JP6071772B2 - フォーカス測定方法、露光装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、フォーカス測定方法、露光装置および半導体装置の製造方法に関する。
半導体装置を製造する際の光リソグラフィ工程では、回路パターンを形成する場合に露光装置のフォーカス位置が適切に設定されていなければ、いわゆるピンぼけ状態となる。この場合、所望通りの回路パターンを半導体基板上に形成することができない。このため、半導体装置で使用される回路パターンの微細化に伴い、露光装置におけるフォーカス精度は特に重要なものの一つとなってきている。
光源波長が１９３ｎｍのＡｒＦや２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーを用いた露光装置では、フォトマスク上に位相差のある複数の透過部を設けておき、位相差を利用してフォーカス位置を測定していた。
しかしながら、次世代露光装置として開発が進められているＥＵＶ（Extreme Ultraviolet）露光装置は、光源波長が１３．５ｎｍと非常に短い。このため、フォーカス位置を測定するのに必要な位相差を設けるためには、フォトマスク上に設ける段差の段差量が３ｎｍ程度と非常に小さくなる。したがって、フォトマスク上に設ける段差に対して十分な加工精度を得ることが難しい。
また、非テレセン照明を用いてフォーカス位置を測定する方法がある。この方法では、ＥＵＶ露光装置の投影レンズの開口数が低いので、１０ｎｍのフォーカス変動に対して１ｎｍ程度の位置ずれ量しか観測することができない。このため、十分なフォーカス位置の検査性能を得ることができない。
このように、フォーカス位置の検査性能が低い場合、所望通りの回路パターンを半導体基板上に形成することができないので、フォーカス位置を正確に測定することが望まれている。
特許第２５３９１６３号公報 特開２００２−５５４３５号公報 特開２００６−３９１４８号公報 特許第３６１５１８１号公報
本発明が解決しようとする課題は、正確にフォーカス位置を測定することができるフォーカス測定方法、露光装置および半導体装置の製造方法を提供することである。
実施形態によれば、フォーカス測定方法が提供される。フォーカス測定方法は、第１の露光ステップと、第２の露光ステップと、を含んでいる。前記第１の露光ステップでは、第１の回折パターンと、第２の回折パターンと、に対して、光学系の光軸からずれた第１の方向から第１の露光光を照射して、感光材が塗布された基板上に前記第１および第２の回折パターンを投影する。前記第１の回折パターンは、第１のパターンピッチを有した第１のラインアンドスペースパターンで形成されており、前記第２の回折パターンは、第２のパターンピッチを有した第２のラインアンドスペースパターンで形成されている。また、前記第２の露光ステップでは、第３の回折パターンと、第４の回折パターンと、に対して、光学系の光軸からずれた第２の方向から第２の露光光を照射して、前記基板上に前記第３および第４の回折パターンを投影する。前記第３の回折パターンは、前記第１のパターンピッチを有した第３のラインアンドスペースパターンで形成されており、前記第４の回折パターンは、前記第２のパターンピッチを有した第４のラインアンドスペースパターンで形成されている。また、前記フォーカス測定方法は、第１の位置ずれ量算出ステップと、第２の位置ずれ量算出ステップと、フォーカス算出ステップと、を含んでいる。前記第１の位置ずれ量算出ステップでは、前記基板上の前記第１の回折パターンと前記第３の回折パターンとの間の距離を測定することによって、フォーカスのずれに起因する位置ずれ量と、前記第１および第３の回折パターンの間の重ね合わせずれ量と、の和を、第１の位置ずれ量として算出する。また、前記第２の位置ずれ量算出ステップでは、前記基板上の前記第２の回折パターンと前記第４の回折パターンとの間の距離を測定することによって、前記第２および第４の回折パターンの間の重ね合わせずれ量を、第２の位置ずれ量として算出する。そして、前記フォーカス算出ステップでは、前記第１および第２の位置ずれ量に基づいて、前記フォーカスのずれ量を算出する。
図１は、実施形態に係るフォーカス測定方法の概念を説明するための図である。 図２は、実施形態に係るフォーカス測定処理の処理手順を示すフローチャートである。 図３−１は、第１の照明の構成を示す上面図である。 図３−２は、第２の照明の構成を示す上面図である。 図４−１は、第１の検査マークの構成を示す上面図である。 図４−２は、第１の検査マークのパターンピッチを説明するための図である。 図５−１は、第２の検査マークの構成を示す上面図である。 図５−２は、第２の検査マークのパターンピッチを説明するための図である。 図６は、スリット構造とスクリーン上の光強度との関係を説明するための図である。 図７は、回折光の最大感度と＋２次回折光との関係を説明するための図である。 図８は、最大感度を得るための照明条件を説明するための図である。 図９は、＋１次回折光および−１次回折光と、投影レンズとの位置関係を説明するための図である。 図１０は、照明条件とパターンピッチとの関係を示す図である。 図１１は、第２の検査マークの設計方法を説明するための図である。 図１２−１は、第１の検査マークを用いた第１の露光処理を説明するための図である。 図１２−２は、第１の検査マークを用いた第２の露光処理を説明するための図である。 図１３−１は、第２の検査マークを用いた第１の露光処理を説明するための図である。 図１３−２は、第２の検査マークを用いた第２の露光処理を説明するための図である。 図１４は、フォーカスずれ量に対する位置ずれ量を示す図である。 図１５−１は、光源形状を扇形とした場合の第１の照明の構成を示す図である。 図１５−２は、光源形状を扇形とした場合の第２の照明の構成を示す図である。 図１６−１は、光源形状を多角形とした場合の第１の照明の構成を示す図である。 図１６−２は、光源形状を多角形とした場合の第２の照明の構成を示す図である。 図１７は、検査マークが形成されたレチクルステージの構成を示す図である。 図１８は、実施形態に係る露光装置の構成を示す図である。
