(57)【要約】【課題】アライメントマークに非対称性が発生した場合においても、そのマークの位置を高精度に検出することを目的とする。【解決手段】複数のショットが形成された基板上のアライメントマークの位置を第１の計測条件で計測するステップと、第１の計測条件とは異なる第２の計測条件で計測ステップと、第１の計測条件での計測値（Ｍ１ｉ）と第２の計測条件の計測値（Ｍ２ｉ）を用いて、該アライメントマークの位置（Ｍｉ）を決定するステップを有する特徴とする。【選択図】　　　　図１
2004117030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のショットが形成された基板をステージ上に設置し、該複数のショットから所定の複数のショットを選択し、選択したショット内（ショット番号をｉとする）のアライメントマーク位置をアライメント検出光学系で検出することにより、該ステージ座標系に対する前記ショットの配列の位置ずれを、ｘｙ方向に対するシフト成分（Ｓｘ，Ｓｙ）、ｘｙ方向に対する倍率成分（Ｂｘ，Ｂｙ）、ｘｙ軸に対する回転成分（θｘ，θｙ）の、６成分に関して求める位置検出方法であって、
該アライメントマークの位置を第１の計測条件で計測するステップと、第１の計測条件とは異なる第２の計測条件で計測ステップと、第１の計測条件での計測値（Ｍ１ｉ）と第２の計測条件の計測値（Ｍ２ｉ）を用いて、該アライメントマークの位置（Ｍｉ）を決定するステップを有する位置検出方法。
【請求項２】
前記アライメントマークの位置（Ｍｉ）をＭｉ＝Ｍ１ｉ−α・（Ｍ１ｉ−Ｍ２ｉ）の算出式で求めていることを特徴とする請求項１の位置検出方法。
【請求項３】
該６成分で基板の位置を補正した場合の該選択ショットの残差Ｒｉを求め、該基板の位置を補正後に該基板上の第１の評価マーク上に第２の評価マークを形成して、第１の評価マークに対する第２の評価マークの位置Ｋｉを該アライメント検出光学系とは別の検査装置で計測し、該第１の計測条件での計測値Ｍ１ｉと該第２の計測条件での計測値Ｍ２ｉの差分値（Ｍ１ｉ−Ｍ２ｉ）と（Ｒｉ＋Ｋｉ）の値から最小二乗法により近似直線を求め、その傾きをαとすることを特徴とする請求項２の位置検出方法。
【請求項４】
該６成分で基板の位置を補正した場合に、該選択ショットの残差Ｒｉが最小になるように該αの値を決定することを特徴とする請求項２の位置検出方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４の位置検出方法であって、前記第１の計測条件と前記第２の計測条件の違いが、アライメント検出光学系のフォーカス条件であることを特徴とする位置検出方法。
【請求項６】
請求項１から請求項４の位置検出方法であって、前記第１の計測条件と前記第２の計測条件の違いが、アライメント検出光学系の照明系コーヒーレンシ条件であることを特徴とする位置検出方法。
【請求項７】
請求項１から請求項４の位置検出方法であって、前記第１の計測条件と前記第２の計測条件の違いが、アライメント検出光学系の開口数（ＮＡ）条件であることを特徴とする位置検出方法。
【請求項８】
請求項１から請求項４の位置検出方法であって、前記第１の計測条件と前記第２の計測条件の違いが、アライメント検出光学系の照明系偏光条件であることを特徴とする位置検出方法。
【請求項９】
請求項１から請求項４の位置検出方法であって、前記第１の計測条件と前記第２の計測条件の違いが、アライメント検出光学系の照明系波長条件であることを特徴とする位置検出方法。
【請求項１０】
請求項９の位置検出方法であって、前記第１の計測条件が、アライメント検出光学系の照明条件がブロードバンド光であり、前記第２の計測条件が、アライメント検出光学系の照明条件が単一波長であることを特徴とする位置検出方法。
【請求項１１】
請求項９の位置検出方法であって、前記第１の計測条件が、単一波長の光の照明であり、前記第２の計測条件が、該第１の計測条件とは異なる波長の単一波長の光であることを特徴とする位置検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置検出方法および位置検出装置に関する。
【０００２】
特に半導体露光装置におけるウエハのアライメントに関して有効なものである。
【０００３】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造用の投影露光装置においては、回路の微細化及び高密度化に伴い、レチクル面上の回路パターンをウエハ面上により高い解像力で投影露光できることが要求されている。回路パターンの投影解像力は投影光学系の開口数（ＮＡ）と露光波長に依存するので、高解像度化の方法としては、投影光学系のＮＡを大きくする方法や露光波長をより短波長化する方法が採用されている。後者の方法に関し、露光光源は、ｇ線からｉ線に移行し、更にｉ線からエキシマレーザに移行しつつある。また、エキシマレーザにおいても、その発振波長が２４８ｎｍ及び１９３ｎｍの露光装置が既に実用化され使用されている。
【０００４】
現在では発振波長を更に短波長化した、波長１５７ｎｍのＶＵＶの露光方式、波長１３ｎｍ付近のＥＵＶ露光方式が次世代の露光方式の候補として検討されている。
【０００５】
また、半導体デバイスの製造プロセスも多様化しており、露光装置の深度不足の問題を解決する平坦化技術として、ＣＭＰ（　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）プロセス等の技術導入も行われている。
【０００６】
