DE10236218B4

DE10236218B4 - Verfahren zur Messung der Überdeckung von kontrastarmen Strukturmerkmalen

Info

Publication number: DE10236218B4
Application number: DE10236218.1A
Authority: DE
Inventors: Shoaib Hasan Zaidi
Original assignee: Qimonda AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2002-08-07
Publication date: 2015-04-09
Anticipated expiration: 2022-08-08
Also published as: DE10236218A1; US20030063278A1; US6724479B2

Abstract

Verfahren zur Messung der Ausrichtung von zwei Schichten in einer integrierten Schaltung (5), die eine Vielzahl von gestapelten Materialschichten umfaßt, wobei eine obenliegende Schicht eine erste Justiermarke (12) und eine darunterliegende Schicht eine zweite Justiermarke (14) aufweist, umfassend: Erfassen der ersten Justiermarke (12) und einer Referenzjustiermarke unter Verwendung einer Vorrichtung (8) zum Detektieren einer Wellenfront und Erzeugen eines ersten Bildes (112), Erfassen der zweiten Justiermarke (14) und der Referenzjustiermarke unter Verwendung einer Justiervorrichtung (50) und Erzeugen eines zweiten Bildes, Erzeugen eines zusammengesetzten Bildes aus dem ersten und dem zweiten Bild (112, 114) durch Ausrichten der Referenzmarke in dem ersten und dem zweiten Bild.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Halbleiterherstellung und insbesondere auf ein Verfahren zur Messung von Justiermarken bei der Halbleiterherstellung.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die Verwendung von Justiermarken, um die Genauigkeit einer Überdeckung verschiedener Schichten bei der Halbleiterbearbeitung zu messen und zu steuern, ist allgemein bekannt. Üblicherweise wurde eine optische Erfassung und Messung der Justiermarken verwendet. Eine obere Schicht wird auf darunterliegende Schichten durch Erfassung einer Veränderung der Überdeckung zwischen einem Justiermerkmal, das vorher auf der (den) darunterliegenden Schicht(en) gebildet wurde, und einem Justiermerkmal ausgerichtet, das in einer Photolackschicht auf der oberen Schicht gebildet wurde. Oft wird ein Box-in-Box-Muster verwendet, wie es in 1A dargestellt ist, wobei eine Box in der darunterliegenden Schicht und die andere Box in der Lackschicht gebildet wurde.
Je weiter sich die Bauelementgeometrien und Merkmalsgrößen verringern, um so kritischer wird die Ausrichtung der Schichten, und die Toleranzen werden immer enger. Unglücklicherweise werden die Erfassung und die Messung der Justiermarken schwieriger, je weiter sich die Bauelementgeometrien und Merkmalsabmessungen verkleinern. Ein Grund für diese Schwierigkeit besteht darin, daß Lacklinien transparent sind und sehr kleine vertikale Abmessungen aufweisen. Wenn die Höhe von Strukturmerkmalen, die von den Lacklinien definiert werden, mehr als ein Viertel der beleuchtenden Lichtwellenlänge (λ/4) der üblichen optischen Verfahren beträgt, sind die Merkmale aufgrund der destruktiven Interferenz des Lichts zwischen der Ober- und Unterseite der Merkmale leicht sichtbar. Da die Bauelementgeometrien schrumpfen und die Höhe der Justiermerkmale unter λ/4 sinkt, wird die Sichtbarkeit der Strukturmerkmale aufgrund des Kontrastverlusts schlechter. Daher können die Justiermerkmale nicht wirksam genutzt werden. Außerdem sind die Lackmerkmale, die bei den Wellenlängen der beleuchtenden Lichtquelle typischerweise transparent sind, auf polierten Siliziumwafern besonders schwer zu sehen.
In der US 6 269 322 B1 sind ein System und ein Verfahren zur Ausrichtung von Masken auf einem Wafer beschrieben, das die Rotation des Reticles berücksichtigt. Hierzu werden Bilder einer ersten und einer zweiten Justage-Markierung mittels mindestens einer Justagevorrichtung erzeugt. Es können aber auch mehrere Justagevorrichtungen vorhanden sein.
In der US 6 141 107 A ist eine mit Vorrichtung zur Feststellung einer Position einer optischen Markierung beschrieben. Hierzu werden Bilder einer ersten und einer zweiten Justage-Markierung mittels zweier Justagevorrichtungen erzeugt, bei denen es sich um Mikroskope handelt.
In der US 6 023 313 A ist ein Verfahren zur Herstellung einer LCD-Anzeige beschrieben. Hierzu werden Bilder einer ersten und einer zweiten Justage-Markierung mittels einer einzigen Justagevorrichtung erzeugt, bei der es sich um ein Mikroskop handelt. Was daher benötigt wird, sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung und zur Messung von Justiermerkmalen, die eine Höhe von weniger als einem Viertel der Wellenlänge der beleuchtenden Lichtquelle haben und leicht als Zusatzverfahren und Zusatzvorrichtung integriert werden können, die in Verbindung mit üblichen Justiertechniken verwendet werden. Das Verfahren muß auch die Sichtbarkeit von Lacklinien auf polierten (d. h. hoch reflektierenden) Oberflächen ermöglichen, wie zum Beispiel auf einem Siliziumwafer oder auf Metallschichten, einschließlich u. a. Aluminium, Kupfer oder Wolfram.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Durch die vorliegende Erfindung, die eine Struktur liefert, welche ein Verfahren zur Messung der Überdeckung von Justiermerkmalen mit geringem Kontrast aufweist, werden diese und andere Probleme allgemein gelöst oder umgangen und allgemein technische Vorteile erhalten.
