JP2009088554A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一回の焼付けによりショット内の像面傾斜をモニタリングすることを可能とすること。
【解決方法】
本発明は、露光領域で囲まれた非露光領域を有する第１のパターンと、非露光領域で囲まれた露光領域を有する第２のパターンとの対を有する複数のモニタリング用マークを直線的に配置したフォトマスクを用いて被露光基板に露光をするステップと、モニタリング用マークの寸法を計測して、その値が一直線上にあるか否かによりベスト・フォーカス条件となる点があるかを判断するステップと、ベスト・フォーカス条件となる点がある場合は、モニタリング用マークの寸法を垂直方向の変位に変換するとともに、変換した垂直方向の変位のうち一直線上にない垂直方向の変位については符号を反転させ、符号を反転させない垂直方向の変位と符号を反転させた垂直方向の変位とから露光領域の像面傾斜を算出するステップと、を有する半導体装置の製造方法である。
【選択図】図１６

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、より詳細には、フォトマスクおよびフォトリソグラフィ工程におけるフォーカスモニタリング、及び投影露光の像面傾斜モニタリングを用いた半導体装置を製造する技術に関する。

半導体デバイスを製造する際のパターニングの微細化に伴って、かかるパターニングを実行するフォトリソグラフィプロセスでの焦点深度（フォーカス）や光量調整などの露光条件に対する許容誤差が小さくなり、これらの露光条件を高精度でモニタリングするための方法が求められている。

図１は露光量とパターン幅との関係を定性的に説明するための断面概念図で、図１（ａ）は露光量が最適の場合、図１（ｂ）は露光量が過剰（オーバ）の場合、そして図１（ｃ）は露光量が不足（アンダー）の場合の、露光により得られるレジストパターン（１１ａ〜１１ｃ）の様子を示している。なお、符号１０はその表面にレジストが塗布された基板である。これらの図に示したように、露光量が過剰な場合（図１（ｂ））には、適正な露光量でパターニングした場合（図１（ａ））に比較して細いパターンが得られ、これとは逆に露光量が不足する場合（図１（ｃ））には、適正な露光量でパターニングした場合（図１（ａ））に比較して幅広のパターンが得られる。このようなパターン幅の変動に起因するデバイス特性の変動や不良を回避するために、半導体基板上に形成されるパターンの線幅をモニタリングし、その結果を露光量の制御にフィードバックするという手順により露光量のモニタリングを行うのが一般的である。

図２はフォーカス（のずれ）とパターンの断面形状との関係を定性的に説明するための概念図で、図２（ａ）はフォーカス量が最適（ベスト・フォーカス）の場合、図２（ｂ）はフォーカス量が過剰（オーバ・フォーカス）の場合、そして図２（ｃ）はフォーカス量が不足（アンダー・フォーカス）の場合の、露光により得られるレジストパターン（２１ａ〜２１ｃ）の形状を示している。図２（ａ）に示したように、ベスト・フォーカスの場合には上辺が底辺よりも短い台形のパターンが得られるのに対して、オーバ・フォーカスの場合（図２（ｂ））には、上辺が底辺よりも長い（逆）台形のパターンが得られる。また、アンダー・フォーカスの場合（図２（ｃ））には、上辺が「だれ」て上に湾曲した曲線状のパターンとなってしまう。このようにフォーカス量の適正値からのずれは形成されるパターンの形状に大きな影響を与え、その管理は極めて重要である。しかしながら、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、フォーカス量が適正値からずれたとしても形成されるパターンの異常はその底部（裾部）や上部に認められるのみであり、パターンをウェハの上方からパターン認識などの方法によりモニタリングした場合にはパターン線幅の異常として確認されることは稀であり、適正フォーカスからのずれを有効にモニタリングする方法が求められる。

図３は、従来のフォーカスモニタリング方法の一例の概要を説明するためのフローチャートで、従来のフォーカスモニタリング方法は、製造工程中の半導体装置に形成されるパターンの中から最もフォーカス条件に影響を受け易いパターンを特定し、そのパターンの線幅を測定するという手法が採られている。具体的には、先ず製品に露光を行い（ステップＳ３０１）、得られたパターンのうちからフォーカス条件の影響を受け易いパターンを選定してその線幅を測定する（ステップＳ３０２）。

このパターン線幅を設計値と比較して（ステップＳ３０３）、設計値どおりであれば（ステップＳ３０３：Ｙｅｓ）製品を次工程へと払い出す（ステップＳ３０９）。一方、パターン線幅が設計値からずれている場合（ステップＳ３０３：Ｎｏ）には、露光量やフォーカスなどの条件が適正でないものと判断されるため、露光量とフォーカス値とをパラメータとして振り新たな露光条件を設定し直して露光を行う（ステップＳ３０４）。そして適正な露光量とフォーカス値とを求め（ステップＳ３０５）、ステップＳ３０１における露光条件が適正なフォーカスからずれているか否かを判断する(ステップＳ３０６)。

