JPH0922864A - 半導体基板の位置検出方法及び半導体基板とフォトマスク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アライメントマークの段差形状のばらつきに
よる影響を受けにくい基板位置検出方法を提供する。 【構成】 アライメントマークが形成された表面を有す
る基板の該表面に照明光を照射し、該表面からの反射光
をレンズを通して観察して基板の位置検出を行う工程を
含み、前記アライメントマークが、前記レンズの解像度
よりも小さい大きさの平面形状を有する凹凸部により構
成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基板表面に形成された
アライメントマークからの反射光を観察して基板の位置
検出を行う方法に関し、特に半導体集積回路の製造工程
におけるマスクとウエハとの位置合わせに適した位置検
出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の製造工程におけるマス
クとウエハとの位置合わせは、ウエハ表面及びマスク表
面に形成されたアライメントマークからの反射光を観察
して行っている。ウエハ側のアライメントマークは、ウ
エハ表面に形成された凹部もしくは凸部によって構成さ
れる。凹部もしくは凸部の側壁領域及びアライメントマ
ーク内部領域とアライメントマークが形成されていない
領域との反射率の相違により、アライメントマークを観
察することができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ウエハ表面のアライメ
ントマークは、半導体集積回路製造工程中のウエハプロ
セスにおいて形成される。従ってウエハプロセスの各種
条件のばらつきにより、アライメントマークの形状が変
化する場合がある。例えば、アライメントマークの段差
形状にばらつきが生ずる場合がある。

【０００４】アライメントマークの凹部の底面もしくは
凸部の上面は、アライメントマークが形成されていない
領域と同程度の反射率を有する。従って、アライメント
マークは、主にその段差部側面からの反射率の低下によ
り検出される。このため、アライメントマークの位置検
出精度は、段差部側面の形状に大きく依存する。段差形
状にばらつきが生ずると、アライメントマークの位置検
出精度が低下する。

【０００５】本発明の目的は、アライメントマークの段
差形状のばらつきによる影響を受けにくい基板位置検出
方法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の基板位置検出方
法は、アライメントマークが形成された表面を有する基
板の該表面に照明光を照射し、該表面からの反射光をレ
ンズを通して観察して基板の位置検出を行う工程を含
み、前記アライメントマークが、前記レンズの解像度よ
りも小さい大きさの平面形状を有する凹凸部により構成
されている。

【０００７】

【作用】アライメントマークを、レンズの解像度よりも
小さい大きさの平面形状を有する凹凸部により構成する
と、レンズで凹凸部の輪郭を観察することはできない。
アライメントマークの像はこれら凹凸部からの反射光の
光強度のほぼ平均の光強度を有することになる。凹凸部
の段差部側面からの反射光は観察光学系に入射しないと
考えられるため、アライメントマーク像の光強度は他の
領域の光強度よりも小さくなる。従って、アライメント
マークを、その段差部側面のみではなく光強度の小さい
アライメントマーク内部領域を含めた全体の像により観
察することができる。アライメントマーク全体の像によ
り位置検出を行うため、検出精度の段差部形状への依存
度が低下する。

【０００８】このため、ウエハとマスクとの位置合わせ
において、ウエハプロセスのばらつきによる影響を軽減
することができる。

【０００９】

【実施例】本発明の実施例による位置検出方法で用いる
アライメントマークの構成を、図１を参照して説明す
る。

【００１０】図１（Ａ）は、１つのアライメントマーク
の平面図を示し、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の一点鎖線
Ｂ１−Ｂ１における断面図を示す。１つのアライメント
マークは、幅Ａの直線状の溝が、その長さ方向に直交す
る方向にピッチＢで配列した縞状パターンから構成され
ている。すなわち、アライメントマークは、交互に配置
された凹部領域と凸部領域から構成されている。幅Ａ及
びピッチＢは、観察光学系のレンズの解像度よりも小さ
い。ここで、レンズの解像度は、波長をλ、レンズの開
口数をＮＡとすると、０．６１λ／ＮＡと定義される。

【００１１】なお、幅Ａ及びピッチＢは、必ずしも一定
である必要はなく、レンズの解像度よりも小さければ不
均一であってもよい。このような複数の溝から構成され
るアライメントマークは、通常のフォトリソグラフィ技
術で容易に形成することができる。

