JPH06181169A - Aligner and fabrication of semiconductor device - Google Patents

Aligner and fabrication of semiconductor device

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Publication number
JPH06181169A
JPH06181169A JP4333231A JP33323192A JPH06181169A JP H06181169 A JPH06181169 A JP H06181169A JP 4333231 A JP4333231 A JP 4333231A JP 33323192 A JP33323192 A JP 33323192A JP H06181169 A JPH06181169 A JP H06181169A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
error
coordinate value
array coordinate
semiconductor substrate
alignment
Prior art date
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Pending
Application number
JP4333231A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Fumiaki Ushiyama
文明 牛山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to JP4333231A priority Critical patent/JPH06181169A/en
Publication of JPH06181169A publication Critical patent/JPH06181169A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To increase production yield of semiconductor device by realizing high aligning accuracy even for a process having significant random error while taking advantage of short aligning time of conventional technology when a plurality of chips arranged on a semiconductor substrate are aligned sequentially to respective reference positions by step and repeat system. CONSTITUTION:When a semiconductor substrate is aligned by step and repeat system depending on the coordinate values of actual chip arrangement calculated based on error parameters (translation, expansion/contraction, rotation, perpendicularity error), random errors which can not be corrected by the error parameters are previously obtained at each chip position on a substrate and stored. The ransom errors thus stored are added to calculated coordinates of actual arrangement which is thereby corrected thus aligning the chips.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置を製造する
ためのステップアンドリピート方式の露光装置におい
て、半導体基板とマスクとの位置合わせに関するもので
ある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to alignment between a semiconductor substrate and a mask in a step-and-repeat exposure apparatus for manufacturing a semiconductor device.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、半導体装置は急速に微細化、高密
度化が進み、これを製造する装置、特にマスクの回路パ
ターンを半導体基板上に形成された回路パターンの上に
重ね合わせて転写する露光装置にも、更に高精度なもの
が要求されてきている。このため現在、露光装置はマス
クの回路パターンを、半導体基板上に一露光単位(例え
ば、1チップ)を露光したら、前記半導体基板を一定距
離だけステッピングさせては再びマスクの回路パターン
を露光することを繰り返す、ステップアンドリピート方
式の装置、特に縮小投影型の露光装置(ステッパー)が
主流になっている。図3は、ステップアンドリピート方
式と従来の位置合わせ方法を説明する図であるが、この
方式では、半導体基板32をX−Y2次元移動ステージ
31に載置してマスクの回路パターンの投影像に対して
位置決めするため、その投影像と前記半導体基板32上
の各チップ33とを精密に重ね合わせることができる。
縮小投影型露光装置の場合、マスクに設けられた位置合
わせマークと、前記半導体基板32上の各々のチップ3
3に付随した位置合わせマーク34とを投影レンズを介
して直接観察、または、検出して位置合わせするスルー
ザレンズ方式のアライメント方法と、投影レンズから一
定距離だけ離して設けた位置合わせ用の顕微鏡を使って
前記半導体基板32全体の位置合わせを行った後、前記
基板32を投影レンズの直下に送り込むオフアクシス方
式のアライメント方法との2つの方法がある。一般にス
ルーザレンズ方式は、前記半導体基板32上の各チップ
33毎に位置合わせすることから、重ね合わせ精度は高
くなるものの、1枚の基板の露光処理時間が長くなると
いう問題がある。オフアクシス方式の場合は、一度前記
半導体基板32全体の位置合わせが完了したら、前記チ
ップ33の配列に従って前記基板32をステッピングさ
せるだけなので、露光処理時間が短縮される。しかしな
がら、前記各チップ33毎の位置合わせを行わないた
め、前記半導体基板32の伸縮や、前記基板32の前記
ステージ31上での回転誤差、また、前記ステージ31
自体の直交度などの影響で満足な重ね合わせ精度が得ら
れない。そこで最近、前記半導体基板32上に配列され
た前記複数のチップ33の全てではなく、その内のいく
つかについてのみ、マスクのパターンの投影位置などの
基準位置との位置合わせを実施し、後は単にステッピン
グだけでより精密な位置合わせを可能とする方法が提案
され、現在、位置合わせ方法の主流となっている。
2. Description of the Related Art In recent years, semiconductor devices have been rapidly miniaturized and highly densified, and a device for manufacturing the same, particularly a circuit pattern of a mask, is transferred by superposing it on a circuit pattern formed on a semiconductor substrate. The exposure apparatus is also required to have higher precision. Therefore, at present, an exposure apparatus exposes a mask circuit pattern by exposing one exposure unit (for example, one chip) on a semiconductor substrate and then exposing the mask circuit pattern again by stepping the semiconductor substrate by a certain distance. A step-and-repeat type apparatus, in particular, a reduction projection type exposure apparatus (stepper) that repeats the above steps has become the mainstream. FIG. 3 is a diagram for explaining the step-and-repeat method and the conventional alignment method. In this method, the semiconductor substrate 32 is placed on the XY two-dimensional moving stage 31 to form a projected image of the circuit pattern of the mask. Since they are positioned relative to each other, the projected image and each chip 33 on the semiconductor substrate 32 can be precisely overlapped.
In the case of the reduction projection type exposure apparatus, the alignment mark provided on the mask and each chip 3 on the semiconductor substrate 32.
Alignment mark 34 attached to 3 is directly observed through a projection lens, or a through-the-lens type alignment method for detecting and aligning the alignment mark, and a microscope for alignment provided apart from the projection lens by a certain distance. There are two methods, an off-axis type alignment method of sending the substrate 32 directly below the projection lens after the entire position of the semiconductor substrate 32 is aligned using. Generally, in the through-the-lens method, since alignment is performed for each chip 33 on the semiconductor substrate 32, the overlay accuracy is high, but there is a problem that the exposure processing time for one substrate becomes long. In the case of the off-axis method, once the alignment of the entire semiconductor substrate 32 is completed, the substrate 32 is simply stepped according to the arrangement of the chips 33, so the exposure processing time is shortened. However, since the alignment of each chip 33 is not performed, the expansion and contraction of the semiconductor substrate 32, the rotation error of the substrate 32 on the stage 31, and the stage 31.
A satisfactory overlay accuracy cannot be obtained due to the influence of the orthogonality of itself. Therefore, recently, not all of the plurality of chips 33 arranged on the semiconductor substrate 32, but only some of the chips 33 are aligned with a reference position such as a projection position of a mask pattern. A method has been proposed that enables more precise positioning by simply stepping, and is currently the mainstream of the positioning method.

