JP5165179B2 - フィードフォワードオーバーレイ情報を導入したフォトリソグラフィー・オーバーレイ整合を制御するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は一般に半導体装置の製造に関連し、さらに詳細にはフィードフォワードオーバーレイ情報を導入したフォトリソグラフィー・オーバーレイ整合（位置合わせ、重ね合わせ）を制御するための方法および装置に関する。

半導体業界においては、集積回路装置、例えばマイクロプロセッサ、メモリ装置等の品質、信頼性およびスループットの改善に対する継続的な動機付けが存在する。この動機付けは、より高い信頼性を持って動作する高品質のコンピュータおよび電気製品に対する消費者の要求によってあおられている。このような要求は、半導体装置、例えばトランジスタの製造における継続的な改善、さらにはそのようなトランジスタを含む集積回路装置の製造における継続的な改善へと繋がる。さらに、一般的なトランジスタ部品の製造における欠陥を減らすことにより、トランジスタ当たりの全体のコストを下げることができ、さらにはそのようなトランジスタを含む集積回路装置のコストをも下げることができる。

半導体処理（プロセス）装置の基礎となる技術が過去数年にわたってより大きな関心を引き起こし、それによって実質的な改善へとつながった。しかしながら、この領域でなされた進歩にもかかわらず、現在商業的に入手可能な処理装置の多くはいくつかの欠点を抱えている。特に、そのような装置類はしばしば先進的プロセスデータ監視機能を有していない。先進的プロセスデータ監視機能とは、例えばユーザフレンドリーな形式で、イベントログ、現在のプロセスパラメータおよびラン（run）全体のプロセスパラメータ両方のリアルタイムなグラフィック表示、さらにローカルサイトおよび全世界の遠隔監視とともに、経過（ヒストリカルな）パラメトリックデータを提供する能力である。これらの欠点により、スループット、正確性、安定性および再現性、プロセス温度、機械装置パラメータなどの重要なプロセスパラメータの処理が最適化されないおそれがある。この変動性はラン内のばらつき、ランとランの間（run-to-run）のばらつき、そして装置と装置の間のばらつきとして現れ、それらは製品の品質および性能のばらつきへと繋がりうる。それに対して、そのような装置類のための理想的な監視および診断システムは、この変動性を監視する手段とともに、重要なパラメータを最適に制御するための手段をも提供する。

半導体装置は半導体材料のウェハから製造される。製造中、複数の材料層が付加され、取り除かれ、および／または処理されて、デバイスを構成する電気回路を作成する。半導体装置の製造は、本質的に４つの基本的な処理を含む。基本的な処理が４つしかないにもかかわらず、特定の製造プロセスに応じて、数百の異なった方法に組み合わせることができる。
半導体装置の製造に通常用いられる４つの処理は、
・積層、つまり半導体装置になるウェハに様々な材料の薄膜を付着させる
・パターン化、つまり付着層の選択された部分を取り除く
・ドーピング、つまり付着層の開口部を通して、ウェハ表面に特定量のドーパントを配置する
・熱処理、つまり処理されたウェハに所望の効果を生じさせるため材料を加熱および冷却する

技術の進歩が半導体装置のより小さな限界寸法（critical dimension）を促進するにつれて、誤差低減の必要性が劇的に高まってきた。製造された半導体装置の正しい性能を確保するためには、半導体装置のサブセクションの適切な形成が重要な要素となる。一般的に、半導体を許容可能な製造品質にするためには、サブセクションの限界寸法を所定の許容可能な誤差マージン内に納めなければならない。

半導体製造の一つの重要な側面はオーバーレイ制御である。オーバーレイ制御には、半導体装置の表面上における２つの連続したパターン化された層（レイヤ）間のアライメントの不整（ミスアライメント）の測定が含まれる。一般的に、アライメント誤差を極小化することが半導体装置の複数の層が接続され、機能することを確実にするうえで重要である。技術が半導体装置のより小さな限界寸法を促進するにつれて、アライメント不整誤差低減の必要性が劇的に高まっている。

一般的に一連のフォトリソグラフィーステップが、通常露光装置またはステッパと呼ばれる半導体製造装置を用いて、多くのステッパに対して実行される。この製造装置は製造フレームワークまたは処理モジュールのネットワークと通信を行う。製造装置は、通常、装置インターフェイスに結合される。装置インターフェイスは、ステッパが接続され、ステッパと製造フレームワークとの間の通信を促進する機械インターフェイスに接続される。機械インターフェイスは一般にアドバンスド・プロセス・コントロール（ＡＰＣ）システムの一部であってもよい。ＡＰＣシステムは制御スクリプトを起動する。制御スクリプトは、製造プロセスを実行するために必要なデータを自動的に読み出すソフトウェアプログラムとすることができる。製造プロセスを制御する入力パラメータは定期的にマニュアル方式（手入力）で更新される。より精確な製造プロセスの必要性が要求されるに従って、製造プロセスを制御する入力パラメータをより自動化された方法で、かつ適時に更新するための改良された方法が必要である。

