JP2008112889A - Focus measuring method, method of manufacturing semiconductor device, and exposure system - Google Patents

Focus measuring method, method of manufacturing semiconductor device, and exposure system Download PDF

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JP2008112889A JP2006295424A JP2006295424A JP2008112889A JP 2008112889 A JP2008112889 A JP 2008112889A JP 2006295424 A JP2006295424 A JP 2006295424A JP 2006295424 A JP2006295424 A JP 2006295424A JP 2008112889 A JP2008112889 A JP 2008112889A
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研二 野田
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理美子 菅
Naohiko Ujimaru
直彦 氏丸
Kenichi Asahi
憲一 旭
Hirobumi Fukumoto
博文 福本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a focus measuring method which can accurately measure a focus value and an amount of focus deviation, and to provide a method of manufacturing a semiconductor device and an exposure system using the same. <P>SOLUTION: The focus value is found by using the dependency of an LER value of a resist pattern on a focus value. The dependency of an LER value of each pattern on a focus value is acquired in advance. In finding the focus value, an LER value of a resist pattern for measuring a focus which is formed by exposing an object for which the focus value is to be measured is measured. The focus value for the LER value can be found from the already acquired dependency of an LER value on a focus value. The amount of focus deviation is a difference between the focus value and the best focus value. By employing a line pattern and a space pattern as the resist pattern for measuring a focus value, the direction of the focus deviation can also be found. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、リソグラフィ工程において、露光フォーカスを測定する方法とそれを利用した半導体装置の製造方法および露光システムに関する。   The present invention relates to a method for measuring an exposure focus in a lithography process, a method for manufacturing a semiconductor device using the method, and an exposure system.

従来、半導体集積回路の微細素子パターンを形成するために、露光装置(ステッパー等)が使用されている。露光装置は、半導体基板上に形成された感光性を有するレジスト膜に、レチクル上のマスクパターンを結像する投影露光を行う。露光されたレジスト膜を現像することにより、投影されたマスクパターンがパターン化される。所定の断面形状と寸法とを有するレジストパターンを得るためには、レチクル上のマスクパターンを、フォーカスずれなくフォトレジスト膜に投影する必要がある。本願発明者らは、半導体装置の製造工程中でフォーカスずれの有無を確認する手法として、特許文献1に記載のフォーカスずれの測定方法を提案した。   Conventionally, an exposure apparatus (stepper or the like) is used to form a fine element pattern of a semiconductor integrated circuit. The exposure apparatus performs projection exposure for forming an image of a mask pattern on a reticle on a photosensitive resist film formed on a semiconductor substrate. By developing the exposed resist film, the projected mask pattern is patterned. In order to obtain a resist pattern having a predetermined cross-sectional shape and dimensions, it is necessary to project the mask pattern on the reticle onto the photoresist film without defocusing. The inventors of the present application have proposed a method of measuring a focus shift described in Patent Document 1 as a method for confirming the presence or absence of a focus shift during the manufacturing process of the semiconductor device.

当該手法では、レジスト膜からなる孤立ラインパターンと孤立スペースパターンとを形成し、これらのパターン寸法のフォーカス依存性を利用してフォーカスずれ量を検出する。図8は、上記孤立ラインパターンおよび孤立スペースパターンを示す断面図である。当該手法では、孤立ラインパターン100のトップ寸法101、孤立ラインパターン100のボトム寸法102、孤立スペースパターン110のトップ寸法103、および孤立スペースパターン110のボトム寸法104を測定する。孤立ラインパターン100において測定する寸法はライン幅であり、孤立スペースパターン110において測定する寸法はスペース幅である。   In this method, an isolated line pattern and an isolated space pattern made of a resist film are formed, and a focus shift amount is detected by using the focus dependency of these pattern dimensions. FIG. 8 is a cross-sectional view showing the isolated line pattern and the isolated space pattern. In this method, the top dimension 101 of the isolated line pattern 100, the bottom dimension 102 of the isolated line pattern 100, the top dimension 103 of the isolated space pattern 110, and the bottom dimension 104 of the isolated space pattern 110 are measured. The dimension measured in the isolated line pattern 100 is the line width, and the dimension measured in the isolated space pattern 110 is the space width.

図9は、各寸法101〜104のフォーカス依存性を示す図である。図9(a)が孤立ラインパターン100のフォーカス依存性であり、図9(b)が孤立スペースパターン110のフォーカス依存性である。図9(a)の横軸はフォーカス値を示しており、縦軸は孤立ラインパターン100の規格化傾斜量ΔLnを示している。規格化傾斜量ΔLnは、トップ寸法101からボトム寸法102を差し引いた値である傾斜量ΔLと、ベストフォーカス時の傾斜量ΔLoとの差ΔLn=ΔL−ΔLoである。また、図9(b)の横軸はフォーカス値を示しており、縦軸は孤立スペースパターン110の規格化傾斜量ΔSnを示している。規格化傾斜量ΔSnは、トップ寸法103からボトム寸法104を差し引いた値である傾斜量ΔSと、ベストフォーカス時の傾斜量ΔSoとの差ΔSn=ΔS−ΔSoである。図9(a)、および図9(b)に示すグラフでは、縦軸がゼロとなるフォーカス値がそれぞれのパターン100、110におけるベストフォーカス値と考えてよい。   FIG. 9 is a diagram illustrating the focus dependency of each of the dimensions 101 to 104. FIG. 9A shows the focus dependency of the isolated line pattern 100, and FIG. 9B shows the focus dependency of the isolated space pattern 110. The horizontal axis of FIG. 9A indicates the focus value, and the vertical axis indicates the normalized inclination amount ΔLn of the isolated line pattern 100. The normalized inclination amount ΔLn is a difference ΔLn = ΔL−ΔLo between the inclination amount ΔL, which is a value obtained by subtracting the bottom dimension 102 from the top dimension 101, and the inclination amount ΔLo at the time of best focus. In FIG. 9B, the horizontal axis indicates the focus value, and the vertical axis indicates the normalized inclination amount ΔSn of the isolated space pattern 110. The normalized inclination amount ΔSn is a difference ΔSn = ΔS−ΔSo between the inclination amount ΔS, which is a value obtained by subtracting the bottom dimension 104 from the top dimension 103, and the inclination amount ΔSo at the time of best focus. In the graphs shown in FIGS. 9A and 9B, the focus value at which the vertical axis is zero may be considered as the best focus value in the patterns 100 and 110, respectively.

図10は、図9に示した規格化傾斜量ΔLnおよびΔSnの和(以下、シフトインデックスという。)のフォーカス依存性を示す図である。ここで、図10の横軸はフォーカス値を示しており、縦軸はシフトインデックスを示している。   FIG. 10 is a diagram showing the focus dependency of the sum of the normalized inclination amounts ΔLn and ΔSn (hereinafter referred to as a shift index) shown in FIG. Here, the horizontal axis of FIG. 10 indicates the focus value, and the vertical axis indicates the shift index.

図10に示すように、通常、シフトインデックスは、フォーカス値に対して一定の変化を示す。図10に示す関係において、シフトインデックスがゼロとなるフォーカス値が孤立ラインパターン100と孤立スペースパターン110との両方を満足するベストフォーカス値であるとみなすことができる。したがって、半導体装置の露光工程において、パターンを露光する前に、まず、孤立ラインパターン100と孤立スペースパターン110のトップ寸法101、103、およびボトム寸法102、104を測定し、その結果を計算して図10に示したシフトインデックスのフォーカス依存性をあらかじめ取得する。そして、実際のパターン露光の際に形成された、孤立ラインパターン100および孤立スペースパターン110のトップ寸法101、103、およびボトム寸法102、104を測定し、このグラフと比較する。これにより、露光時の実際のフォーカス値がベストフォーカス値からどの程度ずれているかが容易に算出することができる。本手法は、フォーカスずれの有無およびフォーカスずれ量を容易に、かつ正確に検出でき、フォーカス測定方法として非常に有用である。
特開2005−12158号公報
As shown in FIG. 10, the shift index usually shows a constant change with respect to the focus value. In the relationship shown in FIG. 10, the focus value at which the shift index is zero can be regarded as the best focus value that satisfies both the isolated line pattern 100 and the isolated space pattern 110. Therefore, before the pattern is exposed in the exposure process of the semiconductor device, first, the top dimensions 101 and 103 and the bottom dimensions 102 and 104 of the isolated line pattern 100 and the isolated space pattern 110 are measured, and the results are calculated. The focus dependence of the shift index shown in FIG. 10 is acquired in advance. Then, the top dimensions 101 and 103 and the bottom dimensions 102 and 104 of the isolated line pattern 100 and the isolated space pattern 110 formed during actual pattern exposure are measured and compared with this graph. Thereby, it is possible to easily calculate how much the actual focus value at the time of exposure deviates from the best focus value. This method can detect the presence / absence of focus deviation and the amount of focus deviation easily and accurately, and is very useful as a focus measurement method.
JP 2005-12158 A

しかしながら、近年、半導体集積回路素子パターン、レジストパターンが微細化している。このような微細なレジストパターン(例えば、90nm以下のプロセステクノロジーノードで形成されるレジストパターン)の形成では、LER(Line Edge Roughness)が、レジストパターンの寸法に対して相対的に無視できない大きさとなる。当該状況下では、正確なレジスト寸法測定を行うことが困難であり、特許文献1の手法を用いても精度良くフォーカス値およびフォーカスずれ量を評価できない。ここで、LERとは、形成されたレジストパターンの平面視における、パターンエッジの凹凸度を指す。当該LERは、レジストパターンを構成しているレジスト材料の単一分子、もしくは分子の塊(分子クラスター)がパターンの端面に凸凹として出現したものである。LERは、露光装置の光源として、遠紫外領域のKrFエキシマレーザ光やArFエキシマレーザ光を使用する半導体装置の製造工程において顕在化しており、問題になっている。   However, in recent years, semiconductor integrated circuit element patterns and resist patterns have been miniaturized. In the formation of such a fine resist pattern (for example, a resist pattern formed by a process technology node of 90 nm or less), LER (Line Edge Roughness) becomes a size that cannot be ignored relative to the dimension of the resist pattern. . Under such circumstances, it is difficult to perform accurate resist dimension measurement, and the focus value and the amount of focus deviation cannot be evaluated with high accuracy even using the method of Patent Document 1. Here, LER refers to the degree of unevenness of the pattern edge in plan view of the formed resist pattern. In the LER, a single molecule or a lump of molecules (molecular cluster) of the resist material constituting the resist pattern appears as irregularities on the end face of the pattern. LER has become a problem since it has become apparent in the manufacturing process of semiconductor devices that use KrF excimer laser light or ArF excimer laser light in the far ultraviolet region as a light source of an exposure apparatus.

寸法測定に対するLERの影響を無くすためには、パターン幅やパターン間隔の測定点数を増やしその平均値を測定寸法とする手法や、LERそのものを数値化するために、ある端面に対しての位置ばらつきを算出して寸法測定結果にフィードバックする手法を使用することが考えられる。しかしながら、これらの手法では、膨大な測定時間を要する、あるいはデータの信頼性が完全ではない等の理由のため、フォーカス値やフォーカスずれ量を測定する上で課題が残る。   In order to eliminate the influence of LER on dimension measurement, the number of measurement points of pattern width and pattern interval is increased and the average value is used as a measurement dimension, or in order to quantify LER itself, position variation with respect to a certain end face It is conceivable to use a method of calculating and feeding back to the dimension measurement result. However, these methods still have problems in measuring the focus value and the amount of focus deviation due to the fact that enormous measurement time is required or the reliability of data is not perfect.

