(57)【要約】【課題】少ない労力で高い精度が得られる半導体基板のパターン重ね合わせズレ検査方法を提供する。【解決手段】ステップアンドリピート方式の露光装置により、半導体基板上に転写された第１層パターンおよび第２層パターンのショット重ね合わせ精度を求める半導体基板のパターン重ね合わせズレ検査方法であって、半導体基板のショットの一部を分散して選択し（ステップＳ０１）、第１層パターン内の第１検査パターンと、第２層パターン内の第２検査パターンとのパターン重ね合わせズレ量を測定するステップ（ステップＳ０２）と、パターン重ね合わせズレ量から系統誤差を求めるステップ（ステップＳ０３）と、系統誤差に基づいて、半導体基板上の任意のショットにおけるパターン重ね合わせズレ量を推定するステップ（ステップＳ０４）と、を具備する。【選択図】図１
2010062474.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステップアンドリピート方式の露光装置により、半導体基板上に転写された第１層パターンおよび第２層パターンのショット重ね合わせ精度を求める半導体基板のパターン重ね合わせズレ検査方法であって、
前記半導体基板のショットの一部を分散して選択し、前記第１層パターン内の第１検査パターンと、前記第２層パターン内の第２検査パターンとのパターン重ね合わせズレ量を測定するステップと、
前記パターン重ね合わせズレ量から系統誤差を求めるステップと、
前記系統誤差に基づいて、前記半導体基板上の任意のショットにおけるパターン重ね合わせズレ量を推定するステップと、
を具備することを特徴とする半導体基板のパターン重ね合わせズレ検査方法。
【請求項２】
前記第１検査パターンおよび前記第２検査パターンは、短冊状の検査マークが第１の方向および前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って矩形状に並べられたパターンであり、前記第１検査パターンおよび前記第２検査パターンのうちの一方の検査パターンの内側に他方の検査パターンが同心に配置されることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板のパターン重ね合わせズレ検査方法。
【請求項３】
前記第１検査パターンおよび前記第２検査パターンが、前記ショットの四隅に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板のパターン重ね合わせズレ検査方法。
【請求項４】
前記系統誤差が、ウェーハ系統誤差と、ショット系統誤差とを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体基板のパターン重ね合わせズレ検査方法。
【請求項５】
前記ウェーハ系統誤差は、ウェーハ全面でのＸ方向またはＹ方向へのズレ成分、ウェーハ中心に対するショット中心座標の伸縮成分、およびウェーハ中心に対するショット中心座標の回転成分を有し、前記ショット系統誤差は第１ショットに対する第２ショットの伸縮成分、および第１ショットに対する第２ショットの回転成分を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体基板のパターン重ね合わせズレ検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板のパターン重ね合わせズレ検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ステップアンドリピート方式の露光装置により、半導体基板上に転写された下層パターンおよび上層パターンのショット重ね合わせ精度を求める半導体基板のパターン重ね合わせズレ検査方法は、半導体基板のショットをサンプリングし、サンプリングされたショットの下層パターンと上層パターンとの重ね合わせズレ量を測定し、測定結果がパターン重ね合わせズレ量の規格を満足するか否かで、半導体基板の良否を判定していた。
【０００３】
その結果、検査上は規格を満足しているが、サンプリング数が少ないと偏在する規格を満足しないショットの見逃がしが発生するので、検査精度が低くなるという問題がある。従って、パターン重ね合わせズレに起因して、製品特性に不具合が生じ、製品の信頼性が低下するという問題がある。
【０００４】
検査精度を高めるためには、サンプリング数を増やし、できれば全数検査を行うことが望まれるが、検査に多大な時間と労力を要するという問題がある。そのため、少ない労力で高い精度が得られる検査方法が望まれていた。
【０００５】
一方、露光処理においては、少ない労力でアライメントマークから容易に位置決めを行うことができる方法が知られている（例えば特許文献１参照。）。  
