JP5390075B2 - Ｘ線を用いるオーバレイ計測 - Google Patents

Description

本発明は、概略的にパターン形成された薄膜の検査法に関し、詳細には、基板上に順次的にパターン形成された複数層の薄膜が適切に整列しているか否かを確認する方法およびシステムに関する。

オーバレイ計測（overlay metrology）は、一般的に、超小型電子デバイスを製造する際に順次的な複数の薄膜層内にフォトリソグラフィにより形成された特定構造が相互に対して適切に整列されていることを検証するために使用される。当業界で公知であるオーバレイ計測のシステムおよび技術は、所定層における特定構造の箇所と、先行してパターン形成された層における基準マークに対する該特定構造の名目的箇所との間の差を測定する。典型的にはリソグラフ的画像整列の品質は、各層における特定の“目標部”を作成し、次に、上側（すなわちオーバレイ）レベル上の目標部が下側レベル上の目標部に関して如何に中心合わせされるかを決定することにより測定される。業界公知のオーバレイ計測システムは光学技術を使用することで、上側の目標部および下側の目標部の夫々の縁部もしくは境界部間の距離およびスペースを測定する。オーバレイ計測に対する代表的なシステムおよび目標部は、引用によりその開示内容が本明細書中に取り込まれる下記特許文献１に記述されている。

また、引用によりその開示内容が本明細書中に取り込まれる下記特許文献２は、集積回路作製の過程で半導体ウェハ上に作成される金属化層の如き順次的な層間におけるオーバレイ・エラーを測定するというＸ線顕微蛍光分析器の使用を記述している。ウェハ上には検査区域が作成され、該検査区域においては、下側層において金属要素で作成されたパターンが、上側層において異なる要素で作成された実質的に同一のパターンによりオーバレイされる。上記各層が適切に整列しているときには、上記上側層におけるパターンは上記下側層における上記要素をＸ線から実質的に遮蔽すると共に、上記第１要素からのＸ線光子がＸ線蛍光検出器に到達するのを阻止する。しかし整列エラーが在るときには、上記下側層におけるパターンはＸ線に晒されることから、上記第１要素からの光子は上記検出器に到達し得る。上記上側層と下側層との間における誤整列の程度および方向を決定するために、これらのＸ線光子の放射の強度および方向を処理ユニットが分析する。

引用によりその開示内容が本明細書中に取り込まれる下記特許文献３は、限界寸法のＸ線測定を記述している。この米国特許に記述された方法に依れば、基板の表面がＸ線のビームで照射される。次に、上記表面上に形成された特定構造の故に該表面から散乱されたＸ線のパターンが検出かつ分析されることで、上記表面に対して平行な方向における上記特定構造の寸法が測定される。

またＸ線式のＣＤ測定に関する付加的研究は、引用によりその開示内容が本明細書中に取り込まれる応用物理投稿集、第８３巻、第１９号（２００３年）、第４０５９〜４０６１頁の“１００ｎｍ未満のパターン特性解析のための小角Ｘ線散乱”（“ Small Angle X-ray Scattering for Sub-100 nm Pattern Characterization, ” Applied Physics Letters 83:19 (2003), pages 4059-4061）においてジョーンズ等（Jones et al.）により記述されている。これらの著者はシンクロトロンＸ線源による透過モードの小角Ｘ線散乱（ＳＡＸＳ）を使用することで、基板上に形成された一連のポリマ・フォトレジスト回折格子を特性解析している。Ｘ線ビームは上記回折格子および基板を貫通し、且つ、ＳＡＸＳパターンは２次元ＣＣＤ検出器を用いて測定される。上記フォトレジスト回折格子は、上記検出器上におけるＳＡＸＳパターンに一連の１次元の回折点を生成する。散乱ベクトルｑの関数としてのＳＡＸＳ強度は、回折格子の間隔および側壁角度を決定すべく分析される。

