JP2009071103A - 露光システムおよび半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウエーハに対する露光処理をロット単位で行う際に、スループットを低下させることなく、ウエーハごとにフォーカスをベストフォーカスに最適化して露光することができる露光システムおよび半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】レチクルステージ２上に配置した複数の空間像マーク４ａ〜４ｃが配列された空間像マーク体４を露光し、ウエーハステージ１５上に配置した空間像投影板６に縮小投影レンズ５を介して空間像マーク体４の像を投影する。空間像投影板６上における各空間像マークの像の投影位置には、光軸方向の位置が異なる空間像開口６ａ〜６ｃが設けられている。各空間像開口６ａ〜６ｃを通じて各空間像マークの像の光強度をそれぞれ計測することで、ウエーハステージ１５を光軸方向に移動させることなく一度の露光でフォーカス曲線を取得することができ、ベストフォーカス位置を算出することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体等を製造する露光工程において使用される露光システムおよびウエーハをロット単位で露光処理する際、露光装置のフォーカス設定値をウエーハごとに計測し、ベストフォーカスに調整するステップを含む半導体装置の製造方法に関する。

近年、半導体集積回路等の半導体装置の製造工程における露光工程では、微細寸法化される素子パターンの解像度を向上させるために、大きな開口数を有する露光装置が使用されている。しかしながら、開口数が大きくなるにつれて、素子パターンを明瞭に形成するために許容される焦点深度は急激に減少する。そのため、露光工程では、露光装置のフォーカス設定を高精度に行い、適正な焦点深度の範囲内で露光を実施することが必要とされている。例えば、デザインルールが０．１５μｍであるとき、０．６０μｍ程度の焦点深度が要求される。そのため、フォーカス設定を高精度に行うためのフォーカス計測が非常に重要になっている。

フォーカス計測に関して従来から様々な方法が開発されている。一般的には、レジスト像のフォーカス計測と空間像のフォーカス計測のうち少なくとも一方を実施し、露光前にベストフォーカスを算出する。フォーカス計測は、露光装置のウエーハステージに載置されたウエーハ（基板）の表面を、投影レンズの焦点面（像面）に合わせこむために実施される。フォーカス計測を実施することにより、ウエーハを露光する際に、各露光ショットにおいて、レチクルのパターン像をウエーハ表面に正しく結像することができる。

レジスト像のフォーカス計測では、露光装置の投影レンズの焦点面と露光装置のウエーハステージに設置されたウエーハ表面との露光光の光軸方向（以下、単に光軸方向という。）の位置関係を相対的に変化させた複数の状態で露光を行い、良好なレジストパターンが形成できる位置関係（ベストフォーカス位置）を求める。このような、レジスト像のフォーカス計測は、フォーカスセンサを使用して実施される。フォーカスセンサとして、斜入射方式のオートフォーカス計測系（以下、ＡＦ系という。）が知られている。図３は、ＡＦ系の構成を示す概略構成図である。

図３に示すように、ＡＦ系５０は、光源５１、送光スリット５２、受光スリット５３および受光部５４から構成される。当該ＡＦ系５０は、露光装置が備えるウエーハステージ１５の上のウエーハホルダ１１に設置したウエーハ１２の表面に、結像光束５５を斜入射させ、ウエーハ１２の表面にスリット像５６を結像させる。そして、その反射光を受光スリット５３、受光部５４を通じて光電検出する。ＡＦ系５０には、受光部５４として二次元多点ＡＦセンサが装備され、ウエーハ表面の複数点の位置を検出する。なお、図３では、１つのＡＦ系のみを記載しているが、複数のＡＦ系が装備される場合もある。

ＡＦ系５０は、ウエーハ１２上の露光領域のそりや凹凸を検出し、その露光領域の表面をベストフォーカス位置に一致させるための補正量を算出する。ここで、補正量とは、ウエーハステージ１５の光軸方向の移動量（フォーカスオフセット）および水平面からの傾斜量（レベリングオフセット）である。ウエーハステージ１５はその補正量に応じて駆動される。一般に、ウエーハステージ１５の光軸方向への移動すなわち光軸方向位置を合わせる動作をフォーカシングといい、傾斜量を変更するための移動すなわちウエーハ表面を水平にする動作をレベリングという。

