JPH10340840A - 半導体基板の位置合わせ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】Ａｌ合金膜２２に覆われた位置合わせ用マーク
４１ａを検出し半導体基板の位置合わせする半導体基板
の位置合わせ方法において、検出できない通常の光セン
サでない方法で位置合わせマーク４１ａを検出する。 【解決手段】励起用レーザ光１５をステップ状に走査
し、励起用レーザ光１５によりこの位置合わせマーク４
１ａを横切るとき、内部のサーマルウェーブの伝播によ
るサーマルウェーブ像を画像に変換し、その画像のピー
ク値を位置合わせマーク４１ａとしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板の位置
合わせ方法に関し、特に、半導体基板上に形成される位
置合わせマークが平坦化された表面や荒れて凹凸が激し
い表面をもつ導電体膜で覆われている半導体基板の位置
合わせ方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常、半導体装置は、半導体基板（以下
ウェハと記す）に回路パターンなどの所定パターンを多
数層重ね合わせて形成し製作される。また、ウェハ表面
における各層の重ね合わせは、回路パターンが形成され
たレチクルが露光装置に位置決めされ、レチクルとは別
にウェハ表面に形成された所定の形状の位置合わせ用マ
ークにアライメント光を照射することによりマークの位
置を検出しウェハの位置合せが行なわれる。云換えれ
ば、その位置合わせ用マークの位置をアライメント光で
検出しパターン原版となるレチクルとの相対的な位置合
わせを行なうことよってなされている。

【０００３】レチクルは露光装置のレチクルステージに
載置され露光装置に対して所定の位置にに位置決めさ
れ、ウェハの一領域である半導体チップはアライメント
センサーに対して合わされる。その後、レチクルの像を
基にベースライン（Ｏｆｆ Ａｘｉｓのアライメントス
コープにより規程されるアライメント用の基線，また、
この基線によるアライメント位置と露光位置との距離）
を加味してステージを移動してウェハが位置決めされ
る。

【０００４】従って、ステージの移動距離を精密に測定
し得る光干渉計をもつ露光装置におけるＯｆｆ Ａｘｉ
ｓの半導体基板の位置合せ方法では、ウェハの一領域で
ある半導体チップをアライメントセンサに対して合わせ
ることであるが、この位置合わせするために半導体チッ
プに形成された位置合わせ用マークを高い精度で検出し
なければならない。言い換えれば、半導体基板の位置合
わせ精度は、この位置合わせ用マークを如何に精度良く
検出するかにかかっている。

【０００５】図４は従来の半導体基板の位置合せ方法の
一例を説明するための図である。この検出方法の一例と
しては、例えば、図４に示すように、レーザ光４０を位
置合わせ用マーク４１にスキャン照射し、回折や散乱さ
れた光を検知して行なっていた。この方法ぱ、ＬＳＡ法
と呼ばれ最も一般的であり幅広く利用されている。しか
しながら、位置合わせ用マーク４１が凹又は凸形状であ
るかあるいは表面が荒れたり非対称となった場合には、
この方法では正確に位置合わせするのは困難である。

【０００６】このレーザ光の他に、ハロゲンランプを光
源とする波長帯域幅の広い光で照明した位置合わせ用マ
ークを画像処理するＦＩＡ法と呼ばれる方法や、ウェハ
上に回折格子状の位置合わせ用マークを形成し、このマ
ークに周波数をわずかに変えたレーザー光を２方向から
照射し、発生した２つの回折光を干渉させ、その位相か
ら位置合わせ用マークの位置情報を検出するＬＩＡと呼
ばれる方法があり、これらの方法はＬＳＡ法に比べ、ウ
ェハの表面が荒れていたりマークが非対称でも位置合わ
せが比較的容易にできる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図５（ａ）および
（ｂ）は位置合わせ用マーク上にＡｌ合金膜が施された
状態を示す図である。近年、半導体装置製造過程におい
ては、図５に示すように、シリコン基板３６上に形成さ
れた酸化膜３７を写蝕し位置合わせ用マーク４１ａを形
成し、さらに、酸化膜３７上に配線金属となるＡｌ合金
膜３８を形成してから、このＡｌ合金膜３８の段差被覆
性を改善するためにＡｌ合金膜を成膜中に加熱したりあ
るいは成膜後に加熱してＡｌを流動化させることが行な
われている。