米国特許第６７５６１６７号明細書 米国特許第６４５３００２号明細書 米国特許第６５５６６５２号明細書

超小型電子デバイスの特定構造寸法が光学的な回折限界よりも遙かに小さくなるにつれ、光学的な計測システムを用いて十分な精度を以てオーバレイ整列を測定することは次第に困難となる。この問題に対して本発明の実施例は、Ｘ線散乱を用いるオーバレイ計測のための装置および方法を提供する。

本明細書において以下に開示される実施例において、サンプルの表面上に複数の薄膜層を重畳する際には整列目標部の如き特定構造が形成される。Ｘ線のビームは上記特定構造を包含する領域に衝当すべく導向されると共に、結果的なＸ線回折パターンが検出される。上記回折パターンの特性であって回折ローブの振幅の変動の如き特性は、各特定構造間の整列を、故に各薄膜層の全体としての整列を評価すべく使用され得る。

故に、本発明の実施例に依れば、
当該サンプルの表面上に重畳された第１および第２の薄膜層内に夫々形成された第１および第２特定構造を含むサンプルの領域に衝当する様にＸ線のビームを導向する段階と、
上記第１および第２特定構造から回折されたＸ線のパターンを検出する段階と、
上記第１および第２特定構造の整列を評価するために上記パターンを分析する段階と、
を含む、検査のための方法が提供される。

開示された実施例において、上記Ｘ線のパターンを検出する上記段階は、上記サンプルを貫通する上記ビームの透過に追随して回折されたＸ線を検出する段階を含む。典型的には、上記サンプルは対置された第１および第２側面を有し、上記ビームを導向する上記段階は、上記第１側面から上記第２側面へと上記サンプルを貫通通過する様に上記ビームを導向する段階を含み、且つ、上記第１および第２の薄膜層は上記サンプルの上記第２側面上に形成される。

付加的にまたは代替的に、上記Ｘ線のビームを導向する上記段階は該ビームを平行化して単色光化する段階を含む。一定の実施例において、上記パターンを検出する上記段階は、回折されたＸ線を上記ビームに対する角度の関数として検出するＸ線検出器の配列を用いる段階を含む。

開示された実施例において、上記パターンは夫々の振幅を有する回折ローブを含み、且つ、上記パターンを分析する上記段階は、検出されたパターンにおける回折ローブの夫々の振幅の変動に応じて上記第１および第２特定構造が誤整列されていることを決定する段階を含む。付加的にまたは代替的に、上記パターンを検出する上記段階は、２次元回折パターンを検出する段階を含み、且つ、上記パターンを分析する上記段階は、２つの軸心に関する整列を評価する段階を含む。

一実施例において、上記サンプルは半導体ウェハを含み、且つ、上記第１および第２特定構造は、上記ウェハの表面上にフォトリソグラフ的プロセスにより形成された整列目標部を含む。

本発明の実施例に依れば、
当該サンプルの表面上に重畳された第１および第２の薄膜層内に夫々形成された第１および第２特定構造を含むサンプルの領域に衝当する様にＸ線のビームを導向すべく構成されたＸ線源と、
上記第１および第２特定構造から回折されたＸ線のパターンを検出すべく構成された検出器と、
上記第１および第２特定構造の整列を評価するために上記パターンを分析すべく接続された信号プロセッサと、
を含む、検査のための装置も提供される。

本発明は、以下における本発明の実施例の詳細な説明を図面と共に参照することで更に十分に理解されよう。

図１は、本発明の実施例に係るオーバレイ計測のためのシステム２０の概略的側面図である。該システムは、半導体ウェハ２２の如きサンプル上において重畳している各薄膜層の整列を、オーバレイ試験パターン２４を用いて試験する際に用いられる。上記試験パターンは、ウェハ２２上における順次的な薄膜層内に夫々形成された目標特定構造から成る。該特定構造は、システム２０におけるＸ線回折パターンであって上記各特定構造の整列を、故に各薄膜層の整列を評価するために分析され得るというＸ線回折パターンを与えるべく選択される。この種の代表的な目標部は、以下において図中に詳細に示される。

