JPH10186634A - フォトマスク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体ウエハー上の各層の重ね合わせ測定の
際の誤検知を防ぎ、より正確な重ね合わせ精度測定を行
うことを可能にする。 【解決手段】 半導体装置の作製工程において連続して
形成される２層の重ね合わせ精度を測定するために２層
のそれぞれに測定マークを形成するための測定パターン
を有するフォトマスクである。測定パターンは少なくと
も３本の互いに平行な線パターンからなる第１パターン
と、第１パターンと直角方向の少なくとも３本の平行な
線パターンからなる第２パターンとを含み、下層の形成
のためのフォトマスクの測定パターンと下層の直上に形
成される上層の形成のためのフォトマスクの測定パター
ンは、下層および上層が形成されたときにそれぞれの測
定マークが互いに重ならない位置に配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置を製造す
るために用いられるフォトマスクに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の作製のためには、数多くの
層を基板上に順次形成し、加工しなければならない。近
年、半導体装置の高集積化に伴い、リソグラフィー技術
において微細パターンを形成することと並んで、連続し
て形成される各種の層を、それぞれの下地層上に精度よ
く重ね合わせることがますます重要になってきている。
現在、重ね合わせ精度の測定は、正確な自動重ね合わせ
精度測定装置（以下、測定装置という）を用いた重ね合
わせ精度測定が主流になっている。自動重ね合わせ精度
測定では、重ね合わせ精度を測定することを目的として
半導体ウエハー上に特別に準備したパターン形状を有す
る測定マークであるオーバー・レイ・ターゲット（以
下、単にターゲットという）を使用する。ターゲットに
はいくつかの種類がある。代表的なものに、図５および
図６に示すボックス・イン・ボックス・ターゲットと図
７および図８に示すＬ型ターゲットがある。重ね合わせ
精度の測定は、各層毎に行われるが、比較の対象は常に
直接あるいは他の層を挟んで重なり合う上下の２層であ
るので、以後、対象とする２層を、それぞれ下地層（ま
たは下層）および上層という。図５〜図８において、符
号１で示した部分が下地層に形成された測定マークのパ
ターン形状、符号２で示した部分が上層に形成された測
定マークのパターン形状である。このような上下２層に
形成されたパターン形状を観測して重ね合わせの精度測
定を行う。

【０００３】パターン形状の観察には、レーザー散乱測
定装置、走査型電子顕微鏡、光学式画像処理方式等が用
いられる。レーザー散乱測定装置では、Ｘ方向とＹ方向
の測定を別々に行うので、Ｌ型ターゲットが用いられ
る。一方、走査型電子顕微鏡、光学式画像処理方式の測
定では、Ｘ方向、Ｙ方向を同時に測定するので、測定対
象を同時に視野の中心に配置できるボックス・イン・ボ
ックス・ターゲットが用いられる。ターゲットの寸法は
一辺２０〜３０μｍが一般的である。

【０００４】測定装置による測定方法をボックス・イン
・ボックス・ターゲットを用いて以下に説明する。ま
ず、それぞれ所望の素子パターンと共にターゲットが形
成された第１の層（下地層）および第２の層（上層）を
有するウエハーについて、下地層のターゲットおよび上
層のターゲットのテンプレートプロファイルを作成す
る。その手順は以下の通りである。上述したウエハーを
ウエハーカセットからロボットアームで測定装置のステ
ージ上に載せる。測定すべきターゲットの座標を測定装
置の測定プログラムに記憶させることにより、自動的に
対物レンズの視野にターゲットが位置するようにする。
測定装置のオートフォーカス機能により、ターゲットが
インフォーカスになり、電荷結合型イメージセンサ（Ｃ
ＣＤ）カメラに結像する。ＣＣＤカメラで取り込んだ下
地層のターゲットのエッジ部分の画像をデジタル信号に
変換し、イメージプロファイルにする。このイメージプ
ロファイルを測定装置に記憶させることにより、測定対
象のターゲットがどのような図柄のマークであるか、測
定装置に覚え込ませる。測定装置に覚え込ませたこのイ
メージプロファイルをテンプレートプロファイルとい
う。このようにして、下地層のターゲットと上層のター
ゲットのテンプレートプロファイルを順次作成する。次
に、同じく第２層まで形成された別の被測定ウエハーを
測定装置にセットし、その被測定ターゲットのエッジ部
分をＣＣＤカメラに取り込み、その画像をデジタル信号
に変換し、イメージプロファイルとする。このイメージ
プロファイルを測定プロファイルとする。この操作を上
層と下層の双方について行う。下地層の測定プロファイ
ルおよび上層の測定プロファイルをそれぞれのテンプレ
ートプロファイルと比較し、被測定ターゲットのエッジ
部分の位置を定める。すなわち、測定装置に記憶されて
いるテンプレートプロファイルをスキャンして、測定時
に得られた測定プロファイルと最もよく合う位置を被測
定ターゲットのエッジ部分の位置として定義する。

