【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスの製造方法、および装置に関し、特に露光工程においてデバイス製品／露光層／露光装置毎に異なる露光条件設定の効率を向上するための技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体デバイスの高集積化、高機能化に伴い、これを実現するためのプロセスには更なる高精度化が求められている。その一方、半導体デバイスの製造コストの低減も重要な課題となっている。
【０００３】
半導体デバイスの製造では、露光用レチクル（以下、レチクルと省略）に形成されたパターンを、フォトレジストが塗布された半導体ウエハ（以下、ウエハと省略）上に、投影露光装置を用いて転写することにより、半導体デバイスの回路パターンが形成される。半導体デバイスは複数層の回路パターンにより構成され、ある層の回路パターンは、それより下層の回路パターンに位置合わせ（アライメント）して露光が行われる。
【０００４】
この露光工程では、回路パターンを所定の寸法で形成するために、露光装置の露光条件（露光量ならびに焦点位置（フォーカス））が制御される。露光条件は、製品／露光層毎に異なる回路パターン、使用するレジストなどに応じて異なるため、その各々に応じて設定する必要がある。また、半導体デバイスの生産ラインには、通常、複数の露光装置が設置されるが、これらには各機毎にレンズ収差など精度に個体差（機差）が存在する。このため、異なる装置で着工する場合、それぞれの装置で所定のパターン寸法を得られるようにするために、同一製品／同一露光層であっても、各々の装置に対してそれぞれ異なる露光条件が設定される。
【０００５】
これら露光条件を求めるために、一般には製品の製造に先立って製品／露光層／露光装置毎に条件出し作業を行う方法が取られている。条件出し作業とは、図１３に示すように、対象とする製品／露光層の実際の製品レチクルを用いて、露光装置の露光量およびフォーカスを段階的に変化させて、取り得る露光条件を網羅する様に露光を行い（１３０１）、各々の条件で形成された回路パターンの寸法、および形状を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などにより測定／観察して（１３０２）、所望のパターンを得られるような露光条件を求める（１３０３）作業である。そして、求められた露光条件は各装置における対象とする製品／露光層に対するレシピの中に設定される（１３０４）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、新製品の着工毎、また新しい装置での着工毎に、実際の製品レチクルを用いて上記の条件出し作業を行うことは、半導体デバイス製造におけるＴＡＴ（Ｔｕｒｎ Ａｒｏｕｎｄ Ｔｉｍｅ）の増大をもたらし、また半導体デバイスの生産ラインでの露光装置の稼動効率を低下させ、製造コストを増大させる要因となる。特に近年、半導体デバイスの生産は、ＤＲＡＭを中心とした少品種大量生産から、システムＬＳＩ中心の多品種小量生産に移行しつつあり、上記問題がより深刻化している。
【０００７】
また、特にフォーカスに関しては、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｏｎｏｌｏｇｙ Ｒｏａｄｍａｐ ｆｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓに等に示される様に（表１）、微細化の進展と共に、その裕度は小さくなる一方である。
【０００８】
【表１】
【０００９】
現状の条件出し手法でこれに対応するためには、変化させる露光条件のステップをより細かくする必要があり、更なる作業量増大が見こまれる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明における半導体デバイスの製造方法は、製品露光におけるフォーカスオフセットを、原因別に分解して予め求めておくことでフォーカス条件出しの作業を低減するものである。具体的には、（１）露光装置の投影光学系の焦点位置とフォーカスセンサのオフセット（装置起因オフセット）（２）デバイス製品の露光層のパターン条件と、露光装置の投影光学系の収差とから決まるフォーカスオフセット（パターン起因オフセット）（３）デバイス製品の露光層に対応するプロセスウエハによって生じる、該露光装置のフォーカスオフセット（プロセス起因オフセット）をそれぞれ算出し、それらを元に求められた製品露光時の最適フォーカス位置を露光装置のレシピに設定して、露光を実施するものである。
【００１１】
これにより、デバイス製品毎／露光層毎／露光装置毎に実際の製品レチクルを用いて行う条件出し作業が不要となり、半導体デバイス製造におけるＴＡＴ短縮、ならびに半導体デバイス製造ラインでの露光装置の稼動効率を向上を図ることが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明に係る、半導体デバイスの製造システムおよび半導体デバイスの製造方法の実施の形態について、以下図面を用いて説明する。
【００１３】
図１は本発明における第１の実施例である半導体デバイスの製造システムに関わる実施例を説明する図である。
【００１４】
図中で、１００はフォーカス条件算出ホストであり、各種の処理を実行する。その機能の詳細に付いては後に説明する。
【００１５】
１１０は露光装置自身が持つフォーカスオフセットのデータを保持する、装置オフセットデータサーバであり、装置オフセットデータベース１１１に保持されたデータをネットワーク００１を通して他の装置から読み出し／書き込みが出来る仕組みとなっている。
【００１６】
ここで、装置オフセットについて説明する。装置オフセットとは露光装置のフォーカスセンサのゼロ点と、投影光学系の焦点位置の差であり、露光装置の号機ごとに異なる値である。図１４にはフォーカスセンサの原理を示す。光源１４０１により、ウエハ１４１０の表面に対して斜め方向から光を入射し、ウエハ面で反射した光を受光素子１４０２で検出する。このときウエハの高さに応じて反射光の光路が移動し、受光素子面上での受光位置が変化する。例えば図に示した様にウエハの高さが１４１０から１４１１へ変位したとき（変位量：１４３０）反射光の光路は１４２０から１４２１へと変位し、受光素子上でのスポット位置も変位（変位量：１４３１）する。これによりウエハの高さ（露光対象の位置）が検出される。
