JPH0626178B2

JPH0626178B2 - パターン位置検出方法とその装置

Info

Publication number: JPH0626178B2
Application number: JP60118970A
Authority: JP
Inventors: 俊彦中田; 良忠押田; 正孝芝
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-06-03
Filing date: 1985-06-03
Publication date: 1994-04-06
Anticipated expiration: 2009-04-06
Also published as: JPS61278136A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、２次元パターンの中心位置を検出するための
パターン位置検出方法とその装置に関し、特に縮小投影
露光装置によつて回路パターンをウエハ上に縮小投影露
光する際でのアライメント用パターン検出に好適とされ
たパターン位置検出方法とその装置に関するものであ
る。

〔発明の背景〕

縮小投影露光装置では第１図に示す如くレチクル１上の
回路パターン４は縮小投影レンズ２を介しウエハ３にお
けるチツプ５上に繰り返し順次縮小投影露光されるもの
となつている。この際回路パターン４はチツプ５と正確
に位置合せされていることが必要であるが、この位置合
せは例えばウエハ３上に予め形成されているウエハター
ゲツトパターン７ａ，７ｂとレチクル１上に予め形成さ
れているレチクル基準パターン６ａ，６ｂによつてい
る。ウエハターゲツトパターン照明光８によつてハーフ
ミラー10、レチクル基準パターン６ａ、縮小投影レンズ
２を介しウエハターゲツトパターン７ａを照明すれば、
ウエハターゲツトパターン7aからの反射光は縮小投影レ
ンズ２を介しレチクル基準パターン６ａ上に拡大結像さ
れるが、これらパターンの合成像９がハーフミラー10、
拡大レンズ11を介し２次元撮像素子12上で光電変換され
るようになつているものである。２次元撮像素子12から
の合成像検出信号はその後前処理回路13でＡ／Ｄ変換さ
れてからパターン位置検出方向と直交する方向にS/N比
を向上させるべく圧縮されるが、この圧縮された合成像
検出信号より計算機14によつてレチクル基準パターン６
ａ、ウエハターゲツトパターン7aの各々の中心位置が求
められるわけである。これら中心位置の差より両パター
ン間の位置合せずれ量、したがつてアライメント量が知
れるものであり、このアライメント量に応じてウエハテ
ーブル（ＸＹテーブル）40がｘ方向に駆動制御されるも
のである。ＸＹテーブル40のｙ方向への駆動制御につい
ても事情は同様であり、ウエハターゲツトパターン７ｂ
およびレチクル基準パターン６ｂはそのために設けられ
ているものである。

ここでウエハターゲツトパターン７ａの中心位置の求め
方について詳細に説明すれば以下のようである。

即ち、ウエハターゲツトパターン７ａは第２図(a)にそ
の断面を示すが、Si基板（ウエハ３に相当）20上に直線
上の段差を形成するSiO₂層21が形成され、更にSiO₂層21
および露出されている段差間Si基板20部分にはホトレジ
スト22が図示の如くに塗付されたものとしてなつてい
る。このようにしてなるウエハターゲツトパターン７ａ
に対し露光波長（ｇ線）に色補正されている縮小投影レ
ンズ２での色収差発生を防止すべくウエハターゲツトパ
ターン照明光８として露光波長の単色光を使用した場
合、第２図(a)に示す如くホトレジスト22内において入
射光23と反射光24との多重干渉が引き起こされる。

この多重干渉によりウエハターゲツトパターン７ａをそ
の上部方向より観察すれば、第２図(b)に示す如くホト
レジスト22表面には等厚干渉縞が観られるというわけで
ある（例えばデイートリツクダブリユ・ウイドマン(Die
trick W.Widmann)による論文「クオンテイテイブエバリユエ-シヨンオブ
フオトレジストパタ-ンズインザ 1ミクロンレンジ」（Quantitative Evalu
ation of Photoresist Patterns in the 1-μｍ Rang
e）（Applied Optics;April 1975,Vol.14,No.4 p931〜9
34参照）。この場合SiO₂層21によるパターン段差間の中
心に対してホトレジスト22が対称し、且つ均一に塗付さ
れているものとすれば、２次元撮像素子12による例えば
Ａ−Ａ′線に係る光電変換信号や前処理回路13の出力も
また第２(c)に示す如く段差中心位置x₀に対して左右対
称になるというものである。

したがつて、新ためて位置Ｉでの前処理回路13の出力を
Ｘ(I)として式(1)に示す対称性評価関数Ｚ(I)を計算に
よつて求め、Ｚ(I)が極小値をとるときでの位置Ｉを以
て対称中心位置、即ち、ウエハターゲツトパターン中心
位置を求め得るというわけである。

