(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイス製造ラインの所定の工程で、下層のパターンが形成されて表面にレジストが塗布された基板上に所定の露光装置を用いて露光用マスクに形成されたパターンを、製品および工程に固定的な誤差と製品および工程および露光装置の経時的な合わせ精度の変化とを補正して投影し重ねあわせ露光する方法であって、
前記補正する製品および工程に固定的な誤差として前記露光用マスクに形成されたパターンの位置誤差を補正し、
前記補正する製品および工程および露光装置の経時的な合わせ精度の変化として、過去に前記露光装置を用いて前記製品および工程で露光した基板を合わせ検査装置で検査して得たデータを用いて算出した前記所定の露光装置の経時的な合わせ精度の変化を用いる
ことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項２】
前記露光用マスク上に形成されたパターンの位置誤差として、前記露光用マスク上に形成されたアライメントマークとデバイス領域との相対的な位置ずれを、前記アライメントマークと，前記マスクの露光領域内に設けられた重ねあわせ測定用マークとの相対的な位置を測定した結果を用いて求めることを特徴とする請求項１記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項３】
前記露光用マスク上に形成されたパターンの位置誤差として、前記露光用マスク上に形成されたアライメントマークとデバイス領域との相対的な位置ずれを、前記アライメントマークと，前記マスクの露光領域内に設けられた重ねあわせ測定用マークとの相対的な位置を測定して、前記アライメントマークに対する前記デバイス領域の回転量およびシフト量として求めることを特徴とする請求項１記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項４】
前記露光用マスク上に形成されたパターンの位置誤差として、前記露光用マスク上に形成されたアライメントマークとデバイス領域との相対的な位置ずれを予め測定することを、半導体デバイスの製造ラインに対してオフラインで行うことを特徴とする請求項１記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項５】
前記補正する製品および工程に固定的な誤差として前記露光用マスクに形成されたパターンの位置誤差を補正し、前記補正する製品および工程および露光装置の経時的な合わせ精度の変化として、過去に前記露光装置を用いて前記製品および工程で露光した基板を合わせ検査装置で検査して得たデータを用いて算出した前記所定の露光装置の経時的な合わせ精度の変化を用いて補正することにより、前記基板上に形成された下層のパターンとの合わせずれを２０ｎｍ以下に抑えて重ねあわせ露光することを特徴とする請求項１記載の半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，露光用マスク及びそれを用いた半導体デバイスの製造に関し，特に露光工程における重ねあわせ精度の高精度化に好適な露光用マスク及びそれを用いた半導体デバイス製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造においては，露光用マスク(以下，マスクと省略)に形成されたパターンを，フォトレジストが塗布された半導体ウエハ(以下，ウエハと省略)上に，投影露光装置を用いて転写することにより，半導体デバイスの回路パターンが形成される。半導体デバイスは複数層の回路パターンにより構成され，ある層の回路パターンの露光にあたっては，それより下層の回路パターンとの位置合わせ(アライメント)を行う必要がある。
【０００３】
図５はステップアンドリピート方式の縮小投影露光装置の構成図である。ウエハステージ５４の上にウエハ５５が載置され，このウエハ５５の近傍のウエハステージ５４上に基準マーク板５５７が固定されている。そして図示省略された照明光学系からの露光光により，マスク５１２上のパターンの像が投影光学系５８を介してウエハ５５上の各ショット領域に投影露光される。この際，ウエハステージ５４はウエハ座標系に沿って駆動されるので，マスク５１２のウエハ座標系での位置，およびマスク５１２のウエハ座標系に対する回転角を計測しておく必要がある。そのために，マスク５１２のパターン領域の近傍には対抗するように２個のアライメントマーク(レチクルマーク) ５６０Rおよび５６１Rが形成され，基準マーク板５５７上には，それらレチクルマーク５６０R, ５６１Rのウエハ５上での設計上の間隔と等しい間隔で２個の基準マーク５６０F, ５６１Fが形成されている。
【０００４】
