(57)【要約】【課題】チップ領域の有効面積を減少させずに、フォーカス位置をより適切に設定できるようにした最適フォーカス位置検出方法及び半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】同一形状で且つ同一寸法のテストパターンがチップ領域に対応するマスクブランクス内で複数繰り返し配置された専用マスクを用いて、ショット毎にフォーカス位置を変えながら製品ウエーハ上のフォトレジストを露光処理し、現像処理してレジストパターンを形成する。次に、レジストパターンの寸法を測定し、寸法の測定値に基づいてテストパターン毎に最適なフォーカス位置を検出する。そして、検出された複数の最適なフォーカス位置の中心値を求める。その後、中心値に基づいて設定されるフォーカス位置を、回路パターンを転写するときの最適フォーカス位置に決定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上のフォトレジストに回路パターンを転写するときの最適フォーカス位置を検出する方法であって、
同一形状で且つ同一寸法のテストパターンがチップ領域に対応するマスク基板内で複数繰り返し配置された専用フォトマスクを用いて、ショット毎にフォーカス位置を変えながら前記基板上のフォトレジストを露光処理する工程と、
前記専用フォトマスクを用いて露光処理された前記フォトレジストを現像処理してレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンの寸法を測定する工程と、
前記寸法の測定値に基づいて前記テストパターン毎に最適なフォーカス位置を検出する工程と、
検出された複数の前記最適なフォーカス位置の中心値を求める工程と、
前記中心値に基づいて設定されるフォーカス位置を、前記回路パターンを転写するときの前記最適フォーカス位置に決定する工程と、を含むことを特徴とする最適フォーカス位置検出方法。
【請求項２】
前記フォーカス位置は整数値によって段階的に設定され、
前記最適フォーカス位置を決定する工程では、
前記中心値が整数値の場合は、当該中心値に対応する前記フォーカス位置を前記最適フォーカス位置に決定し、
前記中心値が整数値でない場合は、当該中心値に最も近い整数値に対応するフォーカス位置を前記最適フォーカス位置に決定する、ことを特徴とする最適フォーカス位置検出方法。
【請求項３】
決定された前記最適フォーカス位置が所定の管理値内に入っているか否かを確認し、前記最適フォーカス位置が前記管理値内に入っていない場合にはエラーを通知する工程、を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の最適フォーカス位置検出方法。
【請求項４】
基板上のフォトレジストに回路パターンを転写する際に、
請求項１から請求項３の何れか一項に記載の最適フォーカス位置検出方法によって検出された最適フォーカス位置で露光処理を行う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、最適フォーカス位置検出方法及び半導体装置の製造方法に関し、特に、チップ領域の有効面積を減少させずに、回路パターン転写時のフォーカス位置をより適切に設定できるようにした技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のデバイスパターンの微細化に伴い、焦点深度などのプロセスマージンを十分に得ることが難しくなってきている。そのため、少ないプロセスマージンを有効に使用し、歩留まりの低下を防ぐために、製品ウエーハに回路パターンを転写するフォトマスク（以下、「製品マスク」という。）内にフォーカスモニタ用のテストパターンを配置することが一般的に行われている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図９は、従来例に係る最適フォーカス位置検出方法を示すフローチャートである。
まず始めに、図９のステップＳ´１で、層間絶縁膜や配線膜で覆われた製品ウエーハ上にフォトレジストを塗布する。ここでは、予めレジスト塗布工程を終了した製品ロット内から製品ウエーハを１枚抜き取って使用する。
次に、図９のステップＳ´２で、フォーカスモニタ用のテストパターンが配置された製品マスクを露光装置にセットする。そして、図９のステップＳ´３では、テストパターンが配置された製品マスクを用いて、ショット毎にフォーカス位置を変えながら露光処理を行う。
【０００４】