Ｘ線源２６は、Ｘ線のビームを以て試験パターン２４を照射する。（図中においては簡素化のために、上記試験パターンに対してＸ線ビームを整列させるための取付けおよび動作制御構成要素は省略される。）図１に示された実施例において上記Ｘ線源は、典型的には業界公知の微小焦点管であるＸ線管２８を備える。ウェハ２２に対する高い透過率のために、管２８は典型的に１３ＫｅＶより大きい高エネルギＸ線を放射することが好適である。管２８により生成されたＸ線ビームは、多層湾曲ミラー３０およびスリット３２の如き適切なＸ線光学機器により単色光化かつ平行化される。代替的に、Ｘ線ビームを生成するために業界公知の他の形式のＸ線源および光学機器が使用され得る。回折を最適化するために、試験パターン２４の寸法は、ウェハ２２に衝当する典型的には１００μｍのオーダーである平行化Ｘ線ビームの直径に等しいか該直径より僅かに大寸とされることが好適である。

この実施例において、線源２６により生成されたＸ線ビームは（図１において左側を向いている）ウェハ２２の底部側に衝当する一方、試験パターン２４を含む各薄膜層は（右側を向く）頂部側上に形成される。上記ウェハを通過するＸ線はパターン２４の構造により複数の回折ローブへと回折され、それらの回折ローブは位置感応検出器３４により捕捉される。上記検出器は典型的には、図中に示された如き２次元マトリクスで、または、直線状配列で配置され得る一連の検出器要素３６から成る。代替的に、システム２０においては業界公知の他の形式の位置感応式Ｘ線検出器が使用され得る。試験パターン２４の散乱効率は低くされ得ることから、回折パターンが比較的に短い積分時間に亙り収集され得る様に上記Ｘ線源は高強度ビームを生成し且つ検出器要素３６は高量子効率を有することが好適である。

検出器３４の出力は、本明細書において以下に概略的に記述される如く、試験パターン２４において重畳している各層の整列を評価するために回折パターンを分析する信号プロセッサ３８により処理される。付加的または代替的に上記信号プロセッサは、上記回折パターンの分析から他の線質係数を抽出しても良い。典型的にプロセッサ３８は、検出器３４からの信号を受信して処理する適切な前置回路を備えた汎用コンピュータから成る。

図２Ａおよび図２Ｂは、本発明の実施例に係る試験パターン２４の詳細を概略的に示している。図２Ａは上記パターンの平面図である一方、図２Ｂは断面図である。該パターンは、（ウェハ基板であり得る）下側位置層４６に亙り形成されたストライプ４０および４４の形態である目標特定構造を備える。このパターンを作成するために、下側位置層４６上には、中間誘電（ＩＬＤ）層もしくは金属層の如き下側薄膜層が形成されてから食刻されることで、トレンチ４２により分離されたストライプ４０が作成される。次に、フォトレジスト層の如き上側の薄膜層は上記ストライプおよびトレンチ上に析出されると共に食刻されることで、トレンチ４２内におけるストライプ４４が作成される。このパターンは一例として示されるものであり、類似目的に対して使用され得る他の試験パターンは、当業者に対して明らかであると共に本発明の有効範囲内であると見做されるべきである。幾つかの代替的パターンは図５Ａおよび図５Ｂに示される。

試験パターン２４は、ウェハ２２上に機能的特定構造を作成する上で使用される通常のフォトリソグラフ的プロセスの一部として形成される。換言すると、順次的な薄膜層における機能的特定構造を画成すべく使用される種々のマスクは、ストライプ４０および４４も含んでいる。故に上記各ストライプの整列および寸法は、種々のマスクの整列の品質を、製造プロセスの品質の他の特性と共に表している。図２Ｂに示された如くパターン２４は、各層におけるストライプのピッチＰおよび幅Ｗ、ならびに、ストライプ４０とストライプ４４との間の右側オフセットＯ_Rおよび左側オフセットＯ_Lにより特徴付けられる。ベンチマーク値に対するこれら特性寸法の偏差は、種々のマスクの整列における偏差、および／または、他のプロセス偏差を表し得る。これらの偏差の影響は、システム２０において生成される回折パターンにおいて観察され得る。

