JP2007522432A

JP2007522432A - 差動限界寸法およびオーバーレイ測定装置および測定方法

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Publication number: JP2007522432A
Application number: JP2005513787A
Authority: JP
Inventors: アウスヒニット、クリストファー
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2007-08-09
Also published as: US20100103433A1; US8035824B2; EP1709490A1; WO2005069082A1; US20070105029A1; DE60333688D1; US7700247B2; EP1709490A4; ATE476687T1; CN1879063A; EP1709490B1; AU2003300005A1; CN100442144C

Abstract

【課題】イン・ラインの測定および制御ツール、テスト・パターンおよび評価方法を含む統合された測定システムを提供する。
【解決手段】基板上で寸法を測定するための方法を記載する。ターゲット・パターンは、主周期ピッチＰで反復する公称特徴寸法を備え、主方向に直交する所定の変動を有する。基板上に形成されたターゲット・パターンは、少なくとも１つの非ゼロ次回折が検出されるように照射する。公称寸法に対する転写された特徴寸法の変動に対する非ゼロ次回折の応答を用いて、基板上で限界寸法またはオーバーレイ等の対象の寸法を求める。本発明の方法を実行するための装置は、照射源と、非ゼロ次回折を検出するための検出器と、ターゲットからの１つ以上の非ゼロ次回折を検出器において検出するようにターゲットに対して照射源を位置付けるための手段と、を含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、一般に半導体製造に関し、更に具体的には、マイクロエレクトロニクス製造に用いるリソグラフィおよびエッチング・プロセス条件の監視および制御に関する。

マイクロエレクトロニクス製造の間、半導体ウエハを一連のツールによって処理し、リソグラフィ処理を実行した後にエッチング処理を行って、ウエハの基板に構造体（feature）およびデバイスを形成する。かかる処理は、半導体、フラット・パネル・ディスプレイ、マイクロマシン、およびディスク・ヘッドの製造を含む広範囲の産業用の用途を有する。

リソグラフィ・プロセスでは、マスクまたはレチクル・パターンを、空間変調した光（空間像）によって、基板上のフォトレジスト（以後、交換可能にレジストとも呼ぶ）膜に転写する。吸収された空間像のうち、エネルギ（いわゆる光化学エネルギ（actinic energy））がフォトレジスト材料の光活性成分（ＰＡＣ：photoactive component）における化学結合の閾値エネルギを超える部分が、レジストに潜像を形成する。一部のレジスト系では、潜像はＰＡＣによって直接形成される。他のもの（いわゆる酸触媒フォトレジスト）では、光化学相互作用が最初に酸を発生させ、これが露光後ベーキングの間に他のフォトレジスト成分と反応して潜像を形成する。いずれの場合でも、潜像が示すレジスト材料の部分は、現像プロセスの間に除去される（ポジティブ・フォトレジストの場合）か、または現像の後まで残って（ネガティブ・フォトレジストの場合）、レジスト膜に三次元パターンを生成する。以降のエッチング処理においては、結果として得られたレジスト膜パターンを用いて、レジストにパターニングされた開口を転写して、その下にある基板にエッチング・パターンを形成する。フォトリソグラフィ・プロセスおよびエッチング・プロセスの双方によって形成されるパターンの忠実度を監視し、それらのプロセスを制御または調節して欠陥を補正可能とすることは、非常に重要である。従って、製造プロセスは、様々な測定ツールを用いてウエハ上に形成されたパターン構造体を測定し監視することを含む。これらの測定ツールによって収集した情報を用いて、リソグラフィ処理条件およびエッチング処理条件の双方を調節して、確実に製造仕様を満足させることができる。

図１を参照すると、半導体を製造するための典型的なリソグラフィおよびエッチング製造ライン１０が概略的に示されている。製造ライン１０において、方向１００に沿って、１つ以上の半導体ウエハ５を処理する。フォトクラスタ（photocluster）１１０は、フォトリソグラフィ・ツールを含み、それらには、ウエハ上にレジストを堆積してベーキングするためのトラック・ツール１１１、ウエハ平面上でパターンを撮像するツール（例えば露光ツール１１２）、および、レジスト膜上の露光パターンをベーキングし現像するための露光後トラック・ツール１１３が含まれる。フォトリソグラフィの後、様々なツールを用いて、レジスト上に形成されたパターン構造体を測定する。例えば、オーバーレイ測定ツール（ＯＬＭ：overlay measurement tool）１２０を用いて、レジスト層上に形成されたパターンがウエハ上に以前形成されたパターンに対して充分に整合していることを保証する。走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：scanning electron microscope）１３０は、通常、パターン構造体の限界寸法（ＣＤ：critical dimension）の幅を測定するために用いられる。データ・フロー経路１３５によって示すように、測定ツール１２０、１３０による測定値を、フォトクラスタ１１０およびエッチングクラスタ１４０（典型的にエッチング・チャンバ１４１を含む）に伝達して、それらの測定値に従ってプロセス条件を調節することができる。

これらの測定値を配置ステップ１２５において評価し、ウエハ５に再処理プロセス１０１を実行しなければならないか否かについて決定しなければならない。再処理ステップ１０１では、レジストをウエハ５から剥がしてフォトクラスタ１１０に送り返して、変更したリソグラフィ条件のもとでレジスト・パターンを再び塗布する。レジスト・パターンが製造仕様を満たしている場合、続いてウエハ５にエッチングクラスタ１４０による処理を行うことができる。これらの決定は、通常、各ウエハごとに限られた数の測定値に基づいて行う。例えば、ウエハ当たり、約２０のサイト（site）での約２〜３のオーバーレイ測定値および５〜１０のサイトでの１つのみのＣＤ測定値である。この限られた数の測定値は、ウエハ当たり約３０秒または１時間当たり約１００ウエハという適度なスループット処理レートを維持するために必要である。

ウエハ５がオーバーレイおよびＣＤ測定要求を満たす場合、ウエハ５はエッチングクラスタ１４０での処理へと進み、ウエハ基板にレジスト・パターンを転写する。ここでも、基板上に得られたパターンは、イン・ラインＳＥＭ１３０または原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：atomic force microscope）１５０等の測定ツールによって測定を行う。測定ツール１３０、１５０によるエッチ後測定データは、データ・フロー経路１３５に沿ってライン上の他のツールにフィードバックして、プロセス条件を調整可能とすることができる。

定期的に、ＯＬＭ１２０、ＳＥＭ１３０、およびＡＦＭ１５０等のイン・ラインで用いるものと同様のツールを用いて、より大規模なオフ・ライン測定１５を行うことができ、また、これは、膜厚測定ツール（ＦＴＭ：film thickness measurement tool）１６０および電気プローブ測定ツール（ＥＰＭ：electrical probe measurement tool）１７０等の他のツールも含む場合がある。

より多くの位置で、かつ全てのウエハに対して、もっと多くの測定値を得ることが望ましいであろう。従って、図２を参照すると、より望ましい仮想ウエハ処理システム２０は、フォトクラスタ１１０内に、ＦＴＭ１６０およびＯＬＭ１２０等のツールを含むことができる。また、光波散乱計測装置（ＳＣＭ：scatterometry metrology）１８０および顕微鏡（ＭＣＲ：microscopy）１８５等の他の測定ツールおよび方法も有用であり得る。それらのツールがあれば、現在通常は得られない情報が与えられる。かかる仮想処理システム２０は、従来のシステムに比べて測定能力が向上するであろうが、この能力向上は、複雑さおよびコストの増大を犠牲にして得られる。

近年、いわゆる「光波散乱計測（scatterometry）」技法が開発され、ＳＥＭやＡＦＭ等の洗練されたハードウェアを必要とすることなく、周期的な構造を光学的に測定することが可能になっている。光波散乱計測の原理は、格子状パターンの反射またはゼロ次回折エネルギから、小さいパターンに関する詳細な情報を抽出可能とするということである。従来のＳＣＭは、ウエハ上のパターンからの反射エネルギを用い、反射エネルギの信号を比較してパターンの特徴を求める。ＳＣＭは、相対的に高速で簡略であるという利点を有するが、反射した信号を照合させることができる信号の大規模なライブラリを形成しなければならない。それらのライブラリは、開発にコストおよび時間がかかり、更に、コンピュータ・サーバ１９０および関連するデータベースが必要な比較を実行しなければならない。光波散乱計測は、オフ・ライン測定システム２５に追加して、情報の質および量を向上させ、以降のリソグラフィおよびエッチング・プロセスの制御を改善することができる。例えば、Littau等（米国特許第６，４２９，９３０号）は、光波散乱計測を用いて焦点中心を判定するため、回折シグニチャ（diffraction signature）を測定し、それを、異なる入射角、波長、あるいは位相またはそれら全てで回折シグニチャのライブラリと比較して、焦点中心を判定することを記載している。しかしながら、光波散乱計測は、コンピュータ集約型であり、信号ライブラリを含むサーバ・ファーム（server farm）およびデータベースを必要とし、このため複雑さおよびコストが増す。光波散乱計測は、積層膜（film stack）およびターゲット・パターンの双方に関して多数の自由パラメータを同時に決定することを必要とする。その成功は、積層膜およびパターンの特徴に関する詳細な事前の知識に左右されるが、これらは多くの場合あいまいである。従来の光波散乱計測は、差動（differential）測定でないので、これをＣＤ測定に応用するとノイズを受けやすい。例えば、照明、波長、検出器の応答、ターゲットのアラインメント等の測定変動、膜厚および光学特性等のプロセス変動である。また、従来の光波散乱計測は、ゼロ次回折の検出に限られており、これを用いて膜厚を特徴付けることができるが、通常、積層膜による信号シグニチャからターゲットＣＤによるものを区別する際の信号対雑音比が悪い。光波散乱計測と共に用いられるターゲットは、ターゲット内に照射が含まれるように充分に大きくなければならず（すなわち照射が完全にターゲット・エリア内に当てられる）、これは、典型的なＣＤまたはオーバーレイ・ターゲットよりも占有するチップ領域が広い。更に、ターゲット構造体がいっそう分離する（ターゲット周期に対するターゲットＣＤの比が低下する）につれて、光波散乱計測の機能は低下する。脱焦（defocus）に対するＣＤの感度は分離度と共に上がるので、重要なリソグラフィ処理パラメータである脱焦を測定可能とするためには、分離した構造体を測定しなければならない。

最高品質の画像を得るために、フォトリソグラフィ・プロセス条件（例えば露光量（dose）および脱焦）を制御することが望ましい。フォトレジスト像の主な決定要素は、露光エネルギがレジスト膜におけるフォトレジスト閾値エネルギに等しい表面である。「露光」および「焦点」は、この表面の形状を制御する変数である。露光は、照射時間および強度によって設定され、単位領域当たりの空間像の平均エネルギを決定する。露光の局所的な変動は、基板の反射率およびトポグラフィ（形状）の変動によって生じ得る。焦点は、撮像システムの焦点面に対するフォトレジスト膜の位置によって設定され、合焦（in-focus）像に対する変化の低減を決定する。焦点の局所的な変動は、基板の膜厚およびトポグラフィの変動によって生じる場合がある。

顕微鏡（ＭＣＲ）１８５の使用を、特別に設計した測定ターゲットと組み合わせて用いて、以下に更に述べるように露光量および焦点を監視することができる。半導体製造におけるウエハのリソグラフィ・パターニングは、様々なパターン構造体が共通のプロセス・ウインドウ内に存在することを保証するようにリソグラフィ・プロセスを制御することに左右される。このプロセス・ウインドウは、全てのパターン許容差を満足させるパラメータ空間である。このため、リソグラフィ処理の２つの基本的パラメータ、具体的には露光量および焦点（または脱焦）には、正確な測定および制御が必要である。露光量は像の平均エネルギを示し、脱焦は像の劣化を起こす最低次収差である。リソグラフィ制御は、露光量および脱焦に対する測定可能パターン属性の所定の応答に基づかなければならない。製造プロセスの間にイン・ラインで露光量および焦点を制御することは望ましいであろう。

露光量および脱焦に対するパターンの応答を特徴付ける１つの方法は、焦点露光マトリクス（ＦＥＭ：focus exposure matrix）を用いることである。これは、テスト・パターンの格子（grid）または行列を形成し、ある範囲の焦点および露光量の設定により格子要素を処理し、各格子要素内のパターン属性を測定してリソグラフィ・プロセスを特徴付けるものである。

通常、パターン属性の測定は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）または光学ツールのいずれかを用いて実行して、パターニングしたウエハの画像を形成する（例えばＦＥＭウエハ）。しかしながら、ＳＥＭ測定は、実行のためのコストが高く、動作が比較的遅く、自動化が難しい。

露光量および焦点を得るために顕微鏡を用いる方法は、Ausschnitt等によって記載されている（例えば、C. P. Ausschnitt、「Distinguishingdose from dofocus for in-line lithography control」、SPIE、Vol.3677、pp.140-147（１９９９年）、Ausschnitt等、米国特許第５，９６５，３０９号、Ausschnitt等、米国特許第５，９７６，７４０号）。Ausschnitt等は、露光量および焦点を特徴付けるために、デュアル・トーン測定ターゲット（dual-tone metrology targets）（「schnitzls」と呼ぶ）を開示している。リソグラフィ・パターンの「トーン（tone）」は、通常はエッチングされるウエハ基板の表面上の層または膜内に堆積されているレジスト材料の有無によって判定される。パターンは、クリアな背景を有するレジスト形状、または、レジスト材料を背景としたレジスト形状の不在（すなわち空間）のいずれかである。リソグラフィ・プロセスの間に露光される領域を交換することによって、相補的なトーン・パターンを形成可能である。これらのトーン・パターンをレジスト材料に生成するには、レジスト材料上に生成される形状または空間に対応する不透明および透明な領域を有するマスクを用意し、次いでマスクの一方側で放射源を用いてマスク形状および空間をマスクの対向側のレジスト層上に照射および投射すれば良い。Ausschnitt等によって開示されたデュアル・トーン測定ターゲットは、露光量および焦点に対して差動応答を有し（例えば差動バイアスおよび線短縮効果を利用することによって）、それらは顕微鏡システムを用いて測定可能である。更に別の利点は、同一の顕微鏡システムを用いて、オーバーレイならびに露光量および焦点を測定可能なことである。しかしながら、リソグラフィの焦点逸脱に対するほぼ対称的なschnitzlometryの感度によって、焦点逸脱の符号に関してあいまいさを生じる。更に、この「schnitzlometry」方法は、高品質の顕微鏡および合焦機能を必要とし、必要な測定値を得るためにschnitzelometryおよびオーバーレイ・ターゲットの精密な画像を捕捉しなければならない。精密な合焦画像の捕捉（capture）によって、測定に必要な時間が増大すると共に、測定は、フォトクラスタおよびエッチクラスタ内に存在し得るプロセスおよび環境変動の影響を受けやすくなる。

また、従来のオーバーレイ測定は、顕微鏡によって左右され、同様のレンズ品質、合焦、およびプロセス変動の問題を生じやすい。特に、顕微鏡を用いると、ツールによって生じるシフト（ＴＩＳ：tool-induced shift）、ツール較正および光学アラインメントの変動によるエラー、ウエハによって生じるシフト（ＷＩＳ：wafer-induced shift）、下にある層およびオーバーレイ・ターゲット自体の双方でのプロセス不均一によるエラー等のエラー・ソースが発生する。
米国特許第６，４２９，９３０号米国特許第５，９６５，３０９号米国特許第５，９７６，７４０号 C. P. Ausschnitt、「Distinguishingdose from dofocus for in-line lithography control」、SPIE、Vol.3677、pp.140-147（１９９９年）

従って、リソグラフィおよびエッチング・プロセスのパターニングを測定し制御する安価かつ高速なイン・ラインの方法およびシステムがいまだ必要とされている。すなわち、求められているのは、単一レベル上および以前のパターン・レベルに対しての双方で、パターン寸法に対して本質的に敏感であり、パターンを形成する膜または複数の膜ならびに下にある積層膜および基板の特性に対して鈍感であるものである。

従来技術の問題および欠点に留意した上で、本発明の目的は、イン・ラインの測定および制御ツール、テスト・パターンおよび評価方法を含む統合された測定システムを提供することである。これは、リソグラフィおよびエッチング・プロセス条件ならびにオーバーレイ・エラーを判定し、これによって、１つのパターン・グループが、露光、焦点、およびエッチングの問題を判別することができ、第２のパターン・グループが、半導体パターン処理における二次元オーバーレイ・エラーを測定することができ、双方のグループの測定を同時に行うことができる。

本発明の別の目的は、焦点および露光等のリソグラフィ・パラメータ、ならびに速度および等方性等のエッチング・パラメータを評価する、容易かつ低コストで利用することができる方法を提供することである。

本発明の更に別の目的は、限界寸法、プロファイル属性（例えば側壁角度、厚さ損失）、露光および焦点条件、オーバーレイ・エラー、および膜厚の特徴を明らかにすることができる単一の装置を提供することである。

本発明の更に別の目的は、リソグラフィ・プロセスおよびエッチング・プロセスのパラメータに対する補正を確定して最適なパターニング性能を維持する手段を提供することである。

本発明の更に別の目的および利点は、本明細書から、部分的に明らかになり、部分的に容易に認められよう。

本発明において、当業者に明らかであると思われる上述およびその他の目的および利点が達成される。本発明は、第１の態様において、基板上の寸法を測定する方法に関し、基板上の寸法を測定する方法であって、主方向に主周期ピッチＰを有する構造体アレイを含む公称パターン（nominal pattern）を設けるステップを含む。公称パターンは、主方向（例えばｘ方向）に沿った主周期ピッチＰで反復する公称特徴寸法によって特徴付けられ、公称特徴寸法は、主方向に実質的に直交する方向（例えばｙ方向）に沿って所定の変動を有する。公称パターンを用いて、公称パターンに対応して基板上にターゲット・パターンを形成し、ターゲット・パターンが公称特徴寸法に対応した基板特徴寸法を有するようになっている。パターンの特徴寸法は、必ずしも測定対象の寸法ではない。次いで、基板上に形成されたターゲット・パターンを、少なくとも１つの波長によって特徴付けられる放射によって照射して、回折次を生成する。公称特徴寸法に対する基板特徴寸法の寸法差に応答して、対象の寸法（例えば測定対象の寸法）と、１つ以上の非ゼロ次回折の前記実質的に直交する方向に沿った検出された変動との間の関係を与える。実質的に直交する方向（例えばｙ方向）に沿った１つ以上の非ゼロ次回折の対応する変動を検出し、次いで、前記１つ以上の非ゼロ次回折の検出した変動に基づいて、与えられた関係に従って対象の寸法を求める。多波長または広帯域の照射を用いる場合は、平行な方向（例えばｘ方向）の１つ以上の非ゼロ次回折の変動を検出して、ターゲット寸法およびプロファイルの特徴における変化に対する回折強度のスペクトル応答を求める。

好ましくは、１次の非ゼロ次回折の強度の変動を集めるが、本発明は、いずれかの、または多数の、検出可能な非ゼロ次回折を使用可能であることを想定する。多波長または広帯域照射を用いることによって、この方法は、パターン・プロファイルの特徴、ならびに露光量および脱焦の測定および制御を可能とする。

この方法は、限界寸法（ＣＤ）の測定用に適合させることができる。本発明に従って設計したデュアル・トーン・ターゲット・パターンを用いることによって、この方法は、露光量および脱焦等のリソグラフィ・パラメータの測定および制御を可能とする。

また、この方法は、オーバーレイ測定用に適合させることができる。オーバーレイ測定の場合、１つ以上の非ゼロ次回折の強度および位相の変動を用いる。

別の態様において、本発明は、測定を実行するための装置に関し、この装置は、ターゲット・パターンを照射するための放射源と、１つ以上の非ゼロ次回折の変動を検出するための検出器と、基板を固定するための手段と、放射源、基板、および検出器を位置付けて、放射源がターゲット・パターンを照射し、検出器がターゲット・パターンからの回折した放射の１つ以上の非ゼロ次回折の変動を検出するようにするための手段と、を含む。

本発明の装置は、ターゲット・パターンからの回折した放射のゼロ次回折を検出するための第２の検出器を有するように更に構成され、放射源および基板に対して第２の検出器を位置付けて第２の検出器がゼロ次回折を検出するようにするための手段と、検出したゼロ次回折に基づいて第２の対象の寸法を求めるための手段と、を含む。例えば、基板のパターニングされていない領域またはターゲットのパターニングされていない領域から反射したゼロ次回折を検出することによって、膜厚を求めることができる。

本発明は、更に別の態様において、例えば集積回路のような半導体の製造の間のイン・ライン動作用に（例えば製造トラックまたはエッチング・ツール上で）構成された差動測定のための装置に関する。この装置は、１つ以上の非ゼロ次回折の変動に基づいて、公称プロセス条件からのプロセス条件（例えば露光量および脱焦、またはエッチング・レートおよび等方性）の変動を求めるための手段と、プロセス条件における求められた変動に応答して、以降のプロセス条件において調整を行うための手段と、を含む。

本発明は、限界寸法（ＣＤ）、オーバーレイおよび膜厚測定、ならびにリソグラフィ・プロセス制御のための方法を提供する。これより、本発明に添付する図面を参照して、本発明についていっそう詳細に説明する。添付図面において、同様の参照番号を用いて、それらと同様の要素および対応する要素を記載することに留意すべきである。図面は、必ずしも一定の縮尺に従って描かれているわけではない。

