(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された第一のパターンと前記第一のパターンの上に形成された第二のパターンとの相対距離を測定し、前記第一のパターンと前記第二のパターンとのずれ量を測定する重ね合わせ精度測定方法に於いて、
第一のパターンと、前記第一のパターンと前記第二のパターンとの間に形成された層の段差部とのずれ量を測定する第一段階、
前記層の前記段差部による２つのエッジ部のエッジ幅の差を測定する第二段階、
前記第一のパターンと前記層の段差部とのずれ量と、前記層の２つのエッジ幅の差とから前記第一のパターンと前記第二のパターンとのずれ量を求めるための補正量を求める第三段階、
第一段階で測定された前記第一のパターンと前記層の前記段差部とのずれ量を前記補正量で補正し、第一のパターンと第二のパターンのずれ量を求める第四段階
とを有することを特徴とする重ね合わせ精度測定方法。
【請求項２】
基板上に形成された第一のパターンと第二のパターンとの相対距離を測定し、第一のパターンと第二のパターンとのずれ量を測定する重ね合わせ精度測定機に於いて、
第一のパターンと、前記第一のパターンと前記第二のパターンとの間に形成された層の段差部とのずれ量を測定する測定部と、
第一のパターンと、前記第一のパターンと前記第二のパターンとの間に形成された層の段差部による２つのエッジ部の幅を測定するエッジ幅検出器と、
前記第一のパターンと前記層の段差部とのずれ量と、前記層の２つのエッジ幅の差とから前記第一のパターンと前記第二のパターンとのずれ量を求めるための補正量を記憶する記憶部と、
前記エッジ幅検出器により測定された前記２つのエッジ部の幅の差と前記記憶部に記憶された補正量に基づいて、前記測定部での測定結果を補正し、前記第一のパターンと前記第二のパターンとのずれ量を求める補正部と
を具備することを特徴とする重ね合わせ精度測定機。
【請求項３】
前記第二のパターンがフォトレジスト層から成り、且つ前記層が配線材料から成ることを特徴とする請求項１記載の重ね合わせ精度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウエハ、等の基板上のパターンを測定する装置、特に基板上の複数層のユニットパターン層から成るパターンの重ね合わせ精度を測定する重ね合わせ測定機に関するものであり、主に半導体装置の製造の分野で用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造分野に於いて、ステッパやアライナ、等の露光装置を用い、原盤となるフォトマスク基板上の回路パターンを半導体ウエハ面上の正確な位置に転写することが必要なため、ステッパ、アライナ、等では半導体ウエハ上の下地パターンの位置を正確に検出し、露光対象の回路パターン像を正確に下地パターンに対し整列させる機構を有している。この回路パターン像が正しく整列されているかどうかを確認するために、露光後、現像、等の工程を経てパターン形成された上部パターンの、下地パターンに対するずれ量を測定するための重ね合わせ精度測定機が用いられている。
【０００３】
図７は従来の重ね合わせ精度測定機であり、ＸＹステージ５上に搭載された半導体ウエハ４には複数層のユニットパターン層から成る回路パターン３が形成されており、照明光源１によって照明された回路パターン３が対物レンズ２によりＣＣＤカメラ６のＣＣＤ上にパターン像（回路パターン像）として結像される。結像されたパターン像はＡ／Ｄ変換器７によりデジタル化され、フレームメモリ８に格納された上でボトム検出器９でエッジ位置が検出され、エッジ位置出力は制御装置９で処理され、必要な結果及び制御情報は表示部に送られ表示される。
【０００４】
一般に、重ね合わせ精度測定機によるウエハ上のパターンのずれ量の測定は、回路パターンの重ね合わせ精度を直接測定する代わりに、測定を容易にするために回路パターンの近傍に設けられた測定マークのパターンのずれ量を測定するのが通常である。図２はこの測定マークのパターン（以後単にパターンと呼ぶ）をＣＣＤカメラ６で取り込んだパターン像３である。ここで外ボックス２１を下地パターン像とし、内ボックス２２を上部パターン像とする。
【０００５】
図３は図２の点線位置の輝度信号変化を表すプロファイルである。パターンのエッジ部では輝度信号が急激に低減するので、輝度信号の極小値の位置、ＸＯ１、ＸＩ１、ＸＩ２、ＸＯ２は各々、下地パターン、上部パターンのエッジ位置を表す。
すると、
ＸＯ＝（ＸＯ１＋ＸＯ２）／２                式（１）
は下地パターン像の画面上の中心位置を表し、
Ｘ１＝（ＸＩ１＋ＸＩ２）／２                式（２）
は上部パターン像の画面上の中心位置を表す。
【０００６】
