(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイスの第１の層と前記第１の層上に形成された第２の層との間の相対的な位置の測定に使用されるマークであって、
１つの軸に沿って配置され、前記デバイスの第１の層上に形成された第１のキャリブレーション周期構造セットと、
前記軸に沿って配置された少なくとも２つのテスト周期構造セットであって、各テスト周期構造セットは、前記第１の層上に形成されたテスト周期構造を含む第１のセクションと、前記第２の層上に形成されたテスト周期構造を含む第２のセクションと、を含み、各セットの前記第１のセクションと前記第２のセクションとは、それぞれ、次のテスト周期構造セットの前記第２のセクションと前記第１のセクションとに近接して配置されている、前記少なくとも２つのテスト周期構造セットと、
を備える、マーク。
【請求項２】
請求項１記載のマークであって、
前記第１の層の前記テスト周期構造は、前記第２の層を介して、見ることができる、マーク。
【請求項３】
請求項１記載のマークであって、さらに、
前記デバイスの前記第２の層に形成されている第２のキャリブレーション周期構造セットを備え、
前記少なくとも２つのテスト周期構造セットは、前記第１と第２のキャリブレーション周期構造セットの間に配置されている、マーク。
【請求項４】
請求項３記載のマークであって、
前記少なくとも２つのテスト周期構造セットの数は２である、マーク。
【請求項５】
請求項１記載のマークであって、
前記キャリブレーション周期構造および前記テスト周期構造のそれぞれは、実質的に均一な幅ｍを有する複数の線分であり、前記キャリブレーション周期構造セットおよび前記テスト周期構造セット内の各線分は、互いに実質的に近接すると共に実質的に平行であり、各セット内の複数の線分は、実質的に均一な距離ｎだけ離間している、マーク。
【請求項６】
請求項５記載のマークであって、
前記幅ｍおよび前記距離ｎは、互いに一定の比の関係を有する、マーク。
【請求項７】
請求項５記載のマークであって、
前記幅ｍおよび前記距離ｎは、互いに実質的に等しい、マーク。
【請求項８】
請求項５記載のマークであって、
前記第１のキャリブレーション周期構造セットと、前記複数のテスト周期構造セットのうちの１つの前記第１のセクションとは、距離ｎだけ離間している、マーク。
【請求項９】
請求項１記載のマークであって、さらに、
前記軸に沿って、２つのテスト周期構造セットの間に配置された第３のキャリブレーション周期構造セットを備える、マーク。
【請求項１０】
半導体デバイスの第１の層と第２の層との間のアライメントの測定に使用されるマークであって、
第１の走査経路に沿って配置された第１の周期テスト構造セットであって、前記第１の層に形成される第１のセクションと、前記第２の層に形成される第２のセクションと、を有する前記第１の周期テスト構造セットと、
第２の走査経路に沿って配置された第２の周期テスト構造セットであって、前記第１の層に形成される第１のセクションと、前記第２の層に形成される第２のセクションと、を有する前記第２の周期テスト構造セットと、
を備え、
前記第１の周期テスト構造セットの前記第１のセクションと前記第２のセクションとは、それぞれ、前記第２の周期テスト構造セットの前記第２のセクションと前記第１のセクションとに近接している、マーク。
【請求項１１】
請求項１０記載のマークであって、
前記第１の周期テスト構造セットと前記第２の周期テスト構造のセットとは、それらの上での測定を容易にするために、露出している、マーク。
【請求項１２】
デバイスの第１の層と前記第１の層上に形成される第２の層との間の相対的な位置を測定する方法であって、
前記デバイスの前記第１および第２の層のそれぞれに、第１の軸に沿って、前記第１の方向における前記２つの層間の相対的な位置の測定を容易にする向きで、第１のキャリブレーション周期構造セットを設ける工程と、
前記第１の方向における前記２つの層間の相対的な位置の測定を容易にするために、前記第１の軸に沿って、前記第１のキャリブレーション周期構造セットに近接し、かつ、前記第１のキャリブレーション周期構造セットと同じ向きで、少なくとも２つの第１のテスト周期構造セットを設ける工程であって、各第１のテスト周期構造セットは、前記第１の層上に形成されたテスト周期構造を含む第１のセクションと、前記第２の層上に形成されたテスト周期構造を含む第２のセクションと、を含み、各セットの前記第１のセクションと前記第２のセクションとは、それぞれ、前記第１の軸に沿って、次のテスト周期構造セットの前記第２のセクションと前記第１のセクションとに近接して配置されている、前記工程と、
前記複数の第１のキャリブレーション周期構造セットの一部と前記複数の第１のテスト周期構造セットの一部とを通る第１の経路でビームを走査する工程であって、ビームの少なくとも一部は、ビームが前記デバイスに衝突した後に前記デバイスの表面で反射される、前記工程と、
前記複数の第１のキャリブレーション周期構造セットの一部と前記複数の第１のテスト周期構造セットの一部とを通る第２の経路でビームを走査する工程であって、前記第１および第２の経路は互いに物理的に離間しており、ビームの少なくとも一部は、ビームが前記デバイスに衝突した後に前記デバイスの表面で反射される、前記工程と、
前記第１の経路からのビームの反射部分の強度に比例する第１の信号を生成する工程と、
