(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置の製造工程において、複数回の焼き付け露光により形成されるパターンのうち、必要とされる任意の数種類のパターンの組合せの重ね合わせ精度を測定する方法であって、外周に櫛形の形状を有するマークを、ウエハーのＩＣチップ上の上層と下層に形成し、前記上層と下層に形成されたマークの、櫛形の形状の複数の歯の最先端部の、該最先端部を結ぶ直線に対して垂直な方向の位置関係を調べることによって、重ね合わせ精度を測定することを特徴とする重ね合わせ精度測定方法。
【請求項２】
前記上層と下層に形成されたマークの、上層の櫛形部相互の間隔と下層の櫛形部相互の間隔とが同一であることを特徴とする請求項１に記載の重ね合わせ精度測定方法。
【請求項３】
半導体装置の製造工程において、複数回の焼き付け露光により形成されるパターンのうち、必要とされる任意の数種類のパターンの組合せの重ね合わせ精度を測定する方法であって、ウエハーのＩＣチップ上の上層と下層に、各々外周に複数の歯を有する櫛形であって、上層における櫛形部相互の間隔と、下層における櫛形部相互の間隔とが同一であるマークを形成し、該マークを用いて重ね合わせ精度を測定することを特徴とする重ね合わせ精度測定方法。
【請求項４】
前記上層と下層に形成されたマークの櫛形の複数の歯が重ね合わされた部分に設定した仮想線上における、該複数の歯の相互の間隔を測定することによって重ね合わせ精度を測定することを特徴とする請求項３に記載の重ね合わせ精度測定方法。
【請求項５】
半導体装置の製造工程において使用され、複数回の焼き付け露光により形成されるパターンのうち、必要とされる任意の数種類のパターンの組合せの重ね合わせ精度測定用マークであって、ウエハーのＩＣチップ上の上層と下層に、各々外周に複数の歯を有する櫛形であって、上層における櫛形部相互の間隔と、下層における櫛形部相互の間隔とが同一であることを特徴とする重ね合わせ精度測定用マーク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体装置の製造工程のリソグラフィー工程における、形成パターンの重ね合わせ精度測定に用いるマークおよびそれを用いた重ね合わせ精度測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程のリソグラフィー工程においては、レジストパターンを形成する際に、ステッパー（縮小投影露光装置）等によるレチクルに形成されたパターンを転写する焼付け露光位置とウエハーの位置合わせ精度は極めて重要な因子となっている。
【０００３】
これは、一品種の半導体装置を製造するためには、約１５〜２０枚の組合わせよりなるレチクルの原図パターンを用いて、各種パターンを重ね合わせ、焼き付けを行うため、重ね合わせ精度が不良であると個々の半導体素子が形成されなかったり、また配線パターンの場合は導通不良等の問題が生じるためである。
すなわち、リソグラフィー工程における露光時は、例えばステッパーを用いた場合は、２次元に移動可能な台（Ｘ−Ｙステージ）を使用し、ウエハーをＸ，Ｙ方向に一定間隔のピッチ送りを行い、ウエハーの各ＩＣチップ毎に複数枚のレチクルを用いて焼き付け露光を繰り返して、各パターンを形成する。
【０００４】
このため、ＩＣチップには主として、Ｘ−Ｙステージの移動精度（位置の再現性）に起因するＸ方向、Ｙ方向の重ね合わせのずれ、およびウエハーのＸ−Ｙステージへのセット時に生じるローテーション（回転方向のずれ）に起因する重ね合わせの位置ずれが生じる。
