特開 2022-137773 アライメントマーク

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022137773

(43)【公開日】2022-09-22

(54)【発明の名称】アライメントマーク

(51)【国際特許分類】

   G03F 9/00 20060101AFI20220914BHJP

   G03F 7/20 20060101ALI20220914BHJP

【ＦＩ】

G03F9/00 H

G03F7/20 521

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021037439

(22)【出願日】2021-03-09

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】若杉 幸宏

【テーマコード（参考）】

2H197

【Ｆターム（参考）】

2H197EB08

2H197EB09

2H197EB10

(57)【要約】

【課題】本明細書は、基板の位置決めに要求される計測精度を満足するアライメントマークを実現する技術を提供する。
【解決手段】本明細書が開示するアライメントマークは、＜０００１＞ｃ軸が主面の法線方向から＜１１－２０＞方向に所定の角度だけ傾いている炭化珪素基板に設けられる。このアライメントマークは、主面の法線方向からみて、＜１１－２０＞方向と＜１－１００＞方向のそれぞれで線対称である。また、アライメントマークは、法線方向からみて、＜１１－２０＞方向で互いに逆方向を向いている一対の凹角を有するとともに全ての辺が＜１－１００＞方向と交差する凹多角形である。アライメントマーク位置計測に要求される精度であって、＜１１－２０＞方向と＜１－１００＞方向の計測精度差ｄＸＹ（単位は［ナノメートル］）と、凹角の大きさＡＧ（単位は［度］）が、ＡＧ≧｛３６０－（ｄＸＹ＋１２９８）／２７｝の関係を満たす。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

＜１－１００＞方向が主面（３）に平行であり、＜０００１＞ｃ軸が前記主面の法線方向から＜１１－２０＞方向に所定の角度だけ傾いている炭化珪素基板（２）に設けられるアライメントマーク（１０、２０、３０）であり、前記アライメントマークは、
前記法線方向からみて、前記＜１１－２０＞方向と＜１－１００＞方向のそれぞれで線対称であり、前記＜１１－２０＞方向で互いに逆方向を向いている一対の凹角（１７、１９、３９）を有するとともに全ての辺が前記＜１－１００＞方向と交差する凹多角形であり、
アライメントマーク位置計測に要求される精度であって、前記＜１１－２０＞方向と前記＜１－１００＞方向の計測精度差ｄＸＹ（単位は［ナノメートル］）と、前記凹角の大きさＡＧ（単位は［度］）が、ＡＧ≧｛３６０－（ｄＸＹ＋１２９８）／２７｝の関係を満たしている、アライメントマーク。

【請求項2】

前記アライメントマークは、前記法線方向からみて、
前記＜１１－２０＞方向で並んでいる第１頂点（１１）および第２頂点（１２）と、
前記＜１－１００＞方向で前記第１頂点と並んでいる第３頂点（１３）と、
前記＜１－１００＞方向で前記第２頂点と並んでいるとともに、前記＜１１－２０＞方向で前記第３頂点と並んでいる第４頂点（１４）と、
前記＜１－１００＞方向にて前記第１頂点と前記第３頂点の間に位置する第５頂点（１５）と、
前記＜１－１００＞方向にて前記第２頂点と前記第４頂点の間に位置する第６頂点（１６）と、
を有しており、
前記第１頂点と前記第５頂点と前記第３頂点がなす角、および、前記第２頂点と前記第６頂点と前記第５頂点がなす角が、一対の前記凹角に相当する六角形である、請求項１に記載のアライメントマーク。

【請求項3】

前記法線方向からみて、前記＜１１－２０＞方向と＜１－１００＞方向のそれぞれの長さが１０［ミクロンメートル］以下である、請求項１または２に記載のアライメントマーク。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書が開示する技術は、炭化珪素基板に設けられるアライメントマークに関する。

【背景技術】

【0002】

半導体素子の製造過程で基板の位置を正確に計測するのにアライメントマークが用いられる。アライメントマークは、半導体素子の製造過程で基板の上に形成される。アライメントマーク形成後にも、基板の表面に結晶層を成長させることがある。＜０００１＞ｃ軸が主面の法線方向から＜１１－２０＞方向に所定の角度だけ傾いている炭化珪素基板の場合、結晶層の成長速度に異方性が生じる。この異方性により、アライメントマークが変形してしまい、アライメントマークを用いた基板の位置計測に誤差が生じる。誤差を小さくするアライメントマークの形状が、特許文献１－３で提案されている。結晶層の成長速度に異方性が生じるメカニズムについては、特許文献１－３を参照されたい。

