JPH0766178B2 - フォトリソグラフィ・プロセスの最適化方法 - Google Patents

フォトリソグラフィ・プロセスの最適化方法

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Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 この発明は、一般的には、半導体材料のウエハ、該ウエ
ハ上に付着された無機材料の絶縁層のような基体層（以
下、サブストレートと呼ぶ）上にリソグラフィ・プロセ
スにより所定マスク・パタンを転写する工程を含む半導
体集積回路の製造に当り、実際のマスク・パタンの転写
に先立って、マスク・パタンを使用してシミュレーショ
ンにより正確な転写のために必要なリソグラフィ・プロ
セス・パラメータの変更を決定してリソグラフィ・プロ
セスを最適化する方法に関する。
B.従来技術とその課題 半導体技術における集積回路では、寸法は小さくなり、
回路密度およびスイッチング速度は増大している。回路
がより複雑になるに従って、集積回路を製造するプロセ
スは発展してきた。現在のリソグラフィ・プロセスは、
１ミクロン、場合によってはサブミクロン寸法のパタン
を半導体ウエア上に形成している。表面レベルにおける
三次元的な形状（以下、トポグラフィと呼ぶ）、すなわ
ち微細な配線回路をその上に形成すべきサブストレート
上の高さの変化が、サブミクロン寸法では益々厳しい問
題となってきた。高集積化モノリシック回路の製造で
は、光、電子ビーム、イオンビームまたはＸ線による描
写装置を用いて、リソグラフィック・マスクからフォト
レジスト被膜ウエハ上へのパタンの転写を行っている。
回路の微細な線構造の解像度のために、いくつかの製造
工程では、電子ビーム、イオンビームまたはＸ線リソグ
ラフィなどの精密処理技術を用いて実現しなければなら
ない。微細な線回路以外の他の製造工程では、処理すべ
き回路エレメントが比較的大きいので、光学リソグラフ
ィが、処理速度の見地から最適な場合もある。あるい
は、種々のリソグラフィ装置を製造工程に応じて交換可
能に用いるのが最適な場合もある。代表的は半導体ウエ
ハ・ロットは、製造プロセス中に、種々の装置により種
々の時刻に10以上の描画あるいはフォトリソグラフィ工
程を経ている。
この状況は、多くの潜在的な問題を生じている。すなわ
ち、種々の描画装置が半導体ウエハの連続的製造レベル
で用いられるので、種々の装置間で、良好な重ね合わせ
位置決めおよび線幅を保証することがより困難になる。
或るリソグラフィ装置を使用する特定のフォトリソグラ
フィ工程を他のリソグラフィ装置に十分に適合できるよ
うに各リソグラフィ装置の機能に融通性をもたせなけれ
ばならない。露光時間、解像度、視野の深さ、照度、均
一性のようなリソグラフィ装置特性も、最良のレジスト
係、レジスト厚さ、レジスト感度、現像液、レジスト・
コントラスト・現像時間、現像温度などのフォトレジス
ト・プロセス特性も、ともに、リソグラフィ装置の種類
およびウエハの処理表面レベルにより異なってくる。さ
らに問題を複雑にしているのは、同一種類のリソグラフ
ィ装置であっても製造業者が異なる場合には動作特性が
異なり、さらに、同一製造業者の同一モデルのフォトリ
ソグラフィ装置でも、装置毎にレンズ系や放射源の特性
にわずかな相違が存在しており、この相違が大きな問題
になる場合も起る。高精度のリソグラフィ装置は、数百
万ドル以上というように非常に高価であり、リソグラフ
ィ・プロセスに不適切な装置を選択することは高価なミ
スを招くことになる。
過去においては、プロセス・エンジニアは一般にプロダ
クト製造に使用するのと同一種類のマスクを用いて、使
用すべきリソグラフィ装置が特定のリソグラフィ工程を
実施できるか否かを判別し、特定の工程に適合するプロ
セスを開発していた。しかし、プロダクト製造用のマス
ク（以下、プロダクト・マスクと呼ぶ）に含まれている
集積回路用の回路パタン、たとえば関数回路用の回路パ
タン、でも種々のリソグラフィ装置のレンズ系の特性を
テストするのに必要なすべての回路パタンを具備してい
ない。たとえば、所定のプロダクト・マスクのセットを
使用して得られた最適なリソグラフィ・プロセス・パラ
メータに基づいて微細寸法の回路ないし配線（以下、臨
界エレメントと呼ぶ）を描画し、その際、正確な描画に
失敗したとしても、その失敗の原因を診断し、評価する
のに必要なすべての情報（すなわちリソグラフィ装置特
性の不一致とか、フォトレジスト・プロセス特性の不一
致とかを表わす情報）を生成するように特別に配置され
た回路パタンは、プロダクト・マスクのセットには、設
計上、含まれていない。一般には、製造欠陥品の臨界エ
レメントは、チップ上に均一に分布しているのではなく
て、チップ上に局部的に散在していて多数のプラインド
・スポットを形成している。このプラインド・スポット
では、リソグラフィ装置がサブストレート上のマスク・
