JP4351962B2 - 露光システム及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は露光装置の光学補正技術に係り、特に露光システム及び半導体装置の製造方法に関する。

半導体集積回路の製造におけるリソグラフィ工程においては、フォトマスクごとに最適な露光量及び焦点位置等の露光条件を求めることが精度の高い半導体集積回路を製造する上で重要となる。また半導体集積回路は、SRAMやDRAM等のそれぞれの製品群において、同一デザインルールの下、次々とマイナーチェンジが加えられるのが常である。そのため、半導体集積回路にマイナーチェンジが加えられる場合には、新たなフォトマスクを製造し、再度最適な露光条件を求める必要がある。また生産現場においては、製造される半導体集積回路自体に変更はないものの、ロットの異なるフォトマスクに交換しなければならない事態が生ずることもある。この際も、フォトマスクの製造誤差に起因する透過特性の個体差を考慮して、再度最適な露光条件を求める必要がある。しかし最適な露光条件を求める作業をするには、その間半導体集積回路の製造ラインを停止させなければならない。また複数の露光パラメータの組み合わせを考慮する必要があるため、作業に時間がかかり、生産現場の生産効率の低下をもたらすという問題がある。しかし従来においては、交換前後のフォトマスクの透過特性について詳細な検討がされることはなく、フォトマスク交換に伴う投影像の寸法変動を抑制する方法は提案されていなかった。ただし、露光装置の露光特性については、生産効率の向上のために、複数の露光装置から露光特性の近いものを抽出する方法が提案されていた（例えば、特許文献1参照。）。
特開2002-190443号公報

本発明は、同一デザインルールかつ同一製品群の半導体装置の製造に用いる複数のフォトマスクのそれぞれで、同一線幅のレジストパターンを形成可能な露光システム及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第1の特徴は、（イ）第1マスク及び第1マスクと同一デザインルールかつ同一製品群の半導体装置の製造に用いる第2マスクのそれぞれに共通する基準マスク線幅の実測値を測定する観察装置と、（ロ）基準マスク線幅を第1線幅と第2線幅とに変動させ、第1線幅における第1透過特性及び第2線幅における第2透過特性のそれぞれを算出するリソグラフィ予測部と、（ハ）第1設定露光量で第1マスクを第1レジスト上に投影して第1レジストパターンを形成させ、基準マスク線幅の実測値、第2透過特性を第1透過特性で除した値、及び第1設定露光量を基に算出される第2設定露光量で第2マスクを第2レジスト上に投影して、第1レジストパターンとレジスト線幅の等しい第2レジストパターンを形成させる露光装置とを備える露光システムであることを要旨とする。

本発明の第2の特徴は、（イ）第1マスク及び第1マスクと同一デザインルールかつ同一製品群の半導体装置の製造に用いる第2マスクのそれぞれに共通する基準マスク線幅の実測値を測定するステップと、（ロ）基準マスク線幅を第1線幅と第2線幅とに変動させ、第1線幅における第1透過特性及び第2線幅における第2透過特性のそれぞれを算出するステップと、（ハ）第1設定露光量で第1マスクを第1レジスト上に投影して第1レジストパターンを形成させるステップと、（ニ）基準マスク線幅の実測値、第2透過特性を第1透過特性で除した値、及び第1設定露光量を基に算出される第2設定露光量で第2マスクを第2レジスト上に投影して、第1レジストパターンとレジスト線幅の等しい第2レジストパターンを形成させるステップとを含む半導体装置の製造方法であることを要旨とする。

本発明によれば、同一デザインルールかつ同一製品群の半導体装置の製造に用いる複数のフォトマスクのそれぞれで、同一線幅のレジストパターンを形成可能な露光システム及び半導体装置の製造方法を提供することができる。

次に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。なお以下の示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は構成部品の配置等を下記のものに特定するものではない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において種々の変更を加えることができる。

（第1の実施の形態）
第1の実施の形態に係る露光システムは、図1に示すように、同一デザインルールかつ同一製品群の半導体装置の製造に用いる第1マスク及び第2マスクのそれぞれに共通するマスクパターンのマスク線幅の実測値を測定する観察装置332と、マスクパターンのマスク線幅を第1線幅と第2線幅とに変動させ、マスクパターンの第1線幅における第1透過特性及び第2線幅における第2透過特性のそれぞれを算出するリソグラフィ予測部325を有する中央演算処理装置(CPU)300と、第1設定露光量で第1マスクを第1レジスト上に投影して第1レジストパターンを形成させ、マスク線幅の実測値、第2透過特性を第1透過特性で除した値、及び第1設定露光量を基に算出される第2設定露光量で第2マスクを第2レジスト上に投影して、第1レジストパターンとレジスト線幅の等しい第2レジストパターンを形成させる露光装置3とを備える。さらに露光システムは、塗布装置2、加熱装置5、現像装置4、及び膜厚計201を備える。

図2に一例を示す第1マスクは、150nmのデザインルールで設計されたフォトマスクである。第1マスクは周囲を遮光領域17に囲まれたデバイスパターン領域57を有する。デバイスパターン領域57には、製造されるSRAMの集積回路パターンが描画されている。遮光領域17に設けられた寸法精度マーク20aは図3に示すように複数の透光パターン66a, 66b, 66c, 66d, 66e, 66fを有する。透光パターン66a〜66fはそれぞれ基準マスク線幅Wの間隔をおいて配置される。一例として、基準マスク線幅Wの設計値は600nmである。寸法精度マーク20aは、図1に示す観察装置332等で基準マスク線幅Wの第1実測値D_A1を測定することにより、第1マスクの製造誤差を評価するために用いられる。図2に示す寸法精度マーク20b, 20cも寸法精度マーク20aと同様であるので説明は省略する。アライメントマーク26a, 26b, 26cは、第1マスクを図1及び図4に示す露光装置3のレチクルステージ15に配置する際の位置あわせに用いられる。