ここで、フォーカス条件が適正でないと判断された場合（ステップＳ３０６：Ｙｅｓ）には、フォーカスのずれの原因を調査・特定して適正なフォーカス条件となるように修正を加え（ステップＳ３０７）、製品を次工程へと払い出す（ステップＳ３０９）。一方、フォーカス条件は適正であると判断された場合（ステップＳ３０６：Ｎｏ）には、露光量が適正値からずれているものと判定されて露光量を補正し（ステップＳ３０８）、製品を次工程へと払い出す（ステップＳ３０９）。

このような露光条件の高精度モニタリング方法に加え、投影露光時の像面傾斜状況をモニタリングする技術も極めて重要な半導体製造技術のひとつである。これは、大口径ウェハ上に半導体チップを多数作り込む場合に、ウェハ上の全面において適切な露光がなされることが高い歩留まりを確保するための前提となるが、ウェハはもともとワープやバウなどと呼ばれる加工起因の「反り」をもつことに加え、製造プロセス中に施される熱処理などにより新たな反りが生じる場合があり、投影露光されるウェハを露光機の備えるレンズ（光学系）に対してフラットにすることが必ずしも容易ではないことなどによる。

従来はテストウェハを用いて投影露光される像面の傾斜状況をモニタリングする方法（レベリング合わせ面計測する方法）が採られており、例えば、様々なマークを「インク焼き」する方法が知られている。この「インク焼き」方法とは、極小エリアに極小ステップでフォーカスを振りながら露光を行う方法である。具体的には、レチクル上に配置されたモニタリング用のパターンを、極小エリアに極小ステップでフォーカスを振りながら焼付け、焼付け有効範囲の像面湾曲（例えば、ウェハ湾曲、レジスト塗布むら、現像分布などに起因する像面の湾曲）の影響を極力受けないようにして焼付けを行う。

図４は、このような像面傾斜モニタリング用のパターン例と当該パターンの線幅のフォーカス量依存性を説明するための図である。なお、これらの図において、符号１０は基板を、符号４１および４２はパターニングされたレジストを意味している。図４（ａ）や図４（ｂ）に上面図として示した形状のパターンを、フォーカス量を一定量ずつ変化させながらウェハ上に近接して焼き付けると、そのパターンの線幅（例えばＬ１やＬ２）の寸法がフォーカス量に応じて変化する。これは、図４（ｃ）に示すように、パターン線幅はベスト・フォーカス（フォーカスずれ量がゼロ）の条件で露光された場合に最大値をとり、この条件から外れたアンダー・フォーカス条件でもオーバ・フォーカス条件でも細くなるためである。従って、フォーカス量を一定量ずつ変化させてフォーカス量とパターン線幅との相関を求め、その相関曲線のピークを与える点がベスト・フォーカス点であることになる。換言すれば、複数のマークをフォーカスを振って露光し得られたパターンの線幅を測定することで、ベスト・フォーカス点を把握することができる。

図５はこのようなパターン線幅のフォーカス量依存性を利用して像面傾斜をモニタリングする一例を説明するための図である。なお、１ショット（一回の露光ステップ）の露光領域５０には複数個のチップのパターンが焼き付けられる。この図では、この１ショットの露光領域５０に像面傾斜が存在しており、当該領域の４隅の点のうちのＡ点およびＢ点がベスト・フォーカス状態にある一方でＣ点およびＤ点ではオーバ・フォーカス状態にあるものと仮定している。
特開平７−３２６５６３号公報 特開２０００−２１７３０号公報

上述したように、従来のフォーカスモニタリング方法は、パターン幅を設計値と比較するものであったため、パターン幅の変動に影響を及ぼす因子である露光量とフォーカス量の何れが適正値からずれているのかの判別が困難であり、このために露光量とフォーカス値とをパラメータとして振ったウェハを用いることで適正なフォーカス条件に合わせ込むという面倒な手順が必要とされるという問題がある。すなわち、従来のフォーカスモニタリング方法では、フォーカス条件が適正値からずれていてもその「ずれ」を迅速に感知することが困難であり、このために半導体装置の製造プロセスが煩雑となりスループットの低下要因ともなっている。

