JP2007207822A - 計測方法、露光方法、デバイス製造方法、計測用マーク、及びマスク - Google Patents

Abstract

【課題】所定マークの投影像の位置ずれ量を計測する際に、実際のデバイスパターンの像の位置ずれ量に近い計測値を得る。
【解決手段】第１マーク上に第２マークの像を重ねて露光し、第１マークと第２マークの像との位置ずれ量を計測する計測方法において、その第２マークは、透過率が周囲の部分より低い複数のラインマーク３６Ｄ，３６Ｅを備え、所定のエッジ部３８Ａに対して内側のラインマーク３６Ｄの幅がそのエッジ部３８Ａの外側のラインマーク３６Ｅの幅よりも広く設定されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、第１マーク上に第２マークの像を重ねて露光し、その第１マークとその第２マークの像との位置ずれ量を計測する計測技術及びこの計測技術を用いる露光技術に関し、例えば半導体デバイス等を製造するためのリソグラフィ工程において、ウエハ等の物体上の２層間の重ね合わせ誤差等を計測する際に適用可能である。

例えば半導体デバイスを製造するためのリソグラフィ工程中で、レチクル（又はフォトマスク等）のパターンを投影光学系を介してレジストが塗布されたウエハ（又はガラスプレート等）の各ショット領域に転写するために、ステッパー又はスキャニングステッパー等の露光装置が使用されている。半導体デバイスは、ウエハ上に多層の回路を所定の位置関係で積み重ねて形成されるとともに、最近はデバイスパターンが益々微細化しているため、異なる層間での重ね合わせ精度を向上することが求められている。重ね合わせ精度を向上するためには、先ず重ね合わせ誤差を高精度に計測する必要がある。

従来は、重ね合わせ誤差又はこれに影響する投影光学系のディストーション等を計測するために、例えば既に複数の第１の計測用マークが形成されているウエハ上に、所定のマーク像を投影して複数の第２の計測用マークを形成し、レジストレーション計測装置等でその複数組の２つの計測用マークの位置ずれ量を計測していた。その計測用マークとして従来は、例えばボックス・イン・ボックスマークが使用され、そのボックス・イン・ボックスマークの一方のマークは、例えば１本又は複数本のラインマークを矩形の枠状に配列して形成されていた（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−３５８０５９号公報

従来の例えば重ね合わせ誤差計測用のマークは、一般に実際に露光対象とされるデバイスパターンとは関係なくその幅等の形状が定められていた。そのため、照明条件等によっては、計測対象の層において、計測用のマークの像の位置と実際のデバイス用のパターンの像との相対位置が、設計上の相対位置（レチクル上の相対位置に投影倍率を乗じて得られる相対位置）に対して或る程度変化して、重ね合わせ誤差の計測結果と実際のデバイスパターン同士の位置ずれ量との間に誤差が生じる恐れがあった。最近のようにデバイスパターンが微細化してくると、その誤差が許容範囲を超える恐れがある。

さらに、投影光学系のディストーションを計測する場合やアライメント等を行う場合にも、計測用のマークによって計測される位置と実際のデバイスパターンの位置との間のずれ量はできるだけ小さいことが望ましい。
本発明は斯かる点に鑑み、所定マークの投影像の位置ずれ量を計測する際に、デバイス用のパターンの像の位置ずれ量に近い計測値を得ることができる計測技術、及びこの計測技術を用いた露光技術を提供することを目的とする。

本発明による計測方法は、第１マーク（４１Ａ）上に第２マーク（３３Ａ）の像を重ねて露光し、前記第１マークと前記第２マークの像との位置ずれ量を計測する計測方法において、前記第２マークは、透過率が周囲の部分より低い複数のライン部（３６Ｄ，３６Ｅ）を備え、所定の境界部（３８Ａ）に対して内側の前記ライン部の幅が前記境界部の外側の前記ライン部の幅よりも広いものである。

本発明によれば、その第２マークは複数のライン部を含むため、単に幅の広いパターンの像を投影する場合に比べて、その投影像の位置ずれ量はデバイス用のパターンの像の位置ずれ量に近くできる。
次に、本発明による露光方法は、一の層上に他の層のデバイスパターン（３２Ｘ）の像を露光する際の重ね合わせを管理するための露光方法において、前記一の層上に第１マーク（４１Ａ）を形成しておき、前記一の層上に、前記他の層のデバイスパターンとともに第２マーク（３３Ａ）が形成されたマスクパターンの像を重ねて露光する第１工程と、前記一の層上の前記第１マークと前記第２マークの像との位置ずれ量を計測する第２工程とを有し、前記第２マークは、透過率が周囲の部分より低い複数のライン部（３６Ｄ，３６Ｅ）を備え、所定の境界部（３８Ａ）に対して内側の前記ライン部の幅が前記境界部の外側の前記ライン部の幅よりも広いものである。

本発明によれば、その第２マークは複数のライン部を含むため、単に幅の広いパターンの像を投影する場合に比べて、その投影像の位置ずれ量はそのデバイスパターンの像の位置ずれ量に近くなる。
次に、本発明による計測用マークは、投影像の位置ずれ量を計測するために使用される計測用マークであって、透過率が周囲の部分より低い複数のライン部（３６Ｄ，３６Ｅ）を備え、所定の境界部（３８Ａ）に対して内側の前記ライン部の幅が前記境界部の外側の前記ライン部の幅よりも広いものである。

