JP4153304B2 - オーバーレイの測定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、リソグラフィック投影装置を使用したリソグラフィック製造プロセスにおいて、周期p1を持つ周期構造を有する少なくとも１つの基板オーバーレイ・マークと、周期p2を持つ周期構造を有するレジスト・オーバーレイ・マークとを使用して、マスク・パターンが結像されるレジスト層と基板との間のオーバーレイの測定方法に関する。
更に本発明は、リソグラフィック投影装置による、このオーバーレイ測定方法を用いる素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リソグラフィック投影装置は、拡散技術とマスク技術による集積回路(IC)の製造には、不可欠な手段である。この装置によって、異なるマスク・パターンを持ついくつかのマスクが、半導体基板上の同じ位置に連続的に結像される。
【０００３】
基板とは、いくつかの連続した処理ステップの集合を使用してICなどの完全な素子が、多層構造で形成されている、シリコンなどの物質のプレートを意味するものと理解すべきである。これらのステップの各集合は、主要な処理ステップとして、基板にレジスト層を塗布するステップ、基板をマスク位置に位置合わせするステップ、マスクのパターンをこのレジスト層に結像させるステップ、このレジスト層を現像するステップ、このレジスト層によりこの基板をエッチングするステップ、クリーニングステップなどの処理ステップを有する。基板という用語は、素子の製造プロセスにおける様々なステップでの各基板、すなわち、素子の特徴が1層にしかない基板、素子の特徴が1層以外のすべてにある基板、およびそれらの中間のすべての基板、を含む。
【０００４】
基板には、異なるマスク・パターンを連続して投影する間に、必要な物理的かつ化学的な変化を起こさせなければならない。このために、基板は、マスク・パターンを露光させた後、投影装置から取り出さなければならない。基板は、必要な処理ステップを行った後、第2のマスク・パターン、さらに他のマスク・パターンを基板に露光させるために、再度、この投影装置の同じ位置に配置させなければならない。次に、第2のマスク・パターン像とその次の各マスク・パターンとを、基板に既に形成されている素子に対して、正確に位置決めしなければならない。このために、リソグラフィック投影装置は、基板上の位置合わせマークを、マスク上の位置合わせマークに対して位置合わせする位置合わせシステムを備えている。この位置合わせシステムは、位置合わせの偏差を測定するための光学位置合わせ測定システムを有する。
【０００５】
ここで位置合わせとは、ウエハが投影装置内に存在するときに、マスクと基板の重ね合わせを確保するプロセスを意味するものと理解すべきである。オーバーレイとは、あるレベルのマスク・パターンとその次のレベルのマスク・パターンとが、露光後に重なり合っている程度を意味するものと理解される。位置合わせは、マスク位置合わせマークと基板位置合わせマークを使用して行われる。位置合わせは、ICなどの素子を製造するプロセスに必要なステップであるが、多くの誤差要素が含まれるため、基板に形成される第1レベルのパターンと第2レベルのパターンとの間に十分なオーバーレイは保証されない。オーバーレイの精度は、主に、ウエハステージの精度、位置合わせ測定システムの精度、基板の変形により発生する誤差の拡大、マスク上におけるパターン配置の精度に依存する。素子の寸法が減少するにつれて、オーバーレイの精度向上がなお一層必要になる。従って、オーバーレイの誤差を修正するために、正確でかつ信頼できるオーバーレイ測定が一層重要になる。
【０００６】
オーバーレイの誤差を修正するための従来の手順においては、必要なパターンを第1の基板レベルに設けた後、次の基板レベルのパターンをこの基板上に被覆されたレジストに結像させる。次に、この基板を投影装置から取り外し、レジストを現像し、そして現像されたパターン像と第1の基板レベルのパターンとの間のオーバーレイを、独立型の精度測定システム、通常は走査電子顕微鏡(SEM)で測定する。オーバーレイ誤差の修正要因を計算して、それを露光装置とも呼ばれる投影装置に供給し、オーバーレイを修正する。オーバーレイ誤差を修正した後、バッチ処理のウエハをすべて露光する。
【０００７】
オーバーレイの測定には、従来は「KLA方法」として知られている方法が用いられている。この方法には、ボックスインボックス型のオーバーレイ・マークが使用される。第1レベルのオーバーレイ・マークとレジスト層のオーバーレイ・マークのマークが、同じ形状（通常は正方形のような外形）を有し、一方のマークが他方のマーク内に収まるように、一方のマークの寸法は他方のマークの寸法よりも小さい。マークの相互の方位と、これらの2つのマークの対応する外郭線間の距離との測定により、オーバーレイの精度が決る。
【０００８】
記事 「サブマイクロメータのリソグラフィック・アラインメントとオーバーレイ対策"Submicrometer lithographic alignment and overlay strategies" in: SPIE Vol. 1343 X-ray/ EUV Optics for Astronomy, Microscopy, Polarimetry and Projection Lithography, 1990, pp. 245-255.)」 は、位置合わせとオーバーレイの精度の測定に、光モアレ技術を用いることができることを開示している。モアレパターンは、格子状のストリップの周期または方位が異なる２つの回折格子によって生じる。これらの回折格子を重ね合わせそしてそれらを照射したときのそれらの効果を観察する一実験が、記載されている。2つの回折格子が、同じレジスト層内に交互に、露光と露光との間でレジストを現像させずに、結像される。オーバーレイ測定については、長周期のモアレ縞により発生する、短周期の回折格子間の偏移の増加が、結果として、2つの回折格子間のオーバーレイを測定するのに効果的な手法となると言うことしか、記載されていない。さらに、異なる縞パターンの位相、すなわちモアレパターンを、回折格子のマークの縁などの外部基準と比較することにより、オーバーレイを直接測定できることも述べられているが、そのような比較をどのように実施すべきかという点については説明されていない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、独立型の測定システムが不要で、リソグラフィック投影装置を効率的に使用するオーバーレイ測定方法を実現することを目的とする。この方法は、前記装置の一部を形成し、かつ周期p1およびp2よりも実質上長い周期psを持つ周期構造を有する、基板の位置合わせマークの位置合わせを、周期prを持つ周期構造を有する基準マークに対して測定することを目的とする位置合わせ測定装置を使用し、かつ前記基板のオーバーレイ・マークおよびレジスト・オーバーレイ・マークが照射されると直ちに発生し、かつ前記周期prに適合化されている周期pbを有する干渉パターンを、位置合わせビームの放射により当該基準マークに結像させることを特徴とする。
【００１０】
この新規な方法には、回折周期がやや異なる2つの短周期の回折格子間におけるオーバーレイを測定する既存の測定システムの新しい使用方法が含まれる。
【００１１】
基板オーバーレイ・マークの周期p1およびレジスト・オーバーレイ・マークの周期p2は、投影システムの解像力の程度であることが好ましい。周期が短いために、この新規な方法は、オーバーレイの小さな誤差を測定することができる。干渉パターンの周期、つまりモアレパターンは、基板位置合わせマークの周期とレジスト位置合わせマークの周期で決まる。周期p1と周期p2を適切に選択して、干渉パターンの周期を従来の基板位置合わせマークの周期に等しくさせて、この方法を従来の位置合わせデバイスでも実施できるようにすることもできる。実際のオーバーレイ誤差は、この新規な方法によって拡大されるので、小さなオーバーレイ誤差でも、干渉パターンを参照位置合わせマークからかなり大きく変位させ、その結果位置合わせユニットからのオーバーレイ信号が大きく変化することになる。このことは、測定精度を著しく向上させるために、検出器の信号をそれほど補間する必要がないことを意味する。この新規な方法によるオーバーレイ誤差は、相対的に広い領域全体に渡って平均化された信号であるため、この信号は、表面の局所的な変形の影響を受けにくい。
【００１２】
記事「潜像を化学的に増強されたレジストに使用したオーバーレイの精度測定技術 "Overlay Accuracy Measurement Technique Using the Latent Image on a Chemically Amplified Resist" in: Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 35, 1996, pp. 55-60.)」が、この装置のスループットを減少させないために、露光装置に含まれる位置合わせセンサーをオーバーレイの精度測定に使用することができることを開示していることは、留意すべきである。しかしながら、オーバーレイ回折格子マークは１つしか使用されていない。2本のレーザー光をこのマークに照射すると相互に干渉し、ビート信号が生じる。このビート信号の位相、つまりオーバーレイ・マークの変位に関する情報は、位相の変化を参照ビート信号の位相と比較することにより検出される。
【００１３】
オーバーレイの測定に使用される位置合わせ測定システムは、この装置の、例えば、投影レンズシステムの、投影システムを使用して基板位置合わせマークをマスク位置合わせマークに直接結像させる、いわゆるオン・アクシス・デバイスとすることが出来る。このデバイスは、スルー・ザ・レンズ(TTL)位置合わせデバイスとしても公知である。この位置合わせデバイスは、オフ・アクシス・デバイスでもよい。このデバイスの場合、基板位置合わせマークが、装置の投影システムの投影領域外に配置された基準位置合わせマークに結像される。将来性が非常に高いオフ・アクシス・デバイスの実施例では、基板位置合わせマークは、投影コラムの外側に配置された基準マークにより、基板ホルダーの位置合わせマークに対して位置合わせする。この最初の位置合わせのステップでは、基板を持つ基板ホルダーを投影コラムの外側に位置決めする。最初の位置合わせステップの後、基板ホルダーを投影コラム内に位置決めし、第２の位置合わせステップで、基板位置合わせマークを、投影レンズを介してマスク位置合わせマスクに結像させる。
【００１４】
リソグラフィック投影装置は、ICの製造のみならず、ほぼ1 μm以下の構造を有する他の構造の製造にも使用できる。例としては、集積化されたまたは平坦な、光学システムの構造、磁気ドメインメモリの導波型および検出用パターン、液晶表示パネルの構造、および磁気ヘッドがある。これらの構造を製造する場合においても、マスク・パターン像は、基板に対して極めて正確に位置合わせしなければならない。
【００１５】
リソグラフィック投影装置は、ステッピング装置またはステップアンドスキャン装置でよい。ステッピング装置の場合、マスク・パターンは、基板のIC領域に一回の動作で結像させる。次に、マスクに対して基板を移動させ、次のIC領域をマスク・パターンと投影レンズシステムの下に位置決めし、マスク・パターンが次のIC領域に結像されるようにする。このプロセスを、基板のすべてのIC領域にマスク・パターン像が設けられるまで繰り返す。ステップ・アンド・スキャン装置では、上記のステッピング手順も行うが、マスク・パターンを一回の動作ではなく走査動作によって結像させる。マスク・パターンの写像時には、投影システムの倍率を考慮し、投影システムと投影ビームに対して、基板をマスクと同時に移動する。連続して露光されたマスク・パターン断片の一連の断片像が、並列してIC領域に結像される。マスク・パターンがIC領域に完全に写像された後、次のIC領域に対してステップを行う。可能な走査手順の１つが、記事「サブミクロンの 1:1 光リソグラフィー (Sub-micron 1:1 Optical Lithography" in Semiconductors International, May 1986, pp. 137-142.)」に掲載されている。
【００１６】
ICの製造を目的とし、１重式オン・アクシス位置合わせユニットを備えた光学リソグラフィック投影装置が、米国特許第4,251,160に開示されている。基板とマスク位置合わせマークは回折格子である。第1の基板位置合わせマークに対して第1のマスク位置合わせマークを位置合わせし、第2の基板位置合わせマークに対して第2のマスク位置合わせマークを配列する二重オン・アクシス位置合わせユニットが、米国特許第4,778,275号に開示されている。オフ・アクシス位置合わせユニットが国際特許出願第WO 98/39689号に、オン・アクシス位置合わせユニットとオフ・アクシス位置合わせユニットを両方備えた位置合わせシステムが米国特許第5,243,195号に開示されている。
【００１７】
