JP4235459B2 - アライメント方法及び装置並びに露光装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般には、位置検出方法及び装置に係り、特に、半導体露光装置に実装されるアライメント装置や、そのアライメント精度の評価やオフセットの算出に用いられる重ね合わせ検査装置に関する。本発明は、例えば、複数のショット領域と、各ショット領域に対応したアライメントマークとを有するウエハをグローバルアライメントする際に使用する位置検出方法及び装置に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
近年の回路の微細化及び高密度化の要請から、半導体デバイスを製造するための投影露光装置には、マスク又はレチクル（本出願では両者を交換可能に使用する。）上に描画された回路パターンをウエハにより高い解像力で投影露光することが要求されている。また、露光装置には、露光処理の容易化も要求されており、例えば、焦点深度を大きくして露光を容易にするために、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）プロセス等の平坦化技術も導入されている。
【０００３】
露光に重要なパラメータの一つとして、ウエハにパターンを幾つか重ね合わせる際の精度である重ね合わせ精度がある。所望の重ね合わせ精度を得るためには、レチクルとウエハとを高精度にアライメントする必要があり、回路パターンの微細化に伴ってアライメント精度は益々厳しくなっている。アライメントに必要な精度は、典型的には、回路線幅の１／３程度であり、例えば、現状の１８０ｎｍデザインにおける必要精度はその１／３の６０ｎｍである。
【０００４】
ウエハの各ショットとレチクルとのアライメントは、レチクル上の回路パターンと同時にウエハに露光転写された各ショットに対応したアライメントマークの位置を光学的に検出し、かかる検出結果に基づいてウエハをレチクルに対して位置決めすることにより行われる。
【０００５】
通常はグローバルアライメントが行なわれる。このグローバルアライメントとは、ウエハ内の複数のサンプルショットの位置座標を計測し、その計測値を統計処理し、ウエハのシフト、倍率、ローテーション誤差を算出し、この誤差を考慮してウエハの座標系を補正した後、各ショットへのステップ移動を行う、というものである。また、最近では、グローバルアライメントを発展させたアドバンストグローバルアライメント（ＡＧＡ：Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｇｌｏｂａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）が行なわれており、このＡＧＡは、レーザー干渉計付のＸＹステージ精度頼りでウエハの位置計測を行うグローバルアライメントのことで、ウエハ倍率、ウエハ回転、シフト量を求めるとともに、異常値はね等の統計処理を行うものである。
【０００６】
アライメントマークの検出手段としては、顕微鏡によりアライメントマークを拡大して撮像し、マーク像の位置を検出する方法や、回折格子をアライメントマークとして用いて、その回折光を干渉させた干渉信号の位相を検出して、回折格子の位置の検出する方法等がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
重ね合わせ精度の向上は、半導体素子の性能と製造の歩留まりの向上に必要である。しかし、ＣＭＰプロセスなど特殊な半導体製造技術の導入により、ウエハ間やショット間でアライメントマークの形状にばらつきが発生し、アライメント精度が劣化するという問題が発生し得る。これは、回路パターンの微細化に伴い、回路パターンとアライメントマークの線幅の差が大きくなり、成膜、エッチング、ＣＭＰなどのプロセス条件が微細な回路パターン（線幅０．１−０．１５μｍ）に最適化され、線幅の大きなアライメントマーク（線幅０．６−４．０μｍ）に対しては最適化されないためである。
【０００８】
更に今後は、回路パターンの微細化が進むと共に、新たな半導体プロセスの導入や、ウエハ径の３００ｍｍ化などにより、回路パターンとアライメントマークの双方をウエハ全面で欠陥無く製造することがますます困難になると予想される。また、メタル層においては、メタルグレインの影響でアライメント信号のＳ／Ｎが劣化し、アライメント精度が低下するという問題も発生する。
【０００９】
例えば、各アライメントマークが等間隔に設計された４つのマーク要素からなる場合、アライメント精度の低下は３つのマーク要素間隔が異なって検出されることに相当する。従来のグローバルアライメントは、アライメントマークの検出結果にばらつきがある場合に、所定のアライメントマーク精度を確保する方法が提案されていなかった。一方、グローバルアライメントにおいて、アライメントマークの検出情報をウエハ上の全ショットについて得れば、より信頼性の高い統計学的計算を行うことができるが、それでは、スループットが低下してコストアップを招く。
【００１０】
そこで、本発明は、アライメントマークの検出結果にばらつきがある場合でも、必要なアライメント精度とスループットの両立を可能にするアライメント装置及び方法、並びに、露光装置を提供することを例示的な目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面としての露光方法は、複数のショットを有する被露光体をレチクルに対してアライメントする方法において、第１の数の前記ショットの夫々に対応するアライメントマークを検出する第１の検出ステップと、前記第１の検出ステップの検出結果に基づいて、所定のアライメント精度を満足するために前記ショットの全数よりも小さい第２の数を決定する決定ステップと、前記第２の数のショットの夫々に対応するアライメントマークを検出する第２の検出ステップと、前記第２の検出ステップの検出結果に基づいて前記被露光体を前記レチクルに対してアライメントするアライメントステップとを有し、前記アライメントマークは複数のマーク要素を含み、前記決定ステップは、前記第１の検出ステップで検出された前記マーク要素の間隔から前記マーク要素間隔の再現性を算出し、前記算出された前記マーク要素間隔の再現性に基づいて前記第２の数を決定することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図２は本発明の半導体露光装置１の要部の概略ブロック図である。露光装置１は、あるパターン（回路パターン等）の描画されたレチクル１０を縮小投影する投影光学系１１と、前工程で下地パターンおよびアライメントマークの形成されたウエハ１２を保持するウエハチャック１３とウエハ１２を所定の位置に位置決めするウエハステージ１４と、ウエハ１２上のアライメントマーク３０の位置を計測するアライメント光学系１５等から構成されている。なお、図２においては、光源や光源からの光でレチクル１０を照明する照明光学系は省略されている。
【００１３】
まず、アライメントマークの検出原理について説明する。図３はアライメント光学系１５の主要な構成要素を示す光路図である。光源１８からの照明光は、ビームスプリッタ１９で反射し、レンズ２０を通り、ウエハ１２上のアライメントマーク３０を照明する。アライメントマーク３０からの光（反射光、回折光）はレンズ２０、ビームスプリッタ１９、レンズ２１を通り、ビームスプリッタ２２で分割され、それぞれＣＣＤセンサー２３及び２４で受光させる。ここで、アライメントマーク３０は、レンズ２０及び２１により１００倍程度の結像倍率で拡大され、ＣＣＤセンサー２３及び２４に結像される。ＣＣＤセンサー２３及び２４はそれぞれ、アライメントマーク３０のＸ方向のずれ計測用、アライメントマーク３０のＹ方向のずれ計測用になっており、光軸に対して９０度回転させて設置されている。なお、ＣＣＤセンサーとしてラインセンサーを使用してもよく、この場合、計測方向と垂直方向にのみにパワーを持つシリンドリカルレンズにより、計測方向と垂直方向に集光して光学的に積分し、平均化するのが好ましい。Ｘ／Ｙ方向の計測原理は同じなので、Ｘ方向の位置計測について説明する。
【００１４】
アライメントマーク３０は各ショットのスクライブライン上に配置されており、アライメントマーク３０は、例えば、図４又は図５に示す形状のアライメントマーク３０Ａ及び３０Ｂを使用することができる。なお、参照番号３０は、参照番号３０Ａ及び３０Ｂを総括するものとする。ここで、図４（ａ）及び図４（ｂ）は、アライメントマーク３０Ａの平面図及び断面図であり、図５（ａ）及び図５（ｂ）は、アライメントマーク３０Ｂの平面図及び断面図である。図４及び図５において、アライメントマーク３０Ａ及び３０Ｂは等間隔で配置された４つのマーク要素３１Ａ及び３１Ｂを含んでいる。
【００１５】
図４において、アライメントマーク３０Ａは、計測方向であるＸ方向に４μｍ、非計測方向であるＹ方向に２０μｍの矩形のマーク要素３１ＡをＸ方向に２０μｍピッチで４本並べている。断面構造は凹形状をしている。なお実際は、そのマーク上にレジストが塗布されているが、図には示していない。図５において、アライメントマーク３０Ｂは、図４に示すマーク要素３１Ａの輪郭部分を０．６ｕｍの線幅で置き換えた形状をしている。
【００１６】
図４及び図５のどちらのアライメントマーク３０Ａ及び３０Ｂを用いても、アライメント光学系１５のレンズのＮＡに入らない大きな角度でエッジ部での散乱光の発生や、エッジ部での散乱光での干渉により、ＣＣＤセンサー２３で撮像された像は、図６のようになるのが一般的である。アライメントマーク３０Ａはその輪郭部が暗く、アライメントマーク３０Ｂは凹部が暗く又は明るくなる。これは、明視野画像で多く観察される像であり、その特徴と言える。
【００１７】
さて、このように撮像されたアライメントマーク３０の画像はアライメント信号処理手段１６を用いて以下のように処理される。本実施形態で用いるアライメントマーク位置の算出には、テンプレートマッチング法を用いている。テンプレートマッチングは、図７（ｂ）に示す取得した信号Ｓと、図７（ａ）に示す予め装置で持っているテンプレートＴとの相関演算で、最も相関の高い位置を位置合わせマークの中心として検出する。図７（ｃ）に示す相関値の関数Ｅにおいて、ピーク画素から左右に数画素の領域の重心画素位置を求めることにより、１／１０から１／５０画素の分解能を達成できる。テンプレートマッチングは次式で表される。
【００１８】
【数１】
【００１９】
ここで、Ｓはセンサーで取得した信号、Ｔはテンプレート、Ｅは相関結果である。信号Ｓ、テンプレートＴ、相関値Ｅの関係を図示すると、図７のようになる。図７では４本のマーク要素３１の内、１本のマーク像についての処理方法を示している。ここでは、相関値Ｅ（Ｘ）が最大となるＸをマーク像の位置としている。以下同様に他の３本のアライメントマーク像についても、テンプレートマッチングにより、各マーク像のセンサー上での位置を検出する。テンプレートマッチングにより、マーク像の位置Ｘ１（ｉ），Ｘ２（ｉ），Ｘ３（ｉ），Ｘ４（ｉ）を求める（単位は画素）。ここでｉはショット番号である。その後各マークの平均位置を次式によって求める。
【００２０】
【数２】
【００２１】
各テンプレートで得られたウエハ１２上のアライメントマーク３０の位置ずれＸｗ（ｎ）は、アライメントスコープ１５の結像倍率をＭ、エリアセンサー２３のアライメント計測方向の画素ピッチをＰｘとすれば、次式で求められる。
【００２２】
【数３】
【００２３】
本実施形態で示した信号処理方式の他の方法としては、スライス法や微分信号を用いた最大スロープ位置を求める方法や、折り返し対称処理法など公知の信号処理法を用いて、アライメントマーク像の位置を検出する方法を用いることもできる。
【００２４】
続いて、アライメントマーク３０の位置計測値をもとにして、ウエハ１２のアライメントを行う方法を述べる。本実施形態はＡＧＡを適用している。本実施形態のＡＧＡは、ウエハ上の全ショット（チップ）のうち、数ショットを選択して（選択したショットを「サンプルショット」と呼ぶ）、そのショット内にあるアライメントマークの位置を検出して行われる。
【００２５】