次に、本発明によるマスクは、デバイスパターンが形成されたマスクにおいて、前記デバイスパターンとともに本発明の計測用マークが形成されたものである。
また、本発明による別のマスクは、一の層の上に他の層のデバイスパターンの像を露光する際の重ね合わせの管理に用いられ、本発明の計測用マークが形成されたものである。本発明の計測用マーク又はマスクを用いて、本発明の計測方法又は露光方法を使用できる。

なお、以上の本発明の所定要素に付した括弧付き符号は、本発明の一実施形態を示す図面中の部材に対応しているが、各符号は本発明を分かり易くするために本発明の要素を例示したに過ぎず、本発明をその実施形態の構成に限定するものではない。

以下、本発明の好ましい実施の形態の一例につき図面を参照して説明する。
図１は、本例のスキャニングステッパーよりなる走査露光型の投影露光装置（露光装置）の概略構成を示し、この図１において、その投影露光装置は、露光光源６、照明光学系５、レチクルステージ系、投影光学系ＰＬ、及びウエハステージ系を備えている。露光光源６としてはＡｒＦエキシマレーザ光源（波長１９３ｎｍ）が使用されている。なお、露光光源としては、ＫｒＦエキシマレーザ光源（波長２４７ｎｍ）、Ｆ₂ レーザ光源（波長１５７ｎｍ）などの紫外パルスレーザ光源、ＹＡＧレーザの高調波発生光源、固体レーザ（半導体レーザなど）の高調波発生装置、又は水銀ランプ（ｉ線等）なども使用することができる。

露光時に露光光源６からパルス発光された露光ビームとしての露光光（露光用の照明光）ＩＬは、ミラー７、不図示のビーム整形光学系、第１レンズ８Ａ、ミラー９、及び第２レンズ８Ｂを経て断面形状が所定形状に整形されて、オプティカル・インテグレータ（ユニフォマイザ又はホモジナイザ）としてのフライアイレンズ１０に入射して、照度分布が均一化される。フライアイレンズ１０の射出面（照明光学系の瞳面）には、種々の開口絞り（σ絞り）が周囲に配置された照明系開口絞り部材１１が、駆動モータ１２によって回転自在に配置されており、照明系開口絞り部材１１を回転して、所望の開口絞りを露光光ＩＬの光路上に設置することによって、照明条件が設定される。

照明系開口絞り部材１１には、一例として、露光光の光量を可変の円形領域で大きくする通常照明用の開口絞り１３Ａ（σ絞り）、光量を照明光学系の光軸を囲む４個の領域で大きくする変形照明用の開口絞り１３Ｂ、輪帯照明用の開口絞り１３Ｃ、光量をその光軸に関して第１方向に対称な２つの領域で大きくする第１の２極照明用の開口絞り１３Ｄ、光量をその光軸に関してその第１方向に直交する第２方向に対称な２つの領域で大きくする第２の２極照明用の開口絞絞り（不図示）等が配置されている。なお、照明系開口絞り部材１１の代わりに、照明光学系内に交換して配置される複数の回折光学素子、可動のプリズム（アキシコンなど）、及びズーム光学系を有する成形光学系を、オプティカル・インテグレータ１０よりも上流に配置し、この成形光学系によって照明光学系の瞳面上での露光光ＩＬの強度分布（レチクルの照明条件）を可変としてもよい。

照明系開口絞り部材１１中の一つの開口絞りを通過した露光光ＩＬは、反射率の小さいビームスプリッタ１４及びリレーレンズ１７Ａを経て、固定視野絞りとしての固定ブラインド１８Ａ及び可動視野絞りとしての可動ブラインド１８Ｂを順次通過する。この場合、可動ブラインド１８Ｂは、マスクとしてのレチクルＲのパターン面（レチクル面）とほぼ共役な面に配置され、レチクル面の照明領域２１Ｒを非走査方向に細長いスリット状の領域に規定する。固定ブラインド１８Ａは、そのレチクル面と共役な面から僅かにデフォーカスされた面に配置され、露光対象の各ショット領域への走査露光の開始時及び終了時に不要な部分への露光が行われないように、照明領域２１Ｒを走査方向に開閉するとともに、照明領域２１Ｒの非走査方向の中心及び幅を制御するためにも使用される。ブラインド１８Ａ，１８Ｂを通過した露光光ＩＬは、サブコンデンサレンズ１７Ｂ、光路折り曲げ用のミラー１９、及びメインコンデンサレンズ２０を経て、レチクルＲのパターン領域の照明領域２１Ｒを均一な照度分布で照明する。

一方、ビームスプリッタ１４で反射された露光光は、集光レンズ１５を介して光電センサよりなるインテグレータセンサ１６に受光される。インテグレータセンサ１６の検出信号は露光量制御系３に供給され、露光量制御系３は、その検出信号、予め計測されているビームスプリッタ１４から物体（感光基板）としてのウエハＷまでの光学系の透過率、及び装置全体の動作を統轄制御する主制御系１からの制御情報に基づいて、ウエハＷ上で適正露光量が得られるように露光光源６の発光動作を制御する。ミラー７，９、レンズ８Ａ，８Ｂ、フライアイレンズ１０、照明系開口絞り部材１１、ビームスプリッタ１４、リレーレンズ１７Ａ、ブラインド１８Ａ，１８Ｂ、サブコンデンサレンズ１７Ｂ、ミラー１９、及びメインコンデンサレンズ２０を含んで照明光学系５が構成されている。