レジスト像のフォーカス計測を用いてベストフォーカス位置を求める場合、まず、フォーカス計測用パターンを含むフォーカス計測用レチクルが露光装置に配置され、ウエーハ上に塗布したレジスト膜に対して、フォーカス計測用パターンが転写される。このとき、露光装置に設定されるフォーカス設定値は、例えば、一定のショット数を露光するごとに変更される。これにより、各フォーカス設定値に対応するフォーカス計測用パターンがウエーハ上のレジスト膜に転写される。当該手法では、ウエーハ上に順番にフォーカス計測用パターンを異なるフォーカス設定値で複数回の露光をするため、フォーカス計測用ウエーハの作製に時間を要する。ウエーハ条件によるため一概にはいえないが、フォーカス計測用ウエーハの作製には５分から１５分程度の時間を要することになる。ここで、ウエーハ条件とは、レジスト種や露光時間に応じて定まる露光条件等のプロセス条件を指す。

以上のようにして、フォーカス計測用パターンが転写されたウエーハを現像した後、各フォーカス設定値に対応するレジストパターンの線幅等が測長される。例えば、レジストパターンのボトム、すなわち下端の線幅が、走査型電子顕微鏡等により測長される。なお、レジストパターンの測長位置は、現実の半導体装置の生産で使用されるプロセス条件に応じて設定される。測長結果に基づいて、露光装置のフォーカス設定値を横軸、測長寸法を縦軸としたグラフが作成される。これにより得られた曲線からベストフォーカスを算出することができる。

以上のレジスト像のフォーカス計測により得られたフォーカス設定値とレジストパターン寸法との関係は露光装置に固有であり、通常は時間的に安定している。そのため、上述のレジスト像のフォーカス測定により得られたフォーカス設定値とレジストパターン寸法との関係は、露光装置に定数として一度設定すれば、変更しないことが多い。しかしながら、例えば、ウエーハステージ駆動部の交換や、投影レンズの収差を調整した場合等、露光装置の露光系の状態に大きな変化が発生した場合は、上述のレジスト像のフォーカス計測が再度実施されることもある。

レジスト像のフォーカス計測を用いたベストフォーカスの算出に関する従来技術として、例えば特許文献１に記載された技術がある。特許文献１は、レチクルステージに載置されたときにレジストを塗布したウエーハとの距離がそれぞれ異なるように複数の階段面を備えたレチクルにより、フォーカス計測を実施することを開示している。当該レチクルの各階段面には、フォーカス計測用パターンに対応するマスクパターンがそれぞれ形成されている。このようなレチクルを使用してレジストを塗布したウエーハを露光すると、露光装置のフォーカス設定値が一定であっても、露光装置のフォーカス設定値を変更した場合と等価なレジストパターンを得ることができる。すなわち、露光装置のフォーカス設定値を変更することなく、フォーカス設定値とレジストパターン寸法との関係を取得することができる。本手法では、露光装置のフォーカス設定値を変更しないため、フォーカス計測用ウエーハの作製時間を短縮することができる。

一方、空間像のフォーカス計測は、レジスト像のフォーカス計測の結果を露光装置に定数として設定した後に生じる、ＡＦ系５０の計測結果に生じる経時的なずれを補正するためにも実施される。この経時的なずれの補正はＡＦ系５０の校正により実現される。経時的なずれを補正するために定期的に実施されるＡＦ系５０の校正をフォーカスキャリブレーションという。なお、経時的なずれの主要因は、露光装置の周辺環境である大気圧の変動である。

フォーカスキャリブレーションの具体的な作業を、図４に基づいて説明する。図４は、露光装置とそれに付属する、フォーカスキャリブレーションを行うためのフォーカス計測システムを示す概略構成図である。露光装置は、レチクルステージ２上に配置されたレチクル３に露光光１を照射し、縮小投影レンズ５を介して、ウエーハステージ１５上にレチクル３上のパターン３ａの像を投影する。フォーカスキャリブレーションでは、レチクルステージ２上に配置された空間像マーク１０４ａを備えた空間像マーク体１０４に露光光１が照射される。このとき、縮小投影レンズ５の結像位置には、ウエーハステージ１５上に設けられた空間像投影板１０６が配置される。また、空間像投影板１０６には、空間像マーク１０４ａの像に対応する開口１０６ａが設けられており、当該開口１０６ａが空間像マーク１０４ａの結像位置に配置される。開口１０６ａに入射した光は、開口１０６ａの直下に配置されたミラー７により反射されて受光センサ１２１に入射する。すなわち、空間像マーク１０４ａの像は、光強度として受光センサ１２１により検出される。

