JP2007242903A - Semiconductor exposure device, method of observing exposure light polarization state, and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

Semiconductor exposure device, method of observing exposure light polarization state, and method of manufacturing semiconductor device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To carry out a quantification of a variation of a degree of polarization of an exposure light, and thereby to make it possible to clearly specify a polarization state of the exposure light reaching a wafer substrate. <P>SOLUTION: By a semiconductor exposure device, an illumination light is reached on the wafer substrate through an exposure mask and a projection optical system, and a pattern image made by the exposure mask is transferred on the wafer substrate. The exposure device comprises: a first polarizer 2 which changes the illumination light into a linear polarization state at an arrangement position of the exposure mask; a photodetector 5 which detects an optical intensity at an arrangement position of the wafer substrate; a second polarizer 6 which changes a light coming into the photodetector 5 on a light incidence surface to the photodetector 5 into a linear polarization state with a predetermined angle with respect to the linear polarization state made by the first polarizer 2; and polarization recognizing means 8 which compares detecting results by the photodetector 5 in a case through the projection optical system, and in a case not through the projection optical system, and abstracts the variation of the degree of polarization by the projection optical system based on the comparing results. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置を製造するためのリソグラフィ工程で用いられる半導体露光装置および露光光偏光状態観測方法、並びにそのリソグラフィ工程を含む半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor exposure apparatus and exposure light polarization state observation method used in a lithography process for manufacturing a semiconductor device, and a semiconductor device manufacturing method including the lithography process.

近年、半導体製造の一工程であるリソグラフィ工程については、回路線幅の微細化を実現するために様々な手法が提案されているが、ここでポイントとなるのが光リソグラフィの延命技術である。これは、光リソグラフィ技術の持つ生産性の高さや周辺技術が十分に成熟していることが理由にある。例えば、２００３年度の国際半導体技術ロードマップ（ＩＴＲＳ）においては、液浸露光技術やＤＦＭ（Design for Manufacturing）等といった技術の利用を前提としながらも、45nmノードまでは光リソグラフィ技術の延命が可能との指針が示されている。   In recent years, various techniques have been proposed for the lithography process, which is a process of semiconductor manufacturing, in order to realize a fine circuit line width. The key point here is the life extension technology of photolithography. This is because the high productivity of optical lithography technology and the peripheral technology are sufficiently mature. For example, in the 2003 International Semiconductor Technology Roadmap (ITRS), it is possible to extend the life of photolithography technology up to the 45 nm node while assuming the use of technologies such as immersion exposure technology and DFM (Design for Manufacturing). The guidelines are shown.

このような状況下において、光リソグラフィ技術としては、露光光の偏光状態を制御し、露光プロセスマージンの向上を図る手法が注目されつつある。これは、液浸露光技術の台頭によって露光装置におけるウエハ側の開口数（ＮＡ）が「１」を上回るような、いわゆるハイパーＮＡ（Hyper-NA）領域での露光が可能となりつつある点と関連する。すなわち、ハイパーＮＡ領域では、レジスト層内における回折光同士の干渉角度が大きくなるため、露光光の偏光状態が結像性能に大きな影響を与えるためである。このことから、例えば、高ＮＡの投影光学系を有する露光装置については、高いコントラストの像を得るために偏光を制御した光で露光を行うことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。   Under such circumstances, attention has been paid to a technique for improving the exposure process margin by controlling the polarization state of exposure light as the photolithography technique. This is related to the fact that exposure in the so-called Hyper-NA (Hyper-NA) region where the numerical aperture (NA) on the wafer side of the exposure apparatus exceeds “1” is becoming possible due to the rise of immersion exposure technology. To do. That is, in the hyper NA region, the interference angle between the diffracted lights in the resist layer becomes large, so that the polarization state of the exposure light greatly affects the imaging performance. For this reason, for example, with respect to an exposure apparatus having a projection optical system with a high NA, it has been proposed to perform exposure with light whose polarization is controlled in order to obtain a high contrast image (see, for example, Patent Document 1). .

特開２００５−２９４７０６号公報JP-A-2005-294706

上述したように、ハイパーＮＡ領域においては、露光光の偏光状態が結像性能に大きな影響を与えることが知られている。しかしながら、露光光の偏光状態を観測する有効な手段については、未だ確立されていないのが現状である。   As described above, in the hyper NA region, it is known that the polarization state of the exposure light greatly affects the imaging performance. However, at present, an effective means for observing the polarization state of exposure light has not yet been established.

例えば、露光光の偏光状態の制御は露光用マスクを照明する照明光学系側で行うが、実際にウエハ基板に到達する露光光については、ウエハ基板に到達するまでの間に存在するマスクや投影レンズ等の光学素子群によって、元々の照明光の偏光状態が保存されなくなる可能性がある。このような現象は、露光用マスクについては基板（硝材）の複屈折や露光装置内のレチクルステージに保持された際に生じる応力歪に起因する応力複屈折等に起因して発生し、また露光装置レンズについては硝材の複屈折や表面のコーティング等に起因して発生し得る。したがって、光学素子群を構成する素子単体であれば、偏光度変化の定量化を行うことも可能である。ところが、露光光の光路中には、偏光状態を乱す要因が多数存在することが一般的である。これと同時に、露光用マスクを含むこれらの光学素子が実際にどのように露光装置内に配置されているかによって、偏光度変化量は影響を受ける可能性がある。一例を挙げると、マスク保持時の応力歪に起因する応力複屈折に関しては、露光用マスク単体で評価することに然したる意味はなく、実際に露光用マスクが露光される状態での偏光度変化量を定量化することが重要であるが、このように露光用マスクを含めたトータルの投影光学系に関する偏光度変化量を定量化する手段はない。   For example, the polarization state of the exposure light is controlled on the side of the illumination optical system that illuminates the exposure mask, but for the exposure light that actually reaches the wafer substrate, the mask and projection that exist before reaching the wafer substrate are projected. There is a possibility that the original polarization state of the illumination light may not be preserved by an optical element group such as a lens. Such a phenomenon occurs due to the birefringence of the substrate (glass material) or the stress birefringence caused by the stress distortion caused when held on the reticle stage in the exposure apparatus for the exposure mask. The device lens may be generated due to birefringence of the glass material or surface coating. Therefore, the change in the degree of polarization can be quantified with a single element constituting the optical element group. However, there are generally many factors that disturb the polarization state in the optical path of the exposure light. At the same time, the amount of change in polarization may be affected by how these optical elements including the exposure mask are actually arranged in the exposure apparatus. For example, regarding stress birefringence caused by stress strain when holding the mask, there is no point in evaluating the exposure mask alone, and the degree of polarization in the state in which the exposure mask is actually exposed. Although it is important to quantify the amount of change, there is no means for quantifying the amount of change in polarization degree related to the total projection optical system including the exposure mask.

露光光の偏光度変化量を定量化し得ないと、その影響は、単に露光中の偏光状態が分からないまま露光してしまうといったことに止まらず、露光量マージン低下によるパターン不良といった回路パターン形成上の著しい不具合を招くおそれがある。なぜならば、一般的に、露光プロセス条件の設定にはシミュレーションによる事前検証が不可欠であるが、実際にウエハ基板に到達した露光光の偏光状態が不明なままでは、シミュレーションの高精度化が期待できないからである。特に、変形照明リソグラフィ（ＤＤＬ：Double Dipole Lithography）と呼ばれる二重極照明と偏光照明とを組み合わせた露光プロセスでは、偏光度が重要な意味を持つ。したがって、このような露光プロセスを採用した場合、偏光状態が実際の場合と大きく乖離していると、シミュレーションによって事前に設定した露光条件が実際の偏光状態における最適条件と異なってしまう可能性がある。そのため、十分な露光プロセスマージンを確保できず、回路パターンに不具合が生じる可能性が高くなるのである。   If the amount of change in the degree of polarization of exposure light cannot be quantified, the effect is not limited to exposure without knowing the polarization state during exposure, but also in circuit pattern formation such as pattern defects due to lower exposure amount margins. There is a risk of serious problems. This is because, in general, prior verification by simulation is indispensable for setting the exposure process conditions. However, if the polarization state of the exposure light that actually reaches the wafer substrate remains unknown, high accuracy of the simulation cannot be expected. Because. In particular, the degree of polarization has an important meaning in an exposure process that combines dipole illumination called polarized illumination lithography (DDL: Double Dipole Lithography) and polarized illumination. Therefore, when such an exposure process is adopted, if the polarization state is significantly different from the actual case, the exposure condition set in advance by simulation may be different from the optimum condition in the actual polarization state. . Therefore, a sufficient exposure process margin cannot be ensured, and there is a high possibility that a defect will occur in the circuit pattern.

