JP2005079249A - 位置合わせ方法、露光方法、露光装置、及びデバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
装置コストの上昇を伴わずに高速処理能力を確保しつつ、かつ、高精度なアライメント精度を達成することのできるアライメント方法を提供すること。
【解決手段】
この位置合わせ方法は、互いに異なる形状を有する複数のマークＡＭをエリプソメータ５４で夫々計測した場合に得られる、複数の計測結果を得るステップと、ウエハＷのアライメントマークＡＭをエリプソメータ５４により計測するステップと、その計測結果と複数の計測結果とを比較して、アライメントマークＡＭの形状を決定するステップと、決定されたアライメントマークＡＭの形状に基づいて、ウエハＷの位置補正量を得るステップとを有する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、基板上に形成されたアライメントマークを用いてその基板のアライメントを行うアライメント方法に係り、特に半導体製造用の露光装置においてレチクル面上に形成されているＩＣ，ＬＳＩ，ＶＬＳＩ等の微細な電子回路パターンとウエハとの相対的な位置合わせ（アライメント）を行うためのアライメント方法に関する。

半導体製造用の投影露光装置においては、集積回路の微細化、高密度化に伴い露光原版としてのレチクル面上の回路パターンをウエハ面上により高い解像力で投影露光できることが要求されている。この露光装置には、例えばステッパーと呼ばれるもの（ステップ・アンド・リピートにより各ショットを一括露光するもの）やスキャナーと呼ばれるもの（ステップ・アンド・スキャンにより各ショットを走査露光するもの）がある。

回路パターンの投影解像力は投影光学系の開口数（ＮＡ）・露光波長（λ）に依存するので、露光波長を固定して投影光学系の開口数ＮＡを大きくする方法や露光波長λをより短波長化する露光方法の検討が行われている。例えば露光波長λの短波長化としては、ｇ 線をｉ線に、ｉ線よりエキシマレーザ発振波長（λ＝２４８ｎｍ，１９３ｎｍ，１５７ｎｍ等）にすることが検討されており、１９３ｎｍの露光波長については既に製品化されている。

回路パターンの微細化に伴い、回路パターンの形成されている露光原版としてのレチクルと露光対象としてのウエハとを高精度にアライメントすることが要求されている。いくつかの種類のアライメント誤差のうちの一種であるＷＩＳ（Ｗａｆｅｒ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｈｉｆｔ）と呼ばれるプロセス誤差を低減する方法として、オフセットアナライザ（Ｏｆｆｓｅｔ Ａｎａｌｙｚｅｒ）を用いたシステムの提案を出願人は既に行っている（特許文献１）。

ＷＩＳの一例として、プロセス誤差によりアライメントマーク形状そのものや基板上に塗布するレジスト形状が非対称になるものがある。例えばメタルＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程等における平坦化プロセスにおいてはアライメントマークの構造が非対称となってしまう。それにより、グローバルアライメント方式によるアライメントにおいて図１０に示す回転エラーや図１１に示す倍率エラーが発生してしまい、精度低下の要因となってしまっている。

図１０に示すようなＷＩＳが発生すると、ウエハＷ上に塗布されたレジストの形状が不均等となってしまい、ウエハ内の各ショットに対応して形成されたアライメントマークが不均等に検出されてしまう。例えば、ウエハの中央部近傍のショットにおけるレジスト形状はその凹凸形状が均等（一周期に相当する波形形状の凸部又は凹部が対称）であるが、ウエハの周辺近傍の左右端のショットにおけるレジスト形状は不均等（非対称）であり、その非対称性が左端のショットと右端のショットとで反転している。

そこで、オフセットアナライザを用いたシステムによるアライメントでは、以下のようにして露光装置におけるアライメント精度の向上を図っている。すなわち、露光装置におけるウエハのアライメントを行う前にレジスト塗布前後におけるウエハの表面形状（塗布前においてはアライメントマークの凹凸形状、塗布後においてはアライメントマーク直上近傍のレジスト形状）を原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって測定する。測定されたアライメントマーク形状とレジスト形状とに基づいて、それらの３次元的な相対位置関係が変化した場合のアライメント検出系（通常露光装置内に設けられている）の出力信号をシミュレーションにより予め種々計算して用意しておく。実際にウエハを露光する際にアライメントマークを検出したアライメント検出系からの出力信号と予め用意されたシミュレーションによる出力信号とを比較し、その比較結果よりアライメントマーク形状（アライメントマーク上のレジスト形状）とレジスト形状との３次元的な相対位置関係及び検出されたアライメントマーク位置と実際のアライメントマーク位置との位置ずれ（オフセット量）を把握することによりそのオフセット量を補正してアライメント精度を向上させる。

図１２にオフセットアナライザＯＡを用いたシステムにおけるウエハＷと情報の流れを示す。基板としてのウエハＷは1)に示されるように、レジスト塗布前にオフセットアナライザＯＡに運ばれ、塗布前のウエハＷの表面上に形成されたアライメントマークの立体形状が原子間力顕微鏡ＡＦＭによって測定される。続いて2)に示されるようにウエハＷはコーター（塗布機）ＣＴに運ばれてその表面にレジストが塗布され、3)に示されるように再度オフセットアナライザＯＡに運ばれて、レジスト塗布後のアライメントマーク上に相当する位置のレジストの立体形状が原子間力顕微鏡ＡＦＭによって測定される。

