JP2008124467A - リソグラフィ装置のアライメントセンサを用いたｃｄ決定システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実験構造からの回折光の非ゼロ次数の強度の測定に基づいて、パターニングされた構造のクリティカルディメンションおよびリソグラフィ装置のベストフォーカス状態などのパラメータを決定するためのシステムおよび方法。
【解決手段】実験構造は、回折光の波長より長い周期を有する第１のラインと部分的に充填されたスペースのアレイを含む。実験構造は、また、部分的に充填されたスペースを含む第２のラインとスペースのアレイを含む。
【選択図】図４

Description

[0002] 本発明は、アライメント方法および基板、特にリソグラフィ装置で使用する方法および基板に関する。

[0003] リソグラフィ装置は、所望のパターンを基板に、通常は基板のターゲット部分に形成するマシンである。リソグラフィ装置は、例えば、集積回路（ＩＣ）の製造に使用できる。その場合、マスクまたはレチクルとも呼ばれるパターニングデバイスを用いてＩＣの個々の層に形成する回路パターンを生成することができる。このパターンは基板（例えば、シリコンウェーハ）上のターゲット部分（例えば、ダイの一部、１つまたは複数のダイ）上に転写できる。パターンの転写は、通常、基板上に提供される放射感応性材料（レジスト）の層上への結像によって行われる。一般に、単一の基板は、連続的にパターン形成される隣接したターゲット部分のネットワークを含む。周知のリソグラフィ装置は、パターン全体を一度にターゲット部分上に露光することで各ターゲット部分が照射されるいわゆるステッパと、所与の方向（「スキャン」方向）に放射ビームによってパターンをスキャンしながらこの方向と平行の方向または反対方向に基板を同時にスキャンすることで各ターゲット部分が照射されるいわゆるスキャナとを含む。また、パターンを基板上にインプリントすることでパターニングデバイスから基板にパターンを転写することもできる。

[0004] パターンは、基板のいくつかの連続するレジスト層上に転写され、マルチレイヤ構造を積み上げてパターンがその厚み全体に構築される。したがって、いかなる所与の層内のパターンも前の層のパターンと正確に位置が合っているようにすることが重要である。特に、基板は、レジストの層で覆われ、その層上にパターンが転写される（「露光」として周知である工程によって）。次いで、層は、露光後処理を施され、パターンが露光された部分を除いてレジストが除去される。レジストの次の層が貼付され、パターンが再び転写／露光され、再び露光後処理を施される。レジストとパターンに応じてこの工程が数十回繰り返される。新しいレジスト層を露光するたびに、パターンは、前のレジスト層のパターンと慎重に位置合わせされ、一連の露光および露光後処理の最後に明確な輪郭を備えた全パターンが得られる。連続するパターン層を位置合わせする方法は、パターンを形成するために露光ビームが投影される前に投影システムから投影されるアライメントビームによって検出可能なアライメントマークを層内に設けるという方法である。

[0005] リソグラフィ技法が改良され、パターンの微細化が可能になるにつれて、クリティカルディメンション（ＣＤ）測定のような測定はますます困難かつ時間がかかるものになっている。

[0006] パターニングされた基板内のフィーチャのいわゆるクリティカルディメンションまたはＣＤのような微小なフィーチャを測定する従来より便利な方法を提供するシステムおよび方法を構築することが望ましい。

[0007] 本発明の一態様によれば、基板上に提供された構造内のパターニングされたフィーチャのクリティカルディメンションを測定するシステムおよび方法が提供される。このシステムは、基板に入射する光ビームを提供する光源を含む。一形態では、この光ビームは、クリティカルディメンションより大きい波長を有するＴｍまたはＴｅ偏光である。このシステムは、基板上のパターニングされた構造から反射した光の強度を検出する光センサを含む。この構造は、基板表面に配置された層内に形成でき、または基板それ自体の内部に構成することもできる。一実施では、光センサは基板内のアライメントマークの位置を検出するアライメントセンサである。一形態では、パターニングされた構造は、ラインとスペースのレギュラーアレイのような少なくとも一次元のフィーチャのレギュラーアレイを提供する位相深さ格子を含む。パターニングされた構造は、１つまたは複数の方向に光ビームの波長を超えるピッチを有するフィーチャのレギュラーアレイを提供する超波長格子を含み、アレイのピッチが光ビームの波長より小さいフィーチャとスペースのレギュラーアレイを含むサブ波長格子をさらに含む。サブ波長格子は、入射光の全ての伝搬回折次数がゼロ次数以外存在しなくなるように構成されている。サブ波長格子は、サブ波長格子内のパターニングされたラインのデューティサイクルに依存する有効屈折率を備えたスラブ層のように有効に挙動する。システムは、第１のピッチおよび第１のデューティサイクルを有する超波長格子を含むがサブ波長格子を含まない基準構造から反射された光の検出強度に関連する信号を受信するプロセッサを含み、該プロセッサはさらに、第１のピッチおよび第１のスペース寸法を有する超波長格子と光ビームの波長より小さい第２のピッチを有するサブ波長格子とを含む実験構造から反射された光の検出強度に関連する信号を受信する。プロセッサはさらに、第１の格子および第２の格子から検出された光の強度を比較し、検出強度、格子深さ、および第１のデューティサイクルに従ってサブ波長格子内のフィーチャのクリティカルディメンションを計算する。

[0008] 本発明の一態様では、パターニングされた基板内のフィーチャのサイズを決定するための方法は、基板内に提供されたパターニングされた構造（実験構造）に入射する放射ビームを提供することを含む。一実施では、パターニングされた構造は、基板上に提供されたパターニングされたフォトレジスト層である。パターニングされた構造は、１つまたは複数の方向に光ビームの波長を超えるピッチを有するフィーチャのレギュラーアレイを提供する超波長格子を含み、さらに１つまたは複数のサブ波長格子を含み、各サブ波長格子は、アレイのピッチが光ビームの波長より小さいフィーチャとスペースのレギュラーアレイを含む。サブ波長格子は、入射光の全ての伝搬回折次数が、ゼロ次数以外存在しなくなるように構成されている。実験構造の表面から光が反射する。実験構造から反射した光の強度が検出される。実験構造から反射した光の強度が、第１のピッチおよび第１のデューティサイクルを有する超波長格子を含むがサブ波長格子を含まない基準構造から検出された光の強度と比較される。サブ波長格子に関連するクリティカルディメンションは、実験および基準構造から反射した光の比較された強度、構造深さ、および第１のデューティサイクルに基づいて決定される。