【０００８】ここで、Ａｌ合金膜３８を流動化後に、フ
ォトレジスト膜３９を形成し露光してＡｌ合金膜３８を
選択的にエッチングし配線を形成しなければならない。
この配線形成のためのフォトリソグラフィの際に、位置
合わ操作するのに位置合わせ用マーク４１ａを使用する
ことになるが、この位置合わせ用マーク４１ａはＡｌ合
金膜３８で覆われているので、Ａｌ合金膜３８が流動化
して形成される窪み３５をマークとして利用せざる得な
かった。

【０００９】しかしながら、金属膜の流動化で形成され
る窪み３５の中心Ｃ1 は位置合わせ用マーク４１ａの中
心Ｃ2 とズレが生じ、正確な位置合わせができないとい
う問題があった。また、金属膜の流動化で必ずしも表面
が円滑でなく、図５（ｂ）に示すように、Ａｌ合金膜３
８の表面が荒れることがある。この場合は検出光にノイ
ズを含み精度良く窪みを検出することができない。さら
に、ＡＬ合金膜をＣＭＰなどで平坦化した場合、金属膜
中はアライメント光であるレーザ光や紫外光は通さない
ので金属膜下の位置合わせ用マーク４１ａの段差を検出
ができない。

【００１０】従って、本発明の目的は、金属膜で覆われ
た位置合わせ用マークを検出でき精度良く位置合せでき
る半導体基板の位置合せ方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、導電膜
に覆われる半導体基板上の位置合わせ用マークの位置を
検出し前記半導体基板を位置決めする半導体基板の位置
合せ方法において、前記半導体基板をステップ状に移動
させながら前記位置合わせマーク近傍に励起用レーザ光
を走査し、前記励起用レーザ光による局部的に熱せられ
た熱源より発生するサーマルウェーブの伝播による表面
温度の変化を前記励起用レーザ光の照射点と同一の位置
に照射される検出用レーザ光の反射光の変化として測定
し、この反射光の変化をサーマルウェーブ信号の波形と
して捉え、該サーマルウェーブ信号の波形のピーク位置
を前記位置合わせマーク位置とする半導体基板の位置合
わせ方法である。前記励起レーザ光は、フォトレジスト
を感光させず該フォトレジストを透過する波長をもつこ
とが望ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に本発明について図面を参照し
て説明する。

【００１３】図１は本発明の一実施の形態における半導
体基板の位置合わせ方法を説明するためのアライメント
装置を示す図である。本発明の半導体基板の位置合わせ
方法に使用されるＯｆｆ−Ａｘｉｓ方式のアライメント
装置は、図１に示すように、励起用レーザ１ａから出射
されたレーザ光である励起用レーザ光がＡＯ変調素子２
およびビームエキスパンダー３ならびにダイクロイック
ミラー４を介してオートフォオーカス５と対物レンズ６
に透過し微小なスポットに形成し基板８に入射する投光
光学系１が備えられている。

【００１４】また、このアライメント装置は、検出用レ
ーザ９ａから出射される検出用レーザ光がビームエキス
パンダー１０と偏光ビームスプリッタ１１と入／４板１
２とダイクロイックミラー４とを透過しオートフォーカ
ス５により自動焦点合わせされ対物レンズ６に入射され
ＸＹステージ７上の基板８の表面に集光する検出光学系
９が備えられている。

【００１５】さらに、このアライメント装置は、投光光
学系１からの微小なスポット径のレーザ光の入射により
発生するサーマルウェーブの伝播によって検出用レーザ
光の反射光を対物レンズ６とダイクロイックミラー４と
入／４板１２と偏光ビームスプリッタ１１およびフィル
ター１３を通して入射させ光強度を計測するフォトディ
テクタ１４が備えられている。

