JP2009529785A - 基板の曲率および応力マッピングデータに基づくリソグラフィ位置ずれの判定方法 - Google Patents

Abstract

ウェハに対してフォトリソグラフィプロセスを実施する前、実施中、および／または実施した後に、ウェハの位置ずれ評価を行う方法を提供する。方法は、ウェハの表面の曲率情報、および/または変形情報を複数の位置で測定してウェハの曲率マップを得ることを含む。次に、曲率マップを処理してウェハの応力マップを得る。次に、応力マップを使用してウェハの層の変位を決定する。そして、変位情報を使用してフォトリソグラフィプロセスにおける位置ずれの程度を決定する。

Description

関連出願の参照

本願は、「基板の曲率および応力マッピングデータに基づくリソグラフィ位置ずれの判定方法（ＤＥＴＥＲＭＩＮＡＴＩＯＮ ＯＦ ＬＩＴＨＯＧＲＡＰＨＹ ＭＩＳ−ＡＬＩＧＮＭＥＮＴ ＢＡＳＥＤ ＯＮ ＣＵＲＶＡＴＵＲＥ ＡＮＤ ＳＴＲＥＳＳ ＭＡＰＰＩＮＧ ＤＡＴＡ ＯＦ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ）」と題する２００６年３月９日に出願された米国仮特許出願第６０／７８１、２１８号（発明者：Ｄａｖｉｄ Ｏｗｅｎ）に基づいて優先権を主張する。米国仮特許出願第６０／７８１、２１８号の開示内容はこの参照によって本願の開示内容に組み込まれるものとする。

本発明は、全体として半導体ウェハ等の基板の測定による計量特性および処理に関する。特に、本発明は、半導体ウェハのリソグラフィ処理に関連する位置ずれと重ね合わせ誤差を評価および／または補償する方法および関連技術に関する。

基板上に微細な電子回路やその他の微細な形状を作製する場合には、一般的には、フォトリソグラフィ技術を使用する。フォトリソグラフィ技術は、構造または回路全体を複数の層または高さで形成するために複数のフォトリソグラフィ工程またはステージを必要とするウェハ処理を含む場合がある。ウェハプロセスを連続したステージで行うために、フォトリソグラフィツールを製造ラインに組み込む場合が多い。各ステージは、ウェハプロセスのサブプロセスを行うためにセットアップすることができる。少なくとも１つのサブプロセスは、フォトリソグラフィツールを使用するフォトリソグラフィプロセスである場合がある。

フォトリソグラフィプロセスの有効性は、フォトリソグラフィプロセスの露光に使用されるマスクに対する処理中の基板（または基板の表面および／または内部形状）の位置合わせに（通常は部分的に）依存する。処理中の基板のマスクに対する位置ずれは望ましくないが、様々な原因によって生じ得る。例えば、位置ずれが公差範囲を超えると、得られる回路は欠陥となり、回路の性能が低下したりして、回路の不具合が生じる。

場合によっては、ウェハの反りによる位置ずれによってフォトリソグラフィの焦点ずれが生じ得る。フォトリソグラフィの焦点ずれについては、「焦点深度の監視に基づくウェハスクリーニングとウエハ処理制御（ＷＡＦＥＲ ＳＣＲＥＥＮＩＮＧ ＡＮＤ ＷＡＦＥＲ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ ＣＯＮＴＲＯＬ ＢＡＳＥＤ ＯＮ ＭＯＮＩＴＯＲＩＮＧ ＯＦ ＤＥＰＴＨ ＯＦ ＦＯＣＵＳ）」と題する２００６年１２月１３日に出願された米国特許出願第１１／６３８、６５０号（発明者：Ｄａｖｉｄ Ｏｗｅｎ、譲受人：Ｕｌｔｒａｔｅｃｈ、Ｉｎｃ）に記載されている。また、米国特許出願第１１／６３８、６５０号は、フォトリソグラフィプロセスに使用するフォトリソグラフィツールにおいてウェハ表面の１以上の位置が焦点ずれであるか否かを決定するために干渉法を使用することができるフォトリソグラフィプロセスを行うための方法および製造ラインを開示している。

各種リソグラフィシステムでは、所与の層の形状を下部の形状に重ね合わせるために十分な精度で形状を位置合わせする１以上の位置合わせ（アライメント）機構が設けられる。リソグラフィシステムによっては、特定のリソグラフィプロセスの構成または設定の一部としてアライメントマークまたは形状の位置を直接測定し、異なる層の位置合わせまたは重ね合わせを最適化する場合がある。そのようなシステムは、アライメントマークの位置の評価結果がアライメントマークの実際の位置が公称位置からずれていることを示す場合に形状の印刷を補償または変更するように構成することができる。用途によっては、必要とされる、重ね合わせ精度は印刷される形状のサイズと等しい。システムによっては、重ね合わせ精度は１０〜２０ナノメートルとなる場合がある。

また、ウエハ処理のための製造ラインのステージは、他のステージよりも設定、維持、および／または運転にコストがかかる。例えば、製造ラインの特にコストのかかるステージでは、厳しい位置合わせ公差、および／またはウェハ品質を必要とするフォトリソグラフィツールを使用する場合がある。基準に満たない品質のウェハをフォトリソグラフィツールに装填したり、基準に満たない方法でウェハをフォトリソグラフィツールに装填すると、ツールの動作時間が浪費され、ウェハプロセスのコストが増加し、ウェハプロセスの総合的な効率が低下する。