図８は、露光装置１のウエハステージ１４のｘｙ座標系に対して、ウエハ１２上のショット配列がずれている様子を示している。ウエハ１２のずれとしては、ｘ方向のシフトＳｘとｙ方向のシフトＳｙとｘ軸に対する傾きθｘとｙ軸に関する傾きθｙと、ｘ方向の倍率Ｂｘ、ｙ方向の倍率Ｂｙの６つのパラメータで記述することができる。なお、Ｂｘ、Ｂｙは露光装置１のウエハステージ送りを基準に、ウエハ１２の伸縮を表し、半導体プロセスの成膜やエッチングにより引き起こされる。
【００２６】
ここで、上述の方法により計測したＡＧＡの各サンプルショットの計測値Ａｉ（ｉは計測ショット番号）を次式により定義する。
【００２７】
【数４】
【００２８】
また、サンプルショットのアライメントマーク３０の設計位置座標をＤｉとして次式により記述する。
【００２９】
【数５】
【００３０】
ＡＧＡでは、先に示したウエハの位置ずれを表す６つのパラメータ（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を用いて、以下の１次の座標変換Ｄ’ｉを行う。
【００３１】
【数６】
【００３２】
数式６では、簡単のためθｘ、θｙは微小量（≒０）、Ｂｘ、ＢｙはＢｘ＝Ｂｙ≒１であるため、ｃｏｓθ＝１、ｓｉｎθ＝θ、θｘ＊Ｂｘ＝θｘ、θｙ＊Ｂｙ＝θｙ等の近似を用いた。
【００３３】
図９は、数式６の１次の座標変換を行う様子を示している。Ｗで示す位置にウエハ１２上のアライメントマーク３０があり、設計上の位置であるＭの位置からＡｉだけずれており、座標変換Ｄ’ｉを行うとウエハ１２上のアライメントマーク３０の位置ずれ（残差）はＲｉになる。
【００３４】
【数７】
【００３５】
ＡＧＡでは各サンプルショットでの残差Ｒｉが最小になるように最小２乗法を適用している。すなわち、残差Ｒｉの平均２乗和を最小とする（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を算出する。
【００３６】
【数８】
【００３７】
【数９】
【００３８】
数式８及び９に、各サンプルショットでの計測値（ｘｉ，ｙｉ）及びアライメントマーク設計位置（Ｘｉ，Ｙｉ）を代入して、ＡＧＡパラメータ（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を求める。
【００３９】
続いて、マーク要素３１の計測再現性とマーク要素３１の間隔再現性、及び、アライメントマーク３０の計測再現性の関係を、図１０を参照して説明する。ここで、図１０は、アライメントマーク３０の断面形状とそのアライメント信号の例を示す。同図に示すように、アライメントマーク３０を構成する４つのマーク要素３１の位置計測値（Ｘ１からＸ４）より、３つのマーク要素間隔（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）を求めることができる。即ち、以下の数式１０乃至１２より、マーク要素間隔を求める。
【００４０】
【数１０】
【００４１】
【数１１】
【００４２】
【数１２】
【００４３】
本実施形態では、マーク要素３１の数を４本にしているが、本発明は、マーク要素の本数を限定せず、マーク要素３１の本数はアライメントマーク３０の総面積が許される範囲で増減することができる。例えば、ｎ個のマーク要素を用いた場合、（ｎ−１）個のマーク要素間隔のデータが得られる。
【００４４】
各マーク要素間隔Ｌは、アライメントマーク３０がウエハ１２の前面で均一にできている場合は同一の値として検出されるが、例えば、メタルグレインの影響などでマーク形状にばらつきが生じた場合にはマーク要素間隔にばらつきを生じる。マーク要素間隔のばらつきの標準偏差をσＬ（標本数は、３×計測ショット数）とした場合、各マーク要素３１の位置検出値の標準偏差（再現性又は精度を表す）σｘは、マーク要素間隔が各マーク要素計測値の差分であるから、σｘ２＋σｘ２＝σＬ２となる。
【００４５】
更にアライメントマークの計測値はマーク要素４個の平均であるから、そのばらつきの標準偏差σａｘは、σａｘ＝σｘ／√４となる。以上より、マーク要素間隔の再現性３σＬを用いてアライメントマークの位置検出値のばらつき（再現性又は精度）３σａｘは以下の式で表すことができる。なお、σの３倍は全体の９９．７％を占めるので、一般に標準偏差の３倍で精度（再現性）を議論する。
【００４６】
【数１３】
【００４７】
マーク要素がｎ個からなるアライメントマークを用いた場合には、３σａｘは下式で与えられる。
【００４８】
【数１４】
【００４９】
このように、マーク要素間隔の再現性を評価して数式１３又は１４に代入することにより、直接評価できないアライメントマーク３０の位置計測再現性を求めるようにしている。
【００５０】
続いて、アライメントマーク３０の位置計測再現性（又はマーク要素間隔再現性）と、ＡＧＡのサンプルショット数（又は計測ショット数）が、全体のショットのアライメント精度に与える影響を、図１１及び図１を参照して説明する。
【００５１】
図１１は２００ｍｍφの径と４８ショットを有するウエハ１２を示す平面図であり、ウエハ１２の外周に近い１２のショット（Ｓ１〜Ｓ１２）をサンプルショットとして選択している。このショットレイアウトの場合において、マーク要素間隔再現性とアライメント精度の関係を以下のようなシミュレーションにより求めた。その方法は以下の通りである。
１） ＡＧＡサンプルショットの数とその位置を決定する。
２） 各サンプルショットの各マーク要素３１の計測値として、標準偏差がσｘの正規乱数を１つずつ与える。具体的には、計測値に乱数を代入して、最終的な誤差を見積もる。
３） 各ＡＧＡサンプルショットに対応するアライメントマークの位置をする。
４） 数式８及び９より、ＡＧＡパラメータ（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を求める。
５） ４）のＡＧＡパラメータを基に、図１１の４８ショットの位置ずれ量を求める。
６） ２）から５）を繰り返す。
７） ５）で求めた位置ずれ量のばらつき（３σ）を算出する。
８） １）に戻り、サンプルショット数を変更して、２）から７）を行う。
である。
【００５２】
このシミュレーションにより求めた計算結果が図１である。図１の横軸は２）で与えたマーク要素の計測値のばらつきσｘを数式１３により、マーク要素間隔再現性に変換している。図１に示すように、ＡＧＡのサンプルショット数が同じ場合、マーク要素間隔再現性とアライメント精度は正比例の関係となり、ＡＧＡのサンプルショット数が多く成る程、その傾きが緩くなっている。サンプルショット数が多くなるほど、傾きが緩くなる理由は、ＡＧＡパラメータ（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を算出する際のサンプル数が多くなるため、平均化効果によるものである。図１に示すように、例えば、ユーザーが要求するアライメント精度が１５ｎｍであり、マーク要素間隔再現性が２５ｎｍである場合は、ＡＧＡサンプルショットは４ショットで良く、マーク要素間隔再現性が５０ｎｍの場合は、ＡＧＡサンプルショットは１２ショット必要となる。
【００５３】
以上が、マーク要素間隔再現性と、装置ユーザーが必要とするアライメント精度が与えられると、必要なサンプルショット数を決定することが可能であることの詳細な説明である。
【００５４】
続いて、マーク要素間隔再現性からＡＧＡのサンプルショット数の決定方法を具体的に説明する。サンプルショット数の決定方法としては、以下の２種類がある。
【００５５】
第１の方法は、マーク要素３１の計測値として正規乱数を与えて統計計算を実行し、アライメント精度を算出する方法である。この方法は、先のシミュレーションと同様にして、各サンプルショット数において、マーク要素間隔再現性とアライメント精度の関係を求め、図１のような比例式を求め、必要とするアライメント精度からサンプルショット数を決定する方法である。図１に示すように、マーク要素間隔再現性とアライメント精度の関係は比例関係にあるため、マーク要素３１の計測値のばらつきとして与える正規乱数の標準偏差としては１通り（例えば、３σｘ＝２０ｎｍ）だけでよい。
【００５６】
このように、ＡＧＡ計測に先立って、露光ショット情報、ＡＧＡサンプルショット情報に基づいて、マーク要素間隔再現性とアライメント精度の関係式を求めた後、ＡＧＡ計測を行う（ＡＧＡシーケンスの詳細は後述する）。
【００５７】
ＡＧＡ計測では、予め決められたサンプルショット数ｍのアライメントマークのマーク要素３１の位置を検出する。検出結果から、数式１０乃至１２からマーク要素間隔を計算し、その標準偏差３σＬを計算する。この際、マーク要素間隔Ｌ１乃至Ｌ３毎に平均値を算出し、その平均値からの差分値のばらつきを求める方が、アライメントマークを構成するマーク要素の設計誤差（レチクル描画誤差）の影響を受けないので好ましい。即ち、以下の数式１５乃至１７を利用して、ｄＬ１（ｉ）、ｄＬ２（ｉ）、ｄＬ３（ｉ）を標本として、その標準偏差を計算してマーク要素間隔再現性σＬとする。この値を上述の計算式（図１の関係式）に代入して、必要なサンプルショット数を決定する。
【００５８】
【数１５】
【００５９】
【数１６】
【００６０】
【数１７】
【００６１】
第１の方法によると、より厳密にマーク要素間隔再現性とアライメント精度の関係が求まるが、正規乱数を発生させるなど余分に計算時間を要するという短所もある。
【００６２】
第２の方法は、予め以下のような算出式を決めておいて、この算出式に基づいて、必要なサンプルショット数を決定するものである。この算出式の導出方法を説明しておく。１つのアライメントマークの計測再現性（精度）をＭ１とし、マーク間隔再現性をＭｒとすると数式１４より、以下の数式１８が得られる。
【００６３】
【数１８】
【００６４】
ここで、Ｎｍは、アライメントマーク３０に含まれるマーク要素３１の数である。
【００６５】
また、１つのアライメントマーク３０の計測再現性がＭ１の時、Ｎｓ個（Ｎｓは３以上の自然数）のサンプルショットでＡＧＡを行った場合のアライメント精度Ａｒは次式のような近似的に表すことができる。
【００６６】
【数１９】
【００６７】
数式１９は、サンプルショットＮｓが３個の場合は平均化効果がなく、１つのアライメントマークの計測再現性に等しい値となることを示し、Ｎｓが４個以上になると平均化効果で、１つのアライメントマークの計測再現性より全体のアライメント精度が良くなることを意味している。
【００６８】
数式１８及び１９から、マーク間隔再現性をＭｒとアライメント精度Ａｒの関係式は、数式２０のようになる。
【００６９】
【数２０】
【００７０】
【数２１】
【００７１】
従って、必要なアライメント精度Ａｒを満たすサンプルショット数Ｎｓは、数式２１を満たす最も小さい自然数を選ぶようにしている。数式２１の右辺は、Ｎｍ、Ｍｒ、Ａｒの関数として、α・ｆ（Ｎｍ，Ｍｒ，Ａｒ）と表すことができ、ここでαはＡＧＡ計測ショット数やショット配置により決定される補正係数であり、数式２１では１．５になるが、この値を標準値として使用して、スループットよりアライメント精度を優先したい場合には、αの値を大きく設定することができる。なおαの設定範囲は１．０から３．０の範囲で設定可能である。
【００７２】
次に、本実施形態の露光装置１の露光シーケンスを、図１２を参照して説明する。まず、ウエハを搬送し（ステップＳ１）、プリアライメントにより、アライメント光学系１５の検出範囲にウエハ１２上のアライメントマーク３０が入るようにウエハ１２を露光装置１に対してアライメントし（ステップＳ２）、その後、ＡＧＡを行う（ステップＳ３）。かかるＡＧＡは、後で詳細に説明する。ＡＧＡにより、露光装置１に対してウエハ１２を位置決めした後、露光する（ステップＳ４）。ウエハ上の全てのショットが露光されると、露光済みのウエハは露光装置から搬出され（ステップＳ５）、未露光ウエハがあるかどうかを判断し（ステップＳ６）、未露光ウエハがある場合には、ステップＳ１に戻り、未露光ウエハが無くなるまで繰り返す。
【００７３】