オーバーレイ誤差を基準位置合わせマークに対する干渉パターンの像の位置から測定するためには、さらなる基準マークが必要である。このさらなる基準マークを使用する測定方法の実施例は、干渉パターンと実質的に同じ周期を有する基板基準マークを使用し、基板基準マークを基準マークに結像し、基準位置合わせマークに対する干渉パターンの像の位置と基板基準マークの像の位置との差を測定することを特徴とする。
【００１８】
各位置の当該差は、基板オーバーレイ・マークとレジスト・オーバーレイ・マーク間の変位である。基板基準マークは、広域位置合わせマークで構成することもできる。
【００１９】
グローバル位置合わせマークは、マスク位置合わせマークなどの基準位置合わせマークに対して基板を位置合わせするための周期構造を有する位置合わせマークを意味すると理解される。グローバル位置合わせマークの周期は、グローバル基板位置合わせマークをウエハ位置合わせマーク（原理的にはグローバル位置合わせマークである）に結像させる投影システムの解像度限界よりも、実質的に長い。
【００２０】
この測定方法に使用する各位置合わせマークは、周期的な場合は異なる構造を有していることがある。光学リソグラフィー技法ですでに使用されているそのような周期的な位置合わせマークとして、いわゆるジーメンス・スター(Siemens star)がある。
【００２１】
この方法は、基板オーバーレイ・マーク、レジスト・オーバーレイ・マーク、および基準マークに回折格子を使用することを特徴とすることが好ましい。
【００２２】
回折格子の構造は、位置合わせマークとして非常に適していることが証明されている。
【００２３】
レジスト・オーバーレイ・マークは、マスク・パターンの外側にマスク上に設けられた対応するマークをリソグラフィック装置を用いてレジスト層に結像させることによって、レジスト層に形成される。このマークの像が配置された基板層の領域を現像して、この現像されたマークの像を使用してこの測定方法を実行する。
【００２４】
この方法は、レジスト・オーバーレイ・マークが潜在マークであることを特徴とすることが好ましい。
【００２５】
潜在マークとは、潜在している、つまり現像されていないマスクマーク像と理解すべきである。このような潜在像を持つレジスト層は、入射ビームに対する位相効果が周囲と異なる、回折格子マークの場合には線形領域である領域を、有する。これらの効果は、マークを結像させるビームの強度変化によるものである。これらの変化は、この層の屈折率の局所的変化と、この層の局所的収縮をもたらす。これらの位相効果により、潜在オーバーレイ・マークは、位置合わせビームによって認識することが可能になる。潜在オーバーレイ・マークを使用することの利点は、この像を現像するために、レジスト層にマーク像を持つ基板をリソグラフィック装置から取り出す必要がない点である。
【００２６】
本発明は、この測定方法の様々な実施例となる、様々な態様で実施することができる。
【００２７】
第1の実施例は、オン・アクシス位置合わせデバイスを使用すること、および基準マークがマスク位置合わせマークであることを特徴とする。
【００２８】
この実施例においては、マスク・パターンを基板上に結像させることを目的とする投影システムを使用して、マスク位置合わせマスクに干渉パターンを結像させる。
【００２９】
この実施例は、さらに、オーバーレイ・マークからマスク位置合わせマークに照射される放射の回折次数を選択する光学フィルタを介して、干渉パターンをマスク位置合わせマークに結像させることを特徴とすることが好ましい。
【００３０】
この光学フィルタ、つまりダイヤフラムは、装置内の構成要素における不正反射などに起因するノイズ放射が、受光装置に到達することを阻止する。例えば、一次回折のみを選択して、干渉パターンをマスク位置合わせマークに結像させることによって、オーバーレイ測定の精度を２倍に増大させることができる。
【００３１】
この方法の第2の実施例は、オフ・アクシス位置合わせデバイスを使用することを特徴とする。
【００３２】
干渉パターンは、投影レンズの隣に配置されたオフ・アクシス位置合わせデバイスの一部を形成する基準位置合わせマークに結像される。このデバイスを使用すると、基板からの位置合わせビームのいくつかの回折次数（例えば、１次〜７次）を、個別に検出することができる。マスクは、オフ・アクシス位置合わせデバイスに対しても位置合わせされるので、基板とマスクは、間接的、つまり２ステップで位置合わせされる。オフ・アクシス位置合わせを使用した方法の利点のひとつは、それが、ＣＭＰプロセスパラメーターの影響をほとんど受けない点である。
【００３３】
本発明は、基板の少なくとも１つの層内に素子を製造する方法であって、
‐少なくとも１つのオーバーレイ・マークを備えるマスクを、第１の基板に対して位置合わせするステップ、
‐投影放射により、前記オーバーレイ・マークを前記基板上のレジスト層に結像するステップ、
‐前記レジスト層内に形成された前記オーバーレイ・マークと前記基板内のオーバーレイ・マークとの間のオーバーレイを測定しかつオーバーレイの誤差を修正するステップ、
‐投影放射により、レジスト層の当該層で構成されるべき素子の特徴に一致するパターンの特徴を有するマスク・パターンを、前記素子の特徴が形成されるべき各基板上に結像するステップ、
‐当該層の領域から物質を除去し、または前記領域に物質を加え、この領域に前記マスク・パターン像を描画するステップ、
の連続ステップの少なくとも１セットを有する製造方法にも関する。この方法は、前述の方法によってオーバーレイを測定することを特徴とする。
【００３４】
本発明に関するこれらの、または他の側面は、以下に説明されるされる実施例を参照して、これらに限定されることのない具体例によって明確になるであろう。
【００３５】
【発明を実施するための形態】
図1は、マスク・パターンを基板に連続的に結像させるためのリソグラフィック投影装置の原理と実施例を示す。この装置の主要な構成要素は、結像させるマスクMAを有するマスク・パターンCが配置された投影コラム、およびマスク・パターンに対して基板Wを位置決めできる可動式基板テーブルWTである。この装置は、さらに、フッ化クリプトンレーザーなどの放射源LAから成る照射ユニット、レンズシステムLS、反射鏡RE、コンデンサーレンズCOを有する。照射ユニットにより供給される投影ビームPBは、マスクテーブルMT内のマスクホルダー（図示せず）に配置されたマスクMA内にあるマスク・パターンCを照射する。
【００３６】
マスク・パターンCを通過する投影ビームPBは、投影コラム内に配置されていてかつ線図的にしか図示されていない投影レンズシステムPLを横切る。投影システムは、パターンCの像を基板WのIC領域、つまり、基板フィールドに連続的に形成する。投影レンズシステムは、例えば、1/4の倍率M、0.5以上のオーダの開口数、および0.25のオーダの直径を持つ回折が制限された画像フィールドを有する。これらの数値は任意なものであり、投影装置が新たに開発されるたびに変化する。基板Wは、例えば、空気ベアリングで支えられている基板テーブルWTの一部を形成するＮ基板ホルダー（図示せず）内に配置される。投影レンズシステムPLと基板テーブルWTは、下面が花崗岩などの底板BPによって塞がれ、かつ上面がマスクテーブルMTによって塞がれたハウジングHO内に配置される。
【００３７】
図1の右上端に示されるように、マスクは、2つの位置合わせマークM1とM2を有する。これらのマークは、回折格子により構成されるのが好ましいが、これに代えて、他の周期構造により形成してもよい。位置合わせマークは、2次元、すなわち、互いに直角の2つの方向、つまり、図1のX、Y方向に延在していることが好ましい。例えば、半導体の基板またはウエハである、基板Wは、複数の位置合わせマーク（図1には、2つの位置合わせマークP1とP2が示されている）を有する、この場合にも2次元の回折格子であることが好ましい。マークP1とP2は、マスク・パターンの像が形成されなければならない基板フィールドの外側に位置する。基板位置合わせマークP1とP2は、位相回折格子として形成することが好ましく、マスク位置合わせマークM1とM2は振幅回折格子として形成することが好ましい。
【００３８】
図2は、２つの同一の基板位相回折格子の1つを拡大したものである。このような回折格子は、4つのサブ回折格子P1,a, P1,b, P1,c, P1,dを有することができる。これらのうちの2つP1,bとP1,dの使用により、X方向の位置合わせが測定され、他の2つのサブ回折格子P1,aとP1,cの使用によりY方向の位置合わせが測定される。２つのサブ回折格子P1,bとP1,cは、例えば、16 μmの回折周期を有し、サブ回折格子P1,a とP1,dは、例えば、17.6 μmの回折周期を有する。各サブ回折格子は、表面領域が例えば、200 x 200 μm2に及ぶ。原則として0.1 μm未満である位置合わせの精度は、これらの回折格子マークと適切な光学システムとにより達成することができる。位置合わせ測定システムの取込み範囲を増加させるために、サブ回折格子に対して異なる回折周期が選択された。
【００３９】
図1は、位置合わせ測定システム、すなわち、二重位置合わせ測定システムの第1の実施例を示す。このデバイスにおいては、マスク位置合わせマークM2に対する基板位置合わせマークP2の位置合わせと、マスク位置合わせマークM1に対する基板位置合わせマークP1の位置合わせの測定に対し、2本の位置合わせビームbとb'が使用される。位置合わせ測定ビームbは、例えば、鏡である、反射要素30によってプリズム26の反射面27に反射される。表面27は、ビームbを基板位置合わせマークP2に反射させる。このマークは、放射の一部を、ビームb1として、マークP2が形成される対応マスク位置合わせマークM2に送る。マークM2を通過した放射を放射検出器13に導く、例えば、プリズムの、反射要素11は、マークM2の上方に配置されている。
【００４０】
第2の位置合わせを測定するビームb'は、ミラー31によって投影レンズシステムPLの反射器29に反射される。この反射器は、ビームb'をプリズム26の第2の反射面28に送り、この反射面はビームb'を基板の位置合わせマークP1に導く。このマークは、ビームb'の放射の一部を、ビームb1'として、マークP1の像が形成されるマスク位置合わせマークM1に送る。マークM1を通過したビームb1'の放射は、反射器11'により放射検出器13'に向けられる。二重位置合わせ測定システムの動作を、このようなデバイスのさらなる実施例を示す図3を参照して、詳細に説明する。
【００４１】
投影装置は、さらに、投影レンズシステムPLの画像面と基板Wの表面との間の偏差を測定するための焦点誤差検出システムを有する。測定された偏差は、投影レンズシステムを、基板ホルダーに対して投影レンズシステムの光軸に沿って移動させることにより修正することができる。焦点誤差検出システムは、投影レンズシステムのホルダーに固定して接続されたホルダー（図示せず）内に配置された要素40〜46によって構成することができる。要素40は、焦点検出ビームb3を発する、例えば、ダイオードレーザーの放射源である。このビームは、反射プリズム42により、小角度で基板Wに向けられる。この基板により反射された焦点検出ビームは、プリズム43により再帰反射器44に向けられる。この再帰反射器は、ビームをそれ自体の中で反射させるので、焦点検出ビームは、今度はb3'として、プリズム43に反射して基板へ、そしてこの基板からプリズム42へと、もう一度同じ光路を横切る。この反射した焦点検出ビームは、ビーム分離器41に到達し、これは、ビームを別の反射器45に反射させる。この反射器は、焦点検出ビームを放射検出システム46に送る。この検出システムは、例えば、位置反応性検出システムまたは2つの分離した検出器により構成される。ビームb3'により検出システム上に形成される放射点の位置は、投影レンズシステムの画像面が基板Wの表面に一致する程度に依存する。焦点誤差検出システムに関するさらなる説明は、US-A 4,356,392で参照することができる。
【００４２】
単色焦点・検出ビームを使用するこの焦点検出システムの代わりに、広帯域ビームを使用する焦点・傾き検出システムを使用することが好ましい。このような広帯域焦点・検出システムは、US-A 5,191,200に説明されている。
【００４３】
基板のXとY位置を極めて正確に測定するために、この装置は、測定軸を複数有する複合干渉計システムを有している。このシステムについては、１軸のサブシステムのみが、図１に示されている。このサブシステムは、例えば、レーザーの放射源50、ビーム分離器51、固定参照ミラー52、および放射検出器53を有する。放射源50から放出されたビームb4は、ビーム分離器によって測定ビームb4,mとb4,rに分割される。測定ビームは、基板テーブルの反射面の形態の測定ミラー、または好ましくは基板テーブルの一部を形成し、かつ基板が緊固に固定されている基板ホルダーの反射面側に到達する。測定ミラーにより反射された測定ビームは、参照ミラー52により反射された参照ビームとビーム分離器51により結合され、検出器53の位置で干渉パターンを形成する。複合干渉システムは、US-A 4,251,160に説明されているように、２つの測定軸を有するように実行させることが出来る。干渉計システムは、US-A 4,737,823に説明されているように、3つの測定軸を代わりに有するように実行させることができるが、EP-A 0 498 499に説明されるように、少なくとも５つの測定軸を持つシステムとすることが好ましい。
