JP4269393B2 - アライメントマーク及びアライメント方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は露光装置、特に半導体リソグラフィに使用される光露光装置、電子線露光装置等において、主としてマスクステージ等のステージやマスク等の基板の位置合わせに使用されるアライメントマーク及びアライメント方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
露光装置内で行われるステージや基板等の位置合わせは、ステージや基板等上に設けられたアライメントマークをアライメントセンサーで検出することで行われる。例えば、光学式のアライメントセンサーでは、ウェハ上に線を周期的に配置したラインアンドスペース(L/S)からなるアライメントマークをＣＣＤ等の２次元画像センサーで検出し、画像処理を行うことにより、検出したアライメントマークの中心位置を決定する。
【０００３】
また、マスクの像を試料上に縮小投影するタイプの電子線露光装置における、電子線を使用した検出を行うアライメントセンサーでは、光学的な検出の場合と同様にウェハ上に線が周期的に並んだアライメントマークを配置し、これに対応するパターンをマスク上に設け、電子線により、マスク上に形成された像をウェハ上に縮小投影し、ウェハ上で走査する。そして、その走査の際に得られる反射電子信号波形を処理することでアライメントマークの中心位置を決定する。電子線によるアライメント検出方法に関する従来技術を説明する図を図５に示す。
【０００４】
図５(a)において、３はマスク上に設けられたアライメント用パターンのウェハー上での像を示すものであり、４はマスク上に設けられた重金属等からなるアライメントマークである。簡単のために図においては、各々２個を図示しているが、実際にはこれらは多数設けられている。図においては、アライメント用パターンのウェハー上での像３、アライメントマーク４の幅は、共に0.2μｍであり、ピッチは共に0.6μｍである。
【０００５】
このような配置を有するマスク上のアライメント用マークに電子線を照射し、その像３をウェハー上に結像させると共に、偏向器により電子ビームを偏向させ、アライメント用パターンのウェハー上での像３を、図の横方向に走査する。すると、アライメント用パターンのウェハー上での像３とアライメントマーク４に重なりが生じ、その部分から反射電子や２次電子が放出される。これらの粒子の量は、アライメント用パターンのウェハー上での像３とアライメントマーク４の重なりの面積に比例し、図５(b)に示すようなパターンとなる。図５(b)は、アライメント用パターンの像とアライメントマーク４が、それぞれ５本ずつ形成されているときのパターンの例を示す。
【０００６】
よって、これらの検出器出力が最大となる位置、あるいは、検出器出力の中心位置、重心位置を求めることにより、アライメント用パターンのウェハー上での像３がアライメントマーク４に完全に重なる位置をもとめることができる。そして、そのときの電子線の偏向量より、マスクとウェハーの相対位置関係を知ることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
製造する半導体デバイスの種類によっては、電子線露光装置と光露光装置の両方を使用して製造する必要のあるものがある。また、電子線露光装置の中には、光学式のアライメントセンサーと電子線を使用するアライメントセンサーの両方を持つものがある。これは、１枚のウェハーから半導体デバイスを製造する場合、レイヤーによっては、光学式のアライメントセンサーでウェハー位置の検出を行った方が精度が良い場合、逆に電子線を使用するアライメントセンサーでウェハー位置の検出を行った方が精度が良い場合があり、適宜精度の良いアライメントセンサーを使用して位置合わせを行うことが好ましいからである。よって、同じアライメントマークを両方のセンサーで検出できることが望ましい。
【０００８】
さらに、光学式のアライメントセンサーと電子線を使用するアライメントセンサーの両方を持つ電子線露光装置においては、後者は電子ビーム鏡筒の中に設けられるが、前者は電子ビーム鏡筒の外側に設けられる。よって、両者の中心位置間隔を正確に測定しておかないと、光学式のアライメントセンサーを用いたアライメントができないことになる。両者の位置の測定は、同じアライメントマークを光学式のアライメントセンサーと電子線を使用するアライメントセンサーの両方で測定し、その間に行われたステージの移動量を測定することにより行うのが最も正確であるが、この際にも、光学式のアライメントセンサーと電子線を使用するアライメントセンサーの両方で検出できるアライメントマークが必要となる。
【０００９】
例えば、ラインアンドスペース（L/S）マークの周期を６μm程度に設定した場合、従来技術に示したような手法を使用すれば同じアライメントマークを光学的な検出、電子線を使用した検出に使用できる可能性がある。しかしながら、電子線を使用したマーク検出法ではマーク上を電子線が走査する範囲が小さければ小さいほど検出精度の点、及び電子線が周囲に及ぼす影響を低減するという観点から望ましい。ところが、ラインアンドスペースマークの周期を例えば６μmに設定した場合、電子線の走査範囲は通常６μm程度が必要となり、必要な検出精度を得るためにはデータ取得点数を非常に多くする必要があるという問題、及び電子線の影響が広範囲に及ぶという問題点がある。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、光学式のアライメントセンサーと荷電粒子線を使用するアライメントセンサーの両方で検出が可能であり、さらに、荷電粒子線を使用するアライメントセンサーで検出する場合に、走査範囲とデータ取得点数が少なくて済むアライメントマーク、及びこのアライメントマークを使用したアライメント方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、荷電粒子線露光装置内での位置合わせに使用するアライメントマークであって、アライメントマークは、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの双方での検出に適したマークで、かつ複数個のアライメントマーク要素を有し、複数個のアライメントマーク要素のうち少なくとも一つは、所定の間隔で配列された複数の線状マークを有し、線状マークの配列間隔は、光学式アライメントマーク検出センサーの光学系の解像度より短く、かつ荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの最小ビーム幅より長いものであり、アライメントマーク要素間の間隔は、光学式アライメントマーク検出センサーの光学系の解像度より長いものであること、を特徴とするアライメントマーク（請求項１）である。
【００１２】
