JP2014048180A - 位置ずれ計測方法およびフォトマスク - Google Patents

Abstract

【課題】上下層のデバイスパターン間の位置ずれの計測精度を向上させる。
【解決手段】下層部１のアライメントマーク１Ｂを基準に下層部１に形成されるデバイスパターン１Ａの位置ずれを計測し、下層部１上の上層部２のアライメントマーク２Ｂを基準に上層部２に形成されるデバイスパターン２Ａの位置ずれを計測し、下層部１のアライメントマーク１Ｂと上層部２のアライメントマーク２Ｂとの間の位置ずれを計測し、アライメントマーク１Ｂ、２Ｂ間の位置ずれに基づいてデバイスパターン１Ａ、２Ａ間の位置ずれを算出する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、位置ずれ計測方法およびフォトマスクに関する。

半導体デバイスの製造工程において、異なる工程によって形成されるパターン間の位置関係を精度良く合わせることは、デバイスの動作特性に極めて大きな影響を及ぼす。そのため、当該位置関係を精度良く計測する技術は半導体デバイスの製造工程において重要であり、デバイスの微細化が進行する昨今において要求される精度は厳しくなる一方である。
一般に半導体デバイス製造時の合わせ計測技術は、下層に属するアライメントマークと上層に属するアライメントマークを近接して形成し、その相対的な位置関係を計測するものである。下層のアライメントマークを計測するには上層を透過する必要があるため、計測には光学顕微鏡が用いられる。
それゆえ、アライメントマークは当該波長域で観察可能な一辺１００ｎｍ以上のパターンにて形成されるか、より小さいパターンを密集して並べることで、光学顕微鏡で認識可能な大きさのアライメントマークを形成している。
一方で先端的なデバイスのパターンはリソグラフィ技術の微細化の進行により、最小寸法が１００ｎｍ以下のパターンにて形成されている。このため、デバイスの動作に関わるパターンと、そのデバイスパターンの上下層の位置関係を計測するアライメントマークの寸法が乖離するという状況が起こっている。
リソグラフィ工程において露光装置からフォトマスクに照射される光源の波長よりもフォトマスク上のパターンの寸法が小さいため、パターンに照射された光は回折し露光装置の光学系を経てウェハ上に結像するが、その回折角は原理的にパターンの寸法が小さい程大きくなる。従って、寸法の異なるパターンにそれぞれ照射され回折した光は異なる回折角で回折した結果、レンズの異なる場所を通過するため、レンズの局所的な歪み等によってウェハ上に結像するパターンが受ける影響が異なることになる。
以上から、レンズを透過した光の結像の状態が、アライメントマークとデバイスパターンとで異なる可能性があり、今後デバイスパターンの微細化の進行とともにその傾向は顕著になることが予想される。

特開平８−１９１０４５号公報

本発明の一つの実施形態は、上下層のデバイスパターン間の位置ずれの計測精度を向上させることが可能な位置ずれ計測方法およびフォトマスクを提供することを目的とする。

本発明の一つの実施形態によれば、下層部のアライメントマークを基準に前記下層部に形成されるデバイスパターンの位置ずれを計測し、前記下層部上の上層部のアライメントマークを基準に前記上層部に形成されるデバイスパターンの位置ずれを計測し、前記下層部のアライメントマークと前記上層部のアライメントマークとの間の位置ずれを計測し、前記アライメントマーク間の位置ずれに基づいて前記デバイスパターン間の位置ずれを算出する。