本発明は、上記従来の事情を鑑みて提案されたものであって、LERが相対的に大きくなる微細なレジストパターンにおいても、フォーカス値やフォーカスずれ量を正確に測定することができるフォーカス測定方法、それを用いた半導体装置の製造方法および露光システムを提供することを目的とする。   The present invention has been proposed in view of the above-described conventional circumstances, and a focus measurement method capable of accurately measuring a focus value and a focus shift amount even in a fine resist pattern having a relatively large LER. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device using the same and an exposure system.

上記目的を達成するために本発明は、以下の技術的手段を採用している。すなわち、本発明に係るフォーカス測定方法では、基板上に形成されたレジスト膜を、露光装置を用いて、異なるフォーカス値で露光し、各露光により形成されたフォーカス測定用レジストパターンのLER(Line Edge Roughness)値と、上記フォーカス値との対応関係をあらかじめ取得する。次いで、上記露光装置を用いて、基板上に形成されたレジスト膜に対してフォーカス測定対象の露光を行い、当該露光により形成されたフォーカス測定用レジストパターンのLER値を測定する。そして、上記対応関係に基づいて、上記フォーカス測定対象の露光により形成されたフォーカス測定用レジストパターンのLER値に対応するフォーカス値を求める。   In order to achieve the above object, the present invention employs the following technical means. That is, in the focus measurement method according to the present invention, the resist film formed on the substrate is exposed with different focus values using an exposure apparatus, and the LER (Line Edge) of the focus measurement resist pattern formed by each exposure is obtained. The correspondence relationship between the (Roughness) value and the focus value is acquired in advance. Next, the exposure apparatus is used to expose the resist film formed on the substrate as a focus measurement target, and the LER value of the focus measurement resist pattern formed by the exposure is measured. Based on the correspondence, a focus value corresponding to the LER value of the focus measurement resist pattern formed by the exposure of the focus measurement target is obtained.

上記構成に加えて、上記求められたフォーカス値とベストフォーカス値とから、上記フォーカス測定対象の露光におけるフォーカスずれ量を求めるようにすることもできる。ベストフォーカス値は、例えば、上記対応関係において上記LER値が極小となるフォーカス値とすることができる。   In addition to the above-described configuration, it is also possible to obtain a focus shift amount in exposure of the focus measurement target from the obtained focus value and best focus value. The best focus value can be, for example, a focus value at which the LER value is minimized in the correspondence relationship.

また、上記フォーカス測定用レジストパターンが、ラインパターンおよびスペースパターンを含む構成とすることもできる。この場合、上記対応関係は、上記ラインパターンおよび上記スペースパターンに対してそれぞれ取得される。また、上記フォーカス測定対象の露光におけるフォーカス値は、上記ラインパターンのLER値とフォーカス値との対応関係、上記スペースパターンのLER値とフォーカス値との対応関係、上記フォーカス測定対象の露光により形成されたラインパターンのLER値、および上記フォーカス測定対象の露光により形成されたスペースパターンのLER値に基づいて求められる。   The focus measurement resist pattern may include a line pattern and a space pattern. In this case, the correspondence relationship is acquired for each of the line pattern and the space pattern. The focus value in the exposure of the focus measurement target is formed by the correspondence between the LER value of the line pattern and the focus value, the correspondence between the LER value of the space pattern and the focus value, and the exposure of the focus measurement target. This is obtained based on the LER value of the line pattern and the LER value of the space pattern formed by the exposure of the focus measurement target.

上記レジストパターンは、異なる形状を有する複数種のパターンから選択された、上記露光装置のフォーカス値の変動に対するLER値の変動量が最大となるパターンを採用することが好ましい。また、上記レジストパターンは、上記露光装置において発生しうるフォーカスずれ量と略同一のフォーカスマージンを有することが好ましい。さらに、上記レジスト膜は、上記フォーカス測定対象の露光中に、露光部のレジスト膜に生じる定在波の強度が最大となる膜厚を有することが好ましい。レジスト膜が、露光後かつ現像前に行われるベーキングの温度に依存して、上記LER値が変動するレジスト材料からなる場合、上記ベーキングは、上記LER値が最大となる温度で行うことが好ましい。   As the resist pattern, it is preferable to adopt a pattern selected from a plurality of types of patterns having different shapes and having a maximum amount of change in the LER value with respect to the change in focus value of the exposure apparatus. The resist pattern preferably has a focus margin that is substantially the same as an amount of focus deviation that can occur in the exposure apparatus. Furthermore, it is preferable that the resist film has a film thickness that maximizes the intensity of the standing wave generated in the resist film in the exposed portion during the exposure of the focus measurement target. When the resist film is made of a resist material whose LER value varies depending on the temperature of baking performed after exposure and before development, the baking is preferably performed at a temperature at which the LER value is maximized.

一方、他の観点では、本発明は、上記フォーカス測定方法を利用した半導体装置の製造方法を提供することもできる。すなわち、本発明に係る半導体装置の製造方法では、半導体基板上のレジスト膜に対して露光を行い、フォーカス測定用レジストパターンを含むレジストパターンを形成する。次いで、上記フォーカス測定用レジストパターンのLER値を測定する。当該LER値に対応するフォーカス値を、あらかじめ取得された、フォーカス測定用レジストパターンのLER値と露光装置のフォーカス値との対応関係に基づいて求める。当該求められたフォーカス値とベストフォーカス値とから、上記露光におけるフォーカスずれ量を求める。当該フォーカスずれ量が、あらかじめ設定された許容範囲内にあるか否かを判定する。そして、上記フォーカスずれ量が、上記許容範囲内にない場合、上記露光がなされた半導体基板を不良と判定する。   On the other hand, in another aspect, the present invention can also provide a method of manufacturing a semiconductor device using the focus measurement method. That is, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the resist film on the semiconductor substrate is exposed to form a resist pattern including a focus measurement resist pattern. Next, the LER value of the focus measurement resist pattern is measured. The focus value corresponding to the LER value is obtained based on the correspondence relationship between the LER value of the focus measurement resist pattern and the focus value of the exposure apparatus acquired in advance. From the obtained focus value and the best focus value, a focus shift amount in the exposure is obtained. It is determined whether or not the focus shift amount is within a preset allowable range. If the focus shift amount is not within the allowable range, the exposed semiconductor substrate is determined to be defective.

上記フォーカス測定用レジストパターンは、ラインパターンとスペースパターンとを含む構成とすることができる。この場合、上記露光におけるフォーカス値は、上記ラインパターンのLER値とフォーカス値との対応関係、上記スペースパターンのLER値とフォーカス値との対応関係、上記フォーカス測定対象の露光により形成されたラインパターンのLER値、および上記フォーカス測定対象の露光により形成されたスペースパターンのLER値に基づいて求められる。さらに、上記フォーカスずれ量に応じて、露光装置のフォーカス位置をベストフォーカス位置に調整した後、以降の露光を行う構成を採用することもできる。   The focus measurement resist pattern may include a line pattern and a space pattern. In this case, the focus value in the exposure includes the correspondence between the LER value and the focus value of the line pattern, the correspondence between the LER value and the focus value of the space pattern, and the line pattern formed by the exposure of the focus measurement target. And the LER value of the space pattern formed by the exposure of the focus measurement target. Further, it is possible to adopt a configuration in which the subsequent exposure is performed after adjusting the focus position of the exposure apparatus to the best focus position in accordance with the focus shift amount.

さらに他の観点では、本発明は、上記半導体装置の製造方法を実現する露光システムを提供することもできる。当該露光システムは、レジスト膜にマスクパターンを結像して転写する露光装置を備える。そして、本発明に係る露光システムでは、LER値算出部が、寸法測定装置において測定された、上記露光装置による露光により形成されたフォーカス測定用レジストパターンの寸法から、LER値を求める。フォーカス値算出部は、あらかじめ取得された、フォーカス測定用レジストパターンのLER値と露光装置のフォーカス値との対応関係に基づいて、上記露光により形成されたフォーカス測定用レジストパターンのLER値に対応するフォーカス値を求める。フォーカスずれ算出部は、当該求められたフォーカス値とベストフォーカス値とから、上記露光におけるフォーカスずれ量を求める。そして、良否判定部は、上記フォーカスずれ量が、あらかじめ設定された許容範囲内にあるか否かを判定する。当該露光システムは、上記フォーカスずれ量に応じて、上記露光装置のフォーカス位置をベストフォーカス位置に調整する構成とすることもできる。   In still another aspect, the present invention can also provide an exposure system that realizes the method for manufacturing the semiconductor device. The exposure system includes an exposure device that images and transfers a mask pattern onto a resist film. In the exposure system according to the present invention, the LER value calculation unit obtains the LER value from the dimension of the resist pattern for focus measurement formed by the exposure by the exposure apparatus measured by the dimension measuring apparatus. The focus value calculation unit corresponds to the LER value of the focus measurement resist pattern formed by the exposure based on the correspondence relationship between the LER value of the focus measurement resist pattern and the focus value of the exposure apparatus acquired in advance. Find the focus value. The focus deviation calculation unit obtains the focus deviation amount in the exposure from the obtained focus value and best focus value. Then, the quality determination unit determines whether or not the focus shift amount is within a preset allowable range. The exposure system may be configured to adjust the focus position of the exposure apparatus to the best focus position according to the focus shift amount.

本発明によれば、LERが相対的に大きくなる微細パターンにおいても、少ないデータ量で正確なフォーカス値、およびフォーカスずれ量を求めることができる。そして、フォーカスずれ量に応じて、露光ごと、あるいは露光単位(ロット)ごとに、フォーカス調整を行うことにより、フォーカスずれの増大を抑制し、精度の高いレジストパターン形成を行うことができる。この結果、半導体装置を高い製造歩留まりで形成することができる。   According to the present invention, an accurate focus value and focus shift amount can be obtained with a small amount of data even in a fine pattern with a relatively large LER. Then, by performing focus adjustment for each exposure or for each exposure unit (lot) according to the focus shift amount, it is possible to suppress an increase in focus shift and form a highly accurate resist pattern. As a result, a semiconductor device can be formed with a high manufacturing yield.

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。本発明では、レジストパターンに顕在化したLERを数値化し、当該数値化されたLERを利用して、露光装置のフォーカス測定を行う。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present invention, the LER that is manifested in the resist pattern is digitized and the focus measurement of the exposure apparatus is performed using the digitized LER.

まず、LERの数値化について説明する。LERの数値化は、レジストパターンのエッジに形成された凹凸を数値化することにより行われる。図1は、LERが顕在化した微細なレジストパターンを、測長SEM(Secondary Electron Microscopy)により上方から観察した状態を示すSEM写真である。なお、当該レジストパターンは、半導体基板上に形成された孤立ラインパターンである。   First, digitization of LER will be described. The digitization of LER is performed by digitizing the unevenness formed on the edge of the resist pattern. FIG. 1 is an SEM photograph showing a state in which a fine resist pattern in which LER has become apparent is observed from above by a length measurement SEM (Secondary Electron Microscopy). The resist pattern is an isolated line pattern formed on the semiconductor substrate.

