JP4512395B2 - 露光プロセスモニタ方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイスの製造工程における露光工程の状態をモニタする方法に関り、特に、露光工程を経て形成されたレジストパターンの形状を計測して露光プロセスの状態をモニタする方法及びその装置に関する。

図２は従来のリソグラフィー工程の流れを示したものである。レジストパターンは半導体ウェーハ等の基板上に感光材であるレジストを所定の厚さで塗布し、露光器を用いてマスクパターンを縮小露光した後に（２０５０）、現像する（２０５１）ことによって形成する。形成されたレジストパターンは、寸法測定機能付きの走査型電子顕微鏡（測長ＳＥＭまたはＣＤ−ＳＥＭ）で寸法チェックが行われる（２０５２）。従来の測長ＳＥＭでの処理内容は、例えば、寸法精度を厳しく管理する部位を含む領域の電子線像を取得した後、寸法が計測され、寸法が基準を満たすか否かの判定を行い（２０５３）、満たさない場合には露光器の露光量を変更する（２０５４、露光量の補正量はΔＥ）、というものであった。例えばポジ型のレジストの場合、レジスト寸法が大きすぎれば露光量を増やし、レジスト幅が小さすぎれば露光量を減らすことが行われる。露光量を増減量は、作業者の経験と勘に基づいて決定される場合も多い。

図３はレジストパターンとエッチング後の膜パターンの関係を示したものである（日本学術振興会荷電粒子ビームの工業への応用第１３２委員会第９８回研究資料「電子ビームテスティングハンドブック」Ｐ．２５５より）。レジストパターンの形状とエッチング後の膜パターンの形状との間にはエッチング条件が同じであれば一定の関係があり、所定の形状の膜パターンを得るためにはレジストパターンもまた所定の形状を有すことが必要である。

新たな品種の半導体基板の着工時などには、製品ウェーハの投入に先立ち、ショット（１回の露光単位）ごとに焦点位置，露光量を変えてパターンを焼き付けたウェーハを作り（通常こうしたウェーハはＦＥＭウェーハ：Ｆｏｃｕｓ ＆ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｍａｔｒｉｘウェーハと呼ばれる）、各ショットのレジストパターンの寸法計測を行う他、ウェーハを切断して断面形状を調べるなどして所定のレジストパターン形状が得られる焦点位置と露光量をみつける「条件出し作業」が行われる。

この作業によって、最適露光量と最適焦点位置が決定され、その条件に基づいて製品ウェーハの露光が行われる。しかし時間がたつにつれ種々のプロセス変動（露光器の各種センサーのドリフト，レジストの感光感度の変化、ＰＥＢ（Ｐｏｓｔ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｂａｋｅ）温度ばらつきなど）によって、条件出し作業で決定した条件では適正な形状のレジストパターンが得られなくなる場合がある。これを検知するのが前述した寸法計測（工程２０５２）の役割であり、従来技術においては、寸法をプロセス変動のバロメータとし，露光量の補正によってプロセス変動を補償することが試みられていた。

尚、特許文献１には、取得した二次電子信号より得られる特徴量を用いて露光条件とＳＥＭ像とを関連づけるモデルデータを作成すること、および、二次電子信号からえられる特徴量を前記モデルデータに照合することによって被モニタ対象の露光プロセスの適正条件からのずれ量を推定すること、について記載されている。

特開２００３−１７３９４８号公報

従来技術においては、プロセス変動を検知し対策するため、測長ＳＥＭを用いてライン幅等の寸法値を調ベ、寸法値が基準を満たさない場合には露光量を補正する方法がとられている。

しかし，近年の半導体パターンの微細化が進み，また超解像技術であるレベンソン型位相シフトマスク等が実用プロセスでも使われるようになり，ますます露光量と焦点位置の変動許容量はきわめて小さくなっており，露光量の補正だけでは，もはやプロセスを適正範囲内に維持するのは難しい状況となっている。例えば６５ｎｍノードでの露光量変動は８〜１０％以下、焦点位置の変動は２００〜３００ｎｍ以下に制御することが求められている。これを実現するには、プロセス変動を定量的に示す情報、すなわち、露光量のずれが何ミリジュールであり、焦点位置のずれが何nmといった変動量の正確な定量化が必要とである。
前記従来技術では、焦点位置の変動が見逃される場合があるし（なぜなら焦点位置の変動は必ずしも寸法変動を伴わない），露光量ずれの検出も不正確といわざるを得ない（なぜなら焦点位置のずれによっても寸法変動が起こりうる）。さらに，本来焦点位置を補正すべき場合でも，露光量の補正が行われるため，適正な形状のレジストパターンが得られない場合があることは明らかである。従って、上記従来技術では、適正な露光プロセスの維持は望めない。