この対称性評価関数Ｚ(I)について第３図(a)，(b)によ
り詳細に説明すれば、これは仮想対称中心位置Iaを定め
Ｚ(Ia)を求めているに他ならない。第３図(b)に示す如
く仮想対称中心位置Iaが真の対称中心位置Iwよりずれて
いる場合はＺ(Ia)＞Ｚ(Iw)となりIa＝Iwである場合にＺ
(Ia)は極小値をとるところとなるものである。しかし
て、Iaを更新する度にＺ(Ia)を求めるようにしたうえで
Ｚ(Ia)の極小値を求め、極小値をとるときのIaをして真
の対称中心位置とするものである。

以上のようにして２次元パターンとしてのウエハターゲ
ツトパターンの中心位置を求め得るが、このような方法
にも問題がないわけではない。というのは、Ｘ(I)に対
称性が認められる場合はよいとしてもＸ(I)が非対称性
である場合には中心位置を誤る虞れ大となるからであ
る。即ち、パターン段差部での傾斜が左右で異なつた
り、あるいは他のパターンに比して段差が大きく、しか
も粒状性を示すAlパターンの場合にはレジストの塗付状
態は非対称となつてＸ(I)の波形は第４図(a)，(b)に示
す如くその対称性は大きく損なわれることになるもので
ある。ランダムノイズが混入される場合も事情は同様で
ある、因みに第４図(a)，(b)について説明すれば、仮想
対称中心位置Iw，Ivより位置Iw+J，Iv+Jまでの領域にお
ける非対称部分を斜線表示したものである。この場合位
置Ｉｗが真の中心位置であるにもかかわらず、第４図
(c)に示す如くＺ(Iv)＜Ｚ(Iw)となつて位置Ivが恰も中
心位置として誤つて検出されるというわけである。

〔発明の目的〕

よつて本発明の目的は、被検出パターンからの反射光強
度分布が非対称性であつてもそのパターンの中心位置を
正確に求め得るパターン位置検出方法とその装置を供す
るにある。

〔発明の概要〕

この目的のため本発明は、合成像検出信号が重み付対称
性評価関数によつて処理されるようにしたものである。
即ち、対称性評価関数によつて処理する際、更新可とし
て設定される２つの一定領域での１次元光強度分布信号
（合成像検出信号）を他の領域での１次元光強度分布信
号に比して重み付けることによつて実効的に強めた後、
対称性評価処理を行なうことによつて２次元パターンの
対称中心を求めるようになしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を第５図から第15図により説明する。

先ず本発明の具体的説明に入る前にその理論的背景につ
いて説明しておく。

TTL（Through The Lens）ウエハターゲツトパターン検
出系については既に第１図において説明したところであ
るが、この検出系ではウエハターゲツトパターン照明光
として縮小投影レンズでの色収差を防ぐべく露光光と同
一波長の光が使用されるか、または同一波長でなくとも
単色光が使用されるのが通常となつている。ところで、
第５図(a)はSi基板20上にSiO₂層21を介しホトレジスト2
2が塗付されている状態を示すが、このようにしてなるS
i基板20にウエハターゲツトパターン照明光が入射光25
として入射した場合、多重反射が起こり多重干渉が発生
するものとなつている。入射光25が入射されると、ホト
レジスト22表面からの反射光26やSiO₂層21表面からの反
射光27、Si基板20表面からの反射光28、ホトレジスト22
表面で反射された後SiO₂層21表面で反射された反射光2
9、SiO₂層21表面で反射された後Si基板20表面で反射さ
れた反射光30など、各種反射光による多重反射が起こり
多重干渉が発生するものである。この場合での多重干渉
強度は第５図(b)に示す如くホトレジスト膜厚によつて
周期的に大きく変化するが、その周期は入射光の波長や
ホトレジスト以外の層の厚さ及び屈折率に依存するもの
となつている。なお、第５図(b)は入射光強度を１に規
格化した場合での相対多重干渉強度を示す。

最上層がAlのように屈折率が高い場合を除くと、他の層
例えばPoly-Si、HLD、Si₃N₄、PSGなどのようにその屈折
率がホトレジストのそれに近い材質の層の場合は入射光
強度を１とした場合その多重干渉強度はおよそ0.07〜0.
52の範囲でホトレジスト膜厚に応じて周期的に大きく変
化し、その概形は第５図(b)に示すものとほぼ同様とな
る。即ち、最上層がAl以外の場合については、ウエハタ
ーゲツトパターンからの反射光強度分布はホトレジスト
膜厚に依存するものである。