典型的なオーバーレイ制御はフィードバック制御方法論を採用する。フィードバック制御方法論では、フォトレジスト材料層をパターン化した後、フォトレジスト層と下地層の間のミスレジストレーション、つまりオーバーレイ誤差を測定するために計測データが収集される。オーバーレイ誤差測定から生成されたフィードバックが、続いて処理されるウェハについてフォトリソグラフィー装置の制御信号を更新するために、プロセスコントローラに供給される。このオーバーレイ誤差はまた欠陥検出手法にも使われ、所定の閾値を超えるオーバーレイ誤差を持つウェハを、誤ったフォトレジスト層を除去して新しいフォトレジスト層をパターン化することで再加工する。
ＷＯ０１／８４３８２は、リソグラフィー処理を評価し、制御する方法を開示している。この方法では、ウェハ上に形成されたレジストの一つの特性を測定し、この測定に応答して、リソグラフィー工程を実行するために構成されたプロセスモジュールのパラメータを変更し、ウェハの重要な構造の変動を低減する。
米国特許６，３０４，９９９は、半導体ウェハを処理する方法を開示する。処理中に不整合誤差のような誤差を測定し、その測定値を用いてリソグラフィー処理の製造モデルについての制御入力パラメータを変更する。

フィードバックオーバーレイ技術は、オーバーレイ誤差が測定されるウェハと、フォトリソグラフィー装置によってパターン化されるべき後続のウェハとの間に同質性があることを仮定している。ウェハ処理技術がロット毎制御からウェハ毎制御に変わるに従い、この仮定は次第に有効ではなくなってきている。ある特定のウェハ、ロット、あるロット内のウェハの一部は、下地層に対して同一のオーバーレイ特性を持たないかもしれない。オーバーレイ誤差を低減する、または欠陥状態（つまり、再加工）を修正するために、あるロット内のウェハの処理中に制御動作を実行することがありうる。従って、フィードバック計測データのみに基づいてオーバーレイパラメータを制御しても、オーバーレイのばらつきを適切に減少させることはできないであろう。
本発明は上述の一以上の課題を解決し、または少なくともその影響を低減することを目的としている。

発明の概要

本発明の一態様はフォトリソグラフィープロセスを制御する方法である。本方法は、選択されたウェハに第一パターン化層を形成するステップを含む。この第一パターン化層に関する第一オーバーレイ誤差が測定される。本方法はさらに前記選択されたウェハの前記第一パターン化層上に第二層を形成するステップと、少なくとも前記第一オーバーレイ誤差測定に基づいて、前記第一ウェハ上に形成された第二層にフォトリソグラフィー処理を実行するための動作レシピの少なくとも１つのパラメータを決定するステップを含む。

本発明の他の態様は、フォトリソグラフィーステッパ、オーバーレイ計測装置、およびコントローラを含む処理ラインである。フォトリソグラフィーステッパは動作レシピに従ってウェハを処理するように構成されている。オーバーレイ計測装置は、フォトグラフィーステッパ内のウェハの処理に関連するオーバーレイ誤差を測定するように構成されている。コントローラは、選択されたウェハ上の第一層の形成に関連する第一オーバーレイ誤差測定値を受信して、少なくともこの第一オーバーレイ誤差測定に基づいて、選択されたウェハ上の前記第一パターン化層上に形成された第二層にフォトリソグラフィー処理を実行するための動作レシピの少なくとも１つのパラメータを決定する。

本発明は、添付の図面と関係付けて、以下の説明を参照することによって理解できるであろう。図面中、類似の参照符号は類似の要素を示している。
本発明は様々な変形および代替の形態をとりうるが、その特定の実施形態を例示のために図面に示し、本明細書において詳細に説明する。しかしながら、特定の実施形態についての本明細書中の説明は、開示された特定の形態に本発明を限定しようとするものではなく、むしろ反対に、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の精神および範囲の範疇に入る、すべての変形物、均等物および代替物を含むことを意図している、ことを理解してもらいたい。

本発明の例示としての実施形態を以下説明する。明確化のために、本明細書では、現実の実施品のすべての特徴を説明することはしない。そのような現実の実施品の開発においては、例えばシステム関連の順守事項およびビジネス上の制約など、実用化の事例毎に異なる、開発者の特定の目標を達成するために、数々の実施に則した判断を行わなければならないことは当然理解してもらえるだろう。さらに、そのような開発努力は複雑で時間のかかるものであるかもしれないが、それにもかかわらず本明細書の開示による利益を得た当業者にとっては日常作業に過ぎないことも理解できるであろう。

オーバーレイ制御は半導体の製造において重要である。特に、オーバーレイ制御には、製造プロセス中に半導体層の間のアライメント不整誤差を測定することが含まれる。オーバーレイ制御の改善は、半導体製造プロセスにおいて、品質と効率性の点において実質的な向上につながりうる。本発明は、オーバーレイ誤差の制御のための自動化された誤差修正を実現する方法を提供する。

