(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レジストパターンの電子線像を用いて、フォーカスおよび露光量についての露光条件の変動をモニタリングするモニタリング手段を備えたプロセス変動監視システムにおいて、
前記モニタリング手段は、前記レジストパターンの電子線像を得る画像検出手段と、該電子線像から、露光条件の変動に対して、フォーカス値の変動に対してレジストパターンのエッジ幅の変化傾向が互いに異なる第１のパターン部と第２のパターン部とのエッジ幅、およびパターン幅の寸法特徴量を取得する寸法特徴量検知手段と、露光条件と寸法特徴量とを関係付けるモデルを保有するモデル保有手段と、前記寸法特徴量検出手段によって取得された前記第１のパターン部と第２のパターン部とのエッジ幅の寸法特徴量を前記モデルに当てはめることによって露光条件の変動に対するフォーカス値の変動量を算出し、かつ取得されたパターン幅の寸法特徴量を前記モデルに当てはめることによって露光エネルギー量の変動量を算出する算出手段とを有すること
を特徴とするプロセス変動監視システム。
【請求項２】
請求項１において、
前記算出手段によって算出された露光条件の変動量に基づいて露光条件の補正を行う補正手段を備えることを特徴とするプロセス変動監視システム。
【請求項３】
レジストパターンの電子線像を用いて、露光条件としてフォーカス値の変動をモニタリングするモニタリング手段を備えたプロセス変動監視システムにおいて、
前記モニタリング手段は、前記レジストパターンの電子線像を得る画像検出手段と、該電子線像から、フォーカス値の変動に対してレジストパターンのエッジ幅の変化傾向が互いに異なる第１のパターン部と、第２のパターン部とのエッジ幅の寸法特徴量のそれぞれを取得する寸法特徴量検知手段と、フォーカス値と寸法特徴量とを関係付けるモデルを保有するモデル保有手段と、前記寸法特徴量検知手段によって取得された前記第１のパターン部と第２のパターン部との寸法特徴量を前記モデルに当てはめることによってフォーカス値の変動量を算出する算出手段とを有すること
を特徴とするプロセス変動監視システム。
【請求項４】
請求項３において、
前記露光条件は露光量を含み、前記モデルは、露光量と寸法特徴量とを関係付け、前記寸法特徴量検知手段によって取得された前記第１のパターン部と第２のパターン部とのパターン幅をも含む寸法特徴量を当該モデルに当てはめることによって露光値の変動量をも前記算出手段は算出することを特徴とするプロセス変動監視システム。
【請求項５】
請求項３または４において、
前記算出手段によって算出されたフォーカス値の変動量に基づいてフォーカス値の補正を行う補正手段を備えることを特徴とするプロセス変動監視システム。
【請求項６】
請求項４において、
前記算出手段はフォーカスずれの許容範囲と露光エネルギー量変動の許容範囲を算出することを特徴とするプロセス変動監視システム。
【請求項７】
リソグラフィ工程において、レジストパターンの電子線像を用いて、露光条件としてのフォーカス値の変動をモニタリングする方法であって、
前記レジストパターンの電子線像を得るための画像を検出し、電子線像からレジストパターンのエッジ幅の寸法特徴量を算出し、フォーカス値と寸法特徴量を関連付けるモデルを保有し、
露光条件の変動を監視する段階において、前記画像の検出によって、フォーカス値の変動に対するレジストパターンのエッジ幅の寸法特徴量の変化傾向が互いに異なる第１のパターン部と第２のパターン部の電子線像を取得し（手順１）、上記寸法特徴量の算出手段を用いて第１パターン部および第２パターン部の上記寸法特徴量を算出し（手順２）、該寸法特徴量を上記露光条件と寸法特徴量を関連付けるモデルに当てはめることによってフォーカス値の変動量を算出し（手順３）、算出結果に基づきフォーカス値の変動量を補正すること
を特徴とするプロセス変動監視方法。
【請求項８】
リソグラフィ工程において、レジストパターンの電子線像を用いて、露光条件の変動をモニタリングする方法であって、
前記レジストパターンの電子線像を得るための画像を検出し、電子線像からレジストパターンのエッジ幅、パターン幅を含む寸法特徴量を算出し、露光条件と寸法特徴量を関連付けるモデルを保有し、
露光条件の変動を監視する段階において、前記画像の検出によって露光時のフォーカス値の変動量に対するレジストパターンのエッジ幅の変化傾向が互いに異なる第１パターン部と第２パターン部の電子線像を取得し（手段１）、上記寸法特徴量の算出手段を用いて第１パターン部および第２パターン部の上記寸法特徴量を算出し（手順２）、該特徴量を上記露光条件と寸法特徴量を関連付けるモデルに当てはめることによって、露光時のフォーカス値の変動量と露光時の露光エネルギー量の変動量を算出する（手順３）、という手順で最適フォーカス値からの変動量、および、最適露光エネルギー量からの変動量を算出し、算出結果に基づき露光条件を補正すること
を特徴とするプロセス変動監視方法。
【請求項９】
請求項７または８において、
前記第１のパターン部は、フォーカス値がプラス方向にずれるとエッジ幅が増加するように配置されたパターンであって、前記第２のパターン部はフォーカス値がマイナス方向にずれるとエッジ幅が増加するように配置されたパターンであることを特徴とするプロセス変動監視方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リソグラフィ工程においてウェーハ上のレジスト膜へのパターン露光が適切な露光条件でなされたか否かをレジストパターンの電子線像を用いて監視するシステムおよび方法に関する。特に、露光プロセスを制御し、適正な露光条件を維持するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のリソグラフィ工程の流れについて説明する。
