JP2010258145A - 半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウエハ面内の膜厚分布およびエッチングプロセス変動に応じた寸法のバラツキを制御できるように露光条件を決定する。
【解決手段】中間膜又はレジストの膜厚が異なる複数のウェーハの複数領域に対して、領域間で露光量が異なるように露光を行った後、現像処理及びエッチング処理により、フォトマスク上の第１マスクパターンに対応する第１モニタパターン及び第２マスクパターンに対応する第２モニタパターンを前記複数領域の各々の被加工膜に形成し、第１モニタパターンの寸法が所定範囲内となる場合の第２モニタパターンの寸法をウェーハ毎に取得し、データベースを作成する。デバイス量産工程においてＰＰＥの経時変化により第２マスクパターンに対応するパターンの寸法が変動した場合、データベースを参照し、中間膜又はレジストの膜厚を寸法変動が低減するような値に変更する。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体デバイスの製造方法に関するものである。

ＬＳＩの回路パターンの微細化に伴い、露光用マスクのパターンとウェーハ上で得られるレジストパターンとの間に、パターンの密集度及び周期性に応じた寸法変動や形状変化が生じるという、いわゆる光近接効果（ＯＰＥ：Optical Proximity Effect）が問題になっている。この光近接効果の対策として、ＯＰＥを予め考慮してマスクパターンに補正を加える光近接効果補正（ＯＰＣ：Optical Proximity Correction）が行われている。

ＬＳＩの生産においては、露光装置の性能の経時変化により、ＯＰＥが時間とともに変化することがある。そのため、量産開始前の露光装置に対応するＯＰＣを施したマスクを使用していると、時間の経過に伴い、密集パターン及び／又は孤立パターンの寸法差（疎密寸法差）が生じるという問題があった。また、複数の露光装置を用いて同種のＬＳＩ製品を量産する際においても、装置間でのＯＰＥが微妙に異なるため、前記のようなパターン寸法疎密差が生じるという問題もあった。

このような問題を解決するため、露光装置の使用に伴うＯＰＥ変化、又は装置各々のＯＰＥの違いに対して照明形状等の機械設定を変更し、疎密寸法差を低減する方法が知られている（例えば特許文献１、２、３参照）。これにより、異なるＯＰＣを施したマスクを準備する必要性が低減する。

また、加工パターンのアスペクト比が増大するとエッチング速度が低下するというマイクロローディング効果により、パターン種によってエッチング後のパターン寸法が変動することが知られている。このような効果とＯＰＥとを併せた効果は、プロセス近接効果（ＰＰＥ：Process Proximity Effect）と呼ばれる。ＰＰＥの影響を予め考慮してマスクパターンに補正を加えるプロセス近接効果補正（ＰＰＣ：Process Proximity Correction）が行われている（特許文献４参照）。

このＰＰＥは複数の要因により変化し得る。上記のようなマスクパターンを補正する方法では、量産工程においてＰＰＥの変化に伴うパターン寸法誤差が発生した場合に、速やかに誤差を低減できないことがある。そのため、量産工程のダウンタイムが長くなり、半導体デバイスの生産性が低下するという問題があった。

特開２００２−３２９６４５号公報 特開２００５−１５８８１９号公報 特開２００４−２８１５５７号公報 特開２００５−３１６１３４号公報

本発明は、半導体デバイスの生産性を向上させ、製造コストを削減できる半導体デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

第１のウェーハに第１の被加工膜、第１の中間膜及び第１のフォトレジストを積層し、第１のマスクパターン及び第２のマスクパターンが形成された第１のフォトマスクに、第１の露光量で光を照射し、投影レンズを介して前記第１のマスクパターン及び前記第２のマスクパターンの像を前記第１のウェーハに投影し、現像処理を行って前記第１のフォトレジストに第１のレジストパターンを形成し、前記第１のレジストパターンに基づいて前記第１の中間膜を加工し、前記第１及び前記第２のマスクパターンの各々に対応する第１及び第２の加工後パターンを前記第１の被加工膜に形成する半導体デバイスの製造方法であって、前記第１の中間膜の特性は、前記第１及び第２の加工後パターンのモニタパターンの寸法又は寸法差との関係に基づいて調整されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、半導体デバイスの生産性を向上させ、製造コストを削減できる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体デバイス製造システムの概略構成図である。 ウェーハに形成される膜構造の例を示す図である。 同第１の実施形態に係る半導体デバイスの製造方法を説明するフローチャートである。 設計パターンの一例を示す図である。 下層膜の膜厚とモニタパターンの寸法との関係の一例を示すグラフである。 レジスト膜及びハードマスクの膜厚とモニタパターンの寸法との関係の一例を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る半導体デバイス製造システムの概略構成図である。 同第２の実施形態に係る半導体デバイスの製造方法を説明するフローチャートである。 露光量及び収差毎のフォーカスオフセットとモニタパターンの寸法との関係の一例を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）図１に本発明の第１の実施形態に係る半導体デバイスの製造システムの概略構成を示す。製造システムは成膜装置１、露光装置２、現像装置３、エッチング装置４、計測装置５、制御装置６、及び記憶装置７を備える。

