特表2024-512852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
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-03-21
(54)【発明の名称】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
(51)【国際特許分類】
G03F 9/00 20060101AFI20240313BHJP
【ＦＩ】
G03F9/00 H
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023533298
(86)(22)【出願日】2022-10-20
(85)【翻訳文提出日】2023-05-31
(86)【国際出願番号】 KR2022016026
(87)【国際公開番号】W WO2023140468
(87)【国際公開日】2023-07-27
(31)【優先権主張番号】10-2022-0008304
(32)【優先日】2022-01-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】515309575
【氏名又は名称】オーロステクノロジー， インク．
(74)【代理人】
【識別番号】100109553
【弁理士】
【氏名又は名称】工藤 一郎
(72)【発明者】
【氏名】イ ヒュンチュル
(72)【発明者】
【氏名】チャン ヒュンジン
(72)【発明者】
【氏名】ホン スンフン
(72)【発明者】
【氏名】ウ ヨンジェ
【テーマコード（参考）】
2H197
【Ｆターム（参考）】
2H197EA11
2H197EA13
2H197EB05
2H197EB06
2H197EB10
2H197EB16
2H197HA03
2H197JA23
(57)【要約】
第１オーバーレイマークは第１対象中心を備え、第１対称中心を基準に１８０度回転対称であり、オーバーレイマークの中心部に配置される一対の第１モアレパターンが形成されるように構成され、第２オーバーレイマークは第２対称中心を備え、第２対称中心を基準に１８０度回転対称であり、第１モアレパターンを挟んで向かい合うように配置される一対の第２モアレパターンが形成されるように構成され、第３オーバーレイマークは第３対称中心を備え、第３対称中心を基準に１８０度回転対称であり、第１モアレパターンを挟んで第１対角線上に配置される一対の第３モアレパターンが形成されるように構成され、第４オーバーレイマークは第４対称中心を基準に１８０度回転対称であり、第１モアレパターンを挟んで第１対角線と交差する第２対角線上に配置される一対の第４モアレパターンが形成されるように構成される、オーバーレイ測定用の複数のオーバーレイマーク。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
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～第４オーバーレイマークを含み、
前記第１オーバーレイマークは、
第１対称中心（ＣＯＳ１）を備え、前記第１対称中心（ＣＯＳ１）を基準に１８０度回転対称であり、中心軸が互いに一致し、前記オーバーレイマークの中心部に配置される一対の第１モアレパターンが形成されるように構成され、
前記第１モアレパターンは、第１パターン層と共に形成され、第１方向に沿って第１ピッチを有する第１格子パターンと、第２パターン層と共に前記第１格子パターンに重なるように形成され、前記第１方向に沿って前記第１ピッチとは異なる第２ピッチを有する第２格子パターンによって形成され、
前記第２オーバーレイマークは、
第２対称中心（ＣＯＳ２）を備え、前記第２対称中心（ＣＯＳ２）を基準に１８０度回転対称であり、中心軸が互いに一致し、前記第１モアレパターンを挟んで向かい合うように配置される一対の第２モアレパターンが形成されるように構成され、
前記第２モアレパターンは、前記第１パターン層と共に形成され、第１方向に沿って第３ピッチを有する第３格子パターンと、第２パターン層と共に前記第３格子パターンに重なるように形成され、前記第１方向に沿って前記第３ピッチとは異なる第４ピッチを有する第４格子パターンによって形成され、
前記第３オーバーレイマークは、
第３対称中心（ＣＯＳ３）を備え、前記第３対称中心（ＣＯＳ３）を基準に１８０度回転対称であり、前記第１モアレパターンを挟んで第１対角線上に配置される一対の第３モアレパターンが形成されるように構成され、
前記第３モアレパターンは、第１パターン層と共に形成され、第２方向に沿って第５ピッチを有する第５格子パターンと、第２パターン層と共に前記第５格子パターンに重なるように形成され、前記第２方向に沿って前記第５ピッチとは異なる第６ピッチを有する第６格子パターンによって形成され、
前記第４オーバーレイマークは、
第４対称中心（ＣＯＳ４）を備え、前記第４対称中心（ＣＯＳ４）を基準に１８０度回転対称であり、前記第１モアレパターンを挟んで前記第１対角線と交差する第２対角線上に配置される一対の第４モアレパターンが形成されるように構成され、
前記第４モアレパターンは、第1パターン層と共に形成され、第２方向に沿って第７ピッチを有する第７格子パターンと、第２パターン層と共に前記第７格子パターンに重なるように形成され、前記第２方向に沿って前記第７ピッチとは異なる第８ピッチを有する第８格子パターンによって形成され、
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。
【請求項2】
前記オーバーレイマークは、スキャナ方式の露光装置を用いて形成され、前記第２方向は、前記露光装置のスキャン方向と並んでいることを特徴とする、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。
【請求項3】
前記第１～第４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８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。
【請求項4】
前記第１ピッチは前記第４ピッチと同じであり、前記第２ピッチは前記第３ピッチと同じであることを特徴とする、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。
【請求項5】
前記第５ピッチは前記第８ピッチと同じであり、前記第６ピッチは前記第７ピッチと同じであることを特徴とする、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。
【請求項6】
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ともに、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１～５のいずれか一項に記載の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。
【請求項7】
前記モアレパターンイメージを取得するステップは、傾斜した光学要素を備えたオーバーレイ測定装置を用いてモアレパターンイメージを取得するステップであり、
前記モアレパターンイメージを取得するステップで、前記オーバーレイ測定装置は、前記傾斜した光学要素と前記オーバーレイマークとの距離が、前記第１方向に進むほど増加または減少し、前記第２方向に進むときには一定であるように配置されることを特徴とする、請求項６に記載のオーバーレイ測定方法。
【請求項8】
前記傾斜した光学要素はビームスプリッタであることを特徴とする、請求項７に記載のオーバーレイ測定方法。
【請求項9】
前記モアレパターンイメージを分析するステップは、前記モアレパターンイメージの一部を一次元にプロジェクションして周期的なグラフを得るステップと、
前記周期的なグラフを正弦波で表現するステップと、を含むことを特徴とする、請求項６に記載のオーバーレイ測定方法。
【請求項10】
前記正弦波で表現するステップは、前記周期的なグラフと下記の数式９で表現された正弦波との差異が小さくなるように、回帰分析を介して数式９のＡ０、Ａ１、Ａ２、θ１、θ２、ｆ１、ｆ２値をフィッティングするステップであることを特徴とする、請求項９に記載のオーバーレイ測定方法。
【数9】
【請求項11】
