JP2014146426A - アライメント測定装置およびアライメント測定方法 - Google Patents

Abstract

【目的】本発明は、アライメント測定装置およびアライメント測定方法に関し、微細化が進んだ半導体デバイスの正確なレイヤー間アライメントを実現する装置および方法を提供することを目的とする。
【構成】基板上に形成された複数レイヤーのうちのアライメント対象のパターンの位置に、基板を移動して位置づける移動手段と、位置づけた状態で、細く絞った電子線ビームを照射しつつ走査する走査手段と、走査手段で電子線ビームを照射しつつ走査した状態で、基板上に形成された複数レイヤーのうちの上層のパターンの画像を取得する上層画像取得手段と、走査手段で電子線ビームを照射しつつ走査した状態で、基板上に形成された複数レイヤーのうちの下層のパターンの画像を取得する下層画像取得手段と、取得した上層のパターンと上記下層のパターンとの位置ずれ量を測定する測定手段とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板上に形成された複数レイヤー上のパターン間のアライメントを測定するアライメント測定装置およびアライメント測定方法に関するものである。

近年、半導体デバイスはムーアの法則に合うように年々微細化を繰り返しデバイスサイズが２０ｎｍを切るようになってきた。この傾向は６ｎｍ程度までは続くと言われている。半導体デバイスはシリコン基板上に、能動デバイスであるトランジスタを形成した後、そのトランジスタを動作させるための配線を形成するために、絶縁体薄膜と導体薄膜を繰り返しサンドイッチした構造を持つ。最先端半導体デバイスは、厚みや材料が違う数十層ものレイヤーを有すものもある。それぞれのレイヤーは配線なので、お互いの位置関係が正しく保たれ電気的に接続されて、始めて半導体デバイスとして機能する。最先端のデバイスではレイヤーの相対位置関係は数ｎｍの精度で保たれている必要がある。

最下層レイヤーはシリコン基板であり、イオン注入、拡散工程によってトランジスタが作り込まれている。トランジスタは３端子素子なのでトランジスタに制御電圧を加えるためのゲート、電流を流すためのソース、ドレインがあり、それらがコンタクトホールで第１配線層に繋がっている。コンタクトホールはプラグと呼ばれる導電物質で満たされている。一般にプラグはその後の高温熱処理に耐えられるように高融点金属材料が多く使用されており、タングステンやＷＳｉ、ポリシリコン、あるいはアルミや銅で出来ている。

第１配線層で個々のトランジスタは完成する。第２配線層は、それぞれのトランジスタ端子を結んでインバーターや単純なアンプなどを構成するように短い配線が行われる。第３配線層では上記素子を結んで単位論理回路が構成される。第４の配線層では単位論理回路を結んで機能回路ブロックが構成される。このように配線層が上がるに従ってより複雑な論理回路等が構成され、最終的に半導体デバイスが成立する。

最先端半導体デバイスはＧＨｚオーダーの超高速動作を行う。動作速度はトランジスタのゲート容量を満たすスピードで決定される。高速化には大電流供給を必要とするため、電源を供給するためだけの配線層も沢山存在する。

最近は銅配線がエレクトロマイグレーション耐性が大きいため従来のアルミ配線に代わって使用されることが多い。これら材料の異なる配線層はめっきやＣＭＰなどを利用したダマシンプロセスで作られる。フラッシュメモリーやＣＣＤなどは、動作電圧が異なったトランジスタが同一チップ上に存在する場合があるため、電源電圧毎に配線層が存在する場合がある。

新しいレイヤーは別のパターンを持った配線なので、新しいレイヤーを作る度に光リソグラフィー等によるパターニングプロセスが存在する。

従来は、レイヤー間のパターン（配線など）の位置合わせを行うために、スクライブラインに回路とは無関係なアライメント用のボックス イン ボックス パターンを設け、それに光を照射してＣＣＤカメラ等で撮像して位置合わせを行うことが行われてきた。

しかしながら、上述した従来のＣＣＤカメラ等で撮像して位置あわせを行う方法では、アライメント用のパターンサイズは１０ミクロン以上と非常に大きく場所を取るという問題があった。

また、デバイスの最小フィーチャーサイズが２０ｎｍ以下と非常に小さくなってきたために、目標パターンの非対称性誤差など従来の光方式ではアライメントを取る時の誤差が大きすぎ、半導体デバイスが正確に作ることができないという不具合が報告されるようになってきたという問題が発生した。

本発明は、前記不具合を解消し、微細化が進んだ半導体デバイスの正確なレイヤー間アライメントを実現する装置および方法を提供する。

そのため、本発明は、基板上に形成された複数レイヤー上のパターン間のアライメントを測定するアライメント測定装置において、基板上に形成された複数レイヤーのうちのアライメント対象のパターンの位置に、当該基板を移動して位置づける移動手段と、位置づけた状態で、細く絞った電子線ビームを照射しつつ走査する走査手段と、走査手段で電子線ビームを照射しつつ走査した状態で、基板上に形成された複数レイヤーのうちの上層のパターンの画像を取得する上層画像取得手段と、走査手段で電子線ビームを照射しつつ走査した状態で、基板上に形成された複数レイヤーのうちの下層のパターンの画像を取得する下層画像取得手段と、取得した上層のパターンと上記下層のパターンとの位置すれ量を測定する測定手段とを備えるように構成する。

この際、下層のパターンの画像として、細く絞った電子線ビームを照射しつつ走査したときに基板に流れる基板電流を検出して下層のパターンの画像を取得するようにしている。

また、上層のパターンの画像として、細く絞った電子線ビームを照射しつつ走査したときに上層のパターンから放出される２次電子あるいは上層のパターンで反射した反射電子を検出して上層のパターンの画像を取得するようにしている。

また、取得した上層のパターンと下層のパターンとの位置すれ量を測定し、予め設定した許容値と比較して許容値内のときにアライメントが良、許容値外のときにアライメントが不良と判定するようにしている。