パタンのその位置に臨界エレメントを正確に転写できる
か否かを決定することは困難である。“ブラインド・ス
ポット”の問題に加えて、プロダクト・マスクは一般に
Ｘ方向およびＹ方向にのみ配向されるエレメントの回路
パタンを有している。このような二方向の配向の回路パ
タンのみでは、多くのリソグラフィ装置のレンズ系の欠
陥を識別することは困難である。さらに、プロダクド・
マスクは、多数の回路パタンを含むので、コストが高く
なる。エンジニアは、現在の集積回路よりもさらに微細
な集積回路の製造のためのリソグラフィ法を従来の実施
に備えて研究しようとしても、現在のプロダクト・マス
クでは役に立たない。
本発明の目的は、半導体ウエハ上で実施されるフォトリ
ソグラフィ・プロセスに対して使用すべきフォトリソグ
ラフィ装置を効果的に特徴づける最適化方法を提供する
ことにある。
本発明の他の目的は、異なる種類のフォトリソグラフィ
装置間でのプロセス・パラメータの変更を迅速に決定し
てリソグラフィ・プロセスを最適化する方法を提供する
ことにある。
C.課題を解決するための手段 本発明の方法によれば、半導体集積回路の製造に当り、
リソグラフィ工程に先立って、先ず、少なくとも二種類
の特別のマスク・パタンを、各々、有する第１および第
２のマスクを生成する。第１のマスク・パタンは、実質
的にＹ字形を構成するように選択された少なくとも３方
向、すなわち第１方向（たとえばＸ軸方向）、これと直
交する方向（たとえばＹ軸方向）および傾め方向、に各
々配向された実質的に矩形の大開口パタンのグループか
ら構成されている。この第１マスクは、本明細書中では
トポグラフィ作成マスクとも呼ばれ、プロダクト用半導
体ウエハと同等のモニタ用半導体ウエハの選択領域に前
記マスク・パタンに対応する矩形の大開口を所定の深さ
で形成するために使用される。この選択領域には、１個
のチップ内領域、数個所のチップ領域、ウエハの全領域
または周縁領域などの評価ないし診断すべきデータ供給
源となるウエハ領域が含まれる。
第２のマスク・パタンは、使用時には、前記第１マスク
・パタンを介して形成されたモニタ用ウエハ上の表面内
３方向の矩形状の大開口を介してモニタ用ウエハの表面
内にエッチングにより形成された３方向の矩形状の大開
口の各々と整合する位置において、各開口の幅を横切る
方向、具体的には矩形開口の短辺と平行な方向、に開口
幅よりも長く、かつ並列に、延びている複数組の繰り返
し線状パタンから構成されている。各組内の線の幅は実
質的に等しく、他方、異なる組に属する線の幅は相互に
相違する。Ｙ字形の中心に近接した組に属する線が最小
幅を有し、中心から遠ざかるにつれて線幅が拡大するの
が好ましい。この第２マスクは、本明細書中では、周期
パタン作成マスクと呼ぶ。
第１および第２の各マスクを作成した後、前述のよう
に、モニタ用ウエハを所定のフォトレジスト材料で被膜
し、前記第１マスクを介して所定のリソグラフィ装置を
使用してフォトレジスト被膜の選択領域を露光し、現像
し、エッチングにより前記ウエハの選択領域において前
記第１マスク・パタンに対応する矩形の大開口を所定の
深さに形成する。
次に前記大開口を含む前記ウエハの前面に亘ってフォト
レジスト被膜を形成した後、、第２マスクを介して露光
し、現像することにより、前記大開口に露出したウエハ
部分および大開口を含むウエハ周辺部分において前記第
２マスク・パタンに対応するフォトレジスト被膜の島部
分を形成する。
このようなフォトレジスト被膜の島部分が、一旦、形成
されると、パタン精度およびレジスト被膜の高さなど
を、たとえば走査形電子顕微鏡により、検査して最適の
リソグラフィ・プロセス・パラメータを決定する。
フォトレジストの島部分は、選択したウエハ領域に亘っ
て一様に分布しているので、その領域内の任意の点を検
査ないし診断のために選択することができる。島部分の
フォトレジスト被膜の高さないしパタン精度の検査ない
し診断によりリソグラフィ装置特性ないしプロセス特性
の異常も検出できる。
D.実施例 第１図は、トポグラフィ作成マスク上の大エレメントの
１つのグループの平面を示している。種々の描画装置と
共に用いられる種々のリソグラフィ・マスクは、構成が
幾分異なるものの、放射線を透過しない材料で被覆され
た装置によって放射される放射線波長を透過させるサブ
ストレート材料により作られている。マスクには、放射
線を透過させない材料が所定形状にパタン作成され、パ
タン作成されない箇所は放射線が通過する。例えば第１
図で、大エレメントの各グループは、矩形状とするのが
好適な少なくとも３個のエレメントより構成される。ポ
ジ型レジストに対しては、各矩形エレメントは、リソグ
ラフィ装置により放射された放射線を透過し、フィール
ド領域にデポジットされた放射線不透過材料で取り囲ま
れている。ネガ型レジストに対しては、矩形エレメント
は放射線を透過せず、周辺領域は放射線を透過する。
第１図において、第１の大エレメント13は、その長手方
