WO2006059377A1 - 半導体装置及びその製造方法並びにフォトマスク - Google Patents

半導体装置及びその製造方法並びにフォトマスク Download PDF

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WO2006059377A1
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pattern
exposure
focus
monitoring
semiconductor device
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PCT/JP2004/017810
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Mika Takahara
Tohru Higashi
Shigehiro Toyoda
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Spansion Llc
Spansion Japan Limited
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    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70483—Information management; Active and passive control; Testing; Wafer monitoring, e.g. pattern monitoring
    • G03F7/70605—Workpiece metrology
    • G03F7/70616—Monitoring the printed patterns
    • G03F7/70641—Focus
    • G—PHYSICS
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    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F1/00—Originals for photomechanical production of textured or patterned surfaces, e.g., masks, photo-masks, reticles; Mask blanks or pellicles therefor; Containers specially adapted therefor; Preparation thereof
    • G03F1/38—Masks having auxiliary features, e.g. special coatings or marks for alignment or testing; Preparation thereof
    • G03F1/44—Testing or measuring features, e.g. grid patterns, focus monitors, sawtooth scales or notched scales

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, a technique for manufacturing a semiconductor device using focus monitoring in a photomask and photolithographic process and image plane tilt monitoring of projection exposure. About.
  • FIG. 1 is a conceptual cross-sectional view for qualitatively explaining the relationship between the exposure amount and the pattern width.
  • Fig. 1 (b) shows the resist obtained by exposure when the exposure is optimal
  • Fig. 1 (b) shows that the exposure is excessive
  • Fig. 1 (c) shows the resist obtained by exposure when the exposure is insufficient (under).
  • the pattern (1 la-11c) is shown.
  • Reference numeral 10 denotes a substrate having a surface coated with a resist.
  • Fig. 1 (b) when the exposure dose is excessive (Fig. 1 (b)), a narrower pattern is obtained compared to the case of patterning with an appropriate exposure dose (Fig. 1 (a)).
  • Fig. 1 (c) shows a wider pattern is obtained than when patterning with an appropriate exposure dose (Fig. 1 (a)).
  • the line width of the pattern formed on the semiconductor substrate is monitored, and the result is fed back to the exposure amount control. It is common to monitor the exposure by a procedure.
  • Fig. 2 is a conceptual diagram for qualitatively explaining the relationship between the focus (deviation) and the cross-sectional shape of the pattern.
  • Fig. 2 (a) shows the case where the focus amount is optimal (best'focus).
  • 2 (b) shows a resist pattern (21a-21c) obtained by exposure when the amount of focus is excessive (ono-focus), and
  • Fig. 2 (c) shows a case where the amount of focus is insufficient (under-focus).
  • the shape is shown.
  • the top edge is the bottom in the best focus.
  • a trapezoidal pattern that is shorter than the side is obtained, whereas a trapezoidal pattern with the top side longer than the bottom (reverse) is obtained in the case of overfocus (Fig. 2 (b)).
  • FIG. 3 is a flowchart for explaining an outline of an example of a conventional focus monitoring method.
  • the medium force of a pattern formed in a semiconductor device during the manufacturing process is also set to the focus condition. It is easy to be affected, and a method is adopted in which a pattern is identified and the line width of the pattern is measured. Specifically, the product is first exposed (step S301), and the force is also easily affected by the focus condition, and the pattern is selected and its line width is measured (step S302).
  • step S303 The pattern line width is compared with the design value (step S303), and if the design value is as it is (step S303: Yes), the product is delivered to the next process (step S309). On the other hand, if the pattern line width deviates from the design value (step S303: No), it is determined that the conditions such as exposure amount and focus are not appropriate, so the exposure amount and focus value are used as parameters. The exposure is performed again by setting new exposure conditions (step S304). Then, an appropriate exposure amount and focus value are obtained (step S305), and it is determined whether or not the exposure condition in step S301 is deviated from the proper focus (step S306).
  • Step S306 If it is determined that the focus condition is appropriate! (Step S306: Yes), the cause of the focus shift is investigated and specified to correct the focus condition. (Step S307), the product is delivered to the next process (Step S309). On the other hand, if it is determined that the force condition is appropriate (step S306: No), it is determined that the exposure value is also deviated from the appropriate value, and the exposure value is corrected (step S308). To the next process (Step S309).
  • a technique for monitoring the state of image plane tilt during projection exposure is also an extremely important semiconductor manufacturing technique. This is a precondition for ensuring a high yield when a large number of semiconductor chips are fabricated on a large-diameter wafer, so that appropriate exposure is performed on the entire surface of the wafer.
  • new warping may occur due to heat treatment performed during the manufacturing process. However, it is not always easy to make it flat.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining an example of such an image plane inclination monitoring pattern and the focus amount dependency of the line width of the pattern.
  • reference numeral 10 denotes a substrate
  • reference numerals 41 and 42 denote patterned resists.
  • the line width of the pattern for example, L1 or The dimension of L2
  • the pattern line width takes the maximum value when the exposure is performed under the best focus (zero focus deviation) condition.
  • the best focus point is the point where the focus amount is changed by a certain amount to obtain the correlation between the focus amount and the pattern line width and the peak of the correlation curve is given.
  • the best focus point can be determined by measuring the line width of the turn.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining an example of monitoring the image plane inclination using the focus amount dependency of the pattern line width.
  • a plurality of chip patterns are printed on the exposure area 50 of one shot (one exposure step).
  • there is an image plane tilt in this one-shot exposure area 50 and points A and B out of the four corner points of the area are in the best focus state, while C It is assumed that the points and D points are in an over-focus state.
  • the conventional focus monitoring method compares the pattern width with the design value, either the exposure amount or the focus amount, which is a factor affecting the variation in the pattern width, is an appropriate value. It is difficult to determine whether there is a force deviation, and this requires the troublesome procedure of adjusting to the appropriate focus condition by using a wafer with the exposure amount and focus value as parameters. is there. In other words, with the conventional focus monitoring method, it is difficult to quickly detect the “shift” even if the focus condition deviates from the appropriate value! This makes the semiconductor device manufacturing process complicated. It is also a factor of lowering throughput.
  • the present invention has been made in view of a serious problem, and performs quick focus adjustment using a focus monitoring pattern provided on a photomask, and Z or
  • An object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device and a method for manufacturing the same, which makes it possible to monitor an image plane inclination in a shot by multiple printing.
  • the present invention includes a wafer and a focus monitoring pattern formed on the wafer, and the focus monitoring pattern includes at least one pair of first and second patterns, and the first monitoring pattern
  • the pattern has a non-exposed area surrounded by an exposed area
  • the second pattern is a semiconductor device having an exposed area surrounded by a non-exposed area.
  • Each of the first and second patterns may have a shape in which the pattern line width continuously changes, a shape in which the pattern line width changes in steps, or a configuration having a plurality of vertices.
  • the first and second patterns can be configured to be formed in the peripheral area inside and outside the area exposed by one shot.
  • the semiconductor device may be configured to have a plurality of focus monitoring patterns arranged linearly on the wafer.
  • the focus monitoring pattern may be arranged linearly in the vertical and horizontal directions on the wafer.
  • the present invention also provides a pattern having at least one pair of a first pattern having a non-exposure area surrounded by an exposure area and a second pattern having an exposure area surrounded by the non-exposure area.
  • a semiconductor device manufacturing method comprising: forming a residue monitoring pattern on a wafer; and checking a focus state of exposure by measuring a width of each of the formed first and second patterns. Including methods.
  • the checking step may be configured to measure widths in the vertical and horizontal directions of the first and second patterns.
  • the semiconductor device manufacturing method may further include a step of changing an exposure condition using a result of clicking on the focus state of the exposure.
  • the present invention also linearly arranges a plurality of pairs of a first pattern having a non-exposure area surrounded by an exposure area and a second pattern having an exposure area surrounded by the non-exposure area.
