JP2011009259A - 半導体装置、リソグラフィ方法、及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】精確に検出可能なアライメントマークを有する半導体装置を提供することにある。
【解決手段】本発明による半導体装置は、リソグラフィ製造工程用のアライメントマークを有する。アライメントマークは、検出光の走査方向に沿って所定の間隔で配置された複数の棒状マーク１０を備える。複数の棒状マーク１０の各々は、走査方向に直交する第１方向に沿って所定の間隔で配置された複数の配線マーク１１によって形成される。互いに隣接する配線マーク１０間隔ＷＳは、半導体装置の設計制約の範囲内において前記検出光の波長より短い。
【選択図】図８

Description

本発明は、リソグラフィ製造工程用のアライメントマークを有する半導体装置、リソグラフィ方法、及び半導体装置の製造方法に関する。

多層構造の半導体装置を製造する際、各素子が形成された各層の重ね合わせの精度（以下、重ね精度と称す）が半導体装置の性能、及び、品質に大きく影響を与える。このため、製造プロセス技術開発、生産技術開発、製造ラインにおいて、重ね精度の向上や重ね精度の管理が重要課題となっている。リソグラフィ工程において、各素子が形成された各層の重ね合わせが行なわれる。リソグラフィ工程では、照明系と駆動系と搬送系を有する露光装置（以下、露光機と称す）によって、表面に感光樹脂膜（以下、レジストと称す）を塗布したシリコンウエハ上に回路パタンが露光転写される。この時の回路パタン図が、各機能動作を有する素子が形成された層となる。

露光済みの層上に、他の回路パタンを転写する場合、露光機は、転写済みの回路パタンと次に転写する回路パタンとを精度良く重ね合わせる必要がある。露光機はシリコンウエハに予め形成された目印（アライメントマーク）を利用して回路パタンの位置決めを行なう。図１を参照して、回路パタンの転写を行なう際の位置決め処理について説明する。図１は、リソグラフィ工程における重ね露光を示す概念図である。図１（ａ）を参照して、露光機は、シリコンウエハ上に形成された（転写済みの）アライメントマークをプローブ光により走査し、このアライメントマークの位置を検出する。露光機は、検出したアライメントマークの位置から、シリコンウエハ上に転写済みの回路パタン（以下、重ね合わせ先層と称す）の位置を確認する。図１（ｂ）を参照して、露光機は、この重ね合わせ先層の上に、重ね合わせ先層とは別機能を有する他の回路パタン（以下、重ね合わせ層と称す）を露光転写する。

このように、リソグラフィ工程では、回路パタンが転写済みの下の層（重ね合わせ先層）の位置情報を基にして上の層（重ね合わせ層）を重ね合わせて作成し、更に、重ね精度を定量的に検証することにより、所望の回路動作の実現と保証を行っている。重ね精度は、露光機が重ね合わせ先層の位置を確認する精度に大きく依存する。すなわち、重ね精度は、露光機がアライメントマークを走査し、アライメントマークの位置を検出する精度に大きく依存する。この精度を露光機のアライメント計測精度と言う。アライメント計測精度は、露光機本体のアライメント計測機構の精度にも依るが、アライメントマーク自身の構造によって左右されるところも大きい。

図２及び図３を参照して、回路パタンの位置決めを行なうためのアライメントマークの一例を説明する。図２は、転写済みの回路パタンのＸ座標を検出するアライメントマーク１００の構造の一例を示す図である。図２を参照して、アライメントマーク１００は、所定の間隔Ｐ１０で配置された複数の棒状マーク１０１を有する。露光機は、プローブ光の照射位置をＸ計測方向に走査することで、アライメントマークの位置を特定し、転写済みの回路パタンのＸ座標を検出する。以下、プローブ光の照射位置の走査方向を計測方向と称す。複数の棒状マーク１０１は、このＸ計測方向に沿って所定の間隔Ｐ１０で配置される。棒状マーク１０１の形状は、例えばＸ計測方向を短辺（幅：数μｍ〜１０μｍ）、Ｘ計測方向に対して垂直な非計測方向を長辺とする矩形である。又、隣接する棒状マーク１０１の間隔Ｐ１０は１０μｍ〜１００μｍ、アライメントマーク１００を形成する棒状マーク１０１の数は数本〜数十本である。

図３は、転写済みの回路パタンのＹ座標を検出するアライメントマーク２００の構造の一例を示す図である。図３を参照して、アライメントマーク２００は、所定の間隔Ｐ２０で配置された複数の棒状マーク２０１を有する。露光機は、プローブ光の照射位置をＹ計測方向に走査することで、アライメントマークの位置を特定し、転写済みの回路パタンのＹ座標を検出する。複数の棒状マーク２０１は、このＹ計測方向に沿って所定の間隔Ｐ２０で配置される。棒状マーク２０１の形状は、例えば、Ｙ計測方向を短辺（幅：数μｍ〜１０μｍ）、Ｙ計測方向に対して垂直な非計測方向を長辺とする矩形である。又、隣接する棒状マーク２０１の間隔Ｐ２０は１０μｍ〜１００μｍ、アライメントマーク２００を形成する棒状マーク２０１の数は数本〜数十本である。

