JP3745054B2

JP3745054B2 - 重ね合わせ精度測定用パターン及びこれを用いた半導体装置の製造方法

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Publication number: JP3745054B2
Application number: JP29468296A
Authority: JP
Inventors: 功侍小松; 明渡辺; 時男篠
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1996-11-07
Filing date: 1996-11-07
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2016-11-07
Also published as: JPH10144746A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置製造時のホトリソグラフィー工程で使用する縮小投影露光装置（以下、ステッパーと称する。）の露光位置精度を測定するための重ね合わせ精度測定用パターンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ステッパーを用いてマスク上のパターンをウェハ上に転写する場合、最初にマスク合わせを行い、すでにウェハ上に形成してあるパターン（以下、既存パターンと称する。）と、マスク上のパターンとの位置関係を合わせる。その後、マスク全体に光を照射してレジストを感光させる。
【０００３】
そして、マスク上のパターンを転写して形成したレジストパターンと既存パターンとの重ね合わせ精度（すなわちステッパーの露光位置精度）を、ウェハ上に特別に準備した重ね合わせ精度測定用パターン（オーバレイターゲットと称する場合もある。）を用いて測定する（文献１：「ＵＬＳＩリソグラフィー技術の革新，サイエンスフォーラム，ｐ３４９−３５５，１９９４」参照）。通常、重ね合わせ精度測定用パターンは、ウェハとかウェハ上に所要の膜が形成された構造体等のようないわゆる下地上の、半導体装置を形成する領域外の領域に各ショット（チップ）ごとに形成する。そして、この重ね合わせ精度測定用パターンは、基準ボックス（基準層ボックスまたは下層ボックスと称する場合もある。）と合わせボックス（合わせ層ボックスまたは上層ボックスと称する場合もある。）とから構成される。この基準ボックスはある回路パターンを形成する前に形成し、その後、この回路パターン形成のためのレジストパターン形成時に同時に合わせボックスを形成して、この重ね合わせ精度測定用パターンを形成する。
【０００４】
図８は、従来使用されている凸型の基準ボックス１０（図８（Ａ））及び凹型の基準ボックス１２（図８（Ｂ））の平面形状を示す概略的な平面図である。また、図９は従来使用されている凸型の合わせボックス１４（図９（Ａ））及び凹型の合わせボックス１６（図９（Ｂ））の平面形状を示す概略的な平面図である。なお、これら図８及び図９において、斜線（ハッチング）を付して示した部分が凸部１０，１２ｂ，１４ｂ，１６ｂ，１６ｃであり、このハッチングは断面を示しているのではない。また、凹部を１２ａ，１４ａ，１６ａで示している。
【０００５】
図１０は、図８の凸型及び凹型の基準ボックスと図９の凸型及び凹型の合わせボックスを組み合わせて下地１７上に設けた重ね合わせ精度測定用パターンの断面形状を示しており、図１０（Ａ）は凸型の基準ボックス１０と凸型の合わせボックス１４とから構成される重ね合わせ精度測定用パターンを示す概略的な断面図であり、図１０（Ｂ）は凸型の基準ボックス１０と凹型の合わせボックス１６とから構成される重ね合わせ精度測定用パターンを示す概略的な断面図であり、図１０（Ｃ）は凹型の基準ボックス１２と凸型の合わせボックス１４とから構成される重ね合わせ精度測定用パターンを示す概略的な断面図であり、図１０（Ｄ）は凹型の基準ボックス１２と凹型の合わせボックス１６とから構成される重合わせ精度測定用パターンを示す概略的な断面図である。ただし、図１０（Ａ）〜（Ｄ）には、基準ボックス１０，１２と合わせボックス１４，１６との間に中間膜１８が介在している場合について示している。
