(57)【要約】【課題】半導体装置の製造工程のリソグラフィー工程において、オートアライメント機構の使用が不可能な場合、またはサンプルホルダー固定後の微調整が困難な場合に極微細パターンを高精度で再現性良く形成できる位置制御方法を提供する。【解決手段】リソグラフィー工程でウエハ位置制御を行う際に、ウエハ１内の複数特定エリアに描かれた位置検出マークと、ウエハ１を細分化した複数特定のエリア内に描かれた座標検出マークとの双方の機能、用途を兼ね備えたショット内位置座標マーク３（十字型位置座標マーク４）を形成する工程と、上記位置座標マーク３、４を用いて、上記ウエハの傾き角度および座標原点Ｏを求める工程と、回転行列により座標変換した新座標で所望の極微細パターンを高精度に描画する工程と、を含むリソグラフィー位置制御方法とするものである。【選択図】図１
2004103660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置の製造工程のリソグラフィー工程で極微細パターンを高精度に描画する方法であって、
上記リソグラフィー工程のウエハの位置制御において、上記ウエハ内の複数特定エリアに描かれた位置検出マーク、および上記ウエハを細分化した複数特定のエリア内に描かれた座標検出マークの双方の機能・用途を兼ね備えた位置座標マークを形成する工程と、
上記位置座標マークを用いて、上記ウエハの傾き角度を求め、さらにウエハの座標原点を求める工程と、
回転行列により座標変換した新座標で所望の微細パターンを描画する工程とを、少なくとも含むことを特徴とする極微細パターンの高精度描画方法。
【請求項２】
半導体装置の製造工程のリソグラフィー工程において、極微細パターンを高精度に描画する方法であって、
（１）ウエハ内の複数特定エリアに描かれた位置検出マーク、および上記ウエハを細分化した複数特定ショット内に描かれた座標検出マークの双方の機能・用途を兼ね備えた位置座標マークを、縮小投影露光法で描画する工程と、
（２）ウエハをホルダーに装填し、平行出し装置を用いて上記ウエハの水平、垂直方向を較正する工程と、
（３）上記位置座標マークを有したウエハをリソグラフィー装置にローディングする工程と、
（４）まず位置座標マークの縦方向、または横方向の最遠２点をサーチして、その座標からウエハの傾き角度を求め、さらにウエハ原点を求める工程と、
（５）次いで、ウエハの特定エリアである特定ショット内に描かれた特定位置座標マークをサーチして、その座標からショット原点を求める工程と、
（６）上記（４）の工程において、最遠位置座標マークの座標から求めた傾き角度と、特定ショット内の特定位置座標マークから求めたショット原点を用いて、回転行列によって座標変換した新座標で所望の極微細パターンを高精度に描画する工程とを、少なくとも含むことを特徴とする極微細パターンの高精度描画方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムおよび光・電子回路で中心的役割を担う高性能な半導体装置の製造工程の一つであるリソグラフィー工程において、ウエハに所望の極微細パターンを形成する際に要求される高精度の位置制御方法およびそれを用いて製造される半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光・電子デバイスにおいては、高速動作を目的とした集積度向上と共にパターン微細化が進んでおり、そのリソグラフィー工程は既に確立されている。
現在のリソグラフィー技術としては、大別して光露光法とビーム露光法とがある。研究途上の技術も含めると前者には密着、ミラー投影、縮小投影などがあり、後者には、電子ビーム、イオンビーム、Ｘ線ビーム等があり、それぞれ特徴や適用範囲が異なっている。
【０００３】
【非特許文献】
