(57)【要約】【課題】半導体製造工程で広く用いられている重ね合わせ測定装置を用いて、簡便にフォーカス計測を行う結像特性計測方法を提示する。【解決手段】基板上にレジスト膜を形成し、このレジスト膜に第１のパターンを露光により転写を行う。次に、このレジスト膜に転写された第１のパターンの潜像に重ね合わせるように第２のパターンを露光により転写を行う。次に、第１のパターンと前記第２のパターンが転写された前記レジスト膜を現像し計測用レジストパターンを形成する。そして、二等辺三角形である計測用レジストパターンの頂角のフォーカス変動による後退量を計測することによりフォーカス変動量を計測する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜に第１のパターンを露光により転写する工程と、
前記レジスト膜に転写された前記第１のパターンの潜像に重ね合わせるように第２のパターンを露光により転写する工程と、
前記第１のパターンと前記第２のパターンが転写された前記レジスト膜を現像し計測用レジストパターンを形成する工程と、
前記計測用レジストパターンのエッジの後退量を計測することによりフォーカス変動量を計測することを特徴とする結像特性計測方法。
【請求項２】
前記第１のパターンは平行四辺形で、前記第２のパターンは前記第１のパターンを裏返しにしたものであることを特徴とする請求項１記載の結像特性計測方法。
【請求項３】
前記計測用レジストパターンは、前記第１のパターンと前記第２のパターンが重複してできた二等辺三角形であることを特徴とする請求項２記載の結像特性計測方法。
【請求項４】
前記エッジは二等辺三角形の頂角であることを特徴とする請求項１記載の結像特性計測方法。
【請求項５】
前記計測用レジストパターンは、前記頂角が向かい合った２つの前記二等辺三角形からなる第１のレジストパターンと、底辺が向かい合った２つの前記二等辺三角形からなる第２のレジストパターンとからなることを特徴とする請求項４記載の結像特性計測方法。
【請求項６】
前記計測用レジストパターンの前記エッジの後退量の計測では、前記第１のレジストパターン及び前記第２のレジストパターンの頂角間距離の差分をとることを特徴とする請求項５記載の結像特性計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、露光装置の投影光学系の結像特性を計測する結像特性計測方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の微細パターンは、マスク上の原図を投影光学系を用いて基板上に投影して形成される。ＬＳＩ製造に広く用いられている縮小投影露光装置（ステッパ）について説明する。水銀ランプからの紫外線でマスクを照明し、マスク上の遮光膜パターンを基板上に転写する。基板上には通常、数百個のＬＳＩチップが形成されるが、縮小投影装置を用いる場合にはマスク上のパターンをウェハ上に焼き付けて、基板をシフトさせ、再度焼き付けるという作業を繰り返す（ステップ＆リピート方式）ことにより基板全面にパターンを形成する。リソグラフィ技術を用いて基板上にパターンを形成し、このパターンに基づいて基板を加工するという工程を繰り返すことによりＬＳＩが製造される。マスク上の原図を基板上に転写する露光装置では露光の際のフォーカス変動により転写像の精度が大きく変化してしまうため、投影光学系のベストフォーカス位置を精度良く計測する技術が必要である。
【０００３】
上記の投影光学系のベストフォーカス位置を計測する方法として、特許文献１がある。これに示されるように、基板上に菱形マークを形成し、該像の所定の長さを計測することにより、投影光学系の種々の結像特性を計測する方法がある。図７に計測例を示す。基板上に形成されたレジストパターン７０４は、Ｘ方向に細長く伸びた菱形の形状を有し、Ｙ方向に一定の間隔で並んでいる。このようなレジストパターンをビーム７０２で走査することにより、Ｘ方向に伸びるエッジから散乱光が発生する。その散乱光を光信号レベルに変換した時の、ビーム走査位置との関係をプロファイル７０６に示す。レジストパターンのＸ方向の中心部では光信号レベルが最も高く、両側の先端部にいくに従って、光信号レベルは低くなる。こうして得られた信号波形の長さＬを検出することで、レジストパターンの長さが検出される。図８（ａ）にフォーカス変動時のレジストパターン形状を示す。基板上に形成されるレジストパターンはベストフォーカス付近では像のコントラストが高いため、先端近くまでレジストパターンとして転写される。反対に、ベストフォーカス付近から外れるに従って像のコントラストが低下するため、パターンは先端から消失する。以上のことから、図８（ｂ）のようにレジストパターン長とフォーカス変動の関係図をプロットすることにより、ベストフォーカス位置が算出される。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１６９２６６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以下、従来例の課題について説明する。
