JP2009016669A

JP2009016669A - 面位置検出装置、面位置検出方法、露光装置及びデバイス製造方法

Info

Publication number: JP2009016669A
Application number: JP2007178657A
Authority: JP
Inventors: Akiro Akamatsu; 昭郎赤松
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2007-07-06
Filing date: 2007-07-06
Publication date: 2009-01-22

Abstract

【課題】
Ｓ偏光とＰ偏光の光軸ずれをオフセット補正し、基板の表面の位置の計測精度を向上させる面位置検出装置、面位置検出方法、露光装置およびデバイス製造方法を提供する。
【解決手段】
投光光学系ＰＬと受光光学系ＤＬを有し、撮像素子Ｄからの信号を用いてウェハ３の表面の光軸方向の位置を検出する。ウェハ３の表面上の複数の計測点で光軸方向のウェハ３の表面の位置を計測し、各々の計測点での計測値を計測点毎の補正値で補正する。Ｓ偏光あるいはＰ偏光の偏光状態でパターンの像をウェハ３の表面上に投影する偏光部材Ｐを投光光学系ＰＬに有する。基準とされる基準面においてＳ偏光での計測値とＰ偏光での計測値との差を予め計測し、ウェハ３の表面上の各々の計測点でＳ偏光での反射率とＰ偏光での反射率との比を計測し、差および反射率比を基に算出した補正値を選択する。
【選択図】図１

Description

本発明は、露光装置における投影光学系の光軸方向の基板の表面の位置、傾きを走査に連動して検出する面位置検出装置、面位置検出方法、露光装置およびデバイス製造方法に関する。

最近の半導体素子の製造技術の発展はめざましく、それに伴う微細加工技術の発展も著しい。
特に、光加工技術は、サブミクロンの解像力を有する縮小投影露光装置、通称ステッパーが主流であり、解像力向上のために開口数（ＮＡ）の拡大や、露光波長の短波長化が計られている。
さらに、露光領域を拡大するために、レンズ系、或いは、レンズ系とミラー系で構成された縮小走査型の投影露光装置（走査型露光装置）が提案されており、今後は投影露光装置の主流になるものと注目されている。
走査型露光装置では、被露光領域全体に亘って良好な回路パターンの転写をするために、基板であるウェハの表面の位置と傾きを、高精度に検出する。
具体的には、ウェハ表面の縮小投影レンズ系の合焦平面、即ち、レチクルの回路パターン像に対して転写対象であるウェハ表面の位置と傾きを、スキャン動作に同期しながら高精度に検出する。
さらに、オートフォーカス・オートレベリングの補正駆動をスキャン露光中連続的に行って、ウェハ表面を投影光学系の最良結像面に逐次合わせ込む方法が用いられている。
これらの装置におけるウェハ高さ及び面位置検出方法としては、例えば、ウェハ表面に光束を斜め方向から入射させ、ウェハ表面からの反射光の反射点の位置ずれをセンサ上への反射光の位置ずれとして検出する光学系を用いる方法がある。
また、エアーマイクロセンサや静電容量センサなどのギャップセンサを用いてウェハ表面の複数箇所の面位置を検出し、その結果に基づいてウェハ表面位置を求める方法等が知られている。

しかし、ウェハ表面には、様々なデバイスパターンやレジストが形成されており、被露光領域（ショット）内で光の反射率が異なっている場合やパターン段差が生じている場合がある。
これらによる光散乱や薄膜干渉、反射率差によって生じる光束の歪みが、検出系の計測精度の劣化の要因の一つとなっている。
解像力向上に伴って、より狭くなった縮小投影レンズ系の許容深度内に確実にウェハのショット全体を位置付けるために、計測点でのデバイスパターンやレジストの影響で誤ったウェハ表面（フォーカス設定面）を計測しないようにしなくてはならない。
よって、上記検出方法においては、各ショット領域内に複数の計測点を設定し、各計測点における計測値と最適フォーカス設定面との差を計測オフセットとして厳密に管理することが行われている。
こうした計測オフセットの使用・運用方法としては、例えば、特許第３３０４５３５号（特許文献１）でオフセットをロット先頭で自動的に除去する方法が提案されている。
特許公報第３３０４５３５号

