(57)【要約】【課題】半導体装置のレジストパターンのばらついた線幅を、設計値の線幅に修正可能な半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】ウェーハにフォトマスクを介して露光光を露光することにより半導体装置をウェーハ上に形成する際に、まず、露光光を遮光することが可能である複数の遮光部を有し中心から任意の縁部まで露光光に対する透過率が単調に減少あるいは単調に増加するように遮光部を配置したマスクパターンをフォトマスク上に形成する。ウェーハ上にレジスト膜を形成し、マスクパターンを介してレジスト膜に露光光を露光し現像し、ウェーハ上にレジストパターンを形成する。レジストパターンの周囲長を測定値する。【選択図】      図１５
2004303815.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトマスクに形成され、ウェーハ上に形成したレジスト膜に露光され現像されるマークにおいて、
中心から任意の縁部まで前記露光の露光光に対する透過率が単調に減少あるいは単調に増加することを特徴とするマーク。
【請求項２】
前記縁部で囲まれた図形は円又は正多角形であることを特徴とする請求項１に記載のマーク。
【請求項３】
フォトマスクに形成され、ウェーハ上に形成したレジスト膜に露光され現像されるマークにおいて、
複数のラインと前記ライン間にスペースを有し、中心から任意の縁部までの前記ラインのライン幅と前記ラインの隣の前記スペースのスペース幅の和ｐに対する前記ライン幅の比率が単調に減少あるいは単調に増加し、前記露光する際の露光波長をλ、レンズ開口率をＮＡ、照明のコヒーレンスファクタをσとするとき、前記和ｐが、ｐ≦λ／｛ＮＡ（１＋σ）｝を満たすことを特徴とするマーク。
【請求項４】
前記中心から前記任意の縁部までの前記和ｐは互いに等しいことを特徴とする請求項３に記載のマーク。
【請求項５】
前記ラインで囲まれた図形は、円又は正多角形であり、互いの中心が一致することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のマーク。
【請求項６】
ウェーハに露光光を露光するために使用するフォトマスクにおいて、
前記露光光が透過可能な基板と、
前記基板の上に設けられ前記露光光を遮光することが可能である複数の遮光部を有し、中心から任意の縁部まで前記露光光に対する透過率が単調に減少あるいは単調に増加するように前記遮光部を配置したマスクパターンを有することを特徴とするフォトマスク。
【請求項７】
前記縁部で囲まれた図形は円又は正多角形であることを特徴とする請求項６に記載のフォトマスク。
【請求項８】
ウェーハに露光光を露光するために使用するフォトマスクにおいて、
前記露光光が透過可能な基板と、
前記基板の上に設けられ前記露光光を遮光することが可能である複数のライン状の遮光部と前記遮光部間に透過部を有し、中心から任意の縁部までの前記遮光部のライン幅と前記遮光部の隣の前記透過部のスペース幅の和ｐに対する前記ライン幅の比率が単調に減少あるいは単調に増加するように、前記露光の際の前記露光光の露光波長をλ、レンズ開口率をＮＡ、照明のコヒーレンスファクタをσとするとき、前記和ｐが、ｐ≦λ／｛ＮＡ（１＋σ）｝を満たすように前記遮光部を配置したマスクパターンを有することを特徴とするフォトマスク。
【請求項９】
前記中心から前記任意の縁部までの前記和ｐは互いに等しいことを特徴とする請求項８に記載のフォトマスク。
【請求項１０】
前記遮光部で囲まれた図形は、円又は正多角形であり、互いの中心が一致することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のフォトマスク。
【請求項１１】
ウェーハにフォトマスクを介して露光光を露光することにより半導体装置をウェーハ上に形成する半導体装置の製造方法において、
前記露光光を遮光することが可能である複数の遮光部を有し、中心から任意の縁部まで前記露光光に対する透過率が単調に減少あるいは単調に増加するように前記遮光部を配置したマスクパターンを前記フォトマスク上に形成することと、
前記ウェーハ上にレジスト膜を形成することと、
前記マスクパターンを介して前記レジスト膜に前記露光光を露光することと、
前記マスクパターンを現像し、前記ウェーハ上にレジストパターンを形成することと、
前記レジストパターンの周囲長の測定値を求めることを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記フォトマスクに関して、前記周囲長の目標値、許容範囲、前記周囲長と前記露光光の露光量の一対一関係を有するデータベースを作成することと、
前記測定値と前記目標値の周囲長差を求めることと、
前記周囲長差が前記許容範囲内であるか否かを判断することをさらに有することを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記一対一関係に基づいて、前記周囲長差を前記露光量へ変換し、露光量差を求めることと、
前記露光することの前記露光光の露光量に対して、前記露光量差を加減することをさらに有することを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に用いられるフォトマスクと、このフォトマスクのマスクパターンとなるマークに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造方法では、リソグラフィ工程を繰り返し実施する。一般的なリソグラフィ工程では、まず、酸化膜や金属膜が形成された被処理ウェーハ上に、感光性樹脂であるレジストを塗布し、レジスト膜を成膜する。次に、露光装置により、フォトマスクに描画された半導体装置のマスクパターンを、所定の露光量、フォーカス位置で、レジスト膜へ露光し転写する。ベーク等の熱処理と現像により、レジスト膜にマスクパターンに対応する所定のレジストパターンが形成される。
