JP2009270988A - 重ね合わせずれ量算出方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＴＩＳの平均値以外の重ね合わせ測定精度に関わる指標も考慮し、総合的に最適な焦点位置を決定できる重ね合わせずれ量算出方法を提供する。
【解決手段】重ね合わせずれ量の相関係数、基板面内のTISの３σ、繰り返し測定再現性を考慮し、（焦点位置決定値）＝−（相関係数）＋（基板面内TISバラツキ）＋（繰り返し測定再現性）と、上記焦点位置決定値を定義する。この焦点位置決定値を測定マークに対する光学顕微鏡の最適な焦点位置決定指標として用いる。この焦点位置決定値が最小となる焦点位置を最適な焦点位置と決定し、その最適焦点位置における基板面内のTISの平均値を個々の重ね合わせずれ量に対して補正を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板に回路パターンを形成する際の重ね合わせ精度測定工程、及びそれを含む半導体装置の製造方法に関する。

半導体基板に微細加工を施すフォトリソグラフィ工程においては、まず、基板上にフォトレジスト（感光材料）を一様に塗布し、縮小投影露光装置により回路パターンをフォトレジスト膜に転写する。そして、アルカリ水溶液を含む現像液で露光部を溶出させフォトレジストパターンを形成する。

ところで、半導体デバイスを構成する素子の微細化が加速するにつれ、回路パターンレイヤ間の重ね合わせ精度に対する要求が厳しくなってきている。即ち、回路パターンが形成された各レイヤを、位置ずれがないように重ね合わせなければならない。このため、半導体集積回路の製造工程中で精度良くレイヤ間の重ね合わせずれ量（以下、「ずれ量」と略す）を測定し、工程管理することが重要になっている。

以下、このずれ量測定方法について説明する。図８はレイヤの重ね合わせを示す断面図であり、ゲート電極上にコンタクトホールを形成する場合を例としている。この図８では、半導体基板２０１上に、半導体集積回路内部でゲート絶縁膜として作用する絶縁膜２０２が形成されている。そして、ゲート絶縁膜２０２上には、ゲート電極材料である導電性膜による第一のパターン２０３が、フォトリソグラフィとドライエッチングにより形成されている。後述するように、この第一のパターン２０３が、ずれ量測定において主尺となる。

さらに、この第一のパターン２０３、上記ゲート絶縁膜２０２及び半導体基板２０１を覆うように、層間絶縁膜２０４が堆積されている。また、層間絶縁膜２０４上には、フォトリソグラフィにより、コンタクトホールとなるべき孔状の開口部２０５を持つ第２のパターン（以下、「第２のパターン２０５」と略記する）が形成されている。後述するように、この第２のパターン２０５が、ずれ量測定において副尺となる。

ここで、回路内のコンタクトホールパターンがゲート電極上に位置するためには、第２のパターン２０５は第一のパターン２０３の上に位置決めされなければならない。従って、第一のパターン２０３と第２のパターン２０５との重ね合わせにずれがあれば、ゲート電極とコンタクトホールパターンとはずれていることが分かる。そこで、これら第一のパターン２０３と第２のパターン２０５の端部（開口端）を、ずれ量測定のマーク（以下、「測定マーク」と呼ぶ）として利用する。

図９及び図１０は上述の測定マークを示す平面図、図１１は図９のＸ１−Ｘ１部断面図（以下、「Ｘ方向断面図」と呼ぶ）、図１２は、図９のＹ１−Ｙ１部断面図（以下、Ｙ方向断面図とする）である。この図９,１０に示すように、ずれ量測定マークは平面的には、主尺となる第一のパターン２０３の端部に当たる外側ボックスマークと、副尺となる第２のパターン２０５の端部に当たる内側ボックスマークから成る。この構成は、一般的にボックスインボックスマークと呼ばれる。以下、この測定マークを用いたずれ量測定について説明する。

ずれ量測定では、測定マーク上方から測定マークに対して垂直に測定光５０１を照射し、図１１,１２に示すように、上方の固定位置に設置した光学顕微鏡（図示せず）を通してＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラで測定マークを撮像する。撮像した測定マークの画像を基に、測定マークを含む撮像領域の特定位置を原点とする平面直交座標系において、図１０に示す外側ボックスマークの左側エッジ３０１、右側エッジ３０２、下側エッジ３０３、上側エッジ３０４のエッジ位置を各々検出する。そして、左側エッジ３０１と右側エッジ３０２の中線及び、下側エッジ３０３と上側エッジ３０４の中線の交点を外側ボックスマークの中心位置Ｏとする。

同様に、内側ボックスマークの左側エッジ３０５、右側エッジ３０６、下側エッジ３０７、上側エッジ３０８のエッジ位置を各々検出する。そして、図１０に示すように、左側エッジ３０５と右側エッジ３０６の中線及び、下側エッジ３０７と上側エッジ３０８の中線の交点を内側ボックスマークの中心位置Ａとする。このとき、図９に示すように、外側ボックスマーク中心位置Ｏを原点とするＸＹ直交座標系において、原点Ｏから内側ボックスマーク中心位置ＡまでのベクトルＯＡのＸ成分１５がＸ方向ずれ量となる。また、ベクトルＯＡのＹ成分１６がＹ方向ずれ量となる。

ここで、第一のパターン２０３（図８）の図１１におけるX方向断面図で示す左側壁４０１は、図１０における左側エッジ３０１に対応し、第一のパターン２０３のX方向右側壁４０２（図１１）は図１０の外側ボックスマークの右側エッジ３０２に対応する。また、第２のパターン２０５（図８）のX方向左側壁４０５（図１１）は、図１０における左側エッジ３０５に対応し、第２のパターン２０５(図８)のX方向右側壁４０６（図１１）は、図１０における右側エッジ３０６に対応する。

さらに、第一のパターン２０３のＹ方向断面図で示す左側壁４０３（図１２）は、外側ボックスマークの下側エッジ３０３（図１０）に対応し、第一のパターン２０３のＹ方向断面図で示す右側壁４０４（図１２）は、外側ボックスマークの上側エッジ３０４（図１０）に対応する。また、第２のパターン２０５（図８）のＹ方向断面図で示す左側壁４０７（図１２）は、内側ボックスマークの下側エッジ３０７（図１０）に対応し、第２のパターン２０５（図８）のＹ方向断面図で示す右側壁４０８は、内側ボックスマークの上側エッジ３０８（図１０）に対応する。