また，マスク５１２上のレチクルマーク５６０R, ５６１Rの上にはそれぞれアライメント顕微鏡５５８および５５９が配置されている。アライメント顕微鏡５５８, ５５９はそれぞれ，露光光と同じ波長のアライメント光を射出する照明光源（図示せず）と，マスク５１２上のレチクルマークとウエハ５５上のアライメントマーク(ウエハマーク)または基準マーク板５５７上の基準マークを同時に観察できるセンサ（図示せず）とを備えている。
【０００５】
図５の露光装置でウエハ５５への露光を行う際には，順次ウエハステージ４のみをステップ・アンド・リピート方式で移動することによって，ウエハ５５の各ショット領域にマスク５１２上のパターンの像がそれぞれ露光される。このような露光装置において，前工程で形成されたウエハ５５上の回路パターンの上に更にマスク５１２のパターン像を露光するような場合には，ウエハ５５上の各ショット領域の座標を規定するウエハ座標系と，マスク５１２上のパターンの座標系を規定するマスク座標系との対応を取る，すなわちアライメントを行う必要がある。
【０００６】
このアライメントは，たとえば以下のような手順で行われる。まず，ウエハステージ５４を駆動して，基準マーク板５５７を投影光学系５８の露光フィールド内に移動させた後，一方のレチクルアライメント顕微鏡５５８によってレチクルマーク５６０Rと基準マーク５６１Fとの位置ずれ量を検出して，それら位置ずれ量からウエハ座標系上でのレチクル５１２のパターン位置を求める。さらに、ウェハステージ５４を駆動して基準マーク５６０Fを基準マーク５６１Fの位置へ移動して，レチクルアライメント顕微鏡５５９によってレチクルマーク５６１Rと基準マーク５６０Fとの位置ずれ量を検出することによって，ウエハ座標系でのレチクル５１２の回転角を計測する。そしてレチクル５１２またはウエハステージ５４を回転させてその回転角を補正することによって，ウエハ座標系とレチクル座標系との対応づけを行うものである。
【０００７】
また，図５においては，ウエハ５５上の各ショット領域に対応して形成されたウエハマークの位置を検出するために，投影光学系５８の側面部にオフアクシス方式のアライメント顕微鏡５３４が設けられている。この場合，このアライメント顕微鏡５３４で検出されたウエハマークの位置に基づいて，対応するウエハ５５上のショット領域が投影光学系５８の露光領域内に設定される。したがってあらかじめ投影光学系５８の露光フィールド内の基準点(たとえば露光中心)と，オフアクシス方式のアライメント顕微鏡５３４の観察領域の基準点６２との間隔であるベースライン量を求めておく必要がある。
【０００８】
このようなベースライン量を計測する際には，レチクルマーク５６０R，５６１Rとウエハステージ５４上の基準マーク５６０F, ５６１Fの共役像との位置ずれ量を計測した後に，例えばベースライン量の設計値に等しい量だけウエハステージ５４を移動させて，アライメント顕微鏡５３４によりその基準点５６２と基準マーク板５５７上の対応する基準マークとの位置ずれ量を計測し，それらの位置ずれ量からベースライン量を求めている。
【０００９】
以上に説明したアライメント動作はいずれもマスク上に形成されたアライメントマークを用いて行うため，マスク上のアライメントマーク位置に誤差があった場合，そのまま露光されるウエハの重ねあわせ誤差となり，半導体デバイスの歩留まり低下の原因となる可能性がある。
【００１０】
特に近年においては半導体デバイスの急速な微細化の進展により，マスク描画に起因するマスク上のパターン位置の誤差の露光時の重ねあわせ精度へあたえる影響が問題となってきており，この影響を低減する露光方法の発明がなされている。
【００１１】
たとえば，特開平７−１７６４６８号公報(従来技術１)では，走査方向に複数のアライメントマークを形成したマスクを用いて，露光装置上でこれらマークの位置を測定して，測定結果の平均化効果によって，マスクの描画誤差の影響を低減させる走査形の投影露光方法の例が開示されている。
【００１２】
また，特開平７−２９８０３号公報(従来技術２)では，露光装置でマスク上の複数のパターンの位置の測定から，マスクの描画誤差を求め，露光時には前記誤差を補正するように，マスクまたはウエハを移動させながら走査露光を行う露光装置の例が開示されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術１及び２では、マスクの全体的な描画誤差を平均化して誤差を低減するものであって，レチクルアライメントマークとデバイスエリアとの相対的な位置誤差については考慮されていない。このため，レチクルアライメントに起因する重ねあわせ誤差の補正には必ずしも十分とは言えない。
【００１４】
また，上記の従来技術１及び２では、露光装置上でマスクの描画位置精度を計測するものであるが，この場合，露光装置を露光以外で占有することによりデバイス生産のスループットを低下させる要因となり，特に多種・多数のレチクルを使用するシステムLSI等の多品種少量生産においては問題になると考えられる。
