JP5550978B2

JP5550978B2 - パターン形成方法及び半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP5550978B2
Application number: JP2010103418A
Authority: JP
Inventors: 正典進藤
Original assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2030-04-28
Also published as: JP2011233749A

Description

本発明は、半導体リソグラフィ技術を用いて感光性樹脂膜をパターニングする工程の良否を検査する技術に関し、特に、露光工程や現像工程の良否を検査する技術に関する。

ＬＳＩ（大規模集積回路；ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）の品質向上のためにその製造工程では様々な検査が実行される。一般にＬＳＩの製造工程では、半導体ウェハ上に複数層の回路パターンが形成されるが、これら複数層のうち、半導体リソグラフィ工程で使用される投影露光装置の解像限界に近い加工線幅を有する層（レイヤ）は、クリティカルレイヤと呼ばれ、クリティカルレイヤと比べると大きな加工線幅を有する層は、ラフレイヤと呼ばれている。ラフレイヤに対しては、たとえば光学顕微鏡像を用いた目視による簡易検査が一般に行われている。一方、ゲート電極などの微細構造を含むクリティカルレイヤに対しては、たとえば走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像や透過電子顕微鏡（ＴＥＭ：ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像を用いた検査を実行してそのパターン寸法の高精度な管理を行う必要があるが、検査コストが嵩むという問題がある。

各層の加工線幅の精度は、たとえば、半導体リソグラフィ工程で形成されるレジストパターンの寸法精度に依存するが、半導体リソグラフィ工程でマスク（レチクル）の原版パターンをレジスト膜に転写するときの露光量が適正量からずれたり、現像の不足または過多（たとえば、現像時間が適正時間からずれること）が生じたりすると所望の寸法精度を持つレジストパターンを形成することができず、ＬＳＩの歩留まり低下を招く。このため、半導体リソグラフィ工程のうちの露光工程や現像工程の良否を検査することも重要である。

図１（Ａ）は、ポジ型レジスト膜を使用する半導体リソグラフィ工程の一部を概略的に示す断面図である。この半導体リソグラフィ工程では、図１（Ａ）に示されるように塗上面にレジスト膜１０１が塗布された半導体ウェハ１００を投影露光装置のウェハステージ（図示せず）上に配置する。ウェハステージの上方には、原版であるマスク（レチクル）１１０が配置されている。マスク１１０は、石英基板１１０Ａと、この石英基板１１０Ａの表面に形成された遮光膜１１０Ｂとからなる。露光工程では、マスク１１０を介して露光光１２０をレジスト膜１０１に照射することによりマスク１１０の原版パターンをレジスト膜１０１に転写する。この後の現像工程で、現像液を用いて露光部１０１ｅを溶解することでレジストパターンが形成される。露光工程での露光量過多や現像工程での現像過多が生じると、図１（Ｂ）に示されるように、形成されたレジストパターン１０１Ｐの開口部１０２ａ，１０２ｂのサイズが大きくなり、加工線幅Ｗｄが目標パターンの加工線幅Ｗｔよりも小さくなる。一方、露光量不足や現像不足が生ずると、図１（Ｃ）に示されるように、形成されたレジストパターン１０１Ｐの開口部１０２ａ，１０２ｂのサイズが小さくなり、加工線幅Ｗｏが目標パターンの加工線幅Ｗｔよりも大きくなる。また、開口部１０２ａ，１０２ｂの底部にレジスト膜材料１０１ａ，１０１ｂが残存し、オープン不良（配線の断線）を招くおそれがある。

レジストパターンの良否検査に関する先行技術文献としては、たとえば、特開平１−１２９４１４号公報（特許文献１）や特開昭６０−１４０３４６号公報（特許文献２）が挙げられる。特許文献１には、縦横両方向ともに一定間隔で次第に線幅が細くなる複数の検査用フォトレジストパターンを基板上に形成する技術が開示されている。エッチングを受けて残存する検査用レジストパターンの状態をチェックすることにより、露光工程における露光量が適正であるか否かを判断することができる。一方、特許文献２には、同一の基準線上に配列された頂点を有する複数の正方形状の単位パターン（検査用フォトレジストパターン）を所定ピッチで形成する技術が開示されている。単位パターンの頂点同士の接触、非接触を視覚的に認識することにより、露光工程における露光時間が適正であるか否かを判断することができる。

特開平１−１２９４１４号公報特開昭６０−１４０３４６号公報

ラフレイヤ用のレジストパターンの良否、すなわちラフレイヤに適用される半導体リソグラフィ工程の良否は、レジストパターンの光学顕微鏡像を限度見本（品質の限界を示す見本）と見比べる簡易検査により判定することができる。しかしながら、この簡易検査では、その判定精度に限界がある。たとえば、特許文献１や特許文献２の検査用レジストパターンを使用しても、上記の目標パターンの線幅に対する加工線幅の誤差が許容範囲内か否かの判定を光学顕微鏡像に基づいて正確に行うことは難しいという問題がある。また、レジストパターンの開口部の底部に残存する薄いレジスト膜を光学顕微鏡像から見つけ出すことも難しかった。特許文献１の技術を用いて、線幅が非常に細い高アスペクト比（レジスト膜厚／パターン線幅）の検査用フォトレジストパターンを形成することが可能であれば、加工線幅の誤差が許容範囲内か否かの判定を行うことができるが、実際に高アスペクト比の検査用フォトレジストパターンを形成しようとすると、露光工程の後に実行される現像工程や乾燥工程の影響を受けてレジストパターンが倒れること（レジスト倒れ）が起きるという問題がある。