【０００３】
このリソグラフィ工程においては、ウェーハ全面に渡り、レジストパターンの線幅を、マスクパターンの線幅に対応した所定の設計値の線幅に仕上げることが重要である。しかし、レジストパターンの線幅は変動する場合がある。このレジストパターンの線幅が変動する要因としては、露光装置のフォーカス位置のばらつき、レジスト膜の膜厚のばらつき、ベークのウェーハ温度のばらつきや現像の時間のばらつきといったリソグラフィ工程の変動が挙げられる。
【０００４】
リソグラフィ工程のこのような変動は、レジストパターンの線幅を変化させることにおいて、露光の際の露光光の露光量を変化させることと等価である。露光量が変化すれば、レジストパターンの線幅は変化する。即ち、特定の露光量で露光し現像すれば特定の設計値の線幅のレジストパターンが得られる場合に、特定の露光量で露光したのにもかかわらず、露光量以外のリソグラフィ工程の変動によってレジストパターンの線幅がその特定の線幅からずれる。この線幅のずれは、露光量を特定の露光量とは異なった露光量により修正し解消することが可能であると考えることができる。逆に、特定の露光量が、見かけ上異なった露光量に変化したのでレジストパターンの線幅が変化したと考えることができる。こうして、この線幅をずらすリソグラフィ工程の変動は、線幅の変動の観点から露光量という一元的な尺度で定量化できる。例えば、ベークのウェーハ温度のばらつきの範囲が露光量の範囲として表現できる。このようにリソグラフィ工程の変動による線幅の変化量を露光量に換算したものを露光量と区別して実効露光量と呼ぶ。
【０００５】
レジスト膜に与えられた実効露光量をモニタする技術として、実効露光量モニタマークが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、非特許文献１と非特許文献２参照。）。しかしながら、これらの文献では、必要な感度を露光量モニタマークに持たせようとすると、限られた領域内に収まらない程、実効露光量モニタマークが大きくなる場合があった。また、実効露光量モニタマークでは、正確に計測できない場合があった。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１２４２５号公報（第１図、第１５図）
【０００７】
【特許文献２】
特開２０００−３１０８５０号公報（第３図）
【０００８】
【非特許文献１】
エイ  スタリコブ（Ａ．  Ｓｔａｒｉｋｏｖ）、露光モニタ構造（Ｅｘｐｏｓｕｒｅ  Ｍｏｎｉｔｏｒ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、「プロシーディングス  オブ  エスピーアイイー（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ）」、  （アメリカ合衆国）、  ザ  ソサイアティ  オブ  フォト−オプティカル  インスツルメンテイション  エンジニアズ（ｔｈｅ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｐｈｏｔｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）、  １９９０年、  第１２６１号、  ｐｐ．３１５−３２４
【０００９】
【非特許文献２】
浅野昌史  外３名（Ａｓａｎｏ  ｅｔ  ａｌ）、フォトリソグラフィでの実効露光量モニタ技術によるＣＤ制御（ＣＤ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｗｉｔｈ  Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  Ｅｘｐｏｓｕｒｅ  Ｄｏｓｅ  Ｍｏｎｉｔｏｒ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ  ｉｎ  Ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）、「プロシーディングス  オブ  エスピーアイイー（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ）」、  （アメリカ合衆国）、  ザ  ソサイアティ  オブ  フォト−オプティカル  インスツルメンテイション  エンジニアズ（ｔｈｅ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｐｈｏｔｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）、  ２００２年、  第４６９１号、  ｐｐ．２８０−２８７
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高い感度を有し、正確な計測が可能な実効露光量モニタマークを提供することにある。
【００１１】
また、本発明の目的とするところは、高い感度を有し正確な計測が可能な実効露光量モニタマークを備えたフォトマスクを提供することにある。
【００１２】
