JPH11340135A - パターンの位置ずれ検出マークと半導体装置およびフォトマスク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パターンの位置ずれ検出マークと半導体装置
およびフォトマスクに関し、形成されたパターンの位置
ずれを検出するマークを小型化し、パターンの位置ずれ
検出精度の向上および、半導体装置およびフォトマスク
の高性能化・高精度化を目的とする。 【解決手段】 基板上の積層膜のそれぞれに形成パター
ンの位置ずれ検出用マークを、積層膜の厚さ方向に対応
する一対の十字形状のマーク11と12またはＬ字形状のマ
ーク21と22または十字形状のマーク31とＬ字形状のマー
ク32の組み合わせ、または複数の線分またはその組み合
わせをＥＢ露光により形成したものとする。前記本発明
によるマークを使用してパターン精度を検出した半導体
装置およびフォトマスク。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置等およ
びフォトマスクの製造プロセスにおいて、形成されたパ
ターンの位置ずれを検出する位置ずれ検出マークと半導
体装置およびフォトマスク、特にリソグラフィおよびエ
ッチング等によって積層膜のそれぞれに形成したパター
ンのずれを、光学的に検出する位置ずれ検出技術と、該
位置ずれ検出技術によってパターンのずれが保証された
半導体装置およびフォトマスクに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置等の微細加工において、レジ
ストパターンを形成するリソグラフィには各種の方式が
あるが、一般に光リソグラフィおよび電子線（ＥＢ）リ
ソグラフィが用いられている。

【０００３】光リソグラフィは、光学写真の技術を用い
たステップアンドリピート方式の縮小露光装置（ステッ
パ）またはスキャン方式の縮小露光装置（スキャナ）に
より、マスクに形成された所望のパターンを１／４〜１
／５程度に縮小し転写するもので、ＤＲＡＭ等の汎用の
半導体集積回路の生産に最も利用されている。

【０００４】ＥＢリソグラフィは、電子銃から出射する
電子ビームを磁場によって所望の位置にコントロールし
描画するものであり、光リソグラフィ用フォトマスク
（レチクル）の製造には、独占的に利用されている。

【０００５】光リソグラフィの最近の技術動向として
は、より微細なパターンを形成する必要から、光源にＫ
ｒＦエキシマ・レーザ（λ＝２４９μｍ）またはＡｒＦ
エキシマ・レーザ（λ＝１９３μｍ）を使用した技術が
実用化されつつある。

【０００６】そして、微細パターンの形成と同時に積層
パターンの重ね合わせ精度を向上させるため、パターン
形成後に下層パターンと上層パターンの位置ずれを一層
正確に測定し管理することが重要視されてきており、微
細パターン幅の１／４程度の重ね合わせ精度が要求され
る積層パターンの重ね合わせ技術は、リソグラフィにお
けるキーテクノロジーの一つとして位置付けられる。

【０００７】一方、エキシマ・レーザを使用を含む従来
の光リソグラフィの実用技術は、既に物理的を限界に近
づいており、ＥＢリソグラフィやＸ線リソグラフィ等、
今まで十分に利用されていかった新しいリソグラフィ技
術が検討段階に入っており、近い将来、それらが光リソ
グラフィの欠点を補完し、場合によっては光リソグラフ
ィに置き替わる可能性が大きい。その際、既に半導体チ
ップの一部の少量生産にも実用化されているＥＢリソグ
ラフィが特に有望な技術として考えられている。

【０００８】光リソグラフィとＥＢリソグラフィの併用
または、ＥＢリソグラフィの単独利用による半導体チッ
プの製造では、光リソグラフィによる位置精度確保の技
術体系と、ＥＢリソグラフィにおける位置精度の確保す
る技術体系とが根本的に異なるため、光リソグラフィの
単独露光とは異なる新たな問題が発生する。

【０００９】なお、ＥＢ露光システム（装置）は、大き
く分けて電子ビームを発生させる電子ビーム発生部
（電子銃）、電子ビーム進行方向を意図どおりに偏向
させる偏向部、電子ビームの形状を意図どおりに変え
るビーム形状変更部、露光されるウェーハを搭載し移
動させるステージ、前記〜を高精度，高スループ
ットに制御するためコンピュータ，制御系，ソフトウエ
ア等にてなる制御システム部からなる。

【００１０】の偏向部は一般に２〜３階層に分かれて
おり、例えば２階層の場合に主偏向器（メイン・ディフ
レクタ）で電子ビームを大きく偏向し、副偏向器（サブ
・ディフレクタ）でより小さく偏向させ、電子ビームの
位置精度を確保するようになる。

【００１１】かかるＥＢ露光装置で１回に露光できる範
囲（ショットサイズ）は、光リソグラフィに比べて格段
に狭く、最大でも１ショット１０μｍ□以下、通常は数
μｍ□程度である。

【００１２】なお、２階層の偏向部において、主偏向器
により形成される領域をメイン・フィールドと言い、そ
の領域は１〜５ｍｍ□程度であり、副偏向器により形成
される領域をサブ・フィールドと言い、その領域は３０
〜１００μｍ□程度である。

【００１３】従って、ＥＢ露光ではこれらの偏向部やシ
ョット間における位置ずれのばらつきを抑制し、つなぎ
部分のずれを小さくすることが露光装置の位置精度の向
上あるいは、露光したパターンの合わせ露光位置精度の
向上につながる。

【００１４】そして、重ね合わせ露光後の位置ずれ精度
の評価は、従来ボックス・イン・ボックスマークが用い
られてきた。重ね合わせをチェックする２層のそれぞれ
に寸法の異なるボックス型マークを形成し、そのマーク
を構成する線間の位置関係を測定して、設計値とのずれ
を測定することである。

【００１５】図１２は従来のパターンの位置ずれ検出マ
ークを示すものであり、（ａ）はシングルボックスタイ
プと呼ばれ、（ｂ）はダブルボックスタイプと呼ばれ、
（ｃ）は前記ダブルボックスタイプと基本的に同じだが
線間が離れており、バー・イン・バータイプと呼ばれて
いる。

【００１６】何れのマークも、図の上下方向および左右
方向（Ｘ方向とＹ方向）に対称の箱型かその類似型、か
つ、外箱内に内箱が対応するものであり、位置ずれを検
知する精度を上げるために種々の工夫、例えば膜厚を変
える等の工夫がなされている。

