JPH0220921B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は重なり誤差を測定する為の測定の道
具として、直接書込み式電子ビーム装置を用いる
方法に関する。更に具体的に云えば、この発明は
半導体の製造に用いられるウエーハに沈積された
第１のパターン及び第２のパターンの間の重なり
誤差を測定する新規な方法に関する。

半導体ウエーハの製造では、特定の半導体装置
を製造したり、これらの装置に対する相互接続を
行なう為、ウエーハ上に何層を製造することが必
要である。これは、例えば第１の層内にある半導
体装置のベースを、第２の層又は処理工程の一部
分として製造される同じ半導体装置のエミツタと
正確に整合させることを必要とする。第１の層内
の機能部とその後で適用された層内の機能部との
間の整合が不完全である場合、これを重なり誤差
と呼ぶ。

従来、多重層を満足し得る整合度を以て正確に
位置ぎめする為に種々の方法が用いられて来た。
然し、どの方法も、直接書込み装置として製造過
程に用いられていた電子ビーム装置を使うもので
はない。この為、重なり測定装置として電子ビー
ム装置を使うこの発明は新規であると考えられ
る。これは大量の重なりデータを自動的に且つ正
確に収集することが出来る様にし、普通のデータ
収集手段によつて起る様なオペレータの誤りを除
去する。更に、この発明では、コストの効率がよ
くなる。これは、重なりの整合を制御する為に２
番目の計装手段を使わなくても済むからであり、
好ましい実施例では、ハードウエアを全く変更せ
ずに製造手段を使う。

次に出願人の有する米国特許を挙げるが、これ
らはこの発明の背景の事情を記載したものであ
る。米国特許第3644700号、同第3866013号、同第
3875415号、同第3901814号、同第3900736号、同
第4056730号。

上に挙げた従来の特許の内、米国特許第
4056730号が、この発明の背景を明らかにする上
で役立つものと考えられる。この米国特許には、
半導体ウエーハ上の整合用マークを検出する装置
が記載されており、この装置は、電子が標的によ
つて後方散乱された時、ダイオード検出器が拾つ
た信号に作用する手段を含む。この装置は、後方
散乱信号を微分する手段を含んでおり、２つ以上
の信号を使う場合、微分の直前又は直後の信号を
加算する手段をも含んでいる。この米国特許の目
的とする所は、装置の電子ビーム・スポツトが特
定の整合用マーク又は標識の上を走査した時を正
確に決定する方法を提供することである。

この発明は、前掲米国特許に記載されているの
と同様な電子ビーム装置、特に前掲米国特許第
4056730号に記載されている様な検出手段を用い
た電子ビーム装置を使つて、半導体ウエーハの重
なり誤差を測定する方法を提供する。

この方法は、装置で使われる整合用マークに対
して予定の選ばれた箇所で、半導体ウエーハ上に
設けられた第１の棒パターン又は標識を使う。次
に、第１の棒パターンに重なる様に又はそれに接
近して、第２の棒パターン又は標識が設けられ
る。好ましい実施例では、１本棒パターンをＸ及
びＹ方向の両方で２本棒パターンと重ねる。

次に２本棒の間の中心線に対する１本棒の中心
線の位置を測定する。これは２つのパターン又は
層の重なり誤差を表わすものである。重なり誤差
を測定する為、各パターンにわたつて電子ビーム
を走査し、ビームが各パターンの縁と交差する時
を検出する為に、後方散乱電子を利用する。これ
らの縁からのアナログ信号を米国特許第4056330
号に記載されている回路で処理して、縁の位置を
表わすデイジタル・データを発生する。このデー
タを後で詳しく説明する手段により、累算し、選
別し、少なくして、重なり誤差を決定する。次に
この重なり誤差は、周知の様に、後続の半導体ウ
エーハの処理の際に起る重なり誤差を防止し又は
最小限に抑える為に利用することが出来る。