また、半導体デバイスの構造や材料も多種多様であり、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の化合物を組み合わせて構成したＰ−ＨＥＭＴ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃ　Ｈｉｇｈ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｏｂｉｌｉｔｙ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭ−ＨＥＭＴ（Ｍｅｔａｍｏｒｐｈｅ−ＨＥＭＴ）や、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＣ等を使用したＨＢＴ（Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が提案されている。
【０００７】
一方、回路パターンの微細化に伴い、回路パターンが形成されているレチクルとそれが投影されるウエハとを高精度にアライメントすることも要求されており、その必要精度は回路線幅の１／３であり、例えば、現状の１８０ｎｍデザインにおける必要精度はその１／３の６０ｎｍである。
【０００８】
露光装置においてアライメントは、レチクル上の回路パターンと同時にアライメントマークをウエハ上に露光転写し、次のレチクルの回路パターンをウエハ上に露光する際に、前記アライメントマークの位置を光学的に検出して、レチクルに対してウエハを位置決めすることにより行われる。アライメントの検出の手段としては、顕微鏡によりアライメントマークを拡大して撮像し、そのマーク像の位置を検出する方法や、回折格子をアライメントマークとして用いて、その回折光を干渉させた干渉信号の位相を検出して、回折格子の位置の検出する方法等がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような半導体産業の現状において、露光装置を使用する上で、実素子ウエハでの重ね合わせ精度を向上させることは、半導体素子の性能および、製造の歩留まりを向上させるために必須の課題と言える。しかしながら、ＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）プロセスなど特殊な半導体製造技術の導入により、回路パターンの構造は良いが、ウエハ間やショット間でアライメントマークの形状にばらつきが発生し、アライメントマーク構造が非対称となり、アライメント精度を劣化させる問題が多発している。
【００１０】
これは、回路パターンの微細化に伴い、回路パターンとアライメントマークの線幅の差が大きくなって、成膜や、エッチング、ＣＭＰなどのプロセス条件が微細な回路パターン（線幅０．１−０．１５ｕｍ）に最適化されるため、線幅の大きなアライメントマーク（線幅０．６−４．０ｕｍ）では、そのプロセス条件が外れるために生じる場合が多い。アライメントマークの線幅を回路パターンの線幅に合わせようとすると、アライメントに用いる検出光学系の分解能が足りないため、信号強度またはコントラストが減少し、アライメント信号の安定性が悪化する。回路パターンと同等の線幅のアライメントマークを検出できる検出光学系にするには、大きなＮＡ、短い波長のアライメント光源が必要となり、投影光学系なみの検出光学系になり、装置コストが上がるなど別の問題も新たに発生する。
【００１１】
現在、このような状況になった場合には、プロセスの条件を変更して、アライメントマークと回路パターンの双方で適切な条件になるように、試行錯誤で条件出しを行ったり、アライメントマークの線幅を何種類か作製して露光評価して、もっとも良いと思われる線幅のアライメントマークを用いるようにしている。
【００１２】
したがって、最適な条件（パラメータ）を決定するまでに膨大な時間を要していた。また、一旦パラメータが決定された後であっても、例えばプロセスエラーが発生した場合には、それに応じた製造プロセスの変更に伴って製造装置のパラメータを再度変更する必要が生じる場合があり、この場合にも膨大な時間を要する。更に今後は、回路パターンの微細化が進むと共に、新たな半導体プロセスの導入や、ウエハ径の３００ｍｍ化などにより、回路パターンとアライメントマークの双方をウエハ全面で欠陥無く製造することがますます困難になると予想される。
【００１３】
本発明は、上記の背景に鑑みてなされたものであり、半導体素子量産工程の露光装置のアライメントや重ね合わせ検査装置において、使用するマークがウエハ内で多少のばらつきがあった場合でも検出精度を劣化させることなく、高精度な位置検出方法および位置検出装置を達成するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によるアライメント方法は、以下の工程を有する。
【００１５】
すなわち、
（１）複数のショットが形成された基板をステージ上に設置し、該複数のショットから所定の複数のショットを選択し、選択したショット内（ショット番号をｉとする）のアライメントマーク位置をアライメント検出光学系で検出することにより、該ステージ座標系に対する前記ショットの配列の位置ずれを、ｘｙ方向に対するシフト成分（Ｓｘ，Ｓｙ）、ｘｙ方向に対する倍率成分（Ｂｘ，Ｂｙ）、ｘｙ軸に対する回転成分（θｘ，θｙ）の、６成分に関して求める位置検出方法であって、
該アライメントマークの位置を第１の計測条件で計測するステップと、第１の計測条件とは異なる第２の計測条件で計測ステップと、第１の計測条件での計測値（Ｍ１ｉ）と第２の計測条件の計測値（Ｍ２ｉ）を用いて、該アライメントマークの位置（Ｍｉ）を決定するステップを有するようにしている。
【００１６】
特に、
（１−１）前記アライメントマークの位置（Ｍｉ）を　　Ｍｉ＝Ｍ１ｉ−α・（Ｍ１ｉ−Ｍ２ｉ）の算出式で求めている。
【００１７】
特に
（１−１−１）該６成分で基板の位置を補正した場合の該選択ショットの残差Ｒｉを求め、該基板の位置を補正後に該基板上の第１の評価マーク上に第２の評価マークを形成して、第１の評価マークに対する第２の評価マークの位置Ｋｉを該アライメント検出光学系とは別の検査装置で計測し、該第１の計測条件での計測値Ｍ１ｉと該第２の計測条件での計測値Ｍ２ｉの差分値（Ｍ１ｉ−Ｍ２ｉ）と（Ｒｉ＋Ｋｉ）の値から最小二乗法により近似直線を求め、その傾きをαとするようにしている。
