JP2008091367A - 重ね合わせ検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リソグラフィー後の重ね合わせずれ検査を正確に実行して、重ね合わせずれ検査結果に誤差が含まれることを極力防止する。
【解決手段】本発明の重ね合わせ計測方法は、半導体の製造工程において重ね合わせて形成される第１の層と第２の層との間のずれ量を計測する方法であって、下地マークに対し内側または外側に前記下地マークと同形状のレジスト像を形成してなるオーバーレイマークに光を照射し、前記オーバーレイマークからの回折光を受光し、この受光信号の強度に基づいて重ね合わせずれ量を計測する方法において、前記オーバーレイマークをウエハ面内の重ね合わせずれ測定箇所に、ウエハのダイシングラインに対して回転配置し、ウェハ中心と前記重ね合わせずれ測定箇所を結ぶ線に対し、測定線が垂直になるオーバーレイマークだけを測定して重ね合わせずれ量を求めるようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体の製造工程において重ね合わせて形成される第１の層と第２の層との間の重ね合わせのずれ量、例えばメタル配線工程におけるメタルのリソグラフィー後の重ね合わせずれ量を計測するときに用いる重ね合わせ検査方法に関する。

半導体製造プロセスのメタル配線工程においては、層間膜に形成した穴に対して、タングステンを埋め込み、メタルをスパッタして、メタルのリソグラフィーを行い、重ね合わせずれ検査、メタルエッチングというプロセスを実行するように構成されている。この構成の場合、メタルリソグラフィー工程後に行われる重ね合わせ検査工程において計測した合わせずれ検査結果（メタルマーク対するレジストマークのずれ量の検査結果）に基づいて、露光装置に合わせ補正値をフィードバックするようにしている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、メタルスパッタ工程においては、マグネトロンスパッタの異方性により、メタルで形成した重ね合わせ検査マークが非対称になるという現象が生ずる。このため、メタルリソグラフィー工程後に行われる重ね合わせ検査工程において、上記非対称スパッタマークを計測する場合に、本来重ね合わせずれ量として計測されるべき重ね合わせずれ量（穴マーク対するレジストマークのずれ量）と実際に計測される重ね合わせずれ量（メタルマークに対するレジストマークのずれ量）が異なる事態が発生することがある。

これは、ウェハ外周にいくほど顕著に見られる。即ち、ウェハ面内で倍率成分として観測され、孔に対するメタル配線の合わせずれ検査に影響を及ぼす、つまり、合わせずれ検査結果に誤差が含まれるようになる。そして、リソグラフィー後の合わせずれ検査結果から露光装置に合わせ補正値をフィードバックしているため、合わせずれ検査結果に誤差が含まれていると、合わせ補正が良好に行われず、露光を正常に実行できなくなる。

例えば、２００ｍｍの半導体ウエハを用いて作成される０．１３μｍ世代の半導体メモリにおいては、リソグラフィー後の合わせずれ検査結果とメタルエッチング後の合わせずれ検査結果の差は、ウェハ外周で合わせ規格５０ｎｍに対して８０ｎｍにも上る。このため、リソグラフィーで合わせ規格内に入っているものでも、メタルエッチング後は、特にウェハ外周で規格外になる事態が多発しているという問題点がある。
特開２００４−２２１１９４

本発明の目的は、重ね合わせずれ検査を正確に実行することができて、合わせずれ検査結果に誤差が含まれることを極力防止できる重ね合わせ計測方法を提供するにある。

本発明の重ね合わせ計測方法は、半導体の製造工程において重ね合わせて形成される第１の層と第２の層との間の重ね合わせのずれ量を計測する方法であって、下地マークに対し内側または外側に前記下地マークと同形状のレジスト像を形成してなるオーバーレイマークに光を照射し、前記オーバーレイマークからの回折光を受光し、この受光信号の強度に基づいて重ね合わせずれ量を計測する方法において、前記オーバーレイマークをウエハ面内の重ね合わせずれ測定箇所に、ウエハのダイシングラインに対して回転配置し、ウェハ中心と前記重ね合わせずれ測定箇所を結ぶ線に対し、測定線が垂直になるオーバーレイマークを測定して重ね合わせずれ量を求めるようにした方法である。

