(57)【要約】【課題】レジストパターンのトップ長さとボトム長さの差分と、下地基板の表面位置の、最適な露光位置からのずれ量との関係を利用して、焦点のずれ量を取得する。【解決手段】予め、同じ露光条件でのレジストの屈折率及び厚さが等しい場合の、差分ΔＬとずれ量ΔＦの関係式を求めておき、計測用レジストパターンのトップ長さＬｔとボトム長さＬｂの差分ΔＬを、上述の関係式に代入することで、露光ショットごとに焦点のずれ量を取得する。【選択図】図５
2008053413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ平行かつ露光装置の解像限界よりも短い配列周期で配列された、複数の細長の直角四辺形状の計測用サブマスクパターンからなる計測用マスクパターンであって、直角四辺形状の中央領域を挟む位置に前記計測用サブマスクパターンの長手方向に離間して設けられている、一対の当該計測用マスクパターンを備える第１フォトマスクを用意する工程と、
下地基板上にレジストを塗布して第１レジスト層を形成する工程と、
前記第１フォトマスクを用いて、前記第１レジスト層全体を露光ショットごとに、前記下地基板の表面の、該表面に垂直な方向の位置である基板露光位置を変えて露光する工程と、
露光された前記第１レジスト層を現像して、前記計測用マスクパターンに対応する、それぞれ前記計測用サブマスクパターンの間が埋め込まれた一体連続的な、一対の計測用第１レジストパターンを得る工程と、
前記一対の計測用第１レジストパターンの、前記計測用サブマスクパターンの長手方向に対応する方向に測った、最外側壁間での最大離間距離をボトム長さＬｂとし、及び最小離間距離をトップ長さＬｔとしたとき、前記ボトム長さＬｂと前記基板露光位置から焦点が合っている基準露光位置を決める工程と、
前記ボトム長さＬｂ及び前記トップ長さＬｔの差分ΔＬ（＝Ｌｂ−Ｌｔ）と、前記基板露光位置の前記基準露光位置からのずれ量ΔＦとの関係式を得る工程と、
下地基板上にレジストを塗布して第２レジスト層を形成する工程と、
前記第１フォトマスクと同一形態の第２フォトマスクを用いて、該第２レジスト層全体を、基板露光位置を前記基準露光位置に固定して露光する工程と、
露光された前記第２レジスト層を現像して、それぞれ一体連続的な一対の計測用第２レジストパターンを得る工程と、
前記関係式を用いて、前記一対の計測用第２レジストパターンのボトム長さＬｂ、及びトップ長さＬｔの差分ΔＬから、露光ショットごとにずれ量ΔＦを得る工程と
を備えることを特徴とする焦点ずれ測定方法。
【請求項２】
平行かつ露光装置の解像限界よりも短い配列周期で配列された、複数の細長の直角四辺形状の計測用サブマスクパターンからなる計測用マスクパターンを備える第１フォトマスクを用意する工程と、
下地基板上にレジストを塗布して第１レジスト層を形成する工程と、
前記第１フォトマスクを用いて、前記第１レジスト層全体を露光ショットごとに、前記下地基板の表面の、該表面に垂直な方向の位置である基板露光位置を変えて露光する工程と、
露光された前記第１レジスト層を現像して、前記計測用マスクパターンに対応する、前記計測用サブマスクパターンの間が埋め込まれた一体連続的な、計測用第１レジストパターンを得る工程と、
前記計測用第１レジストパターンの、前記計測用サブマスクパターンの長手方向に対応する方向に測った最大幅をボトム長さＬｂとし、及び最小幅をトップ長さＬｔとしたとき、前記ボトム長さＬｂと基板露光位置から焦点が合っている基準露光位置を決める工程と、
前記ボトム長さＬｂ及び前記トップ長さＬｔの差分ΔＬ（＝Ｌｂ−Ｌｔ）と、基板露光位置の、前記基準露光位置からのずれ量ΔＦとの関係式を得る工程と、
下地基板上にレジストを塗布して第２レジスト層を形成する工程と、
前記第１フォトマスクと同一形態の第２フォトマスクを用いて、該第２レジスト層全体を、基板露光位置を前記基準露光位置に固定して露光する工程と、
露光された前記第２レジスト層を現像して、一体連続的な計測用第２レジストパターンを得る工程と、
前記関係式を用いて、前記計測用第２レジストパターンのボトム長さＬｂ、及びトップ長さＬｔの差分ΔＬから、露光ショットごとにずれ量ΔＦを得る工程と
を備えることを特徴とする焦点ずれ測定方法。
【請求項３】
前記第２フォトマスクに換えて、前記第１フォトマスクを用いる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の焦点ずれ測定方法。