  • a step of calculating an image plane inclination of the exposure area by converting into a displacement of the above.
  • the dimensions of the plurality of monitoring marks are converted into vertical displacements, and at this time, the predetermined condition is satisfied. It is possible to adopt a configuration having a step of calculating the image plane inclination of the exposure region by reversing the sign of the vertical displacement.
  • the calculating step may be configured to calculate an inclined surface of the exposure area by approximating least square displacements of a plurality of monitoring marks in the vertical direction.
  • a first pattern having a non-exposure region surrounded by an exposure region and a second pattern having an exposure region surrounded by a non-exposure region are formed on the wafer in pairs.
  • Both the first and second patterns can have a region having a line width equal to or smaller than the minimum line width of the force device pattern.
  • the first and second patterns may be formed at positions corresponding to the dicing area of the wafer.
  • the present invention also includes a computer program product comprising the steps of the monitoring method.
  • the invention's effect is not limited to:
  • FIG. 1 A cross-sectional conceptual diagram for qualitatively explaining the relationship between exposure dose and pattern width, where (a) is the optimum exposure dose and (b) is excessive (over) exposure dose And (c) shows the resist pattern obtained by exposure when the exposure is insufficient (under).
  • FIG. 3 is a flowchart for explaining an outline of an example of a conventional focus monitoring method.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining an example of an image plane inclination monitoring pattern and the focus amount dependency of the line width of the pattern.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining an example of monitoring the image plane inclination using the dependency of the pattern line width on the focus amount.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the principle of the focus monitoring method of the present invention, in which (a) shows a state of a solid resist before exposure provided on a substrate, and (b) and (c) Fig. 4 shows the state of the "left" pattern (b) and the "extracted” pattern (c) formed by exposure, respectively.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the relationship between the focus amount and the pattern width (a) and the exposure amount and the pattern width (b) for the “leaving” pattern.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a relationship between a focus amount and a pattern width (a) and an exposure amount and a pattern width (b) for an “extract” pattern.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the relationship between the focus amount and the pattern width (a) and the exposure amount and the pattern width (b) when the “remaining” pattern and the “extract” pattern are used together.
  • FIG. 10 is a flowchart for explaining an outline of an example of the focus monitoring method of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining a specific example of a “remain” pattern (a) and a “removal” pattern (b) of a focus monitoring mark.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining a specific example of a “remaining” pattern (a) and a “removal” pattern (b) of a focus monitoring mark.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining the state of one shot in a state in which a plurality of monitoring marks used in the method for monitoring the tilt of the image surface according to the present invention are arranged, (a) is a top view, and (b) is a side view.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining the state of one shot in a state in which a plurality of monitoring marks used in the method for monitoring the tilt of the image surface according to the present invention are arranged, (a) is a top view, and (b) is a side view.
  • FIG. 14 is a diagram showing an example in which the mark dimensions at points a to d are plotted when the image plane of the shot in FIG. 13 is tilted!
  • FIG.15 Image with best focus condition at any position from point a to d It is a conceptual diagram for demonstrating the method of calculating
  • FIG. 16 is a flowchart for explaining the procedure of the image plane tilt monitoring method of the present invention.
  • Example 1 relates to a semiconductor device using a focus monitoring method and a manufacturing method thereof.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the principle of the focus monitoring method of the present invention
  • FIG. 6 (a) shows a state of the solid resist 41 provided on the substrate (wafer) 40 before exposure.
  • Fig. 6 (b) and Fig. 6 (c) show the "Leave” pattern 42 (Fig. 6 (b)) and "Uncut” pattern 43 (Fig. 6 (c)) formed by exposure, respectively. Is shown.
  • the “remaining” pattern means a pattern obtained by the resist in which the pattern formed by the photolithography process remains, and the “uncut” pattern is obtained by the resist portion from which the pattern formed by the photolithography process is removed.
  • the “remaining” pattern means a non-exposure area surrounded by the exposure area
  • the “extract” pattern means an exposure area surrounded by the non-exposure area.
  • FIGS. 7 to 9 are diagrams for qualitative explanation of how powerful monitoring is possible, and FIG. 7 is a diagram illustrating the focus amount and the pattern for the “remaining” pattern.
  • Fig. 8 is a diagram for explaining the relationship between the turn width (Fig. 7 (a)) and the exposure amount and pattern width (Fig. 7 (b)).
  • Fig. 8 shows the focus amount and pattern width (Fig. 8 ( a)) and a diagram for explaining the relationship between the exposure amount and the pattern width (Fig. 8 (b)), and
  • Fig. 9 shows the focus amount when these “remaining” patterns and “extracted” patterns are used together.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the pattern width (FIG. 9A) and the relationship between the exposure amount and the pattern width (FIG. 9B).
  • the line width of the “remaining” pattern increases the exposure amount.
  • the line width of the “pull out” pattern tends to become thicker as the exposure dose increases ( Figure 8 (b)).
  • the focus condition for both the “remaining” pattern and the “extracted” pattern is as follows.
  • the maximum pattern line width can be obtained in a state in which is appropriate (best'focus) (Fig. 7 (a) and Fig. 8 (a)).
  • the focus amount dependency and the exposure amount dependency of the line widths of such “remaining” pattern and “extract” pattern are used in combination to monitor the focus.
  • the line width of the “remaining” pattern portion is X
  • the line width of the “extracted” pattern portion is X
  • 1 2 is the line width for monitoring X obtained as a linear combination of these pattern line widths.
  • An appropriate focus condition is set on the basis of the single amount dependency and the exposure amount dependency.
  • Fig. 9 shows the focus amount dependency of the monitoring line width X (Fig. 9 (a)) and the exposure.
  • the line width of the “remaining” pattern tends to become narrower as the exposure amount increases, while the line of the “extracted” pattern. Since the width tends to increase with increasing exposure, the monitoring line width X is
  • the monitoring line width X depends on the focus amount.
  • the best 'focus condition can be obtained because the maximum pattern line width can be obtained in the state where the focus condition is appropriate (best' focus') regardless of whether the pattern is' leave 'or' extract '.
  • the maximum monitoring line width X is obtained in Fig. 9 (a)
  • the exposure with the best focus is performed. Further, when there is a deviation from the best focus, the deviation can be corrected by matching with the focus characteristic data.
  • FIG. 10 is a flowchart for explaining an outline of an example of the focus monitoring method of the present invention.
  • this focus monitoring method both “remaining” and “unplugging” provided for focus monitoring are performed.
  • Pattern formation is performed using a photomask having a mark (a mark that also has an opening and a mask part force).
  • the product is first exposed (step S801), and the “remaining” pattern line width and “extract” pattern line width of the mark provided for focus monitoring are measured to obtain the monitoring line width X. (Step S802
  • This monitoring line width X is compared with the above-mentioned focus characteristic data obtained in advance.
  • step S803 it is determined whether or not the design value is satisfied.
  • Step S803 Yes
  • the product is processed in the next process.
  • Step S805 On the other hand, the monitoring line width X deviates from the design value.
  • Step S803 No
  • it is determined that the focus condition is not appropriate so it is automatically corrected to the appropriate focus value based on the focus characteristic data (Step S804), and the product goes to the next process. (Step S805).
  • monitoring line width X is not necessarily the line width X of the “remaining” pattern portion and the “extract” pattern.
  • FIG. 11 and FIG. 12 are diagrams for explaining specific examples of such “remaining” patterns (FIG. (A)) and “unplugged” patterns (FIG. (B)) of the focus monitoring marks.
  • the hatched portion in the figure is the resist pattern after exposure.
  • a mark of a shape relating to a photomask having a device pattern having an opening and a mask portion is provided. Needless to say, however, for convenience, a photomask will be described by describing a resist pattern. The marks provided on the disc will be described.