向軸がｘ方向14にほぼ平行になるように配置されてお
り、第２の大エレメント15は、その長手方向軸がｙ方向
16にほぼ平行になるように配置されており、第３の大エ
レメント17は、その長手方向軸がｘ方向14に対し90に等
しくない角度20をなすライン18にほぼ平行になるように
配置されている。理想的には、この角度20は45である。
45の場合には、露光されるエレメント17はライン18に沿
って等しいＸ成分およびＹ成分を有するようになるから
である。第１図に示すように、各矩形エレメントの一端
は、他の２つの矩形エレメントの一端に近接して配置さ
れ、Ｙ字状となっている。
第２図は、周期パタン作成マスクにおける微細エレメン
トの１グループの平面を示している。微細エレメント
は、第１図のトポグラフィ作成マスクのエレメント13,1
5,17に相当する３つのセット21,23,25に分けられてい
る。各セットに属する平行配列の微細エレメントはライ
ン幅に応じて複数の組（以下、サブセットと呼ぶ）に振
り分けて配列され、同一の組に属する微細エレメントの
ライン幅は同一であり、他方、異なる組に属する微細エ
レメントのライン幅は異なる。実施例では、各大エレメ
ントの集合端、すなわち中心に位置した組のライン幅が
最小であり、他方、中心から遠ざかる位置にある組のラ
イン幅は順次に大きくなっている。好適には、周期パタ
ン作成マスクの種々のサブセットのラインの幅および間
隔は、最適化される集積回路における臨界エレメントの
ライン幅と同じオーダに選択される。例えば、リソグラ
フィ・プロセスにおける臨界エレメントは、１ミクロン
のラインである。サブセット21Aの４本の平行ライン
は、0.4ミクロン幅で、0.4ミクロンの間隔で分離されて
いる。
サブセット21Bの４本の平行ラインは、0.6ミクロン幅
で、0.6ミクロンの間隔で分離されている。サブセット2
1Cの４本の平行ラインは、0.8ミクロン幅で、0.8ミクロ
ンのスペースで分離されている。サブセット21Dの４本
の平行ラインは、１ミクロン幅で、１ミクロンの間隔で
分離されている。このように、1.6ミクロン幅で、1.6ミ
クロンの間隔で分離されているサブセット21Gの平行ラ
インまで続く。３セットの微細エレメント21,23,25にお
いて、同一の周期パタンを繰り返すのが好適である。
周期パタン作成マスクの周期パタンは、臨界エレメント
幅よりも小さい同一幅で変化するライン、および、臨界
エレメント幅よりも大きい幅で変化するラインを有する
必要がないが、臨界エレメント幅をライン幅の範囲内に
含むようにするのが望ましい。各サブセットのライン
は、ラインの幅に等しい間隔で分離される必要はないの
で、上述の実施例では、サブセット21Aは、0.4ミクロン
幅で、0.6ミクロンの間隔で分離された４本の平行ライ
ンを有するというようにすることができる。この実施例
の他の特徴は、周期パタン作成マスクにおいて、各サブ
セットの１本のラインが、そのサブセットの他のライン
よりも長いことである。これにより、プロセス・エンジ
ニアが、密に配列されたラインの近接効果と、疎に配列
されたラインの近接効果とを比較することが可能とな
る。同様に、サブセットの長いラインの各々の端部にお
いて、ラインと同じ幅の正方形を配置し、特定のライン
幅での開口（以下、バイアと呼ぶ）あるいはスタッド精
度を検査することができる。
第３図は、周期パタン作成マスクの微細エレメントが、
トポグラフィ作成マスクの大エレメントに重なった状態
を示している。第１セット21の微細エレメントは、第１
の矩形エレメント13に重なっており、これらｘ方向にほ
ぼ平行に配置されている。第２セット23の微細エレメン
トは、第２の矩形エレメント15と重なり、これらはｙ方
向にほぼ平行な方向に配置されている。第３セット25の
微細エレメントは、第３の矩形エレメントと重なり、こ
れらはｘ方向に45の角度をなす方向にほぼ平行に配置さ
れている。微細エレメントの周期パタンの各ラインは、
全部のセットが沿って配置されているラインに直交して
いる。各ラインは下側の矩形の大エレメントの幅よりも
長いので、プロセス・デザイナが特定のリソグラフィ装
置の焦点深度を決定することを可能にする。焦点深度
は、大きいエレメント上にあるラインと、大エレメント
外にあるラインとを比較することによって決定できる。
その理由は、トポグラフィが一旦作成されると、矩形エ
レメント内のライン部分は、矩形エレメント外のライン
部分とは異なる高さにあるからである。また、上述した
ように、リソグラフィ装置のレンズ系の欠陥に対する大
きな感度，反射の影響，露出，強度，単一点をできるだ
け正確にシミュレートする要求の故に、最も細いライン
はグループの中心に向かって配置される。
第４図は、第２の周期パタン作成マスクを示す。
このマスクは、第１図のトポグラフィ作成マスクの大矩
形エレメント13,15,17のグループに重ね合わされる第２
図および第３図に示した第１の周期パタン作成マスクよ