従来、これらのパターン、即ち、コンタクトホール、配線等を露光、焼き付けした後、正確な位置に焼き付けられたか否かを調べるために、コンタクトホール等のパターンの形成されない部分に重ね合わせ精度測定用マークを設け、そのマークのずれ量を測定し、露光、パターニングする毎に露光位置ずれのチェックを行っていた。
【０００５】
また、従来は、複数のレチクルを使用して焼き付け露光を行ったとき、それぞれの重ね合わせ精度測定用マークは異なった位置に設けられるため、重ね合わせるごとに重ね合わせ精度を測定する必要があり、複数の露光をおこなった場合に、一度に測定することはできなかった。
さらに、従来の重ね合わせ精度測定用マークとしては、上層のマークおよび下層のマークとして、例えば、図９に示す正方形の重ね合わせ精度測定用マーク２１、２２が用いられており、測長機等により重ね合わせ精度を測定していた。
【０００６】
しかし、図９に示すような従来の正方形の重ね合わせ精度測定用マークの場合、Ｘ方向、Ｙ方向の重ね合わせのずれを測定するために、Ａ−Ｂの量からＸ方向のずれの量を、Ｃ−Ｄの量からＹ方向のずれの量を求め、またローテーションに起因する重ね合わせのずれを測定するため、図１０に示す間隔Ａ1 、Ａ2 、Ｂ1 、Ｂ2 、Ｃ1 、Ｃ2 、Ｄ1 、Ｄ2 を測定する必要があった。
【０００７】
また、各パターンを焼き付け露光を行う毎に、１回づつ測定しなければならず製造工程の生産効率の面から問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記問題点を解決し、下層パターンと新たに形成した上層のパターンとの重ね合わせ精度を高精度に、かつ、効率的に測定することが可能なマークと、また３個以上のパターンの重ね合わせであっても、１回の測定で重ね合わせ精度を測定することが可能な重ね合わせ精度測定方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ウエハー上にステッパー等を使用して、複数回の焼き付け露光により形成されるパターンの重ね合わせ精度を測定する際に、その外周が櫛形の形状を有する重ね合わせ精度測定用マークを用いて行うものである。
また、前記重ね合わせ精度測定用マークは、より効率的に測定を行うために、その外形が矩形であり、かつその外周の櫛形の形状の歯の先端部の形状が矩形であるマークを用いることが好ましい。
【００１０】
また、本発明は、特に相対的重ね合わせの精度を必要とされる数種類の任意のパターンの組合わせのものについては、前記マークにより１回で測定可能な重ね合わせ精度測定方法を提供するものである。
すなわち、本発明の第１の発明は、半導体装置の製造工程において、複数回の焼き付け露光により形成されるパターンのうち、必要とされる任意の数種類のパターンの組合せの重ね合わせ精度を測定する方法であって、外周に櫛形の形状を有するマークを、ウエハーのＩＣチップ上の上層と下層に形成し、前記上層と下層に形成されたマークの、櫛形の形状の複数の歯の最先端部の、該最先端部を結ぶ直線に対して垂直な方向の位置関係を調べることによって、重ね合わせ精度を測定する重ね合わせ精度測定方法である。なお、本発明は、前記上層と下層に形成されたマークの、上層の櫛形部相互の間隔と下層の櫛形部相互の間隔とが同一であることを好適とする。
また、本発明は、半導体装置の製造工程において、複数回の焼き付け露光により形成されるパターンのうち、必要とされる任意の数種類のパターンの組合せの重ね合わせ精度を測定する方法であって、ウエハーのＩＣチップ上の上層と下層に、各々外周に複数の歯を有する櫛形であって、上層における櫛形部相互の間隔と、下層における櫛形部相互の間隔とが同一であるマークを形成し、該マークを用いて重ね合わせ精度を測定する重ね合わせ精度測定方法である。なお、前記上層と下層に形成されたマークの櫛形の複数の歯が重ね合わされた部分に設定した仮想線上における、該複数の歯の相互の間隔を測定することによって重ね合わせ精度を測定することが好ましい。
