JP2001033942A - フォトマスク、露光装置、および半導体ウェーハ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アライメント誤差の誤差量を高精度に測定す
ることができる測定用マークの配置を提供する。 【解決手段】 露光領域内に少なくとも２つの測定用マ
ークが配置されたフォトマスクであって、第１の測定用
マークが露光領域の中心を原点とするＹ軸に近接して配
置され、第２の測定用マークが、Ｘ軸およびＹ軸のどち
らにも近接して配置されず、かつ、第１の測定用マーク
からの距離がＸ軸よりも大きくなるように配置されてい
る。また、Ｘ軸とＹ軸を入れ替えた構成のフォトマスク
である。さらに、このフォトマスクを用いた露光装置、
この測定用マークが露光される半導体ウェーハである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フォトマスクおよ
びこれを用いた露光装置、並びに、このフォトマスクを
用いて露光された半導体ウェーハに関する。特に、本発
明は、露光工程で用いられる重ね合わせ誤差測定用マー
クの配置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造工程では、異なったパターン
が半導体ウェーハ上に多数重ねて露光される。そして、
露光工程においては、前の工程のパターンと次の工程の
パターンの位置関係を正確に合わせる作業（アライメン
ト；alignment）が行われる。アライメント作業によっ
て、パターン相互の位置関係が正確なものとなり、設計
通りの特性を有するＬＳＩが実現する。通常、フォトマ
スクの露光領域内の半導体チップパターンの外側に、パ
ターンの重ね合わせ誤差（アライメント誤差）の誤差量
を測定するための測定用マークが配置される。

【０００３】図８および図９は、従来の測定用マークの
配置例を示す図である。図８に示した例では、チップ１
４の右下角付近に測定用マーク１０および測定用マーク
１２が配置されている。この配置例では、たとえばチッ
プ１４にＸ方向またはＹ方向に合わせずれが生じた場
合、その誤差量は測定用マーク１０と測定用マーク１２
によって精度良く検出することができる。ところが、図
８の配置例は、回転誤差検出の精度が悪いという不具合
を有している。たとえば図１０に示すように、チップ１
４の位置がチップ１４ａの位置に回転した場合を考えて
みる。この場合、チップ１４ａは、測定用マーク１０お
よび測定用マーク１２が配置されている角を中心に回転
している。そのため、測定用マーク１０および測定用マ
ーク１２付近の誤差量はチップ１４ａ全体の誤差量と比
べるとかなり小さいものとなる。したがって、チップ１
４ａの回転誤差の誤差量を十分精度良く検出することは
できない。また、チップの倍率誤差についても精度良く
その誤差量を測定できない。上記と同様、測定用マーク
１０と１２との間の距離が近く、測定用マーク１０およ
び測定用マーク１２付近での誤差量が全体のもの比べて
小さいからである。

【０００４】一方、図９に示した例では、Ｘ及びＹ軸上
に測定用マーク１０及び測定用マーク１２がそれぞれ配
置されている。この配置例では、図８に示した配置例と
比較すれば、回転誤差、倍率誤差共に高精度にその誤差
量を検出することはできる。というのは、図８と比べて
測定用マーク１０と１２間の距離が大きくなっており、
測定用マーク１０および測定用マーク１２付近での誤差
量が図８の場合と比べて大きくなるからである。しかし
ながら、近年の微細化したパターンの形成に必要なアラ
イメント精度を実現するには図９に示した配置例でも十
分とは言えない。

【０００５】そのため、図１１に示すように、測定用マ
ーク１０および測定用マーク１２をその距離が最も遠く
なるようにチップ１４の対角線上に配置する例がある。
この配置例によれば、２つの測定用マーク１０および測
定用マーク１２の間の距離が図８および図９に示した例
と比べてかなり大きいので、回転誤差、倍率誤差共によ
り高精度に検出することができる。しかしながら、倍率
誤差が２つの測定用マーク１０と１２を結ぶチップ１４
の対角線方向に現れている場合、測定用マーク１０およ
び１２の位置ではその誤差量が小さいため、チップ１４
全体の誤差量を高精度に測定できない。また、チップ１
４に平行四辺形歪みがあっても、その他の誤差がその歪
みを打ち消す方向に生じてしまうと、その平行四辺形歪
みの誤差量が正確に測定されない。すなわち、図１１の
チップ１４ｂは、平行四辺形歪みに加えて、さらにその
歪みを打ち消す方向に回転誤差およびＸ方向の倍率誤差
が生じた場合を示すものである。この場合、測定用マー
ク１０および１２の位置ではこれらの誤差が互いに相殺
されてしまうので、２つのマーク位置では見掛け上アラ
イメント誤差はほとんど生じていない。したがって、図
１１の配置では、上記のような状況下にあっては、平行
四辺形歪みを検出することができない。

