(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各ショット領域ごとに、少なくとも第１のマークと第２のマークとを有するウエハ基板を照明するための照明光学系と、
前記各マークの像を形成するための結像光学系と、
前記各マーク像を検出するための撮像部と、
前記撮像部からの出力信号に基づいて前記第１のマークと前記第２のマークとの重ね合わせずれ量を前記各ショット領域ごとに測定する際に、前記ウエハ基板を０度と１８０度回転させて２回測定し、前記ずれ量のＴＩＳ値を求める演算処理部と、
前記結像光学系に含まれ、前記撮像部の撮像面における色による前記各マーク像のずれを補正する色分散調整機能を有する平行平面板と、
前記ウエハ基板内の前記各ショット領域ごとに色情報が異なるサンプルウエハを用いて、前記各ショット領域ごとの前記ＴＩＳ値に基づき、そのバラツキが最小となるように前記平行平面板の傾き角度を予め求め、調整値として記憶するメモリと、
前記調整値に基づいて、前記平行平面板を駆動し、前記マーク像のずれを光学的に調整するモータと、
を備えたことを特徴とする重ね合わせ測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の重ね合わせ測定装置を用いて前記第１のマークと前記第２のマークとのずれ量を求める工程と、
前記ずれ量に基づいて、所定のパターンを有するマスクと前記ウエハ基板との相対的な位置合わせを行うためのオフセット値を求める工程と、
前記オフセット値に基づいて前記マスクと前記ウエハ基板との相対的な位置合わせを行う工程と、
前記マスクのパターンを前記ウエハ基板に露光する工程とを含むことを特徴とする半導体デバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、重ね合わせ装置及び該装置を備える半導体デバイス製造方法、特に、マスク面上に形成されている電子回路パターンを投影光学系によりウエハ面に投影露光するときに、ウエハ面上の状態を観察し、これによりマスクとウエハとの相対的な位置合わせを行い高集積度の半導体デバイスを製造する場合に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子を製造するためのフォトリソグラフィ工程においては、マスクに形成された回路パターンを投影光学系によりウエハ上に投影露光する。このとき、投影露光に先立って観察装置を用いてウエハ面を観察することによりウエハ上の位置合わせ用マークを検出し、この検出結果に基づいてマスクとウエハとの相対的な位置合わせ、いわゆるアライメントを行っている。アライメントは、重ね合わせ測定装置を用いて投影露光工程において形成されたレジストパターンと下地パターンとの重ね合わせズレ量を測定することにより行う。重ね合わせ測定装置は重ね合わせ（位置合わせ）用マークに対して照明光を照射し、該マークからの反射光を結像光学系を介して所定面に結像し、このマーク像をＣＣＤカメラ等で撮像して画像処理を行い、重ね合わせズレ量を測定する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、重ね合わせ用マークからの反射光が広い波長スペクトルを有している場合、結像光学系固有の色分散特性の影響で結像位置がシフトしてしまい、装置固有の測定誤差値、いわゆるＴＩＳ値（Tool Induced Shift）を生ずる原因の一つとなる。また、フォトリソグラフィ工程の種類によっては、同一のウエハ内においても各ショット（露光領域）間で重ね合わせマークからの反射光の波長スペクトルが異なることがある。このため、同一ウエハ内でもＴＩＳ値がばらついてしまうことがある。