JP2002093690A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 短時間に容易にかつ高精度にベストフォーカ
ス設定を行う。 【解決手段】 投影光学系を通過させた光をステージ上
に配置した受光検出器に照射させ、その照射光を受光検
出器で検出しながらステージを投影光学系に対して相対
的に接近離反動作させ、受光検出器による検出光の光強
度に基づいてベストフォーカス計測を行い、このベスト
フォーカス計測に基づいてステージの高さを補正してス
テージのベストフォーカス位置を設定し、その後ステー
ジ上に載置される半導体基板に対して露光処理を行う露
光装置を用いて半導体装置を製造する方法であって、基
準光と、基準光に対して位相差が１８０度プラスまたは
マイナスα度異なる位相反転光を、ステージ上に受光面
が同一高さとなるように配置した二つの受光検出器に別
々に照射し、両受光検出器の検出光強度が同じ光強度と
なるようにステージの高さ位置を設定してベストフォー
カス計測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造方
法に係わり、特に、半導体装置製造における露光焦点位
置のベストフォーカス計測技術に適用して有効な技術に
関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ（大規模集積回路）等の半導体装
置の製造においては、半導体基板（ウエハとも呼称）の
表面に順次微細加工を行って所定の半導体装置を製造す
る。この微細加工においては、ウエハの表面に所定のマ
スクを形成するため、露光装置等を用いてウエハの表面
に形成したホトレジスト膜を所定のパターンに露光させ
て感光させる。

【０００３】露光プロセスにおいては、より高精度な微
細加工を行うため、より高精度な焦点位置合わせ（ベス
トフォーカス技術）が必要とされている。

【０００４】露光装置については、例えば、工業調査会
発行「電子材料」1999年３月号、Ｐ48〜Ｐ53の「３００
ｍｍウエハ対応ＫｒＦエキシマレーザ スキャニングス
テッパ ＦＰＡ−５０００ＥＳ２」や、Ｐ54〜Ｐ58にの
「レンズスキャニング方式ステッパ ＮＳＲ−Ｓ２０３
Ｂ」に記載されている。

【０００５】また、株式会社培風館、1997年６月10日発
行、「ＵＬＳＩプロセス技術」、Ｐ８〜Ｐ13には、露光
装置における位相シフトマスク技術として、レベルソン
型とハーフトーン型の技術が記載されている。同文献の
内容を要約するならば、「通常マスクの場合、隣り合っ
た開口部からの回折光は互いに位相が揃っているために
干渉し、開口部の像は互いに分離できなくなる。これに
対してレベルソン型の場合は、開口部の一つおきに厚さ
ｄで屈折率ｎの透明媒質（シフター）を付けてあること
から、隣り合った開口部から出る光の位相は１８０°変
化することになり、回折光は負の干渉によって打ち消し
合い、開口部の像は互いに分離する。」旨記載されてい
る。

【０００６】また、ＳＰＩＥ（the Society of Photo-o
ptical Instrumentation Engineers），Vol.2197,pp990
-pp996には、ステッパの焦点位置計測技術について記載
されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の露光装置では、
基本的には光学系に光を通過させ、照射光または反射光
を検出器で受光し、信号がピーク値となる焦点位置をベ
ストフォーカスとするものである。

【０００８】図１６（ａ），（ｂ）は従来の計測方法の
概要を示す模式図であり、図１６（ａ）は光学系を示す
模式図である。光源１から放射される測定信号光２は投
影レンズ３ａを通過して受光検出器４に到達する。受光
検出器４を矢印に示すように上下に移動させて焦点を合
わせるように調整駆動する。図１６（ｂ）は横軸を投影
レンズからの距離とし縦軸を受光信号強度とするグラフ
である。焦点位置調整駆動によって受光信号強度は図１
６（ｂ）に示すように変化する。そこで、最も受光信号
強度が大きい箇所をベストフォーカス位置とする。

【０００９】しかし、このようなベストフォーカス計測
方法では、最も受光信号強度が大きい箇所はガウス曲線
のピーク箇所を特定することになり、その特定は難し
く、計測する信号値そのものの測定誤差が生じやすい。
また、計測値を校正するために、例えば像形成の焦点位
置依存性との比較が必要となる。また、校正方法がイン
ライン計測でないため、経時的変化等によるベストフォ
ーカス計測の誤差を予防でき難い。そして、実際に走査
形顕微鏡（ＳＥＭ）でベストフォーカス計測をした場
合、例えば、１時間前後と長い時間を必要とする。さら
に、この測定作業は熟練を要する。

【００１０】ＬＳＩ製造に用いるステッパのように、投
影光学系を用いる露光装置にとって、露光対象に対する
焦点位置計測（フォーカス計測）制御は、露光プロセス
マージン精度の向上に重要である。例えば、ＬＳＩ製造
における微細加工で主に用いる縮小投影露光装置の露光
特性は、焦点位置により形成されるパターンの寸法，形
状が変化する。