受光センサ１２１による光強度測定は、ウエーハステージ１５を光軸方向（図４では、上下方向）の異なる位置に配置した状態、すなわち露光装置のフォーカス設定値を異なる値にした状態でそれぞれ実施される。これにより、露光装置のフォーカス設定値と投影像の光強度との関係を取得することができる。図５は、光軸方向のウエーハステージ位置と、空間像マークの投影像の光強度との関係を示す図である。図５では、横軸が光軸方向のウエーハステージ位置に対応し、縦軸が投影像の光強度に対応する。この場合、投影像のコントラストが最大になるウエーハステージ１５の位置がベストフォーカス位置となる。当該手法では、ウエーハステージ１５の光軸方向の位置を変更し、投影像の光強度を計測するため、フォーカス計測にある程度の時間を要する。例えば、３０秒から６０秒程度の時間を要する。

半導体装置を量産する露光工程では、作業効率向上のためウエーハは所定枚数（例えば２５枚）のロット単位で処理される。この場合、同一ロットに属するウエーハ間で０．０５μｍのフォーカスばらつきが発生すると、半導体装置の品質に影響が生じることがある。このようなフォーカスばらつきは、露光光１の照射による温度上昇や、露光装置内、外部環境の温度変化により投影レンズのフォーカス特性が変化することに起因する。そのため露光装置ではベストフォーカス位置からのずれを最小化するために、投影レンズ自体でフォーカス補正を行っている。

しかしながら、この補正の際、投影レンズによるフォーカス制御量が一定の値を超えた場合、フォーカスばらつきは顕著となる。ここでフォーカス制御量は、その露光装置に固有の値である。投影レンズのフォーカス制御に起因するフォーカスばらつきを低減するためには、上述したフォーカスキャリブレーションを各ウエーハに対する露光の直前に実施すればよい。すなわち、各ウエーハに対する露光の直前にフォーカスキャリブレーションを実施し、ウエーハごとにウエーハステージの光軸方向の位置調整によってフォーカス制御を実施すれば、投影レンズ自体によるフォーカス制御量が一定の値を超えることがなくなる。その結果、１ロット内の各ウエーハ露光処理におけるフォーカスばらつきを低減することができる。
特開平１０−２５４１２３号公報

しかしながら、フォーカスキャリブレーションを各ウエーハに対する露光の直前に実施すると、ウエーハ１枚あたりの処理時間が長くなり、スループットが低下する。例えば、空間像のフォーカス計測に要する時間は３０秒から６０秒程度であり、ウエーハに集積回路パターンを露光する露光処理に要する時間も３０秒から６０秒程度である。この場合、ウエーハ１枚の処理に要する時間は、フォーカスキャリブレーションを各ウエーハに対する露光の直前に実施しない場合と比較して２倍になる。

近年、より微細なパターンを要求するプロセス世代が進むごとに露光装置の価格が高騰し、それが半導体装置の製造コストを増大させている。このような製造コストの増大を抑制するために、露光装置のスループット向上が要求されている。そのため、露光工程におけるウエーハ処理時間の増加は許容できない。例えば、特許文献１に開示されたレジスト像のフォーカス計測を実施することにより、レジスト像のフォーカス計測を高速に行うことができる。しかしながら、レジストパターン寸法を測定してベストフォーカスを求める方法であるため、ベストフォーカス調整には時間を要する。また、空間像のフォーカス計測ではないため、各ウエーハに対する露光の直前に実施することは困難である。

本発明は、ウエーハに対する露光処理をロット単位で行う際に、スループットを低下させることなく、ウエーハごとにフォーカスをベストフォーカスに最適化して露光することができる露光システムおよび半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の技術的手段を採用している。まず、本発明は、レチクルステージに載置されるレチクルに形成されたパターンを、ウエーハステージに載置される感光性樹脂膜が形成された基板に投影レンズを介して投影する露光システムを前提としている。そして、本発明に係る露光システムは、露光光を照射する露光光源と前記投影レンズとの間に配置された、複数の空間像マークが配列された空間像マーク体と、ウエーハステージの基板載置面に対して傾斜する主面を有し、投影レンズを介して複数の空間像マークの像が投影される空間像投影板とを備える。また、空間像投影板に投影された各空間像マークの像の光強度をそれぞれ検出する検出器を備える。ここで、傾斜する主面には、滑らかな斜面のほか、例えば、異なる水平面を組み合わせた階段形状等の実質的に傾斜した斜面を含む。

本構成によれば、空間像マーク体を一度露光するだけで、フォーカス曲線を取得することができる。このため、極めて短時間で空間像のベストフォーカス位置を算出することができる。

また、上記露光システムは、ウエーハステージに載置された前記基板の表面位置が、各空間像マークの像の光強度に基づいて算出されるベストフォーカス位置となる状態に、露光光の光軸方向のウエーハステージ位置を調整する手段をさらに備えることが好ましい。加えて、各空間像マークの像の光強度に基づいてベストフォーカス位置を自動的に算出する手段をさらに備えることができる。なお、上記空間像マーク体は、レチクルステージ上に設置することができる。また、空間像投影板は、ウエーハステージ上に設置することができる。