【０００６】
一般に、重ね合わせ精度を測定する場合、光学式画像処理方式の重ね合わせ測定装置を用いて重ね合わせ精度測定用パターンからの反射光の光強度プロファイルを測定する。そして、この光強度プロファイルから基準ボックスおよび合わせボックスそれぞれの左右のエッジ位置（凹凸の境界位置すなわち凹凸の段差部の位置）を検出する。エッジ位置を検出した後は、それをもとに基準ボックスの中心位置および合わせボックスの中心位置を算出する。そして、これら中心位置間のずれを重ね合わせ精度とする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の重ね合わせ精度測定用パターンを用いた場合、基準ボックスおよび合わせボックスの凹凸の段差部の形状のバラツキに起因してエッジ位置における光強度プロファイルが、例えば右のエッジと左のエッジとで対称とならない場合があり、さらには、基準ボックスおよび合わせボックスのエッジ位置における光強度プロファイルが各ショット（チップ）ごとに異なる場合がある。
【０００８】
このため、光強度プロファイルから検出されるエッジ位置の検出精度が低く、その結果、重ね合わせ精度の測定精度が低かった。
【０００９】
従って、精度良く重ね合わせ精度を測定することが可能な重ね合わせ精度測定用パターンの出現が望まれていた。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、下地上に形成された、基準パターンを有する第１層と、第１層上に形成された、合わせパターンを有する第２層とを備えた重ね合わせ精度測定用パターンに関する。
そして、基準パターンは、第１層内に形成された、１μｍ〜２μｍの幅を有する溝状パターンを含み、合わせパターンは、第２層内に形成された、１μｍ〜２μｍの幅を有する溝状パターンを含む。
【００１１】
重ね合わせ精度測定用パターンをこのような構造とした場合、測定用の光を操作してそれぞれのボックスに入射させたとき、スリット状の溝からの反射光の光強度プロファイルが恰も１つのエッジからの反射光の光強度プロファイルのようになるので、エッジ位置従って溝位置の検出精度が高くなる。その結果、基準ボックスの形成工程で形成された既存の回路パターンと合わせボックスの形成工程で形成されたレジストパターンとの重ね合わせ精度を精度良く測定することが可能になる。これは、スリット状の溝の位置からの反射光の光強度分布を観察すると、恰もこの溝自体がエッジであるかのように作用して、この光強度変化が急峻となるため、右のエッジ位置（溝位置）における光強度プロファイルと左のエッジ位置（溝位置）における光強度プロファイルが似てきて両者の非対称性が軽減され、さらにボックスのエッジ位置（溝位置）における光強度プロファイルの各ショット（チップ）ごとのばらつきが軽減されるためである。
加えて、第１の発明では、基準パターンおよび合わせパターンに設けられた溝状パターンの幅を１μｍ〜２μｍとしたので、基準パターンと合わせパターンとの重ね合わせ精度を測定する際の反射光の強度プロファイルに関する検出精度を非常に高くすることができる。
【００１２】
第２の発明に係る半導体装置の製造方法は、下地上に、回路パターン及び１μｍ〜２μｍの幅の溝状パターンを有する基準パターンを含んだ第１層を形成する工程と、第１層上に、回路パターン及び基準パターンを覆うように中間膜を形成する工程と、回路パターンと、中間膜に形成されたパターンとの間の重ね合わせ精度を測定するための、１μｍ〜２μｍの幅の溝状パターンを有する合わせパターンを含んだ第２層を中間膜上に形成する工程と、基準パターンと合わせパターンとの間で重ね合わせ精度を測定する工程とを有する。
【００１３】
第２の発明に係る半導体装置の製造方法によれば、第１の発明と同様の重ね合わせ精度測定用パターンを用いた重ね合わせ精度測定を、簡単な工程で安価に行なうことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明する。以下の説明に用いる各図において、各構成成分はこの発明が理解出来る程度にその形状、大きさ、および配置関係を概略的に示してあるにすぎない。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示してある。従って、この発明が以下に説明する実施の形態に限定されるものではないことは理解されたい。