Unter einem ersten Gesichtspunkt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Messung der Ausrichtung von zwei Schichten in einer integrierten Schaltung bereit, die eine Vielzahl von gestapelten Materialschichten umfaßt, wobei eine obenliegende Schicht eine erste Justiermarke und eine darunterliegende Schicht eine zweite Justiermarke aufweist. Bei dem Verfahren werden die erste Justiermarke und eine Referenz-Justiermarke unter Verwendung einer Vorrichtung zum Detektieren einer Wellenfront erfaßt und daraus ein erstes Bild erzeugt, und die zweite Justiermarke und die Referenz-Justiermarke werden unter Verwendung einer zweiten Justiervorrichtung erfaßt und daraus ein zweites Bild erzeugt. Weiterhin wird bei dem Verfahren aus dem ersten und dem zweiten Bild durch Ausrichtung der Referenzmarke im ersten und im zweiten Bild ein zusammengesetztes Bild erzeugt.
Unter einem anderen Gesichtspunkt bietet die Erfindung eine Vorrichtung zur Messung einer Ausrichtung an mit einer Halterung, der eine Oberfläche besitzt, um darauf einen Halbleiterwafer aufzunehmen, mit einer Lichtquelle, die so ausgerichtet ist, daß sie einen auf der Halterung liegenden Wafer beleuchtet, und mit einem Strahlteiler, der so angeordnet ist, daß er, wenn er Licht von der Lichtquelle empfängt, das von einem auf der Halterung angeordneten Wafer reflektiert wurde, das reflektierte Licht in einen ersten Lichtweg und einen zweiten Lichtweg zerlegt. Die Vorrichtung weist weiterhin ein optisches Instrument im ersten Lichtweg und eine Vorrichtung zum Detektieren einer Wellenfront im zweiten Lichtweg auf. Die Vorrichtung weist weiterhin eine Recheneinheit auf, die mit dem optischen Instrument und der Vorrichtung zum Detektieren einer Wellenfront gekoppelt ist und von dort Daten der Erfassung der Ausrichtung empfängt und ein Justierbild ausgibt.
Unter noch einem weiteren Gesichtspunkt liefert die Erfindung ein Verfahren zur Messung der Ausrichtung der Überdeckung von mindestens zwei Schichten eines Halbleiterbauelements unter Verwendung einer Vorrichtung zum Detektieren einer Wellenfront. Verfahrensgemäß wird ein Referenzsignal durch Beobachten einer ebenen Referenzoberfläche mit der Vorrichtung zum Detektieren einer Wellenfront erzeugt und dann gespeichert, mindestens ein Abschnitt des Halbleiterwafers, der eine erste und eine zweite Justiermarke aufweist, mit Hilfe der Vorrichtung zum Detektieren einer Wellenfront ausgerichtet, und der Abschnitt des Wafers beleuchtet und eine Wellenfront des Lichts erfaßt, das von dem Abschnitt des Wafers und von der ersten und der zweiten Justiermarke reflektiert wurde. Verfahrensgemäß wird weiterhin die reflektierte Lichtwellenfront aufgeweitet, durch Beobachten der aufgeweiteten reflektierten Lichtwellenfront mit der Vorrichtung zum Detektieren einer Wellenfront ein Wellenfrontneigungssignal erzeugt, die Lage der ersten und der zweiten Justiermarke durch Vergleich des Wellenfrontneigungssignals mit dem Referenzsignal bestimmt und ein Abstand zwischen der ersten und der zweiten Justiermarke auf der Grundlage der Ergebnisse des Schritts der Bestimmung der Lage der ersten und der zweiten Justiermarke berechnet.
Ein Vorteil der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie als ein Zusatzverfahren zu vorhandenen Meßtechniken verwendet werden kann.
Ein weiterer Vorteil der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Meßdaten leicht mit den Daten anderer Meßtechniken kombiniert werden können.
Noch ein weiterer Vorteil einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie leicht mit einem Computersystem zur Ansicht und zur Analyse kombiniert werden kann.
Die obige Erörterung hat die Merkmale und technischen Vorteile der vorliegenden Erfindung ziemlich allgemein umrissen, so daß die nachfolgende ausführliche Beschreibung besser verstanden wird. Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung, die den Gegenstand der Patentansprüche bilden, werden nachfolgend beschrieben. Es ist dem Fachmann klar, daß die offenbarten Konzepte und spezifischen Ausführungsformen ohne weiteres als Basis für Veränderungen oder die Gestaltung anderer Strukturen oder Prozesse zur Durchführung der gleichen Zwecke der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Es ist dem Fachmann auch klar, daß solche gleichwertigen Konstruktionen den Gedanken und den Schutzbereich der Erfindung, wie er in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist, nicht verlassen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibungen in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen deutlicher:
1A ist eine Ansicht einer Justiermarke von oben.