上記従来の技術の中で最も一般的な技術が回路、電極パターン転写に用いられる縮小投影露光法、「論文“回折格子など超微細パターン形成に用いられる電子ビーム露光法”Ｎ．Ｓａｍｏｔｏ　ｅｔ　ａｌ．，Ｊ．Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ．５４，３８５５（１９８３）」があり、最近の描画精度は、前者が±１００ｎｍ、後者が±２０ｎｍとの報告がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような高精度描画が実現されるのは、レーザー干渉などを用いた装置のオートアライメント機構を有する場合のみで、この機構を具有しない装置の場合、またはウエハ内に、このための特定アライメントパターンを導入することができない場合やオートアライメント機構の使用が困難な場合には、位置制御精度が悪くなり、結果として所望の描画精度が実現できなくなってしまう問題がある。
また、サンプルホルダーに固定して露光装置に搬入した後に、サンプル位置の徴調整が難しい場合、あらかじめ平行出し装置を用いてサンプルをホルダーに固定するが、この場合にも微小な角度ずれを起こし、結果としてある所定の間隔で数μｍ程度の位置ずれが生じる場合もある。
したがって、極微細パターンを高精度で再現性良く形成することが要求される半導体装置を作製するためには、装置固有の描画精度を上回る位置制御精度を実現しなくてはならないことになる。
【０００５】
本発明の目的は、半導体装置製造工程のリソグラフィー工程において、オートアライメント機構の使用が不可能な場合、または可能でも、サンプルホルダー固定後の微調整が困難な場合、極微細パターンを高精度で再現性良く形成することが要求される場合に、マニュアル入力で位置制御を高精度化することができるリソグラフィー用高精度位置制御方法を提供し、これにより性能の良い半導体装置を再現性良く簡易に製造できる方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とするものである。すなわち、
請求項１に記載のように、
半導体装置の製造工程のリソグラフィー工程で極微細パターンを高精度に描画する方法であって、
上記リソグラフィー工程でのウエハの位置制御において、上記ウエハ内の複数特定エリアに描かれた位置検出マーク、および上記ウエハを細分化した複数特定のエリア内に描かれた座標検出マークの双方の機能・用途を兼ね備えた位置座標マークを形成する工程と、
上記位置座標マークを用いて、上記ウエハの傾き角度を求め、さらにウエハの座標原点を求める工程と、
回転行列により座標変換した新座標で所望の微細パターンを描画する工程とを、少なくとも含む極微細パターンの高精度描画方法とするものである。
【０００７】
また、請求項２に記載のように、
半導体装置の製造工程のリソグラフィー工程において、極微細パターンを高精度に描画する方法であって、
（１）ウエハ内の複数特定エリアに描かれた位置検出マーク、および上記ウエハを細分化した複数特定ショット内に描かれた座標検出マークの双方の機能・用途を兼ね備えた位置座標マークを縮小投影露光法で描画する工程と、
（ここで、マーク自身の描画精度はマーク形成装置の精度で差しつかえない。）
（２）ウエハをホルダーに装填し、マークチェッカーなどの平行出し装置を用いて上記ウエハの水平、垂直方向を較正する工程と、
（３）上記位置座標マークを有したウエハをリソグラフィー装置にローディングする工程と、
（４）まず位置座標マークの縦方向、または横方向の最遠２点をサーチして、その座標からウエハの傾き角度を求め、さらにウエハ原点を求める工程と、
（５）次いで、ウエハの特定エリア（ショット）にある特定位置座標マークをサーチして、その座標からショット原点を求める工程と、
（６）上記（４）の工程において、最遠位置座標マークの座標から求めた傾き角度と、特定ショット内の特定位置座標マークから求めたショット原点を用いて、回転行列によって座標変換した新座標で所望の極微細パターンを高精度に描画する工程とを、少なくとも含む極微細パターンの高精度描画方法とするものである。
本発明は上記した工程の流れによって高精度位置制御を実現し、これにより、極微細パターンの高精度描画方法を確立して、この描画方法を用いて作製される半導体装置の製造方法を提供するものである。
