(57)【要約】【課題】  リソグラフィー工程において、３層のマスクレイヤの重ね合わせ精度を測定する測定時間を短縮し、また重ね合わせずれを最小にできる、基板上での占有面積の小さな重ね合わせ測定パターンおよび重ね合わせ補正方法を提供する。【解決手段】  基板５上に形成する重ね合わせ測定パターン１を、第一層重ね合わせ測定パターン２と、第二層重ね合わせ測定パターン３と、三層重ね合わせ測定レジストパターン４とを順に上に形成するとともに、それぞれの輪郭が重ならない大きさにて形成することにより構成する。これにより、第一層と第三層、第二層と第三層の重ね合わせずれ量を同時に測定可能となり、第一層・第二層に対する第三層の重ね合わせずれ量α、βを両方考慮して露光装置を設定することで、露光装置の系統的な合わせずれを小さくし、直接重ね合わせのみならず、間接重ね合わせの精度を向上できる。２種類の重ね合わせ測定パターンを形成していた従来に比べて、基板上に占める面積も低減できる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リソグラフィー工程におけるマスクレイヤの重ね合わせ精度を測定するために基板上に形成された重ね合わせ測定パターンであって、
第一層重ね合わせ測定パターンの上に第二層重ね合わせ測定パターンを形成し、さらにその上に第三層重ね合わせ測定パターンを形成して構成され、前記第一層、第二層、および第三層の重ね合わせ測定パターンは、それぞれの輪郭が重ならない順次に小さい寸法を有した重ね合わせ測定パターン。
【請求項２】
第一層重ね合わせ測定パターンと第二層重ね合わせ測定パターンと第三層重ね合わせ測定パターンはそれぞれ、互いに隣り合う辺が平行をなすように矩形に形成された請求項１記載の重ね合わせ測定パターン。
【請求項３】
リソグラフィー工程におけるマスクレイヤの重ね合わせずれを補正する重ね合わせ補正方法であって、
請求項１に記載された重ね合わせ測定パターンを基板上に形成するステップと、
前記重ね合わせ測定パターンにおける第一層重ね合わせ測定パターンに対する第三層重ね合わせ測定パターンの重ね合わせずれ量αと、前記第二層重ね合わせ測定パターンに対する第三層重ね合わせ測定パターンの重ね合わせずれ量βとを測定するステップと、
前記重ね合わせずれ量αおよびβから前記第一層重ね合わせ測定パターンに対する第三層重ね合わせ測定パターンの重ね合わせ補正量γを以下の式
γ＝α＋ｃ（β−α）（０≦ｃ≦１）
により求めるステップと、
前記重ね合わせ測定パターンが形成される加工対象の基板上に前記第三層重ね合わせ測定パターンを形成する露光装置を、前記重ね合わせ補正量γだけ補正して設定するステップとを、前記加工対象の基板の露光工程に先立って行なう重ね合わせ補正方法。
【請求項４】
０≦ｃ≦１／２である請求項３記載の重ね合わせ補正方法。
【請求項５】
第一層重ね合わせ測定パターンまたは第二層重ね合わせ測定パターンに対する第三層重ね合わせ測定パターンの重ね合わせ余裕度に応じてｃの値を設定する請求項３または請求項４のいずれかに記載の重ね合わせ補正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置を製造する際のフォトリソグラフィー工程において、フォトマスク重ね合わせ精度を確保するための重ね合わせ測定パターンおよび重ね合わせ補正方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体装置を製造する際のフォトリソグラフィー工程において、フォトマスク重ね合わせ精度を確保するために、重ね合わせ測定パターンを用いて重ね合わせずれを測定し、補正している。
【０００３】
図５は重ね合わせ測定パターンの（a）平面図および（b）断面図である。重ね合わせ測定パターン１１は、第一層重ね合わせ測定パターン１２（以下、第一層パターン１２という）と第二層重ね合わせ測定パターン１３（以下、第二層パターン１３という）とにより構成されており、フォトマスクを用いて基板１４上に形成されている。
【０００４】
