(57)【要約】【課題】重ね合わせ精度を測定する重ね合わせ検査において、測定誤差を信頼性良く検出して補正することにより、重ね合わせ検査の精度向上を図る。【解決手段】上層と下層との検査マークの位置ずれ量を複数ウエハのそれぞれ複数箇所について測定し、該測定データのウェハ毎の線形成分を除去して残留解析を行い、残留データから測定ポイント毎の測定ウェハ全ての平均値を演算して、該平均値を各残留データから減算することにより、測定データから測定誤差成分を抽出した測定誤差データを得て、該測定誤差データを用いて補正値を得る。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された第１の層から成る第１の検査マークと、該第１の層の上層の第２の層から成り上記第１の検査マークに重ね合わされて形成された第２の検査マークとの間の位置ずれ量を測定して行う重ね合わせ検査方法において、上記半導体基板としての複数のウェハにて上記位置ずれ量の測定を該各ウェハ内の複数位置について行い、得られた各測定データそれぞれからウェハ毎の線形成分を除去して各残留データを得る第１のステップと、上記各残留データに対し、ウェハ内の測定位置毎に複数のウェハについて平均値を演算し、該測定位置毎の平均値を上記各残留データそれぞれから減算して各測定誤差データを得る第２のステップとを備え、上記各測定誤差データを用いて得た補正値により上記測定データにおける測定誤差を補正することを特徴とする重ね合わせ検査方法。
【請求項２】
半導体基板上に形成された第１の層から成る第１の検査マークと、該第１の層の上層の第２の層から成り上記第１の検査マークに重ね合わされて形成された第２の検査マークとの間の位置ずれ量を測定して行う重ね合わせ検査方法において、上記半導体基板としての複数のウェハにて上記位置ずれ量の測定を該各ウェハ内の複数位置について行い、得られた各測定データそれぞれからウェハ毎の線形成分を除去して各残留データを得る第１のステップと、上記各残留データに対し、上記各ウェハ毎に平均値を演算し、該ウェハ毎の平均値を各ウェハの上記残留データそれぞれから減算して第２の各残留データを演算し、次いで該第２の各残留データに対し、ウェハ内の測定位置毎に複数のウェハについて平均値を演算し、該測定位置毎の平均値を上記各残留データそれぞれから減算して各測定誤差データを得る第２のステップとを備え、上記各測定誤差データを用いて得た補正値により上記測定データにおける測定誤差を補正することを特徴とする重ね合わせ検査方法。
【請求項３】
上記第２のステップにおいて得られた上記各測定誤差データが所定の値を超えるとき、当該測定誤差データを異常データとして削除することを特徴とする請求項１または２記載の重ね合わせ検査方法。
【請求項４】
上記第２のステップにおいて得られた上記各測定誤差データが所定の値を超えるとき、該測定誤差データに対応する上記第１および第２の検査マークの画像を取り込んで、該画像の波形を検証し、該波形により異常が検出されたとき当該測定誤差データを異常データとして削除することを特徴とする請求項１または２記載の重ね合わせ検査方法。
【請求項５】
上記第１のステップにおいて、複数の上記ウェハにて上記位置ずれ量の測定を該各ウェハ内の複数位置について行った後、得られた各測定データそれぞれから、ウェハ毎の線形成分を除去するのに先だって、上記複数のウェハの属するロット単位の線形成分を除去し、該除去後の各データが所定の値を超えるとき、当該データに対応する上記測定データを削除することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の重ね合わせ検査方法。
【請求項６】
