JP4419233B2

JP4419233B2 - 露光方法

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Publication number: JP4419233B2
Application number: JP35527099A
Authority: JP
Inventors: 晋一郎納土; 薫小池
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2019-12-15
Also published as: JP2001176769A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、露光方法に関し、特には下地のパターンに重ね合わせたパターン露光を行う場合の露光方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程においては、リソグラフィー処理によって、エッチングや不純物の注入などを行う際のマスクとなるレジストパターンを形成している。一連のリソグラフィー処理においては、下地に形成されたアライメントパターンの検出位置に基づいて露光位置を補正する、いわゆるアライメントを行いながら下地のパターンに重ね合わせたパターン露光が行われている。
【０００３】
このようなアライメント方法としては、ダイ・バイ・ダイアライメント方式とグローバルアライメント方式とがある。ダイ・バイ・ダイアライメント方式は、チップ毎にアライメントパターンの位置を検出して位置決めを行う方法であり、グローバルアライメント方式は、基板上の数チップに設けられたアライメントパターンの位置を検出して位置決めを行う方法である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このようなアライメントを行う露光方法には、次のような課題があった。
すなわち、ダイ・バイ・ダイアライメント方式を行う露光方法では、ウェハ上の全チップのアライメントパターンを検出する必要があるため、露光工程のスループットが低下する。一方、グローバルアライメント方式を行う露光方法では、露光工程のスループットの向上は図られるものの、基板上における局所的な歪み形状を検出することができず、ダイ・バイ・ダイアライメント方式と比較して高精度なアライメントを行うことができない。このため、下地パターンに対する重ね合わせ精度が低下する。
【０００５】
そこで本発明は、高精度なアライメントを行いつつ、スループットの向上を図ることが可能な露光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】
このような目的を達成するための本発明の露光方法は、基板上に形成された第ｎ層目（ｎは自然数）のパターンに重ね合わせてパターン露光を行う方法であり、第１層目のパターンの初期歪みデータに基づいて露光位置の補正を行うことを特徴としている。初期歪みデータとは、基板上の全面における第１層目のパターンの形成位置歪みを示すデータであることとする。
【０００７】
このような露光方法では、基板上の全面における第１層目のパターンの形成位置歪みが、第ｎ層目のパターンに重ね合わせて行われる各パターン露光における露光位置の補正（すなわちアライメント）に反映されることになる。ここで、第１層目のパターン露光においては、基板上に基準となるアライメントパターンがなく、露光装置に特有の位置ズレが生じ、この位置ズレが第２層目以降のアライメントパターンの形成位置に影響を及ぼすことになる。そこで、上述のようにして生じる第１層目のパターンの形成位置歪みを示す初期歪みデータを、その後のパターン露光におけるアライメントに反映させるようにしたことで、第１層目のパターンの形成位置歪みに起因する第２層目以降のアライメントパターンの形成位置歪みが、これらの各層のアライメントパターンを検出することなく当該アライメントに反映されることになる。したがって、その分のアライメントパターンの検出数を削減しつつも、アライメント精度を保つことができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の露光方法の一例を説明するためのフロー図であり、この図に基づいて本発明の一実施形態例を説明する。このフロー図は、例えば半導体装置の製造工程において、基板（すなわち、ウェハ）上に形成されたパターンに重ね合わせてパターン露光を行う場合の手順の一例を示している。
