JP7454325B1 - モアレパターンを形成するオーバーレイマーク、これを用いたオーバーレイ測定方法、オーバーレイ測定装置、及び半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】モアレパターンを形成するオーバーレイマーク、これを用いたオーバーレイ測定方法及び半導体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明は２つ以上のパターン層間の相対的なズレを決定するイメージベースのオーバーレイ測定用オーバーレイマークであって、第１パターン層と共に形成され、第１方向に沿って第１ピッチを有し、１８０度回転対称な一対の第１格子パターンを含む第１オーバーレイマーク；及び第２パターン層と共に形成され、第１方向に沿って前記第１ピッチとは異なる第２ピッチを有し、第１格子パターンの一部と重畳し、１８０度回転対称な一対の第２格子パターンと、第１方向に沿って第１ピッチ及び第２ピッチとは異なる第３ピッチを有し、第１格子パターンの一部と重畳し、１８０度回転対称な一対の第３格子パターンを含む第２オーバーレイマーク；を含むモアレパターンを形成するオーバーレイマークを提供する。
【選択図】図１
【解決手段】本発明は２つ以上のパターン層間の相対的なズレを決定するイメージベースのオーバーレイ測定用オーバーレイマークであって、第１パターン層と共に形成され、第１方向に沿って第１ピッチを有し、１８０度回転対称な一対の第１格子パターンを含む第１オーバーレイマーク；及び第２パターン層と共に形成され、第１方向に沿って前記第１ピッチとは異なる第２ピッチを有し、第１格子パターンの一部と重畳し、１８０度回転対称な一対の第２格子パターンと、第１方向に沿って第１ピッチ及び第２ピッチとは異なる第３ピッチを有し、第１格子パターンの一部と重畳し、１８０度回転対称な一対の第３格子パターンを含む第２オーバーレイマーク；を含むモアレパターンを形成するオーバーレイマークを提供する。
【選択図】図１
Description
本発明は、モアレパターンを形成するオーバーレイマーク、これを用いたオーバーレイ測定方法、オーバーレイ測定装置、及び半導体素子の製造方法に関する。
半導体基板上には、複数のパターン層が順次形成される。また、ダブルパターニングなどを介して一つの層の回路が２つのパターンに分けられて形成されることもある。所望の半導体素子を製造するためには、これらのパターン層または一つの層の複数のパターンが所定の位置に正確に形成されなければならない。
したがって、パターン層が正確に整列されたかを確認するために、パターン層と同時に形成されるオーバーレイマークが使用される。
オーバーレイマークを用いてオーバーレイを測定する方法は、次の通りである。まず、以前工程、例えば、エッチング工程で形成されたパターン層に、パターン層の形成と同時に、オーバーレイマークの一部である一つの構造物を形成する。そして、後続工程、例えばフォトリソグラフィー工程において、フォトレジストにオーバーレイマークの残りの構造物を形成する。
そして、オーバーレイ測定装置を介して以前工程に形成されたパターン層のオーバーレイ構造物（フォトレジスト層を透過してイメージを取得）とフォトレジスト層のオーバーレイ構造物のイメージを取得し、これらのイメージの中心同士間のオフセット値を計測してオーバーレイ値を測定する。
より具体的には、特開２０２０－１１２８０７には、基板に形成されたオーバーレイマークのイメージをキャプチャし、キャプチャされたイメージから複数のワーキングゾーンは選択し、選択されたワーキングゾーンのそれぞれに対して情報を有する信号を形成し、これらを比較することにより、互いに異なる層または互いに異なるパターン間の相対的なズレを決定する方法が開示されている。
また、韓国特許第１０－１６０４７８９号には、オーバーレイマークのイメージを取得し、取得されたイメージの中心を基準にオーバーレイマークの１８０度回転イメージを取得した後、２つのイメージを比較して、一致すれば、現在イメージの中心をオーバーレイマークの中心とし、一致しなければ、一致するまで位置を変更し、オーバーレイマークのイメージを取得しながら上記のステップを繰り返すオーバーレイ測定方法が開示されている。
また、韓国公開特許第２０００－０００６１８２号には、互いに重なり合う反復的なオーバーレイマークでモアレパターンを形成し、これを光学的に観察して、整列時のモアレパターンと観察されたモアレパターンとを比較してオーバーレイを測定する方法が開示されている。
また、米国公開特許第２０２１－００７２６５０号には、互いに重なり合うＸ軸方向の１次元格子パターンとＹ軸方向の１次元格子パターンを用いて、１８０度回転対称な４対のモアレパターンを形成し、これらを用いてＸ軸方向とＹ軸方向のオーバーレイを測定する方法が開示されている。
これらのモアレパターンのイメージを用いる方式は、層間の誤整列を増幅して表すという点で、オーバーレイマーク自体のイメージを用いる方式に比べて有利である。ところが、このような方式は、モアレパターンを形成するための格子パターンに高い精度を要求する。従来のモアレパターンを形成するオーバーレイマークは、オーバーレイマスクの中心部に配置される格子パターンと、外郭に配置される格子パターンを別々に分割して互いに異なるピッチで形成するため、精度を維持することが難しいという問題があった。
したがって、パターン層が正確に整列されたかを確認するために、パターン層と同時に形成されるオーバーレイマークが使用される。
オーバーレイマークを用いてオーバーレイを測定する方法は、次の通りである。まず、以前工程、例えば、エッチング工程で形成されたパターン層に、パターン層の形成と同時に、オーバーレイマークの一部である一つの構造物を形成する。そして、後続工程、例えばフォトリソグラフィー工程において、フォトレジストにオーバーレイマークの残りの構造物を形成する。
そして、オーバーレイ測定装置を介して以前工程に形成されたパターン層のオーバーレイ構造物（フォトレジスト層を透過してイメージを取得）とフォトレジスト層のオーバーレイ構造物のイメージを取得し、これらのイメージの中心同士間のオフセット値を計測してオーバーレイ値を測定する。
より具体的には、特開２０２０－１１２８０７には、基板に形成されたオーバーレイマークのイメージをキャプチャし、キャプチャされたイメージから複数のワーキングゾーンは選択し、選択されたワーキングゾーンのそれぞれに対して情報を有する信号を形成し、これらを比較することにより、互いに異なる層または互いに異なるパターン間の相対的なズレを決定する方法が開示されている。
また、韓国特許第１０－１６０４７８９号には、オーバーレイマークのイメージを取得し、取得されたイメージの中心を基準にオーバーレイマークの１８０度回転イメージを取得した後、２つのイメージを比較して、一致すれば、現在イメージの中心をオーバーレイマークの中心とし、一致しなければ、一致するまで位置を変更し、オーバーレイマークのイメージを取得しながら上記のステップを繰り返すオーバーレイ測定方法が開示されている。
また、韓国公開特許第２０００－０００６１８２号には、互いに重なり合う反復的なオーバーレイマークでモアレパターンを形成し、これを光学的に観察して、整列時のモアレパターンと観察されたモアレパターンとを比較してオーバーレイを測定する方法が開示されている。
また、米国公開特許第２０２１－００７２６５０号には、互いに重なり合うＸ軸方向の１次元格子パターンとＹ軸方向の１次元格子パターンを用いて、１８０度回転対称な４対のモアレパターンを形成し、これらを用いてＸ軸方向とＹ軸方向のオーバーレイを測定する方法が開示されている。
これらのモアレパターンのイメージを用いる方式は、層間の誤整列を増幅して表すという点で、オーバーレイマーク自体のイメージを用いる方式に比べて有利である。ところが、このような方式は、モアレパターンを形成するための格子パターンに高い精度を要求する。従来のモアレパターンを形成するオーバーレイマークは、オーバーレイマスクの中心部に配置される格子パターンと、外郭に配置される格子パターンを別々に分割して互いに異なるピッチで形成するため、精度を維持することが難しいという問題があった。
