JP2023540683A - 同軸透過型整列結像システム - Google Patents

Abstract

本開示の複数の態様は結像システムも提供する。例えば、結像システムにおいて、第１の光源は第１の波長を有する第１の光ビームを生成することができ、第２の光源は第２の波長を有する第２の光ビームを生成することができ、第２の光ビームは、ウェハの厚さの少なくとも一部を通過するのに充分な出力を有し、整列モジュールは、第２の光ビームを第１の光ビームと同軸的に整列することができ、同軸モジュールは、同軸的に整列された第１及び第２の光ビームを、ウェハの表側に配置された第１のパターン及び第１のパターンの下側に配置された第２のパターンに各々焦点化させることができ、画像取得モジュールは、第１のパターンの第１の画像及び第２パターンの第２の画像を取得することができる。第２の画像は、量子トンネル結像又は赤外（ＩＲ）透過結像により取得することができる。

Description

関連出願の相互参照
本開示は、２０２０年８月１７日出願の米国仮出願第６３／０６６，７７９号「Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ Ｏｖｅｒｌａｙ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｉｔｈ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ」の優先権を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、全般に半導体素子の製造方法に関し、具体的には重ね合わせ誤差に関する。

半導体の製造には複数の異なるステップ及び工程が関わる。典型的な製造工程の一つは、フォトリソグラフィ（マイクロリソグラフィとも呼ばれる）として知られている。フォトリソグラフィは、紫外又は可視光等の照射を用いて、半導体素子の設計に従い微細パターンを形成する技術である。フォトリソグラフィ、エッチング、膜堆積、表面洗浄、金属化等の半導体製造技術を用いてダイオード、トランジスタ、集積回路等、各種の半導体素子を構築することができる。

本開示の複数の態様は、結像システムも提供する。例えば、結像システムは、第１の光源、第２の光源、整列モジュール、同軸モジュール、及び画像取得モジュールを有してもよい。第１の光源は、第１の波長を有する第１の光ビームを生成するように構成されてもよい。第２の光源は、第２の波長を有する第２の光ビームを生成するように構成されてもよい。整列モジュールは、第２の光ビームを第１の光ビームと同軸的に整列するように構成されてもよい。同軸モジュールは、同軸的に整列された第１及び第２の光ビームを、ウェハの表側に配置された第１のパターン及び第１のパターンの下側に配置された第２のパターンに各々焦点化させるように構成されてもよい。画像取得モジュールは、第１のパターンの第１の画像及び第２パターンの第２の画像を取得するように構成されてもよい。第２の光ビームは、ウェハの厚さの少なくとも一部を通過して第２のパターンに到達するのに充分な出力を有することができる。

一実施形態において、第２の波長は第１の波長よりも長くてもよい。例えば、第１の光源はＵＶ光源であってもよく、第２の光源は例えばＩＲチューナブル量子カスケードレーザーを含むＩＲ光源であってもよい。別の例として、第１の波長は５０～４００ナノメートル、例えば２６６ナノメートルであってもよく、第２の波長は１～１０マイクロメートル、例えば３．６又は３．７マイクロメートルであってもよい。

一実施形態において、画像取得モジュールは、量子トンネル結像又はＩＲ透過結像を介して第２のパターンの第２の画像を取得することができる。

一実施形態において、第２のパターンは、ウェハの下側の参照プレート位置に組み込むことができる。別の実施形態において、結像システムは更に、ウェハを保持するように構成された基板ホルダを含んでもよく、参照プレートは基板ホルダに組み込まれる。

理解されるように、所与のウェハ上で製造が進むに従い、形成される所与の素子に応じて多くの異なる材料及び層が生じ得る。従って、各工程段階で各ウェハは異なる形状を有することができる。これは、ウェハを通過するのに異なる波長が必要な場合があることを意味する。

無論、本明細書に記述する異なるステップの説明の順序は、説明を分かり易くするため示している。一般に、これらのステップは任意の適当な順序で実行することができる。また、本明細書の異なる特徴、技術、構成等の各々に本開示の異なる場所で言及する場合があるが、各々の概念は互いに独立に、又は互いに組み合わせて実行できるものとする。従って、本開示は多くの異なる仕方で実施及び確認することができる。

当該概要部分が本開示又は請求項の開示内容のあらゆる実施形態及び／又は漸進的に新規な態様を指定するものではない点に注意されたい。むしろ、当該概要部分は異なる実施形態に関する事前説明を行ない、従来技術よりも新規な対応する点を指摘するものに過ぎない。本開示及び実施形態の追加的な詳細事項及び／又は可能な展望について、読者には以下で更に説明する本開示の詳細な説明及び対応図面を参照されたい。

複数の例として提示する本開示の各種の実施形態について、同一参照番号が同一要素を指す以下の図を参照しながら詳細に記述する。

量産時における重ね合わせの問題を示す。 本開示のいくつかの実施形態による、例示的な参照パターンを用いる重ね合わせ負荷の軽減を示す。 本開示のいくつかの実施形態による例示的な結像システムの機能ブロック図を示す。 図２の例示的な結像システムにより生成された同軸的に整列した光ビームの一部を示す拡大図を示す。 本開示のいくつかの実施形態による、図２の例示的な結像システムの第１及び第２の画像取得装置により取得されたウェハの一部の重ね合わせ画像の拡大上面図を示す。 本開示のいくつかの実施形態による、絶対的な独立した参照パターンを用いる重ね合わせ計算用の例示的画像解析を示す。 本開示のいくつかの実施形態による、例示的な結像方法を示すフロー図を示す。