【０００９】
先ず、重ね合わせのパターン露光を行うに先立ち、ステップＳ１〜Ｓ３に示すように、このパターン露光の際のアライメントを行うために必要な各種のデータベースの作成を行う。ここで作成するデータベースは、初期歪みデータベース００１、プロセスデータベース００２、装置データベース００３の３種類であり、以下のようにしてこれらのデータベースを作成する。
【００１０】
ステップＳ１で作成する初期歪みデータベース００１は、基板上の全面に形成された第１層目のパターンの形成位置歪みを示す初期歪みデータを格納してなるデータベースである。この初期歪みデータベース００１に格納される初期歪みデータは、例えば、実デバイスを形成するための基板に形成した第１層目のパターンの形成位置を測定することによって採取される。
【００１１】
このため例えば、先ず、フロー図のステップＳ１１に示す第１層目のパターン露光において、基板上の第１層目のパターニングマスクとなるレジストパターンを形成するためのパターン露光を行い、次に、ステップＳ１２に示す第１層目のパターン形成において、このレジストパターンをマスクに用いて第１層目のエッチング処理を行うことで第１層目のパターンを基板上に形成する。この際、第１層目のパターンとして、実デバイスの機能パターンと共に、基板上の全面に位置精度測定パターンを形成する。尚、ここでの図示を省略したが、ステップＳ１１でパターン露光を行った後には、このパターン露光を含む一連のリソグラフィー処理を行うことで上記レジストパターンが形成される。
【００１２】
図２には、位置精度測定パターン１の一例を示す。この図に示すように、位置精度測定パターン１は、例えば上方から見た平面形状が十字型のものであり、各チップ３内に多数設けることとする。尚、各チップ３内に位置精度測定パターン１を配置するスペースがない場合には、この位置精度測定パターン１は、例えば各チップ３内に設けられたアライメントパターンを兼ねるものであっても良い。また、この図においては、実デバイスのための機能パターンの図示は省略している。
【００１３】
以上の後、基板上の全面に形成された位置精度測定パターン１の形成位置を、光学式絶対位置精度測定器（例えば、ニコン社製光波６１）を用いて測定する。そして、この測定結果から、基板全面における第１層目のパターンの形成位置歪みを示す初期歪みデータを得る。
【００１４】
図３には、このようにして得られた初期歪みデータの一例として、光ステッパを露光装置に用いた場合の初期歪みデータを示す。この初期歪みデータに示すように、図中破線で示す歪みのない基板座標５に対して、図中実線で示す位置精度測定パターンの形成位置から得られた基板座標７（すなわち初期歪みデータ）には歪みが生じていることがわかる。
【００１５】
このようにして得られた初期歪みデータには、第１層目のパターン露光に用いられる露光装置に特有の、糸巻き状のレンズ歪み、２μｒａｄ程度のレチクル回転、１ｐｐｍ程度の倍率オフセット、ミラー曲がりなどのステージ系統誤差、マスク歪みなどの要因による系統誤差がそのまま反映されることになる。
【００１６】
また、ステップＳ２で作成されるプロセスデータベース００２は、第ｎ層目のパターンを形成した後に基板に対して施される、成膜、熱処理、ＣＭＰ（chemical mechanical polishing）などの各処理が、第ｎ層目のアライメントパターン検出位置に及ぼす影響（検出位置の変化）を示すプロセスデータを格納してなるデータベースである。このようなプロセスデータの具体的例としては、熱処理による基板の変形に起因するアライメントパターンの位置ズレや、成膜の際の膜厚バラツキに起因するアライメントパターンの検出位置のだまされ等が挙げられる。
【００１７】
ここでは一例として、電子線露光装置を用いて露光を行う場合のアライメントパターンの検出位置のだまされについて説明する。図４に示すように、基板９の上方に形成された第ｎ層目のパターン（アライメントパターン１１を含む）を覆う状態で、例えば電子線散乱断面積の大きい物質であるタングステン（Ｗ）膜１３をスパッタ法によって成膜すると、スパッタ粒子がウェハ中心から外側に向かって照射されるため、基板９の周辺部分においてはアライメントパターン１１の側壁における成膜膜厚が非対称になる。尚、図４（１）はアライメントパターン１１の平面図であり、図４（２）は図４（１）のＡ−Ａ部に対応する断面図であり、ウェハの左端におけるタングステン膜の成膜状態を示している。ただし、図４（１）では、説明のために基板９及びタングステン膜１３の図示を省略している。