さて、第６図(a)はSi基板20上にSiO₂層21によつて形成
された凹形ターゲツトパターン段差のその上部にホトレ
ジスト22が塗布されている状態をホトレジスト膜厚分布
とともに示すが、これより明らかにパターン段差部でホ
トレジスト膜厚が急激に変化していることが判る。この
結果第５図(b)で説明した多重干渉強度より推考される
ようにその反射光強度は第６図(b)に示す如くパターン
段差部近傍で急激に変化することになるものである。

なお、ｃはパターン幅を示す。

第７図(a)，(b)は同様に凸形ターゲツトパターン段差に
ついて示したものである。この場合もホトレジスト膜厚
の急激な変化により反射光強度はパターン段差部近傍で
急激に変化していることが判る。

以上Al層が存在しない場合について説明したが、第８図
(a)はSi基板20上にSiO₂層21、Al層31が形成されAl層31
上に更にホトレジスト22が塗付されている場合での多重
干渉の状態を示したものである。入射光32が入射される
と、ホトレジスト22表面からの反射光33、Al層31表面か
らの反射光34、ホトレジスト22表面で反射された後Al層
31表面で反射された反射光35，36などによつて多重反射
が起こり多重干渉が発生するものである。しかしなが
ら、Alの複素屈折率は0.46-i4.24であつてホトレジスト
（AZ1350J）の複素屈折率1.67-i0に比して非常に大き
く、したがつてAl層31表面での反射率が非常に大きなも
のとなる。この結果各反射光強度のバランスが損なわ
れ、多重干渉強度のホトレジスト膜厚に対する周期的変
化は第８図(b)に示すように最上層（ホトレジスト直下
の層）がAl以外のものである場合に比し極めて小さくな
る。即ち、最上層がAlの場合には、ウエハターゲツトパ
ターンからの反射光強度分布はホトレジスト膜厚よりも
むしろパターン段差部での回折効果に依存する。

第９図(a)はSi基板20上にSiO₂層21およびAl層31によつ
て凹形ターゲツトパターン段差を形成した場合のパター
ン段差部における回折光32の様子を示したものである。
Alには粒子性の大きいものがあり、その結果第９図(b)
に示す如くに反射光強度にはスペツクルノイズが発生す
るが、段差部での回折効果により段差部対応の反射光強
度は急激に落ち込んでいることが判る。第10図(a)，(b)
は凸形のものについて示すが、この場合も反射光強度は
パターン段差部で急激に落ち込むものとなつている。

したがつて、以上の説明から明らかなように、ウエハタ
ーゲツトパターンからの反射光強度はパターンを形成す
る最上層の材質に拘わらず常にパターン段差近傍で大き
く変化することが判る。特にパターン材質がＡｌの場合
は他の材質に比して反射光強度は常にパターン段差部近
傍で鋭く落ち込むものとなつている。よつて、パターン
段差部近傍領域の反射光強度信号を重み付し他の領域で
のそれよりも実効的に強調してやれば、被検出パターン
からの反射光強度分布が非対称であつても、また、ラン
ダムノイズの影響を受けることなく安定にして、しかる
高精度にそのパターンの中心位置を求め得るものであ
る。

さて、ウエハターゲツトパターンは例えば第１図に示す
TTLパターン検出系によつて検出されるものとして本発
明を具体的に説明する。

先ず第11図から第13図により本発明の第１の実施例につ
いて説明すれば、第１図の場合と同様にしてウエハター
ゲツトパターンからの反射光は２次元撮像素子によつて
検出されたうえ前処理回路によつてＡ／Ｄ変換、更には
１次元検出信号に変換された形で計算機に送られること
になる。計算機ではパターン位置検出方向のパターン幅
(c)情報を参照して式(2)により仮想対称中心位置各々に
ついての重み付対称性評価関数Ｙ(I)の値を求めように
なつているものである。

但し、f₂(J)は重み関数でありその概形は第11に示す如
くである。したがつて、式(2)は式(1)に特定の２つのパ
ターン領域における１次元検出信号を強調するための重
み関数f₁(J)が付加されたものに他ならない。因みに第1
1図に示す重み関数f₁(J)は以下のようである。

但し、ｂの値はパターン幅ｃとウエハ上でのパターン検
出系の分解能ａよりとして求められる。パターン幅ｃを６μｍ、ウエハ上で
のパターン検出系の分解能ａを0.04μｍとすれば、ｂの
値は75として求められるものである。式(3)あるいは第1
1図によれば、パターン段差部分近傍での１次元検出信
号に対してはそれ以外の領域のものに比して最大W₂／W₁
倍の重み付けが行なわれるが、W₁，W₂の値はパターン材
質に応じ任意、適当に設定されればよいものである。ま
た、Ｐ，Ｑの値はパターン材質やパターン段差部の大き
さとその傾斜状態を考慮し適当に定められるものとなつ
ている。

