JP2009277957A - 半導体デバイスの製造方法および製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】半導体デバイスの製造の露光処理において、事前の点検作業を行うことなく露光プロセス変動によって発生するレジスト寸法および形状ばらつきを低減することができる半導体デバイスの製造方法およびその製造システムを提供する。
【解決手段】半導体デバイスの所定の回路パターンをウエハ上に形成する露光工程において、過去のウエハ上に形成したレジストパターンのレジスト寸法および露光処理時のフォーカス位置を測定し、この測定したレジスト寸法およびフォーカス位置の測定結果を用いて、次に露光処理を行うウエハのレジスト寸法およびフォーカス位置を推定し、この推定したレジスト寸法およびフォーカス位置の推定値を用いて、フォーカス補正値を計算した後、このフォーカス補正値を加味して露光量を計算し、この計算した露光量およびフォーカス補正値を用いて、露光処理を行うウェハ上にレジストパターンを形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイスの製造技術に関し、特に、半導体デバイスに回路パターンを形成する露光工程を有する製造方法およびその製造システムに適用して有効な技術に関する。

本発明者が検討したところによれば、半導体デバイスの製造技術に関し、例えば半導体デバイスの製造では、素子寸法の比例縮小により半導体デバイスの集積度と性能が向上するため、年々、素子寸法の微細化が進んでいる。このような微細加工プロセス技術の進展において、半導体デバイスの電気特性安定化のため、基板ウエハに形成される回路パターンの寸法ばらつき低減がますます重要となっている。特に、トランジスタのゲート寸法ばらつきはトランジスタのしきい値電圧ばらつきの原因となるため、トランジスタのゲート寸法ばらつきを厳しく管理する必要がある。

このように、基板ウエハに形成される回路パターンの寸法ばらつき低減が重要となる中で、半導体デバイスに回路パターンを形成する露光工程を有する製造技術については、例えば特許文献１〜４に記載される技術などが提案されている。

特許文献１では、露光処理におけるフォーカス変動量を高精度に測定するため、基板ウエハ上の高低差のある領域に異なるレジストパターンを形成し、これらのレジスト寸法差からフォーカス位置の変動量を測定している。

特許文献２では、パターン密度によって露光量とフォーカスが変化した際のレジスト寸法変化が異なる現象を利用して、基板ウエハ上にフォーカス測定用のパターン密度の異なる２種類のレジスト形状を形成し、それぞれのレジスト寸法の測定結果よりフォーカス位置の変動量を測定している。

特許文献３では、事前にフォーカスを変えて露光処理を行ったウエハのレジスト寸法をスキャトロメトリにて測定し、その測定結果から最適なフォーカス位置を決定し、露光装置にフォーカス補正値を送信することにより、フォーカス位置を制御している。

特許文献４では、ウエハに関する情報を計測して、ウエハに取り付けられたＩＣタグに書き込み、露光処理時に、ＩＣタグからウエハに関する情報を読み込み、この読み込んだ情報に基づいて露光に関する処理を行っている。
特開２００６−３０４６６号公報 特開２００５−１０９０１６号公報 特開２００６−１２８５７２号公報 特開２００７−１１５７８４号公報

ところで、前記のような半導体デバイスの製造技術に関し、半導体デバイスに回路パターンを形成する露光工程を有する製造技術について、本発明者が検討した結果、以下のようなことが明らかとなった。

例えば、半導体デバイスの製造技術では、半導体デバイスの微細化に伴い、基板ウエハ上に形成される回路パターンの寸法バラツキの要求精度は小さくなっている。レジストパターンを形成する露光処理では、微細化に伴うパターンの解像度向上のため、露光光源の短波長化、投影レンズの高ＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）化が進められている。一方、露光光源の短波長化や投影レンズの高ＮＡ化により、露光処理における転写パターンの焦点深度が小さくなっている。そのため、パターン寸法の微細化に伴い、露光処理においてはレジスト寸法だけでなく露光処理時のフォーカス位置の管理が必要となっている。

前記特許文献１および２では、フォーカス測定用の複数のレジストパターンを基板ウエハ上に形成し、それらのレジスト寸法の測定結果より露光処理時のフォーカス位置を測定している。これらの方法では、フォーカス位置を管理したレジストパターンとは異なる専用パターンを使用するため、フォーカス測定結果が、対象とするレジストパターンにおけるフォーカス位置を示すとは限らない。

また、前記特許文献３では、事前にフォーカスを変化させて露光処理を行ったウエハを作成し、フォーカス変化に対するレジスト寸法を測定することにより最適なフォーカス位置を決定している。フォーカスを変化させて露光処理を行ったウエハは、実際の製品として使用することができず、実際の製品の露光処理におけるフォーカス位置の変動を測定することはできない。

また、前記特許文献４では、ウエハに関する情報を計測して、ウエハに取り付けられたＩＣタグに書き込んでいる。この書き込まれる情報として、フォーカス補正情報、露光量補正情報などがあるが、これらの情報が、計測した値からどのようにして露光処理の情報として求めるのかのアルゴリズムが明らかになっていない。