図１１、図１２においては、測定光５０１が測定マークから光学顕微鏡に対して垂直に得られている。このため、光学顕微鏡による上下方向の観察位置、即ち焦点面位置を基準点として、第一のパターン２０３の左側壁４０１と右側壁４０２の位置、及び第２のパターン２０５の左側壁４０５と右側壁４０６の位置を、測定光５０１により検出できる。そして検出した第一のパターン２０３の左側壁４０１と右側壁４０２とのＸ軸方向の中点位置Ｏから、第２のパターン２０５の左側壁４０５と右側壁４０６とのＸ軸方向の中点位置ＡｘまでのベクトルＯＡｘの長さを求めると、これがＸ方向ずれ量となる。これは即ち図９に示すベクトルOAのX成分１５である。

同様にＹ軸方向において、第一のパターン２０３の左側壁４０３と右側壁４０４の位置、及び第２のパターン２０５の左側壁４０７と右側壁４０８の位置を、測定光５０１により検出する。そして検出された第一のパターン２０３の左側壁４０３と右側壁４０４とのＹ軸上における中点位置Ｏから、第２のパターン２０５の左側壁４０７と右側壁４０８とのＹ軸上における中点位置ＡｙまでのベクトルＯＡｙの長さを求めると、これがＹ方向ずれ量となる。これは即ち図９に示すベクトルＯＡのＹ成分１６である。

以下さらにX方向ずれ量を例にとって説明していく。説明のため、上記ＸＹ平面を光学顕微鏡の焦点面にとることにする。上述のように測定光５０１が光学顕微鏡に対して垂直に得られる理想的な光学系の場合は、測定されたずれ量は真値と言える。しかしながら現実には光学顕微鏡の物理的な取り付け位置のずれ、あるいは光学顕微鏡のレンズが有するレンズ収差の影響による光軸ずれが生じるのは避けられない。このため、図１３で示すように、測定光５０１は光学顕微鏡の焦点面に対する垂線５０２から僅かな角度θ傾いて入射することになる。すると、第一のパターン２０３の左側壁４０１、右側壁４０２、第２のパターン２０５の左側壁４０５、右側壁４０６の位置を正確に検出することが困難になるという問題がある。

なぜならば、第一のパターン２０３の左側壁４０１と右側壁４０２の位置、第２のパターン２０５の左側壁４０５と右側壁４０６の位置を測定光５０１により検出することは、Ｘ軸上の焦点面での各側壁位置を検出していることになる。即ち、左側壁４０１像と右側壁４０２像とのＸ軸方向中点位置Ｏから、左側壁４０５像と右側壁４０６像とのＸ軸上における中点位置Ａ’ｘまでのベクトルＯＡ’ｘの長さをＸ方向ずれ量として測定を行っているのである。この場合、測定光５０１が垂直に入射している場合のＸ方向ずれ量ＯＡｘに対して、真値とは異なる結果となることが理解できる。

図１４は上記測定マークの図１３と同じＸ方向断面図であるが、光学顕微鏡を含む光学系ユニットを半導体基板に対して垂直方向（以下、Ｚ方向とする）へ移動し、図１３の場合よりも測定マークに対する光学顕微鏡の焦点位置１８（すなわちＸＹ平面の高さ）を上方に位置するように変更した時の状態を示している。測定光５０１によって検出される第一のパターン２０３の左側壁４０１像と右側壁４０２像のＸ軸上（焦点面）での水平位置及び第２のパターン２０５の左側壁４０５像と右側壁４０６像のＸ軸上（焦点面）での水平位置は、測定光５０１が斜め入射であることとＸ軸のＺ軸方向の高さ位置が図１３とは異なっていることにより、上に説明したことから図１３における検出位置とは異なり、したがって光学顕微鏡測定から得られるＸ方向重ね合わせずれ量ＯＣ’ｘもＯＣ’ｘ≠ＯＡ’ｘとなり異なる結果が得られることは図１３の場合と同様に理解できる。

図１５は層間絶縁膜２０４と第２のパターン２０５を構成するフォトレジストの膜厚が図１３、図１４とは異なる場合の測定マーク断面図である。光学顕微鏡にて測定する時の焦点位置（Ｘ軸のＺ方向の高さ）が図１３における焦点位置（Ｘ軸のＺ方向の高さ）と同一であるとしても、半導体基板の主面に対して斜めに入射する測定光５０１によって検出される第一のパターン２０３の左側壁４０１像、右側壁４０２像の測定位置及び第２のパターン２０５の左側壁４０５像、右側壁４０６像の測定位置から得られるＸ方向重ね合わせずれ量ＯＤ’ｘは、ＯＤ’ｘ≠ＯＡ’ｘとなり異なる結果を得る。これも上に説明したように層間絶縁膜２０４の膜厚とフォトレジストの膜厚が互いに異なるためである。

このように、測定光学系の影響を著しく受ける場合、測定器自体の要因あるいは半導体基板上に形成された膜構造自体の要因によりずれ量も異なってくるので、精度良くずれ量測定を行うためには最適な焦点位置を検討する必要がある。同時に測定光５０１が測定マークに対して垂直に入射しない場合に得られるずれ量OA'ｘを測定光５０１が測定マークに対して垂直に入射する場合に得られるずれ量の真値OAｘへ近づけるために、ずれ量OA'ｘに対して補正を行う必要がある。以下に従来から行われている補正方法を説明する。

まず、図１６（ａ）に示すように、半導体基板６００をノッチＮが下向きになるように、ステージ上に置く。次に、図８に示す層間絶縁膜２０４の基板６００面内における膜厚ばらつき及び第２のパターン２０５を形成するフォトレジストの基板６００面内の膜厚ばらつきを考慮し、基板６００面内に均等に配置された複数（本説明では基板面内５箇所）の測定マークについてずれ量測定を行う。このとき、１個の測定マークにおいて光学顕微鏡を含む光学系ユニットの焦点位置を５０ｎｍ〜３００ｎｍの間隔で２点〜１１点Z方向へ移動しながら測定を行う。そして、各々の焦点位置においてずれ量OA'ｘｎ（ただし、ｎは焦点位置数で２〜１１）を得る。