前記第２の経路からのビームの反射部分の強度に比例する第２の信号を生成する工程と、
前記第１および第２の層の特性差に起因する前記第１および第２の信号間の差を最小化するために、前記第１の信号と前記第２の信号とに基づいて、前記第１の方向における２つの層間の任意の第１のレジストレーション誤差を計算する工程と、
を備える方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の方法であって、
前記第１の方向における前記第１の層と前記第２の層との間の相対的な位置を計算する前記工程は、システム−ウエハ間のオフセット値を用いて前記第１のレジストレーション誤差を調整することによって実行される、方法。
【請求項１４】
請求項１２記載の方法であって、
前記第１の層の前記テスト周期構造は、前記第２の層を介して、見ることができる、方法。
【請求項１５】
請求項１２記載の方法であって、
前記キャリブレーション周期構造および前記テスト周期構造のそれぞれは、実質的に均一な幅ｍを有する複数の線分であり、前記キャリブレーション周期構造セットおよび前記テスト周期構造セット内の各線分は、互いに実質的に近接すると共に実質的に平行であり、各セット内の複数の線分は、実質的に均一な距離ｎだけ離間している、方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の方法であって、
前記幅ｍおよび前記距離ｎは、互いに一定の比の関係を有する、方法。
【請求項１７】
請求項１５記載の方法であって、
前記幅ｍおよび前記距離ｎは、互いに実質的に等しい、方法。
【請求項１８】
請求項１５記載の方法であって、
２つの第１のテスト周期構造セットが存在し、前記２つのテスト周期構造セットは、前記第１の層上の前記キャリブレーション周期構造セットと前記第２の層上の前期キャリブレーション周期構造セットとの間に配置されている、方法。
【請求項１９】
請求項１８記載の方法であって、
前記複数のキャリブレーション周期構造セットと前記複数のテスト周期構造セットとは、距離ｎだけ離間している、方法。
【請求項２０】
請求項１２記載の方法であって、
前記第１の経路および前記第２の経路の走査は、互いに実質的に平行である、方法。
【請求項２１】
請求項１２記載の方法であって、
前記第１の経路および前記第２の経路の走査は、連続して実行される、方法。
【請求項２２】
請求項１２記載の方法であって、
前記第１の経路および前記第２の経路の走査は、同時に実行される、方法。
【請求項２３】
請求項１２記載の方法であって、さらに、
前記デバイスの前記第１および第２の層のそれぞれに、第２の軸に沿って、前記第２の方向における前記２つの層間の相対的な位置の測定を容易にする向きで、第２のキャリブレーション周期構造セットを設ける工程と、
前記第２の方向における前記２つの層間の相対的な位置の測定を容易にするために、前記第２の軸に沿って、前記第２のキャリブレーション周期構造セットに近接し、かつ、前記第２のキャリブレーション周期構造セットと同じ向きで、少なくとも２つの第２のテスト周期構造セットを設ける工程であって、各第２のテスト周期構造セットは、前記第１の層上に形成されたテスト周期構造を含む第１のセクションと、前記第２の層上に形成されたテスト周期構造を含む第２のセクションと、を含み、各セットの前記第１のセクションと前記第２のセクションとは、それぞれ、前記第２の軸に沿って、次のテスト周期構造セットの前記第２のセクションと前記第１のセクションとに近接して配置されている、前記工程と、
前記複数の第２のキャリブレーション周期構造セットの一部と前記複数の第２のテスト周期構造セットの一部とを通る第３の経路でビームを走査する工程であって、ビームの少なくとも一部は、ビームが前記デバイスに衝突した後に前記デバイスの表面で反射される、前記工程と、
前記複数の第２のキャリブレーション周期構造セットの一部と前記複数の第２のテスト周期構造セットの一部とを通る第４の経路でビームを走査する工程であって、前記第３および第４の経路は互いに物理的に離間しており、ビームの少なくとも一部は、ビームが前記デバイスに衝突した後に前記デバイスの表面で反射される、前記工程と、
前記第３の経路からのビームの反射部分の強度に比例する第３の信号を生成する工程と、
前記第４の経路からのビームの反射部分の強度に比例する第４の信号を生成する工程と、
前記第１および第２の層の特性差に起因する前記第３および第４の信号間の差を最小化するために、前記第３の信号と前記第４の信号とに基づいて、前記第２の方向における２つの層間の任意の第２のレジストレーション誤差を計算する工程と、
を備える、方法。
【請求項２４】
請求項２３記載の方法であって、
前記第２の方向における前記第１の層と前記第２の層との間の相対的な位置を計算する前記工程は、システム−ウエハ間のオフセット値を用いて前記第２のレジストレーション誤差を調整することによって実行される、方法。
【請求項２５】
請求項２３記載の方法であって、
前記第１の層の前記テスト周期構造は、前記第２の層を介して、見ることができる、方法。
【請求項２６】
請求項２３記載の方法であって、
前記第１および第２の方向は、互いに実質的に垂直である、方法。
【請求項２７】
請求項１２記載の方法であって、
前記走査動作は、光学的に実行される、方法。
【請求項２８】
請求項１２記載の方法であって、
前記走査動作は、電子ビームによって実行される、方法。