半導体基板上に形成された第１の層から成る第１の検査マークと、該第１の層の上層の第２の層から成り上記第１の検査マークに重ね合わされて形成された第２の検査マークとの間の位置ずれ量を測定して重ね合わせ検査を行う重ね合わせ検査装置において、上記半導体基板としての複数のウェハにて上記位置ずれ量の測定を該各ウェハ内の複数位置について行う測定手段と、該測定手段で得られた測定データそれぞれからウェハ毎の線形成分を除去して各残留データを得るウェハ毎残留解析手段と、上記各残留データに対し、ウェハ内の測定位置毎に複数のウェハについて平均値を演算し、該測定位置毎の平均値を上記各残留データそれぞれから減算して各測定誤差データを得る測定誤差抽出手段と、上記各測定誤差データを用いて得た補正値により上記測定データにおける測定誤差を補正する補正手段とを備えたことを特徴とする重ね合わせ検査装置。
【請求項７】
半導体基板上に形成された第１の層から成る第１の検査マークと、該第１の層の上層の第２の層から成り上記第１の検査マークに重ね合わされて形成された第２の検査マークとの間の位置ずれ量を測定して重ね合わせ検査を行う重ね合わせ検査装置において、上記半導体基板としての複数のウェハにて上記位置ずれ量の測定を該各ウェハ内の複数位置について行う測定手段と、該測定手段で得られた測定データそれぞれからウェハ毎の線形成分を除去して各残留データを得るウェハ毎残留解析手段と、上記各残留データに対し、上記各ウェハ毎に平均値を演算し、該ウェハ毎の平均値を各ウェハの上記残留データそれぞれから減算して第２の各残留データを得て、次いで該第２の各残留データに対し、ウェハ内の測定位置毎に複数のウェハについて平均値を演算し、該測定位置毎の平均値を上記第２の各残留データそれぞれから減算して各測定誤差データを得る測定誤差抽出手段と、上記各測定誤差データを用いて得た補正値により上記測定データにおける測定誤差を補正する補正手段とを備えたことを特徴とする重ね合わせ検査装置。
【請求項８】
上記測定誤差抽出手段で得られた測定誤差データが予め設定された所定の値を超えるとき、当該測定誤差データを異常データとして削除する判定手段を備えたことを特徴とする請求項６または７記載の重ね合わせ検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置製造のリソグラフィ工程における、層の重ね合わせ精度を検査する装置および方法に関するものであり、特に、重ね合わせ測定誤差の補正に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の重ね合わせ検査では、第１層と第２層のずれは、マーク１のエッジとマーク２のエッジとの間隔ａ，ｂを測定し、（ずれ量）＝（ａ−ｂ）／２  として求められる。また、小さい誤差でずれを測定するには、第１の測定マークに対応する第１の画像、第２の測定マークに対応する第２の画像と、第３の測定マークに対応する第３の画像とを別々に取り込み、第１の画像と第３の画像とを用いて、第１の軸方向について重ね合わせのずれを検査し、第２の画像と第３の画像とを用いて第２の軸方向について重ね合わせのずれを検査している（例えば、特許文献１参照）。
また、従来の別例による重ね合わせ精度の測定では、予め、重ね合わせ精度における測定回数（サンプリング数）と測定誤差との関係を求めておき、サンプリング数に対する測定誤差をデータＳとして記憶しておく。１枚目のウェハの測定対象となる合わせマークに対して重ね合わせ精度測定を行い、そのずれ量の平均と３σを算出する。次いで合わせマージンの絶対値とデータＳの対応する値とを比較して合わせマージンの絶対値が小さい場合には２枚目のウェハに対する測定を行う。合わせマージンの絶対値がデータＳの対応する値以上となる場合には、再度の測定を行うことなくロットを次の工程に進める、このように、予め求めておいた測定誤差と測定回数との関係から、重ね合わせ精度測定をどの程度行えば重ね合わせの良否が信頼性良く判断できるかを決め、必要最小限の測定回数で判断を可能にしている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−２７５８３７号公報（第１−第４頁、第１−第４図）
【特許文献２】