近年、半導体装置の微細化に伴い、製造工程におけるドライエッチングや化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ）等の製造方法上の不具合回避から、回路パタン上にミクロン単位のパタンを形成することが制約されている（設計制約）。ドライエッチング時のエッチングレートやＣＭＰ研磨量は、パタンサイズに依存して変化する。このため、アライメントマークのパタンサイズが他の回路要素のパタンサイズと異なる場合、エッチング量やＣＭＰ研磨量がウエハ面内でばらつく等の半導体プロセス上の不具合が発生してしまう。このような不具合を回避するため、アライメントマークも設計制約に応じたパタンサイズ（例えば線幅１μｍ未満）とする必要がある。

アライメントマーク、あるいは、重ね合わせマークに関する技術が、例えば、特開２０００−２５２２０３（特許文献１参照）、特開２０００−３０６８２２（特許文献２参照）、特開２００１−４４１０５（特許文献３参照）、特開２００１−１０２２８５（特許文献４参照）、特開２００３−２０９０３７（特許文献５参照）、特開２００５−３１６８１（特許文献６参照）、特開２００７−７３９７０（特許文献７参照）、特表２００４−５０７９０１（特許文献８参照）に記載されている。

特開２０００−２５２２０３ 特開２０００−３０６８２２ 特開２００１−４４１０５ 特開２００１−１０２２８５ 特開２００３−２０９０３７ 特開２００５−３１６８１ 特開２００７−７３９７０ 特表２００４−５０７９０１

アライメントマークの線幅を１μｍ未満に制約してしまうと、マーク光学像の解像度が劣化し、アライメント計測の誤差が増大する。これにより、アライメント計測精度や重ね精度が低下するため、半導体装置の高性能化、高品質保証を実現することが困難になる。

発明者は、設計制約に応じた線幅で形成されたアライメントマークの問題点を、以下のように検証した。以下、図４〜図７を参照して、線幅が１μｍ未満に制約されたマークの解像度に関する検証結果について説明する。図４及び図６は、実験評価に用いたアライメントマークを示す。図５及び図７は、図４及び図６に示したアライメントマークに対するアライメント計測精度に関する実験評価結果を示す。

ここでは、設計制約を満たさない線幅のアライメントマーク１００（図４参照）と、線幅が設計制約に応じた線幅のアライメントマーク３００（図６参照）のそれぞれのアライメント計測精度が検証された。図４を参照して、アライメントマーク１００には、計測方向の線幅が６μｍの棒状マーク１０１が、計測方向にピッチ２０μｍで９本配置される。アライメントマーク１００に対するアライメント計測残留３δ値の実証結果を図５に示す。一方、図６を参照して、アライメントマーク３００には、計測方向の線幅が０．３μｍの棒状マーク３０１が、計測方向にピッチ２０μｍで９本配置される。アライメントマーク３００に対するアライメント計測残留３δ値の実証結果を図７に示す。

一般に、アライメント計測残留３σが、露光機のステージ性能から算出される妥当な値に近い場合、計測誤差が最小化されていると判断される（当実験の場合、２０〜２５ｎｍが妥当な値である）。図５と図７を比較すると、アライメントマーク３００に対する計測残留３δ値は５０ｎｍであり、アライメントマーク１００に対する値（約２５ｎｍ）に比べ２倍近く精度が低下している。

以上のように、マークの線幅を１μｍ未満に制約してしまうと、アライメント計測精度が低下し、重ね精度の低下に繋がる。従って、設計制約に遵守しながらも、重ね精度を向上し、精度保証することが強く要求されている。

以下に、［発明を実施するための形態］で使用される番号・符号を括弧付きで用いて、［課題を解決するための手段］を説明する。この番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための形態］の記載との対応関係を明らかにするために付加されたものであるが、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明による半導体装置は、リソグラフィ製造工程用のアライメントマークを有する。検出光によってアライメントマーク上を走査することにより、半導体装置上に転写された回路パタンの位置座標を検出することができる。アライメントマークは、検出光の走査方向に沿って所定の間隔で配置された複数の棒状マーク（１０）を備える。複数の棒状マーク（１０）の各々は、走査方向に直交する第１方向に沿って所定の間隔で配置された複数の配線マーク（１１）によって形成される。互いに隣接する配線マーク（１０）の間隔（ＷＳ）は、半導体装置の設計制約の範囲内において前記検出光の波長より短い。

本発明によるリソグラフィ方法は、検出光によって位置座標が検出されるアライメントマークを用いて行なわれる。本発明によるリソグラフィ方法は、半導体基板上に形成されたアライメントマークに検出光を照射して、検出光の反射強度からアライメントマークの位置座標を検出する工程と、アライメントマークの位置座標に基づいて半導体基板の位置を調整する工程と、回路パタンの上層に所定のパタンのフォトレジストを露光する工程とを具備する。ここで、アライメントマークは、検出光の走査方向に沿って所定の間隔で配置された複数の棒状マーク（１０）を備える。複数の棒状マーク（１０）の各々は、走査方向に直交する第１方向に沿って所定の間隔で配置された複数の配線マーク（１１）によって形成される。互いに隣接する配線マーク（１０）の間隔（ＷＳ）は、半導体装置の設計制約の範囲内において前記検出光の波長より短い。

