JP4583292B2 - 多層基板の各層の位置合わせを制御するためのマーカー構造及び方法 - Google Patents

多層基板の各層の位置合わせを制御するためのマーカー構造及び方法 Download PDF

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Description

本発明は、リソグラフィの分野に関する。
リソグラフィ装置は、基板に、通常は基板の目標部分に所望のパターンを適用する機械である。リソグラフィ装置は、例えば集積回路(IC)の製造で使用することができる。その場合、パターン形成装置(或いは、マスク又はレチクルと呼ばれる)を使用して、ICの個々の層に形成すべき回路パターンを生成することができる。このパターンを、基板(例えばシリコン・ウェハ)上の目標部分(例えば1つ又は複数のダイの一部を備える)に転写することができる。パターンの転写は通常、基板に提供された放射感応材料(レジスト)の層への像形成によるものである。一般に、単一の基板が、網の目状の隣接する目標部分を含み、目標部分が連続的にパターン形成される。既知のリソグラフィ装置は、目標部分に全パターンを一度に露光することによって各目標部分が照射されるいわゆるステッパと、放射ビームによって所与の方向(「走査」方向)にパターンを走査し、それと同時に、同期して、この方向と平行又は逆平行に基板を走査することによって各目標部分が照射されるいわゆるスキャナとを含む。また、基板上にパターンをインプリントすることによってパターン形成装置から基板にパターンを転写することもできる。
リソグラフィ装置に関する2つの基本的な要件は、意図されたように基板に所望のパターンを像形成すること、及び、基板上の事前にパターン形成されている層に関して、ある精度範囲内で所望のパターンを位置決めすることである。後者の要件は、「オーバーレイ」と呼ばれる。
一般に、オーバーレイ誤差は、基板上の特定の位置に位置決めされたオーバーレイ・マーカー構造での測定によって得られる。オーバーレイ・マーカー構造は、第1の層内のオーバーレイ・ターゲットと、第1の層の上方に位置決めされた第2の層内のオーバーレイ・ターゲットとを備える。このとき、オーバーレイは、差分位置、即ち第1の層内のオーバーレイ・ターゲットと第2の層内のオーバーレイ・ターゲットとの位置の差を識別することによって求められる。しかし、このタイプのオーバーレイ限定に関わるいくつかの問題が生じている。
一般に、層内のオーバーレイ・ターゲットは、その層のパターン構造と並行して製造される。しかし、加工中、いくつかの加工ステップが、オーバーレイ・ターゲットを劣化させる場合がある。望ましくないことに、この劣化は、しばしば、従来技術のオーバーレイ・マーカー構造の非対称な変形をもたらす。この非対称性は、オーバーレイの不正確な限定の原因となる。特に、将来のリソグラフィ適用例では、この精度低下は、劇的な結果をもたらす可能性がある。なぜなら、パターン構造の寸法が小さくなるにつれ、それに応じてオーバーレイなどのパラメータに関する要件が増大するからである。
オーバーレイの限定に関わる別の問題は、現状技術によるオーバーレイ・マーカー構造の寸法にある。従来技術オーバーレイ・マーカー構造は、図2に示されるように、リソグラフィ装置の露光波長よりも数倍大きな寸法を有するフィーチャを備えており、即ちこのフィーチャは「解像度範囲内」ではない。
さらに、従来技術オーバーレイ・マーカー構造は、通常、両方の層のオーバーレイ・ターゲット内にバー状の構造のみを備える。しかし、リソグラフィ装置内に提供される光学系によって、異なる構造が異なった影響を及ぼされることがよく知られている。例えば、当技術分野でよく知られている組合せは、ゲートと呼ばれるバー状の構造を備えるデバイス層と、コンタクト・ホールと呼ばれる開口を備えるコンタクト層とである。投影レンズ及び/又はミラーなどの光学要素によって誘発される収差及び歪曲の影響は、コンタクト・ホールとバーとで異なる。その結果、コンタクト層がデバイス層の上に位置決めされ、両方の層においてオーバーレイ・ターゲットがバーを備えるとき、オーバーレイ・マーカー構造は完全な位置合わせを示すが、ゲートとコンタクト・ホールはよく位置合わせされていない場合がある。したがって、オーバーレイ・ターゲットで測定されるオーバーレイが、パターン構造間の実際のオーバーレイとは異なる。
最後に、リソグラフィ加工では、オーバーレイ誤差をできるだけ早期に求め、さらに、早い段階での工程で位置合わせ不良を補償することができることが望ましい。しかし、2つの層の間のオーバーレイ誤差は通常、何らかの種類の計測学技法を採用することによってオフラインで、即ち集積回路の製造ラインに直接接続されていない別個の装置で求められる。さらに、測定は、複数の基板の加工後に行われることが多い。
本発明は、第1の波長を有する放射を発生するための第1の放射源を備えるリソグラフィ・システムと、第2の波長を有する放射を発生するための第2の放射源を有する位置合わせシステムとで使用するためのマーカー構造であって、第2の波長が、第1の波長よりも大きく、マーカー構造が、少なくとも第1の層と第2の層とを備え、第2の層が第1の層の上にあり、第1の層が第1の周期構造を有し、第2の層が第2の周期構造を有し、第1及び第2の周期構造の少なくとも一方が、少なくとも1つの方向で400nmよりも小さい寸法を有する複数のフィーチャを備え、第1の周期構造と第2の周期構造との組合せが、第2の波長を有する放射によって照明されるように構成される回折構造を形成するマーカー構造を提供する。第2の波長は、典型的には400〜1000nmの範囲内にある。
本発明は、さらに、そのようなマーカー構造を備えるデバイスに関する。
本発明は、さらに、そのようなマーカー構造を製造するための方法に関する。
本発明は、さらに、リソグラフィ・システムで、少なくとも第1の下側の層と第2の上側の層とを備える多層基板の層の位置合わせを制御するための方法であって、
