(57)【要約】【課題】    パターン重ね合わせ状態を高精度で測定できる重ね合わせ精度測定用マークを形成することにより、多層配線構造を有した半導体装置、ウェーハ及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】    半導体層と、前記半導体層の上に設けられた第１配線層と、前記第１配線層の上に設けられた層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の上に設けられた第２配線層と、を備え、前記第２配線層のマーク形成領域には、マークが設けられ、前記第１配線層の前記マーク形成領域には、前記マークの認識に際して実質的に影響を与えない大きさの複数のダミーパターンが設けられてなることを特徴とする半導体装置を提供する。【選択図】    図１
2006140300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層と、
前記半導体層の上に設けられた第１配線層と、
前記第１配線層の上に設けられた層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の上に設けられた第２配線層と、
を備え、
前記第２配線層のマーク形成領域には、マークが設けられ、
前記第１配線層の前記マーク形成領域には、前記マークの認識に際して実質的に影響を与えない大きさの複数のダミーパターンが設けられてなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記マークは、複数の層の重ね合わせ精度を測定する重ね合わせ測定のために用いられることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記マークは、露光装置においてマスクとウェーハとのアラインメントを調節するためのアラインメント測定に用いられることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記複数のダミーパターンのそれぞれの大きさは、１００ナノメータ以上２５０ナノメータ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記マーク形成領域において前記複数のダミーパターンが占める面積率は、前記マーク形成領域以外の部分において前記第１配線層に設けられた配線が占める面積率と略同一とされたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項６】
半導体層と、
前記半導体層の上に設けられた第１配線層と、
前記第１配線層の上に設けられた層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の上に設けられた第２配線層と、
を備え、
前記第２配線層のマーク形成領域には、マークが設けられ、
前記第１配線層の前記マーク形成領域には、前記マークの認識に際して実質的に影響を与えない大きさの複数のダミーパターンが設けられてなることを特徴とするウェーハ。
【請求項７】
前記マーク形成領域は、スクライブラインの上に設けられたことを特徴とする請求項６記載のウェーハ。
【請求項８】
半導体層と、前記半導体層の上に設けられた第１配線層と、前記第１配線層の上に設けられた層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の上に設けられた第２配線層と、を有する半導体装置の製造方法であって、
前記第１配線層のマーク形成領域に、後記マークの認識に際して実質的に影響を与えない大きさの複数のダミーパターンを形成し、
前記第２配線層の前記マーク形成領域に、マークを形成し、
前記マークを認識することにより前記第２の層とそれ以外の層との重ね合わせ精度を測定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
半導体層と、前記半導体層の上に設けられた第１配線層と、前記第１配線層の上に設けられた層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の上に設けられた第２配線層と、を有する半導体装置の製造方法であって、
前記第１配線層のマーク形成領域に、後記マークの認識に際して実質的に影響を与えない大きさの複数のダミーパターンを形成し、
前記第２配線層の前記マーク形成領域に、マークを形成し、
前記マークを認識することにより前記第２の配線層とマスクとのアラインメントを調節して露光を実施することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、ウェーハ及び半導体装置の製造方法に関し、特に、多層配線構造などを有し、アラインメントマークパターンが設けられたマスクを用いて製造された半導体装置、ウェーハ、及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置、磁性体素子、光集積回路、ＳＡＷ（surface acoustic wave）デバイスなどを製造するには、基板上に多層の回路パターンを高精度に重ね合わせることが必要である。基板上にすでに形成されているパターンに対して、マスクパターンを位置合わせして重ね合わせ転写を行う場合、まず基板上に形成されているアラインメントマークの位置を検出し、この検出結果からマスクパターン転写位置が決定し、重ね合わせ露光を実行する。
