JP3971937B2 - 露光条件監視方法およびその装置並びに半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイス製造のリソグラフィ工程において半導体基板上のレジストパターン形成時に露光が適切な露光条件でなされたか否かをレジストパターンの電子線像を用いて監視する方法および半導体デバイスの製造方法に関する。特に、露光プロセスを制御し、適正な露光条件を維持するための技術およびそれを用いて半導体デバイスを製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２７は従来のリソグラフィ工程の流れを示したものである。
【０００３】
レジストパターンは半導体ウェーハ等の基板上に感光材であるレジストを所定の厚さで塗布し、露光装置を用いてマスクパターンを縮小露光した後に（２０５０）、現像する（２０５１）ことによって形成する。形成されたレジストパターンは、寸法測定機能付きの走査型電子顕微鏡（測長ＳＥＭまたは測長ＳＥＭ）で寸法チェックが行われる（２０５２）。従来の測長ＳＥＭでの処理内容は、例えば、寸法精度を厳しく管理する部位を含む領域の電子線像を取得した後（２０５３）、寸法が計測され（２０５４）、寸法が基準を満たすか否かの判定を行い（２０５５）、満たさない場合には露光装置の露光量を変更する（２０５６、露光量の補正量はΔＥ）、というものであった。例えばポジ型のレジストの場合、レジスト寸法が大きすぎれば露光量を増やし、レジスト幅が小さすぎれば露光量を減らすことが行われる。露光量の増減量は、作業者の経験と勘に基づいて決定される場合も多い。
【０００４】
図２８は、レジストパターンとエッチング後の膜パターンの関係を示したものである（日本学術振興会荷電粒子ビームの工業への応用第１３２委員会第９８回研究資料「電子ビームテスティングハンドブック」Ｐ．２５５より）。レジストパターンの形状とエッチング後の膜パターンの形状との間にはエッチング条件が同じであれば一定の関係があり、所定の形状の膜パターンを得るためにはレジストパターンもまた所定の形状を有すことが必要である。新たな品種の半導体デバイスの着工時などには、製品ウェーハの投入に先立ち、ショット（１回の露光単位）ごとに焦点位置，露光量を変えてパターンを焼き付けた図１２(a)に示すウェーハを作り（通常こうしたウェーハはＦＥＭサンプル：Ｆｏｃｕｓ ＆ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｍａｔｒｉｘサンプルと呼ばれる）、各ショットのレジストパターンの寸法計測を行う他、ウェーハを切断して断面形状を調べるなどして所定のレジストパターン形状が得られる焦点位置と露光量をみつける「条件出し作業」が行われる。なお、特開平１１−２８８８７９号公報には条件出し作業を支援するシステムが開示されている。この作業によって、露光量と焦点位置の変動マージンがより広く取れる露光量（Ｅ０）、焦点位置（Ｆ０）が決定され、その条件に基づいて製品ウェーハの露光が行われる。しかし、種々のプロセス変動（レジストの感光感度の変化、レジスト下の反射防止膜の膜厚変動、露光装置の各種センサーのドリフトなど）によって、条件出し作業で決定した条件（Ｅ０、Ｆ０）では変動マージンが減少して仕様を満たす形状のレジストパターンが得られない確率が増加してしまう場合がある。これを検知するのが前述した寸法計測（工程２）の役割であり、従来技術においては、プロセス変動によって引き起こされるレジスト形状寸法変化を、露光量の補正によって補償することが試みられていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術においては、プロセス変動を検知し対策するため、測長ＳＥＭを用いてライン幅等の寸法値を調ベ、寸法値が基準を満たさない場合には露光量を補正する、という方法がとられているが、これには以下の第１〜第３の問題がある。
【０００６】
第１に、測長ＳＥＭは、通常半導体基板上に形成されたパターン形状を真上から観察する。また、この状態で取得した電子線像に現れたパターンのエッジ形状の寸法値を測定する。ところが従来の測定手法では計測できないパターン形状の変動が存在する。具体的には露光時の焦点位置変動が引き起こすパターンのエッジ形状変動であり、従来の測定手法ではこれを検出できない。半導体基板上に形成されたレジストパターンの断面形状は、概ね台形の形状を有す。走査型電子顕微鏡が試料からの信号として検出する二次電子の信号強度は傾斜部の方が平坦部よりも強いため、信号波形は、図２９（ａ）のように台形のエッジに相当する箇所にピークをもった形となる。測長ＳＥＭでの寸法計測は、例えば、図２９（ｂ）に示すように、ピークの外側部分とベース部分に直線をあてはめて２つの直線の交点を求め、左右の交点間の距離をライン幅とするなどの方法がとられる。図３０は、露光量・焦点位置が変わるとライン幅がどのように変化するかを示すため、横軸に焦点位置をとって、露光量別（ｅ０〜ｅ８）にライン幅をプロットしたグラフである。露光量はｅ０＜ｅ１＜…＜ｅ８であり、露光量が大きいほどライン幅が小さいという関係がある（ポジ型レジストの場合。ネガ型では逆になる）。
従って、ライン幅を調べれば露光量の変動は検知可能である。しかし、同グラフから明らかなように、ライン幅は焦点位置の変化に対する変化が小さく、特に適正露光量付近（ｅ４）では焦点位置が変わってもライン幅は殆ど変化しないので、ライン幅を調べても焦点位置の変動は検出されない。一方、ライン幅が変化しなくとも、焦点位置が変わると図３０（ｂ）のようにレジストの断面形状は変化する。前述したように、断面形状が変化すればエッチング後の膜パターンの形状にも影響を及ぼすため、焦点位置変動を検出できない従来の測定技術では、エッチング後の膜パターンの形状不良を大量に生み出すこととなりかねない。
【０００７】
第２の問題として、露光量のみを補正するのでは、当然ながら焦点位置がずれている場合に対応できないという問題がある。例えば、図３０（ａ）の状況Ａの場合、ライン幅が正常よりも大きいためライン幅の計測結果をもとに露光量を増やすことが行われるであろう。しかし、焦点位置ずれは直されないので、図３０（ａ）の状況Ｂとなるに過ぎず、レジストの断面形状は正常とはならないため、やはり、エッチング後の膜パターンの形状不良を大量に生み出すこととなりかねない。
【０００８】
第３の問題として、上記従来技術においては、正常な露光プロセスを維持するために必要である、プロセス変動を定量的に示す情報が得られないという問題もある。近年の半導体パターンの微細化に伴い露光量と焦点位置の変動許容範囲はきわめて小さくなっている。例えば、パターンルールが１８０ｎｍ以下では、露光量の変動範囲は寸法値の±１０％以下に、焦点位置の変動範囲は±０.２〜０．３ μｍ以下に制御することが求められており、これを実現するには、プロセス変動を定量的に示す情報、すなわち、露光量のずれが何ミリジュール（ｍＪ）であり、焦点位置のずれが何μｍといった変動量の正確な定量化が必要となる。前記従来技術では、焦点位置ずれの検出は全くなされないし、露光量ずれの検出も不正確といわざるを得ない。何故なら一般に、焦点位置変動によってもライン幅は変化するにもかかわらず、焦点位置変動による寸法変動量まで露光量調節で補償してしまっていたからである。従って、上記従来技術では、正常な露光プロセスの維持は望めない。
【０００９】
本発明の目的は、露光条件変動の監視を可能とする方法および手段並びにこれを用いた半導体デバイスの製造方法を提供することにあり、特に、露光量の変動のみならず焦点位置変動の検知が可能で、かつ、検知にとどまらず、プロセス変動を定量的に示す情報、すなわち、露光量と焦点位置の正確な変動量を出力する事が可能な露光条件監視方法および半導体デバイスの製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、露光条件を監視する方法において、露光装置の露光量と焦点位置とを含む露光条件を所定の露光条件に設定した状態で露光して形成された露光条件監視のためのレジストパターンを電子顕微鏡を用いて撮像してレジストパターンの電子線像を得、この電子線像におけるレジストパターンのエッジ幅寸法を含む特徴的な寸法を計測し、予め作成しておいた種々の露光条件とこの露光条件のもとで形成されたレジストパターンの電子線像におけるエッジ幅寸法を含む特徴的な寸法とを関連づけるモデルデータの情報と計測したレジストパターンのエッジ幅寸法を含む特徴的な寸法の情報とを用いて露光装置で設定した所定の露光条件の露光量と焦点位置のそれぞれの適正値からのずれ量を推定するようにした。
そして、本発明では露光条件監視用パターンとして、