図１は、本発明の一実施形態に従った、ウェハ１１０を処理するための処理ライン１００の簡略図である。処理ライン１００は、ウェハ１１０上に形成されたフォトレジスト層にパターンを形成するためのフォトリソグラフィー装置１２０を含んでいる。フォトリソグラフィー装置１２０はステッパ１２４に結合されたトラック１２２を含んでいる。トラック１２２はウェハ１１０上にフォトレジスト材料を回転塗布（スピンオン）し、そのフォトレジスト材料をプリベイク（pre-bake）する。ステッパ１２４はこのフォトレジスト層を露光して、フォトレジスト層にパターンを形成する。トラック１２２は次に露光後のベイクを実行し（もし使用するフォトレジスト層のタイプによって必要であれば）、フォトレジスト層にパターンを形成するために、フォトレジスト層の露光された部分（ポジタイプのフォトレジスト材料の場合）を取り除くために現像液を加える。通常、このフォトレジスト層は、ウェハ１１０上に構造物を形成するために行われる後続のエッチングプロセスにおけるマスクとして、またはイオン注入（インプランテーション）プロセスを実行する（例えば、能動領域を形成するために基板をドーピングするために）際のマスクとして使用される。

処理ライン１００はさらに、フォトリソグラフィー装置１２０によって形成されたフォトレジストパターンにおけるオーバーレイ誤差を判定するように構成されたオーバーレイ計測装置１３０を含む。一般的に、オーバーレイ計測装置１３０は、オーバーレイ誤差を測定可能などのようなタイプの装置であってもよい。例えば、オーバーレイ計測装置１３０は、カリフォルニア州サンノゼのKLA-Tencor社から提供される5200XPオーバーレイ計測システムのような光学検査装置を含む。オーバーレイ計測装置１３０はスキャトロメトリ（Scatterometry）を利用してオーバーレイ誤差を測定することもできる。それについては、本特許出願の譲受人に譲渡され、J. Broc Stirtonの名前で出願された、発明の名称「フォトリソグラフィー・オーバーレイ整合を制御するための方法および装置」、米国特許出願番号０９／８９４，５４６に説明されている。

コントローラ１４０は、オーバーレイ計測装置１３０によって収集されたフィードフォワードオーバーレイ計測データに基づいて、ステッパ１２４を制御するために提供される。ある実施形態では、コントローラ１４０はフィードフォワードオーバーレイ計測データおよびフィードバックオーバーレイ計測データの両方に基づいてステッパ１２４を制御してもよい。データ記憶装置１５０は、オーバーレイ計測装置１３０によって測定されたウェハ１１０のオーバーレイ計測データを記憶するために提供される。例えば、オーバーレイ計測データは、利用可能な細分性に応じて、ウェハＩＤおよび／またはロットＩＤによる指標付けをして記憶される。もちろん、処理ライン１００は、オーバーレイデータを収集する複数のフォトリソグラフィー装置１２０、および共有または個別のコントローラ１４０を持つ複数のオーバーレイ計測装置１３０を有するものであってもよい。

コントローラ１４０は、オーバーレイ誤差を修正するためにステッパ１２４の動作レシピ１２４を調整する。図示された実施形態では、コントローラ１４０は、説明されている機能を実装するためのソフトウェアでプログラムされたコンピュータである。しかしながら、当業者であれば理解できるように、特定の機能を実装するように設計されたハードウェアコントローラも使用可能である。さらに、コントローラ１４０はスタンドアローンのコントローラであってもよいし、フォトリソグラフィー装置１２０またはオーバーレイ計測装置１３０などの装置に統合してもよいし、または集積回路製造工場のシステム制御操作の一部とすることも可能である。

本発明の一部および対応する詳細な説明は、ソフトウェア、つまりアルゴリズムおよびコンピュータメモリ内のデータビット操作のシンボリックな表現として説明される。これらの説明および表現は、当該技術分野の当業者が彼らの仕事を効率的に他の当業者に伝達するためのものである。アルゴリズムとは、その用語が本明細書で用いられる場合、そして一般的に用いられているように、目的とする結果に繋がる自己整合的なステップの配列であると考えられる。これらのステップは、物理量の物理的な操作を必要とするものである。通常、もっとも必ずしも必要ではないが、これらの物理量は、光学的、電気的または磁気的な信号の形態をとり、それらは蓄積、転送、結合、比較、その他の操作が可能なものである。専ら一般的な用例という理由から、ときには、これらの信号をビット、値（value）、要素（element）、シンボル、キャラクタ、項（term）、数などと呼ぶのが便利である。

しかしながら、これらの用語のすべてまたは類似の用語は適切な物理量に関連付けられるべきであり、それらの量に適用される単なる便利なラベルである、ことを念頭に置く必要がある。特に断らない限り、またはこれまでの議論から明らかなように、「プロセス（処理）」、「コンピューティング」、「計算」、「決定」、「表示」などの用語は、コンピュータシステムまたは類似の電子情報処理装置の処理または動作を意味する。ここで、コンピュータシステムまたは類似の電子情報処理装置の処理または動作とは、コンピュータシステムのレジスタおよびメモリのなかの物理的、電気的な量として表されるデータを操作して、コンピュータシステムのレジスタおよびメモリまたはその他の情報記憶装置、転送装置または表示装置のなかの物理的な量として同様に表される他のデータに変換することである。