この場合、投影露光装置にフィードバックするマスクとウエハとの重ね合わせのズレ量の信頼性が低くなってしまい、正確に重ね合わせて露光できずに歩留まりが低下するという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、結像光学系の色分散特性に応じて色（波長）により発生する重ね合わせマークのずれを調整でき、正確に重ね合わせを測定できる装置と、該装置を用いてマスクとウエハとを正確にアライメントすることができる半導体デバイス製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、各ショット領域ごとに、少なくとも第１のマークと第２のマークとを有するウエハ基板を照明するための照明光学系と、前記各マークの像を形成するための結像光学系と、前記各マーク像を検出するための撮像部と、前記撮像部からの出力信号に基づいて前記第１のマークと前記第２のマークとの重ね合わせずれ量を前記各ショット領域ごとに測定する際に、前記ウエハ基板を０度と１８０度回転させて２回測定し、前記ずれ量のＴＩＳ値を求める演算処理部と、前記結像光学系に含まれ、前記撮像部の撮像面における色による前記各マーク像のずれを補正する色分散調整機能を有する平行平面板と、前記ウエハ基板内の前記各ショット領域ごとに色情報が異なるサンプルウエハを用いて、前記各ショット領域ごとの前記ＴＩＳ値に基づき、そのバラツキが最小となるように前記平行平面板の傾き角度を予め求め、調整値として記憶するメモリと、前記調整値に基づいて、前記平行平面板を駆動し、前記マーク像のずれを光学的に調整するモータと、を備えたことを特徴とする重ね合わせ測定装置を提供する。
【０００７】
また、本発明は、請求項１に記載の重ね合わせ測定装置を用いて前記第１のマークと前記第２のマークとのずれ量を求める工程と、前記ずれ量に基づいて、所定のパターンを有するマスクと前記ウエハ基板との相対的な位置合わせを行うためのオフセット値を求める工程と、前記オフセット値に基づいて前記マスクと前記ウエハ基板との相対的な位置合わせを行う工程と、前記マスクのパターンを前記ウエハ基板に露光する工程とを含むことを特徴とする半導体デバイス製造方法を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
（第１実施形態）
図１（ａ）は、第１実施形態にかかる重ね合わせ測定装置の概略構成を示す図である。光源１から射出した照明光束はコンデンサーレンズ２により集光され視野絞り３を均一に照明する。視野絞り３は図１（ｂ）に示すように矩形開口部Ｓ１を有する。次に、視野絞り３を通過した光束は照明リレーレンズ４により略平行光束に変換され（コリメートされ）、ハーフプリズム５で反射される。そして、第１対物レンズ６により集光され、重ね合わせマーク２０を有するウエハ２１を垂直に照射する。ここで、視野絞り３とウエハ２１とは共役な位置にある為、絞り３の開口部Ｓ１の形状に応じたウエハ２１上の領域が均一に照明される。また、ウエハ２１は回転機構を有するステージ２２上に載置されており、光軸ＡＸを中心にステージを回転することで測定方向の設定を変えることができる。
【００１０】
照明されたウエハ上の重ね合わせマーク２０からの反射光Ｌ１は第１対物レンズ６によってコリメートされ、ハーフプリズム５を透過し、第２対物レンズ７によって再び集光され、色分散調整機能を有する平行平面板１０を透過する。そして、光束Ｌ１は撮像素子ＣＣＤ８上に重ね合わせマーク２０の像を結像する。図２（ａ），（ｂ）は、重ね合わせ（レジスト）マーク２０の構成を示す図である。演算処理装置９は、エッジ検出等の画像処理を行い、重ね合わせマーク２０のマーク中心位置Ｃ１と下地マーク中心位置Ｃ２との差Ｒを重ね合わせズレ量として算出する。好ましくは、図３及び図４に示すようにショット領域Ｓ１〜Ｓ５が各々有するマークＭ１〜Ｍ５を所定方向（図３）と、該所定方向に対してウエハ２１を１８０度回転させた方向（図４）とにおいて２回の重ね合わせズレ量の測定を行うことが望ましい。そして、所定方向における測定結果をＲ0、該方向に対して１８０度回転した方向での測定結果をＲ180とそれぞれしたとき、本装置が有する測定ズレ量のＴＩＳ値は次式により求められる。
【００１１】
ＴＩＳ＝（Ｒ0＋Ｒ180）／２