差動ＣＤ
図３を参照すると、本発明に従って、単一の統合された光学測定（ＩＭ）ツール２００が示されている。これを用いて、ＣＤ、オーバーレイ、および膜厚を、順次または同時に測定することができる。本発明のＩＭツール２００は、イン・ライン処理システム３０内で展開することができる。ＩＭツール２００は、ＳＥＭツール１３０、ＯＬＭツール１２０、ＦＴＭツール１６０、またはＳＣＭツール１８０（例えば図１または図２を参照）の必要をなくす。ＩＭツール２００は、リソグラフィ処理ツールまたはエッチング処理ツール内に統合されるように構成することができ、これによって、イン・ライン処理の間の測定を可能とする。ＩＭツール２００によって用いられる新規の差動ターゲットおよび測定方法により、各測定サイトにおいてその位置での（in-situ）ＣＤおよびオーバーレイ較正を行う。ＩＭツール２００を、以下で更に詳細に述べる適切な測定ターゲットと共に用いて、コストおよび複雑さを増すことなく、全てのウエハ上でいっそう多くのウエハ位置において測定値を迅速かつ信頼性高く得ることができ、従来の測定方法に比べてウエハのスループットが維持または増大する。例えば、各ウエハ上で少なくとも５０の測定を実行するが、１時間当たり少なくとも１００個というウエハ・スループットを維持することが望ましいであろう。これはつまり、移動、整列、および測定（ＭＡＮ：move, align and measurement）の時間が、ウエハ当たり５０の測定において約０．５秒ということである。現在のＭＡＭ時間は、ウエハ位置当たり３〜５秒の範囲である。また、ＩＭツール２００は、ＦＴＭツール、ＳＥＭツール、ＯＬＭツール、またはＳＣＭツールの代わりに、オフライン・システム３５において展開することも可能であり、これによって全体的なコストおよび複雑さが低減する。

本発明に従って、方法、装置、およびターゲット構造を含む統合型測定（ＩＭ：integrated metrology）システムを、ＣＤ、露光量および脱焦、ならびにオーバーレイの光学測定の実行について記載する。適切に設計したターゲット構造および方法を用いて、同一の装置を、これらの測定の全てに用いることができる。また、本発明のＩＭ装置およびシステムは、反射または散乱エネルギを用いる従来の方法（例えば従来の反射率測定、偏光解析、または光波散乱計測）を用いて、膜厚およびパターン・プロファイル等の他の測定値を得るように適合させることができる。本発明のＩＭシステムは、フォトクラスタ内およびエッチング・クラスタ内で、イン・ライン・ウエハ処理の間に用いるか、またはオフ・ライン・ウエハ処理のための使用に適している。本発明のシステムは、ウエハ上の設計されたターゲット測定構造から回折した別個の次数を検出するように構成されているので、便宜上、本発明の測定方法およびシステムは、関連するターゲット構造を含めて、これ以降「回折測定（diffractometry）」と呼ぶ。図面を参照して本発明による方法を例示するが、これらは必ずしも一定の縮尺に従って描かれているわけではない。

図４から図６に、本発明による回折測定システム４０の一実施形態を概略的に示す。照射源４１０が設けられている。これは、１組の発光ダイオード（ＬＥＭ）もしくはレーザ等の多波長源、またはキセノン・ランプ等の有限帯域源であると好ましく、照射光学部品４１３（これは、図示しない縮小対物レンズおよび平行対物レンズを含み得る）を介して、ウエハ４５０上に形成されたターゲット４５５上に投射される。図４（ａ）では、ウエハ４５０は、ｘ方向およびｙ方向（ｙ軸は図４（ａ）の紙面の内外を示す）を有する水平面上に位置する。ウエハの平面に直交する軸は上下のｚ方向である。ウエハ４５０は、基板４５１および積層膜４５２を含むことができる。積層膜４５２は、例えばフォトレジスト（またはレジスト）材料層を含む、少なくとも１つ、通例はいくつかの層を含むことができる。任意に偏光子４１４を設け、回折次数の回折効率あるいはターゲット４５５が存在しない場合のウエハ４５０の反射率またはその両方を最適化するように設定することができる。特に、直交磁界分極（ＴＭ：transverse magnet）は、格子ターゲット４５５からの１次回折効率を高める。任意にカラー・フィルタ４１２を設けて、基本照射波長λ₀を中心とした帯域幅を調整して、照射エネルギの範囲が波長±Δλの少なくとも１つの帯域全体に及ぶようにし、充分なコントラストを保証することで、パターニングしたターゲット４５５で反射した信号を、ウエハ４５０の表面のパターニングされていない領域４７５から反射した信号から区別可能とする。レジストに形成されたターゲットに関しては、照射光帯域幅λ₀±Δλを光化学エネルギの範囲外として、レジストに追加の変更が施されないようにしなければならない。照射エネルギは、純粋に単色性でないことが好ましい。なぜなら、単色照射光は、積層膜４５２内の所与の厚さの層において内部反射によって消される場合があるからである。このため、フィルタ４１２は、λ₀±Δλの帯域幅内の波長を有する少なくとも１つのエネルギ帯を与える。以下で更に詳細に述べる主ピッチＰを有するターゲット４５５の非ゼロ次数回折が集光部品または対物レンズ４３０によって集光されるように、λ₀を選択する。図４（ａ）に示すｘ−ｚ平面において、集光部品４３０は、波長分散非ゼロ次数回折を、垂直入射で検出器アレイ４６０上に投射する。図４（ｂ）に示すｙ−ｚ平面において、集光部品４３０は、ターゲット４５５のｙ寸法を検出器アレイ４６０上に撮像する。検出器の平面を座標（ｘ’、ｙ’）によって記述して、座標（ｘ、ｙ）で記述する基板平面から区別する。画像プロセッサ４９０を設けて、検出器アレイ４６０が検出する信号（複数の信号）を分析し、対象の寸法を求めることができる。画像プロセッサ４９０において用いる分析方法は、測定対象の寸法によって異なる。これについては、以下でより詳細に説明する。

図４から図６に示す本発明の回折測定装置４０の例では、本発明の回折測定（diffractometry）ターゲット４５５を撮像するように構成され、ｘ方向に沿って配置された反復要素６０１の主周期Ｐ（換言するとピッチＰ）を有し、これはＰ＞λとなるように選択される。例えば、１つ以上の副領域（subregion）６００から成る本発明によるターゲット４５５について考えると、各副領域６００は要素６０１から成り、これらは、ｘ方向に沿って周期Ｐで反復し（図４（ａ）に示すように）、ｙ方向に沿って寸法Ｈを有する（図４（ｂ）に示すように）。かかるターゲットは、ＣＤを測定するのに適している。また、回折測定装置４０を配置し構成するための同様の原理は、本発明に従ってオーバーレイ・ターゲットを撮像するために適用される。好適な実施形態では、装置４０は、照射光がｘ方向（すなわち主周期Ｐの方向）に沿って射出され、検出器４６０を配置するｚ軸に対して以下の角度でターゲット４５５上に入射するように構成される。

ここで、照射角度θが０度と９０度との間の実数値を有するために、条件Ｐ＞ｎλ₀を満足させなければならないことに留意すべきである。ゼロ次光線４４０は、ｚ軸に対して角度−θに反射され、ｎ次回折光線４４１は、ｚ方向にほぼ平行である。

数式（１）の条件を満足させると、ｎ次回折４４１は、ｘ方向においてｚ軸を中心にほぼ対称的な角度分布で回折される。これは以下によって決定される。

撮像対物レンズ４３０は、入射および反射光線４４０と干渉することなくｎ次回折４４１を捕捉するように構成され、ｎ次回折の画像を検出器アレイ４６０上に投射する。検出器アレイ４６０は、当技術分野において既知の電荷結合素子（ＣＣＤ）または他の同様のアレイとすることができる。検出器アレイ４６０において、主周期の方向で（すなわちｘ’方向に沿って）重複することなくｎ次回折４４１を他の回折次から区別することができるように、照射エネルギ帯域幅λ₀±Δλおよびターゲット４５５の主周期Ｐを選択する。例えばＰ＝１０００ｎｍである場合、θ＝３０度で入射するλ₀±Δλ＝５００±２００ｎｍの範囲の広帯域照射は、±Δθ＝±１３．３度の範囲の１次回折角度を有する。

集光レンズ４３０は、ターゲット４５５のｙ寸法を検出器アレイ４６０上に倍率Ｍで撮像するように構成されている。このため、検出器４６０上の回折エネルギは、ｙ’寸法に及び、これは常にターゲット副領域６００のｙ寸法Ｈの倍数Ｍである。ｘ方向において、ターゲット４５５は、周期Ｐで離間したＮ個の要素６０１から成る。平面波単色照射では、検出器アレイ４６０上に投射された非ゼロ次回折エネルギは、ｘ’寸法Ｌ₁（λ₀）の範囲を有する。これは、集光レンズ４３０の表面における回折ビームの発散によって決定する。図５に示す回折ビームの主な縞の角度幅は、以下によって与えられる。

ターゲット４５５を構成する要素６０１の周期Ｐおよび数Ｎは、照射波長λにおいて充分な角度分散を与えて、第１次回折次を他の回折次から区別可能としなければならない。例えば、ｘ方向に沿って約１μｍのピッチＰで要素６０１が約１０個あると、約±２度の充分に小さい角度分散が得られる。このため、ターゲット４５５の好適な実施形態のｘ方向に沿った合計寸法は、約１０μｍである。Ｎ＝１０、Ｐ＝１μｍ、λ₀＝５００ｎｍ、θ＝３０度では、数式（３）によって、ω

は、以降〜＿と記載する。
３．３度が得られる。レンズ表面では、ビームの広がりはｚ₀ｔａｎ（ω）であり、ｚ₀は基板からの集光レンズの距離である。非ゼロ次回折の強度は、検出器のｘ’寸法に沿って変動する場合があり、これは、例えば１次強度Ｉ₁（ｘ’）のグラフ４９１によって示される。検出器アレイ４６０における回折エネルギの範囲は、図５に示すように、長さＬ₁を有し、これは照射光の帯域幅に依存する。従って、波長λ₀およびｚ₀＝１０ｍｍの単色照射では、検出器アレイ上の回折エネルギのｘ’方向の範囲は、Ｌ₁（λ₀）〜＿６００μｍとなる。λ₀±Δλ範囲の多波長または広帯域照射では、伝搬発散はｘ方向の波長広がりと共に巻き込まれて（convolve）、ｘ方向の投射エネルギを更に広げる。広帯域照射の場合、この結果、投射エネルギがｘ方向において±Δθにわたって連続的に分散する。先に考察したΔθ＝１３．３度の場合では、ｘ’方向の検出エネルギの広がりの合計は、Ｌ₁（λ₀±Δλ）

は、以降〜〜と記載する。
５ｍｍである。離散的な多波長照射の場合、この結果として、多数のビームが、発散角度に対する波長角度分散に応じて重複する場合もあり、重複しない場合もある。

前述の投射特性を達成するために、集光部材４３０の開口数ＮＡ_x,yは、基準ＮＡ_x≧ｓｉｎΔθおよびＮＡ_y≧０．７λ／Ｈを満足させなければならない。第１の基準は、集光部材４３０がｘ方向において発散角度±Δθ内で回折光線４４１を捕捉することを確実とする。第２の基準は、集光部材４３０がターゲット４５５の最小のｙ寸法を解像することを確実とする。本発明のＣＤ測定ターゲット４５５は、少なくとも１つの設計公称幅Ｗ₀を有する主周期（ピッチ）Ｐで離間したＮ個の要素６０１の１つ以上の有限格子「サブ・パターン」または副領域６００を含むように設計されている。有限格子サブ・パターン６００の全体の寸法は通常、矩形形状を有し、全最小サブ・パターン高さＨおよびサブ・パターン長さＬによって特徴付けることができる。検出対物レンズ４３０のＮＡ_xは、入射および反射光線４４０と干渉することなく、ｘ方向における広帯域照射の全角度発散±Δθを包含しなければならない。先に考察した場合では、Δθ＝１３．３度であり、０．２３≦ＮＡ_x＜０．５が必要である。ＮＡ_yとターゲット・サイズとの間には、直接的なトレードオフがある。λ＝７００ｎｍおよびＨ＝２．５μｍでは、ＮＡ_y≧０．１が必要である。焦点深度を最大にするため、図４から図６に示すように、許容されるＮＡ_x,yの範囲の下限で動作し、基板に対してほぼ垂直な回折光線を用いることが好ましい。通常のＣＣＤアレイは、物理的な画素（すなわち検出器要素）のサイズは約１０μｍである。Ｈ＝５μｍでは、撮像対物レンズ４３０の倍率Ｍは、少なくとも８０として、検出器アレイ４６０上のｙ’方向において４０画素の範囲に及ばなければならない。従って、先に考察した広帯域の場合、１次回折の投射は、（ｘ’、ｙ’）領域Ｌ₁×ＭＨ〜〜５．０ｍｍ×０．４ｍｍに及ぶ。ピッチＧ₀によって分離した２つ以上の副領域６００がある場合、投射画像４９２の範囲は、ＭＧ₀だけ増大する。例えば、図６に示すように、２つの副領域６００の場合、ｙ’方向に沿った範囲はＭ×（Ｇ₀＋Ｈ）である。

また、図４（ａ）に示す回折測定システム４０は、ゼロ次または反射光線４４０を別個に検出することができる。ゼロ次光線４４０が、波長分散光学素子４３５を通過し、角度が分散した光線４４５（図４（ａ）に透過格子４３５の非ゼロ次回折として示す）が、集光部材４３６によって集光された後に検出器４８０（ＣＣＤアレイ等）において検出される場合、回折測定システム４０を、従来の分光光波散乱計測または偏光測定のために用いて膜厚を測定し、従来の分光光波散乱計測のために用いてネストされた（nested）Ｐ＜λ構造のＣＤを測定することができる。集光部材４３０と同様に、集光部材４３６は、図４（ａ）に示すように、検出器４８０上に対して垂直入射でｘ方向に分散した光線を投射するように設計することができ、その一方で、ｙ方向に沿った寸法Ｈの１つ以上の副領域６００を含むターゲット寸法をｙ方向に沿って撮像する。

本発明に従ったターゲット４５５の設計は、例えばＣＤ（プロファイル属性を含む）またはオーバーレイ等の明らかにしたい特性によって異なる。特定のターゲット設計によって、露光量および焦点等のプロセス・パタメータに対する測定ＣＤおよびオーバーレイ属性の応答を高めて、様々なパターニング・プロセス・ステップの間、すなわち実際の処理中にリアル・タイムで、これらのパラメータに対するフィードバックおよびフィードフォワード補正を容易にする。ターゲット・パターンが存在しない積層膜４５２に対して回折測定システム４０を用いて、ゼロ次回折（反射光線）４４０を捕捉することによって、膜厚の測定を行うことができる。更に、以下に述べるように、照射された基板領域内で多数のターゲットをグループ化して、ＣＤ、オーバーレイ、および膜厚の同時判定を可能とすることができる。

ＣＤを測定する目的のため、本発明に従って、ウエハ上での形成の間、リソグラフィ露光量、脱焦、エッチング・レート、および等方性等の処理条件に対して差動応答を有するように、ターゲット４５５を設計する。これについては以下で更に詳細に述べる。本発明のＣＤターゲットの設計原理については、図７および図８を参照することによって、より良く理解することができる。

図７に、理想的な格子５０を示す。格子は周期的な線アレイ５１を有し、これは線幅Ｗおよび離間幅Ｓ＝Ｐ−Ｗを有するスペース５３を有する。格子は、水平軸ｘの方向の周期Ｐによって特徴付けられる。図７における垂直軸５７は、相対的な複合反射率振幅を示す。線５１（例えばレジスト線）の反射率がＲ_Lであり、スペース５３における露出した基板の反射率がＲ_Sである場合、相対反射率はＲ_LS＝Ｒ_L−Ｒ_Sである。相対反射率は、照射波長および入射角の関数である。簡略さのため、我々は、２つの反射率型間の遷移が急峻であると想定する。これは、格子要素上の垂直側壁の想定と同等である。非垂直側壁が存在すると、Ｒ_LとＲ_Sとの間に不定の反射率の遷移領域が加わることによって分析が複雑になるが、平均Ｗの決定に関する結果を根本的に変えることはない。すなわち、ＣＤは格子要素の側壁の高さに関して平均する。非垂直側壁が含まれる効果によって、プロファイル属性および平均Ｗの決定が可能となる。波長の関数である場合がある振幅Ａ₀によって照射される、長さ（または高さ）Ｈ（Ｈはｙ軸に平行に配置されている）のＮ個の要素（例えば線）から成る周期Ｐを有する有限格子の表面上での反射率振幅ａ（ｘ、ｙ）の空間変動は、以下の数式によって記述される。

Ｐ＞λについて有効なスカラ回折理論近似では、各波長における次数ｎの遠視野（far-field）振幅Ａ_nは、数式（４）のフーリエ変換によって与えられる。

ここで、（ｕ、ｖ）は、（ｕ≡ｘ／λｚ、ｖ≡ｙ／λｚ）によって画定される格子からの距離ｚでの遠視野座標である。ｎ≠０では、回折次強度Ｉ_n＝｜Ａ_n｜²は、以下によって与えられる。

数式（６）は、波長λに依存する項およびターゲット要素幅Ｗに依存する項に分割可能である。方向［μ＝ｎ／Ｐ、ν＝０］では、図４〜図６の検出器４６０の面における強度は、数式（１）に従ってｘ’方向の波長において分散し、ｙ’方向における倍率Ｍで撮像される。

数式（７）の波長および線幅に依存する成分は分離可能である。検出器の（ｘ’、ｙ’）平面では、ｘ’方向の強度分布Ｉ_n（ｘ’）は、Ｗについての積分によって得られる。

ｘ’方向における強度の分散は、相対反射率の大きさ｜Ｒ_LS｛λ（ｘ’）｝｜の直接的な尺度を与える。一方、ｙ’方向の強度分散は、λについての積分

は、以降Ｉ_nバーと記載する。
（ｙ’）によって与えられる。

ｙ’方向の強度の分布はＷの関数である。更に、我々は、特定の次数に回折される照射エネルギの割合である回折効率ＤＥ_nを、次のように定義することができる。

図８は、ｎ＝０、１、および２の回折次数の回折効率ＤＥ_n（Ｗ）５６、５７、５８のグラフを、相対反射率Ｒ_LS（λ）＝１を想定する場合に数式（１１）によって与えられるような規格化された線幅ｗ≡Ｗ／Ｐの関数として、それぞれ示す。グラフ５６、５７、５８は、規格化線幅Ｗ＝０．５である場合（パターニングした領域の量が合計格子領域の５０％である場合、格子を５０％デューティ・サイクル格子と呼ぶ）、１次回折５７はピーク強度にあり、２次回折５８はヌル（null）であることを示す。

図９は、本発明による回折測定システム４０（図４（ａ）から図６を参照）と共に用いるのに適した、限界寸法（ＣＤ）を測定するのに有用な、回折測定ターゲット設計６０の一実施形態を示す。ＣＤターゲット６０は、Ｎ個の（ウェッジ形状）要素６０１から成る１つのサブ・パターン領域を含む。格子要素６０１は、要素６０１の中央軸６５０間で測定される周期Ｐで離間されている（周期Ｐは、ターゲット・パターンの主周期の方向であるｘ方向に沿って測定される）。要素６０１は、ターゲット周期の方向（すなわちｘ方向）に実質的に直交して（すなわちｙ方向に沿って）長さＨを有する。各要素６０１の設計幅Ｗ_dは、寸法Ｈ全体でｙ方向に沿って線形に変動すると好ましい。

ここで、ζは、ｙ軸に対する要素のテーパ角度（taper angle）であり、ｙ₀≡（ｙ₁＋ｙ₂）／２は寸法Ｈの中点であり、Ｗ_d（ｙ₀）＝Ｐ／２である。ｙ₀の近傍の転写（print）直線性の範囲で、転写される幅Ｗ（ｙ）は、以下によって求められる。

ｙ_mは、非ゼロ次回折の最大または最少の測定可能位置である。

図１０（ａ）から図１０（ｆ）に、図９のテーパ格子ＣＤターゲット６０のための検出器アレイ４６０で検出した１次回折像を示す。本発明の回折測定システム４０の撮像レンズ４３０は、ｘ、ｙ強度変動を解像するために必要な範囲内の倍率Ｍを有するように想定され、これは典型的に５０〜１００である。図１０（ａ）は、単色照射の場合について、検出器アレイ４６０の平面図上に作図した検出領域７１０における像強度Ｉ_l（ｘ’、ｙ’）を示す。図１０（ｂ）は、ｘ’方向で検出器に沿って積分または合計した図１０（ａ）の強度Ｉ_l（ｙ’）のグラフである。図１０（ｃ）は、単色照射の場合について、ｙ’方向で検出器に沿って積分または合計した図１１０（ａ）の強度Ｉ_l（ｘ’）７９０のグラフであり、これは、光学部品４３０の発散ω（上の数式（３）を参照）によって求められる幅Ｌ_l（λ₀）の範囲に及ぶ。範囲λ₀±Δλにおける広帯域照射の場合、ｙ’方向に沿って合計または積分した強度Ｉ_l（ｘ’）７９５は、上述のように（数式（２）を参照）角度分散Δθによって求められる長さＬ_l（λ₀±Δλ）の範囲に及ぶ。図１０（ｄ）は、３つの波長λ₁、λ₀、λ₂における離散多波長照射の場合について、検出領域７１０において検出器アレイ４６０の平面図上で作図した像強度Ｉ_l（ｘ’、ｙ’）７８１、７８２、７８３を示し、それらの第１次像は検出器アレイ４６０上で空間的に分離している。図１０（ｅ）は、ｘ’方向で検出器に沿って積分または合計した図１０（ｄ）の強度Ｉ_l（ｙ’）のグラフである。強度分布７８１、７８２、７８３のピークまたはヌルの位置は、波長の関数として所与の回折次について同一であるが、強度の大きさは変動する場合がある。図１０（ｆ）は、図１０（ｄ）の離散多波長照射の場合について、ｙ’方向で検出器に沿って積分または合計した強度分布Ｉ_l（ｘ’、ｙ’）７８１、７８２、７８３、の強度Ｉ_l（ｘ’）７９１、７９２、７９３のグラフである。また、図１０（ｆ）には、範囲λ₀±Δλで広帯域照射についてｙ’方向に沿って積分または合計した強度Ｉ_l（ｘ’）７９５の一例のグラフも示す。回折は、ターゲットのパターニング領域内でのみ生じるので、検出された強度Ｉ_l（ｘ’、ｙ’）は、概ねＨ_l×Ｌ_lの検出領域７１０の外ではゼロである。これは、ＭＨである像高Ｈ_lおよび像長Ｌ_lを有する。