  • the mark shown in FIG. 11 has vertices in the X direction and the y direction.
  • the tip in this direction becomes blunt and the apex disappears.
  • the pattern width W in the y direction is shortened.
  • the mark shown in FIG. 12 has a shape in which a plurality of lines having different widths are combined, and has different line widths depending on the locations in the X direction and the y direction (FIG. 12 (a)). And (b)).
  • the mark with the protruding apex shown in Fig. 11 is sensitive to deviation from the proper focus because the tip of the mark is acute, but the size of the resulting pattern is small when defocusing occurs. As a result, the pattern tends to peel off from the underlying substrate and cause foreign matter.
  • the mark has a shape as shown in FIGS. 12 (a) and 12 (b), the contact area with the base substrate can be widened and peeling can be prevented.
  • the focus in the X direction and the focus in the y direction are determined by the characteristics of the lens and cannot be controlled independently.
  • the focus monitoring method of the present invention is applied to electron beam exposure. When applied, such individual control becomes possible and is extremely effective.
  • the “remaining” pattern and “extracted” pattern of the focus monitoring mark have been described as having the same shape (inverted shape), but these do not have to be the same shape, but can be freely combined as desired. You may make it select.
  • such a mark has at least one line width area equal to or less than the circuit design rule (design 'rule) of the semiconductor device in both the “remaining” pattern and the “extracted” pattern. It only has to be included.
  • the focus monitoring mark used in the present invention is formed at a desired position on a photomask used in the process of manufacturing a semiconductor device.
  • the photomask of the present invention has such a focus monitoring mark provided on a part thereof, and the semiconductor device of the present invention is manufactured by patterning using such a photomask.
  • the Rukoto That is, the semiconductor device of the present invention has a wafer and a focus monitoring pattern formed on the wafer, and the focus monitoring pattern includes at least one pair of first and second patterns (FIG. 11, FIG. 11).
  • the first pattern has a non-exposure area surrounded by an exposure area
  • the second pattern has an exposure area surrounded by a non-exposure area.
  • Example 2 relates to a semiconductor device using an image plane inclination monitoring method and a manufacturing method thereof.
  • FIG. 13 is a view for explaining a state of one shot in a state in which a plurality of monitoring marks used in the method for monitoring an image plane inclination according to the present invention are arranged.
  • FIG. 13 (a) is a top view.
  • Fig. 13 (b) is a side view.
  • a monitoring mark 132 to be projected on the base substrate 130 in the arrangement as shown in the figure is provided on a photomask used for projection exposure. Note that patterns corresponding to a plurality of chips are periodically formed in the one-shot region 131, and the shape thereof is as shown in FIG. 4, for example.
  • 14 monitoring marks 132 are arranged in the peripheral area of the one-shot area 131 and two in the one-shot area 131.
  • the monitoring mark 132 provided in the one-shot region 131 is provided in an empty space such as a scribe line used when dividing individual chips (dummy space that does not affect the device patterning of the chip). It is preferable.
  • FIG. 14 is a diagram showing an example in which the mark dimensions at points a to d are plotted when the image plane of the shot is inclined as shown in FIG. 13 (b).
  • FIG. 13 (b) When there is an image plane tilt as shown in Fig. 13 (b), there is no best focus condition at any position (Fig. 14 (a)), and at any position leading to point a-d. If there is a best focus condition (Fig. 14 (a)).
  • the no-turn line width takes the maximum value under the best focus condition, and becomes narrower when the focus condition shifts to the under or over side. From the profile, you can see the force's force force when the best focus position is in the plane, and the location when the best focus position is in the plane.
  • the circle symbol indicates the mark size at each point
  • the triangle symbol indicates the value obtained by converting the mark size at each point to the z position displacement (z displacement amount of each point).
  • the inclination amount at each point a-d is set to a minimum of two based on the z displacement at these four points. It can be obtained from the image plane inclination straight line obtained by multiplicative approximation.
  • the image plane tilt amount up to the point a-d when the best focus condition exists at any position can be obtained as follows.
  • FIG. 15 is a conceptual diagram for explaining a method for obtaining an image plane inclination amount when there is a best focus condition at any position up to the point a-d.
  • the maximum mark size is at point b or point c.
  • FIG. 15 (b) is a diagram for explaining the processing when linearity is not recognized between the z displacements at points a, b, and c.
  • the points c and d The virtual points f and g are established by reversing the sign of the z displacement. Then, an image plane inclination straight line is obtained by least square method approximation based on the z displacement amounts of the points a, b, f, and g, and the image plane inclination amount from the image plane inclination straight line to the point a-d is estimated.
  • the mark force formed by one baking on the wafer, its image plane It is possible to monitor the state of the slope.
  • FIG. 16 is a flowchart for explaining a specific procedure of the image plane tilt monitoring method of the present invention.
  • the product is exposed using a photomask provided with monitoring marks as described above (step S1001), and the pattern line width (mark dimension) around the shot is measured (step S1002).
  • a profile is obtained (step S1003), and it is determined whether or not there is a force that has a point that becomes the best focus condition in the plane (step S1004).
  • step S1004 If there is a point that is the best 'focus condition in the plane (step S1004: Yes), the process proceeds to step S1008. On the other hand, if there is no point that becomes the best focus condition in the surface (Step S 1004: No), search for the two sides that are dimensional change force S linear of the four sides of the medium force mark surrounding the shot area. (Step S 1005) These two sides are selected (Step S 1006), and the arrangement force of these two sides is also used to grasp the positional relationship of the image plane with respect to the best focus plane (Step S1007), and the process proceeds to Step S 1008.
  • step S1008 the amount of change in the mark dimension is converted into a predicted z-displacement amount to calculate the relative relationship of the z-displacement at the four corners of the yacht area.
  • the inclination of the image plane (virtual plane) to be printed is calculated (step S1009).
  • step S1009 the inclination obtained from the printing pattern in step S1009 is input as a correction value for the image plane inclination of the exposure apparatus, and this is fed back to product exposure in step S1001 (step S1012).
  • Step S1013 the best 'force at the four corners is confirmed by measuring the pattern line width at the four corners around the shot (Step S 1014), and the correction value is calculated by calculating the image plane tilt amount from the best' focus at these four corners.
  • Step S1015 a correction value for the image plane tilt is input to the exposure apparatus and fed back to product exposure in step S1001 (step S1016).
  • the mark force formed by one printing can also monitor the state of inclination of the image plane.
  • the mark used in the image plane tilt monitoring method described in the second embodiment is a combination of the “remaining” pattern and the “extracted” pattern, and the influence of the exposure amount on the mark size on the wafer is cancelled. If there is an image plane tilt on the wafer, a shift of the best focus condition force occurs in one shot area projected onto the image plane. Therefore, the tilt state monitoring by the image plane tilt monitoring method of the present invention and the present invention Alternately, focus correction by the focus monitoring method may be repeated alternately to automatically correct the image plane to be flat with respect to the exposure system's optical system!