1B ist ein Querschnitt durch eine idealisierte Justiermarke.
1C ist ein Querschnitt durch einen Abschnitt einer Justiermarke, der nichtideale Strukturmerkmale zeigt.
2 zeigt schematisch ein bevorzugtes Ausführungssystem, das Strukturmerkmale der vorliegenden Erfindung verwendet.
3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Detektieren einer Wellenfront, das im bevorzugten Ausführungssystem verwendet wird.
Die 4a und 4b zeigen kolbenförmige Abweichungen und die durch sie jeweils verursachte Wellenfrontverzerrung.
Die 4c und 4d zeigen bevorzugte Justiermerkmale und die von ihnen jeweils verursachte Wellenfrontverzerrung.
Die 5a und 5b zeigen schematisch die Erfassung einer Referenzoberfläche bzw. einer Justiermarke.
6 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungssystem, das Justiermerkmale der vorliegenden Erfindung verwendet.
7 zeigt eine beispielhafte Anzeige, die ein zusammengesetztes Bild aus zwei Justiermerkmal-Meßwerkzeugen darstellt.
Übereinstimmende Bezugszeichen und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich auf übereinstimmende Bauteile, soweit nicht anders angezeigt. Die Figuren dienen dazu, die relevanten Aspekte der bevorzugten Ausführungsformen klar darzustellen und sind nicht unbedingt maßstabsgerecht gezeichnet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Herstellung und die Verwendung der derzeit bevorzugten Ausführungsform werden nachfolgend ausführlich erörtert. Es sollte aber klar sein, daß die vorliegende Erfindung viele anwendbare neue Konzepte liefert, die in einem weiten Bereich spezifischer Anwendungen ausgeführt werden können. Die erörterten spezifischen Ausführungsformen dienen nur als Beispiel für spezifische Arten, wie die Erfindung erzeugt und verwendet werden kann, und schränken den Schutzbereich der Erfindung nicht ein.
1A zeigt eine Draufsicht auf beispielhafte Justiermerkmale in verschiedenen Ebenen (Schichten) eines Halbleiterbauelements. Die Justiermarke 10 enthält ein erste Justiermerkmale 12 und ein zweites Justiermerkmal 14. Die Justiermerkmale 14 werden durch übliche Verfahren der Photolithographie erzeugt und aus einem Material in einer untenliegenden Schicht gebildet, wie zum Beispiel Silizium, Polysilizium, Oxid, Nitrid, Metallschicht, oder in einer anderen bekannten Halbleiterschicht. Die Justiermarken 12 werden in einer oberen Schicht aus Photolackmaterial gebildet. Zu Darstellungszwecken wird die Justiermarke 10 als eine übliche Box-in-Box- oder Rahmen-in-Rahmen-Gestaltung gezeigt. Die Erfassung und Messung anderer Justiergeometrien liegt auch im Schutzbereich der vorliegenden Erfindung.
1B ist ein Querschnitt durch eine idealisierte Justiermarke 10. Wie gezeigt, befinden sich die Justiermerkmale 14 auf einer untenliegenden Schicht (unter der oberen Oberfläche 13 des zu messenden Bauelements) und die Justiermerkmale 12 sind auf einer oberen Schicht ausgebildet, d. h. auf der Oberfläche 13. Durch Erfassen und Messen der Überdeckung zwischen den Justiermerkmalen 12 und 14 kann die Ausrichtung der Gesamtstruktur zwischen den unterschiedlichen Schichten überwacht und gesteuert werden. 1C zeigt im Querschnitt die nichtidealisierten Aspekte der Justiermarken 12 und 14 für einen Abschnitt des in 1B dargestellten Querschnitts. Es ist anzumerken, daß typischerweise die Strukturmerkmale etwas undeutlich sind und nicht-vertikale Kanten und abgerundete Strukturmerkmale besitzen. Die Höhe h des Justiermerkmale 12 ist in 1C dargestellt und ist die Höhe der Spitze des Strukturmerkmals 12 oberhalb der oberen Oberfläche 13 des Wafers oder des Bauelements, das gemessen wird. Die Justiermerkmale sind bei Verwendung üblicher optischer Techniken nur schwer zu sehen, insbesondere wenn die vertikale Höhe oder vertikale Tiefe der Justiermerkmale 12, 14 bezüglich der Lichtquelle gering ist. Das Problem ist besonders ausgeprägt, wenn die Höhe oder die Tiefe des Strukturmerkmal in einen Bereich von weniger als etwa einem Viertel der Wellenlänge der beleuchtenden Lichtquelle fällt.