本発明の目的は、適正な露光プロセスの維持を可能とする露光プロセスモニタ方法及びその装置を提供することにあり、特に、露光量の変動のみならず焦点位置の正確な変動量を計測する事が可能な露光プロセスモニタ方法及びその装置を提供することにある。

また本発明の目的は、今後超解像露光技術の主流となるレベンソン型位相シフトマスク露光でのプロセスモニタを可能にする露光プロセスモニタ方法及びその装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、以下のステップで露光プロセスをモニタするようにした。
[ステップ１]：あらかじめ，種々の露光条件下における露光プロセスモニタに適したレジストパターンの測長ＳＥＭによる画像（ＳＥＭ像）を取得する。
[ステップ２]：取得した二次電子信号より得られる特徴量を用いて，露光条件とＳＥＭ像とを関連づけるモデルデータを作成する。
[ステップ３]：被モニタ対象の露光プロセスを経て形成されたレジストパターンのＳＥＭ像を取得する。
[ステップ４]：前記二次電子信号からえられる特徴量を前記モデルデータに照合することによって，被モニタ対象の露光プロセスの適正条件からのずれ量を推定する。

被モニタパタンとして，図６に示すようなレベンソン型位相シフトマスク３０００を用いて形成された所定のピッチ，ライン幅を有する第一のライン・アンド・スペース パターン（ライン＆スペース パターン）と，第一パターンとは異なったピッチ，ライン幅を有する第２のライン＆スペース パターンを用いる。第１のライン＆スペースパターンは、露光機の焦点位置がマイナス方向に変動するとレジスト断面形状が順テーパ形状（側壁傾斜各θ＜９０°）に変化し、プラス方向に変動すると逆テーパ形状（側壁傾斜各θ＞９０°）に変化するようなピッチ及びライン幅パターン、第２のライン＆スペース パターンは、露光機の焦点位置がマイナス方向に変動するとレジスト断面形状が逆テーパ形状に変化し、プラス方向に変動すると順テーパ形状に変化するようなパターンを用いる。
[ステップ１]および[ステップ３]において，上述のパターンを組み合わせて電子顕微鏡で計測することにより焦点位置の符号によらず焦点位置のずれ量を検出する。被モニタ対象の露光プロセスの適正条件からのずれ量の推定に用いる特著量としては，電子顕微鏡で撮像したレジストパターンの二次電子像エッジ幅，または／および，パターン幅を含む寸法特徴量，または／および，レジストパターンの二次電子信号の信号強度，または／および，レジストパターンの二次電子信号波形，または／および，レジストパターンの二次電子像を用いる。

本発明によれば、露光量の変動のみならず焦点位置の正確な変動量を計測する事が可能になり、適正な露光プロセスを維持することができるようになる。

また、本発明によれば，超解像露光技術の主流となるレベンソン型位相シフトマスクを用いた露光プロセスのモニタが可能になる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（１）実施形態の全体の流れ
図４は，本発明の実施例の形態に係る，リソグラフィー工程における露光プロセスモニタの概念図である。図において、破線で囲んだ部分４０００は製品ウェーハの流れを示し（左から右へと進む）、実線で囲んだ部分４０１，４０２は測長ＳＥＭ上に構築した露光条件監視のための処理手順を示している。４０１部は，露光量・焦点位置の推定に用いるモデルデータを予め作成しておく処理の流れを示している（上から下へと進む）。４０２部は，現像後４００２のウェーハから露光量・焦点位置を検出して，露光条件の監視を実現する露光プロセスモニタの処理の流れを示している。

この露光プロセスモニタは，後述する所定のレジストパターンを寸法測定走査型電子顕微鏡（以下，測長ＳＥＭ）で撮像してＳＥＭ像を取得し， この所定のレジストパターンのＳＥＭ像から特徴量ｆ_ｋを算出する。（添え字ｋは特徴量の通し番号である（ｋ＝１・・・・ｎ；ｎは特徴量の総数））。次に、特徴量ｆｋを，露光条件（Ｅ，Ｆ）と観測データとを関連づけるモデルデータＭ_ｋ（Ｅ，Ｆ）にあてはめ，全特徴量のあてはめ結果から露光条件（Ｅ，Ｆ）を算出する。ここで，モデルデータＭｋ（Ｅ，Ｆ）は，予め，前述のＦＥＭウェーハを用いるなどして，種々の露光条件（Ｅ，Ｆ）下での観測データを収集することにより作成しておく。