【０００３】
この場合、アラインメントマーク位置の検出方法としては、基板上のアラインメントマークをレーザ光や白色光などを用いて検出し、得られた検出信号からマークエッジ位置を検出してアラインメント位置を求める方法や、マークパターンの二次元検出像を検出系であらかじめ記憶している基準マークと比較することでアラインメントマーク位置を求める方法などがある。
【０００４】
その後、露光によって形成されたレジストパターンが正確に下層の回路パターンに対して重ね合わせられているかを検査するために、重ね合わせ精度測定装置で重ね合わせ精度測定用マークの位置測定を行う。重ね合わせ精度の測定は、下層基板に形成されている重ね合わせ精度測定用マークを主尺として用い、露光によって形成されたレジストパターンのマークを副尺として用いることにより、主尺と副尺の中心位置の座標差として求める。この測定は、通常、画像認識によって行われるので、重ね合わせ精度測定用マークの下層に他のパターンが存在すると、重ね合わせ精度測定装置が他のパターンを重ね合わせ精度測定マークとして誤認識することがある。これを避けるために、重ね合わせ精度測定用マークは、マーク以外のパターンが配置されない「他パターン禁止領域」に形成し、その下層には他のパターンは配置しないという提案が開示されている。
【０００５】
なお、本願明細書においては、「重ね合わせ精度測定用マーク」にはアラインメントマークも含むものとする。
【０００６】
しかしながら、多層配線構造を有する半導体装置において、「他パターン禁止領域」であるがために配線層がまったく存在しない広い領域があると、以下の問題を生じる。すなわち、配線層上に層間絶縁膜が堆積された後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により平坦化が行われる際、配線層が存在しない領域上の層間絶縁膜が、配線層が存在する領域上の層間膜よりも薄くなる「ディッシング」が生じる。また、荷電粒子線投影露光方法では、露光の際にレジストに与えるエネルギー強度がパターンの面積率に依存して変化するので、パターンの線幅が周囲のパターンの疎密によって変化する。
【０００７】
この問題に対して、重ね合わせ精度測定用マークの下層に直方体形状のダミーパターンを規則的に複数個配列する方法が提案されている（特許文献１）。この構造では、層間絶縁膜の平坦性を維持できるとともに、重ね合わせ精度測定用マークが下層のダミーパターンと重なっていない箇所を用いることにより目視で重ね合わせ精度を測定できる。しかし、目視による測定では高精度は得られず、重ね合わせ精度装置による自動測定が不可欠である。
【０００８】
一方、「他パターン禁止領域」の外周領域（回路領域と他パターン禁止領域との間の領域）の下方に、アラインメントずれ測定用マークを構成する金属配線層よりも下層の金属配線層が規則的に配置された構造が提案されている（特許文献２）。この構造の場合は、アラインメントずれ測定用マーク金属層の下には金属層は存在しない。しかし、「他パターン禁止領域」の存在のため、ディッシング対策が不十分であり、また面積率に起因するパターン線幅変化を防止できない。
【特許文献１】特開平５−０９４９３３号公報
【特許文献２】特開２００１−１７６７８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、パターン重ね合わせ状態を高精度で測定できる重ね合わせ精度測定用マークを形成することにより、多層配線構造を有した半導体装置、ウェーハ及び半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、
半導体層と、
前記半導体層の上に設けられた第１配線層と、
前記第１配線層の上に設けられた層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の上に設けられた第２配線層と、
を備え、
前記第２配線層のマーク形成領域には、マークが設けられ、
前記第１配線層の前記マーク形成領域には、前記マークの認識に際して実質的に影響を与えない大きさの複数のダミーパターンが設けられてなることを特徴とする半導体装置が提供される。
【００１１】
ここで、前記ダミーパターンは、前記マークを認識する工程における分解能よりも小さいものとすることができる。  
また、前記ダミーパターンの大きさは、前記マークを認識する工程において用いられる検出光のピーク波長の半分以下であるものとすることができる。
【００１２】
また、前記マークは、複数の層の重ね合わせ精度を測定する重ね合わせ測定のために用いられるものとすることができる。  
また、前記マークは、露光装置においてマスクとウェーハとのアラインメントを調節するためのアラインメント測定に用いられるものとすることができる。
【００１３】
また、前記複数のダミーパターンは、それらの大きさ、形状及び配置の少なくともいずれかが不規則とすることができる。  