図1(a)および図1(b)において、破線で示す領域Aは、LERを数値化するための測定を実施する領域を示している。また、白点は、当該測定が行われるエッジの位置を示している。レジストパターン11のエッジは、例えば、測長SEMのエッジ検出機能により自動的に検出される。また、各測定位置も、例えば、検出されたエッジにおいて、レジストパターン11の長さ方向に沿って等間隔である箇所が測長SEMにより自動的に設定される。レジストパターンに対する寸法測定は、一般的に、レジストパターン上面のエッジもしくは底面のエッジに対して行われる。ここではレジストパターン上面のエッジを測定対象としている。   In FIG. 1A and FIG. 1B, a region A indicated by a broken line indicates a region where measurement for quantifying LER is performed. Further, the white point indicates the position of the edge where the measurement is performed. The edge of the resist pattern 11 is automatically detected by, for example, the edge detection function of the length measurement SEM. In addition, for each measurement position, for example, at the detected edge, locations at equal intervals along the length direction of the resist pattern 11 are automatically set by the length measurement SEM. The dimension measurement for the resist pattern is generally performed on the upper edge or the bottom edge of the resist pattern. Here, the edge of the upper surface of the resist pattern is the measurement target.

LERを数値化する手法として、図1(a)に示すように、レジストパターン11(ここでは孤立ラインパターン)の一方のエッジにおける凹凸を数値化する方法と、図1(b)に示すように、レジストパターン11の両方のエッジにおける凹凸を数値化する方法とがある。例えば、図1(a)では、各測定位置と、レジストパターン11の長さ方向に沿った特定の直線L1との距離を測定し、当該距離のばらつき(以下、エッジ位置ばらつきという。)としてLERを数値化する。また、図1(b)では、各測定位置におけるパターン幅(レジストパターンの長さ方向に沿った特定の直線と直交する方向のパターン幅)を測定し、当該パターン幅のばらつきとしてLERを数値化する。いずれの方法であっても、測定値のばらつきは、測定値の最大値と最小値との間の幅であるレンジRや、測定値の標準偏差σ等として数値化することができる。なお、領域Aに含まれるレジストパターン11の長さ方向に沿った長さLが大きい程、測定点数が多くなるため、数値化されたLER(以下、LER値という。)の信頼性が向上することになる。   As a method of quantifying LER, as shown in FIG. 1A, a method of quantifying the unevenness at one edge of the resist pattern 11 (here, an isolated line pattern), and as shown in FIG. There is a method of quantifying the unevenness at both edges of the resist pattern 11. For example, in FIG. 1A, the distance between each measurement position and a specific straight line L1 along the length direction of the resist pattern 11 is measured, and LER as the variation in the distance (hereinafter referred to as edge position variation). Is digitized. In FIG. 1B, the pattern width (pattern width in a direction orthogonal to a specific straight line along the length direction of the resist pattern) at each measurement position is measured, and LER is quantified as the variation in the pattern width. To do. In any method, the variation in the measured value can be quantified as a range R that is a width between the maximum value and the minimum value of the measured value, a standard deviation σ of the measured value, or the like. Since the number of measurement points increases as the length L along the length direction of the resist pattern 11 included in the region A increases, the reliability of the digitized LER (hereinafter referred to as LER value) is improved. It will be.

図2は、図1に示したレジストパターン11において測定されたLER値のフォーカス値に対する依存性(以下、フォーカス依存性という。)を示す図である。図2において、横軸はフォーカス値に対応し、縦軸はLER値に対応している。上述のように、レジストパターン11のLER値は、エッジ位置ばらつきやパターン幅ばらつきにより表現することができる。本実施形態では、レジストパターン上面のエッジ位置ばらつきの3σ(標準偏差を3倍した値)を、LER値としている。以下では、特に記述がない限り、LER値はエッジ位置ばらつきの3σを指す。   FIG. 2 is a diagram showing the dependency of the LER value measured in the resist pattern 11 shown in FIG. 1 on the focus value (hereinafter referred to as focus dependency). In FIG. 2, the horizontal axis corresponds to the focus value, and the vertical axis corresponds to the LER value. As described above, the LER value of the resist pattern 11 can be expressed by edge position variations and pattern width variations. In this embodiment, 3σ (a value obtained by multiplying the standard deviation by 3) of the edge position variation on the upper surface of the resist pattern is set as the LER value. In the following, unless otherwise specified, the LER value indicates 3σ of edge position variation.

また、上記レジストパターン11のベストフォーカス値は、−0.2μmである。当該ベストフォーカス値は、上述の従来法により求めた値である。なお、当該ベストフォーカス値を求める際には、レジストパターンエッジの凹凸の影響を無くすために多数の測定点でラインパターン上面の寸法、およびラインパターン底面の寸法を測定している。例えば、パターン上面の寸法は、図1(b)に示した各測定箇所において、エッジ位置を測定し、当該全エッジ位置のX方向の平均値(あるいは、メジアン値や、最大値と最小値の中間値等)によって定まるレジストパターンの長さ方向の基準線L2、L3を算出し、当該基準線L2、L3の間隔として算出している。このような測定により、図10に示したシフトインデックスのフォーカス依存性を取得しているため、当該ベストフォーカス値の取得には多大な時間を要している。   The best focus value of the resist pattern 11 is −0.2 μm. The best focus value is a value obtained by the above-described conventional method. When obtaining the best focus value, the dimension of the upper surface of the line pattern and the dimension of the bottom surface of the line pattern are measured at a large number of measurement points in order to eliminate the influence of the unevenness of the resist pattern edge. For example, the dimension of the upper surface of the pattern is measured by measuring the edge position at each measurement point shown in FIG. 1 (b), and calculating the average value (or median value, maximum value and minimum value) of all edge positions in the X direction. The reference lines L2 and L3 in the length direction of the resist pattern determined by the intermediate value or the like are calculated and calculated as the interval between the reference lines L2 and L3. Since the focus dependence of the shift index shown in FIG. 10 is acquired by such measurement, it takes a lot of time to acquire the best focus value.

さて、図2に示すように、LER値は、従来法により取得したベストフォーカス値、すなわち、フォーカス値が−0.2μmであるときに極小(最小)となっている。そして、フォーカス値がプラス側、またはマイナス側へシフトするにしたがって、LER値は大きくなる傾向を示している。ここで、プラス側へのシフトとは、露光装置のフォーカス位置(焦点面)が基板から離れる方向へ移動する状態であり、マイナス側へのシフトとは、露光装置のフォーカス位置が基板へ近づく方向へ移動する状態である。また、フォーカス値は、フォーカス位置の移動量を制御するために、露光装置に設定されるパラメータである。   As shown in FIG. 2, the LER value is minimal (minimum) when the best focus value obtained by the conventional method, that is, the focus value is −0.2 μm. The LER value tends to increase as the focus value shifts to the plus side or the minus side. Here, the shift to the plus side is a state in which the focus position (focal plane) of the exposure apparatus moves away from the substrate, and the shift to the minus side refers to a direction in which the focus position of the exposure apparatus approaches the substrate. It is a state to move to. The focus value is a parameter set in the exposure apparatus in order to control the amount of movement of the focus position.

図2から、異なるフォーカス値によりレジスト膜を露光し、形成されたそれぞれのレジストパターンのLER値を取得すると、LER値が極小となるフォーカス値がベストフォーカス値となることが理解できる。このような、LER値とフォーカス値とが一定の対応関係を有することは、本願発明者らが新たに見いだした事実である。このような、LER値とフォーカス値との関係を利用することにより、半導体装置を形成する露光工程におけるフォーカスずれの有無を容易に検出することができる。   From FIG. 2, it can be understood that when the resist film is exposed with different focus values and the LER values of the formed resist patterns are obtained, the focus value at which the LER value is minimized becomes the best focus value. The fact that the LER value and the focus value have a certain correspondence is a fact newly found by the present inventors. By utilizing such a relationship between the LER value and the focus value, it is possible to easily detect the presence or absence of a focus shift in the exposure process for forming the semiconductor device.

本手法では、フォーカスずれ測定用のレジストパターン(ここでは、孤立ラインパターン)のLER値のフォーカス依存性(図2)があらかじめ取得される。当該フォーカス依存性を取得するため、半導体基板上に形成されたレジスト膜が、フォーカスずれ測定用パターンを含むマスクを用いて、互いに異なるフォーカス値で露光される。そして、露光されたレジスト膜を現像することで得られた各露光に対応するレジストパターンのLER値が測定され、LER値のフォーカス依存性が取得される。   In this method, the focus dependency (FIG. 2) of the LER value of a resist pattern for measuring a focus shift (here, an isolated line pattern) is acquired in advance. In order to acquire the focus dependency, the resist film formed on the semiconductor substrate is exposed with different focus values using a mask including a focus deviation measurement pattern. Then, the LER value of the resist pattern corresponding to each exposure obtained by developing the exposed resist film is measured, and the focus dependency of the LER value is acquired.

次に、レジスト膜が形成された半導体基板にフォーカスずれ測定対象の露光が行われ、当該露光により形成されたフォーカス測定用レジストパターン(以下、測定対象レジストパターンという)のLER値が測定される。続いて、あらかじめ取得された上記LER値のフォーカス依存性に基づいて、測定されたLER値に対応するフォーカス値が求められる。   Next, the focus deviation measurement target exposure is performed on the semiconductor substrate on which the resist film is formed, and the LER value of the focus measurement resist pattern (hereinafter referred to as the measurement target resist pattern) formed by the exposure is measured. Subsequently, a focus value corresponding to the measured LER value is obtained based on the focus dependency of the LER value acquired in advance.

このとき、求められたフォーカス値が、あらかじめ取得されたLER値のフォーカス依存性におけるベストフォーカス値と一致する場合、フォーカスずれ測定対象の露光においてフォーカスずれは発生していなかったことになる。また、求められたフォーカス値が、あらかじめ取得されたLER値のフォーカス依存性におけるベストフォーカス値と異なる場合、フォーカスずれ測定対象の露光においてフォーカスずれが発生していたことになる。   At this time, if the obtained focus value matches the best focus value in the focus dependency of the LER value acquired in advance, no focus shift has occurred in the exposure of the focus shift measurement target. Further, when the obtained focus value is different from the best focus value in the focus dependence of the LER value acquired in advance, it means that a focus shift has occurred in the exposure of the focus shift measurement target.

例えば、図2の例では、測定対象レジストパターンにおいて測定されたLER値に対応するフォーカス値が−0.2μmであれば、当該レジストパターンを形成する露光は、ベストフォーカスであったと判断できる。また、測定対象レジストパターンにおいて測定されたLER値に対応するフォーカス値が、−0.1μmや−0.4μm等のように−0.2μmと異なる値であれば、当該レジストパターンを形成する露光は、フォーカスずれが発生していたと判断できる。   For example, in the example of FIG. 2, if the focus value corresponding to the LER value measured in the measurement target resist pattern is −0.2 μm, it can be determined that the exposure for forming the resist pattern was the best focus. If the focus value corresponding to the LER value measured in the measurement target resist pattern is a value different from −0.2 μm, such as −0.1 μm or −0.4 μm, exposure for forming the resist pattern is performed. It can be determined that a focus shift has occurred.

