JP3666951B2 - マーク検出方法、これを用いた位置合わせ方法、露光方法及び装置、ならびにデバイス生産方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はデバイス製造における露光装置などに好適に用いられる、位置合わせのためのマーク検出の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子等のデバイス製造工程において、マスクやレチクルの回路パターンをウエハ上に転写するための露光装置としては、可視光や紫外光を用いるものが主流である。しかし半導体回路のパターンの微細化が進むにつれ、最小パターン寸法が上記波長の光を用いた露光では解像限界に近づいてきたため、より波長の短い真空紫外線やＸ線、あるいは電子線を用いる露光方式が注目されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これらの露光方式の実用化にあたって、マスクとウエハのアライメントは従来よりも遥かに高い精度が要求されるため、解決すべき課題の一つとなっている。特に真空紫外線、Ｘ線、電子線などは高真空中で露光を行うため、アライメントにも厳しい条件が課せられている。
【０００４】
現在、有力と思われるのは解像性能が高い電子ビーム用いたアライメント検出である。ところが、通常ウエハは複数回のウエハプロセスを重ねて多重にパターンを形成するため、プロセス回数を重ねる毎にウエハの層構造（構成や材質）が変化する。そのため電子ビームでのマーク検出が常に一定条件で行えるとは限らず、時としてマークの検出不良につながる可能性がある。
【０００５】
本発明は電子ビームを用いた高精度なマーク検出を目指して、常に正確にマーク位置を検出することができる方法や装置の提供を目的とする。さらにはこれを用いた位置合わせ方法、露光方法及び装置、ならびにデバイス生産方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の好ましい形態は、電子ビームを基板のマークに照射し、該マークからの２次／反射電子を検出することにより該マークの位置を検出する方法において、前記マークからの蛍光Ｘ線を検出するステップと、前記マークからの２次／反射電子を検出するステップと、前記蛍光Ｘ線の検出値と前記２次／反射電子の検出値との相関に基づいて前記マークに照射する電子ビームの加速電圧を設定するステップとを有することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の別の好ましい形態は、基板を露光する露光装置において、前記基板のアライメントマークに電子ビームを照射し、該マークからの２次／反射電子を検出することにより該アライメントマークの位置を検出する検出手段を備え、該検出手段は、前記マークからの蛍光Ｘ線を検出するＸ線検出器と、前記マークからの２次／反射電子を検出する電子検出器とを有し、前記蛍光Ｘ線の検出値と前記２次／反射電子の検出値との相関に基づいて前記アライメントマークに照射する電子ビームの加速電圧を設定することを特徴とする。
【０００８】
更に、本発明の別の好ましい形態は、デバイス製造方法において、上述の露光装置により基板を露光し、該露光された基板を現像することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。電子ビームを用いてアライメントマークの検出を行う際には、電子ビームは、主としてマークの材質（例えばＡｌ，Ａｕ）に応じた蛍光Ｘ線、もしくはマークのエッジ部で２次電子や反射電子（以後、２次電子と反射電子を総称して２次／反射電子と呼ぶことにする）が発生が増えるので、マーク自体からの信号を検出することができる。加えて電子ビームは焦点深度が大きいため、ウエハ上に塗布したレジストの影響を受けにくい。ゆえに、表面のレジスト等の影響を受けずに直接的に正確なマーク位置検出が行える利点がある。
【００１０】
本発明は、位置合わせの対象とすべきアライメントマークが形成されている下地層と、その上に蒸着等で形成された膜の厚さや材質を考慮して、アライメントマーク検出時の電子ビームの加速電圧の適正値を決定することで、レジストや蒸着膜に被われ内部に埋もれたアライメントマークでも正確に検出しようとするものである。以下、種々の下地層と上層との組み合わせについて、加速電圧の決定法について説明する。
【００１１】
（１）マークからの蛍光Ｘ線を検出する方式
一般に電子ビームを物体に照射したときに発生する蛍光Ｘ線から被照射物体の元素を同定できることが知られている。蛍光Ｘ線は、高いエネルギ準位にある軌道電子がより低いエネルギ準位の軌道に落ちるときに発生するものである。発生前後のエネルギ準位によって、蛍光Ｘ線はＫα線、Ｋβ線、Lα線等の名称で呼ばれ、そのエネルギの差に応じたＸ線を発生することから蛍光Ｘ線は元素特有なエネルギを持つことになる。したがって、少なくとも低いエネルギ準位の軌道電子の結合エネルギを切るだけのエネルギを電子ビームが持っていることが必要である。その最低エネルギを吸収端と呼ぶ。
【００１２】
本例では、アライメントマークに到達する電子ビームのエネルギが、そのマークパターンを構成する元素の吸収端より高くなるような加速電圧を設定することで、発生する蛍光Ｘ線の強度からマークの位置を正確に特定することができる。仮に、アライメントマークの上に別の層が形成されていても、マークの材質に特有の蛍光Ｘ線を検出することで、上層の表面形状の影響を受けずにアライメントマーク位置が特定できる。
【００１３】
（２）マークからの２次／反射電子を検出する場合