【００１７】これらのマークは各線の位置を画面上で正
確に測定するため、種々の方法が取られきた。即ち、画
像処理する際の画素単位で画像の明度（グレーレベル）
を測定し、そのピークを線の位置とする方法あるいは、
グレーレベルが下がって一定レベル以下になった位置
（スレッシュホールド：箱型マークの内側からとる方法
と外側からとる方法がある）を読み取る方法等がある。

【００１８】上記の方法は、シングルボックスタイプお
よびダブルボックタイプの双方に有効であり、さらに、
マークを構成する線の位置を決める方法の他に、左右方
向または上下方向の対称像を折り返して左右方向または
上下方向のマッチングをとり、最も一致した折り返し点
を取る方法（相関法）、マークの形状（シングルボック
スとダブルボックス等の別、寸法、線幅等）を予め決め
おき、理想的なグレーレベルの出力パターン（いわゆる
テンプレート）と計測されたパターンとのマッチングを
取り、最も一致するところを見つけるテンプレート法
等、多くの方法が実用化されている。

【００１９】どの方法が精度的に優れるかは測定条件等
によりいちがいに言えないが、何れの方法も１点，１回
だけの計測でなく数回〜数十回の画像処理測定と、場合
によってはデータ要素のスクリーニングをすることで、
ノイズの影響を除いたり、１画素当たりの長さよりも微
細な位置ずれの測定を可能にしている。つまり、統計的
を手法を使って多くのデータを処理することにより、一
つのマークから高精度の測定を可能にしている。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
積層された膜のそれぞれに形成したパターン間のずれ
は、一般に箱型の位置ずれ検出マークによって評価して
いた。しかし、その評価に一層の高精度が要求されると
共に、従来使用していたマークの小型化も求められるよ
うになってきた。特に、従来のマークでは、内箱の直線
部分が外箱の直線部分より著しく短くなることが、評価
精度を改善する妨げになっていた。

【００２１】前記評価の高精度化およびマークの小型化
は、ひとつには開発や試作の段階で多くの位置（箇所）
に位置ずれ検出マークが必要とされる一方、チップの大
型化に伴ってテストパターン（ＴＥＧ：Test Element G
roup) 部分の大型化が必然化するため、位置ずれ検出マ
ークを導入する場所を割り当てることがより困難とな
り、従来の位置ずれ検出マークは内側の箱型寸法によっ
て検出精度が抑制されることによる。

【００２２】一方、デバイスの微細化に伴い、パターン
に要求される精度は厳しくなる。特に、位置ずれ検出マ
ークが小さくなり数μｍ□程度の大きさになると、光リ
ソグラフィで形成したものは端部が丸くなってその分直
線部分が短くなり、一つのマークから光学的に得られる
画像（ピクセル）情報が少なくなり、測定精度および再
現性が低下すると共に、従来の箱型マークの内側ではレ
ジストの膜厚が変動する場合があり、マークの寸法（マ
ークエッジの位置）が変動して大きな測定誤差を生む場
合が往々にしてある。

【００２３】また、従来の位置ずれ検出マークは光ソグ
ラフィを基準にしたものであり、ＥＢソグラフィへの適
用、例えばＥＢ装置における数ショットで１本の線を形
成させる、例えば１ショットで形成される数μｍの長さ
の線をつないで十数μｍの長さの線を得る方法は、ショ
ット間，サブ・フィールド間，メイン・フィルド間のつ
なぎ合わせ精度の測定精度を低下させる等の問題があ
る。特に、サイズの小さなショットやサブ・フィールド
のばらつきおよび歪みは制御する要素でありながら、こ
れらを高精度かつ高い再現性および高スループットの条
件を満たしながら、直接的に測定する有効な方法がなか
った。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、位置ず
れ検出マークの小型化を可能にし、即ち高倍率の測定画
像上での測定を可能にし、しかも測定する直線の位置の
情報量が多く取れ、異なる膜に形成したマークの直線部
分の差が少なくなるようにし、積層膜に形成したパター
ンの位置ずれを正確に認識することでアライメント精度
を上げた半導体装置を提供することであり、本発明の構
成は、光リソグラフィを利用した構成のものと、ＥＢ露
光装置を使用した構成のものに分かれている。

【００２５】図１は本発明によるパターンの位置ずれ検
出マークの基本構成の説明図（その１）であり、（ａ）
は十字形状のパターンの位置ずれ検出マーク、（ｂ）は
Ｌ字形状のパターンの位置ずれ検出マーク、（ｃ）は十
字形状とＬ字形状のパターンの位置ずれ検出マークを組
み合わせた平面図である。ただし、図１の構成は光リソ
グラフィを利用するものでる。

【００２６】図１（ａ）において、本発明の第１のパタ
ーンの位置ずれ検出マーク（その１）は、基板上に被着
した積層膜の二層それぞれに形成されたパターンの位置
ずれを検出マーク１１と１２が、上下方向（Ｙ方向）に
延在する少なくとも１本の第１の線分１１ａまたは１２
ａと、左右方向（Ｘ方向）に延在する少なくとも１本の
第２の線分１１ｂまたは１２ｂとが直交する十字形状で
あり、該二層のそれぞれに形成された一対の十字形状の
マーク１１と１２は、少なくとも一部が重ならないよう
にずらして形成されていることを特徴とするものであ
る。

【００２７】図１（ｂ）において、本発明による第１の
パターンの位置ずれ検出マーク（その２）は、基板上に
被着した積層膜の二層それぞれに形成されたパターンの
位置ずれを検出マーク２１と２２が、上下方向に延在す
る少なくとも１本の第１の線分２１ａまたは２２ａと、
左右方向に延在する少なくとも１本の第２の線分２１ｂ
または２２ｂとが直交するＬ字形状であり、該積層膜の
一方と他方に分けて形成し該積層膜の厚さ方向に対応す
る一対のＬ字形状のマーク２１と２２は、少なくとも一
部が重ならないようにずらして形成されていることを特
徴とするものである。