【００１８】
そして、例えば、第ｎ層のパターンに重ね合わせてタングステン膜１３をパターニングする場合には、このタングステン膜１３のマスクとなるレジストパターンを形成するためパターン露光が行われる。この際、図５に示すように、第ｎ層のアラントパターン１１の検出位置に基づいたアライメントを行う必要がある。尚、この図においては、膜厚０．１μｍのタングステン膜上にレジスト膜を形成した後、このレジスト膜に対して電子線によるパターン露光を行う場合の、電子線走査によるアラメントパターン１１の検出波形を示した。電子線の走査位置は、図４（１）のＡ−Ａ部に対応している。
【００１９】
ところが、タングステン膜１３上からこのアライメントパターン１１を検出した場合には、上述したように、アライメントパターン１１の側壁における成膜膜厚が非対称であり、側壁部分からの反射電子が段差分だけ積算されるので電子線走査した場合のシグナルが図５に示したように非対象になる。このため、実際のアライメントパターン１１の位置に対して、アライメントパターン１１の検出位置にズレが生じる、すなわち検出位置のだまされが生じるのである。
【００２０】
そこで、基板上の全面におけるスパッタ成膜後のアライメントパターンの検出位置のズレの傾向を検知し、これをスパッタ成膜に関するプロセスデータとして得る。図６には、第ｎ層のパターンを覆うタングステン膜を成膜した後に、このタングステン膜下の第ｎ層のパターンに重ね合わせてパターン露光を行った場合の重ね合わせ精度の測定結果であり、この結果を解析することによって、上述のプロセスデータを得る。尚、図中の矢印の方向は各チップにおける検出位置のズレ方向を示し、矢印の大きさは検出位置のズレ量を示している。
【００２１】
さらに、ステップＳ３で作成する装置データベース００３は、第ｎ層のパターンに重ね合せて行われるパターン露光の際に用いる露光装置に特有の、系統誤差（すなわち、露光パターンの位置ずれの傾向）に関する装置デースを格納してなるデータベースである。装置データベース００３に格納される装置データは、光ステッパのような投影露光装置においては、基板座標系データとチップ座標系データとの２階層で構成され、電子線露光装置のような直接描画露光装置においては、基板座標系データとフィールド座標系データとの２階層で構成される。以下に、各露光装置における各データの採取方法を説明する。
【００２２】
（１）投影露光装置
▲１▼基板座標系データ
先ず、パターンが形成されていない基板上の全面に位置精度測定パターンを形成する。この位置精度測定パターンを形成するためのパターン露光では、露光装置のレンズ中心でステージをステップandリピートさせることとする。そして、これらの位置精度測定パターンの形成位置を光学式絶対位置精度測定器を用いて測定することにより、例えば図７に示すような基板座標系データを得る。この図に示すように、図中破線で示す歪みのない基板座標１５に対して、図中実線で示す位置精度測定パターンの形成位置から得られた基板座標１７（すなわち基板座標系データ）には歪みが生じていることがわかる
【００２３】
この基板座標系データは、投影露光装置におけるステージのミラー曲がりや送り精度等のステージ系統誤差や、静電チャック機構などによって基板が露光装置に固定されることによる基板の変形など系統誤差を含み、各投影露光装置に固有の基板単位のデータになる。
【００２４】
▲２▼チップ座標系データ
先ず、パターンが形成されていない基板上の１チップ内に位置精度測定パターンを形成する。この位置精度測定パターンを形成するためのパターン露光では、位置精度測定パターン用の投影パターンが多数形成されているレチクルを用い、投影露光装置の最大画角で露光パターンを投影し、この画角内に多数の位置精度測定パターンが形成されるようにする。そして、これらの位置精度測定パターンの形成位置を光学式絶対位置精度測定器を用いて測定し、その結果から基板座標系データを差し引き、さらにチップ間の平均処理を行うことにより、例えば図８に示すようなチップ座標系データを得る。この図に示すように、図中破線で示す歪みのないチップ座標１９に対して、図中実線で示す位置精度測定パターンの形成位置から得られたチップ座標２１（すなわちチップ座標系データ）には歪みが生じていることがわかる。