そこで、本発明では、半導体デバイスの製造の露光処理において、露光処理時のレジスト寸法およびフォーカス位置の変動を補正するため、実製品のウエハに転写されたレジスト形状のレジスト寸法およびフォーカス位置を測定し、その測定結果を用いて、フォーカス補正値、露光量の順に露光装置の制御パラメータを逐次調整することで、事前の点検作業を行うことなく露光プロセス変動によって発生するレジスト寸法および形状ばらつきを低減することができる半導体デバイスの製造方法およびその製造システムを提供することを目的とするものである。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

すなわち、代表的なものの概要は、半導体デバイスの製造方法およびその製造システムに適用され、半導体デバイスの所定の回路パターンをウエハ上に形成する露光工程において、過去のウエハ上に形成したレジストパターンのレジスト寸法および露光処理時のフォーカス位置を測定し、この測定したレジスト寸法およびフォーカス位置の測定結果を用いて、次に露光処理を行うウエハのレジスト寸法およびフォーカス位置を推定し、この推定したレジスト寸法およびフォーカス位置の推定値を用いて、フォーカス補正値を計算した後、このフォーカス補正値を加味して露光量を計算し、この計算した露光量およびフォーカス補正値を用いて、露光処理を行うウェハ上にレジストパターンを形成するものである。

具体的な半導体デバイスの製造システムは、半導体デバイスの製造の露光処理におけるレジスト形状（寸法、高さ、断面形状等）および露光処理時のフォーカス位置の測定結果が収納される第１のデータベースと、露光処理時に設定された露光条件（露光量とフォーカス補正値等）が登録される第２のデータベースと、半導体デバイスの製造の各工程における製造仕様（レジスト形状およびフォーカス位置の目標値等）が収納される第３のデータベースと、レジスト寸法およびフォーカス位置の制御モデル式が登録される第４のデータベースと、過去のレジスト寸法およびフォーカス位置の測定履歴を用いて露光処理の該当ウエハのレジスト寸法およびフォーカス位置の変動量を計算し、露光処理の該当ウエハのレジスト寸法およびフォーカス位置を目標値に追い込むように、露光処理の該当ウエハのレジスト寸法およびフォーカス位置の変動量およびレジスト寸法およびフォーカス位置の制御モデル式を用いて、露光処理の該当ウエハの露光量およびフォーカス補正値を計算する露光条件制御処理部から構成される。

この半導体デバイスの製造システムを構成する露光条件制御処理部における各処理ステップとして、
（１）露光処理を行うウエハの半導体デバイスの種類、工程、露光装置に該当する過去のウェハのレジスト寸法およびフォーカス位置の測定結果を取得するステップと、
（２）前記（１）ステップで取得した測定結果を用いて、露光処理を行うウエハのレジスト寸法およびフォーカス変動値を計算するステップと、
（３）露光処理を行うウエハの半導体デバイスの種類、工程に該当するレジスト寸法およびフォーカス位置の目標値を取得するステップと、
（４）露光処理を行うウエハの半導体デバイスの種類、工程、露光装置に該当するレジスト寸法およびフォーカス位置の制御モデル式を取得するステップと、
（５）前記（２）ステップで計算した露光処理を行うウエハのフォーカス変動値および、前記（３）ステップにて取得した目標値および前記（４）ステップにて取得した制御モデル式を用いて、露光処理を行うウエハのフォーカス補正値を計算するステップと、
（６）前記（５）ステップで計算したフォーカス補正値によるレジスト寸法の変化値を計算するステップと、
（７）前記（２）ステップで計算した露光処理を行うウエハのレジスト寸法およびフォーカス変動値および、前記（６）ステップで計算したレジスト寸法の変化値および、前記（３）ステップにて取得した目標値および前記（４）ステップにて取得した制御モデル式を用いて、露光処理を行う体ウエハの露光量を計算するステップとを有し、
前記（１）ステップから前記（７）ステップまでを順次実行することにより、露光条件の制御処理を行い、その露光条件を用いて露光処理を実施する。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

すなわち、代表的なものによって得られる効果は、半導体デバイスの製造の露光処理におけるレジスト寸法および形状を安定化させるため、実製品のウエハに転写されたレジスト形状のレジスト寸法およびフォーカス位置を測定し、その測定結果を用いて、フォーカス補正値、露光量の順に露光装置の制御パラメータを逐次調整することで、事前の点検作業を行うことなく露光プロセス変動によって発生するレジスト寸法および形状ばらつきを低減することができる。この結果、半導体デバイスの動作特性を向上させ、かつ露光装置の稼働率を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

以下の説明においては、まず、本発明のような半導体デバイスの製造技術に適用する実施の形態の概要を説明し、次に、本発明の特徴を示す実施の形態の各内容を具体的に説明する。