【0003】図3に基づいてその方法を以下に説明す
る。X−Y2次元移動ステージ31に載置された半導体
基板32上に設計上の配列座標に沿って規則的に整列し
た複数のチップ33の各々を、所定の基準位置(マスク
のパターン投影位置)に対してステップアンドリピート
方式で順次位置合わせする方法において、前記チップ3
3の設計上の配列座標値(Dn)に基づいて前記半導体
基板32を移動させ、前記複数のチップ33の内のいく
つか(例えば、斜線部の5チップ)を基準位置に合わせ
た時の各位置を、前記各チップ33上に設けられた位置
合わせマーク34を用いて実測し、その設計上の配列座
標値(Dn)とステップアンドリピート方式で位置合わ
せすべき実際の配列座標値(Fn)とが、所定の誤差パ
ラメータ(前記半導体基板32の残存回転θ、及び、線
形伸縮R、前記ステージ31の直交度Wとを含む変換行
列Aと、前記半導体基板32の2次元的な位置の並進量
の行列O)とを含んで一義的な関係(行列式 Fn=A
・Dn+O)にあるものとした時、前記複数の実測値と
前記実際の配列座標値(Fn)との平均的な偏差が最小
になるように、前記誤差パラメータ(A、O)と前記設
計上の配列座標値(Dn)とに基づいて、最小二乗法に
より前述の一義的な関係式から前記実際の配列座標値
(Fn)を算出し、ステップアンドリピート方式の位置
合わせ時に、その算出された実際の配列座標値(Fn)
に応じて前記半導体基板32を位置合わせするものであ
る。このように、この方式によって、露光処理時間を短
く保ったまま、高い精度で位置合わせが行えるようにな
った。
The method will be described below with reference to FIG. Each of the plurality of chips 33 regularly arranged on the semiconductor substrate 32 mounted on the XY two-dimensional moving stage 31 along the designed arrangement coordinates is set to a predetermined reference position (mask pattern projection position). On the other hand, in the method of sequentially aligning with the step and repeat method, the chip 3
3 when the semiconductor substrate 32 is moved based on the designed array coordinate value (Dn) and some of the plurality of chips 33 (for example, 5 chips in the shaded area) are aligned with the reference position. The position is actually measured using the alignment mark 34 provided on each of the chips 33, and the designed array coordinate value (Dn) and the actual array coordinate value (Fn) to be aligned by the step-and-repeat method. Is a predetermined error parameter (the residual rotation θ of the semiconductor substrate 32, the linear expansion / contraction R, and the orthogonality W of the stage 31), and a translation matrix of the two-dimensional position of the semiconductor substrate 32. A matrix of quantities O) and a unique relationship (determinant Fn = A
Dn + O), the error parameters (A, O) and the design are designed so that the average deviation between the plurality of actually measured values and the actual array coordinate value (Fn) is minimized. The actual array coordinate value (Fn) is calculated from the above-mentioned unique relational expression by the least squares method based on the array coordinate value (Dn) and the array coordinate value (Dn) of the step and repeat method. Actual array coordinate value (Fn)
The semiconductor substrate 32 is aligned according to the above. As described above, according to this method, the alignment can be performed with high accuracy while keeping the exposure processing time short.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述の従来技
術では以下なる問題点を有する。
However, the above-mentioned prior art has the following problems.