また、上述した従来の像面傾斜モニタリング方法では、露光エリアの周辺またはその内部に存在することとなるマークを極小エリアに露光するためにショットの大半は多重露光される結果となるが、このような多重露光を製品ウェハのデバイス領域に行うことは許容されないためにレベリング検査用のマークを製品レチクルに挿入することはできない。従って、ウェハ自身の反りやステージの傾斜などの要因によって影響を受けることとなる実際の製品ウェハの露光表面の露光機のレンズ系（光学系）に対するフラットネス（像面傾斜状態）を、製品レチクルを用いてモニタリングする手法の確立が求められている。すなわち、製造工程にある実際の製品についての像面傾斜状態をモニタリングする方法の確立が求められる。
本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、フォトマスクに設けられたフォーカスモニタリング用のパターンを用いて迅速なフォーカス調整を行うこと、及び／又は一回の焼付けによりショット内の像面傾斜をモニタリングすることを可能とし、信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明は、ウェハと、該ウェハ上に形成されたフォーカスモニタリングパターンとを有し、該フォーカスモニタリングパターンは、少なくとも１対の第１及び第２のパターンを有し、該第１のパターンは露光領域で囲まれた非露光領域を有し、前記第２のパターンは非露光領域で囲まれた露光領域を有し、前記第１のパターンおよび前記第２のパターンは、それぞれ単一のパターンからなり、第１の方向にパターン線幅の第１の極大を、前記第１の方向に直交する第２の方向にパターン線幅の第２の極大を有する半導体装置である。

前記第１及び第２のパターンはいずれも、パターン線幅が連続的に変化する形状、パターン線幅が段階的に変化する形状、又は複数の頂点を持つ構成とすることができる。前記第１及び第２のパターンは、１ショットで露光される領域の内部及び外部の周辺領域に形成されている構成とすることができる。前記半導体装置は、直線的に配置された複数個のフォーカスモニタリングパターンを前記ウェハ上に有する構成とすることができる。前記フォーカスモニタリングパターンは、前記ウェハ上の縦横方向に直線的に配置されている構成とすることができる。

本発明はまた、露光領域で囲まれた非露光領域を有する第１のパターンと、非露光領域で囲まれた露光領域を有する第２のパターンとの対を少なくとも１つ有するフォーカスモニタリングパターンをウェハ上に形成するステップと、前記形成された、単一のパターンからそれぞれなり、第１の方向にパターン線幅の第１の極大を、前記第１の方向に直交する第２の方向にパターン線幅の第２の極大をそれぞれ有する第１及び第２のパターンの夫々のパターン線幅を計測することで、露光のフォーカス状態をチェックするステップとを有する半導体装置の製造方法を含む。前記チェックするステップは、前記第１及び第２のパターンの縦横方向のパターン線幅を計測する構成とすることができる。前記半導体装置の製造方法は、前記露光のフォーカス状態をチェックした結果を用いて、露光条件を変更するステップを更に有する構成とすることができる。

本発明はまた、露光領域で囲まれた非露光領域を有する第１のパターンと、非露光領域で囲まれた露光領域を有する第２のパターンとの対を複数個直線的に配置したフォトマスクを用いて被露光基板を露光するステップと、前記複数のモニタリング用マークの寸法を計測し、前記計測した複数のモニタリング用のマークの寸法が一直線上にあるか否かにより、露光領域内にベスト・フォーカス条件となる点があるか否かを判断するステップと、前記判断するステップにおいてベスト・フォーカス条件となる点があると判断された場合には、前記複数のモニタリング用マークの寸法を垂直方向の変位に変換するとともに、前記変換した垂直方向の変位のうち、一直線上にない前記垂直方向の変位については符号を反転させ、前記符号を反転させない前記垂直方向の変位と前記符号を反転させた前記垂直方向の変位とから前記露光領域の像面傾斜を算出するステップと、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法を含む。前記算出するステップにおいて、前記モニタリング用マークの寸法の前記垂直方向の変位への変換は、前記モニタリング用マークの寸法と前記垂直方向の変位との所定の相関関係を利用して、前記モニタリング用マークの寸法を前記垂直方向の変位に変換し、前記垂直方向の変位の符号の反転は、前記相関関係において、前記モニタリング用マークの寸法が最大となる前記垂直方向の変位を基準として、前記垂直方向の変位の符号を反転する構成とすることができる。前記判断するステップにおいてベスト・フォーカス条件となる点がないと判断された場合には、前記複数のモニタリング用マークの寸法を垂直方向の変位に変換して、前記変換した垂直方向の変位から前記露光領域の像面傾斜を算出するステップを有する構成とすることができる。前記算出するステップは、複数のモニタリング用マークの前記垂直方向における変位を最小二乗近似して、前記露光領域の傾斜面を算出する構成とすることができる。

本発明はまた、ウェハ上に、露光領域で囲まれた非露光領域を有する第１のパターンと、非露光領域で囲まれた露光領域を有する第２のパターンとが対で形成されるモニタリング用マークを形成するための開口部とマスク部とを有し、前記第１のパターンおよび前記第２のパターンは、それぞれ単一のパターンからなり、第１の方向にパターン線幅の第１の極大を、前記第１の方向に直交する第２の方向にパターン線幅の第２の極大を有するフォトマスクを含む。前記第１及び第２のパターンのいずれもが、デバイスパターンの最小線幅以下の線幅を持つ領域を有する構成とすることができる。第１及び第２のパターンは、ウェハのダイシング領域に対応する位置に形成されている構成とすることができる。

