(57)【要約】【課題】半導体製造プロセスによって生じる測定の不正確さを最小化しつつ、アライメントマークおよび半導体ウェーハのレイヤ間の重ね合わせ誤差を決定する。【解決手段】アライメントマーク２０は、半導体デバイスの異なるレイヤ間の相対位置を測定するための第１テストゾーン（４０ｂおよび５０ｃ）および第２テストゾーン（５０ｂおよび４０ｃ）を含む。第１テストゾーン（４０ｂおよび５０ｃ）は２つの部分を含み、一方の部分４０ｂにはあるレイヤ上にテスト構造が形成され、第２の部分５０ｃには第２レイヤ上にテスト構造が形成される。これらのテスト構造のそれぞれはより小さいサブ構造９２からなる。第２テストゾーン（５０ｂおよび４０ｃ）は２つの似た部分を含み、やはりより小さいサブ構造９２からなる。あるレイヤ中に形成されたそれぞれのテストゾーンの部分が他のレイヤ上に形成された他のテストゾーンの部分と隣接するように、第１および第２テストゾーンは構成される。より小さいサブ構造を持つ周期的構造のそれぞれを形成することによって、アライメント誤差のより正確な測定が可能となる。本発明の他の局面は、重ね合わせ誤差の測定が可能なアライメントマークを利用する方法に関する。【選択図】図１
2004507901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスの第１レイヤおよび第２レイヤ間の相対位置を測定するのに用いられるマークであって、前記第２レイヤは前記第１レイヤとは異なり、前記マークは、
第１部分および第２部分を含む第１テストゾーンであり、前記第１部分は前記第１レイヤ上に形成された複数のテスト構造を含み、前記第２部分は前記第２レイヤ上に形成された複数のテスト構造を含み、前記テスト構造のそれぞれはサブテスト構造からなる、第１テストゾーンと、
第１部分および第２部分を含む第２テストゾーンであり、前記第１部分は前記第１レイヤ上に形成された複数のテスト構造を含み、前記第２部分は前記第２レイヤ上に形成された複数のテスト構造を含み、前記テスト構造のそれぞれはサブテスト構造からなり、前記第１テストゾーンの前記第１部分および前記第２部分は、それぞれ前記第２テストゾーンの前記第２部分および前記第１部分の近傍に位置する、第２テストゾーンと、
を備えるマーク。
【請求項２】
請求項１に記載のマークであり、前記第１レイヤの前記サブテスト構造は前記第２レイヤを通して検出可能であるマーク。
【請求項３】
請求項１に記載のマークであり、前記テスト構造は、細長い長方形の輪郭を持ち、前記テスト構造のそれぞれは互いに平行であるマーク。
【請求項４】
請求項３に記載のマークであり、前記サブテスト構造は直線であり、前記直線は互いに平行であり、それぞれの対応するテスト構造の長手方向に沿ってアラインされているマーク。
【請求項５】
請求項３に記載のマークであり、前記サブテスト構造は正方形であり、前記正方形はロウおよびカラムの配置をとるマーク。
【請求項６】
請求項３に記載のマークであり、前記サブテスト構造は円形であり、前記円形はロウおよびカラムの配置、または六角形の配置をとるマーク。
【請求項７】
請求項１に記載のマークであり、前記テスト構造は正方形の輪郭を持ち、それぞれのテストゾーン内の前記テスト構造はロウおよびカラムの配置をとるマーク。
【請求項８】
請求項７に記載のマークであり、前記サブテスト構造は正方形であり、前記正方形はロウおよびカラムの配置をとるマーク。
【請求項９】
請求項７に記載のマークであり、前記サブテスト構造は円形であり、前記円形はロウおよびカラムの配置、または六角形の配置をとるマーク。
【請求項１０】
請求項１に記載のマークであり、前記テスト構造のそれぞれは、実質的に均一な幅ｍを持ち、それぞれのテストゾーン内の前記テスト構造のそれぞれは実質的に均一な距離ｎによって分離されているマーク。
【請求項１１】
請求項１０に記載のマークであり、前記幅ｍおよび前記距離ｎは実質的に互いに等しいマーク。
【請求項１２】
請求項１に記載のマークであり、前記サブテスト構造は、前記半導体デバイス内に形成された集積回路要素の最小寸法の幅にほぼ等しいサイズのサブテスト構造の幅を持つマーク。
【請求項１３】
半導体デバイスの第１レイヤおよび第２レイヤ間の相対位置を測定するのに用いられるマークであって、前記第２レイヤは前記第１レイヤとは異なり、前記マークは、
第１部分および第２部分を含む第１テストゾーンであり、前記第１部分は前記第１レイヤ上に形成された複数のテスト構造を含み、前記第２部分は前記第２レイヤ上に形成された複数のテスト構造を含み、前記テスト構造のそれぞれはサブテスト構造からなる、第１テストゾーンと、
第１キャリブレーションゾーンおよび第２キャリブレーションゾーンであり、前記第１キャリブレーションゾーンは前記第１レイヤ上に形成された複数のキャリブレーション構造を含み、前記第２キャリブレーションゾーンは前記第２レイヤ上に形成された複数のキャリブレーション構造を含み、前記キャリブレーション構造のそれぞれはサブキャリブレーション構造を含み、前記第１テストゾーンは、前記第１および第２キャリブレーションゾーンの間で、かつ近傍に位置する、第１キャリブレーションゾーンおよび第２キャリブレーションゾーンマークと、
を備えるマーク。
【請求項１４】
請求項１３に記載のマークであり、さらに第１部分および第２部分を含む第２テストゾーンを備えるマークであり、
前記第１部分は前記第１レイヤ上に形成された複数のテスト構造を含み、
前記第２部分は前記第２レイヤ上に形成された複数のテスト構造を含み、
前記テスト構造のそれぞれはサブテスト構造からなり、
前記第１テストゾーンの前記第１部分および前記第２部分は、それぞれ前記第２テストゾーンの前記第２部分および前記第１部分の近傍に位置し、
前記第１および第２テストゾーンは、前記第１および第２キャリブレーションゾーンの間に位置するマーク。
【請求項１５】
請求項１４に記載のマークであり、前記テスト構造および前記キャリブレーション構造は、細長い長方形の輪郭を持ち、それぞれのテストゾーン内の前記テスト構造のそれぞれ、およびそれぞれのキャリブレーションゾーン内のそれぞれの前記キャリブレーション構造は互いに平行であるマーク。
【請求項１６】
請求項１５に記載のマークであり、前記サブテスト構造および前記サブキャリブレーション構造は直線であり、前記直線は互いに平行であり、それぞれの対応するテスト構造およびキャリブレーション構造の長手方向に沿ってアラインされているマーク。
【請求項１７】
請求項１４に記載のマークであり、前記サブテスト構造および前記キャリブレーション構造は正方形の輪郭を持ち、それぞれのテストゾーンおよびキャリブレーションゾーン内の前記テスト構造およびキャリブレーション構造はロウおよびカラムの配置をとるマーク。
【請求項１８】
請求項１７に記載のマークであり、前記サブテスト構造および前記サブキャリブレーション構造は直線であり、前記直線は互いに平行であるマーク。
【請求項１９】
請求項１７に記載のマークであり、前記サブテスト構造および前記サブキャリブレーション構造は円であり、前記円はロウおよびカラムの配置をとるマーク。
【請求項２０】
請求項１４に記載のマークであり、前記テスト構造およびキャリブレーション構造のそれぞれは、実質的に均一な幅ｍを持ち、それぞれのテストゾーン内の前記テスト構造のそれぞれは実質的に均一な距離ｎによって分離され、それぞれのキャリブレーションゾーン内の前記キャリブレーション構造のそれぞれもまた実質的に均一な距離ｎによって分離されるマーク。
