KR20030094047A - 스캐터로메트리 프로파일링을 이용한 오버레이 계측법 - Google Patents

Abstract

반도체 웨이퍼의 두 개의 층들 사이에서 비파괴적으로 정렬 오버레이를 특성화하는 방법이다. 파장 또는 입사각의 함수와 같은 한 실시예에서, 방사의 입사 빔은 웨이퍼 표면으로 향하게 되고 결과적으로 회절된 빔의 특성들이 결정된다. 회절된 빔의 스펙트럼적으로 또는 각적으로 분해된 특성들은 오버레이 특징들의 정렬에 관한 것이다. 계산된 회절 스펙트럼의 라이브러리가 오버레이 정렬의 예상된 다양성들의 모든 범위에서 모델링되는 것에 의해 수립된다. 적어도 두개의 층들에서 정렬 타겟들을 갖는 실제적인 웨이퍼의 점검으로부터 결과된 스펙트럼은 실제적인 정렬을 특성화로의 최적 적합을 식별하기 위해 라이브러리와 비교된다. 비교의 결과들은 업스트림 및/또는 다운스트림 공정 제어에 대한 입력으로서 사용될 수 있다.

Description

스캐터로메트리 프로파일링을 이용한 오버레이 계측법{Overlay metrology using scatterometry profiling}

발명의 분야

본 발명은 일반적으로 계측법의 분야에 관한 것으로, 특히 스캐터로메트리(scatterometry) 프로파일링을 사용하는 오버레이 계측법에 관한 것이다.

발명의 배경

반도체 기판 웨이퍼 상에 형성된 집적 회로들과 같은, 마이크로전자 디바이스들의 제작을 위한 품질 제어는 이전에 형성된 기판의 층들 상의 각 층의 정확한 정렬(alignment)에 의존한다. 예를 들어, 반도체 웨이퍼 상에 형성된 각 디바이스는 집적 회로가 정확히 동작하도록 다른 디바이스들에 대해 정확히 정렬되어야 한다. 또한, 각 디바이스 영역은 정확한 동작을 위해 디바이스의 다른 영역들과 정확히 정렬되어야 한다. 인터커넥트층들은 정확한 전기적 연결들이 수립되는 것을 확실히 하기 위해 언더라잉(underlying) 층들에 대해 정확히 배향되어야 한다. 따라서 웨이퍼층들 및 영역들의 수직적 및 수평적 정렬들은 집적 회로의 성공적인 동작을 확실히 하기 위해 가장 중요하다. 비정렬된(misaligned) 층들은 디바이스 영역들이 그들의 정확한 위치로부터 이탈되어 디바이스 고장 및 따라서 집적 회로의 고장을 유발시키는 원인이 될 것이다.

집적 회로의 형성동안, 최상 웨이퍼층은 그의 특정 부분들을 제거하기 위해 자주 패터닝 및 에칭 공정을 수행한다. 예를 들어, 금속층들은 디바이스 영역들 사이의 인터커넥트들을 형성하기 위해 패터닝되고 에칭된다. 절연체층들이 도펀트들의 침착 또는 주입 영역들을 형성하기 위해 패터닝되고 에칭된다. 새로운 층들이 형성됨에 따라, 패터닝 및 에칭 공정이 최상 웨이퍼 층 위에서 수행된다. 패터닝 동작은 마스크로부터 웨이퍼의 최상 표면으로 패턴을 이동시키기 위해 투명하고 불투명한 영역들을 가진 마스크를 사용하여 수행된다. 전통적으로, 마스크 패턴은 웨이퍼 표면 상에 형성된 포토레지스트층으로 먼저 이동된다. 포토레지스트는 광 노출이 재료 구조와 특성들을 변화시키는 광감지 재료이다. 예를 들어, 네가티브-액팅 포토레지스트의 광으로의 노출은 포토레지스트를 가용성에서 비가용성 상태로 변화시키고, 가용성 영역들은 화학적 용매들로 제거될 수 있다. 네가티브-액팅 포토레지스트가 웨이퍼의 최상 표면으로 적용되고 마스크를 통해 광에 노출되면, 노출된 영역들은 불용성이 된다. 가용성 영역들은 이후 화학적 용매들에 의해 제거된다. 여기서 다음 공정을 위해 패턴이 웨이퍼 표면으로 운반된다. 예를 들어, 노출된 웨이퍼 표면 영역들은 포토레지스트가 저항인 화학적 에칭 공정에 의해 제거될 수 있고, 또는 도펀트 이온들이 노출된 영역들에 주입될 수 있다. 노출된 영역들의 공정이 완성된 후에, 남은 포토레지스트가 제거된다. 따라서, 마스크와 언더라잉웨이퍼 표면 사이의 정렬이 웨이퍼에 미리 형성된 영역들에 대해 제거된 영역들의 정확한 위치들을 확실히 하기 위해 정밀해야 한다는 것을 알 수 있다.