また、同一デザインルールの条件の下、製造されるSRAMにマイナーチェンジが加えられた第2マスクは、図2に示した第1マスクのデバイスパターン領域57に描画される集積回路パターンの一部に変更が加えられたものである。第2マスクは第1マスクと同様に寸法精度マーク20a〜20c及びアライメントマーク26a〜26cを有し、模式図は図2に示した第1マスクと同様であるので省略する。なお、第2マスクは第1マスクとロットが異なるのみで、デバイスパターン領域57に描画される集積回路パターンに変更が加わってないものでもよい。

観察装置332は、図3に示した第1マスクの基準マスク線幅Wの実測値である「第1実測値D_A1」を測定する。また図1に示す観察装置332は、第2マスクに描画された寸法精度マークの基準マスク線幅Wの実測値である「第2実測値D_A2」を測定する。さらに観察装置332は、図4に示す露光装置3で第1マスクを複数のレジスト膜上に投影し、形成される複数のレジストパターンの複数のレジスト線幅も測定する。観察装置332には原子間力顕微鏡(AFM)や走査型電子顕微鏡(SEM)等が使用可能である。

露光装置3は、図4に示すように、照明光源41、照明光源41の下部に配置される開口絞りホルダ58、照明光源41より照射された光を偏光にする偏光子59、照明光を集光する集光光学系43、集光光学系43の下部に配置されるスリットホルダ54、スリットホルダ54の下部に配置されるレチクルステージ15、レチクルステージ15の下部に配置される投影光学系42、投影光学系42の下部に配置されるウェハステージ32を備える。

レチクルステージ15は、レチクル用XYステージ81、レチクル用XYステージ81上部に配置されたレチクル用可動軸83a, 83b、レチクル用可動軸83a, 83bのそれぞれでレチクル用XYステージ81に接続されるレチクル用Z傾斜ステージ82を備える。レチクルステージ15にはレチクルステージ駆動部97が接続される。レチクルステージ駆動部97はレチクル用XYステージ81を水平方向に走査する。またレチクル用可動軸83a, 83bのそれぞれを垂直方向に駆動する。よって、レチクル用Z傾斜ステージ82はレチクル用XYステージ81によって水平方向に位置決めされ、かつレチクル用可動軸83a, 83bのそれぞれにより水平面に対して傾斜をつけて配置することができる。レチクル用Z傾斜ステージ82端部にはレチクル用移動鏡98が配置される。レチクル用Z傾斜ステージ82の配置位置はレチクル用移動鏡98に対向して配置されたレチクル用レーザ干渉計99で計測される。

ウェハステージ32は、ウェハ用XYステージ91、ウェハ用XYステージ91上部に配置されたウェハ用可動軸93a, 93b、ウェハ用可動軸93a, 93bのそれぞれでウェハ用XYステージ91に接続されるウェハ用Z傾斜ステージ92を備える。ウェハステージ32にはウェハステージ駆動部94が接続される。ウェハステージ駆動部94はウェハ用XYステージ91を水平方向に走査する。またウェハ用可動軸93a, 93bのそれぞれを垂直方向に駆動する。よって、ウェハ用Z傾斜ステージ92はウェハ用XYステージ91によって水平方向に位置決めされ、かつウェハ用可動軸93a, 93bのそれぞれにより水平面に対して傾斜をつけて配置することができる。ウェハ用Z傾斜ステージ92端部にはウェハ用移動鏡96が配置される。ウェハ用Z傾斜ステージ92の配置位置はウェハ用移動鏡96に対向して配置されたウェハ用レーザ干渉計95で計測される。

図1に示す塗布装置2は半導体基板上に反射防止膜、第1レジスト、及び第2レジストを塗布するための装置である。第1レジストは図2に示した第1マスクを露光する際に使用し、第2レジストは第2マスクを露光する際に使用するものであるが、それぞれの組成は同じものである。塗布装置2にはスピンコータ等が使用可能である。塗布装置2によって第1レジストあるいは第2レジストを塗布された半導体基板は、図4に示した露光装置3のウェハステージ32に配置される。図1に示す膜厚計201は、塗布装置2によって半導体基板上に塗布された反射防止膜、第1レジスト、あるいは第2レジストの膜厚を計測する装置である。膜厚計201には分光器等が使用可能である。

加熱装置5は、露光装置3で露光された半導体基板上の第1レジストあるいは第2レジストを露光後加熱(PEB:Post Expousure Bake)処理するための装置である。加熱装置5には、加熱温度及び加熱時間等の加熱条件を管理可能な装置が使用可能である。現像装置4は第1レジストあるいは第2レジストを現像するための装置である。現像装置4には、現像液濃度、温度、及び現像時間等の現像条件を管理可能な装置が使用可能である。

図1に示すCPU300は、観察装置制御部323、膜厚計制御部321、工程管理部324、塗布装置制御部252、露光装置制御部253、加熱装置制御部255、現像装置制御部254、リソグラフィ予測部325、及び補正部256を備える。またCPU300にはマスクデータ記憶部336、製品情報記憶部340、装置情報記憶部338、及び工程情報記憶部339を有するデータ記憶装置335が接続される。

製品情報記憶部340は、図2に示した第1マスクを用いて製造される半導体集積回路の製造レシピを保存する。「製造レシピ」とは、半導体集積回路の製造に用いられる半導体基板、反射防止膜及び第1及び第2レジスト等の薬液の種類、薬液の塗布条件、露光工程における開口数(NA)、コヒーレンスファクタσ、及び輪帯遮蔽率等の露光条件、PEB処理における加熱条件、現像工程において用いられる現像液の種類、濃度、現像時間等の情報からなるデータファイルである。

装置情報記憶部338は、塗布装置2、露光装置3、加熱装置5、及び現像装置4のそれぞれが有する設定値に対する機械誤差あるいは計器誤差等を保存する。具体的には、塗布装置2についてはコータの回転速度誤差等を保存する。露光装置3については、図4に示す照明光源41の露光量誤差、レチクルステージ15とウェハステージ32の配置位置誤差及びレベリング精度、投影光学系42のテレセントリック光学系の精度、複屈折、透過光の強度ムラ、形状、及び収差等を保存する。図1に示す加熱装置5については内蔵される温度センサの計測誤差等を保存する。現像装置4については、内蔵される温度センサ及び濃度センサの計測誤差等を保存する。