【請求項２１】
請求項２０に記載のマークであり、前記幅ｍおよび前記距離ｎは実質的に互いに等しいマーク。
【請求項２２】
請求項２０に記載のマークであり、前記サブテスト構造および前記サブキャリブレーション構造は、それぞれ、前記半導体デバイス内に形成された集積回路要素の最小寸法の幅にほぼ等しいサイズのサブテスト構造の幅およびサブキャリブレーション構造の幅を持つマーク。
【請求項２３】
半導体デバイスの第１レイヤおよび第２レイヤ間の相対位置を測定するのに用いられるマークであって、前記第２レイヤは前記第１レイヤとは異なり、前記マークは、
第１部分および第２部分を含む第１テストゾーンであり、前記第１部分は前記第１レイヤ上に形成された複数のテスト構造を含み、前記第２部分は前記第２レイヤ上に形成された複数のテスト構造を含む、第１テストゾーンと、
第１部分および第２部分を含む第２テストゾーンであり、前記第１部分は前記第１レイヤ上に形成された複数のテスト構造を含み、前記第２部分は前記第２レイヤ上に形成された複数のテスト構造を含み、前記テスト構造のそれぞれはサブテスト構造からなり、前記第１テストゾーンの前記第１部分および前記第２部分は、それぞれ前記第２テストゾーンの前記第２部分および前記第１部分の近傍に位置する、第２テストゾーンと、
を備えるマーク。
【請求項２４】
請求項２３に記載のマークであり、前記テスト構造は、細長い長方形の輪郭を持ち、前記テスト構造のそれぞれは互いに平行であるマーク。
【請求項２５】
請求項２３に記載のマークであり、前記テスト構造は正方形の輪郭を持ち、それぞれのテストゾーン内の前記テスト構造はロウおよびカラムの配置をとるマーク。
【請求項２６】
請求項２３に記載のマークであり、前記第２テストゾーン内の前記サブテスト構造は直線であり、前記直線は互いに平行であるマーク。
【請求項２７】
請求項２３に記載のマークであり、前記第２テストゾーン内の前記サブテスト構造は円形であるマーク。
【請求項２８】
請求項２３に記載のマークであり、前記第１テストゾーン内の前記テスト構造はサブテスト構造からなるマーク。
【請求項２９】
請求項２８に記載のマークであり、前記第１テストゾーンの前記サブテスト構造は円形であり、前記第２テストゾーンの前記サブテスト構造は直線であるマーク。
【請求項３０】
デバイスの第１レイヤおよび第２レイヤ間の相対位置を測定する方法であって、前記第２レイヤは前記第１レイヤとは異なり、前記方法は、
前記２つのレイヤ間の前記相対位置の測定を促進するために第１テストゾーンおよび第２テストゾーンを設けることであって、それぞれのテストゾーンは第１部分および第２部分を含み、前記第１部分は前記第１レイヤ上に形成された複数のテスト構造を含み、前記第２部分は前記第２レイヤ上に形成された複数のテスト構造を含み、前記テスト構造のそれぞれはサブテスト構造からなり、前記第１テストゾーンの前記第１部分および前記第２部分は、それぞれ前記第２テストゾーンの前記第２部分および前記第１部分の近傍に位置する、第１テストゾーンおよび第２テストゾーンを設けることと、
それぞれのテストゾーンの部分にわたり第１パスにおいてビームをスキャンすることであって、少なくとも前記ビームの一部は、前記ビームが前記デバイスに入射した後、前記デバイス表面において反射する、スキャンすることと、
それぞれのテストゾーンの部分にわたり第２パスにおいてビームをスキャンすることであって、前記第１および第２パスは物理的に互いに分離され、また少なくとも前記ビームの一部は、前記ビームが前記デバイスに入射した後、前記デバイス表面において反射する、スキャンすることと、
前記第１パスからの前記ビームの反射された部分の強度に比例する第１信号を発生することと、
前記第２パスからの前記ビームの反射された部分の強度に比例する第２信号を発生することと、
前記第１および第２レイヤの特性間の差によって生じる前記第１および第２信号間の差が最小になるように、前記第１信号および前記第２信号に基づいて前記２つのレイヤ間のレジストレーション誤差を計算すること、
とを備える方法。
【請求項３１】
請求項３０に記載の方法であり、前記テスト構造は、細長い長方形の輪郭を持ち、前記テスト構造のそれぞれは互いに平行であるマーク。
【請求項３２】
請求項３１に記載のマークであり、前記サブテスト構造は直線であり、前記直線は互いに平行であり、それぞれの対応するテスト構造の長手方向に沿ってアラインされているマーク。
【請求項３３】
請求項３１に記載のマークであり、前記サブテスト構造は円形であり、前記円形はロウおよびカラムの配置をとるマーク。
【請求項３４】
請求項３０に記載のマークであり、前記テスト構造は正方形の輪郭を持ち、それぞれのテストゾーン内の前記テスト構造はロウおよびカラムの配置をとるマーク。
【請求項３５】
請求項３４に記載のマークであり、前記サブテスト構造は円形であり、前記円形はロウおよびカラムの配置をとるマーク。
【請求項３６】
請求項３０に記載の方法であり、前記２つのレイヤ間の前記レジストレーション誤差は、第１レジストレーション誤差および第２レジストレーション誤差を平均することによって計算され、前記第１レジストレーション誤差は前記第１信号に基づき、前記第２レジストレーション誤差は前記第２信号に基づく方法。
【請求項３７】
請求項３に記載のマークであって、前記サブテスト構造は円形であり、前記円形はランダムな配置をとるマーク。
【請求項３８】
請求項７に記載のマークであって、前記サブテスト構造は円形であり、前記円形はランダムな配置をとるマーク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本願は共通に譲受された「ウェーハの重ね合わせアライメント測定」と題され、１９９６年７月１２日にＮｏａｈ　Ｂａｒｅｋｅｔによって出願された米国特許第６，０２３，３３８号と、「重ね合わせアライメントマークデザイン」と題され、２０００年６月２２日にＮｏａｈ　Ｂａｒｅｋｅｔによって出願された米国特許出願第０９／６０３，１２０号（弁護士事件番号ＫＬＡ１Ｐ０２６）とに関する。上述の米国特許および米国特許出願はその全体がここで参照によって援用される。
【０００２】
本発明は広くは半導体製造プロセスのためのテストプロシージャ関する。より具体的には本発明は、半導体ウェーハスタックの同じレイヤ上の異なるレイヤまたは異なる露光マスク間のアライメント誤差を測定するアライメントマークに関する。
【０００３】
【発明の背景】
集積回路の製造において用いられる最もクリチカルなプロセス制御技術として、ウェーハ上の連続するパターン形成されたレイヤ間の重ね合わせ精度の測定がある。重ね合わせ精度は、その上または下にあるレイヤに対してパターン形成されたレイヤが、または同じレイヤで複数の露光マスクがどのくらい正確にアラインするかという判断に関する。
【０００４】
