JP3590873B2 - Substrate alignment method, exposure method using the same, substrate alignment apparatus and exposure apparatus having the same - Google Patents

Description

【０００７】
このモデル式における変換パラメータａ〜ｆを求める方法としては、以下に示す最小二乗近似法がある。
この場合、基板上の複数のチップパターン（ショット領域）の中から幾つか選び出したショット領域の各々を所定の基準位置に位置合わせ（アライメント）して、そのときの座標系（α１，β１），（α２，β２），…，（αｎ，βｎ）を実測する。また、選び出されたショット領域（即ち、それに付設されたアライメントマーク）の設計上の配列座標（Ｘｉ，ｙｉ）（ｉ＝１、…、ｎ）を上述の式（１）に代入して得られる計算上の座標（ｘｉ，ｙｉ）とアライメント時の計測された座標（αｉ，βｉ）との差（Δｘ，Δｙ）をアライメントの誤差と考える。このアライメント誤差Δｘ，Δｙは次式で定義される。
【０００８】
【数２】

【０００９】
この式（２）をａ〜ｆの各パラメータで偏微分し、その値が０となるような方程式を立てて、次式（３）で示す連立方程式を解けばパラメータａ〜ｆが求められる。
【００１０】
【数３】

【００１１】
これ以降は、式（１）を用いて計算した新配列座標に基づいて半導体基板の各ショットの位置合わせを行えばよい。
あるいは、一次変換式では近似精度が良好でない場合には、次式のような高次式を用いて半導体基板の位置合わせを行うようにしてもよい。
【００１２】
【数４】