ウエハＷは4)に示されるように、露光装置としてのステッパＳＴに運ばれてアライメント検出系としてのアライメントスコープＡＳによりアライメントマーク信号（出力信号）が検出され、続いて5)に示されるようにステッパーＳＴからアライメントマークの信号情報がオフセットアナライザＯＡへと送られる。6)に示されるように、予めオフセットアナライザＯＡにより測定されたレジスト塗布前後におけるレジスト形状とアライメントマーク形状との３次元的な相対位置関係より、アライメントスコープＡＳにより得られたアライメントマーク信号（出力信号）と実際のアライメントマーク位置との関係が求められてアライメント検出におけるオフセット量が算出され、そのオフセット量がステッパＳＴへと送られる。

ステッパーＳＴにおいて、受け取ったオフセット量に基づきウエハＷがアライメント（位置調整）されて露光が行われ、全てのショットの露光終了後に現像のためにウエハＷがデベロッパ（現像機）ＤＶへと搬送される。その後、必要な処理を経て表面に回路パターンが形成されて最終的に半導体デバイスが得られるが、その手順については公知であるので説明は省略する。

オフセットアナライザＯＡ内に構成される光学シミュレータにより、ＷＩＳによって発生するオフセット量が算出される。この光学シミュレータの計算モデルには、波長に近い寸法のマークや波長オーダ以下の精度が要求されるので、ベクトル回折モデルのものが使用される。このべクトル回折モデルとしては、例えばＦＤＴＤ，ＲＣＷＡ，ＦＥＴＤと呼ばれる光学シミュレータが販売されている。

ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｍｅｔｈｏｄ）は「時間領域差分法」と訳され、市販ソフトとしてＴＥＮＰＥＳＴｐｒ（商品名）がある。この計算モデルは、Ｍａｘｗｅｌｌ方程式を時間と空間について差分化し、その差分方程式を領域内の電磁場が安定するまで磁界と電界について交互に計算するものであり、解析空間の電磁界をリープフロッグアルゴリズムを用いて時間的に更新し、出力点の時間応答を得る方法である。したがって、過渡解あるいは周波数応答を直接求めることができる。

また、差分法と後述するＦＥＴＤ(有限要素法)においては２階の偏微分を扱うが、ＦＤＴＤでは１階偏微分により計算を行う。アンテナの解析法にはモーメント法や有限要素法などがあるが、ＦＤＴＤはアルゴリズムが簡単であること，優れた精度を有すること、複雑な物質の解析や材料定数の異なる物質の解析にも適していることなどが知られている。特に誘電体の解析においても誘電率やタイムステップ数などの定数を変更するのみでよく、比較的簡単に解析可能である。解析時間が長いという欠点を有するが、半導体の微細化に伴う計算機の高速化により近年かなり注目されている方法である。

ＲＣＷＡ（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ−Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）は周期性のある構造中での電場をフーリエ級数で表し、固有値方程式を解くモデルである。ＦＥＴＤは「時間領域有限要素法」と訳され、Ｍａｘｗｅｌｌ方程式を有限要素法で解くものである。時間方向の積分に差分法と同じ時間陽解法を用いるモデルであり、市販ソフトとしてはＥＭＦｌｅｘ（商品名）がある。

また、出願人は、後述するエリプソメトリ法の原理を用いることにより、ウエハに形成された周期的パターンに偏光光を入射し、その周期的パターンからの反射光の光束の状態の変化に基づいて周期的パターンの線幅を測定し、露光装置による露光工程におけるウエハの最適フォーカス位置、最適ドーズ量を求める方法を提案している（例えば、特許文献２、特許文献３）。
特開２０００−２２８３５６号公報 特開平９−３６０３７号公報 特開平１０−２２２０５号公報

上記のオフセットアナライザを用いたシステムによれば、ＷＩＳによる誤差を効果的に低減させることができる。しかしながら近年の露光装置には、例えば直径３００ｍｍのウエハを１時間で１００枚露光する程度の高速処理能力が要求される。この場合に上記オフセットアナライザを用いたシステムによるアライメント方法を使用すると時間がかかってしまい、必要な処理能力が発揮できないという問題がある。

オフセットアナライザの処理能力は原子間力顕微鏡ＡＦＭによる形状測定の時間に主に左右される。例えば２０μｍの測定長を原子間力顕微鏡ＡＦＭにより形状測定するのに必要な測定時間は数分以上となっている。このような場合に上記処理能力を達成させるためには、１台の露光装置に対して用いられる１台のオフセットアナライザに複数台の原子間力顕微鏡を備えなければならず、装置コストが上昇してしまうという問題がある。

別の構成として、１台の露光装置に複数台のオフセットアナライザを用いた場合、１台の原子間力顕微鏡内に複数のカンチレバーを構成する場合も、やはり装置コストの上昇の問題が発生してしまう。

一方、オフセットアナライザによる形状測定をウエハの全数について行わずに、例えば各製造ロットの最初の１枚のウエハのみの形状測定を行ってそのロット内の他のウエハの形状測定は行わないという方法を採用することにより、高速処理能力（高スループット）を達成することができる。しかしながら、ウエハ間にＷＩＳのばらつきがある場合には、形状測定したウエハの測定値を形状測定していない他のウエハの測定値として利用することはアライメント精度の面から好ましいとはいえない。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、装置コストの上昇を伴わずに高速処理能力を確保しつつ、かつ、高精度なアライメント精度を達成することのできるアライメント方法を提供することを例示的な目的とする。

