JP2011528864A - 前方フィードと側方フィードの使用および計測セルの再使用によって改善された度量衡計測 - Google Patents

Abstract

度量衡計測は、半導体デバイス製造中に、ａ）一部製造されたデバイスの層内に形成された第１の試験セルに対する第１回計測をモデリングし、ｂ）層内の第２の試験セルに対し第２回計測を行ない、ｃ）第２回計測値から第１回計測値のモデリングへ情報をフィードし、第１と第２の試験セルを含む層上に平版印刷パターンが形成された後、ｄ）それぞれａ）とｂ）からの情報を用いて第１と第２の試験セル上でそれぞれ第３回計測と第４回計測をモデリングすることにより実行される。
【選択図】図１Ａ

Description

優先権の主張
本出願は、「ＩＭＰＲＯＶＥＤ ＭＥＴＲＯＬＯＧＹ ＴＨＲＯＵＧＨ ＵＳＥ ＯＦ ＦＥＥＤ ＦＯＲＷＡＲＤ ＦＥＥＤ ＳＩＤＥＷＡＹＳ ＡＮＤ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＣＥＬＬ ＲＥ−ＵＳＥ（前方フィードと側方フィードの使用および計測セルの再使用によって改善された度量衡計測）」と題する２００８年７月２１日出願の米国特許仮出願第６１／０８２．４５１号に基づく優先権を主張するものであり、その内容全体は、参照により本明細書に組み込まれる。

半導体デバイスの構成要素は現在ナノメートル台のより小型かつ小寸法まで縮小されているのに合わせ、度量衡計測性能や生産性やデバイス相関を改善する能力が非常に重要になってきている。

皮膜の臨界寸法（ＣＤ）とオーバーレイ度量衡を判定する旧来の方法には、異なるターゲット上の皮膜やＣＤやオーバーレイの独立した度量衡計測が必然的に伴うものであり、度量衡計測規範間でのデータやサンプリングの共通性に頼ることはなかった。これらの旧来の方法に付随する欠点には、記述する空間を広く占有する必要性があったり、移動・取得・計測（ＭＡＭ：ｍｏｖｅ， ａｃｑｕｉｒｅ， ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）時間が遅かったり、変動する複数パラメータによって、モデリング性能が限定されることが含まれていた。

本発明の実施形態が提起するものは、この文脈内にあるものである。

本発明の一実施形態による度量衡計測の予測例を示す一連の概略図である。 本発明の代替の実施形態による度量衡計測の予測例を示す一連の概略図である。 本発明の別の代替の実施形態による度量衡計測の予測例を示す一連の概略図である。 本発明の別の代替の実施形態による度量衡計測の予測例を示す一連の概略図である。 本発明の一実施形態による度量衡計測装置の予測例を示す一連の概略図である。 本発明の一実施形態による度量衡計測中に計測を行なうのに用いることのできる度量衡計測ツールの予測例を示す概略図である。 本発明の一実施形態による４セル度量衡計測ターゲットにおける配置を示す概略平面図である。 本発明の一実施形態による４セル度量衡計測ターゲットにおける代替の配置を示す概略平面図である。 本発明の一実施形態によるオーバーレイ度量衡計測をシミュレーションした構造を示す三次元線図である。 本発明の一実施形態による図４Ａに示した種別の構造に対する度量衡計測に用いることのできる３セル度量衡計測ターゲットの配置を示す概略平面図である。 図５Ａは、本発明の一実施形態による度量衡計測をシミュレーションした構造の製造を示す一連の概略断面図である。 図５Ｂは、本発明の一実施形態による度量衡計測をシミュレーションした構造の製造を示す一連の概略断面図である。 図５Ｃは、本発明の一実施形態による度量衡計測をシミュレーションした構造の製造を示す一連の概略断面図である。 図５Ｄは、本発明の一実施形態による度量衡計測をシミュレーションした構造の製造を示す一連の概略断面図である。 図６Ａは、図５Ａ〜図５Ｄに示された製造手順に関する度量衡計測シミュレーションの結果を示すグラフである。 図６Ｂは、図５Ａ〜図５Ｄに示された製造手順に関する度量衡計測シミュレーションの結果を示すグラフである。 図６Ｃは、図５Ａ〜図５Ｄに示された製造手順に関する度量衡計測シミュレーションの結果を示すグラフである。 図６Ｄは、図５Ａ〜図５Ｄに示された製造手順に関する度量衡計測シミュレーションの結果を示すグラフである。

本発明の実施形態は、新規のターゲット設計の実装および前方フィード筋書きの使用による、皮膜と臨界寸法（ＣＤ）とオーバーレイ度量衡計測性能と生産性とデバイス相関の改善に関するものである。本発明は、セットアップ時間や計測時間を最小化し、半導体デバイス上に型取り形成されるレチクル設置面積を最小化することを目指すものである。

本明細書に記載される実施形態は、概括的に説明される多くの実現可能な利点を有する。先ず、トラック内に用いる集積化された度量衡計測は、既存の構造頂部のブランケット皮膜に関する度量衡計測を含め、あらゆる平版印刷に先んじて計測値をサンプリングし得る。また、皮膜肉厚や皮膜の他の分散品質や皮膜度量衡計測場所間の特性を内挿補間することで、オーバーレイ工程用にサンプリングする必要な場所を下回る数の場所を付着工程においてサンプリングすることが可能である。同一チャンバから蒸着およびエッチングしたウェーハを追跡することで、既存層に問題のウェーハにおける計測値が存在しない場合、同一ロットで同一チャンバ内の別のウェーハの計測値から既存層の情報を問題のウェーハとして用いることができる。さらに、本発明の実施形態は差分計測とモデリングにオーバーレイオフセットを組み合わせ、目的のパラメータを改善し、あるいは目的ではないパラメータに対する感度を最小化する利点を有する。