以下に添付図面を参照して、実施形態に係るフォーカス測定方法、露光装置および半導体装置の製造方法を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。
（実施形態）
図１は、実施形態に係るフォーカス測定方法の概念を説明するための図である。本実施形態では、回折パターンを用いてウエハ上にパターンを形成し、形成したパターンの位置ずれ量を測定することによって露光装置のフォーカス位置を測定する。露光装置におけるフォーカス位置を測定する際には、少なくとも２つの照明条件と、少なくとも２つの検査マークを用いる。フォーカス位置が測定される露光装置は、例えばＥＵＶ（Extreme Ultraviolet）露光装置などである。
フォーカス位置を測定する際には、第１の照明条件である第１の照明と、第２の照明条件である第２の照明と、が用いられる。第１および第２の照明は、例えば、mono-pole照明（単極軸外れ照明）である。第１および第２の照明条件は、例えば、回折光が照明光学系のＮＡ（開口数）に内接するような位置である。第１の照明の光源および第２の照明の光源は、露光装置の光学系の光軸中心位置を対称中心とする２回回転対称（１８０°回転対称）の関係を満足するように設計される。
検査マークは、予めレチクル（マスク）上に形成しておく。検査マークは、何れの形状であってもよい。検査マークは、例えば、レイヤ間の位置ずれを検査する際に用いられるマークと同じ形状のマーク（例えば、バーインバーパターンなど）である。
本実施形態の露光装置は、第１の照明である照明１Ａと、第２の照明である照明１Ｂとを備えている。照明１Ａは、１回目の露光処理の際に、レチクル１５に露光光を照射し、照明１Ｂは、２回目の露光処理の際に、レチクル１５に露光光を照射する。
レチクル１５には、第１および第２の検査マークが形成されている。第１の検査マーク（後述する検査マーク１０）は、パターン領域１２Ａoutとパターン領域１２Ｂinとを含んで構成されている。また、第２の検査マーク（後述する検査マーク１１）は、パターン領域１３Ａoutとパターン領域１３Ｂinとを含んで構成されている。
パターン領域１２Ａoutは、レチクル１５を上面側から見た場合に、パターン領域１２Ｂinよりも外側の領域に配置されている。パターン領域１３Ａoutは、レチクル１５を上面側から見た場合に、パターン領域１３Ｂinよりも外側の領域に配置されている。
パターン領域１２Ａoutおよびパターン領域１３Ａoutは、１回目の露光処理の際に照明１Ａによって露光光が照射される領域であり、回折パターンが配置されている。また、パターン領域１２Ｂinおよびパターン領域１３Ｂinは、２回目の露光処理の際に照明１Ｂによって露光光が照射される領域であり、回折パターンが配置されている。
１回目の露光処理（ｓ１）
照明１Ａは、１回目の露光処理の際に、検査マーク１０内のパターン領域１２Ａoutに露光光を照射するとともに、検査マーク１１内のパターン領域１３Ａoutに露光光を照射する。これにより、パターン領域１２Ａoutからは、−１次回折光２２Ａ（−１）と０次光２２Ａ（０）とが投影レンズ（瞳面）２０に照射される。このうち、−１次回折光２２Ａ（−１）は、投影レンズ２０上の領域２８ＡＣに照射され、０次光２２Ａ（０）は、投影レンズ２０上の領域２８ＡＲに照射される。
また、パターン領域１３Ａoutからは、−１次回折光２３Ａ（−１）と０次光２３Ａ（０）とが投影レンズ２０に照射される。このうち、−１次回折光２３Ａ（−１）は、投影レンズ２０上の領域２８ＡＬに照射され、０次光２３Ａ（０）は、投影レンズ２０上の領域２８ＡＲに照射される。
領域２８ＡＣは、投影レンズ２０上の中央部分の領域であり、光軸中心位置を含んでいる。領域２８ＡＬは、投影レンズ２０上の端部（図１の左端側）の領域であり、光軸中心位置を含んでいない。領域２８ＡＲは、投影レンズ２０上の端部（図１の右端側）の領域であり、光軸中心位置を含んでいない。領域２８ＡＬと領域２８ＡＲとは、領域２８ＡＣを介して対向している。
領域２８ＡＣに照射された−１次回折光２２Ａ（−１）と、領域２８ＡＲに照射された０次光２２Ａ（０）とは、半導体基板（ウエハ１５０）上で結像する。また、領域２８ＡＬに照射された−１次回折光２３Ａ（−１）と、領域２８ＡＲに照射された０次光２３Ａ（０）とは、ウエハ１５０上で結像する。
このウエハ１５０が現像されることよって、パターン領域１２Ａoutに対応するマークパターン９２Ａと、パターン領域１３Ａoutに対応するマークパターン９３Ａと、がウエハ１５０上に形成される。
２回目の露光処理（ｓ２）
照明１Ｂは、２回目の露光処理の際に、検査マーク１０内のパターン領域１２Ｂinに露光光を照射するとともに、検査マーク１１内のパターン領域１３Ｂinに露光光を照射する。これにより、パターン領域１２Ｂinからは、０次光２２Ｂ（０）と＋１次回折光２２Ｂ（＋１）とが投影レンズ２０に照射される。このうち、０次光２２Ｂ（０）は、投影レンズ２０上の領域２８ＢＬに照射され、＋１次回折光２２Ｂ（＋１）は、投影レンズ２０上の領域２８ＢＣに照射される。
また、パターン領域１３Ｂinからは、０次光２３Ｂ（０）と＋１次回折光２３Ｂ（＋１）とが投影レンズ２０に照射される。このうち、０次光２３Ｂ（０）は、投影レンズ２０上の領域２８ＢＬに照射され、＋１次回折光２３Ｂ（＋１）は、投影レンズ２０上の領域２８ＢＲに照射される。
