JP2004519716A - 格子テストパターン及びオーバレイ計測法 - Google Patents
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Abstract
Description
(発明の属する技術分野)
本発明は、半導体ウェーハ上の2つのプロセス層の精密光学測定、特に、厳密な回折格子解析と組み合わせて使用される1組の回折格子テストパターンに関するものである。
(発明の背景)
半導体工業を推進し、その可能性を広げる上でリソグラフィが基本技術であり続けている。クリティカルディメンション(CD)とオーバレイ(overlay)制御のための計測装置及び方法が、リソグラフィ基本技術の基本要素である。オーバレイとCDの制御が大きいフィールドサイズにわたって可能であることが、100nm以下のリソグラフィにとって一大関心事であり続けるであろう。オーバレイに関する要求が、リソグラフィにおいて克服すべき最も困難な技術的問題の1つである。
【0002】
オーバレイ誤差に関与する主たる要因は、ステージ、アライメントシステム及び歪み徴候である。誤差は、位置決めや回転の不精確さ等のステージ動作誤差又はウェーハアライメント誤差、及びレチクル誤差やカメラ倍率誤差等のフィールド誤差とに分けることができる。これらの誤差は修正可能である。糸巻き型歪曲又は樽型歪曲、三次フィールド誤差は修正できない。オーバレイ誤差は、与えられた露光ツールについて型通りに特徴づけられなければならない。オーバレイの基本成分は、アライメントターゲット検出能、ステージ位置決めの正確さ及び精度、及びオーバレイ操作プロセス層の露光に使用される2つのツールの間のレンズ歪曲の差である。
【0003】
オーバレイ測定技術には、電気的試験、走査型電子顕微鏡(SEM)及び光学顕微鏡が含まれる。顕微鏡に干渉計を追加したコヒーレンスプローブ顕微鏡法(CPM)により、屈折率及びトポグラフィの微細な差をピックアップできる位相ベースの測定が可能となる。これまでは、光学顕微鏡技術が最も優勢な測定技術であった。
【0004】
オーバレイターゲットは、多くの場合、ボックス内ボックス(box−in−a−box)の変化である。各ボックスの中心を個別に計算し、相互の差を求める。計測ツールの中には、オーバレイ誤差を線幅測定値の組み合わせとして測定するものがある。コントラストを増大させるためには、ボックスの代わりにバーとフレームの組み合わせを使用することができ、これで、エッジを1つの代わりに2つ設けることによってターゲット周辺の構造を追加できることになる。この場合の欠点は、オーバレイに関する実際的標準が存在しないことである。それゆえ、特定のオーバレイターゲットに関する真の値が知られていない。ファブ(fabs)の中には、横断面を周期的に調べ、又は電気的パラメータとの比較を行う場合があるが、これは、時間消費型で、生産現場向きというよりむしろ、特徴的な環境に分類される。
【0005】
ターゲット位置を検出及び測定するために、きわめて平板化した金属層を使用することがかなりの挑戦となる場面において、アライメントターゲット検出は、CMPレベルの急増を伴う多くの露光ツールにとって大歓迎の技術となった。
【0006】
従来の解決策の1つが、ボックス内ボックスのテストパターンを使用することである。この従来の解決策の詳細は、例えば、クリティカルディメンション計測・プロセス制御ハンドブックの中の“半導体パターンオーバレイ”と題する章(SPIE、vol.CR52、1994年、160〜188ページ)に記述されている。
【0007】
従来の解決策の欠点には、パターン化されたラインプロフィルの非対称、照明/撮像光学系の収差、個別のテストパターンイメージのサンプリング、及び、研磨層についての、先行技術において乏しく且つ膜厚におけるコントラスト変化によって影響を受けやすい信号対雑音比(S/N比)、が含まれる。
【0008】
従って、高速且つ融通性に富む格子オーバレイパターン計測の方法及びシステムが要望されている。
(発明の要旨)
