JPH0348104A - 重ね合せ偏差測定方法およびその測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、半導体集積回路の製造装置において、ウェ
ハ上に形成されたマークとそのマークに重ね合わせて形
成されたマークとの重ね合わせ偏差を測定する方法およ
びその装置に関するものである。この装置は具体的には
ウェハ上に形成された基準マークと、そのマークに重ね
合わせて形成されたレジストマークとの重ね合わせ偏差
を測定するために用いられる。

［従来の技術］ 半導体集積回路では半導体基板上に複数のトランジスタ
やコンデンサ等の素子が形成され、それらが相互に接続
され、あるいは分離された構造をなしている。このよう
な構造を実現するために半導体集積回路製造工程では薄
膜堆積、リングラフィ、エツチング等を行って所望のパ
ターンをウェハ上に形成し、更にそのパターンに重ね合
わせて他の薄膜を堆積、加工し、層を積み重ねていく工
程が繰り返される。これらの一連の工程において所望の
薄膜等を所望の寸法に加工することは重要であるが、そ
れと同時に既に形成されている下層パターンに整合（ア
ライメント）させて上層のパターンを形成することが不
可欠となる。アライメント不良があるとＬＳＩの性能が
劣化し、製造歩留りが低下する恐れがある６例えば、ピ
アホールと金属配線にアライメント不良があると、導通
不良や、リーク電流の増大が生じる。

ＬＳＩパターンをレジスト上に形成するりソグラフィ技
術は、アライメントの成否を決定している。そのためウ
ェハ上のマークとレチクル上のマークとの重ね合わせを
高信頼度で行うための種々の方法が実現されている。

しかし、製造歩留りを確保するにはウェハ上での重ね合
わせ偏差を評価することが不可欠である。

もし、ウェハ上の基準マークに対してレジストマークが
ずれている場合には、ステッパのオフセット量を調節し
、リソグラフィ工程をやり直す必要がある。このため、
従来はウェハ上での重ね合わせｆ備差の測定には光学顕
微鏡、単一波長の走査型レーザ顕微鏡、走査型電子顕微
鏡が用いられ、ウェハ上に形成されている基準マークと
レジスト上のマークとのずれを測定していた。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながらこのような従来の方法ではレジスト膜が１
〜２１程度であるため、通常の光学顕微鏡ではレジスト
マークと基準マークの両方に同時に焦点を合わせること
が困難であること、単一波長のレーザ走査型顕微鏡では
光源としてレジストに対して光吸収率か低い波長を選択
すると、レジストマークの検出が困難となり、また光吸
収率が高い波長を選択するとレジストを通して基準マー
クの検出が困難となり重ね合わせの測定ができないこと
５走査型電子顕微鏡ではレジストを通して基準マークが
検出できず、また光学的な方法に比べて測定時間がかか
る等の課題がある。

［課題を解決するための手段］ このような課題を解決するために第１の発明は第２層に
吸収され易い波長の光を第２層表面に焦点を合わせた状
態でマークを走査して得られた第１の位置データと、第
２層を透過し易い波長の光を第１層表面に焦点を合わせ
た状態で走査して得られた第２の位置データに基づいて
第１層と第２層の相対位置を検出するものである。

第２の発明は第１層に吸収され易い第１の波長の光およ
び第２層を透過し易い第２の波長の光を発生する光発生
装置と、第２の波長の光を第１層の表面に焦点を合わせ
た状態でマークを走査して得られた反射光を検出する第
１の検出装置と、第１の波長の光を第２層の表面に焦点
を合わせた状態で前記走査箇所と同一箇所を走査して得
られた反射光を検出する第２の検出装置と、第１および
第２の検出装置より得られたデータから第１層と第２層
との相対位置を検出する偏差検出装置とを備えたもので
ある。

［作用］ レジストに吸収され易い波長の光によってレジスト層に
設けられたマークの位置情報が検出され、レジスト層を
透過し易い波長の光によってウェハ上のマークの位置情
報が検出される。これらの位置情報に基づいてウェハ層
とレジスト層との偏差が求められる。