りも大きい、微細ラインのセット31,33,35のグループを
有している。この第２の周期パタン作成マスクには、第
１の周期パタン作成マスクの４本のラインとは異なり、
各サブセットに同一の３本のラインを有している。これ
らラインの幅は、２ミクロン素子が必要とされるリソグ
ラフィ・プロセスを最適化するために、１ミクロン〜３
ミクロンの間で変化している。第４図では、微細エレメ
ント・セット33,35は、上述したようにリソグラフィ装
置パラメータを測定するのに有効でなくなる傾向にある
グループの中心から離れるに従ってラインが細くなって
いる。
第５図は、光学的ステッパ（stepper）に用いられるよ
うなトポグラフィ作成マスク上のエレメントのグループ
の12×12の配列を示す平面図である。このパタンは、各
チップ領域がパタン作成されるウェハ上の領域、あるい
はエンジニアが選択するウェハ上の領域で繰り返し配列
される。ウェハ上でのパタン繰り返しは、多くの集積回
路チップが１つのウェハから製造される実際の製造プロ
セスをシュミレートしている。特に大きなプロダクト・
チップがシュミレートされる場合、実際に用いられるア
レイ・パタンは第５図に示す12×12のアレイ・パタンよ
りも大きくなる。
第６図は、まばらに設けられた周期パタン作成マスクが
重ねられたトポグラフィ作成マスクの12×12アレイ・パ
タンを示す。これは、トポグラフィ作成マスク上の大エ
レメントのグループと、このグループの数とは同じでな
い、周期パタン作成マスク上の微細エレメントのグルー
プとが存在する場合の一般的な実施例を示している。
第６図において、小エレメントのグループよりも大エレ
メントのグループが多く存在している。しかし、状況を
逆にして、多数の微細エレメントのグループを、選択さ
れた大エレメントのいくつかのグループによって作成さ
れたトポグラフィ上に重ねるようにしてもよい。周期パ
タン内の微細エレメントのいくつかのグループを、トポ
グラフィ作成マスクの大エレメント上に、平坦なウェハ
表面上に設けられた他の微細エレメントと並んで配置す
ることにより、視野の深さおよびサブストレートの反射
の影響を調べることができる。このようにして、微細ラ
インのリソグラフィック・パタン上の、化学的成長表
面，エッチング除去された表面あるいは植め込み表面の
影響を調べることができる。その理由は、このような表
面は平坦なウェハ表面とは反射率において非常に異なる
からである。
第７図は、トポグラフィ作成マスク上の大エレメントの
各グループが、周期パタン作成マスク上の微細エレメン
トのグループで重ねられている12×12のアレイ・パタン
を示している。プロセス・エンジニアは、この発明の１
つのマスクを用いて、種々の目的を達成することができ
る。この発明は、リソグラフィ・プロセスを最適化する
には、プロダクト・マスク・パタンを使用するよりも優
れている。サブストレートの選択された領域上に、臨界
エレメントを表す微細エレメントのグループを一様に分
布させることによって、描画装置異常が隠れている“ブ
ラインド・スポット”を無くすことが可能となる。プロ
セス・エンジニアは、マスク・パタンを検査して、プロ
ダクト・ウェハ上のわすかな場所に発生する臨界エレメ
ントを見つける必要がなくなる。この発明によれば、迅
速なプロセス・チェックを行うことができる。幅が臨界
エレメントに相当する周期パタン作成マスク上の微細エ
レメントを解像できなければ、この事実により、不適切
な装置の購入を避けることができ、あるいは現在の装置
が製造に不適切であることの指示が得られる。臨界エレ
メントが精密なトポグラフィを有するサブストレートに
重ねられるならば、トポグラフィ作成マスクによって形
成された最低の高さと最高の高さにある微細エレメント
の比較により、焦点深度が適切であるか否かを決定する
ことができる。
或るリソグラフィ工程に対して、リソグラフィ装置およ
びレジスト系が不適当であることが一旦明らかになる
と、個々のチップ領域上のウェハにわたる焦点あるいは
露光時間を変更することによる装置の微調整により、あ
るいは作業ロットの個々のウェハ上のレジスト厚さある
いは現像時間を変更することによるレジスト系の微調整
により、最良の動作点を迅速に最適化できる。トポグラ
フィ上の反射ノッチングも検査され最適化される。ノッ
チングは、工程によって生じる増大反射率による工程中
のレジスト・ラインの狭小化である。トポグラフィを平
坦化し、描画を容易にするには、多層レジスト・プロセ
スを行う必要があることがわかる。
この発明を利用して、レジスト一様性，エッチ一様性，
現像温度，ロット対ロット・レジスト一様性，露光波
長，検査に対して得られる多数の微細エレメントのグル
ープの故にチップ及びチップ対チップ内の照度一様性に
関する多くの情報を収集できる。実験的マトリクスが各
ウェハについて形成される場合には、同じ数のウェハに
ついてより多くの情報を収集することができる。例え
ば、露光時間のような第１にプロセス・パラメータを、
