(57)【要約】      （修正有）【課題】計測用レジストパターンの形成時間が掛からず、観察者の主観が排除され、迅速に結像面の傾斜を補正できる結像面傾斜の補正量計測方法を提供する。【解決手段】結像面傾斜量の異なる複数の露光ショット１を半導体基板５９上に転写し、この露光ショット１内に５箇所の計測用レジストパターン４を配置し、この計測用レジストパターン４を外枠パターン５と楔形パターン６で構成し、楔・直線段差部間の距離Ｘ１と直線段差部間の距離Ｘ２を重ね合わせ測定装置で計測し、５点の差分Δ＝（Ｘ１−Ｘ２）／２を算出し、この差分Δのばらつきが最も小さい露光ショット１を選定して、最適な補正値とする。【選択図】図１
2008066609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上にレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜に縮小投影露光装置により半導体回路用パターンおよび計測用パターンを露光ショットごとに結像面傾斜量を変えて転写する露光工程と、転写されたレジストを現像し、前記半導体回路用レジストパターンおよび前記計測用レジストパターンを形成するレジストパターン形成工程と、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計測工程と、該計測工程により計測された計測値を比較することにより結像面傾斜補正寮を導出する導出工程と、を備えたことを特徴とする結像面傾斜の補正量計測方法。
【請求項２】
前記計測用レジストパターンが、前記露光ショットの四隅付近および中心付近に形成されることを特徴とする請求項１に記載の結像面傾斜の補正量計測方法。
【請求項３】
前記計測用レジストパターンが、櫛形部分と該櫛形部分に対向して形成された第一直線部分からなる第一のパターンと、第二直線部分と該第二直線部分と対向して形成される第三直線部分とからなる第二のパターンと、を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の結像面傾斜の補正量計測方法。
【請求項４】
前記計測用レジストパターンが、第一櫛形部分と該第一櫛形部分に対向して形成された第二櫛形部分とからなる第一のパターンと、第二直線部分と該第二直線部分と対向して形成される第三直線部分とからなる第二のパターンと、を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の結像面傾斜の補正量計測方法。
【請求項５】
前記計測工程は、前記第一のパターンのエッジ間距離と前記第二のパターンのエッジ間距離との差分を計測することを特徴とする請求項３または４に記載の結像面傾斜の補正量計測方法。
【請求項６】
前記計測工程は、重ね合わせ測定装置により行うことを特徴とする請求好に記載の結像面傾斜の補正値計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、縮小投影露光装置による結像面傾斜の補正量計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＳＩ製造には縮小投影露光装置（ステッパ）が広く用いられている。その装置について説明する。
図７は、縮小投影露光装置の要部構成図である。縮小投影露光装置では水銀ランプなどの照明系５１からの紫外線などの照明光５２でレチクル５３（マスク）を照射し、投影光学系５４を介してマスク上のパターンを半導体基板５９上に焼き付けて、半導体基板５９が載ったステージ６０を移動させ、再度半導体基板１上に焼き付けを実施するという作業を繰り返す（ステップ・アンド・リピート方式）ことにより半導体基板５９全面にパターンを形成する。
【０００３】
このようにマスク（レチクル５３）上の原図パターンを半導体基板５９上に転写する露光装置においては、露光の際のフォーカス(焦点６４)の変動により、転写像の精度が大きく変化してしまう。そのため一般的に縮小投影露光装置では露光ショットごとに複数個のフォーカスセンサを用いて、半導体基板５９の高さおよび半導体基板５９傾斜を計測し、結像面６３と半導体基板５９が合致するように半導体基板５９の高さおよび傾斜を調整してから露光している。露光ショットには複数の半導体チップ形成領域が含まれている。
【０００４】
しかしながら製造プロセスが進むと半導体基板５９にはＬＯＣＯＳ酸化膜やアルミ配線およびポリイミド膜などによる様々な段差が形成されることとなる。その段差の形態は各機種・工程で固有であるため、ＬＳＩ回路パターン・工程により、固有の結像面傾斜ずれが残留してしまうことがある。
