JP4734261B2 - 連続変化するオフセットマークと、オーバレイ決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、単一または複数の層に形成された構造の間のオーバレイを決定することに関し、特に、かかる構造と相互作用する放射線の回折に基づいてオーバレイを決定することに関する。

様々な製造および生産環境で、サンプルの様々な層間での位置決め、または、かかるサンプルの特定の層内での位置決めを制御することが必要とされる。例えば、半導体製造業界では、基板上に一連の層（層の一部または全部は、様々な構造を備える）を加工することによって電子素子が生産される。かかる構造の特定の層内での相対位置、および、他の層の構造に対する相対位置は、完成した電子素子の性能に関連し、決定的な影響を及ぼすこともある。

かかるサンプル内での構造の相対位置は、オーバレイとも呼ばれる。オーバレイを測定するための様々な技術およびプロセスが、開発および利用されており、程度の差こそあれ、成功を収めている。ごく最近では、オーバレイ測定の原理として放射線散乱測定を用いることに様々な努力が注がれている。

散乱測定値からオーバレイを決定するいくつかの既存の方法では、測定されたスペクトルを、モデル形状のプロファイル、オーバレイ、膜（フィルム）スタック、および材料の光学特性（ｎ，ｋ分散曲線）に基づいて算出された理論スペクトルと比較すること、もしくは、キャリブレーション用のウエハからの基準信号と比較することに専念している。

既存の方法には、いくつかの欠点がある。例えば、オーバレイを正確に決定するためには、プロファイル、オーバレイ、および膜のモデル化の際に、比較的多くのパラメータを含める必要がある。例えば、上側および下側の層のプロファイル両方について単純な台形モデルを用いる一部の方法では、含める必要のある最小限のパターンパラメータの数は、オーバレイを含めて７つである。このモデルに膜厚の変動を含める場合には、それに応じて、パラメータの数が増える。パラメータが多いと、スループットと効率が減少し、コストが増大する場合がある。例えば、測定されたスペクトルと算出された基準スペクトルとの比較では、ライブラリに基づく方法を用いても、回帰による方法を用いても、パラメータが増えるほど時間がかかる。

散乱測定に基づいてオーバレイを決定するいくつかの既存の方法の別の欠点は、測定されたスペクトルと比較すべき正確な理論スペクトルを決定するために、膜スタック、膜の材料、および、パターンの要素のプロファイル、の詳細な知識が必要になることである。

散乱測定に基づいてオーバレイを決定するいくつかの既存の方法のさらに別の欠点は、測定されたスペクトルと比較すべき正確な理論スペクトルを決定するために、散乱測定光学系の正確な知識が必要になることである。

したがって、散乱測定に基づいてオーバレイを決定する既存の方法の欠点を考慮すると、散乱測定に基づいてオーバレイを決定するためのシステムおよび方法の改良が求められている。

本発明は、一実施形態において、予め設定されたゲイン係数を有するよう設計された第１および第２の周期構造を重ね合わせたオーバレイターゲットからオーバレイ情報を抽出する方法に関する。その方法は、オーバレイターゲットに沿って光学データの空間配列を取得する工程を備える。その方法は、さらに、光学データの空間配列に基づいて、オーバレイターゲットの対称中心を決定する工程を備える。その方法は、さらに、オーバレイターゲットの対称中心と幾何学的中心との間の距離Ｘを算出する工程を備える。その方法は、さらに、予め設定されたゲイン係数で距離Ｘを割ることによってオーバレイ誤差を決定する工程を備える。

本発明は、別の実施形態において、オーバレイターゲットに関する。オーバレイターゲットは、第１の層の上に配置された第１の周期構造を備える。第１の周期構造は、周期構造の属性に関する第１の値を有する。オーバレイターゲットは、さらに、第２の層の上に配置されて第１の周期構造の上方に位置する第２の周期構造を備える。第２の周期構造は、周期構造の属性に関する第２の値を有する。第１および第２の値は、かなり（実質的に）小さい差を有する。

本発明は、別の実施形態において、オーバレイターゲットに関する。オーバレイターゲットは、第１の層に配置されて第１のピッチを有する第１の格子を備える。オーバレイターゲットは、さらに、第２の層に配置されて第２のピッチを有する第２の格子を備える。第１および第２のピッチは、かなり（実質的に）小さい差を有する。

本発明は、別の実施形態において、オーバレイターゲットに関する。オーバレイターゲットは、第１の層の上に配置された第１の部分を備える。第１の部分は、格子特性に関する第１の値を有する第１の格子を備える。オーバレイターゲットは、さらに、第２の層の上に配置されて第１の部分の上方に中心を合わせて配置された第２の部分を備える。第１および第２の部分は、実質的に同じ次元のプロファイルを有する。第２の部分は、並んで配置された第２の格子および第３の格子を備える。第２の格子は、格子特性に関する第２の値を有し、第３の格子は、格子特性に関する第３の値を有する。第２の値は、第１の値よりもやや大きく、第３の値は、第１の値よりもやや小さい。

本発明は、別の実施形態において、オーバレイ誤差を決定する方法に関する。その方法は、複数の周期構造を重ね合わせたオーバレイターゲットを準備する工程を備える。重ねられた周期構造の各々は、周期構造の属性に関する異なる値を有する。周期構造の属性に関する異なる値は、かなり（実質的に）小さい差を有する。その方法は、さらに、オーバレイターゲットにわたってスペクトル配列を取得する工程を備える。その方法は、さらに、スペクトル配列のヌル点を求める工程を備える。ヌル点は、スペクトル域全体にわたってほぼゼロである差分スペクトルを生成する点である。ヌル点は、オーバレイターゲットの対称中心を示す。その方法は、さらに、オーバレイターゲットの対称中心と幾何学的中心との間の距離Ｘを算出する工程を備える。その方法は、さらに、値のうちの一つまたは値の平均値と、第１および第２の値の差と、の比Ｄを算出する工程を備える。さらに、その方法は、距離Ｘを比Ｄで割ることによってオーバレイ誤差を決定する工程を備える。

次に、本発明の具体的な実施形態について詳細に説明する。添付の図面には、この実施形態が例示されている。以下では、この具体的な実施形態を参照しつつ本発明を説明するが、本発明を一実施形態に限定する意図はない。逆に、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の趣旨および範囲内に含まれる代替物、変形物、および、均等物を網羅するよう意図されている。以下では、本発明を十分に理解できるよう、多くの具体的な詳細を説明する。しかしながら、本発明は、これらの詳細な内容の一部または全てがなくとも実施可能である。そのほか、本発明が不必要に不明瞭となるのを避けるため、周知の処理動作については詳しく説明していない。

本発明の一態様は、半導体素子などのサンプル上に形成された１組４つ以上の散乱測定用オーバレイターゲットを提供する。パターンについては、「パターン」または「層間パターン」という用語を用いており、それら２つの用語は、ほとんどの状況で同じ意味で用いられている。特定の実施例では、サンプルは、半導体素子の２以上の層を有し、ターゲットは、素子に設けられた様々な構造の配置の精度を測定するために用いられる。一般に、配置の精度は、半導体素子の２つの異なる層の間のオーバレイ誤差の測定値によって特徴付けられる。

具体的な実施形態では、４つ１組のターゲットが準備され、各ターゲットは、互いにずれた２つの異なる層の上の２組の構造を備える。具体的な実施形態では、オフセットは、２つの別個の距離の和または差として定義されてよい。２つの距離とは、第１の距離Ｆおよび第２の距離ｆ０であり、Ｆは、ｆ０よりも大きい。４つのターゲットを、「ターゲットＡ」、「ターゲットＢ」、「ターゲットＣ」、および、「ターゲットＤ」とすると、各ターゲットに対応する所定のオフセットは、具体的なターゲット設計について、以下の用に定義されてよい：
Ｘａ＝＋Ｆ＋ｆ０（ターゲットＡ）
Ｘｂ＝−Ｆ＋ｆ０（ターゲットＢ）
Ｘｃ＝＋Ｆ−ｆ０（ターゲットＣ）、および
Ｘｄ＝−Ｆ−ｆ０（ターゲットＤ）

オフセットＸａないしＸｄは、オーバレイを決定する本発明の技術を実施するのに適切な任意の値であってよい。例えば、ＸａおよびＸｂは、ＸｃおよびＸｄと異なるｆ０の値を有してもよい。

図１は、本発明の特定の実施例においてｘ軸に沿ったオフセットＸａ、Ｘｂ、Ｘｃ、および、Ｘｄの分布を示す図である。図に示すように、オフセットＸａおよびＸｃは共に正の値であり、Ｘａの方がＸｃよりも大きい。逆に、オフセットＸｂおよびＸｄは共に負の値であり、Ｘｄの方がＸｂよりも小さい。

ターゲットの数と、それらに対応するオフセットの大きさおよび方向は、オーバレイ誤差を決定するための本発明の技術を実施できるような任意の適切な方法で選択されてよい。具体的なターゲットの組と、それらに対応するオフセットについて、図２Ａないし２Ｆを参照して、以下で説明する。本発明の技術を実施して本発明のシステムを利用するために用いられてよいターゲットおよびオフセットの組み合わせは、数多く存在することは明らかである。

図２Ａは、本発明の一実施形態に従って、パターニングされた上部（トップ）層Ｌ２が、パターニングされた下部（ボトム）層Ｌ１から量Ｆだけずれた様子を示す側面図である。各層Ｌ１およびＬ２は、１組の構造をパターニングされる。構造は、配線、トレンチ、または、コンタクトなど、任意の適切な形状を含んでよい。半導体素子の形状と同様の構造が設計されてもよい。また、異なる形状の組み合わせから、構造が形成されてよい。さらに、構造は、例えば、サンプルの上部層の上、サンプルの任意の層内、または、部分的もしくは完全にサンプルの層内に配置するなど、サンプルの任意の層に配置されてよい。図２Ａに図示した実施形態では、層Ｌ１は、完成した構造２０４ａ−ｃを備えており、層Ｌ２は、完成した構造２０２ａ−ｃを備えている。散乱測定用オーバレイターゲット構造の構成と、それらの形成方法については、Ａｂｄｕｌｈａｌｉｍ ｅｔ ａｌ．によって２００１年４月１０日に出願された米国特許出願第０９／８３３，０８４号「ＰＥＲＩＯＤＩＣ ＰＡＴＴＥＲＮＳ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＴＯ ＣＯＮＴＲＯＬ ＭＩＳＡＬＩＧＮＭＥＮＴ」に記載されている。

図に示すように、上部層Ｌ２の構造は、下部層Ｌ１の構造から量Ｆだけずれている。２つのずれた層の構造は、隣接する層内に配置されてもよいし、２つのずれた層の間に配置された任意の適切な数および種類の層を有してもよい。図２Ａは、さらに、パターニングされた層Ｌ１およびＬ２の間の３つの膜Ｔ１、Ｔ２、および、Ｔ３と、それらに対応する構造とを示している。任意の他の層が、例の構造を有する例の２つの層の間に存在する限りは、これら他の層は、電磁放射に対する最低限の伝達を示し、例の構造を有する例の層間の放射線の伝搬を可能にする。

図２Ｂは、本発明の一実施形態に従って、パターニングされた上部層Ｌ２が、パターニングされた下部層Ｌ１から量−Ｆだけずれた様子を示す側面図である。図２Ｃは、本発明の一実施形態に従って、パターニングされた上部層Ｌ２が、パターニングされた下部層Ｌ１から量＋Ｆ＋ｆ０だけずれた様子を示す側面図である。図２Ｄは、本発明の一実施形態に従って、パターニングされた上部層Ｌ２が、パターニングされた下部層Ｌ１から量−Ｆ＋ｆ０だけずれた様子を示す側面図である。図２Ｅは、本発明の一実施形態に従って、パターニングされた上部層Ｌ２が、パターニングされた下部層Ｌ１から量＋Ｆ＋ｆ０＋Ｅだけずれた様子を示す側面図である。図２Ｆは、本発明の一実施形態に従って、パターニングされた上部層Ｌ２が、パターニングされた下部層Ｌ１から量−Ｆ＋ｆ０＋Ｅだけずれた様子を示す側面図である。

一般に、オフセットＸａないしＸｄなど、２つのパターニングされた層間のオフセットを有する４以上のターゲットＡ、Ｂ、Ｃ、および、Ｄから測定されたスペクトルを少なくとも解析することにより、誤差オフセットＥを決定してよい。この解析は、いずれかのスペクトルを既知のスペクトルすなわち基準スペクトルと比較することなしに実行される。換言すれば、本発明の誤差決定技術は、キャリブレーション動作を必要としない。

図３Ａは、本発明の一実施形態に従って、オーバレイを決定するための手順３００を示すフローチャートである。この例では、上述のように、オフセットＸａないしＸｄを有するよう設計された４つのターゲットＡ、Ｂ、Ｃ、および、Ｄが用いられる。すなわち、ターゲットＡはオフセット＋Ｆ＋ｆ０、ターゲットＢはオフセット−Ｆ＋ｆ０、ターゲットＣはオフセット＋Ｆ−ｆ０、ターゲットＤはオフセット−Ｆ−ｆ０を有するよう、それぞれ設計されている。

まず、動作３０２ａないし３０２ｄにおいて、４つのターゲットＡ、Ｂ、Ｃ、および、Ｄの各々に対して、入射する放射線ビームを向けて、４つのターゲットからのスペクトルＳ_A、Ｓ_B、Ｓ_C、および、Ｓ_Dを測定する。動作３０２ａないし３０２ｄは、測定システムの能力に応じて、順次もしくは同時に実行されてよい。入射ビームは、レーザや広帯域放射など、任意の適切な形態の電磁放射であってよい。オーバレイを決定するための散乱測定信号を測定する光学系および方法の例は、（１）Ｌａｋｋａｐｒａｇａｔａ、Ｓｕｒｅｓｈ、ｅｔ ａｌ．によって２００１年５月４日に出願された米国特許出願第０９／８４９，６２２号「METHOD AND SYSTEMS FOR LITHOGRAPHY PROCESS CONTROL」、および、（２）Ａｂｄｕｌｈａｌｉｍ、ｅｔ ａｌ．によって２００１年４月１０日に出願された米国特許出願第０９／８３３，０８４号「PERIODIC PATTERNS AND TECHNIQUE TO CONTROL MISALIGNMENT」に記載されている。

オーバレイ誤差に適切なシステムのさらなる実施形態と、それらの利用について、以下で説明する。本発明の様々な実施形態では、スペクトルＳ_A、Ｓ_B、Ｓ_C、および、Ｓ_D（並びに、存在しうる任意のさらなるスペクトル）は、ｔａｎ（Ψ）、ｃｏｓ（Δ）、Ｒｓ、Ｒｐ、Ｒ、α（分光偏光解析の「アルファ」信号）、β（分光偏光解析の「ベータ」信号）、（（Ｒｓ−Ｒｐ）／（Ｒｓ＋Ｒｐ））など、任意の種類の分光偏光解析または反射率測定の信号を含んでよい。

次いで、それぞれ、動作３０４ａおよび３０４ｂにおいて、スペクトルＳ_B（−Ｆ＋ｆ０）をスペクトルＳ_A（＋Ｆ＋ｆ０）から減算し、スペクトルＳ_D（−Ｆ−ｆ０）をＳ_C（＋Ｆ−ｆ０）から減算することで、２つの差分スペクトルＤ１およびＤ２を形成する。次に、それぞれ、動作３０６ａおよび３０６ｂにおいて、差分スペクトルＤ１から差分スペクトル特性Ｐ１を取得し、差分スペクトルＤ２から差分スペクトル特性Ｐ２を取得する。差分スペクトル特性Ｐ１およびＰ２は、一般に、取得された差分スペクトルＤ１およびＤ２の任意の適切な特徴から取得される。差分スペクトル特性Ｐ１およびＰ２は、単に、特定の波長における各差分スペクトルＤ１またはＤ２上の点であってもよい。他の例としては、差分スペクトルＰ１およびＰ２は、差分信号の平均の積分の結果であってもよいし、ＳＥアルファ信号の平均に等しくてもよいし、オーバレイに対する計器の感度、ノイズまたは信号の感度を示す加重平均に等しくてもよい。

差分スペクトル特性Ｐ１およびＰ２の取得後、動作３０８において、差分スペクトルＰ１およびＰ２から直接的に、オーバレイ誤差Ｅを算出してよい。一実施形態では、差分スペクトル特性Ｐ１およびＰ２に基づく線形近似を実行することで、オーバレイ誤差Ｅを決定し、別の技術では、差分スペクトル特性Ｐ１およびＰ２を用いて、オーバレイ誤差Ｅの決定に用いられる正弦波関数などの周期関数を近似する。図３Ｂを参照して、１つの線形回帰技術について、以下で説明する。一例では、オーバレイの結果は、複数の波長または複数の波長帯の特性から取得されたオーバレイの結果の統計的計算（例えば、平均または加重平均）によって取得されてよい。

この実施例の変形例では、４つのターゲットすべてが、オフセットを除いて、ピッチＰ、薄膜の特徴、構造のサイズおよび組成など、同じ特徴を有する場合に、ＸａおよびＸｂが、逆の符号を有し、同じ桁である（０．１＜Ｘａ／Ｘｂ＜１０）と仮定し、０．０５＜｜Ｘａ／Ｐ｜＜０．４５および０．０５＜｜Ｘｂ／Ｐ｜＜０．４５であり、ＸａがＸｃと同じ符号を有し、ＸｂがＸｄと同じ符号を有する場合には、差分スペクトル特性Ｐ１およびＰ２に基づく線形近似を用いて、以下のように、層間ターゲット内の構造間に存在するオーバレイ誤差Ｅの推定値を算出できる。
Ｅ’＝（（Ｓ_C−Ｓ_D）＊（Ｘａ＋Ｘｂ）／２＋（Ｓ_A−Ｓ_B）＊（Ｘｃ＋Ｘｄ）／２）／（（Ｓ_A−Ｓ_B）−（Ｓ_C−Ｓ_D））
または
Ｅ’＝（Ｐ２＊（Ｘａ＋Ｘｂ）／２＋Ｐ１（Ｘｃ＋Ｘｄ）／２）／（Ｐ１−Ｐ２）
ここで、差分スペクトル特性Ｐ１およびＰ２は、一般に、オーバレイ誤差Ｅ＜ｆ０の場合には、逆の符号を有する。（Ｘａ−Ｘｂ）＝（Ｘｃ−Ｘｄ）そしてＥ＝０の場合には、Ｐ１＝−１＊Ｐ２である。

また、各ターゲットのオフセットＸａ、Ｘｂ、Ｘｃ、および、Ｘｄの設計で、Ｆおよびｆ０に同じ値を用いる場合には、
Ｅ’＝（ｆ０＊Ｐ２＋ｆ０＊Ｐ１）／（Ｐ１−Ｐ２）

ターゲットは、２以上の層に少なくとも部分的に配置された構造のオーバレイを決定するために用いられてよいが、実質的に単一の層に配置された構造のオーバレイを決定するために用いられてもよい。

図３Ｂは、本発明の一実施形態に従って、オーバレイ誤差Ｅを決定するための線形方法を示すグラフである。図に示すように、ｙ軸の正の部分は、差分スペクトル特性Ｐ１の変化をｆ０＋Ｅの関数として示し、ｙ軸の負の部分は、差分スペクトルの変化を−ｆ０＋Ｅの関数として示している。上述のように、差分スペクトル特性Ｐ１およびＰ２は、差分スペクトルＤ１およびＤ２から取得される。

オーバレイ誤差Ｅは、２つの点（＋ｆ０＋Ｅ，Ｐ１）および（−ｆ０＋Ｅ，Ｐ２）を解析することにより取得されてよい。オーバレイ誤差Ｅは、ある方法では、２つの取得された差分スペクトル特性Ｐ１およびＰ２で線形近似を実行することにより決定されてよい。グラフ上の２つの点で、Ｅが０になり、グラフの他の部分は、オ―バレイ誤差Ｅおよびｆ０の関数であることに注意されたい。線形領域に含まれるように、慎重にオフセットを選択すると、グラフの正の部分の傾き（Ｐ１／（＋ｆ０＋Ｅ））が、グラフの負の部分の傾き（Ｐ２／（−ｆ０＋Ｅ））と等しくなるであろう。したがって、オーバレイ誤差は、Ｅ＝ｆ０＊（Ｐ１＋Ｐ２）／（Ｐ１−Ｐ２）で与えられる。

本発明の一実施例によると、大きさが同じで符号が逆のオフセット＋Ｆおよび−Ｆを有し、それ以外のオーバレイ誤差を含まない二つのターゲットが存在する場合には、０次の回折次数の散乱測定ＳＥまたは反射率測定スペクトルは、これら２つのターゲットからは、実質的に同一（良好な近似）であり、＋Ｆおよび−Ｆに対応するスペクトルの間の差分信号は０になる。もちろん、差分信号のどの特性も０である。さらなるオフセット＋ｆ０を設計に入れることにより、意図的に対称性をなくす（人為的にオーバレイ誤差を引き起こす）と、差分信号Ｄ１は、０でなくなり、任意の適切な差分スペクトル特性が、オーバレイ誤差Ｅと同じ関係に従う。同様に、さらなるオフセット−ｆ０を有する別の組のオーバレイターゲットを設計することも可能である。したがって、オーバレイ誤差は、差分信号Ｄ１（＋Ｆ＋ｆ０，−Ｆ＋ｆ０）およびＤ２（＋Ｆ−ｆ０，−Ｆ−ｆ０）の特性を用いて決定されてよいため、別個のキャリブレーション工程は必要ない。