本発明はまた、上記モニタリング方法の各ステップをコンピュータにより実行させるためのプログラムを含む。

本発明によれば、フォトマスクに設けられたフォーカスモニタリング用のパターンを用いて迅速なフォーカス調整を行うことが可能となる。また、一回の焼付けによりショット内の像面傾斜をモニタリングすることが可能となる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

実施例１は、フォーカスモニタリング方法を用いた半導体装置及びその製造方法に関する。

図６は、本発明のフォーカスモニタリング方法の原理を説明するための図で、図６（ａ）は基板（ウェハ）４０上に設けられた露光前のベタのレジスト４１の様子を示しており、図６（ｂ）および図６（ｃ）はそれぞれ、露光により形成された「残し」パターン４２（図６（ｂ））および「抜き」パターン４３（図６（ｃ））の様子を示している。ここで、「残し」パターンとはフォトリソ工程により形成されるパターンが残存するレジストにより得られるパターンを意味し、「抜き」パターンとはフォトリソ工程により形成されるパターンが除去されたレジスト部分により得られるパターンを意味する。つまり、「残し」パターンとは露光領域に囲まれた非露光領域を意味し、「抜き」パターンとは非露光領域に囲まれた露光領域を意味する。本発明のフォーカスモニタリング方法では、このような「残し」パターンと「抜き」パターンの双方を用いて露光時のフォーカス量の適正値からのずれをモニタリングする。以下に、かかるモニタリングがどのようにして可能となるのかについての定性的な説明を行う。

図７乃至図９は、かかるモニタリングがどのようにして可能となるのかについての定性的な説明を行うための図で、図７は「残し」パターンについての、フォーカス量とパターン幅（図７（ａ））および露光量とパターン幅（図７（ｂ））の関係を説明するための図、図８は「抜き」パターンについての、フォーカス量とパターン幅（図８（ａ））および露光量とパターン幅（図８（ｂ））の関係を説明するための図、そして図９はこれらの「残し」パターンと「抜き」パターンを併用した場合の、フォーカス量とパターン幅（図９（ａ））および露光量とパターン幅（図９（ｂ））の関係を説明するための図である。

先ず、図７および図８を参照すると、「残し」パターンの線幅は、露光量が大きくなるにつれて細くなる傾向がある（図７（ｂ））のに対して、「抜き」パターンの線幅は、露光量が大きくなるにつれて太くなる傾向がある（図８（ｂ））。このようなパターン線幅に対する露光量の影響に対して、フォーカス量がパターン線幅に及ぼす効果についてみると、「残し」パターンおよび「抜き」パターンの何れにおいても、フォーカス条件が適正な状態（ベスト・フォーカス）において最大のパターン線幅が得られる（図７（ａ）および図８（ａ））。本発明のフォーカスモニタリング方法においては、このような「残し」パターンと「抜き」パターンの線幅の、フォーカス量依存性および露光量依存性を併合して利用することとし、フォーカスをモニタリングするためにレジストに形成された「残し」と「抜き」のパターン線幅（フォーカスモニタリング用に設けられたマークの幅）の双方を計測してパターン線幅に及ぼす露光量の影響をキャンセルさせ、これによりパターン線幅に対するフォーカス量の適正値からのずれの影響のみを取り扱うことでフォーカス量をモニタリングすることを可能としている。

具体的には、「残し」パターン部の線幅をｘ_１とし、「抜き」パターン部の線幅をｘ_２としたとき、これらのパターン線幅の線形結合として得られるモニタリング用線幅ｘ_０をこれらの平均で与えられるｘ_０＝（ｘ_１＋ｘ_２）／２とし、このモニタリング用線幅ｘ_０に対するフォーカス量依存性および露光量依存性を基に適正なフォーカス条件に設定する。

図９は、このようなモニタリング用線幅ｘ_０のフォーカス量依存性（図９（ａ））および露光量依存性（図９（ｂ））を説明するための図で、上述したように、「残し」パターンの線幅は露光量が大きくなるにつれて細くなる傾向がある一方、「抜き」パターンの線幅は露光量が大きくなるにつれて太くなる傾向があることから、モニタリング用線幅ｘ_０は露光量に依存しなくなり（図９（ｂ））、フォーカス量のみがモニタリング用線幅ｘ_０に影響を与えることとなる（図９（ａ））。また、モニタリング用線幅ｘ_０のフォーカス量依存性についてみると、「残し」パターンおよび「抜き」パターンの何れにおいてもフォーカス条件が適正な状態（ベスト・フォーカス）において最大のパターン線幅が得られることに起因して、ベスト・フォーカス条件で最大のモニタリング用線幅ｘ_０が得られている（図９（ａ））。

