JP2008205131A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置製品の歩留まりを向上させる露光条件を設定する。
【解決手段】光リソグラフィ工程で形成されるレジストパターンの寸法変動を、絶対的変動要因とバラツキ要因に分離し、絶対的変動要因から絶対的変動範囲を算出し、バラツキ要因から正規分布を仮定した偏差で表されるバラツキ量を算出し、この絶対的変動範囲とバラツキ量とを組み合わせて、レジストパターンの寸法変動範囲を台形近似分布で表す。そして、この台形近似分布で表される寸法変動範囲内にレジストパターンの寸法が入り、且つ台形近似分布の最大寸法値での露光量／フォーカス値のマージン幅と最小寸法値での露光量／フォーカス値のマージン幅が重なる範囲が所定のマージン幅に収まる露光条件を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、光リソグラフィ工程における露光条件の決定手法について改良を図った半導体装置の製造方法に関するものである。

半導体装置の製造においては、微細パターンをウエハ上に形成するために、光リソグラフィ技術が採用されている。この光リソグラフィ技術では、露光装置（ステップ式、又は一括式）によって、レチクル（フォトマスク）のパターンをウエハ上のフォトレジストに転写し、そのフォトレジストを現像してレジストパターンを形成することが行われる。

光リソグラフィ工程においては、光源から放射された光が、レチクルを透過し、投影レンズにより、ウエハ上に塗布されたフォトレジストに対して、当該レチクルのパターンを結像し、フォトレジストにパターン像を転写するが、この転写の際に、光源から放射される光の光エネルギー量である露光量を制御することにより、転写されるパターンの寸法が変化する。また、この転写の際に、フォーカスを制御することによっても、転写されるパターンの寸法が変化する。したがって、形成されるレジストパターンの寸法が所定の精度内に入るように、露光装置の露光量とフォーカス値を正確に設定する必要がある。

その最適化方法として、特許文献１には、露光量とフォーカス値をパラメータにしてウエハ上に形成された複数のレジストパターンの寸法を測定するとともに、加工形状画像を作成し、測定された寸法より求めた最適露光値、最適フォーカス値、露光マージン、フォーカスマージン、ねらい目寸法値等を、露光値およびフォーカス値に対応して配置した加工形状画像上にプロットしてＭＡＰを作成し、このＭＡＰを用いて、各値とともに加工形状の良否を判定し、条件設定を行うことにより、最適化を行う方法が提案されている。

また、特許文献２には、フォーカス、露光量、マスクパターン形状、および露光装置機差（収差）等のようにな転写されるレジストパターンの寸法への影響要因を考慮して、露光条件の応答のパターン依存性を評価し、次に、パターン差、装置の機差を含む応答モデルを作成し、次に、複数の応答モデルを用いた露光条件を評価し、次に、評価結果が良くない時は、条件出し時に制御を考慮した最適化（パターン選択等）を行い、評価結果が良いときは、フィードバック制御にデバイス寸法検査データを使用し、次に、複数の実デバイス寸法の検査から各々の応答モデルを用いた着工時の露光条件を推定し、次に、着工時の露光条件の変動（解析、予測して）を補正する方法が提案されている。
特開２００４−０３１７７３号公報 特開２００４−１０３６７４号公報

ところが、上記した方法では、必ず変動する絶対的変動要因についてはこれをある程度加味して露光条件設定が行われていたが、一旦設定した露光条件下でのレジストパターンの寸法変動、つまり、ある確率で変動するバラツキ要因については全く考慮が払われていなかった。このため、如何に絶対的変動要因を考慮して露光条件を設定しても、要求される寸法精度を完全に満たしてない可能性が高く、歩留まりが低下すると考えられる。