近年、投影露光装置の解像力向上に伴い、投影光学系の焦点深度が減少し、ウェハの表面を投影光学系の合焦位置に設定する際の精度に対して厳しい精度が要求されている。
前述のように各ショット領域内の複数の計測点を設定し、各計測点における計測値と最適フォーカス設定面との差を計測オフセットとして厳密に管理することが行われている。
ここで管理しているオフセットの要因には、ウェハの局所的な歪みやパターン段差での光散乱、デバイスパターンやレジストによる反射率差や薄膜干渉、Ｓ偏光とＰ偏光との光軸シフトなどが挙げられる。
ウェハ面を投影光学系に合焦させる精度を向上させるためには、これらのオフセット要因を分離管理し、誤差を低減することが有効である。
そこで、本発明は、Ｓ偏光とＰ偏光の光軸ずれをオフセット補正し、基板の表面の位置の計測精度を向上させる面位置検出装置、面位置検出方法、露光装置およびデバイス製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明による面位置検出装置は、投影光学系の結像面の近傍に載置された基板の表面に前記投影光学系の光軸に対して斜め方向からスリットパターンを投影する投光光学系と、前記基板の表面上に形成された前記スリットパターンの像を撮像素子で撮像する受光光学系と、前記撮像素子からの信号を用いて前記基板の表面の前記光軸方向の位置を検出する処理手段と、を有し、前記基板の表面上の複数の計測点で前記光軸方向の前記表面の位置を計測し、各々の前記計測点での前記計測値を前記計測点毎の補正値で補正する面位置検出装置において、Ｓ偏光あるいはＰ偏光の偏光状態で前記スリットパターンの像を前記基板の表面上に投影する偏光部材を前記投光光学系に有し、基準とされる基準面において前記Ｓ偏光での計測値と前記Ｐ偏光での計測値との差を予め計測し、前記基板の表面上の各々の前記計測点で前記Ｓ偏光での反射率と前記Ｐ偏光での反射率との比を計測し、前記差および前記反射率比を基に算出した前記補正値を選択することを特徴とする。

本発明によれば、Ｓ偏光とＰ偏光の光軸ずれをオフセット補正し、基板の表面の位置の計測精度を向上させる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施例を説明する。

図４を参照して、本発明の実施例の面位置検出装置３３ａ，３３ｂを有する本発明の実施例の露光装置を説明する。
エキシマレーザーなどの光源８００から射出された光は、露光に最適な所定の形状の露光光束に成型される照明系８０１を経て、原版であるマスクまたはレチクル１の下面に形成されたパターン面を照明する。
レチクル１のパターン面には露光すべきＩＣ回路パターンが形成されており、この回路パターンから射出された光は投影露光レンズである投影光学系２を通過して結像面に相当する基板であるウェハ３の面上の近傍に像を形成する。
レチクル１は、ＸＹおよびＺ方向に往復走査可能なレチクルステージＲＳ上に載置されている。
ウェハ３は、ＸＹおよびＺ方向に走査駆動可能また傾き（以後チルトと呼ぶ）補正可能な構成となっているウェハステージＷＳ上に載置されている。
ウェハステージＷＳは、ステージ駆動系１００により駆動される。
レチクルステージＲＳとウェハステージＷＳは、露光倍率の比率分の速度で相対的に走査させることでレチクル１上のショット領域の露光を行う。
ワンショット露光が終了した後にはウェハステージＷＳは、次のショットへステップ移動し、先ほどとは逆方向に走査露光を行い次のショットが露光される。
これらの動作をステップアンドスキャンといいスキャナー特有の露光方法である。
これを繰り返すことでウェハ３の全域についてショット露光する。
ワンショット内の走査露光中には、フォーカス・チルト検出系である本発明の実施例の面位置検出装置３３ａ，３３ｂによりウェハ３表面の面位置情報を取得する。
それを基に、露光像面からのずれ量を算出し、Ｚ方向および傾き（チルト）方向へのステージ駆動によりほぼ露光スリット単位でウェハ表面の高さ方向の形状に合わせこむ動作が行われている。
このフォーカス・チルト検出系である本発明の実施例の面位置検出装置３３ａ，３３ｂは、光学的な高さ計測システムを使用している。
ウェハ３の表面に対して大きな角度（低入射角度）で光束を入射させ、反射光の像ずれをＣＣＤなどの撮像素子で検出する。
特に、ウェハ３の上の複数の計測点に光束を入射させ、各々の光束を個別のセンサに導き、異なる位置の高さの計測情報から露光すべき面のフォーカス・チルトを算出する。