また、本発明の目的とするところは、半導体装置のレジストパターンのばらついた線幅を、実効露光量モニタマークを用いて所定の設計値の線幅に修正可能な半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するための本発明の第１の特徴は、フォトマスクに形成され、ウェーハ上に形成したレジスト膜に露光され現像されるマークにおいて、中心から任意の縁部まで露光の露光光に対する透過率が単調に減少あるいは単調に増加するマークにある。
【００１４】
本発明の第２の特徴は、フォトマスクに形成され、ウェーハ上に形成したレジスト膜に露光され現像されるマークにおいて、複数のラインとライン間にスペースを有し、中心から任意の縁部までのラインのライン幅とラインの隣のスペースのスペース幅の和ｐに対するライン幅の比率が単調に減少あるいは単調に増加し、露光する際の露光波長をλ、レンズ開口率をＮＡ、照明のコヒーレンスファクタをσとするとき、和ｐが、ｐ≦λ／｛ＮＡ（１＋σ）｝を満たすマークにある。
【００１５】
本発明の第３の特徴は、ウェーハに露光光を露光するために使用するフォトマスクにおいて、露光光が透過可能な基板と、基板の上に設けられ露光光を遮光することが可能である複数の遮光部を有し中心から任意の縁部まで露光光に対する透過率が単調に減少あるいは単調に増加するように遮光部を配置したマスクパターンを有するフォトマスクにある。
【００１６】
本発明の第４の特徴は、ウェーハに露光光を露光するために使用するフォトマスクにおいて、露光光が透過可能な基板と、基板の上に設けられ露光光を遮光することが可能である複数のライン状の遮光部と遮光部間に透過部を有し中心から任意の縁部までの遮光部のライン幅と遮光部の隣の透過部のスペース幅の和ｐに対するライン幅の比率が単調に減少あるいは単調に増加するように、露光の際の露光光の露光波長をλ、レンズ開口率をＮＡ、照明のコヒーレンスファクタをσとするとき、和ｐが、ｐ≦λ／｛ＮＡ（１＋σ）｝を満たすように遮光部を配置したマスクパターンを有するフォトマスクにある。
【００１７】
本発明の第５の特徴は、ウェーハにフォトマスクを介して露光光を露光することにより半導体装置をウェーハ上に形成する半導体装置の製造方法において、露光光を遮光することが可能である複数の遮光部を有し中心から任意の縁部まで露光光に対する透過率が単調に減少あるいは単調に増加するように遮光部を配置したマスクパターンをフォトマスク上に形成することと、ウェーハ上にレジスト膜を形成することと、マスクパターンを介してレジスト膜に露光光を露光することと、マスクパターンを現像しウェーハ上にレジストパターンを形成することと、レジストパターンの周囲長の測定値を求めることを有する半導体装置の製造方法にある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。
【００１９】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態のマーク８は、図１と図２に示すように、複数のラインＬ１乃至Ｌ１０と、ラインＬ１乃至Ｌ１０間にスペースＳ１乃至Ｓ１０を有する。マーク８の中心１から任意の縁部２までのラインＬ１乃至Ｌ１０間のライン幅ＷＬ１乃至ＷＬ１０とラインＬ１乃至Ｌ１０の隣のスペースＳ１乃至Ｓ１０のスペース幅ＷＳ１乃至ＷＳ１０の和ｐに対するライン幅ＷＬ１乃至ＷＬ１０の比率は、単調に増加している。露光する際の露光波長をλ、レンズ開口率をＮＡ、照明のコヒーレンスファクタをσとするとき、和ｐは、ｐ≦λ／｛ＮＡ（１＋σ）｝の関係式を満たす。中心１から任意の縁部２までの和ｐは互いに等しい。すなわち、ライン幅ＷＬ１とスペース幅ＷＳ１の和ｐ１は、ライン幅ＷＬ２とスペース幅ＷＳ２の和ｐ２に等しい。同様に、和ｐ２は、ライン幅ＷＬ３とスペース幅ＷＳ３の和ｐ３に等しい。和ｐ３は、ライン幅ＷＬ４とスペース幅ＷＳ４の和ｐ４に等しい。和ｐ４は、ライン幅ＷＬ５とスペース幅ＷＳ５の和ｐ５に等しい。和ｐ５は、ライン幅ＷＬ６とスペース幅ＷＳ６の和ｐ６に等しい。和ｐ６は、ライン幅ＷＬ７とスペース幅ＷＳ７の和ｐ７に等しい。和ｐ７は、ライン幅ＷＬ８とスペース幅ＷＳ８の和ｐ８に等しい。和ｐ８は、ライン幅ＷＬ９とスペース幅ＷＳ９の和ｐ９に等しい。和ｐ９は、ライン幅ＷＬ１０とスペース幅ＷＳ１０の和ｐ１０に等しい。
【００２０】
和ｐが、ｐ≦λ／｛ＮＡ（１＋σ）｝の関係式を満たすことにより、ウェーハ上に到達する光はフォトマスクで回折された光の内０次回折光のみであり、ウェーハ面上の露光光の像強度分布はほぼ０次回折光によるものになる。ウェーハ面上に形成される像強度分布はフォーカスに対して全く変化しない。０次回折光によって得られるウェーハ面上の像強度は、その０次回折光が透過した箇所のスペース幅ＷＳ１乃至ＷＳ１０に依存する。したがって、レジストパターンのエッジ位置を検出すれば、フォーカスに依存することなく、実効露光量をモニタできる。
【００２１】
ラインＬ１乃至Ｌ１０で囲まれた図形は円であり、互い円の中心が、マーク８の中心１で一致する。
【００２２】
本発明の第１の実施の形態のフォトマスクは、図１と図２に示すように、マーク８を含んでいる。フォトマスクは、露光の露光光を透過させる基板５と、遮光部Ｌ１乃至Ｌ１０と、透過部Ｓ１乃至Ｓ１０を有している。遮光部Ｌ１乃至Ｌ１０は、基板５の下に設けられている。遮光部Ｌ１乃至Ｌ１０は、マーク８のラインＬ１乃至Ｌ１０として機能する。透過部Ｓ１乃至Ｓ１０は、マーク８のスペースＳ１乃至Ｓ１０として機能する。透過部Ｓ１乃至Ｓ１０は、空であり、このことにより露光光を透過させることを可能にしている。逆に、透過部Ｓ１乃至Ｓ１０、基板５と同様に露光光を透過できればよいので、透過部Ｓ１乃至Ｓ１０に基板５と同じ材料を用いてもよい。
【００２３】
