JP2821441B2

JP2821441B2 - 重ね合せずれ量の計測方法

Info

Publication number: JP2821441B2
Application number: JP8222346A
Authority: JP
Inventors: 伸明青柳
Original assignee: 山形日本電気株式会社
Priority date: 1996-08-23
Filing date: 1996-08-23
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2016-08-23
Also published as: JPH1064964A; US6233494B1; KR100283382B1; KR19980018944A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は重ね合せずれ量計測
方法に係わり、特に半導体装置の製造工程のリソグラフ
ィ等における半導体ウェーハ（以下、ウェーハ、と称
す）基板上のレジストパターンの重ね合せずれ量の計測
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の重ね合せずれ量計測方法につい
て、計測工程前の露光、現像処理工程からフローチャー
トで説明する。

【０００３】図６は、縮小投影露光装置を使用した場合
の縮小投影露光から重ね合せずれ量の計測工程までのフ
ローチャートである。

【０００４】まず、縮小投影露光装置では、感光性レジ
ストの塗布されたウェーハに指定のマスクパターンを露
光する際に、マスクパターンを正確にウェーハ上の既存
のパターンの所定位置に露光する必要があるため、ウェ
ーハ上パターの位置計測を行う必要がある。

【０００５】これには、縮小投影露光装置に搭載された
アライメントセンサーにより、ウェーハ上に予め形成さ
れた位置合わせ用マークの位置を計測する方法がとられ
る。計測位置はウェーハ面内から数点（一般的には５〜
１５点程度）をサンプルして行い、それぞれのマークの
計測座標データを統計処理し、露光ステージ駆動の制御
パラメータが算出される。

【０００６】制御パラメータは主に４種類の直交成分に
分けることができる。その４種類とは、ウェーハの伸縮
量を示すスケーリング値、回転量を示すローテーション
値、直交度を示すオーソゴナリティー値、全体のシフト
量を示すシフト値である（以後、これらの算出結果を
“アライメント計測データ”と称す）。

【０００７】アライメントセンサー計測の終了したウェ
ーハは、アライメント計測データに基づいた露光位置制
御に従い、１枚毎に露光処理される。

【０００８】一般にウェーハは２５〜５０枚程度のバッ
チが組まれており、そのバッチ単位をロットと称してい
るが、縮小投影露光装置では、上記の動作が１枚ずつ行
われる（ステップＳ１７）。

【０００９】続いてウェーハは現像機により現像処理さ
れる（ステップＳ１８）。現像処理によって、レジスト
の不要部分が溶解され、パターンが形成される。

【００１０】次にウェーハは重ね合せずれ量が計測され
る（ステップＳ１９）。これは、先に述べたウェーハ基
板上のパターンとレジストの位置ずれ量が、デバイスの
設計規格内であるかを検査するための工程である。

【００１１】この重ね合せずれ量が規格値を超えた場
合、いろいろな特性不良の原因となる。

【００１２】この重ね合せずれ量の許容値は、近年のデ
バイスでは０．１μｍ前後と厳しくなっており、高いア
ライメント精度、ずれ量計測精度が要求される。

【００１３】そのため最近では、この重ね合せずれ量の
計測は、画像処理機能を備えた自動計測機により行うの
が主流となっている。自動計測器では、ウェーハ面内の
数カ所（５〜１０点程度）を専用の計測パターンを画像
処理してずれ量の算出を行っている。

【００１４】ここで重ね合せずれ量の検査枚数は、デバ
イスの種類、工程により予め決定されており、従来は大
別して以下の２種類のいずれかの手法に従っていた。

【００１５】（Ａ）：ウェーハ全枚数の検査を実行。

【００１６】（Ｂ）：任意のウェーハの指定枚数の検査
（抜き取り検査）実行。

【００１７】（Ａ）の場合は、全ウェーハの計測、ずれ
量の合否判定が行われるため、ロット内の全ウェーハの
ずれ量が規格内であることを保証できるが、１ロットあ
たりの検査時間が増大するという欠点があった。

【００１８】例えば、ウェーハ面内５ポイント（各ポイ
ントでＸ、Ｙ両方向を計測）で１ロット２５枚の場合の
計測所要時間は約２０〜３０分を要する。これは、縮小
投影露光装置で同枚数を処理する所要時間の約５０％に
も相当しており、全枚数の検査を標準的な検査方法とし
た場合、自動計測器の設置台数を大幅に増やす必要があ
る。又、処理時間の増加はロットの工程進度にも影響を
与えることになる。