さらに、上記露光システムは、空間像マーク体に露光光を入射させた際に空間像投影板上に投影される各空間像マークの像の投影位置に対応して、空間像投影板に開口が設けられ、各開口を通過した露光光が前記検出器に導かれる構成を採用することができる。

一方、他の観点では、本発明は、レチクルステージに載置されるレチクルに形成されたパターンを、ウエーハステージに載置される感光性樹脂膜が形成された基板に投影レンズを介して投影する露光システムを使用した半導体装置の製造方法を提供することができる。ずなわち、本発明に係る半導体装置の製造方法では、まず、基板がウエーハステージに載置される。次いで、複数の空間像マークが配列された空間像マーク体が、露光光を照射する露光光源と投影レンズとの間で露光光の光路上に配置されるとともに、ウエーハステージの基板載置面に対して傾斜する主面を有し、投影レンズを介して複数の空間像マークの像が投影される空間像投影板が、露光光の光路上に配置される。続いて、露光光を空間像マーク体に入射させ、投影レンズを介して複数の空間像マークが前記空間像投影板に投影される。空間像投影板に投影された各空間像マークの像の光強度に基づいてベストフォーカス位置が算出される。そして、ウエーハステージに載置された基板の表面位置が、算出されたベストフォーカス位置となる状態に、露光システムのフォーカス設定値が補正され、補正後のフォーカス設定値を使用して基板に露光処理が行われる。

上記基板が、複数の基板から構成されるロットに含まれる基板である場合、上記露光システムのフォーカス設定値を補正する工程は、ロットに属する基板を所定枚数露光処理するごとに実施することができる。また、ロットに属する各基板に対する露光処理ごとに実施してもよい。

また、ベストフォーカス位置は、例えば、空間像投影板に投影された各空間像マークの像の光強度と、各空間像マークの像の投影位置における、露光光の光軸方向の空間像投影板位置との関係から、光強度が極値となる、露光光の光軸方向の空間像投影板位置を、フォーカス設定値に換算することによって算出することができる。

本発明によれば、一度の露光でフォーカス曲線が得られるので、極めて短時間でベストフォーカス位置を算出できる。そのため、基板の露光処理をロット単位で行う際に、スループットを低下させることなく、基板ごとにフォーカスを最適化した露光処理を実施することができる。その結果、スループットを低下させることなく同一ロットに属する各ウエーハ間でのフォーカスばらつきを抑制でき、製造コストを低減することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。以下の実施形態では、縮小投影露光装置として本発明を具体化している。

図１は、本発明の一実施形態における露光装置の構成を説明する概略構成図である。図１に示すように、本実施形態の露光装置は、レチクルステージ２上に載置されたレチクル３に図示しない露光光源から出射された露光光１を照射し、レチクル３に形成された素子パターン３ａを、投影レンズ５によりウエーハ１２上に結像する。レチクルステージ２は、露光光源と投影レンズ５との間に配置されている。また、レチクルステージ２上には複数の空間像マーク４ａ、４ｂ、４ｃが配列された空間像マーク体４が配置されている。レチクルステージ２は露光光１の光軸に垂直な方向（ここでは、水平方向）に移動可能に構成されており、レチクル３と空間像マーク体４とを選択的に露光光１の光路上に配置できるようになっている。

投影レンズ５の下方（露光光出射側）には、露光対象のウエーハ１２が載置されるウエーハステージ１５が配置されている。ウエーハステージ１５は、図示しない駆動機構を制御部２２が駆動することにより、フォーカシングやレベリングおよび水平方向の移動（例えば、ウエーハ上の露光ショット間の移動）が実施される。なお、フォーカスオフセットとレベリングオフセットは、上述したレジスト像のフォーカス測定により当該露光装置について予め取得されているフォーカス設定値とレジストパターン寸法との関係およびオートフォーカス計測系５０（以下、ＡＦ系５０）の測定結果に基づいて算出される。ＡＦ系５０は、従来と同様に、光源５１、送光スリット５２、受光スリット５３、受光部５４から構成されている。ＡＦ系５０の動作は既述であるため、ここでの説明は省略する。

ウエーハステージ１５上には、露光対象のウエーハ１２が載置されるウエーハホルダ１１および以下で詳述するフォーカス基準位置確認体１６および空間像投影板６が配置されている。なお、本実施形態では、ウエーハホルダ１１、フォーカス基準位置確認体１６および空間像投影板６は互いに異なる位置に配置されている。したがって、ウエーハホルダ１１上に載置されたウエーハ１２を露光する際に、フォーカス基準位置確認体１６や空間像投影板６がウエーハ１２の露光を妨害することはない。