【００１３】
この際、式（４）においてｋ＝１とおけば、式（１）と等しくなるということは言うまでもない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ステッパ等により処理される半導体基板は、それ以前の工程において熱処理されていることが多く、このため、本来所定の配列座標に基づいて規則正しく配列されているはずのチップパターンが、熱処理に伴う伸縮および変形を受けて一次変換式で近似できない程歪んでいたり、アライメントマークの崩れ等が生じることがある。このような場合には、計測結果に異常値が発生し、その計測結果を統計演算処理すると、各ＥＧＡパラメータ（ローテーション、スケーリング、直交度、オフセット）は、異常値の影響を受け、従ってＥＧＡ法によるアライメント精度は劣化する。
【００１５】
このような測定上の異常値の影響を軽減するために、例えば、異常値の許容値を予め設定しておいて、統計演算処理にあたっては、許容値以上の計測結果を無視するように構成することが考えられる。しかしながら、実際には、アライメント層を露光したときのステージ精度やウェハの表面荒れ、センサの計測再現性などによって、計測結果のバラツキが変化するため、計測の飛び値が計測バラツキにより生じたものなのか、あるいは本当の異常値なのかを判断するのは困難である。その結果、許容値を大きく設定すると、小さめの異常値を撥ねることができず、逆に、許容値を小さく設定すると、計測バラツキによる計測値も撥ねてしまうという問題を有していた。
【００１６】
本発明は、上記のような従来の位置合わせ方法の問題点に鑑みて成されたものであり、計測再現性に応じて異常値の判定を行うことにより、位置合わせ精度を向上させることを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、基板上に形成された複数のショット領域の各々を、基板の移動位置を規定する静止座標系内の所定の基準位置に対して位置合わせするにあたって、複数のショット領域のうちから複数のショット領域を選択し、この選択された複数のショット領域の静止座標系における座標位置を計測し、この計測上の座標位置とそれに対応する設計上の座標位置との平均偏差が最小となるように、計測上の座標位置を統計演算処理することによって、基板上の複数のショット領域の各々の静止座標系上における座標位置を計算し、この計算上の座標位置に従って基板の移動位置を制御することによって、複数のショット領域の各々を基準位置に対して順次位置合わせする方法に適用される。そして、本発明は、上記位置合わせ方法において、計測値のバラツキ（σＴ）の関数として表される計測誤差の線形成分（σＬ）と計測誤差のランダム成分（σＲ）とから計測再現性（σＴＭ）を推定し、推定された計測再現性（σＴＭ）に応じて、統計演算処理での使用に対する前記複数の計測上の座標位置の適否を判定することとしている。
【００１８】
また、複数枚の基板を処理する場合には、Ｎ枚の基板毎に１または２以上の基板を選択し、選択された基板について計測再現性を推定し、Ｎ枚の基板のそれぞれについて、推定された１または２以上の計測再現性に応じて、計測上の座標位置の適否を判定するように構成することができる。
さらに、本発明は、上記統計演算処理を行うにあたり、選択されたショット領域毎に、計測上の座標位置とそれに対応する設計上の座標位置との偏差の２乗値に対して推定された計測再現性（σＴＭ）に応じた重み付けを行い、計測上の座標位置を統計演算処理することによって、基板上の複数のショット領域の各々の静止座標系上における座標位置を計算するように構成することもできる。
【００１９】
【作用】
まず、対象となる基板において、全点または多数ショットのアライメントマーク計測を行う。そして、計測した結果をＥＧＡ処理し、計測誤差のランダム成分（σＲ）を求める。さらに、計測値のバラツキ（σＴ）の関数として表される計測誤差の線形成分（σＬ）とランダム成分（σＲ）とから計測再現性（σＴＭ）を推定する。この計測再現性（σＴＭ）には、アライメント層を露光したときのステージ精度、プロセスによるウェハの表面荒れ、あるいはアライメントセンサの計測再現性などが含まれている。このようにして求めた計測再現性（σＴＭ）に応じて、計測された複数のショット領域中の飛びショット領域を判定し、その飛びショット領域を異常値としてはねる。そして、異常値を含まない残りのショットに対してＥＧＡ処理することにより、高精度のアライメントを行うことができる。
【００２０】
なお、通常は複数枚のロットを単位として処理が行われ、同一ロット内に含まれる基板の状態はほぼ同じであると考えられるので、各ロットの先頭または先頭から数枚の基板について、上記の方法により計測再現性（σＴＭ）を求め、求めた計測再現性（σＴＭ）に応じて、そのロット内の他の基板について飛びショット領域を判定することにより、処理のスループットを向上させることができる。
【００２１】
また求めた計測再現性（σＴＭ）に応じて計測値に対して重み付けを行うことができる。例えば、計測再現性（σＴＭ）に照らして、異常値または異常値に近い計測値に対してはより軽い重み付けを行い、正常範囲にある計測値に対してはより重い重み付けを行うことができる。このようにして、重み付けられた計測値に基づいてＥＧＡ処理を行うことによっても、高精度のアライメントを達成することができる。
【００２２】
【実施例】
以下に添付図面を参照しながら、本発明に係る位置合わせ方法を、ステップアンドリピート方式でレチクル上のパターンをウェハ上に転写する縮小投影型露光装置（ステッパ）に適用した一実施例について説明する。
まず、図１を参照しながら、本発明に係る位置合わせ方法を適用可能なステッパの概略について説明する。
【００２３】
図中、ＩＬは露光用の照明光（例えば、水銀ランプからのｇ線、ｉ線、ｊ線、あるいはエキシマレーザ光源からの紫外線パルス光）であり、この照明光ＩＬは、コンデンサレンズ１０２を介してレチクルＲのパターン領域ＰＲをほぼ均一な照度分布で照射する。パターン領域ＰＲを通過した照明光ＩＬは、例えば両側（あるいは片側）テレセントリックな投影レンズＰＬに入射し、この投影レンズＰＬを通過してウェハ（半導体基板）Ｗに達する。
【００２４】
投影レンズＰＬは、照明光の波長に関して色収差補正がなされており、レチクルＲとウェハＷとは互いに共役な位置にある。また、照明光ＩＬは、ケーラー照明であり、投影レンズＰＬの瞳面ＥＰ内に、フライアイレンズ群（不図示）の射出端面近傍の２次光源像が形成される。
レチクルＲは、２次元平面（図中、紙面に略直交する平面）上を微動可能なレチクルステージ１０４上に保持され、レチクルＲの周辺に形成されたレチクルアライメントマーク（不図示）がミラー１０６、対物レンズ１０８、マーク検出系１１０からなるレチクルアライメント系で検出されることにより、投影レンズＰＬの光軸ＡＸに対して位置決めされる。
【００２５】
ウェハＷは、駆動系（不図示）によって２次元平面（図中、紙面に略直交する平面）上を移動可能なウェハステージ１１２上に載置されている。このウェハステージ１１２の座標値は、レーザ干渉計１１４により逐次計測される。１１６はステージ制御器であり、このステージ制御器１１６は干渉計１１４の計測結果であるウェハステージ１１２の実測座標値に基づいて駆動系を制御し、ウェハステージ１１２の移動及び位置決めを行う。
【００２６】
図１に示す実施例のステッパには、ＴＴＬ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｈｅ Ｌｅｎｓ）方式のアライメント光学系２００と、オフアクシス（Ｏｆｆ Ａｘｉｓ）方式のアライメント光学系３００とが設けられている。
まず、ＴＴＬ方式のアライメント光学系２００について説明すると、図１において、２０２はＨｅ−Ｎｅレーザ等のレーザ光源であり、このレーザ光源２０２からは、ウェハＷ上のレジスト層に対して非感光性である赤色色のビーム２０４が出力される。このビーム２０４は、シリンドリカルレンズ等からなるビーム整形光学系２０６を透過し、ミラー２０８、レンズ系２１０、ミラー２１２およびビームスプリッタ２１４を介して対物レンズ２１６に入射する。対物レンズ２１６を透過して出射したビーム２０４は、レチクルＲの下方に４５゜の角度をもって設けられたミラー２１８により下方に向けて反射され、投影レンズＰＬの視野の周辺部において、その光軸ＡＸと平行に入射する。そして、投影レンズＰＬに入射したビーム２０４は、投影レンズＰＬの瞳ＥＰの中心を通って、このレンズＰＬから出射し、ウェハＷを垂直に照射する。この際、ビーム２０４は、ビーム整形光学系２０６によりスリット状に整形され、投影レンズＰＬを介してウェハＷ上にｘ方向に延びるスポット光が結像される。
【００２７】
一方、ウェハＷ上には、アライメントマーク（不図示）が形成されている。このアライメントマークは、複数個のドットパターンがｘ方向に延在されて成る回折格子状のマークがｙ方向（図中、紙面に略直交する方向）に所定ピッチで複数本配列された構成になっている。従って、ウェハステージ１１２をスポット光に対して水平移動させて、このスポット光によりアライメントマークをｙ方向に相対的に走査すると、このマークから正反射光、散乱光、回折光等が生じ、マークとスポット光との相対的に位置関係に応じてその光量が変化する。
【００２８】
アライメントマークからの反射光等は、上述のビーム２０４の光路に沿って逆進し、投影レンズＰＬ、ミラー２１８、対物レンズ２１６を経て、ビームスプリッタ２１４で反射されて受光素子２２０へと導かれる。この受光素子２２０の受光面は、投影レンズＰＬの瞳面ＥＰとほぼ共役な面に配置されている。受光素子２２０は、マークからの散乱光や回折光に対して感応し、対応する電気信号を出力する。受光素子２２０からの出力信号は、干渉計１１４からの位置計測信号とともに、制御器４００に入力される。制御器４００は、スポット光に対してアライメントマークを相対的に走査した際の受光素子２２０からの信号波形を、干渉計１１４により位置計測信号とともにサンプリングして記憶部４０２に記憶し、その波形を演算部４０４にて解析することにより、マーク中心がスポット光中心と一致したときのウェハステージ１１２の座標位置信号を得ることができる。
【００２９】
次に、オフアクシス方式のアライメント光学系３００について説明する。図中、３０２はハロゲンランプであり、このハロゲンランプ３０２で発生した光は、コンデンサレンズ３０４を介して光ファイバ３０６の一端面に収束される。光ファイバ３０６により伝送された光は、レジスト層の感光波長（短波長）域と赤外波長域とを遮断するフィルタ３０８を透過し、対物レンズ３１０を介してハーフミラー３１２へと導かれる。ハーフミラー３１２により反射された光は、ミラー３１４により反射されてウェハＷに略水平に進行して対物レンズ３１６に入射し、さらに投影レンズＰＬの視野を遮光しないように、この投影レンズＰＬの下部周辺に固定されたプリズム（ミラー）３１８で反射され、ウェハＷ上のアライメントマークを垂直に照射する。
【００３０】
このアライメントマークからの反射光は、上述の光路に沿って逆進し、プリズム３１８、対物レンズ３１６、ミラー３１４を透過し、ハーフミラー３１２を透過してレンズ系３２０によって指標板３２２に結像される。この指標板３２２は、対物レンズ３１６、レンズ系３２０を挟んでウェハＷと共役の位置に配置されており、ウェハＷのマークの像は、指標板３２２の透明窓内に結像される。この指標板３２２には、ｘ方向および紙面に略直交するｙ方向のそれぞれに沿って延在する直線状の指標マークが透明窓内に形成されている。このマーク像と指標マークとは、リレー系３２４、３２６およびミラー３２８を介してＣＣＤカメラ等の撮像素子３３０に導かれ、その受光面上に結像する。
【００３１】
撮像素子３３０からの出力ビデオ信号は、干渉計１１４からの位置計測信号とともに、制御器４００に送られる。制御器４００は、その演算部４０４において、指標マークに対するマーク像のずれを、撮像素子３３０からのビデオ信号の波形に基づいて求め、マーク像が指標マークの中心に正確に位置したときのウェハステージ１１２の座標位置信号を得ることができる。
【００３２】
次に、図２および図３に示すフローチャートを参照して、本実施例に係る位置合わせ方法を図１に示す装置の動作とともに説明する。なお、この位置合わせはウェハＷの第２層以降の重ね合わせ露光に先立って行われるものであり、ウェハＷ上にはチップパターン（ショット領域に相当）とアライメントマークとが既に形成されている。ここでは、特にウェハＷに対して第２層目の重ね合わせ露光を行うものとして説明する。
【００３３】
まず、ステップＳ５０２では、主制御器の制御によりウェハステージ１１２上にロット内の先頭（１枚目）のウェハＷがローディングされ、ウェハＷは粗く（例えば、±２μｍ程度の精度で）アライメントされて載置される。次いで、ステップＳ５０４では、ショットマップとして制御器４００の記憶部４０６に予め格納された設計上の配列座標に従ってウェハＷを移動することにより、ＴＴＬアライメント系２００のマーク位置検出位置に対する全ショット領域への移動が順次行われる。具体的には、ステージ制御器によりウェハステージ１１２を移動させ、ＴＴＬ方式のアライメント光学系２００によるスポット光によりウェハＷ上のアライメントマークが照射される位置までウェハＷを移動させる。
【００３４】
次いで、ステップＳ５０６では、上述した手順によりＴＴＬ方式のアライメント光学系２００を用いたアライメント動作が行われ、そのときの干渉計１１４からの位置情報が座標位置信号として取得される。次いで、ステップＳ５０８で、各ロットの先頭ウェハについて、全ショットのアライメントが終了したら、全アライメント結果から、１次近似のパラメータ値ａ〜ｆを求める。
【００３５】
具体的には、計測したショットの設計上の配列座標（Ｘｉ，Ｙｉ）および対応する計測された配列座標（αｉ，βｉ）が与えられている。そして、既に説明したように、１次近似の場合には、式（１）の右辺の座標（Ｘ，Ｙ）として設計値（Ｘｉ，Ｙｉ）を代入し、左辺の座標（ｘ，ｙ）として計測値（αｉ，βｉ）を代入した場合に、式（２）で表される誤差が最小になるように最小二乗法により、それら６個のパラメータａ〜ｆが決定される。
【００３６】
次いで、ステップＳ５１０において、このようにして決定された６個のパラメータ及び各ショットの設計上の配列座標（Ｘｉ，Ｙｉ）（ｉ＝０，１，…）を順次式（１）の右辺に代入することにより、各ショットの計算上の配列座標（ｘｉ，ｙｉ）が求められる。この計算上の配列座標（ｘｉ，ｙｉ）が新配列座標である（ステップＳ５１２）。そして、各ショットのアライメント結果（計測された配列座標（αｉ，βｉ））と新配列座標（ｘｉ，ｙｉ）との差が、１次近似では取り除けない非線形誤差、すなわち計測値のバラツキのランダム成分である（ステップＳ５１４）。
【００３７】
次いで、ステップＳ５１６において、以上説明したＥＧＡ処理により得られた計測値のバラツキのランダム成分から、演算ユニットにおいて、計測再現性を推定する。以下、その手順を説明する。なお、本実施例では計測値のバラツキの仕方は正規分布を示すものと仮定している。
まず、計測値のバラツキの標準偏差（σＴ）は、次式（５）に示すように、線形成分（σＬ）とランダム成分（σＲ）とから成ると考えられる。
σＴ^２＝σＬ^２＋σＲ^２ …（５）
このうち、実際のウェハＷでは、既に説明したようにプロセス工程やアライメント検出系の精度等によって、スケーリング、回転誤差、直交度誤差が生じているため、線形成分（σＬ）は大きな値を取りうる。
【００３８】
さらに、この線形成分（σＬ）は、次式（６）に示すように、処理されるウェハＷのもつ本来の線形誤差（σＬＰ）と計測バラツキによって生じる線形誤差（σＬＭ）とから成ると考えられる。
σＬ^２＝σＬＰ^２＋σＬＭ^２ …（６）
ここで、アライメント検出系に線形的プロセスだまされ（例えば、非対称Ａｌに対するスケーリングなど）がないと仮定すれば、ウェハＷは、理想格子状態（つまりσＬＰ＝０）であると考えても問題ない。従って、式（５）は次式（７）のように変形できる。