現在、重ね合わせ測定は、半導体ウェーハのレイヤ上に印刷されたテストパターンについて行われる。一般に知られるようにパターンは、半導体ウェーハレイヤ上にリソグラフィ方法で印刷されえる。そのような方法は一般に、フォトレジスト材料をウェーハレイヤに塗布し、フォトレジストの特定部分を露光するためにパターン形成されたマスクを通して光源で照らし、残りのレジストの所望のパターンを作るために露光されたレジストを現像し、それからフォトレジストを通して露光されたウェーハの表面をエッチングまたはイオン注入する。重ね合わせ測定用テストパターンのあるタイプは、互いに近接して位置する平行なパターンのセットからなる。異なるウェーハレイヤ上に形成された平行パターンのセットは、レイヤが適切にアラインしたときに一つのセットからのパターンが他のセットからの対応するパターンにアラインするように位置する。このテストパターンおよびこのパターンの変化形は、重ね合わせ誤差を決定するのに有効である。しかしリソグラフィプロセスおよび他の半導体製造プロセスの固有の局面のために、デバイス重ね合わせ誤差に関する情報を提供するテストパターンの精度には限界がある。リソグラフィパターニング装置の光学レンズ収差は、最小寸法サイズ、間隔、形状および位置に依存するパターン配置誤差と、軸からはずれた照明および部分可干渉性を含む照明条件とを生じる。他の半導体製造プロセスもやはり最小寸法サイズに依存する。テストパターン上で測定された重ね合わせ誤差と、回路要素の真の重ね合わせ誤差との相関を改善できる重ね合わせテストパターンを実現することが望ましい。
【０００５】
【発明の概要】
本発明は、半導体製造プロセスによって生じる測定の不正確さを最小化しつつ、アライメントマークおよび半導体ウェーハのレイヤ間の重ね合わせ誤差を決定する方法に関する。本発明はさまざまな実施形態のそれぞれにおいて、半導体デバイスの２つのレイヤ間のアライメント情報を提供するために、半導体ウェーハの２つのレイヤのそれぞれの上に形成された周期的構造からなるアライメントマークを利用する。２つのレイヤが適切にアラインするときにあるレイヤ上のアライメントマークが他のレイヤ上のマークにアラインするように、アライメントマークは、それぞれのウェーハレイヤ上の特定の位置に形成される。よって２つのレイヤが適切にアラインすると、２つのレイヤ上の集積回路パターンがアラインすることになる。したがってそれぞれのウェーハレイヤ上の回路パターン間のアライメントの度合いは、それぞれのレイヤ上のマーク間のアライメントを測定することによって決定される。
【０００６】
本発明のある局面は半導体デバイスの異なるレイヤ間の相対位置を測定するためのマークに関する。アライメントマークは、第１テストゾーンおよび第２テストゾーンを含む。第１テストゾーンは２つの部分を含み、一方の部分にはあるレイヤ上にテスト構造が形成され、第２の部分には第２レイヤ上にテスト構造が形成される。これらのテスト構造のそれぞれはより小さいサブ構造からなる。第２テストゾーンは２つの似た部分を含み、やはりより小さいサブ構造からなる。実際の回路のサイズに近いサイズのサブ構造を持つこれらのテスト構造のそれぞれを形成することによって、そのような回路中のアライメント誤差のより正確な測定が可能となる。あるレイヤ中に形成されたそれぞれのテストゾーンの部分が他のレイヤ上に形成された他のテストゾーンの部分と隣接するように、第１および第２テストゾーンは構成される。本発明の他の局面は、重ね合わせ誤差の測定が可能なアライメントマークを利用する方法に関する。
【０００７】
本発明のこれらのおよび他の特徴および効果は、以下の本発明の明細書および本発明の原理を例示によって示す添付の図面においてより詳細に説明される。
【０００８】
本発明は、そのさらなる効果とともに、添付の図面とともに以下の説明を参照することによって最もよく理解されるだろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
ここで本発明は添付の図面に示されるいくつかの好ましい実施形態を参照しながら詳細に説明される。以下の説明において、本発明を完全に理解するために多くの具体的な詳細が説明される。しかし当業者にとっては、本発明はこれらの一部の、または全ての詳細なしで実施できることに注意されたい。あるいは、本発明を不必要にぼかさないようにするために、よく知られたプロセスステップは詳細に説明されていない。
【００１０】
本発明はそのさまざまな実施形態のそれぞれにおいて、半導体デバイスの２つのレイヤ間のアライメント情報を提供するために、半導体ウェーハの２つのレイヤのそれぞれの上に形成された周期的構造からなるアライメントマークを利用する。アライメントマークは、それぞれのウェーハレイヤの特定の位置に形成されることによって、２つのレイヤが適切にアラインしたときには、あるレイヤ上のアライメントマークが他のレイヤ上のマークとアラインするようになっている。例として、第１レイヤ上のマークは、集積回路を形成するパターンに対してある位置に形成されえる。同時に、第２レイヤ上のマークは、集積回路パターンに対して、ある相対位置であり、しかし少し異なる位置において形成されえる。第２レイヤ上のマークの位置は、回路パターンが適切にアラインしたときに第１レイヤ上のマークと隣接し、かつアラインするように設定される。逆に２つのレイヤが適切にアラインしていないときは、それぞれのレイヤ上のマークは互いにオフセットする。これらの周期的構造のそれぞれは実際の集積回路の構造とほとんど同じサイズのサブ構造からなる。実際の回路のサイズに近い大きさのサブ構造とともに周期的構造のそれぞれを形成することによって、そのような回路におけるいかなる重ね合わせ誤差についてもより正確な測定が可能になる。周期的構造およびサブ構造は、この技術分野で一般に知られるリソグラフィプロセスを用いて形成される。例えば周期的構造およびサブ構造は、フォトレジスト材料の形成物、またはウェーハレイヤ内のリセスがあるキャビティ形成物でありうる。キャビティによって形成された構造およびサブ構造は、半導体製造プロセス中にいずれかのレイヤに形成されたキャビティでありえる。例えばキャビティは、フォトレジストレイヤ、誘電体材料レイヤ、または金属レイヤの全ての中に形成されえる。以下の説明において、半導体の２つのレイヤ間のミスアライメントは、レジストレーション誤差、ミスレジストレーション、または重ね合わせ誤差とよばれることもある。
【００１１】
図１は、本発明のある実施形態によるアライメントマーク１０の上から見た平面図である。アライメントマーク１０は、ウェーハのテストされるレイヤが適切なアライメントであるときに生じる構成で示される。アライメントマーク１０は２つの実質的に同じマーク２０および３０を含み、これらは互いに９０度回転されている。図１の軸回転マーキングが与えられると、グレーティング２０はｘ軸レジストレーション測定に用いられ、一方、グレーティング３０はｙ軸レジストレーション測定に用いられるが、これは各々のグレーティングの線が有効であるためには、典型的には測定の軸について非平行でなければならないからである。テストされるレイヤ上の向きが同じである限り、ウェーハ上のダイの配置に対してマークの任意の便利な向きをユーザは選択できる。さらに異なる向きにおけるアライメントを測定するためにウェーハ上には互いにさまざまな向きで任意の数のマークが存在しえる。あるいはウェーハは、単一の向きのミスアライメントを測定するための単一のマークを含みえる。マーク２０および３０はｘおよびｙ方向について互いに近接して示されるが、半導体ウェーハの異なる位置にあってもよい。
【００１２】