（１）局所ごとにパターン幅が異なる半導体基板上に凸状に形成されたレジストのラインパターンと、その逆のパターンである局所ごとにパターン幅が異なる半導体基板上からレジストが除去されてできた凹状のスペースパターンのセット。
（２）パターン幅が異なる複数の半導体基板上に凸状に形成されたレジストの孤立ラインパターンと、その逆のパターンであるパターン幅が異なる複数の半導体基板上からレジストが除去されてできた凹状の孤立スペースパターンのセット。
（３）複数のパターン幅または／およびパターン間隔または／およびパターン長が異なるラインパターンの配列とその逆のスペースパターンのセット。
（４）パターン径が異なる複数の半導体基板上にレジストを凸状に残して形成した矩形パターンと、その逆のパターン径が異なる複数の半導体基板上からレジスト除去して形成した凹状の矩形パターンのセット。
（５）パターン径が異なる複数の半導体基板上にレジストを凸状に残して形成した円柱パターンと、その逆のパターン径が異なる複数の半導体基板上からレジスト除去して形成した凹状のホールパターンのセット。
を用いるようにしたものである。
【００１１】
また、本発明では、上記目的を達成するために、露光条件を監視するための装置を、露光装置の露光量と焦点位置とを含む露光条件を所定の露光条件に設定した状態で露光して形成された露光条件監視のためのレジストパターンが形成された基板に収束させた電子線を照射してこの照射により基板から発生する２次電子を検出してレジストパターンの電子線象を得る電子線像取得手段と、この電子線像取得手段で得た電子線像を処理してレジストパターンの電子線像におけるエッジ幅寸法を含む特徴的な寸法を求める特徴寸法抽出手段と、予め作成しておいた種々の露光条件とこの露光条件のもとで形成されたレジストパターンのエッジ幅寸法を含む特徴的な寸法とを関連づけるモデルデータを記憶する記憶手段と、この記憶手段に記憶しておいたモデルデータに関する情報と特徴寸法抽出手段で求めたレジストパターンのエッジ幅寸法を含む特徴的な寸法の情報とを用いて露光装置で設定した所定の露光条件の露光量と焦点位置の適正値からのずれ量を推定するずれ量推定手段と、このずれ量推定手段で推定した所定の露光条件の露光量と焦点位置の適正値からのずれ量に関する情報を出力する出力手段とを備えて構成した。
【００１２】
更に本発明では、上記目的を達成するために、半導体デバイスを製造する方法において、
レジストを塗布した基板を露光条件監視のためのパターンが配置されたマスクを用いて露光装置の露光量と焦点位置とを含む露光条件を所定の露光条件に設定した状態で露光し、この露光した基板を現像して基板上に前記露光条件監視のためのパターンを含むレジストパターンを形成し、電子顕微鏡を用いて露光条件監視のためのレジストパターンを撮像して露光条件監視のためのレジストパターンの電子線像を得、露光条件監視のためのパターンを含むレジストパターンを形成した基板にエッチング処理を施す工程とを有し、露光条件監視のためのレジストパターンの電子線像を得る工程で得た露光条件監視のためのレジストパターンの電子線像を処理してこの電子線像から露光条件監視のためのレジストパターンのエッジ幅寸法を含む特徴的な寸法を求めて、この求めた露光条件監視のためのレジストパターンのエッジ幅寸法を含む特徴的な寸法を予め作成しておいた種々の露光条件とこの露光条件のもとで形成されたレジストパターンのエッジ幅寸法を含む特徴的な寸法とを関連づけるモデルデータの情報と比較することにより露光装置で設定した所定の露光条件の露光量と焦点位置のそれぞれの適正値からのずれ量を求め、この求めたずれ量に基づいて露光する工程の露光条件を制御するようにした。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ポジ型レジスト、ネガ型レジストのいずれにも応用可能であるが、ポジ型のレジストを仮定して説明をする。
（１）第１の実施形態の全体の流れ
図２は本発明第１の実施の形態に係る、露光条件監視方法を有するリソグラフィ工程の概念図である。図において、破線で囲んだ部分は製品ウェーハの流れを示し（左から右へと進む）、実線で囲んだ部分２０００は測長ＳＥＭ測長ＳＥＭ上に構築した露光条件監視のための処理の流れを示している（上から下へと進む）。
【００１４】
第１の実施の形態では、図１に示す露光条件監視のための専用レジストパターンの電子線像を用いて露光条件の監視を行う。図１（ａ）において，左側１０３は菱形にレジストが抜けており，右側１０４は菱形にレジストが残されている。以後、レジストの抜きパターンをＮパターン、レジストの残しパターンをＰパターンと呼ぶことにする。図２の工程２００１で、ＰパターンとＮパターンを含む領域の電子線像を取得し、図２の工程２００２で露光条件変動（焦点位置ずれと露光量ずれ）によって生じる、ＰパターンおよびＮパターンの形状変化を定量化する寸法特徴量を算出する。
【００１５】
図１（ｂ）は焦点位置変動によるＮパターンとＰパターンの電子線像の変化を示したものである。測長ＳＥＭで取得した二次電子線像上では、平坦部は暗く、傾斜部は明るく検出されるので、図ではパターンの側壁部（エッジ部を含む）を白色で、平坦部を灰色で表した。
【００１６】
図１（ｂ）のように，Ｎパターンは焦点位置がプラスにずれる（焦点位置がレジスト面に対して上側にずれる）とエッジ幅が広がるが、マイナス側にずれた場合のパターン変化は小さい。一方、Ｐパターンはその逆焦点位置ずれがマイナスにずれると（焦点位置がレジスト面に対して下側にずれると）エッジ幅が広がるが、プラス側にずれた場合のエッジ幅の変化は小さい。焦点位置変動をプラス／マイナスの符号を同等の精度で検出するため、寸法特徴量としてＮパターンとＰパターン両方のエッジ幅を同時に算出する。なお，本発明での焦点位置変動のプラス／マイナスの符号であるが，レジストパターンに対して焦点面が上側にずれた状態をプラス，下側にずれた状態をマイナスとして扱っている。
【００１７】
また、図１（ｃ）は露光量変動によるＰパターンとＮパターンの電子線像の変化を示したものである。Ｎパターンは露光量が増加するとパターンサイズが大きくなるのに対して，Ｐパターンは露光量が増加するとパターンサイズが小さくなる。露光量変動を検出するため、ＮパターンとＰパターンのライン幅を算出する。なお、焦点位置ずれ検出と異なり、必ずしもＮとＰ両方のパターン幅は必要ないので、一方だけを算出するようにしてもよい。
【００１８】
図２に戻り、引き続き全体の流れを説明する。算出した寸法特徴量は、予め作成しておいた、露光量及び焦点位置と各寸法特徴量との関係を表すモデルデータ、例えば、種々の露光量および焦点位置における寸法特徴量の値を記述したルックアップテーブルに当てはめられ、露光量のずれ（Δｅ）と焦点位置のずれ（Δｆ）が求められる。また，見積もったΔｅとΔｆの“あいまい度”も合わせて求められる（２００３〜２００６；詳細は後述）。これらの結果は，プロセス制御を行っているＡＰＣコントローラ２００８などの半導体製造制御システムに送られ，露光量変動，焦点位置値変動の時間的推移，上記のあいまい度などに基づいて，露光装置へのフィードバック量ΔＥとΔＦが決定される。そして，露光装置のレシピが、ΔＥ，ΔＦに基づいて変更される。この結果，以降のウェーハ（ロット）は、より良いプロセス条件で露光が行われるようになる。なお，モデルデータは，一定範囲内の露光量と焦点位置のずれを想定して作成してあるため，この範囲から外れている場合には，モデルに当てはまる露光量と焦点位置が存在しない（ ２００５“Ｎｏ”分岐）。この場合は，アラームを発する（２００７）。本発明においては，焦点位置，露光量が最適値から僅かでもずれれば（プロセスウインド内の変動であっても），それが検知されて露光条件へとフィードバックされるため，正常な露光プロセスの維持が可能となる。本発明の最大の特徴は，僅かな焦点位置ずれと露光量ずれを正確に算出する点にある。以下，本発明の詳細を説明する。
（２）第１の実施の形態で用いる測長ＳＥＭの構成
本発明に係る露光条件変動監視に用いる測長ＳＥＭについて説明する。図３は測長ＳＥＭの構成を示すブロック図であり，破線２００で囲んだ部分が，測長ＳＥＭ上に構築される露光条件監視システムの構成要素である。図３において、電子銃２０１より放出された一次電子線２０２は、ビーム偏向器２０４、ＥｘＢ偏向器２０５、対物レンズ２０６を経てステージ１０１上におかれたウェーハ１００（液晶基板を含む）上に焦点を結んで照射される。
【００１９】