【0005】図4は、半導体装置製造において複数回繰
り返されるフォトリソ工程のある一つの工程に着目し、
前述の従来技術による位置合わせを実施した後の半導体
基板上に形成された回路パターンに対する、マスクの回
路パターンの重ね合わせずれを測定した結果であり、前
記半導体基板上には複数のチップ41が配列され、ベク
トル42は前記各チップ41の重ね合わせずれの方向
と、量を表わしている。また、位置合わせの際には、誤
差パラメータを決定するのに必要な基準位置に対するチ
ップ位置の実測を、図4の斜線部の5チップについて実
施した。図4(a)は、測定された生のデータ、すなわ
ち、総合エラーを示す図である。図4(b)、(c)、
(d)、(e)は、図4(a)に示される総合エラーか
ら、従来技術の項で述べた誤差パラメータと同一な意味
をもつ並進エラー、伸縮エラー、回転エラー、直交度エ
ラーをそれぞれ分離して抽出したデータを表わす図であ
る。そして最後に図4(f)は、前記総合エラーから、
前記並進、伸縮、回転、直交度エラーを除去した残りの
エラー、すなわち、従来の位置合わせ方法では除去でき
ないランダムなエラーを示す図である。
FIG. 4 focuses on one photolithography process that is repeated a plurality of times in semiconductor device manufacturing.
It is the result of measuring the overlay deviation of the circuit pattern of the mask with respect to the circuit pattern formed on the semiconductor substrate after performing the alignment according to the above-mentioned conventional technique, and a plurality of chips 41 are arranged on the semiconductor substrate. The vector 42 represents the direction and amount of overlay deviation of the chips 41. Further, upon alignment, the actual measurement of the chip position with respect to the reference position required to determine the error parameter was carried out for the five chips in the shaded area in FIG. FIG. 4A is a diagram showing the measured raw data, that is, the total error. 4 (b), (c),
(D) and (e) show translational error, expansion / contraction error, rotation error, and orthogonality error having the same meaning as the error parameter described in the section of the prior art from the total error shown in FIG. 4 (a). It is a figure showing the data extracted separately. Finally, FIG. 4 (f) shows that
It is a figure which shows the remaining error which removed the said translation, expansion / contraction, rotation, and orthogonality error, ie, the random error which cannot be removed by the conventional alignment method.

【0006】次に図2は、従来の位置合わせ方法の誤差
補正体系と、図4に示す重ね合わせずれの測定、分離結
果をまとめて数値化したものであるが、図2が表わすよ
うに、従来の位置合わせ方法においては、並進、伸縮、
回転、直交度のみを誤差パラメータとした補正体系であ
ったため、前記誤差パラメータでは補正しきれないラン
ダムエラーが、図4(f)に示されるように重ね合わせ
ずれとなって残ってしまい、表1に示されるように、そ
の量は0.13μm(3σ)と、高精度な位置合わせを
追求するには無視できない量である。
Next, FIG. 2 is a numerical representation of the error correction system of the conventional alignment method and the measurement and separation results of the overlay deviation shown in FIG. 4, which are summarized as shown in FIG. In the conventional alignment method, translation, expansion and contraction,
Since the correction system uses only rotation and orthogonality as error parameters, random errors that cannot be corrected by the error parameters remain as overlay deviations as shown in FIG. As shown in, the amount is 0.13 μm (3σ), which is an amount that cannot be ignored in the pursuit of highly accurate alignment.

【0007】[0007]

【表1】 [Table 1]

【0008】表1は、従来の位置合わせを実施した後の
半導体基板上に形成された回路パターンに対する、マス
クの回路パターンの重ね合わせずれを測定し、各々の誤
差要因に分離した結果を示す。
Table 1 shows the result of measuring the overlay deviation of the mask circuit pattern with respect to the circuit pattern formed on the semiconductor substrate after the conventional alignment, and separating the error factors.

