JP4704332B2 - パラメータ変動性分析による焦点の中心の決定 - Google Patents

Description

本発明は、フォトレジストリソグラフィックウェハ加工などのリソグラフィ用途における焦点の中心の決定を含み、ウェハの異なる領域に位置する複数の回折構造の測定値の変動を分析することによりリソグラフィ装置および用途のパラメータを決定する方法、およびかかる決定を使って加工および品質管理を行う方法に関する。

本願は、２００３年４月１０日に出願された「リソグラフィック用途における焦点の中心の決定」という名称の米国仮特許出願シリアル番号６０／４６２，３５３号の恩恵を主張するものである。この仮出願の明細書は本願において参考文献として援用される。

以下の説明は（単数または複数の）著者による多数の発行文献および発行年度を参照している点、およびある発行文献については発行日が最近であるため本発明に対する従来技術だとみなすべきでない点に留意すること。本願におけるかかる発行文献の説明は背景をより完全なものとするためになされるものであり、かかる発行文献が特許性を決定するための従来技術であると認めるためになされていると解釈すべきではない。

リソグラフィは半導体、光学、および関連産業においてさまざまな有用な用途を持っている。リソグラフィはウェハ上に形成される集積回路ならびに平面型表示装置、ディスクヘッドなどの半導体装置の製造に使用される。１つの用途では、リソグラフィはマスクまたはレチクルのパターンを立体的に変動する光を介して基板上のレジスト層に転写するのに使用される。そしてレジスト層は現像され、露光されたパターンが取り除かれる（ポジティブレジスト）または残る（ネガティブレジスト）かのいずれかによりレジスト層に三次元イメージパターンが形成される。しかしながら、フォトレジストリソグラフィに加えて他の形態のリソグラフィも採用される。

１つのリソグラフィの形態では、特に半導体産業で使われるものであるが、ウェハステッパが採用される。これは典型的には絞りレンズおよび照明光源、ウェハステージ、レチクルステージ、ウェハカセット、および作業者ワークステーションを備えるものである。現代のステッパ装置はポジティブおよびネガティブレジスト法の両方を採用し、元のステップアンドリピートフォーマットかステップアンドスキャンフォーマットのいずれか、または両方を利用する。

フォトレジストリソグラフィを利用するレジスト層などにおける現像イメージパターンの品質は露光および焦点で決まる。露光は単位領域あたりのイメージの平均エネルギーを決定するもので、照明時間および強度により設定される。焦点は、焦点内イメージに対する変動の減少を決定するものである。焦点は画像システムの焦点面に対するレジスト層の表面の位置によって設定される。

露光および焦点の局所的変動はレジスト層厚さの変動、基板トポグラフィ、およびリソグラフィ器具焦点ずれによって生じ得る。露光および焦点は変動する場合があるためリソグラフィを介して生み出されるイメージパターンをモニタリングしてパターンが許容誤差範囲内にあるかどうかを決定する必要がある。リソグラフィ加工を使ってサブミクロンの線を作成している場合、焦点および露光の制御は特に重要である。

ステッパおよび類似のリソグラフィ器具の焦点を決定するのにさまざまな方法および装置が使用されてきた。走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）および類似の装置が採用される。しかしながら、ＳＥＭ計測は０．１ミクロン単位で特徴を解像できるがプロセスに費用がかかり、高真空チャンバを必要とし、作業が比較的ゆっくりで自動化が困難である。光学顕微鏡を採用することもできるが、サブミクロン構造に必要な解像力は持っていない。他の方法としては、米国特許第５，７１２，７０７号、第５，９５３，１２８号および第６，０８８，１１３号に開示されているように特定のターゲットおよび試験マスクの現像がある。米国特許第５，９５２，１３２号に開示されているようにオーバーレイエラー法もまた公知である。しかしながらこれらの方法はやはりＳＥＭ、光学顕微鏡、または類似の直接測定装置の使用を必要とする。

超小型電子および光学電子半導体材料、コンピュータハードディスク、光学ディスク、精密研磨光学構成部材、および他の数十ミクロンから十分の一ミクロン未満の範囲の側面寸法を持つ材料の超小型構造を特徴づけるのにさまざまなスキャタロメータおよび関連装置、および測定法が使われてきた。例えば、Ａｃｃｅｎｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社が製造販売しているＣＤＳ２００スキャタロメータは完全自動化非破壊限界寸法（ＣＤ）測定および側断面分析システムであり、米国特許第５，７０３，６９２号に部分的に開示されている。この装置は１ｎｍ未満の限界寸法を繰り返し解像できるとともに同時に側断面を決定し層厚み評価を行うものである。この装置は一般的な回折光の強度をモニタする。この一般的な回折光の強度は必ずしも強度に制限されるわけではなく照明光線の入射角の関数としての単一の回折等級を含み得る。この方法では０番目または鏡面等級ならびにサンプルからのより高い回折等級の強度変動をモニタでき、これにより、照明の当てられているサンプルターゲットの特性を決定するのに役立つ情報が提供される。サンプルターゲットを製造するのに使われるプロセスでサンプルターゲットの特性が決まるため、情報もまたプロセスの間接的なモニタとして役立つ。この方法論は半導体加工の文献に記載されている。米国特許第４，７１０，６４２号、５，１６４，７９０号、５，２４１，３６９号、５，７０３，６９２号、５，８６７，２７６号、５，８８９，５９３号、５，９１２，７４１号、および６，１００，９８５号に示されているものをはじめとしてスキャタロメータ分析のための多数の方法および装置が教示されている。

最良の焦点を決定するための他の技術では位相変移技術（Ｒ． Ｅｄｗａｒｄｓ， Ｐ． Ａｃｋｍａｎｎ， Ｃ．Ｆｉｓｃｈｅｒ，“Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｕｔｏｆｏｃｕｓ Ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｎ ＡＳＭＬ Ｓｔｅｐｐｅｒｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｆｏｃｕｓ Ｍｏｎｉｔｏｒ Ｒｅｔｉｃｌｅ”， Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ Ｖｏｌ． ３０５１， ｐｐ ４４８−４５５， １９９７）に基づく特別に設計されたレチクルを使う。特性が最良の焦点からさらに撮影されるにつれて、レチクルから印刷されたイメージがより非対称となりより多くの側面イメージずれを持つ。これらのイメージはオーバレイ測定で使われるもののようなイメージベースの計測器具を使って分析できる。

最良の焦点を決定する他の技術としてはライン短縮技術があり、これは「シュニッツエルメトリ（ｓｃｈｎｉｔｚｌｏｍｅｔｒｙ）」（Ｃ． Ｐ． Ａｕｓｓｃｈｎｉｔｔ， Ｍ． Ｅ． Ｌａｇｕｓ， “Ｓｅｅｉｎｇ ｔｈｅ ｆｏｒｅｓｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｒｅｅｓ： ａ ｎｅｗ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ＣＤ ｃｏｎｔｒｏｌ”， Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ Ｖｏｌ． ３３３２， ｐｐ． ２１２−２２０， １９９８）としても知られている。この方法は比較的大型のＣＤ（３ミクロンまで）ライン／空間アレーを使い、この場合２つのアレーを互いに隣接して配置する。構造が焦点および／または線量を介して印刷されるにつれて、ライン自体が短縮されアレー間の空間が広げられる。この空間はオーバレイ測定で使われるもののようなイメージをベースとする計測器具を使って測定できる。

最良の焦点を決定するのにより広範囲で使用されている技術の１つとしていわゆる「Ｂｏｓｓｕｎｇ ｐｌｏｔ」法がある。焦点を介して印刷された選択された特徴のＣＤをＣＤ−ＳＥＭまたはスキャタロメータのようなＣＤ計測器具により測定する場合、得られる傾向は通常放射線状である。放射線状曲線をＣＤ傾向にあてはめて曲線の傾斜がゼロになる場所をつきとめることで最良の焦点が識別される。これらの曲線はＢｏｓｓｕｎｇ ｐｌｏｔとして知られている。Ｂｏｓｓｕｎｇ法の利点の１つは最良の焦点条件に加えてプロセスの実際のＣＤが定量化されることである。しかしながらこの方法はある特定のプロセス条件については常に堅牢というわけではなく、このことで最良の焦点を決定することが困難となり、自動化した方法での実現が困難となっている。さらに、この方法をＣＤ−ＳＥＭとともに使用した場合、測定がラインの側壁角度の変化に影響される場合がありこれにより偏った結果が生み出される場合がある。

スキャタロメータおよび関連装置はさまざまな操作方法を採用できる。１つの方法では、単一で公知の波長源が使われ、入射角θが所定の連続的な範囲にわたって変動される。他の方法では、多数のレーザー光線源が採用され、必要に応じてそれぞれ異なる入射角θとされる。さらに他の方法では、入射広域スペクトラル光源が使われ、いくつかの波長範囲から照射される入射光および入射角θは必要に応じて一定に保たれる。可変位相光成分もまた公知であり、得られた回折位相を検出するための検出器を備えた状態で光学部品類およびフィルタを利用して広範囲の入射位相を生み出す。可変偏光状態光成分を採用することもまた可能であり、光学部品類およびフィルタを利用してＳ成分からＰ成分へと偏光を変化させる。入射角をφ範囲にわたって調整することも可能であり、光または他の放射源をターゲット領域の周りで回転させるようにするか、あるいはターゲットを光または他の放射源に対して回転させるようにする。このようなさまざまな装置のいずれのもの、およびそれらの組み合わせまたは並べ換えを利用することによってサンプルターゲットについての回折符号を得ることができまた知ることができる。