ここで、ＴＩＳが生じる原因の１つとして、上述したように重ね合わせマーク２０からの反射光の色（波長）の違いによるマーク像全体の結像位置のズレが考えられる。図５は、マーク２１をＣＣＤ上に結像するための第１対物レンズ６とハーフプリズム５と第２対物レンズ７とからなる結像光学系が非対称な色分散特性を有していない場合における、青色光の結像位置ＩＢと赤色光の結像位置ＩＲとをそれぞれ示している。図からわかるように、ＩＢとＩＲとはそれぞれ視野中心Ｃを通る軸Ｌに対して対称な位置に結像している。これに対して、結像光学系が色分散特性を有していると、図６に示すように、青色光の結像位置ＩＢと赤色光の結像位置ＩＲとが軸Ｌに対して非対称となる。このため、上記手順による重ね合わせズレ量の測定値が測定装置固有のＴＩＳ値を含むことになる。非対称な色分散特性を生ずる原因としては、結像光学系を構成する光学素子が偏芯することによるプリズム効果が挙げられる。また、結像光学系が有する色分散量も装置毎に固体差がある。
【００１２】
次に、上述の色の違いによるマーク結像位置のズレを調整する平行平面板１０の機能を説明する。図７に示すように、ＣＣＤ８の撮像面（結像面）Ｓに向って同一光路を進行してきたマークからの反射光のうち波長の異なる光束、例えば青色光ＬＢ（実線）と赤色光ＬＲ（破線）とを考える。２光束ＬＢ，ＬＲが平行平面板１０を透過する場合、図８に示すように平行平面板１０が光軸ＡＸに対して角度θだけ傾斜しているとプリズム効果によって光束ＬＢとＬＲとは異なる光路を通り像面Ｓで異なる位置で結像する。このことは、光軸外の光束ＬＢ’とＬＲ’とについても同様である。このように、反射光の波長によってＣＣＤ上のマーク像の結像位置が異なる。ＬＢとＬＲとの結像位置の差Δは平行平面板１０の傾斜角θをモータＭＴ（図１）により変化させることにより調整することができる。従って、平行平面板１０の傾き角度を調整することで色による結像位置のずれを補正できる。
【００１３】
（第２実施形態）
図９は、上記重ね合わせ測定装置を備えた投影露光装置の全体構成を概略的に示す図である。図示の投影露光装置において、光源３１から射出された光は、照明光学系３２を介して、所定のパターンが形成されたマスク３３を均一に照明する。
【００１４】
なお、光源３１から照明光学系３２までの光路には、必要に応じて光路を偏向するための１つ又は複数の折り曲げミラーが配置される。また、光源３１と投影露光装置本体とが別体である場合には、光源３１からの光の向きを常に投影露光装置本体へ向ける自動追尾ユニットや、光源３１からの光の光束断面形状を所定のサイズ・形状に整形するための整形光学系、光量調整部などの光学系が配置される。また、照明光学系３２は、例えばフライアイレンズや内面反射型インテグレータからなり所定のサイズ・形状の面光源を形成するオプティカルインテグレータや、マスク３３上での照明領域のサイズ・形状を規定するための視野絞り、この視野絞りの像をマスク上へ投影する視野絞り結像光学系などの光学系を有する。さらに、光源３１と照明光学系３２との間の光路はケーシング（不図示）で密封されており、光源３１から照明光学系３２中の最もマスク側の光学部材までの空間は、露光光の吸収率が低い気体であるヘリウムガスや窒素などの不活性ガスで置換されている、
マスク３３は、マスクホルダ３４を介して、マスクステージ３５上においてＸＹ平面に平行に保持されている。マスク３３には転写すべきパターンが形成されており、パターン領域全体のうちＹ方向に沿って長辺を有し且つＸ方向に沿って短辺を有する矩形状（スリット状）のパターン領域が照明される。マスクステージ３５は、図示を省略した駆動系の作用により、マスク面（すなわちＸＹ平面）に沿って二次元的に移動可能であり、その位置座標はマスク移動鏡３６を用いた干渉計３７によって計測され且つ位置制御されるように構成されている。
【００１５】
マスク３３に形成されたパターンからの光は、投影光学系３８を介して、感光性基板であるウエハ３９上にマスクパターン像を形成する。ウエハ３９は、ウエハホルダ４０を介して、ウエハステージ４１上においてＸＹ平面に平行に保持されている。そして、マスク３３上での矩形状の照明領域に光学的に対応するように、ウエハ３９上ではＹ方向に沿って長辺を有し且つＸ方向に沿って短辺を有する矩形状の露光領域にパターン像が形成される。
【００１６】
ウエハステージ４１は、図示を省略した駆動系の作用によりウエハ面（すなわちＸＹ平面）に沿って二次元的に移動可能であり、その位置座標はウエハ移動鏡４２を用いた干渉計４３によって計測され且つ位置制御されるように構成されている。
【００１７】