【００１１】図１７は焦点位置とパターン寸法との相関
を示すグラフである。この例では、０．２０μｍのパタ
ーン形成における露光特性を示している。一般に、狙い
目寸法の±１０％を焦点深度としている。従って、この
例では焦点深度幅はわずか０．４〜０．６μｍとなり、
±０．２〜±０．３μｍの焦点位置制御が要求される。
このような狭い焦点深度幅はプロセスマージンの低下を
来たし、製造歩留りの低下の原因となる。

【００１２】また、従来より用いられているベストフォ
ーカス計測技術は、ある程度の期間における再現性では
高精度化されているが、絶対基準との差分を常に管理す
る必要があり、経時的変化に対する追随の問題、絶対基
準測定との相対管理に伴う誤差要因の増大が考えられ
る。

【００１３】一方、本発明者等はレベルソンマスクに代
表される位相シフト法を用いたパターン形成で、マスク
に製造誤差がある場合に隣接する同一設計パターンに寸
法差が生じることを知見した。そこで、本発明者は、ベ
ストフォーカス測定にこの寸法差発生現象を利用すれ
ば、露光システムにフォーカス（焦点）位置を精度良く
測定する機能を付加できることができることを見いだし
た。

【００１４】本発明の目的は、高精度にベストフォーカ
ス設定ができる技術を提供することにある。

【００１５】本発明の他の目的は、短時間に容易にかつ
高精度にベストフォーカス設定ができる技術を提供する
ことにある。

【００１６】本発明の他の目的は、短時間に容易にかつ
高精度にベストフォーカス設定を行って半導体装置を製
造する技術を提供することにある。

【００１７】本発明の前記ならびにそのほかの目的と新
規な特徴は、本明細書の記述および添付図面からあきら
かになるであろう。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【００１９】（１）投影光学系を通過させた光をステー
ジ上に配置した受光検出器に照射させ、その照射光を前
記受光検出器で検出しながら前記ステージを前記投影光
学系に対して相対的に接近離反動作させ、前記受光検出
器による検出光の光強度に基づいてベストフォーカス計
測を行い、このベストフォーカス計測に基づいて前記ス
テージの高さを補正して前記ステージのベストフォーカ
ス位置を設定し、その後前記ステージ上に載置される半
導体基板に対して露光処理を行う露光装置を用いて半導
体装置を製造する方法であって、基準光と、前記基準光
に対して位相差が１８０度プラスまたはマイナスα度異
なる位相反転光を、前記ステージ上に受光面が同一高さ
となるように配置した二つの受光検出器に別々に照射
し、前記両受光検出器の検出光強度が同じ光強度となる
ように前記ステージの高さ位置を設定してベストフォー
カス計測する。前記光学系の光路の途中に前記基準光用
の基準フィルタと、前記位相反転光用の位相反転フィル
タを位置させてベストフォーカスの設定をする。

【００２０】（２）前記手段（１）の構成において、前
記光学系の光路の途中に位置させるマスクに前記基準フ
ィルタ及び前記位相反転フィルタを設けてベストフォー
カスの設定をする。

【００２１】（３）投影光学系を通過させた光をステー
ジ上に配置した受光検出器に照射させ、その照射光を前
記受光検出器で検出しながら前記ステージを前記投影光
学系に対して相対的に接近離反動作させ、前記受光検出
器による検出光の光強度に基づいてベストフォーカス計
測を行い、このベストフォーカス計測に基づいて前記ス
テージの高さを補正して前記ステージのベストフォーカ
ス位置を設定し、その後前記ステージ上に載置される半
導体基板に対して露光処理を行う露光装置を用いて半導
体装置を製造する方法であって、前記光学系の光路の途
中に位置させるマスクの少なくとも一部に、基準光を透
過させる第１の幅を有する基準光透過部と前記基準光に
対して位相差が１８０度異なる光を透過させる前記第１
の幅を有する逆位相光透過部とを遮光部を介在させて一
対以上配置する第１組合せマスクパターンと、前記基準
光を透過させる第２の幅を有する基準光透過部と前記基
準光に対して位相差が１８０度プラスまたはマイナスα
度異なる光を透過させる前記第２の幅を有する逆位相光
透過部とを遮光部を介在させて一対以上配置する第２組
合せマスクパターンと、前記基準光を透過させる第３の
幅を有する基準光透過部と前記基準光に対して位相差が
１８０度プラスまたはマイナスβ度異なる光を透過させ
る前記第３の幅を有する逆位相光透過部とを遮光部を介
在させて一対以上配置する第３組合せマスクパターンと
を１組以上設けておくとともに、前記第１・第２・第３
組合せマスクパターンを透過した光を、前記ステージ上
に受光面が同一高さとなるように配置した三つの受光検
出器に別々に照射し、前記各受光検出器に現れた各像に
おいて、前記基準光透過部によって発生した基準像の幅
と隣接する逆位相光透過部によって発生した逆位相像の
幅とがそれぞれ同じ幅になるように前記ステージの高さ
位置を設定してベストフォーカス計測する。前記第１の
幅，前記第２の幅及び前記第３の幅を同じ寸法にしてお
く。

