JPS6248020A - 半導体ウエ−ハに対するマスク位置合せ装置 - 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〕 この発明は、少くとも一つの格子構造を備える半導体ウ
ェーハに対して少くとも一つの位置合せマークを備える
マスクの位置合せを行う装置に関するものである。

〔従来の技術〕

集積回路の微細構造を経済的に大量生学するためには現
在主にリングラフィ法が採用される。

その際簡単な光によるシャドー投影法は次第に高級な方
法に１１き換えられている。数年前までは集積回路の個
々の微細構造をシリコン板の表面に作る際極めて簡単な
リングラフィ法、即ち波長４００ｎｍ付近の紫外光を使
用してフォトレジスト被覆シリコン板表面にマスクを１
対１投影する方法を利用することができた。この方法は
低廉な製作費、高い生産量および勝れた互換性を特徴と
するものであるが、その分解性能は回路技術の要求を満
たしていない。回折と干渉効果、特に回路の層構造から
の反射に基〈定在波の形成は、４μｍ以下のデバイス構
造においての製造条件の下でこの方法の使用を不可能に
する。光リングラフィ法はなお使用されているが、これ
は反射鏡又はレンズ光学系による投影原理に基くもので
ある。このオプティカル・ウェー／Ｓ・ステッパと呼ば
れる遥かに高精度の方法によ９１８ｍ以下の構造領域ま
で利用できるようになったが、これでも分解能の最高限
に達したものでなく製造条件によってはこの方法によシ
少くとも［１５Ｂ　ｍ以下の構造まで克服可能である。

ｘＨリングラフィを採用しンンクロトロン放射を使用す
ると、α５μｍ以ＦＫ達するサブミクロン領域に至るま
で回折、干渉等の現象又は焦点深度の欠陥に基く構造分
解能のｊｌ、ｉ１ｊ限を愛けることなく簡単な１対１投
影が可１１ヒである。貯蔵リング内をほぼ光速で進み磁
気偏量によって円形路上に保持される電子からの相対論
的放射であるンンクロトロン放射は、強度と平行度の点
で他の認でのＸ線（原よりも遥かにすぐｎている。

Ｘ線リソグラフィにおける投影原理は極めて簡単である
。１２ｎｆｆ＋から２ｎｍＱ間の有効波長範囲の平行Ｘ
線ビームが相互に位置合せされたマスクとノリコンウェ
ーハから成る！ｌｉｔを照射する。

マスクとウェー／１の間には標準値として５０μｍの近
接間隔と呼ばれる間隙があり、マスクとウェー−〜が接
触しないようになっている。シリコンウェーハの照射は
高分解能Ｘ線リングラフィにおいてもオプティカル・ウ
ェー／・ステッパと同様にいくつかのステップに分割さ
れたステップアンドレピート法による。−回の照射ステ
ップにおいて合理的に構造化される部分領域面の大きさ
は各照射ステップ間におけるウェー７１の長さ方向のラ
ツギングによって決定される。現時点の見解では利用可
能の部分領域面積は対物レンズの視野が限界にならない
ことから、構造分解能が高い場合にも嫌端長で数口程度
となる。

Ｘ　＜にＩ　’）ソグラフイの投像原理はこのように簡
単であっても、そｎを広く利用するためにはなお多くの
技術的間聰を解決する必要がある。一つの問題はマスク
とウエーノ〜の相互位置合せである。α５μｍのｄ４造
領域では位置合せ精度は少くとも［１０１μｍとなる。

位は合せに対してはＸＳではなく可視光の使用が合理的
である。それはこの波長領域においてのみ高ｎ変の光学
部品が存在し、又位置合せに使用できるレーザー光線の
エネルギー密度が極めて高く小さい位置合せマーク面積
で作業できることによるものである。

公刊装置の一例ではマスクとウェー７〜の相互位置合せ
が正文型顕微鏡中に投像することによって行われる。ウ
ェーハとマスクの双方に設けられたマークを同時に観察
することは同時に焦点深度の問題を伴っている。

別の公知装置においてはマスクとウェー／１の相互位置
合せが干渉効果を伴う回折によって行われる。マスクと
ウェーハの双方に設けられた格子構造がマスクとウェー
ハの相互移動に際して共通の回折反射の強度変化を惹起
する。この強度変化はマスクとウェーへ間の間隔の変動
によって生ずる同様に強い強度変化から分離不可能であ
る。（に別の公知装置ではマスクとウェー７・の相互位
置合せがイルミネーション効果を伴う回折による。その
際ウェーハに設けられた格子構造がマスクに設けられた
フレネル円筒レンズを通して照明される。

