JP2018185452A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Shigeya Toyokawa
滋也 豊川
修平 山口
Shuhei Yamaguchi
修平 山口
晃二 長谷川
Koji Hasegawa
晃二 長谷川
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Abstract

【課題】パターニング不良を高精度で検出する。【解決手段】半導体チップは、モニタパターンに含まれる評価パターンVP1を有する。この評価パターンVP1は、x方向において、互いに対向するパターンP1とパターンP2とからなる。そして、パターンP1は、x方向のうちのパターンP2から離れる方向に突出した凸形状からなる。【選択図】図17

Description

本発明は、半導体装置およびその製造技術に関し、例えば、パターニング不良が顕在化するおそれのある微細化された半導体装置に適用して有効な技術に関する。
国際公開WO2006−098023号(特許文献1)には、TEG(Test Element Group)と呼ばれる検査用回路や検査用パターンに関する技術が記載されている。
国際公開WO2006−098023号
例えば、半導体装置では、高集積化や小型化を実現するために、半導体装置を構成するデバイス構造や配線構造の微細化が行なわれている。この点に関し、半導体装置の微細化が進むと、フォトリソグラフィ技術を使用したパターニング工程において、パターニング不良が生じやすくなる。このことから、半導体装置の微細化に伴って顕在化するパターニング不良を高精度に検出することが望まれている。
その他の課題と新規な特徴は、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。
一実施の形態における半導体装置は、モニタパターンを含む。このモニタパターンは、第1方向において、互いに対向する第1パターンと第2パターンとからなる評価パターンを有する。そして、第1パターンは、第1方向のうちの第2パターンから離れる方向に突出した凸形状からなる。
一実施の形態によれば、パターニング不良を高精度で検出することができる。
実施の形態1における半導体チップのレイアウト構成を示す図である。 ロジック回路を構成するトランジスタを含む模式的なデバイス構造を示す断面図である。 実施の形態1における半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図3に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図4に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図5に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図6に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図7に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図8に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。 配線を形成する工程の流れを示すフローチャートである。 配線パターンのパターニング不良を検査する工程の流れを示すフローチャートである。 関連技術におけるモニタパターンの平面レイアウト構成を示す模式図である。 評価パターンとして、最小線幅と最小スペース幅を有するラインアンドスペースのパターンを示す写真である。 評価パターンとして、最小スペース間隔で形成された微細ドットパターンを示す写真である。 (a)は、ベストフォーカス点でパターニングされた回路パターンの一部を示す図であり、(b)は、焦点位置が変動した状態でパターニングされた回路パターンの一部を示す図である。 実施の形態1におけるモニタパターンの模式的な平面レイアウト構成を示す図である。 図16の一部領域に形成されている評価パターンを拡大して示す模式図である。 図16の一部領域に形成されている評価パターンを拡大して示す模式図である。 (a)は、ベストフォーカス点でパターニングされた回路パターンの一部を示す図であり、(b)は、ベストフォーカス点でパターニングされた第1評価パターンを示す図であり、(c)は、ベストフォーカス点でパターニングされた第2評価パターンを示す図である。 (a)は、焦点位置が変動した状態でパターニングされた回路パターンの一部を示す図であり、(b)は、焦点位置が変動した状態でパターニングされた第1評価パターンを示す図であり、(c)は、焦点位置が変動した状態でパターニングされた第2評価パターンを示す図である。 評価パターンの変形例を示す模式図である。 評価パターンの変形例を示す模式図である。 評価パターンの変形例を示す模式図である。 フォトリソグラフィ技術における露光処理において、照射単位である1度の露光領域を示す1ショットを模式的に示す図である。 所定数のチップ領域のそれぞれに複数のモニタパターンを配置する例を示す模式図である。 半導体チップ(チップ領域)に複数のモニタパターンを配置する例を示す模式図である。
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
また、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。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
(実施の形態1)
<半導体チップのレイアウト構成>
図1は、本実施の形態1における半導体チップCHPのレイアウト構成を示す図である。図1に示すように、本実施の形態1における半導体チップCHPは、矩形形状をしており、例えば、アナログ回路1が形成されたアナログ回路領域と、アナログ回路1を制御するロジック回路2が形成されたロジック回路領域と、入出力回路(I/O回路)3が形成されたI/O回路領域とを含んでいる。そして、本実施の形態1における半導体チップCHPでは、角部近傍にモニタパターンQCが形成されている。
<デバイス構造>
次に、本実施の形態1における半導体チップCHPに形成されているロジック回路2を構成するデバイス構造について、図面を参照しながら説明する。