マークに電子ビームを照射して、主としてエッジから発生する２次／反射電子や反射電子の強度からアライメントマーク位置を検出する場合、そのパターンからの２次／反射電子量が最大に近くなるように電子ビームの加速電圧を決定する。物体から放出される２次／反射電子の量は、入射する電子のエネルギと物体を構成する元素に依存するので、アライメントマークの材質によって電子ビームの加速電圧を適切に設定すれば大きな信号出力を得ることができる。仮に、アライメントマークの表面に異なる材質の膜が上層として蒸着されている場合、電子ビームが上層を透過してくる間に失うエネルギ量を考慮して、アライメントマークから放出される２次／反射電子量が最大となるように電子ビームの加速電圧を決定すればよい。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明のより具体的ないくつかの実施例を説明する。なお以下の説明では縮小Ｘ線露光装置への適用を例にとるが、本発明はこれに限定されることなく、等倍Ｘ線装置、真空紫外露光装置、電子ビーム露光装置などのアライメントにも適用することが出来る。
【００１５】
＜Ｘ線縮小露光装置の例＞
図１は、アライメント装置を有するＸ線縮小露光装置の全体構成図である。アンジュレータ源１はＸ線を放射し、凸面全反射鏡２及び凹面多層膜反射鏡３からなる照明光学形を通して、非反射部と多層膜による反射部からなるパターンを持った反射型マスク４を照射する。反射型マスク４で反射したＸ線は縮小投影光学系５によってウエハ６上に結像する。なお、反射型マスク４はマスクステージ７上に、ウエハ６はウエハステージ８上に固定されている。
【００１６】
反射型マスク４上のパターンは、ウエハ６の所定の部位に位置決めして転写する必要があり、そのためのアライメント装置を設けている。これはウエハ用アライメント電子ビーム光学系９とマスク用アライメント電子ビーム光学系１０によってウエハ６及びマスク４上のアライメントマークに電子ビーム１１を照射し、それぞれのアライメントマーク位置を検出して、両者の位置合わせを行なうものである。ここでＸ線検出器１２は電子検出器または蛍光Ｘ線検出器であり、アライメントマーク自体から放出される２次／反射電子または蛍光Ｘ線を検出する。
【００１７】
なおＸ線や電子線は大気による減衰が大きいので、減衰を防止するため上記各部材は高真空の真空チャンバ１６内に置かれている。
【００１８】
照明光学系によって照明される領域はスリット状であるため、反射型マスク４の一部分しか照明されない。そこで、反射型マスク４を搭載したマスクステージ７とウエハ６を搭載したウエハステージ８を共に走査移動させて走査露光を行う。レーザー干渉計１３、ハーフミラー１４、ミラー１５からなる計測系はステージの移動をモニタするものである。
【００１９】
＜蛍光Ｘ線検出の例＞
図２は、アライメント装置によって、電子ビームでウエハを照射してマーク検出している様子を示したものである。既にプロセス処理がなされたウエハ６上にはアライメントマーク３１が形成されており、例えばウエハ６の材質はＳｉ、アライメントマークの材質はＡｌである。さらに上層としてＳｉＯ2層３２でアライメントマーク３１及びウエハ６上を被い、さらにその上にレジスト層３３が形成されている。
【００２０】
収束電子ビームをウエハ上に照射すると、被照射物の形状や元素を反映した２次／反射電子や蛍光Ｘ線が発生する。電子ビーム１１でウエハ上を図２の矢印方向に偏向走査しながら、検出器３６で検出することによって、電子ビームが当たっている位置（もしくは時間）の関数として検出信号強度が得られる。なお、Ｘ線検出器３６は先の図１での検出器１２に相当するものである。
【００２１】
本例では、電子ビーム１１の加速電圧は10KeVとしている。
【００２２】
ここで発生する蛍光Ｘ線について考える。ウエハ及びアライメントマーク、上層３２、レジスト層を構成する主元素であるＳｉ，Ａｌ，Ｏの蛍光Ｘ線（Kα線）とその吸収端のエネルギは以下のようになっている。
【００２３】
【００２４】
従って、この中で発生する蛍光Ｘ線は、電子の加速電圧１０KeVより低い吸収端を持つ蛍光Ｘ線のみであるから、Ｓｉ，Ａｌ，ＯのKα線が発生することになる。ところが、Ｘ線検出器３６の前にフィルタ３５（Ａｌ３μｍ厚）を設けているために、ＡｌのKα線以外はカットされ、検出器３６で測定される蛍光Ｘ線は実質上ＡｌのKα線となる。つまり、Ａｌのアライメントマーク（図中のＡ）の上を電子ビームが通過したときのみ、Ａｌの蛍光Ｘ線の検出出力が増大するので、この位置を特定すればアライメントマーク位置を特定したことになる。
【００２５】
なお、本実施例ではＸ線検出器３６として、フォトダイオードのような強度のみが測定できるＸ線検出器を想定したが、強度と同時にそのＸ線のエネルギが測定できるＳＳＤのようなＸ線検出器を用いればフィルタ３５は不要となる。
【００２６】
次に層構造の別の例として、図３に示すようなＣｕ層上にＳｉＯ2アライメントマークがある場合の、電子ビームの加速電圧の設定方法について述べる。図３において、ウエハ６の上にはＣｕ層３７が形成され、その上にＳｉＯ2からなるアライメントマーク３８が設けられている。そしてこれらを覆うようにレジスト層３９が形成されている。
【００２７】
ここで、Ｃｕ，Ｓｉ，Ｏの蛍光Ｘ線（Kα線、Lα線）とその吸収端のエネルギは以下のようになっている。
【００２８】
【００２９】
ここで電子ビームの加速電圧をＳｉのK吸収端より高く、且つＣｕの吸収端より小さくなるよう（本実施例では５KeV）に設定することによって、Ｃｕの蛍光Ｘ線であるKα線とKβ線は発生せず、ＳｉのKα線とＣｕのLα線が検出される、しかし実際はＣｕのLα線はＳｉのKα線に比べ発生効率が小さい上、エネルギが小さく検出器の不感層によって急激に減衰するので、検出される蛍光Ｘ線はフィルタがなくても実質上アライメントマークであるＳｉＯ2からの信号のみとなり、アライメントマーク位置が特定される。
