JPS6077426A - 整合方法 - 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］ 本発明は、各々周期的整合パターンを有する少くとも２
つの対象物を相互に整合させるための方法に係る。本発
明は、半導体回路を製造するためのりソグラフィに於て
有利に用いられる。

［従来技術］ 多くの製造方法に於て、２つ又はそれ以上の対象物を相
互に極めて正確に整合させることが必要とされている。

その１つの重要な例はリソグラフィ方法であり、その場
合には、露光マスクが半導体ウェハ上のパターンに関し
て整合されねばならない。今日の光そして特に電子によ
る光学的露光方法は１ミクロン範囲の寸法を有する導体
の如き構造体を製造するために適しているので、そのよ
うな整合は１ミクロンの何分の１という寸法迄正確でな
ければならない。

従来用いられている顕微鏡による視覚的整合は、そのよ
うな精度に関する条件を充たしていない。

従来に於て、読取を出来る限り正確にするために、様々
な構造を有する多数の整合マークが試みられ、簡単なレ
チクルの代りに、明確な対称性を有する又はバーニアを
有する整合マークが用いられてはいるが、誤った読取り
及び主観的評価がエラーの主な原因になっている。

視覚的整合の代りに、自動的及び客観的方法を用いる提
案も従来数多く成されている。そのためには、個々の縁
又は周期的構造体の位置が光電子的に検出される。個々
の緑が用いられる場合にはマスク及びウェハ上の整合マ
ークの像が、適切に配置された検出器上に、例えば、欧
州特許第５１５６７号明細書に記載されている如く、Ｔ
Ｖカメラ上に形成される。直線的格子の形の周期的整合
構造体は、モアレ縞の原理に基いて動作する装置又は格
子が変位したときに生じる位相のシフトが回折光に於て
検出される装置に用いられる。位相差が光電子的に検出
される格子を用いた整合方法の一例が、欧州特許出願節
４５３２．１号明細書に記載されている。

しかしながら、従来提案されている、マスク及びウェハ
を整合させる方法は全て、重大な欠点を有している。個
々の縁だけが用いられる場合には、縁それ自体の位置が
不正確に限定されている（縁は理想的な段階的形状でな
く連続的形状を有している）ことによって、又上記縁の
走査中にエラーが生じることによって、整合方法の精度
が影響を受ける。又、縁を正確に測定することは、比較
的時間を要する。ウェハ上の縁は後の処理工程に於て種
々の層（酸化物層又はフォトレジスト層の如き）で被覆
さＪＬることかあるので、縁の走査に於ける信号−雑音
比も又重要である。

格子の形の整合構造体が用いらｉｙる場合には、該格子
の全ての緑が整合信号に寄与するので、信号−雑音比が
改善される。その整合パターンを走査するためには、比
較材大きな光点が必要とされ、従ってマスク及びウェハ
」二の整合パターンは比較的大きな領域を占める。更に
、回折の次数のための光学的評価手段が従来のフォトリ
ソグラフィ装置に設けられるべき場合には、設８１の問
題が生じることがある。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明の目的は、サブミクロン範囲の整合の精度を迅速
に自動的に達成することができる、各々周期的整合パタ
ーンを有する少くとも２つの対象物を相互に整合させる
ための方法を提供することである。本発明の方法を実施
するだめの装置は比較的安価であり、現存する装置中に
組込まれるために適している。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の方法は、各々周期的整合パターンを有する少く
とも２つの対象物を相互に整合させるための方法に於て
、両対象物の整合パターンを走査して周期的電気信号に
変換し、上記両電気信号の相対的位相差を整合測定値と
して測定することを特徴とする、整合方法を提供する。

本発明の方法は、整合パターンとして光学的な直線的格
子の形の周期的構造体を用いる。それらの格子は、マス
ク及び半導体ウェハ上に配列されている。そ肛らの整合
パターンは、格子がＴＶカメラの電子ビームにより格子
の縁の方向に対して垂直に走査されるように、適当な光
学的像形成手段によってＴＶカメラ上に投影される。そ
の結果、格子の周期に対応する周期を有する周期的電気
信号が得られ、それらは２つの周期的信号の相対的位相
を８１１定するために電子的に処理される。そのために
、それらの信号は、ディジタル化されて、高速ディジタ
ル・フーリエ分析を施され、又はアナログ信号として位
相感知増幅器へ供給される。

