(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物体上の複数のショットの夫々に線幅の異なる複数種類のマークを形成し、
前記複数種類のマークの夫々を、前記複数のショットの夫々において複数のフォーカス位置で検出し、
前記複数のショット間でのフォーカス特性の変化が最も少ない線幅のマークを計測マークとして選択し、
前記計測マークを用いて計測を行うことを特徴とする位置計測方法。
【請求項２】
前記複数のショットは、前記被測定物体の中心に対してほぼ対称に配置されることを特徴とする請求項１記載の位置計測方法。
【請求項３】
前記複数のショットは、前記位置計測を行う複数のショットと共通することを特徴とする請求項１記載の位置計測方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかの位置計測方法を用いて被露光体上のアライメントマークの位置計測を行うことを特徴とする露光装置。
【請求項５】
被測定物体上の複数のショットの夫々に形成された線幅の異なる複数種類のマークを、前記複数のショットの夫々において複数のフォーカス位置で検出し、前記複数のショット間でのフォーカス特性の変化が最も少ない線幅のマークを計測マークとして選択し、前記計測マークを用いて計測を行うことを特徴とする位置計測装置。
【請求項６】
請求項５の位置計測装置を用いて被露光体上のアライメントマークの位置計測を行うことを特徴とする露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は位置計測方法及び位置計測装置に関するもので、特に半導体製造用の露光装置におけるアライメント系や、露光装置の性能を検査するために使用する重ね合せ検査装置等、半導体製造に関する計測装置に好適なものである。また、本発明は特に位置計測対象であるウエハー上に複数の形状のマークを予め構成し、該複数のマークの中から最も高精度な位置計測を可能とする最適マークを選択する位置計測方法、及び該方法を用いた位置計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路の高密度化に伴い、半導体製造用の投影露光装置ではレチクル上の回路パターンをウエハー上に高い解像力で投影露光することが要求されている。投影解像力を向上させる方法としては、露光光の波長を固定して投影光学系のNAを大きくする方法や、露光光としてg線からi線、i線からエキシマレーザー発振波長、更にF2レーザー発振波長やSR光と、より短い波長の光を使用する露光方法が提案、検討されている。
【０００３】
一方、回路パターンの微細化に伴い、電子回路パターンの形成されているレチクルとウエハーをより高精度にアライメントすることも同時に要求されている。アライメントの要求精度は回路パターンの1/3以下と言われており、例えば1GビットDRAMの回路パターンのルールを0.18μmとすると、オバーレー精度は60nm以下の値が必要とされる。ここでオバーレーとは露光領域全体のアライメントを意味するものとする。
【０００４】
更にオバーレー精度を測定する重ね合せ検査装置においてはオバーレー精度の1/10の測定精度が要求されると言われている。よって、1GビットDRAMに対する精度として6nmの値が必要となる。
【０００５】
測定誤差は次の3種類の大きな要因に分類できることが知られている。即ち
1  Tool Induced Shift    (TIS)
2  Wafer Induced Shift  (WIS)
3  TIS-WIS Interaction
である。TIS は検出系の要因で起こる誤差、WISは計測物体要因で起こる誤差、そしてTIS-WIS InteractionはTISとWISの相互作用として定義されるものである。本発明の文中では説明の対象物が半導体製造におけるウエハーなので、ウエハの諸要素を計測物体要因として取り扱うが、本発明は対象物を限定したものではない。しかしながら、以降、計測物体に起因する要因についてはWISという言葉を使用することとする。
【０００６】
また、TISの光学系の要因としては検出光学系のコマ収差や照明系の不均一性、WIS要因としてはウエハーマーク形状やレジストの非対称性が挙げられる。