【0009】こうしたランダムエラーは、複数回繰り返
されるフォトリソ工程の各々において当然異なってお
り、各フォトリソ以前の工程、例えば、成膜工程時の応
力などに依存して半導体基板自体が変形して生ずる場合
が多く、同一工程であれば、前記ランダムエラーの各チ
ップ位置での方向や量は比較的再現性が高い場合が多
い。更に、表1に注目すると、並進、伸縮、回転、直交
度成分については確実に補正されているはずなのに、ゼ
ロには追い込めずに残存エラーとして残っているのに気
ずく。先にも述べたように本試験では、誤差パラメータ
の算出に必要である基準位置に対するチップ位置の計測
を、図4に示す斜線部の5チップについて実施した。そ
して、前記5チップの計測結果には、図4(f)に示さ
れるランダムエラーが当然含まれている。しかし、従来
の誤差パラメータの算出法は、元々、前記ランダムエラ
ーが無視できるほどに小さいことを前提としたものであ
る。従って、算出された誤差パラメータには前記ランダ
ムエラー分の誤差が乗り、それが表1に示される前述の
結果を導いている。このような場合、誤差パラメータの
算出精度を上げるには、位置計測するチップ数を増やせ
ば良いが、それは、露光処理時間を長くせずに高精度な
位置合わせを行うことを目的に発明された従来技術の本
来の意義から外れるものであり、例え、それを実施した
としても、前記ランダムエラーを除去できるものではな
い。
Such random errors naturally differ in each of the photolithography processes that are repeated a plurality of times, and occur when the semiconductor substrate itself is deformed depending on the process before each photolithography process, for example, the stress during the film forming process. In many cases, the direction and amount of the random error at each chip position are relatively high in reproducibility in the same process. Further, paying attention to Table 1, it should be noted that the translation, expansion / contraction, rotation, and orthogonality components should have been surely corrected, but cannot be pushed to zero and remain as a residual error. As described above, in the present test, the measurement of the chip position with respect to the reference position required for calculating the error parameter was carried out for the five chips in the shaded area shown in FIG. The measurement results of the 5 chips naturally include the random error shown in FIG. However, the conventional error parameter calculation method is based on the assumption that the random error is small enough to be ignored. Therefore, the calculated error parameter is multiplied by the error for the random error, which leads to the above-mentioned result shown in Table 1. In such a case, in order to improve the calculation accuracy of the error parameter, the number of chips for position measurement may be increased, but it was invented for the purpose of performing highly accurate alignment without increasing the exposure processing time. This is out of the original meaning of the conventional technique, and even if it is implemented, the random error cannot be removed.

【0010】以上述べたように従来技術では、ランダム
エラーが無視できるほどに小さい場合においては成り立
つが、前記ランダムエラーが大きい工程においては、満
足のいく高精度な位置合わせができない。これは、半導
体装置の回路パターンが所定位置からずれて形成される
という加工不良を招き、歩留りを低下する要因となるも
のである。そこで本発明は、このような問題点を解決す
るものであり、その目的とするところは、従来技術の露
光処理時間を短縮できるという利点を生かしたまま、ラ
ンダムエラーが大きい工程であっても高い位置合わせ精
度を得ることができる露光装置を提供し、半導体装置製
造の歩留りを向上することにある。
As described above, the conventional technique holds true when the random error is so small that it can be ignored, but satisfactory high-precision alignment cannot be performed in the step where the random error is large. This causes a processing defect that the circuit pattern of the semiconductor device is displaced from a predetermined position and causes a reduction in yield. Therefore, the present invention solves such a problem, and an object of the present invention is to improve even a process having a large random error while keeping the advantage of being able to shorten the exposure processing time of the conventional technique. An object of the present invention is to provide an exposure apparatus capable of obtaining alignment accuracy and improve the yield of semiconductor device manufacturing.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

1)本発明の露光装置は、半導体基板上に設計上の配列
座標に沿って規則的に整列した複数のチップの各々を、
所定の基準位置に対してステップアンドリピート方式で
順次位置合わせする際に、前記複数のチップのいくつか
を前記基準位置に合わせた時の各位置を実測し、前記設
計上の配列座標値と前記ステップアンドリピート方式で
位置合わせすべき実際の配列座標値とが、所定の誤差パ
ラメータを含んで一義的な関係にあるものとした時、前
記複数の実測値と前記実際の配列座標値との平均的な偏
差が最小になるように前記誤差パラメータを決定し、前
記決定された誤差パラメータと前記設計上の配列座標値
とに基づいて前記実際の配列座標値を算出し、ステップ
アンドリピート方式の位置合わせ時に、前記算出された
実際の配列座標値に応じて前記半導体基板を位置決めす
る露光装置において、前記決定された誤差パラメータで
は補正できない誤差、すなわち、ランダム誤差を予め前
記半導体基板上の各々のチップ位置について求めて記憶
し、前記誤差パラメータに基づいて算出された実際の配
列座標値に、前記記憶されたランダム誤差を付加して補
正し、位置決めすることを特徴とする。
1) The exposure apparatus of the present invention includes a plurality of chips which are regularly arranged on a semiconductor substrate along the designed arrangement coordinates.
When sequentially performing step-and-repeat alignment with respect to a predetermined reference position, each position when some of the plurality of chips are aligned with the reference position is actually measured, and the designed array coordinate value and the When the actual array coordinate values to be aligned by the step-and-repeat method have a unique relationship including a predetermined error parameter, the average of the plurality of actual measurement values and the actual array coordinate values The error parameter is determined so as to minimize the deviation, and the actual array coordinate value is calculated based on the determined error parameter and the designed array coordinate value, and the position of the step-and-repeat method is calculated. At the time of alignment, in the exposure apparatus that positions the semiconductor substrate according to the calculated actual array coordinate value, an error that cannot be corrected with the determined error parameter That is, a random error is obtained in advance for each chip position on the semiconductor substrate and stored, and the stored random error is added to the actual array coordinate value calculated based on the error parameter to correct it. , Characterized by positioning.

