로 형성된 복수 개의 패턴을 형성함과 동시에 오버레이 마크를 형성하는 단계와,
    상기 오버레이 마크를 이용하여 오버레이 값을 측정하는 단계와,
    측정된 오버레이 값을 복수의 연속하는 패턴 층 또는 하나의 패턴 층에 따로 형성된 복수의 패턴을 형성하기 위한 공정제어에 이용하는 단계를 포함하며,
    상기 오버레이 마크는 청구항 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 기재된 오버레이 마크인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  9. 복수의 연속하는 패턴 층 또는 하나의 패턴 층에 따로 형성된 복수의 패턴 사이의 오버레이를 측정하는 방법으로서,
    복수의 연속하는 패턴 층 또는 하나의 패턴 층에 따로 형성된 복수의 패턴을 형성함과 동시에 형성된 오버레이 마크 이미지를 획득하는 단계와,
    상기 오버레이 마크 이미지를 분석하는 단계를 포함하며,
    상기 오버레이 마크는 청구항 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 기재된 오버레이 마크인 것을 특징으로 하는 오버레이 측정방법.
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