ここで説明するようなコントローラ１４０の機能を実行するように構成可能なソフトウェアシステムは、例えばKLA-Tencor, Inc.社から提供されるCatalystシステムである。Catalystシステムは、SEMI（Semiconductor Equipment and Materials International）のCIM（Computer Integrated Manufacturing）フレームワークに準拠したシステム技術を使用し、アドバンスト・プロセス・コントロール（ＡＰＣ）フレームワークに基づいている。CIM（SEMI E81-0699 CIMフレームワーク・ドメイン・アーキテクチャのための暫定仕様書）およびAPC（SEMI E93-0999 CIMフレームワーク・アドバンスト・プロセス・コントロール・コンポーネントのための暫定仕様書）仕様書はSEMIから一般に入手可能である。

ウェハ１１０は、複数の制御入力信号を用いてステッパ１２４で処理される。図示された実施形態では、ステッパ１２４を設定するのに用いられる制御入力信号はｘ平行移動（x-translation）信号、ｙ平行移動（y-translation）信号、ｘ拡張（x-expansion）ウェハスケール信号、ｙ拡張（y-expansion）ウェハスケール信号、レクチル倍率（magnification）信号、レクチル回転信号、ウェハ回転信号、ウェハ非直交性（non-orthogonality）信号を含む。一般的に、レクチル倍率信号およびレクチル回転信号に関連する誤差は、露光装置において処理されているウェハ表面への特定の露光プロセスに関係する。コントローラ１４０は、オーバーレイ計測装置１３０によってラン毎（run-to-run）に実行されるオーバーレイ誤差測定に基づいて、制御入力信号を更新する。

ステッパ１２４がウェハ１１０の処理を完了したとき、オーバーレイ計測装置１３０はウェハ１１０を検査する。ウェハの検査は、フォトレジスト層を現像する前に行うこともできるし（つまり、フォトレジストの潜像を用いて）、現像処理の後で行ってもよい（つまり、フォトレジストのパターンを用いる）。オーバーレイ計測装置１３０は、前の露光ステップにおいて生じた不整合（misregistration）の測定値を提供する。不整合の量は、ウェハ上に形成された２つの層の間に生じた、フォトリソグラフィーステップにおける位置の不整合（ミスアラインメント、misalignment）である。

オーバーレイ誤差を測定するためのテスト構造は、当業者にはよく知られているものである。例えば、図２は一例としてのテスト構造２００を示している。このテスト構造２００は、ウェハ１１０上の通常デバイスを形成するのに使われない領域に（例えば、典型的に識別コードがスクライブされる周辺領域または製品ダイの間のスクライブラインに）形成することができる。第１ボックス２１０は下地層にパターン化され、第２ボックス２２０は、フォトリソグラフィー装置１２０によって形成およびパターン化されるフォトレジスト層にパターン化される。オーバーレイ誤差は、ボックス２１０，２２０の各辺の間の距離を測ることによってＸ方向とＹ方向において測定される。例えば、Ｘ方向におけるオーバーレイ誤差を測定するためには、辺２１１，２２１の間の距離と、辺２１２、２２２の間の距離とを比較する。オーバーレイ誤差はそれら測定された距離の差の半分である。もし辺２１１と２２１間の距離が０．０５ミクロンであって、辺２１２と２２２の間の距離が０．０３ミクロンだとすると、Ｘ方向のオーバーレイ誤差は（０．０５−０．０３）／２＝＋０．０１ミクロンとなる。それぞれの辺の組の距離が０．０４ミクロンだとすると、オーバーレイ誤差はゼロとなる。同様の手法を用いて、Ｙ方向のオーバーレイ誤差を決定することができる。

オーバーレイ計測装置１３０は、データ記憶装置１５０に、測定されたウェハ１１０のオーバーレイ誤差を記憶する。ウェハ１１０上に形成されるそれぞれの層について異なったオーバーレイ誤差測定値が生成されうる。このオーバーレイ誤差計測データはウェハまたはロットＩＤおよび層（レイヤ）について指標付けされる。

図１に戻って、フォトリソグラフィー装置１２０に対する制御動作を決定するためにコントローラ１４０において採用される手順をさらに詳しく説明する。一般的に、コントローラ１４０は現在の層に対するステッパ１２４のオーバーレイ設定を決定するときに、過去の層からのオーバーレイ誤差データを考慮する。ここで、この過去のオーバーレイ誤差測定値を考慮することをフィードフォワード制御技術と呼ぶ。特定の実装に応じて、コントローラ１４０は個別のウェハまたはウェハのロットに対する制御動作を決定する。制御がロットレベルで実行される場合には、フィードフォワードオーバーレイ誤差データは、測定されたそのロット内の一以上のウェハと関連づけられる。制御がウェハレベルで実行される場合には、各ウェハは関連するフィードフォワードオーバーレイ誤差測定値を持ちうる。もちろん、異なった細分性の程度を用いることもできる。例えば、特定のフィードフォワードオーバーレイ誤差データを持たないウェハに対して、平均法または内挿法を用いることができる。