図１Ａは、本発明の一実施形態による半導体デバイス製造中の度量衡計測法を説明する一連の断面図を示すフローチャートである。図１Ａ中、使用する度量衡計測法には前方フィードと側方フィードとセル再使用技術が含まれる。フローチャートは、平版印刷−エッチング−平版印刷−エッチングの二重パターン形成平版印刷セットアップに使用される度量衡計測法をそのまま説明するものである。平版印刷−平版印刷−エッチングの二重パターン形成平版印刷や単一パターン形成平版印刷やスペーサパターン形成に対応して実装することができ、また様々な他の環境下で度量衡計測を行なうよう実装することもできるために、この度量衡計測法は、この種の二重パターン形成平版印刷に使用するよう限定はされない。図１Ａは、４セルターゲット配置を用いる前方フィードと側方フィードとセル再使用度量衡計測からなるこの方法を示すものであり、この配置は異なる領域においてターゲットとされるサンプルの罫書き線に沿って整列する４個のターゲットセルと、一方向にだけ度量衡計測値を処理する光波散乱計測技法とを含むものである。前方フィードと側方フィードとセル再使用度量衡計測法は、所与の環境下で必要とされる度量衡計測値の種別に応じて異なる目録のターゲットセルを用いて具現化することができる。さらに、分光法および／または角分解光波散乱計測や反射率計や楕円偏光法等を介し、光波散乱計測技法を実装することができる。

図１Ａに示す例によれば、計測対象のパターン形成サンプルには、手順の各工程ごとにフォトレジスト１０１とハードマスク１０２とパターン形成層１０３と絶縁層１０４と既存パターン１０５とを含む最大５つの層を含めることができる。無論、異なる環境下にあっては、より多いかまたはより少ない層を存在させることができる。しかしながら、たとえ異なる数の層を用いようとも、前方フィードと側方フィードとセル再使用度量衡計測法は自動化製法の生成を依然として実行可能とし、前方フィードと側方フィードとセル再使用とを提供することができる。一例を挙げるに、４ターゲットセルの配置はセル１・１０６とセル２・１０７と、セル３・１０８とセル４・１０９とを用いて実装することができ、各セルはサンプルの罫書き線に沿う異なる領域を覆うよう位置決めすることができる。先ず、セル１は、既存パターン１０５と絶縁層１０４とパターン形成層とハードマスク１０２とを用いたサンプルＰの臨界寸法計測に使用することができる。セル２・１０７は、サンプルＰの皮膜度量衡を計測するのに用いることができる。セル２を用いて得られる皮膜度量衡計測値からの情報は、そこでＦＳと標識付けされた左向きの矢印により示される如くセル１・１０６に対し行なわれる計測に対し側方フィードすることができる。これらの皮膜度量衡計測値には、皮膜肉厚や皮膜の屈折分散品質や皮膜誘電体分散品質を含めることができる。セル１・１０６に用いる計測ツールあるいは計測方法は、この情報を用いてサンプルＰの臨界寸法（ＣＤ）度量衡計測をモデリングすることができる。一例を挙げるに、セル１を用いて得られる臨界寸法計測値は、ラインエッジの粗さ（ＬＥＲ：ｌｉｎｅ−ｅｄｇｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）やライン幅の粗さ（ＬＷＲ：ｌｉｎｅ−ｗｉｄｔｈ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）やライン幅（頂部や中間部や底部）や角の丸みやラインの底部の延長部分の計測値であるフッターの寸法とすることができる。

これら２つの計測を行なった後、二重パターン形成平版印刷セットアップの第１の平版印刷工程を完了させることができ、そこではフォトレジスト１０１がハードマスク１０２の頂部に層形成され、現像される。平版印刷工程は、第１の後続形成層内に新規サンプルＬ１を生成し、その層は現像されたフォトレジスト１０１を含んでいて、それが続いて計測される。本例では、セル２・１０７とセル１・１０６は共にこのサンプルの計測に再使用される。サンプルＰからセル２・１０７により計測される皮膜度量衡は、ＦＦと標識付けられた湾曲矢印により示される如く、セル２・１０７の計測へ前方フィードすることができる。そこでセル２・１０７をサンプルＬ１をターゲットとする計測に用いることができ、このセルはそこでサンプルＬ１の臨界寸法（ＣＤ）度量衡計測のモデリングに用いられる。この時点で、サンプルＬ１からのセル２・１０７のＣＤは、ここでサンプルＬ１をターゲットとするセル１・１０６における計測工程に対して側方フィードすることができる。同時に、サンプルＰからサンプリングされたセル１・１０６のＣＤは、ここでＬ１をターゲットとするセル１・１０６における計測工程に対して前方フィードすることができる。サンプルＰからサンプリングされたセル１・１０６のＣＤの前方フィード時に、サンプルＰからセル１・１０６がサンプリングした厳密なＣＤに代え、ＣＤの開始推定値を前方フィードしてさらにモデリングすることができる。サンプルＬ１をターゲットとするセル１・１０６はこの情報を用い、第１の平版印刷工程Ｌ１後のサンプル間のオーバーレイと当初のサンプルＰのそれを算出することができる。

この初回の平版印刷工程について計測を行なった後、サンプルは初めてそこでエッチングすることができる。この新規にエッチングされたサンプルＥ１は、不完全なパターン形成層１０３と絶縁層１０４と既存のパターン１０５とで構成される。セル３・１０８は、ここで本サンプルＥ１の皮膜度量衡の計測に用いられる。この情報はセル２・１０７の計測に対しておいて側方フィードすることができ、このセルはここでサンプルＥ１をターゲットとしており、サンプルＥ１のＣＤ度量衡計測がモデリングされる。

サンプルの第１回エッチングの完了後に、第２回平版印刷工程を完了させ、第２の後続形成層内に新規サンプルＬ２を生成することができる。この新規サンプルＬ２は、ハードマスク１０２の追加と現像済みフォトレジスト１０４の別の層とを用いた第１のエッチングの完了後の問題とするパターン形成サンプルで構成される。セル２・１０７とセル３・１０８は、サンプルＬ２の度量衡計測を行なうのに再使用することができる。サンプルＥ１からセル３・１０８がサンプリングした皮膜度量衡は、ここでサンプルＬ２をターゲットとするセル３の計測へ前方フィードされる。セル３・１０８の計測は、この情報を用いてサンプルＬ２のＣＤ度量衡計測をモデリングすることができる。サンプルＥ１からセル２・１０７がモデリングしたＣＤ度量衡は、ここでサンプルＬ２をターゲットとするセル２・１０７の計測へ前方フィードすることができる。サンプルＥ１からサンプリングされたセル２・１０６のＣＤの前方フィード時に、サンプルＥ１からセル２・１０７がサンプリングした厳密なＣＤに代え、ＣＤの開始推定値を前方フィードしてさらにモデリングすることができる。これと同時にあるいは続いて、サンプルＬ２からセル３・１０７がモデリングするＣＤ度量衡計測値はサンプルＬ２をターゲットとするセル２・１０７の計測に側方フィードすることができる。セル２・１０７の計測は、この情報を用いてサンプルＬ１とサンプルＰとの間のオーバーレイを算出することができる。同様に、サンプルＬ２からセル３・１０８がモデリングしたＣＤはセル４・１０９の計測に対して側方フィードすることができ、このセルはこの情報を用いてサンプルＬ２と問題とする初期サンプルＰとの間のオーバーレイを算出することができる。