ウェハの水平方向にわたって変えることができ、焦点の
ような第２のプロセス・パラメータを、ウェハの垂直方
向にわたって変えることができる。実験での各ウェハ
は、わずかに異なるレジスト系あるいは現像温度を有す
るので、プロセス・エンジニアが、比較的少ないリソー
スで非常に多種類のパラメータの影響を調べることが可
能となる。
この発明によって得られる情報の多くは、周期パタン作
成マスク上で得られる。したがって、焦点深度情報が必
要とされないならば、例えば、特定の装置あるいはレベ
ルに対して最良の焦点がすでに決定されいるならば、あ
るいはレジスト層が比較的小さなトポグラフィあるいは
平坦化されたサブストレート表面に設けられるならば、
周期パタン作成マスクのみを用いることができる。
第8A図〜第8E図は、リソグラフィ・プロセスを最適化す
るために、この発明に基づいたプロセスが行われるウェ
アの一部の断面を示している。
第8A図は、フォトレジスト43の層で被覆されたウェハ・
サブストレート層41を示す。第8A図〜第8E図において、
Shipley AZ1350Jのようなポジ型フォトレジストを使用
するが、この発明は、ネガ型フォトレジスト・リソグラ
フィ・プロセスの最適化に対しても適用できる。ウェハ
・サブストレート層41を、バルク・ウェハを作成するも
のと類似の単結晶シリコンとすることができる。あるい
は、その上に最適化されるエレメントがプロダクト・ウ
ェハにおいて垂直方向に積層される同じ材料の層とする
のが好適である。例えば、シリコン内のデバイスを相互
接続する金属線が酸化シリコン上に設けられている場合
に、金属線エレメントを最適化するとき、ウェハ・サブ
ストレート層41は、酸化シリコン層とするのが好適であ
る。代表的な半導体製造ラインでは、各製造ロット毎
に、多数のプロダクト用ウエハと共に１個以上のモニタ
用ウエハが同様な処理を受ける。モニタ・ウエハを用い
ることで、プロセス・エンジニアはウェハ・サブストレ
ート層41がプロダクト・ウェハのそれと同じであること
を確保することができる。
第8B図は、トポグラフィ作成マスクを用いてフォトレジ
スト層43を露光し、エッチング・プロセスを用いて、ウ
ェハ・サブストレート層41に大きなバイア44をエッチン
グした後のウェハの断面を示している。バイア44の深さ
は、１ミクロンのオーダである。図示の断面は、第１図
に示す矩形エレメント13のｘ方向14に沿って切断された
ウェハの走査形電子顕微鏡（SEM）写真に相当してい
る。第8B図に示されるように、ウェハ・サブストレート
41は大バイア44の深さよりも厚い。エッチング・プロセ
スによってプロダクト・ウェハに異なる反射率の層が露
出される製造工程がシミュレートされるならば、バイア
44の深さよりも薄いウェハ・サブストレート層41が、異
なる反射率の材料上に付着される。
あるいはまた、ウェハ・サブストレート層41に大バイヤ
44をエッチングする代わりに、別のトポグラフィ作成工
程を行って、サブストレート層上のフィールド領域より
も高い台形を形成することもできる。代表的なリフトオ
フ・プロセスを用いて、サブストレート上に大形電気接
点領域の材料を付付着することもできる。大面積の電気
接点領域は、ウェハ・サブストレート層41とは異なる反
射率を有する異なる材料とすることができ、あるいは同
一材料とすることもできる。台形は、台形の周囲のすべ
てのフィールド領域を台形状にエッチングするウェハ・
サブストレート層41の部分をマスキングすることによっ
ても形成できる。
トポグラフィがウェハ・サブストレート層41に形成され
た後、余分のレジスト43を除去する。フォトレジストの
第２の層を設け、周期パタン作成マスクで微細エレメン
ト45A,35B,45Cのサブセットをリソグラフィでパタン形
成する。第１のトポグラフィ作成工程を実施したのと同
じリソグラフィ装置で、あるいは装置対装置の重ね合わ
せ特性をアクセスするために異なる装置によって、第２
のリソグラフィ工程を実施するとことができる。第8C図
は、微細エレメント45A、すなわち大バイア44の底部に
位置する２ミクロン幅の間隔で分離された２ミクロン幅
のラインの断面を示している。この断面図で、ライン45
Aは、良好な形状，レジスト・スロープ等を示してい
る。走査形電子顕微鏡は、像転写およびレジスト高さを
評価するのに用いられる。
第8D図は、第8C図に示したように、微細ライン45Aの同
一サブセットの断面を示しているが、第8D図ではバイア
44がエッチングされなかった領域、すなわち第8C図にお
けるよりも１ミクロン高い領域のウェハ・サブストレー
ト層41上の微細ラインが示されている。ライン45A′
は、形状不良に形成され、リソグラフィ装置が極端に不
良の焦点深度を有する状況をシミュレートしている。
第8E図は、この発明の特に有用な特徴を示している。す
べてのリソグラフィ装置は、選択可能な変数の複雑な組
の積であるインパルス応答あるいは拡張機能を有してい
る。周期パタン作成マスクは、簡単な高さ測定がインパ