【００２８】図１（ｃ）において、本発明による第２の
パターンの位置ずれ検出マークは、基板上に被着した積
層膜の二層それぞれに形成されたパターンの位置ずれを
検出するため該二層のそれぞれに形成する位置ずれ検出
用マークにおいて、該二層の一方に形成した該位置ずれ
検出用マーク３１が、上下方向に延在する少なくとも１
本の第１の線分３１ａと、左右方向に延在する少なくと
も１本の第２の線分３１ｂとが直交する十字形状であ
り、該二層の他方に形成した該位置ずれ検出マーク３２
が、前後方向に延在する少なくとも１本の第１の線分３
２ａと、左右方向に延在する少なくとも１本の第２の線
分３２ｂとが直交するＬ字形状であり、十字形状の位置
ずれ検出マーク３１とＬ字形状の位置ずれ検出マーク３
２の組み合わせであることを特徴とするものでる。

【００２９】本発明による第３のパターンの位置ずれ検
出マークは、前記本発明の第１のパターンの位置ずれ検
出マーク（その１）１１および１２または前記本発明の
第１のパターンの位置ずれ検出マーク（その２）２１お
よび２２または前記本発明の第２のパターンの位置ずれ
検出マーク３１および３２が、上から見たとき上下方向
または左右方向に対し線対称に形成されていることを特
徴とするものである。

【００３０】本発明による第１の半導体装置は、基板上
に被着した基板上に被着した積層膜の二層それぞれに形
成されたパターンの位置ずれを検出するためのマーク
が、１本または平行する複数本の第１の線分と、１本ま
たは平行する複数本の第２の線分とが直交する十字形状
またはＬ字形状であり、該二層のそれぞれに形成された
該十字形状またはＬ字形状のパターンの少なくとも一部
が重ならないようにずらして形成された複合パターンで
あるパターンの位置ずれ検出マーク、更に具体的には前
記本発明第１乃至第３のパターンの位置ずれ検出マーク
を有することを特徴とするものである。

【００３１】前記本発明の第１〜第２のパターンの位置
ずれ検出マーク１１と１２または２１と２２または３１
と３２によれば、従来のマークに対比させたとき、同じ
面積のマークでも検出に必要な直線部分が従来のものよ
り長く採れる。そのため、画像計測で得られる測定デー
タの数が多くなり、マークの占める面積が削減されるの
は言うまでもなく、同時に精度の向上と計測時間の短縮
（スループットの向上）が図れる。

【００３２】前記本発明の第３のパターンの位置ずれ検
出マークは、より狭い領域に形成可能とし、位置ずれの
検出精度を正確にすることが可能とする。前記本発明の
第１の半導体装置は、積層膜のそれぞれに形成した所要
パターンの層間のずれが従来のものより高精度に認識さ
れるため、高性能化が可能になる。

【００３３】例えば図１２（ｂ）の従来のダブルボック
スタイプのマークでは、内箱の上下方向の直線部分の検
出長をａとして左右方向の直線部分の検出長をｂとし、
外箱の上下方向の直線部分の検出長をｃとして左右方向
の直線部分の検出長をｄとしたとき、内箱の検出長ａと
ｂは外箱の検出長ｃとｄに対比させて短いため、外箱よ
り内箱の位置検出精度が著しく低くなるのに対し、本発
明のマーク例えば図１（ａ）の位置ずれ検出マーク１１
と１２では、それぞれの検出長が従来の検出長ａおよび
ｂより長くなり、そのため画像処理で取れるデータ量が
増大し、積層膜のそれぞれに形成したパターンの位置ず
れ検出精度が向上することになる。

【００３４】また、光リソグラフィによる工程でも、本
発明のマークを使用すれば、位置ずれ測定パターンが事
実上孤立パターンでなく繰り返し状となるため、マーク
部分の解像度が向上するため、パターン密度が増しより
一層マークの小型化が図れるという効果と共に、マーク
部分付近でのレジスト膜厚のばらつきが小さくなりマー
ク形状の再現性が向上し、位置ずれ計測精度が向上する
効果が大きい。

【００３５】図５は本発明によるパターンの位置ずれ検
出マークの基本構成の説明図（その２）であり、ＥＢ露
光装置を利用する位置ずれ検出マークは、ＥＢ露光時の
サブ・フィールド内にＥＢ露光で形成することで、積層
膜のそれぞれに形成し、前記本発明の第１〜第４のパタ
ーンの位置ずれマークより一層の小型化を可能とした。

【００３６】そして、本発明の第４のパターンの位置ず
れ検出マークは、基板上に被着した積層膜の二層の一方
に形成されたマーク７１と、該二層の他方に形成したマ
ーク７２からなり、マーク７１と７２は上下方向（Ｙ方
向）に延在する複数本（または１本：図は２本）の線分
７１ａまたは７２ａと、左右方向（Ｘ方向）に延在する
複数本（または１本：図は２本）の線分７１ｂまたは７
２ｂとで構成され、ＥＢ露光装置におけるサブ・フィー
ド内の複数箇所にＥＢ露光で形成されていることを特徴
とするものである。

【００３７】本発明の第５のパターンの位置ずれ検出マ
ークは、前記本発明の第４のパターンの位置ずれ検出マ
ークにおいて、マーク７１または７２を構成する線分７
１ａまたは７２ａと７１ｂまたは７２ｂのそれぞれが、
ＥＢ露光装置の１ショットで形成されていることを特徴
とするものである。

【００３８】本発明の第６のパターンの位置ずれ検出マ
ークは、前記本発明の第４のパターンの位置ずれ検出マ
ークにおいて、前記二層の一方および他方の同一膜に形
成された線分７１ａと７１ｂからなる複合パターンおよ
び、線分７２ａと７２ｂからなる複合パターンが、ＥＢ
露光装置の１ショットで形成されていることを特徴とす
るものである。

【００３９】本発明の第７のパターンの位置ずれ検出マ
ークは、前記第４〜第６のパターンの位置ずれ検出マー
クが、前記サブ・フィード内の少なくとも４隅近傍に形
成されていることを特徴とするものである。

【００４０】本発明による第２の半導体装置は、半導体
基板上に被着した積層膜の二層それぞれに形成されたパ
ターンの位置ずれを検出するためのマークが、１本また
は複数本の第１の線分と該第１の線分に直交する方向の
１本または複数本の第２の線分とで構成され、該マーク
がＥＢ露光装置におけるるサブ・フィールド内の複数箇
所に、ＥＢ露光で形成されたパターンの位置ずれ検出マ
ーク、更に具体的には前記本発明による第４乃至第７の
パターンの位置ずれ検出マークの何れかを有することを
特徴とするものである。