オーバレイ誤差Ｅは、スペクトル信号から算出された場合には、実際のオーバレイ誤差の推定値であってよいことを理解されたい。算出されたオーバレイ誤差Ｅは、オーバレイ誤差（Ｅ）、または、オーバレイ誤差（Ｅ’）の推定値と呼ばれてよい。

構造間のピッチが比較的大きい場合には、上述の線形近似技術は、一般的に、有効に働く。しかしながら、ピッチが比較的小さい場合には、オーバレイ測定値の精度を改善するために、さらなるターゲットをサンプル上に形成してもよい。ターゲットの数と、それに対応して用いられる散乱測定技術は、要因の中でも特に、ターゲットの具体的な材料と、用いられる散乱測定信号の種類とによって決まる。４つのターゲットを用いるか、もしくは、それよりも多くのターゲットを用いるかについては、実験的、または、周知のモデル化の方法によって決定できる。一実施形態では、２つのさらなる層間ターゲット（ターゲット「Ｈ」および「Ｊ」と呼ぶ）が、サンプルに形成され、それに対応したオフセットＸｈおよびＸｊをそれぞれ有する。入射する放射線に照射されると、ターゲットＨおよびＪは、対応する回折成分を生成する。回折成分は、さらなる差分信号Ｄ３および差分スペクトル特性Ｐ３を決定するための基礎として機能しうる。この特性Ｐ３を、差分スペクトル特性Ｐ１およびＰ２と併せて解析し、線形近似を用いることによって導入される誤差の非線形補正または測定を含むようにオーバレイＥの決定の精度を高めてよい。

上述の線形近似法の別の実施形態では、散乱測定オーバレイ信号を周期関数として扱い、位相検出法を用いてオーバレイ誤差を決定する。この実施形態は、散乱測定用オーバレイターゲットのピッチ、散乱測定用オーバレイターゲットの設計、散乱測定用オーバレイ（ＳＣＯＬ）ターゲットの材料、測定された散乱測定信号などを含む変数に応じて、いくつかの状況で好ましい。

オーバレイ誤差は、事前にプログラムされたさらなる組み込みオーバレイオフセットを備える複数のＳＣＯＬターゲットを測定することにより抽出されてよい（事前にプログラムされたオフセットの一例としては、図１を参照して上述したＸａ、Ｘｂ、Ｘｃ、および、Ｘｄが挙げられる）。測定されるターゲットの数は、２、３、４、または、５以上であってよく、異なるオーバレイ測定位置の間で変わってもよい。必要なＳＣＯＬターゲットから、散乱測定信号（例えば、波長または入射角の関数として）が取得される。任意のオーバレイについて、この信号は、オーバレイ誤差の周期偶関数である。位相検出（または、位相回復、位相抽出、位相決定）アルゴリズムが、これら信号の特性を用いる。測定された信号は、対応する数の自由パラメータ（自由パラメータの１つはオーバレイ誤差自体）を含む１組の周期偶関数によって表される。例えば、測定されるターゲットの数、散乱測定信号の特性、ターゲットの特性、および、取得される情報などに応じて、様々な組のかかる関数が用いられてよい。測定されるターゲットの数は、未知な自由パラメータの累積数以上になる。いくつかの（２以上の）散乱測定用オーバレイ（ＳＣＯＬ）ターゲット（事前にプログラムされたオフセットが異なる）が、互いのすぐそばに（例えば、２５０ミクロン以内に）配置された場合、オーバレイ誤差は、これらのターゲットすべてに対して同じであると推定されてよい。他の自由パラメータの各々は、あるＳＣＯＬターゲットの他のＳＣＯＬターゲット（フィールド内および／またはウエハ全体）に対する位置によって異なってもよいし同じであってもよい。（オーバレイは、異なるオーバレイ測定位置の間で異なると推定される）。あるいは、これらの自由パラメータ（もしくは、それらの一部）は、Ｘ−およびＹ−ＳＣＯＬターゲット方向の間で異なってもよいし同じであってもよい。必要な情報、必要な測定精度、および、一部の自由パラメータが、位置によって、および／または、Ｘ−方向およびＹ−方向の間で異ならないか否か、に基づいて、オーバレイ測定位置当たりのＳＣＯＬターゲットの総数、および、フィールドおよび／またはウエハ当たりで測定すべきＳＣＯＬターゲットの総数が決定される。

複数のターゲットからの散乱測定信号からオーバレイ誤差を決定する位相アルゴリズム手法の一例は、散乱測定信号のオーバレイ誤差への依存度を、周期関数として扱う方法である。この場合、複数のターゲットのプログラムされたオフセットは、初期位相オフセットとして扱われ、オーバレイ誤差は、付加的な位相として扱われる。次いで、オーバレイ位相は、既知の位相決定または位相回復方法で決定されてよい。直交、３バケット、および４バケット位相回復アルゴリズムを含む周知の位相回復方法を用いて、オーバレイ誤差を決定することができる。これらの位相回復方法は、例として挙げたに過ぎず、本発明の範囲を限定することを意図しない。位相検出方法は、よく知られており、いくつかの例を挙げるならば、通信、干渉法、核磁気共鳴、電子回路など、広い領域で一般に利用されている。別の実施形態では、線形、非線形、および位相回復アルゴリズムを組み合わせて用いることで、オーバレイ誤差を決定してもよい。

上述の技術の実施の際には、特定の条件を満たすことが好ましい。測定領域は、オフセット（例えば、＋Ｆ＋ｆ０、−Ｆ＋ｆ０、＋Ｆ−ｆ０、および、−Ｆ−ｆ０）を除くすべての面で、実質的に同じである。これは、ターゲットを互いに約１００ミクロン以下の範囲内に配置し、プロセスに対して比較的頑健なターゲット（すなわち、プロセスの変化に対する敏感さが、素子の形状と同等以下である）を選択することにより実現される。実際的には、製品ウエハにおいて、下方のパターン層および上方の層のトポグラフィが、このトポグラフィとの相互作用に応じて変化する場合には、異なるオフセットについてプロファイルが同一でなくなる場合がある。異なるオフセットを有する２つのターゲットの間の差分信号すなわち誤差信号は、プロファイルが異なるターゲットに共通する限りは、オーバレイターゲットの部分のプロファイルの変動と、膜の変動には比較的依存しない。これは、プロファイル、膜、および、光学系によって決定される信号の部分のコモンモード阻止と実質的に同等である。この技術は、さらに、典型的な製造プロセスで起きるプロセス変動の範囲に対して堅牢であることが好ましい。オーバレイ誤差による信号の差分は、隣接する散乱測定用オーバレイターゲットの間のプロセス変動の他のソースによる信号の差分（マスク誤差を含む）よりも大きいことが好ましい。

特定の実施例において、ターゲットが、線の特徴を示すグループの構造を含む場合には、ＸおよびＹオーバレイ測定のために、別の組のターゲットが必要な場合がある。オーバレイターゲットが、（上から見られるような）二次元構造からなる場合には、１組のターゲットを用いて、ＸおよびＹオーバレイ情報の両方を取得することができる。斜め散乱測定については、具体的な実施例によると、光学散乱面に対してウエハの方向を回転させて、異なるＸおよびＹオーバレイ誤差を測定することが有利である。正確な垂直入射については、ウエハも光学系も回転させることなしに、異なる偏光からＸおよびＹ両方のオーバレイ情報を取得することができる。

デカルト（直交）座標は、サンプル内のオーバレイを測定するための有用な基準系として機能し、ｘ−ｙ平面は、サンプルの層の面内、または、その層と実質的に平行に配置され、ｚ軸は、サンプルの層と実質的に直交するよう配置される。デカルト座標系は、サンプルに対して固定されてもよいし、測定の複雑さを低減するように回転されてもよい。例えば、サンプル全体にわたって対角線上に単一の層内で起きるオーバレイは、長方形のサンプルの辺に対して実質的に平行なｘ−ｙ軸を有するデカルト座標系における二次元のｘ−ｙオーバレイとして表されることが可能である。しかしながら、ｘ軸が対角線上のオーバレイの方向と平行になるように、ｘ−ｙ軸を回転させることによって、その対角線に沿ったオーバレイを１つの軸に沿って測定できるようになる。三次元のオーバレイは、層に対して実質的に平行なｘ−ｙ平面内に測定を制限すると共にｚ方向に生じるすべての層間オーバレイを無視することにより、二次元のオーバレイに単純化されてよい。

一実施形態では、ターゲットは、２つの層に配置された異なる組の構造間に、もしくは、３以上の層に配置された異なる組の構造間に、２以上の所定のオフセットを含む。一般的な例では、ターゲットは、任意の数の層を含んでよく、これらの層のすべてまたは一部は、所定のオフセットを生成する構造を有する。特定の実施例では、ターゲットの１または複数のパターニングされた下層における構造は、（パターニングされた下層の上方に配置された）１または複数の上層の形状またはトポグラフィの変化を引き起こす。この実施例では、１または複数の上層は、実質的または部分的に不透明すなわち吸収性の層であってよく、回折信号の少なくとも一部は、上層のトポグラフィに起因してよく、トポグラフィは、パターニングされた下層に少なくとも部分的に起因する。

一実施形態によると、ターゲットに含まれる構造は、例えば、線、格子、長方形、正方形、曲線、湾曲形状、または、それらの組み合わせなど、様々な構成および形状を有してよい。かかる構成の構造は、ターゲット内の様々な位置に配置されてよく、ターゲット上に入射する電磁放射に対して様々な角度を示してよい。例えば、複数組の構造は、ターゲットに入射する１組の平行な（コリメートされた）放射線またはビームの伝搬方向に垂直な１組の平行なラインとして体系化（オーガナイズ）されてよい。別の例では、１組の平行なラインとして体系化された構造は、入射する放射線に対して鋭角（例えば、４５度の角度）をなすように配置されてよい。かかる構成は、ｘおよびｙ方向の両方でオーバレイの決定を容易にして、さらなるオーバレイのパターンまたは測定の必要性を低減することから有利である。

散乱測定システムの実施形態と、その利用

本発明の技術のいくつかは、ソフトウェアおよび／またはハードウェアシステムの任意の適切な組み合わせを用いて実施されてよい。例えば、それらの技術は、オーバレイ測定ツール内で実施されてよい。かかる測定ツールは、本発明の動作の多くを実行するコンピュータシステムと統合されることが好ましい。かかる複合システムは、少なくとも、オーバレイターゲットの散乱測定信号を取得するための散乱測定モジュールと、取得された散乱測定信号を解析することにより、かかるターゲット内のオーバレイ誤差を決定するよう構成されたプロセッサと、を備えることが好ましい。散乱測定モジュールは、最低限でも、通例、（ｉ）サンプルの特定の位置に放射線を向けるよう方向付けられた照射源と、（ｉｉ）サンプルによって散乱された散乱測定信号を検出するよう方向付けられた１または複数の検出器と、を備える。

本発明の技術の少なくとも一部は、従来のボックス・イン・ボックスまたはフレーム・イン・フレーム方式のオーバレイターゲットまたは他の画像化方式のオーバレイ測定構造に用いられるような画像解析に基づくオーバレイ測定システムまたはサブシステムを補完する追加的なオーバレイ測定機能として、オーバレイ測定システム内に実装されてもよい。画像化に基づくオーバレイ測定法と、散乱測定に基づくオーバレイとを組み合わせる装置の例は、上述の仮出願第６０／４９８，５２４号に記載されている。オーバレイ補正値の算出、他のオーバレイ補正値の算出、ウエハの他の位置におけるオーバレイ誤差の算出など、様々な利用法のために、画像化によるオーバレイ測定と、散乱測定によるオーバレイ測定と、からのオーバレイデータを組み合わせてよい。画像化によるオーバレイ測定と、散乱測定によるオーバレイ測定とを組み合わせるさらなる利用例は、上述の仮出願第６０／４９８，５２４号に記載されている。

システムの構成に関わらず、そのシステムは、データと、汎用の検査動作および／または本明細書に記載の発明の技術のためのプログラム命令とを格納するよう構成された１または複数のメモリまたはメモリモジュールを用いてよい。プログラム命令は、オペレーティングシステムおよび／または１以上のアプリケーションの動作を制御してよい。１または複数のメモリは、さらに、ターゲットから取得された散乱測定データと、オーバレイ誤差の結果と、必要に応じて、他のオーバレイ測定値のデータとを格納するよう構成されてもよい。

かかる情報およびプログラム命令は、本明細書に記載のシステムおよび方法を実施するために用いられてよいため、本発明の実施形態は、本明細書に記載された様々な動作を実行するためのプログラム命令や状態情報などを含む機械可読な媒体に関する。機械可読な媒体の例としては、ハードディスク、フレキシブルディスク、磁気テープなどの磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭディスクなどの光学媒体、フロプティカルディスクなどの光磁気媒体、読み取り専用メモリ装置（ＲＯＭ）やランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）など、プログラム命令を格納および実行するよう特別に構成されたハードウェア装置、が挙げられるが、それらに限定されない。本発明は、放送電波、光配線、電気配線など、適切な媒体で伝達される搬送波として実施されてもよい。プログラム命令の例としては、コンパイラによって生成されるような機械コードや、インタープリタを用いてコンピュータが実行できる高水準なコードを含むファイルが挙げられる。

以下で説明するシステムの実施形態のいくつかは、４以上のターゲットからスペクトルを取得するための散乱測定モジュールまたは構成要素に関して、主に説明および図示されており、プロセッサやメモリについては、図示されていない。

散乱構造の測定のために開口数を最適化された画像化測定システム

図４は、顕微鏡画像化システムを示す説明図である。図に示すように、画像化システム４００は、電磁放射線の入射ビーム４０３を生成するためのビーム発生器４０２と、入射ビーム４０５をサンプル４０８に向けて方向付けるためのビーム分割器（ビームスプリッタ）４０４とを備える。通例、入射ビームは、対物レンズ４０６によってサンプル上に焦点を合わせられる。次いで、入射ビームに応じて、出力ビーム４０９が、サンプルから放射され、ビーム分割器４０４とリレーレンズ４１０とを通って、画像化装置すなわちカメラ４１２に到達する。カメラ４１２は、出力ビーム４０９に基づいてサンプルの画像を生成する。

システム４００は、さらに、ビーム発生器４０２、対物レンズ４０６、カメラ４１２など、様々な構成要素を制御するよう構成されたプロセッサおよび１以上のメモリ４１４を備える。プロセッサおよびメモリは、さらに、上述の様々な散乱測定技術を用いて、検出された出力ビームまたは画像を解析するよう構成される。

従来、かかる画像化システム（オーバレイのために用いられるシステムなど）は、画像の分解能を最適化しつつ光学収差を最小限に抑えるように、（例えば、対物レンズ４０６を通して）開口数（ＮＡ）を選択していた。ＮＡの選択は、通例、画像の幾何学的特性による単一のターゲット（ボックス・イン・ボックス方式のターゲットなど）にわたる強度の変動からオーバレイ情報を引き出すために実行される。

従来の画像化システムは、０．７ないし０．９など、高い開口数（ＮＡ）を利用していたが、その結果として、振動、焦点深度、および、光学収差に敏感で高価な光学系を用いていた。これらの問題により、実現可能な正確さが低くなり、「ツール誘起シフト」すなわちＴＩＳと呼ばれる測定誤差が引き起こされる。

散乱測定システムは、ｘおよびｙ方向のオーバレイ両方を測定すると共に、膜厚などの他のサンプルパラメータの変動による影響を排除するために、複数のサイトにおける測定値を順次取得してよい。この種類の測定プロセスでは、従来のオーバレイ技術に比べて散乱測定ツールの動作がかなり遅くなる。

本発明の一実施形態では、画像化光学系の照射側および画像化側のＮＡは、０次の回折次数のみが収集されることを保証することにより、散乱構造に対する機器の性能を最適化するように選択される。検出システムによって０次の回折のみが収集される場合には、周期構造に関する特定の測定または検査の作業について性能の有利があることを活かすことができる。この条件下では、鏡面反射のみが収集される。鏡面反射から散乱された出力は収集されず、非鏡面反射出力は、収差に対してより敏感であるため、鏡面反射出力のみを収集すると、光学収差によって引き起こされる影響を最小限に抑えられる傾向がある。この条件により、さらに、以下で詳述するように視野内の複数のサイトの相対的な光度測定値（フォトメトリック測定）について、ツールが最適化される。また、従来の画像化システムに比べて、非常に低いＴＩＳを実現できる。さらに、従来の散乱測定システムよりも、はるかに高いスループットを実現できる。

特定の画像化システムに対して照射側および画像化側のＮＡを選択することは、かかるシステムの特定の構成に基づいて行われる。ここで、照射側および収集側の開口数ＮＡが同じであり、入射ビームがサンプル表面に対して垂直である最も簡単な画像化システムを考えると、「０次回折のみ」という条件は、以下の場合に満たされる。
ｎλ＞２ｄＮＡ、ここで、ｎ＝１
ここで、ｄは、画像化されるターゲットの構造のピッチである。これは、以下のように、照射側の開口数ＮＡ_iおよび収集側の開口数ＮＡ_cを用いて表すことができる。
ｎλ＝ｄ（ＮＡ_i＋ＮＡ_c）

この式は、照射系の開口数を抑制することができる場合に、集光系の開口数への抑制を緩めることができることを示しており、これは、ある条件下では有利である。したがって、スペクトル域は、ピッチとＮＡとの積の２倍よりも大きい波長に制限されてよい。実際の条件下では、散乱放射ビームは、照射ビームよりも広くなる（発散する）。しかしながら、実際の状況では、無限周期の格子は画像化されないため、上述の式は近似式になり、回折された平面波は、いくぶん発散する。そのため、制限に安全マージンを含めて、以下を条件とすることが好ましい。
ｎλ≧２ｄＮＡ（１＋ε）、ここで、ｎ＝１であり、εは、小さく、通例０．５未満

一例として、ＮＡが０．４の画像化システムについては、最大ピッチの０．８倍よりも大きい値に波長を制限してよく、これは、適切でない制限であるとは思われない。設計基準７０ｎｍ以下の形状を有する周期構造については、２００ｎｍという小さいピッチを有する最も密度の高い構造は、約２００ｎｍ以上の動作波長を有する画像化システムのスペクトル域を制限せず、５００ｎｍという大きいピッチを有する比較的分離した形状は、４００ｎｍよりも長い波長で測定されることが好ましい。

測定および検査の用途のために画像化分光計を設計する場合には、これらの制限を考慮することが好ましい。画像化システムの空間分解能への制限は、そのシステムの開口数である。測定構造のサイズを最小に縮小して貴重なウエハのスペース（リアルエステート）を節約することができるように、最高の空間分解能を実現することが有利である。換言すると、これにより、画像化分光計の視野内の隣接する形状の間の近接効果すなわち「クロストーク」を最小限に抑えることが可能になる。したがって、０次回折のみが検出システムによって収集されるという制限を満たしつつ、可能な限り最高のＮＡが実現される。

この制限の別の興味深い効果は、試験対象の形状を分解することなしに、可能な限り最高のオーバレイ空間分解能を実現できることである。これは、画像化システムにおいて、問題となるエイリアシング現象を回避することが確実であるから、さらに有利である。好ましい実施形態では、試験対象の形状における最大ピッチに基づいて、測定システムまたはアルゴリズムが、スペクトルの帯域通過（バンドパス）を容易に変更または選択できる構成が提供されている（例えば、以下で説明する図５Ａないし５Ｄのシステムなど）。あるいは、試験対象の形状における最大ピッチに従って、照射側もしくは収集側のＮＡを容易に変更できる。また、これらの実施形態すべてを、１つのシステムに組み込んでもよい。

図５Ａないし５Ｅは、散乱特性に対して最適化された開口数を有する顕微鏡画像化システムの４つの実施形態を示す図である。図５Ａに示すように、システム５００は、図４のシステムと同じ名前の構成要素と同様に動作する構成要素を備えてよい。システム５００は、さらに、特定の波長を選択するための波長選択装置５２０を備える。波長選択装置５２０は、照射光の一部を選択的に透過または選択的に反射させることにより、スペクトル帯の変更を可能にする。１組の帯域通過干渉フィルタから選択する技術、帯域通過干渉フィルタ、格子分光計、フーリエ変換干渉計、音響光学可変フィルタなどを連続的に変更する技術を含めて、様々な周知の分光フィルタリング技術を用いて、スペクトル帯を変更してよい。 波長選択装置５２０は、ビームの間の入射ビーム路内に配置される。システム５００は、さらに、入射ビームを特定の偏光状態にするための偏光器制御装置５２２と、集光されたビームの偏光成分を解析または分離するための偏光解析器５２４と、を備える。

図５Ｂのシステム５３０は、波長選択装置の代わりに波長変調装置５３２を用いることを除いて、図５Ａのシステム５００と同様である。図５Ｃのシステム５４０は、波長選択装置５４２が出力ビーム路に配置されることを除いて、図５Ａのシステム５００と同様である。図５Ｄのシステム５５０は、波長選択装置の代わりに波長変調装置５３２を用いることを除いて、図５Ｃのシステム５００と同様である。波長変調装置５３２は、波長変調装置５３２自体の１または複数の光路長を変化させることによって制御されてよい（例えば、マイケルソン干渉計、ファブリペロ干渉計、または、サニャク干渉計）。スペクトル情報は、例えば、フーリエ変換やアダマール変換などの変換解析の結果生じた信号から抽出されてよい。