本発明の目的は、絶対的変動要因の外にバラツキ要因も考慮して露光条件を設定することにより、半導体装置製品の歩留まりを向上させることができるようにした半導体装置の製造方法を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１にかかる発明は、露光装置によりレチクルのパターンをウエハ上のフォトレジストに転写し、該フォトレジストを現像してレジストパターンを形成する光リソグラフィ工程を備える半導体装置の製造方法において、前記光リソグラフィ工程は、前記レジストパターンの寸法精度と露光量及びフォーカス値のマージン幅とを含む要求仕様を提示する第１ステップと、光リソグラフィ条件を仮設定して前記要求仕様を満足できる露光条件を導出する第２ステップと、前記第２ステップで得られた露光条件を検証する第３ステップと、前記第３ステップによる検証結果に応じて露光条件を決める第４ステップとを備え、前記第２ステップは、前記仮設定された光リソグラフィ条件により基準レジストパターンに基づいてレジストパターンの寸法の絶対的変動要因による絶対的変動範囲を求める第５ステップと、前記仮設定された光リソグラフィ条件により基準レジストパターンに基づいてレジストパターンの寸法のバラツキ要因による偏差を示すバラツキ量を求める第６ステップと、前記絶対的変動範囲と前記バラツキ量とにより前記レジストパターンの寸法変動範囲を求める第７ステップと、前記第７ステップで得られた前記レジストパターンの寸法変動範囲が前記第１ステップで設定したレジストパターンの寸法精度を満足するか否かを判定する第８ステップと、前記第８ステップの判定結果がＯＫのとき、前記第７ステップで得られた前記レジストパターンの寸法変動範囲の最大値の露光量及びフォーカス値と、前記レジストパターンの寸法変動範囲の最小値の露光量及びフォーカス値から得られたマージン幅が前記第１ステップで設定した露光量及びフォーカス値のマージン幅を満足するか否かを判定する第９ステップとを含み、前記第９ステップの判定結果がＯＫのとき、露光量及びフォーカス値を前記露光条件とすることを特徴とする。
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、前記レジストパターンの寸法の絶対的変動範囲は、レジスト膜厚による寸法の変動と、レチクルパターンの粗密間差による寸法の変動と、露光用レンズの収差による寸法の変動とを加算した変動範囲であり、前記レジストパターンの寸法のバラツキ量は、露光装置のバラツキの偏差と、レジスト材料の感度のバラツキの偏差と、レジスト塗布・現像装置のバラツキの偏差と、レチクルのバラツキの偏差とを自乗和平均で求めたバラツキ量であり、前記第７のステップで求める前記レジストパターンの寸法変動範囲は、前記絶対的変動範囲の最小値および最大値に前記バラツキ量を表す分布特性の平均値を重ねた分布特性をもつ、ことを特徴とする。

本発明によれば、決定した露光条件で実際に製造されたレジストパターン寸法が、要求されたレジストパターン寸法の精度内である保証が得られるので、半導体装置の製造工程において、歩留まりを向上させることができる。

本発明では、光リソグラフィ工程で形成されるレジストパターンの寸法変動を、絶対的変動要因とバラツキ要因に分離し、絶対的変動要因から絶対的変動範囲を算出し、バラツキ要因から正規分布を仮定した偏差σで表されるバラツキ量を算出し、この絶対的変動範囲とバラツキ量とを組み合わせて、レジストパターンの寸法変動範囲を台形近似分布で表す。そして、この台形近似分布で表される寸法変動範囲内にレジストパターンの寸法が入り、且つ台形近似分布の最大寸法値での露光量／フォーカス値のマージン幅と最小寸法値での露光量／フォーカス値のマージン幅が重なる範囲が所定のマージン幅に収まる露光条件を求める。

図１は本発明の露光条件を決定する処理のフローチャートである。まず、デバイス・プロセス性能から要求されるレジストパターンの寸法精度（例えば、線幅の最大寸法、最小寸法等）や露光量／フォーカス値のマージン幅（露光量の許容幅とフォーカス値の許容幅）の提示等の要求仕様の提示を受ける（ステップＳ１）。次に、既存データから、使用する各光リソグラフィ条件を仮設定し、リソグラフィシミュレータを用いて、前記した要求仕様を満足できる露光条件を導出する（ステップＳ２）。次に、実際のデバイス構造と同じ基板上でのレジストパターン形状にて、前記導出した設定露光条件の検証を行う（ステップＳ３）。次に、検証で問題がなければ、レジストパターン寸法の管理規格を求め、露光条件を決定する（ステップＳ４）。

図２はこの図１のフローチャート中のステップＳ２の露光条件の導出の処理のフローチャートである。まず、過去蓄積した既存光リソグラフィプロセスのデータから、使用するレジスト、露光量、現像、その他の各リソグラフィ条件を仮決定する（ステップＳ１１）。次に、レジストパターンの寸法変動範囲を算出するため、基準レジストパターンを決定する（ステップＳ１２）。この基準レジストパターンは、例えば、各光リソグラフィ工程での中心条件を用いて、露光エリア中心に配置された孤立パターンとする。そして、絶対的変動要因から絶対的変動範囲を求め（ステップＳＡ）、またバラツキ要因から正規分布仮定の偏差σを表すバラツキ量を求める（ステップＳＢ）。

