JPH01121703A - アラインメント方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、アラインメント方法に関し、特に、高精度の
アラインメントに適用して有効な技術に関するものであ
る。

〔従来技術〕

従来、ＩＣ１ＬＳＩ等の半導体集積回路装置の製造工程
においては、いわゆるフォトリソグラフィー技術が用い
られている。このフォトリソグラフィーにおいては、レ
チクルやフォトマスクに形成されたパターンを写真技術
を用いて半導体ウェーハ表面やフォトマスクの原板に転
写している。

近年１．半導体集積回路装置の素子パターンの微細化、
素子の高集積化の進展に伴って、転写されるパターンの
サイズも益々微小化される傾向にあり。

このため露光には１：５の縮小投影露光装置が多用され
ている。

ところで、この種の縮小投影露光装置により半導体ウェ
ーハの露光を行う場合には、レチクルのパターンと半導
体ウェーハにおける′チップのパターンとを正確にアラ
インメントする必要があり、このアラインメントの精度
の向上が半導体集積回路装置を高集積化する上で重要な
因子となっている。このため、近年の縮小投影露光装置
においては、縮小レンズを通して半導体ウェーハ上のタ
ーゲットパターンを検出してアラインメントを行ういわ
ゆるスルーザレンズ（ＴＴＬ）方式のアラインメントが
主流となっている（例えば、電子材料、１９８１年別冊
、Ｐ、１０３〜ｐ、１０９）。

このＴＴＬ方式によりアラインメントを行う場合には、
半導体ウェーハ上にレジストを塗布した状態で単色光を
照射することによりターゲットの段差パターンの検出を
行う、この場合、レジストの表面による反射光と半導体
ウェーへの表面による反射光との干渉により、段差パタ
ーンとほぼ同一形状の干渉縞が同心円状に生じてしまう
、そこで、従来はこの干渉縞をＴＶカメラで検出して電
気信号に変換し、このＴＶカメラ上で信号電圧の位置に
よる変化を検出して信号波形を得、この信号波形からタ
ーゲットの段差パターンの位置を検出していた。　　・ しかしながら、上述の従来のＴＴＬ方式によるアライン
メント方式は次のような欠点を有する。

すなわち、一般にレジストの塗布はウェーハの回転によ
る遠心力を利用して行っているので、この遠心力によっ
て段差パターン近傍におけるレジストのステップカバレ
ッジはこの段差パターンの中心に対して非対称となる。

このため、前記の干渉縞も非対称になり、従って干渉縞
の画像から得られる信号電圧波形は非対称でしかも複雑
なものとなる。この結果、ターゲッ°トの段差パターン
の検出が困難となり、誤検出や位置検出精度の劣化が生
じる。このような理由から、従来は高精度のアラインメ
ントを行うことが難しかった。なお、上述のような複雑
な信号波形から段差パターンの位置を検出する方法とし
て、対称性パターンマツチング量の計算を行い、マツチ
ング誤差が最小となる位置を求める方法があるが、実際
のウェーハ製造プロセスを経た後の半導体ウェーハでは
この方法によっても十分な検出精度を得ることができな
いことが少なくなく、このような場合にはやはり高精度
のアラインメントを行うことができない。

本発明者は、特願昭６２−４０２７７号において、上述
の問題を解決したアラインメント方法を提案した。この
アラインメント方法は、干渉性を有する第１及び第２の
光をそれぞれ段差パターン及び物体の表面に対して所定
角度傾斜した反射面に照射し、前記第１の光の前記段差
パターンによる反射光と前記第２の光の前記反射面によ
る反射により得られる参照光とを干渉させることにより
得られる干渉縞の形状を検出することによって前記段差
パターンの位置を検出し、アラインメントを行うもので
ある。

〔発明が解決しようとする間電点〕

しかしながら、本発明者によるその後の検討によれば、
前記アラインメント方法は、段差パターンの高さが約０
．１μｍ以上である場合には有効であるが１段差パター
ンの高さが約０．１μｍ以下の場合には段差パターンの
検出が困難になり。

従って７ラインメントが不可能になるという問題があっ
た。

本発明の目的は１段差パターンの高さが小さい場合にお
いても高精度なアラインメントを行うことができる技術
を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろ
う。