本開示によれば、特徴パターンを整列させるための整列マークとして絶対的且つ独立した参照パターンを用いる結像システム及び結像方法が提供される。特徴パターンはウェハの表側に形成されていてもよく、参照パターンはウェハの表側から独立している。例えば、参照パターンは、ウェハの内部又は下側に形成されてもよい。第１の波長を有する第１の光ビーム（例：紫外（ＵＶ）光ビーム）は、ウェハの第１の面に形成された特徴パターンの結像に使用でき、第２の波長を有する第２の光ビーム（例えば、赤外線（ＩＲ）光ビーム）は、ウェハの内部又は下部に形成された参照パターンの結像に使用できる。一実施形態において、第２の光ビームは、第１の光ビームと同軸的に整列させることができる。参照パターンは、ウェハの内部又は下部に形成されているため、第２の光ビームは、参照パターンを結像するためにウェハの厚さの一部又は全部を「透過する」必要がある。例えば、第２の光ビームは、量子トンネル結像、ＩＲ透過結像等を用いて参照パターンの画像を取得するように、参照パターンがウェハの内部又は下側に形成されているかに応じてウェハの厚さの一部又は全部を量子トンネル効果により通過するのに充分な出力又は強度を有することができる。従って、特徴パターンのＵＶ画像と参照パターンのＩＲ画像を同一光軸で取得して、互いに重ね合わせることができる。次に露光、検査、整列又はその他の処理を行う画像解析を実施することができる。ＵＶ及びＩＲ画像は、同軸に取得されるが、画像検出器への伝送は同軸であっても、そうでなくてもよい。例えば、同軸に取得された画像は、光学的に分離され、後述するように、別々の画像検出器に伝送されてもよい。

以下の開示は、提供する主題の異なる特徴を実装する多くの異なる実施形態又は例を提供する。本開示を簡潔にすべく要素及び構成の特定の例を以下に記述する。無論これらは例に過ぎず、本発明を限定するものではない。例えば、以下の記述における第２の特徴の上方又は直上に第１の特徴を形成することは、第１と第２の特徴が直接接触して形成された実施形態を含んでいても、及び第１と第２の特徴が直接接触しないように追加的な特徴が第１と第２の特徴の間に形成された実施形態を含んでいてもよい。また、本開示の各種の例において参照番号及び／又は文字を繰り返し用いている場合がある。この繰り返しは簡潔及び明快さを目的としており、これ自体は記述する各種の実施形態及び／又は構成間の関係を指すものではない。更に、「最上部」、「底部」、「下側」、「下方」、「下部」、「上方」、「上部」等の空間関係用語は、図示するように、ある要素又は特徴の別の要素（群）又は特徴（群）との関係の記述を容易にすべく本明細書で使用される場合がある。空間関係用語は、図示する向きに加え、使用又は動作中の機器の異なる向きを含むものとする。装置は、他の向き（９０度回転された、又は他の向き）であってよく、本明細書で用いる空間関係記述子も同様に相応に解釈されてよい。

本明細書に記述する異なるステップの説明の順序は分かり易さを目的として示している。一般に、これらのステップは任意の適当な順序で実行することができる。また、本明細書の異なる特徴、技術、構成等の各々に本開示の異なる場所で言及する場合があるが、各々の概念は互いに独立に、又は互いに組み合わせて実行できるものとする。従って、本開示は多くの異なる方法で実装及び認識することができる。

微細加工は、ウェハ上に複数の膜及び層を形成して加工することである。これはウェハ上に１０層以上の膜を積層するステップを有してもよい。各種の膜及び層を形成するようにウェハ上に設けられたパターンは、先に形成されたパターンに整列させる必要がある。従来、このような整列は、ウェハの一部を用いて整列マーク及びスクライブラインを形成することにより実現される。しかし、本願発明者らは、各種の膜堆積、エッチング、及び処理技術が時として整列マークを覆い、整列マークを完全に除去する場合もあることを認識した。整列マークは時折覆われたり、又は欠落したりしているため、後続パターンをウェハに形成する際に誤差が生じる恐れがある。重ね合わせ又は重ね合わせ誤差という用語は、所与のパターンの配置と、先に配置されたパターンとの差を表す。整列マークが定常的に破壊されていれば、層が増えるにつれて重ね合わせ誤差が蓄積し、性能低下及び素子の誤動作が生じる恐れがある。

図１Ａには、重ね合わせの産業上の問題を示す。同図の各矢印は、先行パターンの位置に対応する始点（例：１１１Ａ、１１１Ｂ、１２１Ａ及び１３１Ａ）と、後続パターンの位置に対応する終点又は矢尻（例：１１１Ａ、１１１Ｎ’、１２１Ｎ’）を有している。その結果、各矢印は、後続パターンが対応する先行パターンに重ね合わせて、又は横並びに形成された場合の重ね合わせ値又は重ね合わせ誤差を表す。例えば工程１１０Ａにおいて、初期パターンを配置する際にグリッド又は参照プレートが存在しない。従って、第１の矢印の始点１１１Ａに位置ずれが生じ易い、すなわち初期パターンは例えばウェハの縁に対する配置誤差を有している恐れがある。後続パターンは次いで、対応する最後のパターンに基づいて整列を試みる。図１Ａに示すように、後続矢印の始点（例：１１１Ｂ）は、対応する最後又は直前の矢印の矢尻（例：１１１Ａ’）と重なる。理論的に完全なシステムであっても、はみ出しが生じる可能性があることに注意する必要がある。例えば、システムのパターン配置公差が＋／－４ｎｍで各レベルが直前のレベルを参照する場合、はみ出しが生じる恐れがある。基準レベルを０エラーとする。第１の層は、従って＋４ｎｍずれている可能性がある。第１の層に対する第２の層の整列は、＋４ｎｍずれている可能性があり、これは第２の層が基準値から＋８ｎｍずれていることを意味する。初期整列マークが視認可能であっても、累積誤差を増大させ得るはみ出し／整列ずれを生起し得る製造工程全般にわたる負荷を生起させるか又は消散させる工程要因がある。