特開平９−３１２３１９号公報（第１−第５頁、第１−第３図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載された発明では、層のずれを優れた精度で測定するものであるが、測定されたデータには、必ず測定誤差が含まれるものであり、測定誤差の低減、即ち、重ね合わせ精度の向上には限界があるものであった。このため、測定データに、フィルタをかけて異常値を除去したり、データから線形成分を除去した後のデータに、予め設定された数値を超えたものを除去して判定に用いることは、従来から広く行われているが、測定データは重ね合わせのずれ量であるため、実際にずれているのにも拘わらず異常データとして除去してしまうことがあった。
また、上記特許文献２に記載された発明では、測定誤差を予め正確に把握することは困難であり、また、測定誤差が大きいと、測定回数を大きくして精度の向上を図るものであるため、既存の測定誤差は低減できず、測定データの信頼性を向上することができなかった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、重ね合わせ精度を測定する重ね合わせ検査において、測定誤差を信頼性良く検出して補正することにより、重ね合わせ検査の精度向上を図ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る重ね合わせ検査方法は、半導体基板上に形成された第１の層から成る第１の検査マークと、該第１の層の上層の第２の層から成り上記第１の検査マークに重ね合わされて形成された第２の検査マークとの間の位置ずれ量を測定して行うもので、第１のステップと、第２のステップとを備えて、各測定誤差データを用いて得た補正値により上記測定データにおける測定誤差を補正するものである。第１のステップは、上記半導体基板としての複数のウェハにて上記位置ずれ量の測定を該各ウェハ内の複数位置について行い、得られた各測定データそれぞれからウェハ毎の線形成分を除去して各残留データを得るものである。また、第２のステップは、上記各残留データに対し、ウェハ内の測定位置毎に上記複数のウェハ全てについて平均値を演算し、該測定位置毎の平均値を上記各残留データそれぞれから減算して各測定誤差データを得るものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図について説明する。
半導体装置では層の重ね合わせ精度を測定するため、各層には回路や素子を形成すると共に、重ね合わせ精度を検査するための検査マークのパターンが形成されている。既に形成された層上に新しい層を形成した際、既に形成された層の重ね合わせ検査マークの直上部に新たな層の重ね合わせ検査マークを重ね合わせることで、この２つの重ね合わせ検査マークの位置関係から既に形成された層に対する新たな層のずれを測定することができる。
まず、半導体ウェハ上に先に形成されている第１の層上に重ね合わせた第２の層のずれを以下のように測定する。図１に示すように、第１の層に形成された第１の検査マーク１と第２の層に形成された第２の検査マーク２とのそれぞれのエッジの間隔ａ、ｂを測定し、（位置ずれ量）＝（ａ−ｂ）／２  として得る。
このような位置ずれ量の測定は、図２（ａ）で示されたウェハ内の、例えば９つの測定ショット３について、さらに、図２（ｂ）に示すように各測定ショット３の４角に配置されている測定ポイント４に形成された検査マーク１、２について測定する。一般的に測定には画像認識が用いられ、検査マーク１、２を照射し、反射光の強度から検査マーク１、２のエッジを検出して行う。
【０００８】
このように得られた測定データである位置ずれ量は、測定誤差を含むため、測定データの信頼性を向上するために、測定データから測定誤差成分を検出して補正する。このような、測定データから測定誤差成分を検出する方法について、以下に詳述する。
測定データである位置ずれ量は、図３に示すように、線形成分と非線形成分とで構成されており、線形成分は、ＯＦＦＳＥＴ、ＳＣＡＬＩＮＧ、ＲＯＴＡＴＩＯＮ、Ｓ−ＳＣＡ（ショットの倍率）、Ｓ−ＲＯＴ（ショットのローテーション）等の要因によるずれであり、非線形成分は、測定誤差と、ステッピング、ＹＡＷＩＮＧ、プロセス歪み等の要因によるずれである。ここでプロセス歪みとは、熱処理、ＣＭＰの研磨の面内ばらつきなどによりウェハ面内のショット配列がランダムにずれることを言う。この非線形成分の測定誤差以外の要因によるずれ成分は、同一ロット内のウェハ間では共通に存在するものであり、以下、非線形共通ずれ成分と称す。
