JPH0346218A - 露光パタン検出方法、露光パタン位置検出方法およびパタン重ね合わせ露光方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体リソグラフィーにおける露光・描画パ
タン形成、評価のための露光パタン検出、パタン位置検
出およびパタン重ね合わせ露光方法に関するものである
。

〔従来技術〕

半導体集積回路の超高集積化、量子デバイス等を実現す
るためには、１１１細パタン形成とともにすノメータオ
ーダのパタン重ね合わせ精度が必要不可欠である。パタ
ン位置合わせ精度は、露光・描画装置の合わせマーク位
置の検出測定の方式とその精度、および位置誤差を補正
する装置の機械制御システムに依存する。

現在、後者は電磁力駆動による板バネ制御機構、電歪素
子等で数十オングストロームの位置制御が可能になって
いる半面、前者はその精度まで至っておらず、これが高
精度位置合わせパタン露光の実現を阻害している。

従来、半導体リソグラフィーにおけるマーク位置検出は
、光学技術、電子ビーム技術に専ら負っている。光学的
位置合わせマーク検出方式は、被加工基板上マークの光
学拡大像のＴＶ画像処理及びスリット走査方式、マーク
からの回折、散乱光を利用する方式に分類される。これ
らは被加工基板上の１つのマークのエツジ部をＣＲＴ上
に明暗画像として捉えたり、前記エツジ位置を走査光ビ
ームの反射光で検出したり、あるいは格子状マークから
の散乱光あるいは回折光の最大強度位置を捉えるもので
ある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前記従来の半導体リソグラフィーにおけ
るマーク位置検出では、被加工基板上の１つのマークの
エツジ部をＣＲＴ上に明暗画像として捉えたり、前記エ
ツジ位置を走査光ビームの反射光で検出したり、あるい
は格子状マークからの散乱光あるいは回折光の最大強度
位置を捉えるものであるため、明暗画像での合わせ精度
は、０゜３〜０．５μｍに留まる光学的分解能であり、
光ビーム走査では光ビーム径で殆ど決定されてしまうと
いう問題があった。

また、電気的処理で光学的信号のＳ／Ｎ比（信号／雑音
強度比）を改善しても、−桁以上の分解能改善を計るの
は困難であった。

また、干渉波形を利用する２重回折格子法では、回折格
子ピッチで決まる干渉波形周期分だけ位置合わせ誤差が
生じ易い、電子ビームを用いた位置検出技術においても
、鏡筒の汚染でのチャージアップ、熱歪み、電子銃のフ
リッカ−雑音、ジョブト雑音などによるビーム揺らぎで
パタン位置検出誤差が生じる。

また、光学技術、電子ビーム技術でのいずれの合わせ技
術でも、基板上マーク部の凹凸を直接検出するのでなく
１反射信号レベルからマークエツジ位置を判定するため
、誤差が生じ易いという問題があった。

さらに、装置自体の問題点に加えて、多くの集積回路製
造工程で生ずる基板上位置合わせの断面が矩形状マーク
の変形、即ち凸凹高さの低下、エツジ部傾斜の緩みも従
来技術での位置検出精度を劣化させる。凹凸エツジ部で
の急激な反射信号強度変化でマーク位置を決定する従来
の光学および電子ビーム技術での位置検出では、位置検
出誤差が生じてしまうという問題があった。

また、従来の光学技術、電子ビーム技術いずれにおいて
も、合わせ後の露光パタン自体の重ね合わせ精度が果し
て幾らであるかを直接その場で知る手だてはなかった０
重ね合わせ露光パタンのオングストローム・オーダの精
度の位置検出は、現像処理後の走査型電子顕微鏡観察で
なければ判明しない、さらに、不十分なパタン合わせ精
度であったことが判明した場合にはレジスト剥離、再塗
布、再露光せねばならないという問題があった。

以上説明したように、光学技術および電子ビーム技術に
依拠した従来のパタン位置検出技術では、ナノメータオ
ーダの精度の高いパタン位置検出は困難であり、所定の
マーク形状が変形したマークでは位置検出ができなく、
しかも露光あるいは描画パタンの位置精度の露光あるい
は描画装置内でのその場確認ができず、現像工程後はじ
めて合わせ誤差が判明するという問題があった。