本手段に係るアライメントマークは、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの双方での検出に適しているので、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの間の距離を測定するのに使用することができ、かつ、ウェハー等の基板の製造時に、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーのうち、検出精度の良い方を選択して使用することができる。
【００１３】
本手段においては、アライメントマーク要素中の線状マークの間隔は、光学式アライメントマーク検出センサー光学系の解像度より短くされているので、アライメントマーク要素は、光学式アライメントマーク検出センサーには、全体としての形状を有するパターンとして検出される。よって、短い周期の線状マークのパターンが検出のノイズとなることがなくなるので、検出精度を上げることができる。一方、アライメントマーク要素中の線状マークの間隔は、荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの最小ビーム幅より長いので、荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーは、マークを構成する線状マークの中心位置を精度良く検出することができる。さらに、アライメントマーク要素間の間隔は、光学系アライメントマーク検出センサーの光学系の解像度より長いので、光学式アライメントマーク検出センサーには、アライメントマーク要素の位置を精度良く検出することができる。
【００１４】
本手段に係るアライメントマークを光学式のアライメントセンサーで検出する場合には、各アライメントマーク要素の位置を光学的に検出し、画像処理を行うことにより、検出したアライメントマークの中心位置を決定する。
【００１５】
一方、荷電粒子線を使用するアライメントセンサーにおいては、各アライメントマーク要素中に配列された線状マークのパターンに対応した周期のパターンを縮小倍率を考慮して作成し、そのパターンを通過した荷電粒子線によってアライメントマーク要素上を走査する。そして、その走査の際に得られる反射電子信号波形を処理することでアライメントマークの中心位置を決定する。よって、荷電粒子線を使用するアライメントセンサーにおいては、狭い範囲を走査するだけで、アライメントマークの中心位置を決定することができる。
【００１６】
なお、本手段において「間隔」とは、必ずしも等間隔であることを要しない。
【００１７】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、複数個のアライメントマーク要素のうち少なくとも一つは、複数の線状マークで構成されていることを特徴とするアライメントマーク（請求項２）である。
【００１８】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段であって、少なくとも一つのアライメントマーク要素の一部は、複数の線状マークからなる領域で構成されていることを特徴とするアライメントマーク（請求項３）である。
【００１９】
後に、発明の実施の形態の欄において説明するように、荷電粒子線で走査されるアライメントマークの範囲は狭くて良いので、荷電粒子線で走査される、所定値以下の間隔を有する所定のパターンで配列された複数の線状マークは、全てのアライメント構成要素に設ける必要はなく、少なくとも一つに設ければ十分である。
【００２０】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から前記第３の手段のいずれかの手段であって、複数個のアライメントマーク要素は、互いに同一形状であることを特徴とするアライメントマーク（請求項４）である。
【００２１】
なお、本手段において、アライメントマーク要素の形状が同一であるとは、微視的な部分まで同一であることを意味するものではなく、図２、図３の例として示すように、巨視的な形状が一致しており、光学的手段で観察した場合に、実質的に同一の信号が得られるものであれば足りる。
【００２２】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段から第４の手段のいずれかに係るアライメントマークを、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの一方を適宜選択して使用して検出し、その検出信号に基づいてアライメントを行うことを特徴とするアライメント方法（請求項５）である。
【００２３】
一般論としては、荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの方が、光学式アライメントマーク検出センサーに比して、検出精度が良い。しかし、前述のように、製造する半導体デバイスを多層のレイヤーにて構成する場合、レイヤーによっては、荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーでは十分なＳ／Ｎ比のある信号が得られず、検出精度が著しく悪化する場合がある。このような場合には、光学式アライメントマーク検出センサーを使用して、それに基づいてアライメントを行う方が精度の良いアライメントが行える。本手段で使用するアライメントマークは、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの双方で検出可能であるので、このように、検出精度の良い方のアライメントマーク検出センサーを適宜選択して使用することにより、常に、精度良くアライメントを行うことができる。
【００２４】
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第５の手段であって、前記光学式アライメントマーク検出センサーとして、画像処理タイプのセンサーを用いることを特徴とするもの（請求項６）である。
【００２５】
画像処理タイプのセンサーを用いることにより、光学センサーの解像度より高い精度で、アライメントマークの中心位置を決定することができる。
【００２６】
前記課題を解決するための第７の手段は、前記第５の手段又は第６の手段であって、アライメントマークは、ウェハー等の試料上又は試料ステージ上に設けられ、荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーでの検出時には、マスク上又はマスクステージ上に形成され、アライメントマークと相似の形状を有するアライメント用パターンを通過した荷電粒子線が、アライメントマーク上に照射され走査することによりアライメントマークの位置を検出することを特徴とするもの（請求項７）である。
【００２７】
本手段においては、マスクステージ上に形成され、アライメントマークと相似の形状（転写縮小倍率の逆数の大きさ）を有するアライメント用パターンを通過した荷電粒子線を、アライメントマーク上に照射して走査する。パターンの像がアライメントマークに重なったとき、検出器から最大又は最小の出力が得られるので、検出器から得られる出力のパターンを解析し、重心位置決定法等、従来使用されている方法を使用することにより、パターンの像とアライメントマークが重なった位置を検出することができ、そのときの荷電粒子線の偏向量を基にして、マスクと試料、マスクステージと試料ステージのアライメントを行うことができる。