上記の例示的目的を達成するために、本発明の一側面としての位置合わせ方法は、基板の位置合わせを行う方法であって、互いに異なる形状を有する複数のマークをエリプソメータで夫々計測した場合に得られる、複数の計測結果を得るステップと、基板のアライメントマークをエリプソメータにより計測するステップと、計測結果と複数の計測結果とを比較して、アライメントマークの形状を決定するステップと、決定されたアライメントマークの形状に基づいて、基板の位置補正量を得るステップと、を有することを特徴とする。

本発明の他の側面としての位置合わせ方法は、複数のマーク及びアライメントマークは、回折格子形状を有することを特徴とする。

本発明の他の側面としての位置合わせ方法は、複数の計測結果を、光学シミュレータにより得ることを特徴とする。

本発明の他の側面としての位置合わせ方法は、位置補正量を得るステップでは、決定されたアライメントマークの形状に基づいて、位置検出手段によりアライメントマークを検出した場合に得られる検出結果を算出し、算出した検出結果に基づいて、位置補正量を得ることを特徴とする。

本発明の他の側面としての位置合わせ方法は、検出結果を、光学シミュレータにより算出することを特徴とする。

本発明の他の側面としての位置合わせ方法は、位置検出手段は、アライメントマークに０次光を照明し、かつ、アライメントマークからの±ｎ次（ｎ＝１，２，３・・・）の反射光を選択して使用することにより検出結果を得ることを特徴とする。

本発明の他の側面としての位置合わせ方法は、複数の基板を露光する場合に、最初に露光する基板に対する位置補正量を得て、位置補正量に基づいて複数の基板の位置合わせを実行することを特徴とする。

本発明の他の側面としての露光方法は、上記のいずれかに記載の位置合わせ方法により、基板の位置合わせを行って、基板を露光することを特徴とする。

本発明の他の側面としての露光装置は、上記のいずれかに記載の位置合わせ方法により、基板の位置合わせを行って、基板を露光することを特徴とする。

本発明の他の側面としてのデバイスの製造方法は、上記の露光装置によって基板を露光し、露光された基板に所定のプロセスを行うことを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。

以上説明したように、本発明によればウエハ等の基板に形成されたアライメントマークに非対称が存在する場合であっても、高精度なアライメント精度を達成することが可能となる。

本発明の実施の形態を、以下、図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態１に係るアライメント方法を実施するためのオフセットアナライザＯＡの構成を模式的に示したものである。このオフセットアナライザＯＡは、エリプソメータ５４を使用することにより基板としてのウエハＷのアライメントマークの形状測定が可能となっている。なお、エリプソメータとは、物質の表面で光が反射するときの光束状態（偏光状態）の変化を観測し、その観測結果から物質に関する情報を求める装置のことであり、後述する。

ＸＹＺステージ５１の上にウエハＷを吸着する吸着部材であるチャック５２が配置され、そのチャック５２の上にウエハＷが吸着されるようになっている。測定精度が３μｍ程度のプリ計測系５３とエリプソメータ５４とがウエハＷ上のマークを観察・検出可能に構成され、ＸＹＺステージ５１、プリ計測系５３、分光エリプソメータ５４を制御するコンピュータ５５内にはベクトル回折モデルの光学シミュレータが構成されている。後述するライブラリとしての種々のデータベースが保存される保存装置５６がコンピュータ５５からアクセス可能に構成されている。

[エリプソメトリ法]
まず、アライメントマーク等の周期的パターンの断面形状を測定する方法としてのエリプソメトリ法の原理について説明する。このエリプソメトリ法は、周期的パターンに対して位相差０、振幅比１のＰ偏光及びＳ偏光による直線偏光光を、所定の入射角度θにおいて、又は入射角度を変化させつつ入射させ、その反射光の位相差（Δ）と振幅比（Ψ）とを測定することにより断面形状を測定する方法である。その検出原理は、Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ（Ｐｅｒｇａｍｏｎ Ｐｒｅｓｓ誌：Ｍ．Ｂｏｒｎ ａｎｄ Ｅ．Ｗｏｌｆ著）又は特開平１１−２１１４２１号公報に記載されている。

図２は、周期的パターンとしてのＬ＆Ｓ（ライン＆スペース）パターンの断面を模式的に示した図である。ウエハＷ上に互いに屈折率の異なる物質Ｍ１と物質Ｍ２とが周期的に交互に並んでいる。このような周期性構造体は複屈折性を有することが知られており、その性質は構造性複屈折（ｆｏｒｍ ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）と呼ばれる。

例えば、物質Ｍ１が空気、物質Ｍ２がレジストである場合、これら物質Ｍ１，Ｍ２によって構成される周期的パターンに対して所定波長、所定偏光状態の測定光束２を所定入射角θ_１で入射させる。物質Ｍ２（レジスト）内を透過してウエハ（基板）Ｗ表面で反射し、再び物質Ｍ２（レジスト）を透過して出射した反射光束３ａと物質Ｍ２（レジスト）表面で直接反射した反射光束３ｂとが合波してできた反射光束３の状態を測定する。なお、物質Ｍ１をレジストとし、物質Ｍ２をアライメントマークを構成する金属等としても良い。

一般に、照射する測定光の波長に比べて周期的パターンのピッチが充分に小さい場合は、反射光が複屈折特性を持つことが知られている。また、照射する測定光の波長に比べて周期的パターンのピッチが大きい場合は回折光が生じるが、この回折光を用いても同様の測定を行うことができる。