【0003】

特許文献２、３によれば、アライメントマークは、基板の主面の法線方向からみて、＜１－１００＞方向と平行な辺を有さないことが好ましいとされている。また、特許文献３によれば、アライメントマークは、主面の法線方向からみて、正三角形、ひし形、正六角形、正十二角形、円形であることが望ましいとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００３－７７８４６号公報

【特許文献2】特開２０１３－３４３５６５号公報

【特許文献3】特開２０１７－１６８５９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

＜０００１＞ｃ軸が主面の法線方向に対して傾斜している炭化珪素基板では、＜１１－２０＞方向の結晶成長速度が＜１－１００＞方向の結晶成長速度よりも顕著に早い。そのため、アライメントマークが形成された基板の表面で結晶を成長させると、＜１１－２０＞方向におけるアライメントマークの形の変形が、＜１－１００＞方向の変形よりも顕著になる。そのため、基板の位置計測において、＜１－１００＞方向の計測精度に比較して＜１１－２０＞方向の計測精度が低下する。本明細書は、＜１－１００＞方向の計測精度と＜１１－２０＞方向の計測精度の差に着目し、アライメントマークを用いた基板の位置決めに要求される計測精度を満足するアライメントマークを実現する技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本明細書が開示するアライメントマーク（１０、２０、３０）は、＜１－１００＞方向が主面（３）に平行であり、＜０００１＞ｃ軸が主面の法線方向から＜１１－２０＞方向に所定の角度だけ傾いている炭化珪素基板（２）に設けられる。このアライメントマークは、主面の法線方向からみて、＜１１－２０＞方向と＜１－１００＞方向のそれぞれで線対称である。また、アライメントマークは、法線方向からみて、＜１１－２０＞方向で互いに逆方向を向いている一対の凹角（１９、２９、３９）を有するとともに全ての辺が＜１－１００＞方向と交差する凹多角形である。アライメントマーク位置計測に要求される精度であって、＜１１－２０＞方向と＜１－１００＞方向の計測精度差ｄＸＹ（単位は［ナノメートル］）と、凹角の大きさＡＧ（単位は［度］）が、ＡＧ≧｛３６０－（ｄＸＹ＋１２９８）／２７｝の関係を満たす。

【0007】

計測精度差とは、＜１１－２０＞方向の計測精度と、＜１－１００＞方向の計測精度の差である。アライメントマークの凹角の大きさＡＧが上記の関係を満たしていれば、＜１１－２０＞方向と＜１－１００＞方向の計測精度差は、計測に要求される計測精度差ｄＸＹ以下となる。なお、計測装置自体の計測精度が＜１１－２０＞方向と＜１－１００＞方向で同じであれば、計測精度差は、結晶成長によって生じるアライメントマークの形状変形に起因する計測誤差を意味する。

【0008】

本明細書が開示するアライメントマークの具体的な形状の一例は、第１～第６頂点を有する六角形であり、次の特徴を有する。第１頂点と第２頂点は、＜１１－２０＞方向で並ぶ。第３頂点は、＜１－１００＞方向で第１頂点と並ぶ。第４頂点は、＜１－１００＞方向で第２頂点と並ぶとともに、＜１１－２０＞方向で第３頂点と並ぶ。第５頂点は、＜１－１００＞方向において、第１頂点と第３頂点の間に位置する。第６頂点は、＜１－１００＞方向において、第２頂点と第４頂点の間に位置する。そして、第１頂点と第５頂点と第３頂点がなす角と、第２頂点と第６頂点と第５頂点がなす角が、一対の凹角に相当する。なお、上記の説明にて「頂点」に付した序数はそれぞれの頂点を区別するための便宜上のものである。

【0009】

基板の位置決めは、要求される計測精度が比較的に大きい粗位置決めと、要求される計測精度が粗位置決めのそれよりも厳しい微細位置決めの２段階で行われる場合がある。本明細書が開示するアライメントマークは、微細位置決めに好適であり、主面の法線方向からみたときの＜１１－２０＞方向と＜１－１００＞方向のそれぞれの長さが１０［ミクロンメートル］以下であるとよい。