【００２８】
前記課題を解決する第８の手段は、前期第１の手段から第４の手段のいずれかに係るアライメントマークを荷電粒子線露光装置の試料ステージ上に設け、試料ステージを移動させて、アライメントマークを光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの両方で検出し、その検出位置及び試料ステージの移動量から、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの基準位置間の距離を測定し、それに基づいて光学式アライメントマーク検出センサーを使用したアライメントを行うことを特徴とするアライメント方法（請求項８）である。
【００２９】
本手段においては、試料ステージを移動させて、同じマークを光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの両方で検出し、その検出位置及び試料ステージの移動量から、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの基準位置間の距離を測定する。本手段で使用するアライメントマークは、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの両方で検出可能なものであるので、このようなことが可能となる。光学式アライメントマーク検出センサーは、荷電粒子線鏡筒の外部に設けられるが、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの基準位置間の距離が分かっているので、光学式アライメントマーク検出センサーによって位置合わせを行い、その後、ステージを光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの基準位置間の距離だけ移動させれば、正確なアライメントが可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を図を用いて説明する。図１(a)は、本発明の実施の形態の例であるアライメントマークの構成を示す図である。図１において、１はアライメントマーク要素を構成する線で、Ta、Ｗ等の重金属で構成され、それぞれ0.3μmの幅を有している。２はアライメントマーク要素で、１０本の線１が等間隔で配列されて構成されている。アライメントマーク要素２も複数配置されており、全体としてアライメントマークを構成している。アライメントマーク要素２の配列周期Ａは、６μmとされている。線１の配列周期Ｂはその1/10の0.6μmである。
【００３１】
このマークをFIA(光学的画像検出センサーの１種で、たとえば特開昭６２―６５３２７号に記載されているもの)に代表される光学的画像検出センサーで検出すると、通常、画像検出センサーの解像度は1μm程度なので、図１(b)に示すように、周期Ｂのパターンは完全には解像できず、周期Ａのパターンで構成されるアライメントマーク要素２を、全体として検出した場合、すなわち、アライメントマーク要素２全体が前記重金属で形成された場合と、ほぼ同等の信号が得られる。
【００３２】
一方、電子線を使用したアライメントセンサーで検出する場合は、ウェハ上に図１(a)に示すパターンに対応するようなマスクパターンを形成し、その部分に電子ビームを照射することにより、当該マスクパターンの像をアライメントマーク上に照射する。そして電子線を走査することで図１(c)に示すような信号波形が得られる。図1(c)は、走査範囲を、マスクパターンの像アライメントマークが完全に一致している点を中心として、2.7μm程度とした場合のものであるが、信号処理の方式によっては、最低0.5μm程度の走査範囲で十分な場合もある。光学的検出された信号と電子線で検出された信号は、いずれも、マーク全体からの信号の中心位置を検出する処理法で処理され、これによってマークの中心位置が決定されるため、両者の検出結果はほぼ一致する。（最初のセンサーのキャリブレーションにおいては、同じマークに対する両者の検出信号が同じとなるようにセンサーをキャリブレーションし、それから使用を開始する。）
【００３３】
電子線の走査範囲が狭い範囲で十分であることを考慮すると、アライメントマークのパターンは図２(a)に示すようなものでもよい。これは、図１に示すアライメントマーク要素２と同じものを１個だけ設け、その他のアライメントマーク要素２’は、３μm幅の重金属としたものである。
【００３４】
このようなアライメントマークを、FIAに代表される光学的画像検出センサーで検出すると、図２(b)に示すような信号が得られ、図１(b)の信号と同じように画像処理することができる。
【００３５】
一方、電子線を使用したアライメントセンサーで検出する場合は、ウェハ上に図２(a)のアライメントマーク要素２に示すパターンに対応するようなマスクパターンを形成し、その部分に電子ビームを照射することにより、当該マスクパターンの像をアライメントマーク上に照射する。そして、電子線を走査することで図１(c)に示すものと同様な信号波形が得られる（Ｓ／Ｎ比は低下する）。
【００３６】
このような考え方をさらに徹底させると、アライメントマークのパターンは図３(a)に示すようなものでもよい。これは、重金属で形成される線１が、その１部に複数本形成され、その他の部分は幅の広い重金属で形成されているアライメントマーク要素２”を１個設け、その他のアライメントマーク要素２’は、図２に２’として示されたものと同じとしたものである。
【００３７】
このようなアライメントマークを、FIAに代表される光学的画像検出センサーで検出すると、図３(b)に示すような信号が得られ、図１(b)の信号と同じように画像処理することができる。
【００３８】
一方、電子線を使用したアライメントセンサーで検出する場合は、ウェハ上に図３(a)のアライメントマーク要素２”の線１のパターンに対応するようなマスクパターンを形成し、その部分に電子ビームを照射することにより、当該マスクパターンの像をアライメントマーク上に照射する。そして、電子線を走査することで図１(c)に示すものと同様の信号波形が得られる（Ｓ／Ｎ比は低下する）。電子線の走査範囲が狭い場合は、このようなアライメントマークでも十分位置検出が可能である。
【００３９】
図４に本発明の実施の形態であるアライメントマークの他の種々の例を示す。(a)はアライメントマーク要素２の線幅（Ｌ）と線間隔（Ｓ）が異なったものである。このようなアライメントマークにおいても、Ｌ＝Ｓのものと作用効果は同じである。
【００４０】