また、前記複数のダミーパターンのそれぞれの大きさは、１００ナノメータ以上２５０ナノメータ以下であるものとすることができる。  
また、前記マーク形成領域において前記複数のダミーパターンが占める面積率は、前記マーク形成領域以外の部分において前記第１配線層に設けられた配線が占める面積率と略同一とすることができる。
【００１４】
一方、本発明の他の一態様によれば、
半導体層と、
前記半導体層の上に設けられた第１配線層と、
前記第１配線層の上に設けられた層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の上に設けられた第２配線層と、
を備え、
前記第２配線層のマーク形成領域には、マークが設けられ、
前記第１配線層の前記マーク形成領域には、前記マークの認識に際して実質的に影響を与えない大きさの複数のダミーパターンが設けられてなることを特徴とするウェーハが提供される。
【００１５】
ここで、前記マーク形成領域は、スクライブラインの上に設けられたものとすることができる。
【００１６】
また、本発明のさらに他の一態様によれば、
半導体層と、前記半導体層の上に設けられた第１配線層と、前記第１配線層の上に設けられた層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の上に設けられた第２配線層と、を有する半導体装置の製造方法であって、
前記第１配線層のマーク形成領域に、後記マークの認識に際して実質的に影響を与えない大きさの複数のダミーパターンを形成し、
前記第２配線層の前記マーク形成領域に、マークを形成し、
前記マークを認識することにより前記第２の層とそれ以外の層との重ね合わせ精度を測定することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【００１７】
また、本発明のさらに他の一態様によれば、
半導体層と、前記半導体層の上に設けられた第１配線層と、前記第１配線層の上に設けられた層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の上に設けられた第２配線層と、を有する半導体装置の製造方法であって、
前記第１配線層のマーク形成領域に、後記マークの認識に際して実質的に影響を与えない大きさの複数のダミーパターンを形成し、
前記第２配線層の前記マーク形成領域に、マークを形成し、
前記マークを認識することにより前記第２の配線層とマスクとのアラインメントを調節して露光を実施することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、基板のパターン面積率を一定にできる。その結果として、ＣＭＰ工程においてより高い精度で平坦化ができ、かつ荷電粒子線露光工程において高い精度で線幅制御ができ、産業上のメリットは多大である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。  
図１は、本発明の実施の形態にかかる重ね合わせ精度測定用マークを表す模式平面図である。  
また、図２は、図１のＢ−Ｂ線断面図である。  
これらの図は、半導体装置を製造する過程でウェーハ上に形成された重ね合わせ精度測定用マークの部分を表す。
【００２０】
図２は、半導体層の上に設けられた多層配線構造を表す。同図に表したように、層間絶縁膜４０の上には、第１層間絶縁膜４１が設けられている。第１層間絶縁膜４１には、多層配線構造の第１の配線層５０が選択的に設けられている。同様に、第２層間絶縁膜４２には、多層配線構造の第２の配線層５２が選択的に設けられている。第３層間絶縁膜４３にも、この後に実施される工程により、多層配線構造の第３の配線層が選択的に設けられる。第４の層４４は、第３層間絶縁膜４３に配線を形成するための感光膜（フォトレジスト）層である。パターニングされたレジスト４４をマスクとして、第３層間絶縁膜４３のエッチングが実施され、その後、配線材料の埋め込みが実施されて多層配線構造が完成する。
【００２１】
なお、実際の回路パターンはウェーハのほぼ全面にわたって配置されるが、第１層間絶縁膜４１には下層金属配線層５０を、第２層間絶縁膜４２には上層金属配線層５２を、回路パターン領域に選択的に配置された構造の一例として表した。
【００２２】
マーク形成領域２０において、第２層間絶縁膜４２には、重ね合わせ精度測定マークの主尺パターン３０が設けられている。また、第４の層４４には、重ね合わせ精度測定マークの副尺パターン３２（フォトレジスト）が設けられる。つまり、従来は、この領域２０が「他パターン禁止領域」とされていた。このため、従来は、マーク形成領域２０の中には、パターンが配置されなかった。
【００２３】
これに対して、本実施形態においては、複数のダミーパターン１２が、マーク形成領域２０内に設けられている。これらダミーパターン１２は、第２層間絶縁膜４２中に設けられた主尺パターン３０の下方に、設けられている。そして、これらダミーパターン１２の大きさは、重ね合わせ精度測定マークを認識して重ね合わせ精度を測定する重ね合わせ精度装置の画像処理の分解能よりも小さくされている。またさらに、これらダミーパターン１２は、その大きさ・形状・配置のうち、少なくともいずれかが不規則に形成されている。
