JP4084312B2 - リソグラフィプロセス評価システム、リソグラフィプロセス評価方法、露光装置評価方法、マスクパターン設計方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

リソグラフィプロセス評価システム、リソグラフィプロセス評価方法、露光装置評価方法、マスクパターン設計方法及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明はリソグラフィー技術に係り、特にリソグラフィプロセス評価システム、リソグラフィプロセス評価方法、露光装置評価方法、マスクパターン設計方法及び半導体装置の製造方法に関する。
半導体装置の微細化に伴い、リソグラフィプロセスにおいてウェハに形成されるパターンの線幅を精度良く制御する必要性が増している。ウェハにおけるマスクパターンの投影像の寸法が設計値から変動する原因の一つに、光近接効果（OPE）がある。「光近接効果」は、着目パターンの周囲数μm範囲のパターン密度あるいは周期性に依存して着目パターンの投影像の寸法が設計値から変動する現象であり、解像限界付近のパターンを露光した場合にみられる。
さらに、着目パターンの周囲10μm〜1000μm程度の範囲におけるマスクの局所的な被覆率に依存して、投影像の寸法が変動する現象も生じる。被覆率に依存する寸法変動要因としては、露光装置で発生するミッドレンジフレア、露光後のベーク処理（PEB）中にウェハ表面に塗布されたレジストから発生する酸の蒸散と再付着、及び現像中の現像液濃度の偏り等が存在する。被覆率に依存する寸法変動要因の一つであるミッドレンジフレアの大きさを評価する方法としては、マスクの光遮断領域と光透過領域のそれぞれに同じ大きさの矩形パターンを設け、それぞれの矩形パターンの投影像の寸法を計測する方法が提案されている（例えば、特許文献1参照。）。
特開2003-100624号公報
しかしマスクパターン自体が電子ビーム照射、レジスト膜現像、及び遮光膜のパターニング等の工程を経て作製されるため、マスクパターンにおいても着目パターン周辺のパターン密度に依存して、着目パターンの寸法が設計値から誤差を生じる問題が生じる。そのため、マスク上の遮断領域と光透過領域のそれぞれに設計値で同じ大きさの矩形パターンを製造しても、実際に製造される矩形パターンの大きさには寸法誤差が生じる。そのため、光遮断領域と光透過領域のそれぞれに設けられた矩形パターンの投影像の寸法変動を計測しても、マスクにおける寸法誤差が影響してしまい、ミッドレンジフレアの大きさ等の被覆率に依存する寸法変動要因についての評価精度が低下してしまう問題があった。
本発明は上記問題点を鑑み、リソグラフィプロセスにおけるマスクの被覆率に依存する寸法変動要因を正確に評価可能なリソグラフィプロセス評価システム、リソグラフィプロセス評価方法、露光装置評価方法、マスクパターン設計方法及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明の第1の特徴は、（イ）周期パターン領域及び窓パターンのそれぞれをウェハ上の同じ領域に多重露光する露光装置と、（ロ）ウェハ上において、窓パターンの投影像位置を基準として、周期パターン領域の投影像の線幅の寸法変動を測定する線幅測定部と、（ハ）線幅の寸法変動をもとに、マスクの被覆率に依存する寸法変動要因を評価する被覆率依存性評価部とを備えるリソグラフィプロセス評価システムであることを要旨とする。
本発明の第2の特徴は、（イ）ウェハ上にレジストを塗布するステップと、（ロ）レジストの投影領域に周期パターン領域及び窓パターンを有する検査パターン領域のそれぞれを投影するステップと、（ハ）ウェハ上において、窓パターンの投影像位置を基準として、周期パターン領域の投影像の線幅の寸法変動を測定するステップと、（ニ）線幅の寸法変動をもとに、マスクの被覆率に依存する寸法変動要因を評価するステップとを含むリソグラフィプロセス評価方法であることを要旨とする。
本発明の第3の特徴は、（イ）複数のウェハ上にそれぞれレジストを塗布するステップと、（ロ）複数のウェハのそれぞれを、対応する複数の露光装置の内部に導入するステップと、（ハ）複数の露光装置のそれぞれで対応するレジストの投影領域に周期パターン領域及び窓パターンを有する検査パターン領域のそれぞれを露光するステップと、（ニ）複数のウェハのそれぞれについて、窓パターンの投影像位置を基準として、周期パターン領域の投影像の線幅の寸法変動を測定するステップと、（ホ）線幅の寸法変動をもとに、複数の露光装置のそれぞれのフレアに関する性能差を評価するステップとを含む露光装置評価方法であることを要旨とする。