第一層パターン１２は、半導体集積回路上のトランジスタなどの素子を構成するパターンを形成すると同時に、基板１４上の膜をエッチングすることにより矩形に形成されている。第二層パターン１３は、第一層パターン１２上に重なるように同じ位置に、半導体集積回路上の素子を構成するためのレジストパターンを形成すると同時に、レジスト膜より形成されている。また第二層パターン１３は、第一層パターン１２との重ね合わせずれ量を測定出来る様に、第一層パターン１２と相似な矩形で、４辺とも第一層パターン１２の４辺と平行をなすように、かつ、第一層パターン１２よりも当然に小さく設計されている。
【０００５】
重ね合わせ測定パターン１１を用いて重ね合わせ精度を調べるには、まず第一層パターン１２と第二層パターン１３（レジストパターン）の互いに隣接した辺間の距離ｘ１，ｘ２，ｙ１，ｙ２を測定する。
【０００６】
次に、第一層パターン１２と第二層パターン１３とのＸ方向のずれ量ｘmreg、ｙ方向のずれ量ｙmregを以下の式（１）（２）から算出する。
ｘmreg＝（ｘ１−ｘ２）／２  ・・・（１）
ｙmreg＝（ｙ１−ｙ２）／２  ・・・（２）
このｘmreg及びｙmregがリソグラフィーにおける重ね合わせずれ量である。重ね合わせずれのない理想状態では、第一層パターン１２と第二層パターン１３の各辺間の距離は左右（ｘ方向）でまた上下（ｙ方向）で等しくなる。
【０００７】
実際の半導体集積回路の製造工程では、加工対象の複数の半導体基板より構成されたロットにパターン露光を行う前に（先行露光工程）、上記したようにして重ね合わせずれ量を求め、そのずれ量に相当する分だけ補正してマスク合わせするように露光装置を設定することが多い。このようにすることにより、露光装置に起因する系統的なマスクずれを回避することができ、マスク合わせ精度を向上できる。
【０００８】
また実際の半導体集積回路の製造工程では、製造歩留を向上させるために、３層のマスクレイヤ間の重ね合わせ精度を問題にすることがある。その場合、例えば第一層目−第三層目、第二層目−第三層目マスクの重ね合わせ精度をそれぞれ測定するために、上述した重ね合わせ測定パターン１１と同様の重ね合わせ測定パターンを２種類使用している。
【０００９】
図６（ａ）（ｂ）に示す重ね合わせ測定パターン２１は、第一層目−第三層目マスクレイヤ間の重ね合わせ精度を測定するもので、第一層重ね合わせパターン２２（以下、第一層パターン２２という）と、レジストたる第三層重ね合わせパターン２３（以下、第三層パターン２３という）とにより構成され、基板２４上に形成されている。図７（ａ）（ｂ）に示す重ね合わせ測定パターン２５は、第二層目−第三層目マスクレイヤ間の重ね合わせ精度を測定するもので、第二層重ね合わせパターン２６（以下、第二層パターン２６という）と第三層重ね合わせパターン２３（第三層パターン２３）とにより構成されている。これら重ね合わせ測定パターン２１，２５を用いて上述したのと同様にして重ね合わせ測定を行い、ずれ量を算出する。
【００１０】
しかしこの方法では、重ね合わせ測定パターン２１，２５の両方について重ね合わせ測定するので時間がかかり、重ね合わせ測定パターン２１，２５のための占有面積も大きく確保しなければならない。
【００１１】
実際の半導体集積回路の製造工程では、先行露光工程で重ね合わせ測定パターン２１について重ね合わせずれ量を計算し、それに基づいて、第一層パターン２２に対する第三層パターン２３の重ね合わせずれ量分だけ補正してマスク合わせするように露光装置を設定した後、加工対象の各半導体基板上にパターン露光している。このことにより、加工対象の各半導体基板において、第一層パターン２２に対して第三層パターン２３をほぼ正確に重ね合わせることが可能であり、略ずれのないパターン形成が可能である。
【００１２】
しかし一方で、重ね合わせ測定パターン２５の第二層パターン２６は、第一層パターン２２とは別のフォトリソ工程で形成されるので、第一層パターン２２に対してもマスク合わせズレ量を有しており、第一層パターン２２に重ね合わせるようにずれ量を補正した露光装置により形成される第三層パターン２３を、第二層パターン２６に対して小さいずれ量で重ね合わせることはできず（間接合わせとなっている）、その合わせずれが所定の範囲内に収まるようにずれ量を補正することもできない。
【００１３】
つまり、間接重ね合わせとなる重ね合わせ測定パターン２５の重ね合わせずれ量は、直接重ね合わせとなる重ね合わせ測定パターン２１の重ね合わせずれ量に比べて大きくなる。そのため第一層パターン２２に対して、第二層２６の重ね合わせ余裕を大きくしなければならず、半導体素子などの寸法微細化に障害となるという問題がある（例えば特許文献１および２参照）。