平版印刷−エッチング−平版印刷−エッチングの二重パターン形成セットアップを完了する最後の工程が、第２回エッチング工程である。得られたサンプルＥ２は、パターン形成された層１０３と絶縁層１０４と既存のパターン１０５とを含んでいる。セル２・１０７とセル３・１０８とセル４・１０９を再使用し、このサンプルＥ２における度量衡計測値をサンプリングする。セル３・１０８は、計測値をサンプリングし、サンプルＥ２上のそのターゲット領域のＣＤのモデリングに用いる。この情報は、そこで両方のセル２・１０７とセル３・１０９の計測に対して側方フィードされる。セル２・１０７の計測値は、この情報を用いてサンプルＥ２上のそのターゲット領域のＣＤをモデリングすることができる。セル３・１０９の計測はこの情報を用い、サンプルＥ２と初期サンプルＰとの間のオーバーレイを算出することができる。

図１Ａに示した工程の幾つかの変形例は、本発明の実施形態の範囲内にある。限定するのではなく、一例を挙げるに、図１Ｂは本発明の代替の実施形態による半導体デバイスの製造中の度量衡計測法の一つの予測例を示すものである。本実施形態は、３セルターゲット配置を用いる。１つのセルを取り除くことで、先のオーバーレイ計測値からＬ２オーバーレイに対して前方フィードが実行不能にできることに留意されたい。しかしながら、図１Ｂに示した方法に用いるターゲットに必要な設置面積は、図１Ａの方法に用いるターゲットに必要なものよりも実質的にはあ少ない。これは、Ｌ１からＰまでが依然計測され、臨界（すなわち、最も厳しい許容範囲）が本例の場合Ｌ２とＬ１の間にあるために、多くの場合二律背反的である。３セル手法の利点は、それがターゲットの全設置面積を低減し、４個使用の事例と、平版印刷１と平版印刷２に関するフォーカス／ドーズと、これに加え臨界寸法と、平版印刷１から先の印刷および平版印刷２から平版印刷１までのオーバーレイもまた可能とされる点にある。

図１Ｂに示す例によれば、製造し計測するパターン形成サンプルは上記の５層、例えばフォトレジスト１０１とハードマスク１０２とパターン形成する層１０３と絶縁層１０４と既存パターン１０５とを利用することができる。異なる環境下では、より多数あるいはより少数の層を存在させることができる。一例を挙げるに、３個のターゲットセル配置はセル１・１０６とセル２・１０７とセル３・１０８を用いて実装することができ、各セルはサンプルの罫書き線に沿って異なる領域を覆うよう位置決めすることができる。先ず、セル１・１０６は、既存パターン１０５と絶縁層１０４とパターン形成層１０３とハードマスク１０２とを用いて先の工程からサンプルの臨界寸法（ＣＤ）計測用に用いることができる。セル３・１０８は、フォーカスを計測し、先の工程を行なうのに用いることができる。ＣＤおよびフォーカス／ドーズ計測を行なった後、第１の平版印刷工程ａを完了させることができ、そこでフォトレジスト１０１をハードマスク１０２の頂部に層形成し、現像する。平版印刷工程は、フォトレジスト１０１を現像することで形成される第１の平版印刷層Ｌ１を生成する。第１の平版印刷層Ｌ１はそこで、３個のセル１０６，１０７，１０８を全て用いて計測することができる。本例の場合、セル１・１０６は既存層とＬ１との間のオーバーレイ（ＯＶＬ）の計測において再使用され、セル２・１０７は第１の平版印刷層Ｌ１の臨界寸法（ＣＤ）計測において、セル３・１０８は第１の平版印刷層Ｌ１のフォーカス／ドーズ計測において再使用される。

本例において、第１の平版印刷層Ｌ１と既存層Ｐとの間のオーバーレイ計測にはセル１・１０６を用いた既存層Ｐに対するＣＤ計測値からの前方フィード情報を利用することができ、セル２・１０７を用いたＬ１に対するＣＤ計測値からの側方フィード情報を利用することもできる。セル２・１０７を用いて行なう第１の平版印刷層Ｌ１に対するＣＤ計測は、セル３・１０８を用いて層Ｌ１に対し行なわれたフォーカス／ドーズ計測からの側方フィード情報を利用することもできる。セル３・１０８を用いて行なう平版印刷層Ｌ１に対するフォーカス／ドーズ計測は、セル１０８を用いて既存層Ｐに対し行なわれたフォーカス／ドーズ計測値からの前方フィード情報を利用することができる。

層１０３は、フォトレジスト１０１内の開口を介して層１０３とハードマスク層１０２をエッチングするエッチング工程によりパターン形成される。得られるエッチングされたパターン層Ｅ１は、そこでセル１・１０６とセル３・１０８を用いて計測することができる。具体的には、セル３・１０８はエッチングパターン層Ｅ１のフォーカス／ドーズ計測用に再使用することができ、セル１・１０６はエッチングパターン層Ｅ１のＣＤ計測に再使用することができる。セル３・１０８を用いて行なったフォーカスドーズ計測値からの情報を側方フィードし、セル１・１０６を用いて行なうＣＤ計測値により使用することができる。エッチングパターン層Ｅ１のエッチングと計測の完了後に、第２回平版印刷工程を終え、エッチングパターン層Ｅ１上に別のハードマスクと平版印刷層を形成してフォトレジスト層を現像することで形成される第２の平版印刷層Ｌ２の生成を終えることができる。