本発明によれば、設計制約を遵守しながら、計測精度又は重ね精度を向上することができる。

図１は、リソグラフィ工程における重ね露光を示す概念図である。 図２は、転写済みの回路パタンのＸ座標を検出するアライメントマークの構造の一例を示す図である。 図３は、転写済みの回路パタンのＹ座標を検出するアライメントマークの構造の一例を示す図である。 図４は、実験評価に用いた従来技術によるアライメントマークを示す図である。 図５は、従来技術によるアライメントマークに対するアライメント計測残留３δ値の実証結果を示す図である。 図６は、実験評価に用いられ、制約条件に準じて作成されたアライメントマークを示す図である。 図７は、実験評価に用いられ、制約条件に準じて作成されたアライメントマークに対するアライメント計測残留３δ値の実証結果を示す図である。 図８は、本発明によるアライメントマークの第１の実施の形態における構造を示す平面図である。 図９は、第１の実施の形態におけるアライメントマークの構造の詳細を示す部分拡大図である。 図１０は、第１の実施の形態におけるアライメントマークの構造の一例を示す図である。 図１１は、第１の実施の形態におけるアライメントマークの計測精度を示すアライメント計測残留３δ特性図である。 図１２は、リソグラフィ工程における重ね測定を示す概念図である。 図１３は、本発明によるアライメントマークの第２の実施の形態（重ね測定マーク（上）及び重ね測定マーク（下））の構造を示す平面図である。 図１４は、第２の実施の形態における重ね測定マーク（下）の構造の詳細を示す部分拡大図である。 図１５は、第２の実施の形態における重ね測定マーク（下）の構造の詳細を示す部分拡大図である。 図１６は、第２の実施の形態における重ね測定マークの構成の一例を示す図である。 図１７は、第２の実施の形態における重ね測定マークの再現性分布特性を示す図である。 図１８は、従来技術による重ね測定マークの構成の一例を示す図である。 図１９は、従来技術による重ね測定マークの再現性分布特性を示す図である。 図２０は、本は発明によるリソグラフィ工程の一例を示すフロー図である。

以下、添付図面を参照して、半導体装置（例えば半導体ウエハ、又はＩＣチップ）上に形成されたアライメントマークを説明する。

１．第１の実施の形態
図８から図１１を参照して、本発明によるアライメントマークの第１の実施の形態を説明する。本実施の形態におけるアライメントマーク１は、シリコンウエハ上に転写済みの回路パタン（以下、重ね合わせ先層と称す）の位置を確認するために利用される。

図８及び図９を参照して、第１の実施の形態におけるアライメントマーク１の構造を説明する。図８は、第１の実施の形態におけるアライメントマーク１の構造を示す平面図である。図９は、第１の実施の形態におけるアライメントマーク１の構造の詳細を示す部分拡大図である。

露光機は、プローブ光の照射位置を計測方向に走査することで、アライメントマークの位置を特定し、転写済みの回路パタンの座標を検出する。以下、プローブ光の照射位置の走査方向を計測方向と称す。露光機の計測原理から、アライメントマークの計測方向は意味のある方向であり、マーク外観から一義的に定義できるものである。

図８を参照して、アライメントマーク１は、計測方向に沿って所定の間隔Ｐ１で配置された複数の棒状マーク１０を有する。計測方向に隣り合う棒状マーク１０の間隔Ｐ１は、例えば１０μｍ〜１００μｍ、アライメントマーク１を形成する棒状マーク１０の数は数本〜数十本である。棒状マーク１０の計測方向の寸法（幅Ｗ１）は、数μｍ〜１０μｍ、計測方向対して垂直な方向（以下、非計測方向と称す）の寸法は、基本的に任意である（例えば１０μｍ〜１００μｍ）。

図９を参照して、棒状マーク１０は、非計測方向に沿って交互に配置された複数のライン（配線マーク１１）とスペース１２とから形成される。配線マーク１１は、計測方向を長手方向とした配線（例えば金属配線やシリサイド配線）である。配線マーク１１の非計測方向の線幅ＷＬは、設計制約の下限値から上限値の中で１μｍ未満である。配線マーク１１の計測方向の幅（長手方向の線幅）は、棒状マーク１０の計測方向の寸法と同じ、数μｍ〜１０μｍである。

配線マーク１１の線幅ＷＬは、配線ルール等の設計制約により１μｍ未満にする必要がある。

配線マーク１１間のスペース１２（間隔）の幅ＷＳはプローブ光の波長よりも短く設定されることが好ましい。一般にアライメント計測の光学系は、可視領域の波長帯（５００ｎｍ〜１０００nm程度）のプローブ光（検出光）が用いられる。このため、幅ＷＳは、１μｍ未満、好ましくは０．５μｍ未満とするのがよい。例えば、配線マーク１１の線幅ＷＬとスペース１２の幅ＷＳは両者ともに０．３μｍである。

幅ＷＳを、プローブ光の波長よりも短くする理由は次の通りである。幅ＷＳがプローブ光の波長以上だと、スペース１２が検出されてしまうためである。本発明では、幅ＷＳをプローブ光の波長未満の長さとすることで、プローブ光の分解能以下となるため、棒状マーク１０が分断されているのを検出できない。つまり、プローブ光にとっては、棒状マーク１０は非計測方向には分断していないマークであると認識されるため、分断されていない棒状マークと同等のアライメント測定精度が得られる。