本発明は半導体装置の製造方法において、極微細パターンを高精度に描画する方法を提供するものであり、リソグラフィーの際のウエハ位置制御に、ウエハ上のマークの位置座標を用いてウエハの傾き、および座標原点を検出し、回転行列により座標変換して新座標で高精度に描画するところに特徴がある。これにより、オートアライメント不可等の場合でも高精度の位置合わせが可能となり、所望する極微細パターンを再現性良く高精度に描画することができる。
【０００８】
本発明では、位置座標マークを導入することによって、オートアライメント機構の使用が不可能な場合、または可能でも、サンプルホルダー固定後の微調整が困難な場合で極微細パターンを高精度で再現性良く形成することが要求される場合に、座標変換してマニュアル入力で位置制御を高精度化することができるリソグラフィー用の高精度位置制御方法である。この方法を用いることにより高精度の半導体装置を再現性よく高歩留まりで簡易に製造できるメリットがある。
本発明は位置制御について大幅な改善が期待できる新しい簡易な作製工程を提供することができ、またこれによって作製される新しい半導体装置の製造方法を提供することができるので、産業界において本発明の極微細パターンの高精度描画方法が果たす役割は極めて大きい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
〈実施の形態１〉
本実施の形態では、ＥＢ露光−回折格子形成（ショット内４点マーク）について述べる。
以下、図１を用いて本実施の形態を説明する。まず、一般的な縮小投影露光装置（図示せず）でフォトマスクを用いて、例えば図１（ａ）に示すように、ウエハ１（例えば２インチウエハ：直径≒５０ｍｍ）の、デバイスを取り出す３×３の９等分領域（ショット：１２ｍｍ×１２ｍｍ正方形エリア）のショット（Ｓｈｏｔ１〜９）２の各ショット四隅部に、例えば図１（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、ショット内位置座標マーク３として、十字型位置座標マーク４（十字型マーク：幅１０μｍ、深さ０．５μｍ、長さ１ｍｍ）を形成する。この十字型位置座標マーク４は、図１（ｄ）に示すように、幅が１０μｍ、深さ０．５μｍの溝により形成された十字型掘り込みマーク５である。
【００１０】
例えば、ショット（Ｓｈｏｔ１〜９）２の四隅部を左上から時計回りにＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、ショット原点Ｏ（０，０）とすると、Ａ（−５５００，５５００）、Ｂ（５５００，５５００）、Ｃ（５５００，−５５００）、Ｄ（−５５００，−５５００）の位置に、上記の十字型位置座標マーク４を配備する。
【００１１】
次に、ＥＢ露光装置（図示せず）にウエハを搬入する。従来は、搬入に先立ってウエハをサンプルホルダーに固定するが、固定後に露光装置内でのサンプル位置微調整はできないため、露光装置搬入前にマークチェッカー（図示せず）などの平行出し装置を用いてＸＹ方向を厳密に合わせる。精度についてはマークチェッカー付随の光学顕微鏡等のステージ上での位置合わせ精度に大きく依存することになる。装置内部の状況をモニターして位置誤差を確認しながら、サンプルホルダーを複数回出し入れして微調整を行うことにより、従来の位置合わせ精度はおよそ３３ｍｍ離れた地点にパターニングする際に±５μｍ〜±２０μｍの位置誤差があった。
【００１２】
なお今回の実施の形態では、装置内でのモニターによるサンプル位置誤差確認と引き続きサンプルを取り出して光学顕微鏡で位置微調整を行う。複数回のサンプルの出し入れを伴う複雑な位置合わせ工程を行うことなく、マークチェッカーで、ある程度平行度を合わせて、そのままステージ固定したサンプルを装置に搬入する。
次に、例えば３×３の９分割ショットを、上段左から順にショット１、２、３、中段左から４、５、６、下段左から７、８、９、とすると、一例としてショット２右上、ショット８右下の最遠位置座標マーク２点の座標を確認する。ショット２右上部マーク（ａ，ｂ）、ショット８右下部マーク（ｃ，ｄ）、ショット８左下部マーク（ｃｓ，ｄｓ）であるとき、この座標より、ウエハ原点Ｏｗ：（Ｏｗｘ，Ｏｗｙ）＝（（ａ＋ｃｓ）／２，（ｂ＋ｄｓ）／２）、ウエハの回転角度θを求める。