続いて、本実施形態のＡＧＡシーケンスを、図１３を参照して詳細に説明する。まず、ＡＧＡのサブショット計測を行う（ステップＳ１０）。このサブショット計測は、図１２に示すプリアライメントにより概略ウエハのアライメントがされているため、この時の計測値は４μｍ以下となっているが、後のメイン計測での計測値の絶対値がゼロ付近（例えば１００ｎｍ以下）になるように追い込むために行うものである。メイン計測での計測レンジを狭くすることにより、アライメントマークの位置ずれに対するマーク位置計測値の非線形誤差や倍率変動誤差の影響を受けにくい。サブショット計測は、ウエハ上例えば４ショット分のアライメントマークの位置を計測し、数式８及び９より第１のＡＧＡ補正パラメータを算出する。また、アライメントマークの各マーク要素の位置の計測値からマーク要素間隔を算出し、ユーザーの入力した必要アライメント精度を満たすように、ＡＧＡ（メイン）のサンプル計測ショット数を決定する。続いて、ステップＳ１０で算出したＡＧＡ補正量１を利用して、ウエハをアライメントして、ステップＳ１１で計算したメイン計測ショット数だけ、サンプルショットの位置を計測し、８，９式よりＡＧＡ補正量２を算出する（ステップＳ１１）。その後このＡＧＡ補正量２に基づいて、ウエハをアライメントして露光動作に移る。
【００７４】
図１４は更に、スループットを重視した本実施形態の露光装置の露光シーケンスの変形例を示すフローチャートである。まず、ウエハを搬送し（ステップＳ２１）、プリアライメントにより、次のＡＧＡで使用する光学系１５の検出範囲にウエハ１２上のアライメントマーク３０が入るようにウエハ１２を露光装置１に対してアライメントする（ステップＳ２２）。その後、このウエハがロットの先頭ウエハかどうかを判断し（ステップＳ２３）、ロットの先頭ウエハであれば、先に説明した方法で、マーク要素間隔再現性評価を行ない（ステップＳ２４）、ＡＧＡサンプルショット数を決定し、露光装置上にそのＡＧＡサンプルショット数を記憶する。決定されたサンプルショット数に基づいて、ＡＧＡを行ない、ウエハを露光する（ステップＳ２６）。ステップＳ２３でロットの先頭ウエハではないと判断されたウエハについては、マーク要素間隔再現性の評価をしないで、ステップＳ２４で露光装置上に記憶されているＡＧＡサンプルショット数に基づいてＡＧＡを行ない（ステップＳ２５）、ウエハを露光する（ステップＳ２６）。露光済みのウエハは露光装置１の外に搬出され（ステップＳ２８）、最終ウエハかどうかを判断して（ステップＳ２８）、最終ウエハでなければ、ステップＳ２１に戻る。これにより、ロットの先頭ウエハでのみサンプルショット数の決定の作業が入ることになり、アライメント時間が余分に掛かることを防ぐことが可能である。
【００７５】
このように、各マーク要素３１の位置を検出し、マーク要素３１の間隔を算出し、マーク間隔再現性を評価することにより、装置自らアライメントマーク３０の計測値の確からしさを評価し、必要とされるアライメント精度に合わせてＡＧＡの計測ショット数を自動的に決定することが可能となる。また、本実施形態では、アライメントマーク３０の計測再現性のために、マーク要素３１の間隔計測値のばらつき量として、標準偏差σを用いる方法を説明したが、マーク要素３１の間隔計測値のばらつき量のレンジ（最大値−最小値）を用いても同様の効果が得られる。
【００７６】
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。アライメントマーク３０の形状及びアライメント検出系１５乃至１７は第１の実施形態と同じであり、アライメントマーク３０の位置検出精度の算出方法が異なる。また、位置検出精度を求めた後のＡＧＡのサンプルショット数の決定方法及び露光方法についても第１の実施形態と同じであるので説明は省略する。本実施形態のアライメントマーク３０の位置検出精度の算出方法を、図１５を参照して説明する。
【００７７】
図１５において、信号出力のマーク要素番号１の計測値をＸ１、マーク要素番号２の計測値をＸ２、マーク要素番号３の計測値をＸ３、マーク要素番号４の計測値をＸ４とする。また、アライメントマーク計測値をＸｍ（＝（Ｘ１＋Ｘ２＋Ｘ３＋Ｘ４）／４）とし、マーク要素間隔の設計値をＭｐとする。
【００７８】
第１の実施形態において、アライメントマーク３０の検出精度を評価する精度評価値としてマーク要素３１の間隔を用いたが、本実施形態ではその精度評価値として、全マーク要素位置計測値の平均値Ｘｍ（＝アライメントマーク３０の計測値）と各マーク要素３１の位置との差分値（距離）を使用している点が異なるので、この部分について詳細に説明する。
【００７９】
はじめに数ショットのアライメントマーク３０を計測し、次式のようにアライメントマーク計測値Ｘｍと各マーク要素位置計測値との距離の設計値からの差を算出する。
【００８０】
【数２２】
【００８１】
数式２２の係数１．５、０．５は、図１５に示すように、マーク中心からの距離を示している。ここで、ｉはＡＧＡ計測ショット番号である。次に、ｄＬ１’（ｉ）、ｄＬ２’（ｉ）、ｄＬ３’（ｉ）、ｄＬ４’（ｉ）を標本として、その標準偏差σＬ’を算出する。本実施携帯の場合の標準偏差σＬ’とアライメントマーク計測再現性σａｘの関係は、各マーク要素位置計測再現性をσｘとすると、σＬ’２＝σｘ２＋σａｘ２、σａｘ＝σｘ／２の関係から次式で表すことができる。
【００８２】
【数２３】
【００８３】
マーク要素がｎ個からなるアライメントマークを用いた場合には次式となる。
【００８４】
【数２４】
【００８５】
従って、本実施形態では、１つのアライメントマークの計測再現性（精度）をＭ１とし、精度評価値（アライメントマーク計測値Ｍｐと各マーク要素位置計測値との距離の設計値からの差の再現性）をＭｒとすると数式２４より、次式が導かれる。
【００８６】
【数２５】
【００８７】
ここで、上述のように、Ｎｍはアライメントマーク３０に含まれるマーク要素３１の数である。また、１つのアライメントマークの計測再現性がＭ１の時、Ｎｓ個（Ｎｓは３以上の自然数）のサンプルショットでＡＧＡを行った場合のアライメント精度Ａｒは数式１９で表されるため、数式２５と１９から、精度評価値再現性Ｍｒとアライメント精度Ａｒの関係式は次式で与えられる。
【００８８】
【数２６】
【００８９】
従って、必要なアライメント精度Ａｒを満たすサンプルショット数Ｎｓは次式を満たす最も小さい自然数を選ぶようにしている。
【００９０】
【数２７】
【００９１】
更に本実施例では、図１５に示すように、アライメントマーク３０が等しいピッチＭｐで並ぶ場合を示したが、各マーク要素間の間隔の設計値が異なるマークについても同様に適用できる。
【００９２】
次に、本発明の第３の実施形態を、図１６を参照して説明する。ここで、図１６は、本発明の第３の実施形態である重ね合わせ検査装置の主要構成要素を示す光路図である。重ね合わせ検査装置とは、第１パターン上に膜が形成され且つ該膜上に第２パターンが形成されたウエハの前記第１パターンと前記第２パターンとの重ね合わせ状態を検査する装置のことである。光源５８からの照明光は、ビームスプリッタ５９で反射し、レンズ６０を通り、ウエハ１２上の重ね合わせ検査マーク５０を照明する。重ね合わせ評価マーク５０からの回折光はレンズ６０、ビームスプリッタ５９、レンズ６１を通り、ビームスプリッタ６２で分割され、それぞれエリアセンサー６３及び６４で受光させる。ここで、重ね合わせ評価マーク５０は、レンズ６０及び６１により、１００倍程度の結像倍率で拡大され、エリアセンサー６３及び６４に結像される。エリアセンサー６３及び６４はそれぞれ、重ね合わせ検査マーク５０のＸ方向のずれ計測用、重ね合わせ検査マーク５０のＹ方向のずれ計測用になっており、光軸に対して９０度回転させて設置している。ウエハ１２は、ウエハチャック５１に保持され、ＸＹステージ５２により、ウエハ１２上の所定の位置を検出系１５に対して位置決め出来るようにしている。Ｘ／Ｙ方向の計測原理は同じなので、Ｘ方向の位置計測について説明する。
【００９３】
重ね合わせ検査マークはウエハ上の各ショットのスクライブライン上に設けられ、例えば、図１７に示す形状を有する。図１７において、半導体製造工程の前工程のレイヤーの位置を示す下地マークとして計測マーク５０ａをＸ方向に３０μｍピッチで２個並べたものを使用している。計測マーク５０ａは、計測方向であるＸ方向に１μｍ幅、非計測方向であるＹ方向に１５μｍの矩形マーク要素５０ｅが５μｍピッチで４個並んだ構成となっている。
【００９４】
また、前工程の評価マークに対して位置決めされた後に現在のレイヤーの位置を示すマークとして、下地マーク５０ａの内側にＸ方向に１μｍ幅、非計測方向であるＹ方向に７μｍの矩形のマーク５０ｂを１０μｍピッチで２本並べたものを使用している。下地マーク５０ａは半導体プロセスで作製されたエッチングマークで、現在のレイヤーの位置を示す５０ｂマークはレジストパターンである。前レイヤーの位置Ｘｍａは、２つの計測マーク５０ａの計測値の中心位置として求め、現レイヤー（レジストパターン）の位置Ｘｍｂは、２つの矩形マーク５０ｂの計測値の平均位置として求める。従って、前レイヤーに対する現レイヤーの位置ずれは、２つの計測マーク５０ａの計測値の中心位置に対して、２つの矩形マーク５０ｂの計測値の平均位置の差（ｄｘ）を求めることにより行われる。ｙ方向についても同様に、ｘ方向用の計測マーク５０ａ，５０ｂを９０度回転した計測マーク５０ａｙ，５０ｂｙの位置を計測して、２つの計測マーク５０ａｙの中心位置に対する２つの計測マーク５０ｂｙの中心位置のずれ量（ｄｙ）を求めることにより行う。
【００９５】
計測マーク５０ｂ及び５０ｂｙはレジストパターンなので、極めて形状の整ったショット間でばらつきの無い計測マークであるため、非常に検出精度（再現性）が良い。一方、計測マーク５０ａ及び５０ａｙは半導体プロセスの影響を受けやすく、その形状がショット間やウエハ間でばらつくことが多い。
【００９６】
本発明の重ね合わせ検査装置では、第１実施形態で説明したグローバルアライメントと同様に、ウエハ上の全ショットを全て計測するのではなく、予め決められた３ショット以上の複数のショット内の計測マークを検出して、前レイヤーに対する現レイヤーの位置ずれ（ｄｘ（ｉ），ｄｙ（ｉ））＝（Ｘｍｂ（ｉ）−Ｘｍｂ（ｉ））を求めて（ここでｉはショット番号）、数式８及び９のｘｉ、ｙｉにそれぞれ、ｄｘ（ｉ），ｄｙ（ｉ）の値を代入して、補正パラメータ（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を求めている。露光装置１のアライメント方式はグローバルアライメント方式が一般的であり、重ね合わせ検査装置もそれに合わせて、前レイヤーのショット配列に対して、現レイヤーの配列誤差をグローバルアライメントの補正パラメータと同じ次元で出力するようにしている。
【００９７】
ここで、２つの計測マーク５０ａの計測値の平均値Ｘｍａの計測精度３σａｘと、計測マーク５０ａの計測再現性σｘ、計測マーク５０ａを構成するマーク要素１本の計測再現性σｅ及びマーク要素間隔の再現性σＬの関係を示す。マーク要素間隔は、マーク要素の計測値の差分であるから次式で与えられる。
【００９８】
【数２８】
【００９９】
計測マーク５０ａの計測値は、マーク要素計測値の４つの平均値であるから、次式が成立する。
【０１００】
【数２９】
【０１０１】
この２つの計測マークの平均位置が前レイヤーのマーク位置Ｘｍａになるので次式で表すことができる。
【０１０２】
【数３０】
【０１０３】
数式２６乃至２８から、前レイヤーのマーク位置の検出精度と、マーク要素間隔再現性の関係式は以下のようになる。
【０１０４】
【数３１】
【０１０５】
従って、前レイヤーのマーク位置の検出精度はマーク要素間隔再現性の１／４の値となり、マーク要素間隔再現性を評価することにより、計測値の確からさ（精度）を装置自身が自己評価できる。
【０１０６】
続いて、マーク要素間隔再現性の算出方法を説明する。第１に、ウエハ上の数ショットの計測マークを計測して、前レイヤーの計測マーク５０ａ，５０ａｙの各ショット、各マーク要素間の間隔を求める。続いて、その間隔計測値から各マーク要素間隔の設計値（本実施例では、５μｍ）を差し引いた後に、それらの値のばらつきの幅（標準偏差σＬ）を求めている。１ショット当りの計測再現性（精度）をＭ１とし、マーク間隔再現性をＭｒとすると数式３１より、次式が成立する。
【０１０７】
【数３２】
【０１０８】
また、１ショット当りの計測再現性がＭ１の時、Ｎｓ個（Ｎｓは３以上の自然数）の計測ショットで重ね合わせ検査をした場合の重ね合わせ検査精度Ｋｒは数式１９と同様に、次式のように表すことができる。