【００１６】励起用レーザ光と検出用レーザ光とは各々
の光軸が一致しており、全く同じ位置に集光スポットと
して入射する。励起用レーザ光の一部は基板８に入射し
た後、その一部が吸収され、基板８内部にサーマルウェ
ーブ（熱の伝搬）とプラズマウェーブ（電子−正孔対の
伝搬）が発生し、サーマルウェーブは基板８の表面下の
構造により伝播の様子が変化し、その表面下の構造の違
いにより等温線が変化し基板８の表面の温度が変化す
る。また、その基板表面の温度の変化により表面の光反
射率が変化するので、検出用レーザ光を照射しその反射
光の変化をフォトディテクタ１４により検出する。

【００１７】図２は図１のアライメント装置の動作作用
を説明するための図である。上述したサーマルウェーブ
の伝播の様子は、図２に示すように、励起用レーザ光１
５がフォトレジスト膜２３を透過しＡｌ合金膜２２に吸
収され周期的なサーマルウェーブが等温線に示すように
伝播する。図２（ａ）のようにシリコン基板２０上のシ
リコン酸化膜２１の無い場所での表面温度Ｔ₁ は、図２
（ｂ）のようにシリコン酸化膜２１の有る場所での表面
温度Ｔ₂ より低くなる。この表面温度の違いによりを入
光される検出用レーザ光の反射率の変動するので、反射
光の光強度の変化を図１のフォトディテクタ１４により
測定すればＡｌ合金膜に覆われた位置合わせ用マークで
も検出できる。

【００１８】図３は本発明の一実施の形態における位置
合せ用マークを検出する方法を説明するための図であ
る。上述したようにサーマルウェーブの伝播による表面
温度の変化およびその温度変化による光反射率の変化を
利用して位置合わせ用マークの検出方法を説明する。こ
こで、図３に示すように、位置合わせ用マーク４１ａ上
のＡｌ合金膜がＣＭＰで平坦化された場合について説明
する。

【００１９】まず、図３に示すように、図１のＸＹステ
ージ７をステッピングさせシリコン基板２０の表面に励
起用レーザ光１５を走査する。このことにより、シリコ
ン基板２０の表面の各ポイトの表面温度の変化する。そ
して、図１のフォトディテクタ１４が反射する検出用レ
ーザ光を入光し、シリコン基板２０の表面下の構造変化
をサーマルウェーブ像（表面温度の変化により検出用レ
ーザ光の反射光の変化）としてディスプレイに描くこと
が可能となる。

【００２０】すなわち、検出用レーザ光の反射率をフォ
トディテクタ１４の信号レベルとしてとらえたものを図
３の下に示してある。この曲線はスムーズイングをかけ
てなめらかにしたものである。このフォトディテクタ１
４の信号レベルの変化をＸＹ両方向にステップスキャン
させて、反射光レベルを画像に変換することにより、位
置合わせ用マーク４１ａのパターンのシリコン酸化膜２
１の肩である端部は検出できないとしてもパターンの中
央Ｃ0 を位置決めすることは可能となる。なお、Ａｌ合
金膜２２の上にフォトレジスト膜２３があるが、フォト
レジスト膜２３は光を通すのでＡｌ合金膜２２の表面の
反射率の測定をプローブレーザ光により行なうことにな
る。

【００２１】次に本発明の第１の実施例について図１を
再度参照して説明する。１ＭＨｚまだは１０ＭＨｚに変
調された励起用アルゴンレーザ光（波長はシリコン酸化
膜への吸収とフォトレジストが感光しない程度に４８８
ｎｍから５２０ｎｍの単色光とした。）がＡＯ変調素子
２，ビームエキスパターン３，ダイクロイックミラー４
を介した後、オートフォーカス５と対物レンズ６を通し
てウェハである基板８の表面に直径１μｍのスポット光
として自動フォーカスされて入射する。