図2は、ロジック回路2を構成するトランジスタを含む模式的なデバイス構造を示す断面図である。図2に示すように、半導体基板1Sには、素子分離領域STIが形成されており、この素子分離領域STIで区画された活性領域に電界効果トランジスタが形成されている。具体的に、図2では、ロジック回路2を構成する基本的な構成要素であるCMOSトランジスタが図示されている。すなわち、図2に示すように、活性領域には、pチャネル型電界効果トランジスタQpと、nチャネル型電界効果トランジスタQnとが形成されている。
そして、pチャネル型電界効果トランジスタQpとnチャネル型電界効果トランジスタQnとを覆う半導体基板1S上に、窒化シリコン膜SNFが形成され、かつ、この窒化シリコン膜SNF上に酸化シリコン膜OXFが形成されている。これらの窒化シリコン膜SNFと酸化シリコン膜OXFとによって、コンタクト層間絶縁膜CILが形成されている。
続いて、図2に示すように、コンタクト層間絶縁膜CILには、コンタクト層間絶縁膜CILを貫通して、半導体基板1Sの表面に達するプラグPLG1が形成されている。具体的に、コンタクト層間絶縁膜CILには、pチャネル型電界効果トランジスタQpのソース領域やドレイン領域に達するプラグPLG1が形成されているとともに、nチャネル型電界効果トランジスタQnのソース領域やドレイン領域に達するプラグPLG1が形成されている。
次に、図2に示すように、プラグPLG1が形成されたコンタクト層間絶縁膜CIL上には、例えば、アルミニウム膜やアルミニウム合金膜から構成される配線WL1が形成されている。さらに、コンタクト層間絶縁膜CIL上に形成された配線WL1を覆うように、例えば、酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜IL1が形成されており、この層間絶縁膜IL1には、層間絶縁膜IL1を貫通して、配線WL1に達するプラグPLG2が形成されている。
そして、図2に示すように、プラグPLG2を形成した層間絶縁膜IL1上には、例えば、アルミニウム膜やアルミニウム合金膜から構成される配線WL2が形成されている。さらに、配線WL2を覆うように、層間絶縁膜IL1上には、例えば、酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜IL2が形成され、かつ、この層間絶縁膜IL2には、層間絶縁膜IL2を貫通するプラグPLG3が形成されている。次に、プラグPLG3を形成した層間絶縁膜IL2上には、配線WL3が形成されており、この配線WL3を覆うように、例えば、酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜IL3が形成されている。そして、層間絶縁膜IL3上には、例えば、窒化シリコン膜からなる表面保護膜(パッシベーション膜)PASが形成されている。以上のようにして、図2に示すようなデバイス構造を有するロジック回路2が半導体チップCHP(図1参照)に形成されていることになる。
<デバイス構造の製造方法>
続いて、半導体チップCHPに形成されているデバイス構造の製造方法について、図面を参照しながら簡略化して説明することにする。まず、図3に示すように、半導体基板1Sを用意する。そして、例えば、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用することにより、半導体基板1S内に複数の半導体領域を形成する。その後、図3に示すように、半導体基板1Sの表面に酸化シリコン膜を形成した後、この酸化シリコン膜上に、窒化シリコン膜からなるマスク膜MSFを形成する。そして、例えば、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、マスク膜MSFをパターニングする。次に、パターニングしたマスク膜MSFをハードマスクにして、半導体基板1Sの一部をエッチングする。これにより、図4に示すように、半導体基板1Sの表面にマスク膜MSFに整合した溝DITが形成される。その後、半導体基板1Sの表面に形成された溝DITの内部に埋め込むように絶縁膜(酸化シリコン膜)を形成した後、半導体基板1Sの表面上に形成された不要な絶縁膜を除去して、溝DITの内部にだけ絶縁膜を残存させる。これにより、溝DITに絶縁膜を埋め込んだ構造を有する素子分離領域を形成することができる。この素子分離領域で区画された半導体基板1Sの領域が活性領域となる。
次に、図5に示すように、半導体基板1Sの表面に、例えば、酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜GOXを形成した後、ゲート絶縁膜GOX上にポリシリコン膜PFを形成する。ポリシリコン膜PFは、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法を使用することにより形成することができる。続いて、図示はしないが、pチャネル型電界効果トランジスタとnチャネル型電界効果トランジスタとの両方でしきい値電圧を下げることができる構造であるデュアルゲート構造を形成する。このため、例えば、イオン注入法を使用することにより、pチャネル型電界効果トランジスタ形成領域に形成されているポリシリコン膜PFにp型不純物(アクセプタ)を導入するとともに、nチャネル型電界効果トランジスタ形成領域に形成されているポリシリコン膜PFにn型不純物(ドナー)を導入する。その後、図6に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、ポリシリコン膜PFをパターニングする。これにより、pチャネル型電界効果トランジスタ形成領域にゲート電極GE1を形成することができるとともに、nチャネル型電界効果トランジスタ形成領域にゲート電極GE2を形成することができる。