スキャタロメータ装置以外にも、検出器によって捉えられた光によって回折構造を介して反射または透過できる光ベースの源を使って０番目の等級またはより高い回折等級の回折符号を決定する装置および方法が他にもある。これらの他の装置および方法はスキャタロメータに加えてエリプソメータおよびリフレクトメータを備えている。例えばＸ線のような他の放射源を使って光ベースでない回折符号が得らえることもまた知られている。

従来技術ではさまざまなサンプルターゲットが知られている。簡素で一般的に使用されているターゲットは回折格子であり、本質的には一連の周期的ラインであり、他の比率も公知であるが典型的には約１：１から１：３の間の幅対間隔の比率を持っている。例えば１：３の比率の典型的な回折格子は４００ｎｍの全ピッチ（幅プラス空間）に対してライン幅が１００ｎｍで空間が３００ｎｍである。幅およびピッチはリソグラフィプロセスの解像度の関数であり、従ってリソグラフィプロセスがより小さな幅およびピッチを可能とするにつれて、幅およびピッチは同様に小さくなる。回折技術は現在典型的に採用されているものよりも実質的に小さい幅および／またはピッチを含めどのような実行可能な幅およびピッチとでも一緒に採用できる。２００２年９月１９日公開の米国特許出願公開第ＵＳ２００２／０１３１０５５号に開示されているような二重周期および他の複数周期構造もまた公知である。米国特許第６，４２９，９３０号に開示されているような三次元格子または構造もまた公知である。従って、回折構造は１つより多くの周期を持っていてよく、または孔、正方形、柱などラインおよび空間以外の構成素子からなっていてもよい。本願で記載している方法および特許請求の範囲については隔離特性または一連の特性のような非周期的構造からの回折を採用してよいことも公知である。

回折構造は典型的にはウェハ上の金型内に公知のパターンで分散している。当該分野では、単一のウェハ上で複数の金型（または露光領域）を採用することが知られている。各回折構造は、異なる焦点設定または異なる露光設定または線量を採用するなど異なる焦点とするリソグラフィ手段によって形成できる。焦点の中心は異なる焦点位置における回折構造からの回折符号を回折符号の理論モデルライブラリと比較することによりスキャタロメトリおよび回折構造を使って決定できることも知られている。実際の回折符号がモデルと比較されてＣＤ値が得られる。このように得られたＣＤ値を焦点に対して図面に描き結果を放射線状曲線に合わせる。このＢｏｓｓｕｎｇ描写法は上述のように大きな特有の制約がある。

本願と同じ発明者による米国特許第６，４２９，９３０号および第６，６０６，１５２号は、リソグラフィ装置を利用するリソグラフィプロセスによって基板上に形成された複数の回折格子からなる基板を提供する工程であってかかる回折格子は間隔のあけられた複数の構成素子からなっている工程、放射源ベースの器具により複数の回折格子のうち少なくとも３つについて回折符号を測定する工程、および回折符号間の違いを決定して前記リソグラフィ装置の所望のパラメータを決定する工程を利用する、リソグラフィ装置に関連するパラメータの測定法を教示している。この方法では、基板はウェハを備えることができる。この方法はさらに異なる公知の焦点設定でリソグラフィ装置を利用することによって複数の回折格子を形成し、２つの隣接する焦点設定回折格子を決定する工程を含むことができ、回折符号間の違いは他の隣接する焦点設定回折格子間の回折符号の違いを下回っており、これによりパラメータをリソグラフィ装置の焦点の中心とすることができる。すなわち、最良の焦点が達成されるのと同時に隣接する焦点ステップ間の回折符号間の違いが最小となる。

本願と同じ発明者による国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０２／３２３９４号は、回折構造から得られた測定した回折符号を理論モデルのライブラリと比較するリソグラフィ装置に関するパラメータの測定方法を教示しており、蒸着された回折構造の断面は得られた回折符号に最も近く適合するモデルの断面によって決定される。この手順がさまざまな焦点で形成された異なる構造について繰り返される。例えばＣＤ、側壁、またはレジスト厚さから算出された広範囲のさまざまなパラメータを断面の代わりに使うことができ、これらのパラメータは面積、体積、または非幾何学的であり得る。焦点傾向において得られた最大断面面積に対する断面の比率、隣接する焦点ステップを持つ構造の断面間の数多くの差異、または断面自体を焦点に対して描くことができる。これらの場合、焦点の中心は一般に放物線に適合する曲線がゼロの斜面を持つ点によって決定される。最後のケースでは、曲線適合は必要ではなく、焦点の中心は断面の最小または最大値である。

本発明はリソグラフィ装置に関連するパラメータを測定する方法であって、この方法は、それぞれのフィールドが異なる焦点値で露光されている複数のフィールドを備え、またリソグラフィ装置を利用するリソグラフィプロセスによって前記基板上に形成された複数の回折構造を備えた、好ましくは半導体ウェハである基板を提供する工程、放射源ベースの器具によって複数のフィールドにある前記複数の回折構造のそれぞれについて回折符号を測定する工程、それぞれのフィールドについてそのフィールド内に配置されている複数の回折構造から得られた測定された回折符号の変動性を決定する工程、およびフィールドに関連づけられた変動性を比較してリソグラフィ装置の所望のパラメータを決定する工程を含んでいる。回折構造は単一周期、二重周期、複数周期、または非周期的構造であり得、格子を備えている。

放射源ベースの器具は好ましくは光源ベースの器具を備えており、好ましくは１つ以上の入射レーザー光線源、レーザー光線を焦点合わせし入射角のいくらかの範囲にわたって走査を行う光学的システム、および得られた回折符号を得られた測定角度にわたって検出するための検出器を備えている。器具は必要に応じて角度分解スキャタロメータを備えている。あるいは、器具は入射広域スペクトラル光源、光を焦点合わせし入射波長のいくらかの範囲にわたって照明を行う光学的システム、および得られた回折符号を得られた測定波長にわたって検出するための検出器を備えている。器具は必要に応じて、入射光源、ＳおよびＰ分極の振幅および位相を変動させるための成分、光を焦点合わせし入射位相のいくらかの範囲にわたって照明を行う光学的システム、および得られた回折符号の位相を検出するための検出器を備えている。

上述の方法により回折符号を測定する工程は必要に応じて、固定の角度、可変入射角度θ、または可変スイープ角度Φで作動する広域スペクトラル（あるいは単一の波長）放射源ベースの器具源によって、あるいは複数の離散的な波長放射源ベースの器具源によって位相測定する工程を備えている。回折符号は必要に応じて反射性、透過性、鏡面等級、またはより高い等級の回折符号であり、必要に応じて一般的な光分散または回折の測定値である。所望のパラメータは好ましくは焦点の中心であり、または必要に応じて線量であり、また好ましくは回折符号の最小の変動性を持つフィールドに関連付けられた所望のパラメータの値によって決定される。

前記決定する工程は必要に応じて、それぞれのフィールドについてそのフィールド内に配置されている複数の測定された回折構造から得られた回折符号の強度の範囲を測定する工程を含んでいるか、あるいは回折符号の根平均二乗誤差のような変動性の統計学的測定値を算出する工程を含んでいる。

あるいは、前記決定する工程は、理論的回折構造から生み出された理論的回折符号のライブラリを提供する工程、前記ライブラリ中でそれぞれの測定された回折符号に対してもっとも適合する理論的回折符号を決定する工程、もっとも適合する理論的回折符号の選択された特徴を測定された回折符号に関連付ける工程、およびそれぞれのフィールドについてそのフィールド内に配置されている複数の回折構造に関連付けられた選択された特性の変動性を決定する工程を含んでいる。前記選択された特性は好ましくはＣＤであり、あるいは断面積であり、断面体積であり、または適合する理論的回折符号を提供している理論的回折構造の２つ以上の特性の積である。前記決定する工程は必要に応じて、それぞれのフィールドについてそのフィールド内に配置されている複数の測定された回折構造に関連付けられている選択された特性の範囲を測定する工程を含んでいるか、あるいは選択された特性の標準的なずれのような変動性の統計学的測定値を算出する工程を含んでいる。

本方法は必要に応じて公知の異なる焦点設定および公知の異なる線量設定で複数の回折構造を形成する工程、および線量が焦点に及ぼす影響を決定する工程を含んでおり、複数の回折構造は必要に応じて同じ公知の異なる焦点設定回折構造のセットを備えており、前記セットは異なる公知の線量設定によって変動する。上述の方法の回折構造は必要に応じて潜像回折構造を備えており、基板は必要に応じて現像プロセスは経ていない。

