JP6367021B2

JP6367021B2 - 露光条件解析方法

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Publication number: JP6367021B2
Application number: JP2014136978A
Authority: JP
Inventors: 信洋小峰; 善光加藤; 一史塩澤
Original assignee: Toshiba Memory Corp
Current assignee: Kioxia Corp
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2018-08-01
Anticipated expiration: 2034-07-02
Also published as: US20160005661A1; US9368413B2; JP2016015414A

Description

本発明の実施形態は、露光条件解析方法に関する。

半導体装置の回路パターンの微細化に伴って、リソグラフィ工程におけるフォーカス位置の高精度化が求められている。

特開２０１１−４０４３３号公報

本発明の一つの実施形態は、リソグラフィ工程におけるフォーカス位置の高精度化を図ることが可能な露光条件解析方法を提供することを目的とする。

本発明の一つの実施形態によれば、フォーカスずれおよび露光量の少なくとも１つをショットごとに変化させた時の露光に基づいて２以上の異なる光学条件下で調整パターンを形成し、前記調整パターンを２以上の異なる光学条件下で観測して前記ショットごとに輝度値を取得し、前記調整パターンの前記ショットごとの前記輝度値に基づいて、前記フォーカスずれおよび露光量を変数とする近似関数を前記光学条件ごとに算出し、前記光学条件ごとに与えられる前記輝度値と前記近似関数とに基づいて、任意の光学条件下での露光に基づいてパターンが形成された製品ウェハについて、前記露光におけるフォーカスずれおよび露光量についてのコスト関数を算出する。

図１は、第１実施形態に係る露光条件解析装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、第１実施形態に係る光学条件の一例を示す斜視図である。図３（ａ）は、第１実施形態に係る露光条件解析に適用される調整ウェハの構成例を示す平面図、図３（ｂ）は、第１実施形態に係る光学条件変更時の調整ウェハの輝度分布を示す平面図、図３（ｃ）は、第１実施形態に係るフォーカスずれおよび露光量と調整ウェハの輝度分布との関係を示す図、図３（ｄ）は、第１実施形態に係る製品ウェハの構成例を示す平面図、図３（ｅ）は、図３（ｄ）の製品ウェハの光学条件変更時のフォーカスずれおよび露光量の推定方法を示す図である。図４は、図３（ａ）の調整ウェハを用いた時のコスト関数の算出方法を示すフローチャートである。図５は、図３（ｄ）の製品ウェハのフォーカスずれおよび露光量の推定方法を示すフローチャートである。図６は、第２実施形態に係る露光条件解析方法が適用される露光方法を示すフローチャートである。図７（ａ）〜図７（ｄ）は、第３実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図８は、第４実施形態に係る露光条件解析装置のハードウェア構成を示すブロック図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態に係る露光条件解析装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る露光条件解析装置の概略構成を示すブロック図である。
図１において、露光条件解析装置１は、露光に基づいて形成されたパターンを２以上の異なる光学条件下で観測し、光学条件ごとのパターンの輝度値に基づいて、露光におけるフォーカスずれおよび露光量を推定することができる。ここで、露光条件解析装置１には、ウェハＷを保持するウェハホルダ２、検査光を発生する光源３およびウェハＷからの反射光を検出する検出器４が付随されている。なお、パターンは、例えば、ウェハＷ上に形成されたレジストパターンＲとすることができる。光学条件は、図２に示すように、光源３の波長λ、偏光状態Ｐ、パターンへの光の入射角θおよびパターンへの光の入射方位Φの少なくとも１つから選択することができる。検出器４は、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの撮像装置を用いることができる。