特許文献１に開示された位置合わせ方法は、任意のウェーハプロセス工程において形成されるウェーハ上のアライメントマークを位置合わせするアライメント検出器を具備する露光装置を用いて検出されたアライメントマーク位置から系統誤差を求め、アライメントマーク位置から系統誤差を除いた残差量によってアライメント精度を求め、アライメントマーク位置から系統誤差を除いた残差量から実際に露光を行わないで任意のプロセスウェーハに対して容易にアライメント精度を求めている。
【０００６】
然しながら、特許文献１に開示された位置合わせ方法は、パターン形成後のパターン重ね合わせズレ検査については何ら開示していない。また、パターン重ね合わせズレ検査を示唆する記載も見られない。
【特許文献１】特開平９−７９２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、少ない労力で高い精度が得られる半導体基板のパターン重ね合わせズレ検査方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様の半導体基板のパターン重ね合わせズレ検査方法は、ステップアンドリピート方式の露光装置により、半導体基板上に転写された第１層パターンおよび第２層パターンのショット重ね合わせ精度を求める半導体基板のパターン重ね合わせズレ検査方法であって、前記半導体基板のショットの一部を分散して選択し、前記第１層パターン内の第１検査パターンと、前記第２層パターン内の第２検査パターンとのパターン重ね合わせズレ量を測定するステップと、前記パターン重ね合わせズレ量から系統誤差を求めるステップと、前記系統誤差に基づいて、前記半導体基板上の任意のショットにおけるパターン重ね合わせズレ量を推定するステップと、を具備すること特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、少ない労力で高い精度が得られる半導体基板のパターン重ね合わせズレ検査方法が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例】
【００１１】
本発明の実施例に係る半導体基板のパターン重ね合わせズレ検査方法について図１を用いて説明する。図１は半導体基板のパターン重ね合わせズレ検査方法を示すフローチャートである。  
本実施例の半導体基板のパターン重ね合わせズレ検査方法は、ステップアンドリピート方式の露光装置により、半導体基板上に転写された第１層パターンおよび第２層パターンのショット重ね合わせ精度を求める半導体基板のパターン検査方法で、第１層パターンが下層パターンであり、第２層パターンが上層パターンである場合の例である。
【００１２】
図１に示すように、始めに、半導体基板のショットの一部を分散して選択する（ステップＳ０１）。  
図２は半導体基板のパターン重ね合わせズレ量を測定するショットを示す平面図である。図２に示すように、ノッチ１０ａを有する半導体基板１０上にＸ方向およびＸ方向に直交するＹ方向に格子状に配列されたショット１１のうちから、例えば中心と上下左右の十字５箇所のショット、即ち中心のショット１２、上側のショット１３、下側のショット１４、左側のショット１５、右側のショット１６を選択する。
【００１３】
ショット１１には、破線で示すようにチップ４個分のパターンが転写されている（４チップ／１ショット）。  
ショット１１には、四隅にパターン重ね合わせズレ量を測定するための検査パターン１７が形成されている。図２においては、検査パターン１７はショット１２、１３、１４、１５、１６にのみ表示している。
【００１４】
図３は半導体基板のパターン重ね合わせズレ量を測定するための検査パターン１７を示す図で、図３（ａ）はその平面図、図３（ｂ）はＡ−Ａ線で切断し矢印方向に眺めた断面図である。  
図３に示すように、検査パターン１７は、半導体基板１０に転写された第１層パターン内の第１検査パターン２１と、第２層パターン内の第２検査パターン２２とを有している。第１層パターンは半導体基板１０上の第１層２３に形成され、層間絶縁膜２４で覆われている。第２層パターンは層間絶縁膜２４上の第２層２５に形成され、例えば層間絶縁膜２４をパターンニグするためのマスクとなるレジスト膜である。
【００１５】
第１検査パターン２１は、短冊状の検査マーク２１ａがＸ方向（第１の方向）とＸ方向に直交するＹ方向（第２の方向）に沿って矩形状に並べられたパターンである。  
同様に、第２検査パターン２２は、短冊状の検査マーク２２ａがＸ方向とＹ方向に沿って矩形状に並べられたパターンである。
【００１６】
第１検査パターン２１および第２検査パターン２２は相似であり、第１層パターンおよび第２層パターンのショット重ね合わせにより、第１検査パターン２１の内側に第２検査パターン２２が同心に配置される。  
従って、第１検査パターン２１と第２検査パターン２２との位置関係を測定することにより、第１層パターンおよび第２層パターンのショット重ね合わせ精度を求めることができる。
【００１７】
次に、選択したショット１２、１３、１４、１５、１６において、第１検査パターン２１と、第２検査パターン２２との重ね合わせズレ量を測定する（ステップＳ０２）。  