〔問題点を解決するための手段〕

まず、本発明の原理について説明する。

第３図に示すように９例えば２表面にターゲットの段差
パターン１ａが設けられた半導体ウェーハ１上にレジス
ト２が塗布されている状態で段差パターン１ａの位置を
検出してアラインメントを行う場合を考える。なお、こ
こでは段差パターン１ａが凸の場合を考えるが、凹の場
合でも全く同様である。今１図示省略した単色光の光源
と、この半導体ウェーハ１との間に干渉用のレファレン
スミラー３を設ける。このレファレンスミラー３は、前
記半導体ウェーハ１に対して微小な角度Δθだけ傾斜さ
せておく、ここで、光源からの単色光４を半導体ウェー
ハ１に向かって照射すると、その一部はレファレンスミ
ラー３の裏面の反射面（反射率γ）で反射され、その残
りの単色光４の一部はレジスト２の表面（反射率β）で
反射され、さらにその残りの単色光４はレジスト２を透
過して段差パターン１ａの部分における半導体ウェーハ
１の表面（反射率α）で反射される。この場合、これら
の反射光の間には光路差が生じるため、レファレンスミ
ラー３の反射面による反射光と半導体ウェーハ１の表面
による反射光との間め干渉による干渉縞、レファレンス
ミラー３の反射面に”ｉる反射光とレジスト２の表面に
よる反射光μの−の干渉による干渉縞及びレジスト２の
表面による反射光と半導体ウェーハ１の表面による反射
光との間の干渉による干渉縞が生じる。ここで、半導体
ウェーハ１の表面の反射率α〉レジスト２の表面の反射
率βとなるように条件を選ぶことにより、レジスト２の
表面による反射光の強度を他の反射光の強度に対して相
対的に小さくすることができるため、後者の２つの干渉
縞は実効的に無視することができる。従って、以下にお
いては、レウアレンスミラ−３の反射面による反射光と
半導体ウェーハ１の表面による反射光との間の干渉によ
る干渉縞のみを考える。これによって１段差パターン１
ａの近傍におけるレジスト２のステップカバレッジが非
対称となることによる悪影響を除去することができる。

このレファレンスミラー３の反射面による反射光と半導
体ウェーハ１の表面による反射光との間の干渉による干
渉縞を第４図に示す、この第４図に示す干渉縞と直交す
る方向の光強度の変化のピッチＰは、レファレンスミラ
ー８の半導体ウェーハ１に対する傾斜角度Δθと単色光
４の波長λとによって決定され、Ｐ＝λ／Δθとなる。

第３図に示すように１段差パターン１ａの近傍の干渉縞
は、この段差パターン１ａの段差の影響により傾斜する
。この傾斜による干渉縞の位置のずれ量は、例えば段差
の高さがλ／２である場合。

ピッチＰである。このようにターゲットの段差パターン
１ａの近傍においては、干渉縞が傾斜するため、実効的
に干渉縞の間隔が小さくなる。このため、段差パターン
ｉａの近傍においては、干渉縞と直交する方向の光強度
の変化は相対的に小さくなる。これは、パターン検出光
学系におけるＭＴ　Ｆ　（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｔｒ
ａｎｓｆｅｒ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）特性によるもので、
ラインアンドスペースパターンのコントラストの伝達率
がピッチが小さいほど小さくなるためである。

第４図に示す干渉縞パターンの画像を例えばＴＶカメラ
により電気信号に変換し、干渉縞と直交する方向の走査
線１１．１２の信号電圧を検出するとそ九ぞれ第５図及
び第６図に示すようなグラフが得られる。これらの第５
図及び第６図に示すように、段差パターン１ａの近傍で
干渉縞のピッチが小さくなっていることを反映して、走
査線１゜の信号電圧の変動幅ｖ２は、走査線１１の信号
電圧の変動幅Ｖ□に比べて小さくなっている。従って、
第４図のｊ方向に走査線を順次垂直走査しながら各走査
線の信号電圧の変動幅をｊ方向の位置座標に対してグラ
フ化すると第７図に示すような信号波形が得られる。こ
のようにして得られた信号波形においては、ターゲット
の段差パターン１ａの近傍で信号強度が最小（極小）と
なり、しかも信号波形は極めて単純でかつ対称性が良い
。

従って、第７図に示すグラフを用いることにより、信号
が極小値をとる２点を検出し、これらの二等分点を段差
パターン１ａの中心とする方法や、グラフの最大値と最
小値との間の一定電圧（しきい値電圧ｖｔｈ）の直線と
グラフとの交点を検出してこれらの交点の二等分点を段
差パターン１ａの中心とする方法等により、段差パター
ン１ａの位置を高い精度で検出することができる。また
、既述の対称性パターンマツチング法を用いても同様な
結果を得ることができる。このようにして段差゛パター
ン１ａの位置を高精度で検出することができるので、こ
の情報にもとづいて例えば縮小投影露光装置におけるレ
チクルのパターンと段差パターン１ａとのアラインメン
トを極めて容易にしかも高精度で行うことができる。