いずれの場合にも、２つの格子について検出された位相
差は、例えば、自動的整合のための製御変数として用い
ることができる、相対的変位の測定値である。

マスク及びウェハ上の整合パターンは同一の又は異なる
格子定数を有し、異なる格子定数を有する場合には、ビ
ーＩ・信号が生じ、それらは極めて高感度の整合表示手
段である。

本発明の方法に於ける高い精度は、多数の縁が評価され
るべき信号に寄与しており、従って個々の縁の位置及び
形状に於けるエラーが補償されるということに基づいて
いる。感度と同様に、信号雑音比もそれに応じて高くな
る。可干渉性の光が光学的格子に於て回折され、それか
らその回折光を評価するために、選択された回折の次数
のためのフィルタ、光電子的位相補償手段等の如き、光
学的手段が更に設けられている整合方法に対して、この
場合には、レーザ手段及び光学的評価が何ら必要とされ
ない。可干渉性に関する条件とは関係なく、゛１゛■カ
メラに出きる限り良好なコントラストが得られるように
整合マークが照射されてもよい。さらに、マスク及びウ
ェハ上のスペースが少ししか用いられないように、個々
の格子の緑は極めて短くてもよい（極端な場合には、１
本のＴＶ走査線の幅に等しい）。走査されたＴＶ走査線
に関する整合パターンの傾きも容易に検出される。

本発明の方法を実施するために必要な装置は限られてい
る。信号の変換に用いられるＴＶカメラは多くの場合に
リソグラフィ装置に含まオしており、接続された電子的
構成素子（アナログ−ディジタル変換器、記憶装置、位
相感知増幅器等）は全て標準的構成素子として安価に入
手できる。その処理速度は速く、特に例えばコンピュー
タによるフーリエ変換の場合の如く信号がディジタル値
に変換された後に処理が行われる場合には、高速アルゴ
リズム（所謂、高速フーリエ変換）が行われ、それらは
標準的マイクロプロセッサに於て達成される。

本発明の方法は又、リソグラフィ装置の質をテストする
ためにも用いられる。そのためには、ウェハ上に存在す
るパターン上にマスクが投影（及び現像）され、それか
ら前述の格子構造体を用いてそれらの相対的変位が視野
の種々の点に於て測定される。

［実施例］ 第２図は、オペレータが顕微鏡を経て見たときの、相互
に一致された、今日用いられているマスク及びウェハの
整合マーク、即ち相互に整合されたマスク及びウェハを
示している。マスクの整合マーク１ａ乃至］、ｄ及びウ
ェハの整合マーク２ａ乃至２ｄは各々、相互間に約２．
５μの間隔を有する、周期的に配列された直線的マーク
より成る。

整合中にバーニア効果が得られるように、マスクの直線
的マークの間隔がウェハの直線的マークの間隔よりも小
さく選択されている。十文字の中央には直線的マークが
存在せず、従ってＸ座標及びＹ座標の各方向に例えば幅
Ｇの自由空間が存在している。第２図の整合マークが視
覚的に評価されるとき、線の長さの約１０分の１、即ち
０．２５μの精度が得られる。

Ｉｉｌ！察を容易にするために、第２図に示されている
像は、多くの場合、顕微鏡を経て見られずに、ＴＶカメ
ラにより記録されて、モニタ上に再生される。そのよう
な構成に於て、本発明による位相感知式の電子的整合方
法は、ＴＶカメラの出力が適当な評価回路に接続されて
いれば、リソグラフィ像自体を妨害せずに実施される。

以後は簡単に格子と称さ」ｂる、第２図に示されている
周期的整合パターン１ａ乃至１ｄ並びに２８乃至２ｄは
、本発明の方法に於て、異なる格子定数を有していなく
てもよく、又各方向に距離Ｇだけ相互に離隔している２
つの格子が設けられなくてもよい。本発明の方法による
整合に於て重要なことは、マスク及びウェハが、整合の
行われるべき各方向に少くとも１つの周期的格子を含ん
でいることだけである。従来知られている通常の個々の
縁はそのためには適していない。

