JP4015087B2 - レチクル、及び露光方法 - Google Patents

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Description

本発明は半導体露光装置で使用されるレチクル、露光方法及びレチクルの製造方法に係り、特に露光装置の光学系補正技術に関する。
半導体装置の集積回路パターン（デバイスパターン）を投影露光装置で製造用レチクルからウェハ等の被露光体上にレーザ露光する際には、投影露光装置の光学系の焦点位置にウェハが正しく配置されないとコントラストが不良となり、デバイスパターンを正確にウェハ上に露光することができない。このため、光学系の焦点位置にウェハを正しく配置する技術が開発されてきた。例えば、回折効率が異なるプラス一次回折光とマイナス一次回折光を生じさせる非対称回折格子を利用する技術がある。非対称回折格子とは、非対称回折格子を透過しない光に対して位相差が0度より大かつ180度未満である透過光を生成する複数の非対称回折溝を有するものである。このような非対称回折格子を備える検査用レチクルを投影露光装置に配置しウェハにレーザ露光すると、ウェハの光軸方向への移動に伴って、ウェハ上の非対称回折格子の投影像の位置が光軸方向と垂直方向に移動する。このウェハの光軸方向への移動量と投影像の位置の移動量は線形関係にある。よって一度この線形関係を取得し、後はウェハ上の非対称回折格子の投影像の実測位置を計測すれば、ウェハが焦点位置からどれだけ光軸方向に外れて配置されているかを算出することができた（例えば、特許文献1参照。）。
特開2002- 55435号公報（第5−6頁、第5図）
しかし上記方法では、検査用レチクルを使用した焦点位置検査用の露光と、製造用レチクルを使用した半導体装置製造用の露光を別々に行う必要があった。そのため、検査用レチクルと製造用レチクルの両方を準備することに伴うコストの上昇、あるいは検査用レチクルから製造用レチクルに交換する際に起こりうる製造用レチクルの配置位置のズレや交換に伴う作業時間の長期化等が半導体集積回路製造工程において問題となっていた。
本発明は上記問題点を鑑み、ハーフトーン型位相シフト露光工程において検査用レチクルと製造用レチクルの両方を準備する必要がなく、露光装置の光学系の補正に要する時間を大幅に短縮し、かつ精度よく補正された光学系による半導体装置の製造を可能とするレチクル、露光方法及びレチクルの製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明の第1の特徴は、マスク基板上に回折効率が異なるプラス一次回折光とマイナス一次回折光を生じさせる非対称回折格子を設けたレチクルであって、非対称回折格子が、（イ）マスク基板上に選択的かつ周期的に配置され、マスク基板と接する入射面、該入射面と対向する第1の面、入射面と対向し第1の面に隣接する第2の面をそれぞれ有する、半透過性の複数の検査用位相シフタ膜と、（ロ）第2の面上にそれぞれ配置された複数の遮光帯とを備えるレチクルであることを要旨とする。
本発明の第2の特徴は、マスク基板上に回折効率が異なるプラス一次回折光とマイナス一次回折光を生じさせる非対称回折格子と、この非対称回折格子に隣接して設けられたデバイスパターンを設けたレチクルを用いた露光方法に関する。即ち、（イ）非対称回折格子により、回折効率が異なるプラス一次回折光とマイナス一次回折光の投影像の画像情報を取得するステップと、（ロ）画像情報から、投影像を投影する露光装置の光学系の光軸方向のウェハの位置と、ウェハ表面における投影像の位置との線形関係を表す近似関数式を算出するステップと、（ハ）近似関数式を用いて光学系を補正するための補正情報を取得するステップと、（ニ）補正情報により光学系を補正するステップと、（ホ）補正された光学系でデバイスパターンを露光するステップとを含む露光方法であることを要旨とする。
ここで、非対称回折格子は、第1の特徴で述べたように、マスク基板上に選択的かつ周期的に配置され、マスク基板と接する入射面、この入射面と対向する第1の面、入射面と対向し第1の面に隣接する第2の面をそれぞれ有する、半透過性の複数の検査用位相シフタ膜と、 第2の面上にそれぞれ配置された複数の遮光帯とを備える。
本発明によれば、ハーフトーン型位相シフト露光工程において検査用レチクルと製造用レチクルの両方を準備する必要がなく、露光装置の光学系の補正に要する時間を大幅に短縮し、かつ精度よく補正された光学系による半導体装置の製造を可能とするレチクル、露光方法及びレチクルの製造方法を提供することができる。
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。なお以下の示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は構成部品の配置等を下記のものに特定するものではない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において種々の変更を加えることができる。
本発明の実施の形態に係る縮小投影露光装置320は図1に示すように光学系140、光学系140の下部に配置されるウェハステージ32を備える。光学系140は照明光源41、照明光源41の下部に配置された集光レンズ43、集光レンズ43の下部に配置された投影光学系42を備える。集光レンズ43と投影光学系42の間には照明光源41より照射され集光レンズ43で集光された光を受けるレチクル5が配置される。ウェハステージ32上にはウェハ31が配置される。レチクル5に設けられたデバイスパターン15及び検査パターン20a, 20b, 20cそれぞれで生じる回折光は投影光学系42で集光されウェハ31上に結像する。
レチクル5は、図1及び図2の拡大平面図に示すように、石英ガラス等からなる透明なマスク基板1、マスク基板1上に配置されたクロム(Cr)等からなる遮光膜17、遮光膜17に設けられた検査パターン用開口56a, 56b, 56cより表出するマスク基板1上にそれぞれ設けられた検査パターン20a, 20b, 20c、遮光膜17に設けられたデバイスパターン用開口57で表出するマスク基板1上にそれぞれ設けられたデバイスパターン15a, 15b, 15cを備える。検査パターン20a, 20b, 20cそれぞれは非対称回折格子222a, 222b, 222cを備え、隣接してアライメントマーク26a, 26b, 26cがマスク基板1上に設けられる。なおアライメントマーク26a〜26cそれぞれは図1に示したウェハ31の位置合わせに用いられるものである。