また、偏光状態が不明なことによって生じる他の不具合点としては、露光装置の誤差要因分析が行えないというものもある。一般に、露光装置については、機能要素毎に誤差許容量が定義される。このような定義をする目的は、機能要素毎にどの程度の誤差が存在するかを明確にすることによって、露光プロセスに大きく悪影響を与えている機能要素を抽出し、改善するためである。ところが、露光装置内での偏光度変化量が定量化できないと、偏光度に関する誤差要因分析を行うことができない。したがって、実際にどの程度の精度で偏光変化を制御すべきかの指針が与えられず、装置使用上の不都合が生じることが考えられる。例えば、何らかの要因で偏光度が急激に劣化したとしても、この劣化度合いが分からないため、原因の解明が行えない等といった具合である。このため、露光光の偏光状態が不明なまま露光を行うことになり、期待された結像性能が得られないという問題も生じ得る。   Another problem that occurs when the polarization state is unknown is that the error factor analysis of the exposure apparatus cannot be performed. In general, for an exposure apparatus, an error tolerance is defined for each functional element. The purpose of such a definition is to extract and improve functional elements that have a large adverse effect on the exposure process by clarifying how much error exists for each functional element. However, if the amount of change in polarization degree in the exposure apparatus cannot be quantified, error factor analysis regarding the degree of polarization cannot be performed. Therefore, it is conceivable that a guideline on how much the polarization change should actually be controlled is not given and inconvenience occurs in using the apparatus. For example, even if the degree of polarization suddenly deteriorates for some reason, the degree of deterioration is not known, and the cause cannot be clarified. For this reason, the exposure is performed while the polarization state of the exposure light is unknown, which may cause a problem that the expected imaging performance cannot be obtained.

そこで、本発明は、露光光の偏光度変化量の定量化を可能とし、これによりウエハ基板に到達する露光光の偏光状態を明確に特定することのできる半導体露光装置、露光光偏光状態観測方法および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention makes it possible to quantify the amount of change in the degree of polarization of exposure light, and thereby to clearly identify the polarization state of exposure light that reaches the wafer substrate, and exposure light polarization state observation method It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device.

本発明は、上記目的を達成するために案出された半導体露光装置である。すなわち、照明光を露光用マスクおよび投影光学系を介してウエハ基板上に到達させ当該ウエハ基板上に前記露光用マスクによるパターン像を転写する半導体露光装置において、前記露光用マスクの配置位置にて前記照明光を直線偏光状態にする第１の偏光素子と、前記ウエハ基板の配置位置にて光強度を検出する光検出器と、前記光検出器への光入射面にて当該光検出器に入射する光を前記第１の偏光素子による直線偏光状態とは所定角度を有した直線偏光状態にする第２の偏光素子と、前記第１の偏光素子、前記投影光学系および前記第２の偏光素子を介して前記光検出器に入射した光についての当該光検出器での検出結果と、前記投影光学系を介さず前記第１の偏光素子および前記第２の偏光素子を介して前記光検出器に入射した光についての当該光検出器での検出結果とを比較して、その比較結果から前記投影光学系による偏光度変化を抽出する偏光認識手段とを備えることを特徴とするものである。   The present invention is a semiconductor exposure apparatus devised to achieve the above object. That is, in a semiconductor exposure apparatus that causes illumination light to reach a wafer substrate via an exposure mask and a projection optical system and transfer a pattern image by the exposure mask onto the wafer substrate, at the position where the exposure mask is arranged A first polarizing element that changes the illumination light into a linearly polarized state, a photodetector that detects light intensity at the position where the wafer substrate is disposed, and a light incident surface to the photodetector. A second polarizing element that converts incident light into a linearly polarized state having a predetermined angle with respect to the linearly polarized state by the first polarizing element; the first polarizing element; the projection optical system; and the second polarized light. A detection result of the light incident on the photodetector through the element, and the light detection through the first polarizing element and the second polarizing element without passing through the projection optical system; The light incident on the vessel By comparing the detection result in the photodetector you are, it is characterized in further comprising a polarization recognition means for extracting the degree of polarization change by the projection optical system from the comparison result.

上記構成の半導体露光装置によれば、照明光を第１の偏光素子で直線偏光状態にした後、投影光学系を介してウエハ基板の配置位置側に向けて照射し、その照射光（露光光）についてウエハ基板の配置位置に配された光検出器により光強度を検出する。ただし、光強度検出にあたっては、光検出器への光入射面に第２の偏光素子を配し、光検出器に入射する光を第１の偏光素子による直線偏光状態とは所定角度を有した直線偏光状態にする。「所定角度」としては、少なくとも第１の偏光素子および第２の偏光素子を経た後に光検出器で得られる光強度が最小となる角度および最大となる角度が挙げられる。このことで、光強度検出は、照明光が有する偏光成分による影響を受けることなく、第１の偏光素子と第２の偏光素子との間の所定角度に応じた光強度の観測が可能となる。また、光検出器では、投影光学系を介した露光状態での透過光強度を検出するとともに、投影光学系を介さない状態での光強度をも検出する。そして、それぞれの場合における検出結果について、偏光認識手段がこれらを互いに比較する。これにより、偏光認識手段は、その比較結果から投影光学系による偏光度変化を抽出することが可能となる。つまり、投影光学系の介在有無のそれぞれの場合における光強度の検出結果を比較すれば、その検出結果は第１の偏光素子と第２の偏光素子との間の角度によっては投影光学系以外の影響による偏光成分が相殺可能なものなので、投影光学系の影響によって生じる偏光度を定量的に特定し得るのである。   According to the semiconductor exposure apparatus having the above-described configuration, the illumination light is linearly polarized by the first polarizing element, and then irradiated toward the arrangement position side of the wafer substrate via the projection optical system. The light intensity is detected by a photodetector arranged at the position of the wafer substrate. However, in detecting the light intensity, the second polarizing element is disposed on the light incident surface to the photodetector, and the light incident on the photodetector has a predetermined angle with respect to the linearly polarized state by the first polarizing element. Set to linear polarization state. Examples of the “predetermined angle” include an angle at which the light intensity obtained by the photodetector after passing through at least the first polarizing element and the second polarizing element is minimum and an angle at which the light intensity is maximum. Thus, the light intensity detection can be observed according to a predetermined angle between the first polarizing element and the second polarizing element without being affected by the polarization component of the illumination light. . Further, the photodetector detects the transmitted light intensity in the exposure state through the projection optical system and also detects the light intensity in the state not through the projection optical system. Then, the polarization recognition means compares the detection results in each case with each other. Thereby, the polarization recognizing means can extract the polarization degree change by the projection optical system from the comparison result. That is, if the detection results of the light intensity in each case of the presence or absence of the projection optical system are compared, the detection result depends on the angle between the first polarizing element and the second polarizing element. Since the polarization component due to the influence can be canceled out, the degree of polarization caused by the influence of the projection optical system can be quantitatively specified.