【００２５】
このチップ座標系データは、ステッパレンズ歪み、倍率オフセット等の系統誤差を含み、各投影露光装置に固有のチップ単位のデータになる。尚、基板の高さ測定の系統誤差などに起因してレンズ歪みに基板面内分布があるときには、基板座標もこのチップ座標系データのパラメータとして用いることとする。
【００２６】
（２）直接描画露光装置
▲１▼基板座標系データ
先ず、パターンが形成されていない基板上の全面に位置精度測定パターンを形成する。この位置精度測定パターンを形成するためのパターン露光では、直接描画露光装置の偏向領域（フィールド）中心でステージをステップandリピートさせることとする。そして、これらの位置精度測定パターンの形成位置を光学式絶対位置精度測定器を用いて測定することにより、例えば図９に示すような基板座標系データを得る。この図に示すように、図中破線で示す歪みのない基板座標２３に対して、図中実線で示す位置精度測定パターンの形成位置から得られた基板座標２５（すなわち基板座標系データ）には歪みが生じていることがわかる。
【００２７】
この基板座標系データは、直接描画露光装置におけるステージのミラー曲がりや送り精度等のステージ系統誤差や、静電チャック機構などによって基板が露光装置に固定されることによる基板の変形など系統誤差を含み、各直接描画露光装置に固有の基板単位のデータになる。
【００２８】
▲２▼フィールド座標系データ
先ず、パターンが形成されていない基板上の１フィールド内に位置精度測定パターンを形成する。この位置精度測定パターンを形成するためのパターン露光では、直接描画露光装置のフィールド内に多数の位置精度測定パターンが形成されるようにする。そして、これらの位置精度測定パターンの形成位置を光学式絶対位置精度測定器を用いて測定し、その結果から基板座標系データを差し引き、さらにフィールド間の平均処理を行うことにより、例えば図１０に示すようなフィード座標系データを得る。この図に示すように、図中破線で示す歪みのないフィールド座標２７に対して、図中実線で示す位置精度測定パターンの形成位置から得られたフィールド座標２９（すなわちフィールド座標系データ）には歪みが生じていることがわかる。
【００２９】
このフィールド座標系データは、各直接描画露光装置に固有のフィールド単位のデータになる。尚、基板表面の電位分布などによって、フィールド形状が基板面内において分布を有している場合には、基板座標もこのフィールド座標系データのパラメータとして用いることとする。
【００３０】
このような装置データベース００３に格納される各データは、経時変化に対するパラメータも設定できることとする。例えば、投影露光装置のレンズがパターン露光の際の熱で劣化していく場合、当該投影露光装置における総合露光時間をパラメータとしてレンズ歪みの変化を関数化し、総合露光時間をフィードバックして対応するデータに反映させることとする。
【００３１】
以上のようにして、図１に示すステップＳ１〜Ｓ３の各データベース００１〜００３を作成した後、基板上に形成された第ｎ層目（ここでは、先ず第１層目）のパターンに重ね合わせて、以下のようにパターン露光を行う。尚、第１層目のパターンは、ステップＳ１の初期歪みデータベースの作成で説明したように、ステップＳ１１及びステップＳ１２を経ることで基板上に形成されていることとする。
【００３２】
また、このフロー図での図示は省略したが、ステップＳ１２の後には、一例としてスパッタ法によるタングステン膜（膜厚０．１μｍ）の成膜工程が行われ、次のパターン露光は、このタングステン膜をパターニングする際のマスク形成のためのリソグラフィー処理において行われることとする。
【００３３】
そして、第１層目のパターンに重ね合わせたパターン露光を行う場合、先ず、ステップＳ１３では、タングステン膜上にレジストが塗布された基板を、パターン露光に用いる露光装置に対して搬送固定する。そして、第１層目のパターンのうちのアライメントパターンを検出する。この際、図１１に示すように、基板３１上における離れた位置のチップ３３ａ，３３ｂに設けられたアライメントパターン３５の形成位置を検出することとする。尚、これらのアライメントパターン３５は、第１層目のパターンとして形成されたものであることする。
【００３４】