(b)は、Ｘ軸方向用アライメントマーク２Ｘと、Ｙ軸方向用アライメントマーク２Ｙが一体化されており、同時にアライメント計測が行えるようにしたものである。このようなアライメントマークを使用すれば、光学式アライメントマーク検出センサーを使用して、Ｘ軸方向位置とＹ軸方向位置が同時に検出できることは説明を要しないであろう。荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの場合は、Ｘ軸方向用アライメントマーク２ＸをＸ軸方向に走査し、続いてＹ軸方向用アライメントマーク２ＹをＹ軸方向に走査することにより、Ｘ軸方向位置とＹ軸方向位置の検出を行う。
【００４１】
(c)は、アライメントマーク要素を構成する線の配列パターンを同一間隔とせず、変化させたものである。このようにすることにより、荷電粒子線で走査を行ったときに得られる信号のピーク位置を明瞭にすることができる。
【００４２】
電子線露光装置のウェハーアライメントセンサーとしてFIAのような光学的画像検出センサーと電子線を利用したセンサーを使用する場合、光学的画像検出センサーは投影に使用する電子光学系の光軸から離れた位置に配置しなければならない。従って、光学的画像検出センサーを使用してウェハーアライメントを行う場合には、電子光学系の光軸と光学的画像検出センサーの光軸との距離を常に較正する必要がある。このとき２つの光軸の距離を測定するためのマークを基準マーク上に設置する必要があるが、基準マーク上のマークを本発明に示したようなマークパターンとすることで、光学的画像検出センサーと電子線で同じマークを検出することが可能となり、位置合わせ誤差を少なくすることができる。
【００４３】
また、光学的画像検出センサーと電子線で別々のマークを使用して同時に２つの光軸間の距離を測定する場合にも本発明に示したようなマークパターンを使用することで、基準マーク上のマーク間距離の較正をどちらか一方のセンサーで検出可能となり、較正時の誤差を低減することが可能となる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のうち請求項１に係る発明においては、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの間の距離を測定するのに使用することができ、かつ、ウェハー等の基板の製造時に、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーのうち、検出精度の良い方を選択して使用することができる。また、光学式のアライメントセンサーと、荷電粒子線を使用するアライメントセンサーの両方において、アライメントマークの中心位置を精度良く検出することができる。
【００４５】
請求項２に係る発明においては、同一のアライメントマークを、光学式のアライメントセンサーと、荷電粒子線を使用するアライメントセンサーの両方で検出が可能であり、かつ、荷電粒子線を使用するアライメントセンサーで検出する場合に、走査範囲とデータ取得点数が少なくて済むようにすることができる。
【００４６】
請求項３に係る発明においても、同一のアライメントマークを、光学式のアライメントセンサーと、荷電粒子線を使用するアライメントセンサーの両方で検出が可能であり、かつ、荷電粒子線を使用するアライメントセンサーで検出する場合に、走査範囲とデータ取得点数が少なくて済むようにすることができる。
【００４７】
請求項４に係る発明においては、複数個のアライメントマーク要素は、互いに同一形状にすることができる。
【００４８】
請求項５に係る発明においては、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーのうち、検出精度の良い方のアライメントマーク検出センサーを適宜選択して使用することにより、常に、精度良くアライメントを行うことができる。
【００４９】
請求項６に係る発明においては、光学センサーの解像度より高い精度で、アライメントマークの中心位置を決定することができる。
【００５０】
請求項７に係る発明においては、マスクと試料、マスクステージと試料ステージのアライメントを行うことができる。
【００５１】
請求項８に係る発明においては、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの基準位置間の距離を正確に測定することができるので、荷電粒子線光学鏡筒の外部にある光学式アライメントマーク検出センサーを使用した場合でも、正確なアライメントが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の例であるアライメントマークの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の他の例であるアライメントマークの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の他の例であるアライメントマークの構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態のアライメントマークの種々の例を示す図である。
【図５】電子線によるアライメント検出方法に関する従来技術を説明する図である。
【符号の説明】
１…アライメントマークを構成する線
２、２’、２”…アライメントマーク要素
２Ｘ…Ｘ方向用アライメントマーク
２Ｙ…Ｙ方向用アライメントマーク
【産業上の利用分野】
本発明は露光装置、特に半導体リソグラフィに使用される光露光装置、電子線露光装置等において、主としてマスクステージ等のステージやマスク等の基板の位置合わせに使用されるアライメントマーク及びアライメント方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
露光装置内で行われるステージや基板等の位置合わせは、ステージや基板等上に設けられたアライメントマークをアライメントセンサーで検出することで行われる。例えば、光学式のアライメントセンサーでは、ウェハ上に線を周期的に配置したラインアンドスペース(L/S)からなるアライメントマークをＣＣＤ等の２次元画像センサーで検出し、画像処理を行うことにより、検出したアライメントマークの中心位置を決定する。
【０００３】
また、マスクの像を試料上に縮小投影するタイプの電子線露光装置における、電子線を使用した検出を行うアライメントセンサーでは、光学的な検出の場合と同様にウェハ上に線が周期的に並んだアライメントマークを配置し、これに対応するパターンをマスク上に設け、電子線により、マスク上に形成された像をウェハ上に縮小投影し、ウェハ上で走査する。そして、その走査の際に得られる反射電子信号波形を処理することでアライメントマークの中心位置を決定する。電子線によるアライメント検出方法に関する従来技術を説明する図を図５に示す。
【０００４】
図５(a)において、３はマスク上に設けられたアライメント用パターンのウェハー上での像を示すものであり、４はマスク上に設けられた重金属等からなるアライメントマークである。簡単のために図においては、各々２個を図示しているが、実際にはこれらは多数設けられている。図においては、アライメント用パターンのウェハー上での像３、アライメントマーク４の幅は、共に0.2μｍであり、ピッチは共に0.6μｍである。