【００１１】
また、本発明の第２の発明は、半導体装置の製造工程において使用され、複数回の焼き付け露光により形成されるパターンのうち、必要とされる任意の数種類のパターンの組合せの重ね合わせ精度測定用マークであって、ウエハーのＩＣチップ上の上層と下層に、各々外周に複数の歯を有する櫛形であって、上層における櫛形部相互の間隔と、下層における櫛形部相互の間隔とが同一であることを特徴とする重ね合わせ精度測定用マークである。
【００１２】
なお、本発明において矩形とは、正方形または長方形を示す。
【００１３】
【作  用】
本発明の第１の発明の重ね合わせ精度測定用マークとしては、櫛形のパターンを有するものであれば、同一の形状、寸法のマークを用いてもよいし、異なった形状、寸法のマークを用いてもよいが、好ましくは、櫛形の歯の部分の寸法が異なる２種以上の重ね合わせ精度測定用マークを用いることが好ましい。
【００１４】
櫛形部の歯の個数は、各１辺当たり２個以上、より好ましくは５個以上、さらに好ましくは１０個以上であることが、僅かな重ね合わせのずれも正確に、信頼性高く検知する面から好ましい。
櫛形の歯の部分の寸法が異なる２種以上の重ね合わせ精度測定用マークを用いる場合の、本発明の重ね合わせ精度測定用マークの好ましい一例を、図１(a) 、(b) に示す。
【００１５】
図１において、１は本発明の櫛形のパターンの矩形の歯を示し、ｌ10、ｌ20、……ｌi0、ｌ11、ｌ21、……ｌi1は櫛形の歯幅、ｋi0、ｋi1は櫛形の歯の間隔、ｍ1 、ｍ0 は櫛形の歯の長さ、ｘ1 、ｘ0 、ｙ1 、ｙ0 は櫛形のパターンの外形寸法を示す。
なお、矩形の歯とは、歯の先端部が２個の実質的に直角な部分から形成されているものをいう。
【００１６】
本発明においては、前記各寸法が各マークの識別の容易性および測定精度の面から下記式(1) 、(2) 、(3) を満足することが好ましい。
(1) ｋ10、……ｋi0＞ｌ10、ｌ20、……ｌi0
(2) ｋ11、……ｋi1＞ｌ11、ｌ21、……ｌi1
(3) ｘ1 ＝ｘ0 ＝ｙ1 ＝ｙ0 
この他に、本発明のマークを重ね合わせた時の下層および上層のマークの櫛形部分の相互の間隔を示す図６において、Ｌ1,Ｌ2,Ｌ3 ……は判別しうる限り、できるだけ小さい方が好ましい。
【００１７】
図２に、ＩＣチップ内への本発明の重ね合わせ精度測定用マークの適用例（平面図）を示す。
図２において、２はＩＣチップ、３はＩＣ回路等のパターン、４は本発明のＩＣチップ内の重ね合わせ精度測定用マーク、５はスクライブラインを示す。
図２に示すように、本発明の重ね合わせ精度測定用マークは、ＩＣチップ２内のスクライブライン５の隣接部、またはチップ内の任意の余白箇所に形成することができる。
【００１８】
本発明においては、ＩＣ回路等のパターンおよび本発明の重ね合わせ精度測定用マークの両者を有するレチクル等の原図パターンを用いて、ステッパー等を使用し、ウエハーの各ＩＣチップ上の余白箇所に前記マークを形成する。
ＩＣチップ上にＩＣ回路等のパターンが精度よく重ね合わせされた時の、本発明の重ね合わせ精度測定用マークの重ね合わせの状態を図３に示す。
【００１９】
図３において、６の破線および実線で示されるマーク、および７の実線で示されるマークは、本発明の櫛形の重ね合わせ精度測定用マークであり、６のマークは下層に形成した本発明のマーク（以下、下層のマークと記す）を、７のマークは上層に新たに形成した本発明のマーク（以下、上層のマークと記す）を示す。
次に、〔１〕Ｙ軸方向において、正確にアライメントができた場合の下層および上層の櫛形部分の位置関係を図４に、〔２〕Ｙ軸方向の重ね合わせのずれが生じた場合の下層および上層の櫛形部分の位置関係を図５に示す。