本発明はさらにリソグラフィ装置において焦点の中心のためのプロセス制御を行う方法であり、この方法は上述の方法によってリソグラフィ装置の焦点の中心を決定する工程、およびリソグラフィ装置の焦点設定を決定された焦点の中心に調整し、必要に応じてコンピュータベースの制御システムまたはオートフォーカス制御システムを利用する工程を含んでいる。ここでオートフォーカス制御システムへの少なくとも１つの入力は最小の変動値に関する測定値を備えている。選択されたフィールド内に配置されている複数の回折構造から得られた測定された回折符号の変動性は好ましくは経時的に測定され、選択されたフィールドは好ましくは焦点の中心となるようにあらかじめ決定されている。好ましくは、もし変動性が所定の制御範囲を上回る場合はリソグラフィ装置の焦点は調整される。

本発明はまたリソグラフィ装置においてプロセス制御する方法であって、
前記リソグラフィ装置を備える一連のウェハ上にある同じように配置された露光済みフィールドにある複数の回折構造を露光する工程、一連のウェハ上にある同じように配置された露光済みフィールドそれぞれにある複数の回折構造のそれぞれについて放射源ベースの器具により回折符号を測定する工程、それぞれのウェハについてフィールドにある前記複数の回折構造から得られた測定された回折符号の変動性を決定する工程、および前記ウェハに関連付けられた変動性を比較して前記リソグラフィ装置の所望のパラメータを制御する工程を含んでいる。本方法は好ましくは前記ウェハに関連付けられた比較された変動性に応じて前記リソグラフィ装置の少なくとも１つの所望のパラメータを調整するさらなる工程をさらに備えている。変動性は好ましくは経験的にまたは理論的に決定された変動性範囲と比較される。少なくとも１つの所望のパラメータは好ましくは焦点または線量を含んでいる。回折構造は好ましくは格子のように単一周期、二重周期、複数周期、または非周期的構造である。ウェハは好ましくは半導体ウェハを備えている。

放射源ベースの器具は好ましくは光源ベースの器具を備えており、好ましくは入射レーザー光線源、レーザー光線を焦点合わせし入射角のいくらかの範囲にわたって走査を行う光学的システム、および得られた回折符号を得られた測定角度にわたって検出するための検出器のうち１つ以上を備えている。器具は必要に応じて角度分解スキャタロメータを備えている。あるいは、器具は入射広域スペクトラル光源、光を焦点合わせし入射波長のいくらかの範囲にわたって照明を行う光学的システム、および得られた回折符号を得られた測定波長にわたって検出するための検出器を備えている。器具は必要に応じて、入射光源、ＳおよびＰ分極の振幅および位相を変動させるための成分、光を焦点合わせし入射位相のいくらかの範囲にわたって照明を行う光学的システム、および得られた回折符号の位相を検出するための検出器を備えている。

上述の方法により回折符号を測定する工程は必要に応じて、固定の角度、可変入射角θ、または可変スイープ角Φで作動する広域スペクトラル（あるいは、単一波長）放射源ベースの器具源、あるいは複数の離散波長放射源ベースの器具源のいずれかにより位相測定する工程を備えている。回折符号は必要に応じて反射性、透過性、鏡面等級、またはより高い等級の回折符号であり、必要に応じて一般的な光分散または回折の測定値である。所望のパラメータは好ましくは焦点の中心であるか、または必要に応じて線量であり、好ましくは回折符号の最小の変動性を持つフィールドに関連付けられた所望のパラメータの値によって決定される。

前記決定する工程は必要に応じて、それぞれのウェハについてそのウェハ上のフィールド内に配置されている複数の測定された回折構造から得られた回折符号の強度範囲を測定する工程を含んでいるか、あるいは回折符号の根平均二乗誤差のような変動性の統計学的測定値を算出する工程を含んでいる。

あるいは前記決定する工程は、理論的回折構造から生み出された理論的回折符号のライブラリを提供する工程、前記ライブラリ中でそれぞれの測定された回折符号に対してもっとも適合する理論的回折符号を決定する工程、もっとも適合する理論的回折符号の選択された特徴を測定された回折符号に関連付ける工程、およびそれぞれのウェハについてそのウェハ上のフィールド内に配置されている複数の回折構造に関連付けられた選択された特性の変動性を決定する工程を含んでいる。選択された特性は好ましくはＣＤであり、あるいは断面積、断面体積、または適合する理論的回折符号を提供する理論的回折構造の２つ以上の特性の積である。前記決定する工程は必要に応じて、それぞれのウェハについてそのウェハ上のフィールド内に配置されている複数の測定された回折構造に関連付けられている選択された特性の範囲を測定する工程を含んでいるか、あるいは選択された特性の標準的なずれのような変動性の統計学的測定値を算出する工程を備えている。回折構造は必要に応じて潜像回折構造を備えており、ウェハは必要に応じて現像プロセスを経ていない。

本発明の主な目的は、光学的、ＳＥＭ、または類似の顕微鏡計測器具を使うことなくリソグラフィ装置に関するパラメータを測定するための方法を提供することである。

本発明の他の目的は、それに限られるわけではないが回折格子をはじめとする異なる焦点回折構造の一連のフィールドのもっとも合致する理論的回折符号を分析し、もっとも合致する構造のフィールド間変動性を利用して焦点の中心を決定することによりリソグラフィ装置の焦点の中心を決定するための方法を提供することである。

本発明の他の目的は、反射性または透過性回折のいずれかを利用して多数の異なる焦点フィールド内にある多数の同じ焦点構造の回折符号を獲得し、かかる回折符号間のフィールド間変数またはもっとも合致する理論的回折符号を提供する理論的モデルに由来する選択された特徴のフィールド間変数を決定することによって、焦点の中心をはじめとするリソグラフィ装置に関連付けられたパラメータを決定または測定するための方法を提供することである。

本発明の他の目的は、回折符号を作成する何らかの方法を利用してこれらに限定されるわけではないが０番目または鏡面回折等級またはなんらかのより高い等級または何らかの回折されたまたは分散された光の反射性または透過性角度分解、可変波長、可変位相、可変分光状態または可変配向回折、またはそれらの組み合わせをはじめとする回折符号を得て回折符号を作成することにより、焦点の中心をはじめとするリソグラフィ装置に関連付けられたパラメータを決定または測定するための方法を提供することである。

本発明の他の目的は、０番目または鏡面等級またはポジティブまたはネガティブいずれかのなんらかのより高い等級の回折、またはなんらかの回折されたまたは分散された光をはじめとする、ウェハまたは他の基板内の異なる焦点フィールドの回折符号の何らかの等級によってリソグラフィ装置に関連付けられたパラメータを決定または測定する方法を提供することである。

本発明の主な利点は、光学的、ＳＥＭ、または類似の顕微鏡計測器具を使うことなくリソグラフィ装置に関連するパラメータの測定が可能となる点である。

本発明のさらに他の利点は、従来の公知の方法に比べてより短時間かつより低費用でステッパなどのリソグラフィ装置において焦点の中心をはじめとする結果を得られるようにする方法および装置が提供されることである。

本発明の他の目的、利点および新規の特徴、およびさらなる適用範囲は一部は添付の図面とともに以下の詳細な説明に記載され、一部は以下を検討することによって当業者に明らかとなると思われまた本発明を実施することによってわかると思われる。本発明の目的および利点は添付の特許請求の範囲に特に指定されている機器および組み合わせによって実現し達成し得る。

明細書に組み込まれその一部を形成している添付の図面は本発明の１つ以上の実施態様を図示しており、説明と一緒になって本発明の原理を説明する役割を果たしている。図面は本発明の１つ以上の好ましい実施態様を図示するためのものにすぎず本発明を制限するものと解釈すべきでない。

本発明はリソグラフィ装置に関するパラメータを測定するための方法および装置を提供するものであり、好ましい実施態様においては、リソグラフィ装置の焦点の中心を決定するための方法および装置を提供する。ウェハ加工のフォトレジスト現像工程中に固定の線量について焦点の中心を決定することは重要である。さらに、線量が変動するとこの中心を決定するのが困難となり得る。リソグラフィ器具で使用されるレンズは焦点深度が非常に制限されているため細心の正確さが必要とされる。焦点の合っているレンズはよりシャープな印刷フォトレジストイメージを生み出し、焦点が合っていないとフォトレジスト特性が現像失敗となり一般にプロセス歩留まりがより悪くなる。焦点の中心、または最良の焦点となると、プロセス再現性および安定性が向上する。本願では変動性分析を利用して焦点の中心を決定する方法が開示されている。簡単に言うと、焦点の中心は回折構造フィールド均一性によって決定される。本発明はさらに、回折符号均一性に基づいた製造プロセスモニタリングを含んでいる。

本発明のさらなる説明に入る前に、以下の定義を行う。

明細書および特許請求の範囲全体にわたって使われているように、変動性または変動とは、これに限られるわけではないが回折構造をはじめとするアイテムの所望のグループのそれぞれから測定された、またはこれについて算出された量またはパラメータの値が互いに異なる値の程度を意味する。変動性または変動とは均一性の反対であり、この用語はそのように使われる。従って変動性を決定、測定、算出、または比較するということは均一性を決定する、測定する、算出する、または比較すると類義語である。一例として、「最小の変動性」という用語は「最大の均一性」という用語と類義語であり、これら２つの用語は明細書および特許請求の範囲全体にわたって相互交換可能に使われる。