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ともに、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１～５のいずれか一項に記載の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。
【請求項12】
前記オーバーレイマーク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前記オーバーレイマークを形成するステップであり、
前記第２方向は、前記露光装置のスキャン方向と並んでいることを特徴とする、請求項１１に記載の半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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、及び半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
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、このような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、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。
このようなモアレパターンのイメージを用いる方式は、層間のミスアラインメント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利点がある。しかし、現在の層に形成されたオーバーレイマーク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という問題がある。
また、米国公開特許第２０２１－００７２６５０号に示されているそれぞれのモアレパターンは、オーバーレイマークの中心からオーバーレイマークの外郭までの長い領域にわたって形成されるため、オーバーレイ測定装置の傾斜光学要素、例えば、ビームスプリッタによる光学収差の影響を大きく受けることができるという問題もある。特に、複数のバーが配置される方向に沿って光学系との距離の変化が大きい、特定方向のオーバーレイ測定用モアレパターンは、オーバーレイマークの中心に近いバーまでの光経路と、外郭に配置されたバーまでの光経路との差異が大きいため、光学収差の影響を大きく受ける。
また、スキャナ（ｓｃａｎｎｅｒ）方式の露光装置を用いてオーバーレイマークを形成する場合、スキャン方向に沿って配置されるモアレパターンはバラツキが小さく、スキャン方向に直交する方向に沿って配置されるモアレパターンはバラツキが大きいが、従来のオーバーレイマークは、スキャン方向に関係なくモアレパターンが配置されるので、スキャン方向に直交する方向に沿って配置されるモアレパターンのバラツキがオーバーレイ測定段階においても影響を与えるおそれがあるという問題もある。
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、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。
このようなモアレパターンのイメージを用いる方式は、層間のミスアラインメント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利点がある。しかし、現在の層に形成されたオーバーレイマーク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という問題がある。
また、米国公開特許第２０２１－００７２６５０号に示されているそれぞれのモアレパターンは、オーバーレイマークの中心からオーバーレイマークの外郭までの長い領域にわたって形成されるため、オーバーレイ測定装置の傾斜光学要素、例えば、ビームスプリッタによる光学収差の影響を大きく受けることができるという問題もある。特に、複数のバーが配置される方向に沿って光学系との距離の変化が大きい、特定方向のオーバーレイ測定用モアレパターンは、オーバーレイマークの中心に近いバーまでの光経路と、外郭に配置されたバーまでの光経路との差異が大きいため、光学収差の影響を大きく受ける。
また、スキャナ（ｓｃａｎｎｅｒ）方式の露光装置を用いてオーバーレイマークを形成する場合、スキャン方向に沿って配置されるモアレパターンはバラツキが小さく、スキャン方向に直交する方向に沿って配置されるモアレパターンはバラツキが大きいが、従来のオーバーレイマークは、スキャン方向に関係なくモアレパターンが配置されるので、スキャン方向に直交する方向に沿って配置されるモアレパターンのバラツキがオーバーレイ測定段階においても影響を与えるおそれがあるという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２０－１１２８０７号公報
【特許文献2】韓国特許第１０－１６０４７８９号公報
【特許文献3】韓国公開特許第２０００－０００６１８２号公報
【特許文献4】米国公開特許第２０２１－００７２６５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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、光学収差の影響を最小限に抑え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、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。
また、本発明は、スキャナのスキャン方向による影響を最小限に抑えることが可能なオーバーレイマーク、これを用いた新規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ことを目的とする。
また、本発明は、スキャナのスキャン方向による影響を最小限に抑えることが可能なオーバーレイマーク、これを用いた新規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ことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
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～第４オーバーレイマークを含み、前記第１オーバーレイマークは、第１対称中心（ＣＯＳ１）を備え、前記第１対称中心（ＣＯＳ１）を基準に１８０度回転対称であり、中心軸が互いに一致し、前記オーバーレイマークの中心部に配置される一対の第１モアレパターンが形成されるように構成され、前記第１モアレパターンは、第１パターン層と共に形成され、第１方向に沿って第１ピッチを有する第１格子パターンと、第２パターン層と共に前記第１格子パターンに重なるように形成され、前記第１方向に沿って前記第１ピッチとは異なる第２ピッチを有する第２格子パターンによって形成され、
前記第２オーバーレイマークは、第２対称中心（ＣＯＳ２）を備え、前記第２対称中心（ＣＯＳ２）を基準に１８０度回転対称であり、中心軸が互いに一致し、前記第１モアレパターンを挟んで向かい合うように配置される一対の第２モアレパターンが形成されるように構成され、前記第２モアレパターンは、前記第１パターン層と共に形成され、第１方向に沿って第３ピッチを有する第３格子パターンと、第２パターン層と共に前記第３格子パターンに重なるように形成され、前記第１方向に沿って前記第３ピッチとは異なる第４ピッチを有する第４格子パターンによって形成され、
前記第３オーバーレイマークは、第３対称中心（ＣＯＳ３）を備え、前記第３対称中心（ＣＯＳ３）を基準に１８０度回転対称であり、前記第１モアレパターンを挟んで第１対角線上に配置される一対の第３モアレパターンが形成されるように構成され、前記第３モアレパターンは、第１パターン層と共に形成され、第２方向に沿って第５ピッチを有する第５格子パターンと、第２パターン層と共に前記第５格子パターンに重なるように形成され、前記第２方向に沿って前記第５ピッチとは異なる第６ピッチを有する第６格子パターンによって形成され、