図５Ｅは、本発明の一実施形態に従って、複数サイトの視野の例を示す画像化分光計の上面図である。一実施例では、点線の囲い各々の中の画素（ピクセル）のスペクトルを平均して、４つの測定ターゲットの各々に対するスペクトルを生成する。あるいは、点線の囲い各々の中央の領域のみに位置する画素のスペクトルを平均する。図示されたターゲットにおけるラインのサイズおよび間隔は強調されている。

ＮＡは、０次の回折次数のみが任意の適切な方法で収集されることを保証するよう選択されてよい。提案された実際的な一実施形態では、

画像化システムの視野内に、異なる特性を有する２以上のサイトを配置する。

１以上のスペクトル域にわたって、画像を取り込む。

視野内の各測定サイトについて、当該サイト内に存在すると決定された画素の全部または一部を、合計またはその他の方法で合成することで、そのスペクトル域におけるそのサイトの測光特性を特徴付ける。

工程３を各スペクトル域について繰り返す。

各スペクトル域における各サイトの結果を処理して、サンプルの特性を決定する。例えば、各ターゲットについて得られたスペクトルに対して、上述のスペクトル解析技術（すなわち、Ｆ＋ｆ０）を用いる。

ウエハにおいて対象となる複数の測定サイトについて、工程１から５を繰り返す。

この例の技術では、異なるスペクトル領域の画像を順次取り込んでいるが、波長依存のビーム分割器、フィルタ、および／または、鏡のシステムを用いて、同時に取り込んでもよい。あるいは、様々な光路差の複数の画像を取り込むサニャク干渉計などの装置を用いて、同じ効果を得ることが可能であり、これらの画像は、異なるスペクトル域について取得された画像と同様の情報を引き出すために用いられる。

フィルタを用いた散乱測定オーバレイ

従来の画像化オーバレイツールは、高い倍率と小さい視野とを有する。全体のパターニング欠陥の検査は、顕微鏡を用いて手動で実行されるか、別個のマクロ検査ツールで自動的に実行される。残念ながら、低倍率のオーバレイツールには、複数の工程やツールが必要であり、それらの一部は手動である。

一実施形態では、１または複数の波長帯を選択するための機構を備えた低倍率の顕微鏡が提供されている。また、このツールは、フィルタを備える１または複数の広帯域ソースを用いることが好ましく、複数のソースが、異なる波長帯、可変フィルタなどを網羅する。図６は、本発明の一実施形態に従って、１または複数の波長帯を選択するためのシステム６００を示す説明図である。図に示すように、システム６００は、サンプル６０６に向かって複数波長の入射光ビーム６０４を生成するための広帯域光源６０２を備える。入射ビーム６０４に応じて、複数波長の出力ビーム６０８が、サンプル６０６から散乱される。システム６００は、さらに、波長に基づいて、出力ビーム６１１の一部を選択的にカメラ６１２まで通過させるためのフィルタ６１０を備える。一実施例では、フィルタは、赤、緑、青、または、黄など、特定の色を通過させるよう構成可能である。カメラは、フィルタリングされた出力ビーム６１１に基づいて、画像を生成するよう動作可能である。

ターゲット群のターゲットの中の１または複数が、顕微鏡の視野内に入るサンプル上の位置に移動することにより、オーバレイの測定値が取得される。画像が取得され、（各ターゲットを含む）画像内の画素の一部または全部からの強度が、平均または合計されることで、フィルタの特定の設定におけるターゲットの強度値が得られる。一実施形態では、ターゲット間の最大差を得るように、フィルタを調節する。次に、この最大差は、基準面に関して、合計の画素数に正規化されてもよいし、視野内の照射の均一性のマップによって補正されてもよい。次に、サンプルまたは光学系は、ターゲット群の中の必要なターゲットすべてが測定されるまで、移動されてよい。次に、例えば、以下の式によって上述のように決定された強度値を用いて、オーバレイの値が決定される。
Ｐ１＝（Ｉａ−Ｉｂ）およびＰ２＝（Ｉｃ−Ｉｄ）
および
オーバレイ＝ｆ０＊（Ｐ２＋Ｐ１）／（Ｐ２−Ｐ１）

このプロセスは、精度、正確さ、および、頑健性を改善するために、複数の波長帯に対して繰り返されてよく、その場合、最良のコントラストをもたらす波長が、散乱測定解析に用いられる。

典型的な画像化オーバレイツールに比べて、倍率が低く視野が大きいと共に、従来の反射率計や楕円偏光計（エリプソメータ）と違って、サンプルの領域の画像が収集されるため、画像を解析することによって他の種類の処理上の問題を検出してもよい。例えば、１または複数の処理工程で、不良レチクルが用いられた場合には、画像は、かなり異なる。レジストの厚さが不適当である場合には、画像の輝度やコントラストが、影響を受けることがある。レジストにむら（ストリーキング）がある場合には、画像にわたって輝度やコントラストの変動が、検出されることがある。ＣＭＰ（化学機械研磨）処理では、過研磨、研磨不足など、処理上の誤差を同様に検出できる。

この実施形態では、複数の散乱測定ターゲットを同時に測定することで、測定速度を上げることができる。さらに、別個の検査ツールを用いることなく、オーバレイ以外にも、処理上の誤差や、処理条件の変化を検出することができる。

複数角度の同時散乱測定

散乱測定値を取得する技術は、２シータ法を含んでよく、２シータ法では、複数の測定を順次行うことにより、格子などの反復構造からの散乱強度を、複数の角度で測定する。散乱測定を行う別の方法は、分光散乱測定である。通例、複数の測定を行うため、２シータ法を利用すると、非常に遅い。分光散乱測定を利用する場合には、高性能で高価な光学系が必要になる。

本発明の具体的な実施形態では、同時に複数の角度で散乱測定を行うための技術および装置が提供されている。２シータ法と異なり、多くの角度に対して同時に散乱強度を決定できる装置を用いて、測定が行われる。この技術は、２シータ法よりもはるかに高速である。

この方法を実施するために、Ｓｐａｎｉｅｒ ｅｔ ａｌ．による米国特許５，１６６，７５２号に示されているような光学装置を用いることができる。上記の特許では、多角度の楕円偏光計が、例えば、Ｓｐａｎｉｅｒ ｅｔ ａｌ．の特許の図３および４に示されている。図７は、同時、多角度入射の楕円偏光計７００を示す説明図である。図に示すように、楕円偏光計は、偏光をサンプル７１４の表面上に方向付けるための光源発生器（ソースジェネレータ）（例えば、構成要素７０２、７０６、７０８、７１０、および、７１２）と、サンプルから放射された出力ビームを受けて検出するための検出光学系（例えば、構成要素７１８ないし７２４）と、サンプルで反射された光の偏光状態を解析するための解析器７２６と、を備える。光源発生器は、光源７０２と、偏光器７０８と、可変絞りを有する補償器７１０と、集束レンズ系７１２とを備えることで、光源からの１つの光束の偏光を、様々な入射角でサンプル表面上に向かって、同時に方向付ける。光源発生器は、さらに、必要に応じて、狭帯域光学フィルタを備えてもよい。

レンズ系７１２は、少なくとも１または２度の角度の範囲にわたって変化する入射角で、サンプル７１４上に光を集束させるための有効口径（アパーチャ）と焦点距離との比を有する。特定の実施形態では、入射角の範囲は３０度である。サンプル７１４に光線を方向付けるために、より大きい角度を用いてもよい。

集束レンズ系７１２は、例えばＨｅ−Ｎｅレーザからの偏光を、サンプル７１４上の１つの小さいスポットすなわち点に収束させる。サンプル７１４上の１つの小さいスポットに収束される様々な入射光線は、広い範囲の入射角を有してよい。したがって、サンプル７１４上の小さいスポットに方向付けられる光は、集束レンズを通して、中央の光線の入射角の上下の多くの入射角を有する光線を含む。入射する光線の各々は、その入射角に等しい角度で反射され、各光線の偏光状態は、この反射によって変化する。検出器アレイ７２２を用いて、サンプル７１４で反射された複数の光線を、異なる狭い範囲の入射角にわたって個々に検出し、複数の入射角度でのデータを簡単かつ迅速に取得する。

サンプル７１４から放射された出力ビームは、出力レンズ７１６と、交換可能な絞り７１８と、偏光解析器７２０と、随意的に、交互フィルタ７２２とを通して、検出器アレイ７２２に方向付けられる。レンズ７１２および７１６の直径ｄは、それらの有効径に対応する。図に示した実施形態では、レンズ７１２および７１６は、それぞれ、１８ｍｍの直径ｄと、３４ｍｍの焦点距離１とを有する。入射角度の範囲（少なくとも３０度が好ましい）が実現される限りは、他の有効径および焦点距離を用いてもよい。レンズの直径および焦点距離は、サンプル７１４に入射する光ビームの入射角の数を最大化することを意図して選択される。別の実施形態では、光は、サンプルの表面で反射されずに、サンプルを透過する。

１または複数の再集束レンズ７１２は、反射した（透過した）光を検出器アレイ７２２に向かって方向付ける。しかしながら、反射（透過）光が、直接的に検出器アレイに当てられてよい場合には、再集束レンズを用いる必要はない。レンズ７１２および７１６は、それ自体では、光の偏光状態を変えないことが好ましい。

検出器アレイ７２２は、線形の複数素子検出器であってよく、各検出素子が、サンプルに対して照射される狭い範囲の入射角の光線を検出できる。開示されている実施形態では、アレイ７２２は、個々の検出素子すべてが、１つの回路チップ上に集積された固体の感光性検出器アレイである。具体的には、検出素子は、線形アレイの光ダイオードを備える。１つの回路チップ上に集積されているが、個々の光ダイオードは、別個の検出器として機能することができる。開示されている実施形態の線形アレイは、一列に配列された１２８の検出素子を備えることで、反射（透過）光がアレイ全体に照射された場合に、１２８の異なる入射角のデータを提供する。個々の検出素子の数は、開示されている実施形態より多くても少なくてもよく、検出素子は、１つのチップに集積される必要はなく、別個の検出器として構成されてもよい。複数の検出素子を用いることにより、複数の異なる入射角の各々について、表面で反射された光（または、サンプルを透過した光）を同時に検出することができる。さらに、本発明では、順次移動されることが可能な比較的少ない検出素子を用いて、反射（透過）光線を機械的に走査しつつ検出することもできるが、この技術では、所要時間が増大し、位置決め精度に応じて、精度が低くなる。

各検出素子の物理的なサイズは、各素子が、照射側における特定の狭い範囲の入射角のみを検出できるように、反射光線の広がりよりも小さいことが好ましい。各検出素子の出力は、（例えば、解析器７２４によって）リアルタイムコンピュータ技術のような従来の方法で利用され、入射角の狭い範囲の各々について、ΔおよびΨに関するデータを生成する。次に、そのデータは、従来の方法で解釈される。線形アレイの並ぶ方向は、一般的に重要であり、線形アレイは、光学面内に並ぶことが好ましい。開示されている実施形態では、線形検出器アレイ７２２の長軸を、中央の光線の入射面内に、中央の光線に垂直に配置することで、最大数の入射角を検出する。

かかる楕円偏光計は、ある範囲の角度にわたって散乱測定用ターゲットへの照射を同時に行うために用いられてよく、散乱光の強度が、アレイ検出器などによって、ある範囲の角度にわたって同時に測定される。それらの角度で測定された強度からのデータを収集することにより、格子またはその他のターゲットのパラメータを決定することができる。例えば、そのデータは、２００３年７月８日に発行されたＸｕ ｅｔ ａｌ．による米国特許第６，５９０，６５６号「SPECTROSCOPIC SCATTEROMETER SYSTEM」に記載されたような技術で導出されたデータの理論モデルと比較されてよい。そのデータは、Ａｂｄｕｌｈａｌｉｍ ｅｔ ａｌ．によって２００１年４月１０日に出願された米国特許出願第０９／８３３，０８４号「PERIODIC PATTERNS AND TECHNIQUE TO CONTROL MISALIGNMENT」に記載されたような技術で導出された理論モデルと比較されてもよい。

そのデータは、事前に生成されてライブラリに格納されてもよいし、解析中にリアルタイムで生成されてもよい。散乱測定用オーバレイのような技術では、様々なターゲットに関して測定されたスペクトルを直接比較することもできる。かかる示唆測定法を用いて、オーバレイの位置ずれ（ミスレジストレーション）を判定することができる。

また、１９９１年３月１２日に発行されたＧｏｌｄ ｅｔ ａｌ．による米国特許第４，９９９，０１４号「METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING THICKNESS OF THIN FILMS」に記載されたようなビームプロファイル反射率計を用いて、本技術を実行してもよい。

楕円偏光測定と反射率測定の同時実行

楕円偏光計と反射率計を組み合わせて用いるシステムを利用することで、オーバレイの散乱測定値の精度を向上させることができる。一実施形態では、オーバレイを測定するための散乱計として、２以上の楕円偏光計を用いる。これらの楕円偏光計の内の１または複数は、分光楕円偏光計であってよい。別の実施形態では、オーバレイを測定するための散乱計として、２以上の反射率計を用いる。これらの反射率計の内の１または複数は、偏光反射率計であってよい。あるいは、オーバレイを測定するための散乱計として、１以上の楕円偏光計と、１以上の反射率計とを組み合わせて用いる。

測定は、連続的に（各ツールが別の時間に測定するように）実行されてもよいし、並行して（すべてのツールがほぼ同時に測定するように）実行されてもよいし、あるいは、任意の他の方法で（例えば、ツールの総数よりも少ない少なくとも２つのツールが、ほぼ同時に測定するように）実行されてもよい。

本明細書に記載した実施例のいずれかにおいて、様々なツールが、法線入射および斜め入射を含む様々な入射角で、測定を行ってよい。特定の実施形態では、少なくとも２つのツールが、異なる方向から、ほぼ同じ入射角での散乱測定を行う。例えば、第１のツールは、ｘ方向の散乱測定に用いられ、第２のツールは、ｙ方向の散乱測定に用いられる。かかるシステムは、一部の共通な散乱信号を排除して、測定値の精度を向上させると共に、対称的な構成を提供できる。

散乱測定によるオーバレイの決定において、かかるツールを組み合わせて用いる利点は、測定値の精度が上がることである。２以上のツールを用いて、２以上の入射角（または、入射点）での測定を行う際の別の利点は、対象となる媒体への影響（例えば、膜の影響）をオーバレイから切り離すのに役立つことである。さらなる利点は、楕円偏光計と反射率計との組み合わせが、現行の検査ツールですでに用いられていることである。異なるターゲットまたは異なるターゲット部分（セクション）に対して、ほぼ並行して散乱測定を実行するよう構成された複数の散乱計を組み合わせて用いる別の利点は、測定に必要な合計時間を短縮できることである。並列測定システムの別の利点は、各散乱測定用オーバレイターゲットに対する信号取得時間を増大させて、測定の正確さを改善できることである。

ＦＴ処理を用いた散乱測定によるオーバレイ決定

フーリエ変換（ＦＴ）処理を用いた散乱測定によるオーバレイ測定のためのシステムを用いてもよい。一実施形態では、干渉計を用いて、広帯域光源の実質的にすべての波長を変調し、ＣＣＤカメラで、散乱線を検出する。変調帯域の実質的にすべての波長が、各画素または画素群に対して記録される。干渉計が変調帯域を通してステップすると、散乱信号の分光画像が生成される。

結果として生成された分光画像は、比較的大きい視野を有してよい。例えば、その画像は、いくつかの複数のターゲットを含んでよい。分光画像は、外部からの影響（例えば、膜の影響）を排除しつつオーバレイを正確に決定するために、画素ごとに処理されてよい。あるいは、処理速度を向上させると共に処理リソースを低減するために、画素群を用いて処理を行ってもよい。例えば、上述の散乱測定処理に従って、各ターゲットの画素群を解析してよい。一実施例では、それぞれ対応するターゲットの対の画像を減算して、差分画像Ｄ１およびＤ２を取得する。次に、各差分信号の特徴（平均強度など）を取得して、Ｐ１およびＰ２とし、オーバレイ誤差の決定に用いる。

具体的な実施例では、マイケルソン干渉計を用いて、波長変調帯域を通してステップする。あるいは、リンニク干渉計や、任意の他の干渉計を用いてもよい。鏡の各位置について、ＣＣＤカメラが、カメラの視野に捕らえられた散乱信号を記録する。次に、検出された信号は、デジタル化されて、画素ごと、もしくは、画素群ごとに格納されてよい。ステップの大きさは、一般に、オーバレイ測定の精度に比例する。カメラの速度（例えば、カメラが捕捉できる１秒当たりのフィールド数）は、通例、測定の速度に比例する。変調帯域についての測定が終わると、各画素（または、画素群）に対して記録された信号は、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）の基礎として用いられてよい。ＤＦＴは、各画素（または、画素群）のスペクトルプロファイルを提供する。次に、各ターゲットのスペクトルプロファイルは、上述の散乱測定オーバレイ技術で用いられてよい。これで、精度の高いオーバレイ決定を実行することができる。

複数の波長可変レーザ

様々な構成の楕円偏光計および反射率計によって実行される測定と共に、複数の波長可変レーザを組み合わせたものを有するシステムを用いて、オーバレイの散乱測定値の精度を向上させてもよい。波長可変レーザは、対象となる表面上に入射する放射線を供給する。一実施形態では、検討中の設計における少なくとも１つの層に配置されたターゲットを用いて、散乱測定によるオーバレイ測定が実行され、波長可変レーザは、ターゲットに入射する放射ビームを供給する。

次いで、測定された信号は、処理の前または後に平均されてよい。一実施形態では、測定される放射ビームが、ターゲットＡ、Ｂ、Ｃ、および、Ｄから得られる。次に、信号の各組から２つの差分信号Ｄ１およびＤ２が、複数の波長可変レーザ設定で取得されてよい。波長可変レーザ設定の各々について各ターゲットから測定された信号は、差分信号Ｄ１およびＤ２を取得する前に平均されてもよい。あるいは、Ｄ１およびＤ２に対する差分信号の各組を平均して、１つの平均差分信号Ｄ１およびＤ２を取得してもよい。次に、差分信号Ｄ１およびＤ２の特性Ｐ１およびＰ２（例えば、積分）が取得されてよい。別の実施形態では、異なる構成の波長可変レーザについて、（測定された信号も差分信号Ｄ１およびＤ２も平均せずに）、複数の特性Ｐ１およびＰ２が取得され、その結果が、各信号Ｐ１およびＰ２について平均される。次いで、上述のように、信号Ｐ１およびＰ２に基づいて、オーバレイ誤差が取得される。

空間フィルタリングを用いた散乱測定によるオーバレイ決定

一実施形態では、ＦＴ処理を用いた散乱測定によるオーバレイ決定のための上述の実施形態を拡張している。

ＦＴ処理を用いた散乱測定によるオーバレイ測定のためのシステムを、空間フィルタリングと組み合わせて、提供する。具体的には、少なくとも１つの散乱測定ターゲットによって反射された信号は、選択的に空間フィルタリングされ、特定の信号成分のみが処理される。

ＦＴ処理を用いた散乱測定によるオーバレイ決定に関する上述の実施形態では、干渉計を用いて、広帯域光源の実質的にすべての波長を変調し、ＣＣＤカメラなどの検出器で、散乱線を検出する。次いで、実質的にすべての波長が、各画素または画素群に対して記録されてよい。干渉計が変調帯域を通してステップすると、散乱信号の分光画像が生成される。完全な画像（または、画像の一部）に対応する散乱信号が収集される本実施例では、１本の画素ラインに対応する一部の信号のみが保持される。あるいは、画像全体に満たない複数の画素ラインに対応する一部の信号が収集される。このような散乱信号の選択的な収集は、空間フィルタリングによって、検出器すなわちＣＣＤカメラの画素列に対応する水平、垂直、または、斜めの信号のストライプのみを保持することで実現可能である。あるいは、より大きく、より完全な散乱信号の一部を、ＣＣＤカメラで収集することもできるが、望まない画素列（例えば、ターゲットの縁部や、２つのターゲット間の境界）に対応する情報は、収集の後に放棄されてもよい。

次に、保持された信号に対応する分光画像は、外部からの影響（例えば、膜の影響）を排除しつつオーバレイを正確に決定するために、画素ごとに処理されてよい。あるいは、処理速度を向上させると共に処理リソースを低減するために、画素群を用いて処理を行ってもよい。この実施形態は、従来の処理方法よりも高いＳＮＲを実現する。

本発明の一実施例では、ＦＴ処理の用いた散乱測定によるオーバレイ決定の実施形態を参照してオーバレイを決定する上述の技術が用いられてよい。

ＦＴ処理を用いた散乱測定によるオーバレイ決定の実施形態に比べて、空間フィルタリングを用いた散乱測定によるオーバレイ決定の実施形態の態様は、処理速度およびスループットを向上すると共に、処理リソースを低減することができる。