【００１８】
特に、
（１−１−２）該６成分で基板の位置を補正した場合に、該選択ショットの残差Ｒｉが最小になるように該αの値を決定している。
【００１９】
または、
（１−２）前記第１の計測条件と前記第２の計測条件の違いが、アライメント検出光学系のフォーカス条件である。
【００２０】
または、
（１−３）前記第１の計測条件と前記第２の計測条件の違いが、アライメント検出光学系の照明系コーヒーレンシ条件である。
【００２１】
または、
（１−４）前記第１の計測条件と前記第２の計測条件の違いが、アライメント検出光学系の開口数（ＮＡ）条件である。
【００２２】
または、
（１−５）前記第１の計測条件と前記第２の計測条件の違いが、アライメント検出光学系の照明系偏光条件である。
【００２３】
または、
（１−６）前記第１の計測条件と前記第２の計測条件の違いが、アライメント検出光学系の照明系波長条件である。
【００２４】
特に、
（１−６−１）前記第１の計測条件が、アライメント検出光学系の照明条件がブロードバンド光であり、前記第２の計測条件が、アライメント検出光学系の照明条件が単一波長である。
【００２５】
または、
（１−６−２）前記第１の計測条件が、単一波長の光の照明であり、前記第２の計測条件が、該第１の計測条件とは異なる波長の単一波長の光にしている。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を説明する。
【００２７】
図１は本発明の半導体露光装置の概略図である。なお、本発明のポイントとなる部分以外は図には図示していない。露光装置１は、ある回路パターンの描画されたレチクル１０を縮小投影する縮小投影光学系１１と前工程で下地パターンおよびアライメントマークの形成されたウエハ１２を保持するウエハチャック１３とウエハ１２を所定の位置に位置決めするウエハステージ１４と、ウエハ上のアライメントマークの位置を計測するアライメント検出光学系１５等から構成されている。
【００２８】
次に、アライメント検出の原理について説明する。図２はアライメント検出光学系１５の主要構成要素を示したものである。図２は、ｘ方向の位置を検出する光学系の例で、ｙ方向についてはｚ軸周りに９０度回転したものを用いれば良いので（アライメントマークもｘ方向用マークをｚ軸周りに９０度回転したものを用いる）、ｘ方向の検出系で説明することにする。アライメント検出光学系１５は照明系１５ｉと結像系１５ｏで構成される。
【００２９】
光源１８からの照明光は、レンズ１９で拡大され平行光とされ、再度レンズ２２で集光される。可変な開口絞り２０により照明光のコーヒーレンシ（σ）を調整する。アパーチャー２３は、ウエハ２２と共役な位置に置かれ、ウエハ１２上のアライメントマークの周辺領域に不要な光が照明されないようにして視野絞りの役割をする。さて、レンズ２２により集光された光は再度レンズ２４で平行光にされ、ビームスプリッタ２５で反射し、レンズ２６を通り、ウエハ１２上のアライメントマーク５０を照明する。アライメントマーク５０からの反射光はレンズ２６、ビームスプリッタ２５、レンズ２７，２８を通り、ビームスプリッタ３０で分割され、それぞれラインセンサー３２，３４で受光される。可変な開口絞り２９により、結像系の開口数（ＮＡ）を調整できる。アライメントマーク５０は、１００倍程度の結像倍率で拡大され、ラインセンサ３２に結像される。一方、ラインセンサ３４で受光される像は、ベストフォーカス位置から、光軸方向に故意にずらした位置に設置されており、ラインセンサ３２がベストフォーカス像の信号を検出するのに対して、ラインセンサ３４がデフォーカス像の信号を検出することができる。なお、センサ３２、３４は２次元エリアセンサを用いることもできる。
【００３０】
アライメントマーク５０としては、図３または図４の形状のマークを用いている。図３において、計測方向であるＸ方向に４ｕｍ、非計測方向であるＹ方向に２０ｕｍの矩形のマークをＸ方向に２０ｕｍピッチで４本並べている。マーク部はエッチングにより、断面構造は凹形状をしている。なお実際は、そのマーク上にレジストが塗布されているが、図には示していない。一方、図４のマークは、図３のマークの輪郭部分を０．６ｕｍの線幅で置き換えた形状をしている。図３、図４のどちらのアライメントマークを用いても、アライメント検出系１５のレンズのＮＡに入らない大きな角度でエッジ部での散乱光の発生や、エッジ部での散乱光での干渉により、ラインセンサー３２，３４で撮像された像は、図５のようになる。図３のアライメントマークはその輪郭部が暗く、図４のアライメントマークは凹部が暗く又は明るくなる。これは、明視野画像で多く観察される像であり、その特徴と言える。
【００３１】
さて、このように撮像されたアライメントマークの画像はアライメント信号処理手段１６を用いて以下のように処理される。本実施例で用いるアライメントマーク位置の算出には、テンプレートマッチング法を用いている。テンプレートマッチングは、図６のＳで示す取得した信号と予め装置で持っているテンプレート（図６のＴ）との相関演算で、最も相関の高い位置を位置合わせマークの中心として検出する。図６のＥで示す相関値の関数において、ピーク画素から左右に数画素の領域の重心画素位置を求めることにより、１／１０から１／５０画素の分解能を達成できる。
【００３２】
テンプレートマッチングは次式で表される。
【外１】
2004117030.tif 000003
【００３３】
ここで、Ｓはセンサーで取得した信号、Ｔはテンプレート、Ｅは相関結果である。
【００３４】
信号Ｓ、テンプレートＴ、相関値Ｅの関係を図示すると、図６のようになる。図６では４本のアライメントマークの内、１本のアライメントマーク像についての処理方法を示している。以下同様に他の３本のアライメントマーク像についても、テンプレートマッチングにより、各マーク像のセンサー上での位置を検出する。テンプレートマッチングにより、マーク像の位置Ｘ１（ｎ），Ｘ２（ｎ），Ｘ３（ｎ），Ｘ４（ｎ）を求める（単位は画素）。ここでｎはテンプレート番号である。その後各マークの平均位置