続いて、図示は省略するが、例えば、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用することにより、ゲート電極GE1に整合したエクステンション領域を半導体基板1S内に形成し、かつ、ゲート電極GE2に整合したエクステンション領域を半導体基板1S内に形成する。そして、ゲート電極GE1の両側の側壁に、例えば、酸化シリコン膜からなるサイドウォールスペーサを形成し、かつ、ゲート電極GE2の両側の側壁にも、サイドウォールスペーサを形成する。次に、例えば、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用することにより、ゲート電極GE1の両側の側壁に形成されたサイドウォールスペーサに整合して、半導体基板1S内に、pチャネル型電界効果トランジスタのソース領域の一部あるいはドレイン領域の一部を構成する半導体領域を形成する。同様に、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を使用することにより、ゲート電極GE2の両側の側壁に形成されたサイドウォールスペーサに整合して、半導体基板1S内に、nチャネル型電界効果トランジスタのソース領域の一部あるいはドレイン領域の一部を構成する半導体領域を形成する。そして、図7に示すように、ゲート電極GE1およびゲート電極GE2の低抵抗化と、ソース領域およびドレイン領域の低抵抗化を図るため、シリサイド膜を形成する。このようにして、図7に示すように、半導体基板1Sのpチャネル型電界効果トランジスタ形成領域にpチャネル型電界効果トランジスタQpを形成し、かつ、半導体基板1Sのnチャネル型電界効果トランジスタ形成領域にnチャネル型電界効果トランジスタQnを形成することができる。
次に、図8に示すように、半導体基板1S上に形成されたpチャネル型電界効果トランジスタQpとnチャネル型電界効果トランジスタQnを覆うように、窒化シリコン膜SNFを形成し、この窒化シリコン膜SNF上に酸化シリコン膜OXFを形成する。窒化シリコン膜SNFおよび酸化シリコン膜OXFは、例えば、CVD法を使用することにより形成することができる。このとき、窒化シリコン膜SNFと酸化シリコン膜OXFとにより、コンタクト層間絶縁膜CILが形成される。
その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、層間絶縁膜CILに、コンタクト層間絶縁膜CILを貫通するコンタクトホールを形成し、このコンタクトホール内を含むコンタクト層間絶縁膜CIL上にタングステン膜を形成する。そして、例えば、化学的機械的研磨法を使用することにより、コンタクト層間絶縁膜CIL上に形成されている不要なタングステン膜を除去する一方、コンタクトホール内にだけタングステン膜を残存させることにより、コンタクトホール内にタングステン膜を埋め込んだプラグPLG1を形成する。
次に、図8に示すように、プラグPLG1を形成したコンタクト層間絶縁膜CIL上に導体膜CF1を形成する。この導体膜CF1は、例えば、アルミニウム膜やアルミニウム合金膜から形成され、例えば、スパッタリング法を使用することにより形成できる。
続いて、図9に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、導体膜CF1をパターニングして、配線WL1を形成する。これ以降の工程は、省略する。以上のようにして、電界効果トランジスタと配線とを含むデバイス構造を形成することができる。
ここで、第1層配線である配線WL1を形成する工程に着目して、配線WL1を形成する工程の詳細について説明する。図10は、配線WL1を形成する工程の流れを示すフローチャートである。まず、図10において、層間絶縁膜(コンタクト層間絶縁膜CIL)上に導体膜(導体膜CF1)を形成する(S101)。この導体膜は、例えば、アルミニウム膜やアルミニウム合金膜から構成され、例えば、スパッタリング法を使用することにより形成することができる。
次に、例えば、スピン塗布法を使用することにより、導体膜上にレジスト膜を塗布する(S102)。その後、導体膜上に塗布されたレジスト膜に対して、露光処理を実施する(S103)。そして、露光処理を施したレジスト膜に対して、現像処理を実施する(S104)。これにより、レジスト膜のパターニングが完了する(S105)。
続いて、パターニングされたレジスト膜をマスクとして、導体膜をエッチングする(S106)。これにより、パターニングされた導体膜からなる配線パターン(配線)と、モニタパターンを形成することができる(S107)。そして、モニタパターンに含まれる評価パターンに基づいて、配線パターンのパターニング不良を検査する(S108)。
以下では、配線パターンのパターニング不良を検査する工程について説明する。図11は、配線パターンのパターニング不良を検査する工程の流れを示すフローチャートである。図11に示すように、まず、モニタパターンに含まれる評価パターンにパターニング不良が存在するか検査する(S201)。例えば、本来は離れて形成されているパターンが、繋がって形成されている場合には、ショート不良に対応するパターニング不良が存在することになる。ここで、モニタパターンに含まれる評価パターンにパターニング不良が存在するか否かを検査する(S202)。このとき、評価パターンにパターニング不良が存在する場合、評価パターンと同工程で形成された配線パターンにパターニング不良が存在すると判断する(S203)。一方、評価パターンにパターニング不良が存在しない場合、評価パターンと同工程で形成された配線パターンにパターニング不良が存在しないと判断する(S204)。以上のように、本実施の形態1では、配線パターンと同工程で形成されたモニタパターンに含まれる評価パターンにパターニング不良が存在するか否かを検査することによって、配線パターンにパターニング不良が発生しているか否かを検査している。したがって、モニタパターンに含まれる評価パターンの選定は、配線パターンのパターニング不良を検査する上で重要であることがわかる。
<評価パターンの重要性>
以上のように、本実施の形態1では、例えば、配線工程に着目すると、製品パターンの一部を構成する配線パターンと同工程で、製品パターンではないモニタパターンを形成し、モニタパターンに含まれる評価パターンにパターニング不良が発生しているか否かを検査することにより、配線パターンのパターニング不良を検査している。このことから、モニタパターンに含まれる評価パターンは、配線パターンのパターニング不良を忠実に反映したパターンであることが重要である。すなわち、評価パターンにパターニング不良が発生している場合には、配線パターンにパターニング不良が確実に発生している一方、評価パターンにパターニング不良が発生していない場合には、配線パターンにパターニング不良が発生していないという対応関係が成立していることが、配線パターンのパターニング不良を高精度に検出する観点から重要である。