【００４１】本発明のフォトマスクは、ガラス基板上に
被着した積層膜の二層それぞれに形成されたパターンの
位置ずれを検出するためのマークが、１本または複数本
の第１の線分と該第１の線分に直交する方向の１本また
は複数本の第２の線分とで構成され、該マークがＥＢ露
光装置におけるるサブ・フィールド内の複数箇所に、Ｅ
Ｂ露光で形成されたパターンの位置ずれ検出マーク、更
に具体的には前記本発明による第４乃至第７のパターン
の位置ずれ検出マークの何れかを有することを特徴とす
るものである。

【００４２】前記本発明の第４〜第７のパターンの位置
ずれ検出マークは、何れもＥＢ露光によって形成された
ものであり、そのため前記本発明の第１〜第３のパター
ンの位置ずれ検出マークより小型化が可能になる。

【００４３】さらに前記本発明の第５のパターンの位置
ずれ検出マーク、即ちマーク７１および７２を構成する
各線分７１ａと７２ａと７１ｂおよび７２ｂを、それぞ
れＥＢ露光装置の１ショットで形成したものは、線分７
１ａと７２ａと７１ｂおよび７２ｂのそれぞれの寸法精
度を、個々にできるだけ正確になるように露光条件を調
整することが可能になるという特徴がある。

【００４４】さらに前記本発明の第６のパターンの位置
ずれ検出マーク、即ちマーク７１および７２をそれぞれ
１回のショットで形成したものは、本発明の第６のパタ
ーンの位置ずれ検出マークよりパターン形成が容易にな
る（工程，工数が少ない）という特徴がある。

【００４５】さらに前記本発明の第７のパターンの位置
ずれ検出マーク、即ちマーク７１および７２をサブ・フ
ィード内の少なくとも４隅近傍に形成したものは、サブ
・フィード内における誤差および偏りの傾向が把握可能
となり、積層膜に形成された所要パターンの評価が高精
度化されるという特徴がある。

【００４６】前記本発明の第２の半導体装置は、積層膜
のそれぞれに形成した所要パターンの層間のずれが、前
記本発明の第１の半導体装置より高精度に認識される。
そのため、半導体装置の一層の高性能化が可能になる。

【００４７】前記本発明のフォトマスクは、マスクパタ
ーンのずれが従来のものより高精度に認識される。その
ため、半導体装置等の一層の高性能化が可能になる。な
お、例えば図５のマーク７１および７２において、ＥＢ
露光装置の１ショットで形成される線分７１ａ，７１
ｂ，７２ａ，７２ｂの長さは、通常の装置を使用して２
〜５μｍであり、幅を０．５μｍとしたとき、線分７１
ａと７１ｂと７２ａと７２ｂは１０μｍ□程度の領域に
形成可能となる。そして、ＥＢ露光装置における通常の
サブ・フィードの大きさが数十μｍ□であることから、
マーク７１と７２からなる位置ずれ検出マークは、サブ
・フィード内の複数箇所に配置可能であり、積層膜パタ
ーンの位置検出が高精度に実施可能となり、そのように
したものが、本発明の第５〜第６の位置ずれ検出マーク
である。

【００４８】さらに、マーク７１と７２をＥＢ露光装置
で形成するに際し、シテンシルマスク等を利用すること
で線分以外の形状パターンを１ショットで形成できるよ
うになる。即ち、いわゆるブロック露光型のＥＢ露光装
置を使用し線分７１ａと７１ｂおよび線分７２ａと７２
ｂをそれぞれ１ショットで形成できるようになり、その
ようにしたものが、本発明の第７のパターンの位置ずれ
検出マークである。

【００４９】

【発明の実施の形態】図２は本発明の第１の実施例の説
明図であり、積層膜を省略し上から見下ろして示す図２
において、下層膜に形成したパターンの位置ずれ検出マ
ーク４１は、上下方向に延在する２本の線分４１ａと、
左右方向に延在する２本の第２の線分４１ｂとが直交す
る十字形状であり、上層膜に形成したパターンの位置ず
れ検出マーク４２は、前後方向に延在する２本の線分４
２ａと、左右方向に延在する２本の第２の線分４２ｂと
が直交する十字形状である。

【００５０】本発明の第１（その１）および第３のパタ
ーンの位置ずれ検出マークに相当するマーク４１と４２
において、平行する線分４１ａと４２ａおよび４１ｂと
４２ｂは重ならないように形成されている。そして、線
分４２ａと４２ｂの交点より外方の線分４２ａの有効検
出長および、線分４１ａが線分４２ｂより外方に突出す
る有効検出長をｌ_-1とし、線分４２ａと４２ｂの交点よ
り外方の線分４２ｂの有効検出長および、線分４１ｂが
線分４２ａより外方に突出する有効検出長をｌ _-2とした
とき、マーク４１および４２の左右方向のトータル有効
検出長は各々ｌ _-1×８となり、前後方向のトータル有効
検出長は各々ｌ_-2×８となる。

【００５１】ただし、有効検出長ｌ_-1およびｌ_-2は、線
分先端部および交点における丸みを除外し、各線分４１
ａと４１ｂと４２ａおよび４２ｂの幅方向の両側に設定
している。

【００５２】図３は本発明の第２の実施例の説明図であ
り、積層膜を省略し上から見下ろして示す図３におい
て、下層膜に形成した４つのパターンの位置ずれ検出マ
ーク５１は、上下方向に延在する第１の線分５１ａと、
左右方向に延在する第２の線分５１ｂとが直交するＬ字
形状であり、上層膜に形成した４つのパターンの位置ず
れ検出マーク５２は、前後方向に延在する第１の線分５
２ａと、左右方向に延在する第２の線分５２ｂとが直交
するＬ字形状である。

【００５３】本発明の第１（その２）および第３のパタ
ーンの位置ずれ検出マークに相当するマーク５１と５２
において、平行する線分５１ａと５２ａおよび５１ｂと
５２ｂは重ならないように形成されている。そして、線
分５２ａと５２ｂの交点より外方に突出する線分５２ａ
の有効検出長をｌ_-3とし、線分５２ａと５２ｂの交点よ
り外方に突出する線分５２ｂの有効検出長をｌ_-4とし、
線分５１ａと５１ｂの交点より外方に突出する線分５１
ａの有効検出長をｌ_-5とし、線分５１ａと５１ｂの交点
より外方に突出する線分５１ｂの有効検出長をｌ_-6とし
たとき、マーク５１は左右方向のトータル有効検出長は
ｌ_-6×８で前後方向のトータル有効検出長はｌ_-5×８と
なり、マーク５２は左右方向のトータル有効検出長は各
々ｌ_-3×８で前後方向のトータル有効検出長はｌ_-4×８
となる。