【００１５】
図１および図２は、この実施の形態の重ね合わせ精度測定用パターンの説明に供する概略図である。図１（Ａ）はこの実施の形態の重ね合わせ精度測定用パターンの平面形状を示す概略的な平面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）中のＩ−Ｉ線に沿って切って取った断面形状を示す概略的な断面図（ただし切り口の図）であり、図２（Ａ）はこの実施の形態の重ね合わせ精度測定用パターンを構成する第１島状層領域の平面形状を示す概略的な平面図であり、図２（Ｂ）は、この実施の形態の重ね合わせ精度測定用パターンを構成する第２島状層領域の平面形状を示す概略的な平面図である。
【００１６】
図１（Ａ）および（Ｂ）に示すように、この実施の形態の重ね合わせ精度測定用パターンは、第１島状層領域２０と第２島状層領域２２とから構成される。
【００１７】
図１（Ａ）および（Ｂ）並びに図２（Ａ）に示すように、第１島状層領域２０は、フレーム型に形成されたスリット状の基準溝２４を具えた構造のものである。このスリット状の基準溝２４の溝幅は１〜２μｍであり、基準溝２４により形成されるフレームの形状は１辺が約１５μｍの正方形である。第１島状層領域２０は、下地２６上に設けられている。
【００１８】
図１（Ａ）および（Ｂ）並びに図２（Ｂ）に示すように、第２島状層領域２２は、フレーム型に形成されたスリット状の合わせ溝２８を具えた構造のものである。このスリット状の合わせ溝２８の溝幅は１〜２μｍであり、合わせ溝２８により形成されるフレームの形状は１辺が約３０μｍの正方形である。第２島状層領域は、第１島状層領域２０を覆う中間膜３０上に設けられている。
【００１９】
図１（Ａ）に示すように、これら第１島状層領域２０および第２島状層領域２２は、重ね合わせ精度測定用パターンを上から眺めたときにスリット状の基準溝２４により形成されるフレームの周囲をスリット状の合わせ溝２８により形成されるフレームが取り囲むように、配置されている。
【００２０】
なお、図１（Ａ）に示す重ね合わせ精度測定用パターンには、合わせ溝２８が形成される領域を除き、ハッチングを付して示している。また、図２（Ａ）に示す基準ボックスには、基準溝２４が形成される領域を除き、ハッチングを付して示している。また、図２（Ｂ）に示す合わせボックスには、合わせ溝２８が形成される領域を除き、ハッチングを付して示している。これらハッチングは断面を示しているのではない。
【００２１】
このような構造の、この実施の形態の重ね合わせ精度測定用パターンは、半導体装置を製造するために、絶縁膜、金属膜、レジスト膜などの膜を加工する際に、同時に形成される。例えば、第１島状層領域２０は、下地２６上に、ある回路パターンをエッチング技術を用いて形成する際に同時に形成される。また、第２島状層領域２２は、上述した回路パターン上に設けられた中間膜３０をエッチングするために用いるマスクとしてのレジストパターンをフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて形成する際に同時に形成される。
【００２２】
一般に、重ね合わせ精度を測定する場合、光学式画像処理方式の重ね合わせ測定装置を用いて重ね合わせ精度測定用パターンからの反射光の光強度プロファイルを測定する。その後、この光強度プロファイルから基準ボックスおよび合わせボックスそれぞれの左右のエッジ位置（凹凸の境界位置すなわち凹凸の段差部の位置）を検出する。エッジ位置を検出した後は、それをもとに基準ボックスの中心位置および合わせボックスの中心位置を算出する。そして、これら中心位置間のずれを重ね合わせ精度とする。
【００２３】
この実施の形態の重ね合わせ精度測定用パターンを用いて上述の方法により重ね合わせ精度を測定する場合、スリット状の基準溝２４および合わせ溝２８の位置からの反射光の光強度変化が急峻となるため、基準溝２４を基準ボックスのエッジとし、合わせ溝２８を合わせボックスのエッジとすると、それぞれのボックスの右のエッジ位置（溝位置）における光強度プロファイルと左のエッジ位置（溝位置）における光強度プロファイルが似てきて両者の非対称性が軽減され、さらにそれぞれのボックスのエッジ位置（溝位置）における光強度プロファイルの各ショット（チップ）ごとのばらつきが軽減される。このため、エッジ位置すなわち溝位置の検出精度が高くなり、その結果、基準ボックスの形成工程で形成された既存の回路パターンと合わせボックスの形成工程で形成されたレジストパターンとの重ね合わせ精度を精度良く測定することが可能となる。