【０１０９】
【数３３】
【０１１０】
数式３２と３３から、マーク要素間隔再現性Ｍｒと重ね合わせ検査精度Ｋｒの関係式は次式のようになる。
【０１１１】
【数３４】
【０１１２】
従って、必要な重ね合わせ検査精度Ｋｒを満たす、計測ショット数Ｎｓは次式を満たす最も小さい自然数となる。
【０１１３】
【数３５】
【０１１４】
例えば、マーク要素間隔再現性Ｍｒが１０ｎｍで、重ね合わせ検査精度Ｋｒが２ｎｍ必要な場合は、数式３５は、最低限必要な計測ショット数は１０ショットとなる。
【０１１５】
図１８に本重ね合わせ検査装置の計測シーケンスを示す。ユーザーが必要な重ね合わせ検査精度を装置に登録し（ステップＳ３１）、続いて４ショット分の計測マークの計測を行う（ステップＳ３２）、続いて、この４ショット分の各マーク要素の計測位置からマーク要素間隔再現性を評価する（ステップＳ３３）。マーク要素間隔再現性の値を基に、必要な計測ショット数を式３１より判断する（ステップＳ３４）。ステップＳ３４で計測精度が、Ｓ３１で登録された精度を満たす場合は、４ショット分の計測値を元に、重ね合わせ計測結果（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を記憶して終了する。ステップＳ３４で計測精度が不十分と判断された場合は、追加で必要な計測ショット数を算出し、ステップＳ３６で追加ショットの計測を行う（ステップＳ３５）。追加計測ショットの計測値を含めて求めた重ね合わせ計測結果（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を記憶して計測を終了する。
【０１１６】
本実施形態は、グローバルアライメントを実行する上で、ショット間のアライメントマークの構造にばらつきがある場合においても、ユーザーの要求するアライメント精度を実現できる最低限必要なアライメント計測ショット数を自動的に算出するようにしているので、スループット低下を最小現に抑えると共に、半導体プロセスによるアライメントマークの構造変化などに影響を受けにくくなり、要求アライメント精度を満たすことができ、半導体素子製造工程において歩止まりを向上させることができる。また、アライメントマークの形状を安定化させるために必要だった半導体プロセスの条件だしの時間を短縮化できるため、半導体素子製造の生産性も向上させることができる。更に、本実施形態を半導体製造工程で使用する重ね合わせ検査装置に適用した場合には、半導体プロセスによる重ね合わせ検査マークのばらつきによる計測エラーを減少させることができ、より正確に良品・不良品の判別が出来るとともに、その計測値を露光装置にオフセットとして反映させることで、重ね合わせ精度を向上させることができる。
【０１１７】
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内において様々な変形及び変更が可能である。
【０１１８】
本出願は更に以下の事項を開示する。
【０１１９】
（実施態様１） 複数のショットを有する被露光体をレチクルに対してアライメントする方法において、
第１の数の前記ショットの夫々に対応するアライメントマークを検出する第１の検出ステップと、
前記第１の検出ステップの検出結果に基づいて、所定のアライメント精度を満足するために前記ショットの全数よりも小さい第２の数を決定する決定ステップと、
前記第２の数のショットの夫々に対応するアライメントマークを検出する第２の検出ステップと、
前記第２の検出ステップの検出結果に基づいて前記被露光体を前記レチクルに対してアライメントするアライメントステップとを有することを特徴とする方法。
【０１２０】
（実施形態２） 前記決定ステップは、前記第１の検出ステップの検出結果から前記アライメントマークの位置検出精度を取得することを特徴とする実施態様１記載の方法。
【０１２１】
（実施態様３） 前記アライメントマークは複数のマーク要素を含み、
前記決定ステップは、前記第１の検出ステップで検出された前記マーク要素の間隔に基づいて前記第２の数を決定することを特徴とする実施態様１記載の方法。
【０１２２】
（実施態様４） 前記決定ステップは、前記マーク要素の間隔の再現性をＭｒ、前記アライメントマークに含まれる前記マーク要素の本数をＮｍ、前記アライメント精度をＡｒ、補正係数をα（１≦α≦３）とすると、Ｎｓ≧α・（Ｍｒ／Ａｒ）２／Ｎｍを満たす最も小さい自然数Ｎｓを求めることを特徴とする実施態様３記載の方法。
【０１２３】
（実施態様５） 前記決定ステップは、前記マーク要素の間隔の再現性をＭｒ、前記アライメントマークに含まれる前記マーク要素の本数をＮｍ、前記アライメント精度をＡｒ、補正係数をα（１≦α≦３）、所定の関数をｆとすると、Ｎｓ≧α・ｆ（Ｎｍ、Ｍｒ、Ａｒ）を満たす最も小さい自然数Ｎｓを求めることを特徴とする実施態様３記載の方法。
【０１２４】
（実施態様６） 前記アライメントマークは複数のマーク要素を含み、
前記決定ステップは、
全ての前記マーク要素の位置の計測値から得られる平均値と前記マーク要素の夫々の位置の計測値との差を求めるステップと、
前記差の再現性を求めるステップを含むことを特徴とする実施態様１記載の方法。
【０１２５】
（実施態様７） 複数のショットを有する被露光体をレチクルに対してアライメントする装置において、
前記ショットに対応するアライメントマークを検出する検出手段と、
第１の数の前記ショットの夫々に対応するアライメントマークを前記検出手段が検出した結果に基づいて所定のアライメント精度を満足するための第２の数を決定する制御部と、
前記第２の数のショットの夫々に対応するアライメントマークを前記検出手段が検出した結果に基づいて前記被露光体を前記レチクルに対してアライメントするために移動する移動部とを有することを特徴とする装置。
【０１２６】
（実施態様８） 前記所定のアライメント精度を入力可能な入力部を更に有することを特徴とする実施態様７の装置。
【０１２７】
（実施態様９） 実施態様８記載のアライメント装置を有することを特徴とする露光装置。
【０１２８】
（実施態様１０） 第１パターン上に膜が形成され且つ該膜上に第２パターンが形成された複数のショットの前記第１パターンと前記第２パターンとの重ね合わせ状態を検査する重ね合わせ検査方法において、
第１の数の前記ショットの夫々に対応する計測マークを検出する第１の検出ステップと、
前記第１の検出ステップの検出結果に基づいて、所定の重ね合わせ検査精度を満足するために第２の数を決定する決定ステップと、
前記第２の数のショットの夫々に対応する計測マークを検出する第２の検出ステップとを有することを特徴とする方法。
【０１２９】
（実施態様１１） 第１パターン上に膜が形成され且つ該膜上に第２パターンが形成された複数のショットの前記第１パターンと前記第２パターンとの重ね合わせ状態を検査する重ね合わせ検査装置において、
前記ショットに対応する計測マークを検出する検出手段と、
第１の数の前記ショットの夫々に対応する計測マークを前記検出手段が検出した結果に基づいて、所定の重ね合わせ検査精度を満足するための第２の数を決定する制御部とを有することを特徴とする重ね合わせ検査装置。
【０１３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、アライメントマークの検出結果にばらつきがある場合でも、必要なアライメント精度とスループットの両立を可能にする位置検出装置及び方法、並びに、露光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 マーク要素間隔再現性とアライメント計測ショット数及びアライメント精度の関係を示すグラフである。
【図２】 本発明の一実施形態の半導体露光装置を示す概略ブロック図である。
【図３】 図２に示す露光装置に適用可能な、本発明の一実施形態のアライメントスコープを示す概略ブロック図である。
【図４】 図２に示すアライメントマークの一例を示す平面図である。
【図５】 図２に示すアライメントマークの別の例を示す平面図である。
【図６】 図４及び図５に示すアライメントマークを光学的に検出した場合の典型的な検出結果を示すグラフである。
【図７】 図６に示す検出結果に適用可能なテンプレートマッチング法を示す図である。
【図８】 グローバルアライメントを説明するための図である。
【図９】 線形座標変換と補正残差を示す図である。
【図１０】 マーク要素間隔を説明するための図である。
【図１１】 サンプルショットの選択方法を示す図である。
【図１２】 図２に示す露光装置が実行する露光シーケンスを示すフローチャートである。
【図１３】 図１２に示すステップ３の詳細なシーケンスを示すフローチャートである。
【図１４】 図１２に示す露光シーケンス変形例を示すフローチャートである。
【図１５】 本発明の別の実施形態を説明するための図である。
【図１６】 本発明の重ね合わせ検査装置の構成を示す図である。
【図１７】 本発明の重ね合わせ検査装置で使用する計測マークを示す図である。
【図１８】 本発明の重ね合わせ検査装置の計測シーケンスを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 半導体露光装置
１０ レチクル
１１ 縮小投影光学系
１２ ウエハ
１３ ウエハチャック
１４ ウエハステージ
１５ アライメントスコープ
１６ アライメント信号処理部
１７ 中央処理装置
１８ アライメント用光源
１９、２２ ビームスプリッタ
２０、２１ レンズ
２３，２４ ＣＣＤセンサー
３０ アライメントマーク
５０ 重ね合わせ検査マーク
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般には、位置検出方法及び装置に係り、特に、半導体露光装置に実装されるアライメント装置や、そのアライメント精度の評価やオフセットの算出に用いられる重ね合わせ検査装置に関する。本発明は、例えば、複数のショット領域と、各ショット領域に対応したアライメントマークとを有するウエハをグローバルアライメントする際に使用する位置検出方法及び装置に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
近年の回路の微細化及び高密度化の要請から、半導体デバイスを製造するための投影露光装置には、マスク又はレチクル（本出願では両者を交換可能に使用する。）上に描画された回路パターンをウエハにより高い解像力で投影露光することが要求されている。また、露光装置には、露光処理の容易化も要求されており、例えば、焦点深度を大きくして露光を容易にするために、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）プロセス等の平坦化技術も導入されている。
【０００３】
露光に重要なパラメータの一つとして、ウエハにパターンを幾つか重ね合わせる際の精度である重ね合わせ精度がある。所望の重ね合わせ精度を得るためには、レチクルとウエハとを高精度にアライメントする必要があり、回路パターンの微細化に伴ってアライメント精度は益々厳しくなっている。アライメントに必要な精度は、典型的には、回路線幅の１／３程度であり、例えば、現状の１８０ｎｍデザインにおける必要精度はその１／３の６０ｎｍである。
【０００４】
ウエハの各ショットとレチクルとのアライメントは、レチクル上の回路パターンと同時にウエハに露光転写された各ショットに対応したアライメントマークの位置を光学的に検出し、かかる検出結果に基づいてウエハをレチクルに対して位置決めすることにより行われる。
【０００５】
通常はグローバルアライメントが行なわれる。このグローバルアライメントとは、ウエハ内の複数のサンプルショットの位置座標を計測し、その計測値を統計処理し、ウエハのシフト、倍率、ローテーション誤差を算出し、この誤差を考慮してウエハの座標系を補正した後、各ショットへのステップ移動を行う、というものである。また、最近では、グローバルアライメントを発展させたアドバンストグローバルアライメント（ＡＧＡ：Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｇｌｏｂａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）が行なわれており、このＡＧＡは、レーザー干渉計付のＸＹステージ精度頼りでウエハの位置計測を行うグローバルアライメントのことで、ウエハ倍率、ウエハ回転、シフト量を求めるとともに、異常値はね等の統計処理を行うものである。