上述したＳＥＭ像やＴＥＭ像を用いる検査によれば、レジストパターンの加工線幅の誤差が許容範囲内か否かを正確に判定することができ、レジストパターンの開口部の底部に残存するレジスト膜を容易に検出することができるが、検査コストが大幅に増加するという問題がある。

上記に鑑みて本発明の目的は、半導体リソグラフィ技術を用いて感光性樹脂膜をパターニングする工程の良否を正確且つ簡易に検査することができるパターン形成方法及び半導体装置の製造方法を提供することである。

本発明によるパターン形成方法は、基板の主面上の被検査領域に感光性樹脂膜を形成する工程と、投影光学系を用いて、マスクに形成された原版パターンを透過した露光光を前記感光性樹脂膜の表面に照射する露光工程と、前記感光性樹脂膜に現像処理を施して前記原版パターンに対応する被検査パターンを形成する現像工程と、を備え、前記被検査パターンは、当該被検査パターンの前記主面に沿った所定方向一端側から他端側に向かうにつれて厚みが変化する傾斜構造を有し、前記原版パターンは、前記被検査パターンの厚み分布に応じた光透過率分布を有し、前記傾斜構造の表面は、前記一端側から前記他端側に向かうにつれて漸次高さが変化する複数の傾斜面を含み、前記複数の傾斜面のうち隣り合う傾斜面間に段差が形成されている、ことを特徴とする。

本発明による半導体装置の製造方法は、半導体ウェハの主面上における半導体素子が形成される素子形成領域と被検査領域とにそれぞれ感光性樹脂膜を同時に形成する工程と、投影光学系を用いて、マスクに形成された検査用原版パターンを透過した露光光を前記被検査領域に形成された当該感光性樹脂膜の表面に照射すると同時に、前記マスクに形成された回路用原版パターンを透過した露光光を前記素子形成領域に形成された当該感光性樹脂膜の表面に照射する露光工程と、前記感光性樹脂膜に現像処理を施して前記検査用原版パターン及び前記回路用原版パターンにそれぞれ対応する被検査パターン及び回路形成用パターンを形成する現像工程と、を備え、前記被検査パターンは、当該被検査パターンの前記主面に沿った所定方向一端側から他端側に向かうにつれて厚みが変化する傾斜構造を有し、前記原版パターンは、前記被検査パターンの厚み分布に応じた光透過率分布を有し、前記傾斜構造の表面は、前記一端側から前記他端側に向かうにつれて漸次高さが変化する複数の傾斜面を含み、前記複数の傾斜面のうち隣り合う傾斜面間に段差が形成されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、被検査パターンの外観を観察することにより露光工程や現像工程の異常を正確に検出することができる。

半導体リソグラフィ工程の一部を概略的に示す断面図である。本発明に係る実施の形態１の方法で形成された被検査パターンを概略的に示す図である。半導体ウェハ（基板）の平面図である。実施の形態１の半導体リソグラフィ工程で被検査パターンを形成するために使用されるマスクの検査用原版パターンの一例を概略的に示す図である。実施の形態１に係るパターン形成工程の一部を概略的に示す図である。実施の形態１に係る露光工程により感光性樹脂膜中に形成された露光部と未露光部を概略的に示す断面図である。半導体リソグラフィ工程のプロセス条件が適正ではない場合に形成される実施の形態１に係る被検査パターンの一例を概略的に示す断面図である。本発明に係る実施の形態２の方法で形成された被検査パターン及び基準パターンを概略的に示す図である。実施の形態２の半導体リソグラフィ工程で被検査パターン及び基準パターンを形成するために使用されるマスクの原版パターンの一例を概略的に示す図である。実施の形態２に係る露光工程により感光性樹脂膜中に形成された露光部と未露光部を概略的に示す断面図である。半導体リソグラフィ工程のプロセス条件が適正ではない場合に形成される実施の形態２に係る被検査パターン及び基準パターンの一例を概略的に示す断面図である。半導体リソグラフィ工程のプロセス条件が適正ではない場合に形成される実施の形態２に係る被検査パターン及び基準パターンの他の例を概略的に示す断面図である。本発明に係る実施の形態３の方法で形成された被検査パターンを概略的に示す図である。実施の形態３の半導体リソグラフィ工程で被検査パターンを形成するために使用されるマスクの検査用原版パターンの一例を概略的に示す図である。実施の形態３に係る露光工程により感光性樹脂膜中に形成された露光部と未露光部を概略的に示す断面図である。半導体リソグラフィ工程のプロセス条件が適正ではない場合に形成される実施の形態３に係る被検査パターンの一例を概略的に示す断面図である。半導体リソグラフィ工程のプロセス条件が適正ではない場合に形成される実施の形態３に係る被検査パターンの他の例を概略的に示す断面図である。

以下、本発明に係る種々の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

実施の形態１．
図２（Ａ），（Ｂ）は、本発明に係る実施の形態１の方法で形成された被検査パターン２を概略的に示す図である。図２（Ａ）は、半導体ウェハ１の主面に対して垂直な方向から見た被検査パターン２の平面図（上面視図）であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す被検査パターン２のＩＩｂ−ＩＩｂ線に沿った断面図である。この被検査パターン２は、マスク（レチクル）を原版として用いる半導体リソグラフィ工程（以下、単に「リソグラフィ工程」と呼ぶ。）により半導体ウェハまたは基板の主面上に形成される。