【００２０】
図４、図５において(a) は、図３のＡ部の拡大図であり、(b) は、図３のＢ部の拡大図、(c) は、Ｂ部の下層および上層のマークの櫛形歯先端の直線部分の位置関係を示す。
また、図４および図５において、８、１０は下層のマークの櫛形部分、９、１１は上層のマークの櫛形部分を示す。
【００２１】
図４(c) および図５(c) に示される通り、Ｙ軸方向において、正確にアライメントができた場合は、櫛形歯先端の直線部分ｌ1 、ｌ2 、ｌ3 、ｌ4 はほぼ一直線上に並び、Ｙ軸方向において、正確にアライメントができなかった場合は、前記のｌ1 、ｌ2 、ｌ3 、ｌ4 の位置関係は凹凸状を示す。
Ｘ軸方向において、正確にアライメントができたか否かを調べるためには、前記と同様に、Ａ部の櫛形歯先端の直線部分の位置関係を調べればよい。
【００２２】
本発明方法によれば、相互に隣接する下層および上層のマークの櫛形部分の位置関係を測定するために、重ね合わせのずれの有無が、正確に極く短時間で分かる。
重ね合わせのずれの有無の測定は、抜き取ったウエハーのサンプルについて、測長機によって行うか、後記の画像処理で行えばよく、その方法は特には制限されるものではない。なお、測長機としてはヘリウム・ネオン式測長機等のレーザ式測長機が例示される。
【００２３】
次に、〔１〕ローテーションが生ぜず、正確にアライメントができた場合の下層および上層の櫛形部分のＹ軸方向の位置関係を、図６に、〔２〕ローテーションに起因する重ね合わせのずれが生じた場合の下層および上層の櫛形部分のＹ軸方向の位置関係を、図７に示す。
本発明において、ローテーションに起因する重ね合わせのずれの具体的測定方法は、特には制限されるものではないが、好ましい方法としては下記の方法が例示される。
【００２４】
図６(a) 、図７(a) は、図３のＡ部の拡大図であり、図６(b) 、図７(b) のＬ1 、Ｌ2 、Ｌ3 は、図６(a) 、図７(a) の相互に隣接する下層および上層のマークの櫛形部分８、９の、仮想線Ｌ−Ｌ上における相互の間隔を示す。なお、本発明において、仮想線Ｌ−Ｌは適宜任意に設定すればよい。
図６(b) 、図７(b) から、ローテーションが生じない場合は、Ｌ1 ＝Ｌ2 ＝Ｌ3 となり、ローテーションが生じた場合は、Ｌ1 、Ｌ2 、Ｌ3 の大きさが変化し、かつそれらの大きさが拡大されて現れることが分かる。
【００２５】
ローテーションに起因する重ね合わせのずれの有無の測定は、仮想線Ｌ−Ｌを適宜設定し、Ｌ1 、Ｌ2 、Ｌ3 を、前記と同様に測長機によって行うか、後記の画像処理で行えばよく、その方法は特に制限されるものではない。
また、焼き付け露光を繰り返して行う際に、相対的な重ね合わせのずれが特に問題とされる工程が複数回（特に３回以上）ある場合、１回で同時に重ね合わせのずれを測定できた方が効率的で、かつ、測定精度の面から有効である場合がある。例えば、バイポーラトランジスタのＰＮ接合部分の重ね合わせ、コンタクト孔と配線の位置合わせなどである。
【００２６】
この場合、相対的な重ね合わせのずれが特に問題とされる複数のパターンに対応するパターンと同数の本発明による重ね合わせ測定用マークをそれぞれのレチクルに設ける。
ウエハー上に形成されたこのマークの膜厚の差により、光干渉による色の違いとなって現れるため、各マークの識別は容易に行えるため、数種類のパターンの同時測定も可能となる。
【００２７】
【実施例】
レジストを塗布したウエハー上に、図１(b) に示す櫛形の重ね合わせ精度測定用マークを有するレチクルを用い、縮小投影露光装置を用いて、紫外線を照射し、例えばａｃｔｉｖｅ領域に形成されるパターンおよび図１(b) に示す櫛形の重ね合わせ精度測定用マークの両者を同時に基板上に焼付ける。