【００１７】
露光時のフォーカス位置はウエハを載置したステージ（１４３０）をＺ方向に移動することで制御されるが、この時のウエハの位置はフォーカスセンサで検出される。但し、フォーカスセンサは露光装置の投影光学系とは独立して存在するため、図１５に示す様に、露光装置の投影光学系（１５０１）の焦点位置（１５０２）と、フォーカスセンサのゼロ点（１４４０）でのウエハ位置の間には、ある程度のオフセット（１５００）が存在する。このオフセットが装置オフセットである。
【００１８】
装置オフセットの評価は、フォーカスオフセット評価用の露光パターンをベアウエハに露光することで行われる。これを図２、３で説明する。評価用のパターンは図２に示すようなくさびパターン２０１である、これをフォーカス（ステージのＺ位置）を変化させて複数ショット露光し、パターン間隔２０２をＳＥＭなどで測定する。測定結果の例を図３に示す。図３の横軸は露光装置のＺステージの位置（フォーカスセンサの読み値）であり、縦軸はそれぞれのフォーカス条件で露光した際のパターン間隔である。測定結果は３０１であり、パターン間隔が最小となる位置が露光装置の投影光学系の焦点位置である。フォーカスセンサのゼロ点（横軸のゼロ点）からの差３０２が装置オフセットである。装置オフセットは露光装置の各号機ごとに、また装置の経時変化を把握するために定期的に測定される。それら測定結果が図１の装置オフセットデータベース１１１に保持される。
【００１９】
図１で１２０は製品パターン条件データサーバであり、製品パターン条件データベース１２１に保持された製品別／露光層別のパターン情報を、ネットワーク００１を通して他の装置から読み出し／書き込みが出来る仕組みとなっている。ここでパターン情報の内容について図４を用いて説明する。半導体製品はチップエリア４００の内部の複数の機能ブロック（４０１〜４０５）から成り、その各々で回路パターンは異なる。また半導体製品は複数の露光層（４１１〜４１５）により作成され、同じ機能ブロックであっても露光層が異なれば回路パターンは異なる。パターン情報は例えば次に述べる２つの内容で表すことが出来る。一つは機能ブロックがチップエリアのどの位置を占めるかの情報である。これは、機能ブロックの左上端の座標データ（４２１）とｘ方向幅データ（４２２）、ｙ方向幅データ（４２３）を各機能ブロック毎に定めることで表される。もう一つは各機能ブロックの内部のパターンの情報であり、これはパターンの形状（例えば、ラインパターンかホールパターンか）、パターンピッチ：Ｐ（４１１）、パターン線幅：Ｗ（４１２）、で定められる。図４はラインパターンの場合のパターン情報の例について示している。
【００２０】
また、図１で１３０は装置収差情報データサーバであり、装置収差情報データサーバデータベース１３１に保持された装置ごとの投影光学系の収差情報を、ネットワーク００１を通して他の装置から読み出し／書き込みが出来る仕組みとなっている。
【００２１】
ここで、露光装置のレンズ収差に関して図５、６を用いて説明する。図５は露光装置の構成を示し、５０１は照明光源、５０２は照明光学系、５０３はレチクル、５０４は露光光学系、５０５は露光対象のレジストを塗布した半導体ウエハ、５０６はウエハを搭載するステージである。照明光源５０１から発生した露光光は照明光学系を５０２を通してレチクル５０３に到達する。このとき照明光学系の中の開口絞り５０２１により照明のコヒーレンスファクタσ、あるいは変形照明の種類が制御される。レチクルは石英ガラス等の透明基板の上に、クロム等の遮光膜により回路パターンが形成されたものである。レチクルを通過した露光光は、投影光学系５０４を通して半導体ウエハ５０５に到達する。このとき投影光学系の中の開口絞り５０４１により露光時のＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐａｔｕｒｅ：開口数）が制御される。ウエハに到達した光によりウエハに塗布されたレジストが感光し、回路パターンが転写される。
【００２２】
投影光学系５０４には、誤差（投影光学系の波面収差）があり、これは装置によって個体差（機差）があることから、同じ製品の同じ露光層（同じパターン）を露光する場合であっても、露光時のフォーカス条件は装置毎に異なる。投影光学系５０４を透過した露光光の波面は理想的には５０６に示すように球面になるべきものであるが、実際の投影光学系には硝材の不均一性や、加工誤差、組み立て誤差など各種の誤差があり、これを皆無にすることは出来ないため、波面には５０７に示すような乱れが発生する。理想的な球面波と実際の波面との差は波面収差と呼ばれる。投影光学系の波面収差は、例えばＵＳ−ＰＡＴＥＮＴ：Ｎｏ．５、８２８、４５５に示される様な方法で測定することが出来る。前記の技術はハルトマンテストの技術を応用したものであり、その内容の説明はここでは省略するが、例えば”Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｈｏｐ Ｔｅｓｔｉｎｇ（Ｄ．Ｍａｌａｃａｒａ編、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ（米））”などの文献に技術の詳細が示されている。波面収差は不定形であるため、一般には収差関数へ展開し、成分毎の大きさをもって定量的に表現される。図６には波面収差の収差関数への展開について説明する。図６の６００は波面収差の実測例である。波面収差の収差関数への展開に関する詳細はここでは省略するが、詳細については、例えば”光学の原理（Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ）（Ｍ．Ｂｏｒｎ、Ｅ．Ｗｏｌｆ共著、東海大学出版会）などの文献に詳しい。図６では、波面収差を収差関数へ展開したときの主な成分について示す。これらの各成分はそれぞれの数式（６０１〜６０８）で表現されるものであり、その形状は６１１〜６１８で示されるものである。各成分を示す数式において、係数：ａｎは該当する成分の大きさの程度を示すものであり、Ｚｅｒｎｉｋｅ係数と呼ばれる。波面収差はこのＺｅｒｎｉｋｅ係数の値で定量的に表現することが可能となる。