領域２８ＢＣは、投影レンズ２０上の中央部分の領域であり、光軸中心位置を含んでいる。領域２８ＢＬは、投影レンズ２０上の端部（図１の左端側）の領域であり、光軸中心位置を含んでいない。領域２８ＢＲは、投影レンズ２０上の端部（図１の右端側）の領域であり、光軸中心位置を含んでいない。領域２８ＢＬと領域２８ＢＲとは、領域２８ＢＣを介して対向している。
領域２８ＢＬに照射された０次光２２Ｂ（０）と、領域２８ＢＣに照射された＋１次回折光２２Ｂ（＋１）とは、ウエハ１５０上で結像する。また、領域２８ＢＬに照射された０次光２３Ｂ（０）と、領域２８ＢＲに照射された＋１次回折光２３Ｂ（＋１）とは、ウエハ１５０上で結像する。
このウエハ１５０が現像されることよって、パターン領域１２Ｂinに対応するマークパターン９２Ｂと、パターン領域１３Ｂinに対応するマークパターン９３Ｂと、がウエハ１５０上に形成される。
検査マーク１０を用いた位置ずれ量の算出処理（ｓ３）
検査マーク１０のパターン領域１２Ａoutに対応するマークパターン９２Ａと、検査マーク１０のパターン領域１２Ｂinに対応するマークパターン９２Ｂと、の間の位置ずれ量ａが測定される。これにより、フォーカスずれに起因する位置ずれ量と、露光装置が２回の露光を行う際に発生する重ね合わせの位置ずれ量（重ね合わせ誤差）とを足し合わせた位置ずれ量ａが測定される。ここでの重ね合わせの位置ずれ量は、露光装置の機械部分が原因で発生する位置ずれ量である。
さらに、パターン領域１３Ａoutに対応するマークパターン９３Ａと、パターン領域１３Ｂinに対応するマークパターン９３Ｂと、の間の位置ずれ量ｂが測定される。領域２８ＡＬと領域２８ＡＲとの間、および領域２８ＢＬと領域２８ＢＲとの間は、それぞれ光学系の光軸を中心として左右対称の関係があるので、マークパターン９３Ａ，９３Ｂとの間には、フォーカスずれに起因する位置ずれは発生しない。したがって、位置ずれ量ｂを測定することによって、露光装置が２回の露光を行う際に発生する重ね合わせの位置ずれ量が測定される。位置ずれ量ａ，ｂは、例えば、重ね合わせずれ検査装置などを用いて測定される。
フォーカスずれに起因する位置ずれ量の算出処理（ｓ４）
位置ずれ量ａから位置ずれ量ｂを引くことによって、フォーカスずれに起因する位置ずれ量を算出することが可能となる。具体的には、ａ−ｂが、フォーカスずれに起因する位置ずれ量である。
なお、領域２８ＡＬ，２８ＡＲの位置は、上述した位置に限らず、他の位置であってもよい。また、領域２８ＢＬ，２８ＢＲの位置は、上述した位置に限らず、他の位置であってもよい。
図２は、実施形態に係るフォーカス測定処理の処理手順を示すフローチャートである。フォーカス位置を検査する際には、ウエハ１５０に対して第１の露光処理を行う。具体的には、第１の照明である照明１Ａを用いて第１および第２の検査マークの一部分（パターン領域１２Ａoutおよびパターン領域１３Ａout）を露光し、パターン領域１２Ａout，パターン領域１３Ａoutをウエハ１５０に転写する（ステップＳ１０）。パターン領域１２Ａout，１３Ａoutは、それぞれ検査マーク１０，１１の外枠のパターンである。
さらに、ウエハ１５０に対して第２の露光処理を行う。具体的には、第２の照明である照明１Ｂを用いて第１および第２の検査マークの一部分（パターン領域１２Ｂinおよびパターン領域１３Ｂin）を露光し、パターン領域１２Ｂin，１３Ｂinをウエハ１５０に転写する（ステップＳ２０）。パターン領域１２Ｂin，１３Ｂinは、それぞれ検査マーク１０，１１の内枠のパターンである。
この後、位置ずれ検査を行う。具体的には、パターン領域１２Ａoutに対応するマークパターン９２Ａと、パターン領域１２Ｂinに対応するマークパターン９２Ｂとの位置ずれ量ａを算出する。さらに、パターン領域１３Ａoutに対応するマークパターン９３Ａと、パターン領域１３Ｂinに対応するマークパターン９３Ｂとの位置ずれ量ｂを算出する。そして、位置ずれ量ａ，ｂに基づいて、ウエハ１５０に転写されたパターンの位置ずれ量を算出し、この位置ずれ量に基づいて、露光装置のフォーカス位置を算出する（ステップＳ３０）。なお、パターン領域１２Ａout，１３Ａout，１２Ｂin，１３Ｂinのウエハ１５０への転写は、何れの順番で行ってもよい。
つぎに、第１の照明である照明１Ａおよび第２の照明である照明１Ｂの構成について説明する。図３−１は、第１の照明の構成を示す上面図であり、図３−２は、第２の照明の構成を示す上面図である。図３−１では、光源２Ａが配置された照明１Ａを示し、図３−２では、光源２Ｂが配置された照明１Ｂを示している。
照明１Ａは、照明領域（開口部）である光源２Ａと、非照明領域３Ａとを有し、照明１Ｂは、照明領域（開口部）である光源２Ｂと、非照明領域３Ｂとを有している。光源２Ａ，２Ｂの光源形状は、それぞれ円形である。
照明１Ａおよび照明１Ｂは、例えばmono-pole照明である。光源２Ａ，２Ｂの間には、露光装置の光学系の光軸中心位置を対称中心とする２回回転対称の関係がある。換言すると、光源２Ａ，２Ｂは、光軸中心位置を挟んで対向する位置に配置されている。なお、光源２Ａ，２Ｂが光軸中心を含まないよう、光源２Ａ，２Ｂを配置しておく。このように、光源２Ａ，２Ｂは、光軸中心から所定の距離だけ離れた位置に配置される。
これにより、照明１Ａは、パターン領域１２Ａout，１３Ａout（回折パターン）に対して、光学系の光軸中心からずれた第１の方向から第１の露光光を照射する。また、照明１Ｂは、パターン領域１２Ｂin，１３Ｂin（回折パターン）に対して、光学系の光軸中心からずれた第２の方向から第２の露光光を照射する。
つぎに、第１の検査マークである検査マーク１０および第２の検査マークである検査マーク１１の構成について説明する。図４−１は、第１の検査マークの構成を示す上面図であり、図４−２は、第１の検査マークのパターンピッチを説明するための図である。