ｔａｎθ＝（ａ−ｃ）／（ｂ−ｄ）、
θ＝ｔａｎ−１［（ａ−ｃ）／（ｂ−ｄ）］
この回転角度θを求める工程では、同様に縦方向の最遠２点の位置座標マークでも良いし、横方向（例えばショット４左上とショット６右上など）の最遠２点の位置座標マークを用いて計算しても良い。
続いて、３×３の９ショットの、例えば左上部に位置するショット１内部の位置座標マークの左上と右下（ＡとＣ）、左下と右上（ＤとＢ）の位置座標マークをサーチして確認してその中点よりショット１原点を求める。ショット原点から各ショット内パターンの描画座標（ｘ，ｙ）は既知であるので、ショット１原点を改めてＯ１（０，０）とした場合の描画パターンの変換座標（ｘ′，ｙ′）は回転角度θを用いた座標変換で以下のように表される。
ある描画座標Ｇ１：（ｘｌ，ｙ１）からＧ１′：（ｘ１′，ｙｌ′）への変換に、次の（数１）式で示される回転行列を用いると、
【００１３】
【数１】
2004103660.tif 000003
新しい変換座標Ｇ１′：（ｘｌ′，ｙ１′）は
Ｇ１′＝ＲＧ１、すなわち、次の（数２）式で示される。
【００１４】
【数２】
2004103660.tif 000004
上記のように変換座標（ｘ１′，ｙ１′）を得て描画することによって高精度位置制御描画が実現する。これをショット２〜ショット９まですべて同様に繰り返して描画する。
【００１５】
本発明の方法を用いて実際に行った実験結果について詳細に説明する。
２インチ（≒５０ｍｍ）ＩｎＰ基板に、１２ｍｍ×１２ｍｍの９ショット分割してｉ線ステッパで位置座標マークを形成した。次にサンプルホルダーに装填してマークチェッカーで平行出しを行い、ＥＢ露光装置にサンプルを導入した。
ＥＢ露光装置内で上記方法を用いて、ウエハの傾き角度を求め、座標原点を求め、座標変換して、各ショット内の、ある特定の場所に周期２４２ｎｍのラインアンドスペース、幅２５μｍ、長さ５００μｍの回折格子パターン７（図２参照）を描画した。このパターンをエッチングして、再度ウエハにレジスト塗布して、ｉ線ステッパで各ショット内の特定の場所に幅８μｍのストライプ８（図２参照）を露光した。
【００１６】
図２の光学顕微鏡写真のスケッチ図に示すごとく、上記回折格子パターン７と、上記ストライプ８の重なりの程度で位置合わせ精度が分かる。ウエハの中央部の重なり状況、すなわちショット２上部、ショット５中央、ショット８下部を調べた。図２において、従来方法（１）では、マークチェッカーのみで座標変換しなかった場合で、合わせ誤差は３３ｍｍの間隔（ショット２上部とショット８下部）で±２０μｍと非常に大きかったが、本発明による方法（２）では、合わせ誤差はおよそ±２０ｎｍで、従来の方法に比べて１０００倍の精度向上が確認された。
【００１７】
〈実施の形態２〉
本実施の形態では、ＥＢ露光−回折格子形成（ショット内１点マーク）について述べる。
実施の形態１と同様な回折格子の形成を行う際に、ウエハの一部欠損、または何らかの原因によってショット内位置座標マークの一部が損なわれている場合は、ショット内位置座標マーク１点のみを用いて、以下のように行うことができる。
一般的な縮小投影露光装置でフォトマスクを用いて、２インチ（≒５０ｍｍ）ウエハのデバイスを取り出す３×３の９等分領域（ショット）の各ショット４隅部に十字型位置座標マーク（十字型マーク：幅１０μｍ、深さ０．５μｍ、長さ１ｍｍ）を形成する。例えば、各ショット１２ｍｍ×１２ｍｍのエリアの四隅部を、左上から時計回りにＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、ショット原点Ｏ（０，０）とすると、Ａ（−５５００，５５００）、Ｂ（５５００，５５００）、Ｃ（５５００，−５５００）、Ｄ（−５５００，−５５００）の位置に、上記の十字型位置座標マークを配備する。