ステップＳＡにおける絶対的変動範囲の算出は次のように行う。まず、予め採用する条件に光リソグラフィ工程のパラメータを合わせ込んだリソグラフィシミュレータを用いて、図３に示すように、スイングカーブ特性と呼ばれるデバイス製造時での下地段差等に伴うレジスト塗布状態や下地材料の膜厚変化によるレジストパターンの寸法（例えば線幅）変化Ｘ_１をシミュレーションにより採取する（ステップＳ１３）。また、図４に示すように、ＯＰＣ（近接効果）と呼ばれるレチクル上のパターンの粗密間差によるレジストパターンの寸法変化Ｘ_２をシミュレーションにより採取する（ステップＳ１４）。さらに、図５に示すように、実際に製造で用いる露光装置の投影レンズの収差に伴い変化する露光エリア内のレジストパターンの寸法変化Ｘ_３をレジストパターンの形状から採取する（ステップＳ１５）。以上の寸法変化Ｘ_１，Ｘ_２，Ｘ_３は、前記した基準レジストパターンの寸法に対する正方向の最大差分、負方向の最大差分として得られる。そして、これらの各寸法変化の加算値を、絶対変動範囲ΔＸとして、
ΔＸ＝Ｘ_１＋Ｘ_２＋Ｘ_３
により算出する（ステップＳ１６）と、絶対変動範囲ΔＸも基準寸法値に対する正方向の最大差分、負方向の最大差分として得られる。

一方、ステップＳＢにおけるバラツキ量の算出は次のように行う。まず、各光リソグラフィ工程が統計的な管理に従い工程能力指数Ｃｐｋ（＝１．３３）以上で管理されていることを前提する。そして、上記のリソグラフィシミュレータを用いて、露光装置の露光量のバラツキによるレジストパターンの寸法のバラツキ量±Ｙσ_１（正規分布仮定）をシミュレーションにより求める（ステップＳ１７）。また、レジスト材料の感度のバラツキによるレジストパターンの寸法のバラツキ量±Ｙσ_２（正規分布仮定）をシミュレーションにより求める（ステップＳ１８）。また、レジスト塗布（ベーク時間や温度）、現像装置における管理上の誤差に伴うレジストパターンの寸法のバラツキ量±Ｙσ_３（正規分布仮定）をシミュレーションにより求める（ステップＳ１９）。さらに、レチクルの製造誤差に伴うレジストパターンの寸法のバラツキ量±Ｙσ_４（正規分布仮定）を求める（ステップＳ２０）。そして、得られた各バラツキ量±Ｙσ_１、±Ｙσ_２、±Ｙσ_３、±Ｙσ_４から、その自乗和平均±Ｙσ_Ｉ（正規分布仮定）を、
±Ｙσ_Ｉ＝√｛（±Ｙσ_１)²＋（±Ｙσ_２)²＋（±Ｙσ_３)²＋（±Ｙσ_４)² ｝
により算出する（ステップＳ２１）。

この後、レジストパターンの寸法の変動範囲を、「ΔＸ±Ｙσ_Ｉ」の演算により算出し（ステップＳ２２）、前記ステップＳ１で提示された要求仕様の内のレジストパターンの寸法の精度（最大値と最小値）の範囲に変動範囲が入っているかで良否を判定する（ステップＳ２３）。

この判定では、図６に示すように、レジストパターンの寸法が、絶対的変動範囲ΔＸにおいて同確率でバラツキ量±Ｙσ_Ｉを有するとして、台形近似分布を想定する。この図６は、絶対的変動範囲ΔＸの上限値にバラツキ量±Ｙσ_Ｉの特性の平均値（中央ピーク部分）を重ね、下限値にバラツキ量±Ｙσ_Ｉの特性の平均値を重ねた分布特性（ΔＸ±Ｙσ_Ｉ）であり、この特性で示されるレジストパターンの最大寸法と最小寸法が前記ステップＳ１で提示されたレジストパターン寸法精度（最大値と最小値）の要求仕様を満足していれば、判定結果はＯＫとなる。ＮＧの場合は、ステップＳ１１に戻って、各光リソグラフィ条件を見直し、再度レジストパターンの寸法をシミュレーションし、上記処理を繰り返す。