ところが、段差パターン１ａの高さが０．１μｍ以下で
ある場合には、干渉縞の形状は例えば第８図に示すよう
になり、段差パターン１ａの近傍においても干渉縞の間
隔は小さくならない、このため、第８図に示す干渉縞パ
ターンの画像を例えばＴＶカメラにより電気信号に変換
し、干渉縞と直交する方向の走査線ｌい１！の信号電圧
を検出して得られるグラフはそれぞれ第９図及び第１０
図に示すようになり、走査線１２の信号電圧の変動幅ｖ
２は、走査線１１の信号電圧の変動幅ｖ１に比べてほと
んど変らない、その結果、各走査線の信号電圧の変動幅
をｊ方向の位置座標に対してグラフ化して得られるグラ
フは第１０図に示すようになり、段差パターン１ａの検
出が困難となってしまう。

ところで、第８図に示すように、干渉縞は段差パターン
１ａの部分ではｉ方向にずれを生じる。

この位置のずれは、ＴＶカメラの走査線の信号電圧の変
動の位相のずれとなる。そこで１例えば各走査線につい
て信号電圧の変動の位相が同一になるｉ方向の位置を検
出し、これをｊ方向の位置座標と対応させることにより
、第８図に示すような干渉縞の形状を認識する。ことが
でき、これによってアラインメントを行うことが可能と
なる。

本願において開示される発明のうち１代表的なものの概
要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。

すなわち、干渉性を有する第１及び第２の光をそれぞれ
段差パターン及び物体の表面に対して所定角度傾斜した
反射面に照射し、前記第１の光の前記段差パターンによ
る反射光と前記第２の光の前記反射面による反射により
得られる参照光とを干渉させることにより得られる干渉
縞の形状を検出し、この干渉縞の形状の特徴点を認識す
ることによって前記段差パターンの位置を検出するよう
にしている。

〔作用〕

上記した手段によれば、千゛渉縞の形状の特徴点を認識
するようにしていることから、段差パターンの高さが小
さい場合においてもこの段差パターンの位置を高精度で
検出することができる。これによって、段差パターンの
高さが小さい場合においても高精度のアラインメントを
行うことができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いて具体的に説明す
る。

なお、実施例を説明するための全図において。

同一機能を有するものには同一符号を付け、その繰り返
しの説明は省略する。

第１図は１本発明の一実施例による縮小投影露光装置を
示す斜視図である。

第１図に示すように１本実施例による縮小投影露光装置
においては、例えば水銀ランプのような゛光源５の下方
にコンデンサーレンズ６が設けられ、このコンデンサー
レンズ６の下方にレチクル７が設けられるようになって
いる。このレチクル７の下方には、円筒形状の縮小レン
ズ８が設けられている。さらに、この縮小レンズ８の下
方には２図示省略したＸＹ移動台の上に第２図に示すと
同様な半導体ウェーハ１が載置されている。そして、縮
小レンズ８により縮小された前記レチクル７のパターン
の像を、ｘＹ移動台により半導体ウェーハ１をＸ、Ｙ方
向に所定ピッチでステップアンドリピート移動しつつ投
影露光することができるようになっている、なお、本実
施例においては、ＸＹ力方向アラインメントを同時に行
うために、半導体ウェーハ１に設けられている段差パタ
ーン１ａはＸＹ力方向延びる十字形の形状を有する。

本実施例による縮小投影露光装置においては、上述の構
成に加えて次のようなターゲットパターンのアラインメ
ント装置が設けられている。すなわち、このアラインメ
ント装置においては光ファイバー９が設けられ、この光
ファイバー９を通して例えば水銀ランプ光源のｅ線（波
長５４６ｎｍ）のような単色光４をその一端から下方に
照射することができるようになっている。なお、この単
色光４を得るための水銀ランプ光源は、露光用の光源Ｓ
を用いてもよいし、これと別に設けてもよい、また、こ
の単色光４としては、水銀ランプのｉ線（波長５７９ｎ
ｍ）、　ｇ線（波長４３６ｎｍ）、　ｈ線（波長４０５
ｎｍ）、ｉ線（波長３６５ｎｍ）等、ハロゲンランプに
よる光、さらにはＨａ−Ｎｏレーザー、アルゴンレーザ
ー、Ｈｅ−Ｃｄレーザー等のレーザー光を用いてもよい
、前記光ファイバー９の下方にはビームスプリッタ１０
が設けられ、このビームスプリッタ１０により単色光４
を干渉性を有する２本の光に分割す゛ることができるよ
うになっている。上のビームスプリッタ１０により分割
された一方の光は、リレーレンズ１１を通ってミラー１
２に入射し、このミラー１２で反射された後、縮小レン
ズ８を通って半導体ウェーハ１の表面に入射するように
なっている。この半導体ウェーハ１の表面に入射した光
は、この半導体ウェーハ１の表面で反射された後、上述
と逆方向に縮小レンズ８、ミラー１２．リレーレンズ１
１及びビームスプリッタ１０を通って例えばＴＶカメラ
１３に入射して検出される。なお、この光の検出は、リ
ニアイメージセンサ−１固体撮像素子、撮像管等により
行うことができる。