次に、ステップＳ１４においては、ステップＳ１３で得られたアライメントパターンの検出位置に基づいて、アライメント係数を算出する。このアライメント係数は、露光装置への基板の固定状態（基板回転角度、基板中心位置等）を示すラフアライメントのための値であることとする。
【００３５】
その後、ステップＳ１５においては、ステップＳ１４で算出したアライメント係数を、ステップＳ１で作成した初期歪みデータベース００１に格納された初期歪みデータに重畳させる。
【００３６】
しかる後、ステップＳ１６においては、ステップＳ２で作成したプロセスデータベース００２から必要なプロセスデータを取り出し、このプロセスデータとアライメント係数を重畳させた初期歪みデータとを加算することで初期歪みデータを補正する。ここで必要なプロセスデータとは、ステップＳ１２の後で基板に施された処理のうち、第１層目のアライメントパターンの検出に位置の変化に影響を及ぼす全てのプロセスデータであり、ここでは、スパッタ法による膜厚０．１μｍのタングステン膜の成膜によるアライメントマークの検出位置のだまされに関するプロセスデータであることとする。
【００３７】
次に、ステップＳ１７においては、ステップＳ３で作成した装置データベース００３から、基板が搬送固定されている露光装置に関する全ての装置データを取り出し、この装置データとステップＳ１６で補正した初期歪みデータとを加算することで、さらに初期歪みデータを補正する。
【００３８】
以上のようにして初期歪みデータを段階的に補正した後、ステップＳ１８においては、露光装置に搬送固定された基板表面のレジスト膜に対して、第１層目のパターンに重ね合わせたパターン露光を行う。この際、ステップＳ１７で補正された初期歪みデータに基づいて、露光位置を補正しながら（すなわちアライメントを行いながら）、第１層目のパターンに重ね合わせた目的の位置に対してパターン露光を行うこととする。
【００３９】
以上の後、ここでの図示は省略したが、パターン露光に続く一連のリソグラフィー工程を行い、第１層目のパターンを覆うタングステン膜上にレジストパターンを形成する。しかる後、このレジストパターンをマスクに用いたエッチングによってタングステン膜をパターニングし、タングステンからなる第２層目のパターンを形成する。
【００４０】
その後、さらに必要な成膜処理やその他の処理を行った後、第２層目以降のパターンに重ね合わせたパターン露光を行う場合には、ステップＳ１３に戻り、ステップＳ１３〜ステップＳ１８までの工程を順次繰り返し行うこととする。
【００４１】
以上実施形態で説明したパターン露光では、先ず、第１層目のパターン露光においては基板上に基準となるアライメントパターンがないため、このパターン露光に用いられる露光装置に特有の露光パターンの形成位置歪みが生じ、これが第２層目以降のアライメントパターンの形成位置に影響を及ぼすことになる。
【００４２】
ここで、各層のパターンに対する重ね合わせのパターン露光においては、第１層目のパターンの形成位置に関する初期歪みデータ００１に基づいてアライメントが行われる。このため、第１層目のパターンの形成位置歪みに起因する各層のアライメントパターンの形成位置歪みの傾向を、各層のアライメントパターンを検出することなく各アライメントに反映させることができる。したがって、第２層目以降のアライメントパターンを用いたアライメントにおいては、第１層目のパターンの形成位置歪みの影響を検知するためのアライメントマークの検出を省略することができる。
【００４３】
また同様に、予め採取されたプロセスデータ及び装置データに基づいてアライメントが行われるため、これらのデータに示される各アライメントパターンの位置ズレの傾向を、このアライメントパターンを検出することなくアライメントに反映させることができる。
【００４４】
以上の結果、高精度なアライメントを行いながらも、第２層目以降のアライメントマークの検出数を大幅に少なくしてパターン露光におけるスループットの向上を図ることが可能になる。
【００４５】
しかも、本実施形態で説明したパターン露光においては、予め採取されたプロセスデータに基づいてアライメントが行われるため、リソグラフィー以外の各処理の影響を除去したアライメントを行うことができる。したがって、アライメント精度の向上を図ることができる。
【００４６】