検査マーク１０は、外側に配置されるパターン領域１２Ａoutと、内側に配置されるパターン領域１２Ｂinとを有している。パターン領域１２Ａout，１２Ｂinは、ラインアンドスペース（Ｌ／Ｓ）のパターンが配置される領域である。ラインアンドスペースのパターンは、所定の線幅のラインパターンと、所定の線幅のスペースパターンとが交互に平行に並ぶよう配置されたパターン群である。
パターン領域１２Ａout，１２Ｂinには、パターンピッチＬ１のパターン群が配置されている。パターンピッチＬ１は、照明１Ａからの露光光が照射された場合に、−１次回折光２２Ａ（−１）が、投影レンズ２０上の中央部分である領域２８ＡＣに照射され、かつ０次光２２Ａ（０）が、投影レンズ２０上の１つの端部である領域２８ＡＲに照射されるパターンピッチである。
また、パターンピッチＬ１は、照明１Ｂからの露光光が照射された場合に、０次光２２Ｂ（０）が、投影レンズ２０上の１つの端部である領域２８ＢＬに照射され、かつ＋１次回折光２２Ｂ（＋１）が、投影レンズ２０上の中央部分である領域２８ＢＣに照射されるパターンピッチである。
図５−１は、第２の検査マークの構成を示す上面図であり、図５−２は、第２の検査マークのパターンピッチを説明するための図である。検査マーク１１は、外側に配置されるパターン領域１３Ａoutと、内側に配置されるパターン領域１３Ｂinとを有している。パターン領域１３Ａout，１３Ｂinは、ラインアンドスペースのパターン群が配置される領域である。
パターン領域１３Ａout，１３Ｂinには、パターンピッチＬ２のパターン群が配置されている。パターンピッチＬ１は、照明１Ｂからの露光光が照射された場合に、０次光２２Ｂ（０）が、投影レンズ２０上の１つの端部である領域２８ＢＬに照射され、かつ＋１次回折光２２Ｂ（＋１）が、投影レンズ２０上の中央部分である領域２８ＢＣに照射されるパターンピッチである。
また、パターンピッチＬ２は、照明１Ｂからの露光光が照射された場合に、０次光２３Ｂ（０）が、投影レンズ２０上の１つの端部である領域２８ＢＬに照射され、かつ＋１次回折光２３Ｂ（＋１）が、投影レンズ２０上の１つの端部である領域２８ＢＲに照射されるパターンピッチである。
光源２Ａ，２Ｂの配置される位置と検査マーク１０，１１のパターンピッチとで、投影レンズ２０に露光光が照射される領域が決まる。このため、本実施形態では、投影レンズ２０上の露光光を照射したい領域に応じて、光源２Ａ，２Ｂの配置される位置と検査マーク１０，１１のパターンピッチとを設定しておく。
例えば、光源２Ａ，２Ｂを配置する位置を固定しておき、光源２Ａ，２Ｂの配置される位置に応じて、検査マーク１０，１１のパターンピッチを設定する。ここで、検査マーク１０，１１のパターンピッチ設定方法について説明する。
図６は、スリット構造とスクリーン上の光強度との関係を説明するための図である。ここでは、光源２Ａ，２Ｂ、レチクル１５、ウエハ１５０の代わりに、光源１４、スリット１７、スクリーン１６を用いて光強度を説明する。
有限な幅Ｗ1の開口部がピッチＷ2でＮ（Ｎは自然数）個並んでいるスリット構造（スリット１７）に対して光源１４（紙面左側）から光を照射する。この場合において、スリット１７から距離ｚだけ離れた位置（紙面右側）に設置したスクリーン（観測面）１６を考えると、一般にスクリーン１６上における光強度は、以下の式（１）で表される。なお、式（１）における、ｘ2は、干渉縞のｍ（ｍは整数）番目の回折光の位置であり、λは光源波長である。
Figure 0006071772
式（１）において、sin関数同士の除算になっている部分は、スリット１７による干渉縞の強度分布であり、一般にはYoungの干渉実験として知られている。また、sinc関数になっている部分は、単一開口部からの回折光の強度分布を表わしている。強度分布として最大の性能（最大感度）を得るためには、図７に示すような回折光の分布を得ること、すなわち＋２次回折光の強度が０となるような回折パターン（検査マーク）を設計することが必要となる。
図７は、回折光の最大感度と＋２次回折光との関係を説明するための図である。光源１４から出た光は、スリット１７に送られる。スリット１７に入射した光は、−１次回折光２１（−１）と、０次光２１（０）と、＋１次回折光２１（＋１）と、＋２次回折光２１（＋２）とに分かれる。
図７では、＋２次回折光２１（＋２）における回折光強度が０である場合の、各回折光の位置を示している。＋１次回折光２１（＋１）の中心と、投影レンズ２０上の中心（瞳面の中心）とが一致する場合に、＋２次回折光２１（＋２）における回折光強度が０となり、最大感度を得ることができる。
＋２次回折光２１（＋２）の強度が０となるような回折パターンを得るため、スリット１７による干渉縞の強度分布が極大となる位置、および単一開口部からの回折光の強度分布が０になるような条件を求める。
まず、干渉縞のｍ番目の回折光の位置ｘ2は、Youngの干渉実験より、式（２）で表される。
Figure 0006071772
一方、単一開口部からの回折光の強度分布が０となる位置は、ｎを整数とすると式（１）より、以下の式（３）で表される。
Figure 0006071772
したがって、式（２）と式（３）から回折光強度が０となる位置を算出すると、回折光強度が０となる位置は、以下の式（４）を満たすことになる。
Figure 0006071772
ここで、ｍとｎは整数なので、ある回折光の強度が０になるためには、少なくともＷ2／Ｗ1が整数でなくてはならないことがわかる。ここで、ｍ−２の場合の＋２次回折光２１（＋２）における回折光強度を０にしたいので、たとえば、ｎ＝１のときを考えると、Ｗ2＝２×Ｗ1すなわち１：１のラインアンドスペースパターンであれば＋２次回折光２１（＋２）の回折光強度を０にすることができる。