【０００６】
アライメントマークの検出手段としては、顕微鏡によりアライメントマークを拡大して撮像し、マーク像の位置を検出する方法や、回折格子をアライメントマークとして用いて、その回折光を干渉させた干渉信号の位相を検出して、回折格子の位置の検出する方法等がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
重ね合わせ精度の向上は、半導体素子の性能と製造の歩留まりの向上に必要である。しかし、ＣＭＰプロセスなど特殊な半導体製造技術の導入により、ウエハ間やショット間でアライメントマークの形状にばらつきが発生し、アライメント精度が劣化するという問題が発生し得る。これは、回路パターンの微細化に伴い、回路パターンとアライメントマークの線幅の差が大きくなり、成膜、エッチング、ＣＭＰなどのプロセス条件が微細な回路パターン（線幅０．１−０．１５μｍ）に最適化され、線幅の大きなアライメントマーク（線幅０．６−４．０μｍ）に対しては最適化されないためである。
【０００８】
更に今後は、回路パターンの微細化が進むと共に、新たな半導体プロセスの導入や、ウエハ径の３００ｍｍ化などにより、回路パターンとアライメントマークの双方をウエハ全面で欠陥無く製造することがますます困難になると予想される。また、メタル層においては、メタルグレインの影響でアライメント信号のＳ／Ｎが劣化し、アライメント精度が低下するという問題も発生する。
【０００９】
例えば、各アライメントマークが等間隔に設計された４つのマーク要素からなる場合、アライメント精度の低下は３つのマーク要素間隔が異なって検出されることに相当する。従来のグローバルアライメントは、アライメントマークの検出結果にばらつきがある場合に、所定のアライメントマーク精度を確保する方法が提案されていなかった。一方、グローバルアライメントにおいて、アライメントマークの検出情報をウエハ上の全ショットについて得れば、より信頼性の高い統計学的計算を行うことができるが、それでは、スループットが低下してコストアップを招く。
【００１０】
そこで、本発明は、アライメントマークの検出結果にばらつきがある場合でも、必要なアライメント精度とスループットの両立を可能にするアライメント装置及び方法、並びに、露光装置を提供することを例示的な目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面としての露光方法は、複数のショットを有する被露光体をレチクルに対してアライメントする方法において、第１の数の前記ショットの夫々に対応するアライメントマークを検出する第１の検出ステップと、前記第１の検出ステップの検出結果に基づいて、所定のアライメント精度を満足するために前記ショットの全数よりも小さい第２の数を決定する決定ステップと、前記第２の数のショットの夫々に対応するアライメントマークを検出する第２の検出ステップと、前記第２の検出ステップの検出結果に基づいて前記被露光体を前記レチクルに対してアライメントするアライメントステップとを有し、前記アライメントマークは複数のマーク要素を含み、前記決定ステップは、前記第１の検出ステップで検出された前記マーク要素の間隔から前記マーク要素間隔の再現性を算出し、前記算出された前記マーク要素間隔の再現性に基づいて前記第２の数を決定することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図２は本発明の半導体露光装置１の要部の概略ブロック図である。露光装置１は、あるパターン（回路パターン等）の描画されたレチクル１０を縮小投影する投影光学系１１と、前工程で下地パターンおよびアライメントマークの形成されたウエハ１２を保持するウエハチャック１３とウエハ１２を所定の位置に位置決めするウエハステージ１４と、ウエハ１２上のアライメントマーク３０の位置を計測するアライメント光学系１５等から構成されている。なお、図２においては、光源や光源からの光でレチクル１０を照明する照明光学系は省略されている。
【００１３】
まず、アライメントマークの検出原理について説明する。図３はアライメント光学系１５の主要な構成要素を示す光路図である。光源１８からの照明光は、ビームスプリッタ１９で反射し、レンズ２０を通り、ウエハ１２上のアライメントマーク３０を照明する。アライメントマーク３０からの光（反射光、回折光）はレンズ２０、ビームスプリッタ１９、レンズ２１を通り、ビームスプリッタ２２で分割され、それぞれＣＣＤセンサー２３及び２４で受光させる。ここで、アライメントマーク３０は、レンズ２０及び２１により１００倍程度の結像倍率で拡大され、ＣＣＤセンサー２３及び２４に結像される。ＣＣＤセンサー２３及び２４はそれぞれ、アライメントマーク３０のＸ方向のずれ計測用、アライメントマーク３０のＹ方向のずれ計測用になっており、光軸に対して９０度回転させて設置されている。なお、ＣＣＤセンサーとしてラインセンサーを使用してもよく、この場合、計測方向と垂直方向にのみにパワーを持つシリンドリカルレンズにより、計測方向と垂直方向に集光して光学的に積分し、平均化するのが好ましい。Ｘ／Ｙ方向の計測原理は同じなので、Ｘ方向の位置計測について説明する。
【００１４】
アライメントマーク３０は各ショットのスクライブライン上に配置されており、アライメントマーク３０は、例えば、図４又は図５に示す形状のアライメントマーク３０Ａ及び３０Ｂを使用することができる。なお、参照番号３０は、参照番号３０Ａ及び３０Ｂを総括するものとする。ここで、図４（ａ）及び図４（ｂ）は、アライメントマーク３０Ａの平面図及び断面図であり、図５（ａ）及び図５（ｂ）は、アライメントマーク３０Ｂの平面図及び断面図である。図４及び図５において、アライメントマーク３０Ａ及び３０Ｂは等間隔で配置された４つのマーク要素３１Ａ及び３１Ｂを含んでいる。
【００１５】
図４において、アライメントマーク３０Ａは、計測方向であるＸ方向に４μｍ、非計測方向であるＹ方向に２０μｍの矩形のマーク要素３１ＡをＸ方向に２０μｍピッチで４本並べている。断面構造は凹形状をしている。なお実際は、そのマーク上にレジストが塗布されているが、図には示していない。図５において、アライメントマーク３０Ｂは、図４に示すマーク要素３１Ａの輪郭部分を０．６ｕｍの線幅で置き換えた形状をしている。
【００１６】
図４及び図５のどちらのアライメントマーク３０Ａ及び３０Ｂを用いても、アライメント光学系１５のレンズのＮＡに入らない大きな角度でエッジ部での散乱光の発生や、エッジ部での散乱光での干渉により、ＣＣＤセンサー２３で撮像された像は、図６のようになるのが一般的である。アライメントマーク３０Ａはその輪郭部が暗く、アライメントマーク３０Ｂは凹部が暗く又は明るくなる。これは、明視野画像で多く観察される像であり、その特徴と言える。
【００１７】
さて、このように撮像されたアライメントマーク３０の画像はアライメント信号処理手段１６を用いて以下のように処理される。本実施形態で用いるアライメントマーク位置の算出には、テンプレートマッチング法を用いている。テンプレートマッチングは、図７（ｂ）に示す取得した信号Ｓと、図７（ａ）に示す予め装置で持っているテンプレートＴとの相関演算で、最も相関の高い位置を位置合わせマークの中心として検出する。図７（ｃ）に示す相関値の関数Ｅにおいて、ピーク画素から左右に数画素の領域の重心画素位置を求めることにより、１／１０から１／５０画素の分解能を達成できる。テンプレートマッチングは次式で表される。
【００１８】
【数１】
ここで、Ｓはセンサーで取得した信号、Ｔはテンプレート、Ｅは相関結果である。信号Ｓ、テンプレートＴ、相関値Ｅの関係を図示すると、図７のようになる。図７では４本のマーク要素３１の内、１本のマーク像についての処理方法を示している。ここでは、相関値Ｅ（Ｘ）が最大となるＸをマーク像の位置としている。以下同様に他の３本のアライメントマーク像についても、テンプレートマッチングにより、各マーク像のセンサー上での位置を検出する。テンプレートマッチングにより、マーク像の位置Ｘ１（ｉ），Ｘ２（ｉ），Ｘ３（ｉ），Ｘ４（ｉ）を求める（単位は画素）。ここでｉはショット番号である。その後各マークの平均位置を次式によって求める。
【００２０】
【数２】
各テンプレートで得られたウエハ１２上のアライメントマーク３０の位置ずれＸｗ（ｎ）は、アライメントスコープ１５の結像倍率をＭ、エリアセンサー２３のアライメント計測方向の画素ピッチをＰｘとすれば、次式で求められる。
【００２２】
【数３】
本実施形態で示した信号処理方式の他の方法としては、スライス法や微分信号を用いた最大スロープ位置を求める方法や、折り返し対称処理法など公知の信号処理法を用いて、アライメントマーク像の位置を検出する方法を用いることもできる。
【００２４】
続いて、アライメントマーク３０の位置計測値をもとにして、ウエハ１２のアライメントを行う方法を述べる。本実施形態はＡＧＡを適用している。本実施形態のＡＧＡは、ウエハ上の全ショット（チップ）のうち、数ショットを選択して（選択したショットを「サンプルショット」と呼ぶ）、そのショット内にあるアライメントマークの位置を検出して行われる。
【００２５】
図８は、露光装置１のウエハステージ１４のｘｙ座標系に対して、ウエハ１２上のショット配列がずれている様子を示している。ウエハ１２のずれとしては、ｘ方向のシフトＳｘとｙ方向のシフトＳｙとｘ軸に対する傾きθｘとｙ軸に関する傾きθｙと、ｘ方向の倍率Ｂｘ、ｙ方向の倍率Ｂｙの６つのパラメータで記述することができる。なお、Ｂｘ、Ｂｙは露光装置１のウエハステージ送りを基準に、ウエハ１２の伸縮を表し、半導体プロセスの成膜やエッチングにより引き起こされる。
【００２６】
ここで、上述の方法により計測したＡＧＡの各サンプルショットの計測値Ａｉ（ｉは計測ショット番号）を次式により定義する。
【００２７】
【数４】
また、サンプルショットのアライメントマーク３０の設計位置座標をＤｉとして次式により記述する。
【００２９】
【数５】
ＡＧＡでは、先に示したウエハの位置ずれを表す６つのパラメータ（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を用いて、以下の１次の座標変換Ｄ’ｉを行う。
【００３１】
【数６】
数式６では、簡単のためθｘ、θｙは微小量（≒０）、Ｂｘ、ＢｙはＢｘ＝Ｂｙ≒１であるため、ｃｏｓθ＝１、ｓｉｎθ＝θ、θｘ＊Ｂｘ＝θｘ、θｙ＊Ｂｙ＝θｙ等の近似を用いた。
【００３３】
図９は、数式６の１次の座標変換を行う様子を示している。Ｗで示す位置にウエハ１２上のアライメントマーク３０があり、設計上の位置であるＭの位置からＡｉだけずれており、座標変換Ｄ’ｉを行うとウエハ１２上のアライメントマーク３０の位置ずれ（残差）はＲｉになる。
【００３４】
【数７】
ＡＧＡでは各サンプルショットでの残差Ｒｉが最小になるように最小２乗法を適用している。すなわち、残差Ｒｉの平均２乗和を最小とする（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を算出する。
【００３６】
【数８】
【数９】
数式８及び９に、各サンプルショットでの計測値（ｘｉ，ｙｉ）及びアライメントマーク設計位置（Ｘｉ，Ｙｉ）を代入して、ＡＧＡパラメータ（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を求める。
【００３９】
続いて、マーク要素３１の計測再現性とマーク要素３１の間隔再現性、及び、アライメントマーク３０の計測再現性の関係を、図１０を参照して説明する。ここで、図１０は、アライメントマーク３０の断面形状とそのアライメント信号の例を示す。同図に示すように、アライメントマーク３０を構成する４つのマーク要素３１の位置計測値（Ｘ１からＸ４）より、３つのマーク要素間隔（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）を求めることができる。即ち、以下の数式１０乃至１２より、マーク要素間隔を求める。