【請求項４】
前記第２フォトマスクとして、回路用マスクパターンが形成されたフォトマスクを用意する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の焦点ずれ測定方法。
【請求項５】
前記第１フォトマスクとして、回路用マスクパターンが形成されたフォトマスクを用意する
ことを特徴とする請求項３に記載の焦点ずれ測定方法。
【請求項６】
前記関係式を得るにあたり、
前記ずれ量ΔＦが−０．４μｍから＋０．６μｍの範囲での前記トップ長さＬｔ及びボトム長さＬｂの差分ΔＬを用いて、前記関係式として、傾きがＡ及び切片がＢの一次直線に近似した下記の（１）式を得る
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の焦点ずれ測定方法。
ΔＦ＝Ａ×ΔＬ＋Ｂ   （１）
【請求項７】
露光ショットごとにずれ量ΔＦを得た後、露光ショットごとのずれ量ΔＦを平均して、平均ずれ量を得る
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の焦点ずれ測定方法。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の焦点ずれ測定方法により、露光ショットごとにずれ量ΔＦを得る工程を行った後、
回路用マスクパターンを備える第３フォトマスクを用いて、下地基板上に新たに塗布されたレジスト層全体を、露光ショットごとに、基板露光位置を前記基準露光位置から露光ショットごとに得られたずれ量ΔＦだけ変位させることにより、焦点を合わせて露光する
ことを特徴とする焦点位置合わせ方法。
【請求項９】
請求項５に記載の焦点ずれ測定方法により、露光ショットごとにずれ量ΔＦを得る工程を行った後、
前記第１フォトマスクを用いて、下地基板上に新たに塗布されたレジスト層全体を、露光ショットごとに、基板露光位置を前記基準露光位置から露光ショットごとに得られたずれ量ΔＦだけ変位させることにより、焦点を合わせて露光する
ことを特徴とする焦点位置合わせ方法。
【請求項１０】
前記関係式を得るにあたり、
前記ずれ量ΔＦが−０．４μｍから＋０．６μｍの範囲での前記トップ長さＬｔ及びボトム長さＬｂの差分ΔＬを用いて、前記関係式として、傾きがＡ及び切片がＢの一次直線に近似した下記の（１）式を得る
ことを特徴とする請求項９に記載の焦点位置合せ方法。
ΔＦ＝Ａ×ΔＬ＋Ｂ   （１）
【請求項１１】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の焦点ずれ測定方法により露光ショットごとのずれ量ΔＦを得た後、
露光ショットごとのずれ量ΔＦを平均して、平均ずれ量を得る工程と、
回路用マスクパターンを備える第３フォトマスクを用いて、下地基板上に新たに塗布されたレジスト層全体を、基板露光位置を基準露光位置から平均ずれ量だけ変異させた位置に固定して露光する工程と
を備えることを特徴とする焦点位置合せ方法。
【請求項１２】
請求項５に記載の焦点ずれ測定方法により露光ショットごとにずれ量ΔＦを得た後、
露光ショットごとのずれ量ΔＦを平均して、平均ずれ量を得る工程と、
前記第１フォトマスクを用いて、下地基板上に新たに塗布されたレジスト層全体を、基板露光位置を前記基準露光位置から前記平均ずれ量だけ変異させた位置に固定して露光する
ことを特徴とする焦点位置合せ方法。
【請求項１３】
前記関係式を得るにあたり、
前記ずれ量ΔＦが−０．４μｍから＋０．６μｍの範囲での前記トップ長さＬｔ及びボトム長さＬｂの差分ΔＬを用いて、前記関係式として、傾きがＡ及び切片がＢの一次直線に近似した下記の（１）式を得る
ことを特徴とする請求項１２に記載の焦点位置合せ方法。
Ｆ＝Ａ×ΔＬ＋Ｂ     （１）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、フォトリソグラフィ工程において、半導体ウエハ上に形成されたレジスト層を露光する際の、半導体ウエハの表面に垂直な方向の基板表面の位置を決定するための焦点ずれ測定方法と、その焦点ずれ測定方法で得られた焦点のずれ量を利用して焦点位置合せを行う、焦点位置合せ方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造にあたり、一般にフォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により、半導体ウエハに対して所定のパターニングを行っている。近年の半導体装置の微細化に伴い、フォトリソグラフィ工程によって半導体ウエハ上に形成されるレジストパターンも微細化されつつある。
