JPS6258626A

JPS6258626A - マスクアライメント方法

Info

Publication number: JPS6258626A
Application number: JP60198932A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Tabata; 田端　光雄; Toru Tojo; 東条　徹
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-09-09
Filing date: 1985-09-09
Publication date: 1987-03-14

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】〔発明の技術分野〕本発明は、マスクく或いはレチクル）のパターンをウェ
ハ上に転写するパターン転写方法に係わり、特にマスク
とウェハとを相対的に位置合わせするマスクアライメン
ト方法に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、ＬＳＩ等の半導体素子の回路パターンの微細化に
伴い、パターン転写手段として高解像性能を有する光学
式投影露光装置が広く使用されるようになっている。こ
の装置を用いて転写を行う場合、露光に先立ってマスク
とウェハとを高精度で位置合わせ（マスクアライメント
）する必要がある。

マスクアライメントを行う方法としては、投影光学系と
異なる他の光学系（ｏｆｆ−ａｘｉｓ顕微鏡）を用い、
ウェハ上に予め形成したマークを検出してウェハを位置
決めし、その後ウェハを投影光学系の視野内の所定の位
置に高精度に移動させて予め正確に位置決めされたマス
クとの位置合わせを行うｏｆｆ−ａｘｉｓ方式と、マス
クとウェハに予め形成された位置合わせマークを投影光
学系を通して検出し、直接マスクとウェハとを位置合わ
せするＴ　Ｔ　Ｌ　（ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　１ｅｎ
ｓ）方式とがある。

ｏｆｆ−ａｘｉｓ方式は、アライメントの回数が少ない
ため、アライメントに要する時間が少なく、スルーブツ
ト（処理速度）が大きいと云う利点を持つ。しかし、位
置合わせされたウェハを転写すべき位置まで正確な距離
だけ移動させる必要があり、他に絶対測長系を設けなく
てはならず、誤差要因が増え、高い精度で位置合わせを
することが難しい。そこで最近では、より高精度なアラ
イメントを行うために、ＴＴＬ方式のようにマスク及び
ウェハのマークを投影光学系を通して検出し、直接アラ
イメントする方式が有力となっている。

ＴＴＬ方式のアライメント方法の一つとして、２つのグ
レーティングマークを重ね合わせる方法（文献Ｇ、　Ｄ
ｕｂｒｏｅｕｃｑ、１９８０　ＭＥ、　Ｗ、　Ｒ。

Ｔ　ｒｕｔｎａ、Ｊ　ｒ、１９８４３　Ｐ　Ｉ　Ｅ等）
がある。これは、第１４図に示す如く、グレーティング
マーク２１゜２２が形成されたマスク２とウェハ４に対
しアライメント用の光を入射させ、２つのグレーティン
グで回折した光を、光電検出器１６により検出すること
によって２つのグレーティングの重なり状態、つまり相
対位置を検出する方法である。

より相対位置を検出する方法である。

この方法によれば、第１５図に示す如く２つのグレーテ
ィングが重なり合った状態（或いは半ピツチずれた状１
１）で、信号強度が最大（或いは最小）となる。従って
、最大値（或いは最小値）を精度良く検出できる信号処
理（例えば振動型同期検波処理等）によって高精度なア
ライメントが可能となる。また、工程間でのマーク立体
形状の違いによる影響は信号レベルの変化として現われ
るが、最大値（或いは最小値）の位置としては殆ど影響
を受けないので、検出に十分なだけの信号が得られれば
検出誤差としては殆ど影響を受けない。

ところで、このようなグレーティングマークを用いたア
ライメントでは、アライメント光の波長として露光波長
に近い波長のコヒーレント光が用いられる。例えば、露
光波長が４３６　［ｎｍ］の（ｇ−ｌｉｎｅ）場合には
、アライメント光として４４１．６［ｎｍ］のＨｅ−Ｃ
ｄレーザ光ヲ用イる場合が多い。この理由は、通常の投
影レンズは露光波長についてのみ全ての収差が最小にな
るように設計されているためであり、露光波長と大きく
異なる波長を用いて露光波長と同じ結像条件を得ること
は極めて困難である。従って、ＴＴＬ方式でアライメン
トを行う場合には、できるだけ露光波長に近い波長を用
いてアライメントを行うことが望まれる。

