JP2012516043A - 集積回路フィールドの限界寸法またはオーバーレイのバラツキの算定 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体製造プロセスの複数のマスキング・レベルの間でマスク−ウエハ間の相関を取るための方法を提供する。
【解決手段】該方法は、２つ以上のパターニング・レイヤ上の、一セットの共通位置における、パターン整列、限界寸法、およびオーバーレイの測定に適した構造パターンを包含するコンパクトな標的を生成するステップと、機能回路構造パターンおよび機能回路構造パターンの間の位置にある該コンパクトな標的を包含する、少なくとも２つのマスクを生成するステップとを含む。該方法は、次いで、標的を測定するステップと、マスク間のオーバーレイのバラツキを算定するステップと、一つのマスクを使ってウエハ上に第一リソグラフィ・プロセシング・レイヤを造形・形成するステップと、別のマスクを使って、ウエハ上に第一レイヤに重ねて第二リソグラフィ・プロセシング・レイヤを造形・形成するステップとを含む。該方法は、ウエハ上の一つ以上のレイヤにおける標的を測定するステップと、マスクの測定値とウエハの測定値との相関をとって限界寸法およびオーバーレイのバラツキのマスク誘起成分とリソグラフィ誘起成分とを識別するステップとをさらに含む。
【選択図】図７

Description

本発明は、リソグラフィ・プロセスによる集積回路の製造に関し、具体的には、集積回路フィールドの限界寸法またはオーバーレイの、チップ・レベルおよびレイヤ内、並びにチップ・レベルおよびレイヤ間のバラツキを算定するための方法およびシステムに関する。

半導体集積回路の製造では、単一の半導体ウエハ上へのプロセス・レベルの逐次的パターニングが必要である。露光造形ツールで、ウエハの連続するレベル上にリソグラフィ手法によって複数の集積回路パターンまたはフィールドがプリントされる。これらのツールは、通常、ステップ・アンド・リピート・リソグラフィ露光造形またはステップ・アンド・スキャン・リソグラフィ露光造形を用いて異なったレベルのパターン形成をし、一つ以上の集積回路を包含するステッパ・フィールドの逐次的露光造形によってウエハの全面積にパターン形成がされる。通常、集積回路を生成するには、２０〜５０のレベルが必要である。場合によって、単一のレベルのパターン形成をするために複数のマスクが必要となる。

集積回路デバイスをうまく作製するには、マスク（レチクル）設定の位置合わせおよび次のマスク・レベルへのマスク・レベルのオーバーレイ整列の高精度で正確な測定が必要となる。現在の製造技術では、マスク位置合わせ測定とウエハ・レベルのオーバーレイ測定とに別々の方法を使っている。バー・イン・バー（ボックス・イン・ボックス）および格子標的の使用では、マスク位置合わせの情報は得られず、ウエハ・レベル上のオーバーレイの測定ができるだけである。現在の技術には、マスク・レチクルのフィールド周りへの配置に対するサイズ上の制約に起因する使用限界がある。また、これらの標的は、これらが機能チップ内にある形状パターンの密度から外れている場合、プロセス誘起のバラツキに大きく影響される。しかして、これらの標的は化学的機械的な平坦化、熱処理、リソグラフィ・イメージ処理による影響を受けやすい。

従って、本発明の目的は、チップのレベル内のオーバーレイ誤差の算定のための改良された標的および方法を提供することである。

よって、本発明の一つの態様は、半導体製造プロセスの複数のマスキング・レベルの間でマスク−ウエハ間の相関をとる方法を対象としている。該方法は、２つ以上のパターニング・レイヤ上の、一セットの共通位置における、パターン整列、限界寸法、およびオーバーレイの測定に適した構造パターンを包含するコンパクトな標的を生成するステップと、機能回路構造パターンおよび機能回路構造パターンの間の位置にある該コンパクトな標的を包含する少なくとも２つのマスクを生成するステップとを含む。該方法は、次いで、マスク上の標的を測定するステップと、マスクの間のオーバーレイのバラツキを算定するステップと、マスクの一つを使って、ウエハ上に第一リソグラフィ・プロセシング・レイヤを露光造形・形成するステップと、マスクの別のマスクを使って、ウエハ上に第一レイヤに重ねて第二リソグラフィ・プロセシング・レイヤを露光造形・形成するステップとを含む。該方法は、ウエハ上のレイヤの一つ以上における標的を測定するステップと、マスクの測定値とウエハの測定値との相関をとって、限界寸法およびオーバーレイのバラツキのマスク誘起成分とリソグラフィ誘起成分とを識別するステップとをさらに含む。

該方法は、望ましくは相関されたマスクおよびウエハの測定値を使ってマスクおよびウエハの作製プロセスを制御し、ウエハの限界寸法およびオーバーレイのバラツキを最小化するステップをさらに含む。

該コンパクトな標的は、望ましくはウエハ上に露光造形・生成されたとき光学顕微鏡で解像可能な第一セットの光学的標的構造（ｏｐｔｉｃａｌ ｔａｒｇｅｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）と、ウエハ上に露光造形・生成されたとき、光学顕微鏡では解像できないが、ＳＥＭまたはＡＦＭ顕微鏡によって解像可能な第二セットの小片状標的構造（ｃｈｉｐ−ｌｉｋｅ ｔａｒｇｅｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）とを含む。第一セットの光学的標的構造は、オーバーレイを測定するために使用でき、第二セットの小片状標的構造は、限界寸法を測定するために使うことができる。

第一セットの光学的標的構造には、マスクによってウエハ上に投影されたとき、相互に隣接する、マスク上のライン群を含めることができる。

また、第一セットの光学的標的構造には、直交格子の原点に中心を有し１８０°の対称性を持つサブパターンを有する、一つのマスク上の第一標的パターンと、該第一標的パターンと同じ位置に中心を有し、１８０°の対称性を持つサブパターンを有する、別のマスク上の第二標的パターンとを含めることができ、第二標的パターンのサブパターンは、第一標的パターンのサブパターンとは異なる位置に配置される。