図2に示した検査パターン20aの拡大平面図の一例が図3である。検査パターン20aは、マスク基板1の表面にそれぞれが正方形の4辺を形成するように配置された、それぞれ回折効率が異なるプラス一次回折光とマイナス一次回折光を生じさせる非対称回折格子22a, 22b, 22c, 22d、非対称回折格子22a, 22b, 22c, 22dそれぞれと平行に配置された孤立遮光パターン61a, 61b, 61c, 61dを備える。非対称回折格子22a, 22b, 22c, 22dは一組となって図2に示した非対称回折格子222aを構成している。なお、図2に示した他の検査パターン20b, 20cそれぞれの構成は図3に示した検査パターン20aと同様であるので説明は省略する。
さらに図3に示した非対称回折格子22aの一部分を拡大した平面図が図4であり、図4に示したA-A方向から見た非対称回折格子22aの断面図が図5である。
図4及び図5に示すように、非対称回折格子22aは、マスク基板1上に選択的かつ周期的に配置され、マスク基板1と接する入射面150a, 150b, 150c, ・・・・・、入射面150a, 150b, 150c, ・・・・・それぞれと対向する第1の面151a, 151b, 151c, ・・・・・、入射面150a, 150b, 150c, ・・・・・それぞれと対向し第1の面151a, 151b, 151c, ・・・・・それぞれに隣接する第2の面152a, 152b, 152c, ・・・・・をそれぞれ有する半透過性の複数の検査用位相シフタ膜88a, 88b, 88c, ・・・・・、第2の面152a, 152b, 152c, ・・・・・上にそれぞれ配置されたCr等からなる複数の遮光帯70a, 70b, 70c, ・・・・・を備える。
ここで、遮光帯70a, 70b, 70c, ・・・・・それぞれの幅をC1、第1の面151a, 151b, 151c, ・・・・・それぞれの幅をS1、検査用位相シフタ膜88a, 88b, 88c, ・・・・・それぞれがマスク基板1上に配置される間隔をT1とすると、実施の形態に係る図5ではC1 : S1 : T1は2 : 1 : 1としており、例えば図1に示した縮小投影露光装置320で照明光源41から波長193nmのアルゴンフッ素(ArF)エキシマレーザでレチクル5を照射する場合、C1を0.2μm、S1及びT1を0.1μmとすればよい。また第1の面151a, 151b, 151c, ・・・・・は、それぞれを透過する光が検査用位相シフタ膜88a, 88b, 88c, ・・・・・それぞれを透過しない光に対して90度の整数倍の位相差を有するよう設けられている。例えば検査用位相シフタ膜88a, 88b, 88c, ・・・・・それぞれがモリブデンシリサイド(MoSi)を材料としている場合、90度の位相差を透過光に生じさせるためには第1の面151a, 151b, 151c, ・・・・・それぞれが入射面150a, 150b, 150c, ・・・・・からおよそ90.8nmの高さの位置にあればよく、その場合透過率は24.5%である。検査用位相シフタ膜88a, 88b, 88c, ・・・・・それぞれの材料としてはMoSi以外にもその酸化窒化物(MoSiON)、ジルコニウムケイ酸塩(ZrSiO)、非晶質炭素、窒化ケイ素(SiN)、窒化チタン(TiN)、窒化チタンケイ素(TiSiN)等が使用できる。なお図3に示した他の非対称回折格子22b〜22dそれぞれも図4及び図5に示した非対称回折格子22aと同様の構成であるので説明は省略する。
次に図2に示したデバイスパターン15aの一部の拡大断面図の一例を図6に示す。図6に示すようにデバイスパターン15aは、マスク基板1の表面上に選択的に配置された半透過性の複数の位相シフタ膜188a, 188b, 188c ・・・・・それぞれを備える。
ここで位相シフタ膜188a, 188b, 188c ・・・・・は、それぞれを透過する光が位相シフタ膜188a, 188b, 188c ・・・・・それぞれを透過しない光に対して180度の整数倍の位相差を有するように設けられている。例えば位相シフタ膜188a, 188b, 188c ・・・・・それぞれがMoSiでできており、図1の照明光源41からArFエキシマレーザで露光される場合には、透過光に180度の位相差を生じさせるには位相シフタ膜188a, 188b, 188c ・・・・・それぞれの厚さをおよそ181.5nmとすればよく、この場合透過率は6%である。なお図2に示した他のデバイスパターン15b, 15cそれぞれの構成も図6と同様であるので図面は省略する。
次に、図4に示した非対称回折格子22aを下側に向けて上部からArFエキシマレーザを露光した場合の瞳面での光強度分布を計算した結果を図7に示す。図7のように横軸に瞳面内の位置を、縦軸に光強度をとって光強度をプロットすると、瞳位置の０次回折光に対してプラス一次回折光は強く発生しているが、マイナス一次回折光はこれと比較して弱く発生していることが分かる。なお図5に示した入射面150a, 150b, 150c, ・・・・・と第1の面151a, 151b, 151c, ・・・・・それぞれの間隔を、マスク基板1の透過光に対し位相差が0度より大かつ180度未満の値の整数倍の透過光を生成するように設ければ、回折効率が異なるプラス一次回折光とマイナス一次回折光を生じさせることができるが、位相差90度で最もプラス側あるいはマイナス側に回折効率を偏らせることができる。
そこで、このような非対称回折格子22a〜22dそれぞれを備えるレチクル5を図1に示す縮小投影露光装置320に配置し、ウェハステージ32を光軸方向に逐次移動させて、複数の光軸方向配置位置でシリコン基板上にレジストを塗布した複数のウェハ31を露光した後、ウェハ31を現像液でウェットエッチングして非対称回折格子22a及び孤立遮光パターン61aそれぞれの投影像の位置の相対距離の変化を電子顕微鏡(SEM)や原子間力顕微鏡(AFM)等で観察した。その結果、図8に示すように横軸にウェハ31表面の光軸方向配置位置、縦軸に投影像の位置の相対距離をとってプロットすると、ウェハ31を移動させると投影像の位置の相対距離も変化する関係にあることが分かる。他の非対称回折格子22b及び孤立遮光パターン61b、非対称回折格子22c及び孤立遮光パターン61c、非対称回折格子22d及び孤立遮光パターン61dの投影像の相対距離についても同様である。
