(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
露光原版上の製品回路パターンを被露光基板上に露光する露光工程を含む半導体装置の製造方法であって、
前記露光原版内の製品回路パターンとテストパターンとの露光量およびフォーカスの最適値の差を予め取得しておく第１ステップと、
テストパターンの断面形状もしくは該断面形状と関連のある信号波形を、露光量およびフォーカスの最適値に対する偏差と関連づけて関連情報として記憶する第２ステップと、
前記露光工程を経て前記被露光基板上に形成された前記テストパターンの断面形状もしくは該断面形状と関連のある信号波形を測定する第３ステップと、
前記第３ステップで測定された前記テストパターンの前記断面形状もしくは該断面形状と関連のある前記信号波形と、前記第２ステップの前記関連情報とから、前記露光工程における前記テスト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を算出する第４ステップと、
前記第４ステップで得られた前記テストパターンに関する露光量およびフォーカスの最適値に対する前記偏差と、前記第１ステップで得られた前記製品回路パターンと前記テストパターンとの露光量およびフォーカスの最適値の前記差とに基づいて、前記製品回路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を算出する第５ステップと、
前記第５ステップで得られた前記製品回路パターンの露光量およびフォーカスの最適値に対する前記偏差を、前記露光工程へフィードバックする第６ステップと、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、前記製品回路パターンは、前記露光原版内で寸法規格に対する露光量裕度およびフォーカス裕度が最も厳しいパターンであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、前記信号波形は、照明光の波長または入射角に対するテストパターンの反射強度変化であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、前記第１ステップでは、前記製品回路パターンおよび前記テストパターンの寸法と、露光時の照明条件と、前記露光原版内の前記製品回路パターンおよび前記テストパターンの位置に対応した露光装置の波面収差を用いて、前記露光原版内の前記製品回路パターンと前記テストパターンとの露光量およびフォーカスの最適値の前記差を算出することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、前記第２ステップでは、前記テストパターンの寸法と前記露光時の照明条件と前記露光原版内の前記テストパターンの位置に対応した露光装置の波面収差を用いて前記テストパターンの断面プロファイルおよびその信号波形を算出することによって、前記テストパターンの前記断面形状もしくは該断面形状と関連のある前記信号波形を、露光量およびフォーカスの最適値に対する前記偏差と関連づけて前記関連情報として記憶することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、前記第２ステップでは、
露光量とフォーカスを段階的に変化させながら露光処理（ショット）を行うことで複数の前記テストパターンが形成された焦点−露光量行列（FEM ）ウェハを作成するステップと、
前記FEM ウェハに形成された複数の前記テストパターン（ショット）の各々の断面プロファイルを計測するステップと、
前記断面プロファイルから断面プロファイルモデルを生成するステップと、
前記断面プロファイルモデルを用いて、前記FEM ウェハに形成された複数の前記テストパターン間よりも小さな露光量およびフォーカスのピッチで信号波形を算出するステップと、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
リソグラフィにて製品回路パターンを被露光基板上に形成する半導体装置の製造システムであって、
露光原版の製品回路パターンを被露光基板上に露光する露光装置と、
対象物に光を照射する光源と、前記対象物を経由した前記光を信号波形として検出するセンサ部とを含み、前記対象物の表面形状に応じた前記信号波形を測定するscatterometry 装置と、
前記被露光基板の製造に用いた前記露光装置と照明条件および前記露光原版の来歴を記憶する来歴記憶手段と、
前記露光原版の製品回路パターン寸法およびテストパターン寸法と前記製品回路パターンの座標および前記テストパターンの座標を記憶する露光原版データ記憶手段と、
前記露光装置および工程毎の照明条件を記憶する照明条件記憶手段と、
前記露光装置毎およびパターン座標毎の波面収差データを記憶する波面収差データ記憶手段と、
前記照明条件と前記製品回路パターンおよびテストパターンの前記寸法および前記座標毎の波面収差から前記テストパターンと前記製品回路パターンの露光量およびフォーカスの最適値偏差を算出するテストパターン・製品回路パターン最適値偏差算出手段と、
前記最適値偏差を記憶するテストパターン・製品回路パターン最適値偏差記憶手段と、
露光量およびフォーカスの最適値からの偏差と、前記テストパターンの断面形状と関連のある信号波形を対応づけて記憶するFEM 対応付けライブラリ信号波形記憶手段と、
前記scatterometry 装置で実測した前記被露光基板の前記テストパターンの信号波形に対して前記FEM 対応付けライブラリ信号波形記憶手段に記憶された前記信号波形の中から最も一致するものを抽出することにより、前記テストパターンの露光量およびフォーカスの最適値からの偏差を算出する実測対ライブラリ波形マッチング手段と、
前記実測対ライブラリ波形マッチング手段で算出した前記テストパターンの露光量およびフォーカスの最適値からの前記偏差と、前記テストパターン・製品回路パターン最適値偏差記憶手段に記憶された前記テストパターンと前記製品回路パターンの前記最適値偏差から、前記製品回路パターンに対する露光装置の補正量を算出する露光装置補正量算出手段と、
前記各手段と前記scatterometry 装置および前記露光装置間のデータ入出力を制御する制御手段と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造システム。
【請求項８】