リソグラフィ装置とはマスクのようなイメージを使ってパターンを基板に、必要に応じて基板の中に転写するどのような装置も意味する。従ってこれにはフォトレジストリソグラフィなどの従来の光学的リソグラフィも含まれるが、他のリソグラフィ法も含まれる。フォトリソグラフィとも呼ばれるフォトレジストリソグラフィではマスクまたはレチクルと呼ばれるマスターイメージから光学的方法を使ってウェハへと回路パターンを転写する。このプロセスでは、回路を形成すべきウェハ上にレジストと呼ばれる１つ以上の専用の材料をかぶせる。必要に応じてレジストコートを塗布し、ソフトベイクなどにより必要に応じてウェハをさらに加工する。ポジティブまたはネガティブフォトレジスト材料のいずれかを採用してよい。ポジティブレジストは通常、レジスト現像液として使われる化学薬品には不溶であるが、光への照射により可溶となる。ネガティブレジストは通常、レジスト現像液として使われる化学薬品には可溶であるが、光への照射により不溶となる。ある領域では選択的にレジストを露光し残りの領域では露光しないことにより、回路または他の構造のパターンをレジストフィルムに形成する。光学的リソグラフィでは、選択的露光はマスクのイメージ形成によって実現され、典型的には光をマスク上にあてレジストフィルム上に転写されたイメージを投影することによって実現される。

本発明で参照されるリソグラフィ装置はウェハステッパまたはウェハスキャナとしても知られているステッパおよびスキャナを備えており、これらは回路または他の構造のイメージをフォトマスクからレジストコートウェハへと投影するのに使われる。ステッパまたはスキャナは典型的には絞りレンズおよび照明具、エキシマレーザ光源、ウェハステージ、レチクルステージ、ウェハカセット、および作業者ワークステーションを備えている。ステッパおよびスキャナはポジティブおよびネガティブレジスト法の両方を採用し、ステップアンドリピートフォーマットまたはステップアンドスキャンフォーマットのいずれか、またはその組み合わせを利用する。

本発明を実施する際には、リソグラフィ装置一連の回折構造が上に設けられているウェハまたは他の基板が採用される。そのもっとも簡素な用語では、回折構造は入射照明に対して屈折率のらせん状変動を生み出すリソグラフィ手段によって作り出される何らかの構造またはイメージである。屈折率のこのような変化は物理的相違または化学的相違のいずれかによってもたらされる。物理的相違としてはフォトレジスト、または例えば空気と結合した１つの屈折率を持つ材料の利用、普通に刻まれた光学的回折格子、または異なる材料と結合された材料など他のリソグラフィ的に生じた変化が挙げられる。化学的相違としては、フォトレジスト露光回折構造を備えたウェハ、例えば、レジストがまだ現像されていない格子などが挙げられる。この場合、レジストはすべてまだ残っているが、露光された部分は露光されていないレジスト部分とは異なる屈折率を持っており、これによりレジストに屈折率の周期的な相違からなる回折構造が形成される。周期的な相違は構造的または化学的構成素子の周期性によって得られる。回折構造は単一の周期を持ち得、二重周期であり得るか、または多数の周期であり得るか、またはまったく周期を持たなくてもよい、なぜなら単一の特性からの回折が可能だからである。従ってこれには一連の平行ライン、柱または孔の三次元的アレーのようなＸ方向にもＹ方向にも周期性がある構造、およびＸ方向にもＹ方向にも周期性がない構造からなる従来の回折格子が含まれる。周期性のない回折構造は、例えば単一ライン、より大きな単一の矩形構造、またはより複雑な実装置構造などであり得る。同様に、上述の回折構造は「完全に周期的」（光線の照射下で構造が複数回繰り返される（一般に１０回以上）が、数回だけ繰り返されるだけでもよい（例えば２、３回））でなくともよい。従って、回折構造はフォトレジスト格子、エッチングされたフィルム積層格子、金属格子および当該分野で公知の他の格子を含む。回折格子は典型的にはライン幅対空間の比率が約１：１から１：３の間であるが、他の比率を採用してもよい。例えば１：３の比率の典型的な回折格子はライン幅が１００ｎｍでピッチが４００ｎｍである。部分的にリソグラフィ装置の解像度次第では幅およびピッチはより大幅に小さくてもよい。

本発明を実施する際には、回折構造は回折符号を生み出すのに使われる。回折符号はスキャタロメトリ、インターフェロメトリ、ポラリメトリ、リフレクトメトリ、スペクトロスコピックエリプソメトリ、またはスペクトロスコピックリフレクトメトリなどの光学的技術を使い、そして角度またはスペクトラル分析などのいかなる技術でも使ってスキャタロメータ、エリプソメータ、またはリフレクトメータなどの多数の機器のいずれによっても生み出すことができる。放射を採用して回折構造を生み出す装置であればどのようなものでも本願では放射源ベース器具と称される。典型的には光源ベース器具のような可視放射源ベース器具が採用されるが、放射源はＸ線源のような可視放射以外であってもよい。１つの実施態様では、回折符号は反射モードで作成され、この場合、光のような放射が反射される。従って回折符号は角度分解スキャタロメータによって生み出すことができ、この場合、単一の公知の波長源が使用され、入射角θは所定の連続的な範囲にわたって変動される。得られた回折符号は入射および反射角θに対して作図される光の強度として描くことができる。他の方法では多数のレーザー光線源が採用され、必要に応じてそれぞれが異なる入射角θとされる。さらに他の方法では入射広域スペクトラル光源が使用され、ある範囲の波長から照射される入射光および入射角θは必要に応じて一定に保たれる。可変位相光源もまた公知であり、得られた回折位相を検出するための検出器を備えた状態で広範囲の入射位相を利用する。可変分極光源もまた公知であり、ＳからＰ成分へのまたはＰからＳ成分への範囲の分極を利用する。範囲φにわたって入射角を調整して、光源が回折構造の周りを回転するか、あるいは回折構造が光源の回りを回転するようにすることも可能である。このようなさまざまな装置のいずれのもの、およびそれらの組み合わせまたは並べ換えを利用することによって所定の回折構造についての回折符号を得ることができまた知ることができる。一般に、検出された光の強度は入射角θ、入射光の波長、入射光の位相、スイープ角度φなどの少なくとも１つの可変パラメータに対して作図することができる。回折符号は０番目または鏡面回折等級を表わすか、またはなんらかのより高い回折等級を表わすか、または一般的な光回折または分散の測定値であってよい。放射源ベース器具の構成部材としてＸ線放射源を使うなど透過モードを採用して回折符号を生成することも可能であり考えられる。

本発明の１つの実施態様では、回折構造の理論ライブラリおよび対応する理論回折符号が生成され、理論回折構造に基づく理論回折符号が測定された回折符号と比較される。このことはいくつもの異なる方法によってでも行うことができる。１つのやり方では、可変特性に割りあてられたパラメータに基づいて理論出力信号の実際のライブラリが生成される。このライブラリは回折符号の実際の測定前に生成してもよいし、測定した回折符号を理論回折符号と適合させる過程で生成してもよい。従って、本願で使用するように、理論ライブラリは測定された回折符号とは無関係に生成されるライブラリと、測定された構造の形状寸法の理論的な「最良の推測」および変更された特徴と反復的に比較することで最良の合致を決定して得られた理論的回折符号の算出に基づいて生成されるライブラリとの両方を備えている。回折符号の論理的ライブラリはまた、別の手段によって測定された寸法を持つ回折構造の回折符号を収集するなどして経験的に生成してもよい。ライブラリは基準セットにおいて補間を介して正確に表わすことのできる信号を他の信号から取り除くことにより必要に応じて間引きしてよい。ライブラリの索引は同様に、それぞれの記号を１つ以上の割り出し機能と関連付けその後相関関係の大きさに基づいて索引を等級付けすることによって生成できる。このタイプのライブラリの構成または生成、およびその最適化は当該分野において公知である。１つのやり方では、マクスウェルの数式に基づいた厳密な理論モデルを採用することで、回折構造パラメータの関数として回折符号のような回折構造の予測光学信号特徴を算出する。このプロセスでは、回折構造パラメータの試験値のセットが選択される。そしてこれらの値に基づいて、光学材料および形状寸法をはじめとする回折構造のコンピュータ表示可能なモデルが構成される。回折構造と照明放射との間の電磁気相互作用が数値的にシミュレートされて予想回折符号が算出される。プロセスを反復的に繰り返して測定した回折符号と予測回折符号との食い違いを最小にしつつさまざまな適合最適化アルゴリズムのいずれを採用して回折構造パラメータ値を調整してもよく、これにより最良の合致が得られる。米国特許出願公開第ＵＳ２００２／００４６００８号は構造識別のための１つのデータベース法を開示しており、米国特許出願公開第ＵＳ２００２／００３８１９６号は他の方法を開示している。同様に、米国特許出願公開第ＵＳ２００２／０１３５７８３号はさまざまな理論的ライブラリアプローチを開示しており、米国特許出願公開第ＵＳ２００２／００３８１９６も同様である。