【０００３】
レジストパターンは半導体ウェーハ等の基板上に感光材であるレジストを所定の厚さで塗布し、露光器を用いてマスクパターンを露光した後に、現像することによって形成する。形成されたレジストパターンは、測長機能付きの走査型電子顕微鏡（測長ＳＥＭまたはＣＤ−ＳＥＭ）で寸法チェックが行われる。従来の測長ＳＥＭでの処理内容は、例えば、寸法精度が厳しい部位を含む領域の電子線像を取得した後（工程１）、寸法が計測され（工程２）、寸法が基準を満たすか否かの判定を行い（工程３）、満たさない場合には露光器の露光量を変更する（工程４、露光量の補正量はΔＥ）、というものであった。例えばポジ型のレジストの場合、レジスト寸法が大きすぎれば露光量を増やし、レジスト幅が小さすぎれば露光量を減らすことが行われる。露光量を増減量は、作業者の経験と勘に基づいて決定される場合も多い。
【０００４】
図１７はレジストパターンとエッチング後の膜パターンの関係を示したものである（日本学術振興会荷電粒子ビームの工業への応用第１３２委員会第９８回研究資料「電子ビームテスティングハンドブック」Ｐ．２５５より）。レジストパターンの形状と膜パターンの形状との間にはエッチング条件が同じであれば一定の関係があり、所定の形状の膜パターンを得るためにはレジストパターンもまた所定の形状を有すことが必要である。新規プロセスの着工の際などにはショット（１回の露光単位）ごとにフォーカス，露光量を変えてパターンを焼き付けた図１８に示すウェーハを作り（通常こうしたウェーハはＦＥＭ：Ｆｏｃｕｓ  Ｅｘｐｏｓｕｒｅ  Ｍａｔｒｉｘと呼ばれる）、各ショットのレジストパターンの寸法計測を行ったり、ウェーハを切断して断面形状を調べるなどして所定のレジストパターン形状が得られるフォーカスと露光量をみつける「条件出し作業」が行われる。なお、特開平１１−２８８８７９号には条件出し作業を支援するシステムが開示されている。この作業によって、マージンがより広く取れる露光量（Ｅ０）、フォーカス値（Ｆ０）が決定され、その条件に基づいて製品ウェーハの露光が行われる。しかし種々のプロセス変動（レジストの感光感度の変化、レジスト下の反射防止膜の膜厚変動、露光器の各種センサーのドリフトなど）によって、条件出し作業で決定した条件（Ｅ０、Ｆ０）では所定の形状のレジストパターンが得られない場合がある。これを検知するのが前述した寸法計測（工程２）の役割であり、従来技術においては、プロセス変動によって引き起こされるレジスト形状の変化を露光量の補正によって補償しようとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術においては、プロセス変動を検知し対策するため、測長ＳＥＭを用いてライン幅等の寸法値を調ベ、寸法値が基準を満たさない場合には露光量を補正する、という方法がとられているが、これには以下の第１〜第３の問題がある。
【０００６】
第１に、寸法値の変化を伴わないプロセス変動、具体的には露光時のフォーカス変動を検出できないという問題がある。レジストの断面形状は概ね台形の形状を有す。二次電子信号強度は傾斜部の方が平坦部よりも強いため、信号波形は図１９（ａ）のように台形のエッジに相当する箇所にピークをもった形となる。測長ＳＥＭでの寸法計測は図１９（ｂ）に示すように、ピークの外側部分とベース部分に直線をあてはめて２つの直線の交点を求め、左右の交点間の距離をライン幅とするなどの方法がとられる。図２０は、露光量・フォーカスが変わるとライン幅がどのように変化するかを示すため、横軸にフォーカスをとって、露光量別（ｅ０〜ｅ８）にライン幅をプロットしたグラフである。露光量はｅ０＜ｅ１＜…＜ｅ８であり、露光量が大きいほどライン幅が小さいという関係がある（ポジ型レジストの場合。ネガ型では逆になる）。従って、ライン幅を調べれば露光量の変動は検知可能である。しかし、同グラフから明らかなように、ライン幅はフォーカス変化に対する変化が小さく、特に適正露光量付近（ｅ４）ではフォーカスが変わってもライン幅は殆ど変化しないので、ライン幅を調べてもフォーカス変動は検出されない。一方、ライン幅が変化しなくとも、フォーカスが変わると図２０（ｂ）のようにレジストの断面形状は変化する。前述のように、断面形状が変化すればエッチング後の膜パターンの形状にも影響を及ぼすため、フォーカス変動を検出できない従来の技術では、エッチング後の膜パターンの形状不良を大量に生み出すこととなりかねない。
【０００７】
第２に露光量のみを補正するのでは、当然ながらフォーカスがずれている場合に対応できないという問題がある。例えば、図２０（ａ）の状況Ａの場合、ライン幅が正常よりも大きいためライン幅の計測結果をもとに露光量を増やすことが行われるであろう。しかし、フォーカスずれは直されないので、図２０（ａ）の状況Ｂとなるに過ぎず、レジストの断面形状は正常とはならないため、やはり、エッチング後の膜パターンの形状不良を大量に生み出すこととなりかねない。
【０００８】
第３に上記従来技術においては、正常な露光プロセスを維持するために必要である、プロセス変動を定量的に示す情報が得られないという問題もある。近年のパターンルールの低下に伴い露光量とフォーカスの許容範囲はきわめて小さくなっている。例えばデザインルールが１８０ｎｍの半導体パターンでは、パターン寸法の変化量は１０％以下に制御することが求められており、これを実現するには、プロセス変動を定量的に示す情報、すなわち、露光量のずれが何ミリジュールであり、フォーカスのずれが何ミクロンといった正確な数値が必要となる。上記従来技術では、フォーカスずれの検出は全くなされないし、露光量ずれの検出も不正確といわざるを得ない。何故なら一般に、フォーカスによってもライン幅は変化するからである。従って、上記従来技術では、正常な露光プロセスの維持は望めない。
【０００９】
