(57)【要約】【課題】  半導体デバイスの製造工程におけるフォトリソグラフィでの露光量およびフォーカス等の露光条件の最適化を個別かつ簡便に実現することができる技術を提供する。【解決手段】  半導体ウェハのパターンに光を照射し、その反射による散乱光を用いてパターンの形状情報を検出する光学系により、予め作成した複数の形状変形パターンを有するＦＥＭサンプルウェハの波形を検出・保存する。パターンの変形に伴って生じるスペクトル波形上での１つ以上の特徴点を記録し、特徴点の変動モデルを求める。被測定パターンでは、上記と同様にしてスペクトル波形を検出し、波形上の特徴点の変位から、変動モデルを用いて、作成条件の変位（露光量ずれ、フォーカスずれ）を推定する。これにより、露光量とフォーカスを独立にフィードバックすることができ、高精度なプロセス制御が実現できる。【選択図】  図１
2006228843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハのパターンに光を照射し、その散乱光を用いて前記パターンの形状情報を検出する工程を有し、
製造条件の変化と散乱光波形の変化から製造条件の変動を検知し、製造プロセスを制御することを特徴とする半導体デバイスのプロセス制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体デバイスのプロセス制御方法において、
前記製造条件は、露光工程のフォーカス・露光量条件、あるいは、エッチング工程の圧力・温度条件であることを特徴とする半導体デバイスのプロセス制御方法。
【請求項３】
請求項１記載の半導体デバイスのプロセス制御方法において、
前記散乱光は、分光器によって得られたスペクトル波形、あるいは、入射角に対する反射光変化によって得られた角度分布波形であることを特徴とする半導体デバイスのプロセス制御方法。
【請求項４】
請求項１記載の半導体デバイスのプロセス制御方法において、
前記散乱光波形の変化から製造条件の変動を検知する方法は、製造条件の変化に対し、変化の大きい散乱光波形上の点を検知する方法であることを特徴とする半導体デバイスのプロセス制御方法。
【請求項５】
請求項１記載の半導体デバイスのプロセス制御方法において、
前記散乱光波形の変化から製造条件の変動を検知する方法は、対象工程の前工程での膜厚変動による変化分を差し引く方法、あるいは、対象工程の前工程での膜厚変動による変化が生じない波長領域の波形変動を検出する方法であることを特徴とする半導体デバイスのプロセス制御方法。
【請求項６】
請求項１記載の半導体デバイスのプロセス制御方法において、
前記散乱光波形の変化から製造条件の変動を検知する方法は、波形変化量と製造条件変化量との統計処理により回帰式を求める方法であることを特徴とする半導体デバイスのプロセス制御方法。
【請求項７】
請求項１記載の半導体デバイスのプロセス制御方法において、
前記散乱光波形の変化から製造条件の変動を検知する方法は、当該工程でのパターン形状変化のみを求めるため、散乱光波形のＴＥ偏光分とＴＭ偏光分との比率波形の変化を用いる方法、あるいは、パターンの無い領域の散乱光波形を参照する方法、あるいは、予め下地膜厚データを保持して参照する方法であることを特徴とする半導体デバイスのプロセス制御方法。
【請求項８】
請求項１記載の半導体デバイスのプロセス制御方法において、
前記散乱光波形の変化から製造条件の変動を検知する方法は、予め、製造条件を指定量だけ変化させたサンプルを作成し、該サンプルを用いて散乱光波形を得る方法であり、
前記サンプルは、露光シミュレーションにより作成することを特徴とする半導体デバイスのプロセス制御方法。
【請求項９】
半導体ウェハを準備する工程と、
前記半導体ウェハにリソグラフィによって半導体デバイスの回路パターンを形成する工程と、
前記半導体ウェハを個々の半導体デバイスに分離する工程と、
個々の前記半導体デバイスを封止する工程とを有し、
前記リソグラフィによる工程は、請求項１記載の半導体デバイスのプロセス制御方法を適用することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項１０】
請求項９記載の半導体デバイスの製造方法において、
前記リソグラフィによる工程は、フォーカス・露光量条件を製造条件とする露光工程、あるいは、圧力・温度条件を製造条件とするエッチング工程を含むことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスの製造技術に関し、特に、露光工程における露光量およびフォーカス制御、さらにエッチング工程における圧力および温度制御を高精度に行う方法に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体素子の製造は、シリコンウェハ上に導電膜または絶縁膜を成膜する成膜工程と、この膜上に感光剤であるレジストを塗布し、露光装置を用いてレチクル上の回路パターンをレジストに露光、現像した後、残存するレジストをマスクとして膜をエッチングすることによってウェハ上に回路パターンを形成するリソグラフィ工程を各層で繰り返すことによって行われている。
【０００３】
