JP6473508B2 - オーバーレイ誤差を検出するための装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、フォトリソグラフィの分野に関し、特に、オーバーレイ誤差検出のための装置及び方法に関する。

フォトリソグラフィーパターンの限界寸法（Critical Dimensions (CDs)）が２２ｎｍ（ナノメートル）以下に縮小し、特に、ダブルパターニング技術の使用がますます広範囲になるとともに、フォトリソグラフィープロセスの性能を測定する１つの測定基準としてのオーバレイ測定精度は、サブナノメートルオーダーが要求される。画像解像度の限界により、新しい技術ノードのオーバーレイ測定要件を満たすために、イメージング及び画像認識（すなわち、画像ベースのオーバーレイ（Imaging-Based Overlay(IBO）技術）に基づいた従来のオーバーレイ測定技術がますます重要になっている。現在、回折光検出（すなわち、回折ベースのオーバーレイ（Diffraction-Based Overlay (DBO) 技術）に基づいたオーバーレイ測定技術は、オーバーレイ測定の分野でますます普及している。既存のDBO技術が直面している最大の課題は、マークが大きく、効果的な露光領域の過度の部分を占め、マークのコストが高すぎることである。さらに、新しい技術ノードのオーバーレイ測定要件に合致するためには、露光フィールドでオーバーレイ測定を実行する必要がある。しかし、大きなマークは、フィールド内測定には適していない。従って、オーバーレイマークの縮小は、DBO技術の開発における避けられない傾向である。

従来技術において提案されたDBO技術は、オーバーレイマークのための角度分解能スペクトルにおける回折の同じ回折次数の回折光成分の間の非対称性を測定することを介してオーバレイ誤差を得ることである。入射光が回折される角度は、入射光に応じて変化し、そして、回折光のいわゆる角度分解能スペクトルは、光が異なる角度でマークに入射するとき、異なる角度でマークによって回折される光の強度分布を指す。図１Ａは、環状照明条件下でＣＣＤ（Charge-Coupled Device）検出器上に形成された異なる回折次数（-2,-1,0,1,2）の角度分解能スペクトルを示す。図１Ｂは、この技術的解決策のための装置の構造概略図である。光源２から出射された光は、レンズＬｓ２により集光された後、干渉フィルタ３０により狭帯域の入射光ビームに成形される。対物レンズＬｓ１は、次に、入射光を基板６のオーバーレイマークに集光し、ここで、オーバーレイマークは、典型的には、２つの積層された線状の回折格子からなる。図中、Ｆは対物レンズの焦点距離である。オーバーレイマーク検出器３２は、対物レンズＬｓ１の後側焦点面４０に配置され、該オーバーレイマークからの回折光が対物レンズＬｓ１に集光され、その後、反射面３４によって反射され、オーバーレイマーク検出器３２によって受光される。オーバーレイマーク検出器３２は、異なる角度でオーバーレイマークからの回折光の角度分解能スペクトルを測定する。広範囲にわたって角度分解能スペクトルを得るため、大きな開口数（Numerical Aperture (NA)）を有する対物レンズがこの解決策に採用される。上記の説明から分かるように、先ず、その測定原理によれば、オーバーレイマークは大きなサイズを取らなければならない。さらに、回折格子のピッチのサイズ又はピッチの数を減少させることによってマークサイズを縮小することは実現可能ではない。これは、回折格子内のピッチが小さいほど、高次の回折光があまり長く続かず、収集できなくなり、対応するオーバーレイ信号が検出されなくなり、そして、オーバーレイマークにおけるピッチ数が一定値に低下したとき、異なる次数の回折光成分は、もはや回折格子方程式に厳密には従わなくなり、検出された回折光信号に基づいたオーバーレイ誤差計算を無効にするであろう。従って、この解決策は、小さなマークを用いたフィールド内測定が不可能である。さらに、この解決策では、オーバレイ情報は、回折光の光強度信号の検出に基づいて得られ、オーバーレイ測定精度をシステム照明の均一性、及び透過均一性の影響を受けやすくする。