ウエハ処理を行う製造ラインに品質管理対策を導入することができる多くの方法がある。例えば、位置ずれと重ね合わせ誤差を直接測定するために画像処理技術を使用することができる。通常、画像処理技術は時間がかかるため、実用的ではない。また、画像処理技術は方向性よりも大きさ（程度）を強調する傾向があり、通常はアライメントマークまたはターゲットを使用することが必要である。本質的に、アライメントマークまたはターゲットはデバイスの正確な位置の近傍にあり、正確な位置にはない。従って、画像処理技術は潜在的に局所的な測定には適しているが、ウエハスケール（グローバル）の精度を欠いている。要するに、公知の技術は一般によりマイクロスケールであり、マクロスケールのウェハ評価には必ずしも適していない。

そのため、フォトリソグラフィにおける上述した位置合わせの問題に対処することが求められている。特に、ウェハ処理を行う製造ラインにおいて、早期に、迅速かつ正確に、ロバストで十分な情報に基づいて良品ウェハを不良ウェハから選り分け、ラインのリソース利用率を向上させることができる技術が求められている。

本発明は、全体として半導体ウェハ等のウェハのフォトリソグラフィ処理に関連する方法を提供する。例えば、本発明は、ウェハに対してフォトリソグラフィプロセスを実施する前、実施中、および／または実施した後に行われる方法を提供する。本発明の方法は、ウェハの表面の曲率情報を複数の位置で測定してウェハの曲率マップを得ることを含む。次に、曲率マップを処理してウェハの応力マップを得る。次に、応力マップを使用してウェハの層の変位を決定する。そして、変位情報を使用してフォトリソグラフィプロセスにおける位置ずれの程度を決定する。

曲率情報は多くの方法のいずれかによって得ることができる。例えば、ウェハ表面の光学測定の結果として曲率情報を得ることができる。光学測定法の例としては、実質的にウェハ表面全体を同時に調べるフルフィールド干渉法および／またはシヤリング干渉法等の各種干渉法が挙げられる。必要に応じて、機械的変形に関するより一般化された情報を曲率情報の代わりに使用することができる。

ウェハの層は、任意の方法によって形成、および／または変化させることができる。場合によっては、層を蒸着法によって形成するか、変化させる。さらにまたはあるいは、層は複数の副層を含むことができる。この場合、応力マップを使用してウェハの少なくとも１以上の選択された副層の変位を決定する。

応力マップは多くの様々な方法によって得ることができる。応力マップを生成する方法の例としては、曲率変化解析、および／または格子歪み解析が挙げられる。場合によっては、Ｘ線回折、および／またはラマン分光法を使用して応力マップを生成することができる。また、応力マップは、面内応力成分からの推進力の計算、その勾配、および／または非局所的分析に基づく曲率変化からの界面剪断応力の計算によって生成することができる。

層の変位を決定するために様々な方法を使用することができる。例えば、層の変位決定は、対象となるウェハ構造に対する層にパターニングされた形状の変位を評価することを含むことができる。さらにまたはあるいは、フォトリソグラフィプロセスに関連する基準点に対するウェハ上の層の形状の変位を評価することができる。いずれの場合も、上述した評価を使用して位置ずれの程度が位置ずれ公差予測値内にあるか否かを決定することができる。

いずれの場合も、本発明を使用してウェハに対するフォトリソグラフィプロセスを実行または継続すべきであるか否かを決定することができる。場合によっては、例えば、位置ずれの程度がフォトリソグラフィプロセスの公差内にある場合にのみフォトリソグラフィプロセスを実行または継続することができる。この場合、ウェハまたはプロセスの位置ずれ公差予測値を使用する。位置ずれの判定は、フォトリソグラフィプロセスを実行または継続することを決定する直前に行うことができる。

フォトリソグラフィプロセスは、複数のサブプロセスを含むことができる。サブプロセスは、ウェハの検査、ウェハに材料を添加すること、および／またはウェハから材料を除去することを含むことができる。場合によっては、少なくとも１つのサブプロセスは、変化させる前のウェハとは異なる特性を示すようにウェハの少なくとも一部を変化させることを含む。例えば、ウェハの少なくとも一部は変化した導電率、変化した微細構造または相転移を有することができる。さらにまたはあるいは、ウェハの少なくとも一部にアニール、合金化、イオン化学反応、および／または共有結合性化学反応に供されていてもよい。

当業者には、本明細書の開示内容から本発明のさらなる実施形態が明らかになるだろう。

定義および概要
本発明を以下に詳細に説明するが、特記しない限り、本発明は特定の基板、温度測定手段または材料に限定されるものではなく、基板、温度測定手段および材料は異なっていてもよい。また、本明細書に使用する用語は特定の実施形態について説明するためのみのものであり、本発明を限定するもと解釈されてはならない。

本明細書および請求の範囲において使用する単数形の語は、文脈によって明確に規定されない限り、単数形および複数形の指示物を含む。例えば、「ウェハ上の位置」という場合には単一の位置および複数の位置を含み、「層」という場合には単一の層および複数の層の積層体を含む。