以下、処理されるウェハＷのもつ本来の線形誤差（σＬＰ）を無視した場合の計測値のバラツキを計測再現性（σＴＭ）とすると、計測再現性（σＴＭ）は、次式（８）で表すことができる。
σＴＭ^２＝σＬＭ^２＋σＲ^２ …（８）
本実施例における計測バラツキの原因としては、
１）アライメント層を露光したときのステッピング誤差、
２）その後のプロセス処理に起因して増加する配列からのズレやアライメントマークの荒れ等
３）空気ゆらぎや静電ノイズなどに起因するアライメントを行うときのセンサの計測再現性、真値性などが考えられる。
【００３９】
本実施例において、ウェハの回転誤差θとは、ウェハ全体がθの回転をしていることをさす。また、直交度ωとは、Ｘ軸とＹ軸の９０゜からのずれをさす。つまり、設計上の配列に対して、回転θ、直交度ωである場合、Ｘ軸はθ、Ｙ軸はθ＋ωだけ傾いていることになる。ＥＧＡでは、Ｘ軸側とＹ軸側をそれぞれ独立に計算する。そして、Ｘ軸側については、Ｘのシフト、Ｘのスケーリング、Ｙ軸の回転を求め、Ｙ軸側については、Ｙのシフト、Ｙのスケーリング、Ｘ軸の回転を求めており、Ｘ軸の回転をウェハローテーション、Ｙ軸の回転からＸ軸の回転をひいた量を直交度としている。よって、以下の実施例では、Ｘ軸側についてのみ考えていくが、Ｙ軸側についても同様の方法が適用できる。
【００４０】
ここで、スケーリングをγ−１、Ｙ軸の回転をθ、オフセットをＯとすると、式（１）に示すＥＧＡ式は、次式（９）で表せる。
【００４１】
【数５】

【００４２】
なお、式（９）において、（Ｘｉ，Ｙｉ）はＸ軸側に関するアライメントマーク（以下、Ｘマークと称する。）の設計上の座標位置であり、（αｉ）はＸマークの計測上の座標位置のＸ成分であり、ｎはＥＧＡ法において選択されたショット数である。さらに、式（９）に関して、計算によって求めることが可能な定数Ａ〜Ｆによって、次式（１０）で示される逆行列式を得ることができる。
【００４３】
【数６】

【００４４】
ここで、計測上の座標値αｉの計測再現性（σα）がｉ＝１〜ｎにおいて同じであると仮定すると、次式（１１）が成立する。
σα^２＝σＴＭ^２ …（１１）
以下、式（９）（１０）を用いて、ＥＧＡ式の各パラメータ、すなわちオフセット（Ｏ）、スケーリング（γ−１）、回転誤差（θ）について、それぞれ解いていく。
【００４５】
１．オフセット（Ｏ）
【００４６】
【数７】

【００４７】
オフセット（Ｏ）は式（１２）で表せるから、オフセットのばらつき（σＯ）は、次式（１３）で表せる。
【００４８】
【数８】

【００４９】
２．スケーリング（γ−１）
【００５０】
【数９】

【００５１】
スケーリング（γ−１）は式（１４）で表せるから、スケーリングのバラツキσ（γ−１）は次式（１５）で表すことができる。
【００５２】
【数１０】

【００５３】
３．回転（θ）
ここでｆ（γ，θ）＝γθとおくと、次式（１６）が与えられる。
【００５４】
【数１１】

【００５５】
ここで、計測バラツキを求めているのであるから、式（１６）において、
【００５６】
【数１２】

【００５７】
とおくことができる。従って、式（１６）より式（１７）を得ることができる。
【００５８】
【数１３】

【００５９】
また、
【００６０】
【数１４】

【００６１】
とおくことができるので、式（１７）（１８）より、回転のバラツキ（σθ）は、次式（１９）で表すことができる。
【００６２】
【数１５】

【００６３】
以上より、ＥＧＡ計測によるオフセット（Ｏ）、スケーリング（γ−１）および回転（θ）のバラツキは、計測再現性（σＴＭ）の関数として式（１３）、（１５）、（１９）により求めることができることが判明した。
ここで、ＥＧＡ計測によって求めることができたＥＧＡショットの新配列座標（ステップＳ５１２）のＸ成分（ｘｋ）は、次式（２０）のモデル式で与えられる。
ｘｋ＝（γ−１）Ｘｋ−γθＹｋ＋Ｏ …（２０）
なお、このモデル式については、特開昭６１−４４４２９号公報などに詳細に記載されているので、詳細説明は省略する。
【００６４】
従って、計測バラツキによって生じるＥＧＡショットの線形誤差σＬＭは、次式（２１）で与えられる。
【００６５】
【数１６】

【００６６】
ここで、ＥＧＡショットは、ほぼ中心対称に設定されるので、下記の式（２２）、（２３）で示す関係が成り立つから、式（２１）は式（２４）に変形することができる。
【００６７】
【数１７】

【００６８】
さらに、式（１５）（１９）（２４）より、線形誤差（σＴＭ）は、次式（２５）のように表すことができる。
【００６９】
【数１８】

【００７０】
さらに式（２５）を式（８）に代入すると、式（２６）が得られ、式（２６）を整理することにより、計測再現性（σＴＭ）は式（２７）により与えられる。
【００７１】
【数１９】