また、アライメント不良と判定された場合に、基板上の露光・現像済のレジストを剥離し、レジスト塗布、露光、現像をやり直す指示するようにしている。

また、上層のパターンと、下層のパターンとのサイズをそれぞれ測定して設計値とそれぞれ比較し、上層のパターンと下層のパターンとの露光装置の縮小率を算出あるいは両者の縮小率の誤差を算出するようにしている。

また、下層のパターンであるコンタクトあるいはビアホールのパターンの底から取得した当該コンタクトあるいはビアホールの底の下層画像と、上層のパターンであるコンタクトあるいはビアホールに接するように配置されたパターンの上層画像との位置関係を測定し、予め設定した許容値をもとにコンタクトホールあるいはビアホールのプロセスの良否を判定するようにしている。

また、上層のパターンと下層のパターンとの位置すれ量は、露光装置で基板上に露光するショット毎の領域でそれぞれ測定するようにしている。

また、電子線ビームの加速電圧を可変し、最良のコントラストを有する下層のパターンの画像を取得するようにしている。

本発明は、基板上に形成された複数レイヤー上のパターン間のアライメントを測定するアライメント測定装置において、基板上に形成された複数レイヤーのうちのアライメント対象の上層のパターンと下層のパターンとの位置ずれを測定することにより、複数レイヤー上のパターン間の位置ずれ量を迅速かつ確実に測定することが可能となる。

例えば、現像された直後のレジスト構造物（パターン）が形成された状態でレジスト構造物とその下に埋もれている下部配線との位置ずれの大きさおよび方向を非破壊に定量的に把握できる。利用電子エネルギーが低く、電流も小さいのでトランジスタを損傷することが無い。

再露光する際に露光装置のアライメント量調整に本発明の測定装置の出力データを与えることで、正しくアライメントした露光結果をウェハー全面で得ることが出来るようになる。このようなリワークにより、廃棄ウエハーが減少して半導体デバイスの歩留まりは高くなり、半導体工場の効率は高くなり、より多くの利益を上げることが出来るようになる。

ＳＡＣプロセスにおいて、リーク原因を突き止めかつ、それを防止できるようにプロセス条件最適化に利用できる。歩留まり改善につながり、利益の向上効果がある。

多層配線プロセスにおいても上記効果があり、配線のレイアウトマージンを正確に把握できるとともに、プロセス改善や回路配線デザインの改善を通じて半導体デバイスの製造歩留まりを向上させることが出来る。

従来の光装置のように特別に測定のための大きなパターンを置くことも必要ないので、デバイス作製領域を増やすことができる。実際に動作する半導体素子のアライメント状況を直接測定できるので、最終的に得られるデバイス電気特性と相関が容易でプロセス改善を効率よく遂行できる。特にＳＡＣにおけるリーク発見など有効である。

本発明は、基板上に形成された複数レイヤー上のパターン間のアライメントを測定するアライメント測定装置において、基板上に形成された複数レイヤーのうちのアライメント対象の上層のパターンと下層のパターンとの位置ずれを測定し、複数レイヤー上のパターン間の位置ずれ量を迅速かつ確実に測定することを実現した。

図１は、本発明の１実施例構成図を示す。図１は電子ビームをサンプル９に照射して生じた基板電流を利用して層間アライメントを実現する手段を開示するものである。

図１において、電子銃１は、電子ビーム３を発生するものであって、例えばＷ, ＬａＢ６などで作成した陰極を加熱したいわゆる熱エミッターや、ＺｒＯ／Ｗ ＴＦＥエミッター，あるいはＷ、ＣＮＴなどの冷陰極エミッターなど世の中で知られている色々なエミッターを用いたものである。電子銃１に高圧を加えるための高圧電源１２があり、所望のエネルギー（加速電圧に対応するエネルギー）をもった電子ビーム３を取り出すことができる。

高圧電源１２は、電子銃１から放出された電子を加速する高電圧を発生して印加する公知のものである。

電子ビームコラム２は、電子銃１から放出された電子ビーム３を集束レンズで集束し、更にサンプル９の面上に対物レンズで細く絞った状態で走査コイルにより当該絞った電子ビーム３を面走査する公知のものである。

電子ビーム３は、電子銃１から放出された電子ビームである。

電子検出装置４は、サンプル９の面上を細く絞った電子ビーム３で平面走査しつつ走査したときに放出される２次電子や反射した反射電子を検出・増幅するものであって、例えば公知のＭＣＰなどの電子検出装置である。

真空チャンバー５は、サンプル９、ＸＹステージ６などを真空中に保持する容器であって、真空ポンプ１１によって真空に排気されるものである。

ＸＹステージ６は、サンプル９（例えばウェハなど）をＸ、Ｙ方向に精密に移動させるものであって、レーザー距離測定装置１０によって精密に位置制御されるものである。

ステージ制御装置７は、ＸＹステージ６を移動制御するものである。

プレート８は、ＸＹステージ６上にサンプル９を絶縁した状態で保持し、当該サンプル９に電子ビーム３が流れたときの電流（基板電流）を測定するためのものであって、当該プレート８は電流アンプ２２に接続して微小電流を増幅するためのものである。

サンプル９は、細く絞った電子ビーム３で平面走査し、複数レイヤー中の上層パターンの画像、および下層パターンの画像を取得してパターンの位置づけを測定する対象のサンプルであって、例えばウェハー９１などである。

レーザー距離測定装置１０は、ＸＹステージ６の移動を精密に測定する公知のものである。

真空ポンプ１１は、真空チャンバー（試料室）５を真空に排気するものである。

電流アンプ２１，２２は、微小電流を増幅するアンプ（前置アンプ）である。

ＡＤ２３は、電流アンプ２１，２２で増幅された画像信号（上層、下層のパターンの画像信号）をデンタルの信号にＡＤ変換するもののである。

ＰＣ２４は、パソコンであって、プログラムに従い各種制御、処理を行うものあって、ここでは、移動手段２５、走査手段２６、画像取得手段２７、測定手段２８、評価手段２９などから構成されるものである。

移動手段２５は、ステージ制御装置７を制御してＸＹステージ６を所定の位置に、レーザー距離測定装置１０からの信号をもとに移動制御するものであって、ＣＡＤデータをもとに測定対象のサンプル（ウェハー）８の所定位置に細く絞った電子ビーム３が走査されるように移動制御するものである。