ここで、本発明の背景技術として、本発明者が本発明の前提として検討した技術を図２１〜図２６を用いて説明する。それぞれ、図２１は半導体の露光工程の説明、図２２は分光波形方式のｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙ計測装置の構成、図２３はウェハ上のラインアンドスペースパターン、図２４は分光波形方式のｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙ計測装置の別の構成、図２５は角度走査方式のｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙ計測装置の構成、図２６はｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙ計測装置の形状計測方式の説明のための図である。
【０００４】
まず、リソグラフィ工程にて、レジストに回路パターンを焼き付ける露光工程を図２１により説明する。レチクル２００上には作成する層での回路パターンが描画されており、これには、製品回路パターンが描画された領域２０１とその周辺のテスト回路パターンが描画された領域２０２が含まれている。いずれのパターンも露光光２０３により、露光レンズ２０４を介してウェハ１に塗布されたレジスト上に転写される。転写され感光した部分のレジストはその後の現像工程にて残存し、マスクとなる（ネガ型レジストの場合）。転写された回路パターンが設計寸法通りに仕上がっているかどうかを確認するため、通常ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による寸法検査が行われている。
【０００５】
検査は、転写回路パターン２００ｔのうち、転写製品パターン２０１ｔを直接計測する場合と、チップ領域の外側に存在する転写テストパターン２０２ｔを計測する場合がある。測定した寸法の大小により、一般的には露光装置の露光量で補正を行っている。この露光量補正の自動化に関しては、例えば非特許文献１に記載されている。一方で、寸法の変動の原因としては露光装置の露光量変動以外にフォーカスずれが挙げられる。露光量だけでなく、フォーカスの補正も行う方法が、例えば特許文献１に開示されている。これは、予めＳＥＭの波形変化を露光量、フォーカスずれと関連付けることにより、ＳＥＭの波形から直接、露光量およびフォーカスの補正量を求める方法である。また、レジストによる回路パターンの検査には寸法だけでなく、パターンの高さ方向の形状、すなわち断面プロファイルが半導体素子の性能に影響することが判ってきたため、転写回路パターンの断面プロファイルを光学的に測定するｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙという方法が、例えば非特許文献２に開示されている。
【０００６】
ここで、ｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙ計測装置の構成を図２２により説明する。図２２は分光型のｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙ計測装置である。
【０００７】
白色光源２１からの光を集光レンズ２２に導き、偏光素子２８で偏光させた後、入射光２３としてウェハステージ１０１上の計測対象のウェハ１００にある角度を持って照射させる。ウェハ１００からの反射光２４は偏光素子２８ａを通り、集光レンズ２５にてグレーティング２６に集光される。グレーティング２６により反射光２４は分光し、分光器２７にてスペクトル分解され、波形処理手段２９によりスペクトル波形２９ａとして出力される。また、ウェハ１００はウェハステージ１０１上に搭載され、任意の位置での波形検出が可能であり、偏光素子２８および２９は、パターンの方向により、偏光方向を変更可能となっているので、パターンに平行なＴＥ偏光、直角なＴＭ偏光のいずれも、或いは中間の角度（例えば、３０，４５°など）の偏光での波形検出を検出できるようにしている。
【０００８】
ここで、ウェハ１００に照射させる位置は、例えば、図２３で示すラインアンドスペース領域である。これは、十分な光量が得られ、かつ均一なパターンでなくてはならないため、概ね５０μｍ角以上のエリアで図２３のライン２０６Ｌ及びスペース２０６Ｓで構成される形状が必要である。このようなパターンは一般には製品回路中には存在しないため、製品回路パターン外のテストパターン２０２ｔのエリアに生成する。
【０００９】
この他にも、図２４に示す光学系の構成も知られている。白色光源２１からの入射光３０は、ハーフミラー３１で反射され、対物レンズ３２で集光され偏光素子２８を介して測定対象であるウェハ１００上に照射される。ウェハ１００上のパターンからの反射光３３は再び偏光素子２８を通過し、対物レンズ３２、ハーフミラー３１を通過し、グレーティング２６により分光され、分光器２７でスペクトルデータとなる。これにより、対象パターンのスペクトル波形が得られる。
【００１０】
以上は、分光型の光学系構成を示したが、角度走査型の光学系の例も開示されている。それを図２５を用いて説明する。レーザなどの単波長光源４０からの光は照射端４１にて指定の角度θで入射光４２として測定対象のウェハ１００上に照射される。ウェハ１００上のパターンからの反射光４３は、受光素子４４にて検出される。照射端４１は出射角度変更部４６上に設置され、また受光素子４４は受光角度変更部４７上に設置されており、任意の角度での反射光検出が可能となっている。受光素子４４からの光は検出部４５に送られ、各角度に対する測定点の反射強度波形４５ａが測定される。
【００１１】