図８は、結像面傾斜量を露光ショットごとに変えた露光ショットの配置図である。Ｘ軸に−３０μｒａｄ（マイクロラジャン）〜＋３０μｒａｄまで変え、Ｙ軸に−３０μｒａｄ〜＋３０μｒａｄまで露光ショットごとに傾斜を変えた４９個の露光ショット７１を半導体基板５９に転写したときの露光ショット７１の配置図である
図９は、露光ショット内のパターン図である。スクライブライン領域７６で隔てられたチップ形成領域７２が１６個形成され、チップ形成領域７２内にはＬＳＩ回路の各種パターン領域（例えば、Ａ、Ｂ、Ｃパターン領域７３、７４、７５）が形成されている。
【０００５】
図１０、図１１は、固有の結像面傾斜ずれについて説明した図である。ここでは半導体基板５９の表面からの高さが異なる２個のパターン領域の場合を例として挙げた。高い方のパターン領域をＡパターン領域７３、低い方のパターン領域をＢパターン領域７４とする。パターン領域の高さを図７の送光系５５ａと受光系５５ｂを有する多点斜入射検出器５５で測定する。送光系５５ａは複数の光線（送光５７ａ，５７ｂ，・・）を出射し、それぞれ出射された光線の結像面（例えば図１０のＭ、Ｎ点）からの反射光（受光５８ａ，５８ｂ，・・）を受光系５５ｂで受ける。このように送光系５５ａと受光系５５ｂは複数ペアからなり、１つのペアより１点（図１０のＭ点やＮ点）の高さを検出する。
【０００６】
通常５点以上測定するが図１０では２点測定で説明する。Ａパターン領域７３の高さ（Ｍ点の高さ）を検出するＡ検出部（送光５７ａを出射し受光５８ａを受光する）とＢパターン領域の高さ（Ｎ点の高さ）を検出するＢ検出部（送光５７ｂを出射し受光５８ｂを受光する）で検出された高さデータの差（Ｍ点の高さとＮ点の高さの差）により結像面８１の傾斜を検出して、この傾斜を補正するように図７の縮小投影露光装置のステージ６０を傾けて、図７の光軸６１に結像面が水平になるように結像面８１を調整して結像面８２にする。このとき、結像面８２の高さをＡパターン領域７３とＢパターン領域７４の平均の高さになるようにステージ６０を調整する。尚、図１０、図１１は模式図であり、Ａパターン領域７３、Ｂパターン領域７４、Ｃパターン領域７５は互いに近い位置に描かれているが実際は大きく離れている。
【０００７】
こうすることで、結像面８２からのＡパターン領域７３のレジスト表面の高さＨ１とＢパターン領域７４のレジスト表面の高さ(低さ)Ｈ２が等しくなり、精度の高いパターン領域が得られる。
しかし、結像面８１で露光すると、計測した２箇所（Ａパターン領域７３とＢパターン領域７４）については精度が高いパターン領域が得られるがその他の箇所のＣパターン領域７５では結像面８１からＣパターン領域７５のレジスト表面の高さＨ４がＨ１やＨ２に比べて大きくなり（デフォーカスが大きくな）、高い精度のパターン領域が得られない。これが、結像面８１が補正されて結像面８２となると結像面８２からのレジスト表面高さがＨ３となり、Ｈ４より大幅に小さくなり精度の高いパターンが得られる。
【０００８】
このように、補正された結像面８２とすることで、結像面からレジスト表面までの距離が極端に大きくなるパターンがなくなり、Ｈ１、Ｈ２，Ｈ３がＨ４より小さくなり、高い精度のパターンが得られる焦点距離内にすべてのパターンを位置させることができる。そのため露光ショット内のすべてのパターンで高い精度が得られることになる。
このように、Ａパターン領域７３とＢパターン領域７４で得られた、間違った傾斜データを何らかの方法で結像面８１を補正して結像面８２にする必要がある。つまり、ＬＳＩ回路パターン・工程固有の結像面傾斜の最適補正値を導出し、縮小投影露光装置に補正値入力し補正された結像面８２で露光処理を実施する必要がある。
【０００９】
このＬＳＩ回路パターン・工程固有の結像面傾斜の最適補正値を導出する方法についてさらに前記の図８、図９を用いて詳細に説明する。
まず、該当するＬＳＩ回路パターン・工程の半導体基板５９において、この半導体基板５９上を被覆しているレジストに図８のように露光ショット７１ごとに結像面傾斜量を違えて（ここでは−３０μｒａｄから＋３０μｒａｄまでＸ軸、Ｙ軸で角度を変えて）露光処理する。その後それぞれの露光ショット７１の４隅近傍および中心付近の合計５箇所（図９で具体的にパターン領域を示した５個のチップ形成領域）のレジストパターンをＳＥＭ（走査形電子顕微鏡）で観察し、各露光ショット７１でパターン形状を逐一比較して最も形状の良好な露光ショット７１（例えば、露光ショットＡ）を選び出して、その露光ショットＡを露光するときに入力したデータ（結像面傾斜量）を導出する。この結像面傾斜量（Ｘ軸が＋２０μｒａｄでＹ軸が−１０μｒａｄ）がこのＬＳＩ回路パターン・工程固有の最適な結像面傾斜の補正値となる。