【００２２】Ｈｅ−Ｎｅレーザからなる検出用レーザ９
から出射された検出用レーザ光（波長６３３ｎｍ）はビ
ームエキスパンダー１０，偏光ビームスプリッタ１１，
入／４板１２，ダイクロックミラー４を介した後励起用
レーザー同様オートフォーカス５と対物レンズ６を通し
て基板８の表面に直径１μｍのスポット光として自動フ
ォーカスされて入射する。

【００２３】基板８から反射された検出用レーザ光は対
物レンズ６、ダイクロイックミラー４，入／４板１２，
偏光ビームスプリッタ１１，Ｈｅ−Ｎｅフィルター１３
を通してフォトディテクタ１４に入射する。ここで、励
起用レーザ光と検出用レーザ光とは各々の光軸が一致し
ているため、全く同じ位置に入射する。

【００２４】実施の形態で説明したように励起用レーザ
光で基板８の表面近傍で発生したサーマルウェーブの伝
播の違いによる基板８表面温度の変化を検出用レーザ光
の反射率の変化としてフォトディテクタ１４により検出
する。なお、このとき、ＸＹステージ７をステッピサイ
ズ０．０２５μｍでステッピングさせて各ポイントの表
面温度の変化を測定することにより、基板８の表面下の
構造変化をサーマルウェーブ像として描くことが可能と
なり、この像により基板８の表面下にある位置合わせ用
マークの位置を検出する。

【００２５】次に、この実施例における位置合わせ動作
を図３を参照して説明する。まず、図３に示すように、
シリコン酸化膜２１で形成された凹型の位置合わせ用マ
ーク４１ａがＡｌ合金膜２２により埋込まれて表面が完
全に平坦化され、その表面にはフォトレジスト膜２３が
形成されている状態である。この状態のシリコン基板２
０上に矢印の方向（Ｘ軸方向とする）にＸＹステージを
０．０２５μｍピッチでステップスキャンさせる。そし
て、各ステップでのサーマルウェーブ信号すなわち反射
光の強度を測定する。

【００２６】ここで、Ａｌ合金膜２２の下にシリコン酸
化膜２１の無い場所では、Ａｌ合金膜２２が直接シリコ
ン基板２０に接続されているので、熱電導度が良くサー
マルのように、ＸとＹそれぞれ独立したパターンを用意
する必要は無い。この方向で求めた像の空間分解能はス
テップピッチできまるので０．０２５μｍとなるが、ス
テージのステップ精度も０．０２５μｍ程度であるので
位置合わせ精度は３σで０．０５μｍ程度である。この
ように、位置合わせ用マークがはっきり光学的に検出可
能であり、従来技術を用い光学的に位置合わせを行なう
としても、その精度は３σで０．０５μｍ程度であり本
発明の方法と位置の検出精度は同等である。

【００２７】したがって本発明を用いれば、光学的に位
置合わせマークを検出できない場合においても従来技術
とほぼ同等の位置精度で位置合わせが可能となる。ま
た、本実施例においては、位置合わせ専用のマークを使
用する場合について説明したが、必ずしも専用のマーク
を使用する必要はなく、チップ内での位置が明確でさえ
あれば製品チップ内の素子と配線あるいは配線間を接続
するコンタクトホールのようなパターンを用いてもよ
い。ただし、周辺に同じ様なパターンがあると間違う可
能性があるので周辺には他にパターンがない所を選んだ
ほうが良い。

【００２８】なお、サーマルウェーブがシリコン基板２
０にまで伝播しやすくＡｌ合金２２の表面での温度上昇
は小さいのに対し、Ａｌ合金膜２２の下にシリコン酸化
膜２１の有る場所ではシリコン酸化膜２１の熱伝導度が
Ａｌ合金膜２２の約６％と小さいため、サーマルウェー
ブの伝播がシリコン酸化膜２１でゆるやかとなり、結果
としてシリコン酸化膜２１のない場所よりもＡｌ合金２
２の表面温度が高くなる。