2 stellt eine erste bevorzugte Ausführungsform des Systems 1 zur Erfassung und Messung von Justiermarken 12, 14 dar, die auf einem Wafer 5 angeordnet sind. Das System enthält eine Beleuchtungsquelle 2, die den Wafer 5 (oder Abschnitte davon, einschließlich der Abschnitte, die die Justiermerkmale 12, 14 aufweisen) mit einem Lichtstrahl 4 beleuchtet. Der Wafer 5 ist vorzugsweise auf einem Halterung 7 angeordnet, der eine relative Bewegung zwischen dem Wafer 5 und einer Vorrichtung 8 zum Detektieren einer Wellenfront erlaubt, um die Waferoberfläche abzutasten. Der Halterung 7 arbeitet unter der Steuerung von Motoren und einer Steuerlogik 9. Bei anderen Ausführungsformen kann der Wafer 5 ortsfest gehalten und die Vorrichtung 8 zum Detektieren einer Wellenfront so betrieben werden, daß es sich in bezug auf den Wafer bewegt, um die Abtastung durchzuführen. Bei noch anderen Ausführungsformen kann Licht von der Beleuchtungsquelle 2 durch die Verwendung von Justierspiegeln und optischen Fokussieroptiken gelenkt werden, um verschiedene Bereiche eines ortsfesten Wafers abzutasten. Die Beleuchtungsquelle 2 kann eine starke Lichtquelle sein. Zu typischen Beleuchtungsquellen, die gegenwärtig bei der Halbleiterherstellung verwendet werden, gehören einige inkohärente (Glühlampen und Entladungslampen) und kohärente (Laser-)Quellen im Wellenlängenbereich von 157 nm bis 800 nm – obwohl der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht auf einen bestimmten Typ von Beleuchtungsquelle begrenzt ist. Der Lichtstrahl wird von der Oberfläche 13 des Wafers und der Justiermerkmale 12, 14 reflektiert und trifft auf dem Justierspiegel 6 auf, wo er auf den Eingang der Vorrichtung 8 zum Detektieren einer Wellenfront ausgerichtet wird. Ein Fachmann erkennt, daß verschiedene optische Bestandteile des Systems 1, wie zum Beispiel Fokussierlinsen, zusätzliche Justierspiegel, Lichtabschirmungen u. ä., Teil der bevorzugten Ausführungsformen sind, aber aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht in den Zeichnungen enthalten sind, da sie für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht notwendig sind. In gleicher Weise wurden andere Strukturmerkmale, die zum bevorzugten Ausführungssystem gehören können, aber nicht unbedingt zum Verständnis der Erfindung notwendig sind – wie zum Beispiel eine Wafermontageeinheit – aus Gründen der Übersichtlichkeit in den Zeichnungen weggelassen, obwohl ein Fachmann ihre Anwendbarkeit ohne weiteres erkennt. Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, empfängt die Vorrichtung 8 zum Detektieren einer Wellenfront den Lichtstrahl, der von der Oberfläche 13 und den Justiermerkmalen 12 und 14 reflektiert und somit verzerrt wurde. Durch Erfassung der dem Lichtstrahl von den Strukturmerkmalen 12 und 14 verliehenen Verzerrung ist die Vorrichtung zum Detektieren einer Wellenfront in der Lage, die relative Lage (d. h. die Verschiebung von und daher die Ausrichtung zwischen) den Justiermerkmalen 12, 14 zu messen.
3 zeigt die Vorrichtung 8 zum Detektieren einer Wellenfront genauer. Bei den bevorzugten Ausführungsformen enthält die Vorrichtung 8 zum Detektieren einer Wellenfront einen Shack-Hartmann-Detektor. Die Prinzipien und der Betrieb von Shack-Hartmann-Sensoren sind im Stand der Technik gut bekannt. Für zusätzliche Informationen über den Shack-Hartmann-Sensor wird auf das US-Patent Nr. 6,184,974 verwiesen, das in diese Beschreibung durch Bezugnahme aufgenommen ist. Kurz gesagt trifft der einfallende Lichtstrahl 4 auf die Vorrichtung 8 zum Detektieren einer Wellenfront, nachdem er von der zu messenden Oberfläche und den Oberflächenmerkmalen (einschließlich der Justiermerkmale 12, 14) reflektiert wurde. Bei den bevorzugten Ausführungsformen verläuft das Licht 4 durch optische Instrumente, wie zum Beispiel eine Fernrohrlinse 19. Der Lichtstrahl wird von der Linse 19 vergrößert, wie in der Figur schematisch dargestellt ist. Die Linse 19 bietet eine größere Auflösung und Empfindlichkeit des Werkzeugs 8.
Der vergrößerte Lichtstrahl 4 verläuft durch die Linse 19 und trifft auf das Linsen-Array 20. Das Array 20 spaltet den Lichtstrahl 4 in eine Reihe von Lichtstrahlen 21 auf, die punktförmig auf das Sensor-Array 22 fokussiert werden. Mit anderen Worten befindet sich das Sensor-Array in der Brennpunktebene des Linsen-Arrays 20, so daß die Lichtstrahlen 21 das Sensor-Array 22 als ein Array von eng fokussierten Lichtpunkten 23 erreichen. Bei den bevorzugten Ausführungsformen ist das Sensor-Array ein CCD-Array, obwohl andere alternative Arrays, wie zum Beispiel CMOS-Photosensoren, Photodioden, fotografischer Film u. ä., verwendet werden könnten. Auch könnte das Array aus kleinen Linsen durch ein Blenden-Array oder ähnliches ersetzt werden. Die Auflösung eines typischen Arrays aus kleinen Linsen 20 beträgt etwa 100 bis 200 Mikrometer. Mit anderen Worten kann das Array 20 nur vertikale Abweichungen zwischen Strukturmerkmalen auflösen, die einen Abstand von nicht weniger als 100 bis 200 Mikrometer voneinander besitzen. Die Linse 19 ermöglicht eine größere Empfindlichkeit durch Vergrößerung eines Teils der analysierten Oberfläche – daher wird dem Array aus kleinen Linsen ein vergrößertes Bild geliefert, das es auflösen soll.