観察装置制御部323は、観察装置332のスキャン速度、解像度、及び倍率等を設定する。観察装置332によって測定された第1及び第2マスクそれぞれの基準マスク線幅Wの第1実測値D_A1及び第2実測値D_A2はマスクデータ記憶部336に保存される。また観察装置332によって測定されたレジスト線幅の情報は、使用したフォトマスクの識別名称、半導体基板のロット番号や識別子の情報と共に工程情報記憶部339に保存される。

図1に示す工程管理部324は、観察装置332によって測定された複数のレジストパターンのレジスト線幅から第1設定露光量E₁を決定する。具体的には、複数の露光条件下でそれぞれ形成された複数のレジストパターンから、製品情報記憶部340に保存されている製品設計値と最も近似するレジスト線幅が得られる第1レジストパターンを抽出し、第1レジストパターンの露光量を「第1設定露光量E₁」と決定する。工程管理部324は、決定した第1設定露光量E₁を図5に示す第1マスクデータ21に保存する。

リソグラフィ予測部325は、図3に示した第1マスクの基準マスク線幅Wの第1実測値D_A1を第1線幅とし、第1線幅におけるマスクパターンの第1透過特性T₁を算出する。ここで「第1透過特性T₁」とは、第1マスクを第1レジスト上に投影する際、製品設計値のレジスト線幅を得るために要する第1算出露光量V₁である。あるいは、工程管理部324が決定した第1設定露光量E₁で第1マスクを第1レジスト上に投影したときの、投影像の第1光強度I₁を「第1透過特性T₁」としてもよい。また図1に示すリソグラフィ予測部325は、第2マスクの基準マスク線幅Wの第2実測値D_A2を第2線幅とし、第2線幅におけるマスクパターンの第2透過特性T₂を算出する。ここで「第2透過特性T₂」とは、第2マスクを第2レジスト上に投影する際、製品設計値のレジスト線幅を得るために要する第2算出露光量V₂である。あるいは、工程管理部324が決定した第1設定露光量E₁で第2マスクを第2レジスト上に投影したときの、投影像の第2光強度I₂を「第2透過特性T₂」としてもよい。

第1光強度I₁及び第2光強度I₂のそれぞれは、露光装置3による第1マスク及び第2マスクそれぞれの第1及び第2レジスト上の投影像の光強度を、フーリエ変換プログラム等を実行することにより算出される。さらに第1算出露光量V₁及び第2算出露光量V₂のそれぞれは、フーリエ変換プログラムに加え、加熱装置5による加熱後の第1及び第2レジストの分子状態を算出する分子動力学シミュレーション、及び現像装置4による現像後の第1及び第2レジストの表面形状を算出するストリングモデル等のリソグラフィーシミュレーションを実行することにより算出される。

図6は、図3に示した寸法精度マーク20aの基準マスク線幅Wと、1/4縮小投影露光で形成されるレジストパターンのレジスト線幅を150nmに保つために要する露光量との関係をリソグラフィ予測部325で算出し、グラフにしたものである。図6のグラフから、例えば、第1マスクの基準マスク線幅Wの第1実測値D_A1が605nmの場合、150nmのレジストパターンを形成するために要する第1算出露光量V₁は18.39mJであることが分かる。また第2マスクの基準マスク線幅Wの第2実測値D_A2が602nmの場合は、第2算出露光量V₂は18.00mJである。

またリソグラフィ予測部325には、装置情報記憶部338から塗布装置2、露光装置3、加熱装置5、及び現像装置4の計器誤差及び機械誤差等が入力可能なものを使用し、計器誤差及び機械誤差を反映する第1算出露光量V₁及び第2算出露光量V₂を算出することを可能としてもよい。

補正部256は、第2透過特性T₂を下記(1)式に従って第1透過特性T₁で除して補正係数Cを算出する。また補正部256は、下記(2)式に従って工程管理部324が決定した第1設定露光量E₁に補正係数Cを乗じ、第1実測値D_A1及び第2実測値D_A2を反映する第2マスク用の「第2設定露光量E₂」を算出する。算出された第2設定露光量E₂は、図5に示す第2マスクデータ51aに保存される。:
C = T₂ / T₁ …(1)
E₂ = E₁ × C …(2)
図1に示す露光装置制御部253は、露光装置3に図2に示した第1マスクが配置された場合には、露光装置3の露光量を第1設定露光量E₁に設定する。また露光装置制御部253は、露光装置3に第2マスクが配置された場合には、露光装置3の露光量を第2設定露光量E₂に設定する。さらに露光装置制御部253は、製品情報記憶部340に保存されている製造レシピに従って、露光装置3に露光条件に合った露光環境を設定する。例えば、露光装置制御部253は図4に示したレチクルステージ駆動部97、ウェハステージ駆動部94を駆動させる信号を露光装置3に与え、レチクルステージ15及びウェハステージ32を移動させる。さらに露光装置制御部253は、レチクルステージ15及びウェハステージ32のそれぞれの配置位置、走査方向、走査速度等をレチクル用レーザ干渉計99及びウェハ用レーザ干渉計95で監視することにより、露光環境を設定する。また図1に示す露光装置制御部253は、製造レシピと異なる露光条件を露光装置3に設定した場合は、露光される半導体基板のロット番号や識別子と共に、設定条件を工程情報記憶部339に保存する。

塗布装置制御部252は製品情報記憶部340に保存されている製造レシピに従って薬液タンク等から塗布装置2に供給する反射防止剤やレジスト液の種類を選択し、スピンコータである塗布装置2の回転加速度、回転速度、及び回転時間等を設定する。加熱装置制御部255は製品情報記憶部340に保存されている製造レシピに従って加熱装置5の加熱条件を設定する。現像装置制御部254は製品情報記憶部340に保存されている製造レシピに従って現像装置4の現像条件を設定する。膜厚計制御部321は膜厚計201の測定条件を設定する。また膜厚計制御部321は、膜厚計201が計測した反射防止膜、第1レジスト、及び第2レジストの膜厚実測値を、半導体基板のロット番号や識別子と共に工程情報記憶部339に保存する。

