(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１ショットの撮像画面内に全てが入るように配列され、フレーム幅又は外形寸法の少なくとも一方が、２種類以上となるように構成された複数の矩形パターンからなるウェハアライメントマークを用いてアライメントを行う画像処理アライメント方法において、
前記ウェハアライメントマークをアライメント顕微鏡を通してＣＣＤカメラで撮像することにより、前記ウェハアライメントマークを構成する矩形パターン毎に信号波形を計測し、
前記信号波形の強度の最大値と最小値の差と予め定めた規格値とを比較して、前記信号波形の強度の最大値と最小値の差が前記規格値以上となる計測結果を正常と判断し、前記信号波形の強度の最大値と最小値の差が前記規格値よりも小さい計測結果を異常と判断し、
異常と判断された前記矩形パターンの計測結果を除外してアライメントの位置ずれ量を算出することを特徴とする画像処理アライメント方法。
【請求項２】
各々の前記ウェハアライメントマークについて、正常な信号波形の得られた矩形パターン数と最小必要パターン数とを比較して、
前記正常な信号波形の得られた矩形パターン数が前記最小必要パターン数よりも少ない前記ウェハアライメントマークの計測を全て異常と判断し、
異常と判断された前記ウェハアライメントマークの計測結果を除去して、アライメントの位置ずれ量を算出することを特徴とする請求項１記載の画像処理アライメント方法。
【請求項３】
各々の矩形パターンの位置ずれ量の平均値を、前記アライメントマークもしくは前記ショットの位置ずれ量とすることを特徴とする請求項１又は２記載の画像処理アライメント方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一に記載の画像処理アライメント方法を少なくとも１回、フォトリソグラフィ工程に用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像処理アライメント用アライメントマーク及び該アライメントマークを用いた画像処理アライメント方法並びに半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、図１２に示すように、Ｘ、Ｙ方向のファインアライメントを行うためのウェハアライメントマークをそれぞれスクライブ領域に配置していた。この画像処理用ウェハアライメントマークとしては、幅６μｍ、長さ３０μｍ程度のＢＯＸ型あるいはフレーム型のラインを間隔６μｍ程度で７〜９本程度並べたＬ／Ｓマークが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記画像処理ウェハアライメントマークが設計値通りの寸法で形成されていればアライメントの精度を確保することができるが、通常、様々な半導体製造プロセスを経たウェハアライメントマークの形状や寸法がデバイス設計者の想定通りであることはむしろまれであって、変形・非対称性・プロセスばらつき等によってアライメント計測エラー・不具合がしばしば発生するという問題がある。
【０００４】
このようなアライメント計測エラー・不具合を防止するには、マーク幅等の水準を振った複数のアライメントマークを設けることが望ましいが、リソグラフィ工程は通常２０工程以上もあるため、従来のウェハアライメントマーク及びアライメント方法では、スクライブ領域の面積の制限から何工程にもわたって複数のウェハアライメントマークを設けることは非常に困難であった。
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、ウェハアライメントマークの占有面積を増加させることなく、プロセス起因のアライメント精度劣化を改善し、重ね合せ精度を格段に向上でき、さらにスループットを向上させることのできる画像処理アライメント用ウェハアライメントマーク及び画像処理アライメント方法並びに半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【問題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のアライメント方法は、１ショットの撮像画面内に全てが入るように配列され、フレーム幅又は外形寸法の少なくとも一方が、２種類以上となるように構成された複数の矩形パターンからなるウェハアライメントマークを用いてアライメントを行う画像処理アライメント方法において、前記ウェハアライメントマークをアライメント顕微鏡を通してＣＣＤカメラで撮像することにより、前記ウェハアライメントマークを構成する矩形パターン毎に信号波形を計測し、前記信号波形の強度の最大値と最小値の差と予め定めた規格値とを比較して、前記信号波形の強度の最大値と最小値の差が前記規格値以上となる計測結果を正常と判断し、前記信号波形の強度の最大値と最小値の差が前記規格値よりも小さい計測結果を異常と判断し、異常と判断された前記矩形パターンの計測結果を除外してアライメントの位置ずれ量を算出するものである。