この方法も妨害に敏感である。

マスクとウェーハの相互位置合せが投影効果を伴う回折
によって行われる装置が米国特許＠４２１１４８９号お
よび４４２２７６３号によシ公知である。この装置では
ウェーハに設けられた格子構造がマークによって覆われ
、マスクとウェー／１の相対位置に関係して反射強度が
変化する。この場合シャドウィング効果を伴う回折を利
用してマスクとウェーハの位置合せが行われるから、ウ
ェーハ上には格子方向を異にする四つの格子を含む格子
構造が設けられる。マスクには位置合せマークが設けら
れ、その外寸法はウェーハ上の格子構造の外寸法より僅
か小さく選ばれる。レーザー光がマスクの位置合せマー
クとウェーハの格子構造を照射すると位置合せマークで
覆われた格子構造から回折像が形成される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この発明の目的は、位置合せマークの面費を極めて小さ
く保つことができ、位置外れが生じた方向を一義的に確
定することができる位置合せ装置を提供することである
。

ｒ問題点を解決するための手段〕 この目的は特許請求の範囲に第１項に特徴として挙げた
構成の装置によって達成される。この発明の有利な実施
形態は特許請求の範囲第２項以下に示されている。

Ｃ作用効果〕 この発明の一つの実施例においてはンヤドウイング効果
を伴う回折を利用して行うマスクとつ工−ハの位置合せ
に対して左と右、上と下即ち正負のＸ方向、正負のｙ方
向において多数の投影縁端を利用することができるパタ
ーンが使用される。

これによって位置合せマーク面の利用率が高１す、回折
光の反射強度が上昇する。

左と右即ち負と正のＸ方向を区別するためには異った格
子間隔が利用される。これによって（１々の方向におけ
る位置合せを表わす回折光強度のクロストークを阻止す
ることができる。この発明の一つの実施例においては左
に向っての位置外れを表わす強度のクロストーク、右に
向っての位置外れを表わす強度のクロストーク、上に向
っての位置外れを表わす強度のクロストークおよび下に
向っての位置外れを表わす強度のクロストークのいずれ
も起ることはない。

互に逆向きの位置外れの表示に重要な格子は互に密接し
て並べられる。即ちＸの正方向と負方向の位ＩＩｔ外れ
の表示に重要な格子と７の正方向と負方向の位置外れの
表示に重要な格子はいずれも互に密接して並んでいる。

これによってラック効果と近接効果が低減する。

〔実施例〕

図面に示した実施例についてこの発明を更に詳細に説明
する。

第１図の実施例では位置合せ台Ｔの上にンリコンウエー
ハＷが乗せられている。ウェーハＷには格子構造Ｇが作
られている。ウェーハの上方には図に示されていない支
持体にとりつけられたマスクＭが置かれている。マスク
Ｍの下面には位置合せマークＪが設けられる。ウェー７
・ＷとマスクＭの間には例えば３０μｍと１００μｍの
間の近接間隔が置かれる。マスクＭＫはレーザー光Ｒが
当り、位置合せマークＪの形がウェーハＷの表面に設け
られた格子構造Ｇに投影される。位置合せマークＪはレ
ーザー光Ｒに対して不透明な長方形区画を多数含み、そ
の縁端は例えば長方形区画の長辺に示される。レーザー
Ｌから放出される光Ｒは位置合せマークＪで覆われた格
子構造で回折し、回折光の強度は検出装置（検出器アレ
イ）Ｄによって位置の関数として検出される。

マスクＭとウェーハＷの間に位置合せマークを縮小して
格子構造Ｇに投影する装置を設けることも原理的に可能
である。

単色光源であるレーザーＬの放出光ＲはマスクＭの位置
合せマークＪ全通して基板Ｗの格子構造Ｇに向けられる
。これによって光点から成るノくターンが作られ、これ
らの光点の強度が測定される。

帰還結合回路において位置合せマークＪと回折格子Ｇの
相対運動により測定された光点の強度が平均化される。

半導体板Ｗ上に投影された７スフＭの像と半導体板Ｗ自
体の間に相対運動を起させるためには、半導体板Ｗを載
せた往復動位置合せ台Ｔを使用する。帰還結合路にはマ
スクＭを半導体板のデバイス形成個所に向けるために光
電池とサーボモータを設けることができる。この帰還結
合によシマスフＭの１象が半導体板Ｗ上の所定の位置に
投影される。