理論的ライブラリで利用され得る格子または回折構造特性はモデル化できるどのような特性も含んでおり、以下の要素を含んでいる：
・構造の底部および／または最上部のＣＤ
・ライン、柱、または他の構造の高さまたは厚さのような高さまたは厚さ
・回折符号によって定義される領域の全高
・矩形、台形、三角形、円形、または他の幾何学的形状のような構造の形状
・構造または領域の底部および／または最上部における湾曲の半径
・側壁
・格子の周期
・ラインまたは他の構造の幅
・構造の材料パラメータ、そのさまざまな層のパラメータも含む
・構造の下のフィルムの厚みおよびフィルムの屈折率のような、構造が配置される基板の材料パラメータ
・ 特定の位置のＣＤ、構造および基板の相対的寄与により重み付けされた値など のようなさまざまな重み付けされたまたは平均の値。

下にある薄膜の厚さおよび材料の光学的特性が焦点にわたって理論的ライブラリモデルを実質的に変動させることはない。しかしながら、スキャタロメータの選択次第では、構成および理論的モデル、焦点の変更によりそれらの特性に変化が生じる場合がある。従って理論的ライブラリは薄膜厚みおよび光学的定数を決定された断面に組み込み得ることが簡単にわかるであろう。これは等しい周期にわたって薄膜断面を格子断面領域に付け加えるのと同じくらい単純であるか、または材料光学的ｎ＆ｋ定数による格子および薄膜断面積の寄与を重み付けするといったようにより複雑となり得る。理論的モデルはまた下にあるフィルムおよびパターンも考慮にいれる場合がある。

本発明の１つの実施態様では、測定された回折符号と比較された理論的回折符号にもっとも合致した理論的回折構造の断面が算出される。断面とは、本発明の意味内ではもっとも合致する構造の少なくとも２つの回折構造特性の積である。１つの実施態様では、断面とはＣＤと高さの積のような断面積である。他の実施態様では、断面とはＣＤ、構造の高さおよび形状の積のような断面体積である。しかしながら本願で使われるように、断面とは必ずしも幾何学的に定義された形状である必要はない。すなわち断面とは、それらに制限されるわけではないが上で挙げたものを含み何らかの２つ以上の回折構造特性の積であり得る。１つの実施態様では、断面とはＣＤおよび少なくとも１つのさらなる回折構造特性を含む。本願で使うように、少なくとも２つの回折構造特性の積とは、それらに制限されるわけではないが乗算を含む数学的演算および必要に応じて少なくとも１つの補助的な（ｏｎｅ ｓｅｃｏｎｄ）数学的演算を含む、少なくとも２つの特性の何らかの数学的演算または操作である。

広範囲の理論的モデルプロファイルを使って断面積を決定することができる。例えば矩形格子についての断面格子面積は以下の数式によって定義される：
断面積＝Ｈ・Ｗ （１）
ここでＨは格子高さであり、Ｗは格子幅である。ステッパ焦点の中心を決める際の精度を高めるためにより詳細な理論的モデルを使ってよい。かかるモデルの１つとしては台形が挙げられ、これは側壁角度の寸法を付け加えるものである。台形格子の断面を決定する数式は、
断面積＝Ｈ・（Ｗ−Ｈ／ｔａｎ Ａ） （２）
ここでＨは格子高さ、Ｗは格子の底部における幅、Ａは台形の側壁角度である。他方、端部が丸い台形、ガウスまたはシグモイドプロファイル、またはユーザーによって指定される他の特注プロファイルのようなより複雑な形状を使って理論的モデルを作成することもできる。より複雑な形状を使うと、断面積に関して格子形状を表現するのにより複雑な数式が必要となる。

三次元構造もまた同様の方法で分析できる。三次元構造については断面の１つの寸法基準は断面体積である。例えば、Ｘ軸およびＹ軸が完全な円のプロファイルでＺ軸に沿った一定側壁が９０度である単純な接触孔モデルはその断面は円筒形として算出され、これにより断面体積が得られる。

全体的に非幾何学的な断面を採用してよいこともさらにわかるであろう。従って断面はＣＤのような１つの特性と、および例えば材料パラメータ、重み付けされたまたは平均の値、角度寸法、光学的特性、湾曲などのような１つ以上のさらなる特性との積であってよい。得られる積は断面積または体積に同様のやり方で採用できる。

理論的回折符号の断面と測定された回折符号との最良の適合または適合は当該分野のいずれの公知の手段によっても算出できる。１つの実施態様では、これにはさまざまな合致アルゴリズムを使うことなどにより測定された回折符号と既存のライブラリに含まれる離散的な既存の理論的回折符号との合致が含まれその結果、定義された制約を利用して最良の合致が選択される。他の実施態様では、最良の合致には理論的回折符号を得るためのライブラリ補間が、たとえかかる理論的回折符号が補間前に存在していないとしても含まれ得る。かかる場合にはライブラリに含まれる理論的回折符号のサンプリングに基づいて理論的回折符号を報告するための平均的および関連モデルもさらに含めることができる。従って、報告された回折符号を理論的回折符号に対して識別するまたは合致させるいかなる方法または技術も、それがどのように得られたものでも、本願では合致または最良の合致を決定するために採用できる。

回折構造は典型的には所望の回折構造の所望の形状、大きさ、および構成に対応した不透明および透明な領域を持つマスクを準備することによりレジスト材料に作成される。そして放射源がマスクの片方に印加され、これによりレジスト層上にマスクの形状および空間が投射される。このレジスト層はマスクの反対側に配置されることになる。１つ以上のレンズまたは他の光学的システムをマスクとレジスト層との間に、そして必要に応じて放射源とマスクとの間に配置してよい。放射に露光されるかまたは十分なレベルまでエネルギーが与えられてレジストに変化を生じさせると、潜像がレジストに形成される。この潜像はレジスト材料の化学変化を表わしており、レジスト層の反射性を変化させる上述のような回折符号を生み出すのに採用できる。１つの実施態様では、レジストに潜像を持つウェハに後露光焼成を行ってさらなる化学反応を引き起こすかまたはレジスト層内に成分を分散させるのに使ってよい。さらに他の実施態様では、レジストを現像プロセスによって現像し、必要に応じて化学現像プロセスによって現像することによりレジストの一部を取り除くことができる。この部分はポジティレジストが採用されたかネガティブレジストが採用されたかによって決定できる。現像プロセスはまたエッチングプロセスとも呼ばれ、レジスト層の領域または空間、そして必要に応じて、かかるレジスト層が上に配置される他のフィルムなどの基板材料がエッチングされることになる。

本発明の方法および装置では、回折構造を露光し現像はしなくてもよく、または現像してもよい。同様に、上では回折構造を生み出す従来の方法を一般的に説明したが、位相変移マスクや、電子光線露光などのさまざまな放射源のいずれかの使用を伴ういかなる方法も採用してよい。

焦点はステッパまたは類似のリソグラフィ装置を含むいかなるリソグラフィ装置でも重要なパラメータである。焦点および焦点の深さは線量または放射エネルギーの特定量、および焦点またはレンズからターゲットまでの距離の関数である。得られるイメージは所定の露光領域内のすべての箇所について良好でなければならず、これにより定義可能な有用な焦点深さが得られる。しかしながら、非点収差、領域湾曲、レンズ品質、Ｘ軸およびＹ軸のウェハステージの向きなどをはじめとする線量および焦点以外の要因が焦点および焦点深さに影響する。典型的な生産ウェハステッパは解像度が約０．１５から約１．２５ミクロンであり、有用な焦点深さは約０．４０から約１．５０ミクロンである。

ウェハ加工におけるフォトレジスト露光工程中のステッパについていえるように、固定の線量について焦点の中心を決定することはリソグラフィ装置を効率的に作動させるにあたって重要である。線量が変動するとこの中心を決定することが難しくなる。ステッパに使用されるレンズおよび他のリソグラフィ装置は焦点深さが非常に限られているため細心の正確さが必要とされる。焦点の合っているレンズはよりシャープな印刷フォトレジストイメージを生み出し、焦点が合っていないと機能的でないフォトレジスト特性となる。焦点の中心にあるとプロセス再現性も大幅に向上する。いったん焦点の中心が見出され決定されると、どのようなさまざまな異なるオートフォーカスシステムまたは体系でも採用してレンズとウェハとの間の間隔を一定に保つよう決定できる。これらのシステムは、反射光の採用、静電容量法および圧力センサ法などの光学的方法や、加圧空気の採用を伴う。しかしながらこれらのシステムおよび体系は焦点の中心を決定することはできず、単にレンズとウェハ間の距離を一定に維持するにすぎない。典型的な作動においては、焦点の中心は通常リソグラフィ装置の作動の６時間以下ごとのように頻繁に周期的に決定しなければならない。

レンズの収差およびゆがみはレンズの中心から端部へと外向きに移動するに従って大きくなる。これら収差およびゆがみは光学システムが正の方向または負の方向のいずれかへとより焦点から遠ざかるにつれてより顕著となる。従って、焦点のずれている同じ焦点値で撮影されるレンズの全フィールドに渡って分布されている複数の回折構造は焦点の合っている状態で撮影されたものよりもより大きな変動性を示すと思われる。