走査手段２６は、移動手段２５によってサンプル（ウェハー）９の所定位置に細く絞った電子ビーム３が位置づけられた状態で、所定領域内を当該電子ビーム３で平面走査制御するものである。

画像取得手段２７は、走査手段２６によってサンプル９の所定領域が平面走査されたときに放出された２次電子を検出増幅した電流、およびプレート８（基板）に流れた電流をもとに２次電子画像（上層画像）、反射電子画像（上層画像）、基板電流画像（下層画像）などを取得して蓄積するものである（後述する）。

測定手段２８は、画像取得手段２７によって取得した上層画像（２次電子画像、反射電子画像）と、下層画像（基板電流画像）とを比較し、パターン間の位置ずれや、パターンの縮小率などを測定するものである（後述する）。

評価手段２９は、測定手段２８によって測定したパターン間の位置すれ、パターンの縮小率などをもとに、予め設定した設定値との差異をもとに良、不良などを評価するものである（後述する）。

測定データ蓄積手段３０は、測定手段２８で測定した測定値（パターン間の位置すれ、パターンの縮小率などの測定データ）を蓄積するものである（後述する）。

ＣＡＤデータ蓄積手段３１は、設計データであるＣＡＤデータを蓄積したものである。

露光装置３２は、ウェハー（サンプル９）にパターンを順次露光する装置である。露光装置を用いて基板上（あるいは既に形成したパターン上）に膜形成（導電性、絶縁性の膜を形成）、レジスト塗布、露光、現像、エッチングなどを繰り返し、基板上にパターンをそれぞれ持つ複数のレイヤー（層）を形成するための露光装置である。

以上の構成のもとで、その動作を簡単に説明する。

（１）電子銃１で発生した電子ビーム３は設定されたエネルギーに加速され、コンデンサレンズ等で所望の電流量になるように調整され、対物レンズで所望のスポットサイズに収束された後サンプル９に照射される。サンプル９に電子ビーム３が照射されるとサンプル９の構造、材料に依存した２次電子や反射電子等が発生する。本発明ではサンプル９の表面で発生した２次電子や反射電子を検出して電気信号に変換するのはもちろんのこと、同時に生じるサンプル９を搭載したプレート８に流れる基板電流を測定する。実際の測定系には色々な遅延があるため、時間シフト機能を用いて両者の時間的な遅れの同期を取る。

（２）２次電子信号あるいは反射電子信号はＭＣＰや電子増倍管、シンチレータ式の光電子増倍管あるいは半導体電子増幅器である電子検出装置４で増幅し電気信号とする。

（３）一方、基板電流はサンプル９が導電体試料の場合は、プレート８を導電性であるサンプル９に接触させることにより基板電流を導く回路を形成し、超高速電流電圧変換アンプ（電流アンプ２３）て電気信号に変換する。サンプル９が導電性を持たない場合には、サンプル９の裏面、側面等に大きな電極であるプレート８を接触させ、出来るだけ大きな電気容量を形成して、基板電流を電流アンプ２２に導く。本発明で測定される基板電流量はｐＡからｎＡレベルの信号であるため、サンプル９との間に電気容量を設けることで、実質的に損失なく基板電流を測定することが出来る。必要によっては、照射する電子ビーム３を１つのピクセル照射期間中に変調する、例えば交流、間欠的、パルス状にしても良い。このようにすれば、非常に小さな電気容量の形成により十分に信号が電流アンプ２２に導ける。この場合には、得られた基板電流信号を整流あるいは絶対値処理した後適切なオフセット処理するなどして輝度信号に変換する。基板電流は非常に小さく帯域が広いので、ノイズに弱い。インピーダンス変換を兼ねた微小電流電圧変換アンプ（電流アンプ２２）はシールド効果のある真空チャンバー５の中に設けることが望ましい。空気中に置くときは完全にシールドを行う。電流アンプ２２の冷却はノイズを減らす効果がある。

（４）２次電子、反射電子および基板電流信号は高速アナログデジタル変換装置（ＡＤ２３）でデジタル信号に変換された後、ＰＣ２３に入力される。もちろんＰＣ２３内蔵のＡＤコンバーターを利用しても良い。それぞれの信号タイミングが同時性を満たすように、ハードあるいはソフトウエアーで取得信号の時間軸をシフトさせる機能を有する。

（５）一方、サンプル９の位置あるいは電子ビーム３の走査振幅が０の時の電子ビーム着地点はＸＹステージ６にに固定された反射鏡を用いてレーザー距離測定装置１０によりレーザー距離測定が行われる。Ｘ、Ｙ軸ともにＭＨｚオーダーでリアルタイムに測定されており、例えば０．０３nmの精度で絶対位置を知ることが出来る。これらのデータも前述の画像データを処理するためのＰＣ２４に入力される。

（６）サンプル９上の電子ビーム４の着地点の絶対位置はレーザー距離測定装置１０の値に電子ビーム３の振り幅を加えた値として表現される。上記手段を通じて得られた画像中の位置はサンプル９の絶対位置に常に変換することが出来る。サンプル９はＸＹステージ６の上に乗せられており、ステージ制御装置７に移動情報を入力することで任意の位置に正確に移動制御することが出来る。

図２は、本発明の他の実施例構成図を示す。当該図２は、サンプル９を大気中（あるいは大気に近い圧力中）に配置した例を示す。ここで、図２で隔膜９０を設けたこと、および図１の真空チャンバー５内を大気圧にした以外は、図１と同様であるので、説明を照射する。

図２において、本発明では画像形成に基板電流を利用するため、通常のＳＥＭのようにサンプル９に照射した電子ビーム３が生成する２次電子や反射電子が電子検出装置４１のあるコラムまで到達する必要は必ずしもない。電子ビーム３がサンプル９に対して照射出来れば基板電流像が得られるため、空気中でさえ測定を行うことができる。