また、本発明の構成要素間の特定の空間的な関係を示すまたは示唆する用語は、用法の文脈によって明確に規定されない限り、絶対的な意味ではなく、相対的な意味で解釈されるものとする。例えば、第１の要素に対する第２の要素の空間的な向きについて説明するために使用する「上」という用語は、第２の要素が第１の要素の上方に位置することを必ずしも意味するものではない。従って、第１の層の上に配置された第２の層を含むデバイスでは、デバイスの向きに応じて第２の層は第１の層の上方、同一の高さまたは下方に位置することができる。同様に、基板の「上」面は、基板の向きに応じて基板の他の部分の上方、同一の高さまたは下方に位置することができる。

本発明について説明する際には、用語が使用される文脈が明確に別の意味を示さない限り、以下の用語を以下の定義に従って使用する。

「半導体」という用語は、絶縁体よりも高く、良導体よりも低い導電率を有し、コンピュータチップおよびその他の電子デバイスの基材として使用することができる様々な固体物質のいずれかを意味するものとして使用する。半導体は、ケイ素またはゲルマニウム等の単一元素から実質的になるか、炭化ケイ素、リン化アルミニウム、ガリウム砒素、インジウムアンチモン化物等の化合物からなることができる。特記しない限り、「半導体」という用語は、元素半導体と化合物半導体の組み合わせおよび張力、および／または圧縮下にある半導体等の歪み半導体を含む。本発明において好適に使用される間接バンドギャップ半導体の例としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣが挙げられる。本発明において好適に使用される直接バンドギャップ半導体の例としては、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＰが挙げられる。

「実質的」および「実質的に」という用語はそれらの通常の意味で使用し、重要性、値、程度、量、範囲等が著しいことを意味する。例えば、「実質的にウェハの表面全体を調べる（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｅ）」とは、ウェハの表面を慎重に観察または調査することを意味する。そのような観察または調査は、通常はウェハの表面全体またはほぼ全体を確認することを含む。「実質的に」という用語のその他の使用も同様に定義される。

本明細書において使用する「基板」という用語は、処理対象の表面を有する材料、例えば、回路を形成または作製することができる支持材料を意味する。基板は、チップアレイを含む半導体ウェハ等の複数の形態のいずれかであることができ、１種以上の非半導体材料および１種以上の半導体材料であってもよい。

関連事項として、本明細書において使用する「ウェハ」という用語は、単一トランジスタまたは集積回路の構成要素が形成される基材として使用される半導体の薄片を通常は意味する。本明細書においては、文脈によって明確に示されない限り、「ウェハ」と「基板」という用語を通常は互換性を持って使用する。

本発明は、全体として、フォトリソグラフィプロセスにおいて位置ずれの程度を決定するために使用することができる計測・ウェハスクリーニング技術に関する。例えば、本発明は、フォトリソグラフィウェハプロセスのためにウェハに対する層の移動、および／または変位の可能性、および／または実際の発生を決定（判定）するための方法を提供する。具体的には、本発明の方法によれば、薄膜の応力（力）分布に基づき、既に処理された下層および形状に対する層の動き、および／または変位（リソグラフィ位置ずれ）を決定することができる。

また、本発明は、フォトリソグラフィプロセスの実施前、実施中または実施後の位置ずれに関してウェハをスクリーニングすることにより、フォトリソグラフィプロセス時にウェハに形成される回路または微細構造の信頼性を向上させることができるという認識に基づくものである。そのようなスクリーニングにより、フォトリソグラフィプロセスの効率をさらに向上させることができる。そのため、フォトリソグラフィプロセスを含むウェハプロセスの総コストを低下させることができる。

従って、本発明は、全体として基板のフォトリソグラフィ処理に関連する方法であって、基板の曲率マップを得るためにウェハの表面の曲率情報を複数の位置で得ることを含む方法を提供する。曲率マップを処理して基板の応力マップを得る。次に、応力マップを使用してウェハの層の変位を決定する。そして、変位情報を使用してフォトリソグラフィプロセスにおける位置ずれの程度を決定する。通常、曲率／応力マップは、その後の処理工程における位置ずれの可能性を監視および制御するために使用する。

場合によっては、応力の大きさと均一性（応力予測）の規格を作製し、プロセス制御のために監視する。別の場合には、リソグラフィシステムの動作をどのように補償または補正するかを決定するために曲率／応力マップから得られた位置ずれ情報を使用し、ウェハにおける重ね合わせを最小化または最適化することができる（フェドフォワード（ｆｅｄ ｆｏｒｗａｒｄ）データを使用するリソグラフィシステム制御）。

フォトリソグラフィのためのスクリーニング
上述したように、本発明は、フォトリソグラフィプロセスのための位置ずれスクリーニングを行うための方法を提供する。本発明の方法は、計測システムを使用してウェハの曲率マップを得ることを通常は含む。次に、曲率マップを処理して薄膜（層）応力マップを決定する。応力マップは、特定の工程またはサブプロセスまたは工程またはサブプロセスの組み合わせのために、位置ずれの程度を評価するために使用することができる。例えば、応力マップに含まれる応力測定値は、単一の膜および単一のプロセスに関する場合がある。あるいは、応力測定値は複数の膜および複数のプロセスに対して得ることができる。