次に、上記光学系によって検出された波形によって、被対象物の形状を求める手段を図２６を用いて説明する。周期的なパターンから得られた光学波形は、測定パターンの形状によって変化する。そこで、前もって、様々な断面プロファイルに対する光学波形を波動光学シミュレーションによって求めておき、これらをライブラリとして蓄えておく。例えば、繰り返しパターン断面形状２１１のピッチＰ、ボトム線幅Ｗ、膜厚Ｈ、テーパ角φに応じて断面プロファイルをモデル化し、シミュレーションを行う。シミュレーション結果２１２をライブラリ２１３に蓄えておく。計測波形２１０とライブラリの比較を比較手段２１４にて行い、一致した波形を与える断面プロファイルを計測値とする。比較手段２１４には、ライブラリのみを用いる場合と、ライブラリを用いずにリアルタイムに光学シミュレーションを行う場合、両者を要求精度によって併用する場合がある。
【００１２】
このようなｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙは、感光剤の反応により電子線照射中に線幅が変化する懸念のあるＳＥＭと比べて、光による計測であるので有利である。また、大気中で計測可能であり、ＳＥＭのように真空引きに時間を取られることもないので、高速測定が可能である。
【００１３】
ｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙは、上述のように回路パターン断面プロファイルを測定する上でＳＥＭと比べてメリットがあるが、大量の波形を予め算出する必要があるため、高速な光学シミュレーションが必要となる。このため、例えば、非特許文献３に開示されているＲｉｇｏｒｏｕｓ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｗａｖｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓと呼ばれる計算手法が採用されている。これは、パターン断面を複数の矩形層で近似し、それぞれの矩形層を無限に続く同一ピッチおよびデューティの回折格子とみなし、境界を合わせることにより波動方程式の級数解の係数を決定する方法である。波動方程式の別の解法である有限要素法等と比較すると、極めて高速に波形算出が行える。
【００１４】
このようなｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙを用いて計測したパターン断面形状とフォーカスずれとを関連付けて、フォーカス制御を行う手法が、例えば、非特許文献４に開示されている。
【特許文献１】特開２００１−１４３９８２号公報
【非特許文献１】Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  Ｃｌｏｓｅｄ−ｌｏｏｐ  ＣＤ  ａｎｄ  Ｏｖｅｒｌａｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  ｆｏｒ  ｓｕｂ  ０．２５μｍＰａｔｔｅｒｎｉｎｇ，ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．３３３２，１９９８，ｐｐ４６１−４７０
【非特許文献２】Ｓｐｅｃｕｌａｒ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ  Ｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙ  ｉｎ  ＤＵＶＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ，ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．３６７７，１９９９，ｐｐ１５９−１６８
【非特許文献３】Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｓｕｒｆａｃｅ−ｒｅｌｉｅｆ  Ｇｒａｔｉｎｇｓ，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．，Ｖｏｌ．７２，Ｎｏ．１０，１９８２
【非特許文献４】第６４回応用物理学会学術講演会予稿１ｐ−Ｒ−２  Ｐ６４１（２００３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ところで、上記ｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙは、適用しようとする露光工程のフォーカスマージンが少なく、デフォーカス検知精度が要求される場合には、フォーカス変化に対する断面形状変化の感度が重要となるが、上記シミュレーションによる手法では、実デバイスとの誤差による断面形状計算誤差の影響が無視できなかった。
【００１６】
また、ｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙで計測対象となるパターンは、照明領域である数十μｍの範囲において同一ピッチおよび同一デューティのライン＆スペースである必要があり、実際に最もフォーカスマージンが小さいエリアであるとは限らず、製品回路パターンでのフォーカス検知が出来ないなどの課題があった。
【００１７】
そこで、本発明は、これらの課題を解決し、半導体デバイスの微細化に対して、フォーカスマージンが狭小な場合でも精度良く露光工程のデフォーカス検知を行い、半導体デバイスの製造工程におけるフォトリソグラフィでの露光量およびフォーカス等の露光条件の最適化を個別かつ簡便に実現することができる技術を提供することにある。さらに、圧力および温度等のエッチング条件の最適化を個別かつ簡便に実現することができる技術を提供することにある。
【００１８】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００２０】
本発明は、半導体デバイスのプロセス制御方法、およびこのプロセス制御方法を適用する半導体デバイスの製造方法に関し、以下のような特徴を有するものである。