本発明によれば、重ね合わせずれ検査を正確に実行することができ、合わせずれ検査結果に誤差が含まれることを極力防止できる。

以下、本発明の第１の実施形態について、図１ないし図４を参照しながら説明する。まず、図１に従って、半導体製造プロセスのメタル配線工程について説明する。
このメタル配線工程おいては、まず、層間絶縁膜（例えばシリコン酸化膜ＳｉＯ₂）１に穴２を形成し（図１（ａ）参照）、この穴２に対して、タングステン（Ｗ）３を埋め込む（図１（ｂ）参照）。次に、メタルをスパッタしてメタル膜（Ａｌ／Ｓｉ／Ｃｕ）４、バリアメタル膜（ＴｉＮまたはＴｉ／ＴｉＮ）５を形成（図１（ｃ）参照）し、メタルのリソグラフィーを行ってレジストパターン６を形成する（図１（ｄ）参照）。この後、重ね合わせずれ検査を実行し、更に、メタルエッチングを行ってメタル配線７を形成する（図１（ｅ）参照）。

その後、メタルリソグラフィー工程後に実行される重ね合わせずれ検査工程において計測された重ね合わせずれ検査結果に基づいて、露光装置に合わせ補正値をフィードバックしている。

ここで、メタルリソグラフィー工程後に実行される重ね合わせずれ検査工程について、図２、図３、図４を参照して説明する。尚、重ね合わせ検査工程において計測するマーク（メタルマーク、レジストマーク）を、オーバーレイマークと呼ぶ。重ね合わせずれ検査を実行する場合、図２（ａ）に示すような形状のオーバーレイマーク８ａ、８ｂ、８ｃを測定して重ね合わせずれ量を求める。これらオーバーレイマーク８ａ、８ｂ、８ｃは、全て同じ形状のマークであり、オーバーレイマーク８ａは標準配置のマーク、オーバーレイマーク８ｂはオーバーレイマーク８ａを例えば３０度回転させたマーク、オーバーレイマーク８ｃはオーバーレイマーク８ａを例えば４５度回転させたマークである。

各オーバーレイマーク８ａ、８ｂ、８ｃは、正方形状の（正方形の４辺に配置された第１の棒状マークからなる）メタルマーク（Ｖｉａ Ｍａｒｋ）９と、このメタルマーク９の内側に配置され、メタルマーク９を構成する第１の棒状マークに沿って、それぞれ正方形の４辺に配置された第２の棒状マークからなるレジストマーク（Ｒｅｓｉｓｔ Ｍａｒｋ）１０とから構成されている。尚、第１の棒状マークの長さはそれぞれ同一であり、また幅もそれぞれ同一である。さらに、第２の棒状マークの長さおよび幅もそれぞれ同一である。メタルマーク９は、図１に示したメタル膜４、５に形成された凹状のマーク（図１（ｃ）、（ｄ）に示す凹部に相当するもの）であり、本発明の下地マークを構成している。レジストマーク１０は、図１に示したメタル膜５上に形成された凸状のマーク（図１（ｄ）に示す凸状のレジストパターン６に相当するもの）であり、本発明のレジストパターーンを構成している。

このような構成のオーバーレイマークを検査するに際しては、オーバーレイマークに光を照射し、オーバーレイマークからの回折光をカメラ（例えばＣＣＤカメラ）により受光し、この受光信号の強度に基づいて重ね合わせずれ量、具体的には、メタルマーク９に対するレジストマーク１０のずれ量を計測し、この計測結果を、重ね合わせのずれ量の検査結果としている。

尚、このような重ね合わせずれ量検査を実行する検査装置としては、周知構成の重ね合わせずれ検査装置を使用すれば良く、特には、ウエハを保持するステージを回転させる機能を有する装置を使用する必要がある。また、上記重ね合わせずれ量検査を実行するための検査システムのシステム構成の一例を、図４に示す。この図４に示すように、検査システム１１は、露光装置１２と、重ね合わせずれ検査装置１３と、これら露光装置１２及び重ね合わせずれ検査装置１３をそれぞれコントロールするシステム制御装置１４とから構成されている。ここで、露光装置１２及びシステム制御装置１４としても、それぞれ周知構成の装置を使用すれば良い。尚、システム制御装置１４には、以下説明する検査方法を実現するプログラムをインストールしておけば良い。

本実施形態においては、標準配置のオーバーレイマーク８ａを３０度回転させたオーバーレイマーク８ｂまたはオーバーレイマーク８ａを４５度回転させたオーバーレイマーク８ｃのいずれかを用いる。

具体的には、図２（ｂ）に示すように、ウエハに露光する１つのショットを示すショット領域１５のうちの枠状部分であるダイシングライン部１５ａの４隅部（図５（ｂ）中の円部分）に、オーバーレイマーク８ｂまたはオーバーレイマーク８ｃを配設している。ここで、オーバーレイマーク８ａは一辺がダイシングライン部１５ａの線に沿って配置されたものであり、オーバーレイマーク８ｂはダイシングライン部１５ａの線に対して３０度の角度をもって配置され、オーバーレイマーク８ｃはダイシングライン部１５ａの線に対して４５度の角度をもって配置されたマークと定義される。