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て半導体装置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装置に分離する工程と、
個々の前記半導体装置を封止する工程と、
を含む半導体装置の製造方法であって、
前記リソグラフィには、請求項１，２，３，４，５または６記載の半導体装置の製造方法を適用する方法、あるいは請求項７記載の半導体装置の製造システムを用いる方法、
のいずれかの方法を用いる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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造技術に関し、特に露光工程における露光量およびフォーカス制御を高精度に行う方法およびそのシステムに適用して有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造は、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、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、本発明の参考技術として、リソグラフィ工程の中で感光剤にパターンを焼き付ける露光工程を図１９により説明する。レチクル５の製品回路パターン領域５０には回路パターン５１が描かれており、これらは露光光４００１により、露光レンズ４を介してウェハ１の感光剤上に転写される。転写された回路パターンが寸法規格どおりできているかをチェックするため、通常SEM(Scanning Electron Microscope) で寸法検査が行われている。検査は、転写回路パターン１５１を直接計測する場合と、チップ領域１５０の外側に存在する転写テストパターン１５２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、"Implementation of a Closed-loop CD and Overlay Controller for sub 0.25 μｍPatterning, SPIE Vol.3332, 1998, pp461-470" に記載されている。
【０００４】
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あげられる。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、特開2001-143982 号公報に開示されている。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づけることにより、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。
【０００５】
また、最近、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、"Specular Spectroscopic Scatterometry in DUV Lithography, SPIE Vol.3677, 1999, pp159-168" に開示されている。
【０００６】
ここで、scatterometry 計測装置の構成を図２０により説明する。図２０（ａ）は分光型のscatterometry 計測装置である。白色光源２０１から出射した白色光２００１を基板１１上の繰り返しパターン１２に照射し、正反射光を回折格子２０２で分光し、センサ２０３で検出する。一方、波長に対する光強度信号を得る分光型とは異なり、入射角に対する光強度信号を得る入射角変化型がある。図２０（ｂ）の計測装置では入射光２００２の角度θを変化させて対象物に照射し、正反射光２００３を検出する。
【０００７】
次に上記の計測装置で得られた光強度信号の処理方法を図２１により説明する。光強度信号２１は、signature と呼ばれ、図２０（ａ）の計測装置で得られた信号の場合、波長に対する光強度変化の信号となる。signature は繰り返しパターン１２の断面プロファイルによって変化する。そこで、前もって様々な断面プロファイルに対するsignature 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１２のボトム線幅Ｌ、膜厚Ｄ、テーパ角αに応じて断面プロファイルを矩形でモデル化し、signature のシミュレーションを行う。光強度信号２１とsignature のライブラリの比較を行い、一致したsignature を与える断面プロファイル、すなわち線幅Ｌ１、膜厚Ｄ１、テーパ角α１が計測値となる。
【０００８】
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、scatterometry は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。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
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、"Diffraction Analysis of Dielectric Surface-relief Gratings, J. Opt. Soc. Am., Vol.72, No.10, 1982" 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。
【００１０】
しかし、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る。製品において、この条件を満たす回路パターンは極めて少なく、回路パターンの範囲外となる領域にテストパターン（scatterometry 計測用パターン）を配置する必要がある。結果として、実際の製品回路パターンを用いた露光量・フォーカスがモニタできない。このことによる技術的課題を図２２により説明する。
【００１１】
図２２の実線部および点線部で囲まれた領域は、規格線幅が例えば±１０％に収まる露光量、フォーカスの範囲を示す。これらの領域に内接する四角１０１０をプロセスウインドウと呼び、露光量およびフォーカスはプロセスウインドウの中心１０２１に設定される。ここで、テストパターンと製品回路パターンのプロセスウインドウの中心が異なる場合があり、テストパターンのプロセスウインドウ中心１０２１を制御目標とすると製品回路パターンの最適条件であるプロセスウインドウ中心１０２２とは異なるポイントに制御され、寸法規格からはずれてしまう可能性がある。