【００１２】図１（Ｃ）は、アライメントマークの像の
光強度分布を示す。アライメントマークの内部に形成さ
れた凹部領域及び凸部領域の大きさがレンズの解像度よ
りも小さいため、インコヒーレント結像においては、各
凹凸の平面形状の輪郭を観察することはできない。結果
的に、アライメントマークの内部Ｃの光強度は、その周
囲の光強度よりも弱くなる。従って、図１（Ｃ）に示す
ように、アライメントマークの内部が谷になるような光
強度分布が得られる。

【００１３】図２は、内部領域に凹凸を付した平行スト
ライプ状のアライメントマークを観察したときの画像信
号波形を示す。横軸はアライメントマークが形成された
ウエハ表面の位置を表し、縦軸は画像の光強度を表す。
使用したレンズの開口数ＮＡは０．４、観察倍率は１０
０倍、観察波長は６５０〜７５０ｎｍである。このとき
の解像度は、０．９９μｍ〜１．１４μｍとなる。

【００１４】アライメントマークに対応して負のピーク
波形が現れている。ピーク波形Ｖ１〜Ｖ６は、それぞれ
幅１μｍ、０．９μｍ、０．８μｍ、０．７μｍ、０．
６μｍ、及び０．５μｍの溝がそれぞれピッチ２μｍ、
１．８μｍ、１．６μｍ、１．４μｍ、１．２μｍ、及
び１．０μｍでそれぞれ６本、６本、７本、８本、９
本、及び１１本形成されたアライメントマークに対応し
ている。

【００１５】負のピーク波形の底部は、アライメントマ
ーク内の溝の幅及びピッチに応じて周期的に振動してい
るが、溝の幅及びピッチがレンズの解像度よりも小さい
ためその振幅は小さく、はっきりとした画像が形成され
ていないことがわかる。また、溝の幅及びピッチが小さ
くなるに従って、振動の振幅も小さくなっている。

【００１６】図１（Ａ）に示したように、アライメント
マーク内部に形成する凹凸は、位置検出すべき方向に対
して直交するストライプ状の平面形状とすることが好ま
しい。アライメントマーク内部の凹凸の平面形状を位置
検出すべき方向に対して直交するように形成すると、ア
ライメントマークを観測する位置が、位置検出すべき方
向に対して直交する方向にずれても、ほぼ同一形状の反
射光強度波形を得ることができる。このため、より安定
した位置検出が可能になる。

【００１７】次に、図１に示すアライメントマークを用
いた場合のアライメントマーク誤差低減効果を確認する
ために行った数値シミュレーション実験について説明す
る。図３は、数値シミュレーション実験で用いたウエハ
のアライメントマークの断面図を示す。モデル１〜モデ
ル４の４通りのアライメントマークについてシミュレー
ション実験を行った。

【００１８】各モデルにおいて、１つのアライメントマ
ークの開口部の幅は３．９６μｍ、深さは０．８μｍ、
縞状に形成された溝の幅は０．４４μｍ、溝のピッチは
０．８８μｍである。アライメントマーク両側の斜面の
傾きは基本的に６０度であり、一部の斜面の傾きが４５
度になっている。

【００１９】モデル１及び２においては、２つのアライ
メントマークが中心間距離６０μｍになるように形成さ
れている。モデル１では、一方のアライメントマークの
外側の斜面の傾きが４５度になっている。モデル２で
は、一方のアライメントマークの外側の斜面及び他方の
アライメントマークの内側の斜面の傾きが４５度になっ
ている。

【００２０】モデル３及び４においては、２つのアライ
メントマークが中心間距離１０μｍになるように形成さ
れてアライメントマーク対を構成している。このアライ
メントマーク対の中心間の距離が６０μｍになるよう
に、２対のアライメントマークが形成されている。モデ
ル３では、一方のアライメントマーク対の外側のマーク
の外側の斜面及び他方のアライメントマーク対の内側の
マークの内側の斜面の傾きが４５度になっている。モデ
ル４では、一方のアライメントマーク対の両方のマーク
の外側の斜面及び他方のアライメントマーク対の両方の
マークの内側の斜面の傾きが４５度になっている。