分光楕円偏光計および分光反射率計の例

図８は、本発明の一実施形態に従って、分光散乱計（スペクトロスコピック スキャタロメータ）システム８００を示す説明図である。システム８００は、基板すなわちウエハ８０８上に配置された格子構造８０６のオーバレイを測定するためにそれぞれ利用可能な分光楕円偏光計８０２および分光反射率計８０４の特徴を組み合わせて用いる。格子構造８０６は、多少簡略化して図示されており、様々に変更されてよい。例えば、格子構造８０６は、本明細書に記載された格子構造のいずれかに対応してよい。分光楕円偏光計８０２および分光反射率計８０４の両方は、水平のｘｙ方向と、垂直のｚ方向とに、基板８０８を移動させるためのステージ８１０を利用してよい。ステージは、さらに、基板を回転させたり傾けたりしてもよい。動作中、ステージ８１０は、分光楕円偏光計８０２および／または分光反射率計８０４によって格子構造８０６を測定できるように、基板８０８を移動させる。

分光楕円偏光計８０２および分光反射率計８０４は、さらに、１または複数の広帯域放射線源８１２を用いる。例えば、光源８１２は、少なくとも２３０ないし８００ｎｍの範囲の波長を有する電磁放射を供給してよい。広帯域光源の例としては、重水素放電ランプ、キセノンアークランプ、タングステン電球、石英ハロゲンランプが挙げられる。あるいは、１以上のレーザ放射線源を、広帯域光源の代わりに、または、広帯域光源と組み合わせて用いてもよい。

分光反射率計８０４では、レンズ８１４が、光源８１２からの放射線を集光して、ビーム分割器（ビームスプリッタ）８１６に向かって方向付け、ビーム分割器８１６は、入射ビームの一部を集束レンズ８１８に向かって反射し、集束レンズ８１８は、基板８０８上の格子構造８０６の近傍に放射線を収束させる。基板８０８によって反射された光は、レンズ８１８によって集光され、ビーム分割器８１６を通って分光計８２０に至る。

スペクトル成分が検出され、かかる成分を表す信号が、コンピュータ８２２に供給されて、コンピュータ８２２は、上述の方法でオーバレイを算出する。

分光楕円偏光計８０２では、光源８１２は、光ファイバケーブル８２４を通して光りを供給し、光ファイバケーブル８２４は、偏光をランダム化して、基板８０８に照射する一様な光源を形成する。ファイバ８２４を抜けると、放射線は、スリット開口および集束レンズ（図示せず）を備えてよい光照射器８２６を通り抜ける。照射器８２６を通り抜けた光は、偏光器８２８によって偏光され、基板８０８に照射される偏光サンプリングビーム８３０を生成する。サンプリングビーム８３０からの放射線は、基板８０８で反射されて、解析器８３２を通って分光器８３４に至る。反射された放射線のスペクトル成分が検出され、かかる成分を表す信号が、コンピュータ８２２に供給されて、コンピュータ８２２は、上述の方法でオーバレイを算出する。

分光楕円偏光計８０２では、偏光器８２８または解析器８３２、もしくは、その両方が、補償器または位相差板としても知られる波長板（図示せず）を備えてもよい。波長板は、２つの偏光の間の相対位相を変更することで、直線偏光を楕円偏光に、または、その逆に変更する。

入射する偏光８３０とサンプルとの相互作用の情報をさらに収集するためには、光の偏光状態と解析器の偏光感度との一方または両方を変化させることが望ましい。通例、これは、偏光器および／または解析器の中の光学素子を回転させることによって実行される。偏光器または解析器の中の偏光素子が回転されてもよいし、それらの構成要素の少なくとも一方が波長板を備える場合には、波長板が回転されてもよい。回転は、当業者に周知の方法で、コンピュータ８２２によって制御されてよい。回転する構成要素を用いるとよいが、それにより、システム８０２が制限を受けることもある。回転する構成要素を用いると時間が掛かる場合があり、可動部分を含むことから、そのような構成要素は、信頼性が低い傾向にある。

したがって、一実施形態によると、偏光器８２８は、高速で信頼性の高い分光楕円偏光計を実現するために、光弾性変調器（ＰＥＭ）などの偏光変調器８３６を備えるよう構成される。偏光変調器は、回転する波長板の代わりに用いられる。偏光変調器８３６は、回転する波長板と同じ機能を有する光学素子であるが、コストの掛かる速度および信頼性の問題を生じることがない。偏光変調器８３６は、どの光学要素も機械的に回転させることなく、光の位相を電気的に変調することを可能にする。１００ｋＨｚほどの高さの変調周波数を容易に実現可能である。

別の実施形態では、解析器８３２は、電気的に変調可能なＰＥＭ（光弾性変調器）などの偏光変調器を備えるよう構成される。さらに別の実施形態では、偏光器と解析器との両方が、ＰＥＭなどの偏光変調器を備え、それらの偏光変調器は、異なる周波数で変調される。

偏光変調器８３６は、かかる高周波数で変調することができるため、それを利用しない場合には非常に低速である様々な技術を実行するために用いられてよい。例えば、２つの構造の偏光反射率の差分が取得されてよい。このために、ＰＥＭと音響光変調器（ＡＯＭ）とを組み合わせて用いてよく、その場合、ＡＯＭは、２つの構造の間を高速で移動しつつ、異なる周波数（異なるが、多重または準多重周波数のように、関連する周波数）で偏光状態を変調する。ＰＥＭおよびＡＯＭの変調周波数の和および差における信号は、有用な情報を含んでおり、同期検波によって高い信号対雑音比で検出可能である。あるいは、入射ビームに関するＡＯＭは、解析器のＰＥＭと組み合わせて用いられてもよい。

図示していないが、回転する波長板は、偏光感度を有する反射率計のような他の種類の散乱測定システムの偏光変調器に置き換えてもよい。

散乱測定オーバレイデータベース

本発明の一態様は、散乱測定に基づくオーバレイの決定に用いることができる散乱測定オーバレイ情報データベースを提供するものである。

一実施例では、１つもしくは複数のオーバレイ情報ライブラリを含む１つまたは複数のデータベースが提供される。データベース情報は、オーバレイ測定に使用される。

一実施例では、ライブラリは、人為的にオーバレイを導入された所定のテストパターンを使用して作成される。あるいは、ライブラリは、ステッパにプログラムされた層の位置合わせのずれを使用して作成される。別の一実施形態では、導入またはプログラムされたオーバレイは、特定の範囲内で変動する漸進的（プログレッシブ）な特性を有する。

データベースに格納される情報は、テストパターンまたはステッパを介して導入されるとおりにウエハ上に実際にプリントされるオーバレイに関するオーバレイデータを含むことができる。あるいは、この情報は、サンプル上で実際に測定されるオーバレイから得られる。データベースは、さらに、オーバレイデータに関連した散乱測定記録を格納することができる。このような散乱測定記録は、オーバレイデータに対して実際に散乱測定を実施することによって得られる。データベースは、また、材料、プロセス条件、光学パラメータ、および、その他の関連データに関する情報も含むことができる。データベース情報は、補間処理およびその他の予備処理によって、さらなる強化を図ることができる。

散乱測定データベース情報を用いると、実際の測定時に記録された特定の散乱測定値およびプロセス条件に関連した散乱測定データを取り出すことで、オーバレイ測定の精度と速度とを向上させることができる。また、データベースルックアップに基づいて、測定アルゴリズムまたは測定方法を動的に選択することも可能になる。更なる一実施例では、生産ラインにおける測定工程の前または最中に散乱測定オーバレイ測定ツールを較正するためにデータベースを用いる。

散乱測定を実施するための他のシステム

本発明の一実施形態にしたがうと、画像化反射率計、画像化分光反射率計、画像化偏光分光反射率計、走査型反射率計システム、パラレルデータ収集が可能である２以上の反射率計を有するシステム、パラレルデータ収集が可能である２以上の分光反射率計を有するシステム、パラレルデータ収集が可能である２以上の偏光分光反射率計を有するシステム、ウエハステージを動かさずに、もしくはどの光学素子も反射率計ステージも動かさずにシリアルデータ収集が可能である２つまたは３つ以上の偏光分光反射率計を有するシステム、画像化分光計、波長フィルタを有する画像化システム、長（ロングパス）波長フィルタを有する画像化システム、短（ショートパス）波長フィルタを有する画像化システム、波長フィルタを有さない画像化システム、干渉型画像化システム（例えば、カリフォルニア州サンノゼ市のＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社より市販されているＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒオーバレイ測定ツールモデル５１００，５２００，５３００，Ａｒｃｈｅｒ１０等に装備されたリンニク顕微鏡）、画像化楕円偏光計、画像化分光楕円偏光計、走査型楕円偏光計システム、パラレルデータ収集が可能である２以上の楕円偏光計を有するシステム、ウエハステージを動かさずに、もしくはどの光学素子も楕円偏光計ステージも動かさずにシリアルデータ収集が可能である２以上の楕円偏光計を有するシステム、マイケルソン干渉計、マッハツェンダ干渉計、およびサニャク干渉計、のうちの任意の一装置、あるいは任意の複数装置の組み合わせを使用して、スペクトルＡ〜Ｄ（および、存在する場合には、さらなるスペクトル）が取得される。

干渉計をベースにした画像化分光計、および例えばフィルタをベースにした方式または「プッシュブルーム（push broom）」等のその他の方式の画像化分光計についてのいくつかの実施形態が、Ｃａｂｉｂらによる１９９８年１１月１０日付けの米国特許第５，８３５，２１４号「METHOD AND APPARATUS FOR SPECTRAL ANALYSIS OF IMAGES」に記載されている。スペクトル画像化を用いた膜厚マッピングのためのシステムおよび方法の実施形態が、Ｃａｂｉｂらによる１９９９年１月５日付けの米国特許第５，８５６，８７１号「FILM THICKNESS MAPPING USING INTERFEROMETRIC SPECTRAL IMAGING」に記載されている。ＬＥＤ照明をベースにしたスペクトル画像化のための別の構成が、Ａｄｅｌらによる２０００年１１月７日付けの米国特許第６，１４２，６２９号「SPECTRAL IMAGING USING ILLUMINATION OF PRESELECTED SPECTRAL CONTENT」に記載されている。

本発明の一実施形態にしたがった、４つのターゲットからスペクトルＡ〜Ｄ（および、存在する場合には、さらなるスペクトル）を取得するための画像化分光計または画像化反射率計は、当業者によく知られているフーリエ変換式画像化分光計のタイプであることが可能である。フーリエ変換式画像化分光計のタイプの画像化システムは、複数の異なるターゲット（または複合型散乱測定オーバレイターゲットのなかの複数の区域）から得られた反射光信号または散乱光信号を分離（分解）できることが望ましい。あるいは、散乱測定オーバレイ信号を取得するための画像化分光計または画像化反射率計は、二次元検出器を用いたものであることも可能である。二次元検出器の一方の軸は、複数の異なる散乱測定オーバレイターゲット（または複合型の散乱測定オーバレイターゲットのなかの複数の区域）から得られる空間的な情報を含み、もう一方の軸は、例えばプリズムと格子とを組み合わせてなるシステム等のプリズムシステムまたは回折格子システムによって分光学的に分離された光から得られるスペクトル的に分解された情報を含む。照射される放射線は、ターゲットに入射する前に波長を選択されてよい。

画像化分光計、画像化反射率計、または本発明の様々な実施形態に関連して前掲されたその他の任意のシステムで検出される、４つのターゲットからのスペクトルＡ〜Ｄ（および、存在する場合には、さらなるスペクトル）は、非偏光であってもよいし、または選択的に偏光であってもよい。ターゲットからの反射光や散乱光に含まれる１または複数の偏光成分、もしくは、１または複数の非偏光は、画像化分光計あるいは画像化反射率計を用いて検出することができる。

様々な実施例では、非偏光反射光、散乱測定オーバレイターゲットの一層の主要な対称軸（one major symmetry axis）にほぼ平行な電場を有する偏光、散乱測定オーバレイターゲットの一層の主要な対称軸にほぼ垂直な電場を有する偏光、散乱測定オーバレイターゲットの一層の主要な対称軸に対してある角度を成した電場を有する偏光、右円偏光放射、左円偏光放射、およびこれらの偏光状態の２以上を組み合わせたもの、のうちの１または複数の光信号を、別々にあるいは同時に記録するために、複数の別々の検出システムを用いることができる。また、光源ノイズの監視、光源レベルの制御、および、光源ノイズの減算もしくは正規化、のうちの１または複数を目的として、光源の一部から得られる信号を同時に記録するために、別の検出システムを用いることもできる。

本発明の様々な実施形態について考えうる各種の実施例が、Ｗａｌｔｅｒ．Ｄ．Ｍｉｅｈｅｒらによる２００３年２月２２日付けの同時係属の米国仮特許出願第６０／４４９，４９６号「METHOD AND SYSTEM FOR DETERMINING OVERLAY ERROR BASED ON SCATTEROMETRY SIGNALS ACQUIRED FROM MULTIPLE OVERLAY MEASUREMENT PATTERNS」に例示されている。

一実施形態では、光学系によって生成される放射線によって、４つのターゲットのそれぞれが照射される。光学系は、とりわけ、光源、レンズ系、集束系、ビーム成形系、および方向付け（ディレクティング）系のうちの１つまたは複数の形態を取ることができる。一実施形態では、ターゲットの少なくとも１つを照射する放射線は、狭めのビーム断面を有する放射ビームの形態に成形される。具体的な一実施例では、ビームは、レーザビームである。ターゲットに照射する放射ビームは、ターゲットを構成する構造と相互に作用し合うことによって、各ターゲットに対応してＳ_A，Ｓ_B，Ｓ_C，Ｓ_Dで示される回折放射成分を生成する。一実施形態では、照射ビームは、分光偏光解析でよく使用される広スペクトル域の広帯域偏光ビームである。

散乱測定オーバレイ技術の別の実施形態：

いくつかの関連技術が、前掲された関連の同時係属の米国仮特許出願に記載されている。これらの関連技術は、本明細書に記載される技術と容易に統合可能である。

本発明の一実施形態では、信号を同時に取得可能にするために、上記のように異なるオフセット＋／−Ｆおよび＋／−ｆ０、もしくは異なるオフセット＋／−Ｆをプログラムされた複数のターゲット（または複合型散乱測定ターゲットの複数の区域）、または、その他の類似のターゲットの組み合わせをグループ化する。一実施例では、複数のターゲットを一列に並べることによって、ウエハまたは光学素子の全部もしくは一部を散乱測定オーバレイターゲット配列に沿って一方向に走査しながらデータを取得できるようにする。ターゲットを線形配列に並べれば、画像化分光計または画像化反射率計の使用が可能になる。この画像化分光計または画像化反射率計は、複数の異なるターゲット（またはターゲット区域）からの信号を検出器の一方の軸で分離し、スペクトル情報を検出器のもう一方の軸で検出するものである。この場合の画像化システムは、線形ターゲット配列の線画像または円筒画像をプリズムシステムまたは格子システムのなかで画像化する。画像化分光計または画像化反射率計は、複数の異なるターゲットまたは複数の異なるターゲット区域からの反射光もしくは散乱光を分離して尚かつ方向付けるために、２以上のレンズのアレイ（当業者には小型レンズ配列として知られる）を含むことができる。

一実施形態では、オーバレイ誤差に対する感度を高めるまたは最大化するために、主要オフセットＦの最適化が行われる。例えば、ターゲットのピッチの１／４に等しく設定されたオフセットＦは、オーバレイ誤差に対する感度が最小である２つの対称点の中間なので、高いオーバレイ感度を提供することができる。補助的オフセットｆ０は、例えば規格限界に等しいまたは規格（スペシフィケーション）限界を超えるなどオーバレイ測定の対象領域外になるように選択可能である。しかしながら、規格外の測定を規格内のものとして解釈しうる誤差を許容するような不確定性をオーバレイ測定に持ち込むことは望ましくない。にもかかわらず、これは、ｆ０範囲に対する制限にはならない。オーバレイ誤差Ｅが−ｆ０と＋ｆ０との間にある場合は、大きく設定されたｆ０によってオーバレイ測定の精度が低下する可能性がある。オーバレイ誤差が｜ｆ０｜より大きい場合は、−ｆ０から＋ｆ０までの範囲を超える外挿によってオーバレイ測定の精度が低下する可能性があり、さらには、線形近似の精度も低下する可能性がある。

オーバレイ測定は、ステッパフィールドの四隅または四隅の近くで実施される（フィールドの中心近くで追加測定が実施される場合もある）のが最も一般的である。これは、半導体製造プロセスにおいて、ウエハごとに５〜２５フィールドの割合で実施される。Ｘ方向にオーバレイを決定するために４つのターゲットが用いられ、Ｙ方向にオーバレイを決定するために４つのターゲットが用いられる、本発明の一実施形態にしたがったシステムでは、通常のオーバレイ測定抜き取り（サンプリング）方式に基づいて二次元オーバレイを決定するために、合計で８×４×５＝１６０回にわたって散乱測定オーバレイターゲットを測定する。より詳細な抜き取り方式の場合は、さらに追加の測定を実施する。

本発明の別の一実施形態にしたがうと、サンプルの二次元オーバレイを決定するために、合計で６つのターゲット（例えばＸ方向に３つ、Ｙ方向に３つ）を使用することができる。これは、オーバレイ測定プロセスの単純化、処理リソースの低減、および測定プロセスに費やされる時間の短縮をさらに促進することができる。さらに他の実施例では、サンプル上にターゲットまたはターゲット対を追加で設けることができる。そして、それらを、本明細書で説明された散乱測定に基づくオーバレイ決定法とほぼ同じ方法で、ただしターゲット数の増加とそれに対応する回折放射成分の増加とを考慮して調整した方法で処理することができる。また、オーバレイ誤差Ｅを決定するための数学的方法も、このようなターゲットまたはターゲット対の追加によってもたらされる追加情報の有効性を活用できるように同様に調整することができる。例えば、さらに高次の近似項をオーバレイ誤差Ｅの算出式に組み入れる等の調整が可能である。

再フォーカスを制限された、散乱測定に基づくオーバレイ決定

散乱測定に基づくオーバレイ決定の精度を向上させるためには、２回以上の測定を実施することが好ましい。一実施例は、複数の散乱測定オーバレイターゲットを利用するもので、各ターゲットは、システムによって１回ずつオーバレイを散乱測定される。別の一実施例は、１つの散乱測定ターゲット、または複数のターゲット小範囲を有する１つの散乱測定ターゲット領域を利用するもので、そのターゲットまたはターゲット領域では、散乱測定に基づくオーバレイ測定が２回以上実施される。さらに別の一実施形態では、複数のターゲットまたは複数のターゲット領域が使用され、その複数のターゲットまたは複数のターゲット領域の一部もしくは全部に対して２回以上の測定が実施される。

従来は、測定ごとに光学系の再フォーカスを行っていた。しかしながら、これは、多くの時間を費やすので、システムの処理速度を低下させる原因となる。例えば、各フォーカス手順が０．１〜１秒の時間を費やし、各ウエハが３０〜７０の区画を含み、各区画が８つのターゲットからなる場合を考える。これらの数を使用すると、再フォーカスは、ウエハごとに５６０秒間もの時間を費やすことになる。通常１００〜１０００枚のウエハが検査されることを考慮すると、この数字はさらに増大し、完全に許容不能なレベルに達すると考えられる。

したがって、本発明の一実施形態にしたがうと、システムの処理速度およびスループットを向上させるために光学的再フォーカスを制限したうえで、散乱測定に基づくオーバレイ測定を複数回にわたって実施する。光学的再フォーカスを制限するというのは、概して、光学系の再フォーカスを経ることなく少なくとも何回かの新しい測定が実施される、すなわち、同一のフォーカス設定で複数回の測定が実施されることを意味する。例えば、実施予定の複数回の散乱測定用に最適化されたフォーカス設定を有するように光学系を初期化して、これらの各散乱測定中はこれ以上の再フォーカスが行われないようにすることができる。最適化されたフォーカス設定は、ウエハ全体について一度に定められてもよいし、または定期的に定められてもよい。定期的に定められる場合は、例えば、検査期間中の所定の時間増分（例えば３０秒）ごと、ウエハ上の特定の位置（例えばウエハ上の２×２ｃｍ²の面積）ごと、またはターゲットの有する特定の特性（例えば類似の線幅および間隔）ごとにフォーカス設定を定めることできる。

一実施形態では、ウエハは、複数のフォーカスゾーンを含む。各フォーカスゾーンは、そのフォーカスゾーン内で実施予定の全ての散乱測定用に最適化されたフォーカス設定を有するように初期化される。フォーカスゾーン内では、個々の散乱測定間で再フォーカスが行われることはなく、したがって、フォーカスゾーン内の各ターゲットは、最適化された同一のフォーカス設定で測定される。使用されるフォーカスゾーンの数は任意である。

フォーカスゾーンの構成は、様々に可変である。一実施例では、フォーカスゾーンは、ウエハの一部に対応する。例えば、ウエハは、ウエハの中心から発して外向きに広がる複数の放射状のフォーカスゾーンに分割されてもよいし、またはウエハを複数の四分円に分ける複数の角度状のフォーカスゾーンに分割されてもよい。別の一実施例では、フォーカスゾーンは、例えば各半導体素子の隅に位置するターゲット等の特定のひとそろいのターゲットに対応する。別の一実施例では、フォーカスゾーンは、複数のターゲットを含む特定のターゲット領域（例えば図９Ａを参照せよ）に対応する。別の一実施例では、フォーカスゾーンは、ターゲット領域内の特定のターゲット小範囲（例えば図９Ｂに示されたＸ方向のターゲット群またはＹ方向のターゲット群）に対応する。さらに別の一実施例では、フォーカスゾーンは、ターゲットそれ自体の中の特定の小範囲に対応する。