したがって、フォーカスモニタリング用に設けられた「残し」と「抜き」の双方のマークの幅から得られるモニタリング用線幅ｘ_０のフォーカス量依存性に関するデータ（フォーカス特性データ）を予め取得しておき、実際に露光して得られたこれらのマークの幅をモニタリング用線幅ｘ_０として算出し、この値を上記フォーカス特性データと比較することにより、ベスト・フォーカスによる露光が行われたか否かの判断が可能となる。また、ベスト・フォーカスからのずれがある場合には、上記フォーカス特性データに照合してそのずれを修正することが可能となる。

図１０は、本発明のフォーカスモニタリング方法の一例の概要を説明するためのフローチャートで、このフォーカスモニタリング方法では、フォーカスモニタリング用に設けられた「残し」と「抜き」の双方を含むマーク（開口部とマスク部からなるマーク）を有するフォトマスクを用いてパターン形成がなされる。具体的には、先ず製品に露光を行い（ステップＳ８０１）、フォーカスモニタリング用に設けられたマークの「残し」パターン線幅と「抜き」パターン線幅を測定してモニタリング用線幅ｘ_０を求める（ステップＳ８０２）。このモニタリング用線幅ｘ_０を予め求めておいた上述のフォーカス特性データと比較して設計値どおりか否かの判定を行う（ステップＳ８０３）。

モニタリング用線幅ｘ_０が設計値どおりであれば（ステップＳ８０３：Ｙｅｓ）製品を次工程へと払い出す（ステップＳ８０５）。一方、モニタリング用線幅ｘ_０が設計値からずれている場合（ステップＳ８０３：Ｎｏ）には、フォーカス条件が適正でないものと判断されるため、フォーカス特性データに基づいて適正フォーカス値に自動修正し（ステップＳ８０４）、製品を次工程へと払い出す（ステップＳ８０５）。

なお、モニタリング用線幅ｘ_０は、必ずしも、「残し」パターン部の線幅ｘ_１と「抜き」パターン部の線幅ｘ_２の平均値（ｘ_０＝（ｘ_１＋ｘ_２）／２）である必要はない。より一般的には、ｘ_０＝（ａ・ｘ_１＋ｂ・ｘ_２）／（ａ＋ｂ）として、「残し」パターン線幅ｘ_１の露光量依存性と「抜き」パターン線幅ｘ_２の露光量依存性とが、ちょうどキャンセルされてフォーカス量のみがモニタリング用線幅ｘ_０に影響を与えるように設定すればよい。

図１１および図１２は、このようなフォーカスモニタリング用マークの「残し」パターン（図（ａ））および「抜き」パターン（図（ｂ））の具体例を説明するための図で、図中にハッチングした部分が露光後のレジストパターンである。なお、開口部とマスク部とを有するデバイスパターンを有するフォトマスクにかかる形状のマークが設けられていることはいうまでもないが、ここでは便宜上レジストパターンについて説明することでフォトマスクに設けられたマークの説明を行う。

図１１に示したマークはｘ方向およびｙ方向に頂点を有しており、例えばｙ方向へのフォーカス値が適正値からずれた場合にはこの方向の先端部が鈍り頂点部が消失する（図１１（ｃ）および（ｄ）参照）。従って、ｙ方向のパターン幅Ｗ_ｙが短くなる。すなわち、これらのパターンのｘ方向およびｙ方向のパターンの幅（Ｗ_ｘおよびＷ_ｙ）を計測することで、ｘ方向のフォーカス値のずれおよびｙ方向のフォーカス値のずれを同時にモニタリングすることが可能である。また、ｘ方向とｙ方向のフォーカスモニタリングを単一のマークにより実行することができるため、下地（基板など）の傾き状態などの種々の条件の差異をｘ方向とｙ方向とで無視することが可能（事実上無くすることが可能）となり、モニタリングに要する製品基板上での省スペース化が実現できる。

図１２に示したマークは、複数の異なる幅をもつラインを組み合わせた形状を有し、ｘ方向およびｙ方向の各場所に応じて異なるライン幅となっている（図１２（ａ）および（ｂ）参照）。図１１に示した突起状の頂点をもつマークはその先端部が鋭角であるために適正フォーカスからのずれに対して敏感である反面、フォーカスずれが生じた場合には得られるパターンのサイズが小さくなってしまい、当該パターンが下地基板から剥離して異物発生の要因となり易い。これに対して、図１２（ａ）および（ｂ）に示したような形状のマークとすれば、下地基板との密着面積が広く取れて剥離を防止することが可能となる。また、デフォーカス状態で露光された場合（例えばｙ方向のデフォーカス）には、図１２（ｃ）および（ｄ）に示すように、先端側の突起部が徐々に消失してゆくこととなるから、デフォーカスによる線幅変動のレベルを大きくとることが可能となる。