第12図は計算機による処理のフローを示したものであ
る。これによると処理に際しては先ず既述のｂ，Ｐ，
Ｑ，W₁，W₂，Ｎの値が設定されたうえ１次元検出信号の
データ取込が行なわれるようになつている。この後取込
された１次元検出信号データからは平滑化処理によつて
ノイズデータ成分が除去されたうえ更にハイパス処理に
よつてそのエツジが強調されるものとなつている。これ
により１次元検出信号データはノイズ成分が少なく、し
かも段差部が明瞭化された波形データとして得られるも
のである。このようにして処理された１次元検出信号デ
ータを適当に処理することによつてパターンの粗対称中
心位置Igがエツジ間中央位置として、あるいは面積計算
より求められるわけである。粗対称中心位置Igが定まれ
ば次にこれが設定値内か否かが判定されるようになつて
いる。設定値内にない場合はウエハターゲツトパターン
を検出エリア中心方向に移動させるべくウエハステージ
が移動されたうえ上記処理が再び繰り返されるようにな
つているものである。一方、設定値内にある場合には式
(2)に示す処理が位置Ｉを更新する度に行なわれるもの
となつている。これにより位置Ｉに応じたＹ(I)の値が
求められるが、これらＹ(I)の値より極小値を求めれ
ば、極小値をとるときの位置Ｉを真の対称中心位置Iwと
して求め得るものである。

このようにして対称中心位置を求める場合は、第13図
(a)，(b)に示す如く１次元検出信号の波形の対称性が著
しく損なわれていても位置Ｉが真の対称中心位置Iwにあ
る場合には重み関数（f₁(J)）33によりパターン段差部
近傍に相当する検出信号部分が強調されることから、重
み関数33内での二重斜線表示面積の差より判るように真
の対称中心位置Iw対応のＹ(Iw)の値が第13図(c)に示す
如く極小となるものである。したがつて、高精度にして
ウエハターゲツトパターンの位置検出が行ない得るわけ
である。

次に第２の実施例について説明すれば、第14図(a)はそ
の実施例に係る重み関数f₂(J)を示したものである。こ
の場合での重み関数f₂(J)は以下のようである。

第14図(b)からも判るように重み関数（f₂(J)）34はパタ
ーン段差部近傍での検出信号波形が狭い領域内で急激に
変化するようなパターン材質よりなるウエハターゲツト
パターン、例えばパターン段差部での傾斜が急であるAl
パターンなどに対しては極めて有効となつている。した
がつて、検出信号波形が多重干渉に依存しパターンル段
差部での波形変化がAlパターンに比して比較的緩やかな
パターン対しては先の実施例で用いられた如くの重み関
数を用いる一方、Alパターンに対しては重み関数f₂(J)
如くのものを用いるといつた場合に、パターン段差形状
やパターン材質を考慮して重み関数を使い分けるように
すれば、常に安定にして高精度にパターン位置が検出さ
れるものである。なお、第14図(a)におけるW₁，W₂の値
は第１の実施例の場合と同様にして、また、Ｒの値はパ
ターン材質やパターン段差部での傾斜を考慮して設定さ
れるものとなつている。また、この第２の実施例での計
算機による処理は第12図に示す如くに行なわれる。