図３に、エリプソメトリ法を用いた周期的パターンの断面形状測定装置の光学系の一例を示す。エリプソメトリ法には、入射光をブロードバンド光として反射光の波長を分光して検出する方法と入射光を単波長光として入射角度を種々変更する方法とがある。図３には前者の方法を図示している。このような反射光の波長を分光して検出する方法を本願においては分光エリプソメトリ法という。

光源４１から出た入射光４ａは、回転可能なポラライザ４２を通過することにより、偏光面（Ｓ偏光、Ｐ偏光）が調整されるとともに位相が揃えられ、周期的パターン４３に向けて照射される。周期的パターン４３で反射された反射光４ｂは、その波長に応じて分光光学系４４によって空間的に波長分離される。その分離光４ｃは、アレー状に光電検出器が配列した光検出器４５により波長ごとのＳ偏光及びＰ偏光の強度比や位相差が検出され、それらの情報は計算機４６へと送られる。計算機４６において光検出器４５からの情報と後述するライブラリ情報とが比較されて周期的パターン４３の断面形状が算出され、その算出結果が測定対象物としての周期的パターン４３の断面形状として計算機４６より出力される。

分光エリプソメトリ法ではレジスト膜厚やレジストパターン形状が異なっても、入射光の入射条件（入射角度・入射光の波長等）によっては同じ強度比・位相差状態となってしまう場合がある。そのため、複数の入射条件（複数の入射角度による照射、又は、複数の波長の入射光での照射）における反射光の変化を検出することにより、測定精度を向上させることも行われる。

上記に説明したエリプソメトリ法を用いた断面形状測定装置は、光を用いたＣＤ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ、すなわち周期的パターンの線幅）測定装置として前述の計測機器メーカから販売されている。これらの装置によりＣＤ測定に限らず周期的パターンの高さや側壁角度（Ｓｉｄｅ ｗａｌｌ ａｎｇｌｅ）の測定も可能である。

図４に示す手順に従って測定対象物としての周期的パターン４３の断面形状が測定される。

まず測定前の準備段階として、想定される周期的パターン４３の断面形状をベクトル回折モデルの光学シミュレータ（例えばＲＣＷＡ）を使用して計算機４６上で定義し、各断面形状からの反射光の状態をシミュレーション計算により求めてその状態値をライブラリとして保持しておく。すなわち、周期的パターン４３を構成する物質Ｍ２の光学定数（屈折率ｎ、吸収係数ｋ、各物質の厚さｄ）に基づき（工程１）、入射光の入射条件（波長λ又は入射角度θ）を変えて（工程２）、想定される断面形状（工程３）に入射光が入射した場合に反射光から得られる情報（強度比の変化や位相差の変化）を計算により求める（工程４）。

異なる断面形状を各種定義してそれぞれの断面形状に対してこの一連の計算を行い（工程３）、得られた計算結果とそれに対応する断面形状とを関連付けてライブラリとしてライブラリを保存するための保存装置に保存しておく。ここでライブラリとは、光学定数と互いに異なる断面形状を有する周期的パターンとに基づいて行われたシミュレーション計算によって得られた光束状態が、その光束状態に対応する周期的パターンの断面形状や光学定数に関連付けられたデータ又はデータベースのことをいう。

工程１において用いる周期的パターンの光学定数は、入射条件のパラメータとして入射角度θ又は入射光波長λのいずれを用いるかによって必要とされる内容が異なる。単波長を用いて入射角度θを変化させ、各入射角度θごとに得られる反射光に対して測定を行う場合は、測定に用いる単波長に対する光学定数を計算機に入力する。一方、入射角度を固定して入射光の波長λを変化させ、各波長λごとに得られる反射光に対して測定を行う場合は、測定に用いる各波長ごとの光学定数を計算機４６に入力する必要がある。

次に、測定対象物としての周期的パターン４３に実際に入射光４ａを入射し（工程５）、得られる反射光４ｂの情報（強度比の変化、位相差の変化）を光検出器４５により検出する（工程６）。保存装置に保存されたライブラリの光束情報とこの検出値より得られた実際の反射光４ｂの情報とを比較して、ライブラリの中から実際の反射光４ｂの情報と一致する光束情報を抽出する（工程７）。計算機４６上で定義された断面形状のうち、その光束情報に関連付けられた周期的パターンの断面形状を、実際の周期的パターン４３の断面形状とする（工程８）。

以上、エリプソメトリ法の原理とその原理を用いた周期的パターンの断面形状測定方法を説明した。本発明は、このエリプソメトリ法を用いた周期的パターンの断面形状方法をアライメントマークの検出に使用したアライメント方法に係るものである。

[実施の形態１]
本発明の実施の形態１に係るアライメント方法においてはアライメントマークＡＭ（図１及び図６参照）が回折格子形状とされ、露光装置ＳＴとは別体のオフセットアナライザによってエリプソメータを使用してそのアライメントマークが測定される。なお、本実施の形態においては、露光装置としてステッパーＳＴを例として説明するが、もちろん露光装置としては走査露光を行うスキャナであってもよい。分光エリプソメータ５４は、回折格子形状のアライメントマークＡＭからの反射光４ｂの光束状態、すなわち位相と強度とを測定する。