そして、ウェーハに露光光を露光する際に、フォトマスクを介して、露光光がウェーハに露光される。
【００２４】
また、マーク８のフォトマスク上の基本的な形状は、マーク８の中心１から任意の縁部２まで、マーク８の中心１から任意の縁部２への方向に和ｐに等しい一定周期ｐで繰り返される微細なラインアンドスペース（Ｌ／Ｓ）であるとも考えられる。Ｌ／Ｓのデューティー比（ラインとスペースの比）は、中心１から任意の縁部２まで単調に増加するように変化する。マーク８では、同心円上に遮光部Ｌ１乃至Ｌ１０と透過部Ｓ１乃至Ｓ１０が繰り返されている。中心１を通る直線で切ったときの一定周期ｐは１５０ｎｍである。中心１から端部２に向かい、１．２５ｎｍずつ遮光部Ｌ１乃至Ｌ１０が太くなっていく。即ち、中心１から外側に向かい、遮光部の幅／透過部の幅の組が、４０ｎｍ／１１０ｎｍ、４１．２５ｎｍ／１０８．７５ｎｍ、・・・、１１０ｎｍ／４０ｎｍとなっている。
【００２５】
マーク８による実効露光量のモニタ方法について説明する。Ｌ／Ｓの周期ｐは、露光装置の解像度の限界以下になるよう微細に設定されている。したがって、この微細なＬ／Ｓを露光装置でウェーハ６上のレジスト膜７に露光し現像しても、レジスト膜７に微細なＬ／Ｓのレジストパターンは形成されない。
【００２６】
そのかわりに、レジスト膜７には、図３（ａ）に示すように、デューティー比の大小の分布に応じて、レジスト膜７に露光される露光光のエネルギー分布すなわち像強度分布が生じる。フォトマスク上のＬ／Ｓはウェーハ６上に結像しないので、この像強度分布は露光装置のフォーカス位置に依らず一定である。つまりフォトマスク上のマーク８は、マーク８の中心１から任意の縁部２まで露光光の透過率を単調に減少させる露光光の透過率調整フィルタとして機能する。この透過率調整フィルタとしてのマーク８を介して露光され、現像されたレジスト膜７のレジストパターンは、図３（ｂ）に示すように、エッジを有している。図４（ａ）と（ｂ）に示すように、レジスト膜７のレジストパターンのエッジのエッジ位置Ｐ０は、レジスト膜７の感光に要する必要最小限の像強度のスライスレベルＩ０に一致する像強度が像強度分布で得られる位置になる。この像強度のスライスレベルＩ０は、ウェーハ上の実効露光量の変動に伴って変動する。そして、スライスレベルＩ１の時、エッジ位置はＰ１になり、スライスレベルＩ２の時、エッジ位置はＰ２になる。例えば、露光時間がばらついた場合を考える。露光時間が長くなった場合は、像強度が小さくても感光するので、スライスレベルがスライスレベルＩ２の方向に変化し、エッジ位置もＰ２の方向に移動するのである。逆に、レジストパターンのエッジ位置Ｐ１乃至Ｐ３を測定することによって、スライスレベルＩ０乃至Ｉ３の変動量がわかり、最終的には実効露光量がモニタできる。
【００２７】
実効露光量を高精度に計測するためには、マークの高感度化が必要である。マークの高感度化には、マークを構成するＬ／Ｓのデューティー比の中心１から任意の縁部２までの変化率を小さくすること、即ち、露光光の透過率の中心１から任意の縁部２までにおける変化を緩慢にすることが効果的である。図５に、変化率の異なる４種類の露光量モニタマークＡからＤの露光量に対するエッジ位置を示す。露光量モニタマークＡからＤの全てで中心１がライン幅０ｎｍ／スペース幅１９０ｎｍであり、端部２がライン幅１９０ｎｍ／スペース幅０ｎｍである。中心１から任意の縁部２まで、ライン幅は、マークＡで５ｎｍずつ大きくなり、マークＢで２．５ｎｍずつ大きくなり、マークＣで１．２５ｎｍずつ大きくなり、マークＤで０．６２５ｎｍずつ大きくなる。これより、ライン幅の変化量が小さい程、露光量の変化に対するエッジ位置の変化量が大きい。即ち、エッジ位置の変化量の測定感度が一定であれば、ライン幅の変化量が小さい程、露光量の小さな変化をとらえられることになる。ライン幅の変化量が小さい程、露光量に対する感度が高くなる。
【００２８】
（第１の実施の形態の変形例１）
本発明の第１の実施の形態の変形例１のマーク９は、図６に示すように、複数のラインＬ１乃至Ｌ１０と、ラインＬ１乃至Ｌ１０間にスペースＳ１乃至Ｓ１０を有する。第１の実施の形態の変形例１のマーク９は、第１の実施の形態のマーク８に比較して、ラインＬ１乃至Ｌ１０の配置位置と、スペースＳ１乃至Ｓ１０の配置位置が入れ替わっている点が異なっている。このことにより、マーク９ではマーク８と異なり、マーク９の中心１から任意の縁部２までのラインＬ１乃至Ｌ１０間のライン幅ＷＬ１乃至ＷＬ１０とラインＬ１乃至Ｌ１０の隣のスペースＳ１乃至Ｓ１０のスペース幅ＷＳ１乃至ＷＳ１０の和ｐに対するライン幅ＷＬ１乃至ＷＬ１０の比率は、単調に減少している。
【００２９】
（第１の実施の形態の変形例２）
本発明の第１の実施の形態の変形例２のマーク１０は、図７（ａ）に示すように、複数のドット２１を有する。ドット２１の個々の面積、ドット２１の個数の密度、あるいは、ドット２１によって被われる面積の単位面積当たりの比は、マーク１０の中心１から任意の縁部２まで単調に増加している。このことにより、図７（ｂ）と図８（ａ）に示すように、マーク１０の中心１から任意の縁部２まで、露光の露光光に対する像強度が単調に減少し、透過率が単調に減少する。この透過率が単調に減少することにより、第１の実施の形態のマーク８と同様な効果が得られる。また、縁部２で囲まれた図形は円である。なお、正多角形であってもよい。この像強度を有する露光光で露光されたレジストパターンは図８（ｂ）に示すように、円の開口を有する。実効露光量が変化するとレジストのエッジ位置が変化するので、エッジ位置はフォトレジストの後退方向１２に移動する。そこで、実効露光量を計測するためには、レジストのエッジ位置を測定するが、具体的には、開口の円の直径、あるいは円の周囲長を測定する。図１１の（ａ）、（ｃ）、（ｅ）と（ｇ）に示すように、図１１の（ａ）から（ｃ）（ｅ）（ｇ）の順に露光の露光量を増やすと、実効露光量が増加し、円の直径Ｗ３乃至Ｗ６が順に大きくなる。また、円の周囲長ＷＲ３乃至ＷＲ６が順に大きくなる。
