JPH0570925B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明はマスクに形成されたパターンをウエハ
等の被露光基板に露光するとき、被露光基板上の
アライメントマークを検出してマスクと基板とを
アライメントする方法に関する。

（発明の背景） 縮小投影型露光装置は近年超LSIの生産現場に
多く導入され、大きな成果をもたらしている。

このような露光装置では、レチクルやマスクに
描かれたパターンを投影光学系、例えば1/5の縮
小投影レンズを介して投影し、その投影像を、予
めパターンが形成された感光基板（ウエハ等）に
位置合せして重ね焼きすることで所望の半導体装
置のリグラフイを行つている。この際、レチクル
やマスクのパターンの投影像がウエハ上で正確に
結像しないと、ウエハ上ではボケたパターンが形
成され、いわゆる解像不良という問題を起す。

さらに投影像とウエハ上に形成されたパターン
とを正確に位置合せ（アライメント）しないと、
製造された半導体装置の特性が不十分なものとな
つたり、極端な場合は半導体装置そのものの動作
が不能となるといつた問題を起す。これらの問題
を解決するためには、投影像をウエハの表面に正
確に合焦させるとともに、レチクル（マスク）と
ウエハとを正確にアライメントすることが要求さ
れる。このアライメントにおいて近年、レチクル
（又はマスク）と投影光学系を介してウエハ上に
形成された位置合せ用のマークを、レチクル上の
位置合わせ用のマークとともに観察する、いわゆ
るスルー・ザ・レンズ（TTL）方式のアライメ
ント装置が使われるようになつた。このTTL方
式ではウエハ上のマークとレチクル上のマークと
を投影光学系を介して投影露光すべき位置で検出
するので、高い位置合わせ精度が期待できる。こ
のTTL方式のアライメント装置は、例えば特開
昭55−41739号公報に開示されている。ここには、
ウエハ上にマトリツクス状に形成される所定のチ
ツプに、延長線が互いにほぼ直交するように交差
し、しかも中心から外方に向かつて放射状に配列
された線上のウエハアライメントマークと他のウ
エハアライメントマークとを別々に形成し、この
線状のウエハアライメントマークの位置に対応し
たレチクルの位置に方形または線状のレチクルア
ライメントマークを形成すると共に、該ウエハと
レチクルとの間には縮小投影レンズを配設し、さ
らにウエハを載置したＸ−Ｙテーブルを各チツプ
間隔をもつて歩進させた少なくとも２個所におい
て縮小投影レンズによつて重畳されたウエハアラ
イメントマークとレチクルアライメントマークと
を照明し、その光像を撮像装置によつて撮像し、
その結果得られた映像信号から両マークの相対的
変位（Ｘ軸方向とＹ軸方向のそれぞれについて）
を検出して各変位がなくなるようにウエハとレチ
クルを相対的に変位させる装置が開示されてい
る。

ところで、ウエハアライメントマークは下地
（基板）に対して突出または陥没させて形成され
ているために以下のような問題が発生する。即
ち、ウエハとレチクルのアライメントはウエハに
フオトレジストを塗布した状態で行うから、ウエ
ハアライメントマークと下地との段差、レジスト
の屈折率、レジストの膜厚等の諸条件の影響によ
り、安定したウエハアライメントマークの情報が
得られないのである。上記公開特許公報に開示さ
れたようなアライメント装置において、ウエハア
ライメントマークをレチクル及び縮小投影レンズ
を介して単色光（露光々と同一波長）で照明し、
ウエハアライメントマークとレチクルアライメン
トマークとを所定の共役面上に重畳して結像し、
これを撮像装置により撮像して映像信号に変換
し、この撮像信号を所定の信号処理してレチクル
とウエハとをアライメントしてみる。するとウエ
ハアライメントマーク対応部分の下地とその周辺
の下地との間に段差が生じているために、レジス
ト膜の表面で反射した照明光とウエハアライメン
トマーク対応部分の下地から反射した照明光とが
干渉を起こす。この干渉を引き起こす原因として
以下の２つを突き止めた。