Ｘａ（ｎ）＝［Ｘ１（ｎ）＋Ｘ２（ｎ）＋Ｘ３（ｎ）＋Ｘ４（ｎ）］／４　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
を求める。各テンプレートで求めたウエハ上のアライメントマーク５０の位置ずれＸｗ（ｎ）は、アライメントスコープ１５の結像倍率をＭ、エリアセンサー２３のアライメント計測方向の画素ピッチをＰｘとすれば、
Ｘｗ（ｎ）　＝　Ｘａ（ｎ）　／（　Ｐｘ　・Ｍ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）
として求められる。（３）式に基づいて、ラインセンサ３２で得られたベストフォーカス像信号からのアライメントマークの位置ずれ量Ｘ１と、ラインセンサ３４からのアライメントマークの位置ずれ量Ｘ２を求める。
【００３５】
この２つの位置ずれ計測値を用いて、アライメントマーク位置Ｘを決定しているが、この処理方法については、後で詳細に述べることにする。
【００３６】
続いて、アライメントマークの位置計測値をもとにして、ウエハのアライメントを行う方法を述べる。本発明では、グローバルアライメント（ＡＧＡ：Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｇｌｏｂａｌ　Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）を適用している。グローバルアライメントでは、ウエハ上の全チップ（ショット）の内、数ショットを選択して（選択したショットをサンプルショットと呼ぶ）、そのショット内にあるアライメントマークの位置を検出して行われる。
【００３７】
図７は、露光装置１のウエハステージのｘｙ座標系に対して、ウエハ上のショット配列がずれている様子を示している。ウエハのずれとしては、ｘ方向のシフトＳｘとｙ方向のシフトＳｙとｘ軸に対する傾きθｘとｙ軸に関する傾きθｙと、ｘ方向の倍率Ｂｘ、ｙ方向の倍率Ｂｙの６つのパラメータで記述できる。なお、Ｂｘ、Ｂｙは露光装置のウエハステージ送りを基準に、ウエハの伸縮を表し、半導体プロセスの成膜やエッチング等でウエハに熱を加えることにより引き起こされる。
【００３８】
ここで、上述の方法により計測したＡＧＡの各サンプルショットの計測値をＡｉ（ｉは計測ショットＮｏ）、すなわち
【外２】
2004117030.tif 000004
【００３９】
とし、
サンプルショットのアライメントマーク設計位置座標をＤｉとして、
【外３】
2004117030.tif 000005
【００４０】
と記述する。
【００４１】
ＡＧＡでは、先に示したウエハの位置ずれを表す６つのパラメータ（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を用いて、以下の１次の座標変換Ｄ’ｉを行う。
【外４】
2004117030.tif 000006
【００４２】
上の式では、簡単のためθｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙは微小量であるためｃｏｓθ＝１、ｓｉｎθ＝θ、θｘ＊Ｂｘ＝θｘ、θｙ＊Ｂｙ＝θｙ等の近似を用いた。
【００４３】
図８には、（６）式の１次の座標変換を行う様子を示している。Ｗで示す位置にウエハ上のアライメントマークがあり、設計上の位置であるＭの位置からＡｉだけずれており、座標変換Ｄ’ｉを行うとウエハ上のアライメントマークの位置ずれ（残差）はＲｉになる。
【外５】
2004117030.tif 000007
【００４４】
ＡＧＡでは各サンプルショットでの残差Ｒｉが最小になるように最小２乗法を適用している。すなわち、残差Ｒｉの平均２乗和を最小とする（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を算出する。
【外６】
2004117030.tif 000008
【００４５】
８、９式に、各サンプルショットでの計測値（ｘｉ，ｙｉ）、及びアライメントマーク設計位置（Ｘｉ，Ｙｉ）を代入して、ＡＧＡパラメータ（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を求めて、このＡＧＡパラメータをもとに、ウエハ１２上の各ショットの位置合わせを行った後に露光が実施される。
【００４６】
次に、アライメントマーク５０の形状に非対称性誤差があった場合の、ベストフォーカス信号とデフォーカス信号の位置ずれ計測値の変化について説明する。図９に、アライメントマークの断面形状モデルを示す。初めに、左側側壁の傾斜角（Ｐ１−Ｐ２）と左側側壁の傾斜角（Ｐ３−Ｐ４）に角度差がある場合について、アライメントマーク像を計算して、続いて、Ｐ２とＰ３の中心位置からの計測誤差εをベストフォーカス信号とデフォーカス信号について、テンプレートマッチング法を用いて、（３）式より求めた結果を図１０に示す。アライメント検出光学系の条件は、開口数（ＮＡ）＝０．４、σ＝０．９、ＴＥ偏光（電場方向が紙面に垂直）、波長がＨｅ−Ｎｅレーザーの６３３ｎｍであり、ベストフォーカス位置と、ウエハ１２面が１．５ｕｍデフォーカスした場合の計算結果である。図１０に示すように、左右側壁角度差に比例して、計測誤差が大きくなっており、更に、ベストフォーカス信号とデフォーカス信号では、左右側壁角度差の変化に対する計測誤差の変化率に差が生じている。このように「マークの非対称性に対する計測値変化の敏感度が、２つの計測条件で異なること」が本発明の重要なポイントである。すなわち、２つの計測条件で計測された位置ずれ量の差分値が、対象性の良いマークではゼロであるのに対して、非対称性が大きくなるに従い、この差分値も比例して大きくなるという結果を利用している。第１の計測条件（ベストフォーカス信号）の計測値をＭ１、第２の計測条件（デフォーカス信号）の計測値をＭ２とすると、真の位置ずれ量（図９で示すＰ２とＰ３の中点のずれ量）Ｍは、