なお、ガラスレンズの場合には、ｘ方向のフォーカスとｙ方向のフォーカスはレンズの特性で決まりこれらを独立に制御することはできないが、本発明のフォーカスモニタリング方法を電子ビーム露光に適用するなどの場合には、かかる個別の制御が可能となり極めて有効である。なお、これまではフォーカスモニタリング用マークの「残し」パターンと「抜き」パターンを同一形状（反転形状）であるとして説明したが、これらは同一形状である必要はなく、所望により自由な組み合わせを選択するようにしてもよい。また、このようなマークは、「残し」パターンと「抜き」パターンの何れにおいても、半導体装置の回路設計ルール（デザイン・ルール）以下の線幅の領域が少なくとも一箇所含まれていればよい。

上述したように、本発明で用いるフォーカスモニタリング用マークは、半導体装置を製造する工程で使用されるフォトマスクの所望の位置に形成される。換言すれば、本発明のフォトマスクはこのようなフォーカスモニタリング用マークがその一部に設けられたものであり、本発明の半導体装置はこのようなフォトマスクを用いてパターニングされて製造されることとなる。つまり、本発明の半導体装置は、ウェハと、このウェハ上に形成されたフォーカスモニタリングパターンとを有し、該フォーカスモニタリングパターンは、少なくとも１対の第１及び第２のパターン（図１１、図１２）を有し、該第１のパターンは露光領域で囲まれた非露光領域を有し、前記第２のパターンは非露光領域で囲まれた露光領域を有する。

実施例２は、像面傾斜のモニタリング方法を用いた半導体装置及びその製造方法に関する。

図１３は、本発明の像面傾斜のモニタリング方法で用いるモニタリング用マークが複数個配置された状態の１ショットの様子を説明するための図で、図１３（ａ）は上面図、図１３（ｂ）は側面図である。下地基板１３０上に図中に示したような配置で投影されることとなるモニタリング用マーク１３２は、投影露光に用いられるフォトマスクに設けられる。なお、この１ショット領域１３１内には複数個のチップに対応するパターンが周期的に形成されており、その形状は、例えば図４に示したようなものとされる。この図に示した例では、モニタリング用マーク１３２が１ショット領域１３１の周辺領域に１２個、１ショット領域１３１内に２個、計１４個配置されている。なお、１ショット領域１３１内に設けられるモニタリング用マーク１３２は、個々のチップを分割する際に用いられるスクライブラインなどの空きスペース（チップのデバイスパターニングに影響しないダミースペース）に設けられることが好ましい。

図１４は、図１３（ｂ）に示したようにショットの像面が傾斜している場合の、点ａ〜ｄの各ポイントにおけるマーク寸法をプロットした例を示す図である。図１３（ｂ）に示したような像面傾斜がある場合には、何れの位置においてもベスト・フォーカス条件がない場合（図１４（ａ））と、点ａ〜ｄに至る何れかの位置でベスト・フォーカス条件がある場合（図１４（ａ））とが考えられる。しかし、既に説明したように、パターン線幅はベスト・フォーカス条件のときに最大値をとり、フォーカス条件がアンダー側にずれてもオーバ側にずれてもそれよりも細くなるから、そのプロファイルからベスト・フォーカス位置が面内にあるか否か、および面内にベスト・フォーカス位置がある場合のその場所が確認できる。これらの図においてマル記号は各点でのマーク寸法を示しており、三角記号は各点でのマーク寸法をｚ位置変位に変換した値（各点のｚ変位量）を示している。図１４（ａ）に示したような、何れの位置においてもベスト・フォーカス条件がない場合には、点ａ〜ｄの各点における傾斜量を、これら４点のｚ変位量に基づいて最小二乗法近似により求めた像面傾斜直線から求めることができる。一方、図１４（ｂ）に示したような、何れかの位置においてベスト・フォーカス条件がある場合の点ａ〜ｄに至る像面傾斜量は、以下のようにして求めることができる。

図１５は、点ａ〜ｄに至る何れかの位置においてベスト・フォーカス条件がある場合の像面傾斜量を求める手法を説明するための概念図である。この場合には、マーク寸法の最大値は点ｂまたは点ｃにあることになる。先ず、図１５（ａ）のように、点ａ、ｂ、およびｃにおけるｚ変位量間にリニアリティが認められる場合には、点ｄのｚ変位量の符号を反転させた仮想点ｇを設け、点ａ、ｂ、ｃ、およびｇのｚ変位量に基づいて最小二乗法近似により像面傾斜直線を求め、この像面傾斜直線から点ａ〜ｄに至る像面傾斜量を推定する。ここで、「点ａ、ｂ、およびｃにおけるｚ変位量間にリニアリティが認められる」か否かの判断は、点ｂのｚ変位量の、点ａと点ｃのｚ変位量を結ぶ直線からのずれ（Δｚ）を、予め設定したパラメータαと比較して、Δｚ≦±αの場合にリニアリティが認められると定義し、Δｚ＞±αの場合にはリニアリティが認められないとして下記の処理を実行する。