【００３０】
（第１の実施の形態の比較例）
第１の実施の形態の比較例では、図９（ａ）に示すようなマーク１１を使用する。マーク１１は、第１の実施の形態の変形例２のマーク１０と同様に複数のドット２１を有する。ドット２１の個数の密度あるいは、ドット２１によって被われる面積の単位面積当たりの比は、マーク１１の中心１から左右の縁部２まで単調に増加している。このことにより、図９（ｂ）と図１０（ａ）に示すように、マーク１１の中心１から左右の縁部２まで、露光の露光光に対する像強度が単調に減少し、透過率が単調に減少する。また、縁部２で囲まれた図形は長方形である。この像強度を有する露光光で露光されたレジストパターンは図１０（ｂ）に示すように、長方形の開口を有する。実効露光量が変化するとレジストのエッジ位置が変化するので、エッジ位置はフォトレジストの後退方向１３に移動する。そこで、実効露光量を計測するためには、レジストのエッジ位置を測定するが、具体的には、開口の長方形の幅、あるいは長方形の周囲長を測定する。図１１の（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）と（ｈ）に示すように、図１１の（ｂ）から（ｄ）（ｆ）（ｈ）の順に露光の露光量を増やすと、実効露光量が増加し、長方形の幅Ｗ１３乃至Ｗ１６が順に大きくなる。また、長方形の周囲長ＷＲ１３乃至ＷＲ１６が順に大きくなる。
【００３１】
そこで、実際に、図１２に示すように、第１の実施の形態のマーク８と第１の実施の形態の比較例のマーク１１を用いてレジストパターンの周囲長と露光量の関係を求めた。
【００３２】
まず、ウェーハ６上に反射防止膜を形成した。この反射防止膜の上にレジストを塗布し、レジスト膜７を形成した。マーク８とマーク１１が形成されたフォトマスクをＡｒＦのエキシマレーザを光源とする露光装置で露光した。露光光の露光波長λは１９３ｎｍであった。レンズ開口率ＮＡは、０．６８であった。照明のコヒーレンスファクタσは、０．３であった。
【００３３】
また、第１の実施の形態の比較例の露光量モニタマーク１１もフォトマスクに配置した。なお、マーク１１は、ドットではなくＬ／Ｓで、像強度分布が図９（ｂ）と図１０（ａ）に等しくなるように形成した。具体的に、Ｌ／Ｓの周期ｐは、１５０ｎｍとした。ライン幅は中心１から縁部に向かい１．２５ｎｍずつ大きくなっている。尚、数値は全てウェーハ６上に縮小投影された際の値に換算した寸法である。
【００３４】
ウェーハ６上のレジスト膜７に露光現像されたマーク８、１１に対応するレジストパターンは、光学式の検査装置を用いて観察し、周囲長を計測した。
【００３５】
図１２に示すように、第１の実施の形態のマーク８の周囲長の複数の測定値１５は、露光量をわずかずつ増加させると連続的に増加した。逆に他の測定値から飛びはなれた測定値は測定されなかった。このことから、マーク８の周囲長の測定値の測定誤差は小さいと考えられた。同様に、第１の実施の形態の比較例のマーク１１の周囲長の複数の測定値１６は、露光量をわずかずつ増加させると連続的に増加し、他の測定値から飛びはなれた測定値は測定されなかった。このことから、マーク１１の周囲長の測定値の測定誤差は小さいと考えられた。
【００３６】
また、測定値１５は、露光量をｘとし周囲長をｙとすると、一次式ｙ＝２．４２３９ｘ−１１．０９５で表される直線１７で近似することができる。同様に、測定値１６は、一次式ｙ＝１．５４３９ｘ−６．６６６９で表される直線１８で近似することができる。これより、一次式の傾きが、直線１８より直線１７の方が大きいことがわかる。傾きが大きければ、露光量の小さい変化量でも周囲長の大きな変化量を得ることができる。直線１７のマーク８の方がマーク１１より、露光量、さらには実効露光量に対する感度が高いと考えられる。
【００３７】
マーク８は、実効露光量の変化に対し、あらゆる方向でレジストパターンのエッジ位置が移動するので、感度が高いと考えられる。フォトマスク上にマークの配置可能領域４がモニタマーク８乃至１１用に与えられているとする。実効露光量の変化に対して、マーク１１は図１０（ｂ）の方向１３にレジストパターンが伸縮するのみである。マーク８では、レジストパターンが図８（ｂ）の方向１２のように全方向に伸縮する。図１１のように幅Ｗ３乃至Ｗ６と幅Ｗ１３乃至Ｗ１６を測定すると、実効露光量の変化に対しマーク８と１１の感度は等しいと考えられる。しかし、レジストパターンの周囲長を計測することにより、実効露光量の感度にマーク８と１１で差が生じる。
【００３８】
マーク１１について、単位露光量に対するエッジ位置の移動量をΔａとすると、レジストパターンの上辺の両端で移動する移動量は２Δａとなり、下辺の両端で移動する移動量も２Δａとなるので、合わせた周囲長の変化量は４Δａである。一方、マーク８の単位露光量に対するエッジ位置の移動量をΔａとすると、レジストパターンの周囲長の変化量は、２πΔａである。これより、マーク８の周囲長の変化量は、マーク１１の周囲長の変化量に比べ比２πΔａ／４Δａより約１．５７倍大きい。即ち、フォトマスク上の領域４が決まっている時には、モニタマークにマーク８を用い、レジストパターンの周囲長を測定することにより、実効露光量の感度を高めることができる。
【００３９】