露光条件解析装置１には、露光条件制御部１Ａ、近似関数算出部１Ｂ、コスト関数設定部１Ｃおよび露光評価実行部１Ｄが設けられている。露光条件制御部１Ａは、フォーカスずれおよび露光量の少なくとも１つをショットごとに変化させることで、調整パターンの形成時の露光を制御することができる。近似関数算出部１Ｂは、調整パターンを２以上の異なる光学条件下で観測した時のショットごとの輝度値に基づいて、フォーカスずれおよび露光量を変数とする近似関数を光学条件ごとに算出することができる。コスト関数設定部１Ｃは、光学条件ごとに与えられる輝度値と近似関数とに基づいて、フォーカスずれおよび露光量についてのコスト関数を算出することができる。なお、コスト関数は、光学条件ごとに与えられる輝度値と近似関数との差分の総和で定義することができる。この時、光学条件ごとに重みづけをしてもよい。露光評価実行部１Ｄは、コスト関数に基づいて製品パターンの輝度値を評価することで、製品パターンについてのフォーカスずれおよび露光量を推定することができる。なお、フォーカスずれおよび露光量を変化させた時のコスト関数が最小になるフォーカスずれおよび露光量を、製品パターンについてのフォーカスずれおよび露光量と推定することができる。

図３（ａ）は、第１実施形態に係る露光条件解析に適用される調整ウェハの構成例を示す平面図、図３（ｂ）は、第１実施形態に係る光学条件変更時の調整ウェハの輝度分布を示す平面図、図３（ｃ）は、第１実施形態に係るフォーカスずれおよび露光量と調整ウェハの輝度分布との関係を示す図、図３（ｄ）は、第１実施形態に係る製品ウェハの構成例を示す平面図、図３（ｅ）は、図３（ｄ）の製品ウェハの光学条件変更時のフォーカスずれおよび露光量の推定方法を示す図である。
図３（ａ）において、調整ウェハＷ１では、ショットＨ１ごとにフォーカスずれおよび露光量が設定される。なお、図３（ａ）の各ショットＨ１の上段はフォーカスずれ（ｎｍ）の一例、各ショットＨ１の下段は露光量（ｍＪ／ｃｍ^２）の一例を示す。この時、調整ウェハＷ１にはレジスト膜を形成することができる。そして、この調整ウェハＷ１に露光光を照射した後、レジスト膜を現像することで調整ウェハＷ１に調整パターンを形成する。なお、調整ウェハＷ１の調整パターンの形状は、製品ウェハＷ２の製品パターンの形状と等しくすることができる。

なお、調整ウェハＷ１に設定されるフォーカスずれおよび露光量は任意の値で構わない。ただし、使用する検査装置の計測再現性およびフォーカス感度（適用したフォーカスステップにおける輝度変化量）からフォーカス決定精度は以下の式で表すことができる。
（フォーカスステップ）／（適用計測条件でのフォーカス感度）
×（検査装置の計測再現性）
例えば、ある工程のウェハについてデータを取得したところ、フォーカスが３０ｎｍ変化した際の輝度変化量が３０諧調、検査装置の計測再現性が３σで５諧調であったとする。この時、調整ウェハをフォーカスステップ＝３０ｎｍで作成したとすると、本工程で期待されるフォーカス精度は（３０／１０）×５＝１５ｎｍとなる。従って、１０ｎｍ程度のフォーカス精度が必要である場合には、調整ウェハを作成する際のフォーカスステップを２０ｎｍと設定すれば良い。また、露光量についても同様にして最適なステップ幅を求めることができる。

次に、光源３の波長λ、偏光状態Ｐ、パターンへの光の入射角θおよびパターンへの光の入射方位Φの少なくとも１つを変化させることで光学条件Ｊ１〜Ｊ３を設定する。そして、光学条件Ｊ１〜Ｊ３ごとに光源３から調整ウェハＷ１に検査光を照射し、その反射光を検出器４で検出することにより、図３（ｂ）に示すように、各光学条件Ｊ１〜Ｊ３におけるショットＨ１ごとの輝度値を計測する。ここで、光学条件Ｊ１〜Ｊ３を変化させることで調整ウェハＷ１上のショットＨ１ごとの輝度分布を変化させることができる。

なお、ウェハのフォーカスおよび露光量の状態を観測するという目的から、パターンを形成した感光材よりも下層からの影響が可能な限り小さい計測条件であることが望ましい。例えば、感光材の絶対屈折率をｎｒ、下層膜の絶対屈折率をｎｕとした場合に、ｎｒ＞ｎｕの関係が成り立つのであれば、スネルの法則に従って、ｓｉｎθ＝ｎｕ／ｎｒを満足するような入射角θを選択すれば、全反射条件となるために、原理的に下層膜からの影響を受けないような計測条件を選ぶことができる。ｎｒ≦ｎｕであるような場合には、あらかじめ光源波長ごとの下層膜の消衰係数ｋｕを調べておき、なるべくｋｕが大きくなるような光源波長を選択することで下層からの影響が小さい計測条件を見つけることができる。