【０００６】一方、上記の配置例では測定用マークは２
つであったが、測定用マークの数を増やすことで回転誤
差、倍率誤差、平行四辺形歪みといったアライメント誤
差をすべて高精度に検出する方法も考えられる。しか
し、多数の測定用マークの測定には長時間を要し、その
ため生産性の低下を招くおそれがあるため、測定用マー
クの数は最小限にする必要があった。

【０００７】このように、測定用マークを２つ以内にし
て生産性低下を防止することと、高精度にすべての誤差
を測定することは互いにトレードオフの関係にあり、両
立しないという問題があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
課題を解決し、アライメント誤差の誤差量を高精度に測
定することができる測定用マークが配置されたフォトマ
スクを提供することを目的とする。

【０００９】本発明のさらに他の目的は、より正確なア
ライメントを行うことができる露光装置を提供すること
である。

【００１０】本発明のさらに他の目的は、アライメント
誤差の誤差量を高精度に測定することができる半導体ウ
ェーハを提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の第１の特徴は、露光領域内に少なくとも２
つの測定用マークを有し、少なくとも１つの第１の測定
用マークは露光領域の中心を原点とするＸ軸またはＹ軸
のどちらか一方の第１の軸に近接して配置され、他の少
なくとも一つの第２の測定用マークは、Ｘ軸およびＹ軸
のどちらにも近接して配置されず、かつ、第１の測定用
マークからの距離が第１の軸以外の第２の軸からの距離
よりも大きくなるように配置されているフォトマスクで
あることである。

【００１２】好ましくは、第２の測定用マークは、第１
の軸よりも第２の軸との距離の方が小さくなるように配
置されていることである。

【００１３】本発明の第１の特徴によれば、第１の測定
用マークと第２の測定用マークの間の距離をできるだけ
大きくする一方、共にチップの対角線上に配置されない
ようにする。したがって、（Ａ）Ｘ方向またはＹ方向の
合わせずれ誤差、（Ｂ）回転誤差、（Ｃ）倍率誤差およ
び（Ｄ）平行四辺形歪みのすべての誤差量を高精度に測
定することを可能とする。それにより、アライメント精
度の向上を図ることができ、より正確な露光を行うこと
ができる。そして、半導体集積回路の微細化を一層進め
ることが可能となる。

【００１４】より好ましくは、フォトマスクは、少なく
とも１つの第３の測定用マークは第２の軸に関して第１
の測定用マークの位置の対称位置に配置され、少なくと
も１つの第４の測定用マークは第１の軸に関して第２の
測定用マークの位置の対称位置に配置されていることで
ある。これにより、異なるステップで露光された隣接す
るパターンの位置合わせ誤差の評価も可能となる。した
がって、同一露光工程のパターンの配列の位置合わせ精
度を向上できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。

【００１６】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第
１の実施の形態に係るフォトマスクの測定用マークの配
置を示す図である。

【００１７】通常、アライメント誤差の測定は、前の工
程の露光で形成された測定用マークと次の工程の露光で
形成された測定用マークを用いて行われる。

【００１８】チップ内のアライメント誤差を測定した場
合、測定用マークで検出される誤差量のＸ成分（ΔＸ）
とＹ成分（ΔＹ）は一般に次の式で表わされる。

【００１９】

【数１】 ΔＸ＝（Ｘシフト）＋Ｘ・（Ｘ方向倍率） −Ｙ・（回転） ……（１） ΔＹ＝（Ｙシフト）＋Ｙ・（Ｙ方向倍率） ＋Ｘ（（回転）＋（平行四辺形歪み））……（２） ここで、Ｘ，Ｙは任意の点を原点とした場合の測定用マ
ークの座標、（Ｘシフト）、（Ｙシフト）はＸ方向、Ｙ
方向の合わせずれ誤差の誤差量、（Ｘ方向倍率）、（Ｙ
方向倍率）はＸ方向、Ｙ方向の倍率誤差の誤差量、（回
転）は回転誤差の誤差量、（平行四辺形歪み）は平行四
辺形歪みの誤差量である。また、平行四辺形歪みはＹ方
向に生じているものとする（したがって、Ｘ方向には歪
みによる誤差は無い）。