よって、図1に示した縮小投影露光装置320の光学系140の光軸方向のウェハ31の位置（光軸方向配置位置）と、ウェハ31表面における投影像の位置の相対距離を変数とする近似関数式を最小自乗法等で一度算出すれば、次回からは算出された近似関数式に投影像の位置の相対距離の実測値を代入することにより、ウェハ31の光軸方向配置位置を算出することが可能となる。
次に図3に示す検査パターンの非対称回折格子22a〜22d及び孤立遮光パターン61a〜61dそれぞれの投影像の位置の相対距離を取得して図1に示す縮小投影露光装置320の光学系140を補正する本発明の実施の形態に係る露光装置補正システムは、図9に示すように、中央処理制御装置(CPU)300、光学系情報記憶装置335、入力装置312、出力装置313、プログラム記憶装置330及びデータ記憶装置331を備える。さらにCPU300は近似関数式算出部301、光学系補正情報算出手段315を備える。またCPU300には図1に示した縮小投影露光装置320とSEMやAFM等である顕微鏡装置322が接続される。
ここで近似関数式算出部301は、入力装置312あるいは顕微鏡装置322から図3に示した非対称回折格子22a及び孤立遮光パターン61aそれぞれの図1に示したウェハ31上の投影像の画像情報をウェハ31の光軸方向配置位置の情報と共に取得し、複数の画像情報から図8に示したようなウェハ31の光軸方向配置位置と、非対称回折格子22a及び孤立遮光パターン61aそれぞれの投影像の位置の相対距離との関係を示す情報を抽出し近似関数式を算出する。近似関数式算出部301は他の非対称回折格子22b〜22d及び孤立遮光パターン61b〜61dそれぞれの投影像からも同様に近似関数式を算出する。
図9に示す光学系情報記憶装置335は近似関数式記憶部310、焦点位置記憶部311を備える。近似関数式記憶部310は近似関数式算出部301で算出された近似関数式を保存する。焦点位置記憶部311は図1に示す光学系140の焦点位置や焦点深度等を保存している。焦点位置及び焦点深度としては光学系140の設計から導かれる理論値を保存してもよいし、あらかじめ複数の光軸方向位置でウェハ31にレチクル5のデバイスパターン15を露光し、現像後の表面形状から許容されるウェハ31の光軸方向配置位置の範囲を保存してもよい。
図9に示す光学系補正情報算出手段315は、ウェハ配置位置算出部302、焦点ズレ判断部303を備える。ウェハ配置位置算出部302は、入力装置312あるいは顕微鏡装置322から入力された図3に示した非対称回折格子22a〜22d及び孤立遮光パターン61a〜61dそれぞれの図1に示したウェハ31上の投影像の実測位置の相対距離を近似関数式記憶部310に保存されている近似関数式に代入し、ウェハ31の算出配置位置を算出する。図9に示す焦点ズレ判断部303はウェハ配置位置算出部302で算出されたウェハ31の算出配置位置と焦点位置記憶部311に保存されていた焦点位置とを比較し、焦点ズレが許容範囲内であるか否かを判断する。
なお、入力装置312は、キーボード、マウス等が使用可能であり、出力装置313は液晶表示装置(LCD)、発光ダイオード(LED)等によるモニタ画面等が使用可能である。プログラム記憶装置330は、近似関数式算出、焦点ズレ算出及びCPU300に接続された装置間のデータ送受信の制御等をCPU300に実行させるためのプログラムを保存している。データ記憶装置331は、CPU300の演算過程におけるデータを一時的に保存する。
次に図2に示したレチクル5と図9に示した露光装置補正システムを利用した露光方法について図1、図3、図9、図10を用いて説明する。
(a)図10のステップS110で図1に示す縮小投影露光装置320に配置されたレチクル5について近似関数式が既に算出され図9に示す近似関数式記憶部310に予め保存されているかどうか確認する。保存されていないと判断されれば図10のステップS101に進み、保存されていると判断されればステップS162に進む。
(b)ステップS101で、図1に示す縮小投影露光装置320でレチクル5の検査パターン20a〜20cそれぞれをウェハ31に露光する。ウェハ31は複数枚用意し、逐次ウェハステージ32を移動させて複数の光軸方向配置位置で露光する。ウェハ31を露光現像後、図3に示した非対称回折格子22a〜22d及び孤立遮光パターン61a〜61dそれぞれのウェハ31表面の投影像の画像情報を図9に示した顕微鏡装置322で取得し、ウェハ31の光軸方向配置位置の情報と共に近似関数式算出部301に入力する。
(c)ステップS151で図9に示す近似関数式算出部301は複数の画像情報から図1に示したウェハ31の光軸方向配置位置と、図3に示した非対称回折格子22a及び孤立遮光パターン61aのウェハ31表面におけるそれぞれの投影像の相対距離との関係を抽出し、近似関数式を算出する。他の非対称回折格子22b〜22d及び孤立遮光パターン61b〜61dそれぞれについても同様に近似関数式を算出する。
(d)ステップS102で図9に示した近似関数式記憶部310に近似関数式算出部301が算出した近似関数式を保存する。
(e)ステップS162で図9に示す近似関数式記憶部310に保存されている近似関数式と、入力装置312あるいは顕微鏡装置322から入力される図3に示した非対称回折格子22a〜22d及び孤立遮光パターン61a〜61dの図1に示すウェハ31表面でのそれぞれの投影像の実測位置の相対距離を図9に示すウェハ配置位置算出部302に格納する。ウェハ配置位置算出部302は近似関数式のウェハ表面上の投影像の位置の相対距離の変数に実測位置の相対距離を代入しウェハ31の算出配置位置を算出する。算出配置位置は図9に示す焦点ズレ判断部303に伝達される。
(f)図10のステップS163で図9に示す焦点位置記憶部311に保存されている図1に示した光学系140の焦点位置と焦点深度が図9に示す焦点ズレ判断部303に読み出される。焦点ズレ判断部303は図10のステップS162で算出されたウェハ31の算出配置位置と焦点位置の差から焦点ズレを算出する。
