JP4255657B2 - Semiconductor manufacturing process management method - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造工程管理方法、半導体製造工程管理システムおよびインライン電子線評価装置に関し、特に各種材料膜で形成されたパターンを積層する際の位置合わせ精度を改善するための技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、半導体装置の製造工程においては、半導体基板上に、金属膜、半導体膜、絶縁体膜などの各種の材料膜で形成されたパターンを順次積層して微細構造の半導体素子を形成している。このパターンを積層する場合、露光工程において、前工程で形成した下層パターンに対して上層パターンの位置合わせが行われる。即ち、上層パターンの露光工程を実施する際に、上層のマスクパターンを半導体ウェハ上に形成された下層パターンに対し所定の規格で位置合わせ(アライメント)を行って露光することにより、上層パターンを下層パターンに重ね合わせて形成する。
【0003】
近年、超高集積の半導体装置の開発が精力的に進められており、半導体素子の微細化及び高密度化に伴い、半導体素子構造の形成に必須となっている露光工程でのマスクの位置合わせ精度の向上が強く要望されている。ここで、下層パターンに対するマスクパターンの位置合わせは、大きく分けて次の7つの成分、すなわち(1)シフト、(2)ウェハスケーリング(ウェハ伸び縮み)、(3)ウェハローテーション(ウェハ回転)、(4)ウェハオーソゴナリティ(ウェハ直交度)、(5)ショットローテーション(ショット回転)、(6)ショットマグニフィケーション(ショット倍率あるいはショット伸縮率)、(7)ディストーションマッチングに大きく分類される。
【0004】
上述のような露光工程での重ね合わせの各成分におけるマスクの位置合わせずれに対しマージン(許容範囲)を設定し、該マージンを利用して半導体装置の製造工程の管理が行われている。例えば、特開平11−274037号公報には、半導体装置製造方法において、露光工程別に適正な位置合わせ精度を設定し、露光工程後に行う下層パターンと上層パターンとの間の位置合わせ検査において精度良く製品の品質を管理する方法および装置が開示されている(図28参照)。
【0005】
上述の位置合わせ検査は、一般的に、半導体装置の下層パターンと上層パターンに一対のいわゆるボックスマークを形成し、これらのボックスマーク間の位置ずれ量を計測することにより算出される。このずれ量の計測は上層パターンを形成する露光現像工程後に実施され、通常フォトレジストが上層パターンとされる。また、一回の位置合わせにつき一個のボックスマーク形成領域が用いられるので、位置合わせを行う度に使用するボックスマークの形成領域が異なる。このため、少なくとも位置合わせを実施する回数分だけホックスマークの形成領域が必要となる。したがって、これらのボックスマークは、トランジスタ等の素子が形成される領域(チップ領域あるいは製品領域)とは別の領域(スクライブライン上の領域)に設けられる。これにより、チップ面積の増大を招くことなく位置合わせのずれ量を測定し算出することができる。
【0006】
以下、図28を参照して上述のずれ量による半導体装置製造工程の管理方法を説明する。ウェハ加工処理(製造工程)に先だって、位置合わせのマージンに関するデータベースが準備される。このデータベースにはプロセスフローやホトマスク情報などが入力される。ウェハ加工処理が開始すると、成膜工程、エッチング工程等(ステップS101)を経て露光工程が行われる(ステップS102)。この後、位置合わせ検査が行われ(ステップS103)、露光工程におけるマスクの合わせずれ量が測定される。
【0007】
続いて、上述のデータベースを検索して位置合わせマージンに関する情報を取得し(S104)、上述の検査結果として得られた合わせずれ量が、データベースから取得されたマージンよりも小さいか否かを判断する(ステップS105)。ここで、検査結果がマージンよりも小さい場合(ステップS105;YES)、次の工程の加工処理が行われ(ステップS106)、上述のステップS101〜S105が繰り返される。これに対し、検査結果がマージンよりも大きい場合(ステップS105;NO)、アラームを表示し、その旨を作業者に報知する。これにより、作業者は、位置合わせずれ量が規格値を越えたことを把握し、必要な対策を講じる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の製造工程管理方法では、次のような問題がある。第1の問題点は、位置合わせのずれ量が規格値を越えたとしても、製造工程に適切に反映させることができず、歩留まりを有効に改善することが困難であった。即ち、従来の方法によれば、電子回路の動作特性を決定している下層パターンと上層パターンの本質的な重ね合わせずれ量を測定することができない。その理由は、上述のように、重ね合わせずれ量の検出を露光現像工程の後に実施しており、フォトレジストからなる上層ボックスマークと下層パターンを用いて重ね合わせずれ量を測定しているためである。
【0009】
さらに詳細に説明する。半導体集積回路は、各層に作成されたトランジスタや配線と、異なる層間を電気的に接続するホール(あるいはプラグとも呼ばれる)から成り立っている。そして、トランジスタ、配線、ホールといった微細素子を積層する際の相対的な重ね合わせ(位置合わせ)精度は、これまで露光工程のみによって決定されるとみなされていた。しかし、近年の半導体集積回路の微細化・高集積化の発展により、ホールを代表とする各層の微細素子構造は縦長の断面構造をとるようになり、露光工程後のエッチング工程能力あるいは成膜工程などの工程能力によっても下層パターンと上層パターンの重ね合わせずれ量が影響されるようになってきた。
【0010】
図29は、上層パターン形成工程の中での(通常の露光工程後ではなく)エッチング工程後の断面構造の一例を示す図であり、同図(a)はウェハ周辺部を示し、同図(b)はウェハ中央部を示す。同図において、L1は絶縁膜層、L2は配線層、L3は絶縁膜層(上層)、L4はフォトレジストである。この例では、現像されたフォトレジストL4をマスクとして絶縁膜層L3にホールHが形成されている。フォトレジストL4からなる上層パターンは、同図(a),(b)のいずれもにおいても配線層L2からなる下層パターンに対して良好な重ね合わせで積層されている。このことは、従来の重ね合わせ検査装置を用いて測定することができる。
【0011】
しかし、ウェハ周辺部では、図29(a)に示すように、絶縁膜層L3に形成されたホールHと配線層L2との重ね合わせは不良となる。ホールHの底部の全てが、下層パターンである配線層L2に接していないからである。これでは、上層のホールHと下層の配線層L2との接触抵抗が大きくなり製品の特性を劣化させることとなる。すなわち、従来の製造工程管理の重ね合わせ検査で良品とみなされた場合でも、実際の電気特性が管理規格を越える場合があり、これでは実質的に製造工程の品質管理がなされていないといえる。
尚、ここで挙げた一例は、エッチング工程においてホールHのエッチングが基板表面に対して斜めに進行することによって引き起こされる重ね合わせずれであり、本現象は、半導体集積回路の微細化と高集積化に伴って、特にウェハ周辺部において顕在化してきた現象である。
【0012】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、重ね合わせ量の測定誤差を低減し、半導体装置製造工程において各層を積層する際の位置合わせずれを有効に抑制することを可能とする半導体装置製造工程管理方法、半導体製造工程管理システムおよびインライン電子線評価装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、この発明は以下の構成を有する。
請求項1記載の発明は、基板電流信号を利用したインライン電子線評価装置から得られる重ね合わせずれ量を用いて、光信号を利用した重ね合わせ検査装置による工程管理規格範囲を管理する方法であって、(a)下層パターンを形成した後にフォトレジストからなる上層パターンを転写する露光処理を実施する第一のステップと、(b)光信号を利用した重ね合わせ検査装置を用いて前記下層パターンと前記上層パターンとの第一の重ね合わせずれ量を測定する第二のステップと、(c)基板電流信号を利用したインライン電子線評価装置を用いて前記下層パターンと前記上層パターンとの第二の重ね合わせずれ量を測定する第三のステップと、(d)前記第一の重ね合わせずれ量と前記第二の重ね合わせずれ量との対応関係を特定する第四のステップと、(e)前記対応関係に基づき、前記第二の重ね合わせずれ量を基準として前記第一の重ね合わせずれ量に関する工程管理規格を決定する第五のステップと、(f)前記工程管理規格を製造工程で参照されるべきデータベースに登録する第六のステップと、(g)前記データベースを参照し、前記光信号を利用した重ね合わせ検査装置による測定結果が前記工程管理規格を満足するか否かを判断する第七のステップと、(h)前記測定結果が前記工程管理規格を満足しない場合に前記露光処理を再処理に付す第八のステップと、を含むことを特徴とする。
【0015】
請求項記載の発明は、基板電流信号を利用したインライン電子線評価装置から得られる重ね合わせずれ量を用いて、光信号を利用した重ね合わせ検査装置による工程管理規格範囲を管理する方法であって、(a)下層パターンを形成した後にフォトレジストからなる上層パターンを転写する露光処理を実施する第一のステップと、(b)光信号を利用した重ね合わせ検査装置を用いて前記下層パターンと前記上層パターンとの第一の重ね合わせずれ量を測定する第二のステップと、(c)基板電流信号を利用したインライン電子線評価装置を用いて前記下層パターンと前記上層パターンとの第二の重ね合わせずれ量を測定する第三のステップと、(d)前記第一の重ね合わせずれ量と前記第二の重ね合わせずれ量との対応関係を特定する第四のステップと、(e)前記対応関係に基づき、前記第二の重ね合わせずれ量を基準として前記第一の重ね合わせずれ量に関する工程管理規格を決定する第五のステップと、(f)前記工程管理規格および前記対応関係を製造工程で参照されるべきデータベースに登録する第六のステップと、(g)前記データベースを参照し、前記光信号を利用した重ね合わせ検査装置による測定結果が前記工程管理規格を満足するか否かを判断する第七のステップと、(h)前記測定結果が前記工程管理規格を満足しない場合に前記製造工程における露光処理を再処理に付す第八のステップと、をさらに含み、前記第八のステップでは、前記対応関係を参照して、前記測定結果を前記第一の重ね合わせずれ量としたときの前記第二の重ね合わせずれ量を取得し、この取得された第二の重ね合わせずれ量をゼロとするように、前記製造工程での露光条件を補正することを特徴とする。
【0020】
請求項記載の発明は、基板電流信号を利用したインライン電子線評価装置から得られる重ね合わせずれ量を用いて、光信号を利用した重ね合わせ検査装置による工程管理規格範囲を管理する方法であって、(a)下層パターンを形成した後に光信号を利用した重ね合わせ検査装置を用いて前記下層パターンの第一の重ね合わせずれ量を測定する第一のステップと、(b)基板電流信号を利用したインライン電子線評価装置を用いて前記下層パターンの第二の重ね合わせずれ量を測定する第二のステップと、(c)前記第一の重ね合わせずれ量と前記第二の重ね合わせずれ量との対応関係を特定する第三のステップと、(d)前記対応関係に基づき、前記第二の重ね合わせずれ量を基準として前記第一の重ね合わせずれ量に関する工程管理規格を決定する第四のステップと、(e)前記工程管理規格および前記対応関係を製造工程で参照されるべきデータベースに登録する第五のステップと、(f)前記データベースを参照し、前記光信号を利用した重ね合わせ検査装置による測定結果が前記工程管理規格を満足するか否かを判断する第六のステップと、(g)前記測定結果が前記工程管理規格を満足しない場合に前記対応関係を参照して、前記測定結果を前記第一の重ね合わせずれ量としたときの前記第二の重ね合わせずれ量を取得し、この取得された第二の重ね合わせずれ量を、上層パターン形成のための前記露光工程での露光条件として設定する第七のステップと、を含むことを特徴とする。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
(実施の形態1)
本実施形態の半導体製造工程管理方法が適用される半導体製造システムの全体構成を図1に示す。同図に示すように、本システムは、基板電流信号を利用したインライン電子線評価装置11、光信号を利用した重ね合わせずれ量評価装置12、半導体製造装置20、測定データ収集部31、検出値データベース32、装置制御因子データベース33、装置データ収集部34、製造工程管理データベース35、データ処理部36、装置制御因子設定部40を備える。上述の半導体製造装置20は、例えば、露光装置21、エッチング装置22、CMP装置23、成膜装置24、熱処理装置25、イオン注入装置26、洗浄装置27を含んで構成される。測定データ収集部31は検出値収集部31AおよびウェハID収集部31Bからなり、装置データ収集部34は装置制御因子データ収集部34AおよびウェハID収集部34Bからなる。この他、図示しないウェハIDデータベースを備える。
【0025】
ここで、インライン電子線評価装置11は、半導体基板上の測定対象となる任意のパターンへ任意の照射条件の電子ビームを照射し、このとき誘起される基板電流基板電流信号を検出し、前記信号に数値演算処理を施すことによって、上層パターンと下層パターンとの界面部分における重ね合わせずれ量を非接触で算出する装置であり、本願発明者が例えば特開2002−83849号公報(特願2000−311196)に開示した半導体デバイス検査装置が用いられる。この検査装置は、図2(a)に示すように半導体基板に電子ビームを照射し、このとき、図2(b)に示すように半導体基板に誘起する基板電流信号を検出して、この信号に数値演算処理を実施することにより、上層パターンのエッジ部分の位置情報を精度よく検出する。
【0026】
また、インライン電子線評価装置11は、評価を実施した半導体基板(ウェハ)に固有の認識番号(ID)を読み取る機構を有しており、測定データ(重ね合わせずれ量)ならびに半導体基板固有の認識番号を外部へ出力する機能を有している。このインライン電子線評価装置11は、後述の光信号を利用した重ね合わせずれ量評価装置12と異なり、チップ内領域(製品領域)に存在するトランジスタパターンあるいは配線パターンなどを用いて、重ね合わせずれ量を測定することが可能である。
【0027】
尚、インライン電子線評価装置11は、半導体基板上の複数の測定位置に対して同一形状の電子ビームを順次照射し、当該測定位置に電子ビームを照射したときに誘起される電流信号を測定して、各測定位置と当該測定位置における電流信号とを記憶し、前記電流信号を用いて算出した個々の重ね合わせずれ量あるいは下地パターン伸縮率を測定位置の関数として出力することが可能である。また、前記測定位置の関数とする重ね合わせずれ量あるいは下層パターンの伸縮率の出力方法は、例えば、実際に電流信号測定を実施した各測定位置に対する重ね合わせずれ量あるいは下地パターン伸縮率を用いて、当該重ね合わせずれ量あるいは下地パターン伸縮率に関する空間分布関数を計算し、当該半導体基板上全ての位置に対して当該重ね合わせずれ量あるいは下地パターン伸縮率の出力する。前記電流信号の記憶は、測定データをそのまま蓄えても良いが、積和あるいは平均などの演算処理を実施した後に記憶してもよい。
【0028】
重ね合わせずれ量評価装置12は、半導体基板上の測定対象となる任意のパターンへレーザ光あるいは非干渉性の光を照射し、CCDカメラなどの検出器によって前記パターンからの信号を検出し、演算処理によって上層パターンと下層パターンとの重ね合わせずれ量を非接触で算出する装置である。いわゆるボックスマークの位置検出は、前記検出器から得られた信号より、内側重心法、外側重心法、フーリエ7点法といったエッジ検出法によって決定される。また、前記検出器から得られた測定波形上で、相関モデルを移動させ、最もマッチした位置をもって、当該ボックスマークの位置決定を実施してもよい。この重ね合わせずれ量評価装置12は、チップ領域(製品領域)とは別の領域(スクライブライン上の領域)に設けられるボックスマークを用いて、重ね合わせずれ量を測定することを基本としている。
【0029】
半導体製造装置20は、半導体基板上パターン形状に反映する装置制御因子および処理半導体基板のID番号を外部へ信号出力する機能している。また、半導体製造装置20は、その装置制御因子を外部信号により制御可能に構成されている。ここで、装置制御因子とは、例えばエッチング装置の場合、処理時間、ガス流量、入射電力量(上部電極あるいは下部電極による)、入射バイアス量、入射高周波の位相、ウェハ保持ステージの温度、チェンバ内圧力、などを指し示す。また、CMP装置においては、研磨パッドの回転数、基板(ウェハ)の回転数、研磨パッドに対する基板への圧力(荷重)、前記加圧(荷重)領域、化学反応剤の供給量、化学反応剤供給ノズルの位置、研磨剤粒子を含む研磨スラリの供給量、研磨剤粒子を含む研磨スラリ供給ノズルの位置、キャリアヘッドの位置(移動速度などを含む)、ウェハの帯電量、処理時間などを指し示す。
【0030】
また、露光装置21についての装置制御因子とは、例えば、照射光量(露光時間)、フォーカスシフト量、ショット倍率、ウェハスケーリング(ウェハの伸び縮み)、アライメントシフト量、ウェハローテーション(ウェハ回転)、ウェハオーソゴナリティ(ウェア直交度)、ショットローテーション(ショット回転)、ショットマグニフィケーション(ショット倍率あるいはショット伸縮率)、ディストーションマッチング、ウェハとレチクルの移動速度(スキャンスピード)、ステージ表面温度(ウェハ温度)、ステージ傾斜角度などを指し示す。また、洗浄装置についての装置制御因子とは、例えば、ウェハ(基板)回転数、薬液(純水も含む)の供給量、ウェハの帯電量、薬液温度、処理時間、ウェハの薬液槽への挿入・引き上げ速度、薬液濃度などを指し示す。また、成膜装置24についての装置制御因子とは、例えば、ガス流量、ウェハ温度(ランプ速度をも含む)、処理時間、入射電力量、ウェハ移動速度などを指し示す。また、熱処理装置25についての装置制御因子とは、ガス流量、ウェハ温度(ランプ速度をも含む)、処理時間、入射電力量、ウェハ移動速度などを指し示す。また、イオン注入装置26についての装置制御因子とは、ドーズ量、注入エネルギ、ウェハ温度、ビームスキャン速度、ウェハホルダの回転速度、ビーム電流量などを指し示す。
【0031】
検出値収集部31Aは、インライン電子線評価装置11および重ね合わせずれ量評価装置12から算出される重ね合わせずれ量を収集し、所望の通信プロトコルにてデータ処理部36へ送信する機能を有する。装置制御因子データ収集部34Aは、半導体製造装置20から各装置制御因子を収集し、所望の通信プロトコルにてデータ処理部36へ送信する機能を有する。また、ウェハID収集部31B,34Bは、インライン電子線評価装置11、重ね合わせずれ量評価装置12、および半導体製造装置20から出力される識別番号を収集し、所望の通信プロトコルにてデータ処理部36へ送信する機能を有する。
装置制御因子設定部40は、データ処理部36から出力される装置制御因子の補正値を受信し、所望の通信プロトコルにて半導体製造装置20へ送信し、装置制御因子を半導体製造装置20内の各装置に設定する機能を有する。
【0032】
検出値データベース32は、検出値収集部31Aによってデータ処理部36へ送信される重ね合わせずれ量を、それに対応するウェハの識別番号とともに記録し、かつデータ処理部36のリクエストにしたがって所望の重ね合わせずれ量と、それに対応するウェハの識別番号の読み出しを行う機能を有する。装置制御因子データベース33は、装置制御因子データ収集部34Aによってデータ処理部36へ送信される装置制御因子をそれに対応する識別番号とともに半導体製造装置毎(号機毎に)に記録し、かつ、データ処理部36のリクエストにしたがって所望の装置制御因子と、それ対応する識別番号の読み出しを実施する機能を有する。製造工程管理データベース35は、ウェハの識別番号で識別される個々の半導体基板(ウェハ)の製造工程履歴を蓄積すると共に、製造工程におけるそれぞれの重ね合わせ精度のマージン(管理範囲)を保持するものである。したがって、検出値収集部31Aあるいは装置制御因子データ収集部34Aによってデータ処理部36へ送信されてくる重ね合わせずれ量あるいは装置制御因子を、そのウエハに対応する識別番号毎に記録し、かつデータ処理部36のリクエストにしたがって所望の識別番号の重ね合わせずれ量および装置制御因子の読み出しを実施する機能を有する。