図１に示すように、本実施形態の露光装置が備える空間像投影板６は、従来の空間像投影板１０６とは異なり、ウエーハステージ１５の実質的に水平な面（ウエーハ載置面）に対して表面が傾斜した構造を有している。また、空間像投影板６は複数の微小な空間像開口６ａ、６ｂ、６ｃを備えている。空間像開口６ａ〜６ｃに入射した光は、各空間像開口の直下に配置されたミラー７ａ、７ｂ、７ｃによりそれぞれ反射されて受光センサ２１に入射する。受光センサ２１は、内部に各空間像開口６ａ〜６ｃに入射した光の強度をそれぞれ計測する複数の個別受光センサ２１ａ、２１ｂ、２１ｃを備えている。

各空間像開口６ａ〜６ｃの配列は、空間像マーク４ａ〜４ｃの配列に対応している。すなわち、各空間像開口６ａ〜６ｃの配列は、空間像マーク４ａ〜４ｃの投影像の配列と一致している。また、各空間像開口６ａ〜６ｃの平面形状（水平面と垂直な方向から見た形状）は、対応する各空間像マーク４ａ〜４ｃの投影像の平面形状と同一になっている。すなわち、空間像マーク４ａ〜４ｃのパターン配置に縮小投影倍率を乗じたパターン配置が空間像投影板６上に形成される空間像開口６ａ〜６ｃのパターン配置となる。また、本実施形態では、各空間像マーク４ａ〜４ｃの露光光の光軸方向（図１では、上下方向。以下、単に光軸方向という。）の位置は、レチクル３上に形成された素子パターン３ａの光軸方向の位置と同一になっている。各空間像マーク４ａ〜４ｃはすべて同一寸法、同一平面形状である。本実施形態では、各空間像マークを孤立スペースパターンで構成している。

例えば、１／４に縮小投影露光する露光装置の場合、空間像マーク４ａ〜４ｃを構成する孤立スペースパターンの線幅は０．８μｍにすることができる。この場合、投影レンズ５の投影位置では縮小投影され、像の線幅は０．２μｍになる。また、各空間像マーク４ａ〜４ｃの間隔は４００μｍにすることができる。この場合、投影レンズ５の投影位置では像の間隔は１００μｍになる。したがって、本事例の場合、空間像投影板６には、平面視において、線幅０．２μｍの空間像開口６ａ〜６ｃが、１００μｍ間隔で配列されることになる。なお、各空間像開口６ａ〜６ｃの寸法および間隔は、半導体装置を生産するプロセスで要求されるフォーカス精度に応じて任意に変更可能である。

なお、本実施形態では、空間像マーク体４に属する空間像マークの数を説明のため３つとしているが、より多数の空間像マークを配列することができる。例えば、ウエーハ１２の特定の直径方向（図１の左右方向等）に２０〜３０個の空間像マークを配列することが好ましい。また、上記では、空間像マーク４ａ〜４ｃを孤立スペースパターンで構成しているが、受光センサ２１での光強度が容易に得られるものであれば孤立ラインパターン等の他のパターン形状でも使用可能である。また、各空間像マーク４ａ〜４ｃの寸法および間隔は、半導体装置を生産するプロセスで要求されるフォーカス精度に応じて任意に変更可能である。

以上の構成を有する露光装置において、空間像のフォーカス測定は以下のようにして実施される。空間像のフォーカス測定を実施する場合、まず、レチクルステージ２上に配置されている空間像マーク体４が露光光１の光路上に配置される。また、空間像投影板６が、投影レンズ５を通過した露光光１の光路上に配置される。

例えば、空間像マーク体４を構成する空間像マーク４ａに露光光１が入射すると、露光光１は空間像マーク４ａにより回折する。回折光は、経路３１、経路３２および経路３３で示されるような経路をとり、投影レンズ５へ入射する。回折光は投影レンズ５で縮小投影され、空間像投影板６の空間像開口６ａに空間像マーク４ａの像を投影する。空間像マーク４ａの像を含む光は空間像開口６ａの直下のミラー７ａで進行方向をウエーハステージ１５の表面とほぼ平行な方向に向きを変え、個別受光センサ２１ａに入射する。同様に、空間像マーク４ｂに露光光１が入射すると、空間像開口６ｂに空間像マーク４ｂの像が投影される。空間像マーク４ｂの像を含む光は空間像開口６ｂの直下のミラー７ｂで進行方向を変え、個別受光センサ２１ｂに入射する。また、空間像マーク４ｃに露光光１が入射すると、空間像開口６ｃに空間像マーク４ｃの像が投影される。空間像マーク４ｃの像を含む光は空間像開口６ｃの直下のミラー７ｃで進行方向を変え、個別受光センサ２１ｃに入射する。なお、図１では、空間像マーク４ｂおよび４ｃの回折光の経路として、空間像マーク４ａの経路３１に対応する経路３４、３５のみを図示している。