【００３０】
＜２次／反射電子検出の例＞
次に、アライメント装置の別の例として、電子ビームの照射でアライメントマークから放出される２次／反射電子によってマーク位置を特定する方法を説明する。
【００３１】
図４において、ウエハ６上にはアライメントマーク４１（材質Ａｕ0.３μｍ厚）が形成されている。ウエハ６の材質はＳｉとする。さらに上層としてＳｉＯ2層４２（0.１μｍ厚）が、更にその上にレジスト層４３（0.2μｍ厚）が形成されている。電子ビーム１１の照射によってアライメントマーク４１から発生する２次／反射電子を電子検出器４６によって検出する。電子検出器は、電流を測るファラデーカップや、総エネルギを測定するダイオードタイプの検出器が好ましい。
【００３２】
この構成において、電子ビームを照射すると電子はＳｉＯ2層を透過し、ＡｕやＳｉによって弾性散乱や非弾性散乱を繰り返しながら、電子は軌道を変えながらエネルギを失っていく。しかし、いくつかの電子は数回の弾性散乱で大きく軌道が変えられレジスト表面から脱出し、電子検出器４６によって捕えられる。この弾性散乱の散乱角度・散乱断面積がターゲットの元素と電子のエネルギによって異なるので、下地の材料によって検出される２次／反射電子量が異なってくる。アライメントマークがある箇所（図中Ａ）ではレジスト（0.2μｍ）／ＳｉＯ2（0.１μｍ）／Ａｕ(0.3μｍ)／Siの層構造となっており、アライメントマークがない箇所（図中Ｂ）ではレジスト（0.2μｍ）／ＳｉＯ2（0.1μｍ）／Ｓｉの層構造となっている。この層構造に対して電子ビームがレジスト表面から入射すると、ＳｉよりＡｕの方が２次／反射電子を放出する確率が大きいので、アライメントマークがある部位(A)での２次／反射電子放出量が大きくなる。
【００３３】
図５のグラフ図は、電子ビームの加速電圧を１０ＫｅVとし、電子を入射させたときの２次／反射電子の個数を計算したものである。横軸は２次／反射電子のエネルギ、縦軸は２次／反射電子の個数である。同グラフにおいて、実線はアライメントマークがある部位(A)からの２次／反射電子を個数を、破線はアライメントマークが無い部位(B)からの２次／反射電子の個数を示す。アライメントマークがある部位からの２次／反射電子量が、アライメントマークが無い部位からの２次／反射電子量より大きいことが分かる。したがって、電子ビームでアライメントマーク近傍を走査すればアライメントマーク位置での信号が大きくなりマーク位置が特定できる。
【００３４】
ここで、アライメントマークがある位置(A)と無い位置(B)での２次／反射電子の信号量の比が大きいほど、より明確にアライメントマークが特定できる。この比は電子の加速電圧に依存する。図６のグラフ図は、加速電圧が異なる電子が入射したときの、アライメントマークがある点Ａと無い点Ｂから放出される２次／反射電子の信号量（電子の総個数）の比を実線で示したものである。電子の加速電圧が５KeV以下では信号の強度比はほぼ１でありアライメントマーク位置が特定は難しいが、加速電圧が高くなるに連れて２次／反射電子量の比は大きくなっており、アライメントマーク位置の特定が容易になっている。
【００３５】
一方、加速エネルギが大きくなると２次／反射電子量の比は大きくなるが、入射電子が深く入り込むのと前方散乱が大きくなることから２次／反射電子量そのものは小さくなる。したがって、信号強度を大きくとるために電子の加速電圧をあまり大きくはできない。図６のグラフ図の破線は、入射電子の総エネルギに対する２次／反射電子の個数の比を示すもので、２次／反射電子量は入射電子の加速電圧が１５KeVを超えると落ち始めることを示している。
【００３６】
これらを総合すると、アライメントマークパターンに対する２次／反射電子量の比（図６の実線）が高く、且つ２次／反射電子量（図６の破線）が大きい範囲、即ち10Kev〜15KeVの範囲に電子ビームの加速電圧を設定することが好ましく、アライメントマーク位置を高精度で特定することができる。
【００３７】
以上、蛍光Ｘ線と２次／反射電子検出の２つの例について、電子ビームの加速電圧に最適な範囲があることを示したが、この値はプロセス処理の繰り返しによってウエハ上に形成された層の材質や厚さなどの層構造によって変わり得る。層構造の違いに対応した電子ビームの加速電圧の最適値の設定方法について、いくつかの例を以下に説明する。
【００３８】
（１）計算から求める
層の構造は事前のプロセスによるので一般に層構造は事前に分かっているので、前述のように、アライメントマークのある層構造と無い層構造で信号強度比が最大となるように計算で加速電圧の最適値を求める。
【００３９】
（２）アライメントマーク形状との相関から求める
アライメントマーク形状と信号の相関を求めそれが最大となるように加速電圧を最適化する。つまり、ＳｉＯ2層の下のアライメントマーク形状をマスクパターンから予測し、２次／反射電子信号とその相関が最も高くなるように加速電圧を決定する。相関を使用して最適な加速電圧を求める具体例は以下の通りである。
すなわち、アライメント形状をH(x),2次電子の信号強度をＩ(V,x)として、
Ｅrr(Ｖ，ｘ１)＝∫（Ｉ(V，ｘ）−H（ｘ−ｘ１））2 ｄｘ
を求め、d Ｅrr(Ｖ，ｘ１) ／ｄｘ１＝０ を満たすｘ１をＸ１（＝Ｘ１(V) ）とする。加速電圧Ｖを変えながら、各々のＶに対してＥrr（Ｖ，Ｘ１）を求め、その中でＥrr（Ｖ，Ｘ１）が最小となるＶを最適な加速電圧とする。
【００４０】
（３）蛍光Ｘ線との相関から求める