このため、測定誤差成分は、測定された位置ずれ量から、線形成分と、上記非線形共通ずれ成分とを除去することで、抽出できる。
【０００９】
位置ずれ量の測定から、測定誤差成分の抽出完了までのフローチャートを図４に示す。
ロット内の複数（３枚以上）のウェハ、この場合４枚測定するとして、各ウェハ（＃Ｗ１，＃Ｗ２，＃Ｗ３，＃Ｗ４，）における９つの測定ショット３について、さらに各測定ショット３の４角に配置されている測定ポイント４に対して測定を行い、１４４個の測定データを得る。図５に各測定データ（単位：μｍ）を示す。この場合、各測定ポイント４の測定（ＴＥＳＴ１〜ＴＥＳＴ４）毎にまとめ、図６、図７にグラフ化したものを示す。なお、９つの測定ショット３は、図２（ａ）に示すように、各ショットの右下角の座標を用いて表すと、（−２，１）、（０，１）、（２，１）、（−２，０）、（１，０）、（３，０）、（−１，−１）、（２，−１）、（０，−２）となる。また、この場合スキャナ式露光機を用いたものとする。
【００１０】
測定が完了すると、図５で示す各測定データに対して、ロット単位で線形成分を除去して残留解析を行い、図８に示す残留データを得る。線形成分の除去とは、得られた測定値を用いて最小２乗法による係数出しを実施し、更に導出係数を用いて上記残留データとなる残差量を求めることを言う。ここでは、ロット単位で線形成分を除去するため、ロット内で抜き取り検査された複数のウェハ（この場合４枚）における全ての測定データを用いて最小２乗法による係数出しを実施し、更に導出係数を用いて残留データを求める。図９、図１０に図８の残留データをグラフ化したものを示す。この残留データにおいて、所定の値を越えるものを異常として抽出し除去する。異常の基準となる所定値は、例えば、露光機が一括露光式の場合は４０ｎｍ、スキャナ式の場合は２５ｎｍとする。これにより、大きくずれている特異点を除去する。
また、同時に、異常となるポイントが測定ショット３内の全てのポイントに及ぶケースは、露光機のステッピングの飛び、またはプロセス歪みの発生と判断し、また、測定ショット３内の２ポイントが異常となるケースは、露光機のｙａｗｉｎｇ誤差によるずれの発生と判断し、警報を出力する。警報が出力されると、処理を停止させるか、続行させるかを人が判断し、ロットに対し必要な処置を行う。この場合、スキャナ式露光機の基準値２５ｎｍで判断し、図９、図１０に示すように、残留データに異常のないことが確かめられる（Ｓ１）。
【００１１】
次に、Ｓ１にて残留データがＯＫと判断された各測定データに関し、線形成分と、上述した非線形共通ずれ成分とを除去して、測定誤差成分を抽出し、測定誤差データとする（Ｓ２）。このＳ２の処理は、以下に示すＳＳ１、ＳＳ２、ＳＳ３の処理によって行う。
まず、各測定データからウェハ毎の線形成分を除去して残留解析を行い、図１１に示す残留データを得る。ここでは、ウェハ単位で線形成分を除去するため、各ウェハ毎に、ウェハ１枚分の測定データを用いて最小２乗法による係数出しを実施し、更に導出係数を用いて残留データを求める。図１２、図１３に図１１の残留データをグラフ化したものを示す（ＳＳ１）。
次に、図１１で示す各残留データに対して、測定ポイント毎の測定ウェハ全て（この場合４枚）の平均値を演算し、図１４に示す平均値データを得る。この平均値データは上述した非線形共通ずれ成分に当たる（ＳＳ２）。
次に、図１１に示す各残留データのそれぞれから、対応する測定ポイント毎の、図１４に示す平均値データを減算して、図１５に示す測定誤差データを得る。図１６、図１７は図１５の測定誤差データをグラフ化したものを示す（ＳＳ３）。
【００１２】
次に、Ｓ２（ＳＳ１、ＳＳ２、ＳＳ３）にて得られた図１５に示す測定誤差データに対して、所定の値を用いて判定を行い、該所定値を越えるものを抽出する。抽出の基準となる所定値は、例えば、露光機が一括露光式の場合は１５ｎｍ、スキャナ式の場合は７ｎｍとする。この場合、スキャナ式露光機の基準値７ｎｍで判断し、図１６、図１７に示すように、２個の測定誤差データが抽出される（Ｓ３）。