本発明の第4の特徴は、（イ）マスクの被覆率に依存する寸法変動要因の大きさの分布を示すモデル関数と、マスクパターンの設計データとから、マスクパターンの投影像の寸法変動を算出するステップと、（ロ）寸法変動にもとづき、マスクパターンの設計データを補正するステップとを含むマスクパターン設計方法であることを要旨とする。
本発明の第5の特徴は、（イ）ウェハ上にレジストを塗布し、レジストの投影領域に周期パターン領域及び窓パターンを有する検査パターン領域のそれぞれを投影し、窓パターンの投影像位置を基準として周期パターン領域の投影像の線幅の寸法変動を測定し、線幅の寸法変動をもとに、マスクの被覆率に依存する寸法変動要因を評価することを、複数の露光装置を使用する条件、複数のレジストを使用する条件、複数のベーク条件及び複数の現像条件の少なくとも一つで行うステップと、（ロ）複数の露光装置、複数のレジスト、複数のベーク条件及び複数の現像条件の少なくとも一つについて、線幅の寸法変動が抑制される露光装置、レジスト、ベーク条件及び現像条件を決定するステップと、（ハ）寸法変動が抑制されると決定された露光装置、レジスト、ベーク条件及び現像条件の少なくとも一つを用いて、半導体装置を製造するステップとを含む半導体装置の製造方法であることを要旨とする。
本発明によれば、リソグラフィプロセスにおけるマスクの被覆率に依存する寸法変動要因を正確に評価可能なリソグラフィプロセス評価システム、リソグラフィプロセス評価方法、露光装置評価方法、マスクパターン設計方法及び半導体装置の製造方法を提供することができる。
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。なお以下の示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は構成部品の配置等を下記のものに特定するものではない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において種々の変更を加えることができる。
（第1の実施の形態）
図1に示すように、本発明の実施の形態に係るリソグラフィプロセス評価システムは、中央処理装置(CPU)300、露光装置3、加熱処理装置5、現像装置4、顕微鏡装置332、線幅情報記憶装置336、露光条件記憶装置338、加熱条件記憶装置340、現像条件記憶装置339、入力装置312、出力装置313、プログラム記憶装置330及びデータ記憶装置331を備える。さらにCPU300は、線幅測定部323、被覆率依存性評価部324、露光装置制御部326、加熱処理装置制御部328及び現像装置制御部327を備える。
ここで露光装置3は、図2に示すように、アルゴンフッ素(ArF)レーザ等の光を照射する照明光源141、照明光源141の下部に配置される開口絞りホルダ58、照明光源141より照射された光を集光する集光光学系143、集光光学系143の下部に配置されるスリットホルダ54、スリットホルダ54の下部に配置されるレチクルステージ115、レチクルステージ115の下部に配置される投影光学系142、投影光学系142の下部に配置されるウェハステージ32を備える。
レチクルステージ115は、レチクル用XYステージ81、レチクル用XYステージ81上部に配置されたレチクル用可動軸83a, 83b、レチクル用可動軸83a, 83bのそれぞれでレチクル用XYステージ81に接続されるレチクル用Z傾斜ステージ82を備える。レチクルステージ115にはレチクルステージ駆動部97が接続される。レチクルステージ駆動部97はレチクル用XYステージ81を水平方向に駆動し、またレチクル用可動軸83a, 83bのそれぞれを垂直方向に駆動する。よって、レチクル用Z傾斜ステージ82はレチクル用XYステージ81によって水平方向に位置決めされ、かつレチクル用可動軸83a, 83bのそれぞれにより水平面に対して傾斜をつけて配置することができる。レチクル用Z傾斜ステージ82端部にはレチクル用移動鏡98が配置される。レチクル用Z傾斜ステージ82の配置位置はレチクル用移動鏡98に対向して配置されたレチクル用レーザ干渉計99で計測される。
ウェハステージ32は、ウェハ用XYステージ91、ウェハ用XYステージ91上部に配置されたウェハ用可動軸93a, 93b、ウェハ用可動軸93a, 93bのそれぞれでウェハ用XYステージ91に接続されるウェハ用Z傾斜ステージ92を備える。ウェハステージ32にはウェハステージ駆動部94が接続される。ウェハステージ駆動部94はウェハ用XYステージ91を水平方向に駆動し、またウェハ用可動軸93a, 93bのそれぞれを垂直方向に駆動する。よって、ウェハ用Z傾斜ステージ92はウェハ用XYステージ91によって水平方向に位置決めされ、かつウェハ用可動軸93a, 93bのそれぞれにより水平面に対して傾斜をつけて配置することができる。ウェハステージ32には、反射防止膜及びレジスト膜が塗布されたシリコンウェハ等が配置される。ウェハ用Z傾斜ステージ92端部にはウェハ用移動鏡96が配置される。ウェハ用Z傾斜ステージ92の配置位置はウェハ用移動鏡96に対向して配置されたウェハ用レーザ干渉計95で計測される。