最後に本発明の第３の実施例について説明する。

この第３の実施例での重み付対称性評価関数は式(2)に
示す如くの形のものではなく式(5)に示す如くになつて
いる。

但し、Ｘ′(I)はＸ(I)を微分したものである。

第15図(a)〜(c)に示すように平坦領域の全体に占める割
合が大きい検出信号より真の対称中心位置を求める場合
に誤りなくその位置を求め得るものとなつている。即
ち、式(2)に示す如くの重み付対称性評価関数を用いる
場合には、第15図(b)に示すように仮想対称中心位置Iv
における対称性評価関数の値は位置Iv両側のほぼ等しい
平坦領域に対して重み付けされるので、真の対称中心位
置Iwにおける対称性評価関数のそれにほぼ等しくなると
いうものである。したがつて、第15図(c)に示すように
値がほぼ同一の極小点２以上存在することになり、仮想
対称中心位置Ivを真のものとして誤つて検出する虞れが
あるというわけである。しかしながら、式(5)に示す形
のものを用いる場合には、式(2)に示す如くの重み付対
称性評価関数の値を検出信号の微分値で除することによ
つて実効的に波形変化の大きい領域に対して重み付けが
なされる結果、平坦領域の占める割合が大であつても真
の対称中心位置Iwを確実に求め得るというものである。
仮想対称中心位置Ivが真の対称中心位置Iwに一致する場
合には、式(5)における分母の値は極めて大となること
から、重み付対称性評価関数Ｙ^＊(Iw)は極小値をとるこ
とになるものである。なお、式(5)における重み関数f
₃(J)はこれまでに述べた重み関数f₁(J)，f₂(J)であつて
もよく、また、ｎの値は検出信号波形に応じ適当に設定
されるものとなつている。更に式(5)における分母は微
分関数とされているが、微分値以外にも自己相関関数な
ど、信号の強度変化を表わす関数であれば使用可となつ
ている。

以上本発明を縮小投影露光装置のTTLパターン検出系に
例を採つて、また、照明光として単色光を用いる場合に
ついて説明したが、本発明は白色光照明によるoff-axis
パターン検出系にも適用し得ることは明らかである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明による場合は、被検出パター
ンからの反射光強度分布が非対称であつたとしてもその
パターンの中心位置を求め得るという効果がある。した
がつて、例えば本発明を縮小投影露光を行なう際でのウ
エハターゲツトパターンの検出に適用する場合は、ウエ
ハアライメント精度の向上、ひいては半導体生産性の向
上に寄与し得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ウエハに縮小投影露光を行なう場合でのこれ
までのウエハターゲツトパターンによる回路パターンと
チツプとの位置合せ方法を説明するための図、第２図
(a)〜(c)および第３図(a)，(b)は、そのウエハターゲツ
トパターンの中心位置を求めるための方法を説明するた
めの図、第４図(a)〜(c)は、その方法による不具合を説
明するための図、第５図(a)〜(b)、第６図(a)，(b)、第
７図(a)，(b)、第８図(a)〜(b)、第９図(a)，(b)および
第10図(a)，(b)は、本発明の理論的背景を説明するため
の図、第11図は本発明の第１の実施例に係る重み関数を
示す図、第12図は、その実施例に係る計算機による処理
のフローを示す図、第13図(a)〜(c)は、検出信号波形の
対称性が損なわれている場合でもパターン対称中心位置
を求め得ることを説明するための図、第14図(a)，(b)
は、本発明の第２の実施例に係る重み関数と、その重み
関数が適用される検出信号波形を示す図、第15図(a)〜
(c)は、検出信号波形が特殊である場合での本発明の第
３の実施例を説明するための図である。１……レチクル、２……縮小投影レンズ、３……ウエ
ハ、４……回路パターン、５……チツプ、６ａ，６ｂ…
…レチクル基準パターン、７ａ，７ｂ……ウエハターゲ
ツトパターン、12……２次元撮像素子、14……計算機。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】検出光学系により検出されるパターンから
の光像を光電変換手段で受光して少なくとも１次元の映
像信号を得た上、仮想中心位置としての折り返し点が所
定に更新される度に、該得られた少なくとも１次元の映
像信号を該折り返し点にて対称に折り返して両信号間の
一致度を調べつつ、一致度が最も高い折り返し点を求
め、該一致度が最も高い折り返し点が上記パターンの中
心位置として検出されるようにしたパターン位置検出方
法において、両信号間の一致度を調べる際に、折り返し
点から所望の距離だけ離れた領域にのみ重み付けをする
ことによって、上記両信号の一致度を調べることを特徴
とするパターン位置検出方法。
【請求項２】所望の距離として、パターンの幅のほぼ１
／２が設定される、特許請求の範囲第１項記載のパター
ン位置検出方法。
【請求項３】パターンからの光像を検出する検出光学系
と、該検出光学系で検出される光像を受光して少なくと
も１次元の映像信号を得る光電変換手段と、該光電変換
手段で得られた少なくとも１次元の映像信号を、仮想中
心位置としての折り返し点にて折り返して両信号の一致
度を調べる手段と、一致度が最も高い折り返し点を求め
る手段とからなり、一致度が最も高い折り返し点をパタ
ーンの中心位置として検出するパターン位置検出装置に
おいて、両信号の一致度を調べる手段では、両信号間の
一致度を調べる際に、折り返し点から所望の距離だけ離
れた領域にのみ重み付けをすることによって、上記両信
号の一致度を調べることを特徴とするパターン位置検出
装置。
【請求項４】所望の距離として、パターンの幅のほぼ１
／２が設定される、特許請求の範囲第３項記載のパター
ン位置検出装置。