本発明の目的は、回折光の位置情報に基づいてオーバーレイ誤差測定が可能なオーバーレイ誤差検出装置及び方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係るオーバーレイ誤差検出装置は、光源と、照明システムと、対物レンズと、検出器とを備える。前記光源は、測定光を生成するように構成される。前記照明システムは、前記測定光を前記対物レンズに入射させるように構成される。前記対物レンズは、前記測定光をオーバーレイマーク上に導き、前記オーバーレイマークから回折された回折光成分の主要な最大値を収集し、前記回折光成分の前記主要な最大値を前記対物レンズの瞳面に集中するように構成される。前記検出器は、前記対物レンズの前記瞳面上に配置され、前記オーバーレイマークのオーバレイ誤差を得るように前記検出器上の前記回折光成分の前記主要な最大値の位置を検出するように構成される。

好ましくは、前記照明システムは、コリメータレンズと、フィルタと、第１レンズと、視野絞りと、第２レンズと、スプリッタと、を備え、前記測定光の伝搬方向に沿って連続して配置されている。

好ましくは、前記照明システムは、前記フィルタと前記第１レンズとの間に配置された偏光子をさらに備える。

好ましくは、前記オーバーレイマークのピッチの数は２０未満であり、前記オーバーレイマークは、１０μｍ（マイクロメートル）×１０μｍ（マイクロメートル）以下のサイズを有する。

好ましくは、前記照明システムは、前記フィルタと前記第１レンズとの間に配置された開口絞りを備え、円形の穴、又はスリットとして実装される。

好ましくは、２つの円形の穴、又は２つのスリットが設けられ、前記２つの円形の穴、又はスリットは、前記開口絞りの中心に対して互いに対称である。

好ましくは、少なくとも３つの円形の穴、又はスリットが設けられる。

好ましくは、前記回折光成分の前記主要な最大値は、プラスとマイナスの１次のものである。

好ましくは、前記オーバーレイマークは、基板内に形成された２つの積層された回折格子からなる。

本発明はまた、オーバーレイ誤差検出のための方法を提供し、
光源は測定光を生成し、
照明システムは、対物レンズに測定光を入射させ、
前記対物レンズは、前記測定光をオーバーレイマーク上に導き、前記オーバーレイマークから回折された回折光成分の主要な最大値を収集し、前記回折光成分の前記主要な最大値を前記対物レンズの瞳面に集光し、
前記対物レンズの前記瞳面上に配置された検出器は、前記オーバーレイマークのオーバーレイ誤差を得るように前記検出器上の前記回折光成分の前記主要な最大値の位置を検出する。

好ましくは、前記オーバーレイマークのピッチの数は２０未満であり、前記オーバーレイマークは、１０μｍ（マイクロメートル）×１０μｍ（マイクロメートル）以下のサイズを有する。

好ましくは、前記照明システムは、円形の穴、又はスリットとして実装される開口絞りを備える。

好ましくは、２つの円形の穴、又は２つのスリットが設けられ、前記２つの円形の穴、又はスリットは、前記開口絞りの中心に対して互いに対称である。

好ましくは、少なくとも３つの円形の穴、又はスリットが設けられる。

好ましくは、前記回折光成分の前記主要な最大値は、プラスとマイナスの１次のものである。

好ましくは、前記オーバーレイ誤差は、前記検出器上の前記回折光成分の前記主要な最大値の前記位置に線形適合を行うことによって得られる。

従来技術に比べて、本発明は、以下の利点がある。

１．
これは、照明の均一性や透過均一性等の影響を排除し、回折光の位置情報に基づいて、オーバーレイ誤差測定を可能にする。

２．
有効な露光領域のより小さい部分を占める小さな測定マークを使用することが許されている。その結果、オーバーレイマークのコスト及びそのチップ製造への悪影響が低減される。

３．
より小さいマークの使用は、従来の技術では不可能であった露光フィールド内での測定を可能にし、オーバーレイ誤差測定精度に関する新しい技術ノードの高い要求を満たす。