【請求項２９】
請求項１２記載の方法であって、
前記走査および検出動作は、半導体ウエハを製造するプロセス中に実行される、方法。
【請求項３０】
半導体デバイスの第２の層に対する第１の層のアライメントを測定する方法であって、
第１の経路において、第１の層に形成された第１のセクションと、第２の層に形成された第２のセクションと、を有する第１の周期テスト構造セットを横切って、第１の測定ビームを走査する工程と、
第２の経路において、前記第１の層に形成された第１のセクションと、前記第２の層に形成された第２のセクションと、を有する第２の周期テスト構造セットを横切って、第２の測定ビームを走査する工程であって、前記第１の周期テスト構造セットの前記第１のセクションと前記第２のセクションとは、それぞれ、前記第２の周期テスト構造セットの前記第２のセクションと前記第１のセクションとに近接している、前記工程と、
前記第１および第２の層の特性差に起因する前記第１の信号と前記第２の信号との差を最小化するために、前記第１の測定ビームに応じて受け取った第１の信号と前記第２の測定ビームに応じて受け取った第２の信号とに基づいて、前記第１および第２の層間のアライメント値を決定する工程と、
を備える方法。
【請求項３１】
請求項３０記載の方法であって、
前記アライメント値は、前記第１および第２の信号間の平均位相差を計算することによって決定され、これにより、前記第１および第２の層の特性差は、互いにキャンセルされる、方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、ウエハを製造する際の半導体ウエハのテストに関する。より具体的には、本発明は、半導体ウエハ上の２つのパターン層間のレジストレーション精度を判定するための新しいアライメントパターンの使用に関する。
【０００２】
【発明の背景】
集積回路の製造において使用される最も重要なプロセス制御技術の１つは、ウエハ上の連続する複数のパターン層間でのオーバレイ精度の測定（すなわち、パターン層が、上または下の層に対して、どのくらい正確に位置調整されているかの判定）である。
【０００３】
現在、こうした測定は、層内にエッチングされるテストパターンによって行われる。相対的な変位量は、種々の既知の画像分析アルゴリズムのいずれかを使用して、パターンを電子カメラ上に高倍率で撮像することによって測定される。最も広く使用されるパターンは、各辺の寸法が約２０マイクロメータである同心の正方形であり、一般に「ボックス内ボックス」ターゲットと呼ばれる。図１は、代表的な「ボックス」型ターゲット５を示す。内側ボックス１は、通常、製造中の半導体ウエハの最上層にプリントされ、中央が開放された外側ブロック２は、その下の第２の層にプリントされる。したがって、測定プロセスは、顕微鏡システムを用いて、電子カメラ上にターゲット５を高倍率（通常１０００倍）で、かつ、ｘ，ｙ両方向において高解像度で、撮像することを含む。
【０００４】
ｘ，ｙ軸のそれぞれのレジストレーション誤差は、まず、外側ボックス２の線ｃ１，ｃ２のエッジの位置と、内側ボックス１の線ｃ３，ｃ４のエッジの位置と、を計算することによって測定される。レジストレーション誤差は、テストされる２層間のミスアライメントの量を表す。これらの位置に基づいて、２つのボックス間のレジストレーション誤差は、線ｃ１，ｃ３間の平均離間距離と線ｃ４，ｃ２間の平均離間距離とを比較することによって決定される（すなわち、ボックス１，２間のレジストレーション誤差は、これら２つの離間距離の差である）。各軸におけるボックス１，２間のレジストレーション誤差は、次の式を用いて計算される。
【０００５】
Ｒx ＝（ｃx３−ｃx１）−（ｃx２−ｃx４）    （１ａ）
Ｒy ＝（ｃy３−ｃy１）−（ｃy２−ｃy４）    （１ｂ）
【０００６】
したがって、線ｃ１，ｃ３間の平均間隔が、線ｃ２，ｃ４間の平均間隔と同じである場合、その軸における対応するＲ値はゼロである。
【０００７】
この従来技術については、ニール・Ｔ・サリバンが、Handbook of Critical Dimensions Metrology and Process Control, pp.160-188, vol. CR52, SPIE Press (1993)の中の「Semiconductor Pattern Overlay」において、さらに説明および分析している。従来技術の精度は、エッチングされた線のプロファイルの非対称性と、照明および撮像光学系の収差と、カメラにおける画像のサンプリングと、によって制限される。従来技術の制限を解消するシステムが望まれている。
【０００８】
【発明の概要】
本発明は、デバイスの２つの層間の相対的な位置を測定する装置および方法に向けられている。本発明の一実施形態では、２つの層は、半導体ウエハ上で積層された層である。この装置は、少なくとも１つのキャリブレーション周期構造セットと、少なくとも２つのテスト周期構造セットとを含み、双方が１つの軸に沿って配置されたマークを使用する。各テスト周期構造セットは、第１および第２のセクションに形成された周期構造を有する。第１および第２のセクションの周期構造は、それぞれ、デバイスの２つの層の一方に形成される。各テストセットの第１および第２のセクションは、それぞれ、次のテストセットの第２および第１のセクションに近接して配置されている。このマークは、マークを走査する２つのビームがデバイスの２つの層のうちの一方に形成されたテストセクションと、他方に形成されたテストセクションと、の上方を移動することを許容する。多数のテストセットを走査することによって、多数のレジストレーション誤差値が提供され、その後、これらを平均化することによって、レジストレーション誤差値が得られる。平均化によって得られたレジストレーション誤差値は、測定プロセスに使用される２つのビーム間の非対称性、および／または、異なる層の特性の非対称性（例えば、測定される２つの層のテストセット間の高さの差、および／または、材料組成の差）による影響が最少となる。このレジストレーション誤差は、テスト対象の２つの層間のミスアライメントの量を表す。