本発明は、テストパターンとして1組の回折格子を使用し、薄膜計測装置として分光楕円偏光計及び分光反射率計等を使用する。2つの連続する層におけるテストパターンのプロフィルを解析するのである。オーバレイ情報は、プロフィルデータ処理の後に得られる。本発明の第1の態様では、第1層マスクのクリアラインの中心に第2層マスクを置いたラインオンライン(line−on−line)のオーバレイ格子テストパターン構造を開示する。本発明の第2の態様では、第1マスクのダークラインの中心に第2層マスクを置いたラインインライン(line−in−line)のオーバレイ格子テストパターン構造を開示する。
【0009】
本発明は、分光楕円偏光計又は分光反射率計を使用し、高精度の焦点光学システムを必要としないという点で有利である。その上、本発明は、少なくとも30の反復構造を含むテストパターンのオーバレイ情報を提供する。例えば、1つの測定をベースにして、少なくとも30サンプルにわたっての平均オーバレイ情報を提供する。しかも、本発明はさほど精密なウェーハステージを必要としないので、使用する計測装置は先行技術のものよりかなり安価である。
【0010】
その他の構造及び方法は、以下の説明の中で開示する。この要旨は、本発明の範囲を限定することを目的とするものではない。本発明の範囲は、請求項によって限定される。
(発明の実施の形態)
図1は、格子A11、格子B12、格子C13及び格子D14を備えたオーバレイパターン化格子10の4つの方位を示す図である。本発明におけるパターン化格子の線の方位は、0度、90度、−45度及び45度にある。格子A11は格子B12と直交し、格子C13は格子D14と直交する。
【0011】
格子A11では、オーバレイテストパターン線は水平に延び、矢印方向15において検出される望ましいオフセットを伴う。格子B12では、オーバレイテストパターン線は垂直に延び、矢印方向16において検出される望ましいオフセットを伴う。格子C13では、オーバレイテストパターン線は斜めに正の傾斜を持って延び、矢印方向17において検出される望ましいオフセットを伴う。格子D14では、オーバレイテストパターン線は斜めに負の傾斜を持って延び、矢印方向18において検出される望ましいオフセットを伴う。1対の直交線は、どの方位についてもオーバレイ情報を提供することができる。その上、1対の直交線により、相異なるオーバレイ方位の要求に応じてウェーハのロード/アンロードを行う手間が回避できる。
【0012】
マスクは、1回の露光でウェーハ全体に移転できるパターンを含むパターンツールである。フィールド(又はバックグラウンド)が不透明であれば、マスクはダークフィールド(又はネガティブ)ツールと呼ばれ、フィールドが透明であれば、マスクはクリアフィールド(又はポジティブ)ツールと呼ばれる。
【0013】
図2A−2Eは、ラインオンラインのオーバレイテスト構造を描くプロセス図である。ここでは、図解のためにポジティブマスクを使用する。図2Aは、クリアライン20a、20c、20e、20g及びダークライン20b、20d、20fを有する第1層マスク20を示す。ダークライン20b、20d、20fは、クリアライン20a、20c、20e、20gより広幅である。図2Bは、リソグラフィ現像21の後にフォトレジストがパターン化されたところを示す。フォトレジスト21a、21b、21cは、第1層マスク20全体にわたってパターン化される。図2Cは、フォトレジストの下の材料がエッチングプロセス22の後にパターン化されたところを示す(フォトレジストが除去されていることに注意)。図2Dは、クリアライン23a、23c、23e、23g及びダークライン23b、23d、23fを有する第2層マスク23を示す。クリアライン23a、23c、23e、23gは、ダークライン23b、23d、23fより広幅である。図2Eは、フォトレジストが先のパターン化層24の上にパターン化されたところを示す。距離d125は、第2マスクの第1ダークラインの左エッジから第2マスクの第1ダークラインの左エッジまでのギャップの大きさであり、距離d226は、第2マスクの第1ダークラインの右エッジから第1マスクの第1ダークラインの右エッジまでのギャップの大きさである。
【0014】