【0012】2)本発明の半導体装置の製造方法は、半
導体装置製造のフォトリソ工程において、請求項1記載
の露光装置を用いることを特徴とする。
2) A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that the exposure apparatus according to claim 1 is used in a photolithography process for manufacturing a semiconductor device.

【0013】[0013]

【実施例】ステップアンドリピート方式の縮小投影型露
光装置(ステッパー)を例に、本発明の一実施例を以下
に述べる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below by taking a step-and-repeat type reduction projection type exposure apparatus (stepper) as an example.

【0014】図3において、X−Y2次元移動ステージ
31に載置された半導体基板32上に設計上の配列座標
に沿って規則的に整列した複数のチップ33の各々を、
所定の基準位置(マスクのパターン投影位置)に対して
ステップアンドリピート方式で順次位置合わせする方法
として、並進誤差、伸縮誤差、回転誤差、直交度誤差と
いう4つの誤差パラメータを算出し、それに基づいて実
際の配列座標を求めて位置合わせするところまでは従来
の技術と全く同様である。具体的には、前記チップ33
の設計上の配列座標値(Dn)に基づいて前記半導体基
板32を移動させ、前記複数のチップ33の内のいくつ
か(例えば、斜線部の5チップ)を基準位置に合わせた
時の各位置を、前記各チップ33上に設けられた位置合
わせマーク34を用いて実測し、その設計上の配列座標
値(Dn)とステップアンドリピート方式で位置合わせ
すべき実際の配列座標値(Fn)とが、所定の誤差パラ
メータ(前記半導体基板32の残存回転θ、及び、線形
伸縮R、前記ステージ31の直交度Wとを含む変換行列
Aと、前記半導体基板32の2次元的な位置の並進量の
行列O)とを含んで一義的な関係(行列式 Fn=A・
Dn+O)にあるものとした時、前記複数の実測値と前
記実際の配列座標値(Fn)との平均的な偏差が最小に
なるように、前記誤差パラメータ(A、O)と前記設計
上の配列座標値(Dn)とに基づいて、最小二乗法によ
り前述の一義的な関係式から前記実際の配列座標値(F
n)を算出し、ステップアンドリピート方式の位置合わ
せ時に、その算出された実際の配列座標値(Fn)に応
じて前記半導体基板32を位置合わせするもである。前
述のように、ここまでは従来技術と全く同様であるが、
本実施例においては、前記算出された実際の配列座標値
に、前記誤差パラメータでは補正できないランダムな誤
差を更に付加して補正し、位置合わせをする方式を導入
したところに特徴がある。具体的には、図4(f)に示
されるように、前述の従来技術の範囲までの方式により
位置合わせした後の半導体基板上に形成された回路パタ
ーンに対する、マスクの回路パターンの重ね合わせずれ
を測定した時の生ダータ、すなわち、総合エラーから並
進、伸縮、回転、直交度エラーを分離、除去して得られ
たランダムなエラーを、各々のチップ位置について、そ
の方向と量を実験的に求め、露光装置に記憶させた。先
にも述べたように、同一工程であれば、前記ランダムエ
ラーの各チップ位置での方向や量は比較的再現性が高
い。そこで、数枚の同一工程の半導体基板について、そ
れぞれランダムエラーを求め、それらを平均化したもの
を真のランダムエラーとして露光装置に入力した。ま
た、前記並進、伸縮、回転、直交度エラーの分離は、前
述の位置合わせ時に必要な誤差パラメータと本来同一な
意味をもつものであるから、それらと同様な計算手続き
により行った。そして、前記記憶されたランダムエラー
は、ステップアンドリピート方式の位置合わせ時に、前
記誤差パラメータに基づいて算出された実際の配列座標
値に付加され補正される。具体的には、前記実際の配列
座標値から、ランダムエラー分を除去した位置を最終的
な配列座標値として位置合わせが行われる。図1は、本
発明の位置合わせ方法の誤差補正体系と、本発明の位置
合わせを実施した後の半導体基板上に形成された回路パ
ターンに対する、マスクの回路パターンの重ね合わせず
れを測定し、各々の誤差要因に分離した結果をまとめた
ものである。図1が示すように、本発明では従来の誤差
パラメータ(並進、伸縮、回転、直交度)に加えて、そ
れらの誤差パラメータでは補正できないランダムなエラ
ーまでを補正し位置合わせする体系をとっているため、
前記ランダムエラーが大きな工程であっても高い位置合
わせ精度を得ることができる。
In FIG. 3, each of a plurality of chips 33 regularly arranged on the semiconductor substrate 32 mounted on the XY two-dimensional moving stage 31 along the designed arrangement coordinates,
As a method of sequentially aligning with a predetermined reference position (mask pattern projection position) by the step-and-repeat method, four error parameters of translational error, expansion / contraction error, rotation error, and orthogonality error are calculated, and based on that, The process up to the step of obtaining the actual array coordinates and performing alignment is exactly the same as the conventional technique. Specifically, the chip 33
Each position when the semiconductor substrate 32 is moved based on the designed array coordinate value (Dn) and some of the plurality of chips 33 (for example, 5 chips in the shaded area) are aligned with the reference position. Is actually measured using the alignment mark 34 provided on each chip 33, and the designed array coordinate value (Dn) and the actual array coordinate value (Fn) to be aligned by the step-and-repeat method. Is a predetermined error parameter (the remaining rotation θ of the semiconductor substrate 32, the linear expansion / contraction R, and the orthogonality W of the stage 31), and the translation amount of the two-dimensional position of the semiconductor substrate 32. Of the matrix O) and a unique relationship (determinant Fn = A.
Dn + O), the error parameters (A, O) and the designed values are designed so that the average deviation between the plurality of actually measured values and the actual array coordinate values (Fn) is minimized. Based on the array coordinate value (Dn), the actual array coordinate value (F