なお、図７に示した回折光の分布とは異なる場合（＋１次回折光２１（＋１）と瞳面の中心とが一致しない場合）は、必ずしも＋２次回折光２１（＋２）が０になる必要はないが、最大感度を得るためには＋２次回折光２１（＋２）が０になる必要がある。
次に、１：１のラインアンドスペースパターンに対する適切なピッチを求める。図８は、最大感度を得るための照明条件を説明するための図である。図８では、照明光学系３５と回折光領域３６との上面図を示している。回折光領域３６は、光源から出射されて照明光学系３５に照射される回折光の領域である。回折光領域３６を照射する光源の照明は、mono-pole照明である。
この場合において、最大感度を得るための照明条件は、回折光領域３６が照明光学系３５に内接するような位置である。換言すると、回折光領域３６の外周が、照明光学系３５のＮＡ（開口数）＝ＩＮＡmaxで表される円に対して内接する照明条件が最大感度を得ることができる照明条件である。回折光領域３６は、光源の形状および位置に対応しているので、最大感度を得るための照明条件は、光源が照明光学系３５のＮＡに内接するような位置である。
この条件を満たすには、ラインアンドスペースパターンのピッチをＰ、光源波長をλ、投影レンズのＮＡをＬＮＡ、照明光学系３５の部分コヒーレンスおよび最大ＮＡをσ、照明光学系３５の最大ＮＡをＩＮＡmaxとすると、以下の式（５）を満たす必要がある。
Figure 0006071772
図９は、＋１次回折光および−１次回折光と、投影レンズとの位置関係を説明するための図である。図９では、投影レンズ２０の上面図を示している。最大感度の照明条件を満たすには、＋１次回折光２１（＋１）が投影レンズ２０の光軸中心と一致し、かつ−１次回折光２１（−１）が投影レンズ２０内に入らないことが必要となる。この条件を満たすには、以下の式（６）を満たす必要がある。
Figure 0006071772
したがって、式(５)および式(６)から、以下の式（７）が成立する。
Figure 0006071772
たとえば、照明光学系の最大ＮＡが０．２０、投影レンズ２０の最大ＮＡが０．２５で、光源波長が１３．５ｎｍのＥＵＶ露光装置を考えると、式(７)より、図１０に示すグラフが得られる。
図１０は、照明条件とパターンピッチとの関係を示す図である。図１０では、式（７）を満たす、照明条件のσとパターンピッチ（設計値）との関係を示している。関係４１Ｌよりも上側の領域が、式（７）の左側の不等式の関係に対応し、関係４１Ｒよりも下側の領域が、式（７）の右側の不等式の関係に対応している。したがって、関係４１Ｌおよび関係４１Ｒの両方を満たす領域４２が、式（７）の関係を満足させる領域である。
式(７)の不等式が成立するためには、照明条件のσは、０．２よりも小さくなくてはならないことがわかる。例えば、用いる照明条件のσを０．１５に決めると、式(７)より必要なラインアンドスペースパターンのパターンピッチは８３．０ｎｍ以上９３．９ｎｍ以下にすればよいことがわかる。そこで、本実施形態では、パターンピッチの一例として８５．０ｎｍを選択する。
つづいて、第２の検査マークである検査マーク１１の設計方法について説明する。検査マーク１１には、図１１に示す回折光分布をさせるようなピッチのパターンを用いる。図１１は、第２の検査マークの設計方法を説明するための図である。ここでは、検査マーク１１の代わりにスリット１７を用いた場合の回折光について説明する。
最大感度の照明条件を満たすためにスリット１７に求められる条件は、（Ａ）＋２次回折光２１（＋２）の光強度が０であること、（Ｂ）−１次回折光２１（−１）が投影レンズ２０に入射しないこと、（Ｃ）０次光２１（０）および＋１次回折光２１（＋１）が投影レンズ２０に入射することである。したがって、スリット１７（検査マーク１１）に必要なラインアンドスペースパターンは、検査マーク１０で用いるパターンの半分のピッチであればよい。このことは、検査マーク１１を用いた場合の回折光の開き角が、検査マーク１０を用いた場合の回折光の２倍であることから、幾何学的に容易に求めることができる。
以上のようにして設計されたパターンを、レチクル１５上に検査マーク１０（第１の検査マーク）および検査マーク１１（第２の検査マーク）として形成しておく。例えば、レチクル１５上には、パターンピッチが８５．０ｎｍで１：１のラインアンドスペースパターンを検査マーク１０として形成し、パターンピッチが１７０．０ｎｍで１：１のラインアンドスペースパターンを検査マーク１１として形成しておく。
その後、検査マーク１０を用いた第１（１回目）および第２（２回目）の露光と、検査マーク１１を用いた第１および第２の露光とが行われる。換言すると、検査マーク１０，１１を用いた第１の露光処理と、検査マーク１０，１１を用いた第２の露光処理とが行われる。第１および第２の露光処理では、照明光学系の最大ＮＡを０．２０、投影レンズ２０の最大ＮＡを０．２５、光源波長を１３．５ｎｍとする。また、第１の照明である照明１Ａの光源２Ａおよび第２の照明である照明１Ｂの光源２Ｂは、光学系の光軸中心位置を対称中心とする２回回転対称の関係を満足するように設計しておく。
図１２−１は、第１の検査マークを用いた第１の露光処理を説明するための図であり、図１２−２は、第１の検査マークを用いた第２の露光処理を説明するための図である。なお、図１２−１および図１２−２では、検査マーク１０の代わりに、回折パターンを図示している。
照明１Ａと、レチクル１５上の検査マーク１０（パターン領域１２Ａout）とを用いて第１の露光処理を実行すると、−１次回折光２２Ａ（−１）と０次光２２Ａ（０）とが投影レンズ２０に照射される。投影レンズ２０を通過した−１次回折光２２Ａ（−１）および０次光２２Ａ（０）は、フォーカス位置に応じた位置に転写される。ここでのフォーカス位置に応じた位置は、照射光５０Ａがウエハ１５０に照射される位置である。
