JP2000349014A - 重ね合わせ測定装置及び該装置を用いた半導体デバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】結像光学系の色分散特性に応じて色（波長）に
より発生する重ね合わせマークのずれを調整でき、正確
に重ね合わせを測定できる装置等を提供すること。 【解決手段】 少なくとも第１のマークと第２のマーク
とを有する基板を照明するための照明光学系１〜６と、
前記各マークの像を形成するための結像光学系６〜７
と、前記各マーク像を検出するための撮像部８と、前記
撮像部からの出力信号に基づいて前記第１のマークと前
記第２のマークとの重ね合わせずれ量を求めるための演
算処理部９とを有する重ね合わせ測定装置において、前
記結像光学系は、前記撮像部の撮像面で発生する色によ
る前記各マーク像のずれを所定の情報に基づいて調整す
る調整部１０を含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、重ね合わせ装置及
び該装置を備える半導体デバイス製造方法、特に、マス
ク面上に形成されている電子回路パターンを投影光学系
によりウエハ面に投影露光するときに、ウエハ面上の状
態を観察し、これによりマスクとウエハとの相対的な位
置合わせを行い高集積度の半導体デバイスを製造する場
合に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子を製造するためのフォトリソ
グラフィ工程においては、マスクに形成された回路パタ
ーンを投影光学系によりウエハ上に投影露光する。この
とき、投影露光に先立って観察装置を用いてウエハ面を
観察することによりウエハ上の位置合わせ用マークを検
出し、この検出結果に基づいてマスクとウエハとの相対
的な位置合わせ、いわゆるアライメントを行っている。
アライメントは、重ね合わせ測定装置を用いて投影露光
工程において形成されたレジストパターンと下地パター
ンとの重ね合わせズレ量を測定することにより行う。重
ね合わせ測定装置は重ね合わせ（位置合わせ）用マーク
に対して照明光を照射し、該マークからの反射光を結像
光学系を介して所定面に結像し、このマーク像をＣＣＤ
カメラ等で撮像して画像処理を行い、重ね合わせズレ量
を測定する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、重ね合わせ用
マークからの反射光が広い波長スペクトルを有している
場合、結像光学系固有の色分散特性の影響で結像位置が
シフトしてしまい、装置固有の測定誤差値、いわゆるＴ
ＩＳ値（Tool Induced Shift）を生ずる原因の一つとな
る。また、フォトリソグラフィ工程の種類によっては、
同一のウエハ内においても各ショット（露光領域）間で
重ね合わせマークからの反射光の波長スペクトルが異な
ることがある。このため、同一ウエハ内でもＴＩＳ値が
ばらついてしまうことがある。この場合、投影露光装置
にフィードバックするマスクとウエハとの重ね合わせの
ズレ量の信頼性が低くなってしまい、正確に重ね合わせ
て露光できずに歩留まりが低下するという問題がある。

【０００４】本発明は、上記問題に鑑みてなされたもの
であり、結像光学系の色分散特性に応じて色（波長）に
より発生する重ね合わせマークのずれを調整でき、正確
に重ね合わせを測定できる装置と、該装置を用いてマス
クとウエハとを正確にアライメントすることができる半
導体デバイス製造方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、少なくとも第１のマークと第２のマーク
とを有する基板を照明するための照明光学系と、前記各
マークの像を形成するための結像光学系と、前記各マー
ク像を検出するための撮像部と、前記撮像部からの出力
信号に基づいて前記第１のマークと前記第２のマークと
の重ね合わせずれ量を求めるための演算処理部とを有す
る重ね合わせ測定装置において、前記結像光学系は、前
記撮像部の撮像面における色による前記各マーク像のず
れを所定の情報に基づいて調整する調整部を含むことを
特徴とする重ね合わせ測定装置を提供する。