フォトリソグラフィー装置１２０で選択されたウェハを処理する前に、コントローラ１４０はデータ記憶装置１５０にアクセスして、以前のプロセス層について測定されたオーバーレイ誤差を決定する。場合によっては、オーバーレイ誤差を減少させるためにロットの処理中にフィードバック制御動作を実行することにより、そのロット内のすべてのウェハが同一のオーバーレイ誤差を持たない可能性もある。同様に、同じフォトリソグラフィー装置１２０において処理される別のロットは、それまでのフィードバック制御動作によって、同じオーバーレイ誤差を持たないであろう。フィードフォワードオーバーレイ誤差は、フォトリソグラフィー装置によって現在形成されているフォトレジスト層について、それらのウェハ毎（wafer-to-wafer）またはロット毎（lot-to-lot）のオーバーレイ誤差変動を補償するための制御動作を決定する際に、考慮される。

単純な制御例としては、フィードフォワードオーバーレイ誤差がフィードバックオーバーレイ決定に対する直接的なオフセットとして用いられる。例えば、もし処理後のフィードバックが、第1ウェハの現在の層がある方向に＋０．０３ミクロンのオーバーレイ誤差を持つことを示しているとすると、一般的なフィードバック制御動作は、ステッパ１２４の設定を調整して第２ウェハについてこのオーバーレイ誤差を減少させようとするものである。しかしながら、第１ウェハの下地層と比較して、第２ウェハの下地層は＋０．０２ミクロンのオーバーレイ誤差を持っているとしよう。もし第２ウェハに対してなんらの制御動作も実行されないとしたら、第１および第２ウェハの下地層における２つのオーバーレイ誤差間の差に起因して、現在のウェハのオーバーレイ誤差は＋０．０３−＋０．０２＝＋０．０１ミクロンとなる。もし制御動作が第１ウェハからのフィードバックオーバーレイ誤差測定値のみに基づいてステッパ１２４を調整しようとするものであれば、結果としてオーバーレイ誤差は（つまり完全に制御したと仮定して）、０−＋０．０２＝−０．０２ミクロンとなるであろう。従って、以前の層からのフィードフォワードオーバーレイ誤差を取り込まない、フィードバック誤差制御技術は実際にはオーバーレイ誤差を増加させる可能性がある。

コントローラ１４０は、現在のウェハについてのフィードフォワードオーバーレイ誤差データおよび以前のウェハについてのフィードバックオーバーレイ誤差データに基づいて、現在のウェハのみならず後続のウェハについてのステッパ１２４のレシピを調整することができる。コントローラ１４０は、なんの修正も行われない、不感帯（deadband）を持つように構成することができる。フィードフォワードおよびフィードバックオーバーレイ誤差は所定の閾値パラメータの組と比較される。一実施形態では、不感帯は、対応する所定の目標値の組をおおよその中心とする制御入力信号に関する誤差値の範囲を含む。オーバーレイ計測装置１３０から得られたフィードフォワードおよびフィードバックオーバーレイ誤差がそれらに対応する所定の閾値よりも小さい場合、その特定の誤差は不感帯内にあるとみなし、コントローラ１４０はオーバーレイ制御入力に対して何も変更を加えない。不感帯の第１の目的は、半導体製造プロセスを過剰に変動させる、過剰な制御動作を防ぐことにある。

あるオーバーレイ制御入力信号に対応するオーバーレイ誤差状態が不感帯内にはないとコントローラ１４０が判断したとき、フィードフォワードおよびフィードバックオーバーレイ誤差が、現在のウェハ、そのロット内の後続のウェハまたは後続のウェハのロットについて実行されるフォトリソグラフィープロセスのためのそのオーバーレイ制御入力信号を更新するのに用いられる。コントローラ１４０は、制御モデルに従って、オーバーレイ制御入力信号の値を変化させる際のステップサイズを決定する。次の式１はオーバーレイ制御入力信号に対する変化を決定するための制御方程式の一例である。
［式１］
新しい設定＝古い設定−［（重み１）＊（フィードバックオーバーレイ誤差値）］−［（重み２）＊（フィードフォワードオーバーレイ誤差値）］