なお、上記では、LER値をラインパターン上面のエッジ位置ばらつきの3σとしたが、LER値として、標準偏差σやエッジ位置ばらつきのレンジRを使用することもできる。また、LER値を取得する測定位置は、ラインパターン上面に限らず、ラインパターン底面でもよい。さらに、レジストパターンが孤立ラインパターンであることも必須ではなく、LER値を取得可能なエッジを備えるレジストパターンであればよい。例えば、孤立スペースパターンを使用することも可能である。この場合、孤立スペースパターン上面や底面のエッジ位置ばらつきや、スペース幅ばらつきを測定することでLER値を取得することができる。また、ラインパターンやスペースパターンに限らず、ドットパターンやホールパターンを使用することもできる。いずれの場合であっても、LER値のフォーカス依存性は、ベストフォーカスとなるときに極小となる。   In the above description, the LER value is 3σ of the edge position variation on the upper surface of the line pattern. However, the standard deviation σ and the range R of the edge position variation can be used as the LER value. The measurement position for acquiring the LER value is not limited to the upper surface of the line pattern, but may be the bottom surface of the line pattern. Further, it is not essential that the resist pattern is an isolated line pattern, and any resist pattern having an edge capable of acquiring the LER value may be used. For example, an isolated space pattern can be used. In this case, the LER value can be obtained by measuring the edge position variation on the top and bottom surfaces of the isolated space pattern and the space width variation. Further, not only a line pattern or a space pattern but also a dot pattern or a hole pattern can be used. In any case, the focus dependency of the LER value is minimized when the best focus is achieved.

ところで、上述の手法では、ベストフォーカス値と、測定対象レジストパターンのLER値に対応するフォーカス値との差がフォーカスずれ量になる。このため、フォーカスずれ量が、あらかじめ設定された許容範囲内であるか否かの判定を行うことはできる。しかしながら、図2に示すLER値のフォーカス依存性だけでは、フォーカスずれの方向を識別することはできない。このため、当該フォーカスずれ量に基づいて露光装置のフォーカス調整を行う際の調整方向が不明である。そこで、本実施形態では、形状の異なる複数のレジストパターンのLER値を測定することにより、フォーカスずれ方向の検出を行う。   By the way, in the above-described method, the difference between the best focus value and the focus value corresponding to the LER value of the measurement target resist pattern is the focus shift amount. For this reason, it is possible to determine whether or not the focus shift amount is within a preset allowable range. However, the focus shift direction cannot be identified only by the focus dependency of the LER value shown in FIG. For this reason, the adjustment direction when performing the focus adjustment of the exposure apparatus based on the focus shift amount is unknown. Therefore, in this embodiment, the defocus direction is detected by measuring the LER values of a plurality of resist patterns having different shapes.

図3は、同一の露光で形成された孤立スペースパターンと孤立ラインパターンのLER値のフォーカス依存性を示す図である。図3では、横軸がフォーカス値に対応し、縦軸がLER値に対応している。図3において、実線31は孤立スペースパターンのフォーカス依存性を示している。また、破線32は孤立ラインパターンのフォーカス依存性を示している。なお、当該孤立ラインパターンは、図2に示すフォーカス依存性を取得した孤立ラインパターンとは異なるパターンである。   FIG. 3 is a diagram showing the focus dependence of the LER values of isolated space patterns and isolated line patterns formed by the same exposure. In FIG. 3, the horizontal axis corresponds to the focus value, and the vertical axis corresponds to the LER value. In FIG. 3, a solid line 31 indicates the focus dependence of the isolated space pattern. A broken line 32 indicates the focus dependency of the isolated line pattern. The isolated line pattern is a pattern different from the isolated line pattern that has acquired the focus dependency shown in FIG.

図3に示す実線31から、孤立スペースパターンのベストフォーカス値は、−0.2μmであることが理解できる。また、図3に示す破線32から、孤立ラインパターンのベストフォーカス値は、−0.4μmであることが理解できる。このように、パターン種(スペースパターンであるかラインパターンであるか)に依存してベストフォーカス値が異なることは良く知られている。パターン種によりベストフォーカス値が異なる場合、一般に、各パターンに対するフォーカスずれ最も小さくなるフォーカス値がベストフォーカス値として設定される。ここでは、孤立スペースパターンのベストフォーカス値と孤立ラインパターンのベストフォーカス値との中央値である−0.3μmをベストフォーカス値としている。   From the solid line 31 shown in FIG. 3, it can be understood that the best focus value of the isolated space pattern is −0.2 μm. Moreover, it can be understood from the broken line 32 shown in FIG. 3 that the best focus value of the isolated line pattern is −0.4 μm. As described above, it is well known that the best focus value varies depending on the pattern type (whether it is a space pattern or a line pattern). When the best focus value varies depending on the pattern type, generally, the focus value with the smallest focus deviation for each pattern is set as the best focus value. Here, the best focus value is −0.3 μm, which is the median value between the best focus value of the isolated space pattern and the best focus value of the isolated line pattern.

さて、孤立スペースパターンと孤立ラインパターンとを併用して、フォーカス測定を行う場合、上記単一のレジストパターンを使用する場合と同様に、孤立スペースパターンおよび孤立ラインパターンのLER値のフォーカス依存性(図3)があらかじめ取得される。   When focus measurement is performed using both an isolated space pattern and an isolated line pattern, focus dependency of the LER values of the isolated space pattern and the isolated line pattern (as in the case of using the single resist pattern) ( FIG. 3) is acquired in advance.

次に、レジスト膜が形成された半導体基板にフォーカスずれ測定対象の露光が行われ、形成された孤立スペースパターンおよび孤立ラインパターンのLER値が測定される。続いて、あらかじめ取得されたこれらのレジストパターンの、LER値のフォーカス依存性に基づいて、測定されたLER値に対応するフォーカス値が求められる。   Next, the semiconductor substrate on which the resist film is formed is subjected to exposure of a focus shift measurement target, and the LER values of the formed isolated space pattern and isolated line pattern are measured. Subsequently, a focus value corresponding to the measured LER value is obtained based on the focus dependency of the LER value of these resist patterns acquired in advance.

このとき、測定対象の孤立スペースパターンのLER値、および孤立ラインパターンのLER値に対応するフォーカス値はそれぞれ2つある。しかしながら、図3に示したように、孤立スペースパターンのLER値と、孤立ラインパターンのLER値とは、異なるフォーカス依存性を有しているため、1つのフォーカス値を特定することができる。   At this time, there are two focus values corresponding to the LER value of the isolated space pattern to be measured and the LER value of the isolated line pattern. However, as shown in FIG. 3, since the LER value of the isolated space pattern and the LER value of the isolated line pattern have different focus dependencies, one focus value can be specified.

例えば、測定対象の孤立スペースパターンのLER値が0.3nmであり、測定対象の孤立ラインパターンのLER値が0.2nmであるとする。このとき、孤立スペースパターンのLER値に対応するフォーカス値は、−0.62μmと+0.32μm(外挿値)である。一方、孤立ラインパターンのLER値に対応するフォーカス値は、−0.62μmと−0.2μmである。測定対象の孤立スペースパターンおよび孤立ラインパターンは、同一の露光で形成されているため、両者のフォーカス値は当然同等の値である。したがって、この場合のフォーカス値は−0.62μmである。この場合のベストフォーカス値(−0.3μm)からのフォーカスずれ量は、−0.62−(−0.3)=−0.32μmとなる。   For example, it is assumed that the LER value of the isolated space pattern to be measured is 0.3 nm and the LER value of the isolated line pattern to be measured is 0.2 nm. At this time, the focus values corresponding to the LER value of the isolated space pattern are −0.62 μm and +0.32 μm (extrapolated value). On the other hand, the focus values corresponding to the LER value of the isolated line pattern are −0.62 μm and −0.2 μm. Since the isolated space pattern and the isolated line pattern to be measured are formed by the same exposure, the focus values of both are naturally equal. Accordingly, the focus value in this case is −0.62 μm. In this case, the amount of focus deviation from the best focus value (−0.3 μm) is −0.62 − (− 0.3) = − 0.32 μm.

上述のように、フォーカス値は、いずれのレジストパターンのLER値からでも求めることが可能である。しかしながら、フォーカス値は、より感度良くフォーカス値を求めることができるレジストパターンのLER値に基づいて求めることが好ましい。   As described above, the focus value can be obtained from the LER value of any resist pattern. However, the focus value is preferably obtained based on the LER value of the resist pattern from which the focus value can be obtained with higher sensitivity.

図3に示すように、孤立スペースパターンのLER値のフォーカス依存性では、孤立スペースパターンのベストフォーカス値のプラス側よりもマイナス側において、フォーカス値の変動に対するLER値の変動量が大きくなっている。すなわち、孤立スペースパターンによれば、孤立スペースパターンのベストフォーカス値のマイナス側において、フォーカス値を感度良く求めることができる。同様に、孤立ラインパターンのLER値のフォーカス依存性では、孤立ラインパターンのベストフォーカス値のマイナス側よりもプラス側において、フォーカス値の変動に対するLER値の変動量が大きくなっている。すなわち、孤立ラインパターンによれば、孤立ラインパターンのベストフォーカス値のプラス側において、フォーカス値を感度良く求めることができる。   As shown in FIG. 3, in the focus dependence of the LER value of the isolated space pattern, the amount of fluctuation of the LER value with respect to the fluctuation of the focus value is larger on the minus side than the plus side of the best focus value of the isolated space pattern. . That is, according to the isolated space pattern, the focus value can be obtained with high sensitivity on the minus side of the best focus value of the isolated space pattern. Similarly, in the focus dependency of the LER value of the isolated line pattern, the amount of change of the LER value with respect to the change of the focus value is larger on the plus side than the minus side of the best focus value of the isolated line pattern. That is, according to the isolated line pattern, the focus value can be obtained with high sensitivity on the plus side of the best focus value of the isolated line pattern.

したがって、図3の例では、−0.2μmよりマイナス側のフォーカス値は、孤立スペースパターンのLER値に基づいて求めることが好ましく、−0.4μmよりプラス側のフォーカス値は、孤立ラインパターンのLER値に基づいて求めることが好ましい。なお、両範囲が重複する−0.4〜−0.2μmのフォーカス値は、いずれのパターンのLER値に基づいて求めてもよいが、LER値の値が大きい孤立ラインパターンのLER値に基づいてフォーカス値を求めることが好ましい。   Therefore, in the example of FIG. 3, it is preferable to obtain the focus value on the minus side from −0.2 μm based on the LER value of the isolated space pattern, and the focus value on the plus side from −0.4 μm It is preferable to obtain based on the LER value. The focus value of −0.4 to −0.2 μm where both ranges overlap may be obtained based on the LER value of any pattern, but based on the LER value of an isolated line pattern having a large LER value. It is preferable to obtain the focus value.

加えて、図3に示す事例では、フォーカス値が−0.5μmよりもマイナス側であるとき、孤立スペースパターンのLER値が孤立ラインパターンのLER値よりも大きくなっている。逆に、フォーカス値が−0.5μmよりもプラス側であるとき、孤立ラインパターンのLER値パターンのLER値が孤立スペースパターンのLER値よりも大きくなっている。したがって、測定対象の孤立スペースパターンおよび孤立ラインパターンのLER値の大小関係を利用して、フォーカス値を求めることもできる。   In addition, in the example shown in FIG. 3, when the focus value is on the minus side of −0.5 μm, the LER value of the isolated space pattern is larger than the LER value of the isolated line pattern. Conversely, when the focus value is on the plus side of −0.5 μm, the LER value of the LER value pattern of the isolated line pattern is larger than the LER value of the isolated space pattern. Therefore, the focus value can also be obtained by using the magnitude relationship between the LER values of the isolated space pattern and the isolated line pattern to be measured.