図１０は、従来例に係るテストパターンの形成位置を示す平面図である。上述したように、製品マスク内にはフォーカスモニタ用のテストパターンが配置されている。このテストパターンは、例えば、製品マスクの四隅に近い部分と中央部分とにそれぞれ１パターンずつ、計５パターンが配置されている。このような製品マスクを用いて露光処理を行うと、図１０に示すように、製品ウエーハＷ上のチップ領域に回路パターンが転写されると同時に、１ショットで一度に露光される領域（以下、ショット領域という。）の四隅９１と中央部分９２とにテストパターンが転写される。
【０００５】
次に、図９のステップＳ´４で、製品ウエーハに対して現像処理を行い、製品ウエーハ上に回路パターンとテストパターンとを形成する。そして、図９のステップＳ´５で、各ショット領域に形成されたテストパターンの寸法を測定する。ここで、各ショット領域に形成されたテストパターンは、ショット領域毎にフォーカス位置が異なっているので、その寸法はショット領域毎に異なっていることが普通である。
【０００６】
次に、図９のステップＳ´６では、ステップＳ´５で得られた測定値に基づいて最適フォーカス位置を決定する。例えば、現像処理後に製品ウエーハ上に形成されるテストパターンが溝である場合には、フォーカス位置が最適であるとき溝の寸法幅も最大となる。言い換えれば、デフォーカスであるほど溝の寸法幅は狭くなる傾向がある。そこで、このステップＳ´６では、製品ウエーハ内で溝の寸法幅（測定値）が最大となっているショット領域を探し出す。そして、探し出したショット領域を露光したときのフォーカス位置を、「最適フォーカス位置」に決定する。次に、図９のステップＳ´７へ進む。ステップＳ´７では、製品ウエーハに形成されたレジストパターンを剥離して取り除く。これにより、最適フォーカス位置の検出作業を終了する。
【０００７】
最適フォーカス位置の検出作業を終了した後は、レジスト塗布工程を終了した製品ロットに対する露光処理（即ち、製品処理）を開始する。この製品処理では、図９に示した方法を経て決定された「最適フォーカス位置」で、製品ウエーハを１枚ずつ露光処理する。
【特許文献１】特開２００１−１８９２６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、近年では配線層の多層化が進みつつあり、層間絶縁膜と配線層との形成工程を繰り返し行うことが多いので、ウエーハ表面の起伏は大きくなりがちである。この起伏は、ショット領域内はもちろんのことチップ領域内にも存在し、製品マスクに対する高低差となって現れている。
しかしながら、図１０に示したように、従来の技術では、テストパターンの寸法測定はショット領域内の例えば５箇所でのみ行われ、他の箇所では寸法測定が行われていなかった。ここで、製品の種類によっては、寸法測定が行われた上記５箇所よりも高い部分や低い部分が存在する場合があり、そのような高い（又は、低い）部分では、上述の方法で決定された最適フォーカス位置で露光処理しても、デフォーカスとなってしまうおそれがあった（第１の問題点）。
【０００９】
また、上記第１の問題点を解決する方法として、製品マスクのチップ領域内により多くのテストパターンを配置する方法も考えられるが、この方法では、テストパターンを多く配置した分だけ、チップ領域における回路パターンを配置可能な面積（即ち、有効面積）が減ってしまうという問題があった（第２の問題点）。
そこで、この発明はこのような第１、第２の問題点に鑑みてなされたものであって、チップ領域の有効面積を減少させずに、回路パターン転写時のフォーカス位置をより適切に設定できるようにした最適フォーカス位置検出方法及び半導体装置の製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
〔発明１、２〕  上記目的を達成するために、発明１の最適フォーカス位置検出方法は、基板上のフォトレジストに回路パターンを転写するときの最適フォーカス位置を検出する方法であって、同一形状で且つ同一寸法のテストパターンがチップ領域に対応するマスク基板内で複数繰り返し配置された専用フォトマスクを用いて、ショット毎にフォーカス位置を変えながら前記基板上のフォトレジストを露光処理する工程と、前記専用フォトマスクを用いて露光処理された前記フォトレジストを現像処理してレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンの寸法を測定する工程と、前記寸法の測定値に基づいて前記テストパターン毎に最適なフォーカス位置を検出する工程と、検出された複数の前記最適なフォーカス位置の中心値を求める工程と、前記中心値に基づいて設定されるフォーカス位置を、前記回路パターンを転写するときの前記最適フォーカス位置に決定する工程と、を含むことを特徴とするものである。