本発明は、上述した問題点を改善するためのものであって、格子パターンの精度を高めてモアレパターンのノイズ及び誤差を減少させることが可能なオーバーレイマーク、これを用いた新規なオーバーレイ測定方法、オーバーレイ測定装置、及び半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明は、２つ以上のパターン層間の相対的なズレを決定する、イメージベースのオーバーレイ測定用オーバーレイマークであって、 第１パターン層と共に形成され、第１方向に沿って第１ピッチを有し、１８０度回転対称な一対の第１格子パターンを含む第１オーバーレイマーク；並びに第２パターン層と共に形成され、前記第１方向に沿って前記第１ピッチとは異なる第２ピッチを有し、前記第１格子パターンの一部と重畳し、１８０度回転対称な一対の第２格子パターンと、前記第１方向に沿って前記第１ピッチ及び前記第２ピッチとは異なる第３ピッチを有し、前記第１格子パターンの一部と重畳し、１８０度回転対称な一対の第３格子パターンと、を含む第２オーバーレイマーク；を含む、モアレパターンを形成するオーバーレイマークを提供する。
重畳した前記第１格子パターンと前記第２格子パターンは、第１対称中心ＣＯＳ１を基準に１８０度回転対称な一対の第１モアレパターンを形成する。
また、重畳した前記第１格子パターンと前記第３格子パターンは、第２対称中心ＣＯＳ２を基準に１８０度回転対称な一対の第２モアレパターンを形成する。
オーバーレイ誤差が０であるとき、前記第１対称中心ＣＯＳ１と前記第２対称中心ＣＯＳ２とは一致する。
また、前記第１対称中心ＣＯＳ１と前記第２対称中心ＣＯＳ２との前記第１方向への誤差は、前記第１パターン層と前記第２パターン層との前記第１方向へのオーバーレイ誤差を示す。
また、本発明は、前記第２格子パターンと前記第３格子パターンとが並んで配置される、モアレパターンを形成するオーバーレイマークを提供する。
また、前記第２ピッチと前記第３ピッチのうちの一つは、前記第１ピッチに比べて大きく、もう一つは前記第１ピッチに比べて小さい、モアレパターンを形成するオーバーレイマークを提供する。
また、前記第１格子パターンは複数の第１バーを含み、前記第２格子パターンは複数の第２バーを含み、前記第３格子パターンは複数の第３バーを含み、前記第１バーの長さは前記第２バーの長さと前記第３バーの長さとの和以上である、モアレパターンを形成するオーバーレイマークを提供する。
また、前記第１モアレパターンと前記第２モアレパターンのピッチは、オーバーレイ測定装置の光学解像度よりも大きく、前記第１～第３格子パターンのピッチは、前記オーバーレイ測定装置の光学解像度よりも小さいことを特徴とする、モアレパターンを形成するオーバーレイマークを提供する。
また、前記第１オーバーレイマークは、前記第１パターン層と共に形成され、前記第１方向と直交する第２方向に沿って第４ピッチを有し、１８０度回転対称な一対の第４格子パターンをさらに含み、
前記第２オーバーレイマークは、前記第２パターン層と共に形成され、前記第２方向に沿って前記第４ピッチとは異なる第５ピッチを有し、前記第４格子パターンの一部と重畳し、１８０度回転対称な一対の第５格子パターンと、前記第２方向に沿って前記第４ピッチ及び前記第５ピッチとは異なる第６ピッチを有し、前記第４格子パターンの一部と重畳し、１８０度回転対称な一対の第６格子パターンをさらに含み、
重畳した前記第４格子パターンと前記第５格子パターンは、第３対称中心ＣＯＳ３を基準に１８０度回転対称な一対の第３モアレパターンを形成し、
重畳した前記第４格子パターンと前記第６格子パターンは、第４対称中心ＣＯＳ４を基準に１８０度回転対称な一対の第４モアレパターンを形成し、
オーバーレイ誤差が０であるとき、前記第３対称中心ＣＯＳ３と前記第４対称中心ＣＯＳ４とは一致し、前記第３対称中心ＣＯＳ３と前記第４対称中心ＣＯＳ４との前記第２方向への誤差は、前記第１パターン層と前記第２パターン層との前記第２方向へのオーバーレイ誤差を示す、モアレパターンを形成するオーバーレイマークを提供する。
また、本発明は、複数の連続するパターン層間のオーバーレイを測定する方法であって、複数の連続するパターン層にパターンを形成すると同時に、形成されたオーバーレイマークによって形成されたモアレパターンイメージを取得するステップと、前記モアレパターンイメージを分析するステップと、を含み、前記オーバーレイマークは、上述したモアレパターンを形成するオーバーレイマークであることを特徴とする、オーバーレイ測定方法を提供する。
また、本発明は、半導体素子の製造方法であって、複数の連続するパターン層を形成すると同時に、オーバーレイマークを形成するステップと、前記オーバーレイマークを用いてオーバーレイ値を測定するステップと、測定されたオーバーレイ値を、複数の連続するパターン層を形成するための工程制御に用いるステップと、を含み、前記オーバーレイマークは、上述したモアレパターンを形成するオーバーレイマークであることを特徴とする、半導体素子の製造方法を提供する。
また、本発明は、複数の連続するパターン層を形成すると同時に、形成されたオーバーレイマークを照明する照明光学系と、前記オーバーレイマークからの反射光を集光させてモアレパターンイメージを結像させる結像光学系と、前記結像光学系によって結像された前記モアレパターンイメージを取得するイメージ検出器と、を含み、前記イメージ検出器によって得られた前記モアレパターンイメージを処理して複数の連続するパターン層間のオーバーレイを測定するオーバーレイ測定装置であって、前記オーバーレイマークは、上述したモアレパターンを形成するオーバーレイマークであることを特徴とする、オーバーレイ測定装置を提供する。
重畳した前記第１格子パターンと前記第２格子パターンは、第１対称中心ＣＯＳ１を基準に１８０度回転対称な一対の第１モアレパターンを形成する。
また、重畳した前記第１格子パターンと前記第３格子パターンは、第２対称中心ＣＯＳ２を基準に１８０度回転対称な一対の第２モアレパターンを形成する。
オーバーレイ誤差が０であるとき、前記第１対称中心ＣＯＳ１と前記第２対称中心ＣＯＳ２とは一致する。
また、前記第１対称中心ＣＯＳ１と前記第２対称中心ＣＯＳ２との前記第１方向への誤差は、前記第１パターン層と前記第２パターン層との前記第１方向へのオーバーレイ誤差を示す。
また、本発明は、前記第２格子パターンと前記第３格子パターンとが並んで配置される、モアレパターンを形成するオーバーレイマークを提供する。
また、前記第２ピッチと前記第３ピッチのうちの一つは、前記第１ピッチに比べて大きく、もう一つは前記第１ピッチに比べて小さい、モアレパターンを形成するオーバーレイマークを提供する。
また、前記第１格子パターンは複数の第１バーを含み、前記第２格子パターンは複数の第２バーを含み、前記第３格子パターンは複数の第３バーを含み、前記第１バーの長さは前記第２バーの長さと前記第３バーの長さとの和以上である、モアレパターンを形成するオーバーレイマークを提供する。
また、前記第１モアレパターンと前記第２モアレパターンのピッチは、オーバーレイ測定装置の光学解像度よりも大きく、前記第１～第３格子パターンのピッチは、前記オーバーレイ測定装置の光学解像度よりも小さいことを特徴とする、モアレパターンを形成するオーバーレイマークを提供する。
また、前記第１オーバーレイマークは、前記第１パターン層と共に形成され、前記第１方向と直交する第２方向に沿って第４ピッチを有し、１８０度回転対称な一対の第４格子パターンをさらに含み、
前記第２オーバーレイマークは、前記第２パターン層と共に形成され、前記第２方向に沿って前記第４ピッチとは異なる第５ピッチを有し、前記第４格子パターンの一部と重畳し、１８０度回転対称な一対の第５格子パターンと、前記第２方向に沿って前記第４ピッチ及び前記第５ピッチとは異なる第６ピッチを有し、前記第４格子パターンの一部と重畳し、１８０度回転対称な一対の第６格子パターンをさらに含み、
重畳した前記第４格子パターンと前記第５格子パターンは、第３対称中心ＣＯＳ３を基準に１８０度回転対称な一対の第３モアレパターンを形成し、
重畳した前記第４格子パターンと前記第６格子パターンは、第４対称中心ＣＯＳ４を基準に１８０度回転対称な一対の第４モアレパターンを形成し、
