JP2924635B2 - 半導体素子製造用レチクルおよび露光装置の製造誤差の補正方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体素子製造用レチク
ルおよび半導体素子製造工程での露光装置におけるレチ
クル製造誤差を補正する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子製造用レチクルは、通常ガラ
ス基板にクロム膜を被着し、このクロム膜に所定の半導
体素子回路パターンを形成している。ところで、ガラス
基板にクロム膜を被着すると、クロム膜の応力によって
ガラス基板が歪む。レチクル製造段階でクロム膜をパタ
ーニングすることで、クロム膜の応力が変化し、ガラス
基板の歪も変化する。この歪は、ガラス基板の平坦性の
変化で検出することができる。例えば、５インチ四方、
０．０９インチの厚さのガラス基板の場合、一辺１００
ｍｍの正方形内では平坦性の変化は０．９μｍ程度であ
る。このとき、クロム膜パターンの倍率の変化は０．０
８μｍ程度となる。

【０００３】ガラス基板上のクロム膜をパターニングす
るためには電子線露光装置が広く用いられている。しか
し、電子線露光装置の描画位置の計測に用いられている
レーザ干渉計には個体差がある。露光装置間差により、
例えば５インチ四方のレチクルでは一辺１００ｍｍの正
方形上で０．１４μｍ程度の倍率誤差が発生する。以上
の２つの原因で、最大０．２３μｍのレチクル製造誤差
を生じる。５：１の縮小投影露光装置においてこのレチ
クルを使用し、半導体基板に半導体素子パターンを転写
すると、設計値に対して０．０４６μｍの誤差が発生す
る。

【０００４】しかしながら、従来の半導体素子製造用レ
チクルにはレチクル製造誤差を測定するためのマークが
具備されていない。縮小投影露光装置で半導体基板に半
導体素子パターンを形成する際の一般的な方法を図１３
に基づいて説明する。半導体基板に半導体素子回路パタ
ーンを転写し、熱処理や成膜、エッチング等の工程を経
た後に、次のパターンの位置合わせ行う場合を示す。一
般に、半導体基板に熱処理を施すと半導体基板が変形す
ることが知られている。半導体基板が、熱処理前の半導
体基板１３から熱処理後の半導体基板１２へ変形するこ
とにより、位置合わせのための半導体基板上のマーク
（以下、ウェハアライメントマーク）の位置が、熱処理
前のウェハアライメントマーク１７から熱処理後のウェ
ハアライメントマーク１８へΔＬだけ変化する。このウ
ェハアライメントマークの位置変化から半導体基板の伸
び率ΔＭは、ΔＭ＝（Ｌ＋ΔＬ）／Ｌとなる。そこで、
投影レンズの倍率を調整してレチクル像を半導体基板に
投影して、半導体基板の変形による倍率変動を補正す
る。図中、１４は半導体基板の中心、１５はこの中心１
４から距離Ｌだけ離れた熱処理前のショット中心、１６
は熱処理後のショット中心をそれぞれ示している。

【０００５】特開平５−５９８１号公報には、マスクの
製造誤差を測定する方法が提案されている。図１４にそ
の概念図を示す。レチクル３上に配置したレチクルアラ
イメントマーク２１と、露光位置２３に配置した基準露
光板２２との位置関係を計測することにより、レチクル
３の製造誤差を測定している。すなわち、レチクルアラ
イメントマーク２１の像を基準露光板２２のアライメン
トホール２４上へ投影し、ディテクタ２５によりこのレ
チクルアライメントマーク２１の像とアライメントホー
ル２４との位置関係を計測し、レチクル３の製造誤差を
測定している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の半導体
素子製造用レチクルおよび誤差補正方法には以下に示す
ような問題点を有する。まず、従来のレチクルにはレチ
クル製造誤差を補正するマークが具備されていないの
で、半導体素子パターンの重ねあわせの際、半導体基板
の変形による誤差や、投影露光装置の投影レンズのディ
ストーション誤差等は補正できたが、レチクル自体の製
造誤差を補正できていなかった。したがって、でき上り
の半導体素子の寸法は、レチクルの描画を行った電子ビ
ーム露光機の号機差や、レチクルメーカの調整基準の違
いや、装置の経時変化等のレチクル製造誤差を含んだも
のとなり、設計寸法とは異なったものとなっていた。