(1) 第１の原因：これはウエハアライメントマー
ク対応部分の下地とその周辺の下地との間の段
差、及びウエハアライメントマークの大きさに
よるものである。例えば、異方性ドライエツチ
ング工程で作られた下地あるいはその上にアル
ミニウム等をスパツタリングして作つたウエハ
アライメントマークは段差が急峻に立ち上が
る。その上にフオトレジストを塗布するとフオ
トレジストの膜厚が連続的に変化する。第８図
ａに下地１、フオトレジスト２及びウエハアラ
イメントマークAM１の関係を模式的に示す。
アライメントマークAM１は下地１に陥没して
形成されており（これは突出して形成してもよ
い）、その上に透光性のフオトレジスト２が塗
布されている。下地１は光反射性を持つてい
る。第８図ｂにフオトレジストの膜厚を示す。
ここからも明らかなように、段差部１ａ，１ｂ
近傍で膜厚が変化している。膜厚の変化のうち
急峻な所はあまり問題ないが、その両側のなだ
らかな変化の所で干渉条件を満足する膜厚が存
在し、そこで干渉が発生する。

さて、フオトレジスト２の光学的屈折率をｎ
とし、レジスト表面と下地１の間隔（即ちレジ
スト膜の厚さ）をｄとしたとき、レジスト表面
と下地との間の光学的距離Ｄは、Ｄ＝ｎ・ｄで
表すことができる。従つて、レジスト表面及び
下地で反射した単色照明光が干渉する時の条件
は、単色照明光の波長をλとすると、ｎ・ｄ＝
λ／２となる。つまり、ｄ＝λ／2nである。
例えば、λ＝436nｍ、ｎ≒1.67の単色光で照明
するとすればｄ≒130nｍとなる。従つてレジ
スト膜の厚さが130nｍの整数倍の時には干渉
縞が生じることになる（単色光の波長が異なれ
ば干渉縞が生ずるレジスト膜の厚さが異なるの
は勿論のことである）。

従つて、ウエハアライメントマークAM１に
対応する部分のレジスト膜厚が上記干渉条件を
満足すると第９図ａに示すような干渉縞３ａ〜
３ｅが発生する。撮像装置はレジスト膜厚に応
じてコントラストが変化する光像を撮像し、そ
れに応じた映像信号を発生する。例えば第９図
ａの矢印で示すように走査すると映像信号は第
９図ｂの実線Ｓ１に示すような波形となる。こ
の映像信号には干渉縞に対応したノイズ成分が
多くなりＳ／Ｎ比が悪い。一方、干渉縞が生じ
なければ第９図ｂの点線Ｓ２で示すようにウエ
ハアライメントマークAM１とその両側とでは
つきりとコントラストが変化するようになる。
ウエハアライメントマークAM１の位置は、例
えば映像信号の立ち上がり部及び立ち下がり部
（像のコントラストの変化部に対応）を検出し
て、この立ち上がり部と立ち下がり部の中央を
検出することによつて認識する。従つて、干渉
縞が発生するとウエハアライメントマークの位
置を誤認識してしまうことになる。

以上のように段差部近傍で干渉縞が発生して
問題となるのは、段差１ａ，１ｂ間の距離（マ
ークの幅）が約4μｍ以上のときである。この
距離が約4μｍ以下のときには第１０図ａに示
すようにフオトレジストの表面は該レジストの
粘性によりほぼ平坦になる。そのためフオトレ
ジストの膜厚は第１０図ｂに示すように変化す
る。つまり、フオトレジスト膜厚は急峻に変化
し、干渉縞が発生しても１本程度にとどまるか
ら映像信号のＳ／Ｎ比は良い。実際に東京応化
株式会社製のフオトレジストOFPR800（粘度
20cp）を使用して実験した結果から干渉縞の
発生とマーク幅との関係は上記の通りであるこ
とが確認されている。

(2) 第２の原因：これは上記段差やマークの大き
さとは無関係なものであり、レジスト膜厚がｄ
≒130nｍの整数倍であれば段差部以外の所で
も干渉縞が生じることに起因している。従つ
て、第８図ａ、第１０図ａに示したいずれのウ
エハアライメントマークであつてもレジスト膜
厚が干渉条件を満足すれば干渉縞が生じ上記同
様の問題が発生する。