＜実施の形態の概要＞
図２は、半導体デバイスの製造におけるパターン転写方法を示す図であり、基板ウエハ上の被エッチング膜に回路パターンを形成する方法を示している。

まず、ホトリソグラフィ工程にてウエハ上の感光性樹脂であるホトレジスト（以下、レジスト）膜に回路パターンを転写する。この際、まず、レジスト膜をウエハ上に塗布する（レジスト塗布処理）。次に、露光装置を用いて回路パターンの光学像をレジスト膜に転写する（露光処理）。その後、現像処理にてレジストパターンを形成する。エッチング工程では、ホトリソグラフィ工程で形成したレジストパターンをマスクとして、ウエハ上の被エッチング膜に回路パターンを形成する。また、被エッチング膜が多層の場合、エッチング処理を複数に分けて行うこともある。その際、レジストパターンだけでなく、事前にエッチングされた被エッチング膜を次回のエッチング時のマスクとすることもある。同図に示すように、転写パターンの寸法ばらつきの原因は、大きくホトリソグラフィ工程とエッチング工程に分離される。それぞれのホトリソグラフィ工程とエッチング工程において、転写パターンの寸法管理が行われている。

図３は、縮小投影型露光装置の構成を示す図であり、ホトリソグラフィ工程の露光処理で使用されるレンズスキャニング方式の縮小投影型露光装置（スキャナ）の構成を示している。

露光装置では、光源から照明系を通って照射される入射光がガラス基板（マスクと呼ばれる）に描画された回路パターンにて回折し、縮小投影レンズを経由してウエハ上のレジスト膜に縮小投影される。レンズスキャニング方式では、マスク全面を一括に入射光を照射するのではなく、マスクの内ある幅を持ったスリット部のみが照射される。露光処理時は、マスク上のスリット部がウエハステージと同期して走査しマスク全面の露光処理を行っている。

図４は、スキャトロメトリを用いたパターン形状の測定方法を示す図であり、光学式形状測定装置の一つであるスキャトロメトリの計測原理を示している。

基板ウエハ上の繰り返しパターン領域に白色光を入射させ、その正反射光の分光強度分布（スペクトル波形）を検出する。そして、波動光学シミュレーションにより所定のパターン断面形状におけるスペクトル波形と実測のスペクトル波形のマッチングを行い、パターン断面を推定する。そして、レジスト形状は露光量やフォーカス位置によって変化することを利用して、予め、同一ウエハの露光ショット毎に露光量とフォーカスを変えて露光処理を行ったウエハを作成し、スキャトロメトリにて設定露光量、フォーカス毎のレジスト形状を測定する。次に、この測定結果を用いてフォーカス変化に対するパターン形状変化の関係を数式化し、各レジストパターンの断面形状パラメータを入力値とするフォーカス予測式を作成する。量産におけるフォーカス計測では、スキャトロメトリを用いて該当ウエハのレジスト形状を計測し、先に導出したフォーカス予測式を用いてフォーカス位置を計算している。

図５は、露光装置の制御パラメータとレジスト寸法の関係を示す図であり、露光装置の制御パラメータである「露光量」と「フォーカス補正値」とレジスト寸法の関係を示している。

露光装置におけるレジストパターンの寸法制御において、レジストパターン形状はレジスト種類・膜厚、露光装置の照明条件（開口数ＮＡ、照明コヒーレンシーσ）、現像条件（温度、時間）などの多くのパラメータに依存するが、多くのパラメータは開発段階にてその条件を決定するため、量産段階でのレジスト形状の制御パラメータとはなりえない。量産段階では、レジスト形状（寸法や側壁角）を所定の値にするため、同一ウエハの露光ショット毎に露光装置の入力パラメータである「露光量」と「フォーカス補正値」を変えて露光処理を行ったウエハを作成し、それぞれのショットにおけるレジスト形状を測定し、所定のレジスト形状となる「露光量」と「フォーカス補正値」を決定する。レジスト形状の測定手法として、一般的にレジストパターンの上面から電子線照射しその２次電子像よりレジスト寸法を測定する走査型電子顕微鏡ＣＤ−ＳＥＭ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ−Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）が用いられる。量産段階では、ＣＤ−ＳＥＭにより測定されたレジスト寸法を用いて、目標とする寸法からのズレ量を露光量の調整により逐次補正している。露光処理時のフォーカス位置の調整は、フォーカス補正値の変更により、ウエハステージが投影レンズ垂直方向に駆動して行う。

図５に示すように、露光装置の制御パラメータである「露光量」と「フォーカス補正値」とレジスト寸法の関係において、レジスト寸法は露光量の変化に対し単調変化している。これは、露光量の変化によりレジスト膜に照射されるエネルギー量が変わるためである。一方、フォーカス補正値に対してはベストフォーカス位置を中心に２次変化していることがわかる。つまり、フォーカス位置の調整により、レジスト寸法が変化するため、レジスト寸法とフォーカス位置が同時に変動した際、「露光量」と「フォーカス補正値」を独立の補正では、十分にレジスト寸法を目標値に追い込むことができない。

そこで、本実施の形態では、半導体デバイスの製造の露光処理において、露光処理時のレジスト寸法およびフォーカス位置の変動を補正するため、実製品のウエハに転写されたレジスト形状のレジスト寸法およびフォーカス値（フォーカス位置）を測定し、その測定結果を用いて、フォーカス補正値、露光量の順に露光装置の制御パラメータを逐次調整する半導体デバイスの製造方法およびその製造システムを提供する。以下において、実施の形態の各内容を具体的に説明する。