検出している非ゼロ次回折に応じて、条件Ｗ（ｙ’）＝Ｐ／２は、検出強度におけるピーク（奇数の次数）またはヌル（偶数の次数）に相当する。この結果、設計した公称値からのＷ（ｙ’）の変動は、ピークまたはヌルの位置を固定Ｈ_l外周に対してシフトさせる。１次回折の場合、各ターゲット要素６０１の中央における転写寸法Ｗ（ｙ’₀）の測定値は、測定された像中心ｙ’₀＝ｙ’₁＋ｙ’₂／２に対する測定されたピーク位置ｙ’_mによって与えられる。数式（１３）においてｙ’₀を代入すると、Ｗ（ｙ’₀）（すなわちＣＤ）を得ることができる。

測定されたピーク位置ｙ’_mは、数式（９）からの測定強度Ｉ_n（ｙ’）の既知の形態を用い、数式（１３）からのＷ（ｙ）をその数式の代わりに用いることで、正確に求めることができる。

数式（１５）におけるパラメータは、ａ₀およびｙ’_mを除いて、全て既知である。このため、強度の最大または最少ｙ’_mの位置は、いずれかの適切な曲線のフィッティング法によって求めることができる。例えば、ａ₀およびｙ’_mをのみを自由パラメータとして用いて、測定強度Ｉ_n（ｙ’）に数式（１５）を最小二乗フィッティング等を用いる。ｙ’_mおよび像中心ｙ’₀を求めたら、Ｈの中点におけるターゲット要素６０１の転写幅Ｗ（ｙ’₀）は、数式（１４）によって求められる。

図１１に、ターゲット設計８０の別の実施形態を示す。これは、２つの逆テーパ副領域すなわち領域１および２を用いる。これらは、各々、ｘ方向において周期Ｐでそれぞれ反復する要素８０１、８０２を含み、図示のように砂時計形の格子要素８００または樽形の格子要素（図示せず）のいずれかに類似するように構成可能である。領域１の要素８０１は、ピッチＧ₀＝ｙ₀₁−ｙ₀₂だけ、領域２の要素８０１から分離している。ｙ₀₁およびｙ₀₂は、それぞれ、要素８０１および８０２の設計上の中央位置である。これによって、２つのピーク強度位置を互いに対して測定することが可能となり、これによって測定感度が２倍になる。これによって得られる更に別の利点は、プロセス条件によって変化しない既知のピッチ寸法Ｇ₀＝ｙ₀₁−ｙ₀₂がターゲット設計に組み込まれているので、像中央ｙ₀₁およびｙ₀₂の位置を測定する必要がないということである。２つの１次最大値間の距離Ｇ＝ｙ’_1m−ｙ’_2m／Ｍ（ｙ’_1mおよびｙ’_2mは、数式１８の曲線のフィッティングによって決定可能であることを想起されたい）の測定によって、以下により、像中心Ｗ（ｙ₀）＝Ｗ（ｙ₀₁）＝Ｗ（ｙ₀₂）におけるターゲット要素幅を求めることが可能となる。

ＣＤまたはＷ（ｙ₀）は、既知のターゲット寸法Ｇ₀、ζ、撮像レンズの既知の倍率Ｍ、および測定された寸法Ｇによって決定される。

図９および図１１のターゲット設計は、対象のＣＤがＰ／２に近い場合に適用される。光学測定を可能とするために必要な条件Ｐ＞λでは、これは、測定可能なＣＤに対して下限を定める。しかしながら、本発明の別の実施形態では、ターゲット要素の境界は、回路パターンの最小ピッチ以下である微細ピッチｐｆ≪Ｐで配置した構造体である副要素のアレイによって表すことができる。微細構造の目的は２つある。

（１）転写されている回路パターンとのターゲットの適合性を保証する。粗い主ピッチＰは、測定に用いる波長で検出可能な非ゼロ次回折ビームを発生させる必要性によって制限されるが、回路パターンの通常のピッチは、これよりも著しく小さい場合がある。

（２）変動を処理するための適切なターゲット感度（回路パターンのもの以上である）を保証する。

図１２に、かかるターゲットの１例９００を示す。図１１の要素８０１、８０２と同様のターゲット要素９０１、９０２、９０３、９０４は、主周期Ｐに平行に配置されたぎっしり（tightly）ネストされた線によって輪郭が描かれ、微細周期ｐｆおよび約ｐｆ／２の幅を有する。この例の微細ピッチのターゲット９００は、領域１および領域２として示すサブ・パターンに組織され、これらはそれぞれｘ方向に沿って周期Ｐで離間した要素９０１、９０２から成り、ｙ方向に沿った要素９０１（すなわち領域１）および９０２（すなわち領域２）の中点間の分離Ｇ₀は、図１１のターゲット８０と同様の方法で予め決められている。領域３および領域４として示す相補的トーン・サブ・パターンは、それぞれｘ方向に沿って周期Ｐで離間した要素９０３、９０４から成り、領域３および領域４の中点は、ｙ方向に沿った所定の分離Ｇ₀だけｙ方向に沿って分離している。相補的トーン副領域対（ペア）間の分離距離９１１は、ターゲット９００の設計にとって重要ではないが、検出信号の適切な分離を可能とするように充分でなければならない。回折測定によって見ると、図１２の設計ターゲット９００に対応する転写ターゲットは、３つの異なる反射率から成る。すなわち、（１）例えばレジスト線の存在によって表される幅Ｗ_Lを有するテーパ要素９０１、９０２の反射率Ｒ_L、（２）例えばレジストにおける開口またはトレンチによって表される幅Ｗ_Tを有するテーパ相補的トーン要素９０３、９０４の反射率Ｒ_T、および（３）ぎっしりネストされた平行線９０９およびスペース９０８で満たされた周囲の領域９０５の有効反射率Ｒ^e _Sである。図１３を参照すると、領域１の円領域９０６の拡大図が示されており、それぞれ領域１および２の第１および第２のテーパ形状９０１および９０２（残っているパターン材料領域）が、公称周期ｐｆ≪Ｐのぎっしりネストされた平行スペース９０８（すなわち、好ましくは約ｐｆ／２の幅ｓを有する線形状の除去されたパターニング材料領域）の端部によって輪郭が描かれていることを示す。スペース９０８の長さは、主周期Ｐの方向（すなわち図１８のｘ方向）に沿って配置されている。図１３に示す領域９０６の詳細図に示すように、ターゲット形状領域９０１、９０２のテーパ（先細り形状）は、周囲のスペース線９０８の端部の位置を、連続ピッチｐｆで固定増分δｌずつシフトすることによって達成される。図１４に、領域３の円領域９０７を拡大図で示し、第１および第２のテーパ空間要素９０３、９０４（すなわち除去されたパターン材料領域）が、公称周期ｐｆ≪Ｐのぎっしりネストされた平行形状９０９（すなわち、好ましくは約ｐｆ／２の幅ｓを有する線形状の残っているパターニング材料領域）の端部によって輪郭が描かれていることを示す。形状９０９の長さは、主周期Ｐの方向（すなわち図１２のｘ方向）に沿って配置されている。図１４に示す円領域９０７の詳細図に示すように、ターゲット空間領域９０３、９０４のテーパ（先細り形状）は、周囲の形状線９０９の端部の位置を、連続ピッチｐｆで固定増分δｌずつシフトすることによって達成される。異なる反射率間の境界の有効テーパ角度ζは、ｔａｎζ＝δｌ／Ｐｆによって与えられる。

図１２のターゲット設計９００によって、テーパ形状９０１、９０２の幅Ｗ_Lおよびテーパ空間形状９０３、９０４の幅Ｗ_Tを同時に測定することができる。対の非ゼロ次極値位置（ｙ’_Lm1、ｙ’_Lm2）および（ｙ’_Tm1、ｙ’_Tm2）の測定によって、以下のように、像中心におけるターゲット要素幅Ｗ_L,Tを求めることができる。

ここで、

図１５（ａ）に、図１２のマスク・ターゲット・レイアウト９００のテーパ空間領域３のセクション９１０に対応する転写された基板パターンの平面図セクション１００１を示す。図１５（ａ）に示すｘ−ｙ平面の平面図１００１は、図１４の形状線９０９に対応するレジスト形状１００９の交互の線端部によって形成される幅Ｗ_Tを有するテーパ空間９０３’（図１２のマスク形状９０３に対応する）を示す。図１５（ｂ）に、ｘ−ｚ平面の線Ａ−Ａ’に沿った断面図１００２を示す。構造体１００９は、主周期ピッチＰの構造を含む。図１５（ｃ）に、ｙ−ｚ平面の線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図１００３を示す。構造体１００９は、微細周期ｐｆの構造を含む。断面では、構造は、基板４５０上のレジスト膜１００９に形成されている。基板４５０は、シリコン・ウエハ４５１の上に配置された、図１５（ｂ）および図１５（ｃ）において酸化物層４５２によって表される積層膜４５２から成る。レジスト１００９および積層膜４５２の厚さは、通常、シリコン・ウエハ４５１の厚さよりもはるかに小さい。すなわち、ｔ_r、ｔ_ox≪ｔ_Siである。

図１６（ａ）から図１６（ｃ）は、図１２から図１４および図１５（ａ）から図１５（ｃ）のターゲット・パターン９００および対応する転写された構造１００１、１００２、１００３についての、本発明の動作のシミュレーション例を示す。レジスト画像形成における露光量および焦点の変化ならびに酸化物およびレジストの膜厚変動のような典型的なプロセス変動に対する、本発明のＣＤ測定のための回折測定システムおよび方法の応答を、米国特許出願第１０／３５３，９００号に記載された方法を用いてシミュレーションする。任意の副要素のアレイから成るパターンでは、シミュレータは、リソグラフィ・システムによってレジストに撮像したパターンおよび回折測定装置によって測定した回折エネルギの双方を発生する。マスク・パターン要素の寸法、ピッチ、および透過、レジストの特徴、リソグフラフィ・システムの光学的な特徴、基板上の積層膜、回折測定装置における照射の波長は、全てユーザによって選択可能である。ここに図１６から図２５に示す例では、シミューションは、厚さが２５０ｎｍから３５０ｎｍの範囲であり、反射率が１．７３であり、「閾値」モデル（閾値モデルは、特定のレジスト材料の特徴的な閾値以上の露光量に露呈されたレジストのあらゆる部分が現像装置によって除去されることを想定する）を有するポジティブ・レジストの使用を想定した。閾値モデルの使用は、先に注記した垂直レジスト側壁の想定と合致している。ウエハは、反射率が３．５＋０．３５ｉであるシリコン基板を含むことが想定される。ここで、虚数成分は吸収に相当し、上にある積層酸化物は、厚さが６００ｎｍであり、反射率が１．４６である。

マスク上のシミュレーション・ターゲット・パターンは、図１２のターゲット９００と同様のデュアル・トーン・ターゲット・パターンに基づいたが、ｘ方向において周期ピッチＰで反復する無限数の回折アレイ要素（要素９０１、９０２または相補トーン要素９０３、９０４と同様）を有し、要素（９０１、９０２、９０３、または９０４）は、周期ｐｆにおいてｙ方向に沿って反復するぎっしりネストされた副要素（図１２から図１４の線９０９およびスペース９０８と同様）の端部によって輪郭が描かれている。シミュレータは、基本構造体の各組または領域を個別にシミュレーションする。すなわち、図１２の要素９０１の無限アレイを含む領域１、要素９０２の無限アレイを含む領域２、要素９０３の無限アレイを含む領域３、要素９０４の無限アレイを含む領域４は、別個にシミュレーションされる。ターゲット・パターンは、テーパ基本回折アレイ要素の（ｘ方向に沿った）主周期の方向において、ピッチＰx＝１０００ｎｍを有する。各基本回折アレイ要素（例えば９０１、９０２、９０３、または９０４）は、ｙ方向（基本要素の幅が変動する、すなわちテーパの方向）において、副要素９０９によって輪郭が描かれている。各アレイ要素の副要素９０９は、サブ・ピッチｐｆ＝２５０ｎｍおよびサブ幅ｓ＝１２５ｎｍを有する。テーパ基本アレイ要素の幅Ｗ（ｙ）は、ｙ方向（テーパの方向）でδｌ＝２５ｎｍの増分ずつ３５０ｎｍから８５０ｎｍまで変動して、図１５（ａ）に示すものと同様のテーパ・セグメント（例えば設計ターゲット領域９０１、９０２、９０３、または９０４にそれぞれ対応する転写形状）の転写されたアレイ（例えば領域１、２、３、または４）の１つからの回折をシミュレーションする。

空間要素格子は、マスク背景透過を１に指定し、パターン透過をゼロに指定することによってシミュレーションする。形状要素格子は、マスク背景透過をゼロに指定し、パターン透過を１に指定することによってシミュレーションする。マスク上の設計５０％デューティ・サイクル幅Ｗ_d（ｙ₀）は、Ｐ／２＝５００ｎｍであるが、印刷５０％デューティ・サイクル幅Ｗ（ｙ₀）は、線短縮効果（line shortening）のため、より大きいマスク寸法に偏らせる。ここで用いるレジスト・パターニングの閾値モデルでは、線短縮の大きさは、空間像および公称露光量の指数（characteristic）である。印刷５０％デューティ・サイクル幅Ｗ（ｙ₀）が、公称露光量でレジストに形成された潜像においてアレイ要素の中心（Ｈ／２）に位置することを確実とするために、マスク・パターン幅は、線短縮の予想量だけ増大させなければならない。

シミュレーションにおけるフォトリソグラフィ露光システムは、開口数（ＮＡ）が０．７、部分コヒーレンスが０．６、照射波長が１９３ｎｍであることを想定した。大きい開き領域を充分に露光するために必要な露光量に規格化された公称露光量は、０．３２であった。シミュレーションした現像画像は、規格化した露光量から−１０％、０％、および＋１０％に変動する露光量条件について計算した。０ｎｍ、１００ｎｍ、および２００ｎｍで脱焦について３つの露光量条件の各々でシミュレーションを実行した。結果としてシミュレーション現像画像から得られたゼロ次および１次の回折信号は、等しい部分のＴＥおよびＴＭ偏光から成る、角度θ＝３０度で入射する３００ｎｍから７００ｎｍ帯域幅の平面波照射を想定して計算した。２次回折信号は、等しい部分のＴＥおよびＴＭ偏光から成る、角度θ＝４４．４度で入射する３００ｎｍから４００ｎｍ平面波照射を想定して計算した。

図１６（ａ）から図１６（ｄ）に、形状（９０１、９０２）およびスペース（９０３、９０４）領域の輪郭を描く細分化した構造体９０８、９０９の、露光量および脱焦に対する差動線短縮応答を示す。図１６（ａ）に、ゼロ脱焦（zero defocus）の場合のクリア・フィールド１０２５における線端部形状９１５の端部のシミュレーション潜像を示す。線９１５の先端は、公称露光量（０％）で長さＬ_Aに位置し、Ｅ₀と標示する曲線で示す。露光量が−１０％（曲線Ｅ_-10）から０％、＋１０％（曲線Ｅ₊₁₀）まで増大すると、公称形状９０３に対する空間形状９０３’の幅Ｗ_Tの増大に対応して（図１５（ａ）を図１２ら図１４と比較）、レジスト線が短くなることに留意すべきである。これに対して、逆のトーン・パターン（例えば公称形状９０１、９０２）では、レジスト・フィールド９１６に線端部空間１０１６が形成され、露光量が−１０％（曲線Ｅ_-10）から＋１０％（曲線Ｅ₊₁₀）まで変動すると、空間長Ｌ_Bは長くなる。公称露光量（０％）では、レジスト形状９１５の長さＬ_Aは、空間１０１６の長さＬ_Bとは異なる（すなわち、もっと長い）ことに留意すべきである。一方、脱焦の条件のもとでは、形状およびスペース寸法は双方とも同じように応答し、図１６（ｃ）および図１６（ｄ）に示すように、（クリア・フィールド１０２５における）線端部形状９１７の長さＬ_CＣ、および、（レジスト・フィールド９１８における）線端部空間１０１８の長さＬ_Dは双方とも、ゼロ脱焦の場合の長さＬ_A、Ｌ_Ｂと比較して、２００ｎｍ脱焦で短くなっている。

ここで図１７を参照すると、１次（ｎ＝１）および２次（ｎ＝２）回折について数式（１１）によって求められる回折効率ＤＥ_1,2（Ｗ）が、０％露光量エラー、ゼロ脱焦の場合について、３００ｎｍのレジスト厚さを想定して示されている。これは、ターゲット幅Ｗ_dが変動する方向に沿って（ｙ’方向に沿って）作図され、ゼロ次および１次では３００〜７００ｎｍから、２次では３００〜４００ｎｍからの波長で（ｘ’方向に沿って）平均され、この場合、数式（１）の０度から９０度の範囲内にある実際の回折角度の要求によって許容波長帯が制限される。テーパ空間ターゲット９０３、９０４の回折効率は、次数ｎ＝１、２についてそれぞれ曲線１２２１、１２２２によって示し、Ｔと標示し、テーパ形状９０１、９０２は、次数ｎ＝１、２についてそれぞれ曲線１２０１、１２０２によって示し、Ｌと標示する。本発明によれば、第１次曲線１２２１、１２０１のピークの位置にそれぞれ相当するターゲット寸法Ｗ_T1（ｙ_m）、Ｗ_L1（ｙ_m）、および、２次曲線１２２２、１２０２のヌルの位置にそれぞれ相当する寸法Ｗ_T2（ｙ_m）、Ｗ_L2（ｙ_m）は、基板およびターゲット反射率に依存せず（数式（９）に示すように）、ＣＤの決定ならびに露光量および焦点の変動の分析には特に有用である。これらの寸法は、測定回折効率（この場合はシミュレーションしたデータ）を、数式（１５）における形態のパラメータ曲線にフィッティングることによって、求められる。

ここで、Ｗ_m≡Ｗ（ｙ_m）は、基板上に寸法Ｗ＝Ｐ／２を生成するために必要なターゲット設計寸法である。図１７において、離散的なデータ・ポイント１２３１、１２４１、１２３２、１２４２は、シミュレーションした回折効率値であり、実線の曲線１２０１、１２２１は、（ｎ＝１）についての数式（１８）のフィッティングであり、点線の曲線１２０２、１２２２は、（ｎ＝２）についてのフィッティングである。フィッティングパラメータは、以下の通りである。

図１７において明らかなように、フィッティングの品質は、０．３５から０．８５ミクロンまで、Ｗの大きな範囲において良好である。最適な露光量（微細構造体ｓ＝０．１２５μｍを適切なサイズに転写するのに必要な露光量）および完璧な焦点であっても、回折次Ｗ_mのピークＷ_T1（ｙ_m）、Ｗ_L1（ｙ_m）、およびヌルＷ_T2（ｙ_m）、Ｗ_L2（ｙ_m）は、設計値Ｗ_d＝０．５μｍに対して著しくシフトしている。ｎ＝１最大値によって決定されるように、幅Ｗ_Lを有するターゲット形状９０１、９０２の輪郭を描くスペース端部９０８の短縮は６９ｎｍである。これに対して、幅Ｗ_Tを有するターゲット・スペース・形状９０３、９０４の輪郭を描く線端部９０９のものは１１６ｎｍである。これは、空間像の閾値輪郭と質的には一致するが、空間像の短縮は、測定された短縮の約半分を占めるに過ぎない。測定では、短縮は過大に推定される。なぜなら、反射率が異なる領域の境界が微細構造体によって空間的に変調されるからである。測定値は、その変調の平均値である。表１からわかるように、ｎ＝２最小値で決定する短縮は、ｎ＝１最大値で決定するものより大きいことに留意すべきである。これは、２次回折が、１次回折とは異なる方法で平均エッジ変調に重み付けするからである。異なる回折次は、エッジ変調に対して異なる感度を有する。これによって、多次数回折の測定が線のエッジの粗さに関して有用な情報を与えることが示される。