そこで、以下では、まず、関連技術における評価パターンでは、評価パターンと同工程で形成された製品パターンの一部との間で必ずしも高精度でパターニング不良に関する対応関係が成立していないことを説明する。その後、この関連技術における改善の余地について説明した後、この改善の余地に対する工夫を施した本実施の形態1における技術的思想について説明することにする。
<関連技術の説明>
図12は、関連技術におけるモニタパターンMPの平面レイアウト構成を示す模式図である。図12に示すように、関連技術におけるモニタパターンMPには、製品内ランダムパターンやロジックパターンやメモリパターンに代表される様々な種類のパターンが含まれているが、実際の検査工程では、モニタパターンMPに含まれる一部の評価パターンを使用して、モニタパターンと同工程で形成された製品パターンの一部におけるパターニング不良の検査が実施される。
例えば、図13は、評価パターンとして、最小線幅と最小スペース幅を有するラインアンドスペースのパターンを使用する例を示している。すなわち、最小線幅と最小スペース幅を有するラインアンドスペースのパターンは、最も繋がってパターニング不良を引き起こす可能性が高いことから、この最小線幅と最小スペース幅を有するラインアンドスペースを評価パターンとして使用することによって、製品パターンに生じるパターニング不良を高精度で検出できると考えられる。
また、例えば、図14は、評価パターンとして、最小スペース間隔で形成された微細ドットパターンを使用する例を示している。この場合も、微細ドットパターンも、繋がってパターニング不良を引き起こす可能性が高いことから、この最小線幅と最小スペース幅を有するラインアンドスペースを評価パターンとして使用することによって、製品パターンに生じるパターニング不良を高精度で検出できると考えられる。
以上のように、関連技術では、図13に示すラインアンドスペースのパターンや、図14に示す微細ドットパターンを評価パターンとして使用することにより、製品パターンに生じるパターニング不良を検査している。
<改善の検討>
ところが、本発明者が検討したところ、図13に示すラインアンドスペースのパターンや、図14に示す微細ドットパターンを評価パターンとして使用するだけでは、製品パターンに生じるパターニング不良を高精度に検出することが困難であることを見出したので、以下では、この点について説明する。
関連技術では、図13に示すラインアンドスペースのパターンや、図14に示す微細ドットパターンにパターニング不良が発生している場合には、製品パターンの一部にもパターニング不良が発生しているとみなす検査工程を採用している。
ここで、本発明者の検討によると、例えば、フォトリソグラフィ技術における露光処理の焦点位置が変動すると、本来は離れて形成されるべき第1パターンと第2パターンとが、繋がってしまうパターニング不良が製品パターンの中で発生しまうことが明らかになった。ところが、焦点位置が変動する場合であっても、図13に示すラインアンドスペースのパターンや、図14に示す微細ドットパターンにパターニング不良が発生しなかった。このことは、図13に示すラインアンドスペースのパターンや、図14に示す微細ドットパターンを評価パターンに採用し、この評価パターンのパターニング不良の存否に基づいて、製品パターンの一部のパターニング不良を検出することが困難になることを意味する。なぜなら、図13に示すラインアンドスペースのパターンや、図14に示す微細ドットパターンにおいて、パターニング不良が発生していなくても、製品パターンの一部にパターニング不良が発生している状況では、評価パターンに基づく製品パターンのパターニング不良の検査は意味をなさないからである。
すなわち、本発明者は、製品パターンの中には、図13に示すラインアンドスペースのパターンや、図14に示す微細ドットパターンよりもパターニング不良が起こりやすい箇所が存在することを見出したのである。つまり、製品パターンの中には、図13に示すラインアンドスペースのパターンや、図14に示す微細ドットパターンよりも焦点位置の変動に敏感である形状が存在することが明らかになったのである。この場合、関連技術のように、図13に示すラインアンドスペースのパターンや、図14に示す微細ドットパターンを評価パターンとして使用するだけでは、製品パターンに生じるパターニング不良を高精度に検出することが困難であることになる。例えば、図15(a)は、ベストフォーカス点でパターニングされた回路パターンの一部を示す図であり、この図15(a)では、矢印で示す位置が離れていることがわかる。一方、図15(b)は、焦点位置が変動した状態でパターニングされた回路パターンの一部を示す図である。図15(b)の矢印で示すように、本来は離れているべきパターンが繋がってしまい、パターニング不良を引き起こしていることがわかる。
このように関連技術においては、モニタパターンに含まれる評価パターンと製品パターンとの間でパターニング不良に関する対応関係が充分ではなく、評価パターンを使用して、製品パターンのパターニング不良を高精度に検出することができないという改善の余地が存在する。すなわち、関連技術では、焦点位置の変動に起因する製品パターンのパターニング不良を高精度に検出することができる評価パターンを採用していない点に改善の余地が存在するのである。
そこで、本実施の形態1では、焦点位置の変動に起因する製品パターンのパターニング不良を高精度に検出することができる工夫を施している。以下では、この工夫を施した本実施の形態1における技術的思想について説明する。
<実施の形態1におけるモニタパターン>
まず、本実施の形態1における「モニタパターン」の定義について説明する。本実施の形態1において、「モニタパターン」とは、製品パターンとは別のパターンであって、製品パターンの一部分に対応した形状を有するパターンとして定義される。そして、本実施の形態1における半導体チップには、本来の製品パターンの他に、上述した定義の「モニタパターン」も形成されている。そして、「モニタパターン」には、製品パターンのパターニング不良を検出するために使用される「評価パターン」を含んでいる。
図16は、本実施の形態1におけるモニタパターンMP1の模式的な平面レイアウト構成を示す図である。図16において、本実施の形態1におけるモニタパターンMP1では、図12に示す関連技術におけるモニタパターンMPに加えて、領域RAで囲む評価パターンを追加している。それ以外の点において、図16に示す本実施の形態1におけるモニタパターンMP1は、図12に示す関連技術におけるモニタパターンMPと同等である。