【００１０】
また、特許文献１においては、正側の回折光と負側の回折光の回折高効率の異なる回折格子の山形のパターンを有する特殊なマスク（レチクル）を形成しこのマスクを用いて山形のパターンを転写すると、結像面に傾斜があるとき山形のパターンが変化することを利用して、結像面傾斜の補正する方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２９３７２号公報  図９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前記のＳＥＭでの方法では、形状観察して最良の露光ショットＡを選定するのに時間がかかることと、レジストパターン形状の比較を人の目を用いるため、観察者の主観が影響して精度の高い補正値を導出できないという課題がある。
また、特許文献１においては、デフォーカス量を算出するのに用いる２個の山形の計測用パターンを形成するのに２度露光する必要があり工程に時間がかかる。
【００１２】
この発明の目的は、前記の課題を解決して、計測用レジストパターンの形成時間が掛からず、観察者の主観が排除され、迅速に結像面傾斜の最適な補正値を計測できる結像面傾斜の補正量計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記の目的を達成するために、半導体基板上にレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜に縮小投影露光装置により半導体回路用パターンおよび計測用パターンを露光ショットごとに結像面傾斜量を変えて転写する露光工程と、転写されたレジストを現像し、前記半導体回路用レジストパターンおよび前記計測用レジストパターンを形成するレジストパターン形成工程と、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計測工程と、該計測工程により計測された計測値を比較することにより結像面傾斜補正寮を導出する導出工程と、を備えた結像面傾斜の補正量計測方法とする。
【００１４】
また、前記計測用レジストパターンが、前記露光ショットの四隅付近および中心付近に形成されるとよい。
また、前記計測用レジストパターンが、櫛形部分と該櫛形部分に対向して形成された第一直線部分からなる第一のパターンと、第二直線部分と該第二直線部分と対向して形成される第三直線部分とからなる第二のパターンと、を備えるとよい。
また、前記計測用レジストパターンが、第一櫛形部分と該第一櫛形部分に対向して形成された第二櫛形部分とからなる第一のパターンと、第二直線部分と該第二直線部分と対向して形成される第三直線部分とからなる第二のパターンと、を備えるとよい。
【００１５】
また、前記計測工程は、前記第一のパターンのエッジ間距離と前記第二のパターンのエッジ間距離との差分を計測するとよい。
また、前記計測工程は、重ね合わせ測定装置により行うとよい。
【発明の効果】
【００１６】
この発明によれば、ＳＥＭを使ったレジストパターン形状比較ではなく、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、楔形パターンと直線パターンが組で形成された５個の計測用レジストパターン（露光ショットの４隅付近と中心付近）の段差部間の距離を計測し、予め結像面傾斜量を変えた露光ショットの中から５個の距離の計測値のばらつきが最も小さな露光ショットを選び出すことで、迅速で最適に結像面傾斜量の補正値を決めることができる。
【００１７】
また、ＳＥＭによるレジストパターン形状比較ではなく、計測数値の比較により導出可能であるため、観察者の主観が影響することはなく、迅速に精度良い補正値を決めることできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
実施の形態を以下の実施例で説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、この発明の第１実施例の結像面傾斜の補正方法について説明した図であり、同図（ａ）は露光ショットの平面図、同図（ｂ）は露光ショット内に形成された計測用パターンの平面図、同図（ｃ）は同図（ｂ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図、同図（ｄ）は楔形パターンの拡大図である。