本発明の目的は、フォーカス変動の検知を可能とする手段を提供するものであり、特に、露光量の変動のみならずフォーカス変動の検知が可能で、かつ、検知にとどまらず、プロセス変動を定量的に示す情報、すなわち、露光量とフォーカスの正確な変動量を出力する事が可能なプロセス変動監視システムおよび方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、以下に示すプロセス変動監視システムおよび方法を測長ＳＥＭ上に構築するようにしたものである。
【００１１】
本発明は、電子線像（測長ＳＥＭで取得した画像）からレジストパターンのエッジ幅、パターン幅を含む寸法特徴量を算出する手段と、露光条件と寸法特徴量を関連付けるモデルを保有する手段とを有し、露光条件の変動を監視する段階においては、露光条件の変動に対する寸法特徴量の変化傾向が互いに異なる第１パターン部と第２パターン部の電子線像を取得し、第１パターン部および第２パターン部の寸法特徴量を算出し、これら寸法特徴量を露光条件と寸法特徴量を関連付けるモデルに当てはめることによって露光条件の変動量を算出するようにしたものである。
【００１２】
また、本発明は、第１のパターン部として、フォーカスがプラス方向にずれるとエッジ幅が増加するように配置されたパターンを、第２のパターン部として、フォーカスがマイナス方向にずれるとエッジ幅が増加するように配置されたパターンを用いるようにしたものである。
【００１３】
また、本発明は、前記第１パターン部として残しパターンを、前記第２パターン部として抜きパターンを用いるようにしたものである。
【００１４】
また、本発明は、第１のパターン部と、第２のパターン部として、同一画像内の異なった場所を用いるようにすることによってスループットを落とさないようにしたものである。
【００１５】
また、本発明においては、露光条件と寸法特徴量を関連付けるモデルとして、第１、第２のパターンの両方、あるいは一方のエッジ幅とフォーカスのずれ量との対応関係、および、第１、第２のパターンの両方、あるいは一方のパターン幅と露光量との対応関係を関係式として記憶するようにしたものである。
【００１６】
また、本発明は、エッジ幅とフォーカスずれ量との対応関係、および、パターン幅と露光エネルギー量との対応関係から、プロセスウインドを自動的に算出する機能を有するようにしたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
（１）第１の実施の形態の全体の流れ
図１は本発明第１の実施の形態に係る、ＣＤ−ＳＥＭ上に構築したプロセス変動監視システムを有するリソグラフィ工程の概念図である。図において、破線で囲んだ部分１０は半導体基板製造システムにおける製品ウェーハの流れを示し（左から右へと進む）、実線で囲んだ部分２０はＣＤ−ＳＥＭ上に構築したプロセス変動監視のための処理の流れを示している（上から下へと進む）。
【００１８】
プロセス変動の監視は、従来の寸法チェックのタイミングで実施すればよい。後述する第１のパターン部と第２のパターン部を含む領域の電子線像を取得した後（工程１１）、第１のパターン部における寸法特徴量としてライン幅ＬＷ１とエッジ幅ＥＷ１を算出し（工程１２）、続いて、第２のパターン部における寸法特徴量としてエッジ幅ＥＷ２を算出する（工程１３）。そして、ＥＷ１とＥＷ２に対して、エッジ幅とフォーカスずれ量の関係を示すモデルを当てはめることによってフォーカスずれΔＦを算出し（工程１４）、さらに、ＬＷ１に対して、パターン幅と露光量の関係を示すモデルを当てはめることによって露光量のずれΔＥを算出し（工程１５）する。そして、これらを露光１７のための露光条件にフィードバックする（工程１６）。新たに設定された露光条件によって現像１８を行い、再び電子線像取得１１を行い、新たに設定された露光に基づいてエッチング１９などの処理を行う。これによって新たなる半導体基板製造システムが提供されることになる。本発明においては、フォーカス、露光量が最適値から僅かでもずれれば（プロセスウインド内の変動であっても）、それが検知されて露光条件へとフィードバックされるため、正常な露光プロセスの維持が可能となる。本発明の最大の特徴は、僅かなフォーカスずれと露光量ずれを正確に算出する点にある。以下、本発明の実施例の詳細を説明する。
【００１９】
（２）ＣＤ−ＳＥＭの構成
始めに、本発明に係るプロセス変動監視システムで用いるＣＤ−ＳＥＭについて説明する。図２はＣＤ−ＳＥＭの構成を示すブロック図である。図は、電子光学系２００を示す。図２において、電子銃２０１より出た一次電子線２０２はビーム偏向器２０４、ＥｘＢ偏向器２０５、対物レンズ２０６を経てステージ１０１上におかれたウェーハ１００（液晶基板を含む）上に焦点を結んで照射される。電子線が照射されると、試料であるウェーハ１００からは二次電子が発生する。ウェーハ１００から発生した二次電子は、ＥｘＢ偏向器２０５により偏向され、二次電子検出器２０７で検出される。偏向器２０４による電子線の二次元走査、あるいは偏向器２０４による電子線のＸ方向の繰り返し走査と、ステージ１０１によるウェーハのＹ方向の連続的な移動に同期して試料から発生する電子を検出することで、二次元の電子線像が得られる。二次電子検出器２０７で検出された信号はＡ／Ｄ変換器２０８によってディジタル信号に変換され、画像処理部３００に送られる。画像処理部３００はディジタル画像を一時記憶するための画像メモリ記憶媒体である３０３と、画像メモリ上の画像から寸法特徴量の算出を行うＣＰＵ３０４を有する。さらにまた、予め調べておいた露光条件と寸法特徴量を関連付けるモデルを記述した記憶媒体３０１を有する。画像処理部３００には表示装置３０２が接続され、必要な装置の操作、検出結果の確認等をグラフィカルユーザーインタフェース（以下、ＧＵＩと表記する）によって実現できるようになっている。
【００２０】
（３）モデルの構築方法