しかしながら、このような露光波長に近い波長の光を用
いてアライメントを行う場合、以下に述べる問題が生じ
る。第１には、アライメントを行う際に同時にレジスト
が感光してしまい、一度使用したウェハマークは次の工
程の転写の際には使用できない。第２には、レジストが
アライメント光を吸収するために、ウェハマークからの
信号を十分に得られない。特に、反射防止層や多層レジ
スト等を使用した場合、得られる信号は非常にＳＮ比の
悪い微弱な信号となる可能性があり、サブミクロンオー
ダのパターン転写に要求される高い精度のアライメント
が困難となっていた。

（発明の目的〕本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、ウェハプロセスの工程間のマーク条件
の違いやレジスト条件の違い等があっても、高い精度で
マスクとウェハとの相対位置を検出することができ、マ
スク及びウェハの位置合わせ精度の向上をはかり得るマ
スクアライメント方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の骨子は、グレーティングマークを用いたアライ
メント方法において、アライメント光として露光波長と
は十分に異なる波長の光を用い、且つアライメント光の
光路長補正機構を用いることにより、アライメント光に
対してマスクとウェハの２つのグレーティングで２重に
回折するようにしたことにある。

即ち本発明は、露光用照明光学系により照明されるマス
クと、このマスクに形成されたパターンを投影光学系に
より投影露光されるウェハとを位置合わせするマスクア
ライメント方法において、予め前記マスク及びウェハの
前記投影光学系に対し相互に共役でない位置にそれぞれ
グレーティング状の位置合わせマークを設けておき、次
いで露光用照明光の波長とは５０　［ｎｍ］以上離れた
波長の光で前記ウェハ上の位置合わせマークを照明し、
その反射回折光を前記投影光学系及び光路長を変える光
学系を用いて前記マスクの位置合わせマーク上に結像し
、その透過回折光を検出して前記マスクとウェハとの相
対位置を検出するようにした方法である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、アライメント用の光として露光用照明
光とは異なる波長の光を用いるため、ウェハ上のレジス
ト内でのアライメント光の吸収を防ぐことができ、光電
検出器の受光光量を十分なものとすることができる。ま
た、位置合わせマークとしてグレーティングマークを用
いているため、マーク断面のレジストファイルの検出誤
差に及ぼす影響や、工程の違いによるマーク上層部の反
射率の条件の違いが検出Ｍ度に及ぼす影響を少なくする
ことができる。従って、転写を行う各種条件の違いに拘
らず、マスクとウェハとの相対位置を常に高い精度で検
出でき、これらの位置合わせ精度の向上をはかり１ｑる
。ざらに、アライメント光によってレジストは感光され
ないので、アライメントマークを保存することが容易と
なり、一度使用したマークを後の工程の転写の際に何度
でも使用することができる等の利点がある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例方法に使用した縮小投影露光
装置を示す概略構成図である。図中１は露光用照明光学
系、２はマスク　（或いはレチクル）、３は縮小投影レ
ンズ（投影光学系）、４はウェハ、５は移動テーブルで
ある。１０はアライメント信号検出系であり、アライメ
ント用照明系１１、ハーフミラ−１２、折返しミラー１
３ａ。

１３ｂ、光偏向機構１４、ミラー１５、光電検出器１６
及び信号処理回路１７等から構成される。

また、マスク２及びウェハ４には、それぞれ位置合わせ
用のマーク２１．２２が形成されている。

ここで、マスク２に設けたマーク２１は第２図（ａ＞に
示す如くグレーティング状のパターンであり、ウェハ４
に設けたマークも同図（ｂ）に示す如くグレーティング
状のパターンである。そして、各グレーティングマーク
のピッチＰｍ、Ｐｗの比は、後述する如く光学倍率に比
例するものとなっている。