オーバーレイ誤差が０であるとき、前記第３対称中心ＣＯＳ３と前記第４対称中心ＣＯＳ４とは一致し、前記第３対称中心ＣＯＳ３と前記第４対称中心ＣＯＳ４との前記第２方向への誤差は、前記第１パターン層と前記第２パターン層との前記第２方向へのオーバーレイ誤差を示す、モアレパターンを形成するオーバーレイマークを提供する。
また、本発明は、複数の連続するパターン層間のオーバーレイを測定する方法であって、複数の連続するパターン層にパターンを形成すると同時に、形成されたオーバーレイマークによって形成されたモアレパターンイメージを取得するステップと、前記モアレパターンイメージを分析するステップと、を含み、前記オーバーレイマークは、上述したモアレパターンを形成するオーバーレイマークであることを特徴とする、オーバーレイ測定方法を提供する。
また、本発明は、半導体素子の製造方法であって、複数の連続するパターン層を形成すると同時に、オーバーレイマークを形成するステップと、前記オーバーレイマークを用いてオーバーレイ値を測定するステップと、測定されたオーバーレイ値を、複数の連続するパターン層を形成するための工程制御に用いるステップと、を含み、前記オーバーレイマークは、上述したモアレパターンを形成するオーバーレイマークであることを特徴とする、半導体素子の製造方法を提供する。
また、本発明は、複数の連続するパターン層を形成すると同時に、形成されたオーバーレイマークを照明する照明光学系と、前記オーバーレイマークからの反射光を集光させてモアレパターンイメージを結像させる結像光学系と、前記結像光学系によって結像された前記モアレパターンイメージを取得するイメージ検出器と、を含み、前記イメージ検出器によって得られた前記モアレパターンイメージを処理して複数の連続するパターン層間のオーバーレイを測定するオーバーレイ測定装置であって、前記オーバーレイマークは、上述したモアレパターンを形成するオーバーレイマークであることを特徴とする、オーバーレイ測定装置を提供する。
本発明によるオーバーレイマーク、これを用いた新規なオーバーレイ測定方法、オーバーレイ測定装置、及び半導体素子の製造方法は、下部又は上部の２つに分割された格子パターンを単一ピッチの広い面積の１つの格子パターンに単純化して格子パターンの精度を高め、ノイズを減少させることができるという利点がある。
以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。しかし、本発明の実施形態は、様々な他の形態に変形することができ、本発明の範囲が以下に上述の実施形態に限定されるものと解釈されてはならない。本発明の実施形態は、当技術分野における通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。よって、図面における要素の形状などは、より明確な説明を強調するために誇張されたものであり、図面上において同じ符号で表示された要素は、同じ要素を意味する。
図１は本発明の一実施形態によるオーバーレイマークの平面図、図２は図１に示された第１オーバーレイマークの平面図、図３は図１に示された第２オーバーレイマークの平面図、図４は図１に示されたオーバーレイマークのＡ－Ａ線に沿った断面図、図５は図１に示されたオーバーレイマークのＢ－Ｂ線に沿った断面図である。
図１は、第１オーバーレイマーク１００と第２オーバーレイマーク２００とが整列された状態のオーバーレイマーク１０を示す。第１オーバーレイマーク１００は第１パターン層（図１では下層）と共に形成され、第２オーバーレイマーク２００は第２パターン層（図１では上層）と共に形成される。
図２に示すように、第１オーバーレイマーク１００は一対の第１格子パターン１１０を備える。一対の第１格子パターン１１０は、第１オーバーレイマーク１００の対称中心Ｃ１を基準に１８０度回転対称をなす。
第１格子パターン１１０は、第１方向（図２ではＸ軸方向）に沿って第１ピッチＰ１を有する。第１格子パターン１１０は、複数の薄い第１バー１１２を含む。
図３に示すように、第２オーバーレイマーク２００は、一対の第２格子パターン２１０と一対の第３格子パターン２２０とを備える。一対の第２格子パターン２１０は、第２オーバーレイマーク２００の対称中心Ｃ２を基準に１８０度回転対称をなす。一対の第３格子パターン２２０も、第２オーバーレイマーク２００の対称中心Ｃ２を基準に１８０度回転対称をなす。
第２格子パターン２１０と第３格子パターン２２０とは、互いに並んで配置される。第２格子パターン２１０は、第２オーバーレイマーク２００の中心部に配置され、第３格子パターン２２０の外側に配置される。第２格子パターン２１０と第３格子パターン２２０は、それぞれ第１格子パターン１１０の一部と重畳する。第２格子パターン２１０と第３格子パターン２２０は、概して第１格子パターン１１０の外郭によって定義される区間の内部に配置される。
第２格子パターン２１０は、Ｘ軸方向に沿って第２ピッチＰ２を有する。第２格子パターン２１０は、複数の薄い第２バー２１２を含む。第２ピッチＰ２は、第１ピッチＰ１とは異なる。
第３格子パターン２２０は、Ｘ軸方向に沿って第３ピッチＰ３を有する。第３格子パターン２２０は、複数の薄い第３バー２２２を含む。第３ピッチＰ３は、第１ピッチＰ１と異なり、第２ピッチＰ２とも異なる。
第２格子パターン２１０を構成する第２バー２１２の長さと、第３格子パターン２２０を構成する第３バー２２２の長さとの和は、第１格子パターン１１０を構成する第１バー１１２の長さに比べて小さい値を有する。
第３ピッチＰ３と第２ピッチＰ２のうちの一つは第１ピッチＰ１に比べて大きく、もう一つは第１ピッチＰ１に比べて小さいことが好ましい。
図４及び図５に示すように、本実施形態では、第２ピッチＰ２が第１ピッチＰ１に比べて小さく、第３ピッチＰ３が第１ピッチＰ１に比べて大きい。逆に形成してもよい。
図１に示すように、互いに重畳した第１格子パターン１１０と第２格子パターン２１０上に光を照射すると、周期的なパターンを重ねるときに発生する干渉現象によって、第１モアレパターンＭ１が形成される。第１モアレパターンＭ１は第１対称中心ＣＯＳ１を備える。第１モアレパターンＭ１は、第１対称中心ＣＯＳ１を基準に１８０度回転対称である。
このとき、第１モアレパターンＭ１のピッチＰＭ１は、下記の数式１のように、第１格子パターン２１０のピッチＰ１と第２格子パターン２１０のピッチＰ２によって決定される。数式１から分かるように、第１モアレパターンＭ１のピッチＰＭ１は、第１格子パターン１１０のピッチＰ１と第２格子パターン２１０のピッチＰ２に比べて遥かに大きい値となる。
図１は本発明の一実施形態によるオーバーレイマークの平面図、図２は図１に示された第１オーバーレイマークの平面図、図３は図１に示された第２オーバーレイマークの平面図、図４は図１に示されたオーバーレイマークのＡ－Ａ線に沿った断面図、図５は図１に示されたオーバーレイマークのＢ－Ｂ線に沿った断面図である。
図１は、第１オーバーレイマーク１００と第２オーバーレイマーク２００とが整列された状態のオーバーレイマーク１０を示す。第１オーバーレイマーク１００は第１パターン層（図１では下層）と共に形成され、第２オーバーレイマーク２００は第２パターン層（図１では上層）と共に形成される。
図２に示すように、第１オーバーレイマーク１００は一対の第１格子パターン１１０を備える。一対の第１格子パターン１１０は、第１オーバーレイマーク１００の対称中心Ｃ１を基準に１８０度回転対称をなす。
第１格子パターン１１０は、第１方向（図２ではＸ軸方向）に沿って第１ピッチＰ１を有する。第１格子パターン１１０は、複数の薄い第１バー１１２を含む。
図３に示すように、第２オーバーレイマーク２００は、一対の第２格子パターン２１０と一対の第３格子パターン２２０とを備える。一対の第２格子パターン２１０は、第２オーバーレイマーク２００の対称中心Ｃ２を基準に１８０度回転対称をなす。一対の第３格子パターン２２０も、第２オーバーレイマーク２００の対称中心Ｃ２を基準に１８０度回転対称をなす。