【0010】

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施例のアライメントマークを備えた基板の断面図である。

【図2】アライメントマークを備えた基板の平面図である。

【図3】アライメントマークの平面図である。

【図4】凹角の角度と許容値の関係を示すグラフである。

【図5】第１変形例のアライメントマークの平面図である。

【図6】第２変形例のアライメントマークの平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図面を参照して実施例のアライメントマーク１０を説明する。図１に、実施例のアライメントマーク１０を備えた基板２の断面図を示す。基板２は、炭化珪素を主材料とする半導体基板（炭化珪素基板）である。基板２は、炭化珪素の四層周期六方晶（４Ｈ－ＳｉＣ）の基板であり、主面３にｎ型炭化珪素エピタキシャル層が積層されている。基板２を構成する炭化珪素の結晶構造の＜０００１＞ｃ軸ＣＡは、基板２の主面３の法線ＮＬに対して角度ＲＥだけ傾いている。角度ＲＥは、１度から１０度程度である。基板２の炭化珪素の結晶構造の＜１－１００＞方向は、基板２の主面３に平行である。

【0013】

基板２には、例えばチャネル領域やドリフト領域など、いくつかの半導体層と、絶縁膜などが形成されているが、図では、アライメントマーク１０以外の構造は図示を省略してある。基板２には、不図示の半導体層などにより、スイッチング素子や半導体レーザ素子などの半導体素子が形成されている。

【0014】

基板２に半導体素子を形成する際、基板２の主面３に設けられたアライメントマーク１０の位置を計測装置で計測し、基板２の位置を特定する。なお、基板２には不図示のオリエンテーションフラットが設けられており、位置計測に先立って、オリエンテーションフラットを用いて基板２の回転方向を計測する。

【0015】

アライメントマーク１０は、主面３の表面に設けられた窪みであり、エッチングなどの加工工程で形成される。アライメントマーク１０の窪みの深さは０．２～１．０ミクロンメートル程度であるが、図１では窪みの深さを強調して描いてある。また、アライメントマーク１０のＸ方向の長さは１０ミクロンメートル程度であるが、図１ではアライメントマーク１０の大きさを強調して描いてある。

【0016】

後に説明するように、実施例の基板２では、Ｘ方向に６個のアライメントマーク１０が並んでおり、図１では３個のアライメントマークのみが描かれており、残りのアライメントマークは図示を省略した。

【0017】

図中の二点鎖線は、炭化珪素の結晶構造の＜１１－２０＞方向を表している。また、図の紙面手前－奥方向が、炭化珪素の結晶構造の＜１－１００＞方向に相当する。説明の便宜上、基板２の主面３の法線ＮＬの方向をＺ軸にとり、炭化珪素の結晶構造の＜１－１００＞方向をＹ軸にとり、Ｙ軸とＺ軸の双方に直交する方向をＸ軸にとる。Ｘ軸とＹ軸は、基板２の主面３に平行である。Ｘ軸は、法線ＮＬの方向から基板２を平面視したときの＜１１－２０＞方向に相当する。別言すれば、Ｘ軸は、基板２の結晶構造の＜１１－２０＞方向を主面３に投射した方向に相当する。先に述べたオリエンテーションフラットを用いた基板２の向きの特定により、基板２の＜１－１００＞方向をＹ軸に一致させ、＜１１－２０＞方向を主面３に投影させた方向をＸ軸に一致させることができる。基板２に対する座標系の各軸の方向は、以降の図でも同じである。

【0018】

図２に、基板２を法線ＮＬの方向からみた平面図を示す。基板２の位置を計測する計測装置は、予め定められた形状に配置された複数のアライメントマーク１０を検知し、基板２の位置を特定する。なお、図２では、右下の１個のアライメントマーク１０にのみ、符号を付し、他のアライメントマークに対しては符号を省略した。図３に１個のアライメントマーク１０を拡大した平面図を示す。１個のアライメントマーク１０のＸ方向の長さＭＸは、概ね５～１０ミクロンメートルであり、Ｙ方向の長さＭＹは、概ね１から５μメートルである。１個のアライメントマーク１０の大きさは、Ｘ方向とＹ方向のそれぞれにおいて、長さが１０［ミクロンメートル］以下であればよい。

【0019】

図２に示すように、基板２の場合、８個乃至９個のアライメントマーク１０がＹ方向に列をなしている。Ｘ方向に６列のアライメントマーク列が形成されている。アライメント列のピッチは概ね２０ミクロンメートルである。複数のアライメントマーク１０は、Ｘ方向の幅ＷＸが概ね１００ミクロンメートル、Ｙ方向の幅ＷＹが概ね３０ミクロンメートルの矩形内に分散配置される。