【００４０】
【数１０】
【数１１】
【数１２】
本実施形態では、マーク要素３１の数を４本にしているが、本発明は、マーク要素の本数を限定せず、マーク要素３１の本数はアライメントマーク３０の総面積が許される範囲で増減することができる。例えば、ｎ個のマーク要素を用いた場合、（ｎ−１）個のマーク要素間隔のデータが得られる。
【００４４】
各マーク要素間隔Ｌは、アライメントマーク３０がウエハ１２の前面で均一にできている場合は同一の値として検出されるが、例えば、メタルグレインの影響などでマーク形状にばらつきが生じた場合にはマーク要素間隔にばらつきを生じる。マーク要素間隔のばらつきの標準偏差をσＬ（標本数は、３×計測ショット数）とした場合、各マーク要素３１の位置検出値の標準偏差（再現性又は精度を表す）σｘは、マーク要素間隔が各マーク要素計測値の差分であるから、σｘ２＋σｘ２＝σＬ２となる。
【００４５】
更にアライメントマークの計測値はマーク要素４個の平均であるから、そのばらつきの標準偏差σａｘは、σａｘ＝σｘ／√４となる。以上より、マーク要素間隔の再現性３σＬを用いてアライメントマークの位置検出値のばらつき（再現性又は精度）３σａｘは以下の式で表すことができる。なお、σの３倍は全体の９９．７％を占めるので、一般に標準偏差の３倍で精度（再現性）を議論する。
【００４６】
【数１３】
マーク要素がｎ個からなるアライメントマークを用いた場合には、３σａｘは下式で与えられる。
【００４８】
【数１４】
このように、マーク要素間隔の再現性を評価して数式１３又は１４に代入することにより、直接評価できないアライメントマーク３０の位置計測再現性を求めるようにしている。
【００５０】
続いて、アライメントマーク３０の位置計測再現性（又はマーク要素間隔再現性）と、ＡＧＡのサンプルショット数（又は計測ショット数）が、全体のショットのアライメント精度に与える影響を、図１１及び図１を参照して説明する。
【００５１】
図１１は２００ｍｍφの径と４８ショットを有するウエハ１２を示す平面図であり、ウエハ１２の外周に近い１２のショット（Ｓ１〜Ｓ１２）をサンプルショットとして選択している。このショットレイアウトの場合において、マーク要素間隔再現性とアライメント精度の関係を以下のようなシミュレーションにより求めた。その方法は以下の通りである。
１） ＡＧＡサンプルショットの数とその位置を決定する。
２） 各サンプルショットの各マーク要素３１の計測値として、標準偏差がσｘの正規乱数を１つずつ与える。具体的には、計測値に乱数を代入して、最終的な誤差を見積もる。
３） 各ＡＧＡサンプルショットに対応するアライメントマークの位置をする。
４） 数式８及び９より、ＡＧＡパラメータ（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を求める。
５） ４）のＡＧＡパラメータを基に、図１１の４８ショットの位置ずれ量を求める。
６） ２）から５）を繰り返す。
７） ５）で求めた位置ずれ量のばらつき（３σ）を算出する。
８） １）に戻り、サンプルショット数を変更して、２）から７）を行う。
である。
【００５２】
このシミュレーションにより求めた計算結果が図１である。図１の横軸は２）で与えたマーク要素の計測値のばらつきσｘを数式１３により、マーク要素間隔再現性に変換している。図１に示すように、ＡＧＡのサンプルショット数が同じ場合、マーク要素間隔再現性とアライメント精度は正比例の関係となり、ＡＧＡのサンプルショット数が多く成る程、その傾きが緩くなっている。サンプルショット数が多くなるほど、傾きが緩くなる理由は、ＡＧＡパラメータ（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を算出する際のサンプル数が多くなるため、平均化効果によるものである。図１に示すように、例えば、ユーザーが要求するアライメント精度が１５ｎｍであり、マーク要素間隔再現性が２５ｎｍである場合は、ＡＧＡサンプルショットは４ショットで良く、マーク要素間隔再現性が５０ｎｍの場合は、ＡＧＡサンプルショットは１２ショット必要となる。
【００５３】
以上が、マーク要素間隔再現性と、装置ユーザーが必要とするアライメント精度が与えられると、必要なサンプルショット数を決定することが可能であることの詳細な説明である。
【００５４】
続いて、マーク要素間隔再現性からＡＧＡのサンプルショット数の決定方法を具体的に説明する。サンプルショット数の決定方法としては、以下の２種類がある。
【００５５】
第１の方法は、マーク要素３１の計測値として正規乱数を与えて統計計算を実行し、アライメント精度を算出する方法である。この方法は、先のシミュレーションと同様にして、各サンプルショット数において、マーク要素間隔再現性とアライメント精度の関係を求め、図１のような比例式を求め、必要とするアライメント精度からサンプルショット数を決定する方法である。図１に示すように、マーク要素間隔再現性とアライメント精度の関係は比例関係にあるため、マーク要素３１の計測値のばらつきとして与える正規乱数の標準偏差としては１通り（例えば、３σｘ＝２０ｎｍ）だけでよい。
【００５６】
このように、ＡＧＡ計測に先立って、露光ショット情報、ＡＧＡサンプルショット情報に基づいて、マーク要素間隔再現性とアライメント精度の関係式を求めた後、ＡＧＡ計測を行う（ＡＧＡシーケンスの詳細は後述する）。
【００５７】
ＡＧＡ計測では、予め決められたサンプルショット数ｍのアライメントマークのマーク要素３１の位置を検出する。検出結果から、数式１０乃至１２からマーク要素間隔を計算し、その標準偏差３σＬを計算する。この際、マーク要素間隔Ｌ１乃至Ｌ３毎に平均値を算出し、その平均値からの差分値のばらつきを求める方が、アライメントマークを構成するマーク要素の設計誤差（レチクル描画誤差）の影響を受けないので好ましい。即ち、以下の数式１５乃至１７を利用して、ｄＬ１（ｉ）、ｄＬ２（ｉ）、ｄＬ３（ｉ）を標本として、その標準偏差を計算してマーク要素間隔再現性σＬとする。この値を上述の計算式（図１の関係式）に代入して、必要なサンプルショット数を決定する。
【００５８】
【数１５】
【数１６】
【数１７】
第１の方法によると、より厳密にマーク要素間隔再現性とアライメント精度の関係が求まるが、正規乱数を発生させるなど余分に計算時間を要するという短所もある。
【００６２】
第２の方法は、予め以下のような算出式を決めておいて、この算出式に基づいて、必要なサンプルショット数を決定するものである。この算出式の導出方法を説明しておく。１つのアライメントマークの計測再現性（精度）をＭ１とし、マーク間隔再現性をＭｒとすると数式１４より、以下の数式１８が得られる。
【００６３】
【数１８】
ここで、Ｎｍは、アライメントマーク３０に含まれるマーク要素３１の数である。
【００６５】
また、１つのアライメントマーク３０の計測再現性がＭ１の時、Ｎｓ個（Ｎｓは３以上の自然数）のサンプルショットでＡＧＡを行った場合のアライメント精度Ａｒは次式のような近似的に表すことができる。
【００６６】
【数１９】
数式１９は、サンプルショットＮｓが３個の場合は平均化効果がなく、１つのアライメントマークの計測再現性に等しい値となることを示し、Ｎｓが４個以上になると平均化効果で、１つのアライメントマークの計測再現性より全体のアライメント精度が良くなることを意味している。
【００６８】
数式１８及び１９から、マーク間隔再現性をＭｒとアライメント精度Ａｒの関係式は、数式２０のようになる。
【００６９】
【数２０】
【数２１】
従って、必要なアライメント精度Ａｒを満たすサンプルショット数Ｎｓは、数式２１を満たす最も小さい自然数を選ぶようにしている。数式２１の右辺は、Ｎｍ、Ｍｒ、Ａｒの関数として、α・ｆ（Ｎｍ，Ｍｒ，Ａｒ）と表すことができ、ここでαはＡＧＡ計測ショット数やショット配置により決定される補正係数であり、数式２１では１．５になるが、この値を標準値として使用して、スループットよりアライメント精度を優先したい場合には、αの値を大きく設定することができる。なおαの設定範囲は１．０から３．０の範囲で設定可能である。
【００７２】
次に、本実施形態の露光装置１の露光シーケンスを、図１２を参照して説明する。まず、ウエハを搬送し（ステップＳ１）、プリアライメントにより、アライメント光学系１５の検出範囲にウエハ１２上のアライメントマーク３０が入るようにウエハ１２を露光装置１に対してアライメントし（ステップＳ２）、その後、ＡＧＡを行う（ステップＳ３）。かかるＡＧＡは、後で詳細に説明する。ＡＧＡにより、露光装置１に対してウエハ１２を位置決めした後、露光する（ステップＳ４）。ウエハ上の全てのショットが露光されると、露光済みのウエハは露光装置から搬出され（ステップＳ５）、未露光ウエハがあるかどうかを判断し（ステップＳ６）、未露光ウエハがある場合には、ステップＳ１に戻り、未露光ウエハが無くなるまで繰り返す。
【００７３】
続いて、本実施形態のＡＧＡシーケンスを、図１３を参照して詳細に説明する。まず、ＡＧＡのサブショット計測を行う（ステップＳ１０）。このサブショット計測は、図１２に示すプリアライメントにより概略ウエハのアライメントがされているため、この時の計測値は４μｍ以下となっているが、後のメイン計測での計測値の絶対値がゼロ付近（例えば１００ｎｍ以下）になるように追い込むために行うものである。メイン計測での計測レンジを狭くすることにより、アライメントマークの位置ずれに対するマーク位置計測値の非線形誤差や倍率変動誤差の影響を受けにくい。サブショット計測は、ウエハ上例えば４ショット分のアライメントマークの位置を計測し、数式８及び９より第１のＡＧＡ補正パラメータを算出する。また、アライメントマークの各マーク要素の位置の計測値からマーク要素間隔を算出し、ユーザーの入力した必要アライメント精度を満たすように、ＡＧＡ（メイン）のサンプル計測ショット数を決定する。続いて、ステップＳ１０で算出したＡＧＡ補正量１を利用して、ウエハをアライメントして、ステップＳ１１で計算したメイン計測ショット数だけ、サンプルショットの位置を計測し、８，９式よりＡＧＡ補正量２を算出する（ステップＳ１１）。その後このＡＧＡ補正量２に基づいて、ウエハをアライメントして露光動作に移る。
【００７４】
図１４は更に、スループットを重視した本実施形態の露光装置の露光シーケンスの変形例を示すフローチャートである。まず、ウエハを搬送し（ステップＳ２１）、プリアライメントにより、次のＡＧＡで使用する光学系１５の検出範囲にウエハ１２上のアライメントマーク３０が入るようにウエハ１２を露光装置１に対してアライメントする（ステップＳ２２）。その後、このウエハがロットの先頭ウエハかどうかを判断し（ステップＳ２３）、ロットの先頭ウエハであれば、先に説明した方法で、マーク要素間隔再現性評価を行ない（ステップＳ２４）、ＡＧＡサンプルショット数を決定し、露光装置上にそのＡＧＡサンプルショット数を記憶する。決定されたサンプルショット数に基づいて、ＡＧＡを行ない、ウエハを露光する（ステップＳ２６）。ステップＳ２３でロットの先頭ウエハではないと判断されたウエハについては、マーク要素間隔再現性の評価をしないで、ステップＳ２４で露光装置上に記憶されているＡＧＡサンプルショット数に基づいてＡＧＡを行ない（ステップＳ２５）、ウエハを露光する（ステップＳ２６）。露光済みのウエハは露光装置１の外に搬出され（ステップＳ２８）、最終ウエハかどうかを判断して（ステップＳ２８）、最終ウエハでなければ、ステップＳ２１に戻る。これにより、ロットの先頭ウエハでのみサンプルショット数の決定の作業が入ることになり、アライメント時間が余分に掛かることを防ぐことが可能である。
【００７５】
このように、各マーク要素３１の位置を検出し、マーク要素３１の間隔を算出し、マーク間隔再現性を評価することにより、装置自らアライメントマーク３０の計測値の確からしさを評価し、必要とされるアライメント精度に合わせてＡＧＡの計測ショット数を自動的に決定することが可能となる。また、本実施形態では、アライメントマーク３０の計測再現性のために、マーク要素３１の間隔計測値のばらつき量として、標準偏差σを用いる方法を説明したが、マーク要素３１の間隔計測値のばらつき量のレンジ（最大値−最小値）を用いても同様の効果が得られる。
【００７６】