露光光ＩＬのもとで、レチクルＲの照明領域２１Ｒ内のパターンは、両側テレセントリックの投影光学系ＰＬを介して投影倍率β（βは例えば１／４，１／５等の縮小倍率）で、フォトレジストが塗布されたウエハＷ上の一つのショット領域ＳＡ上の非走査方向に細長いスリット状の露光領域２１Ｗに投影される。投影光学系ＰＬは例えば屈折系であるが、反射屈折系等も使用できる。レチクルＲのパターン面（レチクル面）及びウエハＷの表面（ウエハ面）がそれぞれ投影光学系ＰＬの物体面及び像面に対応している。以下、図１において、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で走査露光時のレチクルＲ及びウエハＷの走査方向に直交する非走査方向に沿ってＸ軸を取り、その走査方向に沿ってＹ軸を取って説明する。

レチクルＲはレチクルステージ２２上に吸着保持され、レチクルステージ２２はレチクルベース２３上でＹ方向に一定速度で移動すると共に、同期誤差を補正するようにＸ方向、Ｙ方向、回転方向に微動して、レチクルＲの走査を行う。レチクルステージ２２の位置は、この上に設けられた移動鏡（不図示）及びレーザ干渉計（不図示）によって計測され、この計測値及び主制御系１からの制御情報に基づいて、ステージ駆動系２は不図示の駆動機構（リニアモータなど）を介してレチクルステージ２２の位置及び速度を制御する。レチクルステージ２２、ステージ駆動系２、駆動機構、及びレーザ干渉計等からレチクルステージ系が構成されている。また、レチクルＲの周辺部の上方には、レチクルアライメント用のレチクルアライメント顕微鏡（不図示）が配置されている。

一方、ウエハＷは、ウエハホルダ２４を介してウエハステージＷＳＴ上に吸着保持され、ウエハステージＷＳＴはウエハベース２７上でＹ方向に一定速度で移動すると共に、Ｘ方向、Ｙ方向にステップ移動するＸＹステージ２６と、Ｚチルトステージ２５とを備えている。Ｚチルトステージ２５によって、その上のウエハＷのＺ方向の位置（フォーカス位置）、Ｘ軸回りの回転角、及びＹ軸回りの回転角を制御することができる。

更に、例えば特開平６−２８３４０３号公報等に開示されているとともに、照射系及び受光系から成る斜入射方式の多点のオートフォーカスセンサ（不図示）が設けられており、このオートフォーカスセンサによって被検面（例えばウエハＷの表面）の投影光学系ＰＬの像面に対するデフォーカス量と、Ｘ軸及びＹ軸の回りの傾斜角とを求めることができる。ステージ駆動系２は、そのオートフォーカスセンサの計測値に基づいて、露光中にウエハＷの上面が投影光学系ＰＬの像面に合焦されるように、Ｚチルトステージ２５を制御する。

また、ウエハステージＷＳＴのＸＹ平面内での位置、及びＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の回りの回転角は不図示のレーザ干渉計によって計測され、この計測値及び主制御系１からの制御情報に基づいて、ステージ駆動系２は不図示の駆動機構（リニアモータなど）を介してウエハステージＷＳＴの動作を制御する。ウエハホルダ２４、ウエハステージＷＳＴ、ステージ駆動系２、駆動機構、及びレーザ干渉計等からウエハステージ系が構成されている。

更に、投影光学系ＰＬの側面には、ウエハアライメント用のオフ・アクシス方式で画像処理方式のアライメントセンサＡＬＧが配置されており、アライメントセンサＡＬＧの検出信号を不図示のアライメント信号処理系で処理することによって、例えばアライメントセンサＡＬＧの検出中心に対する被検マークのＸ方向、Ｙ方向への位置ずれ量を求めることができる。その位置ずれ量に基づいて主制御系１はウエハＷのアライメントを行う。アライメントセンサＡＬＧは、必要に応じて重ね合わせ誤差等の計測時に、２つのマークの位置ずれ量計測用のセンサとしても使用できる。また、ウエハステージＷＳＴ上のウエハホルダ２４の近傍には、露光領域２１Ｗよりも大きい受光面を有する照射量モニタ（不図示）と、ピンホール状の受光部３０Ａを有する照度センサ２９とが固定され、これらの２つのセンサの検出信号は露光量制御系３に供給される。

露光時には、レチクルステージ２２及びウエハステージＷＳＴを駆動して、露光光ＩＬを照射した状態でレチクルＲとウエハＷ上の一つのショット領域とをＹ方向に同期走査する動作と、ウエハステージＷＳＴを駆動してウエハＷをＸ方向、Ｙ方向にステップ移動する動作とが繰り返される。これによって、ステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷ上の各ショット領域にレチクルＲのパターン像が露光される。

次に、本例の投影露光装置において、ウエハＷ上の第Ｎ層（Ｎは１以上の整数で、これを第１層（一の層）と呼ぶ。）の回路パターンに対するその上の第Ｍ層（ＭはＮより大きい整数で、これを第２層（他の層）と呼ぶ）の回路パターンの重ね合わせ誤差を計測する際の動作の一例につき説明する。
先ず、その重ね合わせ誤差計測に使用できるマスクとしてのレチクルＲのパターンにつき図２、図４を参照して説明する。