次に、図１６（ｂ）に示すように、図１６（ａ）における基板６００を１８０°回転させてノッチＮを上向きにしてステージ上に置く。そして、各測定マーク１９、２０、２１、２２、２３につき図１６（ａ）と同一間隔でZ方向へ焦点位置を移動しながら測定を行う。すると、各測定マーク１９、２０、２１、２２、２３に対する各々の焦点位置においてずれ量OB'ｘｎ（ただし、ｎは焦点位置数で２〜１１を得る。図１７は図１３の測定マークX方向断面図を１８０°回転させた図であり、このようにノッチＮを回転した場合に対応する。

そして最後に、ＴＩＳ（Ｔｏｏｌ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｈｉｆｔ）と呼ばれる（ＯＡ’ｘ＋ＯＢ’ｘ）／２を、ＯＡ’ｘ及びＯＢ’ｘを方向性を持ったベクトル量として算出する。この値は光学系の影響による光軸ずれを起因とするずれ量の誤差成分である。すなわち各測定マーク１９、２０、２１、２２、２３の各焦点位置毎に得るＴＩＳを各測定マークに関して平均して基板６００面内のＴＩＳ平均値とする。各焦点位置毎に基板６００面内のＴＩＳの平均値を算出する時、この基板６００面内のＴＩＳの平均値が最小となる焦点位置はずれ量測定時の最適な焦点位置である。

ここで図１３で示すずれ量ＯＡ’ｘが最適焦点位置のずれ量であったと仮定すると、ずれ量ＯＡ’ｘから、最適焦点位置での基板６００面内ＴＩＳの平均値を減ずる。これにより、ずれ量ＯＡ’ｘを測定光が半導体基板に対して垂直に入射した時のずれ量の真値ＯＡｘ（図１１）に限りなく近づけようとする技術が、下記の特許文献１に開示されている。
特開２００５−１５６４８７号公報

上述したように、ＴＩＳはずれ量測定の際、光学系の影響により生じる光軸ずれを起因とするずれ量の誤差成分である。上記従来技術は、ずれ量測定時の焦点位置の変動に対して基板面内のＴＩＳの平均値が変動する時、基板面内のＴＩＳの平均値が最小となる焦点位置をずれ量を測定する上で最適な焦点位置と決定する。そして、最適な焦点位置における基板面内のＴＩＳの平均値で、このずれ量を補正する。この手法は重ね合わせ測定精度を向上するための有効な手段の一つと言える。

しかし、この従来技術には次のような問題点がある。同一測定マークを少なくとも１０回以上測定することにより得る重ね合わせ測定ずれ量のバラツキを３σ（標準偏差σの３倍とする）で表すとする。これは重ね合わせ測定精度を評価する指標の一つである繰り返し測定再現性と呼ばれる数値である。ここで、ずれ量測定時の焦点位置変動に対して、この繰り返し測定再現性（３σ）の変動を確認すると、以下のようなことが分かる。

図１８（ａ）に示すグラフは、横軸にずれ量測定時の焦点位置をとり、縦軸に基板面内のＴＩＳの平均値をとっている。ここで、ＴＩＳの平均値として、基板表面に平行なＸ軸方向の基板面内ＴＩＳ平均値（菱形のドット）、基板表面に平行なＹ軸方向の基板面内ＴＩＳ平均値（四角形のドット）、及びＸ軸、Ｙ軸方向の基板面内ＴＩＳ平均値の二乗和平均平方根（三角形のドット）をプロットしている。

図１８（ｂ）に示すグラフは、横軸に重ね合わせずれ量測定時の焦点位置をとり、縦軸を上記の繰り返し測定再現性をとっている。そして、この繰り返し測定再現性として、Ｘ軸方向繰り返し測定再現性（菱形のドット）、Ｙ軸方向繰り返し測定再現性（四角形のドット）、及びＸ軸、Ｙ軸方向繰り返し測定再現性の二乗和平均平方根（三角形のドット）をプロットしている。

ここで、図１８（ａ）に示す、Ｘ、Ｙ方向ＴＩＳの平均値の二乗和平均平方根の値が最小となる破線２４で囲んだ焦点位置５を最適な焦点位置と決定したとする。すると、図１８（ｂ）に示すように、破線２５で囲んだ焦点位置５におけるＸ軸、Ｙ軸方向繰り返し測定再現性の二乗和平均平方根の値は最小とはなっていない。このように、上記従来技術の最適な焦点位置を決定する手法では、重ね合わせ測定精度を向上することは困難なのである。

このように、精度良く重ね合わせ測定を行うことができなければ、露光機へのずれ量補正フィードバックが適正に行われず、重ね合わせずれが生じ、これがフォトレジストパターン形成のやり直し再生率増加の原因となる。また、重ね合わせずれを正確に検出できずに次工程へ半導体基板が流出すれば、製品の品質低下を招く原因となり得る。

そこで、本発明では、重ね合わせずれ量測定において、測定マークに対する光学顕微鏡の焦点位置を最適に決定することが測定精度を左右する重要なパラメータの一つと考えた。そして、従来の基板面内のＴＩＳの平均値に重みを置かず、基板面内のＴＩＳの平均値以外の重ね合わせ測定精度に関わる指標も考慮し、総合的に最適な焦点位置を決定できる重ね合わせずれ量測定方法、及びそれを用いた半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、例えば、半導体製造プロセスにおけるフォトリソグラフィ工程の一つである重ね合わせずれ量測定において、光学系の影響により生じる光軸ずれを起因とする重ね合わせずれ量の誤差成分ＴＩＳの補正に関する。そして、ＴＩＳ及び重ね合わせずれ量測定時の焦点位置の決定手法に関して従来技術が有する上述の課題を解決するべく、本発明者は実験を通じて重ね合わせずれ量測定精度をより向上させる本発明を案出するに至った。