本発明では、投影光学系の影響によって生じる偏光度を定量的に特定し得るので、その投影光学系による偏光度変化量の定量化が可能となり、これにより投影光学系を介してウエハ基板に到達する露光光の偏光状態を明確に特定することの偏光状態を観測することが実現可能となる。このことは、特に、ハイパーＮＡ領域における偏光露光を行う場合に非常に有効である。なぜならば、実際にウエハ基板に到達する露光光の偏光状態を定量化できるため、シミュレーション等で設定する偏光状態をより現実に則したものとすることができるからである。
また、本発明は、露光装置の誤差要因解析にも非常に有効である。すなわち、従来技術ではウエハ基板に到達した光の偏光状態が不明であり、その偏光状態の変化量とリソグラフィ特性との関係が不明瞭であったが、本発明によれば当該関係の明瞭化が可能となるため、より精度の高い誤差要因の解析が実現可能となる。
これらの結果から、本発明によれば、偏光照明を用いた露光を行う場合でも、最適なプロセス条件を設定することが可能となり、リソグラフィプロセスマージンの向上が実現できる。 In the present invention, since the degree of polarization caused by the influence of the projection optical system can be specified quantitatively, the amount of change in the degree of polarization by the projection optical system can be quantified, thereby reaching the wafer substrate via the projection optical system. Observing the polarization state of clearly specifying the polarization state of the exposure light to be performed becomes possible. This is very effective especially when performing polarization exposure in the hyper NA region. This is because the polarization state of the exposure light that actually reaches the wafer substrate can be quantified, and the polarization state set by simulation or the like can be made more realistic.
The present invention is also very effective for error factor analysis of an exposure apparatus. That is, in the prior art, the polarization state of the light reaching the wafer substrate is unknown, and the relationship between the amount of change in the polarization state and the lithography characteristics is unclear. However, according to the present invention, the relationship can be clarified. Therefore, it becomes possible to analyze the error factor with higher accuracy.
From these results, according to the present invention, it is possible to set an optimum process condition even when performing exposure using polarized illumination, and an improvement in the lithography process margin can be realized.

以下、図面に基づき本発明に係る半導体露光装置、露光光偏光状態観測方法および半導体装置の製造方法について説明する。   Hereinafter, a semiconductor exposure apparatus, an exposure light polarization state observation method, and a semiconductor device manufacturing method according to the present invention will be described with reference to the drawings.

先ず、半導体露光装置の概略構成について説明する。本実施形態で説明する半導体露光装置は、半導体製造の一工程であるリソグラフィ工程において用いられるもので、光源からの照明光を、マスクパターンが形成された露光用マスクによって選択的に透過または反射させ、その透過光または反射光をウエハ基板に到達させることで、そのマスクパターンによって特定されるパターン像をウエハ基板上に転写するように構成されたものである。なお、説明する半導体露光装置は、液浸露光技術等の利用によりハイパーＮＡ領域での露光に対応したものであることが考えられるが、必ずしもこれに限定されるものではなく、リソグラフィ工程にて広く一般に用いられるものであっても構わない。   First, a schematic configuration of the semiconductor exposure apparatus will be described. The semiconductor exposure apparatus described in this embodiment is used in a lithography process, which is a process of semiconductor manufacturing, and selectively transmits or reflects illumination light from a light source by an exposure mask on which a mask pattern is formed. The transmitted light or reflected light is made to reach the wafer substrate so that the pattern image specified by the mask pattern is transferred onto the wafer substrate. The semiconductor exposure apparatus to be described is considered to be compatible with the exposure in the hyper NA region by using the immersion exposure technique or the like, but is not necessarily limited to this, and is widely used in the lithography process. It may be a commonly used one.

ところで、本実施形態における半導体露光装置では、単にウエハ基板への像転写を行うだけでなく、そのウエハ基板に対する露光光の偏光状態を観測する機能をも有している。そのために、本実施形態における半導体露光装置は、以下に述べるように構成されている。   Incidentally, the semiconductor exposure apparatus according to the present embodiment has a function of observing the polarization state of the exposure light with respect to the wafer substrate as well as merely transferring the image onto the wafer substrate. For this purpose, the semiconductor exposure apparatus in the present embodiment is configured as described below.

図１は、本発明に係る半導体露光装置の概要を模式的に示す説明図である。図例のように、本実施形態における半導体露光装置は、照明光（例えば、波長193.4nmのＡｒＦレーザ光）を照射する光源１と、その光源１から照射された光を効率よく集光し、高均一・高平行に露光用マスク２を照明する働きをする照明光学系３と、照明光学系３からの光を選択的に透過または反射させる露光用マスク２がセットされるマスクステージ（ただし不図示）と、露光用マスク２を経た光をレンズやミラー等の組み合わせを介してウエハ基板上に投影する投影光学系４と、被露光体となるウエハ基板がセットされるウエハステージ（ただし不図示）と、を備えて構成されている。   FIG. 1 is an explanatory view schematically showing an outline of a semiconductor exposure apparatus according to the present invention. As shown in the figure, the semiconductor exposure apparatus in the present embodiment efficiently collects the light source 1 that irradiates illumination light (for example, ArF laser light having a wavelength of 193.4 nm) and the light emitted from the light source 1, A mask stage on which an illumination optical system 3 that works to illuminate the exposure mask 2 in a highly uniform and highly parallel manner and an exposure mask 2 that selectively transmits or reflects light from the illumination optical system 3 are set. A projection optical system 4 for projecting light that has passed through the exposure mask 2 onto a wafer substrate through a combination of a lens, a mirror, and the like, and a wafer stage on which the wafer substrate to be exposed is set (not shown) ).

ただし、露光光の偏光状態を観測する際には、マスクステージに、第１の偏光素子として機能する露光用マスク２がセットされるものとする。すなわち、マスクステージにセットされる露光用マスク２は、照明光学系３を経て得られる照明光に対し、その照明光を直線偏光状態にするようになっている。具体的には、格子間のピッチが露光波長の約１／２以下、さらに詳しくは、光源１が波長193.4nmのＡｒＦレーザ光を照射する場合であれば、格子間のピッチが100nm以下である格子状パターンが形成されたる露光用マスク２をセットすることが考えられる。これは、露光用マスク２を格子状偏光素子として機能させ、これにより露光用マスク２を経た光を直線偏光状態にするためである。なお、「直線偏光」とは、電場（および磁場）の振動方向が時間的に一定である状態のことをいう。   However, when observing the polarization state of the exposure light, the exposure mask 2 that functions as the first polarizing element is set on the mask stage. That is, the exposure mask 2 set on the mask stage is configured to make the illumination light linearly polarized with respect to the illumination light obtained through the illumination optical system 3. Specifically, the pitch between the lattices is about ½ or less of the exposure wavelength. More specifically, if the light source 1 irradiates ArF laser light having a wavelength of 193.4 nm, the pitch between the lattices is 100 nm or less. It is conceivable to set an exposure mask 2 on which a lattice pattern is formed. This is because the exposure mask 2 is caused to function as a lattice-like polarizing element so that the light passing through the exposure mask 2 is brought into a linearly polarized state. Note that “linearly polarized light” refers to a state in which the vibration direction of the electric field (and magnetic field) is constant over time.