【0033】
データ処理部36は、重ね合わせずれ量・装置制御因子データ、ウェハの識別番号の読み出しおよび書き込み処理を行い、これらのデータに統計処理を施して所望の補正値あるいは管理範囲を算出・決定し、該当するデータが管理範囲内にあるか否かを判断する機能を有する。また、データ処理部36は、重ね合わせずれ量の評価を実施した半導体基板(ウェハ)の上層パターンと下層パターンとの界面部分での重ね合わせ制御因子に関して、(1)シフト、(2)ウェハスケーリング(ウェハ伸び縮み)、(3)ウェハローテーション(ウェハ回転)、(4)ウェハオーソゴナリ予ィ(ウェハ直交度)、(5)ショットローテーション(ショット回転)、(6)ショットマグニフィケーション(ショット倍率あるいはショット伸縮率)、(7)ディストーションマッチングのそれぞれのずれ量を算出し、かつ製造工程管理データベース35が保持する工程管理指標と比較演算を実施し、所望の補正を算出する機能をも有する。
【0034】
また、データ処理部36は、製造工程管理データベース35に対して測定値の履歴あるいは製造工程情報(工程管理指標も含む)を探索し、該探索の結果得られた履歴・製造工程情報から対象となる露光工程の重ね合わせずれ量の履歴あるいは該履歴から求められる統計的な傾向などを算出する。さらに、当該工程を含む全ての半導体製造工程に関する前記履歴および前記製造工程情報から、当該の半導体基板の最終的な歩留まり(イールド)を推定する機能を有する。
尚、本実施の形態1による半導体製造工程管理システムは、ネットワークを介して接続された複数のコンピュータ(データ処理部36)、半導体製造装置20、インライン電子線評価装置11、重ね合わせずれ量評価装置12、各種のデータベースから構成される。
【0035】
次に、本実施の形態1に係る上述の半導体装置製造工程管理システムによる半導体製造工程管理方法を説明する。
本実施の形態1に係る半導体装置製造工程管理方法は、上述の基板電流信号を利用したインライン電子線評価装置が算出する重ね合わせずれ量を用いて、光学信号を利用した重ね合わせ検査装置が算出する重ね合わせずれ量あるいはそれに基づく工程管理規格を決定することにより、重ね合わせずれ量を正しく評価し、歩留まりの高い半導体装置製造工程を早期に完了させる方法である。
【0036】
本実施形態の管理方法を用いた半導体装置の製造手順の一例を図3および図4に示す。
図3は、テストウェハ処理の流れを示し、図4は、製造工程での処理の流れを示す。図3に示すステップS111からステップS117までの処理によって工程管理規格を決定し、図4に示すステップS7121からステップS125の処理によって、前記工程管理規格を用いて露光工程の工程管理を運用する。
【0037】
まず、ステップS111からステップS117までの一連の処理手順を詳細に説明する。テスト用の半導体基板(テストウェハ)を投入した後、製品ウェハと同一の半導体製造工程を実施する(ステップS111)。ステップS111では、具体的には、成膜、エッチング、CMPなどの工程を実施する。この段階では下層パターンが形成されている状態にある。尚、ここでは、下層パターン形成のために用いた一連の半導体製造装置20での装置制御因子およびウェハIDが、装置データ収集部34を介してデータ処理部36へ転送された後、装置制御因子データベース33に蓄積される。
次に、製造工程で使用される複数台の露光装置の中から所望の露光装置を選択し、露光処理を実施し(ステップS112)、上層パターンをフォトレジストに転写する。ここで、図5に示すように、ショット毎に下層パターンのボックスマークLLに対し上層パターンのボックスマークULのショット位置をシフトさせ、ショットのシフト量に複数の水準を設定する。同図(a)は、上層パターンが−Xだけシフトされた場合を示し、同図(b)は、シフト量がゼロの場合を示し、同図(c)は上層パターンが下層パターンに対して+Xだけシフトされた場合を示す。このように、露光工程では意図的にショット位置にオフセットを設けて露光する。尚、ここでは、当該露光装置21における装置制御因子およびウェハIDが装置データ収集部34を介してデータ処理部36へ転送された後、装置制御因子データベース33に蓄積される。
【0038】
統いて、光信号を利用した重ね合わせずれ量評価装置12を用いて、フォトレジストからなる上層パターンと下層パターンとの重ね合わせずれ量Aを測定する(ステップS113)。具体的には、図5に示すように、下層パターンのボックスマークLLと上層パターンのボックスマークULとの間の距離S1,S2を測定し、これらの差分からずれ量A(=S1−S2)を算出する。ずれ量Aは、被測定対象の半導体基板が有するウェハIDと共に、検出値収集部31AおよびウェハID収集部31Bを経てデータ処理部36へそれぞれ転送される。ステップS113では、製品領域以外の領域(例えばスクライブライン領域)上のボックスマークに対して、前記測定を実施することが基本とされる。この重ね合わせずれ量Aは、露光工程で設定された複数の水準について測定される。
続いて、基板電流信号を利用したインライン電子線評価装置11を用いて、重ね合わせずれ量評価装置12と同一の測定対象を測定し、フォトレジストからなる上層パターンと下層パターンとの重ね合わせずれ量Bを測定する(ステップS114)。ステップS114では、製品領域(チップ内領域)の任意のパターンを用いても重ね合わせずれ量を実施することが可能である。
【0039】
ここで、図6を参照して、インライン電子線評価装置11を用いた重ね合わせずれ量の測定原理を説明する。同図上段にボックスマークの上視図を示し、同図中段に断面構造図を示し、同図下段に基板電流信号の微分波形を示す。電子ビームを同図左から右方向に走査し、そのときに各走査位置で基板電流信号を観測する。同図に示すように、基板電流信号を微分した波形は、電子ビームの照射エネルギを適切に選択することにより下層パターンまたは上層パターンのエッジ部分でピークを示す。即ち、上層パターンと下層パターンとではエッジ部分の最表面からの深さが異なるため、電子ビームの飛程を変調する必要がある。このように電子ビームを適切に変調することにより、上層パターンまたは下層パターンの各エッジ部分で微分波形がピークを示し、下層パターンをなすボックスマークLLと上層パターンをなすボックスマークULとの間の距離S1,S2を精度良く測定することが可能になり、従って下層パターンに対する上層パターンの重ね合わせずれ量B(=S1−S2)を精度良く算出することが可能になる。ずれ量Bは、被測定対象の半導体基板が有するウェハIDと共に、検出値収集部31AおよびウェハID収集部31Bを経てデータ処理部36へそれぞれ転送される。この重ね合わせずれ量Bは、露光時に設定された複数の水準について測定される。
なお、光信号を利用した測定方法によれば、中間層のラウンド部分Rの影響を受けるため、信号波形がピークを示さず、従ってエッジ部分の検出が困難になり、測定精度が得られないことになる。
【0040】
続いて、データ処理部36が、測定された重ね合わせずれ量Aと重ね合わせずれ量Bとの対応関係を特定する(ステップS115)。図7に、ずれ量Aとずれ量Bとの対応関係の一例を示す。同図において、横軸は、上述の基板電流信号を利用して各水準について測定されたずれ量Bを表し、縦軸は、上述の光信号を利用して各水準について測定されたずれ量Aを表す。同図の特性線は、同一の水準について、光信号を利用した評価装置12およびインライン電子線評価装置11を用いて測定されたずれ量Aおよびずれ量Bをプロットして得られたものである。上述のように、基板電流信号を利用して測定されたずれ量Bは、極めて精度が高く、デバイス設計値を表していると見なすことができる。従って、図7に示す対応関係は、光信号を利用した場合に測定されるずれ量Aとデバイス設計値との対応関係を表していることになる。
【0041】
続いて、データ処理部36が、上述の対応関係に基づき、ずれ量Bを基準としてずれ量Aに関する工程管理規格を決定する(ステップS116)。具体的には、デバイス設計により、工程管理規格の上限値BUと下限値BLが予め設定される。これら上限値BUと下限値BLはずれ量Bの上での値とみなせるから、図7に示す対応関係から、上限値BUおよび下限値BLに対応するずれ量Aとして上限値AUおよび下限値ALが得られる。これら上限値AUおよび下限値ALが光信号を利用した評価装置12の工程管理規格として決定される。ここで、光信号を利用したずれ量Aは、測定精度の低い量ではあるが、ずれ量Bを基準としてずれ量Aに関する工程管理規格を決定しているので、結果としてデバイス設計値を満足しているかどうかの判断を正しく行うことができ、工程管理の品質を向上させることが可能になる。
【0042】
続いて、上述のステップS116で決定された工程管理規格を、製造工程で参照されるべき製造工程管理データベース35に登録し(ステップS117)、このデータベースを更新する。尚、当該工程管理規格の登録にあたっては、上層パターンおよび下層パターンの形成のために用いたそれぞれの装置制御因子が関連づけられていることが望ましい。
以上で、最初に選択された露光装置に対する工程管理規格の準備がなされる。同様に他の露光装置についても光信号および基板電流信号を利用して重ね合わせずれ量を測定し、この測定結果から工程管理規格を求める。
【0043】
次に、図4を参照して、本実施の形態1による製造工程を説明する。
製品半導体基板(製品ウェハ)を投入した後、ステップS121において所望の半導体製造工程を実施する。ただし、ステップS121で実施する半導体製造工程は、上述のステップS111と同一の工程である。
続いて、製造工程で使用される複数台の露光装置の中から一台の露光装置を選択して露光処理を実施し(ステップS122)、上層パターンをフォトレジストヘ転写する。尚、ステップS122で選択される露光装置および工程条件は、前述のステップS112で選択された露光装置および工程条件と同一であることが望ましい。続いて、光信号を利用した重ね合わせずれ量評価装置12を用いて、フォトレジストからなる上層パターンと下層パターンとの重ね合わせずれ量Aを測定する(ステップS123)。ずれ量Aは、被測定対象の半導体基板が有するウェハIDと共に、測定データ収集部31を介してデータ処理部36へ転送される。基本的には、ステップS123にて実施される測定は、製品領域以外の領域(例えばスクライブライン領域)上のボックスマークに対して行われる。
【0044】
続いて、製造工程管理データベース35にて、当該の製品工程における光学信号を利用した重ね合わせ検査装置12に基づく工程管理規格を検索し、前述のステップS117で更新された工程管理規格を製造工程管理データベース35からデータ処理部36へ転送する。そして、データ処理部36が、ステップS123にて得られた重ね合わせずれ量Aが、取得した工程管理規格に収まっているか否かを判断する(ステップS124)。ここで、ずれ量Aが工程管理規格内に収まっていると判断した場合(ステップS124;YES)、本処理を完了する。逆に、収まっていない(範囲外である)と判断された場合(ステップS124;NO)は、当該の半導体基板表面に形成されたフォトレジストからなる上層パターンを剥離して再処理に付す(ステップS125)。この剥離処理は、アッシング処理や酸洗浄処理などである。前記剥離処理を実施した半導体基板に対して再処理が実施される(ステップS122)。
【0045】
尚、ステップS125を経て実施されるステップS122で選択される露光装置は、当該半導体基板に直前に使用された露光装置と同一の露光装置であることが望ましい。また、ステップS113、ステップS114およびステップS123においては、重ね合わせずれ量評価を半導体基板上の複数位置に対して実施することも可能である。図8は、この場合の測定点の取り方の一例を示す。測定位置は予め定められた間隔で位置しており、一定周期の間隔である場合が多い。例えば、ステップS112において定まる露光領域の繰り返し間隔で定義しても良いし、あるいは同じくステップS112において定まるチップ領域の繰り返し間隔であっても良い。
【0046】
また、ステップS116における工程管理規格の決定処理は、実際にステップS113において光信号を測定した各測定位置に対する重ね合わせずれ量と、ステップS114において基板電流信号を測定した各測定位置に対する重ね合わせずれ量とを用いて、当該重ね合わせずれ量に関する空間分布関数を計算し、当該半導体基板上の全ての位置に対して重ね合わせずれ量を算出するものとしてもよい。例えば、ステップS111における成膜工程は、その膜厚が半導体基板上全体としての分布を持つことが知られている。また、例えば、ステップS112における露光処理においては、その転写されるパターン形状が露光領域としての分布を持つことが知られている。また、ステップS124における判断処理において、重ね合わせ制御因子の補正値の決定は、半導体基板上の位置の関数として実施されるものとしてもよい。以上で、実施の形態1を説明した。
【0047】
(実施の形態2)
以下、本発明の実施の形態2に係る半導体装置製造工程管理方法を説明する。
上述の実施の形態1では、露光工程におけるシフト量に関する工程管理規格を定めるものとしたが、本実施の形態2では、露光工程におけるショット倍率あるいはショット伸縮率に関する工程管理規格を求め、さらにショット倍率を補正する。これにより的確に工程管理を行うと共に、歩留まりの改善を図る。
本実施形態2の管理方法を用いた半導体装置の製造手順の一例を図9および図10に示す。図9は、テストウェハ処理の流れを示し、図10は、製造工程での処理の流れを示す。図9に示すステップS211からステップS217までの処理によって工程管理規格とずれ量に対する補正値とを決定する。そして、図10に示すステップS221からステップS227の処理によって、前記工程管理規格および補正値による露光工程の工程管理を運用する。
【0048】
詳細に説明すると、まず、ステップS211からステップS217までの一連の処理手順を説明する。テスト用の半導体基板(テストウェハ)を投入した後、製品ウェハと同一の半導体製造工程を実施する(ステップS211)。ステップS211では、具体的には、成膜、エッチング、CMPなどの工程を実施する。この段階では下層パターンが形成されている状態にある。次に、製造工程で使用される複数台の露光装置の中から一台の露光装置を選択して露光処理を実施し(ステップS212)、上層パターンをフォトレジストに転写する。図11に示すように、半導体基板の主面は複数のショット領域ST1〜ST42に分割されて露光される。各ショット領域は1回の露光領域に相当する。この実施の形態2では、各ショット領域毎にショット倍率を変えることにより、ショット倍率に複数の水準を設ける。
【0049】
図12を参照して、ショット倍率の水準の設定方法を説明する。図12に示すショット領域STは、図11に示すショット領域ST1〜ST42のそれぞれに相当し、x方向のサイズがLxであり、y方向のサイズがLyである。このショット領域の内部には、複数個分のチップパターンが含まれている。また、ショット領域STの4辺中央には計測点P1〜P4が設けられる。各計測点には、前述した下層パターンからなるボックスマークLLと、上層パターンからなるボックスマークULとが配置される。ここで、正規のショット倍率を採用した場合、各計測点のボックスマークLLの中央にボックスマークULが位置する。下層パターンに対して上層パターンのショット倍率を大きく設定した場合、同図(a)に示すように、ボックスマークULがショット領域STの外側に移動する。これに対し、ショット倍率を小さく設定した場合にはボックスマークULがショット領域STの内側に移動する。このように、露光装置のショット倍率を調節することにより、ショット領域ST1〜ST42のショット倍率を変え、ショット倍率について複数の水準を設ける。ショット倍率は、各計測点のボックスマークのずれ量から算出されるが、この算出法については後述する。
【0050】
続いて、光信号を利用した重ね合わせずれ量評価装置12を用いて、各ショット領域に設けられた計測点P1〜P4の各ボックスマークからずれ量Aを測定する(ステップS213)。
続いて、基板電流信号を利用したインライン電子線評価装置11を用いて、各ショット領域の計測点P1〜P4の各ボックスマークからずれ量Bを測定する(ステップS214)。
図13に、上述のステップS213およびステップS214で測定されたずれ量Aおよびずれ量Bの一覧を示す。この例は、ある一つのショット領域の計測点P1〜P4で測定されたずれ量Aおよびずれ量Bを座標形式で示している。例えば、計測点P1については、ずれ量Aのy方向成分として「AY1」が計測され、ずれ量Bのy方向成分として「BY1」が計測されている。また、例えば計測点P3については、ずれ量Aのx方向成分として「AX3」が計測され、ずれ量Bのx方向成分として「BX3」が計測されている。このようにして各計測点でのずれ量Aおよびずれ量Bが他のショット領域についても同様に計測される。
【0051】
続いて、ずれ量Aによる伸縮率とずれ量Bによる伸縮率との対応関係を決定する(ステップS215)。各ずれ量による伸縮率は上述の測定結果から算出される。即ち、ずれ量Aによるx方向の伸縮率MAXは、下式(1)から計算され、ずれ量Aによるy方向の伸縮率MAYは下式(2)から計算される。また、ずれ量Bによるx方向の伸縮率MBXは、下式(3)から計算され、ずれ量Bによるy方向の伸縮率MBYは下式(4)から計算される。
MAX=(AX4−AX3)/Lx ・・・(1)
MAY=(AY1−AY2)/Ly ・・・(2)
MBX=(BX4−BX3)/Lx ・・・(3)
MBY=(BY1−BY2)/Ly ・・・(4)
【0052】
上式を用いて、各ショット領域について、ずれ量Aおよびずれ量Bによる伸縮率を計算する。図13(b)に、各ショット領域の伸縮率を座標形式で示す。同図において、伸縮率MAX1,MAX2,MAX3等は、ずれ量Aによるx方向の伸縮率であり、上式(1)を用いて算出され、伸縮率MAY1,MAY2,MAY3等は、ずれ量Aによるy方向の伸縮率であり、上式(2)を用いて算出される。また、伸縮率MBX1,MBX2,MBX3等は、ずれ量Bによるx方向の伸縮率であり、上式(3)を用いて算出され、伸縮率MBY1,MBY2,MBY3等は、ずれ量Bによるy方向の伸縮率であり、上式(4)を用いて算出される。このようにして算出した伸縮率をプロットすることにより、図14に示すような対応関係が得られる。ここで、同図(a)は、x方向におけるずれ量Aおよびずれ量Bによる伸縮率の対応関係を示し、同図(b)は、y方向におけるずれ量Aおよびずれ量Bによる伸縮率の対応関係を示す。
【0053】
続いて、上述の伸縮率の対応関係に基づき、ずれ量Bによる伸縮率を基準として、ずれ量Aによる伸縮率に関する工程管理規格を決定する(ステップS216)。具体的には、図14(a)に示す対応関係を用いて、デバイス設計により定められたx方向に関する伸縮率の上限値MBXUおよび下限値MBXLを伸縮率MBXとしたときに、伸縮率MAXとして上限値MAXUおよび下限値MAXLを得る。同様に、図14(b)に示す対応関係を用いて、デバイス設計により定められたy方向に関する伸縮率の上限値MBYUおよび下限値MBYLを伸縮率MBYとしたときに、伸縮率MAYとして上限値MAYUおよび下限値MAYLを得る。
【0054】
ここで、光信号を利用したずれ量Aによる伸縮率MAX,MAYは、測定精度の低い量ではあるが、ずれ量Bによる伸縮率を基準としてずれ量Aによる伸縮率に関する工程管理規格(上限値MAXU,MAYUおよび下限値MAXL,MAYL)を決定しているので、結果としてデバイス設計上の伸縮率を満足しているかどうかの判断を正しく行うことができ、工程管理の品質を向上させることが可能になる。
続いて、上述のステップS216で得られた上限値MAXU,MAYUおよび下限値MAXL,MAYLを、工程管理規格としてデータベースに登録し、このデータベースを更新する(ステップS217)。
以上で、最初に選択された露光装置に対する工程管理規格の準備がなされる。同様に他の露光装置についても光信号および基板電流信号を利用して重ね合わせずれ量を測定し、この測定結果から伸縮率に関する工程管理規格を求める。