【０００５】
このような配置を有するマスク上のアライメント用マークに電子線を照射し、その像３をウェハー上に結像させると共に、偏向器により電子ビームを偏向させ、アライメント用パターンのウェハー上での像３を、図の横方向に走査する。すると、アライメント用パターンのウェハー上での像３とアライメントマーク４に重なりが生じ、その部分から反射電子や２次電子が放出される。これらの粒子の量は、アライメント用パターンのウェハー上での像３とアライメントマーク４の重なりの面積に比例し、図５(b)に示すようなパターンとなる。図５(b)は、アライメント用パターンの像とアライメントマーク４が、それぞれ５本ずつ形成されているときのパターンの例を示す。
【０００６】
よって、これらの検出器出力が最大となる位置、あるいは、検出器出力の中心位置、重心位置を求めることにより、アライメント用パターンのウェハー上での像３がアライメントマーク４に完全に重なる位置をもとめることができる。そして、そのときの電子線の偏向量より、マスクとウェハーの相対位置関係を知ることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
製造する半導体デバイスの種類によっては、電子線露光装置と光露光装置の両方を使用して製造する必要のあるものがある。また、電子線露光装置の中には、光学式のアライメントセンサーと電子線を使用するアライメントセンサーの両方を持つものがある。これは、１枚のウェハーから半導体デバイスを製造する場合、レイヤーによっては、光学式のアライメントセンサーでウェハー位置の検出を行った方が精度が良い場合、逆に電子線を使用するアライメントセンサーでウェハー位置の検出を行った方が精度が良い場合があり、適宜精度の良いアライメントセンサーを使用して位置合わせを行うことが好ましいからである。よって、同じアライメントマークを両方のセンサーで検出できることが望ましい。
【０００８】
さらに、光学式のアライメントセンサーと電子線を使用するアライメントセンサーの両方を持つ電子線露光装置においては、後者は電子ビーム鏡筒の中に設けられるが、前者は電子ビーム鏡筒の外側に設けられる。よって、両者の中心位置間隔を正確に測定しておかないと、光学式のアライメントセンサーを用いたアライメントができないことになる。両者の位置の測定は、同じアライメントマークを光学式のアライメントセンサーと電子線を使用するアライメントセンサーの両方で測定し、その間に行われたステージの移動量を測定することにより行うのが最も正確であるが、この際にも、光学式のアライメントセンサーと電子線を使用するアライメントセンサーの両方で検出できるアライメントマークが必要となる。
【０００９】
例えば、ラインアンドスペース（L/S）マークの周期を６μm程度に設定した場合、従来技術に示したような手法を使用すれば同じアライメントマークを光学的な検出、電子線を使用した検出に使用できる可能性がある。しかしながら、電子線を使用したマーク検出法ではマーク上を電子線が走査する範囲が小さければ小さいほど検出精度の点、及び電子線が周囲に及ぼす影響を低減するという観点から望ましい。ところが、ラインアンドスペースマークの周期を例えば６μmに設定した場合、電子線の走査範囲は通常６μm程度が必要となり、必要な検出精度を得るためにはデータ取得点数を非常に多くする必要があるという問題、及び電子線の影響が広範囲に及ぶという問題点がある。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、光学式のアライメントセンサーと荷電粒子線を使用するアライメントセンサーの両方で検出が可能であり、さらに、荷電粒子線を使用するアライメントセンサーで検出する場合に、走査範囲とデータ取得点数が少なくて済むアライメントマーク、及びこのアライメントマークを使用したアライメント方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、荷電粒子線露光装置内での位置合わせに使用するアライメントマークであって、アライメントマークは、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの双方での検出に適したマークで、かつ複数個のアライメントマーク要素を有し、複数個のアライメントマーク要素のうち少なくとも一つは、所定の間隔で配列された複数の線状マークを有し、線状マークの配列間隔は、光学式アライメントマーク検出センサーの光学系の解像度より短く、かつ荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの最小ビーム幅より長いものであり、アライメントマーク要素間の間隔は、光学式アライメントマーク検出センサーの光学系の解像度より長いものであること、を特徴とするアライメントマーク（請求項１）である。
【００１２】
本手段に係るアライメントマークは、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの双方での検出に適しているので、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの間の距離を測定するのに使用することができ、かつ、ウェハー等の基板の製造時に、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーのうち、検出精度の良い方を選択して使用することができる。
【００１３】
本手段においては、アライメントマーク要素中の線状マークの間隔は、光学式アライメントマーク検出センサー光学系の解像度より短くされているので、アライメントマーク要素は、光学式アライメントマーク検出センサーには、全体としての形状を有するパターンとして検出される。よって、短い周期の線状マークのパターンが検出のノイズとなることがなくなるので、検出精度を上げることができる。一方、アライメントマーク要素中の線状マークの間隔は、荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの最小ビーム幅より長いので、荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーは、マークを構成する線状マークの中心位置を精度良く検出することができる。さらに、アライメントマーク要素間の間隔は、光学系アライメントマーク検出センサーの光学系の解像度より長いので、光学式アライメントマーク検出センサーには、アライメントマーク要素の位置を精度良く検出することができる。
【００１４】
本手段に係るアライメントマークを光学式のアライメントセンサーで検出する場合には、各アライメントマーク要素の位置を光学的に検出し、画像処理を行うことにより、検出したアライメントマークの中心位置を決定する。
【００１５】