（発明の目的） 本発明の主な目的は上記第１及び第２の原因に
よる干渉縞の影響を受けないようにしたアライメ
ント方法を提供することである。

（発明の概要） マスク（レチクル）に形成されたパターンを投
影露光装置によつて基板（ウエハ１）上のレジス
ト層２に転写する際、基板１の表面に凹凸構造を
もつて形成されたアライメントマークを露光装置
内のマーク検出手段（スルーザレンズ方式でマー
クを観察したり、撮像装置の映像信号からマーク
を検出したりするアライメント装置）によつて光
学的に検出し、その検出結果に基づいて基板１上
の被露光領域（ICチツプパターンC₁〜C₆）とマ
スク（レチクル）のパターンとを位置合せする方
法において、マーク検出手段による検出方向（撮
像装置の走査方向）に関する幅が基板１上で4μ
ｍ以下となる第１の突出形マーク３１Ａと第１の
陥没形マーク３１Ｂとの対と、検出方向の幅が
4μｍよりも大きい第２の突出形マーク３０Ａと
第２の陥没形マーク３０Ｂとの対とを基板１の表
面に形成し、その上にレジスト層２を塗布する工
程と、 上記の４つのマーク３０Ａ，３０Ｂ，３１Ａ，
３１Ｂの夫々をレジスト層２を介してマーク検出
手段により検出し、４つのマークの中から検出結
果が最も良好な１つのマークを選びだす工程と、 以後のアライメントの際は、選ばれた１つのマ
ーク形態を使用してマスク（レチクル）と基板
（ウエハ）とを位置合せする工程とを実行するよ
うにした。

本発明のように、小さな幅の突出形マークと陥
没形マークの対と、大きな幅の突出形マークと陥
没形マークとの対とをウエハ上に形成して、本発
明のアライメント方法に使用する場合には複数対
または複数組形成する。それは、各露光時にそれ
ぞれ異なつた位置に設けられたウエハアライメン
トマークを用いてアライメントする方法、即ちウ
エハには繰り返し露光する回数に等しい数のウエ
ハアライメントマークを予め設けておき、１回の
露光に際してはそのうちの１つのマークを用いて
レチクルとアライメントするが、１度アライメン
トに使用したマークは露光と現像処理によつて変
形するおそれがあるので二度と使用せず、次の露
光に際しては残りのマークの１つを使用するアラ
イメント方法である。そして、各マスクには予め
特定されたウエハ上のアライメントマークに対応
するレチクルマークが設けられている。

また、１対または１組のアライメントマーク
は、特公昭52−34907号公報に開示されているよ
うなウエハへの最初の焼き付け工程で形成された
ものをその後の焼き付け工程の一連のレチクルと
の位置合わせに共通使用する方法では、１対また
は１組用意しておばよい。

さて、ここで本発明で使用する幅4μｍ以上の
マークと幅4μｍ以下のマークとの意味について
説明する。異方性ドライエツチング工程のように
急峻な段差によつてウエハアライメントマークを
境界づける場合には、該マークの大きさ（幅）を
小さくして干渉縞を発生しにくくするのが望まし
い。第２図はウエハアライメントマークの形状を
３例示す。第２図ａは方形のマーク、第２図ｂは
三角形のマーク、第２図ｃは台形のマークをそれ
ぞれ示す。そして各マークの幅（W₁）はフオト
レジストを塗布したときに干渉縞が発生しにくい
値、例えばW₁＜4μｍになつている。この幅方向
は撮像装置によつて走査する方向である。一方、
各マークの長さH₁は撮像装置がこの長さ方向に
どれ位の走査を必要とするかによつて定まるもの
であり、実際には８〜10μｍである。尚、第２図
ａのマークはW₁＝H₁の正方形であることを妨げ
るものではない。また、マークの幅W₁を決定す
る目安は段差部１ａ，１ｂの深さをd₀（第１０図
ａに示す）としたとき、W₁＜2d₀である。深さd₀
は通常のウエハプロセスでは１〜1.5μｍであるか
らマークの幅W₁は１〜3μｍが好適である。

こうすることにより、フオトレジスト膜の表面
はほぼ平坦になり（マーク幅が小さい場合には下
地に多少の凹凸があつてもフオトレジスト膜の表
面は平坦になる性質がある）、その結果フオトレ
ジスト膜厚は第１０図ｂに示すように急峻なもの
となる。従つて、干渉縞が発生しても１本程度と
なり、撮像装置の映像信号のＳ／Ｎ比は良くな
る。