【００１１】
発明２の最適フォーカス位置検出方法は、発明１の最適フォーカス位置検出方法において、前記フォーカス位置は整数値によって段階的に設定され、前記最適フォーカス位置を決定する工程では、前記中心値が整数値の場合は、当該中心値に対応する前記フォーカス位置を前記最適フォーカス位置に決定し、前記中心値が整数値でない場合は、当該中心値に最も近い整数値に対応するフォーカス位置を前記最適フォーカス位置に決定する、ことを特徴とするものである。
【００１２】
発明１、２の最適フォーカス位置検出方法によれば、チップ領域を含む基板表面の起伏状態をより詳細に把握することができるので、フォーカス位置をより適切に設定することができ、デフォーカス量をより少なくすることが可能である。また、製品マスクではなく、専用フォトマスクにテストパターンを配置しているので、製品マスクにテストパターンを配置する必要がない。これにより、チップ領域の有効面積を減少させないで済む。
【００１３】
〔発明３〕  発明３の最適フォーカス位置検出方法は、発明１又は発明２の最適フォーカス位置検出方法において、決定された前記最適フォーカス位置が所定の管理値内に入っているか否かを確認し、前記最適フォーカス位置が前記管理値内に入っていない場合にはエラーを通知する工程、を含むことを特徴とするものである。
このような構成であれば、基板上のフォトレジストに回路パターンを転写する際にデフォーカスとなる可能性を少なくすることができる。
【００１４】
〔発明４〕  発明４の半導体装置の製造方法は、基板上のフォトレジストに回路パターンを転写する際に、発明１から発明３の何れか一の最適フォーカス位置検出によって検出された最適フォーカス位置で露光処理を行うことを特徴とするものである。ここで、回路パターンの転写には、チップ領域内に回路パターンが配置された製品マスクを使用する。
このような構成であれば、上述の発明１〜３が応用されるので、チップ領域の有効面積を減少させることなく、回路パターンをデフォーカス量少なく転写することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
（１）第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係る最適フォーカス位置検出方法を示すフローチャートである。まず始めに、図１のステップＳ１で、層間絶縁膜や配線膜で覆われた製品ウエーハ上にフォトレジストを塗布する。ここでは、予めレジスト塗布工程を終了した製品ロット内から製品ウエーハを１枚抜き取って使用する。次に、図１のステップＳ２で、フォーカスモニタ用の専用フォトマスク（以下、単に「専用マスク」という。）をステッパ等の露光装置にセットする。
【００１６】
図２（Ａ）は、専用マスク１０の構成例を示す概念図である。図２（Ａ）に示すように、この専用マスク１０は、フォーカスモニタ用のフォトマスクであり、マスクブランクス１１のチップ領域に対応する部分には回路パターンは形成されておらず、その代わりに、フォーカスモニタ用のテストパターンが複数繰り返し配置されている。例えば、この専用マスク１０は、格子状に複数の領域（例えば、領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃ、領域Ｄ、領域Ｅ、領域Ｆ、領域…）に区分されており、一例として縦：４領域×横：４領域の計１６領域で１つのチップ領域に対応している。また、各領域には、同一形状で、且つ同一寸法のテストパターンがそれぞれ１パターンずつ配置されている。
【００１７】
図２（Ｂ）は、テストパターン２０の構成例を示す平面図である。図２（Ｂ）に示すように、テストパターン２０は、その１パターンが例えば複数本のライン１３と複数個のホール１４とで構成されている。これらライン１３及びホール１４は、マスクブランクスの表面を覆うクロム（Ｃｒ）等の遮光膜１２が選択的に取り除かれて形成されたものであり、ライン１３の寸法幅とホール１４の直径はそれぞれデザインルール上で最小のサイズとなっている。
【００１８】