第2のリソグラフィプロセスと第1のエッチングプロセスの間に何らかの材料層があってよい。例えば図3A−3Dは、ラインオンラインのオーバレイパターン化格子において1つ以上の層を追加する様々な例を示すプロセス図である。図3Aは、第1のエッチングプロセス30aと第2のリソグラフィプロセス30bを伴った一般構造図30を示している。図3Bの第1タイプの構造図31では、材料層31aが第1のエッチングプロセス30aと第2のリソグラフィプロセス30bの間に挿入される。図3Cの第2タイプの構造図32では、材料層32aが第1のエッチングプロセス30aと第2のリソグラフィプロセス30bの間に置かれる。図3Dの第3タイプの構造図33では、2つの材料層33a及び33bが第1のエッチングプロセス30aと第2のリソグラフィプロセス30bの間に置かれる。
【0015】
図4A−4Eは、ラインインラインのオーバレイテスト構造を描くプロセス図である。ここでは、図解のためにポジティブマスクを使用する。図4Aは、クリアライン40a、40c、40e、40g及びダークライン40b、40d、40fを有する第1層マスク40を示す。ダークライン40b、40d、40fは、クリアライン40a、40c、40e、40gより細幅である。図4Bは、リソグラフィ現像41の後にフォトレジストがパターン化されたところを示す。フォトレジスト41a、41b、41cは、第1層マスク40全体にわたってパターン化される。図4Cは、フォトレジストの下の材料がエッチングプロセス42の後にパターン化されたところを示す(フォトレジストが除去されていることに注意)。図4Dは、ダークライン43a、43c、43e及びクリアライン43b、43dを有する第2層マスク43を示す。ダークライン43a、43c、43eは、クリアライン43b、43dより広幅である。図4Eは、フォトレジストが先のパターン化層44の上にパターン化されたところを示す。距離X145は、第2マスクの第1クリアラインの左エッジから第1マスクの第1クリアラインの左エッジまでのギャップの大きさであり、距離X246は、第2マスクの第1クリアラインの右エッジから第1マスクの第1クリアラインの右エッジまでのギャップの大きさである。
【0016】
第2のリソグラフィプロセスと第1のエッチングプロセスの間に何らかの材料層があってよい。例えば図5A−5Dは、ラインインラインのオーバレイパターン化格子において1つ以上の層を追加する様々な例を示すプロセス図である。図5Aは、第1のエッチングプロセス50aと第2のリソグラフィプロセス50bを伴った一般構造図50を示している。図5Bの第1タイプの構造図51では、材料層51aが第1のエッチングプロセス50aと第2のリソグラフィプロセス50bの間に挿入される。図5Cの第2タイプの構造図52では、材料層52aが第1のエッチングプロセス50aと第2のリソグラフィプロセス50bの間に置かれる。図5Dの第5タイプの構造図55では、2つの材料層53a及び53bが第1のエッチングプロセス50aと第2のリソグラフィプロセス50bの間に置かれる。
【0017】
パターン化格子ライン10の方位によってもたらされる利点は次の通りである。第1に、分光反射率計法においては、ウェーハを取り替える必要がない。相異なる方位角で得られたオーバレイ結果を使ってランダム誤差を減少させることができる。第2に、分光楕円偏光計法においては、−45度及び45度からの情報が、オーバレイ計測目的のために最小限必要な完全データを提供し、ウェーハをロードし直す必要がない。また、0度又は90度からの情報が最も正確なオーバレイデータを提供する。
【0018】
方位毎に、本発明では、“ラインインライン”テストパターン及び“ラインオンライン”テストパターンと呼ぶ2つのテストパターンを使用する。以下、これについて理論的に考察する。
【0019】
二次元又は三次元の完全な周期的プロフィルは、分光楕円偏光計法、分光反射率計法等の光学技術から得られる位相情報及び/又は強度情報を使って測定することができる。この点は、出願番号____を有し、出典を明示することによって本願の一部とされる、“3以上の材料による周期的な層を伴った、2次元及び3次元のサブミクロンの周期的特長のための光学プロファイル法”の名称を有する同時係属中の特許出願において述べられている。
【0020】