（Ｅ，Ｆ）の算出結果は，プロセス制御を行っているＡＰＣコントローラなどの半導体製造制御システムに送られ，露光量変動，焦点位置値変動の時間的推移などに基づいて，露光器へのフィードバック量ΔＥとΔＦが決定され，以降の露光器のレシピがΔＥ，ΔＦに基づいて変更される。この結果，以降のウェーハ（ロット）はより良いプロセス条件で露光が行われるようになる。本発明においては，焦点位置，露光量のいずれがずれた場合であっても，その変動が定量的に計測されて露光条件へとフィードバックされるため，正常な露光プロセスの維持が可能となる。以下，本発明の詳細を説明する。

（２）観測パターン
ここでは，図６に示すような位相０°の位相シフタ３００１と位相１８０°の位相シフタ３００２とを備えたレベンソン型位相シフトマスク３０００を用いた露光プロセスでプロセスモニタを実現するにあたって，図４の“パターンの測定”ステップ（４０２１）においてＳＥＭ測定するのに適したパターンについて述べる。

まず現像後のウェーハ上のレジストパターン観測は，先に述べたように測長ＳＥＭで行うことから，レジストパターンに対して垂直上方から電子線を照射し，発生する二次電子を検出することによって得られた電子線像（以下，Ｔｏｐ−Ｄｏｗｎ像と呼ぶ）を観測することとなる。

図１４（ａ）はラインパターンの断面形状と二次電子信号強度との関係を示したものである。一般に，二次電子信号強度は，レジスト側壁の傾斜角θ
に応じて大きくなるため，側壁部での信号強度は平坦部での信号強度よりも大きい。この側壁部からの二次電子信号は電子線像上では明るい帯として現れるため，ホワイトバンドあるいはブライトバンドと呼ばれることもある。

図１４(ｂ)には，側壁傾斜角とホワイトバンド幅の関係を模式的に示している。傾斜角θが９０°以上ではホワイトバンド幅は変化しなくなる。これは，側壁が逆テーパになると，Ｔｏｐ−Ｄｏｗｎ像上には変化が現れなくなってしまうためである。そこで，ホワイトバンドのようなレジスト断面形状の傾向を示す特徴を用いて，露光機の露光量・焦点位置の変動により生じるレジスト断面形状の変化を観測像からとらえるには，断面形状が順テーパとなっている場合に限定される。

上記の限定条件をみたすために，観測パターンとしては，図１（ａ） に１０２として示すようなパターンピッチ幅が比較的小さいライン＆スペース１０２１と，図１（ｂ） に１０５として示すようなパターンピッチ幅が比較的大きいライン＆スペースパターン１０５１の２種のパターンを用いる（具体的なパターンピッチ幅およびライン幅条件については，後述する）。図１（ａ） に示すように、パターン１０２１（ライン幅Ｌａ,ピッチ幅Ｗａ）では，ベストフォーカス位置１０２３に対して露光機のマイナス方向への焦点位置のずれ（以下,−デフォーカス）で，レジスト断面形状１０２２が順テーパ形状（側壁傾斜各θ＜９０°）となり，プラス方向への焦点位置のずれ（以下，＋デフォーカス）で，レジスト断面形状１０２４が逆テーパ形状（側壁傾斜各θ＞９０°）となる。逆に，図１（ｂ）に示すように、パターン１０５１（ライン幅Ｌｂ,ピッチ幅Ｗｂ）では，ベストフォーカス位置１０５３に対して−デフォーカスでレジスト断面形状１０５２が逆テーパ形状，＋デフォーカスでレジスト断面形状１０５４が順テーパ形状になる。このような挙動の違いは，ライン幅，ピッチ幅によって実効的な光強度分布が異なるために生じるものである。