【００１０】
本発明においては、各々の前記ウェハアライメントマークについて、正常な信号波形の得られた矩形パターン数と最小必要パターン数とを比較して、前記正常な信号波形の得られた矩形パターン数が前記最小必要パターン数よりも少ない前記ウェハアライメントマークの計測を全て異常と判断し、異常と判断された前記ウェハアライメントマークの計測結果を除去して、アライメントの位置ずれ量を算出する構成とすることができる。
【００１１】
また、本発明においては、各々の矩形パターンの位置ずれ量の平均値を、前記アライメントマークもしくは前記ショットの位置ずれ量とする構成とすることもできる。
【００１２】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、上記記載の画像処理アライメント方法を少なくとも１回、フォトリソグラフィ工程に用いるものである。
【００１３】
このように、本発明は、フレームの幅や大きさを変化させた複数の矩形パターンが配列された画像処理アライメント用ウェハアライメントマークを用い、各々の矩形パターンの信号波形を計測して規格値と比較し、又、信号波形の正常な矩形パターンの数と予め定めた値とを比較して異常な計測結果を除外してアライメントの位置ずれ量を算出することにより、ウェハアライメントマークの占有面積を増加させることなく、プロセスに起因するアライメント精度の劣化を抑制し、重ね合せ精度を格段に向上させることができる。また、このような画像処理アライメント方法を半導体プロセスに組み込むことによって、半導体装置のスループットを向上させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る画像処理アライメント用ウェハアライメントマークは、その好ましい一実施の形態において、複数の矩形パターン（フレーム型矩形パターン又はＢＯＸ型矩形パターン）を撮像画面内に入るように配列し、各々の矩形パターンのフレーム幅や大きさを変化させて構成するものであり、フレーム幅又は大きさを変化させた矩形パターンを用いることにより、様々な半導体製造プロセスを経た後、いずれかの矩形パターンで不具合が生じた場合であっても、他の矩形パターンを用いてアライメントの位置ずれ量を算出することができ、これにより、重ね合せ精度を格段に向上させ、半導体装置のスループットを向上させることができる。
【００１５】
【実施例】
上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００１６】
［実施例１］
まず、本発明の第１の実施例に係る画像処理アライメント用ウェハアライメントマーク及び画像処理アライメント方法並びに半導体装置の製造方法について、図１乃至図３及び図７乃至図１１を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施例に係る画像処理アライメント用ウェハアライメントマークの構造を示す平面図であり、図２及び図３は、そのバリエーションを示す平面図である。また、図７は、露光装置に入力するパラメータを示す図であり、図８は矩形パターンの信号波形の一例、図９及び図１０は、本発明の効果を示す図である。又、図１１は、本実施例の画像処理アライメント方法の手順を示すフローチャート図である。
【００１７】
上述したように、様々な半導体製造プロセスを経たウェハアライメントマークの形状や寸法がデバイス設計者の想定通りであることはむしろまれであって、変形・非対称性・プロセスばらつき等によってアライメント計測エラー・不具合がしばしば発生する。
【００１８】
そこで、本実施例では、ウェハアライメントマークの重ね合せ精度を大きく向上させるために、画像処理アライメント用ウェハアライメントマーク１を図１（ａ）に示すように２個以上の矩形パターン１ａが撮像画面内に全て入るように並べて構成し、かつ、各々の矩形パターン１ａのフレーム幅あるいは大きさを少なくとも２種類以上設け、これにより、アライメント計測エラー・不具合を低減している。
【００１９】
具体的に説明すると、図１（ｃ）はウェハ３上のショットマップを示しており、各々のショット２のスクライブ領域には、図１（ｂ）に示すように本発明の画像処理アライメント用ウェハアライメントマーク１が形成されている。このウェハアライメントマーク１は、図１（ａ）に示すようにフレームの幅を変化させた複数個の矩形パターン１ａで構成され、全体としては従来の画像処理用Ｌ／Ｓウェハアライメントマーク１組と同程度の大きさである。
【００２０】
この矩形パターン１ａを形成するフレームの幅は、通常０．２μｍ〜２μｍ程度である。図では、例えば０．２、０．４、０．６、０．８、１．０、１．２μｍ幅と変化させた構成を記載している。また、矩形パターン１ａの大きさは、通常１μｍ〜３０μｍ程度であり、小さいほどウェハアライメントマーク１の占有面積を縮小することができるが、小さくしすぎるとアライメント用光学系の解像度の観点から計測精度が劣化するので適当な値を選択する。図では、５μｍ□の正方形を２列に計６個並べた構成としている。