上に述べたコンセプトを支持すべくシミュレーションを行う。全ての例において、本発明による方法を使って10nmのオーバレイ誤差を検出できることを示す。図6は、ラインインライン構造60の第1の例を描くプロセス図である。レジスト61が、ポリシリコン(polySi)62とポリシリコン63の間に位置する。ポリシリコン62の左エッジからポリシリコン63の左エッジまでのピッチは、600nmである。x1=150及びx2=150のとき、レジスト61は、ポリシリコン62とポリシリコン63の間の中心に位置決めされることになる。レジスト61が左へ5nm移動すると、x1=145及びx2=155となる。もしくは、レジスト61が右へ5nm移動すると、x1=155及びx2=145となる。図7A−7Bは、エリプソメータ法を使って測定された図6のラインインライン構造のオーバレイを表すグラフである。
【0021】
図8は、ラインインライン構造80の第2の例を描くプロセス図である。この例では、レジスト61を配置する前に、誘電層81及び82をポリシリコン62とポリシリコン63の間に挿入し、続けてCMP(化学的機械的研磨)平坦化を行う。これで、ポリシリコン62及びポリシリコン63のエッジは誘電層81及び82の挿入の結果もはや検出できなくなるが、本発明によれば、オーバレイは、エッジの検出に左右されることなく、依然検出可能である。図9A−9Bは、楕円偏光法(ellipsometry)を使って測定された図8のラインインライン構造のオーバレイを表すグラフである。
【0022】
図10は、距離d1101及び距離d2102を有するラインオンライン構造100の第1の例を描くプロセス図である。図11A−11Bは、本発明による楕円偏光法を使って測定された図10のラインオンライン構造のオーバレイを表すグラフである。
【0023】
図12は、誘電層121及び122を有するラインオンライン構造120の第2の例を描くプロセス図である。図13A−13Bは、本発明によるエリプソメータ法を使って測定された図12のラインオンライン構造のオーバレイを表すグラフである。
【0024】
ラインインラインのオーバレイ及びラインオンラインのオーバレイの測定結果は、単独波長可変入射角光学測定装置(single wavelength variable incident angle optical metrology equipment)に適用することができる。加えて、ラインインラインのオーバレイ及びラインオンラインのオーバレイの測定結果は、単独波長可変入射角光学測定装置と多重波長固定入射角光学測定装置(multiple wavelength fixed incident angle optical metrology equipment)を組み合わせたどんな装置にも適用することができる。その上、ラインインラインのオーバレイ及びラインオンライン・オーバレイの測定結果は、多重波長多重入射角光学測定装置(multiple wavelength multiple incident angle optical metrology equipment)に適用することができる。
【0025】
上記実施例は、単に本発明の原理を例示したものであり、本発明を記述した特定の実施例だけに限ることを目的としたものではない。従って、記述した実施例の様々な変更、改変及び組み合わせを、請求項に記載の通りの本発明の範囲から逸脱することなく実践することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明によるオーバレイパターン化格子線の4つの方位を描く図である。
【図2A】
本発明によるラインオンラインのオーバレイパターン化格子を描くプロセス図である。
【図2B】
本発明によるラインオンラインのオーバレイパターン化格子を描くプロセス図である。
【図2C】
本発明によるラインオンラインのオーバレイパターン化格子を描くプロセス図である。
【図2D】
本発明によるラインオンラインのオーバレイパターン化格子を描くプロセス図である。
【図2E】
本発明によるラインオンラインのオーバレイパターン化格子を描くプロセス図である。
【図3A】
本発明によるラインオンラインのオーバレイパターン化格子において1つ以上の層を追加する様々な例を示すプロセス図である。
【図3B】
本発明によるラインオンラインのオーバレイパターン化格子において1つ以上の層を追加する様々な例を示すプロセス図である。