また、第一セットの光学的標的構造は、一つのマスク上に、ピッチｐの直交格子の原点に中心を有する第一標的パターンを含めることができ、該第一標的パターンのサブパターンは、
（−Ｍ，Ｎ）ｐ、（Ｎ，Ｍ）ｐ、（Ｍ，−Ｎ）ｐ 、および（−Ｎ，−Ｍ）ｐ
の座標点を有し、
ＮおよびＭは整数であり、各第一標的サブパターンの第一標的パターンの中心からの距離ｒは、
ｒ＝ｐ√（Ｎ^２＋Ｍ^２）
の式で表され、別のマスク上の第二標的パターンは、第一標的パターンと同じ位置に中心を有し、第二標的パターンのサブパターンは、
（−Ｍ＋ｍ，Ｎ＋ｎ）ｐ、（Ｎ＋ｎ，Ｍ＋ｍ）ｐ、（Ｍ＋ｍ，−Ｎ＋ｎ）ｐ および（−Ｎ＋ｎ，−Ｍ＋ｍ）ｐ
の座標点を有し、ｎおよびｍは整数であり、
｜ｎ｜＋｜ｍ｜＝２ｉ
であり、ｉは整数である。

第二セットの小片状標的構造には、シャロー・トレンチ・アイソレーション構造、ゲート構造、コンタクト構造、および金属ライン構造など、機能回路構造中に非機能的構造を含めることができる。第二セットの小片状標的構造は、望ましくは、約２００ｎｍ以下のライン幅および間隔を有し、光学的構造近辺の低い密度から光学的構造から離れるほどより高い密度になる密度傾斜を有する。

標的サブパターンは、マスクおよびウエハ上のパターン固有の限界寸法の測定、マスク上のパターン整列の測定、およびウエハ上の２つ以上のレイヤの間のオーバーレイの測定を可能にする。これら標的は、製造されるチップの未使用部域内に配置するのに十分な小ささに、望ましくは一縁辺が１０μｍより小さいようにすべきである。

別の態様において、本発明は、半導体製造プロセスの複数のマスキング・レベルの間のマスク−ウエハ間の相関をとるための構造パターン、を有するマスクを対象とする。該マスクは、ウエハ上に作製されるチップに対応する領域中の、マスク上の機能回路構造パターンと、機能回路構造パターンの間の位置にある、マスク上の標的とを含む。構造パターンを包含する該標的は、ウエハ上の少なくとも一つのパターニング・レイヤ上の、一セットの共通位置における、パターン整列、限界寸法、およびオーバーレイの測定に適している。該標的構造は、ウエハ上に露光造形・生成されたとき光学顕微鏡で解像可能な第一セットの光学的標的構造と、ウエハ上に露光造形・生成されたとき光学顕微鏡では解像できないが、ＳＥＭまたはＡＦＭ顕微鏡によって解像可能な第二セットの小片状標的構造とを含む。

これら標的は、ウエハ上に作製されるチップに対応する領域内に配置され、製造されるチップの未使用部域内に配置するのに十分な小ささで、望ましくは一縁辺が１０μｍより小さい。光学的構造は、望ましくは、該標的の相向かい合う両側に配置され、小片状構造は、光学的構造の間の標的の相向かい合う両側に配置される。通常、第一セットの光学的標的構造はオーバーレイを測定するために用いられ、第二セットの小片状標的構造は、通常、限界寸法を測定するために用いられる。

第一セットの光学的標的構造には、マスク上のライン群を含めることができる。また、第一セットの光学的標的構造には、直交格子の原点に中心を有し１８０°の対象性を持つサブパターンを有する標的パターンを含めることができる。また、該第一セットの光学的標的構造には、ピッチｐの直交格子の原点に中心を有する標的パターンを含めることができ、第一標的パターンのサブパターンは、
（−Ｍ，Ｎ）ｐ、（Ｎ，Ｍ）ｐ、（Ｍ，−Ｎ）ｐ 、および（−Ｎ，−Ｍ）ｐ
の座標点を有し、ＮおよびＭは整数であり、各第一標的サブパターンの第一標的パターンの中心からの距離ｒは、
ｒ＝ｐ√（Ｎ^２＋Ｍ^２）
の式で表される。

第二セットの小片状標的構造は、望ましくは、シャロー・トレンチ・アイソレーション構造、ゲート構造、コンタクト構造、および金属ライン構造など、機能回路構造中の非機能的構造を含む。小片状標的構造は、望ましくは、約２００ｎｍ以下のライン幅および間隔を有し、光学的構造近辺の低い密度から光学的構造から離れるほどより高い密度になる密度傾斜を有する。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

本発明の標的中に用いられる、光学的構造中の花形（ｂｌｏｓｓｏｍ）サブパターンの一つの実施形態の単一のリソグラフィ・レベル上のレイアウトの上面図である。 本発明のある実施形態の標的に用いられる、図１に示された型の花形光学的構造の、連続するリソグラフィ・レベル１から６のレイアウトの上面図である。 本発明のある実施形態の標的に用いられる、マイクロ花形光学的構造の３つの異なるリソグラフィ・レベルからのレイアウトの上面図である。 本発明のある実施形態の標的に用いられる、ＳＴＩおよびゲート小片状構造の実施形態の上面図である。 光学的および小片状構造両方の組合せを用いた、本発明のある実施形態の好適な統合標的（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｔａｒｇｅｔ）の上面図である。 図５の標的の光学的構造の上面図である。 本発明のある実施形態による、マスクおよびウエハ・レイヤのパターン整列およびオーバーレイの誤差を算定する好適な方法のフロー・チャートである。 本発明のある実施形態の、４つの異なるマスクおよびリソグラフィ・レイヤのプロセシング後の積層された光学的構造の上面図である。 本発明のある実施形態の、２つの異なるマスクおよびリソグラフィ・レイヤのプロセシング後の積層された小片状構造の上面図である。 本発明による、半導体製造プロセスの複数のマスキング・レイヤの間の、マスク−ウエハ間の相関を算定するための好適な方法のフロー・チャートである。 リソグラフィ・プロセシングのレイヤとレベルとの関係の概略側面図である。 本発明のある実施形態の、リソグラフィ・プロセシングに用いられるマスクのチップ領域中および切り目領域中の統合標的配置の上面図である。