一方、荷電粒子線を使用するアライメントセンサーにおいては、各アライメントマーク要素中に配列された線状マークのパターンに対応した周期のパターンを縮小倍率を考慮して作成し、そのパターンを通過した荷電粒子線によってアライメントマーク要素上を走査する。そして、その走査の際に得られる反射電子信号波形を処理することでアライメントマークの中心位置を決定する。よって、荷電粒子線を使用するアライメントセンサーにおいては、狭い範囲を走査するだけで、アライメントマークの中心位置を決定することができる。
【００１６】
なお、本手段において「間隔」とは、必ずしも等間隔であることを要しない。
【００１７】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、複数個のアライメントマーク要素のうち少なくとも一つは、複数の線状マークで構成されていることを特徴とするアライメントマーク（請求項２）である。
【００１８】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段であって、少なくとも一つのアライメントマーク要素の一部は、複数の線状マークからなる領域で構成されていることを特徴とするアライメントマーク（請求項３）である。
【００１９】
後に、発明の実施の形態の欄において説明するように、荷電粒子線で走査されるアライメントマークの範囲は狭くて良いので、荷電粒子線で走査される、所定値以下の間隔を有する所定のパターンで配列された複数の線状マークは、全てのアライメント構成要素に設ける必要はなく、少なくとも一つに設ければ十分である。
【００２０】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から前記第３の手段のいずれかの手段であって、複数個のアライメントマーク要素は、互いに同一形状であることを特徴とするアライメントマーク（請求項４）である。
【００２１】
なお、本手段において、アライメントマーク要素の形状が同一であるとは、微視的な部分まで同一であることを意味するものではなく、図２、図３の例として示すように、巨視的な形状が一致しており、光学的手段で観察した場合に、実質的に同一の信号が得られるものであれば足りる。
【００２２】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段から第４の手段のいずれかに係るアライメントマークを、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの一方を適宜選択して使用して検出し、その検出信号に基づいてアライメントを行うことを特徴とするアライメント方法（請求項５）である。
【００２３】
一般論としては、荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの方が、光学式アライメントマーク検出センサーに比して、検出精度が良い。しかし、前述のように、製造する半導体デバイスを多層のレイヤーにて構成する場合、レイヤーによっては、荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーでは十分なＳ／Ｎ比のある信号が得られず、検出精度が著しく悪化する場合がある。このような場合には、光学式アライメントマーク検出センサーを使用して、それに基づいてアライメントを行う方が精度の良いアライメントが行える。本手段で使用するアライメントマークは、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの双方で検出可能であるので、このように、検出精度の良い方のアライメントマーク検出センサーを適宜選択して使用することにより、常に、精度良くアライメントを行うことができる。
【００２４】
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第５の手段であって、前記光学式アライメントマーク検出センサーとして、画像処理タイプのセンサーを用いることを特徴とするもの（請求項６）である。
【００２５】
画像処理タイプのセンサーを用いることにより、光学センサーの解像度より高い精度で、アライメントマークの中心位置を決定することができる。
【００２６】
前記課題を解決するための第７の手段は、前記第５の手段又は第６の手段であって、アライメントマークは、ウェハー等の試料上又は試料ステージ上に設けられ、荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーでの検出時には、マスク上又はマスクステージ上に形成され、アライメントマークと相似の形状を有するアライメント用パターンを通過した荷電粒子線が、アライメントマーク上に照射され走査することによりアライメントマークの位置を検出することを特徴とするもの（請求項７）である。
【００２７】
本手段においては、マスクステージ上に形成され、アライメントマークと相似の形状（転写縮小倍率の逆数の大きさ）を有するアライメント用パターンを通過した荷電粒子線を、アライメントマーク上に照射して走査する。パターンの像がアライメントマークに重なったとき、検出器から最大又は最小の出力が得られるので、検出器から得られる出力のパターンを解析し、重心位置決定法等、従来使用されている方法を使用することにより、パターンの像とアライメントマークが重なった位置を検出することができ、そのときの荷電粒子線の偏向量を基にして、マスクと試料、マスクステージと試料ステージのアライメントを行うことができる。
【００２８】
前記課題を解決する第８の手段は、前期第１の手段から第４の手段のいずれかに係るアライメントマークを荷電粒子線露光装置の試料ステージ上に設け、試料ステージを移動させて、アライメントマークを光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの両方で検出し、その検出位置及び試料ステージの移動量から、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの基準位置間の距離を測定し、それに基づいて光学式アライメントマーク検出センサーを使用したアライメントを行うことを特徴とするアライメント方法（請求項８）である。
【００２９】
本手段においては、試料ステージを移動させて、同じマークを光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの両方で検出し、その検出位置及び試料ステージの移動量から、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの基準位置間の距離を測定する。本手段で使用するアライメントマークは、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの両方で検出可能なものであるので、このようなことが可能となる。光学式アライメントマーク検出センサーは、荷電粒子線鏡筒の外部に設けられるが、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの基準位置間の距離が分かっているので、光学式アライメントマーク検出センサーによって位置合わせを行い、その後、ステージを光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの基準位置間の距離だけ移動させれば、正確なアライメントが可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を図を用いて説明する。図１(a)は、本発明の実施の形態の例であるアライメントマークの構成を示す図である。図１において、１はアライメントマーク要素を構成する線で、Ta、Ｗ等の重金属で構成され、それぞれ0.3μmの幅を有している。２はアライメントマーク要素で、１０本の線１が等間隔で配列されて構成されている。アライメントマーク要素２も複数配置されており、全体としてアライメントマークを構成している。アライメントマーク要素２の配列周期Ａは、６μmとされている。線１の配列周期Ｂはその1/10の0.6μmである。