次に、抽出された測定誤差データに対応する検査マーク１、２の波形検証を行う。この波形検証は、各検査マークの画像から例えば波形相関法を用いて、検査マーク１、２の形状に異常がないか判定する。波形異常と判定された検査マーク１、２の測定誤差データは除去する。波形に異常がない場合は、その測定誤差データを復帰させる（Ｓ４）。
この後、得られた測定誤差データである解析データを用いて、位置ずれ量の測定に対する測定誤差を低減するフィードバック制御に用いる補正値を導出する。
【００１３】
この実施の形態では、検査マーク１、２の位置ずれ量を測定し、異常値を除いた各測定データに関し、まず、ウェハ毎の線形成分を除去する残留解析を行う。このようにウェハ毎に残留解析することにより、位置ずれ量の測定データから線形成分を除去するのが、ロット毎の残留解析に比して高精度に行える。また、残留解析後の残留データから、測定ポイント毎の測定ウェハ全ての平均値を演算して、この平均値をそれぞれの残留データから減算することにより、残留データから上述した非線形共通ずれ成分が除去できる。測定データである位置ずれ量に含まれる非線形共通ずれ成分は、上述したように同一ロット内のウェハ間では共通に存在するものであるため、測定ポイント毎の測定ウェハ全ての平均値を非線形共通ずれ成分とみなし、該平均値を各残留データから減算することにより、測定誤差成分に近い測定誤差データが得られる。これにより、測定誤差を低減する補正値を精度良く得られ、重ね合わせ精度の測定を高精度に行うことができる。
また、これにより半導体装置のロットに対する重ね合わせ精度の判定をより正しく行うことができる。これにより、レジストや成膜された層を除去して再形成させる再生ロットの低減を可能にして、デバイス開発の効率化と低コスト化を可能にする。
【００１４】
また、得られた測定誤差データが所定の基準値を超える場合に除去することにより、検査マークの形状異常等、測定誤差以外の要因の特異点を除去でき、補正値の導出をより高精度に行える。さらに、所定の基準値を超えた測定誤差データに波形検証を行うことにより、検査マーク自身の形状異常などによる、波形異常の場合のみを的確に除去でき、測定誤差データの信頼性がさらに向上し、補正値の導出をより高精度に行える。
また、ウェハ毎の残留解析に先立って、ロット毎の残留解析を行い、該残留データに対し所定の基準値を超えたものを除去するため、初期段階で大きくずれているデータを除去するため、その後のデータ処理の信頼性が向上する。また、測定ショット内で複数の測定ポイントが同時に基準値以上ずれている場合に、警報を出力させて、必要な処置を人が行うようにしたため、初期段階で効果的な処置が行え、測定データの精度も向上する。
【００１５】
なお、上述した、位置ずれ量の測定から測定誤差データの抽出、さらに補正値を導出して測定のフィードバック制御に用いる一連の重ね合わせ検査方法は、重ね合わせ検査装置において、自動的に行われる。即ち、重ね合わせ検査装置は、検査マーク１、２の位置ずれ量を測定する測定手段、測定データからロット毎、ウェハ毎のそれぞれについて線形成分を除去する残留解析手段、異常データを除去する除去手段、測定ポイント毎の測定ウェハ全ての平均値を演算してウェハ毎の残留解析による各残留データから減算する測定誤差抽出手段、検査マーク１、２を波形検証する波形判定手段、および測定誤差データから補正値を導出して補正する補正手段を備えて、上記実施の形態で示した重ね合わせ検査を自動的に行う。
【００１６】
実施の形態２．
上記実施の形態１において、測定データである位置ずれ量の非線形成分は、ステッピング、ＹＡＷＩＮＧ、プロセス歪み等の要因による、ウェハ間で共通に存在する非線形共通ずれ成分ずれと、測定誤差とで構成されるように説明したが、露光機の投影レンズのディストーションによるずれは、複数のレンズの組み合わせで決まる非線形成分であり、ウェハ面内では共通に存在することが判っている。このため、この実施の形態では、以下に示すように、ウェハ面内で共通のウェハ内共通ずれ成分を除去してさらに高精度の測定誤差データを得る。