成膜装置１は、スピンコート法等によりウェーハ上に複数の膜を積層する。例えば、図２（ａ）に示すように、ウェーハ１０上に、被加工膜１１、反射防止膜１２、レジスト膜１３、及び表面保護膜１４を形成する。表面保護膜１４は、後の露光工程において液浸露光が行われる場合に、液浸水がレジスト膜１３へ侵入することを防止したり、レジスト膜１３から液浸水へ各種成分が浸み出すことを防止したりする。

また、図２（ｂ）に示すように、ウェーハ１０上に、被加工膜１１、下層膜１５、ハードマスク１６、レジスト膜１３、及び表面保護膜１４を形成してもよい。ハードマスク１６は光透過性の膜である。また、下層膜１５は一般に不透明な膜であり、ハードマスク１６と下層膜１５が総体として、反射防止膜１２と同様に光の反射防止効果を有する。

成膜装置１は、制御装置６からの膜厚指示に基づいて、各膜の膜厚を調整する。膜厚指示は例えばスピンコートの場合、回転量の指示である。

露光装置２は、照明光学系（二次光源）２１、マスクステージ２２、投影光学系２３、及びウェーハステージ２４を有する。マスクステージ２２は、露光すべき複数のパターンが形成されたパターン面を有するマスク２５を載置する。ウェーハステージ２４は、成膜装置１により複数の膜が積層されたウェーハ１０を載置する。

照明光学系２１から発せられた光はマスク２５、投影レンズ２３を通過して、ウェーハ１０（レジスト膜１３）の上面近傍に結像され、マスクパターンの像が形成される。

露光装置２は、制御装置６からの露光量指示に基づいて、マスク２５の全体の像が投影される一括露光領域毎に露光量を変えながら露光を複数回行う。すなわち、１枚のウェーハ１０には、露光量が異なる一括露光領域が複数存在する。

現像装置３は、露光装置２により露光されたウェーハの現像処理を行い、レジスト膜１３にレジストパターンを形成する。現像装置３による現像処理の前に、図示しないベーク装置を用いてＰＥＢ（Post Exposure Bake）を行ってもよい。

エッチング装置４は、レジストパターンをマスク材として、ドライエッチング又はウェットエッチングを行い、被加工膜１１をパターニングする。図２（ａ）の場合は、レジストパターンをマスクとして、レジストパターンが存在しない領域の反射防止膜１２及び被加工膜１１がエッチングされる。図２（ｂ）の場合は、第１のエッチングにおいてレジストパターンをマスクとしてハードマスク１６がパターニングされ、次に第２のエッチングを行って、レジストが除去されると共にハードマスク１６をマスクとして下層膜１５がパターニングされ、さらに第３のエッチングを行って、ハードマスク１６が除去されると共に下層膜１５をマスクとして被加工膜１１がパターニングされる。

計測装置５は、被加工膜１１に形成されたパターンの寸法を計測する。計測装置５は例えばＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）である。

制御装置６は、計測装置５による寸法計測結果を取得し、成膜装置１への膜厚指示及び露光装置２への露光量指示と関連付けて記憶装置７に格納する。記憶装置７は例えばハードディスク装置である。

このような製造システムを用いた半導体デバイスの製造方法について、図３に示すフローチャートを用いて説明する。なお、本実施形態に係る半導体デバイスの製造方法は、デバイス生産（量産）工程と、生産工程前に行うデータベース作成工程と、を有する。

（ステップＳ３０１）成膜装置１が、複数のウェーハ１０に、生産工程で使用する膜構造と同じ膜構造を積層する。この時、制御装置１０は、ウェーハ間で、膜構造中の複数の膜のうち少なくとも１つの膜の膜厚が異なるように膜厚指示を行う。