【０００３】
レジストパターンを形成するため、半導体ウエハの表面上に形成されたレジスト層に対し、半導体ウエハ表面に対し垂直方向からマスクパターンの投影露光を行っている。半導体ウエハ上に形成されるレジストパターンの品質に影響を与える要因として、半導体ウエハ表面に垂直な方向における当該半導体ウエハ表面の最適露光位置に対する、半導体ウエハ表面の位置のずれがある（例えば、特許文献１又は２参照）。
【０００４】
ここで、最適露光位置は、露光装置の縮小投影レンズの焦点位置、基板表面に塗布されたレジストの屈折率及び厚さで定まる位置であって、半導体ウエハ表面が最適露光位置に一致している時に焦点が合っている。
【０００５】
半導体ウエハは、露光装置のウエハステージに載せられて露光される。このとき、ウエハステージの傾きや表面の凹凸、又は半導体ウエハ表面の凹凸などによって、一度に露光される領域ごとに焦点ずれが生じる場合がある。
【０００６】
そこで、露光ショット毎に、半導体ウエハ表面の位置を最適露光位置に合わせるために、露光装置の解像限界以下の幅のサブパターンを複数、互いに離間して平行に配列させてなる計測用パターンを用いて、半導体ウエハ表面の位置の変化に対する計測用レジストパターンの長さの変化を用いる焦点ずれ測定方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
また、半導体ウエハ表面の位置の上下限を、レジストパターンの断面のエッジ寸法と当該表面の位置との関係から求める方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−５５５７５号公報
【特許文献２】特開２００３−３３８４４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の特許文献１に開示されている方法では、半導体ウエハ表面の最適露光位置からのずれ量、すなわち焦点のずれ量が０．４μｍ以上あれば、充分、ずれ量を求めることができる。しかしながら、現在、焦点のずれ量として、０．１μｍ程度が許容範囲として要求される工程が増えつつある。ずれ量が０．４μｍ以下の場合は、基板表面に垂直な方向の当該表面位置の変化に対する計測用レジストパターンの長さの変化が小さく、しかも、直線性が悪いため、特許文献１に開示されている焦点ずれ測定方法で、ずれ量を要求される精度で求めるのは難しい。また、焦点のずれ量の許容範囲が０．１μｍ程度であるのに対し、ずれ量を充分な精度で測定できるのは、ずれ量が０．４μｍ以上のときである。従って、ずれ量の測定を行うためのレジストパターンの形成と、回路パターンを形成するためのレジストパターンの形成を１つのマスクを用いて同一工程で行うのは困難である。
【０００９】
そこで、この出願に係る発明者が鋭意研究を行って、特許文献１に開示されている計測用パターンと同様の、複数の計測用サブマスクパターンからなる計測用マスクパターンを備えるフォトマスクを用いて、フォトリソグラフィ工程を行えば、計測用マスクパターンが転写された一体連続的な計測用レジストパターンのボトム長さＬｂ、及びトップ長さＬｔの差分ΔＬが、焦点のずれ量ΔＦに対して、直線的に変化することを見出した。この結果、予め、同じ露光条件でのレジストの屈折率及び厚さが等しい場合の、計測用レジストパターンのトップ長さＬｔとボトム長さＬｂの差分ΔＬとずれ量ΔＦの関係式を求めておき、その後、測定により得られた差分ΔＬを、上述の関係式に代入することで、露光ショットごとに焦点のずれ量を取得することができる。
【００１０】
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、計測用レジストパターンのトップ長さＬｔとボトム長さＬｂの差分ΔＬと、焦点のずれ量ΔＦとの関係を利用して、測定された差分ΔＬから焦点のずれ量ΔＦを取得する焦点ずれ測定方法、及びこの焦点ずれ測定方法を用いた焦点位置合せ方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した目的を達成するために、この発明の焦点ずれ測定方法は、以下の工程を備えている。
【００１２】