半導体基板５９上のレジスト２１に予め結像面傾斜量を図７で説明したように変えて各露光ショット１（図７の露光ショット７１に相当）を露光する。各露光ショット１の結像面傾斜量は図７で説明したように分かるようになっている。この露光ショット１には１６個のチップ形成領域２が含まれており、計測用レジストパターン４は露光ショット１の４隅近傍および中心付近のスクライブライン領域３にそれぞれ１個配置され、合計５個（イ、ロ、ハ、ニ、ホ）形成されている。
【００２０】
図１（ｂ）のように計測用レジストパターン４の楔部８と直線部９とが向かい合った第一のパターン（Ｅ領域）と、直線部９が互い向かい合った第ニのパターン（Ｆ領域）とから構成されている。マスクパターン１０上の楔部７頂点の角度は３０度程以下の鋭角がよい。
ベストフォーカス時に形成される計測用レジストパターン４は第一のパターン（Ｅ領域）の楔部８の頂角の後退量Ｂは少ない。これに対してデフォーカス時に形成される計測用レジストパターン４はベストフォーカス時の第一のパターンと比較して、楔部８の頂角の後退量Ｂは大きくなる。それに対して直線部９の後退量Ｃは極めて小さい。尚、図１（ｂ）を図５のように前記第一のパターンは楔部８の頂角が互いに向かい合った第三のパターン（Ｇ領域）にしても構わない。この場合も同様のことが起こる。
【００２１】
さらに説明する。ベストフォーカス時には露光焦点が結像面であるレジストの表面に合っているので、計測用レジストパターン４は精度よくパターニングされる。そのためマスクのパターンが精度よくレジストに転写されて、直線部９および楔部８の後退量Ｂ、Ｃはデフォーカス時に比べて小さい。
一方、デフォーカス時には、露光焦点が結像面であるレジストの表面に合っていないので、計測用レジストパターン４は精度よくパターニングされない。そのためマスクパターンが精度よくレジストに転写されず、マスクパターン１０に対してレジストパターンの後退量は大きくなる。しかしこの場合も直線部９の後退量Ｃは楔部８の後退量Ｂに比べると極めて小さい。
【００２２】
つまりデフォーカスより計測用レジストパターン４の第一パターン（Ｅ領域）の楔・直線段差間の距離Ｘ１が大きくなり、その距離Ｘ１はデフォーカス量（焦点ずれ）により決定される。一方で計測用レジストパターン４の第二のパターン（Ｆ領域）ではデフォーカスによる直線段差部間の距離Ｘ２の変動はＸ１の変動に比較して極めて小さい。
この計測用レジストパターン４の段差部２２間の距離Ｘ１、Ｘ２を重ね合わせ測定装置で計測することにより、差分Δ＝（Ｘ２−Ｘ１）／２が得られる。この差分Δの算出は重ね合わせ測定装置で自動的に行われる。
【００２３】
図２はこの差分Δとフォーカス値との関係を示す図である。横軸はデフォーカスを示し、縦軸は差分Δを示す。横軸の０は結像面と露光焦点の高さが一致した場合を示し、＋側は露光焦点が結像面に対して高い位置にあり、−は低い位置にあることを示す。この図２の場合はＸ１がＸ２より大きい場合であり、レジスト上の結像面に対して露光焦点が近づくと差分Δが小さくなり離れると大きくなる。
【００２４】
図３は、各露光ショットに形成した各計測用レジストパターンから算出される差分Δを示した図である。各露光ショット１に形成した計測用レジストパターン４の４隅近傍および中心付近の合計５箇所（イ〜ホ）の差分Δを重ね合わせ計測装置で算出し、その計５個の値を比較することにより、露光ショット４隅および中心付近のフォーカス差（露光焦点とレジスト上の結像面の間隔）がわかる。
【００２５】
つまり露光ショット４の４隅および中心付近の計測用レジストパターン４の５個の差分Δの大きさ自体に係わらず、５個の差分Δが一致した場合には結像面傾斜が完全に水平に調整されたことを意味する。従って、５個の差分Δのばらつきが一番小さい露光ショット１を選び出し(例えば、図８のＡ)、その露光ショットＡに入力した結像面傾斜量（Ｘ軸が＋２０μｒａｄ、Ｙ軸が−１０μｒａｄ）が最適となる結像面傾斜の補正値となる。この補正値を縮小投影露光装置に入力して半導体基板５９上のレジスト２１を露光すると、高精度のパターンが得られる。
【００２６】
つぎに中心付近の計測用レジストパターン４（ハのパターン）で算出される差分Δが必要になる理由を説明する。図４に示すように差分Δはプラス側のデフォーカス、マイナス側のデフォーカスと異なった場合でも同じ数値を取りうることがある。つまり、露光ショット１の４隅のみ（イ、ロ，ニ、ホ）の計測用レジストパターン４で算出される差分Δの比較では、差分Δのばらつきが小さくなる場合が生じ、結像面傾斜が調整されたかの判断はできず、露光ショット１の中心付近の計測用レジストパターン（ハ）で算出される差分Δとの比較が必須である。