第１図には周知の様に荷電粒子のビーム１１を
発生する電子銃１０が示されている。電子ビーム
１１を板１４の開口１２に通し、ビーム１１を整
形する。ビーム１１は４角の形であることが好ま
しく、形成しようとするパターンの最小線幅に等
しい寸法を持つことが好ましい。

ビーム１１が１対の消去板１６の間を通過す
る。これらの板は、ビーム１１が材料に適用され
る時並びにビーム１１を消去する時を決定する。
消去板１６はアナログ装置１７の回路によつて制
御される。アナログ装置１７が、米国特許第
3866013号に記載されているデイジタル制御装置
１８によつて制御される。デイジタル制御装置１
８が計算機１９に接続される。この計算機は
IBMシステム／370計算機であることが好まし
い。

次にビーム１１が板２２内の円形開口２１を通
過する。これによつて、レンズ（図に示してな
い）の中心を通過する荷電粒子だけが使われ、全
く変形のない４角な形のスポツトが出来る様に、
ビーム１１が制御される。

次にビーム１１を磁気偏向コイル２３，２４，
２５，２６の中に通す。磁気偏向コイル２３，２
４が水平方向（Ｘ方向）のビーム１１の偏向を制
御し、磁気偏向コイル２５，２６が垂直方向（Ｙ
方向）のビーム１１の偏向を制御する。この為、
コイル２３乃至２６は、ビームを適当に偏向する
ことにより、ビーム１１を水平走査用に移動させ
る様に協働する。米国特許第3644700号に記載さ
れている様に、ビーム１１を略ラスタ式に移動し
てもよいが、前掲米国特許第3866013号及び同第
3900736号に記載されている様に、ビーム１１が
隣接した線に沿つて交互に反対方向に移動する様
に、往復走査で移動することが好ましい。

次にビーム１１が第１組の静電偏向板２７，２
８，２９，３０の間を通過する。静電偏向板２
７，２８はビームを水平方向（Ｘ方向）に偏向さ
せる様に協働し、静電偏向板２９，３０はビーム
１１を垂直方向（Ｙ方向）に移動させる様に協働
する。板２７乃至３０を用いて、ビームを移動さ
せようとする各々の予定の位置又はスポツトで、
ビーム１１に任意の所望の偏りを持たせる。コイ
ル２３乃至２６に線形補正信号を供給する。

ビーム１１は、静電偏向板２７乃至３０の間を
通過した後、第２組の静電偏向板３１，３２，３
３，３４の間を通過する。静電偏向板３１，３２
はビーム１１をＸ方向に偏向させる様に協働し、
静電偏向板３３，３４はビーム１１をＹ方向に移
動させる様に協働する。板３１乃至３４を用い
て、前掲米国特許第3900736号に記載されている
様に、ビーム１１を移動させる各々の予定の位置
でビームを動かし、ビーム１１を予定の位置か
ら、実際のフイールド内のパターンに合せる為に
ビーム１１を適用しなければならない実際の偏差
位置まで動かす。

次にビーム１１をテーブル３５上に支持された
標的に適用する。テーブル３５は、前掲米国特許
第3644700号に記載されている様に、Ｘ及びＹ方
向に可動である。

ビーム１１が前掲米国特許第3644700号に記載
されている様に、サイクルＡ，Ｂ及びＣにわたつ
て動され、ビーム１１のサイクルＡの間、信号を
処理して、各々の整合用マークの位置を検出す
る。前掲米国特許では、ウエーハの幾つもあるフ
イールドの各々の４隅の夫々に整合用マークが設
けられている。フイールドが重なり合う場合、４
つの隣接した相異なるフイールドの各々に対して
同じ整合用マークを使う。前掲米国特許第
3900736号に記載されている様に、フイールドの
４隅の夫々に設けられた整合用マークを使つて、
パターンの書込みを行なうフイールドを突止め
る。各々の整合用マークの正確な位置は、ウエー
ハの整合用マークによつて形成された縁を電子ビ
ームで走査することによつて求められる。ビーム
の走査は、ウエーハ上の整合用マークによつて形
成された縁に対して垂直な向きに行なわれる。整
合検出器を利用して、電子ビーム１１が各々のマ
ークの縁の上を通過した時を検出する。