一般に分解能δ＝０．６１×λ／ＮＡと記載される。λはプローブ光の波長、ＮＡは開口数である。一般に開口数は０．６程度なので、分解能δはほぼプローブ光の波長程度のオーダーとなる。つまり、分解能δよりも狭い幅の間隔で棒状マーク１０を分断しても、分解能δよりも短い間隔は検出されず、実質分断されていないように見えることになる。尚、アライメント光学系の開口数ＮＡは一般に０．２〜０．６、重ね測定光学系では一般に０．７〜０．９であることが多い。この場合は、分解能δは波長λの０．６８〜３倍程度となる。一例として、プローブ光の波長が１０００ｎｍであるとき、幅ＷＳは６８０ｎｍよりも短い方が、少なくともよいことになる。

以上、幅ＷＳについて説明してきたが、線幅ＷＬについても同様のことが成り立つ。又、幅ＷＳと線幅ＷＬが同じにすれば設計が容易であることのほか、次のような効果も奏する。配線マーク１１とスペース１２の幅が等間隔に並ぶため、配線マーク１１とスペースからの光の干渉は生じるものの、光の干渉により生じる定在波は１基本波（基本波の整数倍を含む）に限られるという利点がある。一方、配線マーク１１とスペース１２の幅がそれぞれ異なる場合は、それぞれの間隔（すなわち面内の周期構造）に応じた複数の基本波の定在波（面内の周期構造のフーリエ変換により得られる周波数）が形成されるため、複数の定在波の影響により意図しないプローブ光の反射光強度が観測され、アライメントマーク位置の誤認識につながる可能性がある。

又、配線マーク１１からの反射光の強度が、スペース１２からの反射光よりも強すぎる場合、棒状マーク１０の解像度が低下してしまうことがある。このため、配線マーク１１の線幅WLとスペース１２の幅ＷＳは等しいことが好ましい。

図１０及び図１１を参照して、本実施の形態におけるアライメントマーク１の具体例を説明する。図１０は、第１の実施の形態におけるアライメントマーク１の構造の一例を示す図である。図１１は、第１の実施の形態におけるアライメントマーク１の計測精度を示すアライメント計測残留３δ特性図である。

図１０に示すアライメントマーク１は、計測方向に沿って配置された９本の棒状マーク１０を備える。棒状マーク１０の計測方向の幅Ｗ１は６μｍ、計測方向に隣り合う棒状マーク１０の間隔Ｐ１は２０μｍである。又、設計制約の下限が０．２μｍ、上限が０．３μｍである場合を想定し、配線マーク１１及びスペース１２の非計測方向の線幅ＷＬ、ＷＳは、両者ともに０．３μｍである。

本発明によるアライメント計測精度を、図１０に示すアライメントマーク１の計測精度を一例に説明する。ここでは、アライメント計測精度を評価するための定量的指標であるアライメント計測残留３σを用いて、アライメントマーク１の計測精度を説明する。一般に、アライメントマークから計測される座標が、露光機のステージ性能から算出される妥当な値（座標）に近しい場合、計測誤差が最小化されていると判断される。本実験では、アライメント計測の光学系は光源として可視領域付近（波長５００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度）のプローブ光（検出光）が用いられ、開口数ＮＡは、アライメント光学系では０．２〜０．６程度である。当実験では、一般的に用いられている光源をプローブ光（検出光）として使用している。この場合、アライメント計測残留３δ値が２０ｎｍ〜２５ｎｍであると妥当であると判断される。

図１１を参照して、実験の結果、図１０に示すアライメントマーク１のアライメント計測残留３δ値は、２５ｎｍ以下となり、良好な計測精度が得られた。図示しないが、配線マーク１１及びスペース１２の非計測方向の線幅ＷＬ、ＷＳを１μｍとした場合や、計測方向に分離された配線マークによって棒状マークを形成した場合は、計測誤差（計測残留３δ値）が増大してしまう。又、配線マーク１１を、計測方向に分割しドット形状とした場合、マークからの反射強度が減少するため、棒状マーク１０（アライメントマーク１）の視認性が劣化し、計測誤差（計測残留３δ値）が増大してしまう。

本発明では、測定方向を長手方向とする配線マーク１１によって、棒状マーク１０が形成されているため、棒状マーク１０と背景と反射光強度の差が明確となる。又、配線マーク１１及びスペース１２の非計測方向の線幅ＷＬ、ＷＳが、プローブ光の波長より短い１μｍ未満であるため、棒状マーク１０の解像度が向上する。このため、設計制約に従った線幅の配線（配線マーク１１）によって形成されていても、アライメントマーク１の位置（座標）を良好な計測精度で検出することができる。

又、後述する重ね精度は、露光機が重ね合わせ先層の位置を確認する精度に大きく依り、その精度は、露光機がアライメントマークを走査しアライメントマークの位置を検出する精度（アライメント計測精度）に大きく依存する。このため、上述のようにアライメント計測精度を向上させることで、重ね精度も向上させることができる。

２．第２の実施の形態
図１２から図１９を参照して、本発明によるアライメントマークの第２の実施の形態を説明する。

図１２を参照して、露光後、重ね合わせ測定器（以下、重ね測定器と称す）によって、レジストパタンとして存在する重ね合わせ層と、既にシリコンウエハ上に形成された重ね合わせ先層との重ね精度が検証される。層毎に転写される回路パタンは、位置合わせの検証を行なうための目印（重ね測定マーク）を有している。重ね測定器は、既にシリコンウエハ上に形成された重ね合わせ先層上の目印となるマーク（以下、重ね測定マーク（下）と称す）と、レジストパタンとして存在する重ね合わせ層上の目印となるマーク（以下、重ね測定マーク（上）と称す）との相対位置を測定し、重ね合わせ層と重ね合わせ先層との重ね精度を定量化する。このように、リソグラフィ工程では、下の層（重ね合わせ先層）の位置情報を基にして上の層を重ね合わせて作成し、更に、重ね精度を定量的に検証することにより、所望の回路動作の実現と保証を行っている。