Im Betrieb wird eine Referenzoberfläche, wie z. B. eine (fast) vollkommen ebene Oberfläche, von der Vorrichtung 8 zum Detektieren einer Wellenfront abgetastet und die Lage der Punkte 23 gemessen. Dies führt zu einer Referenzmessung. Dann wird die für die Ausrichtung zu messende Oberfläche abgetastet und die Lage der Punkte 23 wieder gemessen. Durch Erfassung der Abweichungen bei der Lage der Punkte kann die Verzerrung der Wellenfront für den Lichtstrahl 4 erfaßt werden. Da diese Verzerrung ein direktes Ergebnis von Ablenkungen in der Oberfläche ist, können die Oberflächenmerkmale ohne weiteres erfaßt und ihre Größe und relative Lage gemessen werden.
Es ist anzumerken, daß Vorrichtungen zum Detektieren einer Wellenfront durch Erfassung der Neigung bei der Verzerrung der Lichtstrahl-Wellenfront arbeiten. Oberflächenmerkmale mit einer sehr steilen oder gar keiner Neigung, wie zum Beispiel perfekt vertikale Seitenwände, können mit üblichen Vorrichtungen zum Detektieren einer Wellenfront nicht erfaßt werden. 4a zeigt zwei solche Strukturmerkmale 26 und 28, die üblicherweise als kolbenförmige Abweichungen bezeichnet werden. Das eine kolbenförmige Abweichung aufweisende Strukturmerkmal 26 ist eine Vertiefung in der Oberfläche 13 des Beispielwafers 5, und das Strukturmerkmal 28 liegt über der Oberfläche 13. Es ist anzumerken, daß die Seitenwände 27 des Strukturmerkmals 26 im wesentlichen vertikal und die Seitenwände 29 des Strukturmerkmals 28 ebenfalls im wesentlichen vertikal sind. 4b zeigt schematisch die Verzerrung, die einer Lichtstrahl-Wellenfront 30 nach der Reflexion an der Oberfläche 13 und den Strukturmerkmalen 26, 28 aus 4a verliehen würde. 4b zeigt zwei Phänomene, die für das Verständnis der Erfindung wichtig sind. Zuerst ist anzumerken, daß die Wellenfrontverzerrung 30 ein Merkmal 126 aufweist, das dem Oberflächenmerkmal 26 entspricht, und ein Merkmal 128, das dem Oberflächenmerkmal 28 entspricht. Diese Merkmale (die einfach Verzerrungen in der Wellenfront des Lichtstrahls 4 sind) haben im wesentlichen keinerlei Neigung an ihren Kanten. Da die Vorrichtungen zum Detektieren einer Wellenfront Veränderungen bei der Neigung der einfallenden Lichtstrahl-Wellenfront erfassen, wäre es, wie oben erörtert, sehr schwierig, wenn nicht unmöglich, solche Merkmale zu erfassen.
Das zweite von der Wellenfront 30 dargestellte Phänomen besteht darin, daß das Merkmal 126 die doppelte Amplitude des tatsächlichen Oberflächenmerkmals 26 hat, das erfaßt wurde, und daß das Merkmal 128 die doppelte Amplitude der tatsächlichen Oberflächenmerkmals 28 hat, das erfaßt wurde. Dieses Phänomen wird unter Bezugnahme auf die 5a und 5b erklärt. 5a zeigt schematisch einen Lichtstrahl, der auf eine ebene Oberfläche 13 fällt und von der Oberfläche 13 zum Justierspiegel 6 reflektiert wird, wo der Strahl reflektiert wird, um auf die Vorrichtung 8 zum Detektieren einer Wellenfront zu fallen. Es ist anzumerken, daß die Wellenfront schematisch so dargestellt ist, als ob sie keine Verzerrung durch die ebene Oberfläche 13 erfährt (wie durch die Kurve 113 dargestellt). Dagegen stellt 5b dar, daß die Wellenfront durch das Oberflächenmerkmal 28 verzerrt wird, wie durch die Kurve 128 in der Wellenfront 30 des Lichtstrahls 4 angezeigt ist. Es ist anzumerken, daß wie in 4b diese Kurve mit der doppelten Amplitude des tatsächlichen Strukturmerkmals 28 gezeigt ist. Das rührt daher, daß der Lichtstrahl 4, der auf die ebene Oberfläche 13 des Wafers 4 fällt, eine Strecke d₁ zwischen der ebenen Oberfläche und der Ebene des Justierspiegels 6 zurücklegt, während der Lichtstrahl, der auf die Spitze des Strukturmerkmals 28 fällt, nur eine (geringere) Entfernung d₂ zwischen der Spitze des Strukturmerkmals und der Ebene des Spiegels zurücklegt. Tatsächlich ist die Wirkung der Differenz zwischen der Oberseite des Strukturmerkmals und der ebenen Oberfläche verdoppelt. Dies rührt daher, daß der Lichtstrahl zuerst von der Lichtquelle 2 zum Wafer 5 wandert (und daher wird die erste Entfernung d₁ minus d₂ vorgegeben) und dann vom Wafer zum Justierspiegel reflektiert wird (und daher wird die zweite Entfernung d₁ minus d₂ vorgegeben). Dieses Phänomen kann vorteilhaft genutzt werden, da es die Empfindlichkeit der Vorrichtung 8 zum Detektieren einer Wellenfront vergrößert (d. h. die von einem Oberflächenmerkmal erzeugten Verzerrungen werden verdoppelt und sind daher einfacher zu erfassen).