リソグラフィ工程のうち露光工程を、いわゆるステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置（ステッパ）を用いて実行する場合、投影露光装置は、基板の主面上の露光領域（ショット領域と呼ばれる。）を走査しつつ、各ショット領域にマスクを介して露光光を照射する。図３（Ａ）は、半導体ウェハ（基板）１の主面上のショット領域１０，１０，…の概略を示す平面図である。図３（Ｂ）に示されるように各ショット領域１０に、１個の半導体チップが形成される素子形成領域１２と、グリッドライン（ダイシング領域）１１とを設けることができる。グリッドライン１１は、半導体チップを半導体ウェハ１から分離（個片化）するための切断領域である。被検査パターン２が形成される被検査領域１３は、このグリッドライン１１内に設けられている。なお、１つのショット領域１０に複数個の素子形成領域１２が設けられる場合もある。図３（Ｃ）は、１つのショット領域１０に設けられた４個の素子形成領域１２，１２，１２，１２を示す図である。この場合は、ショット領域１０の周縁部を構成するグリッドライン１１内に被検査領域１３を設けることができる。

リソグラフィ工程では、まず、各ショット領域１０における素子形成領域１２と被検査領域１３とにそれぞれ感光性樹脂膜を同時に塗布する。次の露光工程では、マスクを透過した露光光を投影光学系を用いて感光性樹脂に照射することにより、マスクに形成された回路用原版パターン及び検査用原版パターンを感光性樹脂膜に一括して転写する。ここで、回路用原版パターンを透過した露光光は、素子形成領域１２の感光性樹脂膜の表面に照射され、検査用原版パターンを透過した露光光は、被検査領域１３の感光性樹脂膜に照射される。その後の現像工程で、感光性樹脂膜に現像処理を施すことにより、素子形成領域１２にレジストパターンまたは絶縁膜パターンが形成され、被検査領域１３には被検査パターン２が形成される。なお、露光光として、たとえばｇ線やｉ線を使用することができるが、これらに限定されるものではない。

本実施の形態に係る被検査パターン２は、図２（Ａ），（Ｂ）に示されるように、長さＬ１の長辺と幅Ｗ１の短辺とを持つ矩形状の底面２ｂを有し、Ｘ軸方向（半導体ウェハ１の主面に沿った所定方向）一端側から他端側に向かうにつれて厚みが変化する傾斜構造２ｓａ，２ｓｂを有する。被検査パターン２は、５つの段差を構成する第１層２１、第２層２２、第３層２３、第４層２４及び第５層２５からなる。最下層である第１層２１は、被検査パターン２の底面２ｂの長辺方向両端からほぼ垂直に立ち上がる側面２１ａ，２１ｂを有している。これら側面２１ａ，２１ｂは、図２（Ａ）に示されるように光学顕微鏡像で識別可能な境界線（エッジ）を構成する。同様に、第２層２２は側面２２ａ，２２ｂを有し、第３層２３は側面２３ａ，２３ｂを有し、第４層２４は側面２４ａ，２４ｂを有し、第５層２５は側面２５ａ，２５ｂを有しており、これら側面２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂは、階段状の段差を形成し、いずれも光学顕微鏡像で視認可能な境界線を構成する。

傾斜構造２ｓａ，２ｓｂの側面間隔Ｌｓと層間隔（段差）Ｈｓは、光学顕微鏡像において側面２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂのエッジパターンを識別することができる大きさであればよい。たとえば、側面間隔Ｌｓを２μｍ程度、被検査パターン２の層間隔（段差）Ｈｓを２μｍ程度にすることができるが、これに限定されるものではない。

図４（Ａ），（Ｂ）は、本実施の形態のリソグラフィ工程で被検査パターン２を形成するために使用されるマスク３の検査用原版パターンの一例を概略的に示す図である。図４（Ａ）は、マスク３の表面の一部を示す平面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のマスク３のＩＶｂ−ＩＶｂ線に沿った断面図である。マスク３には、検査用原版パターンの他に回路用原版パターンも形成されているが、説明の便宜上、この回路用原版パターンは図示されていない。マスク３は、ガラス基板や石英基板などの透光性基板３１と、この透光性基板３１の一方の主面上に形成された遮光膜のパターン（遮光パターン）３２とを含む。遮光パターン３２の構成材料としては、たとえば、クロム、酸化クロムあるいはタンタルが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

遮光パターン３２は、図４（Ａ）に示されるように透光性基板３１上の矩形状の領域に形成されている。この遮光パターン３２は、被検査パターン２の傾斜構造２ｓａ，２ｓｂの高さに対応する開口密度（粗密）を有しており、この開口密度は、当該領域の中央部から長辺方向両端部に向かうにつれて段階的に低くなるように設計されている。この遮光パターン３２は、形成すべき被検査パターン２の傾斜構造２ｓａ，２ｓｂの厚み分布に応じた光透過率分布（２次元分布）を有する。遮光パターン３２は、被検査パターン２の第１層２１の高さに対応する光透過率を有する透過領域３２１ａ，３２１ｂと、第２層２２の高さに対応する光透過率を有する透過領域３２２ａ，３２２ｂと、第３層２３の高さに対応する光透過率を有する透過領域３２３ａ，３２３ｂと、第４層２４の高さに対応する光透過率を有する透過領域３２４ａ，３２４ｂと、第５層２５の高さに対応する光透過率を有する透過領域３２５とを有している。

透過領域の３２１ａ〜３２４ａ，３２５，３２１ｂ〜３２４ｂの各々においては、図４（Ａ）に示されるように、線状（帯状）の遮光膜が周期的に配列されている。遮光膜と遮光膜との間にはスリット状の開口部すなわち光透過孔が形成される。なお、本実施の形態では、マスク３に形成される開口部の形状はスリット形状であるが、これに限定されるものではない。たとえばドット形状の開口部が形成されるように遮光パターンを設計してもよい。