【００７２】
ここで、計測誤差のランダム成分（σＲ）については、設計上の配列座標と計測上の配列座標との偏差として計算により求めることが可能であり（ステップＳ５１４）、従って、ステップＳ５１６において、式（２７）により計測再現性（σＴＭ）を演算により求めることができる。
さらに、式（２７）により求めた計測再現性（σＴＭ）を、式（１３）（１５）（１９）にそれぞれ代入することにより、各ＥＧＡパラメータである、オフセット（Ｏ）、スケーリング（γ−１）、回転（θ）に関する再現性についても求めることができる。
【００７３】
さて、再び、図２に示す処理フローに戻り、ステップＳ５１６において、以上のような手順で推定された計測再現性（σＴＭ）を記憶部に格納し、この計測再現性の３σＴＭを、異常値の許容値として設定しておく。そして、ステップＳ５１８において、新配列座標または計測値に基づいて１枚目のウェハの露光を行う。なお、全点ではなく多数点計測を行って、計測再現性（σＴＭ）を求めた場合には、図３に示す処理フローに関連して後述する２枚目以降のウェハＷと同様の処理を行い、有効なショット領域についてのみ、新配列座標に従って露光を行うことになる。また飛びショット領域と判定されたものについては、新配列座標を用いずに、例えば計測値に基づいて露光を行うことができる。これらの露光動作により、１枚目のウェハの露光が終了し（ステップＳ５２０）、ウェハの交換が行われ（ステップＳ５２２）、次いで、２枚目のウェハがウェハステージに載置される。
【００７４】
各ロットの２枚目以降のウェハについては、まずステップＳ５２４で、ステップＳ５０２と同様に粗い位置決めを行った後に、予め設定されたＥＧＡショット領域（例えば１０個）についてのみアライメントを行って（ステップＳ５２６、Ｓ５２８）、それらのＥＧＡショット領域の計測上の配列座標（αｉ，βｉ）を求める（ステップＳ５３０）。次に、ステップＳ５３２において、ステップＳ５１６において求められた計測再現性（σＴＭ）に応じて、飛びショット領域に関する計測値をはじく。具体的には、計測再現性（σＴＭ）の３σを求め、その３σからはずれる計測値を飛びショット領域としてはじくことにより、より精度の高いＥＧＡ処理を行うことができる。なお、同一ロット内においては、ウェハの状態はほぼ同じであると考えられるので、ステップＳ５１６において、先頭ウェハで求めた計測再現性（σＴＭ）を２枚目以降のウェハに対しても適用することが可能である。また計測再現性（σＴＭ）は、正規分布を示す計測値のバラツキであるので、各ＥＧＡショット領域についての計測値の誤差のランダム成分（σＲ）が３σＴＭを超える確率は極めて小さい。つまり、計測誤差のランダム成分（σＲ）が３σＴＭを超えているショット領域の計測結果は、異常値である可能性が高い。従って、この３σＴＭを異常値の許容値としておけば、異常値のみを撥ねることができる確率は極めて高いと言える。
【００７５】
次いで、ステップＳ５３４において、計測再現性（σＴＭ）により飛びショット領域の計測値がはじかれたＥＧＡショット領域について、その設計上の配列座標（Ｘｉ，Ｙｉ）および計測された配列座標（αｉ，βｉ）に基づいて、最小二乗法により、そのウェハに固有の６つのパラメータａ〜ｆの値を決定する。このように、本実施例によれば、予め異常値がはじかれたＥＧＡショット領域に基づいてＥＧＡ処理を行うので、アライメント精度をより高めることができる。
【００７６】
次いで、ステップＳ５３６において、このようにして決定された６個のパラメータ及び各ショットの設計上の配列座標（Ｘｉ，Ｙｉ）（ｉ＝０，１，…）を順次式（１）の右辺に代入することにより、各ショットの計算上の配列座標（ｘｉ，ｙｉ）が求められる。この計算上の配列座標（ｘｉ，ｙｉ）が新配列座標である。そして、ステップＳ５３８で、求めた新配列座標に基づいて露光を実行することにより、２枚目のウェハの処理が終了する。次いで、ステップＳ５４０において、ロット内の全てのウェハに対して露光が行われたか否かを判断する。ここでは、２枚目のウェハまでしか露光が行われていないので、ステップＳ５２２に戻って、ウェハの交換を行い、ステップＳ５２２〜Ｓ５３８に示したものと同様の手順により露光を行う。以下、ロット内の全てのウェハに対する露光が終了するまで、ステップＳ５２２〜Ｓ５３８を反復して実行することにより同一ロットに対する露光工程終了する。
【００７７】
このように本実施例によれば、同一ロットの１枚目のウェハについては全ショットの計測を行って、その計測結果から計測再現性（σＴＭ）を求めている。そして、２枚目以降のウェハについては、計測再現性（σＴＭ）によって飛びショット領域をはじいたＥＧＡショット領域についてＥＧＡ処理を行い、アライメント用の新座標を求めている。その結果、高い精度のアライメントを行うことが可能となる。なお、本発明は、本実施例に限定されず、全ショットの計測を行う代わりに、推定される計測再現性（σＴＭ）の精度が落ちない程度の多数ショット領域を選択し、その多数ショット領域に基づいて計測再現性（σＴＭ）を求めるように構成してもよい。
【００７８】
また先頭ウェハにおいて、全ショット領域の計測を行った際にも、計測結果の誤差のランダム成分（σＲ）が３σＴＭを超えているショット領域が存在する場合には、そのショット領域の計測結果は異常値であると判定し、そのショット領域の計測結果をはじいて、再び計測再現性（σＴＭ）を求めることができる。このように、最終的に異常値がなくなった場合の計測再現性（σＴＭ）を、そのロットの計測再現性（σＴＭ）として採用することにより、アライメント精度をさらに高めることができる。
【００７９】
また上記実施例では、１枚目のウェハの全ショット領域の計測結果だけから、２枚目以降のウェハに適用される計測再現性（σＴＭ）を求めているが、本発明は、かかる実施例に限定されない。例えば、１枚目および２枚目のウェハ、１〜３枚目のウェハ、または４枚以上のウェハについて、それぞれ全ショット（又は多数ショット）の計測を行い、それらの平均値からそのロットに関する計測再現性（σＴＭ）を決定するようにしてもよい。また、先頭から数枚の全ての非線形誤差を一緒に計算するように構成してもよい。さらに、このようにロットの先頭（または先頭から数枚）のウェハから計測再現性（σＴＭ）を決定するのではなく、各ウェハごとに行われる計測結果から各ウェハごとの計測再現性（σＴＭ）を求め、各ウェハごとに異常値をはじくように構成してもよい。
【００８０】
さらに上記実施例においては、推定された計測再現性（σＴＭ）に応じて、飛びショットの計測値をはじく構成を示したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、求められた計測再現性（σＴＭ）に応じて計測値に重み付けを行い、重みづけられた計測値を用いてＥＧＡ処理することも可能である。すなわち、計測再現性（σＴＭ）に照らして、異常値または異常値に近い計測値に対しては相対的に軽い重み付けを行い、正常範囲にある計測値に対しては相対的に重い重み付けを行うことによっても、異常値または異常値に近い計測値がＥＧＡ処理に与える影響を軽減できるので、高精度のアライメントを達成することができる。
【００８１】
さらにまた上記実施例においては、図１に示すＴＴＬ方式のアライメント系２００に対して本発明にかかる位置決め方法を適用した場合を示したが、本発明はかかる例に限定されず、図１に示すオフアクシス方式のアライメント系３００に対しても当然適用できる。さらに本発明は図示の例に限定されず、ＥＧＡ処理を適用可能な各種アライメント系に対しても適用できることは言うまでもない。
【００８２】
以上のように、本発明は上記実施例に限定されず、当業者であれば特許請求の範囲に記載された本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の修正および変更に想到し得ることは明らかであり、それらについても本発明の技術的範囲に含まれるものと了解される。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、まず、対象となる基板において、全点または多数ショットのアライメントマーク計測を行う。そして、計測した結果をＥＧＡ処理し、計測誤差のランダム成分（σＲ）を求める。さらに、計測値のバラツキ（σＴ）の関数として表される計測誤差の線形成分（σＬ）とランダム成分（σＲ）とから計測再現性（σＴＭ）を推定する。そして、このようにして求めた計測再現性（σＴＭ）に応じて、計測された複数のショット領域中の飛びショット領域を判定し、その飛びショット領域を異常値としてはね、異常値を含まない残りのショットに対してＥＧＡ処理をするので、高精度のアライメントを行うことができる。
【００８４】
また、各ロットの先頭または先頭から数枚の基板について、上記の方法により計測再現性（σＴＭ）を求め、求めた計測再現性（σＴＭ）に応じて、そのロット内の他の基板について飛びショット領域を判定することにより、処理のスループットを向上させることができる。
さらにまた求めた計測再現性（σＴＭ）に応じて、各計測値に対して異常値の影響が軽減されるように重み付けを行い、このように重み付けられた計測値に基づいてＥＧＡ処理を行うことによっても、高精度のアライメントを達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の位置合わせ方法が適用される縮小投影型露光装置の概略構成を示す構成図である。
【図２】本発明の一実施例にかかる露光動作を示す流れ図である。
【図３】本発明の一実施例にかかる露光動作を示す流れ図である。
【符号の説明】
ＰＬ 投影レンズ
Ｗ ウェハ
Ｒ レチクル
２００ ＴＴＬ方式のアライメント系
３００ オフアクシス方式のアライメント系
４００ 制御器
４０２ 制御部
４０４ 演算部
４１６ 記憶部[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to an alignment method, and more particularly to an alignment method applicable when aligning a substrate to be processed in an exposure apparatus, a repair apparatus, an inspection apparatus, or the like for manufacturing a semiconductor.
[0002]
[Prior art]
When manufacturing a semiconductor element or the like using photolithography technology, a semiconductor substrate to be processed is placed on a two-dimensionally movable stage, and a step of stepping a wafer with the stage and a mask or reticle (hereinafter, referred to as a step). In recent years, a so-called step-and-repeat type exposure apparatus, in particular, a reduction projection type exposure apparatus (stepper), has been frequently used in which a step of sequentially exposing a circuit pattern on a wafer onto a wafer is repeated. In this type of exposure apparatus, it is necessary to accurately and accurately align the reticle with the wafer with high accuracy.
[0003]
As a method of aligning a semiconductor substrate in a conventional stepper or the like, a coordinate is obtained using a least square approximation method as disclosed in, for example, JP-A-61-44429 and JP-A-62-84516. The so-called EGA (Enhanced Global Alignment) method is known. The outline is as follows.
[0004]
A plurality of chip patterns including alignment marks called alignment marks are formed on a semiconductor substrate, and the chip patterns are regularly arranged based on predetermined arrangement coordinates (design arrangement coordinates). Are arranged. However, even if the semiconductor substrate is stepped on the basis of the designed arrangement coordinates, the semiconductor substrate is not always accurately aligned in accordance with the arrangement coordinates due to the following error factors.
(1) Residual rotation (rotation) error (θ) of the semiconductor substrate
(2) Orthogonality error (w) of stage coordinate system (or shot array)
(3) Linear expansion / contraction (or scaling) of the semiconductor substrate (γx, γy)
(4) Offset (translation) of semiconductor substrate (center position) (Ox, Oy)
At this time, the coordinate conversion of the semiconductor substrate based on these four error amounts (hereinafter, these six parameters are collectively referred to as EGA parameters) can be described by a linear conversion equation.
[0005]
Therefore, for a semiconductor substrate on which a plurality of chip patterns including alignment marks are regularly arranged, the coordinate system (X, Y) on this substrate is converted into a stage coordinate system (x, y) as a stationary coordinate system. A first-order transformation model is given by the following equation.
[0006]
(Equation 1)