先ず、それぞれ平行かつ露光装置の解像限界よりも短い配列周期で配列された、複数の細長の直角四辺形状の計測用サブマスクパターンからなる計測用マスクパターンであって、直角四辺形の中央領域を挟む位置に計測用サブマスクパターンの長手方向に離間して設けられている、一対の計測用マスクパターンを備える第１フォトマスクを用意する。次に、下地基板上にレジストを塗布して第１レジスト層を形成した後に、第１フォトマスクを用いて、第１レジスト層全体を露光ショットごとに、下地基板の表面の、当該表面に垂直な方向の位置である基板露光位置を変えて露光する。次に、露光された第１レジスト層を現像して、それぞれ計測用マスクパターンに対応する、計測用サブマスクパターンの間が埋め込まれた一体連続的な、一対の計測用レジストパターンを得る。次に、一対の計測用レジストパターンの、計測用サブマスクパターンの長手方向に対応する方向に測った、最外側壁間での最大離間距離をボトム長さＬｂとし、及び最小離間距離をトップ長さＬｔとしたとき、ボトム長さＬｂと基板露光位置から焦点が合っている基準露光位置を決める。次に、ボトム長さＬｂ及びトップ長さＬｔの差分ΔＬ（＝Ｌｂ−Ｌｔ）と、基板露光位置の、基準露光位置からのずれ量ΔＦとの関係式を得る。次に、下地基板上にレジストを塗布して第２レジスト層を形成した後に、第１フォトマスクと同一の形態の第２フォトマスクを用いて、第２レジスト層全体を、基板露光位置を基準露光位置に固定して露光する。次に、露光された第２レジスト層を現像して計測用レジストパターンを得る。次に、上述の関係式を用いて、計測用レジストパターンのボトム長さＬｂ、及びトップ長さＬｔの差分ΔＬから、露光ショットごとに焦点のずれ量ΔＦを得る。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の焦点ずれ測定方法によれば、フォトマスクが備える計測用マスクパターンとして、平行かつ露光装置の解像限界よりも短い配列周期で配列された、複数の直角四辺形状の計測用サブマスクパターンからなるものを用いている。このため、計測用マスクパターンが転写された計測用レジストパターンのトップ長さＬｔとボトム長さＬｂの差分ΔＬが、下地基板の表面位置の最適露光位置からのずれ量、すなわち焦点のずれ量ΔＦに対して直線的に変化し、その傾きが大きい。従って、ずれ量ΔＦが小さい場合であっても、上下方向のどちらにずれているのかも含めて、ずれ量ΔＦを求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係についてはこの発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の組成（材質）及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されない。なお、平面図に一部ハッチングを付している部分があるが、構成要素を強調して示すためのものであり、断面を示すものではない。
【００１５】
（フォトマスク）
図１を参照して、焦点ずれ測定方法及び焦点位置合せ方法に用いられる、フォトマスクについて説明する。図１は、この発明で使用されるフォトマスクを説明するための図である。図１（Ａ）はフォトマスクの模式的な拡大平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面の切り口を示す図である。
【００１６】
フォトマスク１００は、石英ガラスなどの透明基板２１０と、透明基板２１０上に設けられている遮光膜２４０及びマスクパターン２６０とを備えている。フォトマスク１００の基板面に平行な領域は、遮光領域１１０と、この遮光領域１１０で画成されるパターン領域１２０とに区分されている。遮光領域１１０の透明基板２１０上には、遮光膜２４０が形成されている。また、パターン領域１２０の透明基板２１０上には、マスクパターン２６０が形成されている。この構成例では、パターン領域１２０を直角四辺形状としてある。なお、ここで直角四辺形状とは、正方形状又は長方形状のいずれかを示している。
【００１７】
遮光膜２４０及びマスクパターン２６０は、透明基板２１０上に例えばクロムを蒸着して遮光用膜を形成した後、この遮光用膜をパターニングすることによって得られる。
【００１８】
パターン領域１２０の中央には、直角四辺形状の中央領域１４０が設定されている。中央領域１４０の周囲に、中央領域１４０の各辺に対応して計測用領域１３０がそれぞれ設定されている。各計測用領域１３０に、計測用マスクパターン２５０が１つずつ形成されている。中央領域１４０には、半導体ウエハに形成される回路パターンに対応する、回路用マスクパターン２３０が遮光膜を用いて形成されている。