レチクルステージ115には、図3に示す周期パターン領域12、周期パターン領域12に隣接して配置された検査パターン領域13、及び周期パターン領域12と検査パターン領域13を囲んで配置された遮光領域11を有する検査マスクが配置される。周期パターン領域12及び検査パターン領域13の面積は同じである。ここで周期パターン領域12は、ウェハ上における投影像が、線幅0.2μmのラインアンドスペースパターンとなる、ハーフトーン位相シフト部と透過部との繰り返しからなる周期パターンを有している。
検査パターン領域13は周囲を遮光膜に囲まれた窓パターン14a, 14b, 14cを有する。窓パターン14a, 14b, 14cのそれぞれは１辺が2,000μmの正方形の透光部であり、窓パターン14a, 14b, 14cのそれぞれは少なくとも20,000μmの間隔をおいて平行に配置される。なお図3において検査パターン領域13は3つの窓パターン14a, 14b, 14cを有するが、さらに多くの窓パターンを有しても良い。
図1に示す露光条件記憶装置338は、露光装置3の投影レンズの開口数(NA)、コヒーレンスファクタσ、輪体遮蔽率等の照明条件等を保存する。また露光装置制御部326は、露光装置3の露光環境を設定する。さらに露光装置制御部326は、図2に示したレチクルステージ駆動部97、ウェハステージ駆動部94を駆動してレチクルステージ115及びウェハステージ32を移動させ、且つそれぞれの配置位置、走査方向、走査速度等をレチクル用レーザ干渉計99及びウェハ用レーザ干渉計95で監視することにより、露光装置3にステップアンドスキャン露光をさせる。
また露光装置制御部326は露光装置3に、ウェハステージ32に配置された、シリコンウェハ上に反射防止膜及びレジスト膜が塗布された検査用ウェハ上の投影領域に、図3に示した検査マスクの周期パターン領域12を露光し、図2に示したレチクルステージ115をレチクルステージ駆動部97によって移動させ、検査用ウェハ上の図3に示した周期パターン領域12が露光された投影領域に検査パターン領域13を多重露光する指示を与える。さらに露光装置制御部326は露光装置3に、ウェハステージ32に配置された、シリコンウェハ上に反射防止膜及びレジスト膜が塗布された参照用ウェハ上に、図3に示した周期パターン領域12のみを、検査用ウェハの場合と同じ露光条件で露光する指示を与える。
図1に示す加熱処理装置5は、露光装置3で露光された検査用ウェハ及び参照用ウェハをPEB処理するための装置で、加熱温度及び加熱時間等の加熱条件を管理可能な装置が使用可能である。加熱処理装置制御部328は加熱処理装置5の加熱条件を設定し、加熱条件記憶装置340は、加熱処理装置5の加熱条件等を保存する。
現像装置4は、露光装置3で露光され加熱処理装置5でPEB処理された検査用ウェハ及び参照用ウェハを現像するための装置で、現像液濃度、温度、及び現像時間等の現像条件を管理可能な装置が使用可能である。現像装置制御部327は、現像装置4の現像条件を設定し、現像条件記憶装置339は、現像装置4の現像条件等を保存する。
図4は現像装置4で現像された検査用ウェハの上面図であり、レジスト膜15表面にステップアンドスキャン露光法により投影された検査マスク投影パターン41a, 41b, 41c, 41d, 41e, 41f, 41g, 41g, 41iのそれぞれが配置される。現像装置4で現像された参照用ウェハの上面図は図4と同様であるので図示は省略する。
図5は、図4に示した検査用ウェハ上の検査マスク投影パターン41aを拡大したものであり、図3に示した窓パターン14a, 14b, 14cと周期パターン領域12を2重露光して得られる、窓パターン投影像43a, 43b, 43cと、窓パターン投影像43a, 43b, 43cのそれぞれを取り囲む周期パターン投影像42が配置される。1/4縮小投影露光により、窓パターン投影像43a, 43b, 43cのそれぞれは一辺が500μmの正方形をしており、それぞれ5,000μmの間隔をおいて配置される。また図6は、図3に示した周期パターン領域12の参照用ウェハ上の投影像である周期パターン投影像44を示す。
図1に示す顕微鏡装置332としては原子間力顕微鏡(AFM)や走査型電子顕微鏡(SEM)等が使用可能である。顕微鏡装置332は図4に示した検査用ウェハ上の検査マスク投影パターン41a, 41b, 41c, 41d, 41e, 41f, 41g, 41g, 41iのそれぞれの観察画像と、参照用ウェハ上の検査マスク投影パターンの観察画像をそれぞれ取得する。