図１に示すようにマーク２０および３０のそれぞれは、周期的構造の６つのセットからなる。周期的構造のそれぞれは多くのサブ構造によって形成される。例えば図１において上から見た平面図から、サブ構造は互いに平行である細い線のように見える。それぞれの周期的構造は本質的には、サブ構造のグループである。実際の使用においては、周期的構造のそれぞれの間の間隔は要求される精度に依存して変化する。アライメントマークの特定の実現例においては、周期的構造のそれぞれの間の距離はほぼ１ミクロンである。
【００１３】
本明細書の図１、３、５、６および９について、異なるウェーハレイヤ上に形成される直線状の形をしたサブ構造の間で区別をするために、あるレイヤ上に形成されたサブ構造は実線で表され、一方、異なるレイヤ上に形成されたサブ構造は点線で表されることに注意されたい。サブ構造によっては点線で表されるが、それぞれの周期的構造内の直線状のサブ構造は実際には、一定の間隔でセグメント化されている不連続の直線状形成物になっているわけではない。実際には周期的構造のそれぞれの中で点線は、連続した直線状形成物を表している。しかし他の実施形態においては、それぞれの周期的構造内のサブ構造がさまざまな形状およびサイズを取りえて、その中には一定間隔でセグメント化された不連続な直線状形成物も含まれることに注意されたい。
【００１４】
説明のためにマーク２０に注目すると、周期的構造のセット４０ａ、４０ｂおよび４０ｃ（実線で表される）は、半導体ウェーハのあるレイヤ上に形成され、一方、周期的構造のセット５０ａ、５０ｂおよび５０ｃ（点線で表される）は、半導体ウェーハの異なるレイヤ上に形成される。直接に上側レイヤを通して、または下側マークによって影響を受けた上側レイヤのトポグラフィによって、下に存在するマークの形状および位置は上側レイヤを通して測定可能でなければならない。周期的構造のセット４０ａおよび５０ａは、半導体デバイスと測定するのに用いられる測定装置とのミスアライメントによって存在しえる誤差についてのアライメント測定を補正するために用いられるキャリブレーションゾーンを形成する。周期的構造のセット４０ａおよび５０ａはそれぞれ、細長く四角い形状の周期的構造８０を含む。周期的構造８０のそれぞれはサブ周期的構造によって形成され、この場合それらは個々の線８２である。
【００１５】
周期的構造４０ｂ、４０ｃ、５０ｂおよび５０ｃは、マーク２０の内側領域を構成する。セット４０ｂおよび５０ｃは一つのテストゾーンを形成し、セット５０ｂおよび４０ｃは第２テストゾーンを形成する。これらのテストゾーンのそれぞれは、半導体ウェーハの２つのレイヤ間のアライメント誤差を決定するために測定されえる。２つのアライメント測定値はそれから平均されて、単一のより正確なアライメント測定値を決定する。セット４０ｂ、４０ｃ、５０ｂおよび５０ｃのそれぞれは、やはり細長く四角い形状の個々の周期的構造９０を含む。しかし周期的構造９０は、周期的構造８０よりも長さが短い。周期的構造９０のそれぞれはサブ構造によって形成され、この場合、それらは個々の線９２である。よってこのマーク構成が与えられると、ｘ方向の半導体ウェーハの２つのレイヤ間のレジストレーション誤差は、マーク２０内のセット５０ｂおよび４０ｃ内の周期的構造間、およびセット４０ｂおよび５０ｃ間の並置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において、ｙ方向のいかなるレジストレーション誤差も、マーク３０内のセット６０ｂおよび７０ｃ内の並置された周期的構造間、およびセット６０ｃおよび７０ｂ間に存在する。それぞれの方向のレジストレーション誤差が周期的構造セットの他の組み合わせの間の並置関係を通しても測定できることが当業者にはわかるだろう。例えばレジストレーション誤差は、マーク２０内のセット４０ｂおよび５０ｂ間、および４０ｃおよび５０ｃ間の並置関係を通して測定されえる（同様に、マーク３０内のセット６０ｃおよび７０ｃ間、および６０ｂおよび７０ｂ間）。
【００１６】
好ましくは、関係のあるレジストレーション誤差のデータは、それぞれのテストゾーン中の個々の周期的構造間の距離を測定することによって集められる。したがって周期的構造のそれぞれの中にある個々のサブ構造のそれぞれについて位置を解決することは必要ない。もちろんレジストレーション誤差は、それぞれのテストゾーン内のサブ構造のそれぞれの間の距離を測定することによっても決定できる。この場合、サブ構造のそれぞれの間の距離は、電子ビーム顕微鏡、またはサブ構造の位置を解決する他の装置を利用して決定してもよい。
【００１７】
マーク３０において、周期的構造６０ａ、６０ｂおよび６０ｃは、マーク２０中の周期的構造４０ａ、４０ｂおよび４０ｃに対応し、これらと同じ半導体ウェーハのレイヤ上に位置する。同様にマーク３０において、周期的構造７０ａ、７０ｂおよび７０ｃは、マーク２０中の周期的構造５０ａ、５０ｂおよび５０ｃに対応し、これらと同じ半導体ウェーハのレイヤ上に位置する。これはここでは説明のためであって、実際の使用に際してはこの通りに一致しなくてもよい（すなわち周期的構造４０ａ、４０ｂおよび４０ｃ、および７０ａ、７０ｂおよび７０ｃが同じレイヤ上に位置し、一方、周期的構造５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、６０ａ、６０ｂおよび６０ｃが他方のレイヤ上に位置してもよい）。アライメントマークの他の実施形態においては、それぞれ周期的構造のセット４０ａ、５０ａ、６０ａおよび７０ａは、端と端とが接するように配置される２つの別々の周期的構造のセットによって形成されることによって、個々の周期的構造８０の軸が一致してもよい。
【００１８】
周期的構造のそれぞれのセット内の周期的構造の数は、必要とされる解像度と所望の信号対雑音比とに依存する。動作に必要な線のそれぞれの長さの最小数の観点からは、その数は２つの「ａ」、２つの「ｂ」および２つの「ｃ」線が、マーク２０および３０のそれぞれについての半導体ウェーハの２つのレイヤのそれぞれによって提供される（すなわち７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、６０ａなどのそれぞれの中の２つの周期的構造）。
【００１９】
キャリブレーションゾーンおよびテストゾーン内の周期的構造のそれぞれを形成するのに用いられるサブ構造によって、アライメントマークは、ウェーハレイヤ間のアライメントの度合いをより正確に表す重ね合わせ測定を促進する。すなわちアライメント測定は、集積回路を形成するのに用いられるそれぞれのレイヤ上のパターンに関するアライメント情報を提供するようにはたらく。部分的にはいくつかの理由によってサブ構造はより情報の多い測定を可能にする。まず、集積回路のためのパターンが形成されるときのレンズパターン配置誤差により近いレンズパターン配置誤差とともに、よりサイズの小さいサブ構造が半導体レイヤ上に形成される。パターンはウェーハレイヤ上に、「ステッパ」のようなリソグラフィ装置で形成される。半導体ウェーハ上に形成されるパターンのレンズ配置誤差は、ステッパレンズにおける収差のためにパターンの大きさおよび間隔とともに変化し、またリソグラフィ用マスク上で規定される回路パターンを露光するのに用いられる照度条件（軸をずれた照明および部分可干渉性を含む）とともに変化する。集積回路要素の微小寸法のそれに匹敵する最小寸法サイズおよびピッチを持つマークを作ることは、回路の最小寸法と同じまたは類似のマスクパターン技術を用いること（例えば同じまたは類似の光学的近接補正またはフェーズシフトマスクパターンを用いること）と同様、より似た度合いのレンズパターン配置誤差とともに形成されたマークおよび集積回路パターンを生むことになる。このようにウェーハの異なるレイヤ群上のマーク間のアライメントは、回路パターン間のアライメントをより正確に表す。ステッパレンズ収差による歪みのより詳細な情報については、Ｈａｒｒｙ Ｊ． ＬｅｖｉｎｓｏｎによるＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌを参照されたい。