このような露光用マスク２は、例えば通常のバイナリーマスクによって構成する場合であれば、以下のような手順で作成すればよい。図２は、マスク作成手順の一例を示すフローチャートである。図例のように、マスク作成にあたっては、先ず、基板準備のステップ（ステップ１１、以下ステップを「Ｓ」と略す）において、マスク基板となる硝材を準備する。硝材は、合成石英製のものが望ましい。さらに望ましくは、複屈折率が1nm/0.63cm以下の低複屈折材を用いるのがよい。硝材のサイズについては、特に制約はないが、ＳＥＭＩ（Semiconductor Equipment and Materials Institute）に準拠したサイズのものを使用するのが一般的である。ただし、マスク材に使用するという観点で、キズ・反り・異物付着等の欠陥や複屈折の要因となる応力歪は最小限におさえるべきである。次いで、遮光膜形成のステップ（Ｓ１２）において、基板上に露光光を適宜遮光するための膜を設ける。この遮光膜は、クロム、窒化クロム、酸化クロム、タンタル、窒化タンタル、酸化タンタル、モリブデンシリサイド若しくはジルコニウムシリサイドによって構成された単層膜または多層膜からなる。膜の形成方法に関しては、スパッタによる成膜が一般的である。膜厚は、少なくとも露光波長に対し光学濃度３以上となるように設定する。一例を挙げると、クロムと酸化クロムで構成された遮光膜を用いる場合、膜厚はそれぞれ58nmおよび18nmとする。次いで、感光剤塗布のステップ（Ｓ１３）において、遮光膜上に感光剤（レジスト）を塗布し、焼結（プリベーク）させた後、露光のステップ（Ｓ１４）において、回路パターンの露光を行う。ここで感光剤に関しては、露光装置の特性に合わせ、好適なものを使用する。例えば、加速電圧50keVの高加速電子ビームで露光する場合には、電子線露光用の化学増幅型レジストを使用するといった具合である。そして、露光後、焼結（ポストベーク）を再び行った後、現像工程を経てレジストパターンが完成する。このときに形成するパターンとして、格子状パターンを用いる。これにより、格子状偏光素子として機能し得るようになるからである。その後、遮光膜エッチングのステップ（Ｓ１５）では、上述した露光のステップ（Ｓ１４）で得られたレジストパターンをエッチングし、所望の回路パターンを基板上に形成する。エッチングはウェット方式・ドライ方式のどちらを使用してもよい。そして、感光剤剥離のステップ（Ｓ１６）および洗浄・検査工程のステップ（Ｓ１７）を経て、露光用マスク２が完成することになる。
なお、ここでは、バイナリーマスクの形成手順を例に挙げたが、第１の偏光素子として機能する露光用マスク２は、通常のバイナリーマスクではなく、ハーフトーン型位相シフトマスクであっても、レベンソン型位相シフトマスクであってもよい。 Such an exposure mask 2 may be created by the following procedure if it is constituted by a normal binary mask, for example. FIG. 2 is a flowchart showing an example of a mask creation procedure. As shown in the figure, when creating a mask, first, a glass material to be a mask substrate is prepared in a substrate preparation step (Step 11, step is hereinafter abbreviated as “S”). The glass material is preferably made of synthetic quartz. More desirably, a low birefringence material having a birefringence of 1 nm / 0.63 cm or less is used. There are no particular restrictions on the size of the glass material, but it is common to use a size that conforms to SEMI (Semiconductor Equipment and Materials Institute). However, from the viewpoint of use as a mask material, defects such as scratches, warpage, foreign matter adhesion, and stress strain that causes birefringence should be minimized. Next, in a light shielding film formation step (S12), a film for appropriately shielding exposure light is provided on the substrate. This light shielding film is made of a single layer film or a multilayer film made of chromium, chromium nitride, chromium oxide, tantalum, tantalum nitride, tantalum oxide, molybdenum silicide or zirconium silicide. Regarding the film formation method, film formation by sputtering is common. The film thickness is set so that at least the optical density is 3 or more with respect to the exposure wavelength. As an example, when a light shielding film composed of chromium and chromium oxide is used, the film thicknesses are 58 nm and 18 nm, respectively. Next, in a photosensitive agent application step (S13), a photosensitive agent (resist) is applied on the light shielding film and sintered (pre-baked), and then in an exposure step (S14), the circuit pattern is exposed. Here, a suitable photosensitive agent is used in accordance with the characteristics of the exposure apparatus. For example, when exposure is performed with a high acceleration electron beam with an acceleration voltage of 50 keV, a chemically amplified resist for electron beam exposure is used. And after exposure, after performing sintering (post-baking) again, a resist pattern is completed through a development process. As a pattern to be formed at this time, a lattice pattern is used. This is because it can function as a lattice-like polarizing element. Thereafter, in the light shielding film etching step (S15), the resist pattern obtained in the above-described exposure step (S14) is etched to form a desired circuit pattern on the substrate. Etching may be either wet or dry. Then, the exposure mask 2 is completed through the photosensitive agent peeling step (S16) and the cleaning / inspection step (S17).
Here, the binary mask formation procedure is taken as an example, but the exposure mask 2 functioning as the first polarizing element is not an ordinary binary mask but a halftone phase shift mask. It may be a type phase shift mask.

また、図１に示すように、本実施形態における半導体露光装置では、露光光の偏光状態を観測する際に、ウエハステージにウエハ基板をセットせずに、そのウエハ基板の上面位置と同一の位置に、光検出器５が配されるようになっている。この光検出器５は、ウエハ基板の配置位置にて光強度を検出するためのもので、具体的にはフォトダイオード、電荷結合素子（ＣＣＤ）、光電子増倍管（ＰＭＴ）等を用いることが考えられる。ただし、どの検出器を用いた場合であっても、光源１からの露光波長に対し一定以上の検出感度を有していることが望ましい。   Further, as shown in FIG. 1, in the semiconductor exposure apparatus in the present embodiment, when observing the polarization state of exposure light, the wafer substrate is not set on the wafer stage, but the same position as the upper surface position of the wafer substrate. In addition, the photodetector 5 is arranged. The photodetector 5 is for detecting the light intensity at the position of the wafer substrate. Specifically, a photodiode, a charge coupled device (CCD), a photomultiplier tube (PMT) or the like is used. Conceivable. However, whatever detector is used, it is desirable to have a detection sensitivity of a certain level or higher with respect to the exposure wavelength from the light source 1.

この光検出器５の受光面（光入射面）には、第２の偏光素子として機能する偏光素子６が設けられているものとする。偏光素子６は、上述したような格子状偏光素子でもよいし、積層板型の偏光素子でもよい。さらには、複屈折性結晶を用いた偏光素子を用いてもよい。ただし、偏光素子６は、光検出器５への光入射面にて、その光検出器５に入射する光を、露光用マスク２による直線偏光状態とは所定角度を有した直線偏光状態にするようになっているものとする。「所定角度」は、少なくとも、光検出器５で得られる光強度が最小となる角度、具体的には露光用マスク２による直線偏光状態と直交する角度（９０°）と、光強度が最大となる角度、具体的には露光用マスク２による直線偏光状態と平行となる角度（０°または１８０°）とを含むことが考えられる。   It is assumed that the light receiving surface (light incident surface) of the photodetector 5 is provided with a polarizing element 6 that functions as a second polarizing element. The polarizing element 6 may be a lattice-shaped polarizing element as described above or a laminated plate type polarizing element. Further, a polarizing element using a birefringent crystal may be used. However, the polarizing element 6 changes the light incident on the light detector 5 at the light incident surface to the light detector 5 into a linear polarization state having a predetermined angle with respect to the linear polarization state by the exposure mask 2. It is assumed that The “predetermined angle” is at least an angle at which the light intensity obtained by the photodetector 5 is minimum, specifically, an angle (90 °) orthogonal to the linearly polarized state by the exposure mask 2 and the light intensity is maximum. And, specifically, an angle (0 ° or 180 °) parallel to the linearly polarized state by the exposure mask 2 can be considered.

なお、偏光素子６については、光検出器５への光強度が最小または最大となる角度で確実に配置されるように、その偏光素子６を回転させるための回転機構（ただし不図示）が付設されていることが望ましい。回転機構は、露光用マスク２による偏光状態となす角度を可変させるべく偏光素子６を回転させるものであれば、自動または手動を問わず公知技術を利用して実現することが考えられる。また、露光用マスク２による偏光状態となす角度を可変させるためには、より簡素な構成で実現させるべく、回転機構を用いるのではなく、それぞれ異なる角度に対応した複数の偏光素子６を用意し、これらの偏光素子６のいずれかを選択的に配するようにしても構わない。   The polarizing element 6 is provided with a rotation mechanism (not shown) for rotating the polarizing element 6 so as to be surely disposed at an angle at which the light intensity to the photodetector 5 is minimized or maximized. It is desirable that As long as the rotating mechanism rotates the polarizing element 6 so as to vary the angle formed by the exposure mask 2 with respect to the polarization state, it can be realized by using a known technique regardless of whether it is automatic or manual. In order to change the angle of the polarization state by the exposure mask 2, a plurality of polarizing elements 6 corresponding to different angles are prepared instead of using a rotating mechanism in order to realize a simpler configuration. Any of these polarizing elements 6 may be selectively disposed.

また、光検出器５には、検出信号を増幅する増幅器７と、その増幅後の信号を受け取って測定機８と、が接続されている。したがって、例えば光検出器５がＰＭＴである場合を例に挙げると、光検出器５に検出された光は光電変換によって微小電気信号に変換された後、増幅器７によって増幅されて、測定機８へ入力されることになる。測定機８は、受け取った信号に対して、所定の信号処理や表示出力等を行い得るものであり、具体的にはオシロスコープや電圧計等を用いることが考えられる。   In addition, an amplifier 7 that amplifies the detection signal and a measuring device 8 that receives the amplified signal are connected to the photodetector 5. Therefore, for example, when the photodetector 5 is a PMT, the light detected by the photodetector 5 is converted into a minute electric signal by photoelectric conversion, and then amplified by the amplifier 7 to be measured by the measuring instrument 8. Will be entered. The measuring device 8 can perform predetermined signal processing, display output, and the like on the received signal. Specifically, it may be possible to use an oscilloscope, a voltmeter, or the like.