尚、ショット領域１５のうちのダイシングライン部１５ａ以外の部分である露出領域部１５ｂには、半導体チップ（の回路構成）が形成されている。また、上記ショット領域１５のサイズが例えば２０ｍｍ＊２０ｍｍの場合、１枚のウエハ（例えば２００ｍｍのウエハ）に対しては、上記ショット領域１５を例えば２０個形成（露光）する。

そして、図３に示すように、ウエハ１６上に形成されたオーバーレイマーク８ｂまたは８ｃの重ね合わせずれ量を測定する場合、ウエハ１６を保持するステージを回転させることにより、ウエハ中心Ｃとウエハ面内の重ね合わせずれ測定箇所Ｓを結ぶ線Ｐに対し、測定線Ｑが垂直になるオーバーレイマーク８ｂまたは８ｃだけを測定して重ね合わせずれ量を求める。

尚、測定線Ｑとは、オーバーレイマーク８ｂまたは８ｃにおいて、対向する一対の第１および第２の棒状マークを横断する、重ね合わせずれ量検査装置１３上の仮想線である。実際に測定する重ね合わせずれ量は、メタルマーク９に対するレジストマーク１０の相対的なずれ量であり、測定線Ｑ上のオーバーレイ測定領域Ｑａにおける下地パターンからの信号とレジストパターンからの信号を用いて前記重ね合わせずれ量検査装置１３によって測定される。

図３（ｂ）に示すように、重ね合わせずれ量の検査結果（Overlay Result）は、ウエハ座標系のＸ軸Ｙ軸に投影し、ずれ量Ｘ（Overlay Error(X Direction)）とずれ量Ｙ（Overlay Error(Y Direction)）を得て、これらを露光合わせ補正値算出に用いる。

ここで、上述したような重ね合わせずれ量の検出方法を、本実施形態で採用している理由について説明する。
メタルスパッタ工程においては、マグネトロンスパッタの異方性により、メタルで形成した重ね合わせ検査マーク（オーバーレイマーク）が非対称になるという現象が生ずる。このため、メタルリソグラフィー工程後に行われる重ね合わせ検査工程において、上記非対称のオーバーレイマークを計測する場合に、本来重ね合わせずれ量として計測されるべき重ね合わせずれ量（穴マーク（図１の穴２）対する図２のレジストマーク１０（図１のレジストパターン６）のずれ量）と、実際に計測される重ね合わせずれ量（メタルマーク９に対するレジストマーク１０のずれ量）が異なる事態が発生することがある。

具体的には、図１（ｃ）に示すように、穴２の中心と、メタル膜４、５の凹部（メタルマーク９）の中心がずれていること、即ち、メタル非対称であることから、上述した事態が発生するのである。このずれは、ウェハ外周にいくほど顕著に見られる。従って、前記した本実施形態をとらずに、図２（ａ）に示す標準配置のオーバーレイマーク８ａのみをウエハ１６に配設して、重ね合わせずれ量検査を実行すると、非対称のオーバーレイマーク８ａに起因して、重ね合わせずれ検査結果に誤差が含まれてしまう。

リソグラフィー後の合わせずれ検査結果から露光装置に合わせ補正値をフィードバックするときに、上記重ね合わせずれ検査結果に誤差が含まれていると、合わせ補正が良好に行われず、露光を正確（正常）に実行できなくなってしまう。

これに対して、本実施形態においては、オーバーレイマークを回転配置し、具体的には、３０度回転させたオーバーレイマーク８ｂまたは４５度回転させたオーバーレイマーク８ｃをウエハ１６に配置し、ウェハ中心Ｃとウェハ面内の重ね合わせずれ測定箇所Ｓを結ぶ線Ｐに対し、測定線Ｑが垂直になるオーバーレイマークだけを測定して重ね合わせずれ量を求めるようにしたので、測定したオーバーレイマークは対称のオーバーレイマークとなる（即ち、非対称のオーバーレイマークではなくなる）ことから、重ね合わせずれ検査結果に誤差が含まれなくなる。この結果、重ね合わせ補正を良好に行なうことができる。

この場合、ウエハ１６上の全てのオーバーレイマークを測定し、これら測定結果のうちの、ウェハ中心Ｃとウェハ面内の重ね合わせずれ測定箇所Ｓを結ぶ線Ｐに対し、測定線Ｑが垂直になるオーバーレイマークの測定結果だけを使用して、重ね合わせずれ量を求めるように構成しても良い。