図１８は、露光量に対するＷ_mの応答を示し、図１９は、露光ツールの焦点（Ｂ）に対する応答を示す。図１８を参照すると、形状９０１、９０２について、曲線１３０１はｎ＝１の露光量に対する応答であり、曲線１３０２はｎ＝２の露光量に対する応答である。相補的な形状９０３、９０４では、曲線１３１１はｎ＝１の露光量に対する応答であり、曲線１３１２はｎ＝２の露光量に対する応答である。図１９を参照すると、形状９０１、９０２について、曲線１３２１はｎ＝１についての脱焦に対する応答であり、曲線１３２２はｎ＝２の脱焦に対する応答である。相補的な形状９０３、９０４では、曲線１３３１はｎ＝１の脱焦に対する応答であり、曲線１３３２はｎ＝２の脱焦に対する応答である。双方の回折次ｎ＝１、２について、露光量応答は概ね線形であり（図１８）、焦点応答は、概ね放物線状であり、最良の焦点に対して対称的である（図１９）。露光量応答の勾配は、２つのターゲット・トーンで符号が逆であるが、焦点応答の曲率は同じ符号である。この形状およびスペース構造の別個の応答によって、例えばAusschnittによる方法（米国特許第５，９６５，３０９号）（その内容は全体的に引用により本願にも含まれるものとする）を用いて、リソグラフィの露光量および焦点を別個に制御することができる。

図２０および図２１は、ｘ’方向においてゼロ次ｎ＝０および１次ｎ＝１について、下にある酸化物膜４５２の厚さｔ_oxの１００ｎｍ範囲での回折エネルギのシミュレーション挙動を示す。それらは図４（ａ）の検出器４８０および４６０においてそれぞれ検出され、空間ターゲットＴは、Ｗ＝Ｐ／２＝０．５μｍの転写寸法に対応した値に近い設計寸法Ｗ_d＝０．６μｍを有する図１２の領域３および４を有する。回折エネルギは、ｎ＝０の場合は図４（ａ）から図６の透過格子要素４３５によって、ｎ＝１の場合は転写ターゲット格子４５５によって、波長において線形に分散する。このため、このため、波長は、非ゼロ次を検出するように構成された検出器４６０においてｘ’方向に同等であり、図４から図６においてゼロ次回折を検出するように構成された第２の検出器４８０においてｘ’’方向に同等である。数式（５）に示したように、ｎ＝０のスペクトル応答は、基板反射率Ｒ_Sおよび相対反射率Ｒ_LSの双方の関数である。数式（１０）に示したように、ｎ＝１のスペクトル応答は、基板｜Ｒ_LS｜に対するパターン反射率の直接的な尺度である。下にある酸化物の膜厚の変化に対する回折効率の感度を、ゼロ次について図２０に、１次について図２１に、４５０ｎｍと５５０ｎｍとの間の１００ｎｍの酸化物厚範囲で１０ｎｍの酸化物厚の増分で作図した曲線の広がり１４００、１４０１によって示す。λ₀＝５００ｎｍでの広がりは、２つの回折次間の相対感度の大まかな測定基準として、双方向矢印１４００、１４０１によって示される。ゼロ次の広がり１４００は、１次の広がり１４０１よりも著しく広いので、明らかに、ゼロ次は１次より酸化物の厚さに対する感度がはるかに高い。相対感度の量的な尺度は、酸化物の厚さによる回折効率変動範囲の、範囲ΔＤＥ_n／ＤＥ_nの中点でのその値の比を取ることによって得ることができる。図２０のゼロ次広がりについて、ΔＤＥ₀／ＤＥ₀〜〜１．５であるのに対して、図２１の１次広がり１４０１については、ΔＤＥ₁／ＤＥ₁〜〜０．４である。このため、ゼロ次の回折効率は、我々の例では、下にある酸化物膜の厚さに対して３倍以上の感度を有する。これは、パターン属性を測定するためには非ゼロ次の方がより良い選択であるが、下にある膜の厚さを測定するためにはゼロ次の方がより良い選択であることを示す。実際、ゼロ次回折は、パターンがない場合、この点に関して最も良好に機能する。

図２２および図２３は、図２０および図２１のものと同様のグラフ対を示すが、ここで異なるのは、先に規定したほぼ最適な露光量を中心とした±１０％の範囲でパターンを露光するために用いた露光量の変化によって生じるターゲット・パターン密度の変化に対する回折次の応答を示していることである。焦点は、最良の焦点に固定されている。ここでも、曲線のゼロ次についての広がり１５００、１次についての広がり１５０１によって、露光量に対する相対感度を評価することができる。パターン属性を測定するためには、非ゼロ次の方がより良い選択であると結論付ける。図２０および図２１の場合と同様、相対感度の量的な尺度は、露光量による回折効率変動範囲の、範囲ΔＤＥ_n／ＤＥ_nの中点でのその値の比を取ることによって得ることができる。図２２におけるゼロ次広がり１５００では、ΔＤＥ₀／ＤＥ₀〜〜０．１であるのに対して、図２３における１次広がり１５０１では、ΔＤＥ₁／ＤＥ₁〜〜０．３である。図２２および図２３の例では、１次の回折効率は、ゼロ次よりも、露光量に対して約３倍の感度を有する。実際、ゼロ次は、より高い次数に回折される照射エネルギのために、主としてパターン変化に対して敏感である。従って、相対反射率Ｒ_LS→０になると、ゼロ次感度がゼロになる。

図２４および図２５は、マスク寸法Ｗ_dの２つの異なる公称値で、最良の焦点を中心とした２００ｎｍの範囲でターゲット・パターンを転写するために用いた焦点の変化に対する１次回折効率の感度を示す。露光量は、最適な露光量に固定されている。図２４に示すように、Ｗ_d＝０．６μｍでは、転写された格子は約５０％デューティ・サイクルを有し、脱焦に対する感度は低い。図２５に示すように、Ｗ_d＝０．１５μｍでは、転写された格子は約２０％デューティ・サイクルを有し、脱焦に対する感度は比較的高い。このため、より分離された格子要素によって高い焦点感度が達成され、焦点制御の達成にはこれらの比較的分離した構造の測定が必要である。一方、露光量の感度は、ターゲットのデューティ・サイクルの強い関数ではない。

従って、露光量および脱焦の双方に対する最適なスペクトル感度が、比較的分離した格子要素について達成されるという結論に至る。これによって、以下で論じるいっそう簡単なターゲット実施形態が得られる。

図２６に、ＣＤの測定に用いる本発明の離散的な差動格子ターゲット４５５の好適な実施形態１７０１を示す。この例示的なターゲット１７０１は、公称ＣＤサイズに制約を課さないＣＤ測定の好適な手段を提供する。ターゲット格子１７０１は、２つ以上のサブ・パターン領域に分割される。例えば、領域１（参照番号１７３１）および領域２（参照番号１７３２）であり、それぞれ、例えば１７１１、１７１２のような線から成り、ｙ方向に沿って配された長さＨを有する。公称幅、例えば線１７１１、１７２１の幅Ｗ_d1、Ｗ_d2は、それぞれ各サブ・パターン１７３１、１７３２内で均一であるが、それぞれサブ・パターン領域１７３１、１７３２間では異なる（例えば、第１のサブ・パターン領域１７３１は、公称幅Ｗ_d1を有する線１７１１を含み、第２のサブ・パターン領域１７３２は公称幅Ｗ_d2の線１７１２を有する）。構造体１７１１、１７１２は、好ましくは接続領域１７５０によって結合され、これによって、要素１７１１、１７１２の線短縮を回避し、転写された構造上の要素１７１１、１７１２に対する構造的な支持を与えるのに役立てることができる。要素１７１１、１７１２の幅は通常、接続領域１７５０の幅よりもはるかに小さいことに留意すべきである。分離したサブ・パターン領域（例えば１７３１、１７３２）は、相互に対してｙ軸に沿って配列されていることが好ましいが、これは必須ではない。以下のサブ・パターン特徴を定義し、ピッチに規格化する。

１．

は、以降ｗバーと記載する。
≡（Ｗ₁＋Ｗ₂）／２Ｐは、設計上の公称サイズがｗバー_dである未知の平均幅である。
２．δ≡（Ｗ₁−Ｗ₂）／２Ｐは、２つの設計上の公称幅間の所定の（設計上の）オフセットである。

この例では、設計上の公称寸法ｗバー_d＝（Ｗ_d1＋Ｗ_d2）／２Pである。ここでＷ_d1、Ｗ_d2は、それぞれサブ・パターン・ライン１７１１および１７１２の設計上の公称幅である。２δは、充分に小さく設計して、各一定線幅サブ・パターン領域（例えば１７３１、１７３２）内の反射率Ｒ_Aが同一であり、リソグラフィ・パターニング・プロセス内のＣＤ変動の範囲で、所定のオフセットδが不変であるようにする。所定のオフセット値δは、ＣＤ変動の現場での（in-situ）較正として使用可能である。設計上の公称オフセットδを、設計上の公称平均線幅ｗバー_dの０．５からの逸脱の小数部βとして選択すると有用である。ここで、以下が成り立つ。

２領域差動格子ＣＤターゲット１７０１の検出画像１８００は、検出器アレイ４６０の平面図に作図した図２７（ａ）に示すように見える。図２７（ｃ）に示すように、強度（Ｉ１、Ｉ２）は、それらの各サブ・パターン領域１８０１、１８０２（それぞれ寸法Ｈ_I1×Ｌ_IおよびＨ_I2×Ｌ_Iを有し、それらは各々約ＭＨ×ＭＮＰである）内で一定である。これによって、精密な検出器の較正の必要がなくなる。なぜなら、検出された強度を多くの検出器で平均することができるからである。図２７（ｂ）のグラフ１８０５に、ｙ’方向で合計または積分した強度を示す。これは、広帯域源のためのスペクトル応答を提供し、ターゲット要素の平均線幅およびターゲット要素のプロファイルの関数である。従って、転写されたターゲット要素のプロファイル特性は、光波散乱計測と同様に、測定したスペクトル応答をスペクトル応答ライブラリと比較することによって判定可能である。しかしながら、本発明に従ったスペクトル応答の使用は、図２０から図２１によって示されるように、非ゼロ次回折のスペクトル応答が下にある膜厚に対して比較的感度が低いという利点を有する。図２７（ｃ）に示す強度１８１１、１８１２は、それぞれ、ｘ’方向で合計または平均された強度１８０１、１８０２であり、２つの平均強度１８１１、１８１２間のコントラストは、２つのターゲット副領域の格子要素の平均幅の測定値を与える。これについては以下で更に説明する。図２８に、平均幅ｗバーに対する２つの強度Ｉ１（１８０１）、Ｉ２（１８０２）の依存度を、β＝０．１５について示す。

以下に示す更に別の定義を与える。

未知の平均幅ｗバーは、以下のように表すことができる。

数式（２０ａ）および数式（２０ｂ）の平均幅ｗバーは、図２７（ａ）および図２７（ｂ）の２つの強度領域１８０１、１８０２の測定コントラストＣ、ならびに、２つの公称線幅Ｗ_d1、Ｗ_d2Ｗ間の既知の所定の（すなわち設計上の）オフセット差δによって決定される。図２９に、ウエハ・ターゲット上の予想される印刷平均幅ｗバー_expの関数として計算したｗバーについての２つの解（数式（２０ａ）および数式（２０ｂ）における符号の選択によって決定される）のグラフを、ｗバー₊、ｗバー₋によって示す。ｗバー＝ｗバー_expである数式（２０ａ）および数式（２０ｂ）の正の解ｗバー₊は、平均線幅である。図３０に示すように、コントラストの二乗Ｃ²は、βパラメータに依存する。格子要素がますます分離するにつれて、コントラストは増大する。すなわち、Ｗ→０，Ｐである。Ｗ→Ｐになるにつれて、格子要素は分離した空間になることに留意すべきである。

半導体用途のために求められるＣＤ測定の精度は、約１ｎｍである必要がある。本発明のＣＤ測定技法の精度は、ｗバーの変化に対するＣの感度に依存する。関連する小さい変動については、コントラストの小数部変化ΔＣ／Ｃは、以下で与えられる。

数式（２０ａ）および数式（２０ｂ）から、以下が得られる。

ここで、以下が成り立つ。

数式（２２ａ）および数式（２２ｂ）は、コントラストによるｗバーの変化率を表し、このため、感度の尺度を与える。良好な測定感度（ｗバーによるコントラスト変化率として定義され、これは数式（２２ａ）および数式（２２ｂ）の逆数である）のために、ｗバーの小さい変化によって、コントラストの大きい変化を生じることが好ましい。数式（２２ａ）および数式（２２ｂ）の重要な特性は、図３１に示すように、ｄｗバー／ｄＣはゼロに近付く場合、感度は線幅の極限値ｗバー≪１および１−ｗバー≪１で増大するということである（すなわち幅ＷがＰに近い場合）。一方の極限値では、各格子要素は、膜の存在によって規定される反射率Ｒ_Aを有する構造体である。他方の極限値では、各格子要素は、膜の不在によって規定される反射率Ｒ_Sを有する構造体である。

いずれの場合でも、本発明の差動ＣＤ測定は、構造体幅が減少するにつれて感度が増大するという所望の特徴を有する。図３２に、ｗバー_d≦０．０５領域における感度挙動の詳細な図を示す。数式（２１）から数式（２３）において、Ｐ＝１０００ｎｍおよびβ＝０．１５で置換すると、図２６の５０ｎｍ公称ＣＤの１ｎｍの変化（例えばｗバー＝５０ｎｍである場合、Ｗ_d1は１５％大きくなり、または約５７．５ｎｍであり、Ｗ_d2は１５％小さくなるまたは約４２．５ｎｍである）は、Δｗバー＝０．００１、｜ｄｗバー／ｄＣ｜〜〜０．１８であり、Ｃ

は、以降＞〜と記載する。
０．２５であるので、ΔＣ／Ｃ＞〜０．０２である。公称コントラストの２％の変化（絶対コントラストの０．５％の変化）は測定可能であるので、幅の測定可能な変化の１ｎｍの精度を達成可能である。

上述のように、差動ＣＤ測定の１つの目的は、ウエハ上のフォトレジストにおけるパターン形成の間に、露光量および焦点等の処理条件に対する差動応答を可能とすることである。図３３〜３５に、露光量および焦点分離を可能とする回折測定ターゲットのいくつかの実施形態を示す。図３３のターゲット２３００は、差動形状（すなわちレジスト等のパターニング層が残っているパターニング材料層）および空間（例えばレジストのようなパターニング層が除去されたパターン領域）の格子から成り、図示するように、４つの領域すなわち２３０１、２３０２、２３０３、および２３０４を画定する。格子要素２３１１、２３１２、２３１３、２３１４の幅Ｗ₁、Ｗ₂、Ｗ₃、Ｗ₄は、格子周期よりはるかに小さい。すなわち、幅Ｗ₁、Ｗ₂、Ｗ₃、Ｗ₄≪Ｐであるので、各要素はその周囲のものに対して分離されている。第１および第２の領域２３０１および２３０２内で、基板（オープンな空間２３２０）の反射率はＲ_S1であり、格子形状要素（例えばレジスト形状２３１１、２３１２）の反射率はＲ_Lである。これに対して、第３および第４の領域２３０３および２３０４内では、周囲の領域（例えば大きいレジスト領域２３３０）の反射率はＲ_S2であり、格子空間（基板）要素２３１４の反射率はＲ_Tである。反射率は、狭い構造体の領域においてエッジ効果およびプロファイル特性によって影響を受ける「有効」反射率であることに留意すべきである。２対の逆トーン領域がある。すなわち、サブ・パターン領域２３０１、２３０２から成るほぼオープンな（除去されたパターン領域）空間２３２０、および、サブ・パターン領域２３０３、２３０４から成るほぼ充填された（すなわちレジスト等のパターニング層材料で充填された）領域２３３０である。２対のデュアル・トーン領域（２３２０、２３３０）は、上述の本発明による分離した形状および空間の寸法を測定する際に別個に扱うことができる。レジストにおける潜像または現像された画像として形成されると、図３４の曲線で示すように露光量が−１０％（２４０１）から０％（２４０２）から＋１０％（２４０３）に増すにつれて、分離形状の幅Ｗ_L＝(Ｗ₁＋Ｗ₂)／２は、点線の矢印２４０５で示す方向に減少する。これは、分離空間の幅Ｗ_T＝(Ｗ₃＋Ｗ₄)／２のものに対して逆の方向である（図４７の曲線上の点線の矢印２４０６に示す）。これは、露光量が−１０％（２４１１）から０％（２４１２）から＋１０％（２４１３）に増すにつれて増大する。一方、空間（図３５の曲線２４１１、２４１２、および２４１３）および形状（図３４の曲線２４０１、２４０２、および２４０３）の寸法は、脱焦（または焦点）の変化に対して同じ方向に変化する。図３４および図３５のグラフは、本発明の測定方法のシミュレーションであり、図３３に示すターゲット２３００の焦点−露光量行列に適用したものである（図１６（ａ）から図１６（ｄ）について記載したものと同じ条件下で）。４０ｎｍのバイアスを空間要素２３１３、２３１４に提供して、形状要素２３１１、２３１２と同じ公称露光量で適切なサイズに転写することを保証した。露光量および脱焦を抽出するための方法は、Ausschnitt（米国特許第５，９６５，３０９号）、または、C. P. Ausschnittによる発表「Distinguishingdose and defocus for in-line lithography control」、Proc. SPIE、Vol.3677、pp.140-147（１９９９年）に記載されている。いったん、露光量および焦点に対するデュアル・トーン・ターゲット２３００の応答が、プロセスについて特徴付けられると、先の発表において記載されているように、そのプロセスによって生成されたパターンの寸法における公称からの変化の測定を、逆モデリングによって、露光量および脱焦に変換することができる。一方のトーンは、クリアな（または明るい）フィールドにおける不透明な（または暗い）線または構造体（残りのパターニングした材料を表す）によって特徴付けられ、逆のトーン・パターンは、不透明（または暗い）フィールドにおけるクリアな（または明るい）構造体によって特徴付けられる。

図３６に、差動ＣＤ／露光量／焦点ターゲット２５００の別の実施形態を示す。ここで、それぞれ第１および第２のサブ・パターン領域２５０１、２５０２内では、反射率Ｒ_Lによって特徴付けられる残りのパターニング材料の有効分離形状領域２５１１、２５１２（それぞれ公称幅Ｗ₁、Ｗ₂を有する）は、公称周期ｐｆ≪Ｐのネストされた狭い幅の平行空間（すなわち、好ましくは約ｐｆ／２の幅を有する線形状の除去されたパターニング材料の領域）の端部によってほぼ囲まれた領域によって形成され、それらの長さは、主周期Ｐの方向（すなわち図３６のｘ方向）に沿って、有効形状領域２５１１、２５１２のエッジに直交して配置されており、図１３の微細周期の線９０８で画定された形状領域９０１、９０２と同様である。サブ・パターン領域２５０３、２５０４内では、反射率Ｒ_Tによって特徴付けられる有効分離空間領域（除去されたパターニング材料の領域）２５１３、２５１４（それぞれ公称幅Ｗ₃、Ｗ₄を有する）は、公称周期ｐｆ≪のぎっしりネストされた平行な狭い矩形形状（すなわち、好ましくは約ｐｆ／２の幅を有する残っているパターニング材料の線）の端部によって形成され、それらの長さは、主周期Ｐの方向に平行に、有効空間領域２５１３、２５１４の縁部に直交して配置されている。有効空間領域２５１３、２５１４の輪郭描写は、図１４の微細周期線９０９の空間領域９０３、９０４の輪郭描写と同様である。回折測定装置４０によって見られるように、微細周期の平行な矩形の線および空間によって覆われる領域２５２３は、有効反射率Ｒ^e _Sによって特徴付けられる。上述のように、Ausschnittによる米国特許番号第５，９６５，３０９号に記載された発明に従って、図３３のターゲット２３００のものと同様の方法で、図３６の領域（２５０１、２５０２）および（２５０３、２５０４）の２対は、有効分離形状ｗバー₁、ｗバー₂および空間ｗバー₃、ｗバー₄の有効幅の測定において別個に扱うことができる。図３４および図３５、ならびに図３８および図３９に示すように、露光量に対する有効分離形状幅ｗバー₁、ｗバー₂の応答は、有効分離空間ｗバー₃、ｗバー₄のものに対して逆であるが、それらの脱焦に対する応答は同じである。形状および空間構造のこの異なる応答によって、Ausschnitt（米国特許番号第５，９６５，３０９号）によるリソグラフィ露光量および焦点の別個の制御が可能となる。図３３のターゲット２３００に対する図３６のターゲット２５００の利点は２つある。すなわち、１）形状および空間の端部で、露光量および焦点に対する感度が増している。２）図３６のターゲット２５００は、チップ・パターンのものに比べて、より均一なパターン密度を維持し、これは、ＣＭＰ（化学機械研磨）等の他のプロセス・ステップとの適合性を保証するのに必要なものである。