【０００５】この方法で、図５に示した外側のボックス
の左端位置（Ｘｏｌ）、外側のボックスの右端位置（Ｘ
ｏｒ）、内側のボックスの左端位置（Ｘｉｌ）、内側の
ボックスの右端位置（Ｘｉｒ）の位置を認識し、Ｘ方向
の重ね合わせのずれ量

【０００６】

【数１】ｄＸ＝（Ｘｉｌ＋Ｘｉｒ）／２−（Ｘｏｌ＋Ｘ
ｏｒ）／２ を計算する。Ｙ方向についても同様にしてずれ量ｄＹを
計算する。このようにして、第２層まで形成された多数
のウエハーについて次々に重ね合わせ精度を測定し、全
てのウエハーの測定が完了した後、全ウエハーに第３層
を形成し、各ウエハーについて同様の手順で第３層の重
ね合せ精度の測定を行う。以後、第４層以降の全ての層
について、層の形成とその層の重ね合せ精度の測定を続
ける。しかしながら、Ｌ型ターゲットやボックス・イン
・ボックス・ターゲットの場合、イメージプロファイル
が単純であるため、近傍に類似のイメージプロファイル
を有するパターンやノイズが存在すると、測定装置がタ
ーゲットの位置を誤認識し正確な測定ができない。ま
た、下地層で形成されたターゲットと上層で形成された
ターゲットの位置が近いため両者のイメージプロファイ
ルが似ていると測定装置が両者を混同して誤認識し、誤
計測をするといった弊害が生じる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述したよ
うな測定の際の誤検知を防ぎ、より正確な重ね合わせ精
度測定を行うことができ、構造が簡単な重ね合わせ精度
測定パターンを有するフォトマスクを提供することを目
的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明によるフォトマスクは、半導体装置の
作製工程において連続して形成される２層の重ね合わせ
精度を測定するために該２層のそれぞれに測定マークを
形成するための測定パターンを有するフォトマスクであ
って、前記測定パターンは少なくとも３本の互いに平行
な線パターンからなる第１パターンと、該第１パターン
と直角方向の少なくとも３本の平行な線パターンからな
る第２パターンとを含み、下層の形成のためのフォトマ
スクの前記測定パターンと該下層の直上に形成される上
層の形成のためのフォトマスクの前記測定パターンは、
該下層および上層が形成されたときにそれぞれの測定マ
ークが互いに重ならない位置に配置されている。

【０００９】さらに、本発明によるフォトマスクは、半
導体装置の作製工程において形成される２つの層の重ね
合わせ精度を測定するために該２つの層のそれぞれに測
定マークを形成するための測定パターンを有するフォト
マスクであって、前記測定パターンは少なくとも３本の
互いに平行な線パターンからなる第１パターンと、該第
１パターンと直角方向の少なくとも３本の平行な線パタ
ーンからなる第２パターンとを含み、下層の形成のため
のフォトマスクの前記測定パターンと該下層の上に他の
層を挟んで形成される上層の形成のためのフォトマスク
の前記測定パターンは、該下層および上層が形成された
ときにそれぞれの測定マークが互いに重ならない位置に
配置されている。