반도체 영역들을 형성하기 위해 게르마늄이나 실리콘 함유 웨이퍼 층으로 보론, 인 및 비소와 같은 불순물 도펀트들을 첨가하는 것에 의해 반도체 디바이스들이 집적 회로에 형성된다. 알려진 바와 같이, 주기율표의 컬럼들 III/IV 및 II/VI로부터의 합성 물질들이 또한 사용될 수 있다. 이러한 도핑된 영역은 예를 들면, MOSFET 디바이스의 게이트 전도체 또는 소스/드레인 영역이 될 수 있다. 한 도핑 공정은 가열된 챔버에 웨이퍼를 위치시키고 이를 적절한 도펀트의 증기들에 쬐는 것을 포함한다. 증기의 도펀트 원자들이 웨이퍼 표면에 얇은 도핑된 영역들을 형성하기 위해 웨이퍼 표면의 노출된 영역들로 확산된다. 노출된 영역들은 위에서 설명된 패터닝 및 에칭 단계들과 유사한 앞선 마스킹 단계에 의해 정의된다.

대안적으로, 도핑된 영역들이 불순물 도펀트 종류의 주입에 의해 웨이퍼에 형성될 수 있다. 도펀트는 웨이퍼 표면이 포토레지스트 물질의 현상된 층에 형성된 개구들의 패턴을 통해 고에너지 도펀트 이온들에 의한 충격에 노출되는 이온 주입 공정을 사용하여 주입될 것이다. 전통적으로, 포토레지스트 층의 패턴은 위에서 설명된 바와 같은 포토리소그래픽 마스킹 공정에 의해 형성된다. 도펀트 이온들은 웨이퍼 표면 아래의 주입된 영역들을 형성하기 위해 웨이퍼 표면을 통과하며, 포토레지스트의 층이 제거된 후에 남겨진다.

마스크 공정은 또한 금속 인터커넥트 층들을 패터닝하기 위해 사용된다. 금속층이 포토레지스트층에 의해 뒤따르는 웨이퍼 표면으로 적용된다. 포토레지스트가 마스킹 공정을 사용하여 패터닝되고, 노출되며 이후 포토레지스트와 언더라잉 금속이 에칭된다. 남은 포토레지스트 재료가 이후 제거되고, 인터커넥트 회로의 패터닝된 금속층을 남긴다.

위에서 설명된 바와 같은 포토리소그래픽 마스크들을 사용하는 다중 패터닝 단계들은 집적 회로들의 제조에 통상적이다. 예를 들어, RAM(random access memory) 집적 회로(IC)의 제조에 15 내지 20의 마스킹 단계들이 필요할 수 있다. IC는 약 0.25 제곱 인치의 영역에 수천만개의 개별적인 디바이스들을 포함할 수 있다. 개별적인 특징(feature) 크기들은 1 미크론의 범위에 있으며, 이러한 특징들은 약 1/3 특징 크기의 공차 내에 정렬되어야 한다. 이러한 공차는 각 레벨이 웨이퍼에 노출되고 형성되는 것과 같이 유지되어야 한다.

전형적으로, 집적 회로의 제조에 사용된 마스크들은 정렬 마스크 또는 마스크 에지 근처에 위치된 타겟을 포함한다. 각 웨이퍼층은 또한 정렬 마스크 또는 타겟을 포함한다. 이러한 타겟들은 금속층들에 금속으로 또는 디바이스층에 도핑된 영역으로 형성될 수 있다. 마스크 정렬은 이후 웨이퍼 상의 대응하는 마크 위에 마스크 타겟을 정확히 위치시키는 것에 의해 이루어진다. 도 1에 도시된 바와 같이, 정렬 마크들은 최상 웨이퍼층에 4개의 이격 배치된 정사각형들(12)을 정렬시키기 위한 마스크의 크로스(10)를 포함할 수 있으며, 크로스의 팔들은 정사각형들 사이의 영역에 위치된다. 정렬 마스크의 다른 타입은 보다 큰 사각형(16)의 중간에 보다 작은 사각형(14)을 위치시킴으로써 정렬되는 두개의 다른 크기의 정사각형들을 포함한다. 도 2를 참조하라.

정렬 에러들의 몇몇 카테고리들이 있다. x-y방향의 간단한 변환이 대개 가장 일반적이다. 도 3은 x방향의 비정렬을 도시한다. 회전 에러 조건에서, 웨이퍼의 한 면이 정렬되지만, 패턴들은 웨이퍼를 가로질러 점점 비정렬된다. 도 4를 참조하라. 어떤 반도체 공정들이 전체 웨이퍼 표면을 패터닝하고 에칭하기 위해 하나의 마스크를 사용할 수 있지만, 마스크는 웨이퍼 상의 한 다른 개별적인 다이를 패터닝하고 에칭하기 위한 복수의 보다 작은 마스크들을 포함하는 것이 보다 일반적이다. 마스크 패턴들이 일정한 중앙들에 위치되지 않거나 중앙이 아닌 곳에 있으면, 런인(run-in) 및 런아웃(run-out) 정렬 문제들이 발생된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 이후 마스크 패턴들의 단지 한 부분이 웨이퍼 패턴들로 정확하게 정렬될 수 있으며, 패턴은 웨이퍼를 가로질러 프로그레시브하게 비정렬된다.