第２格子パターン２１０と第３格子パターン２２０とは、互いに並んで配置される。第２格子パターン２１０は、第２オーバーレイマーク２００の中心部に配置され、第３格子パターン２２０の外側に配置される。第２格子パターン２１０と第３格子パターン２２０は、それぞれ第１格子パターン１１０の一部と重畳する。第２格子パターン２１０と第３格子パターン２２０は、概して第１格子パターン１１０の外郭によって定義される区間の内部に配置される。
第２格子パターン２１０は、Ｘ軸方向に沿って第２ピッチＰ２を有する。第２格子パターン２１０は、複数の薄い第２バー２１２を含む。第２ピッチＰ２は、第１ピッチＰ１とは異なる。
第３格子パターン２２０は、Ｘ軸方向に沿って第３ピッチＰ３を有する。第３格子パターン２２０は、複数の薄い第３バー２２２を含む。第３ピッチＰ３は、第１ピッチＰ１と異なり、第２ピッチＰ２とも異なる。
第２格子パターン２１０を構成する第２バー２１２の長さと、第３格子パターン２２０を構成する第３バー２２２の長さとの和は、第１格子パターン１１０を構成する第１バー１１２の長さに比べて小さい値を有する。
第３ピッチＰ３と第２ピッチＰ２のうちの一つは第１ピッチＰ１に比べて大きく、もう一つは第１ピッチＰ１に比べて小さいことが好ましい。
図４及び図５に示すように、本実施形態では、第２ピッチＰ２が第１ピッチＰ１に比べて小さく、第３ピッチＰ３が第１ピッチＰ１に比べて大きい。逆に形成してもよい。
図１に示すように、互いに重畳した第１格子パターン１１０と第２格子パターン２１０上に光を照射すると、周期的なパターンを重ねるときに発生する干渉現象によって、第１モアレパターンＭ１が形成される。第１モアレパターンＭ１は第１対称中心ＣＯＳ１を備える。第１モアレパターンＭ１は、第１対称中心ＣＯＳ１を基準に１８０度回転対称である。
このとき、第１モアレパターンＭ１のピッチＰＭ１は、下記の数式１のように、第１格子パターン２１０のピッチＰ１と第２格子パターン２１０のピッチＰ２によって決定される。数式１から分かるように、第１モアレパターンＭ１のピッチＰＭ１は、第１格子パターン１１０のピッチＰ１と第２格子パターン２１０のピッチＰ２に比べて遥かに大きい値となる。
ここで、第１モアレパターンＭ１のピッチＰＭ１は、オーバーレイ測定装置の光学解像度よりも大きく、第１格子パターン１１０のピッチＰ１と第２格子パターン２１０のピッチＰ２は、オーバーレイ測定装置の光学解像度よりも小さいことが好ましい。これは、格子パターン１１０、１２０、特に、上層である第２格子パターン２１０から反射された光による干渉などの影響によってモアレパターンＭ１にノイズが生じることを最小化するためである。
また、第１格子パターン１１０に対する第２格子パターン２１０の格子要素（バー）の配列方向（本実施形態では、Ｘ軸方向）への相対移動は、第１モアレパターンＭ１の移動を引き起こす。そして、第２格子パターン２１０の相対移動距離と第１モアレパターンＭ１の移動距離との比である第１モアレゲインＧＭ１は、下記の数式２によって決定される。
また、第１格子パターン１１０に対する第２格子パターン２１０の格子要素（バー）の配列方向（本実施形態では、Ｘ軸方向）への相対移動は、第１モアレパターンＭ１の移動を引き起こす。そして、第２格子パターン２１０の相対移動距離と第１モアレパターンＭ１の移動距離との比である第１モアレゲインＧＭ１は、下記の数式２によって決定される。
数式２から分かるように、第２格子パターン２１０が少しだけ移動しても、第１モアレパターンＭ１は、相対的に遥かに長い距離を移動する。よって、微細なオーバーレイ誤差もモアレパターンのイメージから測定することができる。
本実施形態において、第１ピッチＰ１は、第２ピッチＰ２に比べて大きいので、第１モアレゲインＧＭ１は正数となる。すなわち、第１モアレパターンＭ１は、第２格子パターン２１０の移動方向と同じ方向に移動する。
そして、第１格子パターン１１０と第３格子パターン２２０とは、第２モアレパターンＭ２を形成する。第２モアレパターンＭ２は、第２対称中心ＣＯＳ２を備える。第２モアレパターンＭ２は、第２対称中心ＣＯＳ２を基準に１８０度回転対称である。
第２モアレパターンＭ２のピッチＰＭ２は、下記の数式３のように、第１格子パターン１１０のピッチＰ１と第３格子パターン２２０のピッチＰ３によって決定される。
本実施形態において、第１ピッチＰ１は、第２ピッチＰ２に比べて大きいので、第１モアレゲインＧＭ１は正数となる。すなわち、第１モアレパターンＭ１は、第２格子パターン２１０の移動方向と同じ方向に移動する。
そして、第１格子パターン１１０と第３格子パターン２２０とは、第２モアレパターンＭ２を形成する。第２モアレパターンＭ２は、第２対称中心ＣＯＳ２を備える。第２モアレパターンＭ２は、第２対称中心ＣＯＳ２を基準に１８０度回転対称である。
第２モアレパターンＭ２のピッチＰＭ２は、下記の数式３のように、第１格子パターン１１０のピッチＰ１と第３格子パターン２２０のピッチＰ３によって決定される。
そして、第３格子パターン２２０の相対移動距離と第２モアレパターンＭ２の移動距離との比である第２モアレゲインＧＭ２は、下記の数式４によって決定される。
ここで、第２モアレパターンＭ２のピッチＰＭ２は、オーバーレイ測定装置の光学解像度よりも大きく、第３格子パターン２２０のピッチＰ３は、オーバーレイ測定装置の光学解像度よりも小さいことが好ましい。これは、格子パターンから反射された光による干渉などの影響によってモアレパターンにノイズが生じることを最小限に抑えるためである。
ここで、第２モアレパターンＭ２のピッチＰＭ２は、オーバーレイ測定装置の光学解像度よりも大きく、第３格子パターン２２０のピッチＰ３は、オーバーレイ測定装置の光学解像度よりも小さいことが好ましい。これは、格子パターンから反射された光による干渉などの影響によってモアレパターンにノイズが生じることを最小限に抑えるためである。
数式４から分かるように、第３格子パターン２２０が少しだけ移動しても、第２モアレパターンＭ２は、相対的に遥かに長い距離を移動する。本実施形態において、第３ピッチＰ３は第１ピッチＰ１に比べて大きいので、第２モアレゲインＧＭ２は負数になる。すなわち、第２モアレパターンＭ２は第３格子パターン２２０の移動方向とは反対方向に移動する。したがって、本実施形態では、第２オーバーレイマーク２００が第１オーバーレイマーク１００に対して移動するとき、第１モアレパターンＭ１と第２モアレパターンＭ２が互いに反対方向に移動する。
図１に示すように、整列時には、第１モアレパターンＭ１の対称中心ＣＯＳ１と第２モアレパターンＭ２の対称中心ＣＯＳ１とが一致する（重畳する）。オーバーレイマーク１０が整列されていないときには、第１モアレパターンＭ１の対称中心ＣＯＳ１と第２モアレパターンＭ２の対称中心ＣＯＳ２とが互いに一致しない。
第１モアレパターンＭ１の対称中心ＣＯＳ１と第２モアレパターンＭ２の対称中心ＣＯＳ２との第１方向（Ｘ軸方向）への差異を利用すると、第１方向へのオーバーレイ誤差ΔＸを測定することができる。
図２及び図３に示すように、第１オーバーレイマーク１００は、一対の第４格子パターン１２０をさらに備える。また、第２オーバーレイマーク２００は、一対の第５格子パターン２３０と、一対の第６格子パターン２４０とをさらに備える。
第４格子パターン１２０、第５格子パターン２３０及び第６格子パターン２４０は、第２方向へのオーバーレイ誤差ΔＹの測定に用いられる。
図２に示すように、一対の第４格子パターン１２０は、第１オーバーレイマーク１００の対称中心Ｃ１を基準に１８０度回転対称をなす。
第４格子パターン１２０は、第２方向（図１ではＹ軸方向）に沿って第４ピッチＰ４を有する。第４格子パターン１２０は、複数の薄い第４バー１２２を含む。
図１及び図２では、第４バー１２２の幅及び第４ピッチＰ４が第１バー１１２の幅及び第１ピッチＰ１と同じであることを示しているが、互いに異なってもよい。
図３に示すように、一対の第５格子パターン２３０は、第２オーバーレイマークの対称中心Ｃ２を基準に１８０度回転対称をなす。一対の第６格子パターン２４０も、第２オーバーレイマークの対称中心Ｃ２を基準に１８０度回転対称をなす。