【０００９】
本発明の別の態様は、デバイスの２つの層間の相対的な位置（例えば、アライメント）を測定する方法に向けられている。この方法は、第１のキャリブレーション周期構造セットを提供する工程と、上述のマークと同様の構造を有する少なくとも２つのテスト周期構造セットを提供する工程と、によって開始される。次に、ビームが、キャリブレーション周期構造および複数のテスト周期構造セットの一部を通る第１の経路を走査する。また、ビームは、キャリブレーション周期構造および複数のテスト周期構造セットの一部を通る第２の経路を走査する。デバイスの表面で反射するビームの一部に関して信号が生成され、特定の方向における２つの層間のレジストレーション誤差が計算される。その後、このプロセスは、別個の方向における２つの層間のレジストレーション誤差を計算するために、繰り返されてもよい。２つの層間の平均レジストレーション誤差が、各方向に関して計算されることが好ましい。
【００１０】
本発明の上記およびその他の特徴および利点は、以下の本発明の明細書および本発明の原理を例示する添付図において、さらに詳細に提示される。
【００１１】
以下、添付図面に例示されるいくつかの好適な実施形態を参照して、本発明を詳細に説明する。以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、多数の特定の詳細について述べる。しかしながら、本発明がこうした特定の詳細の一部または全部がなくとも実施可能であることは当業者には明らかである。また、周知のプロセスステップについては、本発明を不必要に曖昧にしないために、詳細に説明していない。
【００１２】
本発明は、種々の実施形態のそれぞれにおいて、半導体デバイスの２つの層のそれぞれに存在する周期構造で構成されるマークを使用して、半導体デバイスの２つの層間の相対的な位置情報を提供する。こうした構造は、適切なリソグラフィ技術によって形成され、最も単純な場合には、線間の距離と等しい幅の線をエッチングまたは蒸着によって形成し、図２に示すような、さらに詳細に説明される周期的な格子を形成する。周期構造の一実施形態（図２参照）は、基本的には矩形のプロファイルを有する等間隔の線で構成され、これらの線は２つの層のそれぞれの周期構造の一部で重ならないように配置されている。半導体デバイスの各層の複数の線は、周期構造内で並んでいる。図２では矩形のプロファイルが示されているが、これは作用において必須ではなく、これに代えて、台形または円形などの他の線プロファイルを使用可能である。また、ｘ，ｙ両方向に関するパターンが、互いに近接して示されているが、半導体ウエハの異なる位置に設けられていてもよい。本発明のマークの構成は、後述するように、重ね合わされた半導体層のための広範囲なアライメント測定機器の種々の実施形態に貢献する。
【００１３】
図２は、アライメントパターン１０の周期構造を示す。アライメントパターン１０は、ウエハ１００の複数のテスト層が互いに適切なアライメントであるときの構成を示している。アライメントパターン１０は、２つの実質的に同じ格子パターン２０，３０を含み、これらは互いに９０度回転している。図２の軸方向を示す印を前提とすると、格子２０は、ｘ軸のレジストレーション測定用であり、格子３０は、ｙ軸のレジストレーション測定用である。これは、各格子の線は、通常、測定の軸と平行でない必要があるためである。ユーザは、ウエハ上のダイの配置に関するマークの向きについて、都合の良い任意の向きを選択可能である。この向きは、層毎の複数のマスクに関しても同じである。また、異なる方向におけるアライメントを測定するために、任意の数のマークが互いに種々の向きで、ウエハ上に存在してもよい。あるいは、ウエハは、１つの方向におけるミスアライメントを測定するために、１つのマークを含んでいてもよい。
【００１４】
格子２０，３０のそれぞれは、図２に示すように、６つの周期構造セットで構成されている。具体的には、周期構造は、切れ目のない平行な線分であり、各線の幅は線分間の間隔と等しい。実際の使用では、間隔に対する線幅の形態は、必要な精度に応じて変化する。しかしながら、線幅と間隔との間の関係は、通常、半導体ウエハにおける最小の線幅である。テストパターンの特定の実施では、約１μｍの線間隔が使用可能であり、３〜５ｎｍの精度が得られる。
【００１５】