本発明は、前記問題点を解決するためになされたもので
ある。

本発明の目的は、光、Ｘ線２粒子線のうち少なくとも一
つを露光源とするパタン露光処理において、露光パタン
を容易に検出することができる技術を提供することにあ
る。

本発明の他の目的は、光、Ｘ線２粒子線のうち少なくと
も一つを露光源とするパタン露光段階において、露光パ
タンの位置を高精度で容易に検出することができる技術
を提供する。二とにある。

本発明の他の目的は、光、Ｘ線２粒子線のうち少なくと
も一つを露光源とするパタン露光段階において、精度が
数十オングストロームの位置検出をパタン露光時に実行
して合わせ誤差を判定し、パタン合わせ誤差を補正し、
高精度重ね合わせパタン露光を達成する方法を提供する
ことにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろ
う。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的を達成するため、本発明は、光、Ｘ線。

粒子線のうち少なくとも一つを露光源とするパタン露光
段階において、膜表面が露光パタンに応じた凹凸形状変
化する膜を、基板に被覆して露光し、該被覆膜と金属針
間にトンネル電流を流してその位置を走査し、前記トン
ネル電流量から凹凸形状を検出することを最も主要な特
徴とする。

また、露光パタン位置検出方法において、凹凸マークを
有する基板に、非晶質カルコゲナイド膜と、銀、銅のう
ちの少なくとも一種からなる膜、あるいは銀、銅のうち
の少なくとも一種を含む化合物膜との複合膜を、前記基
板の全部あるいは少なくとも前記凹凸マーク上部に被覆
する段階と。

光、Ｘ線２粒子線のうち少なくとも一つを露光源とする
パタン露光を行い前記凹凸マーク上部の被覆膜に凹凸形
状のマークを形成する段階と、走査型トンネル顕微鏡で
前記基板上凹凸マーク箇所を含む領域の前記被覆膜表面
凹凸形状を検出し、前記基板上の凹凸マーク位置と被覆
膜上の露光パタン凹凸位置を比較する段階を備えたこと
特徴とする。

また、パタン重ね合わせ露光方法において、前記露光パ
タン位置検出方法によって判明する露光パタン位置誤差
分を、基板、露光マスクおよび露光ビーム位置のうち少
なくとも一つを移動して補正し、基板と露光マスクとを
高精度に重ね合わせて露光・描画することを特徴とする
。

〔作用〕

前述の手段によれば、膜表面が露光パタンに応じた凹凸
形状変化する膜を、基板に被覆して露光し、該被覆膜と
金属針間にトンネル電流を流してその位置を走査し、前
記トンネル電流量から凹凸形状を検出するので、露光パ
タンを容易に検出することができる。

また、凹凸マークを有する基板に、非晶質カルコゲナイ
ド膜と、銀、銅のうちの少なくとも一種からなる膜、あ
るいは銀、銅のうちの少なくとも一種を含む化合物膜と
の複合膜を、前記基板の全部あるいは少なくとも前記凹
凸マーク上部に被覆し、光、Ｘ線９粒子線のうち少なく
とも一つを露光源とするパタン露光を行い、前記凹凸マ
ーク上部の被覆膜に凹凸形状のマークを形成し、走査型
トンネル顕微鏡で前記基板上凹凸マーク箇所を含む領域
の前記被覆膜表面凹凸形状を検出し、前記基板上の凹凸
マーク位置と被覆膜上の露光パタン凹凸位置を比較する
ので、露光パタンの位置を高精度で容易に検出すること
ができる。

また、前記露光パタン位置検出方法によって判明する露
光パタン位置誤差分を、基板、露光マスクおよび露光ビ
ーム位置のうち少なくとも一つを移動して補正し、基板
と露光マスクとを高精度に重ね合わせて露光・描画する
（露光・描画装置内で走査型トンネル顕微鏡を使用する
ため、露光・描画直後に露光パタンの合わせ誤差をオン
グストローム・オーダで評価ができ、これを基に被露光
基板位置を移動し、該誤差を補正して本露光する）ので
、高精度の合わせパタン露光・描画ができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いて具体的に説明す
る。

なお、実施例を説明するための全図において、同一機能
を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は
省略する。