【００２２】前記（１）の手段によれば、（ａ）相互に
逆位相となり位相差が１８０度よりもずれる２つの光信
号（基準光，位相反転光）の光強度が、受光面の焦点位
置によりバランスが変化することを利用し、それぞれの
信号強度が等しくなるように焦点位置を調整する。その
ため、単に１信号のピーク値を測定する場合よりも情報
の確度が高く、焦点位置計測の絶対基準となりうる。

【００２３】（ｂ）また、その他の基準を用いて構成す
る必要がないため、ベストフォーカス設定は容易であ
る。

【００２４】前記（２）の手段によれば、前記手段
（１）の効果と同様な効果を有する。

【００２５】前記（３）の手段によれば、前記手段
（１）の効果に加えて、マスクに異なる位相差組合せの
組合せマスクパターンを形成してあることから、一度の
光照射で焦点位置のずれを計測でき、かつベストフォー
カス設定が行える効果がある。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。なお、発明の実施の形態を
説明するための全図において、同一機能を有するものは
同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

【００２７】（実施形態１）図１乃至図６は本発明の一
実施形態（実施形態１）である半導体装置の製造方法に
おいて使用する露光装置に係わる図である。図１は露光
装置の一部を示す模式的斜視図、図２は露光装置の光学
系を示す模式図、図３はベストフォーカス計測を説明す
る模式図である。

【００２８】露光装置は、図１に示すように、半導体基
板（ウエハ）１０等の被処理物を載置するステージ１１
を有している。前記ステージ１１の上方には照明系１２
や投影レンズ系３等による光学系（投影光学系）が構成
されている。また、照明系１２と投影レンズ系３との間
の光路の途中にはマスク（レチクル）５が配置される。
さらに、本実施形態１による露光装置では、照明系１２
と投影レンズ系３との間の光路の途中に板状の位相シフ
タ６が配置できるようになっている。

【００２９】位相シフタ６には、この例では二つのフィ
ルタ６ａ，６ｂが設けられている。フィルタ６ａ，６ｂ
は相互に逆位相となり位相差が１８０度よりもずれる関
係の光を透過する透過部を構成している。例えば、フィ
ルタ６ａは透過する光の位相を０度とするフィルタであ
り、フィルタ６ｂは透過する光の位相を１８０度プラス
またはマイナスα度、例えば、位相を１８０度＋α度と
する位相反転フィルタである。

【００３０】０度の位相の光（基準光）と、１８０度＋
α度の位相の光（位相反転光）は、それぞれステージ１
１において、相互に独立した受光検出器（光量センサ）
４ａ，４ｂで計測されるようになっている。

【００３１】図２は図１の部分のより詳細な断面図であ
る。照明系１２には光源１と、モータ１３によって制御
されるシャッタ１４及びコンデンサレンズ１５を有す
る。シャッタ１４は光源１から放射される光７を通過ま
たは遮断させる。

【００３２】ステージ１１上にはウエハ１０を保持する
治具としてのウエハチャック２０が取り付けられてい
る。ウエハ１０はウエハチャック２０の上面に、例えば
真空吸着等によって固定される。

【００３３】また、ステージ１１のウエハチャック２０
から外れた上面には、センサ取付台２１が固定され、こ
のセンサ取付台２１には二つの前記光量センサ４ａ，４
ｂが取り付けられている。これら光量センサ４ａ，４ｂ
の上面は同一高さに位置し、受光量を検出する受光面と
なっている。

【００３４】本実施形態１の露光装置では、光量センサ
４ａ，４ｂの受光面で計測する光量に基づいてベストフ
ォーカス計測した後、この受光面の位置（高さ）と、ウ
エハチャック２０上のウエハ１０の上面の高さずれに基
づいてステージ１１を上下動補正させてベストフォーカ
ス位置を設定し、ウエハ１０の表面の図示しないホトレ
ジストを露光処理する。

【００３５】図２は位相シフタ６を光路中に配置した状
態を示す模式図である。光源１から放射される光７は、
コンデンサレンズ１５を通り、一部は位相シフタ６のフ
ィルタ６ａを通過して位相が０度の基準光７ａとなり、
投影レンズ３ａを通って光量センサ４ａに到達し、一部
は位相シフタ６のフィルタ６ｂを通過して位相が１８０
度プラスまたはマイナスα度となる位相反転光７ｂとな
り、投影レンズ３ａを通って光量センサ４ｂに到達す
る。