【００５４】ただし、有効検出長ｌ_-3〜ｌ_-6は、線分先
端部および交点における丸みを除外し、各線分５１ａと
５１ｂおよび５２ａと５２ｂの幅方向の両側に設定して
いる。

【００５５】図４は本発明の第３の実施例の説明図であ
り、本発明の第２および第３のパターンの位置ずれ検出
マークの説明図であり、積層膜を省略し上から見下ろし
て示す図４において、下層膜に形成したパターンの位置
ずれ検出マーク６１は、上下方向に延在する２本の第１
の線分６１ａと、左右方向に延在する２本の第２の線分
６１ｂとが直交する十字形状であり、該十字形状のＬ字
形凹部に添う如く上層膜に形成した４つのパターンの位
置ずれ検出マーク６２は、前後方向に延在する第１の線
分６２ａと、左右方向に延在する第２の線分６２ｂとが
直交するＬ字形状であり、位置ずれ検出マーク６２のＬ
字形状に添う如く形成した４つのパターンの位置ずれ検
出マーク６３は、前後方向に延在する第１の線分６３ａ
と、左右方向に延在する第２の線分６３ｂとが直交する
Ｌ字形状である。

【００５６】かかるマーク６１と６２および６３におい
て、平行する線分６１ａと６２ａと６３ａおよび６１ｂ
と６２ｂと６３ｂは重ならないように形成されている。
そして、線分６１ａと６１ｂの交点より外方に突出する
線分６１ａの有効検出長をｌ _-7とし、線分６１ａと６１
ｂの交点より外方に突出する線分６１ｂの有効検出長を
ｌ_-8とし、線分６２ａと６２ｂの交点より外方に突出す
る線分６２ａの有効検出長をｌ_-9とし、線分６２ａと６
２ｂの交点より外方に突出する線分６２ｂの有効検出長
をｌ_-10 とし、線分６３ａと６３ｂの交点より外方に突
出する線分６３ａの有効検出長をｌ_-11 とし、線分６３
ａと６３ｂの交点より外方に突出する線分６３ｂの有効
検出長をｌ_-12 としたとき、マーク６１の左右方向のト
ータル有効検出長は各々ｌ_-7×８で前後方向のトータル
有効検出長は各々ｌ_-8×８となり、マーク６２の左右方
向のトータル有効検出長は各々ｌ_-9×８で前後方向のト
ータル有効検出長は各々ｌ_-10 ×８となり、マーク６３
の左右方向のトータル有効検出長は各々ｌ_-11 ×８で前
後方向のトータル有効検出長は各々ｌ_-12 ×８となる。

【００５７】ただし、有効検出長ｌ_-7〜ｌ_-12 は、線分
先端部および交点における丸みを除外し、各線分６１ａ
と６１ｂおよび６２ａと６２ｂおよび６３ａと６３ｂの
幅方向の両側に設定している。

【００５８】次いで、図１２（ｂ）に示す従来のダブル
ボックスマークと、図２に示す本発明の十字形状のマー
クとの信頼性に関する実験結果について説明する。ただ
し、従来のダブルボックスマークは２０μｍ□の領域内
に形成したのに対し、本発明の十字形状は１５μｍ□の
領域内に形成したものであり、他の条件即ちｉ線ステッ
パを使用したこと、下層膜はレジストとシリコン酸化膜
をマスクにシリコンを０．５μｍエッチングし、その上
の上層膜はＥＢ露光装置によりレジストパターンで形成
し、マークの検出には重ね合わせ測定機を使用した。

【００５９】そして、下層膜のマークの位置をグレーレ
ベルの最下点を検出する方法により決め、下層膜マーク
から検出したその中心点と、上層膜マークから検出した
その中心点の位置ずれをｎｍ単位まで算出し、下層膜マ
ークの中心点と上層膜マークの中心点のずれについて、
画像処理を１０回ずつ行い、その中心点の位置ずれの算
出値のばらつき（３σ）を比較したものが表１であり、
表１から本発明マークが従来マークより優れていること
が確認された。

【００６０】

【表１】

【００６１】図６は本発明の第４の実施例の説明図、即
ち、本発明の第４乃至第７のパターンの位置ずれ検出マ
ークに対応する説明図であり、積層膜を省略し上から見
下ろして示す図６において、下層膜（または上層膜）に
形成したパターンの位置ずれ検出マーク８１は、上下方
向に延在する２本の線分８１ａと、左右方向に延在する
２本の第２の線分８１ｂとが、一辺が８μｍの四角形の
四辺それぞれの中央部内側に配設された線分であり、上
層膜（または下層膜）に形成したパターンの位置ずれ検
出マーク８２は、前後方向に延在する２本の線分８２ａ
と、左右方向に延在する２本の第２の線分８２ｂとが、
一辺が４μｍの四角形の四辺の中央部内側に配設された
線分である。

【００６２】かかるマーク８１と８２の組み合わせにお
いて、例えば長さが約２μｍで幅が約０．５μｍの線分
８１ａと８１ｂと８２ａと８２ｂを、それぞれがＥＢ露
光装置の１ショット（可変矩形露光モード）で形成した
ものが本発明の第６のパターンの位置ずれ検出マークで
ある。

【００６３】しかし、シテンシルマスクを利用する等に
よって、ＥＢ露光装置における１ショット領域が拡張可
能となる。そこで、マーク８１（線分８１ａと８１ｂ）
を１ショットで露光し、マーク８２（線分８２ａと８２
ｂ）を１ショットの計２ショットで露光形成させると、
ショットごとのばらつきによる測定誤差の低減が可能と
なり、マーク形成の工程と工数が低減され、そのように
２ショットでマーク８１と８２を形成したものが、本発
明の第７のパターンの位置ずれ検出マークである。