電子線が照射されると、試料であるウェーハ１００からは二次電子が発生する。ウェーハ１００から発生した二次電子は、ＥｘＢ偏向器２０５により偏向され、二次電子検出器２０７で検出される。偏向器２０４による電子線の二次元走査、あるいは偏向器２０４による電子線のＸ方向の繰り返し走査と、ステージ１０１によるウェーハのＹ方向の連続的な移動に同期して試料から発生する電子を検出することで、二次元の電子線像が得られる。二次電子検出器２０７で検出された信号はＡ／Ｄ変換器２０８によってディジタル信号に変換され、画像処理部３００に送られる。画像処理部３００はディジタル画像を一時記憶するための画像メモリ記憶媒体である３０３と、画像メモリ上の画像から寸法特徴量の算出を行うＣＰＵ３０４を有する。さらにまた、予め調べておいた露光条件と寸法特徴量を関連付けるモデルを記述した記憶媒体３０１を有する。全体制御はワークステーション３０３によって行われる、必要な装置の操作、検出結果の確認等がグラフィカルユーザーインタフェース（以下、ＧＵＩと表記する）によって実現できるようになっている。また、記憶媒体３０１、ワークステーション３０２は外部のネットワーク３０６につながっており、外部とのデータのやりとりが可能な構成となっている。また，ネットワーク上に存在する外部の表示装置３０５上には，図示しないＡＰＣコントローラが行っているプロセス制御の状況（現在の露光装置の状態，露光装置のレシピの来歴，プロセス制御計画など）が表示される。（３）第１の実施の形態で用いる専用パターンの挙動の説明
次に、本発明に係る露光条件変動監視のための専用パターンについて説明する。本発明では、実効的な露光量が場所ごとに異なるよう、形状や配置を工夫したＮパター／Ｐパターンの組み合わせを用いる。始めにＮパターン／Ｐパターンの挙動が異なる要因を説明し、次に、実効的な露光量が場所ごとに異なるような形状あるいは配置を用いる狙いを説明する。
【００２０】
（ｉ）Ｎ・Ｐでの挙動の違いの要因
図４（ｂ）は最も単純なＮパターンともいえる孤立ライン状の抜きパターン（図４（ａ））の断面形状が、露光時の焦点位置ずれによってどのように変化するかを示したものである。また、図５は、最も単純なＰパターンともいえる孤立ライン状の残しパターン（図５（ａ））の断面形状が、露光時の焦点位置ずれによってどのように変化するかを示したものである。今後、焦点位置がレジスト面に対して上方にずれるのを＋焦点位置ずれ、下方にずれるのを−焦点位置ずれと呼ぶ。Ｎパターンの場合、−焦点位置ずれではレジストの上部が下部よりもせり出しているのに対し、＋焦点位置ずれではレジスト下部が上部よりもせり出している。簡単のため、前者を逆テーパ、後者を順テーパと呼ぶ。Ｎパターンは−焦点位置ずれで逆テーパ、＋焦点位置ずれで順テーパであるのに対し、Ｐパターンは−焦点位置ずれで順テーパ、＋焦点位置ずれで逆テーパとなる。測長ＳＥＭを使ったパターン形状観察の場合は通常サンプルの真上から観察する（ｔｏｐ ｄｏｗｎ ｖｉｅｗ：垂直上方からの像検出）。この場合順テーパでのテーパ角の大小は画像上ではテーパ相当部の幅の違いとして現れるが、逆テーパでのテーパ角の大小は画像上には現れない。そこで、Ｎパターン、Ｐパターンは電子線像上では次の▲１▼、▲２▼の傾向を持つようになる。
▲１▼Ｎパターン：焦点位置が＋方向にずれるとエッジ幅が広がるが、−方向にずれた場合の電子線像の変化は小さい。
▲２▼Ｐパターン：焦点位置が−方向にずれるとエッジ幅が広がるが、＋方向にずれた場合の電子線像の変化は小さい。
【００２１】
図１は菱形形状であるが、上記▲１▼、▲２▼の傾向は同じである。図１（ｂ）に示したＮパターン／Ｐパターンの電子線像の焦点位置ずれに対する挙動は上記▲１▼、▲２▼の現れである。
【００２２】
次に、Ｎパターンだと−焦点位置ずれで逆テーパ、＋焦点位置ずれで順テーパとなり、Ｐパターンだとその逆になる理由を説明する。この現象が顕著なのは、パターン幅（図４（ａ）、図５（ａ）のｄ）が露光装置の解像限界近傍の場合である。パターン幅が解像限界近傍では回折光の影響で、実効的な光強度が照射光の強度と異なるようになるのである。なお，解像限界Ｒは，固定値ではなく，露光波長λ，プロセスファクターｋ，投影レンズのＮＡにより，式１で表される。
【００２３】
【数１】
Ｒ＝ｋ・λ／ＮＡ …・（数１）
光強度の違いをシミュレーションにより調べた結果を図６、図７に示す。
【００２４】
図６は、Ｎパターンのシミュレーション結果である。
【００２５】
Ｎパターンは、図６（ａ）のような狭い開口のマスクにより形成される。５０５は遮光されて光が当たらない領域、５０６は光が当たる領域である。図６（ａ）の波線で囲んだ部分の光強度分布を図６（ｂ）、（ｃ）に示す。図６（ｂ）、（ｃ）では照射光の光強度を１とした場合の相対的な光強度を色の濃さで表しており、色が薄いほど光強度が大きい。図６（ｂ）は−焦点位置ずれ、（ｃ）は＋焦点位置ずれの場合である。光強度は概ね開口が広いほど大きいので、狭い開口のマスクパターンによって形成されるＮパターンは光強度が相対的に小さく、その結果、レジストの溶解／非溶解の境界となる位置は、光強度がより強い（図上では色が薄い）パターンの中心方向（抜きパターンの中心方向）にシフトする。このため、Ｎパターンは−焦点位置ずれでは逆テーパに、＋焦点位置ずれでは順テーパになるわけである。
【００２６】
一方、Ｐパターンは図７（ａ）のような広い開口のマスクパターンによって形成される。５０８は光が当たる領域、５０９は遮光されて光が当たらない領域である。図７（ａ）の波線で囲んだ部分の光強度分布を（ｂ）、（ｃ）に示す。図６と同様、色が薄いほど光強度が大きい。図７（ｂ）は−焦点位置ずれ、（ｃ）は＋焦点位置ずれの場合である。光強度は概ね開口が広いほど大きいので、広い開口のマスクパターンによって形成されるＰパターンは光強度が相対的に大きく、その結果、レジストの溶解／非溶解の境界となる位置は、光強度がより弱い（図上では色が濃い）パターンの中心方向（残しパターンの中心方向）にシフトする。このため、Ｐパターンは−焦点位置ずれでは順テーパに、＋焦点位置ずれでは逆テーパとなるわけである。
【００２７】
なお，図１において，Ｎパターン，Ｐパターンとも画像取得範囲（１０５，１０６）よりも広い領域を専用パターンとするのは，回折光の影響が生じる距離が１〜２μｍであるため，専用パターンの周囲にある別のパターンの影響を排除したいがためである。
【００２８】
（ｉｉ）実効的な露光量が場所ごとに異なるパターンを使用する狙い
図４に示したＮパターン、あるいは図５に示したＰパターンはライン上のいずれの場所でも実効的な露光量が等しいが、図１に示した菱形の場合は場所によって異なる。ここでは、実効的な露光量が場所ごとに異なるパターンを使用する狙いを説明する。
【００２９】
マスクを介した投影露光では、マスクの単位面積あたりの開口比率が高いほど実効的な露光量が増す。ポジ型レジストにおいては、局所的にみて、単位面積あたりにレジストが占める面積比率が低い場所ほど、実効的な露光量が大きいことになる。従って、図１のＮパターンでは、菱形の中央部に比べて先端部は実効的な露光量が小さく、Ｐパターンでは、菱形の中央部に比べて先端部は実効的な露光量が大きい。
【００３０】
図８は、露光量と焦点位置が変動したときのＮパターンの断面形状変化をシミュレーションした結果である。同図のように、露光量が小さい時は、わずかな焦点位置ずれでも断面形状が著しく変化し、ついにはパターンが消滅するが、露光量が大きいときには、焦点位置ずれに対する断面形状の変化が小さい。パターンが消滅しない焦点位置ずれの範囲を焦点位置ずれ検出レンジと呼ぶならば、Ｎパターンは露光量が大きいほど焦点位置検出レンジが大きい。ただし、図８からも明らかなように、焦点位置ずれ検出レンジが大きいのは焦点位置ずれに対する形状の変化が小さいためであり、焦点位置ずれ検出の感度は小さい。（∵形状の変化から焦点位置ずれを検出する。）露光量が大きいほど焦点位置ずれ検出の感度が小さいのは、Ｎパターン特有の挙動（−フォーカスずれで逆テーパに、＋フォーカスずれで順テーパとなる）は実効的な光強度が小さいことによって生み出されるものだからである。実効的な光強度をより小さくするためにはよりパターンサイズを小さくする必要がある。すなわち、あるパターンサイズｄｉを得る露光量ｅｉでの焦点位置ずれ検出感度と同等の焦点位置ずれ検出感度を、露光量eｉ＋α（α＞０）で得ることができるパターンサイズはｄｉ-β（β＞０）ということになる。（α，βは、ある定数）実効的な露光量が場所ごとに異なるパターンを使用するのは、露光量の初期条件Ｅ０（従来の技術で述べた値）がどのような値に設定された場合でも、また、その後、露光量が増加する方向に変動しても、減少する方向に変動しても、必要な焦点位置ずれ検出感度が維持するためである。実効的な露光量が場所ごとに異なるパターンであれば、パターン上のどこかでは、焦点位置ずれ検出感度を得ることができる。また、別の見方をすると、実効的な露光量が小さい場所と、大きい場所の両方があれば、小さな焦点位置ずれと大きな焦点位置ずれの両方が検出可能になるともいえる（∵前者は小さな焦点位置ずれ検出できるが、焦点位置のずれ検出レンジが小さい。後者は、小さな焦点位置ずれ検出には感度が不足するが、焦点位置ずれの検出レンジが大きい）。
【００３１】