図３はたとえば、マスクの誤整列条件下における試験パターン２４の概略的断面図である。各層におけるストライプのピッチおよび幅は図２Ｂにおけるのと同一なままであるが、ストライプ４４はもはや各ストライプ４０間に中心合わせされてはいない。

図４Ａは、本発明の実施例に従いシステム２０において試験パターン２４に対して照射を行うことにより捕捉され得るＸ線回折パターン５０および５２を概略的に示すプロット図である。これらは、フラウンホッファ回折モデルに基づいて簡素化かつシミュレートされたプロット図である。簡素化のためにストライプ４０は、矩形であり、Ｗ＝３２．５ｎｍおよびＰ＝６５ｎｍであると仮定される。ストライプ４４は、ストライプ４０と同一高さを有すると共に、８ｎｍ幅であると仮定される（すなわち試験パターン２４は８ｎｍの設計ルールの元で作製されたと仮定される）。Ｘ線ビームのエネルギは、１７．４８ＫｅＶ（ＭｏのＫα）であるべく選択される。パターン５０は図２Ａおよび図２Ｂに示されて適切に整列された形態に対応し、その場合にストライプ４４は各ストライプ４０間で中心合わせされ、すなわちＯ_L＝Ｏ_Rである。パターン５２は図３に示された誤整列形態に対応し、その場合にストライプ４４はトレンチ４２の中央から７．５ｎｍだけシフトされている。

フラウンホッファ回折の原理に基づいて予想される如くパターン５０および５２は、角度が増大するにつれて概略的に振幅が減少する複数個の高次サイドローブと共に、ゼロ角度における中央（ゼロ次）回折ローブを備える。試験パターン２４の周期は変化しないことから、回折パターン５０および５２の周期も同様に同一である。但しストライプ４０に対するストライプ４４のシフトによれば、図４Ａにおいて明確に理解され得る如く、各サイドローブ間のエネルギの分布における変動が引き起こされる。この変動は、試験パターン２４におけるストライプ４０および４４の相対オフセットを測定すべく定量化され得る。

図４Ｂは、本発明の別実施例に従いシステム２０において試験パターン２４に対して照射を行うことにより捕捉され得るＸ線回折パターン５４および５６を概略的に示すプロット図である。この場合、ストライプ４０はＷ＝２６ｎｍおよびＰ＝６５ｎｍを有すると仮定される。ストライプ４４は、２２ｎｍ幅であり（すなわち試験パターン２４は２２ｎｍの設計ルールの元で作製されたと仮定され）、且つ、ストライプ４０と同一高さを有する。先行例におけるのと同様に、Ｘ線ビームのエネルギは１７．４８ＫｅＶ（ＭｏのＫα）であるべく選択される。パターン５４は図２Ａおよび図２Ｂに示されて適切に整列された形態に対応する一方、パターン５６は図３に示された誤整列形態に対応し、その場合にストライプ４４は再びトレンチ４２の中央から７．５ｎｍだけシフトされている。此処でも、整列におけるシフトは、各サイドローブ間のエネルギの分布において明らかとされる。

実際問題としてシステム２０は、（たとえば走査型電子顕微鏡検査法に基づき）試験パターン２４における各ストライプの寸法およびオフセットが正しいことが既知であるという試験ウェハを用いて較正され得る。この較正によれば基準回折パターンが与えられ、該基準回折パターンに対しては、製造ウェハの回折パターンが比較され得る。その場合、事前定義されたスレッショルド値より大きなサイドローブ振幅の偏差は、図３、図４Ａおよび図４Ｂに示された如きオーバレイ誤整列を表すと見做され得る。付加的または代替的に、製造ウェハの回折パターンにおける他の振幅および周波数の変動は、該ウェハ上の各特定構造の限界寸法における偏差を表し得る。システム２０において作成された回折パターンがベンチマークから相当に変化したときに製造作業員は典型的には、更なる製造に進展する前に偏差を補正するために整列および／または他のプロセス・パラメータを調節する。