【００２３】
このような形で、各装置ごとに収差情報は得られるわけであるが、図１の投影光学系収差データベース１３１に保持されるデータの具体的な例について、図７で説明する。７１０は露光装置の露光フィールド、７１１〜７１９は露光フィールド内で波面収差を測定した点である。投影光学系の波面収差は、フィールド内の各点で異なる値となるため、複数点での測定が必要である。図７に示した例では３×３の９点を測定する例を示したが、測定点数はもちろんこれよりも多くても、少なくても良い。７２０は１測定点での収差データであり、横軸にはＺｅｒｎｉｋｅ係数の項、縦軸は各係数の大きさを示す。このデータは露光エリア内の各々の測定点に対して保持されるものであり、また露光装置の各々について保持されるものである。
【００２４】
図１でパターンオフセット算出サーバ１５０は、上記に説明した製品パターン情報データベース１２１に保持された製品パターン情報と、装置収差情報データベース１３１に保持された装置収差情報を用いて、装置収差に起因するフォーカスオフセット（以降、パターンオフセットと呼称）が製品／工程／装置ごとに算出し、パターンオフセットデータサーバ１５１に保持する。またパターンオフセットデータサーバ１５１に保持された製品／工程／装置ごとのフォーカスオフセット情報は、パターンオフセットデータサーバ１５１からネットワーク００１を通して他の装置から読み出し／書き込みが出来る仕組みとなっている。
【００２５】
ここで、パターンオフセットの算出方法について図８を用いて説明する。計算はまず、データ読み込み工程８０２により各種計算条件８０３を読み込む。８０３の内容は先に説明した製品パターン条件、装置収差データと合わせて、シミュレーションパラメータ（変化させる条件）としてフォーカスの範囲とそのステップ量が含まれる。
【００２６】
条件が入力された後、光学像強度計算（光学シミュレーション、８０４）を行う。なお、上記の像強度計算についてはここでは詳しく述べないが、例えばＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ ｖｏｌ．５３８（１９８５）のｐｐ２０７−２２０に示された”ＰＲＯＬＩＴＨ ： ａ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｏｐｔｉｃａｌ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ｍｏｄｅｌ”などに詳しい。光学像強度計算の結果（８０７）は、フォーカス条件、ならびに装置、製品、工程の識別データと関連付けられて出力される（８０８）。この計算を、先に８０３で設定したフォーカス条件の全てに関して、８０３で設定されたステップで変化させて繰り返し行う。
【００２７】
次に、８０８に出力された結果を用いて最適フォーカス位置を算出する。最適フォーカス位置は、光学像の像コントラストが最大となるフォーカス条件である。光学像強度のコントラストに付いては図９で説明する。図９で９０１はマスクパターン（遮光部）であり、９０２はその光学像である（横軸が位置、縦軸が光強度）。光学像９０２で最大の光強度をＩｍａｘ、最小の光強度をＩｍｉｎとしたとき、像コントラストは（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ）で表現される。フォーカス位置を変化させたとき、この像コントラストも変化し、コントラスト最大になるフォーカス位置を最適フォーカス位置とする（８１２）。
【００２８】
８１２で算出された最適フォーカス位置を計算の対象にした、製品／工程／装置でのパターンオフセットとして装置、製品、工程の識別データとともに出力される（８１５）。出力されたデータは、パターンオフセットデータベース１５１に保持される。
【００２９】
１４０は製品露光時の露光層の工程に対応するプロセスウエハによって生じる、該露光装置のフォーカスオフセット（以降、プロセスオフセットと呼称）を保持する、プロセスオフセットデータサーバであり、プロセスオフセットデータベース１４１に保持されたデータをネットワーク００１を通して他の装置から読み出し／書き込みが出来る仕組みとなっている。
【００３０】
プロセスオフセットに関しては図１０で説明する。プロセスウエハ１００２には工程に対応して金属膜、あるいは絶縁膜等が成膜（１００１）されており、これによりフォーカスセンサの検出オフセットが生じる場合がある。図１０に示した様に、フォーカスセンサの光源１０１１からの光が、本来であればウエハ最表面で反射して１４２１のような光路で受光素子に到達するはずが、成膜１００１により１４２０の様に変化した光路で受光素子１０１２に到達する場合がある。この時の光路のオフセット１４３１がプロセスオフセットである。
【００３１】
プロセスオフセットの評価は、プロセスウエハに、先に図２、３で説明したフォーカスオフセット評価用のパターンを露光することで行われる。その場合の露光結果を図１１に示す。図１１の横軸は露光装置のＺステージの位置（フォーカスセンサの読み値）であり、縦軸はそれぞれのフォーカス条件で露光した際のパターン間隔である。測定結果は１１０１であり、この時のパターン間隔が最小となる位置１０１２と、装置オフセット（ベアウエハに露光した場合）１０１１との差が、プロセスウエハに起因する露光装置のフォーカスセンサの誤差、すなわちプロセスオフセット（１０１３）である。なお、プロセスオフセットデータは露光装置の号機毎に持つ必要は無く、例えば露光装置の機種ごと（フォーカスセンサの形式の違いごと）に持てば良い。また、プロセス条件も製品／工程に対応する成膜条件ごとに持てば良い。
【００３２】
以上のように要因別に求められたデバイス製品露光時のフォーカスオフセット量は、図１の製品露光フォーカスオフセットサーバ１００で総合され、製品／工程／装置ごとの、製品露光時のフォーカスオフセットデータとして、製品露光フォーカス条件データベース１０１に保持される。製品露光フォーカスオフセットデータは例えば以下のようにして算出される。製品Ａの、工程Ｂを、露光装置Ｃで露光する場合の製品露光フォーカスオフセットは、