次に、第１図のブロック図に示さｔ＋、ている１つの好
ましい装置を参照して１本発明による整合方法について
説明する。第２図に示されている、格子１ａ及び２ａを
有する像部分１０が、ＴＶカメラ２０及びそれに関連す
るカメラ制御装［２２により電気信号に変換されて、モ
ニタ２１上に選択的に再生される。像部分１０の選択は
、モニタ２１を用いて手によって行うこともでき、又周
期的格子構造体に応答してカメラの像を位置付ける簡単
な像処理回路２３を用いて自動的に行うこともできる。

これについて、以下に詳述する。

ＴＶカメラの走査線が格子定数の方向に対して垂直に格
子と交差するように′ｒｖカメラが配置されている場合
には、そＪしらの走査線の１つが各々の場合に回路２３
によって選択され、そしてアナログ走査線信号をディジ
タル・データとしてディジタル記憶装置２５に記憶させ
るアナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器２４に転送さ
れる。

整合パターンがＴＶカメラの電子ビームにより格子の縁
に垂直でなく平行に走査されるように整合される場合で
も、読取を行うことができる。そのためには、全てのＴ
Ｖ走査線の信号が成る狭い時間の幅だけに於て記録され
て、記憶装置中に記憶される。その時間の幅の位置及び
寸法は、全ての走査線について同一であり、整合パター
ンが記録されるように選択される。

全ての走査線の個々の信号のシーケンスが、整合パター
ンの周期的信号を構成し、それからディジタル的に処理
され、又はディジタル−アナログ変換の後にアナログ的
に処理される。

従って、周期的整合パターンが配置されている視野は、
当業者に周知である様々な信号処理方法によって測定さ
Ｊｂる。

本発明の方法の後のステップに於て、周期的構造体から
生じた２つの信号の各々の位相が幾っがの方法の中の１
つによって測定されねばならない。

これは、例えば、マイクロプロセッサ２５に於て行われ
、マイクロプロセッサ２６によって、信号に対応するデ
ィジタル値が記憶装置２６から読取られそして以下に詳
述する周知のアルゴリズムを用いて処理されて、位相又
は位相差に対応する出カイｎ号が発生され、そＡしらは
表示装置２７によって表示されてもよい。記号的に位相
を表わすために、装置２７の代りにモニタ２１を用いる
ことも可能であり、その場合には、マイクロプロセッサ
２６の出力が線２８によりモニタ２１に接続される。

格子１ａ及び２ａがＴＶカメラ２０により走査されてい
るときに生じる電気的出力信号が第３図の曲線■及びＨ
に示されている。この場合、両方の格子は同一の格子定
数ｇ（及び／若しくはタイミング図に於けるｇ′であり
、ｇ’＝ｇ／ｖであって、ＶはＴＶカメラの電子ビーム
の走査速度である。）であって、相互に関してΔＸだけ
ずれており、ΔＸはタイミング図に於ける遅延Δｔに対
応するものと仮定する。正確な整合に於ける問題は、個
々の格子の縁が、個々の最小値の正確な位置が正確にわ
からない程、多くの影響により、歪んでおりそして不明
確であっても、サンプリングされた信号の値Δしが可能
な限り正確に測定されねばならないということである。

個々の緑が走査されるときに不可避的に生じる不正確さ
は、本発明の方法に従って、電子的評価のために緑の全
体を用いることによって、補償される。その最も一般的
な形に於ては、本発明の方法は、コンピュータによるフ
ーリエ変換により周期的信号Ｉ及び１１　（第３図）か
ら少くとも基本波（即ち県木周波数）を引出すこと、及
び関連する位相位置を任意の基準点に関して測定するこ
とを提案している。（０号列１及びＩＩに関連し、従っ
てフーリエ変更により測定される基本波が、曲線■及び
１■により表わされている。周知のフーリエ論理に従っ
て、任意の周期的信号列は増加する周波数を有する複数
の正弦波に展開されるので、基本波は、周期的整合パタ
ーンの全体の関数でありそして位相（例えば、Ｙ軸から
初めの最小値迄の距Ｍ）が極めて正確に測定される周期
ｇ′を有する理想的正弦波を構成する。従って、２つの
基本波の位相差は以下の式で表わされる。