このような目的のためには、電子ビームコラム２の出口に電子ビーム３を通過し空気は流入しない隔膜９０を設けることによって実現できる。電子ビームコラム２内の真空と大気圧の差圧に耐える必要があるので、薄くて丈夫な膜が必要である。視野は小さくて良いので、精々１０ミクロンの開口に対して薄膜（隔膜９０）が形成されていれば良い。例えば、数十ｎｍから数百ｎｍの非常に薄いアルミニウム薄膜やチタン薄膜、あるいはグラフェン等の炭素薄膜、ポリイミド等の有機薄膜等が利用できる。この膜を通過した電子ビーム３はサンプル９に照射され２次電子を発生させる。発生した２次電子は周辺の空気によって中和される。一方、中和された２次電子量に相当する基板電流が生じるためその電流を用いて画像を形成することができる。隔膜９０の種類にもよるが、数キロから数１０ＫＶ程度の加速電圧が望ましい。１０ＫＶをサンプル９に直接照射することが望ましくない場合は、サンプル９にバイアス電圧を加えることによって、所望の着地電圧を得ることが出来る。バイアス電圧を大きくすると、２次電子や反射電子は加速されて大きなエネルギーを持つため、空気中であっても２次電子や反射電子が電子ビームコラム２に到達する場合がある。そのような場合は、図１の実施例構成図と同じように２次電子や反射電子を同時に利用しても良い。

次に、図３のフローチャートの順番に従い、図１、図２の構成の動作を詳細に説明する。

図３は、本発明の動作説明フローチャートを示す。

図３において、Ｓ１は、グローパルアライメントを行う。これは、例えば後述する図４に示すように、サンプル９であるウェハー９１上の所定位置に予め形成しておいたグローバルアライメントマークの画像を取得し、この取得した位置（グローバルアライメントマークの画像上の位置（レーザー距離測定装置１０からの位置座標））をもとに、ＣＡＤデータ上の当該グローバルアライメントマークの位置（ＣＡＤデータ上の位置座標）との対応づけ（両座標系の対応付け）を行う。以降は、ＣＡＤデータ上の座標で、サンプル９であるウェハの電子ビーム３の照射位置などの移動制御を行う。

以上によって、ウェハー上の図４の複数のグローバルアライメントマークをもとに、当該ウェハー上の位置と、ＣＡＤデータ上の位置との対応付けが行われ、以降は、ＣＡＤデータ上の位置（座標）をもとに所定パターンの位置に移動制御などすることが可能となる。

Ｓ２は、ＣＡＤデータからウェハー測定点の位置座標を取得する。これにより、複数レイヤー上のパターン中の測定対象の位置座標（図４の原点からの距離と方向からなる位置座標）を取得でき、測定点に移動して測定する準備が完了したことなる。

Ｓ３は、測定点にステージ移動する。これは、Ｓ２で取得した測定点の位置座標（図４の原点からの距離と方向）をもとに、ステージ６をレーザー距離測定装置１０からの情報をもとに精密に当該測定点にサンプル（ウェハー）９を位置づける。

Ｓ４は、電子ビーム３を走査する。これは、Ｓ３で測定点に位置づけた状態で、所定領域範囲内を電子ビーム３で面走査する。

Ｓ５は、２次電子像、反射電子像、基板電流像を取得する。これは、Ｓ４で電子ビーム３を測定点に位置づけた状態で所定領域内を平面走査したことに対応して、放出された２次電子、反射電子を電子検出装置４，４１で検出、更に、ウェハーに向けて流れる基板電流をプレート８で検出し、２次電子像、反射電子像、基板電流像をそれぞれ取得し、一時的に蓄積する。

Ｓ６は、基板電流像が見えるか判別する。これは、Ｓ５で取得した基板電流像（サンプル９に流れる電流（あるいはプレート８に流れる電流）をもとに形成した基板電流像）が見えるか判別する。ＹＥＳの場合には、測定点を中心とした所定領域内に測定対象の下層のパターンの基板電流像が見えたので、ＹＥＳとなり、Ｓ１０に進む。一方、見ない場合には、ＮＯとなり、Ｓ７に進む。

Ｓ７は、Ｓ６のＮＯで基板電流画像が見えないと判明したので、加速電圧を上げ、複数レイヤー上の下層のパターンにまで電子ビーム３が届くように電子ビーム３の加速電圧を上げて透過率を大きくする。

Ｓ８は、最大値か判別する。Ｓ７をの加速電圧を所定値づつ上げて電子ビーム３の加速電圧が最大値に到達してもやは上げることができなくなったか判別する。ＹＥＳの場合には、加速電圧が高すぎで複数レイヤー上の下層のパターンを電子ビーム３が透過して見えないと判明したので、Ｓ９で逆に加速電圧を下げ、Ｓ５以降を繰り返す。そして、Ｓ９を繰り返して電子ビーム３の最小加速電圧に到達したときにエラーとして終了する。一方、ＮＯの場合には、Ｓ５以降を繰り返す。

以上のＳ５からＳ９を繰り返すことにより、ウェハーの基板電流像が見えないときは電子ビーム３の加速電圧を上げたり、下げたりして最適なコントラストの基板電流像が見えるように自動制御することが可能となる。

Ｓ１０は、Ｓ６のＹＥＳで基板電流像が見えたと判明したので、距離測定、アライメント情報を得る。これは、複数レイヤーの上層の測定対象のパターンの２次電子画像（あるいは反射電子画像）および下層のパターンの基板電流像の距離情報、位置すれなどのアライメント情報を得る。

Ｓ１１は、層間アライメント情報を得る（図８参照）。

Ｓ１２は、結果をディスプレイに表示する。これは、Ｓ１１で得た層間アライメント情報をディスプレイに表示、例えば後述する図１４に示すようにディスプレイに表示する。

Ｓ１３は、結果を露光装置３２に転送する。これは、層間アライメント情報（例えば図１４参照）を露光装置３２に補正データとして転送し、層間アライメント情報で示された上層のパターンと、下層のパターンとの位置すれをショット毎に当該位置づれがゼロとなるように層（レイヤー）の露光時に位置補正を行い、修正する。これにより、何らかの原因による複数レイヤー上のパターンの層間パターンの位置すれを自動的に露光装置の当該レイヤー（層）の露光時に自動補正し、層間パターンの位置すれを補正（ゼロあるいは許容値以内）にすることが可能となる。