式１に示すように、コントローラ１４０は、重みとフィードバックおよびフィードフォワードオーバーレイ誤差値との積からオーバーレイ制御入力信号の古い設定の大きさを引くことによって、オーバーレイ制御入力信号の新しい設定を決定する。これらの重みは、特定のオーバーレイ制御入力信号の誤差値に割り当てられる所定のゲインパラメータである。重みの特定値は制御シミュレーションまたは実験によって決定される。これらの重みの値はオーバーレイ制御入力信号設定の変化のステップサイズを部分的に制御するために使用可能であるものの、これら重みの値は過大なステップサイズを防止するのには未だ不十分である。言い換えれば、仮に最適な重みを特定の誤差信号に対して割り当てたとしても、計算された制御入力信号設定の変化のステップサイズが大きすぎて、半導体製造装置のコントローラが短時間に過剰に変動するような動作を引き起こしうる。従って、コントローラ１４０は計算されたステップサイズを、オーバーレイ制御入力信号設定の変化として許容しうる所定の最大のステップサイズと比較して、それによってステップサイズを限定することができる。

更新されたオーバーレイ制御入力信号を使用する一つの方法が制御スレッドを用いて実装される。制御スレッドはコントローラ１４０によって実装可能である。制御スレッドは、ステッパ１２４のような半導体製造装置の制御手法の重要な部分である。各制御スレッドは独立したコントローラのように機能し、様々なプロセス状態によって差別化される。オーバーレイ制御に対しては、制御スレッドは、ウェハのロットを現在処理している半導体製造装置（例えば、ステッパ１２４）、半導体製品、半導体製造オペレーション、およびそのウェハの以前の層について半導体ウェハまたはロットを処理した半導体製造装置を含む、異なった状態の組み合わせによって分けられる。

異なった半導体製造プロセス状態を説明する制御スレッドは異なったやり方でオーバーレイ誤差に影響を与える。特有の半導体製造プロセス状態のそれぞれをそれに対応する制御スレッドに分離することによって、コントローラは制御スレッド内の後続の半導体ウェハロットが処理される状態をより正確に評価することができる。誤差測定はより関連しているので、その誤差に基づいたオーバーレイ制御入力信号に対する変更はより適切なものになる。本発明によって説明される制御手法を実装することによってオーバーレイ誤差を減少に導くことができる。

ウェハの処理後、オーバーレイ計測装置１３０は制御誤差のフィードバック測定を供給する。誤差測定値のそれぞれはオーバーレイ制御入力信号の一つに対応する。コントローラ１４０は、このフィードバック測定値および後続のウェハについてのフィードフォワードオーバーレイ誤差データに基づいて、その後続のウェハに対する制御動作を決定する。コントローラ１４０は、制御動作を決定する際に、様々な事前処理（プリプロセシング）またはデータ操作活動を実行する。そのような事前処理活動の一つは、アウトライアー（outlier、外れ値、異常値）除外である。アウトライアー除外は総体的な誤差チェックであって、半導体の製造プロセスのヒストリカルな性能に照らして、測定されたオーバーレイ誤差が合理的であることを保証するために用いられる。この手続きには、フィードバックおよびフィードフォワードオーバーレイ誤差のそれぞれを対応する所定の境界パラメータと比較する処理を含む。一実施形態においては、所定の境界の一方に超過があった場合でさえも、半導体ウェハまたはロット全体からの誤差データが除外される。アウトライアー除外境界の限界を決めるために、何千もの実際の半導体製造工程データポイントが収集される。次に、この収集されたデータの各誤差パラメータについて標準偏差を計算する。境界閾値はこの標準偏差の倍数に選ばれる（つまり、正または負）。このアウトライアー除外境界の選択は、通常のプロセス動作状態からみて相当に外側にあるポイントのみが除外されることを保証するのに役立つ。

コントローラ１４０が実行しうる第２の事前処理機能は、データをならす、またはフィルタリングすることである。オーバーレイ誤差測定値はある量の偶然性の対象となる。フィードバックオーバーレイ誤差データをフィルタリングすることにより、オーバーレイ制御入力信号設定誤差のより正確な評価につながる。一実施形態では、コントローラ１４０はデータをならすのに指数重み付け移動平均（EWMA）フィルタを使用するが、他のフィルタリング手順も使用可能である。EWMAフィルタの方程式を式２に示す。
［式２］
新しい平均＝（重み）＊（現在の測定値）＋（１−重み）＊（以前のEWMA平均）

この重みは調整可能なパラメータであって、フィルタリングの量を制御するために用いることができ、一般的に０から１の間の値をとる。この重みは現在のデータポイントの正確さについての信頼度を表す。もし測定値が正確であると考えられるのであれば、重みは１に近くあるべきである。もし以前の処理ランにおいてプロセスに相当量の変動があったとしたならば、０に近い数が適切であろう。新しい平均値は、現在の測定値、重み、および最後に計算された平均値から計算される。上述したように、EWMAフィルタリング処理は、以前の平均値、重み、および現在の測定値を使用するが、代替的にこれらのデータのいくつかのみ（つまり、直近の）を使用して平均を計算することもできる。