度量衡計測は、セル１・１０６とセル２・１０７とセル３・１０８とを再使用することで第２の平版印刷層に対し行なうことができる。セル１・１０６はフォーカス／ドーズ計測において再使用することができ、セル２・１０７は第１の平版印刷層Ｌ１と第２の平版印刷層Ｌ２との間のオーバーレイ計測において再使用することができ、セル３・１０８は第２の平版印刷層Ｌ２に対するＣＤ計測において再使用することができる。セル１・１０６を用いたフォーカス／ドーズ計測は、セル１・１０６を用いたパターン層Ｅ１に対するＣＤ計測値から前方フィードされた情報を使用することもできる。セル２・１０７を用いた第１の平版印刷層Ｌ１と第２の平版印刷層Ｌ２との間のオーバーレイ計測には、セル１・１０６を用いたＬ１からＬ２までのオーバーレイ計測から側方フィードされる情報とセル３・１０８を用いたＬ２ＣＤ計測から側方フィードされる情報とを用いることができる。

代替の実施形態によれば、前方フィードされかつ側方フィードされる度量衡情報を用い、ＤＰＬ工程制御用の適応情報流を提供することができる。図１Ｃは、これを実行する仕方の予測例を示すものである。第１の平版印刷層Ｌ１に対する臨界寸法度量衡は、エッチングされたパターン層Ｅ１に対し行なう度量衡計測のモデリングに使用するよう前方フィードすることができる。皮膜度量衡計測は、ハードマスク層と第２の平版印刷層Ｌ２のリフロー後に行なうことができる。第１の平版印刷層Ｌ１と既存層との間のオフセット度量衡は、第２の平版印刷層Ｌ２に対して行なう度量衡計測のモデリングに使用するよう前方フィードすることができる。第２の平版印刷層Ｌ２に対し行なわれた臨界寸法度量衡（ＣＤ２）を前方フィードし、Ｌ２に対し行なわれたドーズフォーカス度量衡計測をモデリングすることができる。ＣＤ１とＣＤ２度量衡計測からの情報を前方フィードし、Ｌ２とＬ１の間のオーバーレイ度量衡計測のモデリングに用いることができる。このオーバーレイ計測（あるいはモデリング）とＣＤ１，ＣＤ２度量衡計測の結果を解析し、第２の平版印刷層Ｌ２に対しＣＤＵ再加工が必要かどうか判断することができる。再加工が必要でない場合、工程は第２のエッチングパターンＥ２を形成する続くエッチングへ進行することができる。さもなくば、修正可能値の解析を行ない、この解析からフォーカスやドーズやオーバーレイ情報を用いて再加工を調整することができる。再加工には、第２の平版印刷層Ｌ２の除去と、その改造と再パターン形成とを含めることができる。再加工された第２の平版印刷層Ｌ２に対し、皮膜度量衡計測とＣＤ２とを反復することができる。

別の代替の実施形態によれば、図１Ｄに示す撮像ターゲットからＯＶＬ情報を前方フィードあるいは側方フィードすることができる。これには、撮像センサからのオーバーレイデータがしばしばより高い計測レートで実質より小さなターゲットから抽出することができる利点を持たせることができる。図１Ｄに示す実施例では、回折格子ターゲットが２個のセル（セル１とセル２）内に形成されており、撮像ターゲットが第３のセル（セル３）内に形成されている。図１Ｄに描かれた例にあっては、セル１からの回折格子計測からの情報とセル３からのオーバーレイ計測値を側方フィードし、セル２を用いてなされる回折格子計測をモデリングする。

一例を挙げると、撮像ターゲットには一つの層に形成された第１の構造１１２と異なる層に形成された第２の構造１１４とを含めることができる。構造１１２，１１４は、周期的（例えば、回折格子）構造とすることができる。この種の回折格子型ターゲット（時として「ＡＩＭ」マークと呼ばれる）は、従来よりオーバーレイ計測に用いられている「ボックス」あるいはリング型マークよりも高密度とし、かつより頑丈とすることができる。これにより、より多くの工程情報と、これに加え化学機械的研磨（ＣＭＰ：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）の苛酷さに耐えるターゲット構造もまた収集できるようになる。この種のマークの使用は、例えば本発明の譲受人に譲渡された米国特許第６，０２３，３３８号や第６，９２１，９１６号や第６，９８５，６１８号に記載されており、これら３件は全てあらゆる目的に合わせ参照により本明細書に組み込むものとする。この種のターゲットの追加の例が、例えば米国特許第７，４０８，６４２号に記載されている。

本発明の一実施形態によれば、半導体デバイスの製造中の度量衡計測用の装置は前記した種別の計測工程を実装するよう構成することができる。例えば、図２Ａに示す如く、半導体製造システム２００は平版印刷ツール２０２と度量衡計測ツール２０４とコントローラ２０６とで構成することができる。度量衡計測ツールには、コンピュータプロセッサと、度量衡計測ツールとこの度量衡計測ツール２０４を用いてサンプリングされた計測値から得られる工程情報とを制御するコード化命令２０５をもって構成されたメモリとを含めることができる。コントローラ２０６には、平版印刷ツール２０２と度量衡計測ツール２０４の機能を制御する命令２０７を用いてプログラミングされる汎用コンピュータを含めることができる。加えて、コントローラ２０６には度量衡計測ツールにより得られる計測結果を含めることのできるデータ２０９を記憶するメモリを含めることができる。

平版印刷ツール２０２は、基板２０１に対し平版印刷工程を実行する。度量衡計測ツール２０４は、基板２０１上の材料層あるいは材料層内に形成されたパターンに対する１つ以上の種別の度量衡計測を行なうよう構成される。実行時に、コード化命令２０５は計測ツール２０４に下記を行なわせることができる。すなわち、
ａ）一部製造されたデバイスの層内に形成された第１の試験セルに対する第１回計測をモデリングし、
ｂ）層内の第２の試験セルに対し第２回計測を行ない、
ｃ）第２回計測値から第１回計測のモデリングへ情報をフィードし、
ｄ）第１と第２の試験セルを含む層上に平版印刷パターンが形成された後、ａ）とｂ）からの情報をそれぞれ用いて第１と第２の試験セル上でそれぞれ第３回計測と第４回計測をモデリングする。命令２０５は、度量衡計測ツール２０４に他の機能を実行させることもできる。