도 6은 웨이퍼 특징(20)과 언더라잉 특징(22) 사이의 비정렬의 프로파일도이다. 이상적으로, 특징(20)은 특징(22) 위에 중심에 있어야만 한다. 도 6의 정렬 에러가 화살표(24)에 의해 지시된다.

제조 공정동안 마스크 및 웨이퍼를 정렬시키기 위한 몇몇의 알려진 디바이스들 및 기술들이 있다. 접촉 정렬기에서, 웨이퍼는 진공 웨이퍼 척(chunk) 상에 올라가거나 마스크 아래 위치된다. 조작자는 현미경을 통해 관찰하고, 마스크들을 정렬시키기 위해 필요한 웨이퍼를 재배향시킴으로써 웨이퍼 표면상의 마크들과 마스크 정렬 마크들을 정렬시킨다. 전형적으로, 웨이퍼와 마스크는 각각이 반대 면들 상에 정렬 마크들의 두 세트들을 포함한다. 현미경 이미지가 스플릿 필드(split field)를 제공하여, 이러한 반대 에지들은 동시에 관찰될 수 있고 마크들의 두 세트들이 정렬을 지시할 때까지 웨이퍼는 조절될 수 있다. 한번 정렬되면, 웨이퍼는 마스크와 함께 접촉 내로 상향 구동되고 웨이퍼 포토레지스트는 마스크를 통해 노출된다.

현대의 정렬 공정들은 대부분의 그 시점에서의 기술 수준의 제조 시설들에 사용된 스테퍼들/리피터들 내에 장착된다. 하나 또는 그 이상의 웨이퍼 다이의 패턴을 운반하는 레티클(reticle)이 웨이퍼와 함께 정렬되며, 웨이퍼가 노출되고, 레티클이 다음 사이트로 스텝되며, 공정이 반복된다. 결과는 각각의 다이 또는 복수의 인접하게 이격된 다이들이 개별적으로 정렬되는 것과 같은 더 나은 오버레이와 정렬이다. 결과적으로, 스테핑 과정은 보다 큰 직격의 웨이퍼들 상의 정밀한 정렬을 허용한다. 스테퍼는 저에너지 레이저 빔들이 레티클 상의 정렬 마크들을 통해 통과되고 웨이퍼 표면상의 대응하는 정렬 마크들로부터 반사되는 자동 정렬 시스템을 포함한다. 결과적인 신호는 반사들의 중앙을 결정하기 위해, 상대적인 오프셋이 계산되는 것으로부터 분석된다. 오프셋 정보는 오프셋이 미리 결정된 임계치 아래로 감소될 때까지 마스크에 대해 웨이퍼를 이동시키는 컴퓨터 제어된 웨이퍼 척으로 입력된다.

반도체 라인 폭들 및 특징 크기들이 지속적으로 축소됨에 따라, 현 시점의 기술 수준의 오버레이 계측법의 단점들이 보다 명백해진다. 정밀함은 액티브 영역 특징 스케일에 대한 오버레이 특징 스케일에 의해 제한된다. 오버레이 특징들은 현재 기술들에 의해 광학적으로 해결될 수 있기에 충분히 커야 하지만, 오버레이 특징 스케일은 종종 회로 디바이스 특징들보다 매우 크다. 따라서, 큰 비-디자인 룰타겟들 또는 오버레이 마크들이 요구된다. 어떤 공정들에서, 정밀한 오버레이가 에지 검출 알고리즘들에 의해 결정되지만, 이들 에지들을 정의하는 연관된 다양성은 본 오버레이 계측법 기술들의 단점이 된다. 또한, 현재 기술들은 오버레이 정확성을 결정하는데 유용할 수 있는 임의의 특징 프로파일 정보를 제공하지 않는다.

오버레이 마크들의 공정 왜곡들이 또한 비정렬을 야기한다. 광학적 렌즈 시스템의 다른 영역들이 웨이퍼의 다른 영역들을 노출시키기 위해 사용될 수 있으므로, 웨이퍼를 가로지르는 정렬은 지역화된 렌즈 왜곡, 포커스 및 조도 상태들에 의해 영향받을 수 있다. 이러한 단점들은 위상 쉬프트 마스크들이 보다 일반적으로 되는 것과 같이, 웨이브 프런트 엔지니어링 방법론들(wave front engineering methodologies)로서 보다 일반적으로 행해진다.

종래의 반도체 공정에서 스테퍼/리피터는 웨이퍼가 진행됨에 따라 정렬 및 노출 기능을 수행한다. 그러나, 개별적인 오프라인 단계가 언더라잉 특징에 대한 마스크 프린트된 특징의 오버레이 비정렬, 즉, 스테퍼/리피터가 웨이퍼 특징들에 대해 포토레지스트 상의 마스크 이미지를 얼마나 잘 정렬시키는가를 특성화시키기 위해 사용된다. 이러한 오버레이 특성화는 제조 집적 오버레이 계측법 툴들 보다 혼자 장착된 광학적 마이크로스코프들과 오프라인으로 수행된다.