好ましい実施態様では、図１Ａに示すように、一連の間隔のあけられたフィールド２０が焦点を介して、好ましくはリソグラフィ手段によりウェハステッパを使ってウェハまたは他の基板１０にわたって固定の線量で露光または印刷される。各フィールド２０は好ましくは異なる焦点値で露光され、得られた一連の焦点値は好ましくは焦点の中心を含んでいる。図１Ａの例では、焦点がゼロ焦点位置からずれている量が各フィールド２０上に表示されている数字によって表わされている。初期ゼロ焦点位置は任意に選択され、または必要に応じて選択されてレジストの最上部の位置といった物理的寸法に対応するようにされる。最良の焦点は通常いくらかの距離をレジストにフォーカスする場合に生まれるため、最良の焦点の実際の箇所、または焦点の中心は初期ゼロ焦点位置には対応しないことがほとんどである。実際に表示されている数字は制限的なものと解釈すべきではない。焦点は＋０．４ミクロンを上回るまたは−０．４ミクロンを下回る大きさ分変動し得る。数字の桁、すなわちどのフィールドがどの焦点ずれで撮影されるかは同様に図１Ａに描かれているものとは異なる場合がある。

各フィールドは好ましくは複数の間隔のあけられた回折構造３０、３０’、例えば回折格子からなり、これらは好ましくは各フィールドにわたって分布されている。図１Ｂは５×５の列で等間隔に間隔のあけられた２５個の回折構造３０、３０’を持つフィールドを描いている。しかしながら構造はいくつ採用してもよく、それらの間隔はフィールド２０全体にすらわたっていなくてもよい。必要に応じてフィールドは１つの大きな格子からなっていてよく、この場合、以下で説明する測定が大きな格子内の数箇所で行われるか、またはいくつかの大きな格子があるフィールドの２つの組み合わせからなり、この場合、大きな格子はそれぞれ格子内のさまざまな箇所でサンプリングされる。回折構造３０、３０’は反復的または周期的構造、または回折放射の可能な非周期的特性からなっており、ラインおよび空間を持つ従来の回折格子のような二次元か、または孔、柱、またはより複雑な構造などの三次元のいずれかであり得る。好ましくは、回折構造３０、３０’は本発明専用の人工的な構造である、しかしながら、これらは実際にはウェハ上にそれぞれの金型で生産されている本物の構造を備えることが可能である。スキャトロメトリック測定の可能な放射源ベースの器具を使って、各回折構造３０、３０’またはその所定のサンプルを測定して固定の線量における回折符号を得る。

好ましい実施態様では、各回折符号はそれぞれが公知の特徴を持つ回折符号の理論的ライブラリと比較される。それぞれの実験に基づく回折符号と理論的回折符号との間の最良の合致がつきとめられ、最良の合致の理論的モデルと関連付けられた選択された特性がそれぞれの回折構造３０、３０’に割りあてられる。選択された特性は（上で定義したような）断面を形成するのにＣＤ（例えばナノメータ単位で測定される）のような単一の特性を備えていてもまたは特性の組み合わせを備えていてもよい。選択された特性はそれぞれの回折構造３０、３０’について異なると思われる。好ましくは、その後各フィールド２０内の回折構造３０、３０’について選択された特性の１シグマ標準ずれが算出される。それに限定されるわけではないが各フィールドについて選択された特性の全体の範囲（最大−最小）を含む１−シグマ標準ずれ以外の均一性測定規準、またはずれを表現するための他の統計学的または数学的方法を必要に応じて採用できる。

断面を決定するのに使われる理論的ライブラリは矩形といった単純な形状を持つモデルを採用し得るか、または台形、端部が丸まった台形、ガウスまたはシグモイドプロファイル、またはユーザーによって指定される他の特注プロファイルのようなより複雑な形状を採用し得る。理論的ライブラリはまた下にあるフィルムおよびパターンを考慮してもよい。理論的に生み出された回折符号は公知の特性を持っており、実験的データと合致されて理論的に予測されたプロセス特性が得られる。より複雑なモデルは光学的ｎおよびｋ値のような回折構造の光学的特性、ならびに下にあるフィルムの厚みを組み込んで焦点測定規準に光路の積算をさせることができる。

その後、それぞれのフィールド２０についての選択された特性の標準的なずれ（または回折符号変動性）は図２に示されるように各フィールド２０の相対的焦点に対して描写される。選択された特性はこの場合はＣＤであるが、いずれの特性または特性の組み合わせでも選択してよい。選択された特性の最小の標準的ずれを持つフィールドの焦点設定、すなわち、回折構造３０、３０’のもっとも低い変動性（または最大の均一性）が最良の焦点、または焦点の中心を定義する。必要に応じて、図２に描かれているデータに放物線状曲線を合わせ焦点の中心を曲線の斜面がゼロとなる放物線の最小値によって決定する。この場合、測定した焦点ポイント間を補間して焦点の中心のより正確な測定を行うためにさまざまな統計学的または数学的技術が使えることが理解される。これらの方法は当該分野において公知であり、従来どおり採用し得る。

図２に示すように、焦点の中心におけるフィールド、この場合は−０．１ミクロンであるが、フィールド２０が露光されたときにゼロの焦点位置（０．０）で任意に取られたフィールドと同じでなくともよい。焦点の調整、プロセス制御などのために、リソグラフィ器具のゼロ焦点ポイントを本発明の方法によって決定した焦点の中心に対応する値にリセットしてよい。

本発明の好適な第２の実施態様は理論的ライブラリまたは選択されたパラメータを使う必要はない。この実施態様では、フィールド内のすべての回折構造（または必要に応じてそのサブセット）から得られた回折符号の変動または均一性が決定される。変動性はこれらの回折構造を目視により比較することによって確認される。しかしながら、この方法では作業者の判断が必要となり直接的に定量化はできず、また比較的遅い。従って、これら回折符号の変動性を測定するのに分析のさまざまな測定規準または方法のいずれを採用してもよい。かかる方法としては、これらに限られるわけではないが平均二乗誤差（ＭＳＥ）または根平均二乗誤差（ＲＭＳＥ）などの統計学的方法、および他のユークリッド測距があげられる。かかる方法はまた平均化、重み付け平均化、平均値の合計および回折符号の違いを特徴づけるための他の方法も含む。例えば、フィールド内の記号間のＲＭＳＥ差が大きいほど変動性が大きくなり、焦点の中心から遠くなる。あるいは、全体または記号の頂上から頂上の範囲の強度を変動性の測定値として使ってもよい。

焦点の中心における線量の効果は同様の手段で分析してよい。回折構造３０、３０’のような一連の回折構造を、線量を構造から構造へと段階的に変動させつつ好ましくは焦点の中心を網羅する所定の異なる焦点範囲にわたって生成する。それぞれ異なる公知の線量で一連の回折構造となる。その後上述のように放射源ベース器具によりそれぞれの回折構造について一連の回折符号を獲得する。得られた一連の回折符号は上述のように回折符号の違いを分析するなどして分析できる。得られた焦点の中心は線量に対して描写することができ、これにより焦点の中心に対する線量の効果がわかる。この手段により線量設定または焦点曲線がもっとも強固となる設定を確認でき、焦点曲線または焦点深さに対する影響が最小となる線量設定を選択することが可能となる。

ステージ傾き、レンズ収差、非点収差などウェハ全体にわたる不均一性によりウェハ全体に分布されている回折構造の変動性が大きくなると思われる。しかしながら本発明では、焦点の中心に位置するフィールドは他のフィールドにある回折構造の変動性と比較したときそのフィールド内では回折構造の変動性はやはり最小を提示すると思われる。従って焦点の中心を見出すための本発明の方法はかかる全体的な不均一性がある場合にもやはり有効である。

これらの技術は回折構造によって反射されるか透過されその放射が検出器によって捕らえられる放射ベース源を持つ計測器具に適用できる。言い換えれば、スキャタロメトリ、リフレクトメトリ、エリプソメトリ、またはポラリメトリなどを使う器具のようなただしこれらに限定されるわけではないがこの技術で回折ベースのスキャタロメトリ測定が可能であるどのような器具にでも使用することができる。角度または角度分解器具および／またはスペクトラルまたは波長解像器具を採用してよい。さらに別の器具としては回折符号をもたらす記具パラメータまたは器具パラメータの組み合わせの関数としての応答を生み出すことのできるどのような器具も挙げられる。このような技術に適した回折構造の候補としてはこれらに限られるわけではないがフォトレジスト格子、エッチングされたフィルム積層格子、および金属格子が挙げられる。

この技術はまた生産設定における焦点および／または線量および／または層の厚みの浮動をモニタするのにも使うことができる。回折構造３０、３０’の回折符号における選択されたパラメータまたは変動をモニタする最中にもし算出された標準ずれがある一定の値を超える場合は、プロセスに浮動があるかどうかチェックしてよい。変動に変化があるということは検査すべきプロセス変移があることを意味する。さらに一般的なプロセス計測測定規準として、ウェハ全体にわたって構造を測定し回折符号の違いを算出するというやり方もまた、ウェハの均一性についてのモデルの無いやり方として使うことができる。回折構造における変動が小さいということはプロセス均一性が良好であることを意味し、一方、回折符号の変動が大きいということはプロセス均一性が悪いことを意味する。このことは半導体製造におけるリソグラフィ、エッチング、および金属工程など多くのプロセス工程およびウェハタイプに適用される。