＜半導体デバイスの製造方法＞
図１は、本発明の一実施の形態である半導体デバイスの製造方法を示すフローチャートである。

まず、基板ウエハ上にレジスト膜を塗布する処理Ｓ１０１を実施する。この際、レジスト膜の下層に反射防止膜を塗布する場合もある。次に、露光装置において処理対象ウエハにマスク上の描画された回路パターンを転写する露光処理Ｓ１０２を実施する。露光処理Ｓ１０２を行う際、露光条件制御処理部Ｓ１０６では、過去のレジスト寸法（ＣＤとも記す）およびフォーカス位置の測定結果の履歴から現時点のレジスト寸法およびフォーカス位置の変動値を計算する処理Ｓ１０７および、前記Ｓ１０７にて算出したフォーカス位置の変動値を用いてフォーカス補正値を計算する処理Ｓ１０８および、前記Ｓ１０８で算出したフォーカス補正値によるレジスト寸法の変化量を計算する処理Ｓ１０９および、前記Ｓ１０７で算出したレジスト寸法の変動値および前記Ｓ１０９で算出したフォーカス補正値によるレジスト寸法の変化量を用いて露光量を計算する処理Ｓ１１０を実施し、露光処理Ｓ１０２では、算出された露光量とフォーカス補正値を用いて該当ウエハの露光処理を行う。

次に、現像処理Ｓ１０３を実施し、ウエハ上にレジストパターンを形成する。形状測定Ｓ１０４において、形成されたレジストパターン形状を測定する。レジスト形状測定では光学式の形状測定装置を用いる。また、レジストパターンの寸法に関しては、光学式の形状測定装置だけでなく、ＣＤ−ＳＥＭの測定結果を用いてもよい。フォーカス推定処理Ｓ１０５において、前記Ｓ１０４にて測定した該当ウエハのレジストパターン形状の測定結果を用いて、前記Ｓ１０２の該当ウエハの露光処理におけるフォーカス位置を計算する。その後、該当ウエハは次工程に進む。

図６は、露光処理におけるレジストパターンの断面形状の一例を示す図である。

本事例における膜構造は、下からシリコン（Ｓｉ）基板、ポリシリコン膜、反射防止膜、レジスト膜の構成となっている。半導体デバイスの種類によっては、反射防止膜を使用しない場合もある。レジストパターンの断面形状は台形形状で近似化される。レジスト形状のパラメータとして、台形上部の寸法である「トップＣＤ」、台形下部の寸法である「ボトムＣＤ」、台形の高さである「レジスト膜厚」、台形の上辺および下辺を結ぶ線と下辺との角度である「レジスト側壁角」がある。これらのレジスト形状パラメータは、光学式形状測定装置であるスキャトロメトリにて、測定することができる。なお、レジストパターンの断面形状を複数の台形形状に分離して近似化してもよい。

図７は、露光装置の制御パラメータとレジスト形状および露光処理時のフォーカス位置の関係を示す図である。

露光処理を、露光装置の制御パラメータである露光量およびフォーカス補正値を入力し、ＣＤとフォーカスを出力として、その関係をグラフ化している。露光量とフォーカス補正値を変化させて露光処理を行い、その際のレジスト形状を測定した結果、露光量とボトムＣＤの間に強い相関が見られ、露光量とトップＣＤおよびレジスト膜厚の関係に弱い相関が見られた。一方、フォーカス補正値は、レジスト側壁各との間に強い相関が見られ、ボトムＣＤとの間に中程度の相関が見られ、トップＣＤおよびレジスト膜厚との間に弱い相関が見られた。また、露光処理時のフォーカス位置はレジスト形状パラメータであるトップＣＤ、ボトムＣＤ、レジスト膜厚、レジスト側壁角を変数とする多項式から計算される。

このような相関関係において、フォーカス位置をベストフォーカスにするため、フォーカス補正値を変更する際、フォーカス補正値との相関が強いレジスト側壁角が変化する。同時に、レジスト側壁角と比べると感度は低いが、フォーカス補正値との相関が中程度のボトムＣＤも変化する。一方、露光量の変更は主にボトムＣＤに影響を与え、レジスト側壁角は変化しない。この場合、目標とするレジスト寸法、フォーカスを満足する露光量とフォーカス補正値は必ずしも一意には決まらず、ある露光量とフォーカス補正値の組合せとなる。そこで、本実施の形態では、補正値がレジスト側壁角とボトムＣＤに影響を与えているのに比べ、露光量がボトムＣＤのみに影響を与えている関係に着目して、図１に示す通り、まずフォーカス補正値を計算した後、このフォーカス補正値によるＣＤ変化量を加味した露光量の計算を行う２段階の制御処理を行っている。

図８は、図１の露光条件制御処理部Ｓ１０６における処理フローを示すフローチャートである。

ステップＳ２０１において、今回露光処理を行うウエハの半導体デバイスの製品（種類、品種とも記す）、工程（露光工程とも記す）、装置（露光装置とも記す）、マスク番号を取得する。製品、露光工程、露光装置、マスク番号といった情報は、露光処理を行うウエハ番号を元に半導体デバイス製造全体の情報を管理する製造管理システムから取得することができる。