重ね精度は、重ね測定器が、重ね合わせ層と重ね合わせ先層の相対位置を測定する精度にも依り、その精度は、重ね測定器が重ね測定マーク（上）と重ね測定マーク（下）の位置を検出する精度に大きく依存する。この精度を重ね測定器の重ね測定精度と言う。重ね測定精度は、重ね測定器自身の光学・測定系機構の精度にも依るが、重ね測定マーク自身の構造によって左右されるところも大きく、主に、重ね測定マーク（下）の構造の影響が大きい。

本発明によるアライメントマークは、重ね合わせ先層と重ね合わせ層との位置合わせに用いられる重ね測定マークに適用できる。第２の実施の形態におけるアライメントマークとして、重ね測定マークを説明する。

第２の実施の形態におけるアライメントマーク（重ね測定マーク）の構造を説明する。本発明によるアライメントマークの第２の実施の形態（重ね測定マーク（上）及び重ね測定マーク（下））の構造を示す平面図である。図１４及び図１５は、第２の実施の形態における重ね測定マーク（下）の構造の詳細を示す部分拡大図である。

重ね測定器は、プローブ光の照射位置を測定方向に走査することで、重ね測定マーク（上）と重ね測定マーク（下）の相対位置を測定する。以下、プローブ光の照射位置のＸ軸方向への走査方向をＸ測定方向と称し、Ｙ軸方向への走査方向をＹ測定方向と称す。重ね測定器の測定原理から、重ね測定マークの測定方向は意味のある方向であり、マーク外観から一義的に定義できるものである。

図１３を参照して、本発明による重ね測定マーク（下）は、重ね合わせ先層のＸ座標を測定するための棒状マーク１０ａと、重ね合わせ先層のＹ座標を測定するための棒状マーク１０ｂを備える。重ね測定マーク（下）は、Ｘ測定方向に沿って所定の間隔Ｐ２で配置された２つの棒状マーク１０ａを有する。重ね測定器は、棒状マーク１０ａをＸ測定方向に測定することで、重ね先層のＸ座標を測定することができる。Ｘ測定方向に隣り合う棒状マーク１０ａの間隔Ｐ２は、例えば１０μｍ〜１００μｍである。ここでは、２つの棒状マーク１０ａを有する重ね測定マークが例示されるが、その数は任意（例えば数本〜１０本程度）に設定できる。棒状マーク１０ａのＸ測定方向の寸法（幅Ｗ２）は、数μｍ〜１０μｍ、Ｘ測定方向対して垂直な非測定方向（Ｙ測定方向）の寸法は、基本的に任意である（例えば１０μｍ〜１００μｍ）。

重ね測定マーク（下）は、Ｙ測定方向に沿って所定の間隔Ｐ３で配置された２つの棒状マーク１０ｂを有する。重ね測定器は、棒状マーク１０ｂをＹ測定方向に測定することで、重ね先層のＹ座標を測定することができる。Ｙ測定方向に隣り合う棒状マーク１０ｂの間隔Ｐ３は、例えば１０μｍ〜１００μｍである。ここでは、２つの棒状マーク１０ｂを有する重ね測定マークが例示されるが、その数は任意（例えば数本〜１０本程度）に設定できる。棒状マーク１０ｂのＹ測定方向の寸法（幅Ｗ３）は、数μｍ〜１０μｍ、Ｙ測定方向対して垂直な非測定方向（Ｘ測定方向）の寸法は、基本的に任意である（例えば１０μｍ〜１００μｍ）。

図１４を参照して、棒状マーク１０ａは、Ｙ測定方向に沿って交互に配置された複数のライン（配線マーク１１）とスペース１２とから形成される。配線マーク１１は、計測方向を長手方向とした配線（例えば金属配線やシリサイド配線）である。配線マーク１１のＹ測定方向の線幅ＷＬは、設計制約の下限値から上限値の中で１μｍ未満である。配線マーク１１のＸ測定方向の幅（長手方向の線幅）は、棒状マーク１０ａのＸ測定方向の寸法と同じ、数μｍ〜１０μｍである。又、複数のライン（配線マーク１１）間におけるスペース１２の幅ＷＳ（Ｙ測定方向）は、設計制約の下限値から上限値の中で１μｍ未満であることが好ましい。

図１５を参照して、棒状マーク１０ｂは、Ｘ測定方向に沿って交互に配置された複数のライン（配線マーク１１）とスペース１２とから形成される。配線マーク１１は、計測方向を長手方向とした配線（例えば金属配線やシリサイド配線）である。配線マーク１１のＸ測定方向の線幅ＷＬは、設計制約の下限値から上限値の中で１μｍ未満である。配線マーク１１のＸ測定方向の幅（長手方向の線幅）は、棒状マーク１０ｂのＹ測定方向の寸法と同じ、数μｍ〜１０μｍである。