また、照明１Ｂと、レチクル１５上の検査マーク１０（パターン領域１２Ｂin）とを用いて第２の露光処理を実行すると、＋１次回折光２２Ｂ（＋１）と０次光２２Ｂ（０）とが投影レンズ２０に照射される。投影レンズ２０を通過した＋１次回折光２２Ｂ（＋１）および０次光２２Ｂ（０）は、フォーカス位置に応じた位置に転写される。ここでのフォーカス位置に応じた位置は、照射光５０Ｂがウエハ１５０に照射される位置である。
図１２−１および図１２−２に示すように、フォーカス位置がずれると、第１の露光と第２の露光とでパターンの転写される位置が照射光５０Ａ，５０Ｂのように正反対にずれる。このため、フォーカス位置による転写位置のずれ量を２倍の大きさで検出することができる。しかしながら、図１２−１および図１２−２に示す手順でパターンを転写した場合の検査マーク１０の位置ずれ量ｄｘ1は、以下の式（８）に示すようにフォーカス位置による位置ずれ量（ｄ（focus））と、２回露光することによる重ね合わせ誤差（ｄ（overlay））との和で表される。
Figure 0006071772
したがって、式(８)から重ね合わせ誤差分を除去するために、検査マーク１１の位置ずれ量が用いられる。図１３−１は、第２の検査マークを用いた第１の露光処理を説明するための図であり、図１３−２は、第２の検査マークを用いた第２の露光処理を説明するための図である。なお、図１３−１および図１３−２では、検査マーク１１の代わりに、回折パターンを図示している。
照明１Ａと、レチクル１５上の検査マーク１１（パターン領域１３Ａout）とを用いて第１の露光処理を実行すると、−１次回折光２３Ａ（−１）と０次光２３Ａ（０）とが投影レンズ２０に照射される。投影レンズ２０を通過した−１次回折光２３Ａ（−１）および０次光２３Ａ（０）は、フォーカス位置に起因しない位置に転写される。ここでのフォーカス位置に応じた位置は、照射光５０Ｃがウエハ１５０に照射される位置である。
また、照明１Ｂと、レチクル１５上の検査マーク１１（パターン領域１３Ｂin）とを用いて第２の露光処理を実行すると、＋１次回折光２３Ｂ（＋１）と０次光２３Ｂ（０）とが投影レンズ２０に照射される。投影レンズ２０を通過した＋１次回折光２３Ｂ（＋１）および０次光２３Ｂ（０）は、フォーカス位置に起因しない位置に転写される。ここでのフォーカス位置に応じた位置は、照射光５０Ｄがウエハ１５０に照射される位置である。
図１３−１および図１３−２に示すように、検査マーク１１は、フォーカス位置によって転写位置が変わらない。したがって、図１３−１および図１３−２に示す手順でパターンを転写した場合の検査マーク１１の位置ずれ量ｄｘ2は、以下の式(９)に示すような、純粋な重ね合わせ誤差（ｄ（overlay））のみによるものである。
Figure 0006071772
したがって、式(８)のｄｘ1から式(９)のｄｘ2を減算することによって、純粋にフォーカス位置のみに起因した転写位置ずれ量を求めることができる。図１４は、フォーカスずれ量に対する位置ずれ量を示す図である。図１４では、フォーカスずれ量に対する位置ずれ検出の感度を示している。図１４の横軸は投影光学系のＮＡであり、縦軸は位置ずれ量である。図１４では、１０ｎｍのデーフォーカスが発生した場合の、従来の位置ずれ特性６２と本実施形態の位置ずれ特性６１とを示している。図１４に示すように、同じＮＡの場合、本実施形態の位置ずれ量は、従来の位置ずれ量と比較して２倍の位置ずれ量を示している。
本実施形態では、従来の位置ずれ検査に比べて、２倍の感度の位置ずれ検査を実現することができた。このように、従来よりも２倍の感度で検査マークの位置ずれ量を検出することができるので、従来の２倍の感度でフォーカスのずれ量を検出することができる。したがって、低ＮＡの露光装置であっても十分なフォーカス検査性能を実現することが可能となった。
なお、本実施の形態では、光源２Ａ，２Ｂの光源形状を円形とした場合について説明したが、他の形状の光源を用いてもよい。図１５−１は、光源形状を扇形とした場合の第１の照明の構成を示す図であり、図１５−２は、光源形状を扇形とした場合の第２の照明の構成を示す図である。
照明７１Ａは、扇形の照明領域である光源７２Ａと、非照明領域７３Ａとを有し、照明７１Ｂは、扇形の照明領域である光源７２Ｂと、非照明領域７３Ｂとを有している。この場合も、光源７２Ａと光源７２Ｂとの間には、光学系の光軸中心位置を対称中心とする２回回転対称の関係がある。
図１６−１は、光源形状を多角形とした場合の第１の照明の構成を示す図であり、図１６−２は、光源形状を多角形とした場合の第２の照明の構成を示す図である。照明８１Ａは、多角形の照明領域である光源８２Ａと、非照明領域８３Ａとを有し、照明８１Ｂは、多角形の照明領域である光源８２Ｂと、非照明領域８３Ｂとを有している。この場合も、光源８２Ａと光源８２Ｂとの間には、光学系の光軸中心位置を対称中心とする２回回転対称の関係がある。照明７１Ａ，７１Ｂまたは照明８１Ａ，８１Ｂを用いた場合であっても、照明１Ａ，１Ｂを用いた場合と同様の効果を得ることができる。
また、式(７)を満足するような組合せであれば、本実施形態で用いた設計値（パターンピッチなど）でなくても、本実施形態の設計値でフォーカス測定した場合と同様の効果を得ることができる。
また、検査マーク１０，１１の少なくとも一方を、レチクルステージ上に形成しておいてもよい。図１７は、検査マークが形成されたレチクルステージの構成を示す図である。図１７では、レチクルステージの上面図を示している。
レチクルステージ９０は、レチクルを保持するレチクル保持部９１と、検査マーク１０，１１が形成される領域とを含んで構成されている。レチクル保持部９１は、レチクルステージ９０の内周部に設けられ、検査マーク１０，１１は、レチクルステージ９０の外周部に設けられる。なお、検査マーク１０，１１は、レチクル保持部９１以外の領域であれば、何れの領域に配置してもよい。