Ｍ＝Ｍ１　−α・（Ｍ１−Ｍ２）　　　　　　　　　　　　　　　（１０）
と表すことができる。ここでαは、非対称性誤差補正係数である。
【００４７】
続いて、この非対称性誤差補正係数αを求める方法について説明する。第１の方法は、先に説明したＡＧＡ（グローバルアライメント）の際に、第１の計測条件および第２の計測条件で各サンプルショットを計測し、それぞれの各ショットの計測値および残差Ｒｉを記憶しておき、第１の計測条件で計測した計測値のみを用いて、８、９式に、各サンプルショットでの計測値（ｘｉ，ｙｉ）、及びアライメントマーク設計位置（Ｘｉ，Ｙｉ）を代入して、ＡＧＡパラメータ（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を求めて、このＡＧＡパラメータをもとに、ウエハ１２上の各ショットの位置合わせを行った後に露光を行う。この時、ウエハ１２上に、アライメントマーク５０と同時に第１の重ね合わせ評価マークを形成しておいて、ＡＧＡアライメント後にレチクル１０上の第２の重ね合わせ評価マークを、第１の重ね合わせ評価マーク上のレジストに露光転写する。この第１、第２の重ね合わせ評価マークの位置ずれ量をＡＧＡのサンプルショットについて重ね合わせ精度評価装置を用いて計測する。図１１にこれらの計測値の関係を示す。ＡＧＡにより計測された補正残量Ｒｉと（ｉはショットＮｏ）、重ね合わせ精度検査装置により計測された計測値Ｋｉ（ｉはショットＮｏ）の関係は、逆符号で一致すべきであるが、アライメントマークの非対称性がある場合には非対称性による騙せれ成分εｉだけ異なる関係となる。騙せれ成分εｉはεｉ　＝Ｒｉ　　＋　Ｋｉ　　（ｉはショットＮｏ）　として求めることができる。次にこの騙され成分εｉと、第１計測条件での計測値Ｍ１ｉと第２計測条件での計測値Ｍ２ｉの差分値ｄＭｉ（＝Ｍ１ｉ−Ｍ２ｉ）との関係を求める。図１２には、ｄＭｉとεｉの各ショットの値の相関図と最小二乗法により求めた近似直線を示している。このように差分値（Ｍ１ｉ−Ｍ２ｉ）と、騙せれ成分（Ｒｉ＋Ｋｉ）から、最小二乗法により近似直線を求め、その傾きをαとしている。この方法は、重ね合わせ検査装置を基準に補正係数αの値を決定している。また、重ね合わせ検査装置を用いるかわりに、電測（電気測定）と呼ばれる電気的な特性を基に露光後のオフセット量Ｋｉを求める方法や測長ＳＥＭを用いてＫｉをも求める方法等の応用も当業者なら容易であろう。
【００４８】
さて、先の方法はアライメント後に露光して、その露光ウエハを基準となる重ね合わせ装置などの検査装置で検定して、補正係数αを求める方法を示したが、ＡＧＡの残差Ｒｉが最小になるようなαを求めることにしても良い。すなわち、補正係数αの値を任意に設定して、１０式により各ショットのアライメントマーク位置ずれ量を設定して、（８）、（９）式に代入してＡＧＡパラメータ（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ、Ｂｙ）を求めて、（７）式により、補正残Ｒｉを求め、その標準偏差（σ）を求める（または最大値で良い）。このように補正係数の値を変化させて同様の処理を繰り返し、残差Ｒｉが最小になる値を求めるようにする。
【００４９】
残差が一番小さくなる組合せを用いる理由は、残差量は半導体プロセスにより引き起こされた非線型な歪みとアライメント計測誤差（アライメント精度のウエハステージ配列精度の和）の和になり、同一ウエハでは非線型な歪み成分は一定なので、残差が小さくなるほどアライメント計測精度が良くなるからである。なお、先に示した２つの方法を組み合わせて、半導体製造工程のロットの先頭ウエハ（または先頭の数枚）について、重ね合わせ検査装置等の検査装置を用いて、補正係数αを決定しておいて、次のウエハからは、先頭ウエハで決定されたαの値の近傍の値で残差Ｒが最小となるように、補正係数を微調整するようにしてもよい。
【００５０】
最後に図１３のフローチャートを用いて、本発明のアライメントシーケンスを説明する。ステップ５０でウエハ上のどのショットをＡＧＡの計測ショットにするかを設定する。続いてステップ５１で上述の方法により求めた補正係数αの値を設定する。ステップ５２でウエハステージ上に搭載されたウエハ上のサンプルショット内のアライメントマークをアライメント検出系の下に位置決めする。ステップ５３ではアライメント検出系で第１の計測条件でアライメントマークの像を取得する。ステップ５４では取得したアライメントマーク像から位置ずれ量Ｍ１を算出し、露光装置内に記憶する。ステップ５５ではアライメント検出系で第２の計測条件でアライメントマークの像を取得する。ステップ５６では取得したアライメントマーク像から位置ずれ量Ｍ２を算出し、露光装置内に記憶する。次に、ステップ５７ではステップ５０で設定された情報をもとに、計測すべきサンプルショットがまだ有るかを判断し、まだ有る場合にはステップ５２に戻り、全てのサンプルショットで計測および信号処理を行う。
【００５１】
ステップ５８で、ステップ５１で設定された補正係数αと、ステップ５４の第１の計測条件での計測値Ｍ１とステップ５６の第２の計測条件での計測値Ｍ２とを用いて、Ｍｉ　＝　Ｍ１ｉ　−α（Ｍ１ｉ−Ｍ２ｉ）の式より、マークの位置ずれ量Ｍｉを求める（ここでｉはショットＮｏ）。ステップ５９で計算されたＡＧＡ計測値にもとづいて、露光系に位置合わせされ、ステップ６０でレチクル上のパターンがウエハ上に露光転写される。
【００５２】
また、アライメントマーク像の位置を求める処理としては、先に示したテンプレートマッチングの他に、次のような方法も適用できる。図１４は、図５のアライメントマーク像の一部を拡大したものであり、信号の左半分を折り返しテンプレートとしている。
【外７】
2004117030.tif 000009
【００５３】