レジスト膜に形成されたパターンの差動ＣＤ測定による露光量および焦点の差動応答を可能とする他のターゲットは、Starikov（「ExposureMonitor Structure」、SPIE vol. 1261Integrated Circuit Metrology, Inspection, and Process Control IV（１９９０年））およびInoue等（２００１年６月２６日に発行された米国特許番号第６，２５１，５４４号）が記載した露光量敏感設計、ならびに、Suwa（米国特許番号第４，９０８，６５６号）およびAusschnitt（米国特許番号第５，９５３，１２８号）が記載した焦点敏感設計に基づいて生成することができる。StarikovおよびInoueの設計は、マスク・パターン上の副解像度支援構造体（ＳＲＡＦ：sub-resolutionassist features）を用いることによって、露光量感度を大きく増大させ、焦点感度を抑制する。SuwaおよびAusschnittの設計は、線の端部の先細り形状を導入することによって、脱焦に対する感度を増大させる。これらの設計は、図３７（ａ）および図３７（ｂ）に示すように、上述した本発明の差動ＣＤ測定に容易に適合される。図３７（ａ）において、ターゲット２６００は、それぞれ反復要素２６１１、２６１２を有する２つのサブ・パターン領域すなわち領域１および２から成る露光量敏感セクション２６１０、ならびに、それぞれ反復要素２６２３、２６２４を有する２つのサブ・パターン領域すなわち領域３および４を含む脱焦敏感セクション２６２０を有するように設計される。ターゲット２６００は、Ｎ個の反復するサブ・パターン要素セクション２６３０のｘ方向に主周期Ｐを有する（明確さのため、２つのみの反復要素セクション２６３０を示す）。オープンなパターニング領域または空間（残っているパターニング材料の間）は、それぞれ、サブ・パターン要素２６１１、２６１２、２６２３、および２６２４に対応する幅Ｗ₁、Ｗ₂、Ｗ₃、Ｗ₄を有する。図３７（ｂ）において、１つの要素セクション２６３０を形成するために用いられるマスク・レイアウト２６５０の一部を示す。上方マスク・セクション２６７０は、主要構造体２６５１、２６５３から成り、隣接する副解像度支援構造体（ＳＲＡＦ）２６５２、２６５４を用いて、ウエハ上にそれぞれ主要構造体２６１１、２６１２を撮像する。図３８に示すように、露光量敏感領域２６１０における空間Ｗ₁、Ｗ₂の幅は、曲線２７０１が示すように、露光量に対して極めて敏感である（例えばStarikovおよびInoueが記載したように）。図３９に示すように、脱焦による幅Ｗ₃、Ｗ₄の変動は、曲線２７０３が示すように、急速には変化しない。

これに対して、焦点敏感領域２６２０は、例えばテーパ線２６６１、２６６２から成る２６８０等のマスク・レイアウトによって形成され（SuwaまたはAusschnittによって記載されたように）、それぞれパターニング領域２６２３、２６２４を形成する。焦点敏感領域２６２の空間の幅Ｗ₃、Ｗ₄は、図３８の曲線２７０２と同様に、露光量の関数として変動し、このため、露光量変動に対して比較的鈍感であるが、図３９の曲線２７０４に示すように、脱焦に対して比較的極めて敏感である。

本発明に従って用いる他の回折測定ターゲットは、Brunner（米国特許第５，３００，７８６号）が示したように、マスク上の位相シフト要素を用いて焦点感度を達成するように設計することができる。これらの実施形態の全てに共通することは、それらがＣＤまたはオーバーレイ測定に依存することである。様々なターゲット設計は、上述の本発明の差動ＣＤ測定に、または、以下で述べる本発明の差動オーバーレイ測定に、容易に適合される。露光量および焦点制御以外の特定の用途に対処するターゲットは、とりわけ、図９、図１１、図１２〜図１４、図３３、図３６、および図３７（ａ）〜図３７（ｂ）に示す実施形態から組み立てることができる。例えば、図９に示すウェッジ（wedge）要素６０１に近似した一連の幅ステップから成るターゲットは、広範囲のＣＤにわたってリソグラフィ・プロセスの線形性を定量化する手段を提供する。かかるターゲットにおいてマスク測定に対してウエハ測定を比較することで、サブ波長撮像においてＣＤ変動の源を理解するために重要な、いわゆるＭＥＥＦ（マスク・エラー増大ファクタ）効果を定量化する。

また、ターゲット実施形態は、特定のパターニング層の特性に合わせて調整することができる。図４０は、ターゲット２８００を示す。これは、全体的に、ｘおよびｙ方向において微細周期ｐｆのコンタクト・ホール２８０１から成り、公称幅Ｗ_d1を有するもっと大きい要素２８１１および公称幅Ｗ_d2を有する２８１２を形成するように配置され、ｘ方向に沿って主周期Ｐを有する。別の実施形態では、図４１は、ターゲット２９００を示し、これは２つのサブ・パターン領域すなわち領域１および２を有し、背景反射率領域２９０５は、微細周期ｐｆで細かく離間した線から成り、それぞれ公称幅Ｗ_d1、Ｗ_d2を有する測定可能格子要素２９０１、２９０２の粗い周期Ｐに対して平行に延在する。

図４２に示す別のターゲット実施形態３０００は、スルーピッチＣＤ測定の平行取得（parallel acquisition）に本発明の差動回折測定を適用することを可能とする。ピッチまたは周期に対する転写されたＣＤの測定依存性は、光学近接補正（ＯＰＣ：Optical Proximity Correction）ルールの決定に対して重要である。ＯＰＣルールは、製品マスク・レイアウトの変更を支配して、異なるピッチの構造体を共通のサイズに同時に転写することを確実とする。ＯＰＣルール発生の現在の制約は、従来のＳＥＭＣＤ測定手法が遅くて面倒であることである。特に、ＳＥＭＣＤ測定では、代表的なプロセス・ウインドウ上で転写されたＣＤの整合を保証するための充分なデータ収集を行うことができない。図４２のターゲットは、多数の差動格子３００１、３００２、３００３、３００４から成り、各々が図２６に示すものと設計上同様であり、ここで周期Ｐ₁、Ｐ₂、Ｐ₃、Ｐ₄は、それぞれ、１つの差動格子から次のものに変化する。単色照射λ₀では、図４２のターゲット３０００からの回折は、図４３に示すように発生する。ゼロ次強度Ｉ_0a、Ｉ_0b、Ｉ_0c、Ｉ_0dは、経路４４０に沿って反射し、１次強度Ｉ_1b、Ｉ_1b、Ｉ_1cは光学部材４３０によって集光される。しかしながら、副領域３００１の１次強度Ｉ_1aは集光されない。なぜなら、差動領域３００１のピッチがＰ_a＜₀であるからである。角度間の関係は、以下の格子式によって表すことができる。

非ゼロ次回折がこの装置によって検出可能である格子周期範囲は、条件−ＮＡ_x＜ｓｉｎａ＜ＮＡ_xの条件を満足させなければならない。この場合、以下が成り立つ。

最大集光角度ａ_max＝３０度に対応して、浅い角度の照射θ＝７０度およびＮＡ_x＝０．５では、１次検出の範囲は０．７λ₀＜P＜２．３λ₀である。このため、波長２００ｎｍで利用可能なＤＵＶ光源は、範囲１４０ｎｍ＜Ｐ＜４６０ｎｍの周期でＣＤ測定が可能となる。もっと長い波長の照射を用いて、もっと大きい周期を包含する範囲が達成される。多波長または広帯域源は、最先端の基本原則でＯＰＣについて対象となる全範囲、すなわち１５０ｎｍから３０００ｎｍの周期に対応する。数式（２４ｂ）で定義した低いカットオフよりも小さい周期は、ゼロ次のみにおいて検出可能である。図４４（ａ）は、検出器４６０の平面図上で３つの周期Ｐ_b＜Ｐ_c＜Ｐ_dの広帯域照射についてターゲット３０００から検出された１次強度Ｉ_b、Ｉ_c、Ｉ_dを示す。回折角度は周期によって変動するので、検出される強度はｘ’方向に交互になっている。ｘ’方向は検出器４６０上での変動する波長の方向に対応する。図４４（ｂ）に示すように、周期の各々におけるＣＤの同時測定は、ｘ’方向で積分または合計された強度Ｉ₁（ｙ’）の別個の測定によって可能となる。このため、本発明の方法は、幅広いピッチにわたってＣＤの同時測定を可能とする。

図４（ａ）の装置４０のゼロ次検出経路４４０は、ＣＤの測定と同時に膜厚の測定を可能とする。図４５（ａ）に示すように、図２６のターゲット１７０１と設計上同様であるターゲットの場合、図２６のターゲット１７０１のパターニング領域１７３１、１７３２に対応して、ＣＣＤ２検出器４８０（図４（ａ））の平面図上に作図したゼロ次像は、ｙ’方向において領域３３０１、３３０２に分割され、一方、領域３３０５は、図２６のターゲット１７０１のパターニングされていない領域１７０５に対応する。パターニングされていない領域３３０５の強度スペクトルＩ₀（ｘ’）は、膜厚測定のために利用可能である。図４５（ｂ）に示すように、ターゲット領域１７１１、１７１２にそれぞれ対応する２つの格子像領域３３０１、３３０２間のパターニングされていないターゲット領域１７５０に対応する線Ａ−Ａ’に沿ったパターニングされていない像領域３３０５におけるゼロ次強度スペクトルＩ₀（ｘ’）３３０７は、膜の固有の特性、すなわち、ｉ番目の膜の屈折率ｎ_i（λ）、ｋ_i（λ）の実成分および虚数成分、ならびに各膜の厚さｔ_iに依存する独特のシグニチャを有する。ｎ_i（λ）、ｋ_i（λ）値が既知である場合、自由パラメータとして厚さを用いて、測定スペクトルに対する多膜層のモデル化応答の従来のフィッティングによって、厚さを求めることができる。ｎ_i（λ）、ｋ_i（λ）値の１つ以上が既知でない場合、それらの決定は、コーシーの公式（Cauchyformulation）等の予想される分散挙動の従来のモデルを用いることで、フィッティング・ルーチンに含ませることができる。むろん、検出可能な非ゼロ回折がない場合（ターゲットがない場合に当てはまる）、同じ方法を、図４（ａ）の装置４０の検出器４８０を用いた膜特性および厚さの決定に適用することができる。

差動オーバーレイ
図４６および図４７に、図４（ａ）の本発明の回折測定システム４０の実施形態の変形を示す。双方ともターゲット主ピッチＰの方向すなわちｘ方向に沿った２つの逆方向からターゲット４０を照射する能力を加えている。図４６は、負のｘ方向（主周期の方向）から送出されるターゲット４５５の照射を示し、図４７は、正のｘ方向から送出されるターゲット４５５の照射を示す。これによって、単一の装置で、正および負の双方の回折の検出が可能となる。これは、光源４１０の再配置、またはターゲット・ウエハ４５０の再配置を可能とし、ターゲットに対する適切な照明方向を実現するように装置４０を構成することで達成可能である。照射が左から右に向かい、角度θ＝arcsin（λ／Ｐ）である場合、＋１次回折４４１が検出される。照射が右から左に向かい、角度θ＝arcsin（−λ／Ｐ）である場合、−１次回折４４１’が検出される。正および負の双方の回折次数を検出する能力は、オーバーレイ・エラーの測定には不可欠である。これについて以下で説明する。

図４８に、理想的なオーバーレイ・ターゲット格子３５００の反復ユニット（図７の理想的なＣＤ回折の概略図と同様）を示す。ここで、明確さのために、１つのみの反復ユニットを示す。ウエハ上に転写されているもののようなオーバーレイ格子ターゲット３５００は、各周期Ｐ内の２つの構造体３５０１、３５０２から成る。一方の構造体３５０１は、幅Ｗ_A≦Ｐ／４を有するパターニング・プロセスＡによって形成され、第２の構造体３５０２は、幅Ｗ_B≦Ｐ／４を有するパターニング・プロセスＢによって形成される。パターニング・プロセスＢは、第１の構造体層３５０２を印刷するためのプロセスを表すことができ、パターニング・プロセスＡは、第２の、上にある構造体層３５０１のプロセスを表すことができる。先に論じたＣＤターゲットの場合と同様、構造体３５０１および３５０２は、構造体が転写されるプロセス層の基本原則と適合可能である限り、もっと小さい構造体の線、トレンチ、およびアレイから成ることができる。周期Ｐに対する幅Ｗ_AおよびＷ_Bが、測定可能なオーバーレイ・エラーの範囲を決定する。図４８の理想的なオーバーレイ格子３５００は、水平軸ｘの方向において、各周期内に２つの線３５０１、３５０２を有する。線３５０１は幅Ｗ_Aを有し、線３５０２は幅Ｗ_Bを有し、それらの中央線は距離Ｄ_xだけ分離している。比Ｄ_x／Ｐは、１／２の公称値を有するように設計されている。従って、周期Ｐに規格化された、２つの構造体３５０１、３５０２間のｘ方向オーバーレイ・エラーε_xは、次のように表すことができる。

図４８の垂直軸３５０７は、実際の振幅１およびゼロ位相を有する線３５０１、ならびに、実際の振幅γ（ここで、０＜γ≦１である）および位相φ（ここで、−π≦φ≦π）を有する線３５０２の規格化複合反射率を示す。線３５０１、３５０２の反射率の規格化は、下にある積層膜および基板の複合反射率を基準としたものである。ターゲット構造体が単一層に形成されているＣＤの場合（図７および図８を参照）とは異なり、オーバーレイ構造体３５０１、３５０２は、積層膜の異なる膜に形成することができる。従って、一般に、所与の波長において、基板に対する２つの構造体３５０１、３５０２の反射率は等しくなく、振幅および位相の双方で異なる。これについては以下で更に述べる。

基板反射率Ｒ_Sおよび各線の反射率Ｒ_A、Ｒ_Bでは、振幅Ａ₀によって照射される長さＨ（長さＨは、ｙ方向に沿って、周期の方向であるｘ方向に直交して、配される）の線の対を含むＮ個の周期から成る有限格子の表面上での反射率振幅ａ（ｘ、ｙ）の空間変動は、以下の数式によって記述される。

ここで、我々は、Ｒ_AS≡Ｒ_A−Ｒ_SおよびＲ_BS≡Ｒ_B−Ｒ_Sを定義義した。Ｐ＞λに対して有効なスカラ回折理論近似では、次数ｎの遠視野振幅Ａ_nは、数式（２６）のフーリエ変換によって与えられる。

ここで、（ｕ、ｖ）は、（ｕ≡ｘ／λｚ、ｖ≡ｙ／λｚ）によって定義される格子からの距離ｚでの遠視野座標である。方向（ｕ＝ｎ／Ｐ、ｖ＝０）では、図４６および図４７の検出器４６０の平面における強度は、数式（１）に従ってｘ方向の波長に分散し、ｙ方向に倍率Ｍで撮像される。ｎ≠０では、１次振幅は、以下によって与えられる。

対応する強度は、以下の通りである。

ここで、単一波長において、以下の定義が当てはまる。

そして、範囲０＜γ（λ）≦１および−π＜φ（λ）≦πが当てはまる。多波長照明のもとでは、数式（３０ａ）から数式（３０ｃ）の定義は、各波長における相対反射率の関数になるが、数式（２８）および数式（２９）における振幅および強度の一般的な式は有効のままである。換言すると、回折強度測定からの（未知の）オーバーレイ・エラーε_xを求めるためには、２つの追加の未知のパラメータ、すなわち、規格化複合反射率の振幅および位相（γ、φ）を求める必要がある。従って、本発明は、有効振幅および位相差、ならびに、回折強度の測定に基づいたパターンＡおよびＢ間のオーバーレイ・エラーを明らかにするための手段を提供する。これについては、以下で更に詳細に説明する。

γ＝１、φ＝０の場合、数式（２９）における強度の式は、数式（７）と同様になり、上述のＣＤを決定するために用いたものと類似のオーバーレイ・エラーε_xを決定するための手法を適用可能である（数式（２０ａ）および数式（２０ｂ））。しかしながら、製品ウエハ・オーバーレイ測定において見られるような、γ＜１、φ≠０である一般的な場合、この手法を大きく変更する必要がある。図４９に示されているのは、ｎ＝±１次回折の規格化強度Ｉ（Ｄ_x）／４｜Ｋ｜²のグラフ３５１３、３５１５であり、これらは、数式（２９）によって与えられるように、相対反射率の大きさγおよび相対位相差φ＝０の２つの値（それぞれγ＝１．０およびγ＝０．５）で、オーバーレイ・エラーε_x（数式（２５）から、ε_x＝Ｄ_x／Ｐ−１／２であることが思い出されよう）の関数として示されている。これらの条件のもとで、ｎ＝±１次回折の双方の規格化強度は同一であり（すなわち、各曲線３５１３、３５１５は、正および負の次数の重ね合わせ（superposition）である）、最小値は双方の次数についてε_x＝０．５に固定されるが、Ｉ_max−Ｉ_min／Ｉ_max＋Ｉ_minとして規定される変調は、γが減少すると共に減少する。図５０は、それぞれγ＝１、φ＝π／８において、ｎ＝＋１およびｎ＝−１の規格化強度のグラフ３５１７、３５１９を示す。ｎ＝＋１、−１強度曲線３５１７、３５１９は、それぞれ空間的に分離して、それらの平均が、図４９に示す曲線３５１３のようにφ＝０、γ＝１の場合と同等であり、最小値が、ε_x＝０に対応してＤ_x／Ｐ＝１／２の公称値に対して逆方向にオフセットするようになっている。あるいは、非ゼロφの場合のｎ＝±１次の強度曲線３５１７、３５１９は、区別する（difference）ことができ、その差の関数は、ゼロ・オーバーレイ・エラーの位置を通過するゼロを有する。しかしながら、数式（２９）から、この方法は、φがゼロまたはπ／２の倍数に近付くと無効になることに留意すべきである。従って、φの任意の値では、オーバーレイ・エラーは、正および負の回折次数における強度変動の平均移相によって最良に決定される。これについては以下で詳細に述べる。

図５１は、オーバーレイを測定するのに有用な、本発明に従った回折測定システム４０（図４６および図４７を参照）と共に用いるのに適した回折測定ターゲット３６００の一実施形態を示す。測定可能オーバーレイ・ターゲット３６００は、１対の要素３６１０および３６２０を含む。これらは、角度ζで逆方向に傾き、各々が周期Ｐで（すなわち、ターゲット・パターンの主周期の方向であるｘ方向に沿って）反復する。要素３６１０および３６２０の各対間の相対距離Ｄ_x（ｙ）は、ｙ方向において寸法Ｈにわたって線形に変動する。各要素対の相対傾斜は、ｙ方向に沿って、ｙ＝Ｈ／２においてＤ_x（ｙ）／Ｐ＝０．５である（これを以降ｙ₀と称する）ように設計されている。このため、設計上の距離は以下のように与えられる。

そして、オーバーレイ・エラーε_xが存在する場合の印刷距離は、以下のように表すことができる。

ここで、ｙ_mは、Ｄ_x＝Ｐ／２に対応する位置のシフトした場所である。ＣＤターゲットの場合、オーバーレイ・ターゲット３６００を構成する周期Ｎの数は、約１０以上でなければならない。

波長λ_kにおける単色照射を想定して、図５２（ａ）から図５２（ｄ）に、ｙ方向の倍率Ｍを有する回折測定システム４０を用いて、Ｈ₁＝ＭＨであるようにした、図５１の格子オーバーレイ・ターゲット３６００のｎ＝＋１の１次回折の画像を示す。図５２（ａ）および図５２（ｄ）は、それぞれ、＋１および−１次回折の強度３７０１、３７０２を示し、それぞれ、図４６および図４７に示すような方位からの照射のため検出器４６０の平面図上に作図し、Ｂプロセス・パターンの相対位相φはゼロである。グラフ３７１１、３７１２に、ｘ’方向上で平均化した（または合計した）対応する強度を、それぞれ示す。φ≠０である場合、図５２（ｃ）および図５２（ｄ）に、検出器４６０の平面図上に、＋１および−１次回折強度３７０３、３７０４を作図し、グラフ３７１３、３７１４に、対応するｘ’方向の平均化または合計した強度をそれぞれ示す。回折は、ターゲットのパターニング領域内でのみ発生するので、検出された強度は、領域Ｈ₁×Ｌ₁（λ_k）の外ではゼロである。グラフ３７１１、３７１２、３７１３、および３７１４に示すように、ｙ’₁からｙ’₂に延出する検出器４６０平面のＨ₁×Ｌ₁（λ_k）領域内では、強度はｘ’方向で均一であるが、数式（２９）に従って、図４９および図５０に示すように、ｙ’方向において変動する。φ＝０の場合、ｎ＝±１次は同一であり、最小強度はＤ_x（ｙ’_x）＝Ｐ／２の場合に発生する。従って、非ゼロ・オーバーレイ・エラーε_xは、正および負の双方の次数ｎ＝±１の最小強度の位置でシフトを生じ、固定したＨ_I外周によって画定されるｙ’₀＝ｙ’₁＋ｙ’₂／２（図５２（ａ）および図５２（ｂ）のグラフ３７１１および３７１２を参照）での最小の公称設計位置に対して同じ方向である。一般に、オーバーレイ・エラーは以下のように表される。

ここで、φ＝０の場合、ｙ’_v≡（ｙ’_-v＋ｙ’_+v）／２＝ｙ’_-v＝ｙ’_+vである。しかしながら、φ≠０の場合、ｎ＝±１次の最小値（ｙ’_-v、ｙ’_+v）および最大値（ｙ’_-p、ｙ’_+p）は、Ｄ_x（ｙ’）＝Ｐ／２位置を中心に対称的にシフトする（図５２（ｃ）および図５２（ｄ）のグラフ３７１３および３７１４を参照）。この結果、オーバーレイ・エラーε_xは、正および負の回折次数で平均化した最小および最大の位置に直接のみ関連する。