【0055】
次に、図10を参照して、本実施の形態2による製造工程を説明する。
製品半導体基板(製品ウェハ)を投入した後、ステップS221において所望の半導体製造工程を実施する。ただし、ステップS221で実施する半導体製造工程は、上述のステップS211と同一の工程である。
続いて、製造工程で使用される複数台の露光装置の中から一台の露光装置を選択して露光処理を実施し(ステップS222)、上層パターンをフォトレジストヘ転写する。尚、ステップS222で選択される露光装置は、前述のステップS212で選択された露光装置と同一であることが望ましい。続いて、光信号を利用した重ね合わせずれ量評価装置12を用いて、フォトレジストからなる上層パターンと下層パターンとの重ね合わせずれ量Aを測定し(ステップS223)、このずれ量Aによる伸縮率を算出する。基本的には、ステップS223にて実施される測定は、製品領域以外の領域(例えばスクライブライン領域)上のボックスマークに対して行われる。
【0056】
続いて、当該の製品工程における光学信号を利用した重ね合わせ検査装置12に基づく工程管理規格を検索し、前述のステップS217で更新された工程管理規格をデータベースから取得する。そして、ステップS223にて得られた重ね合わせずれ量Aによる伸縮率が、取得した工程管理規格に収まっているか否かを判断する(ステップS224)。ここで、ずれ量Aによる伸縮率が工程管理規格内に収まっていると判断した場合(ステップS224;YES)、本処理を完了する。逆に、収まっていない(範囲外である)と判断された場合(ステップS224;NO)は、当該の半導体基板表面に形成されたフォトレジストからなる上層パターンを剥離する(ステップS225)。この剥離処理は、アッシング処理や酸洗浄処理などである。
【0057】
続いて、前述のステップS212およびステップS213で測定されたずれ量Aによる伸縮率とずれ量Bによる伸縮率との対応関係を有するデータベースからずれ量Aに対応するずれ量をBを取得する(ステップS226)。
続いて、前述のステップS215で決定された伸縮率の対応関係を参照して、ずれ量Bによる伸縮率をゼロとするように、露光装置のショット倍率の補正値を設定する。具体的には、下式に示すように、伸縮率の規格の中心値MBXM(=0)と、ステップS223で算出された実際の伸縮率MBXとの差分ΔMBXを算出し、この差分ΔMBXをステップS222で使用された露光装置のショット倍率MSOに加算し、これを新たなショット倍率MSNとする。
ΔMBX=MBXM(規格の中心値)−MBX(測定値) ・・・(5)
MSN(新設定値)=MSO(旧設定値)+ΔMBX(補正値)・・・(6)
【0058】
続いて、ステップS227で設定されたショット倍率の補正値を用いて露光処理が行われ、下層パターンに対して上層パターンの収縮率がゼロとなるように、露光装置のショット倍率が補正される。そして、前記剥離処理を実施した半導体基板に対して再処理(露光処理)が実施される(ステップS222)。以上で、実施の形態2を説明した。
【0059】
(実施の形態3)
以下、本発明の実施の形態3に係る半導体装置製造工程管理方法を説明する。
上述の実施の形態1および2では、ずれ量Aに対する工程管理規格を補正する目的でずれ量Bを測定したが、この実施の形態3では、露光装置のショット倍率をキャリブレーションする目的で、ずれ量Bから算出される伸縮率を用いて露光装置のショット倍率を補正する。
本実施形態3の管理方法を用いた半導体装置の製造手順の一例を図15および図16に示す。図15は、テストウェハ処理の流れを示し、図16は、製造工程での処理の流れを示す。図15に示すステップS311からステップS315までの処理によって露光装置のショット倍率の補正値を決定する。そして、図16に示す処理において、補正値による露光工程の工程管理を運用する。
【0060】
まず、ステップS311からステップS315までの一連の処理手順を詳細に説明する。テスト用の半導体基板(テストウェハ)を投入した後、製品ウェハと同一の半導体製造工程を実施する(ステップS311)。ステップS311では、具体的には、成膜、エッチング、CMPなどの工程を実施する。この段階では下層パターンが形成されている状態にある。次に、製造工程で使用される複数台の露光装置の中からキャリブレーションの対象とする一台の露光装置を選択して露光処理を実施し(ステップS312)、上層パターンをフォトレジストに転写する。この実施の形態3でも、上述の実施の形態2と同様に、図11に示す複数のショット領域ST1〜ST42に対する各ショット倍率を変えることにより、ショット倍率に複数の水準を設ける。
続いて、基板電流信号を利用したインライン電子線評価装置11を用いて、前述の図12に示す各ショット領域の計測点P1〜P4の各ボックスマークからずれ量Bを測定する(ステップS313)。このずれ量Bは、前述の図13に示すものと同様である。
【0061】
続いて、測定されたずれ量Bがゼロとなるようなショット倍率の補正値を決定する(ステップS314)。即ち、露光装置に対するショット倍率の設定値MSX,MSYとずれ量Bによる伸縮率MBX,MBYとの対応関係を求め、これらの対応関係からずれ量Bをゼロとするような新たなショット倍率を決定し、これを補正値とする。ここで、露光装置のショット倍率の設定値MSX,MSYは、ずれ量Bが測定された水準に対して設定された露光装置のショット倍率から把握され、ずれ量Bによる伸縮率MBX,MBYは、前述の式(3)および式(4)から算出される。これら設定値MSX,MSYおよび伸縮率MBX,MBYを座標形式で図17に示す。
【0062】
図17に示す値をプロットすることにより、図18に示す対応関係が得られる。同図(a)は、x方向における露光装置のショット倍率MSXの設定値とずれ量Bからの伸縮率MBXの計算値との対応関係を表す特性図であり、同図(b)は、y方向における露光装置のショット倍率MSYの設定値とずれ量Bからの伸縮率MBYの計算値との対応関係を表す特性図である。この対応関係から、ずれ量Bをゼロとするショット倍率MSX,MSY、即ち伸縮率MBX,MBYをゼロとしたときのショット倍率MSX,MSYを補正値として決定し、これを新たなショット倍率とする。
続いて、ステップS314で決定された補正値を露光装置に設定する(ステップS315)。
以上により、選択された一台の露光装置に対しショット倍率のキャリブレーションが行われる。これにより、実際の半導体基板上での上層パターンと下層パターンの重ね合わせずれ量がゼロとなるように露光装置のショット倍率が適正化される。必要に応じて、他の露光装置についてもキャリブレーションが行われる。
【0063】
次に、図16を参照して、本実施の形態3による製造工程を説明する。
製品半導体基板(製品ウェハ)を投入した後、ステップS321において所望の半導体製造工程を実施する。ただし、ステップS321で実施する半導体製造工程は、上述のステップS311と同一の工程である。
続いて、製造工程で使用される複数台の露光装置の中から一台の露光装置を選択して露光処理を実施し(ステップS322)、上層パターンをフォトレジストヘ転写する。ステップS322で選択される露光装置は、前述のステップS312で選択された露光装置と同一であり、ショット倍率がキャリブレーションされたものである。これにより、ずれ量Bがゼロとなり、下層パターンに対して上層パターンが適正な位置に形成される。以下、所定の製造工程を経て製品ウェハ処理が終了する。以上で、実施の形態3を説明した。
【0064】
(実施の形態4)
以下、本発明の実施の形態4に係る半導体装置製造工程管理方法を説明する。
上述の実施の形態3では、下層パターンと上層パターンとのずれ量Bを測定して露光装置のショット倍率を補正するものとしたが、この実施の形態4では、エッチング工程での影響を含めてずれ量Bを測定して伸縮率を算出することにより露光装置のショット倍率を設定する。
本実施形態4の管理方法を用いた半導体装置の製造手順の一例を図19および図20に示す。図19は、テストウェハ処理の流れを示し、図20は、製造工程での処理の流れを示す。図19に示すステップS411からステップS416までの処理によって露光装置のショット倍率の補正値を決定する。そして、図20に示す処理において、補正値による露光工程の工程管理を運用する。
【0065】
まず、ステップS411からステップS416までの一連の処理手順を詳細に説明する。テスト用の半導体基板(テストウェハ)を投入した後、製品ウェハと同一の半導体製造工程を実施する(ステップS411)。ステップS411では、具体的には、成膜、エッチング、CMPなどの工程を実施する。この段階では下層パターンが形成されている状態にある。次に、製造工程で使用される複数台の露光装置の中から一台の露光装置を選択して露光処理を実施し(ステップS412)、上層パターンをフォトレジストに転写する。この実施の形態4では、図11に示す複数のショット領域ST1〜ST42に対する各ショット倍率を同一とし、半導体基板(ウェハ)毎にショット倍率を変えることにより、ショット倍率に複数の水準を設ける。
【0066】
続いて、図21(b)に示すように、現像されたフォトレジストからなる上層パターンL4をマスクとしてエッチング処理を実施し、中間層L3にホールHを形成する(ステップS413)。このエッチング処理では、レジスト剥離を含む場合もある。
なお、図21(b)に示す例では、ホールHの底部と下層パターンL1との位置が合った状態でホールHが形成されているが、これは、後述するようにショット倍率を補正することにより得られる状態であって、ステップS413では、各水準によってホールHの形成状態が異なっている。
【0067】
続いて、基板電流信号を利用したインライン電子線評価装置11を用いて、各水準についてずれ量Bを測定する(ステップS414)。このずれ量Bは、前述の図12に示す各ショット領域の計測点P1〜P4について測定されるが、この場合のボックスマークは、図21(b)に示す断面構造を有している。このボックスマークから、ホールHの底面と下層パターンL1とのずれ量Bを測定する。ここで、測定されたずれ量Bは、水準別に同一半導体基板内の位置に対応づけて測定される。これにより、半導体基板の各ショット領域に対応させて、複数のショット倍率についてのずれ量Bが得られる。
【0068】
続いて、測定されたずれ量Bがゼロとなるようなショット倍率の補正値を決定する(ステップS415)。即ち、上述の実施の形態3と同様の方法を用いて、露光装置に対するショット倍率の設定値MSX,MSYとずれ量Bによる伸縮率MBX,MBYとの対応関係を求め、これらの対応関係からずれ量Bをゼロとするような新たなショット倍率を決定し、これを補正値とする。この補正値であるショット倍率は、図21(a)に示すようにショット領域毎に算出される。
続いて、ステップS415で決定された補正値を用いて露光装置のショット倍率を補正する(ステップS416)。
以上により、選択された一台の露光装置に対し、ショット領域毎に補正されたショット倍率が設定され、これにより、半導体基板の面内の全体にわたって上層パターンと下層パターンの重ね合わせずれ量がゼロとなるように露光装置のショット倍率が適正化される。
【0069】
次に、図20を参照して、本実施の形態4による製造工程を説明する。
製品半導体基板(製品ウェハ)を投入した後、ステップS421において所望の半導体製造工程を実施する。ただし、ステップS421で実施する半導体製造工程は、上述のステップS411と同一の工程である。
続いて、製造工程で使用される複数台の露光装置の中から一台の露光装置を選択して露光処理を実施し(ステップS422)、上層パターンをフォトレジストヘ転写する。
続いて、エッチング処理が実施される(S423)。ただし、ステップS423で実施するエッチング工程は、上述のステップS413と同一の工程である。
ここで、ステップS422で選択される露光装置は、前述のステップS312で選択された露光装置と同一であり、ショット倍率がショット領域毎に補正されたものである。これにより、エッチング処理後の各ショット領域でのずれ量Bがゼロとなり、図21(b)に示すように、下層パターンに対して上層パターンが適正な位置に形成される。以下、所定の製造工程を経て製品ウェハ処理が終了する。以上で、実施の形態4を説明した。
【0070】
(実施の形態5)
以下、本発明の実施の形態5に係る半導体装置製造工程管理方法を説明する。
上述の実施の形態4では、露光装置のショット倍率を補正することにより下層パターンと上層パターンとのずれ量Bゼロとするようにしたが、この実施の形態5では、エッチング工程での処理条件(エッチング条件)を補正することにより、ショット倍率を補正した場合と同様の効果を得る。
本実施形態5の管理方法を用いた半導体装置の製造手順の一例を図22および図23に示す。図22は、テストウェハ処理の流れを示し、図23は、製造工程での処理の流れを示す。図22に示すステップS511からステップS516までの処理によってエッチング条件の補正値を決定する。そして、図22に示す処理において、補正値によるエッチング工程の工程管理を運用する。
【0071】
まず、ステップS511からステップS516までの一連の処理手順を詳細に説明する。テスト用の半導体基板(テストウェハ)を投入した後、製品ウェハと同一の半導体製造工程を実施する(ステップS511)。ステップS511では、具体的には、成膜、エッチング、CMPなどの工程を実施する。この段階では下層パターンが形成されている状態にある。次に、製造工程で使用される露光装置を用いて露光処理を実施し(ステップS512)、上層パターンをフォトレジストに転写する。このときの露光条件は製造工程での条件と同一である。
【0072】
続いて、前述の図21(b)に示すように、現像されたフォトレジストからなる上層パターンL4をマスクとしてエッチング処理を実施し、中間層L3にホールHを形成する(ステップS513)。この実施の形態5では、半導体基板毎にエッチング条件を変えることにより、エッチング条件に複数の水準を設ける。
なお、図21(b)に示す例では、ホールHの底部と下層パターンL1との位置が合った状態でホールHが形成されているが、ステップS513では、各水準によってホールHの形成状態が異なっている。
【0073】
続いて、基板電流信号を利用したインライン電子線評価装置11を用いて、各水準についてずれ量Bを測定する(ステップS514)。このずれ量Bは、前述の図12に示す各ショット領域の計測点P1〜P4について測定されるが、この場合のボックスマークは、上述の実施の形態4と同様に、図21(b)に示す断面構造を有している。このボックスマークから、ホールHの底面と下層パターンL1とのずれ量Bを測定する。ここで、測定されたずれ量Bは水準別に測定され、各エッチング条件についてのずれ量Bが得られる。
【0074】
続いて、ずれ量Bがゼロとなるようなエッチング条件の補正値を決定する(ステップS515)。即ち、上述の実施の形態3と同様の方法を用いて、図24に示すように、各エッチング条件E1,E2,E3で得られたずれ量Bによる伸縮率MBX,MBYを算出する。図24では、例えば半導体基板(ウェハNo)WF1についてエッチング条件E1が適用され、このエッチング条件E1に対し、ずれ量Bによる伸縮率MBX1,MBY1が得られている。図24に示すエッチング条件と伸縮率をプロットすると、図25に示す対応関係を表す特性図が得られる。同図では、横軸にエッチング条件をとり、左の縦軸にx方向の伸縮率MBXをとり、右の縦軸にy方向の伸縮率MBYをとっている。図25から、伸縮率MBX,MBYをゼロとしたときのエッチング条件Eを求め、これをエッチング条件の補正値とする。
続いて、ステップS515で決定された補正値を用いてエッチング装置のエッチング条件を補正する(ステップS516)。
以上により、エッチング装置に対し、補正されたエッチング条件が設定され、これにより、下層パターンに対するホール底部のずれ量Bがゼロとなり、伸縮率がゼロとなるようにエッチング条件が適正化される。
【0075】
次に、図23を参照して、本実施の形態5による製造工程を説明する。
製品半導体基板(製品ウェハ)を投入した後、ステップS521において所望の半導体製造工程を実施する。ただし、ステップS521で実施する半導体製造工程は、上述のステップS511と同一の工程である。
続いて、露光処理を実施し(ステップS522)、上層パターンをフォトレジストヘ転写する。ただし、ステップS522で実施する露光工程は、上述のステップS512と同一の工程である。
続いて、エッチング処理を実施する(S523)。ここで、ステップS523で使用されるエッチング条件は、上述のステップS516で設定されたものであって、これにより、図21(b)に示す場合と同様に、エッチング処理後のホールの底部と下層パターンとのずれ量Bがゼロとなり、各層が適正な位置に形成される。以下、所定の製造工程を経て製品ウェハ処理が終了する。以上で、実施の形態5を説明した。
【0076】
(実施の形態6)
以下、本発明の実施の形態6に係る半導体装置製造工程管理方法を説明する。
上述の実施の形態1ないし5では、基本的には下層パターンと上層パターンとの間のずれ量を直接的に測定し、これをゼロにするように制御する半導体装置製造工程管理方法について述べたが、この実施の形態6では、前段の製造工程において下層パターンに関する設定寸法(設計値)とのずれ量を測定しておき、後段の製造工程にて、意図的に前段の製造工程でのずれ量と等価なずれ量でもって上層パターンを形成し、これにより間接的に上層パターンと下層パターンとの間のずれ量をゼロとするような半導体装置製造工程管理方法について述べる。これにより再処理を伴うことなく工程管理を行うと共に、歩留まりの改善を図る。
【0077】
本実施形態6の管理方法を用いた半導体装置の製造手順の一例を図26および図27に示す。図26は、テストウェハ処理の流れを示し、図27は、製造工程での処理の流れを示す。図26に示すステップS611からステップS616までの処理によって工程管理規格を決定して更新する。そして、図27に示すステップS621からステップS626の処理によって、前記工程管理規格による露光工程の工程管理を運用する。
まず、ステップS611からステップS616までの一連の処理手順を詳細に説明する。テスト用の半導体基板(テストウェハ)を投入した後、製品ウェハと同一の半導体製造工程を実施する(ステップS611)。ステップS611では、具体的には、成膜、エッチング、CMPなどの工程を実施する。この段階では下層パターンが形成されている状態にある。ここで、この実施の形態6では、予め、下層パターン同士の距離から伸縮率を測定し得るようにボックスマークを設計しておき、複数の伸縮率が得られるようにステップS611での処理条件に水準を設ける。
【0078】
続いて、光信号を利用した重ね合わせずれ量評価装置12を用いて、各ショット領域に設けられたボックスマークから、下層パターンに関して、設定寸法と実際の被測定対象の半導体基板(ウェハ)とのずれ量Aを測定し(ステップS612)、基板電流信号を利用したインライン電子線評価装置11を用いて、同じく各ショット領域のボックスマークから、下層パターンに関する設定寸法と実際の被測定対象の半導体基板(ウェハ)とのずれ量Bを測定する(ステップS613)。続いて、当該ずれ量Aおよびずれ量Bを、測定データ収集部31を介してデータ処理部36へ転送し、ずれ量Aによる伸縮率とずれ量Bによる伸縮率との対応関係を決定する(ステップS615)。この伸縮率の算出方法(原理)は、前述の実施の形態2と同様である。続いて、上述の伸縮率の対応関係に基づき、ずれ量Bによる伸縮率を基準として、ずれ量Aによる伸縮率に関する工程管理規格を決定する(ステップS615)。最後に、上述のステップS615で得られた工程管理規格を製造工程管理データベース35に登録し、このデータベースを更新する(ステップS616)。以上で、露光処理前の処理工程に関する工程管理規格の準備がなされる。
【0079】
次に、図27を参照して、本実施の形態6による製造工程を説明する。
製品半導体基板(製品ウェハ)を投入した後、ステップS621において所望の半導体製造工程を実施する。ただし、ステップS621で実施する半導体製造工程は、上述のステップS611と同一の工程である。続いて、光信号を利用した重ね合わせずれ量評価装置12を用いて、下層パターン同士の間隔から、下層パターンに関する設定寸法と実際の被測定対象の半導体基板(ウェハ)とのずれ量Aを測定し(ステップS622)、続いて、データ処理部36がこのずれ量Aによる伸縮率を算出する。基本的には、ステップS622にて実施される測定は、製品領域以外の領域(例えばスクライブライン領域)上のボックスマークに対して行われる。