前記第４オーバーレイマークは、第４対称中心（ＣＯＳ４）を備え、前記第４対称中心（ＣＯＳ４）を基準に１８０度回転対称であり、前記第１モアレパターンを挟んで前記第１対角線と交差する第２対角線上に配置される一対の第４モアレパターンが形成されるように構成され、前記第４モアレパターンは、第1パターン層と共に形成され、第２方向に沿って第７ピッチを有する第７格子パターンと、第２パターン層と共に前記第７格子パターンに重なるように形成され、前記第２方向に沿って前記第７ピッチとは異なる第８ピッチを有する第８格子パターンによって形成され、
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、前記オーバーレイマークは、スキャナ方式の露光装置を用いて形成され、前記第２方向は、前記露光装置のスキャン方向と並んでいることを特徴とする、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第～第４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８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ピッチは前記第４ピッチと同じであり、前記第２ピッチは前記第３ピッチと同じであることを特徴とする、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５ピッチは前記第８ピッチと同じであり、前記第６ピッチは前記第７ピッチと同じであることを特徴とする、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、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ともに、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、を含むことを特徴とする、オーバーレイ測定方法を提供する。
また、前記モアレパターンイメージを取得するステップは、傾斜した光学要素を備えたオーバーレイ測定装置を用いてモアレパターンイメージを取得するステップであり、前記モアレパターンイメージを取得するステップで、前記オーバーレイ測定装置は、前記傾斜した光学要素と前記オーバーレイマークとの距離が、前記第１方向に進むほど増加または減少し、前記第２方向に進むときには一定であるように配置され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、前記傾斜した光学要素はビームスプリッタ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、前記モアレパターンイメージを分析するステップは、前記モアレパターンイメージの一部を一次元にプロジェクションして周期的なグラフを得るステップと、前記周期的なグラフを正弦波で表現するステップと、を含むことを特徴とする、オーバーレイ測定方法を提供する。
また、前記正弦波で表現するステップは、前記周期的なグラフと下記の数式９で表現された正弦波との差異が小さくなるように、回帰分析を介して数式９のＡ０、Ａ１、Ａ２、θ１、θ２、ｆ１、ｆ２値をフィッティングするステップ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。
このようなオーバーレイ測定方法は、フィッティングするステップによって、既存パターンの高周波成分を除去したモアレパターンの低周波成分を安定的に得ることができるという利点がある。
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ともに、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、を含むことを特徴とする、半導体素子の製造方法を提供する。
また、前記オーバーレイマーク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前記オーバーレイマークを形成するステップであり、前記第２方向は、前記露光装置のスキャン方向と並んでいることを特徴とする、半導体素子の製造方法を提供する。
前記第２オーバーレイマークは、第２対称中心（ＣＯＳ２）を備え、前記第２対称中心（ＣＯＳ２）を基準に１８０度回転対称であり、中心軸が互いに一致し、前記第１モアレパターンを挟んで向かい合うように配置される一対の第２モアレパターンが形成されるように構成され、前記第２モアレパターンは、前記第１パターン層と共に形成され、第１方向に沿って第３ピッチを有する第３格子パターンと、第２パターン層と共に前記第３格子パターンに重なるように形成され、前記第１方向に沿って前記第３ピッチとは異なる第４ピッチを有する第４格子パターンによって形成され、
前記第３オーバーレイマークは、第３対称中心（ＣＯＳ３）を備え、前記第３対称中心（ＣＯＳ３）を基準に１８０度回転対称であり、前記第１モアレパターンを挟んで第１対角線上に配置される一対の第３モアレパターンが形成されるように構成され、前記第３モアレパターンは、第１パターン層と共に形成され、第２方向に沿って第５ピッチを有する第５格子パターンと、第２パターン層と共に前記第５格子パターンに重なるように形成され、前記第２方向に沿って前記第５ピッチとは異なる第６ピッチを有する第６格子パターンによって形成され、
前記第４オーバーレイマークは、第４対称中心（ＣＯＳ４）を備え、前記第４対称中心（ＣＯＳ４）を基準に１８０度回転対称であり、前記第１モアレパターンを挟んで前記第１対角線と交差する第２対角線上に配置される一対の第４モアレパターンが形成されるように構成され、前記第４モアレパターンは、第1パターン層と共に形成され、第２方向に沿って第７ピッチを有する第７格子パターンと、第２パターン層と共に前記第７格子パターンに重なるように形成され、前記第２方向に沿って前記第７ピッチとは異なる第８ピッチを有する第８格子パターンによって形成され、
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、前記オーバーレイマークは、スキャナ方式の露光装置を用いて形成され、前記第２方向は、前記露光装置のスキャン方向と並んでいることを特徴とする、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第～第４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８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ピッチは前記第４ピッチと同じであり、前記第２ピッチは前記第３ピッチと同じであることを特徴とする、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５ピッチは前記第８ピッチと同じであり、前記第６ピッチは前記第７ピッチと同じであることを特徴とする、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、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ともに、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、を含むことを特徴とする、オーバーレイ測定方法を提供する。
また、前記モアレパターンイメージを取得するステップは、傾斜した光学要素を備えたオーバーレイ測定装置を用いてモアレパターンイメージを取得するステップであり、前記モアレパターンイメージを取得するステップで、前記オーバーレイ測定装置は、前記傾斜した光学要素と前記オーバーレイマークとの距離が、前記第１方向に進むほど増加または減少し、前記第２方向に進むときには一定であるように配置され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、前記傾斜した光学要素はビームスプリッタ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、前記モアレパターンイメージを分析するステップは、前記モアレパターンイメージの一部を一次元にプロジェクションして周期的なグラフを得るステップと、前記周期的なグラフを正弦波で表現するステップと、を含むことを特徴とする、オーバーレイ測定方法を提供する。