【００２０】
ある実施形態においては、サブ構造の寸法は回路パターンの寸法に匹敵する。例えば、線の形状をもつサブ構造は、集積回路の配線の幅にほぼ等しい幅を持つ。現在、回路配線は０．２５μｍにほぼ等しいか、またはこれより小さい幅を持つ。本発明のサブ構造は０．１〜０．２μｍの幅を持つように作れる。しかし理解されるように、半導体製造プロセスの進歩はさらにこれらの寸法を小さくする可能性が高い。
【００２１】
より小さいアライメントマークがより正確な重ね合わせ測定を提供する他の理由は、重ね合わせ測定におけるウェーハ製造非対称性の効果が低減されるからである。ウェーハ製造非対称性は、ウェーハレイヤ上に形成された構造またはパターンの形状およびサイズの、さらなるプロセスによるズレである。形状およびサイズのこれらのズレは、重ね合わせマークに影響を与え、重ね合わせ測定の精度を低下させる。
【００２２】
ウェーハ構造に非対称プロファイルを生じる例示的なウェーハ製造技術は、スパッタ成膜プロセスである。スパッタリングプロセスは一般に材料のレイヤ（つまり金属）を既存のウェーハレイヤの上に施すために用いられる。通常、スパッタされる材料源、ターゲットは、ウェーハの中心の上に位置する。スパッタされる材料はターゲットからウェーハの外周縁に向かって移動し、それにより凹状のチャネル内、またはリッジ状の凸部上で、材料の非対称堆積を生じる。具体的には、へこみのあるチャネルの側壁間の堆積された材料の不均一な累積は、凹状チャネルの見かけの位置をチャネルの一方の側へずらしえる。
【００２３】
非対称寸法を生じえる他の例示的な製造技術は、ウェーハレイヤの機械化学平坦化（ＣＭＰ）である。ある状況下で、ウェーハレイヤは、材料の次レイヤが堆積される前にＣＭＰを経る。ＣＭＰ装置は一般にウェーハレイヤにわたり特定の向きに移動する。したがってＣＭＰ装置は最初にアライメントマークの片面に遭遇し、それからマークの対向する側へと移る。これによりアライメントマークのズレと、見かけのサイズの変化とが生じる。なぜなら最初に遭遇されたアライメントマークの側が、マークの対向する側よりもより多く平坦化されるからである。
【００２４】
どちらの状況においても、アライメントマークに製造プロセスの結果として生じる非対称性は、より小さいマークを形成することによって低減されえる。スパッタリングプロセスに関しては、凹状チャネルまたはリッジがより小さいほど、それぞれの側壁表面上により累積するスパッタ材料がより少なくなるので、それにより形状およびサイズの非対称性のズレもより小さくなる。ＣＭＰプロセスに関しては、より小さい寸法を持つマークはやはりより小さい度合いしかズレない。ウェーハ製造非対称性に関するより詳細な情報については、Ｈａｒｒｙ Ｊ． ＬｅｖｉｎｓｏｎによるＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌを参照されたい。
【００２５】
より小さいサブ構造を持つ周期的構造のそれぞれを形成することによって、それぞれの周期的構造は、回路パターンが形成されるレンズパターン配置誤差とともにウェーハレイヤ上に配置される。サブ構造は、線、正方形、円など形状（上から平面的に見たとして）の多くの変化形でありえる。以下に説明されるように、本発明は多くの異なる周期的構造およびサブ構造の形状およびサイズとともに実施されえる。本発明の構造およびサブ構造は一般にリソグラフィプロセスによって形成されるので、これらの構造およびサブ構造は完全には対称な形状を持たないことに注意されたい。
【００２６】
図２は、図１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ある実施形態の概略図である。本発明のアライメントマークはウェーハ１００上に形成されることによってウェーハ１００のレイヤ間のいかなる重ね合わせ誤差も決定されえる。ウェーハ１００はステージ２００上にセットされ、測定プロセスが始まる。ステージ２００は典型的には、スキャンヘッド２３０とともにコンピュータ１９０の制御のもとでモータ駆動される。スキャンヘッド２３０はコンピュータ１９０とともに実際の測定を実行するように設けられ、コンピュータ１９０はスキャンヘッド２３０から受け取られたデータから実際の計算を行う。ウェーハ１００およびスキャンヘッド２３０の間でスキャンの動きを提供することに関して、２つの選択肢がある。一つはステージ２００をコンピュータ１９０によってスキャンヘッド２３０に対して動かすことであり、もう一つは、スキャンヘッド２３０をスキャンアクチュエータ２４０（例えばピエゾ電気アクチュエータ）を介してコンピュータ１９０によってステージ２００に対して動かすことである。どちらの手法も使えるが、スキャンヘッド２３０を動かし、ステージ２００を静止状態に維持するほうが好ましい。これはスキャンヘッドはウェーハを位置づけるステージに対してサイズおよび重さの点でずっと小さく作ることが可能だからである。あるいはスキャニングは、ヘッド全体を動かすことによって、または光学要素のいくつかだけを動かすことによって実現できる。
【００２７】
図２のアライメントスキャナの構築および動作の説明に進む前に、いくつかの定義について言及する必要がある。図２においては測定の幾何学的配置を規定する２つの座標系がある。一つはウェーハ１００の座標軸であり、ｘ、ｙおよびｚとよばれる（図１参照）。もう一つはスキャンヘッド２３０の座標軸であり、ｘ’、ｙ’およびｚ’とよばれ、図２に示される。
【００２８】
図２に示すように、ｘ’軸は水平であり、図の平面内にあり、ｚ’軸は垂直であり、図の平面内にあり、ｙ’軸（測定の軸）は図の平面に垂直であり、図の中に入り込む向きである。よってこの特定の例においては、測定はグレーティング３０（図１参照）上でなされる。まずウェーハ１００はステージ２００上に置かれ、ステージ２００はそれからステージ２００を回転することによって、ウェーハ１００上のグレーティング２０および３０のｘおよびｙ方向がスキャンヘッド２３０のｘ’およびｙ’軸に実質的に平行であるようにアラインされる。もし２つの軸の系が正確にアラインしないなら、２つの照らされた点の測定パス間に引かれた仮想的な線は、ウェーハ１００上で測定されていない軸に平行にならない。これら点は、アライメントスキャニングビームがアライメントグレーティングに入射する点である。この仮想的な線が、測定されていない軸に平行でないとき、ある点は、アライメント測定に用いられるグレーティングパターン中の他の点に対して測定軸に沿ってわずかに進むことになる。２つの軸の系が正確にはアラインしていないとき、ミスアライメントはシステム−ウェーハオフセットとして扱われる。