図17は、図16の領域RAに形成されている評価パターンVP1を拡大して示す模式図である。図17において、本実施の形態1における評価パターンVP1は、x方向(第1方向)において、互いに対向するパターン(第1パターン)P1とパターン(第2パターン)P2とからなる。このとき、パターンP1は、x方向のうちのパターンP2から離れる方向に突出した凸形状から構成されている。一方、パターンP2は、x方向のうちのパターンP1から離れる方向に突出した凸形状から構成されている。
例えば、本実施の形態1において、製品パターンは、半導体基板1S(図2参照)の上方に形成された第1層配線パターン(図2の配線WL1)を有しており、モニタパターンは、例えば、第1層配線パターン(図2の配線WL1)と同層で形成されている。
図18は、図16の領域RAに形成されている評価パターンVP2を拡大して示す模式図である。図18において、本実施の形態1における評価パターンVP2は、x方向(第1方向)において、互いに対向するパターン(第1パターン)P1とパターン(第2パターン)P2とからなる。このとき、パターンP1は、x方向のうちのパターンP2から離れる方向に突出した凸形状から構成されている。一方、パターンP2は、矩形形状から構成されている。
図19(a)は、ベストフォーカス点でパターニングされた回路パターンの一部を示す図である。一方、図19(b)は、ベストフォーカス点でパターニングされた評価パターンVP1を示す図であり、図19(c)は、ベストフォーカス点でパターニングされた評価パターンVP2を示す図である。図19(a)〜(c)に示すように、ベストフォーカス点でのパターニングにおいては、回路パターンPPの一部にパターニング不良は生じていないとともに、評価パターンVP1および評価パターンVP2においても、パターニング不良が生じていないことがわかる。したがって、まず、ベストフォーカス点でパターニングに着目した場合、評価パターンVP1および評価パターンVP2は、回路パターンPPの一部のパターニング不良を検出するために使用することができる。
図20(a)は、焦点位置が変動した状態でパターニングされた回路パターンPPの一部を示す図である。一方、図20(b)は、焦点位置が変動した状態でパターニングされた評価パターンVP1を示す図であり、図20(c)は、焦点位置が変動した状態でパターニングされた評価パターンVP2を示す図である。図20(a)〜(c)に示すように、焦点位置が変動した状態でのパターニングにおいては、回路パターンPPの一部にパターニング不良が生じているとともに(図20(a)内の矢印)、評価パターンVP1および評価パターンVP2においても、パターニング不良が生じているこがわかる(図20(b)〜(c)の矢印)。したがって、焦点位置が変動した状態でのパターニングに着目した場合も、評価パターンVP1および評価パターンVP2は、回路パターンPPの一部のパターニング不良を検出するために使用できる。
以上のことから、本実施の形態1におけるモニタパターンMP1に追加した評価パターンVP1および評価パターンVP2を使用して、回路パターンPPでのパターニング不良を検出することによって、焦点位置の変動に起因する製品パターンPPのパターニング不良を高精度に検出することができることがわかる。
<実施の形態1における特徴>
次に、本実施の形態1における特徴点について説明する。本実施の形態1における特徴点は、例えば、図17に示す評価パターンVP1や図18に示す評価パターンVP2を含むモニタパターンMP1(図16参照)を使用して、製品パターンの一部にパターニング不良が存在するか否かを検出する点にある。すなわち、本実施の形態1における特徴点は、評価パターンVP1や評価パターンVP2にパターニング不良が存在する場合には、製品パターンの一部にパターニング不良が存在すると判断する一方、評価パターンVP1や評価パターンVP2にパターニング不良が存在しない場合には、製品パターンの一部にパターニング不良が存在しないと判断する点にある。これにより、本実施の形態1における特徴点によれば、焦点位置が変動した状態でパターニングされた製品パターンの一部にパターニング不良が存在するか否かを高精度に検出することができる。なぜなら、例えば、図19(a)〜(c)および図20(a)〜(c)に示すように、本実施の形態1で採用している評価パターンVP1および評価パターンVP2におけるパターニング不良の存否は、製品パターンの一部のパターニング不良の存否と正確に一致するからである。
このように、本実施の形態1における特徴点の技術的意義は、わずかな焦点位置の変動によって引き起こされる製品パターンの一部のパターニング不良の存否を正確に反映する評価パターンを見出したことにあり、これによって、製品パターンの一部にパターニング不良が存在するか否かを高精度に検出することができるのである。
特に、本実施の形態1では、図17に示す評価パターンVP1や図18に示す評価パターンVP2を例示しているように、わずかな焦点位置の変動によって引き起こされる製品パターンの一部のパターニング不良の存否を正確に反映する評価パターンを具体的に提示している点で大きな技術的意義を有する。すなわち、本実施の形態1における特徴点によれば、関連技術からでは得ることのできない顕著な効果を奏する構成を、基本思想とともに具体的構成も提示している点で、大きな技術的意義を有する。
ただし、本実施の形態1における基本思想は、わずかな焦点位置の変動によって引き起こされる製品パターンの一部のパターニング不良の存否を正確に反映する評価パターンを提供することにある。そして、この基本思想に従う様々な具体的な構成によれば、図17に示す評価パターンVP1や図18に示す評価パターンVP2に限らず、製品パターンの一部にパターニング不良が存在するか否かを高精度に検出することができるという顕著な効果を得ることができるのである。つまり、本実施の形態1における基本思想は、図17に示す評価パターンVP1や図18に示す評価パターンVP2が、焦点位置が変動した状態でパターニングされた場合に敏感に反応することを見出した点を契機にしてなされたものである。そして、この技術的意義は、図17に示す評価パターンVP1や図18に示す評価パターンVP2は、図13に示すラインアンドスペースのパターンや、図14に示す微細ドットパターンを評価パターンよりも、焦点位置が変動した状態でパターニングされた場合に敏感に反応する結果、わずかな焦点位置の変動によっても、パターニング不良が顕在化する点を見出したことが契機となっている。