【００２７】
図６は、計測用レジストパターン４の形成方法を示す図であり、同図（ａ）〜同図（ｃ）は工程順に示した要部工程図である。
まず、レジストパターンを形成するためにＬＳＩ回路が形成された半導体基板５９上にレジスト２１を塗布する(同図（ａ）)。
つぎに、露光ショット１のスクライブライン領域３上の４隅近傍および中心付近のスクライブライン領域３上の合計５箇所の計測用パターン４（イ〜ホ）が配置されたレチクル５３（マスク）を用い、縮小投影露光装置にて露光し、半導体基板５９上にＬＳＩ回路パターンおよび前記計測用レジストパターン４を有する露光ショット１を転写する。このとき図８で説明したように、露光ショットごとに結像面傾斜量を変えて転写する。露光ショット１の位置と結像面傾斜量は対応させておく（同図（ｂ））。
【００２８】
つぎに、それぞれのパターンが転写されたレジスト２１を現像することによりＬＳＩ回路レジストパターンおよび計測用レジストパターン４が半導体基板５９上に形成される（同図（ｃ））。
以上が計測用レジストパターン４を形成する方法である。この計測用レジストパターン４を用いて結像面傾斜を補正する方法について再度説明する。
この計測用レジストパターン４の段差部２２間の距離を重ね合わせ測定装置を用いて計測して、計測値から算出される差分Δのばらつきが最も少ない露光ショット１（例えば、図８のＡ）を選定する。選定されたこの露光ショットＡに入力した結像面傾斜量が最適な結像面傾斜の補正値となる。
つぎに、この補正値を縮小投影露光装置に入力して半導体基板５９上のレジスト２１を露光すると、結像面傾斜が補正されて高精度のレジストパターンが得られる。
尚、図１（ｂ）の第一パターン（Ｅ領域）を図５のように楔部８の頂角が互いに向かい合った第三のパターン（Ｇ領域）にしても構わない。この場合は楔部８の後退が両側の楔部で起こるので(後退量Ｂの値が２倍となる)、図１（ｂ）の場合よりＸ１が大きくなり、さらに精度の高い結像面傾斜の補正を行うことができる。
また、前記の差分Δのばらつきが小さな露光ショット１が複数個存在する場合は、補正値はそれらの平均値とするとよい。
まｔ、以上では計測用レジストパターンのレジストエッジの間隔を計測する場合について説明したが、重ね合わせ測定装置によりレジストパターンの幅を計測することもできる。
また、前記計測用レジストパターンを形成するための露光は前記の特許文献１の場合では２回であるのに対して１回の工程でよい。また、前記の特許文献１の場合では正の回折光と負の回折光で回折効率が異なる特殊なレチクル（マスク）が必要になるが、本発明では回折効率が同じである通常のレチクル（マスク）でよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明の第１実施例の結像面傾斜の補正方法について説明した図であり、（ａ）は露光ショットの平面図、（ｂ）は露光ショット内に形成された計測用パターンの平面図、（ｃ）は（ｂ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図、（ｄ）は楔形パターンの拡大図
【図２】この差分Δとフォーカス値との関係を示す図
【図３】各露光ショットに形成した各計測用レジストパターンから算出される差分Δを示した図
【図４】中心近傍の差分Δが必要なる説明図
【図５】別の計測用レジストパターン図
【図６】計測用レジストパターン４の形成方法を示す図であり、（ａ）〜（ｃ）は工程順に示した要部工程図
【図７】縮小投影露光装置の要部構成図
【図８】結像面傾斜量を露光ショットごとに変えた露光ショットの配置図
【図９】露光ショット内のパターン図
【図１０】固有の結像面傾斜ずれについて説明した図
【図１１】図１０と共に固有の結像面傾斜ずれについて説明した図
【符号の説明】
【００３０】
１    露光ショット
２    チップ形成領域
３    スクライブライン領域
４    計測用レジストパターン
５    外枠パターン（マスク）
６    楔形パターン（マスク）
７    楔部（マスク）
８    楔部（レジスト）
９    直線部（レジスト）
１０    マスクパターン
１１    レジストパターン
２１    レジスト
２２    段差部
５９    半導体基板
【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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