式１１は信号波形の左半分をテンプレートと見なしたときの相関値である。最も相関の高い位置を位置合わせマークの中心として検出する。相関値の関数において、ピーク画素から左右に数画素の領域の重心画素位置を求めることにより、１／１０から１／５０画素の分解能を達成できる。以下同様に他の３本のアライメントマーク像についても、各マーク像のセンサー上での位置を検出する。その後、式２にもとづき各マークの平均位置Ｘａ（ｎ）を求め、ウエハ上のアライメントマーク３０の位置ずれＸｗ（ｎ）を３式より求める。
【００５４】
（発明のその他の実施例）
続いて、本発明の第２の実施形態を説明する。第１の実施形態では、２つの計測条件として、ベストフォーカス信号とデフォーカス信号とを用いる例を示したが、本実施例では、異なるコヒーレンシ（σ）の照明系を用いることにより、アライメントマークの非対称性に対する敏感度を変える方法の例である。図１５にこの方法の根拠となるシミュレーション結果を示す。図１５は、図９のアライメントマークの断面形状モデルで、左側側壁の傾斜角（Ｐ１−Ｐ２）と左側側壁の傾斜角（Ｐ３−Ｐ４）に角度差がある場合について、初めにアライメントマーク像を計算して、次にＰ２とＰ３の中心位置からの位置ずれ量εを、異なるコヒーレンシについて、テンプレートマッチング法を用いて、（３）式より求めた結果である。検出光学系の条件は、開口数（ＮＡ）＝０．４、ベストフォーカス、ＴＥ偏光（電場方向が紙面に垂直）、波長がＨｅ−Ｎｅレーザーの６３３ｎｍであり、σ＝０．９の場合とσ＝０．２の場合の計算結果である。図１５に示すように、σ０．９の信号とσ０．２の信号では、左右側壁角度差の変化に対する計測誤差の変化率に差が生じている。第１の計測条件（σ０．９の信号）の計測値をＭ１、第２の計測条件（σ０．２の信号）の計測値をＭ２とすると、真の位置ずれ量は、（１０）式で求めることができる。
【００５５】
本実施例の露光装置は図１に示す通りであり、アライメント検出系１５が第１実施例と異なるため、このアライメント検出系の構成について説明する。図１６は、本実施例で使用するアライメント検出系の主要構成部を示したものである。アライメント検出光学系１５は照明系１５ｉと結像系１５ｏで構成され、光源１８からの照明光は、レンズ１９で拡大され平行光とされ、再度レンズ２２で再度集光される。可変な開口絞り２２により照明光のコーヒーレンシ（σ）を調整する。絞り２３は、ウエハ２２と共役な位置に置かれ、ウエハ２２上のアライメントマークの周辺領域に不要な光が照明されないようにしている。さて、レンズ２２により集光された光は再度レンズ２４で平行光にされ、ビームスプリッタ２５で反射し、レンズ２６を通り、ウエハ１２上のアライメントマーク５０を照明する。アライメントマーク５０からの回折光はレンズ２６、ビームスプリッタ２５、レンズ２７を通り、レンズ２７，２８を通り、ラインセンサ３２で受光される。可変な開口絞り２９により、結像系の開口数（ＮＡ）を調整できる。アライメントマーク５０は、１００倍程度の結像倍率で拡大され、ラインセンサー３２に結像される。可変な開口絞り２０により、照明系のコヒーレンシ（σ）を０．９および０．２の２通りにシーケンシャルに切り替えることにより、第１計測条件すなわち、σ０．９の信号および、第２計測条件すなわちσ０．２の信号をラインセンサ３２によい取得するようにしている。
【００５６】
なお、補正係数αの決定方法およびＡＧＡ（グローバルアライメント）の方法などは、第１の実施例の同じなので説明を省略する。
【００５７】
続いて、本発明の第３の実施形態を説明する。本実施例では、異なる開口数（ＮＡ）の受光系を用いることにより、アライメントマークの非対称性に対する敏感度を変える方法の例である。図１７にこの方法の根拠となるシミュレーション結果を示す。図１７は、図９のアライメントマークの断面形状モデルで、左側側壁の傾斜角（Ｐ１−Ｐ２）と左側側壁の傾斜角（Ｐ３−Ｐ４）に角度差がある場合について、初めにアライメントマーク像を計算して、続いてＰ２とＰ３の中心位置からの位置ずれ量εを異なる開口数の信号について、テンプレートマッチング法を用いて、（３）式より求めた結果である。検出光学系の条件は、σ＝０．９ベストフォーカス、ＴＥ偏光（電場方向が紙面に垂直）、波長がＨｅ−Ｎｅレーザーの６３３ｎｍであり、開口数（ＮＡ）＝０．４、の場合とＮＡ＝０．６の場合の計算結果である。図１７に示すように、ＮＡ０．４の信号とＮＡ０．６の信号では、左右側壁角度差の変化に対する計測誤差の変化率に差が生じている。第１の計測条件（ＮＡ０．４の信号）の計測値をＭ１、第２の計測条件（ＮＡ０．６の信号）の計測値をＭ２とすると、真の位置ずれ量は、（１０）式で表すことができる。
【００５８】
本実施例の露光装置は図１に示す通りであり、アライメント検出系１５が第１実施例と異なるため、このアライメント検出系の構成について説明する。図１８は、本実施例で使用するアライメント検出系の主要構成部を示したものである。アライメント検出光学系１５は照明系１５ｉと結像系１５ｏで構成され、光源１８からの照明光は、レンズ１９で拡大され平行光とされ、再度レンズ２２で再度集光される。可変な開口絞り２２により照明光のコーヒーレンシ（σ）を調整する。絞り２３は、ウエハ２２と共役な位置に置かれ、ウエハ２２上のアライメントマークの周辺領域に不要な光が照明されないようにしている。さて、レンズ２２により集光された光は再度レンズ２４で平行光にされ、ビームスプリッタ２５で反射し、レンズ２６を通り、ウエハ１２上のアライメントマーク５０を照明する。アライメントマーク５０からの回折光はレンズ２６、ビームスプリッタ２５、レンズ２７，２８を通り、ビームスプリッタ３０で分割され、それぞれラインセンサー３２，３４で受光される。可変な開口絞り２９および可変な開口絞り３５により、結像系の開口数（ＮＡ）を調整できる。アライメントマーク５０は、１００倍程度の結像倍率で拡大され、ＮＡ０．６の信号としてラインセンサー３２に結像される。一方、ラインセンサー３４で受光される像は、可変な開口絞り３５によりＮＡ０．４の信号として検出することができる。