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。アライメントマーク３０の形状及びアライメント検出系１５乃至１７は第１の実施形態と同じであり、アライメントマーク３０の位置検出精度の算出方法が異なる。また、位置検出精度を求めた後のＡＧＡのサンプルショット数の決定方法及び露光方法についても第１の実施形態と同じであるので説明は省略する。本実施形態のアライメントマーク３０の位置検出精度の算出方法を、図１５を参照して説明する。
【００７７】
図１５において、信号出力のマーク要素番号１の計測値をＸ１、マーク要素番号２の計測値をＸ２、マーク要素番号３の計測値をＸ３、マーク要素番号４の計測値をＸ４とする。また、アライメントマーク計測値をＸｍ（＝（Ｘ１＋Ｘ２＋Ｘ３＋Ｘ４）／４）とし、マーク要素間隔の設計値をＭｐとする。
【００７８】
第１の実施形態において、アライメントマーク３０の検出精度を評価する精度評価値としてマーク要素３１の間隔を用いたが、本実施形態ではその精度評価値として、全マーク要素位置計測値の平均値Ｘｍ（＝アライメントマーク３０の計測値）と各マーク要素３１の位置との差分値（距離）を使用している点が異なるので、この部分について詳細に説明する。
【００７９】
はじめに数ショットのアライメントマーク３０を計測し、次式のようにアライメントマーク計測値Ｘｍと各マーク要素位置計測値との距離の設計値からの差を算出する。
【００８０】
【数２２】
数式２２の係数１．５、０．５は、図１５に示すように、マーク中心からの距離を示している。ここで、ｉはＡＧＡ計測ショット番号である。次に、ｄＬ１’（ｉ）、ｄＬ２’（ｉ）、ｄＬ３’（ｉ）、ｄＬ４’（ｉ）を標本として、その標準偏差σＬ’を算出する。本実施携帯の場合の標準偏差σＬ’とアライメントマーク計測再現性σａｘの関係は、各マーク要素位置計測再現性をσｘとすると、σＬ’２＝σｘ２＋σａｘ２、σａｘ＝σｘ／２の関係から次式で表すことができる。
【００８２】
【数２３】
マーク要素がｎ個からなるアライメントマークを用いた場合には次式となる。
【００８４】
【数２４】
従って、本実施形態では、１つのアライメントマークの計測再現性（精度）をＭ１とし、精度評価値（アライメントマーク計測値Ｍｐと各マーク要素位置計測値との距離の設計値からの差の再現性）をＭｒとすると数式２４より、次式が導かれる。
【００８６】
【数２５】
ここで、上述のように、Ｎｍはアライメントマーク３０に含まれるマーク要素３１の数である。また、１つのアライメントマークの計測再現性がＭ１の時、Ｎｓ個（Ｎｓは３以上の自然数）のサンプルショットでＡＧＡを行った場合のアライメント精度Ａｒは数式１９で表されるため、数式２５と１９から、精度評価値再現性Ｍｒとアライメント精度Ａｒの関係式は次式で与えられる。
【００８８】
【数２６】
従って、必要なアライメント精度Ａｒを満たすサンプルショット数Ｎｓは次式を満たす最も小さい自然数を選ぶようにしている。
【００９０】
【数２７】
更に本実施例では、図１５に示すように、アライメントマーク３０が等しいピッチＭｐで並ぶ場合を示したが、各マーク要素間の間隔の設計値が異なるマークについても同様に適用できる。
【００９２】
次に、本発明の第３の実施形態を、図１６を参照して説明する。ここで、図１６は、本発明の第３の実施形態である重ね合わせ検査装置の主要構成要素を示す光路図である。重ね合わせ検査装置とは、第１パターン上に膜が形成され且つ該膜上に第２パターンが形成されたウエハの前記第１パターンと前記第２パターンとの重ね合わせ状態を検査する装置のことである。光源５８からの照明光は、ビームスプリッタ５９で反射し、レンズ６０を通り、ウエハ１２上の重ね合わせ検査マーク５０を照明する。重ね合わせ評価マーク５０からの回折光はレンズ６０、ビームスプリッタ５９、レンズ６１を通り、ビームスプリッタ６２で分割され、それぞれエリアセンサー６３及び６４で受光させる。ここで、重ね合わせ評価マーク５０は、レンズ６０及び６１により、１００倍程度の結像倍率で拡大され、エリアセンサー６３及び６４に結像される。エリアセンサー６３及び６４はそれぞれ、重ね合わせ検査マーク５０のＸ方向のずれ計測用、重ね合わせ検査マーク５０のＹ方向のずれ計測用になっており、光軸に対して９０度回転させて設置している。ウエハ１２は、ウエハチャック５１に保持され、ＸＹステージ５２により、ウエハ１２上の所定の位置を検出系１５に対して位置決め出来るようにしている。Ｘ／Ｙ方向の計測原理は同じなので、Ｘ方向の位置計測について説明する。
【００９３】
重ね合わせ検査マークはウエハ上の各ショットのスクライブライン上に設けられ、例えば、図１７に示す形状を有する。図１７において、半導体製造工程の前工程のレイヤーの位置を示す下地マークとして計測マーク５０ａをＸ方向に３０μｍピッチで２個並べたものを使用している。計測マーク５０ａは、計測方向であるＸ方向に１μｍ幅、非計測方向であるＹ方向に１５μｍの矩形マーク要素５０ｅが５μｍピッチで４個並んだ構成となっている。
【００９４】
また、前工程の評価マークに対して位置決めされた後に現在のレイヤーの位置を示すマークとして、下地マーク５０ａの内側にＸ方向に１μｍ幅、非計測方向であるＹ方向に７μｍの矩形のマーク５０ｂを１０μｍピッチで２本並べたものを使用している。下地マーク５０ａは半導体プロセスで作製されたエッチングマークで、現在のレイヤーの位置を示す５０ｂマークはレジストパターンである。前レイヤーの位置Ｘｍａは、２つの計測マーク５０ａの計測値の中心位置として求め、現レイヤー（レジストパターン）の位置Ｘｍｂは、２つの矩形マーク５０ｂの計測値の平均位置として求める。従って、前レイヤーに対する現レイヤーの位置ずれは、２つの計測マーク５０ａの計測値の中心位置に対して、２つの矩形マーク５０ｂの計測値の平均位置の差（ｄｘ）を求めることにより行われる。ｙ方向についても同様に、ｘ方向用の計測マーク５０ａ，５０ｂを９０度回転した計測マーク５０ａｙ，５０ｂｙの位置を計測して、２つの計測マーク５０ａｙの中心位置に対する２つの計測マーク５０ｂｙの中心位置のずれ量（ｄｙ）を求めることにより行う。
【００９５】
計測マーク５０ｂ及び５０ｂｙはレジストパターンなので、極めて形状の整ったショット間でばらつきの無い計測マークであるため、非常に検出精度（再現性）が良い。一方、計測マーク５０ａ及び５０ａｙは半導体プロセスの影響を受けやすく、その形状がショット間やウエハ間でばらつくことが多い。
【００９６】
本発明の重ね合わせ検査装置では、第１実施形態で説明したグローバルアライメントと同様に、ウエハ上の全ショットを全て計測するのではなく、予め決められた３ショット以上の複数のショット内の計測マークを検出して、前レイヤーに対する現レイヤーの位置ずれ（ｄｘ（ｉ），ｄｙ（ｉ））＝（Ｘｍｂ（ｉ）−Ｘｍｂ（ｉ））を求めて（ここでｉはショット番号）、数式８及び９のｘｉ、ｙｉにそれぞれ、ｄｘ（ｉ），ｄｙ（ｉ）の値を代入して、補正パラメータ（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を求めている。露光装置１のアライメント方式はグローバルアライメント方式が一般的であり、重ね合わせ検査装置もそれに合わせて、前レイヤーのショット配列に対して、現レイヤーの配列誤差をグローバルアライメントの補正パラメータと同じ次元で出力するようにしている。
【００９７】
ここで、２つの計測マーク５０ａの計測値の平均値Ｘｍａの計測精度３σａｘと、計測マーク５０ａの計測再現性σｘ、計測マーク５０ａを構成するマーク要素１本の計測再現性σｅ及びマーク要素間隔の再現性σＬの関係を示す。マーク要素間隔は、マーク要素の計測値の差分であるから次式で与えられる。
【００９８】
【数２８】
計測マーク５０ａの計測値は、マーク要素計測値の４つの平均値であるから、次式が成立する。
【０１００】
【数２９】
この２つの計測マークの平均位置が前レイヤーのマーク位置Ｘｍａになるので次式で表すことができる。
【０１０２】
【数３０】
数式２６乃至２８から、前レイヤーのマーク位置の検出精度と、マーク要素間隔再現性の関係式は以下のようになる。
【０１０４】
【数３１】
従って、前レイヤーのマーク位置の検出精度はマーク要素間隔再現性の１／４の値となり、マーク要素間隔再現性を評価することにより、計測値の確からさ（精度）を装置自身が自己評価できる。
【０１０６】
続いて、マーク要素間隔再現性の算出方法を説明する。第１に、ウエハ上の数ショットの計測マークを計測して、前レイヤーの計測マーク５０ａ，５０ａｙの各ショット、各マーク要素間の間隔を求める。続いて、その間隔計測値から各マーク要素間隔の設計値（本実施例では、５μｍ）を差し引いた後に、それらの値のばらつきの幅（標準偏差σＬ）を求めている。１ショット当りの計測再現性（精度）をＭ１とし、マーク間隔再現性をＭｒとすると数式３１より、次式が成立する。
【０１０７】
【数３２】
また、１ショット当りの計測再現性がＭ１の時、Ｎｓ個（Ｎｓは３以上の自然数）の計測ショットで重ね合わせ検査をした場合の重ね合わせ検査精度Ｋｒは数式１９と同様に、次式のように表すことができる。
【０１０９】
【数３３】
数式３２と３３から、マーク要素間隔再現性Ｍｒと重ね合わせ検査精度Ｋｒの関係式は次式のようになる。
【０１１１】
【数３４】
従って、必要な重ね合わせ検査精度Ｋｒを満たす、計測ショット数Ｎｓは次式を満たす最も小さい自然数となる。
【０１１３】
【数３５】
例えば、マーク要素間隔再現性Ｍｒが１０ｎｍで、重ね合わせ検査精度Ｋｒが２ｎｍ必要な場合は、数式３５は、最低限必要な計測ショット数は１０ショットとなる。
【０１１５】
図１８に本重ね合わせ検査装置の計測シーケンスを示す。ユーザーが必要な重ね合わせ検査精度を装置に登録し（ステップＳ３１）、続いて４ショット分の計測マークの計測を行う（ステップＳ３２）、続いて、この４ショット分の各マーク要素の計測位置からマーク要素間隔再現性を評価する（ステップＳ３３）。マーク要素間隔再現性の値を基に、必要な計測ショット数を式３１より判断する（ステップＳ３４）。ステップＳ３４で計測精度が、Ｓ３１で登録された精度を満たす場合は、４ショット分の計測値を元に、重ね合わせ計測結果（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を記憶して終了する。ステップＳ３４で計測精度が不十分と判断された場合は、追加で必要な計測ショット数を算出し、ステップＳ３６で追加ショットの計測を行う（ステップＳ３５）。追加計測ショットの計測値を含めて求めた重ね合わせ計測結果（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を記憶して計測を終了する。
【０１１６】
本実施形態は、グローバルアライメントを実行する上で、ショット間のアライメントマークの構造にばらつきがある場合においても、ユーザーの要求するアライメント精度を実現できる最低限必要なアライメント計測ショット数を自動的に算出するようにしているので、スループット低下を最小現に抑えると共に、半導体プロセスによるアライメントマークの構造変化などに影響を受けにくくなり、要求アライメント精度を満たすことができ、半導体素子製造工程において歩止まりを向上させることができる。また、アライメントマークの形状を安定化させるために必要だった半導体プロセスの条件だしの時間を短縮化できるため、半導体素子製造の生産性も向上させることができる。更に、本実施形態を半導体製造工程で使用する重ね合わせ検査装置に適用した場合には、半導体プロセスによる重ね合わせ検査マークのばらつきによる計測エラーを減少させることができ、より正確に良品・不良品の判別が出来るとともに、その計測値を露光装置にオフセットとして反映させることで、重ね合わせ精度を向上させることができる。
【０１１７】
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内において様々な変形及び変更が可能である。
【０１１８】
本出願は更に以下の事項を開示する。
【０１１９】
（実施態様１） 複数のショットを有する被露光体をレチクルに対してアライメントする方法において、
第１の数の前記ショットの夫々に対応するアライメントマークを検出する第１の検出ステップと、