【００１０】ここで、好ましくは前記第１パターンおよ
び第２パターンの平行な線パターンはそれぞれ等間隔に
配置されている。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明のフォトマスクにおける重
ね合わせ精度測定マークをレイアウト図として図１に示
す。線状のパターン１１および１２は下地層の形成工程
で本発明によるマスクを用いて形成されたパターン、線
状のパターン２１および２２は下地層上に形成される上
層形成工程のリソグラフィー工程で本発明によるマスク
を用いて上層に形成されたパターンである。線状パター
ン１１、１２、２１、２２はそれぞれ複数の平行な線パ
ターンからなり、線状パターン１１と１２の線パターン
および線状パターン２１と２２の線パターンは互いに直
交する方向に配置されている。線状パターン１１、２１
はＸ方向のずれの測定に、線状のパターン１２、２２は
Ｙ方向のずれの測定に使用される。下地層の測定マーク
のパターンと上層の測定マークのパターンは互いに重な
らないように配置されている。このように単純な線パタ
ーンを繰り返し配列し、そのエッジ部分をＣＣＤカメラ
に取り込むことで、下地層のターゲットも上層のターゲ
ットも、それぞれ図２のように同じイメージプロファイ
ルが繰り返された形になり、ターゲット全体としてのイ
メージプロファイルが特徴的になり、近傍に存在する類
似のプロファイルを有するパターンやノイズの存在確率
が減少し、測定の際の誤認識を防ぐことができる。な
お、図２はＣＣＤカメラに結像した図１の線状パターン
１１の像３１とそれに対応するイメージプロファイル３
２を示したものである。線パターンを等間隔に配置する
ことで測定装置に記憶させるターゲットのテンプレート
プロファイルのデータとして線パターンの配列ピッチも
登録でき、測定時のプロファイルの同定がより正確にで
きる。さらに、複数の線パターンの座標の平均を測定装
置に認識させ、位置ずれを測定することで測定精度が向
上する。下地層に形成された線パターンと上層に形成さ
れた線パターンとを重ねることなく別個に配置すること
で測定装置が両者を混同して誤認識することを防ぐこと
もできる。

【００１２】まず、所定の素子パターンと共にターゲッ
トが形成された第１の層（下地層）と所定の素子パター
ンと共にターゲットが形成された第２の層（上層）まで
が形成されたウエハーを用意する。自動重ね合わせ精度
測定装置に第１の層（下地層）とその上に形成された第
２の層（上層）のそれぞれのターゲットのイメージプロ
ファイルをテンプレートプロファイルとして記憶させ
る。次に第２の層まで形成された他のウエハーについて
ターゲットのイメージプロファイルを作成し、測定プロ
ファイルとする。この測定プロファイルとテンプレート
プロファイルが最も良く当てはまる位置を見つけだす。
ここまでの手順は従来技術と同様である。このようし
て、下地層のｎ本の線パターンの原点からの位置、（Ｘ
ｂ１、Ｙｂ１）、（Ｘｂ２、Ｙｂ２）、・・・、（Ｘｂ
ｎ、Ｙｂｎ）と上層のｎ本の線パターンの原点からの位
置、（Ｘｐ１、Ｙｐ１）、（Ｘｐ２、Ｙｐ２）、・・
・、（Ｘｐｎ、Ｙｐｎ）を定める。そして、下地層のｎ
本の線パターンの原点からの位置の平均