【００３６】つぎに、ベストフォーカス計測について説
明する。図３は本実施形態１の露光装置を簡略化した投
影光学系を示す模式図である。光源１から放射される光
７の一部は位相シフタ６のフィルタ６ａを通過して位相
が０度の基準光７ａとなり、投影レンズ３ａを通って光
量センサ４ａに到達し、一部は位相シフタ６のフィルタ
６ｂを通過して位相が１８０度＋α度となる位相反転光
７ｂとなり、投影レンズ３ａを通って光量センサ４ｂに
到達する。

【００３７】基準光７ａ及び位相反転光７ｂは相互に逆
位相となり位相差が１８０度よりもずれる関係になって
いる。これは、０度と１８０度にする場合に比較して、
光量センサ４ａ，４ｂで受光する光強度の差分がステー
ジ１１の位置、つまり焦点位置により変化することを利
用するためである。位相差が１８０度の場合、焦点位置
がずれても基準光７ａ，位相反転光７ｂとも同じように
受光強度が変化する。

【００３８】これに対し、基準光７ａと位相反転光７ｂ
の位相差を１８０度よりもずらしたことから、ステージ
１１の位置（焦点位置）のずれによる光量センサ４ａ，
４ｂの受光信号強度に差をつくる効果がある。

【００３９】このことは、レベルソンマスクに代表され
る位相シフト法を用いたパターン形成に関する本発明者
による分析検討によって、マスクに製造誤差がある場合
に隣接する同一設計パターンに寸法差が生じることを知
見したことから得られたものである。

【００４０】図４はベストフォーカス計測における受光
面の信号強度を示す模式図であり、図４（ａ）はベスト
フォーカス状態の場合であり、図４（ｂ）はベストフォ
ーカス状態でない場合の模式図である。また、これらの
図において、最上段は信号光振幅分布、中段は受光光振
幅分布、最下段は受光信号強度分布を示すものである。
また、図中左側が基準光によるものであり、右側が位相
反転光（位相差が１８０度＋α度）によるものである。

【００４１】ベストフォーカスの状態では、基準光によ
る信号強度分布も位相反転光による信号強度分布も同じ
形状のガウス分布になるが、ベストフォーカスからずれ
た状態では、基準光による信号強度分布に比較して位相
反転光による信号強度分布は小さくなる。

【００４２】位相反転光の位相差を１８０度からある程
度ずらすこと（α度、例えば、１〜３度前後）により、
焦点位置に対する検出信号強度の挙動が、図５（ａ）に
示すように基準光７ａと位相反転光７ｂでずれる。その
信号強度の差分は、図５（ｂ）のようになる。

【００４３】そこで、信号強度の差分が０になるように
ステージ１１を昇降制御（投影光学系に対して接近離反
動作）する。図５（ｂ）の位置Ｐがベストフォーカスと
する。光の位相差は一定のため、この基準光と位相反転
光の差分を絶対基準とすることにより、再現性，経時安
定性の高い焦点位置計測ができる。

【００４４】図６（ａ）〜（ｄ）は解像パターン寸法を
示すグラフである。この例では位相差１８０度の場合
と、位相差１８０度＋α度の場合における寸法差と、Ｃ
Ｄと焦点（Focus）のデフォーカス特性について示した
ものである。

【００４５】これらのグラフからわかるように、位相差
１８０度の場合のシフタ有無パターン寸法差の焦点（Ｆ
ｏｃｕｓ）に対する寸法差の変化率は−０．００５μｍ
〜−０．００８μｍと小さく、シフタ有無パターン別寸
法差のＣＤの変化率は相互に一定のずれを有する同様な
曲線（懸垂線状：カテナリー状）となる。そして、シフ
タ有りの場合は焦点が０．３μｍのときＣＤが０．２０
０μｍ程度と最も小さくなり、シフタなしの場合は焦点
が０．３μｍ当たりでＣＤが０．２０５μｍ程度と最も
小さくなる。

【００４６】これに対して、位相差１８０度＋α度の場
合のシフタ有無パターン寸法差の焦点に対する寸法差
は、焦点が０．３μｍ程度で０．０００μｍとなり、焦
点のその前後０．１５μｍでは寸法差は−０．００５μ
ｍ，焦点が０．６μｍでは寸法差は０．００５μｍ程度
となり、焦点の変動に対して傾きを持つグラフとなる。