ルス応答を取り出すことを可能にするように構成されて
いる。インパルス応答が100％ならば、微細エレメント4
5Bが露光され現像されるときに、フォトレジスト層の全
体の厚さが保持される。インパルス応答が100％より小
さければ、放射束の“落ちこぼれ（Spillover）”は微
細エレメント45Cの露光像のレジスト高さを減少させ
る。最後には、周期パタン作成マスクの微細エレメント
の寸法が段々と減少するに従って、レジストはウェハ・
サブストレート層41上に全く残留しなくなる。
第9A図〜第9D図は、この発明のマスク・セットの他の実
施例の平面図である。第第9A図は、トポグラフィ作成マ
スクと、ｘ方向およびｙ方向に沿ったエレメント間に存
在する斜めエレメントを有する周期パタン作成マスクを
示しいる。この実施例は、３セットの微細エレメント
が、互いに近接してないので、前述した他の実施例ほど
には好適でない。
第9B図は、ｘ軸に対し45の角度をなすが、第３のエレメ
ントが配置されているラインに対して直交するラインに
沿って配置された追加の第４のエレメントを示してい
る。この実施例は、第４のエレメントが追加されている
ので、さらに他の追加情報が得られ、前述した他の実施
例よりは少し効果的である。しかし、基本的な３つのエ
レメントにさらに他のエレメントを追加できることは明
らかである。
第9C図は、前述した実施例の変形を示す。まず第１に、
３つのエレメントが一緒に結合したトポグラフィ作成マ
スクを示している。第２に、マスクの第１および第２の
エレメントは、ｘ方向,y方向に平行に配置されず、ｘ方
向に対し90に等しくない角度をなすラインに沿って配置
されている。ここに、第１のエレメントは、ｘ方向に対
し45°の角度をなすラインに沿って配置され、第２のエ
レメントはｘ方向から45°の角度をなし、第１のエレメ
ントからは90°の角度をなすラインに沿って配置され、
第３のエレメントはｙ方向に沿って配置されている。第
１および第２のエレメントはｘ方向に対し45°の角度に
あるので、ｘ方向効果あるいはｙ方向効果を分離するの
が比較的容易である。
第9D図は、周期パタン作成マスクの微細エレメントが、
前述した実施例に比べて90°回転している例を示す。こ
のマスク・セットでは、マスク上の微細なエレメントと
大エレメントとは、ｘ方向,y方向あるいは特定の斜め方
向に平行に配置されている。
ミクロンおよびサブミクロンのリソグラフィを実現する
ことに対する問題点は、パタンをリソグラフィ・マスク
からフォトレジスト被覆ウェハ上へ非常に正確に転写す
ることである。リソグラフィ・プロセスを最適化するの
に完全に特徴づけられる多数の装置依存性パラメータが
存在する。過去においては、描画システムの全光学特性
は、光学および複雑なコンピュータ・システムに依存し
ている。しかし、これらの従来方法では、増加的に細く
なるリソグラフィ・ラインに対し、あるいはサブストレ
ート上のより高いトポグラフィに対し、この本発明のよ
うに描画転写システムの完全な測定は不可能である。
光学的ステッパ装置に対する基本的精度は、用いる光の
波長，レンズ系の精度，照射源の均一性およびコヒーレ
ンスにより、制限されている。これらの特性は、大部
分、特定のステッパ装置が可能とする解像像度，焦点深
度，露光フィールド寸法である。最近の半導体技術によ
れば、精密なトポグラフィを形成できるので、サブスト
レート上の異なる高さで微細エレメントを完全に解像す
ることが必要となる。また、半導体チップ上の回路集積
度が増大するにつれて、全体のチップ面積は、大きな露
光フィールド寸法を必要とする。
２種類のＸ線リソグラフィ装置が存在する。すなわちメ
ガボルトの電子ビームの周回運動によりＸ線を発生する
シンクロトロン装置と、１次加速電子が当たるターゲッ
トから放射されるＸ線放射線を取り出す放射型装置であ
る。Ｘ線リソグラフィ装置の性能を定める特性は、フィ
ールドを横切るフラックスの均一性、フィールド寸法，
用いるＸ線の波長，全体のドーズ・レベル，硬対軟Ｘ
線,X線マスクの加熱効果を含んでいる。
電子ビーム・リソグラフィ装置は、一定サイズの電子ビ
ームでウェハを走査し、あるいは幾何学領域を形成する
ために小矩形の小さな組を照射することによって、ウェ
ハにフォトレジスト層をパタン形成する。電子ビーム装
置は、低速ではあるが、物理的マスクを製造する必要が
ないという点でフレキシビリティがある。
正確な像転写に影響を与える多くのパラメータ、および
それらの相互関係の複雑さの故に、フォトリソグラフィ
・プロセスを迅速に評価し、どのパラメータを補正しな
ければならないかを識別するという、この発明の有用性
は、数週間〜数箇月の製造時間の節約を可能にする。フ
ォトレジスト被覆サブストレートへのマスク・パタンの
正確な転写に影響を与える上述の多くのパラメータは、
ウェハ上の選ばれた場所でSEM写真をとることによって
評価できる。SEMについては、日立製作所製のModel No.