基板上に少なくとも第1及び第2のマーカー領域を提供する工程であって、各マーカー領域内で、第1の下側の層には第1の周期構造がパターン形成され、第2の上側の層には前記第1の周期構造とは異なる第2の周期構造がパターン形成され、第1の周期構造と第2の周期構造との組合せが、各マーカー領域内で回折構造を形成し、第1及び第2の周期構造が、第1のマーカー領域内で、第2のマーカー領域内とは異なる形で、所定の方向で所定の量だけ互いに関してシフトされている工程と、
電磁放射を用いて各回折構造を照明し、前記回折構造から回折された放射の差分信号強度を検出する工程であって、前記差分信号強度が、照明されるマーカー領域内の前記第1の周期構造と前記第2の周期構造との間のシフトの尺度である工程と、
線形化技法を採用して、すべての回折構造での差分信号強度の検出値に基づいて、事前定義されたシフトと差分信号強度との関係を求める工程と、
事前定義されたシフトと差分信号強度との求められた関係に基づいて、差分信号強度が最大値に達する際のシフトを計算する工程と、
計算値に、リソグラフィ・システムの位置合わせ設定を適合させる工程と
を含む方法を提供する。
本発明は、さらに、そのような方法を使用するデバイス製造方法に関する。
本発明は、さらに、そのような方法を採用して、パターン形成装置から基板にパターンを投影するように構成されたリソグラフィ・システムに関する。
以下、本発明の実施例を、単に例として、添付の概略図面を参照しながら説明する。図面中、対応する参照符号は、対応する部分を示す。
図1に、本発明の一実施例によるリソグラフィ装置を模式的に示す。本装置は、
放射ビームB(例えばUV放射又はEUV放射)を調整するように構成された照明システム(照明器)ILと、
パターン形成装置(例えばマスク)MAを支持するように構築された支持構造であって、あるパラメータに従ってパターン形成装置を正確に位置決めするように構成された第1の位置決め手段PMに接続された支持構造(例えばマスク・テーブル)MTと、
基板(例えばレジスト被覆ウェハ)Wを保持するように構築された基板テーブルであって、あるパラメータに従って基板を正確に位置決めするように構成された第2の位置決め手段PWに接続された基板テーブル(例えばウェハ・テーブル)WTと、
放射ビームBに与えられたパターンを、パターン形成装置MAによって基板Wの目標部分C(例えば、1つ又は複数のダイを備える)に投影するように構成された投影システム(例えば屈折投影レンズ・システム)PSと
を備える。
照明システムは、放射を方向付ける、成形する、又は制御するために、屈折、反射、磁気、電磁気、静電気、若しくは他のタイプの光学構成要素など様々なタイプの光学構成要素、又はそれらの任意の組合せを含むことができる。
支持構造は、パターン形成装置を支持する、即ちその重量を支承する。支持構造は、パターン形成装置の向き、リソグラフィ装置のデザイン、及びその他の条件、例えばパターン形成装置が真空環境内に置かれるか否かなどに応じた様式でパターン形成装置を保持する。支持構造は、パターン形成装置を保持するために、機械的、真空、静電気、又はその他のクランプ技法を使用することができる。支持構造は、例えばフレーム又はテーブルにすることができ、必要に応じて固定することも可動にすることもできる。支持構造は、パターン形成装置が例えば投影システムに対して所望の位置にあることを保証することができる。本明細書における用語「レチクル」又は「マスク」の使用は、より一般的な用語「パターン形成装置」と同義と考えることができる。
本明細書で使用する用語「パターン形成装置」は、基板の目標部分にパターンを作成する目的で放射ビームの断面にパターンを与えるために使用することができる任意の装置を表すものと広く解釈すべきである。例えばパターンが移相フィーチャ又はいわゆる補助フィーチャを含む場合、放射ビームに与えられるパターンは、基板の目標部分での所望のパターンに正確には対応しない場合があることに留意すべきである。一般に、放射ビームに与えられるパターンは、集積回路など目標部分に作成されるデバイス内の特定の機能層に対応する。
パターン形成装置は、透過型又は反射型にすることができる。パターン形成装置の例として、マスク、プログラム可能ミラー・アレイ、及びプログラム可能LCDパネルが挙げられる。マスクはリソグラフィにおいてよく知られており、バイナリ・マスク、レベンソン型位相シフト・マスク、及びハーフトーン型位相シフト・マスクなどのマスク・タイプ、並びに様々なハイブリッド・マスク・タイプが含まれる。プログラム可能ミラー・アレイの一例は、小さなミラーのマトリックス配列を採用し、各ミラーは、入射放射ビームを異なる方向に反射するように個別に傾けることができる。傾けられたミラーが、ミラー・マトリックスによって反射される放射ビームにパターンを与える。
本明細書で使用する用語「投影システム」は、使用される露光放射、又は浸液の使用若しくは真空の使用など他の因子に適するように、屈折、反射、反射屈折、磁気、電磁気、及び静電気光学システムを含めた任意のタイプの投影システム、又はそれらの任意の組合せを包含するものと広く解釈すべきである。本明細書における用語「投影レンズ」の使用は、より一般的な用語「投影システム」と同義と考えることができる。
本明細書に示されるごとく、本装置は、透過型(例えば透過マスクを採用する)である。別法として、本装置を反射型(例えば、上で言及したタイプのプログラム可能ミラー・アレイを採用する、又は反射マスクを採用する)にすることもできる。
リソグラフィ装置は、2つ(デュアル・ステージ)以上の基板テーブル(及び/又は2つ以上のマスク・テーブル)を有するタイプのものにすることができる。そのような「マルチ・ステージ」の機械では、追加のテーブルを並行して使用することができ、或いは、1つ又は複数のテーブルで準備工程を行い、1つ又は複数の他のテーブルを露光用に使用することができる。
また、リソグラフィ装置は、投影システムと基板との間の空間を充填するように、比較的高い屈折率を有する液体、例えば水によって基板の少なくとも一部を覆うことができるタイプのものにすることができる。浸液は、リソグラフィ装置内の他の空間、例えばマスクと投影システムとの間に適用することもできる。液浸技法は、投影システムの開口数を高める技術分野でよく知られている。本明細書で使用する用語「液浸」は、基板などの構造を液体中に浸漬しなければならないことを意味するのではなく、単に、露光中に投影システムと基板との間に液体が存在することを意味する。