マスクｙが例えばシリコン、シリコン化合物。

窒化ホウ素あるいは軽金属から成る数μｍ程度の薄膜で
あ夛、位置合せマークＪは金又はタングステンで作られ
てｈるときは、第１図の装置をｘｍリングラフィに使用
することができる。この場合位置合せマスクはａ３μｍ
と１μｍの間の厚さが必要である。

マスクＭは図に示されていなめマスク台に固定され、マ
スクＭをＸ方向とｙ方向に動かすサーボモータが設けら
れている。

検出装置りとしては測定技術においてよく知られている
半導体プレイが使用される。光専体棉に結合されたファ
イバ束を検出装ｆｔＤとすることも可能である。この場
合光導体棒にテレビジョンカメラが光結合される。この
ファイバ束、光導体棒およびテレビジョンカメラから成
る系は、例えば半導体検出アレイと同様に空間位置感応
性の検出装置となっている。この場合屈折光が検出装置
に当ったとき充分強い信号を送り出すことが重要である
。従って光導体の検出する放射が当る端面には光増幅［
７例えばプラステイクンンチレータのような強力な発光
材料のフィルムが設けられる。

更に光４体律とテレビジョンカメラの間に信号増幅用の
装置を追／１０することも有効である。

第２図に従来使われている格子構造を示す。この格子構
造は両対角線によって四つのセグメントに分割された正
方形から成る。各セグメントはそれぞれ一つの回折格子
を備えその格子線は特定の方向に向けられているから、
第２図のパターンは図の右上方に示したＸ軸とｙ軸上の
情報を与えることができる。第２図のパターン内の四つ
の回折格子は総て等しｈ格子間隔を持つ。

第３図は第２図の格子構造に対応する回折像を示す。第
５図の回折像は第１図の装置においてマスクＭが使用さ
れず光線Ｒが完全に自由であって位置合せマークＪの影
響を受けることなく格子構造ＧＫ当たりそこで回折した
ときに得られるものである。第２図の四つの回折格子は
それぞれ第２図のパターンの中心に当る光線Ｒによって
各回折次数毎にパターンの中心に対称的に置かれた二つ
の強度最大部を与える。光線Ｒを使用する第３図の回折
像の形成は第２図のパターンのフーリエ変換を表わして
いる。

第１図の装置におｈて第２図のパターンを構成する格子
構造が光ＪＲに対しては不透明の正方形位置合せマーク
Ｊでその中心部を覆われていると、最終効果として第４
図の格子構造が得られ、光線Ｒはこの格子構造で回折さ
れる。

第５図は第４図の格子構造に対応する回折像である。こ
の回折摩は第４図のパターンの四個の格子に起因する強
度の平衡分布を表わしている。第２図のパターンの四個
の部分格子はそれぞれ上・下・左・右方向、即ちｙ軸と
Ｘ軸の正と負の方向のいずれか一つにおいて可能な位置
外れを表わしてｈるから、第４図のパターンの四個の部
分格子に起因する強度の平衡分布は従来使用されている
正方形位置合せマークが第４図のパターンの中心に位置
合せされていることを意味している。

第６図には再び光線Ｒに対して不透ＵＡ１に正方形位置
合せマークで覆われている第２図のパターンを示す。位
置合せマークによるパターンの被１は第６図の場合中心
を合せていな一０ 第６図の配置に属する第７図の回折慮では下側と左側の
回折格子に基く強度が主になっている。

上側と右側の回折格子からは実際上いくつかの点が残さ
れているから、これらの点はフーリエ変換により第７図
の回折像内に線分で表わされている。

これらの線は第７図の回折像において強度のクロストー
クを惹き起すが、これは被覆された第６図のパターン中
の種々の回折格子に基くものである。

これによって左・右・上・下の区別が困難となる。

第２図に示したパターンの外寸法がそれに所属する従来
の正方形位置合せマークの外寸法よりも大きく選ばれて
いると、被覆された回折格子から多くの点が残されてい
る危険は確かに低下する。

この場合被覆されたパターンの四つの格子のそれぞれか
ら四つの方向において幅広い縁端が残されている確率が
高くなる。この広い縁端はしかし第２図のパターンに対
する位置合せマークの小さな移動に際して対応する回折
像中に小さい相対的変化を起すだけであるという欠点を
持っている。