ここで、画面上に表示された下地パターン像と上部パターン像の位置をＣＣＤカメラのＣＣＤの画素ピッチ（即ち１画素の距離）を単位として測定するものとする。今、ＣＣＤ上に結像された像が画素ピッチ当たり画面上で占める距離を１とし、対物レンズ２によりＣＣＤ上に画素ピッチに等しい長さの像を結像するときの試料面上のパターンの距離をｋとすると、
式（１）から式（２）を減算した（ＸＯ−ＸＩ）は画素ピッチ単位で表した下地パターン像と上部パターン像の相対的ずれ量を表すので、
ｄＸ＝（ＸＯ−ＸＩ）＊ｋ                    式（３）
は下地パターンと上部パターンの相対的なずれ量を示しており、このずれ量が大きいと、半導体ウエハに正しく回路パターンが形成されず、半導体が機能しないことになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
半導体製造工程に於いては上部パターンを上部パターンに隣接する下地パターンに対して整列させるのではなく、上部パターンを、上部パターンと下地パターン間に介在する不透過層の下にある下地パターンに対して整列させたいことがしばしばある。
【０００８】
図４は半導体ウエハ２０上に下地パターン２１が配置され、その上に配線材料２２がスパッタにより形成され、さらにその上に上部パターン２３が形成されたパターンの状態を示している。
本来は、上部パターン２３が下地パターン２１に対して正しく整列しているかどうかを測定したいが、配線材料２２が測定光に対し不透過なため、従来の式（３）によって測定されたずれ量は配線材料２２の段差部に対する上部パターン２３のずれ量でしかない。
【０００９】
しかも、一般的にスパッタによる成膜に於いては、下地パターン上に形成されたスパッタ膜（ここでは配線材料のことを言う）の段差部の形状は半導体ウエハ面上の場所により、また下地パターンの段差の向き（例えば図４で右上がりであるか、左上がりであるか）により異なる。この様子を図４、図５に示す。
図４は配線材料２２の段差部の形状が左右に於いて異なる、換言すると段差形状が非対称である様子を示す。図５の外側の黒い帯の部分は輝度信号が他の部分に対して低減するエッジ部分を示し、ＣＣＤカメラで得られるパターン像は配線材料２２の段差部に於いて、左右方向、上下方向が非対称である様子が理解できる。以上の傾向は半導体ウエハの周辺部で強くなる。
【００１０】
図６は図５の画面の中心ラインの輝度信号変化を示すプロファイルである。従来の重ね合わせ精度測定機では成膜された配線材料２２に対する上部パターン２３のずれ量は検出できるが、配線材料２２の段差位置が下地パターン２１の左右の段差位置から等距離になく、非対称となっているため、
配線材料の段差像の画面上の中心位置を表す式
Ｘ’Ｏ＝（Ｘ’Ｏ１＋Ｘ’Ｏ２）／２          式（４）
上部パターン像の画面上の中心位置を表す式
Ｘ’１＝（Ｘ’Ｉ１＋Ｘ’Ｉ２）／２          式（５）
から
ｄＸ’＝（Ｘ’Ｏ−Ｘ’Ｉ）＊ｋ              式（６）
により求められる式（６）は下地パターン２１の段差位置に対する上部パターン２３のずれ量を正しく表さないので、下地パターン２１に上部パターン２３が正しく整列しているかどうかの確認ができないという問題があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記問題点を鑑み、非対称な段差形状を持つ不透過な膜が形成されていても下地パターンに対し上部パターンがどのように整列しているかを正確に測定することを特長とし、そのために測定対象となる非対称な段差形状のエッジ幅を計測し、そのエッジ幅を予め決定された補正量で補正することにより、パターンのずれ量を求める。
【００１２】
このため、第一に、
「基板上に形成された第一のパターンと前記第一のパターンの上に形成された第二のパターンとの相対距離を測定し、前記第一のパターンと前記第二のパターンとのずれ量を測定する重ね合わせ精度測定方法に於いて、
第一のパターンと、前記第一のパターンと前記第二のパターンとの間に形成された層の段差部とのずれ量を測定する第一段階、
前記層の前記段差部による２つのエッジ部のエッジ幅の差を測定する第二段階、
前記第一のパターンと前記層の段差部とのずれ量と、前記層の２つのエッジ幅の差とから前記第一のパターンと前記第二のパターンとのずれ量を求めるための補正量を求める第三段階、
第一段階で測定された前記第一のパターンと前記層の前記段差部とのずれ量を前記補正量で補正し、第一のパターンと第二のパターンのずれ量を求める第四段階
とを有することを特徴とする重ね合わせ精度測定方法。」を提供する。
【００１３】
第二に、「基板上に形成された第一のパターンと第二のパターンとの相対距離を測定し、第一のパターンと第二のパターンとのずれ量を測定する重ね合わせ精度測定機に於いて、