図1に示す線幅測定部323は、顕微鏡装置332が取得した検査用ウェハの観察画像について画像解析し、図5に破線で示した領域をさらに拡大した図7に示すように、窓パターン投影像43aのそれぞれの辺部を計測の起点として四方向における周期パターン投影像42の線幅を、例えば10μm間隔で30ポイント測定する。図5に示した窓パターン投影像43b, 43c周辺についても同様の測定をする。
また図1に示す線幅測定部323は、参照用ウェハの観察画像についても画像解析する。図6に破線で示した領域をさらに拡大した図8に示す破線の正方形は図7に示した窓パターン投影像43aに対応する領域を示しており、図1に示す線幅測定部323は検査用ウェハと同じ座標位置における参照用ウェハ上の周期パターン投影像44の線幅を測定する。
図1に示す被覆率依存性評価部324は、線幅測定部323が取得した検査用ウェハの線幅と、参照用ウェハの線幅を同一座標で比較し、被覆率に依存する寸法変動の特性を評価する。
図9は、図1に示す被覆率依存性評価部324が作成した被覆率に依存する寸法変動の特性の評価結果の一例を示すグラフである。横軸は図8に示した破線の正方形及び図7に示した窓パターン投影像43aの辺部を原点とした距離である。縦軸は、周期パターン投影像42, 44の線幅である。なお図9のグラフにおいては、周期パターン投影像42, 44のそれぞれの線幅の値は、図7及び図8に示した縦横４方向の計測値の平均をプロットしている。図9に示すように検査用ウェハにおいては、窓パターン投影像43aの近傍において周期パターン投影像42の線幅が減少しており、窓パターン投影像43aから遠ざかるにつれて線幅が太くなっている。一方参照用ウェハにおいては、線幅測定座標に依らず周期パターン投影像43の線幅はほぼ一定の値を示している。
図1に示す被覆率依存性評価部324は、参照用ウェハにおける線幅と、検査用ウェハにおける線幅の差を被覆率に依存する寸法変動要因による影響と評価する。図9に示した例においては、寸法変動要因の影響は窓パターン投影像43aの端から200μm付近まで及ぶことから、図1に示した露光装置3、加熱処理装置5及び現像装置4を使用した場合は、ウェハ上の着目パターンの寸法は、着目パターンの周囲200μmの領域に対応するマスクパターンのマスク被覆状態に依存して変動すると判断する。なお、被覆率依存性評価部324は図5に示した窓パターン投影像43b, 43c周辺についても同様の評価をする。
図1に示す入力装置312としては、キーボード、マウス等が使用可能であり、出力装置313としては液晶表示装置(LCD)、発光ダイオード(LED)等によるモニタ画面等が使用可能である。プログラム記憶装置330は、CPU300に接続された装置間のデータ送受信等をCPU300に実行させるためのプログラムを保存している。データ記憶装置331は、CPU300の演算過程でのデータを一時的に保存する。
次に図10に示すフローチャートを用いて第1の実施の形態に係るリソグラフィープロセス評価方法について説明する。
(a) まずステップS101で、シリコンウェハに反射防止膜及びレジスト膜を塗布し、検査用ウェハ及び参照用ウェハを作製する。反射防止膜及びレジスト膜を塗布する条件等は、実際の半導体装置を製造する条件に合わせる。
(b) 次にステップS102で、図1及び図2に示した露光装置3で検査用ウェハの投影領域に図3に示した検査マスクの周期パターン領域12を投影する。投影には最適化された露光量及び焦点等の露光条件を使用する。さらにステップS201で、検査用ウェハの周期パターン領域12が投影された同じ投影領域に同じ露光条件で、検査パターン領域13を図1及び図2に示した露光装置3で多重投影する。
(c) ステップS103で、参照用ウェハにステップS102と同じ露光条件で、図3に示した検査マスクの周期パターン領域12を図1及び図2に示した露光装置3で投影する。次に、ステップS104で検査用ウェハ及び参照用ウェハを図1に示した加熱処理装置5でPEB処理する。さらにステップS105で検査用ウェハ及び参照用ウェハを現像装置4で現像処理する。
(d) ステップS106で、顕微鏡装置332で検査用ウェハ及び参照用ウェハ表面の観察画像を取得する。次にステップS107で線幅測定部323は検査用ウェハの図7に示した窓パターン投影像43aの配置位置を測定座標の基準位置として、周期パターン投影像42の線幅を計測する。図5に示した窓パターン投影像43b, 43cの近傍についても同様に評価する。