図２（Ａ）に示すように、レチクルＲのパターン領域のほぼ全面に、Ｘ方向に所定間隔でＩ列（Ｉは２以上の整数）に、かつＹ方向に所定間隔でＪ行（Ｊは２以上の整数）に、複数の同じ矩形の枠状の計測用マーク３１（ｉ，ｊ）（ｉ＝１〜Ｉ，ｊ＝１〜Ｊ）が形成されている。また、これらの計測用マーク３１（ｉ，ｊ）の間に、実際の半導体デバイス用の原版パターン（不図示）が密集して多数形成されている。その原版パターンの内、Ｘ方向にほぼ最も小さいピッチのライン・アンド・スペースパターン（以下、Ｌ＆Ｓパターンという。）よりなるＸ方向の密集線パターン３２Ｘ、及びこの密集線パターン３２Ｘを９０°回転した形状のＹ方向の密線集パターン３２Ｙのみが図示されている。なお、密集線パターン３２Ｘ，３２Ｙは、一例としてデューティ比が５０％で投影像の段階でのピッチが１２０ｎｍ程度であり、図２（Ａ）では分かり易くするためにピッチが大きく表現されている。

一つの計測用マーク３１（ｉ，ｊ）は、図２（Ｂ）の拡大図で示すように、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ所定間隔で形成された１対のラインマーク群３３Ａ，３３Ｂ、及び１対の遮光膜からなるＸ軸に平行なラインマーク３４Ａ，３４Ｂから構成されている。前者のラインマーク群３３Ａ及び３３Ｂの計測方向はＸ方向、後者のラインマーク３４Ａ及び３４Ｂの計測方向はＹ方向である。同じ形状のラインマーク群３３Ａ及び３３Ｂは、それぞれ透過部を背景としてＹ軸に平行な遮光膜からなる複数のラインマークをＸ方向に並べて形成したものである。それらの遮光膜としては、一例として透過率６％のハーフトーン膜（減光膜）が使用できるが、その代わりにほぼ完全な遮光膜又は透過率が６％とは異なるハーフトーン膜を使用してもよい。

図４（Ａ）は、図２（Ｂ）の一方のラインマーク群３３ＡのＹ方向の一部の拡大図を示し、この図４（Ａ）において、ラインマーク群３３Ａは、Ｙ軸に平行な幅Ｄ２のラインマーク３５の±Ｘ方向にそれぞれエッジ部３８Ａ及び３８Ｂ（境界部）に向かって、対称に線幅が同じか又は広くなる１本以上（本例では４本）のラインマーク３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ，３６Ｄ及び３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃ，３７Ｄ（ライン部）を密集して形成し、その外側に対称にそれぞれ次第に線幅が同じか又は広くなる１本以上（本例では３本）のラインマーク３６Ｅ，３６Ｆ，３６Ｇ及び３７Ｅ，３７Ｆ，３７Ｇ（ライン部）を密集して形成して構成されている。この場合、２つのエッジ部３８Ａ及び３８Ｂは、それぞれラインマーク３６Ｄ及び３７Ｄの外側のエッジであり、エッジ部３８Ａ及び３８Ｂで規定されるＸ方向の幅Ｄ１（＞Ｄ２）は、図２（Ｂ）のラインマーク３４Ａ（又は３４Ｂ）のＹ方向の幅と同じである。

また、エッジ部３８Ａ，３８Ｂに対して内側のラインマーク３６Ｄ，３７Ｄの幅がそれぞれエッジ部３８Ａ，３８Ｂに対して外側のラインマーク３６Ｅ，３７Ｅの幅よりも広く形成されている。更に、ラインマーク３６Ａ〜３６Ｇ及び３７Ａ〜３７ＧのＸ方向の配列のピッチは共通のピッチＰに設定され、本例ではそのピッチＰは、図２（Ａ）の密集線パターン３２ＸのＸ方向のピッチとほぼ等しく設定されている。そして、複数のラインマーク３６Ａ〜３６Ｇ及び３７Ａ〜３７ＧのＸ方向の幅は、エッジ部３８Ａ及び３８Ｂの内側では該エッジ部に向かって同じか又は次第に広くなり、エッジ部３８Ａ及び３８Ｂの外側では該エッジ部に向かって同じか又は次第に狭くなっている。

具体的に、図４（Ａ）のラインマーク群３３Ａでは、一例として投影像の段階で、中央のラインマーク３５の幅Ｄ２は１０４０ｎｍ、ピッチＰは１２０ｎｍ、エッジ部３８Ａ，３８Ｂの間の幅Ｄ１は２０００ｎｍ（２μｍ）であり、ラインマーク３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ，３６Ｄ，３６Ｅ，３６Ｆ，３６Ｇ（３７Ａ〜３７Ｇも同じ）の幅はそれぞれ７０ｎｍ、８０ｎｍ、９０ｎｍ、９０ｎｍ、２５ｎｍ、４５ｎｍ、４５ｎｍに設定されている。なお、ラインマーク３６Ａ〜３６Ｇの中では少なくともラインマーク３６Ｄ及び３６Ｅのみがあればよく、ラインマーク３６Ａ〜３６Ｇの本数は２本以上の任意の数でよい。そのため、中央の太いラインマーク３５の代わりに、例えばラインマーク３６Ａとほぼ同じ幅の複数のラインマークをほぼピッチＰでＸ方向に配列したＬ＆Ｓパターンを用いてもよい。