さらに、整列マークは製造工程のステップＳ１２０で破壊され、基準マーク無しで再配置が行われる場合がある。整列マークの劣化により、後加工での整列誤差の蓄積が生じる恐れがある。始点１１１Ａと同様に、新たな矢印の始点１２１Ａもずれやすい。図１Ａの例において、始点１２１Ａは、矢尻１１１Ｎ’からずれている。工程は、ステップＳ１３０で整列マークが再び破壊されるまで、対応する最後のパターンに基づいて後続パターンを整列することにより進行する。同様に、基準マーク無しで配置が行われ、始点１３１Ａは矢尻１２１Ｎ’からずれている。図１Ａから分かるように、層が増えるにつれて、重ね合わせ誤差が蓄積されて製造歩留まりの低下、素子誤動作等につながる恐れがある。工程１１０Ａは、非限定的な例であることに留意する必要がある。他の工程（例：１１０Ｂ及び１１０Ｃ）は、異なる重ね合わせ値（異なる矢印）及び／又は異なるステップを有することができる。

本明細書の技術では整列マークを形成及び再形成する必要がない。代わりに、絶対参照パターン、すなわち、ウェハ又はウェハ上に積層されたパターンから独立した参照パターンが必要である。ウェハに適用される各パターンは、先のパターンに基づくことなく当該独立参照パターンに整列させることができる。

図１Ｂに、本開示のいくつかの実施形態による例示的な参照パターンを用いた重ね合わせ負荷の軽減を示す。本明細書の技術により、ウェハ１９０の表側１９１に配置される全てのパターン（例：始点１４１Ａを有するパターン）は、同一参照パターン１０２に基づいている。一実施形態において、参照パターン１０２は、ウェハ１９０の表側１９１の下側に配置されてもよい。例えば、参照パターン１０２は、ウェハ１９０の裏側１９２に形成されていても、又はウェハ１９０に組み込まれていてもよい。別の例として、参照パターン１０２は、参照プレート（図１Ｂに示さず）に組み込まれていてよく、参照プレートは、ウェハ１９０の下側に配置されても、ウェハ１９０の裏側１９２に配置又は接着されても、又はウェハ１９０の保持に用いるフォトリソグラフィスキャナ又はステッパ（図１Ｂに示さず）の基板ホルダに組み込まれていてもよい。換言すれば、参照パターン１０２は、パターンを形成するようにウェハ１９０の表側１９１に施されるエッチング、蒸着、化学機械研磨等のリソグラフィ処理の影響を受けない。従って、参照パターン１０２は、ウェハ１９０の表側１９１から独立しており、ウェハ１９０のリソグラフィ処理を実行する間、影響を受けない。従って、参照パターン１０２は使用可能であって絶対的、又はむしろ、ウェハ１９０の表側１９１に形成されたいずれのパターンからも独立していて、ウェハ１９０に施される各種の蒸着及びエッチングステップにより変化することがないと考えられる。一実施形態において、参照パターン１０２は、新たなパターンを配置する際にウェハ１９０と比較することができる。初期パターンの場合、当該パターンを参照パターン１０２にフィッティングできることを意味する。後続パターンの場合、これは依然として１個以上のパターンを参照パターン１０２と比較し、重ね合わせ補正を計算して同じ並びに戻すことができることを意味する。

例えば、工程１４０において、参照パターン１０２を用いてウェハ１９０の表側１９１に初期パターンを整列させることができる。一実施形態において、参照パターン１０２は、参照パターン１０２をウェハ１９０内に埋め込むか、又は参照パターン１０２をウェハ１９０の裏側１９２に固定して設ける等によりウェハ表面に対して固定された位置に設けることができる。その結果、第１の矢印の始点１４１Ａが、基準線１５０として示す位置の参照パターン１０２に整列される。後続パターンもまた、固定された絶対的且つ独立した参照パターン１０２を用いて整列される。後続パターン毎に新たなフォトレジスト層が形成されてよいが、参照パターン１０２に起因して整列マークをウェハ１９０に形成及び／又は破壊する必要は無い。その結果、複数の矢印が基準線１５０を中心として集まり、これは後続パターンが参照パターン１０２に整列されていることを意味する。整列は、例えば、パターン画像のマスクを移動させたり、又はマスクに対してウェハ１９０を移動させたりすることにより生じる場合がある。従って、形成された層が増えても重ね合わせ誤差が蓄積される可能性は少ない。

図２は、本開示のいくつかの実施形態による例示的な結像システム２００の機能ブロック図である。例えば、例示的な結像システム２００は、リソグラフィシステムのスキャナ又はステッパに実装することができる。別の例として、例示的な結像システム２００は、レジストコーティングツール、例えば、東京エレクトロン株式会社製のＣＬＥＡＮ ＴＲＡＣＫ（商標）ＡＣＴ（商標）１２に実装可能であり、当該レジストコーティングツールは、先端的ソフトベークオーブンユニット、エッジビーズ除去モジュール、及び洗浄システム等の複数のマスク固有モジュールを含んでいる。例示的な結像システム２００は、波長が異なる２本の光ビームを同軸的に整列させ、同軸的に整列させた２本の光ビームを基板（例えば、ウェハ）の表側に配置された第１のパターン、及び第１のパターンの下側に配置された第２のパターンの各々に焦点化させて、第１及び第２のパターンの画像を取得することができる。例えば、例示的な結像システム２００は、第１の光源２１０、第２の光源２２０、整列モジュール２３０、同軸モジュール２４０、第１の画像取得装置２５０及び第２の画像取得装置２６０を含んでもよい。第１の画像取得装置２５０及び第２の画像取得装置２６０をまとめて画像取得モジュールと称する場合がある。

一実施形態において、第１の光源２１０は、第１の波長を有する第１の入射光ビームを生成するように構成されてもよい。例えば、第１の光源２１０は、５０～４００ナノメートル、例えば２６６ナノメートルの第１の入射光ビーム（図２にＵＶ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}として示す）を生成するＵＶ光源であってもよい。別の例として、第１の光源２１０は、表面結像用の励起ナノ秒レーザー等、Ｏｐｔｏｗａｖｅｓ（Ｏｐｔｏｗａｒｅｓ Ｉｎｃ．、Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ，ＵＳＡ）固体レーザーであってもよい。