【００２０】上記（１）式、（２）式において、（Ｘシ
フト）および（Ｙシフト）は定数と見なすことができ
る。すなわち、露光装置はレーザー干渉計の位置測定に
より位置決めされたステージ上にあるウェーハを露光し
ている。したがって、チップのシフト量はウェーハの位
置決めで決まるシフト量と実質上同じであると考えるこ
とができる。ウェーハのシフト量を別途求めれば、上記
（１）式および（２）式は次のように書換えることがで
きる。

【００２１】

【数２】 ΔＸ＝（定数項）＋Ｘ・（Ｘ方向倍率） −Ｙ・（回転） ……（３） ΔＹ＝（定数項）＋Ｙ・（Ｙ方向倍率） ＋Ｘ（（回転）＋（平行四辺形歪み））……（４） 上記（３）式および（４）式から明らかなように、Ｘお
よびＹを大きくすれば、同じ（Ｘ方向倍率）、（Ｙ方向
倍率）、（回転）および（平行四辺形歪み）に対して、
ΔＸおよびΔＹを大きくすることができる。すなわち、
これら同じ誤差量に対して、ΔＸおよびΔＹを大きく検
出することが可能となり、それにより検出精度の向上を
図ることができる。そして、測定用マークの数を最小限
の２つとした場合、その一方を原点におけば、上述した
ＸおよびＹは２つの測定用マーク間の距離に相当する。
したがって、測定用マークが２つの場合には、それらの
間の距離をできるだけ大きくすれば良いことになる。

【００２２】したがって、従来技術において、図１１に
示したように、チップ１４の対角線上に２つの測定用マ
ークを配置すれば確かに（Ｂ）回転誤差および（Ｃ）倍
率誤差の誤差量についても高精度に測定可能である。し
かしながら、２つの測定用マークが共にチップの対角線
上に配置された場合、（Ｄ）平行四辺形歪みについては
十分な精度でその誤差量を測定できない。また、その対
角線方向に（Ｃ）倍率誤差が生じた場合も同様に高精度
の測定は望めない。

【００２３】そこで、本発明者らは、（Ａ）Ｘ方向また
はＹ方向の合わせずれ誤差だけでなく、（Ｂ）回転誤
差、（Ｃ）倍率誤差および（Ｄ）平行四辺形歪みのすべ
てに対して高精度にその誤差量を測定できる測定用マー
クの配置を種々試みた結果、図１に示す測定用マーク配
置であれば、これらすべての誤差量を現在の微細化した
パターンのアライメントにとって十分に高い精度で測定
を行うことができることを見出した。すなわち、図１に
示すように、本発明の実施の形態に係る測定用マークの
配置は、露光領域内に２つの測定用マークが配置され、
第１の測定用マーク１２は露光領域の中心を原点とする
Ｙ軸に近接して配置され、第２の測定用マーク１０は、
Ｘ軸およびＹ軸のどちらにも近接して配置されず、か
つ、第１の測定用マーク１２からの距離がＸ軸からの距
離よりも大きくなるように配置されている。そして、第
２の測定用マーク１０はＹ軸との距離よりもＸ軸との距
離の方が小さくなるように配置されている。

【００２４】このように測定用マークを配置することに
より、２つの測定用マーク間距離は従来技術の図８およ
び図９に示した測定用マーク配置例と比べて大きくな
る。これにより、上記（３）式および（４）式のＸおよ
びＹは大きくなり、その結果、ΔＸおよびΔＹが大きく
検出されることになる。したがって、誤差測定の検出精
度が向上する。一方、従来技術の図１１に示した測定用
マーク配置例のように２つの測定用マークは共にチップ
の対角線上に配置されていない。すなわち、本発明の実
施の形態では、２つの測定用マーク間距離をできるだけ
大きくする一方、共に対角線上に配置されないようにす
ることで、（Ａ）Ｘ方向またはＹ方向の合わせずれ誤
差、（Ｂ）回転誤差、（Ｃ）倍率誤差および（Ｄ）平行
四辺形歪みのすべての誤差量を高精度に測定することを
可能とするものである。