また、図示の投影露光装置では、投影光学系３８を構成する光学部材のうち最もマスク側に配置された光学部材と最もウエハ側に配置された光学部材との間で投影光学系３８の内部が気密状態を保つように構成され、投影光学系３８の内部の気体はヘリウムガスや窒素などの不活性ガスで置換されている。
【００１８】
さらに、照明光学系３２と投影光学系３８との間の狭い光路には、マスク３３及びマスクステージ３５などが配置されているが、マスク３３及びマスクステージ３５などを密封包囲するケーシング（不図示）の内部に窒素やヘリウムガスなどの不活性ガスが充填されている。
【００１９】
また、投影光学系３８とウエハ３９との間の狭い光路には、ウエハ３９及びウエハステージ４１などが配置されているが、ウエハ３９及びウエハステージ４１などを密封包囲するケーシング（不図示）の内部に窒素やヘリウムガスなどの不活性ガスが充填されている。このように、光源３１からウエハ３９までの光路の全体に亘って、露光光がほとんど吸収されることのない雰囲気が形成されている。
【００２０】
上述したように、投影光学系３８によって規定されるマスク３３上の視野領域（照明領域）及びウエハ３９上の投影領域（露光領域）は、Ｘ方向に沿って短辺を有する矩形状である。従って、駆動系及び干渉計（３７，４３）などを用いてマスク３３及びウエハ３９の位置制御を行いながら、矩形状の露光領域及び照明領域の短辺方向すなわちＸ方向に沿ってマスクステージ３５とウエハステージ４１とを、ひいてはマスク３３とウエハ３９とを同期的に移動（走査）させることにより、ウエハ３９上には露光領域の長辺に等しい幅を有し且つウエハ３９の走査量（移動量）に応じた長さを有する領域に対してマスクパターンが走査露光される。
【００２１】
また、マスク３３とウエハ３９との相対的な位置合わせを行うためのアライメント用光学系ＡＬが投影光学系３８の近傍に設けられている。アライメント光学系ＡＬの構成は上記第１実施形態で述べた重ね合わせ測定装置の構成とほぼ同様であるので説明を省略する。
【００２２】
上記投影露光装置を用いてマスク３３上に形成されたパターンをウエハ３９に投影露光する際、不図示のマスク搬送装置によりマスクを異なるパターンを有する他のマスクに交換し、ウエハ上に順次異なるパターンを重ね合わせて露光する。このため、アライメント光学系ＡＬにより、例えば第１回目の露光により形成された下地パターンと、第２回目の露光によるレジストパターン（重ね合わせマーク）との重ね合わせずれ量を算出し、アライメントのためのオフセット値を求める。そして、このオフセット値に基づいて、マスクステージ３５やウエハステージ４１などを移動することによりマスク３３とウエハ３９との相対的なアライメントを行った後、マスク３３のパターンを投影光学系３８を介してウエハ３９上に露光する。
【００２３】
次に、本投影露光装置におけるアライメント光学系ＡＬ内の平行平面板１０の調整手順について述べる。図３に示したように同一ウエハ内でショット領域が異なる重ね合わせマークＭ１〜Ｍ５が存在する場合、各マークの膜厚の相違等に起因して反射光のスペクトルが各マーク毎に異なる場合、結像光学系の色分散特性により各マークＭ１〜Ｍ５のＴＩＳ値への影響度が異なることがある。従って、ある種のリソグラフィ工程においては、同一ウエハ内においても各マークのＴＩＳ値が大きく異なることがある。
【００２４】
この場合は、ウエハ内のショット領域ごとに色情報（色によるマークの結像位置）が異なるサンプルウエハを用いて、各ショット領域ごとにＴＩＳ値を計測し、そのバラツキ（分散σ）が最小となるように平行平面板１０の傾き角度θを予め求めておくことが望ましい。例えば、図１０（ａ）は、ある処理工程における傾き角度θ（横軸）と分散値σ（縦軸）との関係を示す特性曲線の図である。角度θ0でＴＩＳ値の分散σが最小となる。これに対して、同一のサンプルウエハの他の処理工程における傾き角度θとＴＩＳ分散値σとの関係の特性曲線を図１０（ｂ）に示す。図１０（ａ）、（ｂ）から明らかなように、処理工程の違い、例えば、第１回目の露光工程と第２回目の露光工程とにより、特性曲線の形が異なっている。このため、サンプルウエハを用いて各処理工程ごとにＴＩＳ分散値が最小となる傾き角度θ0を予め調整値として測定しメモリＭ（図９）に記憶しておき、実際の被検ウエハを測定する場合に各処理工程毎に記憶された傾き角度の最適値θ0となるように平行平板１０をモータＭＴにて傾けることでマーク像のずれを光学的に調整する。かかる手順により、色によるマーク像の結像位置ずれを容易に調整できる。