次に、図５（Ａ）は、図２（Ａ）のレチクルＲのパターンが露光されるウエハＷのショット配列を示し、この図５（Ａ）において、ウエハＷの表面はＸ方向、Ｙ方向に複数のショット領域ＳＡに区分され、図５（Ｂ）の拡大図で示すように、各ショット領域ＳＡの第１層には既にそれまでの工程によって、図２（Ａ）のレチクルＲの計測用マーク３１（ｉ，ｊ）の配列を実質的に図１の投影光学系ＰＬの投影倍率βで縮小した配列で、例えば凸又は凹のパターンよりなる複数の同じ形状の計測用マーク４０（ｉ，ｊ）（ｉ＝１〜Ｉ，ｊ＝１〜Ｊ）が形成されている。なお、仮に図１の投影光学系ＰＬが反転投影を行う場合でも、説明の便宜上、レチクルＲの投影光学系ＰＬによる像は正立像であるとして説明する。

一つの計測用マーク４０（ｉ，ｊ）は、図５（Ｃ）の拡大図で示すように、Ｘ方向に所定間隔で形成された１対のほぼＹ軸に平行なラインマーク４１Ａ及び４１Ｂと、Ｙ方向に所定間隔で形成された１対のほぼＸ軸に平行なラインマーク４２Ａ及び４２Ｂとから構成されている。ラインマーク４１Ａ，４１Ｂ及び４２Ａ，４２Ｂの計測方向はそれぞれＸ方向及びＹ方向である。なお、ラインマーク４１Ａ，４１Ｂの代わりにＬ＆Ｓパターン、又は図２（Ｂ）のラインマーク群３３Ａ，３３Ｂと同様のマークを投影して形成されるマークを用いてもよい。例えば図５（Ａ）の第１層にパターンが形成される前のウエハＷ上にレジストを塗布し、図２（Ａ）の計測用マーク３１（ｉ，ｊ）の部分に計測用マーク４０（ｉ，ｊ）の原版パターンが形成された別のレチクルのパターンの像を、ウエハＷ上の各ショット領域ＳＡに露光した後、パターン形成プロセスを経ることによって、図５（Ｂ）の複数の計測用マーク４０（ｉ，ｊ）を形成することができる。

次に、図２（Ａ）のレチクルＲに対する照明条件を設定するために、図１の照明系開口絞り部材１１を回転して露光光ＩＬの光路上に、図３に示す２極照明用の開口絞り１３Ｄを設置する。図３は、図１の照明光学系５の瞳面における開口絞り１３Ｄを示し、この中心が照明光学系５の光軸に合致している。また、図３のＸ方向及びＹ方向はそれぞれ図２（Ａ）のレチクルＲ上のＸ方向及びＹ方向に対応しており、開口絞り１３Ｄの光軸を挟んで光量が大きい２つの領域（２次光源）は、図２（Ｂ）の計測用マーク３１（ｉ，ｊ）のラインマーク群３３Ａ，３３Ｂの計測方向（Ｘ方向）に対応する方向に離れている。これによって、計測用マーク３１（ｉ，ｊ）は、２極照明方式でＸ方向に対称に傾斜した露光光ＩＬによって照明される。

なお、計測用マーク３１（ｉ，ｊ）が、図２（Ｂ）のマークを９０°回転したマークである場合には、開口絞りとしても図３の開口絞り１３Ｄを９０°回転した２極照明用の開口絞りが使用される。また、図２（Ｂ）の計測用マーク３１（ｉ，ｊ）のラインマーク３４Ａ，３４Ｂとしても、ラインマーク群３３Ａ，３３Ｂを９０°回転した形状のマークを用いる場合には、開口絞りとしては、光軸の周りにＸ軸及びＹ軸に対して４５°で交差する方向に離れた４個の開口（２次光源）を持つ変形照明用の開口絞りを使用すればよい。

その後、図５（Ａ）のウエハＷ上にポジ型レジストを塗布し、その上に図５（Ａ）の軌跡３９に沿って図１の露光領域２１Ｗを走査露光方式で相対移動する（実際にはウエハＷ側が移動する）ことによって、ウエハＷ上の各ショット領域ＳＡに順次図２（Ａ）のレチクルＲのパターンの像ＲＰを露光する（第１工程）。次に、ウエハＷ上のレジストの現像を行うことによって、ウエハＷ上の各ショット領域ＳＡの第２層において、図５（Ｃ）に示すように、計測用マーク４０（ｉ，ｊ）（第１マーク）の外側に図２（Ｂ）の計測用マーク３１（ｉ，ｊ）（第２マーク）の像としての計測用レジストマーク３１（ｉ，ｊ）Ｐが形成される。内側の計測用マーク４０（ｉ，ｊ）と外側の計測用レジストマーク３１（ｉ，ｊ）Ｐとからボックス・イン・ボックスマークが形成される。計測用レジストマーク３１（ｉ，ｊ）Ｐは、図２（Ｂ）のラインマーク群３３Ａ，３３Ｂの像よりなるレジストマーク部３３ＡＰ，３３ＢＰと、ラインマーク３４Ａ，３４Ｂの像よりなるレジストマーク３４ＡＰ，３４ＢＰとから構成されている。