マスクデータ記憶部336には、図5に示すマスクデータベース101が保存される。マスクデータベース101は、150nmのデザインルールで設計されたフォトマスクの情報を含む第1デザインルール群61と、90nmのデザインルールで設計されたフォトマスクの情報を含む第2デザインルール群62とを含む。

第1デザインルール群61には、図3に示した第1マスクの基準マスク線幅Wの第1実測値D_A1及び露光工程で使用される露光量等の情報を含む第1マスクデータ21が保存される。また第2マスクの基準マスク線幅Wの第2実測値D_A2等の情報を含む第2マスクデータ51aも保存される。さらに、第1マスクにマイナーチェンジが加えられたフォトマスクである第3マスク及び第4マスクのそれぞれについても、基準マスク線幅Wの実測値を含む第3マスクデータ51b、及び第4マスクデータ51cが保存される。第2デザインルール群62には、90nmのデザインルールで設計された第21マスクの情報を含む第21マスクデータ22と、第21マスクにマイナーチェンジが加えられたフォトマスクである第22乃至第24マスクのそれぞれの情報を含む第22マスクデータ52a、第23マスクデータ52b、及び第24マスクデータ52cが含まれる。

図1に示すCPU300には、さらに入力装置312、出力装置313、プログラム記憶装置330、及び一時記憶装置331が接続される。入力装置312としては、キーボード、マウス等が使用可能である。出力装置313としては液晶表示装置(LCD)、発光ダイオード(LED)等によるモニタ画面等が使用可能である。プログラム記憶装置330は、CPU300に接続された装置間のデータ送受信等をCPU300に実行させるためのプログラムを保存している。一時記憶装置331は、CPU300の演算過程でのデータを一時的に保存する。

次に、第1の実施の形態に係る露光方法を、図7に示すフローチャートを用いて説明する。なお、図1に示したCPU300による演算結果は、一時記憶装置331に逐次格納される。

(a) ステップS100で、SRAM製造用の図2に示す第1マスクを製造する。また、第1マスクのデバイスパターン領域57に描画された集積回路パターンにマイナーチェンジが加えられた第2マスクも製造する。

(b) ステップS101で、図1に示す観察装置332は図2及び図3に示す第1マスクの寸法精度マーク20aの基準マスク線幅Wを測定する。観察装置332は、測定した基準マスク線幅Wの実測値を第1実測値D_A1として、寸法精度マーク20aの第1マスク上における座標位置の情報と共に、図5に示す第1マスクデータ21に保存する。一例として、基準マスク線幅Wの設計値は600nmであり、第1実測値D_A1は605nmであるとする。

(c) ステップS102で、図1に示す観察装置332は第2マスクの設計値が600nmである寸法精度マークの基準マスク線幅Wを測定する。観察装置332は、測定した基準マスク線幅Wの実測値を第2実測値D_A2とし、寸法精度マークの第2マスク上における座標位置の情報と共に図5に示す第2マスクデータ51aに保存する。一例として、第2実測値D_A2は602nmであるとする。

(d) ステップS103で、リソグラフィ予測部325は製品情報記憶部340に保存されている図4に示す露光装置3の偏光条件、開口数(NA)、コヒーレンスファクタσ、及び輪帯遮蔽率等の露光量以外の露光条件を読み出す。また予測精度を向上のために、リソグラフィ予測部325は装置情報記憶部338に保存されている露光装置3の照明光源41の露光量誤差、レチクルステージ15とウェハステージ32の配置位置誤差及びレベリング精度、投影光学系42のテレセントリック光学系の精度、複屈折、透過光の強度ムラ、形状、収差等を読み出す。

(e) ステップS104で、リソグラフィ予測部325は製品情報記憶部340に保存されている反射防止膜、第1レジスト及び第2レジストの反射率、屈折率、及び工程情報記憶部339に保存されている膜厚実測値等のレジスト特性を読み出す。ステップS105で、リソグラフィ予測部325は製品情報記憶部340に保存されているベーク条件、現像液濃度、現像時間等の現像条件を読み出す。またリソグラフィ予測部325は、工程情報記憶部339に保存されている現像速度の実測値、装置情報記憶部338に保存されている図1に示す加熱装置5の温度制御誤差、及び現像装置4の現像温度及び濃度誤差等を読み出す。

(f) ステップS106で、図1に示すリソグラフィ予測部325は図5に示すマスクデータベース101の第1マスクデータ21及び第2マスクデータ51aから第1実測値D_A1及び第2実測値D_A2を読み出す。

(g) ステップS107で、リソグラフィ予測部325は、基準マスク線幅Wが第1実測値D_A1と等しい605nmの寸法精度マークをレジストに投影し、加熱及び現像処理した場合にレジスト線幅が製品設計値である150nmのレジストパターンを形成するために要する第1算出露光量V₁の算出する。算出の際には、ステップS103乃至ステップS105で入力された露光条件、レジスト特性、及び現像条件を用いる。一例として、図6から求まるように、リソグラフィ予測部325によって算出された第1算出露光量V₁が18.39mJであるとする。

(h) ステップS108で、図1に示すリソグラフィ予測部325は、基準マスク線幅Wが第2実測値D_A2と等しい602nmである寸法精度マークをレジストに投影し、加熱及び現像処理した場合に、第1マスクの場合と同様にレジスト線幅が150nmのレジストパターンを形成するために要する第2算出露光量V₂の算出する。一例として、図6から求まるように、リソグラフィ予測部325によって算出された第2算出露光量V₂が18.00mJであるとする。次にステップS109で、補正部256は、(1)式のT₂に第2算出露光量V₂を、T₁に第1算出露光量V₁を代入し、補正係数Cを算出する。