(e) ステップS108で、図1に示した線幅測定部323は、図8に示した参照用ウェハの周期パターン投影像44の線幅をステップS107と同じ座標で計測する。さらにステップS109で、図1に示した被覆率依存性評価部324は、ステップS107, 108で計測された検査用ウェハ及び参照用ウェハ表面のそれぞれの線幅から、図1に示した露光装置3、加熱処理装置5及び現像装置4を使用した場合のマスクの被覆率に依存する寸法変動の特性を評価する。
以上示した第1の実施の形態に係るリソグラフィプロセス評価システム及びリソグラフィプロセス評価方法においては、図3に示した検査マスクの周期パターン領域12は、密度が一様な周期パターンであって、遮光膜の被覆率が一様であり、検査マスク製造時に周期パターンの線幅に製造誤差が生じない。そのため、周期パターン領域12のみを露光した場合は、図9に示すように、参照用ウェハにおいては、周期パターン領域12の投影像の線幅は一様である。すなわち、図7に示した窓パターン投影像43aの周囲における周期パターン投影像42の線幅の変動は、検査マスクの製造誤差を含まず、図3に示した検査パターン領域13の被覆率のみに依存して生じていると考えられる。
従来においては、マスク上に、被覆率依存性を検査するためのパターンの内部に、線幅計測用のパターンが設けられていたため、マスク製造時に線幅計測用のパターンに製造誤差が生じていた。これに対し図3に示した検査マスクにおいては、周期パターン領域12と検査パターン領域13のそれぞれが別の位置に配置されている。そのため、検査パターン領域13及び遮光領域11との境界付近をのぞいて、周期パターン領域12の線幅には製造誤差が生じない。したがって、第1の実施の形態に係るリソグラフィプロセス評価システム及びリソグラフィプロセス評価方法よれば、検査マスクの製造誤差の影響を排除し、被覆率に依存する寸法変動の特性を正確に計測することが可能となり、リソグラフィプロセスを高い精度で評価することが可能になる。
また、検査用ウェハにおいて、図5に示した窓パターン投影像43a, 43b, 43cのそれぞれの投影像の近傍で、周期パターン領域12の投影像の線幅を測定し、それぞれの線幅変動を比較することにより、被覆率に依存する寸法変動の一括露光領域内ばらつきについても評価することが可能となる。
なお、図10に示したリソグラフィプロセス評価方法においては、ステップS102で周期パターン領域12を投影した後に、ステップS201で検査パターン領域13を投影したが、この順番に限るものではない。検査パターン領域13を検査用ウェハに投影した後に、同じ領域に周期パターン領域12を投影しても、第1の実施の形態に係るリソグラフィプロセス評価方法を行うことはもちろん可能である。
また、図10のステップS201において、検査パターン領域13露光時の露光量は、ステップS102における周期パターン領域12露光時の露光量と別の値に設定してもよい。例えばステップS201において露光量をステップS102より大きく設定することにより、図7に示した窓パターン投影像43a, 43b, 43cのそれぞれの周囲に発生するミッドレンジフレア、ステップS104のPEB工程での酸の蒸散及び再付着の量、及びステップS105の現像工程での現像液濃度の偏り等の露光量から受ける影響を意図的に大きくすることができる。
そのため、例えば露光装置3のフレア特性が大きくない場合や、酸蒸散量が少ないレジストを検査用ウェハの作製の際に使用した場合、あるいは現像液濃度の偏りの影響が大きくない現像工程を採用した場合においても、線幅の寸法変動を観察することにより微小な影響を検知することが可能となる。すなわち測定感度を任意にコントロールすることによって、様々な装置及びプロセスに関して被覆率に依存する寸法変動特性を高精度に計測することが可能となる。
（第1の実施の形態の変形例）
第1の実施の形態に係るリソグラフィプロセス評価システム及びリソグラフィプロセス評価方法で計測された被覆率に依存する寸法変動要因には、図1に示した露光装置3で発生するミッドレンジフレア、加熱処理装置5によるPEB処理中に検査用及び参照用ウェハに塗布されたレジストから発生する酸の蒸散と再付着、及び現像装置4による現像中の現像液濃度の偏り等が含まれる。
これに対し、顕微鏡装置332に摩擦力顕微鏡、位相差顕微鏡等を用いれば、露光装置3で投影された検査用及び参照用ウェハに投影された潜像を、PEB処理及び現像処理をすることなく観察することが可能である。よって、顕微鏡装置332で取得した潜像の観察画像を線幅測定部323で評価することにより、ミッドレンジフレアのみに依存する線幅の寸法変動を評価することが可能となる。
また、加熱処理装置5によるPEB処理後の検査用及び参照用ウェハの潜像を顕微鏡装置332で観察し、観察画像を線幅測定部323で評価すれば、ミッドレンジフレア及び酸の蒸散と再付着のみに依存する線幅の寸法変動を評価することが可能となる。また、ミッドレンジフレアのみに依存する線幅の寸法変動の評価結果と組み合わせれば、酸の蒸散と再付着のみに依存する線幅の寸法変動を評価することも可能となる。