図１（ａ）〜図１（ｃ）は、第１実施形態に係る位置ずれ計測方法を示す斜視図である。 図２は、第１実施形態に係る位置ずれ計測方法を示すフローチャートである。 図３（ａ）は、第２実施形態に係る位置ずれ計測方法を示す斜視図、図３（ｂ）は、図３（ａ）の表示部９の表示画面２１の一例を示す図である。 図４は、第３実施形態に係る位置ずれ計測における計測機差補正方法を示す斜視図である。 図５は、図４の計測機差補正用パターンの一例を示す平面図である。 図６は、図５の計測機差補正用パターンにおけるオフセットの設計値と測定値との関係を示す図である。 図７は、第３実施形態に係る位置ずれ計測における計測機差補正方法を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照して、実施形態に係る位置ずれ計測装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、第１実施形態に係る位置ずれ計測方法を示す斜視図である。
図１（ａ）において、デバイスパターン１Ａおよびアライメントマーク１Ｂを下層部１に形成する。そして、走査型電子顕微鏡３にてデバイスパターン１Ａおよびアライメントマーク１Ｂを観測し、それらの画像データを例えば設計データと比較することで、アライメントマーク１Ｂを基準としたデバイスパターン１Ａの位置ずれＺ１を算出する。なお、走査型電子顕微鏡３には測長機能を持たせることができる。また、デバイスパターン１Ａの位置ずれＺ１は、デバイスパターン１Ａに対応したレジストパターンの位置ずれＺ１であってもよいし、デバイスパターン１Ａに対応したレジストパターンをマスクとして加工された加工パターンの位置ずれＺ１であってもよい。

次に、図１（ｂ）に示すように、下層部１上の上層部２にデバイスパターン２Ａおよびアライメントマーク２Ｂを形成する。そして、走査型電子顕微鏡３にてデバイスパターン２Ａおよびアライメントマーク２Ｂを観測し、それらの画像データを例えば設計データと比較することで、アライメントマーク２Ｂを基準としたデバイスパターン２Ａの位置ずれＺ２を算出する。なお、デバイスパターン２Ａの位置ずれＺ２は、デバイスパターン２Ａに対応したレジストパターンの位置ずれＺ２であってもよいし、デバイスパターン２Ａに対応したレジストパターンをマスクとして加工された加工パターンの位置ずれＺ２であってもよい。

ここで、下層部１および上層部２は、例えば、半導体基板であってもよいし、半導体層であってもよいし、導体層であってもよいし、絶縁層であってもよい。デバイスパターン１Ａ、２Ａは、例えば、ゲート電極であってもよいし、配線であってもよいし、コンタクトホールであってもよい。アライメントマーク１Ａ、１Ｂは半導体ウェハのスクライブライン上に配置することができる。

次に、図１（ｃ）に示すように、アライメントマーク１Ｂ、２Ｂ間の位置ずれＺ３を光学顕微鏡４にて計測する。この時、光学顕微鏡４では、上層部２を通して下層部１のアライメントマーク１Ｂを観測することができる。そして、アライメントマーク１Ｂ、２Ｂ間の位置ずれＺ３に基づいてデバイスパターン１Ａ、２Ａ間の位置ずれを算出する。この時、アライメントマーク１Ｂを基準としたデバイスパターン１Ａの位置ずれがＺ１、アライメントマーク２Ｂを基準としたデバイスパターン２Ａの位置ずれがＺ２、アライメントマーク１Ｂ、２Ｂ間の位置ずれがＺ３なので、デバイスパターン１Ａ、２Ａ間の位置ずれはＺ３−（Ｚ１＋Ｚ２）とすることができる。

ここで、デバイスパターン１Ａ、２Ａ間の位置ずれを求めるために、アライメントマーク１Ｂ、２Ｂ間の位置ずれＺ３に走査型電子顕微鏡３で計測した位置ずれＺ１、Ｚ２を参照することにより、光学顕微鏡４にて観測不能な微細パターンにてデバイスパターン１Ａ、２Ａが構成されている場合においても、デバイスパターン１Ａ、２Ａの局所的な歪み等を考慮することができ、デバイスパターン１Ａ、２Ａ間の位置ずれの計測精度を向上させることができる。この時、アライメントマークとデバイスパターンの位置ずれの計測方法として、走査型電子顕微鏡で取得した画像に当該パターンの設計データと照らし合わせ、アライメントマークとデバイスパターンが本来持つべき位置関係と実際の画像から計測したアライメントマークとデバイスパターンの位置関係を比較することによってアライメントマークとデバイスパターンの位置関係を計測する手法を用いることができる。

図２は、第１実施形態に係る位置ずれ計測方法を示すフローチャートである。
図２において、下層部１のレジストパターンを形成する（Ｓ１）。そして、アライメントマーク１Ｂを基準としたデバイスパターン１Ａの位置ずれＺ１を走査型電子顕微鏡３にて計測する（Ｓ２）。この時、レジストパターンを計測してもよいし、レジストパターンをマスクとして加工された加工パターンを計測してもよい。