（１）露光装置Ｃの装置オフセットを、装置オフセットデータベース１１１から装置オフセットサーバ１４０を経て読出し。
（２）製品Ａの工程Ｂを露光装置Ｃで露光する際のパターンオフセットを、パターンオフセットデータベース１５１からパターンオフセットサーバ１５０を経て読出し。
（３）製品Ａの工程Ｂに対応する成膜条件での、露光装置Ｃの機種でのプロセスオフセットを、プロセスオフセットデータベース１４１からプロセスオフセットサーバ１４０を経て読出し。
（４）（１）〜（３）のデータの総和を製品Ａの、工程Ｂを、露光装置Ｃで露光する場合の製品露光フォーカスオフセットとする。
【００３３】
このようにして求められたフォーカス条件は、図１中の製品露光フォーカスオフセットサーバ１００により、露光装置のレシピに書きこまれる。図１では露光装置レシピサーバ１６０、装置レシピデータベース１６１を介して露光装置１７０にレシピを設定する例について示した。ここで、露光装置レシピデータベース１６１は生産ラインに存在する全ての露光装置のレシピを保持する手段であり、また露光装置レシピサーバ１６０は各露光装置のレシピの設定を行い、各装置へレシピを転送する手段である。製品露光フォーカスオフセットサーバ１００で求められた製品露光フォーカスオフセット量は、露光装置レシピサーバ１６０に送られ、各装置のレシピに書きこまれ、装置レシピデータベース１６１に保持され、露光装置レシピサーバ１６０により各露光装置に転送されるものである。さらに。なお、上記で説明した方法を取らずとも、製品露光フォーカスオフセットサーバ１００から直接露光装置１７０のレシピに書きこむ方法を取っても良い。
【００３４】
図１２は本発明の第２の実施例に関する、半導体デバイスの製造方法に関して説明する図である。フォーカス評価パターン（図２）の露光ステップ１２０１により、露光装置の装置オフセットを算出（１２０２）する。一方で設計情報から得られる製品パターンデータ（１２０３）と、露光装置の収差データ（１２０４）を読み込んで、フォーカス範囲とそのステップをシミュレーションパラメータとして光学シミュレーション１２０５で光学像強度を算出する。得られた光学像強度と、フォーカス位置の関係からコントラスト最大となるフォーカス位置を求め、これをパターンオフセットとする。さらにまた、プロセスウエハに対するフォーカス評価パターンの露光１２０７により、プロセスオフセットを算出（１２０８）する。
【００３５】
上記１２０２で求められた装置オフセット、１２０６で求められたパターンオフセット、１２０８で求められたプロセスオフセットから、ある製品／工程をある露光装置で製品露光を行う際のフォーカスオフセットの算出（ステップ１２０９）を行い、得られた結果を露光装置のレシピに設定する（ステップ１２１０）。設定されたレシピを元に露光を実行する（ステップ１２１１）。
【００３６】
【発明の効果】
以上の実施例で示したとおり、本発明は製品露光におけるフォーカスオフセットを、（１）露光装置の投影光学系の焦点位置とフォーカスセンサのオフセット（装置起因オフセット）（２）デバイス製品の露光層のパターン条件と、露光装置の投影光学系の収差とから決まるフォーカスオフセット（パターン起因オフセット）（３）デバイス製品の露光層に対応するプロセスウエハによって生じる、該露光装置のフォーカスオフセット（プロセス起因オフセット）として原因別にそれぞれ算出し、それらを元に求められた製品露光時の最適フォーカス位置を露光装置のレシピに設定して、露光を実施するものである。
【００３７】
これにより、デバイス製品毎／露光層毎／露光装置毎に、実際の製品レチクルを用いて行う条件出し露光が不要となり、半導体デバイス製造におけるＴＡＴ短縮、ならびに半導体デバイス製造ラインでの露光装置の稼動効率を向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に関して説明する図。
【図２】フォーカスオフセット評価パターンについて説明する図。
【図３】フォーカスオフセットの評価方法について説明する図。
【図４】パターン条件に関して説明する図。
【図５】露光装置の構成に関して説明する図。
【図６】波面収差の関数展開について説明する図。
【図７】装置収差情報データベースに保持されるデータに関して説明する図。
【図８】パターンオフセットの算出方法について説明する図。
【図９】光学像コントラストに関して説明する図。
【図１０】プロセスオフセットの生じる原因について説明する図。
【図１１】プロセスオフセットの評価方法について説明する図
【図１２】本発明の第２の実施例に関して説明する図。
【図１３】本発明に係る従来方法に関して説明する図。
【図１４】露光装置のフォーカスセンサについて説明する図。
【図１５】露光装置のオフセットについて説明する図。
【符号の説明】
１００…製品露光フォーカス条件サーバ、１１０…装置オフセット情報サーバ、１２０…製品パターン情報サーバ、１３０…装置収差情報サーバ、１４０…プロセスオフセット情報サーバ、１５０…パターンオフセット算出サーバ、１６０…装置レシピサーバ、１７０…露光装置、２０１…フォーカスオフセット評価パターン、４０１〜４０５…機能ブロック、５０１…照明光源、５０２…照明光学系、５０３…レチクル、５０４…投影光学系、５０５…半導体ウエハ、５０６…ステージ、６００…波面収差、７１０…ショットエリア、７１１〜７１９…収差測定点。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and an apparatus for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a technique for improving the efficiency of setting exposure conditions different for each device product / exposure layer / exposure apparatus in an exposure step.