【図3C】
本発明によるラインオンラインのオーバレイパターン化格子において1つ以上の層を追加する様々な例を示すプロセス図である。
【図3D】
本発明によるラインオンラインのオーバレイパターン化格子において1つ以上の層を追加する様々な例を示すプロセス図である。
【図4A】
本発明によるラインインラインのオーバレイパターン化格子を描くプロセス図である。
【図4B】
本発明によるラインインラインのオーバレイパターン化格子を描くプロセス図である。
【図4C】
本発明によるラインインラインのオーバレイパターン化格子を描くプロセス図である。
【図4D】
本発明によるラインインラインのオーバレイパターン化格子を描くプロセス図である。
【図4E】
本発明によるラインインラインのオーバレイパターン化格子を描くプロセス図である。
【図5A】
本発明によるラインオンラインのオーバレイパターン化格子において1つ以上の層を追加する様々な例を示すプロセス図である。
【図5B】
本発明によるラインオンラインのオーバレイパターン化格子において1つ以上の層を追加する様々な例を示すプロセス図である。
【図5C】
本発明によるラインオンラインのオーバレイパターン化格子において1つ以上の層を追加する様々な例を示すプロセス図である。
【図5D】
本発明によるラインオンラインのオーバレイパターン化格子において1つ以上の層を追加する様々な例を示すプロセス図である。
【図6】
本発明によるラインインライン構造の第1の例を描くプロセス図である。
【図7A】
本発明による楕円偏光法を使って測定された図6のラインインライン構造のオーバレイを表すグラフである。
【図7B】
本発明による楕円偏光法を使って測定された図6のラインインライン構造のオーバレイを表すグラフである。
【図8】
本発明によるラインインライン構造の第2の例を描くプロセス図である。
【図9A】
本発明による楕円偏光法を使って測定された図8のラインインライン構造のオーバレイを表すグラフである。
【図9B】
本発明による楕円偏光法を使って測定された図8のラインインライン構造のオーバレイを表すグラフである。
【図10】
本発明によるラインオンライン構造の第1の例を描くプロセス図である。
【図11A】
本発明による楕円偏光法を使って測定された図10のラインオンライン構造のオーバレイを表すグラフである。
【図11B】
本発明による楕円偏光法を使って測定された図10のラインオンライン構造のオーバレイを表すグラフである。
【図12】
本発明によるラインオンライン構造の第2の例を描くプロセス図である。
【図13A】
本発明による楕円偏光法を使って測定された図12のラインオンライン構造のオーバレイを表すグラフである。
【図13B】
本発明による楕円偏光法を使って測定された図12のラインオンライン構造のオーバレイを表すグラフである。
Claims (25)
- ラインオンライン構造であって、
複数のダークライン及び複数のクリアラインを有し、各ダークラインがクリアラインに隣接する第1マスク、及び
複数のダークライン及び複数のクリアラインを有し、各ダークラインが前記第1マスクのダークラインの中心に位置する前記第2マスクを有するラインオンライン構造。 - ポジティブレジストを使用するとき、前記第1マスクの前記ダークラインが前記第1マスクの前記クリアラインより広幅である請求項1に記載のラインオンライン構造。
- ネガティブレジストを使用するとき、前記第1マスクの前記ダークラインが前記第1マスクの前記クリアラインより細幅である請求項1に記載のラインオンライン構造。
- 前記第1マスクの前記複数のクリアラインが互いに全く同一又はほぼ同一であり、また、前記第1マスクの前記複数のダークラインが互いに全く同一又はほぼ同一であり、これにより、前記第1マスクのクリアラインとダークラインの組み合わせが前記第1マスクにおいて反復パターンを提供する請求項1に記載のラインオンライン構造。
- 前記第1マスクの前記複数のダークラインが前記第2マスクの前記複数のダークラインより広幅である請求項1に記載のラインオンライン構造。
- 前記第1マスクの前記複数のクリアラインが前記第2マスクの前記複数のクリアラインより細幅である請求項1に記載のラインオンライン構造。