ウェーハ間で膜厚を変える膜は、被加工膜より上層の膜とする。例えば、図２（ａ）に示すような膜構造の場合、反射防止膜１２（中間膜）及び／又はレジスト膜１３の膜厚を変える。また、図２（ｂ）に示すような膜構造の場合、下層膜１５（中間膜）、ハードマスク１６（中間膜）、及びレジスト膜１３の少なくともいずれか１つの膜の膜厚を変える。

本実施形態では、図２（ｂ）に示すような膜構造を形成し、下層膜１５の膜厚を変えるものとして説明を行う。

下層膜１５の膜厚が設計条件に基づく基準膜厚となっているウェーハ、下層膜１５の膜厚が前記基準膜厚より小さい膜厚となっているウェーハ、及び下層膜１５の膜厚が前記基準膜厚より大きい膜厚となっているウェーハを準備することが好適である。単純な例としては、下層膜１５の膜厚が前記基準膜厚のウェーハ、下層膜１５の膜厚が前記基準膜厚より２〜３％程度小さくなっているウェーハ、及び下層膜１５の膜厚が前記基準膜厚より２〜３％程度大きくなっているウェーハの３枚のウェーハを準備する。

（ステップＳ３０２）露光装置２が露光を行い、複数のウェーハ１０の各々に対してマスク２５上のマスクパターンを投影する。露光装置２は、制御装置６からの露光量指示に基づいて、各ウェーハ１０に対して、一括露光領域毎に露光量を変えながら露光を行ってもよい。

（ステップＳ３０３）現像装置３が、複数のウェーハ１０の各々に対して現像処理を行い、レジスト膜１３にマスクパターンに対応するレジストパターンを形成する。レジストパターンは一括露光領域毎に形成される。この現像処理で表面保護膜１４は除去される。

（ステップＳ３０４）エッチング装置４が、レジストパターンをマスク材としてエッチングを行い、ハードマスク１６をパターニングする。さらに、エッチング装置４は、レジスト膜１３を除去すると共に、ハードマスク１６に形成されたパターンをマスク材として、下層膜１５をパターニングする。続いて、ハードマスク１６を除去すると共に、下層膜１５に形成されたパターンをマスク材として、被加工膜１１をパターニングする。被加工膜１１にはマスクパターンに対応するパターンが（一括露光領域毎に）形成される。

（ステップＳ３０５）計測装置５が、被加工膜１１に形成されたパターンの寸法を計測する。例えば、計測装置５は、マスク２５上の第１のマスクパターンに対応する被加工膜１１のパターンである第１のモニタパターン、及びマスク２５上の第２のマスクパターンに対応する被加工膜１１のパターンである第２のモニタパターンの寸法を計測する。例えば、第１のマスクパターンは図４に示すセルパターンにおけるスペース部分Ｓｐａｃｅのような密パターンであり、第２のマスクパターンは周辺回路パターンにおけるライン部分Ｉｓｏのような疎パターンである。

（ステップＳ３０６）制御装置６が、計測装置５による第１のモニタパターン及び第２のモニタパターンの寸法計測結果を取得する。そして、制御装置６は、ウェーハ毎に、すなわち下層膜１５の膜厚毎に、第１のモニタパターンの寸法が所望の範囲内となっている時の第２のモニタパターンの寸法を抽出する。

制御装置６は、各ウェーハの中で第１のモニタパターンの寸法が所望の範囲内となっている領域を選択し、この領域における第２のモニタパターンの寸法を抽出する。寸法が所望の範囲内であるモニタパターンを作成するために、例えばウェーハ内に露光量の異なる複数の領域を設けてもよい。

そして、制御装置６は、下層膜１５の膜厚が基準膜厚となっているウェーハから抽出された第２のモニタパターンの寸法を基準寸法とし、基準寸法とその他のウェーハから抽出された第２のモニタパターンの寸法との寸法差を算出する。

算出された寸法差の一例を図５（ａ）に示す。この例では、下層膜１５の膜厚を大きくすると第２のモニタパターンの寸法が小さくなることが分かる。なお、図５（ａ）の原点における膜厚が前記基準膜厚を示す。

制御装置６は下層膜１５の膜厚と第１のモニタパターン及び第２のモニタパターンの寸法との関係を記憶装置７に記憶させ、データベースを作成する。例えば、下層膜１５の膜厚と第１及び第２のモニタパターンの寸法又はそれらの寸法差との関係を記述したデータベースを作成する。また、データベースには露光量との関係をさらに記述してもよい。例えば、前述した第１のモニタパターンが許容範囲となるような露光量毎に、図５（ａ）に示すような下層膜１５の膜厚と第２のモニタパターンの寸法との関係をデータベースに記述することも可能である。また、下層膜１５の膜厚と第１のモニタパターン及び第２のモニタパターンの寸法差との関係を露光量と共に記述してデータベースを作成することもできる。