基準点は、例えば、１′■走査線の開始位置でもよい。

位相φ１及びφ、は２πの倍数迄しか測定されないので
、又ｔ、＝（１／２π）・φ１・ｇ′の関係式から、マ
スク及びウェハ上の同一の格子は、最終的な所望の位置
からの変位がｇ　／　２よりも小さいように予め整合さ
れることが重要である。

上述したサンプリング信号の高調波分析は又。

マスク及びウェハ上の格子が異なる格子定数（周期性）
を有している場合にも適用され、有利に用いられる。そ
のような場合には、２つの電子的にｎ（１１定された基
本波は、相互に重畳されて、ビートを形成し、それらの
ビートは、２つの格子定数が適当に選択されていれば、
格子が予め大雑把にしか整合されていなくても、均一な
整合信号を生じる。

その結果得らオした、２つの格子が重畳されたもののビ
ートの格子定数は、各々の格子定数をｇｌ及びｇ２とす
ると、１／（ｇ、−ｇ、）の値に比例するので、２つの
個々の格子の長手方向の展開により限定さ九ている領域
に於て１重畳された格子の基本波の１つの最大値だけが
生じるように、個々の格子が選択される。その最大値の
位置は、個々の格子の変位に極めて敏感であり、従って
理想的な整合位置が極めて正確に測定される。その最大
値の位置は、マイクロプロセッサ２６によって計算さＩ
Ｌ、マイクロプロセッサ２６もアナログ変換を行う。

高調波分析のもう１つの実施例は、間隙により離隔され
た２つの部分格子が各座標方向に設けられている。第２
図の場合に関するものである。そのような周期的構造体
もユニークなフーリエ・スペクトルによって測定される
ので、この場合にも前述の説明が４用される。２つの部
分格子間の間隙は数学的に簡単に付加的な固定位相差２
πＧ／ｇによって表わされ、従って例えばマスク上に配
列された格子定数ｇ１を有する格子のための合成波は次
のように表わさ４ｉ、る。

ｓｉｎ　（２ｔｃ　ｘ／ｇｔ＋φ、）＋５ｉｎ（２πｘ
／ｇｔ＋φ、＋２πＧ／ｇ１）＝　２ｓｉｎ（２πｘ／
ｇ、＋φ１＋ｘＧ／ｇｘ）・ｃｏｓ（πＧ／ｇｔ）これ
は、格子定数ｇ２を有するウェハ上の整合パターンの基
本波にも同様に適用される。

２ｓｉｎ　（２ｔｃ　ｘ／ｇａ＋φｚ＋　πＧ／ｇ２）
・ｃｏｓ（ｉＧ／ｇ２）従って、それらの２つの基本波
の相対的位相は、φ１＝φ□＋πＧ／ｇ。

及び φ、＝φ２＋πＧ／ｇ２ であり、従ってその合成波は、定数項を除いて、５ｕｎ
（２πｘ／ｇ、＋φ、） 及び ｓｉｎ　（２ｘ　ｘ／ｇ、＋φ。） として表わされる。

この場合に於ける完全な整合の基準は、両パターンの基
本波の位相が所与の点に於て一致することであり、視覚
的整合のために内部の格子の縁が一致される、第２図に
よる整合パターンについて云えば、左の整合パターンの
右端に於ける基本波と、右の整合パターンの左端に於け
る基本波との位相の一致が存在する場合に、高調波分析
のための整合が存在する。重畳波については、間隙Ｇの
中心に於ける重畳波が同一位相を有している場合に、整
合が存在する。前述の如く１重畳波の位相の一致の位置
が、例えば挿込さノした明るい又は暗い垂直なマーカー
・ラインによって、モニタ上に記号的に表示される場合
には、そのマーカー・ラインは整合（位相の一致）が完
了したときに間隙Ｇの中心を経て延びている。逆に、一
方の格子がか直線距１１１ｇ１又はｇ２だけ変位してい
る場合には、マーカー・ラインは整合パターンの長手方
向の寸法全体に亘って移動する。その変位は、マーカー
・ラインが移動する間に著しく増幅され、従って正確に
読取らノしる。