半導体製造工場における製造環境はある種のユニークな挑戦を提供している。ステッパ１２４のような装置を通って処理される半導体ウェハのロットの順番は、オーバーレイ計測装置１３０がオーバーレイ誤差を測定する順番に対応しない。このような状況においては、EWMA平均に加えられるデータポイントの順番が狂うことになる。さらに、誤差測定を検証するためにウェハを２回以上分析することになる。データの保存なしに、両方の読み出しがEWMA平均に寄与することになり、望ましくない特性となる。さらに、制御スレッドのいくつかは記憶容量が小さいので、以前の平均値が期限切れとなってしまい、オーバーレイ制御入力信号設定の誤差を正確に表すことができなくなる可能性がある。これらの理由から、コントローラ１４０は記憶されたデータにアクセスして、EWMAフィルタリングされた誤差を計算する。ロット番号、ステッパ１２４でそのロットが処理された時間、および複数の誤差推定値を含む半導体ウェハロットデータが、制御スレッドの名前でデータ記憶装置１５０に記憶される。オーバーレイ誤差データの新しい組（セット）が収集されたとき、データ記憶装置からデータスタックが読み出され、解析される。処理中の現在の半導体ウェハロットのロット番号がスタック中のそれらと比較される。スタック中に存在するデータのどれかとロット番号が一致すると、その誤差測定値が置き換えられる。さもなければ、データポイントは、そのロットがステッパ１２４を通って処理された時限（time period）に従って、時系列で現在の（カレント）スタックに加えられる。ある実施形態では、データポイントは所定期間（例えば、４８時間）後にその有効期限が切れる。

上述したように、コントローラ１４０はAPCフレームワークを用いて実装することができる。APCフレームワークを用いた本発明が教示する制御方法を展開するには、数多くのソフトウェアコンポーネントが必要となろう。APCフレームワーク内のコンポーネントに加えて、ステッパ１２４などの、制御システムに含まれる各半導体製造装置について、コンピュータスクリプトが記述される。制御システム内の半導体製造装置が始動するとき、一般的にそれは、コントローラ１４０によって実装された動作を完了するために制御スクリプトを開始する。上述の制御方法はこれらの制御スクリプトとして一般的に定義され、実行される。

コントローラ１４０は、ステッパ１２４のための様々な制御パラメータについての制御技術を実装する。そのような制御パラメータは、ｘ平行移動（x-translation）パラメータ、ｙ平行移動（y-translation）パラメータ、ｘ拡張（x-expansion）ウェハスケールパラメータ、ｙ拡張（y-expansion）ウェハスケールパラメータ、レクチル倍率（magnification）パラメータ、レクチル回転パラメータ、ウェハ回転パラメータ、ウェハ非直交性（non-orthogonality）パラメータを含む。オーバーレイ制御モデルは、周知の線形または非線型法を用いて経験的に求められる。この制御モデルは上述したような比較的単純な方程式に基づくモデル（例えば、線形、指数、加重平均など）であってもよいし、またはニューラルネットワークモデル、主成分分析（PCA）モデル、またはPLS（projection to latent structure）モデルのような、より複雑なモデルであってもよい。このモデルの特定の実装は、選択されたモデリング技術に応じて異なる。

オーバーレイモデルはコントローラ１４０によって作成できる。もしくは、別の処理資源（図示せず）によって作成することができ、作成後コントローラ１４０に記憶する。このオーバーレイモデルはステッパ１２４を用いて、または類似の動作特性を持つ別の装置（図示せず）を用いて開発することができる。例示の目的において、オーバーレイモデルは、オーバーレイ計測装置１３０によって測定されたステッパ１２４の実際の性能に基づいて、コントローラ１４０または他の処理資源によって作成され、更新される。このオーバーレイモデルは、ステッパ１２４の多数の処理ランから収集されたヒストリカルデータに基づいて訓練される。

図３は、本発明の他の実施形態に従った、フォトリソグラフィープロセスの制御方法を示す簡略流れ図である。ブロック３００では、選択されたウェハ上に第一層が形成される。ブロック３１０では、この第一層に関連して第一オーバーレイ誤差が測定される。ブロック３２０では、少なくとも第一オーバーレイ誤差測定に基づいて第一ウェハ上に第二層を形成するために、動作レシピの少なくとも一つのパラメータを決定する。

上述したように、オーバーレイ計測装置１３０からのフィードバックおよびフィードフォワード測定値に基づいてオーバーレイ誤差を制御することには、数多くの利点がある。発生する変動量を低減するように、ステッパ１２４を制御することができる。変動を少なくすることで、デバイスの品質が低下したり、廃棄しなければならなくなる可能性を減らすことができる。従って、処理ライン１００で生産されるデバイスの品質および処理ライン１００の効率は両方とも向上する。

これまでに開示した特定の実施形態は例示にすぎない。本明細書の教示による利益を得た当業者に明らかなように、本発明を変形することができ、また異なるが均等な方法で実施することができる。さらに、添付の特許請求の範囲の記載を除いては、本明細書に開示した構造または設計の詳細に、本発明を限定しようとする意図はない。従って、上述の特定の実施形態は改造または変更が可能であり、そのような変形物は本発明の範囲および精神の中にあるものとして考えられる。従って、保護を求める範囲は添付の特許請求の範囲に記載されるとおりである。