알려진 바와 같이, 광학적 오버레이 시스템의 정밀도는 광의 파장에 의해 제한된다. 파장보다 작은 입자들 또는 표면 특징들은 검출될 수 없다. 스캐닝 전자 현미경들은 또한 전자들이 웨이퍼 표면으로 통과하지 않도록 제한되고, 따라서 표면 밑의 다른 층과 표면 층을 정렬하는 것이 가능하지 않다. 그러나, 산란된 빔이제한된 파장이 아니고 스캐터로메트리 공정에 사용된 어떤 전자기 주파수들은 웨이퍼 표면 아래로 통과할 수 있다. 스캐터로메트리 계측법은 웨이퍼 표면 상의 입사 레이저 빔을 스캐닝하는 다양한 웨이퍼 특성들을 측정하는데 사용된다. 스캐터로메트리의 한 형태에서 다중 파장 빔(즉, 몇몇의 주파수들로 이루어진)이 고정된 웨이퍼 상에 입사된다. 다른 형태에서, 단일 주파수 입사 빔이 웨이퍼를 회전시킴으로써 산란된다. 반사된 광은 마이크로러프니스(microroughness) 및 표면 특징들에 의해 표면으로부터 스크린 상으로 산란된다. 카메라는 스크린 이미지를 포착하고, 이미지 데이터를 마이크로프로세서로 입력하는데, 이미지는 특정 스크린 패턴이 생성된 표면을 재구성하기 위해 분석된다. 스캐터로메트리 기술은 웨이퍼 표면 상의 그레인(grain) 크기들, 윤곽들(contours) 및 정확한 크기들을 측정하기 위해 사용된다.

미국 특허 번호 5,293,216은 스캐터로메트리의 원리 상에서 동작하는 반도체 제조를 위한 센서 디바이스를 설명한다. 레이저 에너지의 간섭성 빔은 반도체 웨이퍼 표면을 향한다. 웨이퍼에 의해 반사되고 그를 통해 송신되는 빔의 간섭성 및 산란된 부분들이 측정되고 분산된다. 이러한 디바이스는 이후 막 두께값으로 상관되는 웨이퍼의 표면 거칠기와 스펙트럼 방사율 값들을 측정하는데 사용된다.

다른 미국 특허가 반도체 웨이퍼 상의 표면 특징들을 측정하기 위한 스캐터로미터 시스템들의 다른 응용들을 설명한다. 미국 특허 번호 5,923,423은 웨이퍼 표면 검출들을 검출하고 분석하는 헤테로다인 스캐터로미터를 설명한다. 미국 특허 번호 5,703,692는 샘플을 회전시킬 필요없이 입사의 다양한 각들에서 샘플의 조도를 제공하는 광학적 스캐터로미터 시스템을 설명한다. 미국 특허 번호 6,154,280은 전자기 방사의 두개의 개별적인 빔들을 사용하여 표면의 거칠기를 측정하는 시스템을 설명한다. 위에서 설명된 종래 기술 특허들의 각각은 본 명세서에 참조로 포함된다.

발명의 간략한 요약

최상 레벨 포토레지스트의 광학적 프로파일 및 그의 오버레이 관계를 모든 이전 레벨들로 제공하는 오버레이 계측법 공정이 특히 필요하다.

도 1 및 도 2는 반도체 오버레이 계측법에 대한 전형적인 정렬 마크들을 도시하는 도면.

도 3, 4 및 도 5는 전형적인 비정렬 상태들을 도시하는 도면.

도 6은 두 개의 웨이퍼 특징들 사이의 비정렬의 프로파일 도.

도 7은 본 발명의 교수들에 따른 사용을 위한 전형적인 격자들을 도시하는 도면.

도 8은 본 발명의 교수들이 적용될 수 있는 웨이퍼 표면 및 오버레이층을 도시하는 도면.

도 9는 본 발명과 함께 사용하기 위한 스캐터로미터 시스템의 기능적인 표의 단순화된 도면.

도 10은 본 발명에 따른 오버레이 정렬을 결정하기 위한 시스템 및 방법을 도시하는 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

30:반도체 웨이퍼40:오버레이 마스크

50:입사 빔60:검출기

84:라이브러리88:비교기

반도체 웨이퍼의 두 층들 사이의 정확한 오버레이를 결정하는 전형적인 방법은 층들의 프로파일을 현상하기 위해 웨이퍼 표면과 언더라잉 층들로부터 산란된 전자기 에너지를 사용한다. 웨이퍼 표면 근처의 정렬 마크들 또는 타겟들이 전자기 에너지의 입사빔과 함께 조사된다. 반도체 웨이퍼로부터 분산된 전자기 에너지가 스펙트럼적으로 분해된 회절 프로파일을 얻기 위해 검출되고, 이후 샘플 프로파일들과 비교된다. 측정된 회절 프로파일이 샘플 프로파일과 매치하면, 이후 두개의 층들이 매칭된 샘플 프로파일과 동일한 정렬을 갖는다.