【０００７】
高精度な位置計測を行うにはTISもWISも除去することが最も基本的な解決策である。しかしながら、例えばTISを例にとると光学系のコマ収差をλ/100以下にすることが要求されたりして現実には大変困難であり、達成しても歩留まりの悪い高価なものとなってしまう問題がある。また、TISの調整は厳密には本体上での調整が必要であり、装置構成が大型で複雑となって、装置コストを上げる要因ともなってしまう。
【０００８】
一方、WISはマークの構造により異なることが判っている。例えば図3に示すメタルCMPウエハープロセスを考えて見る。CMP等の平坦化プロセスを通った後のウエハーの段差は全て平らで段差が存在しないように受け止められているが、実際にはあるターゲットとなる線幅、例えばプラグ線幅の段差がなくされているだけで、該線幅より大きい、即ち太い線幅部分には段差が以前として存在している。CMPで平坦化するのは一般に最も線幅が狭い部分が対象であることが多く、0.18μmプロセスであれば、0.18μmという値が対象になる。
【０００９】
図4はアライメントマークで、長さが30μmの複数の矩型マークがピッチが20μmで配列され、個々の矩型は細い線幅Wで一筆書きされている。図5は図4のアライメントマークの線幅Wを変数として、Wに対する段差の高さと対称性の関係を示したもので、線幅Wが大きくなると段差は高くなるが、信号の対称性が悪くなることが示されている。ここで、信号の対称性の定義は図6に示すものである。
【００１０】
段差の高さが高くなることは検出系で信号コントラストが高くなることに対応する。検出系の検出方法を決めると該検出系で検出できる信号コントラストの最小値である閾値が定まり、該閾値に対応して検出できる閾値段差、及び該閾値段差を与える線幅Wdが定まる。
【００１１】
一方、信号の対称性が悪いと計測エラーを生じる。信号の非対称性の主原因はWISである。対称性は検出精度と相関があり、要求される位置合わせ精度を設定すると許容できる対称性の閾値段差が定まる。従って該閾値段差から対称性の閾値となる線幅Wsが定まる。
【００１２】
図5に示した評価量の増減特性より、信号コントラストから定まる線幅Wdと、精度から許容される線幅Wsの間にマーク線幅を設定すれば、マークの最適化ができたことになる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
現在のアライメントマークの最適化の方法が図7に示されている。現状では、最初にあるプロセスのウエハーにマークを構成するとき、予め複数の線幅のマークを複数個配置してウエハープロセスを実行する。ここでプロセスを実行するとは半導体露光装置ではアライメント後、露光現像して、重ね合せ検査装置で計測することを言い、重ね合せ検査装置ではさらにプロセスを進めて電気的な特性で重ね合せ状態を計測することを意味している。
【００１４】
プロセスを通った後、予め用意した複数の線幅のマークから前述の最適化線幅の幅のなかにあるマーク線幅を決定する。しかしながらどのマーク線幅が最適であるかは実際のプロセスを通してしか現状では確認できないため、時間と人手がかかり、製品コストを上げる要因となっている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の位置合わせ方法及び装置では、実際のプロセスを通さずに、位置計測時に最適マークを選択することを可能にする方法を提案するものである。例えばウエハー上のマークといってもWISが存在すればウエハーの面内での特性は必ずしも同一でなく、ばらつきを持っている。実際にアライメントや重ね合せ計測をするときのマークの選択はWISの面内の分布も含めトータルで決定する必要がある。
【００１６】
ここではマーク形状の対称性がウエハー面内でばらつきを持っているとウエハー面内で異なるフォーカス特性を持つことに着目し、複数種類のマークの夫々を複数のショットの夫々において複数のフォーカス位置で検出する。そして複数のショット間で該フォーカス特性の変化が最も小さい線幅のマークを計測マークとして選択し、この計測マークを用いて計測することを特徴としている。即ち、本発明の以下に述べる実施形態ではウエハー上のマークを複数のフォーカス位置で検出して、該フォーカス特性の変化がウエハー面内で最も少ないものを選択するものである。尚、本件においてフォーカス特性とはフォーカス位置毎の検出値の変化の特性を言うものとする。即ち、ディフォーカス量に対する検出信号のコントラストの変化量の特性である。