  • monitoring method described so far can be used as a computer program to automatically control the exposure apparatus.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)

Abstract

　本発明は、ウェハと、該ウェハ上に形成されたフォーカスモニタリングパターンとを有し、該フォーカスモニタリングパターンは、少なくとも１対の第１及び第２のパターンを有し、該第１のパターンは露光領域で囲まれた非露光領域を有し、前記第２のパターンは非露光領域で囲まれた露光領域を有する半導体装置である。また、本発明は、露光領域で囲まれた非露光領域を有する第１のパターンと、非露光領域で囲まれた露光領域を有する第２のパターンとの対を少なくとも１つ有するフォーカスモニタリングパターンをウェハ上に形成するステップと、前記形成された第１及び第２のパターンの夫々の幅を計測することで、露光のフォーカス状態をチェックするステップとを有する半導体装置の製造方法である。

Description

明 細 書
半導体装置及びその製造方法並びにフォトマスク
技術分野
[0001] 本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、より詳細には、フォトマスクおよ びフォトリソグラフイエ程におけるフォーカスモニタリング、及び投影露光の像面傾斜 モニタリングを用いた半導体装置を製造する技術に関する。
背景技術
[0002] 半導体デバイスを製造する際のパターユングの微細化に伴って、かかるパターニン グを実行するフォトリソグラフィプロセスでの焦点深度 (フォーカス)や光量調整などの 露光条件に対する許容誤差が小さくなり、これらの露光条件を高精度でモニタリング するための方法が求められている。
[0003] 図 1は露光量とパターン幅との関係を定性的に説明するための断面概念図で、図 1
(a)は露光量が最適の場合、図 1 (b)は露光量が過剰 (オーバ）の場合、そして図 1 (c )は露光量が不足（アンダー）の場合の、露光により得られるレジストパターン（1 la— 11c)の様子を示している。なお、符号 10はその表面にレジストが塗布された基板で ある。これらの図に示したように、露光量が過剰な場合（図 1 (b) )には、適正な露光 量でパター-ングした場合（図 1 (a) )に比較して細いパターンが得られ、これとは逆 に露光量が不足する場合（図 1 (c) )には、適正な露光量でパターユングした場合（図 1 (a) )に比較して幅広のパターンが得られる。このようなパターン幅の変動に起因す るデバイス特性の変動や不良を回避するために、半導体基板上に形成されるパター ンの線幅をモニタリングし、その結果を露光量の制御にフィードバックするという手順 により露光量のモニタリングを行うのが一般的である。
[0004] 図 2はフォーカス（のずれ)とパターンの断面形状との関係を定性的に説明するため の概念図で、図 2 (a)はフォーカス量が最適（ベスト'フォーカス）の場合、図 2 (b)はフ オーカス量が過剰（オーノ^フォーカス）の場合、そして図 2 (c)はフォーカス量が不足 (アンダ一'フォーカス）の場合の、露光により得られるレジストパターン（21a— 21c) の形状を示している。図 2 (a)に示したように、ベスト'フォーカスの場合には上辺が底 辺よりも短 、台形のパターンが得られるのに対して、オーバ ·フォーカスの場合（図 2 ( b) )には、上辺が底辺よりも長い（逆）台形のパターンが得られる。また、アンダー'フ オーカスの場合（図 2 (c) )には、上辺が「だれ」て上に湾曲した曲線状のパターンとな つてしまう。このようにフォーカス量の適正値からのずれは形成されるパターンの形状 に大きな影響を与え、その管理は極めて重要である。しかしながら、図 2 (a)—（c)に 示すように、フォーカス量が適正値力もずれたとしても形成されるパターンの異常は その底部 (裾部）や上部に認められるのみであり、パターンをウェハの上方からパター ン認識などの方法によりモニタリングした場合にはパターン線幅の異常として確認さ れることは稀であり、適正フォーカスカ のずれを有効にモニタリングする方法が求め られる。
[0005] 図 3は、従来のフォーカスモニタリング方法の一例の概要を説明するためのフロー チャートで、従来のフォーカスモニタリング方法は、製造工程中の半導体装置に形成 されるパターンの中力も最もフォーカス条件に影響を受け易 、パターンを特定し、そ のパターンの線幅を測定するという手法が採られている。具体的には、先ず製品に 露光を行い (ステップ S301)、得られたパターンのうち力もフォーカス条件の影響を 受け易 、パターンを選定してその線幅を測定する（ステップ S302)。
[0006] このパターン線幅を設計値と比較して (ステップ S303)、設計値どおりであれば (ス テツプ S303 :Yes)製品を次工程へと払い出す (ステップ S309)。一方、パターン線 幅が設計値力もずれている場合 (ステップ S 303 : No)には、露光量やフォーカスなど の条件が適正でないものと判断されるため、露光量とフォーカス値とをパラメータとし て振り新たな露光条件を設定し直して露光を行う（ステップ S304)。そして適正な露 光量とフォーカス値とを求め（ステップ S305)、ステップ S301における露光条件が適 正なフォーカスからずれているか否かを判断する (ステップ S306)。
[0007] ここで、フォーカス条件が適正でな!、と判断された場合 (ステップ S306： Yes)には 、フォーカスのずれの原因を調査 ·特定して適正なフォーカス条件となるように修正を 加え (ステップ S307)、製品を次工程へと払い出す (ステップ S309)。一方、フォー力 ス条件は適正であると判断された場合 (ステップ S306 : No)には、露光量が適正値 力もずれているものと判定されて露光量を補正し (ステップ S308)、製品を次工程へ と払い出す (ステップ S 309)。
[0008] このような露光条件の高精度モニタリング方法に加え、投影露光時の像面傾斜状 況をモニタリングする技術も極めて重要な半導体製造技術のひとつである。これは、 大口径ウェハ上に半導体チップを多数作り込む場合に、ウェハ上の全面において適 切な露光がなされることが高い歩留まりを確保するための前提となるが、ウェハはもと もとワープやバウなどと呼ばれる加工起因の「反り」をもつことに加え、製造プロセス中 に施される熱処理などにより新たな反りが生じる場合があり、投影露光されるウェハを 露光機の備えるレンズ (光学系）に対してフラットにすることが必ずしも容易ではない ことなどによる。
[0009] 従来はテストウェハを用いて投影露光される像面の傾斜状況をモニタリングする方 法 (レべリング合わせ面計測する方法）が採られており、例えば、様々なマークを「ィ ンク焼き」する方法が知られている。この「インク焼き」方法とは、極小エリアに極小ス テツプでフォーカスを振りながら露光を行う方法である。具体的には、レチクル上に配 置されたモニタリング用のパターンを、極小エリアに極小ステップでフォーカスを振り ながら焼付け、焼付け有効範囲の像面湾曲（例えば、ウェハ湾曲、レジスト塗布むら、 現像分布などに起因する像面の湾曲）の影響を極力受けな ヽようにして焼付けを行う
[0010] 図 4は、このような像面傾斜モニタリング用のパターン例と当該パターンの線幅のフ オーカス量依存性を説明するための図である。なお、これらの図において、符号 10は 基板を、符号 41および 42はパターユングされたレジストを意味している。図 4 (a)や 図 4 (b)に上面図として示した形状のパターンを、フォーカス量を一定量ずつ変化さ せながらウェハ上に近接して焼き付けると、そのパターンの線幅 (例えば L1や L2)の 寸法がフォーカス量に応じて変化する。これは、図 4 (c)に示すように、パターン線幅 はべスト ·フォーカス (フォーカスずれ量がゼロ）の条件で露光された場合に最大値を とり、この条件から外れたアンダ一'フォーカス条件でもオーバ'フォーカス条件でも 細くなるためである。従って、フォーカス量を一定量ずつ変化させてフォーカス量とパ ターン線幅との相関を求め、その相関曲線のピークを与える点がベスト ·フォーカス点 であることになる。換言すれば、複数のマークをフォーカスを振って露光し得られたパ ターンの線幅を測定することで、ベスト ·フォーカス点を把握することができる。