[0009] 本発明の別の態様によれば、リソグラフィ装置内のフォーカス状態を判定するための手段であって、基板上に一連の実験構造を提供することであって、各実験構造が、第１のピッチおよび第１のデューティサイクルによって特徴付けられる第１のフィーチャのアレイを含み、かつ第１のピッチより小さい第２のピッチによって特徴付けられる第２のフィーチャのアレイを含み、各実験構造が、それぞれのフォーカス位置に関連付けられた、該提供すること、実験構造の各々に入射する第１の放射ビームを提供することであって、第１のビームが第２のピッチより大きく第１のピッチより小さい第１の波長によって特徴付けられる、該提供すること、実験構造の各々からの第１のビームの回折によって生成される光の非ゼロ次数の一連の強度を検出すること、および、最小の検出強度を生成する実験構造に関連付けられたフォーカス位置を決定すること、を含む手段が提供される。

[0010] 本発明の別の態様によれば、パターニングされた基板内のフィーチャの寸法を測定するための方法であって、基板上に実験構造を提供することであって、実験構造が、第１のピッチおよび第１のデューティサイクルを有する第１のフィーチャのアレイを含み、かつ第１のピッチより小さい第２のピッチを有する第２のフィーチャのアレイを含む、該提供すること、実験構造に入射する第１の放射ビームを提供することであって、第１のビームが第２のピッチより大きく第１のピッチより小さい第１の波長を有する、該提供すること、実験構造からの第１のビームの回折によって生成される光の非ゼロ次数の強度を検出すること、第１のビームとほぼ同じ第２のビームの基準構造からの回折によって生成される光の非ゼロ次数の強度を検出すること、および、検出強度および第１のピッチに基づいて第２のフィーチャのアレイのクリティカルディメンションを決定すること、を含む方法が提供される。

[0011] 本発明の別の態様によれば、パターニングされた基板内のフィーチャのクリティカルディメンションを決定するためのシステムであって、基板に入射する第１の光ビームを提供するように構成された光源であって、第１の光ビームがクリティカルディメンションより大きい波長を有する、該光源と、基板上の実験構造からの回折後の第１のビームから受光した光の非ゼロ次数の強度を検出する光センサとを含み、実験構造が、第１のデューティサイクルと光ビームの波長を超える第１のピッチとを有する第１のフィーチャのアレイを提供する超波長格子を含み、かつ光ビームの波長より小さい第２のピッチを有する第２のフィーチャとスペースのアレイを備える少なくとも１つのサブ波長格子をさらに含み、光センサがさらに、基板上の基準構造からの回折後の第１のビームとほぼ同じ第２のビームから受光した光の非ゼロ次数から回折した光の強度を検出し、基準構造が、実験構造の超波長格子とほぼ同じ超波長格子を含むがサブ波長格子は含まず、そして、実験格子と基準格子から回折した光の非ゼロ次数の強度を比較し、かつ検出強度、格子深さ、および第１のピッチに従ってサブ波長格子内のフィーチャのクリティカルディメンションを計算するプロセッサをさらに含む、システムが提供される。

[0012] 本発明の別の態様によれば、リソグラフィ装置内のベストフォーカスを決定するための方法であって、基板上に一連の実験構造を提供することであって、各実験構造が、第１のピッチおよび第１のデューティサイクルを有する第１のフィーチャのアレイを含み、かつ第１のピッチより小さい第２のピッチを有する第２のフィーチャのアレイを含み、各実験構造が、それぞれのフォーカス位置に関連付けられた、該提供すること、実験構造の各々に入射する第１の放射ビームを提供することであって、第１のビームが第２のピッチより大きく第１のピッチより小さい第１の波長を有する、該提供すること、実験構造からの第１のビームの回折によって生成される光の非ゼロ次数の一連の強度を検出すること、および、最小の検出強度を生成する一連の実験構造内のある実験構造に関連付けられたフォーカス位置を決定すること、を含む方法が提供される。

[0013] 対応する参照記号が対応する部分を示す添付の概略図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

[0021] 図１は、本発明の一実施形態によるリソグラフィ装置の概略図である。この装置は、放射ビームＢ（例えば、ＵＶ放射線または可視放射線）を調節するように構成された照明システム（イルミネータ）ＩＬと、パターニングデバイス（例えば、マスク）ＭＡを支持するように構成され、ある種のパラメータに従ってパターニングデバイスを正確に位置決めするように構成された第１のポジショナＰＭに連結された支持構造（例えば、マスクテーブル）ＭＴと、基板（例えば、レジストコーティングウェーハ）Ｗを保持するように構成され、ある種のパラメータに従って基板を正確に位置決めするように構成された第２のポジショナＰＷに連結された基板テーブル（例えば、ウェーハテーブル）ＷＴと、パターニングデバイスＭＡによって放射ビームＢに付与されたパターンを基板Ｗのターゲット部分Ｃ（例えば、１つまたは複数のダイを備える）に投影するように構成された投影システム（例えば、屈折投影レンズシステム）ＰＳとを備える。

[0022] 照明システムは、放射を誘導し、整形し、制御する屈折、反射、磁気、電磁気、静電気または他のタイプの光学コンポーネント、またはこれらの任意の組み合わせなどの種々のタイプの光学コンポーネントを含むことができる。

[0023] 支持構造は、パターニングデバイスを支持する、すなわち、その重量を担持する。支持構造は、パターニングデバイスの向き、リソグラフィ装置のデザイン、およびパターニングデバイスが真空環境で保持されているか否かなどの他の条件に応じた方法でパターニングデバイスを保持する。支持構造は、パターニングデバイスを保持する機械的、真空、静電気または他の締め付け技法を使用できる。支持構造は必要に応じて固定式または可動式フレームまたはテーブルでよい。支持構造によって、パターニングデバイスを例えば投影システムに関して所望の位置に確実に固定できる。本明細書中の「レチクル」または「マスク」という用語の使用はより一般的な用語である「パターニングデバイス」と同義と考えてよい。