- 前記第2マスクの前記複数のダークラインの内の第1ダークラインが左エッジと右エッジを有し、また、前記第1マスクの前記複数のダークラインの内の第1ダークラインが左エッジと右エッジを有する請求項1に記載のラインオンライン構造。
- 更に、前記第2マスクの前記第1ダークラインの左エッジから前記第2マスクの前記第1ダークラインの左エッジまでのギャップを測定した距離d1、及び
前記第2マスクの前記第1ダークラインの右エッジから前記第1マスクの前記第1ダークラインの右エッジまでのギャップを測定した距離d2を有する請求項7に記載のラインオンライン構造。 - d1=d2のとき、前記第2マスクの前記第1ダークラインが前記第1マスクの前記第1ダークラインの中心にある請求項8に記載のラインオンライン構造。
- d1−d2が正数になるとき、前記第2マスクの前記第1ダークラインが前記第1マスクの前記第1ダークラインの右にシフトする請求項8に記載のラインオンライン構造。
- d1−d2が負数になるとき、前記第2マスクの前記第1ダークラインが前記第1マスクの前記第1ダークラインの左にシフトする請求項8に記載のラインオンライン構造。
- ラインインライン構造であって、
複数のダークライン及び複数のクリアラインを有し、各ダークラインがクリアラインに隣接する第1マスク、及び
複数のダークライン及び複数のクリアラインを有し、各ダークラインが第1マスクのダークラインの中心に位置する第2マスクを有するラインインライン構造。 - ポジティブレジストを使用するとき、前記第1マスクの前記複数のクリアラインが前記第1マスクの前記複数のダークラインより広幅である請求項12に記載のラインインライン構造。
- ネガティブレジストを使用するとき、前記第1マスクの前記複数のクリアラインが前記第1マスクの前記複数のクリアラインより細幅である請求項12に記載のラインインライン構造。
- 前記第1マスクの前記複数のクリアラインが互いに全く同一又はほぼ同一であり、また、前記第1マスクの前記ダークラインが互いに全く同一又はほぼ同一であり、これにより、前記第1マスクのクリアラインとダークラインの組み合わせが前記第1マスクにおいて反復パターンを提供する請求項12に記載のラインインライン構造。
- 前記第1マスクの前記複数のダークラインが前記第2マスクの前記複数のダークラインより細幅である請求項12に記載のラインインライン構造。
- 前記第1マスクの前記複数のクリアラインが前記第2マスクの前記複数のクリアラインより広幅である請求項12に記載のラインインライン構造。
- 前記第2マスクの前記複数のクリアラインの内の前記第1クリアラインが左エッジと右エッジを有し、また、前記第1マスクの前記複数のクリアラインの内の前記第1クリアラインが左エッジと右エッジを有する請求項12に記載のラインインライン構造。
- 更に、前記第2マスクの前記第1クリアラインの左エッジから前記第1マスクの第1クリアラインの左エッジまでのギャップを測定した距離X1、及び
前記第2マスクの前記第1クリアラインの右エッジから前記第1マスクの前記第1クリアラインの右エッジまでのギャップを測定した距離X2を有する請求項18に記載のラインインライン構造。 - X1=X2のとき、前記第2マスクの前記第1クリアラインが前記第1マスクの前記第1クリアラインの中心にある請求項18に記載のラインインライン構造。
- X1−X2が正数になるとき、前記第2マスクの前記第1クリアラインが前記第1マスクの前記第1クリアラインの右にシフトする請求項18のラインインライン構造。
- X1−X2が負数になるとき、前記第2マスクの前記第1クリアラインが前記第1マスクの前記第1クリアラインの右にシフトする請求項18に記載のラインインライン構造。
- 直交線対のマルチオリエンテーション方法であって、
格子を配置し、
前記格子に光線を照射し、前記光線が前記格子の方位に対して垂直でない方法。 - 前記格子の方位が正の傾きをなす請求項23に記載の直交線対のマルチオリエンテーション方法。
- 前記格子の方位が負の傾きをなす請求項23に記載の直交線対のマルチオリエンテーション方法。
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