【００２５】
また、本実施形態では、各処理工程毎に平行平面板１０の角度を変えているが、測定時間の短縮化を望む場合、又は複数の処理工程において傾き角度の最適値θ0が略一定である場合などは、平行平面板１０を１つの角度θ0に設定した状態で複数の処理工程を行っても良い。
【００２６】
また、本発明は、請求項に記載したものに限られず、以下の構成を取ることも出来る。
（Ａ）  少なくとも第１のマークと第２のマークとを有する基板を照明するための照明光学系と、
前記各マークの像を形成するための結像光学系と、
前記各マーク像を検出するための撮像部と、
前記撮像部からの出力信号に基づいて前記第１のマークと前記第２のマークとの重ね合わせずれ量を求めるための演算処理部とを有するアライメント装置において、
前記結像光学系は、前記撮像部の撮像面における色による前記各マーク像のずれを所定の情報に基づいて調整する調整部を含むことを特徴とするアライメント装置。
【００２７】
（Ｂ）  所定のパターンが形成されたマスクを照明するための照明光学系と、
基板に形成された位置合わせ用マークを検出する上記（Ａ）記載のアライメント装置と、
前記アライメント装置で得られた重ね合わせずれ量に基づいて前記基板と前記マスクとの相対的な位置合わせを行うための駆動部と、
前記マスクのパターンを前記基板に投影露光するための投影光学系とを有することを特徴とする投影露光装置。
【００２８】
このように、本発明は様々な形態をとることができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る重ね合わせ測定装置によれば、光学系が有する色分散量を最適な値に調整でき、重ね合わせマークからの反射光の波長の違いに起因するマーク像全体の結像位置ズレを防止できる。これにより装置固有の測定誤差の発生を低減し、より高精度な重ね合わせズレ量の測定ができる。また、本発明の半導体デバイス製造方法によれば、マスクとウエハとを相対的に正確に重ね合わせて投影露光できるので、デバイス素子の製造時の歩留まりを向上させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態にかかる重ね合わせ測定装置の構成、（ｂ）は視野絞りの構成をそれぞれ示す図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は重ね合わせマークの構成を示す図である。
【図３】０度方向計測時のウエハを示す図である。
【図４】１８０度方向計測時のウエハを示す図である。
【図５】色分散がない時の波長による結像位置のズレを示す図である。
【図６】色分散がある時の波長による結像位置のズレを示す図である。
【図７】平行平面板が傾斜していない時の青色、赤色光束の光路を示す図である。
【図８】平行平面板が傾斜している時の青色、赤色光束の光路を示す図である。
【図９】第２実施形態にかかる投影露光装置の概略構成を示す図である。
【図１０】（ａ）、（ｂ）は処理工程が異なる場合の傾き角度の特性を示す曲線である。
【符号の説明】
１  光源
２  コンデンサーレンズ
３  視野絞り
４  照明リレーレンズ
５  ハーフプリズム
６  第１対物レンズ
７  第２対物レンズ
８  撮像素子ＣＣＤ
９  演算処理部
１０  平行平面板
２０  重ね合わせマーク
２１、３９  ウエハ
２２  ステージ
３１  光源
３２  照明光学系
３３  マスク
３４  マスクホルダ
３５  マスクステージ
３６  マスク移動鏡
３７  干渉計
３８  投影光学系
４０  ウエハホルダ
４１  ウエハステージ
４２  ウエハ移動鏡
４３  干渉計
ＡＬ  アライメント光学系
Ｍ    メモリ
【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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