本発明の好適な実施形態を説明する中で、本明細書で図１〜１２の図面を参照するものとし、その中の同じ番号は、本発明の同様な特徴を表す。

本発明は、集積回路のリソグラフィ生成における、レチクルの限界寸法（ＣＤ：ｃｒｉｔｉｃａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）測定および位置合わせ測定の両方を、ウエハ・レベルまたはレイヤのオーバーレイの測定と組み合わせるための、標的および方法を提供する。本発明は、ウエハのレベルまたはレイヤのオーバーレイ測定およびレチクル位置合わせ測定の精度ある相関性を可能にし、フィールドを通したオーバーレイ測定の能力を大きく向上する。また、本発明は、ウエハ露光造形誘起のオーバーレイ誤差から、レチクル誘起のオーバーレイ成分を分離する方法も提供する。このことは、一回の露光造形で必要なピッチをプリントするため十分な解像度がないという理由で、マスクが第一組のラインをプリントした後移動して第二組のラインをプリントする、二重露光造形パターニングがしばしば用いられることをかんがみれば特に重要である。

本発明の統合標的には光学的構造および小片状構造の両方が組込まれている。光学的構造は、光学顕微鏡で見ることのできる相対的に低解像度で光学的に観察可能な標的構造である。小片状構造は、ウエハ上に形成されたチップ中の機能回路に見られるような回路デバイスおよびフィーチャの構成を模した相対的に高解像度の構造であるが、それらチップ回路の部分でなくチップのオペレーションに関しては無機能である。本発明において、光学的構造は、望ましくは、オーバーレイ（ＯＬ：ｏｖｅｒｌａｙ）およびパターン整列（ＰＰ：ｐａｔｔｅｒｎ ｐｌａｃｅｍｅｎｔ）の測定のため用いられる。本発明において、小片状構造は、望ましくは、主としてＣＤの測定に用いられるが、オーバーレイの測定のためにもある程度用いることができる。

本発明では、統合標的を、切り目部域（ｋｅｒｆ ｒｅｇｉｏｎｓ）などマスク上のチップ設計に利用されていない部域およびチップ部域の未使用域中に配置する。異なったマスクおよびレベルの標的構造は、共通の位置に積み重ねられる。該標的構造を用いて、パターン整列測定とウエハのオーバーレイ測定との相関をとり、マスクＣＤ測定とウエハＣＤ測定との相関をとって、限界寸法およびオーバーレイのバラツキの一切のマスク成分を算定し、これらのリソグラフィ・プロセス誘起の偏差を算定することができる。最終的目的は、異なるプロセス・レベルおよびレイヤの間の、ウエハの限界寸法およびオーバーレイのバラツキを最小化することである。

光学的標的の一つの型に、米国特許第７４７４４０号および７４７３５０２で開示された花形標的があり、これら特許の開示は参照により本明細書に組込まれる。該花形標的システムは、複数のサブパターンまたは花弁（ｐｅｔａｌｓ）を、共通の中心の周りに一定の径方向距離で、サブパターンが標的パターンの中心の周りに対称になるように、望ましくは幾何的形状の角を、さらに望ましくは正方形を形作るように配置する。他の幾何的形状を用い、サブパターンを該形状の角に配置することもできる。サブパターンは、十字形、円形、正方形、方形格子、および類似の形など、Ｘ−Ｙ軸周りに対称な任意の形体または形体の組合せとすることができる。サブパターンの選択肢の中で十字が最も単純である。各サブパターンまたは花弁は一意的なｘ−ｙ位置を有する。各花弁またはサブパターンの対称性の中心は、光学顕微鏡で測定することができるが、より高解像度の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）および原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を用いることもできる。

図１に示されるように、花形標的の花弁の一つのグループ２０が、リソグラフィ・レベル２２上に示されている。標的パターン・グループ２０は、ピッチｐの正直交格子の上に重畳された正方形を形成している。サブパターン花弁２４は、標的の中心（０，０）周りに対称に配置された十字形群から成り、この図では正方形の角に示されている。サブパターン花弁十字を構成する線分の長さは、寸法Ｄとして示されている。正方形の中心からの各花弁のｘ−ｙ位置は、ｐの整数（Ｎ，Ｍ）倍数である。これら花弁の中心は、標的グループの中心から次式の半径ｒの距離に配置されており、
ｒ＝ｐ√（Ｎ^２＋Ｍ^２）である。

花弁の各グループは異なるリソグラフィ・レベルまたはレイヤに対応している。標的グループは、集積回路の違った部分を包含する異なったリソグラフィ・レベルまたはレイヤの各々の上に生成されるので、望ましくは、（Ｎ，Ｍ）の値は整数（ｎ，ｍ）ずつ増分される。本明細書での使用において、リソグラフィ・レベルという用語は、ウエハの垂直断面に見られる物理的レベルをいう。レイヤという用語は、リソグラフィ・プロセシング過程における異なったマスクによる露光造形をいう。あるレベルを生成するため一つだけのマスク露光造形レベルが必要であれば、そのリソグラフィ・レベルは一つだけのレイヤを有し得る。他方、各リソグラフィ・レベル上に回路イメージを生成するためには、複数のマスク露光造形またはレイヤが必要となるのが一般的である。この花形標的システムにおいて、各レベルまたはレイヤは、一意的な（Ｎ，Ｍ）値に対応する。各レベルまたはレイヤにおいて、花弁グループの径方向対称性が維持される。花弁の半径は、各リソグラフィ・レベルまたはレイヤに対し同一であっても異なっていてもよく、各レイヤ上の各グループの花弁の中心は、レイヤ上の該グループに対する一意的半径を定義する。増分の絶対値の和が偶数、すなわち、整数ｉに対し
｜ｎ｜＋｜ｍ｜＝２ｉ
であるとの制約条件の下で、複数のレイヤのサブパターンを重畳することにより、密集した対角配列の形で、標的のオーバーレイが顕示される。図２に示されるように、標的パターン・グループ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、および２０ｆが、それぞれリソグラフィ・レベル１、２、３、４、５、および６の上に形成されている。レベル１の標的グループは、レベル２〜６上のグループの積み重ね配列の中心にある単一のサブパターン花弁であり、前述のような正方形パターンに形成されている。個別の標的２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、および２０ｆは、レイヤが望ましく整列されたとき、これらの全てが同一の中心位置を有するように、それぞれのレイヤに配置される。標的の一部は、異なったレベルに配置する代わりに、同一のレベル上にリソグラフィ形成される異なるフィールド中に、異なったマスク・パターン・レイヤによって上重ねすることができる。標的パターン・グループ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、および２０ｅの各々は、前述したやり方で先行するグループから増分される。連続するリソグラフィ・レベルまたはレイヤが互いの上に形成された後、組み合わされた花形標的パターン配列３０に示されるように、標的パターン・グループ群も互いの上に積み重ねられている。十字形の寸法がＤ＜２ｐであることを条件として、これら十字サブパターンは上記配列の中でオーバーラップすることはない。