分光エリプソメータ５４での測定に先立って、予めアライメントマークＡＭの光学定数（アライメントマークＡＭを構成する縦構造の各材質の複素屈折率ｎ、吸収係数ｋ、膜厚ｄ等）を用いて、プロセス誤差ＷＩＳにより非対称性となり得る様々な断面形状を想定してベクトル回折モデルの光学シミュレータ（例えばＲＣＷＡ）により計算し、分光エリプソメータ５４で計測した場合の反射光４ｂの光束状態に対応するデータとしてライブラリ化し保存装置５６に保存しておく。アライメントマークＡＭの断面形状とアライメントマークＡＭに入射する入射光４ａの入射条件（入射角度θ・入射光の波長λ）とをパラメータとしてシミュレーション計算を行い、算出された計算結果（反射光４ｂの光束状態に対応するデータ）を、パラメータとしての断面形状に関連付けてライブラリとする。入射条件・断面形状のパラメータを様々に変化させて計算して複数のライブラリを予め準備しておき、そのライブラリを保存装置５６に保存しておく。

実際に分光エリプソメータ５４を使用してアライメントマークＡＭからの反射光４ｂの光束状態（位相・強度）を測定し、その測定結果としての光束状態に対応する断面形状を保存装置５６内に保存された複数のライブラリの中から選択する。すなわち、分光エリプソメータ５４により計測されたアライメントマークＡＭからの反射光４ｂの光束状態と最も近いライブラリを予め準備しておいた複数のライブラリの中から選択し、その選択されたライブラリに関連付けられた断面形状を選択する。このように選択された断面形状は実際のアライメントマークＡＭの断面形状に略対応し、略同形状となっている。

アライメントマークＡＭの断面形状が選択されると、その断面形状をアライメントスコープＡＳで検出した場合にそのアライメントスコープＡＳから出力されるべき出力信号データを、選択された断面形状に基づいて計算により算出する。

算出された出力信号データに基づいて、検出されたアライメントマークＡＭの位置と本来のアライメントマークＡＭの位置との位置ずれ量すなわち位置補正量が算出される。この位置補正量の算出は従来のオフセットアナライザと同様に、ライブラリ作成時に分光エリプソメータ５４において使用されるベクトル回折モデルの光学シミュレータ（例えばＲＣＷＡ）によってアライメントマークＡＭの断面形状を入力として計算してもよい。また、それとは異なるベクトル回折モデルの光学シミュレータ（例えばＦＤＴＤ法、ＦＥＴＤ法等）により露光装置ＳＴのアライメントスコープＡＳの条件においてアライメント信号を求め、そこから発生するアライメントオフセット（＝位置補正量）を求めてその補正量を使用してレチクルＲとウエハＷのアライメント及び露光を行ってもよい。

次に本発明におけるアライメント方法について具体的に説明する。

回折格子形状のアライメントマークＡＭを使用したアライメント方法を用いた露光装置は既に出願人により特開平５−３４３２９１号公報等において提案され、実際に製品に適用されている。この露光装置ＳＴの例を図５に示す。この図５において、露光装置ＳＴは露光光によって照明されたレチクルＲに形成されたパターンを、投影レンズ１を介してウエハＷ面上に投影露光するものである。露光装置ＳＴにおいては、ウエハＷ面に設けられた回折格子形状のアライメントマークＡＭが照明手段からの単色光により投影レンズ１を介して照明され、回折格子形状のアライメントマークＡＭからの反射回折光が投影レンズ１を通過した後、ミラー８で露光光路外に導光され、反射回折光のうち±ｎ次光（ｎ＝１，２，３・・・）がストッパー１２により選択的に取り出される。取り出されたｎ次光によって投影光学手段によりＣＣＤカメラ等の撮像素子１４上に干渉像が形成される。

撮像素子１４からの映像信号に対して設けた所定の大きさの２次元ウィンドウ内で、その映像信号を２次元座標の１つの方向に積算し、１次元投影積算信号を得る。次いで１次元投影積算信号を直交変換により空間周波数領域に変換し、空間周波数領域上で１次元投影積算信号より回折格子形状のアライメントマークＡＭの周期性に基づく干渉像より固有に現われる空間周波数成分が選択され、回折格子形状のアライメントマークＡＭの位置を検出することによってウエハＷのアライメントが行われる。

この図５に示すアライメント方法を用いた露光装置ＳＴは、安価でかつ安定した非露光光（レジストを感光させない光）、例えばＨｅ−Ｎｅレーザや半導体レーザ等の光源を用いたＴＴＬ−Ｏｆｆａｘｉｓ方式を用いており、ベースラインが安定しているという特徴を有する。このアライメント方法においてオフセットアナライザＯＡでベクトル回折モデルの光学シミュレータ（例えばＦＤＴＤ法）を用いて計算した場合の計算時間は、従来の明視野検出の画像処理方式での計算時間の略１０分の１に短縮される。

それは、この回折格子形状のアライメントマークＡＭを使用したアライメント方法においては、反射回折光のうち±ｎ次光（ｎ＝１，２，３・・・）のみを使用した結像のため、照明光は光軸と等しい０次光の光線１本のみであるので、この１本のみを計算すれば良いからである。

回折格子形状のアライメントマークＡＭを使用したアライメント方法とすることで、そのアライメントマーク形状をエリプソメトリ法で計測することで高速化できるだけでなく、ベクトル回折モデルの光学シミュレータ（例えばＦＤＴＤ法）にて計算した場合の計算時間に関しても一桁以上短縮することができ、オフセットアナライザＯＡの高速化が可能となる。