Unter Bezugnahme auf 4c, in der die bevorzugten Strukturmerkmale 36 und 38 gezeigt sind, ist festzustellen, daß diese Strukturmerkmale abgerundete Seitenwände 37 bzw. 39 aufweisen. Wie in 4d dargestellt, verleihen solche Strukturmerkmale der Wellenfront 40 des Lichtstrahls, die geneigte Strukturmerkmale hat, eine Verzerrung 136, 138. Da die Wellenfront-Verzerrung eine Neigung hat, kann die Vorrichtung 8 zum Detektieren einer Wellenfront leicht die Strukturmrekmale 36, 38 erfassen. Es ist auch anzumerken, daß wie oben die Amplitude der Verzerrungsmerkmale 136, 138 doppelt so groß wie die gemessenen Oberflächenmerkmale 36 bzw. 38 ist. Durch Abtasten des Wafers mit der Vorrichtung zum Detektieren einer Wellenfront kann die Lage der Oberflächenmerkmale 36, 38 u. ä. erfaßt und die Ausrichtung zwischen ihnen leicht bestimmt werden.
6 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Systems zur Erfassung der Ausrichtung zwischen Justiermerkmalen, die auf verschiedenen Schichten eines Halbleiterbauelements angeordnet sind. 6 wird in bezug auf die Justiermerkmale 12, 14 beschrieben, die in 1a dargestellt sind. Bei dieser Ausführungsform wird jedoch angenommen, daß eins der Justiermerkmale – z. B. Merkmal 14 – unter Verwendung üblicher optischer Justierinstrumente, wie z. B. eines hochleistungsfähigen Mikroskops, erfaßt werden kann. In 6 ist ein solches übliches System zur Erfassung eines optischen Justiermerkmals schematisch unter dem Bezugszeichen 50 dargestellt. Weiter erkennt man in 6 eine Vorrichtung 8 zum Detektieren einer Wellenfront, wie oben beschrieben. Das Werkzeug 8 wird verwendet, um andere Merkmale zu erfassen, wie zum Beispiel die Merkmale 12, die nicht unter Verwendung eines üblichen optischen Instruments 50 erfaßt werden können. Zu Beispielen für solche Instrumente können Atomkraftmikroskope (AFM) und Rasterelektronenmikroskope (SEM) gehören. Der Lichtstrahl 4 wird als vom Wafer 5 wegreflektierend gezeigt (einschließlich obere Oberfläche 13 und Merkmale 12, 14, obwohl sie aus Gründen der Übersichtlichkeit in 6 nicht gezeigt sind) wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird aber der Lichtstrahl 4 von einem Strahlteiler 52 geteilt, wobei ein Teil des Lichtstrahls 4 zur Vorrichtung 8 zum Detektieren einer Wellenfront abgelenkt wird und ein Teil des Lichtstrahls 4 zum optischen Instrument 50 geleitet wird. Der Strahlteiler 52 kann eine beliebige bekannte Strahlteilervorrichtung sein.
Die Vorrichtung 8 zum Detektieren einer Wellenfront empfängt den ankommenden Lichtstrahl 4 einschließlich der oben besprochenen Wellenfrontverzerrungen und vergleicht das empfangene Array von Lichtpunkten 23 mit einem Array für eine Referenzoberfläche, alles gemäß der obigen ausführlicheren Beschreibung. Bei manchen Ausführungsformen wandelt die Vorrichtung 8 zum Detektieren einer Wellenfront die erfaßten Veränderungen der Lichtpunkte in ein elektrisches Signal oder sogar in ein Bildsignal um, welches dann zum Computer 54 übertragen wird. Bei anderen Ausführungsformen erfaßt die Vorrichtung zum Detektieren einer Wellenfront nur die Abweichungen der Lichtpunkte 23 und liefert diese Informationen an den Computer 54, wo die Informationen in Bilddaten umgewandelt werden.