また、前記正弦波で表現するステップは、前記周期的なグラフと下記の数式９で表現された正弦波との差異が小さくなるように、回帰分析を介して数式９のＡ０、Ａ１、Ａ２、θ１、θ２、ｆ１、ｆ２値をフィッティングするステップ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。
【数9】
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ともに、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、を含むことを特徴とする、半導体素子の製造方法を提供する。
また、前記オーバーレイマーク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前記オーバーレイマークを形成するステップであり、前記第２方向は、前記露光装置のスキャン方向と並んでいることを特徴とする、半導体素子の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【0006】
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、及び半導体素子の製造方法は、光学収差の影響を最小限に抑えることができるという利点がある。
【0007】
また、スキャナのスキャン方向による影響を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
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、本発明によるオーバーレイマークの一実施形態の平面図であり、図２～図５は、図１に示された第１～第４オーバーレイマークの一部の断面図であり、図６は、図１に示されたオーバーレイマークに光を照射したときに形成されるモアレパターンのシミュレーション結果を示す図である。図１は、第１～第４オーバーレイマーク１００、２００、３００、４００が整列された状態を示す。
図１及び図２に示すように、第１オーバーレイマーク１００は、オーバーレイマーク１０の中心部に配置される一対の第１格子パターン１１０と、一対の第２格子パターン１２０とを備える。一対の第１格子パターン１１０は、一定の間隔をおいて並んで形成される。一対の第２格子パターン１２０は、第１格子パターン１１０に重なるように形成される。一対の第２格子パターン１２０は、一定の間隔をおいて並んで形成される。
第１格子パターン１１０は、第１パターン層（下層）と共に形成される。第１格子パターン１１０は、第１方向（図１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、複数の薄いバーを含む。
第２格子パターン１２０は、第２パターン層（上層）と共に形成される。第２格子パターン１２０は、第１方向（図１では、Ｘ軸方向）に沿って第２ピッチＰ２を有する。ここで、第２ピッチＰ２は、第１ピッチＰ１とは異なる。第２格子パターン１２０は、複数の薄いバーを含む。
このような第１格子パターン１１０と第２格子パターン１２０とは、オーバーレイマーク１０の中心部に一対の第１モアレパターンＭ１を形成する。すなわち、このような第１格子パターン１１０と第２格子パターン１２０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、図６に示すように、第１モアレパターンＭ１が形成される。
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１１０のピッチＰ１と第２格子パターン１２０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１２０のピッチＰ２に比べて遥かに大きい値となる。
図１は、本発明によるオーバーレイマークの一実施形態の平面図であり、図２～図５は、図１に示された第１～第４オーバーレイマークの一部の断面図であり、図６は、図１に示されたオーバーレイマークに光を照射したときに形成されるモアレパターンのシミュレーション結果を示す図である。図１は、第１～第４オーバーレイマーク１００、２００、３００、４００が整列された状態を示す。
図１及び図２に示すように、第１オーバーレイマーク１００は、オーバーレイマーク１０の中心部に配置される一対の第１格子パターン１１０と、一対の第２格子パターン１２０とを備える。一対の第１格子パターン１１０は、一定の間隔をおいて並んで形成される。一対の第２格子パターン１２０は、第１格子パターン１１０に重なるように形成される。一対の第２格子パターン１２０は、一定の間隔をおいて並んで形成される。
第１格子パターン１１０は、第１パターン層（下層）と共に形成される。第１格子パターン１１０は、第１方向（図１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、複数の薄いバーを含む。
第２格子パターン１２０は、第２パターン層（上層）と共に形成される。第２格子パターン１２０は、第１方向（図１では、Ｘ軸方向）に沿って第２ピッチＰ２を有する。ここで、第２ピッチＰ２は、第１ピッチＰ１とは異なる。第２格子パターン１２０は、複数の薄いバーを含む。
このような第１格子パターン１１０と第２格子パターン１２０とは、オーバーレイマーク１０の中心部に一対の第１モアレパターンＭ１を形成する。すなわち、このような第１格子パターン１１０と第２格子パターン１２０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、図６に示すように、第１モアレパターンＭ１が形成される。
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１１０のピッチＰ１と第２格子パターン１２０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１２０のピッチＰ２に比べて遥かに大きい値となる。
【数1】
【0010】
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１２０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１２０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１２０の格子要素の配列方向（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１２０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１２０の格子要素の配列方向（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１２０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2】
【0011】
数式２から分かるように、第２格子パターン１２０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。
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。第１モアレパターンＭ１の中心軸Ｃ１は互いに一致する。
図１及び図３に示すように、第２オーバーレイマーク２００は、第１オーバーレイマーク１００の第１格子パターン１１０を挟んで向かい合うように配置される一対の第３格子パターン２１０と、第２格子パターン１２０を挟んで向かい合うように配置される一対の第４格子パターン２２０と、を備える。一対の第４格子パターン２２０は、第３格子パターン２１０に重なるように形成される。
第３格子パターン２１０は、第１パターン層と共に形成される。第３格子パターン２１０は、第１方向（図１では、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２１０は、複数の薄いバーを含む。
第４格子パターン２２０は、第２パターン層と共に形成される。第４格子パターン２２０は、第１方向（図１では、Ｘ軸方向）に沿って第４ピッチＰ４を有する。ここで、第４ピッチＰ４は、第３ピッチＰ３とは異なる。第４格子パターン２２０は複数の薄いバーを含む。ここで、第４ピッチＰ４は第１ピッチＰ１と同じであり、第３ピッチＰ３は第２ピッチＰ２と同じであってもよい。