次に、図１の工程１４，１５で用いるモデルの構築方法について説明する。図３にモデル構築のフローを示す。本実施例では、製品ウェーハの投入に先立って、ＦＥＭウェーハを用いてモデルを構築する。
【００２１】
ＦＥＭウェーハロードを行い（工程２０２１）、ウェーハアライメントを行い（工程２０２２）、始めの測定点に移動する（工程２０２３）。
【００２２】
工程２０２４では、第１のパターン部と第２のパターン部を含む領域の電子線像を取得する。第１のパターン部としては限界寸法（精度に対する要求が最も厳しい寸法）の残しパターンが、第２のパターン部としては、限界寸法の抜きパターンが適している。図４にパターンの一例を示す。この例では、同一画像上に第１のパターン部（ライン状の残しパターン）と、第２のパターン部（ライン状の抜きパターンの先端）の両方が含まれている。図４（ａ）は画像取得部３０をバイナリのマスクパターンのイメージで示したもので、図では白が透過部、黒が遮光部であり、ポジ型レジストを想定している。現像後のパターンのイメージは図４（ｂ）である。図４（ａ）で枠で囲んだ部分に相当する箇所の電子線像を取得すると、図４（ｃ）のようにエッジ部が明るく平坦部が暗い画像が得られる。Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄの断面形状を図５（ａ）、図５（ｂ）に示す。図５（ａ）に示すように、Ａ−Ｂ断面である膜パターンは、第１パターン部のライン幅ＬＷ１とエッジ幅ＥＷ１が検知され、図５（ｂ）に示すようにＣ−Ｄ断面である膜パターンは、第２パターン部のエッジ幅ＥＷ２が検知される。第１のパターン部のトップエッジ部は、プラスフォーカス値で丸みを帯び、エッジ幅ＥＷ１が広がる。このとき、第２パターン部のエッジ部はベストフォーカス値とさほど変わりはない。また、マイナスフォーカス値では逆のことが検知され、第１のパターン部のエッジ部はベストフォーカス値とさほど変わりはないが、第２パターン部のボトムエッジ部は丸みを帯び、エッジ幅ＥＷ２は広がる。このように、第１パターンと第２パターンとでは、フォーカス変動に対するパターンの変化の様子が異なる。第１パターンと第２パターンの両方に着目すれば、フォーカス値がベストフォーカス値よりどの程度、どちらにずれているか予測が可能になる。第１パターンと第２パターンを含むモニタリング専用のパターンをウェーハ中に入れれば、より正確にプロセス変動を予測できる。
【００２３】
取得した画像を保存した後（工程２０２５）、第１パターン部のライン幅ＬＷ１とエッジ幅ＥＷ１を算出しこれを保存する（工程２０２６）。続いて、第２パターン部のエッジ幅ＥＷ２を算出しこれを保存する（工程２０２７）。なお、ライン幅の算出は、例えば図１９（ｂ）に示すようにすれば良いが、エッジ幅は、図５（ｃ）に示したように、ピークの外側部分とベース部分に当てはめた直線の交点Ｐ１と、ピークの内側部分とベース部分に当てはめた直線の交点Ｐ２との間隔を用いれば良い。最後の測定点であるかを判定し（工程２０２８）、ｎｏであれば次の測定点に移動し（工程２０２９）、ｙｅｓであれば工程２０３０に移る。
【００２４】
工程２０３０では、ＦＥＭ上の全点分について工程２０２４〜２０２７を行った後、全点のライン幅ＬＷ１の測定結果から最適露光量を決定する。この段階では、ＧＵＩ画面上に図２０（ａ）に示したようなグラフが表示され、所定のライン幅がえられている露光量が自動的に、あるいは操作者の判断により決定される。ＦＥＭ上に表現するならば、図９（ａ）の領域１００１が決定される。
【００２５】
工程２０３１では、上記のようにして決定した最適露光量付近（ＦＥＭ上に表現するならば図９（ａ）の領域１００２）でのエッジ幅ＥＷ１、ＥＷ２の測定結果から、フォーカスとエッジ幅の関係を導く。最適露光量付近とは、例えば、最適露光量±２ｍＪの範囲である。前述のように、ＥＷ１はライン状残しパターンのエッジ幅であり、ＥＷ２はライン状の抜きパターンの先端におけるエッジ幅である。これらのエッジ幅とフォーカスの関係を調べた、発明者等による実験結果を図６に示す。図６（ａ）はＥＷ１についての、図６（ｂ）はＥＷ２についての実験結果であり、いずれも、露光量が３２ｍＪ、３３ｍＪ、３４ｍＪ、３５ｍＪ、３６ｍＪ（最適露光量は３４ｍＪ）について、フォーカスが−０.５〜＋０.５ミクロンの範囲におけるエッジ幅を、横軸にフォーカス値を、縦軸にエッジ幅をとって示した。同図に示すように、ＥＷ１とＥＷ２の結果には際立った違いがある。前者はマイナス側で大きな変動を示すが、プラス側での変動が小さいのに対し、後者はマイナス側での変動が小さく、プラス側での変動が大きい。ＥＷ１とＥＷ２の挙動の違いを利用して、図５の工程２０３１では、２個のエッジ幅からフォーカス値を求めるモデルを作成する（モデル保有手段（装置）の提供）。図７にモデルの一例を示す。ここでは、３２ｍＪ、３３ｍＪ、３４ｍＪ、３５ｍＪ、３６ｍＪにおけるＥＷ１−ＥＷ２（図７（ａ））に対して数１を当てはめこれをモデルとする。
【数１】
0003997066.tif 000002
【００２６】
なお、数１はｘ＝ＥＷ１−ＥＷ２からフォーカス値ｆを算出するものであり、式中のパラメータａ、ｂ、ｃ、ｄは数１を図７（ａ）に当てはめて、最小二乗法等により決定する。パラメータの算出は自動で行われるが、ＧＵＩ画面上には図７（ａ）、図７（ｂ）に示したようなグラフが表示されて、操作者はモデルが適当かを確認することができる。モデルとして不適当と判断した場合には、操作者はポインティングデバイス等を用いて、図７（ａ）の曲線を変形させるなどして、モデルを修正することができる。修正後のモデルはパラメータ値がａ′、ｂ′、ｃ′、ｄ′に変更された関係式となるか、あるいは、ルックアップテーブルとして保存される。
【００２７】