［実施例］ 先ずこの発明に使用する光の波長選定方法について説明
する。第１図はレジストの光吸収率の波長依存特性測定
例を示す、Ｈ，Ｃｄレーザより射出する光の波長は３２
５　ｎｍで光吸収率が高く、Ａ、レーザより射出する光
の波長は４８８ｎ■でレジストの光吸収率は低い、した
がってＦ（、Ｃｄレーザより射出する光をレジストに照
射した場合、光はレジスト内での吸収が大きいため、レ
ジスト内を通過する光はレジスト内で吸収されてしまい
、レジスト表面で反射する光と干渉する問題が低減され
、レジスト表面の反射強度をＳ／Ｎ良く検出器に導くこ
とができる。またＡ、レーザより射出する光はレジスト
での吸収が少ないとともにレジスト内の透過性も良いの
で、光の大部分はレジストを透過して下層表面で反射す
るため、レジスト表面で反射する光はほとんど無いので
、やはり干渉の問題が低減され、下層表面の反射強度を
Ｓ／Ｎ良く検出器に導くことができる。

このためこの実施例では以下、上層のレジストマーク上
に結像させる光源としてＨ，Ｃｄレーザを、下層の基準
マーク上に結像させる光源をＡｒレーザを用いるとして
説明する。しかし、この例に限定されることなく、要は
一方はレジスト等の薄膜の光吸収率が高く、他方はレジ
ストでの吸収が低く、透過性の良いものを選択すれば良
い。

第２図（ａ）は下層３１および上層３２（この上層がレ
ジストになる）に形成された合わせマークの断面図であ
り、記号３３はＡ、レーザ、記号３４はＨｅＣｄレーザ
のビームを示している。また、必要に応じて下層３１の
マークを基準マークと称し、上層３２のマークをレジス
トマークと称する。第２図（Ｂ）は合わせマークの平面
図であり、−点鎖線は下層３１に設けた合わせマーク３
５、実線は上層３２に設けた合わせマーク３６、である
。合わせマーク３５は合わせマーク３６を取り囲み、合
わせマーク３６をの中心として合わせマーク３５の対称
点迄の距離は同一となっている。試料に照射した光を後
述の方法で走査して照射位置変化させたときに、マーク
部分で反射光の強度が変化することを利用して各合わせ
マークの位置を検出する。Ｈ，Ｃｄレーザビーム３４は
上層３２の表面に焦点を合わせる一方、Ａｒレーザビー
ム３３は下層３１の表面に焦点を合わせる。

第３図はその光学形および信号処理系の構成を示す。光
学系は本願の特徴である２つの波長の光を試料に照射す
るため、２つ別々の構成とし、ダイクロイックミラー６
と試料８までの部分を共用した光路構成となっている。

この光学系の大きな特徴として、２つの光をウェハ面内
の同一点に照射した状態で焦点位置が独立に調整できる
ように、リレーレンズ５．１５とダイクロイックミラー
６を使用している。そして、焦点位置を変化させるには
リレーレンズ５，１５の光路上の位置を調節し、光学系
は解像度を高めるために共焦点光学系を用いている。

Ｈ、Ｃｄレーザ光源ｌから射出した光は光アイソレータ
２．ピンホール３．ハーフミラ−４を通過後、リレーレ
ンズ５によって集束させられ、対物レンズ７の手前で結
像する。この結像点から対物レンズ７までの距離と対物
レンズ７の焦点距離によって、対物レンズ７から試料８
のレジストマーク（第２図の記号３６）上の焦点位置ま
での距離が決定する。そこで、リレーレンズ５の光軸上
の位置を変化させることにより、リレーレンズ５通過後
の結像点の位置を調節し、対物レンズ７から試料８上の
焦点位置までの距離を調節することができる。これによ
り、対物レンズ７の光軸上の位置を変化させることなく
、すなわちＡル−ザ光源１１の光学系の結像に影響を与
えることなく焦点位置を調節できる。同様に、Ａ、レー
ザ光源１１の光学系の焦点位置はリレーレンズ１５の光
路上の位置によって調節し、試料８の基準マーク（第２
図の記号３５）上に焦点を合わせる。

さて、光学系の構成を詳細に説明すると、先ずＨ−Ｃｄ
レーザ光源１より射出したレーザビームは光アイソレー
タ２．ピンホール３．ハーフミラ−４，リレーレンズ５
．を通過した後、ダイクロイックミラー６で反射され、
対物レンズ７を通過し、試料８に射出される。試料８か
ら反射した光は対物レンズ７を通過し、ダイクロイック
ミラー６で反射され、リレーレンズ５を通過し、ハーフ
ミラ−４によって反射されてピンホール９を通過し、受
光器１０に入射する。受光器１０は入射した光の強度に
比例した電気信号を出力する。光アイソレータ２は試料
７から反射した光がレーザ光源１に戻り、光源を発振波
長の変動などを起こさない目的で挿入しているが、ハー
フミラ−４を偏光ビームスプリッタに変更し、この偏光
ビームスプリッタとダイクロイックミラー６の間に１／
４波長板を挿入した光学系を用いることもできる。