【００２４】
このようにすると、これらダミーパターン１２が重ね合わせ精度測定装置において認識されない。大きさ・形状・配置のいずれかを不規則にする理由は、重ね合わせ精度測定時にこれらダミーパターン１２がモアレなどの測定精度を劣化させる現象を防止するためである。このようにすると、重ね合わせ精度測定がダミーパターン１２の影響を受けずに、高精度で重ね合わせ精度測定ができる。また、マーク形成領域２０にダミーパターン１２を配置することにより、パターン面積率をその他の領域と同等にすることができる。つまり、ウェーハ内のパターン面積率を一定にできる。その結果として、ＣＭＰにおける「ディッシング」を低減できるとともに、電子線露光時の近接効果による線幅変化も低減できる。
【００２５】
図３乃至図５は、本実施形態の具体例を表す模式図である。  
すなわち、図３は、本実施形態におけるマーク形成領域の模式平面図であり、図４は、その断面図であり、図５は、ダミーパターンが設けられた層の模式平面図である。
【００２６】
本具体例においても、ダミーパターン１２の大きさは、重ね合わせ精度測定装置の検出限界以下に形成されている。このようにすれば、これらダミーパターン１２が重ね合わせ精度測定装置において認識されない。また、本具体例においては、ダミーパターン１２の大きさと配置が不規則に形成されている。このようにすれば、重ね合わせ精度測定時にモアレなどの現象を防止できる。
【００２７】
なお、重ね合わせ精度測定の結果、アラインメントずれが回路動作不良を生じる程度に大きい場合は、レジストパターンを除去し、再度レジストを塗布する。その後、前回の重ね合わせ精度測定の結果を基に位置補正して再度露光によりパターニングを実施する。
【００２８】
ここで、マーク形成領域２０は、重ね合わせ精度測定マークやアラインメントマーク以外の配線パターンが実質的に形成されない領域を意味する。従って、マーク形成領域２０は、例えば、半導体基板上における回路領域と回路領域との間や、半導体基板の端部や、ダイシングライン上などに設けることが望ましい。この他、マーク形成領域２０は、通常は、重ね合わせ精度測定装置によって認識する必要があるので、その近傍に配置される配線パターンを誤認識しないように間隔をあけることが望ましい。具体的には、マーク形成領域２０と、その周囲に設ける配線パターンと、の間隔を５マイクロメータ程度以上とすることが望ましい。
【００２９】
この他、マーク形成領域２０内におけるダミーパターン１２の、面積率やダミーパターン間の最低距離は、層間絶縁膜４１及び４２に設けられた回路パターン５０及び５２や製造プロセスに応じて決めればよい。このマーク形成領域２０の大きさは、例えば５μｍ×５μｍ〜１００μｍ×１００μｍ程度とすることができる。また、マーク形成領域２０の形状は、正方形に限らず、円形や長方形などでもよい。
【００３０】
次に、ダミーパターン１２の大きさについて、さらに詳細に説明する。  
重ね合わせ精度測定ならびに露光装置でのアラインメントでは、通常５００乃至８００ナノメータの波長帯の可視光が用いられる。この理由は、これより短い波長の光では、半導体基板上の感光膜（フォトレジスト）を感光させるおそれがあり、またこれより長い波長の光（例えば赤外光）では、熱による影響が考えられるからである。この波長帯の光を用いることを考慮すると、ダミーパターンの大きさを２５０ナノメータ以下とすれば、画像処理分解能以下となる。つまり、この波長帯の最小の波長は５００ナノメータであり、その２分の１以下とすれば、通常用いられる光学系による認識が困難になる。その結果として、重ね合わせ精度測定ならびに露光装置におけるアラインメントにダミーパターン１２が悪影響を及ぼすことはなくなる。  
ダミーパターン１２の最小の大きさは、ダミーパターンを形成する際のプロセス限界に応じて決めればよく、おおむね１００ナノメータ程度とすることが妥当である。ダミーパターン１２の形状の不規則性も、例えば、この大きさの範囲内で縦横の長さを不規則に変化させることなどにより実現できる。
【００３１】
なお、図３乃至図５に表した具体例においては、マーク形成領域２０と回路パターン領域６２の間の領域６０には、規則的なダミーパターン１０が配置されている。これらダミーパターン１０は、マーク形成領域２０と回路パターン領域６２との間に設けられる領域６０において、パターン面積率を一定にするために役立つ。つまり、領域６０において、第１層間絶縁膜４１に設けられたほぼ規則的なダミーパターン１０により、ウェーハ全面にわたってパターン面積率を一定にすることが容易になる。その結果として、ディッシング対策をより完全なものとすることができて、かつ近接効果の低減により線幅精度の向上を図れる。
【００３２】
次に、マーク形成領域２０に設けられる、ランダムなダミーパターン１２のパターン決定の手法について説明する。  
図６は、ダミーパターンデータ生成のプロセスを表すフローチャートである。
【００３３】
まず、ダミーパターンを決定するパラメータを決定する（ステップＳ１１）。  