본 발명에 따른 전형적인 방법은 또한: 복수의 모델링된 타겟 정렬 및 비정렬 배향들에 대한 회절 프로파일들의 라이브러리를 수립하는 것과, 복수의 모델링된 정렬 배향들의 하나와의 최적의 적합(fit)을 식별하기 위해 반도체 웨이퍼로부터 라이브러리의 회절 프로파일들로 회절된 전자기 에너지의 회절 프로파일을 비교하는 것을 포함한다. 공정은 분석의 단계의 결과들에 응답하여 또는 검출기에 의해 결정된 정렬 프로파일에 응답하여 제어될 수 있다. 전형적인 방법은 또한 다중 주파수로 편광된(polarized) 전자기 에너지로 반도체 웨이퍼의 표면을 조사하는 것과, 파장의 함수로서 반도체 웨이퍼로부터 회절된 전자기 에너지의 상대적인 위상 변화 및 상대적인 진폭 변화를 측정하는 것, 및 측정된 상대적인 위상 및 진폭 변화들의 스펙트럼을 디자인-기반 정렬 프로파일에 대한 위상 및 진폭 변화들의 계산된 스펙트럼과 비교하는 것을 포함한다.

본 발명의 한 실시예를 따라, 반도체 웨이퍼의 오버레이 정렬을 결정하기 위한 장치는 표면 영역에 연관된 스펙트럼적으로 분해된 회절 특성들을 측정하기 위한 기구와; 복수의 표면 영역 정렬들에 대해 계산된 스펙트럼적으로 분해된 회절 특성들의 라이브러리와; 기구에 의해 측정된 스펙트럼적으로 분해된 회절 특성들과 최적으로 적합한 라이브러리로부터 스펙트럼적으로 분해된 회절 특성들 중 하나를 선택하기 위한 비교기를 포함한다. 장치는 또한 비교기의 출력에 응답하는 공정 제어 디바이스를 포함할 수 있다.

동일한 참조 기호들이 다른 도면들 전체에 걸쳐 동일한 부분들을 참조하는 첨부한 도면들과 함께 판독될 때 본 발명의 특징들 및 잇점들이 다음의 발명의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 도면들은 꼭 크기대로는 아니며, 본 발명의 원리들을 도시하기 위해 강조한다.

발명의 상세한 설명

본 발명에 따른 특정 방법 및 장치에 대해 상세하게 설명하기 전에, 발명의 다수의 실시예들이 하드웨어 소자들의 조합과 웨이퍼 층들 사이의 오버레이 정렬을 결정하기 위한 스캐터로메트리 계측법의 사용에 대한 방법 단계들을 포함한다는 것을 알아야 한다. 전형적인 하드웨어 소자들 및 소프트웨어 단계들은 단지 본 발명에 적절한 이러한 특정 상세 부분들을 도시하는, 도면들의 종래 소자들에 의해 표현되었으며, 본 명세서의 이익을 갖는 당업자에게 쉽게 명백하게 될 구조적 상세 부분들의 설명은 모호하지 않다.

스캐터로메트리 계측법의 원리들은 반도체 웨이퍼 구조의 두 개의 층들 사이의, 예를 들면, 마스크 패턴을 따라 패터닝되고 에칭될 포토레지스트 마스크와 언더라잉 층 사이의 오버레이 정렬을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 종래의 스캐터로메트리 계측법은 동일하게 이격된 표면 특징들 사이의 피치(pitch), 특징들 사이의 거리, 특징 크기 및 특징 윤곽을 포함하는, 표면 특성 정보를 제공한다. 본 발명의 교수들을 따라, 정렬될 층들은 정렬 격자 마크들을 포함할 것이고, 따라서 웨이퍼로부터의 산란된 신호는 격자 마크들의 정렬과 격자 마크들 사이의 수직 거리를 포함하는, 빔이 산란된 표면과 언더라잉 층들의 특성들을 결정하기 위해 분석되는 구조적 및 비구조적 간섭(즉, 회절 패턴) 영역들을 포함한다. 스캐터로메트리 공정은 각도들의 범위를 통해 웨이퍼 상의 레이저 또는 간섭 광 입사를 사용하며, 각 입사 각도는 검출기에서 패턴을 분산시키는 것을 제공한다. 대안적으로, 공정은 백색광과 같은, 다중 주파수 광을 단일 각도에서 입사광으로 사용한다.

본 발명의 다른 특징은 산란된 에너지가 입사광의 파장과 오버레이 타겟들의 피치 또는 폭 사이의 관계에 의존하지 않는다는 것이다. 따라서, 타겟들은 임의의 두개의 디바이스 특징들 사이의 정렬을 결정하기 위한 공정 디자인 룰들에 의해 요구된 만큼 작은 크기들로 형성될 수 있다. 오버레이 계측법을 위한 이러한 스캐터로메트리의 사용은 보다 작은 정렬 특징들에 기초한 오버레이 정렬의 결정을 허용하고, 이는 종래 광학 기술들이 이룰 수 있었던 것보다 더 정밀한 정렬을 생성시킨다.