【００２１】
（１）半導体ウェハのパターンに光を照射し、その散乱光を用いてパターンの形状情報を検出する工程を有し、製造条件の変化と散乱光波形の変化から製造条件の変動を検知し、製造プロセスを制御する。
【００２２】
（２）製造条件は、露光工程のフォーカス・露光量条件である。
【００２３】
（３）製造条件は、エッチング工程の圧力・温度条件である。
【００２４】
（４）散乱光は、分光器によって得られたスペクトル波形である。
【００２５】
（５）散乱光は、入射角に対する反射光変化によって得られた角度分布波形である。
【００２６】
（６）散乱光波形の変化から製造条件の変動を検知する方法は、製造条件の変化に対し、変化の大きい散乱光波形上の点を検知する方法である。
【００２７】
（７）散乱光波形の変化から製造条件の変動を検知する方法は、対象工程の前工程での膜厚変動による変化分を差し引く方法である。
【００２８】
（８）散乱光波形の変化から製造条件の変動を検知する方法は、対象工程の前工程での膜厚変動による変化が生じない波長領域の波形変動を検出する方法である。
【００２９】
（９）散乱光波形の変化から製造条件の変動を検知する方法は、波形変化量と製造条件変化量との統計処理により回帰式を求める方法である。
【００３０】
（１０）散乱光波形の変化から製造条件の変動を検知する方法は、当該工程でのパターン形状変化のみを求めるため、散乱光波形のＴＥ偏光分とＴＭ偏光分との比率波形の変化を用いる方法である。
【００３１】
（１１）散乱光波形の変化から製造条件の変動を検知する方法は、パターンの無い領域の散乱光波形を参照する方法である。
【００３２】
（１２）散乱光波形の変化から製造条件の変動を検知する方法は、予め下地膜厚データを保持して参照する方法である。
【００３３】
（１３）散乱光波形の変化から製造条件の変動を検知する方法は、予め、製造条件を指定量だけ変化させたサンプルを作成し、該サンプルを用いて散乱光波形を得る方法であり、サンプルは露光シミュレーションにより作成する。
【００３４】
具体的な機能として、測定対象物である現像後の半導体ウェハ上の任意パターンのｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙによる光学波形取得手段と、予め露光条件を変化されて作成したウェハから光学波形を連続的に検出する手段と、露光条件変化により変化する光学波形上の特徴点を抽出する手段と、特徴点と露光条件変化とを統計的に演算する手段と、演算した結果をもって露光条件を推定する推定手段と、推定した結果をプロセス状態に反映され、プロセス安定化を図る手段を有するものである。
【００３５】
上記ｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙによる光学波形は、被測定パターンの０次反射光のスペクトル波形、あるいは、０次反射光の角度分布波形とする。上記光学波形上の特徴点を抽出する手段は、露光条件だけでなく、その前工程での下地膜厚変動による光学波形変動を考慮して行う。上記現像後の半導体ウェハ上の任意パターンは、実際に露光装置のフォーカスと露光量を変化させてサンプルウェハを作成することのほかに、露光・現像シミュレーションによって、そのパターン断面形状を予測する手段を持つこととする。
【発明の効果】
【００３６】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００３７】
（１）テストパターンの計測データから、製品回路パターンの露光量およびフォーカスの最適値からのずれを求めることが可能になるので、露光工程において、狭マージンの微細デバイスの露光量およびフォーカスを同時かつ独立に制御することができ、歩留まりを向上させることができる。
【００３８】
（２）ラインアンドスペース以外の製品回路パターンも測定対象にすることができるので、最も狭マージンな領域を選択するものとすれば、他の領域の回路パターンを用いる場合と比べて歩留まりを向上させることができる。
【００３９】
（３）光照射のｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙでは、ＳＥＭ等の信号波形を用いる場合と比べて時間のかかる真空引きが不要であるため、信号波形取得のスループットを向上することができ、また、ＳＥＭの場合は電子線照射により計測するパターンの断面プロファイルを変化させる可能性があるが、光照射の場合は、このような計測によるダメージの恐れが殆どない。
【００４０】
（４）エッチング工程においても、圧力および温度を同時かつ独立に制御することができ、歩留まりを向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００４２】
図１は、本発明の一実施の形態であるプロセス制御方法を適用する半導体デバイスの製造方法における計測方式の一例を示すフローチャートである。本例では、特に露光工程を例にして説明を行う。
【００４３】
本実施の形態の半導体デバイスの製造方法における計測方式については、前述した本発明の前提として検討した技術を適用し、例えば図２２に示した分光波形方式のｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙ計測装置、図２４に示した分光波形方式のｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙ計測装置を用いて、半導体ウェハのパターンに光を照射し、その反射による散乱光を用いてパターンの形状情報を検出する。その他に、前述した図２５に示した角度走査方式のｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙ計測装置等を用いて実施することも可能である。