また、この実施形態においては、初期歪みデータ００１、プロセスデータ００２、装置データ００３をデータベース化しているため、パターン露光におけるロット処理数の増加によるデータの蓄積によって各データベースの高精度化が図られる。このデータベースの高精度化によって、アライメント精度のさらなる向上を図ることができる。
【００４７】
さらに、データを蓄積することによって、信頼性の向上を図ることができるため、パターン露光の条件出しを不要にすることも可能になる。
【００４８】
尚、各データベースのうち、初期歪みデータベース００１と装置データベース００３とは互換性を有しており、露光装置が同一であれば、装置データベース００３に格納された装置データのうちの基板座標系データとチップ座標データ（投影露光装置の場合）、または基板座標系データとフィールド座標系データ（直接描画露光装置の場合）とに基づいて初期歪みデータを得ることができる。
【００４９】
したがって、第１層目のパターンを形成するために用いられた露光装置に関する装置データが既に採取されている場合には、初期歪みデータを得るために第１層目の位置精度測定パターンの形成位置を検出する必要はなく、第１層目のパターンに重ね合わせるパターン露光のスループットの向上を図ることが可能になる。
【００５０】
また、上述の実施形態においては、ステップＳ１５〜ステップＳ１７において、アライメント係数を重畳した初期歪みデータをプロセスデータにて補正し、さらに装置データにて補正する場合を説明した。しかし、本発明においては、データ補正の手順は順不同であり、また、各データに基づいて一度にデータ補正が成されるような構成であっても良い。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の露光方法によれば、第２層目以降のパターン露光において、第１層目のパターンの形成位置歪みに基づいてアライメントを行うようにしたことで、第１層目のパターンの形成位置歪みに起因する第ｎ層目のアライメントパターンの形成位置歪みの傾向を、このアライメントパターンを検出することなくアライメントに反映させることが可能になる。したがって、高精度なアライメントを行いながらも、第２層目以降のアライメントマークの検出数を大幅に少なくしてパターン露光におけるスループットの向上を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の露光方法の一例を説明するためのフロー図である。
【図２】初期歪みデータを得るための位置精度測定パターンの一例を示す図である。
【図３】初期歪みデータの一例を示す図である。
【図４】アライメントパターンの検出位置のだまされを説明するための図である。
【図５】タングステン膜上からのアライメントパターンの検出波形を示す図である。
【図６】タングステン膜で覆われたパターンに対する重ね合わせ精度の測定結果を示す図である。
【図７】投影露光装置の装置データを構成する基板座標系データの一例を示す図である。
【図８】投影露光装置の装置データを構成するチップ座標系データの一例を示す図である。
【図９】直接描画露光装置の装置データを構成する基板座標系データの一例を示す図である。
【図１０】直接描画露光装置の装置データを構成するフィールド座標系データの一例を示す図である。
【図１１】第ｎ層目のパターン露光におけるラフアライメントのためのアライメントパターンを示す図である。
【符号の説明】
９，３１…基板、１１，３５…アライメントパターン

Claims

基板上に形成された第ｎ層目（ｎは自然数）のパターンに重ね合わせてパターン露光を行う場合の露光方法であって、
予め採取した第１層目のパターン露光に用いる露光装置に特有の露光パターンの位置ズレから、前記基板上の全面における第１層目のパターンの形成位置歪みを示す初期歪みデータを得、当該初期歪みデータに基づいて露光位置の補正を行う
ことを特徴とする露光方法。
前記初期歪みデータと共に、前記第ｎ層目のアライメントパターンの検出結果に基づいて前記露光位置の補正を行う
請求項１に記載の露光方法。
前記初期歪みデータと共に、前記基板に対して施される処理に起因する前記第ｎ層目のアライメントパターンの検出位置の変化を示すプロセスデータに基づいて前記露光位置の補正を行う
請求項１または２に記載の露光方法。
前記初期歪みデータと共に、前記第ｎ層目のパターンに重ね合わせたパターン露光に用いる露光装置に特有の露光パターンの位置ズレを示す装置データに基づいて前記露光位置の補正を行う
請求項１〜３の何れかに記載の露光方法。