上記実施の形態１と同様に、Ｓ１にて残留データがＯＫと判断された各測定データに関し、ＳＳ１によりウェハ毎の残留解析を行い残留データを得る。次に、各残留データに対して、ウェハ毎の平均値を演算し、各残留データのそれぞれから、対応するウェハ毎の平均値を減算する。これによって得られた各残留データを用いて（図１１の残留データと置き換えて）、上記実施の形態１のＳＳ２からの処理を行う。その後の処理は上記実施の形態１と同様である。
【００１７】
この実施の形態では、ウェハ毎の残留解析後の残留データから、ウェハ毎の平均値を演算して、この平均値をそれぞれの残留データから減算することにより、残留データからウェハ面内では共通に存在するウェハ内共通ずれ成分が除去できる。その後に、上記実施の形態１と同様に、同一ロット内のウェハ間では共通に存在する非線形共通ずれ成分を除去することで、さらに測定誤差成分に近い測定誤差データが得られる。これにより、測定誤差を低減する補正値がさらに精度良く得られ、重ね合わせ精度の測定を一層高精度に行うことができる。
【００１８】
【発明の効果】
以上のようにこの発明に係る重ね合わせ検査方法は、半導体基板としての複数のウェハにて位置ずれ量の測定を該各ウェハ内の複数位置について行い、得られた各測定データそれぞれからウェハ毎の線形成分を除去して各残留データを得る第１のステップと、上記各残留データに対し、ウェハ内の測定位置毎に上記複数のウェハ全てについて平均値を演算し、該測定位置毎の平均値を上記各残留データそれぞれから減算して各測定誤差データを得る第２のステップとを備え、上記各測定誤差データを用いて得た補正値により上記測定データにおける測定誤差を補正するため、測定誤差成分に近い測定誤差データを得ることが可能になり、測定誤差を低減する補正値が精度良く得られて、重ね合わせ精度の測定を高精度に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による位置ずれ量の測定方法を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１による位置ずれ量の測定箇所を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１による位置ずれ量の成分を説明する図である。
【図４】この発明の重ね合わせ検査方法を示すフローチャートである。
【図５】この発明の重ね合わせ検査における測定データを示す図である。
【図６】この発明の重ね合わせ検査における図５の測定データの一部をグラフ化した図である。
【図７】この発明の重ね合わせ検査における図５の測定データの一部をグラフ化した図である。
【図８】この発明の重ね合わせ検査におけるロット毎の残留解析による残留データを示す図である。
【図９】この発明の重ね合わせ検査における図８の残留データの一部をグラフ化した図である。
【図１０】この発明の重ね合わせ検査における図８の残留データの一部をグラフ化した図である。
【図１１】この発明の重ね合わせ検査におけるウェハ毎の残留解析による残留データを示す図である。
【図１２】この発明の重ね合わせ検査における図１１の残留データの一部をグラフ化した図である。
【図１３】この発明の重ね合わせ検査における図１１の残留データの一部をグラフ化した図である。
【図１４】この発明の重ね合わせ検査における測定ポイント毎の平均値データを示す図である。
【図１５】この発明の重ね合わせ検査における測定誤差データを示す図である。
【図１６】この発明の重ね合わせ検査における図１５の測定誤差データの一部をグラフ化した図である。
【図１７】この発明の重ね合わせ検査における図１５の測定誤差データの一部をグラフ化した図である。
【符号の説明】
１  第１の検査マーク、２  第２の検査マーク、３  測定ショット、
４  測定位置としての測定ポイント。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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