(i) ステップS110で、表面にゲート酸化膜及び多結晶シリコン膜が形成された半導体基板を用意する。次に塗布装置2は、製品情報記憶部340に保存されてい使用反射防止膜及び使用レジストの種類、スピン速度、温度、レジスト吐出量等の塗布条件に従って、半導体基板上に一例として膜厚設計値60nmの反射防止膜をスピン塗布し、更に反射防止膜上に膜厚設計値300nmの化学増幅型ポジレジストである第1レジストあるいは第2レジストをスピン塗布する。次にステップS111で、膜厚計201は半導体基板に塗布された反射防止膜、第1レジスト及び第2レジストの膜厚実測値を測定し、膜厚実測値を半導体基板の識別子と共に工程情報記憶部339に保存する。

(j) ステップS112で、図4に示す露光装置3のレチクルステージ15に図2に示す第1マスクを配置する。さらに、ウェハステージ32にステップS110で用意した半導体基板を配置し、半導体基板上のレジストの複数の領域にそれぞれに異なる露光量で第1マスクの図3に示す寸法精度マーク20aを縮小投影する。なお、露光量以外の開口数(NA)、コヒーレンスファクタσ、及び輪帯遮蔽率等の照明条件は、図1に示す製品情報記憶部340に保存されている製造レシピの一定の値を用いる。ここで露光条件としては、一例として、光源波長が193nm、開口数が0.63、輪帯照明の外側のコヒーレンスファクタσの値が0.75、及び内側のコヒーレンスファクタσの値が0.5の1/4縮小投影露光であるとする。露光装置制御部253は、設定された複数の露光量を半導体基板の識別子と共に工程情報記憶部339に保存する。

(k) ステップS113で、加熱装置5は、製品情報記憶部340に保存されている製造レシピの加熱条件に従って、ステップS112で第1マスクを露光された第1レジストを加熱処理する。その後、現像装置4は製品情報記憶部340に保存されている製造レシピの現像条件に従って、第1レジストを現像処理し、複数のレジストパターンを形成させる。また現像装置4は第1レジストの現像速度の実測値を内蔵する現像速度モニタ(DRM)等で計測し、工程情報記憶部339に保存する。

(l) ステップS114で、形成された複数のレジストパターンのそれぞれの形状を観察装置332で観察し、複数のレジストパターンそれぞれのレジスト線幅実測値を計測する。観察装置制御部323は、それぞれのレジスト線幅実測値を半導体基板の識別子と共に工程情報記憶部339に保存する。次にステップS115で、工程管理部324は、工程情報記憶部339から、レジストパターンのレジスト線幅実測値が、レジスト線幅設計値である150nmに最も近似する第1レジストパターンを抽出する。さらに第1レジストパターンが図2に示す第1マスクによって投影されたときの露光量を図1に示す工程情報記憶部339から読み出し、第1設定露光量E₁と決定する。一例として、第1設定露光量E₁は17.5mJであるとする。工程管理部324は、決定した第1設定露光量E₁を図5に示すマスクデータベース101の第1マスクデータ21に保存する。

(m) ステップS116で補正部256は、(2)式に従って第1設定露光量E₁に補正定数を乗じ、第2設定露光量E₂を算出する。第1設定露光量E₁が17.5mJ、第2算出露光量V₂が18.00mJ、及び第1算出露光量V₁が18.39mJであった場合、第2設定露光量E₂は17.13mJとなる。補正部256は、算出した第2設定露光量E₂を図5に示すマスクデータベース101の第2マスクデータ51aに保存する。

(n) ステップS117で、第2マスクを図4に示す露光装置3のレチクルステージ15に配置し、図1に示す露光装置制御部253は露光装置3の照明光源41から照射される照明光の露光量を第2設定露光量E₂に設定する。露光装置3は、第2設定露光量E₂でウェハステージ32に配置された半導体基板上の第2レジストに第2マスクを投影する。次に、製品情報記憶部340に保存されている製造レシピに従って加熱装置5及び現像装置4で第2レジストを加熱及び現像処理し、第1レジストパターンと線幅の等しい第2レジストパターンを第2レジストに形成させる。

(o) ステップS118で、第2レジストの開口部から表出する多結晶シリコン膜を異方性エッチング法により選択的除去し、ゲート電極を半導体基板上に形成させる。さらに不純物イオンを半導体基板に注入後、熱処理することによりソース領域及びドレイン領域を形成させる。その後、多層配線層を半導体基板上に形成させ、半導体記憶装置が完成する。

半導体集積回路の製造現場においては、当初第1マスクを使用していたところ、第1マスクに欠陥等が生じ、ロットの異なる第2マスクに交換する必要が生じることがある。あるいは半導体集積回路にマイナーチェンジが加えられ、第1マスクから第2マスクに交換する必要が生じることもある。これに対し、図1及び図7に示した露光システム及び露光方法によれば、第1マスクから第2マスクに交換した後も、第2設定露光量E₂を用いることにより、第1マスクで形成される第1レジストパターンと線幅の等しい第2レジストパターンを図7のステップS117で形成することが可能となる。

従来においては、第1マスクから第2マスクに交換する前後でレジストパターンの寸法を揃えるためには、ステップS110からステップS115で図2に示す第1マスクの第1設定露光量E₁を求めた手順と同様の方法で、第2マスクを投影する際の設定露光量を実験的に求める必要があった。そのため、第2マスクの設定露光量を実験的に求めている間は、半導体集積回路の製造ラインは使用不可能となり、稼働率の低下をもたらす原因となっていた。

これに対し、図1及び図7に示した露光システム及び露光方法によれば、第2設定露光量E₂をリソグラフィ予測部325及び補正部256で算出するため、その間半導体集積回路の製造ラインを停止する必要がなく、生産効率の向上をもたらすことが可能となる。またステップS115及びステップS116で説明したように、第2設定露光量E₂は第1実測値D_A1、第2実測値D_A2、及び第1設定露光量E₁に基づいて算出されているため、リソグラフィ予測部325が算出する第2算出露光量V₂をそのまま採用して投影する場合に比べ、より製品設計値に近いレジストパターンを形成させることが可能となる。