【００４４】
基板位置検出システムを複合干渉計システムの形で使用することにより、位置合わせマークP1 、P2とマークM1 、M2の位置、およびこれらのマークの相互距離を、干渉計システムが定める座標を持つシステムでの位置合わせ時に固定することができる。したがって、投影装置のフレームまたはこのフレームの構成要素を参照する必要がないため、このフレームが、例えば、温度変化、機械的変形などにより変化しても、それが測定に影響することはない。
【００４５】
図3は、投影レンズシステムに向かう位置合わせビームbとb'の結合方法が異なる点で図1の実施例とは異なる一実施例を参照して、二重位置合わせシステムの原理を示す。二重位置合わせデバイスは、投影レンズシステムPLの光軸AA'に対して対照に位置決めされた、分離した同一の２つの位置合わせシステムAS1とAS2を有する。位置合わせシステムAS1は、マスク位置合わせマークM2に関連し、位置合わせシステムAS2は、マスク位置合わせマークM2に関連する。２つの位置合わせシステムの一致する要素には、同じ参照符号が付され、システムAS2の番号は、'を付して区別されている。
【００４６】
まず、システムAS1の構造、およびマスク位置合わせマークM2と、例えば、基板位置合わせマークP2との相互位置を決定するための方法を、説明する。
【００４７】
位置合わせシステムAS1は、位置合わせビームbを放出する放射源1を有する。このビームは、ビーム分離器2により基板に反射される。このビーム分離器は、部分的に透明な反射器または部分的に透明なプリズムであるが、その後に4分の1波長板3が続く、偏光・検出分離プリズムであることが好ましい。投影レンズシステムPLは、位置合わせビームbの焦点を、基板W上の直径約1mmの小さな放射点Vに合わせる。この基板は、位置合わせビームの一部を、ビームb1としてマスクMAの方向に反射させる。ビームb1は、マスク状の放射点を結像させる投影レンズシステムPLを通過する。基板を、投影コラム内で位置合わせする前に、それは、例えば、US-A 5,026,166に記述されているステーションの、プリ位置合わせステーションにて事前に位置合わせされているので、放射点Vは、基板位置合わせマークP2上に位置する。次で、このマークは、ビームb1によりマスク位置合わせマークM2に結像される。マークM2の寸法は、投影レンズシステムの倍率Mを考慮して、基板位置合わせマークP2の寸法に適合化される。次にマークP2の像は、2つのマークを相互に正確に位置決めすれば、マークM2と正確に一致する。
【００４８】
位置合わせ測定ビームbとb1は、基板Wへの光路および基板Wからの光路において、直線偏光された放射源1からのビームの偏光方向に対しその光軸が45度の角度で延在する4分の1波長板3を、2回、横切る。この際、板3を通過するビームは、ビームbの偏光方向に対して90°回転した偏光方向を有するので、ビームb1は、偏光・検出プリズム2を通過することになる。この偏光・検出プリズムを4分の1波長板と併用すると、位置合わせ測定ビームを位置合わせシステムの放射光路に結合させて、照射損失を最少に抑えるという利点が得られる。
【００４９】
位置合わせマークM2を通過したビームb1は、プリズム11により反射され、例えば、別の反射プリズム12により放射検出器13の方向に向けられる。この検出器は、例えば、図2のサブ回折格子の数と一致する、4つの個別の放射・検出領域を有する複合ダイオードである。サブ検出器の出力は、マークM2がマークP2に一致している程度に関する情報を有する。基板位置合わせマークP2の像をマスク位置合わせマークM2に一致させるために、これらの信号を電子工学的に処理し、かつ駆動システム（図示せず）によりマスクを基板に対して移動させるために使用することが出来る。
【００５０】
ビームb1の一部を分割してビームb2にするビーム分離器4が、プリズム11と検出器13の間に配置されている。分割されたビームは、次に、例えば、リソグラフィー装置のオペレータが、位置合わせマークP2とM2を見ることができるモニター（図示せず）に結合されたテレビカメラの2つのレンズ15と16に、入射される。
【００５１】
位置合わせマークP2とM2に関する上記の説明のように、M1とP1およびM1とP2は、各々、相互に位置合わせすることができる。位置合わせ測定システムAS2は、最後に述べた位置合わせに使用することができる。
【００５２】
いわゆる次数ダイヤフラムを、基板とマスクとの間の位置合わせ放射の光路内に配置することが好ましい。図3において参照符号25と示されているこのダイヤフラムは、例えば、このシステム内の構成要素での不正反射からの、他の照射を遮断することにより、動作測定に必要な照射のみを通過させ、検出器のSN比を向上させる。回折格子またはその他の回折要素の形態の位置合わせマークP1とP2は、そこに入射する位置合わせ測定ビームを、屈折のないゼロ次数のサブビームと、複数の屈折した1次以上の次数のサブビームとに分割する。次数ダイヤフラムは、これらのサブビームから同じ回折次数を有するサブビームのみを選択する。このダイヤフラムは、異なる回折次数で回折されたサブビームが、例えば、投影システムのフーリエ面内で空間的に十分離れて分離されている、投影レンズシステム内の位置に配置される。次数ダイヤフラム25は、位置合わせ測定ビームを透過させず、かつ放射を透過させる複数の開口部または領域を有する板により、構成されている。位置合わせマークが2次元構造の場合、この板には4つの開口部が存在し、そのうちの2つはプラスマイナスX方向に相応な順番で回折したサブビーム用、そして2つはプラスマイナスY方向に相応な順番で回折したサブビーム用である。さらに、理想的な次数選択を向上させる追加の次数ダイヤフラムを、検出岐路、すなわちマスク位置合わせマークから検出器13と13'へ向かう放射光路部分に配置することが好ましい。第1次数に回折したサブビームは、位置合わせ測定に使用することが好ましい。基板マークをマスクマークに結像させるために第1次数のみを使用する場合、基板マークの像の周期は、投影レンズシステムの倍率を無視した場合の基板回折格子自体の周期の半分である。この結果、回折格子を回折格子P2の特定の周期に位置合わせする精度は、ゼロ次数のサブビームも使用した場合の2倍にもなる。
【００５３】
本発明によると、基板に以前に形成されたパターン、および基板上のレジスト層に結像されたパターンのオーバーレイを測定するために、図１と図３の位置合わせ測定システム、またはその他の同様のシステムが使用される。オーバーレイ測定に使用する基板パターンとレジストパターンは、これまでに使用した基板位置合わせマークの周期よりもはるかに短い周期の周期構造を有する特定オーバーレイ・マークである。図４は、基板オーバーレイ・マークP10と、レジスト・オーバーレイ・マークP11を備える基板上部上のレジスト層ＲＬとを有する基板Wの小部分の横断図である。基板オーバーレイ・マークの回折格子の周期はPE10であり、またレジスト・オーバーレイ・マークの回折格子の周期はPE11であり、これらは、投影レンズシステムの解像力または解像度のオーダであることが好ましい。図５に示されるように、これらの回折格子周期はやや異なる。
【００５４】
図５の上側部分は、オーバーレイ・マークの一部を断面図にてかなり拡大して示す。これらのオーバーレイ・マークは、位相構造、例えば位相回折格子によって構成される。基板オーバーレイ・マークの回折格子周期PE10は、レジスト・オーバーレイ・マークのこの周期P11よりも長いか、またはその逆である。これらのオーバーレイ・マークを位置合わせ測定デバイスのビームなどの放射ビームで照射すると、ビームに対するこれらのマークの位相効果が干渉して、干渉位相パターンまたは位相像が発生する。この位相パターンは、ビートパターンまたはビート回折格子とも呼ばれ、
1/PEb = 1/PE10 - 1/PE11
により得られるビート周期PEbを有する。
図５の下側のグラフ６０は、ｘ方向、すなわち微細な基板回折格子とレジスト・オーバーレイ回折格子の回折ストリップに垂直な方向に沿っての、位相パターンの平均位相深度APDの変化を示す。位相の変化量、つまりビートパターンの最大値と最小値の位置は、オーバーレイ回折格子の相互位置により決定される。この相互位置、つまりオーバーレイ回折格子のＸ方向における相互変位を測定するためには、ビート位相パターンを、放射感知検出器の前に配置されたオン・アクシスまたはオフ・アクシスの測定回折格子、または測定マークに結像させる。この結像のために、周期PEbを持つ粗いビートパターンは解像できるが、周期PE10やPE11を持つ微細なオーバーレイ・マークは解像できない光学システムが使用される場合、位相パターンの正弦状の変化、すなわちビートパターンの位置のみが検出される。オーバーレイ・マークの相互変化をビートパターンの位置から測定するために、測定マークを基準とした後者の位置を、同様の測定マークを基準とした基板基準マークの位置と比較することができる。基板基準マークは、基板上で微細位置合わせマークの近くに配置されたグローバル位置合わせマークで構成される。測定マークは、オン・アクシス位置合わせ測定デバイスを使用する場合は、グローバルマスク位置合わせマークである。オーバーレイ・マークの相互位置は、基板基準マークとビートパターンの相互位置から簡単な方法で決定することができる。PE 11 /2 上のオーバーレイ・マークの相互シフトは、P b /2 上のビートパターンのシフトをもたらす。
【００５５】
このようにして、オーバーレイ・マークのわずかなシフトは、ビートパターンのかなり大きなシフトに変換される。すなわち、このシフトは拡大される。拡大因子Mfは、
Mf = shift beat / shift overlay marks = PE10 / (PE11 - PE10)
により与えられる。この拡大により、オーバーレイ信号処理における必要な検出器信号の補間が減少し、測定がより正確になる。この拡大によって、PICO，RICO，WICOのようなアーチファクトに対するこのオーバーレイ方法の感度も低下する。これらのアーチファクトは、測定レーザービーム、例えばヘリウムネオンレーザービームの長いコヒーレンス長により発生したオーバーレイ信号におけるオフセットである。この長いコヒーレンス長により、システム内の光学構成要素の影響を受けたレーザー放射は、必要な信号照射、すなわち上述の実施例におけるプラス１とマイナス次数の放射と干渉する。結果的に生じるアーチファクトは、マスクまたはレティクルの偏光効果（偏光により誘発されたコヒーレンスオフセット： PICO ）、レティクルの薄さ（レティクルにより誘発されたコヒーレンスオフセット：RICO）、または基板またはウエハのＺ位置（ウエハにより誘発されたコヒーレンスオフセット：WICO）により生じる。この拡大のため、ビートパターンの位置測定は、それほど重要ではない。ビートパターンの位置測定において誤差Δが発生しても、これは、オーバーレイの測定では、(1/Mf).Δというはるかに小さな誤差となる。拡大因子は、10または20のオーダにすることが出来る。
【００５６】
測定信号は、相対的に大きな基板の表面領域から得られた平均化された信号なので、この信号は、表面の部分的な変形に対しては、影響を受けにくい。
【００５７】
ビート周期PEbを、グローバルマスク位置合わせマーク、すなわち、オン・アクシス位置合わせマークの周期に一致するように選択することが出来るので、オーバーレイ測定方法を、図３のオン・アクシス位置合わせデバイスで実施することができる。ビート周期を選択した後でも、まだオーバーレイ・マークの特徴寸法、すなわち、回折格子マークの場合は、これらの回折格子の周期を、自由に選択することができる。したがって、プロセスにより生じた変形に対するオーバーレイ・マークの影響を最小にすることができる。回折格子マークの場合、このことは、例えば、回折格子周期が、リソグラフィック装置により基板に結像されるIC素子の特徴寸法のオーダであることを意味する。このような短い周期を持つ回折格子マークは、処理により発生する当該変形に対する影響を受けにくくなることが予想される。
【００５８】
基板オーバーレイ・マークは、位相マークまたは振幅マーク、またはその両方である。位相マークの場合、このマークは基板の一層にエッチングされる。レジスト・オーバーレイ・マークは、位相マークであることが好ましい。このマークは、現像されたレジスト層内のマークにより構成しても良い。このようなマークの位相の深さは、レジストの屈折率と通常は空気である周辺媒体の屈折率の差、およびレジストの厚さによって決まる。この屈折率の差はかなり大きいため、レジストの厚さと位置合わせ信号の信号強度との間には大きな相関関係がある。レジスト・オーバーレイ・マークは、いわゆる潜在マーク、すなわち、現像されていないレジスト内の微細な位置合わせマークの像としても良い。このような像は、投影ビーム放射が入射した第１の領域と、これがが入射していない第2の領域とを有する。これらの第1と第2の領域では、これらを通過する位置合わせ測定ビームの光路が異なる。この違いは、これらの領域の屈折率を変化させる、第1の領域内での化学的な変化、または第1と第2の領域での高さの差となる、これらの領域における物質の収縮により生じる。これらの効果があまり大きくなく、かつレジスト厚が通常の場合、レジスト厚に対する位置合わせ信号の振動変化は、発生しない。潜在オーバーレイ・マークを使用すると、レジストを現像するために、レジスト層を持つ基板をリソグラフィック装置から取り出す必要がないという利点が得られる。