[0007]
As a method of obtaining the conversion parameters a to f in the model formula, there is a least square approximation method described below.
In this case, each of shot areas selected from a plurality of chip patterns (shot areas) on the substrate is aligned (aligned) with a predetermined reference position, and the coordinate system (α1, β1), (Α2, β2),..., (Αn, βn) are actually measured. Further, the design array coordinates (Xi, yi) (i = 1,..., N) of the selected shot area (that is, the alignment mark attached thereto) are obtained by substituting into the above-described equation (1). The difference (Δx, Δy) between the calculated coordinates (xi, yi) and the coordinates (αi, βi) measured at the time of alignment is considered as an alignment error. The alignment errors Δx and Δy are defined by the following equations.
[0008]
(Equation 2)

[0009]
This equation (2) is partially differentiated with each of the parameters a to f, an equation is set such that the value becomes 0, and the parameters a to f are obtained by solving a simultaneous equation expressed by the following equation (3).
[0010]
(Equation 3)

[0011]
After that, the alignment of each shot on the semiconductor substrate may be performed based on the new array coordinates calculated using Expression (1).
Alternatively, when the approximation accuracy is not good in the linear conversion equation, the alignment of the semiconductor substrate may be performed using a higher-order equation such as the following equation.
[0012]
(Equation 4)