[0002]
[Prior art]
With the recent increase in the degree of integration and function of semiconductor devices, there is a demand for a process for realizing the higher precision. On the other hand, reducing the manufacturing cost of semiconductor devices has also become an important issue.
[0003]
In manufacturing a semiconductor device, a pattern formed on an exposure reticle (hereinafter abbreviated as a reticle) is transferred onto a semiconductor wafer (hereinafter abbreviated as a wafer) coated with a photoresist using a projection exposure apparatus. Thereby, a circuit pattern of the semiconductor device is formed. A semiconductor device is constituted by a plurality of circuit patterns, and a circuit pattern of a certain layer is subjected to exposure while being aligned (aligned) with a circuit pattern of a lower layer.
[0004]
In this exposure step, exposure conditions (exposure amount and focus position (focus)) of the exposure apparatus are controlled in order to form a circuit pattern with predetermined dimensions. Exposure conditions differ according to different circuit patterns for each product / exposure layer, resists to be used, and the like, and thus need to be set according to each of them. Further, a plurality of exposure apparatuses are usually installed in a semiconductor device production line, and there are individual differences (machine differences) in accuracy such as lens aberration for each machine. For this reason, when starting construction with different devices, different exposure conditions are set for each device, even for the same product / same exposure layer, so that a predetermined pattern size can be obtained with each device. Is done.
[0005]
In order to determine these exposure conditions, generally, a method of performing a condition setting operation for each product / exposure layer / exposure apparatus before manufacturing a product is adopted. As shown in FIG. 13, the condition setting operation covers the exposure conditions that can be taken by gradually changing the exposure amount and focus of the exposure apparatus using the actual product reticle of the target product / exposure layer. (1301), and the dimensions and shape of the circuit pattern formed under each condition are measured / observed with a scanning electron microscope (SEM) or the like (1302) to obtain a desired pattern. This is the operation for obtaining the proper exposure conditions (1303). Then, the obtained exposure conditions are set in a recipe for a target product / exposure layer in each apparatus (1304).
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, performing the above-mentioned condition setting operation using an actual product reticle every time a new product is started or each time a new device is started, causes an increase in TAT (Turn Around Time) in semiconductor device manufacturing, and This lowers the operation efficiency of the exposure apparatus on the semiconductor device production line, and increases the manufacturing cost. In particular, in recent years, the production of semiconductor devices has been shifting from low-mix high-volume production centering on DRAMs to multi-mix low-volume production centering on system LSIs, and the above problem has become more serious.
[0007]
In particular, as for focus, as shown in International Technology Roadmap for Semiconductors (Table 1) and the like, the margin is decreasing with the progress of miniaturization.
[0008]
[Table 1]
In order to cope with this with the current condition setting method, it is necessary to make the steps of the exposure condition to be changed finer, and a further increase in the amount of work is expected.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention reduces the work of setting focus conditions by decomposing focus offsets in product exposure according to causes and obtaining them in advance. Specifically, (1) the focal position of the projection optical system of the exposure apparatus and the offset of the focus sensor (offset due to the apparatus); (2) the pattern conditions of the exposure layer of the device product and the aberration of the projection optical system of the exposure apparatus Determined focus offset (pattern-induced offset) (3) Calculate the focus offset (process-induced offset) of the exposure apparatus, which is caused by the process wafer corresponding to the exposure layer of the device product, and calculate the product-based offset obtained based on these. Is set in the recipe of the exposure apparatus, and the exposure is performed.
[0011]
This eliminates the need for setting the conditions using an actual product reticle for each device product / exposure layer / exposure apparatus, shortening the TAT in semiconductor device manufacturing, and improving the operation efficiency of the exposure apparatus in a semiconductor device manufacturing line. Improvement can be achieved.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of a semiconductor device manufacturing system and a semiconductor device manufacturing method according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0013]
FIG. 1 is a diagram for explaining an embodiment relating to a semiconductor device manufacturing system according to a first embodiment of the present invention.
[0014]
In the figure, reference numeral 100 denotes a focus condition calculation host which executes various processes. Details of the function will be described later.