一実施形態において、第２の光源２２０は、第２の波長を有する第２の入射光ビームを生成するように構成されてもよい。本開示のいくつかの態様によれば、絶対的且つ独立した参照パターンが、ウェハの表側に形成される筈のパターンの下側に配置されて第２の入射光ビームを用いて参照パターンを結像し、第２の入射光ビームは、ウェハ２９０等のウェハの厚さの少なくとも一部、又は全部を透過しなければならない。

例えば、第２の入射光ビームは、量子トンネル結像、ＩＲ透過結像等を用いてウェハ２９０の全厚（例：７５０マイクロメートル）を通過して参照パターンの画像を取得するのに充分な出力又は強度を有する。別の例として、第２の光源２２０は、１～１０マイクロメートル、例えば３．６又は３．７マイクロメートルの（図２にＩＲ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}として示す）第２の入射光ビームを生成するＩＲ光源であってもよい。一実施形態において、第２の光源２２０は、Ｐｒａｎａｌｙｔｉｃａ，Ｉｎｃ．（Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，ＵＳＡ）から入手可能なＩＲチューナブル量子カスケードレーザーであってよい。エバネッセント波理論によれば、２個の異なる媒体（例：ウェハ２９０と、同軸モジュール２４０が配置された液浸リソグラフィにおける空気又は液体）の間の表面（例：図３に示すようなウェハ２９０の表側３９１）に衝突する光ビームの強度は、当該表面に垂直に指数関数的に減衰する。強度が１／ｅ（約３７％）に低下する浸透深度は、特に光ビームの波長に依存する。典型的な浸透深度は、表面に対する光ビームの入射角に依存して、光ビームの波長の分数、例えば波長の５分の１であってよい。第２の入射光ビームＩＲ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}の第２の波長が第１の入射光ビームＵＶ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}の第１の波長よりもはるかに長いため、出力が好適に制御されていれば、第２の入射光ビームＩＲ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}がウェハ２９０の全厚を通過することができる。

一実施形態において、赤及び青色較正の相対位置とも呼ばれる第１の（ＵＶ）光源２１０と第２の（ＩＲ）光源２２０の相対位置は周期的に較正可能である。例えば、第１の光源２１０と第２の光源２２０の相対位置は、数１０年程度の、従ってかなり広いセンサダイナミックレンジ内に維持することができる。しかし正規化は、既知の相対透過率のステージアーティファクトを必要に応じて結像することにより行うことができる。例えば、任意の相対強度の正規化が簡単に行えるように１日１回である。相対位置又はＴＩＳツール由来のシフト較正は計測機器に共通である。測定が行われる際に相対位置を実時間でグリッドプレートに対して再較正する。従って、例示的な結像システム２００は常に実時間の絶対基準を有することができる。デジタル画像取得及び回帰を用いてもよい。

一実施形態において、整列モジュール２３０は、第２の入射光ビームＩＲ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}を第１の入射光ビームＵＶ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}と同軸的に整列するように構成されてもよい。例えば、整列モジュール２３０は、第１の入射光ビームＵＶ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}を２個の部分に分割して一方を透過させ、他方を反射させることができる第１の光ビームスプリッタを含んでもよい。一実施形態において、第１の光ビームスプリッタはプリズムであってもよい。別の実施形態において、第１の光ビームスプリッタは、アルミニウム等の金属製の部分的に透明な薄膜で片面がコーティングされたガラス又はプラスチックシート等の透明板であってもよく、第１の入射光ビームＵＶ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}の一部を透過させ、他の一部を反射させることができる。例示的な結像システム２００において、第１の光源２１０及び第１の光ビームスプリッタは、第１の入射光ビームＵＶ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}が第１の光ビームスプリッタに対して４５度の角度で入射するように配置することができる。

例えば、整列モジュール２３０は更に、第２の入射光ビームＩＲ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}を２個の部分に分割して一方を反射させ、他方を透過させることができる第２の光ビームスプリッタを含んでもよい。例えば、第２の光ビームスプリッタはプリズムであってもよい。別の例として、第２の光ビームスプリッタは、アルミニウムの薄膜で片面がコーティングされたガラス又はプラスチックシートであってよく、第２の入射光ビームＩＲ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}の一部分を反射させ、他の一部を透過させることができる。例示的な結像システム２００において、第２の光源２２０及び第２の光ビームスプリッタは、第２の入射光ビームＩＲ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}が第２の光ビームスプリッタに対して４５度の角度で入射するように配置することができる。

例えば、整列モジュール２３０は更に、波長が異なる光ビームを反射又は透過させることができる第３ビームスプリッタを含んでもよい。例えば、第３ビームスプリッタは、第１の光ビームスプリッタから伝送された第１の波長を有する第１の入射光ビームＵＶ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}を反射し、第２の光ビームスプリッタから伝送された第２の波長を有する第２の入射光ビームＩＲ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}を透過させる、二色性材料で片面がコーティングされた透明板であってもよい。一実施形態において、第３ビームスプリッタは、透過された第２の入射光ビームＩＲ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}が、反射された第１の入射光ビームＵＶ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}と同軸的に整列し、透過された第２の入射光ビームＩＲ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}及び反射された第１の入射光ビームＵＶ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}が同一光路に沿ってウェハ２９０まで移動できるように設計及び配置される。

一実施形態において、同軸モジュール２４０は、第３ビームスプリッタから反射された第１の入射光ビームＵＶ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}をウェハ２９０の表側３９１に配置された第１のパターン３０１（図３に示す）に焦点化し、第３ビームスプリッタから伝送された第２の入射光ビームＩＲ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}を第１のパターン３０１の下側に配置された第２のパターン３０２（又は参照パターン）に焦点化するように構成されてもよい。例えば、同軸モジュール２４０は、第１のパターン３０１及び第２のパターン３０２の配置の公差（すなわち、焦点深度（ＤＯＦ））を調整するように設計及び構成されてもよい。例えば、レベルセンサーを用いて第１のパターン３０１の最上部を追跡して、第１のパターン３０１の高さからウェハ２９０の高さを減算して、同軸的に整列された第１の入射光ビームＵＶ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}及び第２の入射光ビームＩＲ_{ｉｎｃｉｄｉｅｎｔ}のＤＯＦを同時に自動調節することができる。深ＵＶ（ＤＵＶ）光によるフォトレジストの損傷は無視できる。本明細書における２５０マイクロメートルの視野（ＦＯＶ）は、４Ｋ解像度の場合、１ピクセル当たり約６０ナノメートルに相当する。これは０．１ナノメートルの見当合わせ誤差の測定には充分な解像度である。充分な出力又は強度の光源を有することにより、金属層に影が生じるのを軽減できる。図３にはウェハ２９０に形成された物理的パターンの結像を示しているが、形成すべき（すなわち、活性化光への露光前の）パターンの画像は、例えばウェハ内のフォトレジストを活性化しない波長を有する光により実現できる。