ステップＳ２０２において、前記ステップＳ２０１にて取得した製品、露光工程、露光装置、マスク番号における過去の測定結果データを取得する。同一製品および露光工程において露光マスクが一枚しかない場合には、マスク番号をデータの取得条件から除外してもよい。また、露光マスクの製造誤差が十分に小さい場合には同様に制御モデルの取得条件から除外してもよい。測定データには、ロット番号、ウエハ番号、該当ウエハの累積処理番号、使用したマスク番号に対応したレジスト形状およびフォーカス測定値が含まれている。

レジスト形状として、図６に示すようなトップＣＤ、ボトムＣＤ、レジスト膜厚、レジスト側壁角などがある。また、図６に示すレジスト形状の場合、フォーカス値は（１）式により算出される。各係数ａ１〜ａ５は、事前に露光量およびフォーカスを変化させた際におけるレジスト形状の測定結果の最小二乗近似により算出される。

フォーカス値＝ａ１×トップＣＤ＋ａ２×ボトムＣＤ＋ａ３×レジスト膜厚
＋ａ４×レジスト側壁角＋ａ５ …（１）
ステップＳ２０３において、前記ステップＳ２０２にて取得した過去の測定結果データを用いて今回の露光処理におけるレジスト寸法（ＣＤ）およびフォーカス変動値を算出する。レジスト寸法およびフォーカスの連続的な変動に対しては、例えば（２）式で示す指数重み付け移動平均処理などを行い、レジスト寸法およびフォーカス変動値を計算する。

今回の変動推定値＝λ×直前の測定結果＋（１−λ）×直前の変動推定値 …（２）
この他、移動平均処理により、レジスト寸法およびフォーカス変動値を計算してもよい。また、同一ロット内の連続露光処理の順序に応じてレジスト寸法または、フォーカスが経時変動する場合、今回露光処理を行うウエハの処理順序と一致する測定結果データのみを用いてレジスト寸法およびフォーカス変動値を計算する。レジスト寸法およびフォーカスを測定していない処理順序におけるレジスト寸法およびフォーカス変動値を計算する際には、実際に測定を行った処理順序毎の推移から近似式を作成し、測定していない処理順序におけるレジスト寸法およびフォーカス変動値を推定する。例えば、４近の多項式近似の場合、処理順序番号をＸ、レジスト寸法およびフォーカス変動値をＹとした際、Ｙ＝ａ４×Ｘ^４＋ａ３×Ｘ^３＋ａ２×Ｘ^２＋ａ１×Ｘ＋ａ０となる。多項式の次数は、ロット内のレジスト寸法およびフォーカス変動値の傾向に応じて変更することができる。

ステップＳ２０４では、前記ステップＳ２０１にて取得した製品、露光工程に該当するレジスト寸法およびフォーカスの目標値を取得する。

ステップＳ２０５では、前記ステップＳ２０１にて取得した製品、露光工程、露光装置、マスク番号に該当する予め作成していたレジスト寸法およびフォーカスの制御モデルを取得する。同一製品および露光工程において露光マスクが一枚しかない場合には、マスク番号を制御モデルの取得条件から除外してもよい。また、露光マスクの製造誤差が十分に小さい場合には同様に制御モデルの取得条件から除外してもよい。フォーカスの制御モデルは、（３）式となる。

フォーカス補正値の変化量＝フォーカス変動値−目標値 …（３）
一方、レジスト寸法は、露光量とフォーカス補正値に対して（４）式の通り、露光量とフォーカス補正値に相互依存している。

レジスト寸法＝ｆ（露光量、フォーカス補正値） …（４）
露光量の変化量＝ｆ^−１（レジスト変動値−目標値、フォーカス補正値） …（５）
例えば、レジスト寸法と露光量、フォーカス補正値との関係は、（６）式で示す露光量３次、フォーカス２次の応答曲面モデルとなる。

ここで、ｘはフォーカス補正値、ｙは露光量である。各係数ｂ_１１〜ｂ_２３（ｂ_ｌｍ，ｌ＝１〜２，ｍ＝１〜３）は、事前に露光量およびフォーカスを変化させて露光処理を行ったウエハにおけるレジスト寸法の測定結果を最小二乗近似することにより算出することができる。

ステップＳ２０６において、前記ステップＳ２０４にて取得した露光処理対象ウエハのフォーカスの目標値および、前記ステップＳ２０５にて取得したフォーカスの制御モデルの式より、露光処理対象ウエハの設定のためのフォーカス補正値を計算する。

ステップＳ２０７では、前記ステップＳ２０６にて算出したフォーカス補正値によるレジスト寸法の変化量を（４）式を用いて計算する。レジスト寸法と露光量、フォーカス補正値との関係を（５）式で示す露光量３次、フォーカス２次の応答曲面モデルとした場合は、フォーカス調整によるレジスト寸法の変化量は、（７）式となる。