Ｐパターンの場合も、Ｎパターンと同様である。露光量と焦点位置が変動したときのＰパターンの断面形状変化をシミュレーションした結果を図９に示す。同図のように、露光量が大きい時はわずかな焦点位置ずれでも断面形状が著しく変化し、ついにはパターンが消滅するが、露光量が小さいときには、焦点位置ずれに対する断面形状の変化が小さい。ＰパターンはＮパターンと逆で、露光量が小さいほど焦点位置検出レンジが大きい。ただし、図９からも明らかなように、露光量が小さい時は、焦点位置ずれ検出の感度が小さい（∵形状の変化から焦点位置ずれを検出するので）。露光量が小さいほど焦点位置ずれ検出の感度が小さいのは、Ｐパターン特有の挙動（−フォーカスずれで順テーパに、＋フォーカスずれで逆テーパとなる）は実効的な光強度が大きいことによって生み出されるものだからである。実効的な光強度をより大きくするためにはよりパターンサイズを小さくする必要がある。すなわち、あるパターンサイズｄｉによる露光量ｅｉでの焦点位置ずれ検出感度と同等の焦点位置ずれ検出感度を、露光量eｉ-α（α＞０）で得ることができるパターンサイズはｄｉ-β（β＞０）ということになる。露光量の初期条件Ｅ０（従来の技術で述べた値）がどのような値に設定された場合でも、また、その後、露光量が増加する方向に変動しても、減少する方向に変動しても、必要な焦点位置ずれ検出感度が維持するためには、Ｐパターンも、Ｎパターンと同様、実効的な露光量が場所ごとに異なるパターンを使用することが望ましい。
【００３２】
図１０（ａ）は、Ｎパターンにおいて、実効的な露光量が小さい部位〜大きい部位（Ｎ１〜Ｎ７）が、ＦＥマトリクス上のどの領域での焦点位置ずれ検出に有効であるかを示した概念図である。図１に示した菱形形状においては、菱形の先端部がＮ１に、菱形の中央部がＮ７に相当する。同図のように、露光量が大きい領域（図の右側領域）では実効的な露光量が小さい部位（図１の菱形１０１の先端部）が焦点位置ずれ検出に有効であり、露光量が小さい領域（図の左側領域）では実効的な露光量が大きい部位（図１の菱形１０１の中央部）が焦点位置ずれ検出に有効である。
【００３３】
図１０（ｂ）は、Ｐパターンについて実効的な露光量が大きい部位〜小さい部位（Ｐ１〜Ｐ７）が、ＦＥマトリクス上のどの領域での焦点位置ずれ検出に有効であるかを示した概念図である。露光量が小さい領域（図の左側領域）は実効的な露光量が大きい部位（図１の菱形１０２の先端部）が焦点位置ずれ検出に有効であり、露光量が大きい領域（図の右側領域）は実効的な露光量が小さい部位（図１の菱形１０２の中央部）が焦点位置ずれ検出に有効である。
（４）第１の実施の形態におけるモデルデータの作成方法
次に、図２の工程２００３で用いるモデルデータの作成方法を説明する。本実施例では、製品ウェーハの投入に先立ち、ＦＥＭウェーハ（図１２（ａ）参照）を用いて、種々の露光量、焦点位置における電子線像（測長ＳＥＭで取得した二次電子像）を取得し、その画像から寸法特徴量を算出し、図１２（ｂ）のようなモデルデータを作成しておく。「従来の技術」で述べたように、新製品の着工の際などには「条件出し作業」のためにＦＥＭウェーハが作られので、同じウェーハを用いてモデルデータの作成を行えばよい。
【００３４】
図１１にモデルデータの作成フローを示す。
【００３５】
本例では，モデルデータの作成に先んじて条件出し作業が実施されていることを仮定しているが，モデルデータ作成のための画像取得と，条件出し作業のための画像取得を同時に行っても差し支えない。
【００３６】
始めに、モデルデータ作成用のレシピをユーザが指定する（工程８０１）。以後の作業は、レシピに記載された情報に従って、測長ＳＥＭ上で自動的に行われる。ＦＥＭウェーハがロードされ（工程８０２）、光学像によるウェーハアライメントが行われる（行程８０３）。ウェーハの位置が確定すると、最初の画像取得箇所へとステージが移動し（行程８０４）、中間倍率の電子線像が取得され、テンプレートマッチングなどによって専用パターンの位置検出が行われる（工程８０５）。中間倍率とは、例えば５００００倍以下の倍率であり、図１（ａ）に示したＮパターンとＰパターンの両方が視野に入る程度の倍率である。専用パターンの位置が確定すると、所定倍率でＮパターンの画像が取得され（工程８０６）、保存される（工程８０７）。図１の枠１０５で囲んだ範囲がＮパターンの画像サイズである。続いて、所定倍率でＰパターンの画像が取得され（工程８０８）、保存される（工程８０９）。図１の枠１０６で囲んだ範囲がＰパターンの画像サイズである。工程８０４〜８０９を繰り返されることにより、ＦＥＭウェーハの（Ｅ、Ｆ）各点のＮパターン、Ｐパターンの画像が取得される（工程８１０）。なお、工程８０４から工程８０９の間、ステージは移動せず，電子線の偏向位置を変える（イメージシフト）ことによって画像の取得箇所を変更する。これによって、ステージ移動によるスループットの低下が避けられる。また、中間倍率の視野内に、専用パターンとは別に、位置検出用のパターンを設けてもよい。位置検出用のパターンは（専用パターンと異なり）、露光条件が変動しても形状が変化しない方が望ましいので、露光波長に対して線幅等が十分大きく、かつ、誤認識が起こらないようなユニークな形状が適している。
【００３７】
Ｎパターン、Ｐパターンの画像の取得が終了すると、これらの寸法特徴量が算出される（工程８１１）。図１４に寸法特徴量の算出方法を示す。算出方法はＮパターン、Ｐパターン共通である。図１４（ａ）は取得した画像を模式的に表したものである。先に述べたように、二次電子線像はテーパ部が明るく、平坦部は暗く検出される。始めに菱形の４辺のエッジ検出を行い（図１４（ｂ））、これらに直線を当てはめ、その交点を基準線とする（図１４（ｃ））。そして、基準線から所定の間隔で菱形を分割し（図１４（ｄ））、分割した領域ごとに、その領域でのライン幅の平均とエッジ幅の平均を求め、これを寸法特徴量とする（図１４（ｅ））。ここでは、菱形を８分割したので、８個のライン幅と、８個のエッジ幅を算出することになる。ここで、基準線を求めたのは、常に分割領域の絶対位置を等しくするためである。なお，図１４に示した寸法特徴量の算出方法は一例であり、この方法に限るものではない。要は、パターンの場所によって露光条件変動の現れ方が異なるので、これが定量化できるような特徴量の算出方法を用いればよい。
【００３８】
ＦＥＭウェーハの（Ｅ、Ｆ）各点で取得した画像から寸法特徴量を算出した後、これらのデータの平滑化と補間を行う（工程８１２）。この様子を図１５に示す。図１５（ａ）は元データである。近傍のデータとの平均をとるなどして、計測誤差によるデータの細かい凸凹を取り除いた後（図１５（ｂ））、線形補間等の手法により、データを補間してＦＥＭウェーハ上の（Ｅ，Ｆ）の刻み幅よりも細かい刻み幅のデータを生成する（図１５（ｃ））。あるいは、図１５（ａ）の元データに対して適当な曲面式を当てはめてもよい。
【００３９】
続いて、（Ｅ、Ｆ）各点での寸法特徴量の計測誤差を算出する（工程８１３）。計測誤差は、（Ｅ、Ｆ）各点で多数の画像を取得することが可能ならば、各画像から寸法特徴量を算出しこれの標準偏差を求める。あるいは、測長ＳＥＭの一般的な測長誤差に適当な係数をかけて代用してもよい（例：公称の測長誤差が２ｎｍであれば、これを２倍して４ｎｍとする）。この値は、後述の工程８１５、あるいは、モデルデータへの寸法特徴量の当てはめ（図２の工程２００３）で用いる。モデルデータは、工程８１２，工程８１４で算出した、（Ｅ，Ｆ）各点の寸法特徴量および計測誤差から構成され（図１２（ｂ）参照）、これらを記憶すれば（工程８１４）モデルデータの作成そのものは終了する。
【００４０】
続く工程８１５は、セルフチェック、すなわち（Ｅ，Ｆ）各点の特徴量による露光量ずれ検出と焦点位置ずれ検出の試行による、モデルデータの確認である。
【００４１】
なお、図１１の例では保存した画像（工程８０９）から特徴量を算出（工程８１１）しているが、電子線走査位置を特徴量を求める位置に限定することによって画像取得を単なる走査位置で取得したラインプロファイルに簡略化することもできる。例えば、画像を取得する代わりに図１４の（ｄ）で示した特徴量検出位置（０〜７）の位置だけを電子線で走査し、そのとき得られたラインプロファイルからそれぞれの位置での特徴量（ライン幅やエッジ幅など）を求めることができる。このようにすることによって画像処理などの時間を省くことができるため全体の処理速度を向上させることができる。
【００４２】
露光量ずれ、あるいは焦点位置ずれの検出方法を図１６に示す。寸法特徴量は、実際は図１５（ｃ）のように、（Ｅ，Ｆ）各点に対して値を持つが、図１６では簡単のため露光量（Ｅ）を横軸にとって２次元で表現している（焦点位置軸を省略）。図１６（ａ）で太線は特徴量Ｃ_１の値であり、上下の細線はＣ_１が計測誤差によってばらつく範囲、すなわち、工程８１３で算出した寸法特徴量の計測誤差である。計測誤差は図１６では一定値σ_１としているが、露光量によって異なることもあり得る。