次に、以上のように構成された半導体露光装置を用いて行う露光光偏光状態観測方法および半導体装置の製造方法について説明する。   Next, an exposure light polarization state observation method and a semiconductor device manufacturing method that are performed using the semiconductor exposure apparatus configured as described above will be described.

半導体露光装置では、マスクステージに露光用マスクをセットし、ウエハステージに被露光体となるウエハ基板をセットした状態で光源１が光を照射することで、半導体製造の一工程であるリソグラフィ工程を実行することが可能となる。ただし、リソグラフィ工程の際には、ウエハ基板に対する露光光の偏光状態が結像性能に大きな影響を与えることが知られている。そこで、半導体露光装置では、リソグラフィ工程の実行開始に先立ち、以下に述べるような手順で、露光光の偏光状態を観測し得るようになっている。   In a semiconductor exposure apparatus, an exposure mask is set on a mask stage, and a light source 1 emits light in a state where a wafer substrate to be exposed is set on a wafer stage, thereby performing a lithography process which is one process of semiconductor manufacturing. It becomes possible to execute. However, during the lithography process, it is known that the polarization state of the exposure light with respect to the wafer substrate greatly affects the imaging performance. Therefore, in the semiconductor exposure apparatus, the polarization state of the exposure light can be observed according to the procedure described below prior to the start of execution of the lithography process.

露光光の偏光状態を観測する際には、先ず、マスクステージに第１の偏光素子として機能する露光用マスク２をセットする。また、ウエハステージには、ウエハ基板ではなく、偏光素子６が付設された光検出器５をセットする。   When observing the polarization state of exposure light, first, the exposure mask 2 that functions as the first polarizing element is set on the mask stage. Also, not the wafer substrate but the photodetector 5 provided with the polarizing element 6 is set on the wafer stage.

この状態で光源１が光を照射すると、露光用マスク２が透過型のものである場合、偏光素子として機能する露光用マスク２の直下では、その透過光が一様の偏光状態となる。図３は、マスク直下での偏光状態の一具体例を示す説明図である。図例のような露光用マスク２の場合、その露光用マスク２への入射光の偏光有無に拘らず、マスク透過直後の光の偏光状態は、直線偏光となる。   When the light source 1 irradiates light in this state, when the exposure mask 2 is a transmissive type, the transmitted light is in a uniform polarization state immediately below the exposure mask 2 that functions as a polarizing element. FIG. 3 is an explanatory diagram showing a specific example of the polarization state immediately below the mask. In the case of the exposure mask 2 as shown in the figure, the polarization state of the light immediately after transmitting through the mask is linearly polarized light regardless of whether or not the light incident on the exposure mask 2 is polarized.

この光が投影光学系４を経て光検出器５に到達することになるが、このとき、露光光の偏光状態は、投影光学系４を通過する際に、次のような影響を受けることが考えられる。先ず、散乱の影響により偏光状態が無偏光化するおそれがある。また、投影光学系４における光学素子が光学活性を伴う場合は、直線偏光の状態が乱れ、円偏光もしくは楕円偏光となるおそれがある。「円偏光」とは、電場（および磁場）の振動が時間に関して円を描く状態のことをいう。「楕円偏光」とは、直線偏光と円偏光の一次結合で表現される、最も一般的な偏極状態であり、電場（および磁場）の振動が時間に関して楕円を描く状態のことをいう。さらに、投影光学系４における光学素子に部分的な複屈折性がランダムに存在する場合は、このことが偏光度を乱す要因となり得る。   This light reaches the photodetector 5 through the projection optical system 4. At this time, the polarization state of the exposure light is affected as follows when passing through the projection optical system 4. Conceivable. First, the polarization state may become non-polarized due to the influence of scattering. In addition, when the optical element in the projection optical system 4 is optically active, the state of linearly polarized light is disturbed, and there is a possibility that it becomes circularly polarized light or elliptically polarized light. “Circularly polarized light” refers to a state in which the vibration of the electric field (and magnetic field) draws a circle with respect to time. “Elliptical polarized light” is the most common polarization state expressed by linear combination of linearly polarized light and circularly polarized light, and refers to a state in which the vibration of the electric field (and magnetic field) draws an ellipse with respect to time. Furthermore, when partial birefringence exists randomly in the optical element in the projection optical system 4, this can be a factor that disturbs the degree of polarization.

このように、マスク直下で一旦完全な直線偏光が実現された場合であっても、投影光学系４を透過する過程において様々な要因で偏光状態が乱され得るため、現実に光検出器５に到達する露光光は、必ずしも直線偏光とはなっているとは限らない。このことを一般化すると、光検出器５に実際に到達する露光光の状態は、楕円偏光にランダム成分が含まれたものになり、以下の（１）式のように表現することができる。   As described above, even when perfect linearly polarized light is once realized directly under the mask, the polarization state can be disturbed due to various factors in the process of passing through the projection optical system 4, so that the light detector 5 is actually used. The reaching exposure light is not always linearly polarized light. When this is generalized, the state of the exposure light that actually reaches the photodetector 5 is that in which the random component is included in the elliptically polarized light, and can be expressed as the following equation (1).

Figure 2007242903
Figure 2007242903

ただし、（１）式中の「ε」は、ｘ方向直線成分とｙ方向直線成分との位相差であり、楕円長軸とｘ軸とのなす角αに対して以下の（２）式のような関係がある。   However, “ε” in the equation (1) is a phase difference between the x-direction linear component and the y-direction linear component, and is expressed by the following equation (2) with respect to the angle α between the ellipse major axis and the x-axis. There is a relationship like this.

Figure 2007242903
Figure 2007242903

ここで、「Ｅ0x」、「Ｅ0y」はそれぞれｘ，ｙ方向の振幅であり、「Ｒ」はランダム成分の振幅である。 Here, “E 0x ” and “E 0y ” are the amplitudes in the x and y directions, respectively, and “R” is the amplitude of the random component.

図４は、投影光学系透過後における露光光の偏光状態の一具体例を示す説明図である。図例のように、投影光学系４を介すると、直線偏光は楕円偏光成分とランダム偏光成分とに分かれ、楕円偏光成分は時間とともに電場ベクトルの軌跡が楕円を描き、ランダム偏光成分は時間に依存せず空間的にランダムに分布する。   FIG. 4 is an explanatory diagram showing a specific example of the polarization state of the exposure light after passing through the projection optical system. As shown in the figure, through the projection optical system 4, linearly polarized light is divided into an elliptically polarized component and a randomly polarized component, and the elliptically polarized component has an ellipse of the electric field vector locus with time, and the randomly polarized component depends on time. Without spatial distribution randomly.

このような投影光学系４を介した後の露光光の偏光状態を観測すべく、半導体露光装置では、事前処理として、光検出器５で得られる光強度が最小となる偏光素子６の角度を特定しておく。   In order to observe the polarization state of the exposure light after passing through the projection optical system 4 as described above, in the semiconductor exposure apparatus, as an advance process, the angle of the polarization element 6 that minimizes the light intensity obtained by the photodetector 5 is set. Keep specific.

図５は、事前処理の一具体例を示す説明図である。事前処理にあたっては、図５（ａ）に示すように、投影光学系４を介さない状態で、光源１に光を照射させる。そして、その状態で、第１の偏光素子として機能する露光用マスク（以下「偏光子」という）２による偏光状態と、第２の偏光素子として機能する偏光素子（以下「検光子」という）６による偏光状態とが互いに直交する位置を検出する。検出は、露光光の照射状態で、検光子６のみ、あるいは検光子６を含む光検出器５そのものを、回転機構を用いて回転させ、その光検出器５での光強度が最小になる回転角を探すことで行えばよい。ただし、回転機構を用いるのではなく、複数の検光子６を選択的に配することで、光強度が最小になる回転角を探すことも考えられる。   FIG. 5 is an explanatory diagram showing a specific example of the pre-processing. In the pre-processing, the light source 1 is irradiated with light without passing through the projection optical system 4 as shown in FIG. In this state, the polarization state by the exposure mask (hereinafter referred to as “polarizer”) 2 functioning as the first polarizing element, and the polarizing element (hereinafter referred to as “analyzer”) 6 functioning as the second polarizing element. The positions where the polarization states by are orthogonal to each other are detected. Detection is performed by rotating only the analyzer 6 or the photodetector 5 itself including the analyzer 6 by using a rotation mechanism in the exposure light irradiation state, so that the light intensity at the photodetector 5 is minimized. You can do this by looking for corners. However, it is also conceivable to search for a rotation angle at which the light intensity is minimized by selectively arranging a plurality of analyzers 6 instead of using a rotation mechanism.