このことは、定性的に言えば、ラインアンドスペースや微細ドットパターンよりも、評価パターンVP1や評価パターンVP2には、凸部が多く、焦点位置の変動によって、凸部が膨らみながらぼける傾向をあることが考慮されている。すなわち、凸部を有する評価パターンVP1や評価パターンVP2が膨らみやすいことから、評価パターンVP1や評価パターンVP2は、凸部の存在しないラインアンドスペースや微細ドットパターンよりも、繋がってしまうというパターニング不良が生じやすくなるという理由づけで理解できる。すなわち、本実施の形態1における基本思想は、図17に示す評価パターンVP1や図18に示す評価パターンVP2のように凸部を有する評価パターンであれば、わずかな焦点位置の変動によって引き起こされる製品パターンの一部のパターニング不良の存否を正確に反映する評価パターンとなるのである。例えば、本実施の形態1における基本思想を具現化するその他の具体的な構成として、図21に示す評価パターンVP3や、図22に示す評価パターンVP4を挙げることができる。例えば、図21に示す評価パターンVP3は、x方向(第1方向)において、互いに対向するパターンP1とパターンP2とを有し、パターンP1は、第1方向のうちのパターンP2に近づく方向に突出した凸形状からなる。さらに、図23に示す評価パターンVP5は、図17に示す評価パターンVP1を矩形形状の微細ドットパターンの組み合わせによって実現する例である。具体的に、図23に示す評価パターンVP5は、x方向(第1方向)において、互いに対向するパターンP1とパターンP2とを有する。そして、パターンP1は、3つの微細ドットパターンを重ね合わせることにより実現され、かつ、パターンP2も、3つの微細ドットパターンを重ね合わせることにより実現される。例えば、図17に示す評価パターンVP1は、配線工程(第1層配線形成工程、第2層配線形成工程、第3層配線形成工程)に使用することができる。また、例えば、図23に示す評価パターンVP5は、素子分離溝形成工程やゲート電極パターン形成工程に使用することができる。
<具体的な適用工程>
続いて、本実施の形態1における基本思想を適用できる具体的な製造工程について説明する。本実施の形態1における基本思想は、(a)複数のチップ領域を有する半導体基板を準備する工程と、(b)半導体基板の上方に膜を形成する工程と、(c)膜をパターニングする工程と、(d)パターニングされた膜を検査する工程とを備える半導体装置の製造工程に適用することができる。特に、(a)工程で準備される半導体基板の複数のチップ領域のそれぞれは、製品パターンが形成される製品領域と、製品パターンとは別のモニタパターンであって、製品パターンの一部分に対応した形状を有する前記モニタパターンが形成されるモニタ領域とを含む。このとき、(c)工程では、製品領域に、製品パターンの一部を構成する製品構成パターンを形成し、かつ、モニタ領域に、モニタパターンを形成する。そして、モニタパターンは、第1方向(x方向)において、互いに対向する第1パターンと第2パターンとからなる評価パターンを有し、第1パターンは、第1方向のうちの第2パターンから離れる方向に突出した凸形状からなる。ここで、(d)工程では、モニタ領域に形成されているモニタパターンに含まれる評価パターンに基づいて、製品領域に形成されている製品構成パターンのパターニング不良を検査する。
例えば、(d)工程は、評価パターンにおいて、第1パターンと第2パターンとが繋がっている場合に、製品構成パターンにパターニング不良が発生していると判断する工程を含んでいる。さらに、(c)工程では、フォトリソグラフィ技術を使用する。
具体的に、(c)工程は、(c1)膜上にレジスト膜を塗布する工程と、(c2)レジスト膜に対して露光処理を施す工程と、(c3)前記(c2)工程の後、レジスト膜に対して現像処理を施す工程と、(c4)前記(c3)工程の後、パターニングされたレジスト膜をマスクにして、膜をエッチングすることにより、膜をパターニングする工程とを有する。そして、(c2)工程では、複数のチップ領域のうちの所定数のチップ領域を1ショットの単位にして、レジスト膜に対する露光処理を実施する。
<<配線工程への適用>>
(b)工程は、半導体基板の上方に形成された層間絶縁膜上に導体膜を形成する工程であり、(c)工程は、層間絶縁膜上に配線パターンを形成する工程である。すなわち、本実施の形態1における基本思想は、例えば、図8〜図9に示す配線工程に適用できる。
<<素子分離領域形成工程への適用>>
また、(b)工程は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程であり、(c)工程は、半導体基板に素子分離溝を形成するためのマスクパターンを形成する工程である。すなわち、本実施の形態1における基本思想は、例えば、図3〜図4に示す素子分離溝形成工程に適用することができる。
<<ゲート電極形成工程への適用>>
さらに、(b)工程は、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜上に導体膜を形成する工程であり、(c)工程は、ゲート絶縁膜上にゲート電極パターンを形成する工程である。すなわち、本実施の形態1における基本思想は、例えば、図5〜図6に示すゲート電極形成工程に適用することができる。この場合、製品パターンは、ゲート絶縁膜を介して、半導体基板上に形成されたゲート電極パターンを有し、モニタパターンは、ゲート電極パターンと同層で形成されている。
(実施の形態2)
前記実施の形態1における基本思想は、焦点位置の変動に起因する製品パターンのパターニング不良を高精度に検出するという目的を実現する思想である。これに対し、本実施の形態2の基本思想は、焦点位置の場所依存性に起因する製品パターンのパターニング不良を高精度に検出するという目的を実現することを前提として、前記実施の形態1における基本思想とは異なるアプローチの思想である。
図25は、フォトリソグラフィ技術における露光処理において、照射単位である1度の露光領域を示す1ショットSRを模式的に示す図である。図25に示すように、1ショットSRには、半導体基板(半導体ウェハ)内の複数のチップ領域CRが含まれている、すなわち、フォトリソグラフィ技術における露光処理では、所定数のチップ領域CRに対して、同時に露光処理を実施する。