さらに、図11に示すように、ステップS103の次に、検査用及び参照用ウェハの表面に水溶性の表面保護膜をスピン塗布するステップS301と、ステップS104の次に、検査用ウェハ及び参照用ウェハを水に浸すことにより表面保護膜を除去するステップS302を、図10に示したリソグラフィプロセス評価方法に更に含めることにより、ステップS104のPEB工程における酸の蒸散と再付着を抑制することが可能となる。
従って、図11のフローチャートに従って作成された検査用ウェハ及び参照用ウェハを線幅測定部323で評価することにより、ミッドレンジフレアと現像液の偏在のみに依存する線幅の寸法変動のみを評価することが可能となる。また、ミッドレンジフレアのみに依存する線幅の寸法変動の評価結果と組み合わせれば、現像液の偏在のみに依存する線幅の寸法変動を評価することも可能となる。なお「表面保護膜」としては、酸性水溶性高分子よりなる上層反射防止膜等が使用可能である。
（第2の実施の形態）
図12に示す第2の実施の形態にかかるリソグラフィプロセス評価システムが図1と異なるのは、CPU300に複数の露光装置3a, 3b, 3c, …, 3nが接続されている点である。露光装置3a, 3b, 3c, …, 3nのそれぞれは図2に示した露光装置3と同様の構成をしている。図12に示したリソグラフィプロセス評価システムのその他の構成要素についても図1と同じであるので説明は省略する。
次に図13に示すフローチャートを用いて第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
(a) まずステップS10で、検査用ウェハ及び参照用ウェハに塗布されるレジスト、図12に示した複数の露光装置3a〜3nのそれぞれの露光量及び焦点等の露光条件、加熱処理装置5の加熱温度及び加熱時間等のPEB条件、及び現像装置4の現像液濃度及び現像時間等のリソグラフィー条件を総て共通にして、複数の検査用ウェハ及び複数の参照用ウェハを対応する複数の露光装置3a〜3nのそれぞれに格納した後、図10に示したリソグラフィプロセス評価方法を行い、被覆率に依存する寸法変動を複数の検査用ウェハ及び複数の参照用ウェハのそれぞれについて評価する。さらに、図13のステップS11で露光装置3a〜3nのそれぞれについて、寸法変動の大小を比較し、露光装置3a〜3nを寸法変動の昇り順で序列化する。図14は比較結果の一例であり、露光装置3aが最も被覆率に依存する寸法変動が小さく、露光装置3nが最も被覆率に依存する寸法変動が大きいことを示している。
(b) 図13のステップS12で、それぞれ異なる種類の複数のレジストを塗布された検査用ウェハ及び参照用ウェハを複数用意し、ステップS11で最も被覆率に依存する寸法変動が小さいと判断された露光装置3aで図10に示したリソグラフィプロセス評価方法を行い、被覆率に依存する寸法変動を評価する。ただし、図10のステップS104, S105におけるPEB及び現像条件は、それぞれのレジストに適した条件を用いる。さらに、図13のステップS13で複数のレジストのそれぞれについて、寸法変動の大小を比較し、複数のレジストを寸法変動の昇り順で序列化する。
(c) ステップS14において、ステップS11, S13で被覆率に依存する寸法変動が最も小さいと判断された露光装置3a及びレジストを用いて、図10に示したリソグラフィプロセス評価方法を複数の検査用ウェハ及び参照用ウェハについて行い、被覆率に依存する寸法変動を評価する。ただし、ステップS104においては複数の検査用ウェハ及び参照用ウェハのそれぞれについて異なるPEB条件を用いる。さらに図13のステップS15で、複数のPEB条件のそれぞれについて、寸法変動の大小を比較し、最も寸法変動が少ない最適PEB条件を決定する。
(d) ステップS16において、被覆率に依存する寸法変動が最も小さいと判断されたレジスト、露光装置3a及び最適PEB条件を用いて、図10に示したリソグラフィプロセス評価方法を複数の検査用ウェハ及び参照用ウェハのそれぞれについて行い、被覆率に依存する寸法変動を評価する。ただし、図10のステップS105においては複数の検査用ウェハ及び参照用ウェハのそれぞれについて異なる現像条件を用いる。さらに図13のステップS17で、複数の現像条件のそれぞれについて寸法変動の大小を比較し、最も寸法変動が少ない最適現像条件を決定する。