図1を参照すると、照明器ILが、放射源SOから放射ビームを受ける。例えば放射源がエキシマ・レーザであるとき、放射源とリソグラフィ装置を個別の実体とすることができる。そのような場合、放射源は、リソグラフィ装置の一部を形成しているとはみなされず、放射ビームは、例えば適切な方向付けミラー及び/又はビーム拡大器を備えるビーム送達システムBDを用いて、放射源SOから照明器ILに進められる。他の場合には、例えば放射源が水銀ランプであるときには、放射源をリソグラフィ装置の一部分にすることができる。放射源SOと照明器ILを、必要であればビーム送達システムBDと共に、放射システムと呼ぶ場合もある。
照明器ILは、放射ビームの角度強度分布を調節するための調節器ADを備えることができる。一般に、照明器の瞳孔面での強度分布の少なくとも外側及び/又は内側半径範囲(通常、それぞれσ−outer及びσ−innerと呼ばれる)を調節することができる。さらに、照明器ILは、積分器IN及び集光器COなど様々な他の構成要素を備えることができる。照明器を使用して、断面で所望の一様性及び強度分布を有するように放射ビームを調整することができる。
放射ビームBは、支持構造(例えばマスク・テーブルMT)上に保持されたパターン形成装置(例えばマスクMA)に入射し、パターン形成装置によってパターン形成される。マスクMAを通った後、放射ビームBは投影システムPSを通過し、投影システムPSが、ビームを基板Wの目標部分Cに集光する。第2の位置決め手段PW及び位置センサIF(例えば干渉計装置、線形エンコーダ、又は容量センサ)を用いて、例えば放射ビームBの経路内に様々な目標部分Cを位置決めするように、基板テーブルWTを正確に移動させることができる。同様に、第1の位置決め手段PM及び別の位置センサ(図1には明示していない)を使用して、例えばマスク・ライブラリから機械的に取り出した後に、又は走査中に、放射ビームBの経路に対してマスクMAを正確に位置決めすることができる。一般に、マスク・テーブルMTの移動は、第1の位置決め手段PMの一部を形成する長行程モジュール(粗い位置決め)及び短行程モジュール(精密な位置決め)を用いて実現することができる。同様に、基板テーブルWTの移動は、第2の位置決め手段PWの一部を形成する長行程モジュール及び短行程モジュールを使用して実現することができる。(スキャナとは対照的に)ステッパの場合、マスク・テーブルMTを、短行程アクチュエータのみに接続すればよく、或いは固定することもできる。マスクMA及び基板Wは、マスク・アラインメント・マークM1、M2及び基板アラインメント・マークP1、P2を使用して位置合わせすることができる。図示した基板アラインメント・マークは、特定の目標部分に位置しているが、目標部分間の空間内に位置させることもできる(これらは、スクライブ・レーン・アラインメント・マークとして知られている)。同様に、複数のダイがマスクMA上に提供される状況では、マスク・アラインメント・マークをダイの間に位置させることができる。
図示の装置は、以下のモードの少なくとも1つで使用することができる。
1.ステップ・モードでは、マスク・テーブルMT及び基板テーブルWTは本質的に静止して保たれ、放射ビームに与えられた全パターンが一度に目標部分Cに投影される(即ち、ただ1回の静的露光)。次いで、異なる目標部分Cを露光することができるように、基板テーブルWTがX及び/又はY方向に移動される。ステップ・モードでは、露光領域の最大サイズが、ただ1回の静的露光で像形成される目標部分Cのサイズを制限する。
2.走査モードでは、放射ビームに与えられたパターンが目標部分Cに投影される間に、マスク・テーブルMTと基板テーブルWTが同期して走査される(即ち、ただ1回の動的露光)。マスク・テーブルMTに対する基板テーブルWTの速度及び方向は、投影システムPSの拡大(縮小)及び像反転特性によって決定することができる。走査モードでは、露光領域の最大サイズが、ただ1回の動的露光における目標部分の(非走査方向での)幅を制限し、走査運動の長さが、目標部分の(走査方向での)高さを決定する。
3.別のモードでは、放射ビームに与えられたパターンが目標部分Cに投影される間に、マスク・テーブルMTは、プログラム可能パターン形成装置を保持して本質的に静止して保たれ、基板テーブルWTは移動又は走査される。このモードでは、通常、パルス放射源が採用され、プログラム可能パターン形成装置は、基板テーブルWTの毎回の移動後に、又は走査中、連続する放射パルスの合間に、必要に応じて更新される。この動作モードは、上で言及したタイプのプログラム可能ミラー・アレイなどプログラム可能パターン形成装置を利用するマスクレス・リソグラフィに容易に適用することができる。
上述した使用モードの組合せ及び/又は変形態様、或いはまったく異なる使用モードを採用することもできる。
図2に、オーバーレイ測定で広く使用されている現況技術オーバーレイ・マーカー構造を示す。「バーインバー(bar−in−bar)」と呼ばれるこのパターンは、隅がない2つの四角形を成す4本のライン1a〜1d、2a〜2d、いわゆるバーの対を備える。大きな外側のバー1a〜1dは、第1の層に関連付けられ、小さな内側のバー2a〜2dは、第2の層に関連付けられる。典型的には、外側のバー1a〜1dは、下側層にパターン形成され、内側のバー2a〜2dは、下側層の上方にある上側層にパターン形成される。一般に、基板の加工中、下側はより先の段階に、上側はより後の段階にそれぞれ対応する。4つの内側バー(2a〜2d)と外側バー(1a〜1d)との中心位置は、完全な位置合わせを確立するように、即ちオーバーレイがゼロであるように、一致すべきである。しかし、正確な中心位置は、決定するのが困難である。下側層と上側層のパターン形成間の加工ステップにより、両方の層内のオーバーレイ・ターゲットが劣化する場合がある。例えば、CMP(化学機械的平坦化)は、新たな層を提供する前の中間加工ステップとして、基板表面を平坦化するために広く使用されている技法である。しかし、CMPは、パターン構造の不完全性を高める場合がある。例えば、外側バー1aの左の壁の傾斜が右の壁の傾斜と異なるとき、CMPは、外側バー1aの中心位置を変える。したがって、この層内のオーバーレイ・ターゲットの中心位置が変わり、オーバーレイの不正確な限定がもたらされる。