【００６４】このような小型サイズのマーク８１と８２
を使用すれば、サブ・フィールド内の歪みの傾向や経時
変化を直接的に追跡することができる。従って、ＥＢ露
光装置の調整や実際のプロセスへの適用（露光）時の露
光位置精度のチェック等に使用でき、例えばＥＢ露光装
置やその装置で露光処理した基板仕掛かり品の品質（こ
こでは露光位置精度，下層に対する上層の重ね合わせ位
置精度等）を、メイン・フィールド，サブ・フィールド
およびショットのばらつき要素を分解して詳細に解析
し、露光装置または製品の精度にフィードバックするこ
とができる。

【００６５】逆に、サブ・フィールド内に１ショットで
露光できる大きさのマークは、ショットサイズの最大寸
法に制限されるため、必然的に小型となる。そして、１
ショットのサイズ（大きさ）は高々１０μｍ以下である
ことが多いため、図５に示す如き構成のマーク８１と８
２の場合、外側の線分８１ａおよび８１ｂの長さは数μ
ｍ以下となるが、露光装置の性能により露光形状に歪み
が生じる等の問題が生じない範囲、かつ、またマークの
長辺は露光装置の１ショットで露光できる範囲で、でき
るだけ長いことが望ましい。

【００６６】図７はパターンの位置ずれ検出マークを形
成したサブ・フィールドの配設例、図８はサブ・フィー
ルド内に形成した本発明マークの配設例、図９はサブ・
フィールド内のマーク形成手順の説明図である。

【００６７】図７においてメイン・フィールド８６は一
辺の長さが１．８７５ｍｍの正方形で、サブ・フィール
ド８７は一辺の長さが７５μｍの正方形であり、サブ・
フィールド８７はメイン・フィールド８６の中心部と四
隅の計５箇所（８７_-1，８７ _-2，８７_-3，８７_-4，８７
_-5）に設定している。

【００６８】図７において、左上，右上，中心，左下，
右下の順に符号付けしたサブ・フィールド８７_-1，８７
_-2，８７_-3，８７_-4，８７_-5のそれぞれの内側には、図
８に示す如く９箇所に本発明の第５のパターンの位置ず
れ検出マーク、即ちサブ・フィールド８７_-1，８７_-2，
８７_-3，８７_-4，８７_-5の各中心部と、上下方向および
左右方向に３０μｍの等間隔だけ離れたマトリックス状
の９箇所に、図６を用いて説明したマーク８１と８２が
形成されている。

【００６９】なお、前記サブ・フィールド内におけるマ
ーク８１と８２の配設は、サブ・フィールド８７_-1，８
７_-2，８７_-3，８７_-4，８７_-5の中心部に配設可能な最
も好ましい場合である。そして、サブ・フィールド内で
マーク８１と８２の配設が制限されるときも、サブ・フ
ィールドの４隅には配設させることが望ましい。

【００７０】さらに、線分間の間隔、即ち線分８１ａお
よび８１ｂに対する線分８２ａまたは８２ｂの間隔は、
使用するＥＢ露光装置の性能と露光条件にもよるが、露
光時に隣の線分に対するかぶりが出ないようにすると共
に、マーク読み取り時に輪郭の検出の誤りをなくすた
め、最低２μｍ程度離すことが望ましい。

【００７１】従って、例えば幅０．５μｍの線分８１ａ
と８１ｂを８μｍ□の正方形に沿わせて形成したとき、
幅０．５μｍの線分８２ａと８２ｂは４μｍ□の正方形
に沿わせて形成することになる。

【００７２】なおマーク８１と８２は、それぞれに異な
る積層膜に形成させるため、別工程で形成することにな
る。従って、予めアライメントマークを形成しＥＢ露光
装置のステージに搭載したウェーハは、マーク８１を形
成するためアライメントと、マーク８２を形成するため
アライメントを行って露光し形成させる、即ち図９
（ａ）に示す如くマーク８１を形成したのち、図９
（ｂ）に示す如くマーク８１の内側かつマーク８１と同
心にマーク８２を形成することになる。

【００７３】図１０は本発明マークの実測例の説明図で
あり、メイン・フィールド８６の５箇所のサブ・フィー
ルド８７_-1，８７_-2，８７_-3，８７_-4，８７_-5内には、
図９を用いて説明した方法で、図８を用いて説明した位
置に、図６を用いて説明したマーク８１と８２をレジス
ト膜に形成し、合計５×９箇所におけるマーク８１と８
２のｘ方向およびｙ方向の位置を、可視光を利用する光
学的重ね合わせ検査装置で５回ずつ測定し、その位置ず
れ量とそのばらつき（３σ）の大きさおよび方向を算出
し、矢印で示したものである。

【００７４】表２は図１０の実測データから、各サブ・
フィールド８７_-1，８７_-2，８７_-3，８７_-4，８７_-5の
９箇所の５回のばらつき値の平均ばらつき（３σ）値
を、ｘ方向とｙ方向別に示すものである。

【００７５】

【表２】

【００７６】ただし、表２において従来マークによる平
均ばらつきは、従来技術による測定例、即ち従来マーク
（ダブルボックスタイプ）を従来技術で形成した試料に
ついて測定し算出したものであり、そのための試料は図
１０の実測データの測定に使用したものと同様に、５箇
所のサブ・フィールド８７_-1，８７_-2，８７_-3，８
７ _-4，８７_-5の９箇所に従来のマークを形成し、それを
光学的重ね合わせ検査装置で測定した測定値から算出し
たものである。

【００７７】かかる表２において、本発明マークによる
平均ばらつきは従来マークによる平均ばらつきの１／２
以下であり、本発明マークによる位置検出精度は従来技
術のものより卓越していることが確認された。

【００７８】表３は図７を用いて説明したメイン・フィ
ールド８６の５箇所のサブ・フィールド８７_-1，８
７_-2，８７_-3，８７_-4，８７_-5内に、図８を用いて説明
した９箇所のマーク８１と８２を基板上の厚さ１０００
Åのシリコン酸化膜にＥＢレジストの抜きパターンとし
て形成し、合計５×９箇所におけるマーク８１と８２の
ｘ方向およびｙ方向の位置ずれを、可視光を利用する光
学的重ね合わせ検査装置で５回ずつ測定し、その位置ず
れ量とそのばらつき（３σ）の大きさおよび方向を算出
し、表したものである。