一方、アライメント光の光路は次のようになっている。

アライメント用照明系１１から出た光はハーフミラ−１
２及び投影レンズ３を経てウェハマーク２２を照明する
。その反射光は、再び投影レンズ３及びハーフミラ−１
２を通り、折返しミラー１３ａ、１３ｂ及び光偏向機構
１４を経てマスクマーク２１上に達し、そこでウェハマ
ーク２２の像を結ぶ。なお、この際のアラクメン１〜光
の波長は露光用照明光の波長に比べて十分に長いものと
し、その波長の違いにより生じる結像位置のずれ（色収
差）は、折返しミラー１３ａ、１３ｂで光路長を延長す
ることにより補正され、正確にマスク面上のマスクマー
ク２１の位置にウェハマーク２２の像が結ばれるように
なっている。また、折返しミラー１３ａ、１３ｂ及びハ
ーフミラ−１２等からなる光学系は、図中破線矢印方向
に移動可能とし、露光の際には露光領域の外側に移動さ
れるものとなっている。

次に、上記構成の投影露光装置を用いたアライメント方
法について説明する。

まず、露光用照明光の波長は４３６　（ｎｍ〕の（ｇ−
１ｉｎｅ）とし、アライメント用光は波長６３３［ｎｍ
〕のＨｅ−Ｎｅレーザ光とする。投影レンズ３は当然の
ことながら露光波長（４３６ｎｍ　）に対して全ての収
差補正を考慮して設計されており、さらにアライメント
光の波長（６３３ｎｍ　）に対しても上記グレーティン
グマークを解像するだけの解像性能を持っているものと
する。通常、このようなレンズ設計は可能であるが、色
収差による焦点位置のずれ及び光学倍率の変化を避ける
ことは難しい。つまり、第３図に示すように露光用照明
光に対してマスク２とウェハ４とが結像位’ｆｌ　（ａ
−Ｗ〉に置かれた場合、アライメント光に対しては結像
位置関係とはならず、Ｗ点に対してより遠くの位置す点
が結像関係となる。そこで本実施例では、折返しミラー
１３ａ、１３ｂを用いてこの光路差℃を補正し、マスク
２上の０点とウェハ４上のＷ点とが結像関係となるよう
にする。即ち、アライメントを行う際のマスク２とウェ
ハ４との７ライメントマーク２１．２２の位置は０点と
Ｗ点になる。また、このように投影レンズ３と光路長を
補正する光学系（折返しミラー１３ａ、１３ｂ）を含め
た光学倍率Ｍ′は投影レンズ３のみの倍率Ｍとは異なる
ので、グレーティングマーク２１゜２２のピッチｐｍ、
ｐＷの関係はＰｍ　＝Ｍ’　Ｐｗ　　　　・・・・・・■となるよう
に設計されている。このような構成とすれば、アライメ
ント用照明光がウェハ４上のグレーティングマーク２２
を照明したとき、その反射光は投影レンズ３．折返しミ
ラー１３ａ、１３ｂ、光偏向１ｆｆｌ１４を経て、マス
ク２上のグレーティングマーク２１上に結像されること
になる。

なお、このときの２つのグレーティング像の大きざの関
係は、０式を満足するように設計されておれば、結像位
置でピッチの等しいグレーティング像となる。

一方、２つのグレーティングの重ね合わせを利用すれば
、高精度な位置検出ができることが知られティる（文献
Ｇ、　［）ｕｂｒｏｅｕｃＧ、１９８０．Ｍ　Ｅ　、　
Ｗ。

Ｒ、Ｔ　ｒｕｔｒａ、Ｊ　ｒ、１９８４．　Ｓ　Ｐ　Ｉ
　Ｅ等）。本実施例ではこの原理に基づき、第４図に示
す如くウェハ上グレーティングで回折したアライメント
光をマスク上グレーティングで再び回折させ、２重に回
折した光を検出すると云うものである。その回折光（２
重回折光）には、２つのグレーティングマーク２１．２
２の位置情報、つまりマスク２とウェハ４との位置ずれ
情報が含まれており、回折光強度を調べることにより、
その位置情報を得ることができる。例えば、ゼロ次回折
光強度と位置ずれ酒との関係は、第５図に示す如くなる
。つまり、ゼロ次回折光強度が最大となるよう位置補正
を行えば、マスク２とウェハ４とを高精度に位置合わせ
することができるのである。