なお、図7に示した方法においては、第1マスクから第2マスクに交換した場合を例に示したが、第1マスクから同一デザインルールで製造され、図5に示したマスクデータベースにデータが保存されている第3マスクあるいは第4マスク、第2マスクから第3マスクあるいは第4マスクに交換する場合等にも、同様の手順で交換後のマスクの設定露光量の算出が可能である。第21マスク乃至第24マスクについても同様である。またステップS101及びS102で説明した第1実測値D_A1及び第2実測値D_A2の測定をあらかじめマスクメーカ等で行い、得られた第1実測値D_A1及び第2実測値D_A2をマスクデータ記憶部336に入力装置312等から入力することとしてもよい。

さらに、第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は図7に示した順序に限定されない。例えば、あらかじめステップS109からステップS115を実施して第1設定露光量E₁を算出した後、ステップS103からステップS108の方法に従って第1及び第2算出露光量V₁, V₂を算出してもよい。この場合、ステップS111及びステップS113で取得した反射防止膜及び第1レジストの膜厚実測値、及び第1レジストの現像速度の実測値を第1及び第2算出露光量V₁, V₂の算出に用いることによって、算出精度の向上を図ってもよい。

（第1の実施の形態の変形例1）
第1の実施の形態の変形例1に係る図8に示す露光システムが図1と異なるのは、読み取り装置250がさらにCPU300に接続されている点である。読み取り装置250は、図9に示す第1マスクの遮光領域17に設けられたバーコードあるいはICタグ等である標識部30に含まれる情報を読み取る装置である。ここで、標識部30には第1マスクのデザインルール、及び図3に示した基準マスク線幅Wの第1実測値D_A1等の情報が記録される。第2マスクについても同様に標識部が設けられ、第2マスクのデザインルール、及び寸法精度マークの基準マスク線幅Wの第2実測値D_A2等の情報が記録される。図8に示す露光システムのその他の構成要素は図1と同様であるので説明は省略する。

図8に示す露光システムを用いる場合、図7に示すステップS101及びステップS102で測定される第1実測値D_A1及び第2実測値D_A2のそれぞれはバーコードあるいはICタグ等に記録され、図9に示すように第1マスク及び第2マスクの遮光領域17上に標識部30として添付される。またステップS106では、第1マスク及び第2マスクの遮光領域17上に標識部30から図8に示す読み取り装置250で第1実測値D_A1及び第2実測値D_A2のそれぞれを読み出す。その他のステップは第1の実施の形態と同様であるので説明は省略する。

（第1の実施の形態の変形例2）
図7に示した半導体装置の製造方法では、ステップS107及びステップS108で算出される第1算出露光量V₁及び第2算出露光量V₂を用いて補正係数Cを算出したが、図1に示すリソグラフィ予測部325の説明で記載した第1光強度I₁及び第2光強度I₂を用いて補正係数Cを算出してもよい。以下、図10に示すフローチャートを用いて、第1光強度I₁及び第2光強度I₂に基づいて第2設定露光量E₂を算出する第1の実施の形態の変形例2に係る半導体装置の製造方法を説明する。

(a) 図10に示すように、ステップS200からステップS206までを図7のステップS100からステップS106と同様に実施する。次に図10のステップS207で、リソグラフィ予測部325は、ステップS201で第1実測値D_A1を実測した際の図3に示す寸法精度マーク20aを第1設定露光量E₁で投影した場合の投影像の第1光強度I₁の算出をする。

(b) ステップS208で、図1に示すリソグラフィ予測部325は、ステップS202で第2実測値D_A2を実測した際の寸法精度マークを第1設定露光量E₁で投影した場合の投影像の第2光強度I₂の算出する。

(c) ステップS209で、補正部256は、リソグラフィ予測部325で算出された第2光強度I₂及び第1光強度I₁のそれぞれを(1)式のT₂及びT₁に代入し、補正係数Cを算出する。ステップS210からステップS215は図7のステップS110からステップS115と同様に実施する。さらにステップS216で補正部256は、(2)式に従って第1設定露光量E₁に補正係数Cを乗じ、第2設定露光量E₂を算出する。その後、ステップS217で図7のステップS117と同様に、第2レジスト上に第2マスクを第2設定露光量で投影し、ステップS218で半導体記憶装置が完成する。

以上示した方法によっても、第1マスクから第2マスクに交換する前後においてレジストパターンの寸法変動を抑制することが可能となる。

（第2の実施の形態）
図11に示す第2の実施の形態に係る露光システムが図1と異なるのは、第1露光装置6と第2露光装置13の2台の露光装置がCPU300に接続されており、補正部257が装置間誤差抑制部327及び露光量算出部329を更に含む点である。図11に示す露光システムのその他の構成要素は、図1と同様であるので説明は省略する。また図11に示す第1露光装置6及び第2露光装置13の詳細は図4に示した露光装置3と同様であるので、説明を省略する。なお、第1露光装置6及び第2露光装置13の計測誤差及び機械誤差は装置情報記憶部338に保存される。

装置間誤差抑制部327は、露光装置制御部253による設定露光量に対して第1露光装置6で実際に照射される照明光の露光量を装置情報記憶部338から読み出し、第1実露光量S₁と定義する。また装置間誤差抑制部327は、設定露光量に対する第2露光装置13の実際の露光量を読み出し、第2実露光量S₂と定義する。さらに装置間誤差抑制部327は、下記(3)式に従って第2実露光量S₂を第1実露光量S₁で除した値を算出し、装置補正定数Aと定義する。:
A = S₂ / S₁ …(3)
露光量算出部329は、(1)式に従って補正係数Cを算出し、さらに下記(4)式に従って、第1設定露光量E₁に補正係数C及び装置補正定数Aを乗じ、第2設定露光量E₂を算出する。:
E₂ = E₁ × C × A …(4)
次に、第2の実施の形態に係る露光方法を、図12に示すフローチャートを用いて説明する。なお、図11に示したCPU300による演算結果は、一時記憶装置331に逐次格納される。

(a) 図12に示すように、ステップS300からステップS308を図7のステップS100からステップS108で説明した方法と同様に実施する。次に図12のステップS309で、装置間誤差抑制部327は露光装置制御部253による設定露光量に対して第1露光装置6から実際に照射される照明光の露光量を装置情報記憶部338から読み出し、第1実露光量S₁と定義する。次に装置間誤差抑制部327は、第2露光装置13の設定露光量に対する実際の露光量を読み出し、第2実露光量S₂と定義する。さらに装置間誤差抑制部327は、(3)式に従って第2実露光量S₂を第1実露光量S₁で除した値を算出し、装置補正定数Aと定義する。一例として、算出された装置補正定数Aが0.95であるとする。