【００４７】このように、位相差１８０度＋α度の場合
のシフタ有無パターン寸法差を測定することにより、ベ
ストフォーカスからのずれ量を求めることができる。こ
のことは、図５（ａ），（ｂ）の信号強度と焦点位置の
関係と同じであり、信号強度の差分を測定することで焦
点位置を求めることができる。

【００４８】一方、ベストフォーカス計測状態では、検
出の受光面がそのまま半導体基板の露光面とはならな
い。そこで、その後は受光面とステージ１１上に載置さ
れたウエハ１０の上面、即ち感光面との間のずれを補正
するようにステージ１１の高さを補正することによっ
て、ベストフォーカス状態での露光処理が行えるように
なる。

【００４９】この結果、例えば、焦点深度幅が０．４〜
０．６μｍとなる状態、即ち、焦点位置制御が±０．２
〜±０．３μｍを要求される場合においても、十分この
要求を満たすことができるようになる。従って、高精度
な露光が可能になることから、半導体装置製造において
より微細化に対応できることになり、製造歩留りの向上
を達成することができるようになる。

【００５０】本実施形態１によれば以下の効果を有す
る。

【００５１】（１）相互に逆位相となり位相差が１８０
度よりもずれる２つの光信号（基準光７ａ，位相反転光
７ｂ）の光強度が、受光面の焦点位置によりバランスが
変化することを利用し、それぞれの信号強度が等しくな
るように焦点位置を調整する。そのため、単に１信号の
ピーク値を測定する場合よりも情報の確度が高く、焦点
位置計測の絶対基準となりうる。即ち、位相反転光７ｂ
は基準光７ａに対して位相が１８０度反転するものと異
なり、位相が１８０度よりもずれることから、逆位相と
なる基準光７ａ及び位相反転光７ｂの光信号強度が、受
光面の焦点位置によりバランスが変化することから、こ
のバランスを無くすようにステージ１１の高さを制御す
ることによればベストフォーカス計測が確実に行えるよ
うになる。

【００５２】（２）ベストフォーカス計測の精度が高い
ことから、ＬＳＩ製造における焦点深度が浅く、より正
確な焦点位置計測が可能になる。従って、ＬＳＩ製造や
ＦＰＤ（フラット・パネル・ディスプレイ）の製造にも
適した技術となる。

【００５３】（３）また、その他の基準を用いて構成す
る必要がないため、ベストフォーカス設定は容易であ
る。即ち、短時間でベストフォーカス計測が行える。

【００５４】（実施形態２）図７は本発明の他の実施形
態（実施形態２）である半導体装置の製造方法において
使用する露光装置の光学系を示す模式図である。本実施
形態２では、投影光学系の光路の途中に配置するマスク
５において、遮光膜３０を設けないベストフォーカス計
測用の窓３１を設けるものである。

【００５５】このような窓３１を有するマスク５を用い
ることによって、製品マスクを挿入した状態あるいは露
光シーケンスの途中でも焦点位置検出ができる。

【００５６】（実施形態３）図８は本発明の他の実施形
態（実施形態３）である半導体装置の製造方法において
使用する露光装置の光学系を示す模式図である。本実施
形態３では、マスク５にフィルタ６ａ，６ｂを設けた例
である。本実施形態３においても、前記実施形態２と同
様に、製品マスクを挿入した状態あるいは露光シーケン
スの途中でも焦点位置検出ができる。

【００５７】（実施形態４）図９は本発明の他の実施形
態（実施形態４）である半導体装置の製造方法において
使用する露光装置の光学系を示す模式図である。本実施
形態４はフィルタ６ａ，６ｂ（位相シフタ６）を一時的
に光路から外せる機構になっている。本実施形態４の場
合には、光量センサ４ａ，４ｂの感度校正を同一位相の
信号光で行える特長がある。

【００５８】（実施形態５）図１０乃至図１４は本発明
の他の実施形態（実施形態５）である半導体装置の製造
方法に係わる図であり、図１０は半導体装置の製造方法
において使用するマスクの模式図、図１１はマスクパタ
ーンと像との関係を示す模式図、図１２は焦点位置が合
った状態を示す模式図、図１３は焦点位置が合わない状
態を示す模式図、図１４はマスクパターン位相差及び位
相ずれによる線幅差を示す模式図である。

【００５９】本実施形態５は、マスクの少なくとも一部
に、基準光を透過させる基準光透過部と、基準光に対し
て位相差が反転する位相反転光を透過させる逆位相光透
過部とを遮光部を介在させて一対以上配置する組合せマ
スクパターンを複数配置したものである。そして各組合
せマスクパターン間では逆位相光透過部での位相反転光
は相互に異なる位相となっている。また、各組合せマス
クパターンにおいて基準光透過部の幅と逆位相光透過部
の幅は同一幅となっている。また、この幅は、組合せマ
スクパターン間では異なってもよい。