次に、図１３に示すように、第１の実施の形態のマーク８と第１の実施の形態の比較例のマーク１１を用いてウェーハ６を構成するロット毎のレジストパターンの幅を求めた。レジストパターンの形成方法は、図１２の場合と同じにした。図１３（ａ）（ｂ）に示すように、ウェーハ６上のレジスト膜７に露光現像されたマーク８、１１のレジストパターンは、光学式の検査装置を用いて観察し、幅Ｗ７とＷ１７を計測した。
【００４０】
図１３（ｃ）に示すように、第１の実施の形態のマーク８の幅の複数の測定値１９は、第１の実施の形態の比較例のマーク１１の幅の複数の測定値２０によく一致することがわかった。しかし、同一のロットである１７ロット目で、測定値１９と２０が大きく異なる場合があった。図１４に示すように、この異なる原因は、幅を計測する計測装置のウェーハの回転補正の誤差であることがわかった。図１４（ｂ）に示すように、マーク１１では、ウェーハが回転すると真値である幅Ｗ１８と幅の測定値Ｗ１９が異なり、幅Ｗ１８より幅の測定値Ｗ１９が大きくなる。一方、マーク８では、レジストパターンが円形であるので、ウェーハが回転しても真値である幅Ｗ８と幅の測定値Ｗ９は等しい。すなわち、幅Ｗ８を正確に計測することができる。
【００４１】
（半導体装置の製造方法）
第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、ウェーハにフォトマスクを介して露光光を露光することにより半導体装置をウェーハ上に形成する。
【００４２】
まず、図１５に示すように、ステップｓ１において、マーク８乃至１１のいずれか１つのマスクパターンと半導体装置のマスクパターンを製造工程毎のフォトマスク上に形成する。
【００４３】
ステップｓ２において、製造工程毎のフォトマスクに関して、線幅の目標値と許容範囲となるスペック、実効露光量の目標値とスペック、周囲長の目標値とスペック、線幅と露光光の露光量の一対一関係、周囲長と露光光の露光量の一対一関係を有するデータベースを作成する。具体的には、まず、線幅の目標値とスペックが半導体装置の設計の際に決定される。次に、線幅と露光光の露光量の一対一関係、周囲長と露光光の露光量の一対一関係が、シミュレーションや実験によって求められる。例えば、周囲長と露光光の露光量の一対一関係としては、図１２の測定値１５、１６や近似式によって与えられる値１７、１８であってもよい。次に、線幅の目標値とスペックと線幅と露光光の露光量の一対一関係に基づいて、実効露光量の目標値とスペックを求める。さらに、実効露光量の目標値とスペックと周囲長と露光光の露光量の一対一関係に基づいて、周囲長の目標値とスペックを求める。最後に、これらをデータベース化する。
【００４４】
ステップｓ３において、ウェーハを選択し、このウェーハの製造過程の製造工程に対応するフォトマスクを選択する。
【００４５】
ステップｓ４において、ウェーハ上にレジスト膜を形成する。
【００４６】
ステップｓ５において、マスクパターンを介してレジスト膜に露光光を露光する。
【００４７】
ステップｓ６において、マスクパターンを現像し、ウェーハ上のレジスト膜にマーク８乃至１１のいずれか１つのレジストパターンと半導体装置のレジストパターンを形成する。
【００４８】
ステップｓ７において、マーク８乃至１１のいずれか１つのレジストパターンの周囲長の測定値を求める。
【００４９】
ステップｓ８において、データベースの周囲長と露光光の露光量の一対一関係に基づいて、周囲長の測定値を実効露光量へ変換する。
【００５０】
ステップｓ９において、変換された実効露光量とデータベースの実効露光量の目標値との差である露光量差を求める。
【００５１】
ステップｓ１０において、その露光量差がデータベースの実効露光量のスペック内か否か判断する。スペック内の場合はステップｓ１３に進む。スペックを外れた場合はステップｓ１１に進む。
【００５２】
ステップｓ１１において、露光量差に基づいて露光の際の露光光の露光量を修正する。
【００５３】
ステップｓ１２において、レジスト膜を除去する。そして、ステップｓ４に戻る。このことにより、ステップｓ５において修正された露光量で露光することができ、実効露光量の変換値を目標値に合わせることができる。そして、線幅を目標値に合わせることができる。
【００５４】
ステップｓ１３において、レジスト膜をマスクにウェーハを加工する。さらに、他のウェーハを選択したり、他のフォトマスクを選択したりして、新たに選択したウェーハとフォトマスクに対してステップｓ４乃至ｓ１３を実行する。このことにより、半導体装置が完成できる。
【００５５】
なお、ステップｓ８は、ステップｓ１１の前に行ってもよい。この場合は、ステップｓ７の後にステップｓ９として、周囲長の測定値とデータベースの周囲長の目標値の差である周囲長差を求める。
【００５６】
ステップｓ１０として、周囲長差が、データベースの周囲長のスペック内であるか否かを判断する。スペック内の場合はステップｓ１３に進む。スペックを外れた場合はステップｓ１１に進む。
【００５７】
ステップｓ１１として、まず、ステップｓ８のデータベースの周囲長と露光光の露光量の一対一関係に基づいて、周囲長差を実効露光量へ変換し、露光量差を求める。さらに、露光量差に基づいて露光の際の露光光の露光量を修正する。具体的には露光光の露光量に対して露光量差を加減する。以下のステップｓ１２とｓ１３は上記の場合と同様に行う。
【００５８】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態のマーク２２は、図１６に示すように、図１の第１の実施の形態のマーク８と同様に複数のラインＬ１乃至Ｌ１０と、ラインＬ１乃至Ｌ１０間にスペースＳ１乃至Ｓ１０を有する。本発明の第２の実施の形態のフォトマスクは、マーク２２を含んでいる。フォトマスクは、露光の露光光を透過させる基板５と、遮光部Ｌ１乃至Ｌ１０と、透過部Ｓ１乃至Ｓ１０を有している。