次に、オーバレイを決定する方法について説明する。方法は、概して、第１のゾーンのフォーカス設定を最適化する工程を含む。方法は、また、第１のゾーン内の複数のターゲットに対して第１の一連の測定を実施する工程を含む。第１のゾーン内の各ターゲットは、最適化された第１のゾーン用のフォーカス設定を使用して測定される。すなわち、第１のターゲットが測定された後、光学系の再フォーカスを経ることなく第２のターゲットが測定される。このようにして、任意の数のターゲットを測定することができる。方法は、さらに、第２のゾーンのフォーカス設定を最適化する工程を含む。方法は、また、第２のゾーン内の複数のターゲットに対して第２の一連の測定を実施する工程を含む。第２のゾーン内の各ターゲットは、最適化された第２のゾーン用のフォーカス設定を使用して測定される。すなわち、第１のターゲットが測定された後、光学システムの再フォーカスを経ることなく第２のターゲットが測定される。このようにして、任意の数のターゲットを測定することができる。

この方法の一例では、第１のゾーンおよび第２のゾーンは、複数のターゲットを含む互いに異なるターゲット領域であってよい（図９Ａを参照せよ）。この例では、各ターゲットは互いに近接しており、したがって、各ターゲットと次のターゲットとの間のフォーカス変動は微小であると仮定することができる。方法は、概して、ターゲット領域におけるフォーカス設定を最適化する工程と、その後に、最適化されたフォーカス設定を用いてターゲット領域内の各ターゲットを測定する工程とを含む。例えば、第１のターゲットの測定後は、隣のターゲット、そしてさらにその隣へと、光学システムを一度も再フォーカスすることなく測定が行われる。第１のターゲット領域の測定後、システムは、例えば、そのデバイスの別の隅に位置するターゲット領域等の第２のターゲット領域上で、これらの工程を繰り返すことができる。

この方法の別の例では、第１のゾーンおよび第２のゾーンは、複数のターゲットを含むターゲット領域を備えた小範囲であってよい。これらの小範囲は、例えば、異なるターゲット方向を表すことができる（図９Ｂを参照せよ）。方法は、概して、第１の小範囲（例えばＸ軸に沿ったターゲット）におけるフォーカス設定を最適化する工程と、その後に、最適化されたフォーカス設定を用いて小範囲内の各ターゲットを測定する工程とを含む。例えば、第１のターゲットの測定後は、隣のターゲット、そしてさらにその隣へと、光学系を一度も再フォーカスすることなく測定が行われる。第１の小範囲の測定後は、第２の小範囲（例えばＹ軸に沿ったターゲット）におけるフォーカス設定を最適化し、その後、最適化されたフォーカス設定を用いて小範囲内の各ターゲットを測定することによって、方法が継続される。例えば、第１のターゲットの測定後は、隣のターゲット、そしてさらにその隣のターゲットへと、光学系を一度も再フォーカスすることなく測定が行われる。別の例では、光学系は、ＸＹ散乱測定オーバレイターゲット群の第１の散乱測定オーバレイターゲットの測定に先だって再フォーカスされる。ＸＹ散乱測定オーバレイターゲット群の第１のターゲットについて散乱測定信号が測定された後は、残りのターゲットも、再フォーカスを経ることなく測定することができる。ＸＹ散乱測定オーバレイターゲット群は、例えば、Ｘ方向へのオーバレイ誤差決定のために４つの散乱測定オーバレイターゲットを有し、Ｙ方向へのオーバレイ誤差決定のために４つの散乱測定オーバレイターゲットを有するターゲット群である。

線画像を用いた、散乱測定に基づくオーバレイ決定

線画像を用いて散乱測定に基づくオーバレイ測定を行うためのシステムも構築される。

一実施形態では、散乱測定ターゲットは、単一の入射ラインに沿って照射される。散乱線は、プリズムまたは回折格子等の分散系に捕らえられる。散乱線は、こうして、波長の関数の形で分散される。分散された放射線は、次いで、ＣＣＤカメラ等の検出器によって捕らえられる。もしカメラが適切に調整されているならば、視野に入る放射線は、入射ラインに沿った各点を視野のＸ軸に沿って分布させ、様々な波長をＹ軸に沿って分布させた二次元プロファイルを有する。入射ラインおよび視野の一例が、図１０に示されている。

カメラによって捕らえられた画像は、次いで、オーバレイを決定するために、画素レベルで処理することができる。これは、もし可能ならば、本明細書で開示されたＦＴアプローチを使用して行うことができる。特定の入射ラインに沿ってオーバレイを測定した後は、異なる方向にオーバレイを測定するために、ウエハを９０度（または任意の角度）回転させることができる。本発明の利点は、単一の光学システムを使用して二方向以上にオーバレイを測定できることにある。

単一の入射ラインを照射する別の一形態は、より大きい面積を照射しつつ、検出線に沿った散乱放射のみを捕らえる形態である。以上に記載された説明は、適切な変更を加えたうえで、この実施形態にも適用することができる。

アルゴリズム

散乱測定に基づくオーバレイ測定を、より効果的に且つ正確に実施するために、各種のアルゴリズムおよび方法が用いられる。

このような計算を実施するための旧方法は、オーバレイを計算するためにモデルベース法またはディフェレンシャル法を使用している。しかしながら、これらの従来の方法は、結果の精密化およびクロスチェックのために複数のアルゴリズムを組み合わせた場合に得られる正確さに欠ける。また、これらの方法は、（ＣＤまたはプロファイルデータ等の）既存の情報をうまく活用することができない。

アルゴリズムの一般的な一実施例では、オーバレイは、異なる製品パラメータを個別に複数回にわたって計算して得られるデータを使用して決定される。

第１の実施形態では、第１の技術（例えばディフェレンシャル法）にしたがって、オーバレイの第１の計算が実施される。次いで、第２の技術（例えばモデルベース回帰）にしたがって、オーバレイの第２の計算が実施される。次いで、これら二種類の計算から得られた結果が組み合わされる。これらの結果は、様々に組み合わせ可能である。例えば、一方の計算を、他方の計算のクロスチェックに使用することができる。あるいは、一方の計算を、他方の計算を加速させるための初期値を提供するために使用することができる。その他の組み合わせ方も可能である。

第２の実施形態では、その他の測定データを活用することによって、オーバレイ測定の速度、精度、またはその両方を向上させる。例えば、ターゲットを構成する複数の層から得られた膜厚データをアルゴリズムに供給する。このような膜厚データは、楕円偏光計または反射率計等の適切なツールを使用して測定することができる。代わりに（または追加として）、ＳＣＤ測定（散乱測定に基づく限界寸法（scatterometry critical dimension）または散乱測定に基づくプロファイルの測定）からＣＤデータを得て、それを、散乱測定に基づく計算を加速させるまたは散乱測定に基づく計算の精度を向上させるために使用することもできる。また、散乱測定に基づくプロファイル測定から得られた例えば高さまたは三次元プロファイル情報等のその他のデータも、同様に使用することができる。ＣＤ ＳＥＭ等のその他のＣＤデータ供給源も使用することができる。

散乱測定ターゲットと画像化ターゲットとの結合

別の一実施例では、ターゲットは、上述された散乱測定に基づく解析はもちろんのこと、画像化に基づくオーバレイ測定の用途にも使用できるように設計されている。言い換えると、画像化に基づくオーバレイ測定と併せて散乱測定を実施できるように、散乱測定ターゲット構造と画像化ターゲット構造とがかたく統合されている。散乱測定用のターゲット対は、好ましくは、視野の中心を挟んで対称的に配置される。もし画像化システムの照射経路内および収集経路内で対称性が維持されるならば、ツールによって導入されるシフトは最小になる。例えば、ＸａとＸａ’とは（大きさが同様で符号が逆）、Ｘ方向に対をなすターゲットである（ここで、ＸａとＸａ’とは図１のＸａとＸｄとに対応しうる）。同様に、ＸｂとＸｂ’とも相対している（ここで、ＸｂとＸｂ’とは図１のＸｂとＸｃとに対応しうる）。Ｙ方向では、ＹａとＹａ’とが相対するとともに、ＹｂとＹｂ’とが相対している。

図１１Ａは、第１の組み合わせの画像化および散乱測定両用ターゲットの実施形態を示す上面図である。この例では、ターゲット構成は、散乱測定を使用してオーバレイを決定するための４つのＸ方向ターゲットからなるセットと、散乱測定を使用してオーバレイを決定するための４つのＹ方向ターゲットからなるセットとを含む。これらのターゲットは、（オーバレイ測定の方向に）隣り合うターゲットどうしが反対のオフセットを有するように配置される。図に示された例では、ターゲットＸａはターゲットＸａ’と反対のオフセットを有し、ターゲットＸｂはターゲットＸｂ’と反対のオフセットを有する。同様に、ターゲットＹａはターゲットＹａ’と反対のオフセットを有し、ターゲットＹｂはターゲットＹｂ’と反対のオフセットを有する。この例で用いられるターゲットは、画像化に基づくオーバレイ決定に使用できる構成も含んでいる。

図示された例では、ターゲット構成は、第１の層上に黒色の枠構造１１０４を、第２の層上に灰色の十字構造１１０２を、それぞれ含んでいる。画像解析法を使用する場合は、黒色構造１１０４の中心を灰色構造１１０２の中心と比較することによってオーバレイ誤差（もしあるならば）を決定すればよい。

このターゲットのセットは、全体として、Ｙ方向よりもＸ方向に長く延びる長方形を構成している。しかしながら、これらのターゲットは、その他の形状（例えば四角形または対称的な任意の多角形）を構成してもよいし、Ｘ方向以外の方向に長く延びてもよいし、またはその両方であってもよい。

その他の複合型ターゲット構成では、画像化用の構造は、対称的に配置されたひとそろえの散乱測定ターゲットの中心に配される。図１１Ｂは、第２の組み合わせの画像化および散乱測定両用ターゲットの実施形態を示す上面図である。図に示されるように、散乱測定ターゲットは、中央の画像タイプのターゲット１５２の周りに対称的に配される。この例では、画像タイプのターゲット１１５２は、Ｘ方向またはＹ方向にそれぞれ延びる四分円形（クアドラント）の線分で形成される。適切な画像タイプのターゲット、およびそれらを用いてオーバレイを決定するための技術が、（１）Ｂａｒｅｋｅｔによる２００２年１０月８日付けの米国特許第６，４６２，８１８「OVERLAY ALIGNMENT MARK DESIGN」、（２）Ｂａｒｅｋｅｔによる２０００年２月８日付けの米国特許第６，０２３，３３８号「OVERLAY ALIGNMENT MEASUREMENT OF WAFER」、（３）Ｇｈｉｎｏｖｋｅｒらによる２００１年６月２７日付けの米国特許出願０９／８９４，９８７「OVERLAY MARKS, METHODS OF OVERLAY MARK DESIGN AND METHODS OF OVERLAY MEASUREMENTS」、ならびに（４）Ｌｅｖｙらによる２００２年１１月２６日付けの米国特許第６，４８６，９５４号「OVERLAY ALIGNMENT MEASUREMENT MARK」に記載されている。

図１１Ｃは、第３の組み合わせの画像化および散乱測定両用ターゲットの実施形態を示す上面図である。このターゲット構成は、入れ子（ボックス・イン・ボックス）タイプのターゲット１１５４の周りに対称的に散乱測定ターゲットを配されている。入れ子タイプのターゲットは、一般に、第１の層で形成された第１の内箱を、第２の層に形成された第２の外箱構造で取り囲まれている。オーバレイ誤差（もしあるならば）を決定するためには、内箱構造の中心を外箱構造の中心と比較すればよい。

上記のターゲットは、オーバレイを決定するために、任意の適切な方法で（例えば、Ｂａｒｅｋｅｔ、Ｇｈｉｎｏｖｋｅｒら、およびＬｅｖｙらによる上記の特許および特許出願に記載されたように）画像化することができる。ターゲット構成は、また、散乱測定技術を使用してオーバレイを決定するために、本明細書に記載された任意の望ましい光学ツールで同時にまたは順次に測定することもできる。別の一実施形態では、散乱測定ターゲットを、画像タイプのターゲット構造と同時に画像化することができる。得られた画像は、個々の散乱測定ターゲットに分割され、次いで、各ターゲットについての画像信号（例えば強度）に散乱測定技術が適用される。画像は、散乱測定に基づくオーバレイ測定と同時に、または散乱測定に基づくオーバレイ測定の前、または散乱測定に基づくオーバレイ測定の後に取得することができる。画像化システムは、カリフォルニア州サンノゼ市のＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社より市販されているＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ５３００のシステムまたはＡｒｃｈｅｒオーバレイ測定システム等の高解像度顕微鏡でよい。あるいは、画像化システムは、ウエハの位置決めまたはパターンの認識を含むその他の目的に使用される低解像度の画像化システムでもよい。

インプリントリソグラフィにおけるマスクの位置決め

ナノインプリントリソグラフィにおいて、マスクおよびサンプルは、（重合予定の流体によって隔てられた状態で）互いに近接しているのが通常であるので、パターニングされたマスク表面、流体、および位置決め先であるパターニングされたサンプルは、散乱測定オーバレイターゲットと機能的に等しいものと見なされる。これにより、散乱測定オーバレイのために定められた全ての方法、技術、およびターゲットを位置決め手順に適用することができる。

一実施形態では、測定機器は、マスクを通して放射線（好ましくは光）を投写して、マスクの一領域を、そして、１つまたは複数の散乱測定オーバレイターゲットを含むウエハを照射する。次いで、マスク上のパターンとウエハ上のパターンとの間のオフセットを決定するために、散乱または回折に起因する反射光特性の変化が使用される。ウエハは、次いで、所望のオフセットを実現するために、マスクに対して相対移動される（または逆も可）。こうすれば、直接的画像化またはモアレ技術等の従来の位置決め技術と比べてより正確な位置決めを実現することができる。測定機器は、反射率計、偏光反射率計、分光計、画像化反射率計、画像化干渉計、または本明細書もしくは上記の仮出願に記載されたその他の類似機器でよい。

散乱測定オーバレイターゲットの配置

散乱測定オーバレイシステムの精度は、対象表面上に分布させた複数のターゲットで測定を行うことによって向上させることができる。一実施例では、散乱測定オーバレイシステムは、対象表面上の様々な位置にある複数の散乱測定ターゲットを使用する。そして、各ターゲットについて、散乱測定に基づくオーバレイ測定を一度だけ実施する。別の一実施例では、散乱測定オーバレイシステムは、対象表面上の様々な位置にある複数の散乱測定ターゲット領域を使用する。これらの各散乱測定ターゲット領域は、散乱測定オーバレイシステムによってそれぞれ測定可能な複数のターゲットを有する。例えば、散乱測定ターゲットまたは散乱測定ターゲット領域は、ウエハ上に形成される１つまたは複数の素子の隅に配置される。また、散乱測定ターゲットは、一般に、散乱測定オーバレイシステムによって測定可能な格子構造を含むことができる。

ターゲットの数は、一般に、対象表面上の利用可能スペースに依存する。大抵の場合は、ターゲットは、ウエハ上の素子と素子との間のスクライブライン内に配置される。スクライブラインとは、ソーイングまたはダイスカットによってウエハを個々のダイに分割するためのウエハ上の場所である。したがって、この線上に回路自体がパターニングされることはない。このような場合は、ターゲットの数は、少なくとも部分的に、スクライブラインの狭さゆえの制約を受ける。ウエハ上の素子の数を最多にしようとすると、スクライブラインは当然狭くなる傾向がある。

本発明の一実施形態にしたがうと、ターゲット数を増加させつつあらゆる空間的制約を克服できるように、ターゲットを対象表面上に戦略的に配置する。一実施例では、少なくとも２つのターゲットを第１の方向にほぼ同一線上に配置する。例えば、少なくとも２つのターゲットをＸ方向またはＹ方向にほぼ同一線上に配置する。この構成は、例えばスクライブラインのようなスペースの狭さの問題に直面した場合に有用である。別の一実施例では、複数のターゲットを複数の方向に同一線上に配置する。例えば、複数のターゲットをＸ方向およびＹ方向の両方向に同一線上に配置する。この構成は、例えば２本のスクライブラインが交わるところのような素子の隅に対して有用である。

以上に挙げられた例は、対象表面上に直交座標を定めた場合を扱っているが、座標系は、Ｘ軸とＹ軸とを回転させたり置き換えたりして対象表面上で任意に方向付けることが可能である。直交座標の代わりに、または直交座標と組み合わせて、例えば極座標系などのその他の座標系を用いることもできる。

図９Ａは、本発明の一実施形態にしたがった、１つまたは複数のターゲット９０２を有する散乱測定ターゲット領域９００の上面図である。散乱測定ターゲット９０２は、一般に、基板の２枚または３枚以上の連続する層間の相対的シフト、または基板の一層上に個別に形成された２以上のパターン間の相対的シフトを決定する目的で用意される。例えば、散乱測定ターゲットは、第１の層がその上もしくはその下の第２の層とどれだけ正確に位置決めされているか、または第１のパターンが同一層上の先行するもしくは後続する第２のパターンとどれだけ正確に位置決めされているかを決定するために用いることができる。

図９Ａに示されるように、散乱測定ターゲット領域９００は、少なくとも２つのほぼ同一線上のターゲット９０２を含む。同一線上とは、概して、各ターゲット９０２の対称中心が同一軸９０４上に位置することを意味する。例えば、軸９０４は、従来の座標系（直交座標、極座標等）またはその変形に対して位置決めされる。したがって、ターゲット９０２を同一線上に配置すると、散乱測定ターゲット領域９００は、それほど幅Ｗを取らなくなるので、したがって、例えばウエハのスクライブライン内のように限られた広さの場所にも配置できるようになる。

ターゲット９０２は、軸９０４に沿って並置されるのが一般的である。並置されたターゲット９０２は、大抵は互いから空間的に隔てられているので、隣のターゲット９０２と部分的に重なり合うことはない。したがって、各ターゲット９０２は明確に区別される、すなわち、基板上の異なる領域をそれぞれ表している。これは、一般に、各ターゲット９０２の正確な測定を保証するためである。ターゲット９０２間の間隔９０６は、光学信号に歪みを生じさせるので、オーバレイの計算から除外される。間隔９０６の大きさは、オーバレイ測定に対してできるだけ多くの情報を提供しうるように、ターゲット９０２の大きさとの兼ね合いで定められるのが通常である。すなわち、一般には、ターゲット９０２はより大きく、それらの間の間隔９０６はより小さいことが望ましい。ターゲット９０２間の間隔９０６は、除外ゾーンと称することができる。

ターゲット９０２は、様々に可変であり、一般に、散乱測定を介して測定可能な任意のオーバレイターゲットに対応することができる。例えば、ターゲット９０２は、一般に、平行セグメント線９１０を有する１つまたは複数の格子構造９０８を含むことができる。必ずしも必要条件ではないが、同一線上のターゲット９０２のセグメント線９１０は、軸９０４に平行するまたは直角する同一の方向に配されるのが通常である。セグメント線９１０は、大抵の場合は、Ｘ方向およびＹ方向へのオーバレイ測定を可能にするために、軸９０４に垂直なものと軸９０４に平行なものとを含んでいる。さらに、ターゲット９０２は、同一の構成を有してもよいし、または異なる構成を有してもよい。構成とは、例えば、ターゲット９０２の全体の形状および大きさ、あるいはことによると、ターゲット９０２内に含まれる格子構造に関連したセグメント線９１０の線幅および間隔を含む。例えばＸ方向等の特定方向へのオーバレイ測定に使用されるターゲットは、プログラムされたまたは設計されたオーバレイオフセットを除いて同じ構成を有するように設計されることが好ましい。

ターゲット数も、様々に可変である。ターゲット数の増加は、データ収集点の数を増加させるので、したがって、測定の精度を向上させる。ターゲット９０２の数は、一般に、ターゲット９０２の全体の大きさと、軸９０４の方向における広さの制約とに依存する。例示された実施形態では、散乱測定ターゲット領域９００内に、８つのターゲット９０２が並置されている。散乱測定ターゲット領域は、上述されたように、ＸＹ散乱測定オーバレイターゲット群と同等であることが可能である。

上記のターゲット９０２を使用すれば、例えば膜厚等のその他のサンプルパラメータの変動による影響を排除しつつ、一度に１つのターゲットに対して散乱測定に基づくオーバレイ測定を順次実行することができる。これは、散乱測定ターゲット領域（例えばターゲットおよびそれらの間のスペースを含む）を連続的に走査することによってまたは各ターゲットを段階的に走査（ステッピング）することによって実現することができる。あるいは、スループットを増大させるために、２つ、３つ以上、または全部のターゲットに対して２以上の散乱測定用信号ビームをほぼ同時に使用して測定を行うことも可能である。複数の散乱測定用信号ビームは、実質的に独立した２つ以上の散乱測定光学システムから発せられてもよいし、また、それらのシステムは、例えば、同じ光源、同じビーム方向付け素子、もしくは同じ検出システム等の光学システムの大半を共有してもよい。