It is also possible to calculate n) and align the semiconductor substrate 32 according to the calculated actual array coordinate value (Fn) during the step-and-repeat alignment. As described above, up to this point, it is exactly the same as the prior art,
The present embodiment is characterized in that a system for introducing a random error that cannot be corrected by the error parameter to the calculated actual array coordinate value and correcting the position is introduced. Specifically, as shown in FIG. 4 (f), the misalignment of the mask circuit pattern with respect to the circuit pattern formed on the semiconductor substrate after the alignment by the method up to the range of the above-mentioned conventional technique is performed. Random errors obtained by separating and removing translation, expansion, rotation, rotation, and orthogonality errors from the total error when measuring the raw error, i.e., the direction and amount of each chip position experimentally It was determined and stored in the exposure device. As described above, in the same process, the direction and amount of the random error at each chip position have relatively high reproducibility. Therefore, random errors were determined for several semiconductor substrates in the same process, and the averaged values were input to the exposure apparatus as true random errors. Further, since the translation, expansion / contraction, rotation, and separation of the orthogonality error have essentially the same meanings as the error parameters necessary for the above-mentioned alignment, they are calculated by the same calculation procedure. Then, the stored random error is added and corrected to the actual array coordinate value calculated based on the error parameter at the time of step-and-repeat alignment. Specifically, the alignment is performed with the position where the random error is removed from the actual array coordinate value as the final array coordinate value. FIG. 1 shows the error correction system of the alignment method of the present invention and the overlay deviation of the mask circuit pattern with respect to the circuit pattern formed on the semiconductor substrate after the alignment of the present invention is performed. This is a summary of the results separated into error factors. As shown in FIG. 1, in the present invention, in addition to the conventional error parameters (translation, expansion / contraction, rotation, orthogonality), even a random error that cannot be corrected by these error parameters is corrected and aligned. For,
High alignment accuracy can be obtained even in the process in which the random error is large.

【0015】[0015]

【表2】 [Table 2]

【0016】表2は、本発明の位置合わせを実施した後
の半導体基板上に形成された回路パターンに対する、マ
スクの回路パターンの重ね合わせずれを測定し、各々の
誤差要因に分離した結果を示す。
Table 2 shows the result of measuring the overlay deviation of the mask circuit pattern with respect to the circuit pattern formed on the semiconductor substrate after the alignment of the present invention, and separating the error factors. .

【0017】表2は、表1に示される従来技術での結果
と同様な工程に対して本発明を適用した時の位置合わせ
結果であるが、両者を比較しても分かるように、本発明
の位置合わせ方法によれば、各誤差要因が小さく抑えら
れ、これらを総合した重ね合わせ精度3シグマ値も約
0.09μmと、従来に比べて飛躍的に向上している。
このように、本発明によれば、従来技術の露光時間を短
縮できるという利点を生かしたまま、ランダムエラーが
大きい工程であっても高い位置合わせ精度を得ることが
できる。
Table 2 shows alignment results when the present invention is applied to the same steps as the results in the prior art shown in Table 1, but as can be seen by comparing both, the present invention According to the position alignment method of (1), each error factor is suppressed to a small level, and the overlay accuracy 3 sigma value combining these factors is about 0.09 μm, which is a dramatic improvement over the conventional method.
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain high alignment accuracy even in a process having a large random error, while taking advantage of the advantage that the exposure time of the conventional technique can be shortened.