【００１３】

【数２】 Ｘｂ＝（Ｘｂ１＋Ｘｂ２＋・・・＋Ｘｂｎ）／ｎ， Ｙｂ＝（Ｙｂ１＋Ｙｂ２＋・・・＋Ｙｂｎ）／ｎ と上層のｎ本の線パターンの原点からの位置の平均

【００１４】

【数３】 Ｘｐ＝（Ｘｐ１＋Ｘｐ２＋・・・＋Ｘｐｎ）／ｎ， Ｙｐ＝（Ｙｐ１＋Ｙｐ２＋・・・＋Ｙｐｎ）／ｎ を計算し、そのずれを計測することで下地層と上層の重
ね合わせ精度を測定する。第２の層まで形成されたウエ
ハーの全てについて測定が終了したら、第３の層まで形
成されたウエハーについて、第２の層、第３の層のテン
プレートプロファイルを作成し、以下、同様にして第２
の層と第３の層との重ね合わせ精度を、第３の層まで形
成された全てのウエハーについて測定する。第４の層以
降の重ね合わせ精度の測定は全く同じ手順で行うことが
できる。しかし、重ね合わせ精度の測定はは必ずしも連
続した２層についておこなう必要はなく、半導体装置の
各層の形成過程において、互いの重ね合せが重要となる
２層について測定してもよい。また、最も判別しやすい
層の測定マークを重ね合わせ精度の基準として用いるこ
とができる。例えば、第５層の重ね合わせ精度の測定を
第２層を基準にして行うこともできる。その場合は第２
層と第５層のテンプレートプロファイルと測定プロファ
イルを作成し、以下、前述と同様の手順で重ね合わせ精
度の測定を行う。ただし、その際、現在測定される最上
層の形成のためのマスクと、比較のために用いられる何
層か下の層を形成するために用いられたマスクのそれぞ
れに形成された測定パターンが、それぞれの層に形成さ
れる測定マークが重ならない位置に配置される必要があ
る。

【００１５】重ね合わせ精度測定マークは、半導体ウエ
ハー上に形成される各半導体装置を区分するスクライプ
部に設けるのが一般的であるが、例えば、半導体装置の
素子形成領域内の空きスペースに形成することも可能で
ある。線パターンの数は直交するそれぞれの方向につい
て、２本では十分な測定精度が得られないので、少なく
とも各方向に３本は必要である。線パターンの数は多い
ほど測定誤差、誤検知の頻度を低減できる。しかし、線
パターンの本数が多すぎるとそのための面積を必要とす
るので不利である。実効上は線パターンの数は、縦、横
それぞれ５本で十分である。重ね合わせ精度が測定され
る各層の膜質は、下層としては、一般の場合はフォトレ
ジスト膜が除去された状態でのシリコン膜、シリコン酸
化膜、シリコン窒化膜などであるが、特に限定されるも
のではない。上層の膜質もフォトレジスト膜、シリコン
膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜など、特に限定さ
れない。

【００１６】

【実施例】以下、本発明を実施例および比較例によって
説明する。

【００１７】実施例１ 本発明によるフォトマスクの第１の実施例を用いた重ね
合わせ精度の測定結果を図３を参照して説明する。図３
は本発明のフォトマスクを用いて半導体ウエハー上に形
成された重ね合わせ測定マークを示す図である。１枚の
半導体基板上に形成される各半導体装置を区分するスク
ライプ部に、線幅５μｍの線パターンが１０μｍピッチ
で下地層とその直上の上層にそれぞれＸ方向およびＹ方
向に３本ずつ配置されている。図３において１１、１２
が下地層に形成された測定マーク、２１、２２が上層に
形成された測定マークである。この測定マークを用いて
各工程によって形成される連続した２層の重ね合わせ精
度を５０，０００回測定したところ、測定値の偏差σは
１．６ｎｍであり、誤検知の頻度は４０ｐｐｍであっ
た。

【００１８】実施例２ 本発明によるフォトマスクの第２の実施例を用いた重ね
合わせ精度の測定結果を図４を参照して説明する。図４
は本発明のフォトマスクを用いて半導体ウエハー上に形
成された重ね合わせ測定マークを示す図である。１枚の
半導体基板上に形成される各半導体装置を区分するスク
ライプ部に、線幅５μｍの線パターンが１０μｍピッチ
で下地層とその直上の上層にそれぞれＸ方向およびＹ方
向に５本ずつ配置されている。図４において１１、１２
が下地層に形成された測定マーク、２１、２２が上層に
形成された測定マークである。この測定マークを用いて
各工程によって形成される連続した２層の重ね合わせ精
度を５０，０００回測定したところ、測定値の偏差σは
１．２ｎｍであり、誤検知の頻度は２０ｐｐｍであっ
た。