【００６０】この例では、基準光（位相０度〕によって
受光面に形成される基準像と、位相反転光（位相１８０
度＋α度）によって受光面に形成される逆位相像とは、
像のパターン寸法（幅）が焦点位置のずれにより異なる
ことから、量像の幅が一致するようにステージを昇降さ
せてベストフォーカス計測を行うものである。

【００６１】例えば、本実施形態５の半導体装置の製造
方法は以下のようになる。投影光学系を通過させた光を
ステージ上に配置した受光検出器に照射させ、その照射
光を前記受光検出器で検出しながら前記ステージを前記
投影光学系に対して相対的に接近離反動作させ、前記受
光検出器による検出光の光強度に基づいてベストフォー
カス計測を行い、このベストフォーカス計測に基づいて
前記ステージの高さを補正して前記ステージのベストフ
ォーカス位置を設定し、その後前記ステージ上に載置さ
れる半導体基板に対して露光処理を行う露光装置を用い
て半導体装置を製造する方法であって、前記光学系の光
路の途中に位置させるマスクの少なくとも一部に、基準
光を透過させる第１の幅を有する基準光透過部と前記基
準光に対して位相差が１８０度異なる光を透過させる前
記第１の幅を有する逆位相光透過部とを遮光部を介在さ
せて一対以上配置する第１組合せマスクパターンと、前
記基準光を透過させる第２の幅を有する基準光透過部と
前記基準光に対して位相差が１８０度プラスまたはマイ
ナスα度異なる光を透過させる前記第２の幅を有する逆
位相光透過部とを遮光部を介在させて一対以上配置する
第２組合せマスクパターンと、前記基準光を透過させる
第３の幅を有する基準光透過部と前記基準光に対して位
相差が１８０度プラスまたはマイナスβ度異なる光を透
過させる前記第３の幅を有する逆位相光透過部とを遮光
部を介在させて一対以上配置する第３組合せマスクパタ
ーンとを１組以上設けておくとともに、前記第１・第２
・第３組合せマスクパターンを透過した光を、前記ステ
ージ上に受光面が同一高さとなるように配置した三つの
受光検出器に別々に照射し、前記各受光検出器に現れた
各像において、前記基準光透過部によって発生した基準
像の幅と隣接する逆位相光透過部によって発生した逆位
相像の幅とがそれぞれ同じ幅になるように前記ステージ
の高さ位置を設定してベストフォーカス計測することを
特徴とする。例えば、前記第１の幅，前記第２の幅及び
前記第３の幅を同じ寸法にしておく。

【００６２】つぎに、具体的な例について説明する。図
１０に示すように、マスク５に３つの組合せマスクパタ
ーン３５ａ，３５ｂ，３５ｃを形成してある。組合せマ
スクパターンは、図１１の最上段の図に示すように、細
長い黒塗り部分（黒部）が遮光部となり、細長い白い部
分（白部）が光透過部となっている。光透過部と遮光部
は交互に繰り返して配列され、それぞれの幅は同一とな
っている。また光透過部は基準光を透過させる基準光透
過部４０と、位相反転光を透過させる逆位相光透過部４
１が交互に配列されている。

【００６３】組合せマスクパターン３５ａは逆位相光透
過部４１で位相１８０度の光を透過するようになり、組
合せマスクパターン３５ｂは逆位相光透過部４１で位相
１８０度＋α度の光を透過するようになり、組合せマス
クパターン３５ｃは逆位相光透過部４１で位相１８０度
＋β度の光を透過するようになっている。例えば、α度
は１度、β度は３度となっている。このα度及びβ度は
位相シフト法の効果が期待でき、かつ測定可能な寸法差
を得る実用的なマスクを製造するために１〜３度程度が
適当である。

【００６４】図１１は組合せマスクパターン３５ａの
例、即ち位相差が１８０度の例である。図１１は上から
下に向かってマスクパターン，信号光振幅分布，露光面
光振幅分布，露光面光強度分布及び露光の形成パターン
（像）を示す模式図である。

【００６５】組合せマスクパターン３５ａは基準光透過
部４０と逆位相光透過部４１を交互に配置した組合せマ
スクパターンとなっていることから、透過する光は露光
面（受光面）で振幅が反転する。基準光と位相反転光の
位相差が完全に１８０度反転している場合は、露光面で
の光強度分布が焦点位置にかかわらず等しくなり、基準
光と位相反転光によって形成されたパターンの線幅ａ，
ｂは等しくなる（図１１の最下段の図及び図１２参
照）。

【００６６】しかし、位相差が１８０度よりずれている
（位相差が１８０度＋α度）場合は、露光面光強度分布
がフィルタの有無により変化し、線幅ａ，ｂが焦点位置
により不均一になる（図１３参照）。