図１、図４を参照して、本発明の実施例の面位置検出光学装置３３ａ，３３ｂの基本原理および構成を説明する。
本実施例の面位置検出光学装置３３ａ，３３ｂは、投影光学系２の結像面の近傍に載置された基板であるウェハ３の表面に投影光学系２の光軸に対して斜め方向からスリットＳを通過したパターンを投影する投光光学系ＰＬを有する。
受光光学系ＤＬは、基板３の表面上に形成されたパターンの像を撮像素子Ｄで撮像する光学系である。
処理手段である制御系１１００は、撮像素子Ｄからの信号を用いて基板であるウェハ３の表面の光軸方向の位置を検出する手段である。
さらに、本実施例は、基板であるウェハ３の表面上の複数の計測点で光軸方向のウェハ３の表面の位置を計測し、各々の計測点での計測値を計測点毎の補正値で補正する。
さらに、Ｓ偏光あるいはＰ偏光の偏光状態でパターンの像をウェハ３の表面上に投影する偏光部材Ｐを投光光学系ＰＬに有する。
さらに、本実施例は、基準とされる基準面においてＳ偏光での計測値とＰ偏光での計測値との差を予め計測し、ウェハ３の表面上の各々の計測点でＳ偏光での反射率とＰ偏光での反射率との比を計測し、差および反射率比を基に算出した補正値を選択する。

Ｓ偏光とＰ偏光との光軸シフトは、一般的に、光学系に複屈折がある場合や全反射面でのグース・ヘンヒェンシフト等によって発生する。
Ｓ偏光とＰ偏光との光軸シフト量、すなわち、Ｓ偏光のフォーカス計測値Ｆｓと、Ｐ偏光のフォーカス計測値Ｆｐとの差であるＦｓ-Ｆｐを偏光オフセットＰＬ-ｏｆｓとする。
さらに、ある計測点を同出力照明光でＳ偏光とＰ偏光で計測したときの撮像面で観測される光強度を、それぞれＩｓ、Ｉｐとする。
このとき、ＰＬ-ｏｆｓは光検出系固有の値であり、Ｉｓ、Ｉｐは計測点の各偏光反射率に依存する値である。
ここで、次式でレジストオフセット（Ｒ-ｏｆｓ）を定義する。
（Ｒ-ｏｆｓ）=（Ｉｓ-Ｉｐ）/（Ｉｓ+Ｉｐ）×（ＰＬ-ｏｆｓ）/２ ……………（１）
Ｉｓ、Ｉｐ：同出力照明光でのＳ偏光、Ｐ偏光の光強度
図１を参照して、偏光オフセット（ＰＬ-ｏｆｓ= Ｆｓ-Ｆｐ）とレジストオフセット（Ｒ-ｏｆｓ）について、さらに、詳しく述べる。
このフォーカス・チルト検出系である面位置検出装置３３ａ，３３ｂを複数配置することで、ウェハ３の表面上の複数の計測点の面位置の検出結果、露光すべき面のフォーカス・チルトを算出している。
照明光ＩＬがスリットパターンＳに照射され、そのスリットパターン像は投光光学系ＰＬによってウェハ３の表面に低入射角度で投影され、そのスリットパターン像はウェハ３の表面で反射され、受光光学系ＤＬによって撮像素子Ｄに再結像する。