【００１２】
本発明の目的は、テストパターンをモニタしながら製品回路パターンの露光量およびフォーカスの各々を最適ポイントへ制御する半導体製造方法を与えることである。
【００１３】
本発明の他の目的は、時間のかかる真空引きが不要で、対象パターンの断面プロファイルを変化させる懸念のない光照射のscatterometry を用いたテストパターン等の露光結果の評価に基づいて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変動を検出して以後の露光工程にフィードバックすることで、高いスループットおよび歩留りを達成することが可能な半導体装置の製造技術を提供することにある。
【００１４】
本発明の新規な特徴は、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。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
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説明すれば、以下のとおりである。
【００１６】
すなわち、本発明は、露光原版上の製品回路パターンを被露光基板上に露光する露光工程を含む半導体製造方法であって、
露光原版内の製品回路パターンとテストパターンとの露光量およびフォーカスの最適値の差を予め取得しておく第１ステップと、
テストパターンの断面形状もしくは該断面形状と関連のある信号波形を、露光量およびフォーカスの最適値に対する偏差と関連づけて関連情報として記憶する第２ステップと、
露光工程を経て被露光基板上に形成されたテストパターンの断面形状もしくは該断面形状と関連のある信号波形を測定する第３ステップと、
第３ステップで測定されたテストパターンの断面形状もしくは該断面形状と関連のある信号波形と、第２ステップの関連情報とから、露光工程におけるテスト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を算出する第４ステップと、
第４ステップで得られたテストパターンに関する露光量およびフォーカスの最適値に対する偏差と、第１ステップで得られた製品回路パターンとテストパターンとの露光量およびフォーカスの最適値の差とに基づいて、製品回路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を算出する第５ステップと、
第５ステップで得られた製品回路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を、露光工程へフィードバックする第６ステップと、
を含むことを特徴とする。
【００１７】
これにより、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。
【００１８】
また、前記製品回路パターンとして、前記露光原版内で寸法規格に対する露光量裕度およびフォーカス裕度が最も厳しいパターンを選択することができる。これにより、最も歩留まりに効くパターンに対する最適値を求めることになるので、他の領域の製品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。
【００１９】
さらに、前記信号波形は、照明光の波長または入射角に対するテストパターンの反射強度変化を用いることができる。これにより、SEM 等の信号波形を用いる場合と比べて真空引きが不要で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。
【００２０】
また、前記露光原版内の製品回路パターンとテストパターンとの露光量およびフォーカスの最適値の差を予め取得しておく第１ステップでは、該製品回路パターンおよび該テストパターンの寸法と露光時の照明条件と該露光原版内の該製品回路パターンおよび該テストパターンの位置に対応した露光装置の波面収差を用いて前記最適値の差を算出することができる。これにより、製品回路パターンとテストパターンの最適値の差を実験ではなく、シミュレーションによって算出できるので迅速に必要なデータが得られる。
【００２１】
さらに、前記テストパターンの断面形状もしくは該断面形状と関連のある信号波形を、露光量およびフォーカスの最適値に対する偏差と関連づけて関連情報として記憶する第２ステップでは、前記テストパターンの寸法と前記露光時の照明条件と前記露光原版内の前記テストパターンの位置に対応した露光装置の波面収差を用いて前記テストパターンの断面プロファイルおよびその信号波形を算出することによって、関連情報の生成を行うことができる。これにより、複数の露光装置が存在する場合、それぞれの信号波形ライブラリ（関連情報）が露光装置の波面収差によって算出することができるので、各露光装置毎に露光実験を行う必要がなくなる。
【００２２】
また、前記テストパターンの断面形状もしくは該断面形状と関連のある信号波形を、露光量およびフォーカスの最適値に対する偏差と関連づけて関連情報として記憶する第２ステップは、
露光量とフォーカスを段階的に変化させながら露光処理（ショット）を行うことで複数の前記テストパターンが形成された焦点−露光量行列（FEM ）ウェハを作成するステップと、
前記FEM ウェハに形成された複数の前記テストパターン（ショット）の各々の断面プロファイルを計測するステップと、
前記断面プロファイルから断面プロファイルモデルを生成するステップと、
前記断面プロファイルモデルを用いて、前記FEM ウェハに形成された複数の前記テストパターン間よりも小さな露光量およびフォーカスのピッチで信号波形を算出するステップと、を含むことができる。
【００２３】
これにより、FEM ウェハの露光量、フォーカスのピッチより小さな信号波形ライブラリが得られるので、実測した信号波形に対応する露光量およびフォーカスの最適値からの偏差を、より高精度に求めることができる。
【００２４】
さらに、本発明は、リソグラフィにて製品回路パターンを被露光基板上に形成する半導体装置の製造システムであって、
露光原版の製品回路パターンを被露光基板上に露光する露光装置と、