整合検出器は、半導体ウエーハの上方に第２図
に示す様に配置された４つのダイオード４５，４
６，４５′，４６′を含むことが好ましく、その間
に開口を形成し、ビーム１１がこの開口を通過し
てウエーハの一部分に入射する。４つのダイオー
ド４５，４６，４５′，４６′は図示の様に象限に
分けて配置することが好ましい。

Ｘ走査の間、半導体ウエーハからの電子の後方
散乱は、ビーム１１がＸ整合用マークの１つの棒
の１つの縁の上を通過する時に変化する。整合用
マークの各々の棒は、ウエーハの面の凹み又は隆
起部分として形成するのが典型的である。

パターンの整合に使われるのと同様な後方散乱
信号を使つて、この発明は重なり誤差の表示の様
な、ウエーハの面上のその他の特徴を測定する方
法を提供する。これは、処理能力の高いウエーハ
直接書込み用の道具としてではなく、測定用の道
具として、電子ビーム装置を使うものである。

１つの層内の１本棒パターンが、処理の際にウ
エーハのその場所に適用された別の層の材料の一
部分として敷設された２本棒パターンに重ねて設
けられている様なウエーハ上の選ばれた場所で、
重なりの測定が行なわれる。２本棒の間の中心線
に対する１本棒の中心線の位置が、２つのパター
ンの重なり誤差を直接的に表示する。

次に第２図乃至第４図について、重なりパター
ンを沈積する態様を説明する。第３図には、第１
の１対の整合用マーク５０，５１を示すと共に、
第２の１対の整合用マーク５３，５４を示してあ
る。これらの整合用マークは各フイールドの４隅
に配置されていて、前掲米国特許で整合用に用い
られる整合用マークを表わす。即ち、マーク５
０，５１はＸ方向の整合用マークを表わし、マー
ク５３，５４はＹ方向のマークを表わす。後で説
明する様に、この発明では、１本棒ではなく、１
対の整合用マークを用いる。

整合用マークの他に、１対の２本棒パターン５
６，５６Ａと１対の２本棒パターン５６，５６Ａ
と１対の２本棒パターン５７，５７Ａを設ける。
これらの２本棒パターンは、それに関連する夫々
の整合用マークに対して特別に定められた位置に
ある。これらのパターンは、希望によつては、整
合用マーク５０，５１，５３，５４と同じ処理工
程の間に、又は材料の同じ層内に敷設することが
出来る。この代りに、２本棒パターンは別の処理
工程で敷設してもよいが、前に説明した整合方法
により、整合用マークと整合させる。これらのパ
ターンを整合用マークに対して向きを定める目的
は、重なり測定の処理の際、後で電子ビームの走
査によつてその位置を突止めることが出来る様に
する為である。

好ましい実施例では、電子ビームを使つてレジ
スト層を露出し、レジストを現像し、公知の方法
でウエーハにマークを食刻で設けるという普通の
工程により、第１の即ち２本棒パターン５６，５
６Ａ，５７，５７Ａがウエーハ上に設けられる。
次にウエーハをレジストで再び被覆し、周知の様
に、ウエーハを再び露出、現像及び食刻すること
により、第２組の１本棒パターン５８，５９をウ
エーハ上に形成する。然し、第１のパターン即ち
２本棒パターンが、第２のパターン即ち１本棒パ
ターンとは別の処理工程でウエーハ上に設けられ
ることは云う迄もない。この為、第１のパターン
に対する第２のパターンの配置が、第１の層に対
する第２の層の整合によつて起る重なり誤差を表
わすものになる。