第５格子パターン２３０と第６格子パターン２４０とは互いに並んで配置される。第５格子パターン２３０は、第２オーバーレイマーク２００の中心部に配置され、第６格子パターン２４０の外側に配置される。第５格子パターン２３０と第６格子パターン２４０は、それぞれ第４格子パターン１２０の一部と重畳する。第５格子パターン２３０と第６格子パターン２４０は、概して第４格子パターン１２０の外郭によって定義される区間の内部に配置される。
第５格子パターン２３０は、Ｙ軸方向に沿って第５ピッチＰ５を有する。第５格子パターン２３０は、複数の薄い第５バー２３２を含む。第５ピッチＰ５は、第４ピッチＰ４とは異なる。
図１及び図３では、第５バー２３２の幅及び第５ピッチＰ５が第２バー２１２の幅及び第２ピッチＰ２と同じであることを示しているが、互いに異なってもよい。
第６格子パターン２４０は、Ｙ軸方向に沿って第６ピッチＰ６を有する。第６格子パターン２４０は、複数の薄い第６バー２４２を含む。第６ピッチＰ６は、第４ピッチＰ４と異なり、第５ピッチＰ５とも異なる。
図１及び図３では、第６バー２４２の幅及び第６ピッチＰ６が第３バー２２２の幅及び第３ピッチＰ３と同じであることを示しているが、互いに異なってもよい。
第５格子パターン２３０を構成する第５バー２３２の長さと、第６格子パターン２４０を構成する第６バー２４２の長さとの和は、第４格子パターン１２０を構成する第４バー１２２の長さに比べて小さい値を有する。
第５ピッチＰ５と第６ピッチＰ６のうちの一つは第４ピッチＰ４に比べて大きく、もう一つは第４ピッチＰ４に比べて小さいことが好ましい。
本実施形態では、第５ピッチＰ５が第４ピッチＰ４に比べて小さく、第６ピッチＰ６が第４ピッチＰ４に比べて大きい。逆に形成してもよい。
図１に示すように、互いに重畳した第４格子パターン１２０と第５格子パターン２３０上に光を照射すると、周期的なパターンを重ねるときに生じる干渉現象によって、第３モアレパターンＭ３が形成される。第３モアレパターンＭ３は、第３対称中心ＣＯＳ３を備える。第３モアレパターンＭ３は、第３対称中心ＣＯＳ３を基準に１８０度回転対称である。第３対称中心ＣＯＳ３は第１対称中心ＣＯＳ１と一致することができる。
このとき、第３モアレパターンＭ３のピッチＰＭ３は、下記の数式５のように、第４格子パターン１２０のピッチＰ４と第５格子パターン２３０のピッチＰ５によって決定される。数式５から分かるように、第３モアレパターンＭ３のピッチＰＭ３は、第４格子パターン１２０のピッチＰ４と第５格子パターン２３０のピッチＰ５に比べて遥かに大きい値となる。
図１に示すように、整列時には、第１モアレパターンＭ１の対称中心ＣＯＳ１と第２モアレパターンＭ２の対称中心ＣＯＳ１とが一致する（重畳する）。オーバーレイマーク１０が整列されていないときには、第１モアレパターンＭ１の対称中心ＣＯＳ１と第２モアレパターンＭ２の対称中心ＣＯＳ２とが互いに一致しない。
第１モアレパターンＭ１の対称中心ＣＯＳ１と第２モアレパターンＭ２の対称中心ＣＯＳ２との第１方向（Ｘ軸方向）への差異を利用すると、第１方向へのオーバーレイ誤差ΔＸを測定することができる。
図２及び図３に示すように、第１オーバーレイマーク１００は、一対の第４格子パターン１２０をさらに備える。また、第２オーバーレイマーク２００は、一対の第５格子パターン２３０と、一対の第６格子パターン２４０とをさらに備える。
第４格子パターン１２０、第５格子パターン２３０及び第６格子パターン２４０は、第２方向へのオーバーレイ誤差ΔＹの測定に用いられる。
図２に示すように、一対の第４格子パターン１２０は、第１オーバーレイマーク１００の対称中心Ｃ１を基準に１８０度回転対称をなす。
第４格子パターン１２０は、第２方向（図１ではＹ軸方向）に沿って第４ピッチＰ４を有する。第４格子パターン１２０は、複数の薄い第４バー１２２を含む。
図１及び図２では、第４バー１２２の幅及び第４ピッチＰ４が第１バー１１２の幅及び第１ピッチＰ１と同じであることを示しているが、互いに異なってもよい。
図３に示すように、一対の第５格子パターン２３０は、第２オーバーレイマークの対称中心Ｃ２を基準に１８０度回転対称をなす。一対の第６格子パターン２４０も、第２オーバーレイマークの対称中心Ｃ２を基準に１８０度回転対称をなす。
第５格子パターン２３０と第６格子パターン２４０とは互いに並んで配置される。第５格子パターン２３０は、第２オーバーレイマーク２００の中心部に配置され、第６格子パターン２４０の外側に配置される。第５格子パターン２３０と第６格子パターン２４０は、それぞれ第４格子パターン１２０の一部と重畳する。第５格子パターン２３０と第６格子パターン２４０は、概して第４格子パターン１２０の外郭によって定義される区間の内部に配置される。
第５格子パターン２３０は、Ｙ軸方向に沿って第５ピッチＰ５を有する。第５格子パターン２３０は、複数の薄い第５バー２３２を含む。第５ピッチＰ５は、第４ピッチＰ４とは異なる。
図１及び図３では、第５バー２３２の幅及び第５ピッチＰ５が第２バー２１２の幅及び第２ピッチＰ２と同じであることを示しているが、互いに異なってもよい。
第６格子パターン２４０は、Ｙ軸方向に沿って第６ピッチＰ６を有する。第６格子パターン２４０は、複数の薄い第６バー２４２を含む。第６ピッチＰ６は、第４ピッチＰ４と異なり、第５ピッチＰ５とも異なる。
図１及び図３では、第６バー２４２の幅及び第６ピッチＰ６が第３バー２２２の幅及び第３ピッチＰ３と同じであることを示しているが、互いに異なってもよい。
第５格子パターン２３０を構成する第５バー２３２の長さと、第６格子パターン２４０を構成する第６バー２４２の長さとの和は、第４格子パターン１２０を構成する第４バー１２２の長さに比べて小さい値を有する。
第５ピッチＰ５と第６ピッチＰ６のうちの一つは第４ピッチＰ４に比べて大きく、もう一つは第４ピッチＰ４に比べて小さいことが好ましい。
本実施形態では、第５ピッチＰ５が第４ピッチＰ４に比べて小さく、第６ピッチＰ６が第４ピッチＰ４に比べて大きい。逆に形成してもよい。
図１に示すように、互いに重畳した第４格子パターン１２０と第５格子パターン２３０上に光を照射すると、周期的なパターンを重ねるときに生じる干渉現象によって、第３モアレパターンＭ３が形成される。第３モアレパターンＭ３は、第３対称中心ＣＯＳ３を備える。第３モアレパターンＭ３は、第３対称中心ＣＯＳ３を基準に１８０度回転対称である。第３対称中心ＣＯＳ３は第１対称中心ＣＯＳ１と一致することができる。
このとき、第３モアレパターンＭ３のピッチＰＭ３は、下記の数式５のように、第４格子パターン１２０のピッチＰ４と第５格子パターン２３０のピッチＰ５によって決定される。数式５から分かるように、第３モアレパターンＭ３のピッチＰＭ３は、第４格子パターン１２０のピッチＰ４と第５格子パターン２３０のピッチＰ５に比べて遥かに大きい値となる。
ここで、第３モアレパターンＭ３のピッチＰＭ３は、オーバーレイ測定装置の光学解像度よりも大きく、第４格子パターン１２０のピッチＰ４と第５格子パターン２３０のピッチＰ５は、オーバーレイ測定装置の光学解像度よりも小さいことが好ましい。これは、格子パターン１２０、２３０、特に、上層である第５格子パターン２３０から反射された光による干渉等の影響によってモアレパターンＭ３にノイズが生じることを最小化するためである。
また、第４格子パターン１２０に対する第５格子パターン２３０の格子要素（複数のバー）の配列方向（本実施形態では、Ｙ軸方向）への相対移動は、第３モアレパターンＭ３の移動を引き起こす。そして、第５格子パターン２３０の相対移動距離と第３モアレパターンＭ３の移動距離との比である第３モアレゲインＧＭ３は、下記の数式６によって決定される。
また、第４格子パターン１２０に対する第５格子パターン２３０の格子要素（複数のバー）の配列方向（本実施形態では、Ｙ軸方向）への相対移動は、第３モアレパターンＭ３の移動を引き起こす。そして、第５格子パターン２３０の相対移動距離と第３モアレパターンＭ３の移動距離との比である第３モアレゲインＧＭ３は、下記の数式６によって決定される。
数式６から分かるように、第５格子パターン２３０が少しだけ移動しても、第３モアレパターンＭ３は、相対的に遥かに長い距離を移動する。よって、微細なオーバーレイ誤差もモアレパターンのイメージから測定することができる。