【００４４】
まず、ステップ１の作成条件にて、レジストパターンを生成しようとする工程での露光装置のフォーカスと露光量を一定量ずつ変化させた条件を決定する。これは、標準的なフォーカス・露光量と変動する可能性のある変動量分を考慮して決定する。
【００４５】
次に、ステップ２において、ＦＥＭ（ｆｏｃｕｓ  ｅｘｐｏｓｕｒｅ  ｍａｔｒｉｘ）サンプルウェハにて、その条件でＦＥＭサンプルウェハを作成する。図２に、このＦＥＭサンプルウェハについての一例（フォーカス・露光量マトリクス）を詳細に説明する。ＦＥＭサンプルウェハ１０２は、横方向のショットにはフォーカスＦを、また縦方向には露光量Ｅをそれぞれ一定量ずつ変化させて露光したウェハである。フォーカス値をＦ１からＦｎまで、露光量をＥ１からＥｍまで変化させる場合、ウェハ面内のショットをＥｉ，Ｆｊ（ｉ＝１〜ｎ，ｊ＝１〜ｍ）として露光する。例えば、図２のショット１０３は、Ｅ１，Ｆ１の条件で露光されたショットである。
【００４６】
このようなＦＥＭサンプルウェハの各ショットについて、ステップ３の光学系による波形データ取得にて波形を検出する。この例を、図３を用いて説明する。図３は、図２にて作成したＦＥＭサンプルウェハ１０２のショットのパターン断面形状をそれぞれ対応するショット毎に一例（断面プロファイルマトリクス）を示した図である。それぞれのフォーカス・露光量により断面形状が異なり、例えば、図２のショット１０３での断面形状は図３の１０３ａとなる。この波形データ取得は、このようなＦＥＭサンプルウェハの全ショットに関して行い、その結果（ステップ４）、図４に示す波形マップが得られる。図４は、図２の各ショットでの図３に対応する波形データの一例（光学波形マトリクス）であり、例えば、ショット１０３での波形データは１０３ｂとなる。
【００４７】
次に、ステップ５において、ＦＥＭサンプルウェハを用いて得られた波形データから特徴点の動向記録を行う。これを、図５のフォーカス変化による断面形状変化と光学波形変化（波長−光量）の一例を表すグラフにて詳しく説明する。パターン断面５１〜５３はＦＥＭサンプルウェハ上のフォーカスＦの違いによりその形状が異なり、それぞれのショットでの光学波形データがそれぞれ５１ａ，５２ａ，５３ａとなる。フォーカスによって生じる断面形状変化は波長λ１以上の領域での波形変化を生じさせる。ここで、例えば、各波形の変化領域の頂点５１ｐ，５２ｐ，５３ｐに着目すると、フォーカス変化によって矢印５５の方向に移動していることが分かる。このようにして、全波形上の変曲点を特徴点としてその動向を調査する。
【００４８】
そして、ステップ６において全波形上の特徴点を表し、ステップ７にてその変動モデルを構築する。これを図６の光学波形上の変化点の一例を表すグラフにて詳しく説明する。図６のグラフは、上記ＦＥＭサンプルウェハにて検出された波形６０とその特徴点６０ａ〜６０ｆを示している。特徴点の数をＮ個としたとき、ｉ番目の特徴点での変位量を波長−光量座標上で（Δλｉ，ΔＩｉ）とすると、ＦＥＭサンプルウェハにて検出した全ての波形を用いて、フォーカスＦの変位量ΔＦ、及び露光量Ｅの変位量ΔＥは全ての特徴点の変位量に係数を乗じた和として表される。
【００４９】
このΔＦ、ΔＥを、
【００５０】
【数１】
2006228843.tif 000003
【００５１】
式（１）に示す。但し、Ｎは特徴点の数、αｉ、βｉ、γｉ、δｉは係数である。ここで、係数は統計処理計算によって算出される値であり、重み係数などと呼ばれる。変化の大きな特徴点での係数は大きくなり、ほとんど変化しない特徴点での係数は０に近くなる。
【００５２】
この係数の組が、ステップ７において、構築される変動モデルのモデル式となる。このようにして構築したモデル式と、ステップ１における作成条件とを関連付け、ステップ８において、モデルのデータベースとする。このように、波形の変化と直接フォーカス、露光量変化をモデル式で記述することにより、誤差の少ない高感度な変位検知が可能となる。
【００５３】
また、ステップ９において、製品製造工程に関し、必要な頻度で被測定ウェハを抜き出し、ステップ３にて波形データ取得を行う。得られた波形（ステップ１０）から、上記と同様にして特徴点の検出（ステップ１１）を行い、すでに構築したモデルをデータベースモデル（ステップ８）から参照し、フォーカスの変位量ΔＦ、及び露光量の変位量ΔＥを算出する。この結果を、ステップ１３において、プロセス制御に通知する。
【００５４】
このプロセス制御方法の一例を図７にて説明する。図７は、本計測方式を半導体デバイスの露光工程に適用した例である。
【００５５】
まず、レジスト塗布装置７０にて製品ウェハ上にレジスト塗布を行い、露光装置７１にて所望のパターンの露光を行う。この際、露光装置７１では、設定された露光条件（フォーカスＦ、露光量Ｅ）にて露光されるので、その情報を上位システム７５に伝達しておく。次に、露光された製品ウェハは、現像装置７２にて現像され、レジストパターンが生成される。この時点で、本発明による計測装置７３にて予め構築されたモデル７４により、露光条件の変位量（フォーカスΔＦ、露光量ΔＥ）が計測され、上位システム７５へ伝達される。露光条件の変位量が規定値以内であれば、製品ウェハは次工程へ進む。一方、計測された変位量は上位システム７５により処理され、必要に応じて露光装置７１にフィードバックされ、常に適正なパターン形状となるような露光条件に更新される。
【００５６】