(g)ステップS164でステップS163で算出された焦点ズレが図9に示した出力装置313に出力され、同時に縮小投影露光装置320に伝達される。
(h)ステップS103で縮小投影露光装置320はステップS163で算出された焦点ズレをうち消す方向に図1に示したのウェハステージ32を移動させ、ウェハ31表面が光学系140の焦点位置に配置されるよう補正する。
(i)ステップS104で図1に示すウェハ31にレチクル5のデバイスパターン15を露光して終了する。
以上示したように、図2に示すレチクル5、図9に示す露光装置補正システム、図10に示す露光方法を採用すれば、図１に示した縮小投影露光装置320の光学系140の焦点位置にウェハ31の表面を正しく配置し、デバイスパターン15を露光することが可能となる。また従来は検査パターンが設けられた検査用レチクルとデバイスパターンが設けられた製造用レチクルが別個であったため、検査用レチクルで光学系140を補正した後、検査用レチクルを製造用レチクルに交換しデバイスパターンを露光する必要があった。これに対してレチクル5は検査パターン20a〜20c及びデバイスパターン15a〜15cそれぞれの両方を備えているので、光学系140の焦点あわせをした後そのままデバイスパターン15の露光を開始することが可能である。よって、半導体集積回路製造工程において高い精度でハーフトーン型位相シフト露光工程を実現し、また検査用レチクルと製造用レチクルの2枚のレチクルを用意する必要がないことから光学系の補正に要する時間を大幅に短縮し、製造コストの低減を導くものとなる。
なお、図2に示したレチクル5の検査パターン20a〜20cそれぞれは図3に示した構成に限定されず、例えば図11や図12に示すように検査用位相シフタ膜112a, 112b, 112c, ・・・・・、遮光帯170a, 170b, 170c, ・・・・・それぞれを備える非対称回折格子122aと検査用位相シフタ膜212a, 212b, 212c, ・・・・・、遮光帯270a, 270b, 270c, ・・・・・それぞれを備える非対称回折格子122bを連続パターンが互いに反対方向になるように設けてもよい。このような検査パターン20a〜20cそれぞれを備えるレチクル5を図1の縮小投影露光装置320で露光すると、ウェハ31が光軸方向に移動すれば非対称回折格子122a, 122bそれぞれの投影像の位置は互いにウェハ31上を反対方向に移動するので、図3の配置に比べ2倍の感度でこれら投影像の位置とウェハ31の光軸方向配置位置の線形関係を観察することが可能となる。また図13のように非対称回折格子122aと孤立遮光パターン62をそれぞれのパターンの長手方向が同じになるように設けて、互いの投影像の相対距離を測定してもよい。
次に図14から図22を用いて、図5に示した回折効率が異なるプラス一次回折光とマイナス一次回折光を生じさせる非対称回折格子22aと図6に示したデバイスパターン15aを同一マスク基板上に備えるレチクルを製造する方法について説明する。
(a)図14に示すように、石英ガラス等のマスク基板1を用意する。そしてマスク基板1上にスパッタリング法等によりMoSi等からなる半透過膜80を透過光が180度の位相をもつ厚さまで堆積させる。さらに半透過膜80上に蒸着法等によりCr等からなる遮光膜177を形成させる。
(b)次に、遮光膜177上にレジスト膜をスピン塗布し、フォトリソグラフィー技術により図15に示すように第1のレジストマスク117a, 117b, 117c, 127a, 127b, 127cそれぞれを遮光膜177上に形成させる。
(c)第1のレジストマスク117a, 117b, 117c, 127a, 127b, 127cそれぞれをマスクにして異方性エッチングで半透過膜80が表出するまで遮光膜177の一部を選択的に除去することにより、図16に示すように複数の遮光帯79a, 79b, 79c, 70a, 70b, 70cそれぞれを形成させる。
(d)第1のレジストマスク117a, 117b, 117c, 127a, 127b, 127cそれぞれをマスクにして異方性エッチングでマスク基板1が表出するまで半透過膜80の一部を選択的に除去することにより、図17に示すように位相シフタ膜188a, 188b, 188c及び位相シフタ膜199a, 199b, 199cそれぞれを形成させる。
(e)図18に示すように第1のレジストマスク117a, 117b, 117c, 127a, 127b, 127cそれぞれを剥離剤等で除去した後、マスク基板1上にレジスト膜をスピン塗布し、フォトリソグラフィー技術により遮光帯70a, 70b, 70c上の一部に第2のレジストマスク107a, 107b, 107cそれぞれを図19に示すように形成させる。
(f)遮光帯79a〜79cそれぞれを図20に示すように位相シフタ膜188a〜188cそれぞれが表出するまで異方性エッチングで選択的に除去する。同時に、第2のレジストマスク107a, 107b, 107cそれぞれをマスクにして遮光帯70a〜70cそれぞれの表出する部分も位相シフタ膜199a〜199cそれぞれが表出するまで異方性エッチングで選択的に除去する。
(g)図21に示すように第2のレジストマスク107a〜107cそれぞれを剥離剤等で除去し、位相シフタ膜199a〜199cそれぞれの表出する部分をガリウム(Ga)フォーカスイオンビーム等でマスク基板1表面に対して透過光の位相差が90度となる深さまで選択的に除去することにより検査用位相シフタ膜88a〜88cそれぞれを図22に示すように形成させ、レチクルが完成する。
以上示した製造方法によれば、マスク基板1上に配置された位相シフタ膜188a〜188cそれぞれを備えるデバイスパターンと、マスク基板1上に配置された検査用位相シフタ膜88a〜88c、検査用位相シフタ膜88a〜88cそれぞれの上部に配置された遮光帯70a〜70cそれぞれを備える非対称回折格子の両方を備えるレチクルを製造することが可能となる。従来においては、同一マスク基板上に位相の異なる回折格子を配置するのは困難であり、非対称回折格子を備える検査用マスクと、デバイスパターンを備えるレチクルの2つのマスクを用意する必要があった。これに対して上記製造方法においては、位相シフタ膜188a〜188c及び位相シフタ膜199a〜199cそれぞれを図17に示すようにマスク基板1上に形成させた後、位相シフタ膜199a〜199cそれぞれの一部を選択的に除去することにより図22に示したような検査用位相シフタ膜88a〜88cそれぞれを形成させ、マスク基板1上に透過光の位相がそれぞれ異なるデバイスパターンと非対称回折格子の両方を精度よく形成させることが可能となる。