一方、選択酸化工程（LOCOS）によつてウエ
ハアライメントマークを形成する場合にはウエハ
アライメントマークを大きくしておいた方が、レ
ジスト塗布後にレチクルマークと光学的に重畳し
たときに像質が良いことが多い（LOCOSの場合
には第１０図ａ図示の段差部の傾斜がゆるやかに
なるため）。それ故第２図ｄ，ｅ，ｆに示すよう
な大型のウエハアライメントマークとが第２図
ａ，ｂ，ｃの小型のウエハアライメントとをそれ
ぞれ同一のウエハ（下地）上に形成すれば、異方
性ドライエツチング工程によるウエハアライメン
トマークは小型のものを、または選択酸化工程に
よるものは大型のものを選択的に撮像装置で光電
変換することができる。こうすればウエハアライ
メントマークの形成工程に応じた撮像のウエハア
ライメントマークを選択して撮像できることにな
る。第２図ｄ〜ｅにおいて撮像装置の走査方向の
幅（W₂）は4μｍ以上、例えばW₂＝10μｍ程度が
好ましい。長さH₂は必要に応じて設定し、W₂＝
H₂であつても良い。

第３図は小型及び大型ウエハアライメントマー
クをウエハに転写するために使われるレチクル
R₁′を示す。撮像光学系の光軸１５に対するマー
クパターン１３，１４，３０，３１の配置は、回
路パターン領域１１の周辺で、互いに90°回転し
た位置関係で設けられる。小型ウエハアライメン
ト用のマークパターン１３，１４と大型ウエハア
ライメントマーク用のマークパターン３０，３１
とはそれぞれ光軸１５を通る放射線上に縦列配置
されている。

ところで、先に説明したようにレジスト膜厚が
ｄ≒130nｍになると干渉縞が発生してウエハア
ライメントマークの位置を誤認識してしまう。そ
こで本発明では、さらに第４図に示すように、突
出形のウエハアライメントマークAM１０と陥没
形のウエハアライメントマークAM２０との対を
少なくとも１個同一下地上に形成する。そして、
この下地１の上にレジスト塗布装置によつてフオ
トレジスト２を塗布する。レジスト塗布装置はウ
エハを回転しておき、その上に液状のフオトレジ
ストを滴下する。そのためフオトレジストは遠心
力によつてウエハ全面に拡布され、その後ウエハ
の回転を停止するとフオトレジストの表面はほぼ
平坦面になる。従つて、突出形ウエハアライメン
トマークAM１０に対応した部分のレジスト膜厚
d₁はその周囲のレジスト膜厚d₃よりも薄くなる。
また陥没形ウエハアライメントマークAM２０に
対応した部分のレジスト膜厚d₂はその周囲の膜厚
d₃よりも厚くなる。

このように突出形マークAM１０と陥没形マー
クAM２０を対にして形成すると、例えば突出形
マークAM１０部分のレジスト膜厚が干渉条件を
満足（d₁≒130nｍ）すると、陥没形マークAM２
０部分のレジスト膜厚は干渉条件を満足しない
（d₁≠130nｍ）ことになる。従つて、一対のマー
クAM１０，AM２０のうち一方が干渉縞を発生
していてレチクルとアライメントに使用できない
場合でも、他方のマークは干渉縞を発生しないか
発生しても無視し得るようになつている。操作者
は顕微鏡やモニタテレビ等を観察していて、どち
らのマークに干渉縞が生じているかを判断してレ
チクルとのアライメントに使用するマークを選択
すればよい。尚、ウエハアライメントマークの形
状はアライメント方式に依存するので矩形、三角
形、円形等アライメント方式に応じて選択すれば
よい。