高調波の重畳は又、相互に近接して配列さ４Ｌずに、整
合のために相互の」二部に投影された周期的整合パター
ンにも用いら４しる。そのように光学的に重畳された格
子は１例えば視覚的整合にも用いられ、そのためには格
子が他方の格子の間隙と一致する迄シフ１−される。そ
の場合には、重畳格子の像がＴＶカメラによって走査さ
れ、それからその結合された信号に高調波分析が施され
る。この方法は、２つの格子が別個に走査されて、基本
波の重畳がディジタル処理中に於てのみ行われる、前述
のビート信号の発生とは対照的である。

走査された重畳格子の高調波分析は、重畳の精度のｍ準
として、各々のフーリエ周波数スペクトルに於ける異な
る次数の振幅の比を測定する。各々の次数の振幅は、周
知の如く、格子定数の比及び２つの格子の各々の相対的
変位に依存する。格子定数の各々の比について、理想的
整合の場合に於て各々最小及び最大の振幅を有する、そ
れらの高調波の次数をコンピュータにより測定すること
が可能である。各々の適用例に重要な周波数スペクトル
に於ける次数が各々最大値及び最小値に達する迄、整合
が行われる。

例えば、同一の定数を有する２つの格子が、一方の格子
の線が他方の格子のｎｌ［を内に来るように。

相互に整合された場合には、基本波（格子定数ｇを有す
る）の振幅及び周波数スペクトルに於ける第２次高調波
（格子定数ｇ　／　３を有する）が最小値に達し、第１
次高調波（格子定数ｇ　／　２を有する）は最大振幅を
有する。２つの重畳格子は格子定数の半分を有する新し
い格子と見做されるので。

それは明らかである。

走査されたパターンの周波数成分をフーリエ変換を用い
て１１算するための経費は、今日入手可能な手段によっ
て、余り高くなく、過去に於ては、フーリエ・スペク１
ヘルの実時間測定が比較的僅かな引算手段を用いて行わ
れることを可能にしたのは、高速計算アルゴリズム（所
謂、高速フーリエ変換）であった。このために必要な計
算は、集積回路チップの形の今日入手可能なマイクロプ
ロセッサによって容易に行われる。ディジタル化された
信号を収容するためのディジタル記憶装置の容量は、技
術的又は経済的な問題を何ら生じない。

各々の位相を計算するための経費は、実際的に有害では
ない成る種の制約を整合パターンに与えることにより、
更に低下される。用いられる整合パターンが同一の格子
定数ｇを有する不変の格子である場合には、格子の基本
周波数を測定する必要がなくなる。そのような場合には
、位相を測定するために走査信号を点毎にサンプリング
すわばよく、そのためには、サンプリングの定理に従っ
て、格子定数に対応する各距離に対して３つのサンプリ
ングの点が存在していなければならない。

そのために、マイクロプロセッサ２６は、同一ステップ
に於て記憶装［２５にアドレスして、サンプリングされ
た値の総数から平均化の後に所望の位相を引出す。

第４図は、アナログ評価手段を含む、位相感知整合のた
めのもう１つの装置を示すブロック図である。この装置
の左側の部分は第２図の装置の左側部分に対応している
。しかしながら、走査線選択のための回路即ち像処理回
路２３は、導体４０及び４１を有する２つの平行な出力
を有し、それらは各々の場合に走査された整合パターン
１ａ及び２ａのアナログ信号を有する。それらの線の一
方が他方よりも早く走査されるので、初めに走査される
線の導体は、後に走査される線の時間損失を補償する遅
延手段４２を含む６異なるサンプリング時間に関して相
互に整合された２つの信号はそれから、例えば従来技術
に於てロック・イン増幅器として知られている位相感知
検出回路即ち位相感知増幅器４３の入力に供給される。