応力から変位情報（例えば、変位、歪み、機械的推進力（ｄｒｉｖｉｎｇ ｆｏｒｃｅ）、動き等に関する情報）を決定することができる。例えば、静止状態の下地の膜または形状に対する膜の横方向（面内）の動きまたは変位を決定することができる。このプロセスには、２つの直交方向の界面剪断応力成分を解析することが含まれる。

場合によっては、絶対歪みおよび変位を計算するために適切な構造関係を使用する。通常、応力から変位と歪みを計算するためには、膜または層の構成材料の適切な物理的・機械的性質と配置（ｇｅｏｍｅｔｒｙ）を知る必要がある。ウェハプロセスにおいては、名目上の配置は既知である場合が多い。しかし、薄膜特性はバルク特性と大きく異なる場合があるため、関連する物理的・機械的性質は未知またはほとんど未知である場合が多い。そのため、構造モデルを使用した絶対歪みと変位の計算の有用性は、物理的・機械的性質における不確定性を減少させることによって向上させることができる。

ただし、有効な構造関係がない場合の応力測定値は、相対的な（単一のウェハ内または同一の処理ステージの２枚のウェハの比較）位置ずれの可能性を評価するために通常は十分である。必要に応じて、リソグラフィシステムを制御するために補償パラメータを決定し、応力情報に基づいて重ね合わせを最適化することができる（フィードフォワード（ｆｅｅｄ−ｆｏｒｗａｒｄ）アプローチ）。

変位情報からフォトリソグラフィプロセスにおける位置ずれの程度を決定することができる。場合によっては、位置ずれを修正することができる場合がある。そのような場合には、リソグラフィシステムを制御するために補償パラメータを決定し、応力情報に基づいて重ね合わせを最適化することができる（フィードフォワード（ｆｅｅｄ−ｆｏｒｗａｒｄ）アプローチ）。あるいは、位置ずれを修正することができず、位置ずれ残差、すなわち、パターニングされた形状において測定される、リソグラフィシステムが補償することができない、もしくは、最適化によって排除できない、変動が累積される場合がある。過度の位置ずれ残差が生じる場合には、位置ずれの可能性が特定のプロセスまたは一連のプロセスの所定の閾値を超える場合がある。

曲率測定
上述したように、本発明の方法は、ウェハの表面（パターニングされた表面、パターニングされていない表面、前面、裏面）の曲率情報を測定することを通常は含む。通常は、位置ずれを測定する表面の曲率情報を得るが、他の表面の曲率情報を使用することもできる。場合によっては、製造ラインの一ステージ（例えば、パターニングされたデバイスウェハにサブプロセスを行うステージ）においてウェハプロセスの一部として測定を行うことができる。あるいは、製造ライン以外で測定を行うこともできる。

曲率情報は異なる数の表面位置において測定することができるが、本発明は多くの位置において曲率情報を測定する場合に特に有用である。例えば、１０個所、５０個所、１００個所、１０００個所、１万個所、５万個所あるいはそれ以上の位置で曲率情報を測定することができる。また、ウェハのサイズに応じてどのように曲率情報を測定するかが決定される。例えば、大きなウェハの場合には、小さなウェハの場合よりも多くの形状情報の測定を行うことが望ましい場合がある。３００ｍｍの直径を有するウェハの場合には、１万個所で形状情報を測定することによってウェハ表面の曲率をマッピングすることができる。この場合、マッピングは約３ｍｍの平均測定位置間距離に対応する。

また、測定個所の正確な位置も変化させることができる。例えば、曲率情報を測定するウェハの位置は、測定される位置ずれにおけるそれらの位置の関連性、および／または物質性に応じて選択することができる。そのため、クラスタ化された位置、および／または不均一に分布した位置について測定を行うことができる。

本発明に関連するフォトリソグラフィツールまたはプロセスのフィールドサイズは、曲率測定のための特に有用で簡便な基準点となる。通常、フィールドサイズはフォトリソグラフィツールまたはプロセスにより同時に露光されるウェハ表面の面積と定義される。フィールドサイズはツールまたはプロセスに応じて異なる場合があるが、現在利用可能なフォトリソグラフィツール、および／またはプロセスのフィールドサイズは例えば約２０〜４０ｍｍの幅を有する。

上述した曲率測定を行うために任意の方法または方法の組み合わせを採用することができる。例えば、そのような方法は局所的またはウェハスケールの勾配（傾斜）または曲率に関連する１以上の測定を含むことができる。すなわち、そのような方法は、曲率を直接測定するか、表面形状のその他の詳細から形状または傾きとして曲率を計算することができる。

曲率測定は、測定または計測モードを変化させることを含むことができる。場合によっては、複数の測定方法を実行して実質的にウェハの表面全体を同時に調べることができる。別の場合には、異なる部分を連続的に走査し、得られた情報をまとめることができる。別の選択肢として、サンプリング法を使用してウェハ表面の統計的に重要な部分（例えば、ウェハの反りのために位置ずれが最も生じやすいウェハ表面の部分）に関する曲率情報を得ることができる。