例えば、上述の事例では、孤立スペースパターンのLER値(0.3nm)が、孤立ラインパターンのLER値(0.2nm)よりも大きくなっている。したがって、フォーカス値は−0.5μmよりもマイナス側である。また、当該範囲で、フォーカス値を感度良く求めることができる孤立スペースパターンのLER値に対応するフォーカス値は、−0.62μmと+0.32μmである。したがって、フォーカス値は−0.62μmになる。このように、当該大小関係と、孤立スペースパターンのLER値、または孤立ラインパターンのLER値の一方とから、簡単にフォーカス値を求めることもできる。   For example, in the above-described case, the LER value (0.3 nm) of the isolated space pattern is larger than the LER value (0.2 nm) of the isolated line pattern. Therefore, the focus value is on the minus side of −0.5 μm. In addition, the focus values corresponding to the LER value of the isolated space pattern with which the focus value can be obtained with high sensitivity in the range are −0.62 μm and +0.32 μm. Therefore, the focus value is −0.62 μm. As described above, the focus value can be easily obtained from the magnitude relationship and one of the LER value of the isolated space pattern and the LER value of the isolated line pattern.

なお、この手法は、求めるべきフォーカス値が、各レジストパターンのフォーカス依存性の交点に対応するフォーカス値よりも、LER値が極小となる側に存在し、かつ、当該交点のLER値よりも小さいLER値に対応する範囲にある場合には、用いることができない。例えば、図3では、−0.5μm〜−0.3μmの範囲である。この範囲では、各フォーカス依存性において、LER値の大小関係から規定されるフォーカス値の範囲内に、LER値を満足するフォーカス値が2つ存在している。このため、当該範囲では、上述のように、両LER値に対応するフォーカス値をそれぞれ求め、同等の大きさであるフォーカス値を求める必要がある。   In this method, the focus value to be obtained is present on the side where the LER value becomes minimum than the focus value corresponding to the focus-dependent intersection of each resist pattern, and is smaller than the LER value of the intersection. If it is in the range corresponding to the LER value, it cannot be used. For example, in FIG. 3, it is the range of -0.5 micrometer--0.3 micrometer. In this range, there are two focus values that satisfy the LER value within the focus value range defined by the magnitude relationship of the LER values in each focus dependency. For this reason, in this range, as described above, it is necessary to obtain focus values corresponding to both LER values and obtain a focus value having an equivalent size.

以上のようにして得られたフォーカスずれ量に応じて、当該フォーカスずれ量を解消する状態に露光装置のフォーカス値を調整することで、フォーカスずれのない状態でレジスト膜を露光することができる。この結果、微細なレジストパターン形成する露光を同一のフォーカス条件で実施することが可能となり、微細なレジストパターンを極めて均質に形成することができる。また、上述のように、LER値はレジストパターン上面に対する寸法測定のみにより取得することができる。このため、LER値のフォーカス依存性は、レジストパターンの上面および底面における寸法を測定する、従来法のシフトインデックスのフォーカス依存性よりも短時間で取得することができる。   By adjusting the focus value of the exposure apparatus so as to eliminate the focus shift amount according to the focus shift amount obtained as described above, the resist film can be exposed in a state where there is no focus shift. As a result, exposure for forming a fine resist pattern can be performed under the same focus condition, and a fine resist pattern can be formed very uniformly. Further, as described above, the LER value can be obtained only by measuring the dimension with respect to the upper surface of the resist pattern. For this reason, the focus dependency of the LER value can be acquired in a shorter time than the focus dependency of the shift index of the conventional method in which the dimensions of the resist pattern on the top and bottom surfaces are measured.

なお、LER値に基づいてフォーカスずれの有無やフォーカスずれ量を検出する場合、露光時に発生しうるフォーカス値の変動範囲内の全てにおいてLER値を取得できなければ、フォーカスすれ量を検出できない範囲が生じることになる。このため、フォーカス測定用レジストパターンは、露光時に発生しうるフォーカス値の変動範囲内の全てにおいてLER値を測定可能なエッジを備えることが好ましい。この観点では、例えば、フォーカスずれが発生した場合であっても形成されるパターン形状の変動が小さい、フォーカスマージンが大きいレジストパターンを使用することができる。このようなレジストパターンを使用すると、露光時に発生しうるフォーカス値の変動範囲の全てにおいて、レジストパターンは、LER値を取得可能なエッジを備えることになる。   When detecting the presence / absence of focus deviation and the amount of focus deviation based on the LER value, if the LER value cannot be acquired in all the fluctuation range of the focus value that can occur during exposure, there is a range in which the amount of focus deviation cannot be detected. Will occur. For this reason, it is preferable that the focus measurement resist pattern has an edge capable of measuring the LER value in the entire range of fluctuation of the focus value that may occur during exposure. From this viewpoint, for example, it is possible to use a resist pattern having a small focus pattern variation and a large focus margin even when a focus shift occurs. When such a resist pattern is used, the resist pattern has an edge capable of acquiring the LER value in the entire range of fluctuation of the focus value that can occur during exposure.

さらに、LER値によりフォーカスずれの有無を検出する精度を向上させるためには、フォーカス値の変動に対してLER値が大きく変動することが好ましい。図2に示したように、LER値は、フォーカスずれが大きくなるにつれて大きくなる傾向にある。したがって、フォーカスずれに対してパターン形状の変動が少ないパターンよりも、フォーカスずれに対してパターン形状の変動が大きいパターンの方が、フォーカス値の変動に対するLER値の変動量が大きくなる。このため、フォーカス測定用レジストパターンは、露光時に発生しうるフォーカス値の変動量と同程度のフォーカスマージンを有していることが好ましい。   Furthermore, in order to improve the accuracy of detecting the presence / absence of a focus shift based on the LER value, it is preferable that the LER value fluctuate greatly with respect to the focus value variation. As shown in FIG. 2, the LER value tends to increase as the focus shift increases. Therefore, the amount of fluctuation in the LER value with respect to the fluctuation in the focus value is larger in the pattern in which the fluctuation in the pattern shape is large with respect to the focus deviation than in the pattern with little fluctuation in the pattern shape with respect to the focus deviation. For this reason, it is preferable that the focus measurement resist pattern has a focus margin comparable to the amount of change in focus value that may occur during exposure.

上述のフォーカス測定方法を採用することにより、微細なレジストパターンを再現性良く形成することが可能となる。図4は、上述のフォーカス測定方法を採用した露光システムを示すブロック図である。   By adopting the above-described focus measurement method, it becomes possible to form a fine resist pattern with good reproducibility. FIG. 4 is a block diagram showing an exposure system that employs the above-described focus measurement method.

図4に示すように、本実施形態の露光システム1は、露光装置2、現像装置3、寸法測定装置4、およびフォーカス測定装置5を備える。露光装置2は、KrFエキシマレーザ、ArFエキシマレーザ、F2エキシマレーザ等を光源とし、露光対象の半導体基板(以下ウエハという。)上に形成されたレジスト膜上にマスクパターンを結像させる投影露光装置である。ここでは、実デバイスを形成するためのマスク(レチクル)上のプロセスモニタ用パターン形成領域等に、フォーカス測定用レジストパターンをウエハ上に形成するためのパターンが形成されている。フォーカス測定用のレジストパターンは、上述したような孤立スペースパターンと孤立ラインパターンでもよいが、ここでは、実デバイスのパターンに類似する、ラインパターンとスペースパターンとを含む、レジストパターンをフォーカス測定用パターンとして採用している。なお、実デバイスのパターンとは、例えば、素子分離パターン、ゲート電極パターン、コンタクトパターン、配線パターン等である。 As shown in FIG. 4, the exposure system 1 of this embodiment includes an exposure device 2, a developing device 3, a dimension measuring device 4, and a focus measuring device 5. The exposure apparatus 2 uses a KrF excimer laser, an ArF excimer laser, an F 2 excimer laser, or the like as a light source, and performs projection exposure for forming an image of a mask pattern on a resist film formed on a semiconductor substrate to be exposed (hereinafter referred to as a wafer). Device. Here, a pattern for forming a focus measurement resist pattern on a wafer is formed in a process monitor pattern formation region on a mask (reticle) for forming an actual device. The focus measurement resist pattern may be an isolated space pattern and an isolated line pattern as described above, but here, the resist pattern including the line pattern and the space pattern, which is similar to the pattern of the actual device, is used as the focus measurement pattern. Adopted as. The actual device pattern is, for example, an element isolation pattern, a gate electrode pattern, a contact pattern, a wiring pattern, or the like.

露光装置2において露光されたウエハは、現像装置3において現像され、レジスト膜がパターン化される。また、現像後のウエハは、上述の測長SEM等の寸法測定装置4において、既述した手法によりフォーカス測定用レジストパターンのエッジ位置ばらつきが測定される。測定されたエッジ位置ばらつきのデータは、フォーカス測定装置5に送信され、上述したフォーカスずれ量の算出が行われる。なお、フォーカス測定装置5は、LER値算出部6、フォーカス値算出部7、フォーカスずれ量算出部8、良否判定部9および記憶部10を備えている。   The wafer exposed in the exposure apparatus 2 is developed in the developing apparatus 3, and the resist film is patterned. The developed wafer is measured for edge position variations of the focus measurement resist pattern by the above-described method in the dimension measuring device 4 such as the above-described length measuring SEM. The measured edge position variation data is transmitted to the focus measuring device 5 and the above-described defocus amount is calculated. The focus measurement device 5 includes a LER value calculation unit 6, a focus value calculation unit 7, a focus deviation amount calculation unit 8, a pass / fail determination unit 9, and a storage unit 10.

図5は、図4に示す露光システム1において実施される処理を示すフローチャートである。図5に示すように、まず、フォーカス測定用レジストパターンのフォーカス依存性が既述の手法により取得される(図5 S1)。このとき、露光装置2は、露光を行った際のフォーカス値を寸法測定装置4に送信する。寸法測定装置4は、測定したエッジ位置ばらつきのデータを、受信したフォーカス値とともに、LER値算出部6に送信する。LER値算出部6は、エッジ位置ばらつきのデータからLER値を算出し、当該LER値をフォーカス値とともにHDD(Hard Disk Drive)等により構成された記憶部10に格納する。当該処理を繰返し実行することにより、記憶部10にLER値のフォーカス依存性が格納される。   FIG. 5 is a flowchart showing processing performed in the exposure system 1 shown in FIG. As shown in FIG. 5, first, the focus dependency of the focus measurement resist pattern is obtained by the method described above (S1 in FIG. 5). At this time, the exposure apparatus 2 transmits the focus value at the time of performing exposure to the dimension measuring apparatus 4. The dimension measuring device 4 transmits the measured edge position variation data to the LER value calculation unit 6 together with the received focus value. The LER value calculation unit 6 calculates the LER value from the edge position variation data, and stores the LER value together with the focus value in a storage unit 10 constituted by an HDD (Hard Disk Drive) or the like. By repeatedly executing this process, the focus dependency of the LER value is stored in the storage unit 10.