【０００７】また、特開平５−５９８１号公報に示され
たレチクル製造誤差測定方法では、基準露光板の製造誤
差と、ディテクタと基準露光板との間の位置関係の経時
変化と、基準露光板の位置精度と、投影レンズ５のディ
ストーションとの影響を受け、必ずしも正確な測定はで
きなかった。

【０００８】そこで、本発明は、露光装置にあってレチ
クル自体の製造誤差を補正することを目的としている。
また、本発明は、でき上りの半導体素子の寸法を設計寸
法と一致させることを目的としている。さらに、本発明
は、レチクルの製造誤差を正確に測定することを目的と
している。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、露光装置の投影レンズを通る光を検出したステ−ジ
上マ−ク位置と設計上の該ステ−ジ上マ−ク位置との差
に基づいて露光装置のオフセット量を求め、その後レチ
クルを露光装置にロ−ドし、前記ステ−ジ上マ−クから
前記投影レンズ及び前記レチクル上の製造誤差補正マ−
クを透過した光を検出して測定した前記製造誤差補正マ
−クの位置と設計上の該製造誤差補正マ−クの位置との
差を求め、この差に前記オフセット量を加えて求めた誤
差に基づいて露光装置の投影レンズの倍率を調整する半
導体素子製造用レチクル及び露光装置の製造誤差の補正
方法である。

【００１０】請求項２に記載の発明は、上記レチクルの
製造誤差を求める位置の計測をレーザ干渉計により行う
請求項１に記載の半導体素子製造用レチクルおよび露光
装置の製造誤差の補正方法である。

【００１１】

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【作用】請求項１に記載の発明では、レチクルを用いて
半導体基板に所定の半導体素子パターンを形成する。こ
の際、レチクルの製造誤差の計測を半導体素子製造露光
装置上で行う。計測は、レチクルのレチクル製造誤差補
正マークを用いて行い、測定したレチクル製造誤差は、
露光装置において補正する。

【００１６】請求項２に記載の発明は、レチクルの半導
体素子パターンが形成された部分の外側の少なくとも４
ヶ所にレチクル製造誤差補正マークを設けているため、
露光装置にあって、レチクル製造誤差を正確にかつ素早
く測定することができる。

【００１７】請求項３に記載の発明は、レチクル製造誤
差補正マークとして、Ｘ方向とＹ方向とに沿ってそれぞ
れ延在した一組の矩形パターンを有している。よって、
これらの矩形パターンに基づいて容易かつ正確にレチク
ルの製造誤差を測定することができる。

【００１８】請求項４に記載の発明では、露光装置の投
影レンズを通してレチクル製造誤差補正マークの位置を
計測する。計測結果に基づいてこの投影レンズの倍率を
調整することにより、レチクルの製造誤差を補正する。
そして、この露光装置によって露光して半導体素子パタ
ーンをウェハに形成すると、設計寸法通りにパターン形
成を行うことができる。

【００１９】換言すると、露光時、そのレチクル製造誤
差補正マークの位置を計測する。これにより、レチクル
の倍率誤差を計算する。そして、露光装置の投影レンズ
の倍率を調整し、レチクルのパターンを投影する。この
結果、レチクル上に形成したパターンの倍率がレチクル
毎に異なることが原因で発生する位置ずれを防ぐことが
できる。

【００２０】請求項５に記載の発明では、露光装置にあ
って、レチクル製造誤差補正マークと、露光装置のステ
ージ上のマークとを重ね合わせる。この結果に基づい
て、レチクルの製造誤差を測定する。

【００２１】請求項６に記載の発明では、上記レチクル
の製造誤差の計測をレーザ干渉計により行う。よって、
より精密に計測することができる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明に係るレチクルおよびレチクル
を用いての露光装置でのレチクル製造誤差の補正方法に
ついての実施例を説明する。図１〜図８は第１の実施例
を説明するための図である。図１に本発明の第１の実施
例に係る露光装置の概略を示す。図２は使用するレチク
ルの製造誤差補正マークを示している。図３はこの製造
誤差補正マークを拡大して示している。図４は露光装置
のステージ上のマークを示している。図５の（ａ）、
（ｂ）はディテクタの構造を模式的に示している。図６
は顕微鏡のスリット形状を示している。図７は露光装置
でのステージ上マーク製造誤差等の補正を行う場合の出
力信号の波形を示している。図８はレチクル製造誤差の
測定を説明するための図である。