図１Ａは、環状照明条件下でＣＣＤ検出器上の異なる回折次数に対する角度分解能スペクトルの分布を示す。 図１Ｂは、従来のＤＢＯ技術のための装置の構成図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係るオーバーレイ誤差検出装置の構成図である。 図３は、本発明の第１の実施形態に係るオーバーレイマークの構成図である。 図４は、本発明の第１の実施形態に係る回折の概略図である。 図５は、本発明の第１の実施形態に係る回折の概略図である。 図６は、本発明の第１の実施形態に係るオーバーレイ誤差によるプラスとマイナスの主要な最大値間の差を示す信号の変化を概略的に示す。 図７Ａは、本発明の第１の実施形態に係る開口絞りを示す構成図である。 図７Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る開口絞りを示す構成図である。 図８Ａは、図７Ａの開口絞りから生じる回折光信号を概略的に示す。 図８Ｂは、図７Ｂの開口絞りから生じる回折光信号を概略的に示す。 図９Ａは、本発明の第１の実施形態による開口絞りを示す構成図である。 図９Ｂは、本発明の第１の実施形態による開口絞りを示す構成図である。 図１０Ａは、図９Ａの開口絞りから生じる回折光信号を概略的に示す。 図１０Ｂは、図９Ｂの開口絞りから生じる回折光信号を概略的に示す。 図１１は、本発明の第２の実施形態に係るオーバーレイ誤差検出装置の構成図である。

本発明の上記の目的、特徴及び利点は、添付の図面と併せて読まれるべき本発明のいくつかの特定の実施形態の以下の詳細な説明からより明らかに理解されるであろう。尚、図面は、実施形態を説明するための便利性と明瞭さを容易にするだけを意図して、必ずしも一定の縮尺で示されていない非常に簡単な形態で提供されていることに留意されたい。

（実施形態１）
図２に示すように、オーバーレイ誤差検出のための装置は、以下に詳述するような構成要素を含む。

光源４１は、測定光を生成するように構成されている。具体的には、光源４１は、白色光源、広帯域光源、又は多数の離散スペクトル線からなる複合光源であってもよい。白色光源は、キセノン（Ｘｅ）光源などとして実現されてもよい。「広帯域光」という用語は、紫外線、可視又は赤外線帯域内の成分、又はそれらの組み合わせを含む光を指す。複合光源は、多数のレーザーデバイスから放射される異なる波長の光を混合することによって得ることができる。

照明システムは、測定光を対物レンズ４１０に入射させるように構成される。具体的には、照明システムは、光の伝搬方向に沿って順次配置され、測定光を直線にする（コリメートする）ように構成されたコリメータレンズ４２と、単色光を生成するためのフィルタ４３と、偏光を発生させる偏光子４４と、光集中用の第１及び第２レンズ４６、４８と、測定光を対物レンズ４１０に向けるスプリッタ４９とを備える。さらに、照明システムは、対物レンズ４１０と検出器４１３との間に配置されたレンズ群４１２をさらに含むことができる。

絞りは、測定光を対物レンズ４１０の光軸に対して中心対称である入射光ビームに変調するように構成される。具体的には、絞りは、入射光の大きさに対して対物レンズ４１０の要求を満たす光スポットを形成するように構成された開口絞り４５及び視野絞り４７を含む。開口絞り４５は、第１レンズ４６の前方に配置され、一方、視野絞り４７は、第１レンズ４６と第２レンズ４８との間に配置される。図７Ａに示された円形の穴４５１又は図７Ｂに示されたスリット４５２のような開口絞り４５は、入射光の形状に対物レンズ４１０の要求を満たす光スポットを形成するように構成されている。あるいは、図９Ａに示されたような２つの円形の穴４５１、又は、図９Ｂに示されたような開口絞り４５の中心に対して対称な２つのスリット４５２を設けてもよい。

対物レンズ４１０は、測定光がオーバーレイマーク４１１によって回折されるように、オーバーレイマーク４１１上に測定光を導くように構成される。さらに、対物レンズ４１０は、オーバーレイマーク４１１からの回折光成分、特に異なる次数の主要な最大値を収集し、対物レンズ４１０の瞳面に集光させる。