上記の方法は、各ターゲットの対称中心をほぼ同一線上に配しているが、これらの対称中心は、ターゲットの可測部分が同一軸上に位置する範囲内であれば、軸から外されることも可能である。

さらに、上記の方法は、同様な向きのターゲットを同一軸に沿って配しているが、ターゲットの一部を異なる向きに配置することも可能である。例えば、第１群のターゲット９０２のセグメント線をｘ次元に配置する一方で、第２群のターゲット９０２のセグメント線をｙ次元に配置することが可能である。

さらに、ターゲット９０２は、単一の軸９０４のみに沿った状態が図示されているが、これらのターゲットは、複数の軸上に配することも可能である。例えば、図９Ｂに示されるように、第１のターゲット群９０２Ａを第１の軸９０４Ａに沿って同一線上に並べ、第２のターゲット群９０２Ｂを第２の軸９０４Ｂに沿って同一線上に並べることが可能である。この実施例では、独立したオーバレイ測定を少なくとも二方向で実施することができる。第１および第２の軸は、通常は、互いを横切るように、より具体的には互いに直角であるように配される。例示された実施形態では、第１の軸９０４Ａがｘ次元に対応し、第２の軸９０４Ｂがｙ次元に対応する。さらに、各群は、４つのターゲット９０４からなる。この実施例では、独立したオーバレイ測定をｘおよびｙ方向で実施することができる。

さらに、これらのターゲットは、ほぼ一方向の形状（例えばセグメント線）を有するものとして説明されてきたが、二方向以上の形状を含むことももちろん可能である。例えば一実施例では、散乱測定に基づくオーバレイ測定を第１の方向および第２の方向に実施可能にするような形状を、同一線上に配置された１つまたは複数のターゲットに含ませることができる。例えば、セグメント線等の形状を、ｘおよびｙ次元の両方に配置することができる。この場合は、図９Ｂのように２つ以上の軸に沿ってターゲットを配置する必要性が軽減されるまたは排除される。すなわち、もしターゲットの有する形状が二次元の散乱測定を可能にするものならば、単一軸に沿ってほぼ同一線上に配置されたひとそろいのターゲットを使用するだけで、Ｘ軸およびＹ軸の両方に沿ってオーバレイを決定することができる。あるいは、１つまたはそれ以上のターゲットに、１つまたはそれ以上の下位（サブ）ターゲットを含ませることもできる。もしサブターゲットの有する形状が二次元の散乱測定を可能にするものならば、特定の測定精度を実現するために必要とされるターゲットの数を減らして、それらのターゲットを単一の線に沿って配置することができる。

また、２つ以上のパラメータを測定するために、１つまたは複数の軸に沿って配置されたターゲットを用いることができる。例えば、Ｘ軸に沿った波長の散乱測定するために第１のターゲット群を用いるとともに、空間分解能をＹ軸に沿って散乱測定するために第２のターゲット群を用いることができる。あるいは、別の一実施例では、Ｘ軸に沿って空間分解能の散乱測定を実施する一方で、Ｙ軸に沿ってスペクトル測定を実施することができる。

ＣＤおよびオーバレイ両用のマーク

散乱測定ターゲットは、ＣＤおよびオーバレイの両方を測定するために、ウエハ上のかなりの面積を消費する。このウエハ上の面積は、設計基準の縮小にともなって、ますます貴重さを増している。現在のところ、散乱測定オーバレイマークは、ウエハ上の各ＸＹ散乱測定オーバレイターゲット群について、すなわち各マークについて、３５×７０μｍを超えるスペースを消費する。これらはオーバレイ測定でのみ使用されるので、メーカーらは、このようなウエハのスペース損失を望ましくないものと考えている。したがって、測定用のターゲット、すなわち測定用の形状に必要とされるウエハの合計面積を低減させることが望まれている。しかしながら、光学系の設計を変更することによって、より小さいターゲットの測定を可能にしようとすると、光学系の複雑度を増大させ、測定の性能を損なう可能性がある。本明細書で説明される、散乱測定に基づくオーバレイ測定では、ターゲット領域は、軸（ＸおよびＹ）ごとに４つの格子で構成されるのが通常である。これらの各格子は、１５×１５μｍより大きいのが通常であり、従来の技術では、これ以上の縮小はあまり見込めない。各格子は、第１層の格子（例えばＳＴＩ）と上層の格子（例えばゲート）とからなる。これら二層の各層は、オフセットをプログラムされている。このオフセットは、上層格子のピッチ未満であるのが通常である。上層は、大抵はフォトレジストである。オーバレイ測定は、各格子からの反射光のスペクトルを解析することによって実現される。

散乱測定に基づく限界寸法（ＣＤ）の測定では、ターゲット領域は、いずれかの軸（ＸまたはＹ）に沿って配置可能な単一の格子で構成されるのが通常である。ターゲット領域は、場合によっては、各軸（ＸおよびＹ）について複数の格子を含むことも可能である。これらの各格子は、通常は、約５０×６０μｍである。測定は、一般に、下にパターンを有さない単一プロセス層のターゲット上で実施される。この測定は、リソグラフィによるパターン形成プロセスのレジスト成長に続いて、またはその他の製造モジュールのエッチングプロセスもしくはＣＭＰプロセスに続いて、フォトレジストパターンに対して実施されるのが通常である。ＣＤ測定は、Ｘｕらによる前掲の米国特許第６，５９０，６５６号に記載されるように、格子からの反射光のスペクトルを解析することによって実現される。

本発明の一実施形態にしたがうと、ウエハ上の使用空間を節約して、ウエハのスクライブラインに影響を及ぼすことなくより大きな散乱測定オーバレイマークをプリントできるように、散乱測定用のＣＤマークと散乱測定のオーバレイマークとを結合する。結合されたマークは、第１層としての散乱測定ＣＤターゲットと、上層としての散乱測定オーバレイターゲットパターンとで構成される。これは、散乱測定に基づくオーバレイ測定のために追加で割り当てられるスクライブラインのスペースをゼロにする、または最小に抑えることができる。

図１２は、本発明の一実施形態にしたがった結合型マーク１２００の説明図である。結合型マーク１２００を使用すれば、ウエハ製造プロセス中の複数の異なる工程で、散乱測定に基づくＣＤ測定と、散乱測定に基づくオーバレイ測定との両方を実施することが可能になる。結合型マーク１２００は、ウエハの少なくとも二層の上に、すなわち具体的には第１の層Ｌ１および上層Ｌ２の上に形成される。第１の層Ｌ１は、散乱測定ＣＤ／プロファイルターゲット１２０２を含み、上層Ｌ２は、散乱測定オーバレイターゲット１２０４を含む。図では別々の層として示されているが、散乱測定オーバレイターゲット１２０４は、散乱測定ＣＤ／プロファイルターゲット１２０２の上（上方）に構築される。散乱測定ＣＤ／プロファイルターゲット１２０２は、Ｌ１散乱測定ＣＤマークを構成する。これは、Ｌ１パターン形成後に、すなわちＬ１パターン処理後に、ＣＤを決定する目的で測定することができる。散乱測定オーバレイターゲット１２０４は、散乱測定ＣＤ／プロファイルターゲット１２０２とともにＬ２−Ｌ１散乱測定オーバレイマークを構成する。これは、（Ｌ１パターン形成後にくる）Ｌ２パターン形成後に、層間のオーバレイを決定する目的で測定することができる。容易に明らかなように、この方法は、繰り返し実施することができ、そうして、第２の層Ｌ２に散乱測定ＣＤ／プロファイルターゲットを形成し、次いで第３の層Ｌ３にパターンを形成し、Ｌ３−Ｌ２散乱測定オーバレイマークすなわちＬ３−Ｌ２ターゲット領域を作成することができる。

散乱測定ＣＤ／プロファイルターゲット１２０２および散乱測定オーバレイターゲット１２０４の構成は、様々に可変である。例示された実施形態において、Ｌ１上に配された散乱測定ＣＤ／プロファイルターゲット１２０２は、第１の方向を向く第１の格子１２０６と、第２の方向を向く第２の格子１２０８とを含む。第１の方向は、第２の方向に直交する。例えば、第１の格子１２０６は垂直線を含むのに対し、第２の格子１２０８は水平線を含むことができる。また、Ｌ２上に配された散乱測定オーバレイターゲット１２０４は、第１の格子群１２１０と、第２の格子群１２１２とを含む。第１の格子群１２１０および第２の格子群１２１２は、それぞれ１つまたは複数の格子１２１４を含む。格子１２１４の数は、様々に可変である。一実施例では、第１の格子群１２１０および第２の格子群１２１２は、それぞれ４つの格子１２１４を含む。第１の格子群１２１０の格子１２１４Ａは第１の方向を向き、第２の格子群１２１２の格子１２１４Ｂは第２の方向を向いている。例えば、第１の格子群１２１０の格子１２１４Ａは垂直線を含むのに対し、第２の格子群１２１２の格子１２１４Ｂは水平線を含むことができる。

Ｌ２−Ｌ１オーバレイマークを作成するために、第１の格子群１２１０は、ＣＤ／プロファイルターゲット１２０２の第１の格子１２０６の上方に配置され、第２の格子群１２１２は、ＣＤ／プロファイルターゲット１２０２の第２の格子１２０８の上方に配置される。これは、同じ向きの線を持つ格子どうしを合わせて、すなわち、垂直線を垂直線に、水平線を水平線に合わせて配置する。第１の格子群１２１０はＣＤ／プロファイルターゲット１２０２の第１の格子１２０６と、第２の格子群１２１２はＣＤ／プロファイルターゲット１２０２の第２の格子１２０８とそれぞれ連携しあう。これらの層間の位置決めは、連携しあうこれらの構造の対応線間に生じるシフトによって決定される。例えば、Ｘオーバレイの決定には垂直線を、Ｙオーバレイの決定には水平線をそれぞれ使用することができる。

ＣＤマークの第１および第２の格子１２０６，１２０８は、合わされた状態で図示されているが、これらは、離して配置することも可能である。離して配置される場合は、第１の格子群１２１０および第２の格子群１２１２も離して配置される。すなわち、第１の格子群１２１０は第１の格子１２０６に、第２の格子群１２１２は第２の格子１２０８にそれぞれ付随する。

オーバレイマークとＣＤマークとを結合することによって、多くの利点を得られる。各種の実施形態または実施例は、以下に挙げる利点のうちの１つまたはそれ以上の利点を有する。マークを結合することによる利点の１つは、散乱測定オーバレイターゲットのために追加で必要とされるウエハのスペースを減らせることにある。もう１つの利点は、もし追加のスクライブラインのためのスペースがそれほど必要でなければ、散乱測定オーバレイターゲットをより大きく設定できることにある。より大きな散乱測定オーバレイターゲットを用いれば、より小さい散乱測定オーバレイターゲットを用いる場合と比べて、光学設計または光学素子製造を容易にすることができ、且つ、散乱測定に基づくオーバレイ測定の性能を向上させることができる。

散乱測定オーバレイとＣＤＳＥＭとの結合

本実施形態の目的は、電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ）を用いて半導体ウエハ上の限界寸法（クリティカルディメンジョン）を測定すること、および同一測定システム上の散乱測定計、またはロボット式ウエハ搬送システムの少なくとも一部を共有する複数の連結した測定システムを使用してオーバレイを測定することの両方を可能にすることにある。限界寸法とオーバレイとを測定する従来の方法は、通常は、異なる複数の測定システムをスケジュール設定して作動させる必要がある。別々の複数の測定システムを用いて限界寸法およびオーバレイを測定するこれらの従来の方法の欠点の１つは、別々の複数の測定ツールのそれぞれの動作をスケジュール設定し且つ実行するために、余分な時間を必要とすることにある。もう１つの欠点は、共通部分とそれに伴う費用とが重複することにある。

これらの欠点を克服するために、散乱測定オーバレイとＣＤＳＥＭとを結合した測定システムが提供される。一実施形態において、散乱測定オーバレイ（ＳＣＯＬ）測定システムと、ＣＤＳＥＭ測定システムとは、ロボット式ウエハ搬送システム、データシステム、またはその両方の少なくとも一部を共有するように統合される。あるいは、ＣＤＳＥＭシステムと、散乱測定オーバレイシステムとは、独立して動作可能であるもののロボット式ウエハ搬送システムの少なくとも一部を共有するように結合されている別々のシステムであってもよい。

動作時は、この結合型測定システム専用のロボット式ウエハ搬送システムにウエハ容器を装填することによって、結合型測定システムに１枚のウエハ、ひとそろえのウエハ、または複数枚のウエハからなる一バッチが導入される。次いで、一部または全部のウエハを対象としたＣＤＳＥＭ測定と、一部または全部のウエハを対象とした散乱測定オーバレイ測定とを指定する測定レシピが選択される。ＣＤＳＥＭ測定およびＳＣＯＬ測定は、１つまたは複数のレシピで一緒に指定されてもよいし、または別々のレシピで指定されてもよい。ＣＤＳＥＭ測定およびＳＣＯＬ測定は、同じウエハに対して実施されてもよいし、異なるウエハに対して実施されてもよいし、同じウエハの一部および一部の異なるウエハに対して実施されてもよい。ＣＤＳＥＭシステムおよびＳＣＯＬシステムは、並行して動作してもよいし、または順番に動作してもよい。

結合型測定システムの一例としては、散乱測定に基づくオーバレイ測定を行うことができる散乱測定システム（例えば分光楕円偏光計、分光偏光反射率計、または＋／−１次回折散乱計）を、カリフォルニア州サンノゼ市にあるＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社によって製造された任意の機器でありうるＣＤ−ＳＥＭの内部に組み込んだものが挙げられる。結合型測定システムの別の一例としては、散乱測定オーバレイ測定システムと、カリフォルニア州サンノゼ市にあるＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社によって製造された任意の機器でありうるＣＤＳＥＭと、ロボット式搬送器と、ウエハスケジュールシステムとを有する結合型システムが挙げられる。工場自動化システム、工場情報システム、工場プロセス制御システム、またはこれらの二者以上の組み合わせに対するコミュニケーションは、それぞれ別々の通信システムもしくは自動化システムを介してもよいし、または少なくとも部分的にもしくは完全に共有されてもよい。

結合型ＣＤＳＥＭ＆ＳＣＯＬ測定システムの利点は、ＣＤＳＥＭ測定および散乱測定に基づくオーバレイ測定のスケジュール設定、実行、またはその両方を完了させるために必要な合計時間を短縮できることにある。少なくとも１つのキュー遅延が排除される。ＣＤＳＥＭ測定とオーバレイ測定とを並行して実施すれば、測定動作を別々に行うために必要とされる時間を少なくとも部分的にセーブすることができる。

図１３Ａないし１３Ｄは、本発明のいくつかの実施形態にしたがった、結合型測定ツール１３００の各種の変形形態を示している。いずれの図においても、結合型測定ツール１３００は、ロボット式ウエハ搬送システム１３０２と、限界寸法走査用電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ）１３０４と、散乱測定オーバレイ（ＳＣＯＬ）測定機器１３０６と、ウエハ装填位置Ａ １３０８と、ウエハ装填位置Ｂ １３１０とをそれぞれ含む。ロボット式ウエハ搬送システム１３０２は、ＣＤ−ＳＥＭ１３０４およびＳＣＯＬ測定機器１３１０に対してウエハを出し入れするように、そしてウエハ装填位置Ａ １３０８およびウエハ装填位置Ｂ １３１０に対してウエハを出し入れするように構成される。限界寸法走査用電子顕微鏡１３０４は、例えば、線幅、上端の線幅、バイアの直径、側壁の角度およびプロファイル等を含みうる限界寸法を測定するように構成される。散乱測定オーバレイ測定機器１３０６は、例えばウエハ上に配された二層間等のオーバレイを測定するように構成される。ウエハ装填位置Ａおよびウエハ装填位置Ｂは、１枚または複数枚のウエハを保持するように構成される。多くの場合は、複数枚のウエハが保持される。これらのウエハは、同じロットから取り出されてもよいし、別のロットから取り出されてもよい。

図１３Ａおよび図１３Ｄにおいて、ＣＤ−ＳＥＭ１３０４およびＳＣＯＬ測定機器１３０６は、ロボット式ウエハ搬送システム１３０２を介して統合された別々のシステムである。図１３Ｂにおいて、ＳＣＯＬ測定機器１３０６は、ＣＤＳＥＭ１３０４に組み込まれている。図１３Ｃにおいて、ＳＣＯＬ測定機器１３０６は、ロボット式ウエハ搬送システム１３０２に組み込まれている。

とある動作では、ウエハ装填位置Ａ、ウエハ装填位置Ｂ、またはその両方からのウエハのうちのいくつかが、ＣＳ−ＳＥＭによって限界寸法を測定され、その後、散乱測定オーバレイ測定機器によってオーバレイを測定される。ウエハは、システムから取り出されることなく両プロセスによる測定を経ることができる。すなわち、ウエハの搬送およびそれに伴うスループットの問題が軽減される。別の動作では、ウエハ装填位置Ａ、ウエハ装填位置Ｂ、またはその両方からのウエハのうちのいくつかが、ＣＤＳＥＭによって限界寸法を測定され、ウエハ装填位置Ａ、ウエハ装填位置Ｂ、またはその両方からのウエハのうちの別のいくつかが、ＳＣＯＬ測定機器によってオーバレイを測定される。いずれの動作の場合も、ＣＤＳＥＭとＳＣＯＬ測定機器とは、独立に且つ同時に進行することができる。

図１４は、本発明の一実施形態にしたがった、結合型測定ツールを用いた場合のフローチャート１４００である。方法は、一般に、測定ツールによって一群のウエハを受け取る工程１４０２を含む。例えば、これらのウエハは、図１３の位置Ａに装填されたウエハロットでよい。工程１４０２に続いて、プロセス１４００は、一群のウエハのなかの１枚のウエハの限界寸法を測定する工程１４０４に進む。例えば、図１３に示されたＣＤＳＥＭ等のＣＤＳＥＭによって、限界寸法の測定が行われる。流れ図１４００は、また、例えば図１３に示された機器等のＳＣＯＬ測定機器によって一群のウエハのなかの１枚のウエハのオーバレイを実施する工程１４０６に進む。工程１４０４，１４０６は、別々のウエハに対して同時に実施することができる。工程１４０４，１４０６は、例えばＣＤの次にオーバレイを測定する、またはオーバレイの次にＣＤを測定するなど、一連の動作を通じて同一のウエハに対して実施することもできる。ウエハの移送は、例えば、図１３に示されたロボット式システムによって実施される。全ての測定が実施されると、流れ図は、一群のウエハを測定ツールから解放する工程１４０８に進む。

散乱測定オーバレイとその他の測定法または検査方法との結合

散乱測定オーバレイは、散乱測定プロファイルシステムもしくは散乱測定限界寸法システム、またはその他の半導体測定システムもしくは半導体検査システムと組み合わせ可能である。散乱測定オーバレイは、例えばリソグラフィレジストプロセスツール（レジストトラックとしても知られる）等の半導体プロセスツールと統合可能である。測定システムとプロセスシステムとの統合、および測定システムどうしの組み合わせは、（１）Ｌａｋｋａｐｒａｇａｄａ、Ｓｕｒｅｓｈらによる２００１年５月４日付けの米国特許出願０９／８４９，６２２「METHOD AND SYSTEMS FOR LITHOGRAPHY PROCESS CONTROL」、ならびに（２）Ｎｉｋｏｏｎａｈａｄらによる２００３年１０月１４付けの米国特許６，６３３，８３１号「METHODS AND SYSTEMS FOR DETERMINING CRITICAL DIMENSION AND A THIN FILM CHARACTERISTIC OF A SPECIMEN」に記載されている。

連続変化するオフセットマーク、およびオーバレイを決定するための方法

以下では、本発明の一実施形態にしたがって、連続変化するオフセットマークと、このタイプのマークからオーバレイ情報を抽出するために使用される各種の技術とが説明される。連続変化するオフセットマークは、重ねられた複数の周期構造を含む単一のマークである。これら複数の周期構造は、位置の関数の形で変化するオフセットを有する。例えば、これらの周期構造は、ピッチ等の格子特性の値が異なる複数の格子に対応することができる。ピッチ間の小さな差は、マークの中心から端にかけてオフセットを変化させる。

連続変化するオフセットマークを用いるための方法は、連続変化するオフセットマークの対称中心を決定すること、およびそれをマークの幾何学的中心と比較することを含む。もしゼロオーバレイならば、対称中心は、マークの幾何学的中心と一致する傾向がある。もしオーバレイがゼロでない（例えば二層間にずれがある）ならば、対称中心は、マークの幾何学的中心からずれている。このずれは、マークに関連した事前設定されたゲイン係数とともに、導入されたオーバレイ誤差を計算するために使用される。

連続変化するオフセットマークの実施形態について、図１５〜２４を参照にしながら以下で説明する。しかしながら、当業者ならば容易に明らかなように、これらの図面に併せて本明細書で示される詳細な説明は、説明を目的としたものであり、本発明は、限定的なこれらの実施形態を超える範囲を有するものとする。