これらの方法を使用する場合、さまざまなフィルタおよび／または関連する数学モデルを利用することで焦点分析に悪影響を及ぼす可能性のある異常値を取り除く必要がある場合がある。かかるフィルタの１つとしては、実験的回折符号に理論的回折符号の適合度測定規準を使うことが挙げられる。適合度の悪い突き合せは分析からはねてよい。

本発明の方法の主な用途はフォトレジスト加工工程への適用である、なぜなら最良の焦点を決定することはこの工程にとってはもっとも重要なことであるからである。しかしながら本発明の方法はさらに加工ラインにも適用でき、エッチングされたフィルム積層物および金属格子のための「最良の焦点」の設定、またはエッチングプロセスに関連する「最良のエッチング」条件のための「最良の焦点」の設定を決定するようにできる。

本発明の方法よび装置はまた他の手段によって決定された焦点の中心を分析する場合も含んだ品質管理試験にも使ってよい。このことは、関連するコンピュータシステムをはじめとする上述の角度分解スキャタロメータ、または上述の測定を行うことのできる他の適切な装置と共に行ってよい。

周期的構造に角度分解スキャタロメータを採用することにより、格子数式によって規定される角度位置において回折符号が別々の回折等級に分離される。

ｓｉｎθ_i＋ｓｉｎθ_n＝ｎλ／ｄ （３）
ここでθ_iは負の角度として採用される入射角であり、θ_nとして採用されるのはｎ番目の回折等級の角度位置であり、λは入射光の波長であり、ｄは回折構造の空間周期またはピッチである。従って０番目または鏡面回折等級については、入射角は鏡面回折等級の角度位置に等しいことがわかる。しかしながら、鏡面以外の回折等級、または一般的な光分散または回折を採用してよく、また上述のようにして決定された適切な角度位置を採用してよい。同様の関係は他の回折符号生成モードも支配して、いずれの回折符号生成モードでも鏡面回折等級またはいくらかより高い回折等級または一般的な光分散または回折を採用できるようにしている。例えば波長解像装置では、角度θ₁は一定に保持され波長λが変動され、数式は所定のｎでθ_nについて解答される。

本発明の方法および装置はまた焦点の中心を決定するのにも使用してよく、これにより焦点の中心はコンピュータをベースとする制御システムの使用をはじめとするどのような適切な手段によっても調整され、本発明の方法はいつ許容できるまたは最適な焦点が決定されたかを決めるのに使われる。調整は線量変動、または当該分野において公知の他の手段によって行ってよい。本発明はさらにオートフォーカス制御システムを利用するオートマチックまたはオートメーション化された決定および焦点中心の調整に使用してよく、この場合オートフォーカス制御システムに対する少なくとも１つの入力には選択された均一性測定規準の変動性に関するパラメータが含まれている。従って本発明は焦点のプロセス制御に使用できる。

従って１つの実施態様では、本発明は回折符号測定装置および制御装置コンピュータを提供する。制御装置コンピュータは測定装置から信号を受信し、複数の異なるパラメータフィールドのフィールド間変動性の関数として焦点または線量などのプロセス工程の１つ以上のパラメータを決定してよい。変動性の決定には回折符号の変動のような変動、ならびにもっとも適合する理論的回折符号の理論的モデルの寸法または断面間の変動のような直接的な測定が含まれる。制御装置コンピュータはさらにまたプロセス工程のパラメータを制御するといったように、信号を受信し必要に応じてリソグラフィ装置へと信号を出力する。

従って本発明はフィードフォワードおよびフィードバック制御技術を規定してプロセス工程のパラメータを変更する場合がある。例えば、フィールド間変動性が理論的または経験的に設定された範囲外にある場合、プロセス工程のパラメータは予測パラメータに基づいて変更してプロセスが所望の範囲に入るようにようにしてよい。その後理論的または経験的設定範囲と比較して、プロセス工程のパラメータが変更された１つ以上のフィールドについてフィールド間変動性が決定される。フィールド間変動性は目的とする単数のフィールドまたは複数のフィールドに位置する回折構造のすべてまたはサブセットのものであり得る。

回折符号測定装置は潜像を利用して採用することができ、その結果、決められている許容範囲外のウェハについてはさらなるウェハ加工工程の必要をなくすことができる。本発明の方法は、露光後、現像後、焼成後、または一般に、いずれのウェハ加工手順後でもウェハ加工手順内の複数の工程でさらに採用してかかる手順が「はっきりした」焦点に与える効果を確かめるようにしてよい。下流の加工手順でフィールド間変動性が大きくなるということはかかる加工工程がＣＤに対して有害な影響を持っていたことを意味するため、変動性は焦点変化に似た変化を表わす。かかる変化は実際の焦点設定とは直接的には関係しないものの、かかる変化はそれにもかかわらずターゲットの劣化に関するフィールド間変動性が大きくなっているかどうかについてその後の加工工程をモニタするのに採用できる測定規準を提供する。従って、この方法はウェハ加工全体にわたってさらに採用してよい。

本発明によると、５つのフィールドが０．１ミクロン増分で−０．２ミクロンから＋０．２ミクロンまでの焦点を介して取られた異なる焦点値で露光される。それぞれのフィールドは図１Ｂに図示されているものと同様に５×５列の等間隔の回折構造を含んでいる。図３Ａから図３Ｅはそれぞれのフィールドにおける回折構造のＣＤを図で表わしている。図４はそれぞれのフィールドにある全２５個の回折構造のＣＤの１−シグマ標準ずれのグラフである。上述のように、−０．１ミクロン焦点設定の場合最良の焦点が実現される。

実時間焦点モニタリングおよびプロセス制御については、焦点浮動をそれがあまりにも大きくなる前に訂正できることが重要である。従って、それぞれのフィールドにある２５個すべての回折構造の変動よりも選択された特性の変動がより大きい回折構造のサブセットのＣＤまたは他の選択された特性をモニタすることが有利である。例えば、フィールドの隅に位置する回折構造の選択された特性はフィールドの中央に位置する構造の特性よりもより大きく変動し得る。図５は、それぞれのフィールドにおける２５個すべての回折構造について（すなわち、図４に描かれているのと同じデータ）と、それぞれのフィールドの５×５列の列５に位置する回折構造のみの両方についての１−シグマ標準ずれを描いている。５つの構造のサブセットについての傾斜は２５個すべての構造についてよりも大幅に大きいため、最小値はより簡単に決定される。さらに、曲線の傾斜がより急峻であるため回折構造のこのサブセットだけの選択された特性をモニタすることによりもし２５個すべての構造がモニタされていた場合よりも焦点浮動がより迅速に検出できると思われる。この方法は、それぞれのフィールドにあるすべての回折構造から由来する変動対焦点曲線がほとんど平坦となりはっきりとした最小値がない場合に焦点の中心をより正確に決定するためにも使える。

図６は図４に提示されたのと同じデータのグラフであるが、ただしそれぞれのフィールドにある２５個すべてのＣＤの標準的なずれを描くかわりに、２５個のＣＤ値の範囲（最大−最小、ナノメータ単位）が図示されている。両方のデータセットが同じ結果をもたらしていること、および焦点の中心が−０．１ミクロンの焦点位置で生じていることがわかる。

上述の第２の好ましい実施態様によると、図７は異なる焦点値で撮影された３つのフィールドそれぞれ内の５つの間隔のあけられた回折構造から生じた回折符号を描いている。この実施例では、０．０ミクロン焦点ポイントにおいてフィールド撮影すると記号の変動が最小だということを検査によって簡単に決定できる。図７のグラフはそれぞれのフィールドについての範囲、広がり、または記号強度を描いている。予想されるように、最小値は０．０焦点でフィールド撮影を行った場合であり、このフィールドが最良の焦点にある。この方法はプロセス制御および焦点浮動モニタリングの実施態様をはじめとしてあらゆる目的で上述の実施態様にとってかわることができる。

典型的なプロセス制御用途では、同じマスクで印刷され同じプロセスを使う複数のウェハが製造されるのに伴い選択された特性の経時的な変動をモニタリングする。図８は１時間ごとに測定された、選択された特性の変動を描いている（この場合好ましくは、本発明の方法に従ってあらかじめ決定される照明されたフィールド全体にわたる、測定の３シグマとして測定されたＣＤの変動が焦点の中心となる）。同じフィールドにある同じ回折構造がそれぞれのウェハについて測定され、それぞれのウェハは同じマスクおよびプロセスで印刷されるため、変動性はそれぞれのウェハについて同じとなるはずである。しかしながら、図８に示すようにリソグラフィ器具の焦点は時間に伴って浮動する場合がありその結果ＣＤ変動がより大きくなる。従来の知識に基づくと、プロセス制御の許容変動量は２．４ｎｍであると思われる。従って、２．４ｎｍの制御限界を図８では破線で示している。制御限界内での変動は通常、もし行ったとしても精密な検査はほとんど必要ない。もし変動が制御限界を超えて問題となると思われる場合は、焦点訂正を行ってよい。この実施例でのデータではプロセス訂正を行った後１３時および２１時にデータ測定を行っている。両方の場合において、次の測定から決定されたＣＤ変動は制御限界を十分に下回るまでに小さくなっている。