【００１７】
請求項１の発明の位置計測方法は、
被測定物体上の複数のショットの夫々に線幅の異なる複数種類のマークを形成し、
前記複数種類のマークの夫々を、前記複数のショットの夫々において複数のフォーカス位置で検出し、
前記複数のショット間でのフォーカス特性の変化が最も少ない線幅のマークを計測マークとして選択し、
前記計測マークを用いて計測を行うことを特徴としている。
【００１８】
請求項２の発明は請求項１の発明において、
前記複数のショットは、前記被測定物体の中心に対してほぼ対称に配置されることを特徴としている。
【００１９】
請求項３の発明は請求項１の発明において、
前記複数のショットは、前記位置計測を行う複数のショットと共通することを特徴としている。
【００２０】
請求項４の発明の露光装置は、
請求項１乃至３のいずれかの位置計測方法を用いて被露光体上のアライメントマークの位置計測を行うことを特徴としている。
【００２１】
請求項５の発明の位置計測装置は、
被測定物体上の複数のショットの夫々に形成された線幅の異なる複数種類のマークを、前記複数のショットの夫々において複数のフォーカス位置で検出し、前記複数のショット間でのフォーカス特性の変化が最も少ない線幅のマークを計測マークとして選択し、前記計測マークを用いて計測を行うことを特徴としている。
【００２２】
請求項６の発明の露光装置は、
請求項５の位置計測装置を用いて被露光体上のアライメントマークの位置計測を行うことを特徴としている。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の実際を説明するため、まず半導体露光装置の位置合わせ検出系について説明を行う。図7はウエハー上に線幅の異なる複数個のアライメントマークを設けた様子を示している。図７ではアライメントマークのピッチが20μmで、各マークを構成する線幅は各々0.6、0.8、1.0、1.2、1.4μmとなっている。該複数個のマークを各々複数個のフォーカス位置で計測する。複数個のフォーカスの値は検出光学系の条件にもよるが、例えばベストフォーカス面とその前後±3μmとする。計測は図8に示すショット配列の場合は、ハッチングした上下左右の4ショットで行う。計測対象となるショットは被測定対象物であるウエハーの中心に対してほぼ対称に取るとよい。これは中心対称な要因がWISの主成分を占めるためである。
【００２９】
図1はフォーカスを変えたときの計測値の変化を示したもので、本発明の基本となる現象である。線幅W１とW2ではフォーカスに伴う計測値の変化はマークの構造だけでなく、ウエハーの左右位置でも異なることがわかる。
【００３０】
図1のようなフォーカスによる位置ずれ特性は半導体製造の計測系においてはテレセントリシティ（検出の垂直性）と呼ばれる。もともとテレセントリシティとは光学系の瞳が無限遠にあり軸外の主光線が光軸に平行という意味を持ち、計測時の垂直性と直接一対一対応してはいない。しかしながら、フォーカスに対し計測値が変化しないという広義の意味で、軸上計測でも同じ名で呼ばれている。
【００３１】
テレセントリシティは前述の計測誤差の要因に対応して発生する。例えばWISがなくてTISのみの場合には、98年の光学シンポジウムで発表されているようにテレセントリシティは光学系のコマ収差や照明系の均一性によって発生し、逆にテレセントリシティを用いてコマや均一性を評価することができる。
【００３２】
また重ね合せ装置でもフォーカスを変えてTIS を求めることで同じく光学系のコマ収差や照明系の均一性を評価してアライメント系即時にこれを加味，補正することができる。
【００３３】
しかしながらさらにWISが存在するとTIS-WIS Interactionを含めてテレセントリシティ特性が変化する。よってWISを低減した状態でアライメント計測を行なうことが、アライメント計測エラーを防止する上で有効である。
【００３４】
本実施形態はWISのばらつきをテレセントリシティの特性変化でモニターし、最適なマークを決定することを特徴としている。