【０００６】また、本発明の好ましい態様では、前記基
板に施される各処理工程に応じて発生する前記マーク像
のずれを調整するために、前記マーク像のずれの調整値
を前記各処理工程毎に記憶する記憶部を配置し、前記調
整部は、前記所定の情報として、前記記憶部にて記憶さ
れた前記各処理工程毎に前記マーク像のずれの調整値に
基づいて、前記マーク像のずれを光学的に調整すること
が望ましい。

【０００７】また、本発明は、請求項１又は２に記載の
重ね合わせ測定装置を用いて前記第１のマークと前記第
２のマークとのずれ量を求める工程と、前記ずれ量に基
づいて、所定のパターンを有するマスクと前記基板との
相対的な位置合わせを行うためのオフセット値を求める
工程と、前記オフセット値に基づいて前記マスクと前記
基板との相対的な位置合わせを行う工程と、前記マスク
のパターンを前記基板に露光する工程とを含むことを特
徴とする半導体デバイス製造方法を提供する。

【０００８】また、本発明は、基板に形成された位置合
わせ用マークを位置検出光学系で検出する工程と、前記
位置検出光学系の光学特性により生ずる前記位置合わせ
用マークの色による結像位置のずれを調整する工程と、
前記基板の位置合わせを行う工程と、前記マスクのパタ
ーン像を投影光学系を介して前記基板に露光する工程と
を含むことを特徴とする半導体デバイス製造方法を提供
する。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいて本発明
の実施の形態を説明する。 （第１実施形態）図１（ａ）は、第１実施形態にかかる
重ね合わせ測定装置の概略構成を示す図である。光源１
から射出した照明光束はコンデンサーレンズ２により集
光され視野絞り３を均一に照明する。視野絞り３は図１
（ｂ）に示すように矩形開口部Ｓ１を有する。次に、視
野絞り３を通過した光束は照明リレーレンズ４により略
平行光束に変換され（コリメートされ）、ハーフプリズ
ム５で反射される。そして、第１対物レンズ６により集
光され、重ね合わせマーク２０を有するウエハ２１を垂
直に照射する。ここで、視野絞り３とウエハ２１とは共
役な位置にある為、絞り３の開口部Ｓ１の形状に応じた
ウエハ２１上の領域が均一に照明される。また、ウエハ
２１は回転機構を有するステージ２２上に載置されてお
り、光軸ＡＸを中心にステージを回転することで測定方
向の設定を変えることができる。

【００１０】照明されたウエハ上の重ね合わせマーク２
０からの反射光Ｌ１は第１対物レンズ６によってコリメ
ートされ、ハーフプリズム５を透過し、第２対物レンズ
７によって再び集光され、色分散調整機能を有する平行
平面板１０を透過する。そして、光束Ｌ１は撮像素子Ｃ
ＣＤ８上に重ね合わせマーク２０の像を結像する。図２
（ａ），（ｂ）は、重ね合わせ（レジスト）マーク２０
の構成を示す図である。演算処理装置９は、エッジ検出
等の画像処理を行い、重ね合わせマーク２０のマーク中
心位置Ｃ１と下地マーク中心位置Ｃ２との差Ｒを重ね合
わせズレ量として算出する。好ましくは、図３及び図４
に示すようにショット領域Ｓ１〜Ｓ５が各々有するマー
クＭ１〜Ｍ５を所定方向（図３）と、該所定方向に対し
てウエハ２１を１８０度回転させた方向（図４）とにお
いて２回の重ね合わせズレ量の測定を行うことが望まし
い。そして、所定方向における測定結果をＲ₀、該方向
に対して１８０度回転した方向での測定結果をＲ₁₈₀と
それぞれしたとき、本装置が有する測定ズレ量のＴＩＳ
値は次式により求められる。