一方、Ａ、レーザ光源１１より射出したレーザビームは
光アイソレータ１２．ピンホール１３゜ハーフミラ−１
４，リレーレンズ１５．ダイクロイックミラー６、対物
レンズ７を通過し、試料８に照射される。試料８から反
射した光は対物レンズ７、ダイクロイックミラー６、リ
レーレンズ１５を通過し、ハーフミラ−１４によって反
射されてピンホール１６を通過し、受光器１７に入射す
る。受光器１４に入射した光はその強度に比例した電気
信号を出力する。

各光学系の焦点を試料の各層表面に合わせるには、共焦
点光学系の特徴である焦点が合った状態で反射光が最も
多く受光器に入射し、焦点が少しでもずれた場合、反射
光は殆ど受光器に入射しないことを利用する。Ｈ−Ｃｄ
レーザ光源ｌの光学系では光路上でリレーレンズ５をダ
イクロイックミラー６に近づけた状態からハーフミラ−
４に近づける方向で移動させた場合に、受光器１０の出
力が最大になる位置でリレーレンズ５の位置を停止させ
ると、焦点が上層であるレジストマーク３６の表面位置
に合う、Ａｒレーザ光源１１の光学系では光路上でリレ
ーレンズ１５をダイクロイックミラー６に近づけた状態
からハーフミラ−１４に近づける方向で移動させた場合
に、受光器１７の出力が最大値となる位置でリレーレン
ズ１５の位置を停止させると、焦点が下層表面位置に合
う。

この場合、上層に焦点が合った場合にも受光器１７の出
力が大きくなるが、上層はＡ、レーザの光が透過し易い
ので上層表面からの反射は極めて小さく、上層表面から
の反射強度よりも下層表面からの反射強度の方が大きく
なるため、受光器出力の最大値となる位置で焦点が下層
に合う。

第４図は第２図に示した形状の重ね合わせマーク上で光
ビームを走査させたときに得られる反射信号強度と光ビ
ーム位置との関係を示している。

第４図（ａ＞はＨ−Ｃｄレーザ光源光学系の受光器出力
であり、これは試料８の上層に形成したレジストマーク
部分で反射強度の変化が大きく現れている。第４図（ｂ
）はＡ、レーザ光源光学系の受光器出力であり、これは
試料８の下層に形成したウェハマーク部分での反射強度
の変化が大きく現れる。

上下層の２つの重ね合わせマークの信号波形から両マー
クの相対位置を算出するに以下のように行う、予め２つ
の光ビームが同一点を走査するように標準試料を用いて
構成を行う、この構成は一度行っておけば良い、第５図
はこの状態を示しており、第５図（ａ）は標準試料の断
面形状であり、この試料上に各ビームの焦点を合わせた
状態を示す、第５図（ｂ）はＨ、Ｃｄレーザ光源光学系
を走査したときの受光器出力、第５図（ｃ）はＡ。

レーザ光源光学系を走査したときの受光器出力を示して
いる。ここで光ビームの走査方法は重ね合わせ測定時に
Ｈ，Ｃｄレーザの光ビームの焦点を上層表面位置に移動
させるため、焦点位置変化によって走査位置が変化しな
いように、光軸と垂直な平面で試料を移動して行う。得
られる信号波形は標準試料のマーク位置で光反射率が変
化することによるピークを生じる。信号波形の各々のピ
ークがその位置を表している。したがって走査軸上で各
々のピーク位置のずれｊｔＡがゼロとなるように光軸を
調整するか、または測定オフセット値としてオフセット
量Ａを記録しておく、実際の重ね合わせ測定においては
、第２図のような合わせマーク上で光ビームを走査し、
第４図（ａ）、（ｂ）に示された２種の電気信号波形は
Ａ／Ｄ変換器１８を介して計算機１９内に取り込まれる
。計算機１９内において２つの信号波形から第４図に示
すような光ビーム位置ａ、ｂ、ｃを算出する。さらに記
号すとＣの位置からその中央位置ｄを算出する。そして
記号ａとｄの位置の差Ｂを算出する。

この差が重ね合わせ偏差となる。また標準試料を用いた
校正時にオフセット値Ａを記録した場合には、記号ａと
ｄの位置からオフセット値Ａを差し引けば、重ね合わせ
偏差となる。計算機１９内で算出した重ね合わせ偏差の
計算結果は例えばプリンタ２０を用いて出力する。