【００２９】次に、Ｙ軸方向に０．０２５μｍステップ
させるごとに同じようにＸ軸方向のフォトディテクタの
信号レベルの変化を測定する。このような位置合わせ用
パターン近傍で０．０２５μｍメッシュの信号レベルを
測定し信号レベルを画像に変換すれば光学的には見えな
い位置合わせ用パターンを検出することが可能である。
サーマルウェーブ信号ではシリコン酸化膜２１のパター
ンの界面をはっきりとらえることはできないが、パター
ンの中心を検出が可能である。この方向ではパターンの
中心のＸＹ座標が同時に検出できる。

【００３０】次に、本発明の第２の実施例について図１
および図３を参照して説明する。この実施例は前述の実
施例と同じアライメント装置を用い、図３と同じ位置合
わせ用マークを用いて行なうが、この実施例においては
Ｘ方向の位置合わせを行なうためにＸ方向に０．０２５
μｍピッチでステップスキャンしてサーマルウェーブの
信号を検出するが、Ｙ方向は０．０２５μｍピッチでは
なく、０．１〜０．５μｍピッチで３〜１０回Ｘ方向に
スキャンさせその平均値から位置合わせ用マークのＸ座
標（図３のＣ0 ）を求め、Ｙ座標は逆にＹ方向に０．０
２５μｍピッチでステップスキャンを３〜１０回行ない
その平均値から求める。この方法ではＸ方向とＹ方向と
別に２回スキャンするが、スキャン回数が実施例１より
も少なくて良いので短時間でマークの位置を検出して位
置合わせが可能である。

【００３１】この際用いる位置合わせ用マークはＸＹと
も同じマークを用いても良いがＸ座標を検出するにはＹ
方向に長い長方形を逆にＹ座標を検出するにはＸ方向に
長い長方形のパターンを用いたほうが良い。

【００３２】これまでの例は位置合わせ用マークがＡｌ
合金２２で埋込まれ完全に平坦化されている例について
説明してきたがＡｌ合金２２で埋込まれている必要は無
く、Ｗ（シリコン酸化膜の１２６倍の熱伝導率）のよう
な高融点金属やシリコン（シリコン酸化膜の１２０倍の
熱伝導率）のような半導体で埋込まれその全面に金属膜
が形成され表面が平坦化されている場合についても本発
明により位置合わせが可能である。

【００３３】また、位置合わせ用マークは凹型である必
要は無く凸型のマークでも良い。さらに、マークの下は
シリコンのような基板でなくてもよく、高融点金属ある
いはそのシリサイドやＡｌ合金のような金属で形成され
た配線でも良い。

【００３４】これまでの実施例では位置合わせ用マーク
の表面が埋込まれその上に形成された金属膜の表面が完
全に平坦化され光学的には全くマークの位置を検出でき
ない場合について説明してきたが、例えは、図５（ｂ）
に示すように、位置合わせ用マーク上に形成されたＡｌ
合金膜３８の表面形状が荒れて凹凸が激しい場合にも適
用できる。このような形状は、ホールを埋込むためにＡ
ｌ合金膜３８を高温でスパッタした場合などにしばしば
起きる。

【００３５】この場合でも、従来技術のように光学的に
マークの位置を検出しようとしても、表面形状の荒れの
ために信号のノイズが大きくて正確な位置検出すること
は既に説明した通り困難である。たとえば、Ａｌ合金膜
３８を高温でスパッタした場合などはＦＩＡを用いて位
置合わせを行なっても位置合わせ精度は３σで０．１μ
ｍ程度であり、ひどい場合にはマーク自体を検出できな
い場合もある。しかしながらこのような場合でも本発明
を用い位置合わせ用マーク近傍のサーマルウェーブ像を
描くことにより表面形状からのノイズは小さくなりマー
クの位置を正確に検出することが可能である。但し表面
の凹凸型状が位置合わせ用マークよりも小さい必要があ
る。