図示する格子２０に注目すると、実線分４０ａ，４０ｂ，４０ｃは、半導体ウエハの１つの層にエッチングされており、一方、「ｘｘ」パターンの線分５０ａ，５０ｂ，５０ｃは、半導体ウエハの次の層にエッチングされている。線分４０ａ，５０ａは、完全な長さの線分であり、各半導体ウエハ層の格子の外側線分である。一方、ほぼ半分の長さの線分４０ｂ，４０ｃ，５０ｂ，５０ｃは、半導体ウエハの各層の周期格子の内側領域を形成する。格子３０の線分６０ａ，６０ｂ，６０ｃは、格子２０の線分４０ａ，４０ｂ，４０ｃに対応しており、同じ半導体ウエハ層に存在している。同様に、格子３０の線分７０ａ，７０ｂ，７０ｃは、格子２０の線分５０ａ，５０ｂ，５０ｃに対応しており、同じ半導体ウエハ層に存在している。これは例示であり、実際の使用と整合する必要はない（すなわち、線分４０ａ，４０ｂ，４０ｃと７０ａ，７０ｂ，７０ｃとが同じ層に存在し、線分５０ａ，５０ｂ，５０ｃと６０ａ，６０ｂ，６０ｃとが同じ層に存在してもよい）。また、４０ａ，５０ａ，６０ａ，７０ａの完全な長さの各線は、半分の線分とほぼ等しく形成されていてもよい。
【００１６】
図２において、各線分グループ内の線の数は、必要な解像度と、望まれる信号対ノイズ比と、に依存する。オペレーションに必要な各長さの線の最小数の観点から言えば、この数は、各格子２０，３０のための半導体ウエハの２つの連続する層によって与えられる２つの「ａ」線と２つの「ｂ」線と２つの「ｃ」線とである（すなわち、２つの７０ａの線、２つの７０ｂの線、２つの７０ｃの線、２つの６０ａの線、など）。線分グループ内で使用される線の最大数を決める１つの要素は、半導体製造技術の状況である。現在のところ、線分グループあたり約１２本までが好適である。しかしながら、近い将来には、各線分グループ内でさらに多くの線が形成可能になると予測される。
【００１７】
「ｘｘ」パターンの線が半導体ウエハの第１の層に形成され、第２の層に実線が形成される場合には、第１および第２の層の線セット間のアライメントを測定することができる。第１および第２の層に関するアライメント測定の後、第３の層において、別の線セット（ここでは「ｘｘ」パターンで示される）が、第１の層の線５０ａ，５０ｂ，５０ｃの領域の上に、これらを覆うように形成される。そして、第２の層の線４０ａ，４０ｂ，４０ｃと第３の層の線５０ａ，５０ｂ，５０ｃとの間のアライメントが測定される。この手順は、その後、追加される層（例えば、第２の層の複数の線の上方に形成される第４の層）に関して繰り返される。したがって、半導体ウエハ層上の各線セットは（最初の層および最後の層にある線を除き）、半導体ウエハの２つの層（一方の層は、下の層であり、他方の層は、上の層である）の線と併せて使用される。あるいは、半導体ウエハ表面に十分なスペースが存在する場合には、ウエハ上の隣接層ペアのための格子ペアは、ウエハの異なる位置に配置される。これにより、現在測定中でない埋もれた層に起因する測定層への「ブリードスルー」干渉を最少化することができる。
【００１８】
したがって、このマーク構成では、半導体ウエハの２つの層間のｘ方向におけるレジストレーション誤差は、マーク２０の５０ｂ，５０ｃ，４０ｂ，４０ｃの線間の並置（juxtaposition ）の量を測定することによって決定される。同様に、マーク３０では、ｙ方向における任意のレジストレーション誤差は、６０ｂ，６０ｃ，７０ｂ，７０ｃの並置された線間に存在する。具体的には、マーク３０では、第１のレジストレーション誤差は、第２の層の線セット６０ｃと第１の層の線セット７０ｂとの間で測定される。第２のレジストレーション誤差は、第１の層の線セット７０ｃと第２の層の線セット６０ｂとの間で測定される。
【００１９】
図３は、図２で説明したアライメントパターン１０のようなアライメントパターンを利用するアライメントスキャナの実施形態を示す図である。この実施形態において、測定対象のパターンを有するウエハ１００は、ステージ２００上に配置される。ステージ２００は、通常、システムコンピュータ１９０の制御下でモータ駆動される。また、コンピュータ１９０と共に実際に測定を実行するための走査ヘッド２３０が設けられる。コンピュータ１９０は、走査ヘッド２３０から受け取ったデータを元に実際の計算も実行する。ウエハ１００と走査ヘッド２３０との間の走査動作の提供に関しては、２つの選択肢が存在する。一方は、コンピュータ１９０によって、ステージ２００を走査ヘッド２３０に対して動かすことであり、他方は、コンピュータ１９０によって走査アクチュエータ２４０（圧電アクチュエータ等）を介して、走査ヘッド２３０をステージ２００に対して動かすことである。どちらの手法も使用可能だが、走査ヘッドはウエハ配置ステージに比べ、サイズおよび重量を大幅に小さくできるため、走査ヘッド２３０を動かし、ステージ２００を静止状態で保持するのが好適である。あるいは、走査は、ヘッド全体を動かすことによって、または，一部の光学部品のみを動かすことによって、実施可能である。
【００２０】
図３のアライメントスキャナの構造および動作について説明を始める前に、いくつかの定義について検討する必要がある。図３には、測定系を定める２種類の座標系が存在する。一方は、ｘ，ｙ，ｚで表されるウエハ１００の座標軸である（図２参照）。他方は、図３に示すように、ｘ’，ｙ’，ｚ’で表されるウエハ１００に対する走査ヘッド２３０の座標軸である。
【００２１】