【００３５】
最適マークを決定するため、本実施形態では先ずウエハー面内で異なる複数個のアライメントマークを計測する。テレセントリシティがウエハーの面内で変わるということは、マーク形状の対称性がウエハーの位置によって変化する、即ちWISがばらつくことを意味する。該WISはグローバルアライメントシーケンスにおいてはスケーリングエラーやローテーションエラーを発生させ、精度劣化の要因となる。
【００３６】
本実施形態では計測した複数個のマークのうち、フォーカス特性としてテレセントリシティのショット間変化が最も少ない、換言するとフォーカスを変化させた時のウエハーマークの形状の対称性のショット間変化が最も少ないマークを計測マークとして選択して使用することを特徴としている。該選択を行うことにより選択可能なマークの中から最も高精度なアライメント精度を得る（即ち最もWISの影響の小さい）アライメントマークを選ぶことが可能となる。
【００３７】
次に本発明を使用したシーケンスについて説明する。まず露光装置の構成を説明する。
【００３８】
図１３において２８は第１物体としてのレチクルでレチクルステージ３０に載置されている。２３は第２物体としてのウエハであり、その面上にはアライメント用のマーク（ＡＡマーク）２４が設けられている。２５は投影光学系で投影レンズ系よりなり、レチクル（マスク）２８面上の回路パターン等をウエハ２３面上に投影している。投影レンズ系２５はレチクル２８側とウエハ２３側で共にテレセントリック系となっている。
【００３９】
２９は露光用の照明系であり、露光光でレチクル２８を照明している。２２はθ，Ｚステージでウエハ２３を載置しており、ウエハ２３のθ回転及びフォーカス調整、即ちＺ方向の調整を行っている。θ，Ｚステージ２２はステップ動作を高精度に行う為のＸＹステージ２１上に載置されている。ＸＹステージ２１にはステージ位置計測の基準となる光学スクウェアー（バーミラー）２６が置かれており、この光学スクウェアー２６をレーザ干渉計２７でモニターしている。
【００４０】
本実施例におけるレチクル２８とウエハ２３との位置合わせ（アライメント）は予め位置関係が求められている基準マーク３７に対して各々位置合わせを行うことにより間接的に行っている。又は実際レジスト像パターン等をアライメントを行って露光を行い、その誤差（オフセット）を測定し、それ以後のその値を考慮してオフセット処理している。
【００４１】
次にウエハ２３面のＡＡマーク２４の位置検出を非露光光ＴＴＬ方式で行う検出手段１０１の各要素について説明する。尚、本実施例においては露光光ＴＴＬ方式やOFF-AXIS方式も適用可能である。
【００４２】
３４ａはマーク２４の検出用（照明用）の光源手段であり、露光光の波長とは異なる波長の光束（非露光光）を発するハロゲンランプ３４ａ１と楕円ミラー３４ａ２から成っている。３４ｂはファイバー（バンドルファイバー）であり、光源手段３４ａからの光束を導光し、出射面３４ｃから射出している。
【００４３】
３５（Ｌ１）はレンズであり、ファイバー３４ｂの出射面３４ｃからの光束（検出光）を集光してホログラムＨ１を介してレンズＬ２に入射させている。Ｌ２に入射後、ビームはＨ２に入射する。Ｈ２はホログラムであり、レンズＬ２とビームスプリッター３６との間に配置している。その後、対物レンズ３２に入射する。
【００４４】
ここで、ホログラムＨ１は照射面（物体面）としてのウエハ２３と光学的な共役面に設けている。又ホログラムＨ２は照明系の瞳面（出射面１６ｃに相当）又はそれと光学的な共役面に設けている。
【００４５】
ビームスプリッター３６で反射した光は対物レンズ３２で集光し、ミラー３１で反射させ、投影レンズ系２５を介してウエハ２３面上のマーク２４に導光して照明している。ファイバー３４ｂ，レンズ３５，対物レンズ３２等は照明系の一要素を構成している。
【００４６】
３９は基準マーク３７の照明用の光源でＬＥＤ等から成っている。３８はレンズである。光源３９からの光束はレンズ３８で集光し、基準マーク３７に導光し、照明している。４０は基準マーク用のビームスプリッターであり、基準マーク３７からの光束を反射させてエレクターレンズ４１に入射している。エレクターレンズ４１は基準マーク２７及びウエハ２３面上のマーク２４を各々ＣＣＤカメラ４２の撮像面に結像している。