次に、図３（ｃ）に示すように、調整パターンを各光学条件Ｊ１〜Ｊ３下で観測した時のショットＨ１ごとの輝度値に基づいて、フォーカスずれおよび露光量を変数とする近似関数を光学条件Ｊ１〜Ｊ３ごとに算出する。この近似関数は、輝度をＫ、フォーカスずれをＦ、露光量をＤとすると、Ｋ＝ｆ（Ｆ，Ｄ）という式で与えることができる。そして、光学条件ごとに与えられる輝度値と近似関数とに基づいて、フォーカスずれおよび露光量についてのコスト関数Ｔ（Ｆ，Ｄ）を算出する。
次に、図３（ｄ）に示すように、製品ウェハＷ２にレジスト膜を形成する。そして、この製品ウェハＷ２に露光光を照射した後、レジスト膜を現像することで製品ウェハＷ２に製品パターンを形成する。なお、製品ウェハＷ２では、各ショットＨ２におけるフォーカスずれおよび露光量は等しい。

次に、図３（ｅ）に示すように、光学条件Ｊ１〜Ｊ３ごとに光源３から製品ウェハＷ２に検査光を照射し、その反射光を検出器４で検出することにより、フォーカスずれおよび露光量を変化させた時の各光学条件Ｊ１〜Ｊ３における輝度値を計測する。そして、コスト関数Ｃ（Ｆ，Ｄ）に基づいて製品パターンの輝度値を評価することで、製品パターンについてのフォーカスずれおよび露光量を推定する。例えば、フォーカスずれおよび露光量がそれぞれＦＡおよびＤＡで与えられる時の各光学条件Ｊ１〜Ｊ３における近似関数の値がＡ１〜Ａ３、フォーカスずれおよび露光量がそれぞれＦＢおよびＤＢで与えられる時の各光学条件Ｊ１〜Ｊ３における近似関数の値がＢ１〜Ｂ３、フォーカスずれおよび露光量がそれぞれＦＣおよびＤＣで与えられる時の各光学条件Ｊ１〜Ｊ３における近似関数の値がＣ１〜Ｃ３であるものとする。この時、各光学条件Ｊ１〜Ｊ３において製品ウェハＷ２の輝度値と近似関数の値との差分を算出し、各光学条件Ｊ１〜Ｊ３における差分の総和が最小となるフォーカスずれおよび露光量を、製品パターンについてのフォーカスずれおよび露光量と推定する。
ここで、パターンの輝度値からフォーカスずれおよび露光量を推定することにより、露光量に感度がある場合においても、フォーカスずれの推定精度を向上させることが可能となる。このため、フォーカスずれおよび露光量の変化に伴って回路パターンの寸法ずれが発生した場合においても、その製品が良品として次工程に進むのを防止することができる。

図４は、図３（ａ）の調整ウェハを用いた時のコスト関数の算出方法を示すフローチャートである。
図４において、調整ウェハＷ１にレジスト膜が塗布される（Ｓ１）。そして、この調整ウェハＷ１に露光光が照射された後（Ｓ２）、レジスト膜が現像されることで調整ウェハＷ１に調整パターンが形成される（Ｓ３）。この時、調整ウェハＷ１では、ショットＨ１ごとにフォーカスずれおよび露光量を変化させることができる。

次に、複数の光学条件下での調整ウェハＷ１全面の画像が取得される（Ｓ４）。そして、この画像のショットＨ１ごとの輝度値に基づいて、フォーカスずれおよび露光量を変数とする近似関数が光学条件ごとに算出される（Ｓ５）。この近似関数の算出では、調整ウェハＷ１の輝度値に対してフォーカスずれおよび露光量を変数とする２変数関数の係数を求めることができる。例えば、光学条件Ｊについての近似関数ｆｋは、以下の式で与えることができる。
ｆｋ（Ｆ，Ｄ）＝ｋ_１＋ｋ_２Ｆ^２＋ｋ_３ＦＤ＋ｋ_４Ｄ^２＋ｋ_５Ｆ＋ｋ_６Ｄ
そして、各光学条件Ｊについて最小二乗法などを用いることにより、係数ｋ_１〜ｋ_６を求めることができる。なお、近似関数として２次関数を用いた場合を示したが、３次以上の関数を用いるようにしてもよい。