図１に戻って、ステップＳ３では、製品ウエーハ上のフォトレジストに対して、専用マスクを用いて露光処理を行う。ここでは、製品ウエーハ上のフォトレジストに対して、ショット毎にフォーカス位置を段階的に変えながら露光処理を行う。一例として、露光装置のフォーカス位置は例えば整数値によって段階的に設定されている。ステップＳ３では、図３に示すように、フォーカス位置を設定１、設定２、設定３、…、設定１１、設定１２と段階的に変えながら、ステップ＆リピートで露光処理を行う。このような露光処理によって、専用マスクの領域Ａに配置されたテストパターンは、設定１〜１２の各フォーカス位置でそれぞれ１ショットずつ露光処理される。領域Ａ以外の他の領域（領域Ｂ、領域Ｃ、領域Ｄ、領域Ｅ、領域Ｆ、…）に配置されたテストパターンについても同様である。
【００１９】
次に、図１のステップＳ４では、製品ウエーハ上のフォトレジストに対して現像処理を行ってレジストパターンを形成する。そして、図１のステップＳ５では、レジストパターンの寸法を測定する。
ここで、領域Ａに配置されたテストパターン（以下、「テストパターンＡ」とも言う。）は、複数本のラインと複数個のホールとからなり、これらは設定１〜１２の各フォーカス位置でフォトレジストに転写されている。そして、現像処理後はレジストパターンとして製品ウエーハ上に残されている。そこで、テストパターンＡの転写によって製品ウエーハ上に形成されたレジストパターンを探し出し、例えば、テストパターンＡのラインの転写によって形成された溝（或いは、そのホールの転写によって形成された穴でも良い。）の幅を測定する。
【００２０】
この測定は、フォーカス位置の設定毎（即ち、ショット毎）にそれぞれ行い、その測定値を記録する。次に、図１のステップＳ６では、ステップＳ５で記録した測定値に基づいて、各領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃ、領域Ｄ、領域Ｅ、領域Ｆ、…での「最適なフォーカス位置」を探す。
【００２１】
図４は、テストパターンＡの測定値をフォーカス位置の設定毎にプロットした図である。この図はステップＳ５で記録した測定値に基づいて作成したものである。測定対象がラインの転写によって形成された溝である場合、その測定値は「最適なフォーカス位置」で最大となる。図４に示すようにテストパターンＡの場合はフォーカス位置の設定が例えば３のとき測定値が最大であり、このことから、領域Ａにおける「最適なフォーカス位置」は３であると判断できる。同様の方法で、領域Ａ以外の他の領域（領域Ｂ、領域Ｃ、領域Ｄ、領域Ｅ、領域Ｆ、…）についても、「最適なフォーカス位置」をそれぞれ求める。
【００２２】
図５は、各テストパターンの測定値をフォーカス位置の設定毎にプロットした図である。図５に示すように、この実施の形態では、一例として、領域Ｂの「最適なフォーカス位置」は４であり、領域Ｃの「最適なフォーカス位置」は５であり、領域Ｄの「最適なフォーカス位置」は６である。各領域における「最適なフォーカス位置」は、専用マスクと製品ウエーハとの距離によって異なり、フォトレジスト下の層間絶縁膜や、配線膜等の厚さのばらつきによって異なる。そのため、例えば図６に示すように、「最適なフォーカス位置」は領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、…間でその値がばらつくことが普通である。
【００２３】
次に、図１のステップＳ７では、各領域での「最適なフォーカス位置」の中心値を算出する。一例として「最適なフォーカス位置」の最大値が７、最小値が３の場合、中心値は５である。ここでは、中心値が５である場合を想定する。次に、図１のステップＳ８では、中心値、即ちフォーカス位置５を、製品マスクを用いて回路パターンを転写するときの「最適フォーカス位置」に決定する。その後、図１のステップＳ８で、専用マスクによって形成されたレジストパターンを製品ウエーハ上から剥離して取り除く。これにより、最適フォーカス位置の検出作業を終了する。
【００２４】
最適フォーカス位置の検出作業を終了した後は、レジスト塗布工程を終了した製品ロットに対して露光処理（即ち、製品処理）を開始する。この製品処理では「最適フォーカス位置」５で、製品ウエーハを１枚ずつ露光処理する。
このように、本発明の第１実施形態によれば、チップ領域を含む製品ウエーハ表面の起伏状態をより詳細に把握することができるので、フォーカス位置をより適切に設定することができ、デフォーカス量をより少なくすることが可能である。また、製品マスクではなく、専用マスクにテストパターンを配置しているので、製品マスクにテストパターンを配置する必要がない。これにより、チップ領域の有効面積を減少させないで済む。
【００２５】