図５Ａおよび図５Ｂは、夫々、本発明の実施例に従い試験パターン２４の代わりに使用され得る試験パターン６０および７０の概略的平面図である。パターン６０および７０は２次元パターンであり、対応する２次元回折パターンを与える。これらのパターンは分析されることで、Ｘ軸およびＹ軸の両方に沿うオーバレイ誤整列を決定し得る。図５Ａは“ボックス内ボックス”パターンを示し、その場合、凹所６４は第１層６２に食刻されてから、後続層の高位矩形６６が上記凹所内に形成される。図５Ｂにおいては、後続層のバー７４は第１層のバー７２と共に散在される。

（図中には示されない）他の実施例において、試験パターンはトレンチまたは他の凹所なしで形成される。たとえば試験パターンは、Ｘ線に対してトランスペアレントな材料で作成された平坦下側層であって、パターン形成された下側位置層上に析出された平坦下側層から成り得る。次に、上記平坦下側層上にはフォトレジストが析出されて食刻されることで、先行実施例において示された如きストライプもしくは矩形を形成し得る。次に、パターン形成された下側位置層に対するパターン形成フォトレジストの整列は、上述された如き回折パターンに基づいて評価され得る。

図１は、透過モードＸ線回折システムの特定の簡素化形態を示しているが、本発明の原理は、（図１における如き対置側ではなく、Ｘ線源および検出器が試験中のサンプルの同一側に在るという）反射モード・システムなどの他のシステム形態においても同様に適用され得る。この目的のために使用され得る反射モードＸ線回折システムは例えば、２００４年１２月２２日に出願されると共に言及したことによりその開示内容が本明細書中に援用されるという米国特許出願第１１／０１８，３５２号に示される。更に上述の各実施例はオーバレイ整列を評価するために専用の試験パターンを使用するが、本発明の原理は、半導体ウェハまたは他のサンプル上においてパターン形成された各層において重畳している機能的特定構造の相対的整列をチェックする上でも適用され得る。

故に、上述の実施例は一例として引用されており、且つ、本発明は本明細書で上記において特に示され且つ記述された処に限定されないことは理解される。寧ろ本発明の有効範囲は、本明細書中において上述された特徴の組み合わせ及び下位組み合わせの両方、ならびに、上述の記述を読破したときに当業者が想起すると共に先行技術には開示されていない変形例および改変例を包含する。

図１は、本発明の実施例に係るオーバレイ計測のためのシステムの概略的側面図である。 図２Ａは、本発明の実施例に従い半導体ウェハ上に順次的にパターン形成された薄膜層に形成されたオーバレイ試験パターンの概略的平面図である。 図２Ｂは、図２Ａの試験パターンの概略的断面図である。 図３は、パターン形成された各薄膜層が誤整列したという条件下における図２Ａおよび図２Ｂの試験パターンの概略的断面図である。 図４Ａは、本発明の実施例に従い適切な整列および誤整列の条件下でオーバレイ試験パターンにより生成されたＸ線回折パターンを概略的に示すプロット図である。 図４Ｂは、本発明の実施例に従い適切な整列および誤整列の条件下でオーバレイ試験パターンにより生成されたＸ線回折パターンを概略的に示すプロット図である。 図５Ａは、本発明の代替実施例に従うオーバレイ試験パターンの概略的平面図である。 図５Ｂは、本発明の代替実施例に従うオーバレイ試験パターンの概略的平面図である。

符号の説明

２０ オーバレイ計測のためのシステム
２２ 半導体ウェハ
２４ オーバレイ試験パターン
２６ Ｘ線源
２８ Ｘ線管
３０ 多層湾曲ミラー
３２ スリット
３４ 位置感応検出器
３６ 検出器要素
３８ 信号プロセッサ
４０ ストライプ
４２ トレンチ
４４ ストライプ
４６ 下側位置層
５０ Ｘ線回折パターン
５２ Ｘ線回折パターン
５４ Ｘ線回折パターン
５６ Ｘ線回折パターン
６０ 試験パターン
７０ 試験パターン
６２ 第１層
６４ 凹所
６６ 高位矩形
７２ バー
７４ バー