[0011] 図 5はこのようなパターン線幅のフォーカス量依存性を利用して像面傾斜をモニタリ ングする一例を説明するための図である。なお、 1ショット（一回の露光ステップ）の露 光領域 50には複数個のチップのパターンが焼き付けられる。この図では、この 1ショ ットの露光領域 50に像面傾斜が存在しており、当該領域の 4隅の点のうちの A点およ び B点がベスト ·フォーカス状態にある一方で C点および D点ではオーバ ·フォーカス 状態にあるものと仮定して 、る。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0012] 上述したように、従来のフォーカスモニタリング方法は、パターン幅を設計値と比較 するものであったため、パターン幅の変動に影響を及ぼす因子である露光量とフォー カス量の何れが適正値力 ずれているのかの判別が困難であり、このために露光量 とフォーカス値とをパラメータとして振ったウェハを用いることで適正なフォーカス条件 に合わせ込むという面倒な手順が必要とされるという問題がある。すなわち、従来の フォーカスモニタリング方法では、フォーカス条件が適正値からずれて!/、てもその「ず れ」を迅速に感知することが困難であり、このために半導体装置の製造プロセスが煩 雑となりスループットの低下要因ともなっている。
[0013] また、上述した従来の像面傾斜モニタリング方法では、露光エリアの周辺またはそ の内部に存在することとなるマークを極小エリアに露光するためにショットの大半は多 重露光される結果となるが、このような多重露光を製品ウェハのデバイス領域に行うこ とは許容されないためにレべリング検査用のマークを製品レチクルに挿入することは できない。従って、ウェハ自身の反りやステージの傾斜などの要因によって影響を受 けることとなる実際の製品ウェハの露光表面の露光機のレンズ系（光学系）に対する フラットネス (像面傾斜状態）を、製品レチクルを用いてモニタリングする手法の確立 が求められている。すなわち、製造工程にある実際の製品についての像面傾斜状態 をモニタリングする方法の確立が求められる。
本発明は力かる問題に鑑みてなされたもので、フォトマスクに設けられたフォーカス モニタリング用のパターンを用いて迅速なフォーカス調整を行うこと、及び Z又は一 回の焼付けによりショット内の像面傾斜をモニタリングすることを可能とし、信頼性の 高い半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
課題を解決するための手段
[0014] 本発明は、ウェハと、該ウェハ上に形成されたフォーカスモニタリングパターンとを有 し、該フォーカスモニタリングパターンは、少なくとも 1対の第 1及び第 2のパターンを 有し、該第 1のパターンは露光領域で囲まれた非露光領域を有し、前記第 2のパター ンは非露光領域で囲まれた露光領域を有する半導体装置である。
[0015] 前記第 1及び第 2のパターンはいずれも、パターン線幅が連続的に変化する形状、 パターン線幅が段階的に変化する形状、又は複数の頂点を持つ構成とすることがで きる。前記第 1及び第 2のパターンは、 1ショットで露光される領域の内部及び外部の 周辺領域に形成されている構成とすることができる。前記半導体装置は、直線的に 配置された複数個のフォーカスモニタリングパターンを前記ウェハ上に有する構成と することができる。前記フォーカスモニタリングパターンは、前記ウェハ上の縦横方向 に直線的に配置されて 、る構成とすることができる。
[0016] 本発明はまた、露光領域で囲まれた非露光領域を有する第 1のパターンと、非露光 領域で囲まれた露光領域を有する第 2のパターンとの対を少なくとも 1つ有するフォ 一カスモニタリングパターンをウェハ上に形成するステップと、前記形成された第 1及 び第 2のパターンの夫々の幅を計測することで、露光のフォーカス状態をチヱックす るステップとを有する半導体装置の製造方法を含む。前記チヱックするステップは、 前記第 1及び第 2のパターンの縦横方向の幅を計測する構成とすることができる。前 記半導体装置の製造方法は、前記露光のフォーカス状態をチ ックした結果を用い て、露光条件を変更するステップを更に有する構成とすることができる。
[0017] 本発明はまた、露光領域で囲まれた非露光領域を有する第 1のパターンと、非露光 領域で囲まれた露光領域を有する第 2のパターンとの対を複数個直線的に配置した フォトマスクを用 、て被露光基板を露光するステップと、前記複数のモニタリング用マ ークの寸法を計測して露光領域内にベスト'フォーカス条件となる点がある力否かを 判断するステップと、前記判断するステップにお 、てべスト ·フォーカス条件となる点 がないと判断された場合には、前記複数のモニタリング用マークの寸法を垂直方向 の変位に変換して、前記露光領域の像面傾斜を算出するステップと、を有することを 特徴とする半導体装置の製造方法を含む。前記判断するステップにおいてべスト'フ オーカス条件となる点があると判断された場合には、前記複数のモニタリング用マー クの寸法を垂直方向の変位に変換するとともに、この際、所定の条件に符合する前 記垂直方向の変位の符号を反転して、前記露光領域の像面傾斜を算出するステツ プを有する構成とすることができる。前記算出するステップは、複数のモニタリング用 マークの前記垂直方向における変位を最小二乗近似して、前記露光領域の傾斜面 を算出する構成とすることができる。
[0018] 本発明はまた、ウェハ上に、露光領域で囲まれた非露光領域を有する第 1のパター ンと、非露光領域で囲まれた露光領域を有する第 2のパターンとが対で形成されるモ ユタリング用マークを形成するための開口部とマスク部とを有するフォトマスクを含む 。前記第 1及び第 2のパターンのいずれも力 デバイスパターンの最小線幅以下の線 幅を持つ領域を有する構成とすることができる。第 1及び第 2のパターンは、ウェハの ダイシング領域に対応する位置に形成されている構成とすることができる。
[0019] 本発明はまた、上記モニタリング方法の各ステップを備えているコンピュータプログ ラムプロダクトを含む。 発明の効果
[0020] 本発明によれば、フォトマスクに設けられたフォーカスモニタリング用のパターンを 用いて迅速なフォーカス調整を行うことが可能となる。また、一回の焼付けによりショッ ト内の像面傾斜をモニタリングすることが可能となる。
図面の簡単な説明
[0021] [図 1]露光量とパターン幅との関係を定性的に説明するための断面概念図で、（a)は 露光量が最適の場合、 (b)は露光量が過剰 (オーバ）の場合、そして (c)は露光量が 不足（アンダー）の場合の、露光により得られるレジストパターンの様子を示している。
[図 2]フォーカス (のずれ)とパターンの断面形状との関係を定性的に説明するための 概念図で、（a)はフォーカス量が最適（ベスト'フォーカス）の場合、（b)はフォーカス 量が過剰 (オーバ ·フォーカス）の場合、そして（c)はフォーカス量が不足（アンダー · フォーカス）の場合の、露光により得られるレジストパターンの形状を示して 、る。 [図 3]従来のフォーカスモニタリング方法の一例の概要を説明するためのフローチヤ ートである。
[図 4]像面傾斜モニタリング用のパターン例と当該パターンの線幅のフォーカス量依 存性を説明するための図である。
[図 5]パターン線幅のフォーカス量依存性を利用して像面傾斜をモニタリングする一 例を説明するための図である。
[図 6]本発明のフォーカスモニタリング方法の原理を説明するための図で、（a)は基板 上に設けられた露光前のベタのレジストの様子を示しており、（b)および (c)はそれぞ れ、露光により形成された「残し」パターン (b)および「抜き」パターン (c)の様子を示し ている。
[図 7]「残し」パターンにつ 、ての、フォーカス量とパターン幅 (a)および露光量とパタ ーン幅 (b)の関係を説明するための図である。
[図 8]「抜き」パターンについての、フォーカス量とパターン幅（a)および露光量とパタ ーン幅 (b)の関係を説明するための図である。