【特許文献１】特開平０６−１３６０２１号公報
【特許文献２】特開平０８−１７７１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は上記従来の問題を解決するもので、リソグラフィー工程においてマスクレイヤの重ね合わせ精度を測定する測定時間を従来より短縮できるとともに、重ね合わせずれを最小にできる、占有面積の小さな重ね合わせ測定パターンおよび重ね合わせ補正方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の重ね合わせ測定パターンは、リソグラフィー工程におけるマスクレイヤの重ね合わせ精度を測定するために基板上に形成された重ね合わせ測定パターンであって、第一層重ね合わせ測定パターンの上に第二層重ね合わせ測定パターンを形成し、さらにその上に第三層重ね合わせ測定パターンを形成して構成され、前記第一層、第二層、および第三層の重ね合わせ測定パターンは、それぞれの輪郭が重ならない順次に小さい寸法を有したことを特徴とする。
【００１６】
上記構成により、第三層重ね合わせ測定パターンの、第一層重ね合わせ測定パターンおよび第二層重ね合わせ測定パターンのそれぞれに対する重ね合わせずれ量が当該重ね合わせ測定パターン一箇所で同時に測定可能となる。よって、測定時間を短縮できるとともに、第一層・第二層重ね合わせ測定パターンの両方に対する第三層重ね合わせ測定パターンの重ね合わせ精度、および、第二層重ね合わせ測定パターン・第三層重ね合わせ測定パターン間の間接重ね合わせ精度を向上させることができる。２種類の重ね合わせ測定パターンを形成していた従来に比べて、基板上に占める面積も低減できる。
【００１７】
第一層重ね合わせ測定パターンと第二層重ね合わせ測定パターンと第三層重ね合わせ測定パターンはそれぞれ、互いに隣り合う辺が平行をなすように矩形に形成されたものとすることができ、それによりｘｙ方向のずれを容易に測定可能となる。
【００１８】
また本発明の重ね合わせ補正方法は、リソグラフィー工程におけるマスクレイヤの重ね合わせずれを補正する重ね合わせ補正方法であって、請求項１に記載された重ね合わせ測定パターンを基板上に形成するステップと、前記重ね合わせ測定パターンにおける第一層重ね合わせ測定パターンに対する第三層重ね合わせ測定パターンの重ね合わせずれ量αと、前記第二層重ね合わせ測定パターンに対する第三層重ね合わせ測定パターンの重ね合わせずれ量βとを測定するステップと、前記重ね合わせずれ量αおよびβから前記第一層重ね合わせ測定パターンに対する第三層重ね合わせ測定パターンの重ね合わせ補正量γを以下の式
γ＝α＋ｃ（β−α）（０≦ｃ≦１）
により求めるステップと、前記重ね合わせ測定パターンが形成される加工対象の基板上に前記第三層重ね合わせ測定パターンを形成する露光装置を、前記重ね合わせ補正量γだけ補正して設定するステップとを、前記加工対象の基板の露光工程に先立って行なうことを特徴とする。
【００１９】
このようにして、加工対象の基板の露光工程に先行して、重ね合わせ測定パターンを形成して重ね合わせずれ量を測定し、それより重ね合わせ補正量γを算出し、露光装置を設定しておくことで、露光装置の機構に起因する系統的な重ね合わせずれを抑制可能である。
【００２０】
その際に、０≦ｃ≦１／２とすることにより、第三層重ね合わせ測定パターンを第一層重ね合わせ測定パターンに対してより正確に合わせることができる。
ｃの値は、第一層重ね合わせ測定パターンまたは第二層重ね合わせ測定パターンに対する第３層重ね合わせ測定パターンの重ね合わせ余裕度に応じて設定することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の重ね合わせ測定パターンは、第一層重ね合わせ測定パターンと第二層重ね合わせ測定パターンと第三層重ね合わせ測定パターンとを順に基板上に形成した３層構造であるため、２層構造の重ね合わせ測定パターンを２種類用いる従来方式よりも各層の重ね合わせ測定パターンどうしの重ね合わせ精度（ずれ）を測定する測定時間を短縮可能であり、基板上に占める占有面積も削減できる。
【００２２】