図１５に、光強度の分布のシミュレーション結果を示す。本図は，ライン幅が同じ（１２０ｎｍ）で，ピッチ幅が３００ｎｍ及び５００ｎｍでの光強度分布を示している。光強度が強いほど，レジストが溶解することから，ピッチ幅３００ｎｍでは，−デフォーカスで，レジスト断面形状が順テーパ(１００１)となり，＋デフォーカスで逆テーパ(１００２)となることが分かる。逆にピッチ幅５００ｎｍでは，−デフォーカス（１００３）で，レジスト断面形状が逆テーパとなり，＋デフォーカスで順テーパ（１００４）となることが分かる。

図１６に，観測パターンに適したピッチ幅，ライン幅の関係の一例を示す。本例は，露光波長１９３ｎｍ，レジスト膜厚３００ｎｍ，円形照明の露光を行った場合である。横軸はライン幅，縦軸はピッチ幅であり，破線より上側は，図１（ｂ）のようにレジスト断面形状が＋デフォーカスで順テーパとなる挙動を示し，破線より下側は，図１（ａ）のようにレジスト断面形状が−デフォーカスで順テーパとなる挙動を示す。先に述べたように，レジスト断面形状の変化の観測像から，露光機の露光量・焦点位置の変動をとらえるには，レジスト断面形状が順テーパである場合に限定されることから，破線１００１の上側の範囲１００３及び下側の範囲１００２から，計測するパターンを選ぶことによって，両符号のデフォーカスでの焦点位置を検知することが可能となる。

またピッチ幅とライン幅の異なるパターンの組み合わせの具体的な例として，先の図１６の露光条件（露光波長１９３ｎｍ,レジスト膜厚３００ｎｍ，円形照明）の場合では，ライン幅が１２０ｎｍのときにピッチ幅２００ｎｍ〜３５０ｎｍのパターン（例えばピッチ幅３００ｎｍ図１６の点Ｐ）とライン幅が１２０ｎｍでピッチ幅４５０ｎｍ〜６００ｎｍのパターン（例えばピッチ幅５００ｎｍ図１６の点Ｑ）を組み合わせることが適していることを露光シミュレーションにより確認している。前者のパターン（図１６点Ｐ）は図１（a）の挙動を，後者のパターン（図１６点Ｑ）は図１（b）の挙動を示す。

（３）実施形態で用いる測長ＳＥＭの構成
ここでは，露光条件変動モニタに用いる測長ＳＥＭおよび，それをとりまく装置の構成について述べる。

図５は測長ＳＥＭの構成を示すブロック図であり，破線５０００で囲んだ部分が，測長ＳＥＭ５００上に構築される露光条件監視システムの構成要素である。図５において、測長ＳＥＭ５００の電子銃５０１より放出された一次電子線５０２はビーム偏向器５０４、ＥｘＢ偏向器５０５、対物レンズ５０６を経てステージ１０１上におかれたウェーハ１００（液晶基板を含む）上に焦点を結んで照射される。電子線が照射されると、試料であるウェーハ１００からは二次電子が発生する。ウェーハ１００から発生した二次電子は、ＥｘＢ偏向器５０５により偏向され、二次電子検出器５０７で検出される。偏向器５０４による電子線の二次元走査、あるいは偏向器５０４による電子線のＸ方向の繰り返し走査と、ステージ１０１によるウェーハのＹ方向の連続的な移動に同期して試料から発生する電子を検出することで、二次元の電子線像が得られる。二次電子検出器５０７で検出された信号はＡ／Ｄ変換器５０８によってディジタル信号に変換され、画像処理部３００に送られる。

画像処理部３００はディジタル画像を一時記憶するための画像メモリ記憶媒体である３０３と、画像メモリ上の画像から寸法特徴量の算出を行うＣＰＵ３０４を有する。さらにまた、予め調べておいた露光条件と寸法特徴量を関連付けるモデルを記述した記憶媒体３０１を有する。全体制御はワークステーション３０２によって行われる、必要な装置の操作、検出結果の確認等がグラフィカルユーザーインタフェース（以下、ＧＵＩと表記する）によって実現できるようになっている。また、記憶媒体３０１、ワークステーション３０２は外部のネットワーク３０６につながっており、外部とのデータのやりとりが可能な構成となっている。また，ネットワーク上に存在する外部の表示装置３０５上には，図示しないＡＰＣコントローラが行っているプロセス制御の状況（現在の露光装置の状態，露光装置のレシピの来歴，プロセス制御計画など）が表示される。また，露光プロセスモニタ方法によって被モニタ対象の露光プロセスの適正条件からのずれ量を推定した結果に基づき，露光条件の補正値をネットワーク３０６経由で露光装置４０１にフィードバックし，露光プロセス制御を行う。