一方、ビームスプリッタ１０で分割された他方の光は、
このビームスプリッタ１０の下方に設けられたレファレ
ンスリレーレンズ１４を通ってミラー１５に入射するよ
うになっている。このミラー１５で反射された光は、レ
ファレンスレンズ１６を通ってレファレンスミラー３に
入射し、このレファレンスミラー３で反射されるように
なっている。このレファレンスミラー３の反射面は、既
述のようにＸＹ力方向７ラインメントを同時に行うため
に曲率半径の大きい球面となっているが、゛第３図に示
すレファレンスミラー３と同様な役割を果たす、この場
合には、このレファレンスミラー３の球面の反射面と段
差パターン１ａの表面との間の干渉により、ニュートン
リング状の干渉縞がＴＶカメラ１３上でａｍされる。こ
のレファレンスミラー３で反射された光は、上述と逆方
向にレファレンスレンズ１６、ミラー１５及びレファレ
ンスリレーレンズ１４を通ってビームスプリッタ１０に
入射し、このビームスプリッタ１０で反射されて前記Ｔ
Ｖカメラ１３に参照光として入射するようになっている
。なお、前記レンズ１１．１４．１６．ミラー１２．１
５．３等は、前記ＴＶカメラ１３に入射する前記“２本
の光の光学的距離が近似的に等しくなるように配置され
ている。これによって、前記２本の光は、ＴＶカメラ１
３上で干渉して干渉縞を生じるようになっている。

なお、前記２本の光の強度が同程度であると鮮・明な干
渉縞を得ることができるので、必要に応じて例えばレフ
ァレンスリレーレンズ１４とミラー１５との間にＮＤ　
（Ｎｅｕｔｒａｌ　Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルター等を設
けて光の強度を減衰させてもよい。

次に、上述のよう゛１；構成されたアラインメント装置
によりアラインメントを行う方法について説明する。

まず、半導体ウェーハ１をｘＹ移動台により移動させて
、縮小レンズ８から半導体ウェーハ１に向かって出射さ
れる光がターゲットの段差パターン１ａを照射するよう
にする。これによって、ＴＶカメラ１３上で生じた干渉
縞の画像が第８図に示すように得られる。なお、既述の
ように実際には干渉縞はニュートンリング状となるが、
ここでは簡単のため第８図に示す形状で近似した。また
。

ここではＸＹ力方向延びる段差パターン１ａの一方に生
じた干渉縞のみ示した。

次に、この干渉縞から段差パターン１ａの中心位置を検
出する方法について説明する。

第２図に示すように、ＴＶカメラ１３の画面上の走査線
Ｓを水平同期信号によりスタートさせると同時にカウン
タ１７をスタートさせる。この走査線信号は、干渉縞の
強度変化に対応して変動する。

一方、遅延回路１８により、この同期信号よりも所定時
間遅れてパルス信号Ｐを発生させ、アンド回路１９に送
る。さらに、立上り零クロス検出回路２０により、走査
線信号の変動における立上りと例えばこの変動の中心線
（零レベルとする）との各交点（零クロス）に対応して
パルス信号ｐ、〜ｐ４を発生させ、これらを前記アンド
回路１９に送る。この場合、前記パルス信号Ｐと同時に
このアンド回路１９に送られるのはパルス信号ｐ３（３
本目の干渉縞に対応する）だけであり、この時このアン
ド回路１９から前記カウンタ１７にストップ信号パルス
が送られ、このカウンタ１７がストップする。このスト
ップした時のカウンタ１７の計測値、すなわち走査線信
号の立ち下がり位置からの経過時間Ｔｉがホールド回路
２０に保持される。なお、カウンタ１７により計測され
たこの経過時間Ｔｉのホールド回路２０への読み込みは
、前記アンド回路１９から送られる前記ストップ信号パ
ルスを遅延回路２１により所定時間送らせることにより
得られるパルス信号により行う。