配線マーク１１の線幅ＷＬは、配線ルール等の設計制約により１μｍ未満にする必要がある。

第１の実施の形態と同様に、配線マーク１１間のスペース１２（間隔）の幅ＷＳはプローブ光の波長よりも短く設定されることが好ましい。例えば、配線マーク１１の線幅ＷＬとスペース１２の幅ＷＳは両者ともに０．３μｍである。幅ＷＳや線幅WLを、プローブ光の波長よりも短くする理由は第１の実施の形態で記述した通りである。

又、配線マーク１１からの反射光の強度が、スペース１２からの反射光よりも強すぎる場合、棒状マーク１０ａ、１０ｂの解像度が低下してしまうことがある。このため、配線マーク１１の線幅WLとスペース１２の幅ＷＳは、等しいことが好ましい。

以上のことから、棒状マーク１０ａ、１０ｂの測定精度を考慮すると、配線マーク１１及びスペース１２の測定方向の線幅ＷＬ、ＷＳは、両者ともに等しく、０．５μｍ未満（ただし下限値は設計制約に従う）であることが好ましい。例えば、配線マーク１１の線幅ＷＬとスペース１２の幅ＷＳは両者ともに０．３μｍである。又、重ね測定マーク（上）も同様の構成の棒状マーク２０ａ、２０ｂによって形成されることが好ましい。

図１３を参照して、重ね測定マーク（上）は、所定の間隔でＸ測定方向に沿って配置された複数のＸ座標測定用の棒状マーク２０ａと、所定の間隔でＹ測定方向に沿って配置された複数のＹ座標測定用の棒状マーク２０ｂを有する。Ｘ測定方向に隣り合う棒状マーク２０ａの間隔は、例えば１０μｍ以下である。ここでは、２つの棒状マーク２０ａを有する重ね測定マークが例示されるが、その数は任意（例えば数本〜１０本程度）に設定できる。棒状マーク２０ａのＸ測定方向の寸法は数μｍ、Ｘ測定方向対して垂直な非測定方向（Ｘ測定方向）の寸法は、基本的に任意である（例えば数μｍ）。Ｙ測定方向に隣り合う棒状マーク２０ｂの間隔は、例えば１０μｍ以下である。ここでは、２つの棒状マーク２０ｂを有する重ね測定マークが例示されるが、その数は任意（例えば数本〜１０本程度）に設定できる。棒状マーク２０ｂのＹ測定方向の寸法は数μｍ、Ｙ測定方向対して垂直な非測定方向（Ｘ測定方向）の寸法は、基本的に任意である（例えば数μｍ）。

重ね測定マーク（上）は、重ね測定マーク（下）と同様に、非測定方向に交互に配置された配線マーク１１とスペース１２を有した構造でも良いし、従来と同様な構造でも良い。すなわち、重ね合わせ先層に形成された重ね測定マークのみセグメント化される場合と、重ね合わせ層に形成された重ね測定マークのみセグメント化される場合と、双方の層に形成された重ね測定マークがセグメント化される場合がある。

重ね測定器によって重ね測定マーク（上）、（下）の相対位置が測定され、棒状マーク１０ａ、１０ｂによって囲まれた領域に重ね測定マーク（上）（棒状マーク２０ａ、２０ｂ）が重なるように、重ね合わせ先層と重ね合わせ層とが重ね合わされる。

図１６から図１９を参照して、本実施の形態における重ね測定マークの具体例を説明する。図１６は、第２の実施の形態における重ね測定マークの構成の一例を示す図である。図１７は、第２の実施の形態における重ね測定マークの再現性分布特性を示す図である。図１８は、従来技術による重ね測定マークの構成の一例を示す図である。図１９は、従来技術による重ね測定マークの再現性分布特性を示す図である。

図１６に示す重ね測定マーク（下）は、Ｘ測定方向に配置された２本の棒状マーク１０ａとＹ測定方向に配置された２本の棒状マーク１０ｂを備える。棒状マーク１０ａ、１０ｂの測定方向の幅Ｗ２、Ｗ３はそれぞれ２μｍ、Ｘ測定方向に隣り合う棒状マーク１０ａの間隔Ｐ２は２０μｍ、Ｙ測定方向に隣り合う棒状マーク１０ｂの間隔Ｐ３は２０μｍである。又、設計制約の下限が０．２μｍ、上限が０．３μｍである場合を想定し、配線マーク１１及びスペース１２の非計測方向の線幅ＷＬ、ＷＳは、両者ともに０．３μｍである。重ね測定マーク（上）の棒状マーク２０ａ、２０ｂのそれぞれの短辺は２μｍである。本実験では、棒状マーク２０ａ、２０ｂは、棒状マーク１０ａ、１０ｂと同様にセグメント化されている（配線マーク１１とスペース１２を有している）。

本実施の形態における重ね測定マークの特性を、図１８に示す従来技術と比較して説明する。図１８を参照して、従来技術による重ね測定マーク（下）は、Ｘ測定方向に配置された２本の棒状マーク１０１ａとＹ測定方向に配置された２本の棒状マーク１０１ｂを備える。棒状マーク１０１ａ、１０１ｂの測定方向の幅Ｗ２、Ｗ３はそれぞれ２μｍ、Ｘ測定方向に隣り合う棒状マーク１０１ａの間隔は２０μｍ、Ｙ測定方向に隣り合う棒状マーク１０１ｂの間隔Ｐ３は２０μｍである。重ね測定マーク（上）の棒状マーク２０１ａ、２０１ｂのそれぞれの短辺は２μｍである。又、設計制約がないものと想定し、棒状マーク１０１ａ、１０１ｂは、本発明とは異なりセグメント化されていない。