図１８は、実施形態に係る露光装置の構成を示す図である。なお、図１８では投影レンズ２０などの図示を省略している。露光装置１００は、例えばステップ・アンド・スキャン方式の縮小投影露光装置である。露光装置１００は、ＥＵＶ光を出射する光源２Ａ，２Ｂと、光源２Ａ，２Ｂから発せられた光を伝搬する照明光学系１２０と、照明光学系１２０で伝搬された光が照射されるレチクルステージ９０とを備える。
フォーカス測定を行う場合には、レチクルステージ９０の検査マーク１０，１１に露光光が照射される。また、製品基板などへの露光を行う場合には、回路パターンが形成されたレチクル９５が、レチクル保持部９１によって保持される。そして、レチクル９５に露光光が照射される。
検査マーク１０，１１に露光光が照射された場合には、検査マーク１０，１１で露光光が反射され、レチクル９５に露光光が照射された場合には、レチクル９５で露光光が反射される。
また、露光装置１００は、レチクル９５で反射された光を伝搬する投影光学系１４０と、投影光学系１４０で伝搬された光で露光されるウエハステージ１５１とを備えている。フォーカス測定を行う場合には、フォーカス測定用のウエハ１５０がウエハステージ１５１によって保持される。また、製品基板への露光を行う場合には、製品基板であるウエハ（図示せず）がウエハステージ１５１によって保持される。
集光レンズ１１２は、光源２Ａ，２Ｂに隣接した位置に配置されるとともに、光源２Ａ，２Ｂから発せされた露光光（レーザ光）を焦点１１３に集光する。焦点１１３からは、波長が１２ｎｍ〜１４ｎｍの軟Ｘ線領域のＥＵＶ光が放出される。放出されたＥＵＶ光は楕円鏡１１４で集光され、放物面鏡１１５で反射される。
放物面鏡１１５で反射されたＥＵＶ光が伝搬される照明光学系１２０は、反射鏡１２１，１２２、コンデンサミラー１２３、及び光路折り曲げ鏡１２４を備える。ＥＵＶ光は反射鏡１２１，１２２で反射され、さらにコンデンサミラー１２３で反射集光される。コンデンサミラー１２３で反射集光されたＥＵＶ光は光路折り曲げ鏡１２４で反射される。光路折り曲げ鏡１２４で反射されたＥＵＶ光は、レチクルステージ９０またはレチクルステージ９０に静電吸着力で固定されたレチクル９５に到達する。
レチクルステージ９０の下方には投影光学系１４０が配置されている。投影光学系１４０の下方には、ウエハ１５０などを保持するウエハステージ１５１が配置されている。投影光学系１４０は、コンデンサミラー１４１、光路折り曲げ鏡１４２，１４３、コンデンサミラー１４４、光路折り曲げ鏡１４５、及びコンデンサミラー１４６を備える。レチクルステージ９０またはレチクル９５で反射されたＥＵＶ光は、コンデンサミラー１４１で反射集光され、光路折り曲げ鏡１４２，１４３で反射される。さらに、ＥＵＶ光はコンデンサミラー１４４で反射集光され、光路折り曲げ鏡１４５で反射される。光路折り曲げ鏡１４５で反射されたＥＵＶ光はコンデンサミラー１４６で集光反射され、ウエハ１５０などの表面に塗布された感光剤（レジスト膜）上で焦点を結ぶ。
製品基板への露光を行う際には、予め光源２Ａ，２Ｂおよびレチクルステージ９０上の検査マーク１０，１１を用いて、露光装置１００におけるフォーカスのずれ量を測定しておく。そして、製品基板への露光を行う前に、フォーカスのずれ量が修正される。この後、製品基板のＺ方向（投影光学系の光軸方向）の位置合わせが行われたうえで、製品基板への露光が行われる。
なお、フォーカス測定が完了した後は、光源２Ａ，２Ｂを用いて製品基板などへの露光処理を行ってもよいし、他の光源を用いて製品基板などへの露光を行ってもよい。また、フォーカス測定用のレチクル１５を用いてフォーカス測定を行う場合には、検査マーク１０，１１の形成されていないレチクルステージを用いて露光を行ってもよい。
露光装置１００によるフォーカスの測定は、何れのタイミングで行ってもよい。例えば、ウエハプロセスのレイヤ毎にフォーカスを測定してもよいし、製品基板の露光処理枚数が所定枚数となった時点でフォーカスを測定してもよい。また、所定時間が経過する度にフォーカスを測定してもよい。
フォーカスが測定された後、フォーカスのずれ量が修正されたうえで、露光装置１００による露光処理が行われる。製品基板などのウエハ上に半導体装置（半導体集積回路）を形成する際には、レジストが塗布されたウエハに露光処理が行われる。その後、ウエハを現像してウエハ上にレジストパターンが形成される。そして、レジストパターンをマスクとしてレジストの下層側がエッチングされる。これにより、レジストパターンに対応する実パターン（回路パターンなど）がウエハ上に形成される。半導体装置を製造する際には、上述したフォーカス測定処理、フォーカスのずれ量を修正する処理、露光処理、現像処理およびエッチング処理などが繰り返される。フォーカスのずれ量は、例えば、露光装置が、レンズの歪み、ミラーの歪み、ウエハステージ１５１の高さなどを調整することによって修正される。
なお、本実施の形態では、回折パターンがラインアンドスペースパターンである場合について説明したが、回折パターンは、何れの形状でもよい。また、図９では、回折光が図１２−２に示した条件を満たす場合について説明したが、回折光が図１２−１に示した条件を満たす場合であっても、同様のパターンピッチを得ることができる。
このように実施形態によれば、式（７）を満たすよう、照明条件と検査マーク１０，１１とを設定しておくので、正確にフォーカス位置を測定することが可能となる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１Ａ，１Ｂ，７１Ａ，７１Ｂ，８１Ａ，８１Ｂ…照明、２Ａ，２Ｂ，１４，７２Ａ，７２Ｂ，８２Ａ，８２Ｂ…光源、１０，１１…検査マーク、１２Ａout，１２Ｂin，１３Ａout，１３Ｂin…パターン領域、１５…レチクル、１６…スクリーン、１７…スリット、２０…投影レンズ、３５…照明光学系、３６…回折光領域、９０…レチクルステージ、９２Ａ，９２Ｂ，９３Ａ，９３Ｂ…マークパターン、１００…露光装置、１５０…ウエハ。