【0080】
続いて、当該の製品工程における光学信号を利用した重ね合わせ検査装置12に基づく工程管理規格を検索し、前述のステップS616で更新された工程管理規格を製造工程管理データベース35から取得する。そして、ステップS622にて算出された重ね合わせずれ量Aによる伸縮率が、取得した工程管理規格に収まっているか否かを判断する(ステップS623)。ここで、ずれ量Aによる伸縮率が工程管理規格内に収まっていると判断した場合(ステップS623;YES)、初期設定された露光条件を用いて上層パターンを形成するための露光処理を実施する(ステップS626)。
【0081】
逆に、ずれ量Aによる伸縮率が工程管理規格内に収まっていない(範囲外である)と判断された場合(ステップS623;NO)、前述の実施の形態2と同様のずれ量Aによる伸縮率とずれ量Bによる伸縮率との対応関係を格納する製造工程管理データベース35から、ステップS622で測定されたずれ量Aからの伸縮率に対応するずれ量Bからの伸縮率を取得する(ステップS624)。続いて、製造工程管理データベース35から取得されたずれ量Bによる伸縮率を露光装置のショット倍率に設定する(ステップS625)。続いて、ステップS625で設定されたショット倍率を用いて、上層パターンを形成するための露光処理が行われる(ステップS626)。その結果、下層パターンに対して上層パターンの重ね合わせずれ量がゼロとなる。
この実施の形態6によれば、露光処理前に測定された下層パターンに関する設定寸法と被測定対象とのずれ量Aを用いてデータベースからずれ量Bを取得し、このずれ量Bによる伸縮率を、後工程の上層パターン形成のための露光処理で使用されるショット倍率として設定するようにしたので、再処理を伴うことなく、的確に工程管理を行うことが可能になる。以上で、実施の形態6を説明した。
【0082】
以下に、本発明に係る実施の形態による効果を補足説明する。
従来のボックスマークには種々の欠点があり、十分な精度で位置ずれ量を計測することが困難となっている。下層(下地)パターンと上層(上地)パターンとの位置合わせの測定精度を左右する大きな要素の一つとして、ボックスマークの断面形状非対称性が上げられる。図2(a)に示すように、上層パターンが非対称構造のボックスマークでは、従来の光学式の重ね合わせ検査装置によるボックスマークの輪郭線が曖昧となり、特にショットマグニフィケーション(ショット倍率)の値に大きな誤差が生じてしまう。このボックスマークの非対称性は、半導体装置の各種の製造工程によってもたらされる。各種製造工程にはパターンの密度依存性・大きさ依存性・位置依存性(ウェハ面内あるいはショット面内)が存在する。このため、トランジスタ等の素子が形成される領域(チップ領域あるいは製品領域)とは別の領域(例えばスクライブライン上)に設けられる(ボックスマークを代表とする)重ね合わせずれ量測定マークは同一対称形状で形成されない。
【0083】
このパターンの断面形状の非対称性は、露光工程では近接効果やレンズ収差により、エッチング工程ではマイクロローディング効果により、成膜工程ではカバレッジの非対称性により、熱処理工程ではリフローの非対称性あるいはボックスマーク構成材料の熱膨張係数の差異による歪発生により、CMP工程ではパターン配置に依存した基板表面研磨特性により引き起こされる。このように、断面形状の非対称性の有無により、従来の光信号を利用した評価装置によっては、チップ領域とは別の領域に設けられるボックスマークより検出される重ね合わせずれ量と、実際のチップ領域内の重ね合わせずれ量との間には差異が生じ、ずれ量を正しく測定することができない。これに対し、本発明の実施の形態によれば、基板電流を利用してボックスマークのエッジを検出しているので、ずれ量を精度良く測定することが可能になる。
【0084】
また、光信号を利用した重ね合わせ検査装置によれば、チップ内領域のパターンの重ね合わせずれ量を所望の精度で測定することができない。その理由は、光信号を利用した重ね合わせ検査装置は、チップ外領域(スクライブラインなど)に配置されたボックスマークを代表とする10ミクロン以上の大きさを有するマークを測定することで重ね合わせずれ量を算出しているからである。基本的に面積の制約の厳しいチップ内領域には、10ミクロン以上の大きさの重ね合わせ測定用マークを配置することは不可能であり、前述のようにチップ外領域(例えばスクライブライン領域)に配置されている。特に、スキャナータイプの露光装置が使用されている露光工程では、チップ外領域に配置された重ね合わせ測定マーク(例えばボックスマーク)により算出される重ね合わせずれ量と、チップ内領域のパターンにおける重ね合わせずれ量との間に大きな差異が存在するために、工程管理が十二分に実施することができない状態にある。これに対し、本発明の実施の形態によれば、基板電流を利用してずれ量Bを測定するので、チップ内領域のパターンを用いてずれ量を測定することができる。従って工程管理を厳格に実施することが可能となる。
【0085】
更に、近年、半導体集積回路作成のためのマスク枚数が急激に増加してきたことにより、スクライブライン領域上に形成するボックスマーク数が増大し、ボックスマークが占める面積が大きくなる傾向にある。その結果、従来のボックスマークを用いていたのでは、ウェハ上におけるボックスマークが占める面積自体が大きくなりすぎ、実際の製品チップが占める面積比が相対的に減少しつつある状況にある。これに対し、本発明の実施の形態によれば、チップ領域内のパターンを利用してずれ量を測定することが可能であるから、チップ外周部にボックスマークを設ける必要がない。従ってボックスマークによる制約がなくなる。また、極めて小さいボックスマークを用いて、ずれ量の測定を行うことも可能となる。
【0086】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、次のような効果を奏する。
即ち、本発明によれば、半導体装置製造工程における各種薄膜材料から形成されたパターンを積層してゆく際の重ね合わせ精度に関する処理ばらつきの工程管理指標(マージン)を適正に設定・評価することが可能になり、従って当該半導体装置製造工程における製品の良否判定を正確かつ迅速に行うことができる。
また、本発明によれば、当該の半導体製造工程で処理された半導体基板の重ね合わせ成分を測定し、前記測定値に応じて所望の半導体製造装置の装置制御因子の最適化を図ることにより、歩留まりの高い半導体装置製造工程の立ち上げを早期に完了させ、歩留まりの高い半導体装置製造工程を常に保つことができる。
その理由は、本発明である半導体製造工程管理システムが、上層パターンと下層パターンとの界面部分における重ね合わせずれ量を算出することが可能である基板電流信号を利用したインライン電子線評価装置を備え、かつ装置制御因子の読み出しと書き込みが可能である半導体製造装置(露光装置を含む)を備え、かつ前記重ね合わせずれ量と前記工程管理指標を用いて当該半導体製造工程で処理された半導体基板の良否判定や前記工程管理指標あるいは前記装置制御因子に関する補正値の算出・設定を設定するデータ処理部を備えた構成であるためである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施の形態1に係る半導体装置製造工程管理システムの構成を示すブロック図である。
【図2】 実施の形態1に係るインライン電子線評価装置の測定原理を説明するための図である。
【図3】 実施の形態1に係るテストウェハ処理の流れを示すフローチャートである。
【図4】 実施の形態1に係る製品ウェハ処理の流れを示すフローチャートである。
【図5】 実施の形態1に係る重ね合わせずれ量A,Bを測定するためのボックスマークを説明するための図である。
【図6】 実施の形態1に係る重ね合わせずれ量A,Bの測定原理を説明するための図である。
【図7】 実施の形態1に係るずれ量Aとずれ量Bとの対応関係を示す特性図である。
【図8】 実施の形態1に係る半導体基板(ウェハ)のイメージを示す図であり、ずれ量A,Bの測定点の取り方の一例を示す図である。
【図9】 実施の形態2に係るテストウェハ処理の流れを示すフローチャートである。
【図10】 実施の形態2に係る製品ウェハ処理の流れを示すフローチャートである。
【図11】 実施の形態2に係るショット領域の配置を示す図である。
【図12】 実施の形態2に係るボックスマークを示す図であり、ショット倍率の水準の設定方法を説明するための図である。
【図13】 実施の形態2に係るずれ量の測定値と伸縮率の計算値を示す図である。
【図14】 実施の形態2に係るずれ量Aおよびずれ量Bによる伸縮率の対応関係を示す図である。
【図15】 実施の形態3に係るテストウェハ処理の流れを示すフローチャートである。
【図16】 実施の形態3に係る製品ウェハ処理の流れを示すフローチャートである。
【図17】 実施の形態3に係る設定値MSX,MSYおよび伸縮率MBX,MBYを座標形式で示す図である。
【図18】 露光装置のショット倍率MSX,MSYの設定値とずれ量Bからの伸縮率MBX,MBYの計算値との対応関係を表す特性図である。
【図19】 実施の形態4に係るテストウェハ処理の流れを示すフローチャートである。
【図20】 実施の形態4に係る製品ウェハ処理の流れを示すフローチャートである。
【図21】 実施の形態4に係るショット倍率とショット領域との対応関係と、半導体基板上に積層された各層の断面を説明するための図である。
【図22】 実施の形態5に係るテストウェハ処理の流れを示すフローチャートである。
【図23】 実施の形態5に係る製品ウェハ処理の流れを示すフローチャートである。
【図24】 実施の形態5に係る半導体基板ごとのエッチング条件(E1,E2,E3)とずれ量Bによる伸縮率MBX,MBYとを示す図である。
【図25】 実施の形態5に係るエッチング条件Eと伸縮率MBX,MBYとの関係を示す特性図である。
【図26】 実施の形態6に係るテストウェハ処理の流れを示すフローチャートである。
【図27】 実施の形態6に係る製品ウェハ処理の流れを示すフローチャートである。
【図28】 従来技術に係るウェハ加工処理の流れを示すフローチャートである。
【図29】 エッチング工程におけるホールの形成状態を説明するための図であり、エッチング工程で発生する合わせずれを説明するための図である。
【符号の説明】
11;インライン電子線評価装置(基板電流を利用した評価装置)、12;光信号を利用した評価装置、20;半導体製造装置、21;露光装置、22;エッチング装置、23;CMP装置、24;成膜装置、25;熱処理装置、26;イオン注入装置、27;洗浄装置、31;測定データ収集部、31A;検出値収集部、31B;ウェハID収集部、32;検出値データベース、33;装置制御因子データベース、34;装置データ収集部、34A;装置制御因子データ収集部、34B;ウェハID収集部、35;製造工程管理データベース、36;データ処理部(計算機)、40;装置制御因子設定部。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor manufacturing process management method, a semiconductor manufacturing process management system, and Inline electron beam evaluation system In particular, the present invention relates to a technique for improving alignment accuracy when patterns formed of various material films are stacked.
[0002]
[Prior art]
In general, in a manufacturing process of a semiconductor device, a semiconductor element having a fine structure is formed by sequentially laminating patterns formed of various material films such as a metal film, a semiconductor film, and an insulator film on a semiconductor substrate. . When laminating this pattern, the upper layer pattern is aligned with the lower layer pattern formed in the previous step in the exposure step. That is, when performing the exposure process of the upper layer pattern, the upper layer pattern is formed by exposing the upper layer mask pattern by aligning (aligning) the lower layer pattern formed on the semiconductor wafer with a predetermined standard. Overlaid on the pattern.
[0003]
In recent years, development of ultra-highly integrated semiconductor devices has been energetically advanced, and mask alignment in the exposure process, which is indispensable for the formation of semiconductor element structures, as semiconductor elements are miniaturized and densified. There is a strong demand for improved accuracy. Here, the alignment of the mask pattern with respect to the lower layer pattern is roughly divided into the following seven components: (1) shift, (2) wafer scaling (wafer expansion / contraction), (3) wafer rotation (wafer rotation), ( 4) Wafer orthogonality (wafer orthogonality), (5) Shot rotation (shot rotation), (6) Shot magnification (shot magnification or shot expansion / contraction ratio), and (7) Distortion matching.
[0004]
A margin (allowable range) is set for mask misalignment in each component of superposition in the exposure process as described above, and the manufacturing process of the semiconductor device is managed using the margin. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-274037, in a semiconductor device manufacturing method, an appropriate alignment accuracy is set for each exposure process, and a product is accurately obtained in alignment inspection between a lower layer pattern and an upper layer pattern performed after the exposure step. Has been disclosed (see FIG. 28).
[0005]
The above-described alignment inspection is generally calculated by forming a pair of so-called box marks in the lower layer pattern and the upper layer pattern of the semiconductor device and measuring the amount of positional deviation between these box marks. The measurement of the amount of deviation is carried out after the exposure and development process for forming the upper layer pattern, and usually a photoresist is used as the upper layer pattern. In addition, since one box mark formation region is used for each alignment, the box mark formation region used for each alignment is different. For this reason, a hox mark formation region is required at least as many times as alignment is performed. Therefore, these box marks are provided in a region (region on the scribe line) different from a region (chip region or product region) where elements such as transistors are formed. Thereby, the amount of misalignment can be measured and calculated without increasing the chip area.
[0006]
Hereinafter, a method for managing a semiconductor device manufacturing process based on the above-described deviation amount will be described with reference to FIG. Prior to the wafer processing (manufacturing process), a database regarding alignment margins is prepared. Process flow, photomask information, and the like are input to this database. When the wafer processing is started, an exposure process is performed through a film forming process, an etching process, and the like (step S101) (step S102). Thereafter, alignment inspection is performed (step S103), and a mask misalignment amount in the exposure process is measured.