【００６７】そこで、これを利用し、焦点位置に依存し
たパターン線幅差を各位相の組合せで測定し、一度のパ
ターン形成で焦点位置の誤差を求めることができる。即
ち、以下のような手順で焦点位置の誤差を求める。図１
３（ａ）に示すように、線幅ａ，ｂとも焦点位置の変動
とともに形成パターン線幅が変化する。位相差が１８０
度＋α度の場合は線幅ａ，ｂが一致する焦点位置は一点
しかなく、その焦点位置調からずれるに従い、線幅ａ，
ｂの差分が変化する。即ち、この線幅ａ，ｂの差分を計
測することにより、焦点位置のずれ量を求めることがで
きる〔図１３（ｂ）参照〕。

【００６８】本実施形態５では、図１４に示すような組
合せマスクパターン３５ａ，３５ｂ，３５ｃを、図１０
に示すように配置したものである。図１４は組合せマス
クパターン３５ａ，３５ｂ，３５ｃのマスクパターン及
び位相差と、位相ずれによる線幅差を示す模式図であ
る。組合せマスクパターン３５ａでは基準光に対して位
相差が１８０度ずれた光を透過する逆位相光透過部４１
が設けられ、組合せマスクパターン３５ｂでは基準光に
対して位相差が１８０度＋α度ずれた光を透過する逆位
相光透過部４１が設けられ、組合せマスクパターン３５
ｃでは基準光に対して位相差が１８０度＋β度ずれた光
を透過する逆位相光透過部４１が設けられている。

【００６９】図１４の位相ずれによる線幅差から、例え
ば、位相差が１８０度＋α度のマスクパターンで計測し
たベストフォーカス値と、位相差が１８０度＋β度のマ
スクパターンで計測したベストフォーカス値を平均する
ことにより、より精度高くベストフォーカス値を決定で
きる。

【００７０】本実施形態５によれば、基準光と、この基
準光に対して位相差が１８０度よりもずれた位相反転光
による露光の形成パターンからベストフォーカス計測を
短時間に容易にかつ高精度に行うことができる。

【００７１】（実施形態６）図１５は本発明の他の実施
形態（実施形態６）である半導体装置の製造方法におい
て使用するマスクの模式図である。本実施形態６では、
図１５に示すように、マスク５の四隅にそれぞれ組合せ
マスクパターン３５ａ，３５ｂ，３５ｃを形成した例で
ある。

【００７２】本実施形態６では、組合せマスクパターン
３５ａ，３５ｂ，３５ｃを、マスク５の３箇所以上に配
置し、各箇所の焦点合わせを前記実施形態５の手法で計
測することにより、投影露光装置の露光面（受光面）の
焦点傾きを１度のパターン形成で行うことができる。

【００７３】以上本発明者によってなされた発明を実施
形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形
態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範
囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

【００７４】本発明は少なくともベストフォーカス計測
を行う光学系には適用できる。

【００７５】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【００７６】（１）露光光学系において高精度にベスト
フォーカス設定ができる。

【００７７】（２）露光光学系において短時間に容易に
かつ高精度にベストフォーカス設定ができる。

【００７８】（３）露光光学系のベストフォーカス設定
を短時間に容易にかつ高精度に行えることから、品質が
優れた半導体装置を高歩留りに製造することができ、半
導体装置のコストの低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態（実施形態１）である半導
体装置の製造方法において使用する露光装置の一部を示
す模式的斜視図である。