【００７９】ただし、マーク８１および８２において、
線分８１ａ，８１ｂ，８２ａ，８２ｂは、幅が０．６μ
ｍで長さ４．０μｍであり、マーク８１を１ショット，
マーク８２を１ショット、即ちマーク８１および８２を
構成するそれぞれ複数の線分８１ａと８１ｂまたは線分
８２ａと８２ｂをＥＢ露光装置の１ショットで形成して
いる。

【００８０】

【表３】

【００８１】なお、表３において従来マークによる測定
結果は従来技術による測定例、即ち２０μｍ□の大きさ
に従来マーク（ダブルボックスタイプ）を従来技術で厚
さ１０００Åの酸化膜に形成した試料について測定し算
出したものであり、そのための試料は表３の実測データ
の測定に使用したものと同様に、５箇所のサブ・フィー
ルド８７_-1，８７_-2，８７_-3，８７_-4，８７_-5の９箇所
に従来のマークを形成し、それを光学的重ね合わせ検査
装置で測定した測定値から算出したものである。

【００８２】かかる表３において、本発明マークによる
平均ばらつきは従来マークによる平均ばらつきの１／２
〜１／３以下であり、本発明マークによる位置検出精度
は従来技術のものより卓越していることが確認された。

【００８３】図１１は十字型マークとＬ字型マークを組
み合わせた実施例マークの説明図、即ち積層膜の一方に
は一つの井桁形状のマーク９１を形成し、積層膜の他方
にはマーク９１の四隅のコーナ部のそれぞれに対応する
Ｌ字型マーク９２および９３を形成してなる。

【００８４】かかるマーク９１と９２，９３は、図６を
用いて説明したマーク８１と８２に変えて形成する、即
ち図７を用いて説明したメイン・フィールド８６の５箇
所のサブ・フィールド８７_-1，８７_-2，８７_-3，８
７_-4，８７_-5内それぞれの９箇所にＥＢ露光装置を用い
て形成した。

【００８５】図１１はＥＢ露光装置を使用した他の実施
例の説明図である。積層膜を省略し上から見下ろして示
す図１１において、パターンの位置ずれ検出マークは、
積層膜の一方（下層膜）に形成した井桁形状のマーク９
１と、積層膜の他方かつマーク９１の四隅のコーナ部の
それぞれに対応せしめ形成したＬ字型マーク９２および
９３からなり、かかる構成は図４に示すマーク６１と６
２および６３に相当する。

【００８６】従って、マーク９１と９２および９３の詳
細は、マーク６１と６２および６３のそれらと同一であ
り説明を省略するが、マーク９１と９２および９３が形
成される大きさ（領域）は１０μｍ□以下とし、マーク
９１の形成にはシテンシルマスクを利用したＥＢ露光装
置の１ショット、マーク９２と９３の形成にもシテンシ
ルマスクを利用したＥＢ露光装置の１ショット、計２シ
ョットで形成したものである。

【００８７】表４は、図１１を用いて説明したパターン
の位置ずれ検出マーク（マーク９１と９２と９３）を、
図７を用いて説明したメイン・フィールド８６の５箇所
のサブ・フィールド８７_-1，８７_-2，８７_-3，８７_-4，
８７_-5内、かつ、図８を用いて説明した９箇所に形成
し、合計５×９箇所におけるマーク９１に対するマーク
９２と９３のｘ方向およびｙ方向の位置ずれを、可視光
を利用する光学的重ね合わせ検査装置で５回ずつ測定
し、その位置ずれ量とそのばらつき（３σ）の大きさお
よび方向を算出し、表したものである。

【００８８】

【表４】

【００８９】なお、表４において従来マークによる測定
結果は従来技術による測定例、即ち２０μｍ□の大きさ
に従来マーク（ダブルボックスタイプ）を従来技術で形
成した試料について測定し算出したものであり、そのた
めの試料は表４の実測データの測定に使用したものと同
様に、５箇所のサブ・フィールド８７_-1，８７_-2，８７
_-3，８７_-4，８７_-5の９箇所に従来のマークを形成し、
それを光学的重ね合わせ検査装置で測定した測定値から
算出したものである。

【００９０】かかる表４において、本発明マークによる
平均ばらつきは従来マークによる平均ばらつきの１／３
程度であり、本発明マークによる位置検出精度は従来技
術のものより卓越していることが確認された。

【００９１】表５は図７を用いて説明したメイン・フィ
ールド８６の５箇所のサブ・フィールド８７_-1，８
７_-2，８７_-3，８７_-4，８７_-5内に、図８を用いて説明
した９箇所にマーク８１と８２を、石英ガラス基板上の
クロムメタル膜にＥＢレジストの抜きパターンとして形
成し、合計５×９箇所におけるマーク８１と８２のｘ方
向およびｙ方向の位置ずれを、可視光を利用する光学的
重ね合わせ検査装置で５回ずつ測定し、その位置ずれ量
とそのばらつき（３σ）の大きさおよび方向を算出し、
表したものである。

【００９２】ただし、マーク８１および８２において、
線分８１ａ，８１ｂ，８２ａ，８２は、幅が０．６μｍ
で長さ４．０μｍであり、マーク８１および８２を構成
する各線分８１ａ，８１ｂ，８２ａ，８２ｂを、それぞ
れＥＢ露光装置の１ショットで形成している。

【００９３】

【表５】

【００９４】なお、表５において従来マークによる測定
結果は従来技術による測定例、即ち２０μｍ□の大きさ
に従来マーク（ダブルボックスタイプ）を従来技術で形
成した試料について測定し算出したものであり、そのた
めの試料は表４の実測データの測定に使用したものと同
様に、５箇所のサブ・フィールド８７_-1，８７_-2，８７
_-3，８７_-4，８７_-5の９箇所に従来のマークを形成し、
それを光学的重ね合わせ検査装置で測定した測定値から
算出したものである。

【００９５】かかる表５において、本発明マークによる
平均ばらつきは従来マークによる平均ばらつきの２／３
〜１／２程度であり、本発明マークによる位置検出精度
は従来技術のものより卓越していることが確認された。

【００９６】以上説明したように、本発明によるパター
ンの位置ずれ検出マークは積層膜のそれぞれに形成した
パターンを従来のものより高精度に評価できる。そのた
め、本発明によるパターンの位置ずれ検出マークを使用
し評価し、位置ずれを系統的に修正されたパターンで形
成された半導体装置およびフォトマスクは、従来の半導
体装置およびフォトマスクより高性能化が約束されるよ
うになった。