(e) ステップS18において、ステップS13で被覆率に依存する寸法変動が最も小さいと判断されたレジスト、ステップS11で被覆率に依存する寸法変動が最も小さいと判断された露光装置3a、ステップS15で被覆率に依存する寸法変動が最も小さいと決定された最適PEB条件及びステップS17で被覆率に依存する寸法変動が最も小さいと決定された最適現像条件を用いて半導体装置を製造する。
以上示した第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、マスクの被覆率に依存するマスクパターン投影像の寸法変動が最も小さい露光装置、レジスト、PEB条件及び現像条件のそれぞれを選択可能であり、半導体装置の製造工程における歩留まりの向上を可能とする。
なお図13に示したフローチャートにおいては、露光装置、レジスト、PEB条件、現像条件の順に最適条件を決定したが、最適条件の決定は必ずしもこの順序である必要はない。また、露光装置、レジスト、PEB条件及び現像条件のいずれかのうち少なくとも一つについて最適条件を決定し、決定された最適条件下で半導体装置を製造してもよい。さらに、例えばPEB条件及び現像条件の組み合わを複数用意し、最も被覆率に依存する寸法変動が小さくなる組み合わせを最適条件としてもよい。また、寸法変動が最も小さい最適条件を選択するだけでなく、寸法変動が所定量以下の条件を、寸法変動が抑制される条件として採用しても良い。
（第3の実施の形態）
図15に示す第3の実施の形態に係るリソグラフィプロセス評価システムが図1と異なるのは、CPU300に線幅変動予測装置325及びモデル関数記憶装置337が接続され、CPU300が線幅変動換算部341及びモデル関数作成部342を更に備えている点である。
また第3の実施の形態においては、図15及び図2に示した露光装置3のレチクルステージ115に図16に示す検査マスクが配置される。図16に示す検査マスクが図3に示した検査マスクと異なるのは、検査パターン領域13に窓パターン151,152,153のそれぞれが、露光装置3のスキャン方向と同じ方向に一列に配置されている点である。窓パターン151,152,153のそれぞれは一辺が4,000μm、2,000μm、400μmの正方形である。露光装置3で1/4倍縮小投影露光されることにより、それぞれの検査用ウェハ上での投影像は一辺が1,000μm、500μm、100μmの正方形となる。
図15に示す線幅測定部323は、図16に示した窓パターン151について、図17に示すように、検査用ウェハ上での窓パターン投影像243の周囲４方向に、窓パターン投影像243の中心を原点として距離x1,1000, x2,1000, x3,1000, …, xn,1000（n:自然数）における周期パターン投影像45の線幅を計測する。さらに線幅測定部323は、4方向のそれぞれの距離xn,1000における線幅の寸法変動の平均値A(xn,1000)を求める。図16に示した窓パターン152についても同様に、投影像の周囲４方向に距離x1,500, x2,500, x3,500, …, xn,500における周期パターン投影像の線幅を計測し、4方向のそれぞれの距離xn,500における線幅の寸法変動の平均値A(xn,500)を求める。さらに窓パターン153についても同様に、投影像の周囲４方向に距離x1,100, x2,100, x3,100, …, xn,100における周期パターン投影像の線幅を計測し、4方向のそれぞれの距離xn,100における線幅の寸法変動の平均値A(xn,100)を求める。
図15に示す線幅情報記憶装置336は、線幅測定部323が取得した線幅の寸法変動の平均値A(xn,1000), A(xn,500), A(xn,100)のそれぞれを保存する。
線幅変動予測装置325は、図16に示した周期パターン領域12と、任意の被覆率に依存する寸法変動要因の大きさで検査パターン領域13を検査用ウェハに投影した場合の、被覆率に依存する寸法変動要因の大きさと周期パターン領域12の投影像の線幅の寸法変動との関係を、露光投影像の光強度を算出するフーリエ変換プログラム、現像後のウェハ表面の投影像の線幅を算出するストリングモデル等により予測する。図18は被覆率に依存する寸法変動要因の一つであるミッドレンジフレアの大きさと、線幅変動予測装置325で予測された線幅の寸法変動の関係の一例を表すグラフである。
図15に示す線幅変動換算部341は、線幅情報記憶装置336に保存されている線幅の寸法変動の平均値A(xn,1000), A(xn,500), A(xn,100)のそれぞれについて、線幅変動予測装置325が算出した被覆率に依存する寸法変動要因の大きさと寸法変動の関係を用いて、線幅の寸法変動の平均値を被覆率に依存する寸法変動要因の大きさに換算し、換算寸法変動要因量f1000(xn,1000), f500(xn,500), f100(xn,100)を算出する。