【００１９】
計測用マスクパターン２５０は、複数の細長の直角四辺形状の計測用サブマスクパターン２２０を備えている。計測用サブマスクパターン２２０は、平行かつ等間隔に配列されている。また、これらの計測用サブマスクパターン２２０は、それぞれの長手方向が、中央領域１４０の辺に対して直角に設けられている。また、計測用サブマスクパターン２２０は、対向する中央領域１４０の辺と平行な方向に端を揃えて配列されている。これらの計測用サブマスクパターン２２０の配列周期を、露光装置の解像限界よりも短い周期としている。
【００２０】
半導体ウエハ上に、レジストを塗布してレジスト層を形成した後に、上述のフォトマスクを用いた露光及び現像を行うと、フォトマスクのマスクパターンが、レジストに転写されてレジストパターンが形成される。
【００２１】
図２を参照して、計測用サブマスクパターン２２０に対応して形成される計測用レジストパターンに注目して説明する。図２は、計測用レジストパターンを主に説明するための図である。図２（Ａ）は計測用レジストパターンと回路用レジストパターンを含むレジストパターンの模式的な拡大平面図であり、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）は、それぞれ図２（Ａ）のＢ−Ｂ線及びＣ−Ｃ線に沿った断面の切り口を示す図である。
【００２２】
下地基板３１０上に形成されるレジストパターン３２０は、中央の回路用マスクパターンに対応する回路用レジストパターン３００と、その周辺の計測用レジストパターン３３０とからなっている。
【００２３】
ここで、図１を参照して説明した、フォトマスク１００が備える計測用サブマスクパターン２２０は、露光装置の解像限界よりも短い配列周期で配列されている。このため、レジスト層へのマスクパターンの転写の際、計測用サブマスクパターン２２０が解像されない。従って、レジスト層を現像しても、個々の計測用サブマスクパターン２２０に一対一で対応する個別のレジストパターンに分離されない。そのために、計測用マスクパターン２５０のそれぞれに、計測用サブマスクパターン２２０の間が埋め込まれた一つの一体連続的な計測用レジストパターン３３０として形成される。例えば、露光装置として波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマステッパを用いる場合は、半導体ウエハ上の寸法に換算して、計測用サブマスクパターンの幅を０．１μｍ、間隔を０．１μｍ、長さ４μｍで作成する。
【００２４】
計測用レジストパターン３３０は、側壁が傾斜した台形状のパターンとして形成される。従って、レジストパターン３３０の底面と上面は相似形であるが、底面の面積は上面の面積より大である。そこで、回路用レジストパターン３００を挟んで対向する２つの計測用レジストパターン３３０のそれぞれの最外側壁間での最大離間距離をＬｂとし、最小離間距離をＬｔとする。ここで最外側壁は、対向する２つの計測用レジストパターン３３０のそれぞれについて、対向する面（３３０ａ）とは反対側の面（３３０ｂ）の側壁を示している。
【００２５】
この最大離間距離Ｌｂは、計測用レジストパターン３３０のボトム長さ、すなわち半導体ウエハ側の下側表面の長さであり、また、最小離間距離Ｌｔは、計測用レジストパターン３３０のトップ長さ、すなわち下側表面に対向する上側表面の長さである。これら長さは、計測用サブマスクパターンの長尺方向に対応した方向に沿った長さである。これらの長さＬｔ及びＬｂを利用して、焦点ずれを測定する。なお、ここではボトム長さＬｂとトップ長さＬｔを、レジストパターンに含まれる、回路レジストパターン３００を挟む部分、すなわち、一対の計測用レジストパターンを用いて測定するものとして説明したが、１つの計測用レジストパターンを用いても良い。この場合、計測用サブマスクパターンの長手方向に対応する方向に測った最大幅をボトム長さＬｂ´とし、また、最小幅をトップ長さＬｔ´とする。
【００２６】
なお、露光装置の解像限界より細い幅のパターンでは、焦点ずれによる先端部の長さ変化、すなわち、計測用サブマスクパターンの長手方向に対応する方向の長さの変化が大きいので、ボトム長さＬｂ（Ｌｂ´）及びトップ長さＬｔ（Ｌｔ´）の測定を、変化の大きい計測用サブマスクパターンの長手方向に対応する方向で行うのが良い。
【００２７】