対象物に光を照射する光源と、前記対象物を経由した前記光を信号波形として検出するセンサ部とを含み、前記対象物の表面形状に応じた前記信号波形を測定するscatterometry 装置と、
前記被露光基板の製造に用いた前記露光装置と照明条件および前記露光原版の来歴を記憶する来歴記憶手段と、
前記露光原版の製品回路パターン寸法およびテストパターン寸法と前記製品回路パターンの座標および前記テストパターンの座標を記憶する露光原版データ記憶手段と、
前記露光装置および工程毎の照明条件を記憶する照明条件記憶手段と、
前記露光装置毎およびパターン座標毎の波面収差データを記憶する波面収差データ記憶手段と、
前記照明条件と前記製品回路パターンおよびテストパターンの前記寸法および前記座標毎の波面収差から前記テストパターンと前記製品回路パターンの露光量およびフォーカスの最適値偏差を算出するテストパターン・製品回路パターン最適値偏差算出手段と、
前記最適値偏差を記憶するテストパターン・製品回路パターン最適値偏差記憶手段と、
露光量およびフォーカスの最適値からの偏差と、前記テストパターンの断面形状と関連のある信号波形を対応づけて記憶するFEM 対応付けライブラリ信号波形記憶手段と、
前記scatterometry 装置で実測した前記被露光基板の前記テストパターンの信号波形に対して前記FEM 対応付けライブラリ信号波形記憶手段に記憶された前記信号波形の中から最も一致するものを抽出することにより、前記テストパターンの露光量およびフォーカスの最適値からの偏差を算出する実測対ライブラリ波形マッチング手段と、
前記実測対ライブラリ波形マッチング手段で算出した前記テストパターンの露光量およびフォーカスの最適値からの前記偏差と、前記テストパターン・製品回路パターン最適値偏差記憶手段に記憶された前記テストパターンと前記製品回路パターンの前記最適値偏差から、前記製品回路パターンに対する露光装置の補正量を算出する露光装置補正量算出手段と、
前記の各手段と前記scatterometry 装置および前記露光装置間のデータ入出力を制御する制御手段と、
を含む構成としたものである。
【００２５】
本システムにより、半導体装置の製造において、テストパターンと製品回路パターンの露光最適値の偏差をロット来歴データを参照して瞬時に検索できるので、露光装置への露光量およびフォーカス補正のフィードバックを迅速に行うことができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２９】
図１は本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法の一例を示すフローチャートである。
【００３０】
まず、ステップ９０１でレチクル５内の回路パターン５１とテストパターン５２との露光量およびフォーカスの最適値の差を予め取得しておく。例えば中心寸法±１０％を規格とした場合の露光量およびフォーカスの最適値の差は、前述のようにプロセスウインドウの中心オフセットとして与えられる。これを求める方法の一つは、露光量、フォーカスを変えながら露光を行い、回路パターン５１およびテストパターン５２の転写パターンの寸法を計測することによりそれぞれのプロセスウインドウをプロットし、それらの中心オフセットを算出するといった実験による方法である。しかし、この方法は実験に非常に時間が掛かるため、多品種少量生産の場合にはコスト的に見合わない恐れがある。
【００３１】
もう一つの方法は、転写像シミュレーションにより、回路パターンの転写線幅を算出し、プロセスウインドウの中心オフセットを予測する方法である。
【００３２】
ここで、図２により転写像の計算方法について説明する。まず、対象となる回路パターンのウェハ１への転写像の計算を行うためには、照明条件２１００、レチクル５上の回路パターン５００および露光レンズ４の波面収差４００のデータが必要となる。これらのデータを用いた像計算の方法については、例えば、上述の’Y.Yoshitake et al, SPIE Vol.1463，pp678-679 ，1991’に開示されている。
【００３３】
ここで、図３により、照明条件２１００の具体例について説明する。図３（ａ）は一般的な照明であり、パラメータとしては照明光源像２１１０の直径D1および露光レンズ４の絞り４１の像４１’の直径Dep で表すことができる。図３（ｂ）は、回路パターン５００として白黒情報以外に位相情報をもつ場合、いわゆる位相シフトレチクルを用いる場合に使われる照明条件（小σ照明）であり、Dep に対する照明光源像２１２０の直径D2の比が図３（ａ）に比べて小さい。図３（ｃ）は輪帯照明と呼ばれるもので、照明光源像２１３０の外径D4および内径D3とDep で表すことができる。
【００３４】
次に図２の回路パターン５００の具体例を図４により説明する。図４はホールパターンの例であり、遮光部５０４と開口部５０３で構成される。ｘ方向の開口幅Sx、ピッチPx、ｙ方向の開口幅Sy、ピッチPyで表すことができる。
【００３５】
ここで、パターンの座標で波面収差が異なる理由を図５を用いて説明する。図５（ａ）のレチクル５の点５９１から出た光２００６は露光レンズ４を介してウェハ１に結像される。点５９１はレンズ中心４３からh1の座標位置にある。図５（ｂ）のレチクル５の点５９２から出た光２００７は露光レンズ４を介してウェハ１に結像される。点５９２はレンズ中心４３からh2の座標位置にある。光線２００６と光線２００７では露光レンズ４内のエレメントレンズ４４への入射角が異なるため、発生する波面収差４０１，４０２は異なったものになる。
【００３６】
次に図６に図２の波面収差４００の例を示す。波面収差４１０はｘ方向に非対称なコマ収差の例であり、３次元的なデータである。波面収差４１０は、例えば’N.R.Farrar et al, SPIE Vol.4000 ，pp19-22 ，2000’に記載の方法で露光レンズ中心からの座標毎に計測することができる。
【００３７】
ここで、図１のステップ９０１でレチクル５内の回路パターン５１とテストパターン５２との露光量およびフォーカスの最適値の差を求める具体的な方法を図７により説明する。
【００３８】
まず、ステップ８０１で照明条件を読み込み、ステップ８０２で製品回路パターンおよびテストパターン寸法を読み込み、ステップ８０３で、製品回路パターンおよびテストパターンの座標に相当する波面収差を読み込む。次にステップ８０４でフォーカス値を設定し、ステップ８０５で、前述した方法により製品回路パターンおよびテストパターンの転写像の算出を行う。次に、ステップ８０６により露光量を設定し、ステップ８０７により製品回路パターンおよびテストパターンの寸法であるＣＤ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）の算出を行う。