度量衡計測ツール２０４が実行する命令２０５は、コントローラ２０６が実行する命令２０７と併せ機能させ、前述の前方フィードと側方フィードの使用事例を実行可能とすることができる。例えば、側方フィードの場合、２個の隣接するセルからの度量衡計測データを密接する時間近傍内で逐次取得することができる。幾つかの選択肢を、データの取り扱い用に構想することができる。先ず、第１のセル（例えば、セル１・１０６）度量衡データは、第２のセル（例えば、セル２・１０７）の計測後に二次的な構造パラメータの算出に即使用すべくコントローラ２０６（もしくは度量衡計測ツール２０４）のメモリに保持することができる。次に、第１のセルからの度量衡データは「ウェーハ高さ」データベースあるいはモデル内に記憶させ、第２のセルの計測後の構造パラメータの算出に続いて使用することができる。

前方フィードの場合、１つ以上のセルからの度量衡データを所与のウェーハの一部場所あるいは全部の場所から収集し、次に処理後に同一あるいは異なるセルからの度量衡計測パラメータの算出時に入力として使用すべく将来の検索用にデータベース内に保持することができる。一実施形態では、データベースは度量衡計測ツール２０４上に常駐するよう維持することができる。別の実施形態では、データベースはＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社すなわちカルフォニア州サンノゼ市から入手可能なＡｒｃｈｅｒ Ａｎａｌｙｚｅｒ等の分析データベースにより維持することができる。第３の実施形態では、データベースはコントローラ２０６、例えば製造工場のホストコンピュータ内に保持することができ、データは度量衡計測ツール２０４による要請に合わせ提供することができる。

度量衡計測ツールは、光波散乱計測とオーバーレイとＣＤを行なうよう構成することができる。この種の計測は、任意の適当な技法を用いて行なうことができる。図２Ｂは、この種の計測を行なうのに用いることのできる度量衡計測ツールの一例を示す。図２は、薄肉皮膜層１２および／または構造的特徴等のサンプル１４の表面のターゲット構造に対し臨界寸法等の光波散乱計測を行なうに用いることのできる角分解反射率計１０を示す。反射率計１０には、放射光からなるプローブビーム２２を生成する光源２０を含めることができる。一つの適当な光源はソリッドステートのレーザーダイオードであり、それは安定した既知の比較的幅狭の帯域を有する直線偏光ビームを照射する。プローブビーム２２は、５０対５０ビームスプリッター２４を用いてサンプル１４に向け照射することができる。プローブビーム２２は、レンズ２６を用いてサンプル１４の表面に集束させることができる。プローブビーム光束の一部はビームスプリッター２４も通過し、入射光量検出器３０上に落ちる。反射率計１０では、波長板４２は随意選択的である。偏光子４４は、図示の如く検出器４０の前方か光源２０の後方か、あるいはその両方に置きうる。光源２０は、単色光あるいは多色光とし得る。検出器４０の出力は、評価用にプロセッサ５０に供給される。角分解反射率計１０の完全な記述は、米国特許第６，９９５，８４２号に見いだすことができ、同特許は参照によりその全体を本明細書に組み込むものとする。

この概念を拡張して複数波長を計測することを望む場合、レーザー光源２０は多色分光プローブビームを生成する筈の白色光源とし得る。波長選択性フィルタ６０（図２Ｂに想像線で図示）を、光源２０と検出器４０との間の光路内の何処かに配置することができる。フィルタ６０は、ビームの光路内へ選択的に移動させる単純な帯域通過（色）フィルタの形をとりうる。別の選択肢として、単色分光器を用いて幅狭の波長域を逐次選択することができる。無論、異なる波長を有する過調整レーザーあるいは複数色レーザーを用いることもできる。

本発明の実施形態と併せ光波散乱計測を行なうよう度量衡計測ツール２０４として用いうる分光式楕円偏光計／反射率計装置のより詳細な説明は、その全体を参照により本明細書に組み込む米国特許第６，７３４，９６７号の図２に示されている。

本発明の一実施形態によれば、半導体デバイスは２つ以上のセルを備える試験構造を組み込むことができる。各セルは、基板内にあるいはその上に形成された材料層内に形成された複数の試験パターンを含む。少なくとも１つの平版印刷工程について、少なくとも２個のセルを実質同一の試験パターンを用いてパターン形成する。少なくとも１つの他の平版印刷工程について、セル１個だけをパターン形成し、他をパターン形成しないままに残す。各セルの差異および／またはセル間のパターンの差異は、皮膜やＣＤや他の度量衡情報の前方フィードあるいは側方フィードを容易にするよう構成することができる。加えて、各セルのパターンおよび／またはセル間のパターンの差異は目的に合わせ設定、すなわち度量衡計測値内の適合パラメータの数を低減するようにできる。

一部実施形態では、隣接セル間のクロストークを最小化するようセル内のパターンを配置することは好都合であろう。例えば、サンプルは多次元とすることができるため、この前方フィードと側方フィードとを完了すべく、度量衡計測値はしばしばｘ方向とｙ方向の両方でサンプリングしなければならず、セルは度量衡計測方法を再使用する。一例を挙げるに、試験構造は少なくとも４個のセルで構成することができ、そのうちの少なくとも２個は実質一方向を向くパターンを有し、そのうちの少なくとも他の２個は第１の方向に実質垂直な方向を向く類似のパターンを有する。

図３Ａと図３Ｂは、本発明の一実施形態による４セル度量衡計測ターゲットが取りうる配置を図解するものであり、ここではターゲットはｘ方向とｙ方向の両方で計測が可能である。ｘセルとｙセルとを織り混ぜることで、これらの度量衡計測を行なうのに用いる光波散乱計測技法が招く干渉を低減することができる。２個のｘセルあるいは２個のｙセルを互いに隣接配置すると、クロストークが発生し、かくして各セルの度量衡計測値はその隣接セルの散乱放射光からの干渉に起因して変わることがある。ｘセルとｙセルとを織り混ぜることで、クロストークを最小化することができ、そのことでより正確な度量衡計測が可能となる。