一実施形態において、同軸モジュール２４０は、２～１２個の個々の光学素子、例えば、６個の光学素子を含んでもよい。各々の光学素は、サファイア、ＡｌＮ、ＭｇＦ、ＣａＦ、ＢａＦ、ＬｉＦ、Ｇｅ、Ｓｉ等を含んでもよい。

第１の入射光ビームＵＶ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}は第１のパターン３０１により反射されて第１の反射光ビームＵＶ_{ｒｅｆｅｌｅｃｔｉｏｎ}を形成することができる。第１の反射光ビームＵＶ_{ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ}は、第３のビームスプリッタ及び第１の光ビームスプリッタにより順次反射されて第１の画像取得装置２５０により取得することができ、第１の画像取得装置２５０は第１のパターン３０１の対応する第１の画像を形成することができる。例えば、第１の画像取得装置２５０は、ＤａｔａＲａｙカメラであってよい。第２の入射光ビームＩＲ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}は、第２のパターン３０２により反射されて第２の反射光ビームＩＲ_{ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ}を形成することができる。第２の反射光ビームＩＲ_{ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ}は、第３のビームスプリッタ及び第２の光ビームスプリッタにより順次伝送されて第２の画像取得装置２６０により取得することができ、第２の画像取得装置２６０は第２のパターン３０２の対応する第２の画像を形成することができる。例えば、第２の画像取得装置２６０は、高速、高精細中波長ＩＲ（ＭＷＩＲ）カメラ、例えば、ＦＬＩＲＸ８５００ＭＷＩＲであってもよい。一実施形態において、第１の画像及び第２の画像に対して画像解析を実行して、第１のパターン３０１の配置を決定するように重ね合わせ値を計算することができる。例えば、画像解析は、第１のパターン３０１の第１の画像と第２のパターン３０２の第２の画像を互いに重ね合わせて、第２のパターン３０２に対する第１のパターン３０１の座標位置を識別することにより実現できる。いくつかの実施形態において、画像解析は、第１のパターン３０１の配置を実時間で調整できるように実時間で実行することができる。

一実施形態において、整列モジュール２３０は更に、第１のレンズ組及び第２のレンズ組を含んでもよい。例えば、第１のレンズ組は、第１の光源２１０により生成された第１の入射光ビームＵＶ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}を視準して、視準された第１の入射光ビームＵＶ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}を第１の光ビームスプリッタに誘導する反射及び／又は屈折光学系を含んでもよい。別の例として、第２のレンズ組はまた、第２の光源２２０により生成された第２の入射光ビームＩＲ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}を視準して、視準された第２の入射光ビームＩＲ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}を第２の光ビームスプリッタに誘導する反射及び／又は屈折光学系を含んでもよい。

一実施形態において、例示的な結像システム２００は更に、第３のレンズ組２７０及び第４のレンズ組２８０を含んでもよい。例えば、第３のレンズ組２７０は、第１の反射光ビームＵＶ_{ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ}を第１の画像取得装置２５０上に焦点化させる反射及び／又は屈折光学系を含んでもよい。別の例として、第４のレンズ組２８０はまた、第２の反射光ビームＩＲ_{ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ}を第２の画像取得装置２６０上に焦点化させる反射及び／又は屈折光学系も含んでもよい。

一実施形態において、例示的な結像システム２００は更に、同軸モジュール２４０の外側で回折光ビームを取得して第１の画像取得装置２５０及び第２の画像取得装置２６０に誘導できる光学系を含んでもよい。

図３に示す例示的な実施形態において、第１のパターン３０１は、ウェハ２９０の表側３９１に配置されたフォトマスク（図示せず）に含まれてもよい。一実施形態において、フォトマスクは、接触印刷システムにおいてウェハ２９０と直接接触して配置することができる。別の実施形態において、フォトマスクは、近接印刷システム又は投影印刷システムにおいてウェハ２９０から離れた位置に配置することができる。

図３に示す例示的な実施形態において、第２のパターン３０２は、ウェハ２９０の裏側３９２に配置されていて、第２の入射光ビームＩＲ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}は量子トンネル結像、ＩＲ透過結像等を用いて第２のパターン３０２の第２の画像を取得すべくウェハ２９０の全厚を通過するのに充分な出力を有している。一実施形態において、第２のパターン３０２は参照プレート３１０上に形成することができる。例えば、参照プレート３１０は、ほぼ完全に整列された２０マイクロメートル×２０マイクロメートルの複数の正方形を含むグリッドプレートであってもよく、第２のパターン３０２は、複数の正方形の少なくとも１個のコーナー点であってもよい。別の例として、参照プレート３１０は、点、線、コーナー、ボックス、数字、マーク、又は整列目的に適した他の任意のパターンの少なくとも１個を含んでもよく、第２のパターン３０２はこれらのうちの１個であってもよい。一実施形態において、参照プレート３１０は、ウェハ２９０の裏側３９２に接着することができる。従って、参照プレート３１０とウェハ２９０は１個のモジュールとして機能することができる。別の実施形態において、参照プレート３１０は、フォトリソグラフィスキャナ又はステッパの基板ホルダ３２０に組み込むことができる。所与のウェハを毎回、基板ホルダ３２０に以前の配置と比べて異なる位置又は向きに配置されてもよいが、これは重要ではない。所与の新たなパターンを配置又は露光する場合、ウェハは参照プレート３１０、例えばグリッドプレートにより結像することができる。従って、参照プレート３１０は、２個以上の点を表すベクトルを識別する相対基準点を提供し、そこからベクトル解析を用いて次の露光における重ね合わせ補正調整を計算することができる。例えば、未だにパターンを有しないウェハ２９０が参照プレート３１０の上に置かれた場合、ウェハ２９０は、参照プレート３１０に対して粗く事前整列される。別の例として、既に既存のパターンを有するウェハ２９０が参照プレート３１０の上に置かれた場合、既存のパターンと参照プレート３１０を同軸に整列させることができる。従来のリソグラフィ処理では、ウェハ裏側の引っ掻き傷、裏側の塵及び／又は熱に起因する基板の歪みにより生じた測定誤差が重ね合わせに影響を及ぼす可能性があるが、従来の重ね合わせシステムは往々にしてこれらの問題を認識できない。本発明の技術は、これらの問題を克服する、独立した参照プレート及び高い空間解像度を含む。