【００３９】
ここで、ＣＤの算出方法を図８を用いて説明する。ステップ８０５で算出した転写像の光強度分布１００に対し、露光量しきい値Eth を与えることにより、現像後の寸法、ＣＤを求める。
【００４０】
次にステップ８０８により、所定の露光量変化、フォーカス変化の条件が終了したかをチェックし、露光量変化が終了していない場合は、ステップ８０６へ、フォーカス変化が終了していない場合は、ステップ８０４へ戻る。全ての条件が終了した場合は、ステップ８０９により、ＣＤ、フォーカス、露光量の関係をマッピングする。マッピングの例を図９に示す。ここに、横軸はフォーカスＦ、縦軸は寸法ＣＤであり、ＦとＣＤの関係を各露光量Ｅに関してプロットしている。ここに、ＣＬはＣＤの規格中心、ＣＬ＋１０％はＣＬに対して＋１０％のＣＤ、ＣＬ−１０％はＣＬに対して−１０％のＣＤを示す。ＣＬ＋１０％、およびＣＬ−１０％をよぎる線から、それぞれのＣＤを与える露光量ＥおよびフォーカスＦの関係がプロットできる。この様子を図１０に示す。図１０において、ＣＬ＋１０％およびＣＬ−１０％の線に囲まれた領域が、いわゆるプロセスウインドウである。
【００４１】
ステップ８１０では図１０に示したプロセスウインドウを求め、ステップ８１１でプロセスウインドウに内接する四角１０１を算出し、ステップ８１２で四角１０１の中心１０２を求める。ステップ８１３では、四角１０１の中心１０２を製品回路パターンおよびテストパターンについて別々に求め、それぞれの差、ΔＥ、ΔＦを露光量およびフォーカスの最適値オフセットとして算出する。
【００４２】
以上で図１のステップ９０１の具体的な計算方法の説明を行った。ここで、再び図１に戻り、本発明の実施の形態の説明を続ける。
【００４３】
ステップ９０２では、テストパターンの断面形状、もしくは断面形状と関連のある信号波形を、露光量およびフォーカスの最適値に対する偏差と関連づける。ここで、この操作の具体的中身を図１１のフローチャートにより説明する。
【００４４】
まず、ステップ９０２１によりFEM(Focus Exposure Matrix)ウェハを作成する。FEM ウェハ１１０は図１２に示すように、列方向にフォーカスＤをΔＤ、行方向に露光量ＥをΔＥ変化させて露光したウェハである。次にステップ９０２２でそれぞれのショットのパターンを、例えば原子間力顕微鏡（AFM ：Atomic Force Microscope)で断面プロファイルの計測を行う。図１３に各ショットでの断面プロファイル１２０を示す。さらに、ステップ９０２３により、図１３の実測断面プロファイルからシミュレーション用のパターンプロファイルをモデル化する。シミュレーションのプロファイルモデル１３０は、図１４に示すように、矩形パターンを積層することで定義する。次にステップ９０２４により、FEM ウェハ１１０の各ショットに対応したプロファイルモデルにより、光強度信号波形シミュレーションを行う。図１５にFEM に対応した光強度信号波形のマトリックス１４０を示す。次にステップ９０２５で、scatterometry 装置によりFEM ウェハ各ショットの計測を行い、実測の光強度信号波形のマトリックスを得る。さらにステップ９０２６により、各ショットにおける実測とシミュレーションの光強度信号波形の差分を計算し、これが予め設定した許容値より小さい場合は、ステップ９０２３でのプロファイルモデル化の精度が足りたと見なしてステップ９０２７に進む。許容値より大きい場合は、ステップ９０２３に戻り、プロファイルモデル化を再度行う。ここで、実測とシミュレーションの光強度信号波形の差分ΔＳとしては、例えば次式により求める。
【００４５】
【数１】
0003839306.tif 000002
ここに、Ｎは信号波形データのポイント数、i は信号波形ポイント位置、f(i)は実測信号波形データ、g(i)はシミュレーション信号波形データである。
【００４６】
また、ステップ９０２７では、プロファイルモデル１３０により、FEM ウェハより細かい露光量，フォーカスのピッチ、ΔＥ／Ｎ，ΔＤ／Ｎでシミュレーションを行い、ステップ９０２８で、それぞれの露光量、フォーカスに対応した光強度信号波形のライブラリを作成する。ここに、Ｎは例えば２以上の整数であり、FEM ウェハショット間の補間数を示す。図１６には光強度信号波形ライブラリの一例を示す。
【００４７】
以上で図１のステップ９０２の具体的処理の説明を行った。
【００４８】
次に図１のステップ９０３では、scatterometry 技術にてテストパターンの断面形状もしくは断面形状と関連のある信号波形を測定する。
【００４９】
さらにステップ９０４でこの信号波形から露光量およびフォーカスの最適値に対する露光量およびフォーカスの偏差を求める。これは図１６のライブラリの信号波形とステップ９０３で実測した信号波形において、各波長または入射角における差分の２乗和が最小になるライブラリ信号波形を選択し、これに対応したFEM の露光量、フォーカスの最適値からの偏差から得られる。図１６を用いて説明すると、露光量、フォーカス最適時のライブラリ信号波形１４１に対して実測した信号波形との差分がライブラリ信号波形１４２で最小になったとすると、２つのライブラリ信号波形のマトリックス座標の差分Ｅ１およびＤ１がそれぞれ露光量、フォーカスの最適値からの偏差となる。
【００５０】
ステップ９０５では、ステップ９０１で求めた製品回路パターンとテストパターンの最適値の差と、ステップ９０４で求めたテストパターンの信号波形から得たテストパターン最適値に対する偏差とから、製品回路パターンにおける最適値からの偏差を算出する。最後にステップ９０６でステップ９０５で算出した偏差を露光量およびフォーカスの補正値として次回露光時に露光装置へフィードバックする。
【００５１】
以上で図１による実施の形態の説明ではscatterometry 装置で計測した信号波形により露光量およびフォーカスの偏差を算出したが、AFM 等で計測した断面形状波形から偏差を算出しても良い。
【００５２】
上述の実施の形態では、テストパターンにおける信号波形ライブラリを作成した。もし、製品回路パターンにおいて、FEM ウェハ各ショットの信号波形が互いに十分区別できる程変化する場合は、製品回路パターンのFEM ウェハ各ショットの実測信号波形をライブラリとして使用しても良い。この場合、図１の処理フローは簡略化され、図１７のような処理フローとなる。