さらに、露光装置ＳＴのアライメント光学系（アライメントスコープＡＳ）の性能誤差であるＴＩＳ（Ｔｏｏｌ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｈｉｆｔ）も低減でき、その結果製造コストダウンが可能となる。例えば、従来の明視野照明では、明視野画像処理の検出の開口数の範囲でＴＩＳ要因の１つであるコマ収差を取り除く必要がある。一方このアライメント方法によれば、反射回折光のうち±ｎ次光（ｎ＝１，２，３・・・）のみを使用した結像のため、この光線の部分のみのコマ収差を取り除けばよいので、計算時間の短縮の場合と同様に大きな優位性となる。

図６は、この回折格子形状のアライメントマークＡＭを使用したアライメント方法におけるオフセットアナライザＯＡでのオフセット量（位置補正量）の算出の概念図である。図６では回折格子形状のアライメントマークＡＭにレジストＲＳが塗布されており、このアライメントマークＡＭの断面形状をエリプソメトリ法の原理を用いた光ＣＤ計測器で計測する。この断面形状情報を入力として、ベクトル回折モデルの光学シミュレータによりアライメント信号５７を算出する。この時、回折格子形状のアライメントマークＡＭには図６に示すように非対称性のＷＩＳが存在する。半導体プロセスに依存するが、例えばアライメントマークＡＭのボトム（下部）５８がエッチング時のマスクとなる。ボトム５８に対して位置合わせを行うのが正しいとするならば、アライメントマークＡＭの断面形状とそれに対応するアライメント信号５７とに基づいて、オフセット量５９を算出することが可能となる。このオフセット量５９が露光装置ＳＴへと送信され、そのオフセット量５９を用いてウエハＷの位置合わせ（アライメント）及び露光が行われる。

なお、エリプソメトリ法でのライブラリ作成は、マーク形状を色々変化させて計算して作成する場合には膨大な計算量となり、例えば２ＧＨｚクロックのＣＰＵを並列に１０個使用しても数時間の計算時間を必要としてしまう。しかしながらこの計算は、予め計測前に行っておけばよいので、実際のウエハＷ上のアライメントマークＡＭの計測、オフセット量５９の算出には影響しない。

以上説明したように、本実施の形態によれば、回折格子形状のアライメントマークＡＭを使用し、そのアライメントマークＡＭの断面形状をエリプソメトリ法で計測して０次光のみによって照明するアライメント方法を採用することにより、前述のプロセスに起因するアライメントマーク形状の非対称性が生じても高精度なアライメント精度を確保することができ、原子間力顕微鏡ＡＦＭ等を多数搭載する必要がなく、アライメントスコープＡＳのＴＩＳ（装置要因誤差）を容易に低減することができ、露光系全体のコストを低減させ、オフセットアナライザを高速化することが可能となる。

[実施の形態２]
図７に本発明の実施の形態２に係るアライメント方法を用いたオフセットアナライザＯＡにおけるウエハＷと情報の流れを示す。出願人が以前提案したオフセットアナライザにおいては、図１２にそのウエハＷと情報の流れを示すように、ウエハＷへのレジスト塗布前後でのアライメントマークＡＭの形状測定を原子間力顕微鏡ＡＦＭ等により行っている。レジスト塗布前にもアライメントマークＡＭの形状測定を行うのは、レジスト塗布後には原子間力顕微鏡ＡＦＭによってレジストＲＳを介してアライメントマークＡＭの形状測定を行うことが困難であるからである。

本発明においても、レジスト塗布前後でのアライメントマークＡＭの形状測定を行うことにより、同様の目的が達成される。さらに本発明で使用されるエリプソメトリ法においては光を使用するため、レジスト塗布前にアライメントマークＡＭの形状測定を行うことなく、レジスト塗布後にアライメントマークＡＭの形状測定を行うことが可能である。もちろんライブラリ作成のためには、レジスト塗布後の状態を想定して光学シミュレータにより計算を予め行うこととなる。

また、図１に示すものは、オフセットアナライザＯＡを露光装置ＳＴと別体として構成した例であるが、この構成によればアライメントマークＡＭの形状測定後にウエハＷはチャック５２から離間され、搬送されて露光装置ＳＴのチャックに吸着され、その段階で露光装置ＳＴによりアライメントマークＡＭが検出される。したがって、オフセットアナライザＯＡで形状測定する際のアライメントマークＡＭの形状と露光装置ＳＴで検出される際のアライメントマークＡＭの形状とは差異が無視できるレベルの同一性が必要である。そのため、オフセットアナライザＯＡと露光装置ＳＴとは、環境条件（温度・湿度・気圧等）、チャック形状、チャック性能等において略同一とする必要がある。オフセットアナライザＯＡを露光装置ＳＴと別体とする構成は必須条件ではなく、露光装置ＳＴ内にオフセットアナライザＯＡを構成しても、スループットが多少低下するもののその他の本発明の目的は達成することができる。

図１の構成のようにウエハＷをチャック５２から離間させて露光装置ＳＴへ搬送するのではなく、ウエハＷを吸着したままの状態でチャック１２１ごと露光位置ＳＴへ搬送する例を図８に示す。この構成においては、ウエハＷを吸着するチャック１２１上にチャックマーク１３１，１３２が構成されている。また、このオフセットアナライザＯＡにおいては検出系が３つの機能を有している。１つ目はプリ検出系５３によるプリ検出機能であり、２つ目はアライメントマークＡＭを検出する機能（不図示）である。このアライメントマークＡＭの検出機能においては、図５に示す０次光で照明し、反射回折光のうちの±ｎ次光（ｎ＝１，２，３・・・）を選択的に検出する。３つ目はチャック１２１上のチャックマーク１３１，１３２を検出するための従来の明視野検出機能（不図示）である。図８に示すオフセットアナライザＯＡにおいては、図１に示すオフセットアナライザＯＡと異なり、露光装置ＳＴに用いられるものと同様に高精度なＸＹＺステージ５１が用いられる。