S−806のようなSEMが市販されている。このModel No.S
−806によれば、プロセス・エンジニアが、ウェハの断
面を検査するという退屈な作業を行うことなく、全半導
体ウェハのSEM測定を行うことが可能となる。これは、S
EMデータを収集するのに確かに好適な方法である。プロ
セス・エンジニアが興味を持つ多くの情報は、ウェハの
外部および周辺から、多数のチップ領域を選ぶことによ
って、収集される。レジスト系および現像機に関するプ
ロセス特性，ウェハに対する種々の描画装置特性の一様
性，装置対装置の重ね合わせ能力に関する特性のような
パラメータは、レジスト高さおよび選ばれたチップ領域
での解像度を比較することによって検討される。上述し
たように、この発明は、また、第１のプロセス・パラメ
ータが垂直方向に変化し、第２のプロセス・パラメータ
が水平方向に変化する実験的マトリクスをウェハに形成
するのに用いることができる。この場合、１つのウェハ
に対しより多くのSEM写真がとられ、それら写真の分布
は実験的マトリクスの軸に従って選ばれる。
エンジニアが興味を持ついくつかの情報は、特定のチッ
プ内で収集される。放射線源の均一性およびコヒーレン
スのようなパラメータは、チップの外側縁部での微細エ
レメントのグループを、チップ中央部での微細エレメン
トのグループと比較することによって検出される。これ
らが非常に異なっていると、リソグラフィ装置に問題が
あることがわかる。直交方向および斜め方向に沿った配
置された微細エレメントを使用することにより、装置の
光学系の評価が可能となる。
プロダクト・チップのほとんどのエレメントは、斜め方
向でなく垂直および水平方向に配置されているので、レ
ンズ系において正確な欠陥を確認するのは多くの場合困
難である。45°の斜め方向にある微細エレメントを用い
ることは特に有効である。その理由は、これら微細エレ
メントは、リソグラフィ装置の光学系における垂直ある
いは水平の欠陥の影響を分離するのが容易なＸ成分およ
びＹ成分を持っているからである。
第8E図に示すようなインパルス応答、コントラスト比，
光転写機能を特徴づけるためのこの発明の利用につい
て、さらに説明する。フォトレジストに形成される像に
対しては、マスクの幾何学関係を正確に転写するだけで
なく、露光・現像される領域の光ビームを最大にし、レ
ジスト層が保持される領域は“光無し”の状態にする。
コントラスト比（Imax−Imin）／（Imax＋Imin）は、露
光領域と非露光領域との間で理想的には100％である
が、実際に、放射束の“落ちこぼれ”が露光領域から暗
領域へ発生する。像を転写するレンズ能力を表す曲線
は、光転写機能と呼ばれている。
この発明では、上述したインパルス応答のように、微細
エレメントの寸法が小さくなったレジスト層の高さによ
って、コントラスト比が計算される。光転写機能は、チ
ップ領域上の種々の位置で計算されたコントラスト比か
ら導出される。
特定寸法の像の転写に対して有用であるには、リソグラ
フィは、明領域と暗領域との間のコントラスト比を少な
くとも60％に保持しなければならい。像のエッジで回折
効果のために、放射線を近傍の暗領域へ拡散するので、
特に非常に小さい要素に対して放射線の強度が減少す
る。この回折効果の結果、暗領域でのフォトレジストの
部分露光に加えて、小さな領域に対する露光時間が大き
くなる。一般に、周期性が大きく、すなわちエレメント
が小さくなればなるほど、光転写機能は劣化する。
フォトリソグラフィ技術における当業者には、多くの電
子ビーム描画装置が、このようなリソグラフィ・マスク
を用いないことはすでに常識となっている。このような
装置は、特に矩形エレメントのコーナでビーム幅を正確
に規定するために、矩形状の小さな組を用いている。そ
れにもかかわらず、この発明の原理は、第8A図〜第8E図
に示した方法により実施できる。すなわち、トポグラフ
ィおよび微細エレメント・パタンは、リソグラフィ・マ
スクに物理的に含めることなく、電子ビーム描画装置の
メモリに簡単に格納することができる。
以上、この発明を特定の実施例に基づいて説明したが、
当業者であれば、この発明の精神と範囲に逸脱すること
なく変更を加えることができることが理解されるであろ
う。例えば、１つのトポグラフィ作成マスクあるいは工
程について説明したが、多数の階段状バイアまたはバイ
アと台形の組合せをウェハ・サブストレート層上に形成
することができる。これらの実施例は一例であり、本発
明の範囲を限定するものではない。
E.効果 本発明によれば、使用すべきリソグラフィ装置の実際の