【００２１】
なお、矩形パターン１ａは正方形である必要は無く、Ｘ、Ｙ方向ともおよそ１μｍ〜３０μｍ程度の幅であれば長方形であってもよい。基本的にはスループット向上のためＸ、Ｙ同時計測をするが、スクライブ領域に余裕がある場合には、図２に示すように矩形パターン１ａを一列に配置して、一般的に行われているＸ、Ｙ別計測を行うこともできる。
【００２２】
また、矩形パターン１ａのフレーム幅は、図１及び図２のように太→細（あるいは細→太）の方向に順次変化させる必要は無く、２種類以上のフレーム幅を有する構成である限り、図３に示すように太→細→太となっていてもよいし、もっとランダムに変化させてもよい。
【００２３】
アライメント露光に際して、露光装置には図７に示すようなパラメータを入力する。代表的なパラメータとしては、１組のウェハアライメントマーク１を構成する矩形パターン１ａの個数、位置ずれ量の算出に最小限必要な矩形パターン１ａの個数、各矩形パターン１ａのＸ、Ｙ座標とパターンサイズ等である。通常これらは、ショットマップ、露光量、フォーカスオフセット等を設定するジョブファイル内にともに記述される。
【００２４】
次に、図１１のフローチャート図を参照して、本実施例の画像処理アライメント方法の流れについて説明する。まず、ウェハ３は露光装置のウェハステージにロードされ、ローディングばらつきがラフアライメントで補正された後、ファインアライメントが行われる。
【００２５】
そして、ステップＳ１０１で、図１（ａ）に代表されるウェハアライメントマーク１がアライメント顕微鏡を通してＣＣＤカメラに撮像される。次に、ステップＳ１０２でマーク番号Ｎを１に設定し、１番目の矩形パターン１ａの信号処理を行う（ステップＳ１０３）。具体的には、図８（ａ）に示すように矩形パターン１ａをＸ方向に走査すると、図８（ｂ）に示すような信号波形が出力される。
【００２６】
そして、ステップＳ１０４で信号強度と規格値を比較し、信号の最大値と最小値の差（図８の矢印）が規格値よりも大きければその計測を正常と判断し、信号の最小値やスライスレベルの中点などから位置ずれ量を算出し、記憶・演算部に記憶させる（ステップＳ１０５）。また、信号の最大値と最小値の差が規格値よりも小さければその計測を異常と判断し、データ処理には使用しない（ステップＳ１０６）。Ｙ方向についても同様のことを行う。この正常・異常の判断は、Ｘ、Ｙ方向独立で行ってもよいし、Ｘ、Ｙ方向とも正常の場合のみ正常と判断する構成としてもよい。
【００２７】
そして、ステップＳ１０７で最後のマークか否かを判断し、最後のマークでない場合には、ステップＳ１０８でマーク番号Ｎを加算し、同様の処理を最後のパターンまで繰り返す。その後、ステップＳ１０９で、正常と判断したパターン数と最小必要パターン数とを比較し、正常と判断したパターン数が規格に達していれば、ステップＳ１１０で計測結果全ての平均を算出し、それを該ショットの位置ずれ量として記憶・演算部に記憶させ、ジョブファイル内で設定された次のアライメントショットへと進む。ここで、平均値を採用する理由としては、どの計測結果もノイズ等によるランダムなばらつきを含んでおり、平均化することによってランダムなばらつきをキャンセルできて計測精度を向上させられるためである。
【００２８】
また、ステップＳ１０９で正常と判断したパターン数が最小必要パターン数よりも少なければ、該ショットの計測は全て異常と判断し、データ処理には使用せず、次のアライメントショットへと進む（ステップＳ１１１）。
【００２９】
なお、図１１の処理は全て電気信号処理であって、ステージ駆動等を伴っていないので、実際上、撮像から終了 (＝次ショットへの移動開始直前)までは瞬間的に行われると言ってよい。
【００３０】
そして、すべてのアライメントショットの計測が終了したら、各アライメントショットの位置ずれ量を最小二乗法等により統計処理して、オフセット（並進誤差）、スケーリング（伸縮誤差）、ローテーション（回転誤差）等を算出し、その結果に基づいてショットマップを補正して露光を行う。
【００３１】
このように、本実施例の画像処理アライメント用ウェハアライメントマークの構造及び画像処理アライメント方法によれば、ウェハアライメントマーク１をフレーム幅又は大きさが異なる複数の矩形パターン１ａによって構成しているため、様々な半導体製造プロセスによって一部の矩形パターン１ａの形状が崩れた場合であっても、フレーム幅又は大きさの異なる他の矩形パターン１ａを用いて信号波形を計測することができる。そして、計測可能な矩形パターン１ａの数と予め定めた最小必要パターン数と比較し、異常と判断されたパターンやショットの計測結果を除外してアライメントの位置ずれ量を算出することにより、確実にアライメントを行うことができる。
【００３２】