ここで、ｙ’_v≡（ｙ’_-v＋ｙ’_+v）／２およびｙ’_p≡（ｙ’_-p＋ｙ’_+p）／２である。

非ゼロ次回折を用いてオーバーレイ・エラーを決定するための最も一般的な手法は、回折強度の変動を数式（２９）の関数依存度に当てはめることである。固定波長λ_kでは、未知の振幅Ｋ_k、γ_k、位相φ_k、およびオーバーレイ・エラーε_kは、最小二乗フィッティング等の曲線フィッティング法によって決定可能であり、測定した正および負回折次数の強度の和を、数式（２９）のターゲット周期に垂直な方向（ｙ’方向）の既知の依存度に当てはめる。

ここで、以下が成り立つ。

χ²は、自由パラメータとしてＫ、γ、φ、およびε_xを用いて最小化される残りである。図５３（ａ）は、検出器４６０の平面上で、それぞれ波長λ₀＋Δλ、λ_k、λ₀−Δλの多波長照射について、正の１次強度３８０１、３８０２、３８０３の平面図を示す。正の次数における回折強度のｙ’依存度の測定の最小二乗フィッティングは、図５３（ｂ）に示すように、検出器アレイ４６０上で各位置ｘ’（λ_k）で実行可能である。検出器アレイ４６０上の平面図に、対応する負の１次強度３８０６、３８０５、３８０４を示し、図５３（ｄ）は、負の次数についての最小二乗フィッティングを示す。同様の分析を、広帯域照射について行うことができる。オーバーレイ・エラーは波長に依存しないが、多波長または広帯域照射を用いると、γ_k＞γ_thresholdが１に近い所定の閾値よりも大きい波長のみを集合的に用いて、測定精度を保証することができる。γ_thresholdの許容値は、数式（３０ｂ）によって示されるように、ターゲット要素の相対幅および照射波長範囲におけるそれらの反射率に依存する。測定オーバーレイ・エラーは、異なる検出器位置ｘ’（λ_k）において求められる波長特定のオーバーレイ・エラーε_x（λ_k）の平均値である。波長特定オーバーレイ・エラーの標準偏差を計算することができ、これによって測定精度のその位置での（in situ）監視を行う。

ＣＤ測定の場合と同様に、本発明に従ってウエハ上に転写されるオーバーレイ・ターゲット３９００の別の実施形態は、「砂時計形」または「樽形」ターゲット要素３９０１、３９０２を含むように設計され、これらが、Ａリソグラフィ・プロセスのための２つの逆傾斜セクション３９１１およびＢプロセス条件に対応する３９１２から成り、図５４に示すように公称ピッチＧ₀で分離した２つの副領域３９１０、３９２０に組織され、転写ターゲット３９００上に乗っている。２つの副領域３９１０、３９２０の使用が測定感度を二倍にする一方で、所定のピッチによって、要素３９１１、３９１２のそれぞれの検出器４６０上の中央位置ｙ’₀₁、ｙ’₀₂（図５４に示すターゲット３９００の平面における位置ｙ_1m、ｙ_2mに対応する）を求める必要性をなくす。数式（３５ａ）の最小二乗フィッティングは、Ｄ_x＝Ｐ／２に対応するシフト位置間の距離、すなわちＧ＝（ｙ’_1m−ｙ’_2m）／Ｍを決定する。既知の周期Ｇ₀に対する測定距離がオーバーレイ・エラーを決定する。

図５５に示す離散差動格子ターゲット４０００は、本発明の同じ差動回折測定の原理に基づいてオーバーレイ測定の代替的な手段を提供する。格子４０００は、３つ以上の副領域、例えば領域０（４０１０）、領域１（４０１１）、領域２（４０１２）に分割され、各副領域内で、ピッチＰで離間した、幅Ｗ_Aを有するＡプロセスの要素４００１は、ｘ方向（主周期の方向）に沿って同じ位置を有するが、幅Ｗ_Bを有するＢプロセス要素４００２は、やはりピッチＰで離間されているが、異なる副領域でＡ要素４００１に対して名目上異なる配置で配置されている。各副領域の要素は、ｙ方向において公称長さＨを有する。領域０（４０１０）と示されている副領域の１つで、Ｂ要素４００２はＡ要素に対して公称固定オフセットＤ_x＝０．５Ｐを有する。隣接する副領域（例えば領域１（４００１）、領域２（４０１２））で、Ｂ要素４００１は、それぞれ相対オフセットＤ₁、Ｄ₂を有し、ここでＤ₁＝Ｄ_x−Δ₂、Ｄ₂＝Ｄ_x＋Δ₁である。ここで、好ましくは、Δ₁＝Δ₂である。各副領域は、図４６に示すように正のｘ方向で、倍率Ｍを有する回折測定システム４０の検出器アレイ４６０上で別個に撮像されて、正の１次を捕捉し、次いで図４７に示すように負のｘ方向で、負の１次を捕捉する。図５６（ａ）および図５６（ｂ）に、各領域における強度がほぼ一定である単色照射の場合の、検出器アレイ４６０上の検出画像を示す。図５６（ａ）に、領域１（４１１１⁺）、領域０（４１１０⁺）、および領域２（４１１２⁺）について、ｎ＝＋１（正）画像を示し、図５６（ｂ）に、領域１（４１１１^-）、領域０（４１１０^-）、および領域２（４１１２^-）についてのｎ＝−１（負）次の画像を示す。上述のように、各領域ごとの画像のサイズは、Ｈ_I×Ｌ_Iであり、ここＨ_I＝ＭＨおよびＬ_I＝ＭＨＰである。好ましくは、所与の次数の差動ターゲット４０００の全ての領域を撮像した後、照射の方向を切り替えることによって、正および負の画像を順次撮像する。各画像を、以降の分析のためにストアすることができる。撮像シーケンスについて多くの変更が可能であり、これらには、ターゲット周期に平行な多数の方向から同時に照射される異なる方位で転写される多数のターゲット撮像、または、代替的な撮像方位を得るためにウエハを順次再配置することが含まれるが、これらに限定されるわけではない。各回折次数ごとに、別個のターゲット領域（例えば４０１１、４０１０、４０１２）の構成を、検出器アレイ４６０の対応する領域上で撮像する（例えば、＋１次について、それぞれ領域４１１０⁺、４１１１⁺、４１１２⁺において画像強度Ｉ０₊₁、Ｉ１₊₁、Ｉ２₊₁、−１次について、それぞれ領域４１１０^-、４１１１^-、４１１２^-において画像強度Ｉ０_-1、Ｉ１_-1、Ｉ２_-1）。

数式（２９）から、主周期の方向、例えばｘ方向に沿ったオーバーレイ・エラーε_xに対する６個の強度Ｉ０₊₁、Ｉ１₊₁、Ｉ２₊₁、Ｉ０_-1、Ｉ１_-1、Ｉ２_-1の応答を、図５７から図５９に作図する。これらは、図５５におけるオーバーレイ・ターゲット４０００の場合であり、γ＝１における相対位相φの３つの代表的な値（すなわち、それぞれφ＝０、π／８、およびπ／４）について示す。強度は、許容されるダイナミック・レンジ上でのみ作図している。これは、図５５のオーバーレイ・ターゲット４０００の別個のＡおよびＢプロセス・パターンが重複しないオーバーレイ・エラーε_xの範囲である。例えば、図５５のターゲット４０００の場合、ダイナミック・レンジは、約（Ｐ／４＋（Ｗ_A＋Ｗ_B）／２）＜ε_x＜３Ｐ／４−（Ｗ_A＋Ｗ_B）／２）であり、この中で、オーバーレイ・エラーの変化に対する相対強度の応答は線形である。許容されるダイナミック・レンジの外では、オーバーレイ・エラーに対する強度の応答は、非線形である可能性が高い。ターゲット要素の幅Ｗ_A、Ｗ_Bは、好ましくは充分に大きいものを選択して、近似効果が顕著でないようにし、更に、転写幅が本質的に設計どおりであるようにする。好ましくは、Ｗ_A、Ｗ_Bは、名目上等しく、周期の固定小数部として選択し、好ましくはＷ_AおよびＷ_Bは約０．２Ｐである。６個の強度（すなわち、２つのオーバーレイ・ターゲット副領域４０１０、４０１１、４０１２についての＋１および−１回折次数）についてのオーバーレイ・エラーε_xの応答は、各々、規格化した相対位相φの関数として一意に変動する。印刷ターゲットの相対位相レジメ（regime）に従って、６個の強度の応答曲線を分類することができる。例えば、図５７は、φ＝０についての強度応答を示す。ここで、各ターゲット副領域４０１０、４０１１、４０１２では、それぞれ強度曲線４２１０、４２１１、４２１２に示すように、正および負の回折次数は相互に重なっている。しかしながら、φ＝π／８の場合、６個の強度応答曲線Ｉ０₊₁、Ｉ１₊₁、Ｉ２₊₁、Ｉ０_-1、Ｉ１_-1、Ｉ２_-1、４２２０⁺、４２２０^-、４２２１⁺、４２２１^-、４２２２⁺、４２２２^-の各々は、それぞれ、図５８に示すように異なる。一方、φ＝π／４の場合、Ｉ１₊₁（４２３２）およびＩ２₊₁（４２３３）の応答は各々別個であるが、Ｉ０_-1、Ｉ１_-1およびＩ０₊₁、Ｉ２₊₁は、それぞれ、図５９に示すように、曲線４２３０および４２３１で重なっている。従って、本発明は、相対位相φおよび相対大きさγを抽出するために、強度の相対応答を用いる。これについては以下で更に詳細に述べる。

単一の波長で検出される強度の比は、以下の数式の組によって記述される。

ここで、以下のパラメータを定義した。

数式（３７ａ）〜数式（３７ｃ）を並べ替えて、３つの未知のΨ⁺、Ψ^-、およびρについて、一般的な解を以下のように得る。

ここで、以下が成り立つ。

差動オーバーレイ測定について特に関心の対象となるのは、好ましくはΔ＝Ｐ／４の場合である。そのためａ＝０であり、数式（３８ａ）〜数式（３８ｃ）は以下のように簡略化される。

ここで、以下が成り立つ。

簡潔さのために、Δ＝Ｐ／４の場合に焦点を当てるが、Δの他の値の場合にも同様の分析を容易に適用することができる。

数式（２５）および数式（３７）〜数式（３９ｄ）は、ここで、測定可能強度（Ｉ０_±1、Ｉ１_±1、Ｉ２_±1）の項で、未知のオーバーレイ・エラーε_x、相対振幅（magnitude）γ、および相対位相φについて、解くことができる。

数式（３８ａ）および数式（３８ｂ）のΨ⁺、Ψ^-の定義におけるアークコサイン関数によって、解にあいまいさが生じ、これは、オーバーレイ・エラーおよび相対位相の物理的な特徴に従って解を制約することによって解決可能である。測定強度比の項で表されている数式（３９ａ）〜数式（３９ｄ）を、正しい（すなわち物理的に意味のある）オーバーレイ・エラーε_xおよび位相φの決定に適用するには、変換を（Ψ⁺、Ψ^-）に対して行う必要があり、これはΔ＝Ｐ／４である場合、（−π＜φ≦π）内の異なる可能な位相レジメと一貫する。これは、数式（４１）のφを一定に制限することによって達成される。なぜなら、相対位相はオーバーレイ・エラーの関数として変化しないからである。更に、数式（４０）のオーバーレイ・エラーε_xは、好ましくは、許容されるダイナミック・レンジ上で１つの傾斜を有する線形に制限される。すなわち、転写されたＤ_xの変動は、結果として、ε_xの値において固定した比例の変化を生じることが好ましい。

（Ψ⁺、Ψ^-）に対する必要な変換は、図６０から図６２のフローチャートに示す。ここで、以下のパラメータを定義した。

図６０および図６２に示すフローチャートが記述する論理ツリーにおいては、全てが測定強度から導出される数式（４３）の様々なパラメータを試験し、ゼロと比較して、Ψ⁺およびΨ^-の値を調節（または変換）しなければならないか否かを判定する。

図６０を参照すると、最初にパラメータΔＣを試験する（ブロック４３０１）。ΔＣ＝０である場合、これは、φ＝０またはπである場合（ブロック４３０２）の第１の「縮退（degenerate）」の場合となり、２つの回折ｎ＝±１次が同一である。次に、パラメータΔΨの符号を調べる（ブロック４３０３）。ΔΨ≧０である場合（ブロック４３０４）、相対位相φをゼロに等しくセットし（ブロック４３０５）、パラメータ

は、以降Ｃバーと記載する。
の符号を調べる（ブロック４３０６）。Ｃバー≧０である場合（ブロック４３０７）、Ψ⁺またはΨ^-の変換は必要ない（ブロック４３０８）。Ｃバー＜０である場合（ブロック４３０９）、ブロック４３１０に示すように、Ψ⁺をπ＋Ψ⁺に変換し、Ψ^-をπ−Ψ^-に変換する。ΔΨ＜０である場合（ブロック４３１１）、φをπに等しくセットし（ブロック４３１２）、Ｃバーを調べる（ブロック４３１３）。Ｃバー≧０である場合（ブロック４３１４）、Ψ⁺をπ＋Ψ⁺に変換し、Ψ^-の変換は行わない（ブロック４３１５）。Ｃバー＜０である場合（ブロック４３１６）、Ψ^-の符号を逆にし、Ψ⁺をπ−Ψ⁺をに変換する（ブロック４３１７）。ΔＣ≠０である場合（ブロック４３１８）、ブランチ（ブロック４４００）を取り、図６１に示すようにΨ⁺を決定し、更に、ブランチ（ブロック４５００）に進んで、図６２に示すようにΨ^-を決定する。

図６１を参照すると、ΔＣ≠０である場合のΨ⁺ブランチ（ブロック４４００）では、最初に、Ｃ⁺の符号を調べる（ブロック４４０１）。Ｃ⁺≧０である場合（ブロック４４０２）、ΔＴを調べる（ブロック４４０３）。ΔＴ＜０である場合（ブロック４４０４）、Ψ⁺の変換は必要ない（ブロック４４０５）。ΔＴ≧０である場合（ブロック４４０６）、ΔＣを調べる（ブロック４４０７）。ΔＣ＞０である場合（ブロック４４０８）、Ψ⁺の変換は必要ない（ブロック４４０５）。ΔＣ＜０である場合（ブロック４４０９）、Ψ⁺をπ＋Ψ⁺に変換する（ブロック４４１０）。同様に、Ｃ⁺＜０である場合（ブロック４４１１）、ΔＴ（ブロック４４１２）およびΔＣ（ブロック４４１６）の符号を順次調べて、Ψ⁺の適切な変換を決定する（ブロック４４１４またはブロック４４１９）。同様に、ΔＣ≠０の場合に適切なΨ^-の変換を決定するため（ブロック４５０５、４５１０、４５１４、および４５１９）、図６２に示す論理に従って、ブロック４５００から開始する。この論理によってΨ⁺およびΨ^-を変換したら、数式（３９ａ）から数式（３９ｄ）によって、図５５の４０００等、本発明のオーバーレイ・ターゲットから検出した６個のｎ＝±１次強度Ｉ０₊₁、Ｉ１₊₁、Ｉ２₊₁、Ｉ０_-1、Ｉ１_-1、Ｉ２_-1（図５６（ａ）および図５６（ｂ）に示すように）の測定から、ε_xおよびφの正確な値を決定することができる。図６３に示すように、結果として得られる、Ψ⁺およびΨ^-の変換の後に数式（４０）から計算されるオーバーレイ・エラーε_Cの、オーバーレイ・エラーε_inのいずれかの入力値に対する応答は線形であり、１の傾斜およびゼロの切片（intercept）を有し、Δ＝Ｐ／４の場合に許容ダイナミック・レンジ内のγおよびφの値には関係ない。このグラフを作成するため、０．１の増分で０．１≦γ≦１の値を選択し、π／１００の増分で−π≦φ≦πを選択した。図５１の連続的に変化するターゲットの場合と同様、多波長または広帯域照射を用いて、異なる位置ｘ（λ_k）での強度のサンプリングを行って、γを最大化することができる。

数式（３８ｄ）において定義した相対強度比の差ηおよび合計κの測定変化に対するオーバーレイ・エラーε_xの感度は、以下のように与えられる。

数式（３９）から、以下が得られる。

数式（３８ａ）〜数式（３８ｄ）における置換によって、以下が得られる。

ここで、数式（４４）の計算におけるΨ⁺、Ψ^-の値は、数式（３９ａ）〜数式（３９ｄ）と同一の変換を行わなければならない。

図６４に示すように、γ＝０．８およびφ＝０の場合、本発明の差動オーバーレイ測定の望ましい特性は、ε_x＝０で∂ε_x／∂κがゼロを通ることである。これによって、本発明のターゲット設計および測定技法がε_x＝０の近傍でオーバーレイ・エラーに対して高い感度を有することが保証される。ε_xに対する∂ε_x／∂κの依存度は、オーバーレイ・ターゲットを定義する２つのパターン・レベルＡおよびＢの相対振幅γおよび位相φの関数である。（∂ε_x／∂η）はゼロを通らないので、これは感度に対して∂ε_x／∂κと同じほどに大きくは寄与しない。

オーバーレイ・エラーの測定においては、少なくとも２つの方位のｎ＝±１次強度を検出して、オーバーレイ・エラーのベクトル成分であるε_x、ε_yを求める必要がある。このため、本発明の回折測定装置は、好ましくは、照射を方向付け、図５４および図５５およびに示すようなもの等のターゲットの２つの方位に相当する少なくとも２つの方位でｎ＝±１回折次を集光する能力を含む。図６５および図６６は、本発明の回折測定装置３４０の一実施形態の概略図を示す。これは、必要な強度データの迅速な取得を可能とし、共通の光源４１０（例えば以前に述べたような帯域幅λ±Δλを有する）、任意のカラー・フィルタ４１２、照明光学部品４１３、任意の偏光子３１４、および共通の回折次検出器４６０（例えば第１のＣＣＤアレイ）を用いる。回転可能ミラー３９８は、最初は方向３１０に沿って、順次ミラー（例えば３０１、３０２）へと照射を方向付け、これらのミラーは、経路３２１に沿って基板３４０上の回折測定ターゲット４５５へと照射を方向付ける。ターゲット４５５は、ｘ方向に沿って配された周期Ｐによって特徴付けられている。回転可能ミラー３９８は、異なる方位からターゲット４５５の照射を与えるように回転することができる。このため、例えば、図６５において、回転可能ミラー３９８は、方向変換ミラー３０１、３０２等の手段によって、正のｘ方向に沿って照射を方向付け、＋１回折次４４１を集光する。回転可能ミラー３９８の向きを１８０度変えることによって、照射は最初に３２０の方向に向かい、方向変換ミラー３０４、３０３等の手段に向かって、経路３３１に沿って、負のｘ方向からターゲット４５５を照射し、このため、図４２（ｂ）に示すように、−１回折次４４１’を集光する。検出器光学部品４３０および、任意に検出器ＣＣＤ１４６０自体は、回転するミラー３９８と同期して回転して、光学部品４３０の異方性（ｘ−ｙで異なる）撮像機能と照射の面との間の固定関係を維持する。追加の方向変換ミラー（図示せず）をｙ方向に設けて、ｙ方向でもオーバーレイの測定値を得ることも可能である。任意に、基板４５０は、回転可能プラットフォーム３８０上で支持あるいは固定またはその双方を行うことができる。プラットフォーム３８０を用いて、異なる方向からの照射を可能とするように基板４５０を配置することができる。任意に偏光子３１４を設けて、ミラー３９８と共に回転させて、最適な１次回折効率に対応した偏光を得る。好適な実施形態は、照射を、直交軸上に位置する４つの異なる方位に向ける。入射方向に直交する要素を有するターゲット格子では、１次回折を、格子周期に垂直な方向において検出器ＣＣＤ１４６０上で拡大および撮像し、格子周期に平行な方向で波長に線形に分散させる。任意に、第２の検出器アレイ（ＣＣＤ２等）４８０を設けて、分散要素４３５を介し第２の光学部品４３６を介して送られたゼロ次エネルギ４４０を集光することができる。更に、ＣＣＤ３等の第３の検出器アレイ４８５を設けて、第３の光学部品４８６を介して誘導された分散要素４３５（回折しない）で反射したゼロ次エネルギを集光して、以下で更に述べるように、追加の測定値を得ることができる。