전형적인 정렬 격자 타겟들이 도 7에 도시된다. 복수의 면-대-면 라인들(25)이 웨이퍼 표면 층(예를 들면, 포토레지스트 층)에 형성되고 복수의 최상-대-최하 라인들(26)이 언더라잉 층에 형성된다. 이러한 수직의 격자 라인들의 두개의 세트들을 사용하는 것은 x 및 y 방향들 모두에 오버레이 정렬을 제공한다. 이러한 격자 라인들을 웨이퍼의 에지들에서 형성하는 것에 부가적으로, 그들은 각 다이에 대한 오버레이 정렬을 확실히하기 위해 개별적인 웨이퍼 다이에서 형성될 수 있다. 웨이퍼를 통해 다중 타겟들을 사용하는 정렬은 또한 런인, 런 아웃 및 회전 에러 문제들을 감소시킨다.

본 발명의 전형적인 실시예가 도 8의 도면을 시작으로 설명된다. 반도체 웨이퍼(30)와 같은 워크 피스(work piece)는 오버레이 정렬을 결정하기 위해 사용될 수 있는 타겟 특징들(34)의 주기적인 패턴을 포함한다. 타겟 특징들(34)은, 예를 들면, 최상 표면(36)의 아래에 형성된 도핑된 영역들, 실리콘 이산화물, 또는 폴리 실리콘, 금속 라인들, 트랜치들 또는 비아들의 로우들을 포함한다. 전형적으로, 타겟 특징들(34)은 디바이스의 액티브 특징들과 같이 작용하기보다, 오버레이 격자 패턴과 같이 작용하도록 형성된다. 그러나, 액티브 영역들이 알려진 인트라-특징 거리를 갖는 동안은, 오버레이 정렬에 대한 액티브 디바이스 영역들의 사용을 방해하는 본 발명의 범위 내에 아무 것도 있지 않다. 오버레이 마스크(40)는 타겟 특징들(34)과의 정렬을 위해 복수의 격자 라인들(42)을 포함한다. x 및 y 방향들 모두에서 정렬을 제공하기 위해, 타겟 특징들(34)은 도 7에 도시된 수직 라인들(26 및 27)과 같이, 알려진 각도에서 서로에 대해 배향되어야 한다. 타겟 특징들(34)과 격자 라인들(42) 사이의 오버레이 정렬은 이하에서 더욱 상세히 설명될 바와 같이, 가능한 비정렬 상태들로 특성화되고 비교되어, 비정렬 상태의 정도 및 특성이 정렬로 격자 라인들(42) 및 타겟 특징들(34)을 가져가도록 웨이퍼를 이동하는데 사용하기 위한 정렬 도구로 피드백 신호 입력을 발생시킨다.

도 9에 도시된 바와 같이, 편광된 전자기 에너지(50)의 입사빔과 같은 입사 방사는 보통 라인(57)에 대한 입사 각도θ에서 웨이퍼(56)의 기판 최상 표면(52)을 향해 배향된다. 입사 빔(50)은 단일 또는 다중 파장들의 간섭 레이저 에너지 또는 비-간섭 에너지일 수 있다. 입사 빔(50)의 에너지는 라인(57)에 대한 각도φ에서 웨이퍼(56)를 떠나는 전자기 에너지(58)의 회절된 또는 산란된 빔을 생성하기 위해 웨이퍼(56)와 상호작용한다. 각도 φ는 각도θ와 입사 광의 파장의 함수이다. 본 명세서에서 참조되는 바와 같이 회절된 빔 및 회절된 방사는 반사(즉, 스펙트럼 간섭 반사), 산란(즉, 비 스펙트럼 간섭 반사), 휨, 및 흡수 성분들을 포함하는, 입사 광과 웨이퍼(56)사이의 다양한 상호작용들로부터 결과된 모든 전자기 에너지를포함한다. 웨이퍼(56)의 각 층 인터페이스에서, 에너지는 재료들의 굴절의 인덱스의 상이와 입사의 각도에 따라 송신되고 반사될 수 있다. 따라서, 전자기 에너지가 웨이퍼(56)의 재료를 따라 통과되는 것과 같이 이는 부분적으로 흡수되거나 그의 이동 방향이 변화될 수 있다.

결과적으로 회절된 빔(58)은 입사 빔(50), 입사 각의 특성들, 및 격자 라인들(42) 사이의 정렬을 포함하는, 웨이퍼(56)의 특성들의 함수이고, 타겟 특징들(34)은 웨이퍼(56)의 표면 또는 언더라잉 영역들에 나타난다. 만일 오버레이 타겟들 사이의 정렬이 있다면, 대칭적인 회절 패턴이 입사 빔이 웨이퍼(56)의 한 면으로부터 다른 면으로 스캔되는 것과 같이 생성될 것이다. 회절 패턴에서의 대칭성은 타겟들이 정렬되지 않았다는 것을 나타낸다. 회절된 빔(58)은 검출기(60)로 입력되고 회절된 빔(58)의 단일 표현이 이하에서 또한 설명될 바와 같이 분석을 위해 프로세서(62)로 검출기(60)에 의해 제공된다.

입사 빔(50)에 대한 전형적인 파장은 약 200-1500 나노미터이다. 에너지는 그것이 웨이퍼층들을 통과할 때 강하게 흡수되지 않아야 하며, 또한 오버레이 정보가 추출될 수 있는 회절된 빔을 생성시키기 위해 파장은 유리하게는 재료의 특징 크기들과 대략 동일한 정도의 크기가 되어야 한다.