回転機構を用いた場合であれば、検光子６を回転させることで、図５（ｂ）に示すような光強度の検出結果が得られることになる。この場合、回転角と検出される光強度の関係には、以下の（３）式のようなマリュスの法則が適用されることから、偏光子２および検光子６のなす角度θが９０°であるときに光強度が最小となる。   If the rotating mechanism is used, the light intensity detection result as shown in FIG. 5B is obtained by rotating the analyzer 6. In this case, the relation between the rotation angle and the detected light intensity applies the Malus law as shown in the following equation (3), and therefore the angle θ formed by the polarizer 2 and the analyzer 6 is 90 °. At some point the light intensity is minimal.

Figure 2007242903
Figure 2007242903

ここで、「Ｉ0」は、検光子６が存在しない場合の光強度である。いま、図５（ｂ）に示すに、θ＝θminにおいて光強度が最小になるとすると、検光子６の回転角は、θminのときに、偏光子２とのなす角が９０°となる。 Here, “I 0 ” is the light intensity when the analyzer 6 is not present. Now, as shown in FIG. 5B, if the light intensity is minimum at θ = θmin, the rotation angle of the analyzer 6 is 90 ° with the polarizer 2 at θmin.

このようにして事前処理を行った後は、次いで、投影光学系４を介在させた状態で同様の計測を行う。図６は、偏光状態特定の一具体例を示す説明図である。図６（ａ）に示すように、投影光学系４を介在させた状態で光源１に光を照射させて光検出器５で光強度を検出すると、図６（ｂ）に示すような光強度の検出結果が得られることになる。このとき、投影光学系４での吸収または反射による光強度の減衰は、予め無偏光の露光光によって定量化し、投影光学系４の有無に依らず光強度の絶対値が等しくなるように補正しておくことが望ましい。   After performing the pre-process in this way, the same measurement is then performed with the projection optical system 4 interposed. FIG. 6 is an explanatory diagram showing a specific example of specifying the polarization state. As shown in FIG. 6A, when the light source 1 is irradiated with light with the projection optical system 4 interposed, and the light intensity is detected by the photodetector 5, the light intensity as shown in FIG. 6B. The detection result is obtained. At this time, the attenuation of the light intensity due to absorption or reflection in the projection optical system 4 is quantified in advance by non-polarized exposure light, and is corrected so that the absolute value of the light intensity becomes equal regardless of the presence or absence of the projection optical system 4. It is desirable to keep it.

図６（ｂ）に示す検出結果を参照すると、図５（ｂ）の検出結果との比較により、投影光学系４の有無によって三点の相違点があることが分かる。一点目は、投影光学系４が介在することによって、光強度が最小となる位相に差異が生じることである（図中Ａ参照）。この差分は、図４における楕円長軸とｘ軸の傾きαに相当する。二点目は、プロファイルにおける最大値と最小値の差が減少していることである（図中Ｂ参照）。これは、投影光学系４によって偏光成分の振幅が減衰したことを意味し、この差は楕円偏光の長軸成分と短軸成分の差、すなわち楕円率を表す。三点目は、光強度に検光子６の回転角に依存しない直流成分がオフセットとして加わっていることである（図中Ｃ参照）。これは、投影光学系４の透過光にランダム偏光成分が含まれていることを表している。   Referring to the detection result shown in FIG. 6B, it can be seen from the comparison with the detection result in FIG. 5B that there are three differences depending on whether or not the projection optical system 4 is present. The first point is that there is a difference in the phase at which the light intensity is minimized by interposing the projection optical system 4 (see A in the figure). This difference corresponds to the inclination α between the major axis of the ellipse and the x axis in FIG. The second point is that the difference between the maximum value and the minimum value in the profile is reduced (see B in the figure). This means that the amplitude of the polarization component is attenuated by the projection optical system 4, and this difference represents the difference between the major axis component and the minor axis component of the elliptically polarized light, that is, the ellipticity. The third point is that a direct current component independent of the rotation angle of the analyzer 6 is added to the light intensity as an offset (see C in the figure). This indicates that the light transmitted through the projection optical system 4 includes a random polarization component.

このことから、光検出器５と接続する測定機８では、偏光子２、投影光学系４および検光子６を介して光検出器５に入射した光についての当該光検出器５での検出結果と、投影光学系４を介さず偏光子２および検光子６を介して光検出器５に入射した光についての当該光検出器５での検出結果とを比較することで、その比較結果から投影光学系４による偏光度変化を抽出し得るようになる。具体的には、偏光度変化として、比較対象となる光検出器５での各検出結果に基づき、各検出結果の間での光強度が最小となる位相の差分から楕円偏光における楕円長軸の傾きαを抽出し、各検出結果の間での最大最小値の幅の相違から楕円偏光における楕円率を抽出し、各検出結果の間のオフセット量の相違からランダム偏光成分の有無を抽出することが考えられる。つまり、測定機８は、投影光学系４による偏光度変化を抽出する偏光認識手段として機能し得る。ただし、必ずしも測定機８そのものが偏光度変化を抽出する必要はなく、測定機８に接続するコンピュータ装置にて行うようにしても構わない。   Therefore, in the measuring instrument 8 connected to the photodetector 5, the detection result of the photodetector 5 on the light incident on the photodetector 5 through the polarizer 2, the projection optical system 4, and the analyzer 6. Is compared with the detection result of the photodetector 5 with respect to the light incident on the photodetector 5 via the polarizer 2 and the analyzer 6 without passing through the projection optical system 4, so that the projection is performed from the comparison result. The change in the degree of polarization by the optical system 4 can be extracted. Specifically, as a change in the degree of polarization, based on each detection result in the light detector 5 to be compared, the elliptical long axis of the elliptically polarized light is derived from the phase difference that minimizes the light intensity between the detection results. Extract the slope α, extract the ellipticity of elliptically polarized light from the difference in the width of the maximum and minimum values between the detection results, and extract the presence or absence of random polarization components from the difference in the offset amount between the detection results Can be considered. That is, the measuring device 8 can function as a polarization recognizing unit that extracts a change in the degree of polarization by the projection optical system 4. However, the measuring device 8 itself does not necessarily extract the polarization degree change, and may be performed by a computer device connected to the measuring device 8.

ここで、偏光度変化の抽出について、具体例を挙げてさらに詳しく説明する。図７は、光検出器５での光強度検出結果の一具体例を示す説明図である。図例のように、事前処理において投影光学系４がない状態で光検出器５にて検出された光強度が最大５Ｖ、最小０Ｖであり、その後投影光学系４を透過させた状態での光検出器５による光強度が最大４．５Ｖ、最小１．０Ｖであったとする。さらに、光強度の最小値を与える検光子６の回転角が、投影光学系４の有無によって、４５°から２０°に変化したとする。この場合に、投影光学系４を介して光検出器５に到達した光の偏光状態は、次のようになる。   Here, the extraction of the change in polarization degree will be described in more detail with a specific example. FIG. 7 is an explanatory diagram showing a specific example of the light intensity detection result in the photodetector 5. As shown in the figure, the light intensity detected by the photodetector 5 in the state where there is no projection optical system 4 in the pre-processing is 5 V at the maximum and 0 V at the minimum, and then the light in the state that is transmitted through the projection optical system 4 It is assumed that the light intensity by the detector 5 is a maximum of 4.5V and a minimum of 1.0V. Furthermore, it is assumed that the rotation angle of the analyzer 6 that gives the minimum value of the light intensity changes from 45 ° to 20 ° depending on the presence or absence of the projection optical system 4. In this case, the polarization state of light reaching the photodetector 5 via the projection optical system 4 is as follows.