【００５３】
すなわち、図１７において、まず、ステップ９１２で製品回路パターンの断面形状もしくは断面形状と関連のある信号波形を露光量およびフォーカスの最適値に対する偏差と関連づける。これは上述のように、製品回路パターンでFEM ウェハに対応した信号波形ライブラリを作成することに相当する。次にステップ９１３で製品回路パターンの断面形状もしくは断面形状と関連のある信号波形を測定する。さらにステップ９１４で製品回路パターンの断面形状もしくは断面形状と関連のある信号波形と上述の信号波形ライブラリのマッチング処理を行うことにより、該当する信号波形ライブラリから、露光量およびフォーカスの最適値に対する偏差を求める。最後にステップ９１５により、この偏差をそのまま次回露光時の露光装置の補正値としてフィードバックする。製品回路パターンの信号波形はscatterometry 装置で計測した信号波形でも良いし、製品回路パターンの代表パターンをAFM で計測した断面プロファイル信号波形でも良い。
【００５４】
次に本発明の実施の形態である半導体装置の製造システムに関して、図１８を参照して説明する。
【００５５】
半導体装置の製造工程では、成膜装置６１によってウェハ１が成膜され、CMP(Chemical Mechanical Polishing)装置６２によって膜が平坦化された後、塗布・露光・現像装置６３１により感光剤であるレジストの塗布、回路パターンの露光、および感光剤の現像が行われる。塗布・現像装置と露光装置は物理的には別個の装置であるが、通常一貫的に接続されていて一つの装置とみなせるため、図１８では塗布・露光・現像装置として表記した。塗布・露光・現像装置は、複数台あるため、１号機６３１、２号機６３２を表示してある。ウェハ１は一般的には複数枚でロットを形成し、各装置での処理来歴がネットワーク６００を介してホストコンピュータ３に送られ、ロット来歴データ記憶部３１のデータベースに格納される。ロット来歴には処理装置の号機、半導体装置の品種、工程および照明条件等のレシピデータ、レチクル名が含まれる。
【００５６】
現像後は、scatterometry 装置２でテストパターンの信号波形が実測され、実測信号波形が信号波形処理システム７に送られる。信号波形処理システム７は、次回同一の品種、工程、号機での露光時の露光量およびフォーカス補正量を塗布・露光・現像装置６３１、６３２へフィードバックする。
【００５７】
scatterometry 装置２での計測後、ウェハ１はエッチング装置６４でエッチングされ、レジスト除去装置６５で感光剤であるレジストが剥離された後、再び次の工程の膜が成膜装置６１によって生成される。このようなプロセスを繰り返すことによって半導体装置は製造される。
【００５８】
ここで、上述の信号波形処理システム７について説明する。
【００５９】
まず、露光量・フォーカスの制御対象となる製品回路パターンおよびテストパターンの幅やピッチといった寸法や座標のデータはレチクル名とともにレチクルデータ記憶手段７１１に登録される。手動か、または図示しない別なコンピュータからデータを入力することができる。登録する製品回路パターンを同一レチクル内で最も露光量およびフォーカス裕度の厳しい部分を選択することにより、制御精度を向上させることができる。また、露光時の照明条件はホストコンピュータ３のロット来歴データ記憶部３１から情報を取得、照明条件記憶手段７１２に記憶する。また、波面収差データは上述した方法で測定し、波面収差データ記憶手段７１３に露光装置毎、レチクル上の座標毎に登録しておく。
【００６０】
これらのデータが新規に登録されたタイミングで制御手段７００は、テストパターンと製品回路パターンの露光量およびフォーカスの最適値の偏差の算出指示をテストパターン・製品回路パターン最適値偏差算出手段７０１に対して行う。テストパターン・製品回路パターン最適値偏差算出手段７０１は、レチクルデータ記憶手段７１１から製品回路パターンとテストパターンの寸法、座標データを、照明条件記憶手段７１２から照明条件を、波面収差データ記憶手段７１３から対象となる製品回路パターン、テストパターンの座標に相当する波面収差データを入手し、前述した方法により、テストパターンと製品回路パターンの露光量およびフォーカスの最適値の偏差を算出する。算出された偏差は制御手段７００により、半導体装置の品種、工程、露光装置号機の情報とともにテストパターン・製品回路パターン最適値偏差記憶手段７１４に格納される。
【００６１】
また、FEM(Focus Exposure Matrix ）に対応したライブラリ信号波形は、前述したように、ある露光装置でFEM ウェハ１１０の露光実験を行い、それぞれのパターンのプロファイルをモデル化することによりシミュレーションにより求められる。この結果は、図示しない入力装置により、FEM 対応付けライブラリ信号波形記憶手段７１５に記憶される。従来のscatterometry 装置の信号波形ライブラリではFEM との対応付けはなく、パターン断面プロファイルを定義するパラメータである、例えば、線幅、テーパ角、膜厚等とのみ対応づけられていた。
【００６２】
FEM に対応づけられたライブラリ信号波形は、露光実験を行わなくても得ることができる。例えば、"Inside PROLITH ，クリス.A. マック著，松澤敏晴訳，リソテックジャパン，1997，第105 頁〜114 頁" に記載されている現像シミュレーションを転写像シミュレーションの後行えば、現像後のパターンプロファイルが得られ、これに基づいてライブラリ信号波形を算出することが可能である。この場合、露光装置号機による信号波形の違いは波面収差に依存する。転写像シミュレーション時、波面収差データ記憶手段７１３に記憶された該当露光装置の波面収差を用いることにより、露光装置毎の信号波形ライブラリを実験なしで得ることができる。
【００６３】