〔実施例１〕 表面を光学研磨したシリコン基板上に非晶質カルコゲナ
イド膜と銀化合物膜の複合膜を設けた。

前記複合膜は、Ｇｅ２０Ｊｊｉ（子％と５ｅ８０原子％
かなる膜厚１０００オングストローム（入）の非品質カ
ルコゲナイド膜を水素イオン濃度（ｐＨ）１２のシアン
系銀メツキ液（Ａｇ含有量：３２ｇ／ｌ）に２分間浸漬
したものである。オージェ分析によれば表面組成は、銀
セレナイド化合物であった・ 次に、波長が４３６ｎｍの光を用いる１／１０縮小投影
露光装置で８μｍ幅ラインと４μｍ幅スペースのライン
・アンド・スペースパタンを有するレチクルを通して該
複合膜表面を露光した。この時の露光量は２Ｊ／−であ
った。続いて、露光装置から取り出した前記複合膜の表
面形状を走査型トンネル顕微鏡で調べた。

設定測定モードは、トンネル電流制御方式をとり、設定
電流を１ナノアンペア（ｎＡ）、設定電圧を１ボルト（
Ｖ）とした条件で白金製探針をピエゾ素子で駆動し、前
記膜表面を走査した。この時、設定トンネル電流値の揺
らぎは、０．０１ｎＡ以下の安定性を示し、前記複合膜
表面の走査型トンネル顕微鏡１［が可能であることが判
明した。

また、本実施例１の測定方法で前記膜表面の損傷が無い
ことは、多数回の前記顕微鏡ａｉｊ！察でも観察像を十
分に再現することで確認された。その結果、第１図に示
す複合膜断面の凸凹パタンを得た。

露光部１０は０．８μｍ幅の高さが約３００オングスト
ロームの凸形状を示し、二つの凸形状に挟まれた非露光
部１１は０．４μｍ幅を示している。これから光露光パ
タン幅及び位置の評価が現像工程を経ずに、走査型トン
ネル顕微鏡で容易にできることが判明した。

〔実施例２〕 前記実施例１の複合膜形成において、銀メツキ液に代え
てシアン系銅メツキ液（ｐＨ：１２、銅含有量：３２ｇ
／ｌ）に２分間浸漬して表面組成が銅セレナイド化合物
である複合膜を形成した。

次に、実施例１と同じ条件で露光、評価を行ったところ
、実施例１と同じく０．４μｍのスペースを挟んで並ん
だ０．８μｍ幅の凸形状群をＩｊＩ察した。但し、この
場合、凸形状の高さは２００オングストロームであった
。

〔実施例３〕 前記実施例１に示した複合膜をシリコン基板上に形成し
た。次に、電子ビーム描画装置内に前記基板を装填し、
加速電圧を２０ｋＶ、露光ビーム電流を４ｎＡ、ドーズ
量を１０−’Ｃ／ｃｄで０．５μｍ幅のラインを描いた
後、０．３μｍ幅だけ露光ビームをずらして再度０．５
μｍ幅のラインを描いた。これを繰り返し、１０００組
のライン・アンド・スペースパタンを得た。前記電子ビ
ーム描画装置からとりだした複合膜の変色箇所の表面形
状を走査型トンネル顕微鏡を用いて実施例１と同一条件
で調べた結果、凸部が電子ビーム描画部に、凹部が非描
画部に相当する格子状パタンを得た。

凸部幅は０．５５μｍで、一方、凹部幅は０．２５μｍ
であって、実際のライン幅は設定値より０゜０５μｍ広
いことがわかった。

〔実施例４〕 まず、前記実施例１に示した複合膜をシリコン基板上に
形成した１次に、Ｘ線露光装置内に前記基板を装填し、
前記複合膜表面にパタン露光した。

照射Ｘ線は、波長範囲が２〜９オングストロームの軟Ｘ
線で、０．２μｍ幅と０．２μｍ幅のライン・アンド・
スペースパタンを含む金製吸収体（厚み＝０．９７μｍ
）パタンか形成されたＸ線マスクを通して（前記複合膜
と吸収体とのギャップ＝２０μｍ）照射した。この時の
前記複合膜表面での露光量は１１２Ｊ／ａ！である。続
いて露光装置からとりだした該基板のＸ線露光箇所の表
面形状を実施例１と同一条件で走査型トンネル顕微鏡観
察をおこなった。その結果、０．２２μｍ幅の凸形状を
有し、ピッチが０．４０μｍの回折格子を観測した。

〔実施例５〕 露光装置内で高精度パタン位置検出を行う実施例５を第
２図、第３図、第４図に沿って説明するゆ第２図におい
て、１１０は露光光源、１２０は照明レンズ、１３０は
絞り、１４０はレチクル、１５０は投影レンズ、１６０
はステージ、２００は基板、３００は走査型トンネル顕
微鏡ヘッド、３１０．３２０はそれぞれ前記走査型トン
ネル顕微鏡ヘッド３００の制御・駆動装置１画像表示装
置である。