【００５９】
第２の実施の形態のマーク２２は、マーク８が縁部２で囲まれた図形が円であるのに対して、正８角形である点が異なっている。
【００６０】
マーク２２を用いてレジストパターンを形成した場合、そのレジストパターンの周囲長は、式１より、第１の実施の形態の比較例のマーク１１と感度を比較すると、６．１２Δａ／４Δａ＝１．５３となる。これより、第１の実施の形態のマーク８と同様に感度の高い計測ができる。
【００６１】
【数１】
2004303815.tif 000003
また、マークの縁部２で囲まれた図形が、正ｎ角形で、ｎが８より大きい場合には、正８角形と円の場合と同様の高い感度が得られる。なお、ｎが特に大きい場合にはレジストパターンはほとんど円と見なされ、円の場合と同様の高い感度が得られると考えられる。
【００６２】
（第２の実施の形態の変形例１）
本発明の第２の実施の形態の変形例１のマーク２３は、図１７（ｂ）に示すように、図１７（ａ）と図７（ａ）の第１の実施の形態の変形例２のマーク１０と同様に複数のドット２１を有する。
【００６３】
第２の実施の形態の変形例１のマーク２３は、マーク１０が縁部２で囲まれた図形が円であるのに対して、縁部２で囲まれた図形が正８角形である点が異なっている。
【００６４】
ドット２１によって被われる面積の単位面積当たりの比が、マーク１０の中心１から任意の縁部２まで単調に増加している。このことにより、図１７（ｃ）と図１７（ｄ）に示すように、マーク１０と２３の中心１から任意の縁部２まで、露光の露光光に対する像強度が単調に連続的に減少し、透過率が単調に連続的に減少する。この透過率が単調に減少することにより、第１の実施の形態のマーク８と同様な効果が得られる。二つのマーク１０と２３は中心１で露光光の透過率が１００％で、縁部２で透過率がゼロである。この像強度を有する露光光で露光されたレジストパターンは図１７（ｅ）と図１７（ｆ）に示すように、円と正８角形の開口を有する。実効露光量が変化するとレジストのエッジ位置が変化するので、実効露光量を計測するためには、レジストパターンの円と正８角形の周囲長を測定する。
【００６５】
実効露光量の変化に対し、中心１を通るあらゆる方向のレジストパターンのエッジ位置が変化するので、実効露光量の変化に対して高い感度が得られる。また、ある程度の回転補正有した計測装置で、精度よくエッジ位置が検出できる。
【００６６】
（第２の実施の形態の変形例２）
本発明の第２の実施の形態の変形例２のマーク２４は、図１８に示すように、図１の第１の実施の形態のマーク８と同様に複数のラインＬ１乃至Ｌ７と、ラインＬ１乃至Ｌ７間にスペースＳ１乃至Ｓ７を有する。第２の実施の形態の変形例２のフォトマスクは、マーク２４を含んでいる。フォトマスクは、露光の露光光を遮光する遮光部Ｌ１乃至Ｌ７と、露光光を透過する透過部Ｓ１乃至Ｓ７を有している。
【００６７】
第２の実施の形態の変形例２のマーク２４は、マーク８が縁部２で囲まれた図形が円であるのに対して、正３角形である点が異なっている。
【００６８】
マーク２４を用いてレジストパターンを形成した場合、そのレジストパターンの周囲長は、式１を正３角形に適用することにより、第１の実施の形態の比較例のマーク１１と感度を比較すると、５．２０Δａ／４Δａ＝１．３０となる。これより、マーク２４はマーク１１より高い感度の計測ができる。マーク２４は、実効露光量の変化に対し、中心１に対してあらゆる方向でレジストパターンのエッジ位置が移動するので、レジストパターンの周囲長を測定することにより、実効露光量のモニタの感度を高めることができる。
【００６９】
（第２の実施の形態の変形例３）
本発明の第２の実施の形態の変形例３のマーク２５は、図１９に示すように、図１の第１の実施の形態のマーク８と同様に複数のラインＬ１乃至Ｌ１０と、ラインＬ１乃至Ｌ１０間にスペースＳ１乃至Ｓ１０を有する。第２の実施の形態の変形例３のフォトマスクは、マーク２５を含んでいる。フォトマスクは、露光の露光光を遮光する遮光部Ｌ１乃至Ｌ１０と、露光光を透過する透過部Ｓ１乃至Ｓ１０を有している。
【００７０】
第２の実施の形態の変形例３のマーク２５は、マーク８が縁部２で囲まれた図形が円であるのに対して、正４角形である点が異なっている。
【００７１】
マーク２５を用いてレジストパターンを形成した場合、そのレジストパターンの周囲長は、式１を正４角形に適用することにより、第１の実施の形態の比較例のマーク１１と感度を比較すると、５．６６Δａ／４Δａ＝１．４２となる。これより、マーク２５はマーク１１より高い感度の計測ができる。マーク２５は、実効露光量の変化に対し、中心１に対してあらゆる方向でレジストパターンのエッジ位置が移動するので、レジストパターンの周囲長を測定することにより、実効露光量のモニタの感度を高めることができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高い感度を有し、正確な計測が可能な実効露光量モニタマークを提供できる。
【００７３】
また、本発明によれば、高い感度を有し正確な計測が可能な実効露光量モニタマークを備えたフォトマスクを提供できる。
【００７４】
また、本発明によれば、半導体装置のレジストパターンのばらついた線幅を、実効露光量モニタマークを用いて所定の設計値の線幅に修正可能な半導体装置の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係るマークを有するフォトマスクの上面図である。