図５は、被検査パターン２を形成するためのリソグラフィ工程の一部を概略的に示す図である。半導体ウェハ１の主面上にポジ型の感光性樹脂膜を塗布した後、この半導体ウェハ１は投影露光装置内に配置される。図５に示されるように、投影露光装置では、露光光源（図示せず）から放射された露光光３５がマスク３及び投影光学系４を透過し、投影光学系４によって半導体ウェハ１上の感光性樹脂膜の表面に照射される。図６は、この感光性樹脂膜２０の露光部２０ｅと未露光部２０ｎとを概略的に示す断面図である。感光性樹脂膜２０は、露光光３５の強度に応じた深さまで感光するので、現像液に対する感光性樹脂膜２０の可溶領域の深さは、露光光強度に応じて変化する。図６に示されるように、露光工程により、感光性樹脂膜２０の中には、現像液に可溶な露光部２０ｅと、階段状の上面を有する未露光部２０ｎとが形成される。その後の現像工程では、現像液に対して露光部２０ｅが溶解し、未露光部２０ｎは溶解しないので、結果として、半導体ウェハ１の被検査領域１３に傾斜構造２ｓａ，２ｓｂを有する被検査パターン２（図２（Ａ）及び（Ｂ））が形成される。

なお、遮光パターン３２を設計する際には、投影光学系４の解像限界を考慮して、遮光パターン３２を構成する帯状遮光膜のパターンあるいはスリット状開口部のパターンが露光工程で感光性樹脂膜２０に完全に転写されないように設計する必要がある。

図７（Ａ）は、リソグラフィ工程で露光量不足及び現像不足が生じた場合に形成される被検査パターン２の一例を概略的に示す断面図である。図６（Ａ）に示されるように、主に現像不足に起因して半導体ウェハ１の主面上に被検査パターン２以外の感光性樹脂膜２９が残り、被検査パターン２の第１層２１の側面２１ａ，２１ｂが感光性樹脂膜２９によってほとんど消失している。この被検査パターン２の光学顕微鏡像には、第１層２１よりも上層２２〜２５の側面２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂのエッジが明瞭に現れるが、第１層２１の側面２１ａ，２１ｂのエッジは明瞭に現れない。このような場合、半導体ウェハ１の素子形成領域１２では、図１（Ｃ）に示したように開口部１０２ａ，１０２ｂの底部に感光性樹脂膜１０１ａ，１０１ｂが残存していると判断することができる。また、露光量がほぼ適正量となるように制御されていても、現像不足が生じた場合には、その現像不足の程度が大きいほど、被検査パターン２の消失する層数は多くなる。たとえば、光学顕微鏡像において２層分の側面２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂのエッジしか確認されなかった場合は、４層分の側面２２ａ〜２５ａ，２２ｂ〜２５ｂのエッジが確認された場合よりも現像不足の程度が大きいと判断することができる。

一方、図７（Ｂ）は、リソグラフィ工程で露光量過多及び現像過多が生じた場合に形成される被検査パターン２の一例を概略的に示す断面図である。図７（Ｂ）に示されるように、主に露光量過多に起因して、被検査パターン２の層数（段数）は適正条件時の図２（Ｂ）の被検査パターン２の層数よりも１つ少ない。このため、この被検査パターン２の光学顕微鏡像には、４層分の側面２２ａ〜２５ａ，２２ｂ〜２５ｂのエッジが明瞭に現れる。このような場合、半導体ウェハ１の素子形成領域１２では、図１（Ｂ）に示したように開口部１０２ａ，１０２ｂのサイズが大きく、加工線幅Ｗｄが目標パターンの加工線幅Ｗｔよりも小さいと判断することができる。さらなる露光量過多が生じたときは、光学顕微鏡像に現れる被検査パターン２の層数はさらに少なくなる。したがって、光学顕微鏡像に現れる被検査パターン２のエッジを観察することで、露光工程や現像工程のプロセス条件が適正条件からどの程度ずれているのかを容易且つ正確に判断することができる。

以上に説明したように実施の形態１に係る被検査パターン２の光学顕微鏡像を目視で観察することにより、リソグラフィ工程における露光工程や現像工程のプロセス条件が適正条件からどの程度ずれているのかを判断することができる。この判断に基づいて、リソグラフィ工程で素子形成領域１２に形成されるレジストパターンや絶縁膜パターンの寸法精度を精確に推定することができ、そのプロセス条件が許容範囲内にあるか否か、あるいは規格に適合しているか否かを低コストで検査することができる。特に、ラフレイヤ用に形成されるレジストパターンや絶縁膜パターンの寸法精度の良否について正確に且つ低コストで外観検査することが可能である。たとえば、ウェハレベルＣＳＰ（Ｗａｆｅｒ−ｌｅｖｅｌＣｈｉｐＳｃａｌｅＰａｃｋａｇｉｎｇ）の製造工程において、半導体ウェハ上に再配線層を形成するための絶縁膜パターンの寸法精度の良否を低コストで検査することができる。

さらに、本実施の形態に係る被検査パターン２は傾斜構造２ｓａ，２ｓｂを有するので、上記の特許文献１，２に開示されているような基板の面内方向に展開するレジストパターン群と比べると、被検査パターン２が形成される領域の面積を小さくし、レイアウト設計の自由度を向上させることができる。

なお、上記実施の形態１の被検査パターン２は５段の層２１〜２５を有するが、段数は５段に限定されるものではなく、少なくとも２段あればよい。

実施の形態２．
次に、本発明に係る実施の形態２について説明する。図８（Ａ），（Ｂ）は、実施の形態２の方法で形成された被検査パターン５及び基準パターン６を概略的に示す図である。図８（Ａ）は、半導体ウェハ１の主面に対して垂直な方向から見た被検査パターン５及び基準パターン６の平面図（上面視図）であり、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の基準パターン６のＶＩＩＩｂ−ＶＩＩＩｂ線に沿った断面図であり、図８（Ｃ）は、図８（Ａ）の被検査パターン５のＶＩＩＩｃ−ＶＩＩＩｃ線に沿った断面図である。これら被検査パターン５及び基準パターン６は、実施の形態１の被検査パターン２の場合と同様に、マスク（レチクル）を原版として用いるリソグラフィ工程により半導体ウェハまたは基板の主面上に形成される。また、図３（Ｂ）または図３（Ｃ）に示したショット領域１０内の被検査領域１３に本実施の形態に係る被検査パターン５及び基準パターン６を形成することができる。