【００２４】
次に、スリット状の溝の位置からの反射光の光強度変化と、従来使用されている凹型のボックスのエッジ位置（凹凸の境界位置すなわち凹凸の段差部の位置）からの反射光の光強度変化とを比較して説明する。
【００２５】
図３（Ａ）はスリット状の溝の位置からの反射光の光強度変化の測定に使用した重ね合わせ精度測定用パターンの平面形状を示す概略的な平面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）中のＩ−Ｉ線に沿って切って取った断面形状を示す概略的な断面図（ただし切り口の図）である。図３（Ａ）および（Ｂ）に示すように、測定に使用した重ね合わせ精度測定用パターンは、凸型の基準ボックス３２と、フレーム型に形成されたスリット状の合わせ溝を２つ具えた構造の合わせボックス３４（以下、一方の合わせ溝を内側合わせ溝３６ａと称し、他方の合わせ溝を外側合わせ溝３６ｂと称する。）とから構成されるものである。スリット状の内側合わせ溝３６ａおよび外側合わせ溝３６ｂの溝幅は約１〜２μｍである。基準ボックス３２は下地（図示せず）上に設けられており、合わせボックス３４は基準ボックス３２を覆う中間膜３８上に設けられている。そして、基準ボックス３２および合わせボックス３４は、重ね合わせ精度測定用パターンを上から眺めたときに基準ボックス３２の周囲をスリット状の内側合わせ溝３６ａにより形成されるフレームが取り囲み、さらに外側をスリット状の外側合わせ溝３６ｂにより形成されるフレームが取り囲むように、配置されている。ここで、基準ボックス３２は厚さ１５００Åのポリシリコン膜３２ｘとその上に設けられている厚さ１０００Åのタングステン（Ｗ）−シリコン（Ｓｉ）合金膜３２ｙとから成る。また、合わせボックス３４は厚さ１２０００Åのレジスト膜から成る。また、中間膜３８はＢＰＳＧおよびＮＳＧを用いて形成された厚さ１６０００Åの絶縁膜から成る。なお、図３（Ａ）に示す重ね合わせ精度測定用パターンには、内側合わせ溝３６ａおよび外側合わせ溝３６ｂが形成される領域を除きハッチングを付して示している。このハッチングは断面を示しているのではない。
【００２６】
また、図４はスリット状の溝の位置からの反射光の光強度変化の測定結果であり、図３（Ａ）中のＲで示す四角形の破線で囲んだ位置における光強度プロファイルと、Ｌで示す四角形の破線で囲んだ位置における光強度プロファイルとを図４中のＣの位置で合成して示している。図４中のＣの位置の右側に示す光強度プロファイルがＲ位置における光強度プロファイルであり、Ｃの位置の左側に示す光強度プロファイルがＬ位置における光強度プロファイルである。なお、図４において縦軸は光強度を示し、横軸は位置を示している。
【００２７】
また、図５（Ａ）は凹型のボックスのエッジ位置からの反射光の光強度変化の測定に使用した重ね合わせ精度測定用パターンの平面形状を示す概略的な平面図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）中のＩ−Ｉ線に沿って切って取った断面形状を示す概略的な断面図（ただし切り口の図）である。図５（Ａ）および（Ｂ）に示すように、測定に使用した重ね合わせ精度測定用パターンは、凸型の基準ボックス３２と、凹型の合わせボックス３４とから構成されるものである。凹部３４ａの幅は約１０μｍである。基準ボックス３２は下地（図示せず）上に設けられており、合わせボックス３４は基準ボックス３２を覆う中間膜３８上に設けられている。そして、基準ボックス３２および合わせボックス３４は、重ね合わせ精度測定用パターンを上から眺めたときに基準ボックス３２の周囲を合わせボックス３４の凹部３４ａが取り囲むように、配置されている。ここで、基準ボックス３２は、厚さ１５００Åのポリシリコン膜３２ｘとその上に設けられている厚さ１０００Åのタングステン（Ｗ）−シリコン（Ｓｉ）合金膜３２ｙとから成る。また、合わせボックス３４は厚さ１００００Åのレジスト膜から成る。また、中間膜３８は、ＢＰＳＧおよびＮＳＧを用いて形成された厚さ９０００Åの絶縁膜から成る。なお、図５（Ａ）に示す重ね合わせ精度測定用パターンには、凹部３４ａが形成される領域を除きハッチングを付して示している。このハッチングは断面を示しているのではない。