図６に示すように、このような第３格子パターン２１０と第４格子パターン２２０とは、第１モアレパターンＭ１を挟んで向かい合うように配置される一対の第２モアレパターンＭ２を形成する。
第２モアレパターンＭ２のピッチＰＭ２は、下記の数式３のように、第３格子パターン２１０のピッチＰ３と第４格子パターン２２０のピッチＰ４によって決定される。
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。第１モアレパターンＭ１の中心軸Ｃ１は互いに一致する。
図１及び図３に示すように、第２オーバーレイマーク２００は、第１オーバーレイマーク１００の第１格子パターン１１０を挟んで向かい合うように配置される一対の第３格子パターン２１０と、第２格子パターン１２０を挟んで向かい合うように配置される一対の第４格子パターン２２０と、を備える。一対の第４格子パターン２２０は、第３格子パターン２１０に重なるように形成される。
第３格子パターン２１０は、第１パターン層と共に形成される。第３格子パターン２１０は、第１方向（図１では、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２１０は、複数の薄いバーを含む。
第４格子パターン２２０は、第２パターン層と共に形成される。第４格子パターン２２０は、第１方向（図１では、Ｘ軸方向）に沿って第４ピッチＰ４を有する。ここで、第４ピッチＰ４は、第３ピッチＰ３とは異なる。第４格子パターン２２０は複数の薄いバーを含む。ここで、第４ピッチＰ４は第１ピッチＰ１と同じであり、第３ピッチＰ３は第２ピッチＰ２と同じであってもよい。
図６に示すように、このような第３格子パターン２１０と第４格子パターン２２０とは、第１モアレパターンＭ１を挟んで向かい合うように配置される一対の第２モアレパターンＭ２を形成する。
第２モアレパターンＭ２のピッチＰＭ２は、下記の数式３のように、第３格子パターン２１０のピッチＰ３と第４格子パターン２２０のピッチＰ４によって決定される。
【数3】
【0012】
そして、第４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２１０のピッチＰ３と第４格子パターン２２０のピッチＰ４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２１０のピッチＰ３と第４格子パターン２２０のピッチＰ４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4】
【0013】
数式４から分かるように、第４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。
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の中心軸Ｃ２は互いに一致する。整列時には、第１モアレパターンＭ１の中心軸Ｃ１と第２モアレパターンＭ２の中心軸Ｃ２とが一致する。
図６では、オーバーレイマーク１０が整列された状態であるので、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を測定することができる。
図１及び図４に示すように、第３オーバーレイマーク３００は、第１オーバーレイマーク１００の第１格子パターン１１０を挟んで第１対角線Ｄ１上に配置される一対の第５格子パターン３１０と、第２格子パターン１２０を挟んで第１対角線Ｄ１上に配置される一対の第６格子パターン３２０と、を備える。一対の第６格子パターン３２０は、第５格子パターン３１０に重なるように形成される。
第５格子パターン３１０は、第１パターン層と共に形成される。第５格子パターン３１０は、第２方向（図１では、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３１０は複数の薄いバーを含む。
第６格子パターン３２０は、第２パターン層と共に形成される。第６格子パターン３２０は、第２方向（図１では、Ｙ軸方向）に沿って第６ピッチＰ６を有する。ここで、第６ピッチＰ６は、第５ピッチＰ５とは異なる。第６格子パターン３２０は複数の薄いバーを含む。
図６に示すように、このような第５格子パターン３１０と第６格子パターン３２０は、第１モアレパターンＭ１を挟んで第１対角線Ｄ１上に配置される一対の第３モアレパターンＭ３を形成する。すなわち、このような第５格子パターン３１０と第６格子パターン３２０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、図６に示すように、第３モアレパターンＭ３が形成される。
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５格子パターン３１０のピッチＰ５と第６格子パターン３２０のピッチＰ６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５格子パターン３１０のピッチＰ５と第６格子パターン３２０のピッチＰ６に比べて遥かに大きい値となる。
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の中心軸Ｃ２は互いに一致する。整列時には、第１モアレパターンＭ１の中心軸Ｃ１と第２モアレパターンＭ２の中心軸Ｃ２とが一致する。
図６では、オーバーレイマーク１０が整列された状態であるので、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を測定することができる。
図１及び図４に示すように、第３オーバーレイマーク３００は、第１オーバーレイマーク１００の第１格子パターン１１０を挟んで第１対角線Ｄ１上に配置される一対の第５格子パターン３１０と、第２格子パターン１２０を挟んで第１対角線Ｄ１上に配置される一対の第６格子パターン３２０と、を備える。一対の第６格子パターン３２０は、第５格子パターン３１０に重なるように形成される。
第５格子パターン３１０は、第１パターン層と共に形成される。第５格子パターン３１０は、第２方向（図１では、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３１０は複数の薄いバーを含む。
第６格子パターン３２０は、第２パターン層と共に形成される。第６格子パターン３２０は、第２方向（図１では、Ｙ軸方向）に沿って第６ピッチＰ６を有する。ここで、第６ピッチＰ６は、第５ピッチＰ５とは異なる。第６格子パターン３２０は複数の薄いバーを含む。
図６に示すように、このような第５格子パターン３１０と第６格子パターン３２０は、第１モアレパターンＭ１を挟んで第１対角線Ｄ１上に配置される一対の第３モアレパターンＭ３を形成する。すなわち、このような第５格子パターン３１０と第６格子パターン３２０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、図６に示すように、第３モアレパターンＭ３が形成される。
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５格子パターン３１０のピッチＰ５と第６格子パターン３２０のピッチＰ６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５格子パターン３１０のピッチＰ５と第６格子パターン３２０のピッチＰ６に比べて遥かに大きい値となる。
【数5】
【0014】
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５格子パターン３１０のピッチＰ５と第６格子パターン３２０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。
また、第５格子パターン３１０に対する第６格子パターン３２０の格子要素の配列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６格子パターン３２０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５格子パターン３１０に対する第６格子パターン３２０の格子要素の配列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６格子パターン３２０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6】