Das optische Instrument 50 empfängt auch den Lichtstrahl 4. Das Instrument 50 enthält typischerweise ein Photosensor-Array, in dem das ankommende Licht erfaßt und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Typischerweise wird das elektrische Signal vom optischen Instrument 50 in ein Bild umgewandelt, das dann an den Computer 54 übertragen wird. Bei manchen Ausführungsformen überträgt das optische Instrument 50 nur das elektrische Signal an den Computer 54, und die Umwandlung in ein Bild erfolgt im Computer. Der Computer 54 nimmt die Bildinformation von der Vorrichtung 8 zum Detektieren einer Wellenfront und vom optischen Instrument 50 und legt die beiden Bilder übereinander. Da beide Werkzeuge 8 und 50 mit dem gleichen ankommenden Lichtstrahl arbeiten, sind die beiden Bilder aufeinander ausgerichtet. Durch Übereinanderlegen der beiden Bilder – wobei das Bild von der Vorrichtung 8 zum Detektieren einer Wellenfront die Lage der Justiermerkmale 12 und das Bild vom optischen Instrument 50 die Lage der Justiermerkmale 14 zeigt – wird die Ausrichtung der Überdeckung zwischen den Merkmalen erfaßt und gemessen. 7 zeigt ein beispielhaftes zusammengesetztes Bild 58 mit Merkmalen 112, die von der Vorrichtung zum Detektieren einer Wellenfront 12 erfaßt wurden, in Überdeckung mit Merkmalen 114, die vom optischen Instrument 50 erfaßt wurden.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform erfassen die Vorrichtung 8 zum Detektieren einer Wellenfront und das optische Instrument 50 gleichzeitig die Justiermerkmale unter Verwendung des gleichen Lichtstrahls, der vom Strahlteiler 53 geteilt wurde. Der Strahlteiler 52 kann aber bei anderen Ausführungsformen weggelassen werden, unter der Voraussetzung, daß irgendeine andere Möglichkeit zur Ausrichtung der Bilddaten aus den beiden Werkzeugen zur Verfügung steht. Zum Beispiel könnte sowohl das optische Instrument 50 als auch die Vorrichtung 8 zum Detektieren einer Wellenfront in der Lage sein, ein anderes auf dem Wafer 13 befindliches Strukturmerkmal zu erfassen. Bei Empfang von Bilddaten vom optischen Instrument 50 und vom Wellenfrontmeßwerkzeug 8 könnte der Computer 54 die Bilder durch Justieren des Strukturmerkmals, das beiden Bildern gemeinsam ist, justieren. Diese Art von Bilderfassung und -Ausrichtung ist im Stand der Technik gut bekannt. Ein Beispiel für ein solches Merkmal könnten die Justiermerkmale 14 sein. Diese Merkmale können typischerweise durch das optische Instrument 50 optisch und, da die Merkmale 14 typischerweise auch eine Vertiefung in der oberen Oberfläche des Wafers erzeugen (siehe 1A), auch vom Wellenfrontmeßwerkzeug 8 erfaßt werden. Als solches könnte der Computer 52 Bilddaten vom optischen Instrument 50 und vom Wellenfrontmeßwerkzeug 8 durch Justieren der Merkmale 14, die beiden Bildern gemeinsam sind, justieren. Bei noch anderen Ausführungsformen kann ein anderes Oberflächenmerkmal-Werkzeug, wie zum Beispiel ein Atomkraftmikroskop, das optische Instrument 50 ersetzen.
Obwohl die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile ausführlich beschrieben wurden, ist es klar, daß verschiedene Veränderungen, Ersetzungen und Umbauten daran vorgenommen werden können, ohne den Rahmen und den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist. Zusätzlich soll der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht auf die besonderen Ausführungsformen des Prozesses, der Herstellung, der Materialzusammensetzung, der Mittel, der Verfahren und der Schritte beschränkt sein, die oben beschrieben wurden. Wie ein Fachmann leicht aus der Offenbarung der vorliegenden Erfindung erkennt, können Prozesse, Herstellung, Materialzusammensetzung, Mittel, Verfahren und Schritte, die derzeit existieren oder später entwickelt werden und die im wesentlichen die gleiche Funktion ausüben oder im wesentlichen das gleiche Ergebnis erzielen wie die hier beschriebenen entsprechenden Ausführungsformen, gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Um nur ein Beispiel zu geben, könnten die vorteilhaften Strukturmerkmale der vorliegenden Erfindung bei manchen Ausführungsformen durch Verwendung eines Atomkraftmikroskops als eines der Justiererfassungswerkzeuge erhalten werden. Dementsprechend sollen die beiliegenden Ansprüche in ihrem Schutzbereich solche Prozesse, Herstellungsweisen, Materialzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte enthalten.