装置特性およびプロセス特性を正確に評価できるので、
正確な転写に必要なプロセス・パラメータを決定でき
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は、この発明に従って構成されたトポグラフィ作
成マスク上の１つのグループの大エレメントの平面図、 第２図は、この発明に従って構成された周期パタン作成
マスク上の１つのグループの微細エレメントの平面図、 第３図は、第１図のトポグラフィ作成マスク上の１つの
グループの大エレメントに重ね合わされた第２図の周期
パタン作成マスクの１つのグループの微細エレメントの
平面図。 第４図は、第１図のトポグラフィ作成マスク上の１つの
グループの大エレメントに重ね合わされた第２の周期パ
タン作成マスクの第２のグループの微細エレメントの平
面図、 第５図は、トポグラフィ作成マスク上の12×12アレイの
グループの大エレメントの平面図、 第６図は、９個の選択グループが周期パタン作成マスク
の微細エレメントのグループで重ね合わされた、トポグ
ラフィ作成マスク上の12×12アレイのグループの大エレ
メントの平面図、 第７図は、すべてのグループが周期パタン作成マスクの
微細エレメントのグループで重ね合わされた、トポグラ
フィ作成マスク上の12×12アレイのグループの大エレメ
ントの平面図、 第8A図〜第8E図は、この発明によりフォトリソグラフィ
・プロセスを特徴ずける方法を説明するためのサブスト
レート断面図、 第9A図〜第9D図は、この発明の原理に従って構成された
補助的トポグラフィ作成マスク上の大エレメントのグル
ープで重ね合わされたいくつかの異なる周期パタン作成
マスクの微細エレメントのグループの異なる実施例の平
面図である。 13……第１の大エレメント 14……ｘ方向 15……第２の大エレメント 16……ｙ方向 17……第３の大エレメント 18……斜め方向 20……角度 21,23,25……微細エレメント・セット 21A〜21G……微細エレメント・サブセット 23A〜23G……微細エレメント・サブセット 25A〜25G……微細エレメント・サブセット 31,33,35……微細エレメント・サブセット 41……サブストレート 43……フォトレジスト層 44……バイア 45A,45B,45C……微細エレメント

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体材料のウエハ、または該ウエハ上に
    付着された無機材料の絶縁被膜のような基体層上に、リ
    ソグラフィ法により所定マスクパタンを転写する工程を
    含む半導体集積回路の製造に当り、マスクパタンの転写
    に先立って、使用すべきリソグラフィ装置による正確な
    転写を確保するのに必要なプロセス・パラメータをモニ
    タ用の基体層に関して決定して使用すべきリソグラフィ
    装置によるリソグラフィ・プロセスを最適化する方法で
    あって、 （イ）中心から実質的にＹ字状に伸長している実質的に
    矩形状の大開口マスク・パタンを有する第１のマスク
    と、使用時に前記大開口マスク・パタンの幅位置の各々
    において各開口を横切って幅よりも長く延びるように配
    列され、所定の回路または配線と同一オーダの線幅の繰
    り返しパタンであって同一の組内の繰り返しパタンの線
    幅が同一であり異なる組に属する繰り返しパタンの線幅
    が異なるように選択されている第２のマスクとを、各
    々、準備する工程、 （ロ）モニタ用の基体層上に塗付したフォトレジスト被
    膜の選択領域を前記第１マスクを介して露光し、現像
    し、エッチングにより前記モニタ用基体層の表面内に前
    記第１マスクのマスク・パタンに対応する大開口を所定
    の深さに亘って形成する工程、 （ハ）前記大開口を含む前記モニタ用基体層表面上にフ
    ォトレジスト被膜を形成し、該フォトレジスト被膜を前
    記第２マスクを介して露光し、現像して前記大開口内に
    露出した前記基体層の部分および大開口を囲む基体層の
    周辺部分に前記第２マスクの微細な線パタンに対応する
    フォトレジスト被膜の島部分を形成する工程、 （ニ）前記フォトレジスト被膜の島部分の形状を調査し
    て正確な転写に必要なリソグラフィ・プロセス・パラメ
    ータの変更を決定する工程、 とより成るリソグラフィ・プロセスの最適化方法。
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