工程２０３２では、フォーカスに対するエッジ幅の変化率が一定値以下、例えば±０.２μｍ値以下となるフォーカス値の範囲を求め、これをフォーカスマージン（フォーカスずれの許容範囲）として決定する。具体的には、数１をｘで微分して絶対値をとり、その値が別途定めたしきい値以下の範囲をフォーカスマージンとする。これは、着目しているパターン寸法における露光器の焦点深度に相当する。図９は、露光条件と寸法特徴量とを関係付けるモデルの作成シーケンスを捕捉する図であり、図９（ａ）は、露光量とフォーカス値との関係を、そして図９（ｂ）は、フォーカス値の許容範囲を示す図である。ＦＥＭ上に表現するならば、図９（ｂ）の領域１００３がフォーカスマージンとなる。
【００２８】
工程２０３３では、上記のようにして決定したフォーカスマージン内でのライン幅ＬＷ１の測定結果から露光量とライン幅の関係を導く。ライン幅ＬＷ１と露光量の関係を調べた、発明者等による実験結果を図８に示す。図８は、フォーカスが−０.２〜０.２ミクロンの範囲（フォーカスマージンが−０.２〜０.２ミクロン）について、各露光量におけるライン幅を、横軸に露光量をとってプロットした結果である。同図のように、ライン幅は露光量が増えるとリニアに減少するという関係がある。ここでは−０.２〜０.２ミクロンにおけるライン幅に対して、数２を当てはめこれをモデルとする。
【数２】
ｅ＝−ｈｘ＋ｇ                                              …数２
ただし、ｘ＝ＬＷ１
数２はｘ＝ＬＷ１から露光量ｅを算出するものであり、式中のパラメータｈ，ｇは数２を図８に当てはめて、最小二乗法等により決定する。ＧＵＩ画面を介した操作者の関与方法は、工程２０３２と同様である。
【００２９】
工程２０３４では、数２よりライン幅が一定値±αとなる露光量の範囲を求め、これを露光量マージン（露光量ずれの許容範囲）として決定する。αは別途定めたしきい値であり、ライン幅の１０％程度の値とするのが一般的である。ＦＥＭ上に表現するならば、図９（ｂ）の領域１００４（斜線部）がこれに相当し、この領域の中心を、最適露光量（Ｅ０）、最適フォーカス値（Ｆ０）として登録する（工程２０３５）。
【００３０】
（４）プロセス変動の監視
続いて、図１に戻って、プロセス変動の監視方法について説明する。
まず、製品ウェーハ着工時の露光条件としては、最適露光量Ｅ０、最適フォーカス値Ｆ０が設定される。その後は、製品ウェーハの寸法測定を合わせて図１に示すプロセス変動の監視が行われる。第１のパターン部と第２のパターン部を含む領域の電子線像を取得し、第１のパターン部における寸法特徴量としてＬＷ１とＥＷ１を、第２のパターン部における寸法特徴量としてＥＷ２を算出するまで（工程２００１〜２００３）までは、前述のモデルの構築の場合と同様である。
【００３１】
工程２００４では工程２００２，２００３で算出したＥＷ１とＥＷ２を、前述のエッジ幅とフォーカスずれ量の関係を示すモデルである数１に代入することで（ただし、ｘ＝ＥＷ１−ＥＷ２）フォーカス値Ｆを算出する。
【００３２】
工程２００５では、工程２００２で算出したＬＷ１を、前述のパターン幅と露出量の関係を示すモデルである数２に代入することで（ただし、ｘ＝ＬＷ１）露光量Ｅを算出する。
【００３３】
工程２００６では算出したΔＥ＝Ｅ−Ｅ０、ΔＦ＝Ｆ＝Ｆ０を露光条件の補正量としてフィードバックする。このように、本発明の実施例では、常に最適条件が維持されるように機能する。
【００３４】
（５）本実施例で提供される構成
前述した本実施例によって具体的には次のような構成が提供される。
レジストパターンの電子線像を得る画像検出手段（装置）〔電子線像取得１１に対応〕と、該電子線像から、露光条件の変動に対してレジストパターンのエッジ幅または測定およびパターン幅を含む寸法特徴量の変化傾向が互いに異なる第１のパターン部と第２のパターン部との寸法特徴量のそれぞれを取得する寸法特徴量検知手段（装置）〔第１パターン部の寸法特徴量（ＬＷ１、ＬＷ２）算出１２、第２パターン部の寸法特徴量（ＥＷ２）算出１３に対応〕と、露光条件と寸法特徴量とを関係付けるモデルを保有するモデル保有手段と、前記寸法特徴量検出手段によって取得された前記第１のパターン部と第２のパターン部との寸法特徴量を前記モデルに当てはめることによって露光条件の変動量を算出する算出手段（装置）〔ＥＷ１、ＥＷ２へのモデル当てはめ→ΔＦ算出１４、ＬＷ１へのモデル当てはめ→ΔＥ算出１５に対応〕とを有し、更には前記算出手段によって算出された露光条件の変動量に基づいて露光条件の補正を行う補正手段（装置）〔ΔＥ、ΔＦ１６に対応〕を備えるプロセス変動監視システム。
【００３５】
レジストパターンの電子線像を用いて、露光条件であるフォーカス値を変動させるようにした半導体基板製造システム２０において、前記レジストパターンの電子線像を得る画像検出手段と、該電子線像の２つのパターン部から、フォーカス値の変動に対して、レジストパターンのエッジ幅の変化率が一定値以下となるフォーカスずれの許容範囲を算出する算出手段と、および前記算出手段によって算出されたフォーカスの許容範囲内で露光を行う露光手段（装置）〔露光１７に対応〕を備えた半導体製造システム。
【００３６】
リソグラフィ工程において、レジストパターンの電子線像を用いて、露光条件の変動をモニタリングする方法であって、前記レジストパターンの電子線像を得るための画像を検出し、電子線像からレジストパターンのエッジ幅、パターン幅を含む寸法特徴量を算出し、露光条件と寸法特徴量を関連付けるモデルを保有し、露光条件の変動を監視する段階において、前記画像の検出によって、露光条件の変動に対する寸法特徴量の変化傾向が互いに異なる第１のパターン部と第２のパターン部の電子線像を取得し（手順１）、上記寸法特徴量の算出手段を用いて第１パターン部および第２パターン部の上記寸法特徴量を算出し（手順２）、該特徴量を上記露光条件と寸法特徴量を関連付けるモデルに当てはめることによって露光条件の変動量を算出する（手順３）、という手順で最適露光条件からの変動量を算出し、算出結果に基づき露光条件を補正するプロセス変動監視方法。