図2に示されるようなオーバーレイ・マーカー構造の使用は、位置合わせすべき層内の構造が異なるとき、一層好ましくないものとなる。これを実証するために、図3a、図3bに模式的に示される、以下のよく知られている層配列を用いる。この構成は、コンタクト・トゥー・ポリ(contact−to−poly)として知られている。この層配列での第1の層13は、表面10の上に構造11、いわゆるポリゲートを備え、表面10は、パターン形成された基板、又はより早い段階で作成された層である。この場合、ポリゲート11は、バー状の構造である。一般に、ポリゲート11は、絶縁のために第1の層13内に埋め込まれる。その後、複数の開口15、いわゆるコンタクト・ホールを備える第2の層14が、保護層13の上に置かれる。電気回路で使用される構成要素であるポリゲート11を操作するために、コンタクト・ホール15は、ポリゲート11の上に置かれなければならず、ホール15は、電気接点として働くように後で金属で充填される。この例では、図3aに示されるように、コンタクト・ホール15がポリゲート11の上に正確に配置されたときに、最良の制御、したがってポリゲート11の所望の位置が確立される。この場合、ポリゲート11を通る中心線12は、コンタクト・ホール15を通る中心線12’と一致する。しかし、現実には、図3bに示されるように、通常は両方の中心線12、12’が重ならない。これらの場合には、オーバーレイ誤差Δとも呼ばれる不整合が存在する。
オーバーレイ誤差は、様々な原因を有する場合がある。加工すべき基板は、何らかの意図されていない並進、回転、傾斜、又はこれらの効果の任意の組合せにより、様々な加工工程中にシフトされる場合がある。基板レベルでのこれらの位置合わせ不良の他に、オーバーレイ誤差は、パターン構造レベルでの位置合わせ不良によって生じる場合もある。投影光学系内の光学素子の特性が、時間と共にわずかに変化する場合があり、例えば投影光学系の倍率が変わる。したがって、パターン構造が、所望のものよりも大きく、又は小さくなる場合がある。さらに、投影ビームと投影光学系内の光学素子との相互作用が、パターン構造の様々な形状及びサイズに関して異なる場合がある。
したがって、オーバーレイ測定システム及び方法は、基板レベルと構造レベルの両方での測定が可能な技法を必要とする。これら2つのレベルに対処する、計測学で通常使用されるよく知られている技法は、位相格子位置合わせである。
図4に、本発明での使用に適合された、従来技術の位相格子位置合わせシステムを示す。位置合わせシステムは、光源20と、少なくとも1つの検出器23とを備え、光源20は、光ビーム21を適切な回折構造22、例えば、基板テーブルWT上に位置する露光すべき基板W上にある位相格子を備えるオーバーレイ・マーカー構造に向ける。検出器23は、(マイクロ)プロセッサ24に接続される。光ビーム21は、基板Wの表面上に位置決めされた回折構造22で、+1、−1、+2、及び−2など複数の回折次数に回折される。光ビーム21は、図4に示されるように基板Wに垂直に向けることができ、しかし、ある角度で基板Wに向けることもできる。次いで、位相格子位置合わせシステムは、対応する回折次数の各組(例えば+1と−1)を使用して、基準プレート26上に回折構造22の像を形成することができる。基準プレート26は、測定される対応する回折次数の各組に関する基準格子を備える。各基準格子の後方に、基準格子を通過する像の放射の強度を測定するために、別個の検出器23が配置される。基準プレートに対して回折構造22を移動させることによって、1つ又は複数の像に関する最高強度を有する位置が見出され、これが、位置合わせされた位置を与える。位置合わせシステムの性能は、いわゆる「Athenaセンサ」(J.H.M.Neijzen他、「Improved Wafer Stepper Alignment Performance using an Enhanced Phase Grating Alignment System」、Proceedings SPIE、vol.3677(1999)、pp.382−394)で行われるように、2つの波長を採用することによってさらに向上させることができる。
一般に、位相格子位置合わせシステムの光源20によって放出される光ビーム21の波長は、基板Wにパターンを投影するためにリソグラフィ装置によって採用される放射の露光ビームの波長よりも大きい。位相格子位置合わせシステムは、典型的には、400〜700nmの間の波長を有する光を使用する。例えば、Athenaセンサは、それぞれ約533nm(緑)及び633nm(赤)の波長を有する2つの光ビームを使用する。他方、光リソグラフィ装置は、一般に、紫外(UV)、例えば約365、355、248、193、157、又は126nmから、下へ極端紫外(EUV)、約5〜20nmまでの範囲の波長を有する光を使用する。
図5a、図5b、図5cに、事前定義された方向でのコンタクト・ホール15の位置xの関数としての光学位相深さΦ(x)(右側)と合わせて、図3aで説明し、図示したポリゲート11及びコンタクト・ホール15の様々な構成の断面図を模式的に示す。光学位相深さは、両方の構造の重畳とみなすことができる。これは、光が向けられる材料の深さ、及びその材料の屈折率に線形に依存し、使用される光の波長に反比例する。図5aでは、両方の構造11、15が完全に位置合わせ不良である。その結果、光学位相深さΦ(x)は、Φで一定である。ポリゲート11の縁部では、即ちポリゲート11の縁部はコンタクト・ホール15の下にあり、Φ(x)=Φである。ポリゲート11の縁部がコンタクト・ホール15の下にあるとき、Φ(x)は、図5bに示されるように、位置xに強く依存する。図5cに示されるように両方の構造が位置合わせされているとき、光学位相深さΦ(x)は、レベルΦで、この場合も一定である。一般に、複数のポリゲート11とコンタクト・ホール15とが、互いに重なって位置決めされる。ピッチ、即ち、同一構造の2つの隣接する組、例えば構造11、15の組の間の距離は、実質的に同じであり、同じ位置オフセットを有する複数の前述した構成が作成される。ここで、位置xの関数としての光学位相深さΦ(x)の変動は、複数の前述したポリゲート11及びコンタクト・ホール15を設けられた領域内部の反射率の変動に換言することができる。この特性を、本発明で使用する。