一実施形態において、第２のパターン３０２はウェハ２９０の裏側３９２に形成されてもよく、第２の入射光ビームＩＲ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}は量子トンネル結像、ＩＲ透過結像等を用いて第２のパターン３０２の第２の画像を取得するようにウェハ２９０の全厚を通過するのに充分な強度も有する。他の技術は、放射性又は蛍光物質を用いるなどして、ウェハ２９０に第２のパターン３０２（例：グリッド線）を埋め込むことを含んでもよい。

一実施形態において、第２のパターン３０２をウェハ２９０の表側２９１に形成することができ、次にシリコン及び／又は酸化シリコンの層がその上に蒸着される。例えば、第２のパターン３０２がウェハ２９０に効果的に「埋め込まれ」、シリコン及び／又は酸化シリコンの層上にパターンを形成できるように、シリコン及び／又は酸化シリコンの層は１～５マイクロメートルの厚さを有することができる。従って、第２の入射光ビームＩＲ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}は、量子トンネル結像、ＩＲ透過結像等を用いて第２のパターン３０２の第２の画像を取得すべくシリコン及び／又は酸化シリコンの層を通過するのに充分な強度を有する必要がある。別の例として、第２のパターン３０２は、ウェハ２９０の裏側２９２にシリコン又は酸化シリコン等の保護層が形成される前にウェハ２９０の裏側２９２に形成することができる。その結果、第２のパターン３０２はウェハ２９０に埋め込むこともできる。従って、第２の入射光ビームＩＲ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}は、量子トンネル結像、ＩＲ透過結像等を用いて第２のパターン３０２の第２の画像を取得すべくウェハ２９０の全厚を通過するのに充分な強度を有している必要がある。一実施形態において、第２のパターン３０２は、キャリアウェハの表側が対象ウェハの背面（例：ウェハ２９０の裏側３９２）に接着される前にキャリアウェハの表側に形成することができる。その結果、第２のパターン３０２を、共に１枚のウェハとして機能するキャリアウェハと対象ウェハとに挟むことができる。従って、第２の入射光ビームＩＲ_{ｉｎｃｉｄｅｎｔ}は、量子トンネル結像、ＩＲ透過結像等を用いて第２のパターン３０２の第２の画像を取得すべく対象ウェハの全厚を通過するのに充分な強度を有している必要がある。いくつかの実施形態において、光投影を用いてもよい。例えば、第２のパターン３０２は、基板ホルダに置かれたウェハ２９０内に物理的に存在しない投影グリッドであっても、又は基板ホルダの下のグリッドプレートであってもよい。いくつかの実施形態において、第２のパターン３０２は物理的なマークと光の投影の組み合わせであってもよい。例えば、物理的基準マークは、基板ホルダ上に配置されたウェハで覆われていない基板ホルダの周辺領域に設けられていてよく、光投影は、トンネル効果が不要なようにウェハの領域内で参照パターンを完結させることができる。

図４Ａは本開示のいくつかの実施形態による、第１の画像取得装置２５０及び第２の画像取得装置２６０により取得されたウェハ２９０の一部の重ね合わせ画像の拡大上面図を示しており、当該部分は第１のパターン３０１及び第２のパターン３０２を有する。図４Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、第１のパターン３０１を用いる重ね合わせ計算用の例示的な画像解析を示しており、これは整列工程において参照パターンとして機能する。図４Ａ、４Ｂは、２個のパターンの重ね合わせ値の計算に絶対的且つ独立した第１のパターン３０１がどのように使用できるかを示している。これは、座標系に共通な各参照パターンを知り、当該参照パターンを用いて各パターンが当該座標系の「どこに」あるかを知ることにより、行うことができる。参照パターン、例えば各レイヤー間の距離が分かれば、重ね合わせ値の抽出に必要なベクトル計算が簡単なベクトル代数で行われる。これは強力なツールが常に用意されているミックスマッチ重ね合わせ（ＭＭＯ）であると考えられる。

各ウェハには、重ね合わせに影響を及ぼす程度に深い引っ掻き傷の影響、熱の影響、チャッキング問題等があり得る。ウェハには更にパターニング欠陥が生じている可能性があり、これは、設計通りにラインが接続されていない、臨界寸法があまりにも小さい／大きい、又は短絡が生じる恐れがある隙間がある場合に存在し得る。第２の光ビームがウェハ２９０を通過できるため、第２の光ビームは欠陥に遭遇する場合もあり、取得された第２の画像は更に欠陥の情報を含んでもよい。一実施形態において、第１のパターン３０１の第１の画像及び第２のパターン３０２の第２の画像に対して画像解析を実行してウェハ２９０の欠陥の有無を検査することができる。