【0015】
数式６から分かるように、第６格子パターン３２０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。
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。
図１及び図５に示すように、第４オーバーレイマーク４００は、第１オーバーレイマーク１００の第１格子パターン１１０を挟んで前記第１対角線Ｄ１と交差する第２対角線Ｄ２上に配置される一対の第７格子パターン４１０と、第２格子パターン１２０を挟んで第２対角線Ｄ２上に配置される一対の第８格子パターン４２０と、を備える。一対の第８格子パターン４２０は、第７格子パターン４１０に重なるように形成される。
第７格子パターン４１０は、第１パターン層と共に形成される。第７格子パターン４１０は、第２方向（図１では、Ｙ軸方向）に沿って第７ピッチＰ７を有する。第７格子パターン４１０は複数の薄いバーを含む。
第８格子パターン４２０は、第２パターン層と共に形成される。第８格子パターン４２０は、第２方向（図１では、Ｙ軸方向）に沿って第８ピッチＰ８を有する。ここで、第８ピッチＰ８は、第７ピッチＰ７とは異なる。第８格子パターン４２０は複数の薄いバーを含む。
図６に示すように、このような第７格子パターン４１０と第８格子パターン４２０は、第１モアレパターンＭ１を挟んで第２対角線Ｄ２上に配置される一対の第４モアレパターンＭ４を形成する。すなわち、このような第７格子パターン４１０と第８格子パターン４２０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、図６に示すように、第４モアレパターンＭ４が形成される。
このとき、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７格子パターン４１０のピッチＰ７と第８格子パターン４２０のピッチＰ８によって決定される。数式７から分かるように、第４モアレパターンＭ４のピッチＰＭ４は、第７格子パターン４１０のピッチＰ７と第８格子パターン４２０のピッチＰ８に比べて遥かに大きい値となる。
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。
図１及び図５に示すように、第４オーバーレイマーク４００は、第１オーバーレイマーク１００の第１格子パターン１１０を挟んで前記第１対角線Ｄ１と交差する第２対角線Ｄ２上に配置される一対の第７格子パターン４１０と、第２格子パターン１２０を挟んで第２対角線Ｄ２上に配置される一対の第８格子パターン４２０と、を備える。一対の第８格子パターン４２０は、第７格子パターン４１０に重なるように形成される。
第７格子パターン４１０は、第１パターン層と共に形成される。第７格子パターン４１０は、第２方向（図１では、Ｙ軸方向）に沿って第７ピッチＰ７を有する。第７格子パターン４１０は複数の薄いバーを含む。
第８格子パターン４２０は、第２パターン層と共に形成される。第８格子パターン４２０は、第２方向（図１では、Ｙ軸方向）に沿って第８ピッチＰ８を有する。ここで、第８ピッチＰ８は、第７ピッチＰ７とは異なる。第８格子パターン４２０は複数の薄いバーを含む。
図６に示すように、このような第７格子パターン４１０と第８格子パターン４２０は、第１モアレパターンＭ１を挟んで第２対角線Ｄ２上に配置される一対の第４モアレパターンＭ４を形成する。すなわち、このような第７格子パターン４１０と第８格子パターン４２０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、図６に示すように、第４モアレパターンＭ４が形成される。
このとき、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７格子パターン４１０のピッチＰ７と第８格子パターン４２０のピッチＰ８によって決定される。数式７から分かるように、第４モアレパターンＭ４のピッチＰＭ４は、第７格子パターン４１０のピッチＰ７と第８格子パターン４２０のピッチＰ８に比べて遥かに大きい値となる。
【数7】
【0016】
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７格子パターン４１０のピッチＰ７と第８格子パターン４２０のピッチＰ８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。
また、第７格子パターン４１０に対する第８格子パターン４２０の格子要素の配列方向への相対移動は、第４モアレパターンＭ４の移動を引き起こす。そして、第８格子パターン４２０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。
また、第７格子パターン４１０に対する第８格子パターン４２０の格子要素の配列方向への相対移動は、第４モアレパターンＭ４の移動を引き起こす。そして、第８格子パターン４２０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。
【数8】
【0017】
数式８から分かるように、第８格子パターン４２０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。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。
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。
図６では、オーバーレイマーク１０が整列された状態であるので、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との第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６のようなイメージを取得するステップである。
本ステップは、傾斜した光学要素と、レンズＬや、オーバーレイマーク１０が形成されたデバイスＤを支持するステージＳなどとを備えたオーバーレイ測定装置を用いて、オーバーレイマークイメージを取得するステップであり得る。傾斜した光学要素は、例えばビームスプリッタＢＳであり得る。
図７は、オーバーレイマークイメージ取得ステップを説明するために、オーバーレイ測定装置の一例の一部を示す図である。図７に示すように、本ステップにおいて、オーバーレイ測定装置は、傾斜した光学要素であるビームスプリッタＢＳと、オーバーレイマーク１０が形成されたデバイスＤとの距離が、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による第１モアレパターンＭ１と第２モアレパターンＭ２が配置される方向であるＸ軸方向に進むほど増加または減少し、Ｙ軸方向に進行するときには一定であるように配置されることが好ましい。すなわち、ビームスプリッタＢＳはＸ軸に対して傾斜して配置される。
このようにオーバーレイ測定装置を配置した状態でオーバーレイマークイメージを取得すれば、光学収差の影響を減らすことができるという利点がある。なぜなら、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は、Ｘ軸方向を基準にオーバーレイマーク１０の中心部にのみ形成されるためである。
オーバーレイマーク１０の全面積が同一であれば、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のＸ軸方向の幅が相対的に狭い。
したがって、Ｘ軸方向の両端と傾斜した光学要素であるビームスプリッタＢＳとのＺ軸方向距離の差異が従来のオーバーレイマークに比べては小さくなる。これにより、傾斜した光学要素との距離差異による光学収差の影響が最小化される。
第３オーバーレイマーク３００と第４オーバーレイマーク４００は、Ｙ軸方向を基準にオーバーレイマーク１０の全領域に形成されるが、傾斜した光学要素であるビームスプリッタＢＳは、Ｙ軸に対しては傾斜して配置されないため、Ｙ軸方向への歪みが少ないので、第３オーバーレイマーク３００と第４オーバーレイマーク４００による第３モアレパターンＭ３と第４モアレパターンＭ４は、傾斜した光学要素による光学収差の影響をほとんど受けない。