以上の計測パターンにはラインアンドスペースを想定したが、本発明では、従来のｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙにて行うようなパターン断面計測を行う必要がないため、測定対象がラインアンドスペースなどの周期的パターンに限られるものではなく、製品パターンなどの複雑かつ非周期パターンでも可能である。
【００５７】
なお、上記プロセス制御方法の例では、露光工程を例に説明したが、図８に示すように、エッチング工程にも適用可能である。現像装置７２にて生成されたレジストパターン付ウェハはエッチャー７６でエッチングされ、計測装置７３で計測される。このとき、上記例の露光工程と同様に、例えば、エッチング圧力Ｐ、温度Ｔの各変動分ΔＰ、ΔＴによるパターン変化をモデル７７に登録しておくことにより、上記例と同様にして、エッチャー７６に変動分がフィードバックされ、常に適正なパターン形状となるようなエッチング条件に更新される。
【００５８】
続いて、上記図１のステップ５における特徴点の動向記録の別の方法の一例について、図９〜図１１、図１２〜図１４、図１５，図１６をそれぞれ用いて説明する。
【００５９】
図９〜図１１において、図９は、計測対象のパターンの断面を示したものであり、前工程によりシリコンウェハ８０上に多層の下地膜８１〜８３が成形されており、その上にレジストパターン８４が露光・現像されている。それぞれの膜の厚さをｔ１〜ｔ３で示す。このときの上記検出光学系によるスペクトル波形が図１１の波形９０である。一方、図９と同様の工程で異なるロットのパターンの断面を図１０に示す。同様の工程であるので、シリコンウェハ８０上の下地膜８１’〜８３’の構造は同じであるが、プロセスのばらつきにより、その厚さｔ１’〜ｔ３’は、わずかに図９の下地膜とは異なる。上記検出光学系による図１０を計測したスペクトル波形が図１１の波形９０’であり、波形９０と若干異なっている。このようにプロセス変動により下層膜厚の変化がある場合には、波形変化がレジストパターン８４とレジストパターン８４’の違いによるものかどうかが判別できないため、例えば、図５での波形変化と比較し、最上部のレジスト形状のみの変化が現れる波長領域、例えば波長３００ｎｍ以下の短波長領域のみの波形変化を捉えるようにすることで、下地膜変動の影響を低減できる。
【００６０】
図１２〜図１４において、前述のように、前工程による下地膜変動がある場合を考える。図１２は、図９の計測対象パターンのあるショットと同一ショットでレジストが無い領域であり、図１３は、図１０の計測対象パターンのあるショットと同一ショットでレジストが無い領域である。それぞれの下地膜の各膜厚は同一ショット内であればほぼ同一と見なすことができる。図１２、図１３の領域での上記光学系によるスペクトル波形はそれぞれ、図１４の波形９１、波形９１’となる。ここで、例えば、波形９１に対する波形９０の変化と、波形９１’に対する波形９０’の変化とを比較することにより、最上部のレジスト形状のみの変化が捉えられ、下地膜変動の影響を低減できる。
【００６１】
図１５，図１６において、図１５は、上記光学系にてＴＥ偏光を用いて、検出した場合のスペクトル波形を示しており、波形９２Ｅは図９の計測対象パターンでの波形、波形９２Ｅ’は図１０の計測対象パターンでの波形である。同様に図１６は、上記光学系にてＴＭ偏光を用いて、検出した場合のスペクトル波形を示しており、波形９２Ｍは図９の計測対象パターンでの波形、波形９２Ｍ’は図１０の計測対象パターンでの波形である。ここで、下地膜８１〜８３及び、８１’〜８３’は偏光方向と無関係であるため、下地膜厚の変化によりＴＥ偏光波形、ＴＭ偏光波形はともに同様の変化を生じる。一方、レジストパターン８４，８４’は偏光方向と平行或いは直角に生成されているため、その形状変化により、ＴＥ偏光波形、ＴＭ偏光波形は異なる変化を生じる。よって、ＴＥ偏光の波形９２Ｅに対するＴＭ偏光の波形９２Ｍ（例えば９２Ｅ／９２Ｍなどの演算結果）とＴＥ偏光の波形９２Ｅ’に対するＴＭ’偏光の波形９２Ｍ’を比較することで、最上部のレジスト形状のみの変化が捉えられ、下地膜変動の影響を低減できる。
【００６２】
続いて、本発明の一実施の形態である半導体デバイスの製造ラインでの適用例について、図１７〜図１９を用いて説明する。
【００６３】
図１７は、前述の図１のステップ５における特徴点の動向記録での設定画面の一例である。画面上のウェハ情報エリア１１０に計測対象ウェハの情報（例えば、ウェハＮｏ．、作成種類、モデルＮｏ．）を示し、グラフ表示エリア１１０に測定対象ウェハでのスペクトル波形を全て表示する。このように表示することで、変化の大きい波長領域、特徴点を顕在化することができる。これにより、ユーザは、例えば指定波長１１３をグラフ上から選び、その波長値１１２を特徴点に指定することが簡便にできる。
【００６４】
図１８は、計測した製品ウェハの露光状態（フォーカスずれ、露光量ずれ）をモニタリングする画面の一例を示したものである。フォーカスずれの時間変化を示すグラフ１１４及び露光量ずれの時間変化を示すグラフ１１５から構成され、現時点でのずれの状態１１６の数値が、エリア１１７に示される。グラフ１１４，１１５上に上限値・下限値を破線などで示すことにより、製品の露光状態が容易に判断可能となる。各グラフの表示は時間単位でなくとも、例えばウェハ単位、ロット単位、製品単位でも良く、その時の生産状態にて決定すれば良い。
【００６５】
図１９は、ウェハ単位での露光状態分布表示の一例を示したものである。被測定ウェハ１１８上の測定ポイント１１９（この例では、１〜５）でのフォーカスずれ、露光量ずれの数値をエリア１２０で示す。また、その数値の分布をウェハ面内の分布として等高線１２１で示すことで、ウェハの露光状態が容易に把握できる。