いずれの場合にも、曲率測定によって複数の点におけるウェハ表面の曲率を記述した曲率マップを得ることができる。ウェハ表面の任意の点の曲率の完全な記述は、通常は３つの記述子を含む。例えば、デカルト空間では、３つの記述子は、２つの直接曲率（ｄ^２ｕ／ｄｘ^２およびｄ^２ｕ／ｄｙ^２）および捻れ曲率（ｔｗｉｓｔ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ）（ｄ^２ｕ／ｄｘｄｙ＝ｄ^２ｕ／ｄｙｄｘ）を含むことができる。通常は、より詳細な情報によってより完全なマッピングを行うことができる。ただし、部分的な情報（例えば、ｘ曲率（ｄ^２ｕ／ｄｘ^２））のみによって基本マッピングを推定することもできる。

ウェハ表面の曲率情報を測定するために、必要に応じてリアルタイムまたは原位置（ｉｎ ｓｉｔｕ）モニタリングにおいて光学的方法を使用することができる。例えば、Ｓｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎセンサ技術またはテレセントリックＳｃｈｌｉｅｒｅｎ法等の光学的方法を使用することができる。また、Ｔｗｙｍａｎ−Ｇｒｅｅｎ法、Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ法、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ法等の公知の干渉計測法も使用することができる。場合によっては、フルフィールドシヤリング干渉計測法（例えば、コヒーレント勾配撮像（ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｓｅｎｓｉｎｇ）を含む方法）を本発明に使用することができる。そのような方法を使用する場合には、ウェハを適切に照明することが通常は必要である。本発明において好適に使用される干渉法に関するさらなる詳細は、例えば、Ｒｏｓａｋｉｓらによる米国特許出願公開第２００４／０２５７５８７号、米国特許第６、９２４、４９７号、米国特許第６、７８１、７０２号、米国特許第６、６００、５６５号、米国特許第６、４６９、７８８号、米国特許第６、０３１、６１１号に記載されている。

本発明では、非光学的な方法も使用することができる。場合によっては、電気的方法を使用することができる。本発明において好適に使用される電気的方法では、例えば静電容量値測定を使用して曲率データを導くことができる。また、機械的手段を使用することもできる。例えば、触針を使用する形状測定装置等の機械装置を使用することができる。

ウェハの曲率は、曲率情報が信頼できる限りにおいて任意のウェハホルダを使用して評価することができる。本発明において好適に使用されるウェハホルダは、様々な構成または形状を有することができる。支持構造の例としては、ウェハが配置される３ピン支持構造およびウェハを垂直または水平に取り付ける構造が挙げられる。曲率変化法ではウェハを独立した状態で保持することができるホルダが通常は必要となるが、その他の方法はウェハを名目上平坦に支持するチャック構造を使用して最良に実施することができる。例えば、Ｘ−線回折およびラマン分光法では、ウェハを制御された力（例えば静電荷または真空を介して印加される力）で保持する名目上平坦なチャック表面を有するチャックでウェハを固定することができる。

本発明の所期の用途に応じて、任意の基板の曲率を測定することができる。半導体処理用途では、通常はウェハ表面全体（パターニングされていないエッジ除外領域の内側）を測定することができ、パターニングされたウェハおよびパターニングされていないウェハの表面特性を測定することができるオフライン計測システムを使用する。以下に詳細に説明するように、測定を行ってフォトリソグラフィプロセス全体の累積ウェハ位置ずれまたは特定のサブプロセスによる表面位置合わせの漸進的変化を決定することができる。

応力マップの生成
各応力成分を解析することができる多くの方法のいずれかによって曲率マップを処理することにより応力マップを得ることができる。例えば、本発明を実施することにより得られた曲率測定値を解析することによって得られた曲率変化（干渉法、ライン走査）に基づく応力測定法を使用することができる。場合によっては、格子歪みの測定（Ｘ線回折、ラマン分光法）に関連するデータ等の追加データを使用して曲率マップに関連する情報を補足または置換して応力マップを得ることができる。ウェハの変形を測定するための他の方法では、形状測定、および／または静電容量測定器を使用することができる。

いずれの場合でも、応力マップを得るために、ウェハ表面全体（パターニングされていないエッジ除外領域の内側）を測定することができる計測システムを使用することが通常は望ましい。上述したように、そのようなシステムはパターニングされたウェハおよびパターニングされていないウェハの表面特性を測定することができる。測定を行って、（複数の膜およびプロセスにわたる）累積薄膜応力または単一の特定の膜における応力または必ずしも成膜を伴わないプロセス（例えば、イオン注入、高速熱アニールまたはエッチング）によって生じた応力変化を決定することができる。

ウェハに対する層の実際または潜在的な変位または動きを決定するために、そのような変位または動きに関連する機械的推進力を計算することが有用である。通常、既に形成された別の形状（静止していると仮定）に対する（形状を形成中の）層の相対変位または滑りの可能性は機械的推進力によるものである。平衡条件を満たすためには、基板上の薄膜構造における面内応力の勾配を界面剪断応力（膜と基板との界面）により均衡させるか、基板に対する膜の動きによって緩和させることができる。得られた特定の情報に応じて、推進力（大きさと方向）を計算するために異なる方法を使用することができる。

有限要素解析法を使用してウェハ上の層の変位に関連する応力を決定することができる。場合によっては、面内膜応力成分から推進力を計算することができる。ｘ軸およびｙ軸が面内であり、ｚ軸がｘ軸およびｙ軸と直交すると仮定すると、面内平衡（正味の力が働かない状態）は以下の式によって表すことができる。