ここで、ｘは調整前のフォーカス補正値、Δｘはフォーカス補正値の変化量、ｙは露光量である。

ステップＳ２０８では、前記ステップＳ２０４にて取得した露光処理対象ウエハのレジスト寸法の目標値および、前記ステップＳ２０５にて取得したレジスト寸法の制御モデルの式および、前記ステップＳ２０７にて計算したフォーカス調整によるレジスト寸法の変化量を用いて、露光処理対象ウエハの設定のための露光量を計算する。

＜半導体デバイスの製造システム＞
図９は、本発明の第１の実施の形態である半導体デバイスの製造システムの全体構成を示すブロック図である。

図９において、半導体デバイスの製造システムは、データベース部２およびデータ演算処理部３からなる露光条件制御処理部１と、複数（１〜Ｙ）の露光装置５からなる露光装置群４と、複数（１〜Ｘ）のマスク７からなるマスク群６と、複数（１〜Ｚ）の形状測定装置９からなる形状測定装置群８と、製造管理システム１０などから構成される。

露光装置群４は、少なくても１台以上の露光装置５から構成されている。なお、露光装置５は、パターン転写を行う投影光学系を持つ装置である。露光装置群４は、データ演算処理部２およびデータベース部２から構成される露光条件制御処理部１に接続されている。また、露光装置群４は、半導体デバイスの製造ライン全体を管理する製造管理システム１０に接続されている。なお、露光処理対象ウエハの半導体デバイスの種類（製品）、工程、露光装置、マスク番号、ロット番号、ウエハ番号について、例えば、ウエハに形成されている製品番号を読み取ることによって入力し、製造管理システム１０からネットワークを介して送信することが可能である。

マスク群６は、少なくても１枚以上のマスク７から構成されており、露光装置群４および製造管理システム１０に接続されている。半導体デバイスの種類（製品）、露光工程で使用するマスクは、例えば、マスクに形成されている番号を読み取ることによって、製造管理システム１０からネットワークを介して取得することが可能である。また、同一の製品、露光工程において複数のレチクルが存在することもある。

形状測定装置群８は、少なくても１台以上の形状測定装置９から構成されており、露光条件制御処理部１および製造管理システム１０に接続されている。

データベース部２は、半導体デバイスの種類（製品）、露光工程、露光装置、マスク番号、ロット・ウエハ番号に対応した設定露光量および設定フォーカス補正値が収納される露光条件実績データベース２１および、製品、工程、製造装置、マスク番号、ロット・ウエハ番号に対応した測定データ（例えば、レジスト寸法、フォーカスなど）が蓄積される測定結果実績データベース２２および、製品、工程に対応した半導体デバイスの規格（例えば、レジスト寸法およびフォーカスの目標値など）が登録されている製造仕様データベース２３および、製品、工程、露光装置、マスク番号に対応したレジスト寸法およびフォーカスの制御モデル式が登録されている制御モデルデータベース２４から構成される。

データ演算処理部３は、露光条件計算処理部３１および、フォーカス推定計算処理部３２、レジスト寸法（ＣＤ）・フォーカス変動値計算処理部３３および入出力インターフェイス３４から構成される。

フォーカス推定計算処理部３２は、入出力インターフェイス３４を介して測定データが収集された際、レジスト形状の測定データからフォーカスを計算し、データベース部２に登録する。

レジスト寸法・フォーカス変動値計算処理部３３は、データベース部２から取得したデータに基づいて、今回露光処理対象ウエハのレジスト寸法およびフォーカス変動値を計算し、データベース部２に登録する。

露光条件計算処理部３１は、データベース部２から取得した最新のレジスト寸法およびフォーカス変動値を用いて、今回露光処理対象ウエハの露光量およびフォーカス補正値の設定値を算出し、演算結果を入出力インターフェイス３４を介して露光装置群４に送信する。

製造管理システム１０は、半導体デバイスの製造における各工程における製造実績（ロット・ウエハ番号、製造装置の名称および着工開始、終了日時など）の蓄積および、製造フローの管理ならびに、次工程の製造指示等を行っている。

図１０は、本発明の第２の実施の形態である半導体デバイスの製造システムの全体構成を示すブロック図である。なお、図９と等価な部分には同じ符号を付してある。

第２の実施の形態では、データベース部２およびデータ演算処理部３から構成される露光条件制御処理部１が製造管理システム１０内に組み込まれており、この製造管理システム１０で各処理が実施される。

図１１は、本発明の第３の実施の形態である半導体デバイスの製造システムの全体構成を示すブロック図である。なお、図９と等価な部分には同じ符号を付してある。

第３の実施の形態では、データベース部２およびデータ演算処理部３から構成される露光条件制御処理部１が各露光装置５内に組み込まれており、この各露光装置５で各処理が実施される。

図１２は、本発明の第４の実施の形態である半導体デバイスの製造システムの全体構成を示すブロック図である。なお、図９と等価な部分には同じ符号を付してある。

第４の実施の形態では、データベース部２およびデータ演算処理部３から構成される露光条件制御処理部１が各形状測定装置９内に組み込まれており、この各形状測定装置９で各処理が実施される。