[0024] 本明細書で使用する「パターニングデバイス」という用語は、基板のターゲット部分にパターンを形成するようにパターンを放射ビームの断面に付与するために使用される任意の装置を指すものと広義に解釈されるべきである。放射ビームに付与されたパターンは、例えば、パターンが位相シフトフィーチャまたはいわゆるアシストフィーチャを含む場合、基板のターゲット部分の所望のパターンに正確に対応しないことがあることに留意されたい。一般に、放射ビームに付与されたパターンは、集積回路のような、ターゲット部分に作成されているデバイス内の特定の機能層に対応する。

[0025] パターニングデバイスは、透過性または反射性とすることができる。パターニングデバイスの例として、マスク、プログラマブルミラーアレイ、およびプログラマブルＬＣＤパネルがある。マスクは、リソグラフィ分野で周知であり、バイナリ、レベンソン型(alternating)位相シフト、およびハーフトーン型(attenuated)位相シフトならびに種々のハイブリッドマスクタイプのようなマスクタイプを含む。プログラマブルミラーアレイの一例は、各々を独立して傾斜させて入射の放射ビームをさまざまな方向に反射する小型ミラーのマトリクス状配置を使用している。傾斜したミラーは、放射ビーム内にパターンを付与し、この放射ビームは、ミラーマトリクスによって反射される。

[0026] 本明細書で使用する「投影システム」という用語は、適宜、使用する露光放射線、または液浸液の使用または真空の使用のような他の要因のための屈折、反射、反射屈折、磁気、電磁気、および静電気光学システム、またはこれらの任意の組み合わせを含む任意のタイプの投影システムを指すものと広義に解釈されるべきである。本明細書中の「投影レンズ」という用語のいかなる使用もより一般的な用語の「投影システム」と同義であると考えられるべきである。

[0027] 本明細書に記載するように、この装置は透過型（例えば、透過マスクを使用する）である。代替的に、この装置は反射型（例えば、上記のタイプのプログラマブルアレイまたは反射マスクを使用する）とすることができる。

[0028] リソグラフィ装置は、２つ（デュアルステージ）またはそれ以上の基板テーブル（および／または２つ以上のマスクテーブル）を有するタイプである。そのような「マルチステージ」マシンでは、追加のテーブルを並列に用いるか、１つまたは複数の他のテーブルを露光に使用している間に１つまたは複数のテーブル上で予備工程を実行することができる。

[0029] リソグラフィ装置は、基板の少なくとも一部が水などの屈折率が比較的高い液体で覆われ、投影システムと基板との間のスペースを充填するタイプであってもよい。液浸液は、例えば、マスクと投影システムとの間などのリソグラフィ装置の他のスペースに充填することもできる。投影システムの開口数を増やす液浸技法は、当業者には周知である。本明細書で使用する「液浸」という用語は、基板のような構造が液中に液浸されていなければならないという意味ではなく、露光時に投影システムと基板との間に液体を配置するというだけの意味である。

[0030] 図１を参照すると、イルミネータＩＬは、放射源ＳＯからの放射ビームを受け取る。例えば、放射源がエキシマレーザの時など、放射源とリソグラフィ装置は別々のエンティティであってもよい。その場合、放射源は、リソグラフィ装置の一部を形成するとは考えられず、例えば、適切な誘導ミラーおよび／またはビームエキスパンダを備えるビームデリバリシステムＢＤの助けを借りて放射ビームは放射源ＳＯからイルミネータＩＬへと渡される。他の場合、放射源が水銀ランプの時など、放射源はリソグラフィ装置の一体化部分である。放射源ＳＯおよびイルミネータＩＬと、必要であればビームデリバリシステムＢＤとをまとめて放射システムと呼んでもよい。

[0030] イルミネータＩＬは、放射ビームの角強度分布を調節するアジャスタＡＤを備えていてもよい。一般に、少なくともイルミネータの瞳面の強度分布の外側および／または内側半径範囲（一般にそれぞれσ-outerおよびσ-innerと呼ばれる）が調節可能である。さらに、イルミネータＩＬは、インテグレータＩＮおよびコンデンサＣＯのような他の種々のコンポーネントを備えることができる。イルミネータは、その断面に所望する均一性および強度分布を有するように、放射ビームを調整するために使用できる。

[0032] 放射ビームＢは、支持構造（例えば、マスクテーブルＭＴ）上に保持されているパターニングデバイス（例えば、マスクＭＡ）に入射し、パターニングデバイスによってパターン形成される。マスクＭＡを通り抜けた放射ビームＢは、基板Ｗのターゲット部分Ｃ上にビームを集束する投影システムＰＳを通過する。第２の位置決め装置ＰＷおよび位置センサＩＦ（例えば、干渉計デバイス、リニアエンコーダまたは容量センサ）の助けによって、基板テーブルＷＴは、例えば放射ビームＢの経路の異なるターゲット部分Ｃに位置を合わせるために正確に移動できる。同様に、第１のポジショナＰＭおよび別の位置センサ（図１には明示的に図示せず）を用いて、例えば、マスクライブラリからの機械的検索後に、またはスキャンの間に、放射ビームＢの経路に関してマスクＭＡを正確に位置決めすることができる。一般的に、マスクテーブルＭＴの運動は、第１のポジショナＰＭの一部を形成するロングストロークモジュール（粗動位置決め）およびショートストロークモジュール（微動位置決め）によって実現できる。同様に、基板テーブルＷＴの運動は、第２のポジショナＰＷの一部を形成するロングストロークモジュールおよびショートストロークモジュールを使用して実現できる。ステッパの場合（スキャナとは対照的に）、マスクテーブルＭＴはショートストロークアクチュエータにのみ連結されるか、または固定される。マスクＭＡおよび基板Ｗは、マスクアライメントマークＭ１、Ｍ２および基板アライメントマークＰ１、Ｐ２を用いて位置合わせできる。図に示す基板アライメントマークは専用のターゲット部分を占有するが、ターゲット部分間のスペースに配置してもよい（これらのマークはスクライブラインアライメントマークとして周知である）。同様に、マスクＭＡに複数のダイを設ける場合、マスクアライメントマークをダイ間に配置してもよい。