【００１９】（Ｂ）の場合は、予め決められた指定枚
数、例えば１ロット２５枚中の指定枚数が３枚の場合
は、２５枚に中から任意のウェーハ３枚についてのみ重
ね合せずれ量が計測される。以後、この検査方法を抜き
取り検査と称する。

【００２０】そしてロットの合否判定は、その３枚の結
果により行われる。判定例としては、３枚とも合格の場
合は、残りの非検査ウェーハについてもずれ量は規格内
であると判断してロット全体を合格とし、残りのウェー
ハの検査は行わない。もし、３枚中、１枚でも不合格ウ
ェーハがあれば、そのロットのアライメント精度は工程
能力が低い状態であると判断し、残りの他のウェーハの
検査を追加実行するか、または、ロット全体を不合格と
する処置がとられる。

【００２１】（Ｂ）の検査方法は、（Ａ）の検査方法と
比較して、検査スループットが大幅に向上するが、非検
査ウェーハのずれ量が規格内であるかどうかの保証が不
充分であり、最近のデバイスの要求精度を補償するには
不適切な方法となってきている。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】従来技術の第１の問題
点は、重ね合せずれ量のロットあたりの検査枚数が予め
決められたルート（全枚数検査または任意のウェーハの
抜き取り検査）にのみ従うために処理効率が悪く、処理
時間の増大につながっていることである。

【００２３】その理由は、アライメント精度を検査ロッ
ト毎に予測して、適切な重ね合せずれ量検査モードを選
択するシステムがないためである。

【００２４】従来技術の第２の問題点は、抜き取り検査
を実行した場合、計測未実行ウェーハの重ね合せずれ量
の保証精度が低いことである。

【００２５】その理由は、検査実行ウェーハの重ね合せ
ずれ量計測結果から、ロット全体の重ね合せずれ量分布
を予測するシステムがないためである。

【００２６】従って本発明の目的は、重ね合せずれ量計
測工程において、抜き取り検査実行の可否を自動判定
し、検査効率化による計測工程（自動計測機による計測
工程）の処理時間短縮、及び抜き取り検査を実行する場
合の検査未実行ウェーハの重ね合せずれ量の保証精度の
向上を可能にする重ね合せずれ量の計測方法を提供する
ことである。

【００２７】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、露光機
によりウェーハ毎のアライメントを行い、しかる後に、
露光および現像を行うことにより得られたレジストパタ
ーンの、ウェーハ基板上の既形成パターンに対する位置
ずれ量を計測する重ね合せずれ量の計測方法において、
前記ウェーハ毎のアライメントの計測データの結果によ
り現像後の前記レジストパターンの位置ずれ量の抜き取
り検査が可能かどうかを判定する重ね合せずれ量の計測
方法にある。ここで、前記抜き取り検査を行う場合の検
査実行ウェーハを前記ウェーハ毎のアライメントの計測
データの分布から決定することが好ましく、また前記抜
き取り検査が行こなわれた場合に検査実行ウェーハの重
ね合せずれ量計測結果から重ね合せずれ量分布幅の推定
値を算出し、前記推定値と規格値の大小を比較し未検査
ウェーハの重ね合せずれ量計測の追加実行の必要有無を
判定することが好ましい。

【００２８】すなわち本発明の重ね合せずれ量計測方法
では、「重ね合せずれ量計測工程制御システム」を有
し、露光機（例えば縮小投影露光装置）からアライメン
ト計測データを受信し、その統計値よりずれ量計測モー
ドを決定し、重ね合せずれ量自動計測機に計測実行ウェ
ーハを指示できる。又、計測結果は上記制御システムへ
送信され、抜き取り検査の場合、検査実行ウェーハのず
れ量結果から、ロット内のずれ量分布幅の推定値を算出
し、計測未実行ウェーハの合否を決定する判定手段を有
する。

【００２９】このような本発明によれば、重ね合せずれ
量計測モードを露光機（縮小投影露光装置）のアライメ
ント計測データの統計値より決定するため、適切なずれ
量検査モードの選択がロット毎に可能となる。

【００３０】又、抜き取り検査実行時に、検査実行ウェ
ーハのずれ量のデータよりロット内のずれ量分布幅の推
定値を算出し、検査未ウェーハの合否判定を行うため、
抜き取り検査ロットのずれ量の保証精度が向上する。