【００２８】
また、図６は凹型のボックスのエッジ位置からの反射光の光強度変化の測定結果であり、図５（Ａ）中のＲで示す四角形の破線で囲んだ位置における光強度プロファイルと、Ｌで示す四角形の破線で囲んだ位置における光強度プロファイルとを図中のＣの位置で合成して示している。図６中のＣの位置の右側に示す光強度プロファイルがＲ位置における光強度プロファイルであり、Ｃの位置の左側に示す光強度プロファイルがＬ位置における光強度プロファイルである。なお、図６において縦軸は光強度を示し、横軸は位置を示している。
【００２９】
図４に示す結果と図６に示す結果とを比較することにより、スリット状の溝の位置からの反射光の光強度変化が、凹型のボックスのエッジ位置からの反射光の光強度変化と比べて急峻であることが理解できる。また、スリット状の溝の位置からの反射光の光強度プロファイルが恰も１つのエッジからの反射光の光強度プロファイルのようになることが理解できる。
【００３０】
この発明は、上述した実施の形態に限定されるものではないことは明らかである。例えば、この実施の形態では、第１および第２島状層領域の双方をスリット状の溝を具えた構造のものとした場合について説明したが、いずれか一方だけスリット状の溝を具えた構造のものとした場合であっても良い。図７は、第１および第２島状層領域のいずれか一方だけスリット状の溝を具えた構造の重ね合わせ精度測定用パターン、すなわち下地４０上に設けたこの実施の形態の重ね合わせ精度測定用パターンの変形例の断面形状を示しており、図７（Ａ）は従来使用されている凸型の基準ボックス（第１島状層領域）１０とこの実施の形態で示した第２島状層領域２２とから構成される重ね合わせ精度測定用パターンを示す概略的な断面図であり、図７（Ｂ）は従来使用されている凹型の基準ボックス（第１島状層領域）１２とこの実施の形態で示した第２島状層領域２２とから構成される重ね合わせ精度測定用パターンを示す概略的な断面図であり、図７（Ｃ）はこの実施の形態の第１島状層領域２０と従来使用されている凸型の合わせボックス（第２島状層領域）１４とから構成される重ね合わせ精度測定用パターンを示す概略的な断面図であり、図７（Ｄ）はこの実施の形態の第１島状層領域２０と従来使用されている凹型の合わせボックス（第２島状層領域）１６とから構成される重ね合わせ精度測定用パターンを示す概略的な断面図である。ただし、図７（Ａ）〜（Ｄ）には、第１島状層領域と第２島状層領域との間に中間膜４２が介在している場合について示している。
【００３１】
【発明の効果】
上述した説明から明らかなように、この発明の重ね合わせ精度測定用パターンによれば、第１および第２島状層領域のいずれか一方または双方は、互いに離間した２箇所にスリット状の溝を具えており、これら溝の各々は、重ね合わせ精度測定のための入射光に対するこれら溝による反射光の光強度プロファイルが１つのエッジにより形成されるプロファイルと見做せる大きさの溝幅をそれぞれ有している構造のものとした。
【００３２】
重ね合わせ精度測定用パターンをこのような構造とした場合、スリット状の溝をボックスのエッジとして用いることにより、エッジ位置従って溝位置の検出精度が高くなり、その結果、基準ボックスの形成工程で形成された既存の回路パターンと合わせボックスの形成工程で形成されたレジストパターンとの重ね合わせ精度を精度良く測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は実施の形態の重ね合わせ精度測定用パターンを示す概略的な平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）中のＩ−Ｉ線に沿って切って取った概略的な断面図である。
【図２】（Ａ）は実施の形態の重ね合わせ精度測定用パターンを構成する基準ボックスを示す概略的な平面図であり、（Ｂ）は実施の形態の重ね合わせ精度測定用パターンを構成する合わせボックスを示す概略的な平面図である。