[図 9]「残し」パターンと「抜き」パターンを併用した場合の、フォーカス量とパターン幅 (a)および露光量とパターン幅 (b)の関係を説明するための図である。
[図 10]本発明のフォーカスモニタリング方法の一例の概要を説明するためのフローチ ヤートである。
[図 11]フォーカスモニタリング用マークの「残し」パターン (a)および「抜き」パターン (b )の具体例を説明するための図である。
[図 12]フォーカスモニタリング用マークの「残し」パターン (a)および「抜き」パターン (b )の具体例を説明するための図である。
[図 13]本発明の像面傾斜のモニタリング方法で用いるモニタリング用マークが複数個 配置された状態の 1ショットの様子を説明するための図で、（a)は上面図、（b)は側面 図である。
[図 14]図 13のショットの像面が傾斜して!/、る場合の、点 a— dの各ポイントにおけるマ ーク寸法をプロットした例を示す図である。
[図 15]点 a— dに至る何れかの位置においてべスト'フォーカス条件がある場合の像 面傾斜量を求める手法を説明するための概念図である。
[図 16]本発明の像面傾斜のモニタリング方法の手順を説明するためのフローチャート である。
発明を実施するための最良の形態
[0022] 以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
実施例 1
[0023] 実施例 1は、フォーカスモニタリング方法を用いた半導体装置及びその製造方法に 関する。
[0024] 図 6は、本発明のフォーカスモニタリング方法の原理を説明するための図で、図 6 (a )は基板（ウェハ） 40上に設けられた露光前のベタのレジスト 41の様子を示しており、 図 6 (b)および図 6 (c)はそれぞれ、露光により形成された「残し」パターン 42 (図 6 (b ；) )および「抜き」パターン 43 (図 6 (c) )の様子を示している。ここで、「残し」パターンと はフォトリソ工程により形成されるパターンが残存するレジストにより得られるパターン を意味し、「抜き」パターンとはフォトリソ工程により形成されるパターンが除去されたレ ジスト部分により得られるパターンを意味する。つまり、「残し」パターンとは露光領域 に囲まれた非露光領域を意味し、「抜き」パターンとは非露光領域に囲まれた露光領 域を意味する。本発明のフォーカスモニタリング方法では、このような「残し」パターン と「抜き」パターンの双方を用いて露光時のフォーカス量の適正値からのずれをモ- タリングする。以下に、力かるモニタリングがどのようにして可能となるのかについての 定性的な説明を行う。
[0025] 図 7乃至図 9は、力かるモニタリングがどのようにして可能となるのかについての定 性的な説明を行うための図で、図 7は「残し」パターンについての、フォーカス量とパ ターン幅（図 7 (a) )および露光量とパターン幅（図 7 (b) )の関係を説明するための図 、図 8は「抜き」パターンについての、フォーカス量とパターン幅（図 8 (a) )および露光 量とパターン幅（図 8 (b) )の関係を説明するための図、そして図 9はこれらの「残し」 ノ ターンと「抜き」パターンを併用した場合の、フォーカス量とパターン幅（図 9 (a) )お よび露光量とパターン幅（図 9 (b) )の関係を説明するための図である。
[0026] 先ず、図 7および図 8を参照すると、「残し」パターンの線幅は、露光量が大きくなる につれて細くなる傾向がある（図 7 (b) )のに対して、「抜き」パターンの線幅は、露光 量が大きくなるにつれて太くなる傾向がある（図 8 (b) )。このようなパターン線幅に対 する露光量の影響に対して、フォーカス量がパターン線幅に及ぼす効果にっ 、てみ ると、「残し」パターンおよび「抜き」パターンの何れにおいても、フォーカス条件が適 正な状態 (ベスト'フォーカス）において最大のパターン線幅が得られる（図 7 (a)およ び図 8 (a) )。本発明のフォーカスモニタリング方法においては、このような「残し」パタ ーンと「抜き」パターンの線幅の、フォーカス量依存性および露光量依存性を併合し て利用することとし、フォーカスをモニタリングするためにレジストに形成された「残し」 と「抜き」のパターン線幅（フォーカスモニタリング用に設けられたマークの幅）の双方 を計測してパターン線幅に及ぼす露光量の影響をキャンセルさせ、これによりパター ン線幅に対するフォーカス量の適正値力 のずれの影響のみを取り扱うことでフォー カス量をモニタリングすることを可能として 、る。
[0027] 具体的には、「残し」パターン部の線幅を Xとし、「抜き」パターン部の線幅を Xとし
1 2 たとき、これらのパターン線幅の線形結合として得られるモニタリング用線幅 Xをこれ
0 らの平均で与えられる X = (x + x ) Z2とし、このモニタリング用線幅 Xに対するフォ
0 1 2 0
一カス量依存性および露光量依存性を基に適正なフォーカス条件に設定する。
[0028] 図 9は、このようなモニタリング用線幅 Xのフォーカス量依存性（図 9 (a) )および露
0
光量依存性（図 9 (b) )を説明するための図で、上述したように、「残し」パターンの線 幅は露光量が大きくなるにつれて細くなる傾向がある一方、「抜き」パターンの線幅は 露光量が大きくなるにつれて太くなる傾向があることから、モニタリング用線幅 Xは露
0 光量に依存しなくなり（図 9 (b) )、フォーカス量のみがモニタリング用線幅 Xに影響を
0 与えることとなる（図 9 (a) )。また、モニタリング用線幅 Xのフォーカス量依存 ¾ ^こつい
0
てみると、「残し」パターンおよび「抜き」パターンの何れにぉ 、てもフォーカス条件が 適正な状態 (ベスト'フォーカス）において最大のパターン線幅が得られることに起因 して、ベスト'フォーカス条件で最大のモニタリング用線幅 Xが得られている（図 9 (a) )
[0029] したがって、フォーカスモニタリング用に設けられた「残し」と「抜き」の双方のマーク の幅力も得られるモニタリング用線幅 Xのフォーカス量依存性に関するデータ（フォ 一カス特性データ）を予め取得しておき、実際に露光して得られたこれらのマークの 幅をモニタリング用線幅 Xとして算出し、この値を上記フォーカス特性データと比較
0
することにより、ベスト'フォーカスによる露光が行われた力否かの判断が可能となる。 また、ベスト'フォーカスからのずれがある場合には、上記フォーカス特性データに照 合してそのずれを修正することが可能となる。
[0030] 図 10は、本発明のフォーカスモニタリング方法の一例の概要を説明するためのフロ 一チャートで、このフォーカスモニタリング方法では、フォーカスモニタリング用に設け られた「残し」と「抜き」の双方を含むマーク（開口部とマスク部力もなるマーク）を有す るフォトマスクを用いてパターン形成がなされる。具体的には、先ず製品に露光を行 い（ステップ S801)、フォーカスモニタリング用に設けられたマークの「残し」パターン 線幅と「抜き」パターン線幅を測定してモニタリング用線幅 Xを求める (ステップ S802
0
) oこのモニタリング用線幅 Xを予め求めておいた上述のフォーカス特性データと比
0
較して設計値どおりか否かの判定を行う（ステップ S803)。
[0031] モニタリング用線幅 Xが設計値どおりであれば (ステップ S803 : Yes)製品を次工程
0
へと払い出す (ステップ S805)。一方、モニタリング用線幅 Xが設計値からずれてい
0
る場合 (ステップ S803 :No)には、フォーカス条件が適正でないものと判断されるた め、フォーカス特性データに基づ 、て適正フォーカス値に自動修正し (ステップ S80 4)、製品を次工程へと払い出す (ステップ S805)。
[0032] なお、モニタリング用線幅 Xは、必ずしも、「残し」パターン部の線幅 Xと「抜き」パタ
0 1
ーン部の線幅 Xの平均値 (X = (X + x ) Z2)である必要はない。より一般的には、 X
2 0 1 2
= (a-x +b -x ) Z (a + b)として、「残し」パターン線幅 xの露光量依存性と「抜き」
0 1 2 1
パターン線幅 Xの露光量依存性と力 ちょうどキャンセルされてフォーカス量のみが
2