尚、３０度回転させたオーバーレイマーク８ｂを用いた際の重ね合わせずれ量は、（ずれ量Ｘ、ずれ量Ｙ）＝（重ね合わせずれ量＊１／２、重ね合わせずれ量＊√３／２）である。また、４５度回転させたオーバーレイマーク８ｃを用いた際の重ね合わせずれ量は、（ずれ量Ｘ、ずれ量Ｙ）＝（重ね合わせずれ量＊１／√２、重ね合わせずれ量＊１／√２）である。

（他の実施形態）
本発明は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。

まず、上記第１実施形態においては、重ね合わせずれ量検査時に、ウェハ１６を保持するステージを回転させるように構成したが、これに限られるものではなく、オーバーレイマークからの回折光を受光するカメラを回転させることにより、オーバーレイマークの測定線Ｑが、ウェハ中心Ｃとウェハ面内の重ね合わせずれ測定箇所Ｓを結ぶ線Ｐに対し、垂直になるようにしても良い。この構成の場合、重ね合わせずれ量検査装置は、カメラを回転させる機能を有している。

また、上記第１実施形態において、ステージまたはカメラを回転させる代わりに、ＣＣＤカメラによりウエハ１６上の全てのオーバーレイマーク８ｂ、８ｃの画像を取り込み、この取り込んだ画像データをデータ処理することにより、ウェハ中心Ｃとウェハ面内の重ね合わせずれ測定箇所Ｓを結ぶ線Ｐに対し、測定線Ｑが垂直になるオーバーレイマークだけを抽出し、これら抽出したオーバーレイマークの測定結果だけを使用して重ね合わせずれ量を求めるようにしても良い。

図５及び図６は、本発明の第２実施形態を示すものである。尚、第１実施形態と同一構成には、同一符号を付している。この第２実施形態においては、正方形状のオーバーレイマーク８ｂ、８ｃの代わりに、正六角形状のオーバーレイマーク１７ｂ、１７ｃを使用するようにした。オーバーレイマーク１７ｂは、標準配置の正六角形状のオーバーレイマーク１７ａを３０度回転させたオーバーレイマークである。オーバーレイマーク１７ｃは、標準配置の正六角形状のオーバーレイマーク１７ａを４５度回転させたオーバーレイマークである。

そして、ショット領域１５のうちのダイシングライン部１５ａの左辺部の上下端部に、３０度回転させたオーバーレイマーク１７ｂ、１７ｂを配設している。更に、上記ダイシングライン部１５ａの右辺部の上下端部に、４５度回転させたオーバーレイマーク１７ｃ、１７ｃを配設している。

また、図６に示すように、ウエハ１６上に形成されたオーバーレイマーク１７ｂ、１７ｃの重ね合わせずれ量を測定する場合、ウエハ１６を保持するステージを回転させることにより、ウエハ中心Ｃとウエハ面内の重ね合わせずれ測定箇所Ｓを結ぶ線Ｐに対し、測定線Ｑが垂直になるオーバーレイマーク１７ｂ、１７ｃだけを測定して、重ね合わせずれ量を求めるようにしている。

尚、上述した以外の第２実施形態の構成は、第１実施形態の構成と同じ構成となっている。従って、第２実施形態においても、第１実施形態と同じ作用効果を得ることができる。

また、上記第２実施形態においては、重ね合わせずれ量検査時に、ウェハ１６を保持するステージを回転させるように構成したが、これに代えて、オーバーレイマーク１７ｂ、１７ｃからの回折光を受光するカメラを回転させても良い。

更にまた、上記第２実施形態において、ステージまたはカメラを回転させる代わりに、ＣＣＤカメラによりウエハ１６上の全てのオーバーレイマーク１７ｂ、１７ｃの画像を取り込み、この取り込んだ画像データをデータ処理することにより、ウェハ中心Ｃとウェハ面内の重ね合わせずれ測定箇所Ｓを結ぶ線Ｐに対し、測定線Ｑが垂直になるオーバーレイマークだけを抽出し、これら抽出したオーバーレイマークを測定して重ね合わせずれ量を求めるようにしても良い。

また、上記第１または第２実施形態においては、オーバーレイマークの形状を正方形状または正六角形状としたが、これらに限られるものではなく、オーバーレイマークの形状をｎ（ただしｎ≧４）角形状としても良い。

図７及び図８は、本発明の第３実施形態を示すものである。尚、第１実施形態と同一構成には、同一符号を付している。この第３実施形態においては、正方形状のオーバーレイマーク８ｂ、８ｃの代わりに、図７に示すような円形状のオーバーレイマーク１８を使用するようにした。そして、ショット領域１５のうちのダイシングライン部１５ａの左辺部及び右辺部の各上下端部（即ち、４隅部）に、上記円形状のオーバーレイマーク１８を配設している。