図１３は、図１の露光処理Ｓ１０２において、露光条件の指示を行う出力画面の一例を示す図である。

露光処理を行う半導体デバイスの種類（製品名称）、露光工程、露光装置、マスク番号および、露光処理対象ウエハのロット番号、ウエハ番号における設定の露光量およびフォーカス補正値が表示される。なお、出力画面は、露光装置５、製造管理システム１０の出力端末、専用の出力端末のいずれかに出力されるものとする。また、出力結果は、露光装置５内の露光処理を制御するプログラムに送られ、出力画面に対応した露光処理が行われる。

＜半導体デバイスの製造システムおよびその製造方法の効果＞
図１４は、本発明の各実施の形態である半導体デバイスの製造システムおよびその製造方法を用いたフォーカス変動した際の露光量およびフォーカス補正値の制御結果を示す図である。（ａ）はフォーカス変動値に対するレジスト寸法の変化を示し、（ｂ）はフォーカス変動値に対するレジスト側壁角の変化を示している。また、図中のひし形は、制御を行わない場合におけるレジスト形状の測定結果である。バツ印は、本発明の各実施の形態を用いた制御結果である。また、比較のため、露光量およびフォーカスを独立に制御した場合の制御結果を三角印で示す。

図１４（ａ）に示すように、レジスト寸法については、フォーカス変動値の変化に対して、制御を行わない場合や露光量およびフォーカスを独立に制御した場合に比べて、本発明の各実施の形態では目標値の近くで変化している。図１４（ｂ）に示すように、レジスト側壁角についても、本発明の各実施の形態の方が、フォーカス変動値の変化に対して目標値の近くで変化している。これらより、フォーカス変動値に対するレジスト寸法およびレジスト側壁角の制御性は、本発明の各実施の形態が最も優れていることがわかる。

図１５は、本発明の各実施の形態である半導体デバイスの製造システムおよびその製造方法を用いた長期的なフォーカス変動の制御結果を示す図である。図１５では、連続する３乃至４データが１ロットに相当し、着工日時に対するフォーカス測定値の変化を示している。ひし形は、制御を行わない場合におけるフォーカスの測定結果である。四角印は、本発明の各実施の形態を用いた制御結果である。

図１５に示すように、本発明の各実施の形態の制御方法により、長期的なロット間および同一のロット内のフォーカス変動が目標値に近づくように制御されている。

以上のように、本発明の各実施の形態である半導体デバイスの製造システムおよびその製造方法によれば、半導体デバイスの製造の露光処理において、過去のレジストパターンの寸法および露光処理時のフォーカス位置の測定履歴を用いて今回の露光処理におけるレジスト寸法およびフォーカス位置の変動値を計算し、レジスト寸法およびフォーカス位置の変動値を補正するようにフォーカス補正値、露光量の順に露光装置の制御パラメータを逐次調整し、露光処理を実施することで、事前の点検作業を行うことなく露光プロセス変動によって発生するレジスト寸法および形状ばらつきを低減することができる。この結果、半導体デバイスの動作特性を向上させ、かつ露光装置の稼働率を向上させることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明の半導体デバイスの製造技術は、特に、半導体デバイスに回路パターンを形成する露光工程を有する製造方法およびその製造システムに利用可能である。

本発明の一実施の形態である半導体デバイスの製造方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施の形態の概要において、半導体デバイス製造におけるパターン転写方法を示す図である。 本発明の一実施の形態の概要において、縮小投影型露光装置の構成を示す図である。 本発明の一実施の形態の概要において、スキャトロメトリを用いたパターン形状の測定方法を示す図である。 本発明の一実施の形態の概要において、露光装置の制御パラメータとレジスト寸法の関係を示す図である。 本発明の一実施の形態において、露光処理におけるレジストパターンの断面形状の一例を示す図である。 本発明の一実施の形態において、露光装置の制御パラメータとレジスト形状および露光処理時のフォーカス位置の関係を示す図である。 本発明の一実施の形態において、露光条件制御処理部における処理フローを示すフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態である半導体デバイスの製造システムの全体構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態である半導体デバイスの製造システムの全体構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態である半導体デバイスの製造システムの全体構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施の形態である半導体デバイスの製造システムの全体構成を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態において、露光条件の指示を行う出力画面の一例を示す図である。 本発明の各実施の形態において、フォーカス変動した際の露光量およびフォーカス補正値の制御結果を示す図であり、（ａ）はフォーカス変動値に対するレジスト寸法の変化を示し、（ｂ）はフォーカス変動値に対するレジスト側壁角の変化を示している。 本発明の各実施の形態において、長期的なフォーカス変動の制御結果を示す図である。

符号の説明

１…露光条件制御処理部、２…データベース部、３…データ演算処理部、４…露光装置群、５…露光装置、６…マスク群、７…マスク、８…形状測定装置群、９…形状測定装置、１０…製造管理システム、
２１…露光条件実績データベース、２２…測定結果実績データベース、２３…製造仕様データベース、２４…制御モデルデータベース、
３１…露光条件計算処理部、３２…フォーカス推定計算処理部、３３…レジスト寸法・フォーカス変動値計算処理部、３４…入出力インターフェイス。

Claims (7)