【００２３】図１において、１はディテクタであり、誤
差計測用顕微鏡９に付設されている。誤差計測用顕微鏡
９は露光装置の所定位置に配設されたレチクル３、投影
レンズ５、ステージ７に対して光源から所定の光を照射
可能に設けられている。光源の光はビームスプリッタ等
により顕微鏡内スリット２を介してディテクタ１にも入
射される構成である。また、ステージ７側方にはレーザ
干渉計８が配設されている。ステージ７は公知のように
Ｘ−Ｙ平面で直交するＸ，Ｙの２方向に移動自在の構成
である。６はステージ７のウェーハ（半導体基板）載置
部の側方に設けたステージ上マークである。このステー
ジ７の上方に配設されたレチクル３の下面には製造誤差
補正マーク４が設けられている。

【００２４】レチクル３には、図２に示すように、少な
くとも矩形ガラス板製のレチクルの外縁部の４点の対称
位置に製造誤差補正マーク４を配置する。レチクル３の
これらのマーク４に囲まれた矩形の中央部はパターン形
成部である。各製造誤差補正マーク４は、図３に示すよ
うに、短辺１０〜１００μｍ、長辺５０〜５００μｍ程
度のスリットを有して形成されており、Ｘ，Ｙの組から
構成されている。これらのマーク４に対応するウェハス
テージ７上のマーク６としては、図４に示すように、短
辺８〜１００μｍ、長辺５０〜６００μｍの長方形の繰
り返しパターン（以下、Ｌ／Ｓパターン）を配置する。
Ｌ／Ｓパターンのピッチはレチクル上のスリット幅の２
倍より大きくする。さらに、このＬ／Ｓパターンでは長
方形部分を鏡状の高反射率とし、かつ、その長方形の周
囲の部分を低反射率とする。または、この長方形部分を
透明とし、下方から露光光で照明して投影レンズ側から
みた場合、長方形部分のみから光が出るように構成して
もよい。

【００２５】次に、ディテクタ１側の構造を説明する。
図５に示すように、顕微鏡９と、これに付設されたディ
テクタ１とから構成されており、Ｘ方向とＹ方向とにそ
れぞれ独立した光学系を持っている。最初に、ステージ
上マーク６が鏡状に構成された場合を説明する。

【００２６】図５の（ａ）のようにマークを照射するた
めの光源から出た光は、レチクル３がある場合には、レ
チクル３上の製造誤差補正マーク４を通ってマーク６に
達する。マーク６で反射した光は、再びレチクル３上の
製造誤差補正マーク４を通過し、顕微鏡９内に入る。そ
して、反射光はハーフミラーを通過してこの顕微鏡９内
に設置した図６に示すスリット２を通過し、ディテクタ
１に入射する。このディテクタ１では入射光の強度のみ
を信号として例えば制御、演算系に対して出力する。

【００２７】次に、ステージ７上のマーク６自体から光
が出る場合について、図５の（ｂ）に示す。この場合
は、ステージ上マーク６自体が発光するので、照明光学
系は不必要である。ステージ上マーク６から出た光は、
レチクル３がある場合はレチクル３上の製造誤差補正マ
ーク４を通過し、レチクル３の面と光学系に共役な面に
配置した顕微鏡９内のスリット２を通過してディテクタ
１に入射する構成である。

【００２８】次に、第１の実施例の場合のレチクル製造
誤差の計測方法について説明する。まず、レチクル３を
露光装置にロードする前に、投影レンズ５のディストー
ション量と、顕微鏡９内のスリット２の位置の誤差と、
ステージ上マーク６の製造誤差の補正を行う。ステージ
上マーク６を露光波長の光で照明するか、もしくは、ス
テージ上マーク６自体を発光させながら、ステージ上マ
ーク６からの光が顕微鏡９に入射する位置の近くでステ
ージ７をＸ，Ｙ方向に走査する。ステージ上マーク６と
スリット２とが一致したところでその信号強度が最大と
なる。ステージ上マーク６の一部がスリット２と一致す
るところでは、一致した面積に比例した強度の信号が出
る。そのため、ステージ７を一方向に走査したときの信
号強度の変化は図７に示したような変化をする。このと
き、ステージ７の位置はレーザ干渉計８で常に測定され
ているので、信号が変化したときのステージ７の位置は
ステージ７側方のレーザ干渉計８により測定される。信
号変化の位置が、ステージ上マーク６の位置になる。こ
の結果、このステージ上マーク６の位置と設計上の位置
との差が、投影レンズ５のディストーションによるずれ
量と、顕微鏡９のスリット２および光学系の製造誤差
と、ステージ上マーク６の製造誤差との和となる。この
大きさをΔＤとする。ΔＤをレチクル３上の製造誤差補
正マーク４と同位置となる各点でＸ，Ｙについてそれぞ
れ測定する。