上記の例が、臨界寸法度量衡計測や皮膜度量衡計測やオーバーレイ度量衡計測への本発明の実施形態の適用を示すものであることに留意されたい。しかしながら、本発明の実施形態はただこれらの種の度量衡計測に対するその適用に限定はされない。一例を挙げるに、本発明の実施形態はスキャナーを含む用途に拡張することもでき、ドーズパラメータやフォーカスパラメータもまた既知のモデル反転法、例えば他の特徴構造パラメータからの多項式やニューラルネットワークを用いて包含させるべきである。スキャナーのフォーカスが露光後に計測されるレジスト高さに敏感な関数となるであろうということが、予想される。しかしながら、回折格子セル上で計測されるレジストの高さは、平版印刷条件だけでなくウェーハ全体で変化することのある初期レジスト肉厚もまた含む関数として無理なく予想することができる。フォーカス露光マトリクス上に作成される反転モデルの精度を改善すべく、２セルターゲットを構想することができ、ここでは１個のターゲット（例えば、セル１・１０６）により直接的な皮膜計測（例えば、セルがマスクされているが故にレジストの高さ）が可能であり、隣接セル（例えば、セル２・１０７）は回折格子セルとし、ここでは平版印刷露光後にレジスト高さを計測する。こうして、レジストの露光から生ずる「レジスト高さ損失」を特定することができ、それはスキャナーそのものではなくトラックからの情報を巻き込むレジスト高さ単独よりもずっと繊細なパラメータと予想される。

半導体の度量衡計測中の計測情報の前方および／または側方フィードの性能を特定すべく、計測手順はシミュレーションプログラムを用いて実験的にモデリングするようにした。使用するシミュレーションプログラムは、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社が開発した２つのプログラムを組み合わせたものであった。所与の照射角度についてＭｕｅｌｌｅｒ Ｍａｔｒｉｘエレメントを生成する所与のサンプルに関する回折データベースを生成するのに、ＳｐｅｃｔｒａＳｕｉｔｅ ５．０を用い、推定を行なうのに用いるサンプルのパラメータの選択に基づき計測値の推定不確実性を生成するノイズレベルを含む光学系の構造とその照光および集光特性の記述に、ＣｏｎｆｉｇｕｔａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓＴｏｏｌ ｖ１０を用いた。

計測をシミュレーションした構造が、図４Ａに図解される。この構造は、ハードマスク回折格子の頂部のレジスト回折格子に対応するものである。レジスト回折格子４０２はＡＲＣ（反射防止膜）４０４と呼ばれる薄肉皮膜材料の頂部に形成しなければならず、ＡＲＣはゲート酸化膜４１０の頂部に横たわるポリシリコン４０８上に形成されたハードマスク回折格子４０６を覆っている。

図５Ａ〜図５Ａは、シミュレーションと併せ用いられるシミュレーションされた製造手順を表わす。図５Ａに示す如く、フォトマスク５０１は第１のレジスト層をパターン形成し、薄肉皮膜（ＡＲＣ）層４０４とハードマスク層４０６の頂部に頂部レジスト回折格子４０２Ａを形成するのに用いる。頂部レジスト回折格子４０２Ａの構造パラメータは、本明細書では集合的にＧ２と呼ばれる。Ｇ２構造パラメータは、回折格子中点（ＭＣＤ２）の臨界寸法と側壁角度（ＳＷＡ２）と高さ（ＨＴ２）とを含む。薄肉皮膜（ＡＲＣ）層４０４は、レジスト回折格子４０２Ａ内の開口を介してハードマスク層４０６までエッチングされる。第１のレジスト回折格子４０２Ａを剥離させた後、頂部レジスト回折格子がパターンを薄肉皮膜回折格子４０４へ転写され、回折格子４０４Ａを形成する。図５Ｂに示す如く、第２のレジスト回折格子４０２Ｂがハードマスク層４０６上の被露光部分に形成される。第２のフォトマスク（図示せず）を用い、第２のレジスト回折格子４０２Ｂを形成するレジスト層をパターン形成する。ハードマスク層４０６はそこでパターン形成された薄肉皮膜４０４と第２のレジスト回折格子４０２Ｂとを介してポリシリコン層４０８へエッチングされ、図５Ｃに示す如く底部ハードマスク回折格子４０６Ｂを生成する。ハードマスク回折格子４０６Ｂの構造パラメータを、本明細書では集合的にＧ１と呼ぶ。Ｇ１構造パラメータは、回折格子中点の臨界寸法（ＭＣＤ１）と側壁角度（ＳＷＡ１）と高さ（ＨＴ１）とを含む。頂部回折格子４０２Ａと底部回折格子４０２Ｂ（あるいはハードマスク回折格子４０６Ｂ）との間の位置における相対的なずれを、オーバーレイと呼ぶ。一旦ハードマスク回折格子が形成されると、ポリシリコン層４０８をハードマスク回折格子４０６Ｂ内の開口を介してエッチングし、それによって図５Ｄに示す如くゲート酸化膜４１０の頂部にポリシリコン回折格子４０８Ａを生成することができる。

シミュレーション結果は、図６Ａ〜図６Ｄに示してある。プロット内の標識は、その計測値の不確実性を推定するシミュレーションのパラメータを指すものである。かくして、例えば標識にＯＶＬと記述されている場合、そのときはオーバーレイパラメータだけを計測し、オーバーレイの不確実性だけを推定した。追加例として、標識にＯＶＬ（ＯＶＬ＋Ｇ２）と記述されている場合、そのときはオーバーレイパラメータとＧ２の全てのパラメータ（ＭＣＤ２やＳＷＡ２やＨＣＴ２等）が計測済みとしてシミュレーションされ、それらの個々の不確実性を全て推定し、この場合４個のパラメータをシミュレーションし、４個の不確実性を算出し、一方でオーバーレイ不確実性だけをプロットするようにできる。