このステップＳ３０６までがデータベース作成工程であり、ステップＳ３０７以降がデバイス生産（量産）工程となる。

（ステップＳ３０７）成膜装置１が、制御装置６からの膜厚指示に基づいてウェーハに膜構造を積層する。下層膜１５の当初の膜厚は前記基準膜厚となっている。

（ステップＳ３０８）露光装置２が、ウェーハの露光を行う。露光装置２に当初設定されている露光量は、ステップＳ３０６で下層膜１５の膜厚が基準膜厚となっているウェーハから制御装置６が選択した領域に対応する露光量である。すなわち、第１のモニタパターンの寸法が所望の範囲内となるような露光量である。

（ステップＳ３０９）現像装置３が現像処理を行い、レジストパターンを形成する。

（ステップＳ３１０）エッチング装置４が、レジストパターンをマスク材としてエッチングを行い、ハードマスク１６をパターニングする。さらに、エッチング装置４は、レジスト膜１３を除去すると共に、ハードマスク１６に形成されたパターンをマスク材として、下層膜１５をパターニングする。続いて、ハードマスク１６を除去すると共に、下層膜１５に形成されたパターンをマスク材として、被加工膜１１をパターニングする。

（ステップＳ３１１）計測装置５が、被加工膜１１に形成される前記第１及び第２のマスクパターンに対応するパターンの寸法を定期的に計測する。

（ステップＳ３１２）制御装置６が、ステップＳ３１１における寸法計測結果から、前記第１及び第２のマスクパターンに対応するパターン寸法又は／及び寸法差が許容範囲内であるか否かを判定する。許容範囲内の場合はステップＳ３１５へ進む。許容範囲内でない場合は、ステップＳ３１３へ進む。

（ステップＳ３１３）制御装置６は、ステップＳ３０６で作成したデータベースを参照して、寸法変動を抑制する下層膜１５の膜厚を求める。例えば、第２のマスクパターンに対応するパターン寸法が小さくなっていた場合、図５（ａ）からパターン寸法を大きくするように、すなわち下層膜１５の膜厚を小さくすればよいことがわかる。

例えば、第２のマスクパターンに対応するパターン寸法がΔｙ小さくなっていた場合、パターン寸法をΔｙ大きくする必要がある。図５（ｂ）から、下層膜１５の膜厚をΔｘ小さくすればよいことが分かる。制御装置６は、下層膜１５の膜厚を（基準膜厚−Δｘ）とするように成膜装置１へ膜厚指示を出す。

（ステップＳ３１４）制御装置６は、前記データベースを参照して、ステップＳ３０６で下層膜１５の膜厚が（基準膜厚−Δｘ）となっているウェーハに対する適切な露光量を求め、この露光量が設定されるよう露光装置２へ露光量指示を出す。ここで、適切な露光量は、設定変更した下層膜１５の膜厚条件において、第１のマスクパターンに対応するパターン寸法が許容範囲となるような露光量をＳ３０６で作成したデータベースから読み取ることで得られる。一方、Ｓ３０６で作成したデータベースを参照して下層膜１５の膜厚を再設定した後、露光量を複数変化させてリソグラフィ実験を行い、第１のマスクパターンに対応するパターン寸法を計測し、計測寸法が許容範囲となる露光量を求めることもできる。

なお、第１のマスクパターンに対応するパターン寸法が許容範囲内に収まっていない場合、第１及び第２のマスクパターンに対応するパターン寸法差が許容範囲に収まっていない場合も同様、Ｓ３０６のデータベースを参照して、下層膜１５の膜厚条件を再設定することが可能である。このときの適切な露光量についても同様、Ｓ３０６のデータベースを参照するか、実験を通じて設定することができる。

（ステップＳ３１５）デバイス製造を続ける場合はステップＳ３０７へ戻る。

ステップＳ３１１及びＳ３１２において、ＰＰＥの経時変化に伴う寸法誤差の発生を検出できる。また、寸法誤差が発生した場合、予め（ステップＳ３０６で）作成したデータベースを参照し、誤差を低減するような膜厚指示を行う。