【図３】（Ａ）はスリット状の溝の位置からの反射光の光強度変化の測定に使用した重ね合わせ精度測定用パターンを示す概略的な平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）中のＩ−Ｉ線に沿って切って取った概略的な断面図である。
【図４】スリット状の溝の位置からの反射光の光強度変化の測定結果である。
【図５】（Ａ）は凹型のボックスのエッジ位置からの反射光の光強度変化の測定に使用した重ね合わせ精度測定用パターンを示す概略的な平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）中のＩ−Ｉ線に沿って切って取った概略的な断面図である。
【図６】凹型のボックスのエッジ位置からの反射光の光強度変化の測定結果である。
【図７】（Ａ）〜（Ｄ）は実施の形態の重ね合わせ精度測定用パターンの変形例を示す概略的な断面図である。
【図８】（Ａ）および（Ｂ）は従来使用されている基準ボックスを示す概略的な平面図である。
【図９】（Ａ）および（Ｂ）は従来使用されている合わせボックスを示す概略的な平面図である。
【図１０】（Ａ）〜（Ｄ）は従来の重ね合わせ精度測定用パターンを示す概略的な断面図である。
【符号の説明】
２０：第１島状層領域
２２：第２島状層領域
２４：基準溝
２６：下地
２８：合わせ溝
３０：中間膜

Claims

下地上に形成された、基準パターンを有する第１層と、前記第１層上に形成された、合わせパターンを有する第２層とを備えた重ね合わせ精度測定用パターンにおいて、
前記基準パターンは、前記第１層内に形成された、１μｍ〜２μｍの幅を有する溝状パターン含み、
前記合わせパターンは、前記第２層内に形成された、１μｍ〜２μｍの幅を有する溝状パターンを含むことを特徴とする重ね合わせ精度測定用パターン。
請求項１記載の重ね合わせ精度測定用パターンにおいて、
前記第２層は、中間膜を介して前記第１層上に形成されていることを特徴とする重ね合わせ精度測定用パターン。
請求項１記載の重ね合わせ精度測定用パターンにおいて、
前記基準パターンの前記溝状パターンは、矩形のフレーム状に形成されていることを特徴とする重ね合わせ精度測定用パターン。
請求項１記載の重ね合わせ精度測定用パターンにおいて、
前記合わせパターンの前記溝状パターンは、矩形のフレーム状に形成されていることを特徴とする重ね合わせ精度測定用パターン。
請求項４記載の重ね合わせ精度測定用パターンにおいて、
前記合わせパターンは、前記基準パターンの外周を囲むように形成されていることを特徴とする重ね合わせ精度測定用パターン。
下地上に、回路パターン及び１μｍ〜２μｍの幅の溝状パターンを有する基準パターンを含んだ第１層を形成する工程と、
前記第１層上に、前記回路パターン及び前記基準パターンを覆うように中間膜を形成する工程と、
前記回路パターンと、前記中間膜上の第２層に形成されたパターンとの間の重ね合わせ精度を測定するための、１μｍ〜２μｍの幅の溝状パターンを有する合わせパターンを含んだ前記第２層を前記中間膜上に形成する工程と、
前記基準パターンと前記合わせパターンとの間で重ね合わせ精度を測定する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項６記載の半導体装置の製造方法において、
前記基準パターンの前記溝状パターンは、矩形のフレーム状に形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項６記載の半導体装置の製造方法において、
前記合わせパターンの前記溝状パターンは、矩形のフレーム状に形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項８記載の半導体装置の製造方法において、
前記合わせパターンは、前記基準パターンの外周を囲むように形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項６〜９のいずれか一つに記載された半導体装置の製造方法において、
前記第２層はレジスト層であることを特徴とする半導体装置の製造方法。