また、露光装置の投影レンズは、横方向と縦方向（図１中、Ｘ方向とＹ方向）で焦点位置に差を生じさせる収差があるので、フォトマスクは、Ｘ方向及びＹ方向の２組の計測用マスクパターンを備えるのが良い（図１（Ａ）参照）。なお、フォトマスクとして１組の計測用マスクパターンを備える構成として、Ｘ方向とＹ方向の一方ずつ測定を行っても良い。
【００２８】
（焦点ずれ測定方法）
図３〜５を参照して、焦点ずれ測定方法について説明する。なお、フォトマスク及びレジストパターンについて図１及び図２を参照することもある。図３は、露光装置を用いて露光を行っている状態を示す模式図である。
【００２９】
この発明の焦点ずれを測定する方法によれば、予め、同じ露光条件でのレジストの屈折率及び厚さが等しい場合の、計測用レジストパターンのトップ長さＬｔとボトム長さＬｂの差分ΔＬとずれ量ΔＦの関係式を求めておき、その後、測定で得られた差分ΔＬを、この関係式に代入することで、露光ショットごとに焦点のずれ量を取得することができる。以下、詳細に説明する。
【００３０】
なお、以下の説明において、トップ長さＬｔとボトム長さＬｂを、レジスト長さＬと総称することがある。
【００３１】
レジスト長さＬとずれ量ΔＦとの関係式を得る工程は、以下のステップ（以下、ステップをＳで表す。）１０〜Ｓ４０の工程を含む。
【００３２】
Ｓ１０の工程では、先ず、下地基板３１０上にレジストを塗布して第１レジスト層３４０を形成した後、露光装置のウエハステージ（図示を省略する。）に、第１レジスト層３４０を備える下地基板３１０を固定する。ここで、下地基板として半導体基板、又は半導体基板上にフォトリソグラフィ及びエッチングでパターニングされる層を備える基板を用いることができる。以下の説明では、この基板を半導体ウエハと称することもある。また、露光装置のレチクルステージ（図示を省略する。）に計測用マスクパターンが形成されている第１フォトマスク１００ａを固定する。第１フォトマスクとしては、図１を参照して説明したフォトマスクを用いることができる。
【００３３】
第１フォトマスク１００ａを縮小投影レンズ４００で第１レジスト層３４０に投影して露光を行う。この露光は、ウエハステージを、水平方向に一回の露光で露光される領域分ずつずらしながら、下地基板３１０上の第１レジスト層３４０の領域全体について行う。このとき、露光ショットごとに、基板露光位置Ｆｍを変化させる。基板露光位置Ｆｍは、下地基板３１０の表面の、当該表面に垂直な方向（Ｚ方向）の位置であって、露光装置の縮小投影レンズの焦点位置、レジストの屈折率や厚さに依存して定まる。Ｓ１０の工程では、下地基板の表面を仮想的に凹凸の無い平坦面と仮定する。基板露光位置Ｆｍは、例えば、レチクルステージとウエハステージの距離と下地基板の平均の厚さで定まる。なお、基板露光位置Ｆｍが最適な露光位置に一致する場合の位置を、基準露光位置Ｆ０と称する。
【００３４】
Ｓ２０では、露光された第１レジスト層３４０を現像して、第１レジストパターンを得た後、第１レジストパターンに含まれる計測用レジストパターンのボトム長さＬｂとトップ長さＬｔのレジスト長さＬを測定する。なお、第１レジストパターンに含まれる計測用レジストパターンを計測用第１レジストパターンと称することもある。
【００３５】
第１フォトマスク１００ａとして、図１を参照して説明したフォトマスクを用いる場合、第１レジストパターンとして、図２を参照して説明したレジストパターンが得られる。レジスト長さＬの測定は、光学顕微鏡を備える測定装置、例えば、半導体装置の製造に当たり、下地基板と下地基板上に形成する層の重ね合わせ測定に一般に利用されている重ね合わせ測定装置を用いて行うことができる。
【００３６】
Ｓ３０では、焦点のずれ量ΔＦとレジスト長さＬを直交座標面上にプロットして基準露光位置を取得する。図４は、プロットにより得られる焦点のずれ量ΔＦ（単位：μｍ）と、レジスト長さＬ（単位：μｍ）の関係を示す特性図である。図４では、横軸にずれ量ΔＦを取って示し、及び、縦軸にレジスト長さＬをとって示している。図４中、曲線Ｉはボトム長さＬｂを示し、曲線ＩＩはトップ長さＬｔを示している。ここで、ボトム長さＬｂが最大となるのは、基板露光位置Ｆｍが基準露光位置Ｆ０に一致する場合であり、このときのずれ量ΔＦを０とする。また、基板露光位置Ｆｍが、基準露光位置Ｆ０に対して上方、すなわち、縮小投影レンズ４００に近い方にずれている場合（図３参照）にずれ量ΔＦを正の値とし、基準露光位置Ｆ０に対して下方にずれている場合にずれ量ΔＦを負の値とする。図４の曲線Ｉ及びＩＩが示すように、トップ長さＬｔが最大となる基板露光位置Ｆｍは、ボトム長さＬｂが最大となる基板露光位置、すなわち基準露光位置Ｆ０と異なっている。