また、１次回折光強度を用いて位置ずれ量を検出するこ
ともできる。第６図は±１次回折光強度と位置ずれ量と
の関係を示すものである。この図から判るように、＋１
次光と一１次光の各強度は、位置ずれがゼロの位置を中
心として互いに対称となる。従って、＋１次光と一１次
光との強度の差がゼロとなるように位置補正を行えば、
同様にマスク２とウェハ４とを高精度に位置合わせする
ことができる。

従って、この回折光を検出する光電検出器１６の信号を
基に信号処理回路１７により信号処理を行うことによっ
て、信号検出信号を得ることができる。このときの信号
処理の手法としては、−例として光束を一定の周波数で
振動させて信号を変調し、その周波数について同期検波
する方法がある。本実施例では、その振動纒構（前記光
偏向機構１４）として第７図に示す如くプレーンパラレ
ルを振動させている。つまり、振動するプレーンパラレ
ル１４をマスク２とウェハ４との間に配置し、ウェハ４
で反射して戻ってくるアライメント光の光路が振動に同
期して変化するようにする。

光電検出器１６で得られる信号は、この振動数に同期し
た変調信号となるので、第７図のような構成（振動プレ
ーンパラレル１４の発振源である発掘器３３からの参照
信号を元に光電検出器アンプ３１からの出力信号を同期
検波回路３２により同期検波処理する構成）とすること
により、信号の同期検波処理が可能となる。同期検波処
理後の出力は、例えばゼロ次光強度について考えると、
位置ずれ量に対して第８図に示すようなＳ次曲線となり
、特に位置ずれ量ゼロをクロスする直線となるため、非
常に高精度に位置合わせすることが可能となる。

また、アライメント光として、波長が露光用照明光とは
異なる波長のＨｅ−Ｎｅレーザ光を用いているので、ア
ライメント検出時にウェハ４上のレジストを感光するこ
とはない。このため、アライメント光はレジスト内で殆
ど吸収されず、信号の検出に十分な光量を得ることがで
き、ざらに多層レジストを用いた場合でも光量に対する
問題は生じない。また、従来の方法とは異なって、ウェ
ハマークの上層膜の反射等の条件やレジストプロファイ
ルの位置検出誤差に及ぼす影響は小さい。

これは、マークがグレーティング形状の場合、第９図に
示す如く断面プロファイルは平均化され、周期的になる
ためである。なお、第９図中４１はウェハ、４２はマー
ク段差部、４３は被エツチング層、４４はレジスト、４
５はアライメント光を示している。

かくして本実施例方法によれば、ＴＴＬ方式で従来問題
となっていた ■　アライメント光のレジスト内吸収による受光光量の
不足。

■　マーク断面のレジストプロファイルの検出誤差に影
響を及ぼす。

■　工程の違いによるマーク上層部の反射率等の条件の
違いが検出精度に影響を及ぼす。

等の問題を解決でき、マスク２とウェハ４との相対位置
を極めて高精度で検出することができ、高精度な位置合
わせが可能となる。従って、投影露光装置の性能を大幅
に向上させることができ、パターン転写のスループット
向上等をはかり得る。

第１０図は本発明の他の実施例方法を説明するだめの図
である。

この実施例が先に説明した実施例と異なる点は、マスク
に開ロバターン（マーク保存パターン）を設けておき、
パターン転写の際に該開ロバターンをウェハのグレーテ
ィングマーク形成領域及びその周辺領域に転写すること
にある。即ち、マスク２の前記ウェハマーク２２の投影
光学系３に対し共役な関係にある位置にマーク２１より
も大きな開ロバターン５１を形成しておく。

しておく。

マスクアライメントは先の実施例と同様にして行う。ア
ライメント終了後、パターン転写を行う際には、折返し
ミラー１３ａ、１３ｂ及びハーフミラ−１２等の光学系
は露光領域該に移動されるため、マスク転写パターンが
ウェハ４上に転写されると同時に、マーク保存パターン
５１がウェハマーク２２上に転写される。ここで、マー
ク保存パターン５１はマーク２１．２２に比べて大きい
ものであるから、ウェハマーク２２の形成領域及びその
周辺領域が露光される。その結果、ウエハマーク２２は
後の工程で保存されることになる。