ＰＰＥの経時変化は原因が不明であったり、複数の要因が存在したりして、原因の改善が困難な場合がある。上記のような方法を用いることで、ＰＰＥの経時変化の発生原因の解明を行わず、膜構造の膜厚を微調整するだけで、寸法誤差を抑制できる。従って、ＰＰＥの経時変化によるデバイス生産（量産）工程のダウンタイムを削減できる。

このように、本実施形態による半導体システムの製造方法により、半導体デバイスの生産性を向上させ、製造コストを削減できる。

上記実施形態では、下層膜１５の膜厚を変えていたが、ハードマスク１６や、レジスト膜１３の膜厚を変えてもよい。ハードマスク１６及びレジスト膜１３の膜厚と前記第２のモニタパターンの寸法との関係の一例を図６に示す。デバイス生産（量産）工程においてＰＰＥの経時変化に伴う寸法誤差が発生した場合は、このような関係を参照して膜厚を調整することで、寸法誤差を低減できる。

上記実施形態では、マスク２５の全体の像が投影される一括露光領域毎に露光量を変えながら露光を複数回行うとしたが、露光量を変えると同時にフォーカスオフセットも一括露光領域毎に変えて露光を行い、フォーカスオフセットに対するいずれかのパターンのレジスト寸法の変化率が微小になるフォーカスオフセット条件をベストフォーカスと定義し、ベストフォーカス条件で露光されたパターンのみを用いて、ステップＳ３０６以降を実行してもよい。

上記第１の実施形態では、露光装置のＰＰＥの経時変化に伴う転写パターン間の寸法差の変化を抑制する方法を説明したが、装置間でのＰＰＥの違いにより生じる転写パターン間の寸法差の違いを抑制することも可能である。すなわち、反射防止膜またはハードマスク及び下層膜の膜厚を同一に設定した複数のウェーハに対して複数の露光装置等を並行して利用してパターンを形成した後、各ウェーハのパターンの寸法又は／及びパターン間寸法差を計測する。その計測値が許容範囲内でなければ、予め作成していたＳ３０６のデータベースを参照して、利用した装置毎に適切な反射防止膜、ハードマスク又は下層膜等の膜厚を再設定し、製造を開始することができる。

（第２の実施形態）図７に本発明の第２の実施形態に係る半導体デバイスの製造システムの概略構成を示す。本実施形態では、制御装置６が、露光装置２に対して露光条件指示を出す。ここで露光条件には、露光量、フォーカスオフセット、及び投影レンズ収差が含まれる。制御装置６は、データベース作成工程において、露光装置２に対して、一括露光領域毎に露光量、フォーカスオフセット、及び投影レンズ収差が異なるように露光条件指示を出す。そして、制御装置６は、寸法計測結果に膜厚指示及び露光条件指示を関連付けてデータベースを作成する。その他の構成は、図１に示す第１の実施形態と同様となっている。図７において、図１に示す第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

このような製造システムを用いた半導体デバイスの製造方法について、図８に示すフローチャートを用いて説明する。なお、本実施形態に係る半導体デバイスの製造方法は、上記第１の実施形態と同様に、デバイス生産（量産）工程と、生産工程前に行うデータベース作成工程と、を有する。

（ステップＳ８０１）成膜装置１が、複数のウェーハ１０に、生産工程で使用する膜構造と同じ膜構造を積層する。この時、制御装置１０は、ウェーハ間で、膜構造中の複数の膜のうち少なくとも１つの膜の膜厚が異なるように膜厚指示を行う。

ウェーハ間で膜厚を変える膜は、上記第１の実施形態と同様に、被加工膜より上層の膜である。ここでは、図２（ｂ）に示すような膜構造を形成し、下層膜１５の膜厚を変えるものとして説明を行う。

また、下層膜１５の膜厚が設計条件に基づく基準膜厚となっているウェーハ、下層膜１５の膜厚が前記基準膜厚より小さい膜厚となっているウェーハ、及び下層膜１５の膜厚が前記基準膜厚より大きい膜厚となっているウェーハを準備することが好適である。単純な例としては、下層膜１５の膜厚が前記基準膜厚のウェーハ、下層膜１５の膜厚が前記基準膜厚より２〜３％程度小さくなっているウェーハ、及び下層膜１５の膜厚が前記基準膜厚より２〜３％程度大きくなっているウェーハの３枚のウェーハを準備する。