図6a、図6b、図6cに、本発明の第1の実施例によるオーバーレイ・マーカー構造の一例を示す。これは、異なる層内の複数の構造の前述した重畳に起因する異なる反射率を有する領域を交互配置することによって回折マーカー構造を作成することにより、前述した反射率の特性を使用する。マーカー構造は2つの周期構造を備える。第1の周期構造は、(図6aに示される)第1の層30内に提供され、第2の周期構造は、(図6bに示される)第2の層31内に提供され、第2の層31は、図6cに示されるように第1の層30の上方に位置決めされる。第2の層31は、第1の層30の上に直接位置させることができる。しかし、第1の層30と第2の層31との間に、1つ又は複数の中間層を設けることもできる。当業者には知られているように、1つ又は複数の中間層は、第1の層30内部の構造を保護することができ、又は両方の層30、31内のパターン・フィーチャ間の十分な電気結合を保証することができる。
この例では、第1の周期構造は、周囲とは異なる反射面を有する複数の四角形32を備え、これは、四角形32の内部領域に網掛けしないことによって示されている。この例の第2の周期構造は、複数の四角形開口33を有する層を備える。開口33の位置で、層は、開口の周囲とは異なる光学特性を有し、これは、四角形開口33の内部領域に網掛けしないことによって示されている。
図6cに示されるように互いに重なって、2つの層30、31は、オーバーレイ・マーカー構造37を形成する。構造の相違により、異なる光学特性を有する2つの領域35、36が形成される。これら2つの領域35、36が反復して形成されるので、格子構造が作成される。例えば位相格子位置合わせシステムを使用することによって格子で行われる測定の結果を用いることにより、オーバーレイ誤差を求めることができる。好ましくは、四角形32及び四角形開口33は、リソグラフィ装置自体を使用して、即ち400nmよりも小さい露光ビームの波長を使用して生成される。したがって、四角形32及び四角形開口33は、リソグラフィ装置の「解像度範囲内」であると言うことができる。しかし、格子構造は、「解像度範囲内」ではない。格子構造は、「巨視的」寸法、即ち、リソグラフィ装置によって採用される露光波長を上回る典型的な長さをもつ寸法を有する。その代わり、格子構造の寸法は、典型的には400〜1000nmの間の波長を有する光を使用する位相格子位置合わせシステムに適している。
図示されているフィーチャの形状は、単に本発明を説明するために選択されており、本発明の範囲を限定するものではないことを理解しなければならない。本発明の主要な利点は、多くの他の形状が可能であることである。第1の層30は、例えば、概ね長方形の形状を有する複数のポリゲート11を備える周期構造を備えることができる。第2の層31は、例えば「バイア層」、即ち、概ね円形を有する複数のコンタクト・ホール15を備える層にすることができる。両方の層30、31が、解像度範囲内の、即ちリソグラフィ・システムを用いて一般に作成されるパターン・フィーチャと同じ寸法を有するパターン・フィーチャを有する周期構造を備えることができることに留意されたい。したがって、実際の集積回路構造の一部分でさえ、周期的であるときには、適切な周期構造となる場合がある。したがって、「巨視的」寸法を有する回折構造に対して、オーバーレイ誤差を求めるために当技術分野で知られている測定技法を使用することが可能であり、位置合わせすべき両方の層には、「解像度範囲内」のパターン・フィーチャが設けられている。さらに、本発明のオーバーレイ・マーカー構造は、中間加工ステップによる「解像度範囲内」のパターン・フィーチャの劣化が、「巨視的」回折構造の回折特性に対して無視できる影響しか有さず、したがってオーバーレイ誤差の正確な限定をもたらすというさらなる利点を有する。さらに、第1の層には、図6bに示される第2の周期構造が設けられ、第2の層には、図6aに示される第1の周期構造が設けられる場合、やはり、本発明の一実施例による回折構造が形成されることに留意しなければならない。
図6cは、水平方向での格子を示す。本発明の格子を、垂直又は斜め方向に向けることもできることを理解しなければならない。さらに、当業者には簡単に理解できるように、本発明のオーバーレイ・マーカー構造は、同様の様式で形成された水平、垂直、及び斜めの格子の組合せを備える場合もある。
図7に、オーバーレイ誤差Δの関数として、位相格子位置合わせシステムなどの光学検出装置によって測定される信号強度、例えば1つ又は複数の回折次数の強度を表すグラフを示す。図6cに示されるものと同様の、即ちオーバーレイ誤差がゼロのオーバーレイ・マーカー構造は、鋭い縁部と完全な周期性とを有する回折構造、この場合は格子を備え、最大信号強度を生じる。しかし、2つの層30、31の間のオーバーレイ誤差Δは、例えば図8aに示されるように異なる回折構造をもたらし、図8aは、所課のオーバーレイ誤差Δimpを与えられた本発明のオーバーレイ・マーカー構造を示す。したがって、回折次数はあまり明確でなくなり、それゆえ、光学検出装置を用いて測定される信号強度は、より小さくなる。
図6cに示される単一オーバーレイ・マーカー構造に前述のオーバーレイ測定技法を適用することは、大きな欠点を有する。これは、オーバーレイ誤差Δに関する絶対値しか求めることができない。単一の測定では、測定されたオーバーレイ誤差が確立されている方向が判明しない。したがって、2つの層30と31の位置合わせ誤差を補正すべき方向が分からない。例えば、光学検出装置によって測定される信号強度は、図7に示されるRである。このとき、信号強度の低下を引き起こしている可能性がある2つの対応するオーバーレイ誤差、即ち+Δと−Δが存在する。