次に、光学条件ごとに与えられる輝度値と近似関数とに基づいて、フォーカスずれおよび露光量についてのコスト関数が算出され、データベースに格納される（Ｓ６）。なお、光学条件Ｊについての輝度値をＫＪ（Ｊ＝１、２、・・・ｎ）（ｎは２以上の整数）とすると、コスト関数Ｔ（Ｆ，Ｄ）は、例えば、以下の式で与えることができる。
Ｔ（Ｆ，Ｄ）＝（Ｋ１−ｆ１（Ｆ，Ｄ））＋（Ｋ２−ｆ２（Ｆ，Ｄ））＋・・・＋
（Ｋｎ−ｆｎ（Ｆ，Ｄ））
コスト関数Ｔ（Ｆ，Ｄ）は、以下に示すように、光学条件ごとに重みづけをしてもよい。
Ｔ（Ｆ，Ｄ）＝α１（Ｋ１−ｆ１（Ｆ，Ｄ））＋α２（Ｋ２−ｆ２（Ｆ，Ｄ））＋・・・＋αｎ（Ｋｎ−ｆｎ（Ｆ，Ｄ））
ただし、α１、α２、・・・、αｎは、各光学条件の重みである。

図５は、図３（ｄ）の製品ウェハのフォーカスずれおよび露光量の推定方法を示すフローチャートである。
図５において、製品ウェハＷ２にレジスト膜が塗布される（Ｓ１１）。そして、この製品ウェハＷ２に露光光が照射された後（Ｓ１２）、レジスト膜が現像されることで製品ウェハＷ２に製品パターンが形成される（Ｓ１３）。

次に、複数の光学条件下での製品ウェハＷ２全面の画像が取得される（Ｓ１４）。そして、この画像の各ショットＨ２の輝度値が算出される（Ｓ１５）。次に、フォーカスずれおよび露光量を変化させた時のコスト関数が最小となるフォーカスずれおよび露光量の組み合わせが出力される（Ｓ１６）。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る露光条件解析方法が適用される露光方法を示すフローチャートである。
図６において、レジスト膜が塗布された製品ウェハＷ２が露光装置にロードされる（Ｓ２１）。そして、その製品ウェハＷ２の露光処理を行った後、レジスト膜が現像されることで製品ウェハＷ２に製品パターンが形成される（Ｓ２２）。次に、図５のＳ１４〜Ｓ１６の工程を実行することで製品パターンが検査される（Ｓ２３）。そして、検査の判定の結果（Ｓ２４）、合格の場合、次工程に進む。一方、検査の判定の結果、不合格の場合、露光における補正値が計算され（Ｓ２５）、フォーカス設定値の修正指示が出され（Ｓ２６）、製品ウェハＷ２が露光装置に再ロードされる（Ｓ２７）。ここで、再ロード時では、前回の処理で形成された製品パターンを製品ウェハＷ２から剥離し、新たなレジスト膜を塗布することができる。そして、Ｓ２２に戻り、検査の判定に合格するまでＳ２２〜Ｓ２７の処理を繰り返す。なお、検査の判定の結果、合格となるのは、フォーカスずれが所定の範囲内に収まっている場合とすることができる。