【００１９】比較例 実施例で用いた同じウエハー上に、図４に示した従来の
ボックス・イン・ボックス・ターゲット（外側ボックス
の寸法、一辺３０μｍ、内側ボックスの寸法、一辺２０
μｍ）を用いて各工程によって形成される連続した２層
の重ね合わせ精度を５０，０００回測定したところ、測
定値の偏差σは４．５ｎｍであり、誤検知の頻度は１２
０ｐｐｍであった。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
縦方向および横方向に３本以上の平行な線パターンが配
置されている重ね合わせ精度測定マークを半導体ウエハ
ー上に形成することができ、このマークを用いることに
よって、マークの誤検知を防ぎ、また、より正確な重ね
合わせ精度測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のフォトマスクを用いて形成した重ね合
わせ精度測定マークのパターンを説明する図である。

【図２】本発明による重ね合わせ精度測定マークのイメ
ージプロファイルを示す図である。

【図３】本発明のフォトマスクを用いて形成した重ね合
わせ精度測定マークのパターンの一例を示す図である。

【図４】本発明のフォトマスクを用いて形成した重ね合
わせ精度測定マークのパターンの他の例を示す図であ
る。

【図５】従来の重ね合わせ精度測定マークの一種である
ボックス・イン・ボックス・ターゲットの一例を示す図
である。

【図６】従来の重ね合わせ精度測定マークの一種である
ボックス・イン・ボックス・ターゲットの他の例を示す
図である。

【図７】従来の重ね合わせ精度測定マークの一種である
Ｌ型ターゲットの一例を示す図である。

【図８】従来の重ね合わせ精度測定マークの一種である
Ｌ型ターゲットの他の例を示す図である。

【符号の説明】

１ 下地層に形成された測定マークのパターン ２ 上層に形成された測定マークのパターン １１、１２ 下地層に形成された測定マークのパターン ２１、２２ 上層に形成された測定マークのパターン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体装置の作製工程において連続して
   形成される２層の重ね合わせ精度を測定するために該２
   層のそれぞれに測定マークを形成するための測定パター
   ンを有するフォトマスクであって、前記測定パターンは
   少なくとも３本の互いに平行な線パターンからなる第１
   パターンと、該第１パターンと直角方向の少なくとも３
   本の平行な線パターンからなる第２パターンとを含み、
   下層の形成のためのフォトマスクの前記測定パターンと
   該下層の直上に形成される上層の形成のためのフォトマ
   スクの前記測定パターンは、該下層および上層が形成さ
   れたときにそれぞれの測定マークが互いに重ならない位
   置に配置されていることを特徴とするフォトマスク。
2. 【請求項２】 半導体装置の作製工程において形成され
   る２つの層の重ね合わせ精度を測定するために該２つの
   層のそれぞれに測定マークを形成するための測定パター
   ンを有するフォトマスクであって、前記測定パターンは
   少なくとも３本の互いに平行な線パターンからなる第１
   パターンと、該第１パターンと直角方向の少なくとも３
   本の平行な線パターンからなる第２パターンとを含み、
   下層の形成のためのフォトマスクの前記測定パターンと
   該下層の上に他の層を挟んで形成される上層の形成のた
   めのフォトマスクの前記測定パターンは、該下層および
   上層が形成されたときにそれぞれの測定マークが互いに
   重ならない位置に配置されていることを特徴とするフォ
   トマスク。
3. 【請求項３】 前記第１パターンおよび第２パターンの
   平行な線パターンがそれぞれ等間隔に配置されているこ
   とを特徴とする請求項１または２に記載のフォトマス
   ク。