（４）露光量・焦点位置推定に用いる特徴量その１
ここでは，図４の“特徴量算出”ステップ（４０２２）において算出する露光プロセスモニタに適した特徴量について述べる。

図７は、ラインパターンの断面形状７０１と測長ＳＥＭ観測により得られる二次電子信号強度７０２の関係を示したものである。一般に，二次電子信号強度は，傾斜角に応じて大きくなるため，側壁部での信号強度は平坦部での信号強度よりも大きくなる。レジスト断面形状の変化を表す特徴量としては，図７の二次電子信号波形に示したような，種々の特徴量を用いることによって，レジスト断面形状の変化を詳細に捉えることが可能となる。パターンのボトム幅f1は，ライン断面形状の根元部での幅の傾向を示し，パターンのトップ幅ｆ２は，ライン断面形状の頂上部での幅の傾向を示し，ホワイトバンド内側の平均幅f５は，ライン断面形状の頂点部の丸まりを反映し，ホワイトバンド外側の平均値f６は，ライン断面形状の根元部の丸まりを反映する。

以上のように，図４の“特徴量算出”ステップ（４０２２）において，二次信号波形から複数個の特徴量を算出することによって，詳細にレジスト断面の形状変化の傾向を捉えることが可能となる。

（５）露光量・焦点位置算出方法
ここでは，図４の“推定モデルへの当てはめ”ステップ（４０２３）での推定方法について説明する。

図８にモデル作成の手順を示す。同図（ａ）のようにＦＥＭウェーハを用いて，各露光量，焦点位置（Ｅ，Ｆ）における画像を取得し（図４での“該パターン測定”ステップ（４０１２）），各画像の投影波形から，レジスト断面形状変化の指標となる特徴量を算出する（図４での“該パターンから特徴量算出”ステップ（４０１３））。具体的には、先に述べたように、図７にｆ１〜ｆ６で示したような特徴量を算出する。これをオリジナルデータｍｋ（Ｅ、Ｆ）（ｋ＝１・・・・ｎ；ｎは特徴量の総数）とする（図８（ｂ））。これを平滑化，内挿して図８（ｃ）に示したモデルデータＭｋ_ｋ（Ｅ、Ｆ）を作成する（図４での“露光パラメタ推定用モデルデータ作成”ステップ（４０１４））。内挿するのは露光量，焦点位置をＦＥＭの露光量，焦点位置の間隔より細かい分解能で算出するためである。

図９に露光量・焦点位置算の手順を示す。露光量・焦点位置を推定しようとするウェーハのレジストパターンのＳＥＭ像から特徴量ｆｋ（ｋ＝１・・・・ｎ）を算出し（図９（ａ）），特徴量ｆ_ｋのばらつきが標準偏差σkの正規分布に従うという仮定して，(数１)に示す尤度関数ｐ_ｋ（Ｅ、Ｆ）（ｋ＝１・・・・ｎ）を求める（図９（ｂ））。

σ_ｋは特徴量ｆ_ｋのプロセスばらつきの実情に合わせた値を与える。続いて，特徴量ごとに求めた尤度関数を掛け合わせてＰ（Ｅ、 Ｆ）を求め（数２）（図９（ｃ）），これが最大値となる（Ｅ、Ｆ）を露光量，焦点位置の推定の解とする（数３)。

以上の方法により，図４の“推定モデルへの当てはめ”ステップ(４０２３)において，露光量・焦点位置の推定が実現できる。

（６）モデルデータ作成（他の方法）
ここでは，図４のモデルデータ作成工程（４０１）において，ＦＥＭウェーハを用いずにシミュレーションによって，モデルデータを作成する方法について述べる。

図１７に、その処理の流れを示す。露光シミュレータ１０１に，マスクパターン情報や露光条件（露光波長，照明条件，レジスト膜厚等）等の情報１００を入力し，露光量・焦点位置を変動させて計算することによって，露光量・焦点位置を変動させたときのレジスト断面形状１０２を算出する。