【００２８】
焼付け、現像、エッチング等を終了したウエハーは、再度前記と同様にして、例えばゲート電極が形成されるパターンおよび図１(a) に示す櫛形の重ね合わせ精度測定用マークの両者を同時に基板上に焼付け、その後現像等を行う。
なお、櫛形の重ね合わせマークの寸法は、特には限定されないが、例えば、ｘ1 ＝ｘ0 ＝ｙ1 ＝ｙ0 ＝４０〜５０μm 、櫛形部相互の間隔（ｋi1＋ｌi1、ｋi0＋ｌi0）は１μm が例示される。
【００２９】
櫛形部の個数は、各マークの１辺当たり２個以上、より好ましくは５個以上、さらに好ましくは１０個以上であることが、僅かな重ね合わせのずれも正確に、信頼性高く検知する面から好ましい。
また、櫛形の重ね合わせ精度測定用マークは、基板のスクライブライン、またはチップ内の任意の余白箇所に形成することができる。
【００３０】
前記の２個のパターン形成終了後の基板上の余白部には、図３で示すように下層および上層の重ね合わせ精度測定用マーク６、７が重なった状態でパターン化される。
重ね合わせ精度測定は、測長機または後記の画像処理により行うことができる。
【００３１】
まず、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の重ね合わせ精度を調べるために、図３のＢ部を対象とし、図４(b) 、(c) に示すｌ1 〜ｌ4 部の位置関係から、Ｙ軸方向の重ね合わせ精度を観察、または検出・記録する。次に、図３のＡ部についても同様の操作を行い、Ｘ軸方向の重ね合わせ精度を観察、または検出・記録する。
次に、ローテーションに起因する重ね合わせ精度を調べるために、図３のＡ部を対象とし、図６に示す相互に隣接する下層および上層のマークの櫛形部分８、９の仮想線Ｌ−Ｌ上の間隔Ｌ1 、Ｌ2 、Ｌ3 の大きさを、観察、または検出・記録する。なお、仮想線Ｌ−Ｌは適宜設定することができる。
【００３２】
以上で得られた測定結果から、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の各々についてのｌ1 〜ｌ4 部の位置関係、すなわちｌ1 〜ｌ4 部が同一直線上に配置されているか否かによりＸ軸方向、Ｙ軸方向の重ね合わせ精度を判定する。また、Ｙ軸方向のＬ1 、Ｌ2 、Ｌ3 の大きさが均等であるか否かにより、ローテーションに起因する重ね合わせ精度を判定する。
【００３３】
以上の結果に基づき、重ね合わせ精度に異常が見られた場合は、不良品を廃棄し、ステッパー等の焼き付け露光装置の調整を行う。
次に、重ね合わせのずれの有無を示す前記ｌ1 、ｌ2 、ｌ3 、ｌ4 およびＬ1 、Ｌ2 、Ｌ3 を画像処理で検出する方法について述べる。
図８は、本発明において好ましく用いることができるミラーを用いた画像処理装置の断面図を示す。
【００３４】
図８において、１３は断面が正多角形で、複数枚のミラー１２からなる回転体、１４は光源、１５は受光器、１６は新たに形成した上層の重ね合わせ精度測定用マークの櫛形の歯の先端部、１７は下層の重ね合わせ精度測定用マークの櫛形の歯の先端部、１９および２０は光源からの光の反射光、１８は基板、ｌi は図４、図５のｌ1 〜ｌ4 部を示す。
【００３５】
画像処理時は、例えば、図４、図５のｌ1 〜ｌ4 部を検出する場合は、ウエハーの移動またはミラー１２、光源１４、受光器１５を含めた光学系の移動により、ウエハーをＹ軸方向にスキャニングし個々の櫛形の歯の先端部ｌi を検出・記録した後、ウエハーをＸ軸方向にスキャニングし対象とする任意の個数の櫛形の歯の先端部、例えば、ｌ1 〜ｌ4 部を検出・記録する。
この場合、光の反射面の相違により、重ね合わせ精度測定マークの位置を検出できる。
【００３６】