[0015]
Reference numeral 110 denotes an apparatus offset data server which holds focus offset data of the exposure apparatus itself, and has a mechanism capable of reading / writing data held in the apparatus offset database 111 from another apparatus via the network 001.
[0016]
Here, the device offset will be described. The apparatus offset is the difference between the zero point of the focus sensor of the exposure apparatus and the focal position of the projection optical system, and is a value that differs for each exposure apparatus. FIG. 14 shows the principle of the focus sensor. Light is incident on the surface of the wafer 1410 from an oblique direction by the light source 1401, and light reflected on the wafer surface is detected by the light receiving element 1402. At this time, the optical path of the reflected light moves according to the height of the wafer, and the light receiving position on the light receiving element surface changes. For example, as shown in the figure, when the height of the wafer is displaced from 1410 to 1411 (displacement amount: 1430), the optical path of the reflected light is displaced from 1420 to 1421, and the spot position on the light receiving element is also displaced (displacement amount). : 1431). Thereby, the height of the wafer (the position of the exposure target) is detected.
[0017]
The focus position at the time of exposure is controlled by moving the stage (1430) on which the wafer is mounted in the Z direction, and the position of the wafer at this time is detected by a focus sensor. However, since the focus sensor exists independently of the projection optical system of the exposure apparatus, as shown in FIG. 15, the focus position (1502) of the projection optical system (1501) of the exposure apparatus and the zero point ( There is some offset (1500) between the wafer positions at 1440). This offset is the device offset.
[0018]
The evaluation of the apparatus offset is performed by exposing a bare wafer to an exposure pattern for focus offset evaluation. This will be described with reference to FIGS. The wedge pattern 201 is a wedge pattern 201 as shown in FIG. 2. The wedge pattern 201 is exposed to a plurality of shots while changing the focus (Z position of the stage), and the pattern interval 202 is measured by SEM or the like. FIG. 3 shows an example of the measurement result. The horizontal axis in FIG. 3 is the position of the Z stage (read value of the focus sensor) of the exposure apparatus, and the vertical axis is the pattern interval when performing exposure under each focus condition. The measurement result is 301, and the position where the pattern interval is minimum is the focal position of the projection optical system of the exposure apparatus. The difference 302 from the zero point of the focus sensor (zero point on the horizontal axis) is the device offset. The apparatus offset is measured for each unit of the exposure apparatus and periodically to grasp the change with time of the apparatus. These measurement results are held in the device offset database 111 of FIG.
[0019]
In FIG. 1, reference numeral 120 denotes a product pattern condition data server, which has a mechanism for reading / writing pattern information for each product / exposure layer held in the product pattern condition database 121 from another device through the network 001. . Here, the contents of the pattern information will be described with reference to FIG. The semiconductor product is composed of a plurality of functional blocks (401 to 405) inside the chip area 400, and each has a different circuit pattern. Further, a semiconductor product is made of a plurality of exposure layers (411 to 415), and even if the same functional block is used, the circuit patterns are different if the exposure layers are different. The pattern information can be represented by, for example, the following two contents. One is information on which position in the chip area the functional block occupies. This is represented by determining coordinate data (421), x-direction width data (422), and y-direction width data (423) for each functional block at the upper left corner of the functional block. The other is information on a pattern inside each functional block, which is a pattern shape (for example, a line pattern or a hole pattern), a pattern pitch: P (411), and a pattern line width: W (412). Determined. FIG. 4 shows an example of pattern information in the case of a line pattern.
[0020]
In FIG. 1, reference numeral 130 denotes an apparatus aberration information data server, and a mechanism for reading / writing the aberration information of the projection optical system for each apparatus held in the apparatus aberration information data server database 131 from another apparatus through the network 001. It has become.
[0021]
Here, the lens aberration of the exposure apparatus will be described with reference to FIGS. FIG. 5 shows a configuration of an exposure apparatus, wherein 501 is an illumination light source, 502 is an illumination optical system, 503 is a reticle, 504 is an exposure optical system, 505 is a semiconductor wafer coated with a resist to be exposed, and 506 is a stage on which a wafer is mounted. It is. Exposure light generated from the illumination light source 501 reaches the reticle 503 through the illumination optical system 502. At this time, the coherence factor σ of the illumination or the type of the modified illumination is controlled by the aperture stop 5021 in the illumination optical system. The reticle has a circuit pattern formed on a transparent substrate such as quartz glass by a light-shielding film such as chrome. The exposure light that has passed through the reticle reaches the semiconductor wafer 505 through the projection optical system 504. At this time, the numerical aperture (NA) at the time of exposure is controlled by the aperture stop 5041 in the projection optical system. The resist applied to the wafer is exposed by the light reaching the wafer, and the circuit pattern is transferred.