即ち、重ね合わせ測定精度を大きく左右する、測定マークに対する光学顕微鏡の焦点位置を決定する指標として、基板面内のTISの平均値に着目する従来の方法では、精度を評価する指標の一つである繰り返し測定再現性が最小となる焦点位置を捕らえることが不可能であることが判明した。故に、単一の評価指標のみによって重ね合わせ測定精度を向上することは非常に困難である。

本発明は基本的に、光学系の影響により光軸ずれが生じる際の重ね合わせずれ量測定において、測定マークに対する光学顕微鏡の最適な焦点位置を決定する手法を特徴とする。

第１の手法は、回路パターン間の重ね合わせずれ量を測定する測定マークにおいて、前工程で形成された主尺となる外側ボックスマークのエッジと、現在の工程で形成される副尺となる内側ボックスのエッジ間の間隔を、走査型電子顕微鏡を用いて測長する。この算出された重ね合わせずれ量と、同一の測定マークに対して、重ね合わせ測定器においては測定マークに対する光学顕微鏡の焦点位置を移動させながら測定を行い、得られる重ね合わせずれ量との焦点位置毎に算出される相関係数を、最適な焦点位置を決定する指標として用いる。そして、相関係数を用いて決定した最適な焦点位置における基板面内のＴＩＳの平均値を個々の重ね合わせずれ量に対して補正を行うことを特徴とする。

第２の手法は、光学系の影響による光軸ずれを起因とする重ね合わせずれ量の誤差成分であるＴＩＳの基板面内のバラツキを３σ（標準偏差の３倍）で表し、基板面内のＴＩＳの３σを測定マークに対する光学顕微鏡の最適な焦点位置決定指標として用いる。そして、その規格値を測定器自体が有する実力値よりも厳しく設定し、規格を満たす焦点位置の範囲内において基板面内のＴＩＳの３σが最小となる焦点位置を最適な焦点位置と決定する。これにより、その最適焦点位置における基板面内のＴＩＳの平均値を個々の重ね合わせずれ量に対して補正を行うことができる。

第３の手法は、同一の測定マークについて複数回、重ね合わせずれ量測定を行い、得られる重ね合わせずれ量のバラツキを３σ（標準偏差の３倍とする）で表す。これは、重ね合わせ測定精度を評価する指標の一つである繰り返し測定再現性とよばれ、これを測定マークに対する光学顕微鏡の最適な焦点位置決定指標として用いる。そして、その規格値を、測定器自体が有する繰り返し測定再現性の実力値よりも厳しく設定し、規格を満たす焦点位置の範囲内において、繰り返し測定再現性が最小となる焦点位置を最適な焦点位置と決定する。これにより、その最適焦点位置における基板面内のTISの平均値を個々の重ね合わせずれ量に対して補正を行うことができる。

第４の手法は、請求項１に記載の相関係数、請求項２に記載の基板面内のTISの３σ、及び請求項３に記載の繰り返し測定再現性の全てを考慮し、（焦点位置決定値）＝−（相関係数）＋（基板面内TISバラツキ）＋（繰り返し測定再現性）と、上記焦点位置決定値を定義する。この焦点位置決定値を測定マークに対する光学顕微鏡の最適な焦点位置決定指標として用いる。この焦点位置決定値が最小となる焦点位置を最適な焦点位置と決定し、その最適焦点位置における基板面内のTISの平均値を個々の重ね合わせずれ量に対して補正を行う。

第５の手法は、重ね合わせ測定精度向上方法であって、前工程において外側ボックスマーク形成時に、その工程における最小寸法管理パターン以上のライン幅とする２本の棒状パターンを十分な間隔を置いて配置する。これらをＸ、Ｙ方向の重ね合わせずれ量測定に
対応するように垂直方向、水平方向に２組形成し、現在の工程において内側ボックスマーク形成時には、ライン幅をその工程における最小寸法管理パターン幅以上とする。ここで、棒の長さは先に形成した２本の棒状パターンよりやや長い１本の棒状パターンを、垂直方向、水平方向の各々の２本の棒状パターンの中央となるよう配置形成する。そして、重ね合わせずれ量を測定する際には、ラインとラインの間隔を、走査型電子顕微鏡にて高倍率でより精度良く測長することにより、重ね合わせずれ量を算出することができる専用の測定パターンを有することを特徴とする。

以上説明したように、本発明では、光学系の影響により光軸ずれが生じる場合、上述の相関係数、基板面内のＴＩＳの３σ及び繰り返し測定再現性を、測定マークに対する光学顕微鏡の最適な焦点位置決定指標として用いる。これにより、最適な焦点位置を決定し、その最適な焦点位置における基板面内のTISの平均値を個々の重ね合わせずれ量に対して補正を行うことで、精度良く重ね合わせずれ量測定を行うことが可能である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図４は本発明において使用する重ね合わせずれ量測定マーク（以下、単に、「測定マーク」とする）を示す平面図である。重ね合わせずれ量（以下、「ずれ量」と略す）の測定を行う際に主尺となる外側ボックスマークは、半導体基板上に既に形成されている。また、副尺となる内側ボックスマークは、外側ボックスマークの形成後その上層にフォトレジストで形成されており、例えば図８から図１０と同様な構造を有する。

本発明によるずれ量測定方法を説明すると、まず一例として少なくとも半導体基板面内２０箇所以上に形成されている測定マークに対して、走査型電子顕微鏡を用いて図４に示す外側ボックスマークの左側エッジ１０１と内側ボックスマークの左側エッジ１０５の間隔を測長し間隔ａを得る。

一般に走査型電子顕微鏡による測長はきわめて精度が高いが、この走査型顕微鏡のみを用いた測長では、測長に多大な時間を要する。そこで、この走査型電子顕微鏡によるずれ量と、光学顕微鏡を用いた重ね合わせ精度測定システム（以下「システム」と略す）で測定したずれ量との相関を求めておき、実際の測定にはシステムを用いようというのが本実施形態の狙いである。

さて、同様に走査型電子顕微鏡を用いて、図４に示す外側ボックスマークの右側エッジ１０２と内側ボックスマークの右側エッジ１０６の間隔ｂを得る。また、外側ボックスマークの下側エッジ１０３と内側ボックスマークの下側エッジ１０７の間隔ｃを得る。さらに、外側ボックスマークの上側エッジ１０４と内側ボックスマークの上側エッジ１０８の間隔ｄを得る。