次に、例えばレジストレーション計測装置を用いて、ウエハＷから選択された所定個数のショット領域ＳＡにおいて、それぞれ図５（Ｃ）の計測用マーク４０（ｉ，ｊ）の中心に対する計測用レジストマーク３１（ｉ，ｊ）Ｐの中心のＸ方向、Ｙ方向の位置ずれ量を計測する（第２工程）。そして、例えば一つのショット領域ＳＡ内の複数の位置ずれ量の計測値を用いることによって、ウエハＷ上のショット領域ＳＡの第１層のデバイスパターンに対する第２層のデバイスパターンの２次元的な重ね合わせ誤差を計測できる（第３工程）。また、例えば図５（Ｂ）の第１層のショット領域ＳＡの計測用マーク４０（ｉ，ｊ）の位置を予め高精度に計測しておき、各計測用マーク４０（ｉ，ｊ）に対する計測用レジストマーク３１（ｉ，ｊ）Ｐの位置ずれ量を計測することによって、ダイナミック・ディストーションを計測でき、静止状態での位置ずれ量を計測することによって、投影光学系ＰＬのディストーションを計測できる。

この場合に本例の計測用マーク３１（ｉ，ｊ）のラインマーク群３３Ａは、図４（Ａ）に示すように、ラインマーク３５及びこの両側に密集して形成された複数のラインマーク３６Ａ〜３６Ｇ，３７Ａ〜３７Ｇから構成されている。そのため、その像に対応する現像後のレジストマーク部３３ＡＰは、図４（Ｂ）に示すように、図４（Ａ）のエッジ部３８Ａ，３８Ｂの外側の細いラインマーク３６Ｅ，３６Ｆ，３６Ｇ及び３７Ｅ，３７Ｆ，３７Ｇの像は消えており、その内側の太いラインマーク３６Ａ〜３６Ｄ，３７Ａ〜３７Ｄの像に対応するレジストマーク３６ＡＰ〜３６ＤＰ，３７ＡＰ〜３７ＤＰ及び中央のラインマーク３５の像に対応するレジストマーク３５Ｐのみが形成されている。言い換えると、レジストマーク部３３ＡＰは、図４（Ａ）のラインマーク群３３Ａのエッジ部３８Ａ及び３８Ｂの像３８ＡＰ及び３８ＢＰの内側の幅Ｄ１×β（βは投影倍率）のレジストマーク３５Ｐ，３６ＡＰ〜３６ＤＰ，３７ＡＰ〜３７ＤＰのみから形成されている。

このように本例のレジストマーク部３３ＡＰの計測方向の両側には、ピッチＰの密集線パターンの像と同様のレジストマーク３６ＡＰ〜３６ＤＰ，３７ＡＰ〜３７ＤＰが形成されているため、例えばエッジ部の像３８ＡＰ及び３８ＢＰのＸ方向の位置の中心をレジストマーク部３３ＡＰの計測位置として求めた場合に、その計測位置と図２（Ａ）のデバイスパターンであるほぼピッチＰの密集線パターン３２Ｘの像との位置関係は、レチクルＲ上での計測用マーク３１（ｉ，ｊ）（図２（Ｂ）のラインマーク群３３Ａ）と密集線パターン３２Ｘとの位置関係を投影倍率で換算した位置関係に正確に合致する。従って、本例の方法で計測される重ね合わせ誤差は、正確に第１層の回路パターンと密集線パターン３２Ｘの像に対応する第２層のほぼ最も微細な回路パターンとの重ね合わせ誤差となり、異なる層間の実際の回路パターン同士の重ね合わせ誤差を高精度に計測できる。そして、この計測結果に基づいて、次の露光時にはウエハＷの位置に対して、その重ね合わせ誤差を相殺するようなオフセット（補正情報）を加えることによって、高い重ね合わせ精度を得ることができ、ひいては微細パターンよりなる半導体デバイスを高い歩留りで高精度に量産できる。

次に、図４（Ａ）のラインマーク群３３Ａの像のシミュレーション結果の一例につき図６〜図８を参照して説明する。シミュレーションの条件は、露光波長がＡｒＦ（１９３ｎｍ）、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡが０．９２、図３の２極照明用の開口絞り１３Ｄの外径のコヒーレンスファクタが０．９５である。
図６（Ａ）、（Ｂ）は、図２（Ｂ）の１本のラインマーク３４Ａを９０°回転したマーク、即ち従来型のマークの像強度分布を示し、横軸は投影像の位置（ｎｍ）、縦軸は像強度（任意単位）である。また、図６（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれデフォーカス量が０、１００ｎｍの場合の像強度を示す。

一方、図７（Ａ）、（Ｂ）は、図６に対応させて、図２（Ｂ）のラインマーク群３３Ａ、即ち本例のマークの像強度分布を示し、図７（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれデフォーカス量が０、１００ｎｍの場合の像強度を示す。図６と図７との比較から、図７（Ａ）及び（Ｂ）の本例のマークの像強度分布は、デフォーカス量が変化しても像形状が安定しており、位置の計測精度が低下しないため、常に高精度に重ね合わせ誤差等を計測できることが分かる。

また、図８は、波面収差のシミュレーション結果の一例を示し、図８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の横軸は波面収差を表す７次〜３４次までの８個のツェルニケ多項式の係数Ｚ７，Ｚ１０，Ｚ１４，Ｚ１９，Ｚ２３，Ｚ２６，Ｚ３０，Ｚ３４を示し、縦軸は、各ツェルニケ多項式の係数で表される収差に対応するツェルニケ感度（ｎｍ／λ）（λは露光波長）を示す。また、図８（Ａ）は、図２（Ａ）のデバイスパターンである密集線パターン３２Ｘの像の波面収差、図８（Ｂ）は、図２（Ｂ）の１本のラインマーク３４Ａを９０°回転した従来型のマークの像の波面収差、図８（Ｃ）は図２（Ｂ）のラインマーク群３３Ａ、即ち本例のマークの像の波面収差を示す。