露光量／フォーカス値のマージン幅の評価（ステップＳ２４）では、算出したレジストパターン寸法の最大値と最小値について、露光量とフォーカス値から決まるマージン幅を算出し、両マージン幅に共通のマージン幅を求める。図７は露光量を横軸、フォーカス値（0.0が基準値）を縦軸として、マージン評価を示した特性図である。図７(a)はレジストパターンの寸法の最大値が得られるマージン幅の特性であり、Ａ１はレジストパターンの寸法が最大規格内、Ｂ１は最大規格外を示す。図７(b)は、レジストパターンの寸法の最小値が得られるマージン幅の特性であり、Ａ２はレジストパターンの寸法が最小規格内、Ｂ２は最小規格外、Ｃ２はパターン無しを示す。両特性(a)、(b)の規格内Ａ１，Ａ２に共通（重なる）の露光量とフォーカス値のマージン幅Ｐ（露光量が255〜265（ｍＪ/cm^２）、フォーカス値が−0.5〜+0.1（μm））が、露光量／フォーカス値のマージン幅となる。

上記で求めた露光量／フォーカス値のマージン幅は、次のステップＳ２５において、ステップＳ１で提示された露光量／フォーカス値のマージン幅の範囲内にあればＯＫとなり、終了するが、ＮＧのときはステップＳ１１に戻って、各光リソグラフィ条件を見直して、再度レジストパターンの寸法をシミュレーションし、マージン幅を求める。

以上によって、上記マージン幅を満足する露光量とフォーカス値の露光条件で実際に試作されたレジストパターン寸法が、要求されたレジストパターン寸法の精度内であれば（ステップＳ３）、この露光条件で作成されるレジストパターン寸法は、精度保証が得られるので、半導体装置製品の歩留まりを大きく向上させることができる。

本発明の実施例の露光条件決定の処理のフローチャートである。 図１のフローチャートの内のステップＳ２の処理の詳細なフローチャートである。 レジスト膜厚変化によるレジストパターンの寸法特性図である。 パターンスペース変化によるレジストパターンの寸法特性図である。 レンズ収差による露光エリア内でのレジストパターンの寸法特性図である。 絶対的変動範囲にバラツキ量を加算したレジストパターンの寸法変動特性図である。 露光量／フォーカス値のマージン幅の特性図である。

符号の説明

Ａ１，Ａ２：規格内
Ｂ１，Ｂ２：規格外
Ｃ２：パターン無し
Ｐ：マージン幅

Claims (2)

1. 露光装置によりレチクルのパターンをウエハ上のフォトレジストに転写し、該フォトレジストを現像してレジストパターンを形成する光リソグラフィ工程を備える半導体装置の製造方法において、
   前記光リソグラフィ工程は、前記レジストパターンの寸法精度と露光量及びフォーカス値のマージン幅とを含む要求仕様を提示する第１ステップと、光リソグラフィ条件を仮設定して前記要求仕様を満足できる露光条件を導出する第２ステップと、前記第２ステップで得られた露光条件を検証する第３ステップと、前記第３ステップによる検証結果に応じて露光条件を決める第４ステップとを備え、
   前記第２ステップは、
   前記仮設定された光リソグラフィ条件により基準レジストパターンに基づいてレジストパターンの寸法の絶対的変動要因による絶対的変動範囲を求める第５ステップと、
   前記仮設定された光リソグラフィ条件により基準レジストパターンに基づいてレジストパターンの寸法のバラツキ要因による偏差を示すバラツキ量を求める第６ステップと、
   前記絶対的変動範囲と前記バラツキ量とにより前記レジストパターンの寸法変動範囲を求める第７ステップと、
   前記第７ステップで得られた前記レジストパターンの寸法変動範囲が前記第１ステップで設定したレジストパターンの寸法精度を満足するか否かを判定する第８ステップと、
   前記第８ステップの判定結果がＯＫのとき、前記第７ステップで得られた前記レジストパターンの寸法変動範囲の最大値の露光量及びフォーカス値と、前記レジストパターンの寸法変動範囲の最小値の露光量及びフォーカス値から得られたマージン幅が前記第１ステップで設定した露光量及びフォーカス値のマージン幅を満足するか否かを判定する第９ステップとを含み、
   前記第９ステップの判定結果がＯＫのとき、露光量及びフォーカス値を前記露光条件とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記レジストパターンの寸法の絶対的変動範囲は、レジスト膜厚による寸法の変動と、レチクルパターンの粗密間差による寸法の変動と、露光用レンズの収差による寸法の変動とを加算した変動範囲であり、
   前記レジストパターンの寸法のバラツキ量は、露光装置のバラツキの偏差と、レジスト材料の感度のバラツキの偏差と、レジスト塗布・現像装置のバラツキの偏差と、レチクルのバラツキの偏差とを自乗和平均で求めたバラツキ量であり、
   前記第７のステップで求める前記レジストパターンの寸法変動範囲は、前記絶対的変動範囲の最小値および最大値に前記バラツキ量を表す分布特性の平均値を重ねた分布特性をもつ、
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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