図３に示すように、ｘ’軸は、水平で図面内に存在し、ｚ’軸線は、垂直で図面内に存在する。そして、ｙ’軸（測定軸）は、図面に直交する。そして、この例において、測定は、格子３０（図２参照）に対して行われる。最初に、ウエハ１００はステージ２００上に置かれる。次に、ステージ２００は、格子２０，３０のｘ，ｙ方向が走査ヘッド２３０のｘ’，ｙ’軸線とほぼ平行になるように、ステージ２００を回転させることによって、位置調整される。２つの軸系が正確に調整されていない場合には、２つの照射スポットの測定経路間に描かれた想像線は、ウエハ１００上で測定されていない軸と平行にならない。スポットは、アライメント走査ビームがアライメント格子に入射するポイントである。この想像線が測定されていない軸と平行でない場合には、アライメントを測定するために使用されている格子パターンにおいて、一方のスポットは、他方に対して、測定の軸に沿って僅かに先行する。２つの軸系が正確に調整されてない場合のミスアライメントは、システム−ウエハ間オフセットと呼ばれる。
【００２２】
走査ヘッド２３０に組み込まれる図３のシステムの光学部分は、光ビーム３００を回折格子１３５へ送る光源１４０を含む。回折格子１３５において、光は、２つの光ビーム２１０ａ，２１０ｂに分割される。適切な光源の１つは、ダイオードレーザである。電子顕微鏡のいくつかの実施形態は、参照によって本願明細書に組み込まれる米国特許第６，０２３，３３８号で説明されている。
【００２３】
回折格子１３５は、ガラス基板上の不透明なコーティングの等間隔の線で構成され、Ronchi Ruling として知られる一般的な光学素子を形成する。こうした格子の特性に関する説明は、ワレン・Ｊ・スミスのModern Optical Engineering, McGraw-Hill, 1990, page 154で確認することができる。一次回折は、式ｓｉｎα＝２λ／Ｓによって与えられる角度αで分離される。ここで、λは照射波長であり、Ｓは格子の周期である。２つの一次回折は、２つの照射ビーム２１０ａ，２１０ｂを提供するために使用される。
【００２４】
そして、光ビーム２１０ａ，２１０ｂは、第１のビームスプリッタ１２０に向かう。第１のビームスプリッタ１２０は、光をほぼ等しく透過および反射するように設計されている。透過した２つの光ビームは、レンズ１１０（単一素子または多数素子レンズ）に向かう。そして、レンズ１１０によって、透過した２つの光ビームは、図４に示すように、ウエハ１００の格子３０上において、スポット２５０ａ，２５０ｂに焦点を結ぶ。
【００２５】
次に、ウエハ１００上の各スポット２５０ａ，２５０ｂからの反射光は、レンズ１１０によって集光され、第１のビームスプリッタ１２０に衝突する。第１のビームスプリッタ１２０において、光は、ほぼ９０度方向を変えて、検出器１７５に向かう。２つのビームを分離するために、２つのビームは、図３に示す２つの検出素子１７５ａ，１７５ｂを備える検出器１７５のレンズ１６５によって撮像される。回折しないゼロ次光は、検出器素子間で焦点を結ぶため、測定を妨害しない。各素子の信号は、対応するＡ／Ｄコンバータ（１８０ａ，１８０ｂ）によりデジタル化され、コンピュータ１９０が取得する。２つの信号の位相差は、図４，図５で後述するように、コンピュータ１９０が判定する。積層膜の２つの層間のレジストレーション誤差は、測定が行われた方向におけるウエハ１００の連続層の格子パターンの部分間のミスアライメントに正比例する。
【００２６】
測定精度は、さらに、信号がＡ／Ｄコンバータによってサンプリングされる間隔に依存する。サンプリング間隔Ｓ（すなわち、連続するサンプル間でスポットが移動する距離を、長さの単位で示したもの）は、次のように計算される。
【００２７】
Ｓ＝走査速度／周波数                    （２）
【００２８】
通常、１０ｍｍ／秒の走査速度、１，０００，０００サンプル／秒のデジタル化周波数であれば、サンプリング間隔は１０ｎｍであり、サンプリング間隔が減少するにつれ、測定精度は高くなる。
【００２９】
光ビームの焦点をスポット２５０ａ，２５０ｂで最初に結ばせるために、コンピュータ１９０の制御下で焦点アクチュエータ２６０は、走査ヘッド２３０をｚ方向に移動させ、必要に応じて走査ヘッド２３０を物理的に上昇または下降させることができる。また、ウエハ１００のｘ軸を測定するために、第２の光学システムを利用することができる。光ビーム２５０ａ，２５０ｂに対して、ウエハ１００は、９０度回転可能であり、あるいは、走査ヘッド２３０は、９０度回転可能である。そして、ｘ’軸に沿った第２の測定は、ｙ’軸に関して上述した方法で、格子２０を用いて行われる。通常、ウエハ１００に対してステージ２００を移動させるのではなく、走査ヘッド２３０を移動させる。これは、光学走査ヘッドは、ステージ２００よりも大幅に小さく軽くすることが可能なためである。光学スキャナのいくつかの実施形態については、代替のアライメントスキャナと共に、既に参照した米国特許第６，０２３，３３８号で説明されている。
【００３０】
上述の測定プロセスによって生成される波形は、図５に示されている。波形３１０ａは、デジタイザ１８０ａ（図３）の出力に対応し、波形３１０ｂは、デジタイザ１８０ｂ（図３）の出力に対応する。図５の垂直軸は、検出された光の大きさを表し、水平軸は、経過時間を表す。走査速度は基本的に一定であるため、経過時間は、走査距離に比例し、水平軸は、さらに、走査方向における位置を表す。
【００３１】