この不確定性の問題を回避するために、所課のオーバーレイ誤差Δimpを有する第2のオーバーレイ・マーカー構造、例えば図8aに示される本発明の第2の実施例によるオーバーレイ・マーカー構造38を提供することができる。例えば、図7で測定されているオーバーレイ・マーカー構造を再び考察されたい。所課のオーバーレイ誤差+Δimpの適用は、異なる測定信号強度を生じる。正のシフトは、新たな構成の測定信号強度が、曲線上で矢印の方向に、即ち図7の元の測定結果の右側にあることを意味する。ここで、測定信号強度が増加する場合、2つの層30、31の間の元のオーバーレイ誤差は−Δであったことになり、信号強度の低下は、元のオーバーレイ誤差が+Δであったことを示す。したがって、オーバーレイ・マーカー構造37、38の併用、すなわち、異なる所課のオーバーレイ誤差Δimpを有するより多くのオーバーレイ・マーカー構造38の使用は、2つの層30、31の間のオーバーレイ誤差Δの絶対値と「符号」との両方の限定を可能にする。したがって、オーバーレイ誤差の補正がより簡単になる。
図6a、図6b、図6c、及び図8a、図8bで、マーカー構造を形成するために使用される要素は、どちらも四角形である。しかし、図示された実施例では、格子の方向に垂直なシフトも、マーカー構造の回折特性を変える。現実には、ポリゲート11は長方形である。そのようなポリゲート11の上にコンタクト・ホール15が位置決めされるとき、セグメントが交互配置される方向が、ポリゲート11の幅に対応し、それに垂直な方向が、ポリゲート11の長さに対応する。そのため、信号強度は、セグメントが交互配置される方向で、それに垂直な方向よりもシフトの影響を受けやすい。したがって、それぞれが別の方向で最適な感度を有する少なくとも2つのマーカー構造を提供することが有益である。これらの方向は、互いに垂直であることが好ましい。
それぞれ図6c及び図8aに示されるオーバーレイ・マーカー構造37、38を組み合わせて、本発明の第3の実施例によるオーバーレイ・マーカー構造の一例を図示する図8bに示される単一オーバーレイ・マーカー構造40を形成することもできる。当然、この場合も、異なる所課のオーバーレイ誤差を有する2つ以上のオーバーレイ・マーカー構造38を組み合わせて、単一のマーカー構造(図示せず)を形成することもできる。オーバーレイ・マーカー構造40は、2つのセグメント41、42を備える。セグメントの数は、単に本発明のこの実施例を説明するために選択されていることを理解しなければならない。したがって、本発明のこの実施例によるオーバーレイ・マーカー構造は、2つよりも多くのセグメント、例えば3つ、4つ、又はそれよりも多くのセグメントを備えることができる。両方のセグメント41、42において、前に説明した本発明に従った様式で回折構造が形成される。各セグメント内部で、異なる所課のオーバーレイ誤差Δimpが課せられ、セグメント毎に異なる回折構造を生み出す。例えば、図8bに示されるオーバーレイ・マーカー構造40のセグメント41は、図6cのオーバーレイ・マーカー構造37の回折構造と同様の回折構造を備える。オーバーレイ・マーカー構造40のセグメント42は、図8aのオーバーレイ・マーカー構造38の回折構造と同様の回折構造を備える。当技術分野で知られている形での、位相格子位置合わせシステムを用いた単一オーバーレイ・マーカー構造40内部のこれらの異なる回折構造での測定は、その「符号」も含めたオーバーレイ誤差Δの限定を可能にする。いくつかのセグメントを有する単一マーカー構造の使用は、単一の位相格子位置合わせを使用して短期間で測定を行うことができるという利点を有する。
リソグラフィ加工では、オーバーレイ誤差をできるだけ早期に求め、さらに、早い段階での工程で位置合わせ不良を補償することができることが望ましい。一般に、2つの層の間のオーバーレイは、いくつかの種類の計測学技法を採用することによって、オフラインで、いくつかの基板を加工した後に求められる。
しかし、本発明のオーバーレイ・マーカー構造は、多層基板内の層を位置合わせするための方法をより早期の開発段階で使用できる可能性を開く。この方法は、オーバーレイ誤差の値及び方向の正確な算定をせずにオーバーレイ誤差を補償することによって、デバイス歩留まりの向上を可能にする。この方法では、多層基板に提供される少なくとも2つの異なる回折構造、例えば格子での測定が、光学検出装置、例えば図4に示される位相格子位置合わせシステムを用いて行われる。回折構造間の相違は、回折構造毎に異なる所課のオーバーレイ誤差Δimpに起因する。回折構造は、多層基板上で別個の位置に位置された別個のオーバーレイ・マーカー構造によって提供することができる。例えば、それぞれ図6c及び図8aに示されるオーバーレイ・マーカー構造37、38などのオーバーレイ・マーカー構造を使用することができる。しかし、図8bに示されるオーバーレイ・マーカー構造40などの単一オーバーレイ・マーカー構造によって、様々な回折構造を提供することもできる。当然、前述の選択肢の任意の組合せも可能である。この方法では、異なる回折構造での測定を使用して、所課のオーバーレイ誤差と、差分信号強度、即ち、完全に位置合わせされた層を備えるオーバーレイ・マーカー構造で得ることができる最大信号強度から、図7に関連して説明した技法によって符号の分だけ補償された測定信号強度を引いた値との関係を確立する。回折構造毎の所課のオーバーレイ誤差の関数として測定毎の差分信号強度をプロットすることによって、図9に示されるデータ・プロットを得ることができる。何らかの種類の線形化技法、例えば最小二乗法を使用することによって、図9に示されるラインを求めることができる。このラインは、2つのパラメータ間の測定された関係を表す。図7から分かるように、最大信号強度が、ゼロのオーバーレイ誤差に対応する。したがって、描かれたラインが水平軸と交差する点で、オーバーレイ誤差がないと考えられる。