なお、この第１実施形態では、「最適なフォーカス位置」の中心値が整数値である場合について説明した。しかしながら、例えば「最適なフォーカス位置」の最大値が領域Ｘで８、最小値が領域Ａで３である場合には、中心値は５．５となる。ここで、露光装置のフォーカス位置が整数値によって段階的に設定されている場合には、フォーカス位置を５．５に設定することができない。そこで、このような場合には、小数点以下の数字を切り上げて「最適フォーカス位置」を６としても良いし、又は切り捨てて「最適フォーカス位置」を５としても良い。
例えば、「最適なフォーカス位置」の平均値が５．５を超える場合には「最適フォーカス位置」を６とし、平均値が５．５を下回っている場合には「最適フォーカス位置」を５とすれば良い。
【００２６】
（２）第２実施形態
図７は、本発明の第２実施形態に係る最適フォーカス位置検出方法を示すフローチャートである。図７において、図１と同一の処理を行うステップについては同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。この第２実施形態では、ステップＳ８で「最適なフォーカス位置」を決定した後で、図７のステップＡ１へ進む。ステップＡ１では、ステップＳ８で決定された「最適なフォーカス位置」が、所定の管理値（許容範囲）内に入っているか否かを確認する。例えば、上記の管理値は、領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃ、領域Ｄ、領域Ｅ、領域Ｆ、…の全領域において、測定される溝の寸法が最低限の寸法値Ｌ（Ｌｏｗ  ｌｉｍｉｔ）を上回るときのフォーカス位置の設定範囲とする。
【００２７】
図８は、管理値の一例を示す図である。図８に示すように、領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃ、領域Ｄに限定してみると、フォーカス位置２では、領域Ｄの溝の寸法が最低限の寸法値Ｌを下回ってしまう。また、フォーカス位置６では、領域Ａの溝の寸法が最低限の寸法Ｌを下回ってしまう。従って、管理値は３以上５以下（つまり、３、４、５の何れか）ということになる。
【００２８】
図７に戻って、ステップＡ１で「最適フォーカス位置」が管理値内に入っているときはステップＳ９に進む。また、「最適フォーカス位置」が管理値内に入っていないときはステップＡ２に進む。ステップＡ２では、作業者に向けて「最適フォーカス位置」が管理値から外れていることを示す内容のエラーを通知する。このような構成であれば、最適フォーカス位置が管理値から外れている場合には、作業者にはエラーが通知され異常に気付くことができるので、何らかの対策（例えば、最適ではないけれども、管理値内には入るような「ベター（ｂｅｔｔｅｒ）フォーカス位置」で製品処理を行う等。）を講じることが可能である。それゆえ、回路パターンを転写する際にデフォーカスとなる可能性を少なくすることができる。
【００２９】
上記第１、第２実施形態では、製品ウエーハＷが本発明の「基板」に対応し、専用マスク１０が本発明の「専用フォトマスク」に対応している。また、テストパターン２０が本発明の「テストパターン」に対応し、マスクブランクス１１が本発明の「マスク基板」に対応している。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１実施形態に係る最適フォーカス位置検出方法を示すフローチャート。
【図２】専用マスク１０とテストパターン２０のそれぞれの構成例を示す図。
【図３】ショット毎のフォーカス位置の設定例を示す図。
【図４】テストパターンＡの測定値をフォーカス位置の設定毎にプロットした図。
【図５】各テストパターンの測定値をフォーカス位置の設定毎にプロットした図。
【図６】領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、・・・毎の「最適なフォーカス位置」を示す図。
【図７】第２実施形態に係る最適フォーカス位置検出方法を示すフローチャート。
【図８】管理値（許容範囲）の一例を示す図。
【図９】従来例に係る最適フォーカス位置検出方法を示すフローチャート。
【図１０】従来例に係るテストパターンの形成位置を示す図。
【符号の説明】
【００３１】
１０  専用マスク、１１  マスクブランクス、１２  遮光膜、１３  ライン、１４  ホール、Ｗ  製品ウエーハ
【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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