次にscatterometry 装置２が実測したテストパターンの信号波形の処理方法について説明する。実測した信号波形は制御手段７００を介して実測対ライブラリ波形マッチング手段７０２に送られる。実測対ライブラリ波形マッチング手段７０２は、実測信号波形に対応する品種、工程、露光装置をキーワードとして、FEM 対応付けライブラリ信号波形記憶手段７１５からFEM ライブラリ信号波形を検索し、FEM のそれぞれの信号波形に対して「数式１」で求めた差分ΔＳを計算し、差分ΔＳが最小となる信号波形をFEM ライブラリ信号波形から選択し、これに対応する露光量およびフォーカスの最適値からの偏差を求める。露光装置補正量算出手段７０３は、テストパターン・製品回路パターン最適値偏差記憶手段７１４から、実測信号波形に対応する品種、工程、露光装置をキーワードとして、該当する最適値偏差を検索し、これにより上述のテストパターンの最適値からの偏差を補正し、製品回路パターンに対する露光量・フォーカス補正量を算出し、制御手段７００およびネットワーク６００を介して、該当する露光装置へ補正量をフィードバックする。
【００６４】
上述の半導体装置の製造システムを利用した半導体装置の製造工程の全体の処理の流れを図２３のフローチャートに例示する。
【００６５】
すなわち、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１を準備するとともに（ステップ３０１）、予め、製品回路パターンとテストパターンの露光量およびフォーカスの最適値の差ΔＥ、ΔＦの測定（ステップ３２０）、およびテストパターンの断面形状もしくは断面形状と関連のある信号波形を、露光量およびフォーカスの最適値に対する偏差と関連付けてライブラリに記憶する処理（ステップ３３０）、を行っておく。
【００６６】
このウェハ１に薄膜等を形成した後（ステップ３０２）、平坦化処理を行い（ステップ３０３）、その後、レジスト塗布（ステップ３０４）、露光装置による露光処理（ステップ３０５）、現像処理（ステップ３０６）を行う。
【００６７】
ここで、本実施の形態では、現像されたウェハ１上のテストパターンの信号波形を、scatterometry 装置２にて測定し（ステップ３０７）、測定結果とステップ３３０で構築されているライブラリの信号波形とを照合して、テストパターンに関する露光量およびフォーカスの最適値からの偏差ΔＥｔ、ΔＦｔを得る（ステップ３０８）。
【００６８】
さらに、ステップ３０８で得られたテストパターンのΔＥｔ、ΔＦｔを、ステップ３２０で既知のΔＥ、ΔＦを用いて補正して、製品パターンに関する露光量およびフォーカスの最適値からの偏差ΔＥｐ、ΔＦｐ（露光工程補正情報）を得て、ステップ３０５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３０９）。
【００６９】
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形成およびレジスト除去を行い（ステップ３１０）、ウェハプロセス完か否かを判定し（ステップ３１１）、未完の場合にはステップ３０２以降を反復する。
【００７０】
ウェハプロセス完了の場合には、ウェハプローブ等のウェハレベルでの各半導体装置の機能試験による良品選別を行い（ステップ３１２）、その後、ウェハ１のダイシングにて半導体装置を個別に分離し（ステップ３１３）、良品の半導体装置のみに対して封止等のパッケージングを行い（ステップ３１４）、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３１５）、良品のみを出荷する（ステップ３１６）。
【００７１】
上述のように、本実施の形態の場合には、ステップ３０２〜ステップ３１０のリソグラフィにおけるステップ３０５の露光工程での露光条件の最適値からの変動を、scatterometry によるテストパターンの実測さらには製品パターンへの補正にて、露光量およびフォーカス毎に個別に検出して、以降の露光処理にフィードバックされるので、露光量およびフォーカス等の露光条件が、常に、最適値に近い範囲で維持されることになり、半導体装置の歩留り向上を実現できる。
【００７２】
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。
【００７３】
【発明の効果】
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。
【００７４】
（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、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に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。
【００７５】
（２）製品回路パターンとして最も狭マージンなものを選択するので、最も歩留まりに効くパターンに対する最適値を求めることになり、他の領域の製品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。
【００７６】
（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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法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である半導体装置の製造方法において、テストパターンと製品回路パターンの露光量およびフォーカスの最適値の差を求めるために用いるパラメータの一例を説明する概念図である。
【図３】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法において、テストパターンと製品回路パターンの露光量およびフォーカスの最適値の差を求めるために用いるパラメータの一例である照明条件を説明する概念図である。
【図４】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法において、テストパターンと製品回路パターンの露光量およびフォーカスの最適値の差を求めるために用いるパラメータの一例である製品回路パターンを説明する概念図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法において、テストパターンと製品回路パターンの露光量およびフォーカスの最適値の差を求める場合のレチクル上の座標による波面収差発生の違いを説明する概念図である。
【図６】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法において、テストパターンと製品回路パターンの露光量およびフォーカスの最適値の差を求めるために用いるパラメータの一例である波面収差の分布例を説明する概念図である。