図１のオフセットアナライザＯＡにおいては、アライメントマークＡＭの形状測定後、光学シミュレータによりオフセット量５９が算出されるとウエハＷが露光装置ＳＴに搬送される。図８のオフセットアナライザＯＡにおいては、同様にオフセット量５９が算出されるが、その後さらにオフセットアナライザＯＡ内で、ウエハＷ内の所定の限定ショットのアライメントマークＡＭの位置をアライメントマークＡＭの検出機能によってＡＹＸステージ５１の精度に依存しつつ検出してグローバルアライメントを行い、チャック１２１上のチャックマーク１３１，１３２の位置を明視野検出機能により検出する。これにより、チャックマーク１３１，１３２の検出によってウエハＷの位置情報が検出できるので、チャック１２１にウエハＷを吸着した状態のまま、図９に示す露光装置ＳＴへとチャック１２１ごとウエハＷを搬送する。

次に、図９に示す露光装置ＳＴにおいてはチャックマーク１３１，１３２のみ検出して露光が行われる。ウエハＷを吸着したまま搬送されたチャック１２１は、露光装置ＳＴのチャックを吸着するチャック１３３に吸着される。フォーカス検出系１２９，１３０により、チャックマークのフォーカスを検出し、必要に応じてフォーカス方向に駆動後、明視野画像処理の検出原理に基づくアライメントスコープＡＳによって、チャックマーク１３１，１３２上の二次元計測可能なマークの位置を計測する。複数のチャックマーク１３１，１３２においてこの計測を行い、オフセットアナライザＯＡでの計測結果及び計算結果に基づいて干渉計付ＸＹステージを駆動して各ショットに対応する位置へとウエハＷを移動させる。各ショットにおいてフォーカス計測し、必要に応じてフォーカス方向に駆動した後に露光を行い、全ショット露光後にはウエハＷを吸着したままチャック１２１を露光装置ＳＴの外部へと搬送する。

図９に示す露光装置ＳＴにおいては、安価でかつ安定した非露光光（レジストを感光させない光）、例えばＨｅ−Ｎｅレーザや半導体レーザ等の光源を用いた明視野検出系のＴＴＬ−Ｏｆｆａｘｉｓ方式をチャックマーク１３１，１３２の位置検出のためのアライメントスコープＡＳに用いており、ベースラインが安定するという特徴を有する。この露光装置ＳＴにおいては、アライメントスコープＡＳがチャックマーク１３１，１３２の検出に使用されるのみであるため、構成を単純にすることができ、かつ、ＴＩＳの除去も不要となるので大幅に装置コストを低減できる。

上記の実施の形態のように、チャックマーク１３１，１３２が構成されたチャック１２１にウエハＷを吸着したままの状態でオフセットアナライザＯＡから露光装置ＳＴまでウエハＷを搬送する構成によれば、プロセスによりアライメントマークＡＭの形状が非対称となってしまうことに起因するアライメント精度の劣化を防止するので、ＣＭＰ等の半導体形成プロセスの影響を受けずに高精度かつ高スループットでのアライメントが可能となる。そのため、プロセスにおける複雑な最適化も不要となり、ＣｏＯ（Ｃｏｓｔ ｏｆ Ｏｗｎｅｒｓｈｉｐ）向上が可能となる。

このオフセットアナライザＯＡも、もちろん露光装置ＳＴとは別体として構成してもよいし、露光装置ＳＴ内に構成してもよい。例えば露光系と計測系のＸＹステージを隣接して構成し、上記オフセットアナライザＯＡの機能を計測ステージ側が有するように構成しても本発明の目的は達成される。本実施の形態において、回路パターンを露光する露光機を露光装置と表現してきたが、前述したように便宜上の表現であって、ここでいう露光装置にはいわゆるステッパー、スキャナー、等倍のＸ線露光機、ＥＢ直接描画機、ＥＵＶ露光機等のあらゆる露光方式の露光機が含まれる。これらの露光機に対し、本発明のアライメント方法が有効である。

次に、図１３及び図１４を参照して、上述の露光装置を利用したデバイスの製造方法の実施例を説明する。図１３は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造を例に説明する。ステップ１０１（回路設計）ではデバイスの回路設計を行う。ステップ１０２（マスク製作）では、設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。ステップ１０３（ウェハ製造）ではシリコンなどの材料を用いてウェハ（被処理体）を製造する。ステップ１０４（ウェハプロセス）は前工程と呼ばれ、マスクとウェハを用いてリソグラフィ技術によってウェハ上に実際の回路を形成する。ステップ１０５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ１０４によって作成されたウェハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ１０６（検査）では、ステップ１０５で作成された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テストなどの検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ１０７）される。

図１４は、ステップ１０４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１１（酸化）ではウェハの表面を酸化させる。ステップ１１２（ＣＶＤ）では、ウェハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１１３（電極形成）では、ウェハ上に電極を蒸着などによって形成する。ステップ１１４（イオン打ち込み）ではウェハにイオンを打ち込む。ステップ１１５（レジスト処理）ではウェハに感光剤を塗布する。ステップ１１６（露光）では、露光装置１によってマスクの回路パターンをウェハに露光する。ステップ１１７（現像）では、露光したウェハを現像する。ステップ１１８（エッチング）では、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１１９（レジスト剥離）では、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによってウェハ上に多重に回路パターンが形成される。本実施例の製造方法によれば従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。