モニタリング用線幅 Xに影響を与えるように設定すればよ!、。
0
[0033] 図 11および図 12は、このようなフォーカスモニタリング用マークの「残し」パターン（ 図（a) )および「抜き」パターン（図 (b) )の具体例を説明するための図で、図中にハツ チングした部分が露光後のレジストパターンである。なお、開口部とマスク部とを有す るデバイスパターンを有するフォトマスクにかかる形状のマークが設けられていること 、うまでもな 、が、ここでは便宜上レジストパターンにつ 、て説明することでフォトマ スクに設けられたマークの説明を行う。
[0034] 図 11に示したマークは X方向および y方向に頂点を有しており、例えば y方向への フォーカス値が適正値力 ずれた場合にはこの方向の先端部が鈍り頂点部が消失 する（図 11 (c)および (d)参照）。従って、 y方向のパターン幅 Wが短くなる。すなわ ち、これらのパターンの X方向および y方向のパターンの幅（Wおよび W )を計測す ることで、 X方向のフォーカス値のずれおよび y方向のフォーカス値のずれを同時に モニタリングすることが可能である。また、 X方向と y方向のフォーカスモニタリングを単 一のマークにより実行することができるため、下地 (基板など）の傾き状態などの種々 の条件の差異を X方向と y方向とで無視することが可能 (事実上無くすることが可能） となり、モニタリングに要する製品基板上での省スペース化が実現できる。
[0035] 図 12に示したマークは、複数の異なる幅をもつラインを組み合わせた形状を有し、 X方向および y方向の各場所に応じて異なるライン幅となつている（図 12 (a)および (b )参照)。図 11に示した突起状の頂点をもつマークはその先端部が鋭角であるため に適正フォーカスからのずれに対して敏感である反面、フォーカスずれが生じた場合 には得られるパターンのサイズが小さくなつてしまい、当該パターンが下地基板から 剥離して異物発生の要因となり易い。これに対して、図 12 (a)および (b)に示したよう な形状のマークとすれば、下地基板との密着面積が広く取れて剥離を防止すること が可能となる。また、デフォーカス状態で露光された場合 (例えば y方向のデフォー力 ス）には、図 12 (c)および (d)に示すように、先端側の突起部が徐々に消失してゆくこ ととなるから、デフォーカスによる線幅変動のレベルを大きくとることが可能となる。
[0036] なお、ガラスレンズの場合には、 X方向のフォーカスと y方向のフォーカスはレンズの 特性で決まりこれらを独立に制御することはできないが、本発明のフォーカスモニタリ ング方法を電子ビーム露光に適用するなどの場合には、かかる個別の制御が可能と なり極めて有効である。なお、これまではフォーカスモニタリング用マークの「残し」パ ターンと「抜き」パターンを同一形状 (反転形状)であるとして説明したが、これらは同 一形状である必要はなぐ所望により自由な組み合わせを選択するようにしてもよい。 また、このようなマークは、「残し」パターンと「抜き」パターンの何れにおいても、半導 体装置の回路設計ルール (デザイン 'ルール)以下の線幅の領域が少なくとも一箇所 含まれていればよい。
[0037] 上述したように、本発明で用いるフォーカスモニタリング用マークは、半導体装置を 製造する工程で使用されるフォトマスクの所望の位置に形成される。換言すれば、本 発明のフォトマスクはこのようなフォーカスモニタリング用マークがその一部に設けら れたものであり、本発明の半導体装置はこのようなフォトマスクを用いてパターユング されて製造されることとなる。つまり、本発明の半導体装置は、ウェハと、このウェハ上 に形成されたフォーカスモニタリングパターンとを有し、該フォーカスモニタリングパタ ーンは、少なくとも 1対の第 1及び第 2のパターン（図 11、図 12)を有し、該第 1のバタ ーンは露光領域で囲まれた非露光領域を有し、前記第 2のパターンは非露光領域で 囲まれた露光領域を有する。
実施例 2
[0038] 実施例 2は、像面傾斜のモニタリング方法を用いた半導体装置及びその製造方法 に関する。
[0039] 図 13は、本発明の像面傾斜のモニタリング方法で用いるモニタリング用マークが複 数個配置された状態の 1ショットの様子を説明するための図で、図 13 (a)は上面図、 図 13 (b)は側面図である。下地基板 130上に図中に示したような配置で投影される こととなるモニタリング用マーク 132は、投影露光に用いられるフォトマスクに設けられ る。なお、この 1ショット領域 131内には複数個のチップに対応するパターンが周期的 に形成されており、その形状は、例えば図 4に示したようなものとされる。この図に示し た例では、モニタリング用マーク 132が 1ショット領域 131の周辺領域に 12個、 1ショッ ト領域 131内に 2個、計 14個配置されている。なお、 1ショット領域 131内に設けられ るモニタリング用マーク 132は、個々のチップを分割する際に用いられるスクライブラ インなどの空きスペース（チップのデバイスパターユングに影響しな 、ダミースペース )に設けられることが好ましい。
[0040] 図 14は、図 13 (b)に示したようにショットの像面が傾斜している場合の、点 a— dの 各ポイントにおけるマーク寸法をプロットした例を示す図である。図 13 (b)に示したよ うな像面傾斜がある場合には、何れの位置においてもベスト'フォーカス条件がない 場合（図 14 (a) )と、点 a— dに至る何れかの位置でベスト ·フォーカス条件がある場合 (図 14 (a) )とが考えられる。しかし、既に説明したように、ノターン線幅はべスト'フォ 一カス条件のときに最大値をとり、フォーカス条件がアンダー側にずれてもオーバ側 にずれてもそれよりも細くなるから、そのプロファイルからベスト'フォーカス位置が面 内にある力否力、および面内にベスト ·フォーカス位置がある場合のその場所が確認 できる。これらの図においてマル記号は各点でのマーク寸法を示しており、三角記号 は各点でのマーク寸法を z位置変位に変換した値 (各点の z変位量)を示して 、る。図 14 (a)に示したような、何れの位置においてもベスト'フォーカス条件がない場合には 、点 a— dの各点における傾斜量を、これら 4点の z変位量に基づいて最小二乗法近 似により求めた像面傾斜直線から求めることができる。一方、図 14 (b)に示したような 、何れかの位置においてべスト'フォーカス条件がある場合の点 a— dに至る像面傾 斜量は、以下のようにして求めることができる。
[0041] 図 15は、点 a— dに至る何れかの位置においてべスト'フォーカス条件がある場合の 像面傾斜量を求める手法を説明するための概念図である。この場合には、マーク寸 法の最大値は点 bまたは点 cにあることになる。先ず、図 15 (a)のように、点 a、 b、およ び cにおける z変位量間にリニアリティが認められる場合には、点 dの z変位量の符号 を反転させた仮想点 gを設け、点 a、 b、 c、および gの z変位量に基づいて最小二乗法 近似により像面傾斜直線を求め、この像面傾斜直線から点 a— dに至る像面傾斜量を 推定する。ここで、「点 a、 b、および cにおける z変位量間にリニアリティが認められる」 か否かの判断は、点 bの z変位量の、点 aと点 cの z変位量を結ぶ直線からのずれ（Δ ζ )を、予め設定したパラメータ αと比較して、 Δ ζ≤± ひの場合にリニアリティが認めら れると定義し、 Δ ζ > ± αの場合にはリニアリティが認められないとして下記の処理を 実行する。
[0042] 図 15 (b)は、点 a、 b、および cにおける z変位量間にリニアリティが認められない場 合の処理を説明する図であり、この場合には、点 cおよび点 dの z変位量の符号を反 転させて仮想点 fおよび gを設ける。そして、点 a、 b、 f、および gの z変位量に基づいて 最小二乗法近似により像面傾斜直線を求め、この像面傾斜直線から点 a— dに至る 像面傾斜量を推定する。
[0043] このような方法によれば、ウェハ上に 1回の焼付けで形成されたマーク力 その像面 傾斜の状態をモニタリングすることが可能となる。