これらの一連の動作が走査線の本数分だけ繰り返され、
ホールド回路２０にこの走査線の本数に応じた数の計測
された経過時間Ｔｉのデータが保持される。これらのデ
ータから、第１３図に示すように、第１２図に示す干渉
縞と同一形状のグラフが得られるので、これらのデータ
から計算により求められる最適なしきい値Ｔｔｈとこの
グラフとの交点を求め、この交点の位置の２等分点をも
って段差パターン１ａの中心とすればよい、これによっ
て、例えばＹ方向の段差パターン１ａの中心位置を高精
度で求めることができる。また、これと同時に、Ｘ方向
の段差パターン１ａの中心位置も高精度で求めることが
できる。このようにして得られた段差パターン１ａのＸ
Ｙ力方向中心位置の情報にもとづいてＸＹ移動台により
半導体ウェーハ１をＸ、Ｙ方向に移動させることにより
、ＸＹ力方向アラインメントを行うことができる。これ
によって１段差パターン１ａの高さが０．１μｍよりも
小さい場合においても、高精度のアラインメントを容易
に行うことができる。

以上、本発明を実施例にもとづき具体的に説明したが１
本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その
要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であること
は言うまでもない。

例えば、上述の実施例においては、本発明を縮小投影露
光装置におけるアラインメントに適用した場合について
説明したが、本発明は、等倍型の露光技術、コンタクト
型置光技術１寸法測定技術等におけるアラインメントは
もとより、半導体製造技術以外の分野におけるアライン
メントにも適用することができる。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりであ
る。

すなわち、段差パターンの高さが小さい場合においても
アラインメントを高精度で行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例によるアラインメント方法
を用いた縮小投影露光装置の要部を示す斜視図、 第２図は、本発明の一実施例によるアラインメント方法
を説明するためのブロック図。 第３図は、本発明の詳細な説明するための断面図、 第４図は、半導体ウェーハの段差パターンの高さが大き
い場合におけるＴＶカメラの画面上のこの段差パターン
近傍における干渉縞を示す図、第５図及び第６図は、第
４図に示すＴＶカメラの画面における走査線の信号電圧
の変化を示すグラフ、 第７図は、第５図及び第６図から求められた信号電圧の
変動幅の半導体ウェーハ上の位置による変化を示すグラ
フ、 第８図は、半導体ウェーハの段差パターンの高さが小さ
い場合におけるＴＶカメラの画面上のこの段差パターン
近傍における干渉縞を示す図。 第９図及び第１０図は、第８図に示すＴＶカメラの画面
における走査線の信号電圧の変化を示すグラフ、 第１１図は、第９図及び第１０図から求められ　・た信
号電圧の変動幅の半導体ウェーハ上の位置による変化を
示すグラフ。 第１２図は、第８図に示す干渉縞の形状を示すグラフ。 第１３図は、第１２図に示す干渉縞を示すグラフと同等
なグラフである。 図中、１・・・半導体ウェーハ（物体）、１ａ・・・段
差パターン、２・・・レジスト、３・・・レファレンス
ミラー、４・・・単色光、５・・・光源、７・・・レチ
クル、８・・・縮小レンズ、９・・・光ファイバー、１
０・・・ビームスプリッタ、１２．１５・・・ミラー、
１３・・・ＴＶカメラである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、所定の物体の表面に設けられた段差パターンの位置
   を検出してこの段差パターンのアラインメントを行うよ
   うにしたアラインメント方法であって、干渉性を有する
   第１及び第２の光をそれぞれ前記段差パターン及び前記
   物体の表面に対して所定角度傾斜した反射面に照射し、
   前記第１の光の前記段差パターンによる反射光と前記第
   ２の光の前記反射面による反射により得られる参照光と
   を干渉させることにより得られる干渉縞の形状を検出し
   、この干渉縞の形状の特徴点を認識することによって前
   記段差パターンの位置を検出するようにしたことを特徴
   とするアラインメント方法。 ２、前記干渉縞の光強度をＴＶカメラにより電気信号に
   変換し、前記干渉縞と直交する方向の走査線信号の変動
   の位相を検出し、この位相の前記物体上の位置による変
   化を検出することにより前記段差パターンの位置を検出
   するようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載のアラインメント方法。 ３、前記物体が半導体ウェーハであることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項又は第２項記載のアラインメント
   方法。 ４、前記干渉性を有する第１及び第２の光を単一の水銀
   ランプからの単色光を分割することにより得るようにし
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第３項のい
   ずれか一項記載のアラインメント方法。 ５、前記アラインメント方法が縮小投影露光装置におけ
   るアラインメント方法であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項〜第４項のいずれか一項記載のアラインメ
   ント方法。