ウエハ１００上の２つの層間のミスアライメントを判定する方法を例示するために、図５の波形３１０ａ，３１０ｂは、こうしたミスアライメントと共に、ウエハ１００の軸（ｘ，ｙ，ｚ）と走査ヘッド２３０の軸（ｘ’，ｙ’，ｚ’）との間のオフセットに関して、描かれている。以下の説明では、図４，図５を同時に参照する必要がある。図５において、波形３１０ａ，３１０ｂは、走査ヘッド２３０がウエハ１００全体を前進（ここではｙ軸に沿って移動）する際の互いの関係を表している。これらの波形は、４つの区間３３０，３４０，３５０，３６０に分割されて示されている。区間３３０は、線７０ａ（図４参照）を走査して得られた信号を表している。区間３４０は、線７０ｂ，６０ｃを走査して得られた信号を表している。区間３５０は、線６０ｂ，７０ｃを走査して得られた信号を表している。区間３６０は、線６０ａを走査して得られた信号を表している。
【００３２】
信号３１０ａ，３１０ｂの第１の区間３３０は、第１のキャリブレーション区間である。これは、走査ヘッドが正のｙ方向に並進するのに伴って照射ポイント２５０ａ，２５０ｂの両方がマーク３０の線７０ａに衝突する時間に、双方の信号が対応しているためである。区間３３０では、複数の線７０ａの間にアライメント誤差が無いため、測定軸に関するスポット２５０ａ，２５０ｂの関係が判定される（例えば、半導体ウエハ１００の第１の層および走査ヘッド２３０の軸間のオフセットは、半導体ウエハの第１の層の格子の一部によって判定される）。
【００３３】
第２の区間３４０は、測定区間である。これは、各信号３１０ａ，３１０ｂは、半導体ウエハ１００の２つの層の２つの格子の一部を走査して得られるためである（例えば、スポット２５０ａは、第２の層の線６０ｃに衝突し、スポット２５０ｂは、第１の層の線７０ｂに衝突する）。
【００３４】
第３の区間３５０は、第２の測定区間である。これは、各信号３１０ａ，３１０ｂは、同様に、半導体ウエハ１００の２つの層の２つの格子の一部を走査して得られるためである（すなわち、スポット２５０ａは、第１の層の線７０ｃに衝突し、スポット２５０ｂは、第２の層の線６０ｂに衝突する）。
【００３５】
信号３１０ａ，３１０ｂの第４の区間３６０は、第２のキャリブレーション区間であり。これは、双方の信号は、ウエハ１００の第２の層の線６０ａに基づいて得られるためである（すなわち、走査ヘッド２３０が正のｙ方向に並進するのに伴って照射ポイント２５０ａ，２５０ｂの両方が線６０ａに衝突する時間に、双方の信号が対応している）。区間３６０では、複数の線６０ａの間にアライメント誤差が無いため、測定軸に関するスポット２５０ａ，２５０ｂの関係が判定される（すなわち、半導体ウエハ１００の第２の層および走査ヘッド２３０の軸間のオフセットは、半導体ウエハの第２の層の格子の一部によって判定される）。
【００３６】
コンピュータ１９０が実行する計算は、４つの区間３３０，３４０，３５０，３６０における位相差を判定することで構成される。区間３３０，３６０における位相差は、上述したウエハ１００のパターンと走査ヘッド２３０の軸との不完全な回転アライメントによるものである可能性があり、これにより、走査方向におけるウエハ１００の実際の軸に関して、照射ポイント２５０ａ，２５０ｂで異なる座標が発生する。照射ポイント間で一定の位相差を発生させる可能性がある測定誤差のその他の原因は、電気的遅延および光学収差である。
【００３７】
ウエハ１００の２つの層間のｙ軸レジストレーション誤差を判定する第１の工程は、区間３４０，３５０における波形３１０ａ，３１０ｂ間の平均位相誤差を取得することである。第２の工程は、キャリブレーション区間３３０，３６０を走査して得られた同波形のオフセット誤差を、差し引くことである。この調整済みおよび平均化済みのレジストレーション誤差は、ウエハ１００の２つの層間の実際のレジストレーション誤差となる。
【００３８】
レジストレーション誤差は、Ｄ＝Ｐ*φによって計算される。ここで、Ｐは格子周期であり、φは２つの信号間でキャリブレートされた位相差である。φは、次式から得られる。
【００３９】
φ＝０．５（φc−φb）−０．５（φa＋φd）
【００４０】
この式のパラメータは、次のように定義される。
【００４１】
φa＝区間３３０における信号３１０ａ，３１０ｂ間の位相差
φb＝区間３４０における同信号間の位相差
φc＝区間３５０における同信号間の位相差
φd＝区間３６０における同信号間の位相差
【００４２】
これらの式において、位相は、周期の一部分として表現されるため、１つの位相は一周期に等しい。
【００４３】
本発明では、２つのテスト区間が設けられており、各照射ポイント２５０ａ，２５０ｂは、任意のレジストレーション誤差が測定される各層に形成された格子パターンを走査する。例えば、図４では、照射ポイント２５０ａは、１つの層に形成された複数の線６０ｃ上と、異なる層に形成された複数の線７０ｃ上と、を通る。同様に、照射ポイント２５０ｂは、ウエハ１００の２つの層のそれぞれに形成された複数の線７０ｂ，６０ｂ上を通る。２つのテスト区間で照射スポットを導くことによって、２つの層間のレジストレーション誤差は２回度測定される。レジストレーション誤差は、第１のテスト区間において１回目が測定される。ここでは、照射スポット２５０ａは、第２の層に形成された線（６０ｃ）上を移動し、スポット２５０ｂは、第１の層に形成された（７０ｂ）上を移動する。レジストレーション誤差が第２のテスト区間において２回目に測定されるとき、スポット２５０ａは、第１の層に形成された線（７０ｃ）上を移動し、スポット２５０ｂは、第２の層に形成された線（６０ｂ）上を移動する。平均レジストレーション誤差は、これらの２つのレジストレーション誤差値を平均化することによって得られる。
【００４４】