【００５９】
位置合わせ測定方法に対するものと同じ手法で、空間フィルターまたは回折次数フィルター、またはダイアグラフを使用して、この新規なオーバーレイ測定方法を改良することができる。このフィルターは、ビートパターンからの第１次のサブビームを透過させる。このフィルターは、図３のフィルター２５と同様のものである。位置合わせ測定デバイスで発生するノイズやその他の障害に対するオーバーレイ測定方法の感度が、このようなフィルターによって著しく低下する場合がある。ビートパターンをマスク回折格子に結像させるために、第１次のサブビームのみを使用することの利点は、パターン像の周期が、投影レンズシステムの倍率とは無関係に、パターン自体の周期の半分である点である。この結果、位置合わせ精度は、ゼロ次数のサブビームも使用して写像した場合の２倍にも高くなる。
【００６０】
図6は、次数フィルター25’を使用することを特徴とする方法を線図的に表す。この図では、bは、オーバーレイ測定ビームであり、75は、ビームbを、図示されていないリソグラフィック装置の投影レンズシステムを有する投影コラムに結合する反射器である。投影レンズシステムの光軸は、ビームbのパスの垂直部分に一致する。基板オーバーレイ・マークとレジスト・オーバーレイ・マーク、およびこの2つのマークにより発生したビートパターンは、複合構造体である回折格子構造体Pcにより、線図的に表されている。サブビームbPb(+1) は、プラスの第1回折次数に、そしてサブビームbPb(-1)は、マイナスの第1回折次数に、回折格子構造体によって回折する、オーバーレイビームの部分である。これらのサブビームは、空間フィルター開口部、または次数フィルターを通過して、マスク位置合わせマークおよび検出器に至る。他の回折次数のサブビームは、フィルターにより阻止されるため、検出器に到達することはできない。
【００６１】
図6は、微細な基板オーバーレイ回折格子P10のみによってプラスとマイナスの第1次数に回折されることになるサブビームbP10(+1)とbP10(-1)、および微細なレジスト・オーバーレイ回折格子P11のみによってプラスとマイナスの第1次数に回折されることになるサブビームbP11(+1)とbP10(-1)を、図示の目的で、示している。これらの微細な回折格子の短い周期のため、回折角度は非常に大きくなるので、これらのサブビームは投影レンズシステムに入りさえしない。このことは、位置合わせデバイスが、個々の微細なオーバーレイ・マークでなく最良のパターンのみを結像させることを意味する。
【００６２】
この新規な方法は、２次元の位置合わせ、すなわち、Ｘ方向とＹ方向の位置合わせにも使用することができる。この場合、基板の微細位置合わせマークおよび追加された位置合わせマークは、グローバル位置合わせマークについて図２に示されているのと同様に、Ｙ方向に延在する回折格子ストリップとＸ方向に延在する回折格子ストリップを有するべきである。
【００６３】
オーバーレイ測定方法を実施するために、図１と図３に示されるオン・アクシス位置合わせ測定デバイスを使用する代わりに、他のオン・アクシス位置合わせ測定デバイスを使用することもできる。
【００６４】
とりわけ、ビートパターンをマスク位置合わせマークに結像させるために使用される投影システムは、レンズ投影システムではなく、ミラーシステム、またはレンズとミラーを有するシステムとすることが出来る。ミラー投影システムは、投影ビームの波長が非常に短いために適切なレンズ物質が入手できないEUV装置などの装置に使用される。
【００６５】
この新規な方法は、オフ・アクシス位置合わせ測定デバイス、例えば、基準に対する基板マークの位置合わせを決定し、かつより高い次数のサブビーム、すなわち回折次数が1を上回るサブビームを使用するデバイスを使用して実施することもできる。オーバーレイ測定が投影システムによって行われることがないため、サブビーム、特により高い次数のサブビームを、一層自由に使用することが可能になる。一般的に、位置合わせ測定デバイスの分解能は、サブビームの次数が増加するにしたがって向上するので、オーバーレイ測定の精度は、著しく向上させることができる。さらに、2つ以上の波長を持つオーバーレイ測定放射を使用ことも可能であるので、回折格子の溝の深さに関する必要条件は、大幅に緩和させることが出来る。
【００６６】
図７は、オフ・アクシス位置合わせ測定デバイスの構成図である。この図では、複合基板のビートパターンを含む回折格子構造体は、Pcと表記されている。平行なオーバーレイ測定ビームbは、この構造体に対して入射する波長λを有し、回折格子の垂線に対し、下記の公知の回折格子の関係式
sinαn = N.λ/P
により定義される様々な角度αn（図示せず）で延在するいくつかのサブビームに分割される。式中、Nは偏向次数、Pは回折周期である。複合回折格子構造体により反射されるサブビームのパスは、サブビームの様々な方向を、面78においてこれらのサブビームの様々な位置un
un = f1.αn
に変換するレンズシステムL1を含む。面78に、サブビームをさらに分割するための各種の手段を設けても良い。そのために、この面に楔などの形をした偏向要素を備えた１枚のプレートを配置することも出来る。図４において、この楔プレートはWEPと表示されている。楔は、例えば、このプレートの裏面に設けられる。次に、プリズム77をこのプレートの前面に設けることが出来る。このプリズムによって、例えば、ヘリウムネオンレーザーの放射源76からのオーバーレイ測定ビームを、オーバーレイ測定デバイスに結合することができる。このプリズムは、ゼロ次数のサブビームが検出器に到達することを阻止することもできる。楔の数は、使用するサブビームの数に一致する。図示された実施例においては、プラス次数の測定方向ごとに6個の楔があり、7次数以下のサブビームをオーバーレイ測定に使用することができる。すべての楔は、サブビームが適切に分割されるような楔角度を有している。
【００６７】
第2のレンズシステムL2は、楔プレートの後方に配置されている。このレンズシステムは、パターンPcを平らな参照プレートRGPに結像させる。楔プレートがないと、すべてのサブビームは、参照プレート上で重なり合ってしまう。異なるサブビームは、異なる角度で屈折するため、サブビームによって形成された像は参照プレートの様々な位置に位置する。これらの位置xnは、下記の関係式
xn = f2.γn
によって得られる。式中、γはレンズシステムL2の焦点距離である。参照回折格子G90〜G96（図示せず）をこれらの位置に備えることができ、この各位置の裏側に別個の検出器90〜96を配置する。各検出器の出力信号は、パターンPcの像が相当する参照回折格子にどの程度一致するかによって左右される。したがって、オーバーレイの程度は、検出器90〜96のそれぞれを使用して測定することができる。しかしながら、測定精度は、使用するサブビームの次数に依存する。なぜならば、この次数が大きいほど精度は高くなるからである。各参照回折格子の回折格子周期は、関連するサブビームの次数に適合化される。次数が大きいほど、回折周期は短くなり、より小さな位置合わせ誤差を検出することが可能になる。
【００６８】
ここまでは、1つの回折次数しか考慮されて来なかった。しかしながら、+1, +2, +3などの次数のサブビームに加えて、回折構造体Pcは、-1, -2, -3などの次数のサブビームも形成する。プラス次数のサブビームもマイナス次数のサブビームも、パターン像を形成するために使用することができる。すなわち、パターンの第1の像は、+1と-1次数のサブビームの両方により形成され、第２の像は、+2と-2次数のサブビームの両方により形成される、以下同様。+1次数と-1次数のサブビームには楔を使用する必要はないが、光路長の差を補う平面が平行なプレートを、これらのサブビームが楔プレートの面内で当たる位置に設けることができる。こうして、プラス次数とマイナス次数両用の6個の楔が、2〜7の次数に必要となる。Y方向におけるオーバーレイ測定では、7個のサブビームを、別の7個の参照回折格子と併用することもできる。この場合、第2の12個の一連の楔が、図7の実施例のように、楔板のY方向に配置される。
【００６９】
様々な回折手順が使用できるオフ・アクシス位置合わせデバイスのさらなる詳細と実施例に関しては、国際特許出願第WO 98/39689号を参照することが出来る。この公開公報には、どのような状況で様々な回折手順を使用するかという点と、オフ・アクシス位置合わせデバイスにおいて2つの波長を有する位置合わせ照射の使用が可能である点が、説明されている。後者については、基板位置合わせマークの溝の深さに対しては、厳格な条件を課す必要はないという利点が説明されている。
【００７０】
実際には、本発明のオーバーレイ測定方法は、とりわけ位置合わせデバイスの性能を定期的に検査するために、基板の少なくとも1層に素子を製造するプロセスにおける1つのステップとして適応されるであろう。バッチの内の一基板に対して、オーバーレイを測定し、かつ必要に応じてとりわけ位置合わせデバイスを修正した後、そのバッチの他の基板上にあるレジスト層にマスク・パターンを結像させる。この像を現像した後、基板層の領域に物質を加え、または物質を除去すると、これらの領域には、転写された像が描写される。これらの結像ステップと、物質を除去したり加えたりするステップとを、素子全体が完成するまですべての層に対して繰り返す。この場合、より多くのオーバーレイ測定のステップを行うことができる。
【００７１】
本発明は、マスク・パターンを基板に写像してICを製造する装置に対して使用することを基に説明されてきたが、これをもって本発明がこの使用方法に限定されるものとしてはならない。本発明は、集積化されたまたは平面の、光学システム、磁気ヘッド、または液晶パネルを製造するための装置にも使用することができる。投影装置は、投影ビームが電磁放射ビームで、かつ投影システムが光学レンズシステムまたは光学ミラーシステムである光学装置であるのみならず、投影ビームが、例えば、電子レンズシステムである、関連投影システムが使用される、電子ビームまたはイオンビームなどの荷電粒子線、またはX線ビームである装置とすることも出来る。一般的に、本発明は、非常に微細な像を形成しなければならない結像システムに使用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 マスク・パターンを基板に反復的に結像させるためのリソグラフィック投影装置の実施例を示す。
【図２】 大域的な基板位置合わせマークの実施例を示す。
【図３】 新規なオーバーレイ測定方法を実施することができる２重位置合わせ測定システムの実施例を示す。
【図４】 基板オーバーレイ・マークおよびレジスト・オーバーレイ・マークの実施例を示す。
【図５】 これらのマークの拡大断面を示す。
【図６】 オン・アクシス位置合わせ測定システムの次数フィルター、およびオーバーレイ・マークにより発生した第1次数のサブビームを示す。
【図７】 新規なオーバーレイ測定方法を実施することができるオフ・アクシス位置合わせ測定システムの実施例を示す。
【発明が属する技術分野】
本発明は、リソグラフィック投影装置を使用したリソグラフィック製造プロセスにおいて、周期p1を持つ周期構造を有する少なくとも１つの基板オーバーレイ・マークと、周期p2を持つ周期構造を有するレジスト・オーバーレイ・マークとを使用して、マスク・パターンが結像されるレジスト層と基板との間のオーバーレイの測定方法に関する。
更に本発明は、リソグラフィック投影装置による、このオーバーレイ測定方法を用いる素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リソグラフィック投影装置は、拡散技術とマスク技術による集積回路(IC)の製造には、不可欠な手段である。この装置によって、異なるマスク・パターンを持ついくつかのマスクが、半導体基板上の同じ位置に連続的に結像される。
【０００３】
基板とは、いくつかの連続した処理ステップの集合を使用してICなどの完全な素子が、多層構造で形成されている、シリコンなどの物質のプレートを意味するものと理解すべきである。これらのステップの各集合は、主要な処理ステップとして、基板にレジスト層を塗布するステップ、基板をマスク位置に位置合わせするステップ、マスクのパターンをこのレジスト層に結像させるステップ、このレジスト層を現像するステップ、このレジスト層によりこの基板をエッチングするステップ、クリーニングステップなどの処理ステップを有する。基板という用語は、素子の製造プロセスにおける様々なステップでの各基板、すなわち、素子の特徴が1層にしかない基板、素子の特徴が1層以外のすべてにある基板、およびそれらの中間のすべての基板、を含む。
【０００４】