LER値のフォーカス依存性の取得が完了すると、表面にレジスト膜が形成されたウエハが露光装置2内に載置され、露光が行われる。露光が完了した後、露光されたレジスト膜が現像装置3において現像され、ウエハ上にフォーカス測定用レジストパターンが形成される(図5 S2)。その後、形成されたフォーカス測定用レジストパターンのスペースパターンと、ラインパターンのエッジ位置ばらつきが寸法測定装置4において測定される。当該エッジ位置ばらつきの測定は、インラインで行われても、アウトラインで行われてもよい。インラインで測定する場合、以降の工程は、フォトリソ工程の中のサブ工程として組み込まれている処理ステップとなる。   When acquisition of the focus dependency of the LER value is completed, a wafer having a resist film formed on the surface is placed in the exposure apparatus 2 and exposure is performed. After the exposure is completed, the exposed resist film is developed by the developing device 3, and a focus measurement resist pattern is formed on the wafer (S2 in FIG. 5). Thereafter, the dimension measurement device 4 measures the space pattern of the formed focus measurement resist pattern and the edge position variation of the line pattern. The measurement of the edge position variation may be performed inline or in outline. In the case of measuring in-line, the subsequent processes are processing steps incorporated as sub-processes in the photolithography process.

測定されたエッジ位置ばらつきのデータは、フォーカス測定装置5のLER値算出部6に送信される。当該データを受信したLER値算出部6は、エッジ位置ばらつきデータからLER値を算出し、当該LER値をフォーカス値算出部7に送信する(図5 S3)。このとき、フォーカス値算出部7は、あらかじめ取得されているLER値のフォーカス依存性を記憶部10から読み出し、受信したLER値に対応するフォーカス値を上述の手法により求める(図5 S4)。また、当該フォーカス値は、フォーカスずれ量算出部8に送信され、フォーカスずれ量算出部8が、受信したフォーカス値とベストフォーカス値の差を算出する(図5 S5)。なお、本露光システム1では、フォーカスずれ量算出部8が、記憶部10から、LER値のフォーカス依存性を読出し、既述した手法により、ベストフォーカス値を算出する構成を採用している。   The measured edge position variation data is transmitted to the LER value calculation unit 6 of the focus measurement device 5. The LER value calculation unit 6 that has received the data calculates the LER value from the edge position variation data, and transmits the LER value to the focus value calculation unit 7 (S3 in FIG. 5). At this time, the focus value calculation unit 7 reads the focus dependency of the LER value acquired in advance from the storage unit 10, and obtains the focus value corresponding to the received LER value by the above-described method (S4 in FIG. 5). The focus value is transmitted to the focus deviation amount calculation unit 8, and the focus deviation amount calculation unit 8 calculates the difference between the received focus value and the best focus value (S5 in FIG. 5). In the present exposure system 1, a configuration is adopted in which the focus shift amount calculation unit 8 reads the focus dependency of the LER value from the storage unit 10 and calculates the best focus value by the method described above.

算出されたフォーカスずれ量は、良否判定部9に送信される。良否判定部9は、受信したフォーカスずれ量が、あらかじめ設定されている許容範囲内であれば、当該露光は正常に行われているため、良品判定を行う(図5 S6Yes→S7)。また、受信したフォーカスずれ量があらかじめ設定されている許容範囲外であれば、当該露光は正常に行われていないため、不良判定を行う。(図5 S6No→S10)。なお、良否判定部9の判定結果は、寸法測定装置4に送信される。寸法測定装置4は、受信した判定結果に基づいて、ウエハの搬送先を変更する。すなわち、良品判定がなされたウエハは次工程に進められ、不良判定がなされたウエハは再生工程に進められる。ここで、再生処理とは、ウエハからレジスト膜を除去し、再度レジストを塗布して再露光する処理を指す。   The calculated focus shift amount is transmitted to the pass / fail determination unit 9. If the received focus shift amount is within a preset allowable range, the pass / fail judgment unit 9 performs the pass quality judgment because the exposure is normally performed (S6 Yes → S7 in FIG. 5). On the other hand, if the received focus deviation amount is outside the preset allowable range, the exposure is not performed normally, and a failure is determined. (FIG. 5 S6 No → S10). The determination result of the pass / fail determination unit 9 is transmitted to the dimension measuring device 4. The dimension measuring device 4 changes the wafer transfer destination based on the received determination result. That is, a wafer that has been determined to be non-defective is advanced to the next process, and a wafer that has been determined to be defective is advanced to the regeneration process. Here, the regeneration process refers to a process in which the resist film is removed from the wafer, the resist is applied again, and re-exposure is performed.

また、フォーカスずれ量算出部8は、良品判定と不良判定とに関わらず、露光装置2に対して、算出したフォーカスずれ量を送信する。露光装置2は、受信したフォーカスずれ量に基づいて、フォーカス値の調整、すなわち、フォーカス位置をベストフォーカス位置に合わせる調整を行う(図5 S8)。露光装置2は、例えば、露光対象のウエハが載置されるステージの高さを昇降させることにより、フォーカス位置の調整を行う。フォーカス位置の調整が行われた後、露光対象の次ウエハが存在する場合には次ウエハの露光が行われ(図5 S9Yes→S2)、次ウエハがない場合には処理が終了する(図5 S9No)。   Further, the focus shift amount calculation unit 8 transmits the calculated focus shift amount to the exposure apparatus 2 regardless of the non-defective product determination and the defect determination. The exposure apparatus 2 adjusts the focus value, that is, adjusts the focus position to the best focus position based on the received focus shift amount (S8 in FIG. 5). For example, the exposure apparatus 2 adjusts the focus position by raising and lowering the height of the stage on which the wafer to be exposed is placed. After the focus position is adjusted, if there is a next wafer to be exposed, the next wafer is exposed (S9 Yes → S2 in FIG. 5), and if there is no next wafer, the process ends (FIG. 5). S9 No).

このように、リソグラフィ工程におけるフォーカスずれを、上述のフォーカス測定方法を利用して露光ごとにモニタリングすることにより、露光工程の品質を著しく向上させることができる。   Thus, by monitoring the focus shift in the lithography process for each exposure using the above-described focus measurement method, the quality of the exposure process can be significantly improved.

なお、露光装置2におけるフォーカス調整は、フォーカスずれ量が当該フォトリソグラフィ工程において許容することができない量である場合のみに実施する構成にしてもよい。このような構成は、フォーカスずれ量算出部8は、良否判定部9の判定結果を受信し、受信した判定結果に応じて、露光装置2にフォーカスずれ量を送信することで実現することができる。すなわち、フォーカスずれ量算出部8は、良否判定部9により不良判定がなされた場合には、算出したフォーカスずれ量を露光装置2に送信し、良品判定がなされた場合には、算出したフォーカスずれ量に代えて、フォーカスずれなしを示すデータを送信する。   The focus adjustment in the exposure apparatus 2 may be performed only when the amount of focus deviation is an amount that cannot be allowed in the photolithography process. Such a configuration can be realized by the focus shift amount calculation unit 8 receiving the determination result of the pass / fail determination unit 9 and transmitting the focus shift amount to the exposure apparatus 2 according to the received determination result. . That is, the focus deviation amount calculation unit 8 transmits the calculated focus deviation amount to the exposure apparatus 2 when the defect determination is made by the pass / fail determination unit 9, and when the non-defective product determination is made, the calculated focus deviation is calculated. Instead of the amount, data indicating no defocus is transmitted.

また、露光装置2において、露光ごとにフォーカスずれの測定を行うことは必須ではなく、複数枚のウエハが露光される都度、フォーカスずれの測定を行う構成にすることもできる。また、半導体装置の露光工程での処理単位(ロット)の露光が完了する都度、当該ロット内に属するウエハのフォーカスずれ量の平均値を算出し、当該フォーカスずれ量に応じたフォーカス位置の調整を行った状態で、次ロットの露光を行う構成にしてもよい。このような露光装置2へのフォーカスずれ量のフィードバックを行うことにより、露光時のフォーカス値の安定性向上を図ることが可能となる。   In the exposure apparatus 2, it is not essential to measure the focus deviation for each exposure, and the focus deviation can be measured every time a plurality of wafers are exposed. Further, every time the exposure of the processing unit (lot) in the exposure process of the semiconductor device is completed, an average value of the focus shift amounts of the wafers belonging to the lot is calculated, and the focus position is adjusted according to the focus shift amount. A configuration may be adopted in which the exposure of the next lot is performed in the performed state. By performing feedback of the amount of focus shift to the exposure apparatus 2 as described above, it is possible to improve the stability of the focus value during exposure.

加えて、上述のLER値算出部6、フォーカス値算出部7、フォーカスずれ算出部8、および良否判定部9は、例えば、専用の演算回路や、プロセッサとRAMやROM等のメモリとを備えたハードウエア、および当該メモリに格納され、プロセッサ上で動作するソフトウエア等として実現することができる。   In addition, the LER value calculation unit 6, the focus value calculation unit 7, the focus deviation calculation unit 8, and the pass / fail determination unit 9 described above include, for example, a dedicated arithmetic circuit, a processor, and a memory such as a RAM and a ROM. It can be realized as hardware and software stored in the memory and operating on the processor.

ところで、LER値は、例えば、ラインパターンとスペースパターンのようなパターン種だけではなく、レジスト膜の膜厚、レジスト膜に含まれる材料等によっても、その大きさが変動する。図6は、異なる膜厚で形成した3種類のレジスト膜に対し、同一のレチクルを使用して露光を行った場合の、LER値のフォーカス依存性を示す図である。   By the way, the magnitude of the LER value varies depending not only on the pattern type such as the line pattern and the space pattern, but also on the film thickness of the resist film, the material contained in the resist film, and the like. FIG. 6 is a diagram showing the focus dependency of the LER value when three types of resist films formed with different film thicknesses are exposed using the same reticle.

図6より、LER値が極小となるフォーカス値、すなわちベストフォーカス値はレジスト膜厚により変動せずほぼ一定になっていることが理解できる。しかしながら、レジスト膜厚が異なると、フォーカス値が、プラス側あるいはマイナス側に変動した場合のLER値の変動量が異なっている。これは、レジスト膜厚が変動すると、レジスト膜内で露光光により生成される定在波の強度(定在波の腹の強度)が変動することに起因している。   From FIG. 6, it can be understood that the focus value at which the LER value becomes the minimum, that is, the best focus value does not vary with the resist film thickness and is substantially constant. However, when the resist film thickness is different, the amount of change in the LER value when the focus value is changed to the plus side or the minus side is different. This is because when the resist film thickness varies, the intensity of the standing wave generated by the exposure light in the resist film (the intensity of the antinode of the standing wave) varies.

図7は、膜厚に対する定在波の強度の変動を模式的に示す断面図である。図7(a)は、定在波の強度が最大の場合を示しており、図7(b)は、定在波の強度が最小となる状態を示している。図7(a)に示すように、レジスト膜内での定在波の強度が最大となる状態では、現像により形成されたレジストパターン11の端面11aに、定在波の腹と節とに対応する大きな凸凹が形成される。逆に、図7(b)に示すように、レジスト膜内での定在波の強度が最小となる状態では、現像により形成されたレジストパターン11の端面11aに形成される、定在波の腹と節とに対応する凹凸の大きさは小さくなる。   FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing fluctuations in the intensity of the standing wave with respect to the film thickness. FIG. 7A shows a case where the intensity of the standing wave is maximum, and FIG. 7B shows a state where the intensity of the standing wave is minimum. As shown in FIG. 7A, in the state where the intensity of the standing wave in the resist film is maximized, the end surface 11a of the resist pattern 11 formed by development corresponds to the antinodes and nodes of the standing wave. Large irregularities are formed. On the contrary, as shown in FIG. 7B, in the state where the intensity of the standing wave in the resist film is minimized, the standing wave formed on the end surface 11a of the resist pattern 11 formed by development is used. The size of the unevenness corresponding to the belly and the node is reduced.