本発明では、一方の方向（図１では、Ｘ軸方向）に配置される第１モアレパターンＭ１と第２モアレパターンＭ２を中心部に寄せて配置し、モアレパターンのイメージを取得するときにこれを考慮して、傾斜した光学要素であるビームスプリッタＢＳがその方向の軸（図７では、Ｘ軸）と角をなすようにオーバーレイ測定装置を配置することにより、光学収差の影響を最小化する。
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における第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中心ＣＯＩのＸ値との差異を求める（Ｓ１１）。図６では、ＣＯＩはイメージ領域自体の中心であって、モアレパターンの対称中心とは無関係である。図６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。
図６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それぞれ一次元にプロジェクションする。すなわち、二次元イメージにおいて同じＸ値を有する画素のグレー値を全て加算したり、グレー値の平均を求めたり、グレー値を正規化したりする。
すると、図８に示すように、Ｘ値によるグレー値の変化を示す周期的なグラフＧを描くことができる。第１モアレパターンＭ１のグレー値はＸ値によって異なるので、図８に示されているグラフＧを得ることができる。
図８から分かるように、取得された周期的なグラフＧには、ノイズが多く含まれている。このようなノイズは、実際の格子パターンによる補強干渉により発生するノイズであり得る。よって、図８の周期的なグラフＧの高周波成分を除去して、図９に示すように正弦波Ｓで表現する。
正弦波Ｓで表現するステップは、周期的なグラフＧと下記の数式９で表される正弦波Ｓとの差異が最小化されるように、回帰分析を介して下記の数式９のＡ０、Ａ１、Ａ２、θ１、θ２、ｆ１、ｆ２の値をフィッティングするステップであり得る。例えば、ＭＳＥ（Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅｄ Ｅｒｒｏｒ）、ＲＭＳＥ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅｄ Ｅｒｒｏｒ）、ＭＡＥ（Ｍｅａｎ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｅｒｒｏｒ）、ＭＡＰＥ（Ｍｅａｎ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ Ｅｒｒｏｒ）、ＭＰＥ（Ｍｅａｎ Ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ Ｅｒｒｏｒ）などのさまざまな誤差関数を用いてフィッティングすることができる。
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。
図６では、オーバーレイマーク１０が整列された状態であるので、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との第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６のようなイメージを取得するステップである。
本ステップは、傾斜した光学要素と、レンズＬや、オーバーレイマーク１０が形成されたデバイスＤを支持するステージＳなどとを備えたオーバーレイ測定装置を用いて、オーバーレイマークイメージを取得するステップであり得る。傾斜した光学要素は、例えばビームスプリッタＢＳであり得る。
図７は、オーバーレイマークイメージ取得ステップを説明するために、オーバーレイ測定装置の一例の一部を示す図である。図７に示すように、本ステップにおいて、オーバーレイ測定装置は、傾斜した光学要素であるビームスプリッタＢＳと、オーバーレイマーク１０が形成されたデバイスＤとの距離が、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による第１モアレパターンＭ１と第２モアレパターンＭ２が配置される方向であるＸ軸方向に進むほど増加または減少し、Ｙ軸方向に進行するときには一定であるように配置されることが好ましい。すなわち、ビームスプリッタＢＳはＸ軸に対して傾斜して配置される。
このようにオーバーレイ測定装置を配置した状態でオーバーレイマークイメージを取得すれば、光学収差の影響を減らすことができるという利点がある。なぜなら、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は、Ｘ軸方向を基準にオーバーレイマーク１０の中心部にのみ形成されるためである。
オーバーレイマーク１０の全面積が同一であれば、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のＸ軸方向の幅が相対的に狭い。
したがって、Ｘ軸方向の両端と傾斜した光学要素であるビームスプリッタＢＳとのＺ軸方向距離の差異が従来のオーバーレイマークに比べては小さくなる。これにより、傾斜した光学要素との距離差異による光学収差の影響が最小化される。
第３オーバーレイマーク３００と第４オーバーレイマーク４００は、Ｙ軸方向を基準にオーバーレイマーク１０の全領域に形成されるが、傾斜した光学要素であるビームスプリッタＢＳは、Ｙ軸に対しては傾斜して配置されないため、Ｙ軸方向への歪みが少ないので、第３オーバーレイマーク３００と第４オーバーレイマーク４００による第３モアレパターンＭ３と第４モアレパターンＭ４は、傾斜した光学要素による光学収差の影響をほとんど受けない。
本発明では、一方の方向（図１では、Ｘ軸方向）に配置される第１モアレパターンＭ１と第２モアレパターンＭ２を中心部に寄せて配置し、モアレパターンのイメージを取得するときにこれを考慮して、傾斜した光学要素であるビームスプリッタＢＳがその方向の軸（図７では、Ｘ軸）と角をなすようにオーバーレイ測定装置を配置することにより、光学収差の影響を最小化する。
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における第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中心ＣＯＩのＸ値との差異を求める（Ｓ１１）。図６では、ＣＯＩはイメージ領域自体の中心であって、モアレパターンの対称中心とは無関係である。図６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。
図６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それぞれ一次元にプロジェクションする。すなわち、二次元イメージにおいて同じＸ値を有する画素のグレー値を全て加算したり、グレー値の平均を求めたり、グレー値を正規化したりする。
すると、図８に示すように、Ｘ値によるグレー値の変化を示す周期的なグラフＧを描くことができる。第１モアレパターンＭ１のグレー値はＸ値によって異なるので、図８に示されているグラフＧを得ることができる。
図８から分かるように、取得された周期的なグラフＧには、ノイズが多く含まれている。このようなノイズは、実際の格子パターンによる補強干渉により発生するノイズであり得る。よって、図８の周期的なグラフＧの高周波成分を除去して、図９に示すように正弦波Ｓで表現する。
正弦波Ｓで表現するステップは、周期的なグラフＧと下記の数式９で表される正弦波Ｓとの差異が最小化されるように、回帰分析を介して下記の数式９のＡ０、Ａ１、Ａ２、θ１、θ２、ｆ１、ｆ２の値をフィッティングするステップであり得る。例えば、ＭＳＥ（Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅｄ Ｅｒｒｏｒ）、ＲＭＳＥ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅｄ Ｅｒｒｏｒ）、ＭＡＥ（Ｍｅａｎ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｅｒｒｏｒ）、ＭＡＰＥ（Ｍｅａｎ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ Ｅｒｒｏｒ）、ＭＰＥ（Ｍｅａｎ Ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ Ｅｒｒｏｒ）などのさまざまな誤差関数を用いてフィッティングすることができる。
