JP2904269B2 - アライメントマークおよびアライメント方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
工程でマスクと半導体基板との位置合わせを行なう際、
露光フィールドサイズの異なる露光装置に対して用いる
アライメントマークおよびこのアライメントマークによ
るアライメント方法に関し、特に、露光のフィールドサ
イズが異なる２種類以上の露光装置を用い切り替えて複
数層の各層で露光を行なう“ミックス・アンド・マッ
チ”露光を行なう際のアライメントマークおよびこのア
ライメント方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体装置製造過程のリソグラフ
ィ工程で使用される縮小投影露光装置としては、いわゆ
るステッパーが最も一般的である。

【０００３】ステッパーでは、投影されるパターンの微
細化に伴い光源の波長λがｇ線の４３６ｎｍからｉ線の
３６５ｎｍへ短縮され、更にＫｒＦエキシマレーザ光に
よる２４８ｎｍへ短縮されるという短波長化が図られて
いる。しかし、投影原版のレチクルからウェハーステー
ジ上のウェーハへの投影倍率は１／５に固定されてお
り、露光フィールドサイズについても導入当時の１５×
１５ｍｍ平方から現行の２２×２２ｍｍ平方へ拡大した
程度であり、露光フィールドサイズの異なる複数種のス
テッパーを各工程に適用する場合でもレチクルに含まれ
るチップ数、通称“面付け”の数は一般的に変更してい
ない。従って、各層毎のチップ数は同一であり、面付け
数の変更に対応してアライメント方法を変更する必要は
ない。

【０００４】近年、このステッパーに対して露光フィー
ルドサイズを大幅に拡大したスキャン型投影露光装置が
市場に出回り、“クォーターミクロンレベル”のリソグ
ラフィ工程に採用され始めている。この製品としては、
例えば、露光フィールドサイズは２５×３３ｍｍ平方に
達し、現行の２２×２２ｍｍ平方のステッパーと比較し
て、ほぼ１．７倍強の露光面積を有している。また、こ
のスキャン型投影露光装置の装置価格はステッパーの装
置価格と比較して極めて高額である。

【０００５】このため、スキャン型投影露光装置とステ
ッパーとを混在して使用する“ミックス・アンド・マッ
チ”露光を行なう場合、ステッパーの露光フィールドサ
イズに合わせてスキャン型投影露光装置の露光フィール
ドを制限することはスループットの低下を引き起こして
投資効率上、極めて望ましくない。

【０００６】従って、スキャン型投影露光装置の露光フ
ィールドを最大に生かした面付けでレチクルを作成して
露光を行なう一方、ステッパーで露光を行なう場合で
は、スキャン型投影露光装置の露光フィールドを分割し
たレチクルにより露光を行なうことが望まれる。

【０００７】従来のこの種の最も一般的なアライメント
マークおよびアライメント方法について、図５および図
６を参照して次に説明する。

【０００８】従来のアライメントマークは、図示される
ように、Ｘ方向アライメントマーク３およびＹ方向アラ
イメントマーク４の一組がチップ１に挿入され、またＸ
方向アライメントマーク５およびＹ方向アライメントマ
ーク６の一組がチップ２に挿入されている。

【０００９】チップサイズ２２×１６．５ｍｍ平方の半
導体装置を製造する場合、露光面積は、スキャン型投影
露光装置では２面付けの２２×３３ｍｍ平方となり、ま
たステッパーでは１面付けの２２×１６．５ｍｍ平方と
なる。また、各チップには、Ｘ方向およびＹ方向それぞ
れで対向する２辺の一方の中央部近傍にＸ方向アライメ
ントマークおよびＹ方向アライメントマークの一組が挿
入されている。

【００１０】すなわち、スキャン型投影露光装置におけ
る２面付けの場合、図５に示されるように一つの露光フ
ィールドに二つのチップ１，２が含まれ、チップ１には
Ｘ方向アライメントマーク３およびＹ方向アライメント
マーク４が挿入され、またチップ２にはＸ方向アライメ
ントマーク５およびＹ方向アライメントマーク６が挿入
されており、二つのチップ１，２が一緒に露光されるこ
とになる。一方、ステッパーにおける１面付けの場合、
二つの上記チップ１，２それぞれが別個に露光されるこ
とになる。