図１および２中の正方形標的グループの各々は、９０°の対称性を有する、すなわち、これらは、９０°回転されても不変である。９０°の対称性の代わりに、本発明の標的の光学的構造には、１８０°の対称性を有する花形標的グループを用いることができ、該花形標的はマイクロ花形標的としても知られる。図３のマイクロ花形標的３０ａに提示されているように、中央の十字花弁２４ａはレベル１にある一個のグループであり、また、花弁群２４ｂはレベル２上のグループであり、十字花弁群２４ｃはレベル３上のグループである。この図で、花弁２４ｂのグループは、正方形の相対向する角の組にあり、花弁２４ｃのグループは、同じ正方形の他の対向する角の組にある。このケースでは、花弁２４ｂ、２４ｃの半径は同じで、レベル２グループとレベル３グループとの間で増分を行う必要はない。花弁２４ｂおよび２４ｃのグループの各々は１８０°の対称性を有する、すなわち、これらは１８０°回転しても不変である。前述のように、マイクロ花形標的に対する花弁２４ａ、２４ｂ、および２４ｃのグループは、異なるレベルに配置する代わりに、同一リソグラフィ・レベル上の、一つ以上のマスクで生成された一つ以上のレイヤに置くことができる。

望ましいレベルまたはレイヤの整列の測定方法は、各花弁の中心を測定するステップと、次いでそれらサブパターンの中心を使って、各レベルまたはレイヤにおける花弁のグループの中心を算定するステップと、次に全グループの中心の間のｘおよびｙの対ごとの差異を測定して、リソグラフィ・レベルまたはレイヤ上の標的の間の整列誤差を算定するステップと、から成る。光学的標的は、これら花形標的の代わりに、もっと単純なラインおよび十字形など他の光学形状にすることができる。

本発明の標的中に用いられる望ましい小片状構造は、シャロー・トレンチ・アイソレーション構造（ＲＸ）、トランジスタ・ゲート（ＰＣ）、コンタクト（ＣＡ）、および金属ライン（Ｍ１）など、機能回路またはデバイス構造に似せたものである。図４は、これら小片状構造の例として、望ましいシャロー・トレンチ・アイソレーション構造４２およびゲート構造４４を示す。両構造は、所与の幅、典型的には限界寸法の、相隔たるラインを含む。図示の例において、Ａは、ＲＸシャロー・トレンチ・アイソレーション構造の丸で囲まれた領域中の、例えば８０ｎｍの公称線幅、および例えば９０ｎｍのライン間の公称間隔幅の測定を示し、Ｂは、ＰＣトランジスタ・ゲートの丸で囲まれた領域中の、例えば公称５２ｎｍの公称線幅、および例えば８８ｎｍのライン間の公称間隔幅の測定を示す。望ましい小片状コンタクト構造および金属構造も類似の構成およびサイズである。各小片状構造に対し、統合標的は、同じマスクおよびプロセス・レイヤ上に対応する光学的構造を包含する。

これら小片状構造の順序は、通常の基板工程（ＦＥＯＬ：ｆｒｏｎｔ ｅｎｄ ｏｆ ｌｉｎｅ）の異なるレベル上へのリソグラフィ・プロセスの順序付けを反映する。ウエハ上に露光造形・生成されるこれらの構造のサイズは、マスクまたはリソグラフィ・プロセシングあるいはその両方によるＣＤおよびオーバーレイの誤差を測定するために十分な小ささにすべきである。これらフィーチャの最小ライン幅寸法は、望ましくは約２０〜２００ｎｍの範囲にある。これらの構造は、一般に光学顕微鏡では観測できず、測定のためにはＳＥＭまたはＡＦＭなどより解像度の高い方法が必要となる。標的中のこれら小片状構造の最大密度は最小ピッチにより決まり、これは最小ライン幅寸法のおよそ２倍である。本発明の統合標的システムの好適な実施形態において、この密度は重要であり、小片状構造は、通常、標的の中心近辺の最小密度から、中心から離れた標的の縁端近辺の最高密度に至るまで概して増加する密度傾斜を有する。

望ましい統合標的６０が図５に示されており、該標的は、全ての所望レベルおよびレイヤに対し個別の光学的および小片状構造を組み合わせる。望ましくは、小片状構造は、標的の相対向する対角部の一組の四半分中の正方形のフィールド４０中および標的の中央部に配置され、光学的構造は、相対向する対角部の他方の組の四半分中の正方形のフィールド５０中、およびこれら四半分域およびフィールドの間の境界に配置される。該統合標的の好適な寸法は１０μｍより小さく、望ましくは２〜１０μｍ平方の範囲にあり、この図では約５．８μｍである。残りの好適な寸法も示されている。

中央の十字８０は、標的６０の４つの四半分の間の境界に沿った、水平方向のアーム８２ａ、８２ｃおよび垂直方向のアーム８２ｂ、８２ｄを含む、光学的構造である。アーム８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄの間の中央の部域は、低密度の小片状構造または他の標的構造を包含可能な正方形フィールド４０ａのため空けて残されている。光学的構造フィールド５０は、前述した花形標的またはマイクロ花形標的、あるいは、十字８４など他の光学的構造のいずれかを包含する。十字８４は、フィールド５０の外縁で終端する十字ライン８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４ｄの端部を有するように方向付けられる。後記でさらなる詳細を説明するように、光学的十字８０、８４自体はもとより光学的十字８０のエレメントを、交互のリソグラフィ・レベルに積み重ねて、２を上回るレベルのオーバーレイの計測を可能にすることができる。