【００３７】
Ｓ４０では、基板露光位置Ｆｍの基準露光位置Ｆ０からのずれ量ΔＦとレジスト長さの差分ΔＬ（＝Ｌｂ−Ｌｔ）を直交座標面上にプロットして、ずれ量ΔＦとレジスト長さの差分ΔＬの関係を得る。図５は、焦点のずれ量ΔＦと、レジスト長さの差分ΔＬの関係を示す特性曲線図である。図５では、横軸にずれ量ΔＦ（単位：μｍ）を取って示し、及び、縦軸にレジスト長さの差分ΔＬ（単位：μｍ）をとって示している。
【００３８】
図５に示す結果によれば、曲線ＩＩＩが示すように、差分ΔＬは、ずれ量ΔＦが０の付近、すなわち、基準露光位置Ｆ０付近で右上がりの単調増加を示す。特に、−０．４μｍ〜＋０．６μｍの範囲では、ずれ量ΔＦに対する差分ΔＬは、１５％程度の誤差の範囲内で直線近似することができる。すなわち、ずれ量ΔＦに対する差分ΔＬは、傾きをＡとし、切片をＢとして、下記の（１）式に近似される。
【００３９】
ΔＬ＝Ａ×ΔＦ＋Ｂ   （１）
なお、このグラフの形状は、同じ露光装置を用いた場合、レジストの材質、レジストパターンの形状、下地基板の構造、露光強度及び露光時間が等しければ、ほとんど変化しない。図５中、この（１）式の直線を点線ＩＶで示してある。
【００４０】
レジスト長さの差分ΔＬと、基板露光位置Ｆｍの基準露光位置Ｆ０からのずれ量ΔＦとの関係式を得た後、この関係式を用いて以下のＳ５０〜Ｓ７０の工程で、露光ショットごとにレジスト長さＬから焦点ずれの大きさであるずれ量ΔＦを求める。
【００４１】
Ｓ５０の工程では、Ｓ１０の工程と同様に、先ず、下地基板上にレジストを塗布して第２レジスト層を形成した後、露光装置のウエハステージに、第２レジスト層を備える下地基板を固定する。また、露光装置のレチクルステージに、第１フォトマスクと同一形態の、計測用マスクパターンを備える第２フォトマスクを固定する。
【００４２】
次に、ウエハステージを水平方向に一回に露光される領域分ずつずらしながら、下地基板上の第２レジスト層の領域全体について露光を行う。このとき、基板露光位置は、例えばＳ３０の工程で得られた基準露光位置Ｆ０に固定する。その後、第２レジスト層の現像を行って、計測用レジストパターンを含む第２レジストパターンを得る。なお、第２レジストパターンに含まれる計測用レジストパターンを計測用第２レジストパターンと称することもある。
【００４３】
このとき、ウエハステージの傾きや、下地基板又はウエハステージの凹凸によって、基板露光位置Ｆｍが基準露光位置Ｆ０に一致していても、露光ショットごとに、下地基板の表面が最適露光位置からずれる、すなわち焦点が合わない場合がある。この場合、計測用第２レジストパターンのレジスト長さＬも露光ショットごとに異なる値になる。
【００４４】
Ｓ６０では、計測用第２レジストパターンのボトム長さＬｂとトップ長さＬｔを測定する。
【００４５】
Ｓ７０では、測定したボトム長さＬｂ及びトップ長さＬｔの差分ΔＬから、（１）式を用いて、露光ショットごとに、下地基板の表面の焦点のずれ量ΔＦを得る。
【００４６】
この焦点ずれ測定方法によれば、平行かつ露光装置の解像限界以下の配列周期で配列された複数の計測用サブマスクパターンを備える計測用マスクパターンを用いていることにより、計測用レジストパターンのトップ長さＬｔとボトム長さＬｂの差分ΔＬが、焦点のずれ量ΔＦに対して、直線的に変化し、その変化が大きいことを利用している。従って、焦点のずれ量が小さい場合であっても、下地基板の表面が最適露光位置から上下方向のどちらにずれているのかも含めて、正確に焦点のずれ量を求めることができる。
【００４７】
なお、露光装置やレジストの条件が同じ場合、一度、上述の（１）式を得た後は、この（１）式を用いてＳ５０〜Ｓ７０の工程を、複数の下地基板について繰り返し行うことができる。
【００４８】
この焦点ずれ測定方法では、レジスト長さの差分ΔＬとずれ量ΔＦとの関係式を得る際に用いる第１フォトマスクと、差分ΔＬからずれ量ΔＦを求める際に用いる第２フォトマスクとは、同じ形状及び大きさの計測用レジストパターンを備えていれば良く、第１フォトマスクと第２フォトマスクとを、同じフォトマスクにしても良い。
【００４９】
また、焦点のずれ量として、複数の露光ショットで得られたずれ量ΔＦを平均した平均ずれ量を求めることができる。
【００５０】