本発明の一実施形態に従った、ウェハを処理するための処理ラインの簡略図。 図１の処理ラインにおいてオーバーレイ誤差を測定するのに有用なテスト構造の一例を示す図。 本発明の他の実施形態に従った、フィードフォワードオーバーレイ情報を導入した、フォトリソグラフィーオーバーレイ整合の制御方法を示す簡略流れ図。

Claims (14)

1. フォトリソグラフィープロセスを制御するための方法であって、
   選択されたウェハに第一パターン層を形成するステップと、
   前記第一パターン層に関する第一オーバーレイ誤差を測定するステップと、
   前記第一オーバーレイ誤差測定の後、前記選択されたウェハ上の前記第一パターン層の上に第二層を形成するステップと、
   前記第二層に前記フォトリソグラフィー処理を実行するための制御スレッドを実装することによって、少なくとも前記第一オーバーレイ誤差測定に基づいて、前記選択されたウェハの前記第二層にフォトリソグラフィー処理を実行するための動作レシピの少なくとも１つのパラメータを決定するステップとを含み、
   前記制御スレッドは、前記第一パターン層を形成した装置のプロセス状態及び前記第二層を形成する現在の装置のプロセス状態によって定義されることを特徴とする、方法。
2. 前記動作レシピに基づいて、前記第二層にフォトリソグラフィー処理を実行するステップをさらに含む、請求項１の方法。
3. 前記動作レシピの少なくとも１つのパラメータを決定するステップが、フォトリソグラフィー装置の動作レシピの少なくとも一つのパラメータを決定するステップをさらに含む、請求項１の方法。
4. 前記第一オーバーレイ誤差を測定するステップが、検査装置を用いて前記第一オーバーレイ誤差を測定するステップをさらに含む、請求項１の方法。
5. 前記第一オーバーレイ誤差を測定するステップが、スキャトロメトリ装置を用いて前記第一オーバーレイ誤差を測定するステップをさらに含む請求項１の方法。
6. 前記動作レシピの少なくとも１つのパラメータを決定するステップは、ｘ平行移動パラメータ、ｙ平行移動パラメータ、ｘ拡張ウェハスケールパラメータ、ｙ拡張ウェハスケールパラメータ、レクチル倍率パラメータ、レクチル回転パラメータ、ウェハ回転パラメータおよびウェハ非直交性パラメータのうちの少なくとも一つを決定するステップをさらに含む請求項１の方法。
7. フォトリソグラフィープロセスを制御するための方法であって、
   選択されたウェハに第一パターン層を形成するステップと、
   フィードフォワードオーバーレイ誤差信号を生成するために、前記第一パターン層に関する前記第一オーバーレイ誤差を測定するステップと、
   フィードバックオーバーレイ誤差信号を生成するために、複数のウェハ上に形成された第二層にフォトリソグラフィー処理を実行するための処理に関する複数のオーバーレイ誤差を測定するステップと、
   前記第二層に前記フォトリソグラフィー処理を実行するための制御スレッドを実装することによって、前記フィードフォワードオーバーレイ誤差信号および前記フィードバックオーバーレイ誤差信号に基づいて、前記選択されたウェハに形成された前記第二層にフォトリソグラフィー処理を実行するための動作レシピの少なくとも１つのパラメータを決定するステップとを含み、
   前記制御スレッドは、前記第一パターン層を形成した装置のプロセス状態及び前記第二層を形成する現在の装置のプロセス状態によって定義されることを特徴とする、方法。
8. 前記動作レシピに基づいて前記選択されたウェハの前記第二層に前記フォトリソグラフィー処理を実行するステップをさらに含む、請求項７の方法。
9. 前記動作レシピの少なくとも１つのパラメータを決定するステップが、フォトリソグラフィー装置の動作レシピの少なくとも一つのパラメータを決定するステップをさらに含む、請求項７の方法。
10. 前記第一オーバーレイ誤差を測定するステップが、検査装置を用いて前記第一オーバーレイ誤差を測定するステップをさらに含む、請求項７の方法。
11. 前記第一オーバーレイ誤差を測定するステップが、スキャトロメトリ装置を用いて前記第一オーバーレイ誤差を測定するステップをさらに含む請求項７の方法。
12. 前記動作レシピの少なくとも１つのパラメータを決定するステップは、ｘ平行移動パラメータ、ｙ平行移動パラメータ、ｘ拡張ウェハスケールパラメータ、ｙ拡張ウェハスケールパラメータ、レクチル倍率パラメータ、レクチル回転パラメータのうちの少なくとも一つを決定するステップをさらに含む請求項７の方法。
13. 前記第二層に前記フォトリソグラフィー処理を実行するための処理に関する複数のオーバーレイ誤差を測定するステップが、検査装置を用いて前記複数のオーバーレイ誤差を測定するステップをさらに含む、請求項７の方法。
14. 前記第二層に前記フォトリソグラフィー処理を実行するための処理に関する複数のオーバーレイ誤差を測定するステップが、スキャトロメトリ装置を用いて前記複数のオーバーレイ誤差を測定するステップをさらに含む、請求項７の方法。

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