蛍光Ｘ線強度と２次／反射電子強度の相関が最大となるように、電子ビームの加速電圧を最適化する。蛍光Ｘ線は材料を特定するのに優れており、アライメントマーク位置検出が高精度で行えるが、蛍光Ｘ線量が小さいので測定に時間がかかる。一方、２次／反射電子検出は検出信号強度は大きいが、アライメントマーク以外の材料からも２次／反射電子が放出されるので、アライメントマーク位置が特定しにくい欠点がある。そこで両者の利点を融合すべく、蛍光Ｘ線強度と２次／反射電子強度の両信号の相関が最大となるように電子ビームの加速電圧を設定すれば、それ以後は蛍光Ｘ線を測定しないでも高精度且つ短時間でアライメントマーク位置が検出できる。具体的な求め方は、上記（２）で説明した方法と同様である。
【００４１】
ところで、本実施例では電子ビーム量（電流量）について以下のような制御を行うことが好ましい。すなわち、電子ビームでアライメントマークを検出する際に、粗アライメントとして低電流量の電子ビームでアライメントマーク位置をおおまかに検出し、次に信号量が大きくなるようにより高い電流量の電子ビームでアライメントマーク位置を高精度で検出する。これによって、ステージ等のエラーにより電子ビームが露光部すなわち回路パターンに照射されても、電子ビームの電流量が小さいのでアライメントマーク以外のレジストに影響を与えること無く、アライメントマークを検出することができる。
【００４２】
またプロセスによっては、アライメントマークを次の工程にまで保存しておきたい場合がある。このときは露光現像後のレジストが残るような露光量を与えればよい。しかし、反射型マスクの構造をレジストによって変えるのは無駄が多い。そこで、アライメント時にアライメントマーク上を電子ビームで走査することで必要な露光量を与えればよい。即ち、ネガ型レジストでは十分な露光量を与え、ポジ型レジストでは少ない露光量となるように電子ビーム量を調節する。
【００４３】
＜デバイス生産方法の実施例＞
次に上記説明した露光装置を利用したデバイスの生産方法の実施例を説明する。
【００４４】
図７は微小デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の製造のフローを示す。ステップ１（回路設計）ではデバイスのパターン設計を行なう。ステップ２（マスク製作）では設計したパターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコンやガラス等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意したマスクとウエハを用いて、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。
【００４５】
図８は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では上記説明したアライメント装置を有する露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。本実施例ではこの繰り返しの各プロセスにおいて、上記述べたようにアライメント電子ビームの加速電圧を最適に設定することで、プロセスに影響を受けず正確な位置合わせを可能としている。
【００４６】
本実施例の生産方法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度のデバイスを低コストに製造することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板の層構造に応じて電子ビームの加速電圧を設定することで、マークからの信号を高精度で検出できるため、高精度なマーク検出が可能である。
【００４８】
また、本発明によれば、電子ビーム照射によってマークから発生する蛍光Ｘ線を検出することで、マークからの信号を高精度で検出できるため、高精度なマーク検出が可能である。
【００４９】
更に、本発明によれば、上記のマーク検出方法を用いることによって高精度な位置合わせやデバイス生産が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の構成を示す図
【図２】蛍光Ｘ線を検出してマーク検出を行う方式を説明する図
【図３】別の層構造の例を説明する図
【図４】２次／反射電子を検出してマーク検出を行う方式を説明する図
【図５】２次／反射電子の個数を示すグラフ図
【図６】アライメントマークがある点と無い点の信号量の比を示すグラフ図
【図７】デバイス生産のフローを示す図
【図８】ウエハプロセスの詳細なフローを示す図
【符号の説明】
１ アンジュレータ源
２ 凸面全反射鏡
３ 凹面多層膜反射鏡
４ 反射型マスク
５ 縮小投影光学系
６ ウエハ
７ マスクステージ
８ ウエハステージ
９ ウエハ用アライメント電子ビーム光学系
１０ マスク用アライメント電子ビーム光学系
１１ 電子ビーム
１２ 検出器
１３ レーザー干渉計
１４ ハーフミラー
１５ ミラー
１６ 真空チャンバー
３１ アライメントマーク
３２ ＳｉＯ２層
３３ レジスト層
３４ 蛍光Ｘ線
３５ フィルタ
３６ Ｘ線検出器
４１ アライメントマーク
４２ ＳｉＯ２層
４３ レジスト層
４４ ２次／反射電子
４６ 電子検出器
【発明の属する技術分野】