本実施の形態に係る被検査パターン５は、図８（Ａ），（Ｃ）に示されるように、長さＬ２の長辺と幅Ｗ２の短辺とを持つ矩形状の底面５ｂと、この底面５ｂの長辺方向一端からほぼ垂直に立ち上がる側面５ｗとを有する。底面５ｂの長さＬ２は、たとえば２０μｍ〜３０μｍ程度に、側面５ｗの高さＨｗは、たとえば１０μｍ程度にすることができる。また、被検査パターン５は、Ｘ軸方向（半導体ウェハ１の主面に沿った所定方向）一端側から他端側に向かって漸次厚みが変化する傾斜構造５ｓを有している。また、この傾斜構造５ｓの表面は、一端側から他端側に向かうにつれて漸次高さが変化する傾斜面を構成している。図８（Ａ）に示されるようにこの傾斜構造５ｓの一端５ｇと側面５ｗとは、光学顕微鏡像で識別可能な境界線（エッジ）を構成する。

一方、基準パターン６は、図８（Ａ），（Ｂ）に示されるように、長さＬ２の長辺と幅Ｗ２の短辺とを持つ矩形状の底面６ｂを有する。図８（Ａ）に示されるように、基準パターン６は、底面６ｂからほぼ垂直に立ち上がる両側面６ｗａ，６ｗｂを有しており、これら両側面６ｗａ，６ｗｂは、光学顕微鏡像で識別可能な境界線（エッジ）を構成する。また、図８（Ｂ）に示されるようにこの基準パターン６の断面は、長さＬ２と高さＨｗとを持つ矩形状を有する。基準パターン６の底面６ｂの形状は、被検査パターン５の底面５ｂの形状と同一であり、基準パターン６の高さＨｗは、被検査パターン５の側面５ｗの高さＨｗと同じである。基準パターン６の一方の側面６ｗａと被検査パターン５の側面５ｗとは一直線上に揃えられ、基準パターン６の他方の側面６ｗｂと被検査パターン５の先端５ｇも一直線上に揃えられている。これは、被検査パターン５と基準パターン６とを対比観察しやすくするためである。

図９（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施の形態のリソグラフィ工程で被検査パターン５及び基準パターン６を形成するために使用されるマスク７の原版パターンの一例を概略的に示す図である。図９（Ａ）は、このマスク７の表面の一部を示す平面図である。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のマスク７のＩＸｂ−ＩＸｂ線に沿った断面図であり、図９（Ｃ）は、図９（Ａ）のマスク７のＩＸｃ−ＩＸｃ線に沿った断面図である。マスク７には、検査用原版パターンの他に回路用原版パターンも形成されているが、説明の便宜上、回路用原版パターンは図示されていない。このマスク７は、ガラス基板や石英基板などの透光性基板７１と、この透光性基板７１の一方の主面上に形成された遮光膜のパターン（遮光パターン）７２，７３とからなる。一方の遮光パターン７２は、被検査パターン５を形成するためのパターンであり、他方の遮光パターン７３は、基準パターン６を形成するためのパターンである。遮光パターン７２，７３の構成材料としては、たとえば、クロム、酸化クロムあるいはタンタルが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

一方の遮光パターン７２は、図９（Ａ）に示されるように透光性基板７１上の矩形状の領域に形成されている。遮光パターン７２は、形成すべき被検査パターン５の傾斜構造５ｓの高さに対応する開口密度（粗密）を有しており、この開口密度は、当該領域の長辺方向一端から他端へ向かうにつれて次第に低くなるように設計されている。この遮光パターン７２は、被検査パターン５の傾斜構造５ｓの厚み分布に応じた光透過率分布（２次元分布）を有する。図９（Ａ）に示されるように、マスク７の長辺方向に沿って線状（帯状）の遮光膜が配列され、遮光パターン７２を構成している。遮光膜と遮光膜との間にはスリット状の開口部すなわち光透過孔が形成されている。本実施の形態では、マスク７に形成される開口部の形状はスリット形状であるが、これに限定されず、たとえばドット形状の開口部が形成されるように遮光パターンを設計してもよい。

他方の遮光パターン７３は、基準パターン６を形成するために図９（Ｂ）に示されるように矩形状の領域全体に亘って一定の厚みを有している。

被検査パターン５及び基準パターン６は、実施の形態１の被検査パターン２の形成方法と同様の方法により形成される。すなわち、半導体ウェハ１の主面上にポジ型の感光性樹脂膜を塗布した後、この半導体ウェハ１を投影露光装置内に配置する。投影露光装置では、露光光源（図示せず）から放射された露光光がマスク７の遮光パターン７２及び投影光学系を透過し、投影光学系によって感光性樹脂膜の表面に照射される。図１０は、この感光性樹脂膜５０の露光部５０ｅと未露光部５０ｎとを概略的に示す断面図である。感光性樹脂膜５０は、露光光の強度に応じた深さまで感光するので、現像液に対する感光性樹脂膜５０の可溶領域の深さは、露光光強度に応じて変化する。図１０に示されるように、露光工程により、感光性樹脂膜５０の中には、現像液に可溶な露光部５０ｅと、傾斜構造を有する未露光部５０ｎとが形成される。その後の現像工程では、現像液に対して露光部５０ｅが溶解し、未露光部５０ｎは溶解しない。結果として、半導体ウェハ１の被検査領域１３に傾斜構造５ｓを有する被検査パターン５と基準パターン６とが形成される。