そして、第４格子パターン１２０と第６格子パターン２４０とは、第４モアレパターンＭ４を形成する。第４モアレパターンＭ４は、第４対称中心ＣＯＳ４を備える。第４モアレパターンＭ４は、第４対称中心ＣＯＳ４を基準に１８０度回転対称である。
第４モアレパターンＭ４のピッチＰＭ４は、下記の数式７のように、第４格子パターン１２０のピッチＰ４と第６格子パターン２４０のピッチＰ６によって決定される。
そして、第４格子パターン１２０と第６格子パターン２４０とは、第４モアレパターンＭ４を形成する。第４モアレパターンＭ４は、第４対称中心ＣＯＳ４を備える。第４モアレパターンＭ４は、第４対称中心ＣＯＳ４を基準に１８０度回転対称である。
第４モアレパターンＭ４のピッチＰＭ４は、下記の数式７のように、第４格子パターン１２０のピッチＰ４と第６格子パターン２４０のピッチＰ６によって決定される。
そして、第６格子パターン２４０の相対移動距離と第４モアレパターンＭ４の移動距離との比である第４モアレゲインＧＭ４は、下記の数式８によって決定される。
ここで、第４モアレパターンＭ４のピッチＰＭ４は、オーバーレイ測定装置の光学解像度よりも大きく、第６格子パターン２４０のピッチＰ６は、オーバーレイ測定装置の光学解像度よりも小さいことが好ましい。これは、格子パターンから反射された光による干渉などの影響によってモアレパターンにノイズが生じることを最小限に抑えるためである。
ここで、第４モアレパターンＭ４のピッチＰＭ４は、オーバーレイ測定装置の光学解像度よりも大きく、第６格子パターン２４０のピッチＰ６は、オーバーレイ測定装置の光学解像度よりも小さいことが好ましい。これは、格子パターンから反射された光による干渉などの影響によってモアレパターンにノイズが生じることを最小限に抑えるためである。
数式８から分かるように、第６格子パターン２４０が少しだけ移動しても、第４モアレパターンＭ４は、相対的に遥かに長い距離を移動する。
整列時には、第３モアレパターンＭ３の対称中心ＣＯＳ３と第４モアレパターンＭ４の対称中心ＣＯＳ４とが一致する（重畳する）。オーバーレイマーク１０が整列されていないときには、第３モアレパターンＭ３の対称中心ＣＯＳ３と第４モアレパターンＭ４の対称中心ＣＯＳ４とが互いに一致しない。
第３モアレパターンＭ３の対称中心ＣＯＳ３と第４モアレパターンＭ４の対称中心ＣＯＳ４の第２方向（Ｙ軸方向）への差異を利用すると、第２方向へのオーバーレイ誤差ΔＹを測定することができる。
以下、上述したオーバーレイマーク１０を用いたオーバーレイ測定方法について説明する。
オーバーレイ測定方法は、オーバーレイマーク１０によって形成されたモアレパターンイメージを取得するステップと、モアレパターンイメージを分析するステップと、を含む。オーバーレイマーク１０は、２つの連続するパターン層を形成すると同時に形成される。
モアレパターンイメージを取得するステップは、オーバーレイ測定装置を用いて第１～第４モアレパターンＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４のイメージを一度に取得するステップである。例えば、図１のようなイメージを取得するステップである。
図６は、本発明の一実施形態によるオーバーレイ測定装置の概略図である。図６に示すように、オーバーレイ測定装置１０００は、半導体ウェーハＷ上のオーバーレイマークを照明する照明光学系１０１０と、オーバーレイマークからの反射光を集光させてオーバーレイマークイメージを結像させる結像光学系１０２０と、結像光学系１０２０によって結像されたオーバーレイマークイメージを取得するイメージ検出器１０３０と、を含む。オーバーレイ測定装置１０００は、取得されたオーバーレイマークイメージを処理して、複数の連続するパターン層間のオーバーレイを測定することができる。
照明光学系１０１０は、様々な光学要素を用いて構成することができる。例えば、照明光学系１０１０は、照明源１０１１と、ビームスプリッタ１０１３と、対物レンズ１０１５とを含むことができる。また、他のレンズや絞りなどの光学要素をさらに含んでもよい。
照明源１０１１は、オーバーレイマークを照らす照明を生成する役割を果たす。照明源１０１１は、広い波長帯域の光を生成することが可能な光源と、透過する光の波長帯域を調節することが可能な可変光学フィルタと、を含むことができる。
ビームスプリッタ１０１３は、照明源１０１１と対物レンズ１０１５との間に配置され、照明源１０１１からの照明を対物レンズ１０１５に伝達する役割を果たす。
対物レンズ１０１５は、照明を半導体ウェーハＷの表面の測定位置に集光させ、測定位置から反射された反射光を収集する役割を果たす。対物レンズ１０１５は、レンズ焦点アクチュエータ１０１７に設置される。レンズ焦点アクチュエータ１０１７は、対物レンズ１０１５と半導体ウェーハＷとの距離の調節に使用される。
結像光学系１０２０は、様々な光学要素を用いて構成することができる。例えば、結像光学系１０２０はチューブレンズ１０２１を含むことができる。また、結像光学系１０２０は、照明光学系１０１０の対物レンズ１０１５とビームスプリッタ１０１３とを用いることができる。また、他のレンズや絞りなどの光学要素をさらに含んでもよい。
対物レンズ１０１５で収集された反射光は、ビームスプリッタ１０１３を透過した後にチューブレンズ１０２１によってイメージ検出器１０３０に集光する。
イメージ検出器１０３０は、照明によるオーバーレイマークからの反射光を受光してオーバーレイマークイメージを生成する役割を果たす。イメージ検出器１０３０は、ＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラであり得る。
モアレパターンイメージを分析するステップは、取得されたモアレパターンイメージから第１モアレパターンＭ１のＸ軸方向中心と第２モアレパターンＭ２のＸ軸方向中心とのオフセットを測定するステップと、第３モアレパターンＭ３のＹ軸方向中心と第４モアレパターンＭ４のＹ軸方向中心とのオフセットを測定するステップと、を含むことができる。
第１モアレパターンＭ１のＸ軸方向中心と第２モアレパターンＭ２のＸ軸方向中心とのオフセットを測定するステップは、次のステップを含むことができる。
まず、第１モアレパターンＭ１の対称中心ＣＯＳ１のＸ値と取得されたモアレパターンイメージの基準点、例えば、モアレパターンイメージの中心ＣＯＩのＸ値との差を求める。ＣＯＩは、イメージ領域自体の中心であって、対をなすモアレパターンの対称中心とは無関係である。図１では、便宜上、ＣＯＩが第１モアレパターンＭ１の対称中心ＣＯＳ１と一致することを示しているが、大部分が一致しない。
図１に示すように、取得されたモアレパターンイメージから上方の一つの第１モアレパターンＭ１の一部領域Ｒ１を選択する。そして、取得されたモアレパターンイメージの中心ＣＯＩを基準に１８０度対称となる領域Ｒ２も選択する。この領域Ｒ２は、下方のもう一つの第１モアレパターンＭ１に位置する。
そして、選択された２つの領域Ｒ１、Ｒ２の二次元イメージを互いに比較して、第１モアレパターンＭ１の中心のＸ値と、取得されたモアレパターンイメージＣＯＩの中心のＸ値との差異を求める。
次に、同様の方法で、第２モアレパターンＭ２の第２対称中心ＣＯＳ２のＸ値と取得されたモアレパターンイメージの中心ＣＯＩのＸ値との差異を求める。
次いで、先に求めた第１モアレパターンＭ１の第１対称中心ＣＯＳ１のＸ値と取得されたモアレパターンイメージの中心ＣＯＩのＸ値との差異、及び第２モアレパターンＭ２の第２対称中心ＣＯＳ２のＸ値と取得されたモアレパターンイメージの中心ＣＯＩのＸ値との差異を用いて、Ｘ軸方向のオーバーレイ値を求める。
この差異値ΔＭｘは、モアレゲイン値によって拡大された値であるので、下記の数式９のように、モアレゲイン値で割ると、実際のＸ軸方向のオーバーレイ誤差ΔＸを求めることができる。
整列時には、第３モアレパターンＭ３の対称中心ＣＯＳ３と第４モアレパターンＭ４の対称中心ＣＯＳ４とが一致する（重畳する）。オーバーレイマーク１０が整列されていないときには、第３モアレパターンＭ３の対称中心ＣＯＳ３と第４モアレパターンＭ４の対称中心ＣＯＳ４とが互いに一致しない。
第３モアレパターンＭ３の対称中心ＣＯＳ３と第４モアレパターンＭ４の対称中心ＣＯＳ４の第２方向（Ｙ軸方向）への差異を利用すると、第２方向へのオーバーレイ誤差ΔＹを測定することができる。