【００４７】
本実施例における検出手段１０１は以上の各要素を有している。尚、対物レンズ３２，エレクターレンズ４１，ＣＣＤカメラ４２等は観察系の一要素を構成している。
【００４８】
図9は従来の露光シーケンスを示すもので、先ず露光すべきパターンの描画されているレチクルを露光装置に搬送し、露光装置の基準に対してアライメントを行う。
【００４９】
一方、ウエハーはチャックに搬送された後、まずプリアライメントの粗検出で±3μm以下の精度で計測される。プリアライメント時のマークは前述した図4のアライメントマークとは異なり、専用のマーク、例えば図10に示すマークを使用する。プリアライメント以降のファインアライメントでは図１３に示すような検出手段１０１で図4のアライメントマークを検出する。
【００５０】
現在使用されているアライメントシーケンスは統計処理付きのグローバルアライメントである。図11に示すウエハーのショットレイアウトだとハッチングしてある複数個のショットのマークをレーザー干渉計付きのXYステージを移動させて計測する。アライメントは該ショットの計測値から異常値等を排除したデータを基に決定され、続いて各ショットの露光が行われる。全ショットの露光が終了するとウエハーはチャックの外に搬送され、次のウエハーが搬送される。一連のアライメントシーケンスはAGA (Advanced Global Alignment)と呼ばれている。
【００５１】
計測されるアライメントマークは予め複数個用意されているが、使用するアライメントマークは事前に何らかの方法で一つに決められており、該アライメントマークの位置が露光装置に入力されている。
【００５２】
本実施形態のシーケンスを示したのが図12である。図12のシーケンスは基本的には図9の従来のシーケンスにマーク選択のシーケンスを追加したものである。ウエハーを搬送してからプリアライメントまでは従来と同じで、続いてマーク選択のシーケンスが実行される。使用できる複数個のマークの位置は予め露光装置をコントロールするCPUに入力されており、該複数個のマークをウエハー内の予め定められた複数のショットでフォーカスを変えながら計測する。マークの種類と位置、被計測ショット、フォーカス変化量と点数は本実施形態でのキーとなるパラメータで、露光装置に予め入力指示を行う。アライメント計測のマークを決定する場合には実際にアライメント計測を行うAGA用のショットと共通のショットをマーク選択の為の被計測ショットとするとよい。
【００５３】
図12のシーケンスでは続いて各マークのテレセントリシティを計測し、フォーカスを変えた時に各ショット間での特性が最も変化しない線幅のマークを選択する。このウエハのファインアライメントはマーク選択時に計測したショットの計測値をそのまま使用して行ってもよいし、必要に応じて、選択した線幅のマークで更に追加のショットを計測し、該計測結果からファインアライメントを行うことも可能である。前者の場合にはテレセントリシティを計測するショットがAGAのショットと同一であることが条件となる。
【００５４】
この様にして決定した線幅のマークを用いてファインアライメント(AGA)を実行し、各ショットにレチクルパターンの転写が行なわれる。この後、現像工程を経て蒸着，エッチング，スクラブ等を実施され、更にこれら工程を何度か施されることでウエハ上にデバイスが形成されていく。以上は周知なので詳細は省略する。
【００５５】
マーク選択のシーケンスはウエハー毎にWISがばらつくのならウエハー毎に実行しなければならない。またある工程やロット等でWISが安定しているのなら、該工程やロットの一番最初のウエハーのみに対しマーク選択を行い、以下のウエハーではこの選択された線幅のマークでファインアライメントを行えばよい。従って本発明のマーク選択のシーケンスはWISの状況によって適宜選択されることになる。また、一番最初のウエハーのみの選択でよい場合には、スループットの低下はほとんど無視することができる。
【００５６】
図2は本発明を適用することのできる画像処理系を示したもので、具体的には重ね合せ検査装置の光学系の実施形態である。
【００５７】