次に、上層部２のレジストパターンを形成する（Ｓ３）。そして、アライメントマーク２Ｂを基準としたデバイスパターン２Ａの位置ずれＺ２を走査型電子顕微鏡３にて計測する（Ｓ４）。

次に、アライメントマーク１Ｂ、２Ｂ間の位置ずれＺ３を光学顕微鏡４にて計測する（Ｓ５）。そして、アライメントマーク１Ｂ、２Ｂ間の位置ずれＺ３とデバイスパターン１Ａ、２Ａの位置ずれＺ１、Ｚ２に基づいてデバイスパターン１Ａ、２Ａ間の位置ずれを算出する（Ｓ６）。なお、位置ずれＺ２の走査型電子顕微鏡３による計測および位置ずれＺ３の光学顕微鏡４による計測は、どちらが先に行われてもよい。
この後、算出されたデバイスパターン１Ａ、２Ａ間の位置ずれがデバイスとして許容される範囲内であるか否かが判定され、許容範囲内と判定された場合は、上層部２のレジストパターンをマスクとして上層部２の被加工体を加工して加工パターンを形成する。一方、デバイスパターン１Ａ、２Ａ間の位置ずれが許容範囲内にない場合は、上層部２のレジストパターンをアッシング等により剥離した上でレジストパターンを再形成し、その後デバイスパターン１Ａ、２Ａ間の位置ずれが許容範囲内であると判定されるまでデバイスパターン１Ａ、２Ａ間の位置ずれを算出するステップ（Ｓ６）までが繰り返し行われる。

（第２実施形態）
図３（ａ）は、第２実施形態に係る位置ずれ計測方法を示す斜視図、図３（ｂ）は、図３（ａ）の表示部９の表示画面２１の一例を示す図である。
図３において、走査型電子顕微鏡５には光学レンズ６が搭載されている。なお、走査型電子顕微鏡５の視野の最大値は１００μｍ以上に設定することができる。また、走査型電子顕微鏡５には、光学レンズ６を介して観測された光学像を撮像する撮像部７、走査型電子顕微鏡５の走査電子像を撮像する撮像部８および撮像部７、８による撮像画像を表示する表示部９が設けられている。

そして、上層部２が下層部１上に形成される前に走査型電子顕微鏡５にてアライメントマーク１Ｂを基準としたデバイスパターン１Ａの位置ずれＺ１が計測される。次に、上層部２が下層部１上に形成された後に走査型電子顕微鏡５にてアライメントマーク２Ｂを基準としたデバイスパターン２Ａの位置ずれＺ２が計測される。また、アライメントマーク１Ｂ、２Ｂの光学像が光学レンズ６を介して撮像部７にて撮像され、アライメントマーク１Ｂ、２Ｂ間の位置ずれＺ３が計測される。

この時、表示部９の表示画面２１には、デバイスパターン２Ａの光学画像２２およびアライメントマーク１Ｂ、２Ｂの光学画像２４が表示されるとともに、デバイスパターン２Ａの光学画像２２が拡大された走査電子画像２３が表示される。

ここで、走査型電子顕微鏡５に光学レンズ６を搭載することにより、アライメントマーク１Ｂ、２Ｂの光学画像２４およびデバイスパターン２Ａの走査電子画像２３を表示画面２１上で同時に観察することができる。

また、走査型電子顕微鏡５の視野の最大値を１００μｍ以上に設定することにより、アライメントマーク１Ｂおよびデバイスパターン１Ａを同一視野内で同時に観測することが可能となるとともに、アライメントマーク２Ｂおよびデバイスパターン２Ａを同一視野内で同時に観測することが可能となる。このため、各アライメントマーク１Ｂ、２Ｂを基準にデバイスパターン１Ａ、２Ａの位置ずれＺ１、Ｚ２を計測するために、ウェハステージを移動させる必要がなくなり、ウェハステージの移動誤差に起因する計測精度の低下を防止することができる。また、アライメントマーク１Ｂ、２Ｂとデバイスパターン１Ａ、２Ａとの間の位置関係を示す設計値と測定値とを比較することが可能となり、これらが本来配置される位置からのずれを求めることが可能となる。