【００６６】
続いて、本発明の一実施の形態である半導体デバイスの製造方法の一例について、図２０のフローチャートを用いて説明する。
【００６７】
半導体単結晶のインゴットのスライス、研磨等の工程にてウェハを準備するとともに（ステップ１３１）、予め、本発明を適用する層（プロセスマージンの小さい層、設計に対してプロセス余裕度が低い層、例えばゲート工程など）での信号波形の特徴点変動傾向と露光量・フォーカス値の値をモデルとして保持を行っておく（ステップ１５０）。
【００６８】
このウェハに薄膜等を形成した後（ステップ１３２）、平坦化処理を行い（ステップ１３３）、その後、レジスト塗布（ステップ１３４）、露光装置による露光処理（ステップ１３５）、現像処理（ステップ１３６）を行う。
【００６９】
ここで、本実施の形態では、ラインアンドスペース（Ｌ＆Ｓ）パターンでの回析光の信号波形を検出し（ステップ１３７）、検出結果とステップ１５０で保持されているモデルとを照合して、信号波形の特徴点変動から、Ｌ＆Ｓパターンの露光量およびフォーカスの最適値に対する偏差ΔＥｔ、ΔＦｔを得る（ステップ１３８）。
【００７０】
さらに、ステップ１３８で得られたＬ＆ＳパターンのΔＥｔ、ΔＦｔから実際に露光装置を補正する値ΔＥ、ΔＦを決定して、ステップ１３５の露光工程にフィードバックして以降の露光工程に反映させる（ステップ１３９）。ここで、ステップ１３８で得られた偏差ΔＥｔ、ΔＦｔからフィードバック量ΔＥ、ΔＦを求める際には、統計的演算手段を用い、例えば過去１ヶ月以内の偏差データを参照し、偏差発生傾向を予測した上でフィードバック量を決定する。また、設計値内での偏差あるいはユーザによる指定により、フィードバックを行わない設定も可能である。
【００７１】
その後、レジストをマスクとするエッチングによる製品パターンの形成およびレジスト除去を行い（ステップ１４０）、ウェハプロセスが完了したか否かを判定し（ステップ１４１）、完成していない場合にはステップ１３２からの処理を繰り返して行う。
【００７２】
ウェハプロセスが完了した場合には、ウェハプローブ等のウェハレベルでの各半導体デバイスの機能試験による良品選別を行い（ステップ１４２）、その後、ウェハのダイシングにて半導体デバイスを個別に分離し（ステップ１４３）、良品の半導体デバイスのみに対して封止等のパッケージングを行い（ステップ１４４）、さらにバーンインテスト等の出荷前検査を行い（ステップ１４５）、製品として出荷する（ステップ１４６）。
【００７３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、半導体ウェハのパターンに光を照射し、その反射による散乱光を用いてパターンの形状情報を検出する光学系により、予め作成した複数の形状変形パターンを有するＦＥＭサンプルウェハの波形を検出・保存し、パターンの変形に伴って生じるスペクトル波形上での１つ以上の特徴点を記録し、特徴点の変動モデルを求め、そして、被測定パターンでは上記と同様にしてスペクトル波形を検出し、波形上の特徴点の変位から、変動モデルを用いて、作成条件の変位（露光量ずれ、フォーカスずれ）を推定することにより、露光量とフォーカスを独立にフィードバックすることができ、高精度なプロセス制御が実現できる。
【００７４】
また、テストパターンの計測データから、製品回路パターンの露光量およびフォーカスの最適値からのずれを求めることが可能になるので、狭マージンの微細デバイスの露光量およびフォーカスを同時かつ独立に制御することができ、歩留まりが向上できる。
【００７５】
また、ラインアンドスペース以外の製品回路パターンも測定対象とできるので、最も狭マージンな領域を選択することとすれば、他の領域の回路パターンを用いる場合と比べて歩留まりが向上できる。
【００７６】
また、光照射のｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙでは、ＳＥＭ等の信号波形を用いる場合と比べて時間のかかる真空引きが不要であるため、信号波形取得のスループットが向上する。また、ＳＥＭの場合は電子線照射により計測するパターンの断面プロファイルを変化させる可能性があるが、光照射の場合は、このような計測によるダメージの恐れが殆どない。
【００７７】
この結果、半導体デバイスの微細化に対して、フォーカスマージンが狭小な場合でも精度良く露光工程のデフォーカス検知を行い、半導体デバイスの製造工程におけるフォトリソグラフィでの露光量およびフォーカス等の露光条件の最適化を個別かつ簡便に実現できる。
【００７８】
また、露光装置で露光を行う際の気圧変化によりレンズ収差が変化し、フォーカス誤差を生じるため、装置内の気圧センサによりフォーカス補正を行う場合があるが、本発明によれば、生産製品での露光・フォーカス偏差を把握できるため、より頻度の高いプロセス制御が可能となる。
【００７９】
さらに、エッチング工程においても、予め特徴点の変動モデルを求め、被測定パターンでスペクトル波形を検出し、波形上の特徴点の変位から、変動モデルを用いて、作成条件の変位（圧力ずれ、温度ずれ）を推定することにより、圧力と温度を独立にフィードバックすることができ、高精度なプロセス制御が実現できる。