ダミーパターン１２のパラメータとしては、具体的には、（１）ダミーパターンの面積率、（２）ダミーパターン間の最短距離、（３）いわゆる“他パターン禁止領域”の境界からの距離、（４）ダミーパターンの大きさの許容範囲、（５）ダミーパターンの形状の種類、などがある。
【００３４】
次に、乱数に従って、ダミーパターンの大きさをランダムに決定する（ステップＳ１２）。すなわち、ダミーパターンの大きさの上限と下限とを設定し、生成した乱数に応じてその可変範囲の中でそれぞれのパターンの大きさを決定する。なお、ダミーパターン１２の大きさの上限は、重ね合わせ精度装置の画像処理の分解能よりも小さく設定することが望ましい。
【００３５】
続いて、乱数に従って、ダミーパターンの形状をランダムに決定する（ステップＳ１３）。すなわち、ダミーパターンの形状を決定するパラメータとその可変範囲を設定し、生成した乱数に応じてその可変範囲の中でそれぞれのパターンの形状を決定する。
【００３６】
続いて、生成したダミーパターンの配置場所を乱数に従って決定する（ステップＳ１４）。すなわち、ダミーパターンが配置される範囲を設定し、生成した乱数に応じてその可変範囲の中でそれぞれのパターンの位置を決定する。
【００３７】
そして、決定したダミーパターンにパラメータ違反があるかをチェックする（ステップＳ１５）。パラメータ違反がなければ、パターンは完成する。もし、パラメータ違反があれば、ステップＳ１１に戻ってやり直す。違反の程度によっては、破線に示される手順に従い、ステップＳ１２〜Ｓ１４のいずれかに戻ってやり直しを行えばよい。
【００３８】
なお、本実施形態においては、ステップＳ１２〜Ｓ１４のすべてを実行する必要は必ずしもない。すなわち、前述したように、ダミーパターン１２の大きさを、重ね合わせ精度装置の画像処理の分解能よりも小さくし、なおかつ、重ね合わせ精度測定の際にモアレなどが生じなければ、ステップＳ１２〜Ｓ１４の少なくともいずれかを省略することができる。例えば、ダミーパターン１２の大きさを重ね合わせ精度装置の画像処理の分解能よりも小さく且つ一定とし、形状も一定とし、その配置のみを不規則にするだけでもよい。
【００３９】
また、本発明は、重ね合わせ精度測定マークを設けるマーク形成領域のみに適用可能ではなく、その他、例えは、露光用のアラインメントマークを設けるマーク形成領域においても、同様にダミーパターン１２を設けることにより、同様の作用効果を得ることができる。すなわち、アラインメントずれ測定において、他パターンの影響を排除でき、高精度なずれ測定が可能となり、位置ずれを補正することにより集積度の高い高性能の半導体装置などを実現できる。
【００４０】
また、同様に、アラインメントマークを設けるマーク形成領域において、ダミーパターン１２を設けることにより、パターンの面積率を一定にできる。その結果として、ＣＭＰ工程におけるディッシングを防止できて、より精度高く平坦化ができる。すなわち、フォトリソグラフィにおける露光時のフォーカスずれを低減し、回路の金属配線層パターンの形成不良を阻止することができて、信頼性の高い半導体装置が提供できる。さらに、荷電粒子線露光における近接効果を減少させることにより、線幅精度を向上できて、高性能半導体装置が提供できる。
【００４１】
以上具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。  
すなわち、本発明の半導体装置、ウェーハ及び半導体装置の製造方法を構成する各ステップ及びこれに用いる装置、マスク、ウェーハなどについて当業者が設計変更を加えたものであっても、本発明の要旨を備えたものであれば、本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態にかかる重ね合わせ精度測定用マークのマーク形成領域を表す模式平面図である。
【図２】図１に表したマーク形成領域の模式断面図である。
【図３】本実施形態の具体例にかかるマーク形成領域を表す模式平面図である。
【図４】図３に表したマーク形成領域２０の断面図である。
【図５】図３に表したマーク形成領域のダミーパターンが設けられた層の模式平面図である。
【図６】ダミーパターンを決定するフローチャートである。
【符号の説明】
【００４３】
１０    ダミーパターン
１２    他パターン禁止領域下方部に設けられたダミーパターン
２０    他パターン禁止領域
３０    重ね合わせ精度測定マーク主尺
３２    重ね合わせ精度測定マーク副尺
４０    層間絶縁膜
４１    第１層間絶縁膜
４２    第２層間絶縁膜
４３    第３層間絶縁膜
４４    第４の層（フォトレジスト）
５０    下層金属配線層
５２    上層金属配線層
６０    他パターン禁止領域と回路パターン領域との中間領域
６２    回路パターン領域
【図１】
2006140300.tif 000003
【図２】
2006140300.tif 000004
【図３】
2006140300.tif 000005
【図４】
2006140300.tif 000006
【図５】
2006140300.tif 000007
【図６】
2006140300.tif 000008