Claims (12)

1. サンプルの表面上に重畳された第１および第２の薄膜層内に夫々形成された第１および第２特定構造を含むサンプルの領域に衝当する様にＸ線のビームを導向する段階と、
   該サンプルを貫通する該ビームの透過に追随して該第１および第２特定構造から回折されたＸ線のパターンを検出する段階であって、該検出されたパターンは、角度の範囲にわたって複数個の高次サイドローブを含め、夫々の振幅を有する回折ローブを備える、段階と、
   該第１および第２特定構造の整列を評価するために、該検出されたパターンを基準回折パターンと比較し、該基準回折パターンに対する、該検出されたパターンにおける各高次サイドローブ間のエネルギの分布の変動に応じて、該第１および第２特定構造が誤整列されているのを決定することにより、該検出されたパターンを分析する段階と、
   を備えて成る、検査のための方法。
2. 前記サンプルは対置された第１および第２側面を有し、前記ビームを導向する前記段階は、上記第１側面から上記第２側面へと上記サンプルを貫通通過する様に上記ビームを導向する段階を備え、且つ、前記第１および第２の薄膜層は上記サンプルの上記第２側面上に形成される、請求項１記載の方法。
3. 前記Ｘ線のビームを導向する前記段階は該ビームを平行化して単色光化する段階を備えて成る、請求項１記載の方法。
4. 前記パターンを検出する前記段階は、回折されたＸ線を前記ビームに対する角度の関数として検出するＸ線検出器の配列を用いる段階を備えて成る、請求項１記載の方法。
5. 前記パターンを検出する前記段階は、２次元回折パターンを検出する段階を備え、且つ、上記パターンを分析する前記段階は、２つの軸心に関する整列を評価する段階を備えて成る、請求項１記載の方法。
6. 前記サンプルは半導体ウェハから成り、且つ、前記第１および第２特定構造は、上記ウェハの表面上にフォトリソグラフ的プロセスにより形成された整列目標部から成る、請求項１記載の方法。
7. サンプルの表面上に重畳された第１および第２の薄膜層内に夫々形成された第１および第２特定構造を含むサンプルの領域に衝当する様にＸ線のビームを導向すべく構成されたＸ線源と、
   該サンプルを貫通する該ビームの透過に追随して該第１および第２特定構造から回折されたＸ線のパターンを検出すべく構成された検出器であって、該検出されたパターンは、角度の範囲にわたって複数個の高次サイドローブを含め、夫々の振幅を有する回折ローブを備える、検出器と、
   該第１および第２特定構造の整列を評価するために、該検出されたパターンを基準回折パターンと比較し、該基準回折パターンに対する、該検出されたパターンにおける各高次サイドローブ間のエネルギの分布の変動に応じて、該第１および第２特定構造が誤整列されているのを決定することにより、該検出されたパターンを分析すべく接続された信号プロセッサと、
   を備えて成る、検査のための装置。
8. 前記サンプルは対置された第１および第２側面を有し、前記Ｘ線源は、上記第１側面から上記第２側面へと上記サンプルを貫通通過する様に上記ビームを導向すべく構成され、且つ、前記第１および第２の薄膜層は上記サンプルの上記第２側面上に形成される、請求項７記載の装置。
9. 前記Ｘ線源は、前記ビームを平行化して単色光化するＸ線管およびＸ線光学機器を備えて成る、請求項７記載の装置。
10. 前記検出器は、前記ビームに対する角度の関数として回折されたＸ線を検出すべく配置されたＸ線検出器の配列から成る、請求項７記載の装置。
11. 前記パターンは２次元回折パターンから成り、且つ、前記信号プロセッサは、２つの軸心に関する整列を評価すべく上記パターンを分析し得る、請求項７記載の装置。
12. 前記サンプルは半導体ウェハから成り、且つ、前記第１および第２特定構造は、上記ウェハの表面上にフォトリソグラフ的プロセスにより形成された整列目標部から成る、請求項７記載の装置。

Images