【００２１】図４は、数値シミュレーション実験で用い
た光学系モデルの概略図を示す。光学系モデルは、対物
レンズ１５、パターンバリアフィルタ１６、ラインセン
サ１７、Ａ／Ｄコンバータ１８、及びアライメントアル
ゴリズム実行部１９から構成されている。ウエハ表面及
びマスク表面からの反射光は、対物レンズ１５により集
束され、パターンバリアフィルタ１６を通してラインセ
ンサ１７の受光部に結像する。

【００２２】ラインセンサ１７は、１次元の光強度分布
に対応する画像信号を出力する。Ａ／Ｄコンバータ１８
は、ラインセンサ１７から入力された画像信号をＡ／Ｄ
変換してディジタル画像信号を出力する。アライメント
アルゴリズム実行部１９は、ディジタル画像信号の自己
相関係数を計算し、アライメントマークの位置検出を行
う。

【００２３】対物レンズ１５の物面上に、ウエハ１及び
マスク１３が配置されている。マスク１３を水銀のｇ線
（波長４３６ｎｍ）で観察し、ウエハ表面をｅ線（波長
５４６ｎｍ）、ｄ線（波長５８７ｎｍ）、及びＣ線（波
長６５６ｎｍ）で観察する色収差二重焦点法を用いてい
る。このため、ウエハ１及びマスク１３に形成されたア
ライメントマークに同時に焦点を合わせることができ
る。なお、各観察光はインコヒーレント光である。

【００２４】数値シミュレーションに必要となる各光学
部品の特性は、通常の半導体集積回路製造工程で使用さ
れるアライメント装置の特性と同等とした。この光学系
モデルの分解能は約１０ｎｍである。

【００２５】マスク基板１３に形成されたアライメント
マーク１４は、タンタル製の幅４μｍのパターンとし
た。マスク基板１３の厚さは２０５８ｎｍとした。この
厚さのとき、メンブレンからの反射光強度が最大にな
る。

【００２６】ウエハ１は、シリコン基板１０の表面に図
３のモデル１〜モデル４のアライメントマークが形成さ
れ、その上にレジスト膜１１が塗布されたものである。
レジスト膜１１の厚さは、平坦部分において約１．８μ
ｍである。アライメントマークの溝の深さが０．８μｍ
であるため、アライメントマークの溝部におけるレジス
ト膜の厚さは、２．６μｍになる。

【００２７】アライメントマークの段差部斜面からの反
射光の強度をゼロと仮定し、平坦部からの反射光の強度
は、レジスト膜の膜厚、及びレジスト膜、シリコン基板
の屈折率から理論的に計算した。

【００２８】図５（Ａ）は、図４に示す光学系モデルで
ウエハ上及びマスク上のアライメントマーク１２及び１
４を観察したときのラインセンサ１７が出力する画像信
号波形を示す。ウエハ上のアライメントマークは、図３
に示すモデル４のものである。図の横軸はウエハもしく
はマスク上の位置を表し、縦軸は画像の光強度を表す。

【００２９】図の中央にマスク上のアライメントマーク
１４による負のピークが現れている。マスク上のアライ
メントマークは、左右対称な理想的な形状になっている
ため、波形も左右対称になっている。マスク上のアライ
メントマークの両側に、それぞれウエハ上のアライメン
トマーク１２に対応する２つの負のピークが現れてい
る。なお、マスク上のアライメントマーク１４による負
のピークとウエハ上のアライメントマーク１２に対応す
る負のピークとの間に段差が現れている。これは、マス
ク上のアライメントマーク１４とウエハ上のアライメン
トマーク１２とを観測する光の波長が相互に異なり、そ
れぞれの波長の光に対する反射率が異なるためである。

【００３０】図３の４段目に示すように、ウエハ上の各
アライメントマークの図中左側の段差部斜面の傾きが４
５度、右側の段差部斜面の傾きが６０度である。このよ
うに、段差形状が左右非対称であるため、ウエハ上のア
ライメントマークに対応するピーク波形も左右非対称に
なっている。傾き４５度の斜面に対応する部分に最も高
い負のピークが現れ、レンズの解像度よりも小さい微小
な凹凸が形成された領域に対応する部分ではほぼ平坦に
なり、傾き６０度の斜面に対応する部分に小さな負のピ
ークが現れている。