図２（ａ）（ｂ）は、偏光オフセットのモデルであり、受光光学系ＤＬによって撮像素子Ｄに再結像したスリットパターン像を表している。
この光学系では、スリットパターン像の光強度分布重心位置を基にフォーカスを求めている。
また、投光光学系ＰＬの入射光には、Ｓ偏光とＰ偏光の強度比がほぼ等しい無偏光光を用いているため、受光面でのＳ偏光とＰ偏光の光強度分布の和（=Ｗａｄｄ）は無偏光となる。
図２（ａ）は、Ｓ偏光の光強度分布Ｗ（Ｉｓ）とＰ偏光の光強度分布Ｗ（Ｉｐ）とが、光強度、重心位置ともに一致している（Ｉｓ=Ｉｐ、ＰＬ-ｏｆｓ=０）。
光強度が一致しているのは、ウェハ３の被検査面の反射率がＳ偏光とＰ偏光とで差がないことを示している。
また、重心位置が等しいのは、受光光学系ＤＬでＳ偏光とＰ偏光の光軸位置が撮像面で差がないことを示しいている。このとき、（１）式よりＲ-ｏｆｓ=０である。
図２（ｂ）は、Ｓ偏光の光強度分布Ｗ（Ｉｓ）とＰ偏光の光強度分布Ｗ（Ｉｐ）とが、光強度は一致している（Ｉｓ=Ｉｐ）が、重心位置が不一致である（ＰＬ-ｏｆｓ≠０）。
この場合、Ｗａｄｄは幅が広がるが、その重心位置は図２（ａ）と同じであり、（１）式よりＲ-ｏｆｓ=０である。
図２（ｃ）は、Ｓ偏光の光強度分布Ｗ（Ｉｓ）とP偏光の光強度分布Ｗ（Ｉｐ）とが、光強度、重心位置ともに不一致（Ｉｓ≠Ｉｐ、ＰＬ-ｏｆｓ≠０）である。この場合、（１）式よりＲ-ｏｆｓ≠０となり、オフセットが発生する。
ＩｓおよびＩｐは、ウェハ３の被検査面の反射率に依存する値である。
実際のウェハ３は、様々なデバイスパターンやレジストにより、ショット内の計測位置毎にＳ偏光とＰ偏光の反射率が異なる場合が多い。

図３（ａ）（ｂ）（ｃ）を参照して、ウェハ３の表面上のフォーカス検出点を説明する。
図３（ａ）においては、ウェハ３の全面に対するスキャンイメージを示す。
図３（ｂ）においては、露光スリット領域内３点の各検出点ｃｈ１，２，３が示される。
さらに、図３（ｃ）においては、ショットをスキャン計測（ｐ１〜ｐ７）したときの全計測点が示される。
例えば、ｐ１を計測した時のＳ偏光とＰ偏光の光強度比がＩｓ（ｐ１）：Ｉｐ（ｐ１）=１：１であるのに対し、ｐ２での光強度比がＩｓ（ｐ１）：Ｉｐ（ｐ１）=２：１とする。
また、光検出系の偏光オフセットがＰＬ-ｏｆｓ=０．５μｍであるとする。
この場合、（１）式より、この光検出でのフォーカス計測値は、ｐ１でのレジストオフセットがＲ-ｏｆｓ（ｐ１）=０μｍに対し、ｐ２ではＲ-ｏｆｓ（ｐ２）=０．０８μｍとなる。
他の位置でも各偏光での反射率差が異なるため光強度にばらつきが生じる。
その結果、スキャン計測の計測位置によってレジストオフセットが変動するため、ウェハ３の表面を投影光学系２に合焦させる精度が劣化する。