【００４３】
寸法特徴量Ｃ_１の値がｃｃ_１、寸法特徴量Ｃ_２の値がｃｃ_２・・・・寸法特徴量Ｃ_ｎの値がｃｃ_ｎであった場合、図１６（ａ）あるいは（ｂ）のように、始めに、特徴量の値がｃｃ_１・・・・ｃｃ_ｎであるような露光量（Ｅ）と焦点位置（Ｆ）の該当範囲を求める（図１６ではＥのみ）。該当範囲は、寸法特徴量が単調に増加あるいは減少している場合には図１６（ａ）のように１カ所になるが、寸法特徴量に増減がある場合には、図１６（ｂ）のように複数箇所になる場合もある。また、寸法特徴量の変化率が大きければ（グラフの傾きが大きければ）該当範囲は狭く、変化率が小さければ（グラフの傾きが小さければ）該当範囲は広くなる。該当範囲が狭いほどＥ／Ｆ検出の感度は高い。特徴量ごとに、Ｅ／Ｆの該当範囲を求めた後（図１６ではＥのみ）、これらのＡＮＤをとることによって（図１６（ｃ））、Ｅ／Ｆの値を決定する。多数ある特徴量の中には（例えば図１４では合計１６個の特徴量がある）、該当範囲が広いものもあれば、狭いものもあるが、ＡＮＤをとることによって、その時々に該当範囲がより狭い（＝Ｅ／Ｆ検出の感度が高い）寸法特徴量が自動的に優先されるので、どの特徴量をどのように用いればよいかをユーザが留意する必要はない。決定されるＥ／Ｆの値は図１６（ｄ）のようにある有限の幅を有する。この幅が狭いほど，Ｅ／Ｆの算出結果のあいまい度が小さいことを意味する。露光量ずれ、あるいは焦点位置ずれの検出結果としては、上記の有限幅の中央値とその幅が出力される。図１１の工程８１５のセルフチェックでは、ユーザのリクエストに応じて、（Ｅ，Ｆ）全点のあいまい度の算出結果、あるいは、ユーザが指定する特定の（Ｅ，Ｆ）におけるあいまい度を提示する（予め条件だし作業が行われていれば，（Ｅ，Ｆ）のプロセスウインドは既知となっており，（Ｅ，Ｆ）の変動を監視すべき範囲も明らかになっている）。
【００４４】
同じ専用パターンを使用したとしても、使用するレジストの材料や、ベーク温度などのプロセス条件によって、露光量ずれ、焦点位置ずれの検出精度は変化する。上記のセルフチェック機能を利用すれば、対象プロセスに対してどの程度の精度で露光条件制御が可能であるかが予め把握できるので、図２のＡＰＣコントローラ２００８でのフィードバック制御の実行値（ゲイン値）設計する事が可能となる。例えばこれは次のような式で表される。
【００４５】
【数２】
ΔＥ＝ｇ１・Δｅ＝ｆ（ａ１）・Δｅ …（数２）
【００４６】
【数３】
ΔＦ＝ｇ２・Δｆ＝ｆ（ａ２）・Δｆ …（数３）
ここでΔＥ、ΔＦは露光装置にフィードバックされる露光量と焦点位置の補正量であり、Δｅ、Δｆは測定した寸法特徴量とＦＥＭサンプルの測定結果から作成したルックアップテーブルを照らし合わせて求めた露光量と焦点位置のずれ量をしめす。ｇ１、ｇ２は実際にフィードバックする際のゲイン値である。またこれらのゲイン値はΔｅ、Δｆのあいまい度ａ１、ａ２の関数ｆ（ａ１）、ｆ（ａ２）で表現される。これらの関数ｆ（ａ１）、ｆ（ａ２）は例えば次のような式で表現されるものであってもよい。
【００４７】
【数４】
ｆ（ａ１）＝ｋ１１・（１−ａ１／ｋ１２） …（数４）
【００４８】
【数５】
ｆ（ａ２）＝ｋ２１・（１−ａ２／ｋ２２） …（数５）
ここでｋ１１、ｋ１２、ｋ２１、ｋ２２は任意の係数である。
【００４９】
これらの（数２）（数３）（数４）（数５）で示したようにあいまい度が増すとゲイン値が小さくなるようにすることで、不確実な推定値による過剰なフィードバックを避けることができる。
（５）第１の実施の形態における露光条件監視の詳細
続いて図２に戻り、工程２００１〜２００８について説明を補足する。
本発明の目的は、製品ウェーハ着工時に設定された露光量と焦点位置の初期値（Ｅ０、Ｆ０）がプロセス変動によって徐々に最適値からはずれるのを検知し、この結果に基づいて、露光装置の露光条件を補正することによって、常にプロセスを最良の状態に維持することにある。
図１に示した専用パターンは、図１７（ａ）、（ｂ）に示すように、ショット内の複数箇所に設けることが望ましい。図１７（ａ）、（ｂ）は１ショットに４個のダイが含まれる場合を示しており、ショットの４隅と中央に専用パターンを設けている。スクライブエリアに専用パターンを設けても良い。図２の工程２００１では、複数ショットについて、各ショットに含まれる専用パターンのＮパターンとＰパターンの電子線像を取得する。電子線像取得の流れは、図１１の８０３〜８１０と同様である。工程２００２では、全画像の寸法特徴量を、モデルデータを作成したのと同じ方法で算出する（例えば図１４の方法）。露光条件がウェーハ上共通である場合には、ウェーハ上共通の露光条件フィードバック量Δe、Δｆを求める必要があるので、全画像から得られた寸法特徴量の平均を求める。例えばウェーハ上９ショット、各ショットにつき専用パターンが５個あるとすれば、４５個の寸法特徴量の平均を求める。続く工程２００３では、図１１の工程８１５で実施するモデルデータのセルフチェックと同じ手順で（図１６参照）、上記寸法特徴量を予め作成してあるモデルデータにあてはめて、露光量と焦点位置それぞれについて、各寸法特徴量から得られるＡＮＤ領域を求める。なお、この際用いる寸法特徴量計測誤差は、モデルデータ上の値を使用してもよいが、上記の寸法特徴量の平均値を求める際に合わせて標準偏差を算出し、これを３倍するなどして、Ｅ／Ｆ全域共通の寸法特徴量計測誤差として用いてもよい。露光量と焦点位置の両方にＡＮＤ領域が存在する場合は工程２００６へと進む。工程２００６では、露光量と焦点位置それぞれについて、ＡＮＤ領域の中央値と、および、あいまい度としてＡＮＤ領域の幅を算出する。現状の露光量と、上記の中央値との差がΔe、Δｆである。また、ＡＮＤ領域が存在しなかった場合は、予期しないプロセス変動が生じたことを示しているので、工程２００５に進んでアラームを発する。ＡＰＣコントローラ２００８では、過去からの露光条件変動の推移（図１７（ｃ））、今回の露光条件変動の算出Δe、Δｆ、および、上記のあいまい度を考慮して、露光装置への露光量のフィードバック量ΔＥと焦点位置のフィードバック量ΔＦを決定する。例えば、上記のあいまい度の逆数を重みとして、過去数ロットの露光量、焦点位置を平均することによりフィードバック量を求めてもよい。一方、あいまい度が規定値を超えた場合は、自動的にフィードバック量を決定することを停止し、同時にプロセス技術者へのアラームがコールされる。
（６）第１の実施の形態の効果
本実施例によれば、「発明が解決しようとする課題」で述べた３個の課題が解決される。まず、第１の課題であった、焦点位置変動の見逃しであるが、本実施例によればＮパターン、ＰパターンのＳＥＭ像からエッジ幅をモニタすることによって、確実に焦点位置ずれを検出することができる。第２の課題であった、焦点位置変動のフィードバックであるが、本実施例によれば、焦点位置ずれの有無を検出するのみならず、寸法特徴量をモデルに当てはめることによって、正確な焦点位置ずれ量の算出が可能である。特に、実効的な露光量が場所ごとに異なるパターンを使用することによって、露光量の初期条件Ｅ０（従来の技術で述べた値）がどのような値に設定された場合でも、また、その後、露光量が増加する方向に変動しても、減少する方向に変動しても、必要な焦点位置ずれ検出感度が維持することができる。また、別の見方をすると、実効的な露光量が小さい場所と、大きい場所の両方があるため、小さな焦点位置ずれであろうと、大きな焦点位置ずれであろうと、正確な焦点位置ずれ量を算出する事ができる。第３の課題であったプロセス変動を定量的に示す情報であるが、寸法特徴量をモデルに当てはめることによって露光量、および、焦点位置の正確なずれ量を求めることが可能であり、ひいては、エッチング後の膜パターンの形状不良を未然に防ぐことが可能となる。
【００５０】
また，露光量ずれ，あるいは焦点位置ずれの算出結果がどの程度の誤差を含んでいるかも出力されるため，やみくもに算出結果に従って，誤ったフィードバックを実行してしまうような事態を防ぐことができる。
【００５１】
さらにまた，モデルデータを作成した段階で，そのモデルデータを用いた露光条件制御がどの程度の精度を有するかが示されるため，製品投入に先立って露光条件制御のシナリオを描けるので，製品投入以後のテストランなどの試行錯誤による無駄を省ける効果もある。
（７）第１の実施の形態の補足