[0033] 図示の装置は、以下のモードの少なくとも１つで使用できる。
[0034] １．ステップモードでは、マスクテーブルＭＴと基板テーブルＷＴとは、基本的に静止状態であるが、放射ビームに付与されたパターン全体が一度でターゲット部分Ｃに投影される（すなわち単一静止露光）。次いで、基板テーブルＷＴはＸ方向および／またはＹ方向にシフトされ、別のターゲット部分Ｃを露光することができる。ステップモードでは、露光フィールドの最大サイズが単一静止露光で結像されるターゲット部分Ｃのサイズを制限する。
[0035] ２．スキャンモードでは、マスクテーブルＭＴと基板テーブルＷＴとを同期させてスキャンする間に、放射ビームに付与されたパターンがターゲット部分Ｃに投影される（すなわち単一動的露光）。マスクテーブルＭＴに関する基板テーブルＷＴの速度および方向は、投影システムＰＳの拡大（縮小）および像反転特性によって決定できる。スキャンモードでは、露光フィールドの最大サイズが、単一動的露光でのターゲット部分の（非スキャン方向の）幅を制限し、スキャン運動の長さがターゲット部分の（スキャン方向の）高さを決定する。
[0036] ３．別のモードでは、マスクテーブルＭＴがプログラマブルパターニングデバイスを保持したまま基本的に静止状態に保たれ、放射ビームに付与されたパターンがターゲット部分Ｃに投影される間に、基板テーブルＷＴが移動するかまたはスキャンされる。このモードでは、一般的にパルス状放射源が使用され、基板テーブルＷＴを移動するたびに、またはスキャン中の連続放射線パルスの間に、プログラマブルパターニングデバイスが適宜更新される。この動作モードは、上記のタイプのプログラマブルミラーアレイなどのプログラマブルパターニングデバイスを使用するマスクレスリソグラフィに容易に適用可能である。

[0037] 上記の使用モードの組合せおよび／または変形、または全く別の使用モードも利用できる。

[0038] 装置のフィーチャおよび他の基板内のパターニングされたフィーチャに関連するクリティカルディメンションは、データの便利な収集を容易にするような方法で測定すべきである。例えば、２次電子顕微鏡法を用いて、ラインまたはクリティカルディメンションを代表する他の微小なパターニングされたフィーチャの正確な寸法を決定することができる。

[0039] 本発明は、リソグラフィ装置内の基板露光波長がアライメントを測定するためのアライメント波長よりもはるかに小さいことがあるという事実を利用している。アライメント波長は、例えば、赤外線または可視光（すなわち、基板上のレジスト層に影響しない任意の波長）であるが、露光波長は普通、紫外光または同様の波長である。

[0040] 構造のサブ波長周期アレイは、露光ビームではなくアライメントビームによって検出可能な基板上で作成可能である。そのような周期アレイは、アライメント波長の人工結晶として振舞う。上記結晶の巨視的な光学特性、例えば、屈折率の実部および虚部は、構造の形状およびアレイの周期性によって正確に制御できる。これは、基板の巨視的な光学特性をアライメント波長に合わせることができるということを意味する。特に、アライメントマークがアライメントビームを送出する投影システムに合っている時には、アライメントビームを特定の散乱スペクトルで散乱させることができる。基板の光学特性の調整は、露光ビームの波長がアライメントビームの波長よりも（はるかに）小さいという事実の結果である。したがって、露光ビームによって基板内に形成されたパターニングされた構造は、その周期性がアライメントセンサで用いる波長より小さいフィーチャのアレイを含むことができる。アライメントビームにとってこれらのパターニングされたフィーチャは、光学特性がフィーチャアレイのフィルファクタなどのパラメータを変更することで変化する均質な媒体である。したがって、サブ波長フィーチャを変化させることでアライメント特性を変更できる。さらに、光の波長より大きい周期的構造から散乱する光の強度は下記のようにサブ波長フィーチャを変化させることで変更できる。

[0041] この種の構造の成形に関する詳細情報は、参照により本明細書に組み込まれる"Antireflection behavior of silicon subwavelength periodic structures for visible light", LalanneおよびMorris, Nanotechnology 8 (1997) 53-56に記載されている。図２に示すように、光ビームが格子のような規則的な波形表面に当たると、光ビームは、回折次数と呼ばれる別個の方向に散乱する。スカラー回折理論によれば、各次数が格子表面（回折角）への法線となす角度は、2nd sin θm = mλで表される（ただし、ｍは回折次数を示す整数、λは入射ビームの波長、ｑｍはｍ次回折角、ｎは格子媒体の屈折率、ｄは格子のピッチである）。

[0042] スウィングカーブを表す図３に示すように、そのような格子から反射した光の強度は格子フィーチャの深さ（または高さとも呼ぶ）および光の波長によって決まる。これは、普通、図３のＸ軸に沿ってプロットされる「位相深さ」として表現される。検出効率対シリコンウェーハ上にエッチングされた格子の位相深さが厳密結合波解析ＲＣＷＡを使用するソフトウェアを用いてシミュレーションされている。シミュレーションで使用されている波長は６３２．８ｎｍである。格子周期は１６ミクロンで、シリコン基板の屈折率は３．８５−ｉ０．０５である。この曲線は、検出された信号強度が格子の位相深さによって決まることを示している。位相深さが増えるにつれて、信号強度は一連の変動を示す。

[0043] ｄ＜λ（サブ波長格子）という格子ピッチｄの制限内で、ゼロ次数を例外として、すべての伝搬回折次数は非伝播（エバネッセント）波になる。そのような格子は格子を構成する材料の誘電率の値と格子のジオメトリによって決定される有効誘電率を備えたスラブとして有効に挙動する。所与のサブ波長ピッチに関して、格子によって形成されるスラブの有効誘電率は格子のデューティサイクルを変更することで調整できる。サブ波長格子は、新種の人工材料を提供する。これらの材料はその屈折率の実部および虚部がデューティサイクルなどの格子の幾何学パラメータを調節することで調整可能であるという特性を有する。