本実験では、同じターゲットの繰り返し測定時の測定値分布（３σ）を指標として重ね測定精度を評価する。図１７を参照して、本発明による重ね測定マーク（下）を３０回測定したときのＸ座標の測定結果（３δ値）は、１．０ｎｍ〜３．０ｎｍの範囲で分布し、Ｙ座標の測定結果（３δ値）は、０．４ｎｍ〜２．０ｎｍの範囲で分布した。図１９を参照して、従来技術による重ね測定マーク（下）を３０回測定したときのＸ座標の測定結果（３δ値）は、１．０ｎｍ〜３．７ｎｍの範囲で分布し、Ｙ座標の測定結果（３δ値）は、１．０ｎｍ〜４．５ｎｍの範囲で分布した。

このように、本発明による重ね測定マークの測定結果（３δ値）の分布範囲は、Ｘ、Ｙ座標ともに従来技術よりも狭くなる。すなわち、本実験は、設計制約に準じた本発明による重ね測定マークの測定精度（重ね精度）が、設計制約を考慮しないで形成された従来技術と同等以上であることを示す。本発明による重ね測定マークでは、棒状マーク内に測定方向を長手方向としたスペース１２を有しているため、マークからの反射光強度が低下することで重ね測定マークの解像度が向上し、従来よりも測定座標のばらつきが減少したものと考えられる。

本発明のアライメントマークは、リソグラフィ工程に用いられる。図２０を参照して、本発明によるアライメントマークを用いたリソグラフィ工程の一例を説明する。図２０は、本発明によるリソグラフィ工程の一例を示すフロー図である。

ここでは、予め、シリコンウエハ（半導体基板）上に、アライメントマーク１が形成されているとともに、図１３に示す重ね測定マーク（下）を含む重ね合わせ先層が形成されているものとして、本実施の形態におけるリソグラフィ工程を説明する。

先ず、シリコンウエハ（全面に膜が形成されていてもよい）の全面に、コーター等によりフォトレジストが塗布される（ステップＳ１）。引き続き、シリコンウエハをプリベーク炉に入れて加熱する（プリベーク工程、ステップＳ２）。

次に、回路パタンの露光工程に移行する（ステップＳ３〜Ｓ５）。露光工程では、ステッパー装置（露光装置）等によりUV光等を用いて、回路素子やアライメントマークを含む所定のパタン（重ね合わせ層）がフォトレジスト面に露光される。尚、露光されるパタンは、アライメントマーク１のみでも構わない。

以下、露光工程の詳細を説明する。先ず、ステッパー装置は、半導体基板の位置（ウエハ位置）を調整する（ステップＳ３）。詳細には、ステッパー装置は、重ね合わせ先層上のアライメントマーク１に対し、検出光（プローブ光）を照射して、アライメントマーク１の位置情報を検出する。ここでは、所定の計測方向に沿ってプローブ光が走査され、棒状マーク１０の有無に応じて反射光強度が変化することを利用してアライメントマーク１の位置座標が検出される。ステッパー装置は、アライメントマーク１の位置座標に基づいて、半導体基板の位置（ウエハ位置）を調整し適切な位置に移動する。

次に、ステッパー装置は、重ね合わせ層に形成された重ね測定マーク（上）と重ね測定マーク（下）との相対位置を調整する（ステップＳ４）。詳細には、重ね合わせ先層上に重ね合わせ層を重ねあわせ、それぞれに形成された重ね測定マーク（上）と重ね測定マーク（下）に検出光を照射し、その反射光強度に基づいて重ね測定マーク（上）と重ね測定マーク（下）のそれぞれの位置座標を検出する。ステッパー装置は、検出された位置座標に基づいて重ね測定マーク（上）と重ね測定マーク（下）の相対位置を調節する。このとき、検出光は、Ｘ方向及びＸ方向に直行するＹ方向に走査され、重ね測定マーク（上）と重ね測定マーク（下）のそれぞれにおける棒状マーク１０ａ、１０ｂの位置座標が検出される。重ね測定マーク（上）と重ね測定マーク（下）との相対座標に基づいて、重ね合わせ層の位置を変更し、重ね合わせ先層に転写する回路パタンの露光位置を決定する。

回路パタンの露光位置が決定すると、ステッパー装置（露光装置）はUV光等を用いて、回路素子やアライメントマークを含む所定のパタン（重ね合わせ層）をフォトレジスト面に露光する（ステップＳ５）。

次に、再度シリコンウエハを加熱し（ポストベーク工程）、フォトレジストを現像する（現像工程、ステップＳ６）。引き続き、パターニングされたフォトレジストをマスクとして、ウエットエッチングまたはドライエッチングにより、シリコンウエハ表面をエッチングしパタン形成を行う（エッチング工程、ステップＳ７）。レジスト剥離液を用いてフォトレジストの除去を行う（レジスト剥離工程、ステップＳ８）。