【００２９】
スキャンヘッド２３０内に内蔵された図２のシステムの光学要素としては、光のビーム３００を回折格子１３５に導く光源１４０を含み、ここで光は２つの光ビーム２１０ａおよび２１０ｂに分けられる。ある適当な光源１４０はダイオードレーザでありえる。回折格子１３５は、ガラス基板上にある不透明なコーティングの等間隔の線からなり、ロンキ・ルーリングとして知られるよく使われる光学要素を構成する。一般に知られるように入射光ビームを分けるために、ロンキ・ルーリングタイプのグレーティングを用いることによって複数の光ビームが得られる。それから光ビームのうち所望の数だけが、例えば必要のない光ビームを阻止することによって利用される。第１回折次数の光は、角度αによって分離されえる。ここでｓｉｎα＝２λ／Ｓであり、λは照明波長、Ｓはグレーティング間隔である。２つの第１回折次数は、２つの照明ビーム２１０ａおよび２１０ｂを提供するのに用いられる。アライメントスキャナの他の実施形態においては、２つ以上の光ビームが利用されてもよい。このようなグレーティングの特性に関する議論は、Ｗａｒｒｅｎ Ｊ． Ｓｍｉｔｈによる「Ｍｏｄｅｒｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ刊、１９９０年、１５４ページ に見られる。電子顕微鏡のいくつかの実施形態は米国特許第６，０２３，３３８号に記載されていて、ここで参照によって援用される。
【００３０】
光ビーム２１０ａおよび２１０ｂはこんどは第１ビームスプリッタ１２０を通して導かれる。このビームスプリッタはレンズ１１０（例えば単一の要素または複数の要素からなるレンズ）に向けられた２つの伝送された光ビームを等しい部分に分けて伝送し、反射するように設計されている。このレンズでは２つの伝送された光ビームがレンズ１１０によって、図３に示すようにウェーハ１００上のグレーティング３０上で点２５０ａおよび２５０ｂに収束される。
【００３１】
ウェーハ１００上の点２５０ａおよび２５０ｂのそれぞれからの反射された光はそれからレンズ１１０によって集められ、第１ビームスプリッタ１２０に当たる。ここで光は実質的に９０度曲げられ検出器１７５へと向かう。２つのビームを分離するため、それらはレンズ１６５によって検出器１７５上に映される。この検出器は図２に示すように２つの検出要素１７５ａおよび１７５ｂを備えている。非回折のゼロ次光は検出器要素間で収束され、測定には影響しない。それぞれの要素の信号は対応するＡ／Ｄコンバータ（１８０ａおよび１８０ｂ）によってディジタル化され、コンピュータ１９０によって取りこまれる。図３および４を参照して後述のように、２つの信号間の位相差がそれからコンピュータ１９０によって決定される。フィルムスタックの２つのレイヤ間のレジストレーション誤差は、測定がなされる方向においてウェーハ１００の連続するレイヤのそれぞれの上でのグレーティングパターンの一部の間のミスアライメントに正比例する。
【００３２】
まず光ビームを点２５０ａおよび２５０ｂに収束させるために、スキャンヘッド２３０は、コンピュータ１９０の制御のもとでフォーカスアクチュエータ２６０によってｚ方向に動かされ、必要に応じてスキャンヘッド２３０を物理的に上げ下げする。またウェーハ１００のｘ軸を測定するために、第２光学系が使用されえる。ウェーハ１００は光ビーム２５０ａおよび２５０ｂに対して９０度回転され、またはスキャンヘッド２３０が９０度回転されえる。ｙ’軸について上述したのと同じように、グレーティング２０を用いてｘ’軸に沿った２回目の測定がなされる。典型的には、ステージ２００を動かさずにスキャンヘッド２３０がウェーハ１００に対して動かされる。これは光学スキャンヘッドがステージ２００よりもずっと小さく、軽く作られているからである。他のアライメントスキャナとともに光学スキャナのいくつかの実施形態は上述の米国特許第６，０２３，３３８号に記載されている。
【００３３】
本発明のマークをスキャンするのに用いられるアライメントスキャナの他の実施形態においては、光の複数のビームがさまざまな技法で作られる。これらのさまざまな技法は回折格子を使う必要はない。一つの代わりの方法は、単一光源１４０に、光を伝送する別々の媒体を接続することである。例えば光ファイバを光源１４０に接続して、それぞれのファイバが光源１４０からの光を伝送し、それによって光のビームがアライメントマークに向かうように導く。複数の光ビームを作る他の代替技法は、単一の光源１４０を所望の光ビームのそれぞれについて使うことである。もちろん複数の光源を使うこと、および光源に接続された光ファイバを使うことをどのように組み合わせてもよい。
【００３４】
上述の測定プロセスによって生成される波形が図４に示される。波形４１０ａはディジタイザ１８０ａ（図２）の出力に対応し、波形４１０ｂはディジタイザ１８０ｂ（図２）の出力に対応する。図４の縦軸は検出された光の大きさを表し、横軸は経過時間を表す。スキャン速度は実質的に一定なので、経過時間はスキャン距離に比例し、その結果、水平軸はスキャン方向における位置をも表す。
【００３５】
ウェーハ１００上の２つのレイヤ間のミスアライメントがどのように決定されるかを説明するために、図４の波形４１０ａおよび４１０ｂは、ウェーハ１００の軸（ｘ、ｙ、およびｚ）とスキャンヘッド２３０の軸（ｘ’、ｙ’およびｚ’）との間のオフセットとともに、そのようなミスアライメントのために描かれている。以下の説明は、図３および４を同時に参照することを必要とする。図４において波形４１０ａおよび４１０ｂは、スキャンヘッド２３０がウェーハ１００を横切って進む（ここではｙ軸に沿って）ときの互いの関係を示す。これらの波形は全て４つのセグメント４３０、４４０、４５０および４６０に分割して示されている。セグメント４３０はキャリブレーションゾーンをスキャンすることによって得られる信号を表し、このキャリブレーションゾーンは周期的構造セット７０ａ（図３参照）を含む。セグメント４４０は第１テストゾーンをスキャンすることによって得られる信号を表し、このテストゾーンは周期的構造のセット７０ｂおよび６０ｃを含む。セグメント４５０は第２テストゾーンをスキャンすることによって得られる信号を表し、このテストゾーンは周期的構造のセット６０ｂおよび７０ｃを含む。セグメント４６０はもう一つのキャリブレーションゾーンをスキャンすることによって得られる信号を表し、このキャリブレーションゾーンは周期的構造セット６０ａを含む。波形中の山は、アライメントマーク中に周期的構造のそれぞれが検出されたことを示す。
【００３６】
信号４１０ａおよび４１０ｂの第１セグメントは、第１キャリブレーションセグメントである。なぜならスキャンヘッドがｙ軸正の方向に平行しているときであって、両方の信号は、両方の照明点２５０ａおよび２５０ｂがマーク３０の線７０ａに当たる時に対応するからである。セグメント４３０において、測定軸に対して点２５０ａおよび２５０ｂの相対位置を決定することによってシステム−ウェーハオフセットが決定される。これは構造セット７０ａ内ではアライメント誤差がないからである（すなわち半導体ウェーハ１００の第１レイヤの軸とスキャンヘッド２３０とのオフセットは、半導体ウェーハの第１レイヤによって与えられるグレーティングの該当部分で決定される）。
【００３７】