式中、ｈ_ｆは膜厚であり、Ａは膜断面の面積であり、σは応力であり、Ｆは力であり、Ｑは合成応力勾配である。

平衡解析によれば、正味の力を計算するために薄膜構造の有限体積にわたる応力勾配を使用することができる。見掛けの正味の力は、以下のように界面剪断応力によって平衡させることができる。

式中、Ｆ_ｎｅｔは面内応力勾配から計算した正味の力であり、Ｆ_ｉｎは２つの層の界面に沿って作用する力である。その結果、正味の力の面内方向は、以下のようにしてｘ方向とｙ方向における力成分の比率から計算することができる。

式中、θは正味の力の方向（ｘ軸に沿ったθ＝０）である。

また、界面剪断応力は非局所的な解析に基づく曲率変化から計算することができる。例えば、以下の式は曲率変化成分の勾配に基づく界面剪断応力について説明するものである。

式中、τは界面剪断応力であり、Ｅ_Ｓおよびｖ_Ｓはそれぞれ基板のヤング率およびポアソン比であり、ｈ_Ｓは基板の厚みであり、Ｋ_ｎおよびＫ_θθは半径および周囲曲率変化成分である。

このデータは、例えば、変位量のマップまたは大きさと方向を示すウェハの対象となる特定位置のベクトルマップとして異なる力で表すことができる。

歪みと変位の測定
システムの応力と歪み（力と変位）の関係は、通常は構造関係（ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ）と呼ばれる。薄膜構造では、構造関係は構造の形状、構成材料およびそれらの関連する物理的・機械的性質に応じて異なる。上述したように、ウェハ表面上の局所的な形状の局所的な物理的・機械的な材料特性は未知である場合がある。従って、複雑な構造を有する薄膜構造（例えば、複数の材料を含み、空間的に変化する形状を有するか、多くのプロセスと熱サイクルが行われた薄膜構造）は、第一原理から完全または包括的にモデル化することが困難な場合がある。しかし、実際には、構造関係を単純な形状と材料挙動について解析的に導くことができる場合がある。より複雑な構造の場合には、対象となるシステムの適切な構造関係を明らかにするために数値モデリングまたは経験的研究（または複数のアプローチの組み合わせ）が必要な場合がある。

いずれの場合も、構造関係は、適切な式、関係、モデルまたはその他のフレームワークを通じて応力・力情報の関係を示す役割を果たし、対象となるデバイス構造における変位または変位（大きさと方向）の可能性を決定する。応力から変位を直接計算しない場合には、ウェハ上の異なる領域または名目上同一の構造を有するか、同一の処理および作製段階にある、異なるウェハを比較する際に応力情報は相対的な位置ずれの可能性の尺度となる。一方、構造の挙動を知ることにより、重ね合わせ／位置ずれの可能性を絶対的に評価することができ、異なるプロセスと構造における位置ずれの可能性を容易に比較することができる。

データは異なる形式で表すことができる。例えば、ウェハ上の対象となる特定位置における変位量と方向性を示すベクトルマップを用意する。ベクトルマップに加え、あるいはベクトルマップの代わりに、人間とコンピュータによって容易に操作することができる表形式またはその他の形式のデータを用意する。

場合によっては、特定の構造のルックアップテーブルを較正、相関、および／または作成することもできる。例えば、式１および式２を使用して得られた値を、変位を直接測定する別の方法（例えば、アライメントマークの位置測定）によって得られた値と比較することができる。要するに、本発明は重大な位置ずれが見落とされないように既存の品質管理方法のクロスチェックとして機能することができる。

位置ずれの決定
ウェハの層に関する変位情報が得られると、変位情報を使用して位置ずれが発生しているか否かを決定（判定）することができる。このような位置ずれ解析により、フォトリソグラフィプロセスを実行または継続すべきであるか否かを決定することができる。場合によっては、ウェハ表面上の位置のある割合を超えて容認できない程度の位置ずれが発生していない場合にはプロセスを継続することができる。例えば、あるフォトリソグラフィまたはウェハプロセスでは、ウェハ表面上の調査位置の１０％を超えて容認できない程度の位置ずれが発生していないことが必要である。より基準の厳しいプロセスでは、調査位置の約５％または１％を超えて容認できない位置ずれが発生していないことが必要である。

場合によっては、位置ずれが発生した位置の総数よりも位置ずれが発生した位置が重要な場合がある。例えば、一枚のウェハはウェハプロセスの終了時に互いに分離されるダイ（ｄｉｅ）のアレイを含む場合がある。ウェハプロセスでは、例えば、ダイの総数の約５０％、２５％、１０％または５％未満のダイの一部に位置ずれがある場合には、多数の位置ずれが発生していてもよい場合がある。

いずれの場合も、米国仮特許出願第６０／７８１、２１８号に記載された多くの実験を通じて本発明を実施することができた。

フォトリソグラフィプロセス制御
ウェハのリソグラフィプロセス制御では、特定構造の重ね合わせ予測値が通常は存在する。実際には、重ね合わせは、パターンのアライメントマークを含むまたはアライメントマークからなるテスト構造を使用して評価することができる。応力および／または変位特性解析からの出力を使用し、所定のプロセス制御限界に対して位置ずれまたは重ね合わせ誤差の可能性を評価することができる。応力の発生は任意の工程について分析することができるため、構造の作製に関連する任意の工程後に監視手順を実行することができる。このようにして総重ね合わせ予測を各工程に割り当てるか、分割することができ、先進的なマイクロ電子工学回路作製においてより優れた制御（累積制御ではなく工程ごとの制御）が可能となる。