【００３１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００３２】図１は本発明の重ね合せずれ量計測方法の
システム構成とその各構成ブロック間の制御内容、デー
タ通信内容、および本発明の計測方法を直接制御する
「重ね合せずれ量計測工程制御システム」内の動作内容
を示した構成図である。

【００３３】本発明の実施の形態においても縮小投影露
光装置を使用したリソグラフィー工程について記述す
る。

【００３４】まず、ホストコンピューター（以下、“ホ
スト”と称す）は、ロットの処理工程制御を行うもの
で、処理工程順序の指示、また、ウェーハのロットが装
置にセットされた後は処理条件プログラム等を装置に転
送する役割を持つ。

【００３５】逆に各装置はロットの処理状況（処理開始
や終了）をホストに送信する（図中、符号１００で示
す）。

【００３６】「重ね合せずれ量計測工程制御システム」
（以下、“制御システム”と称す）は縮小投影露光装
置、重ね合せずれ量自動計測機、およびホストとリンク
している。

【００３７】この制御システム内の処理動作の概略を以
下に説明する。

【００３８】縮小投影露光装置では、ウェーハ１枚毎の
アライメント計測データを制御システムへ送信する（図
中、符号２００で示す）。

【００３９】制御システムはこのアライメント計測デー
タの各計測成分（スケーリング値等）ついて計測値のば
らつき（標準偏差）を算出する。そしてこの標準偏差と
予めウェーハの品種、工程により決定されている規格値
との大小関係を求める。この大小関係により、重ね合せ
ずれ量検査工程における検査モードを決定し、計測処理
前に自動計測機に検査モード指定を送信する（図中、符
号３００で示す）。

【００４０】検査モードは、標準偏差値が規定値よりも
大きい場合は全枚数検査［モード１］、小さい場合は抜
き取り検査［モード２］が選択される。

【００４１】また、［モード２］の場合は、抜き取り検
査実行ウェーハもアライメント計測データの分布より決
定する。方法は、例えば最もばらつきの大きかった項目
について最大値、中央値、最小値の各計測データを示し
たウェーハ３枚の計測実行を指定する。

【００４２】なお、最近のロット制御では、ウェーハの
セットされたキャリアのどのスロットナンバーにどのウ
ェーハが入っているかがデータ管理されているため、ア
ライメント計測データの抽出はキャリアのスロットナン
バーに対応させて行うことが可能で、また、計測実行ウ
ェーハの指定もキャリアのスロットナンバーを指定する
ことにより実施することが可能である。

【００４３】自動計測機によるずれ量計測結果は制御シ
ステムへ送信される（図中、符号４００で示す）。

【００４４】［モード１］の場合は、制御システムは各
ウェーハのずれ量が該当品種、工程の規格以内であるか
どうかを判定し、ホストへデータを転送する（図中、符
号５００で示す）。

【００４５】［モード２］の場合は、計測実行ウェーハ
のずれ量データを統計計算し、ロット内ずれ量分布幅の
推定値を算出する。そして、計測実行ウェーハのずれ量
が規格以内で、かつ、ずれ量分布の推定値が工程、品種
により決められた分布幅判定値の規格以下であるかを判
定し、いずれの判定条件も満足した場合、未計測ウェー
ハは合格として、ロット内全ウェーハの合格判定データ
をホストへ送信する（図中、符号５００で示す）。

【００４６】また、計測実行ウェーハすべてのずれ量が
規格外であれば、ロット内全数を不合格とし、ずれ量分
布幅のみ規格値以上の場合は、計測未実行ウェーハのず
れ量計測の追加実行を自動計算機に指示する。

【００４７】以上が本発明の処理方法の概略であるが、
ここで、制御システム中で取り扱われる計測データの標
準偏差値、及び検査ウェーハの重ね合せずれ量計測結果
から求まるずれ量分布幅推定値について図面を参照して
説明する。

【００４８】図２は、実際の製品ウェーハの同一工程に
おけるロットＡ、ロットＢの２つのアライメント計測デ
ータ（Ａ図）とずれ量計測データ（Ｂ図）の分布の一例
を示している。

【００４９】図２では、アライメント計測結果中最もば
らつきが大きかったスケーリング計測データ（ウェーハ
伸縮率を計測したデータ）とずれ量計測の関係を示して
いる。