なお、遮光パターン７２を設計する際には、投影光学系の解像限界を考慮して、遮光パターン７２を構成する帯状遮光膜のパターンあるいはスリット状開口部のパターンが露光工程で感光性樹脂膜５０に完全に転写されないように設計する必要がある。

図１１（Ａ），（Ｂ）は、リソグラフィ工程で露光量不足及び現像不足のうち少なくとも一方が生じた場合に形成される被検査パターン５及び基準パターン６の一例を概略的に示す断面図である。図１１（Ａ），（Ｂ）に示されるように、半導体ウェハ１の主面上に被検査パターン５及び基準パターン６以外の感光性樹脂膜５９が残っている。このため、被検査パターン５の全体の長さＬ２ａは、適正なプロセス条件でリソグラフィ工程が実行された場合の長さＬ２（図８（Ａ））と比べて短い。したがって、光学顕微鏡像に現れる被検査パターン５を観察することで、露光工程や現像工程のプロセス条件が適正であるか否かを容易に判定することができる。

また、光学顕微鏡像に現れる被検査パターン５及び基準パターン６の両者を観察することで、正確な判定を下すことができる。すなわち、被検査パターン５の先端と基準パターン６の端面６ｗｂとの差Δａに応じて、露光工程や現像工程のプロセス条件が適正条件からどの程度ずれているのかを容易且つ正確に判断することができる。

一方、図１２（Ａ），（Ｂ）は、リソグラフィ工程で主に露光量過多が生じた場合に形成される被検査パターン５及び基準パターン６の一例を概略的に示す断面図である。図１２（Ａ），（Ｂ）に示されるように、被検査パターン５の全体の長さＬ２ｂは、適正なプロセス条件でリソグラフィ工程が実行された場合の長さＬ２（図８（Ａ））と比べて短い。したがって、光学顕微鏡像に現れる被検査パターン５を観察することで、露光工程や現像工程のプロセス条件が適正であるか否かを容易に判定することができる。また、光学顕微鏡像に現れる被検査パターン５及び基準パターン６の両者を観察し、被検査パターン５の先端と基準パターン６の端面６ｗｂとの差Δｂに応じて、露光工程や現像工程のプロセス条件が適正条件からどの程度ずれているのかを容易且つ正確に判断することができる。

以上に説明したように実施の形態２に係る被検査パターン５の光学顕微鏡像を目視で観察することにより、リソグラフィ工程における露光工程や現像工程のプロセス条件が適正であるか否かを容易に判断することができる。また、被検査パターン５と基準パターン６とを対比観察することで、プロセス条件が適正条件からどの程度ずれているのかを正確に判断することができる。この判断に基づいて、リソグラフィ工程で素子形成領域１２に形成されるレジストパターンや絶縁膜パターンの寸法精度を精確に推定することができ、そのプロセス条件が許容範囲内にあるか否か、あるいは規格に適合しているか否かを容易に判定することもできる。

さらに、本実施の形態に係る被検査パターン５は傾斜構造５ｓを有するので、上記特許文献１，２に開示されているような半導体ウェハの面内方向に展開するレジストパターン群と比べると、被検査パターン５及び基準パターン６が形成される領域の面積を小さくし、レイアウト設計の自由度を向上させることができる。上記実施の形態２では、被検査パターン５と基準パターン６とは分離しているが、被検査パターン５と基準パターン６とが互いに連続し一体化していてもよい。

実施の形態３．
次に、本発明に係る実施の形態３について説明する。図１３（Ａ），（Ｂ）は、実施の形態３の方法で形成された被検査パターン８を概略的に示す図である。図１３（Ａ）は、半導体ウェハ１の主面に対して垂直な方向から見た被検査パターン８の平面図（上面視図）であり、図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）の被検査パターン８のＸＩＩＩｂ−ＸＩＩＩｂ線に沿った断面図である。この被検査パターン８は、実施の形態１の被検査パターン２の場合と同様に、マスク（レチクル）を原版として用いるリソグラフィ工程により半導体ウェハまたは基板の主面上に形成される。また、図３（Ｂ）または図３（Ｃ）に示したショット領域１０内の被検査領域１３に本実施の形態に係る被検査パターン８を形成することができる。

本実施の形態に係る被検査パターン８は、図１３（Ａ），（Ｂ）に示されるように、長さＬ３の長辺と幅Ｗ３の短辺とを持つ矩形状の底面８ｂと、この底面８ｂの長辺方向一端からほぼ垂直に立ち上がる側面８ｗとを有する。底面８ｂの長さＬ３は、たとえば２０μｍ〜３０μｍ程度にし、側面８ｗの高さＨｖは、たとえば１０μｍ程度にすることができる。また、被検査パターン８は、Ｘ軸方向（半導体ウェハ１の主面に沿った所定方向）一端側から他端側に向かうにつれて厚みが変化する傾斜構造（傾斜面）８ｓを有している。また、傾斜構造８ｓの表面は、一端側から他端側に向かうにつれて漸次高さが変化する複数の傾斜面８ａａ，８ａｂ，８ａｃを含み、これら傾斜面８ａａ，８ａｂ，８ａｃのうち隣り合う傾斜面間に段差が形成されている。図１３（Ａ）に示されるように、この傾斜構造８ｓの先端８ｇと側面８ｗとは、光学顕微鏡像で識別可能な境界線（エッジ）を構成する。