第８図にこの発明による格子構造を示す。この格子構造
は７×２個の格子を含み、各格子はそれぞれ二つの異っ
た格子間隔を示す。この発明によシ使用される位置合せ
マークは整合状態において第８図の格子構造の格子を照
射光線に対して完全に遮蔽するように構成されている。

第８図の格子構造においては格子数が第２図のものに比
べて幾倍にもされていることによシ、第９図に示す回折
像の光点の強度も幾倍かに高められる。ウェーハに対し
てマスクが上・下・左・右のいずれかの方向に位置外れ
を起していると、この位置外れ方向において多数の投影
縁端が作用する。この投影縁端′は位置外れ状態におい
て位置合せマークが格子構造を完全に遮蔽しないことに
よって形成されるものである。第８図の格子構造の格子
はこの場合その一部分だけが遮蔽される。位置合せマー
クによる被覆が終る個所に投影縁端が存在する。＠８図
の格子構造の７×２個の格子はそれぞれ二つの異った格
子間隔を持つ。ウェーハＷＫ対してマスクＭが位置外れ
を起しているとき、回折（象に訃いては格子間隔の異る
部分格子で回折された光が格子間隔の差に応じて異った
強度を示すから、どの方向に位置外れが起っているかを
容易に判定することができる。

各格子の異った格子間隔を示す部分格子は互に逆の方向
における位置外れに関する情報を与える。

互に逆方向の位置外れに関する情報を与える二つの部分
格子は互に密接して配置されているから、ラック効果と
近接効果を低減させることができる。

各空間次元に対する格子数は７以外に選ぶことができる
。父格子間隔の種類も２以上例えば３あるいは４とする
ことができる。各格子のフィンガも必ずしも格子の長軸
に垂直とする必要はなく、格子フィンガを位置外れが起
る方向のそれぞれにおいて格子の角軸にある角度で交る
ようにすることができる。重要なのは格子構造に種々の
構造の格子が存在して回折強度を幾倍かにすることであ
る。又左と右の方向情報を与える格子構成と上と下の方
向情報を与える格子構成を別個のものにすることも可能
である。

第１０図は第８図のパターンが位置外れを起している位
置合せマークで僚われている状態を示す。

この場合投影縁端ＡＫは各空間次元において一定の格子
間隔を示す単一の部分格子だけが回折像の形成に有効で
あるように配置されている。

第１０図の配置による回折像を第１１図に示す。

第１２図に示す配置では第８図の格子構造が位置合せマ
ークＪＫよって覆われ、その際投影縁端は各空間方向に
おいて一定の格子間隔を持つ単一の部分格子だけが回折
像の形成に有効であるように配置される。又位置外れは
第１０図の配置において無効であった部分格子が第１２
図の配置で有効になるように選ばれる。

第１２図の配置による回折像を第１３図に示す。

第１１図と第１５図の回折像の対比からこの発明の装置
の場合位は外れが起る種々の方向の間のクロストークが
不可能であり、又どの方向に位置外れが起ったかを直ち
に指定することができることが明らかである。

格子構造は種々の方法で半導体板上に形成することがで
きる。回折線はフォトレジスト層、酸化物層、半導体層
又は金属層に引くことができる。

格子ｆ４造は、光線で照射したとき検出装置内に回折１
象の形成に充分な光強度が与えられるように半導体板上
に構成されることが重要である。

二つの格子構造と二つの位置合せマークが上記のように
して上下に重ねて位置合せされる場合、ウェーハに対す
るマスクの位置合せはマスクとつ工−ハの相対的移動お
よび相対的回転によって行うことができる。

位１（１合せマークは整合状態において格子構造の格子
を被覆する必要はない。重要なのは格子構造に対する位
置合せマークの位置が整合状態において確定されている
こと、位置合せマークが多数の縁端を含みこの縁端がマ
スクとウェーハの整合状態および非整合状態において投
影縁端として作用することである。

整合状態は、格子構造が位置合せマークで覆われている
とき形成される投影縁端が例えば格子構造の格子の縁端
にあシ、整合状態において例えば第９図の回折像が作ら
れるものとして定義される。