(b) ステップS310で、露光量算出部329は、(1)式のT₂及びT₁のそれぞれに第2算出露光量V₂及び第1算出露光量V₁を代入し、補正係数Cを算出する。次にステップS311からステップS316を図7のステップS110からステップS115と同様に実施する。さらにステップS317で露光量算出部329は、(4)式に従って第1設定露光量E₁に補正係数C及び装置補正定数Aを乗じ、第2設定露光量E₂を算出する。第1設定露光量E₁が17.5mJ、第2算出露光量V₂が18.00mJ、第1算出露光量V₁が18.39mJ、及び装置補正定数Aが0.95であった場合、第2設定露光量E₂は16.27mJとなる。

(c) ステップS318で、第2マスクを第2露光装置13のレチクルステージに配置し、ステップS319で第2設定露光量E₂で第2露光装置13のウェハステージに配置された半導体基板に塗布されたレジストに投影する。その後、製品情報記憶部340に保存されている製造レシピに従って加熱装置5及び現像装置4で加熱処理及び現像処理することにより、第1マスクを第1設定露光量E₁で投影した場合と同様のレジストパターンを形成させる。ステップS320を図7のステップS118と同様に実施し、半導体記憶装置が完成する。

以上、図11及び図12に示した第2の実施の形態に係る露光システム及び露光方法によれば、第1マスクから第2マスクにフォトマスクを交換し、さらに使用する露光装置を図11に示す第1露光装置6から第2露光装置13に交換した場合でも、フォトマスク及び露光装置の交換前後で生じうるレジストパターンの寸法変動を抑制することが可能となる。

（第3の実施の形態）
図13に示す第3の実施の形態に係る露光システムが図1と異なるのは、補正部356が補正係数算出部156、補正率算出部157、及び補正量算出部158を備えている点である。また、図13に示すリソグラフィ予測部325は、図2及び図3に示す第1マスクの寸法精度マーク20aの基準マスク線幅Wの設計値を第1線幅とし、第1線幅におけるマスクパターンの第1算出露光量V₁を算出する。また、図13に示すリソグラフィ予測部325は、基準マスク線幅Wが設計値の近傍でΔL_m変動したときの値を第2線幅とし、第2線幅におけるマスクパターンの第2算出露光量V₂を算出する。

補正係数算出部156は、下記(5)式に従って、第1算出露光量V₁と第2算出露光量V₂との差である露光変動量ΔEを線幅変動量ΔL_mで除して比例定数Rを算出する。さらに補正係数算出部156は下記(6)式に従って比例定数Rを第1算出露光量V₁で除し、補正係数Cを算出する。:
R = (V₁ - V₂) / ΔL_m …(5)
C = R / V₁ …(6)
補正率算出部157は、下記(7)式に従って、第1実測値D_A1と第2実測値D_A2との差に補正係数Cを乗じ、補正率Fを算出する。:
S = (D_A1 - D_A2) × C …(7)
補正量算出部158は、下記(8)式に従って第1設定露光量E₁に補正率Fを乗じ、露光補正量ΔE_aを算出する。さらに補正量算出部158は、下記(9)式に従って第1設定露光量E₁と露光補正量ΔE_aの差をとり、第2設定露光量E₂を算出する。:
ΔE_a = E₁ × S …(8)
E₂ = E₁ - ΔE_a …(9)
図13に示す露光システムのその他の構成要素は図1と同様であるので、説明は省略する。

次に、第3の実施の形態に係る方法を、図14に示すフローチャートを用いて説明する。なお、図1に示したCPU300による演算結果は、一時記憶装置331に逐次格納される。

(a) ステップS400で第1マスク及び第2マスクを製造した後、ステップS401からステップS403で、図7のステップS103からステップS105と同様の手順により、リソグラフィ予測部325は図4に示す露光装置3の露光条件、レジスト特性、及び現像条件等を取得する。次に図14のステップS404で、リソグラフィ予測部325は、第1マスクの図3に示す基準マスク線幅Wの設計値が一例として600nmである寸法精度マーク20aを第1レジスト上に投影する場合に、製品設計値が150nmのレジストパターン形成に要する図15に示す第1算出露光量V₁を算出する。さらにリソグラフィ予測部325は、基準マスク線幅Wが設計値の600nmの近傍でΔL_m(nm)変動した場合に、レジストパターンのレジスト線幅を150nmに保つために要する図15に示す第2算出露光量V₂を算出する。

(b) ステップS405で図13に示す補正係数算出部156は、(5)式に従って図15に示す第2算出露光量V₂と第1算出露光量V₁との差である露光変動量ΔE(mJ)を線幅変動量ΔL_m(nm)で除して比例定数R(mJ / nm)を算出する。さらにステップS406で補正係数算出部156は、(6)式に従って比例定数R(mJ / nm)を図15に示す線幅変動量ΔL_m(nm)が0のときの第1算出露光量V₁(mJ)で除し、補正係数C(1 / nm)を算出する。一例として、算出された補正係数C(1 / nm)の値が0.3 × 10^-2 (1 / nm)であるとする。

(c) ステップS407からステップS412で、図7のステップS110からステップS115と同様の方法で、図2及び図3に示す第1マスクの寸法精度マーク20aを投影して得られるレジストパターンのレジスト線幅実測値が製品設計値の150nmと最も近似するときの第1設定露光量E₁を決定するする。一例として、第1設定露光量E₁は18.39mJであるとする。次に図14のステップS413で、図7のステップS106と同様に第1マスク及び第2マスクの第1実測値D_A1及び第2実測値D_A2を取得する。一例として、第1実測値D_A1は605nmであり、第2実測値D_A2は602nmであるとする。