最初に電子ビームを整合用マーク上に整合さ
せ、次に所望の位置でパターンを露出することに
より、第２のパターンが敷設されることに注意さ
れたい。然し、整合用の走査に露出することによ
つて、整合用マークがその後の処理によつて変わ
ることがあるから、Ｘ及びＹの両方向で第２組の
整合用マークを設ける。こうすると、第２の棒パ
ターンを敷設する為に第１組のマークに整合させ
ることが出来、且つ走査並びに測定の為の重なり
パターンを後で位置ぎめする為に、第２組の整合
用マークを利用することが出来る。

Ｘ及びＹの両方向に於ける２本棒の中心線に対
する１本棒の中心線の位置が第３図に示されてい
る。この位置は、２つのパターンの重なり誤差に
正比例する。重なりパターンの輪郭を第４Ａ図に
示してあり、重なりパターンを電子ビームで走査
した時に得られる電気出力信号が第４Ｂ図に示さ
れている。即ち、第４Ｂ図の信号は、米国特許第
3901814号及び同第4056730号に記載された回路に
よつて発生される微分出力信号であり、第３図に
示す様な重なりパターンの縁を正確に突止めるこ
とが出来る。

所定のウエーハの重なり誤差を測定する為、装
置の自動整合及び補正能力を利用して、ビーム走
査パターンを整合用マークの上に正確に位置ぎめ
する。毎回の一組の測定を行なつた後、Ｘ−Ｙテ
ーブルをウエーハ上の次のチツプ箇所へ移動す
る。特定のチツプ箇所、並びに整合用マークに対
する重なりパターンの特徴部分の相対位置は、希
望によつては、チツプ上の何箇所もで重なりの測
定が出来る様に選ぶことが出来る。更に、この測
定用の走査から得られたデータは、後で編集して
データを圧縮する為、テープ又はその他の貯蔵媒
質に記録することが出来る。

ビームを走査して縁を横つてウエーハに入つた
時に発生される信号は顕著であり、この為、重な
りの特徴部分は、重なつている材料の数ミクロン
下方にある場合でも、認めることが出来る。

次に第２図について、後方散乱された電子信号
を処理する様子を更に詳しく説明する。電子ビー
ムをウエーハの面上の重なりパターンの特徴部分
を横切つて往復的に走査する時、検出された後方
散乱電子信号が変調され、その信号がウエーハの
上方に設けられた電子検出器に入る。好ましい実
施例では、前掲米国特許に記載されている様に、
４つの固体ダイオード検出器を用いる。

ダイオード検出器からの信号がアナログ信号処
理ブロツク７０に供給され、このブロツクがダイ
オードの出力電流を電圧信号に変換する。電圧信
号を微分し、望ましくない高周波数の雑音を除去
する為に波し、加算する。尖頭値を加算した信
号の振幅は、自動利得制御回路によつて一定の値
に調節する。

次に出力信号を比較回路に供給する。この比較
回路がアナログ信号処理ブロツクの一部分を構成
する。比較回路は、基本線から信号の尖頭値まで
の振幅の一定百分率に自動的に設定された基準入
力を有する。比較回路からのデイジタル出力信号
を時間符号化及びデータ・バツフア・ブロツク７
２に供給する。このブロツクはシステム・クロツ
ク７４からクロツク信号を受取る。

デイジタル信号をシステム・クロツク信号に対
して時間的に符号化する。このクロツク信号はビ
ームを走査する為の偏向と同期している。時間的
に符号化された信号が主体計算機に送られ、この
計算機が時間符号化及びデータ・ブロツクからデ
ータを読取り、それをテープ７８に転送し、そこ
でソフトウエア編集器７７によつて処理すること
が出来る様になるまで貯蔵される。

この信号は、変換した時、第１のパターンの中
心線と第２のパターンの中心線との間のウエーハ
上の距離の表示として利用することが出来る。こ
の表示を正しく測定する為、データ編集器が正し
い信号の極性順序になる様に信号を走査して有効
な縁データを選ぶと共に、測定されている棒パタ
ーンの正しい幅を試験する。こうすることによ
り、雑音のデータ点が除去されると共に、減少し
たデータは第１のパターン及び第２のパターンに
対する重なりデータを表わす。