[0044] 例えば、格子４０のスペース内のサブ波長セグメンテーションを適用することで、図４に示すように、有効屈折率、したがって、格子のスペース内の光経路長が変化する。本明細書で使用する「サブ波長セグメンテーション」または「サブ波長格子」という用語は、一般的に、ピッチが小さすぎてある波長の光では「見えない」フィーチャのレギュラーアレイの形成を指す。セグメントまたは格子は、ラインとスペースのアレイでよい。場合によって、ラインそれ自体を線方向に直交してセグメント化できる。図４に示すように、ラインは法線に対してある角度で傾斜しているが、より一般的には、格子面に対して垂直に配置できる。この場合、「サブ波長セグメンテーション」は一連のライン４２とピッチｄ２を有するスペースとを含み、周期がｄ１のより大きいアレイの「スペース」部分に配置されている。より大きいアレイの「スペース」は実際には一連のより小さいラインとスペースで充填された部分的に充填されたスペースである。

[0045] 周期ｄが入射光の波長λよりはるかに小さいいわゆる飽和領域では、格子は均質な媒体と考えることができる。所与のサブ波長周期（図４のｄ２）で、入射光で「見える」有効屈折率はフィリングファクタ（ライン幅またはフィーチャ幅を周期で割った値として定義される）ｆまたはデューティサイクル１−ｆの関数として変動する。格子のスペース（またはライン）内にサブ波長セグメンテーションを適用することで、この領域の光経路長が変化し、スウィングカーブの周波数と振幅も変化する。有効屈折率の変化はさらに入射光の偏光状態の影響を受けやすい。

[0046] 図５は、シリコン基板上にエッチングされたサブ波長にセグメント化された１６ミクロン格子をシミュレーションすることで生成される種々のスウィングカーブを示す。言い換えれば、シミュレーションされたデータが図５に示されている構造は、超波長格子（格子ピッチが格子を測定するための入射光の波長より大きい従来の格子）と、入射光の波長より小さいピッチを有する１つまたは複数のサブ波長線形格子（セグメント化領域）（図４参照）などの、フィーチャのサブ波長レギュラーアレイとを含む。それ故、反射データが図５に示されている構造は、ライン間の部分的に充填された「スペース」のような、より小さいピッチの格子がより長いピッチの格子のフィーチャ内に含まれるデュアル格子構造である。

[0047] これらのシミュレーションで使用したシリコンの屈折率は３．８５−ｉ０．０５で、空気の屈折率は１である。入射光の波長は６３２．８ｎｍで、ＴＭ偏光である。図では菱形記号の曲線は、非セグメント化格子のシミュレーションされたスウィングカーブで、正方形、三角形および十字の曲線は、セグメント化領域のフィリングファクタがそれぞれ０．１、０．３、０．５のセグメント化格子のスウィングカーブを表す。フィリングファクタ、またはデューティサイクルは、所与の方向のライン幅またはフィーチャ幅を所与の方向のフィーチャ周期またはピッチで割った値を示す。例えば、シミュレーションされた構造は、シリコン基板上のフォトレジストラインのアレイ用の１６ミクロンのピッチ、８ミクロンのライン幅と、８ミクロンのフォトレジストライン間のラインスペーシング領域とを有する超波長線形格子（以後、「アレイ」とも称する）である。一例では、ライン「スペーシング」領域自体はフォトレジストラインとスペースのサブ波長アレイである（図４参照）。フィリングファクタがゼロであるということは、サブ波長アレイのライン幅がゼロである（すなわち、サブ波長アレイがない）ということを示す。フィリングファクタが増加するにつれて、所与のサブ波長格子のライン幅は、ピッチが一定であることから、増加する。

[0048] 図５に示すように、フィリングファクタが増加するにつれてスウィングカーブの周波数は増加し、スウィングカーブの振幅は減少する。本発明の各実施形態で利用できるスウィングカーブの周波数の変化はセグメント化領域内の有効屈折率の変化によって引き起こされる。スウィングカーブの振幅の減少はフィリングファクタの増加に伴うセグメント化領域内の有効屈折率の増加に関連付けられる。振幅の減少は主としてセグメント化領域の上部および下部界面で発生する反射と透過によって引き起こされる。したがって、本発明の各実施形態に従って配置された（サブ波長格子を含む）デュアルピッチ格子から反射した光の次数（次数はゼロより大きい）の強度を測定することで、以下に詳述するように、サブ波長格子のフィリングファクタに関する情報を得ることができる。フィルファクタを決定すると直接にライン幅またはＣＤが決定される（本明細書では、小さい寸法を、通常、デバイス構造内の微小構造に関連付けられた寸法であり、設計パラメータとして指定できる「クリティカルディメンション」またはＣＤと呼ぶ）。これはサブ波長格子のピッチが事前に設計でき、また、ＳＥＭなどのツールによって独立して測定できることによる。

[0049] したがって、本発明の各実施形態では、リソグラフィツール内のアライメントセンサなどの光センサを用いてパターニングされたフィーチャのクリティカルディメンションを決定する簡単な方法およびシステムが提供される。

[0050] 本発明の一実施形態によれば、基板上に提供されたパターニングされた構造内のクリティカルディメンションを決定するための方法は、基板内に提供されたパターニングされた構造（実験構造）に入射する放射ビームを提供するステップを含む。一実施では、パターニングされた構造は、基板上に提供されたパターニングされたフォトレジスト層である。放射ビームは、リソグラフィ装置内でアライメント測定を行うための光ビームとすることがでできる。

[0051] パターニングされた構造は、光ビームの波長を超えるピッチを有する第１のフィーチャアレイを１つまたは複数の方向に提供する超波長格子を含み、さらに光ビームの波長よりも小さい第２のアレイのピッチを備えた第２のフィーチャとスペースのアレイを含むサブ波長格子を含む。例えば、超波長格子は、リソグラフィ装置内に提供されたレチクルステージに関して基板をアライメントするためのアライメントマークのパターンを含むことができる。サブ波長格子は、入射光の全ての伝搬回折次数がゼロ次数以外存在しなくなるように構成されている。実験構造の表面から光が反射する。実験構造から反射した光の強度が検出される。実験構造から反射した光の強度が、第１のピッチおよび第１のデューティサイクルを有する超波長格子を含むがサブ波長格子を含まない基準構造から検出された光の強度と比較される。一例では、基準構造は、従来の基板アライメントマークである。サブ波長格子に関連するクリティカルディメンションは、実験および基準構造から反射した光の比較された強度、構造深さ、および第１のデューティサイクルに基づいて決定される。