【００２９】次に、レチクル３を露光装置の所定位置に
ロードし、レチクルアライメントを行う。そして、先程
の場合と同様に、ステージ上マーク６（ステージ７）を
ステージ上マーク６からの光が顕微鏡９に入射する位置
で走査する。このとき、レチクル３上の製造誤差補正マ
ーク４の開口部は、顕微鏡９のスリット２よりも１０〜
２０％幅を小さくしている。このため、ステージ上マー
ク６からの光がディテクタ１に入射する際の入射量は、
レチクル３上の製造誤差補正マーク４により制限され
る。この結果、ステージ上マーク６を走査させたときの
ディテクタ１の出力によりレチクル３上の製造誤差補正
マーク４の位置を測定することができる。そして、この
製造誤差補正マーク４の位置と設計上の座標とを比較
し、その差を求める。レチクル３上の各製造誤差補正マ
ーク４について、Ｘ，Ｙ双方についてそれぞれ測定を行
い、これにそれぞれに対応する位置の装置側のオフセッ
ト量であるΔＤを加える。図８に示すように、レチクル
３内の測定ポイント全点で、設計値からのずれ量ΔＸ１
〜ΔＸ４とΔＹ１〜ΔＹ４とを求める。その結果、レチ
クル３製造誤差の倍率成分ΔＭは次式で表される。

【００３０】ΔＭ＝｛ΔＸ２−ΔＸ４＋ΔＸ３−ΔＹ１
＋４Ｌ（１−ｃｏｓθ）｝／４Ｌ ここで、θはレチクルローテーション量でレチクルアラ
イメントの結果から得られ、Ｌはレチクル中心からレチ
クル３上のマークまでの距離である。

【００３１】この結果、レチクル３の製造時の倍率誤差
がわかる。よって、レチクルパターンを半導体基板上に
転写する際に、投影レンズ５の倍率補正機能を用いて、
倍率を補正して露光する。この結果、レチクル３の製造
誤差による倍率の変動をレチクル３上の１００ｍｍ四方
の正方形の辺上で０．２３μｍ程度低減することができ
る。

【００３２】次に、第２の実施例について説明する。レ
チクル上へのマークの配置は第１の実施例と同様であっ
て、図２に示すように、製造誤差補正マーク４を配置す
る。製造誤差補正マーク４は、図９に示すように、短辺
が５〜５０μｍ、長辺が３０〜３００μｍの長方形の繰
り返しパターンで構成してある。ステージ７上にも同じ
形状のマーク６を配置する。この場合も、第１の実施例
の場合と同様に、鏡状で反射率の高い長方形と、反射率
が低い長方形の周囲の部分からなるマークと、マークの
下方から光を照射し、マーク自体が発光するものとの２
つの場合がある。

【００３３】光学系は第１の実施例の場合と同じ構成で
ある。ディテクタ１と、顕微鏡９内のスリット２とが、
図１０に示したように、形状がレチクル３上の製造誤差
補正マーク４の長方形を１０〜２０％細くしたものであ
ることが異なるのみである。本実施例では、ディテクタ
１にＣＣＤもしくは影像管を用い、画像処理により設計
位置からのずれ量を測定する。

【００３４】次に、第２の実施例での製造誤差補正マー
ク４の設計位置からのずれ量の測定方法を説明する。ま
ず、レチクル３をロードする前に、顕微鏡９と投影レン
ズ５のディストーションと、ステージ上マーク６の製造
誤差の補正を行う。ステージ上マーク６をステージ７の
レーザ干渉計８でその位置を測定しながら、設計上で顕
微鏡９内のスリット２のスペース部分と、ステージ上マ
ーク６のライン部分が一致する位置に移動させる。この
とき、誤差が無い場合は図１１に示すような画像が得ら
れる。誤差がある場合は図１２に示すような画像が得ら
れる。このようにして得られた画像から、顕微鏡内のス
リット２とステージ上マーク６のずれ量を求める。第１
の実施例の場合と同様に、このずれ量をΔＤとする。そ
して、レチクル３上での製造誤差補正マーク４の位置に
対応する全ての点で、Ｘ，Ｙについてこのずれ量を求め
る。