図４に示す外側ボックスマークの中心を原点ＯとするＸ、Ｙ直行座標系を基準として内側ボックスマークの中心位置をＦとする。このとき、ベクトルＯＦのX成分がX方向ずれ量であり、Ｙ成分がＹ方向ずれ量として測定される。走査型電子顕微鏡で測長して得た各間隔ａ、ｂ、ｃ、ｄとＸ、Ｙ方向ずれ量は、下記の数式１に示す関係で表すことができる。

次に、走査型電子顕微鏡を用いて得たＸ、Ｙ方向ずれ量と、システムでの測定により得たX軸、Ｙ軸方向重ね合わせずれ量との相関係数Ｒを算出する。この相関係数Ｒは例えば以下に示す数式２、３を用いて具体的に算出することができる。

まず、走査型電子顕微鏡のｎ回目の測長で得られた（Ｘ、Ｙ方向）ずれ量をＳｎとする。ただしｎは、１つの半導体基板内の測定マーク数である。そしてこの平均値をＳａとする。次に、システムによるｎ回目の測定で得られた（Ｘ、Ｙ方向）ずれ量をＶｎとし、同様にこの平均値をＶａとする。そして、次の量を導入する。

すると、上記相関係数Ｒは

として求められる。

図３（ａ）は横軸にシステムの光学顕微鏡の焦点位置（Ｚ方向の位置）、縦軸に各焦点位置において上に述べたようにして求めた相関係数を取ったグラフである。X軸方向の相関係数（菱形のドット）、Ｙ軸方向の相関係数（四角形のドット）、及びX軸方向とＹ軸方向相関係数を含めた二乗和平均平方根（三角形のドット）についてプロットしてある。この図３においてX軸、Ｙ軸方向相関係数の二乗和平均平方根に対して、統計的に相関が強いと判断できる０．７以上を規格値と設定し、X軸、Y軸方向相関係数の二乗和平均平方根が０．７以上となる焦点位置の範囲４を確定する。その範囲４内において、X、Y方向相関係数の二乗和平均平方根が最大となる破線５で囲んだ焦点位置８を、システムによる重ね合わせずれ量測定時の最適な焦点位置とする。

次に図３（ｂ）は図１８（ａ）と同様にして得られた半導体基板上２０カ所以上の測定マークに関するＸ軸方向及びＹ軸方向ＴＩＳ平均値とＸ軸、Ｙ軸方向の基板面内ＴＩＳ平均値の二乗和平均平方根の焦点位置依存性を示すグラフであり、図３（ａ）とともに予め作成されたものである。そしてこのグラフ上で破線６で囲まれ、ずれ量測定時の最適な焦点位置として決定した上記焦点位置８におけるＸ軸、Ｙ軸方向の基板面内のＴＩＳの平均
値を用いて、測定されたＸ軸方向、Ｙ軸方向重ね合わせずれ量それぞれを補正することにより最終的なずれ量を算出する。

図２は、同一測定マークを少なくとも１０回以上測定することによって算出した、繰り返し測定再現性の累積度数分布を示すグラフである。上記の通り、繰り返し測定再現性とは、ずれ量測定値のバラツキを３σで表した数値である。この例は半導体基板面内の少なくとも２００箇所以上の重ね合わせ測定マークに対して繰り返し測定再現性データを取得してプロットしている。曲線３ａは図１８（ａ）に関して説明した従来の方法により決定した焦点位置５における累積度数分布曲線、曲線３ｂは本実施形態により決定した焦点位置８における累積度数分布曲線を示す。このグラフから累積度数０．５に位置でこの実施の形態によって算出された重ね合わせずれ量に関する繰り返し測定再現性は従来法と比較して１．５倍以上向上し、高い重ね合わせ測定精度が得られることが解る。

半導体集積回路の製造工程では、ある特定のデバイス品種が初めて製造工程に投入される前に、予め図３（ａ）、（ｂ）の関係が作成される。そして、それに基づいてシステムにおいて最適焦点位置と最適焦点位置における基板面内のＴＩＳの平均値であるずれ量補正値が設定される。一旦これらが設定されれば、そのデバイス品種の特定の２つのフォトマスクレイヤ間の重ね合わせ測定に対しては固定して使用される。こうしてずれ量が求められると、次のロットの露光に際してそのずれ量を補正するように露光装置が調整され、露光処理されるのである。

（第２の実施形態）
図５は本発明の第２の実施形態によるずれ量測定マークを示す概要図であり、第１の実施の形態の図４のマークに代わって使用される。この測定マークは、第１の実施の形態で説明したものと同様の外側ボックスマーク、内側ボックスマークと、その近傍に形成され、既に述べたＸ軸方向及びＹ軸方向に平行なライン状の重ね合わせずれ量測定マーク７，８からなる。外側ボックスマーク１１０とライン状マーク１１１，１１２，１１３、１１４は半導体基板上の同一層で同時に形成され、内側ボックスマーク１２０とライン状マーク１２１、１２２は例えば同一のレジスト膜から同時に形成される。また、ライン状マークはマスク合わせ工程における要管理最小寸法以上のライン幅を持っている。ライン状マーク１２１、１２２の長さはライン状マーク１１１，１１２，１１３、１１４よりもやや長く、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の各々の２本のライン状マーク１１１，１１２，１１３、１１４の中央となるように配置される。なお、この図５では、これらライン状マークがずれ量を含んでいるのでずれたように表されているが、上記の中央という意味は、半導体基板上でマークパターンを設計する段階でのレイアウトを指している。

図３（ａ）の関係を作成する場合、走査型電子顕微鏡によるX軸方向ずれ量、Ｙ軸方向ずれ量の測定はライン状マーク７、８を用いて行い、光学顕微鏡を含むシステムによる重ね合わせずれ量の測定は内側及び外側ボックスマーク１１０、１２０を用いて行う点が第１の実施形態とは異なる点である。これ以外の重ね合わせずれ量補正に至る工程は同一である。走査型電子顕微鏡による重ね合わせずれ量測定にライン状マーク７、８を用いれば、マーク自体が要管理最小寸法に近い寸法を有しているので高倍率で測長することができる。このため、第１の実施形態のように寸法の大きいボックス型重ね合わせずれ量測定マークを直接走査型電子顕微鏡で測長するよりも、精度の良いずれ量測定を行うことができる。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向重ね合わせずれ量は