[0052] 本発明の一実施形態では、サブ波長格子のクリティカルディメンションは、まず、パターニングされた構造のサブ波長部分の有効屈折率を計算することで決定される。有効屈折率ｎ_ｅｆｆは、下式から計算される。

[0053] 式１では、Ｉ_ｅｘｐは、実験構造から反射した光の測定強度であり、Ｉ_ｒｅｆは、基準構造から反射した光の測定強度である。ＤＣ、すなわち超波長格子のデューティサイクル、は測定によってまたは設計規則から決定できる。マーク（実験構造）の深さｔは、周知の方法で実験的に測定できる。例えば、実験構造がシリコン基板上に堆積されたレジスト層内に形成されている場合、図４に示すように、深さｔは、レジスト内のパターニングされたフィーチャの高さｔに対応する。堆積された層の反射率Ｒは、下式に従って決定される。
屈折率パラメータｎ_ｆ、ｎ_０、およびｎ_ｓは、既知であり、または標準の測定技法で決定できる。したがって、式２を式１に代入すると、ｎ_ｅｆｆは唯一の未知のパラメータとなる。それ故、ｎ_ｅｆｆは、基準および実験構造からの反射光強度を測定することで直接決定できる。

[0054] 本発明の一実施形態では、計算されたｎ_ｅｆｆからサブ波長格子内のフィーチャのクリティカルディメンションの決定は下式で与えられる。
Ｆは、Ｆ＝ＣＤ／ピッチ（サブ波長ピッチ）に等しいフィリングファクタであり、
ｎ_ｅｆｆ，ＴＭ、ｎ_ｅｆｆ，ＴＥは、式１および式２から得られるＴＥおよびＴＭ偏光アライメントビームの有効屈折率である。
したがって、本発明の別の実施形態によれば、ＴＥまたはＴＭ偏光ビームは実験構造からの回折に用いる入射光ビームとして提供できる。式３から明らかなように、ｎ_ｆとｎ_０は周知であるので、フィルファクタパラメータＦ（＝ＣＤ／ピッチ）はｎ_ｅｆｆから直接計算される。サブ波長格子のピッチは一般に知られているか別個に測定可能なため、式３を用いてｎ_ｅｆｆからＣＤを直接決定できる。

[0055] それ故、本発明の各実施形態は、リソグラフィ装置内で生成されたパターニングされたフィーチャのクリティカルディメンションをその場で測定するシステムおよび方法両方を提供する。言い換えれば、サブ波長（アライメントセンサ放射波長に関する）のフィーチャは、２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、または１５７ｎｍエキシマレーザ源などのリソグラフィ装置の投影システムからの短波長放射源を用いてパターン形成できる。そのようなフィーチャのＣＤは例えばアライメントセンサ内の６３３ｎｍ放射源を用いて同じ装置内で測定できる。

[0056] 本発明の別の実施形態によれば、リソグラフィ装置のベストフォーカス状態を決定するための方法は、入射光の回折強度または超波長格子内に含まれるサブ波長格子を含む実験構造を測定する上記概説したステップを含む。アライメントセンサなどの放射センサは一連の実験構造からの回折光の次数の放射強度を検出するために提供される。以下に詳述するように、一連の実験構造は、一連の異なる動作状態、例えば、異なるフォーカス状態にあるリソグラフィ装置内の投射される放射ビームによって生成できる。一連の実験構造にからの光の回折次数の実験的放射強度測定に基づいて、ベストフォーカス状態を決定できる。

[0057] 図６は、リソグラフィ装置によって生成されるラインのフォーカス状態の関数としてのライン幅（バイアス）の変動をプロットするデータを表示する従来のBossungプロットを示す（通常、フォーカスは一般にレチクルステージおよび基板ステージに垂直の方向、すなわちｚ軸方向の距離としてプロットされる）。一連のラインがプロットされ、各々のラインは異なる露光ドーズ量を表す。バイアスは公称寸法からの誤差を表すが、ライン幅の絶対寸法としてプロットすることができる。明白に、ライン幅バイアスは、ゼロ状態として定義できる一定のフォーカス位置で最小になる。負のバイアスは、公称値より大きいライン幅と同等である。フォーカス＝０（ベストフォーカス状態）付近でライン幅の負のバイアスは最小になるが、これは、絶対ライン幅が最小寸法になったということを示している。フォーカスの他の値では、バイアスは負になり、ライン幅の増加を示す。したがって、図６のデータが実験リソグラフィ状態の関数としての回折格子のライン幅挙動の典型として用いられる場合、回折格子は、フォーカス＝０の実験状態で最小のライン幅を有する。この実験リソグラフィ状態がベストフォーカス状態として用いられる場合、リソグラフィ装置内のベストフォーカス状態（設定）は測定されたライン幅に基づいて決定できる。

[0058] ＣＤを測定する従来のライン幅測定を用いて図６に示すような曲線を生成できる。ただし、上記のように、ＣＤは、サブ波長格子を含む超波長格子から光センサで受光した光の回折次数の強度の測定から決定できる。したがって、本発明の一実施形態によれば、一連の実験デュアル格子構造は、ＤＵＶエキシマレーザ源などの短波長放射源を用いて生成される。一連の構造は基板内の一連の異なるｘｙ位置として刻印され、基板を露光するためのフォーカス／ドーズ量は基板位置によって異なる。ベストフォーカス状態は、光センサでの測定強度から決定される最小ライン幅（ＣＤ）を（固定露出量について）生成する位置のような所定の判定基準に基づいて決定される。