検出器４１３は、オーバーレイマーク４１１からの回折光成分の信号を検出するために、対物レンズ４１０の後方焦点面でもある対物レンズ４１０の瞳面上に配置される。

光源４１からの測定光は、コリメータレンズ４２により平行光とされた後、狭帯域フィルタ４３によって単一波長の光に整形される。その後、偏光子４４によって直線偏光に変換される。この偏光された光は開口絞り４５を通過した後、第１レンズ４６によって集中される。その後、オーバーレイマーク４１１上に所望の大きさの光スポットが形成されるように、それが視野絞り４７によって制限される。その後、第２レンズ４８を透過した後、スプリッタ４９に入射する。スプリッタ４９から出射した光は、その後、対物レンズ４１０を同心円状に通過した後、オーバーレイマーク４１１によって回折される。回折光成分は、対物レンズ４１０、次にレンズ群４１２を通過し、最終的に検出器４１３に到達する。

±１次の回折光成分を表し、検出器４１３によって検出された信号は、それぞれ図８Ａと図８Ｂと図１０Ａと図１０Ｂに示される。図８Ａの信号は、図７Ａの開口絞り４５に対応し、図８Ｂの信号は、図７Ｂの開口絞り４５に対応する。図１０Ａの信号は、図９Ａの開口絞り４５に対応し、図１０Ｂの信号は、図９Ｂの開口絞り４５に対応する。これらの図において、Ｌ１とＬ２とは互いに異なっており、オーバーレイマーク４１１のオーバーレイ誤差は、それらの相関関係に基づいて算出することができる。この計算を以下にさらに詳細に説明する。これら±１次のものから離れた他の高次の回折光成分の主要な最大値も同様に計算され、オーバーレイ誤差計算のための基礎として役立つことができる。

図３に示すように、オーバーレイマーク４１１は、シリコン基板に形成された２つの積層された回折格子からなる。前面（下部）回折格子は、現像、エッチング、堆積及び他の半導体プロセスに、以前に露光されたパターンを施すことによって形成され、一方、後部（上部）回折格子は、後の露光及び現像プロセスによって形成されたフォトレジストパターンである。オーバーレイ誤差は、２つの露光プロセス間の位置誤差を指す。回折格子内に適切な数のピッチが存在する場合、回折光は、通常、回折格子回折方程式に従う。

現在の散乱光測定で使用されている±１次の回折光成分について、（１）式が成り立つ。

式（１）において、ｄは回折格子ピッチであり、λは入射光の波長を表し、θは回折角である。回折光成分は、対応する回折角θで対物レンズ４１０に入射する。

従って、Ａｂｂｅの結像理論(Abbe imaging theory)に従う対物レンズ４１０のため、瞳面の半径ρと回折角θは、式（２）を満たす。

式（２）において、ｆは対物レンズの焦点距離であり、θは回折角であり、また回折光が瞳面に入射する角度でもある。従って、瞳面の半径は、最大入射角の正弦に比例する（すなわち、対物レンズの開口数）。

対物レンズ４１０によって収集された後、図４及び図５に示すように、±１次の回折光成分は、瞳面内のそれらの位置から瞳面の中心までの距離が等しくなり、距離は、式（３）のように表すことができる。

従って、対応する回折角を有する異なる次数の光成分は、瞳面上で忠実に反射され、ＣＣＤ検出器によって収集されることができる。

回折格子内に不十分な数のピッチが存在する場合、回折光成分の主要な最大値の回折角は、もはや厳密には回折格子回折方程式に従わなくてもよい。この場合、オーバーレイマーク４１１については、好ましくは、回折格子内のピッチ数が２０以下である場合、様々な主要な最大値（瞳面上の異なる主要な最大値の位置に対応する）の回折角は、オーバーレイ誤差によって変化する。図８Ａ、図８Ｂ、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、距離Ｌ１は距離Ｌ２と等しくはない。すなわち、オーバーレイ誤差の存在により、瞳面（検出器）上の±１次の回折光成分の主要な最大値の位置は、瞳面の中心から等距離にはならない。本実施形態によれば、そのような依存性に基づいて、オーバーレイ誤差測定は可能となる。特に、特定の絞りシステムでは、オーバーレイ誤差が一定の範囲にわたって変化するとき、プラス及びマイナスの主要な最大値（それらピーク値）の回折角がそれに応じて変化する。オーバーレイ誤差又はフィッティング（例えば、線形フィッティング、三角関数フィッティングなど）によって得られるそれらの間の他の相関に対する主要な最大値（主としてそれらの位置）の回折角の線形依存に基づいて、オーバーレイ誤差が測定可能である。回折格子内のピッチ数が減少するにつれて、例えば、１０μｍ（マイクロメートル）×１０μｍ（マイクロメートル）以下の範囲のサイズで、オーバーレイマークを小さくすることができる。