【００１１】従って、図６に示されるように、半導体基
板７の表面に配置された（２×６＝）１２個のチップに
対する露光は、スキャン型投影露光装置における２面付
けの場合にはチップの２個ずつ６回行なわれて露光効率
を上げる一方、ステッパーのように１面付けの場合には
チップ１個ずつ１２回行なわれる。

【００１２】この際のアライメントについては、通常、
チップ毎に位置合わせを行なうダイ・バイ・ダイ（die
by die）アライメント、または統計的な位置合わせを行
なうＥＧＡ（Enchanced Global Alignment）もしくはＡ
ＧＡ（Advanced Global Alignment)と呼ばれる方法が用
いられる。上記ダイ・バイ・ダイ・アライメントでは全
てのアライメントマークが使用され、ＥＧＡまたはＡＧ
Ａでは図６に示されたアライメントマークの中から選択
されたアライメントマークが使用される。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のアライ
メントマークおよびアライメント方法には、下記の問題
点がある。

【００１４】その問題点は、前工程でスキャン型投影露
光装置を用いて２面付けで露光が行なわれたウェハーに
対してステッパーを用いて１面付けで露光を行なう場合
に重ね合わせの精度が悪く、このため、スループットを
悪化させることである。

【００１５】その第一の理由は、スキャン型投影露光装
置における２面付けの投影原版のレチクルを製造する際
に２組のアライメントマーク相互間の相対的位置に誤差
が発生することは不可避であるにも拘らず、ステッパー
の場合もスキャン型投影露光装置により形成された相対
位置誤差を有する２組のアライメントマークのそれぞれ
に対して位置合わせを行なうからである。

【００１６】また、第二の理由は、アライメントマーク
それぞれで投射光の歪みの影響のため２組のアライメン
トマーク間に不可避な位置誤差を生じるからである。

【００１７】本発明の目的は、複数のチップに対する位
置の重ね合わせ精度の向上とリソグラフィ工程でのスル
ープットの向上とを図ることができるアライメントマー
クおよびそのアライメント方法を提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明によるアライメン
トマークは、露光フィールドサイズの異なる露光装置に
対して用いる場合、面付け数の最大をカバーする露光装
置が有する一つの露光フィールド内に、Ｘ方向およびＹ
方向それぞれに対する一組が存在するように設けられて
いる。

【００１９】このことにより、一つの露光フィールドに
はアライメントマークが１組のみ存在することになる。

【００２０】また、前記一組のＸ方向およびＹ方向のア
ライメントマークのそれぞれは前記露光装置の露光軸上
および露光軸近傍のいずれかに位置している。

【００２１】このことにより、各アライメントマークの
光軸に対する歪みが最小になる。

【００２２】また、上記アライメントマークを用いてチ
ップを位置合わせするアライメント方法において、前記
アライメントマークを一組のみ有する場合のチップを位
置合わせする際に前記露光装置は、前記アライメントマ
ークを含むチップの位置合わせの際にアライメントマー
クを含むチップの位置を計測し、計測した結果から前記
アライメントマークを含むチップ以外の残るチップの位
置座標を決定し、決定したこの位置座標に基づいてチッ
プを表面に配置されたウェハーステージを駆動し前記残
りチップを移動させて位置合わせする工程を有する。

【００２３】

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

【００２４】図１は本発明のアライメントマークの実施
の一形態を示す平面図である。図１に示されるように、
スキャン型投影露光装置用の２面付けレチクル上のアラ
イメントマークについては、一つの露光フィールドに含
まれる二つのチップ１，２に対してチップ１のみにＸ方
向アライメントマーク３およびＹ方向アライメントマー
ク４の一組が配置され、チップ２にアライメントマーク
は配置されないものとする。

【００２５】チップ１およびチップ２をＹ方向（図面上
で上下）に並べて位置した場合、Ｘ方向（図面上の横方
向）のＸ方向アライメントマーク３は上側端辺中央の近
傍、またＹ方向アライメントマーク４はチップ１の左端
辺中央の近傍、それぞれに位置するものとする。