【００１１】ＴＩＳ＝（Ｒ₀＋Ｒ₁₈₀）／２ ここで、ＴＩＳが生じる原因の１つとして、上述したよ
うに重ね合わせマーク２０からの反射光の色（波長）の
違いによるマーク像全体の結像位置のズレが考えられ
る。図５は、マーク２１をＣＣＤ上に結像するための第
１対物レンズ６とハーフプリズム５と第２対物レンズ７
とからなる結像光学系が非対称な色分散特性を有してい
ない場合における、青色光の結像位置ＩＢと赤色光の結
像位置ＩＲとをそれぞれ示している。図からわかるよう
に、ＩＢとＩＲとはそれぞれ視野中心Ｃを通る軸Ｌに対
して対称な位置に結像している。これに対して、結像光
学系が色分散特性を有していると、図６に示すように、
青色光の結像位置ＩＢと赤色光の結像位置ＩＲとが軸Ｌ
に対して非対称となる。このため、上記手順による重ね
合わせズレ量の測定値が測定装置固有のＴＩＳ値を含む
ことになる。非対称な色分散特性を生ずる原因として
は、結像光学系を構成する光学素子が偏芯することによ
るプリズム効果が挙げられる。また、結像光学系が有す
る色分散量も装置毎に固体差がある。

【００１２】次に、上述の色の違いによるマーク結像位
置のズレを調整する平行平面板１０の機能を説明する。
図７に示すように、ＣＣＤ８の撮像面（結像面）Ｓに向
って同一光路を進行してきたマークからの反射光のうち
波長の異なる光束、例えば青色光ＬＢ（実線）と赤色光
ＬＲ（破線）とを考える。２光束ＬＢ，ＬＲが平行平面
板１０を透過する場合、図８に示すように平行平面板１
０が光軸ＡＸに対して角度θだけ傾斜しているとプリズ
ム効果によって光束ＬＢとＬＲとは異なる光路を通り像
面Ｓで異なる位置で結像する。このことは、光軸外の光
束ＬＢ’とＬＲ’とについても同様である。このよう
に、反射光の波長によってＣＣＤ上のマーク像の結像位
置が異なる。ＬＢとＬＲとの結像位置の差Δは平行平面
板１０の傾斜角θをモータＭＴ（図１）により変化させ
ることにより調整することができる。従って、平行平面
板１０の傾き角度を調整することで色による結像位置の
ずれを補正できる。

【００１３】（第２実施形態）図９は、上記重ね合わせ
測定装置を備えた投影露光装置の全体構成を概略的に示
す図である。図示の投影露光装置において、光源３１か
ら射出された光は、照明光学系３２を介して、所定のパ
ターンが形成されたマスク３３を均一に照明する。

【００１４】なお、光源３１から照明光学系３２までの
光路には、必要に応じて光路を偏向するための１つ又は
複数の折り曲げミラーが配置される。また、光源３１と
投影露光装置本体とが別体である場合には、光源３１か
らの光の向きを常に投影露光装置本体へ向ける自動追尾
ユニットや、光源３１からの光の光束断面形状を所定の
サイズ・形状に整形するための整形光学系、光量調整部
などの光学系が配置される。また、照明光学系３２は、
例えばフライアイレンズや内面反射型インテグレータか
らなり所定のサイズ・形状の面光源を形成するオプティ
カルインテグレータや、マスク３３上での照明領域のサ
イズ・形状を規定するための視野絞り、この視野絞りの
像をマスク上へ投影する視野絞り結像光学系などの光学
系を有する。さらに、光源３１と照明光学系３２との間
の光路はケーシング（不図示）で密封されており、光源
３１から照明光学系３２中の最もマスク側の光学部材ま
での空間は、露光光の吸収率が低い気体であるヘリウム
ガスや窒素などの不活性ガスで置換されている、マスク
３３は、マスクホルダ３４を介して、マスクステージ３
５上においてＸＹ平面に平行に保持されている。マスク
３３には転写すべきパターンが形成されており、パター
ン領域全体のうちＹ方向に沿って長辺を有し且つＸ方向
に沿って短辺を有する矩形状（スリット状）のパターン
領域が照明される。マスクステージ３５は、図示を省略
した駆動系の作用により、マスク面（すなわちＸＹ平
面）に沿って二次元的に移動可能であり、その位置座標
はマスク移動鏡３６を用いた干渉計３７によって計測さ
れ且つ位置制御されるように構成されている。