他の要因の影響を排除するために、プラスとマイナスの主要な最大値の差と、オーバーレイ誤差と、の差の関係を使用することができる。オーバーレイ誤差検出に用いられる線形フィッティング法を、例として以下に説明する。

図６に示すように、オーバーレイ誤差が約±０．０５×ピッチ（すなわち、回折格子内の隣接するスリット間の距離）である場合、主要な最大値の回折角はオーバーレイ誤差に伴って直線的に変化し、オーバーレイ誤差は、この関係に直線フィッティングを行って算出することができる。具体的には、オーバーレイ誤差測定は、それぞれ所定の偏差を有する３つのオーバーレイマークを使用して達成することができる。３つのオーバーレイマークは、第１のオーバーレイマークが第２と第３のオーバーレイマークの間に位置するように配置される。第１のオーバーレイマークの所定の偏差ｄは、ｄ＝０．０５×ピッチであり、第２のオーバーレイマークと第１のオーバーレイマークとの差は、ｄ_０＝０．０１×ピッチであり、第３のオーバーレイマークの所定の偏差は、方向が反対であるが、第１のオーバーレイマークのそれと同じ大きさであり、例えば、−ｄである。実際に測定されるオーバーレイ誤差がεであると仮定すると、次に、オーバーレイマークのそれぞれの上部及び下部回折格子間の実際の偏差は、ｄ＋ε−ｄ_０、ｄ＋ε及び−ｄ＋εである。これらの３つの点に基づいてオーバーレイ誤差を測定するために使用される線形方程式が式（４）である。

３つのオーバーレイマークのデータを式（４）に代入すると、以下を得ることができる。

式（５）から、オーバーレイ誤差εを、以下のように計算することは容易である。

（実施形態２）
図１１に示すように、本実施形態では、偏光子４４が含まれていないことを除いて、本質的に実施形態１と同じである。すなわち、偏光子は必ずしも必要ではなく、２つの異なる開口絞り４５に対するオーバーレイ信号が依然として得られ、偏光子なしであってもオーバーレイ誤差計算の基礎として役立つ。

従来技術に比べて、本発明は、以下の利点がある。

１．
これは、照明の均一性や透過均一性等の影響を排除し、回折光の位置情報に基づいて、オーバーレイ誤差測定を伴う。

２．
有効な露光領域のより小さい部分を占める小さな測定マークを使用することが許されている。その結果、オーバーレイマークのコスト及びそのチップ製造への悪影響が低減される。

３．
より小さいマークの使用は、従来の技術では不可能であった露光フィールド内での測定を可能にし、オーバーレイ誤差測定精度に関する新しい技術ノードの高い要求を満たす。

明らかに、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明に対して様々な変更及び修正を行うことができる。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲及びその等価物の範囲内に入るならば、これらの変更及び修正を含むことが意図される。

２ 光源
６ 基板
３０ 干渉フィルタ
３２ オーバーレイマーク検出器
３４ 反射面
４０ 後側焦点面
４１ 光源
４２ コリメータレンズ
４３ フィルタ
４４ 偏光子
４５ 開口絞り
４６ 第１レンズ
４７ 視野絞り
４８ 第２レンズ
４９ スプリッタ
４１０ 対物レンズ
４１１ オーバーレイマーク
４１２ レンズ群
４１３ 検出器
４５１ 円形の穴
４５２ スリット
Ｆ、ｆ 焦点距離
Ｌ、Ｌ１、Ｌ２ 距離
Ｌｓ１ 対物レンズ
Ｌｓ２ レンズ
θ 回折角
ρ 半径

Claims (16)