【００３７】
（６）本実施例の効果
本実施例に依れば、「発明が解決しようとする課題」で述べた３個の課題が解決される。まず、第１の課題であった、フォーカス変動の見逃しであるが、本実施例によればエッジ幅ＥＷ１、ＥＷ２をモニタすることによって、確実にフォーカスずれを検出することが出来る。第２の課題であった、フォーカス変動のフィードバックであるが、本実施例によれば、フォーカスずれを検出するのみならず、エッジ幅ＥＷ１、ＥＷ２をモデルに当てはめることによって、正確なフォーカスずれ量の算出が可能である。第３の課題であったプロセス変動を定量的に示す情報であるが、エッジ幅ＥＷ１、ＥＷ２をモデルに当てはめることによってフォーカスの正確なずれ量が、また、ライン幅ＬＷ１をモデルに当てはめることによって露光量の正確なずれ量を求めることが可能である。ひいては、エッチング後の膜パターンの形状不良を未然に防ぐことが可能となる。
【００３８】
さらに、本発明の実施例は上記のような数々の効果を有するにも係わらず、一連の作業（図１の２００２〜２００５）に要する時間は、従来のリソグラフィ工程においてＣＤ−ＳＥＭを用いて寸法計測を行うのに要する時間と大差ないため、プロセスのスループットは落ちないという利点もある。
【００３９】
さらにまた、従来の条件出し作業におけるプロセスウインドや最適露光条件の決定が作業者の主観に左右されるのに対して、本発明ではモデルに基づいてこれを実施するため、精度よく、また、常に同等の精度での決定が可能という利点もある。
【００４０】
（７）第２の実施の形態
本発明の第２の実施の形態を図１０に示す。
図１０の工程１１〜１５は第１の実施の形態（図１）と同様である。同一形態に付いては同一の番号を付してあり、図１に対応する説明が準用される。図１に示す構成に４０，４１，４２が加わる。第１の実施の形態は、露光量、フォーカスとも時間と共にゆっくり変動していくことを前提に、常にプロセスウインド内から外れないようにプロセス制御することを意図しているが、万が一、突発的に大きくプロセスの変動が発生すると、フィードバック量（ΔＥ、ΔＦ）に誤差が生ずる可能性がある。なぜなら、ΔＥ、ΔＦを算出するのに用いているモデルが、上記のようにプロセスウインド内ではお互いに独立したパラメータを持つモデルとしてあらわすことができるからである。本第２の実施例では、工程４０において、ΔＥの値をチェックし、基準を超えている（＝プロセスウインド外）の場合には、再度、ΔＥ、ΔＦの算出し直すシーケンスに移行する。工程４１では、ΔＥを考慮したΔＦの算出のための別モデルに対して、ＥＷ１、ＥＷ２を当てはめることによりΔＦを再計算する。工程４２では、ΔＦを考慮したΔＥの算出のための別モデルに対してＬＷ１を当てはめることによりΔＥを再計算する。
【００４１】
なお、本実施例を実現するためには、露光量別のエッジ幅（ＥＷ１、ＥＷ２）とフォーカスの関係を表すモデル、及び、フォーカス値別のライン幅（ＬＷ１）と露光量の関係を表すモデルを作成しておく。あるいは、関係式として記述したモデル（数１、数２）ＥＷ１、ＬＷ１、ＥＷ２を代入することで露光条件を求める代わりに、図１１に示すように露光条件別に、ＥＷ１、ＬＷ１、ＥＷ２を記述したルックアップテーブル３１を保有し、ＥＷ１、ＬＷ１、ＥＷ２が最も合致する露光条件（ΔＥ、ΔＦ）を探索する方式をとっても良い。あるいは、モデルとルックアップテーブルの両方を保有し、プロセスウインドから外れた場合のみルックアップテーブルを参照するようにしても良い。
【００４２】
本実施例によれば突発的に大きくプロセスの変動が発生した場合にも対応可能なプロセス制御が実現できる。
【００４３】
（８）第３の実施の形態
本発明の第３の実施の形態を図１２に示す。
図１２において、工程１１〜１５第１の実施の形態（図１）と同様である。同一形体に付いては同一の番号を付してあり、図１に対応する説明が準用される。工程１５でΔＦ算出した後、算出したΔＥ、ΔＦをそのままにフィードバックせずに、過去のΔＥ、ΔＦの情報を参照して（工程５１）、最終的なフィードバック量ΔＥ１、ΔＦ１を決定する（工程５２）。例えば、来歴データベース３０３には、過去数ロット分のΔＥおよびΔＦが記憶されており、図１２（ｂ）のように、来歴データに対して直線を当てはめることにより、最終的なフィードバック量ΔＥ１、ΔＦ１を決定する。
【００４４】
露光量とフォーカスが等しくとも、微視的に見て全く等しいレジストパターンが形成されるとは限らない上、ＣＤ−ＳＥＭの撮像条件の僅かな違い、寸法特徴量の算出誤差等によって個々の被検査対象から算出したΔＥ、ΔＦは一定の誤差を有する。フォーカスも突発的に変動するというよりは、ドリフト的に変化するものであるため、単独の結果からフィードバック量を決定するのに比べて、本実施の形態はより安定したプロセス制御が可能となる。
【００４５】
なお、来歴データベースは必ずしもＣＤ−ＳＥＭ上にある必要はなく、ネットワーク上にある他の記憶装置上でもよいことは言うまでもない。また、同図では、過去数ロット分を来歴データとして用いているが、数ロット部というのは一例であり、これに限定するものではない。
【００４６】
（９）その他の事項
これまでの説明では、第１のパターン部と第２のバターン部が同一画像上にあるとしたが、適当なパターンが近接して存在しない場合は、それぞれ別に画像を取得するようにしても性能上、全く問題はない。
【００４７】
また、露光条件モニタ用の専用マークをウェーハ上に設けるようにしても良い。この場合は、同一画像上に、限界寸法の残しパターン（第１のパターン部用）と、限界寸法の抜きパターン（第２のパターン部用）が含まれるように配置することが望ましい。
【００４８】