【００５９】
なお、補正係数αの決定方法およびＡＧＡ（グローバルアライメント）の方法などは、第１の実施例の同じなので説明を省略する。
【００６０】
続いて、本発明の第４の実施形態を説明する。本実施例では、異なる偏光の照明系を用いることにより、アライメントマークの非対称性に対する敏感度を変える方法の例である。図１９に、アライメントマークの断面形状モデルを示す。このモデルは、図４に示すようなアライメントマークであり、マークの下面（底面）に傾斜がある場合の計測誤差を異なる偏光で入射した信号について、テンプレートマッチング法により、（３）式より求めた結果を図２０に示す。図２０は、図１９のアライメントマークの断面形状モデルで、下面に傾斜がある場合について、初めにアライメントマーク像を計算して、続いて、計測誤差εを異なる偏光の信号について、テンプレートマッチング法を用いて、（３）式より求めた結果である。検出光学系の条件は、開口数（ＮＡ）＝０．４、σ＝０．９、ベストフォーカス、波長がＨｅ−Ｎｅレーザーの６３３ｎｍであり、照明光の偏光がＴＥ偏光（電場方向が紙面に垂直）とＴＭ偏光の場合の計算結果である。図２０に示すように、ＴＥ偏光の信号とＴＭ偏光の信号では、下面の傾斜角度の変化に対する計測誤差の変化率に差が生じている。第１の計測条件（ＴＥ偏光の信号）の計測値をＭ１、第２の計測条件（ＴＭ偏光の信号）の計測値をＭ２とすると、真の位置ずれ量は、（１０）式で表すことができる。
【００６１】
本実施例の露光装置は図１に示す通りであり、アライメント検出系１５が第１実施例と異なるため、このアライメント検出系の構成について説明する。図２１は、本実施例で使用するアライメント検出系の主要構成部を示したものである。アライメント検出光学系１５は照明系１５ｉと結像系１５ｏで構成され、光源１８からの照明光は、レンズ１９で拡大され平行光とされ、偏光ビームスプリッタ３６で二分され、反射したＳ偏光（ＴＥ偏光）の光はミラー３７で反射し、偏光ビームスプリッタ３９に入射する。また、偏光ビームスプリッタ３６を透過したＰ偏光（ＴＭ偏光）の光は、ミラー３８で反射して、偏光ビームスプリッタ３９に入射する。こうして、偏光ビームスプリッタ３９により結合された光は、再度レンズ２２で集光される。可変な開口絞り２０により照明光のコーヒーレンシ（σ）を調整する。絞り２３は、ウエハ２２と共役な位置に置かれ、ウエハ１２上のアライメントマークの周辺領域に不要な光が照明されないようにしている。さて、レンズ２２により集光された光は再度レンズ２４で平行光にされ、ビームスプリッタ２５で反射し、レンズ２６を通り、ウエハ１２上のアライメントマーク５０を照明する。アライメントマーク５０からの回折光はレンズ２６、ビームスプリッタ２５、レンズ２７，２８を通り、偏光ビームスプリッタ４５で分割され、それぞれラインセンサー３２，３４で受光される。可変な開口絞り２９により、結像系の開口数（ＮＡ）を調整できる。アライメントマーク５０は、１００倍程度の結像倍率で拡大され、偏光ビームスプリッタ４５を透過した光はＰ偏光（ＴＭ偏光）の信号としてラインセンサー３２に結像される。一方、偏光ビームスプリッタ４５で反射した光はラインセンサー３４で受光され、Ｓ偏光（ＴＥ偏光）の信号として検出することができる。
【００６２】
なお、補正係数αの決定方法およびＡＧＡ（グローバルアライメント）の方法などは、第１の実施例の同じなので説明を省略する。
【００６３】
続いて、本発明の第５の実施形態を説明する。本実施例では、照明条件を波長幅を持たせたブロードバンド光（ＢＢ光）と単波長のＨｅ−Ｎｅレーザをの２種類を用いることにより、アライメントマークの非対称性に対する敏感度を変える方法の例である。図２２に、アライメントマークの断面形状モデルを示す。このモデルは、対称な下地マーク（Ｐ１−Ｐ２−Ｐ３−Ｐ４）の上のレジスト膜（Ｐ５−Ｐ６−Ｐ７−Ｐ８）が塗布むらの影響で非対称になった場合のモデルである。図２３は、レジストの左側スロープ（Ｐ５−Ｐ６）と右側スロープ（Ｐ７−Ｐ８）の傾斜角が異なる場合について、アライメントマーク像をシミュレーションして計測誤差εをブロードバンド光と単波長の信号について、テンプレートマッチング法により、（３）式より求めた結果である。検出光学系の条件は、開口数（ＮＡ）＝０．４、σ＝０．９、ベストフォーカス、照明光の偏光がＴＥ偏光、波長がＨｅ−Ｎｅレーザーの６３３ｎｍの場合と、波長が５８０ｎｍから６８０ｎｍまでのブロードバンド光で照明した場合の結果である。図２３に示すように単波長の信号とブロードバンド光の信号では、レジスト表面の左右傾斜角度の変化に対する計測誤差の変化率に差が生じている。第１の計測条件（ＢＢ光の信号）の計測値をＭ１、第２の計測条件（Ｈｅ−Ｎｅ波波長の信号）の計測値をＭ２とすると、真の位置ずれ量は、（１０）式から求めることができる。
【００６４】
本実施例の露光装置は図１に示す通りであり、アライメント検出系１５が第１実施例と異なるため、このアライメント検出系の構成について説明する。図２４は、本実施例で使用するアライメント検出系の主要構成部を示したものである。アライメント検出光学系１５は照明系１５ｉと結像系１５ｏで構成され、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源１８からの照明光は、レンズ１９で拡大され平行光とされ、ビームスプリッタ４２に入射する。一方、ブロードバンド光源４０からの照明光は、レンズ４１で拡大され平行光とされてビームスプリッタ４２に入射する。ビームスプリッタ４２でそれぞれの光源１８，４０で出射した両光束が同一光路を通るように結合される。ビームスプリッタ４２を出射した光は、再度レンズ２２で集光される。可変な開口絞り２０により照明光のコーヒーレンシ（σ）を調整する。