[0013]
At this time, if k = 1 in the equation (4), it goes without saying that the equation becomes equal to the equation (1).
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, a semiconductor substrate processed by a stepper or the like is often subjected to a heat treatment in a previous process. Therefore, a chip pattern that should be regularly arranged based on predetermined arrangement coordinates is generated by the heat treatment. Due to the expansion and contraction and the deformation, the distortion may be so large that it cannot be approximated by the linear transformation equation, or the alignment mark may be broken. In such a case, an abnormal value occurs in the measurement result, and when the measurement result is statistically processed, each EGA parameter (rotation, scaling, orthogonality, offset) is affected by the abnormal value. , The alignment accuracy is degraded.
[0015]
In order to reduce the influence of such abnormal values on the measurement, for example, an allowable value of the abnormal value is set in advance, and the statistical calculation processing is configured to ignore the measurement result exceeding the allowable value. It is possible. However, in practice, the dispersion of the measurement results changes due to the stage accuracy when exposing the alignment layer, the surface roughness of the wafer, the measurement reproducibility of the sensor, and the like, so that the measurement jump value is caused by the measurement dispersion. It is difficult to judge whether it is a true outlier. As a result, if the allowable value is set to a large value, a small abnormal value cannot be repelled. Conversely, if the allowable value is set to a small value, there is a problem that a measured value due to measurement variation also repels.
[0016]
The present invention has been made in view of the problems of the conventional alignment method as described above, and has an object to improve the alignment accuracy by determining an abnormal value according to measurement reproducibility. And
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention, when aligning each of a plurality of shot areas formed on the substrate with respect to a predetermined reference position in a stationary coordinate system that defines the movement position of the substrate, A plurality of shot areas are selected from the plurality of shot areas, and the coordinate positions of the selected plurality of shot areas in the stationary coordinate system are measured, and the coordinate positions on the measurement and the corresponding coordinate positions on the design are measured. The coordinate position on the measurement is statistically processed so that the average deviation of the shot areas is minimized, thereby calculating the coordinate position of each of the plurality of shot areas on the substrate on the stationary coordinate system. By controlling the moving position of the substrate according to the above, the method is applied to a method of sequentially aligning each of the plurality of shot regions with respect to the reference position. The present invention provides the alignment method, wherein a measurement reproducibility (σTM) is obtained from a linear component (σL) of the measurement error and a random component (σR) of the measurement error expressed as a function of the variation (σT) of the measurement value. Is estimated, and the suitability of the coordinate positions on the plurality of measurements for use in the statistical calculation process is determined in accordance with the estimated measurement reproducibility (σTM).
[0018]
When processing a plurality of substrates, one or two or more substrates are selected for each of the N substrates, measurement reproducibility is estimated for the selected substrates, and estimation is performed for each of the N substrates. It can be configured to determine the suitability of the coordinate position on the measurement in accordance with one or more of the measured reproducibility.
Further, in the present invention, when performing the above-described statistical calculation processing, for each of the selected shot areas, the measurement estimated based on the square value of the deviation between the measured coordinate position and the corresponding designed coordinate position. Weighting according to the reproducibility (σTM), and statistically calculating the coordinate position on the measurement to calculate the coordinate position of each of the plurality of shot areas on the substrate on the stationary coordinate system. You can also.
[0019]
[Action]
First, alignment marks are measured for all points or many shots on the target substrate. Then, the measured result is subjected to EGA processing to determine a random component (σR) of the measurement error. Further, the measurement reproducibility (σTM) is estimated from the linear component (σL) and the random component (σR) of the measurement error expressed as a function of the variation (σT) of the measurement values. The measurement reproducibility (σTM) includes stage accuracy when the alignment layer is exposed, surface roughness of a wafer due to a process, measurement reproducibility of an alignment sensor, and the like. In accordance with the measurement reproducibility (σTM) obtained in this way, a jump shot area among a plurality of measured shot areas is determined, and the jump shot area is rejected as an abnormal value. Then, by performing the EGA processing on the remaining shots not including the abnormal value, highly accurate alignment can be performed.
[0020]
Normally, processing is performed in units of a plurality of lots, and the state of the substrates included in the same lot is considered to be almost the same. The measurement reproducibility (σTM) is obtained by the method, and the skip shot area is determined for another substrate in the lot according to the obtained measurement reproducibility (σTM), whereby the processing throughput can be improved.
[0021]
In addition, the measured values can be weighted according to the obtained measurement reproducibility (σTM). For example, in light of measurement reproducibility (σTM), a lighter weight can be given to an abnormal value or a measured value close to an abnormal value, and a heavier weight can be given to a measured value in a normal range. Thus, high-precision alignment can be achieved also by performing the EGA processing based on the weighted measurement values.
[0022]
【Example】
Hereinafter, an embodiment in which a positioning method according to the present invention is applied to a reduction projection type exposure apparatus (stepper) for transferring a pattern on a reticle onto a wafer by a step-and-repeat method will be described with reference to the accompanying drawings. .
First, an outline of a stepper to which the alignment method according to the present invention can be applied will be described with reference to FIG.
[0023]
In the figure, IL is illumination light for exposure (for example, g-line, i-line, j-line from a mercury lamp, or ultraviolet pulse light from an excimer laser light source), and this illumination light IL is transmitted through a condenser lens 102. The pattern region PR of the reticle R is irradiated with a substantially uniform illuminance distribution. The illumination light IL that has passed through the pattern region PR enters, for example, a bilateral (or one-sided) telecentric projection lens PL, passes through the projection lens PL, and reaches a wafer (semiconductor substrate) W.
[0024]
The projection lens PL has been corrected for chromatic aberration with respect to the wavelength of the illumination light, and the reticle R and the wafer W are at conjugate positions with each other. The illumination light IL is Koehler illumination, and a secondary light source image near the exit end face of the fly-eye lens group (not shown) is formed in the pupil plane EP of the projection lens PL.
The reticle R is held on a reticle stage 104 that can be finely moved on a two-dimensional plane (a plane substantially perpendicular to the paper surface in the figure), and a reticle alignment mark (not shown) formed around the reticle R is mirrored by a mirror 106. By being detected by a reticle alignment system including the objective lens 108 and the mark detection system 110, the projection lens PL is positioned with respect to the optical axis AX.
[0025]
The wafer W is mounted on a wafer stage 112 that can move on a two-dimensional plane (a plane substantially orthogonal to the paper surface in the figure) by a driving system (not shown). The coordinate values of the wafer stage 112 are sequentially measured by the laser interferometer 114. Reference numeral 116 denotes a stage controller. The stage controller 116 controls a driving system based on measured coordinate values of the wafer stage 112, which are measurement results of the interferometer 114, and moves and positions the wafer stage 112.
[0026]
The stepper of the embodiment shown in FIG. 1 is provided with an alignment optical system 200 of a TTL (Through The Lens) type and an alignment optical system 300 of an off-axis (Off Axis) type.
First, the TTL alignment optical system 200 will be described. In FIG. 1, reference numeral 202 denotes a laser light source such as a He-Ne laser, which is insensitive to a resist layer on the wafer W from the laser light source 202. A certain red beam 204 is output. This beam 204 passes through a beam shaping optical system 206 composed of a cylindrical lens or the like, and is incident on an objective lens 216 via a mirror 208, a lens system 210, a mirror 212 and a beam splitter 214. The beam 204 emitted through the objective lens 216 is reflected downward by a mirror 218 provided at an angle of 45 ° below the reticle R, and its optical axis AX is located at the periphery of the field of view of the projection lens PL. And incident in parallel. Then, the beam 204 incident on the projection lens PL passes through the center of the pupil EP of the projection lens PL, exits from the lens PL, and irradiates the wafer W vertically. At this time, the beam 204 is shaped into a slit by the beam shaping optical system 206, and a spot light extending in the x direction is formed on the wafer W via the projection lens PL.
[0027]
On the other hand, an alignment mark (not shown) is formed on the wafer W. The alignment mark has a configuration in which a plurality of diffraction grating marks formed by extending a plurality of dot patterns in the x direction are arranged at a predetermined pitch in the y direction (in the drawing, a direction substantially perpendicular to the paper surface). ing. Therefore, when the wafer stage 112 is horizontally moved with respect to the spot light and the alignment mark is relatively scanned in the y direction by the spot light, specular reflected light, scattered light, diffracted light, etc. are generated from the mark, and the mark The light amount changes according to the relative positional relationship with the spot light.
[0028]
Light reflected from the alignment mark and the like travels backward along the optical path of the beam 204, passes through the projection lens PL, mirror 218, and objective lens 216, is reflected by the beam splitter 214, and is guided to the light receiving element 220. The light receiving surface of the light receiving element 220 is arranged on a plane substantially conjugate with the pupil plane EP of the projection lens PL. The light receiving element 220 is sensitive to scattered light or diffracted light from the mark and outputs a corresponding electric signal. The output signal from the light receiving element 220 is input to the controller 400 together with the position measurement signal from the interferometer 114. The controller 400 samples the signal waveform from the light receiving element 220 when the alignment mark is relatively scanned with respect to the spot light together with the position measurement signal by the interferometer 114 and stores the signal waveform in the storage unit 402. By analyzing in the arithmetic unit 404, a coordinate position signal of the wafer stage 112 when the mark center coincides with the spot light center can be obtained.
[0029]
Next, the off-axis type alignment optical system 300 will be described. In the figure, reference numeral 302 denotes a halogen lamp. Light generated by the halogen lamp 302 is converged on one end surface of an optical fiber 306 via a condenser lens 304. The light transmitted by the optical fiber 306 passes through a filter 308 that blocks a photosensitive wavelength (short wavelength) region and an infrared wavelength region of the resist layer, and is guided to a half mirror 312 via an objective lens 310. The light reflected by the half mirror 312 is reflected by the mirror 314, travels substantially horizontally to the wafer W, enters the objective lens 316, and further lowers the projection lens PL so as not to block the field of view of the projection lens PL. The light is reflected by a prism (mirror) 318 fixed to the periphery and vertically illuminates the alignment mark on the wafer W.
[0030]
The reflected light from the alignment mark travels backward along the optical path described above, passes through the prism 318, the objective lens 316, and the mirror 314, passes through the half mirror 312, and is imaged on the index plate 322 by the lens system 320. You. The index plate 322 is disposed at a position conjugate with the wafer W with the objective lens 316 and the lens system 320 interposed therebetween, and an image of a mark of the wafer W is formed in a transparent window of the index plate 322. On the index plate 322, linear index marks extending along each of the x direction and the y direction substantially orthogonal to the paper surface are formed in the transparent window. The mark image and the index mark are guided to an image pickup device 330 such as a CCD camera via relay systems 324 and 326 and a mirror 328, and form an image on a light receiving surface thereof.
[0031]
The output video signal from the image sensor 330 is sent to the controller 400 together with the position measurement signal from the interferometer 114. The controller 400 calculates the shift of the mark image with respect to the index mark based on the waveform of the video signal from the image sensor 330 in the arithmetic unit 404, and determines the position of the wafer stage when the mark image is accurately positioned at the center of the index mark. 112 coordinate position signals can be obtained.
[0032]
Next, with reference to flowcharts shown in FIGS. 2 and 3, a positioning method according to the present embodiment will be described together with the operation of the apparatus shown in FIG. Note that this alignment is performed before the overlay exposure of the second and subsequent layers of the wafer W, and a chip pattern (corresponding to a shot area) and an alignment mark have already been formed on the wafer W. Here, the description will be made on the assumption that the wafer W is subjected to the second-layer overlay exposure.
[0033]
First, in step S502, the first (first) wafer W in the lot is loaded on the wafer stage 112 under the control of the main controller, and the wafer W is roughly aligned (for example, with an accuracy of about ± 2 μm). Is placed. Next, in step S504, the wafer W is moved in accordance with the design arrangement coordinates stored in advance in the storage unit 406 of the controller 400 as a shot map, thereby moving the wafer W to the entire shot area with respect to the mark position detection position of the TTL alignment system 200. The movement is performed sequentially. Specifically, the stage controller moves the wafer stage 112 to move the wafer W to a position where the alignment mark on the wafer W is irradiated by the spot light from the TTL alignment optical system 200.
[0034]
Next, in step S506, the alignment operation using the TTL alignment optical system 200 is performed according to the procedure described above, and the position information from the interferometer 114 at that time is obtained as a coordinate position signal. Next, in step S508, when the alignment of all shots is completed for the first wafer of each lot, the first approximation parameter values a to f are obtained from all the alignment results.
[0035]
Specifically, the designed array coordinates (Xi, Yi) of the measured shot and the corresponding measured array coordinates (αi, βi) are given. Then, as already described, in the case of the first-order approximation, the design value (Xi, Yi) is substituted for the coordinates (X, Y) on the right side of Expression (1), and the coordinates (x, y) on the left side. When the measured values (αi, βi) are substituted, the six parameters a to f are determined by the least squares method so that the error represented by the equation (2) is minimized.
[0036]
Next, in step S510, the six parameters determined in this way and the designed array coordinates (Xi, Yi) (i = 0, 1,...) Of each shot are sequentially substituted into the right side of equation (1). Then, the calculated array coordinates (xi, yi) of each shot are obtained. The calculated array coordinates (xi, yi) are the new array coordinates (step S512). Then, the difference between the alignment result (measured array coordinates (αi, βi)) of each shot and the new array coordinates (xi, yi) is a non-linear error that cannot be removed by first-order approximation, that is, a random component of measurement value variation. (Step S514).
[0037]
Next, in step S516, the arithmetic unit estimates the measurement reproducibility from the random component of the variation of the measurement value obtained by the EGA processing described above. Hereinafter, the procedure will be described. In this embodiment, it is assumed that the variation of the measured value indicates a normal distribution.
First, it is considered that the standard deviation (σT) of the variation of the measured value is composed of a linear component (σL) and a random component (σR) as shown in the following equation (5).
σT ² = ΣL ² + ΣR ² … (5)
Of these, in the actual wafer W, the scaling, rotation error, and orthogonality error occur due to the accuracy of the process step and the alignment detection system as described above, so that the linear component (σL) can take a large value. .
[0038]
Further, it is considered that the linear component (σL) is composed of an original linear error (σLP) of the wafer W to be processed and a linear error (σLM) caused by measurement variation as shown in the following equation (6). .
σL ² = ΣLP ² + ΣLM ² … (6)
Here, assuming that the alignment detection system is not fooled by a linear process (for example, scaling for asymmetric Al), there is no problem in considering that the wafer W is in an ideal lattice state (that is, σLP = 0). Therefore, equation (5) can be transformed into the following equation (7).