基板には、異なるマスク・パターンを連続して投影する間に、必要な物理的かつ化学的な変化を起こさせなければならない。このために、基板は、マスク・パターンを露光させた後、投影装置から取り出さなければならない。基板は、必要な処理ステップを行った後、第2のマスク・パターン、さらに他のマスク・パターンを基板に露光させるために、再度、この投影装置の同じ位置に配置させなければならない。次に、第2のマスク・パターン像とその次の各マスク・パターンとを、基板に既に形成されている素子に対して、正確に位置決めしなければならない。このために、リソグラフィック投影装置は、基板上の位置合わせマークを、マスク上の位置合わせマークに対して位置合わせする位置合わせシステムを備えている。この位置合わせシステムは、位置合わせの偏差を測定するための光学位置合わせ測定システムを有する。
【０００５】
ここで位置合わせとは、ウエハが投影装置内に存在するときに、マスクと基板の重ね合わせを確保するプロセスを意味するものと理解すべきである。オーバーレイとは、あるレベルのマスク・パターンとその次のレベルのマスク・パターンとが、露光後に重なり合っている程度を意味するものと理解される。位置合わせは、マスク位置合わせマークと基板位置合わせマークを使用して行われる。位置合わせは、ICなどの素子を製造するプロセスに必要なステップであるが、多くの誤差要素が含まれるため、基板に形成される第1レベルのパターンと第2レベルのパターンとの間に十分なオーバーレイは保証されない。オーバーレイの精度は、主に、ウエハステージの精度、位置合わせ測定システムの精度、基板の変形により発生する誤差の拡大、マスク上におけるパターン配置の精度に依存する。素子の寸法が減少するにつれて、オーバーレイの精度向上がなお一層必要になる。従って、オーバーレイの誤差を修正するために、正確でかつ信頼できるオーバーレイ測定が一層重要になる。
【０００６】
オーバーレイの誤差を修正するための従来の手順においては、必要なパターンを第1の基板レベルに設けた後、次の基板レベルのパターンをこの基板上に被覆されたレジストに結像させる。次に、この基板を投影装置から取り外し、レジストを現像し、そして現像されたパターン像と第1の基板レベルのパターンとの間のオーバーレイを、独立型の精度測定システム、通常は走査電子顕微鏡(SEM)で測定する。オーバーレイ誤差の修正要因を計算して、それを露光装置とも呼ばれる投影装置に供給し、オーバーレイを修正する。オーバーレイ誤差を修正した後、バッチ処理のウエハをすべて露光する。
【０００７】
オーバーレイの測定には、従来は「KLA方法」として知られている方法が用いられている。この方法には、ボックスインボックス型のオーバーレイ・マークが使用される。第1レベルのオーバーレイ・マークとレジスト層のオーバーレイ・マークのマークが、同じ形状（通常は正方形のような外形）を有し、一方のマークが他方のマーク内に収まるように、一方のマークの寸法は他方のマークの寸法よりも小さい。マークの相互の方位と、これらの2つのマークの対応する外郭線間の距離との測定により、オーバーレイの精度が決る。
【０００８】
記事 「サブマイクロメータのリソグラフィック・アラインメントとオーバーレイ対策"Submicrometer lithographic alignment and overlay strategies" in: SPIE Vol. 1343 X-ray/ EUV Optics for Astronomy, Microscopy, Polarimetry and Projection Lithography, 1990, pp. 245-255.)」 は、位置合わせとオーバーレイの精度の測定に、光モアレ技術を用いることができることを開示している。モアレパターンは、格子状のストリップの周期または方位が異なる２つの回折格子によって生じる。これらの回折格子を重ね合わせそしてそれらを照射したときのそれらの効果を観察する一実験が、記載されている。2つの回折格子が、同じレジスト層内に交互に、露光と露光との間でレジストを現像させずに、結像される。オーバーレイ測定については、長周期のモアレ縞により発生する、短周期の回折格子間の偏移の増加が、結果として、2つの回折格子間のオーバーレイを測定するのに効果的な手法となると言うことしか、記載されていない。さらに、異なる縞パターンの位相、すなわちモアレパターンを、回折格子のマークの縁などの外部基準と比較することにより、オーバーレイを直接測定できることも述べられているが、そのような比較をどのように実施すべきかという点については説明されていない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、独立型の測定システムが不要で、リソグラフィック投影装置を効率的に使用するオーバーレイ測定方法を実現することを目的とする。この方法は、前記装置の一部を形成し、かつ周期p1およびp2よりも実質上長い周期psを持つ周期構造を有する、基板の位置合わせマークの位置合わせを、周期prを持つ周期構造を有する基準マークに対して測定することを目的とする位置合わせ測定装置を使用し、かつ前記基板のオーバーレイ・マークおよびレジスト・オーバーレイ・マークが照射されると直ちに発生し、かつ前記周期prに適合化されている周期pbを有する干渉パターンを、位置合わせビームの放射により当該基準マークに結像させることを特徴とする。
【００１０】
この新規な方法には、回折周期がやや異なる2つの短周期の回折格子間におけるオーバーレイを測定する既存の測定システムの新しい使用方法が含まれる。
【００１１】
基板オーバーレイ・マークの周期p1およびレジスト・オーバーレイ・マークの周期p2は、投影システムの解像力の程度であることが好ましい。周期が短いために、この新規な方法は、オーバーレイの小さな誤差を測定することができる。干渉パターンの周期、つまりモアレパターンは、基板位置合わせマークの周期とレジスト位置合わせマークの周期で決まる。周期p1と周期p2を適切に選択して、干渉パターンの周期を従来の基板位置合わせマークの周期に等しくさせて、この方法を従来の位置合わせデバイスでも実施できるようにすることもできる。実際のオーバーレイ誤差は、この新規な方法によって拡大されるので、小さなオーバーレイ誤差でも、干渉パターンを参照位置合わせマークからかなり大きく変位させ、その結果位置合わせユニットからのオーバーレイ信号が大きく変化することになる。このことは、測定精度を著しく向上させるために、検出器の信号をそれほど補間する必要がないことを意味する。この新規な方法によるオーバーレイ誤差は、相対的に広い領域全体に渡って平均化された信号であるため、この信号は、表面の局所的な変形の影響を受けにくい。
【００１２】
記事「潜像を化学的に増強されたレジストに使用したオーバーレイの精度測定技術 "Overlay Accuracy Measurement Technique Using the Latent Image on a Chemically Amplified Resist" in: Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 35, 1996, pp. 55-60.)」が、この装置のスループットを減少させないために、露光装置に含まれる位置合わせセンサーをオーバーレイの精度測定に使用することができることを開示していることは、留意すべきである。しかしながら、オーバーレイ回折格子マークは１つしか使用されていない。2本のレーザー光をこのマークに照射すると相互に干渉し、ビート信号が生じる。このビート信号の位相、つまりオーバーレイ・マークの変位に関する情報は、位相の変化を参照ビート信号の位相と比較することにより検出される。
【００１３】
オーバーレイの測定に使用される位置合わせ測定システムは、この装置の、例えば、投影レンズシステムの、投影システムを使用して基板位置合わせマークをマスク位置合わせマークに直接結像させる、いわゆるオン・アクシス・デバイスとすることが出来る。このデバイスは、スルー・ザ・レンズ(TTL)位置合わせデバイスとしても公知である。この位置合わせデバイスは、オフ・アクシス・デバイスでもよい。このデバイスの場合、基板位置合わせマークが、装置の投影システムの投影領域外に配置された基準位置合わせマークに結像される。将来性が非常に高いオフ・アクシス・デバイスの実施例では、基板位置合わせマークは、投影コラムの外側に配置された基準マークにより、基板ホルダーの位置合わせマークに対して位置合わせする。この最初の位置合わせのステップでは、基板を持つ基板ホルダーを投影コラムの外側に位置決めする。最初の位置合わせステップの後、基板ホルダーを投影コラム内に位置決めし、第２の位置合わせステップで、基板位置合わせマークを、投影レンズを介してマスク位置合わせマスクに結像させる。
【００１４】
リソグラフィック投影装置は、ICの製造のみならず、ほぼ1 μm以下の構造を有する他の構造の製造にも使用できる。例としては、集積化されたまたは平坦な、光学システムの構造、磁気ドメインメモリの導波型および検出用パターン、液晶表示パネルの構造、および磁気ヘッドがある。これらの構造を製造する場合においても、マスク・パターン像は、基板に対して極めて正確に位置合わせしなければならない。
【００１５】
リソグラフィック投影装置は、ステッピング装置またはステップアンドスキャン装置でよい。ステッピング装置の場合、マスク・パターンは、基板のIC領域に一回の動作で結像させる。次に、マスクに対して基板を移動させ、次のIC領域をマスク・パターンと投影レンズシステムの下に位置決めし、マスク・パターンが次のIC領域に結像されるようにする。このプロセスを、基板のすべてのIC領域にマスク・パターン像が設けられるまで繰り返す。ステップ・アンド・スキャン装置では、上記のステッピング手順も行うが、マスク・パターンを一回の動作ではなく走査動作によって結像させる。マスク・パターンの写像時には、投影システムの倍率を考慮し、投影システムと投影ビームに対して、基板をマスクと同時に移動する。連続して露光されたマスク・パターン断片の一連の断片像が、並列してIC領域に結像される。マスク・パターンがIC領域に完全に写像された後、次のIC領域に対してステップを行う。可能な走査手順の１つが、記事「サブミクロンの 1:1 光リソグラフィー (Sub-micron 1:1 Optical Lithography" in Semiconductors International, May 1986, pp. 137-142.)」に掲載されている。
【００１６】
ICの製造を目的とし、１重式オン・アクシス位置合わせユニットを備えた光学リソグラフィック投影装置が、米国特許第4,251,160に開示されている。基板とマスク位置合わせマークは回折格子である。第1の基板位置合わせマークに対して第1のマスク位置合わせマークを位置合わせし、第2の基板位置合わせマークに対して第2のマスク位置合わせマークを配列する二重オン・アクシス位置合わせユニットが、米国特許第4,778,275号に開示されている。オフ・アクシス位置合わせユニットが国際特許出願第WO 98/39689号に、オン・アクシス位置合わせユニットとオフ・アクシス位置合わせユニットを両方備えた位置合わせシステムが米国特許第5,243,195号に開示されている。
【００１７】
オーバーレイ誤差を基準位置合わせマークに対する干渉パターンの像の位置から測定するためには、さらなる基準マークが必要である。このさらなる基準マークを使用する測定方法の実施例は、干渉パターンと実質的に同じ周期を有する基板基準マークを使用し、基板基準マークを基準マークに結像し、基準位置合わせマークに対する干渉パターンの像の位置と基板基準マークの像の位置との差を測定することを特徴とする。
【００１８】
各位置の当該差は、基板オーバーレイ・マークとレジスト・オーバーレイ・マーク間の変位である。基板基準マークは、広域位置合わせマークで構成することもできる。
【００１９】
グローバル位置合わせマークは、マスク位置合わせマークなどの基準位置合わせマークに対して基板を位置合わせするための周期構造を有する位置合わせマークを意味すると理解される。グローバル位置合わせマークの周期は、グローバル基板位置合わせマークをウエハ位置合わせマーク（原理的にはグローバル位置合わせマークである）に結像させる投影システムの解像度限界よりも、実質的に長い。
【００２０】
この測定方法に使用する各位置合わせマークは、周期的な場合は異なる構造を有していることがある。光学リソグラフィー技法ですでに使用されているそのような周期的な位置合わせマークとして、いわゆるジーメンス・スター(Siemens star)がある。
【００２１】
この方法は、基板オーバーレイ・マーク、レジスト・オーバーレイ・マーク、および基準マークに回折格子を使用することを特徴とすることが好ましい。
【００２２】
回折格子の構造は、位置合わせマークとして非常に適していることが証明されている。
【００２３】
レジスト・オーバーレイ・マークは、マスク・パターンの外側にマスク上に設けられた対応するマークをリソグラフィック装置を用いてレジスト層に結像させることによって、レジスト層に形成される。このマークの像が配置された基板層の領域を現像して、この現像されたマークの像を使用してこの測定方法を実行する。
【００２４】
この方法は、レジスト・オーバーレイ・マークが潜在マークであることを特徴とすることが好ましい。
【００２５】