【００８０】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態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種々変更可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は、半導体デバイスの製造技術に関し、特に、露光工程における露光量およびフォーカス制御、さらにエッチング工程における圧力および温度制御を高精度に行う技術に適用して有効である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の一実施の形態であるプロセス制御方法を適用する半導体デバイスの製造方法における計測方式の一例を示すフローチャートである。
【図２】本発明の一実施の形態の半導体デバイスの製造方法において、ＦＥＭサンプルウェハの一例を示す図である。
【図３】本発明の一実施の形態の半導体デバイスの製造方法において、ＦＥＭサンプルウェハのパターン断面形状の一例を示す図である。
【図４】本発明の一実施の形態の半導体デバイスの製造方法において、ＦＥＭサンプルウェハの波形データの一例を示す図である。
【図５】本発明の一実施の形態の半導体デバイスの製造方法において、フォーカス変化による断面形状変化と光学波形変化の一例を表すグラフである。
【図６】本発明の一実施の形態の半導体デバイスの製造方法において、光学波形上の変化点の一例を表すグラフである。
【図７】本発明の一実施の形態の半導体デバイスの製造方法において、半導体デバイスの露光工程に適用したプロセス制御方法の一例を示す図である。
【図８】本発明の一実施の形態の半導体デバイスの製造方法において、半導体デバイスのエッチング工程に適用したプロセス制御方法の一例を示す図である。
【図９】本発明の一実施の形態の半導体デバイスの製造方法において、前工程での下地膜があるレジストの断面の一例を示す図である。
【図１０】本発明の一実施の形態の半導体デバイスの製造方法において、図９と異なるロットでのレジストの断面の一例を示す図である。
【図１１】本発明の一実施の形態の半導体デバイスの製造方法において、下地膜があり、異なるロットでのレジスト部分の光学波形の一例を示す図である。
【図１２】本発明の一実施の形態の半導体デバイスの製造方法において、図９のウェハのレジストの無い領域の断面の一例を示す図である。
【図１３】本発明の一実施の形態の半導体デバイスの製造方法において、図１０のウェハのレジストの無い領域の断面の一例を示す図である。
【図１４】本発明の一実施の形態の半導体デバイスの製造方法において、下地膜があり、異なるロットでのレジストが無い部分の光学波形の一例を示す図である。
【図１５】本発明の一実施の形態の半導体デバイスの製造方法において、図９と図１０でのＴＥモードによる光学波形の一例を示す図である。
【図１６】本発明の一実施の形態の半導体デバイスの製造方法において、図９と図１０でのＴＭモードによる光学波形の一例を示す図である。
【図１７】本発明の一実施の形態の半導体デバイスの製造方法において、光学波形の特徴点の動向記録の設定画面の一例を示す図である。
【図１８】本発明の一実施の形態の半導体デバイスの製造方法において、計測した製品ウェハの露光状態をモニタリングする画面の一例を示す図である。
【図１９】本発明の一実施の形態の半導体デバイスの製造方法において、ウェハ単位での露光状態分布表示の一例を示す図である。
【図２０】本発明の一実施の形態の半導体デバイスの製造方法の一例を示すフローチャートである。
【図２１】本発明の前提として検討した技術において、半導体デバイスの露光工程の一例を示す図である。
【図２２】本発明の前提として検討した技術において、分光波形方式のｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙ計測装置の構成の一例を示す図である。
【図２３】本発明の前提として検討した技術において、ウェハ上のラインアンドスペースパターンの一例を示す図である。
【図２４】本発明の前提として検討した技術において、分光波形方式のｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙ計測装置の別の構成の一例を示す図である。
【図２５】本発明の前提として検討した技術において、角度走査方式のｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙ計測装置の構成の一例を示す図である。
【図２６】本発明の前提として検討した技術において、ｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙ計測装置の形状計測方式の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００８３】
５１〜５３…パターン断面、５１ａ〜５３ａ…光学波形データ、５１ｐ〜５３ｐ…頂点、６０…波形、６０ａ〜６０ｆ…特徴点、７０…レジスト塗布装置、７１…露光装置、７２…現像装置、７３…計測装置、７４…モデル、７５…上位システム、７６…エッチャー、７７…モデル、８０…シリコンウェハ、８１〜８３，８１’〜８３’…下地膜、８４…レジストパターン、８４’…レジストパターン、９０〜９２，９０’〜９２’，９２Ｅ，９２Ｅ’，９２Ｍ，９２Ｍ’…波形、１０２…ＦＥＭサンプルウェハ、１０３…ショット、１０３ａ…断面形状、１０３ｂ…波形データ、１１０…ウェハ情報エリア、１１１…グラフ表示エリア、１１２…波長値、１１３…指定波長、１１４，１１５…グラフ、１１６…状態、１１７…エリア、１１８…被測定ウェハ、１１９…測定ポイント、１２０…エリア、１２１…等高線。
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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