第２セグメント４４０は測定セグメントである。半導体ウェーハ１００の２つのレイヤのそれぞれによって寄与されるマーク３０の部分をスキャンすることによって、信号４１０ａおよび４１０ｂのそれぞれが与えられるからである（例えば点２５０ａは第２レイヤの線６０ｃ上に当たり、点２５０ｂは第１レイヤの線７０ｂ上に当たる）。
【００３８】
第３セグメント４５０は第２測定セグメントである。半導体ウェーハ１００の２つのレイヤのそれぞれによって寄与されるマーク３０の部分をスキャンすることによって、信号４１０ａおよび４１０ｂのそれぞれが与えられるからである（例えば点２５０ａは第１レイヤの線７０ｃ上に当たり、点２５０ｂは第２レイヤの線６０ｂ上に当たる）。
【００３９】
信号４１０ａおよび４１０ｂの第４セグメントは、第２キャリブレーションセグメントである。なぜなら両方の信号がウェーハ１００の第２レイヤ上の線６０ａから得られるからである（すなわちスキャンヘッド２３０がｙ軸正の方向に平行しているときであって、両方の信号は、両方の照明点２５０ａおよび２５０ｂが線６０ａに当たる時に対応するからである）。セグメント４６０において、測定軸に対して点２５０ａおよび２５０ｂの関係が決定される（すなわち半導体ウェーハ１００の第２レイヤの軸とスキャンヘッド２３０とスキャンヘッド２３０とのオフセットは、半導体ウェーハの第２レイヤによって与えられるマークの部分で決定される）。
【００４０】
コンピュータ１９０によって実行される計算は、４つのセグメント４３０、４４０、４５０および４６０中の位相差の決定からなる。セグメント４３０および４６０中の位相差は、前述のように、ウェーハ１００上のパターンとスキャンヘッド２３０の軸との不完全な回転アライメントによる場合がある。照明点間の固定した位相差を作りえる測定誤差の原因は、電気的遅延および光学的収差である。
【００４１】
ウェーハ１００の２つのレイヤ間のｙ軸レジストレーション誤差を決定する第１ステップは、セグメント４４０および４５０中の波形４１０ａおよび４１０ｂ間の平均位相誤差を得ることである。第２ステップは、キャリブレーションセグメント４３０および４６０をスキャンすることから得られる同じ波形のオフセット誤差を引くことである。この補正され平均化されたレジストレーション誤差は、ウェーハ１００の２つのレイヤ間の実際のレジストレーション誤差になる。
【００４２】
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はグレーティング間隔、φは２つの信号間のキャリブレートされた位相差であり、
【００４３】
φ＝０．５（φｃ−φｂ）−０．５（φａ＋φｄ）
で与えられる。
【００４４】
この方程式のパラメータは以下のように定義される。
φａ＝期間４３０中の信号４１０ａおよび４１０ｂ間の位相差、
φｂ＝期間４４０中の同信号間の位相差、
φｃ＝期間４５０中の同信号間の位相差、および
φｄ＝期間４６０中の同信号間の位相差。
【００４５】
これらの方程式において、位相は期間の分数部分として表現されるので、１つの位相は１つの期間に等しい。
【００４６】
２つのテストセグメントは、それぞれの照明点２５０ａおよび２５０ｂが、レジストレーション誤差が測定されるレイヤのそれぞれ上に形成された周期的構造のセットにわたってスキャンするように与えられる。例えば図３において、照明点２５０ａは、あるレイヤ上に形成された線６０ｃを通り、異なるレイヤ上に形成された線７０ｃを通る。同様に、照明点２５０ｂは、ウェーハ１００の２つのレイヤのそれぞれの上に形成された線７０ｂおよび６０ｂを通る。２つのテストゾーンにわたって照明点を誘導することによって、２つのレイヤ間のレジストレーション誤差が２度測定される。レジストレーション誤差は、１度目は第１テストゾーンで測定され、ここで照明点２５０ａは第２レイヤ上に形成された線（６０ｃ）を通過し、照明点２５０ｂは第１レイヤ上に形成された線（７０ｂ）を通過する。レジストレーション誤差は、２度目は第２テストゾーンで測定され、ここで照明点２５０ａは第１レイヤ上に形成された線（７０ｃ）を通過し、照明点２５０ｂは第２レイヤ上に形成された線（６０ｂ）を通過する。平均レジストレーション誤差は、これら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。
【００４７】
２つの測定されたレジストレーション誤差値を平均化することによって、ウェーハの異なるレイヤ上に形成された線の間、および２つの測定ビームの間の非対称性によって発生する測定誤差を実質的に低減することができる。その結果、平均レジストレーション誤差値は、個々に測定されたレジストレーション誤差値のどちらかよりもより正確になる。２つの別々のミスレジストレーション値を平均化する方法によって説明される非対称性の原因についてのさらなる記述は米国特許出願、弁護士事件番号ＫＬＡ１Ｐ０２６を参照されたい。
【００４８】
図５は、本発明の他の実施形態によるアライメントマーク２１の上から見た平面図を表す。アライメントマーク２１は、２つのウェーハレイヤ間のレジストレーション誤差を決定する２つのテストゾーンを含む。第１テストゾーンは、周期的構造セット４０ｂおよび５０ｃを含み、一方、第２テストゾーンは、周期的構造セット５０ｂおよび４０ｃを含む。周期的構造セットのそれぞれは、個別の周期的構造８０を含む。個別の周期的構造はさらに、複数のサブ構造８２によって形成される。個別の周期的構造８０は、細長く、四角の形状であり、互いに平行である。サブ構造は直線状の形をしており、やはり互いに平行である。第１テストゾーン（４０ｂおよび５０ｃ）および第２テストゾーン（５０ｂおよび４０ｃ）の中の周期的構造は、構造が、対向する構造セット中の対応する構造の近傍に位置し、対向する構造のそれぞれのペアが同じ軸を持つようにアラインされる。アライメントマークの他の実施形態においては、それぞれのテストゾーン内の構造セットは、ウェーハの異なる領域に置かれることによって、そのセットが互いに近傍にないこともありえることに注意されたい。しかし構造はやはり、個々の構造を対向する構造と軸を同じにするように形成されるべきである。
【００４９】
図６は、本発明の他の実施形態であるアライメントマーク２２の上から見た平面図を表す。アライメントマーク２２は２つのキャリブレーションゾーンおよび一つのテストゾーンを含む。この実施形態においては、２つのキャリブレーションゾーンは、システム−ウェーハオフセット値が決定されることを可能にする。単一のテストゾーンは、図１のマーク１０について必要なように２つの別個のミスレジストレーション値を平均化する必要なく、ミスレジストレーション値を提供する。第１キャリブレーションゾーンは、周期的構造セット４０ａを含み、第２キャリブレーションゾーンは周期的構造セット５０ａを含む。テストゾーンは周期的構造セット４０ｂおよび５０ｃを含む。個別の周期的構造の全ては細長く、四角形の形状である。サブ構造は直線状の形状である。
【００５０】