【００２５】ここで、（Ａ）Ｘ方向またはＹ方向の合わ
せずれ誤差、（Ｂ）回転誤差、（Ｃ）倍率誤差および
（Ｄ）平行四辺形歪みについて簡単に説明しておく。図
５は、各誤差を説明するための図である。（ａ）がＸ方
向またはＹ方向の合わせずれ誤差、（ｂ）が回転誤差、
（ｃ）が倍率誤差、（ｄ）が平行四辺形歪みである。
（ａ）のＸ方向またはＹ方向の合わせずれ誤差はフォト
マスクまたはウェーハがＸ方向またはＹ方向にシフトす
ることで発生する誤差である。（ｂ）の回転誤差はフォ
トマスクまたはウェーハが回転することで発生する誤差
である。（ｃ）の倍率誤差はウェーハまたはレンズの伸
縮で発生する誤差、（ｄ）平行四辺形歪みは主にレンズ
自体の歪みによって発生する誤差である。この誤差はス
キャナー型の露光装置においてはステージの走行誤差に
よっても多く見られるものである。

【００２６】本発明の第１の実施の形態においては、各
測定用マーク１０および測定用マーク１２は共に、Ｘ方
向およびＹ方向の誤差量を測定できるように、Ｘ方向の
測定用マークおよびＹ方向の測定測定用マークの両方を
含むように構成すれば良い。２つの測定用マークで実質
的に４点測定できることになるからである。それによ
り、アライメント誤差の測定の精度は高まり、しかも一
つの測定用マークで２点を測定できることから、ウェー
ハや測定装置を測定のために移動する時間が大幅に短縮
される。したがって、半導体製造の生産性を向上し、生
産コストが低減される。

【００２７】本発明の第１の実施の形態においては、測
定用マークの形はＸ方向、Ｙ方向の誤差量を測定できる
ものであればどのような形であっても構わない。たとえ
ば、図６に示すような、（ａ）バーニア・マーク、
（ｂ）バー・イン・バー・マーク、（ｃ）ボックス・イ
ン・ボックス・マーク、を用いれば良い。

【００２８】図２〜図４は、本発明の実施の形態の変形
例である。これら変形例においても上記実施形態と同様
の効果を得ることができる。

【００２９】本発明の第１の実施の形態によれば、
（Ａ）Ｘ方向またはＹ方向の合わせずれ誤差に加えて、
（Ｂ）回転誤差、（Ｃ）倍率誤差および（Ｄ）平行四辺
形歪みのすべての誤差量を高精度に測定することが可能
となる。それにより、アライメント精度の向上を図るこ
とができ、より正確な露光を行うことができる。そし
て、半導体集積回路の微細化を一層進めることが可能と
なる。

【００３０】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施の形態について説明する。第１の実施の形態は、
異なる工程間のパターンの重ね合わせ誤差の誤差量を測
定するものであったが、本発明の第２の実施の形態はさ
らに、同一露光工程内の隣接する同一パターンの配列の
位置合わせ誤差の誤差量の測定も可能とするものであ
る。すなわち、本発明の第２の実施の形態は、同一工程
において、同一パターン（１チップであっても複数チッ
プであっても構わない）を繰り返し露光するような場合
において、隣接する、異なるステップで露光された、パ
ターン間の位置合わせ誤差の誤差量の測定を可能とす
る。

【００３１】図７は、本発明の第２の実施の形態に係る
フォトマスクの測定用マークの配置を示す図である。図
７に示すように、本発明の第２の実施に係る配置は、図
１に示した第１の実施の形態に係る第１の測定用マーク
１２および第２の測定用マーク１０に、さらに測定用マ
ーク１６および測定用マーク１８を付加したものであ
る。第３の測定用マーク１８はＸ軸に関して第１の測定
用マーク１２の位置の対称位置にそれぞれ配置され、第
４の測定用マーク１６はＹ軸に関して第２の測定用マー
ク１０の位置の対称位置に配置される。

【００３２】このように配置された４つの測定用マーク
１０，１２，１６および１８を連続的に露光した場合、
図７に示すように、隣接するチップ間では、測定用マー
ク１０と測定用マーク１６ａと、測定用マーク１２と測
定用マーク１８ａと、がそれぞれ重なり合う。そして、
重なり合う測定用マーク間で重ね合わせ誤差の誤差量を
測定することが可能となる。それにより、異なるステッ
プで露光されたチップ間の位置合わせ誤差の誤差量を測
定できる。

【００３３】本発明の第２の実施の形態に係る測定用マ
ーク配置は、第１の実施の形態の測定用マーク配置を用
いたものを説明したが、第１の実施の形態の変形例をそ
れぞれ用いたものであってももちろん構わない。