この点に関し、1ショットSRは、所定数のチップ領域SRを含む広い領域である。そして、露光処理は、露光装置に配置されたマスクを縮小レンズ系によって、1ショットSRに含まれる所定数のチップ領域SRにマスクパターンを照射する。このとき、縮小レンズ系では、レンズ収差が生じることから、例えば、1ショットSRの中央領域に配置されているチップ領域SRでの焦点位置と、1ショットSRの端部領域に配置されているチップ領域SRでの焦点位置とは、収差の影響によって変動する可能性がある。このことから、焦点位置の場所依存性によって、例えば、1ショットSRの中央領域に配置されているチップ領域CRにおいては、製品パターンにパターニング不良が発生していなくても、1ショットSRの端部領域に配置されているチップ領域CRにおいては、製品パターンにパターニング不良が生じる可能性がある。
したがって、例えば、1ショットSR内の1箇所にだけモニタパターンが形成されている場合は、モニタパターンから離れた位置に配置されているチップ領域CRにおいては、モニタパターンに含まれる評価パターンにパターニング不良が生じていなくても、レンズ収差に起因する焦点位置の場所依存性に起因して、チップ領域CR内の製品パターンにパターニング不良が生じる可能性がある。すなわち、1ショットSR内の1箇所にだけモニタパターンを設ける場合には、このモニタパターンに含まれる評価パターンを使用して、1ショットSRに含まれる所定数のチップ領域CRのすべての製品パターンのパターニング不良を検出することは不可能なのである。
そこで、例えば、図24に示すように、1ショットSR内に含まれる所定数のチップ領域CRのそれぞれにモニタパターンQCを形成することが考えられる。この場合、例えば、1ショットSRの中央領域に配置されているチップ領域CRにおいては、このチップ領域CR内に配置されているモニタパターンQCの評価パターンに基づいて、パターニング不良を検出することができる。同様に、1ショットSRの端部領域に配置されているチップ領域CRにおいては、このチップ領域CR内に配置されているモニタパターンQCの評価パターンに基づいて、パターニング不良を検出することができる。すなわち、図24に示すように、1ショットSR内に含まれる所定数のチップ領域CRのそれぞれにモニタパターンQCを形成する構成では、レンズ収差に起因する焦点位置の場所依存性の影響を受けにくくなり、これによって、1ショットSR内の所定数のチップ領域CRのすべてにおいて、製品パターンのパターニング不良を高精度に検出することができる。ただし、図24に示すように、1ショットSR内の所定数のチップ領域CRのすべてに1個ずつモニタパターンQCを形成しても、個々のチップ領域CRに形成されているすべての製品パターンのパターニング不良を検出するためには、不充分である場合があると考えられる。すなわち、個々のチップ領域CRに形成されているすべての製品パターンのパターニング不良をチップ領域CR毎に設けられた単一のモニタパターンの評価パターンだけで評価する場合には、充分にレンズ収差に起因する焦点位置の場所依存性の影響を排除できないと考えられるのである。そこで、本実施の形態2では、例えば、図25に示すように、1ショットSRに含まれる所定数のチップ領域CRのそれぞれに、単一のモニタパターンを設けるのではなく、複数のモニタパターン(QC1、QC2)を設けている。すなわち、本実施の形態2における特徴点は、個々の半導体チップ(個片化する前は、チップ領域)は、製品パターンとは別のモニタパターンであって、製品パターンの一部分に対応した形状を有するモニタパターンが形成されたモニタ領域を複数有する点にある。これにより、本実施の形態2によれば、例えば、チップ領域CRのうち、モニタパターンQC2よりもモニタパターンQC1に近い領域に配置されている製品パターンのパターニング不良は、モニタパターンQC1に含まれる評価パターンを使用することができる。一方、チップ領域CRのうち、モニタパターンQC1よりもモニタパターンQC2に近い領域に配置されている製品パターンのパターニング不良は、モニタパターンQC2に含まれる評価パターンを使用することができる。これにより、本実施の形態2によれば、焦点位置の場所依存性に基づく評価パターンのパターニング不良の存否と製品パターンのパターニング不良の存否とのミスマッチをさらに抑制することができる。この結果、本実施の形態2によれば、前記実施の形態1におけるアプローチとは相違するアプローチによって、焦点位置の場所依存性に起因する製品パターンのパターニング不良を高精度に検出するという目的を充分に実現することができる。
特に、本実施の形態2の基本思想は、例えば、図25に示すように、矩形形状をした半導体チップ(個片化する前は、チップ領域CR)のそれぞれにおいて、複数のモニタ領域のそれぞれは、半導体チップ(チップ領域)の角部に形成されている構成に限られない。具体的には、例えば、図26に示すように、モニタパターンQC1は、半導体チップCHPの角部近傍に配置される一方、モニタパターンQC2は、ロジック回路2とは別の回路よりも、高密度パターンから構成されているロジック回路2が形成されたロジック回路領域の近傍に配置することもできる。これにより、ロジック回路2を構成する高密度の製品パターンのパターニング不良の検出には、ロジック回路2の近傍に配置されたモニタパターンQC2に含まれる評価パターンを使用することによって、焦点位置の場所依存性に起因する製品パターンのパターニング不良を高精度に検出することができる。
以上、本発明者によってなされた発明をその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言うまでもない。
前記実施の形態は、以下の形態を含む。
(付記)
製品パターンとは別のモニタパターンが形成された半導体チップを含み、
前記モニタパターンは、第1方向において、互いに対向する第1パターンと第2パターンとからなる評価パターンを有し、
前記第1パターンは、前記第1方向のうちの前記第2パターンに近づく方向に突出した凸形状からなる、半導体装置。
1S 半導体基板
CHP 半導体チップ
DIT 溝
GE1 ゲート電極
GE2 ゲート電極
GOX ゲート絶縁膜
MP モニタパターン
MP1 モニタパターン
P1 パターン
P2 パターン
STI 素子分離領域
WL1 配線
WL2 配線
WL3 配線

Claims (16)

  1. 製品パターンと、
    前記製品パターンとは別のモニタパターンと、
    が形成された半導体チップを含み、
    前記モニタパターンは、第1方向において、互いに対向する第1パターンと第2パターンとからなる評価パターンを有し、