[0044] 図 16は、本発明の像面傾斜のモニタリング方法の具体的な手順を説明するための フローチャートである。先ず、上述したようなモニタリング用マークが設けられたフォト マスクを用いて製品の露光を行い（ステップ S1001)、ショット周辺のパターン線幅（ マーク寸法）を測定し (ステップ S 1002)、マーク寸法のプロファイルを求め（ステップ S1003)、当該面内にベスト'フォーカス条件となる点がある力否かを判断する (ステ ップ S 1004)。
[0045] 当該面内にベスト'フォーカス条件となる点がある場合 (ステップ S1004 :Yes)には 、ステップ S 1008へ進む。一方、当該面内にベスト'フォーカス条件となる点がない 場合 (ステップ S 1004 : No)には、ショット領域を囲む 4辺の中力 マークの寸法変化 力 Sリニアとなる 2つの辺を探して（ステップ S 1005)この 2辺を選択し (ステップ S 1006) 、この 2辺の配置力もべスト'フォーカス面に対する像面の位置関係を把握 (ステップ S1007)した上でステップ S 1008へと進む。
[0046] ステップ S1008では、マーク寸法の変化量を予め予想される z変位量に換算してシ ヨット領域の 4隅の z変位の相対関係を算出し、 4隅についての z変位量換算値力 焼 付け対象である像面 (仮想平面）の傾斜を算出する (ステップ S1009)。そして、この 仮想平面の傾きが予め設定された値以下にある力否かを判断し (ステップ S 1010)、 設定値以下の傾きであると判断された場合 (ステップ S1010 : Yes)には、次工程へと 払い出しを行う（ステップ S1011)。一方、設定値よりも大きく傾いていると判断された 場合 (ステップ S1010 :No)には、下記の何れかを選択して製品露光 (ステップ S 100 1)へと戻る。
[0047] 具体的には、計測した数値を基にフィードバックを力 4ナる場合 (ケース 1)と、現状実 施している方法から傾斜に対する補正値を求めてフィードバックをかける場合 (ケー ス 2)とに応じて、下記の手順を実行する。
[0048] ケース 1では、ステップ S1009での焼付けパターンから求めた傾きを、露光装置の 像面傾斜に対する補正値として入力してこれをステップ S 1001における製品露光へ とフィードバックする（ステップ S1012)。
[0049] 一方、ケース 2では、フォーカス振りによるフォーカス確認ウェハの焼付けを行 ヽ（ス テツプ S1013)、ショット周辺の 4隅のパターン線幅測定により 4隅のベスト'フォー力 スを確認し (ステップ S 1014)、この 4隅のベスト'フォーカスから像面傾斜量を算出し て補正値を求め (ステップ S1015)、像面傾斜に対する補正値を露光装置に入力し てステップ S1001における製品露光へとフィードバックする（ステップ S1016)。
[0050] このようにして、 1回の焼付けで形成されたマーク力もその像面傾斜の状態をモニタ リングすることが可能となる。
[0051] ここで、上述の第 1の発明（フォーカスモニタリング方法）と第 2の発明（像面傾斜の モニタリング方法)とを組み合わせた半導体装置の製造方法とすることも可能である。 すなわち、実施例 2で説明した像面傾斜のモニタリング方法に用いられるマークを「 残し」ノ ターンと「抜き」パターンの組み合わせとし、ウェハ上のマーク寸法に及ぼす 露光量の影響をキャンセルさせる。ウェハ上で像面傾斜があると当該像面に投影さ れる 1ショット領域内においてべスト'フォーカス条件力 のずれが生じるから、本発明 の像面傾斜モニタリング方法による傾斜状態のモニタリングと本発明のフォーカスモ ユタリング方法によるフォーカス修正とを交互に繰り返し、像面が露光装置の光学系 に対してフラットとなるように自動修正するようにしてもよ!、。
[0052] なお、これまで説明してきたモニタリング方法は、コンピュータプログラムとして露光 装置の自動制御を行うように用いることができる。
[0053] 本発明は、実際にウェハ上にパターン (マーク）を焼き付けることで迅速なフォー力 ス調整、および一回の焼付けによりショット内の像面傾斜をモニタリングすることがで きる。

Claims

請求の範囲
[1] ウェハと、該ウェハ上に形成されたフォーカスモニタリングパターンとを有し、該フォー カスモニタリングパターンは、少なくとも 1対の第 1及び第 2のパターンを有し、該第 1 のパターンは露光領域で囲まれた非露光領域を有し、前記第 2のパターンは非露光 領域で囲まれた露光領域を有する半導体装置。
[2] 前記第 1及び第 2のパターンはいずれも、パターン線幅が連続的に変化する形状を 有する請求項 1記載の半導体装置。
[3] 前記第 1及び第 2のパターンはいずれも、パターン線幅が段階的に変化する形状を 有する請求項 1記載の半導体装置。
[4] 前記第 1及び第 2のパターンはいずれも、複数の頂点を持つ請求項 1から 3のいずれ か一項記載の半導体装置。
[5] 前記第 1及び第 2のパターンは、 1ショットで露光される領域の内部及び外部の周辺 領域に形成されている請求項 1から 4のいずれか一項記載の半導体装置。
[6] 前記半導体装置は、直線的に配置された複数個のフォーカスモニタリングパターン を前記ウェハ上に有する請求項 1から 5のいずれか一項記載の半導体装置。
[7] 前記フォーカスモニタリングパターンは、前記ウェハ上の縦横方向に直線的に配置さ れて 、る請求項 1から 5の 、ずれか一項記載の半導体装置。
[8] 露光領域で囲まれた非露光領域を有する第 1のパターンと、非露光領域で囲まれた 露光領域を有する第 2のパターンとの対を少なくとも 1つ有するフォーカスモニタリン グパターンをウェハ上に形成するステップと、
前記形成された第 1及び第 2のパターンの夫々の幅を計測することで、露光のフォ 一カス状態をチェックするステップと
を有する半導体装置の製造方法。
[9] 前記チェックするステップは、前記第 1及び第 2のパターンの縦横方向の幅を計測す る請求項 8記載の半導体装置の製造方法。
[10] 前記半導体装置の製造方法は、前記露光のフォーカス状態をチェックした結果を用 いて、露光条件を変更するステップを更に有する請求項 8又は 9記載の半導体装置 の製造方法。
[11] 露光領域で囲まれた非露光領域を有する第 1のパターンと、非露光領域で囲まれた 露光領域を有する第 2のパターンとの対を複数個直線的に配置したフォトマスクを用 V、て被露光基板を露光するステップと、
前記複数のモニタリング用マークの寸法を計測して露光領域内にベスト'フォー力 ス条件となる点がある力否かを判断するステップと、
前記判断するステップにお ヽてベスト ·フォーカス条件となる点がな ヽと判断された 場合には、前記複数のモニタリング用マークの寸法を垂直方向の変位に変換して、 前記露光領域の像面傾斜を算出するステップと、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
[12] 前記判断するステップにおいてべスト'フォーカス条件となる点があると判断された場 合には、前記複数のモニタリング用マークの寸法を垂直方向の変位に変換するととも に、この際、所定の条件に符合する前記垂直方向の変位の符号を反転して、前記露 光領域の像面傾斜を算出するステップを有する請求項 11記載の半導体装置の製造 方法。
[13] 前記算出するステップは、複数のモニタリング用マークの前記垂直方向の変位を最 小二乗近似して、前記露光領域の傾斜面を算出する請求項 11又は 12記載の半導 体装置の製造方法。
[14] ウェハ上に、露光領域で囲まれた非露光領域を有する第 1のパターンと、非露光領 域で囲まれた露光領域を有する第 2のパターンとが対で形成されるモニタリング用マ ークを形成するための開口部とマスク部とを有するフォトマスク。
[15] 前記第 1及び第 2のパターンのいずれもが、デバイスパターンの最小線幅以下の線 幅を持つ領域を有する請求項 14記載のフォトマスク。
[16] 第 1及び第 2のパターンは、ウェハのダイシング領域に対応する位置に形成されてい る請求項 14又は 15に記載のフォトマスク。
[17] 請求項 6乃至 11の何れかに記載のモニタリング方法の各ステップを備えているコンビ ユータプログラムプロダクト。
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