各個別受光センサ２１ａ〜２１ｃで受光された光は、各個別受光センサでそれぞれの光強度に応じた電気信号に変換され、制御部２２に入力される。各個別受光センサ２１ａ〜２１ｃから出力される電気信号は、光軸方向の異なる位置に配置された空間像投影板に投影された空間像マークの像の光強度を示すことになる。すなわち、ウエーハステージ１５の光軸方向の位置、すなわち、上下方向の位置が一定であっても、ウエーハステージ１５の光軸方向の位置を変更した場合と等価な光強度を取得することができる。したがって、ウエーハステージ１５の光軸方向の位置を変更することなく、ウエーハステージ１５の光軸方向の位置と空間像マークの像の光強度との関係（フォーカス曲線）を取得することができる。本実施形態の構成では、ウエーハステージ１５の光軸方向の位置を変更することなくフォーカス曲線を取得できるため、極めて短時間でベストフォーカス位置を求めることができる。

ベストフォーカス位置は、例えば、以下のようにして算出することができる。まず、空間像開口６ａ〜６ｃの位置での空間像マークの像の光強度に基づいて、図２に示すように、空間像開口６ａ〜６ｃの光軸方向に沿った位置、例えば、ウエーハステージ１５の表面から各空間像開口６ａ〜６ｃまでの高さを横軸に、各空間像マークの像の光強度を縦軸にして実測値をプロットする。そして、当該空間像マークの光強度と空間像投影板の光軸方向の位置との関係を示す曲線から、光強度が極値になる空間像開口の高さを算出する。この空間像開口の高さがベストフォーカス位置である。

また、以上のようにして算出したベストフォーカス位置は、上述のフォーカス基準位置確認体１６を使用して、以下のようにして露光装置のフォーカス設定値に変換することができる。本実施形態では、図１において、中央に位置する空間像開口６ａの光軸方向の位置と、フォーカス基準面確認体１６表面の光軸方向の位置とを同一にしている。フォーカス基準面確認体１６は、その表面位置をＡＦ系５０により計測可能に構成されている。したがって、本構成によれば、フォーカス基準面確認体１６の表面位置をＡＦ系５０で計測することにより、空間像開口６ａの光軸方向の位置を正確に計測することができる。また、ＡＦ系５０により計測された空間像開口６ａの光軸方向の位置は、露光装置のフォーカス設定値に容易に変換することができる。さらに、他の空間像開口６ｂ、６ｃと、空間像開口６ａとの光軸方向の相対的な位置関係は、空間像投影板６の構造により固定されている。したがって、フォーカス基準位置確認体１６の表面位置を計測することにより、各空間像開口６ａ〜６ｃのウエーハステージ１５表面からの高さを露光装置のフォーカス設定値に換算することができる。

なお、本実施形態では、空間像投影板６は平板に開口を設け傾斜させたものであり、空間像開口６ａと６ｃの高さの差６１および空間像開口６ａと６ｂの高さの差６２を同一にしている。差６１、６２は、図２のグラフの横軸の測定ピッチに対応する。例えば、差６１、６２を０．１μｍとすることで、フォーカス設定値を０．１μｍピッチで変化させた場合のフォーカス曲線を取得することができる。また、上述のように、図１では、空間像マークおよび空間像開口を３個にした構成を図示しているが、光軸方向の位置が異なる２０〜３０個の空間像マークおよび空間像開口を備える構成とすれば、露光装置のフォーカス設定値を２〜３μｍ変化させた場合のフォーカス曲線を１回の露光により取得することができる。

以上説明したように本実施形態によれば、光軸方向の位置が異なる空間像開口を備えた空間像投影板の各空間像開口に、同一形状の空間像マーク像をそれぞれ投影し、各空間像マークの像の光強度を同時に得ることができる。すなわち、ウエーハステージ１５を光軸方向に移動させることなく、１回の露光でベストフォーカス位置を算出することができる。この結果、極めて短時間でベストフォーカス位置を算出することができる。