本発明は、図10の概略ブロック図に示される手順に従って、リソグラフィ・システムにおいて多層基板内の層の位置合わせを制御するための方法にこの技法を適用する。まず、アクション51で、それぞれが異なる回折構造を備える少なくとも2つのマーカー領域を備える多層基板が提供される。回折構造は、少なくとも2つの別個の層に存在する周期構造を互いに重ねて組み合わせることによって形成される。回折構造間の相違は、少なくとも2つの別個の層の少なくとも2つの周期構造間の異なる所課のオーバーレイ誤差に起因する。前述したマーカー領域が互いに隣接するとき、各マーカー領域が、図6cに示される単一マーカー構造のセグメントを成すことができる。次いで、アクション52で、光学検出装置、例えば図4に示される位相格子位置合わせシステムが、すべての回折構造に関して、信号強度など回折パターンの特性を測定する。続いて、アクション53で、処理ユニット、例えば図4のマイクロプロセッサ24で、何らかのタイプの線形化技法、例えば最小二乗法を使用することによって、差分信号強度と、所課の事前定義オーバーレイ誤差Δimpとの関係が求められる。次いで、処理ユニットは、アクション54で、最大信号強度が達せられた際の所課のオーバーレイ誤差に関する値を識別する。次いで、識別された値が、アクション55で、位置合わせ制御ユニット、例えば図4の制御ユニット25にフィードバックされ、この位置合わせ制御ユニットが、最後にアクション56で、処理ユニットによって識別された値に従って、位置合わせすべき2つの層の位置合わせ設定を適合させる。
本発明の説明を、ここまで、それぞれ異なる周期構造を有する2つの層がコンタクト・トゥー・ポリ構造を形成する例を用いて述べてきた。本発明がこの構造に限定されないことを理解しなければならない。多くの他の構成が、本発明から利益を得ることができる。例えば、銅ダマシン層でのオーバーレイを改良するために本発明を使用することもできる。これを実証するために、図11a〜図11cに、本発明によるオーバーレイ測定に適した銅ダマシン・プロセスで形成された構造体の断面図及び2つの上面図をそれぞれ示す。構造体は、いくつかの層が設けられた基板を備える。典型的には、図11aに示されるように、基板は、とりわけ第1のバイア層60によって覆われ、バイア層60の上に、パターン形成された第1の金属層61が設けられている。続いて、第2のバイア層62及び第2の金属層63が形成され、最後に、層60〜63の前述した積層の上に、パターン形成されたレジスト層64が作成される。
図11bの上面図で容易に見ることができるように、層の配列は、異なる光学特性を有する交互配置領域65、66を形成し、したがって、図6cに示されるのと同様の様式で、周期Dを有する格子を形成する。図11cは、第1の金属層61に対するレジスト層64のシフトの結果を示す。形成された格子の特性が変わる。
ゲート・トゥー・ポリ構造に関して前に説明したのと同様の方法で、オーバーレイ誤差を求めて、補正することができる。
本発明は、リソグラフィ装置において、オンラインとオフラインどちらでも採用することができる。さらに、本発明は、一方向で回折格子を有するマーカー構造に関する例に関連して説明される。一般に、同様のマーカー構造を回折格子に関して異なる方向で使用することができ、例えばx方向に関して1つのマーカー構造を使用し、y方向に関して1つのマーカー構造を使用することができることを理解しなければならない。
本明細書では、ICの製造でのリソグラフィ装置の使用に特に言及しているが、本明細書で説明したリソグラフィ装置が、集積光システム、磁区メモリ用の誘導及び検出パターン、フラットパネル・ディスプレイ、液晶ディスプレイ(LCD)、薄膜磁気ヘッドなどの製造など、他の用途を有する場合もあることを理解されたい。そのような他の用途の文脈では、本明細書における用語「ウェハ」又は「ダイ」の使用を、それぞれより一般的な用語「基板」又は「目標部分」と同義と考えることができることを当業者は理解されよう。本明細書で言及した基板は、露光前又は露光後に、例えばトラック(典型的には、レジストの層を基板に塗布し、露光されたレジストを現像するツール)、測定ツール及び/又は検査ツールで加工することができる。該当する場合には、本明細書における開示を、そのような基板加工ツール、及びその他の基板加工ツールに適用することができる。さらに、例えば多層ICを作成するために基板を複数回加工することもでき、したがって、本明細書で使用する用語「基板」は、複数回加工された層をすでに含む基板を表す場合もある。
上では、光リソグラフィの文脈での本発明の実施例の使用に特に言及してきたが、本発明は、他の用途、例えばインプリント・リソグラフィで使用することもでき、文脈が許す限り、光リソグラフィに限定されないことを理解されたい。インプリント・リソグラフィでは、パターン形成装置でのトポグラフィが、基板上に作成されるパターンを画定する。パターン形成装置のトポグラフィは、基板に供給されるレジストの層にプレスすることができ、その後、レジストは、電磁放射、熱、圧力、又はそれらの組合せを加えることによって硬化される。パターン形成装置はレジストから外されて、レジストが硬化した後にレジストにパターンが残る。
本明細書で使用する用語「放射」及び「ビーム」は、紫外(UV)放射(例えば、波長が約365、355、248、193、157、又は126nm)及び極端紫外(EUV)放射(例えば、波長が5〜20nmの範囲内)、並びにイオン・ビームや電子ビームなどの粒子ビームを含めたすべてのタイプの電磁放射を包含する。
用語「レンズ」は、文脈が許す限り、屈折、反射、磁気、電磁気、及び静電気光学構成要素を含めた様々なタイプの光学構成要素の任意の1つ又は組合せを表す場合がある。
用語「格子」に特に言及する場合があるが、周期構造の組合せによって任意のタイプの回折構造を形成することができる。
本発明の特定の実施例を上述してきたが、説明した以外の形で本発明を実施することもできることを理解されたい。例えば、本発明は、上で開示した方法を記述する機械可読命令の1つ又は複数のシーケンスを含むコンピュータ・プログラム、又は内部にそのようなコンピュータ・プログラムが記憶されたデータ記憶手段(例えば半導体メモリ、磁気又は光ディスク)の形を取ることができる。
上の説明は例示の意図のものであり、限定を加えるものではない。したがって、特許請求の範囲から逸脱することなく、説明した本発明に変更を加えることができることは当業者に明らかであろう。