（第３実施形態）
図７（ａ）〜図７（ｄ）は、第３実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
図７（ａ）において、下地層ＳＢ上には被加工膜Ｔが形成され、被加工膜Ｔ上にはレジスト膜Ｒが塗布されている。なお、下地層ＳＢおよび被加工膜Ｔは、半導体基板であってもよいし、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などの絶縁体膜であってもよいし、アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンなどの半導体膜であってもよいし、ＡｌまたはＣｕなどの金属膜であってもよい。そして、紫外光などの露光光がフォトマスクを介してレジスト膜Ｒに入射することで、レジスト膜Ｒが露光される。
次に、図７（ｂ）に示すように、レジスト膜Ｒが現像されることで製品パターンが形成される。次に、図７（ｃ）に示すように、複数の光学条件下での製品パターンに検査光が照射され、図５のＳ１４〜Ｓ１６の工程が実行されることで製品パターンが検査される。そして、検査の判定の結果、合格の場合、図７（ｄ）に示すように、製品パターンをマスクとして被加工膜Ｔがエッチングされることで、製品パターンが被加工膜Ｔに転写される。一方、検査の判定の結果、不合格の場合、露光条件が変更される。そして、前回の処理で形成された製品パターンが被加工膜Ｔから剥離され、新たなレジスト膜が塗布された後、図７（ａ）以降の処理が実行される。

（第４実施形態）
図８は、第４実施形態に係る露光条件解析装置のハードウェア構成を示すブロック図である。
図８において、露光条件解析装置１には、ＣＰＵなどを含むプロセッサ１１、固定的なデータを記憶するＲＯＭ１２、プロセッサ１１に対してワークエリアなどを提供するＲＡＭ１３、人間とコンピュータとの間の仲介を行うヒューマンインターフェース１４、外部との通信手段を提供する通信インターフェース１５、プロセッサ１１を動作させるためのプログラムや各種データを記憶する外部記憶装置１６を設けることができ、プロセッサ１１、ＲＯＭ１２、ＲＡＭ１３、ヒューマンインターフェース１４、通信インターフェース１５および外部記憶装置１６は、バス１７を介して接続されている。

なお、外部記憶装置１６としては、例えば、ハードディスクなどの磁気ディスク、ＤＶＤなどの光ディスク、ＵＳＢメモリやメモリカードなどの可搬性半導体記憶装置などを用いることができる。また、ヒューマンインターフェース１４としては、例えば、入力インターフェースとしてキーボードやマウスやタッチパネル、出力インターフェースとしてディスプレイやプリンタなどを用いることができる。また、通信インターフェース１５としては、例えば、インターネットやＬＡＮなどに接続するためのＬＡＮカードやモデムやルータなどを用いることができる。ここで、外部記憶装置１６には、レチクルマークを配置させる露光条件解析プログラム１６ａがインストールされている。

そして、露光条件解析プログラム１６ａがプロセッサ１１にて実行されると、露光に基づいて形成されたパターンを２以上の異なる光学条件下で観測した時の輝度値が取得される。そして、光学条件ごとの輝度値に基づいて、露光におけるフォーカスずれおよび露光量が推定される。

なお、プロセッサ１１に実行させる露光条件解析プログラム１６ａは、外部記憶装置１６に格納しておき、プログラムの実行時にＲＡＭ１３に読み込むようにしてもよいし、露光条件解析プログラム１６ａをＲＯＭ１２に予め格納しておくようにしてもよいし、通信インターフェース１５を介して露光条件解析プログラム１６ａを取得するようにしてもよい。また、露光条件解析プログラム１６ａは、スタンドアロンコンピュータに実行させてもよいし、クラウドコンピュータに実行させてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１露光条件解析装置、１Ａ露光条件制御部、１Ｂ近似関数算出部、１Ｃコスト関数設定部、１Ｄ露光評価実行部、２ウェハホルダ、３光源、４検出器、１１プロセッサ、１２ＲＯＭ、１３ＲＡＭ、１４ヒューマンインターフェース、１５通信インターフェース、１６外部記憶装置、１６ａ露光条件解析プログラム、１７バス

Claims

フォーカスずれおよび露光量の少なくとも１つをショットごとに変化させた時の露光に基づいて２以上の異なる光学条件下で調整パターンを形成し、
前記調整パターンを２以上の異なる光学条件下で観測して前記ショットごとに輝度値を取得し、
前記調整パターンの前記ショットごとの前記輝度値に基づいて、前記フォーカスずれおよび露光量を変数とする近似関数を前記光学条件ごとに算出し、
前記光学条件ごとに与えられる前記輝度値と前記近似関数とに基づいて、任意の光学条件下での露光に基づいてパターンが形成された製品ウェハについて、前記露光におけるフォーカスずれおよび露光量についてのコスト関数を算出する露光条件解析方法。