小片状構造だけに、光学近接補正（ＯＰＣ：ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）が使われる。望ましくは、フィールド４０中の小片状構造の密度は、外縁に向かう対角線に沿って増大し、中央十字８０および十字群８４上の近接効果を最小化し、別の仕方で標的中の光学的構造への干渉を防止する。

マスク上の隣接する構造からの近接効果を最小化するため、標的６０の周辺部に緩衝域７０が設けられ、標的の顕微鏡測定中のパターン認識を可能にする。該緩衝域は、望ましい幅、図では約０．４μｍとして示されている、を有し、その中には標的または他のフィーチャはない。小片状フィールド４０および光学的構造フィールド５０の向かい合った四半分の位置は、オーバーレイ測定の計測法への一切の近接効果を除去するための対角および放射対称性を提供する。

図６は、ウエハのレベルのオーバーレイ測定のため用いられる、統合標的６０の光学的構造部分だけを示す。イメージを投影するため、Ｃ点を中心としてＸおよびＹ軸に沿って方向付けられ放射状に外側に延びるセグメント８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、および８２ｄで構成される十字８０を投影する第一マスクが生成される。対角的に向かい合った十字群８４を投影するために第二マスクが生成され、該マスクは、これら十字の外側端がフィールド５０の外縁で終端し、これらの中心の間をつなぐ線が第一マスクと同じ中心点Ｃを通過するように設計される。両方のマスクにおいて、小片状形体（図示せず）は、望ましくは他方の対角になったフィールド４０に、随意的には十字アームの間の中央に、生成される。

マスク作製制御での使用において、干渉ステージを用いるシステムによって、該２つのマスクのシミュレートされた露光造形が引き続いて行われる。この方法が図７に示されており、同図では、十字８０の露光造形が、レベル１（またはレイヤｎ）のマスクによってシミュレートされる１０２。同時に、フィールド４０中のＲＸ小片状構造（図示せず）も、該シミュレーションにおいて露光造形される。次いで、レベル２（レイヤｎ＋１）のマスクによって、対角的に向かい合うフィールド５０中の十字８４の対、および同時に、フィールド４０中のＰＣ小片状構造（図示せず）の露光造形がシミュレートされる１１２。次に、データ解析のため、レベル１マスクおよびレベル２マスクのパターン整列が測定され１０４、１１４、データ解析１０６では、一つのマスクのパターンを他方のマスクのパターンから差し引きする。レベル２マスクは、両十字８４の中心の間をつなぐ線８６が十字８０の同じ中心Ｃを通過するよう設計されているので、通過が起きなければ、どのようなパターン整列誤差でも気付くことになる。図６に示された例ではＸ方向のオーバーレイのずれが観測される。というのは、十字の終端８４ａ、８４ｃの右方へのずれによって、フィールド５０の外縁に接しておらず、中心をつなぐ結合線８６が中心Ｃを通過していないからである。ずれの程度は、フィールド外縁からの十字の終端のずれの程度、または線８６の交差点の中心点Ｃからの距離、あるいはこれらの両方によって算定することができる。同時に、ＣＤおよびパターン整列は、別途の従来の方法による、２つのマスク上およびその間の小片状構造パターンの測定によって算定が可能である。次いで、マスクの合否判定が行われ１０８、１１６、生産に投与される前に、マスクの一つまたは両方の、パターン整列およびＣＤ中のいかなる誤差も是正することができる。

ウエハ作製制御での使用において、十字８０およびフィールド４０中のＲＸ小片状構造（図示せず）は、レベル１のマスクによって露光造形され１１０（図７）、ウエハのレベル１のフォトレジスト・レイヤ上にプリントされ次いでエッチングされる。次のレベルに対し、レベル２のマスクが、フィールド４０中のＰＣ小片状構造（図示せず）とともに、対角的に向かい合うフィールド５０中の十字８４の対を露光造形し、このイメージが、ウエハのレベル２に対するフォトレジスト・レイヤ中にプリントされる。前述したのと同じ技法が用いられ、レベル１とレベル２との光学的構造および小片状構造の間のオーバーレイが算定される。また、各リソグラフィ・プリンティングおよびエッチングの後、小片状構造上のＣＤを測定することもできる。ウエハ・オーバーレイ解析１１８（図７）では、先に得られたマスク位置合わせデータに関して、レベル１とレベル２との間で標的の配列の比較を行う。かくして、プリンティングおよびエッチングの後、次のレベルまたはレイヤの生成の前に、各々のウエハ・レベル上のオーバーレイおよびＣＤにおけるいかなる誤差も是正することができる。

図８に、後続のマスク、およびウエハまたはレイヤの光学的構造に対するさらなる標的構成が示されている。次のリソグラフィ・レベル３に対する標的には、元となる十字８０に対応しているが、それぞれ、アーム８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、および８２ｄに平行でこれらの両側に隣接するアームの対、８３ａ、８３ｂ、８３ｃ、および８３ｄを有する光学的構造を含めることができる。十字アーム８３ａ〜ｄの中心は十字８０および８４の中心Ｃに合致する。ＣＡ小片状構造（図示せず）は、レベル３に対にする標的のためのフィールド４０の中に配置することができる。レベル４に対する標的では、十字アーム８５は、十字８４のアームの位置と平行にこれらの両側に隣接して配置され、Ｍ１小片状構造（図示せず）はフィールド４０の中に配置することができる。レベル３と４との標的に対する光学的および小片状構造を備えたマスクが生成される。レベル２および３用、次いでレベル３および４用のマスクに対するＣＤおよびパターン整列誤差の測定が既に図７に関連して説明したようにして行われる。マスクが是正され、または他のやり方で認容された後、ウエハ・レイヤは露光造形されプリントされエッチングされ、ウエハレベル２および３、次いでウエハ・レベル３および４に対し、ＣＤおよびオーバーレイの誤差が、既に図７に関連して説明したようにして測定される。