潜在マークとは、潜在している、つまり現像されていないマスクマーク像と理解すべきである。このような潜在像を持つレジスト層は、入射ビームに対する位相効果が周囲と異なる、回折格子マークの場合には線形領域である領域を、有する。これらの効果は、マークを結像させるビームの強度変化によるものである。これらの変化は、この層の屈折率の局所的変化と、この層の局所的収縮をもたらす。これらの位相効果により、潜在オーバーレイ・マークは、位置合わせビームによって認識することが可能になる。潜在オーバーレイ・マークを使用することの利点は、この像を現像するために、レジスト層にマーク像を持つ基板をリソグラフィック装置から取り出す必要がない点である。
【００２６】
本発明は、この測定方法の様々な実施例となる、様々な態様で実施することができる。
【００２７】
第1の実施例は、オン・アクシス位置合わせデバイスを使用すること、および基準マークがマスク位置合わせマークであることを特徴とする。
【００２８】
この実施例においては、マスク・パターンを基板上に結像させることを目的とする投影システムを使用して、マスク位置合わせマスクに干渉パターンを結像させる。
【００２９】
この実施例は、さらに、オーバーレイ・マークからマスク位置合わせマークに照射される放射の回折次数を選択する光学フィルタを介して、干渉パターンをマスク位置合わせマークに結像させることを特徴とすることが好ましい。
【００３０】
この光学フィルタ、つまりダイヤフラムは、装置内の構成要素における不正反射などに起因するノイズ放射が、受光装置に到達することを阻止する。例えば、一次回折のみを選択して、干渉パターンをマスク位置合わせマークに結像させることによって、オーバーレイ測定の精度を２倍に増大させることができる。
【００３１】
この方法の第2の実施例は、オフ・アクシス位置合わせデバイスを使用することを特徴とする。
【００３２】
干渉パターンは、投影レンズの隣に配置されたオフ・アクシス位置合わせデバイスの一部を形成する基準位置合わせマークに結像される。このデバイスを使用すると、基板からの位置合わせビームのいくつかの回折次数（例えば、１次〜７次）を、個別に検出することができる。マスクは、オフ・アクシス位置合わせデバイスに対しても位置合わせされるので、基板とマスクは、間接的、つまり２ステップで位置合わせされる。オフ・アクシス位置合わせを使用した方法の利点のひとつは、それが、ＣＭＰプロセスパラメーターの影響をほとんど受けない点である。
【００３３】
本発明は、基板の少なくとも１つの層内に素子を製造する方法であって、
‐少なくとも１つのオーバーレイ・マークを備えるマスクを、第１の基板に対して位置合わせするステップ、
‐投影放射により、前記オーバーレイ・マークを前記基板上のレジスト層に結像するステップ、
‐前記レジスト層内に形成された前記オーバーレイ・マークと前記基板内のオーバーレイ・マークとの間のオーバーレイを測定しかつオーバーレイの誤差を修正するステップ、
‐投影放射により、レジスト層の当該層で構成されるべき素子の特徴に一致するパターンの特徴を有するマスク・パターンを、前記素子の特徴が形成されるべき各基板上に結像するステップ、
‐当該層の領域から物質を除去し、または前記領域に物質を加え、この領域に前記マスク・パターン像を描画するステップ、
の連続ステップの少なくとも１セットを有する製造方法にも関する。この方法は、前述の方法によってオーバーレイを測定することを特徴とする。
【００３４】
本発明に関するこれらの、または他の側面は、以下に説明されるされる実施例を参照して、これらに限定されることのない具体例によって明確になるであろう。
【００３５】
【発明を実施するための形態】
図1は、マスク・パターンを基板に連続的に結像させるためのリソグラフィック投影装置の原理と実施例を示す。この装置の主要な構成要素は、結像させるマスクMAを有するマスク・パターンCが配置された投影コラム、およびマスク・パターンに対して基板Wを位置決めできる可動式基板テーブルWTである。この装置は、さらに、フッ化クリプトンレーザーなどの放射源LAから成る照射ユニット、レンズシステムLS、反射鏡RE、コンデンサーレンズCOを有する。照射ユニットにより供給される投影ビームPBは、マスクテーブルMT内のマスクホルダー（図示せず）に配置されたマスクMA内にあるマスク・パターンCを照射する。
【００３６】
マスク・パターンCを通過する投影ビームPBは、投影コラム内に配置されていてかつ線図的にしか図示されていない投影レンズシステムPLを横切る。投影システムは、パターンCの像を基板WのIC領域、つまり、基板フィールドに連続的に形成する。投影レンズシステムは、例えば、1/4の倍率M、0.5以上のオーダの開口数、および0.25のオーダの直径を持つ回折が制限された画像フィールドを有する。これらの数値は任意なものであり、投影装置が新たに開発されるたびに変化する。基板Wは、例えば、空気ベアリングで支えられている基板テーブルWTの一部を形成するＮ基板ホルダー（図示せず）内に配置される。投影レンズシステムPLと基板テーブルWTは、下面が花崗岩などの底板BPによって塞がれ、かつ上面がマスクテーブルMTによって塞がれたハウジングHO内に配置される。
【００３７】
図1の右上端に示されるように、マスクは、2つの位置合わせマークM1とM2を有する。これらのマークは、回折格子により構成されるのが好ましいが、これに代えて、他の周期構造により形成してもよい。位置合わせマークは、2次元、すなわち、互いに直角の2つの方向、つまり、図1のX、Y方向に延在していることが好ましい。例えば、半導体の基板またはウエハである、基板Wは、複数の位置合わせマーク（図1には、2つの位置合わせマークP1とP2が示されている）を有する、この場合にも2次元の回折格子であることが好ましい。マークP1とP2は、マスク・パターンの像が形成されなければならない基板フィールドの外側に位置する。基板位置合わせマークP1とP2は、位相回折格子として形成することが好ましく、マスク位置合わせマークM1とM2は振幅回折格子として形成することが好ましい。
【００３８】
図2は、２つの同一の基板位相回折格子の1つを拡大したものである。このような回折格子は、4つのサブ回折格子P1,a, P1,b, P1,c, P1,dを有することができる。これらのうちの2つP1,bとP1,dの使用により、X方向の位置合わせが測定され、他の2つのサブ回折格子P1,aとP1,cの使用によりY方向の位置合わせが測定される。２つのサブ回折格子P1,bとP1,cは、例えば、16 μmの回折周期を有し、サブ回折格子P1,a とP1,dは、例えば、17.6 μmの回折周期を有する。各サブ回折格子は、表面領域が例えば、200 x 200 μm2に及ぶ。原則として0.1 μm未満である位置合わせの精度は、これらの回折格子マークと適切な光学システムとにより達成することができる。位置合わせ測定システムの取込み範囲を増加させるために、サブ回折格子に対して異なる回折周期が選択された。
【００３９】
図1は、位置合わせ測定システム、すなわち、二重位置合わせ測定システムの第1の実施例を示す。このデバイスにおいては、マスク位置合わせマークM2に対する基板位置合わせマークP2の位置合わせと、マスク位置合わせマークM1に対する基板位置合わせマークP1の位置合わせの測定に対し、2本の位置合わせビームbとb'が使用される。位置合わせ測定ビームbは、例えば、鏡である、反射要素30によってプリズム26の反射面27に反射される。表面27は、ビームbを基板位置合わせマークP2に反射させる。このマークは、放射の一部を、ビームb1として、マークP2が形成される対応マスク位置合わせマークM2に送る。マークM2を通過した放射を放射検出器13に導く、例えば、プリズムの、反射要素11は、マークM2の上方に配置されている。
【００４０】
第2の位置合わせを測定するビームb'は、ミラー31によって投影レンズシステムPLの反射器29に反射される。この反射器は、ビームb'をプリズム26の第2の反射面28に送り、この反射面はビームb'を基板の位置合わせマークP1に導く。このマークは、ビームb'の放射の一部を、ビームb1'として、マークP1の像が形成されるマスク位置合わせマークM1に送る。マークM1を通過したビームb1'の放射は、反射器11'により放射検出器13'に向けられる。二重位置合わせ測定システムの動作を、このようなデバイスのさらなる実施例を示す図3を参照して、詳細に説明する。
【００４１】
投影装置は、さらに、投影レンズシステムPLの画像面と基板Wの表面との間の偏差を測定するための焦点誤差検出システムを有する。測定された偏差は、投影レンズシステムを、基板ホルダーに対して投影レンズシステムの光軸に沿って移動させることにより修正することができる。焦点誤差検出システムは、投影レンズシステムのホルダーに固定して接続されたホルダー（図示せず）内に配置された要素40〜46によって構成することができる。要素40は、焦点検出ビームb3を発する、例えば、ダイオードレーザーの放射源である。このビームは、反射プリズム42により、小角度で基板Wに向けられる。この基板により反射された焦点検出ビームは、プリズム43により再帰反射器44に向けられる。この再帰反射器は、ビームをそれ自体の中で反射させるので、焦点検出ビームは、今度はb3'として、プリズム43に反射して基板へ、そしてこの基板からプリズム42へと、もう一度同じ光路を横切る。この反射した焦点検出ビームは、ビーム分離器41に到達し、これは、ビームを別の反射器45に反射させる。この反射器は、焦点検出ビームを放射検出システム46に送る。この検出システムは、例えば、位置反応性検出システムまたは2つの分離した検出器により構成される。ビームb3'により検出システム上に形成される放射点の位置は、投影レンズシステムの画像面が基板Wの表面に一致する程度に依存する。焦点誤差検出システムに関するさらなる説明は、US-A 4,356,392で参照することができる。
【００４２】
単色焦点・検出ビームを使用するこの焦点検出システムの代わりに、広帯域ビームを使用する焦点・傾き検出システムを使用することが好ましい。このような広帯域焦点・検出システムは、US-A 5,191,200に説明されている。
【００４３】
基板のXとY位置を極めて正確に測定するために、この装置は、測定軸を複数有する複合干渉計システムを有している。このシステムについては、１軸のサブシステムのみが、図１に示されている。このサブシステムは、例えば、レーザーの放射源50、ビーム分離器51、固定参照ミラー52、および放射検出器53を有する。放射源50から放出されたビームb4は、ビーム分離器によって測定ビームb4,mとb4,rに分割される。測定ビームは、基板テーブルの反射面の形態の測定ミラー、または好ましくは基板テーブルの一部を形成し、かつ基板が緊固に固定されている基板ホルダーの反射面側に到達する。測定ミラーにより反射された測定ビームは、参照ミラー52により反射された参照ビームとビーム分離器51により結合され、検出器53の位置で干渉パターンを形成する。複合干渉システムは、US-A 4,251,160に説明されているように、２つの測定軸を有するように実行させることが出来る。干渉計システムは、US-A 4,737,823に説明されているように、3つの測定軸を代わりに有するように実行させることができるが、EP-A 0 498 499に説明されるように、少なくとも５つの測定軸を持つシステムとすることが好ましい。
【００４４】
基板位置検出システムを複合干渉計システムの形で使用することにより、位置合わせマークP1 、P2とマークM1 、M2の位置、およびこれらのマークの相互距離を、干渉計システムが定める座標を持つシステムでの位置合わせ時に固定することができる。したがって、投影装置のフレームまたはこのフレームの構成要素を参照する必要がないため、このフレームが、例えば、温度変化、機械的変形などにより変化しても、それが測定に影響することはない。
【００４５】
図3は、投影レンズシステムに向かう位置合わせビームbとb'の結合方法が異なる点で図1の実施例とは異なる一実施例を参照して、二重位置合わせシステムの原理を示す。二重位置合わせデバイスは、投影レンズシステムPLの光軸AA'に対して対照に位置決めされた、分離した同一の２つの位置合わせシステムAS1とAS2を有する。位置合わせシステムAS1は、マスク位置合わせマークM2に関連し、位置合わせシステムAS2は、マスク位置合わせマークM2に関連する。２つの位置合わせシステムの一致する要素には、同じ参照符号が付され、システムAS2の番号は、'を付して区別されている。
【００４６】
まず、システムAS1の構造、およびマスク位置合わせマークM2と、例えば、基板位置合わせマークP2との相互位置を決定するための方法を、説明する。
【００４７】
位置合わせシステムAS1は、位置合わせビームbを放出する放射源1を有する。このビームは、ビーム分離器2により基板に反射される。このビーム分離器は、部分的に透明な反射器または部分的に透明なプリズムであるが、その後に4分の1波長板3が続く、偏光・検出分離プリズムであることが好ましい。投影レンズシステムPLは、位置合わせビームbの焦点を、基板W上の直径約1mmの小さな放射点Vに合わせる。この基板は、位置合わせビームの一部を、ビームb1としてマスクMAの方向に反射させる。ビームb1は、マスク状の放射点を結像させる投影レンズシステムPLを通過する。基板を、投影コラム内で位置合わせする前に、それは、例えば、US-A 5,026,166に記述されているステーションの、プリ位置合わせステーションにて事前に位置合わせされているので、放射点Vは、基板位置合わせマークP2上に位置する。次で、このマークは、ビームb1によりマスク位置合わせマークM2に結像される。マークM2の寸法は、投影レンズシステムの倍率Mを考慮して、基板位置合わせマークP2の寸法に適合化される。次にマークP2の像は、2つのマークを相互に正確に位置決めすれば、マークM2と正確に一致する。