図４は半導体基板のパターン重ね合わせズレ量の測定を説明するための平面図である。図４に示すように、パターン重ね合わせズレ量として、例えば検査マーク２１ａと、検査マーク２１ａに対向する検査マーク２２ａとの間の距離ａ、Ａ、ｂ、Ｂを、それぞれ測定する。  
これから、Ｘ方向のパターン重ね合わせズレ量がａ−Ａで表わされ、Ｙ方向のパターン重ね合わせズレ量がｂ−Ｂで表わされる。  
測定はショット１２、１３、１４、１５、１６の各検査パターン１７について行い、計２０組のパターン重ね合わせズレ量（ａ−Ａ、ｂ−Ｂ）のデータを得る。
【００１８】
Ｘ、Ｙ方向のパターン重ね合わせズレ量は少なくとも１つの検査パターン１７から求められるが、回転成分は３つ以上の検査パターン１７のそれぞれのＸ、Ｙ方向のパターン重ね合わせズレ量から求められる。
【００１９】
次に、２０組のパターン重ね合わせズレ量（ａ−Ａ、ｂ−Ｂ）から、最小二乗法により系統誤差を算出する（ステップＳ０３）。  
周知のように、系統誤差とは器械的誤差（露光装置の状態）、物理的誤差（温度、湿度、露光時の条件等）などにより、ショットの位置が所定の位置に対して系統的にずれて露光されるような誤差のことである。系統誤差は露光の繰り返しに対して一定であるという特徴を有している。
【００２０】
一般に、ショットの設計上の位置（ｘ、ｙ）とショットの露光された位置との差を（ｄｘ、ｄｙ）を最小二乗法で求めると、誤差は次のｘ、ｙの多項式で表わされる。  
ｄｘ＝ａ0＋ａ1・ｘ＋ａ2・ｙ＋ａ3・ｘ2＋ａ4・ｙ2＋ａ5・ｘｙ＋ａ6・ｘ3＋ａ7・ｙ3＋ａ8・ｘ2ｙ＋ａ9・ｘｙ2＋・・・                          （１）
ｄｙについても同様であり、式は省略する。  
本実施例では、この式に示す１次係数まで（a0、a1、a2）を系統誤差とし、２次係数以下を残差とするが、２次、３次以上の高次成分まで系統誤差とすることも可能である。
【００２１】
ショット露光における系統誤差には、全ショットに共通するウェーハ系統誤差と、ショット固有のショット系統誤差が存在する。  
図５は半導体基板のパターン重ね合わせズレ量のウェーハ系統誤差を説明するための平面図、図６は半導体基板のパターン重ね合わせズレ量のショット系統誤差を説明するための平面図である。
【００２２】
図５に示すように、ウェーハ系統誤差は、ウェーハ全面でのＸ方向またはＹ方向へのズレ成分Ｓｈｉｆｔ（Ｘ）、Ｓｈｉｆｔ（Ｙ）、ウェーハ中心に対するショット中心座標の伸縮成分Ｗｓｃａｌ（Ｘ）、Ｗｓｃａｌ（Ｙ）、およびウェーハ中心に対するショット中心座標の回転成分Ｗｒｏｔ（Ｘ）、Ｗｒｏｔ（Ｙ）を有している。
【００２３】
図６に示すように、ショット系統誤差は、第１ショット（下地ショット）に対する第２ショットの伸縮成分Ｓｓｃａｌ（Ｘ）、Ｓｓｃａｌ（Ｙ）、および第１ショットに対する第２ショットの回転成分Ｓｒｏｔを有している。
【００２４】
図７は半導体基板のパターン重ね合わせズレ量の測定結果を示す数値マップ、図８は半導体基板のパターン重ね合わせズレ量の測定結果を示すベクトルマップである。  
図７に示すように、ショット１２、１３、１４、１５、１６において、Ｘ方向のパターン重ね合わせズレ量（ａ―Ａ）は、ショット１２が−０．０５〜０．０５μｍ、ショット１３、１６が０．１〜０．２μｍ、ショット１４、１５が−０．２〜−０．１μｍであった。  
ここでは、簡単のためにＹ方向のパターン重ね合わせズレ量（ｂ―Ｂ）については省略し、Ｘ方向のパターン重ね合わせズレ量（ａ―Ａ）のみを表示している。
【００２５】
図８に示すように、ベクトルマップからは、半導体基板１０の左上から右下にかけての左下半分は−Ｘ方向のズレが大きく、左上から右下にかけての右上半分は＋Ｘ方向のズレが大きく、半導体基板１０の中央部のズレが小さく、片流れの傾向が窺える。
【００２６】
仮に、パターン重ね合わせズレ量の規格が±０．２μｍ以内であるとすると、ショット１２、１３、１４、１５、１６は全て規格内にある。そのため、従来では、半導体基板１０は、良品として次の工程に流品されることになる。
【００２７】
次に、系統誤差に基づいて、任意のショットのパターン重ね合わせズレ量を推定する（ステップＳ０４）。  
図９は半導体基板のパターン重ね合わせズレ量の推定方法を説明するための図である。図９に示すように、ショットの設計上の位置とショットの露光された位置との差（Overlay(X)、Overlay(Y)）は、次式で表わされる。  
Overlay(X)＝shift(X)＋Wscal(X)・A(X)−Wrot(Y)・A(Y)  
＋Sscal(X)・a(X)−tan(Srot)・a(Y)                （２）
Overlay(Y)＝shift(Y)＋Wscal(Y)・A(Y)−Wrot(X)・A(X)  
＋Sscal(Y)・a(Y)−tan(Srot)・a(X)                （３）