次に，算出されたレジスト断面形状１０２を入力として，電子線シミュレータ１０３により，その二次電子信号波形１０４を算出する。二電子信号波形１０４から，図７に示した特徴量を算出する。これをｍ_ｋ(Ｅ、Ｆ)（ｋ＝１・・・・ｎ；ｎは特徴量の総数）１７０１とし，平滑化，内挿したＭｋ_ｋ(Ｅ、Ｆ)を，モデルデータ１７０２とする。内挿するのは露光量，焦点位置をＦＥＭの露光量，焦点位置の間隔より細かい分解能で算出するためである。

このように，露光シミュレータ１０１および電子線シミュレータ１０３を用いてモデルデータ１７０２を作成することにより，露光機を用いてＦＥＭウェーハを作成して測長ＳＥＭで計測する必要がなくなる。

(７)露光量・焦点位置推定に用いる特徴量その２
図４の“特徴量算出”ステップ(４０２２)において算出する特徴量として，図７で示した特徴量以外の特徴量を用いてもよい。

その特徴量のひとつとして，二次電子信号の信号強度を用いることができる。一般的に，二次電子信号は，レジストの側壁傾斜角や形状に応じて変化し，側壁が直立するほど，また形状の角部が尖っているほど，多くの二次電子を放出する（二次電子のエッジ効果）ことから，その信号強度によりレジスト断面形状の変化を捉え得る。よって，これを特徴量のひとつとして利用する。図１０に示すように,二次電子信号の信号強度g(x)としたときに，信号波形上の特定座標を基準（例えば図１０(ａ)のｘＩ）として，その座標での信号強度を特徴量として用いる。若しくは信号波形のピーク位置，信号波形の尾根部など波形上の特徴点を基準にとる(図１０(ｂ))。この場合は，信号波形に対して閾値法などにより，信号波形のピーク位置や尾根部の位置を算出し，その位置での信号強度を算出し，特徴量として用いる。

また，その他の特徴量として，二次電子信号波形そのものを用いることもできる。これにより信号波形の形状などの傾向，つまり信号波形の二次元の情報（信号波形上の座標と信号強度）を特徴して捉える。このような信号波形の形状は，レジスト断面形状の二次元的な情報（レジストの断面方向への連続的な形状変化の傾向）を含んでおり，レジスト断面形状をより詳細に捉えることが可能であり，これを特徴量のひとつとして利用する。二次電子信号波形そのものを特徴量として用いる場合は，ＦＥＭウェーハから推定に用いる各パターンの測長ＳＥＭ像を計測し，各計測画像から二次電子信号波形を算出し，この信号波形そのものを特徴量とする。

さらに，その他の特徴量として，二次電子像を用いることもできる。これによりウェーハ上に形成されるパターンのTop-Down像でのレジスト形状の情報（ウェーハ面でのパターンの連続的な形状変化の傾向）を取り出すことができることとなり，レジスト形状をより詳細に捉えることが可能となる。ズ１１（ａ）に示すように電子線像h(x,y)を特徴量とする。電子線像内の特定の位置座標を基準として（例えば図１１（ａ）（ｘ1，ｙ1））として，その座標での信号強度を特徴量として用いる。若しくは，図１１（ｂ）に示すようにＦＥＭウェーハから推定に用いる各パターンのＳＥＭ像から計測対象であるパターンを含むようなマッチング領域２０３を切り出し，切り出した領域の画像そのものを特徴量とする。

以上のように，図4の“特徴量算出”ステップ（４０２２）で算出する特徴量として，図７で示した特徴量に加えて，上述の二次電子信号の信号強度，二次電子信号波形，二次電子像の全て，若しくは，一部を用いることにより，レジスト形状の特徴をより詳細に捉えることが可能となる。

（８）露光プロセスモニタに用いるパターンの組み合わせの選定方法
ここでは，図４の“該パタンの測定”ステップ（４０２１）において，露光機の露光量・焦点位置モニタに用いるのに最適な計測パターン，若しくはパターンの組み合わせを選定する方法を示す。