図１５は、本発明の一実施形態にしたがった、オーバレイ誤差を決定する方法１５００のフローチャートである。オーバレイ方法１５００は、少なくとも１つのオーバレイターゲットが用意されるブロック１５０２から開始する。オーバレイターゲットは、第１の周期構造と第２の周期構造とを少なくとも含む。周期構造は、一次元の周期構造（ＸまたはＹのいずれかで測定可能）でもよいし、または二次元の周期構造（ＸおよびＹの両方で測定可能）でもよい。第１の周期構造は、基板の第１層内に置かれ、第２の周期構造は、基板の第２層内に置かれる。これらの周期構造は、大抵の場合は、種々の層内で直接に重なり合う形で配される（重ね合わされる）。実際は、オーバレイターゲットは、周期構造状のオーバレイターゲット上の一周期構造と見なしてもよいし、より具体的には、格子状のオーバレイターゲット上の一格子と見なしてもよい。

周期構造は、例えば線幅、ピッチ、間隔、ＣＤ、回転等を含む多くの特性、すなわち属性を有する。オーバレイターゲット内の複数の周期構造は、ある特定の属性を除き、ほとんどの点でほぼ同じであるように設計される。この特定の属性に関しては、オーバレイターゲット内の複数の周期構造は、それぞれ異なる値を有するように構成される。この特定の属性は、例えば、上記のうちの任意の属性に対応することができる。一実施形態では、特定の属性は、ピッチに対応する。本明細書で言うピッチとは、１つの周期構造が一様（インバリアント）に存在する最小変位量である。別の一実施形態では、特定の属性は、回転に対応する。これらの属性は、とりわけよく機能することが知られている。

これらの値について、上側の周期構造は、下側の周期構造よりも大きいまたは小さい値を有することが可能である。いずれの場合も、概して、差を小さく維持することが望まれる。差は、１０％未満、特に５．０％未満、さらに１．０％以下であってよい。一実施形態では、差は、約０．０１％から約１０％までの範囲である。別の一実施形態では、差は、約０．１０％から約５％までの範囲である。さらに別の一実施形態では、差は、約０．１０％から約０．９９％までの範囲である。本発明の具体的な一実施形態では、差は、約１％に等しい。これらの範囲および値は、とりわけよく機能することが知られている。

ピッチは、マイクロリソグラフィプロセスのなかで最も正確に制御されるパラメータの１つであるので、連続変化するオフセットマークを僅か０．０１％のピッチ差で製造することは、容易に実現可能であると考えられる。既存の方法として、ウエハ上のエッジ位置を極めて正確に制御するためのＯＰＣ方法が既に知られている。この技術は、分解能を向上させる技術として知られ、形状（フィーチャ）のエッジに沿った部分的デューティサイクル形状で構成される線（ウエハ上のサブ解像（sub-resolution））に基づくものである。この技術を用いれば、比較的高精度のピッチ制御でレチクルを製造することができる。同様な技術は、ミリラジアン程度の小さな角度差を生成するために、角度に対して使用することもできる。

選択された属性値の、周期構造間の小さな差は、そのオーバレイターゲットについて、事前設定のゲイン係数を生成するように構成される。ゲイン係数は、例えば、それらの値の１つを値間の差で割ることによって算出することができる、より具体的には、下方の周期構造の値を値間の差で割ることによって算出することができる。あるいは、ゲイン係数は、第１の値と第２の値との平均を出し、次いでその平均を第１の値と第２の値との差で割ることによって算出することができる。例として、ゲイン係数の算出式を以下に示す。
ゲイン係数＝Ｖ１／（Ｖ１−Ｖ２）
ここで、Ｖ１＝属性の第１の値
Ｖ２＝属性の第２の値 である。

例として、属性がピッチであり、第１の周期構造のピッチが４００ｎｍであり、第２の周期構造のピッチが４０４ｎｍである（差は１．０％である）と仮定する。すると、ゲインは次のように計算される。
ゲイン係数＝４００／（４００−４０４）＝１００

差の大きさ、ひいてはゲイン係数の大きさは、ダイナミックレンジや感度等の様々な要素に依存する。ダイナミックレンジは、測定を正確に実施可能であるような導入オーバレイの範囲である。他方で、感度は、技術によって検出可能であるような最小の導入オーバレイである。ダイナミックレンジと感度とは、トレードオフの関係にあるのが通常である。一般に、大きなダイナミックレンジが必要とされる場合は、周期構造間の値の差が大きい（すなわちゲイン係数が小さい）ことが望ましく、反対に、高感度が必要とされる場合は、周期構造間の値の差が小さい（すなわちゲイン係数が大きい）ことが望ましい。

ブロック１５０２に続いて、方法は、オーバレイターゲットについて光学データの空間配列を得るブロック１５０４に進む。光学データの空間配列とは、一般に、ターゲット上の空間座標の関数の形を取るデータ点のセットを意味する。すなわち、光学データは、ターゲットに沿った物理的空間点にそれぞれ関連付けられた複数のデータ点を含む。一例では、光学データは、オーバレイターゲット上の可測素子を横切る軸に沿って空間的に変化する複数のデータ点を含む。一次元格子の場合は、軸が格子の線に直角であるのが通常である。二次元周期構造の場合は、その周期構造の各方向に一軸ずつの複数の軸が使用される。いずれの場合も、光学データ点は、オーバレイターゲットの長さ上に分布する複数の異なる位置にある。

光学データは、単一の光学測定によって収集されてもよいし（例えば画像化）、または軸に沿って空間的に且つ順次に複数の光学測定を実施することによって収集されてもよい（例えば走査もしくはステップアンドリピート）。例えば画像化では、ターゲットに沿った空間依存データ点は全て同時に捕らえられる。例えば走査では、ターゲットに沿った空間依存データ点は徐々に収集される。

光学データおよび光学データを取得する方法は、様々に可変である。例えば、光学データは、スペクトル、白色光反射強度、角度的に分解された散乱測定信号、分光楕円偏光計の信号、何らかの偏光依存信号等を含むことができる。さらに、光学データは、画像化散乱測定法、分光偏光解析法、角度散乱測定法等によって取得することができる。これらの技術を実施すること（画像の分光学的同定）による利点の１つは、コントラスを、ひいてはターゲット領域の単位面積当たりの情報量を、大幅に向上させられることにある。

一実施形態では、画像化または走査のいずれかのメカニズムを用いてパラレルデータ収集および散乱測定処理を実施することによって、光学データを得ることができる。これらの技術は、測定速度を向上させられるという利点を有するうえ、ターゲットの小型化を目的とした多くの選択肢を可能にする。一実施例では、独立したターゲット収集に代わって、一定のまたはその他の速度プロファイルでターゲットを走査することができる。これは、光学素子またはウエハのいずれかを移動させることによって実現される。

別の一実施形態では、一方の軸をスペクトル情報に割り当て、他方の軸を単一の空間的次元に割り当てた二次元のＣＣＤを使用して、画像化に基づく分光学的散乱測定（反射率測定）を実施することによって、光学データを取得することができる。例えば、円筒レンズによる照明と、回折格子分光計またはプリズム分光計のいずれかと、を使用することによって、ＣＣＤ上の被照領域について、分散した線画像を形成することができる。

別の一実施形態では、両軸を空間次元に割り当てた二次元のＣＣＤを使用して、画像化に基づく光学的散乱測定（反射率測定）を実施することによって、光学データを取得することができる。両軸を空間次元に割り当てるとは、例えば、スペクトル次元を時間領域（テンポラルドメイン）に割り当てる等である。具体的には、フーリエ変換に基づく干渉分光法が挙げられる。この場合は、ビーム分割器で画像を２つの波面に分割し、それらの両波面間に、時間領域（タイムドメイン）を連続的にまたは離散的に変化させる光路差を導入する。すると、各画素で時間依存信号をフーリエ変換したものが、画像内のその点におけるスペクトルになる。この場合は、フーリエ領域、または光路差（時間）領域において、情報をスペクトル領域に変換することなく差分解析を行うことができる。これは、例えば、マイケルソン干渉計またはサニャク干渉計を使用して実現することができる。

以上では、光学データの空間配列を取得するためのいくつかの実施形態が説明されたが、これらは限定的なものではなく、光学データの空間配列は、本明細書で言及された任意の技術を使用して取得可能である。

ブロック１５０４に続いて、方法は、光学データの空間依存性に基づいてオーバレイターゲットの対称中心を決定する（光学データを空間領域に戻すまたは変換する）ブロック１５０６に進む。対称中心とは、その点の両側で、観測構造からの反射が不変である点、すなわち光学データがほぼ等しい（同一である）点である。もしオーバレイがゼロならば、対称中心は、ターゲットの幾何学的中心と一致する。もしオーバレイがゼロでないならば、対称中心は、ターゲットの幾何学的中心以外のどこかに位置する。

光学データの空間配列から対称中心を決定するには、多くのアルゴリズムを使用することができる。

一実施形態では、対称中心を決定するために、自己相関が使用される。自己相関では、データ配列を逆向きに複製し、その複製されたデータ配列を原始データに対してシフトさせる。２つのデータ配列間の相関関数は、シフト位置ごとに、既知の任意の相関測定法を用いて算出される。相関性は、シフトの関数の形でプロットされ、相関関数は、自己相関が最大の位置で、すなわち対称中心で最大になる。

別の一実施形態では、ヌル点を使用した方法によって対称中心を決定する。この方法では、スペクトル配列を取得する。スペクトル配列は、格子に沿った複数の点から得られる一連のスペクトルである。これは、例えば、散乱測定法を用いてオーバレイターゲットを測定することによって実現される。その後、オーバレイ誤差が存在するか否かに関する決定が下される。これは、一般に、格子の端から等距離にある複数の点で測定された複数のスペクトル間の差を解析することによって実現される。もしゼロオーバレイならば、差分スペクトルは、スペクトル域の全域にわたってゼロであるはずである。もしオーバレイ誤差が存在するならば、等距離にある複数の点から得られる差分スペクトルは、非ゼロであるはずである。非ゼロである場合は、そのスペクトル配列のヌル点が決定される。もしオーバレイがゼロならば、中心から等距離にある複数の点は一致する傾向にあり、もしゼロでないならば、等距離の基準になる別の点（別の中心線）が存在するはずである。この点が、ヌル点である。

ヌル点は、スペクトル配列の中心点または屈曲点を体系的にシフトさせ、シフトして得られた実際の中心点から等距離にある各点で測定されるスペクトル間の差を解析することによって見つけ出すことができる。ヌル点は、スペクトル域の全域にわたってほぼゼロの差分スペクトルを生成する中心点である（その点の両側ではスペクトルがほぼ同一である。したがって、差分スペクトルはほぼゼロである）。ヌル点は、ある特定の空間的位置、すなわち対称中心に関連付けられている。

ヌル点を決定するための別の一方法は、全波長について、差分スペクトルの振幅を、すなわち選択されたスペクトルバンドを、周期構造内の位置の関数としてプロットする方法である。これは、ゼロを通過する滑らかな関数を生成する傾向がある。このゼロ点が、上述されたヌル点である。

ブロック１５０６に続いて、方法は、オーバレイターゲットの対称中心と幾何学的中心との間の距離Ｘを算出するブロック１５０８に進む。オーバレイターゲットの幾何学的中心は、オーバレイターゲット設計上の物理的中心である。例えば、もしオーバレイが幅２０ミクロンであるならば、オーバレイの幾何学的中心は、１０ミクロンの位置にある。

例えば、オーバレイターゲットの幾何学的中心が１０ミクロンの位置にあり、且つ対称中心が１１ミクロンの位置にあるとわかった場合を仮定する。距離Ｘは、次のように計算される。
Ｘ＝１１−１０＝１ミクロン

ブロック１５０８に続いて、方法は、距離Ｘをオーバレイターゲットのゲイン係数で割ることによってオーバレイ誤差を決定するブロック１５１０に進む。オーバレイ誤差の計算式は、次の通りである。
ＯＶＬ_誤差＝Ｘ／ゲイン係数＝Ｘ×Ｖ１／（Ｖ１−Ｖ２）
ここで、ＯＶＬ_誤差＝二層間のずれの量
Ｘ＝ターゲットの対称中心と幾何学的中心との間の距離
Ｖ１＝第１の属性値
Ｖ２＝第２の属性値 である。

上述の例に戻ると、オーバレイ誤差は、以下のように算出される。
ＯＶＬ_誤差＝１ミクロン／１００＝１ミクロン×（４００ｎｍ）／（４００ｎｍ−４０４ｎｍ）＝１０ｎｍ

本発明は、上述された様々な実施形態のそれぞれで、半導体ウエハの２枚の層の上に形成された周期構造からなるオーバレイターゲットを用いることによって、これら２枚の層の間のオーバレイ情報を提供している。周期構造は、半導体製造プロセスの際に、ウエハの層のうちの任意の層内に形成することができる。例えば、周期構造は、フォトレジスト層内、誘電体層内、または金属層内に形成することができる。

周期構造の寸法および位置は、様々に可変である。周期構造の形状のサイズおよびピッチは、被験層に施されるパターン形成工程での臨界素子形状にほぼ等しい場合もある。すなわち、形状の寸法は、回路パターンの形状と同程度である。さらに、周期構造は、回路パターンそれ自体の中に配されてもよいし、または従来のように、回路パターンの端に配されてもよい。

本発明にしたがうと、オーバレイターゲットは、２枚の層が適切に位置決めされている場合は対称中心が幾何学的中心に対応し、２枚の層が適切に位置決めされていない場合は対称中心が幾何学的中心から離れるように構成される。オーバレイターゲットのいくつかの例が以下で説明される。

図１６は、本発明の一実施形態にしたがった一次元オーバレイターゲット１６００の図である。図に示されるように、ターゲット１６００は、第１の層上に位置する第１の格子１６０２と、第２の層上に位置する第２の格子１６０４とを含む。さらに、格子１６０２，１６０４は、相隔てられた複数の平行線１６０６をそれぞれ有する。

２つの格子は、隣り合うように並べた状態で図示されているが、これは、オーバレイターゲットの説明を分かりやすくするためである。第１の格子は、大抵の場合は第２の格子のすぐ上に配されるので、図１７〜２０に示されるように、格子の上に格子を重ねた構造を形成する。すなわち、格子は、ゼロオーバレイの場合に対称軸が一致するように互いに重ね合わされる。さらに、これらの線は、Ｙ方向に隣り合うように垂直方向に並置された水平線として図示されているが、これらの線は、Ｘ方向に隣り合うように水平方向に並置された垂直線であることも可能である。例示された構成は、Ｙ方向のオーバレイ誤差を決定するために使用され、（９０度回転された）別の構成は、Ｘ方向のオーバレイを決定するために使用される。大抵の場合は、複数方向にオーバレイ誤差を決定できるように、これらの構成の両方を基板上に配置して使用する。

本発明にしたがうと、ゲイン係数を生成するために、第１の格子１６０２は、格子特性に関して第１の値を有するように構成され、第２の格子１６０４は、同じ格子特性に関して、第２の値を有するように構成される。格子特性は、例えば、ピッチまたは回転に対応することができる。第１の格子１６０２の特性値は、第２の格子１６０４の特性値よりも大きくまたは小さく設定可能である（逆もまた同様である）。第１の値と第２の値との間の差は、小さく維持されることが好ましい。このような小さな差は、格子のいずれかの端に有効なオフセットを導入する。これは、格子の中心に近づくにつれて線形的に減少する。

差は、１０％未満、特に５％未満、さらに１．０％以下であってよい。一実施形態では、差は、約０．０１％から約１０％までの範囲である。別の一実施形態では、差は、約０．１０％から約５％までの範囲である。さらに別の一実施形態では、差は、約０．１０％から約０．９９％までの範囲である。本発明の具体的な一実施形態では、差は、約１％に等しい。

図１７〜２０を参照して、オーバレイターゲット１６００のいくつかの実施形態を説明する。第１の格子１６０２を第２の格子１６０４の上に配されたオーバレイターゲットについて、図１７Ａおよび図１７Ｂは代表的な上面図を、図１８Ａおよび図１８Ｂは代表的な側面図を示している。図１７Ａおよび図１８Ａは、完全に位置決めされた状態にある２つの格子構造を示している。図１７Ｂおよび図１８Ｂは、ずれた状態にある、すなわち層間にオーバレイ誤差が存在する状態にある２つの格子構造を示している。図示されたこの具体的な実施形態では、格子特性は、ピッチに対応している。第１の格子１６０２のピッチは、第２の格子１６０４のピッチより大きく設定される。第１の格子１６０２のピッチは、例えば、第２のピッチより１．０％大きい。この差のため、下側の格子１６０２と上側の格子１６０４との間のオフセットは、位置の関数の形で連続変化する。

第１の格子を第２の格子の上に配されたオーバレイターゲットについて、図１９Ａおよび図１９Ｂは代表的な上面図を、図２０Ａおよび図２０Ｂは代表的な側面図を示している。図１９Ａおよび図２０Ａは、完全に位置決めされた状態にある２つの格子構造を示している。図１９Ｂおよび図２０Ｂは、ずれた状態にある、すなわちオーバレイ誤差が存在する状態にある２つの格子構造を示している。図示されたこの具体的な実施形態では、格子特性は、ピッチに対応している。上述された実施形態とは異なり、第１の格子１６０２のピッチは、第２の格子１６０４のピッチより小さく設定される。第１の格子１６０２のピッチは、例えば、第２のピッチより１．０％小さい。この差のため、下側の格子１６０２と上側の格子１６０４との間のオフセットは、位置の関数の形で連続変化する。

図２１は、本発明の別の一実施形態にしたがった一次元オーバレイターゲット１６２０の図である。オーバレイターゲット１６２０は、第１の層が単一の格子ではなく一対の格子１６０２Ａ，１６０２Ｂを含む点を除き、上述されたオーバレイターゲット１６００と同じである。処理の間ずっと、格子対１６０２Ａ，１６０２Ｂは、第２の格子１６０４のすぐ上に配置されている。格子対１６０２Ａ，１６０２Ｂは、空間的に相隔てられた状態で並置されている。さらに、格子対１６０２Ａ，１６０２Ｂは、異なる格子特性値を有することを除き、ほとんどの点で同じである。一方の格子１６０２Ａは、第２の格子１６０４よりも大きい値を有するように構成され、他方の格子１６０２Ｂは、第２の格子１６０４よりも小さい値を有するように構成される。例えば、左側の格子１６０２Ａは、第２の格子１６０４のピッチよりも１．０％大きいピッチを有し、右側の格子１６０２Ｂは、第２の格子１６０４のピッチよりも１．０％小さいピッチを有する（逆もまた同様である）。

対の格子を用いたアプローチの１つの利点は、オーバレイターゲットの幾何学的中心を決定する必要性を軽減できることにある。対の格子を用いたアプローチでは、上側の格子は、オーバレイ誤差の関数の形で互いに反対方向に移動する。したがって、オーバレイ誤差を決定するためには、先ず、各格子の対称中心を見つけ、その後、それらの対称中心間の距離Ｙ（右側の格子と左側の格子との間の相対オフセット）を算出する。距離Ｙは２で除され、その結果は、さらに、オーバレイ誤差を決定するためにゲイン係数で除される。対の格子を用いたアプローチにおけるオーバレイ誤差の計算式は、次の通りである。
ＯＶＬ_誤差＝Ｙ／｛２×ゲイン係数｝＝Ｙ×Ｖ１／｛２×（Ｖ１−Ｖ２）｝
ここで、ＯＶＬ_誤差＝二層間のずれの量、
Ｙ＝左側の格子と右側の格子とで構成されるターゲット対の対称中心間の距離、
Ｖ１＝第１の属性値、
Ｖ２＝第２の属性値 である。

対の格子を用いたアプローチのさらなる利点は、スペクトルのサンプリング点間の距離を縮められることにある。これは、空間依存性のプロセス変動が差分スペクトルに及ぼす影響を軽減させる。

対の格子を用いたアプローチの一実施形態では、対の格子を含むターゲットを測定する際に、上記の２つの格子を二光束（ビーム）分光測定計によって走査する、または二次元スペクトル画像化装置によってスペクトル的に画像化する。走査を用いる場合は、隣り合う二点間の差分スペクトルが同時に取得されるので、コモンモード阻止をイネーブルすることができる。この場合のオーバレイ計算は、上述されたゼロ交差点（ヌル点）の方法で進めることができる。ただし、差分スペクトルは、隣り合う点から取得される。

対の格子を用いたアプローチの別の一実施形態では、先ず、単一波長の均一波面によって隣り合うターゲットを照射し、次いで、光路差挿入技術によって反射波面の１つに光位相の逆転を導入し、次いで、単一の検出器上でまたは複数の検出器のアレイ上で２つの波面を重ね合わせる。もしゼロオーバレイならば、再結合された際に、ヌル信号を得られるはずである。あるいは、任意に位相シフトされた波面によって隣り合うターゲットを照射する場合は、もしゼロオーバレイならば、再結合された際に、明確に構造化された信号を得られるはずである。

図２２Ａおよび図２２Ｂは、本発明の一実施形態にしたがった二次元オーバレイターゲット１６４０の図である。上述された一次元オーバレイターゲットと異なり、二次元オーバレイターゲット１６４０は、例えばＸおよびＹ等の複数の方向にオーバレイ情報を生成するように構成される。二次元オーバレイターゲット１６４０は、第１の層の上に位置する第１の周期構造１６４２と、第２の層の上に位置する第２の周期構造１６４４とを含む。図２２Ａは、完全に位置決めされた状態の２つの周期構造を示している。図２２Ｂは、ずれた状態の、すなわちオーバレイ誤差の存在する状態の２つの周期構造を示している。