（第３実施形態）
図４は、第３実施形態に係る位置ずれ計測における異なる計測装置間の計測機差補正方法を示す斜視図である。
図４（ａ）において、レイヤ１１には、デバイスパターン１１Ａ、アライメントマーク１１Ｂおよび計測機差補正用パターン１１Ｃが設けられている。なお、このレイヤ１１は、図１（ａ）〜図１（ｃ）の下層部１であってもよいし、上層部２であってもよい。また、アライメントマーク１１Ｂおよび計測機差補正用パターン１１Ｃは、例えば、半導体ウェハのスクライブライン上に配置することができる。ここで、計測機差補正用パターン１１Ｃには、ある位置ずれ量を有する一対のパターンが、位置ずれ量が互いに異なるように複数設けられている。そして、走査型電子顕微鏡３にて計測機差補正用パターン１１Ｃの位置ずれ量を測定し、走査型電子顕微鏡３におけるパターン１１Ｃの位置ずれ量を求める。

次に、図４（ｂ）に示すように、光学顕微鏡４にて計測機差補正用パターン１１Ｃの位置ずれ量を測定し、光学顕微鏡４におけるパターン１１Ｃの位置ずれ量を求める。そして、走査型電子顕微鏡３と光学顕微鏡４との間でパターン１１Ｃの位置ずれ量の計測結果が一致するように一方または両方の計測値を補正する。

図５は、図４の計測機差補正用パターンの一例を示す平面図である。
図５において、計測機差補正用パターン１１Ｃには、第１パターンＰ１、第２パターンＰ２および第３パターンＰ３が設けられている。ここで、第１パターンＰ１、第２パターンＰ２および第３パターンＰ３には、内側パターンおよび外側パターンがそれぞれ設けられている。そして、外側パターンは内側パターンを囲むように配置されている。

第２パターンＰ２では、内側パターンと外側パターンとの間で重心が一致するように配置されている。この時、第２パターンＰ２は重心に対して１８０°回転対称であるように構成することができる。第１パターンＰ１および第３パターンＰ３では、内側パターンと外側パターンとの間で重心が異なるように配置されている。この時、第１パターンＰ１および第３パターンＰ３は、内側パターンと外側パターンとの間で重心が互いに反対方向にずれるように構成することができる。例えば、第１パターンＰ１では、外側パターンの重心に対して内側パターンの重心がＸ方向に−２ｎｍ、Ｙ方向に２ｎｍだけずらすことができる。第３パターンＰ３では、外側パターンの重心に対して内側パターンの重心がＸ方向に２ｎｍ、Ｙ方向に−２ｎｍだけずらすことができる。また、第１パターンＰ１、第２パターンＰ２および第３パターンＰ３は、互いに隣接しながら一辺が１０４μｍ以下の正方形領域内に個別に配置することができる。

図６は、図５の計測機差補正用パターンにおける位置ずれ量の設計値と測定値との関係を示す図である。
図６において、図５の第１パターンＰ１、第２パターンＰ２および第３パターンＰ３を図４のレイヤ１１に形成する。そして、第１パターンＰ１、第２パターンＰ２および第３パターンＰ３の位置ずれ量を走査型電子顕微鏡３にて計測することで、走査型電子顕微鏡３におけるＰ１，Ｐ２，Ｐ３それぞれの位置ずれ量の設計値と測定値との関係Ｌ１を直線近似で求める。次に、第１パターンＰ１、第２パターンＰ２および第３パターンＰ３の位置ずれ量を光学顕微鏡４にて計測することで、光学顕微鏡４におけるＰ１，Ｐ２，Ｐ３それぞれの位置ずれ量の設計値と測定値との関係Ｌ２を直線近似で求める。そして、走査型電子顕微鏡３と光学顕微鏡４との間で近似直線が一致するように走査型電子顕微鏡３もしくは光学顕微鏡４あるいはその両方の計測感度を補正する。この時、これらの関係Ｌ１、Ｌ２を示す２つの近似直線がオフセットを持っているか、あるいは傾きが異なる場合、これらの関係Ｌ１、Ｌ２を走査型電子顕微鏡３の測定結果に適用し、光学顕微鏡４の測定結果に一致するように補正を行うことができる。