前記露光光源１１０〜ステージ１６０が波長４３６ｎｍ
の光（ｇ線光）を用いた１／１０縮小投影露光装置（光
強度二基板上で４００ｍｗ／ａ＋？）を構成し、前記走
査型トンネル顕微鏡ヘッド３００〜画像表示装置３２０
が走査型トンネル顕微鏡を構成している。

この実施例５では、制御・駆動装置３１０により駆動ス
トロークを３０ｍｍ（平面方向：Ｘおよびｙ方向）１位
置決め精度を１μｍの性能を有する手動マイクロメータ
ヘッドに装着した走査型トンネル顕微鏡ヘッド３００を
光軸上あるいは光軸外に、自由に移動し１位置設定でき
るようにしている。

この場合、投影レンズ１５０と基板２００との距離は約
９０ｍ＋＋で、走査型トンネル顕微鏡ヘッド３００の大
きさは、横（Ｘ方向）に約２５ｍ、奥行き（ｙ方向）に
約２５ｗＩａ、高さ（２方向）に約２５ｍである。　前
記走査型トンネル顕微鏡の解像度は、平面（Ｘおよびｙ
）方向が２０オングストローム、高さ（ｚ）方向が５オ
ングストロームであり、最大（ｘ＋ｙ平面方向査長は３
０μｍである。

第３Ａ図は、被露光基板表面のパタン重ね合わせ評価マ
ークを示す図であり、第３Ｂ図は、レチクルの露光パタ
ン重ね合わせ評価マークを示す図である。

第４図は、本発明による重ね合わせ評価結果を示す図で
あり、第３Ｂ図に示すレチクルパタンを第３Ａ図の基板
上マーク部箇所に露光した基板表面凸凹形状を示す図で
ある。

前記基板２００には、集積回路パタン、従来の使用露光
装置専用の重ね合わせマークの他、この従来マーク近傍
に、本発明に係わる重ね合わせ評価王字型（長さ＝１０
μｍ、幅：１μｍ、深さ：４００オングストローム）凹
マーク（第３Ａ図におけるマーク１０１０）が表面に食
刻しであるシリコン基板２００の全面に実施例１におけ
る複合膜を被覆したものである。前記複合膜表面にステ
ンレス製金具を密着して前記基板２００全体を固定した
うえでアースをとった。

また、レチクル１４０には、金属（Ｃｒ）膜で半導体集
積回路パタンおよび使用露光装置用重ね合わせマークが
形成され、前記基板２００のパタン合わせ評価用マーク
位置に相当する位置には、露光パタン重ね合わせ位置評
価用王字型（長さ＝１０μｍ、幅：２μｍ）マーク（第
３Ｂ図におけるマーク１０２０）が形成されている。

前記レチクル１４０のパタン重ね合わせ評価用工学型マ
ーク１０２０は、金属（Ｃｒ）膜面となり、これを中心
に含む領域１０３０　（面積：２０μｍＸ２０μｍ）は
抜きパタン（金属膜Ｃｒのない面）となっている。設計
では基板２００上のパタン合わせ評価マーク１０１０が
、レチクル１４０上パタン合わせ評価マーク１０２０に
相当する基板２００上の位置の中心に位置するようにな
っている。

まず、露光装置の従来のパタン重ね合わせ手順にしたが
ったレチクル１４０と基板２００からの反射光像をＣＲ
Ｔで表示してパタン重ね合わせを行った後、パタン露光
用の波長が４３６ｎｍの光（強度二基板上で４００ｍｗ
／ａＪ）でパタン重ね合わせ評価用工学型マークを含む
箇所１０３０に露光を５秒間行った。続いて、レチクル
１４０および基板２００を静止させたまま、制御駆動装
置３１０で走査型トンネル顕１１Ｍヘッドを光軸位置に
挿入して、パタン重ね合わせ評価マーク１０１０付近の
複合膜表面形状を走査型トンネル顕微鏡で観察し１．画
像表示装置３２０に表示した。その結果、第４図に示す
１次元（Ｘ方向）表示の表面凸凹形状を得た。中心の凹
部がもともとの基板２００上の合わせ評価用凹マーク部
、その両側の凹部が前記レチクル１４０上の王字型マー
クの非露光部に相当し、外側の凸部が前記レチクル１４
０の領域１０３０の露光部に当たる。中央段差位置間距
離（２０２０と２０３０との距離）は０．５８μｍ、右
段差位置間距離（２０３０と２０４０との距離）は０．
４２μｍと非対称であることから、従来の光学的パタン
重ね合わせをして露光したものでは。