【００１５】
本発明は上記従来技術の課題を解決すべく，マスク上のアライメントマークとデバイス領域の相対的な位置誤差を測定し，露光時には前記測定結果を補正値として露光装置に設定することにより，マスク上のアライメントマークとデバイス領域に相対的な位置誤差があっても，デバイス領域での重ねあわせ精度を得ることを可能とする技術を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために，本発明による露光用マスクは，基板上に形成されたアライメントマークと，デバイス領域の相対的な位置ずれが測定され，そのデータが，品質保証用データとして添付されたことを特徴とする。
【００１７】
さらに，本発明による露光用マスクは，前記基板上のアライメントマークと，デバイス領域の相対的な位置ずれの測定は，アライメントマークと，デバイス領域の４隅にそれぞれ設けられた，重ねあわせ測定用マークとの相対位置の測定であることを特徴とする。
【００１８】
また，本発明による露光用マスクは，前記基板上のアライメントマークと，デバイス領域の相対的な位置ずれの測定結果はアライメントマークに対するデバイス領域の回転量およびシフト量で表現されていることを特徴とする。これにより先に示した本発明による半導体デバイスの製造を容易に行うことが可能となる。
【００１９】
また、上記の目的を達成するために，本発明による半導体デバイスの製造方法は、半導体デバイス製造ラインの所定の工程で、下層のパターンが形成されて表面にレジストが塗布された基板上に所定の露光装置を用いて露光用マスクに形成されたパターンを、製品および工程に固定的な誤差と製品および工程および露光装置の経時的な合わせ精度の変化とを補正して投影し重ねあわせ露光する方法であって、前記補正する製品および工程に固定的な誤差として前記露光用マスクに形成されたパターンの位置誤差を補正し、前記補正する製品および工程および露光装置の経時的な合わせ精度の変化として、過去に前記露光装置を用いて前記製品および工程で露光した基板を合わせ検査装置で検査して得たデータを用いて算出した前記所定の露光装置の経時的な合わせ精度の変化を用いることを特徴とする。
【００２０】
また，本発明による半導体デバイス製造方法は前記露光用マスク上のアライメントマークと，デバイス領域の相対的な位置ずれの測定は，アライメントマークと，デバイス領域の４隅にそれぞれ設けられた，重ねあわせ測定用マークとの相対位置の測定であることを特徴とする。さらに，本発明による半導体デバイス製造方法は，前記露光用マスク上のアライメントマークと，デバイス領域の相対的な位置ずれの測定は，その結果がアライメントマークに対するデバイス領域の回転量およびシフト量で表現されることを特徴とする。これにより露光時のアライメント補正へのフィードバックを容易に行うことが可能となる。
【００２１】
また，本発明による半導体デバイス製造方法は，前記露光用マスク上のアライメントマークと，デバイス領域の相対的な位置ずれの測定は，露光装置以外の装置でオフラインで行うことを特徴とする。測定をオフラインで行うことにより，露光工程のスループットに影響を与えることなく，合わせ精度を向上させることが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施の形態について，図１〜図４を用いて説明する。
【００２３】
なお，以下説明する各実施形態は，半導体ウエハ上に半導体デバイスを形成する例について説明を行うが，同様の手法は液晶基板，ハードディスクドライブの磁気ヘッド等，露光用マスクに形成されたパターンを投影露光によって転写することにより製造される製品へも適用することが可能である。
【００２４】
図１(a)〜(c)は本発明における半導体デバイス製造方法の実施の形態を説明する図である。図中１は露光用マスク，２ａ,２ｂはアライメントマーク，３は露光領域で，この領域内にあるパターンは露光装置によって，たとえば半導体ウエハの表面に塗布されたフォトレジストに転写される。４はデバイス領域で，この領域にある回路パターンがウェハ表面に塗布されたフォトレジストに転写されて処理されることにより，半導体デバイスの回路パターンが形成される。５ａ〜５ｄは重ねあわせ測定用マークで，今回対象とする工程よりも前の工程で形成されて今回露光対象とする層よりも下の層にある回路パターンとの重ねあわせを測定するためのマークである。また，６X,６Yは基準座標系である。
【００２５】
図１(a)はアライメントマークと，デバイス領域の相対的な位置ずれがない場合のアライメント後のマスクの位置関係を示す。この場合デバイス領域は基準座標系に対して正しく位置決めされる。半導体デバイスの製造工程に関わる全てのマスクでこの状態を実現できれば，前工程で形成された回路パターンとの重ねあわせにおいて，マスクのアライメントに起因する誤差は生じない。