この時、ショット１の左上部、左下部の位置座標マーク、すなわちＡ、Ｄがレジストの盛り上がり等で形成不可であったとする。実施の形態１と同様にマークチェッカー等で、あらかじめ平行出しをして、ＥＢ露光装置にホルダー固定されたウエハを搬入し、次にショット２右上、ショット８右下の最遠位置座標マーク２点の座標を確認する。ショット２右上部マーク（ａ，ｂ）、ショット８右下部マーク（ｃ，ｄ）、ショット８左下部マーク（ｃｓ，ｄｓ）であるとき、この座標より、ウエハ原点Ｏｗ：（Ｏｗｘ，Ｏｗｙ）＝（（ａ＋ｃｓ）／２，（ｂ＋ｄｓ）／２）、ウエハの回転角度θを求める。
θは、実施の形態１と同様に、縦方向の最遠２点の位置座標マークでも良いし、横方向（例えばショット４左上とショット６右上など）の最遠２点の位置座標マークを用いて計算しても良い。
続いて、３×３の９ショットの例えば左上部に位置するショット１の内部で確実に形成されている、例えば右上部の位置座標マークをＢ１とする。先程求めたウエハ原点とショット１との位置関係から仮に求めたショット１原点を（０、０）とした場合の座標Ｂ１：（ｂｘ１，ｂｙ１）＝（ｅ，ｆ）をサーチして確認する。すると、Ｂ１から見るとショット１原点座標は（−ｂｘｌ，−ｂｙ１）であるが、これは既に回転しているので、Ｏ１′：（−ｂｘ１′，−ｂｙ１′）と考えられる。回転角度θが含まれる実施の形態１の回転逆行列Ｒ−１を用いてショット１原点Ｏ１の座標は以下のようにして求められる。
Ｏ１＝Ｒ−１Ｏ１′
このようにして求めたショット１原点Ｏ１を改めて（０、０）とする。実施の形態１と同様に描画パターンの変換座標（ｘ′，ｙ′）は回転角度θを用いた座標変換で以下のように表される。
ある描画座標Ｇ１：（ｘ１，ｙ１）からＧ１′：（ｘ１′，ｙ１′）への変換に、次の（数１）式で示される回転行列を用いると、
【００１８】
【数１】
2004103660.tif 000005
新しい変換座標Ｇ１′：（ｘ１′，ｙ１′）は
Ｇ１′＝ＲＧ１、すなわち、次の（数２）式で示される。
【００１９】
【数２】
2004103660.tif 000006
上記のように変換座標（ｘ１′，ｙ１′）を得て描画することによって、高精度位置制御描画が実現する。これをショット２〜ショット９まですべて同様に、マーク形成が確実な１点を用いてショット原点を求めて繰り返して描画する。
実施の形態１と同様に描画位置ずれを評価したところ、所望のエリアに描画する場合の位置誤差は実施の形態１と同様に、およそ±２０ｎｍで、従来の方法に比べて１０００倍精度向上が確認された。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、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いて、極微細パターンを高精度に描画する方法であって、複数位置検出マークと複数座標検出マークを兼ねた新たな位置座標マークを導入することによって、オートアライメント機構の使用が不可能の場合、または可能でも、サンプルホルダー固定後の微調整が困難な場合で極微細パターンを高精度で再現性良く形成することが要求される場合に、座標変換してマニュアル入力で位置制御を高精度化することできるリソグラフィー用高精度位置制御方法であり、これによって、高精度に半導体装置を再現性よく製造することができる。また、本発明の改善された高精度の位置制御を用いた新しい半導体装置の製造工程を提供することができるので、光通信システム、その他で用いられる集積光部品の品質向上を図ることができ、電子・光デバイス作製の基礎的技術として広く応用することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態で例示したウエハおよびショットにおける位置座標マークの配置構成を示す模式図。
【図２】（１）従来のＥＢ露光位置合わせ精度（誤差およそ±２０μｍ）と（２）本発明によるＥＢ露光位置合わせ精度（誤差およそ±２０ｎｍ）を比較して示す光学顕微鏡写真のスケッチ図。
【符号の説明】
１…ウエハ（２インチウエハ：直径≒５０ｍｍ）
２…ショット（Ｓｈｏｔ１〜９）
３…ショット内位置座標マーク
４…十字型位置座標マーク
５…十字型掘り込みマーク
６…ショット原点Ｏ
７…回折格子パターン
８…ストライプ
【図１】
2004103660.tif 000007
【図２】
2004103660.tif 000008