【0018】以上、本発明の一実施例を述べたが、これ
以外にも、 1)半導体基板上に配列した全チップではなく、その一
部のチップについてのみランダムエラーを補正し位置合
わせする。
Although one embodiment of the present invention has been described above, in addition to this, 1) Random errors are corrected and aligned not in all the chips arranged on the semiconductor substrate but in some chips.

【0019】2)誤差パラメータに基づいて算出された
実際に位置決めすべき配列座標値にランダムエラーを付
加して補正するだけでなく、前記誤差パラメータの算出
時にも、前記ランダムエラーを考慮して算出精度を高め
る。
2) In addition to correcting by adding a random error to the array coordinate value to be actually positioned, which is calculated based on the error parameter, the random parameter is also taken into consideration when calculating the error parameter. Increase accuracy.

【0020】3)縮小投影型以外の露光装置、例えば、
等倍投影型のステッパーや、プロキシミティ型のステッ
パーであるX線露光装置等に本発明を適用する。
3) An exposure apparatus other than the reduction projection type, for example,
The present invention is applied to a 1 × projection type stepper, an X-ray exposure apparatus which is a proximity type stepper, and the like.

【0021】4)露光装置以外の分野で、半導体基板
や、複数のチップパターンを有するマスクなどを検査す
る装置(欠陥検査、プローバ等)で、各チップ毎にステ
ップアンドリピート方式で検査視野や、プローブ針等の
基準位置に対して位置合わせする。
4) An apparatus (defect inspection, prober, etc.) for inspecting a semiconductor substrate, a mask having a plurality of chip patterns, etc. in a field other than the exposure apparatus, and an inspection field of view for each chip by a step-and-repeat method, Align with the reference position such as the probe needle.

【0022】等の場合においても、本実施例と同様な効
果が期待できる。
In the above cases, the same effect as that of this embodiment can be expected.

【0023】[0023]

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、 1)半導体基板上に設計上の配列座標に沿って規則的に
整列した複数のチップの各々を、所定の基準位置に対し
てステップアンドリピート方式で順次位置合わせする際
に、前記複数のチップのいくつかを前記基準位置に合わ
せた時の各位置を実測し、前記設計上の配列座標値と前
記ステップアンドリピート方式で位置合わせすべき実際
の配列座標値とが、所定の誤差パラメータを含んで一義
的な関係にあるものとした時、前記複数の実測値と前記
実際の配列座標値との平均的な偏差が最小になるように
前記誤差パラメータを決定し、前記決定された誤差パラ
メータと前記設計上の配列座標値とに基づいて前記実際
の配列座標値を算出し、ステップアンドリピート方式の
位置合わせ時に、前記算出された実際の配列座標値に応
じて前記半導体基板を位置決めする露光装置において、
前記決定された誤差パラメータでは補正できない誤差、
すなわち、ランダム誤差を予め前記半導体基板上の各々
のチップ位置について求めて記憶し、前記誤差パラメー
タに基づいて算出された実際の配列座標値に、前記記憶
されたランダム誤差を付加して補正し、位置決めする。
As described above, according to the present invention, 1) stepping each of a plurality of chips regularly arranged on a semiconductor substrate along a designed arrangement coordinate with respect to a predetermined reference position. When sequentially aligning by the and repeat method, each position when some of the plurality of chips are aligned with the reference position is actually measured, and the alignment coordinate value in the design is aligned by the step and repeat method. When it is assumed that the actual array coordinate values should have a unique relationship including a predetermined error parameter, the average deviation between the plurality of actual measurement values and the actual array coordinate values is minimized. To determine the error parameter, calculate the actual array coordinate value based on the determined error parameter and the designed array coordinate value, during step and repeat alignment, In an exposure apparatus that positions the semiconductor substrate according to the calculated actual array coordinate values,
An error that cannot be corrected by the determined error parameter,
That is, a random error is obtained in advance for each chip position on the semiconductor substrate and stored, and the actual array coordinate value calculated based on the error parameter is corrected by adding the stored random error, Position.