【００２６】次に、図２は、図１に示されるレチクルを
用いてリソグラフィ工程が実施された半導体基板７上の
チップ１，２の配置の一例を示す平面図である。すなわ
ち、図２では、図面上で上下に並べて位置したチップ
１，２の２組が左右に並び、かつ３組が上下に並んで、
１２個のチップが配置されているものとする。

【００２７】図２に示されるように、この例ではアライ
メントマークが全てのチップにはないので、リソグラフ
ィー工程で全てのチップのアライメントマークを順次使
用するステッパーによるダイ・バイ・ダイ・アライメン
トを行なうことはできない。同様に、選択したチップに
アライメントマークがない場合があり、任意のチップを
選択して統計処理的アライメントを行なうこともできな
い。

【００２８】従って、このアライメントマークによるア
ライメント方法では、１面付けレチクルを用いるステッ
パーは、アライメントマークを含むチップ１に対しては
このアライメントマークを用いて位置併せを行ない、ア
ライメントマークを含まないチップ２に対してはアライ
メントマークを含むチップ１の位置を計測した結果から
アライメントマークを含まないチップ２の座標を決定
し、表面に半導体基板７が配置されるウェハーステージ
を駆動することによりチップを位置合わせしている。

【００２９】ここで、アライメントマークの位置誤差に
ついて検討する。

【００３０】レチクル製造上の位置誤差は、現在、０．
１μｍ程度に収められている。現状でのスキャン型投射
露光装置では、縮小倍率が１／４であるので、半導体基
板上での位置誤差はほぼ（０．１／４＝）“０．０２５
μｍ”となる。従って、同一面上に２組のアライメント
マークがある場合の最大位置誤差は、１組の場合の２倍
の“０．０５０μｍ”であり、また統計的にも平方和で
求められる“０．０３５μｍ”である。

【００３１】また、露光による歪み（ディストーショ
ン）については、スキャン型投射露光装置は、スキャン
による平均化効果により歪みを４０〜５０ｎｍに抑える
ことができる。ただし、レチクルステージとウェハース
テージとの同期制御誤差によりレンズ性能によらない歪
み（ダイナミックディストーション）が発生するので、
スループット、すなわちスキャン速度との関係において
はこの限りではない。ここで、歪みによる位置誤差が５
０ｎｍと見積もられた場合、２組のアライメントマーク
がある場合の最大位置誤差は１組の場合の２倍の１００
ｎｍに達する。

【００３２】従って、１組のアライメントマークがある
場合の位置誤差の最大値α1 および統計値α2 それぞれ
は下記の通りとなる。

【００３３】 α1 ＝０．０２５＋０．０５０＝０．０７５μｍ α2 ＝ α ^1/2 ＝０．０５６μｍただし、 α＝（０．０２５） ² ＋（０．０５０） ² また、２組のアライメントマークがある場合の位置誤差
の最大値β1 および統計値β2 それぞれは下記の通りと
なる。

【００３４】 β1 ＝０．０５０＋０．１００＝０．１５０μｍ β2 ＝ β ^1/2 ＝０．１１２μｍただし、 β＝（０．０５０） ² ＋（０．１００） ² この結果、上記位置誤差の差の値は、下記のようにな
り、リニアモーター駆動のウェハーステージを有するス
テッパーの標準的なウェハーステージ精度０．０３０μ
ｍより悪い。

【００３５】β1 −α1 ＝０．０７５μｍ β2 −α2 ＝０．０５６μｍ 従って、図１および図２に示されるように、一つの露光
フィールドに一組のアライメントマークを用いることに
より、複数組のアライメントマークを用いるより、重ね
合わせ精度が向上する。

【００３６】しかし、上記形態によれば、図示されるよ
うに、一組のアライメントマークが一方のチップ内にあ
り、かつ露光フィールドの端辺近傍に在るので、露光の
光軸からの距離がある。このため、一組のアライメント
マークの上記位置は重ね合わせ精度の観点から必ずしも
望ましくない。