前述のように、図８に示された比較的大きな積み重ね十字構造８２ａ〜ｄ、８３ａ〜ｄ、８４、および８５の代わりに、それぞれ図２および３の分離型花形またはマイクロ花形標的を、本発明の、統合標的中の光学的構造として用いることができる。これら分離型花形標的は、一般に標的上により多くの面積を必要とするが、組み合わせ標的に、より多くのプロセシング・レイヤを表示するために使用することが可能である。十字構造の積み重ねは一般により小さな標的面積ですむが、表示可能なプロセシング・レイヤ数はより少ない。

図９は、レベル１およびレベル２それぞれに対する小片状構造ＲＸおよびＰＣのオーバーレイを示す。小片状構造ＲＸ４２（図４に別々に示す）は、光学的十字アーム８２ａ〜ｄ（図８）と同じマスクおよびレイヤ上にあり該アームと対応し、小片状構造ＰＣ４４（図４に別々に示す）は、光学的十字８４（図８）と同じマスクおよびレイヤ上にあり該十字に対応している。図示のオーバーレイは、図８に示された標的の右下四半分のフィールド４０に提示され、相応するが反対側のオーバーレイは、標的の左上四半分のフィールド４０に提示されることになろう。同様に、各フィールド４０の小片状構造ＣＡは、光学的十字アーム８３ａ〜ｄ（図８）と同じマスクおよびレイヤ上に該アームに対応して設けられ、小片状構造Ｍ１は、光学的十字アーム８５（図８）と同じマスクおよびレイヤに該アームに対応して設けられる。

図１０は、本発明による、半導体製造プロセスの複数のマスキング・レイヤの間のマスク−ウエハ間の相関を算定するための好適な方法２００を図示する。該方法は、まず、半導体製造プロセスで異なるレベルのため使われるマスクを作製する２０２。一例として２つのマスクＮおよびＭを使用するものとし、マスクＮ２０４は限界寸法ＣＤ_Ｎおよびパターン整列ＰＰ_Ｎを有し、マスクＭ２０６は、限界寸法ＣＤ_Ｍおよびパターン整列ＰＰ_Ｍを有する。次いで、光学的構造の干渉計測によって、パターン整列誤差が比較され２０８、差異が算定されて２１０マスクＭとＮとの間のマスク・オーバーレイ誤差ＭａｓｋＯＬ_ＭＮが得られる。また、小片状構造の限界寸法ＭａｓｋＣＤ_ＮおよびＭａｓｋＣＤ_Ｍの測定が行われる。次いで、２つのマスク・レベルは、露光・現像されプリントされ、機能チップ構造および本発明の統合標的のパターンが半導体ウエハ表面にリソグラフィで生成される。このリソグラフィ・プロセシングには、エッチング、金属および半導体の堆積、化学機械的平坦化（ＣＭＰ：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ）および熱処理、並びにリソグラフィ半導体プロセシングで使われる他の従来式プロセスを含めることができる。該方法は、リソグラフィによるレイヤの生成の後、小片状構造からウエハのレイヤＭの限界寸法ＷａｆｅｒＣＤ_ＭおよびウエハのレイヤＮの限界寸法ＷａｆｅｒＣＤ_Ｎを、光学的構造からレイヤＭとＮとの間のウエハ・オーバーレイ誤差ＷａｆｅｒＯＬ_ＭＮを、測定し算定する２１２。

ＷａｆｅｒＣＤ_ＮとＭａｓｋＣＤ_Ｎとの差を取って△ＣＤ_Ｎを得、ＷａｆｅｒＣＤ_ＭとＭａｓｋＣＤ_Ｍとの差を取って△ＣＤ_Ｍを得、ＷａｆｅｒＯＬ_ＭＮとＭａｓｋＯＬ_ＭＮとの差を取って△ＯＬ_ＭＮを得ることによって、リソグラフィ誘起の誤差が算定される２１４。これらのリソグラフィ誘起の偏差は、次に堆積されるレイヤに対するリソグラフィ・プロセスを算定し是正する２１８ためのフィードバックとして使われる。次いで、例えば、ＭａｓｋＣＤ_Ｍに対するＷａｆｅｒＣＤ_Ｍの偏差、ＭａｓｋＣＤ_Ｎに対するＷａｆｅｒＣＤ_Ｎの偏差、ＭａｓｋＯＬ_ＭＮに対するＷａｆｅｒＯＬ_ＭＮの偏差の相関をとるなど、ウエハとマスクとの間の限界寸法およびオーバーレイの誤差を比較することによって、マスク誘起の誤差が算定される２１６。次いで、これらウエハとマスク間の偏差は、次に堆積されるレイヤに対するマスク作製を算定し是正する２２０ためのフィードバックとして使われる。これらリソグラフィおよびウエハ−マスク間の偏差両方の算定は結果としてウエハの最適化２２２につながる。

光学的構造については、マスクによって生成される個別のレイヤ上の測定がリソグラフィ・プロセシングの任意の点で行うことができる。しかしながら、オーバーレイ測定に使われる小片状構造の場合、通常、これらの構造は、ＳＥＭまたはＡＦＭのような高解像度の計測ツールを用いて測定しなければならないことになり、これはエッチング後のプロセシング・ステップにおいてのみ使用可能なので、リソグラフィ・プロセシングのどの点でも測定が行えるわけではない。これらの高解像度ツールは、光学ツールが可能なようには、堆積されたレベルを貫いて観測することができず、従い、エッチング後ではサブストレート・レベルの是正をするのに手遅れなので有用性はより低い。他方、そうであっても、これら高解像度のツールは、光学的測定を、実際に作製された小片状構造のＳＥＭまたはＡＦＭによる測定に相関させることによって、マスク作製の是正手段を提供することができる２２６。