図４は、本発明の説明図（その１）を示す。図４は、本発明のグローバルアライメントマークの例を示す。

図４において、ウェハー９１は、図１、図２のサンプル９の例であって、座標系を一致させるための複数のグローバルアライメントマーク９２を予め所定座標に設けたものであり、表面に複数レイヤーからなるパターン（位置すれ測定対象のパターン）が形成されているものである。

グローバルアライメントマーク９２は、予め所定座標に複数形成したマークであって、ここでは、周辺に図示のように３点形成（更に、多数形成してもよい）したものである。

原点Ａ、原点Ｂは、ウェハー９１上の各パターンなどの位置を決める原点の例であって、例えば図示のようにウェハー９１のほぼ中心（原点Ｂ）、あるいはウェハー９１の外側の点（原点Ａ）などであって、予めウェハー９１に対応づけて決めた原点である。原点が決まると、ウェハー９１上のパターンなどの位置は、当該原点からの距離と方向でそれぞれ表される。

以上のようにウェハー９１上の複数のグローバルアライメントマーク９２をもとに当該ウェハー９１上の座標系を決めることが可能となる。この際、ウェハー９１上の原点Ａ，Ｂなどを予め決めて当該原点Ａ，Ｂからの距離と方向で、ウェハー９１上のパターンなどの位置（座標）で表す。これにより、ウェハー９１上の座標系と、設計データであるＣＡＤデータの座標系とを対応づけ、以降は、ＣＡＤデータの座標系で測定対象のパターンなどに位置合わせすることが可能となる。

図５は、本発明の説明図（その２）を示す。図５は、ウェハー９１上に
・第１層に第１絶縁層
・第２層に第２絶縁層と配線
・第３層に第３絶縁層とコンタクトホール（導体）
という順番に３層（３レイヤー）を作成した様子を模式的に表し、図５の（ａ）は断面図を示し、図５の（ｂ）は上面図を示す。簡単のため配線部分だけを取り出して図示している。

図５において、最下層（第１層）は、酸化膜等の絶縁層である。その上の第２層に金属やポリシリコンの配線が設けられている。更にその上の第３層にコンタクトホール（あるいはビアホール）が形成されている。

図６は、本発明の説明図（その３）を示す。図６は、図５のウェハー９１に対して図１あるいは図２の装置にて取得した画像の例を示す。電子ビーム３はある一定の速度で図５の（ｂ）の面上をＸＹ方向に順次あるいはランダムに面走査され、それに同期して２次電子（あるいは反射電子）を検出した信号、および基板電流信号を取得する。信号の大きさは画像上の輝度信号に対応し、明暗で表現し、２次電子画像（反射電子画像）として図６の（ａ）の画像、および基板電流画像として図６の（ｂ），（ｃ）の画像が同時に得られる。

ウェハー９１上の電子ビーム照射点の精度は０．１ｎｍ以上に制御されている。電子ビーム走査によりウェハー９１の上面から検出される信号から作られる画像（２次電子画像、反射電子画像）とウェハー９１（あるいはプレート８を通じて）から取得される信号から作られる画像（基板電流画像）とがある。それぞれの画像は、同一の電子ビーム３の照射点からの信号であるため、得られた両者の画像は同じ場所の違う信号による表現となり、位置関係が１対１であることが保証されている。つまり同一時刻に発生した信号は同一地点の情報と見なすことが可能であり、それぞれの信号からの画像を比較することにより、両者の信号（画像）で表されるパターンの位置関係を正確に比較することが可能となる。

ウェハー９１の上面から得られる２次電子画像（あるい反射電子画像）はウェハー９１を上から見た時の幾何学形状を反映した画像を構成する。一方、ウェハー９１の下面から得られる基板電流画像は、Ｘ線画像のように、電子ビーム３が透過した深さに存在する導電性材料の形状を反映した幾何学形状の情報をもたらす。また、最先端半導体デバイスを構成する材料の厚みは非常に薄いので、電子ビーム３が容易に貫通する。電子ビーム３のエネルギーを色々変更することで、電子ビーム３の到達可能距離あるいは深さを連続的に変化させることが可能であり、電子ビーム３のエネルギーを距離の関数として、いろいろな深さの導電体の幾何学形状を得ることが出来る。さらには角度を変えて電子ビーム３の照射した画像を用いればＣＴの原理で３Ｄ情報を再構築することも出来る。

図６の（ａ）は、ウェハー９１の上面から得られる信号から構成した２次電子画像を示す。この図６の（ａ）の場合は、コンタクトホールを観察した例を示しており、コンタクトホールの開口部の画像が得られる。コンタクトホールはアスペクトレシオが非常に大きいので、ホール底から２次電子信号が上がってこないため、ホールの底が図示のように真っ暗な画像となる。

図６の（ｂ）は、絶縁体を貫通してしまわない程度に電子ビーム３のエネルギーを調節した状態で取得した基板電流画像を示す。この図６の（ｂ）の場合は、電子ビーム３はホール底にジャストフォーカスされている。基板電流は電子ビーム３が導電体に達すれば流れるため、アスペクト比の大きなコンタクトホールのホールの底形状が観察できる。例えば図６の（ａ）の画像と図６の（ｂ）の画像を比較することで、ホール底と下層配線の位置関係を正確に知ることが出来る。

図６の（ｃ）は、走査する電子ビーム３のエネルギーを第２絶縁層を透過する程度の大きさに設定して得られた基板電流画像を示す。図６の（ｃ）の基板電流画像から明らかなように、この基板電流画像では別の深さにある２つのレイヤーの構造物（導電性のパターン）が１つの画像に同時に再現される。この基板電流画像から、コンタクトホールの底の位置と絶縁体に埋まって外からは分からない配線（導体のパターン）の相対的な位置関係を直接測定することができる。