第一のパターンと、前記第一のパターンと前記第二のパターンとの間に形成された層の段差部とのずれ量を測定する測定部と、
第一のパターンと、前記第一のパターンと前記第二のパターンとの間に形成された層の段差部による２つのエッジ部の幅を測定するエッジ幅検出器と、
前記第一のパターンと前記層の段差部とのずれ量と、前記層の２つのエッジ幅の差とから前記第一のパターンと前記第二のパターンとのずれ量を求めるための補正量を記憶する記憶部と、
前記エッジ幅検出器により測定された前記２つのエッジ部の幅の差と前記記憶部に記憶された補正量に基づいて、前記測定部での測定結果を補正し、前記第一のパターンと前記第二のパターンとのずれ量を求める補正部と
を具備することを特徴とする重ね合わせ精度測定機。」を提供する。
【００１４】
第三に、「前記第二のパターンがフォトレジスト層から成り、且つ前記第三の層が配線材料から成ることを特徴とする請求項１記載の重ね合わせ精度測定方法」を提供する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第一の実施の形態）
本発明の第一の実施の形態を図１、図２、図３、図４、図８を用い手順を追って説明する。
先ず、準備測定用半導体ウエハ上の図４で示される断面形状と構造を有するパターンの測定を行う。ここで、第二のパターンに相当する上部パターン２３はフォトレジスト層から成るパターンであり、第三の層２２は配線材料から成る層である。
【００１６】
ＣＣＤカメラのＣＣＤ面に結像されたパターン像はＡ／Ｄ変換器７によりデジタル化され、フレームメモリ８に格納された上でボトム検出器９でエッジ位置Ｘ’Ｏ１、Ｘ’Ｏ２、Ｘ’Ｉ１、およびＸ’Ｉ２が検出され、ＣＰＵ９で次のような演算がなされる。
配線材料の段差像の画面上の中心位置の演算
Ｘ’Ｏ＝（Ｘ’Ｏ１＋Ｘ’Ｏ２）／２          式（４）
上部パターン像の画面上の中心位置の演算
Ｘ’１＝（Ｘ’Ｉ１＋Ｘ’Ｉ２）／２          式（５）
配線材料の段差像の画面上の中心位置に対する上部パターンのずれ量ｄＸ’の演算
ｄＸ’＝（Ｘ’Ｏ−Ｘ’Ｉ）＊ｋ              式（６）
このとき、輝度信号が変化する部分の幅、即ち、配線材料層２２のエッジ幅に相当する量Ｗ１、Ｗ２を同時に図１のエッジ幅検出機１０で測定し、エッジ幅の差に相当する量Ｗ、
Ｗ＝Ｗ１−Ｗ２                              式（７）
を求めておく。ここで、エッジ幅は、エッジ部の輝度信号の極小値の深さを１００％としたとき、輝度信号が所定の基準値まで低下する位置の差により求める。この所定の基準値は好ましくは１０％から９０％の間の値を採り、さらに好ましくは５０％から８０％の値を採る。この基準値は配線材料の種類と製法、下地パターンの種類と製法により決まる。
【００１７】
次に、上記被測定半導体ウエハのエッチング処理を行い、上部パターンが存在しない部分の配線材料層２２を取り除き、その次にフォトレジスト層からなる上部パターンの剥離処理を行い、上部パターンを取り除くと、図８のように下地パターン２１と配線パターン２２とから成るパターンを有する半導体ウエハが得られる。このパターンは第一のパターンと第二のパターンとからではなく、第一のパターンと、第二のフォトレジスト層から成るパターンに倣って形成された第三のパターン（配線パターン）とから成るが、この第二のパターンと第三のパターンの位置は製法から見て同じと見做せるので、第一のパターンと第三のパターン間の測定されたずれ量は第一のパターンと第二のパターンのずれ量と事実上同じである。
【００１８】
上記パターンに対して測定を行うと、下地パターン２１に対する配線パターン２２のずれ量ｄＸは図２、図３を参考にして
ＸＯ＝（ＸＯ１＋ＸＯ２）／２                式（１）
Ｘ１＝（ＸＩ１＋ＸＩ２）／２                式（２）
ｄＸ＝（ＸＯ−ＸＩ）＊ｋ                    式（３）
により求められる。
ここで、図４の状態で求めたずれ量ｄＸ’と図８の状態で求めたずれ量ｄＸとの差（ｄＸ’−ｄＸ）は式（７）で求めたＷの値に比例することが多大の実験の中で見つけられた。
従って、
ｄＸ’−ｄＸ＝Ｗ＊ｊ
の関係が成り立つので、
ｊ＝（ｄＸ’−ｄＸ）／Ｗ                    式（８）
なる係数ｊを求めておけば図４と同一条件下に有る別の被測定半導体ウエハの下地パターン２１に対する配線パターン２２のずれ量ｄＸは、配線材料層２２に対する上部パターン２３のずれ量ｄＸ’と配線材料層２２のエッジ部の幅Ｗ１、Ｗ２の差分量Ｗさえ測定すれば、
ｄＸ＝ｄＸ’−Ｗ＊ｊ
と求められる。
【００１９】