図１を参照して、本発明の実施例の面位置検出装置３３ａ，３３ｂによるウェハ３の表面上のフォーカス検出を説明する。
照明光ＩＬは、Ｓ偏光あるいはＰ偏光の偏光状態を選択できる偏光部材Ｐを透過し、スリットパターンＳに照射され、そのスリットパターン像は投光光学系ＰＬによってウェハ３の表面に任意の直線偏光で投影される。
そのスリットパターン像はウェハ３の表面で反射され、受光光学系ＤＬによって撮像素子Ｄに再結像する。
なお、偏光部材Ｐを有することで任意にＳ偏光とＰ偏光を選択できる図１の本実施例１において、図５に示される偏光部材Ｐを有しない無偏光の状態も状況に応じて選択できる。
ここで用いる偏光部材Ｐとしては、例えば、偏光フィルターが挙げられる。
偏光フィルターは、自然光のような無偏光光であっても、その偏光成分の光強度比を抑制する手段として、透過する電磁波のある成分を選択的に吸収して無偏光光を直線偏光にする。
しかし、偏光フィルターにおいては、その偏光フィルターの軸に平行な偏光方向の成分はほぼ１００％透過し、偏光面に垂直な偏光成分はほぼ１００％吸収するため、光量が低下する。
偏光部材Ｐが偏光フィルターである場合、偏光フィルターでＳ偏光とＰ偏光および偏光フィルターが無い状態を回転絞りで構成し、任意の偏光状態を選択できる。

本発明の実施例では、Ｓ偏光のフォーカス計測値ＦｓとＰ偏光のフォーカス計測値Ｆｐと差Ｆｓ-Ｆｐ（＝偏光オフセット：ＰＬ-ｏｆｓ）を、基準となる基準面の反射面で計測する。
この結果から、偏光オフセットＰＬ−ｏｆｓ（＝Ｆｓ−Ｆｐ）が判明する。
なお、この基準面は、反射率や薄膜干渉の影響に偏光差がないことが望ましい。
反射面の物性が分かれば、容易にシミュレーションすることが出来る。
次に、所定のショットにおいて、図３（ｂ）に示されるＳ偏光とＰ偏光の各偏光でスキャン計測を行う。
このとき、照明光ＩＬの出力は同計測点では同等にする。この結果から、各計測点での各偏光光強度Ｉｓ、Ｉｐが求まる。
以上の計測から、偏光オフセットＰＬ−ｏｆｓ及び各偏光光強度Ｉｓ、Ｉｐが既知になったので、（１）式から、各計測点でのレジストオフセットＲ−ｏｆｓを求めることが出来る。
実際のフォーカススキャン計測時には、従来の光量を確保するため、偏光部材Ｐである偏光フィルターを有しない状態で、図３（ｂ）に示されるようにスキャン計測を行い、投影光学系２の光軸方向に関する面位置を検出する。
このとき、予め求めたレジストオフセットを補正値で補正を行えば、ウェハ３の表面を投影光学系２の合焦位置に正確に設定することができる。

なお、本実施例において、偏光部材Ｐの位置は、照明光ＩＬからウェハ３の表面までの間であればどこでも良い。
実際には、偏光部材Ｐの表面精度や駆動制度の問題から、光学系の瞳近傍が望ましい。
また、偏光オフセットＰＬ−ｏｆｓを求めるのは、基準面でなくてもよく、各計測点での各偏光光強度Ｉｓ、Ｉｐを求めるショット位置及び数も任意である。
さらに、直線偏光で計測してもよい。そうすれば、レジストオフセットは常に零である。
しかし、ウェハ３の被検査面位置によっては、用いた直線偏光の反射率が、ほぼ零のため光量不足で計測に適さない場合がある。
この場合は、偏光状態を調整できる偏光部材Ｐで直線偏光を任意に変化させることで、適切な直線偏光状態にすればよい。
このとき、偏光状態を変えるので、偏光オフセット分だけ光軸がシフトするが、予め偏光オフセットを計測しておけば、正確な面位置検出が可能である。

次に、図６及び図７を参照して、上述の露光装置を利用したデバイス製造方法の実施例を説明する。
図６は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造方法を例に説明する。
露光装置を用いてウェハを露光する工程と、前記ウェハを現像する工程とを備え、具体的には、以下の工程から成る。
ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。
ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンに基づいてマスクを製作する。
ステップ３（ウェハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウェハを製造する。
ステップ４（ウェハプロセス）は前工程と呼ばれ、マスクとウェハを用いて、上記の露光装置によりリソグラフィ技術を利用してウェハ上に実際の回路を形成する。
ステップ５（組立）は、後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウェハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の組み立て工程を含む。
ステップ６（検査）では、ステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。
こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、それが出荷（ステップ７）される。