図１５（ｂ）は、点ａ、ｂ、およびｃにおけるｚ変位量間にリニアリティが認められない場合の処理を説明する図であり、この場合には、点ｃおよび点ｄのｚ変位量の符号を反転させて仮想点ｆおよびｇを設ける。そして、点ａ、ｂ、ｆ、およびｇのｚ変位量に基づいて最小二乗法近似により像面傾斜直線を求め、この像面傾斜直線から点ａ〜ｄに至る像面傾斜量を推定する。

このような方法によれば、ウェハ上に１回の焼付けで形成されたマークからその像面傾斜の状態をモニタリングすることが可能となる。

図１６は、本発明の像面傾斜のモニタリング方法の具体的な手順を説明するためのフローチャートである。先ず、上述したようなモニタリング用マークが設けられたフォトマスクを用いて製品の露光を行い（ステップＳ１００１）、ショット周辺のパターン線幅（マーク寸法）を測定し（ステップＳ１００２）、マーク寸法のプロファイルを求め（ステップＳ１００３）、当該面内にベスト・フォーカス条件となる点があるか否かを判断する（ステップＳ１００４）。

当該面内にベスト・フォーカス条件となる点がある場合（ステップＳ１００４：Ｙｅｓ）には、ステップＳ１００８へ進む。一方、当該面内にベスト・フォーカス条件となる点がない場合（ステップＳ１００４：Ｎｏ）には、ショット領域を囲む４辺の中からマークの寸法変化がリニアとなる２つの辺を探して（ステップＳ１００５）この２辺を選択し（ステップＳ１００６）、この２辺の配置からベスト・フォーカス面に対する像面の位置関係を把握（ステップＳ１００７）した上でステップＳ１００８へと進む。

ステップＳ１００８では、マーク寸法の変化量を予め予想されるｚ変位量に換算してショット領域の４隅のｚ変位の相対関係を算出し、４隅についてのｚ変位量換算値から焼付け対象である像面（仮想平面）の傾斜を算出する（ステップＳ１００９）。そして、この仮想平面の傾きが予め設定された値以下にあるか否かを判断し（ステップＳ１０１０）、設定値以下の傾きであると判断された場合（ステップＳ１０１０：Ｙｅｓ）には、次工程へと払い出しを行う（ステップＳ１０１１）。一方、設定値よりも大きく傾いていると判断された場合（ステップＳ１０１０：Ｎｏ）には、下記の何れかを選択して製品露光（ステップＳ１００１）へと戻る。

具体的には、計測した数値を基にフィードバックをかける場合（ケース１）と、現状実施している方法から傾斜に対する補正値を求めてフィードバックをかける場合（ケース２）とに応じて、下記の手順を実行する。

ケース１では、ステップＳ１００９での焼付けパターンから求めた傾きを、露光装置の像面傾斜に対する補正値として入力してこれをステップＳ１００１における製品露光へとフィードバックする（ステップＳ１０１２）。

一方、ケース２では、フォーカス振りによるフォーカス確認ウェハの焼付けを行い（ステップＳ１０１３）、ショット周辺の４隅のパターン線幅測定により４隅のベスト・フォーカスを確認し（ステップＳ１０１４）、この４隅のベスト・フォーカスから像面傾斜量を算出して補正値を求め（ステップＳ１０１５）、像面傾斜に対する補正値を露光装置に入力してステップＳ１００１における製品露光へとフィードバックする（ステップＳ１０１６）。

このようにして、１回の焼付けで形成されたマークからその像面傾斜の状態をモニタリングすることが可能となる。

ここで、上述の第１の発明（フォーカスモニタリング方法）と第２の発明（像面傾斜のモニタリング方法）とを組み合わせた半導体装置の製造方法とすることも可能である。すなわち、実施例２で説明した像面傾斜のモニタリング方法に用いられるマークを「残し」パターンと「抜き」パターンの組み合わせとし、ウェハ上のマーク寸法に及ぼす露光量の影響をキャンセルさせる。ウェハ上で像面傾斜があると当該像面に投影される１ショット領域内においてベスト・フォーカス条件からのずれが生じるから、本発明の像面傾斜モニタリング方法による傾斜状態のモニタリングと本発明のフォーカスモニタリング方法によるフォーカス修正とを交互に繰り返し、像面が露光装置の光学系に対してフラットとなるように自動修正するようにしてもよい。