Hereinafter, assuming that the variation of the measurement value when the original linear error (σLP) of the wafer W to be processed is ignored is measurement reproducibility (σTM), the measurement reproducibility (σTM) is expressed by the following equation (8). be able to.
σTM ² = ΣLM ² + ΣR ² … (8)
The cause of the measurement variation in the present embodiment is as follows.
1) Stepping error when exposing the alignment layer,
2) Deviations from the array and rough alignment marks due to subsequent processing
3) Measurement reproducibility and true value of the sensor when performing alignment caused by air fluctuations, electrostatic noise, and the like are considered.
[0039]
In the present embodiment, the rotation error θ of the wafer means that the entire wafer is rotated by θ. The orthogonality ω indicates a deviation from 90 ° between the X axis and the Y axis. In other words, when the rotation is θ and the orthogonality is ω with respect to the designed arrangement, the X axis is inclined by θ and the Y axis is inclined by θ + ω. In EGA, the X-axis side and the Y-axis side are calculated independently. On the X axis side, X shift, X scaling, and Y axis rotation are obtained. On the Y axis side, Y shift, Y scaling, and X axis rotation are obtained. And the amount obtained by subtracting the rotation of the X axis from the rotation of the Y axis is defined as the orthogonality. Therefore, in the following embodiments, only the X-axis side will be considered, but the same method can be applied to the Y-axis side.
[0040]
Here, assuming that the scaling is γ−1, the rotation of the Y axis is θ, and the offset is O, the EGA equation shown in the equation (1) can be expressed by the following equation (9).
[0041]
(Equation 5)

[0042]
In Expression (9), (Xi, Yi) is a design coordinate position of an alignment mark (hereinafter, referred to as an X mark) on the X axis side, and (αi) is a measured coordinate position of the X mark. Where n is the number of shots selected in the EGA method. Further, with respect to Expression (9), an inverse determinant represented by the following Expression (10) can be obtained by using constants A to F that can be obtained by calculation.
[0043]
(Equation 6)

[0044]
Here, assuming that the measurement reproducibility (σα) of the measured coordinate value αi is the same for i = 1 to n, the following equation (11) is established.
σα ² = ΣTM ² … (11)
Hereinafter, using the equations (9) and (10), each parameter of the EGA equation, that is, the offset (O), the scaling (γ-1), and the rotation error (θ) will be solved.
[0045]
1. Offset (O)
[0046]
(Equation 7)

[0047]
Since the offset (O) can be expressed by the equation (12), the variation (σO) of the offset can be expressed by the following equation (13).
[0048]
(Equation 8)

[0049]
2. Scaling (γ-1)
[0050]
(Equation 9)

[0051]
Since the scaling (γ-1) can be expressed by the equation (14), the scaling variation σ (γ-1) can be expressed by the following equation (15).
[0052]
(Equation 10)

[0053]
3. Rotation (θ)
Here, if f (γ, θ) = γθ, the following equation (16) is given.
[0054]
(Equation 11)

[0055]
Here, since the measurement variation is obtained, in Expression (16),
[0056]
(Equation 12)

[0057]
I can put it. Therefore, equation (17) can be obtained from equation (16).
[0058]
(Equation 13)

[0059]
Also,
[0060]
[Equation 14]

[0061]
Therefore, from Equations (17) and (18), the rotation variation (σθ) can be expressed by the following Equation (19).
[0062]
[Equation 15]

[0063]
As described above, the variation of the offset (O), the scaling (γ-1), and the rotation (θ) by the EGA measurement are obtained by the equations (13), (15), and (19) as a function of the measurement reproducibility (σTM). It turns out that you can.
Here, the X component (xk) of the new array coordinates (step S512) of the EGA shot obtained by the EGA measurement is given by the following formula (20).
xk = (γ−1) Xk−γθYk + O (20)
Since the model formula is described in detail in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-44429 and the like, detailed description is omitted.
[0064]
Therefore, the linear error σLM of the EGA shot caused by the measurement variation is given by the following equation (21).
[0065]
(Equation 16)

[0066]
Here, since the EGA shot is set to be substantially symmetrical with respect to the center, the relationship expressed by the following expressions (22) and (23) holds, and therefore, the expression (21) can be transformed into the expression (24).
[0067]
[Equation 17]

[0068]
Further, from Equations (15), (19), and (24), the linear error (σTM) can be expressed as in the following Equation (25).
[0069]
(Equation 18)

[0070]
Further, when Expression (25) is substituted into Expression (8), Expression (26) is obtained. By rearranging Expression (26), measurement reproducibility (σTM) is given by Expression (27).
[0071]
[Equation 19]