この為、減少したデータは走査される各々の重
なり特徴部分がある場所でのＸ又はＹ方向に於け
る重なり誤差を表わす。その後の処理を利用し
て、重なりパターンで誤りを招く原因になつたと
疑われる源を除去することが出来る様に、所望の
統計並びに相関性を出すことが出来る。

この様な後の処理は、他のどんな方法で測定さ
れた重なり誤差を利用する場合にも必要であり、
その為、この発明の一部分を構成するものではな
い。

この発明の重なり誤差を決定する方法は、直接
的な書込み様式でも使われる電子ビーム装置によ
つて行なわれるという点で、他の方法に較べて改
良されている。こうすると、書込みに使うのと別
の装置を測定の為に利用する必要がなくなる。更
に、重なり測定用パターンにわたる走査は、非直
線的な走査によつて起る誤差を最小限に抑える様
に、順方向及び逆方向の両方の走査で構成され
る。この為、装置内の信号通路に於ける種々の遅
延による誤差を相殺することが出来、これは特に
正確な方法であることが判つた。更に、重なり測
定用パターンは、検出の為に相補的な対の縁を利
用する様に設計されている。これによつて、使う
重なりパターンの食刻の変動の影響が除去され
る。

最初の実施例は４角な形のビームを利用する
が、丸いビーム、又は好ましくは、測定する縁に
対して平行な長辺を持つ矩形のビームを使つて測
定を行なうことが出来ることは云う迄もない。最
初の実施例は、信号検出器とアナログ及びデイジ
タル信号処理並びに編集の特定の組合せを用いる
が、これは他の適当な手段に変えてもよい。例え
ば、ダイオード検出器の代りにシンチレータを用
いてもよく、自動利得設定の代りに手動利得設定
にしてもよく、並びに／或いは縁の確認は、クリ
ツピツグ方法ではなく、尖頭値を検出することに
よつて行なつてもよい。

最初の実施例で説明した方法は、電子ビーム直
接書込み装置によつて敷設された第１及び第２の
重なりパターンの間に生ずる重なり誤差を測定す
るが、この方法は他の手段によつてチツプ上に設
けられたパターン標識の間の重なり誤差を測定す
る場合にも同じ様に使うことが出来ることを承知
されたい。例えば、重なりパターンは普通の設計
の他の写真平版装置によつてウエーハ上に設ける
ことが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図はビームを制御する手段を持つ電子ビー
ム装置の略図、第２図はこの発明に従つて使われ
る、第１図の装置に付設される検出及び信号処理
手段の簡略ブロツク図、第３図はこの発明を実施
する際に使われる一組の整合用マーク並びにパタ
ーン標識の平面図、第４Ａ図は第３図の重なりパ
ターンの垂直の輪郭を示すグラフ、第４Ｂ図は電
子ビームがパターンを走査する時、第２図の回路
によつて発生される電気信号を示すグラフであ
る。 主な符号の説明、５０，５１，５３，５４…整
合用マーク、５６，５６Ａ，５７，５７Ａ…２本
棒パターン、５８，５９…１本棒パターン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (a) 基板上の整合用標識を基準とする所定位
   置に第１パターンを電子ビーム装置により形成
   する段階と、 (b) 上記整合用標識を基準とする位置であり、上
   記パターンに近接する位置に第２パターンを上
   記電子ビーム装置により形成する段階と、 (c) 上記第１パターンと上記第２パターンを、少
   なくとも１つの方向に沿つて上記電子ビーム装
   置により走査する段階と、 (d) 上記第１パターン及び上記第２パターンから
   の後方散乱ビームを検出することにより上記第
   １パターンと上記第２パターンの間の相対的位
   置を検知する段階を有する、 電子ビーム装置を用いるパターン重なり誤差の
   検知方法。