で算出することができる。

（第３の実施形態）
第１の実施形態では光学顕微鏡を含むシステムを用いて補正された重ね合わせずれ量を算出するための最適焦点位置及び補正量を求めることを目的として、図３（ａ）に示す相関関係を用いた。この相関関係は、走査型電子顕微鏡によるＸ、Ｙ軸方向ずれ量と、シス
テムによるX軸、Ｙ軸方向重ね合わせずれ量との相関関係であった。しかしながら別のパラメータを用いることも可能である。以下に本発明の第３の実施形態による補正されたずれ量算出方法について説明する。

図６はシステムの光学系の影響による光軸ずれを起因とする、ずれ量の誤差成分であるＴＩＳ値の半導体基板面内のバラツキである３σ（標準偏差σの３倍）と各焦点位置との関係を示すグラフである。ＴＩＳ値が半導体基板面内でばらつく要因は、既に説明したように半導体集積回路装置を形成している層間絶縁膜やフォトレジスト等の基板面内の膜厚バラツキによるところが大きいといえる。図６（ａ）にはＸ軸方向の基板面内ＴＩＳ３σ（菱形のドット）、Ｙ軸方向の基板面内ＴＩＳ３σ（四角形のドット）、及びＸ軸方向とＹ軸方向の基板面内ＴＩＳ３σの二乗和平均平方根（三角形のドット）をプロットしている。ＴＩＳ値の３σは半導体基板上の２０箇所以上に形成された図４，図５のような測定マークを利用して得た各箇所でのＴＩＳ値から計算することができる。

次にシステムの構造や機構に基づくＴＩＳ値のばらつき（３σ）の７０％以下、例えば具体的には２．８ｎｍ以下を規格値に設定し、図６（ａ）からその規格値範囲に入る焦点位置の範囲９を求める。次いでその範囲９内においてＸ軸、Ｙ軸方向の基板面内ＴＩＳ３σの二乗和平均平方根が最小となる破線１０で囲んだ焦点位置８を重ね合わせずれ量測定時の最適焦点位置として選択する。そして図６（ｂ）に示す基板面内ＴＩＳ平均値の焦点位置依存性から破線１１で囲んだ焦点位置８におけるＸ軸、Ｙ軸方向の基板面内ＴＩＳ平均値で、システムで測定し算出したＸ軸方向、Ｙ軸方向それぞれの重ね合わせずれ量を補正する。

本発明の第３の実施形態による方法を用いてずれ量を求めても、第１の実施形態と同様に、図２に示すような、ずれ量に関する繰り返し測定再現性の累積度数分布となる。従って、従来法によって求めた焦点位置においてずれ量を測定するよりも繰り返し測定再現性が１．５倍以上向上する。そして第１の実施形態と同じように算出された補正量を用いてずれ量を補正するように露光装置が調整され、次のロットの半導体基板が露光処理されるのである。

（第４の実施形態）
光学顕微鏡を含むシステムを用いて補正されたずれ量を算出するための最適焦点位置及びずれ量の補正量を求めるためには以下のようにしてもできる。以下、本発明の第４の実施形態による、精度のよいずれ量を算出できる最適焦点位置及び補正値の決定方法について説明する。図７（ａ）は既に説明している図１８（ｂ）と同様の図であって、測定マーク１個につき少なくとも１０回以上測定することにより得るずれ量のバラツキである繰返し測定再現性と、システムによる測定時の焦点位置との関係を示す図である。

まずこの図７（ａ）において、システムの構造や機構自体に基づくX軸、Ｙ軸方向繰り返し測定再現性の二乗和平均平方根値に関する実力値（実際に得られる二乗和平均平方根値の略最大値と考えてもよい）以下の規格値（例えば実力値の７０％以下、具体的には２．８ｎｍ以下）を設定する。次にこの規格値以下を満足する焦点位置の範囲１２を決定する。その範囲１２内においてX軸Y軸方向繰り返し測定再現性の二乗和平均平方根値が最小となるような、破線１３で囲んだ焦点位置８をずれ量測定時の最適焦点位置と決定する。そして複数の測定マークが形成されている半導体基板上の基板面内ＴＩＳ平均値と焦点位置との関係を示す図７（ｂ）において、破線１４で囲んだ焦点位置８におけるＸ軸及びＹ軸方向の基板面内のＴＩＳの平均値で各測定マークにて測定したＸ軸及びＹ軸方向ずれ量それぞれを補正することにより補正は終了する。

本発明の第４の実施形態による方法を用いて重ね合わせずれ量を求めても図２に示す、ずれ量に関する繰り返し測定再現性の累積度数分布となり、従来法によって求めた焦点位置においてずれ量を測定するよりも繰り返し測定再現性が１．５倍以上向上する。そして第１の実施形態と同じように算出された補正量を用いてずれ量を補正するように露光装置が調整され、次のロットの半導体基板が露光処理されるのである。

（第５の実施形態）
光学顕微鏡を含むシステムを用いて補正されたずれ量を算出するための最適焦点位置及びずれ量の補正量を求めるためには以下のようにしてもできる。以下、本発明の第５の実施形態による、精度のよいずれ量を算出できる最適焦点位置及び補正値の決定方法について説明する。図１は焦点位置決定値というパラメータとシステムの焦点位置との関係を示すグラフである。ここで焦点位置決定値は、先に説明した相関係数、基板面内ＴＩＳの３σ、繰り返し測定再現性の全てを考慮し、
焦点位置決定値＝−（相関係数＊）＋（基板面内ＴＩＳの３σ＊）＋（繰り返し測定再現性＊）と定義する。ここで
相関係数＊＝Ｘ軸方向及びＹ軸方向相関係数の二乗和平方平方根
基板面内ＴＩＳの３σ＝Ｘ軸方向及びＹ軸方向基板面内ＴＩＳの３σの二乗和平均平方根
繰り返し測定再現性＊＝Ｘ軸及びＹ軸方向繰り返し測定再現性の二乗和平均平方根
である。