以下、上述したオーバーレイマーク１０を用いたオーバーレイ測定方法について説明する。
オーバーレイ測定方法は、オーバーレイマーク１０によって形成されたモアレパターンイメージを取得するステップと、モアレパターンイメージを分析するステップと、を含む。オーバーレイマーク１０は、２つの連続するパターン層を形成すると同時に形成される。
モアレパターンイメージを取得するステップは、オーバーレイ測定装置を用いて第１～第４モアレパターンＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４のイメージを一度に取得するステップである。例えば、図１のようなイメージを取得するステップである。
図６は、本発明の一実施形態によるオーバーレイ測定装置の概略図である。図６に示すように、オーバーレイ測定装置１０００は、半導体ウェーハＷ上のオーバーレイマークを照明する照明光学系１０１０と、オーバーレイマークからの反射光を集光させてオーバーレイマークイメージを結像させる結像光学系１０２０と、結像光学系１０２０によって結像されたオーバーレイマークイメージを取得するイメージ検出器１０３０と、を含む。オーバーレイ測定装置１０００は、取得されたオーバーレイマークイメージを処理して、複数の連続するパターン層間のオーバーレイを測定することができる。
照明光学系１０１０は、様々な光学要素を用いて構成することができる。例えば、照明光学系１０１０は、照明源１０１１と、ビームスプリッタ１０１３と、対物レンズ１０１５とを含むことができる。また、他のレンズや絞りなどの光学要素をさらに含んでもよい。
照明源１０１１は、オーバーレイマークを照らす照明を生成する役割を果たす。照明源１０１１は、広い波長帯域の光を生成することが可能な光源と、透過する光の波長帯域を調節することが可能な可変光学フィルタと、を含むことができる。
ビームスプリッタ１０１３は、照明源１０１１と対物レンズ１０１５との間に配置され、照明源１０１１からの照明を対物レンズ１０１５に伝達する役割を果たす。
対物レンズ１０１５は、照明を半導体ウェーハＷの表面の測定位置に集光させ、測定位置から反射された反射光を収集する役割を果たす。対物レンズ１０１５は、レンズ焦点アクチュエータ１０１７に設置される。レンズ焦点アクチュエータ１０１７は、対物レンズ１０１５と半導体ウェーハＷとの距離の調節に使用される。
結像光学系１０２０は、様々な光学要素を用いて構成することができる。例えば、結像光学系１０２０はチューブレンズ１０２１を含むことができる。また、結像光学系１０２０は、照明光学系１０１０の対物レンズ１０１５とビームスプリッタ１０１３とを用いることができる。また、他のレンズや絞りなどの光学要素をさらに含んでもよい。
対物レンズ１０１５で収集された反射光は、ビームスプリッタ１０１３を透過した後にチューブレンズ１０２１によってイメージ検出器１０３０に集光する。
イメージ検出器１０３０は、照明によるオーバーレイマークからの反射光を受光してオーバーレイマークイメージを生成する役割を果たす。イメージ検出器１０３０は、ＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラであり得る。
モアレパターンイメージを分析するステップは、取得されたモアレパターンイメージから第１モアレパターンＭ１のＸ軸方向中心と第２モアレパターンＭ２のＸ軸方向中心とのオフセットを測定するステップと、第３モアレパターンＭ３のＹ軸方向中心と第４モアレパターンＭ４のＹ軸方向中心とのオフセットを測定するステップと、を含むことができる。
第１モアレパターンＭ１のＸ軸方向中心と第２モアレパターンＭ２のＸ軸方向中心とのオフセットを測定するステップは、次のステップを含むことができる。
まず、第１モアレパターンＭ１の対称中心ＣＯＳ１のＸ値と取得されたモアレパターンイメージの基準点、例えば、モアレパターンイメージの中心ＣＯＩのＸ値との差を求める。ＣＯＩは、イメージ領域自体の中心であって、対をなすモアレパターンの対称中心とは無関係である。図１では、便宜上、ＣＯＩが第１モアレパターンＭ１の対称中心ＣＯＳ１と一致することを示しているが、大部分が一致しない。
図１に示すように、取得されたモアレパターンイメージから上方の一つの第１モアレパターンＭ１の一部領域Ｒ１を選択する。そして、取得されたモアレパターンイメージの中心ＣＯＩを基準に１８０度対称となる領域Ｒ２も選択する。この領域Ｒ２は、下方のもう一つの第１モアレパターンＭ１に位置する。
そして、選択された２つの領域Ｒ１、Ｒ２の二次元イメージを互いに比較して、第１モアレパターンＭ１の中心のＸ値と、取得されたモアレパターンイメージＣＯＩの中心のＸ値との差異を求める。
次に、同様の方法で、第２モアレパターンＭ２の第２対称中心ＣＯＳ２のＸ値と取得されたモアレパターンイメージの中心ＣＯＩのＸ値との差異を求める。
次いで、先に求めた第１モアレパターンＭ１の第１対称中心ＣＯＳ１のＸ値と取得されたモアレパターンイメージの中心ＣＯＩのＸ値との差異、及び第２モアレパターンＭ２の第２対称中心ＣＯＳ２のＸ値と取得されたモアレパターンイメージの中心ＣＯＩのＸ値との差異を用いて、Ｘ軸方向のオーバーレイ値を求める。
この差異値ΔＭｘは、モアレゲイン値によって拡大された値であるので、下記の数式９のように、モアレゲイン値で割ると、実際のＸ軸方向のオーバーレイ誤差ΔＸを求めることができる。
ここで、ΔＸはＸ軸方向のオーバーレイ誤差であり、ΔＭｘは第１対称中心ＣＯＳ１と第２対称中心ＣＯＳ２とのＸ軸方向の差である。本実施形態の如く、第１モアレゲインＧＭ１と第２モアレゲインＧＭ２の符号が互いに反対である場合には、モアレゲインによって拡大される割合が大きいという利点がある。
次に、同様の方法によって、第３モアレパターンＭ３の第３対称中心ＣＯＳ３のＹ値と取得されたモアレパターンイメージの中心ＣＯＩのＹ値との差異を求める。そして、第４モアレパターンＭ４の第４対称中心ＣＯＳ４のＹ値と取得されたモアレパターンイメージの中心ＣＯＩのＹ値との差異を求める。
次いで、先に求めた第３対称中心ＣＯＳ３のＹ値と取得されたモアレパターンイメージの中心ＣＯＩのＹ値との差異、及び第４モアレパターンＭ４の第４対称中心ＣＯＳ４のＹ値と取得されたモアレパターンイメージの中心ＣＯＩのＹ値との差異を用いて、Ｙ軸方向のオーバーレイ値を求める。この差異値ΔＭＹはモアレゲイン値によって拡大された値であるので、下記の数式１０のように、モアレゲイン値で割ると、実際のＹ軸方向のオーバーレイ値ΔＹを求めることができる。
次に、同様の方法によって、第３モアレパターンＭ３の第３対称中心ＣＯＳ３のＹ値と取得されたモアレパターンイメージの中心ＣＯＩのＹ値との差異を求める。そして、第４モアレパターンＭ４の第４対称中心ＣＯＳ４のＹ値と取得されたモアレパターンイメージの中心ＣＯＩのＹ値との差異を求める。
次いで、先に求めた第３対称中心ＣＯＳ３のＹ値と取得されたモアレパターンイメージの中心ＣＯＩのＹ値との差異、及び第４モアレパターンＭ４の第４対称中心ＣＯＳ４のＹ値と取得されたモアレパターンイメージの中心ＣＯＩのＹ値との差異を用いて、Ｙ軸方向のオーバーレイ値を求める。この差異値ΔＭＹはモアレゲイン値によって拡大された値であるので、下記の数式１０のように、モアレゲイン値で割ると、実際のＹ軸方向のオーバーレイ値ΔＹを求めることができる。
ここで、△ＹはＹ軸方向のオーバーレイ誤差であり、△ＭＹは第３対称中心ＣＯＳ３と第４対称中心ＣＯＳ４とのＹ軸方向の差である。
以下では、図１に示された、オーバーレイマーク１０を用いた半導体素子の製造方法について説明する。オーバーレイマーク１０を用いた半導体素子の製造方法は、オーバーレイマーク１０を形成するステップから始まる。２つの連続するパターン層を形成すると同時にオーバーレイマーク１０を形成する。
オーバーレイマーク１０を形成するステップは、スキャナ方式の露光装置を用いてオーバーレイマーク１０を形成するステップであってもよい。
次に、オーバーレイマーク１０を用いてオーバーレイ値を測定する。オーバーレイ値を測定するステップは、上述したオーバーレイ測定方法と同様である。