先ず、透過光の全エネルギーのうち、楕円の長軸成分における振幅と短軸成分の振幅の二乗和が偏光成分のエネルギーを、残りをランダム成分のエネルギーが占めることになる。また、これらの総和が投影光学系４の配置前の透過光エネルギーに相当する。すなわち、投影光学系４の配置前の透過光エネルギー＝楕円長軸成分のエネルギー＋楕円短軸成分のエネルギー＋ランダム成分のエネルギーである。
さらに、上述した投影光学系４の透過光強度のうち、最大値の４．５Ｖは楕円長軸成分とランダム成分の和が反映されている。よって、投影光学系４の配置前の透過光エネルギー５．０Ｖから投影光学系４の透過光強度の最大値４．５Ｖを引いた０．５Ｖは、楕円短軸成分の光エネルギーに相当する。これより、ランダム成分のエネルギーは、投影光学系４の透過光強度の最小値１．０Ｖから楕円短軸成分の０．５Ｖを差し引き、１．０−０．５＝０．５Ｖとなる。さらに、長軸成分のエネルギーは、投影光学系４の透過光強度の最大値４．５Ｖからランダム成分０．５Ｖを差し引き、４．５−０．５＝４．０Ｖとなる。 First, of the total energy of transmitted light, the sum of squares of the amplitude of the major axis component and the minor axis component of the ellipse occupies the energy of the polarization component, and the rest of the energy is the energy of the random component. Further, the sum of these corresponds to the transmitted light energy before the projection optical system 4 is arranged. That is, the transmitted light energy before the arrangement of the projection optical system 4 = the energy of the elliptical long axis component + the energy of the elliptical short axis component + the energy of the random component.
Further, among the transmitted light intensity of the projection optical system 4 described above, the maximum value of 4.5 V reflects the sum of the elliptical long axis component and the random component. Therefore, 0.5V obtained by subtracting the maximum value 4.5V of the transmitted light intensity of the projection optical system 4 from the transmitted light energy 5.0V before the arrangement of the projection optical system 4 corresponds to the light energy of the elliptical short axis component. Accordingly, the energy of the random component is 1.0−0.5 = 0.5 V by subtracting 0.5 V of the elliptical short axis component from the minimum value 1.0 V of the transmitted light intensity of the projection optical system 4. Further, the energy of the long axis component is 4.5−0.5 = 4.0V by subtracting the random component 0.5V from the maximum value 4.5V of the transmitted light intensity of the projection optical system 4.

これらのことから、投影光学系４を透過した露光光の偏光状態は、長軸と短軸の比が√４．０：√０．５＝２：０．７の楕円偏光とランダム偏光成分の組み合わせであり、このうちランダム偏光成分が透過光強度全体に占めるエネルギーは０．５／５．０―１００＝１０％であることが分かる。さらに、透過光強度が最小となる検光子６の角度が２５°変化していることから、直線偏光の状態から２５°分傾いた楕円偏光となっていることが分かる（例えば、図１参照）。   From these facts, the polarization state of the exposure light transmitted through the projection optical system 4 is such that the ratio between the major axis and the minor axis is elliptical polarized light and random polarized light components with a ratio of √4.0: √0.5 = 2: 0.7. It is a combination, and it can be seen that the energy of the random polarization component in the entire transmitted light intensity is 0.5 / 5.0-100 = 10%. Furthermore, since the angle of the analyzer 6 at which the transmitted light intensity is minimum changes by 25 °, it can be seen that the polarized light is elliptically polarized by 25 ° from the linearly polarized state (see, for example, FIG. 1). .

以上のような手順で、測定機８またはその測定機８に接続するコンピュータ装置が投影光学系４による偏光度変化を抽出することで、ウエハ基板に対する露光光の偏光状態を特定することが可能となる。すなわち、投影光学系４の介在有無のそれぞれの場合における光検出器５での光強度の検出結果を比較すれば、その検出結果は偏光子２と検光子６との間の角度によっては投影光学系４以外の影響による偏光成分が相殺可能なものなので、投影光学系４の影響によって生じる偏光度を定量的に特定し得るのである。   The polarization state of the exposure light with respect to the wafer substrate can be specified by the measurement device 8 or the computer device connected to the measurement device 8 extracting the change in the degree of polarization by the projection optical system 4 in the above procedure. Become. That is, if the detection results of the light intensity in the photodetector 5 in each case of the presence or absence of the projection optical system 4 are compared, the detection result depends on the angle between the polarizer 2 and the analyzer 6 and the projection optics. Since the polarization component caused by the influence other than the system 4 can be canceled, the degree of polarization caused by the influence of the projection optical system 4 can be quantitatively specified.

その後は、観測特定した露光光の偏光状態を基にして、必要に応じて公知技術を利用したプロセス条件の最適化処理等を経て、半導体露光装置を用いたリソグラフィ工程を実行開始する。なお、露光光の偏光状態の観測特定は、リソグラフィ工程を実行開始前であれば、どのタイミングで行ってもよい。   Thereafter, execution of a lithography process using a semiconductor exposure apparatus is started through a process condition optimization process using a known technique as required based on the polarization state of the observed exposure light. The observation and specification of the polarization state of the exposure light may be performed at any timing as long as the lithography process is not started.

以上に説明したように、本実施形態における半導体露光装置、その半導体露光装置が実行する露光光偏光状態観測方法、およびその半導体露光装置を用いた半導体装置の製造方法によれば、従来は困難であった投影光学系４による露光光の偏光度変化量の定量化が可能となるので、ウエハ基板に到達する露光光の偏光状態を明確に特定することができる。つまり、投影光学系４による偏光変化量を定量化することで、露光時における露光光の偏光状態、すなわち露光用マスクの露光保持姿勢における偏光変化量をも含めて定量化を行い得るようになる。   As described above, according to the semiconductor exposure apparatus in this embodiment, the exposure light polarization state observation method executed by the semiconductor exposure apparatus, and the method of manufacturing a semiconductor device using the semiconductor exposure apparatus, it is difficult in the past. Since the amount of change in the degree of polarization of exposure light by the projection optical system 4 can be quantified, the polarization state of the exposure light reaching the wafer substrate can be clearly specified. That is, by quantifying the amount of change in polarization by the projection optical system 4, it is possible to perform quantification including the polarization state of exposure light during exposure, that is, the amount of polarization change in the exposure holding posture of the exposure mask. .

このことは、ＮＡが「１」を上回るようなハイパーＮＡにおける偏光露光を行う際に非常に有効である。なぜならば、実際にウエハ基板に到達する露光光の偏光状態を定量化できるため、シミュレーション等で設定する偏光状態を、より現実に則したものにすることが可能となるからである。
また、このことは、半導体露光装置の誤差要因解析にも効果を発揮する。なぜならば、従来技術ではウエハ基板に到達した光の偏光状態が不明であったため、偏光状態の変化量とリソグラフィ特性の関係が不明瞭であったが、露光光の偏光状態を定量化できれば、その不明瞭さを解消して、より精度の高い誤差要因の解析が可能となるからである。
これらの結果から、偏光照明を用いた露光を行う場合でも、最適なプロセス条件を設定することが可能となり、リソグラフィプロセスマージンの向上が実現できるようになる。 This is very effective when performing polarization exposure in a hyper NA whose NA exceeds “1”. This is because the polarization state of the exposure light that actually reaches the wafer substrate can be quantified, so that the polarization state set by simulation or the like can be made more realistic.
This is also effective for error factor analysis of a semiconductor exposure apparatus. This is because, in the prior art, the polarization state of the light reaching the wafer substrate was unknown, so the relationship between the amount of change in the polarization state and the lithography characteristics was unclear. This is because the ambiguity is eliminated and the error factor can be analyzed with higher accuracy.
From these results, even when exposure using polarized illumination is performed, it is possible to set optimum process conditions, and to improve the lithography process margin.

なお、本実施形態では、本発明の好適な実施具体例について説明したが、本発明はその内容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適宜変更することが可能である。   In addition, although this embodiment demonstrated the suitable Example of this invention, this invention is not limited to the content, It can change suitably in the range which does not deviate from the summary.