Ｘ方向に関しての露光パタン重ね合わせ誤差が正（＋）
方向に０．０８μｍであることが判った。

〔実施例６〕 前記実施例５において、露光パタン重ね合わせ誤差評価
をしたのに続き、前記走査型トンネル顕微鏡ヘッド３０
０を制御・駆動装置３１０で光軸外に移動させ、また、
基板２００を搭載したステージ１６０をＤＣモータによ
る多段階定速駆動させて基板を一方向に０．０８μｍず
らして、レチクル１４０上の集積回路パタンを含めたパ
タンの本発明の露光（露光量：約ｉ、２Ｊ／ａＪ）を行
った。続いて、前記基板を露光装置から取り出し、前記
複合膜の形成を行った。現像はまず希釈王水で表面の銀
セレナイド層をエツチングして未露光部の非晶質Ｇ　ｅ
　−５ｅ膜を露出させ、次に、ジメチルアミン水溶液処
理で前記未露光部の非晶質Ｇｅ−３ｅ膜をエツチングし
、再び希釈王水処理で残留銀セレナイド層を除去する方
法で行った。肉眼でシリコン基板２００の表面に食刻さ
れた集積回路パタンと新たに形成された非晶質Ｇ　ｅ　
−Ｓ　ｅ膜の集積回路パタンか認められた１次に、集積
回路パタンの全面に白金薄層（厚み：　２００オングス
トローム）を付着させて走査型電子顕微鏡で測長を行っ
たところ、両パタンの重ね合わせ誤差は２００オングス
トローム以下となっていることが判った。

以上の説明かられかるように、本実施例１〜６によれば
、前記作用の項で述べた通りの作用効果を奏する。

以上、本発明を実施例にもとづき具体的に説明したが、
本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その
要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であること
は言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上、説明したように、本発明によれば、露光パタンを
容易に検出することができる。

また、露光パタンの位置を高精度で容易に検出すること
ができる。

また、高精度の合わせパタン露光・描画を行うことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の一実施例で検出した露光パタンに応
じた凹凸形状を示す図、 第２図は、本発明の一実施例による縮小投影露光装置と
走査型トンネル顕微鏡の概略構成を示す図。 第３Ａ図は、基板上設けられた重ね合わせ評価用マーク
を示す図、 第３Ｂ図は、レチクル上重ね合わせ評価の基板表面凹凸
形状を示す図。 第４図は１本発明による重ね合わせ評価結果を示す図で
ある。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）光、Ｘ線、粒子線のうち少なくとも一つを露光源
   とするパタン露光段階において、膜表面が露光パタンに
   応じた凹凸形状変化する膜を、基板に被覆して露光し、
   前記被覆膜と金属針間にトンネル電流を流してその位置
   を走査し、前記トンネル電流量から凹凸形状を検出する
   ことを特徴とする露光パタン検出方法。
2. （２）凹凸マークを有する基板に、非晶質カルコゲナイ
   ド膜と、銀、銅のうちの少なくとも一種からなる膜、あ
   るいは銀、銅のうちの少なくとも一種を含む化合物膜と
   の複合膜を、前記基板の全部あるいは少なくとも前記凹
   凸マーク上部に被覆する段階と、光、Ｘ線、粒子線のう
   ち少なくとも一つを露光源とするパタン露光を行い前記
   凹凸マーク上部の被覆膜に凹凸形状のマークを形成する
   段階と、一走査型トンネル顕微鏡で前記基板上凹凸マー
   ク箇所を含む領域の前記被覆膜表面凹凸形状を検出し、
   前記基板上の凹凸マーク位置と被覆膜上の露光パタン凹
   凸位置を比較する段階を備えたことを特徴とする露光パ
   タン位置検出方法。
3. （３）請求項第２項に記載のパタン位置検出方法によっ
   て判明した露光パタン位置誤差分を、基板、露光マスク
   および露光ビーム位置のうち少なくとも一つを移動して
   補正し、基板と露光マスクとを高精度に重ね合わせて露
   光・描画することを特徴とするパタン重ね合わせ露光方
   法。