    前記第1パターンは、前記第1方向のうちの前記第2パターンから離れる方向に突出した凸形状からなる、半導体装置。
  2. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記第2パターンは、矩形形状からなる、半導体装置。
  3. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記第2パターンは、前記第1方向のうちの前記第1パターンから離れる方向に突出した凸形状からなる、半導体装置。
  4. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記製品パターンは、半導体基板の上方に形成された第1層配線パターンを有し、
    前記モニタパターンは、前記第1層配線パターンと同層で形成されている、半導体装置。
  5. 請求項1に記載の半導体装置において、
    前記製品パターンは、ゲート絶縁膜を介して、半導体基板上に形成されたゲート電極パターンを有し、
    前記モニタパターンは、前記ゲート電極パターンと同層で形成されている、半導体装置。
  6. 製品パターンと、
    前記製品パターンとは別のモニタパターンと、
    が形成された半導体チップを含み、
    前記半導体チップは、前記モニタパターンが形成されたモニタ領域を複数有する、半導体装置。
  7. 請求項6に記載の半導体装置において、
    前記半導体チップは、矩形形状をしており、
    複数の前記モニタ領域のそれぞれは、前記半導体チップの角部に形成されている、半導体装置。
  8. 請求項6に記載の半導体装置において、
    前記製品パターンは、
    ロジック回路に対応したロジック回路パターンと、
    前記ロジック回路とは別の回路に対応した回路パターンと、
    を有し、
    複数の前記モニタ領域のうちの少なくとも1つのモニタ領域は、前記回路パターンよりも前記ロジック回路パターンに近い位置に存在する、半導体装置。
  9. 請求項6に記載の半導体装置において、
    前記モニタパターンは、第1方向において、互いに対向する第1パターンと第2パターンとからなる評価パターンを有し、
    前記第1パターンは、前記第1方向のうちの前記第2パターンから離れる方向に突出した凸形状からなる、半導体装置。
  10. (a)複数のチップ領域を有する半導体基板を準備する工程、
    (b)前記半導体基板の上方に膜を形成する工程、
    (c)前記膜をパターニングする工程、
    (d)パターニングされた前記膜を検査する工程、
    を備える、半導体装置の製造方法であって、
    前記(a)工程で準備される前記半導体基板の前記複数のチップ領域のそれぞれは、
    製品パターンが形成される製品領域と、
    前記製品パターンとは別のモニタパターンであって、第1方向において、互いに対向する第1パターンと第2パターンとからなる評価パターンを有し、かつ、前記第1パターンは、前記第1方向のうちの前記第2パターンから離れる方向に突出した凸形状からなる前記モニタパターンが形成されるモニタ領域と、
    を含み、
    前記(c)工程では、前記製品領域に、前記製品パターンの一部を構成する製品構成パターンを形成し、かつ、前記モニタ領域に、前記モニタパターンを形成し、
    前記(d)工程では、前記モニタ領域に形成されている前記モニタパターンに含まれる前記評価パターンに基づいて、前記製品領域に形成されている前記製品構成パターンのパターニング不良を検査する、半導体装置の製造方法。
  11. 請求項10に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(d)工程は、前記評価パターンにおいて、前記第1パターンと前記第2パターンとが繋がっている場合に、前記製品構成パターンにパターニング不良が発生していると判断する工程を含む、半導体装置の製造方法。
  12. 請求項10に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(c)工程では、フォトリソグラフィ技術を使用する、半導体装置の製造方法。
  13. 請求項12に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(c)工程は、
    (c1)前記膜上にレジスト膜を塗布する工程、
    (c2)前記レジスト膜に対して露光処理を施す工程、
    (c3)前記(c2)工程の後、前記レジスト膜に対して現像処理を施す工程、
    (c4)前記(c3)工程の後、パターニングされた前記レジスト膜をマスクにして、前記膜をエッチングすることにより、前記膜をパターニングする工程、
    を有し、
    前記(c2)工程では、前記複数のチップ領域のうちの所定数のチップ領域を1ショットの単位にして、前記レジスト膜に対する露光処理を実施する、半導体装置の製造方法。
  14. 請求項10に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(b)工程は、前記半導体基板の上方に形成された層間絶縁膜上に導体膜を形成する工程であり、
    前記(c)工程は、前記層間絶縁膜上に配線パターンを形成する工程である、半導体装置の製造方法。
  15. 請求項10に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(b)工程は、前記半導体基板上に絶縁膜を形成する工程であり、
    前記(c)工程は、前記半導体基板に素子分離溝を形成するためのマスクパターンを形成する工程である、半導体装置の製造方法。
  16. 請求項10に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(b)工程は、前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜上に導体膜を形成する工程であり、
    前記(c)工程は、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極パターンを形成する工程である、半導体装置の製造方法。
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