(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項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、
前記偏光認識工程において抽出された前記偏光度変化に基づいて、露光プロセス条件を最適化して、前記リソグラフィを行なう工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２９４７０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【発明の効果】
【００１２】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
【数１】
0004816156.tif 000002
【００３０】
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。
【００３１】
【数２】
0004816156.tif 000003
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
【数３】
0004816156.tif 000004
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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）。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】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２】マスク作成手順の一例を示すフローチャートである。
【図３】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４】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５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【符号の説明】
【００５１】
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
【図１】
0004816156.tif 000005
【図２】
0004816156.tif 000006
【図３】
0004816156.tif 000007
【図４】
0004816156.tif 000008
【図５】
0004816156.tif 000009
【図６】
0004816156.tif 000010
【図７】
0004816156.tif 000011