【００４８】
位置合わせ測定ビームbとb1は、基板Wへの光路および基板Wからの光路において、直線偏光された放射源1からのビームの偏光方向に対しその光軸が45度の角度で延在する4分の1波長板3を、2回、横切る。この際、板3を通過するビームは、ビームbの偏光方向に対して90°回転した偏光方向を有するので、ビームb1は、偏光・検出プリズム2を通過することになる。この偏光・検出プリズムを4分の1波長板と併用すると、位置合わせ測定ビームを位置合わせシステムの放射光路に結合させて、照射損失を最少に抑えるという利点が得られる。
【００４９】
位置合わせマークM2を通過したビームb1は、プリズム11により反射され、例えば、別の反射プリズム12により放射検出器13の方向に向けられる。この検出器は、例えば、図2のサブ回折格子の数と一致する、4つの個別の放射・検出領域を有する複合ダイオードである。サブ検出器の出力は、マークM2がマークP2に一致している程度に関する情報を有する。基板位置合わせマークP2の像をマスク位置合わせマークM2に一致させるために、これらの信号を電子工学的に処理し、かつ駆動システム（図示せず）によりマスクを基板に対して移動させるために使用することが出来る。
【００５０】
ビームb1の一部を分割してビームb2にするビーム分離器4が、プリズム11と検出器13の間に配置されている。分割されたビームは、次に、例えば、リソグラフィー装置のオペレータが、位置合わせマークP2とM2を見ることができるモニター（図示せず）に結合されたテレビカメラの2つのレンズ15と16に、入射される。
【００５１】
位置合わせマークP2とM2に関する上記の説明のように、M1とP1およびM1とP2は、各々、相互に位置合わせすることができる。位置合わせ測定システムAS2は、最後に述べた位置合わせに使用することができる。
【００５２】
いわゆる次数ダイヤフラムを、基板とマスクとの間の位置合わせ放射の光路内に配置することが好ましい。図3において参照符号25と示されているこのダイヤフラムは、例えば、このシステム内の構成要素での不正反射からの、他の照射を遮断することにより、動作測定に必要な照射のみを通過させ、検出器のSN比を向上させる。回折格子またはその他の回折要素の形態の位置合わせマークP1とP2は、そこに入射する位置合わせ測定ビームを、屈折のないゼロ次数のサブビームと、複数の屈折した1次以上の次数のサブビームとに分割する。次数ダイヤフラムは、これらのサブビームから同じ回折次数を有するサブビームのみを選択する。このダイヤフラムは、異なる回折次数で回折されたサブビームが、例えば、投影システムのフーリエ面内で空間的に十分離れて分離されている、投影レンズシステム内の位置に配置される。次数ダイヤフラム25は、位置合わせ測定ビームを透過させず、かつ放射を透過させる複数の開口部または領域を有する板により、構成されている。位置合わせマークが2次元構造の場合、この板には4つの開口部が存在し、そのうちの2つはプラスマイナスX方向に相応な順番で回折したサブビーム用、そして2つはプラスマイナスY方向に相応な順番で回折したサブビーム用である。さらに、理想的な次数選択を向上させる追加の次数ダイヤフラムを、検出岐路、すなわちマスク位置合わせマークから検出器13と13'へ向かう放射光路部分に配置することが好ましい。第1次数に回折したサブビームは、位置合わせ測定に使用することが好ましい。基板マークをマスクマークに結像させるために第1次数のみを使用する場合、基板マークの像の周期は、投影レンズシステムの倍率を無視した場合の基板回折格子自体の周期の半分である。この結果、回折格子を回折格子P2の特定の周期に位置合わせする精度は、ゼロ次数のサブビームも使用した場合の2倍にもなる。
【００５３】
本発明によると、基板に以前に形成されたパターン、および基板上のレジスト層に結像されたパターンのオーバーレイを測定するために、図１と図３の位置合わせ測定システム、またはその他の同様のシステムが使用される。オーバーレイ測定に使用する基板パターンとレジストパターンは、これまでに使用した基板位置合わせマークの周期よりもはるかに短い周期の周期構造を有する特定オーバーレイ・マークである。図４は、基板オーバーレイ・マークP10と、レジスト・オーバーレイ・マークP11を備える基板上部上のレジスト層ＲＬとを有する基板Wの小部分の横断図である。基板オーバーレイ・マークの回折格子の周期はPE10であり、またレジスト・オーバーレイ・マークの回折格子の周期はPE11であり、これらは、投影レンズシステムの解像力または解像度のオーダであることが好ましい。図５に示されるように、これらの回折格子周期はやや異なる。
【００５４】
図５の上側部分は、オーバーレイ・マークの一部を断面図にてかなり拡大して示す。これらのオーバーレイ・マークは、位相構造、例えば位相回折格子によって構成される。基板オーバーレイ・マークの回折格子周期PE10は、レジスト・オーバーレイ・マークのこの周期P11よりも長いか、またはその逆である。これらのオーバーレイ・マークを位置合わせ測定デバイスのビームなどの放射ビームで照射すると、ビームに対するこれらのマークの位相効果が干渉して、干渉位相パターンまたは位相像が発生する。この位相パターンは、ビートパターンまたはビート回折格子とも呼ばれ、
1/PEb = 1/PE10 - 1/PE11
により得られるビート周期PEbを有する。
図５の下側のグラフ６０は、ｘ方向、すなわち微細な基板回折格子とレジスト・オーバーレイ回折格子の回折ストリップに垂直な方向に沿っての、位相パターンの平均位相深度APDの変化を示す。位相の変化量、つまりビートパターンの最大値と最小値の位置は、オーバーレイ回折格子の相互位置により決定される。この相互位置、つまりオーバーレイ回折格子のＸ方向における相互変位を測定するためには、ビート位相パターンを、放射感知検出器の前に配置されたオン・アクシスまたはオフ・アクシスの測定回折格子、または測定マークに結像させる。この結像のために、周期PEbを持つ粗いビートパターンは解像できるが、周期PE10やPE11を持つ微細なオーバーレイ・マークは解像できない光学システムが使用される場合、位相パターンの正弦状の変化、すなわちビートパターンの位置のみが検出される。オーバーレイ・マークの相互変化をビートパターンの位置から測定するために、測定マークを基準とした後者の位置を、同様の測定マークを基準とした基板基準マークの位置と比較することができる。基板基準マークは、基板上で微細位置合わせマークの近くに配置されたグローバル位置合わせマークで構成される。測定マークは、オン・アクシス位置合わせ測定デバイスを使用する場合は、グローバルマスク位置合わせマークである。オーバーレイ・マークの相互位置は、基板基準マークとビートパターンの相互位置から簡単な方法で決定することができる。PE 11 /2 上のオーバーレイ・マークの相互シフトは、P b /2 上のビートパターンのシフトをもたらす。
【００５５】
このようにして、オーバーレイ・マークのわずかなシフトは、ビートパターンのかなり大きなシフトに変換される。すなわち、このシフトは拡大される。拡大因子Mfは、
Mf = shift beat / shift overlay marks = PE10 / (PE11 - PE10)
により与えられる。この拡大により、オーバーレイ信号処理における必要な検出器信号の補間が減少し、測定がより正確になる。この拡大によって、PICO，RICO，WICOのようなアーチファクトに対するこのオーバーレイ方法の感度も低下する。これらのアーチファクトは、測定レーザービーム、例えばヘリウムネオンレーザービームの長いコヒーレンス長により発生したオーバーレイ信号におけるオフセットである。この長いコヒーレンス長により、システム内の光学構成要素の影響を受けたレーザー放射は、必要な信号照射、すなわち上述の実施例におけるプラス１とマイナス次数の放射と干渉する。結果的に生じるアーチファクトは、マスクまたはレティクルの偏光効果（偏光により誘発されたコヒーレンスオフセット： PICO ）、レティクルの薄さ（レティクルにより誘発されたコヒーレンスオフセット：RICO）、または基板またはウエハのＺ位置（ウエハにより誘発されたコヒーレンスオフセット：WICO）により生じる。この拡大のため、ビートパターンの位置測定は、それほど重要ではない。ビートパターンの位置測定において誤差Δが発生しても、これは、オーバーレイの測定では、(1/Mf).Δというはるかに小さな誤差となる。拡大因子は、10または20のオーダにすることが出来る。
【００５６】
測定信号は、相対的に大きな基板の表面領域から得られた平均化された信号なので、この信号は、表面の部分的な変形に対しては、影響を受けにくい。
【００５７】
ビート周期PEbを、グローバルマスク位置合わせマーク、すなわち、オン・アクシス位置合わせマークの周期に一致するように選択することが出来るので、オーバーレイ測定方法を、図３のオン・アクシス位置合わせデバイスで実施することができる。ビート周期を選択した後でも、まだオーバーレイ・マークの特徴寸法、すなわち、回折格子マークの場合は、これらの回折格子の周期を、自由に選択することができる。したがって、プロセスにより生じた変形に対するオーバーレイ・マークの影響を最小にすることができる。回折格子マークの場合、このことは、例えば、回折格子周期が、リソグラフィック装置により基板に結像されるIC素子の特徴寸法のオーダであることを意味する。このような短い周期を持つ回折格子マークは、処理により発生する当該変形に対する影響を受けにくくなることが予想される。
【００５８】
基板オーバーレイ・マークは、位相マークまたは振幅マーク、またはその両方である。位相マークの場合、このマークは基板の一層にエッチングされる。レジスト・オーバーレイ・マークは、位相マークであることが好ましい。このマークは、現像されたレジスト層内のマークにより構成しても良い。このようなマークの位相の深さは、レジストの屈折率と通常は空気である周辺媒体の屈折率の差、およびレジストの厚さによって決まる。この屈折率の差はかなり大きいため、レジストの厚さと位置合わせ信号の信号強度との間には大きな相関関係がある。レジスト・オーバーレイ・マークは、いわゆる潜在マーク、すなわち、現像されていないレジスト内の微細な位置合わせマークの像としても良い。このような像は、投影ビーム放射が入射した第１の領域と、これがが入射していない第2の領域とを有する。これらの第1と第2の領域では、これらを通過する位置合わせ測定ビームの光路が異なる。この違いは、これらの領域の屈折率を変化させる、第1の領域内での化学的な変化、または第1と第2の領域での高さの差となる、これらの領域における物質の収縮により生じる。これらの効果があまり大きくなく、かつレジスト厚が通常の場合、レジスト厚に対する位置合わせ信号の振動変化は、発生しない。潜在オーバーレイ・マークを使用すると、レジストを現像するために、レジスト層を持つ基板をリソグラフィック装置から取り出す必要がないという利点が得られる。
【００５９】
位置合わせ測定方法に対するものと同じ手法で、空間フィルターまたは回折次数フィルター、またはダイアグラフを使用して、この新規なオーバーレイ測定方法を改良することができる。このフィルターは、ビートパターンからの第１次のサブビームを透過させる。このフィルターは、図３のフィルター２５と同様のものである。位置合わせ測定デバイスで発生するノイズやその他の障害に対するオーバーレイ測定方法の感度が、このようなフィルターによって著しく低下する場合がある。ビートパターンをマスク回折格子に結像させるために、第１次のサブビームのみを使用することの利点は、パターン像の周期が、投影レンズシステムの倍率とは無関係に、パターン自体の周期の半分である点である。この結果、位置合わせ精度は、ゼロ次数のサブビームも使用して写像した場合の２倍にも高くなる。
【００６０】
図6は、次数フィルター25’を使用することを特徴とする方法を線図的に表す。この図では、bは、オーバーレイ測定ビームであり、75は、ビームbを、図示されていないリソグラフィック装置の投影レンズシステムを有する投影コラムに結合する反射器である。投影レンズシステムの光軸は、ビームbのパスの垂直部分に一致する。基板オーバーレイ・マークとレジスト・オーバーレイ・マーク、およびこの2つのマークにより発生したビートパターンは、複合構造体である回折格子構造体Pcにより、線図的に表されている。サブビームbPb(+1) は、プラスの第1回折次数に、そしてサブビームbPb(-1)は、マイナスの第1回折次数に、回折格子構造体によって回折する、オーバーレイビームの部分である。これらのサブビームは、空間フィルター開口部、または次数フィルターを通過して、マスク位置合わせマークおよび検出器に至る。他の回折次数のサブビームは、フィルターにより阻止されるため、検出器に到達することはできない。