[0022]
The projection optical system 504 has an error (wavefront aberration of the projection optical system). Since there is an individual difference (machine difference) depending on the device, this is a case where the same exposure layer (same pattern) of the same product is exposed. However, the focus condition at the time of exposure differs for each device. The wavefront of the exposure light transmitted through the projection optical system 504 should ideally be a spherical surface as indicated by 506. However, in an actual projection optical system, non-uniformity of glass material, processing error, assembly error, etc. Since there are various errors that cannot be completely eliminated, the wavefront is disturbed as indicated by 507. The difference between the ideal spherical wave and the actual wavefront is called wavefront aberration. The wavefront aberration of the projection optical system is described in, for example, US Pat. 5, 828, 455 can be measured. The above technique is an application of the technique of the Hartmann test, and the description of the content is omitted here. For example, reference is made to documents such as "Optical Shop Testing (ed. By D. Malacara, John Wiley and Sons (USA))". Details of the technology are given. Since the wavefront aberration is indefinite, it is generally developed into an aberration function and is quantitatively represented by the magnitude of each component. FIG. 6 illustrates the development of the wavefront aberration into an aberration function. 6 is an actual measurement example of the wavefront aberration. Details regarding the expansion of the wavefront aberration into the aberration function are omitted here, but the details are described in, for example, "Principles of Optics" (M. Born and E. Wolf, co-authored by Tokai University Press). 6 shows main components when the wavefront aberration is expanded into an aberration function, and these components are represented by respective mathematical expressions (601 to 608), and the shapes are represented by 611 to 618. being indicated in equation showing each component, the coefficients:.. a n is indicates the order of magnitude of the corresponding component, the wavefront aberration called Zernike coefficients quantitatively expressed by the value of the Zernike coefficient It is possible to do.
[0023]
In this manner, aberration information is obtained for each device. A specific example of data held in the projection optical system aberration database 131 in FIG. 1 will be described with reference to FIG. Reference numeral 710 denotes an exposure field of the exposure apparatus, and reference numerals 711 to 719 denote points at which the wavefront aberration is measured in the exposure field. Since the wavefront aberration of the projection optical system has a different value at each point in the field, measurement at a plurality of points is necessary. In the example shown in FIG. 7, an example of measuring 9 points of 3 × 3 is shown, but the number of measurement points may be more or less than this. Numeral 720 denotes aberration data at one measurement point. The horizontal axis indicates the Zernike coefficient term, and the vertical axis indicates the magnitude of each coefficient. This data is held for each measurement point in the exposure area, and is held for each of the exposure apparatuses.
[0024]
In FIG. 1, the pattern offset calculation server 150 uses the product pattern information stored in the product pattern information database 121 described above and the device aberration information stored in the device aberration information database 131 to perform focus due to device aberration. An offset (hereinafter, referred to as a pattern offset) is calculated for each product / process / apparatus, and stored in the pattern offset data server 151. The focus offset information for each product / process / device held in the pattern offset data server 151 can be read / written from another device via the network 001 from the pattern offset data server 151.
[0025]
Here, a method of calculating the pattern offset will be described with reference to FIG. In the calculation, first, various calculation conditions 803 are read in a data reading step 802. The contents of 803 include a focus range and a step amount as simulation parameters (conditions to be changed) in addition to the product pattern conditions and device aberration data described above.
[0026]
After the conditions are input, an optical image intensity calculation (optical simulation, 804) is performed. Although the image intensity calculation is not described in detail here, for example, Proceedings of SPIE vol. No. 538 (1985), pp. 207-220, “PROLITH: a complete lithographic model”. The result (807) of the optical image intensity calculation is output in association with the focus condition and the identification data of the device, the product, and the process (808). This calculation is repeated with respect to all of the focus conditions previously set in step 803, changing the steps in step 803.
[0027]
Next, the optimum focus position is calculated using the result output to 808. The optimum focus position is a focus condition under which the image contrast of the optical image is maximized. The contrast of the optical image intensity will be described with reference to FIG. In FIG. 9, reference numeral 901 denotes a mask pattern (light-shielding portion), and reference numeral 902 denotes an optical image thereof (the horizontal axis represents position, and the vertical axis represents light intensity). Assuming that the maximum light intensity in the optical image 902 is Imax and the minimum light intensity is Imin, the image contrast is expressed by (Imax-Imin) / (Imax + Imin). When the focus position is changed, the image contrast also changes, and the focus position at which the contrast becomes maximum is set as the optimum focus position (812).
[0028]
The optimum focus position calculated in 812 is output as a pattern offset in the product / process / apparatus, along with the identification data of the apparatus, product, and process (815). The output data is held in the pattern offset database 151.
[0029]
Reference numeral 140 denotes a process offset data server which stores a focus offset (hereinafter, referred to as a process offset) of the exposure apparatus, which is generated by a process wafer corresponding to a process of an exposure layer at the time of product exposure. The read data can be read / written from another device through the network 001.
[0030]
The process offset will be described with reference to FIG. A metal film, an insulating film, or the like is formed (1001) on the process wafer 1002 corresponding to the process, which may cause a detection offset of the focus sensor. As shown in FIG. 10, the light from the light source 1011 of the focus sensor should originally be reflected on the outermost surface of the wafer and reach the light receiving element through an optical path such as 1421, May arrive at the light receiving element 1012 along the changed optical path. The offset 1431 of the optical path at this time is the process offset.
[0031]
The evaluation of the process offset is performed by exposing the process wafer to the pattern for focus offset evaluation described above with reference to FIGS. FIG. 11 shows the exposure result in that case. The horizontal axis in FIG. 11 is the position of the Z stage (read value of the focus sensor) of the exposure apparatus, and the vertical axis is the pattern interval when performing exposure under each focus condition. The measurement result is 1101, and the difference between the position 1012 where the pattern interval is the minimum and the apparatus offset (when exposed to a bare wafer) 1011 is the error of the focus sensor of the exposure apparatus due to the process wafer, ie, the process error. Offset (1013). Note that the process offset data does not need to be provided for each exposure apparatus, but may be provided for each type of exposure apparatus (for each type of focus sensor). Also, the process conditions may be set for each film forming condition corresponding to the product / process.