（変形例1）
実施の形態の変形例1に係る縮小投影露光装置321は図23に示すように、図1に示した縮小投影露光装置320の構成要素に加えて、検査用レーザ発振器65a、検査用レーザ発振器65aから発せられたレーザをレチクル5の検査パターン20a及びアライメントマーク26aに導く反射鏡68a、レチクル5の下部に配置されたビームスプリッタ67a、ビームスプリッタ67aで分割されたレーザを受光するTTLセンサ66aを有する検査用光学系を備える。
図23において検査用レーザ発振器65aから発せられるレーザはウェハ31に塗布されたレジストの感度外の波長を有しており、反射鏡68aでレチクル5の検査パターン20a及びアライメントマーク26aに導かれ、検査パターン20a及びアライメントマーク26aを透過したレーザはビームスプリッタ67a及び投影光学系42を経てウェハ31表面に照射される。ウェハ31表面の検査パターン20a及びアライメントマーク26aの投影像は投影光学系42、ビームスプリッタ67aを経てTTLセンサ66aで感知される。
検査パターン20b及びアライメントマーク26bそれぞれに対しても同様に検査用レーザ発振器65b、反射鏡68b、ビームスプリッタ67b、TTLセンサ66bを備える検査用光学系が配置されている。また検査パターン20c及びアライメントマーク26cそれぞれに対しても同様に検査用レーザ発振器65c、反射鏡68c、ビームスプリッタ67c、TTLセンサ66cを備える検査用光学系が配置されている。図23に示した縮小投影露光装置321のその他の構成要素の配置等は図1に示した縮小投影露光装置320と同様であるので説明は省略する。
このように、レチクル5と検査用光学系を用いれば、ウェハ31表面の検査パターン20a, 20b, 20cそれぞれの投影像を観察するために露光後ウェハ31を現像する必要がなく、ウェハ31を縮小投影露光装置321に配置したまま検査パターン20a, 20b, 20cそれぞれの投影像を観察することが可能となる。よって、図9に示した露光装置補正システム及び図10に示した露光方法を利用すれば、図23に示したウェハ31を交換することなく、精度よく補正された光学系140でデバイスパターン15を露光することが可能となる。また、アライメントマーク26a, 26b, 26cそれぞれが検査パターン20a, 20b, 20cそれぞれに隣接して設けられていることから、ウェハ31の水平方向の位置合わせも同時に行うことが可能となる。
（変形例2）
図5に示した非対称回折格子22aの変形例の平面図が図24であり、図24に示したA-A方向から見た非対称回折格子22aの変形例の断面図が図25である。ここで図24及び図25に示す非対称回折格子22aは、入射面250a, 250b, 250c, ・・・・・、第1の面251a, 251b, 251c, ・・・・・、第2の面252a, 252b, 252c, ・・・・・をそれぞれ有する検査用位相シフタ膜118a, 118b, 118c, ・・・・・を備える。ここで入射面250a, 250b, 250c, ・・・・・それぞれから検査用位相シフタ膜118a, 118b, 118c, ・・・・・に入射し、第1の面251a, 251b, 251c, ・・・・・それぞれから出射する光の減衰度をRとして、周期的配置方向に測った第1の面251a, 251b, 251c, ・・・・・それぞれの幅S2が複数の検査用位相シフタ膜118a, 118b, 118c, ・・・・・それぞれ相互の間隔T2の1 / R倍であるところが図5と異なる。例えば検査用位相シフタ膜118a, 118b, 118c, ・・・・・それぞれの材料がMoSiであり、第1の面251a, 251b, 251c, ・・・・・は、それぞれを透過する光が検査用位相シフタ膜118a, 118b, 118c, ・・・・・それぞれを透過しない光に対して90度の位相差を有するように設けられた場合、第1の面251a, 251b, 251c, ・・・・・それぞれから透過する光は振幅がおおよそ2分の1に減衰する。よって遮光帯70a, 70b, 70c, ・・・・・それぞれの幅をC2として、C2 : S2 : T2の比を3 : 2 : 1とし、一例としてC2を0.21μm、S2を0.14μm、T2を0.07μmとしてもよい。その他材料等については図5の説明の記載と同様であるので説明は省略する。また実施の形態の変形例2においては、図3に示した他の非対称回折格子22b〜22dそれぞれも、図25と同様の構造であるので説明は省略する。
ここで、図24及び図25に示した非対称回折格子22aを検査用位相シフタ膜118a, 118b, 118c, ・・・・・それぞれが形成された面を下側に向けて配置し、上部からArFエキシマレーザで露光した場合の瞳面での光強度分布を計算した結果が図26である。図26に示すように横軸に瞳面内の位置を、縦軸に光強度をとって光強度をプロットすると、瞳位置の０次光に対して一次回折光はプラス側にのみ発生しているが、マイナス側には発生していない。なお図25においてS2 : T2を2 : 1としたが、S2をT2の2倍以上とすれば同等の効果が得られる。
このようにプラス側又はマイナス側の一方にのみ一次回折光を生じさせる図24及び図25に示した非対称回折格子22aを備えるレチクル5を図1に示す縮小投影露光装置320に配置し露光すると、ウェハステージ32を光軸方向に100nm移動させた場合、ウェハ31上の非対称回折格子22aの投影像がこれと比例して光軸と垂直方向に25nm移動する線形関係を有する。ウェハ31の光軸方向配置位置と非対称回折格子22aのウェハ31表面上の投影像の位置が線形関係にあることは理論的にも証明される。例えばプラス側あるいはマイナス側のみに回折光を生じさせる間隔Pの回折格子に垂直方向から波長λのコヒーレント光を露光した場合、ウェハが配置される水平面をx-y平面とし、これと垂直な光軸方向をz軸で表すと、ウェハ表面での投影光の振幅Eは下記の(1)式で表される。