【００３１】図５（Ｂ）は、アライメントマーク内部の
微小な凹凸をなくして平坦にした場合の画像信号波形を
示す。図の中央には、図５（Ａ）の場合と同様にマスク
上のアライメントマークに対応する負のピークが現れて
いる。また、ウエハ上のアライメントマークの段差部斜
面に対応する部分に大きな負のピークが現れている。斜
面の傾きがアライメントマークの両側で異なるため、２
つの負のピークの高さが異なっている。アライメントマ
ークの内部領域は平坦であるため、ここからの反射光強
度は比較的強い。このため、アライメントマークの内部
領域に対応する部分では、アライメントマーク周囲の平
坦な部分に近い大きさの光強度になっている。

【００３２】次に、アライメントアルゴリズム実行部１
９の処理について説明する。マスク上のアライメントマ
ークに対応する負のピークの中心を、折り返しパターン
マッチングにより求める。同様に、ウエハ上のアライメ
ントマークに対応する４つのピークの全体の中心を折り
返しパターンマッチングにより求める。

【００３３】以下、折り返しパターンマッチングによる
中心の検出方法を簡単に説明する。まず、画像信号波形
を中心近傍で折り返し、左右の波形を重ね合わせ、重な
った波形の相関係数を求める。折り返し位置を少しずつ
移動させて、それぞれの場合の相関係数を求め、相関係
数が最大になるときの折り返し位置を中心とする。な
お、より精密に中心を求めるために補間演算を行っても
よい。

【００３４】各アライメントマークの段差形状が左右対
称である理想的な形状の場合は、画像信号の各ピーク波
形も左右対称になる。従って、マスク上のアライメント
マークがウエハ上の４つのアライメントマークの中央に
配置されているとき、折り返しパターンマッチングで求
めたマスク及びウエハ上のアライメントマークの中心が
相互に一致する。

【００３５】アライメントマークの段差形状にばらつき
がある場合には、各マークに対応するピーク波形が左右
非対称になるため、折り返しパターンマッチングにより
正確な中心を求めることができなくなる。このため、マ
スク上のアライメントマークがウエハ上のアライメント
マークの中央にある場合であっても、折り返しパターン
マッチングで求めた両者の中心位置が一致しなくなる。
このときの両者の中心位置の間の距離がアライメント誤
差になる。

【００３６】図６は、図３のモデル１〜４のアライメン
トマークを用いた場合のアライメント誤差を、それぞれ
のマークの微小な凹凸をなくしたマークを用いた場合の
アライメント誤差と比較して示す。横軸はアライメント
誤差を単位μｍで表し、縦軸はモデル１〜４の種別を表
す。各モデルごとに上段に凹凸を有するマークの場合、
下段に凹凸を有さないマークの場合のアライメント誤差
を示す。

【００３７】各モデルの場合において、凹凸を有するマ
ークを用いた場合のアライメント誤差が、凹凸を有さな
いマークを用いた場合のそれの約半分程度になってい
る。このように、アライメントマークの内部に凹凸を付
してアライメントマーク内部からの反射光強度を低下さ
せることにより、アライメント誤差を減少させることが
できる。

【００３８】図６では、ウエハの平坦部におけるレジス
ト膜厚を１．８μｍとして行ったシミュレーション実験
の結果を説明したが、実際のウエハプロセスにおいては
レジスト膜厚にもばらつきが生じ得る。次に、レジスト
膜厚のばらつきの影響について説明する。

【００３９】図７は、レジスト膜厚が変化したときのア
ライメント出力の変化を示す。横軸はサンプルのレジス
ト膜厚を単位ｎｍで表し、縦軸はアライメント誤差を単
位μｍで表す。各サンプルごとに、図の左列に図３のモ
デル４のアライメントマークを用いた場合、右列にその
アライメントマーク内部の凹凸をなくした場合のアライ
メント誤差を示す。レジスト膜厚１８２４ｎｍは、ウエ
ハ平坦部からの反射光強度が最大になる膜厚であり、レ
ジスト膜厚１９１９ｎｍは、反射光強度が最小になる膜
厚である。