本発明はデバイス製造における露光装置などに好適に用いられる、位置合わせのためのマーク検出の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子等のデバイス製造工程において、マスクやレチクルの回路パターンをウエハ上に転写するための露光装置としては、可視光や紫外光を用いるものが主流である。しかし半導体回路のパターンの微細化が進むにつれ、最小パターン寸法が上記波長の光を用いた露光では解像限界に近づいてきたため、より波長の短い真空紫外線やＸ線、あるいは電子線を用いる露光方式が注目されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これらの露光方式の実用化にあたって、マスクとウエハのアライメントは従来よりも遥かに高い精度が要求されるため、解決すべき課題の一つとなっている。特に真空紫外線、Ｘ線、電子線などは高真空中で露光を行うため、アライメントにも厳しい条件が課せられている。
【０００４】
現在、有力と思われるのは解像性能が高い電子ビーム用いたアライメント検出である。ところが、通常ウエハは複数回のウエハプロセスを重ねて多重にパターンを形成するため、プロセス回数を重ねる毎にウエハの層構造（構成や材質）が変化する。そのため電子ビームでのマーク検出が常に一定条件で行えるとは限らず、時としてマークの検出不良につながる可能性がある。
【０００５】
本発明は電子ビームを用いた高精度なマーク検出を目指して、常に正確にマーク位置を検出することができる方法や装置の提供を目的とする。さらにはこれを用いた位置合わせ方法、露光方法及び装置、ならびにデバイス生産方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の好ましい形態は、電子ビームを基板のマークに照射し、該マークからの２次／反射電子を検出することにより該マークの位置を検出する方法において、前記マークからの蛍光Ｘ線を検出するステップと、前記マークからの２次／反射電子を検出するステップと、前記蛍光Ｘ線の検出値と前記２次／反射電子の検出値との相関に基づいて前記マークに照射する電子ビームの加速電圧を設定するステップとを有することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の別の好ましい形態は、基板を露光する露光装置において、前記基板のアライメントマークに電子ビームを照射し、該マークからの２次／反射電子を検出することにより該アライメントマークの位置を検出する検出手段を備え、該検出手段は、前記マークからの蛍光Ｘ線を検出するＸ線検出器と、前記マークからの２次／反射電子を検出する電子検出器とを有し、前記蛍光Ｘ線の検出値と前記２次／反射電子の検出値との相関に基づいて前記アライメントマークに照射する電子ビームの加速電圧を設定することを特徴とする。
【０００８】
更に、本発明の別の好ましい形態は、デバイス製造方法において、上述の露光装置により基板を露光し、該露光された基板を現像することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。電子ビームを用いてアライメントマークの検出を行う際には、電子ビームは、主としてマークの材質（例えばＡｌ，Ａｕ）に応じた蛍光Ｘ線、もしくはマークのエッジ部で２次電子や反射電子（以後、２次電子と反射電子を総称して２次／反射電子と呼ぶことにする）が発生が増えるので、マーク自体からの信号を検出することができる。加えて電子ビームは焦点深度が大きいため、ウエハ上に塗布したレジストの影響を受けにくい。ゆえに、表面のレジスト等の影響を受けずに直接的に正確なマーク位置検出が行える利点がある。
【００１０】
本発明は、位置合わせの対象とすべきアライメントマークが形成されている下地層と、その上に蒸着等で形成された膜の厚さや材質を考慮して、アライメントマーク検出時の電子ビームの加速電圧の適正値を決定することで、レジストや蒸着膜に被われ内部に埋もれたアライメントマークでも正確に検出しようとするものである。以下、種々の下地層と上層との組み合わせについて、加速電圧の決定法について説明する。
【００１１】
（１）マークからの蛍光Ｘ線を検出する方式
一般に電子ビームを物体に照射したときに発生する蛍光Ｘ線から被照射物体の元素を同定できることが知られている。蛍光Ｘ線は、高いエネルギ準位にある軌道電子がより低いエネルギ準位の軌道に落ちるときに発生するものである。発生前後のエネルギ準位によって、蛍光Ｘ線はＫα線、Ｋβ線、Lα線等の名称で呼ばれ、そのエネルギの差に応じたＸ線を発生することから蛍光Ｘ線は元素特有なエネルギを持つことになる。したがって、少なくとも低いエネルギ準位の軌道電子の結合エネルギを切るだけのエネルギを電子ビームが持っていることが必要である。その最低エネルギを吸収端と呼ぶ。
【００１２】
本例では、アライメントマークに到達する電子ビームのエネルギが、そのマークパターンを構成する元素の吸収端より高くなるような加速電圧を設定することで、発生する蛍光Ｘ線の強度からマークの位置を正確に特定することができる。仮に、アライメントマークの上に別の層が形成されていても、マークの材質に特有の蛍光Ｘ線を検出することで、上層の表面形状の影響を受けずにアライメントマーク位置が特定できる。
【００１３】
（２）マークからの２次／反射電子を検出する場合
マークに電子ビームを照射して、主としてエッジから発生する２次／反射電子や反射電子の強度からアライメントマーク位置を検出する場合、そのパターンからの２次／反射電子量が最大に近くなるように電子ビームの加速電圧を決定する。物体から放出される２次／反射電子の量は、入射する電子のエネルギと物体を構成する元素に依存するので、アライメントマークの材質によって電子ビームの加速電圧を適切に設定すれば大きな信号出力を得ることができる。仮に、アライメントマークの表面に異なる材質の膜が上層として蒸着されている場合、電子ビームが上層を透過してくる間に失うエネルギ量を考慮して、アライメントマークから放出される２次／反射電子量が最大となるように電子ビームの加速電圧を決定すればよい。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明のより具体的ないくつかの実施例を説明する。なお以下の説明では縮小Ｘ線露光装置への適用を例にとるが、本発明はこれに限定されることなく、等倍Ｘ線装置、真空紫外露光装置、電子ビーム露光装置などのアライメントにも適用することが出来る。