なお、これまで説明してきたモニタリング方法は、コンピュータプログラムとして露光装置の自動制御を行うように用いることができる。

本発明は、実際にウェハ上にパターン（マーク）を焼き付けることで迅速なフォーカス調整、および一回の焼付けによりショット内の像面傾斜をモニタリングすることができる。

露光量とパターン幅との関係を定性的に説明するための断面概念図で、（ａ）は露光量が最適の場合、（ｂ）は露光量が過剰（オーバ）の場合、そして（ｃ）は露光量が不足（アンダー）の場合の、露光により得られるレジストパターンの様子を示している。 フォーカス（のずれ）とパターンの断面形状との関係を定性的に説明するための概念図で、（ａ）はフォーカス量が最適（ベスト・フォーカス）の場合、（ｂ）はフォーカス量が過剰（オーバ・フォーカス）の場合、そして（ｃ）はフォーカス量が不足（アンダー・フォーカス）の場合の、露光により得られるレジストパターンの形状を示している。 従来のフォーカスモニタリング方法の一例の概要を説明するためのフローチャートである。 像面傾斜モニタリング用のパターン例と当該パターンの線幅のフォーカス量依存性を説明するための図である。 パターン線幅のフォーカス量依存性を利用して像面傾斜をモニタリングする一例を説明するための図である。 本発明のフォーカスモニタリング方法の原理を説明するための図で、（ａ）は基板上に設けられた露光前のベタのレジストの様子を示しており、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、露光により形成された「残し」パターン（ｂ）および「抜き」パターン（ｃ）の様子を示している。 「残し」パターンについての、フォーカス量とパターン幅（ａ）および露光量とパターン幅（ｂ）の関係を説明するための図である。 「抜き」パターンについての、フォーカス量とパターン幅（ａ）および露光量とパターン幅（ｂ）の関係を説明するための図である。 「残し」パターンと「抜き」パターンを併用した場合の、フォーカス量とパターン幅（ａ）および露光量とパターン幅（ｂ）の関係を説明するための図である。 本発明のフォーカスモニタリング方法の一例の概要を説明するためのフローチャートである。 フォーカスモニタリング用マークの「残し」パターン（ａ）および「抜き」パターン（ｂ）の具体例を説明するための図である。 フォーカスモニタリング用マークの「残し」パターン（ａ）および「抜き」パターン（ｂ）の具体例を説明するための図である。 本発明の像面傾斜のモニタリング方法で用いるモニタリング用マークが複数個配置された状態の１ショットの様子を説明するための図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。 図１３のショットの像面が傾斜している場合の、点ａ〜ｄの各ポイントにおけるマーク寸法をプロットした例を示す図である。 点ａ〜ｄに至る何れかの位置においてベスト・フォーカス条件がある場合の像面傾斜量を求める手法を説明するための概念図である。 本発明の像面傾斜のモニタリング方法の手順を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０ 基板
１１ａ レジストパターン
１１ｂ レジストパターン
１１ｃ レジストパターン
２１ａ レジストパターン
２１ｂ レジストパターン
２１ｃ レジストパターン
４０ 基板
４１ レジスト
４２ 残しパターン
４３ 抜きパターン
５０ 露光領域
１３０ 下地基板
１３１ １ショット領域
１３２ モニタリング用マーク

Claims (4)

1. 各モニタリング用マークが、露光領域で囲まれた非露光領域を有する第１のパターンと、非露光領域で囲まれた露光領域を有する第２のパターンとの対を有する複数の前記モニタリング用マークが直線的に配置したフォトマスクを用いて被露光基板に露光をするステップと、
   前記複数のモニタリング用マークの寸法を計測し、前記計測した複数のモニタリング用のマークの寸法が一直線上にあるか否かにより、露光領域内にベスト・フォーカス条件となる点があるか否かを判断するステップと、
   前記判断するステップにおいてベスト・フォーカス条件となる点があると判断された場合には、前記複数のモニタリング用マークの寸法を垂直方向の変位に変換するとともに、前記変換した垂直方向の変位のうち、一直線上にない前記垂直方向の変位については符号を反転させ、前記符号を反転させない前記垂直方向の変位と前記符号を反転させた前記垂直方向の変位とから前記露光領域の像面傾斜を算出するステップと、
   を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記算出するステップにおいて、前記モニタリング用マークの寸法の前記垂直方向の変位への変換は、前記モニタリング用マークの寸法と前記垂直方向の変位との所定の相関関係を利用して、前記モニタリング用マークの寸法を前記垂直方向の変位に変換し、前記垂直方向の変位の符号の反転は、前記相関関係において、前記モニタリング用マークの寸法が最大となる前記垂直方向の変位を基準として、前記垂直方向の変位の符号を反転することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記判断するステップにおいてベスト・フォーカス条件となる点がないと判断された場合には、前記複数のモニタリング用マークの寸法を垂直方向の変位に変換して、前記変換した垂直方向の変位から前記露光領域の像面傾斜を算出するステップを有する請求項１又は２記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記算出するステップは、複数のモニタリング用マークの前記垂直方向の変位を最小二乗近似して、前記露光領域の傾斜面を算出する請求項１から３のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。

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