【００５０】図２（Ａ）は、アライメント計測データ
で、各ロット５枚ずつのＸ、Ｙ各方向のスケーリング計
測の分布を示している。（）内の数値は標準偏差σ
_n-1である。この図２（Ａ）ではロットＡのＹ方向の計
測が他のデータの２倍以上と大きい。そこで、スケーリ
ングＹ方向に着目し、スケーリング計測値分布の最大値
Ｕ、中央値Ｍ、最小値Ｌの３枚のウェーハのついて各ウ
ェーハ面内５ポイントのずれ量を計測したデータの分布
が図２（Ｂ）下図である。

【００５１】このデータをみると、やはりロットＡのＹ
方向のずれ量が大きく、規格±０．１５μｍ以内から外
れているウェーハが存在している。そして、実際にこの
不合格ウェーハは、図２（Ａ）のＵ，Ｌの計測データを
示したウェーハであった。

【００５２】このことは、アライメント計測データのば
らつきが大きい場合、実際のずれ量分布も大きくなる傾
向があることを示している。

【００５３】また従来のように、抜き取り検査を任意の
ウェーハから行った場合、ロットＡでもＭの近傍のデー
タを示したウェーハのみが検査されてしまうと検査結果
は合格となってしまい、未検査の不良ウェーハが進んで
しまう危険性が高くなる。

【００５４】次に重ね合せずれ量分布幅についてである
が、一般の統計手法で用いられるように、平均値の絶対
値に３σ_n-1値を加えた値が分布の片側の最大値の目安
になることが予想される。本実施の形態でも、この“｜
平均値｜＋３σ_n-1”の算出結果をずれ量分布幅推定値
とする。

【００５５】図２（Ｂ）の［］内にこの推定値を記し
たが、ロットＡのＹ方向が大きく、他の分布は実際のず
れ量規格値の片側の幅（０．１５μｍ）よりも小さな値
を示しており、この推定値がロット内のずれ量の工程能
力を予想する指標となることがわかる。

【００５６】以上により、アライメント計測結果のばら
つきを基に重ね合せずれ量計測モードを決定するのは非
常に合理的であり、また、抜き取り検査を実行した場合
に、アライメント計測結果の最大値、最小値、中央値を
示したウェーハの検査実行を行ってその計測結果の分布
の統計値から合否判定を行えば、ロット全体のずれ量保
証精度を大幅に向上することができると言える。

【００５７】次に図３乃至図５を参照して、本発明の実
施の形態の重ね合せずれ量計測方法の動作フローの詳細
を説明する。

【００５８】縮小投影露光装置によるアライメント計測
データは、ウェーハ１枚毎にウェーハキャリアのスロッ
トナンバーに対応させて制御システムへ転送される（ス
テップＳ１）。

【００５９】制御システムはデータを受信すると（ステ
ップＳ２）、各計測項目のデータの標準偏差値を算出す
る（ステップＳ３）。そして、その値をウェーハの品
種、工程、計測項目毎に予め設定された規格値と比較し
（ステップＳ４）、規格値との大小により重ね合せずれ
量検査モードを選択する。

【００６０】標準偏差値が規格値を超えた場合、ロット
内全ウェーハの検査実行［モード１］を自動計測機へ送
信する（ステップＳ５）。規格値以下の場合、抜き取り
検査実行［モード２］を指示するが（ステップＳ６）、
このとき、自動計測機には計測実行ウェーハを指定す
る。計測実行ウェーハの選別例として、アライメント計
測結果の標準偏差値を計測項目毎に決められた定数によ
って割った数値を求める。

【００６１】この定数は、計測項目別の単位の変換と、
ずれ量に対する各項目の影響度等により重み付けを行う
ためのものである。そして、この値の最も大きな計測項
目を求め、その項目について分布の最大値、中央値、最
小値を示したウェーハを求め検査実行ウェーハとする。

【００６２】重ね合せずれ量自動計測機は、検査モード
を受信し（ステップＳ７）、指定検査モードに従いウェ
ーハの重ね合せずれ量検査を実行する（ステップＳ
８）。ここで、［モード２］の場合は、ウェーハキャリ
アのスロットナンバーにより指定された検査実行指定ウ
ェーハを自動で抜き取って検査を行う。

【００６３】計測が終了したら、自動計測機は、制御シ
ステムへ検査ウェーハ１枚ずつの計測結果を送信する
（ステップＳ９）。

【００６４】制御システムではモード１の場合は、ロッ
ト内各ウェーハの重ね合せずれ量が規格内か判定し（ス
テップＳ１０）、各ウェーハの合否判定をホストへ送信
する（ステップＳ１１）。ホストはこのデータにより、
ロットの次工程の処理フローを決定する。