1. オーバーレイ誤差検出のための装置であって、光源と、照明システムと、対物レンズと、検出器と、を備え、
   前記光源は、測定光を生成するように構成され、
   前記照明システムは、前記測定光を前記対物レンズに入射させるように構成され、
   前記対物レンズは、前記測定光を、それぞれが所定の偏差を有する３つのオーバーレイマークを含むオーバーレイマーク上に導き、前記それぞれのオーバーレイマークから回折された回折光成分の主要な最大値を収集し、前記回折光成分の前記主要な最大値を前記対物レンズの瞳面に集光するように構成され、
   前記検出器は、前記検出器上の前記それぞれのオーバーレイマークから回折された前記回折光成分の前記主要な最大値の位置と、フィッティングによって得られるオーバーレイ誤差との相関に基づいて、前記オーバーレイマークの前記オーバーレイ誤差を得るように前記検出器上の前記それぞれのオーバーレイマークから回折された前記回折光成分の前記主要な最大値の前記位置を検出するように構成される、
   装置。
2. 前記照明システムは、コリメータレンズと、フィルタと、第１レンズと、視野絞りと、第２レンズと、スプリッタと、を有し、前記測定光の伝搬方向に沿って連続して配置されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記照明システムは、前記フィルタと前記第１レンズとの間に配置された偏光子をさらに備える、請求項２に記載の装置。
4. 前記オーバーレイマークのピッチの数は２０未満であり、前記オーバーレイマークは、１０μｍ（マイクロメートル）×１０μｍ（マイクロメートル）以下のサイズを有する、請求項１に記載の装置。
5. 前記照明システムは、前記フィルタと前記第１レンズとの間に配置された開口絞りを備え、前記開口絞りは、円形の穴、又はスリットとして実装される、請求項２に記載の装置。
6. ２つの円形の穴、又は２つのスリットが設けられ、前記２つの円形の穴、又はスリットは、前記開口絞りの中心に対して互いに対称である、請求項５に記載の装置。
7. 少なくとも３つの円形の穴、又はスリットが設けられる、請求項５に記載の装置。
8. 前記回折光成分の前記主要な最大値は、プラスとマイナスの１次のものである、請求項１に記載の装置。
9. 前記オーバーレイマークは、基板内に形成された２つの積層された回折格子からなる、請求項１に記載の装置。
10. 請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の装置を使用するオーバーレイ誤差検出のための方法であって、
    光源は測定光を生成し、
    照明システムは、対物レンズに前記測定光を入射させ、
    前記対物レンズは、前記測定光を、それぞれが所定の偏差を有する３つのオーバーレイマークを含むオーバーレイマーク上に導き、前記３つのオーバーレイマークは、第１のオーバーレイマークが第２のオーバーレイマークと第３のオーバーレイマークとの間に位置するように配置され、前記それぞれのオーバーレイマークから回折された回折光成分の主要な最大値を収集し、前記回折光成分の前記主要な最大値を前記対物レンズの瞳面に集光し、
    検出器は、前記検出器上の前記それぞれのオーバーレイマークから回折された前記回折光成分の前記主要な最大値の位置と、フィッティングによって得られるオーバーレイ誤差との相関に基づいて、前記オーバーレイマークの前記オーバーレイ誤差を得るように前記検出器上の前記それぞれのオーバーレイマークから回折された前記回折光成分の前記主要な最大値の前記位置を検出する、
    方法。
11. 前記オーバーレイマークのピッチの数は２０未満であり、前記オーバーレイマークは、１０μｍ（マイクロメートル）×１０μｍ（マイクロメートル）以下のサイズを有する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記照明システムは、円形の穴、又はスリットとして実装される開口絞りを備える、請求項１０に記載の方法。
13. ２つの円形の穴、又は２つのスリットが設けられ、前記２つの円形の穴、又はスリットは、前記開口絞りの中心に対して互いに対称である、請求項１２に記載の方法。
14. 少なくとも３つの円形の穴、又はスリットが設けられる、請求項１２に記載の方法。
15. 前記回折光成分の前記主要な最大値は、プラスとマイナスの１次のものである、請求項１０に記載の方法。
16. 前記オーバーレイ誤差は、前記検出器上の前記回折光成分の前記主要な最大値の前記位置に線形適合を行うことによって得られる、請求項１０に記載の方法。

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