（ステップＳ８０２）露光装置２が露光を行い、複数のウェーハ１０の各々に対してマスク２５上のマスクパターンを投影する。露光装置２は、制御装置６からの露光条件指示に基づいて、各ウェーハ１０に対して、一括露光領域毎に露光量、フォーカスオフセット、及び投影レンズ収差を変えながら露光を行う。例えば、露光量、フォーカスオフセット、及び投影レンズ収差がそれぞれ５つの値をとる場合、１２５個の一括露光領域に対して露光条件の異なる露光が行われる。

投影レンズ収差は例えば球面収差である。

（ステップＳ８０３）現像装置３が、複数のウェーハ１０の各々に対して現像処理を行い、レジスト膜１３にマスクパターンに対応するレジストパターンを形成する。レジストパターンは一括露光領域毎に形成される。この現像処理で表面保護膜１４は除去される。

（ステップＳ８０４）エッチング装置４が、レジストパターンをマスク材としてエッチングを行い、ハードマスク１６をパターニングする。さらに、エッチング装置４は、レジスト膜１３の除去後、ハードマスク１６に形成されたパターンをマスク材として、下層膜１５をパターニングする。さらに、エッチング装置４は、ハードマスク１６を除去すると共に下層膜１５をマスク材として、被加工膜１１をパターニングする。被加工膜１１にはマスクパターンに対応するパターンが（一括露光領域毎に）形成される。

（ステップＳ８０５）計測装置５が、被加工膜１１に形成されたパターンの寸法を計測する。例えば、計測装置５は、マスク２５上の第１のマスクパターンに対応する被加工膜１１のパターンである第１のモニタパターン、及びマスク２５上の第２のマスクパターンに対応する被加工膜１１のパターンである第２のモニタパターンの寸法を計測する。例えば、第１のマスクパターンは図４に示すセルパターンにおけるスペース部分Ｓｐａｃｅのような密パターンであり、第２のマスクパターンは周辺回路パターンにおけるライン部分Ｉｓｏのような疎パターンである。

（ステップＳ８０６）制御装置６が、計測装置５による第１のモニタパターン及び第２のモニタパターンの寸法計測結果を取得する。

（ステップＳ８０７）制御装置６が、フォーカスオフセットと寸法計測結果との関係を露光量及び収差毎に求める。例えば図９に示すような関係が取得される。図９では、実線が第１のモニタパターンを示し、破線が第２のモニタパターンを示す。また、ｎ、ｍは２以上の整数を表す。

図９から、露光量やフォーカスオフセットが変わると寸法が変わり、収差が変わるとベストフォーカスが変わることが分かる。なお、ベストフォーカスとは、フォーカスに多少の変動があっても、モニタパターンの加工後寸法が許容範囲内に収まるようなフォーカスをいい、例えば寸法が最大（極大）となるフォーカスを指す。

制御装置６は、露光量及び収差毎に、第１のモニタパターンのベストフォーカス及びその時の寸法と、第２のモニタパターンのベストフォーカス及びその時の寸法とを算出する。制御装置６はこのような処理をウェーハ毎に行う。

（ステップＳ８０８）制御装置６は、ステップＳ８０７で算出した第１のモニタパターンの寸法が所望の範囲内となっており、かつ第１のモニタパターンのベストフォーカスと第２のモニタパターンのベストフォーカスとの差分（ベストフォーカス差）が所定値以下となっている露光量及び収差を抽出する。抽出された露光量及び収差と、この収差に対応する第１のモニタパターンのベストフォーカスを与えるフォーカスオフセットとが、最適な露光条件となる。制御装置６は、このような最適な露光条件をウェーハ毎に求める。

（ステップＳ８０９）制御装置６は、前記最適な露光条件における第１のモニタパターン及び第２のモニタパターンの寸法をウェーハ毎に抽出する。

そして、制御装置６は、下層膜１５の膜厚が基準膜厚となっているウェーハから抽出された第２のモニタパターンの寸法を基準寸法とし、基準寸法とその他のウェーハから抽出された第２のモニタパターンの寸法との寸法差を算出する。算出された寸法差の一例は図５（ａ）のようになる。

制御装置６は、下層膜１５の膜厚と第１のモニタパターン及び第２のモニタパターンの寸法との関係を最適な露光条件と共に記憶装置７に記憶させ、データベースを作成する。

このステップＳ８０９までがデータベース作成工程であり、ステップＳ８１０以降がデバイス生産（量産）工程となる。

（ステップＳ８１０）成膜装置１が、制御装置６の膜厚指示に基づいてウェーハに膜構造を積層する。下層膜１５の当初の膜厚は前記基準膜厚となっている。

（ステップＳ８１１）露光装置２が、ウェーハの露光を行う。露光装置２に当初設定されている露光条件は、ステップＳ８０８で下層膜１５の膜厚が基準膜厚となっているウェーハに対して制御装置６が求めた最適な露光条件である。すなわち、第１のモニタパターンの寸法が所望の範囲内であり、第１のモニタパターンと第２のモニタパターンとのベストフォーカス差が所定値以下となるような露光条件である。