さらに、リソグラフィ誘起の偏差の評価２１４においては、ウエハの限界寸法およびオーバーレイの偏差を元となる回路設計と比較することができる。ＯＰＣ、補助構造など、マスク自体に用いられるさまざまな技法のため、マスク・パターンは、ウエハ上に露光造形・生成されたイメージとは似ていないことがあり得る。マスクが、実際にウエハ上にプリントされるものとは益々違ってきているので、これらのリソグラフィ誘起の偏差を使って、単にマスクを是正するのでなく、元の設計そのものを是正することができる２２４。

リソグラフィ・プロセシングにおけるレイヤとレベルの関係が図１１に示されている。各レベル１、２、３、４は、垂直断面に示される、ウエハの部分の区別された物理的厚さを表す。各レベルを生成するためには、各々がレイヤ設計を露光造形するための別々のマスクを使う、一つ以上のプロセシングまたはパターニング・レイヤが必要であり得る。図１１に示されるように、各レベルを生成するために、２つの別のマスクを使う２つのパターニング・レイヤが用いられている。レベル１（例、ＳＴＩレベル）の生成において、第一マスク１はレイヤ１を露光造形して構造ＲＸ１を生成する。必要なリソグラフィ・プロセシングの後、次いでマスク２がレイヤ２を露光造形して構造ＲＸ２を生成する。この過程で、本発明の標的および方法を使って、レイヤ１の標的に対するレイヤ２の標的のオーバーレイ誤差を測定することができる。リソグラフィ・プロセシングによって所望のレベル１が生成された後、レベル２（例、ゲート・レベル）に対するプロセシングが、構造ＰＣ１を生成するための異なるマスク１による該レベルのレイヤ１の露光造形およびプロセシングによって開始される。光学顕微鏡を用いる場合、異なるレベルおよびレイヤを貫通する観測が可能なので、レベル２上のレイヤ１の標的を、レベル１上のレイヤ２の標的またはレベル１上のレイヤ１の標的、あるいはレベル１上のレイヤ１およびレイヤ２の双方の標的と比較することができる。異なるマスク２を使ってレベル２上のレイヤ２を露光造形・プロセシングするとき、この新しいレイヤの標的は、先行するレイヤおよびレベルのいずれの標的とも比較できるので、オーバーレイの比較のための選択肢が増える。これらのオーバーレイの比較全てを実施する必要はないが、本発明はかかる比較を容易にする。

図１２は、切り目領域９４によって分けられたチップ領域９０を有するマルチ・チップ・マスクの露光造形フィールドを示しており、該切り目領域は、ウエハが完成したとき、チップが最終的に分離されるスクライブ・ラインに対応する。マスクのチップ領域は、ウエハ・サブストレート・レベル上に露光造形される特定のレイヤに対する機能回路およびデバイス（図示せず）の設計を包含する。切り目領域内はもとより、これら機能チップ構造内の未使用の領域にちりばめられて、本発明の統合標的６０が配置されている。標的のサイズが小さく、望ましくは１０μｍ平方より小さいので、本発明は、これら測定の全てに対し、非統合型の標的を使ってできるよりも高いサンプリング密度を可能にする。

しかして、本発明は、チップ・レベル内のオーバーレイ誤差の算定のための改良された標的および方法を提供し、該算定は、限界寸法およびオーバーレイのマスク−ウエハ間のバラツキの相関をとり、限界寸法およびオーバーレイのバラツキのマスク成分とウエハ成分との区別を可能にする。さらに、本発明は、ウエハ上の限界寸法およびオーバーレイのバラツキを最小化する目的を達成するため、マスクおよびウエハの位置合わせ、限界寸法を同一の物理的位置で測定するための、十分に小さいサイズの改良された標的を提供する。

本発明を、特定の好適な実施形態に関連させて具体的に説明してきたが、当業者には、前述の説明を踏まえた多くの代替案、修改案および変形案が自明であろうことは明らかである。従って、添付の請求項はかかる一切の代替案、修改案、および変形案を、本発明の範囲内に入るものとして包括することが意図されている。

Claims (25)