ここで、Ａ（Ｘ）、Ａ（Ｙ）は基準点３０、例えば半導体基板１０の中心から任意のショット３１の中心３２までの距離であり、ａ（Ｘ）、ａ（Ｙ）はショット３１の中心３２から計算対象点、例えば右上の検査パターン１７の中心３３までの距離である。
【００２８】
図１０は半導体基板のパターン重ね合わせズレ量の推定結果を示す数値マップである。図１０に示すように、パターン重ね合わせズレ量の推定結果から、半導体基板１０の左下の外周部および右上の外周部に、パターン重ね合わせズレ量の大きいショット１１が密に存在していることが判明した。また、パターン重ね合わせズレ量は、最大±０．３５μｍに及んでいる。
【００２９】
次に、パターン重ね合わせズレ量の規格（基準値）と照合し、良否を判定する（ステップＳ０５）。  
図１０より、背景が白色のチップが規格±０．２μｍ以内を満たす良品チップ４０であり、背景が黒色のチップが規格±０．２μｍ以内を満たさない不良チップ４１であるので、半導体基板１０を不良品と判定し、半導体基板１０の流品を停止することが適切である。流品が停止された半導体基板１０は、例えばリワークする（第２層パターンを除去し、再度第２層パターンを形成する）ことにより、次の工程に流品することができる。
【００３０】
これにより、半導体基板１０のパターン重ね合わせズレ検査精度を高めることができるので、不良チップ４１を有する半導体基板１０が、次の工程に流品されるのを防止することが可能である。
【００３１】
その結果、パターン重ね合わせズレに起因して、製品特性に不具合が生じ、製品の信頼性が低下するのを未然に防止することが可能である。
【００３２】
以上説明したように、本実施例の半導体基板のパターン重ね合わせズレ検査方法は、分散した一部のショットにおいてパターン重ね合わせズレ量を測定し、得られたパターン重ね合わせズレ量から系統誤差を求め、系統誤差に基づいて任意のショットにおけるパターン重ね合わせズレ量を推定している。
【００３３】
その結果、半導体基板１０のパターン重ね合わせズレ検査精度を高めることができるので、不良チップ４１を有する半導体基板１０が、次の工程に流品されるのを防止することができる。  
不良チップ４１を有する半導体基板１０が次の工程に流品されることにより、製品特性に影響を及ぼし、製品の信頼性が低下するのを未然に防止することができる。  
従って、少ない労力で高い精度が得られる半導体基板のパターン重ね合わせズレ検査方法が得られる。本明細書においては、高い精度とは不良チップ４１の見逃し率が低いことを意味している。
【００３４】
ここでは、第１検査パターン２１の内側に第２検査パターン２２が配置されている場合について説明したが、第２検査パターン２２の内側に第１検査パターン２１が配置されていても構わない。
【００３５】
第１および第２検査パターン２１、２２の短冊状の検査マーク２１ａ、２２ａが、ショット１１を構成する辺（Ｘ、Ｙ方向）に沿って矩形状に並べられている場合について説明したが、ショット１１を構成する辺に対して斜め、例えば４５°に矩形状に並べられていても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施例に係る半導体基板のパターン重ね合わせズレ検査方法を示すフローチャート。
【図２】本発明の実施例に係る半導体基板のパターン重ね合わせズレを測定するショットを示す平面図。
【図３】本発明の実施例に係る半導体基板のパターン重ね合わせズレを測定するための検査パターンを示す図で、図３（Ａ）はその平面図、図３（Ｂ）はＡ−Ａ線で切断し矢印方向に眺めた断面図。
【図４】本発明の実施例に係る半導体基板のパターン重ね合わせズレ量の測定を説明するための平面図。
【図５】本発明の実施例に係る半導体基板のパターン重ね合わせズレ量のウェーハ系統誤差を説明するための平面図。
【図６】本発明の実施例に係る半導体基板のパターン重ね合わせズレ量のショット系統誤差を説明するための平面図。
【図７】本発明の実施例に係る半導体基板のパターン重ね合わせズレ量の測定結果を示す数値マップ。
【図８】本発明の実施例に係る半導体基板のパターン重ね合わせズレ量の測定結果を示すベクトルマップ。
【図９】本発明の実施例に係る半導体基板のパターン重ね合わせズレ量の推定方法を説明するための平面図。
【図１０】本発明の実施例に係る半導体基板のパターン重ね合わせズレ量の推定結果を示す数値マップ。
【符号の説明】
【００３７】
１０  半導体基板
１０ａ  ノッチ
１１、１２、１３、１４、１５、１６、３１  ショット
１７  検査パターン
２１  第１検査パターン
２１ａ、２２ａ  検査マーク
２２  第２検査パターン
２３  第１層
２４  層間絶縁膜
２５  第２層
３０  基準点
３２  ショットの中心
３３  検査パターンの中心
４０  良品チップ
４１  不良チップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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