また本発明の重ね合わせ補正方法は、予め、各層の重ね合わせ測定パターンどうしのずれを測定し、それより第三層重ね合わせ測定パターンを第一層重ね合わせ測定パターンに対して重ね合わせるための補正値を求め、求めた補正値を用いて、加工対象の基板上に第三層重ね合わせ測定パターンを形成する露光装置を設定する構成であるため、実際の加工対象の基板の露光工程において、露光装置自体に起因する系統的な第三層重ね合わせ測定パターンの重ね合わせずれを、第一層、第二層重ね合わせ測定パターンの両方に対して最小にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）は本発明の一実施形態における重ね合わせ測定パターンの構成を示す平面図、図１（ｂ）は同重ね合わせ測定パターンの図１（ａ）におけるＣ−Ｃ´断面図、図２は同重ね合わせ測定パターンが形成された半導体基板の平面図である。
【００２４】
図１（ａ）（ｂ）において、重ね合わせ測定パターン１は、半導体装置の集積回路を製造するフォトリソ工程で上下３層の重ね合わせ精度を測定するために用いるもので、第一層重ね合わせ測定パターン２（以下、第一層パターン２という）と、第二層重ね合わせ測定パターン３（以下、第二層パターン３という）と、第三層重ね合わせ測定パターン４（以下、第三層パターン４という）とよりなり、半導体基板５（ウエハ）上に形成されている。重ね合わせ測定パターン１の位置は、図２に示すような半導体チップ５ａ(ダイ)上の集積回路が形成されない周辺領域、あるいはスクライブレーン上などである。
【００２５】
詳細には、重ね合わせ測定パターン１は、第一層パターン２の上に第二層パターン３が形成され、さらにその上に第三層パターン４が形成されたもので、これら第一層パターン２、第二層パターン３、第三層パターン４は、半導体素子を形成する各種マスクレイヤにおけるパターンと同時に、それぞれの輪郭が重ならないように順次に小さい寸法にて矩形に形成されていて、全体として凸パターンをなしている。第一層パターン２、第二層パターン３、第三層パターン４の４辺とも、互いに隣接するパターンの辺と平行に配置されていて、辺同士の距離を容易に測定可能である。
【００２６】
このため、重ね合わせ測定パターン１という一箇所の凸パターンで、第一層パターン２、第二層パターン３、第三層パターン４の重ね合わせ精度（ずれ量）を同時に測定することができ、従来は重ね合わせ測定パターンを２種類形成していたのに比べて、測定時間が短縮される。重ね合わせ測定パターン１自体が半導体チップ５ａ上に占有する面積も低減される。
【００２７】
重ね合わせ測定パターン１を用いた重ね合わせ補正方法を説明する。
図１から容易に理解されるように、重ね合わせ測定パターン１においては、重ね合わせずれが無い理想的な状態では、第一層パターン２の中心と、第二層パターン３の中心と、第三層パターン４の中心はすべて一致する。
【００２８】
これに対し、実際のフォトリソ工程でのマスク合わせ時には一般に重ね合わせずれがあり、たとえば図３（ａ）に示す重ね合わせ測定パターン１Ａのように、第一層パターン２Ａの中心（一点鎖線）、第二層パターン３Ａの中心（鎖線）、第三層パターン４Ａの中心（実線）は一致しない。
【００２９】
そこで、第三層パターン４Ａの重ね合わせずれがステッパなどの露光装置における系統的重ね合わせ誤差である場合に、第三層パターン４Ａの重ね合わせ補正を次のように行う。ここで第三層パターン４Ａは、第一層パターン２Ａを基準としてのみ重ね合わせを行うものとする。したがって第三層パターン４Ａは第一層パターン２Ａに対して直接重ね合わせとなり、第二層パターン３Ａに対しては間接重ね合わせとなる。
【００３０】
加工対象の基板に集積回路を形成する露光工程に先立つ先行露光工程において、第三層パターン４Ａと第一層パターン２Ａ，第二層パターン３Ａとの重ね合わせずれ量をそれぞれ、下記の式（１）（２）を用いて測定する。
【００３１】
ｘmreg＝（ｘ１−ｘ２）／２  ・・・（１）
ｙmreg＝（ｙ１−ｙ２）／２  ・・・（２）
具体的には、第一層パターン２Ａと第三層パターン４Ａの互いに隣接した平行な辺間の距離ｘ２４１，ｘ２４２，ｙ２４１，ｙ２４２を測定する。また第二層パターン３Ａと第三層パターン４Ａの互いに隣接した平行な辺間の距離ｘ３４１，ｘ３４２，ｙ３４１，ｙ３４２を測定する。
【００３２】