입사 빔(50)은 다중 주파수 소스(예를 들면, 백색 광) 또는 다중 단일 주파수 소스들(예를 들면, 복수의 레이저 빔들)로부터 방사될 수 있다. 입사 빔(50)의 주파수는 또한 주파수들의 범위로 지나갈 수 있다. 웨이퍼(56)를 가로질러 입사 빔(50)을 스캔하기 위해, 빔 소스의 임의의 하나 또는 그 이상과, 웨이퍼(56) 또는검출기(60)가 회전될 수 있다.

웨이퍼(56)와 같은 샘플의 회절 특성들을 분석하기 위하여, 소프트웨어 프로그램들이 상업적으로 사용가능하다. 이러한 한 프로그램이 KLA-Tencor Corporation of San Jose, California에서 사용가능하다. 이러한 프로그램들은 웨이퍼(56)의 적어도 두개의 층들 사이의 오버레이를 결정하기 위해, 도 10에 보이는 프로세서(80)에서 사용될 수 있다. 분석 프로그램은 먼저 단계(82)에서 가상의 웨이퍼들의 두개의 층들 사이의 정렬 상태에 대해 회절된 빔(58)의 특성들을 모델링하기 위해 사용된다. 단계(82)는 두 개의 층들 사이에 존재할 수 있는 가능한 정렬 및 비정렬 상태들의 임의의 수에 대해 반복되며, 모델링 결과는 라이브러리(84)에 저장된다. 라이브러리(84)는 예를 들면, 이러한 결과들의 100,000 또는 수천 또는 그 이상까지 포함할 수 있다.

웨이퍼(56)의 타겟들의 정렬은 이후 웨이퍼로부터 회절된 빔의 스펙트럼 특성들에 대한 정렬의 특성을 제공하기 위해 도 9의 기구를 사용하여 단계(86)에서 검사된다. 스펙트럼 특성들은 실제적인 웨이퍼의 정렬 오버레이를 결정하기 위해 처리된다. 구조적 특성을 결정하기 위해 스펙트럼 특성들을 처리하기 위한 회로는, 예를 들면, 비교기(88)를 포함할 수 있다. 비교기(88)는 단계(86)에서 결정된 스펙트럼 특성들을 갖는 라이브러리(84)에 저장된 모델링된 결과들을 비교하기 위해 사용된다. 비교기(88)는 최적 적합 분석을 수행하는 계산된 데이터 처리 디바이스이거나 다른 알려진 숫자적인 처리 기술들이다. 모델링된 스펙트럼의 최적 적합은 웨이퍼(56)의 타겟 마크들의 실제적인 정렬의 표현으로서 단계(90)에서 선택되며, 다운스트림 및/또는 업스트림 공정 제어 디바이스(92)를 제어하기 위해 또한 사용될 수 있다. 웨이퍼(56)의 오버레이 정렬의 수용가능성은 실제적인 정렬이 디자인 기반 정렬의 정의된 공차 범위에 있을 때 증명된다. 정렬이 수용가능한 공차의 밖에 있다면, 가변 공정들은 디자인 기반 상태들의 공정으로 되돌아 가기 위해 애스태퍼/리피터들과 같은 오버레이 공정 디바이스들에 대해 응답하여 변화될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예들이 본 명세서에서 도시되고 설명되었지만, 이러한 실시예들은 단지 예시의 방법으로 제공되는 것임이 명백할 것이다. 다양한 변화들, 변경들 및 대체들이 본 명세서의 발명으로부터 벗어남이 없이 당업자들에게 발생할 것이다. 예를 들어, 앞의 개념들의 응용이 비교 기능으로 제한될 필요가 없다. 따라서, 본 발명이 단지 첨부된 청구항들의 정신과 범주에 의해 제한되지 않는다는 것이 의도된다.

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Claims (20)

1. 제조에서 사용하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은:

   적어도 두개의 특징들을 갖는 워크피스를 전자기 방사로 조사하는 단계로서, 한 특징이 다른 특징을 오버레이하는, 상기 조사 단계와;

   상기 워크피스로부터 회절된 상기 방사의 스펙트럼적으로 분해된 특성들을 얻는 단계와;

   상기 두개의 특징들의 상대적인 정렬을 특성화시키기 위해 상기 특성들을 분석하는 단계를 포함하는, 방법.
2. 제 1 항에 있어서:

   복수의 워크피스 오버레이 정렬 특징들에 대해 스펙트럼적으로 분해된 특성들의 라이브러리를 수립하는 단계와;

   상기 워크피스로부터 회절된 상기 방사의 상기 특성들과 상기 라이브러리로부터의 상기 특성들 사이의 최적 적합을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 분석 단계의 상기 결과들에 응답하여 공정을 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
4. 제 1 항에 있어서:

   전자기 에너지의 입사 빔으로 반도체 웨이퍼를 조사하는 단계로서, 상기 반도체 웨이퍼는 각각의 층에 오버레이 정렬 특징들을 갖는 적어도 두개의 층들을 갖는, 상기 조사 단계와;