(d) 図14のステップS414で、図13に示す補正率算出部157は(7)式に従って第1実測値D_A1と第2実測値D_A2との差に補正係数C(1 / nm)を乗じ、補正率Fを求める。第1実測値D_A1が605nm、第2実測値D_A2が602nm、及び補正係数C(1 / nm)が0.3 × 10^-2 (1 / nm)の場合は、補正率Fは3.9 × 10^-2となる。次にステップS415で、補正量算出部158は(8)式に従って第1設定露光量E₁に補正率Fを乗じ、露光補正量ΔE_aを算出する。第1設定露光量E₁が18.39mJで補正率Fが3.9 × 10^-2の場合、露光補正量ΔE_aは0.72mJである。

(e) ステップS416で、補正量算出部158は、(9)式に従って第1設定露光量E₁と露光補正量ΔE_aの差をとり、第2設定露光量E₂を算出する。第1設定露光量E₁が18.39mJ、露光補正量ΔE_aが0.72mJである場合、第2設定露光量E₂は17.67mJとなる。ステップS417で、図7のステップS117と同様の方法により第2設定露光量E₂を用いて第2マスクを図4に示す露光装置3で投影し、加熱及び現像処理によりレジストパターンを半導体基板上に形成させる。最後にステップS418を図7のステップS118と同様に実施し、半導体記憶装置が完成する。

以上、図13及び図14に示した第3の実施の形態に係る露光システム及び半導体装置の製造方法によれば、あらかじめステップS401からステップS406で第2設定露光量E₂の算出に必要な補正係数Cを算出している。そのため、一度補正係数Cを算出すれば、次回のマスク交換からはステップS401からステップS406を省略することが可能となる。この場合も、ステップS413からステップS416で基準マスク線幅Wの実測値を反映させて第2設定露光量E₂を算出するため、レジスト線幅の精度維持が可能となる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。例えば図1に示した塗布装置2、露光装置3、加熱装置5、現像装置4、観察装置332、及び膜厚計201等と、CPU300は遠隔地に配置され、インターネット等のコンピュータネットワークで塗布装置2、露光装置3、加熱装置5、現像装置4、観察装置332、及び膜厚計201等が管理されるものとしても良い。さらに、第1乃至第3の実施の形態においては、第1実測値D_A1及び第2実測値D_A2は第1及び第2マスクに描画された図3に示す設計値が600nmの寸法精度マーク20aの基準マスク線幅Wを計測して求めたが、計測対象は寸法精度マーク20aに限らず、図2に示すデバイスパターン領域57に含まれる回路パターンを計測して求めてもよい。また回路パターンは光近接効果補正(OPC)されたものでもかまわない。また、図3に示す寸法精度マーク20aの基準マスク線幅Wは設計値が600nmのものに限定されず、様々なデザインルールで設計されたフォトマスクに対応可能であるのは勿論である。

また第3の実施の形態においては、図13に示す透過特性評価部328が図2及び図3に示す第1マスクに描画される寸法精度マーク20aの基準マスク線幅Wを基に第1算出露光量V₁及び第2算出露光量V₂の算出をリソグラフィ予測部325に指令する例を示したが、第2マスクに描画される寸法精度マークの基準マスク線幅Wを基に第1算出露光量V₁及び第2算出露光量V₂を算出してもよい。

以上示したように、この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明からは妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の第１の実施の形態に係る露光システムを示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る第1マスクの上面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る第1マスクの拡大上面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る露光装置を示す模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係るマスクデータベースを示す模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係る透過特性を表すグラフである。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態の変形例1に係る露光システムを示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態の変形例1に係る第1マスクの上面図である。 本発明の第１の実施の形態の変形例2に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る露光システムを示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施の形態に係る露光システムを示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施の形態に係る透過特性を表すグラフである。

符号の説明

3…露光装置
325…リソグラフィ予測部
332…観察装置

Claims (5)

1. 第1マスク及び前記第1マスクと同一デザインルールかつ同一製品群の半導体装置の製造に用いる第2マスクのそれぞれに共通する基準マスク線幅の実測値を測定する観察装置と、
   前記基準マスク線幅を第1線幅と第2線幅とに変動させ、前記第1線幅における第1透過特性及び前記第2線幅における第2透過特性のそれぞれを算出するリソグラフィ予測部と、
   第1設定露光量で前記第1マスクを第1レジスト上に投影して第1レジストパターンを形成させ、前記基準マスク線幅の実測値、前記第2透過特性を前記第1透過特性で除した値、及び前記第1設定露光量を基に算出される第2設定露光量で前記第2マスクを第2レジスト上に投影して、前記第1レジストパターンとレジスト線幅の等しい第2レジストパターンを形成させる露光装置
   とを備えることを特徴とする露光システム。
2. 前記第1マスク及び前記第2マスクのそれぞれに設けられた標識部に含まれる前記デザインルール、前記製品群及び前記基準マスク線幅の実測値の情報を読み取る読み取り装置を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の露光システム。
3. 第1マスク及び前記第1マスクと同一デザインルールかつ同一製品群の半導体装置の製造に用いる第2マスクのそれぞれに共通する基準マスク線幅の実測値を測定するステップと、
   前記基準マスク線幅を第1線幅と第2線幅とに変動させ、前記第1線幅における第1透過特性及び前記第2線幅における第2透過特性のそれぞれを算出するステップと、
   第1設定露光量で前記第1マスクを第1レジスト上に投影して第1レジストパターンを形成させるステップと、
   前記基準マスク線幅の実測値、前記第2透過特性を前記第1透過特性で除した値、及び前記第1設定露光量を基に算出される第2設定露光量で前記第2マスクを第2レジスト上に投影して、前記第1レジストパターンとレジスト線幅の等しい第2レジストパターンを形成させるステップ
   とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 前記第2透過特性と前記第1透過特性との差を前記基準マスク線幅の変動量で除した比例定数を、前記第1透過特性で除し、補正係数を算出するステップを更に含むことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記第1マスク及び前記第2マスクのそれぞれの前記基準マスク線幅の実測値の差に前記補正係数を乗じ、補正率を算出するステップと、
   前記第1設定露光量と、前記第1設定露光量に前記補正率を乗じた値との差をとるステップ
   とを更に含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
   

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