【００１５】マスク３３に形成されたパターンからの光
は、投影光学系３８を介して、感光性基板であるウエハ
３９上にマスクパターン像を形成する。ウエハ３９は、
ウエハホルダ４０を介して、ウエハステージ４１上にお
いてＸＹ平面に平行に保持されている。そして、マスク
３３上での矩形状の照明領域に光学的に対応するよう
に、ウエハ３９上ではＹ方向に沿って長辺を有し且つＸ
方向に沿って短辺を有する矩形状の露光領域にパターン
像が形成される。

【００１６】ウエハステージ４１は、図示を省略した駆
動系の作用によりウエハ面（すなわちＸＹ平面）に沿っ
て二次元的に移動可能であり、その位置座標はウエハ移
動鏡４２を用いた干渉計４３によって計測され且つ位置
制御されるように構成されている。

【００１７】また、図示の投影露光装置では、投影光学
系３８を構成する光学部材のうち最もマスク側に配置さ
れた光学部材と最もウエハ側に配置された光学部材との
間で投影光学系３８の内部が気密状態を保つように構成
され、投影光学系３８の内部の気体はヘリウムガスや窒
素などの不活性ガスで置換されている。

【００１８】さらに、照明光学系３２と投影光学系３８
との間の狭い光路には、マスク３３及びマスクステージ
３５などが配置されているが、マスク３３及びマスクス
テージ３５などを密封包囲するケーシング（不図示）の
内部に窒素やヘリウムガスなどの不活性ガスが充填され
ている。

【００１９】また、投影光学系３８とウエハ３９との間
の狭い光路には、ウエハ３９及びウエハステージ４１な
どが配置されているが、ウエハ３９及びウエハステージ
４１などを密封包囲するケーシング（不図示）の内部に
窒素やヘリウムガスなどの不活性ガスが充填されてい
る。このように、光源３１からウエハ３９までの光路の
全体に亘って、露光光がほとんど吸収されることのない
雰囲気が形成されている。

【００２０】上述したように、投影光学系３８によって
規定されるマスク３３上の視野領域（照明領域）及びウ
エハ３９上の投影領域（露光領域）は、Ｘ方向に沿って
短辺を有する矩形状である。従って、駆動系及び干渉計
（３７，４３）などを用いてマスク３３及びウエハ３９
の位置制御を行いながら、矩形状の露光領域及び照明領
域の短辺方向すなわちＸ方向に沿ってマスクステージ３
５とウエハステージ４１とを、ひいてはマスク３３とウ
エハ３９とを同期的に移動（走査）させることにより、
ウエハ３９上には露光領域の長辺に等しい幅を有し且つ
ウエハ３９の走査量（移動量）に応じた長さを有する領
域に対してマスクパターンが走査露光される。

【００２１】また、マスク３３とウエハ３９との相対的
な位置合わせを行うためのアライメント用光学系ＡＬが
投影光学系３８の近傍に設けられている。アライメント
光学系ＡＬの構成は上記第１実施形態で述べた重ね合わ
せ測定装置の構成とほぼ同様であるので説明を省略す
る。

【００２２】上記投影露光装置を用いてマスク３３上に
形成されたパターンをウエハ３９に投影露光する際、不
図示のマスク搬送装置によりマスクを異なるパターンを
有する他のマスクに交換し、ウエハ上に順次異なるパタ
ーンを重ね合わせて露光する。このため、アライメント
光学系ＡＬにより、例えば第１回目の露光により形成さ
れた下地パターンと、第２回目の露光によるレジストパ
ターン（重ね合わせマーク）との重ね合わせずれ量を算
出し、アライメントのためのオフセット値を求める。そ
して、このオフセット値に基づいて、マスクステージ３
５やウエハステージ４１などを移動することによりマス
ク３３とウエハ３９との相対的なアライメントを行った
後、マスク３３のパターンを投影光学系３８を介してウ
エハ３９上に露光する。