各スロット内に暗に含まれる情報は、パラメータが「計測され」ない場合に、そこで別の計測値から前方フィードもしくは側方フィードのいずれかにより計測値算出に供給されたものとなる。かくして、前方フィードあるいは側方フィードのいずれからもより多くのパラメータが利用可能とされるため、プロットはオーバーレイ計測用により改善された精度を表わす。図６Ａ〜図６Ｄ内の水平方向軸の標識は、シミュレーションした異なるＫＴ反射率計装置の構成を指すものである。これらの装置構成は、図６Ａ〜図６Ｄ内のグラフの水平軸に沿って１〜１０の数字により識別してある。

図６Ａ〜図６Ｄに示すシミュレーション結果では、パターン・オーバー・パターン用の３２ｎｍゲートＡＤＩ積層体を分析し、様々なハードウェア構成について予測精度（３シグマ）を推定した。光波散乱計測を介する計測値に基づく同時ＯＶＬ＋ＣＤターゲットの実現可能性は、前方フィード／側方フィード戦略の使用に基づき実証されている。図６Ａ〜図６Ｄから判るように、ｅＵＶＲ（極紫外線反射率計）に基づく２３５ｎｍ以下の波長については、前方フィードや側方フィードの使用が偏光モードにおいて相当の利点を提供する。これらの結果は、単一ターゲットの複数セルＯＶＬ＋ＣＤ計測値の完全なカスケード設計のための潜在能力を実証するものである。

図４Ｂに示す３セル度量衡計測ターゲット４２０を用い、図４Ａに示す種別の構造に対し度量衡計測を行なうことができることに、留意されたい。具体的には、度量衡計測ターゲット４２０には、回折格子ターゲットを有する第１と第２のセル４２２，４２４と、皮膜肉厚の計測を容易にするよう設計されたターゲットを有する第３のセル４２６とを含めることができる。この種の３セルターゲット４２０は、度量衡計測課題を細かく砕き、異なる課題片との間で情報を前方および／または側方フィードすることで、強靭な度量衡計測事例の実行に用いることができる。一例を挙げるに、第１のセル４２２の計測値はハードマスク回折格子４０６の一部に関する臨界寸法と側壁角度の特定に用いる情報を提供する計測用に使用することができる。第２のセル４２４は、レジスト回折格子４０２の一部に関する臨界寸法と側壁角度とを特定するのに用いる情報を提供する計測に用いることができる。第３のセル４２６は、エッチングあるいは肉厚に影響を及ぼし得る他の工程の前後でポリシリコン層４０８の肉厚を特定する情報を提供する計測に用いることができる。

上記は本発明の好適な実施形態の完全な説明ではあるが、様々な代替例や改変例や等価物を使用することが可能である。それ故、本発明の範囲は上記の説明の参照によらずに判断すべきであり、その代りに添付特許請求の範囲をその等価物の範囲全体と併せ参照して判断すべきである。全ての特徴は、その好悪に関係なく、他の特徴にその好悪に関係なく組み合わせることができる。従属請求項では、不定冠詞「一つの（Ａ）」もしくは「一つの（Ａｎ）」は、明示的にそうでないと断らない限り、この冠詞に続く１つ以上の品目の一つの量を指すものである。従属請求項では、用語「または」は包括的な「または」として解釈すべきであり、すなわち例えば、ＡかＢのいずれかが個別に存在する場合、あるいはＡとＢの両方が存在する場合に、ＡまたはＢが満たされる。添付特許請求の範囲は、所与の請求項において「する手段」なる語句を用いて一つの限定が明示的に具陳されていない限り、ミーンズ・プラス・ファンクション（機能により限定される手段）を含むとして解釈してはならない。

Claims (35)