そして、第一層パターン２Ａに対する第三層パターン４ＡのＸ方向のずれ量ｘ２４mregおよびｙ方向のずれ量ｙ２４mregと、第二層パターン３Ａに対する第三層パターン４ＡのＸ方向のずれ量ｘ３４mregおよびｙ方向のずれ量ｙ３４mregとを以下のように算出する。
【００３３】
ｘ２４mreg＝（ｘ２４１−ｘ２４２）／２
ｙ２４mreg＝（ｙ２４１−ｙ２４２）／２
ｘ３４mreg＝（ｘ３４１−ｘ３４２）／２
ｙ３４mreg＝（ｙ３４１−ｙ３４２）／２
それぞれのずれ量をα（ｘ２４mreg，ｙ２４mreg）、β（ｘ３４mreg，ｙ３４mreg）として、ｘ方向，ｙ方向のそれぞれについて以下の式（３）により補正量γを求める。
【００３４】
γ＝α＋（１／２）（β−α）  ・・・（３）
そして実際の集積回路を形成する露光工程でも使用される、第三層パターン４Ａを形成した露光装置を、先行露光工程において形成された第三層パターン４Ａの位置から、すなわち第三層の中心位置から補正量（−γ）だけ変位して形成されるように設定する。
【００３５】
このように設定した露光装置を用いることにより、図３（ｂ）に示すように、第三層パターン４Ｂを下層の第一層パターン２Ｂ（直接合わせ），第二層パターン３Ｂ（間接合わせ）の上に形成した時に、第三層パターン４Ｂを、第一層パターン２Ｂ，第二層パターン３Ｂの両方に対して、重ね合わせずれが最小、最適になるように形成することができる。（３）式から、補正量（−γ）は、第三層パターン４Ｂの中心を第一層パターン２Ｂの中心線と第二層パターン３Ｂの中心線との中央に変位させる量、どちらの層に対しても均等なずれ量とする量であることは理解されよう。
【００３６】
デバイスの特性上、第三層パターン４Ｂが第二層パターン３Ｂに対してよりも第一層パターン２Ｂに対して精度高いマスク合わせを要する場合には、（β−α）に重みを付す重み係数ｃを用いる以下の式で補正量γを計算すればよい。
【００３７】
γ＝α＋ｃ（β−α）  ・・・（４）（０≦ｃ＜１／２）
重み係数ｃは一般には、０≦ｃ≦１として、各層の重ね合わせ余裕度に応じて設定することで、第三層パターン４Ｂと、第一層パターン２Ｂ，第二層パターン３Ｂとの重ね合わせずれ量を制御できる。
【００３８】
このようにして、ずれ量を補正するように設定した露光装置によって第三層パターン４Ｂを形成することにより、半導体素子を形成する各パターンレイヤ（第一層パターン２Ｂ，第二層パターン３Ｂ第三層パターン４Ｂのそれぞれと同一層をなすレイヤ）の内、下層パターンとの重ね合わせ余裕が小さいレイヤ、あるいはマスクずれが素子特性に重大な影響を及ぼすようなレイヤについて、露光装置に特有の系統的マスクずれを解消あるいは低減して、重ね合わせ露光、パターン形成することができ、特性劣化のない半導体素子を得ることができる。
【００３９】
なお、重ね合わせ測定パターン１（１Ａ，１Ｂ）は凸パターンとして説明してきたが、図４に示すような凹パターンであっても同様の効果が得られる。測定パターン１（１Ａ，１Ｂ）は基板５の直上の３層に限定されず、任意の上下３層であってよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態における３層構造の重ね合わせ測定パターンを示す（ａ）平面図および（ｂ）断面図
【図２】図１の重ね合わせ測定パターンの基板上での位置を説明する平面図
【図３】図１の重ね合わせ測定パターンによる重ね合わせ補正方法を説明する断面図
【図４】本発明の他の実施形態における３層構造の重ね合わせ測定パターンを示す断面図
【図５】従来の２層構造の重ね合わせ測定パターンを示す（ａ）平面図および（ｂ）断面図
【図６】従来、基板上に２種類形成されている２層構造の重ね合わせ測定パターンの一方を示す（ａ）平面図および（ｂ）断面図
【図７】図６の重ね合わせ測定パターンとともに基板上に形成されているもう一方の２層構造の重ね合わせ測定パターンを示す（ａ）平面図および（ｂ）断面図
【符号の説明】
【００４１】
１  重ね合わせ測定パターン
２  第一層重ね合わせ測定パターン
３  第二層重ね合わせ測定パターン
４  第三層重ね合わせ測定パターン
５  基板
【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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