【００３７】すなわち、一般に、レンズの設計にもよる
が球面収差を除く諸収差の影響は光軸からの距離が増加
するに従って増大する。

【００３８】この問題点を解決する手段として、図３お
よび図４に、図１または図２とは別のアライメントマー
ク位置を説明する平面図を示す。

【００３９】図示されるように、チップ１およびチップ
２をＹ方向（図面上で上下）に並べて位置した場合、Ｘ
方向（図面上の横方向）のＸ方向アライメントマーク１
３はチップ２の上側端辺中央の近傍、またＹ方向アライ
メントマーク１４はチップ１およびチップ２の境界線左
端中央の近傍、それぞれに位置するものとする。

【００４０】このＸ方向アライメントマーク１３および
Ｙ方向アライメントマーク１４それぞれは、各チップの
端辺において露光の光軸に最短の位置の一つに配置され
ていることになる。従って、歪みまたは上記収差の影響
が低減され、アライメントマークによる重ね合わせ精度
は向上する。

【００４１】従って、このアライメントマークによるア
ライメント方法は、アライメントマークを含むチップ２
の位置を計測した結果から残りのチップ１の座標を決定
し、チップ１，２を含むウェハーを表面に配置するウェ
ハーステージを駆動することによりチップ１を位置合わ
せすることである。

【００４２】上記説明では、アライメントマークを図示
したが、アライメントマークの位置は上記機能を満たす
限り自由であり、本発明は上記説明に限定されるもので
はない。

【００４３】

【発明の効果】本発明による第一の効果は、リソグラフ
ィー工程における重ね合わせ精度が向上できることであ
る。

【００４４】その第一の理由は、一つの露光フィールド
に一組のアライメントマークのみがあるので、レチクル
製造および露光の際の歪みにおけるアライメント間の相
対位置誤差の影響を受けなくてすむからである。

【００４５】その第二の理由は、アライメントマークの
位置が一つの露光フィールドの中央に位置する光軸に最
短の距離にあり、露光の際の歪みおよび収差の影響を低
減できるからである。

【００４６】本発明による第二の効果は、リソグラフィ
ー工程におけるスループットを向上できることである。

【００４７】その理由は、アライメントマークを含むチ
ップの位置を計測した結果からアライメントマークを含
まないチップの座標を決定するので、全てのチップそれ
ぞれで位置を計測して座標を決定する必要がないからで
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態を示す一つの露光フィー
ルドの平面説明図である。

【図２】図１を適用した場合の一形態を示す半導体基板
の平面説明図である。

【図３】本発明の図１とは別の一形態を示す露光フィー
ルドの平面説明図である。

【図４】図３を適用した場合の一形態を示す半導体基板
の平面説明図である。

【図５】従来の一例を示す露光フィールドの平面説明図
である。

【図６】図５を適用した場合の一例を示す半導体基板の
平面説明図である。

【符号の説明】

１、２ チップ ３、１３ Ｘ方向アライメントマーク ４、１４ Ｙ方向アライメントマーク ７ 半導体基板

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体装置の製造工程でマスクと半導体
   基板との位置合わせを行なう際に用いるアライメントマ
   ークにおいて、前記製造工程で露光フィールドサイズの
   異なる露光装置を用いる場合、面付け数の最大をカバー
   する露光装置が有する一つの露光フィールド内に、Ｘ方
   向およびＹ方向それぞれに対する一組が存在するように
   設けられていることを特徴とするアライメントマーク。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記一組のＸ方向お
   よびＹ方向それぞれは前記露光装置の光軸上および光軸
   近傍のいずれかに位置することを特徴とするアライメン
   トマーク。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２によるアライメ
   ントマークを用いてチップを位置合わせするアライメン
   ト方法において、前記露光装置は、前記アライメントマ
   ークを含むチップの位置合わせの際にアライメントマー
   クを含むチップの位置を計測し、計測した結果から前記
   アライメントマークを含むチップ以外の残りチップの位
   置座標を決定し、決定したこの位置座標に基づいて前記
   ウェハーステージを駆動し前記残りチップを移動させて
   位置合わせすることを特徴とするアライメント方法。