【0024】2)半導体装置製造のフォトリソ工程にお
いて、請求項1記載の露光装置を用いることにより、従
来技術の露光処理時間を短縮できるという利点を生かし
たまま、ランダムエラーが大きい工程であっても高い位
置合わせ精度を得ることができ、また、半導体装置製造
の量産効率を落すことなく、歩留りを向上する効果を有
するものである。
2) By using the exposure apparatus according to the first aspect in the photolithography process for manufacturing a semiconductor device, the advantage that the exposure processing time of the prior art can be shortened is taken into consideration, and even in the process where a random error is large. High alignment accuracy can be obtained, and the yield can be improved without lowering the mass production efficiency of semiconductor device manufacturing.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の位置合わせ方法の誤差補正体系を示す
図である。
FIG. 1 is a diagram showing an error correction system of an alignment method of the present invention.

【図2】従来の位置合わせ方法の誤差補正体系を示す図
である。
FIG. 2 is a diagram showing an error correction system of a conventional alignment method.

【図3】ステップアンドリピート方式の位置合わせ方法
を説明する図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a step-and-repeat type alignment method.

【図4】従来技術による位置合わせを実施した後の半導
体基板上に形成された回路パターンに対する、マスクの
回路パターンの重ね合わせずれを測定した結果を示す図
であり、(a)は、測定された生のデータ、すなわち、
総合エラーを示す図である。(b)は、総合エラーから
並進エラー成分を分離して示した図である。(c)は、
総合エラーから伸縮エラー成分を分離して示した図であ
る。(d)は、総合エラーから回転エラー成分を分離し
て示した図である。(e)は、総合エラーから直交度エ
ラー成分を分離して示した図である。(f)は、総合エ
ラーから並進、伸縮、回転、直交度エラー成分を除去し
た残りのランダムエラー成分を示した図である。
FIG. 4 is a diagram showing a result of measuring an overlay deviation of a circuit pattern of a mask with respect to a circuit pattern formed on a semiconductor substrate after performing alignment according to a conventional technique, and FIG. Raw data, that is,
It is a figure which shows a comprehensive error. (B) is a diagram showing the translation error component separated from the total error. (C) is
It is the figure which separated and showed the expansion-contraction error component from the total error. (D) is a diagram showing the rotation error component separated from the total error. (E) is a diagram showing the orthogonality error component separated from the total error. (F) is a diagram showing the remaining random error components obtained by removing translation, expansion, rotation, and orthogonality error components from the total error.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

31 X−Y2次元移動ステージ 32 半導体基板 33 チップ 34 位置合わせマーク 41 チップ 42 重ね合わせずれ 31 XY two-dimensional moving stage 32 semiconductor substrate 33 chip 34 alignment mark 41 chip 42 overlay misalignment

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体基板上に設計上の配列座標に沿って
規則的に整列した複数のチップの各々を、所定の基準位
置に対してステップアンドリピート方式で順次位置合わ
せする際に、前記複数のチップのいくつかを前記基準位
置に合わせた時の各位置を実測し、前記設計上の配列座
標値と前記ステップアンドリピート方式で位置合わせす
べき実際の配列座標値とが、所定の誤差パラメータを含
んで一義的な関係にあるものとした時、前記複数の実測
値と前記実際の配列座標値との平均的な偏差が最小にな
るように前記誤差パラメータを決定し、前記決定された
誤差パラメータと前記設計上の配列座標値とに基づいて
前記実際の配列座標値を算出し、ステップアンドリピー
ト方式の位置合わせ時に、前記算出された実際の配列座
標値に応じて前記半導体基板を位置決めする露光装置に
おいて、前記決定された誤差パラメータでは補正できな
い誤差、すなわち、ランダム誤差を予め前記半導体基板
上の各々のチップ位置について求めて記憶し、前記誤差
パラメータに基づいて算出された実際の配列座標値に、
前記記憶されたランダム誤差を付加して補正し、位置決
めすることを特徴とする露光装置。
1. A plurality of chips, which are regularly arranged on a semiconductor substrate along a designed arrangement coordinate, are sequentially aligned with a predetermined reference position by a step-and-repeat method. Actually measuring each position when some of the chips are aligned with the reference position, and the array coordinate value on the design and the actual array coordinate value to be aligned by the step and repeat method are predetermined error parameters. When including a unique relationship, the error parameter is determined so that the average deviation between the plurality of actual measured values and the actual array coordinate value is minimized, and the determined error The actual array coordinate value is calculated based on the parameter and the designed array coordinate value, and at the time of step and repeat alignment, the actual array coordinate value is calculated according to the calculated actual array coordinate value. In the exposure device for positioning the conductor substrate, an error that cannot be corrected by the determined error parameter, that is, a random error is previously obtained and stored for each chip position on the semiconductor substrate, and calculated based on the error parameter. To the actual array coordinate values,
An exposure apparatus, wherein the stored random error is added, corrected, and positioned.
【請求項2】半導体装置製造のフォトリソ工程におい
て、請求項1記載の露光装置を用いることを特徴とする
半導体装置の製造方法。
2. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the exposure apparatus according to claim 1 is used in a photolithography process for manufacturing a semiconductor device.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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