一実施形態において、第１のパターン３０１（点Ｍと表記）、例えば２０マイクロメートル×２０マイクロメートルの複数の正方形を有するグリッドプレートの複数の正方形のうち１個のコーナーは絶対的又はウェハに依存しないと考えられ、第２のパターン３０２（点Ｎと表記）と、第２のパターン３０２の形成後に形成された第３のパターン４０１（点Ｐと表記）の間の重ね合わせ値の計算に用いることができる。第１のパターン３０１に第２のパターン３０２を重ね合わせることにより、座標差すなわち第１のパターン３０１の点Ｍから第２のパターン３０２の点Ｎまでのベクトル

を求めることができる。同様に、第１のパターン３０１に第３のパターン４０１を重ね合わせることにより、別の座標差すなわち第１のパターン３０１の点Ｍから第３のパターン４０１の点Ｐまでのベクトル

を求めることもできる。次いで、点Ｎと点Ｐの間の重ね合わせ値

を次式：

のように計算することができる。

更に、第２のパターン３０２からの点の座標位置（例：Ｎ（Ｗｘ，Ｗｙ））と、第３のパターン４０１からの点の座標位置（例：Ｐ（Ｂｘ，Ｂｙ））を用いて、第２のパターン３０２から第３のパターン４０１までの重ね合わせ値又はシフトを求めることができる。次いでこの重ね合わせ値を用いて、独立した参照パターン、例えば第１のパターン３０１に対する重ね合わせを修正すべく第３以降のパターンを配置することができる。いくつかの実施形態において、全ての画像比較において均一な基準画像を有することにより、隣接するパターンの補正だけでなく、初期ライン又は絶対基準に基づく重ね合わせ補正を維持することができる。レジスト層に対する臨界寸法（ＣＤ）の変動効果に関する懸念を考慮して、レジスト層及び下部層（例：金属レジストパターンがビア孔パターンの大部分を覆う）に対するパターンＣＤ変動効果無しでパターンの座標を抽出する。レジスト層に対するＣＤ変動効果は整列に際して問題となり得るが、重ね合わせ測定担当者には無視される可能性がある。本発明の技術が大幅に向上しているのは、参照パターン自身が、ＣＤの非点収差及びゼルニケに起因するパターンからのずれの影響を受ける整列マークよりもはるかに優れたパターン配置の指標を与えるためである。

いくつかの実施形態において、画像の重ね合わせが不要であることに注意する必要がある。座標位置データは、ウェハの参照プレート及び作業面から収集できる、次いでベクトル解析を用いてずれの総計又は重ね合わせ値を求めることができる。

図５は、本開示のいくつかの実施形態による、ウェハ（例：ウェハ２９０）を処理する例示的な結像方法５００を示すフロー図である。例示的な結像方法５００は、例示的な結像システム２００に適用できる。各種の実施形態において、図示する例示的な結像方法５００のいくつかのステップは図示するものと同時に又は異なる順序で実行可能であり、他の方法ステップで代替又は省略可能である。追加的な方法ステップも所望に応じて実行することができる。

ステップＳ５１０において、第１の波長を有する第１の光ビーム及び第２の波長を有する第２の光ビームを生成することができる。一実施形態において、第１の光源２１０を用いて第１の光ビームを生成し、第２の光源２２０を用いて第２の光ビームを生成することができる。例えば、第２の波長は第１の波長よりも長くてもよい。別の例として、第１の光源２１０はＵＶ光源であり、第２の光源２２０はＩＲ光源であってよい。一実施形態において、第１の波長は５０～４００ナノメートル、例えば２６６ナノメートル、第２の波長は１～１０マイクロメートル、例えば３．６又は３．７マイクロメートルである。

ステップＳ５２０において、第１の光ビームを第２の光ビームと同軸的に整列させることができる。一実施形態において、整列モジュール２３０は、第１の光ビームを第２の光ビームと同軸的に整列させることができる。例えば、第１の光ビームスプリッタを用いて第１の光ビームを伝送し、第２の光ビームスプリッタを用いて第２の光ビームを反射することができ、第３のビームスプリッタを用いて、第１の光ビームスプリッタから伝送された第１の光ビームを反射し、第２の光ビームスプリッタから反射された第２の光ビームを伝送して、反射された第１の光ビームを伝送された第２の光ビームと同軸的に整列させることができる。

ステップＳ５３０において、同軸的に整列された第１及び第２の光ビームを、ウェハの表側に配置された第１のパターン及び第１のパターンの下側に配置された第２のパターンの各々に焦点化させることができる。一実施形態において、同軸モジュール２４０を用いて第１の光ビームを第１のパターンに、及び第２の光ビームを第２のパターンに焦点化させることができる。第２の光ビームは、ウェハの厚さの少なくとも一部を通過するのに充分な強度を有することができる。一実施形態において、第２のパターンを参照プレート、例えば、ウェハの下側に配置されたサブナノメートルの位置精度を有する２０マイクロメートル×２０マイクロメートルの複数の正方形を有するグリッドプレートに組み込むことができる。例えば、参照プレートは、ウェハの裏側に配置又は接着することができる。従って、第２の光ビームは、ウェハの全厚を通過して第２のパターンに到達するのに充分な強度を有することができる。別の実施形態において、参照プレートは、フォトリソグラフィスキャナ又はステッパの基板ホルダ又はチャックに組み込むことができ、例示的な結像方法５００は更に、同軸的に整列した第１及び第２の光ビームを焦点化させる前に、参照プレートをウェハと整列させるステップを含んでいてよい。また別の実施形態において、第２のパターンをウェハの裏側に形成することができる。従って、第２の光ビームは、ウェハの全厚を通過して第２のパターンに到達するのに充分な強度を有することができる。更に別の実施形態において、第２のパターンは、ウェハ内に埋め込まれていて１個以上の層を介してアクセス可能であってよい。従って、第２の光ビームは、ウェハの厚さの一部を通過するのに充分な強度を有することができる。例えば、第２のパターンは放射性又は蛍光物質を含んでいてよい。別の例として、第２のパターンは、点、線、コーナー、ボックス、三角形、数字、又はマークの少なくとも１個を含んでもよい。