さらに、図８（Ａ）〜（Ｃ）のツェルニケ多項式Ｚ７〜Ｚ３４のツェルニケ感度は、それぞれ露光量を適正露光量に対して−５％にした場合（グラフ４３Ａ）から、０％、＋５％、＋１０％、＋２５％、＋５０％（グラフ４３Ｆ）にした場合についてのシミュレーション結果を表している。それらの比較から、図８（Ａ）（密集線パターン）の波面収差の傾向は、図８（Ｂ）（従来型のマーク）の波面収差よりも、図８（Ｃ）（本例のラインマーク群３３Ａ）の波面収差の傾向に近いことが分かる。従って、本例のラインマーク群３３Ａを用いることによって、投影光学系ＰＬに収差が残存している場合にも、実際のデバイスパターンである密集線パターンの像の位置ずれ量により近い高い精度で重ね合わせ誤差を計測することができる。

なお、上記の実施形態において、図５（Ｃ）の第１層のラインマーク４１Ａとして図２（Ｂ）のラインマーク群３３Ａと同様の原版マークから形成されるマークを用いる場合、その原版マーク（仮にラインマーク群４４Ａとする）とラインマーク群３３Ａとを図９（Ａ）及び（Ｂ）に示すように同一のレチクル上に形成しておいてもよい。この場合、図９（Ａ）のラインマーク群３３Ａと図９（Ｂ）のラインマーク群４４Ａとはそのレチクル上で例えばＸ方向に所定間隔ΔＸだけ離して形成しておき、第１層にラインマーク群４４Ａの像を露光する際には、ラインマーク群３３Ａをレチクルブラインドによる遮光領域４５Ｂ内に入れておき、第２層にラインマーク群３３Ａの像を露光する際には、ウエハ側をその所定間隔ΔＸに対応させてステップ移動した後、図９（Ａ）に示すように、ラインマーク群４４Ａをレチクルブラインドによる遮光領域４５Ａ内に入れておけばよい。

また、上記実施形態では第２層に転写される原版パターンが形成されるレチクルに計測用マーク３１（ｉ，ｊ）を設けるものとしたが、原版パターンを有するレチクルとは別のレチクルに計測用マーク３１（ｉ，ｊ）を設けてもよい。この場合、原版パターンを第２層に転写する露光工程とは別に、前述と同様に、計測用マーク３１（ｉ，ｊ）を有するレチクルを用いて露光を行って重ね合わせ誤差を計測しておく。このとき、露光工程では原版パターンと同じ露光条件（少なくとも照明条件を含む）で計測用マークを露光することが好ましく、前述した複数の計測用マーク４０（ｉ，ｊ）が形成されたウエハが用いられる。なお、デバイス製造用のレチクルとは別の計測専用のレチクルに計測用マーク３１（ｉ，ｊ）を設ける場合、複数種類のデバイスパターンにそれぞれ好適な計測用マークを同一の計測専用レチクルに形成してもよい。

また、上記実施形態では現像工程を経てウエハ上に形成される計測用マーク３１（ｉ，ｊ）のレジストマークを検出するものとしたが、さらにエッチング工程を経て得られるマーク像を検出して前述の重ね合わせ誤差を計測するようにしてもよい。この場合、現像工程とエッチング工程との間に行われるキュア（加熱処理）などによってウエハ上のデバイスパターンの線幅が変動しても、その変動を加味した重ね合わせ誤差を計測することができる。

また、上記の実施形態の投影露光装置を用いて半導体デバイスを製造する場合、この半導体デバイスは、デバイスの機能・性能設計を行うステップ、このステップに基づいてレチクルを製造するステップ、シリコン材料からウエハを形成するステップ、上記の実施形態の投影露光装置によりアライメントを行ってレチクルのパターンをウエハに露光するステップ、エッチング等の回路パターンを形成するステップ、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程を含む）、及び検査ステップ等を経て製造される。

なお、本発明は、走査露光型の投影露光装置のみならず、一括露光型の投影露光装置、及び例えば国際公開第９９／４９５０４号パンフレットなどに開示される液浸型露光装置で重ね合わせ誤差等を計測する場合にも適用することができる。また、上記の実施形態のレチクルＲの代わりに、例えば液晶ディスプレイのような可変パターンを形成できるパターン生成装置を用いてもよい。

また、本発明は、半導体デバイスのみならず、例えば角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置、並びに撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグラフィ工程を用いて製造する際の、露光工程（露光装置）にも適用することができる。このように、本発明は上述の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。

本発明により、重ね合わせ誤差等を計測する際に、実際のデバイスパターンの誤差に近い計測値を得ることができる。従って、その計測値に基づいて補正を行うことによって、微細パターンからなる各種デバイスをより高精度に製造することが可能になる。

本発明の実施形態の一例の投影露光装置を示す斜視図である。 （Ａ）はレチクルＲ上の計測用マークの配置を示す平面図、（Ｂ）は計測用マークを示す拡大図である。 ２極照明用の開口絞り１３Ｄを示す図である。 （Ａ）はラインマーク群３３Ａを示す拡大図、（Ｂ）はラインマーク群３３Ａの像に対応するレジストマーク部３３ＡＰを示す拡大図である。 （Ａ）はウエハＷのショット配列を示す図、（Ｂ）はショット領域内の計測用マークの配置を示す図、（Ｃ）は計測用マークを示す拡大図である。 従来型マークの像強度のシミュレーション結果を示す図である。 実施形態のマークの像強度のシミュレーション結果を示す図である。 各種マークの波面収差のシミュレーション結果を示す図である。 レチクル上に２つのラインマーク群を形成する場合の説明図である。