（ステップＳ８１２）現像装置３が現像処理を行い、レジストパターンを形成する。

（ステップＳ８１３）エッチング装置４が、レジストパターンをマスク材としてエッチングを行い、ハードマスク１６をパターニングする。さらに、エッチング装置４は、レジスト膜１３を除去すると共に、ハードマスク１６に形成されたパターンをマスク材として、下層膜１５をパターニングする。続いて、ハードマスク１６を除去すると共に、下層膜１５に形成されたパターンをマスク材としてエッチング処理を行い、被加工膜１１にパターンを形成する。

（ステップＳ８１４）計測装置５が、被加工膜１１に形成される前記第１及び第２のマスクパターンに対応するパターン寸法を定期的に計測する。

（ステップＳ８１５）制御装置６が、ステップＳ８１４における寸法計測結果から、前記第１及び第２のマスクパターンに対応するパターン寸法又は／及び寸法差が許容範囲内であるか否かを判定する。許容範囲内の場合はステップＳ８１９へ進む。許容範囲内でない場合は、ステップＳ８１６へ進む。

（ステップＳ８１６）制御装置６は、ステップＳ８０９で作成したデータベースを参照して、寸法変動を抑制する下層膜１５の膜厚を求める。例えば、第２のマスクパターンに対応するパターン寸法が小さくなっていた場合、図５（ａ）からパターン寸法を大きくするように、すなわち下層膜１５の膜厚を小さくすればよいことがわかる。

例えば、図５（ｂ）に示すように、第２のマスクパターンに対応するパターン寸法がΔｙ小さくなっていた場合、パターン寸法をΔｙ大きくするように、下層膜１５の膜厚をΔｘ小さくすればよい。制御装置６は、下層膜１５の膜厚を（基準膜厚−Δｘ）とするように成膜装置１へ膜厚指示を出す。

（ステップＳ８１７）制御装置６は、データベースから下層膜１５の膜厚が（基準膜厚−Δｘ）であるウェーハに対応する最適な露光条件を求め、露光装置２へ露光条件指示を出す。

（ステップＳ８１８）ステップＳ８１６及びＳ８１７の指示に基づいて被加工膜１１に形成されたパターンの寸法が許容範囲内であるか否かを判定する。許容範囲内の場合はステップＳ８１９へ進む。許容範囲内でない場合は、ステップＳ８１６へ戻り、下層膜１５の膜厚及び露光条件の変更を再度行う。

（ステップＳ８１９）デバイス製造を続ける場合はステップＳ８１０へ戻る。

ステップＳ８１４及びＳ８１５において、ＰＰＥの経時変化に伴う寸法誤差の発生を検出できる。また、寸法誤差が発生した場合、予め（ステップＳ８０９で）作成したデータベースを参照し、誤差を低減するような膜厚指示を行う。

また、レジスト膜１３下方の膜の膜厚を変えた場合、レジスト膜１３の下層における反射光（強度、位相）の角度分布が変化し、ベストフォーカス差の新たな変化を引き起こす。ステップＳ８１７で収差等の露光条件を変更することで、このようなベストフォーカス差を抑制することができる。

ＰＰＥの経時変化は原因が不明であったり、複数の要因が存在したりして、原因の改善が困難な場合がある。上記のような方法を用いることで、ＰＰＥの経時変化の発生原因の解明を行わず、膜構造の膜厚及び露光条件を変更するだけで、寸法誤差及びベストフォーカス差を抑制できる。従って、ＰＰＥの経時変化によるデバイス生産（量産）工程のダウンタイムを削減できる。