本実施例では、変動データが制御限界を最初に上回ったときにはプロセス訂正は行われなかった。これは、例えば制御限界外の純粋に偶発的な変動により実際には存在しない問題を訂正しすぎることを避けるためである。制御の正確な規則はプロセスごとに異なるが、焦点を制御するのにフィールドにわたる変動を使うという概念は同じである。

フィールドにわたって配置されている回折構造のすべてまたはサブセットから得られる回折符号の変動を比較することによって焦点を決定するという本発明の方法による用途について同様の実施例を導くことができる。変動があらかじめ決められているある記号変動を上回る場合（例えば、平均二乗誤差の単位で表現される場合）、好ましくは訂正が加えられる。

本実施例の方法はプロセス工程のパラメータを変更するためにフィードフォワードおよびフィードバック制御技術に採用してよい。例えば、フィールド間変動性が理論的または経験的設定範囲外である場合は、プロセス工程のパラメータを予想パラメータに基づいて変更してプロセスが所望の範囲となるようにしてよい。このプロセスはオートメーション化することができ、また回折符号を収集しフィールドにある回折構造の記号変動分析を行い、例えば線量または焦点などのリソグラフィ装置の１つ以上の所望のパラメータの変更を変動分析に基づいて行うコンピュータベースの制御システムを採用することができる。

本発明をこれら好ましい実施態様を特に参照しながら詳細に説明したが、他の実施態様の同じ結果を達成することができる。当業者にとっては本発明の変更および改変は自明であり、添付の特許請求の範囲ではかかる改変および等価物をすべて網羅することを目的とする。以上で引用するすべての参照文献、出願、特許、および発行物の開示全体を本願で参照文献として援用する。

異なる焦点値において露光される多数の領域を持つウェハを表わしている。 多数の回折構造を備える図１Ａの領域の１つを表わしている。 各領域についての回折構造の測定ＣＤの標準的なずれのグラフである。 本発明の実施例１によるさまざまな領域についてのＣＤの変動をグラフとして表わしている。 本発明の実施例１によるさまざまな領域についてのＣＤの変動をグラフとして表わしている。 本発明の実施例１によるさまざまな領域についてのＣＤの変動をグラフとして表わしている。 本発明の実施例１によるさまざまな領域についてのＣＤの変動をグラフとして表わしている。 本発明の実施例１によるさまざまな領域についてのＣＤの変動をグラフとして表わしている。 実施例１による各領域について測定されたすべてのＣＤの標準的なずれのグラフである。 図４のグラフに実施例１による各領域について測定されたより可変的なＣＤのサブセットの標準的なずれのグラフを加えたものである。 実施例１による各領域について測定されたすべてのＣＤの範囲のグラフである。 本発明の実施例２による異なる焦点領域についての回折符号の比較を表わすグラフである。 本発明の実施例３によるプロセス制御測定を表わすグラフである。

Claims (42)

1. 複数のフィールドを備える基板を提供する工程であって、それぞれの前記フィールドは異なる焦点値で露光されており、それぞれの前記フィールドはまたリソグラフィ装置を利用してリソグラフィプロセスによって前記基板上に形成されている複数の回折構造を含んでおり、同一のフィールドに含まれる複数の前記回折構造は同一の焦点値によって形成されている、複数のフィールドを備える基板を提供する工程と、
   放射源ベースの器具によって複数のフィールドにある前記複数の回折構造のそれぞれについて回折符号を測定する工程と、
   それぞれのフィールドについてそのフィールド内に配置されている複数の回折構造から得られた測定された回折符号の変動性を決定する工程と、
   フィールドに関連づけられた変動性を比較してリソグラフィ装置の所望のパラメータを決定する工程と、
   を含むことを特徴とするリソグラフィ装置に関連するパラメータの測定方法。
2. 前記回折構造は単一周期、二重周期、複数周期、または非周期的構造であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記回折構造が格子を備えることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記基板が半導体ウェハを備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記放射源ベースの器具が光源ベースの器具を備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記光源ベースの器具は入射レーザー光線源、レーザー光線を焦点合わせし入射角のいくらかの範囲にわたって走査を行う光学的システム、および得られた回折符号を得られた測定角度にわたって検出するための検出器を備えることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記光源ベースの器具は角度分解スキャタロメータを備えることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記光源ベースの器具は複数のレーザー光線源を備えることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
9. 光源ベースの器具は、入射広域スペクトラル光源、光を焦点合わせし入射波長のいくらかの範囲にわたって照明を行う光学的システム、および得られた回折符号を得られた測定波長にわたって検出するための検出器を備えることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
10. 前記光源ベースの器具は、入射光源、ＳおよびＰ分極の振幅および位相を変動させるための成分、光を焦点合わせし入射位相のいくらかの範囲にわたって照明を行う光学的システム、および得られた回折符号の位相を検出するための検出器を備えることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
11. 回折符号を測定する工程は、固定の角度、可変入射角度θ、または可変スイープ角度Φで作動する広域スペクトラル放射源ベースの器具源によって位相測定する工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
12. 回折符号を測定する工程は、固定の角度、可変入射角度θ、または可変スイープ角度Φで作動する単一波長放射源ベースの器具源によって位相測定する工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
13. 回折符号を測定する工程は、複数の離散的な波長放射源ベースの器具によって位相を測定する工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
14. 前記回折符号は反射性回折符号であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
15. 前記回折符号は透過性回折符号であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
16. 前記回折符号は鏡面回折符号等級であることを特徴とする、請求項１に記載方法。
17. 前記回折符号はより高い等級の回折符号であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
18. 前記回折符号は一般的な光分散または回折の測定値であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
19. 前記所望のパラメータは焦点の中心であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
20. 前記所望のパラメータは線量であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
21. リソグラフィ装置の所望のパラメータの値は回折符号の最小の変動性を持つフィールドに関連付けられた所望のパラメータの値によって決定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
22. 前記決定する工程は、それぞれのフィールドについてそのフィールド内に配置されている複数の測定された回折構造から得られた回折符号の強度の範囲を測定する工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
23. 前記決定する工程は、変動性の統計学的測定値を算出する工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
24. 前記統計学的測定値は回折符号の根平均二乗誤差であることを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
25. 公知の異なる焦点設定および公知の異なる線量設定で複数の回折構造を形成する工程、および焦点に対する線量の影響を決定する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
26. 前記複数の回折構造は同じ公知の異なる焦点設定回折構造のセットを備えており、前記セットは異なる公知の線量設定によって変動することを特徴とする、請求項２５に記載の方法。
27. 前記決定する工程は、
    理論的回折構造から生み出された理論的回折符号のライブラリを提供する工程、
    前記ライブラリ中でそれぞれの測定された回折符号にもっとも適合する理論的回折符号を決定する工程、
    もっとも適合する理論的回折符号の選択された特性を測定された回折符号に関連付ける工程、および
    それぞれのフィールドについてそのフィールド内に配置されている複数の回折構造に関連付けられた選択された特性の変動性を決定する工程、
    を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
28. 前記選択された特性は臨界寸法（ＣＤ）であることを特徴とする、請求項２７に記載の方法。
29. 前記選択された特性は断面積であることを特徴とする、請求項２７に記載の方法。
30. 前記選択された特性は断面体積であることを特徴とする、請求項２７に記載の方法。
31. 前記選択された特性は、適合する理論的回折符号を提供する理論的回折構造の２つ以上の特性の積であることを特徴とする、請求項２７に記載の方法。
32. 前記決定する工程は、それぞれのフィールドについてそのフィールド内に配置されている複数の測定された回折構造に関連付けられている選択された特性の範囲を測定する工程を含むことを特徴とする、請求項２７に記載の方法。
33. 前記決定する工程は変動性の統計学的測定値を算出する工程を含むことを特徴とする、請求項２７に記載の方法。
34. 前記統計学的測定値は選択された特性の標準的なずれであることを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
35. 前記回折構造は潜像回折構造を備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
36. 前記基板は現像プロセスを経ていないことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
37. 請求項１９の方法によってリソグラフィ装置の焦点の中心を決定する工程、および
    リソグラフィ装置の焦点設定を決定された焦点の中心に調整する工程、
    を含むことを特徴とするリソグラフィ装置において焦点の中心についてプロセス制御する方法。
38. 前記調整する工程はコンピュータベースの制御システムを利用する工程を含むことを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
39. 前記調整する工程は、オートフォーカス制御システムを備えており、前記オートフォーカス制御システムへの少なくとも１つの入力は最小の変動値に関連する測定値を備えることを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
40. 前記調整する工程は、選択されたフィールド内に配置されている複数の回折構造から得られた測定された回折符号の変動性を経時的に測定する工程を含むことを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
41. 前記選択されたフィールドが焦点の中心になるようあらかじめ決定されていることを特徴とする、請求項４０に記載の方法。
42. 前記変動性が所定の制御範囲を上回る場合においてはリソグラフィ装置の焦点が調整されることを特徴とする、請求項４０に記載の方法。

Images