【００３４】本発明の第２の実施の形態によれば、第１
の実施の形態と同様の効果を実現できると共に、異なる
ステップで露光された隣接するパターンの位置合わせ誤
差の評価も可能となる。したがって、同一露光工程のパ
ターンの配列の位置合わせ精度を向上できる。

【００３５】以上、本発明者らによってなされた発明を
上記実施形態によって記載したが、この開示の一部をな
す論述および図面はこの発明を限定するものであると理
解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替
実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

【００３６】たとえば、第１および第２の実施の形態で
説明した測定用マークは一例を示したに過ぎず、光学顕
微鏡で測定するものであっても電子顕微鏡を用いて測定
するものであっても同様の効果が期待できる。また、誤
差量の測定に当たっては自動測定を利用することも可能
である。

【００３７】さらに、第１および第２の実施の形態にお
いては、測定用マークをチップ外に配置したが、必ずし
もチップ外に配置する必要はなく、本発明の主旨を逸脱
しない範囲内でチップ内の適当な位置に配置することも
可能である。

【００３８】このように、本発明はここでは記載してい
ない様々な実施の形態等を包含するということを理解す
べきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な
特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定さ
れるものである。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、アライメント誤差の誤
差量を高精度に測定可能な測定用マークが配置されたフ
ォトマスクを提供できる。

【００４０】本発明によれば、高精度のアライメントを
行う露光装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係るフォトマスク
に設けられた測定用マークの配置を示す図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態の第１の変形例を示
す図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態の第２の変形例を示
す図である。

【図４】本発明の第１の実施の形態の第３の変形例を示
す図である。

【図５】（ａ）は、Ｘ方向またはＹ方向の合わせずれ誤
差、（ｂ）は、回転誤差、（ｃ）は、倍率誤差、（ｄ）
は、平行四辺形歪み、を説明するための図である。

【図６】（ａ）は、バーニア・マーク、（ｂ）は、バー
・イン・バー・マーク、（ｃ）は、ボックス・イン・ボ
ックス・マーク、を説明するための図である。

【図７】本発明の第２の実施の形態に係るフォトマスク
に設けられた測定用マークの配置を示す図である。

【図８】従来技術に係る測定用マークの配置例を示す図
である。

【図９】従来技術に係る測定用マークの配置例を示す図
である。

【図１０】従来技術に係る測定用マークの配置例の問題
点を説明するための図である。

【図１１】従来技術に係る測定用マークの配置例を示す
図である。

【符号の説明】 １０，１２，１６，１８ 測定用マーク １４ チップ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 露光領域内に少なくとも２つの測定用マ
   ークを有し、少なくとも１つの測定用マーク（以下、第
   １の測定用マークという）は前記露光領域の中心を原点
   とするＸ軸またはＹ軸のどちらか一方（以下、第１の軸
   という）に近接して配置され、他の少なくとも一つの測
   定用マーク（以下、第２の測定用マークという）は、前
   記Ｘ軸およびＹ軸のどちらにも近接して配置されず、か
   つ、前記第１の測定用マークからの距離が前記第１の軸
   以外の軸（以下、第２の軸という）からの距離よりも大
   きくなるように配置されていることを特徴とするフォト
   マスク。
2. 【請求項２】 前記第２の測定用マークは、前記第１の
   軸との距離よりも前記第２の軸との距離の方が小さくな
   るように配置されていることを特徴とする請求項１に記
   載のフォトマスク。
3. 【請求項３】 前記フォトマスクは、少なくとも１つの
   測定用マーク（以下、第３の測定用マークという）は前
   記第２の軸に関して前記第１の測定用マークの位置の対
   称位置に配置され、少なくとも１つの測定用マーク（以
   下、第４の測定用マークという）は前記第１の軸に関し
   て前記第２の測定用マークの位置の対称位置に配置され
   ていることを特徴とする請求項１または２に記載のフォ
   トマスク。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３に記載のフォトマスクを
   用いて露光を行う手段と、 前記露光によりウェーハ上に転写された前記測定用マー
   クを用いて前記ウェーハと前記フォトマスクの間の重ね
   合わせを行う手段とを有することを特徴とする露光装
   置。
5. 【請求項５】 請求項１乃至３に記載のフォトマスクを
   用いて露光により前記測定用マークが転写されると共
   に、 前記転写された測定用マークを用いて前記フォトマスク
   との間の重ね合わせを行うことを特徴とする半導体ウェ
   ーハ。