最後に、測定されたオーバーレイ値を、２つの連続するパターン層または１つのパターン層に別々に形成された２つのパターンを形成するための工程制御に用いる。すなわち、導出されたオーバーレイを工程制御に活用して、連続するパターン層または２つのパターンが所定の位置に形成されるようにする。
以上で説明された実施形態は、本発明の好適な実施形態を説明したものに過ぎず、本発明の権利範囲は、説明された実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想と特許請求の範囲内で当該分野の当業者によって様々な変更、変形または置換が可能であり、それらの実施形態も本発明の範囲に属すると理解されるべきである。
以下では、図１に示された、オーバーレイマーク１０を用いた半導体素子の製造方法について説明する。オーバーレイマーク１０を用いた半導体素子の製造方法は、オーバーレイマーク１０を形成するステップから始まる。２つの連続するパターン層を形成すると同時にオーバーレイマーク１０を形成する。
オーバーレイマーク１０を形成するステップは、スキャナ方式の露光装置を用いてオーバーレイマーク１０を形成するステップであってもよい。
次に、オーバーレイマーク１０を用いてオーバーレイ値を測定する。オーバーレイ値を測定するステップは、上述したオーバーレイ測定方法と同様である。
最後に、測定されたオーバーレイ値を、２つの連続するパターン層または１つのパターン層に別々に形成された２つのパターンを形成するための工程制御に用いる。すなわち、導出されたオーバーレイを工程制御に活用して、連続するパターン層または２つのパターンが所定の位置に形成されるようにする。
以上で説明された実施形態は、本発明の好適な実施形態を説明したものに過ぎず、本発明の権利範囲は、説明された実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想と特許請求の範囲内で当該分野の当業者によって様々な変更、変形または置換が可能であり、それらの実施形態も本発明の範囲に属すると理解されるべきである。
Ｍ１ 第１モアレパターン
Ｍ２ 第２モアレパターン
Ｍ３ 第３モアレパターン
Ｍ４ 第４モアレパターン
ＣＯＳ１ 第１対称中心
ＣＯＳ２ 第２対称中心
１０ オーバーレイマーク
１００ 第１オーバーレイマーク
１１０ 第１格子パターン
１２０ 第４格子パターン
２００ 第２オーバーレイマーク
２１０ 第２格子パターン
２２０ 第３格子パターン
２３０ 第５格子パターン
２４０ 第６格子パターン
Ｍ２ 第２モアレパターン
Ｍ３ 第３モアレパターン
Ｍ４ 第４モアレパターン
ＣＯＳ１ 第１対称中心
ＣＯＳ２ 第２対称中心
１０ オーバーレイマーク
１００ 第１オーバーレイマーク
１１０ 第１格子パターン
１２０ 第４格子パターン
２００ 第２オーバーレイマーク
２１０ 第２格子パターン
２２０ 第３格子パターン
２３０ 第５格子パターン
２４０ 第６格子パターン
Claims (8)
- ２つ以上のパターン層間の相対的なズレを決定する、イメージベースのオーバーレイ測定用オーバーレイマークであって、
第１パターン層と共に形成され、第１方向に沿って第１ピッチを有し、１８０度回転対称な一対の第１格子パターンを含む第１オーバーレイマーク；並びに
第２パターン層と共に形成され、前記第１方向に沿って前記第１ピッチとは異なる第２ピッチを有し、前記第１格子パターンの一部と重畳し、１８０度回転対称な一対の第２格子パターンと、前記第１方向に沿って前記第１ピッチ及び前記第２ピッチとは異なる第３ピッチを有し、前記第１格子パターンの一部と重畳し、１８０度回転対称な一対の第３格子パターンと、を含む第２オーバーレイマーク；を含み、
重畳した前記第１格子パターンと前記第２格子パターンは、第１対称中心（ＣＯＳ１）を基準に１８０度回転対称な一対の第１モアレパターンを形成し、
重畳した前記第１格子パターンと前記第３格子パターンは、第２対称中心（ＣＯＳ２）を基準に１８０度回転対称な一対の第２モアレパターンを形成し、
オーバーレイ誤差が０であるとき、前記第１対称中心（ＣＯＳ１）と前記第２対称中心（ＣＯＳ２）とは一致し、前記第１対称中心（ＣＯＳ１）と前記第２対称中心（ＣＯＳ２）との前記第１方向への誤差は、前記第１パターン層と前記第２パターン層との前記第１方向へのオーバーレイ誤差を示す、モアレパターンを形成するオーバーレイマーク。 - 前記第２格子パターンと前記第３格子パターンとが並んで配置される、請求項１に記載のモアレパターンを形成するオーバーレイマーク。
- 前記第２ピッチと前記第３ピッチのうちの一つは前記第１ピッチに比べて大きく、もう一つは前記第１ピッチに比べて小さい、請求項１に記載のモアレパターンを形成するオーバーレイマーク。
- 前記第１格子パターンは複数の第１バーを含み、前記第２格子パターンは複数の第２バーを含み、前記第３格子パターンは複数の第３バーを含み、
前記第１バーの長さは、前記第２バーの長さと前記第３バーの長さとの和以上である、請求項１に記載のモアレパターンを形成するオーバーレイマーク。 - 前記第１モアレパターンと前記第２モアレパターンのピッチは、オーバーレイ測定装置の光学解像度よりも大きく、
前記第１～第３格子パターンのピッチは、前記オーバーレイ測定装置の光学解像度よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載のモアレパターンを形成するオーバーレイマーク。 - 前記第１オーバーレイマークは、
前記第１パターン層と共に形成され、前記第１方向と直交する第２方向に沿って第４ピッチを有し、１８０度回転対称な一対の第４格子パターンをさらに含み、
前記第２オーバーレイマークは、
前記第２パターン層と共に形成され、前記第２方向に沿って前記第４ピッチとは異なる第５ピッチを有し、前記第４格子パターンの一部と重畳し、１８０度回転対称な一対の第５格子パターンと、前記第２方向に沿って前記第４ピッチ及び前記第５ピッチとは異なる第６ピッチを有し、前記第４格子パターンの一部と重畳し、１８０度回転対称な一対の第６格子パターンをさらに含み、
重畳した前記第４格子パターンと前記第５格子パターンは、第３対称中心（ＣＯＳ３）を基準に１８０度回転対称な一対の第３モアレパターンを形成し、
重畳した前記第４格子パターンと前記第６格子パターンは、第４対称中心（ＣＯＳ４）を基準に１８０度回転対称な一対の第４モアレパターンを形成し、
オーバーレイ誤差が０であるとき、前記第３対称中心（ＣＯＳ３）と前記第４対称中心（ＣＯＳ４）とは一致し、前記第３対称中心（ＣＯＳ３）と前記第４対称中心（ＣＯＳ４）との前記第２方向への誤差は、前記第１パターン層と前記第２パターン層との前記第２方向へのオーバーレイ誤差を示す、請求項１に記載のモアレパターンを形成するオーバーレイマーク。 - 複数の連続するパターン層間のオーバーレイを測定する方法であって、
複数の連続するパターン層を形成すると同時に、形成されたオーバーレイマークによって形成されたモアレパターンイメージを取得するステップと、
前記モアレパターンイメージを分析するステップと、を含み、
前記オーバーレイマークは、請求項１～６のいずれか一項に記載のモアレパターンを形成するオーバーレイマークであることを特徴とする、オーバーレイ測定方法。 - 半導体素子の製造方法であって、
複数の連続するパターン層を形成すると同時に、オーバーレイマークを形成するステップと、
前記オーバーレイマークを用いてオーバーレイ値を測定するステップと、
測定されたオーバーレイ値を、複数の連続するパターン層を形成するための工程制御に用いるステップと、を含み、
前記オーバーレイマークは、請求項１～６のいずれか一項に記載のモアレパターンを形成するオーバーレイマークであることを特徴とする、半導体素子の製造方法。
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| KR101604789B1 (ko) | 2014-03-24 | 2016-03-21 | 주식회사 오로스테크놀로지 | 오버레이 마크 이미지의 중심점을 찾는 방법 |
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