図７は、本発明の説明図（その４）を示す。この図７は、図６で得られた画像からアライメント状態を測定する方法を示す。

図７の（ａ）は、画像を構成する構造物（パターン）のエッジあるいは輪郭を用いて位置を評価する方法例を示す。この図７の（ａ）の方法では、画像のコントラストが急変する箇所を求めて境界線を算出し、その境界線と境界線の距離を測定する。高アスペクトコンタクトホールの底形状は歪んでおり、必ずしも真円であるとは限らない。楕円であったり、ギザギザがあったりする。特に、下層の配線に対してコンタクトホールが踏み外すと、電流リーク原因となるため、本発明の方法によってエッジ位置を管理することは非常に重要である。図７の（ａ）の境界線検出方法には、例えば輝度ピークを取る方法、輝度の微分値を利用する方法、ラプラシアン、Sobel , Roberts , Prewittなど既知のいずれの方法も適用できる。

図７の（ｂ）は、コンタクトホールの重心を用いて各レイヤーの位置関係を評価する方法を示す。各レイヤーの相対位置が変化する原因の１つにエッチングプロセスがある。例えばコンタクトホール形成プロセスでは非常に深いエッチングを行うが、エッチングは物理および化学反応の合成なので、均一に反応が進むとは限らず、垂直のホールが出来るとは限らない。一般にウエハー９１の周辺部と中央部では化学反応の進み方が異なるため、コンタクトホールがウエハー９１の平面に対して左右が非対称になったり、微妙に傾いたりする。特に最近のようにｎｍオーダーの位置制御を目標とした場合、ホール形成状態はプロセス条件の変化によって大きく変化がすることが知られている。このような場合は、前述の図７の（ａ）のエッジ情報とともに、図７の（ｂ）のように形成されたホールの重心位置を統計的に処理することで、プロセスのバイアスを検出可能であり、それを用いて、半導体プロセス条件修正や半導体レイアウト修正するなど、半導体デバイスのプロセス歩留まりを上げることが出来るようになる。

また、エッチング後のプロセス結果を知ることも大事であるが、フォトリソグラフィープロセス段階で位置ずれが判明するとさらに便利である。リソグラフィープロセス段階であれば、仮に設計位置に所望の構造が形成できなかった場合は、レジストを除去した後、再度レジストを塗布して再リソグラフィープロセスを行って不具合を除去することが可能である（図１０を用いて詳述する）。

図８は、本発明の層間シフトテーブル例を示す。図示の層間シフトテーブルは、既述した図７の（ｂ）で測定した層間パターンの位置すれなどの測定したデータを登録して管理するものであって、ここでは、例えば図示の下記の情報を測定して登録して管理する。

・ＩＤ：
・Ｘ方向シフト：
・Ｙ方向シフト：
・方向（ベクトル差）：
・シフト量：
・許容値：
・その他：
ここで、ＩＤは、図７の（ｂ）の配線パターン（点線の縦方向の帯状の配線パターン）とコンタクトホールの底部パターン（円状のパターン）との位置すれ量の測定データに対して付与した一意のＩＤである。Ｘ方向シフト、Ｙ方向シフトは、ＩＤで指定された例えば図７の（ａ），（ｂ）の配線パターンとコンタクトホールの底部パターンとのＸ方向シフト量、Ｙ方向シフト量である。方向（ベクトル差）は、Ｘ方向シフトとＹ方向シフトできまる方向（ベクトル差）である。シフト量は２つのパターンの一致した位置（最適な位置）からのシフト量である。許容量は、シフト量があっても許される許容量である。

図９は、本発明の説明図（その５）を示す。図９の（ａ）はフォトリソグラフィープロセスによりレジストパターンが形成された直後のウェハー９１の断面図を示し、図９の（ｂ）は上面図を示す。最下層（第１層）は絶縁層であって、その上の第２層に配線層、第３層に絶縁層、第４層に現像によってパターンが形成されたレジストが順番に積層されている。

第４層のレジスト（フォトレジスト）は、密度の小さな炭素化合物であるので低エネルギー電子ビームは透過することが出来る。しかしながらエネルギーが低すぎるとレジスト層の途中で散乱を起こしエネルギーが減衰するためレジスト中に電荷として蓄積する。緻密な熱酸化膜、窒化膜等の絶縁膜は非常に厚いと電子ビーム３が透過することは困難であるが、最先端デバイスに使用されるような２００ｎｍ程度の膜であれば、５ＫＶ程度のエネルギーで透過することが出来る。

このような条件で、走査された電子ビーム３はレジストと酸化膜や窒化膜を透過して第２層の配線層に到達する。配線層は一般に非常に長く、どこかでトランジスタを形成している基板に繋がっているため、配線層に達した電子ビーム３は結果的に基板（ウェハー９１）に流れる。配線が基板に直接接触していない場合でも、配線は長いので比較的大きな電気容量を基板（ウェハー９１）との間に形成している。そのため、配線に到達した電子も基板電流を生じる。この基板電流を用いて画像を形成すると図１０の（ａ），（ｂ）のような基板電流像が得られる。基板電流像では図９の第４層で、レジストに形成されたホール開口部と下層配線が同一の画像中に再現される。この画像から各層間のパターンのアライメント情報を得ることが出来る。

図１０の（ａ）はエッジを用いてアライメントを評価した例を示し、図１０の（ｂ）はホール重心位置を用いてアライメントを評価する例を示す。

図１１は、本発明の説明図（その７）を示す。この図１１は、ＳＡＣと呼ばれる自己整合型コンタクトホール形成プロセス管理に用いた例を示す。

図１１の（ａ）はＳＡＣデバイスの断面図である。このプロセスはゲート電極形成後に、ＣＶＤ等で薄い酸化膜および窒化膜をゲート周辺に設け、その厚みが容易に正確に制御出来ることを利用して、自己整合的にコンタクトホールを創りだすプロセスである。このプロセスではゲート両側に設けられた側壁を正確に残すことが重要である。

コンタクトホール形成用レジストパターンのアライメントがゲート電極位置に対してずれていると、左右対称にエッチングされないためどちらかの側壁が余分にエッチングされリーク電流が起こる。リークはトランジスタ不良原因となるのでホールが正確に両側側壁に対して対称中心に出来るように制御することが必要である。