第１１図はウェハマーク２２が保存される様子を模式的
に示す工程断面図である。ウェハマーク部の断面構造は
第１１図（ａ）に示す如くウェハ基板４１　（４）上に
マーク段差部４２　（２２）があり、その上に被エツチ
ング層４３及びレジスト４４が＠層されている。ウェハ
マーク２２の領域にはマーク保存パターン５１が転写さ
れるため、その部分４６のレジスト４４が露光用照明光
４７により感光する。ここで、マーク保存パターン５１
はウェハマーク２２及びマスクマーク２１等に比へて十
分に大きいものであるから、ウェハマーク２２の周辺部
も比較的広い面積で感光される。

従って、後の現像・エツチングの処理を行うと、第１１
図（ｂ）に示す如くなる。なお、ウェハマーク２２は被
エツチング層４３に比べ耐エツチング性が十分に高いも
のとする。

以上の結果、同じウェハマークを次の転写の際のアライ
メントに使用すると、そのマーク断面形状は第１１図（
Ｃ）に示す如くなり、ウェハマーク部上に多数の層が積
層されることはなく、十分大きな検出信号を得ることが
できる。また、アライメント光４８が照射される領域に
比べてマーク保存パターンが十分に大きいため、被エツ
チング層４３の段差部Ａ−Ａ’をアライメント光４８が
照射することはない。従って、その段差部でアライメン
トの後信号を生じることもなくなり、前回のアライメン
トと同様に信号検出が可能となる。

さらに、この一連の工程は繰返し同様に行うことが可能
であり、度量なる転写のアライメントが可能となる。

従って本実施例方法によれば、先の実施例と同様の効果
が得られるのは勿論のこと、複数回の転写を含む工程の
中でそれぞれアライメントを行っても、アライメント検
出信号の低下を防止し得る等の利点がある。

なお、本発明は上述した各実施例方法に限定されるもの
ではない。例えば、前記ウェハ上アライメントマークを
照明する手段としては、第１２図に示す如き方法を用い
ることができる。第１２図（ａ）はアライメント照明光
がマスク２を通過してハーフミラ−１２を透過し投影レ
ンズ３を経てウェハマークを照射している。第１２図（
ｂ）はハーフミラ−１２の下からアライメント光を入射
させてミラー１３ｂ、投影レンズ３を経てウェハマーク
を照明している。第１０図（Ｃ）はハーフミラ−１２の
上から７ライメント光を入射させて検出側と丁度逆の光
路を通ってウェハ上マークを照明している。これらの照
明の方法の違いがあっても、検出信号の出力特性は本質
的に違わない。

その催、種々の照明方法が可能である。

また、信号の変調方法としては実施例ではプレーンパラ
レルを振動させて光の位置を振動させる方法を採ってい
るが、振動ミラーを用いても同様のことである。光の位
置を振動させる代りに、マスク或いはウェハを水平方向
に振動させることもできる。さらに、位相の異なる２組
のグレーティングを交互に照明することによって、光の
位置を振動させる方法と同じ効果を得ることができる。