（ｉ）これまでの説明では、専用パターンを専ら露光条件変動の検出に用いるとしたが、露光量の初期条件Ｅ０と焦点位置の初期値Ｆ０の決定、あるいは確認に用いてもよい。この場合は、図１８のように、モデルデータの作成フロー（図１１）に、Ｅ０を決定する工程１８０１とＦ０を決定／確認する１８０２が加わる。従来、Ｅ０、Ｆ０は主として、図３０のようなＦＥＭウェーハの寸法計測結果をもとに決定していたが、プロセスウインド付近では焦点位置に対する寸法の変化が緩慢なため、ベスト焦点位置の決定が難しいという問題があった。専用パターンの寸法特徴量のうち、例えばＮパターンとＰパターンのエッジ幅を用い、両方のエッジ幅が一定値以下になる焦点位置をベストフォーカスとすれば、ベストフォーカスを精度よく求めることができるようになる。また、従来の条件だし作業では、ベストフォーカスの決定が作業差の主観に左右されるという問題の解決にもなる。
（ｉｉ）専用パターンとして図１に示す菱形を提案したが、この形状に限定されるものではない。実効的な露光量が場所によって異なるような形状のＮパターンとＰパターンの組み合わせ、という範疇に含まれるパターンであれば差し支えない。図１９（ａ）〜（ｅ）は、専用パターンのバリエーションである。（ｂ）（ｃ）を用いてｘ軸、ｙ軸の両方向の寸法特徴量を算出し、この値を比較すれば、露光装置のレンズの非点収差計測にも有効である。
（ｉｉｉ）図１１の工程８０４から工程８０９の間、スループットの低下を防ぐため，ステージを移動せずにイメージシフトによって画像の取得箇所を変更することを述べた。イメージシフトが可能な範囲，すなわち，電子線偏向が可能な範囲は，基本的には一定半径の円であるため，専用パターン（あるいは専用パターン群）のはその円の中におさまるよう，配置することが望ましい。また，パターンの存在しない背景部分の画像は必ずしも必要ないため，工程８０５でパターンの位置が判明したら，パターン部分を選択的に電子線走査するようにしても良い。
（８）第２の実施の形態
第１の実施の形態では、同一画像上で実効的な露光量が連続的に変化する図１、あるいは図１９のようなパターンを用いたが、第２の実施の形態では，実効的な露光量が異なるパターンを複数設けておき，その中から必要なパターンを選択するという方法をとる。第２の実施の形態で用いる専用パターンの典型例を図２０に示す。ここでは，Ｎパターン，Ｐパターンそれぞれについて，ライン幅が異なる孤立ラインを３種類配置している。実効的な露光量の大小関係はＮパターンでは，１０４１Ｎ＜１０４２Ｎ＜１０４３Ｎであり，Ｐパターンでは１０４１Ｐ＞１０４２Ｐ＞１０４３Ｐである。これらすべての画像を取得しようとすると、合計６枚の電子線像を取得することになるが（１０５、１０６が１枚の電子線像のサイズ），プロセスウインド付近での露光量変動と焦点位置変動が検出できればよいので，必ずしもすべての画像を用いる必要はない。また、画像を取得する代わりに、測長ＳＥＭの電子ビームをパターンの配列方向にあわせて走査することによって、同時に複数のパターンのプロファイルを得ることができる。このプロファイルから必要な寸法特徴量を直接取得することができる。つまり、電子ビームの走査範囲に効果的にパターンを配列すれば、画像取得やその画像の画像処理を省くことができ、全体の処理時間を大幅に短縮することができる。本実施の形態では，モデルデータを作成する際に，必要な画像の選択を行う。図２１にモデルデータ作成のフローを示す。
【００５２】
図２１の工程２００１〜２００３は，第１の実施の形態での工程８０１〜８０３（図１１参照）と同じである。ウェーハの位置が確定すると、最初の画像取得箇所へとステージが移動し（工程２００５）、中間倍の電子線像が取得され、テンプレートマッチングなどによって専用パターンの位置検出が行われる（工程２００６）。専用パターンの位置が確定すると、所定倍率で１個目（ｉ＝１）の専用パターンの画像（例えば図２０の１４０１Ｎ）が取得され（工程２００７）、保存される（工程２００８）。工程２００５〜２００８が繰り返されることによって、ＦＥＭウェーハの（Ｅ、Ｆ）各点の１個目（ｉ＝１）の専用パターンの画像が取得される（工程２００９）。
【００５３】
画像の取得が終了すると、ＦＥＭウェーハの（Ｅ、Ｆ）各点の寸法特徴量が算出され（工程２０１０），データの平滑化と補間が行われる（工程２０１１）。寸法特徴量としては，例えば，図２０（ｂ）に示したライン長Ｌ，ライン幅ＬＷ，エッジ幅ＥＷを求める。ライン幅ＬＷ，エッジ幅ＥＷについては，図２０（ｂ）のＡからＢの範囲の断面波形を加算平均したのち，例えば，図２０（ｃ）のように，ピークの外側部分，ベース部分，ピークの内側部，左右のピーク間部に直線をあてはめ，これらの交点（黒丸点）から算出する。ライン長Ｌの算出方法は，ライン幅ＬＷの算出方法と同様である。データの平滑化と補間は，図１１の工程８１２と同様にして行う。続いて、（Ｅ、Ｆ）各点での寸法特徴量の計測誤差を算出する（工程２０１２）。これは図１１の工程８１３と同様である。
【００５４】
工程２０１３では，その時点までに算出した寸法特徴量を用いて，図１１の工程８１５でのセルフチェックと同様にして算出した，（Ｅ，Ｆ）全点でのあいまい度がユーザに提示される。例えばｉ＝１で図２０の１４０１Ｎを，ｉ＝２で１４０１Ｐを，ｉ＝３で１４０２Ｎの電子線像を取得した段階であれば，これら３個の電子線像から算出される９個の寸法特徴量（各画像からＬ，ＬＷ，ＥＷの３個の寸法特徴量を算出した場合）のすべて，あるいは一部を用いた場合の（Ｅ，Ｆ）各点でのあいまい度が算出される。算出結果は，図２２のようなあいまい度の等高線マップとしてＧＵＩ画面上に表示される。図２２ではあいまい度の大小を色の濃淡で表している（簡単のため４段階としている）。ユーザは，あいまい度マップを対象工程の露光量と焦点位置のプロセスウインドに照らし合わせて（工程２０１４），実用上問題なしと判断すれば（工程２０１５のｙｅｓ分岐）モデルデータの作成を終了する。あいまい度が大きく，露光量ずれ，焦点位置ずれの検出精度が不足すると判断すれば（工程２０１５のno分岐）,次のポイント（例えば図２０（ａ）の１４０２Ｐ）の電子線像取得（工程２０１６→工程２００５）へと進む。図２３は，工程２０１３，２０１４におけるＧＵＩ画面の一例である。図２３（ａ）では，ユーザが使用する専用パターンの番号を２１０５にて１個以上指定すると，その組み合わせに対応する露光量ずれのあいまい度マップ２１０６と，焦点位置ずれのあいまい度マップ２１０７が表示される。この表示結果から，ユーザは工程２０１５の判断を行う。また，図２３（ｂ）では，露光量変動を監視すべき範囲と，焦点位置変動を監視すべき範囲を，それぞれ２１０１，２１０２にてユーザが指定すると，その範囲をカバーする専用パターンの組み合わせによる，露光量ずれのあいまい度マップ２１０３と，焦点位置ずれのあいまい度マップ２１０４が表示される。この表示結果から，ユーザは工程２０１５の判断を行う。さらにまた図２３（ｃ）では，プロセスウインド２１１０（Ｌ＆ＳパターンのＣＤ値が規定範囲内となる領域：実践で囲んだ領域と，孤立ラインパターンのＣＤ値が規定範囲内となる領域：破線で囲んだ領域がオーバーラップする領域をプロセスウインドとする場合が多い）の範囲をカバーする専用パターンの組み合わせによる，露光量ずれのあいまい度マップ２１０８と，焦点位置ずれのあいまい度マップ２１０９が表示される。以上が，専用パターンの選択を含む，モデルデータを作成す方法である。露光条件監視のフローは，図２に示した第１の実施の形態の場合と同様である。
（９）第２の実施の形態の補足
図２０では孤立ラインを用いたが，図２４（ａ）のようなロの字パターンを用いてもよい。同図のようにロの字の外側と，内側を偏心させることで，実効的な露光量が異なる４パターンが含まれることになる。同図はＰパターンを示しているが，実効的な露光量の大小関係は１５１１＞１５１２＞１５１３＞１５１４である。ライン幅が細い孤立ラインはとかく倒壊が起こりやすいが，図２４（ａ）の形状にすると，倒壊が起こりづらくなる。倒壊したパターンから寸法特徴量を算出するのは不可能であるため，倒壊しづらくすることによって，露光量変動，あるいは焦点位置変動の検出レンジが広がる効果がある。
【００５５】
あるいは，図２４（ｂ）のように配置したライン＆スペースパターンを用いてもよい。Ｎパターンには１５０１，１５０２，１５０３の３本ラインがあるが，レジストのない領域に近い方が実効的な露光量は大きくなるため，実効的な露光量の大小関係は１５０１＜１５０２＜１５０３となる。また，１５０３でも右エッジ部の方が左エッジ部よりも実効的な露光量が大きい。Ｎパターン画像として１０５を，Ｐパターン画像として１０６を取得すれば，様々な実効的な露光量を有するパターンを取得したのと等価である。
（１０）第２の実施の形態の効果
第２の実施の形態が，（７）で述べた第1の実施の形態と同様の効果を有することは明らかである。第２の実施の形態では，実効的な露光量が異なるパターンを別々な場所に設けてあるパターンを使用するため，複雑なパターンを使用している第１の実施の形態に比べて，寸法特徴量の計測誤差が小さくなるという利点がある。従って，露光量ずれ，焦点位置ずれの検出感度は，第1の実施の形態よりも高い。露光量ずれ，焦点位置ずれの検出感レンジは，第１の実施の形態に比べて小さくなるが，プロセス変動のレンジがそれに比べて小さければ，何ら問題はない。