第５図には、突出形と陥没形のウエハアライメ
ントマークをウエハ上に転写するために使われる
レチクルR₁₀が示されている。レチクルR₁₀の中
央には矩形の回路パターン領域１１が形成されて
おり、その周囲はクローム等が蒸着された遮光領
域１２が形成されている。回路パターン領域１１
に例えばICを作るための第１層目のパターンが
形成されている。遮光領域１２には突出形及び陥
没形ウエハアライメントマークを形成するための
パターンが形成されている。Ｙ軸方向に伸びた突
出形ウエハアライメントマークを形成するための
パターン１８は、遮光領域１２に所定の形状の透
光部１８を設けることにより構成してある。Ｙ軸
方向に伸びた陥没形ウエハアライメントマークを
形成するためのパターン１９は、遮光領域１２に
所定の形状の遮光部１９を残してその周囲を透光
部２０とすることにより構成してある。Ｘ軸方向
に伸びた突出形ウエハアライメントマークを形成
するためのパターン２１は、遮光領域１２に所定
の形状の透光部２１を設けることにより構成して
ある。Ｘ軸方向に伸びた陥没形ウエハアライメン
トマークを形成するためのパターン２２は、遮光
領域１２に所定の形状の遮光部２２を残してその
周囲を透光部２３とすることにより構成してあ
る。また、レチクル上のパターンをウエハ上に投
影する投影光学系の光軸１５に関して、レチクル
R₁₀上のパターン１８，１９は該光軸を中心とす
る同一放射方向に縦列配置されており、またパタ
ーン２１，２２も光軸を中心とする同一放射方向
に縦列配置されている。このレチクルR₁₀をステ
ツプ・アンド・リピート方式の縮小投影露光装置
によつてウエハ上に転写し、現像するとICチツ
プパターンC₁〜C₆とウエハアライメントマーク
AM１０，AM２０は第６図に示すような配列と
なる。この第６図において、各ICチツプパター
ンにはＸ方向用のマーク群AMXとＹ方向用のマ
ーク群AMYとして形成されている。

尚、パターン１８，１９；２１，２２は上記の
ように縦列配置されるものに限定されず、アライ
メント方式に応じて種々の配置が可能である。

第７図にレチクルアライメントマーク（透明
部）２４と突出形、陥没形ウエハアライメントマ
ークとの光学的重畳像の様子を示す。図示の状態
は２層目以降の露光用のレチクルとウエハとが正
しくアライメントされた状態である。レチクルア
ライメントマークとウエハアライメントマークの
位置合わせは、まず第７図示の光像を矢印方向に
撮像装置によつて走査して映像信号を変換し、レ
チクルアライメントマークとウエハアライメント
マークのそれぞれの境界部を検出する。そして、
レチクルアライメントマークの両境界部２４ａ，
２４ｂの間隔の中心とウエハアライメントマーク
の両境界部２６ａ，２６ｂの間隔の中心とが合致
するようにレチクルとウエハとを相対的に移動さ
せる。（いわゆる挟み込み方式による位置合わ
せ）。これをＸ軸方向に関して行えばレチクルと
ウエハ（厳密に言えばウエハ上の各ICチツプパ
ターン）とが正確に位置決めされる。この位置決
めのための映像信号処理は種々提案されている
し、本発明とは直接関係ないので説明を省略す
る。

さて本発明は、以上に説明した小型マークと大
型マークとの対と、突出形マークと陥没形マーク
との対との両方を組み合わせたものであり、第１
および第２の原因の両方によつて干渉縞が発生し
てもその影響を受けないようにしたものである。
第１図は、小型、大型、突出形、陥没形の４種の
ウエハアライメントマークをウエハ上に同時に形
成するためのレチクルパターンを示す。レチクル
そ周囲の遮光部１２には大型−突出形ウエハアラ
イメントマーク形成用のパターン（大型の長方
形）３０Ａ、大型−陥没形ウエハアライメントマ
ーク形成用のパターン（大型の長方形）３０Ｂ、
小型−突出形ウエハアライメントマーク形成用の
パターン（小型の長方形）３１Ａ、小型−陥没形
ウエハアライメントマーク形成用のパターン（小
型の長方形）３１Ｂが設けられている。パターン
３０Ａ，３１Ａは遮光部１２に透光領域を設ける
ことによつて形成されている。パターン３０Ｂ，
３１Ｂは遮光部１２に所定の透光領域（長方形）
３２を設け、その中に遮光部を残すことによつて
形成されている。このパターン３０Ａ，３０Ｂ，
３１Ａ，３１Ｂは第２図示のように種々のものが
選択できる。