【0020】

基板２の位置を計測する計測装置は、幅ＷＸ、ＷＹの矩形内に配置された一群のアライメントマーク１０を検知し、幅ＷＸ、ＷＹの矩形の中央ＣＰの位置を特定する。計測装置の計測精度は、アライメントマーク１０の形状に依存する。基板２に半導体素子を形成する過程にて、主面３で結晶を成長させることがある。結晶を成長させるとアライメントマーク１０が変形する。より正確には、主面３にて結晶を成長させると、アライメントマーク１０のエッジの位置が変化する。

【0021】

基板２は、Ｘ方向（＜１１－２０＞方向）の結晶成長速度がＹ方向（＜１－１００＞方向）の結晶成長速度よりも速いため、結晶を成長させるとアライメントマーク１０のＸ方向における変形はＹ方向における変形よりも顕著になる。それゆえ、アライメントマーク１０の位置計測（すなわち、基板２の位置計測）において、Ｘ方向の計測精度がＹ方向の計測精度よりも低下する。実施例のアライメントマーク１０は、アライメントマーク位置計測に要求される精度であって、Ｘ方向とＹ方向の計測精度差ｄＸＹを満足する。Ｘ方向とＹ方向の計測精度差ｄＸＹは、「Ｘ方向の計測精度」－「Ｙ方向の計測精度」で表され、Ｙ方向の計測精度に対してＸ方向の計測精度がどのくらい低下していてもよいかを示す指標（許容値）である。

【0022】

計測装置自体の計測精度がＸ方向（＜１１－２０＞方向）とＹ方向（＜１－１００＞方向）で同じであれば、計測精度差ｄＸＹは、結晶成長によって生じるアライメントマークの形状変形に起因するＸ方向の計測誤差を意味する。この場合、計測精度差ｄＸＹは、アライメントマークの形状変形に起因するＸ方向の計測誤差の許容値を意味する。

【0023】

図３を参照しつつ、アライメントマーク１０の形状を説明する。図３に示すように、主面３の法線方向からみたアライメントマーク１０は、一対の凹角１９ａ、１９ｂを有する六角形である。「凹角」（Reflex angle）とは、１８０よりも大きく、３６０度よりも小さい範囲の角度を意味する。

【0024】

アライメントマーク１０は、主面の法線方向からみて、Ｘ方向で線対称（左右対称）であり、Ｙ方向でも線対称（左右対称）である。

【0025】

アライメントマーク１０は、第１頂点１１、第２頂点１２、第３頂点１３、第４頂点１４、第５頂点１５、および、第６頂点１６を備える。第１頂点１１と第２頂点１２は、Ｘ方向で並んでいる。第３頂点１３は、Ｙ方向で第１頂点１１と並んでいる。第４頂点１４は、Ｙ方向で第２頂点１２と並んでおり、かつ、Ｘ方向で第３頂点１３と並んでいる。第５頂点１５は、Ｙ方向で第１頂点１１と第３頂点１３の間に位置する。第６頂点１６は、Ｙ方向で第２頂点１２と第４頂点１４の間に位置する。そして、第１頂点１１と第５頂点１５と第３頂点１３がなす内角と、第２頂点１２と第６頂点１６と第５頂点１５がなす内角が、一対の凹角１９ａ、１９ｂに相当する。一対の凹角１９ａ、１９ｂは、Ｘ方向で互いに逆方向を向いている。

【0026】

図３に示すように、アライメントマーク１０のいずれの辺も、Ｙ方向と交差する。別言すれば、アライメントマーク１０のいずれの辺も、Ｙ方向に対して平行ではない。また、アライメントマーク１０は、Ｙ方向に平行な直線に対して線対称であるため、凹角１９ａ、１９ｂの内角ＡＧは等しい。

【0027】

本願の発明者は、異なる大きさの内角ＡＧを有するアライメントマーク１０を試作し、内角ＡＧの大きさと、アライメントマーク１０のＸ方向及びＹ方向の位置の計測値を比較した。説明の都合上、アライメントマーク１０のＸ方向の計測精度とＹ方向の計測精度の差の計測精度差ｄＸＹ差と称する。

【0028】

評価試験の結果、内角ＡＧが２９４度のとき、計測精度差ｄＸＹは４８０ナノメートルであり、内角ＡＧが３０７度のとき、計測精度差ｄＸＹは１１０ナノメートルであった。この結果を図４に示す。ポイントＰ１が、内角ＡＧ＝２９３度のときの計測精度差ｄＸＹ＝４８０ナノメートルの結果、ポイントＰ２が、内角ＡＧ＝３０８度のときの計測精度差ｄＸＹ＝１１０ナノメートルの結果を示している。