【００２６】
しかし図１(b)の様に，マスク１の製造工程が原因で、アライメントマーク２ａ，２ｂと，デバイス領域４の相対的な位置ずれが存在した場合は，仮にアライメントマーク２ａ，２ｂを用いたアライメントが正しく行われたとしても，マスク１上のデバイス領域４は基準座標系に対して位置ずれを起こすことになる。露光用マスク１のアライメントマーク２ａ，２ｂとデバイス領域４の相対的な位置ずれが，半導体デバイスの各工程で用いるマスク１のそれぞれにおいて異なる場合には，これが原因となって前工程で形成されたパターンとの重ねあわせ誤差が生じる可能性がある。
【００２７】
しかし，マスク１上のアライメントマーク２ａ，２ｂとデバイス領域４の相対的な位置ずれは固定的なものであるから，これを測定して露光工程でアライメントを行う時にマスク座標系と基準座標系とのずれの調整量に補正を加えれば，マスク１上のアライメントマーク２ａ，２ｂとデバイス領域４の相対的な位置ずれの如何に関わらず，デバイス領域４を基準座標系に対して正しく位置決めすることができ，前工程で形成された回路パターンとの重ねあわせ精度を向上させることが可能となる(図１(c))。
【００２８】
露光用マスク上のアライメントマーク２ａ,２ｂとデバイス領域４の相対的な位置ずれの測定は，図１において，デバイス領域を囲む重ねあわせ測定用マーク５ａ〜５ｄと，アライメントマーク２ａ,２ｂとの相対位置を測定する方法が，新たに位置ずれ測定のためのマークを設ける必要もなく容易に実現可能である。通常重ねあわせ測定用マーク５ａ〜５ｄは、図１に示すように，デバイス領域４の４隅に設けられるが，図２(a)に示すようにデバイス領域４の周囲に４つ以上設けても，また図２(b)に示すようにデバイス領域４の内部に設けてもよい。
【００２９】
また，図３に示すように，アライメントマーク２ａ,２ｂとデバイス領域４の相対的な位置ずれの測定結果はアライメントマーク２ａ,２ｂに対するデバイス領域４の回転量３１およびシフト量３２で表現しておくと，露光時のマスクのアライメントに補正を加える際に都合が良い。即ち、マスク座標系の原点位置と基準座標系の原点位置のずれ量（ベクトル量）３２をδとし、基準座標系に対するマスク座標系の回転量３１をθとして、このδとθとを組み合わせて記録しておくことにより、アライメントマーク２ａ,２ｂとデバイス領域４の相対的な位置ずれの測定結果を露光工程で用いることが出来る。
【００３０】
なお，上記に説明した測定は，露光装置を用いず，オフラインで専用の座標測定装置等で行うことが望ましい。これは先に説明したように，露光装置を半導体デバイス製品の露光以外で占有することは，デバイスの生産効率を低下させる要因となるからである。
【００３１】
このオフラインで測定したマスク１のアライメントマーク２ａ,２ｂとデバイス領域４の相対的な位置ずれのデータ、即ち、アライメントマーク２ａ,２ｂに対するデバイス領域４のシフト量３２と回転量３１とのデータδとθとは、測定したマスクの識別コードと一緒に記録しておくか、測定したマスクに添付して保存しておき、露光工程でそのマスクを用いて実際に露光する時に、予め測定して保存しておいた測定データδとθとを用いて、アライメントマーク２ａ,２ｂとデバイス領域４の相対的な位置ずれを補正して露光することにより、マスク固有の重ね合わせ誤差要因を低減することが出来、重ね合わせ露光のずれ量をより小さくすることが出来る。
【００３２】
図４は，本発明における半導体デバイス製造装置の実施の形態を説明する図である。図４中で，７は露光装置，１２は合わせ検査装置である。９はマスクデータベース，８はマスクデータサーバ，また １０は合わせ検査データサーバ, １１は合わせ検査データベースである。これらの各装置はネットワークで接続されており，ネットワークを介して各種データをやり取りできるようになっている。また図４中には，露光装置７および合わせ検査装置１２は説明のため１台ずつ示したが，これらは複数台存在しても良い。
【００３３】
マスクデータベース９には、先に説明したように、予め測定されたマスク１上のアライメントマーク２ａ，２ｂとデバイス領域４の相対的な位置ずれの測定データδとθとが記憶されており，露光装置７はそのデータをマスクデータサーバ８を介して取り込めるようになっている。また合わせ検査データベース１１は合わせ検査装置１２の測定データを記憶する部分であり，露光装置７はそのデータを合わせ検査データサーバ１０を介して取り込めるようになっている。
【００３４】
以下，本装置の動作について説明する。露光機７はあるデバイス製品のある工程の露光を開始する際に，製品および工程の露光に用いるマスクの識別コードであるマスクＩＤをマスクデータサーバ８に送信し，これを受けてマスクデータサーバ８はそのマスクＩＤに対応したマスクのアライメントマーク２ａ，２ｂとデバイス領域４との相対的な位置ずれの測定データをδとθとをマスクデータベース９から呼び出し，マスクアライメント補正データに変換して露光機７へ送信する。これによりマスク上のパターンの位置誤差という，製品および工程に固定的な誤差が補正される。