[0059] この手順を一連の異なる露光ドーズ量の一連のフォーカス状態に用いてサブ波長格子（サブ波長セグメンテーションとも呼ぶ）を含むデュアル格子構造からの回折光から受け取った強度測定値を提供する２次元フォーカス露光マトリクスを生成することができる。本発明の一実施形態では、検出強度の変動を用いて、図７に示すように、ＣＤの計量測定なしに、ベストフォーカス状態を決定できる。図７は、サブ波長セグメンテーションを含む一連のアライメント格子からの回折光のアライメントセンサでの検出強度をプロットする。強度は、基板内の所与のアライメント格子を生成する露光ドーズ量とフォーカス位置の関数としてプロットされる。明白であるが、強度（ＷＱで示される）は０で指定されるフォーカス状態周囲で最小になる。ゼロフォーカス距離のいずれかの側で、検出強度は増加する。検出強度の増加は、ピッチ値が固定されているため、より小さいデューティサイクル、したがって、より大きいＣＤに対応する。したがって、ＣＤの絶対値は、リソグラフィ装置内のベストフォーカス状態を実験的に決定するためにＣＤを測定する必要はない。それどころか、一連のデュアル格子構造は一連のフォーカス位置にわたって生成でき、ベストフォーカス状態は最小の回折強度を生成する位置に基づいて決定される。

[0060] 図７で、ラインはセグメント化されるがスペースはセグメント化されない。別の実施形態では、スペースはセグメント化でき、その場合、ほぼ同じであるが反転した曲線が得られる。これは最小検出強度ではなく最大検出強度を表す。

[0061] ＩＣ製造におけるリソグラフィ装置の使用について本明細書で特に言及できるが、本明細書に記載するリソグラフィ装置は、一体型光学システムの製造、磁気ドメインメモリの誘導および検出パターン、フラットパネルディスプレイ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、薄膜磁気ヘッドなどの他の応用分野もあることを理解されたい。そのような代替分野に関しては、本明細書の「ウェーハ」または「ダイ」という用語の使用は、それぞれ「基板」または「ターゲット部分」というより一般的な用語と同義であることを当業者は理解するであろう。本明細書で説明した基板は、露光前または後に、例えば、トラック（通常、レジスト層を基板に塗布して露光レジストを作成するツール）、計測ツールおよび／または検査ツール内で処理できる。本明細書内の開示は適宜、上記および他の基板処理ツールに適用可能である。

[0062] 以上、光リソグラフィに関して本発明の各実施形態の使用について具体的に言及してきたが、本発明は、インプリントリソグラフィなどの他の応用分野でも使用でき、文脈に応じて、光リソグラフィに限定されないことを理解されたい。インプリントリソグラフィでは、パターニングデバイス内の微細構成が基板上に作成されたパターンを画定する。パターニングデバイスの微細構成を基板に塗布されたレジスト層に押し付け、電磁放射線、熱、圧力、またはこれらの組み合わせを加えることでレジストは硬化する。パターニングデバイスはレジストから外され、レジストが硬化した後でレジスト内にパターンを残す。

[0063] 本明細書で使用する「放射」および「ビーム」という用語は、紫外光（ＵＶ）（例えば、約３６５、３５５、２４８、１９３、１５７もしくは１２６ｎｍ、またはその近辺の波長を有する）および極端紫外光（ＥＵＶ）（例えば、５〜２０ｎｍの範囲内の波長を有する）、ならびにイオンビームまたは電子ビームなどの粒子ビームを含むすべてのタイプの電磁放射を含む。

[0064] 文脈に応じて、「レンズ」という用語は、屈折、反射、磁気、電磁気および静電気光コンポーネントを含む種々のタイプの光コンポーネントのいずれか１つまたはこれらの組み合わせを指すことができる。

[0065] 以上、特定の実施形態について説明してきたが、本発明は上記以外の方法で実施することもできることを理解されたい。例えば、本発明は上に開示した方法を記述した１つまたは複数のシーケンスのマシン可読命令を含むコンピュータプログラム、またはそのようなコンピュータプログラムを内部に記憶したデータ記憶媒体（例えば、半導体メモリ、磁気または光ディスク）の形態をとることができる。

[0066] 上記の説明は、例示的であって限定的なものではない。したがって、特許請求の範囲から逸脱することなく上記本発明をさまざまに変形できることは当業者には明らかであろう。

[0014] 本発明の一実施形態によるリソグラフィ装置を示す図である。 [0015] 格子構造からの光ビームの回折のジオメトリを示す図である。 [0016] 図２に示すような従来の格子の位相深さの関数としての回折光の第１の回折次数の検出効率のシミューションを示すグラフである。 [0017] 本発明の一実施形態に従って配置された格子構造を示す図である。 [0018] 本発明の各実施形態に従って配置された主に図４に示す格子構造の位相深さとフィルファクタの関数としての回折光の第１の回折次数の検出効率のシミューションを示すグラフである。 [0019] 種々の露光ドーズ量のフォーカス位置の関数として構造内に刻印されたラインのライン幅寸法バイアスを描く典型的なBossung曲線を示す図である。 [0020] 露光ドーズ量およびフォーカス位置の関数としての本発明の一実施形態に従って配置された格子構造からの回折光の次数の検出強度の変化を示す平面および３次元プロットを示す図である。

Claims (21)