【0029】

ポイントＰ１、Ｐ２を通る直線は、ＡＧ＝｛３６０－（ｄＸＹ＋１２９８）／２７｝という式で表すことができる。ここで、凹角１９ａ、１９ｂの角度（内角ＡＧ）の単位は「度」であり、計測精度差ｄＸＹの単位は「ナノメートル」である。

【0030】

試験の結果から、アライメントマーク１０（基板２）の位置計測に要求される計測精度差が値ｄＸＹの場合、アライメントマーク１０の凹角の大きさＡＧ（単位は［度］）が、ＡＧ≧｛３６０－（ｄＸＹ＋１２９８）／２７｝の関係を満たせば、アライメントマーク１０（基板２）の位置は、要求される計測精度差ｄＸＹ以下の誤差で計測される。なお、当然ながら、凹角の大きさＡＧは、３６０度未満である。

【0031】

アライメントマーク１０の形状は、図３の形状に限られない。例えば、図５に示すように、矩形がクロスした形状（アライメントマーク２０）や、図６に示すように、図３のアライメントマーク１０がＹ方向につながった形状（アライメントマーク３０）であってもよい。

【0032】

アライメントマークは、次の条件を満足するものであればよい。アライメントマーク２０（３０）は、基板の主面の法線方向からみてＸ方向とＹ方向のそれぞれで線対称（左右対称）である。アライメントマーク２０（３０）は、Ｘ方向で互いに逆方向を向いている一対の凹角２９（３９）を有するとともに全ての辺がＹ方向と交差する凹多角形である。アライメントマーク位置計測に要求される計測精度であって、Ｘ方向の計測精度とＹ方向の計測精度の差（計測精度差ｄＸＹ、単位は［ナノメートル］）と、凹角２９（３９）の大きさＡＧ（単位は［度］）が、ＡＧ≧｛３６０－（ｄＸＹ＋１２９８）／２７｝の関係を満たす。

【0033】

実施例で説明したアライメントマークに関する留意点を述べる。アライメントマーク１０は、Ｘ方向（＜１１－２０＞方向を主面に投影した方向）で互いに逆方向を向いている一対の凹角を有するとともに全ての辺がＹ方向（＜１－１００＞方向）と交差する凹多角形である。全ての辺がＹ方向と交差する凹多角形であるとは、別言すれば、Ｙ方向に平行な辺を有さない多角形である。

【0034】

本明細書が開示する技術は、「アライメントマークを用いた基板の位置計測工程を含んでいる半導体装置の製造方法」と表現することもできる。アライメントマークの形状は上記した通りである。この製造方法の特徴は、次の通りである。すなわち、アライメントマーク位置計測に要求される＜１１－２０＞方向の計測精度と、＜１－１００＞方向の計測精度の差（計測精度差ｄＸＹ、単位は［ナノメートル］）と、アライメントマークの凹角の大きさＡＧ（単位は［度］）が、ＡＧ≧｛３６０－（ｄＸＹ＋１２９８）／２７｝の関係を満たす。

【0035】

一般に、基板の位置決めは、位置計測の精度が概ね５００ナノメートルを超える粗位置決めと、位置計測の精度が概ね５００ナノメートル未満の微細位置決めの２段階で行われる。粗位置決めでは、Ｘ方向とＹ方向の長さがそれぞれ１００ナノメートル程度のアライメントが用いられる。微細位置決めでは、Ｘ方向とＹ方向の長さがそれぞれ１０ナノメートル程度のアライメントが用いられる。微細位置決めでは、図２に示したように、特定の範囲に特定の相対位置関係で分散配置されたアライメントの一群が用いられる。本明細書が開示する技術は、微細位置決め用のアライメントに好適であり、Ｘ方向とＹ方向のそれぞれの長さは概ね１０ナノメートル以下であることが好ましい。

【0036】

一般に、計測装置自体の計測精度は、Ｘ方向（＜１１－２０＞方向）とＹ方向（＜１－１００＞方向）で同じである。その場合、計測精度差ｄＸＹは、結晶成長によって生じるアライメントマークの形状変形に起因するＸ方向（＜１１－２０＞方向）の計測誤差を意味する。この場合、ＡＧ≧｛３６０－（ｄＸＹ＋１２９８）／２７｝の不等式は、アライメントマークの形状変形に起因する計測誤差の許容値（計測誤差ｄＸＹ）と凹各の大きさＡＧの関係を与える。

【0037】

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0038】

２：基板 ３：主面 １０、２０、３０：アライメントマーク １１、１２、１３、１４、１５、１６頂点 １９ａ、１９ｂ、２９、３９：凹角

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】