各周期構造１６４２，１６４４は、Ｘ方向およびＹ方向の両方向に周期的である。図に示されるように、周期構造１６４２，１６４４は、相隔てられ且つ行と列の形で配置された複数の下位要素（サブエレメント）１６４６からなる配列に分けられる。上述された一次元ターゲットと同様に、周期構造１６４２，１６４４は、周期構造の特定の属性を除いてほとんどの点で同じである。属性は、例えば、ピッチまたは回転に対応する。いずれの場合も、第１の周期構造１６４２は、その特定の属性に関して第１の値を有するように構成され、第２の周期構造１６４４は、その特定の属性に関して第２の値を有するように構成される。第１の周期構造１６４２の値は、第２の周期構造１６４４の値よりも大きく、または小さく設定可能である。いずれの場合も、その差は極めて小さいのが通常である。例示された実施形態では、第１の周期構造１６４２は、第２の周期構造１６４４よりも両方向に小さいピッチを有する。例えば、両者のピッチの差は、約１．０％である。

図２３は、本発明の別の一実施形態にしたがったオーバレイ領域１６６０の上面図である。オーバレイ領域１６６０は、連続変化する複数のオフセットマーク１６６２を含む。オーバレイ領域１６６０は、より具体的には、Ｘ方向を向いた連続変化する第１のオフセットマークセット１６６２Ａと、Ｙ方向を向いた連続変化する第２のオフセットマークセット１６６２Ｂとを含む。各セットは、横方向に並置された連続変化する一対のオフセットマークを含む。横方向に並置されたマークは、同軸上に配されてもよいし、または（図に示すように）互いからシフトして配されてもよい。さらに、各セットに含まれる連続変化するオフセットマーク１６６２は、互いに異なる構成を有する。一方のマークは、特定の属性値が小さめの上側の周期構造を有するように設計され、他方のマークは、特定の属性値が大きめの上側の周期構造を有するように設計される。例示された実施形態では、周期構造は格子であり、特定の属性はピッチに対応する。

連続変化する複数のオフセットマーク１６６２に加えて、オーバレイ領域１６６０は、さらに、従来のボックス・イン・ボックスオーバレイターゲット１６６４を含む。ボックス・イン・ボックスターゲット１６６４は、中心に配され、連続変化するオフセットマーク１６６２は、オーバレイ領域１６００の周辺に配置される。連続変化するオフセットマーク１６６２は、ボックス・イン・ボックスターゲット１６６４を取り囲むように構成される。ボックス・イン・ボックスターゲット１６６４は、実際は、連続変化するオフセットマークセットに含まれる連続変化する各オフセットマーク１６６２Ａ，１６６２Ｂの間に配することができる。

図２４Ａおよび図２４Ｂは、本発明の別の一実施形態にしたがったオーバレイ領域１６８０の上面図である。オーバレイ領域は、連続変化する複数のオフセットターゲット１６８２，１６８４を含む。各ターゲットは、格子の上に格子を重ねた形のターゲットとして構成される。第１のターゲット１６８２の格子１６８６Ａ，１６８６Ｂは、Ｘ等の第１の方向を向き、第２のターゲット１６８４の格子１６８８Ａ，１６８８Ｂは、Ｙ等の第２の方向を向く。図に示されるように、第１のターゲット１６８６の格子１６８６は、それぞれ異なるピッチを有するように設計される。さらに、第２のターゲット１６８４の格子１６８８は、互いに回転した状態にある（例えば傾いたＹ格子）。例えば、下側の格子を時計回りに傾けるとともに、上側の格子を反時計回りに傾けることができる（逆もまた可能である）。あるいは、一方の格子のみを傾かせることもできる。なお、図では回転角度が誇張されて示されているが、通常は一度の１％程度である。さらに、図２４Ａは、完全に位置決めされた状態の格子を示しており、図２４Ｂは、ずれた状態の、すなわちオーバレイ誤差が存在する状態の格子を示している。

知られているように、これらのターゲットは、ＸオーバレイとＹオーバレイとを結合する。回転されたターゲットの対称中心は、±Ｇ・ＯＶＬ（Ｙ）＋ＯＶＬ（Ｘ）だけシフトされる。ここで、Ｇはゲイン係数である。２つの項間の相対符号は、傾きの方向によって決定される。したがって、回転されたターゲットの対称中心の測定を、別に測定されるＯＶＬ（Ｘ）で補完する、または（別のＣＶＯターゲットを使用して）測定されるＯＶＬ（Ｘ）とＯＶＬ（Ｙ）との別の一次結合によって、両方向のオーバレイを完全に決定することができる。この設定を使用することによる利点は、１つには、例えばＸ等の一方向の測定を実施するだけで、ＸおよびＹの両方向のオーバレイを抽出できることにある。

図１５および図１６に示されるように、上述された方法のダイナミックレンジおよび精度は、以下の手順で計算することができる。先ず、格子内の位置決定精度がΔｘであると仮定する。次に、第２層におけるピッチの方が大きいと仮定すると、ターゲットの長さは、第１層ではＬ、第２層では（１＋δ）Ｌと定められる。±δＬ／２は、格子の端での層間オフセットであるので、この場合のダイナミックレンジは、±δＬ／２以下である。他方で、オーバレイ測定の精度は、δｘ×ゲイン係数（またはＬ／δＬ）と特定される。なお、上述された解析法は、ピッチが変化する場合と同様に、回転されるターゲットに対しても有効である。ただし、δは、ラジアンの角度を表すものとする。

先の例で挙げられた数字を使用した場合に、もし周期構造のピッチが４００ｎｍおよび４０４ｎｍ、ターゲットの幅が２０ミクロンであるならば、測定のダイナミックレンジは±１００ｎｍになる。もし走査システムの位置決め精度Δｘが±５０ｎｍであるならば、オーバレイ測定の精度は±０．５ｎｍになる。ゼロ交差をサブピクセル精度で計算することができる画像化システムの場合は、オーバレイ測定の精度を大幅に向上させられると考えられる。

本発明の別の一実施形態では、連続変化するオフセットマークの重ねられた周期構造を、図２に示されるように、対称軸に沿って位置決めする代わりに、互いにオフセットさせる、すなわちシフトさせることができる。このような場合には、オーバレイ誤差を測定する際にオフセットの量が考慮される。例えば、図１のブロック１０８は、ブロック１１０でオーバレイ誤差を計算するのに先だって、相対オフセットに基づいて距離Ｘを調整することを含む。例えば、相対オフセットを２で除した結果を、距離Ｘから減算するまたは距離Ｘに加算することができる。上記の例を使用した場合に、周期構造間の相対オフセットの設定値が１ミクロンであると仮定すると、距離Ｘは、１１−１０−（１／２）、すなわち０．５ミクロンになる。

本発明の別の一実施形態では、図１５に示された方法は、回路パターンに関する正確なオーバレイバジェットを決定するための追加ブロックを含む。追加ブロックは、特定の被験ターゲット上でオーバレイ誤差を決定した後に実施される。オーバレイバジェットは、回路を適切に機能させる許容範囲内にあるオーバレイ誤差の量である。すなわち、もしオーバレイバジェットを超えると、パターン間のずれは、素子の不具合につながる可能性がある。オーバレイバジェットは、大抵の場合は安全域を組み込まれている。安全域が使用されるのは、素子がオーバレイ誤差のグレイ範囲にあるときに、すなわち素子が完全に機能する状態と適切に機能できない状態との間の範囲にあるときに、その素子がどのように働くかを設計者が知らないという事実に対処するためである。安全係数が働くあいだに、設計者は、オーバレイバジェットにバッファを追加して、いくつかの機能素子を廃棄する必要がある。あるいは、設計者は、素子を大きくして、ダイごとの素子数を減らす必要がある。追加ブロックは、オーバレイが素子の形状に及ぼす影響を監視する助けとなるように構成される。形状に及ぼされるそれらの影響を知ることによって、安全域がなくても、または限られた安全域でも、より正確にオーバレイバジェットを決定することが可能になる。

追加ブロックは、構造的特性または幾何学的パラメータを光学データからオーバレイ誤差の連続関数の形で抽出する第１のブロックを含む。構造的特性は、例えば、側壁の角度、エッジの粗さ、およびその他の限界寸法等のうちの１つまたは複数を含むことができる。構造的特性は、オーバレイ誤差の決定に使用されたものと同じ光学データを使用して得ることができる。構造的特性が得られると、それらの特性は、オーバレイ誤差の関数の形を取るように、オーバレイ誤差に沿って解析される。関数が決定されると、方法は、オーバレイ誤差の関数の形を取る構造的特性に基づいてオーバレイバジェットまたはロット割り付け（ディスポジション）パラメータを決定する第２のブロックに進む。設計者は、どの構造的特性が許容範囲内であるかを決定し、その後、安全域を用いることなく正しいオーバレイバジェットを選択することができる。一例では、オーバレイデータと併せて構造的測定法を使用することによって、ロットの割り付けを実施することができる。

次に、構造的特性を決定するブロックの別の一例を挙げる。対称中心に基づくアプローチは、対称的な量、すなわち（オーバレイの大きさを一定に維持しつつ）オーバレイの符号を逆転させた場合に不変であるような量に依存する。偏光測定信号または反射率測定信号もあるが、これらは本質的に反対称的である。このような量は、オーバレイの符号を変化させた場合に自身の量の符号も変化させる。この反対称性は、ターゲット内の任意の周期的格子を形成する任意の線の非対称性によって崩壊すると考えられる。このブロックは、１つまたは複数の反対称的特性を測定して、ターゲット内の構造的非対称性の度合いを、オーバレイの関数の形で決定する。

連続変化するオフセットマークは、下記の１つまたは複数の利点を有することができる。連続変化するオフセットマークによって得られる利点は、１つには、オーバレイを決定するために全期間を必要としない（一部のみを必要とする）ことにある。上記の例では、例えば、半分の期間のみが必要とされる。しかしながら、半分に満たない期間も見込めるので、上記の例は非限定的なものである。反対に、モアレ技術は、全期間を見る必要がある。本発明によって得られるもう１つの利点は、（差が非常に小さいので）ゲインが非常に高いことにある。これは、ターゲットを大幅に小さくすることができる。さらに、測定された対称中心の位置と導入されたオーバレイとの間にゲイン係数を導入すれば、不正確さの原因となるあらゆる源に対する敏感さ、ならびに、収差および照明の不均一性等の画像化ツールにおけるバイアスに対する敏感さを同じゲイン係数によって軽減させることができる。連続変化するオフセットマークによって得られるもう１つの利点は、この技術が対称中心を見つけることに依存しており、ビートピッチ（モアレ技術では必須である）を全く問題にしないことにある。ビートピッチは、異なるピッチを有する２つの周期構造を互いに重ね合わせた（組み合わせた）ときに観測されるピッチである。連続変化するオフセットマークによって得られるもう１つの利点は、単一のターゲットのみが必要とされ、したがって、場所を節約できることにある。

以上では、いくつかの好ましい実施形態に基づいて発明を説明してきたが、発明の範囲内で、様々な変更、置換、および等価の形態が可能である。例えば、連続変化するオフセットマークは、主に、重ね合わされた周期構造を対象にしているが、異なる位置に配置された（例えば互いの上に重ねられたのではなく並置された等の）周期構造を用いてオーバレイを決定することもできる。このような場合は、恐らくは、２つの像を撮影してそれらを１つに統合するシェアリング式の画像化システムを使用してオーバレイ情報を抽出することができる。また、本発明の方法および装置は、他の多くの方法で実現することができる。例えば、ＸオーバレイターゲットおよびＹオーバレイターゲットは、同じように構成されるのが通常であるが、異なるように構成することが望ましい場合もある。例えば、ピッチ差を有するようにＸオーバレイターゲットを構成する一方で、回転差を有するようにＹオーバレイターゲットを構成することができる。したがって、以下の特許請求の範囲は、このような全ての変更、置換、および等価の形態を、本発明の真の趣旨および範囲に含むもとして解釈される。

本発明の一実施例に従って、対応する層間パターン（オーバレイターゲット）Ａ、Ｂ、Ｃ、および、Ｄに対して設計されたオーバレイオフセットＸａ、Ｘｂ、Ｘｃ、および、Ｘｄの相対的な分布を示す図。 本発明の一実施形態に従って、パターニングされた上部層Ｌ２が、パターニングされた下部層Ｌ１から量＋Ｆだけずれた様子を示す側面図。 本発明の一実施形態に従って、パターニングされた上部層Ｌ２が、パターニングされた下部層Ｌ１から量−Ｆだけずれた様子を示す側面図。 本発明の一実施形態に従って、パターニングされた上部層Ｌ２が、パターニングされた下部層Ｌ１から量＋Ｆ＋ｆ０だけずれた様子を示す側面図。 本発明の一実施形態に従って、パターニングされた上部層Ｌ２が、パターニングされた下部層Ｌ１から量−Ｆ＋ｆ０だけずれた様子を示す側面図。 本発明の一実施形態に従って、パターニングされた上部層Ｌ２が、パターニングされた下部層Ｌ１から量＋Ｆ＋ｆ０＋Ｅだけずれた様子を示す側面図。 本発明の一実施形態に従って、パターニングされた上部層Ｌ２が、パターニングされた下部層Ｌ１から量−Ｆ＋ｆ０＋Ｅだけずれた様子を示す側面図。 本発明の一実施形態に従って、オーバレイを決定するための手順を示すフローチャート。 本発明の一実施形態に従って、オーバレイを決定するための方法を示すグラフ。 従来の顕微鏡画像化システムを示す説明図。 本発明の第１の実施形態に従って、散乱特性に対して最適化された開口数（ＮＡ）を有する顕微鏡画像化システムを示す説明図。 本発明の第２の実施形態に従って、散乱特性に対して最適化された開口数（ＮＡ）を有する顕微鏡画像化システムを示す説明図。 本発明の第３の実施形態に従って、散乱特性に対して最適化された開口数（ＮＡ）を有する顕微鏡画像化システムを示す説明図。 本発明の第４の実施形態に従って、散乱特性に対して最適化された開口数（ＮＡ）を有する顕微鏡画像化システムを示す説明図。 本発明の一実施形態に従って、複数サイトの視野の例を示す画像化分光計の上面図。 本発明の一実施形態に従って、１または複数の波長帯を選択するためのシステムを示す説明図。 同時、多角度入射の楕円偏光計を示す説明図。 本発明の一実施形態に従って、分光散乱計システムを示す説明図。 本発明の第１の実施形態に従って、Ｘ方向またはＹ方向に沿って実質的に同一線上に配置された複数のターゲットを示す図。 本発明の第２の実施形態に従って、Ｘ方向に沿って同一線上に配置された４つのターゲットと、Ｙ方向に沿って同一線上に配置された４つのターゲットと、を示す図。 本発明の一実施形態に従って、入射ラインを用いた散乱測定によるオーバレイ決定のための技術で用いる入射ラインおよび視野の例を示す図。 第１の組み合わせの画像化および散乱測定両用ターゲットの実施形態を示す上面図。 第２の組み合わせの画像化および散乱測定両用ターゲットの実施形態を示す上面図。 第３の組み合わせの画像化および散乱測定両用ターゲットの実施形態を示す上面図。 本発明の一実施形態に従って、結合型マークを示す図。 本発明の一実施形態に従って、結合型測定ツールの一例を示す図。 本発明の一実施形態に従って、結合型測定ツールの一例を示す図。 本発明の一実施形態に従って、結合型測定ツールの一例を示す図。 本発明の一実施形態に従って、結合型測定ツールの一例を示す図。 本発明の一実施形態に従って、結合型測定ツールの利用を示すフローチャート。 本発明の一実施形態に従って、オーバレイ誤差を決定する方法を示すフローチャート。 本発明の一実施形態に従って、一次元オーバレイターゲットを示す図。 本発明の一実施形態に従って、一次元オーバレイターゲットを示す上面図。 本発明の一実施形態に従って、一次元オーバレイターゲットを示す上面図。 本発明の一実施形態に従って、一次元オーバレイターゲットを示す側面図。 本発明の一実施形態に従って、一次元オーバレイターゲットを示す側面図。 本発明の一実施形態に従って、一次元オーバレイターゲットを示す上面図。 本発明の一実施形態に従って、一次元オーバレイターゲットを示す上面図。 本発明の一実施形態に従って、一次元オーバレイターゲットを示す側面図。 本発明の一実施形態に従って、一次元オーバレイターゲットを示す側面図。 本発明の別の実施形態に従って、一次元オーバレイターゲットを示す図。 本発明の一実施形態に従って、二次元オーバレイターゲットを示す図。 本発明の一実施形態に従って、二次元オーバレイターゲットを示す図。 本発明の一実施形態に従って、オーバレイ領域を示す図。 本発明の一実施形態に従って、オーバレイ領域を示す図。 本発明の一実施形態に従って、オーバレイ領域を示す図。

Claims (21)

1. 予め設定されたゲイン係数を有するよう設計された第１および第２の周期構造を重ね合わせたオーバレイターゲットからオーバレイ情報を抽出する方法であって、
   前記オーバレイターゲットに沿って光学データの空間配列を取得する工程と、
   前記光学データの空間配列に基づいて、前記オーバレイターゲットの対称中心を決定する工程と、
   前記オーバレイターゲットの前記対称中心と幾何学的中心との間の距離Ｘを算出する工程と、
   前記予め設定されたゲイン係数で前記距離Ｘを割ることによってオーバレイ誤差を決定する工程と、を備える、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記第１の周期構造は、周期構造の属性に関する第１の値を有し、前記第２の周期構造は、周期構造の前記属性に関する第２の値を有し、前記第１の値と前記第２の値との間には小さい差が存在し、前記ゲイン係数は、前記第１の値と前記第２の値との間の前記差で前記第１の値を割ることによって決定される、方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、前記属性が回転角度であり、前記第１の値と前記第２の値との間の前記差は、回転角度の約１．０％である、方法。
4. 請求項２に記載の方法であって、前記属性は、ピッチまたは回転角度から選択される、方法。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の方法であって、前記光学データは、１つの光学的測定で収集される、方法。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の方法であって、前記光学データは、複数の光学的測定で収集される、方法。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の方法であって、前記オーバレイターゲットの前記対称中心は、自己相関アルゴリズムを用いて決定される、方法。
8. オーバレイターゲットであって、
   第１の層の上に配置され、周期構造の属性に関する第１の値を有する第１の周期構造と、
   第２の層の上に配置され、前記第１の周期構造の上方に位置し、周期構造の前記属性に関する第２の値を少なくとも有する第２の周期構造と、
   を備え、
   前記属性は、回転角度であって、前記第１の値と前記第２の値とは、実質的に小さい差を有する、オーバレイターゲット。
9. 請求項８に記載のオーバレイターゲットであって、前記第２の値は、前記第１の値よりも大きい、オーバレイターゲット。
10. 請求項８に記載のオーバレイターゲットであって、前記第２の値は、前記第１の値よりも小さい、オーバレイターゲット。
11. 請求項８ないし請求項１０のいずれかに記載のオーバレイターゲットであって、前記周期構造は、一次元周期構造である、オーバレイターゲット。
12. 請求項８ないし請求項１１のいずれかに記載のオーバレイターゲットであって、前記第１および第２の周期構造は、同じ方向に配置された格子である、オーバレイターゲット。
13. 請求項８に記載のオーバレイターゲットであって、前記周期構造は、二次元周期構造である、オーバレイターゲット。
14. 請求項１３に記載のオーバレイターゲットであって、前記周期構造は、それぞれ、二方向に向けられた複数の下位部分からなる、オーバレイターゲット。
15. 請求項８ないし請求項１４のいずれかに記載のオーバレイターゲットであって、前記第１の値と前記第２の値との間の前記差は、前記回転角度の約１０％未満である、オーバレイターゲット。
16. 請求項８ないし請求項１４のいずれかに記載のオーバレイターゲットであって、前記第１の値と前記第２の値との間の前記差は、前記回転角度の約５％未満である、オーバレイターゲット。
17. 請求項８ないし請求項１４のいずれかに記載のオーバレイターゲットであって、前記第１の値と前記第２の値との間の前記差は、約１．０％以下である、オーバレイターゲット。
18. 請求項８ないし請求項１４のいずれかに記載のオーバレイターゲットであって、前記第１の値と前記第２の値との間の前記差は、約０．０１％から約０．９９％の間である、オーバレイターゲット。
19. 請求項８ないし請求項１４のいずれかに記載のオーバレイターゲットであって、前記第１の値と前記第２の値との間の前記差は、約０．１０％から約０．９９％の間である、オーバレイターゲット。
20. オーバレイターゲットであって、
    第１の層の上に配置された第１の部分であって、格子特性に関する第１の値を有する第１の格子を備える第１の部分と、
    第２の層の上に配置され、前記第１の部分の上方に中心を合わせて配置された第２の部分と、
    を備え、
    前記第２の部分は、並んで配置された第２の格子と第３の格子とを備え、前記第２の格子は、格子特性に関する第２の値を有し、前記第３の格子は、格子特性に関する第３の値を有し、前記第２の値は、前記第１の値よりもやや大きく、前記第３の値は、前記第１の値よりもやや小さい、オーバレイターゲット。
21. 請求項２０に記載のオーバレイターゲットであって、前記格子特性が回転角度であり、前記第１の値と前記第２および第３の値との間の差は、前記回転角度の約１．０％である、オーバレイターゲット。

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