本発明の実施の形態１に係るアライメント方法を実施するためのオフセットアナライザの構成を模式的に示した図である。 周期的パターンとしてのＬ＆Ｓ（ライン＆スペース）パターンの断面を模式的に示した図である。 エリプソメトリ法を用いた周期的パターンの断面形状測定装置の光学系の一例を示す図である。 測定対象物としての周期的パターンの断面形状を測定する手順を説明するフローチャートである。 露光装置の構成例を模式的に示した概略図である。 オフセットアナライザでのオフセット量（位置補正量）の算出の概念を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係るアライメント方法を用いたオフセットアナライザにおけるウエハと情報の流れを示す図である。 本発明の実施の形態２に係るアライメント方法を実施するためのオフセットアナライザの構成を模式的に示したものであって、ウエハを吸着したままの状態でチャックごと露光位置へ搬送する例を示す図である。 図８に示すオフセットアナライザからチャックに吸着されたまま搬送されたウエハに対して露光を行う露光装置の構成例を模式的に示す図である。 グローバルアライメント方式によるアライメントにおいて発生する回転エラーを模式的に示す図である。 グローバルアライメント方式によるアライメントにおいて発生する倍率エラーを模式的に示す図である。 本発明の実施の形態１に係るアライメント方法を用いたオフセットアナライザにおけるウエハと情報の流れを示す図である。 図５に示す露光装置による露光工程を有するデバイス製造方法を説明するためのフローチャートである。 図１３に示すステップ１０４の詳細なフローチャートである。

符号の説明

ＡＭ：アライメントマーク
ＡＳ：アライメントスコープ（アライメント検出系）
Ｇ：基準マーク
ＩＬ：照明装置
ＯＡ：オフセットアナライザ
Ｒ，１１２：レチクル
ＲＳ：レジスト
ＳＴ：ステッパー（露光装置）
ＳＩＬ：視野絞り
Ｗ：ウエハ（基板）
３，３ａ，３ｂ：反射光束
４ａ：入射光
４ｂ：反射光
４ｃ：分離光
５：偏光ビームスプリッタ
６：λ／４板
７：レンズ
１０：ビ−ムスプリッタ
１１，１３フーリエ変換レンズ
１５：ＬＥＤ（光源）
１６：コンデンサレンズ
１７：基準マスク
１９：順次レンズ
２２，１０５： Ｈｅ−Ｎｅレーザ（光源）
２３：音響光学素子（ＡＯ素子）
２４：レンズ
５４：分光エリプソメータ
５５，１５１：コンピュータ
５６：保存装置
５７：アライメント信号
５９：オフセット量（位置補正量）
１０１，１１６：撮像装置（ＣＣＤカメラ）
１０７：ファイバー
１０８：アライメント照明光学系
１０９：ビームスプリッタ
１１０：リレーレンズ
１１１：対物レンズ
１１３：縮小投影光学系
１１４：ミラー
１１５：エレクター
１１７：像
１１８：干渉計付ＸＹステージ
１２０：レチクルパターン露光用照明光学系
１２２：θーZステージ
１２３：チルトステージ
１２５：バーミラー
１２６：レーザ干渉計
１２９：フォーカス計測系（投光系）
１３０：フォーカス計測系（検出系）
１５２：光学系
１５３：検出光学系
１５４：補正光学系

Claims (10)

1. 基板の位置合わせを行う方法であって、
   互いに異なる形状を有する複数のマークをエリプソメータで夫々計測した場合に得られる、複数の計測結果を得るステップと、
   前記基板のアライメントマークをエリプソメータにより計測するステップと、
   該計測結果と前記複数の計測結果とを比較して、前記アライメントマークの形状を決定するステップと、
   該決定された前記アライメントマークの形状に基づいて、前記基板の位置補正量を得るステップと、を有する位置合わせ方法。
2. 前記複数のマーク及びアライメントマークは、回折格子形状を有することを特徴とする請求項１に記載の位置合わせ方法。
3. 前記複数の計測結果を、光学シミュレータにより得ることを特徴とする請求項１に記載の位置合わせ方法。
4. 前記位置補正量を得るステップでは、前記決定された前記アライメントマークの形状に基づいて、位置検出手段により該アライメントマークを検出した場合に得られる検出結果を算出し、
   該算出した検出結果に基づいて、前記位置補正量を得ることを特徴とする請求項１に記載の位置合わせ方法。
5. 前記検出結果を、光学シミュレータにより算出することを特徴とする請求項１に記載の位置合わせ方法。
6. 前記位置検出手段は、前記アライメントマークに０次光を照明し、かつ、該アライメントマークからの±ｎ次（ｎ＝１，２，３・・・）の反射光を選択して使用することにより前記検出結果を得ることを特徴とする請求項１に記載の位置合わせ方法。
7. 複数の基板を露光する場合に、最初に露光する基板に対する前記位置補正量を得て、該位置補正量に基づいて該複数の基板の位置合わせを実行することを特徴とする請求項１に記載の位置合わせ方法。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の位置合わせ方法により、前記基板の位置合わせを行って、該基板を露光することを特徴とする露光方法。
9. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の位置合わせ方法により、前記基板の位置合わせを行って、該基板を露光することを特徴とする露光装置。
10. 請求項９に記載の露光装置によって基板を露光し、前記露光された基板に所定のプロセスを行うことを特徴とするデバイスの製造方法。

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