1. 半導体デバイスの所定の回路パターンを半導体ウエハ上に形成する露光工程を有し、
   前記露光工程は、
   過去の第１の半導体ウエハ上に形成したレジストパターンのレジスト寸法および露光処理時のフォーカス位置を測定する第１の工程と、
   前記第１の工程で測定したレジスト寸法およびフォーカス位置の測定結果を用いて、次に露光処理を行う第２の半導体ウエハのレジスト寸法およびフォーカス位置を推定する第２の工程と、
   前記第２の工程で推定したレジスト寸法およびフォーカス位置の推定値を用いて、前記第２の半導体ウエハのフォーカス補正値を計算した後、このフォーカス補正値を加味して前記第２の半導体ウエハの露光量を計算する第３の工程と、
   前記第３の工程で計算した露光量およびフォーカス補正値を用いて、前記第２の半導体ウェハ上にレジストパターンを形成する第４の工程とを有することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
2. 請求項１記載の半導体デバイスの製造方法において、
   前記第３の工程では、前記第１の半導体ウェハのフォーカス位置の測定結果を用いて計算した前記第２の半導体ウエハのフォーカス変動値が目標値となるように前記フォーカス補正値を計算し、この計算したフォーカス補正値によるレジスト寸法の変化量および前記第１の半導体ウェハのフォーカス位置の測定結果を用いて前記第２の半導体ウエハの前記露光量を計算することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
3. 請求項１記載の半導体デバイスの製造方法において、
   前記第３の工程では、
   （１）前記第２の半導体ウエハの半導体デバイスの種類、工程、露光装置に該当する前記第１の半導体ウェハのレジスト寸法およびフォーカス位置の測定結果を取得するステップと、
   （２）前記（１）ステップで取得した測定結果を用いて、前記第２の半導体ウエハのレジスト寸法およびフォーカス変動値を計算するステップと、
   （３）前記第２の半導体ウエハの半導体デバイスの種類、工程に該当するレジスト寸法およびフォーカス位置の目標値を取得するステップと、
   （４）前記第２の半導体ウエハの半導体デバイスの種類、工程、露光装置に該当するレジスト寸法およびフォーカス位置の制御モデル式を取得するステップと、
   （５）前記（２）ステップで計算した第２の半導体ウエハのフォーカス変動値および、前記（３）ステップにて取得した目標値および前記（４）ステップにて取得した制御モデル式を用いて、前記第２の半導体ウエハのフォーカス補正値を計算するステップと、
   （６）前記（５）ステップで計算したフォーカス補正値によるレジスト寸法の変化値を計算するステップと、
   （７）前記（２）ステップで計算した第２の半導体ウエハのレジスト寸法およびフォーカス変動値および、前記（６）ステップで計算したレジスト寸法の変化値および、前記（３）ステップにて取得した目標値および前記（４）ステップにて取得した制御モデル式を用いて、前記第２の半導体ウエハの露光量を計算するステップとを有し、
   前記（１）ステップから前記（７）ステップまでを順次実行することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
4. 請求項１記載の半導体デバイスの製造方法において、
   前記第３の工程では、フォーカス位置の制御パラメータをフォーカス補正値とするフォーカス位置の制御モデル式および、レジスト寸法の制御パラメータを露光量とフォーカス補正値とする露光量の制御モデル式を用いて、前記第２の半導体ウエハの露光量およびフォーカス補正値の計算を行うことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
5. 請求項１記載の半導体デバイスの製造方法において、
   前記第３の工程では、前記第２の半導体ウエハの着工順序情報に基づいて予め設定した露光装置の着工順序に応じた傾向式を用いて、前記第２の半導体ウエハの露光量およびフォーカス補正値の計算における前記第２の半導体ウエハのレジスト寸法およびフォーカス変動値を計算することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
6. 半導体デバイスの製造の露光処理におけるレジストパターンのレジスト形状および露光処理時のフォーカス位置の測定結果が収納される第１のデータベースと、
   露光処理時に設定された露光条件が登録される第２のデータベースと、
   前記半導体デバイスの製造の各工程における製造仕様が収納される第３のデータベースと、
   レジスト寸法およびフォーカス位置の制御モデル式が登録される第４のデータベースと、
   過去のレジスト寸法およびフォーカス位置の測定履歴を用いて露光処理の該当半導体ウエハのレジスト寸法およびフォーカス位置の変動量を計算し、前記露光処理の該当半導体ウエハのレジスト寸法およびフォーカス位置を目標値に追い込むように、前記露光処理の該当半導体ウエハのレジスト寸法およびフォーカス位置の変動量およびレジスト寸法およびフォーカス位置の制御モデル式を用いて、前記露光処理の該当半導体ウエハの露光量およびフォーカス補正値を計算する露光条件制御処理部とを有することを特徴とする半導体デバイスの製造システム。
7. 請求項６記載の半導体デバイスの製造システムにおいて、
   前記第１のデータベースには、前記レジスト形状として、寸法と高さと断面形状が収納され、
   前記第２のデータベースには、前記露光条件として、露光量とフォーカス補正値が登録され、
   前記第３のデータベースには、前記製造仕様として、レジスト形状およびフォーカス位置の目標値が収納されることを特徴とする半導体デバイスの製造システム。

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