E(x,z) = c0 + c1 exp[2πi(x / P + kz - W1)] ・・・・・(1)
但し、k : (1 - [1 - (λ/ P)2]1/2) / λ
W1 : 収差による回折位相誤差
ci : i次回折のフーリエ強度
ウェハ表面での投影光の光強度Iは上記Eの絶対値の2乗で表され、下記(2)式で表される。
I(x, z) = |E(x, z)|2
= c0 2+c1 2 + 2c0c1cos[2π(x / P + k z - W1)] ・・・・・(2)
ここで、明線を得る条件では(2)式中のcos[2π(x / P + k z - W1)]が1であるので、
x / P + k z - W1 = 0・・・・・(3)
ここで(3)式をzで微分すると、下記(4)式が得られる。
dx/dz = -kP・・・・・(4)
以上のことから、プラス側あるいはマイナス側のみに回折光を生じさせる非対称回折格子の投影像の移動量dxとウェハの光軸方向の移動量dzは比例関係にあることが理論的にも裏付けられる。
また、図3に示した検査パターン20aを備えるレチクル5を図1に示す縮小投影露光装置320に配置し露光した場合に、図3に示した互いに直交する方向に設けられた非対称回折格子22aと非対称回折格子22bそれぞれの投影像の焦点位置の差は図1に示す縮小投影露光装置320の光学系140の非点収差を意味する。よって、非対称回折格子22a, 22bそれぞれについて投影像の位置とウェハの光軸方向配置位置の線形関係を示す近似関数式を算出すれば、それぞれの近似関数式の切片の差から非点収差を求めることも可能となる。他の互いに直交する非対称回折格子22bと非対称回折格子22c、非対称回折格子22cと非対称回折格子22d及び非対称回折格子22dと非対称回折格子22aについても同様である。
次に図27に示す実施の形態の変形例2に係る露光装置補正システムが図9に示した露光装置補正システムと異なるのは、CPU400が図9に示した光学系補正情報算出手段315に対して収差算出部323を更に有する光学系補正情報算出手段415を備える点である。その他の構成要素は図9に示した露光装置補正システムと同様であるので説明は省略する。ここで収差算出部323は近似関数式記憶部310に保存されている複数の近似関数式を比較して図1に示す縮小投影露光装置320の光学系の収差を算出する。
次に図24及び図25に示した非対称回折格子を備えるレチクル5と図27に示した露光装置補正システムを利用した露光方法ついて図1、図27、図28を用いて説明する。
(a)図28のステップS101からステップS102で図10のステップS101からステップS102と同様の方法により、図27に示した近似関数式記憶部310に近似関数式を記憶させる。
(b)図28のステップS161で図27に示した光学系補正情報算出手段315の収差算出部323に近似関数式記憶部310に保存された複数の近似関数式を読み込ませ、これらを比較して光学系140の収差を算出させる。
(c)図28のステップS164でステップS161で算出された収差が図27に示した出力装置313に出力される。
(d)図28のステップS103でステップS164で算出された収差をもとに図1に示した光学系140を補正する。
(e)図28のステップS104で図1に示すウェハ31にレチクル5のデバイスパターン15を露光して、半導体装置の製造工程における露光工程が終了する。
以上示したように、図2に示すレチクル5、図27に示す露光装置補正システム、図28に示す露光方法を採用すれば、図１に示した縮小投影露光装置320において正確に収差補正された光学系140でデバイスパターン15を露光することが可能となる。
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。例えば、実施の形態においては図2に示したレチクル5のようにマスク基板1上に非対称回折格子222a〜222cとデバイスパターン15a〜15cの両方を設けたが、図3に示したような検査パターン20aのみを有する検査用レチクルを作製しても、既存のデバイスパターンのみを有する製造用レチクルの活用に役立てよう。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明からは妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
本発明の実施の形態に係る縮小投影露光装置を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係るレチクルの平面図である。 本発明の実施の形態に係るレチクルの検査パターンの平面図である。 本発明の実施の形態に係る検査パターンの非対称回折格子の平面図である。 本発明の実施の形態に係る検査パターンの非対称回折格子の断面図である。 本発明の実施の形態に係るレチクルのデバイスパターンの断面図である。 本発明の実施の形態に係る非対称回折格子の瞳面での光強度分布を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る非対称回折格子の投影像の被露光面での性質を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る露光装置補正システムを示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る露光方法を示すフローチャート図である。 本発明の実施の形態に係る検査パターンの変形例の平面図である（その１）。 本発明の実施の形態に係る検査パターンの変形例の平面図である（その2）。 本発明の実施の形態に係る検査パターンの変形例の平面図である（その3）。 本発明の実施の形態に係るレチクルの製造方法を説明する工程断面図である（その1）。 本発明の実施の形態に係るレチクルの製造方法を説明する工程断面図である（その2）。 本発明の実施の形態に係るレチクルの製造方法を説明する工程断面図である（その3）。 本発明の実施の形態に係るレチクルの製造方法を説明する工程断面図である（その4）。 本発明の実施の形態に係るレチクルの製造方法を説明する工程断面図である（その5）。 本発明の実施の形態に係るレチクルの製造方法を説明する工程断面図である（その6）。 本発明の実施の形態に係るレチクルの製造方法を説明する工程断面図である（その7）。 本発明の実施の形態に係るレチクルの製造方法を説明する工程断面図である（その8）。 本発明の実施の形態に係るレチクルの製造方法を説明する工程断面図である（その９）。 本発明の実施の形態の変形例1に係る縮小投影露光装置を示す模式図である。 本発明の実施の形態の変形例2に係る非対称回折格子の平面図である。 本発明の実施の形態の変形例2に係る非対称回折格子の断面図である。 本発明の実施の形態の変形例2に係る非対称回折格子の瞳面での光強度分布を示すグラフである。 本発明の実施の形態の変形例2に係る露光装置補正システムを示すブロック図である。 本発明の実施の形態の変形例2に係る露光方法を示すフローチャート図である。