本発明を利用すれば、エッチング実施前に、レジスト構造とゲート配線の位置関係を知ることが出来るので、ずれが生じた場合にはレジストプロセスをやり直すことにより不良発生を未然に防止できる（図１５参照）。

ゲートはゲート酸化膜と呼ばれる非常に薄い絶縁膜を介してシリコン基板（ウェハー９１）に容量的に接地しているため、ゲート容量を形成したりリーク電流があるため、電子ビーム３を照射するとｐＡからｎＡ程度の電流が流れる。この電流を画像化したのが、図１１の（ｂ）である。

電子ビーム３のエネルギーはゲート上の絶縁膜を貫通する程度のエネルギーに設定する。このような条件下で基板電流像を取得すると、レジストホールの開口形状と酸化膜の内部に埋め込まれたゲート配線の両方を同一画面上で見ることが出来る。

この図１１の（ｂ）からエッジを抽出することにより、レジストパターン位置とゲート配線層の位置関係をそれぞれの幾何学図形の長さや幅を測定することで知ることが出来る。また、電子ビーム３の走査位置はレーザー干渉計（レーザー距離測定装置１０）にて常に絶対位置が監視されているので、ウェハー９１上にある構造物（パターン）の絶対位置座標をサブｎｍオーダーの精度で知ることが出来る。これにより、作られた構造物（パターン）のアライメントの良否を絶対位置の観点からも判断できる。

所望の位置に出来ていないときは、プロセス条件、ＣＡＤデータあるいは露光時のアライメントデータを修正して、露光プロセスをやり直すことによって歩留まりが上がるようにする（図１５参照）。

図１２は、本発明の説明図（その８）を示す。この図１２は、ショット毎の測定点の例を示す。図１２のショット毎の測定点は、図示のように、ここでは、矩形のショット領域の各隅に１つづつ、合計４つの測定点を設け、この４つの測定点の層間パターンの位置づづれ量をそれぞれ測定し、これらの平均を算出し、当該ショットの層間パターンの位置すれ量を算出する（尚、更に多数あるいは少数の測定点としもよい）。そして、全ショットについて層間パターンの位置すれを算出し、算出した位置すれ量を方向と大きさで模式的に表すと、後述する図１４に示すように、ウェハー９１上の各ショット毎の層間位置すれ量を表示することが可能となる。

図１３は、本発明のアライメントパターン例を示す。図示のアライメントパターンは、縦方向と横方向にそれぞれラインを設け、４つで１つのグループを形成する。これらのアライメントパターンを用いれば、１つのアライメントパターンの測定で、縦横のズレ量や回転、縮小率のずれ等も検出できる。このため、従来のパターンと比較して１０分の１以下のサイズを、ウェハー９１上に割り当てるのみで十分な測定精度を実現できる。

ここで、層間パターンのアライメントの位置ずれ量は、下記の（式１）により計算できる。基準となるアライメントパターンのＸ，Ｙ座標とウェハー９１のアライメントパターンのＸ、Ｙ座標をそれぞれ引き算することでシフト量を計算する。測定点は、何点でも良く、設計図上の同じ座標に対応する図形の座標であれば良い。ずれの方向はそれぞれのシフト量のベクトル和で与えられる。仮にＸ軸シフトとＹ軸シフトが同じ量であれば、４５度方向にシフトしていると計算される。縮小率はデザイン上長さが既知である２点の座標の長さを測定しその差を求めることで得られる。例えばウェハー９１上のｘ１座標とＸ２座標の差とデザイン上の２点間長さの比率を求める。

Ｘシフト量＝基準パターンの位置座標ｘ１−ウェハー９１のパターンの位置座標ｘ２
Ｙシフト量＝基準パターンの位置座標ｙ１−ウェハー９１のパターンの位置座標ｙ２
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（式１）
図１４は本発明の位置すれ量の表示例を示す。この図１４は、層間パターンの位置すれ量の測定結果を模式的に表示したものである。図中の矢印は、図１３の（式１）によって得られたアライメント（層間パターン）のズレ方向とその大きさである。この様に露光装置の最小プロセス単位である、ショット毎にアライメント方向を示すことによって、ショット毎にどちらの方向にどれだけ位置ズレが起こっているのかをひと目で確認することが出来る。正確なずれ値を知るために既述した図８の層間シフトテーブルに示すように数値で表示（記録）される。測定された層間シフトデータは露光装置が読めるフォーマットに変換した後、露光装置に送る。これらのアライメントずれ量は露光装置のショット間のズレの大きさと方向を示している。これらの情報を利用してずれ量が０になるようにアライメント情報を修正した後に露光装置に戻して再び露光を行うことにより、正常なアライメントがされた露光をウェハー９１全体に得ることが出来る（図１５参照）。

図１５は、本発明の他の動作説明フローチャートを示す。

図１５において、Ｓ２１は、ウェハー表面処理を行う。これは、ウェハー９１の表面をきれいに洗浄し、レジストを塗布しやすいようにする。

Ｓ２２は、レジストを塗布する。これは、レジストをスピンコートあるいはバブルジェット（登録商標）等の塗布器によってウェハーの表面に均一に塗布する。あわせて、ウェハーを均一に加熱してレジストに含まれる溶剤を飛ばし、ウェハーの表面に定着させる。

Ｓ２３は、アライメントデータを修正する。これは、最初は設計データの通り、２回目以降は後述するＳ２６のアライメント測定で得られたショット毎に数点づつの測定点での層間パターンの位置すれ量、縮小率の違いなどをもとに許容値内に収まるようにアライメントデータの修正を行う。

Ｓ２４は、露光する。

Ｓ２５は、現像する。

Ｓ２６は、アライメント測定する。

これら、Ｓ２４からＳ２６は、Ｓ２３で修正（最初は設計データのまま）したアライメントデータをもとにウェハーの層間パターンを構成する各層のパターンの露光、現像し、現像後に既述したショット毎に数点の測定点の層間パターンの位置ずれ量、縮小率の違いなどのアライメント情報を測定する。