【００９７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によるパタ
ーンの位置ずれ検出マークは、積層膜に形成したパター
ンの検出精度が向上し、そのことで従来のマークより小
型化が可能になる。そして、本発明によるパターンの位
置ずれ検出マークを使用し製造された半導体装置および
フォトマスクは、パターン精度が従来のものより高精度
に評価できるため、高性能化を可能にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるパターンの位置ずれ検出マークの
基本構成の説明図（その１）である。

【図２】本発明の第１の実施例の説明図である。

【図３】本発明の第２の実施例の説明図である。

【図４】本発明の第３の実施例の説明図である。

【図５】本発明によるパターンの位置ずれ検出マークの
基本構成の説明図（その２）である。

【図６】本発明の第４の実施例の説明図である。

【図７】パターンの位置ずれ検出マークを形成したサブ
・フィールドの配設例である。

【図８】サブ・フィールド内に形成したサブ・フィール
ドの配設例である。

【図９】サブ・フィールド内のマーク形成手順の説明図
である。

【図１０】本発明マークの実測例の説明図である。

【図１１】十字型マークとＬ字型マークを組み合わせた
実施例マークの説明図である。

【図１２】従来のパターンの位置ずれ検出マークであ
る。

【符号の説明】

11、12、21、22、31、32、41、42、51、52、61、62、7
1、72、81、82、91、92、93 パターンの位置ずれ検出
マーク 11a 、11b 、12a 、12b 、21a 、21b 、22a 、22b 、31
a 、31b 、32a 、32b、41a 、41b 、42a 、42b 、51a
、51b 、52a 、52b 、61a 、61b 、62a 、62b、63a 、
63b 、71a 、71b 、72a 、72b 、81a 、81b 、82a 、82
b パターンの位置ずれ検出マークを構成する線分 86 メイン・フィールド 87_-1、87_-2、87_-3、87_-4、87_-5 サブ・フィールド

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に被着した積層膜の二層それぞれ
   に形成されたパターンの位置ずれを検出するマークが、
   １本または平行する複数本の第１の線分に１本または平
   行する複数本の第２の線分が直交する十字形状またはＬ
   字形状であり、該二層のそれぞれに形成された該十字形
   状またはＬ字形状は、少なくとも一部が重ならないよう
   にずらして形成されていることを特徴とするパターンの
   位置ずれ検出マーク。
2. 【請求項２】 基板上に被着した積層膜のそれぞれに形
   成されたパターンの位置ずれを検出するため該積層膜の
   二層それぞれに形成する位置ずれ検出用マークにおい
   て、 該二層の一方に形成した該位置ずれ検出用マークが、１
   本または平行する複数本の第１の線分と、１本または平
   行する複数本の第２の線分とが直交する十字形状であ
   り、 該二層の他方に形成した該位置ずれ検出用マークが、１
   本または平行する複数本の第３の線分と、１本または平
   行する複数本の第４の線分とが直交するＬ字形状であ
   り、 該十字形状マークと該Ｌ字形状マークの組み合わせであ
   ることを特徴とするパターンの位置ずれ検出マーク。
3. 【請求項３】 前記十字形状パターンの組み合わせまた
   は、前記Ｌ字形状パターンの組み合わせまたは、前記十
   字形状パターンとＬ字形状パターンの組み合わせである
   前記パターンの位置ずれ検出マークが、上から見たとき
   上下方向または左右方向に対し線対称に形成されている
   ことを特徴とする請求項１または２または３に記載した
   パターンの位置ずれ検出マーク。
4. 【請求項４】 基板上に被着した積層膜の二層それぞれ
   に形成されたパターンの位置ずれを検出するためのマー
   クが、１本または平行する複数本の第１の線分と、１本
   または平行する複数本の第２の線分とが直交する十字形
   状またはＬ字形状であり、該二層のそれぞれに形成され
   た該十字形状またはＬ字形状のパターンの少なくとも一
   部が重ならないようにずらして形成された複合パターン
   であるパターンの位置ずれ検出マークを有することを特
   徴とする半導体装置。
5. 【請求項５】 基板上に被着した積層膜の二層それぞれ
   に形成されたパターンの位置ずれを検出するためのマー
   クが、１本または複数本の第１の線分と該第１の線分に
   直交する方向の１本または複数本の第２の線分とで構成
   され、該マークがＥＢ露光装置におけるるサブ・フィー
   ルド内の複数箇所に、ＥＢ露光で形成されていることを
   特徴とするパターンの位置ずれ検出マーク。
6. 【請求項６】 前記第１および第２の線分が、１本ずつ
   前記ＥＢ露光装置の１ショットで形成されたものである
   ことを特徴とする請求項５記載のパターンの位置ずれ検
   出マーク。
7. 【請求項７】 前記積層膜の二層の一方および他方の同
   一膜に形成された前記複合パターンが、前記ＥＢ露光装
   置の１ショットで形成されたものであることを特徴とす
   る請求項５記載のパターンの位置ずれ検出マーク。
8. 【請求項８】 前記マークが、前記サブ・フィールド内
   の少なくとも４隅近傍に形成されていることを特徴とす
   る請求項５乃至７記載のパターンの位置ずれ検出マー
   ク。
9. 【請求項９】 半導体基板上に被着した積層膜の二層そ
   れぞれに形成されたパターンの位置ずれを検出するため
   のマークが、１本または複数本の第１の線分と該第１の
   線分に直交する方向の１本または複数本の第２の線分と
   で構成され、該マークがＥＢ露光装置におけるるサブ・
   フィールド内の複数箇所に、ＥＢ露光で形成されたパタ
   ーンの位置ずれ検出マークを有することを特徴とする半
   導体装置。
10. 【請求項１０】 ガラス基板上に被着した積層膜の二層
    それぞれに形成されたパターンの位置ずれを検出するた
    めのマークが、１本または複数本の第１の線分と該第１
    の線分に直交する方向の１本または複数本の第２の線分
    とで構成され、該マークがＥＢ露光装置におけるるサブ
    ・フィールド内の複数箇所に、ＥＢ露光で形成されたパ
    ターンの位置ずれ検出マークを有することを特徴とする
    フォトマスク。