【図２】前記露光装置の光学系を示す模式図である。

【図３】本実施形態１によるベストフォーカス計測を説
明する模式図である。

【図４】本実施形態１によるベストフォーカス計測にお
ける受光面の信号強度を示す模式図である。

【図５】検出信号強度及び検出信号強度の差分を示す模
式図である。

【図６】解像パターン寸法を示すグラフである。

【図７】本発明の他の実施形態（実施形態２）である半
導体装置の製造方法において使用する露光装置の光学系
を示す模式図である。

【図８】本発明の他の実施形態（実施形態３）である半
導体装置の製造方法において使用する露光装置の光学系
を示す模式図である。

【図９】本発明の他の実施形態（実施形態４）である半
導体装置の製造方法において使用する露光装置の光学系
を示す模式図である。

【図１０】本発明の他の実施形態（実施形態５）である
半導体装置の製造方法において使用するマスクの模式図
である。

【図１１】本実施形態５におけるマスクパターンと像と
の関係を示す模式図である。

【図１２】本実施形態５において焦点位置が合った状態
を示す模式図である。

【図１３】本実施形態５において焦点位置が合わない状
態を示す模式図である。

【図１４】本実施形態５においてマスクパターン位相差
及び位相ずれによる線幅差を示す模式図である。

【図１５】本発明の他の実施形態（実施形態６）である
半導体装置の製造方法において使用するマスクの模式図
である。

【図１６】従来の計測方法の概要を示す模式図である。

【図１７】焦点位置とパターン寸法との相関を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１…光源、２…測定信号光、３…投影レンズ系、３ａ…
投影レンズ、４…受光検出器、４ａ，４ｂ…光量セン
サ、５…マスク（レチクル）、６…位相シフタ、６ａ，
６ｂ…フィルタ、７…光、７ａ…基準光、７ｂ…位相反
転光、１０…半導体基板（ウエハ）、１１…ステージ、
１２…照明系、１３…モータ、１４…シャッタ、１５…
コンデンサレンズ、２０…ウエハチャック、２１…セン
サ取付台、３０…遮光膜、３１…窓、３５ａ，３５ｂ，
３５ｃ…組合せマスクパターン、４０…基準光透過部、
４１…逆位相光透過部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長谷川 晃二 東京都小平市上水本町五丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体グループ内 (72)発明者 桑野 健次 東京都小平市上水本町五丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体グループ内 Ｆターム(参考） 2H042 AA01 AA07 AA25 5F046 DA14 DB01 DB05 DB10

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 投影光学系を通過させた光をステージ上
   に配置した受光検出器に照射させ、その照射光を前記受
   光検出器で検出しながら前記ステージを前記投影光学系
   に対して相対的に接近離反動作させ、前記受光検出器に
   よる検出光の光強度に基づいてベストフォーカス計測を
   行い、このベストフォーカス計測に基づいて前記ステー
   ジの高さを補正して前記ステージのベストフォーカス位
   置を設定し、その後前記ステージ上に載置される半導体
   基板に対して露光処理を行う露光装置を用いて半導体装
   置を製造する方法であって、基準光と、前記基準光に対
   して位相差が１８０度プラスまたはマイナスα度異なる
   位相反転光を、前記ステージ上に受光面が同一高さとな
   るように配置した二つの受光検出器に別々に照射し、前
   記両受光検出器の検出光強度が同じ光強度となるように
   前記ステージの高さ位置を設定してベストフォーカス計
   測することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 前記光学系の光路の途中に前記基準光用
   の基準フィルタと、前記位相反転光用の位相反転フィル
   タを位置させてベストフォーカスの設定をすることを特
   徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 前記光学系の光路の途中に位置させるマ
   スクに前記基準フィルタ及び前記位相反転フィルタを設
   けてベストフォーカスの設定をすることを特徴とする請
   求項１に記載の半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 投影光学系を通過させた光をステージ上
   に配置した受光検出器に照射させ、その照射光を前記受
   光検出器で検出しながら前記ステージを前記投影光学系
   に対して相対的に接近離反動作させ、前記受光検出器に
   よる検出光の光強度に基づいてベストフォーカス計測を
   行い、このベストフォーカス計測に基づいて前記ステー
   ジの高さを補正して前記ステージのベストフォーカス位
   置を設定し、その後前記ステージ上に載置される半導体
   基板に対して露光処理を行う露光装置を用いて半導体装
   置を製造する方法であって、 前記光学系の光路の途中に位置させるマスクの少なくと
   も一部に、基準光を透過させる第１の幅を有する基準光
   透過部と前記基準光に対して位相差が１８０度異なる光
   を透過させる前記第１の幅を有する逆位相光透過部とを
   遮光部を介在させて一対以上配置する第１組合せマスク
   パターンと、 前記基準光を透過させる第２の幅を有する基準光透過部
   と前記基準光に対して位相差が１８０度プラスまたはマ
   イナスα度異なる光を透過させる前記第２の幅を有する
   逆位相光透過部とを遮光部を介在させて一対以上配置す
   る第２組合せマスクパターンと、 前記基準光を透過させる第３の幅を有する基準光透過部
   と前記基準光に対して位相差が１８０度プラスまたはマ
   イナスβ度異なる光を透過させる前記第３の幅を有する
   逆位相光透過部とを遮光部を介在させて一対以上配置す
   る第３組合せマスクパターンとを１組以上設けておくと
   ともに、 前記第１・第２・第３組合せマスクパターンを透過した
   光を、前記ステージ上に受光面が同一高さとなるように
   配置した三つの受光検出器に別々に照射し、 前記各受光検出器に現れた各像において、前記基準光透
   過部によって発生した基準像の幅と隣接する逆位相光透
   過部によって発生した逆位相像の幅とがそれぞれ同じ幅
   になるように前記ステージの高さ位置を設定してベスト
   フォーカス計測することを特徴とする半導体装置の製造
   方法。
5. 【請求項５】 前記第１の幅，前記第２の幅及び前記第
   ３の幅を同じ寸法にしておくことを特徴とする請求項４
   に記載の半導体装置の製造方法。