【００３１】
このマークをFIA(光学的画像検出センサーの１種で、たとえば特開昭６２―６５３２７号に記載されているもの)に代表される光学的画像検出センサーで検出すると、通常、画像検出センサーの解像度は1μm程度なので、図１(b)に示すように、周期Ｂのパターンは完全には解像できず、周期Ａのパターンで構成されるアライメントマーク要素２を、全体として検出した場合、すなわち、アライメントマーク要素２全体が前記重金属で形成された場合と、ほぼ同等の信号が得られる。
【００３２】
一方、電子線を使用したアライメントセンサーで検出する場合は、ウェハ上に図１(a)に示すパターンに対応するようなマスクパターンを形成し、その部分に電子ビームを照射することにより、当該マスクパターンの像をアライメントマーク上に照射する。そして電子線を走査することで図１(c)に示すような信号波形が得られる。図1(c)は、走査範囲を、マスクパターンの像アライメントマークが完全に一致している点を中心として、2.7μm程度とした場合のものであるが、信号処理の方式によっては、最低0.5μm程度の走査範囲で十分な場合もある。光学的検出された信号と電子線で検出された信号は、いずれも、マーク全体からの信号の中心位置を検出する処理法で処理され、これによってマークの中心位置が決定されるため、両者の検出結果はほぼ一致する。（最初のセンサーのキャリブレーションにおいては、同じマークに対する両者の検出信号が同じとなるようにセンサーをキャリブレーションし、それから使用を開始する。）
【００３３】
電子線の走査範囲が狭い範囲で十分であることを考慮すると、アライメントマークのパターンは図２(a)に示すようなものでもよい。これは、図１に示すアライメントマーク要素２と同じものを１個だけ設け、その他のアライメントマーク要素２’は、３μm幅の重金属としたものである。
【００３４】
このようなアライメントマークを、FIAに代表される光学的画像検出センサーで検出すると、図２(b)に示すような信号が得られ、図１(b)の信号と同じように画像処理することができる。
【００３５】
一方、電子線を使用したアライメントセンサーで検出する場合は、ウェハ上に図２(a)のアライメントマーク要素２に示すパターンに対応するようなマスクパターンを形成し、その部分に電子ビームを照射することにより、当該マスクパターンの像をアライメントマーク上に照射する。そして、電子線を走査することで図１(c)に示すものと同様な信号波形が得られる（Ｓ／Ｎ比は低下する）。
【００３６】
このような考え方をさらに徹底させると、アライメントマークのパターンは図３(a)に示すようなものでもよい。これは、重金属で形成される線１が、その１部に複数本形成され、その他の部分は幅の広い重金属で形成されているアライメントマーク要素２”を１個設け、その他のアライメントマーク要素２’は、図２に２’として示されたものと同じとしたものである。
【００３７】
このようなアライメントマークを、FIAに代表される光学的画像検出センサーで検出すると、図３(b)に示すような信号が得られ、図１(b)の信号と同じように画像処理することができる。
【００３８】
一方、電子線を使用したアライメントセンサーで検出する場合は、ウェハ上に図３(a)のアライメントマーク要素２”の線１のパターンに対応するようなマスクパターンを形成し、その部分に電子ビームを照射することにより、当該マスクパターンの像をアライメントマーク上に照射する。そして、電子線を走査することで図１(c)に示すものと同様の信号波形が得られる（Ｓ／Ｎ比は低下する）。電子線の走査範囲が狭い場合は、このようなアライメントマークでも十分位置検出が可能である。
【００３９】
図４に本発明の実施の形態であるアライメントマークの他の種々の例を示す。(a)はアライメントマーク要素２の線幅（Ｌ）と線間隔（Ｓ）が異なったものである。このようなアライメントマークにおいても、Ｌ＝Ｓのものと作用効果は同じである。
【００４０】
(b)は、Ｘ軸方向用アライメントマーク２Ｘと、Ｙ軸方向用アライメントマーク２Ｙが一体化されており、同時にアライメント計測が行えるようにしたものである。このようなアライメントマークを使用すれば、光学式アライメントマーク検出センサーを使用して、Ｘ軸方向位置とＹ軸方向位置が同時に検出できることは説明を要しないであろう。荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの場合は、Ｘ軸方向用アライメントマーク２ＸをＸ軸方向に走査し、続いてＹ軸方向用アライメントマーク２ＹをＹ軸方向に走査することにより、Ｘ軸方向位置とＹ軸方向位置の検出を行う。
【００４１】
(c)は、アライメントマーク要素を構成する線の配列パターンを同一間隔とせず、変化させたものである。このようにすることにより、荷電粒子線で走査を行ったときに得られる信号のピーク位置を明瞭にすることができる。
【００４２】
電子線露光装置のウェハーアライメントセンサーとしてFIAのような光学的画像検出センサーと電子線を利用したセンサーを使用する場合、光学的画像検出センサーは投影に使用する電子光学系の光軸から離れた位置に配置しなければならない。従って、光学的画像検出センサーを使用してウェハーアライメントを行う場合には、電子光学系の光軸と光学的画像検出センサーの光軸との距離を常に較正する必要がある。このとき２つの光軸の距離を測定するためのマークを基準マーク上に設置する必要があるが、基準マーク上のマークを本発明に示したようなマークパターンとすることで、光学的画像検出センサーと電子線で同じマークを検出することが可能となり、位置合わせ誤差を少なくすることができる。
【００４３】