符号の説明

Ｒ…レチクル、ＰＬ…投影光学系、Ｗ…ウエハ、１…主制御系、５…照明光学系、３１（ｉ，ｊ）…計測用マーク、３１（ｉ，ｊ）Ｐ…計測用レジストマーク、３３Ａ…ラインマーク群、３３ＡＰ…レジストマーク部、４０（ｉ，ｊ）…計測用マーク、４１Ａ…ラインマーク

Claims (17)

1. 第１マーク上に第２マークの像を重ねて露光し、前記第１マークと前記第２マークの像との位置ずれ量を計測する計測方法において、
   前記第２マークは、透過率が周囲の部分より低い複数のライン部を備え、
   所定の境界部に対して内側の前記ライン部の幅が前記境界部の外側の前記ライン部の幅よりも広いことを特徴とする計測方法。
2. 前記複数のライン部の配列ピッチが互いに等しいことを特徴とする請求項１に記載の計測方法。
3. 前記複数のライン部の幅が、前記境界部の内側では前記境界部に向かって次第に広くなり、前記境界部の外側では前記境界部に向かって次第に狭くなることを特徴とする請求項１又は２に記載の計測方法。
4. 前記境界部は、前記第２マークの中心を計測方向に挟むように２箇所に設定され、
   前記第２マークの像を露光する際に、前記計測方法に対応する方向に離れた２箇所の２次光源からの照明光で前記第２マークを照明することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の計測方法。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の計測方法を用いて異なる層に形成されるデバイスパターンの重ね合わせ誤差の補正情報を求める工程と、
   一の層のデバイスパターンに重ね合わせて他の層にデバイスパターンを形成するために、前記補正情報に基づいて前記一の層及び他の層を含む感光体上にデバイス用のパターンを転写する工程と、を含むことを特徴とするデバイス製造方法。
6. 一の層の上に他の層のデバイスパターンの像を露光する際の重ね合わせを管理するための露光方法において、
   前記一の層上に第１マークを形成しておき、前記一の層上に、前記他の層のデバイスパターンとともに第２マークが形成されたマスクパターンの像を重ねて露光する第１工程と、
   前記一の層上の前記第１マークと前記第２マークの像との位置ずれ量を計測する第２工程とを有し、
   前記第２マークは、透過率が周囲の部分より低い複数のライン部を備え、
   所定の境界部に対して内側の前記ライン部の幅が前記境界部の外側の前記ライン部の幅よりも広いことを特徴とする露光方法。
7. 前記複数のライン部の配列ピッチが互いに等しいとともに、
   前記デバイスパターン中に前記配列ピッチと実質的に等しいピッチのライン・アンド・スペースパターンが含まれていることを特徴とする請求項６に記載の露光方法。
8. 前記境界部は、前記第２マークの中心を計測方向に挟むように２箇所に設定され、
   前記複数のライン部の幅が、前記境界部の内側では前記境界部に向かって次第に広くなり、前記境界部の外側では前記境界部に向かって次第に狭くなり、
   前記他の層のマスクパターンの像を露光する際に、前記計測方法に対応する方向に離れた２箇所の２次光源からの照明光で前記マスクパターンを照明することを特徴とする請求項６又は７に記載の露光方法。
9. 前記他の層のパターンは投影光学系を介して投影され、
   前記第２工程の計測結果に基づいて、前記投影光学系のディストーション又は前記一の層と前記他の層との重ね合わせ誤差を求める第３工程を含むことを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載の露光方法。
10. 請求項６から９のいずれか一項に記載の露光方法を用いてデバイス用のパターンを感光体上に転写する工程を含むことを特徴とするデバイス製造方法。
11. 投影像の位置ずれ量を計測するために使用される計測用マークであって、
    透過率が周囲の部分より低い複数のライン部を備え、
    所定の境界部に対して内側の前記ライン部の幅が前記境界部の外側の前記ライン部の幅よりも広いことを特徴とする計測用マーク。
12. 前記複数のライン部の配列ピッチが互いに等しいとともに、
    前記複数のライン部の幅が、前記境界部の内側では前記境界部に向かって次第に広くなり、前記境界部の外側では前記境界部に向かって次第に狭くなることを特徴とする請求項１１に記載の計測用マーク。
13. 前記境界部は、前記計測用マークの中心を計測方向に挟むように２箇所に設定されたことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の計測用マーク。
14. デバイスパターンが形成されたマスクにおいて、
    前記デバイスパターンとともに請求項１１から１３のいずれか一項に記載の計測用マークが形成されたことを特徴とするマスク。
15. 一の層の上に他の層のデバイスパターンの像を露光する際の重ね合わせの管理に用いられるマスクであって、
    請求項１１から１３のいずれか一項に記載の計測用マークが形成されたことを特徴とするマスク。
16. 前記計測用マークは、前記デバイスパターンの露光工程とは異なる前記重ね合わせ管理のための露光工程で用いられることを特徴とする請求項１５に記載のマスク。
17. 前記複数のライン部の配列ピッチが互いに等しいとともに、
    前記デバイスパターン中に前記配列ピッチと実質的に等しいピッチのライン・アンド・スペースパターンが含まれていることを特徴とする請求項１４から１６のいずれか一項に記載のマスク。

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