例えば、図９のようなマーク形状であれば、いずれのパターンからも比較的良好な信号波形が得られると考えられ、フレーム幅がどうであっても特に問題は無い。しかし、図１０のようなマーク形状であれば、細すぎるフレームはマーク内が詰まってしまい、信号はほとんど得られない可能性がある。このような場合、従来のようにパターンが１種類しかなければアライメントエラーが続出することになるが、本発明では、１つのウェハアライメントマーク１の中にフレーム幅を変化させた矩形パターン１ａを複数設けることによって、アライメント不具合が発生する確率を格段に減少させることができる。
【００３３】
［実施例２］
次に、本発明の第２の実施例に係る画像処理アライメント用ウェハアライメントマーク及び画像処理アライメント方法並びに半導体装置の製造方法について、図４乃至図６を参照して説明する。図４は、第２の実施例に係るアライメントマークの構成を示す平面図であり、図５及び図６は、そのバリエーションを示す平面図である。
【００３４】
前記した第１の実施例では、アライメントマーク１を構成するフレーム型矩形パターン１ａのフレーム幅を変化させているが、図４、５、６に示すように、アライメントマーク１をＢＯＸ型矩形パターン１ｂで構成し、ＢＯＸ型矩形パターン１ｂの大きさを変化させることもできる。この場合も、効果・依存性が若干小さくなるものの、第１の実施例とほぼ同様の効果が得られる。これは、ＢＯＸ型矩形パターン１ｂの大きさが変化すれば、そのエッジの形状やマーク内部に堆積する膜厚が変化することにより、信号波形もやはり変化するためである。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の画像処理アライメント用ウェハアライメントマーク及び画像処理アライメント方法並びに半導体装置の製造方法によれば、アライメントマークの占有面積を増加させることなく、プロセス起因のアライメント精度劣化を改善し、重ね合せ精度を格段に向上でき、またショット内のアライメントマーク面積を低減でき、さらにスループットを向上させることができる。
【００３６】
その理由は、本発明の画像処理アライメント用ウェハアライメントマークは、フレームの幅又は大きさが異なる複数の矩形パターンによって構成されているため、様々な半導体製造プロセスによって一部の矩形パターンに不具合が生じた場合であっても、幅又は大きさの異なる他の矩形パターンを用いて信号波形を計測することができ、計測可能なパターンの数と予め定めた最小必要パターン数と比較して異常と判断された計測結果を除外してアライメントの位置ずれ量を算出することにより、確実にアライメントを行うことができるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係るウェハアライメントマーク（フレーム型矩形パターン）の構成を示す平面図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係るウェハアライメントマーク（フレーム型矩形パターン）の他の構成を示す平面図である。
【図３】本発明の第１の実施例に係るウェハアライメントマーク（フレーム型矩形パターン）の他の構成を示す平面図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係るウェハアライメントマーク（ＢＯＸ型矩形パターン）の構成を示す平面図である。
【図５】本発明の第２の実施例に係るウェハアライメントマーク（ＢＯＸ型矩形パターン）の他の構成を示す平面図である。
【図６】本発明の第２の実施例に係るウェハアライメントマーク（ＢＯＸ型矩形パターン）の他の構成を示す平面図である。
【図７】露光装置に入力されるパラメータを示す図である。
【図８】本発明の第１の実施例に係るウェハアライメントマークの信号波形を模式的に示す図である。
【図９】本発明の効果を示す図であり、検出が良好に行われる場合の図である。
【図１０】本発明の効果を示す図であり、アライメント計測エラー・不具合が発生する場合の図である。
【図１１】本発明の第１の実施例に係る画像処理アライメント方法の手順を示すフローチャート図図である。
【図１２】従来のウェハアライメントマークの構成を示す平面図である。
【符号の説明】
１  アライメントマーク
１ａ  フレーム型矩形パターン
１ｂ  ＢＯＸ型矩形パターン
２  ショット
３  ウェハ
【図１】
0003953355.tif 000002
【図２】
0003953355.tif 000003
【図３】
0003953355.tif 000004
【図４】
0003953355.tif 000005
【図５】
0003953355.tif 000006
【図６】
0003953355.tif 000007
【図７】
0003953355.tif 000008
【図８】
0003953355.tif 000009
【図９】
0003953355.tif 000010
【図１０】
0003953355.tif 000011
【図１１】
0003953355.tif 000012
【図１２】
0003953355.tif 000013