ステップＳ５４０において、第１のパターンの第１の画像及び第２のパターンの第２の画像を取得することができる。例えば、第１の画像取得装置２５０及び第２の画像取得装置２６０を用いて第１の画像及び第２の画像を各々取得することができる。一実施形態において、第２のパターンの第２の画像は量子トンネル結像又はＩＲ透過結像を介して取得することができる。

ステップＳ５５０において、第１の画像と第２の画像に対して画像解析を実行して重ね合わせ値を計算することができる。

例示的な結像システム２００及び例示的な結像方法５００は、リソグラフィツールと組み合わせて動作可能なスタンドアロン型同軸測定システム及び方法、接続されたリソグラフィセルへのフィードフォワードを行う一体化されたトラック同軸測定システム及び方法、又は実時間修正のためリソグラフィツールに埋め込み可能な能動同軸測定システム及び方法として実装可能である。

本開示の態様は、ウェハの表側に形成された従来の整列マークに依存しない正確且つ精密な整列機構を提供できる結像システム及び結像方法を提供する。その代わり、ウェハの内部／下側のパターン又はグリッドを参照して、後続パターンの精密且つ正確な見当合わせ及び整列を行うべく信頼できる参照パターンに繰り返しアクセスすることができる。本明細書の技術により従来の重ね合わせマークが不要になる。重ね合わせを行うためのこれらの新たなパラダイムは、洗浄を必要とせず、実装面積の損失が無く、及び複雑なスクライブライン設計を必要とせず、シリコン面積の利用度が向上し、整列マーク用の複雑な集積を無くすることができる。本明細書に開示する例示的な参照パターンは、従来行われていたように整列マークではなく素子を製造する好ましくない工程の影響を受けて一掃されることがなくなる。重ね合わせ配置の正確さは、参照パターンが毎回完璧に近いだけでなく常時ステージの直下に隠されているため、第２のパターンが配置されている正に最初の層から測定可能になっている。

これまでの説明において、処理システムの特定の形状、及び使用される各種の要素及び処理の記述等、具体的な詳細事項を開示してきた。しかし、本発明の技術がこれらの具体的な詳細事項とは異なる他の実施形態で実施されてよいこと、及びそのような詳細事項は説明目的であって本発明を限定するものではないことを理解されたい。本明細書に開示する複数の実施形態について添付の図面を参照しながら記述してきた。同様に、説明目的のため、完全な理解が得られるよう、具体的な個数、材料、及び構成を開示してきた。にもかかわらず、そのように具体的な詳細事項が無くても複数の実施形態を実施することができる。実質的に同じ機能構造を有する要素は類似の参照符号で表記されており、従って冗長な記述があれば省略されてよい。

各種の実施形態の理解を促進すべく各種の技術を複数の別々の動作として記述してきた。説明の順序は、これらの動作が必然的に順序に依存することを示唆するものと解釈すべきではない。実際、これらの動作は提示された順序で実行される必要がない。記述する動作は記述する実施形態とは異なる順序で実行されてもよい。複数の追加的な実施形態において、各種の追加的動作が実行されても、及び／又は記述する動作が省略されてもよい。

本明細書で用いる「基板」又は「対象基板」は一般に、本開示に従い処理される物体を指す。基板は、素子、特に半導体その他の電子素子の任意の材料部分又は構造を含んでいてよく、例えば、半導体ウェハ、レチクル、又は薄膜等のベース基板構造上の、又はその上に重ねられた層のようなベース基板構造であってよい。従って、基板は、パターン化された又はされていない、いかなる特定のベース構造、下部層又は上部層に限定されず、そのようなあらゆる層又はベース構造、並びに複数の層及び／又はベース構造の任意の組み合わせを含むものとする。上の記述は特定の種類の基板を指す場合があるが、これは説明目的に過ぎない。

当業者には、本開示の同じ目的を実現しながら、上で説明した技術の動作に多くの変更を施し得ることも理解されよう。そのような変更も本開示の範囲に含まれるものとする。このように、本開示の複数の実施形態に関する上の説明は本発明を限定することを意図していない。むしろ、本開示の複数の実施形態に対する制約があれば以下の請求項に示している。

Claims (9)

1. 結像システムであって、
   第１の波長の第１の光ビームを生成するように構成された第１の光源と、
   第２の波長の第２の光ビームを生成するように構成された第２の光源と、
   前記第２の光ビームを前記第１の光ビームと同軸に整列するように構成された整列モジュールと、
   前記同軸に整列された第１及び第２の光ビームを、それぞれ、ウェハの表側に配置された第１のパターン及び前記第１のパターンの下側に配置された第２のパターンに焦点化するように構成された同軸モジュールと、
   前記第１のパターンの第１の画像及び前記第２のパターンの第２の画像を取得するように構成された画像取得モジュールと、
   を有し、
   前記第２の光ビームは、前記ウェハの厚さの少なくとも一部を通過して前記第２のパターンに到達する上で充分な強度を有する、結像システム。
2. 前記第２の波長は、前記第１の波長よりも長い、請求項１に記載の結像システム。
3. 前記第１の光源は、紫外（ＵＶ）光源であり、前記第２の光源は、赤外（ＩＲ）光源である、請求項２に記載の結像システム。
4. 前記第１の波長は、５０～４００ナノメートルであり、前記第２の波長は、１～１０マイクロメートルである、請求項３に記載の結像システム。
5. 前記第１の波長は、２６６ナノメートルであり、前記第２の波長は、３．６又は３．７マイクロメートルである、請求項４に記載の結像システム。
6. 前記ＩＲ光源は、ＩＲチューナブル量子カスケードレーザーを有する、請求項３に記載の結像システム。
7. 画像取得モジュールは、量子トンネル結像又はＩＲ透過結像を介して、前記第２のパターンの前記第２の画像を取得する、請求項１に記載の結像システム。
8. 前記第２のパターンは、前記ウェハの下方に配置された参照プレートに組み込まれる、請求項１に記載の結像システム。
9. さらに、前記ウェハを保持するように構成された基板ホルダを有し、前記参照プレートは、基板ホルダに組み込まれる、請求項８に記載の結像システム。
   

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