[0007]
Subsequently, information on the alignment margin is acquired by searching the above-described database (S104), and it is determined whether the misalignment amount obtained as the above-described inspection result is smaller than the margin acquired from the database. (Step S105). Here, when the inspection result is smaller than the margin (step S105; YES), the next process is performed (step S106), and the above-described steps S101 to S105 are repeated. On the other hand, when the inspection result is larger than the margin (step S105; NO), an alarm is displayed to notify the operator of that fact. As a result, the operator grasps that the misalignment amount exceeds the standard value and takes necessary measures.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional manufacturing process management method described above has the following problems. The first problem is that even if the misalignment amount exceeds the standard value, it cannot be properly reflected in the manufacturing process, and it is difficult to effectively improve the yield. That is, according to the conventional method, it is not possible to measure the substantial overlay deviation amount between the lower layer pattern and the upper layer pattern that determines the operating characteristics of the electronic circuit. The reason for this is that, as described above, the overlay displacement amount is detected after the exposure and development process, and the overlay displacement amount is measured using the upper layer box mark and the lower layer pattern made of photoresist. is there.
[0009]
Further details will be described. A semiconductor integrated circuit includes transistors and wirings formed in each layer and holes (also called plugs) that electrically connect different layers. The relative overlay (positioning) accuracy when stacking fine elements such as transistors, wirings, and holes has been considered to be determined only by the exposure process. However, due to the recent development of miniaturization and high integration of semiconductor integrated circuits, the fine element structure of each layer, represented by holes, has a vertically long cross-sectional structure, and the etching process capability or film formation process after the exposure process. The amount of misalignment between the lower layer pattern and the upper layer pattern has also been affected by the process capability.
[0010]
FIG. 29 is a view showing an example of a cross-sectional structure after the etching step (not after the normal exposure step) in the upper layer pattern forming step, and FIG. 29 (a) shows the wafer peripheral portion. b) shows the wafer center. In the figure, L1 is an insulating film layer, L2 is a wiring layer, L3 is an insulating film layer (upper layer), and L4 is a photoresist. In this example, holes H are formed in the insulating film layer L3 using the developed photoresist L4 as a mask. The upper layer pattern made of the photoresist L4 is laminated with good overlay on the lower layer pattern made of the wiring layer L2 in both FIGS. This can be measured using a conventional overlay inspection apparatus.
[0011]
However, in the wafer peripheral portion, as shown in FIG. 29A, the superposition of the hole H formed in the insulating film layer L3 and the wiring layer L2 becomes defective. This is because all of the bottom of the hole H is not in contact with the wiring layer L2 which is the lower layer pattern. In this case, the contact resistance between the upper hole H and the lower wiring layer L2 is increased, and the characteristics of the product are deteriorated. In other words, even if it is regarded as a non-defective product in the conventional overlay inspection in the manufacturing process management, the actual electrical characteristics may exceed the management standard, and it can be said that the quality control of the manufacturing process is not substantially performed.
An example given here is the misalignment caused by the etching of the hole H being carried out obliquely with respect to the substrate surface in the etching process. This phenomenon is caused by miniaturization and high integration of the semiconductor integrated circuit. This is a phenomenon that has become apparent especially in the periphery of the wafer.
[0012]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is possible to reduce the measurement error of the overlay amount and effectively suppress misalignment when stacking each layer in the semiconductor device manufacturing process. Semiconductor device manufacturing process management method, semiconductor manufacturing process management system, and Inline electron beam evaluation system The purpose is to provide.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration.
The invention described in claim 1 is a method of managing a process control standard range by an overlay inspection apparatus using an optical signal by using an overlay deviation amount obtained from an inline electron beam evaluation apparatus using a substrate current signal. (A) a first step of performing an exposure process for transferring an upper layer pattern made of a photoresist after forming the lower layer pattern, and (b) the lower layer pattern using an overlay inspection apparatus using an optical signal. A second step of measuring a first overlay deviation amount with the upper layer pattern; and (c) a second step of the lower layer pattern and the upper layer pattern using an inline electron beam evaluation apparatus using a substrate current signal. A third step of measuring the overlay displacement amount; and (d) identifying a correspondence relationship between the first overlay displacement amount and the second overlay displacement amount. And (e) a fifth step of determining a process management standard relating to the first overlay deviation amount with reference to the second overlay deviation amount based on the correspondence, and (f) the process A sixth step of registering the management standard in a database to be referenced in the manufacturing process; (G) a seventh step of referring to the database and determining whether a measurement result by the overlay inspection apparatus using the optical signal satisfies the process control standard; and (h) the measurement result is the And an eighth step of subjecting the exposure processing to reprocessing when the process control standard is not satisfied. It is characterized by.
[0015]
Claim 2 The described invention is a method for managing a process control standard range by an overlay inspection apparatus using an optical signal, using an overlay deviation amount obtained from an inline electron beam evaluation apparatus using a substrate current signal, a) a first step of performing an exposure process for transferring an upper layer pattern made of a photoresist after forming a lower layer pattern; and (b) the lower layer pattern and the upper layer pattern using an overlay inspection apparatus using an optical signal. And a second step of measuring a first overlay deviation amount with (c) a second overlay deviation between the lower layer pattern and the upper layer pattern using an inline electron beam evaluation apparatus using a substrate current signal A third step of measuring the amount; and (d) a fourth step of specifying a correspondence relationship between the first overlay deviation amount and the second overlay deviation amount. And (e) a fifth step of determining a process management standard relating to the first overlay deviation amount with reference to the second overlay deviation amount based on the correspondence relationship; and (f) the process management. A sixth step of registering the standard and the corresponding relationship in a database to be referred to in the manufacturing process; (G) a seventh step of referring to the database and determining whether a measurement result by the overlay inspection apparatus using the optical signal satisfies the process control standard; and (h) the measurement result is the An eighth step of subjecting the exposure process in the manufacturing process to reprocessing when the process control standard is not satisfied, and in the eighth step, the measurement result is referred to by referring to the correspondence relationship. The second registration error amount when the first registration error amount is obtained is acquired, and the exposure condition in the manufacturing process is corrected so that the acquired second registration error amount is zero. thing It is characterized by.
[0020]
Claim 3 The described invention is a method for managing a process control standard range by an overlay inspection apparatus using an optical signal, using an overlay deviation amount obtained from an inline electron beam evaluation apparatus using a substrate current signal, a) a first step of measuring a first overlay deviation amount of the lower layer pattern using an overlay inspection apparatus using an optical signal after forming the lower layer pattern; and (b) an inline using a substrate current signal. A second step of measuring a second overlay deviation amount of the lower layer pattern using an electron beam evaluation apparatus; and (c) correspondence between the first overlay deviation amount and the second overlay deviation amount. A third step of specifying a relationship; and (d) determining a process management standard relating to the first overlay deviation amount based on the second overlay deviation amount based on the correspondence relationship. A fourth step that, in the fifth step of registering in a database to be referenced by (e) the process control standards and the relationship manufacturing process, (F) a sixth step of referring to the database and judging whether or not a measurement result by the overlay inspection apparatus using the optical signal satisfies the process control standard; and (g) the measurement result is the When the process control standard is not satisfied, the correspondence relationship is referred to obtain the second overlay deviation amount when the measurement result is the first overlay deviation amount. A seventh step of setting the amount of overlay deviation as an exposure condition in the exposure step for forming an upper layer pattern, It is characterized by.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows the overall configuration of a semiconductor manufacturing system to which the semiconductor manufacturing process management method of this embodiment is applied. As shown in the figure, this system includes an in-line electron beam evaluation apparatus 11 using a substrate current signal, an overlay deviation evaluation apparatus 12 using an optical signal, a semiconductor manufacturing apparatus 20, a measurement data collection unit 31, a detection value. A database 32, an apparatus control factor database 33, an apparatus data collection unit 34, a manufacturing process management database 35, a data processing unit 36, and an apparatus control factor setting unit 40 are provided. The semiconductor manufacturing apparatus 20 described above includes, for example, an exposure apparatus 21, an etching apparatus 22, a CMP apparatus 23, a film forming apparatus 24, a heat treatment apparatus 25, an ion implantation apparatus 26, and a cleaning apparatus 27. The measurement data collection unit 31 includes a detection value collection unit 31A and a wafer ID collection unit 31B, and the apparatus data collection unit 34 includes an apparatus control factor data collection unit 34A and a wafer ID collection unit 34B. In addition, a wafer ID database (not shown) is provided.
[0025]
Here, the in-line electron beam evaluation apparatus 11 irradiates an arbitrary beam to be measured on a semiconductor substrate with an electron beam under an arbitrary irradiation condition, detects a substrate current substrate current signal induced at this time, Is a device that calculates the amount of misalignment at the interface between the upper layer pattern and the lower layer pattern in a non-contact manner by performing numerical calculation processing on the device. 311196) is used. This inspection apparatus irradiates a semiconductor substrate with an electron beam as shown in FIG. 2A, and at this time, detects a substrate current signal induced in the semiconductor substrate as shown in FIG. By performing numerical calculation processing, the position information of the edge portion of the upper layer pattern is detected with high accuracy.
[0026]
Further, the inline electron beam evaluation apparatus 11 has a mechanism for reading an identification number (ID) unique to the semiconductor substrate (wafer) that has been evaluated. It has a function to output the number to the outside. This in-line electron beam evaluation apparatus 11 differs from an overlay deviation amount evaluation apparatus 12 using an optical signal, which will be described later, by using a transistor pattern or a wiring pattern existing in an in-chip area (product area). Can be measured.
[0027]
The in-line electron beam evaluation apparatus 11 sequentially irradiates a plurality of measurement positions on the semiconductor substrate with an electron beam having the same shape, and measures a current signal induced when the measurement position is irradiated with the electron beam. Thus, it is possible to store each measurement position and the current signal at the measurement position, and output each overlay displacement amount or base pattern expansion / contraction rate calculated using the current signal as a function of the measurement position. In addition, the output method of the overlay deviation amount or the lower layer pattern expansion / contraction rate as a function of the measurement position is, for example, using the overlay deviation amount or the underlying pattern expansion / contraction rate for each measurement position where the current signal measurement is actually performed. Then, a spatial distribution function related to the overlay deviation amount or the base pattern expansion / contraction rate is calculated, and the overlay deviation amount or the base pattern expansion / contraction rate is output for all positions on the semiconductor substrate. For storing the current signal, the measurement data may be stored as it is, or may be stored after performing arithmetic processing such as sum of products or average.
[0028]
The overlay deviation amount evaluation device 12 irradiates a laser beam or incoherent light to an arbitrary pattern to be measured on a semiconductor substrate, detects a signal from the pattern by a detector such as a CCD camera, and performs an operation. This is a device that calculates the amount of misalignment between the upper layer pattern and the lower layer pattern in a non-contact manner by processing. The so-called box mark position detection is determined from the signal obtained from the detector by an edge detection method such as an inner centroid method, an outer centroid method, or a Fourier seven-point method. Further, the position of the box mark may be determined by moving the correlation model on the measurement waveform obtained from the detector and using the most matched position. This overlay deviation amount evaluation device 12 basically measures the overlay deviation amount using a box mark provided in an area (area on the scribe line) different from the chip area (product area).
[0029]
The semiconductor manufacturing apparatus 20 functions to output the device control factor reflected in the pattern shape on the semiconductor substrate and the ID number of the processing semiconductor substrate to the outside. Further, the semiconductor manufacturing apparatus 20 is configured to be able to control the apparatus control factor by an external signal. Here, for example, in the case of an etching apparatus, the apparatus control factor is a processing time, a gas flow rate, an incident power amount (depending on an upper electrode or a lower electrode), an incident bias amount, an incident high-frequency phase, a wafer holding stage temperature, Point to pressure, etc. In the CMP apparatus, the number of revolutions of the polishing pad, the number of revolutions of the substrate (wafer), the pressure (load) to the substrate with respect to the polishing pad, the pressure (load) region, the supply amount of the chemical reactant, the chemical reactant Indicates the position of the supply nozzle, the supply amount of polishing slurry containing abrasive particles, the position of the polishing slurry supply nozzle containing abrasive particles, the position of the carrier head (including moving speed, etc.), the charge amount of the wafer, the processing time, etc. .
[0030]
The apparatus control factors for the exposure apparatus 21 include, for example, irradiation light quantity (exposure time), focus shift amount, shot magnification, wafer scaling (wafer expansion / contraction), alignment shift amount, wafer rotation (wafer rotation), wafer Orthogonality (wear orthogonality), shot rotation (shot rotation), shot magnification (shot magnification or shot expansion / contraction ratio), distortion matching, wafer and reticle movement speed (scan speed), stage surface temperature (wafer temperature) Point to the stage tilt angle. Also, the device control factors for the cleaning device include, for example, the number of wafer (substrate) rotations, the amount of chemical solution (including pure water) supplied, the amount of wafer charge, the temperature of the chemical solution, the processing time, and the insertion of the wafer into the chemical solution tank・ Indicate the lifting speed and chemical concentration. Further, the device control factors for the film forming device 24 indicate, for example, gas flow rate, wafer temperature (including lamp speed), processing time, incident power amount, wafer moving speed, and the like. Further, the apparatus control factors for the heat treatment apparatus 25 indicate gas flow rate, wafer temperature (including lamp speed), processing time, incident power amount, wafer moving speed, and the like. Further, the device control factors for the ion implantation device 26 indicate a dose amount, implantation energy, wafer temperature, beam scan speed, wafer holder rotation speed, beam current amount, and the like.
[0031]
The detection value collection unit 31A has a function of collecting the overlay deviation amount calculated from the inline electron beam evaluation apparatus 11 and the overlay deviation amount evaluation apparatus 12 and transmitting the overlay deviation amount to the data processing unit 36 using a desired communication protocol. The device control factor data collection unit 34A has a function of collecting each device control factor from the semiconductor manufacturing device 20 and transmitting it to the data processing unit 36 using a desired communication protocol. Further, the wafer ID collection units 31B and 34B collect the identification numbers output from the inline electron beam evaluation apparatus 11, the overlay deviation evaluation apparatus 12, and the semiconductor manufacturing apparatus 20, and use a desired communication protocol as a data processing unit. 36.
The device control factor setting unit 40 receives the device control factor correction value output from the data processing unit 36 and transmits the device control factor correction value to the semiconductor manufacturing device 20 using a desired communication protocol. It has a function to be set in each device.
[0032]
The detection value database 32 records the overlay deviation amount transmitted to the data processing unit 36 by the detection value collecting unit 31A together with the wafer identification number corresponding thereto, and in accordance with a request from the data processing unit 36, a desired overlay is recorded. It has a function of reading the deviation amount and the wafer identification number corresponding to the deviation amount. The device control factor database 33 records the device control factor transmitted to the data processing unit 36 by the device control factor data collecting unit 34A together with the corresponding identification number for each semiconductor manufacturing device (for each unit) and performs data processing. It has a function of reading out a desired device control factor and a corresponding identification number in accordance with a request from the unit 36. The manufacturing process management database 35 accumulates manufacturing process histories of individual semiconductor substrates (wafers) identified by wafer identification numbers, and holds margins (control ranges) of each overlay accuracy in the manufacturing process. is there. Therefore, the overlay deviation amount or device control factor transmitted to the data processing unit 36 by the detection value collecting unit 31A or the device control factor data collecting unit 34A is recorded for each identification number corresponding to the wafer, and data processing is performed. According to the request of the unit 36, it has a function of reading out the overlay deviation amount of the desired identification number and the device control factor.
[0033]
The data processing unit 36 reads and writes the overlay deviation amount / apparatus control factor data and wafer identification number, performs statistical processing on these data to calculate and determine a desired correction value or management range, It has a function of determining whether or not the corresponding data is within the management range. Further, the data processing unit 36 performs (1) shift and (2) wafer scaling on the overlay control factor at the interface portion between the upper layer pattern and the lower layer pattern of the semiconductor substrate (wafer) on which the overlay deviation amount is evaluated. (Wafer Stretch), (3) Wafer Rotation (Wafer Rotation), (4) Wafer Orthogonal Prediction (Wafer Orthogonality), (5) Shot Rotation (Shot Rotation), (6) Shot Magnification (Shot (Scaling factor or shot expansion / contraction ratio), (7) Distortion matching amounts are calculated, and a comparison calculation with a process management index held in the manufacturing process management database 35 is performed to calculate a desired correction. .
[0034]
In addition, the data processing unit 36 searches the manufacturing process management database 35 for a history of measured values or manufacturing process information (including process management indexes), and selects a target from the history / manufacturing process information obtained as a result of the search. A history of overlay deviation of the exposure process or a statistical tendency obtained from the history is calculated. Furthermore, it has a function of estimating a final yield of the semiconductor substrate from the history and the manufacturing process information regarding all semiconductor manufacturing processes including the process.
The semiconductor manufacturing process management system according to the first embodiment includes a plurality of computers (data processing unit 36), a semiconductor manufacturing apparatus 20, an inline electron beam evaluation apparatus 11, and an overlay deviation amount evaluation apparatus connected via a network. 12. It consists of various databases.
[0035]
Next, a semiconductor manufacturing process management method by the above-described semiconductor device manufacturing process management system according to the first embodiment will be described.
In the semiconductor device manufacturing process management method according to the first embodiment, the overlay inspection apparatus using an optical signal is calculated using the overlay deviation amount calculated by the inline electron beam evaluation apparatus using the substrate current signal. In this method, the overlay deviation amount is correctly evaluated by determining the overlay deviation amount to be performed or the process management standard based thereon, and the semiconductor device manufacturing process with a high yield is completed at an early stage.
[0036]
An example of the manufacturing procedure of the semiconductor device using the management method of the present embodiment is shown in FIGS.
FIG. 3 shows the flow of test wafer processing, and FIG. 4 shows the flow of processing in the manufacturing process. The process management standard is determined by the processing from step S111 to step S117 shown in FIG. 3, and the process management of the exposure process is operated using the process management standard by the processing from step S7121 to step S125 shown in FIG.
[0037]
First, a series of processing procedures from step S111 to step S117 will be described in detail. After inserting a test semiconductor substrate (test wafer), the same semiconductor manufacturing process as that of the product wafer is performed (step S111). In step S111, specifically, processes such as film formation, etching, and CMP are performed. At this stage, the lower layer pattern is formed. Here, after the device control factor and wafer ID in the series of semiconductor manufacturing apparatuses 20 used for forming the lower layer pattern are transferred to the data processing unit 36 via the device data collecting unit 34, the device control factor is used. Accumulated in the database 33.