【図７】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法において、テストパターンと製品回路パターンの露光量およびフォーカスの最適値の差を求める処理の一例を示すフローチャートである。
【図８】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法において、テストパターンと製品回路パターンの露光量およびフォーカスの最適値の差を求める処理において、転写像光強度分布から線幅（ＣＤ）を求める方法を説明する線図である。
【図９】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法において、テストパターンと製品回路パターンの露光量およびフォーカスの最適値の差を求める処理において、フォーカスと線幅の平面に露光量の等高線をプロットした線図である。
【図１０】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法において、テストパターンと製品回路パターンの露光量およびフォーカスの最適値の差を求める処理におけるプロセスウインドウを説明する線図である。
【図１１】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法において、テストパターンに関する信号波形ライブラリ作成処理の一例を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法において、テストパターンに関する信号波形ライブラリ作成処理に用いられるFEM ウェハを説明する平面図である。
【図１３】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法において、テストパターンに関する信号波形ライブラリ作成処理に用いられるFEM ウェハの各ショットのパターン断面プロファイルを説明する線図である。
【図１４】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法において、テストパターンに関する信号波形ライブラリ作成処理に用いられるパターン断面プロファイルのモデル化を説明する概念図である。
【図１５】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法において、テストパターンに関する信号波形ライブラリ作成処理に用いられるFEM ウェハの各ショットに対応した信号波形を説明する線図である。
【図１６】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法において、テストパターンに関するライブラリ信号波形を説明する線図である。
【図１７】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法において、製品回路パターン自体を用いて露光装置の露光量とフォーカスを補正する処理の一例を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造システムの構成の一例を示す概念図である。
【図１９】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造システムを構成する露光装置の一例を説明する斜視図である。
【図２０】（ａ）および（ｂ）は、本発明の一実施の形態である半導体装置の製造システムを構成するscatterometry 装置の一例を説明する概念図である。
【図２１】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造システムを構成するscatterometry の動作原理の一例を説明する概念図である。
【図２２】本発明にて解決される技術的課題の一つである、テストパターンと製品回路パターンの露光量・フォーカスの最適値の違いを説明する概念図である。
【図２３】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法の作用の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…ウェハ、１１…基板、１２…繰り返しパターン、１００…転写像光強度分布、１０１…プロセスウインドウ内接四角、１０２…プロセスウインドウ内接四角の中心、１１０…FEM ウェハ、１２０…パターン断面プロファイル、１３０…パターン断面プロファイルのモデル、１４０…信号波形のマトリックス、１４１…最適露光量・フォーカスの信号波形、１４２…最適露光量・フォーカスからはずれた信号波形、１５０…製品回路パターン転写領域（チップ領域）、１５１…製品回路パターン、１５２…転写テストパターン、２…scatterometry 装置、２１…scatterometry 装置で実測された信号波形（光強度信号）、２０１…光源、２０２…回折格子、２０３…センサ、２１００…照明条件、２１１０…通常照明条件での瞳上の照明光源像、２１２０…小σ照明での瞳上の照明光源像、２１３０…輪帯照明での瞳上の照明光源像、３…ホストコンピュータ、３１…ロット来歴データ記憶部、４…露光レンズ、４１…絞り（瞳）、４４…エレメントレンズ、４１０…波面収差、５…レチクル、５０…レチクルの製品回路パターン領域、５１…レチクルの製品回路パターン、５２…レチクルのテストパターン、６１…成膜装置、６２…CMP 装置、６３１…塗布・露光・現像装置１号機、６３２…塗布・露光・現像装置２号機、６４…エッチング装置、６５…レジスト除去装置、６００…ネットワーク、７…信号波形処理システム、７００…制御手段、７０１…テストパターン・製品回路パターン最適値偏差算出手段、７０２…実測対ライブラリ波形マッチング手段、７０３…露光装置補正量算出手段、７１１…レチクルデータ記憶手段、７１２…照明条件記憶手段、７１３…波面収差データ記憶手段、７１４…テストパターン・製品回路パターン最適値偏差記憶手段、７１５…FEM 対応付けライブラリ信号波形記憶手段。
【図１】
0003839306.tif 000003
【図２】
0003839306.tif 000004
【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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