【００１５】
＜Ｘ線縮小露光装置の例＞
図１は、アライメント装置を有するＸ線縮小露光装置の全体構成図である。アンジュレータ源１はＸ線を放射し、凸面全反射鏡２及び凹面多層膜反射鏡３からなる照明光学形を通して、非反射部と多層膜による反射部からなるパターンを持った反射型マスク４を照射する。反射型マスク４で反射したＸ線は縮小投影光学系５によってウエハ６上に結像する。なお、反射型マスク４はマスクステージ７上に、ウエハ６はウエハステージ８上に固定されている。
【００１６】
反射型マスク４上のパターンは、ウエハ６の所定の部位に位置決めして転写する必要があり、そのためのアライメント装置を設けている。これはウエハ用アライメント電子ビーム光学系９とマスク用アライメント電子ビーム光学系１０によってウエハ６及びマスク４上のアライメントマークに電子ビーム１１を照射し、それぞれのアライメントマーク位置を検出して、両者の位置合わせを行なうものである。ここでＸ線検出器１２は電子検出器または蛍光Ｘ線検出器であり、アライメントマーク自体から放出される２次／反射電子または蛍光Ｘ線を検出する。
【００１７】
なおＸ線や電子線は大気による減衰が大きいので、減衰を防止するため上記各部材は高真空の真空チャンバ１６内に置かれている。
【００１８】
照明光学系によって照明される領域はスリット状であるため、反射型マスク４の一部分しか照明されない。そこで、反射型マスク４を搭載したマスクステージ７とウエハ６を搭載したウエハステージ８を共に走査移動させて走査露光を行う。レーザー干渉計１３、ハーフミラー１４、ミラー１５からなる計測系はステージの移動をモニタするものである。
【００１９】
＜蛍光Ｘ線検出の例＞
図２は、アライメント装置によって、電子ビームでウエハを照射してマーク検出している様子を示したものである。既にプロセス処理がなされたウエハ６上にはアライメントマーク３１が形成されており、例えばウエハ６の材質はＳｉ、アライメントマークの材質はＡｌである。さらに上層としてＳｉＯ2層３２でアライメントマーク３１及びウエハ６上を被い、さらにその上にレジスト層３３が形成されている。
【００２０】
収束電子ビームをウエハ上に照射すると、被照射物の形状や元素を反映した２次／反射電子や蛍光Ｘ線が発生する。電子ビーム１１でウエハ上を図２の矢印方向に偏向走査しながら、検出器３６で検出することによって、電子ビームが当たっている位置（もしくは時間）の関数として検出信号強度が得られる。なお、Ｘ線検出器３６は先の図１での検出器１２に相当するものである。
【００２１】
本例では、電子ビーム１１の加速電圧は10KeVとしている。
【００２２】
ここで発生する蛍光Ｘ線について考える。ウエハ及びアライメントマーク、上層３２、レジスト層を構成する主元素であるＳｉ，Ａｌ，Ｏの蛍光Ｘ線（Kα線）とその吸収端のエネルギは以下のようになっている。
【００２３】
従って、この中で発生する蛍光Ｘ線は、電子の加速電圧１０KeVより低い吸収端を持つ蛍光Ｘ線のみであるから、Ｓｉ，Ａｌ，ＯのKα線が発生することになる。ところが、Ｘ線検出器３６の前にフィルタ３５（Ａｌ３μｍ厚）を設けているために、ＡｌのKα線以外はカットされ、検出器３６で測定される蛍光Ｘ線は実質上ＡｌのKα線となる。つまり、Ａｌのアライメントマーク（図中のＡ）の上を電子ビームが通過したときのみ、Ａｌの蛍光Ｘ線の検出出力が増大するので、この位置を特定すればアライメントマーク位置を特定したことになる。
【００２５】
なお、本実施例ではＸ線検出器３６として、フォトダイオードのような強度のみが測定できるＸ線検出器を想定したが、強度と同時にそのＸ線のエネルギが測定できるＳＳＤのようなＸ線検出器を用いればフィルタ３５は不要となる。
【００２６】
次に層構造の別の例として、図３に示すようなＣｕ層上にＳｉＯ2アライメントマークがある場合の、電子ビームの加速電圧の設定方法について述べる。図３において、ウエハ６の上にはＣｕ層３７が形成され、その上にＳｉＯ2からなるアライメントマーク３８が設けられている。そしてこれらを覆うようにレジスト層３９が形成されている。
【００２７】
ここで、Ｃｕ，Ｓｉ，Ｏの蛍光Ｘ線（Kα線、Lα線）とその吸収端のエネルギは以下のようになっている。
【００２８】
ここで電子ビームの加速電圧をＳｉのK吸収端より高く、且つＣｕの吸収端より小さくなるよう（本実施例では５KeV）に設定することによって、Ｃｕの蛍光Ｘ線であるKα線とKβ線は発生せず、ＳｉのKα線とＣｕのLα線が検出される、しかし実際はＣｕのLα線はＳｉのKα線に比べ発生効率が小さい上、エネルギが小さく検出器の不感層によって急激に減衰するので、検出される蛍光Ｘ線はフィルタがなくても実質上アライメントマークであるＳｉＯ2からの信号のみとなり、アライメントマーク位置が特定される。
【００３０】
＜２次／反射電子検出の例＞
次に、アライメント装置の別の例として、電子ビームの照射でアライメントマークから放出される２次／反射電子によってマーク位置を特定する方法を説明する。
【００３１】
図４において、ウエハ６上にはアライメントマーク４１（材質Ａｕ0.３μｍ厚）が形成されている。ウエハ６の材質はＳｉとする。さらに上層としてＳｉＯ2層４２（0.１μｍ厚）が、更にその上にレジスト層４３（0.2μｍ厚）が形成されている。電子ビーム１１の照射によってアライメントマーク４１から発生する２次／反射電子を電子検出器４６によって検出する。電子検出器は、電流を測るファラデーカップや、総エネルギを測定するダイオードタイプの検出器が好ましい。