【００２３】次に、本投影露光装置におけるアライメン
ト光学系ＡＬ内の平行平面板１０の調整手順について述
べる。図３に示したように同一ウエハ内でショット領域
が異なる重ね合わせマークＭ１〜Ｍ５が存在する場合、
各マークの膜厚の相違等に起因して反射光のスペクトル
が各マーク毎に異なる場合、結像光学系の色分散特性に
より各マークＭ１〜Ｍ５のＴＩＳ値への影響度が異なる
ことがある。従って、ある種のリソグラフィ工程におい
ては、同一ウエハ内においても各マークのＴＩＳ値が大
きく異なることがある。

【００２４】この場合は、ウエハ内のショット領域ごと
に色情報（色によるマークの結像位置）が異なるサンプ
ルウエハを用いて、各ショット領域ごとにＴＩＳ値を計
測し、そのバラツキ（分散σ）が最小となるように平行
平面板１０の傾き角度θを予め求めておくことが望まし
い。例えば、図１０（ａ）は、ある処理工程における傾
き角度θ（横軸）と分散値σ（縦軸）との関係を示す特
性曲線の図である。角度θ₀でＴＩＳ値の分散σが最小
となる。これに対して、同一のサンプルウエハの他の処
理工程における傾き角度θとＴＩＳ分散値σとの関係の
特性曲線を図１０（ｂ）に示す。図１０（ａ）、（ｂ）
から明らかなように、処理工程の違い、例えば、第１回
目の露光工程と第２回目の露光工程とにより、特性曲線
の形が異なっている。このため、サンプルウエハを用い
て各処理工程ごとにＴＩＳ分散値が最小となる傾き角度
θ₀を予め調整値として測定しメモリＭ（図９）に記憶
しておき、実際の被検ウエハを測定する場合に各処理工
程毎に記憶された傾き角度の最適値θ₀となるように平
行平板１０をモータＭＴにて傾けることでマーク像のず
れを光学的に調整する。かかる手順により、色によるマ
ーク像の結像位置ずれを容易に調整できる。

【００２５】また、本実施形態では、各処理工程毎に平
行平面板１０の角度を変えているが、測定時間の短縮化
を望む場合、又は複数の処理工程において傾き角度の最
適値θ₀が略一定である場合などは、平行平面板１０を
１つの角度θ₀に設定した状態で複数の処理工程を行っ
ても良い。

【００２６】また、本発明は、請求項に記載したものに
限られず、以下の構成を取ることも出来る。 （Ａ） 少なくとも第１のマークと第２のマークとを有
する基板を照明するための照明光学系と、前記各マーク
の像を形成するための結像光学系と、前記各マーク像を
検出するための撮像部と、前記撮像部からの出力信号に
基づいて前記第１のマークと前記第２のマークとの重ね
合わせずれ量を求めるための演算処理部とを有するアラ
イメント装置において、前記結像光学系は、前記撮像部
の撮像面における色による前記各マーク像のずれを所定
の情報に基づいて調整する調整部を含むことを特徴とす
るアライメント装置。

【００２７】（Ｂ） 所定のパターンが形成されたマス
クを照明するための照明光学系と、基板に形成された位
置合わせ用マークを検出する上記（Ａ）記載のアライメ
ント装置と、前記アライメント装置で得られた重ね合わ
せずれ量に基づいて前記基板と前記マスクとの相対的な
位置合わせを行うための駆動部と、前記マスクのパター
ンを前記基板に投影露光するための投影光学系とを有す
ることを特徴とする投影露光装置。

【００２８】このように、本発明は様々な形態をとるこ
とができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る重ね
合わせ測定装置によれば、光学系が有する色分散量を最
適な値に調整でき、重ね合わせマークからの反射光の波
長の違いに起因するマーク像全体の結像位置ズレを防止
できる。これにより装置固有の測定誤差の発生を低減
し、より高精度な重ね合わせズレ量の測定ができる。ま
た、本発明の半導体デバイス製造方法によれば、マスク
とウエハとを相対的に正確に重ね合わせて投影露光でき
るので、デバイス素子の製造時の歩留まりを向上させる
ことが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態にかかる重ね合
わせ測定装置の構成、（ｂ）は視野絞りの構成をそれぞ
れ示す図である。