絞り２３は、ウエハ２２と共役な位置に置かれ、ウエハ１２上のアライメントマークの周辺領域に不要な光が照明されないようにしている。さて、レンズ２２により集光された光は再度レンズ２４で平行光にされ、ビームスプリッタ２５で反射し、レンズ２６を通り、ウエハ１２上のアライメントマーク５０を照明する。アライメントマーク５０からの回折光はレンズ２６、ビームスプリッタ２５、レンズ２７，２８を通り、ラインセンサー３２で受光される。可変な開口絞り２９により、結像系の開口数（ＮＡ）を調整できる。アライメントマーク５０は、１００倍程度の結像倍率で拡大されラインセンサー３２に結像される。照明光は、シーケンシャルに切り替えられ、Ｈｅ−Ｎｅ波長照明時の信号と、ブロードバンド光照明時の信号の２つを得ることができる。本実施例では、ブロードバンド光（ＢＢ光）と単波長のＨｅ−Ｎｅレーザを用いる例を示したが、図２４においてブロードバンド光源の代わりに、４８８ｎｍのＡｒレーザを用いて、異なる照明波長で照明して２つの信号を取得するようにしても良い。
【００６５】
なお、補正係数αの決定方法およびＡＧＡ（グローバルアライメント）の方法などは、第１の実施例の同じなので説明を省略する。
【００６６】
これまでに、アライメント計測条件のフォーカス、σ、ＮＡ，偏光、波長（単波長とＢＢ光）などを変えることにより、アライメントマークの非対称性に対する敏感度が異なることを説明してきた。実施例としては、それぞれ単独に条件を変える方法で説明してきたが、２つの計測条件で、上に挙げた種々のパラメータを用いて任意の組合せを用いても同様の効果が達成できることは明らかであり、そのようなアライメント検出系の構成を考えることは、本明細書に記載のアライメント検出系をもとにすれば当業者なら容易である考えられる。
【００６７】
続いて、同一の半導体プロセス工程のウエハを複数の露光装置でのアライメント検出光学系に適用する方法について説明する。このような場合、アライメント検出光学系に起因する計測誤差ＴＩＳ（Ｔｏｏｌ　Ｉｎｄｕｃｅｄ　Ｓｈｉｆｔ）を管理しておく必要がある。ＴＩＳの主な原因はアライメント検出光学系の非対称収差であり、特にコマ収差と、照明系のテレセン度（ウエハに対する主光線の垂直度）の２つが起因している。このＴＩＳが大きいなアライメント検出光学系では、アライメントマークの非対称性が拡大して大きな計測誤差を生じてしまう場合がある。したがって、複数の露光装置を使用する場合は露光装置内のアライメント検出光学系のＴＩＳを管理し、所定閾値内のＴＩＳを持つアライメント検出光学系を備えた露光装置には、同じ非対称性誤差補正係数αを適用し、閾値を超えるＴＩＳのアライメント検出光学系を備えた露光装置は、別途補正係数αを前述の方法により求めるようにするのが好ましい。
【００６８】
【発明の効果】
本発明は、グローバルアライメントを実行する上で、ショット間やウエハ間でアライメントマークの構造の非対称性に、ばらつきがある場合においても、２つの異なる計測条件で計測した計測値をもとに、その非対称性に伴う計測誤差を補正することが可能になるため、半導体プロセスによるアライメントマークの構造変化などに影響を受けにくくなり、アライメント精度を向上させることができ、半導体素子製造工程において歩止まりを向上させることができる。また、アライメントマークの形状を安定化させるために必要だった半導体プロセスの条件出しの時間を短縮化できるため、半導体素子製造の生産性も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体露光装置の管理システムの実施例を示す図。
【図２】本発明によるアライメントスコープを示す図。
【図３】本発明によるアライメントマークの第一の例を示す図。
【図４】本発明によるアライメントマークの第二の例を示す図。
【図５】アライメント信号の例を示す図。
【図６】本発明の第１実施例のテンプレートマッチング法を示す図。
【図７】グローバルアライメントを説明するための図。
【図８】線形座標変換と補正残差を示す図。
【図９】本発明の第１実施例の説明で用いる非対称マークモデル。
【図１０】本発明の第１実施例のマーク非対称性と計測誤差の関係を示す図。
【図１１】アライメント計測値と重ね検査装置計測値と計測誤差の関係を説明する図。
【図１２】非対称エラーの補正値の算出方法を示す図。
【図１３】本発明のアライメントシーケンスを示す図。
【図１４】本発明の第２の信号処理方法を示す図。
【図１５】本発明の第２実施例のマーク非対称性と計測誤差の関係を示す図。
【図１６】本発明の第２実施例のアライメント検出系を示す図。
【図１７】本発明の第３実施例のマーク非対称性と計測誤差の関係を示す図。
【図１８】本発明の第３実施例のアライメント検出系を示す図。
【図１９】本発明の第４実施例の説明で用いる非対称マークモデル。
【図２０】本発明の第４実施例のマーク非対称性と計測誤差の関係を示す図。
【図２１】本発明の第４実施例のアライメント検出系を示す図。
【図２２】本発明の第５実施例の説明で用いる非対称マークモデル。
【図２３】本発明の第５実施例のマーク非対称性と計測誤差の関係を示す図。
【図２４】本発明の第５実施例のアライメント検出系を示す図。
【符号の説明】
１　半導体露光装置
１０　レチクル
１１　縮小投影光学系
１２　ウエハ
１３　ウエハチャック
１４　ウエハステージ
１５　アライメントスコープ
１６　アライメント信号処理部
１７　中央処理装置
１８　アライメント用光源
２５，３０，４２　ビームスプリッタ
２０，２９，３５　開口絞り
１９，２２，２４，２６，２７，２８，３１，３３，４１　レンズ
３２，３４　ラインセンサ
３６，３９，４５　偏光ビームスプリッタ
３７，３８　ミラー
４０　ブロードバンド光源
５０　アライメントマーク
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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