図６５および図６６の測定装置には、多くのターゲット構成を適用可能である。上述の基本タイプのＣＤおよびオーバーレイ・ターゲットを、単一および多数のプロセス層上でグループ化して、特定の製造およびプロセス特徴付け用途に調整した同時に照射されるターゲット「クラスタ」を形成することができる。上述のようなクラスタの１つは、図４２に示すスルー・ピッチ・ターゲットである。ターゲット・クラスタを生成する際には、主ターゲット周期および照射平面に垂直な方向での撮像によって、撮像方向における隣接格子が相互に干渉しないことを確実とする。このため、クラスタは、単一の方位で多数の（検出視野のみによって限定される）基本ターゲットで構成することができ、照射平面に垂直な方向に積層されている。しかしながら、照射平面に平行な周期を有する基本ターゲットの回折強度の波長分散の伸長（elongation）においては、同じ方位の基本ターゲットを照射平面において相互に隣接して配置することができないということが要求される。照射平面に積層されるターゲットの分離は、それらの方位を変更することによって達成される。照射平面における基本ターゲット間の最良の分離は、同時に照射される基本ターゲットの方位がそれぞれ照射平面に対して平行および垂直である場合に達成される。図６７に、オーバーレイ、ＣＤ、および膜厚の同時測定を可能とする有用なクラスタ構成を示す。図６７に示すように、本発明の差動オーバーレイ・ターゲット４８００の実施形態は、レベルＢおよびＡ（すなわち、プロセスＢを用いて転写した格子要素はプロセスＡを用いて以前に転写したものと交互配置される）で２つのオーバーレイ格子４８１０、４８３０を有することができ、各々が、２つの部分から成る格子副領域を有する図５４の格子３９００と同様であり、ｘ方向に配置された格子４８１０はｘ方向ピッチＰ_OLxを有し、ｙ方向に配置された格子４８３０はｙ方向ピッチＰ_OLyを有する。ほとんどの場合、Ｐ_OLx＝Ｐ_OLy＝Ｐ_OLである。また、これと同じターゲット４８００を、ＢレベルＣＤ格子４８２０、４８４０を組み合わせるように設計する。各々が、図９、図１１、図１２〜図１４、図２６、図３３、図３６、図３７（ａ）〜図３７（ｂ）、または図３０〜図４２に示すもののいずれかに設計が類似し、それぞれピッチＰ_CDx、Ｐ_CDyを有し、ほとんどの場合、Ｐ_CDx＝Ｐ_CDy＝Ｐ_CD＝Ｐ_OL＝Ｐである。

検出器４６０（ＣＣＤ１）の平面上で、順次画像４９０１、４９０２、４９０３、４９０４は、回転可能ミラー３９８の方位に応じて、図６９に示すように現れる。一例として、図６８に示すように、ロックされた位置１、２、３、および４に順次時計方向３２２でミラーが回転し、各像４９０１、４９０２，４９０３、４９０４の形成を可能とすることを想定する。オーバーレイ画像処理は、各方位および回折次数において各格子領域の強度をストアすること、数式（３５ａ）〜数式（３６）を適用して２つの部分から成る各オーバーレイ格子領域４８１０、４８３０におけるオーバーレイ・エラーを解決することから成る。

また、図６８から図７１に示す差動ＣＤおよびオーバーレイ装置３４０の実施形態は、従来の分光光波散乱計測および膜厚測定を実行するように装備することができる。回転可能ミラー３９８を両側に反射させることによって、反射したゼロ次光４４０は、波長分散要素４３５を介して第２の光学部品４３６を通って各方位で第２のＣＣＤ検出器４８０（すなわちＣＣＤ２）へと向けることができる。従来のまたは差動格子ターゲットのいずれかが存在する場合、ゼロ次スペクトルを、従来の光波散乱計測技法によって分析して、パターン（ＣＤ、側壁角度等）および下にある膜の様々な特性を明らかにすることができる。先に注記したように、図６８から図７１に示すように、ＣＣＤ２アレイ４８０の平面図に像４９０５に示す、パターニングされていないターゲット領域のゼロ次強度スペクトルは、膜厚測定のために使用可能である。ＣＣＤ２画像４９０５は楕円形として示されている。なぜなら、これは、透過格子４３５の周期に垂直な方向に撮像され、透過格子周期に平行な波長分散方向に伸長した、ほぼ円形の光源４１０のゼロ次強度であるからである。全体的なターゲット画像は、光学部品４８６と共に構成されてゼロ次エネルギ４９０６を集光する第３の検出器アレイ４８５（すなわちＣＣＤ３）によって捕捉することができ、ターゲット・パターン認識およびウエハ整合のために、または、ターゲットの格子要素を解像する必要がない他の測定のために使用可能である。図６５および図６６のように構成された本発明の装置３４０は、単一のターゲット位置で同時に、ＣＤ、オーバーレイ、および膜厚測定を行う機能を提供し、結果として、３つの測定が全て必要である製造用途について測定速度がほぼ３倍になる。ＣＤおよび膜厚は、正および負の双方の回折次数の測定を必要としないが、正および負の回折次数の結果を平均しそれらの相違を計算して、測定精度を改善し監視することができる。従って、いくつかの用途では、オーバーレイとは別個にＣＤおよび膜厚の測定を行うことが好ましい場合がある。いずれにせよ、本発明の差動回折測定装置および方法によって、クラスタ・ターゲット・レイアウトにおいて高い柔軟性が可能となり、測定スループットおよび機能を最適化する。

図７２から図７５に示すように、ウエハ４５０上にターゲット・パターンが存在しない場合、本発明の装置３４０の実施形態を従来のスペクトル膜厚測定に用いることができる。この場合、第２の検出器４８０（図７４）で集光したゼロ次スペクトル５００１および所定の膜特性（測定波長における膜の屈折率の実数成分および虚数成分）を用いて、当技術分野において既知のように、パターニングされていない積層膜４５１の膜厚を求める。ターゲット格子が存在しない場合、図７３に示すように、第１の検出器位置４６０において集光される非ゼロ次回折は存在しない。任意に、装置３４０は、視認光学部品４８６を用いて構成可能であり、視認検出器ＣＣＤ３４８５を設けて、基板上のターゲット位置に対して照射を位置付けるのに必要な（例えばアライメント・マスク５００２を用いた）リアルタイム視認およびアライメント（位置合わせ）を可能とする。図示のように、検出器４８５上に像を形成する光は、透過格子表面からの正反射である。あるいは、ゼロ次ビームの経路３７１に配置されたビーム・スプリッタ（図示せず）が、光を撮像システムに導くことができる。

図７６に示すように、（図６５および図６６の）回折測定装置３４０の好適な実施形態では、調節可能ミラー３０２、３０３を設けて、１次回折光線４４１、４４１’の方向（照射光線が正のｘ方向３２１からか、または負のｘ方向３３１からであるかに応じて）が、基板表面４７５に対してほぼ直角であり、回折光を第１の検出器アレイ４６０に確実に導くようにする。図６５および図６６に示す装置３４０において、中央波長λ₀あるいはターゲット４５５の主ピッチＰまたはそれら双方が変化すると、入射光線３２１、３３１および１次開設光線４４１、４４１’間の角度θは、数式（１）に応じて変化する。固定の１次回折方向θを維持するため、第１の検出器アレイ４６０を、基板表面４７５に対して直角な方向に位置付けることができ、従って、好ましくは装置３４０の下部ミラー３０２、３０３の高さｈおよび傾斜角度ζ（垂直またはｚ方向に対して）は双方とも、図７６に示す装置３４０の詳細に示す幾何学的な関係によって要求されるように調整する。

ここで、ｒ₀は、第１の検出器アレイ４６０の好ましくは中央の水平位置からの、下部ミラー３０２、３０３の水平距離である。図５におけるように、角度Δθは、照射されたターゲットの波長分散を表す。同様の機能を与える本発明の装置３４０の多くの実施形態が可能であることに留意すべきである。これらの実施形態は、回転ミラーの代わりの多数の固定ビームの使用、ディザ・ミラー（dithered mirror）等の単一ビームを方向付ける異なる手段、ビームを適切に方向付けるための調節可能な光ファイバ・チャネル、光源および検出光学部品の代わりにターゲット中心の周りで基板を回転させることを含むが、これらには限定されない。

図７７は、本発明のターゲット設計プロセスの一実施形態の概要を表すフローチャートを示す。プロセスは開始する（ブロック５２００）と、転写すべき対象の限界パターン寸法（例えば、半導体製造の場合は最小回路構造体サイズＷ₀およびピッチｐ₀）を有するターゲット設計パターンが提供される。異方性の回折測定集光および撮像対物レンズ４１３（図４（ａ）を参照）のために、選択された照射中央波長λ₀および帯域幅±Δλ、および比較的低いＮＡ_x、ＮＡ_yが与えられると、１次回折を他の全ての回折次数から独立して確実に検出可能であるように、本発明の格子ターゲット４５５の全体的な寸法を求める（ブロック５２１０）。例えば、格子領域（または副領域）の高さＨ（主周期Ｐの方向に直交する）は、好ましくは、約（０．７λ／ＮＡ_y）よりも大きく、ここで、撮像方向における開口数ＮＡ_yは、好ましくは約０．０５と０．５との間であり、好ましくは、焦点深度、ターゲット・サイズ、および像の鋭さ間の妥協点として、約０．２である。格子の主周期Ｐは、好ましくはλ＜Ｐ＜（λ／ＮＡ_x）であり、ここで、全スペクトルを集光するために必要な開口数ＮＡ_x≧｜ｎ｜Δλ／Ｐは、条件λ＞｜ｎ｜Δλを意味する。ｎ＝±１およびλ＝２Δλでは、ＮＡ_x〜＿０．５が好適である。反復する要素の数Ｎは、好ましくは１０以上である。ターゲット設計のこれ以上の詳細は、用途がＣＤ測定用であるかオーバーレイ測定用であるかによって異なる（ブロック５２２５）。ＣＤターゲットでは、要素寸法は、主に、ターゲット構造体限界寸法Ｗ₀に基づいている（ブロック５２４０）。例えば、図２６に示すようなＣＤターゲット１７０１の設計では、２つの格子副領域１７３１、１７３２があり、この内部で、要素１７１１、１７１２はそれぞれ公称幅Ｗ_d1、Ｗ_d2を有する。ここで、Ｗ_d1＝Ｗ₀＋Δであり、Ｗ_d2＝Ｗ₀−Δであり、ここで、好ましくは、副格子ターゲット幅Ｗ_d1、Ｗ_d2間の差Δは、好ましくは、０．０１Ｗ₀≦Δ≦０．２５Ｗ₀であるように選択し、好ましくは０．１Ｗ₀である。露光量および脱焦に対する感度を高めるために、格子要素（例えば図３６におけるターゲット２５００）は、主ピッチＰの方向に対して直交する方向に沿って配されたサブ周期ｐ_fを有する副要素によって輪郭を描くことができる。ここで、ｐ₀≦ｐ_f≪Ｐである。図３７（ａ）および図３７（ｂ）のターゲット格子２６００等の副解像度支援構造体（ＳＲＡＦ：subresolution assist feature）を用いた格子では、ＳＲＡＦ間隔ｐ_SRAFは、好ましくは、λ_e／｛（１＋σ_e）ＮＡ_e’｝未満に制限し、ここで、パラメータλ_e、σ_e、ＮＡ_eは、それぞれ、露光ツールの波長、コヒーレンス、および開口数を示す。図３７（ａ）および図３７（ｂ）の露光ターゲット２６００の副解像度ピッチｐ_SRAFは、露光ツールの解像度よりも小さくなければならない。

ターゲット・タイプがオーバーレイ測定用である場合（ブロック５２３０）、設計パラメータは、設計の限界寸法に対する依存度は低いが、回折測定システムの解像度すなわちλ、ＮＡ_y、またはチップ上の利用可能な面積等の要因によって制約を受ける。このため、オーバーレイ・ターゲットの寸法は、主ピッチＰに依存し、例えば図５５に示すオーバーレイ・ターゲット４０００では、Ａプロセス要素とＢプロセス要素Ｄ₀（すなわち、水平方向のＤ_xまたは垂直方向のＤ_y）との間の公称間隔は、好ましくは、Ｄ₀＝０．５Ｐであり、Ｄ₁＝Ｄ₀＋Δ、およびＤ₂＝Ｄ₀−Δであり、Δは、好ましくは、約０．０１Ｐと０．２５Ｐとの間である。オーバーレイ・ターゲットの個々の要素の幅Ｗ_A、Ｗ_Bは、好ましくは、Ｗ₀≦Ｗ_A,B≦０．２５Ｐである。

本発明の装置（例えば、図４６、図４７、図６５、図６６、図７２〜図７５、図７６に示すような）を用いて、ウエハ上で多数の測定サイトの多数測定を実行することができる。この概要を、図７８〜図８１に示すフローチャートに表す。かかる用途の一例は、図３に示すようなトラック・ツールまたはエッチング・ツール上の測定モジュール２００であるが、本発明の統合型測定ツール２００は、オフ・ライン用途３５においても使用可能である。図７８を参照すると、多数の測定サイトを有する基板が、ツールに搭載されて位置合わせされている（ブロック５３００）。ウエハのための測定サイトの数およびタイプは、ツールに対する入力として供給することができる。あるいは、ターゲット間の意図的な差（例えばターゲット周期のオフセット）によって、測定ツールが実行中のターゲット・タイプを認識することができる。まず、ウエハがパターンを有するか否かのチェックを実行する（ブロック５３１０）。通常、ウエハがパターニングされている場合、ウエハ上の全てのパターンを、同様の一括の方法でアライメントし、従って、ウエハは通常、適切な平行移動および回転によって位置合わせされる（ブロック５３２０）。これは、例えば、図６５および図６６に示すもの等の視認検出器４８５（例えばＣＣＤ３）を用いることによって実行可能である。ウエハがパターニングされていない場合、アライメント・ステップは省くことができる（５３１２）。次に、第１の測定対象サイトを照明することができるように、ウエハを配置する（ブロック５３３０）。次いで、ターゲット・サイトのタイプによって、どの分析経路をとるかを決める（ブロック５３４０）。サイトにパターンが存在しない場合（５３４６）、ゼロ次測定値のみを取得する（経路５３４６）。そのサイトがパターニングされている場合、経路５３４８からブロック５３５０または５３６０に従うことによって非ゼロ次測定値を取得することができ、あるいは、経路５３４７に従うことによって、ゼロ次測定値を取得することができる。ゼロ次測定および分析は、本発明の回折測定ターゲットまたは従来の光波散乱計測ターゲットのいずれかを用いて実行可能であり（ブロック５３４５）、これについては、図７９を参照して更に詳細に説明する。サイトが本発明に従ったＣＤ回折測定ターゲットを含む場合、ＣＤ分析経路（ブロック５３５０）に従う。または、サイトが本発明のオーバーレイ回折測定ターゲットを含む場合、オーバーレイ分析経路（ブロック５３６０）に従う。これについては、それぞれ図８０および図８１を参照して更に詳細に説明する。全ての選択された測定サイトについて、同一のツールを用いて分析を継続することができる（ブロック５３９０）。全てのサイトを測定したら、ウエハを取り外し（ブロック５３９９）、または、トラックもしくはエッチング・ツールに沿って処理を継続する。

図７９を参照すると、選択した測定サイトにゼロ次測定が適切である場合（ブロック５３４５）、ターゲットが存在するか否かに応じて（ブロック５４００）、従来の膜厚測定または光波散乱計測のいずれかを実行することができる。双方の場合において、取得した反射ゼロ次測定値の分析のため、膜特性（５４０３）を与える。ターゲットが存在しない場合、与えられた膜特性（５４０３）に関して、ゼロ次強度測定値を分析して（ブロック５４０１）、当技術分野において既知の方法を用いて、パラメータ化したスペクトル応答との比較によって膜厚を求める（５４０６）。ターゲット・サイトが従来の光波散乱計測ターゲットを含む場合、較正された信号ライブラリあるいはパラメータ化したＲＣＷＡ（Rigorous Coupled Wave Analysis）またはその双方に従って（ブロック５４０４）、ゼロ次強度を分析することができる（ブロック５４０７）、ＣＤ、プロファイル、および膜厚の決定を行うことができる（ブロック５４０８）。測定対象の追加サイトがある場合、ウエハは、本発明のツールによって処理を継続することができる（ブロック５３９０）。

サイトが本発明のＣＤ回折測定ターゲットを含む場合、図７８に示すように、ブロック５３５０から５３７０に進むことができる。図８０において、ブロック５３７０を更に詳細に説明する。図８０を参照すると、１次回折強度測定値を取得する（ブロック５５０１）。ターゲット副領域強度間のコントラストを、例えば、図２６の領域１（１７３１）および領域２（１７３２）から取得し（ブロック５５１０）、ｘ’方向に沿って平均または合計し、すなわち図２７（ｃ）のＩ（ｙ’）とし、これを分析して平均ＣＤを求めることができる。例えば、ｙ方向に沿って連続的に変化する特徴的な寸法を有するターゲット（図９のテーパ要素ターゲット６０におけるように）については数式（１５）に従って、または、ｙ方向に沿って離散的に変化する特徴的な寸法を有するターゲット（図２６の多副領域１７０１におけるように）については数式（２０ａ）および数式（２０ｂ）に従って、コントラストの変化に対するターゲットのモデル化ＣＤの応答を得る（ブロック５５１２）。測定したコントラストを、モデル化応答に入力して（ブロック５５１３）、ＣＤを得る（ブロック５５１４）。ターゲット・サイトが、露光量および脱焦またはエッチング・レートおよび等方性等のプロセス条件に対して敏感な副領域を含む場合、例えば米国特許番号第５，９６５，３０９号に記載されたAusschnittの方法によって、プロセス条件とＣＤ変動との間の関係のモデルを用いることによって（ブロック５５１５）、結果として得られる平均ＣＤ測定値から（ブロック５５１６）、プロセス条件（ブロック５５１７）を得ることができる。

あるいは、露光量および脱焦測定等のプロセス条件は、ｙ’方向に沿って合計または平均した波長の関数すなわちＩ（ｘ’）として、強度の分析によって得ることができる（ブロック５５２０）。例えば焦点−露光マトリクス（ＦＥＭ：focus-exposure matrix）を用いて、またはシミュレーションによって、信号ライブラリ（５５２２）を実験的に与えることができる。信号ライブアリは、強度スペクトルと比較および照合して（ブロック５５２３）、露光量および脱焦またはエッチング・レートおよび等方性等のプロセス条件を導出することができる（ブロック５５２７）。転写された構造体の強度応答は、ＣＤおよび側壁プロファイル等の特性の双方に依存するので、コントラスト測定（ブロック５５１４）から得られたＣＤ値を、プロセス応答信号分析（５５２４）の結果に入力して、プロファイル測定値を導出することができる（ブロック５５２１）。ウエハ上の追加のサイトについて、本発明に従った測定を継続することができる（５３９０）。

また、本発明の装置を用いて測定可能な非ゼロ次強度スペクトルが、例えば側壁角度、レジスト損失、基礎部分等のターゲット格子要素の全てのプロファイル特性に対して敏感であり、下にある積層膜に対して鈍感であることに留意することは重要である。シミュレーションした、または実験的なプロセス・マトリクス信号ライブラリを用いて、これらのプロファイル詳細を明らかにすると共に、測定スペクトルに対応したプロセス条件を正確に特定することができる。本発明の差動回折測定手法は、従来の光波散乱計測に比べて、３つの利点を有する。

１．上述の露光量および焦点の感度によって立証されたように、プロファイルの変化に対する感度が高い。下にある積層膜に対する鈍感さによって、プロファイル特性を求める際の信号対雑音比を改善する。
２．本発明の差動技法によって独立して求められる平均ＣＤに対してプロファイル測定を行うことができ、これによって、信号対雑音比を更に高くする（図８０のブロック５５２４）。これは、図８０のプロファイル決定経路にＣＤを結び付ける矢印５５２５によって概略的に示されている。
３．下にある積層膜に対する鈍感さによって、リソグラフィにおける焦点−露光マトリクスおよびエッチングにおけるレート−等方性マトリクスを用いたスペクトル変動の決定により、シミュレーションした、または実験的なライブラリの発生をはるかに効率的に行うことができる。このため、プロセス制御用途について、スペクトルおよびプロセス設定間に直接的な関係が確立される。これは、図８０のスペクトルおよび信号ライブラリ５５２２からプロセス設定５５２７までの経路５５１９によって概略的に示される。

図８１を参照すると、オーバーレイ・ターゲットの場合（ブロック５３６０）、オーバーレイ分析（ブロック５３８０）は、以下のステップを含む。オーバーレイを測定するため、４つの異なる方位からの強度測定値が必要である（ブロック５５３８）。測定強度を、オーバーレイ・ターゲットのモデル化応答（ブロック５５３９）と比較する（ブロック５５４０）。これは、例えば、ｙ方向に沿って連続的に変化する特徴的な寸法を有するターゲット（図５１のターゲット３６００等）については数式（３５ａ）および数式（３５ｂ）に記載されるように、または、ｙ方向に沿って離散的に変化する特徴的な寸法を有するオーバーレイ・ターゲット（図３３のターゲット２３００等）については数式（４０）に記載されるように行う。分析に最良の信号対雑音比を利用可能であることを確実とするために、γ＞γ_thresholdができる限り大きくなるように選択されるように、波長範囲を選択することができる（連続的に変化する特徴的な寸法のターゲットについては数式（３５）に記載するように、または、離散的に変化する特徴的な寸法のターゲットについては数式（４２）に記載するように）。ターゲットが離散的に変化するタイプである場合（ブロック５５４３）、Ψ^±の位相変換分析を行って（図６０〜図６２におけるように）、物理的に意味のあるオーバーレイ・エラーの選択を可能とすることが必要である。次いで、連続的に変化する特徴的なターゲット寸法については数式（３５）に記載するように、または、離散的に変化する特徴的なターゲット寸法については数式（４２）に記載するように、選択波長において求めたオーバーレイ・エラーの平均値として、オーバーレイ・エラーを計算することができる（ブロック５５４５）。もっと多くの測定サイトが残っている場合、全ての選択サイトを処理するまで、測定プロセスは継続することができる（ブロック５３９０）。

この方法は、画像プロセッサ４９０（図４（ａ））等のコンピュータ・システム上で実行するための、コンピュータ読み取り可能ストレージ媒体上での実施に適している。そのコピュータ・システムは、中央演算処理装置、入力／出力（Ｉ／Ｏ）デバイス、およびストレージ・デバイスを有し、それらが、図４（ａ）に示すように、この方法を実行し、データを受信し、本発明の装置を制御するための命令を実行することができる。