Claims

Verfahren zur Messung der Ausrichtung von zwei Schichten in einer integrierten Schaltung (5), die eine Vielzahl von gestapelten Materialschichten umfaßt, wobei eine obenliegende Schicht eine erste Justiermarke (12) und eine darunterliegende Schicht eine zweite Justiermarke (14) aufweist, umfassend: Erfassen der ersten Justiermarke (12) und einer Referenzjustiermarke unter Verwendung einer Vorrichtung (8) zum Detektieren einer Wellenfront und Erzeugen eines ersten Bildes (112), Erfassen der zweiten Justiermarke (14) und der Referenzjustiermarke unter Verwendung einer Justiervorrichtung (50) und Erzeugen eines zweiten Bildes, Erzeugen eines zusammengesetzten Bildes aus dem ersten und dem zweiten Bild (112, 114) durch Ausrichten der Referenzmarke in dem ersten und dem zweiten Bild.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die integrierte Schaltung relativ zu der Vorrichtung (8) zum Detektieren einer Wellenfront und der Justiervorrichtung (50) abgetastet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Erfassung der zweiten Justiermarke (14) das Beobachten der Marke auf der integrierten Schaltung mit einem Mikroskop (50) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Referenzjustiermarke die erste Justiermarke umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Erfassung der ersten Justiermarke (12) zusätzlich die Beleuchtung der integrierten Schaltung (5) mit einer Lichtquelle (2) und die Aufweitung des von der integrierten Schaltung reflektierten Lichts umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem eine der ersten und zweiten Justiermarken (12, 14) ein Merkmal enthält, das aus Photolack auf der Oberfläche eines Wafers (5) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die eine der ersten und zweiten Justiermarken (12, 14) eine Höhe von weniger als einem Viertel der Wellenlänge der Lichtquelle (2) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem eine andere der ersten und zweiten Justiermarken (12, 14) ein Merkmal enthält, das auf einer Schicht unter der Oberfläche eines Wafers (5) ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Messung einer Ausrichtung umfassend: eine Halterung (7), die eine Oberfläche besitzt, um darauf einen auf der Halterung liegenden Halbleiterwafer (5) aufzunehmen, eine Lichtquelle (2), die so ausgerichtet ist, daß sie einen Wafer mit Licht einer vorbestimmten Wellenlänge beleuchtet, einen Strahlteiler (52), der so angeordnet ist, daß er, wenn er Licht von der Lichtquelle empfängt, das von einem auf der Halterung angeordneten Wafer (5) reflektiert wurde, das reflektierte Licht in einen ersten Lichtweg und einen zweiten Lichtweg zerlegt, ein optisches Instrument (50) im ersten Lichtweg, eine Vorrichtung (8) zum Detektieren einer Wellenfront in dem zweiten Lichtweg, und einer Recheneinheit (54), die mit dem optischen Instrument (50) und der Vorrichtung (8) zum Detektieren einer Wellenfront gekoppelt ist und von dort Meßdaten der Ausrichtung empfängt und ein Justierbild (112, 114) ausgibt.
Vorrichtung zur Messung einer Ausrichtung nach Anspruch 9, die weiterhin eine Einrichtung zum Bewegen eines auf dem Tisch (7) angeordneten Halbleiterwafers (5) in bezug auf das optische Instrument (50) und die Vorrichtung (8) zum Detektieren einer Wellenfront aufweist.
Vorrichtung zur Messung einer Ausrichtung nach Anspruch 9, bei der das optische Instrument (50) ein Mikroskop ist.
Vorrichtung zur Messung einer Ausrichtung nach Anspruch 9, bei der die Vorrichtung (8) zum Detektieren einer Wellenfront ein Shack-Hartmann-Detektor ist.
Vorrichtung zur Messung einer Ausrichtung nach Anspruch 9, bei der die Recheneinheit (54) entweder in das optische Instrument oder in die Vorrichtung zum Detektieren einer Wellenfront integriert ist.
Vorrichtung zur Messung einer Ausrichtung nach Anspruch 9, bei der das Justierbild (112, 114) ein Bild von Justiermerkmalen ist, von denen sich mindestens eines auf der Oberfläche eines Wafers (5) befindet, der auf dem Tisch angeordnet ist.
Verfahren zur Messung der Überdeckung von mindestens zwei Schichten eines Halbleiterbauelements (5) unter Verwendung einer Vorrichtung (8) zum Detektieren einer Wellenfront, umfassend: ein Referenzsignal durch Beobachten einer ebenen Referenzoberfläche mit der Vorrichtung (8) zum Detektieren einer Wellenfront erzeugt und dann gespeichert wird, mindestens ein Abschnitt des Halbleiterwafers (5), der eine erste und eine zweite Justiermarke (12, 14) aufweist, mit Hilfe der Vorrichtung zum Detektieren einer Wellenfront ausgerichtet wird, der Abschnitt des Wafers (5) beleuchtet und eine Wellenfront des Lichts erfaßt wird, das von dem Abschnitt des Wafers und von der ersten und der zweiten Justiermarke (12, 14) reflektiert wurde, die reflektierte Lichtwellenfront aufgeweitet wird, durch Beobachten der aufgeweiteten, reflektierten Lichtwellenfront mit der Vorrichtung (8) zum Detektieren einer Wellenfront ein Wellenfrontneigungssignal erzeugt wird, die Lage der ersten und der zweiten Justiermarke (12, 14) durch Vergleich des Wellenfrontneigungssignals mit dem Referenzsignal bestimmt wird und ein Abstand zwischen der ersten und der zweiten Justiermarke auf der Grundlage der Ergebnisse des Schritts der Bestimmung der Position der ersten und der zweiten Justiermarke berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem zusätzlich ein Bild (112, 114) der ersten und der zweiten Justiermarke erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem zusätzlich die Wellenlänge des reflektierten Lichtes mit einem optischen Instrument (50) beobachtet und die Lage einer dritten Justiermarke bestimmt und ein Bild der dritten Justiermarke erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem zusätzlich ein zusammengesetztes Bild aus dem Bild der ersten und der zweiten Justiermarke und dem Bild der dritten Justiermarke gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das zusammengesetzte Bild durch Justieren eines gemeinsamen Merkmals erzeugt wird, das sowohl von der Vorrichtung (8) zum Detektieren einer Wellenfront als auch vom optischen Instrument (50) erfaßt wurde.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem sich die dritte Justiermarke in einer Schicht befindet, die unter der ersten und der zweiten Justiermarke liegt.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Lichtwellenfront eine Wellenlänge hat und die erste und die zweite Justiermarke eine Höhe haben, die unter einem Viertel der Wellenlänge liegt.