【００３２】
この構成において、電子ビームを照射すると電子はＳｉＯ2層を透過し、ＡｕやＳｉによって弾性散乱や非弾性散乱を繰り返しながら、電子は軌道を変えながらエネルギを失っていく。しかし、いくつかの電子は数回の弾性散乱で大きく軌道が変えられレジスト表面から脱出し、電子検出器４６によって捕えられる。この弾性散乱の散乱角度・散乱断面積がターゲットの元素と電子のエネルギによって異なるので、下地の材料によって検出される２次／反射電子量が異なってくる。アライメントマークがある箇所（図中Ａ）ではレジスト（0.2μｍ）／ＳｉＯ2（0.１μｍ）／Ａｕ(0.3μｍ)／Siの層構造となっており、アライメントマークがない箇所（図中Ｂ）ではレジスト（0.2μｍ）／ＳｉＯ2（0.1μｍ）／Ｓｉの層構造となっている。この層構造に対して電子ビームがレジスト表面から入射すると、ＳｉよりＡｕの方が２次／反射電子を放出する確率が大きいので、アライメントマークがある部位(A)での２次／反射電子放出量が大きくなる。
【００３３】
図５のグラフ図は、電子ビームの加速電圧を１０ＫｅVとし、電子を入射させたときの２次／反射電子の個数を計算したものである。横軸は２次／反射電子のエネルギ、縦軸は２次／反射電子の個数である。同グラフにおいて、実線はアライメントマークがある部位(A)からの２次／反射電子を個数を、破線はアライメントマークが無い部位(B)からの２次／反射電子の個数を示す。アライメントマークがある部位からの２次／反射電子量が、アライメントマークが無い部位からの２次／反射電子量より大きいことが分かる。したがって、電子ビームでアライメントマーク近傍を走査すればアライメントマーク位置での信号が大きくなりマーク位置が特定できる。
【００３４】
ここで、アライメントマークがある位置(A)と無い位置(B)での２次／反射電子の信号量の比が大きいほど、より明確にアライメントマークが特定できる。この比は電子の加速電圧に依存する。図６のグラフ図は、加速電圧が異なる電子が入射したときの、アライメントマークがある点Ａと無い点Ｂから放出される２次／反射電子の信号量（電子の総個数）の比を実線で示したものである。電子の加速電圧が５KeV以下では信号の強度比はほぼ１でありアライメントマーク位置が特定は難しいが、加速電圧が高くなるに連れて２次／反射電子量の比は大きくなっており、アライメントマーク位置の特定が容易になっている。
【００３５】
一方、加速エネルギが大きくなると２次／反射電子量の比は大きくなるが、入射電子が深く入り込むのと前方散乱が大きくなることから２次／反射電子量そのものは小さくなる。したがって、信号強度を大きくとるために電子の加速電圧をあまり大きくはできない。図６のグラフ図の破線は、入射電子の総エネルギに対する２次／反射電子の個数の比を示すもので、２次／反射電子量は入射電子の加速電圧が１５KeVを超えると落ち始めることを示している。
【００３６】
これらを総合すると、アライメントマークパターンに対する２次／反射電子量の比（図６の実線）が高く、且つ２次／反射電子量（図６の破線）が大きい範囲、即ち10Kev〜15KeVの範囲に電子ビームの加速電圧を設定することが好ましく、アライメントマーク位置を高精度で特定することができる。
【００３７】
以上、蛍光Ｘ線と２次／反射電子検出の２つの例について、電子ビームの加速電圧に最適な範囲があることを示したが、この値はプロセス処理の繰り返しによってウエハ上に形成された層の材質や厚さなどの層構造によって変わり得る。層構造の違いに対応した電子ビームの加速電圧の最適値の設定方法について、いくつかの例を以下に説明する。
【００３８】
（１）計算から求める
層の構造は事前のプロセスによるので一般に層構造は事前に分かっているので、前述のように、アライメントマークのある層構造と無い層構造で信号強度比が最大となるように計算で加速電圧の最適値を求める。
【００３９】
（２）アライメントマーク形状との相関から求める
アライメントマーク形状と信号の相関を求めそれが最大となるように加速電圧を最適化する。つまり、ＳｉＯ2層の下のアライメントマーク形状をマスクパターンから予測し、２次／反射電子信号とその相関が最も高くなるように加速電圧を決定する。相関を使用して最適な加速電圧を求める具体例は以下の通りである。
すなわち、アライメント形状をH(x),2次電子の信号強度をＩ(V,x)として、
Ｅrr(Ｖ，ｘ１)＝∫（Ｉ(V，ｘ）−H（ｘ−ｘ１））2 ｄｘ
を求め、d Ｅrr(Ｖ，ｘ１) ／ｄｘ１＝０ を満たすｘ１をＸ１（＝Ｘ１(V) ）とする。加速電圧Ｖを変えながら、各々のＶに対してＥrr（Ｖ，Ｘ１）を求め、その中でＥrr（Ｖ，Ｘ１）が最小となるＶを最適な加速電圧とする。
【００４０】
（３）蛍光Ｘ線との相関から求める
蛍光Ｘ線強度と２次／反射電子強度の相関が最大となるように、電子ビームの加速電圧を最適化する。蛍光Ｘ線は材料を特定するのに優れており、アライメントマーク位置検出が高精度で行えるが、蛍光Ｘ線量が小さいので測定に時間がかかる。一方、２次／反射電子検出は検出信号強度は大きいが、アライメントマーク以外の材料からも２次／反射電子が放出されるので、アライメントマーク位置が特定しにくい欠点がある。そこで両者の利点を融合すべく、蛍光Ｘ線強度と２次／反射電子強度の両信号の相関が最大となるように電子ビームの加速電圧を設定すれば、それ以後は蛍光Ｘ線を測定しないでも高精度且つ短時間でアライメントマーク位置が検出できる。具体的な求め方は、上記（２）で説明した方法と同様である。
【００４１】