このようにして測定された下地パターンと上部パターンであるフォトレジストパターンのずれ量ｄＸが許容値以上である場合、続く配線材料のエッチング工程を中止し、フォトレジストパターンを剥離の上、フォトレジストを再度配線材料上に塗布し上部パターンの露光工程を繰り返すことにより半導体製造のプロセスの歩留りを図ることができることは言うまでもない。
【００２０】
本実施の形態では上部パターンはフォトレジストパターンであったが、上部パターンが半導体デバイスを形成する恒久パターンであってもよいことは言うまでもなく、また、第三の層が配線材料層以外の材料層であっても良いことは言うまでもない。
以上、説明した実施の形態は簡易的な説明であり、この他に、一次的処理のみならず二次的な処理が必要に応じて行われることは言うまでもない。また、内ボックスが非対称、もしくは両方のボックスが非対称であってもパターンのずれ量の測定が本発明の精神の範囲に於いて行われることは言うまでもない。
（第二の実施の形態）
図１は本発明の第二の実施の形態の重ね合わせ精度測定機の主要な動きを説明するブロック図である。従来の図７の重ね合わせ測定機とはエッジ幅検出器１０と、ずれ量の補正量を記憶する記憶部１２と、制御装置１１に記憶部１２から呼び出された補正量に基づいて第一のパターンと第三の層のずれ量を補正する補正部とを具備している点で異なる。
【００２１】
次のように動作する。
先ず、事前に準備測定用半導体基板上のパターンに対して式（８）により求められた係数ｊを記憶部１２に記憶しておく。
次に、図４で示されるように、照明光源１によって照明され、ＸＹステージ５上に載置された被測定半導体基板上のパターン３が対物レンズ２によりＣＣＤカメラ６のＣＣＤ上にパターン像として結像される。
【００２２】
結像されたパターン像はＡ／Ｄ変換器７によりデジタル化され、フレームメモリ８に格納された上でボトム検出器９でエッジ位置が検出され、制御装置９で上部パターンと２３と配線材料層２２のずれ量が算出されると共に、エッジ幅検出器１０で配線材料層のエッジ部の幅が検出され、制御装置９で前記エッジ部の幅の差が算出される。次に制御装置９は前記エッジ部の幅の差に記憶部から呼び出された係数Ｊを乗算し、この乗算された値で前記上部パターン２３と配線材料層２２のずれ量を補正し、第一のパターンと第二のパターンとのずれ量を得る。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、二つのパターン間に、不透過で非対称で段差形状を持つ第三の層が介在する場合でも二つのパターン間の位置ずれを、特に露光・ 現像により形成されたフォトレジストパターンがどのように整列されているかを正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第二の実施の形態の重ね合わせ精度測定機の主要な動きを説明するブロック図である。
【図２】フレームメモリ上のパターン像である。
【図３】図２の点線位置の輝度信号を表すプロファイルである。
【図４】半導体ウエハ２０上に下地パターン２１が配置され、その上に配線材料２２がスパッタにより形成され、さらにその上に上部パターン２３が形成されたパターンの状態を示す図であり、本発明により正確な測定ができるパターンの一例である。
【図５】図４のパターンのフレームメモリ上のパターン像である。
【図６】図５の点線位置の輝度信号を表すプロファイルである。
【図７】従来の重ね合わせ精度測定機の主要な動きを説明するブロック図である。
【図８】エッチング処理と剥離処理の後に得られた下地パターン２１と配線パターン２２とから成るパターンを有する半導体ウエハの状態を示す図である。
【符号の説明】
１          照明光源
２          対物レンズ
３          回路パターン
４          半導体ウエハ
５          ＸＹステージ
６          ＣＣＤカメラ
７          Ａ／Ｄコンバータ
８          フレームメモリ
９          ボトム位置検出器
１０        エッジ幅検出器
１１        制御装置
１２        係数ｊの記憶部
１３        表示部
２０        半導体ウエハ
２１        第一のパターン（下地パターン）
２２        第二のパターン（上部パターン）
２３        第三の層（配線材料層）
２４        第三のパターン（配線パターン）
２１０      第一のパターン（下地パターン）像
【図１】
0003814982.tif 000002
【図２】
0003814982.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003814982.tif 000007
【図７】
0003814982.tif 000008
【図８】
0003814982.tif 000009