本発明に係る半導体露光装置の概要を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the outline | summary of the semiconductor exposure apparatus concerning this invention. マスク作成手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of a mask preparation procedure. マスク直下での偏光状態の一具体例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a specific example of the polarization state just under a mask. 投影光学系透過後における露光光の偏光状態の一具体例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a specific example of the polarization state of exposure light after transmission through the projection optical system. 本発明に係る露光光偏光状態観測方法における事前処理の一具体例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a specific example of the pre-process in the exposure light polarization state observation method which concerns on this invention. 本発明に係る露光光偏光状態観測方法における偏光状態特定の一具体例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one specific example of polarization state specification in the exposure light polarization state observation method which concerns on this invention. 本発明に係る露光光偏光状態観測方法における光強度検出結果の一具体例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a specific example of the light intensity detection result in the exposure light polarization state observation method which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１…光源、２…露光用マスク（偏光子）、３…照明光学系、４…投影光学系、５…光検出器、６…偏光素子（検光子）、７…増幅器、８…測定器   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light source, 2 ... Exposure mask (polarizer), 3 ... Illumination optical system, 4 ... Projection optical system, 5 ... Photo detector, 6 ... Polarizing element (analyzer), 7 ... Amplifier, 8 ... Measuring instrument

Claims (6)

照明光を露光用マスクおよび投影光学系を介してウエハ基板上に到達させ当該ウエハ基板上に前記露光用マスクによるパターン像を転写する半導体露光装置において、
前記露光用マスクの配置位置にて前記照明光を直線偏光状態にする第１の偏光素子と、
前記ウエハ基板の配置位置にて光強度を検出する光検出器と、
前記光検出器への光入射面にて当該光検出器に入射する光を前記第１の偏光素子による直線偏光状態とは所定角度を有した直線偏光状態にする第２の偏光素子と、
前記第１の偏光素子、前記投影光学系および前記第２の偏光素子を介して前記光検出器に入射した光についての当該光検出器での検出結果と、前記投影光学系を介さず前記第１の偏光素子および前記第２の偏光素子を介して前記光検出器に入射した光についての当該光検出器での検出結果とを比較して、その比較結果から前記投影光学系による偏光度変化を抽出する偏光認識手段と
を備えることを特徴とする半導体露光装置。 In a semiconductor exposure apparatus for illuminating illumination light on a wafer substrate via an exposure mask and a projection optical system and transferring a pattern image by the exposure mask onto the wafer substrate,
A first polarizing element that changes the illumination light into a linearly polarized state at the position of the exposure mask;
A photodetector for detecting light intensity at the position of the wafer substrate;
A second polarizing element that converts light incident on the light detector at a light incident surface to the light detector into a linearly polarized state having a predetermined angle from the linearly polarized state by the first polarizing element;
The detection result of the light detector with respect to the light incident on the photodetector through the first polarizing element, the projection optical system, and the second polarizing element, and the first without passing through the projection optical system. The light incident on the light detector through the first polarizing element and the second polarizing element is compared with the detection result of the light detector, and the degree of polarization change by the projection optical system is compared based on the comparison result. And a polarization recognizing means for extracting the semiconductor exposure apparatus. 前記第１の偏光素子による偏光状態となす角度を可変させるべく前記第２の偏光素子を回転させる回転手段を備えることを特徴とする請求項１記載の半導体露光装置。   2. The semiconductor exposure apparatus according to claim 1, further comprising a rotating unit that rotates the second polarizing element so as to vary an angle formed by the first polarizing element. 複数種類の前記所定角度に対応する複数の前記第２の偏光素子が選択的に配されることを特徴とする請求項１記載の半導体露光装置。   The semiconductor exposure apparatus according to claim 1, wherein a plurality of the second polarizing elements corresponding to a plurality of types of the predetermined angles are selectively arranged. 前記偏光認識手段は、比較対象となる前記光検出器での各検出結果に基づき、各検出結果の間での光強度が最小となる位相の差分から楕円偏光における楕円長軸の傾きを抽出し、各検出結果の間での最大最小値の幅の相違から楕円偏光における楕円率を抽出し、各検出結果の間のオフセット量の相違からランダム偏光成分の有無を抽出することを特徴とする請求項１記載の半導体露光装置。   The polarization recognizing means extracts the inclination of the elliptical long axis in elliptically polarized light from the phase difference that minimizes the light intensity between the detection results based on the detection results of the photodetector to be compared. The ellipticity in elliptically polarized light is extracted from the difference in the maximum and minimum values between the detection results, and the presence or absence of a random polarization component is extracted from the difference in the offset amount between the detection results. Item 14. A semiconductor exposure apparatus according to Item 1. 照明光を露光用マスクおよび投影光学系を介してウエハ基板上に到達させ当該ウエハ基板上に前記露光用マスクによるパターン像を転写する場合に、当該ウエハ基板上に到達する露光光の偏光状態を観測するための露光光偏光状態観測方法であって、
前記露光用マスクの配置位置に第１の偏光素子を配して前記照明光を直線偏光状態にする第１の偏光工程と、
前記ウエハ基板の配置位置に光検出器を配して当該ウエハ基板に到達する光の光強度を検出する光検出工程と、
前記光検出器への光入射面に第２の偏光素子を配して当該光検出器に入射する光を前記第１の偏光素子による直線偏光状態とは所定角度を有した直線偏光状態にする第２の偏光工程と、
前記第１の偏光素子、前記投影光学系および前記第２の偏光素子を介して前記光検出器に入射した光についての当該光検出器での検出結果と、前記投影光学系を介さず前記第１の偏光素子および前記第２の偏光素子を介して前記光検出器に入射した光についての当該光検出器での検出結果とを比較して、その比較結果から前記投影光学系による偏光度変化を抽出する偏光認識工程と
を含むことを特徴とする露光光偏光状態観測方法。 When the illumination light reaches the wafer substrate via the exposure mask and the projection optical system, and the pattern image by the exposure mask is transferred onto the wafer substrate, the polarization state of the exposure light reaching the wafer substrate is changed. An exposure light polarization state observation method for observing,
A first polarizing step in which a first polarizing element is arranged at a position where the exposure mask is arranged to bring the illumination light into a linearly polarized state;
A light detection step of detecting a light intensity of light reaching the wafer substrate by arranging a photodetector at the position of the wafer substrate;
A second polarizing element is disposed on the light incident surface to the photodetector, and the light incident on the photodetector is changed to a linearly polarized state having a predetermined angle with respect to the linearly polarized state by the first polarizing element. A second polarization step;
The detection result of the light detector with respect to the light incident on the photodetector through the first polarizing element, the projection optical system, and the second polarizing element, and the first without passing through the projection optical system. The light incident on the light detector through the first polarizing element and the second polarizing element is compared with the detection result of the light detector, and the degree of polarization change by the projection optical system is compared based on the comparison result. A method for observing the polarization state of exposure light, comprising: a polarization recognition step for extracting the exposure light. 照明光を露光用マスクおよび投影光学系を介してウエハ基板上に到達させ当該ウエハ基板上に前記露光用マスクによるパターン像を転写するリソグラフィ工程を経て半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、
前記露光用マスクの配置位置に第１の偏光素子を配して前記照明光を直線偏光状態にする第１の偏光工程と、
前記ウエハ基板の配置位置に光検出器を配して当該ウエハ基板に到達する光の光強度を検出する光検出工程と、
前記光検出器への光入射面に第２の偏光素子を配して当該光検出器に入射する光を前記第１の偏光素子による直線偏光状態とは所定角度を有した直線偏光状態にする第２の偏光工程と、
前記第１の偏光素子、前記投影光学系および前記第２の偏光素子を介して前記光検出器に入射した光についての当該光検出器での検出結果と、前記投影光学系を介さず前記第１の偏光素子および前記第２の偏光素子を介して前記光検出器に入射した光についての当該光検出器での検出結果とを比較して、その比較結果から前記投影光学系による偏光度変化を抽出する偏光認識工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A semiconductor device manufacturing method for manufacturing a semiconductor device through a lithography process in which illumination light reaches a wafer substrate via an exposure mask and a projection optical system, and a pattern image by the exposure mask is transferred onto the wafer substrate. And
A first polarizing step in which a first polarizing element is arranged at a position where the exposure mask is arranged to bring the illumination light into a linearly polarized state;
A light detection step of detecting a light intensity of light reaching the wafer substrate by arranging a photodetector at the position of the wafer substrate;
A second polarizing element is disposed on the light incident surface to the photodetector, and the light incident on the photodetector is changed to a linearly polarized state having a predetermined angle with respect to the linearly polarized state by the first polarizing element. A second polarization step;
The detection result of the light detector with respect to the light incident on the photodetector through the first polarizing element, the projection optical system, and the second polarizing element, and the first without passing through the projection optical system. The light incident on the light detector through the first polarizing element and the second polarizing element is compared with the detection result of the light detector, and the degree of polarization change by the projection optical system is compared based on the comparison result. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
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