Claims (3)

  1. 第１のパターンピッチを有した第１のラインアンドスペースパターンで形成された第１の回折パターンと、第２のパターンピッチを有した第２のラインアンドスペースパターンで形成された第２の回折パターンと、に対して、光学系の光軸からずれた第１の方向から第１の露光光を照射して、感光材が塗布された基板上に前記第１および第２の回折パターンを投影する第１の露光ステップと、
    前記第１のパターンピッチを有した第３のラインアンドスペースパターンで形成された第３の回折パターンと、前記第２のパターンピッチを有した第４のラインアンドスペースパターンで形成された第４の回折パターンと、に対して、光学系の光軸からずれた第２の方向から第２の露光光を照射して、前記基板上に前記第３および第４の回折パターンを投影する第２の露光ステップと、
    前記基板上の前記第１の回折パターンと前記第３の回折パターンとの間の距離を測定することによって、フォーカスのずれに起因する位置ずれ量と、前記第１および第３の回折パターンの間の重ね合わせずれ量と、の和を、第１の位置ずれ量として算出する第１の位置ずれ量算出ステップと、
    前記基板上の前記第２の回折パターンと前記第４の回折パターンとの間の距離を測定することによって、前記第２および第４の回折パターンの間の重ね合わせずれ量を、第２の位置ずれ量として算出する第２の位置ずれ量算出ステップと、
    前記第１および第２の位置ずれ量に基づいて、前記フォーカスのずれ量を算出するフォーカス算出ステップと、
    を含み、
    前記第１の露光光は、第１のモノポール照明から出射され、前記第２の露光光は、第２のモノポール照明から出射され、
    前記第１のモノポール照明の光源と前記第２のモノポール照明の光源とは、光学系の光軸中心を対象軸とした２回回転対称の関係を有していることを特徴とするフォーカス測定方法。
  2. 第１のパターンピッチを有した第１のラインアンドスペースパターンで形成された第１の回折パターンと、第２のパターンピッチを有した第２のラインアンドスペースパターンで形成された第２の回折パターンと、前記第１のパターンピッチを有した第３のラインアンドスペースパターンで形成された第３の回折パターンと、前記第２のパターンピッチを有した第４のラインアンドスペースパターンで形成された第４の回折パターンと、が形成されたレチクルステージと、
    前記第１および第２の回折パターンに対して、光学系の光軸からずれた第１の方向から第１の露光光を照射することによって、基板上に前記第１および第２の回折パターンを投影する第１の照明と、
    前記第３および第４の回折パターンに対して、光学系の光軸からずれた第２の方向から第２の露光光を照射することによって、前記基板上に前記第３および第４の回折パターンを投影する第２の照明と、
    を有し、
    前記第１の照明は、第１のモノポール照明であり、前記第２の照明は、第２のモノポール照明であり、
    前記第１のモノポール照明の光源と前記第２のモノポール照明の光源とは、光学系の光軸中心を対象軸とした２回回転対称の関係を有していることを特徴とする露光装置。
  3. 第１のパターンピッチを有した第１のラインアンドスペースパターンで形成された第１の回折パターンと、第２のパターンピッチを有した第２のラインアンドスペースパターンで形成された第２の回折パターンと、に対して、光学系の光軸からずれた第１の方向から第１の露光光を照射して、感光材が塗布された第１の基板上に前記第１および第２の回折パターンを投影する第１の露光ステップと、
    前記第１のパターンピッチを有した第３のラインアンドスペースパターンで形成された第３の回折パターンと、前記第２のパターンピッチを有した第４のラインアンドスペースパターンで形成された第４の回折パターンと、に対して、光学系の光軸からずれた第２の方向から第２の露光光を照射して、前記第１の基板上に前記第３および第４の回折パターンを投影する第２の露光ステップと、
    前記第１の基板上の前記第１の回折パターンと前記第３の回折パターンとの間の距離を測定することによって、フォーカスのずれに起因する位置ずれ量と、前記第１および第３の回折パターンの間の重ね合わせずれ量と、の和を、第１の位置ずれ量として算出する第１の位置ずれ量算出ステップと、
    前記第１の基板上の前記第２の回折パターンと前記第４の回折パターンとの間の距離を測定することによって、前記第２および第４の回折パターンの間の重ね合わせずれ量を、第２の位置ずれ量として算出する第２の位置ずれ量算出ステップと、
    前記第１および第２の位置ずれ量に基づいて、前記フォーカスのずれ量を算出するフォーカス算出ステップと、
    前記フォーカスのずれ量を修正するフォーカス修正ステップと、
    レチクルに形成された回路パターンに対して、第３の露光光を照射して、感光材が塗布された第２の基板上に前記回路パターンを投影する第３の露光ステップと、
    前記第２の基板を現像することによって、前記回路パターンに対応するレジストパターンを前記第２の基板上に形成する現像ステップと、
    を含み、
    前記第１の露光光は、第１のモノポール照明から出射され、前記第２の露光光は、第２のモノポール照明から出射され、
    前記第１のモノポール照明の光源と前記第２のモノポール照明の光源とは、光学系の光軸中心を対象軸とした２回回転対称の関係を有していることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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