【０００６】
マスク上の原図を基板上に転写する露光装置では露光の際のフォーカス変動により転写像の精度が大きく変化してしまうため、投影光学系のベストフォーカス位置を精度良く計測する必要がある。従来の計測方法では、菱形のマークを長さとして計測するために、露光装置に搭載された専用装置を必要とする。また、基板あるいはビームの回転及びビームプロファイルにより測定精度に影響を及ぼす要因が多い。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
従来の課題を解決するために、本発明の結像特性計測方法は、露光装置ではなく、半導体製造工程で広く用いられている重ね合わせ測定装置を用いて、簡便にフォーカス計測を行う。
【０００８】
本構成では、重ね合わせ測定装置を用いて計測可能なマークを構築し、そのマークを用いることにより、簡便にフォーカスを精度良く測定可能である。また、重ね合わせ測定装置ではＣＣＤカメラにより画像を取り込み、画像処理により計測するため、ビームプロファイル及びビームの回転による測定精度の劣化を除去することができ、精度良く計測することが可能である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１０】
図１〜図６を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施の形態における工程フローを示す図である。図２は、本発明の結像特性計測用パターンを形成するためのパターンを示す図である。図３は、本発明の結像特性計測用レジストパターンを示す図である。図４は、本発明の結像特性計測用レジストパターンを基板上に形成した図である。図５は、本発明の結像特性計測用レジストパターン形成時の未露光パターンを示す図である。図６は、本発明の実施の形態に用いた重ね合わせ測定装置のエッジ検出の模式図である。
【００１２】
図１に示す本発明の実施の形態における工程フロー図に従って説明する。
【００１３】
まず、工程（１）では、レジストパターンを形成するために、半導体基板上にポジ型のレジストを塗布する。
【００１４】
次に、工程（２）では、半導体基板上のレジストに図２（ａ）に示す第１のパターン２３１を用いて露光により転写する。
【００１５】
工程（３）では、半導体基板上のレジストに図２（ｂ）に示す第２のパターン２３２を用いて露光により転写する。この第２のパターン２３２は、第１のパターン２３１を右もしくは左に９０度回転させたものである。この第２のパターン２３２は、工程（２）でレジストに転写された第１のパターン２３１の潜像に対して位置合わせを行い工程（２）と同じ露光条件で転写する。
【００１６】
そして、工程（４）において、第１のパターン２３１及び第２のパターン２３２が転写されたレジストを現像することにより図３に示すようなレジストパターン３００を形成する。このレジストパターン３００は、二等辺三角形の頂角が互いに向かい合うレジストパターン３０２と、底辺が互いに向かい合うレジストパターン３０４とから形成されている。そして、このパターン３０２とパターン３０４のセットがＸ方向とＹ方向に形成されている。このレジストパターン３００は、例えば図４に示すように７×９のマトリクス状に計６３個形成する。この６３個のレジストパターンは、７種類の露光量オフセットと９種類のフォーカスオフセットとを組み合わせた露光条件で第１のパターン２３１及び第２のパターン２３２をステップ＆リピート方式で形成したものである。
【００１７】
ここで、第１のパターン２３１、第２のパターン２３２及びレジストパターン３００について説明する。
【００１８】
図２（ａ）のマーク２０２は平行四辺形である。そして、マーク２０３は、マーク２０２を反転（裏返し）させたものである。このマーク２０２とマーク２０３とをセットにしたものを複数配置したマーク群２０４を時計回りに９０度回転させたマーク群２０７、さらに９０度回転させたマーク群２１１、さらに９０度回転させたマーク群２１５を正方形２２０の各辺上に配置するように第１のパターン２３１を形成する。