[0072]
Here, the random component (σR) of the measurement error can be obtained by calculation as a deviation between the array coordinates on design and the array coordinates on measurement (step S514). Therefore, in step S516, the expression ( 27), the measurement reproducibility (σTM) can be obtained by calculation.
Furthermore, by substituting the measurement reproducibility (σTM) obtained by Expression (27) into Expressions (13), (15), and (19), offset (O) and scaling (γ−1), which are EGA parameters, are obtained. ), And reproducibility with respect to rotation (θ).
[0073]
Now, returning to the processing flow shown in FIG. 2 again, in step S516, the measurement reproducibility (σTM) estimated by the above procedure is stored in the storage unit, and this measurement reproducibility 3σTM is calculated as the abnormal value. Set as an allowable value. Then, in step S518, the first wafer is exposed based on the new array coordinates or the measured values. When measurement reproducibility (σTM) is obtained by performing measurement not at all points but at many points, the same processing as the second and subsequent wafers W described later with reference to the processing flow shown in FIG. Then, only the effective shot area is exposed according to the new array coordinates. For areas determined to be jump shot areas, exposure can be performed based on, for example, measured values without using new array coordinates. By these exposure operations, the exposure of the first wafer is completed (Step S520), the wafer is replaced (Step S522), and then the second wafer is placed on the wafer stage.
[0074]
For the second and subsequent wafers of each lot, rough positioning is first performed in step S524 as in step S502, and then alignment is performed only for a preset EGA shot area (for example, 10 wafers) (step S526). , S528), and the measured arrangement coordinates (αi, βi) of the EGA shot areas are obtained (step S530). Next, in step S532, the measurement value relating to the jump shot area is rejected according to the measurement reproducibility (σTM) obtained in step S516. Specifically, EGA processing with higher accuracy can be performed by obtaining 3σ of measurement reproducibility (σTM) and rejecting a measurement value deviating from 3σ as a skip shot area. Since the wafer state is considered to be almost the same in the same lot, the measurement reproducibility (σTM) obtained for the first wafer should be applied to the second and subsequent wafers in step S516. Is possible. Further, since the measurement reproducibility (σTM) is a variation in the measurement values indicating the normal distribution, the probability that the random component (σR) of the error of the measurement value for each EGA shot region exceeds 3σTM is extremely small. That is, the measurement result of the shot region in which the random component (σR) of the measurement error exceeds 3σTM is likely to be an abnormal value. Therefore, if this 3σTM is set as the allowable value of the abnormal value, it can be said that the probability that only the abnormal value can be repelled is extremely high.
[0075]
Next, in step S534, the array coordinates (Xi, Yi) and the measured array coordinates (αi, βi) of the EGA shot area from which the measurement value of the jump shot area has been rejected due to the measurement reproducibility (σTM). , The values of the six parameters a to f specific to the wafer are determined by the least squares method. As described above, according to the present embodiment, since the EGA processing is performed based on the EGA shot region in which the abnormal value has been repelled in advance, the alignment accuracy can be further improved.
[0076]
Next, in step S536, the six parameters determined in this manner and the designed array coordinates (Xi, Yi) (i = 0, 1,...) Of each shot are sequentially substituted into the right side of equation (1). Then, the calculated array coordinates (xi, yi) of each shot are obtained. The calculated array coordinates (xi, yi) are the new array coordinates. Then, in step S538, exposure is performed based on the obtained new array coordinates, thereby ending the processing of the second wafer. Next, in step S540, it is determined whether exposure has been performed on all wafers in the lot. Here, since exposure has been performed only up to the second wafer, the process returns to step S522 to replace the wafer, and exposure is performed in the same procedure as that shown in steps S522 to S538. Thereafter, steps S522 to S538 are repeatedly executed until the exposure for all the wafers in the lot is completed, thereby completing the exposure process for the same lot.
[0077]
As described above, according to the present embodiment, the measurement of all shots is performed on the first wafer of the same lot, and the measurement reproducibility (σTM) is obtained from the measurement result. Then, for the second and subsequent wafers, EGA processing is performed on an EGA shot area rejected from a jump shot area by measurement reproducibility (σTM) to obtain new alignment coordinates. As a result, highly accurate alignment can be performed. The present invention is not limited to the present embodiment. Instead of measuring all shots, a large number of shot areas are selected so that the accuracy of the estimated measurement reproducibility (σTM) does not decrease. The measurement reproducibility (σTM) may be obtained based on
[0078]
In addition, even when measurement is performed on all shot areas in the first wafer, if there is a shot area in which the random component (σR) of the error of the measurement result exceeds 3σTM, the measurement result of that shot area is abnormal. The measurement reproducibility (σTM) can be obtained again by judging that the value is a value, and rejecting the measurement result of the shot area. In this way, by adopting the measurement reproducibility (σTM) when the abnormal value finally disappears as the measurement reproducibility (σTM) of the lot, the alignment accuracy can be further improved.
[0079]
Further, in the above embodiment, the measurement reproducibility (σTM) applied to the second and subsequent wafers is obtained only from the measurement results of all shot areas of the first wafer. It is not limited to. For example, with respect to the first and second wafers, the first to third wafers, or four or more wafers, each of the shots (or a number of shots) is measured, and the average value thereof is measured for the lot. The reproducibility (σTM) may be determined. Further, it may be configured such that all the non-linear errors of the first few sheets are calculated together. Further, instead of determining the measurement reproducibility (σTM) from the leading (or several) wafers of the lot as described above, the measurement reproducibility (σTM) for each wafer is obtained from the measurement result performed for each wafer. And an abnormal value may be rejected for each wafer.
[0080]
Further, in the above-described embodiment, the configuration in which the measurement value of the jump shot is rejected according to the estimated measurement reproducibility (σTM) has been described, but the present invention is not limited to such an example. For example, it is also possible to perform weighting on the measured value in accordance with the obtained measurement reproducibility (σTM) and perform EGA processing using the weighted measured value. That is, in light of measurement reproducibility (σTM), a relatively light weight is given to an abnormal value or a measured value close to an abnormal value, and a relatively heavy weight is given to a measured value in a normal range. Also in this case, the influence of the abnormal value or the measured value close to the abnormal value on the EGA processing can be reduced, so that highly accurate alignment can be achieved.
[0081]
Further, in the above embodiment, the case where the positioning method according to the present invention is applied to the TTL alignment system 200 shown in FIG. 1 has been described. However, the present invention is not limited to such an example, and is shown in FIG. Of course, the present invention can be applied to the off-axis type alignment system 300. Further, it is needless to say that the present invention is not limited to the illustrated example, and can be applied to various alignment systems to which EGA processing can be applied.
[0082]
As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is apparent that those skilled in the art can conceive various modifications and changes without departing from the spirit of the present invention described in the appended claims. It is understood that they are also included in the technical scope of the present invention.
[0083]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, alignment marks are measured at all points or many shots on a target substrate. Then, the measured result is subjected to EGA processing to determine a random component (σR) of the measurement error. Further, the measurement reproducibility (σTM) is estimated from the linear component (σL) and the random component (σR) of the measurement error expressed as a function of the variation (σT) of the measurement values. Then, in accordance with the measurement reproducibility (σTM) obtained in this way, a jump shot area in a plurality of measured shot areas is determined, and the jump shot area is rejected as an abnormal value and does not include an abnormal value. Since EGA processing is performed on the remaining shots, highly accurate alignment can be performed.
[0084]
In addition, the measurement reproducibility (σTM) is obtained by the above-mentioned method for the head or several substrates from the head of each lot, and according to the obtained measurement reproducibility (σTM), a jump shot is performed for other substrates in the lot. By determining the area, the throughput of processing can be improved.
Furthermore, weighting is performed on each measured value according to the obtained measurement reproducibility (σTM) so that the influence of the abnormal value is reduced, and EGA processing is performed based on the weighted measured value. Thus, highly accurate alignment can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a schematic configuration of a reduction projection type exposure apparatus to which an alignment method according to an embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 is a flowchart showing an exposure operation according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a flowchart showing an exposure operation according to one embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
PL projection lens
W wafer
R reticle
200 TTL alignment system
300 Off-axis alignment system
400 controller
402 control unit
404 arithmetic unit
416 Storage unit

Claims (6)

In positioning each of the plurality of shot areas formed on the substrate with respect to a predetermined reference position in a stationary coordinate system that defines the movement position of the substrate, a plurality of shots from the plurality of shot areas are aligned. An area is selected, the coordinate positions of the selected plurality of shot areas in the stationary coordinate system are measured, and the average deviation between the measured coordinate position and the corresponding designed coordinate position is minimized. Calculating a coordinate position on the stationary coordinate system of each of the plurality of shot regions on the substrate by statistically processing the coordinate position on the measurement, and moving the substrate according to the calculated coordinate position Controlling the position of each of the plurality of shot regions sequentially with respect to the reference position,
A measurement reproducibility (σTM) is estimated from a linear component (σL) of the measurement error and a random component (σR) of the measurement error expressed as a function of the variation (σT) of the measurement value, and the estimated measurement reproducibility (σTM) A) determining whether the coordinate positions on the plurality of measurements are appropriate for use in the statistical calculation process. One or two or more substrates are selected for each of the N substrates, the measurement reproducibility is estimated for the selected substrates, and the estimated one or more measurement reproducibility is calculated for each of the N substrates. 2. The method of claim 1, further comprising: determining whether the coordinate position on the measurement is appropriate. In the statistical calculation processing, for each of the selected shot areas, the estimated measurement reproducibility (σTM) is calculated with respect to a square value of a deviation between the measured coordinate position and the corresponding designed coordinate position. ), And calculating the coordinate position on the stationary coordinate system of each of the plurality of shot areas on the substrate by statistically processing the coordinate position on the measurement. The method for positioning a substrate according to claim 1. A coordinate position on the stationary coordinate system of each of the plurality of shot areas on the substrate is calculated by using the alignment method according to any one of claims 1 to 3, and the calculated coordinate position is calculated. By controlling the movement position of the substrate according to, each of the plurality of shot areas is sequentially aligned with respect to the reference position,
An exposure method, wherein a pattern on a reticle is sequentially transferred to the plurality of shot areas aligned with the reference position. In positioning each of the plurality of shot areas formed on the substrate with respect to a predetermined reference position in a stationary coordinate system that defines the movement position of the substrate, a plurality of shots from the plurality of shot areas are aligned. An area is selected, the coordinate positions of the selected plurality of shot areas in the stationary coordinate system are measured, and the average deviation between the measured coordinate position and the corresponding designed coordinate position is minimized. Calculating a coordinate position on the stationary coordinate system of each of the plurality of shot regions on the substrate by statistically processing the coordinate position on the measurement, and moving the substrate according to the calculated coordinate position By controlling the position of the plurality of shot areas in the positioning device sequentially aligned with respect to the reference position,
An arithmetic unit for estimating measurement reproducibility (σTM) from a linear component (σL) of the measurement error and a random component (σR) of the measurement error expressed as a function of the variation (σT) of the measurement values;
A controller for determining whether or not the plurality of measurement coordinate positions are suitable for use in the statistical calculation processing in accordance with the measurement reproducibility (σTM) estimated by the calculation unit. Substrate alignment device. A position of each of a plurality of shot areas on the substrate on the stationary coordinate system is calculated using the positioning device according to claim 5, and a movement position of the substrate is controlled according to the calculated coordinate position. Thereby sequentially aligning each of the plurality of shot regions with respect to the reference position,
An exposure apparatus, wherein a pattern on a reticle is sequentially transferred to the plurality of shot areas aligned with the reference position.

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