例えば、露光を伴うフォトリソグラフィプロセスの直前に、利用可能な計測法による情報に基づいて位置ずれを最適化、および／または最小化するために補償パラメータを決定することができる。応力／力評価から得られた情報は、重ね合わせ誤差を最小化するためにリソグラフィシステム制御のさらなる最適化の基礎として使用することができる。

位置合わせの妥当性の判断により、ウェハをフォトリソグラフィツールに配置またはフォトリソグラフィツールで処理するか否かを示すことができる。場合によっては、位置合わせの妥当性を判断した直後に、ウェハをフォトリソグラフィツールに配置することができる。ただし、フォトリソグラフィツールはウェハプロセスのサブプロセスとしてフォトリソグラフィプロセスを行う場合がある。そのため、ウェハをフォトリソグラフィツールに配置する前に、ウェハプロセスの別のサブプロセスが行われる場合がある。

ウェハプロセスのサブプロセスの例としては、ウェハの検査、ウェハに材料を添加、および／またはウェハから材料を除去すること、変化させる前のウェハとは異なる特性を示すようにウェハの少なくとも一部を変化させることが挙げられる。例えば、変化させたウェハは変化した導電率または微細構造を有することができる。ウェハは、アニールまたはその他の方法で変化させることができる。場合によっては、ウェハの少なくとも一部は、相転移、合金化、イオン化学反応、および／または共有結合性化学反応を示してもよい。

要するに、本発明は、フォトリソグラフィプロセスと製造ラインにおける位置ずれの評価または予測方法を提供するものである。一連の工程を行うと仮定すると、後発／初期ウェハ位置ずれの規格と後続する各プロセスの規格を、プロセス制御の一部として作成・監視することができる。累積・漸進的な位置ずれ情報をプロセス制御の規格について測定・評価することができる。

そのため、本発明は当技術分野において知られていない多くの利点を提供する。特に、当業者は、本発明の有用性が多くのプロセス効率によるものであることを理解されるだろう。例えば、本発明によれば、フォトリソグラフィプロセスの実施者は、正しく露光することができないウェハをより分けることにより、特定のウェハに対してプロセスを実行または継続することが時間の無駄であるか否かを評価することができ、満足できる収率を達成することができる。また、本発明によれば、フォトリソグラフィプロセスの実施者は、位置ずれに直接影響を与え、いくつかの工程には影響を与えない可能性のあるプロセスのエクスカーション（ｅｘｃｕｒｓｉｏｎｓ）を把握することができる。そのような効率性により、測定点、リソグラフィ、ウェハの処理開始、ウェハの価値低下によって一連のプロセスのサイクル時間に基づいて計算することができるコストを低下させることができる。

当業者には、本明細書の開示内容から本発明を様々に変形することができることは明らかであろう。例えば、基板の曲率マップは様々な測定システムで測定することができる。曲率マップを測定するための好適なシステムとしては、オフラインシステム、インラインシステム、プロセス処理室／ツールに統合されたシステムが挙げられる。例えば、フルフィールド光学ウェハ測定システムを使用することができる。上述したフォトリソグラフィ前のウェハスクリーニング・処理制御を実現するために好適なフルフィールド光学ウェハ測定システムは、Ｒｏｓａｋｉｓらによる米国特許出願公開第２００４／０２５７５８７号に記載されている。

また、本発明を主として曲率情報を位置ずれ判定に変換する多工程プロセスとして説明したが、多工程プロセスの一部として得られた生データを他の用途に使用することができる。例えば、生の位置ずれデータが、リソグラフィのある時点／プロセス上流においてウェハが良品か不良品かを決定する際に有用な場合がある。

別の変形として、歪み測定を曲率測定の代わりに使用するか、曲率測定に加えて使用することができる。例えば、Ｘ線回折とラマン分光法を使用して格子歪みを測定することができる。格子歪みは、位置ずれの可能性を推測するために同様に使用することができる。また、Ｘ線回折法を使用して格子回転を測定し、格子回転を（格子回転から推測した傾きから）曲率を計算するために使用することができる。

好適な実施形態を挙げて本発明について説明したが、上述した説明は本発明を単に例示するものであり、本発明は上述した説明に限定されるものではない。上述した発明から逸脱しない多くの代替手段および均等物が考えられる。例えば、本発明の特定の実施形態は、他の実施形態の特徴を内包または除外するように変形することができる。当業者には、本発明の範囲を逸脱しないその他の態様、利点、変形は明らかであろう。

本明細書において言及した全ての特許および特許出願は、上述した説明と矛盾しない限り、参照によって本明細書の開示内容に組み込まれるものとする。

Claims (31)