図７は、本発明のさらに他の実施形態であるアライメントマーク２３の上から見た平面図を表す。図１のマーク２０と同様の構成において、アライメントマーク２３は２つのキャリブレーションゾーンおよび２つのテストゾーンを含む。周期的構造のセット７４０ａおよび７５０ａは、２つのキャリブレーションゾーンのそれぞれを形成し、細長く、四角形の形状の周期的構造７８０をそれぞれ含む。周期的構造のセット７４０ｂ、７４０ｃ、７５０ｂおよび７５０ｃは、２つのテストゾーンを形成し、セットのそれぞれは、細長く、四角形の形状の周期的構造７９０を含む。周期的構造７８０および７９０は、それぞれ、個別のサブ構造７８２および７９２によって形成される。サブ構造７８２および７９２は正方形の形状をして、それぞれの周期的構造内でロウおよびカラムに配列される。回路パターンのサイズにより匹敵するサイズでサブ構造７８２および７９２のそれぞれを形成することによって、ミスレジストレーションを決定する精度が増す。理解されるように、サブ構造はさまざまな形状のどれであってもよい。例えばサブ構造は三角形でも円形でもよい。またサブ構造は、周期的構造内のさまざまな形成物でありえる。例えばそれぞれの周期的構造内で、対応するサブ構造がランダムのパターンまたは六角形のパターンで形成されてもよい。
【００５１】
異なるウェーハレイヤ上に形成された正方形の形をしたサブ構造群の間で区別をするために、あるレイヤ上のサブ構造は中が詰まった正方形パターンで表してあり、一方、別のレイヤ上のサブ構造は正方形の輪郭で表されている。これらの正方形の輪郭による表現は、中が詰まった正方形のサブ構造の形成物を実際には表す。この表現法は図８にもあてはまる。
【００５２】
図８は、本発明のさらに他の実施形態であるアライメントマーク２４の上から見た平面図を表す。図５のマーク２１と同様の構成において、アライメントマーク２４は２つのテストゾーンを含む。一つのテストゾーンは、周期的構造のセット８４０ｂおよび８５０ｃを含む。もう一つのテストゾーンは、周期的構造のセット８５０ｂおよび８４０ｃを含む。個別の周期的構造８８０によって形成された構造のセットのそれぞれは正方形の形をしている。周期的構造８８０は、等しい間隔のロウおよびカラムで配置されている。周期的構造のそれぞれはさらに、サブ構造８８２によって形成され、これらもまた正方形の形をしている。サブ構造８８２は周期的構造８８０のそれぞれの中でロウおよびカラムで配置されている。理解されるように、個別の周期的構造およびサブ構造はさまざまな形状をとりえる。マーク２４は、互いに直角である２つの異なる向きのミスレジストレーション値を測定するのに用いられえる。これはアライメントマーク２４が同じ繰り返し構造パターンを直交する向きに持つからである。マーク２４は、ミスレジストレーションが測定されるそれぞれの向きについて一つのマークを持つ必要性をなくす。マーク２４のバリエーションとして、キャリブレーションゾーンがマーク２４のそれぞれのエッジ上に形成されることによって、システムウェーハオフセットがそれぞれの測定方向について決定されてもよい。
【００５３】
図９は、本発明のさらに他の実施形態であるアライメントマーク２５の上から見た平面図を表す。図６のマーク２２と同様の構成において、アライメントマーク２５は２つのキャリブレーションゾーンおよび１つのテストゾーンを含む。周期的構造のセット９４０ａは、キャリブレーションゾーンの一つを形成し、周期的構造のセット９５０ａは、第２のキャリブレーションゾーンを形成する。周期的構造のセット９４０ｂおよび９５０ｃはテストゾーンを形成する。周期的構造のそれぞれは個別の周期的構造９８０によって形成される。周期的構造は、構造のセットのそれぞれの中でロウおよびカラムで配置されている。この周期的構造はさらに、個別のサブ構造９８２によって形成されている。周期的構造９８０は正方形の形をしている。サブ構造９８２は、互いに間隔を置いて配置され、それぞれの正方形の形をした周期的構造９８０の長さを持つ平行な線群である。より小さいサイズのサブ構造９８０は、正方形の形をした周期的構造９８０を形成することによってできあがり、これは図１の長方形の形をした周期的構造８０と対比される。特に、直線状のサブ構造９８２は、図１の直線状のサブ構造８２よりも長さが短い。比較的小さいサブ構造９８２は、回路パターンのサイズにより匹敵する。これはさらに、レジストレーション誤差の測定においてより高い精度を実現する利点を有する。
【００５４】
本発明の他の実施形態においては、あるテストゾーン内の周期的構造は、サブテスト構造からなり、一方、異なるテストゾーン内の周期的構造のそれぞれはサブテスト構造からはなっておらず、それぞれが単一のパターン形成物である。同様に本発明の他の実施形態においては、あるキャリブレーションゾーン内のキャリブレーション構造は、サブキャリブレーション構造からなり、一方、異なるキャリブレーションゾーン内のキャリブレーション構造のそれぞれはサブキャリブレーション構造からはなっていない。本発明のさらなるバリエーションは、さまざまな形をしたサブテスト構造およびサブキャリブレーション構造が単一のアライメントマーク内に形成されたマークを含む。例えば、あるテストゾーン（またはキャリブレーションゾーン）は、直線状のサブテスト構造を含み、異なるテストゾーン（またはキャリブレーションゾーン）は、円形のサブテスト構造を含む。または例えば、あるテストゾーン（またはキャリブレーションゾーン）は、円形のサブテスト構造を含み、異なるテストゾーン（またはキャリブレーションゾーン）は、正方形のサブテスト構造を含む。また例えば、あるテストゾーン（またはキャリブレーションゾーン）は、直線状のサブテスト構造を含み、異なるテストゾーン（またはキャリブレーションゾーン）は、正方形のサブテスト構造を含む。
【００５５】
本発明はいくつかの好ましい実施形態に基づいて説明されてきたが、本発明の範囲に入る変更、組み合わせ、および等価物が存在する。本発明の方法および装置を実施する多くの代替方法が存在することに注意されたい。したがってそのような全ての変更、組み合わせ、および等価物が本発明の真の精神および範囲に入るものとして、以下に添付の特許請求の範囲はそれらを含むように解釈されるべきであることに注意されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体ウェーハスタック内の異なるレイヤ間のアライメント誤差を測定するための本発明のある実施形態によるアライメントマークの上から見た平面図である。
【図２】本発明によるアライメント測定システムのある実施形態を示す説明図である。
【図３】測定のために用いられる２つの光ビームの瞬間的な位置を表す、ｙ方向における重ね合わせ誤差を測定するための本発明の実施形態によるアライメントマークの上から見た平面図である。
【図４】図３の光ビームのそれぞれによって得られた信号の関係の時間と位置を示す説明図である。
【図５】２つのテストゾーンを含むアライメントマークの他の実施形態の上から見た平面図である。
【図６】２つのキャリブレーションゾーンおよび１つのテストゾーンを含むアライメントマークの他の実施形態の上から見た平面図である。
【図７】長方形のサブテスト構造および正方形の形をしたサブ構造を含むアライメントマークの他の実施形態の上から見た平面図である。
【図８】正方形の形をしたサブ構造を含むアライメントマークの他の実施形態の上から見た平面図である。
【図９】正方形の形をした周期的構造および直線状のサブ構造を含むアライメントマークの他の実施形態の上から見た平面図である。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004507901.tif 000046