また、図８に示すように、ウエハ１６上に形成されたオーバーレイマーク１８の重ね合わせずれ量を測定する場合、ウエハ１６を保持するステージを回転させることにより、ウエハ中心Ｃとウエハ面内の重ね合わせずれ測定箇所Ｓを結ぶ線Ｐに対し、測定線Ｑが垂直になるオーバーレイマーク１８だけを測定して、重ね合わせずれ量を求めるように構成されている。

尚、上述した以外の第３実施形態の構成は、第１実施形態の構成と同じ構成となっている。従って、第３実施形態においても、第１実施形態と同じ作用効果を得ることができる。

また、上記第３実施形態においては、重ね合わせずれ量検査時に、ウェハ１６を保持するステージを回転させるように構成したが、これに代えて、オーバーレイマーク１８からの回折光を受光するカメラを回転させるようにしても良い。

更にまた、上記第３実施形態において、ステージまたはカメラを回転させる代わりに、ＣＣＤカメラによりウエハ１６上の全てのオーバーレイマーク１８の画像を取り込み、この取り込んだ画像データをデータ処理することにより、ウェハ中心Ｃとウェハ面内の重ね合わせずれ測定箇所Ｓを結ぶ線Ｐに対し、測定線Ｑが垂直になるオーバーレイマークだけを抽出し、これら抽出したオーバーレイマークを測定して重ね合わせずれ量を求めるようにしても良い。

また、上記各実施形態においては、メタルマーク９の内側にレジストマーク１０を設けることによりオーバーレイマークを構成したが、これに代えて、メタルマークの外側にレジストマークを設けるように構成しても良い。

本発明の第１実施形態を示すもので、メタル配線工程を説明する図 本発明の第１実施形態のオーバーレイマークを説明する図 ウェハ中心とウェハ面内の重ね合わせずれ測定箇所を結ぶ線に対し、測定線が垂直になるオーバーレイマークを説明する図 検査システムのブロック図 本発明の第２実施形態のオーバーレイマークを説明する図 図３相当図 本発明の第３実施形態のオーバーレイマークを説明する図 図３相当図

符号の説明

図面中、１は層間膜、２は穴、４、５はメタル膜、６はレジストパターン、８ａ、８ｂ、８ｃはオーバーレイマーク、９はメタルマーク（下地マーク）、１０はレジストマーク（レジスト像）、１６はウエハ、１７ａ、１７ｂ、１７ｃはオーバーレイマーク、１８はオーバーレイマークである。

Claims (5)

1. 半導体の製造工程において重ね合わせて形成される第１の層と第２の層との間の重ね合わせのずれ量を計測する方法であり、下地マークに対し内側または外側に前記下地マークと同形状のレジスト像を形成してなるオーバーレイマークに光を照射し、前記オーバーレイマークからの回折光を受光し、この受光信号の強度に基づいて重ね合わせずれ量を計測する重ね合わせ検査方法であって、
   前記オーバーレイマークをウエハ面内の重ね合わせずれ測定箇所に、ウエハのダイシングラインに対して回転配置し、
   ウェハ中心と前記重ね合わせずれ測定箇所を結ぶ線に対し、測定線が垂直になるオーバーレイマークを測定して重ね合わせずれ量を求めることを特徴とする重ね合わせ検査方法。
2. ウェハを保持するステージを回転させることにより、前記オーバーレイマークの測定線が、ウェハ中心と前記重ね合わせずれ測定箇所を結ぶ線に対し、垂直になるようにして測定することを特徴とする請求項１記載の重ね合わせ検査方法。
3. 前記オーバーレイマークからの回折光をカメラで受光し、前記カメラを回転させることにより、前記オーバーレイマークの測定線が、ウェハ中心と前記重ね合わせずれ測定箇所を結ぶ線に対し、垂直になるようにして測定することを特徴とする請求項１記載の重ね合わせ検査方法。
4. ウエハ上の複数個所に配置された全てのオーバーレイマークの画像を取り込み、この取り込んだ画像データをデータ処理することにより、ウェハ中心と前記重ね合わせずれ測定箇所を結ぶ線に対し、測定線が垂直になるオーバーレイマークを抽出し、これら抽出したオーバーレイマークを測定すること特徴とする請求項１記載の重ね合わせ検査方法。
5. 前記オーバーレイマークは矩形状、円形状、または正六角形状のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の重ね合わせ検査方法。

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