なお，パターンを複数設けておき，その中から必要なパターンを選択するという方法をとるため，モデルデータ作成には時間を要するが，露光条件監視の段階で要する時間は，第１の実施の形態と同じである。
（１１）第３の実施の形態
第１の実施の形態では，実効的な露光量が場所によって異なる特殊形状パターンを用いたのに対し，第２の実施の形態では，そうしたパターンを用いる代わりに，露光条件変動の範囲をカバーする単純形状パターンを実験的に求めるという方法を取った。第３の実施の形態では，実験的に求める代わりに，図２５に示すように，シミュレーションによって露光条件変動の範囲をカバーするパターンを明らかにし，この結果をマスク設計に反映させるという方法をとる。
【００５６】
最適な露光量とは，回路パターン上の限界寸法のパターンが，より広い焦点位置ずれマージンをもって，設計どおりの寸法となるような露光量である。最初に，限界寸法パターンがどんなパターンであるか，すなわち，▲１▼孤立ラインであれば，そのパターン幅を，▲２▼パターンの密集部であるならパターン幅とパターン間隔を，▲３▼コンタクトホールパターンであれば，パターン径とホールの配置を定義する（工程２５０１）。次に，限界寸法パターンのパターン幅／径をｄとすると，ｄ±０，ｄ±α1，ｄ±α２，ｄ±α3，・・・（α1・・・αｎ：バイアス）のパターンについて，リソグラフィーシミュレータ上で露光量と焦点位置を振って，より広い焦点位置ずれマージンをもって，設計どおりの寸法が得られるような最適露光量およびバイアス値と焦点位置ずれマージンを求める（工程２５０２）。
【００５７】
次に，同じくシミュレーションにより，最適露光量を中心とする露光量ずれマージンと，焦点位置ずれマージンをカバーできるＮパターンとＰパターンのパターン仕様を求める（工程２５０３）。例えば，孤立ラインを例に取るならば，図８，図９のように，ＮパターンとＰパターンについて，露光量と焦点位置を振った場合のレジストパターンの断面形状をシミュレーションし，パターンが消失せず，かつ，順テーパであるような（Ｅ，Ｆ）の範囲が上記のマージンをカバーするようなライン幅を求める。
【００５８】
以上の結果に基づき，回路パターンに対しては工程２５０２で求められたバイアス値を適用し，専用パターンに対しては工程２５０３で得られた仕様を適用したマスクを設計する（工程２５０４）。
【００５９】
本実施の形態によれば，最低限必要な専用パターンのみを設ければよいので，専用パターンをよりコンパクトにできるという利点がある。また，モデルデータ作成の手間が，第１，第２の実施の形態と比べて容易なのも明らかである。なお，リソシミュレーションを活用したマスク設計は一般的になりつつあるので，本実施の形態を実行に伴うオーバーヘッドは大きいものではない。
（１２）第４の実施の形態
第１〜第３の実施の形態では専用パターンを用いることを前提としているが，回路パターン上に専用パターンの代用が期待できるようなパターンが存在する場合もある。この場合には，専用パターンの仕様を検討する前に，回路パターン上に，露光条件変動検出に適したパターンがないかを検討する。
【００６０】
本実施の形態のフローを図２６に示す。工程２５０１と２５０２は第３の実施の形態と同様である。工程２５０１では，回路パターンの設計情報からＮパターン候補とＰパターン候補を選ぶ。候補の選択は，単位面積あたりのレジストが占める比率が所定の範囲内であるようなパターンを，設計情報から自動選択するようにしてもよいし，回路パターンの設計者の判断により選択してもよい。その上で，各候補について，露光量と焦点位置を振った場合のレジストパターンの断面形状をシミュレーションし，パターンが消失せず，かつ，順テーパとなるような（Ｅ，Ｆ）の範囲が，所望のマージンをカバーしているかを調べる。専用パターンは所望のマージンをカバーしていない時のみ作成する（２５１３のｎｏ分岐）。
【００６１】
本実施の形態によれば，特別な専用パターンを必要としないという利点があり，専用パターンを設けるようなスペースがない場合に有効である。
【００６２】
専用パターンを用いない場合には，モデルデータ作成のためのレシピは，図１３（ｂ）の項番１は非専用パターンとなり，項番３で寸法特徴量の算出方法を指定する。
（１３）全体の補足
ここでは，第１〜第４の実施の形態いずれにも共通な補足事項を述べる。
（ｉ）電子線像からエッジ幅をより精度よく求めるため、ステージ、あるいはビームを傾斜させて取得した画像を用いるようにしても良い。これによってパターンエッジ部の観察精度が向上する。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば，露光量の変動のみならず焦点位置変動の検知が可能で，かつ，検知にとどまらず，プロセス変動を定量的に示す情報，すなわち，露光量と焦点位置の正確な変動量を出力する事が可能な露光条件変動の監視が可能となる。その結果として，従来の寸法計測では見逃されていた焦点位置のずれによる立体形状の異常が検出可能となり，再生がきかないエッチング後の膜パターンとなる不良の作り込みが防げるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る露光条件変監視に適したパターンの一例を示す図。
【図２】第１の実施の形態に係るプロセス変動監視システムを有すリソグラフィ工程図。
【図３】第１の実施の形態に係る測長ＳＥＭの全体構成図。
【図４】Ｎパターンにおける焦点位置ずれと断面形状の変化の関係を示す図。
【図５】Ｐパターンにおける焦点位置ずれと断面形状の変化の関係を示す図。
【図６】Ｎパターンにおける焦点位置ずれと断面形状変化の関係の原理を示す図。
【図７】Ｐパターンにおける焦点位置ずれと断面形状変化の関係の原理を示す図。
【図８】（露光量，焦点位置）vs Ｎパターンの断面形状を示す図。
【図９】（露光量，焦点位置）vs Pパターンの断面形状を示す図。
【図１０】実効的な露光量が場所によって異なるパターンを用いた場合，各場所が（Ｅ，Ｆ）マトリクス上のどの領域を受け持つかを示す図。
【図１１】第１の実施の形態に係るモデルデータ作成のフローを示す図。
【図１２】ＦＥＭウェーハの模式図，および，モデルデータの構成を示す図。
【図１３】モデルデータ作成のためのレシピの内容を示す図。
【図１４】第１の実施の形態に係る寸法特徴量の算出方法の一例を示す図。
【図１５】寸法特徴量の平滑化，補間を説明する図。
【図１６】寸法特徴量から露光量を算出する方法を説明する図。
【図１７】ウェーハ上での専用パターンの配置方法の一例を示す図。
【図１８】モデルデータ作成の別のフローを示す図。
【図１９】第１の実施の形態に係る露光条件変監視に適したパターンの別の例を示す図
【図２０】第２の実施の形態に係る露光条件変監視に適したパターンの別の例を示す図
【図２１】第２の実施の形態に係るモデルデータ作成の別のフローを示す図。
【図２２】第２の実施の形態に係るあいまい度マップの一例を示す図。
【図２３】第２の実施の形態に係るＧＵＩ画面の一例を示す図。
【図２４】第２の実施の形態に係る露光条件変監視に適したパターンの別の例を示す図。
【図２５】第３の実施の形態に係るマスクパターンを決定するフローを示す図。
【図２６】第４の実施の形態に係るマスクパターンを決定するフローを示す図。
【図２７】従来のリソグラフィ工程を示す図。
【図２８】エッチング前後のレジストパターンと膜パターンの関係を示す模式図。
【図２９】レジストの断面形状と二次電子信号強度の関係を示す図。
【図３０】露光量、焦点位置とライン幅の関係を示すグラフ図。
【符号の説明】
１０１…菱形抜きパターン，１０２…菱形残しパターン，１０３…Ｎパターン，１０４…Ｐパターン，１０５…Ｎパターンの画像取得範囲，１０６…Ｐパターンの画像取得範囲，２００１〜２００９…露光条件変動監視のための各工程，
１００…ウェーハ、１０１…ステージ、１０２…チルトステージ、２００…電子光学系、２０１…電子銃、２０２…一次電子線、２０３…コンデンサレンズ、２０４…偏向器、２０５…ＥｘＢ偏向器、２０６…対物レンズ、２０７…二次電子検出器、２０８…Ａ測定Ｄ変換器、２０９，２１０…反射電子検出器、３００…画像処理部、３０１…画像メモリ、３０２…ワークステーション，３０３…画像メモリ，３０４…ＣＰＵ，３０５…表示装置，３０６…ネットワーク