図１２に本方法を組み込んだ露光プロセスモニタの大まかな流れを示す。また，図１３に，露光機の露光量・焦点位置モニタに最適な計測パターン選定方法の概念図を示す。図１２において、現像後のウェーハから露光量・焦点位置を検出して露光条件の監視を実現する処理１３２は、推定モデルへの当てはめ１３２３を除いて図４の４０２で説明したものと同じであるので、詳細な説明は省略する。露光を行う前のマスク設計データ（１３１１、１３３１）上のパターンに対して，露光シミュレーションにより露光量・焦点位置変動に対する特徴量の感度（変化量の大きさ）を算出し (１３１３、１３３２)、ΔＥ，ΔＦ推定用モデルデータを作成する（１３１４）。ここでいう特徴量とは，前述の図７で示した特徴量，即ち、二次電子の信号強度，二次電子信号波形（１３３３），二次電子像の一部もしくは，全てである。このとき，モニタ用パタンの選定（１３１２、１３３５）において、プロセスモニタを行う露光量・焦点位置変動範囲（１３３４）で，特徴量の感度が大きなパターン（１３４０）を選定するか、若しくはプロセスモニタを行う露光量・焦点位置変動範囲の一部で感度が大きな複数のパターン（１３４１）を組み合わせて選定する。

なお，マスク設計データ上で，露光シミュレーションを行う個所としては，プロセス管理でクリティカルな個所（露光量・焦点位置の変動に対してレジスト断面形状変化が大きな個所）を抽出する（１３１２）。この抽出は，露光条件（露光波長・レジスト膜圧，レジスト材料等）およびパターンのライン幅・ピッチ幅から，露光量・焦点位置変動による特徴量の感度（変化の大きさ）を論理的或いは経験的に定め，その露光量・焦点位置のモニタを行う基準を満たすか否かで行う。本基準は，要求するモニタ精度によって決まり，特徴量の感度が良いほどモニタ精度が良くなる。これは，特徴量の感度が大きいと，実ウェーハをモニタする際に測長ＳＥＭより得られる二次電信信号の変動（ばらつき）による影響に対して頑健になるからである。

以上により，露光機の露光量・焦点位置値モニタに最適な計測パターン，若しくはパターンの組み合わせを自動的に選定することが可能となる。

レベンソン型位相シフトマスク露光でのマスクパターンの違いよって，露光機の焦点位置変動に対するレジスト断面形状の変動傾向が異なることを示す図である。 従来のリソグラフィ工程を示すフロー図である。 レジストパターン形状と膜パターン形状の関係を示す断面図である。 露光プロセスモニタ方法の全体の処理の流れを示すフロー図である。 露光プロセスモニタ方法の全体構成を示すブロック図である。 レベンソン型位相シフトマスクのマスク構成を示す平面図である。 （ａ）はレジスト断面形状を示す断面図、（ｂ）は二次電子信号波形から算出する各特徴量との関係を示す信号波形図である。 （ａ）はＦＥＭウェハの平面図、（ｂ）はオリジナルデータｍ_ｋ（Ｅ，Ｆ）の３次元グラフ、（ｃ）はモデルデータＭ_ｋ（Ｅ，Ｆ）の３次元グラフである。 （ａ）は特徴量ｆ_ｋの当てはめを示す３次元グラフ、（ｂ）は尤度関数ｐ_ｋ（Ｅ，Ｆ）を示す３次元グラフ、（ｃ）は尤度関数の積Ｐ（Ｅ，Ｆ）を示す３次元グラフである。 （ａ）（ｂ）ともに、二次電子の信号波形を示す図である。 （ａ）（ｂ）ともに、電子線像を示す図である。 露光モニタに最適な計測パターンの組み合わせを選定する方法の流れを示すフロー図である。 露光モニタに最適な計測パターンの組み合わせを選定する流れを示すフロー図である。 （ａ）ラインパターンの断面形状と二次電子信号強度との関係を示すグラフ、（ｂ）側壁傾斜角度とホワイトバンド幅との関係を示すグラフである。 レベンソン型位相シフトマスク露光での光強度の分布のシミュレーション結果を示す図である。 ピッチ幅，ライン幅によって形成されるレジスト断面形状の違いを示すグラフである。 露光シミュレータおよび電子線シミュレータにより，マスク設計データからモデルデータを作成する流れを示すフロー図である。

符号の説明

１００・・・ウェハ １０１・・・ステージ １３１・・・露光量・焦点位置の推定に用いるモデルデータを予め作成しておく処理フロー １３２・・・現像後のウェーハから露光量・焦点位置を検出して，露光条件の監視を実現する露光プロセスモニタの処理フロー ３００・・・画像処理部 ３０１・・・記憶媒体 ３０２・・・ワークステーション ３０３・・・画像メモリ記憶媒体 ３０４・・・ＣＰＵ ３０６・・・ネットワーク ４０１・・・露光量・焦点位置の推定に用いるモデルデータを予め作成しておく処理フロー ４０２・・・現像後のウェーハから露光量・焦点位置を検出して，露光条件の監視を実現する露光プロセスモニタの処理フロー ５００・・・測長ＳＥＭ ５０１・・・電子銃 ５０４・・・ビーム偏向器 ５０６・・・対物レンズ ５０７・・・二次電子検出器 ５０８・・・Ａ／Ｄ変換器