Next, a desired exposure apparatus is selected from a plurality of exposure apparatuses used in the manufacturing process, an exposure process is performed (step S112), and the upper layer pattern is transferred to the photoresist. Here, as shown in FIG. 5, the shot position of the box mark UL of the upper layer pattern is shifted with respect to the box mark LL of the lower layer pattern for each shot, and a plurality of levels are set for the shot shift amount. FIG. 4A shows a case where the upper layer pattern is shifted by −X, FIG. 4B shows a case where the shift amount is zero, and FIG. 4C shows the upper layer pattern with respect to the lower layer pattern. The case where it is shifted by + X is shown. Thus, in the exposure process, exposure is intentionally provided with an offset at the shot position. Here, the apparatus control factor and wafer ID in the exposure apparatus 21 are transferred to the data processing unit 36 via the apparatus data collection unit 34 and then stored in the apparatus control factor database 33.
[0038]
Subsequently, the overlay deviation amount A between the upper layer pattern and the lower layer pattern made of photoresist is measured using the overlay deviation amount evaluation device 12 using an optical signal (step S113). Specifically, as shown in FIG. 5, distances S1 and S2 between the box mark LL of the lower layer pattern and the box mark UL of the upper layer pattern are measured, and a deviation amount A (= S1-S2) is determined from these differences. Is calculated. The deviation A is transferred to the data processing unit 36 through the detection value collecting unit 31A and the wafer ID collecting unit 31B together with the wafer ID of the semiconductor substrate to be measured. In step S113, the measurement is basically performed on a box mark on an area other than the product area (for example, a scribe line area). The overlay deviation amount A is measured for a plurality of levels set in the exposure process.
Subsequently, using the inline electron beam evaluation apparatus 11 using the substrate current signal, the same measurement object as the overlay deviation evaluation apparatus 12 is measured, and the overlay deviation between the upper layer pattern and the lower layer pattern made of photoresist is measured. B is measured (step S114). In step S114, it is possible to carry out the overlay deviation amount using any pattern in the product area (in-chip area).
[0039]
Here, with reference to FIG. 6, the measurement principle of the overlay deviation amount using the inline electron beam evaluation apparatus 11 will be described. An upper view of the box mark is shown in the upper part of the figure, a sectional structure diagram is shown in the middle part of the figure, and a differential waveform of the substrate current signal is shown in the lower part of the figure. The electron beam is scanned from the left to the right in the figure, and the substrate current signal is observed at each scanning position. As shown in the figure, the waveform obtained by differentiating the substrate current signal shows a peak at the edge portion of the lower layer pattern or the upper layer pattern by appropriately selecting the irradiation energy of the electron beam. That is, since the depth from the outermost surface of the edge portion is different between the upper layer pattern and the lower layer pattern, it is necessary to modulate the range of the electron beam. By appropriately modulating the electron beam in this way, the differential waveform shows a peak at each edge portion of the upper layer pattern or the lower layer pattern, and the distance between the box mark LL forming the lower layer pattern and the box mark UL forming the upper layer pattern S1 and S2 can be measured with high accuracy, and therefore, the overlay displacement amount B (= S1-S2) of the upper layer pattern with respect to the lower layer pattern can be calculated with high accuracy. The deviation amount B is transferred to the data processing unit 36 through the detection value collection unit 31A and the wafer ID collection unit 31B together with the wafer ID of the semiconductor substrate to be measured. This overlay deviation amount B is measured for a plurality of levels set during exposure.
In addition, according to the measurement method using an optical signal, since it is affected by the round portion R of the intermediate layer, the signal waveform does not show a peak, so that it becomes difficult to detect the edge portion and measurement accuracy cannot be obtained. become.
[0040]
Subsequently, the data processing unit 36 specifies the correspondence between the measured overlay deviation amount A and overlay deviation amount B (step S115). FIG. 7 shows an example of a correspondence relationship between the deviation amount A and the deviation amount B. In the figure, the horizontal axis represents the deviation amount B measured for each level using the substrate current signal, and the vertical axis represents the deviation amount A measured for each level using the optical signal. Represents. The characteristic lines in the figure are obtained by plotting the deviation A and deviation B measured using the optical signal evaluation device 12 and in-line electron beam evaluation device 11 for the same level. . As described above, the deviation amount B measured using the substrate current signal is extremely accurate and can be regarded as representing a device design value. Accordingly, the correspondence relationship shown in FIG. 7 represents the correspondence relationship between the deviation amount A measured when the optical signal is used and the device design value.
[0041]
Subsequently, the data processing unit 36 determines a process management standard related to the deviation A based on the deviation B based on the above-described correspondence (step S116). Specifically, the upper limit value BU and the lower limit value BL of the process management standard are set in advance by device design. Since the upper limit value BU and the lower limit value BL can be regarded as values on the deviation amount B, the upper limit value AU and the lower limit value AL are defined as the deviation amount A corresponding to the upper limit value BU and the lower limit value BL from the correspondence shown in FIG. can get. These upper limit value AU and lower limit value AL are determined as process management standards of the evaluation device 12 using an optical signal. Here, the deviation amount A using the optical signal is an amount with low measurement accuracy, but since the process management standard for the deviation amount A is determined based on the deviation amount B, the device design value is satisfied as a result. It is possible to correctly determine whether or not the process has been performed, and to improve the quality of process management.
[0042]
Subsequently, the process management standard determined in step S116 is registered in the manufacturing process management database 35 to be referred to in the manufacturing process (step S117), and this database is updated. In addition, when registering the process management standard, it is desirable that each device control factor used for forming the upper layer pattern and the lower layer pattern is associated.
Thus, the process management standard for the first selected exposure apparatus is prepared. Similarly, with respect to other exposure apparatuses, the overlay deviation amount is measured using the optical signal and the substrate current signal, and the process control standard is obtained from the measurement result.
[0043]
Next, a manufacturing process according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
After loading the product semiconductor substrate (product wafer), a desired semiconductor manufacturing process is performed in step S121. However, the semiconductor manufacturing process performed in step S121 is the same process as step S111 described above.
Subsequently, one exposure apparatus is selected from a plurality of exposure apparatuses used in the manufacturing process and an exposure process is performed (step S122), and the upper layer pattern is transferred to the photoresist. The exposure apparatus and process conditions selected in step S122 are preferably the same as the exposure apparatus and process conditions selected in step S112. Subsequently, the overlay deviation amount A between the upper layer pattern and the lower layer pattern made of photoresist is measured using the overlay deviation amount evaluation device 12 using an optical signal (step S123). The deviation A is transferred to the data processing unit 36 via the measurement data collecting unit 31 together with the wafer ID of the semiconductor substrate to be measured. Basically, the measurement performed in step S123 is performed on a box mark on an area other than the product area (for example, a scribe line area).
[0044]
Subsequently, the manufacturing process management database 35 is searched for a process management standard based on the overlay inspection apparatus 12 using the optical signal in the product process, and the process management standard updated in the above-described step S117 is the manufacturing process management. The data is transferred from the database 35 to the data processing unit 36. Then, the data processing unit 36 determines whether or not the overlay deviation amount A obtained in step S123 is within the acquired process management standard (step S124). Here, when it is determined that the deviation A is within the process control standard (step S124; YES), this process is completed. On the other hand, if it is determined that it does not fit (out of range) (step S124; NO), the upper layer pattern made of the photoresist formed on the surface of the semiconductor substrate is peeled off and subjected to reprocessing (step). S125). This peeling process is an ashing process or an acid cleaning process. Reprocessing is performed on the semiconductor substrate that has been subjected to the peeling process (step S122).
[0045]
Note that the exposure apparatus selected in step S122 implemented through step S125 is desirably the same exposure apparatus as the exposure apparatus used immediately before the semiconductor substrate. Further, in step S113, step S114, and step S123, the overlay deviation amount evaluation can be performed on a plurality of positions on the semiconductor substrate. FIG. 8 shows an example of how to take measurement points in this case. The measurement positions are located at predetermined intervals, and are often at regular intervals. For example, it may be defined by the repetition interval of the exposure area determined in step S112, or may be the repetition interval of the chip area similarly determined in step S112.
[0046]
In addition, the process control standard determination process in step S116 includes the overlay deviation amount for each measurement position where the optical signal was actually measured in step S113 and the overlay deviation amount for each measurement position where the substrate current signal was measured in step S114. And a spatial distribution function related to the overlay deviation amount may be calculated, and the overlay deviation amount may be calculated for all positions on the semiconductor substrate. For example, it is known that the film formation process in step S111 has a distribution of the film thickness as a whole on the semiconductor substrate. For example, in the exposure process in step S112, it is known that the transferred pattern shape has a distribution as an exposure region. In the determination process in step S124, the determination of the correction value of the overlay control factor may be performed as a function of the position on the semiconductor substrate. The first embodiment has been described above.
[0047]
(Embodiment 2)
The semiconductor device manufacturing process management method according to the second embodiment of the present invention will be described below.
In the first embodiment described above, the process management standard related to the shift amount in the exposure process is defined. In the second embodiment, the process management standard related to the shot magnification or the shot expansion / contraction ratio in the exposure process is obtained, and the shot magnification is further determined. Correct. As a result, process management is performed accurately and yield is improved.
An example of the manufacturing procedure of the semiconductor device using the management method of the second embodiment is shown in FIGS. FIG. 9 shows the flow of test wafer processing, and FIG. 10 shows the flow of processing in the manufacturing process. The process management standard and the correction value for the deviation amount are determined by the processing from step S211 to step S217 shown in FIG. Then, the process management of the exposure process based on the process management standard and the correction value is operated by the processing from step S221 to step S227 shown in FIG.
[0048]
More specifically, first, a series of processing procedures from step S211 to step S217 will be described. After inserting a test semiconductor substrate (test wafer), the same semiconductor manufacturing process as that of the product wafer is performed (step S211). In step S211, specifically, processes such as film formation, etching, and CMP are performed. At this stage, the lower layer pattern is formed. Next, one exposure apparatus is selected from a plurality of exposure apparatuses used in the manufacturing process and an exposure process is performed (step S212), and the upper layer pattern is transferred to the photoresist. As shown in FIG. 11, the main surface of the semiconductor substrate is divided into a plurality of shot regions ST1 to ST42 and exposed. Each shot area corresponds to one exposure area. In the second embodiment, a plurality of levels are provided for the shot magnification by changing the shot magnification for each shot area.
[0049]
A method for setting the level of shot magnification will be described with reference to FIG. The shot area ST shown in FIG. 12 corresponds to each of the shot areas ST1 to ST42 shown in FIG. 11, and the size in the x direction is Lx and the size in the y direction is Ly. The shot area includes a plurality of chip patterns. In addition, measurement points P1 to P4 are provided at the center of the four sides of the shot area ST. At each measurement point, the above-described box mark LL composed of the lower layer pattern and the box mark UL composed of the upper layer pattern are arranged. Here, when the regular shot magnification is employed, the box mark UL is positioned at the center of the box mark LL at each measurement point. When the shot magnification of the upper layer pattern is set larger than that of the lower layer pattern, the box mark UL moves to the outside of the shot area ST as shown in FIG. On the other hand, when the shot magnification is set small, the box mark UL moves to the inside of the shot area ST. Thus, by adjusting the shot magnification of the exposure apparatus, the shot magnification of the shot areas ST1 to ST42 is changed, and a plurality of levels are provided for the shot magnification. The shot magnification is calculated from the amount of deviation of the box mark at each measurement point. This calculation method will be described later.
[0050]
Subsequently, the misalignment amount A is measured from each box mark at the measurement points P1 to P4 provided in each shot area by using the overlay misalignment evaluation device 12 using an optical signal (step S213).
Subsequently, the deviation amount B is measured from each box mark at the measurement points P1 to P4 in each shot area using the inline electron beam evaluation apparatus 11 using the substrate current signal (step S214).
FIG. 13 shows a list of the deviation amounts A and B measured in the above-described steps S213 and S214. In this example, the shift amount A and the shift amount B measured at the measurement points P1 to P4 in a certain shot area are shown in a coordinate format. For example, for the measurement point P1, “AY1” is measured as the y-direction component of the deviation A, and “BY1” is measured as the y-direction component of the deviation B. For example, at the measurement point P3, “AX3” is measured as the x-direction component of the deviation A, and “BX3” is measured as the x-direction component of the deviation B. In this way, the shift amount A and the shift amount B at each measurement point are similarly measured for other shot areas.
[0051]
Subsequently, a correspondence relationship between the expansion / contraction ratio due to the deviation amount A and the expansion / contraction ratio due to the deviation amount B is determined (step S215). The expansion / contraction rate due to each shift amount is calculated from the above measurement result. That is, the expansion / contraction rate MAX in the x direction due to the shift amount A is calculated from the following equation (1), and the expansion / contraction rate MAy in the y direction due to the shift amount A is calculated from the following equation (2). Further, the expansion / contraction rate MBX in the x direction due to the deviation amount B is calculated from the following equation (3), and the expansion / contraction rate MBY in the y direction due to the deviation amount B is calculated from the following equation (4).
MAX = (AX4-AX3) / Lx (1)
MAY = (AY1-AY2) / Ly (2)
MBX = (BX4-BX3) / Lx (3)
MBY = (BY1-BY2) / Ly (4)
[0052]
Using the above equation, the expansion / contraction rate due to the shift amount A and the shift amount B is calculated for each shot region. FIG. 13B shows the expansion / contraction rate of each shot area in a coordinate format. In the same figure, the expansion ratios MAX1, MAX2, MAX3, etc. are the expansion ratios in the x direction due to the shift amount A, and are calculated using the above equation (1). The expansion ratios MAY1, MAY2, MAY3, etc. The expansion / contraction rate in the y direction is calculated using the above equation (2). The expansion ratios MBX1, MBX2, MBX3, etc. are the expansion ratios in the x direction due to the deviation amount B, and are calculated using the above equation (3). The expansion ratios MBY1, MBY2, MBY3, etc. The expansion / contraction ratio in the direction, which is calculated using the above equation (4). By plotting the expansion / contraction rate calculated in this way, the correspondence as shown in FIG. 14 is obtained. Here, (a) in the figure shows the correspondence of the expansion / contraction ratio depending on the deviation amount A and the deviation amount B in the x direction, and (b) in FIG. The correspondence is shown.
[0053]
Subsequently, based on the correspondence relationship between the expansion / contraction ratios described above, a process management standard relating to the expansion / contraction ratio due to the deviation amount A is determined based on the expansion / contraction ratio due to the deviation amount B (step S216). Specifically, using the correspondence shown in FIG. 14A, when the upper limit value MBXU and the lower limit value MBXL of the expansion ratio in the x direction determined by the device design are set as the expansion ratio MBX, the expansion ratio MAX is obtained. An upper limit value MAXU and a lower limit value MAXL are obtained. Similarly, when the upper limit value MBYU and the lower limit value MBYL of the expansion / contraction rate in the y direction determined by device design are set to the expansion / contraction rate MBY using the correspondence relationship shown in FIG. MAYU and lower limit value MAYL are obtained.
[0054]
Here, the expansion / contraction ratios MAX and MAY due to the deviation amount A using the optical signal are low in measurement accuracy, but the process control standard (upper limit value) regarding the expansion / contraction ratio due to the deviation amount A with the expansion ratio due to the deviation amount B as a reference. (MAXU, MAYU and lower limit values MAXL, MAYL) are determined, and as a result, it is possible to correctly determine whether the expansion / contraction ratio in the device design is satisfied, and to improve the quality of process management. become.
Subsequently, the upper limit values MAXU and MAYU and the lower limit values MAXL and MAYL obtained in step S216 described above are registered in the database as process management standards, and this database is updated (step S217).
Thus, the process management standard for the first selected exposure apparatus is prepared. Similarly, with respect to other exposure apparatuses, the overlay deviation amount is measured using the optical signal and the substrate current signal, and the process control standard relating to the expansion / contraction rate is obtained from the measurement result.
[0055]
Next, a manufacturing process according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
After introducing the product semiconductor substrate (product wafer), a desired semiconductor manufacturing process is performed in step S221. However, the semiconductor manufacturing process performed in step S221 is the same process as step S211 described above.
Subsequently, one exposure apparatus is selected from a plurality of exposure apparatuses used in the manufacturing process and an exposure process is performed (step S222), and the upper layer pattern is transferred to the photoresist. Note that the exposure apparatus selected in step S222 is preferably the same as the exposure apparatus selected in step S212 described above. Subsequently, the overlay deviation amount A between the upper layer pattern and the lower layer pattern made of photoresist is measured by using the overlay deviation amount evaluation device 12 using an optical signal (step S223), and the expansion / contraction rate due to the deviation amount A is measured. Is calculated. Basically, the measurement performed in step S223 is performed on a box mark on an area other than the product area (for example, a scribe line area).
[0056]
Subsequently, the process management standard based on the overlay inspection apparatus 12 using the optical signal in the product process is searched, and the process management standard updated in step S217 described above is acquired from the database. Then, it is determined whether or not the expansion / contraction rate by the overlay deviation amount A obtained in step S223 is within the acquired process control standard (step S224). Here, when it is determined that the expansion / contraction rate due to the deviation amount A is within the process control standard (step S224; YES), this processing is completed. On the other hand, when it is determined that it does not fit (out of range) (step S224; NO), the upper layer pattern made of the photoresist formed on the surface of the semiconductor substrate is peeled off (step S225). This peeling process is an ashing process or an acid cleaning process.
[0057]
Subsequently, a displacement amount B corresponding to the displacement amount A is obtained from a database having a correspondence relationship between the expansion / contraction rate due to the displacement amount A and the expansion / contraction rate due to the displacement amount B measured in the above-described step S212 and step S213 (step S212). S226).
Subsequently, the correction value of the shot magnification of the exposure apparatus is set so that the expansion / contraction rate due to the shift amount B is zero with reference to the correspondence relationship of the expansion / contraction rate determined in step S215 described above. Specifically, as shown in the following equation, a difference ΔMBX between the center value MBXM (= 0) of the expansion / contraction ratio standard and the actual expansion / contraction ratio MBX calculated in step S223 is calculated, and this difference ΔMBX is calculated in step This is added to the shot magnification MSO of the exposure apparatus used in S222, and this is set as a new shot magnification MSN.