ところで、本実施例では電子ビーム量（電流量）について以下のような制御を行うことが好ましい。すなわち、電子ビームでアライメントマークを検出する際に、粗アライメントとして低電流量の電子ビームでアライメントマーク位置をおおまかに検出し、次に信号量が大きくなるようにより高い電流量の電子ビームでアライメントマーク位置を高精度で検出する。これによって、ステージ等のエラーにより電子ビームが露光部すなわち回路パターンに照射されても、電子ビームの電流量が小さいのでアライメントマーク以外のレジストに影響を与えること無く、アライメントマークを検出することができる。
【００４２】
またプロセスによっては、アライメントマークを次の工程にまで保存しておきたい場合がある。このときは露光現像後のレジストが残るような露光量を与えればよい。しかし、反射型マスクの構造をレジストによって変えるのは無駄が多い。そこで、アライメント時にアライメントマーク上を電子ビームで走査することで必要な露光量を与えればよい。即ち、ネガ型レジストでは十分な露光量を与え、ポジ型レジストでは少ない露光量となるように電子ビーム量を調節する。
【００４３】
＜デバイス生産方法の実施例＞
次に上記説明した露光装置を利用したデバイスの生産方法の実施例を説明する。
【００４４】
図７は微小デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の製造のフローを示す。ステップ１（回路設計）ではデバイスのパターン設計を行なう。ステップ２（マスク製作）では設計したパターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコンやガラス等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意したマスクとウエハを用いて、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。
【００４５】
図８は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では上記説明したアライメント装置を有する露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。本実施例ではこの繰り返しの各プロセスにおいて、上記述べたようにアライメント電子ビームの加速電圧を最適に設定することで、プロセスに影響を受けず正確な位置合わせを可能としている。
【００４６】
本実施例の生産方法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度のデバイスを低コストに製造することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板の層構造に応じて電子ビームの加速電圧を設定することで、マークからの信号を高精度で検出できるため、高精度なマーク検出が可能である。
【００４８】
また、本発明によれば、電子ビーム照射によってマークから発生する蛍光Ｘ線を検出することで、マークからの信号を高精度で検出できるため、高精度なマーク検出が可能である。
【００４９】
更に、本発明によれば、上記のマーク検出方法を用いることによって高精度な位置合わせやデバイス生産が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の構成を示す図
【図２】蛍光Ｘ線を検出してマーク検出を行う方式を説明する図
【図３】別の層構造の例を説明する図
【図４】２次／反射電子を検出してマーク検出を行う方式を説明する図
【図５】２次／反射電子の個数を示すグラフ図
【図６】アライメントマークがある点と無い点の信号量の比を示すグラフ図
【図７】デバイス生産のフローを示す図
【図８】ウエハプロセスの詳細なフローを示す図
【符号の説明】
１ アンジュレータ源
２ 凸面全反射鏡
３ 凹面多層膜反射鏡
４ 反射型マスク
５ 縮小投影光学系
６ ウエハ
７ マスクステージ
８ ウエハステージ
９ ウエハ用アライメント電子ビーム光学系
１０ マスク用アライメント電子ビーム光学系
１１ 電子ビーム
１２ 検出器
１３ レーザー干渉計
１４ ハーフミラー
１５ ミラー
１６ 真空チャンバー
３１ アライメントマーク
３２ ＳｉＯ２層
３３ レジスト層
３４ 蛍光Ｘ線
３５ フィルタ
３６ Ｘ線検出器
４１ アライメントマーク
４２ ＳｉＯ２層
４３ レジスト層
４４ ２次／反射電子
４６ 電子検出器
Claims (3)
- 電子ビームを基板のマークに照射し、該マークからの２次／反射電子を検出することにより該マークの位置を検出する方法において、
前記マークからの蛍光Ｘ線を検出するステップと、
前記マークからの２次／反射電子を検出するステップと、
前記蛍光Ｘ線の検出値と前記２次／反射電子の検出値との相関に基づいて前記マークに照射する電子ビームの加速電圧を設定するステップとを有することを特徴とするマーク位置検出方法。 - 基板を露光する露光装置において、
前記基板のアライメントマークに電子ビームを照射し、該マークからの２次／反射電子を検出することにより該アライメントマークの位置を検出する検出手段を備え、
該検出手段は、前記マークからの蛍光Ｘ線を検出するＸ線検出器と、前記マークからの２次／反射電子を検出する電子検出器とを有し、前記蛍光Ｘ線の検出値と前記２次／反射電子の検出値との相関に基づいて前記アライメントマークに照射する電子ビームの加速電圧を設定することを特徴とする露光装置。 - 請求項２記載の露光装置により基板を露光し、該露光された基板を現像することを特徴とするデバイス製造方法。
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