本実施形態では、上述のベストフォーカス位置の算出は、制御部２２が備える演算部２３により実施される。すなわち、演算部２３は、各個別受光センサ２１ａ〜２１ｃが計測した光強度と、予め設定されている各空間像開口６ａ〜６ｃのウエーハステージ１５からの高さとに基づいて、例えば、公知の補間法を使用して図２に示すフォーカス曲線を算出するとともに、当該フォーカス曲線が極値となるウエーハステージ１５からの高さを算出する。また、演算部２３は、ＡＦ系５０により計測されたフォーカス基準面確認体１６の表面位置に基づいて、上記フォーカス曲線が極値となるウエーハステージ１５からの高さを露光装置のフォーカス設定値に変換する。なお、演算部２３は、例えば、プロセッサとＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等のメモリとを備えたハードウェア、および当該メモリに格納され、プロセッサ上で動作するソフトウェアにより実現することができる。

一方、以上説明した露光装置を用いることにより、以下のようにして、半導体装置を製造することができる。まず、ウエーハステージ１５のウエーハホルダ１１に半導体装置を形成するウエーハ１２が設置される。次いで、空間像マーク体４が露光光１の光路上に配置されるとともに、空間像投影板６が投影レンズ５を通過した露光光の光路上に配置される。ここでは、制御部２２がレチクルステージ２を移動させ、空間像マーク体４の中央の空間像マーク４ａが露光光１の光軸上に位置する状態にするとともに、ウエーハステージ１５を移動させ、空間像開口６ａが投影レンズ５を通過した露光光の光軸上に位置する状態にする。当該状態で、露光光１が照射され、各空間像マークの像の光強度が各個別受光センサ２１ａ〜２１ｃにより計測される。続いて、演算部２３が上述のようにして、ベストフォーカス位置となる露光装置のフォーカス設定値を算出する。演算部２３は、算出したフォーカス設定値をベストフォーカス位置してＡＦ系５０に設定する。

ベストフォーカス位置の設定が完了すると、制御部２２は、レチクル３の素子パターン３ａが露光光源の光軸上に位置する状態にレチクルステージ２を移動させるとともに、ウエーハホルダ１１に設置されたウエーハ１２の露光領域（露光ショット）が露光光源の光軸上に位置する状態にウエーハステージ１５を移動させる。ＡＦ系５０は、ウエーハ１２の露光領域の表面位置が、設定されたベストフォーカス位置に一致するように、フォーカスオフセットおよびレベリングオフセットを算出する。算出されたフォーカスオフセットおよびレベリングオフセットが制御部２２に通知される。制御部２２は、通知されたフォーカスオフセットおよびレベリングオフセットに基づいて、図示しないウエーハステージの駆動機構を制御し、ウエーハステージ１５のフォーカシングおよびレベリングを実施する。その後、当該状態でウエーハ１２上に塗布されたレジスト膜（感光性樹脂膜）に露光が行われる。なお、以上で説明したベストフォーカス位置の算出は、ウエーハの露光処理ごとに行うことが好ましいが、１ロット内のウエーハを複数枚露光処理するごとに行ってもよい。

以上の製造方法によれば、基板の露光処理をロット単位で行う際に、スループットを低下させることなく、基板ごとにフォーカスを最適化した露光処理を実施することができる。その結果、スループットを低下させることなく同一ロットに属する各ウエーハ間でのフォーカスばらつきを抑制でき、製造コストを低減することができる。

以上説明したように、本発明は、ベストフォーカス位置を従来と比較して１／１０〜１／２０という極めて短時間に算出し、調整できるため、半導体装置を量産する露光工程において、スループットを低下させることなく、ウエーハ１枚ごとにフォーカスをベストフォーカスに調整することができる。その結果、スループットを低下させることなく同一ロットに属する各ウエーハ間でのフォーカスばらつきを抑制でき、製造コストを低減することができる。本発明は、特に厳しいレジストパターン寸法、断面形状の管理が要求される１００ｎｍプロセスノード以下の、６５ｎｍ、４５ｎｍなどのプロセスノードを使用して製造される半導体装置の製造に特に効果を発揮する。

なお、本発明は、以上で説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において、種々の変形および応用が可能である。例えば、上記実施形態では、本発明の露光システムを１台の露光装置として説明したが、演算部２３を露光装置外に設けることも可能である。また、上記では、空間像投影板に開口を設け、当該開口を通過した露光光の強度を検出器で検出する構成としたが、空間像投影板に投影された空間像マークの像の光強度を計測できる構成であれば、任意の構成を採用することができる。また、上記実施形態では、レチクルステージに空間像マーク体が設置され、ウエーハステージに空間像投影板が設置された構成を説明したが、空間像マーク体および空間像投影板が、露光光の光路上と光路外とにわたって独自に移動可能な構成であってもよい。