ΔMBX = MBXM (standard value of standard) −MBX (measured value) (5)
MSN (new setting value) = MSO (old setting value) + ΔMBX (correction value) (6)
[0058]
Subsequently, exposure processing is performed using the correction value of the shot magnification set in step S227, and the shot magnification of the exposure apparatus is corrected so that the contraction rate of the upper layer pattern becomes zero with respect to the lower layer pattern. Then, reprocessing (exposure processing) is performed on the semiconductor substrate on which the peeling processing has been performed (step S222). The second embodiment has been described above.
[0059]
(Embodiment 3)
Hereinafter, a semiconductor device manufacturing process management method according to Embodiment 3 of the present invention will be described.
In the first and second embodiments described above, the deviation amount B is measured for the purpose of correcting the process control standard for the deviation amount A. However, in this third embodiment, the deviation is used for the purpose of calibrating the shot magnification of the exposure apparatus. The shot magnification of the exposure apparatus is corrected using the expansion / contraction rate calculated from the amount B.
An example of the manufacturing procedure of the semiconductor device using the management method of the third embodiment is shown in FIGS. FIG. 15 shows the flow of test wafer processing, and FIG. 16 shows the flow of processing in the manufacturing process. A correction value for the shot magnification of the exposure apparatus is determined by the processing from step S311 to step S315 shown in FIG. Then, in the process shown in FIG. 16, the process management of the exposure process by the correction value is used.
[0060]
First, a series of processing procedures from step S311 to step S315 will be described in detail. After inserting a test semiconductor substrate (test wafer), the same semiconductor manufacturing process as that of the product wafer is performed (step S311). In step S311, specifically, processes such as film formation, etching, and CMP are performed. At this stage, the lower layer pattern is formed. Next, one exposure apparatus to be calibrated is selected from a plurality of exposure apparatuses used in the manufacturing process, and an exposure process is performed (step S312), and the upper layer pattern is transferred to the photoresist. . Also in the third embodiment, as in the second embodiment described above, a plurality of levels are provided for the shot magnification by changing each shot magnification for the plurality of shot regions ST1 to ST42 shown in FIG.
Subsequently, the shift amount B is measured from each box mark of the measurement points P1 to P4 of each shot area shown in FIG. 12 using the inline electron beam evaluation apparatus 11 using the substrate current signal (step S313). This deviation amount B is the same as that shown in FIG.
[0061]
Subsequently, a correction value for the shot magnification is determined so that the measured deviation amount B becomes zero (step S314). That is, the correspondence relationship between the set values MSX and MSY of the shot magnification for the exposure apparatus and the expansion / contraction ratios MBX and MBY due to the displacement amount B is obtained, and a new shot magnification is determined from these correspondence relationships so that the displacement amount B is zero. This is used as a correction value. Here, the setting values MSX and MSY of the exposure apparatus shot magnification are grasped from the shot magnification of the exposure apparatus set with respect to the level at which the deviation amount B is measured, and the expansion / contraction ratios MBX and MBY by the deviation amount B are It is calculated from the aforementioned equations (3) and (4). These set values MSX, MSY and expansion / contraction ratios MBX, MBY are shown in a coordinate format in FIG.
[0062]
By plotting the values shown in FIG. 17, the correspondence shown in FIG. 18 is obtained. FIG. 6A is a characteristic diagram showing the correspondence between the set value of the shot magnification MSX of the exposure apparatus in the x direction and the calculated value of the expansion / contraction rate MBX from the shift amount B, and FIG. 6 is a characteristic diagram showing a correspondence relationship between a set value of shot magnification MSY of the exposure apparatus in the direction and a calculated value of expansion / contraction rate MBY from deviation amount B. FIG. From this correspondence, the shot magnifications MSX and MSY with the deviation amount B set to zero, that is, the shot magnifications MSX and MSY when the expansion ratios MBX and MBY are set to zero are determined as correction values, and these are set as new shot magnifications. .
Subsequently, the correction value determined in step S314 is set in the exposure apparatus (step S315).
As described above, the calibration of the shot magnification is performed for the selected one exposure apparatus. Thereby, the shot magnification of the exposure apparatus is optimized so that the overlay deviation amount between the upper layer pattern and the lower layer pattern on the actual semiconductor substrate becomes zero. Calibration is performed on other exposure apparatuses as necessary.
[0063]
Next, a manufacturing process according to the third embodiment will be described with reference to FIG.
After introducing the product semiconductor substrate (product wafer), a desired semiconductor manufacturing process is performed in step S321. However, the semiconductor manufacturing process performed in step S321 is the same process as step S311 described above.
Subsequently, one exposure apparatus is selected from a plurality of exposure apparatuses used in the manufacturing process and an exposure process is performed (step S322), and the upper layer pattern is transferred to the photoresist. The exposure apparatus selected in step S322 is the same as the exposure apparatus selected in step S312 described above, and the shot magnification is calibrated. Thereby, the deviation amount B becomes zero, and the upper layer pattern is formed at an appropriate position with respect to the lower layer pattern. Thereafter, the product wafer processing is completed through a predetermined manufacturing process. The third embodiment has been described above.
[0064]
(Embodiment 4)
The semiconductor device manufacturing process management method according to the fourth embodiment of the present invention will be described below.
In the above-described third embodiment, the deviation amount B between the lower layer pattern and the upper layer pattern is measured to correct the shot magnification of the exposure apparatus. However, in the fourth embodiment, the influence on the etching process is included. The shot magnification of the exposure apparatus is set by measuring the shift amount B and calculating the expansion / contraction rate.
An example of the manufacturing procedure of the semiconductor device using the management method of the fourth embodiment is shown in FIGS. FIG. 19 shows the flow of test wafer processing, and FIG. 20 shows the flow of processing in the manufacturing process. A correction value for the shot magnification of the exposure apparatus is determined by the processing from step S411 to step S416 shown in FIG. In the process shown in FIG. 20, the process management of the exposure process using the correction value is used.
[0065]
First, a series of processing procedures from step S411 to step S416 will be described in detail. After inserting a test semiconductor substrate (test wafer), the same semiconductor manufacturing process as that of the product wafer is performed (step S411). In step S411, specifically, processes such as film formation, etching, and CMP are performed. At this stage, the lower layer pattern is formed. Next, one exposure apparatus is selected from a plurality of exposure apparatuses used in the manufacturing process and an exposure process is performed (step S412), and the upper layer pattern is transferred to the photoresist. In the fourth embodiment, the shot magnifications for the plurality of shot regions ST1 to ST42 shown in FIG. 11 are the same, and the shot magnification is changed for each semiconductor substrate (wafer), thereby providing a plurality of levels for the shot magnification.
[0066]
Subsequently, as shown in FIG. 21B, etching is performed using the developed upper layer pattern L4 made of photoresist as a mask to form holes H in the intermediate layer L3 (step S413). This etching process may include resist stripping.
In the example shown in FIG. 21B, the hole H is formed in a state where the bottom of the hole H and the lower layer pattern L1 are aligned. This is to correct the shot magnification as will be described later. In step S413, the formation state of the hole H differs depending on each level.
[0067]
Subsequently, the deviation amount B is measured for each level using the inline electron beam evaluation apparatus 11 using the substrate current signal (step S414). The deviation B is measured at the measurement points P1 to P4 of each shot area shown in FIG. 12, and the box mark in this case has a cross-sectional structure shown in FIG. From this box mark, a deviation amount B between the bottom surface of the hole H and the lower layer pattern L1 is measured. Here, the measured deviation amount B is measured in correspondence with the position in the same semiconductor substrate for each level. As a result, a deviation amount B for a plurality of shot magnifications is obtained in correspondence with each shot region of the semiconductor substrate.
[0068]
Subsequently, a correction value for the shot magnification is determined so that the measured deviation amount B becomes zero (step S415). That is, using the same method as in the above-described third embodiment, the correspondence relationship between the set values MSX and MSY of the shot magnification for the exposure apparatus and the expansion / contraction ratios MBX and MBY due to the displacement amount B is obtained, and the deviation from these correspondence relationships is obtained. A new shot magnification is determined so that the amount B is zero, and this is used as a correction value. The shot magnification which is this correction value is calculated for each shot area as shown in FIG.
Subsequently, the shot magnification of the exposure apparatus is corrected using the correction value determined in step S415 (step S416).
As described above, the shot magnification corrected for each shot area is set for one selected exposure apparatus, and thereby, the overlay deviation amount of the upper layer pattern and the lower layer pattern is zero over the entire surface of the semiconductor substrate. Thus, the shot magnification of the exposure apparatus is optimized.
[0069]
Next, a manufacturing process according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG.
After loading the product semiconductor substrate (product wafer), a desired semiconductor manufacturing process is performed in step S421. However, the semiconductor manufacturing process performed in step S421 is the same process as step S411 described above.
Subsequently, one exposure apparatus is selected from a plurality of exposure apparatuses used in the manufacturing process and an exposure process is performed (step S422), and the upper layer pattern is transferred to the photoresist.
Subsequently, an etching process is performed (S423). However, the etching process performed in step S423 is the same as that in step S413 described above.
Here, the exposure apparatus selected in step S422 is the same as the exposure apparatus selected in step S312 described above, and the shot magnification is corrected for each shot area. Thereby, the shift amount B in each shot area after the etching process becomes zero, and the upper layer pattern is formed at an appropriate position with respect to the lower layer pattern as shown in FIG. Thereafter, the product wafer processing is completed through a predetermined manufacturing process. The fourth embodiment has been described above.
[0070]
(Embodiment 5)
The semiconductor device manufacturing process management method according to the fifth embodiment of the present invention will be described below.
In the above-described fourth embodiment, the amount of deviation B between the lower layer pattern and the upper layer pattern is set to zero by correcting the shot magnification of the exposure apparatus. However, in this fifth embodiment, the processing conditions ( By correcting the etching conditions, the same effect as that obtained when the shot magnification is corrected is obtained.
An example of the manufacturing procedure of the semiconductor device using the management method of the fifth embodiment is shown in FIGS. FIG. 22 shows the flow of test wafer processing, and FIG. 23 shows the flow of processing in the manufacturing process. The correction value for the etching condition is determined by the processing from step S511 to step S516 shown in FIG. Then, in the process shown in FIG. 22, the process management of the etching process using the correction value is operated.
[0071]
First, a series of processing procedures from step S511 to step S516 will be described in detail. After inserting a test semiconductor substrate (test wafer), the same semiconductor manufacturing process as that of the product wafer is performed (step S511). In step S511, specifically, processes such as film formation, etching, and CMP are performed. At this stage, the lower layer pattern is formed. Next, an exposure process is performed using an exposure apparatus used in the manufacturing process (step S512), and the upper layer pattern is transferred to the photoresist. The exposure conditions at this time are the same as those in the manufacturing process.
[0072]
Subsequently, as shown in FIG. 21B, etching is performed using the developed upper layer pattern L4 made of photoresist as a mask to form holes H in the intermediate layer L3 (step S513). In the fifth embodiment, a plurality of levels are provided for the etching conditions by changing the etching conditions for each semiconductor substrate.
In the example shown in FIG. 21B, the hole H is formed in a state where the bottom portion of the hole H and the lower layer pattern L1 are aligned. However, in step S513, the formation state of the hole H depends on each level. Is different.
[0073]
Subsequently, the deviation amount B is measured for each level using the inline electron beam evaluation apparatus 11 using the substrate current signal (step S514). This deviation amount B is measured at the measurement points P1 to P4 of each shot area shown in FIG. 12, and the box mark in this case is the same as that in the fourth embodiment described above, as shown in FIG. It has the cross-sectional structure shown. From this box mark, a deviation amount B between the bottom surface of the hole H and the lower layer pattern L1 is measured. Here, the measured deviation B is measured for each level, and the deviation B for each etching condition is obtained.
[0074]
Subsequently, a correction value of the etching condition is determined so that the deviation amount B becomes zero (step S515). That is, using the same method as in the third embodiment, as shown in FIG. 24, the expansion / contraction ratios MBX and MBY according to the deviation amounts B obtained under the respective etching conditions E1, E2, and E3 are calculated. In FIG. 24, for example, the etching condition E1 is applied to the semiconductor substrate (wafer No.) WF1, and the expansion / contraction ratios MBX1 and MBY1 with the deviation amount B are obtained with respect to the etching condition E1. When the etching conditions and the expansion / contraction rate shown in FIG. 24 are plotted, a characteristic diagram showing the correspondence shown in FIG. 25 is obtained. In the figure, the horizontal axis represents the etching conditions, the left vertical axis represents the x-direction expansion / contraction rate MBX, and the right vertical axis represents the y-direction expansion / contraction rate MBY. From FIG. 25, the etching condition E when the expansion ratios MBX and MBY are set to zero is obtained, and this is set as a correction value for the etching condition.
Subsequently, the etching condition of the etching apparatus is corrected using the correction value determined in step S515 (step S516).
As described above, the corrected etching conditions are set for the etching apparatus, whereby the etching conditions are optimized so that the deviation amount B of the hole bottom with respect to the lower layer pattern becomes zero and the expansion / contraction rate becomes zero.
[0075]
Next, a manufacturing process according to the fifth embodiment will be described with reference to FIG.
After introducing the product semiconductor substrate (product wafer), a desired semiconductor manufacturing process is performed in step S521. However, the semiconductor manufacturing process performed in step S521 is the same process as step S511 described above.
Subsequently, an exposure process is performed (step S522), and the upper layer pattern is transferred to the photoresist. However, the exposure process performed in step S522 is the same process as step S512 described above.
Subsequently, an etching process is performed (S523). Here, the etching conditions used in step S523 are set in the above-described step S516, and as a result, similarly to the case shown in FIG. The deviation amount B from the pattern becomes zero, and each layer is formed at an appropriate position. Thereafter, the product wafer processing is completed through a predetermined manufacturing process. The fifth embodiment has been described above.
[0076]
(Embodiment 6)
Hereinafter, a semiconductor device manufacturing process management method according to the sixth embodiment of the present invention will be described.
In the first to fifth embodiments described above, the semiconductor device manufacturing process management method is described in which the amount of deviation between the lower layer pattern and the upper layer pattern is directly measured and controlled to be zero. However, in the sixth embodiment, the amount of deviation from the set dimension (design value) related to the lower layer pattern is measured in the preceding manufacturing process, and the intentional deviation in the preceding manufacturing process is intentionally performed in the subsequent manufacturing process. A semiconductor device manufacturing process management method will be described in which an upper layer pattern is formed with a shift amount equivalent to the amount, thereby indirectly setting the shift amount between the upper layer pattern and the lower layer pattern to zero. As a result, process management is performed without reprocessing, and the yield is improved.
[0077]
An example of the manufacturing procedure of the semiconductor device using the management method of the sixth embodiment is shown in FIGS. FIG. 26 shows the flow of test wafer processing, and FIG. 27 shows the flow of processing in the manufacturing process. The process management standard is determined and updated by the processing from step S611 to step S616 shown in FIG. Then, the process management of the exposure process according to the process management standard is operated by the processing from step S621 to step S626 shown in FIG.
First, a series of processing procedures from step S611 to step S616 will be described in detail. After inserting a test semiconductor substrate (test wafer), the same semiconductor manufacturing process as that of the product wafer is performed (step S611). In step S611, specifically, processes such as film formation, etching, and CMP are performed. At this stage, the lower layer pattern is formed. Here, in the sixth embodiment, the box mark is designed in advance so that the expansion / contraction rate can be measured from the distance between the lower layer patterns, and the processing conditions in step S611 are set so that a plurality of expansion / contraction rates can be obtained. Establish a level.
[0078]
Subsequently, by using the overlay deviation amount evaluation device 12 using an optical signal, the set dimension and the actual semiconductor substrate (wafer) to be measured are measured with respect to the lower layer pattern from the box mark provided in each shot area. The deviation A is measured (step S612), and using the in-line electron beam evaluation apparatus 11 using the substrate current signal, the set dimensions relating to the lower layer pattern and the actual semiconductor substrate to be measured are similarly determined from the box marks of each shot area. The deviation amount B from the (wafer) is measured (step S613). Subsequently, the deviation amount A and the deviation amount B are transferred to the data processing unit 36 via the measurement data collecting unit 31, and the correspondence relationship between the expansion / contraction rate due to the deviation amount A and the expansion / contraction rate due to the deviation amount B is determined ( Step S615). The calculation method (principle) of the expansion / contraction rate is the same as that in the second embodiment. Subsequently, based on the correspondence relationship between the expansion / contraction ratios described above, a process management standard relating to the expansion / contraction ratio due to the deviation amount A is determined based on the expansion / contraction ratio due to the deviation amount B (step S615). Finally, the process management standard obtained in step S615 described above is registered in the manufacturing process management database 35, and this database is updated (step S616). As described above, the preparation of the process management standard relating to the process before the exposure process is made.
[0079]
Next, a manufacturing process according to the sixth embodiment will be described with reference to FIG.
After loading the product semiconductor substrate (product wafer), a desired semiconductor manufacturing process is performed in step S621. However, the semiconductor manufacturing process performed in step S621 is the same process as step S611 described above. Subsequently, by using the overlay deviation amount evaluation device 12 using an optical signal, the deviation A between the set dimension relating to the lower layer pattern and the actual semiconductor substrate (wafer) to be measured is measured from the interval between the lower layer patterns. In step S622, the data processing unit 36 calculates the expansion / contraction rate based on the deviation A. Basically, the measurement performed in step S622 is performed on a box mark on an area other than the product area (for example, a scribe line area).
[0080]
Subsequently, the process management standard based on the overlay inspection apparatus 12 using the optical signal in the product process is searched, and the process management standard updated in the above-described step S616 is acquired from the manufacturing process management database 35. Then, it is determined whether or not the expansion / contraction rate based on the overlay deviation amount A calculated in step S622 is within the acquired process control standard (step S623). Here, when it is determined that the expansion / contraction rate due to the deviation amount A is within the process control standard (step S623; YES), an exposure process for forming an upper layer pattern is performed using the initially set exposure conditions. (Step S626).