ローテーションに起因する重ね合わせのずれの有無の測定は、例えば、図６および図７の仮想線Ｌ−Ｌに沿って前記と同様にスキャニングを行い、Ｌ1 、Ｌ2 、Ｌ3 を検出・記録することにより行う。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は、重ね合わせ精度測定用マークとして複数の櫛形の歯から構成されるパターンを用いるようにしたため、僅かな重ね合わせのずれも正確に、高精度に検知することが可能となり、半導体装置の製造工程において極めて重要な因子となっている、リソグラフィー工程におけるレチクル上の転写パターンとウエハーの重ね合わせ精度が効率的に、かつ正確に測定可能となった。
【００３８】
また、ウエハー上に形成されたＩＣチップ内の重ね合わせ精度測定用マークの膜厚差により、その光干渉による色違いにより個々のマークが識別できるため、重ね合わせの相対的ずれの測定を、特に必要とされる任意の数種類の重ね合わせ精度を１回の測定により行うことができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１(a) 、(b) は、本発明の重ね合わせ精度測定用マークを示す平面図である。
【図２】ＩＣチップ内への本発明の重ね合わせ精度測定用マークの適用例を示す平面図である。
【図３】本発明の重ね合わせ精度測定用マークの重ね合わせの状態を示す平面図である。
【図４】  (a) は図３のＡ部の部分拡大図、(b) は図３のＢ部の部分拡大図、(c) は図３のＢ部の下層および上層のマークの櫛形先端の直線部分の位置関係を示すグラフである。
【図５】  (a) は図３のＡ部の部分拡大図、(b) は図３のＢ部の部分拡大図、(c) は図３のＢ部の下層および上層のマークの櫛形先端の直線部分の位置関係を示すグラフである。
【図６】  (a) は、図３のＡ部の部分拡大図、(b) は、(a) の相互に隣接する下層および上層のマークの櫛形部分の相互の間隔を示すグラフである。
【図７】  (a) は、図３のＡ部の部分拡大図、(b) は、(a) の相互に隣接する下層および上層のマークの櫛形部分の相互の間隔を示すグラフである。
【図８】ミラーを用いた画像処理装置の断面図である。
【図９】従来の重ね合わせ精度測定用マークを示す(a) は平面図、(b) は断面図である。
【図１０】従来の重ね合わせ精度測定用マークを示す平面図である。
【符号の説明】
１    本発明の重ね合わせ精度測定用マークの櫛形のパターンの櫛形の歯
２    ＩＣチップ
３    ＩＣ回路等のパターン
４    ＩＣチップ内の重ね合わせ精度測定用マーク
６    下層に形成した本発明の重ね合わせ精度測定用マーク
７    上層に新たに形成した本発明の重ね合わせ精度測定用マーク
８、１０    下層に形成した本発明の重ね合わせ精度測定用マークの櫛形部分
９、１１    上層に形成した本発明の重ね合わせ精度測定用マークの櫛形部分
１３    複数枚のミラーからなる回転体
１４    光源
１５    受光器
１６    上層に新たに形成した本発明の重ね合わせ精度測定用マークの櫛形の歯の先端部
１７    下層に形成した本発明の重ね合わせ精度測定用マークの櫛形の歯の先端部
１８    基板
１９    光源からの光の受光器への反射光
２１、２２  従来の重ね合わせ精度測定用マーク
ｌ1 、ｌ2 、ｌ3 、ｌ4     櫛形先端の直線部分
Ｌ1 、Ｌ2 、Ｌ3     相互に隣接する下層および上層のマークの櫛形部分の相互の間隔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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