以上のように、アライメントマーク（重ね測定マーク（上））を含む回路パタンがシリコンウエハ（重ね合わせ先層）上に形成される。このアライメントパターンは重ね合わせ先層のアライメントパタン（重ね測定マーク（下））と同一場所に設けられても良いし、別の場所で設けられても良い。又、その形状は、同一形状、相似形、又は異なる形状のいずれの形状でも良い。更に、本工程で形成された重ね測定マーク（上）は、更に上層に回路パタンが形成される際の位置合わせに用いられる重ね測定マーク（下）として機能しても良い。

以上のように、リソグラフィ工程では、先の工程で回路素子パタンと一緒に形成したアライメントパタンを用いてシリコンウエハ位置が調整（アライメント）される。その後露光、現像、エッチングの各工程を経て、次工程のためのアライメントパタン及び回路パタンが形成される。

上述のステップＳ１からＳ８までの工程の後、金属膜や絶縁膜の成膜工程や、イオン注入工程等（図示なし）を繰り返すことで、所望の回路を搭載した半導体装置を製造することができる。

以上のように、本発明によるアライメントマークは、設計制約に準じた配線幅のライン（配線マーク１１）とスペース１２が交互に配置される棒状マークにより形成される。配線マーク１１とスペース１２の配置方向は、露光機や重ね測定器の装置原理と、アライメントマークの平面構造（形状）から一義的に決定される非計測方向や非測定方向となる。配線マーク１１とスペース１２の線幅ＷＬ、ＷＳはともに０．５μｍ未満であることが好ましい。これによりマークの解像度は向上し、計測誤差や測定誤差が減少する。従って、本発明によるアライメントマークをウエハ上に形成することで、転写済みの回路パタンと次に転写する回路パタンとを精度良く重ね合わせることが可能となる。

以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は上記実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の変更があっても本発明に含まれる。

１：アライメントマーク
１０、１０ａ、１０ｂ、２０ａ、２０ｂ：棒状マーク
１１：配線マーク（ライン）
１２：スペース
Ｐ１〜Ｐ３：間隔（ピッチ）
Ｗ１〜Ｗ３：幅
ＷＬ：配線マークの線幅
ＷＳ：スペースの幅

Claims (9)

1. 検出光によって位置座標が検出されるアライメントマークが搭載された半導体装置において、
   前記アライメントマークは、前記検出光の走査方向に沿って所定の間隔で配置された複数の棒状マークを備え、
   前記複数の棒状マークの各々は、前記走査方向に直交する第１方向に沿って所定の間隔で配置された複数の配線マークによって形成され、
   互いに隣接する前記配線マークの間隔は、半導体装置の設計制約の範囲内において前記検出光の波長より短い
   半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記配線マークの前記第１方向の幅は、前記半導体装置の設計制約の範囲内にある
   半導体装置。
3. 請求項２に記載の半導体装置において、
   前記幅及び前記配線マークの間隔は、１μｍ未満である
   半導体装置。
4. 請求項２又は３に記載の半導体装置において、
   前記幅と前記配線マークの間隔は等しい
   半導体装置。
5. 請求項４に記載の半導体装置において、
   前記幅は、０．５μｍ未満である
   半導体装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置において、
   前記複数の棒状マークは、
   前記走査方向がＸ方向であり、前記アライメントマークのＸ座標を検出するための第１棒状マークと、
   前記走査方向がＸ方向に垂直なＹ方向であり、前記アライメントマークのＹ座標を検出するための第２棒状マークと、
   を備える
   半導体装置。
7. 半導体基板上に形成されたアライメントマークに検出光を照射して、前記検出光の反射強度から前記アライメントマークの位置座標を検出する工程と、
   前記位置座標に基づいて前記半導体基板の位置を調整する工程と、
   前記回路パタンの上層に所定のパタンのフォトレジストを露光する工程と
   を具備し、
   前記アライメントマークは、
   前記検出光の走査方向に沿って所定の間隔で配置された複数の棒状マークを備え、
   前記複数の棒状マークの各々は、前記走査方向に直行する第１方向に沿って所定の間隔で配置された、複数の配線マークによって形成され、
   互いに隣接する前記配線マーク間の第１方向の第１間隔が、半導体装置の設計制約の範囲内において、前記検出光の波長より短いことを特徴とする
   リソグラフィ方法。
8. 請求項７に記載のリソグラフィ方法において、
   前記フォトレジストを露光する工程は、
   前記回路パタンが形成された重ね合わせ先層に設けられた第１アライメントマークに、検出光を照射して、前記検出光の反射強度から前記第１アライメントマークの第１位置座標を検出する工程と、
   前記所定のパタンの重ね合わせ層に設けられた第２アライメントマークに、検出光を照射して、前記検出光の反射強度から前記第２アライメントマークの第２位置座標を検出する工程と、
   前記第１位置座標と前記第２位置座標とを用いて前記所定のパタンのフォトレジストの露光位置を決定する工程と
   を備え、
   前記第１アライメントマークと前記第２アライメントマークのそれぞれは、前記複数の棒状マークを備え、
   前記複数の棒状マークは、
   前記走査方向がＸ方向であり、前記アライメントマークのＸ座標を検出するための第１棒状マークと、
   前記走査方向がＸ方向に垂直なＹ方向であり、前記アライメントマークのＹ座標を検出するための第２棒状マークと
   を備える
   リソグラフィ方法。
9. 請求項７又は８に記載のリソグラフィ方法を用いた半導体装置の製造方法。

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