本発明の一実施例を使用することができるリソグラフィ装置を示す図。 現況技術オーバーレイ・マーカー構造を示す図。 位置合わせされたコンタクト・トゥー・ポリ構成の断面図。 位置合わせ不良のコンタクト・トゥー・ポリ構成の断面図。 本発明の一実施例に適合された従来技術の位相格子位置合わせシステムを示す図。 様々なオーバーレイ誤差を有するコンタクト・トゥー・ポリ構成の断面図(左側)と、それに対応する、複数の同様の構成の光学位相深さに対する影響(右側)とを示す図の1つ。 様々なオーバーレイ誤差を有するコンタクト・トゥー・ポリ構成の断面図(左側)と、それに対応する、複数の同様の構成の光学位相深さに対する影響(右側)とを示す図の1つ。 様々なオーバーレイ誤差を有するコンタクト・トゥー・ポリ構成の断面図(左側)と、それに対応する、複数の同様の構成の光学位相深さに対する影響(右側)とを示す図の1つ。 本発明の第1の実施例によるオーバーレイ・マーカー構造の一例の内部にある第1の層を示す図。 本発明の第1の実施例によるオーバーレイ・マーカー構造の一例の内部にある第2の層を示す図。 互いに重なった図6a、図6bの第1の層と第2の層との上面図。 オーバーレイ誤差の関数として測定信号強度を表すグラフ。 本発明の第2の実施例によるオーバーレイ・マーカー構造の一例を示す図。 本発明の第3の実施例によるオーバーレイ・マーカー構造の一例を示す図。 いくつかの事前定義された所課のオーバーレイ誤差に関する、計算された差分信号強度のデータ・プロット(点)と、これら2つのパラメータの間の測定された関係を定義する線グラフとを示す図。 本発明による多層基板内の層の位置合わせを制御するための方法を説明する概略ブロック図。 銅ダマシン・プロセスで形成された構造の断面図。 銅ダマシン・プロセスで形成された構造の上面図。 銅ダマシン・プロセスで形成された構造の上面図。

Claims (13)

  1. 少なくとも2つのマーカー領域を有し、
    各マーカー領域は、第1の周期構造がパターン形成された下側の第1の層と、前記第1の層よりも上側であって、前記第1の周期構造とは異なる第2の周期構造がパターン形成された第2の層とを有し、
    前記第1の周期構造と第2の周期構造との組合せにより異なる光学特性を有する2つの領域が反復して形成されて、各マーカー領域内で回折構造が形成され、第1及び第2の周期構造が、各マーカー領域内において所定の方向で所定の量だけ互いに異なってシフトされており、
    前記第1及び第2の周期構造の少なくとも一方が少なくとも1つの方向で400nmよりも小さい寸法を有する複数のフィーチャの周期構造を備える、
    マーカー構造。
  2. 前記第1及び第2の周期構造の一方が複数の開口の周期構造を備える、請求項1に記載のマーカー構造。
  3. 前記第1及び第2の層の一方がデバイス構造の周期構造を有するデバイス層である、請求項1に記載のマーカー構造。
  4. 前記第1及び第2の層の一方が複数のコンタクト・ホールの周期構造を有するコンタクト層であり、他方が複数のゲートの周期構造を有するデバイス層である、請求項1に記載のマーカー構造。
  5. 前記第1の層と前記第2の層との間に、少なくとも1つのパターン形成されていない中間層をさらに備える、請求項1に記載のマーカー構造。
  6. 請求項1のマーカー構造を製造するための方法であって、
    基板を提供する工程と、
    前記基板に第1の層を設け、前記第1の層に前記第1の周期構造をパターン形成する工程と、
    前記第1の層の上に第2の層を設け、前記第2の層に前記第1の周期構造とは異なる前記第2の周期構造をパターン形成する工程と
    を含む方法。
  7. 前記第2の層を設ける前に、少なくとも1つの中間層を設ける工程をさらに含む、請求項6に記載の方法。
  8. リソグラフィ・システムにおいて、少なくとも下側の第1の層と上側の第2の層とを備える多層基板の層の位置合わせを制御するための方法であって、
    前記基板上に少なくとも2つのマーカー領域を設ける工程であって、各マーカー領域内で、前記第1の層には第1の周期構造がパターン形成され、前記第2の層には前記第1の周期構造とは異なる第2の周期構造がパターン形成され、前記第1の周期構造と第2の周期構造との組合せにより異なる光学特性を有する2つの領域が反復して形成されて、各マーカー領域内で回折構造が形成され、第1及び第2の周期構造が、各マーカー領域内において所定の方向で所定の量だけ互いに異なってシフトされている工程と、
    電磁放射を用いて各回折構造を照明し、前記回折構造から回折された放射の信号強度を検出する工程と、
    各回折構造の前記検出された信号強度を、得ることができる最大の信号強度と比較することによって、各回折構造に関する差分信号強度を計算する工程と、
    線形化技法を採用することによって、すべての回折構造での差分信号強度の計算値に基づいて、前記第1及び第2の周期構造の互いに関するシフトと差分信号強度との関係、並びにそれに対応する前記シフトの所定の方向及び量を求める工程と、
    事前定義されたシフトと差分信号強度との前記求められた関係に基づいて、差分信号強度が最大値に達する際のシフトを計算する工程と、
    前記シフトに関する前記計算値に、前記リソグラフィ・システムの位置合わせ設定を適合させる工程と
    を含む方法。
  9. 前記少なくとも2つのマーカー領域が互いに隣接し、単一のマーカー構造を形成する、請求項8に記載の方法。
  10. 前記第1及び第2の周期構造の一方には開口の周期構造が設けられている、請求項8に記載の方法。
  11. 前記採用される線形化技法が最小二乗法である、請求項8に記載の方法。
  12. パターン形成装置から基板にパターンを転写する工程を含むデバイス製造方法であって、連続する層の位置合わせが、請求項8の方法を使用することによって行われるデバイス製造方法。
  13. パターン形成装置から基板にパターンを投影するように構成されたリソグラフィ・システムであって、前記リソグラフィ・システムが位置合わせ制御ユニットを備え、前記位置合わせ制御ユニットが、請求項8に記載のシフトの限定、シフトの計算、及び位置合わせ設定の適合を行うことによって、前記リソグラフィ・システムによってパターン形成された連続する層の間の位置合わせを制御するリソグラフィ・システム。
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