【００３５】次に、レチクル３をロードし、レチクルア
ライメントを行う。この後、レチクル３上の製造誤差補
正マーク４のスペースとステージ上マーク６のラインが
一致する位置にステージ７を移動させる。そして、その
ときの画像をメモリに取り込む。この場合、レチクル３
上の製造誤差補正マーク４のラインが顕微鏡内のスリッ
ト２のラインより太い（幅が広い）。このため、レチク
ル３上の製造誤差補正マーク４に隠れて、顕微鏡内のス
リット２は見えない。よって、この画像から、ステージ
上マーク６とレチクル３上の製造誤差補正マーク４のず
れ量が得られる。

【００３６】この計測値と先程のΔＤとを加えること
で、装置側の製造誤差やレンズの収差の影響を除いた真
のレチクル上の座標の設計値からの誤差が得られる。レ
チクル３上の製造誤差補正マーク４の全てについて設計
値からの誤差を求め、第１の実施例と同様に、倍率の製
造誤差ΔＭを求める。そして、この製造誤差による倍率
誤差を打ち消すように投影レンズ５の倍率を調整してパ
ターンの転写を行う。

【００３７】

【発明の効果】本発明は、レチクルパターンの描画を行
った電子ビーム露光機の号機差、レチクルメーカの違い
による調整基準の違い、装置の経時変化等によって、レ
チクルパターンのピッチにばらつきが発生し、レチクル
上のパターンの倍率が変化してしまうという問題点を解
決する。すなわち、本発明により、レチクルの製造誤差
に起因する倍率変動を低減することができる。このた
め、重ね合わせ精度がレチクル上の１００ｍｍ四方の正
方形の辺上で０．２３μｍ程度向上する。ウェハへのパ
ターン転写精度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す露光装置の模式図
である。

【図２】本発明の第１の実施例のレチクル上のマーク配
置を示す図である。

【図３】本発明に係る第１の実施例の製造誤差補正マー
クを示す図である。

【図４】本発明の第１の実施例のステージ上マークを示
している。

【図５】本発明の第１の実施例に係る顕微鏡を説明する
模式図である。

【図６】本発明の第１の実施例の顕微鏡内のスリットを
示す図である。

【図７】本発明の第１の実施例に係るディテクタの信号
波形を示す図である。

【図８】本発明の第１の実施例での製造誤差の差量を説
明するための図である。

【図９】本発明の第２の実施例の製造誤差補正マークを
示す図である。

【図１０】本発明の第２の実施例の顕微鏡内のスリット
を示す図である。

【図１１】本発明の第２の実施例の誤差が無い場合の画
像を示す図である。

【図１２】本発明の第２の実施例の誤差がある場合の画
像を示す図である。

【図１３】半導体基板の変形による倍率変動を説明する
ための図である。

【図１４】従来のレチクル製造誤差計測方法を説明する
ための図である。

【符号の説明】

１…ディテクタ ２…顕微鏡内マーク ３…レチクル ４…製造誤差補正マーク ５…投影レンズ ６…ステージ上マーク ８…レーザ干渉計 ９…誤差計測用顕微鏡

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】露光装置の投影レンズを通る光を検出した
   ステ−ジ上マ−ク位置と設計上の該ステ−ジ上マ−ク位
   置との差に基づいて露光装置のオフセット量を求め、そ
   の後レチクルを露光装置にロ−ドし、前記ステ−ジ上マ
   −クから前記投影レンズ及び前記レチクル上の製造誤差
   補正マ−クを透過した光を検出して測定した前記製造誤
   差補正マ−クの位置と設計上の該製造誤差補正マ−クの
   位置との差を求め、この差に前記オフセット量を加えて
   求めた誤差に基づいて露光装置の投影レンズの倍率を調
   整する半導体素子製造用レチクル及び露光装置の製造誤
   差の補正方法。
2. 【請求項２】 上記レチクルの製造誤差を求める位置の
   計測をレーザ干渉計により行う請求項１に記載の半導体
   素子製造用レチクルおよび露光装置の製造誤差の補正方
   法。