Ｓ２７は、スペックインか判別する。これは、Ｓ２６で層間パターンの位置すれ量、縮小率などが許容値内でスペックインか判別する。ＹＥＳの場合には、許容値内（スペックイン）と判明したので、Ｓ３０の次の工程は進む。一方、ＮＯの場合には、許容値内（スペックイン）でないと判明したので、Ｓ２８でウェハー上のレジストを剥離しＳ２９でウェハーを洗浄し、Ｓ２１に進み、Ｓ２３でアライメントデータを修正し、Ｓ２４以降を繰り返す。

以上のように、露光装置３２の最小単位であるショット毎に数点ずつ測定点を設定し、ウエハー面内全体のアライメントのシフト方向、シフト量、回転方向、回転量等が分かるように測定を行い（Ｓ２６）、予め決められているアライメント誤差許容度と比較しスペックインしているかどうかを判定し（Ｓ２７）、スペックインしていれば、露光プロセスは完了し、ポストベークやエッチング等の次のウェハープロセスに進す。一方、スペックインしていない場合には、ウェハー表面に付着したレジストは液相あるいは酸素プラズマ等のレジスト剥離工程により剥離（Ｓ２８）し、ウエハー表面を洗浄後、本ウエハーに対して得られたアライメント測定情報を元に、再露光にて正しいアライメントが得られるアライメントデータに修正する（ずれた方向と逆方向にアライメントデータを修正する）。このように修正されたデータを用いて再露光することで良品のウェハーを製造することが可能となる。

本発明の１実施例構成図である。 本発明の他の実施例構成図である。 本発明の動作説明フローチャートである。 本発明の説明図（その１）である。 本発明の説明図（その２）である。 本発明の説明図（その３）である。 本発明の説明図（その４）である。 本発明の層間シフトテーブル例である。 本発明の説明図（その５）である。 本発明の説明図（その６）である。 本発明の説明図（その７）である。 本発明の説明図（その８）である。 本発明のアライメントパターン例である。 本発明の位置ずれ量の表示例である。 本発明の他の動作説明フローチャートである。

１：電子銃
２：電子ビームコラム
３：電子ビーム
４：電子検出装置
５：真空チャンバー
６：ＸＹステージ
７：ステージ制御装置
８：プレート
９：サンプル
９０：薄膜
９１：ウェハー
１２：高圧電源
２１、２２：電流アンプ
２３：ＡＤ
２４：ＰＣ（パソコン）
２５：移動手段
２６：走査手段
２７：画像取得手段
２８：測定手段
２９：評価手段
３０：測定データ蓄積手段
３１：ＣＡＤデータ蓄積手段
３２：露光装置

Claims (10)

1. 基板上に形成された複数レイヤー上のパターン間のアライメントを測定するアライメント測定装置において、
   前記基板上に形成された複数レイヤーのうちのアライメント対象のパターンの位置に、当該基板を移動して位置づける移動手段と、
   前記位置づけた状態で、細く絞った電子線ビームを照射しつつ走査する走査手段と、
   前記走査手段で電子線ビームを照射しつつ走査した状態で、前記基板上に形成された複数レイヤーのうちの上層のパターンの画像を取得する上層画像取得手段と、
   前記走査手段で電子線ビームを照射しつつ走査した状態で、前記基板上に形成された複数レイヤーのうちの下層のパターンの画像を取得する下層画像取得手段と、
   前記取得した上層のパターンと上記下層のパターンとの位置ずれ量を測定する測定手段と
   を備えたことを特徴とするアライメント測定装置。
2. 前記下層のパターンの画像として、細く絞った電子線ビームを照射しつつ走査したときに基板に流れる基板電流を検出して下層のパターンの画像を取得することを特徴とする請求項１記載のアライメント測定装置。
3. 前記上層のパターンの画像として、細く絞った電子線ビームを照射しつつ走査したときに上層のパターンから放出される２次電子あるいは上層のパターンで反射した反射電子を検出して上層のパターンの画像を取得することを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載のアライメント測定装置。
4. 前記取得した上層のパターンと上記下層のパターンとの位置ずれ量を測定し、予め設定した許容値と比較して許容値内のときにアライメントが良、許容値外のときにアライメントが不良と判定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のアライメント測定装置。
5. 請求項４でアライメント不良と判定された場合に、基板上の露光・現像済のレジストを剥離し、レジスト塗布、露光、現像をやり直す指示することを特徴とするアライメント測定装置。
6. 前記上層のパターンと、前記下層のパターンとのサイズをそれぞれ測定して設計値とそれぞれ比較し、当該上層のパターンと下層のパターンとの露光装置の縮小率を算出あるいは両者の縮小率の誤差を算出することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のアライメント測定装置。
7. 前記下層のパターンであるコンタクトあるいはビアホールのパターンの底から取得した当該コンタクトあるいはビアホールの底の下層画像と、前記上層のパターンであるコンタクトあるいはビアホールに接するように配置されたパターンの上層画像との位置関係を測定し、予め設定した許容値をもとにコンタクトホールあるいはビアホールのプロセスの良否を判定することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のアライメント測定装置。
8. 前記上層のパターンと下層のパターンとの位置ずれ量は、露光装置で基板上に露光するショット毎の領域でそれぞれ測定したことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載のアライメント測定装置。
9. 請求項２において、電子線ビームの加速電圧を可変し、最良のコントラストを有する下層のパターンの画像を取得することを特徴とするアライメント測定装置。
10. 基板上に形成された複数レイヤー上のパターン間のアライメントを測定するアライメント測定方法において、
    前記基板上に形成された複数レイヤーのうちのアライメント対象のパターンの位置に、当該基板を移動して位置づける移動ステップと、
    前記位置づけた状態で、細く絞った電子線ビームを照射しつつ走査する走査ステップと、
    前記走査手段で電子線ビームを照射しつつ走査した状態で、前記基板上に形成された複数レイヤーのうちの上層のパターンの画像を取得する上層画像取得ステップと、
    前記走査手段で電子線ビームを照射しつつ走査した状態で、前記基板上に形成された複数レイヤーのうちの下層のパターンの画像を取得する下層画像取得ステップと、
    前記取得した上層のパターンと上記下層のパターンとの位置ずれ量を測定する測定ステップと
    を有することを特徴とするアライメント測定方法。

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