前記第１の検出ステップの検出結果に基づいて、所定のアライメント精度を満足するために前記ショットの全数よりも小さい第２の数を決定する決定ステップと、
前記第２の数のショットの夫々に対応するアライメントマークを検出する第２の検出ステップと、
前記第２の検出ステップの検出結果に基づいて前記被露光体を前記レチクルに対してアライメントするアライメントステップとを有することを特徴とする方法。
【０１２０】
（実施形態２） 前記決定ステップは、前記第１の検出ステップの検出結果から前記アライメントマークの位置検出精度を取得することを特徴とする実施態様１記載の方法。
【０１２１】
（実施態様３） 前記アライメントマークは複数のマーク要素を含み、
前記決定ステップは、前記第１の検出ステップで検出された前記マーク要素の間隔に基づいて前記第２の数を決定することを特徴とする実施態様１記載の方法。
【０１２２】
（実施態様４） 前記決定ステップは、前記マーク要素の間隔の再現性をＭｒ、前記アライメントマークに含まれる前記マーク要素の本数をＮｍ、前記アライメント精度をＡｒ、補正係数をα（１≦α≦３）とすると、Ｎｓ≧α・（Ｍｒ／Ａｒ）２／Ｎｍを満たす最も小さい自然数Ｎｓを求めることを特徴とする実施態様３記載の方法。
【０１２３】
（実施態様５） 前記決定ステップは、前記マーク要素の間隔の再現性をＭｒ、前記アライメントマークに含まれる前記マーク要素の本数をＮｍ、前記アライメント精度をＡｒ、補正係数をα（１≦α≦３）、所定の関数をｆとすると、Ｎｓ≧α・ｆ（Ｎｍ、Ｍｒ、Ａｒ）を満たす最も小さい自然数Ｎｓを求めることを特徴とする実施態様３記載の方法。
【０１２４】
（実施態様６） 前記アライメントマークは複数のマーク要素を含み、
前記決定ステップは、
全ての前記マーク要素の位置の計測値から得られる平均値と前記マーク要素の夫々の位置の計測値との差を求めるステップと、
前記差の再現性を求めるステップを含むことを特徴とする実施態様１記載の方法。
【０１２５】
（実施態様７） 複数のショットを有する被露光体をレチクルに対してアライメントする装置において、
前記ショットに対応するアライメントマークを検出する検出手段と、
第１の数の前記ショットの夫々に対応するアライメントマークを前記検出手段が検出した結果に基づいて所定のアライメント精度を満足するための第２の数を決定する制御部と、
前記第２の数のショットの夫々に対応するアライメントマークを前記検出手段が検出した結果に基づいて前記被露光体を前記レチクルに対してアライメントするために移動する移動部とを有することを特徴とする装置。
【０１２６】
（実施態様８） 前記所定のアライメント精度を入力可能な入力部を更に有することを特徴とする実施態様７の装置。
【０１２７】
（実施態様９） 実施態様８記載のアライメント装置を有することを特徴とする露光装置。
【０１２８】
（実施態様１０） 第１パターン上に膜が形成され且つ該膜上に第２パターンが形成された複数のショットの前記第１パターンと前記第２パターンとの重ね合わせ状態を検査する重ね合わせ検査方法において、
第１の数の前記ショットの夫々に対応する計測マークを検出する第１の検出ステップと、
前記第１の検出ステップの検出結果に基づいて、所定の重ね合わせ検査精度を満足するために第２の数を決定する決定ステップと、
前記第２の数のショットの夫々に対応する計測マークを検出する第２の検出ステップとを有することを特徴とする方法。
【０１２９】
（実施態様１１） 第１パターン上に膜が形成され且つ該膜上に第２パターンが形成された複数のショットの前記第１パターンと前記第２パターンとの重ね合わせ状態を検査する重ね合わせ検査装置において、
前記ショットに対応する計測マークを検出する検出手段と、
第１の数の前記ショットの夫々に対応する計測マークを前記検出手段が検出した結果に基づいて、所定の重ね合わせ検査精度を満足するための第２の数を決定する制御部とを有することを特徴とする重ね合わせ検査装置。
【０１３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、アライメントマークの検出結果にばらつきがある場合でも、必要なアライメント精度とスループットの両立を可能にする位置検出装置及び方法、並びに、露光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 マーク要素間隔再現性とアライメント計測ショット数及びアライメント精度の関係を示すグラフである。
【図２】 本発明の一実施形態の半導体露光装置を示す概略ブロック図である。
【図３】 図２に示す露光装置に適用可能な、本発明の一実施形態のアライメントスコープを示す概略ブロック図である。
【図４】 図２に示すアライメントマークの一例を示す平面図である。
【図５】 図２に示すアライメントマークの別の例を示す平面図である。
【図６】 図４及び図５に示すアライメントマークを光学的に検出した場合の典型的な検出結果を示すグラフである。
【図７】 図６に示す検出結果に適用可能なテンプレートマッチング法を示す図である。
【図８】 グローバルアライメントを説明するための図である。
【図９】 線形座標変換と補正残差を示す図である。
【図１０】 マーク要素間隔を説明するための図である。
【図１１】 サンプルショットの選択方法を示す図である。
【図１２】 図２に示す露光装置が実行する露光シーケンスを示すフローチャートである。
【図１３】 図１２に示すステップ３の詳細なシーケンスを示すフローチャートである。
【図１４】 図１２に示す露光シーケンス変形例を示すフローチャートである。
【図１５】 本発明の別の実施形態を説明するための図である。
【図１６】 本発明の重ね合わせ検査装置の構成を示す図である。
【図１７】 本発明の重ね合わせ検査装置で使用する計測マークを示す図である。
【図１８】 本発明の重ね合わせ検査装置の計測シーケンスを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 半導体露光装置
１０ レチクル
１１ 縮小投影光学系
１２ ウエハ
１３ ウエハチャック
１４ ウエハステージ
１５ アライメントスコープ
１６ アライメント信号処理部
１７ 中央処理装置
１８ アライメント用光源
１９、２２ ビームスプリッタ
２０、２１ レンズ
２３，２４ ＣＣＤセンサー
３０ アライメントマーク
５０ 重ね合わせ検査マーク
Claims (10)
- 複数のショットを有する被露光体をレチクルに対してアライメントする方法において、
第１の数の前記ショットの夫々に対応するアライメントマークを検出する第１の検出ステップと、
前記第１の検出ステップの検出結果に基づいて、所定のアライメント精度を満足するために前記ショットの全数よりも小さい第２の数を決定する決定ステップと、
前記第２の数のショットの夫々に対応するアライメントマークを検出する第２の検出ステップと、
前記第２の検出ステップの検出結果に基づいて前記被露光体を前記レチクルに対してアライメントするアライメントステップとを有し、
前記アライメントマークは複数のマーク要素を含み、
前記決定ステップは、前記第１の検出ステップで検出された前記マーク要素の間隔から前記マーク要素間隔の再現性を算出し、前記算出された前記マーク要素間隔の再現性に基づいて前記第２の数を決定することを特徴とする方法。 - 前記決定ステップは、前記マーク要素の間隔の再現性をＭｒ、前記アライメントマークに含まれる前記マーク要素の本数をＮｍ、前記アライメント精度をＡｒ、補正係数をα（１≦α≦３）とすると、Ｎｓ≧α・（Ｍｒ／Ａｒ）２／Ｎｍを満たす最も小さい自然数Ｎｓを前記第２の数として求めることを特徴とする請求項１記載の方法。
- 前記決定ステップは、前記マーク要素の間隔の再現性をＭｒ、前記アライメントマークに含まれる前記マーク要素の本数をＮｍ、前記アライメント精度をＡｒ、補正係数をα（１≦α≦３）、所定の関数をｆとすると、Ｎｓ≧α・ｆ（Ｎｍ、Ｍｒ、Ａｒ）を満たす最も小さい自然数Ｎｓを前記第２の数として求めることを特徴とする請求項１記載の方法。
- 複数のショットを有する被露光体をレチクルに対してアライメントする方法において、
第１の数の前記ショットの夫々に対応するアライメントマークを検出する第１の検出ステップと、
前記第１の検出ステップの検出結果に基づいて、所定のアライメント精度を満足するために前記ショットの全数よりも小さい第２の数を決定する決定ステップと、
前記第２の数のショットの夫々に対応するアライメントマークを検出する第２の検出ステップと、
前記第２の検出ステップの検出結果に基づいて前記被露光体を前記レチクルに対してアライメントするアライメントステップとを有し、
前記アライメントマークは複数のマーク要素を含み、
前記決定ステップは、
全ての前記マーク要素の位置の計測値から得られる平均値と前記マーク要素の夫々の位置の計測値との差を求めるステップと、
前記差の再現性を求めるステップと、
前記差の再現性に基づいて前記第２の数を決定するステップと、を含むことを特徴とする方法。 - 複数のショットを有する被露光体をレチクルに対してアライメントする装置において、
前記ショットに対応した、複数のマーク要素を有するアライメントマークを検出する検出手段と、
第１の数の前記ショットの夫々に対応するアライメントマークを前記検出手段が検出した結果に基づいて前記マーク要素の間隔の再現性を算出し、前記算出された前記マーク要素の間隔の再現性に基づいて所定のアライメント精度を満足するための第２の数を決定する制御部と、
前記第２の数のショットの夫々に対応するアライメントマークを前記検出手段が検出した結果に基づいて前記被露光体を前記レチクルに対してアライメントするために移動する移動部とを有することを特徴とする装置。 - 複数のショットを有する被露光体をレチクルに対してアライメントする装置において、
前記ショットに対応した、複数のマーク要素を有するアライメントマークを検出する検出手段と、
第１の数の前記ショットの夫々に対応するアライメントマークを前記検出手段が検出した結果に基づいて全ての前記マーク要素の位置の計測値から得られる平均値と前記マーク要素の夫々の位置の計測値との差の再現性を算出し、前記算出された前記差の再現性に基づいて所定のアライメント精度を満足するための第２の数を決定する制御部と、
前記第２の数のショットの夫々に対応するアライメントマークを前記検出手段が検出した結果に基づいて前記被露光体を前記レチクルに対してアライメントするために移動する移動部とを有することを特徴とする装置。 - 前記所定のアライメント精度を入力可能な入力部を更に有することを特徴とする請求項５又は６記載の装置。
- 請求項７記載のアライメント装置を有することを特徴とする露光装置。
- 第１パターン上に膜が形成され且つ該膜上に第２パターンが形成された複数のショットの前記第１パターンと前記第２パターンとの重ね合わせ状態を検査する重ね合わせ検査方法において、
第１の数の前記ショットの夫々に対応する計測マークを検出する第１の検出ステップと、
前記第１の検出ステップの検出結果に基づいて、所定の重ね合わせ検査精度を満足するために第２の数を決定する決定ステップと、
前記第２の数のショットの夫々に対応する計測マークを検出する第２の検出ステップとを有し、
前記計測マークは複数のマーク要素を含み、
前記決定ステップは、前記第１の検出ステップで検出された前記マーク要素の間隔から前記マーク要素間隔の再現性を算出し、前記算出された前記マーク要素間隔の再現性に基づいて前記第２の数を決定することを特徴とする方法。 - 第１パターン上に膜が形成され且つ該膜上に第２パターンが形成された複数のショットの前記第１パターンと前記第２パターンとの重ね合わせ状態を検査する重ね合わせ検査装置において、
前記ショットに対応した、複数のマーク要素を有する計測マークを検出する検出手段と、
第１の数の前記ショットの夫々に対応する計測マークを前記検出手段が検出した結果に基づいて前記マーク要素の間隔の再現性を算出し、前記算出された前記マーク要素の間隔の再現性に基づいて所定の重ね合わせ検査精度を満足するための第２の数を決定する制御部とを有することを特徴とする重ね合わせ検査装置。
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