符号の説明
1…マスク基板
5…レチクル
15, 15a, 15b, 15c…デバイスパターン
17, 177…遮光膜
20a, 20b, 20c…検査パターン
22a, 22b, 22c, 22d, 122a, 122b, 222a, 222b, 222c…非対称回折格子
26a, 26b, 26c…アライメントマーク
31…ウェハ
32…ウェハステージ
41…照明光源
42…投影光学系
43…集光レンズ
56a, 56b, 56c…検査パターン用開口
57…デバイスパターン用開口
61a, 61b, 61c, 61d, 62…孤立遮光パターン
65a, 65b, 65c…検査用レーザ発振器
66a, 66b, 66c…TTLセンサ
67a, 67b, 67c…ビームスプリッタ
68a, 68b, 68c…反射鏡
70a, 70b, 70c, ・・・・・, 79a, 79b, 79c, 170a, 170b, 170c, ・・・・・, 270a, 270b, 270c, ・・・・・ …遮光帯
80…半透過膜
107a, 107b, 107c, 117a, 117b, 117c, 127a, 127b, 127c…レジストマスク
140…光学系
88a, 88b, 88c, ・・・・・, 112a, 112b, 112c, ・・・・・, 118a, 118b, 118c, ・・・・・, 212a, 212b, 212c, ・・・・・ … 検査用位相シフタ膜
188a, 188b, 188c, ・・・・・, 199a, 199b, 199c, ・・・・・ … 位相シフタ膜
150a, 150b, 150c, ・・・・・, 250a, 250b, 250c, ・・・・・ … 入射面
151a, 151b, 151c, ・・・・・, 251a, 251b, 251c, ・・・・・ … 第1の面
152a, 152b, 152c, ・・・・・, 252a, 252b, 252c, ・・・・・ … 第2の面
300, 400…CPU
301…近似関数式算出部
302…ウェハ配置位置算出部
303…焦点ズレ判断部
310…近似関数式記憶部
311…焦点位置記憶部
312…入力装置
313…出力装置
315, 415…光学系補正情報算出手段
320, 321…縮小投影露光装置
322…顕微鏡装置
323…収差算出部
330…プログラム記憶装置
331…データ記憶装置
335…光学系情報記憶装置

Claims (14)

  1. マスク基板上に回折効率が異なるプラス一次回折光とマイナス一次回折光を生じさせる非対称回折格子を含む検査パターンと、該検査パターンに隣接して設けられたデバイスパターンを設けたレチクルであって、
    前記検査パターンが、
    前記マスク基板上に選択的かつ周期的に配置され、前記マスク基板と接する入射面、該入射面と対向する第1の面、前記入射面と対向し前記第1の面に隣接する第2の面をそれぞれ有する、半透過性の複数の検査用位相シフタ膜と、前記第2の面上にそれぞれ配置された複数の遮光帯とを有する非対称回折格子と、
    該非対称回折格子に隣接して配置された孤立遮光パターン
    とを備え、ウェハ表面における前記非対称回折格子と前記孤立遮光パターンの投影像の位置の相対距離の変化と、前記投影像を投影する露光装置の光学系の光軸方向のウェハの位置との線形関係から、前記光学系を補正するための補正情報が取得されることを特徴とするレチクル。
  2. マスク基板上に回折効率が異なるプラス一次回折光とマイナス一次回折光を生じさせる非対称回折格子を含む検査パターンと、該検査パターンに隣接して設けられたデバイスパターンを設けたレチクルであって、
    前記検査パターンが、
    前記マスク基板上に選択的かつ周期的に配置され、前記マスク基板と接する入射面、該入射面と対向する第1の面、前記入射面と対向し前記第1の面に隣接する第2の面をそれぞれ有する、半透過性の複数の検査用位相シフタ膜と、前記第2の面上にそれぞれ配置された複数の遮光帯とを有する第１及び第２の非対称回折格子を備え、
    前記第１の非対称回折格子の前記第1及び第2の面の配列と、前記第２の非対称回折格子の前記第1及び第2の面の配列とが互いに逆のトポロジーであり、ウェハ表面における前記第１及び第２の非対称回折格子の投影像の位置の相対距離の変化と、前記投影像を投影する露光装置の光学系の光軸方向のウェハの位置との線形関係から、前記光学系を補正するための補正情報が取得されることを特徴とするレチクル。
  3. 前記第1の面を透過する光の位相差が、前記検査用位相シフタ膜を透過しない光に対して0度より大かつ180度未満の値の整数倍であることを特徴とする請求項１又は２に記載のレチクル。
  4. マスク基板上に、プラス側又はマイナス側のみに一次回折光を生じさせる非対称回折格子と、該非対称回折格子に隣接して設けられたデバイスパターンを設けたレチクルであって、
    前記非対称回折格子が、
    前記マスク基板上に選択的かつ周期的に配置され、前記マスク基板と接する入射面、該入射面と対向する第1の面、前記入射面と対向し前記第1の面に隣接する第2の面をそれぞれ有する、半透過性の複数の検査用位相シフタ膜と、
    前記第2の面上にそれぞれ配置された複数の遮光帯
    とを備え、ウェハ表面における前記非対称回折格子の投影像の明暗の周期パターンの間隔の相対距離の変化と、前記投影像を投影する露光装置の光学系の光軸方向のウェハの位置との線形関係から、前記光学系を補正するための補正情報が取得されることを特徴とするレチクル。