まず、図１のようにシステムの各焦点位置について上式に基づき焦点位置決定値を算出し、焦点位置決定値と焦点位置との関係を求める。次にこの関係（図１）から焦点位置決定値が最小となる破線１で囲んだ焦点位置８を、ずれ量測定を行う場合の最適焦点位置と決定する。次に複数の測定マークが形成されている半導体基板上の基板面内ＴＩＳ平均値と焦点位置との関係を示す図１（ｂ）を参照する。そして、破線１で囲んだ焦点位置８におけるＸ軸及びＹ軸方向の基板面内のＴＩＳの平均値で半導体基板上の各測定マークにて測定したＸ軸及びＹ軸方向ずれ量それぞれを補正することにより、補正された高精度のずれ量を得る。

本発明の第５の実施形態による方法を用いてずれ量を求めても、図２に示すずれ量に関する繰り返し測定再現性の累積度数分布となり、従来法によって求めた焦点位置においてずれ量を測定するよりも繰り返し測定再現性が１．５倍以上向上する。そして第１の実施形態と同じように算出された補正重ね合わせ量を用いてずれ量を補正するように露光装置が調整され、次のロットの半導体基板が露光処理されるのである。

本発明は、重ね合わせずれ量測定を行う過程において、測定マークに対する光学顕微鏡の最適焦点位置を決定し、その焦点位置において、光軸ずれ起因の誤差成分ＴＩＳの基板面内平均値を個々の重ね合わせずれ量に対して補正を行う。これにより、重ね合わせ測定精度を向上する効果を有し、半導体デバイスの製造方法として有用である。

本発明の実施の形態５に基づく焦点位置決定方法を説明する図 本発明の実施の形態１、３、４、５による具体的な精度向上効果を説明する図 本発明の実施の形態１に基づく焦点位置決定方法を説明する図 本発明の実施の形態１に基づく重ね合わせずれ量測定を説明する図 本発明の実施の形態２に基づく重ね合わせずれ量測定マークを説明する図 本発明の実施の形態３に基づく焦点位置決定方法を説明する図 本発明の実施の形態４に基づく焦点位置決定方法を説明する図 従来の重ね合わせずれ量測定マークの断面図 従来の重ね合わせずれ量測定を説明する測定マークの平面図 従来の重ね合わせずれ量測定を説明する測定マークの平面図 従来の重ね合わせずれ量測定を説明する測定マークのX方向断面図 従来の重ね合わせずれ量測定を説明する測定マークのY方向断面図 従来の重ね合わせずれ量測定を説明する測定マークのX方向断面図 従来の重ね合わせずれ量測定を説明する測定マークのX方向断面図 従来の重ね合わせずれ量測定を説明する測定マークのX方向断面図 従来のＴＩＳ測定方法を説明する概略図 従来のＴＩＳ測定方法を説明する測定マークのX方向断面図 本発明が解決しようとする課題を説明する図

符号の説明

１ 焦点位置８とその決定値の値を示す
２ 焦点位置８とその基板面内のＴＩＳの平均値を示す
３ 繰り返し測定再現性が１．５倍以上向上することを示す
４ 規格によって限定された焦点位置の範囲
５ 焦点位置８とその相関係数の値を示す
６ 焦点位置８とその基板面内のＴＩＳの平均値を示す
７ 走査型電子顕微鏡で測長できるＸ方向重ね合わせ測定マーク
８ 走査型電子顕微鏡で測長できるＹ方向重ね合わせ測定マーク
９ 規格によって限定された焦点位置の範囲
１０ 焦点位置８とその基板面内のＴＩＳの３σの値を示す
１１ 焦点位置８とその基板面内のＴＩＳの平均値を示す
１２ 規格によって限定された焦点位置の範囲
１３ 焦点位置８とその繰り返し測定再現性の値を示す
１４ 焦点位置８とその基板面内のＴＩＳの平均値を示す
１５ ベクトルＯＡのＸ成分
１６ ベクトルＯＡのＹ成分
１７ 光学顕微鏡による観察位置から基板保持ステージまでの距離
１８ 光学顕微鏡による観察位置から基板保持ステージまでの距離
１９ 基板面内ポジション１の重ね合わせ測定マーク
２０ 基板面内ポジション２の重ね合わせ測定マーク
２１ 基板面内ポジション３の重ね合わせ測定マーク
２２ 基板面内ポジション４の重ね合わせ測定マーク
２３ 基板面内ポジション５の重ね合わせ測定マーク
２４ 焦点位置５とその基板面内のＴＩＳの平均値を示す
２５ 焦点位置５とその繰り返し測定再現性の値を示す
１０１ 外側ボックスマークの左側エッジ
１０２ 外側ボックスマークの右側エッジ
１０３ 外側ボックスマークの下側エッジ
１０４ 外側ボックスマークの上側エッジ
１０５ 内側ボックスマークの左側エッジ
１０６ 内側ボックスマークの右側エッジ
１０７ 内側ボックスマークの下側エッジ
１０８ 内側ボックスマークの上側エッジ
２０１ 半導体基板
２０２ ゲート酸化膜
２０３ 重ね合わせ測定マーク第一のパターン
２０４ 層間絶縁膜
２０５ 重ね合わせ測定マーク第２のパターン
３０１ 外側ボックスマークの左側エッジ
３０２ 外側ボックスマークの右側エッジ
３０３ 外側ボックスマークの下側エッジ
３０４ 外側ボックスマークの上側エッジ
３０５ 内側ボックスマークの左側エッジ
３０６ 内側ボックスマークの右側エッジ
３０７ 内側ボックスマークの下側エッジ
３０８ 内側ボックスマークの上側エッジ
４０１ 重ね合わせ測定マークのＸ方向断面図における第一のパターンの左側壁
４０２ 重ね合わせ測定マークのＸ方向断面図における第一のパターンの右側壁
４０３ 重ね合わせ測定マークのＹ方向断面図における第一のパターンの左側壁
４０４ 重ね合わせ測定マークのＹ方向断面図における第一のパターンの右側壁
４０５ 重ね合わせ測定マークのＸ方向断面図における第２のパターンの左側壁
４０６ 重ね合わせ測定マークのＸ方向断面図における第２のパターンの右側壁
４０７ 重ね合わせ測定マークのＹ方向断面図における第２のパターンの左側壁
４０８ 重ね合わせ測定マークのＹ方向断面図における第２のパターンの右側壁
５０１ 測定光
５０２ 重ね合わせ測定マークに対する垂線
Ｋ 外側ボックスマークの左側エッジと内側ボックスマークの左側エッジの間隔
Ｌ 外側ボックスマークの右側エッジと内側ボックスマークの右側エッジの間隔
Ｍ 外側ボックスマークの下側エッジと内側ボックスマークの下側エッジの間隔
Ｎ 外側ボックスマークの上側エッジと内側ボックスマークの上側エッジの間隔
ａ 外側ボックスマークの左側エッジと内側ボックスマークの左側エッジの間隔
ｂ 外側ボックスマークの右側エッジと内側ボックスマークの右側エッジの間隔
ｃ 外側ボックスマークの下側エッジと内側ボックスマークの下側エッジの間隔
ｄ 外側ボックスマークの上側エッジと内側ボックスマークの上側エッジの間隔
ｋ ラインとラインの間隔を示す（間隔Ｋに相当する）
ｌ ラインとラインの間隔を示す（間隔Ｌに相当する）
ｍ ラインとラインの間隔を示す（間隔Ｍに相当する）
ｎ ラインとラインの間隔を示す（間隔Ｎに相当する）