同図でシリコンエッチングウエハー1のパターン2、3上に重ね合せ測定の対象となるレジストパターンが形成されている。ハロゲンランプ5から射出した光束6はファイバー7、照明系8を透過して偏光ビームスプリッタ9、λ/4板10を透過し、対物レンズ11を介して2つのマーク2、3を照明する。
【００５８】
2つのマークからの反射光は照明したときとは逆に対物レンズ11、λ/4板10を透過し、偏光ビームスプリッタ9で反射した後、リレー12、エレクター13を通過してCCDカメラ14の撮像面上に像を形成する。形成された像はCCDカメラ14により光電変換され、回線を通じてコンピュータ（演算手段）15に入力される。コンピュータ15はCCD14からの信号を画像処理して2つのマークの相対位置関係を検出する。
【００５９】
図2の装置ではウエハーは不図示のウエハーチャック上に、ウエハーチャックはθ-Zステージ上に構成されている。ウエハー1はチャック表面に吸着され、各種振動に対してウエハー1の位置がずれないようにしている。またθ-Zステージはチルトステージの上に構成され、ウエハー1をフォーカス方向（光学系の光軸方向）の上下に動かすことを可能にしている。
【００６０】
以上の実施形態では半導体露光装置のアライメント系や、重ね合せ検査装置について説明したが、本発明はこれに限ることなく光学系で像を形成させて計測を行う系全てに対し適用することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の位置計測方法および位置計測装置では被計測対象物であるウエハー内の非対称性を示すWISがばらついている線幅のマークとばらついていない線幅のマークが存在している状態を利用し、マークのテレセントリシティに代表される、即ちフォーカス特性を計測して最も高精度を与えるマーク選択を、露光等の実工程を行うことなしに決定することを可能とした。例えば該選択を自動的に行う様にすれば、時間及び人手の削減が可能となり、集積回路の製品コストを下げることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明で用いる評価量であるテレセントリシティの説明図、
【図２】  重ね合せ検査装置の光学系の構成を示す図、
【図３】  メタルCMPプロセスの工程を示す図、
【図４】  アライメントマークの構成を示す図、
【図５】  マーク線幅と信号コントラスト、対称性の関係を示す図、
【図６】  アライメントマーク信号の対称性の説明図、
【図７】  ウエハー上に線幅の異なるアライメントマークを複数個配置した状態を示す図、
【図８】  ウエハー上で計測を行う左右上下のショットの配置を示す図、
【図９】  従来の露光装置における露光シーケンスを示す図、
【図１０】プリアライメントマークを示す図、
【図１１】AGA計測の説明図、
【図１２】本発明の露光装置における露光シーケンスを示す図、
【図１３】AGAを行なうTTL OFF-AXIS Scopeを搭載した露光装置例を示す図
【符号の説明】
1    ウエハー、
2    位置計測用マーク、
3    位置計測用マーク、
4    ミラー、
5    光源（ハロゲンランプ）
6    照明光束、
7    ファイバー、
8    照明光学系、
9    偏光ビームスプリッタ、
10    1/4波長板、
11    対物レンズ、
12    リレーレンズ、
13    エレクター、
14    CCDカメラ、
15    コンピュータ
21    ＸＹステージ
22    θステージ
23    ウエハ
24    アライメントマーク
25    投影レンズ系
26    バーミラー
27    レーザー干渉計
28    レチクル
29    照明系
30    レチクルステージ
31    ミラー
32    対物レンズ
34a    光源手段
34b,F  ファイバー
34c    ファイバーの出射面
35    レンズ
36,40  ハーフミラー
37    基準マーク
38    レンズ
39    光源
41    エレクターレンズ
42    ＣＣＤカメラ
【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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