【図２】（ａ）は、第１の実施の形態に係るフォトマスクの一部のマークの中心から縁部までをライン方向に拡大して示した上面図である。（ｂ）は、（ａ）のＩ−Ｉ方向の断面図である。
【図３】（ａ）は、第１の実施の形態に係るフォトマスクを使用した露光時に図２（ａ）のフォトマスクの一部を透過した露光光の像強度分布図である。（ｂ）は、その露光光によって露光された露光現像後のレジストパターンの上面図である。
【図４】第１の実施の形態に係るフォトマスクを用いた製造プロセスのモニタ方法を説明するための図である。
【図５】フォトマスク上のマークのラインのライン幅とラインの隣のスペースのスペース幅の和に対するライン幅の比率のマークの中心から任意の縁部まで増加率と、製造プロセスのモニタの感度の関係を示すグラフである。
【図６】第１の実施の形態の変形例１に係るマークを有するフォトマスクの上面図である。
【図７】第１の実施の形態の変形例２に係るフォトマスクの上面図と、このフォトマスクを使用した露光時にこのフォトマスクを透過した露光光の像強度分布図である。
【図８】（ａ）は、図７（ｂ）のＩ−Ｉ方向の像強度のプロファイルである。（ｂ）は、第１の実施の形態の変形例２に係るフォトマスクを使用して露光し現像したレジストパターンの上面図である。
【図９】第１の実施の形態の比較例のフォトマスクの上面図と、このフォトマスクを使用した露光時にこのフォトマスクを透過した露光光の像強度分布図である。
【図１０】（ａ）は、図９（ｂ）のＩ−Ｉ方向の像強度のプロファイルである。（ｂ）は、第１の実施の形態の比較例のフォトマスクを使用して露光し現像したレジストパターンの上面図である。
【図１１】第１の実施の形態の変形例２と比較例３のフォトマスクを用いて露光現像したレジストパターンの露光量の依存性を示す上面図である。
【図１２】第１の実施の形態に係るフォトマスクを用いて露光現像したレジストパターンの周囲長と露光量の関係を示すグラフである。
【図１３】第１の実施の形態に係るフォトマスクを用いて露光現像したレジストパターンの幅の測定値とロット数の関係を示すグラフである。
【図１４】第１の実施の形態に係るフォトマスクを用いて露光現像したレジストパターンの幅の測定値が正確である理由を説明するための図である。
【図１５】第１の実施の形態に係るフォトマスクを用いて製造プロセスのモニタをしながら半導体装置を製造する半導体装置の製造方法のフローチャートである。
【図１６】第２の実施の形態に係るマークを有するフォトマスクの上面図である。
【図１７】第１の実施の形態の変形例２と第２の実施の形態の変形例１に係るフォトマスクの上面図、これらのフォトマスクを使用した露光時にこれらのフォトマスクを透過した露光光の像強度分布図と、そして露光現像されたレジストパターンの上面図である。
【図１８】第２の実施の形態の変形例２に係るマークを有するフォトマスクの上面図である。
【図１９】第２の実施の形態の変形例３に係るマークを有するフォトマスクの上面図である。
【符号の説明】
１  マークの中心
２  マークの縁部
３  マークの中心から縁部までの一部の領域
４  マークの配置可能領域
５  フォトマスクの露光光を透過させる基板
６  被露光ウェーハ
７  フォトレジスト膜
８  第１の実施の形態に係るマーク
９  第１の実施の形態の変形例１に係るマーク
１０  第１の実施の形態の変形例２に係るマーク
１１  第１の実施の形態の比較例のマーク
１２  フォトレジスト膜の後退方向
１３  フォトレジスト膜の後退方向
１５  第１の実施の形態に係るマークを用いて露光現像したフォトレジスト膜の周囲長
１６  第１の実施の形態の比較例のマークを用いて露光現像したフォトレジスト膜の周囲長
１７、１８  １次関数で近似した直線
１９  第１の実施の形態の比較例のマークを用いて露光現像したフォトレジスト膜の幅
２０  第１の実施の形態に係るマークを用いて露光現像したフォトレジスト膜の幅
２１  マークのドット、フォトマスクのドット形状の遮光部
２２  第２の実施の形態に係るマーク
２３  第２の実施の形態の変形例１に係るマーク
２４  第２の実施の形態の変形例２に係るマーク
２５  第２の実施の形態の変形例３に係るマーク
Ｌ１乃至Ｌ１０  マークのライン、フォトマスクの遮光部
Ｓ１乃至Ｓ１０  マークのスペース、フォトマスクの透過部
ＷＲ３乃至ＷＲ６、ＷＲ１３乃至ＷＲ１６  周囲長
【図１】
2004303815.tif 000004
【図２】
2004303815.tif 000005
【図３】
2004303815.tif 000006
【図４】
2004303815.tif 000007
【図５】
2004303815.tif 000008
【図６】
2004303815.tif 000009
【図７】
2004303815.tif 000010
【図８】
2004303815.tif 000011
【図９】
2004303815.tif 000012
【図１０】
2004303815.tif 000013
【図１１】
2004303815.tif 000014
【図１２】
2004303815.tif 000015
【図１３】
2004303815.tif 000016
【図１４】
2004303815.tif 000017
【図１５】
2004303815.tif 000018
【図１６】
2004303815.tif 000019
【図１７】
2004303815.tif 000020
【図１８】
2004303815.tif 000021
【図１９】
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