ここで、上述した焦点ずれ測定方法で求められる焦点のずれ量は、半導体ウエハに起因するものと、露光装置に起因するものが合算されたものである。このため、１回の操作だけでは、この発明の焦点ずれ測定方法で得られた焦点のずれ量が、露光装置に起因するものか、半導体ウエハに起因するものかを区別することはできない。そこで、露光装置に起因する焦点のずれ量を得るためには、異なる半導体ウエハに対して、複数回の操作を行ってその平均を取る必要がある。
【００５１】
（焦点位置合せ方法）
焦点位置合せ方法は、Ｓ１０〜Ｓ８０の工程を備えている。Ｓ７０までの工程は、上述した焦点ずれ測定方法と同様であるので、説明を省略する。焦点位置合せ方法では、Ｓ１０〜Ｓ７０の工程で得られた、焦点のずれ量ΔＦに基づいて、焦点位置合わせを行う。
【００５２】
Ｓ８０では、下地基板上に新たに塗布されたレジスト層全体を、回路用マスクパターンを備える第３フォトマスクを用いて、露光ショットごとに基板露光位置を基準露光位置Ｆ０からずれ量ΔＦだけ変位させて露光及び現像を行う。例えば、焦点ずれ測定の結果、ある露光ショットでのレジスト長さＬの差分がΔＬｍであり、このときのずれ量がΔＦｍであるとする。この露光ショットの露光を行う場合、基板露光位置を、基準露光位置Ｆ０からΔＦｍだけずらして露光を行う。
【００５３】
この焦点位置合せ方法によれば、露光ショットごとに正確に求められたずれ量ΔＦを用いて位置合せを容易に行うことができる。
【００５４】
なお、ここでは、Ｓ８０の工程において、露光ショットごとに基板露光位置Ｆｍを基準露光位置Ｆ０からずれ量ΔＦだけ変位させて露光を行った例を示しているが、これに限定されない。複数の露光ショットで得られたずれ量ΔＦを平均した平均ずれ量を求めて、基板露光位置を、基準露光位置から平均ずれ量だけずらした位置に固定して、レジスト層全体の露光を行っても良い。
【００５５】
Ｓ１０〜Ｓ４０のずれ量ΔＦと差分ΔＬとの関係式を得る工程で用いられる第１フォトマスクと、Ｓ５０〜Ｓ７０のレジスト長さＬからずれ量ΔＦを求める工程で用いられる第２フォトマスクは、いずれも計測用マスクパターンを備える必要がある。また、Ｓ８０の工程で用いられる第３フォトマスクは、回路用マスクパターンを備える必要がある。
【００５６】
そこで、第１フォトマスクを、計測用マスクパターンと回路用マスクパターンの両者を備える構成にすれば、共通のフォトマスク、ここでは第１フォトマスクを用いて、焦点ずれ測定と焦点位置合わせを行うことができる。このとき、Ｓ７０の工程で得られた焦点のずれ量ΔＦが、要求される基準を満たしていれば、Ｓ８０の工程を行うことなく、第２レジストパターンをマスクとして用いたエッチングを行って、下地基板のパターニングを行うことができる。すなわち、焦点ずれ測定と、回路パターンの形成とを同一の基板を用いて同一工程で行うことができる。
【００５７】
なお、露光装置やレジストの条件が同じ場合、一度、Ｓ４０の工程において上述の（１）式を得た後は、この（１）式を用いてＳ５０〜Ｓ８０の工程を、複数の下地基板について繰り返し行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】フォトマスクを説明するための図である。
【図２】レジストパターンを説明するための図である。
【図３】露光装置を用いて露光状態を行っている状態を示す模式図である。
【図４】焦点のずれ量とレジスト長さの関係を示す特性図である。
【図５】焦点のずれ量とレジスト長さの差分との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００５９】
１００    フォトマスク
１００ａ    第１フォトマスク
１１０    遮光領域
１２０    パターン領域
１３０    計測用領域
１４０    中央領域
２１０    透明基板
２２０    計測用サブマスクパターン
２３０    回路用マスクパターン
２４０    遮光膜
２５０    計測用マスクパターン
２６０    マスクパターン
３００    回路用レジストパターン
３１０    下地基板
３２０    レジストパターン
３３０    計測用レジストパターン
３４０    第１レジスト層
４００    縮小投影レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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