【００４０】凹凸が形成されていないアライメントマー
クを使用した場合は、レジスト膜厚が１８２４ｎｍから
１９１９ｎｍに変化すると、アライメント誤差が０．１
９μｍから０．２６μｍに変化している。これに対し、
凹凸が形成されたアライメントマークを使用した場合に
は、レジスト膜厚が変化してもアライメント誤差はほと
んど変化しない。

【００４１】アライメント誤差の変動は、アライメント
精度劣化の要因になる。凹凸が形成されていないアライ
メントマークを使用した場合、レジスト膜厚が１８２４
ｎｍ〜１９１９ｎｍの範囲で変動すると、０．０７μｍ
程度のアライメント誤差の変動を生じうる。これに対
し、アライメントマーク内に凹凸を形成すると、レジス
ト膜厚が変動してもアライメント誤差がほとんど変動し
ないため、より高精度のアライメントを行うことができ
る。

【００４２】上記数値シミュレーション実験からわかる
ように、アライメントマーク内部にレンズの解像度より
も小さい凹凸を付すことにより、アライメントマークの
段差形状のばらつき及びウエハ上のレジスト膜厚のばら
つきによるアライメント誤差を低減することができる。

【００４３】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ウエハ表面に形成されたアライメントマークの段差形状
もしくはアライメントマーク上に形成されたレジスト膜
の厚さにばらつきがあっても、比較的正確な位置検出を
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例で用いるアライメントマークの
平面図と断面図、及びアライメントマークからの反射光
の光強度分布を示すグラフである。

【図２】図１に示すアライメントマークの画像信号波形
を示すグラフである。

【図３】数値シミュレーション実験で用いたアライメン
トマークの断面図である。

【図４】数値シミュレーション実験で用いた観察装置モ
デルの概略図である。

【図５】図４に示す観察装置モデルでアライメントマー
クを観察したときの画像信号波形を示すグラフである。

【図６】アライメントマークの段差形状ごとに、数値シ
ミュレーション実験で得られたアライメント誤差を示す
グラフである。

【図７】アライメントマーク上のレジスト膜厚ごとに、
数値シミュレーション実験で得られたアライメント誤差
を示すグラフである。

【符号の説明】

１ ウエハ １０ シリコン基板 １１ レジスト膜 １２、１４ アライメントマーク １３ マスク １５ 対物レンズ １６ パターンバリアフィルタ １７ ラインセンサ １８ Ａ／Ｄコンバータ １９ アライメントアルゴリズム実行部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アライメントマークが形成された表面を
   有する基板の該表面に照明光を照射し、該表面からの反
   射光をレンズを通して観察して基板の位置検出を行う工
   程を含み、 前記アライメントマークが、前記レンズの解像度よりも
   小さい大きさの平面形状を有する凹凸部により構成され
   ている基板位置検出方法。
2. 【請求項２】 前記凹凸部の平面形状は、縞状形状であ
   り、各縞の幅が前記レンズの解像度よりも小さく、かつ
   その長手方向が位置検出すべき方向に対して直交する請
   求項１に記載の基板位置検出方法。
3. 【請求項３】 前記照明光が、インコヒーレント光であ
   る請求項１または２に記載の基板位置検出方法。
4. 【請求項４】 前記位置検出を行う工程が、 前記レンズを通して前記アライメントマークの像を結像
   させる工程と、 位置検出すべき方向に対して平行な直線上の前記アライ
   メントマークの像の光強度分布信号を生成する工程と、 前記光強度分布信号の波形をもとにして、相関係数を求
   める工程とを含む請求項１〜３のいずれかに記載の基板
   位置検出方法。
5. 【請求項５】 半導体基板の表面に形成され、面内方向
   のうちある方向に関する位置決め制御を行うためのアラ
   イメントマークであって、 前記ある方向に対して直交する縞状の平面形状を有する
   凹凸部を含んで構成される前記アライメントマークを有
   する半導体基板。
6. 【請求項６】 フォトマスクの表面に形成され、面内方
   向のうちある方向に関する位置決め制御を行うためのア
   ライメントマークであって、 前記ある方向に対して直交する縞状の平面形状を有する
   凹凸部を含んで構成される前記アライメントマークを有
   するフォトマスク。