図７は、第３実施形態に係る位置ずれ計測における計測機差補正方法を示すフローチャートである。
図７において、レイヤ１１のレジストパターンを形成する（Ｓ１１）。そして、第１パターンＰ１、第２パターンＰ２および第３パターンＰ３の位置ずれ量を走査型電子顕微鏡３にて計測する（Ｓ１２）。この時、レジストパターンを計測してもよいし、レジストパターンをマスクとして加工された加工パターンを計測してもよい。

次に、第１パターンＰ１、第２パターンＰ２および第３パターンＰ３の位置ずれ量を光学顕微鏡４にて計測する（Ｓ１３）。この時、レジストパターンを計測してもよいし、レジストパターンをマスクとして加工された加工パターンを計測してもよい。そして、走査型電子顕微鏡３と光学顕微鏡４との間で測定値が一致するように走査型電子顕微鏡３もしくは光学顕微鏡４あるいはその両方の計測感度を補正する（Ｓ１４）。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 下層部、２ 上層部、１Ａ、２Ａ、１１Ａ デバイスパターン、１Ｂ、２Ｂ、１１Ｂ アライメントマーク、３、５ 走査型電子顕微鏡、４ 光学顕微鏡、６ 光学レンズ、７、８ 撮像部、９ 表示部、Ｐ 第１パターン、Ｐ２ 第２パターン、Ｐ３ 第３パターン、１１ レイヤ、１１Ｃ 計測機差補正用パターン、２１ 表示画面、２２、２４ 光学画像、２３ 走査電子画像

Claims (5)

1. 下層部のアライメントマークを基準に前記下層部に形成されるデバイスパターンの位置ずれを走査型電子顕微鏡にて計測するステップと、
   前記下層部上の上層部のアライメントマークを基準に前記上層部に形成されるデバイスパターンの位置ずれを前記走査型電子顕微鏡にて計測するステップと、
   前記下層部のアライメントマークと前記上層部のアライメントマークとの間の位置ずれを光学顕微鏡にて計測するステップと、
   前記アライメントマーク間の位置ずれに基づいて前記デバイスパターン間の位置ずれを算出するステップとを備え、
   前記上層部または前記下層部に一対の第１パターンと前記第１パターンと位置ずれ量の異なる一対の第２パターンとを有する計測機差補正用パターンが形成され、
   前記第１パターンおよび前記第２パターンの位置ずれ量を前記走査型電子顕微鏡にて計測することで、前記走査型電子顕微鏡における位置ずれ量の設計値と測定値との関係を直線近似で求め、前記第１パターンおよび前記第２パターンの位置ずれ量を前記光学顕微鏡にて計測することで、前記光学顕微鏡における位置ずれ量の設計値と測定値との関係を直線近似で求め、それらの結果に基づき前記走査型電子顕微鏡と前記光学顕微鏡との間で計測機差を補正することを特徴とする位置ずれ計測方法。
2. 下層部のアライメントマークを基準に前記下層部に形成されるデバイスパターンの位置ずれを計測するステップと、
   前記下層部上の上層部のアライメントマークを基準に前記上層部に形成されるデバイスパターンの位置ずれを計測するステップと、
   前記下層部のアライメントマークと前記上層部のアライメントマークとの間の位置ずれを計測するステップと、
   前記アライメントマーク間の位置ずれに基づいて前記デバイスパターン間の位置ずれを算出するステップとを備えることを特徴とする位置ずれ計測方法。
3. 前記デバイスパターンの位置ずれは走査型電子顕微鏡にて計測し、前記アライメントマーク間の位置ずれは光学顕微鏡にて計測することを特徴とする請求項２に記載の位置ずれ計測方法。
4. 前記アライメントマークおよび前記デバイスパターンが同時に撮像されるように前記走査型電子顕微鏡の視野を設定することを特徴とする請求項３に記載の位置ずれ計測方法。
5. 一対の第１パターンと
   前記第１パターンと位置ずれ量の異なる一対の第２パターンとを備えることを特徴とするフォトマスク。