【図２】（ａ），（ｂ）は重ね合わせマークの構成を示
す図である。

【図３】０度方向計測時のウエハを示す図である。

【図４】１８０度方向計測時のウエハを示す図である。

【図５】色分散がない時の波長による結像位置のズレを
示す図である。

【図６】色分散がある時の波長による結像位置のズレを
示す図である。

【図７】平行平面板が傾斜していない時の青色、赤色光
束の光路を示す図である。

【図８】平行平面板が傾斜している時の青色、赤色光束
の光路を示す図である。

【図９】第２実施形態にかかる投影露光装置の概略構成
を示す図である。

【図１０】（ａ）、（ｂ）は処理工程が異なる場合の傾
き角度の特性を示す曲線である。

【符号の説明】

１ 光源 ２ コンデンサーレンズ ３ 視野絞り ４ 照明リレーレンズ ５ ハーフプリズム ６ 第１対物レンズ ７ 第２対物レンズ ８ 撮像素子ＣＣＤ ９ 演算処理部 １０ 平行平面板 ２０ 重ね合わせマーク ２１、３９ ウエハ ２２ ステージ ３１ 光源 ３２ 照明光学系 ３３ マスク ３４ マスクホルダ ３５ マスクステージ ３６ マスク移動鏡 ３７ 干渉計 ３８ 投影光学系 ４０ ウエハホルダ ４１ ウエハステージ ４２ ウエハ移動鏡 ４３ 干渉計 ＡＬ アライメント光学系 Ｍ メモリ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA03 AA12 AA14 AA56 BB02 BB29 CC20 DD03 FF42 FF55 FF68 GG00 HH03 JJ03 JJ26 LL09 LL12 MM02 PP12 QQ39 QQ41 5F046 CB26 EB01 FA10 FB09 FB11 FB17 FC04

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも第１のマークと第２のマーク
   とを有する基板を照明するための照明光学系と、 前記各マークの像を形成するための結像光学系と、 前記各マーク像を検出するための撮像部と、 前記撮像部からの出力信号に基づいて前記第１のマーク
   と前記第２のマークとの重ね合わせずれ量を求めるため
   の演算処理部とを有する重ね合わせ測定装置において、 前記結像光学系は、前記撮像部の撮像面における色によ
   る前記各マーク像のずれを所定の情報に基づいて調整す
   る調整部を含むことを特徴とする重ね合わせ測定装置。
2. 【請求項２】 前記基板に施される各処理工程に応じて
   発生する前記マーク像のずれを調整するために、前記マ
   ーク像のずれの調整値を前記各処理工程毎に記憶する記
   憶部を配置し、 前記調整部は、前記所定の情報として、前記記憶部にて
   記憶された前記各処理工程毎の前記マーク像のずれの調
   整値に基づいて、前記マーク像のずれを光学的に調整す
   ることを特徴とする重ね合わせ測定装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の重ね合わせ測定
   装置を用いて前記第１のマークと前記第２のマークとの
   ずれ量を求める工程と、 前記ずれ量に基づいて、所定のパターンを有するマスク
   と前記基板との相対的な位置合わせを行うためのオフセ
   ット値を求める工程と、 前記オフセット値に基づいて前記マスクと前記基板との
   相対的な位置合わせを行う工程と、 前記マスクのパターンを前記基板に露光する工程とを含
   むことを特徴とする半導体デバイス製造方法。
4. 【請求項４】 基板に形成された位置合わせ用マークを
   位置検出光学系で検出する工程と、 前記位置検出光学系の光学特性により生ずる前記位置合
   わせ用マークの色による結像位置のずれを調整する工程
   と、 前記基板の位置合わせを行う工程と、 前記マスクのパターンを投影光学系を介して前記基板に
   露光する工程とを含むことを特徴とする半導体デバイス
   製造方法。