以上の各ウエハアライメントマークに対応した
レチクル上のパターンは撮像光学系の撮像倍率ぶ
んだけウエハアライメントパターンよりも大きく
なつている。１：１の等倍撮影の場合にはウエハ
アライメントパターンに対応するレチクルのパタ
ーンは原寸大でよい、また、レチクル上のウエハ
アライメントマーク形成用パターンは放射線方向
に関して縦列配置されていたが、これに限定され
るものではなく並列配置でもよい。更に、ウエハ
アライメントマークは下地に直接設けてあるが、
下地の上に別の物質の層を形成し、これをエツチ
ング等で処理して該マークを形成してもよい。

（発明の効果） 以上のような本発明によれば、大型と小型及び
突出形と陥没形のウエハアライメントマークを組
み合わせて形成するから、一方のウエハアライメ
ントマークに干渉縞が生じても他方には干渉縞が
生じないかあるいは生じても無視し得るようにな
る。そのため、アライメントマークを１個しか形
成しない従来方法に比べると、レチクルとのアラ
イメント成功率が大きく向上する。レチクルとの
アライメントに誤差があるまま重ね焼きするとウ
エハ上に先に転写されたパターンとがずれてしま
い、そのICチツプは不良品となつてしまうこと
を考えると、本発明のように干渉縞の生じない
（あるいは少ない）ウエハアライメントパターン
を選択できることは歩留り向上に大きく寄与する
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る小型、大型、突
出形、陥没形の４種のウエハアライメントマーク
をウエハ上に転写するためのレチクルを示す図、
第２図ａ〜ｆは本発明の実施例に係るウエハアラ
イメントマークの形状を示す図、第３図は本発明
の実施例に係る小型及び大型ウエハアライメント
マークをウエハ上に転写するためのレチクルを示
す図、第４図ａ，ｂは本発明の実施例に係る突出
形、陥没形ウエハアライメントマーク、下地、及
びフオトレジスト膜との関係を模式的に示す図、
第５図は本発明の実施例に係る突出形、陥没形の
ウエハアライメントマーをウエハ上に転写するた
めのレチクルを示す図、第６図はICチツプと第
４図に係るウエハアライメントマークとの配置関
係を示す図、第７図はレチクルアライメントマー
クとウエハアライメントマークの光学的重畳像を
示す図、第８図ａはウエハアライメントマーク、
下地、及びフオトレジスト膜の関係を模式的に示
す図、第８図ｂはフオトレジストの膜厚を示す
図、第９図ａは干渉縞の発生の様子を示す図、第
９図ｂは映像信号の波形を示す図、第１０図ａは
ウエハアライメントマーク、下地及びフオトレジ
スト膜の関係を模式的に示す図、第１０図ｂはフ
オトレジストの膜厚を示す図、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 露光装置を用いてマスクに形成されたパター
   ンを基板上のレジスト層に転写する際、該基板の
   表面に凹凸構造をもつて形成されたアライメント
   マークを、前記露光装置内のマーク検出手段によ
   つて光学的に検出し、その検出結果に基づいて前
   記基板上の被露光領域と前記マスクのパターンと
   を位置合わせするアライメント方法において、 前記基板を前記露光装置に供給する前に、前記
   マーク検出手段による検出方向に関する幅が前記
   基板上で4μｍ以下となる第１の突出型マークと
   第１の陥没型マークとの対と、前記検出方向に関
   する幅が4μｍよりも大きい第２の突出型マーク
   と第２の陥没型マークとの対とを前記基板の表面
   に形成し、その上にレジスト層を塗布する工程
   と； 前記２対のマークの夫々を前記レジスト層を介
   して前記マーク検出手段により検出し、前記４つ
   のマークの中から検出結果が最も良好な１つのマ
   ーク形態を選びだす工程と； 以後の基板とマスクとの位置合わせのときに、
   前記選ばれた１つのマーク形態を使用する工程と
   を含むことを特徴とするアライメント方法。 ２ 前記第１の突出型マークと第１の陥没型マー
   クとの幅を１〜3μｍの範囲に定めたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ３ 前記第１の突出型マーク又は第１の陥没型マ
   ークの段差量をd₀としたとき、該第１のマーク対
   の幅W₁をW₁≦2d₀に定めたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項、又は第２項に記載の方法。