Claims (12)

1. 半導体基板上に形成された複数の第１の測定マークと、各該第１の測定マークに対応する第２の測定マークとの重ね合わせずれ量を、複数の焦点位置にて光学顕微鏡により測定する工程と、
   各上記焦点位置にて、ＴＩＳ（Ｔｏｏｌ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｈｉｆｔ）の上記半導体基板内の平均値を算出する工程と、
   上記平均値と所定の統計量とに基づいて、上記焦点位置の最適値を決定する工程と、
   上記最適値の焦点位置における上記平均値に基づいて、上記測定された重ね合わせずれ量を補正する工程と
   を備えることを特徴とする、重ね合わせずれ量の算出方法。
2. 上記重ね合わせずれ量を、複数の焦点位置にて走査型電子顕微鏡により測長する工程と、
   上記測長された重ね合わせずれ量と、上記測定された重ね合わせずれ量との相関係数を算出する工程とを備え、
   上記所定の統計量が上記相関係数である、請求項１に記載の重ね合わせずれ量の算出方法。
3. 各上記焦点位置にて、ＴＩＳの上記半導体基板内の標準偏差を算出する工程を備え、
   上記所定の統計量が上記標準偏差である、請求項１に記載の重ね合わせずれ量の算出方法。
4. 各上記焦点位置にて、同一の重ね合わせずれ量を複数回測定した場合の繰り返し測定再現性を算出する工程を備え、
   上記所定の統計量が上記繰り返し測定再現性である、請求項１に記載の重ね合わせずれ量の算出方法。
5. 上記重ね合わせずれ量を走査型電子顕微鏡により測長する工程と、
   各上記焦点位置にて、ＴＩＳの上記半導体基板内の平均値を算出する工程と、
   上記測長された重ね合わせずれ量と、上記測定された重ね合わせずれ量との相関係数を算出する工程と、
   各上記焦点位置にて、ＴＩＳの上記半導体基板内の標準偏差を算出する工程と、
   各上記焦点位置にて、同一の重ね合わせずれ量を複数回測定した場合の繰り返し測定再現性を算出する算出する工程とを備え、
   上記所定の統計量が、上記相関係数、標準偏差及び繰り返し測定再現性である、請求項１に記載の重ね合わせずれ量の算出方法。
6. 上記第１の測定マークと第２の測定マークとが、ともにボックス型測定マークの近傍に設けられたライン状マークである、請求項１又は２のいずれかに記載の重ね合わせずれ量の算出方法。
7. 半導体基板上に形成された複数の第１の測定マークと、各該第１の測定マークに対応する第２の測定マークとの重ね合わせずれ量を、複数の焦点位置にて光学顕微鏡により測定する工程と、
   各上記焦点位置にて、ＴＩＳ（Ｔｏｏｌ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｈｉｆｔ）の上記半導体基板内の平均値を算出する工程と、
   上記平均値と所定の統計量とに基づいて、上記焦点位置の最適値を決定する工程と、
   上記最適値の焦点位置における上記平均値に基づいて、上記測定された重ね合わせずれ量を補正する工程と、
   上記補正された重ね合わせずれ量に基づいて露光処理を行う工程と
   を備えることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
8. 上記重ね合わせずれ量を、複数の焦点位置にて走査型電子顕微鏡により測長する工程と、
   上記測長された重ね合わせずれ量と、上記測定された重ね合わせずれ量との相関係数を算出する工程とを備え、
   上記所定の統計量が上記相関係数である、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
9. 各上記焦点位置にて、ＴＩＳの上記半導体基板内の標準偏差を算出する工程を備え、
   上記所定の統計量が上記標準偏差である、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
10. 各上記焦点位置にて、同一の重ね合わせずれ量を複数回測定した場合の繰り返し測定再現性を算出する工程を備え、
    上記所定の統計量が上記繰り返し測定再現性である、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
11. 上記重ね合わせずれ量を走査型電子顕微鏡により測長する工程と、
    各上記焦点位置にて、ＴＩＳの上記半導体基板内の平均値を算出する工程と、
    上記測長された重ね合わせずれ量と、上記測定された重ね合わせずれ量との相関係数を算出する工程と、
    各上記焦点位置にて、ＴＩＳの上記半導体基板内の標準偏差を算出する工程と、
    各上記焦点位置にて、同一の重ね合わせずれ量を複数回測定した場合の繰り返し測定再現性を算出する算出する工程とを備え、
    上記所定の統計量が、上記相関係数、標準偏差及び繰り返し測定再現性である、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
12. 上記第１の測定マークと第２の測定マークとが、ともにボックス型測定マークの近傍に設けられたライン状マークである、請求項７又は８のいずれかに記載の重ね合わせずれ量の算出方法。

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