ＣＤおよびオーバーレイ測定、ならびに露光量および焦点制御のための現在の顕微鏡検査手法に対する、上述の本発明によって実現される利点は、精度および速度の面で優れた、より簡単でロバストな測定装置を含む。本発明の差動オーバーレイおよびＣＤ測定手法は、検出強度の相対的な大きさのみを用いて、既知のターゲット周期に対するその場の（in situ）測定の較正を与え、これによって、従来の測定ツール間のＴＩＳ、ＷＩＳ、およびマッチング・エラーの主な源を排除する。更に、本発明は、ＣＤまたはプロファイル測定のための光波散乱計測が必要とする面倒なセットアップ手順を必要とすることなく、露光量および焦点の監視および制御の双方を可能とする。

本発明に従った方法、および様々なレイアウトに対する適用は、上述の実施形態に限定されないことは、当業者には認められよう。従って、本発明は、本発明の範囲および精神ならびに特許請求の範囲内に該当する全てのそのような代替、変更、および変形を包含することが意図される。

本発明の方法は、集積回路のフォトリソグラフィ処理において有用であり、処理される各ウエハごとに正確な露光およびエッチング条件が用いられることを保証することによって、ウエハ設計寸法を取得し、限界寸法を制御するために、特に有用である。

リソグラフィ、エッチング、および様々な測定ツールから成る半導体パターニング・システムの典型的な構成要素を示す。光波散乱計測（ＳＣＭ）ツールを用いた結果として複雑さが増した半導体パターニング・システムを示す。本発明の統合型測定（ＩＭ）装置を用いた結果得られる半導体パターニング・システムを示す。本発明の装置の一実施形態の垂直側面図である。図４（ａ）の装置の図の更に詳細な図である。図４（ｂ）の装置の図の更に詳細な図である。格子ターゲットの二次元反射率の図である。図７の格子要素の幅の関数として、結果として得られる１次強度を示す。テーパ格子要素から成る格子ターゲットの上面図である。図４（ａ）から図６の装置のＣＣＤアレイ上のテーパ格子ターゲットの１次回折強度の像であり、単色照射について、画像を（ａ）に、ターゲット周期に平行な方向で合計した強度を（ｂ）に、ターゲット周期に垂直な方向で合計した強度を（ｃ）に、多波長照射の場合について、画像を（ｄ）に、ターゲット周期に平行な方向で合計した強度を（ｅ）に、ターゲット周期に垂直な方向で合計した強度を（ｆ）に示す。格子要素が逆方向のテーパ形状を有し共通の周期を有する２つの領域に分割された格子ターゲットを示す。各領域対の逆方向のテーパ格子要素が逆方向のトーンを有し共通の周期を有する４つの領域に分割された格子ターゲットを示す。テーパおよびトーン逆転の詳細を示す。テーパおよびトーン逆転の詳細を示す。シミュレーションした結果に対応する物理的ターゲットを示す上面図を（ａ）に、基板およびターゲットの断面図を（ｂ）に、基板およびターゲットの断面図を（ｃ）に示す。図１５（ａ）から図１５（ｃ）のターゲットの輪郭を描く空間および形状端部のシミュレーションした外形を示す。ターゲット周期に垂直な方向におけるシミュレーションした波長平均強度分布を示す。図１２〜図１４におけるターゲットのシミュレーションした露光量応答を示す。図１２〜図１４におけるターゲットのシミュレーションした焦点応答を示す。波長および酸化物の厚さの関数としてゼロ次回折効率のシミュレーションした応答を示す。波長および酸化物の厚さの関数として１次回折効率のシミュレーションした応答を示す。波長および露光量の関数としてゼロ次回折効率のシミュレーションした応答を示す。波長および露光量の関数として１次回折効率のシミュレーションした応答を示す。設計格子要素幅において、波長および焦点の関数として１次回折効率のシミュレーションした応答を示す。設計格子要素幅において、波長および焦点の関数として１次回折効率のシミュレーションした応答を示す。格子要素が異なる幅を有し共通の周期を有する２つの領域に分割された格子ターゲットを示す。２つの格子領域の１次回折強度の像を示す。平均幅から３０％異なる幅を有する２つの格子の１次回折強度のグラフを示す。数式（２０ａ）〜数式（２０ｂ）に対する「＋」解から計算した幅が公称幅と同一であることを示すグラフである。公称からの２つの幅の小数部の逸脱βの異なる値について公称幅の関数として測定可能コントラストの二乗のグラフである。公称幅の全範囲にわたる測定可能コントラストに対する幅の感度のグラフである。最大の対象範囲にわたる測定可能コントラストに対する幅の感度のグラフである。４つの領域から成るデュアル・トーン線幅ターゲットを示し、そのうち２つは異なる幅の分離線形状を含み、他の２つは異なる幅の分離線空間を含む。露光量および焦点に対する図３３のターゲットのシミュレーションした応答のグラフである。露光量および焦点に対する図３３のターゲットのシミュレーションした応答のグラフである。４つの領域から成るデュアル・トーン線長ターゲットを示し、そのうち２つでは、分離線形状が異なる長さの周期的直交線空間の端部によって画定され、他の２つは、異なる長さの周期的直交線形状の端部によって画定されている。露光量および焦点の双方に対する応答を別個に高めるターゲットを示す。露光量ターゲットは、マスク上の副解像度支援構造体を用いて、基板上で露光量感度を高め、焦点感度を抑える。焦点ターゲットは、テーパ線端部を用いて、線端短縮の焦点感度を高める。図３７（ａ）および図３７（ｂ）の露光量および焦点ターゲットのための露光量応答のグラフである。図３７（ａ）および図３７（ｂ）の露光量および焦点ターゲットのための焦点応答のグラフである。高密度コンタクト・ホールから成る差動格子ターゲット・レイアウトを示す。格子周期に垂直に配置された高密度平行線から成る差動格子ターゲット・レイアウトを示す。図２６に示したタイプの多数ターゲットからなるターゲットを異なる周期で示す。図４２に示したターゲットのための本発明の装置における光線を示す。図４２および図４３のターゲットおよび装置に対応する検出強度を示す。図２６のターゲット・レイアウトのゼロ次検出強度を示す。負の１次回折を撮像するための装置構成を示す。正の１次回折を撮像するための装置構成を示す。オーバーレイ測定に適した２レベル格子ターゲットの二次元反射率を示す。相対的な振幅γおよび位相φの様々な条件について、格子要素の相対位置に対する、結果として得られる１次強度の依存度のグラフである。相対的な振幅γおよび位相φの様々な条件について、格子要素の相対位置に対する、結果として得られる１次強度の依存度のグラフである。逆方向に傾いた格子要素から成る２レベル格子ターゲットである。本発明の装置の検出器アレイ上での２レベル傾斜格子ターゲットの正および負の１次回折強度の代表的な単色画像を示す。本発明の装置の検出器アレイ上での２レベル傾斜格子ターゲットの正および負の１次回折強度の代表的な多波長画像を示す。逆方向に傾斜した格子ターゲット対から成る２レベル「砂時計形」ターゲットを示す。Ｂプロセス・レベルでの格子要素がＡプロセス・レベルでの格子要素に対して異なる位置を有する３つの領域に分割された２レベル格子ターゲットを示す。図５５のターゲットに対応する３つの格子領域の正の１次回折強度の画像を示す。 Δ＝Ｐ／４の場合の２レベル間の様々な相対反射率位相条件のもとでの、オーバーレイ・エラーの関数としての３つの領域の正および負の１次回折強度のグラフである。 Δ＝Ｐ／４の場合の２レベル間の様々な相対反射率位相条件のもとでの、オーバーレイ・エラーの関数としての３つの領域の正および負の１次回折強度のグラフである。 Δ＝Ｐ／４の場合の２レベル間の様々な相対反射率位相条件のもとでの、オーバーレイ・エラーの関数としての３つの領域の正および負の１次回折強度のグラフである。 φ＝（０、π）およびｎ＝±１次が同一である場合のΨの変換を決定するフローチャートである。 ΔＣ≠０の場合の正の回折次Ψ⁺の変換を決定するフローチャートである。 ΔＣ≠０の場合の負の回折次Ψ^-の変換を決定するフローチャートである。全ての許容されるγおよびφの値について、オーバーレイ・エラーのいずれかの入力値ε_inに対する計算オーバーレイ応答ε_Cのグラフであり、許容されるダイナミック・レンジにおいてε_in＝ε_Cであることを示す。計算ε_Cの測定可能成分κ、ηの変化に対するオーバーレイ・エラーε_xの感度のグラフである。共通の光源および検出器を用いた正および負の１次回折強度の高速順次測定を可能とする装置を示す。共通の光源および検出器を用いた正および負の１次回折強度の高速順次測定を可能とする装置を示す。ｘおよびｙ配置のＣＤ、２対レベル間のｘおよびｙオーバオレイ・エラー、およびパターニングされていない領域における膜厚を測定するための、組み合わせＣＤ、オーバーレイ、および膜厚ターゲットを示す。図６７に示したターゲットの順次検出した正および負の１次強度、一定の検出されたゼロ次強度、ならびにパターニング認識およびアライメントに用いるターゲット像を示す。図６７に示したターゲットの順次検出した正および負の１次強度、一定の検出されたゼロ次強度、ならびにパターニング認識およびアライメントに用いるターゲット像を示す。図６７に示したターゲットの順次検出した正および負の１次強度、一定の検出されたゼロ次強度、ならびにパターニング認識およびアライメントに用いるターゲット像を示す。図６７に示したターゲットの順次検出した正および負の１次強度、一定の検出されたゼロ次強度、ならびにパターニング認識およびアライメントに用いるターゲット像を示す。装置３４０を膜厚測定に用いる一実施形態を示す。第１の検出器４６０で集光したスペクトルを示す。第２の検出器４８０で集光したスペクトルを示す。第３の検出器４８５上の像（透過格子表面からの正反射）を示す。中心波長が変化した場合にゼロ次および非ゼロ次の双方の回折エネルギの同時検出可能性を保証するために、装置の入射ビームと反射ビームとの間に維持してなければならない幾何学的関係の詳細図である。本発明のターゲット設計プロセスのフローチャートである。本発明の装置によって可能な測定の測定モデルのフローチャートである。本発明の装置を用いる場合のゼロ次測定分析のフローチャートである。本発明の測定方法および装置に基づいた、ＣＤ、露光量、焦点、およびオーバーレイ決定のための本発明のデータ分析のフローチャートである。本発明の測定方法および装置に基づいた、ＣＤ、露光量、焦点、およびオーバーレイ決定のための本発明のデータ分析のフローチャートである。

Claims

基板上の寸法を測定する方法であって、
主方向に主周期ピッチＰを有する構造体アレイを含む公称パターンを設けるステップであって、前記公称パターンが前記主方向に沿った前記主周期ピッチＰで反復する公称特徴寸法によって特徴付けられ、前記公称特徴寸法が前記主方向に実質的に直交する方向に沿って所定の変動を有する、ステップと、
前記公称パターンに対応して前記基板上にターゲット・パターンを形成するステップであって、前記ターゲット・パターンが前記公称特徴寸法に対応した基板特徴寸法を有する、ステップと、
前記ターゲット・パターンを少なくとも１つの波長によって特徴付けられる放射によって照射して、前記ターゲット・パターンから回折放射を生成するステップと、
前記公称特徴寸法に対する前記基板特徴寸法の寸法差に応答して、１つ以上の非ゼロ次回折の前記実質的に直交する方向に沿った検出された変動と対象の寸法との間の関係を与えるステップと、
前記実質的に直交する方向に沿った前記１つ以上の非ゼロ次回折の前記変動を検出するステップと、
前記１つ以上の非ゼロ次回折の前記検出した変動に基づいて、前記関係に従って前記対象の寸法を求めるステップと、
を含む、方法。
前記照射が２つ以上の波長を含み、前記主方向に沿って前記非ゼロ次回折の変動を検出するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
前記ターゲットの寸法が限界寸法を含む、請求項１に記載の方法。
前記検出された変動が前記１つ以上の非ゼロ次回折の強度の変動を含む、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
前記公称パターンが、公称長および幅によって特徴付けられる第１のトーンのサブパターン構造体を含む第１のサブパターンと、前記公称長および幅を有する相補的トーンの構造体を含む第２のサブパターンと、を含み、前記公称長および幅に対する対応ターゲット・サブパターン構造体長および幅の寸法差に基づいて、公称プロセス条件からのプロセス条件の変動を求めるステップを更に含む、請求項１、２、または１２に記載の方法。
前記ターゲット・パターンが、前記公称ターゲット・パターンの第１の部分に対応する、前記基板の第１の層上に形成された第１のターゲット部分と、前記公称ターゲット・パターンの第２の部分に対応する、前記基板の第２の層上に形成された第２のターゲット部分と、を含み、前記対象の寸法が、前記公称パターンに比較した前記第２のターゲット部分に対する前記第１のターゲット部分のオフセットを含む、請求項１に記載の方法。
前記検出された変動が、前記１つ以上の非ゼロ次回折の強度および位相の変動を含む、請求項６に記載の方法。
前記ターゲット・パターンを照射するための放射源と、
１つ以上の非ゼロ次回折の前記変動を検出するための検出器と、
前記基板を固定するための手段と、
前記放射源、前記基板、および前記検出器を位置付けて、前記放射源が前記ターゲット・パターンを照射し、前記検出器が前記ターゲット・パターンからの回折した前記放射の１つ以上の非ゼロ次の前記変動を検出するようにするための手段と、
を含む、請求項１、２、３、６、７、１２、１３または１４のいずれかに記載の方法を実行するための装置。
前記ターゲット・パターンからの回折した前記放射のゼロ次回折を検出するための第２の検出器と、
前記放射源および前記基板に対して前記第２の検出器を位置付けて前記第２の検出器が前記ゼロ次回折を検出するようにするための手段と、
前記検出したゼロ次回折に基づいて第２の対象の寸法を求めるための手段と、
を更に含む、請求項８に記載の装置。
前記装置が、半導体製造のためのイン・ライン処理用に構成されている、請求項８に記載の装置。
前記１つ以上の非ゼロ次回折の前記変動に基づいて、公称プロセス条件からのプロセス条件の変動を求めるための手段と、
プロセス条件における前記求めた変動に応答して、以降のプロセス条件において調整を行うための手段と、
を更に含む、請求項９に記載の装置。
前記ターゲットの寸法が限界寸法を含む、請求項２に記載の方法。
前記ターゲット・パターンが、前記公称ターゲット・パターンの第１の部分に対応する、前記基板の第１の層上に形成された第１のターゲット部分と、前記公称ターゲット・パターンの第２の部分に対応する、前記基板の第２の層上に形成された第２のターゲット部分と、を含み、前記対象の寸法が、前記公称パターンに比較した前記第２のターゲット部分に対する前記第１のターゲット部分のオフセットを含む、請求項２に記載の方法。
前記検出された変動が、前記１つ以上の非ゼロ次回折の強度および位相の変動を含む、請求項１３に記載の方法。
前記装置が、半導体製造のためのイン・ライン処理用に構成されている、請求項９に記載の装置。
前記１つ以上の非ゼロ次回折の前記変動に基づいて、公称プロセス条件からのプロセス条件の変動を求めるための手段と、
プロセス条件における前記求めた変動に応答して、以降のプロセス条件において調整を行うための手段と、
を更に含む、請求項１５に記載の装置。
基板上の寸法を測定する方法であって、
基板上にターゲット・パターンを設けるステップであって、前記ターゲット・パターンが公称パターンに対応し、前記公称パターンが、主方向の主周期ピッチＰによって特徴付けられる構造体アレイを含み、前記公称パターンが、前記主方向に対して実質的に直交する方向に沿って画定される特徴寸法によって更に特徴付けられ、前記ターゲット・パターンが前記公称パターンの前記特徴寸法に対応した基板特徴寸法を有する、ステップと、
前記ターゲット・パターンを少なくとも１つの波長によって特徴付けられる放射によって照射して、前記ターゲット・パターンから回折放射を生成するステップと、
前記主方向に対して前記実質的に直交する方向に沿った前記回折放射の１つ以上の非ゼロ次回折の測定可能量の関数として、前記ターゲット・パターンにおける前記主方向に沿った対象の寸法を求めるための関係を与え、前記１つ以上の非ゼロ次回折の前記測定可能量が前記ターゲット・パターンにおいて前記基板特徴寸法に応答して生じる、ステップと、
前記回折放射の前記１つ以上の非ゼロ次回折の前記測定可能量を検出するステップと、
前記回折放射の前記１つ以上の非ゼロ次回折の前記検出した測定可能量に基づいて、前記関係に従って前記対象の寸法を求めるステップと、
を含む、方法。
前記対象の寸法が、前記ターゲット・パターンにおける前記構造体アレイを含む前記構造体の構造体幅を含む、請求項１７に記載の方法。
前記公称パターンの前記特徴寸法が、前記実質的に直交する方向に沿って連続的に変動する前記アレイの前記構造体の幅を含む、請求項１８に記載の方法。
前記特徴寸法が、前記実質的に直交する方向に沿って所定のテーパ角度に従って連続的に変動する、請求項１９に記載の方法。
前記公称パターンの前記特徴寸法が、前記実質的に直交する方向に沿って離散的に変動する前記アレイの前記構造体の幅を含む、請求項１８に記載の方法。
前記測定可能量が、前記実質的に直交する方向に沿った前記１つ以上の非ゼロ次回折の強度の極値の位置を含む、請求項１８に記載の方法。
前記公称パターンが、第１の中央位置を有する第１の領域および前記第１の領域に隣接して配置された第２の領域を含み、前記第２の領域が、前記実質的に直交する方向に沿って前記第１の中央位置から所定の距離にある第２の中央位置を有し、前記ターゲット・パターンが前記基板上に対応する第１および第２の領域を有し、前記測定可能量が、前記ターゲット・パターンの前記第１の領域からの前記１つ以上の非ゼロ次回折における極値の位置と、前記ターゲット・パターンの前記第２の領域からの前記１つ以上の非ゼロ次における極値の位置との間の距離を含む、請求項１８に記載の方法。
前記測定可能量が前記主方向に沿った前記１つ以上の非ゼロ次回折の強度を含む、請求項１７に記載の方法。
前記ターゲット・パターンが、第１のトーンの構造体を有する第１の領域と、前記第１のトーンとは異なる第２のトーンの構造体を有する第２の領域と、を含み、前記第１の領域から得た測定値を前記第２の領域から得た測定値と比較してプロセス条件の効果を決めるステップを更に含む、請求項１７に記載の方法。
前記プロセス条件が、露光量、焦点、またはそれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項２５に記載の方法。
前記公称パターンが、第１の構造体の第１のサブアレイおよび第２の構造体の第２のサブアレイを含み、各サブアレイがピッチＰによって特徴付けられ、前記第１の構造体が前記第２の構造体から前記主方向に沿って所定のオフセットで配置されるように前記第１のサブアレイおよび前記第２のサブアレイを位置付け、前記ターゲット・パターンが第１の反射率を有する前記第１のサブアレイに対応する第１のターゲット・サブアレイを含み、前記ターゲット・パターンが、第２の反射率を有する前記第２のサブアレイに対応する第２のターゲット・サブアレイを更に含み、前記第１および第２のターゲット・サブアレイが、前記所定のオフセットに対応する前記基板上のオフセットによって特徴付けられ、前記対象の寸法が、前記基板上の前記オフセットと前記所定のオフセットとの間の差を含む、請求項１７に記載の方法。
前記１つ以上の非ゼロ次回折が、前記回折放射の正の非ゼロ次回折および対応する負の非ゼロ次回折を含む、請求項２７に記載の方法。
前記測定可能量が前記１つ以上の非ゼロ次回折の強度を含み、前記関係が、前記第１のターゲット・サブアレイの前記第１の反射率と前記第２のターゲット・サブアレイの前記第２の反射率との間の有効振幅および有効位相差を含む、請求項２８に記載の方法。
前記所定のオフセットが前記実質的に直交する方向に沿って連続的に変動する、請求項２７に記載の方法。
前記所定のオフセットが前記実質的に直交する方向に沿って離散的に変動する、請求項２７に記載の方法。
前記ターゲット・パターンを照射するための放射源と、
前記主方向に沿って前記１つ以上の非ゼロ次回折を集光し、前記実質的に直交する方向に沿って前記ターゲット・パターンを撮像するように構成された集光部材と、
前記実質的に直交する方向に沿って、および前記主方向に沿って、前記集光部材からの前記１つ以上の非ゼロ次の空間変動を検出するように構成された検出器アレイと、
を含む、請求項１７から３１のいずれかに記載された方法を実行するための装置。
コンピュータ読み取り可能ストレージ媒体を含むコンピュータ・システムを更に含み、前記コンピュータ読み取り可能ストレージ媒体が、前記回折放射の前記１つ以上の非ゼロ次の前記検出された測定可能量に基づいて、前記コンピュータ・システムに、前記関係に従って前記対象の寸法を求めさせるための命令を含む、請求項３２に記載の装置。
前記基板からの回折したゼロ次放射を検出するための第２の検出器を設けるように更に構成され、前記ゼロ次放射から膜厚を求めるための手段を更に含む、請求項３２に記載の装置。
前記装置が、半導体製造のためのイン・ライン処理用に構成されている、請求項３２に記載の装置。