図6では、フォーカス値の変動に対して、LER値が最も大きく変動している点線41が、定在波の強度が最大となるレジスト膜厚に対応している。また、フォーカス値の変動に対して、LER値の変動が最も小さい実線43が定在波の強度が最小となるレジスト膜厚に対応している。したがって、露光時にレジスト膜中に生成される定在波の強度が最大となるレジスト膜厚を採用することにより、フォーカス値の変動に対して、LER値の変動を大きくすることができる。また、当該レジスト膜厚を採用することにより、ベストフォーカス値の特定が容易になるとともに、フォーカスずれ量を高感度で検出することができる。なお、図6において、破線42は、レジスト膜中の定在波の強度が、点線41の強度と実線43の強度との中間である場合のレジスト膜厚に対応している。   In FIG. 6, the dotted line 41 in which the LER value fluctuates the most with respect to the fluctuation of the focus value corresponds to the resist film thickness at which the intensity of the standing wave is maximized. Further, the solid line 43 with the smallest fluctuation of the LER value with respect to the fluctuation of the focus value corresponds to the resist film thickness at which the intensity of the standing wave is minimized. Therefore, by adopting a resist film thickness that maximizes the intensity of the standing wave generated in the resist film during exposure, the variation in the LER value can be increased with respect to the variation in the focus value. In addition, by adopting the resist film thickness, it is easy to specify the best focus value, and it is possible to detect the focus shift amount with high sensitivity. In FIG. 6, the broken line 42 corresponds to the resist film thickness when the intensity of the standing wave in the resist film is intermediate between the intensity of the dotted line 41 and the intensity of the solid line 43.

上述のように、LER値によりフォーカスずれやフォーカスずれ量を検出する場合には、フォーカス値の変動に対して、LER値が大きく変動する状況下でレジストパターンを形成し、LER値を取得することが好ましい。したがって、LER値によりフォーカスずれの有無や、フォーカスずれ量を検出する場合は、上記レジスト膜に含まれるレジスト材料が、LERを発生しやすい材料であることが好ましい。また、現像後のレジストパターンの形状に関与するレジストパターン形成前後のベーキング温度条件(プリベーク温度、およびポストベーク温度)も、LERが発生しやすい条件であることが好ましい。このようなレジスト材料およびベーキング温度条件を採用することで、フォーカス値の変動に対するLER値の変動量を大きくすることができる。   As described above, in the case of detecting a focus shift or a focus shift amount based on the LER value, a resist pattern is formed under a situation where the LER value greatly varies with respect to the focus value variation, and the LER value is acquired. Is preferred. Therefore, when the presence or absence of a focus shift or the amount of focus shift is detected based on the LER value, the resist material included in the resist film is preferably a material that easily generates LER. In addition, the baking temperature conditions (pre-bake temperature and post-bake temperature) before and after the formation of the resist pattern related to the shape of the resist pattern after development are also preferably conditions where LER is likely to occur. By adopting such a resist material and baking temperature conditions, the amount of fluctuation of the LER value with respect to the fluctuation of the focus value can be increased.

例えば、上記定在波の腹と節との強度差をレジストパターン形状として、より反映することができるレジスト材料やベーキング温度条件を採用することで、LERが発生しやすい状態を実現することができる。   For example, it is possible to realize a state in which LER is likely to occur by adopting a resist material and baking temperature conditions that can more effectively reflect the difference in intensity between the antinodes and nodes of the standing wave as the resist pattern shape. .

露光装置の光源としてKrFエキシマレーザを使用する場合には、酸発生剤を含有する化学増幅型レジストが使用されている。この場合、露光および露光後のベーキング工程でレジスト膜中に発生する酸の拡散長が比較的小さくなるようなレジスト材料、ポストベーキング温度条件を採用することが望ましい。レジスト膜がポジ型レジストである場合、光が照射された領域の酸発生剤がレジスト膜中に酸を生成する。酸が存在する領域のレジスト膜は、酸を触媒とする化学反応により現像液に可溶な物質に変化する。当該化学反応は、露光後のベーキングにより促進され、酸が存在する領域のレジスト膜が現像により溶解する。このため、酸の拡散長が比較的小さくなるようなレジスト材料やベーキング条件を採用することで、酸を触媒とする化学反応が生じる領域を、ほぼ露光がなされた領域にすることができる。この場合、現像されたレジストパターンは、露光直後の定在波の状態をより反映した形状を有する。この結果、レジストパターンのエッジにはLERが発生しやすい状態が実現できる。   When a KrF excimer laser is used as the light source of the exposure apparatus, a chemically amplified resist containing an acid generator is used. In this case, it is desirable to employ a resist material and a post-baking temperature condition such that the diffusion length of the acid generated in the resist film in the exposure and post-exposure baking steps is relatively small. When the resist film is a positive resist, the acid generator in the region irradiated with light generates an acid in the resist film. The resist film in the region where the acid exists is changed into a substance soluble in the developer by a chemical reaction using the acid as a catalyst. The chemical reaction is accelerated by baking after exposure, and the resist film in the region where the acid exists is dissolved by development. For this reason, by using a resist material and baking conditions in which the diffusion length of the acid is relatively small, a region where a chemical reaction using an acid as a catalyst is caused to be a substantially exposed region. In this case, the developed resist pattern has a shape that more reflects the state of the standing wave immediately after exposure. As a result, it is possible to realize a state in which LER is likely to occur at the edge of the resist pattern.

このように、LERが発生しやすい条件でフォーカス測定用レジストパターンを形成することにより、フォーカスずれ量をより正確に求めることが可能となる。また、このようにして求めたフォーカスずれ量に基づいて、露光装置のフォーカス調整を行うことにより、フォーカスずれの極めて少ない露光を実現することが可能となる。   As described above, by forming the focus measurement resist pattern under conditions where LER is likely to occur, it is possible to more accurately determine the focus shift amount. Further, by performing the focus adjustment of the exposure apparatus based on the focus shift amount thus obtained, it is possible to realize exposure with very little focus shift.

なお、実際の半導体装置の製造工程では、レジスト膜厚、レジスト材料、およびベーキング温度の条件は、実デバイスのパターンを良好に形成できる条件に最適化されている。この最適化条件は、上述のようなLERが発生しやすい条件と異なっている。したがって、半導体装置の製造工程に適用する場合には、実デバイスの露光を行う直前に、実デバイスの露光を行う露光装置に対して、上述のLERが発生しやすい条件でのフォーカス測定を行う。   In the actual manufacturing process of a semiconductor device, the resist film thickness, resist material, and baking temperature conditions are optimized so that the actual device pattern can be formed satisfactorily. This optimization condition is different from the above-described condition that LER is likely to occur. Therefore, when applied to a manufacturing process of a semiconductor device, focus measurement is performed on an exposure apparatus that performs exposure of an actual device under a condition that the above-described LER is likely to occur immediately before exposure of the actual device.

すなわち、実デバイスを形成するウエハとは異なるモニタウエハに、LERが生じやすいレジスト材料からなるレジスト膜を、LERが生じやすい膜厚で塗布する。当該モニタウエハを露光装置2に搬入し、あらかじめLER値のフォーカス依存性が取得されている孤立スペースパターンおよび孤立ラインパターンを露光する。露光後に、LERが生じやすい温度でベーキングを行い、現像装置3において、レジスト膜の現像を行う。寸法測定装置4は、形成された孤立スペースパターンおよび孤立ラインパターンのエッジ位置ばらつきを測定し、LER値算出部6が孤立スペースパターンのLER値、および孤立ラインパターンのLER値を算出する。フォーカス値算出部7は、当該LER値に対応するフォーカス値を、記憶部10に格納されている、LER値のフォーカス依存性に基づいて求める。そして、フォーカスずれ量算出部8が算出したフォーカスずれ量に応じて、露光装置2がフォーカス位置を調整する。   That is, a resist film made of a resist material that easily causes LER is applied to a monitor wafer different from the wafer that forms the actual device with a film thickness that easily causes LER. The monitor wafer is carried into the exposure apparatus 2, and an isolated space pattern and an isolated line pattern in which the focus dependency of the LER value is acquired in advance are exposed. After the exposure, baking is performed at a temperature at which LER is likely to occur, and the developing device 3 develops the resist film. The dimension measuring device 4 measures the edge position variation of the formed isolated space pattern and isolated line pattern, and the LER value calculation unit 6 calculates the LER value of the isolated space pattern and the LER value of the isolated line pattern. The focus value calculation unit 7 obtains a focus value corresponding to the LER value based on the focus dependency of the LER value stored in the storage unit 10. Then, the exposure apparatus 2 adjusts the focus position according to the focus shift amount calculated by the focus shift amount calculation unit 8.

このようにして、フォーカスの調整がなされ露光装置を使用して、実デバイスのパターン露光を行うことにより、LERが顕著になるような微細なレジストパターンを含む半導体装置の製造工程においても最良のフォーカスで露光を行うことができる。この結果、所望の断面形状と寸法とを有する良好なレジストパターンを得ることができる。   In this manner, the focus is adjusted and the exposure apparatus is used to perform pattern exposure of the actual device, so that the best focus can be obtained even in the manufacturing process of a semiconductor device including a fine resist pattern in which LER becomes remarkable. Can be exposed. As a result, a good resist pattern having a desired cross-sectional shape and dimensions can be obtained.

以上説明したように、本発明によれば、LERが相対的に大きくなる微細なレジストパターンを形成する状況下であっても、少ないデータ量で正確なフォーカス値、ベストフォーカス値、ベストフォーカス値からのずれ量を求めることができる。そして、フォーカスずれ量に応じて露光装置のフォーカス調整を行うことにより、良好なパターン形状、寸法を有するレジストパターンを形成することができる。この結果、半導体装置を高い製造歩留まりで形成することができる。   As described above, according to the present invention, the accurate focus value, the best focus value, and the best focus value can be obtained with a small amount of data even in a situation where a fine resist pattern having a relatively large LER is formed. The amount of deviation can be obtained. Then, by performing focus adjustment of the exposure apparatus according to the focus shift amount, a resist pattern having a good pattern shape and dimensions can be formed. As a result, a semiconductor device can be formed with a high manufacturing yield.

なお、本発明は、以上で説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において、種々の変形および応用が可能である。例えば、上記では、露光装置とフォーカス測定装置とを別体とした露光システムの事例を説明したが、フォーカス測定装置は露光装置と一体であってもよく、各部の配置は特に限定されない。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications and applications are possible within the scope of the effects of the present invention. For example, in the above description, an example of an exposure system in which the exposure apparatus and the focus measurement apparatus are separated from each other has been described. However, the focus measurement apparatus may be integrated with the exposure apparatus, and the arrangement of each part is not particularly limited.

本発明は、LERが相対的に大きくなる微細なレジストパターンを形成する状況下であっても、フォーカスずれ量を容易に検出できるという効果を有し、フォーカス測定方法、半導体装置の製造方法、および露光システムとして有用である。   The present invention has an effect that an amount of focus shift can be easily detected even in a situation where a fine resist pattern having a relatively large LER is formed, and a focus measurement method, a semiconductor device manufacturing method, and It is useful as an exposure system.