【００６１】
図6は、微細な基板オーバーレイ回折格子P10のみによってプラスとマイナスの第1次数に回折されることになるサブビームbP10(+1)とbP10(-1)、および微細なレジスト・オーバーレイ回折格子P11のみによってプラスとマイナスの第1次数に回折されることになるサブビームbP11(+1)とbP10(-1)を、図示の目的で、示している。これらの微細な回折格子の短い周期のため、回折角度は非常に大きくなるので、これらのサブビームは投影レンズシステムに入りさえしない。このことは、位置合わせデバイスが、個々の微細なオーバーレイ・マークでなく最良のパターンのみを結像させることを意味する。
【００６２】
この新規な方法は、２次元の位置合わせ、すなわち、Ｘ方向とＹ方向の位置合わせにも使用することができる。この場合、基板の微細位置合わせマークおよび追加された位置合わせマークは、グローバル位置合わせマークについて図２に示されているのと同様に、Ｙ方向に延在する回折格子ストリップとＸ方向に延在する回折格子ストリップを有するべきである。
【００６３】
オーバーレイ測定方法を実施するために、図１と図３に示されるオン・アクシス位置合わせ測定デバイスを使用する代わりに、他のオン・アクシス位置合わせ測定デバイスを使用することもできる。
【００６４】
とりわけ、ビートパターンをマスク位置合わせマークに結像させるために使用される投影システムは、レンズ投影システムではなく、ミラーシステム、またはレンズとミラーを有するシステムとすることが出来る。ミラー投影システムは、投影ビームの波長が非常に短いために適切なレンズ物質が入手できないEUV装置などの装置に使用される。
【００６５】
この新規な方法は、オフ・アクシス位置合わせ測定デバイス、例えば、基準に対する基板マークの位置合わせを決定し、かつより高い次数のサブビーム、すなわち回折次数が1を上回るサブビームを使用するデバイスを使用して実施することもできる。オーバーレイ測定が投影システムによって行われることがないため、サブビーム、特により高い次数のサブビームを、一層自由に使用することが可能になる。一般的に、位置合わせ測定デバイスの分解能は、サブビームの次数が増加するにしたがって向上するので、オーバーレイ測定の精度は、著しく向上させることができる。さらに、2つ以上の波長を持つオーバーレイ測定放射を使用ことも可能であるので、回折格子の溝の深さに関する必要条件は、大幅に緩和させることが出来る。
【００６６】
図７は、オフ・アクシス位置合わせ測定デバイスの構成図である。この図では、複合基板のビートパターンを含む回折格子構造体は、Pcと表記されている。平行なオーバーレイ測定ビームbは、この構造体に対して入射する波長λを有し、回折格子の垂線に対し、下記の公知の回折格子の関係式
sinαn = N.λ/P
により定義される様々な角度αn（図示せず）で延在するいくつかのサブビームに分割される。式中、Nは偏向次数、Pは回折周期である。複合回折格子構造体により反射されるサブビームのパスは、サブビームの様々な方向を、面78においてこれらのサブビームの様々な位置un
un = f1.αn
に変換するレンズシステムL1を含む。面78に、サブビームをさらに分割するための各種の手段を設けても良い。そのために、この面に楔などの形をした偏向要素を備えた１枚のプレートを配置することも出来る。図４において、この楔プレートはWEPと表示されている。楔は、例えば、このプレートの裏面に設けられる。次に、プリズム77をこのプレートの前面に設けることが出来る。このプリズムによって、例えば、ヘリウムネオンレーザーの放射源76からのオーバーレイ測定ビームを、オーバーレイ測定デバイスに結合することができる。このプリズムは、ゼロ次数のサブビームが検出器に到達することを阻止することもできる。楔の数は、使用するサブビームの数に一致する。図示された実施例においては、プラス次数の測定方向ごとに6個の楔があり、7次数以下のサブビームをオーバーレイ測定に使用することができる。すべての楔は、サブビームが適切に分割されるような楔角度を有している。
【００６７】
第2のレンズシステムL2は、楔プレートの後方に配置されている。このレンズシステムは、パターンPcを平らな参照プレートRGPに結像させる。楔プレートがないと、すべてのサブビームは、参照プレート上で重なり合ってしまう。異なるサブビームは、異なる角度で屈折するため、サブビームによって形成された像は参照プレートの様々な位置に位置する。これらの位置xnは、下記の関係式
xn = f2.γn
によって得られる。式中、γはレンズシステムL2の焦点距離である。参照回折格子G90〜G96（図示せず）をこれらの位置に備えることができ、この各位置の裏側に別個の検出器90〜96を配置する。各検出器の出力信号は、パターンPcの像が相当する参照回折格子にどの程度一致するかによって左右される。したがって、オーバーレイの程度は、検出器90〜96のそれぞれを使用して測定することができる。しかしながら、測定精度は、使用するサブビームの次数に依存する。なぜならば、この次数が大きいほど精度は高くなるからである。各参照回折格子の回折格子周期は、関連するサブビームの次数に適合化される。次数が大きいほど、回折周期は短くなり、より小さな位置合わせ誤差を検出することが可能になる。
【００６８】
ここまでは、1つの回折次数しか考慮されて来なかった。しかしながら、+1, +2, +3などの次数のサブビームに加えて、回折構造体Pcは、-1, -2, -3などの次数のサブビームも形成する。プラス次数のサブビームもマイナス次数のサブビームも、パターン像を形成するために使用することができる。すなわち、パターンの第1の像は、+1と-1次数のサブビームの両方により形成され、第２の像は、+2と-2次数のサブビームの両方により形成される、以下同様。+1次数と-1次数のサブビームには楔を使用する必要はないが、光路長の差を補う平面が平行なプレートを、これらのサブビームが楔プレートの面内で当たる位置に設けることができる。こうして、プラス次数とマイナス次数両用の6個の楔が、2〜7の次数に必要となる。Y方向におけるオーバーレイ測定では、7個のサブビームを、別の7個の参照回折格子と併用することもできる。この場合、第2の12個の一連の楔が、図7の実施例のように、楔板のY方向に配置される。
【００６９】
様々な回折手順が使用できるオフ・アクシス位置合わせデバイスのさらなる詳細と実施例に関しては、国際特許出願第WO 98/39689号を参照することが出来る。この公開公報には、どのような状況で様々な回折手順を使用するかという点と、オフ・アクシス位置合わせデバイスにおいて2つの波長を有する位置合わせ照射の使用が可能である点が、説明されている。後者については、基板位置合わせマークの溝の深さに対しては、厳格な条件を課す必要はないという利点が説明されている。
【００７０】
実際には、本発明のオーバーレイ測定方法は、とりわけ位置合わせデバイスの性能を定期的に検査するために、基板の少なくとも1層に素子を製造するプロセスにおける1つのステップとして適応されるであろう。バッチの内の一基板に対して、オーバーレイを測定し、かつ必要に応じてとりわけ位置合わせデバイスを修正した後、そのバッチの他の基板上にあるレジスト層にマスク・パターンを結像させる。この像を現像した後、基板層の領域に物質を加え、または物質を除去すると、これらの領域には、転写された像が描写される。これらの結像ステップと、物質を除去したり加えたりするステップとを、素子全体が完成するまですべての層に対して繰り返す。この場合、より多くのオーバーレイ測定のステップを行うことができる。
【００７１】
本発明は、マスク・パターンを基板に写像してICを製造する装置に対して使用することを基に説明されてきたが、これをもって本発明がこの使用方法に限定されるものとしてはならない。本発明は、集積化されたまたは平面の、光学システム、磁気ヘッド、または液晶パネルを製造するための装置にも使用することができる。投影装置は、投影ビームが電磁放射ビームで、かつ投影システムが光学レンズシステムまたは光学ミラーシステムである光学装置であるのみならず、投影ビームが、例えば、電子レンズシステムである、関連投影システムが使用される、電子ビームまたはイオンビームなどの荷電粒子線、またはX線ビームである装置とすることも出来る。一般的に、本発明は、非常に微細な像を形成しなければならない結像システムに使用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 マスク・パターンを基板に反復的に結像させるためのリソグラフィック投影装置の実施例を示す。
【図２】 大域的な基板位置合わせマークの実施例を示す。
【図３】 新規なオーバーレイ測定方法を実施することができる２重位置合わせ測定システムの実施例を示す。
【図４】 基板オーバーレイ・マークおよびレジスト・オーバーレイ・マークの実施例を示す。
【図５】 これらのマークの拡大断面を示す。
【図６】 オン・アクシス位置合わせ測定システムの次数フィルター、およびオーバーレイ・マークにより発生した第1次数のサブビームを示す。
【図７】 新規なオーバーレイ測定方法を実施することができるオフ・アクシス位置合わせ測定システムの実施例を示す。
Claims (8)
- リソグラフィック投影装置を使用したリソグラフィック製造プロセスにおいて、周期PE 10 の周期構造を有する、基板に形成された微細基板オーバーレイ・マークP 10 と、周期PE 11 の周期構造を有する、マスクに設けられた対応するマークを結像することにより基板上のレジスト層に形成された微細レジスト・オーバーレイ・マークP 11 とを使用して、マスク・パターンが結像されるレジスト層と、基板との間のオーバーレイを測定する方法において、
前記装置の一部を形成し、かつ基準マーク M 1 ,M 2 に対する基板位置合わせマークの位置合わせを測定することを目的とする位置合わせ測定デバイスであって、基板位置合わせマークが前記微細基板オーバーレイ・マーク P 10 および前記微細レジスト・オーバーレイ・マーク P 11 の周期 PE 10 および PE 11 よりも実質上長い周期の周期構造を有し、基準マーク M 1 ,M 2 が基板位置合わせマークの周期に一致した周期の周期構造を有する、位置合わせ測定デバイスを使用し、
前記微細基板オーバーレイ・マークP 10 および前記微細レジスト・オーバーレイ・マークP 11 が照射されると発生し、かつ前記基準マーク M 1 ,M 2 の周期に一致した周期PE b を有する干渉パターンを、位置合わせビーム放射により前記基準マークM 1 ,M 2 に結像させる、方法。 - 前記干渉パターンの周期 PE b と実質上同じ周期を有する基板基準マークを使用し、該基板基準マークを前記基準マーク M 1 ,M 2 上に結像させ、前記基準マーク M 1 ,M 2 に対する前記干渉パターンの像の位置と前記基板基準マークの像の位置との差を決定する、請求項１に記載の方法。
- 前記微細基板オーバーレイ・マークP 10 、前記微細レジスト・オーバーレイ・マークP 11 、および前記基準マークに回折格子を使用する、請求項１または２に記載の方法。
- 前記微細レジスト・オーバーレイ・マークP 11 が潜在マークである、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
- オン・アクシスの位置合わせデバイスを使用し、前記基準マークがマスク位置合わせマークM 1 ,M 2 である、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
- 前記干渉パターンを、前記微細基板オーバーレイ・マーク P 10 および前記微細レジスト・オーバーレイ・マーク P 11 から前記マスク位置合わせマーク M 1 ,M 2 に向かう放射の回折次数を選択する光学フィルターを介して、マスク位置合わせマークに結像させる、請求項５に記載の方法。
- オフ・アクシスの位置合わせデバイスを使用する、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
- 基板の少なくとも１つの層内に素子を製造する方法であって、
‐少なくとも１つのオーバーレイ・マークを備えるマスクを、第１の基板に対して位置合わせするステップ、
‐投影放射により、前記オーバーレイ・マークを前記基板上のレジスト層に結像するステップ、
‐前記レジスト層内に形成された前記オーバーレイ・マークと前記基板内のオーバーレイ・マークとの間のオーバーレイを測定しかつオーバーレイの誤差を修正するステップ、
‐投影放射により、レジスト層の当該層で構成されるべき素子の特徴に一致するパターンの特徴を有するマスク・パターンを、前記素子の特徴が形成されるべき各基板上に結像するステップ、
‐当該層の領域から物質を除去し、または前記領域に物質を加え、この領域に前記マスク・パターン像を描画するステップ、
の連続ステップの少なくとも１セットを有しており、
前記オーバーレイが、請求項１〜７のいずれかに記載の方法により決定されることを特徴とする方法。
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