【００３６】また、図５（ａ）に示すように、Ａｌ合金
膜３８が位置合わせ用マーク上で窪んでいるが、その窪
み３５の中心が位置合わせ用マーク４１ａの位置とずれ
ている場合である。このように窪み３５が片寄る場合
は、基板周辺にＡｌ合金膜３８をスパッタ法で形成する
際、段差被覆性が内側方向と外側方向で大きく違う場合
にしばしば起きる。この場合では、従来技術のように光
学的にマークの位置を検出しようとすると、従来技術の
項で述べたように、Ａｌ合金膜３８の窪みの位置の情報
のみで判定するのでＣ₁ が位置合わせ用マーク４１ａの
位置Ｃ2 と判定してしまう。

【００３７】これに対して本発明の方法でサーマルウェ
ーブ像を描くと、表面形状の情報にその下のサーマルウ
ェーブの伝播の違いにより発生する表面温度の情報も加
味されるのでＣ₁ と本来のマークの位置Ｃ₂ の間の位置
をマークの位置と判定することになる。この場合、本発
明を用いても完全に正確の位置を検出するわけではない
が、従来技術の光学的方法よりも正確に位置検出可能で
ある。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、励起用レ
ーザ光を照射し金属表面下の位置合わせ用マーク近傍に
励起用レーザ光を照射し局部的にかく乱させ、この局部
的熱源から発生するサーマルウェーブよる熱伝導の違い
により、表面温度の変化による光反射光の変化をサーマ
ルウェーブ像として画像変換させ、サマールウェーブ像
のピーク値を位置合わせマークの位置として容易に検出
できるので、位置合わせマークを覆う金属膜の表面が荒
れたり平坦化されていても位置合わせを精度良く決める
ことができ、各層の回路パターンをずれなく精密に重ね
形成できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態における半導体基板の位
置合わせ方法を説明するためのアライメント装置を示す
図である。

【図２】図１のアライメント装置の動作作用を説明する
ための図である。

【図３】本発明の一実施の形態における位置合せ用マー
クを検出する方法を説明するための図である。

【図４】従来の半導体基板の位置合せ方法の一例を説明
するための図である。

【図５】位置合わせ用マーク上にＡｌ合金膜が施された
状態を示す図である。

【符号の説明】

１ 投光光学系 １ａ 励起用レーザ ２ ＯＡ変調素子 ３，１０ ビームエキスパンダー ４ ダイロイックミラー ５ オートフォーカス ６ 対物レンズ ７ ＸＹステージ ８ 基板 ９ 検出光学系 ９ａ 検出用レーザ １１ 偏光ビームスプリッタ １２ 入／４板 １３ フィルタ １４ フォトディテクタ １５ 励起用レーザ光 ２０，３５ シリコン基板 ２１，３７ 酸化膜 ２２，３８ Ａｌ合金膜 ２３，３９ フォトレジスト膜 ４０ レーザ光 ４１，４１ａ 位置合わせ用マーク

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電膜に覆われる半導体基板上の位置合
   わせ用マークの位置を検出し前記半導体基板を位置決め
   する半導体基板の位置合せ方法において、前記半導体基
   板をステップ状に移動させながら前記位置合わせマーク
   近傍に励起用レーザ光を走査し、前記励起用レーザ光に
   よる局部的に熱せられた熱源より発生するサーマルウェ
   ーブの伝播による表面温度の変化を前記励起用レーザ光
   の照射点と同一の位置に照射される検出用レーザ光の反
   射光の変化として測定し、この反射光の変化をサーマル
   ウェーブ信号の波形として捉え、該サーマルウェーブ信
   号の波形のピーク位置を前記位置合わせマーク位置とす
   ることを特徴とする半導体基板の位置合わせ方法。
2. 【請求項２】 前記励起レーザ光は、フォトレジストを
   感光させず該フォトレジストを透過する波長をもつこと
   を特徴とする請求項１記載の半導体基板の位置合わせ方
   法。