また、実施例では露光用照明光としてｇ−ｌｉｎｅ（波
長４３６ｎｍ）　、アライメント光としてＨｅ−Ｎｅレ
ーザ光（波長６３３ｎｍ　）を用いたが、それぞれ１−
１ｉｎｅ（波長３６５ｎｍ）　、Ａ　ｒレーザ光く波長
４８８ｎｍ）としてもよい。さらに、実施例ではマーク
のグレーティング形状を１次元的なものとしたが、第１
３図に示す如く２次元的なグレーティングとしてもよい
。また、光路長を変える光学系としては、折返しミラー
の代りにプリズムやレンズ等を用いることが可能である
。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形し
て実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例方法に使用した縮小投影露光
装置を示す概略構成図、第２図は位置合わせマークとし
て用いるウェハマーク及びマスクマークのパターン形状
を示す平面図、第３図はアライメント光の光路を示す模
式図、第４図は回折光の検出原理を説明するための模式
図、第５図はゼロ次回折光強度の位置ずれに対する出力
特性を示す信号波形図、第６図は±１次回折光強度の位
置ずれに対する出力特性を示す信号波形図、第７図は振
動ブレーンパラレルを用いて信号の同期検波処理を行う
ための概略構成図、第８図は同期検波出力の位置ずれに
対する出力特性を示す信号波形図、第９図はウェハマー
ク部の構造を示す断面図、第１０図は他の実論例方法に
使用した縮小投影露光装置を示す概１８構成図、第１１
図はウェハマークが保存される様子を示す工程断面図、
第１２図及び第１３図はそれぞれ変形例を説明するため
の図、第１４図は従来のアライメント検出原理を説明す
るための模式図、第１５図は位置ずれに対する出力特性
を示す信号波形図である。１・・・露光用照明光学系、　２・・・マスク（レチク
ル）、３・・・縮小投影レンズ（投影光学系）、４゜４
１・・・ウェハ、５・・・移動テーブル、１０・・・ア
ライメント信号検出系、１１・・・アライメント用照明
系、１２・・・ハーフミラ−１１３ａ、１３ｂ・・・折
返しミラー、１４・・・光偏向機構、１６・・・光電検
出器、１７・・・信号処理回路、２１・・・マスク上グ
レーティングマーク、２２・・・ウェハ上グレーティン
グマーク、４２・・・マーク保存パターン、４３．４３
’　・・・被エツチング層、４４・・・レジスト、４５
．４８・・・アライメント光、４７・・・露光用照明光
、５１・・・開ロバターン（マーク保存パターン）。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦二１ス七独友笥６図第７図第８図第１２図第１３図第」０区第１１図第１４図ム第１５図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）露光用照明光学系により照明されるマスクと、こ
のマスクに形成されたパターンを投影光学系により投影
露光されるウェハとを位置合わせするマスクアライメン
ト方法において、予め前記マスク及びウェハの前記投影
光学系に対し相互に共役でない位置にそれぞれグレーテ
ィング状の位置合わせマークを設けておき、次いで露光
用照明光の波長とは５０［ｎｍ］以上離れた波長の光で
前記ウェハ上の位置合わせマークを照明し、その反射回
折光を前記投影光学系及び光路長を変える光学系を用い
て前記マスクの位置合わせマーク上に結像し、その透過
回折光を検出して前記マスクとウェハとの相対位置を検
出することを特徴とするマスクアライメント方法。
（２）前記マスクの前記投影光学系に対し前記ウェハ上
の位置合わせマークに共役な位置に窓状パターンを設け
ておき、マスクパターンの転写時に該窓状パターンを上
記ウェハのマークの形成領域及びその周辺領域に転写す
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のマスク
アライメント方法。
（３）前記投影光学系は、縮小投影光学系であることを
特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載のマス
クアライメント方法。
（４）前記光路長を変える光学系は、反射ミラー、プリ
ズム或いはレンズで構成されることを特徴とする特許請
求の範囲第１項又は第２項記載のマスクアライメント方
法。
（５）前記アライメントを行うときに用いる光の波長は
、露光用照明光の波長に比べて長いことを特徴とする特
許請求の範囲第１項又は第２項記載のマスクアライメン
ト方法。
（６）前記マスク上の位置合わせマークは透過型グレー
ティングで形成され、前記ウェハ上の位置合わせマーク
は反射型グレーティングで形成されることを特徴とする
特許請求の範囲第１項又は第２項記載のマスクアライメ
ント方法。
（７）前記透過回折光を検出する手段として、透過光の
位置或いはマスク若しくはウェハの位置を一定の振動数
で振動させて光の強度信号を変調し、その振動周波数に
同期した信号を検知する同期検波法を用いることを特徴
とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載のマスクア
ライメント方法。
（８）前記マスク及びウェハの各位置合わせマークのグ
レーティングのピッチは、前記投影光学系の光学倍率と
は異なることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第
２項記載のマスクアライメント方法。