被検査パターン８の傾斜構造８ｓは階段形状を有している。この傾斜構造８ｓは、段差を構成する２つの側面８ｄ，８ｅを有し、先端８ｇと側面８ｄとの間に第１の傾斜面８ａａを有し、側面８ｄ，８ｅ間に第２の傾斜面８ａｂを有し、側面８ｅと側面８ｗとの間に第３の傾斜面８ａｃを有する。リソグラフィ工程のプロセス条件が適正条件であるとき、これら傾斜面８ａａ，８ａｂ，８ａｃの水平方向（Ｘ軸方向）長さΔＬ_１，ΔＬ_２，ΔＬ_３は同一である。図１３（Ａ）に示されるように、被検査パターン８の傾斜構造８ｓの側面８ｄ，８ｅは、光学顕微鏡像で識別可能な境界線（エッジ）を構成する。

図１４（Ａ），（Ｂ）は、本実施の形態のリソグラフィ工程で被検査パターン８を形成するために使用されるマスク９の検査用原版パターンの一例を概略的に示す図である。図１４（Ａ）は、このマスク９の表面の一部を示す平面図であり、図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）のマスク９のＸＩＶｂ−ＸＩＶｂ線に沿った断面図である。マスク９には、検査用原版パターンの他に回路用原版パターンも形成されているが、説明の便宜上、回路用原版パターンは図示されていない。このマスク９は、ガラス基板や石英基板などの透光性基板９１と、この透光性基板９１の一方の主面上に形成された遮光膜のパターン（遮光パターン）９２とからなる。遮光パターン９２の構成材料としては、たとえば、クロム、酸化クロムあるいはタンタルが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

遮光パターン９２は、図１４（Ａ）に示されるように透光性基板９１上の矩形状の領域に形成されている。遮光パターン９２は、形成すべき被検査パターン８の傾斜構造８ｓの高さに対応する開口密度（粗密）を有しており、この開口密度は、当該領域の長辺方向一端から他端へ向かうにつれて次第に低くなるように設計されている。この遮光パターン９２は、被検査パターン８の傾斜構造８ｓの厚み分布に応じた光透過率分布（２次元分布）を有する。図１４（Ａ）に示されるように、遮光パターン９２は、被検査パターン８の傾斜面８ａａの高さ分布に対応する光透過率分布を有する透過領域９２１と、傾斜面８ａｂの高さ分布に対応する光透過率分布を有する透過領域９２２と、傾斜面８ａｃの高さ分布に対応する光透過率分布を有する透過領域９２３とを含む。これら透過領域９２１〜９２３の各々においては、線状（帯状）の遮光膜がマスク９の長辺方向に配列され、遮光膜と遮光膜との間にはスリット状の開口部すなわち光透過孔が形成されている。なお、本実施の形態では、マスク９に形成される開口部の形状はスリット形状であるが、これに限定されず、たとえばドット形状の開口部が形成されるように遮光パターンを設計してもよい。

被検査パターン８は、実施の形態１の被検査パターン２の形成方法と同様の方法により形成される。すなわち、半導体ウェハ１の主面上の被検査領域１３にポジ型の感光性樹脂膜を塗布した後、この半導体ウェハ１を投影露光装置内に配置する。投影露光装置では、露光光源（図示せず）から放射された露光光がマスク９の遮光パターン９２及び投影光学系を透過し、投影光学系によって感光性樹脂膜の表面に照射される。図１５は、この感光性樹脂膜８０の露光部８０ｅと未露光部８０ｎとを概略的に示す断面図である。感光性樹脂膜８０は、露光光の強度に応じた深さまで感光するので、現像液に対する感光性樹脂膜８０の可溶領域の深さは、露光光強度に応じて変化する。図１５に示されるように、露光工程により、感光性樹脂膜８０の中には、現像液に可溶な露光部８０ｅと、傾斜構造を有する未露光部８０ｎとが形成される。その後の現像工程では、現像液に対して露光部８０ｅが溶解し、未露光部８０ｎは溶解しない。結果として、半導体ウェハ１の被検査領域１３に傾斜構造８ｓを有する被検査パターン８が形成される。

なお、遮光パターン９２を設計する際には、投影光学系の解像限界を考慮して、遮光パターン９２を構成する帯状遮光膜のパターンあるいはスリット状開口部のパターンが露光工程で感光性樹脂膜８０に完全に転写されないように設計する必要がある。

図１６（Ａ），（Ｂ）は、リソグラフィ工程で露光量不足及び現像不足が生じた場合に形成される被検査パターン８の一例を概略的に示す断面図である。図１６（Ａ）に示されるように、半導体ウェハ１の主面上に被検査パターン８以外の感光性樹脂膜８８が残り、主に現像不足に起因して被検査パターン８の傾斜面８ａａの水平方向長さΔＬ_１は傾斜面８ａｂの水平方向長さΔＬ_２よりも短い。このときの被検査パターン８の光学顕微鏡像においては、先端８ｇ及び側面８ｄ，８ｅ，８ｗの各エッジが現れ、先端８ｇと側面８ｄの間の距離ΔＬ_１は、側面８ｄ，８ｅ間の距離ΔＬ_２よりも短い。さらなる現像不足が生じたときは、図１６（Ｂ）に示されるように、感光性樹脂膜８９が残ることにより傾斜面８ａａは消失し、側面８ｄの大部分が消失している。このときの被検査パターン８の光学顕微鏡像では、先端８ｇのエッジは現れず、側面８ｄ，８ｅ，８ｗの各エッジが現れる。また、側面８ｄのエッジは、側面８ｅ，８ｗのエッジと比べて不明瞭となる。