４０１…Ｎパターンの断面形状，４０２…Ｐパターンの断面形状，５０４…Ｎパターンマスク，５０７…Ｐパターンマスク，８０１〜８１５…モデルデータ作成のための各工程，１０５１…１ショット，１０５２…ダイ，１０５３〜１０５７…露光条件監視用パターン，１４０１Ｎ〜１４０３Ｎ…ライン幅の異なるＮパターン，１４０１Ｐ〜１４０３Ｐ…ライン幅の異なるＰパターン，２１０５…ＧＵＩ画面上のパターン選択用ボタン，２１０６…露光量ずれ検出のあいまい度マップ，２１０７…焦点位置ずれ検出のあいまい度マップ，２１０１…露光量ずれの監視範囲の入力用ボックス，２１０２…焦点位置ずれの監視範囲の入力用ボックス，２１０３…露光量ずれ検出のあいまい度マップ，２１０４…焦点位置ずれ検出のあいまい度マップ，１５０１〜１５１４…露光条件監視用パターンの部位

Claims (15)

1. 露光装置の露光量と焦点位置とを含む露光条件を所定の露光条件に設定した状態で露光して形成された露光条件監視のためのレジストパターンを電子顕微鏡を用いて撮像して該レジストパターンの電子線像を得、該電子線像における前記レジストパターンのエッジ幅寸法を含む特徴的な寸法を計測し、予め作成しておいた種々の露光条件と該露光条件のもとで形成されたレジストパターンの電子線像におけるエッジ幅寸法を含む特徴的な寸法とを関連づけるモデルデータの情報と前記計測した前記レジストパターンのエッジ幅寸法を含む特徴的な寸法の情報とを用いて前記露光装置で設定した所定の露光条件の露光量と焦点位置のそれぞれの適正値からのずれ量を推定することを特徴とする露光条件監視方法。
2. 前記モデルデータの情報と前記複数箇所で計測した特徴的な寸法の情報とに、更に計測誤差の情報を加味して前記露光条件の露光量と焦点位置の適正値からのずれ量を推定することを特徴とする請求項１記載の露光条件監視方法。
3. 前記推定したずれ量のあいまい度を更に求めることを特徴とする請求項１に記載の露光条件監視方法。
4. 前記レジストパターンの特徴的な寸法は、前記レジストパターンのエッジ幅寸法のほかに、該レジストパターンのパターン幅、パターン長、パターン径のうちのいずれかを含むことを特徴とする請求項１記載の露光条件監視方法。
5. 請求項１記載の露光条件監視方法であって、前記露光条件監視のためのレジストパターンは、次の（１）〜（４）のうちの何れかの特徴を有する。
   （１）局所ごとにパターン幅が異なる半導体基板上に凸状に形成されたレジストのラインパターンとその逆のパターンである局所ごとにパターン幅が異なる半導体基板上からレジストが除去されてできた凹状のスペースパターンのセット。
   （２）パターン幅が異なる複数の半導体基板上に凸状に形成されたレジストの孤立ラインパターンと、その逆のパターンであるパターン幅が異なる複数の半導体基板上からレジストが除去されてできた凹状の孤立スペースパターンのセット。
   （３）複数のパターン幅または／およびパターン間隔または／およびパターン長が異なるラインパターンの配列とその逆のスペースパターンのセット。
   （４）パターン径が異なる複数の半導体基板上にレジストを凸状に残して形成した矩形パターンと、その逆のパターン径が異なる複数の半導体基板上からレジスト除去して形成した凹状の矩形パターンのセット。
   （５）パターン径が異なる複数の半導体基板上にレジストを凸状に残して形成した円柱パターンと、その逆のパターン径が異なる複数の半導体基板上からレジスト除去して形成した凹状のホールパターンのセット。
6. 前記推定した前記露光装置で設定した所定の露光条件の露光量と焦点位置のそれぞれの適正値からのずれ量に基づいて前記露光装置の露光条件の補正量を求めることを特徴とする請求項１記載の露光条件監視方法。
7. 露光装置の露光量と焦点位置とを含む露光条件を所定の露光条件に設定した状態で露光して形成された露光条件監視のためのレジストパターンが形成された基板に収束させた電子線を照射して該照射により前記基板から発生する２次電子を検出して前記レジストパターンの電子線象を得る電子線像取得手段と、
   該電子線像取得手段で得た電子線像を処理して前記レジストパターンの電子線像におけるエッジ幅寸法を含む特徴的な寸法を求める特徴寸法抽出手段と、
   予め作成しておいた種々の露光条件と該露光条件のもとで形成されたレジストパターンのエッジ幅寸法を含む特徴的な寸法とを関連づけるモデルデータを記憶する記憶手段と、
   該記憶手段に記憶しておいた前記モデルデータに関する情報と前記特徴寸法抽出手段で前記求めた前記レジストパターンのエッジ幅寸法を含む特徴的な寸法の情報とを用いて前記露光装置で設定した前記所定の露光条件の露光量と焦点位置の適正値からのずれ量を推定するずれ量推定手段と、
   該ずれ量推定手段で推定した前記所定の露光条件の露光量と焦点位置の適正値からのずれ量に関する情報を出力する出力手段と
   を備えたことを特徴とする露光条件監視装置。
8. 前記ずれ量算出手段で算出した前記所定の露光条件の露光量と焦点位置の適正値からのずれ量に関する情報に基づいて前記露光装置の露光条件の補正量を求める露光条件補正量算出手段を更に備えたことを特徴とする請求項７に記載の露光条件監視装置。
9. 前記ずれ量推定手段は、前記記憶手段に記憶しておいたモデルデータの情報と前記特徴寸法抽出手段で求めた複数箇所の特徴的な寸法の情報とに、更に該特徴寸法抽出手段で求めた複数箇所の特徴的な寸法の計測誤差の情報を加味して前記露光条件の露光量と焦点位置の適正値からのずれ量を推定することを特徴とする請求項７記載の露光条件監視装置。
10. 前記ずれ量推定手段は、前記推定したずれ量のあいまい度を更に求めることを特徴とする請求項７記載の露光条件監視装置。
11. レジストを塗布した基板を露光条件監視のためのパターンが配置されたマスクを用いて露光装置の露光量と焦点位置とを含む露光条件を所定の露光条件に設定した状態で露光する工程と、該露光工程を経た基板を現像して前記基板上に前記露光条件監視のためのパターンを含むレジストパターンを形成する工程と、電子顕微鏡を用いて前記露光条件監視のためのレジストパターンを撮像して該露光条件監視のためのレジストパターンの電子線像を得る工程と、前記露光条件監視のためのパターンを含むレジストパターンを形成した基板にエッチング処理を施す工程とを有し、前記露光条件監視のためのレジストパターンの電子線像を得る工程で得た前記露光条件監視のためのレジストパターンの電子線像を処理して該電子線像から前記露光条件監視のためのレジストパターンのエッジ幅寸法を含む特徴的な寸法を求めて、該求めた前記露光条件監視のためのレジストパターンのエッジ幅寸法を含む特徴的な寸法を予め作成しておいた種々の露光条件と該露光条件のもとで形成されたレジストパターンのエッジ幅寸法を含む特徴的な寸法とを関連づけるモデルデータの情報と比較することにより前記露光装置で設定した所定の露光条件の露光量と焦点位置のそれぞれの適正値からのずれ量を求め、該求めたずれ量に基づいて前記露光する工程の露光条件を制御することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
12. 前記前記所定の露光条件の露光量と焦点位置の適正値からのずれ量と共に、該ずれ量のあいまい度を求めることを特徴とする請求項１１に記載の半導体デバイスの製造方法。
13. 露光装置を用いて所定の露光量と焦点位置の条件で基板上に塗布されたレジストを露光条件監視のためのパターンが配置されたマスクを用いて露光し、
    該露光されたレジストを現像して前記基板上に前記露光条件監視のためのパターンを含むレジストパターンを形成し、
    該レジストパターンが形成された基板を電子顕微鏡を用いて撮像して前記露光条件監視のためのレジストパターンの電子線像を得、
    該電子線像を処理して前記露光条件監視のためのレジストパターンのエッジ幅寸法を含む特徴的な寸法を抽出し、
    予め作成しておいた種々の露光条件と該露光条件のもとで形成されたレジストパターンのエッジ幅寸法を含む特徴的な寸法とを関連づけるモデルデータの情報と前記抽出したレジストパターンのエッジ幅寸法を含む特徴的な寸法の情報とから前記露光装置の所定の露光量と焦点位置の適正値からのずれの推定量と該推定量のあいまい度を求め、
    該求めたずれの推定量と該推定量のあいまい度に関する情報に基づいて前記露光装置で設定した露光量と焦点位置の補正量を求め、
    該求めた補正量に基づいて前記露光装置の露光量と焦点位置とを補正し、
    該露光量と焦点位置とを補正した前記露光装置を用いて新たな基板上に塗布したレジストを露光する
    ことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
14. 前記露光条件監視のためのレジストパターンは、前記露光装置で露光された実効的な露光量が場所ごとに異なることを特徴とする請求項１３記載の半導体デバイスの製造方法。
15. 前記露光条件監視のためのレジストパターンは、前記露光装置の１露光領域内に複数形成されていることを特徴とする請求項１３記載の半導体デバイスの製造方法。

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