[0081]
On the contrary, when it is determined that the expansion / contraction rate due to the deviation amount A is not within the process control standard (out of the range) (step S623; NO), the expansion / contraction due to the deviation amount A is the same as in the second embodiment. The expansion / contraction rate from the deviation amount B corresponding to the expansion / contraction rate from the deviation amount A measured in step S622 is acquired from the manufacturing process management database 35 that stores the correspondence between the rate and the expansion / contraction rate due to the deviation amount B (step S622). S624). Subsequently, the expansion / contraction rate by the deviation amount B acquired from the manufacturing process management database 35 is set to the shot magnification of the exposure apparatus (step S625). Subsequently, exposure processing for forming an upper layer pattern is performed using the shot magnification set in step S625 (step S626). As a result, the overlay deviation amount of the upper layer pattern becomes zero with respect to the lower layer pattern.
According to the sixth embodiment, the deviation amount B is obtained from the database using the set dimension related to the lower layer pattern measured before the exposure process and the deviation amount A of the measurement target, and the expansion / contraction rate by the deviation amount B is obtained. Since the shot magnification used in the exposure process for forming the upper layer pattern in the subsequent process is set, the process can be managed accurately without reprocessing. The sixth embodiment has been described above.
[0082]
Below, the effect by embodiment which concerns on this invention is supplementarily demonstrated.
Conventional box marks have various drawbacks, making it difficult to measure the amount of positional deviation with sufficient accuracy. As one of the major factors that influence the measurement accuracy of the alignment between the lower layer (underlying) pattern and the upper layer (uppering) pattern, the cross-sectional shape asymmetry of the box mark is raised. As shown in FIG. 2A, in the case of a box mark having an asymmetric upper layer pattern, the outline of the box mark by a conventional optical overlay inspection apparatus becomes ambiguous, and in particular, the value of shot magnification (shot magnification). A large error will occur. This asymmetry of the box mark is caused by various manufacturing processes of the semiconductor device. Various manufacturing processes have pattern density dependency, size dependency, and position dependency (in the wafer surface or in the shot surface). For this reason, overlay misalignment measurement marks provided in areas other than areas (chip areas or product areas) in which elements such as transistors are formed (for example, on scribe lines) (typically box marks) are identically symmetric. Not formed in shape.
[0083]
This pattern cross-sectional asymmetry is due to proximity effects and lens aberrations in the exposure process, microloading effects in the etching process, coverage asymmetry in the film forming process, and reflow asymmetry or box mark constituent material in the heat treatment process. Due to the occurrence of distortion due to the difference in thermal expansion coefficient, the CMP process causes the substrate surface polishing characteristics depending on the pattern arrangement. As described above, depending on the presence or absence of asymmetry in the cross-sectional shape, depending on the conventional evaluation apparatus using the optical signal, the overlay deviation amount detected from the box mark provided in a region different from the chip region, and the actual chip There is a difference between the overlay deviation amounts in the region, and the deviation amounts cannot be measured correctly. On the other hand, according to the embodiment of the present invention, since the edge of the box mark is detected using the substrate current, it is possible to accurately measure the shift amount.
[0084]
Further, according to the overlay inspection apparatus using the optical signal, it is not possible to measure the overlay displacement amount of the pattern in the chip area with a desired accuracy. The reason is that an overlay inspection apparatus using an optical signal measures overlay deviation by measuring a mark having a size of 10 microns or more typified by a box mark arranged in an area outside a chip (such as a scribe line). This is because the amount is calculated. Basically, it is impossible to place an overlay measurement mark with a size of 10 microns or more in an in-chip area where the area is severely constrained, and as described above, in an area outside the chip (for example, a scribe line area). Has been placed. In particular, in an exposure process in which a scanner type exposure apparatus is used, an overlay deviation amount calculated by an overlay measurement mark (for example, a box mark) arranged in an area outside the chip and an overlay in the pattern in the chip area. Since there is a large difference between the deviation amounts, the process management cannot be performed sufficiently. On the other hand, according to the embodiment of the present invention, since the deviation amount B is measured using the substrate current, the deviation amount can be measured using the pattern in the in-chip region. Therefore, it becomes possible to carry out process management strictly.
[0085]
Furthermore, in recent years, the number of masks for creating a semiconductor integrated circuit has increased rapidly, and the number of box marks formed on the scribe line region has increased, and the area occupied by the box marks tends to increase. As a result, when the conventional box mark is used, the area itself occupied by the box mark on the wafer becomes too large, and the area ratio occupied by the actual product chip is relatively decreasing. On the other hand, according to the embodiment of the present invention, it is possible to measure the amount of deviation using the pattern in the chip region, so there is no need to provide a box mark on the outer periphery of the chip. Therefore, the restriction by the box mark is eliminated. It is also possible to measure the amount of deviation using an extremely small box mark.
[0086]
【The invention's effect】
As described above, the present invention has the following effects.
That is, according to the present invention, it is possible to appropriately set and evaluate the process management index (margin) of the process variation regarding the overlay accuracy when the patterns formed from various thin film materials in the semiconductor device manufacturing process are stacked. Therefore, it is possible to accurately and promptly determine the quality of the product in the semiconductor device manufacturing process.
Further, according to the present invention, by measuring the overlay component of the semiconductor substrate processed in the semiconductor manufacturing process, and by optimizing the device control factor of a desired semiconductor manufacturing apparatus according to the measured value, The start-up of the semiconductor device manufacturing process with a high yield can be completed early, and the semiconductor device manufacturing process with a high yield can always be maintained.
The reason is that the semiconductor manufacturing process management system according to the present invention includes an in-line electron beam evaluation apparatus using a substrate current signal that can calculate the amount of overlay deviation at the interface portion between the upper layer pattern and the lower layer pattern. And a semiconductor manufacturing apparatus (including an exposure apparatus) capable of reading and writing apparatus control factors, and using the overlay deviation amount and the process control index, a semiconductor substrate processed in the semiconductor manufacturing process This is because the configuration includes a data processing unit for setting pass / fail judgment, calculation / setting of correction values related to the process control index or the device control factor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a semiconductor device manufacturing process management system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram for explaining the measurement principle of the inline electron beam evaluation apparatus according to the first embodiment.
FIG. 3 is a flowchart showing a flow of test wafer processing according to the first embodiment.
FIG. 4 is a flowchart showing a flow of product wafer processing according to the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram for explaining box marks for measuring overlay deviation amounts A and B according to the first embodiment.
6 is a diagram for explaining the principle of measurement of overlay deviation amounts A and B according to Embodiment 1. FIG.
7 is a characteristic diagram showing a correspondence relationship between a deviation amount A and a deviation amount B according to Embodiment 1. FIG.
8 is a diagram showing an image of a semiconductor substrate (wafer) according to the first embodiment, and is a diagram showing an example of how to take measurement points for deviation amounts A and B. FIG.
FIG. 9 is a flowchart showing a flow of test wafer processing according to the second embodiment.
FIG. 10 is a flowchart showing a flow of product wafer processing according to the second embodiment.
FIG. 11 is a diagram showing an arrangement of shot areas according to the second embodiment.
FIG. 12 is a diagram showing a box mark according to the second embodiment and is a diagram for explaining a method for setting a shot magnification level;
FIG. 13 is a diagram illustrating a measured value of a deviation amount and a calculated value of an expansion / contraction rate according to the second embodiment.
FIG. 14 is a diagram illustrating a correspondence relationship between expansion / contraction ratios according to a deviation amount A and a deviation amount B according to the second embodiment.
FIG. 15 is a flowchart showing a flow of test wafer processing according to the third embodiment.
FIG. 16 is a flowchart showing a flow of product wafer processing according to the third embodiment.
FIG. 17 is a diagram showing set values MSX, MSY and expansion / contraction ratios MBX, MBY according to the third embodiment in a coordinate format.
FIG. 18 is a characteristic diagram showing a correspondence relationship between set values of shot magnifications MSX and MSY of the exposure apparatus and calculated values of expansion / contraction ratios MBX and MBY from a deviation amount B.
FIG. 19 is a flowchart showing a flow of test wafer processing according to the fourth embodiment.
FIG. 20 is a flowchart showing a flow of product wafer processing according to the fourth embodiment.
FIG. 21 is a diagram for explaining a correspondence relationship between a shot magnification and a shot region and a cross section of each layer stacked on a semiconductor substrate according to the fourth embodiment.
FIG. 22 is a flowchart showing a flow of test wafer processing according to the fifth embodiment.
FIG. 23 is a flowchart showing a flow of product wafer processing according to the fifth embodiment.
24 is a diagram showing etching conditions (E1, E2, E3) for each semiconductor substrate according to the fifth embodiment and expansion / contraction ratios MBX, MBY depending on a deviation amount B. FIG.
FIG. 25 is a characteristic diagram showing a relationship between etching conditions E and expansion ratios MBX and MBY according to the fifth embodiment.
FIG. 26 is a flowchart showing a flow of test wafer processing according to the sixth embodiment.
FIG. 27 is a flowchart showing a flow of product wafer processing according to the sixth embodiment.
FIG. 28 is a flowchart showing the flow of wafer processing according to the prior art.
FIG. 29 is a diagram for explaining a hole formation state in an etching process, and a diagram for explaining misalignment occurring in the etching process.
[Explanation of symbols]
11; Inline electron beam evaluation apparatus (evaluation apparatus using substrate current), 12; Evaluation apparatus using optical signal, 20; Semiconductor manufacturing apparatus, 21; Exposure apparatus, 22; Etching apparatus, 23; CMP apparatus, 24; Deposition apparatus 25; Heat treatment apparatus 26; Ion implantation apparatus 27; Cleaning apparatus 31; Measurement data collection section 31A; Detection value collection section 31B; Wafer ID collection section 32; Detection value database 33; Control factor database 34; Device data collection unit 34A; Device control factor data collection unit 34B; Wafer ID collection unit 35; Manufacturing process management database 36; Data processing unit (computer) 40; Device control factor setting unit .

Claims (3)

基板電流信号を利用したインライン電子線評価装置から得られる重ね合わせずれ量を用いて、光信号を利用した重ね合わせ検査装置による工程管理規格範囲を管理する方法であって、
(a)下層パターンを形成した後にフォトレジストからなる上層パターンを転写する露光処理を実施する第一のステップと、
(b)光信号を利用した重ね合わせ検査装置を用いて前記下層パターンと前記上層パターンとの第一の重ね合わせずれ量を測定する第二のステップと、
(c)基板電流信号を利用したインライン電子線評価装置を用いて前記下層パターンと前記上層パターンとの第二の重ね合わせずれ量を測定する第三のステップと、
(d)前記第一の重ね合わせずれ量と前記第二の重ね合わせずれ量との対応関係を特定する第四のステップと、
(e)前記対応関係に基づき、前記第二の重ね合わせずれ量を基準として前記第一の重ね合わせずれ量に関する工程管理規格を決定する第五のステップと、
(f)前記工程管理規格を製造工程で参照されるべきデータベースに登録する第六のステップと、
(g)前記データベースを参照し、前記光信号を利用した重ね合わせ検査装置による測定結果が前記工程管理規格を満足するか否かを判断する第七のステップと、
(h)前記測定結果が前記工程管理規格を満足しない場合に前記露光処理を再処理に付す第八のステップと、
を含むことを特徴とする半導体製造工程管理方法。
A method of managing a process control standard range by an overlay inspection apparatus using an optical signal, using an overlay deviation amount obtained from an inline electron beam evaluation apparatus using a substrate current signal,
(A) a first step of performing an exposure process for transferring an upper layer pattern made of a photoresist after forming a lower layer pattern;
(B) a second step of measuring a first overlay deviation amount between the lower layer pattern and the upper layer pattern using an overlay inspection apparatus using an optical signal;
(C) a third step of measuring a second overlay deviation amount between the lower layer pattern and the upper layer pattern using an inline electron beam evaluation apparatus using a substrate current signal;
(D) a fourth step of specifying a correspondence relationship between the first overlay deviation amount and the second overlay deviation amount;
(E) a fifth step of determining a process management standard relating to the first overlay deviation amount based on the second overlay deviation amount based on the correspondence relationship;
(F) a sixth step of registering the process control standard in a database to be referred to in the manufacturing process;
(G) a seventh step of referring to the database and determining whether or not a measurement result by the overlay inspection apparatus using the optical signal satisfies the process control standard;
(H) an eighth step of subjecting the exposure process to reprocessing when the measurement result does not satisfy the process control standard;
A method of managing a semiconductor manufacturing process , comprising :
基板電流信号を利用したインライン電子線評価装置から得られる重ね合わせずれ量を用いて、光信号を利用した重ね合わせ検査装置による工程管理規格範囲を管理する方法であって、
(a)下層パターンを形成した後にフォトレジストからなる上層パターンを転写する露光処理を実施する第一のステップと、
(b)光信号を利用した重ね合わせ検査装置を用いて前記下層パターンと前記上層パターンとの第一の重ね合わせずれ量を測定する第二のステップと、
(c)基板電流信号を利用したインライン電子線評価装置を用いて前記下層パターンと前記上層パターンとの第二の重ね合わせずれ量を測定する第三のステップと、
(d)前記第一の重ね合わせずれ量と前記第二の重ね合わせずれ量との対応関係を特定する第四のステップと、
(e)前記対応関係に基づき、前記第二の重ね合わせずれ量を基準として前記第一の重ね合わせずれ量に関する工程管理規格を決定する第五のステップと、
(f)前記工程管理規格および前記対応関係を製造工程で参照されるべきデータベースに登録する第六のステップと、
(g)前記データベースを参照し、前記光信号を利用した重ね合わせ検査装置による測定結果が前記工程管理規格を満足するか否かを判断する第七のステップと、
(h)前記測定結果が前記工程管理規格を満足しない場合に前記製造工程における露光処理を再処理に付す第八のステップと、をさらに含み、
前記第八のステップでは、前記対応関係を参照して、前記測定結果を前記第一の重ね合わせずれ量としたときの前記第二の重ね合わせずれ量を取得し、この取得された第二の重ね合わせずれ量をゼロとするように、前記製造工程での露光条件を補正することを特徴とする半導体製造工程管理方法。
A method of managing a process control standard range by an overlay inspection apparatus using an optical signal, using an overlay deviation amount obtained from an inline electron beam evaluation apparatus using a substrate current signal,
(A) a first step of performing an exposure process for transferring an upper layer pattern made of a photoresist after forming a lower layer pattern;
(B) a second step of measuring a first overlay deviation amount between the lower layer pattern and the upper layer pattern using an overlay inspection apparatus using an optical signal;
(C) a third step of measuring a second overlay deviation amount between the lower layer pattern and the upper layer pattern using an inline electron beam evaluation apparatus using a substrate current signal;
(D) a fourth step of specifying a correspondence relationship between the first overlay deviation amount and the second overlay deviation amount;
(E) a fifth step of determining a process management standard relating to the first overlay deviation amount based on the second overlay deviation amount based on the correspondence relationship;
(F) a sixth step of registering the process management standard and the correspondence relationship in a database to be referred to in a manufacturing process;
(G) a seventh step of referring to the database and determining whether or not a measurement result by the overlay inspection apparatus using the optical signal satisfies the process control standard;
And (h) an eighth step of subjecting the exposure process in the manufacturing process to reprocessing when the measurement result does not satisfy the process control standard,
In the eighth step, referring to the correspondence relationship, the second overlay deviation amount when the measurement result is the first overlay deviation amount is obtained, and the obtained second overlay deviation is obtained. A semiconductor manufacturing process management method , wherein exposure conditions in the manufacturing process are corrected so that an overlay deviation amount is zero .
基板電流信号を利用したインライン電子線評価装置から得られる重ね合わせずれ量を用いて、光信号を利用した重ね合わせ検査装置による工程管理規格範囲を管理する方法であって、
(a)下層パターンを形成した後に光信号を利用した重ね合わせ検査装置を用いて前記下層パターンの第一の重ね合わせずれ量を測定する第一のステップと、
(b)基板電流信号を利用したインライン電子線評価装置を用いて前記下層パターンの第二の重ね合わせずれ量を測定する第二のステップと、
(c)前記第一の重ね合わせずれ量と前記第二の重ね合わせずれ量との対応関係を特定する第三のステップと、
(d)前記対応関係に基づき、前記第二の重ね合わせずれ量を基準として前記第一の重ね合わせずれ量に関する工程管理規格を決定する第四のステップと、
(e)前記工程管理規格および前記対応関係を製造工程で参照されるべきデータベースに登録する第五のステップと、
(f)前記データベースを参照し、前記光信号を利用した重ね合わせ検査装置による測定結果が前記工程管理規格を満足するか否かを判断する第六のステップと、
(g)前記測定結果が前記工程管理規格を満足しない場合に前記対応関係を参照して、前記測定結果を前記第一の重ね合わせずれ量としたときの前記第二の重ね合わせずれ量を取得し、この取得された第二の重ね合わせずれ量を、上層パターン形成のための前記露光工程での露光条件として設定する第七のステップと、
を含むことを特徴とする半導体製造工程管理方法。
A method of managing a process control standard range by an overlay inspection apparatus using an optical signal, using an overlay deviation amount obtained from an inline electron beam evaluation apparatus using a substrate current signal,
(A) a first step of measuring a first overlay deviation amount of the lower layer pattern using an overlay inspection apparatus using an optical signal after forming the lower layer pattern;
(B) a second step of measuring a second overlay deviation amount of the lower layer pattern using an inline electron beam evaluation apparatus using a substrate current signal;
(C) a third step of specifying a correspondence relationship between the first overlay deviation amount and the second overlay deviation amount;
(D) a fourth step of determining a process management standard related to the first overlay deviation amount on the basis of the correspondence relationship, with the second overlay deviation amount as a reference;
(E) a fifth step of registering the process management standard and the correspondence relationship in a database to be referred to in a manufacturing process;
(F) a sixth step of referring to the database to determine whether a measurement result by the overlay inspection apparatus using the optical signal satisfies the process control standard;
(G) Obtaining the second overlay deviation amount when the measurement result is the first overlay deviation amount with reference to the correspondence when the measurement result does not satisfy the process control standard. A seventh step of setting the acquired second overlay deviation amount as an exposure condition in the exposure step for forming the upper layer pattern;
A method of managing a semiconductor manufacturing process , comprising :
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