２つの測定済みレジストレーション誤差値を平均化することによって、ウエハの異なる層に形成された線間の非対称性と２つの測定ビーム間の非対称性とによって導入される測定誤差は大幅に減少する。この結果、平均レジストレーション誤差値は、個別に測定されたレジストレーション誤差値のいずれかよりも正確な値となる。測定の非対称性は、各層の異なる線セットの高さの違いによって発生する場合がある。上層の材料は、下層の線を覆うと共に整合するため、下層の線は、ウエハの上層を介してのみ見ることが可能な場合がある。一方、上層の線は、一般に、下層の最上部に適用されたフォトレジストマスクにより形成される。２つの層の線間の高さの違いは、フォトレジストの最上部と下層の材料の最上部との間の違いである。この高さの違いは、ビームの断面領域（ビームが進む方向と垂直な断面エリア）内の光強度が光源からのビームの進行に伴って変化するという事実に起因して、測定における非対称性を発生させる場合がある。各線分が異なる高さで各ビームに衝突するため、２つの層の線によって発生する光変調は、変化する場合があり、この結果、異なる形の回折が発生する。こうした非対称性の影響により、収集データ（すなわち、波形３１０ａ，３１０ｂ）は、不正確になる場合がある。なお、各ビームは、異なる固有の収差を有する場合があり、これにより、ビーム内では、強度分布に僅かな変化が発生する。非対称性の別の原因は、金属層に衝突するときとフォトレジスト層に衝突するとで、ビームが異なる屈折特性を有する可能性があることである。
【００４５】
上述の非対称性の原因は、２つのレジストレーション誤差値を平均化する際に考慮されるべきものの主な例である。当業者には理解されるように、平均化に利用できるテストデータの量を増大させるために３以上のテスト区間が含まれていてもよい。また、複数のテスト区間は、互いに隣接して配置される必要はない。こうした平均レジストレーション誤差値を取得する方法は、ｘ方向におけるレジストレーション誤差を得るために、格子２０に関して繰り返されてもよい。
【００４６】
２つの波形間の位相差またはタイムシフトを計算する方法は、確立されており、フーリエ変換アルゴリズムや、ゼロ交差検出、相関アルゴリズムなどが含まれる。場合によっては、同じｘ座標または異なるｘ座標のいずれかで、数回の走査を行うことが望ましい。数回の測定を平均化することによって統計的なランダムノイズは減少する傾向があるため、数回の走査は、測定ノイズを減少させるために望ましい。ｙ軸での走査（以前に説明・図示したもの）を想定すると、格子構造の局部的な不完全（統計的にランダム）を平均化できるように、走査ラインをｘ軸線に沿って移動させることが望ましい。各走査に関して、レジストレーション誤差を各区間３３０，３６０で計算し、その後、これらの値を平均する。レジストレーション誤差を計算し、その後、レジストレーション誤差を平均化するには、各サンプルポイントの強度値を平均化するのが好ましい。これは、支配的な振動周波数の単一のサイクルの小さな部分でサンプルが取り出される場合には、振動に起因する誤差がキャンセルされるためである。経験から言って、こうした振動周波数が存在する場合には、通常、５００ヘルツをかなり下回る。
【００４７】
図６は、本発明の代替実施形態におけるアライメントパターンを示す。アライメントパターン２５では、第３のキャリブレーション区間８０が、ウエハ１００の第２の層に形成されており、２つのテスト区間の間に配置されている。キャリブレーション区間８０は、ウエハの第１の層に形成されていてもよい。第３のキャリブレーション区間は、平均化に利用可能なテストデータの量を増大させるために利用することができる。これは、さらに、ウエハの層とアライメントスキャナとの間のオフセット誤差の影響を最小化することができる。
【００４８】
本発明について、いくつかの好適な実施形態の観点から説明してきたが、本発明の範囲に含まれる変形例、置換例、および等価物が存在する。なお、本発明の方法および装置を実施する数多くの代替例が存在する。例えば、例示したマーク構造は、キャリブレーション線セットを含むが、当然ながら、キャリブレーション線をマークから除外し、キャリブレーションプロセスを排除してもよい。したがって、前記特許請求の範囲は、本発明の趣旨および範囲に入るこうしたすべての変形例、置換例、および等価物を含むと解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
本発明およびその更なる利点は、添付図面と併せて以下の説明を参照することによって最も良く理解される。
【図１】  代表的な従来技術の「ボックス内ボックス」ターゲットを示す図である。
【図２】  半導体ウエハの２つの層のアライメントを判定するために使用される本発明のマークの実施形態を示す図である。
【図３】  本発明のアライメント測定システムの実施形態を示す図である。
【図４】  ｙ軸線に対して垂直な本発明のマークを使用する本発明のアライメント測定システムの実施形態を、ｙ方向におけるアライメントの測定に使用される２つの光ビームの瞬間的な位置と共に示す図である。
【図５】  図４の各走査光ビームによって発生する信号の関係を時間と位置とに関して示す図である。
【図６】  第３のキャリブレーション区間を含むマークの代替の実施形態を示す図である。
【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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