その一例を、図１３に示す。図１３（ａ）は、バイナリのマスクパターンのイメージで示したもので、図では白が透過部、黒が遮光部である。図１３（ａ）の左右のパターンは、遮光部と透過部が反転したパターンであるため、残しパターン（左）と、抜きパターン（右）を形成することができる。現像後の電子線像を取得すると、図１３（ｂ）のように、エッジ部が明るく、平坦部が暗い画像を得ることができる。図１３（ｂ）においてＥ−Ｆ断面が第１のパターン部とされ、Ｇ−Ｈ断面が第２のパターン部とされる。Ｅ−Ｆ、Ｇ−Ｈの断面形状を図１４に示す。現像後のパターンのイメージ図を図１４（ｂ）に示す。たとえば、中央付近のパターンに着目し、残しパターンのエッジ幅（ＥＷ１）と抜きパターンのエッジ幅（ＥＷ２）および残しパターンのエッジ幅（ＬＷ１）の寸法を電子線像から計測すれば、図４および図５で説明したパターンと同じ効果を得ることができる。なお、ここで使用したパターンのように周囲に同じ形状のパターンが多数存在する場合は、同一形状の複数のパターンのエッジ幅（ＥＷ１やＥＷ２）やパターンの寸法（ＬＷ１）を計測し、平均した値を使用し、計測誤差を軽減することも有効である。
【００４９】
更にもう一例を、図１５に示す。図１５（ａ）は、バイナリのマスクパターンのイメージで示したもので、図では白が透過部、黒が遮光部である。現像後のパターンのイメージを図１５（ｂ）に示す。中央のホールパターンが抜きパターン（第１のパターン部）に相当し、外壁部が残しパターン（第２のパターン部）に相当する。このパターンの電子線像は、図１６（ａ）であり、エッジ部が明るく、平坦部が暗い画像となる。この像のＪ−Ｋの断面形状は図１６（ｂ）である。外壁部のエッジ寸法（ＥＷ１）と内壁のエッジの寸法（ＥＷ２）および外周の寸法（ＬＷ１）を電子線像図１６（ａ）から計測することにより、図４および図５で説明したパターンと同じ効果を得ることができる。
【００５０】
第１のパターン部、第２のパターン部は、フォーカスに対する挙動が異なっていることが重要であって、必ずしも、図６（ａ）（ｂ）に示したような挙動を示す組み合わせでなければ成らないわけではない。また、フォーカス値算出のモデルとして、ＥＷ１−ＥＷ２からフォーカス値を算出する式を用いたが（数１参照）、これは、図６（ａ）（ｂ）に示したような挙動に適した関係式だから採用したのであって、使用するパターンが異なれば、別の関係式を用いればよいことは言うまでもない。さらにまた、パターン数を２個ではなく、３個以上のパターンを使用するようにしても良い。
【００５１】
また、ここまで、被検査対象のウェーハ内の画像取得位置について言及しなかったが、実際の運用に当っては、ウェーハ上の複数のポイントで画像を取得し、それらの画像から得られた特徴量を総合的に判断して、露光条件のフィードバック量ΔＥ、ΔＦを決定することが望ましい。
【００５２】
また、エッジ幅をより精度よく求めるため、ステージ、あるいはビームをチルトさせて取得した画像を用いるようにしても良い。
【００５３】
電子線を用いたプロセス変動監視システムおよび方法として次のシステムおよび方法が提供される。
【００５４】
リソグラフィ工程において、レジストパターンの電子線像を用いて、露光条件の変動をモニタリングする方法であって、前記レジストパターンの電子線像を得るための画像検出手段と、電子線像からレジストパターンのエッジ幅、パターン幅を含む寸法特徴量を算出する手段と、露光条件と寸法特徴量を関連付けるモデルを保有する手段とを有し、露光条件の変動を監視する段階においては、上記画像検出手段を用いて、露光条件の変動に対する寸法特徴量の変化傾向が互いに異なる第１のパターン部と第２のパターン部の電子線像を取得し（手順１）、上記寸法特徴量の算出手段を用いて第１パターン部および第２パターン部の上記寸法特徴量を算出し（手順２）、該特徴量を上記露光条件と寸法特徴量を関連付けるモデルに当てはめることによって露光条件の変動量を算出する（手順３）、という手順で最適露光条件からの変動量を算出し、算出結果に基づき露光条件を補正することを特徴とする、プロセス変動監視システムおよび方法。
【００５５】
リソグラフィ工程において、レジストパターンの電子線像を用いて、露光条件の変動をモニタリングするシステムであって、前記レジストパターンの電子線像を得るための画像検出手段と、電子線像からレジストパターンのエッジ幅、パターン幅を含む寸法特徴量を算出する手段と、露光条件と寸法特徴量を関連付けるモデルを保有する手段とを有し、露光条件の変動を監視する段階においては、上記画像検出手段を用いて、露光時のフォーカス値ずれ量に対するエッジ幅の変化傾向が互いに異なる第１パターン部と第２パターン部の電子線像を取得し（手順１）、上記寸法特徴量の算出手段を用いて第１パターン部および第２パターン部の上記寸法特徴量を算出し（手順２）、該特徴量を上記露光条件と寸法特徴量を関連付けるモデルに当てはめることによって、露光時のフォーカス値ずれ量と露光時の露光エネルギー量の変動量を算出する（手順３）、という手順で最適フォーカス値からのずれ量、および、最適露光エネルギー量からの変動量を算出し、算出結果に基づき露光条件を補正することを特徴とするプロセス変動監視システムおよび方法。
【００５６】
前記第１のパターン部は、フォーカス値がプラス方向にずれるとエッジ幅が増加するように配置されたパターンであって、前記第２のパターン部はフォーカス値がマイナス方向にずれるとエッジ幅が増加するように配置されたパターンであることを特徴とするプロセス変動監視システムおよび方法。
【００５７】
前記第１パターン部として限界寸法程度の残しパターンを、前記第２パターン部として限界寸法程度の抜きパターンを用いることを特徴とするプロセス変動監視システムおよび方法。
【００５８】
前記第１のパターン部と、前記第２のパターン部として、同一画像内の異なった場所を用いることを特徴とするプロセス変動監視システムおよび方法。