1. ウェハに対してフォトリソグラフィプロセスを実施する前、実施中、および／または実施した後において、
   （ａ）前記ウェハの表面の曲率情報を複数の位置で測定して、前記ウェハの曲率マップを得る工程と、
   （ｂ）前記曲率マップを処理して、前記ウェハの応力マップを得る工程と、
   （ｃ）前記応力マップを使用して、前記ウェハの層の変位情報を決定する工程と、
   （ｄ）前記変位情報を使用して前記フォトリソグラフィプロセスにおける位置ずれの程度を決定する工程と、
   を含む方法。
2. 請求項１において、前記工程（ａ）を、光学的に行う方法。
3. 請求項１において、前記工程（ａ）を、干渉法によって行う方法。
4. 請求項３において、前記工程（ａ）を、実質的にウェハ表面全体を同時に調べるフルフィールド干渉法によって行う方法。
5. 請求項４において、前記工程（ａ）を、シヤリング干渉法によって行う方法。
6. 請求項１において、前記工程（ａ）の前に、前記ウェハを処理して前記ウェハの表面に前記層を形成する、および／または前記層を変化させることをさらに含む方法。
7. 請求項６において、前記層を蒸着法によって形成する方法。
8. 請求項１において、前記層が複数の副層を含み、前記工程（ｄ）を前記層から選択された副層に対して行う方法。
9. 請求項１において、前記工程（ｂ）は、曲率変化解析を含む方法。
10. 請求項１において、前記工程（ｂ）は、格子歪み解析を含む方法。
11. 請求項９において、前記工程（ｂ）は、Ｘ線回折、および／またはラマン分光法を使用することを含む方法。
12. 請求項１において、前記工程（ｂ）は、面内応力成分の勾配から推進力を計算することを含む方法。
13. 請求項１において、前記工程（ｂ）は、非局所的分析に基づく曲率変化から界面剪断応力を計算することを含む方法。
14. 請求項１において、前記工程（ｃ）は、対象となるウェハ構造に対する前記層の変位情報を決定することを含む方法。
15. 請求項１において、前記工程（ｃ）は、前記フォトリソグラフィプロセスに関連する基準点に対する前記ウェハ上の前記層の変位情報を決定することを含む方法。
16. 請求項１において、前記工程（ｄ）は、前記フォトリソグラフィプロセスにおける位置ずれの程度が位置ずれ公差予測値内にあるか否かを決定するために有効な方法で行われる方法。
17. 請求項１６において、
    （ｅ）前記工程（ｄ）によって前記位置ずれの程度が前記ウェハの位置ずれ公差予測値内にあることが明らかになった場合にのみ、前記ウェハに対する前記フォトリソグラフィプロセスを実行または継続する工程をさらに含む方法。
18. 請求項１６において、
    （ｅ）前記工程（ｄ）によって前記位置ずれの程度が前記フォトリソグラフィプロセスの位置ずれ公差予測値内にあることが明らかになった場合にのみ、前記ウェハに対する前記フォトリソグラフィプロセスを実行または継続する工程をさらに含む方法。
19. ウェハに対してフォトリソグラフィプロセスを実施する前、および／または実施中に、
    （ａ）前記ウェハの表面の曲率情報を複数の位置で測定して前記ウェハの曲率マップを得る工程と、
    （ｂ）前記曲率マップを処理して前記ウェハの応力マップを得る工程と、
    （ｃ）前記応力マップを使用して前記ウェハ上の層の変位情報を決定する工程と、
    （ｄ）前記変位情報を使用して前記フォトリソグラフィプロセスにおける位置ずれの程度を決定する工程と、
    （ｅ）前記工程（ｄ）によって前記位置ずれの程度が前記フォトリソグラフィプロセスの公差内にあることが明らかになった場合にのみ、前記ウェハに対する前記フォトリソグラフィプロセスを実行または継続する工程と、
    を含む方法。
20. 請求項１９において、前記工程（ｅ）を前記工程（ｄ）の直後に行う方法。
21. 請求項１９において、前記フォトリソグラフィプロセスが複数のサブプロセスを含む方法。
22. 請求項２１において、少なくとも１つのサブプロセスがウェハを検査することを含む方法。
23. 請求項２１において、少なくとも１つのサブプロセスが、前記ウェハに材料を添加すること、および／または前記ウェハから材料を除去することを含む方法。
24. 請求項２１において、少なくとも１つのサブプロセスが、変化させる前の前記ウェハとは異なる特性を示すように前記ウェハの少なくとも一部を変化させることを含む方法。
25. 請求項２４において、前記少なくとも一部が変化した導電率を示す方法。
26. 請求項２４において、前記少なくとも一部が変化した微細構造を示す方法。
27. 請求項２４において、前記ウェハの前記少なくとも一部をアニールする方法。
28. 請求項２４において、前記ウェハの前記少なくとも一部が、相転移、合金化、イオン化学反応、および／または共有結合性化学反応を示す方法。
29. ウェハに対してフォトリソグラフィプロセスを実施する前、実施中、および／または実施した後に、
    （ａ）前記ウェハの表面の変形情報を複数の位置で測定する工程と、
    （ｂ）前記変形情報を処理して前記ウェハの応力および／または歪みマップを得る工程と、
    （ｃ）前記応力および／または歪みマップを使用して前記ウェハの層の変位情報を決定する工程と、
    （ｄ）前記変位情報を使用して前記フォトリソグラフィプロセスにおける位置ずれの程度を決定する工程と、
    を含む方法。
30. 請求項２９において、前記工程（ａ）が、曲率変化を測定することを含む方法。
31. 請求項３０において、前記工程（ａ）が、格子歪みを測定することを含む方法。