そのような位相感知検出回路の出力信号は２つの入力信
号の時間（位相）の差を示す。従って、本適用例に於て
は、その出力（ｎ号はマスク及びウェハの相互間の整合
の精度の直接的測定値を構成する。アナログ信号のため
に用いられる遅延手段は、例えば、従来技術に於て知ら
れている可動タップを有する遅延線であってもよい。位
相感知検出手段は、走査信号の周波数と比べて、比較的
遅いが、この場合には幾つかの格子の緑の信号を用いて
平均化も行われ、従って単純な測定を用いた場合よりも
高精度の整合が得られる。

像部分１０（２つの座標方向の各々に於て）は、パター
ン認識に於て周知の方法を用いて、自動的に選択される
。又、格子の既知の空間周波数に応答し２例えば走査線
選択のための回路２３に組込むごとができる。アナログ
又はディジタル・フィルタを設けることが可能である。

もう１つの方法に於ては、ＴＶの視野のより大きな部分
がディジタル化され、マイクロプロセッサ２６に於ける
パターン認識のための適当なアルゴリズムが設けられる
。又、整合パターンの像は、モニタを用いて、ＴＶカメ
ラの選択された走査線に手により整合されてもよく、こ
の場合には、選択された走査線は電子的回路を経て周期
的出力信号を生じる。

全自動的整合のために整合信号が制御ループに於て用い
られる場合には、これはＸ／Ｙテーブル１１の適当な付
勢手段に接続された出力線１２を用いて行われる。

従って、本発明の方法による、格子として設計された１
つ又は幾つかの整合マークの電子的な位相の測定は、異
なる型及び構造体の整合マークに容易に適合される。リ
ソグラフィ構成に於ける光学的装置は妨害されてはなら
ないが、個々の場合に於て、Ｔ’Ｖカメラの出力に於て
最適な信号が得られるように、マークの照射が容易に選
択される。

マークの長手方向とＴＶカメラの走査方向との間の整合
は重要でなく、角度的な整合の誤りは、格子の上部及び
／若しくは下部を２度走査することによって容易に検出
され、電子的手段によって修正される。

［発明の効果］ 本発明によオシば、サブミクロン範囲の整合の精度を迅
速に自動的に達成することができる、各々周期的整合パ
ター　ンを有する少くとも２つの対象物を相互に整合さ
せるための方法が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は整合マークをそれらの相対的位相についてディ
ジタル手段によりテストすることができる、本発明の整
合方法を実施するだめの装置を示ずブロック図、第２図
はマスク及びウェハ上の整合マークが整合された後の相
対的位置を示す図、第３図は周期的整合マークの走査中
に生じる信号列及びそれらに関連する基本波を示すタイ
ミング図、第４図は整合マークをそれらの相対的位相に
ついてアナログ手段によりテストすることができる１本
発明の整合方法を実施するための装置を示すブロック図
である。 ］、ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ・・・・マスクの整合マーク
、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ・・・・ウェハの整合マーク
、１０・・・・像部分、１１・・・・Ｘ／Ｙテーブル、
１２．２８・・・・線、２ｏ・・・・ＴＶカメラ、２１
・・・・モニタ、２２・・・・カメラ制御装置、２３・
・・・像処理回路、２４・・・・Ａ／Ｄ変換器、２５・
・・・ディジタル記憶装置、２６・・・・マイクロプロ
セッサ、２７・・・・表示装置、４０．４１・・・・導
体、４２・・・・遅延手段、４３・・・・位相感知増幅
器。 出願人　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・
コーポレーション 代理人　弁理士　岡　［１１次　生 （外１名） ＦＩＧ、　１ ＦＩＧ、４

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 各々周期的整合パターンを有する少くとも２つの対象物
   を相互に整合させるための方法に於て、両対象物の整合
   パターンを走査して周期的電気信号に変換し、上記両電
   気信号の相対的位相差を整合測定値として測定すること
   を特徴とする、整合方法。