【００３５】
また，露光機７は同時に製品および工程ＩＤを合わせ検査データサーバ１０へ送信し，これを受けて合わせ検査データサーバ１０は、その製品および工程ＩＤに対応した製品/工程の，その装置での過去の露光における合わせ検査データを合わせ検査データベース１１から呼び出し，これをもとにアライメント補正データを計算して露光機７へ送信する。これはその製品,工程,露光機の経時的な合わせ精度の変化を補正するものである。
【００３６】
このように構成することで，露光装置における露光を行う際の各種のアライメント補正を自動化することができ，半導体デバイス製造における合わせ精度の高精度化を高効率で実現することが可能となり、上下層間の合わせずれ量を２０ｎｍ以下に抑えることが出来る。
【００３７】
露光用マスクのアライメントマーク２ａ，２ｂとデバイス領域４との相対的な位置ずれの測定は、マスクを製造する工程の中、またはマスクを製造した後に行い，測定結果のデータδとθとを、品質保証データとしてマスクに添付して，半導体デバイスの製造ラインに供給することができる。即ち、従来半導体デバイス製造ラインで使用するマスクに添付されるマスクのデータに、露光用マスクのアライメントマーク２ａ，２ｂとデバイス領域４との相対的な位置ずれの測定データとして、δとθの測定結果を追加することにより、半導体デバイス製造ラインにおける重ね合わせ露光時に、マスク固有の重ね合わせずれ発生要因を、ダミーウェハを用いる先行作業を行うことなく容易に低減することが出来る。
【００３８】
このように半導体デバイス製造ラインに投入する前に予めマスクを測定して、アライメントマーク２ａ，２ｂとデバイス領域４との相対的な位置ずれのデータδとθとを求めておくことは、従来のような重ね合わせ露光時に露光装置を用いて先行作業によりずれの補正量を求めるステップを省略できるので、特に多種・多数のレチクルを使用するシステムLSI等の多品種少量生産において、半導体デバイスの生産効率を阻害しないという点で好ましい。
【００３９】
この場合、予め測定して求めておいたアライメントマーク２ａ，２ｂとデバイス領域４との相対的な位置ずれのデータδとθとは、マスクを半導体デバイスの製造ラインに投入する前、または投入時に、先に説明したマスクデータベース９に当該マスクに関するデータとしてその他のデータと一緒に登録しておくことにより、先に説明したような半導体デバイス製造方法を容易に実施することができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の半導体デバイス製造方法および装置によれば，マスク上のアライメントマークとデバイス領域の相対的な位置誤差を測定し，露光時には前記測定結果を補正値として露光装置に設定することにより，マスク上のアライメントマークとデバイス領域に相対的な位置誤差があっても，デバイス領域での重ねあわせ精度を得ることが可能となる。また本発明の露光用マスクによれば，上記の露光方法を容易に実施できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、マスク上のアライメントマークとデバイス領域の相対的な位置ずれを示すマスクの平面図である。
【図２】図２は、マスク上の重ね合わせ測定用マークの配置を示すマスクの平面図である。
【図３】図３は、マスク上のアライメントマークとデバイス領域の相対的な位置ずれ状態を示すマスクの平面図である。
【図４】図４は、半導体デバイスの製造ラインの中の本発明に係る露光工程のシステム構成を示す図である。
【図５】図５は、投影露光装置におけるマスクとウェハとのそれぞれのアライメント用マークの関係を示す投影露光装置の概略構成の斜視図である。
【符号の説明】
１…露光用マスク    ２ａ,２ｂ…アライメントマーク    ３…露光領域
４…デバイス領域     ５ａ〜５ｄ…重ねあわせ測定用マーク    ７…露光装置８…マスクデータサーバ    ９…マスクデータベース    １０…合わせ検査データサーバ    １１…合わせ検査データベース    １２…合わせ検査装置
５５８, ５５９…レチクルアライメント顕微鏡    ５６０R, ５６１R…レチクルマーク    ５６０F, ５６１F…基準マーク    ５５７…基準マーク板
５１２…マスク    ５５…ウエハ    ５８…投影光学系    ５３４…アライメント顕微鏡    ５４…ウエハステージ    ５６２…基準点
【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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