  5. 前記第1の面を透過する光の位相差が、前記検査用位相シフタ膜を透過しない光に対して0度より大かつ180度未満の値の整数倍であり、
    前記入射面から前記検査用位相シフタ膜に入射し、前記第1の面から出射する光の減衰度をRとして、前記周期的配置方向に測った前記第1の面の幅は前記複数の検査用位相シフタ膜の相互の間隔の1 / R倍以上であることを特徴とする請求項４に記載のレチクル。
  6. 前記マスク基板上において、前記検査パターンは、前記デバイスパターンの周囲に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のレチクル。
  7. 前記マスク基板上において、前記非対称回折格子は、前記デバイスパターンの周囲に配置されていることを特徴とする請求項４に記載のレチクル。
  8. 前記デバイスパターンは、半透過性の複数の位相シフタ膜を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のレチクル。
  9. マスク基板上に回折効率が異なるプラス一次回折光とマイナス一次回折光を生じさせる非対称回折格子を含む検査パターンと、該検査パターンに隣接して設けられたデバイスパターンを設けたレチクルを用いた露光方法であって、
    前記検査パターンが、前記マスク基板上に選択的かつ周期的に配置され、前記マスク基板と接する入射面、該入射面と対向する第1の面、前記入射面と対向し前記第1の面に隣接する第2の面をそれぞれ有する、半透過性の複数の検査用位相シフタ膜と、前記第2の面上にそれぞれ配置された複数の遮光帯とを有する非対称回折格子と、該非対称回折格子に隣接して配置された孤立遮光パターンとを備え、
    前記検査パターンにより、前記非対称回折格子と、前記孤立遮光パターンの投影像の画像情報を取得するステップと、
    前記画像情報から、前記投影像の画像情報を取得するステップと、
    前記画像情報から、前記投影像を投影する露光装置の光学系の光軸方向のウェハの位置と、前記ウェハ表面における前記非対称回折格子と前記孤立遮光パターンの投影像の位置の相対距離の変化の線形関係を表す近似関数式を算出するステップと、
    前記近似関数式を用いて前記光学系を補正するための補正情報を取得するステップと、
    前記補正情報により前記光学系を補正するステップと、
    前記補正された前記光学系で前記デバイスパターンを露光するステップ
    とを含むことを特徴とする露光方法。
  10. マスク基板上に回折効率が異なるプラス一次回折光とマイナス一次回折光を生じさせる非対称回折格子を含む検査パターンと、該検査パターンに隣接して設けられたデバイスパターンを設けたレチクルを用いた露光方法であって、
    前記検査パターンが、前記マスク基板上に選択的かつ周期的に配置され、前記マスク基板と接する入射面、該入射面と対向する第1の面、前記入射面と対向し前記第1の面に隣接する第2の面をそれぞれ有する、半透過性の複数の検査用位相シフタ膜と、前記第2の面上にそれぞれ配置された複数の遮光帯とを有する第１及び第２の非対称回折格子を備え、
    前記検査パターンにより、前記第１及び第２の非対称回折格子の投影像の画像情報を取得するステップと、
    前記画像情報から、前記投影像の画像情報を取得するステップと、
    前記画像情報から、前記投影像を投影する露光装置の光学系の光軸方向のウェハの位置と、前記ウェハ表面における前記第１及び第２の非対称回折格子の投影像の位置の相対距離の変化との線形関係を表す近似関数式を算出するステップと、
    前記近似関数式を用いて前記光学系を補正するための補正情報を取得するステップと、
    前記補正情報により前記光学系を補正するステップと、
    前記補正された前記光学系で前記デバイスパターンを露光するステップ
    とを含み、前記第１の非対称回折格子の前記第1及び第2の面の配列と、前記第２の非対称回折格子の前記第1及び第2の面の配列とが互いに逆のトポロジーであることを特徴とする露光方法。
  11. マスク基板上に、プラス側又はマイナス側のみに一次回折光を生じさせる非対称回折格子と、該非対称回折格子に隣接して設けられたデバイスパターンを設けたレチクルを用いた露光方法であって、
    前記非対称回折格子により、前記非対称回折格子の投影像の画像情報を取得するステップと、
    前記画像情報から、前記投影像の画像情報を取得するステップと、
    前記画像情報から、前記投影像を投影する露光装置の光学系の光軸方向のウェハの位置と、前記ウェハ表面における前記非対称回折格子の投影像の明暗の周期パターンの間隔の相対距離の変化との線形関係を表す近似関数式を算出するステップと、
    前記近似関数式を用いて前記光学系を補正するための補正情報を取得するステップと、
    前記補正情報により前記光学系を補正するステップと、
    前記補正された前記光学系で前記デバイスパターンを露光するステップ
    とを含み、前記非対称回折格子が、 前記マスク基板上に選択的かつ周期的に配置され、前記マスク基板と接する入射面、該入射面と対向する第1の面、前記入射面と対向し前記第1の面に隣接する第2の面をそれぞれ有する、半透過性の複数の検査用位相シフタ膜と、前記第2の面上にそれぞれ配置された複数の遮光帯とを備えることを特徴とする露光方法。
  12. 前記補正情報を取得するステップは、前記投影像の実測位置と前記近似関数式から前記ウェハの算出配置位置を算出する手順を含むことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の露光方法。
  13. 前記補正情報を取得するステップは、前記算出配置位置と前記光学系の焦点位置とを比較し、焦点ズレを算出する手順を更に含むことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の露光方法。
  14. 前記補正情報を取得するステップは、前記近似関数式から前記光学系の収差を算出する手順を含むことを特徴とする請求項９〜１３のいずれか１項に記載の露光方法。
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