[0032]
As described above, the focus offset amount at the time of device product exposure determined for each factor is integrated by the product exposure focus offset server 100 shown in FIG. 1, and is used as the product / process / apparatus focus offset data at the time of product exposure. It is stored in the exposure focus condition database 101. The product exposure focus offset data is calculated, for example, as follows. The product exposure focus offset when exposing the process B of the product A with the exposure apparatus C is:
(1) The apparatus offset of the exposure apparatus C is read from the apparatus offset database 111 via the apparatus offset server 140.
(2) The pattern offset when the process B of the product A is exposed by the exposure apparatus C is read from the pattern offset database 151 via the pattern offset server 150.
(3) The process offset of the model of the exposure apparatus C under the film forming conditions corresponding to the process B of the product A is read from the process offset database 141 via the process offset server 140.
(4) The sum total of the data of (1) to (3) is used as the product exposure focus offset when exposing the step A of the product A by the exposure apparatus C.
[0033]
The focus condition obtained in this manner is written in the recipe of the exposure apparatus by the product exposure focus offset server 100 in FIG. FIG. 1 shows an example in which a recipe is set in the exposure apparatus 170 via the exposure apparatus recipe server 160 and the apparatus recipe database 161. Here, the exposure apparatus recipe database 161 is a means for holding the recipes of all the exposure apparatuses existing on the production line, and the exposure apparatus recipe server 160 sets the recipe of each exposure apparatus and transfers the recipe to each apparatus. It is a means to do. The product exposure focus offset amount obtained by the product exposure focus offset server 100 is sent to the exposure apparatus recipe server 160, written in the recipe of each apparatus, held in the apparatus recipe database 161, and stored by the exposure apparatus recipe server 160. This is transferred to the exposure apparatus. further. Instead of using the method described above, a method of directly writing the recipe of the exposure apparatus 170 from the product exposure focus offset server 100 may be used.
[0034]
FIG. 12 is a view for explaining a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In step 1201 of the focus evaluation pattern (FIG. 2), the apparatus offset of the exposure apparatus is calculated (1202). On the other hand, the product pattern data (1203) obtained from the design information and the aberration data (1204) of the exposure apparatus are read, and the optical image intensity is calculated by the optical simulation 1205 using the focus range and its step as simulation parameters. From the relationship between the obtained optical image intensity and the focus position, a focus position at which the contrast becomes maximum is obtained, and this is defined as a pattern offset. Furthermore, a process offset is calculated (1208) by exposure 1207 of the focus evaluation pattern to the process wafer.
[0035]
From the device offset obtained in 1202, the pattern offset obtained in 1206, and the process offset obtained in 1208, a focus offset for performing a product exposure of a certain product / process by a certain exposure apparatus is calculated (step 1209). Then, the obtained result is set in the recipe of the exposure apparatus (step 1210). Exposure is executed based on the set recipe (step 1211).
[0036]
【The invention's effect】
As described in the above embodiments, the present invention provides the focus offset in the product exposure by: (1) the focus position of the projection optical system of the exposure apparatus and the offset of the focus sensor (device-related offset); and (2) the exposure layer of the device product. Focus offset (pattern-induced offset) determined from pattern conditions and aberration of the projection optical system of the exposure apparatus (3) As focus offset (process-induced offset) of the exposure apparatus caused by a process wafer corresponding to an exposure layer of a device product Exposure is calculated by calculating each of the causes, setting the optimum focus position at the time of product exposure obtained based on these factors in the recipe of the exposure apparatus.
[0037]
This eliminates the need for condition-based exposure using an actual product reticle for each device product / exposure layer / exposure apparatus, shortening the TAT in semiconductor device manufacturing, and operating efficiency of the exposure apparatus in a semiconductor device manufacturing line. Can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view for explaining a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a diagram illustrating a focus offset evaluation pattern.
FIG. 3 is a diagram illustrating a method for evaluating a focus offset.
FIG. 4 is a diagram illustrating a pattern condition.
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of an exposure apparatus.
FIG. 6 is a diagram illustrating a function expansion of wavefront aberration.
FIG. 7 is a view for explaining data held in a device aberration information database.
FIG. 8 is a diagram illustrating a method for calculating a pattern offset.
FIG. 9 is a diagram illustrating an optical image contrast.
FIG. 10 is a diagram illustrating a cause of a process offset.
FIG. 11 is a diagram illustrating a method for evaluating a process offset. FIG. 12 is a diagram illustrating a second embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram illustrating a conventional method according to the present invention.
FIG. 14 is a diagram illustrating a focus sensor of the exposure apparatus.
FIG. 15 is a diagram illustrating offset of the exposure apparatus.
[Explanation of symbols]
100: Product exposure focus condition server, 110: Device offset information server, 120: Product pattern information server, 130: Device aberration information server, 140: Process offset information server, 150: Pattern offset calculation server, 160: Device recipe server, 170 Exposure apparatus 201 Focus offset evaluation pattern 401-405 Functional block 501 Illumination light source 502 Illumination optical system 503 Reticle 504 Projection optical system 505 Semiconductor wafer 506 Stage 600 Wavefront aberration, 710: shot area, 711 to 719: aberration measurement point.