   상기 반도체 웨이퍼로부터 회절된 상기 전자기 에너지의 특성들을 결정하는 단계와;

   상기 특성들로부터 상기 적어도 두개의 층들 사이의 상기 오버레이 정렬을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 조사는 다중 주파수 편광된 전자기 에너지, 단일 주파수 편광된 전자기 에너지 및 다중 주파수 비편광된 전자기 에너지로부터 선택되는, 방법.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 특성들의 결정 단계는 상기 입사 전자기 에너지와 비교되는 것으로서 상기 회절된 전자기 에너지의, 주파수 함수로서, 상기 위상 변화를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 특성들의 결정 단계는 상기 입사 전자기 에너지와 비교되는 것으로서 상기 회절된 전자기 에너지의, 주파수 함수로서, 상기 진폭 변화를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
8. 제 4 항에 있어서, 상기 특성들의 결정 단계는 상기 입사 전자기 에너지와 비교되는 것으로서 상기 회절된 전자기 에너지의, 상기 입사 빔과 상기 반도체 웨이퍼의 평면 사이의 각의 함수로, 상기 위상 변화를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
9. 제 4 항에 있어서, 상기 특성들의 결정 단계는 상기 입사 전자기 에너지와 비교되는 것으로서 상기 회절된 전자기 에너지의, 상기 입사 빔과 상기 반도체 웨이퍼의 평면 사이의 각의 함수로, 상기 진폭 변화를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
10. 제 4 항에 있어서, 상기 특성들의 결정 단계는 상기 입사 빔이 정렬 특징들의 한 면에서 상기 다른 면으로 스캔되는 것으로 특성들을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
11. 제 4 항에 있어서, 상기 오버레이 정렬의 결정 단계는 복수의 참조 특성들과 상기 결정된 특성들을 비교하는 단계와, 상기 최적 적합 참조 특성을 결정하는 단계, 및 상기 최적 적합 특성에 기초하여 오버레이 정렬을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
12. 제 4 항에 있어서, 상기 오버레이 정렬의 결정 단계는 상기 적어도 두개의층들 사이의 상기 수직적 거리를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
13. 제 1 항에 있어서, 제 1 층의 상기 오버레이 정렬 특징들은 제 2 층의 상기 오버레이 정렬 특징들에 대해 미리 정해진 각도에서 배향되는, 방법.
14. 제조에 사용하기 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은:

    워크피스로부터 회절된 방사의 스펙트럼적인 특성들에 대해 상기 워크피스의 제 1 층의 특징과 상기 워크피스의 제 2 층의 특징 사이의 오버레이 정렬의 특성화를 제공하기 위한 기구와;

    상기 스펙트럼적인 특성에 기초한 상기 오버레이 정렬 특징의 스펙트럼적인 특성을 결정하기 위한 장치를 포함하는, 시스템.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 장치는 데이터에 대한 저장 위치와 상기 저장 위치의 데이터와 상기 특징의 상기 특성 사이의 비교에 기초한 오버레이 정렬 특성을 결정하기 위해 구성된 비교기를 포함하는, 시스템.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 오버레이 정렬 특성에 응답하는 공정 제어 소자를 또한 포함하는, 시스템.
17. 장치에 있어서:

    워크피스로부터 회절된 방사의 상기 스펙트럼적인 특성들에 응답하는 출력을 갖는 기구로서, 상기 회절된 방사는 상기 워크피스의 두 층들 사이의 상기 정렬에 응답하는, 상기 기구와;

    상기 기구 출력에 응답하는 공정 제어 소자를 포함하는, 장치.
18. 제 17 항에 있어서, 복수의 반도체 웨이퍼 층 정렬 상태들에 대해 계산된 회절 특성들을 저장하는 라이브러리와;

    상기 라이브러리에 저장된 상기 회절 특성들의 하나 및 상기 워크피스에 대해 결정된 상기 회절 특성들 사이의 최적 적합을 선택하기 위한 비교기를 더 포함하는, 장치.
19. 반도체 디바이스 구조의 다중 층들 사이의 오버레이 정렬을 결정하기 위한 스캐터로메트리를 사용하는 방법에 있어서:

    반도체 디바이스 구조로부터 스캐터 방사 특성들의 데이터베이스를 수립하는 단계로서, 상기 방사 특성들은 전자기 에너지의 입사빔의 회절 및 반사에 의해 생성되고, 상기 특성들의 적어도 일부는 적어도 두개의 층들 사이의 정렬에 응답하는, 상기 단계와;

    상기 반도체 디바이스 구조가 알려진 파장들의 입사 전자기 방사를 받게하는 단계와;

    상기 입사 방사에 응답하여 상기 디바이스 구조로부터 스캐터 방사의 패턴을결정하는 단계와;

    층 정렬을 결정하기 위하여 상기 데이터베이스에 저장된 특성들에 상기 검출된 패턴을 비교하는 단계를 포함하는, 방법.
20. 제 19 항에 있어서, 그의 패턴을 생성시키기 위한 상기 스캐터 방사의 회절 특성들을 분석하는 단계를 포함하는, 방법.