一方、図１７（Ａ），（Ｂ）は、リソグラフィ工程で露光量過多及び現像過多が生じた場合に形成される被検査パターン８の一例を概略的に示す断面図である。図１７（Ａ）に示されるように、被検査パターン８の傾斜面８ａａの水平方向長さΔＬ_１は傾斜面８ａｂの水平方向長さΔＬ_２よりも短い。このときの被検査パターン８の光学顕微鏡像においては、先端８ｇ及び側面８ｄ，８ｅ，８ｗの各エッジが現れ、先端８ｇと側面８ｄの間の距離ΔＬ_１は、側面８ｄ，８ｅ間の距離ΔＬ_２よりも短い。さらなる露光量過多及び現像過多が生じたときは、図１７（Ｂ）に示されるように、先端８ｇ及び傾斜面８ａａが消失している。このときの被検査パターン８の光学顕微鏡像では、先端８ｇのエッジは現れず、側面８ｄ，８ｅ，８ｗの各エッジが現れる。

以上に説明したように実施の形態３に係る被検査パターン８の光学顕微鏡像を目視で観察することにより、リソグラフィ工程における露光工程や現像工程のプロセス条件が適正条件からどの程度ずれているのかを容易且つ正確に判断することができる。この判断に基づいて、リソグラフィ工程で素子形成領域１２に形成されるレジストパターンや絶縁膜パターンの寸法精度を精確に推定することができ、そのプロセス条件が許容範囲内にあるか否か、あるいは規格に適合しているか否かを容易に判定することもできる。また、被検査パターン８は、半導体ウェハ１の主面に対して傾斜する傾斜構造８ｓを有するので、上記特許文献１，２に開示されているような半導体ウェハの面内方向に展開するレジストパターン群と比べると、被検査パターン８が形成される領域の面積を小さくし、レイアウト設計の自由度を向上させることができる。

さらに、本実施の形態に係る被検査パターン８の傾斜構造８ｓは、傾斜面８ａａ，８ａｂ，８ａｃと、段差を構成する側面８ｄ，８ｅとを有するので、実施の形態１，２に係る被検査パターン２，５と比べると、適正条件からのずれをより正確に判断することができる。

実施の形態１〜３の変形例．
以上、図面を参照して本発明に係る種々の実施の形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な形態を採用することもできる。上記実施の形態１〜３では、被検査パターン２，５，８をグリッドライン１１内の被検査領域１３に形成することができるが、この代わりに、素子形成領域１２内に、回路形成用のレジストパターンまたは絶縁膜パターンとともに被検査パターン２，５，８を形成してもよい。

１半導体ウェハ、２，５，８被検査パターン、４投影光学系、６基準パターン、２ｓａ，２ｓｂ，５ｓ，８ｓ傾斜構造、３，７，９マスク（レチクル）、１０ショット領域、１１グリッドライン（ダイシング領域）、１２素子形成領域、１３被検査領域、３１，７１，９１透光性基板、３２，７２，７３，９２遮光パターン（検査用原版パターン）。

Claims

基板の主面上の被検査領域に感光性樹脂膜を形成する工程と、
投影光学系を用いて、マスクに形成された原版パターンを透過した露光光を前記感光性樹脂膜の表面に照射する露光工程と、
前記感光性樹脂膜に現像処理を施して前記原版パターンに対応する被検査パターンを形成する現像工程と、
を備え、
前記被検査パターンは、当該被検査パターンの前記主面に沿った所定方向一端側から他端側に向かうにつれて厚みが変化する傾斜構造を有し、
前記原版パターンは、前記被検査パターンの厚み分布に応じた光透過率分布を有し、
前記傾斜構造の表面は、前記一端側から前記他端側に向かうにつれて漸次高さが変化する複数の傾斜面を含み、
前記複数の傾斜面のうち隣り合う傾斜面間に段差が形成されている、
ことを特徴とするパターン形成方法。
請求項１に記載のパターン形成方法であって、前記傾斜構造の段差の数は２以上であることを特徴とするパターン形成方法。
請求項１または２に記載のパターン形成方法であって、前記被検査パターンは、前記主面からほぼ垂直に立ち上る側面を有することを特徴とするパターン形成方法。
請求項１から３のうちのいずれか１項に記載のパターン形成方法であって、
前記基板は半導体ウェハであり、
前記被検査領域は、半導体素子が形成されるべき素子形成領域以外の領域に設けられる
ことを特徴とするパターン形成方法。
請求項４に記載のパターン形成方法であって、前記被検査領域は、前記半導体ウェハのダイシング領域上に形成されることを特徴とするパターン形成方法。
半導体ウェハの主面上における半導体素子が形成される素子形成領域と被検査領域とにそれぞれ感光性樹脂膜を同時に形成する工程と、
投影光学系を用いて、マスクに形成された検査用原版パターンを透過した露光光を前記被検査領域に形成された当該感光性樹脂膜の表面に照射すると同時に、前記マスクに形成された回路用原版パターンを透過した露光光を前記素子形成領域に形成された当該感光性樹脂膜の表面に照射する露光工程と、
前記感光性樹脂膜に現像処理を施して前記検査用原版パターン及び前記回路用原版パターンにそれぞれ対応する被検査パターン及び回路形成用パターンを形成する現像工程と、
を備え、
前記被検査パターンは、当該被検査パターンの前記主面に沿った所定方向一端側から他端側に向かうにつれて厚みが変化する傾斜構造を有し、
前記原版パターンは、前記被検査パターンの厚み分布に応じた光透過率分布を有し、
前記傾斜構造の表面は、前記一端側から前記他端側に向かうにつれて漸次高さが変化する複数の傾斜面を含み、
前記複数の傾斜面のうち隣り合う傾斜面間に段差が形成されている、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。