1. パターニングされた基板内のフィーチャの寸法を測定するための方法であって、
   基板上に実験構造を提供することであって、該実験構造が、第１のピッチおよび第１のデューティサイクルを有する第１のフィーチャのアレイを含み、かつ前記第１のピッチより小さい第２のピッチを有する第２のフィーチャのアレイを含む、該提供すること、
   前記実験構造に入射する第１の放射ビームを提供することであって、該第１のビームが、前記第２のピッチより大きく前記第１のピッチより小さい第１の波長を有する、該提供すること、
   前記実験構造からの前記第１のビームの回折によって生成される光の非ゼロ次数の強度を検出すること、
   前記第１のビームとほぼ同じ第２のビームの基準構造からの回折によって生成される光の非ゼロ次数の強度を検出すること、および
   前記検出強度および前記第１のピッチに基づいて前記第２のフィーチャアレイのクリティカルディメンションを決定すること
   を含む方法。
2. 前記実験構造および前記基準構造が、前記基板上に配置されたパターニングされたフォトレジストを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記実験構造および前記基準構造からの回折によって生成される光の非ゼロ次数の強度の決定が、アライメントセンサによって実行される、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１のビームおよび前記第２のビームが、ＴＭ偏光ビームまたはＴＥ偏光ビームのいずれかである、請求項３に記載の方法。
5. 前記第１の波長が約５００ｎｍより大きい、請求項４に記載の方法。
6. 前記第１のフィーチャのアレイが、部分的に充填されたスペースで区切られた複数の第１のラインを含み、前記第２のフィーチャのアレイが、複数の第２のラインおよび第２のスペースを含み、前記複数の第２のラインおよび第２のスペースが、前記部分的に充填されたスペース内にある、請求項１に記載の方法。
7. 前記第１のビームがＴＭ偏光ビームであり、クリティカルディメンション（ＣＤ）が、部分的に充填されたスペースの有効屈折率ｎ_ｅｆｆから下式：
   （ただし、Ｆ＝ＣＤ／第２のピッチ、ｎ_０は空気の屈折率、ｎ_ｆは前記実験構造を含む層の屈折率である）
   によって決定される、請求項１に記載の方法。
8. 前記第１のビームがＴＥ偏光ビームであり、クリティカルディメンション（ＣＤ）が、部分的に充填されたスペースの有効屈折率ｎ_ｅｆｆから下式：
   （ただし、Ｆ＝ＣＤ／第２のピッチ）
   によって決定される、請求項１に記載の方法。
9. ｎ_ｅｆｆが、下式：
   （ただし、Ｉｅｘｐは前記実験構造から回折した前記第１のビームによって生成される検出強度、Ｉｒｅｆは前記基準構造から回折した前記第２のビームによって生成される検出強度、Ｒは前記実験構造を含む層の反射率、Ｒｓは前記基板の反射率、ＤＣは前記第１のフィーチャアレイのデューティサイクル、ｍは非ゼロ次数、ｔは前記実験構造の深さ、λは前記第１の波長である）
   によって決定される、請求項７に記載の方法。
10. Ｒが、
    によって決定され、
    Ｒｓが、
    （ただし、ｎ_ｆは前記実験構造を含む層の屈折率、ｎ_０は空気の屈折率、ｎ_ｓは前記基板の屈折率である）
    によって決定される、請求項９に記載の方法。
11. ｎ_ｅｆｆが、下式：
    （ただし、Ｉｅｘｐは前記実験構造から回折した前記第１のビームによって生成される検出強度、Ｉｒｅｆは前記基準構造から回折した前記第２のビームによって生成される検出強度、Ｒは前記実験構造を含む層の反射率、Ｒｓは前記基板の反射率、ＤＣは前記第１のフィーチャアレイのデューティサイクル、ｍは非ゼロ次数、ｔは前記実験構造の深さ、λは前記第１の波長である）
    によって決定される、請求項８に記載の方法。
12. Ｒが、
    によって決定され、
    Ｒｓが、
    （ただし、ｎ_ｆは前記実験構造を含む層の屈折率、ｎ_０は空気の屈折率、ｎ_ｓは前記基板の屈折率である）
    によって決定される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１のビームが偏光ビームであり、クリティカルディメンション（ＣＤ）が、部分的に充填されたスペースの有効屈折率から決定され、前記有効屈折率が、厳密結合波解析によって決定される、請求項１に記載の方法。
14. パターニングされた基板内のフィーチャのクリティカルディメンションを決定するためのシステムであって、
    前記基板に入射する第１の光ビームを提供する光源であって、該第１の光ビームが前記クリティカルディメンションより大きい波長を有する、該光源と、
    前記基板上の実験構造からの回折後の前記第１のビームから受光した光の非ゼロ次数の強度を検出する光センサとを含み、
    前記実験構造が、第１のデューティサイクルと前記光ビームの波長を超える第１のピッチとを有する第１のフィーチャのアレイを提供する超波長格子を含み、前記光ビームの波長より小さい第２のピッチを有する第２のフィーチャとスペースのアレイを含む少なくとも１つのサブ波長格子をさらに含み、
    前記光センサが、前記基板上の基準構造からの回折後の前記第１のビームとほぼ同じ第２のビームから受光した光の非ゼロ次数から回折した光の強度を検出し、
    前記基準構造が、前記実験構造の前記超波長格子とほぼ同じ超波長格子を含むが前記サブ波長格子は含まず、そして
    前記実験格子および前記基準格子から回折した光の非ゼロ次数の強度を比較し、かつ前記検出強度、格子深さ、および前記第１のピッチに従って前記サブ波長格子内のフィーチャのクリティカルディメンションを計算するプロセッサをさらに含む、システム。
15. 前記実験構造および前記基準構造が、前記基板上に配置されたパターニングされたフォトレジストを含む、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記光センサがアライメントセンサである、請求項１４に記載の方法。
17. 前記第１のビームおよび前記第２のビームが、ＴＭ偏光ビームおよびＴＥ偏光ビームのいずれかである、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記第１の波長が約５００ｎｍより大きい、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記第１のフィーチャのアレイが、部分的に充填されたスペースで区切られた複数の第１のラインを含み、前記第２のフィーチャのアレイが、複数の第２のラインおよび第２のスペースを含み、前記複数の第２のラインおよび第２のスペースが、前記部分的に充填されたスペース内にある、請求項１４に記載のシステム。
20. リソグラフィ装置内のベストフォーカスを決定するための方法であって、
    基板上に一連の実験構造を提供することであって、該各実験構造が、第１のピッチおよび第１のデューティサイクルを有する第１のフィーチャのアレイを含み、かつ前記第１のピッチより小さい第２のピッチを有する第２のフィーチャのアレイを含み、該各実験構造が、それぞれのフォーカス位置に関連付けられた、該提供すること、
    前記実験構造の各々に入射する第１の放射ビームを提供することであって、該第１のビームが、前記第２のピッチより大きく前記第１のピッチより小さい第１の波長を有する、該提供すること、
    前記実験構造からの前記第１のビームの回折によって生成される光の非ゼロ次数の一連の強度を検出すること、および
    最小または最大の検出強度を生成する前記一連の実験構造内のある実験構造に関連付けられたフォーカス位置を決定すること
    を含む方法。
21. 前記第１の放射ビームが偏光ビームであり、前記検出が、アライメントセンサによって実行される、請求項２０に記載の方法。