このように、本実施形態による半導体システムの製造方法により、半導体デバイスの生産性を向上させ、製造コストを削減できる。

上記第２の実施形態では、露光装置のＰＰＥの経時変化に伴う転写パターン間の寸法差の変化を抑制する方法を説明したが、装置間でのＰＰＥの違いにより生じる転写パターン間の寸法差の違いを抑制することも可能である。すなわち、反射防止膜またはハードマスク及び下層膜の膜厚を同一に設定した複数のウェーハに対して複数の露光装置等を並行して利用してパターンを形成した後、各ウェーハのパターンの寸法又は／及びパターン間寸法差を計測する。その計測値が許容範囲内でなければ、予め作成していたＳ８０９のデータベースを参照して、利用した装置毎に適切な反射防止膜、ハードマスク又は下層膜等の膜厚を再設定し、再設定した膜厚に好適な露光条件に基づいて製造を開始することができる。

上記第２の実施形態において、調整する投影レンズ収差は、球面収差だけでなく、非点収差や４θ収差としてもよい。

上記実施形態において成膜装置１は複数台あってもよい。

上記実施形態では、膜構造中の複数の膜のうち、少なくともいずれか１つの膜の膜厚を調整していたが、屈折率や消衰係数等の膜厚以外の特性を調整するようにしてもよい。屈折率や消衰係数を調整する場合は、膜構成材料に別の材料を加えたり、膜構成材料そのものを変更したりする。

上記実施形態に係る半導体デバイスの製造方法におけるデータベース作成工程（ステップＳ３０１〜Ｓ３０６、ステップＳ８０１〜Ｓ８０９）は、ソフトウェアを用いたシミュレーションにより実行してもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１ 成膜装置
２ 露光装置
３ 現像装置
４ エッチング装置
５ 計測装置
６ 制御装置
７ 記憶装置

Claims (5)

1. 第１のウェーハに第１の被加工膜、第１の中間膜及び第１のフォトレジストを積層し、
   第１のマスクパターン及び第２のマスクパターンが形成された第１のフォトマスクに、第１の露光量で光を照射し、
   投影レンズを介して前記第１のマスクパターン及び前記第２のマスクパターンの像を前記第１のウェーハに投影し、
   現像処理を行って前記第１のフォトレジストに第１のレジストパターンを形成し、
   前記第１のレジストパターンに基づいて前記第１の中間膜を加工し、前記第１及び前記第２のマスクパターンの各々に対応する第１及び第２の加工後パターンを前記第１の被加工膜に形成する半導体デバイスの製造方法であって、
   前記第１の中間膜の特性は、前記第１及び第２の加工後パターンのモニタパターンの寸法又は寸法差との関係に基づいて調整されていることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
2. 前記第１の中間膜の特性と、前記第１及び第２の加工後パターンのモニタパターンの寸法との関係は、
   前記第１の被加工膜、それぞれ特性が異なる前記第１の中間膜、及び前記第１のフォトレジストが積層された複数の第２のウェーハに対して、前記第１のマスクパターン及び前記第２のマスクパターンに対応するパターンを含む複数のパターンが形成された第２のフォトマスクを介して光を照射する工程と、
   現像処理を行って前記第２のウェーハの前記第１のフォトレジストに第２のレジストパターンを形成する工程と、
   前記第２のレジストパターンに基づいて前記第１の中間膜を加工し、前記複数の第２のウェーハの前記第１の被加工膜に、前記複数のパターンに対応する複数のモニタパターンを形成する工程と、
   前記第１のマスクパターンに対応する第１のモニタパターン及び前記第２のマスクパターンに対応する第２のモニタパターンの寸法を計測して計測結果を取得する工程と、
   を実験又はシミュレーションで実施することにより求められることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイスの製造方法。
3. 前記第２のフォトマスクを介して光を照射する工程では、複数の第２のウェーハにおける複数の領域に対して、領域間で露光量、フォーカスオフセット、及び投影レンズ収差が異なる複数の露光条件を用いて光を照射し、
   前記計測結果を取得する工程の後に、前記計測結果に基づいて、前記複数の第２のウェーハの各々について、前記第１のモニタパターンの寸法が所定範囲内の値となる露光量、前記第１のモニタパターンと前記第２のモニタパターンとのベストフォーカス差が所定値以下となる投影レンズ収差、及び前記第１のモニタパターンのベストフォーカスを示すフォーカスオフセットを含む露光条件を選択し、当該露光条件における前記第２のモニタパターンの寸法を算出する工程をさらに実験又はシミュレーションで実施することを特徴とする請求項２に記載の半導体デバイスの製造方法。
4. 前記投影レンズ収差は球面収差、非点収差、及び４θ収差の少なくともいずれか１つであることを特徴とする請求項３に記載の半導体デバイスの製造方法。
5. 前記第１の中間膜の特性は、膜厚、屈折率、及び消衰係数の少なくともいずれか１つであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。

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