【数9】
【0018】
次に、Ｒ１とＲ２のそれぞれから取得された正弦波で表現された２つのグラフＳを用いて、第１モアレパターンＭ１の中心のＸ値と取得されたオーバーレイマークイメージの中心のＸ値との差異を求める。
第１モアレパターンＭ１の対称中心ＣＯＳ１のＸ値と取得されたオーバーレイマークイメージの中心ＣＯＩのＸ値とが同一であれば、２つのグラフＳは同じ形態でなければならない。もし、第１モアレパターンＭ１の第１対称中心ＣＯＳ１のＸ値と取得されたオーバーレイマークイメージの中心ＣＯＩのＸ値とが同一でなければ、一つのグラフは他のグラフに対してＸ軸方向にオフセットされた形態になる。このときのオフセット値は、第１モアレパターンＭ１の中心のＸ値と取得されたオーバーレイマークイメージの中心ＣＯＩのＸ値との差異を示す。
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値と取得されたオーバーレイマークイメージの中心ＣＯＩのＸ値との差異を求める（Ｓ１２）。
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値と取得されたオーバーレイマークイメージの中心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値と取得されたオーバーレイマークイメージの中心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（Ｓ１３）。
この差異値は、モアレゲイン値によって拡大された値であるので、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値を求めることができる。
次に、同様の方法で、第３モアレパターンＭ３の第３対称中心ＣＯＳ３のＹ値と取得されたオーバーレイマークイメージの中心ＣＯＩのＹ値との差異を求める（Ｓ１４）。そして、第４モアレパターンＭ４の第４対称中心ＣＯＳ４のＹ値と取得されたオーバーレイマークイメージの中心ＣＯＩのＹ値との差異を求める（Ｓ１５）。
次いで、先に求めた第３対称中心ＣＯＳ３のＹ値と取得されたオーバーレイマークイメージの中心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値と取得されたオーバーレイマークイメージの中心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（Ｓ１６）。この差異値は、モアレゲイン値によって拡大された値であるので、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を求めることができる。
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とも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。そして、このとき、露光装置のスキャン方向は、中心部に配置される第１オーバーレイマーク１００と第２オーバーレイマーク２００の格子パターン１１０、１２０、２１０、２２０を構成する薄いバーの長手方向（図３では、Ｙ軸方向）と並んでいることが好ましい。露光装置のスキャン方向には等速制御することができるため、薄いバーのＹ軸方向への歪みは大きくないが、Ｘ軸方向に歪みが生じることがあるので、スキャン方向に垂直なＸ軸方向に沿って配置される薄いバーは、中心部に配置して歪みを最小限に抑えることが好ましいからである。
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。
第１モアレパターンＭ１の対称中心ＣＯＳ１のＸ値と取得されたオーバーレイマークイメージの中心ＣＯＩのＸ値とが同一であれば、２つのグラフＳは同じ形態でなければならない。もし、第１モアレパターンＭ１の第１対称中心ＣＯＳ１のＸ値と取得されたオーバーレイマークイメージの中心ＣＯＩのＸ値とが同一でなければ、一つのグラフは他のグラフに対してＸ軸方向にオフセットされた形態になる。このときのオフセット値は、第１モアレパターンＭ１の中心のＸ値と取得されたオーバーレイマークイメージの中心ＣＯＩのＸ値との差異を示す。
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値と取得されたオーバーレイマークイメージの中心ＣＯＩのＸ値との差異を求める（Ｓ１２）。
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値と取得されたオーバーレイマークイメージの中心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値と取得されたオーバーレイマークイメージの中心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（Ｓ１３）。
この差異値は、モアレゲイン値によって拡大された値であるので、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値を求めることができる。
次に、同様の方法で、第３モアレパターンＭ３の第３対称中心ＣＯＳ３のＹ値と取得されたオーバーレイマークイメージの中心ＣＯＩのＹ値との差異を求める（Ｓ１４）。そして、第４モアレパターンＭ４の第４対称中心ＣＯＳ４のＹ値と取得されたオーバーレイマークイメージの中心ＣＯＩのＹ値との差異を求める（Ｓ１５）。
次いで、先に求めた第３対称中心ＣＯＳ３のＹ値と取得されたオーバーレイマークイメージの中心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値と取得されたオーバーレイマークイメージの中心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（Ｓ１６）。この差異値は、モアレゲイン値によって拡大された値であるので、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を求めることができる。
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とも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。そして、このとき、露光装置のスキャン方向は、中心部に配置される第１オーバーレイマーク１００と第２オーバーレイマーク２００の格子パターン１１０、１２０、２１０、２２０を構成する薄いバーの長手方向（図３では、Ｙ軸方向）と並んでいることが好ましい。露光装置のスキャン方向には等速制御することができるため、薄いバーのＹ軸方向への歪みは大きくないが、Ｘ軸方向に歪みが生じることがあるので、スキャン方向に垂直なＸ軸方向に沿って配置される薄いバーは、中心部に配置して歪みを最小限に抑えることが好ましいからである。
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。
【符号の説明】
【0019】
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
ＣＯＳ３ 第３対称中心
ＣＯＳ４ 第４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２格子パターン
２００ 第２オーバーレイマーク
２１０ 第３格子パターン
２２０ 第４格子パターン
３００ 第３オーバーレイマーク
３１０ 第５格子パターン
３２０ 第６格子パターン
４００ 第４オーバーレイマーク
４１０ 第７格子パターン
４２０ 第８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
ＣＯＳ３ 第３対称中心
ＣＯＳ４ 第４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２格子パターン
２００ 第２オーバーレイマーク
２１０ 第３格子パターン
２２０ 第４格子パターン
３００ 第３オーバーレイマーク
３１０ 第５格子パターン
３２０ 第６格子パターン
４００ 第４オーバーレイマーク
４１０ 第７格子パターン
４２０ 第８格子パターン
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【国際調査報告】