本発明の一実施形態におけるLERの測定点を示すSEM写真SEM photograph showing LER measurement points in one embodiment of the present invention 本発明の一実施形態におけるLER値のフォーカス依存性を示す図The figure which shows the focus dependence of the LER value in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態におけるLER値のフォーカス依存性のパターン形状に対する変化を示す図The figure which shows the change with respect to the pattern shape of the focus dependence of the LER value in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における露光システムを示すブロック図The block diagram which shows the exposure system in one Embodiment of this invention 本発明の一実施形態におけるリソグラフィ工程の処理を示すフローチャートThe flowchart which shows the process of the lithography process in one Embodiment of this invention 本発明の一実施形態におけるLER値のフォーカス依存性のレジスト膜厚に対する変化を示す図The figure which shows the change with respect to the resist film thickness of the focus dependence of the LER value in one Embodiment of this invention. 定在波の発生状態を示す概略断面図Schematic sectional view showing the state of standing waves フォーカス測定に使用されるレジストパターンの断面図Cross section of resist pattern used for focus measurement 従来のフォーカス測定法における傾斜量のフォーカス依存性を示す図The figure which shows the focus dependence of the amount of inclination in the conventional focus measurement method 従来のフォーカス測定法におけるシフトインデックスのフォーカス依存性を示す図Diagram showing focus dependency of shift index in conventional focus measurement method

符号の説明Explanation of symbols

1 露光システム
2 露光装置
4 寸法測定装置
5 フォーカス測定装置
6 LER値算出部
7 フォーカス値算出部
8 フォーカスずれ量算出部
9 良否判定部
10 記憶部
11 レジストパターン(孤立ラインパターン)
31 孤立スペースパターンのLER値
32 孤立ラインパターンのLER値
41 定在波振幅が最大となるレジスト膜厚時のLERのフォーカス依存性
42 定在波振幅が中程度となるレジスト膜厚時のLERのフォーカス依存性
43 定在波振幅が最小となるレジスト膜厚時のLERのフォーカス依存性
100 孤立ラインパターン
110 孤立スペースパターン
101 上面ライン幅
102 底面ライン幅
103 上面スペース幅
104 底面スペース幅
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Exposure system 2 Exposure apparatus 4 Dimension measurement apparatus 5 Focus measurement apparatus 6 LER value calculation part 7 Focus value calculation part 8 Focus deviation | shift amount calculation part 9 Pass / fail judgment part 10 Memory | storage part 11 Resist pattern (isolated line pattern)
31 LER value of isolated space pattern 32 LER value of isolated line pattern 41 Focus dependency of LER at resist film thickness where standing wave amplitude is maximum 42 LER of resist film thickness when standing wave amplitude is medium Focus dependency 43 Focus dependency of LER at resist film thickness with minimum standing wave amplitude 100 Isolated line pattern 110 Isolated space pattern 101 Top surface line width 102 Bottom line width 103 Top surface space width 104 Bottom surface space width

Claims (13)

露光装置のフォーカス測定方法において、
基板上に形成されたレジスト膜を、露光装置を用いて、異なるフォーカス値で露光し、各露光により形成されたフォーカス測定用レジストパターンのLER(Line Edge Roughness)値と、前記フォーカス値との対応関係を取得する工程と、
前記露光装置を用いて、基板上に形成されたレジスト膜に対してフォーカス測定対象の露光を行い、当該露光により形成されたフォーカス測定用レジストパターンのLER値を測定する工程と、
前記対応関係に基づいて、前記フォーカス測定対象の露光により形成されたフォーカス測定用レジストパターンのLER値に対応するフォーカス値を求める工程と、
を含むことを特徴とするフォーカス測定方法。
In the focus measurement method of the exposure apparatus,
The resist film formed on the substrate is exposed with different focus values using an exposure apparatus, and the correspondence between the LER (Line Edge Roughness) value of the focus measurement resist pattern formed by each exposure and the focus value Acquiring a relationship;
Using the exposure apparatus, exposing a focus measurement target to a resist film formed on the substrate, and measuring a LER value of a focus measurement resist pattern formed by the exposure; and
Obtaining a focus value corresponding to a LER value of a focus measurement resist pattern formed by exposure of the focus measurement target based on the correspondence relationship;
A focus measurement method comprising:
前記求められたフォーカス値とベストフォーカス値とから、前記フォーカス測定対象の露光におけるフォーカスずれ量を求める工程をさらに含む請求項1記載のフォーカス測定方法。   The focus measurement method according to claim 1, further comprising a step of obtaining a focus shift amount in exposure of the focus measurement target from the obtained focus value and best focus value. 前記ベストフォーカス値が、前記対応関係において前記LER値が極小となるフォーカス値である請求項2記載のフォーカス測定方法。   The focus measurement method according to claim 2, wherein the best focus value is a focus value at which the LER value is minimized in the correspondence relationship. 前記フォーカス測定用レジストパターンが、ラインパターンおよびスペースパターンを含むとともに、前記対応関係が、前記ラインパターンおよび前記スペースパターンに対してそれぞれ取得され、
前記フォーカス測定対象の露光におけるフォーカス値が、前記ラインパターンのLER値とフォーカス値との対応関係、前記スペースパターンのLER値とフォーカス値との対応関係、前記フォーカス測定対象の露光により形成されたラインパターンのLER値、および前記フォーカス測定対象の露光により形成されたスペースパターンのLER値に基づいて求められる請求項2記載のフォーカス測定方法。
The focus measurement resist pattern includes a line pattern and a space pattern, and the correspondence is acquired for the line pattern and the space pattern, respectively.
The focus value in the exposure of the focus measurement target is a correspondence relationship between the LER value of the line pattern and the focus value, a correspondence relationship between the LER value of the space pattern and the focus value, and a line formed by the exposure of the focus measurement target. The focus measurement method according to claim 2, wherein the focus measurement method is obtained based on a LER value of a pattern and a LER value of a space pattern formed by exposure of the focus measurement target.
前記レジストパターンが、異なる形状を有する複数種のパターンから選択された、前記露光装置のフォーカス値の変動に対するLER値の変動量が最大となるパターンである請求項1から3のいずれか1項に記載のフォーカス測定方法。   4. The pattern according to claim 1, wherein the resist pattern is a pattern that is selected from a plurality of patterns having different shapes and has a maximum amount of change in the LER value with respect to the change in the focus value of the exposure apparatus. The focus measurement method described. 前記レジストパターンが、前記露光装置において発生しうるフォーカスずれ量と略同一のフォーカスマージンを有する請求項1から4のいずれか1項に記載のフォーカス測定方法。   5. The focus measurement method according to claim 1, wherein the resist pattern has a focus margin that is substantially the same as an amount of focus deviation that may occur in the exposure apparatus. 6. 前記レジスト膜が、前記フォーカス測定対象の露光中に、露光部のレジスト膜に生じる定在波の強度が最大となる膜厚を有する請求項1から4のいずれか1項に記載のフォーカス測定方法。   5. The focus measurement method according to claim 1, wherein the resist film has a film thickness that maximizes the intensity of a standing wave generated in the resist film in an exposed portion during exposure of the focus measurement target. . 前記レジスト膜が、露光後かつ現像前に行われるベーキングの温度に依存して、前記LER値が変動するレジスト材料からなり、前記ベーキングが前記LER値が最大となる温度で行われる請求項7記載のフォーカス測定方法。   8. The resist film is made of a resist material whose LER value varies depending on the temperature of baking performed after exposure and before development, and the baking is performed at a temperature at which the LER value is maximized. Focus measurement method. リソグラフィ工程を有する半導体装置の製造方法において、
半導体基板上のレジスト膜に対して露光を行い、フォーカス測定用レジストパターンを含むレジストパターンを形成する工程と、
前記フォーカス測定用レジストパターンのLER値を測定する工程と、
あらかじめ取得された、フォーカス測定用レジストパターンのLER値と露光装置のフォーカス値との対応関係に基づいて、前記露光により形成されたフォーカス測定用レジストパターンのLER値に対応するフォーカス値を求める工程と、
前記求められたフォーカス値とベストフォーカス値とから、前記露光におけるフォーカスずれ量を求める工程と、
前記フォーカスずれ量が、あらかじめ設定された許容範囲内にあるか否かを判定する工程と、
を含み、
前記フォーカスずれ量が、前記許容範囲内にない場合、前記露光がなされた半導体基板を不良と判定することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In a method for manufacturing a semiconductor device having a lithography process,
Exposing a resist film on a semiconductor substrate to form a resist pattern including a focus measurement resist pattern;
Measuring the LER value of the focus measurement resist pattern;
Obtaining a focus value corresponding to the LER value of the focus measurement resist pattern formed by the exposure based on the correspondence relationship between the LER value of the focus measurement resist pattern and the focus value of the exposure apparatus acquired in advance; ,
Obtaining a focus shift amount in the exposure from the determined focus value and the best focus value;
Determining whether the defocus amount is within a preset allowable range;
Including
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: determining that the exposed semiconductor substrate is defective when the focus shift amount is not within the allowable range.
前記フォーカス測定用レジストパターンが、ラインパターンとスペースパターンとを含み、
前記露光におけるフォーカス値が、前記ラインパターンのLER値とフォーカス値との対応関係、前記スペースパターンのLER値とフォーカス値との対応関係、前記フォーカス測定対象の露光により形成されたラインパターンのLER値、および前記フォーカス測定対象の露光により形成されたスペースパターンのLER値に基づいて求められる請求項9記載の半導体装置の製造方法。
The focus measurement resist pattern includes a line pattern and a space pattern,
The focus value in the exposure is the correspondence between the LER value and the focus value of the line pattern, the correspondence between the LER value of the space pattern and the focus value, and the LER value of the line pattern formed by the exposure of the focus measurement target The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein the method is obtained based on a LER value of a space pattern formed by exposure of the focus measurement target.
前記フォーカスずれ量に応じて、露光装置のフォーカス位置をベストフォーカス位置に調整した後、以降の露光を行う請求項9または10記載の半導体装置の製造方法。   11. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein the subsequent exposure is performed after the focus position of the exposure apparatus is adjusted to the best focus position in accordance with the focus shift amount. レジスト膜にマスクパターンを結像して転写する露光装置を備えた露光システムにおいて、
前記露光装置による露光により形成されたフォーカス測定用レジストパターンのLER値を測定する手段と、
あらかじめ取得された、フォーカス測定用レジストパターンのLER値と露光装置のフォーカス値との対応関係に基づいて、前記露光により形成されたフォーカス測定用レジストパターンのLER値に対応するフォーカス値を求める手段と、
前記求められたフォーカス値とベストフォーカス値とから、前記露光におけるフォーカスずれ量を求める手段と、
前記フォーカスずれ量が、あらかじめ設定された許容範囲内にあるか否かを判定する手段と、
を備えたことを特徴とする露光システム。
In an exposure system equipped with an exposure apparatus that images and transfers a mask pattern on a resist film,
Means for measuring a LER value of a resist pattern for focus measurement formed by exposure by the exposure apparatus;
Means for obtaining a focus value corresponding to the LER value of the focus measurement resist pattern formed by the exposure based on the correspondence relationship between the LER value of the focus measurement resist pattern and the focus value of the exposure apparatus acquired in advance; ,
Means for obtaining a focus shift amount in the exposure from the obtained focus value and best focus value;
Means for determining whether the defocus amount is within a preset allowable range;
An exposure system comprising:
前記フォーカスずれ量に応じて、前記露光装置のフォーカス位置をベストフォーカス位置に調整する手段をさらに備えた請求項12記載の露光システム。   13. The exposure system according to claim 12, further comprising means for adjusting a focus position of the exposure apparatus to a best focus position in accordance with the focus shift amount.
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