以上の例は２つの光ビームの各々は焦点を合わせたレジ
ストマークおよび下層の基準マーク上を１ラインだけ走
査するのに対し、第６図の例では光ビームは試料面上を
複数ライン走査する他、各々のマークの上下に焦点を合
わせた測定を行い、測定精度の向上を図っている。この
例では先ず走査位置を第６図（ｂ）の記号Ｆ、の位置に
固定して、焦点の位置を第６図（ａ）の断面図中、のＳ
１□から８８４、Ｓｍ２からＳｅ２に変化させて走査を
繰り返し、５本の信号波形を得る０次に同様の走査を第
６図（ｂ）のＦｂからＦ６の走査位置に対して繰り返し
、同様な信号波形を得る０次に以上の走査で得られた２
５本の信号波形をウェハ面内の走査位置が同じもの、即
ち座標の同じものとおしを加え合わせたうえ平均化した
信号を得る。そしてこの信号波形を用いて前述と同様に
重ね合わせ偏差を求めると、マークの仕上げ精度に基づ
く誤差が吸収され、より正確な測定が行える。なお、試
料を走査する回数はこれに限定されない。

以上の例は２つの光ビームを常に同時に照射させたもの
に対して、第７図はチョッパ２１．２２を用いて各々の
光ビームをチョッピングすることにより受光器の反射光
強度検出時のＳ／Ｎ比を高め、重ね合わせ測定精度の向
上を図っている。このチョッパは互いに同期をとる必要
はなく、したがって２つの光ビームが同時に試料に照射
されな゛い場合もある。このようにして光を照射し、反
射光を受光器に導く、そして受光器から得られた信号を
例えば計算機内でデジタルフィルタリングすることによ
り、高いＳ／Ｎ比で反射光強度の信号を得ることが可能
になる。

［発明の効果］ 以上説明したようにこの発明は、レジストに対して光吸
収率の相違する波長の光によって一方はレジスト上に、
他方はウェハーＦに焦点を結ぶようにし、これらの反射
光の光ビーム位置のずれから重ね合わせ偏差を測定する
ようにしたので、ウェハ上をレジストで覆った後でも重
ね合わせ偏差を測定できる。このため、製造工程途中の
ウェハに対してリソグラフィ工程のやり直しなどの指示
が可能となり、生産歩留りの確保や作業能率の大幅な向
上が可能となるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は光吸収率の波長特性の一例を示すグラフ、第２
図はこの発明の一実施例を示す図、第３図は光学系と信
号系の校正を示す図、第４図は第２図における光ビーム
位置と反射光強度の関係を示す図、第５図は損率試料を
用いた校正方法を説明するための図、第６図は第２の実
施例を示す図、第７図は第３の実施例を示す図である。 １・・・・Ｈ，Ｃｄレーザ光源、２．１２・・・・光ア
イソレータ、３，９，１３．１６・・・ピンホール、４
．１４・・・・ハーフミラ−１５゜１５・・・・リレー
レンズ、６・・・・ダイクロイックミラー、７・・・・
対物レンズ、８・・・・試料、１０．１７・・・・受光
器、１１・・・Ａｒレーザ光源、１８・・・・Ａ／Ｄ変
換器、１９・・・・計算機、２０・・・・プリンタ、２
１．２２・・・・光チョッパ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１層上に形成された第１のマークと第２層上で
   第１のマークの中心に重ね合わせて形成した第２のマー
   クを走査して第１層と第２層との重ね合わせ偏差を測定
   する重ね合わせ偏差測定方法において、 第２層に吸収され易い波長の光を第２層表面に焦点を合
   わせた状態でマークを走査して得られた第１の位置デー
   タと、 第２層を透過し易い波長の光を第１層表面に焦点を合わ
   せた状態で前記走査箇所と同一箇所を走査して得られた
   第２の位置データに基づいて第１層と第２層の相対位置
   を検出することを特徴とする重ね合わせ偏差測定方法。
2. （２）第１層上に形成された第１のマークと第２層上で
   第１のマークの中心に重ね合わせて形成した第２のマー
   クを走査して第１層と第２層との重ね合わせ偏差を測定
   する重ね合わせ偏差測定装置において、 第１層に吸収され易い第１の波長の光および第２層を透
   過し易い第２の波長の光を発生する光発生装置と、 第２の波長の光を第１層の表面に焦点を合わせた状態で
   マークを走査して得られた反射光を検出する第１の検出
   装置と、 第１の波長の光を第２層の表面に焦点を合わせた状態で
   前記走査箇所と同一箇所を走査して得られた反射光を検
   出する第２の検出装置と、 第１および第２の検出装置より得られたデータから第１
   層と第２層との相対位置を検出する偏差検出装置とを備
   えたことを特徴とする重ね合わせ偏差測定装置。