【００１９】
そして、図２（ｂ）に示す第２のパターン２３２は第１のパターン２３１を時計回りに９０度回転させたものである。
【００２０】
さらに図３に示すレジストパターンは、図５に示すように第１のパターン２３１と第２のパターン２３２を重ね合わせたときに重複する未露光部分が二等辺三角形となる部分である。
【００２１】
工程（５）では、工程（４）までに形成したレジストパターンを用いてフォーカス変動量を測定する。
【００２２】
図３で示したレジストパターン３００を重ね合わせ測定装置により計測し、各レジストパターンの位置ずれ量を計測する。この位置ずれ量からベストフォーカスを算出する。
【００２３】
この測定について、Ｘ方向のパターンを用いて説明する。
【００２４】
図３で示したレジストパターン３００のレジストパターン３０２とレジストパターン３０４の一部を図６に示す。重ね合わせの測定原理は、ＣＣＤカメラにより画像を取り込み、画像処理により計測を行う。ＣＣＤカメラより取り込まれた画像は黒を０、白を２５５と定義し、その領域内で、明るさを数値化し、各々のパターン位置を検出する。
【００２５】
図６ではベストフォーカス時に形成されるレジストパターン３１０及びデフォーカス時に形成されるレジストパターン３２０の形状を示す。ベストフォーカス時に形成されるレジストパターン３１０のパターン位置を基準とした場合、デフォーカスでは各レジストパターンの二等辺三角形の頂角にあたる部分のパターンが後退量し、位置ずれを起こす。この位置ずれ量は、第１のパターン３３０と第２のパターン３３２の間の距離Ｘ１と、第３のパターン３３４と第４のパターン３３６の間の距離Ｘ２とを重ね合わせ装置で計測することによって得ることができる。ベストフォーカスでは、レジストパターン３０４とレジストパターン３０２の二等辺三角形の頂角が鋭角に形成されるので、距離Ｘ１では距離が大きくなり、距離Ｘ２では距離が小さくなる。デフォーカスでは、ベストフォーカスの場合とは反対に、距離Ｘ１では距離が小さくなり、距離Ｘ２では距離が大きくなる。そして、下記の式より、相対距離の差分が求まる。
【００２６】
Δ＝（Ｘ１−Ｘ２）／２
この相対距離の差分とフォーカス値との関係を図６（ｂ）のようにプロットすることにより、投影光学系のベストフォーカス位置を算出することができる。
【００２７】
また、同様のことがＹ方向のレジストパターンでも生じ、これによりＸ，Ｙ方向について同時に計測が可能となる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明の結像特性計測方法によれば、特殊な装置ではなく、重ね合わせ測定装置を用いて、簡便にフォーカスを精度良く測定可能である。また、重ね合わせ測定装置ではＣＣＤカメラにより画像を取り込み、画像処理により計測するため、ビームの回転による測定精度の劣化を除去することができ、さらにビームプロファイルを平均化することで、精度良く計測することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における工程フローを示す図
【図２】本発明の結像特性計測用パターンを形成するためのパターンを示す図
【図３】本発明の結像特性計測用レジストパターンを示す図
【図４】本発明の結像特性計測用レジストパターンを基板上に形成した図
【図５】本発明の結像特性計測用レジストパターン形成時の未露光パターンを示す図
【図６】本発明の実施の形態に用いた重ね合わせ測定装置のエッジ検出の模式図
【図７】従来例における計測例の模式図
【図８】従来例における計測例の模式図
【符号の説明】
２０２、２０３  マーク
２０４、２０７、２１１、２１５  マーク群
２２０  正方形
２３１、３３０  第１のパターン
２３２、３３２  第２のパターン
２３３、３３４  第３のパターン
３００、３０２、３０４、３１０、３２０  レジストパターン
３３６  第４のパターン
７０２  ビーム
７０４  レジストパターン
７０６  プロファイル
【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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【図６】
2005032853.tif 000008
【図７】
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【図８】
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