図７は、ステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。
ステップ１１（酸化）では、ウェハの表面を酸化させる。
ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウェハの表面に絶縁膜を形成する。
ステップ１３（電極形成）では、ウェハに電極を形成する。
ステップ１４（イオン打込み）では、ウェハにイオンを打ち込む。
ステップ１５（レジスト処理）では、ウェハに感光剤を塗布する。
ステップ１６（露光）では、露光装置によってマスクの回路パターンをウェハに露光する。
ステップ１７（現像）では、露光したウェハを現像する。
ステップ１８（エッチング）では、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。
ステップ１９（レジスト剥離）では、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。
これらのステップを繰り返し行うことによってウェハ上に多重に回路パターンが形成される。

本発明の実施例の面位置検出光学装置の概略構成図である。本発明の基本原理を説明する偏光オフセットの概略を示す図である。本発明の基本原理を説明するフォーカス・チルト検出系の光学系の構成概略を示す図である。本発明の実施例の投影露光装置の要部を示す概略図である。本発明の実施例の面位置検出光学装置において偏光部材を有しない状態の概略構成図である。露光装置を使用したデバイスの製造を説明するためのフローチャートである。図６に示すフローチャートのステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。

符号の説明

ＩＬ：照明光
ＰＬ：投光光学系
ＤＬ：受光光学系
Ｄ：撮像素子
Ｓ：スリット
Ｐ：偏光部材
Ｗｓ：Ｓ偏光の受光面光強度分布
Ｗｐ：Ｐ偏光の受光面光強度分布
Ｗａｄｄ：Ｓ偏光とＰ偏光の受光面光強度分布の和
Ｉｓ：Ｓ偏光の受光面光強度
Ｉｐ：Ｐ偏光の受光面光強度
ＰＬ−ｏｆｓ：偏光オフセット
Ｒ−ｏｆｓ：レジストオフセット
１：レチクル
２：投影光学系
３：ウェハ
３３ａ，３３ｂ：面位置検出装置３３ａ，３３ｂ
ＲＳ：レチクルステージ
ＷＳ：ウェハステージ
８１：干渉計
８００：露光用レーザー光源
８０１：投影露光用照明光学系
１００：ステージ駆動系
１１００：制御系
ＳＨ：ショット
ＰＥ：露光エリア
ＤＩ：入射方向
ＤＳ：スキャン動作方向
ｃｈ１〜ｃｈ３：検出点
ｐ１〜ｐ７：計測点

Claims

投影光学系の結像面の近傍に載置された基板の表面に前記投影光学系の光軸に対して斜め方向からスリットパターンを投影する投光光学系と、
前記基板の表面上に形成された前記スリットパターンの像を撮像素子で撮像する受光光学系と、
前記撮像素子からの信号を用いて前記基板の表面の前記光軸方向の位置を検出する処理手段と、を有し、
前記基板の表面上の複数の計測点で前記光軸方向の前記表面の位置を計測し、各々の前記計測点での前記計測値を前記計測点毎の補正値で補正する面位置検出装置において、
Ｓ偏光あるいはＰ偏光の偏光状態で前記スリットパターンの像を前記基板の表面上に投影する偏光部材を前記投光光学系に有し、
基準とされる基準面において前記Ｓ偏光での計測値と前記Ｐ偏光での計測値との差を予め計測し、
前記基板の表面上の各々の前記計測点で前記Ｓ偏光での反射率と前記Ｐ偏光での反射率との比を計測し、
前記差および前記反射率比を基に算出した前記補正値を選択することを特徴とする面位置検出装置。
請求項１記載の面位置検出装置を用いて、基板の位置を検出することを特徴とする面位置検出方法。
請求項１または２記載の面位置検出装置を有し、基板を露光することを特徴とする露光装置。
請求項３記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、
前記基板を現像する工程と、を備えることを特徴とするデバイス製造方法。