【００５９】
前記露光条件と寸法特徴量を関連付けるモデルは、前記第１、第２のパターンの両方、あるいは一方にエッジ幅とフォーカス値のずれ量との対応関係、および、前記第１、第２のパターンの両方、あるいは一方のパターン幅と露光エネルギー量との対応関係を関係式として記憶したものであることを特徴とするプロセス変動監視システムおよび方法。
【００６０】
前記露光条件と寸法特徴量を関連付けるモデルは、フォーカス値をＦ、第１のパターン部から算出したエッジ幅をＥＷ１、第２のパターン部から算出したエッジ幅をＥＷ２とすると、ＥＷ１、ＥＷ２からＦを決定する、すなわち、Ｆ＝ｆ（ＥＷ１、ＥＷ２）によりフォーカス値のずれ量を決定するものであることを特徴とするプロセス変動監視システムおよび方法。
【００６１】
前記露光条件と寸法特徴量を関連付けるモデルは、前記第１パターン部、前記第２パターン部それぞれについて、種々の露光条件に対する寸法特徴量を記したテーブルであることを特徴とするプロセス変動監視システムおよび方法。
【００６２】
前記露光条件と寸法特徴量を関連付けるモデルの構築は、露光器のフォーカス値と露光エネルギー量を段階的にずらしたテスト露光用試料を用い、各フォーカス値ずれ量、各露光エネルギー量における電子線像を取得し、それぞれの寸法特徴量を算出した結果に基づくことを特徴とするプロセス変動監視システムおよび方法。
【００６３】
リソグラフィ工程において、レジストパターンの電子線像を用いて、露光条件の変動をモニタリングするシステムであって、前記レジストパターンの電子線像を得るための画像検出手段と、電子線像からレジストパターンのエッジ幅、パターン幅を含む寸法特徴量を算出する手段と、露光条件と寸法特徴量を関連付けるモデルを保有する手段とを有し、エッジ幅とフォーカスずれ量との対応関係、および、パターン幅と露光エネルギー量との対応関係から、プロセスウインド、すなわち、フォーカスずれの許容範囲と露光エネルギー量変動の許容範囲を自動的に決定する機能を有することを特徴とするプロセス変動監視システムおよび方法。
【００６４】
尚、フォーカス値の符号の意味は露光機メーカによって異なる場合があるが、本発明では図２１に示す定義を使用する。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、フォーカス変動の検知が可能になる。更に、露光量の変動のみならずフォーカス変動の検知が可能で、かつ、検知にとどまらず、プロセス変動を定量的に示す情報、すなわち、露光量とフォーカスの正確な変動量を出力することが可能なプロセス変動監視システムおよび方法を提供することが可能となる。その結果として、従来の寸法計測では見逃されていたフォーカスのずれによる立体形状の異常が検出可能となり、再生がきかないエッチング後の膜パターンとなる不良の作り込みが防げるようになる。さらにまた、従来の条件出し作業におけるプロセスウインドや最適露光条件の決定が作業者の主観に左右されるのに対して、本発明ではモデルに基づいてこれを実施するため、精度よく、また、常に同等の精度での決定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係るプロセス変動監視システムを有すリソグラフィ工程図。
【図２】第１の実施の形態に係るＣＤ−ＳＥＭの全体構成図。
【図３】露光条件と寸法特徴量を関連付けるモデルの作成シーケンスを示す図。
【図４】プロセス変動監視に適したパターンの一例を示す図。
【図５】プロセス変動監視に適したパターンの一例を示す断面図。
【図６】フォーカスに対するエッジ幅の変化を示すグラフ図。
【図７】フォーカスに対するエッジ幅の変化を示すグラフ図。
【図８】エッジ幅とフォーカスの関係を表すモデルの説明図。
【図９】露光条件と寸法特徴量とを関連付けるモデルの作成シーケンスを捕捉する図。
【図１０】第２の実施の形態に係るプロセス変動監視システム図。
【図１１】露光条件と寸法特徴量を関連付けるモデルの別の形態図。
【図１２】第３の実施の形態に係るプロセス変動監視システム図。
【図１３】プロセス変動監視に適したパターンの例２を示す図。
【図１４】プロセス変動監視に適したパターンの例２（計測方法）を示す図。
【図１５】プロセス変動監視に適したパターンの例３を示す図。
【図１６】プロセス変動監視に適したパターンの例３（計測方法）を示す図。
【図１７】エッチング前後のレジストパターンと膜パターンの関係を示す模式図。
【図１８】条件出し用ウェーハの一例を示す図。
【図１９】レジストの断面形状と二次電子信号強度の関係を示す模式図。
【図２０】露光量、フォーカスとライン幅の関係を示すグラフ図。
【図２１】フォーカス値定義図。
【符号の説明】
１０…半導体製造装置の製品ウェーハの流れ、１１…電子線像取得、１２…第１パターン部の寸法特徴量（ＬＷ１、ＥＷ１）の算出、１３…第２パターン部の寸法特徴量（ＥＷ２）の算出、１４…ＥＷ１、ＥＷ２へのモデル当てはめ→ΔＦ算出、１５…ＬＷ１へのモデル当てはめ→ΔＥ算出、１６…ΔＥ、ΔＦ、１７…露光、１８…現像、１９…エッチング、１００…ウェーハ、１０１…ステージ、１０２…チルトステージ、２００…電子光学系、２０１…電子銃、２０２…一次電子線、２０３…コンデンサレンズ、２０４…偏向器、２０５…ＥｘＢ偏向器、２０６…対物レンズ、２０７…二次電子検出器、２０８…Ａ測定Ｄ変換器、２０９，２１０…反射電子検出器、３００…画像処理部、３０１，３０３…画像メモリ、３０２…表示装置。
【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】
0003997066.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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