また、光学的画像検出センサーと電子線で別々のマークを使用して同時に２つの光軸間の距離を測定する場合にも本発明に示したようなマークパターンを使用することで、基準マーク上のマーク間距離の較正をどちらか一方のセンサーで検出可能となり、較正時の誤差を低減することが可能となる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のうち請求項１に係る発明においては、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの間の距離を測定するのに使用することができ、かつ、ウェハー等の基板の製造時に、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーのうち、検出精度の良い方を選択して使用することができる。また、光学式のアライメントセンサーと、荷電粒子線を使用するアライメントセンサーの両方において、アライメントマークの中心位置を精度良く検出することができる。
【００４５】
請求項２に係る発明においては、同一のアライメントマークを、光学式のアライメントセンサーと、荷電粒子線を使用するアライメントセンサーの両方で検出が可能であり、かつ、荷電粒子線を使用するアライメントセンサーで検出する場合に、走査範囲とデータ取得点数が少なくて済むようにすることができる。
【００４６】
請求項３に係る発明においても、同一のアライメントマークを、光学式のアライメントセンサーと、荷電粒子線を使用するアライメントセンサーの両方で検出が可能であり、かつ、荷電粒子線を使用するアライメントセンサーで検出する場合に、走査範囲とデータ取得点数が少なくて済むようにすることができる。
【００４７】
請求項４に係る発明においては、複数個のアライメントマーク要素は、互いに同一形状にすることができる。
【００４８】
請求項５に係る発明においては、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーのうち、検出精度の良い方のアライメントマーク検出センサーを適宜選択して使用することにより、常に、精度良くアライメントを行うことができる。
【００４９】
請求項６に係る発明においては、光学センサーの解像度より高い精度で、アライメントマークの中心位置を決定することができる。
【００５０】
請求項７に係る発明においては、マスクと試料、マスクステージと試料ステージのアライメントを行うことができる。
【００５１】
請求項８に係る発明においては、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの基準位置間の距離を正確に測定することができるので、荷電粒子線光学鏡筒の外部にある光学式アライメントマーク検出センサーを使用した場合でも、正確なアライメントが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の例であるアライメントマークの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の他の例であるアライメントマークの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の他の例であるアライメントマークの構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態のアライメントマークの種々の例を示す図である。
【図５】電子線によるアライメント検出方法に関する従来技術を説明する図である。
【符号の説明】
１…アライメントマークを構成する線
２、２’、２”…アライメントマーク要素
２Ｘ…Ｘ方向用アライメントマーク
２Ｙ…Ｙ方向用アライメントマーク
Claims (8)
- 荷電粒子線露光装置内での位置合わせに使用するアライメントマークであって、
前記アライメントマークは、光学式アライメントマーク検出センサーと荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの双方での検出に適したマークで、かつ複数個のアライメントマーク要素を有し、
前記複数個のアライメントマーク要素のうち少なくとも一つは、所定の間隔で配列された複数の線状マークを有し、
前記線状マークの配列間隔は、前記光学式アライメントマーク検出センサーの光学系の解像度より短く、かつ前記荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの最小ビーム幅より長いものであり、
前記アライメントマーク要素間の間隔は、前記光学式アライメントマーク検出センサーの光学系の解像度より長いものであること、
を特徴とするアライメントマーク。 - 請求項１に記載のアライメントマークであって、前記複数個のアライメントマーク要素のうち少なくとも一つは、前記複数の線状マークで構成されていることを特徴とするアライメントマーク。
- 請求項１に記載のアライメントマークであって、少なくとも一つの前記アライメントマーク要素の一部は、前記複数の線状マークからなる領域で構成されていることを特徴とするアライメントマーク。
- 請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載のアライメントマークであって、前記複数個のアライメントマーク要素は、互いに同一形状であることを特徴とするアライメントマーク。
- 請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載のアライメントマークを、前記光学式アライメントマーク検出センサーと前記荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの一方を適宜選択して使用して検出し、その検出信号に基づいてアライメントを行うことを特徴とするアライメント方法。
- 請求項５に記載のアライメント方法であって、前記光学式アライメントマーク検出センサーとして、画像処理タイプのセンサーを用いることを特徴とするアライメント方法。
- 請求項５又は請求項６に記載のアライメント方法であって、前記アライメントマークは、ウェハー等の試料上又は試料ステージ上に設けられ、前記荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーでの検出時には、マスク上又はマスクステージ上に形成され、前記アライメントマークと相似の形状を有するアライメント用パターンを通過した荷電粒子線が、前記アライメントマーク上に照射され走査することにより前記アライメントマークの位置を検出することを特徴とするアライメント方法。
- 請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載のアライメントマークを、荷電粒子線露光装置の試料ステージ上に設け、該試料ステージを移動させて、前記アライメントマークを前記光学式アライメントマーク検出センサーと前記荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの両方で検出し、その検出位置及び前記試料ステージの移動量から、前記光学式アライメントマーク検出センサーと前記荷電粒子線式アライメントマーク検出センサーの基準位置間の距離を測定し、それに基づいて前記光学式アライメントマーク検出センサーを使用したアライメントを行うことを特徴とするアライメント方法。
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