【００６５】［モード２］の場合は、まず、検査実行ウ
ェーハすべて（本実施の形態では３枚）のずれ量が規格
内であるか判定する（ステップＳ１２）。

【００６６】ここで、すべてのウェーハが規格から外れ
た場合はステップＳ１３へ進み、ロット内の全ウェーハ
を不合格判定とする。これは、アライメント計測データ
のばらつき範囲の上下限値を示したウェーハ全てが不合
格の場合、ロット内全てのウェーハが不合格である可能
性が極めて高いためである。

【００６７】もし、一部のウェーハ（１〜２枚）が合格
で、残りのウェーハが不合格の場合はステップＳ１４へ
進み、未計測ウェーハ全ての計測追加実行を自動計測機
に指示する。これにより、計測未実施ウェーハから不合
格ウェーハを選別することができる。

【００６８】一方、ステップＳ１２で計測実行ウェーハ
が全て合格と判定された場合は、ステップＳ１５へ進
み、先に説明したずれ量分布幅推定値を算出し、その値
が予め設定された規格値以下かどうかを判定する。

【００６９】もし、規格値を超えていれば、ロット内の
ずれ量は工程能力が低い状態にあると判断し、ステップ
Ｓ１４に進み、未計測ウェーハ全ての計測追加実行を指
示し、全てのウェーハの合否判定を行う。

【００７０】ずれ量分布推定値が規格値以下の場合は、
ロット内のずれ量は工程能力が高い状態にあると判断
し、Ｓ１６に進み、未計測ウェーハは全て合格判定して
全ウェーハの合格判定をホストへ送信する。

【００７１】以上が本実施の形態の動作フローの説明で
ある。

【００７２】

【発明の効果】本発明の第１の効果は、重ね合せずれ量
計測モードがロット毎に適切に選択され、アライメント
精度が充分にあると推測されるロットは抜き取り検査、
不充分と推測されるロットは全数検査が行われ、処理効
率が向上する。

【００７３】その理由は、露光装置のアライメント計測
データを統計処理し、その結果から計測モードを選択す
るシステムを有しているからである。

【００７４】第２の効果は、重ね合せずれ量計測を抜き
取り検査で行った場合に、計測未実行ウェーハのずれ量
を充分に保証したロットの合否判定が可能となる。

【００７５】その理由は、抜き取り検査実行ウェーハを
アライメント計測データより選択し、そのずれ量計測結
果より、ロット内のずれ量分布幅の推定値を算出し、ロ
ットの合否判定を行うシステムを有するからである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態におけるシステム構成と制
御概要を示す図である。

【図２】本発明の実施の形態における制御システムで用
いる統計量を説明するための実際のデータを示す図であ
る。

【図３】本発明の実施の形態におけるずれ量計測方法の
制御するシステム動作を示すフローチャートである。

【図４】図３の続きのシステム動作を示すフローチャー
トである。

【図５】図４の続きのシステム動作を示すフローチャー
トである。

【図６】従来技術のずれ量計測方法を示すフローチャー
トである。

【符号の説明】

１００，２００，３００，４００，５００システム
間、ブロック間のデータ、制御項目の内容Ｓ１〜Ｓ１９フローチャート中の各動作ステップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/66 G01B 21/00 G03F 9/00 H01L 21/027

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】露光機により半導体ウェーハ毎のアライ
メントを行い、しかる後に、露光および現像を行うこと
により得られたレジストパターンの、半導体ウェーハ基
板上の既形成パターンに対する位置ずれ量を計測する重
ね合せずれ量の計測方法において、前記半導体ウェーハ
毎のアライメントの計測データの結果により現像後の前
記レジストパターンの位置ずれ量の抜き取り検査が可能
かどうかを判定することを特徴とする重ね合せずれ量の
計測方法。
【請求項２】前記抜き取り検査を行う場合の検査実行
半導体ウェーハを前記半導体ウェーハ毎のアライメント
の計測データの分布から決定することを特徴とする請求
項１記載の重ね合せずれ量の計測方法。
【請求項３】前記抜き取り検査が行こなわれた場合に
検査実行半導体ウェーハの重ね合せずれ量計測結果から
重ね合せずれ量分布幅の推定値を算出し、前記推定値と
規格値の大小を比較し未検査半導体ウェーハの重ね合せ
ずれ量計測の追加実行の必要有無を判定することを特徴
とする請求項１又は請求項２記載の重ね合せずれ量計測
方法。