本発明は、スループットを低下させることなくウエーハごとにフォーカスをベストフォーカスに最適化して露光することができ、露光システムおよび半導体装置の製造方法として有用である。

本発明の一実施形態における露光装置を示す概略構成図 本発明の一実施形態における空間像の光強度と空間像開口高さとの関係を示す図 ＡＦ系を示す概略構成図 従来の露光装置を示す概略構成図 空間像の光強度と光軸方向のウエーハステージ位置との関係を示す図

符号の説明

１ 露光光
２ レチクルステージ
３ レチクル
４ 空間像マーク体
４ａ、４ｂ、４ｃ 空間像マーク
５ 投影レンズ
６ 空間像投影板
６ａ、６ｂ、６ｃ 空間像開口
１２ ウエーハ
１５ ウエーハステージ
２１ 受光センサ
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ 個別受光センサ
２２ 制御部
２３ 演算部
５０ ＡＦ系

Claims (10)

1. レチクルステージに載置されるレチクルに形成されたパターンを、ウエーハステージに載置される感光性樹脂膜が形成された基板に投影レンズを介して投影する露光システムであって、
   露光光を照射する露光光源と前記投影レンズとの間に配置された、複数の空間像マークが配列された空間像マーク体と、
   ウエーハステージの基板載置面に対して傾斜する主面を有し、前記投影レンズを介して複数の空間像マークの像が投影される空間像投影板と、
   前記空間像投影板に投影された各空間像マークの像の光強度をそれぞれ検出する検出器と、
   を備えたことを特徴とする露光システム。
2. 前記ウエーハステージに載置された前記基板の表面位置が、前記各空間像マークの像の光強度に基づいて算出されるベストフォーカス位置となる状態に、露光光の光軸方向のウエーハステージ位置を調整する手段と、
   をさらに備えた請求項１記載の露光システム。
3. 前記各空間像マークの像の光強度に基づいてベストフォーカス位置を自動的に算出する手段をさらに備えた請求項２記載の露光システム。
4. 前記空間像マーク体が前記レチクルステージ上に設置され、前記空間像投影板が前記ウエーハステージ上に設置された請求項１から３のいずれか１項に記載の露光システム。
5. 前記空間像マーク体に露光光を入射させた際に前記空間像投影板上に投影される前記各空間像マークの像の投影位置に対応して、前記空間像投影板に開口が設けられ、前記各開口を通過した露光光が前記検出器に導かれる請求項１から４のいずれか１項に記載の露光システム。
6. 前記投影レンズが縮小投影レンズである請求項１から５のいずれか１項に記載の露光システム。
7. レチクルステージに載置されるレチクルに形成されたパターンを、ウエーハステージに載置される感光性樹脂膜が形成された基板に投影レンズを介して投影する露光システムを使用した半導体装置の製造方法であって、
   前記ウエーハステージに基板を載置する工程と、
   複数の空間像マークが配列された空間像マーク体を、露光光を照射する露光光源と前記投影レンズとの間で露光光の光路上に配置するとともに、前記ウエーハステージの基板載置面に対して傾斜する主面を有し、前記投影レンズを介して前記複数の空間像マークの像が投影される空間像投影板を露光光の光路上に配置する工程と、
   露光光を前記空間像マーク体に入射させ、前記投影レンズを介して前記複数の空間像マークを前記空間像投影板に投影する工程と、
   前記空間像投影板に投影された各空間像マークの像の光強度に基づいてベストフォーカス位置を算出する工程と、
   前記ウエーハステージに載置された前記基板の表面位置が、前記算出したベストフォーカス位置となる状態に、露光システムのフォーカス設定値を補正する工程と、
   前記補正後のフォーカス設定値を使用して前記基板に露光処理を行う工程と、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 前記基板は、複数の基板から構成されるロットに含まれる基板であり、前記露光システムのフォーカス設定値を補正する工程が、前記ロットに属する基板を所定枚数露光処理するごとに実施される請求項７記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記基板は、複数の基板から構成されるロットに含まれる基板であり、前記露光システムのフォーカス設定値を補正する工程が、前記ロットに属する各基板に対する露光処理ごとに実施される請求項７記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記ベストフォーカス位置を算出する工程は、前記空間像投影板に投影された各空間像マークの像それぞれの光強度と、前記各空間像マークの像の投影位置における、露光光の光軸方向の空間像投影板位置との関係から、前記光強度が極値となる、露光光の光軸方向の空間像投影板位置を、フォーカス設定値に換算することによってベストフォーカス位置を算出する請求項７から９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

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