1. 半導体製造プロセスの複数のマスキング・レベルの間でマスク−ウエハ間の相関をとる方法であって、
   ２つ以上のパターニング・レイヤ上の、一セットの共通位置における、パターン整列、限界寸法、およびオーバーレイの測定に適した構造パターンを包含するコンパクトな標的を生成するステップと、
   機能回路構造パターンおよび前記機能回路構造パターンの間の位置にある前記コンパクトな標的を包含する少なくとも２つのマスクを生成するステップと、
   前記マスク上の前記標的を測定するステップと、
   前記マスクの間のオーバーレイのバラツキを算定するステップと、
   前記マスクの一つを使って、ウエハ上に第一リソグラフィ・プロセシング・レイヤを露光造形・生成するステップと、
   前記マスクの別のマスクを使って、前記ウエハ上に前記第一リソグラフィ・プロセシング・レイヤに重ねて第二リソグラフィ・プロセシング・レイヤを露光造形・生成するステップと、
   前記ウエハ上の前記レイヤの一つ以上における前記標的を測定するステップと、
   前記マスクの測定値とウエハの測定値との相関をとって、限界寸法およびオーバーレイのバラツキのマスク誘起成分とリソグラフィ誘起成分とを識別するステップと、
   を含む前記方法。
2. 前記相関されたマスクおよびウエハの測定値を使って前記マスクおよびウエハの作製プロセスを制御し、ウエハの限界寸法およびオーバーレイのバラツキを最小化するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記コンパクトな標的は、前記ウエハ上に露光造形・生成されたとき、光学顕微鏡で解像可能な第一セットの光学的標的構造と、前記ウエハ上に露光造形・生成されたとき、光学顕微鏡では解像できないが、ＳＥＭまたはＡＦＭ顕微鏡によって解像可能な第二セットの小片状標的構造とをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記第二セットの小片状標的構造は、前記機能回路構造中の非機能的構造を含み、前記小片状標的構造は、シャロー・トレンチ・アイソレーション構造、ゲート構造、コンタクト構造、および金属ライン構造から成る群から選択される、請求項３に記載の方法。
5. 前記第二セットの小片状標的構造は、２００ｎｍ以下のライン幅および間隔を有する、請求項３または請求項４に記載の方法。
6. 前記第二セットの小片状標的構造は、前記光学的標的構造の近辺の低い密度から前記光学的標的構造から離れるほどより高い密度になる密度傾斜を有する、請求項３〜５に記載の方法。
7. 前記第一セットの光学的標的構造は、前記マスクによって前記ウエハ上に投影されたとき、相互に隣接する、前記マスク上のライン群を含む、請求項３に記載の方法。
8. 前記第一セットの光学的標的構造はオーバーレイを測定するために使われ、前記第二セットの小片状標的構造は限界寸法を測定するために使われる、請求項３に記載の方法。
9. 前記第一セットの光学的標的構造は、一つのマスク上に、ピッチｐの直交格子の原点に中心を有する第一標的パターンを含み、前記第一標的パターンのサブパターンは、
   （−Ｍ，Ｎ）ｐ、（Ｎ，Ｍ）ｐ、（Ｍ，−Ｎ）ｐ、および（−Ｎ，−Ｍ）ｐ
   の座標点を有し、ＮおよびＭは整数であり、各第一標的サブパターンの前記第一標的パターンの中心からの距離ｒは、
   ｒ＝ｐ√（Ｎ^２＋Ｍ^２）
   の式で表され、別のマスク上の第二標的パターンは、前記第一標的パターンと同じ位置に中心を有し、前記第二標的パターンのサブパターンは、
   （−Ｍ＋ｍ，Ｎ＋ｎ）ｐ、（Ｎ＋ｎ，Ｍ＋ｍ）ｐ、（Ｍ＋ｍ，−Ｎ＋ｎ）ｐ および（−Ｎ＋ｎ，−Ｍ＋ｍ）ｐ
   の座標点を有し、ｎおよびｍは整数であり、
   ｜ｎ｜＋｜ｍ｜＝２ｉ
   であって、ｉは整数である、
   請求項３に記載の方法。
10. 前記第一セットの光学的標的構造は、直交格子の原点に中心を有し１８０°の対称性を持つサブパターンを有する、一つのマスク上の第一標的パターンと、前記第一標的パターンと同じ位置に中心を有し１８０°の対称性を持つサブパターンを有する、別のマスク上の第二標的パターンとを含み、前記第二標的パターンの前記サブパターンは前記第一標的パターンの前記サブパターンとは異なる位置に配置される、請求項３に記載の方法。
11. 前記標的のサブパターンが、前記マスクおよびウエハ上のパターン固有の限界寸法の測定、前記マスク上のパターン整列の測定、および前記ウエハ上の２つ以上のレイヤの間のオーバーレイの測定を可能にする、請求項１に記載の方法。
12. 前記標的は、前記製造されるチップの未使用部域内に配置するのに十分な小ささである、請求項１に記載の方法。
13. 前記標的は一縁辺が１０μｍより小さい、請求項１に記載の方法。
14. 半導体製造プロセスの複数のマスキング・レベルの間のマスク−ウエハ間の相関をとるための構造パターン、を有するマスクであって、前記マスクは、
    ウエハ上に作製されるチップに対応する領域中の、前記マスク上の機能回路構造パターンと、
    前記機能回路構造パターンの間の位置にある、前記マスク上の標的と、
    を含み、
    前記標的は、前記ウエハ上の少なくとも一つのパターニング・レイヤ上の、一セットの共通位置における、パターン整列、限界寸法、およびオーバーレイの測定に適した構造パターンを包含し、前記標的の構造は、前記ウエハ上に露光造形・生成されたとき光学顕微鏡で解像可能な第一セットの光学的標的構造と、前記ウエハ上に露光造形・生成されたとき光学顕微鏡では解像できないが、ＳＥＭまたはＡＦＭ顕微鏡によって解像可能な第二セットの小片状標的構造とを包含する、
    前記マスク。
15. 前記光学的標的構造は、前記標的の相向い合う両側に配置され、前記小片状標的構造は、前記光学的標的構造の間の、前記標的の相向かい合う両側に配置される、請求項１４に記載のマスク。
16. 前記第一セットの光学的標的構造は、前記マスク上のライン群を含む、請求項１４に記載のマスク。
17. 前記第一セットの光学的標的構造は、ピッチｐの直交格子の原点に中心を有する第一標的パターンを含み、前記第一標的パターンのサブパターンは、
    （−Ｍ，Ｎ）ｐ、（Ｎ，Ｍ）ｐ、（Ｍ，−Ｎ）ｐ、および（−Ｎ，−Ｍ）ｐ
    の座標点を有し、ＮおよびＭは整数であり、各第一標的サブパターンの前記第一標的パターンの中心からの距離ｒは、
    ｒ＝ｐ√（Ｎ^２＋Ｍ^２）
    の式で表される、
    請求項１４に記載のマスク。
18. 前記第一セットの光学的標的構造は、直交格子の原点に中心を有し１８０°の対称性を持つサブパターンを有する標的パターンを含む、請求項１４に記載のマスク。
19. 前記第二セットの小片状標的構造は、前記光学的標的構造の近辺の低い密度から前記光学的標的構造から離れるほどより高い密度になる密度傾斜を有する、請求項１４に記載のマスク。
20. 前記第二セットの小片状標的構造は、前記機能回路構造中の非機能的構造を含み、前記小片状標的構造は、シャロー・トレンチ・アイソレーション構造、ゲート構造、コンタクト構造、および金属ライン構造から成る群から選択される、請求項１４に記載のマスク。
21. 前記第二セットの小片状標的構造は、２００ｎｍ以下のライン幅および間隔を有する、請求項２０に記載のマスク。
22. 前記標的は、前記ウエハ上に作製されるチップに対応する領域内に配置される、請求項１４に記載のマスク。
23. 前記標的は一縁辺が１０μｍより小さい、請求項１４に記載のマスク。
24. 前記第一セットの光学的標的構造はオーバーレイを測定するために使われ、前記第二セットの小片状標的構造は限界寸法を測定するために使われる、請求項１４に記載のマスク。
25. 前記標的は、前記製造されるチップの未使用部域内に配置するのに十分な小ささである、請求項１４に記載のマスク。

Images