投影法においては格子構造の回折表面積が位置合せマー
クの位置変更により変化する。

第２図に示した従来の格子構造ではａ１μｍ以下の精度
は達成不可能である。これは１１１８ｍの移動に際して
の測定信号の変化がランク間隔又は近接間隔の変動によ
って生ずるものより小さくなることに基くものである。

第２図、第４図、第６図の格子の場合位置合せ操作中格
子面積の１０％に過ぎない狭い格子縁端領域だけが利用
される。その上狭い格子血清による回折強度が点列の場
合のように回折点く集められず線分上に分散される。

第８図の配置では格子線が投影縁端に直交し格子定数が
小さく近接間隔が大きいとき反射光が覆われないように
なっている。

第８図の装置ではｙ軸ならびにｙ軸においての正方向と
負方向の分離は格子定数の差異による。

Ｘ領域とｙ領域は格子構造の種々の区域において一つに
まとめられている。

マスクの位置合せマークの停止構造は、整合状態におい
て格子構造の各格子を被覆するストライプから構成され
る。

第８図、第１０図、第１２図の位置合せ構造によれば従
来方法に比べて次の利点が得られる。

（１）それぞれの座標軸に対して多数の投影縁端が利用
され、それによって回折強度が上昇する。

（２）格子ストライプの周期性に基き位置合せマークの
ストライプが格子を優っている規定位置からの偏差が小
さいとき交差点格子と呼ばれるものとなり、回折強度は
ストライプではなく一つの最大点に集められ強度が更に
上昇する。

（３）正方向と負方向の格子が近接して並べられ、ラッ
ク効果と折襞効果が低減する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一つの実施形態を示し、第２図乃至
第７図は従来技術による格子構造とそれによる回折像、
第８図乃至第１３図はこの発明による格子構造とそれに
よる回折像を示す。 第１図においてＤ＝検出＃２直、ａ：格子構造、Ｊ：位
置合せマーク、Ｍ：マスク、Ｗ：ンリコンウエーハ。 ＦＩＧ　１ ＦＩＧ　２　　　　　　　　　　ＦＩＧ　３ＦＩＧ　４
　　　　　　　　　　ＦＩＧ　５ＦＩＧ　６　　　　　
　　　　ＦＩＧ　７１１１０．　　　　　　　　　　　
　門ＩＷＩ苗ＩＷ晶ＩＷＩ謂Ｉ朧ＩＷｔ晶ＩＷ鼎１□面
五鼎、°９．　　　　　　　　　　　　留１１’１１１
’＃晶１■ＩＷ１１冑晶苗ＩＷ１１冑１１’ｆｉ苗閉１
１■１ｌｌ−、１Ｙ１１１’ｌ１冊１１価１１９訓９１
旨１ＷＩＷ痛柑１門Ｉｔ’ｌｌ閉１１’ｌｌｌ冑１冑晶
門バＨ１冑１１冑Ｉ胃１晶１冑１１五１ｔＴＩＦＩＧ　
９　　　　　　　　　　　ＦＩＧ　Ｂ：°゛′°°°ｌ
″′。 、、、、、、ｊ、、＋＋＋＝＋ａ−１−６．ｊ、、−Ｉ
Ｇ　１３ ＩＧ　１０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）少くとも一つの位置合せマーク（Ｊ）で覆われた格
   子構造（Ｇ）において光（Ｒ）を回折させる装置（Ｌ）
   を備え、位置合せマークを備えたマスク（Ｍ）を格子構
   造付の半導体ウェーハ（Ｗ）に対して位置合せする装置
   において、半導体ウェーハに作られた少くとも一つの格
   子構造（Ｇ）が少くとも二つの格子方向を異にする格子
   を備えていること、 互に逆向きの方向に生ずる位置外れを区別 するため異る格子間隔が設けられていること、位置外れ
   を起し得る左、右、上、下の各方 向において少くとも一つの位置合せマーク（Ｊ）の一つ
   以上の縁端が格子構造（Ｇ）への投影縁端（ＡＫ）を作
   るために存在することを特徴とする半導体ウェーハに対
   するマスク位置合せ装置。 ２）互に逆向きの方向（右と左、上と下）に起る位置外
   れを区別するための格子が密接して並置されることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３）少くとも一つの格子構造（Ｇ）に対する少くとも一
   つの位置合せマーク（Ｊ）の投影が１対１のシャドー投
   影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項記載の装置。 ４）少くとも一つの格子構造（Ｇ）への少くとも一つの
   位置合せマーク（Ｊ）の投影が縮小投影であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の装置。