Claims (8)

1. 半導体デバイスの製造工程における露光工程の状態をモニタする方法であって、
   露光工程と現像工程とを経て表面にレジストパターンが形成された基板に電子線を走査しながら照射して前記基板の表面に形成されたパターンのＳＥＭ像を得、該得た前記パターンのＳＥＭ像から該パターンの特徴量を算出し、該算出したパターンの特徴量の情報と予め記憶しておいた露光量及び焦点位置のずれ量とＳＥＭ像とを関連付ける推定モデルの情報とを用いて前記露光工程における露光量と焦点位置のずれの状態を監視し、前記露光量と焦点位置のずれ量とを含む露光条件とＳＥＭ像とを関連付ける前記推定モデルは、露光工程における焦点位置ずれ量に対して、一方のレジスト断面形状が逆テーパ形状となるときに他方のレジスト断面形状が順テーパ形状となるような２種類のライン・アンド・スペースのパターンを用いて作成することを特徴とする露光プロセスモニタ方法。
2. 前記推定モデルは、露光工程における焦点位置ずれ量に対して、一方のレジスト断面形状が逆テーパ形状となるときに他方のレジスト断面形状が順テーパ形状となるような互いにピッチが異なる２種類のライン・アンド・スペースのパターンを用いて作成することを特徴とする請求項１記載の露光プロセスモニタ方法。
3. 前記パターンのＳＥＭ像から算出したパターンの特徴量の情報には、パターンの線幅と、パターンのトップ部分のラウンディング度合いと、パターンのボトム部分のフッティング度合いの３種類の特徴量の情報を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の露光プロセスモニタ方法。
4. 前記基板上に形成されたレジストパターンは、前記露光工程において、レベンソン型の位相シフトマスクを用いてレジストを露光して形成したものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の露光プロセスモニタ方法。
5. 半導体デバイスの製造工程における露光工程の状態をモニタする装置であって、
   露光工程と現像工程とを経て表面にレジストパターンが形成された基板に電子線を走査しながら照射して前記基板の表面に形成されたパターンのＳＥＭ像を得るＳＥＭ像取得手段と、
   該ＳＥＭ像取得手段により得た前記パターンのＳＥＭ像から該パターンの特徴量を算出する画像特徴量算出手段と、
   前記露光工程における焦点位置のずれ量に対して一方のレジスト断面形状が逆テーパ形状となるときに他方のレジスト断面形状が順テーパ形状となるような２種類のライン・アンド・スペースのパターンを用いて、前記露光工程における露光量及び焦点位置のずれ量とそれにより形成されるレジストパターンのＳＥＭ像とを関連付ける推定モデルを作成する推定モデル作成手段と、
   該画像特徴量算出手段で算出したパターンの特徴量の情報と前記推定モデル作成手段で作成した露光量及び焦点位置のずれ量とＳＥＭ像とを関連付ける推定モデルの情報とを用いて前記露光工程における露光量と焦点位置のずれの状態を監視する監視手段と
   を備えたことを特徴とする露光プロセスモニタ装置。
6. 前記推定モデル作成手段は、前記推定モデルを、前記露光工程における焦点位置のずれ量に対して一方のレジスト断面形状が逆テーパ形状となるときに他方のレジスト断面形状が順テーパ形状となるような互いにピッチが異なる２種類のライン・アンド・スペースのパターンを用いて作成することを特徴とする請求項５記載の露光プロセスモニタ装置。
7. 前記特徴量算出手段でパターンのＳＥＭ像から算出するパターンの特徴量の情報には、
   パターンの線幅と、パターンのトップ部分のラウンディング度合いと、パターンのボトム部分のフッティング度合いの３種類の特徴量の情報を含むことを特徴とする請求項５又は６に記載の露光プロセスモニタ装置。
8. 前記ＳＥＭ画像取得手段は、レベンソン型の位相シフトマスクを用いて露光して形成したレジストパターンのＳＥＭ像を取得することを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の露光プロセスモニタ装置。

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