1. 半導体製造中の度量衡計測方法であって、
   ａ）一部製造されたデバイスの層内に形成された第１の試験セルに対する第１回計測をモデリングする工程と、
   ｂ）前記層内の第２の試験セルに対する第２回計測を行なう工程と、
   ｃ）前記第２回計測からの情報を前記第１回計測の前記モデリングにフィードする工程と、
   前記第１と第２の試験セルを含む前記層上に平版印刷パターンが形成された後、ｄ）それぞれ工程ａ）とｂ）からの情報を用いてそれぞれ前記第１と第２の試験セルに対する第３回計測と第４回計測をモデリングする工程とを含む、方法。
2. 工程ａ）は、前記一部製造されたデバイスの前記層内に形成された前記第１の試験セルに対する臨界寸法度量衡計測をモデリングする工程を含む、請求項１に記載の方法。
3. 工程ｂ）は、前記層内の前記第２の試験セルに対し皮膜度量衡計測を行なう工程を含む、請求項１に記載の方法。
4. 工程ｃ）は、前記第２回計測からの前記情報を前記第１回計測の前記モデリングに側方フィードする工程を含む、請求項１に記載の方法。
5. 工程ｄ）は、オーバーレイ度量衡において第３回計測をモデリングする工程を含む、請求項１に記載の方法。
6. 工程ｄ）は、臨界寸法度量衡用に第４回計測をモデリングする工程を含む、請求項１に記載の方法。
7. 工程ｄ）は、前記第１の試験セルに対する前記第１回計測値を前方フィードし、前記第１の試験セルに対する前記第３回計測をモデリングする工程を含む、請求項１に記載の方法。
8. 工程ｄ）は、前記第２の試験セルに対する前記第２回計測値を前方フィードし、前記第２の試験セルに対する前記第４回計測をモデリングする工程を含む、請求項１に記載の方法。
9. 工程ｄ）は、前記第２の試験セルに対する前記第４回計測値を側方フィードし、前記第１の試験セルに対する前記第３回計測をモデリングする工程を含む、請求項１に記載の方法。
10. ｅ）前記層上にエッチングが行なわれた後、前記層内の前記第２の試験セルに対する第５回計測をモデリングする工程と、
    ｆ）前記層内の第３の試験セルに対し第６回計測を行なう工程と、
    ｇ）前記第６回計測からの情報を前記第５回計測の前記モデリングにフィードする工程と、
    前記第１と第２と第３の試験セルを含む前記層上に第２の平版印刷パターンが形成された後、ｈ）それぞれ工程ｆ）とｇ）からの情報を用いてそれぞれ前記第２と第３の試験セルに対する第７回計測と第８回計測をモデリングする工程とをさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 工程ｅ）は、前記第２の試験セルに対する臨界寸法度量衡計測をモデリングする工程を含む、請求項１０に記載の方法。
12. 工程ｆ）は、前記第３の試験セルに対し皮膜度量衡計測を行なう工程を含む、請求項１０に記載の方法。
13. 工程ｇ）は、前記第６回計測から前記第５回計測の前記モデリングへ情報を側方給送する工程を含む、請求項１０に記載の方法。
14. 前記第７回計測はオーバーレイ度量衡計測である、請求項１０に記載の方法。
15. 前記第８回計測は臨界寸法度量衡計測である、請求項１０に記載の方法。
16. 工程ｈ）は、前記第２の試験セルについての前記第５回計測値を前方フィードし、前記第２の試験セルに対する前記第７回計測をモデリングする工程を含む、請求項１０に記載の方法。
17. 工程ｈ）は、前記第３の試験セルについての前記第６回計測値を前方フィードし、前記第３の試験セルに対する前記第８回計測をモデリングする工程を含む、請求項１０に記載の方法。
18. 工程ｈ）は、前記第３の試験セルに対する前記第８回計測値を側方フィードし、前記第２の試験セルに対する前記第７回計測をモデリングする工程を含む、請求項１０に記載の方法。
19. さらに、前記第６回計測値からの情報を用い、前記層内の第４の試験セルに対し第９回計測をモデリングする工程を含む、請求項１０に記載の方法。
20. 前記第３の試験セルは撮像ターゲットを含む、請求項１０に記載の方法。
21. 第４の試験セルに対する第９回計測が、前記第３の試験セルに対する前記第６回計測値の前方フィードを含む、請求項２０に記載の方法。
22. 第４の試験セルに対する第９回計測が、前記第３の試験セルに対する前記第８回計測値の側方フィードを含む、請求項２０に記載の方法。
23. 前記層に対し第２のエッチングが行なわれ後、
    ｉ）前記第２の試験セルに対する第９回計測をモデリングする工程と、
    ｊ）前記第３の試験セルに対する第１０回計測をモデリングする工程と、
    ｋ）前記第３の試験セルに対する前記第１０回計測からの情報をフィードし、前記第２の試験セルに対する前記第９回計測をモデリングする工程とをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
24. 工程ｉ）は、前記第２の試験セルに対し臨界寸法度量衡計測をモデリングする工程を含む、請求項２３に記載の方法。
25. 工程ｊ）は、前記第３の試験セルに対し臨界寸法度量衡計測をモデリングする工程を含む、請求項２３に記載の方法。
26. 工程ｋ）は、前記第３の試験セル上に前記第１０回計測値を側方フィードし、前記第２の試験セル上で前記第９回計測をモデリングする工程を含む、請求項２６に記載の方法。
27. 前記第３の試験セルに対する前記第１０回計測値を用い前記第４の試験セルに対する第１１回計測をモデリングする工程をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
28. 前記第３の試験セルに対する前記第１０回計測値を側方フィードし、前記第４の試験セルに対する前記第１１回計測をモデリングする、請求項２７に記載の方法。
29. 前記第１回計測にはレジストの露光前の前記レジストの高さの計測が含まれ、前記第２回計測には前記レジストの露光後の前記レジストの前記高さの計測が含まれる、請求項１に記載の方法。
30. 半導体デバイスの製造中の度量衡計測装置であって、
    材料層あるいは材料層内に形成されたパターンに対する１つ以上の種別の度量衡計測を行なうよう構成した度量衡計測ツールと、
    前記度量衡計測ツールに結合したコンピュータプロセッサと、
    前記プロセッサに結合したコンピュータメモリで、前記コンピュータプロセッサによる実行時に前記度量衡計測ツールに、
    ａ）一部製造されたデバイスの層内に形成された第１の試験セルに対する第１回計測のモデリングと、
    ｂ）前記層内の第２の試験セルに対する第２回計測と、
    ｃ）前記第２回計測から前記第１回計測の前記モデリングへの情報のフィードと、
    ｄ）前記第１と第２の試験セルを含む前記層上に平版印刷パターンが形成された後、それぞれａ）とｂ）からの情報を用いて前記第１と第２の試験セル上でそれぞれ第３回計測と第４回計測のモデリングとを行なわせるコンピュータ可読命令を組み入れたコンピュータメモリとを備える、装置。
31. 半導体デバイスの製造に使用する試験構造であって、
    基板と、
    前記基板上に形成されるかもしくは前記基板表面の材料層内に形成された２つ以上の試験セルとを備え、前記２つ以上の試験セルのそれぞれが前記基板上に形成されるかもしくはその上に形成された材料層上に形成された複数の試験パターンを含んでおり、前記試験セルは、前記基板あるいはその上に形成された１つ以上の材料層に対し行なわれた２つ以上の平版印刷工程に関連する度量衡計測用に構成されており、少なくとも１つの平版印刷工程について、前記２つ以上の試験セルのうちの少なくとも２つが実質同じ試験パターンでもってパターン形成され、少なくとも１つの平版印刷工程について、前記２つ以上の試験セルのうちの１つだけがパターン形成され、２つ以上の試験セルのうちのその他はパターン形成されないままとし、２つ以上の試験セルのそれぞれにおける試験パターンおよび／または前記２つ以上の試験セルのうちの２つ以上の間の前記パターンの差異が、度量衡計測の前方フィードまたは側方フィードを促すよう構成した、試験構造。
32. 各セル内の前記パターンおよび／またはセル間の前記パターンの前記差異を目的に合わせ設定、すなわち度量衡計測値内の適合パラメータの数を低減するようにした、請求項３１に記載の試験構造。
33. 前記２つ以上の試験セルは少なくとも４個のセルを含み、そのうち少なくとも２個が実質一方向を向くパターンを有し、少なくとも他の２個が第１の方向に実質垂直な方向を向く類似のパターンを有する、請求項３１に記載の試験構造。
34. 前記２つ以上の試験セルは少なくとも３個のセルを含み、そのうち少なくとも１個が撮像ターゲットを含む、請求項３１に記載の試験構造。
35. 前記２つ以上の試験セルは、回折格子ターゲットを含む第１および第２のセルと皮膜肉厚ターゲットを含む第３のセルとを含む３個のセルで構成される、請求項３１に記載の試験構造。

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