モデル関数作成部342は、線幅変動換算部341が算出した換算寸法変動要因量f1000(xn,1000), f500(xn,500), f100(xn,100)を基に、被覆率に依存する寸法変動要因の大きさの分布を示すモデル関数を算出する。ここで、ウェハ上の座標(x, y)におけるマスクの被覆率に依存する寸法変動要因の大きさを示す一般式は、(1)式で与えられる。なお、図16に示した窓パターン151等の透過パターンの投影像の中心位置を座標(x, y)の原点とする。
Figure 0004084312
 ここで、W(s, t)はマスク上の座標(s, t)において光が透過する場合は1、遮光される場合は0である。関数P(x-s, y-t)はマスク上の座標(s, t)に対するウェハ上の座標(x, y)における被覆率に依存する寸法変動要因の大きさと影響範囲を表す関数であり、(2)式で与えられる。
P(x-s, y-t) = a0 + a1 ×exp(-b1rp 2) …(2)
ここで、rpはrp = ((x - s)2 + (y - t)2)1/2である。右辺の第1項a0はマスクの局所的な被覆率に依存せず、二重露光によって増大するロングレンジフレア等を示す定数である。なおロングレンジフレアが十分小さい場合は、第1項a0は省略可能である。第2項a1 ×exp(-b1rp 2)は露光装置3で生じるミッドレンジフレア、加熱処理装置5で生じる酸の蒸散と再付着、現像装置4で生じる現像液濃度の偏り等の被覆率に依存する寸法変動要因を示し、a1は定数である。
図15に示すモデル関数作成部342は、(1)式を変形した(3), (4), (5)式を被覆率に依存する寸法変動要因の大きさの分布を示すモデル関数の算出に利用する。
Figure 0004084312
Figure 0004084312
Figure 0004084312
ここで線幅変動換算部341が算出した換算寸法変動要因量f1000(xn,1000), f500(xn,500), f100(xn,100)を基に、被覆率に依存する寸法変動要因の大きさの分布を示すモデル関数を算出するにあたっては、(1)式において、図16に示した検査パターン領域13の窓パターン151, 152, 153以外の領域ではW(s, t) = 0であると仮定することができる。よって、窓パターン151, 152, 153のそれぞれの中心を原点とし、それぞれの辺の長さの1/2をaとして、積分範囲はW(s, t)が１である範囲である-aからaに(3)〜(5)式は変形されている。またフレア分布は等方的であると仮定して、変数がxのみの関数に変形されている。よって、(3)〜(5)式においては、変数xは窓パターン151, 152, 153のそれぞれの投影像の中心位置からの距離を示す変数に相当する。また、(3)〜(5)式に示したrlはrl = ((x - s)2 + t2)1/2である。
さらにモデル関数作成部342は、図16に示した窓パターン151の投影像の中心位置からの距離xn,1000における換算寸法変動要因量f1000(xn,1000)、窓パターン152の投影像の中心位置からの距離xn,500における換算寸法変動要因量f500(xn,1000)、窓パターン153の投影像の中心位置からの距離xn,100における換算寸法変動要因量f100(xn,100)、(3)式、(4)式及び(5)式を用いて、(6)式で与えられる偏差平方和Sの式を作成する。
Figure 0004084312
 図15に示すモデル関数作成部342は、a0, a1, b1 について適当な初期値を仮定し、最急降下法あるいはシンプレックス法等の繰り返し計算により、(6)式で与えられた偏差平方和Sを最小にする定数a0, a1, b1 の組み合わせを算出する。さらにモデル関数作成部342は、算出された偏差平方和Sを最小にする定数a1, b1 を用いて、(7)式で与えられるリソグラフィプロセスの被覆率に依存する寸法変動要因の大きさと影響範囲を表す関数P1(x,y)を作成する。
P1(x, y) = a1 ×exp(-b1r2) …(7)
ここで、rはr = (x2 + y2)1/2である。またモデル関数作成部342は(7)式を用いて、(8)式で与えられ、任意のマスクパターンで被覆率に依存する寸法変動要因の大きさの分布を算出可能なモデル関数F(x, y)を作成する。
Figure 0004084312
ここでM(s, t)は、マスクパターンの座標(s, t)における透過率を示す関数であり、例えば透過部では１、6%ハーフトーン領域では0.06である。また積分範囲を示す定数cは、(7)式で与えられたガウス型の関数P1(x,y)のrの値を十分大きくとると、関数P1(x,y)が0に近似可能な程度に微小な値になることを考慮して任意に定める。
モデル関数記憶装置337は、モデル関数作成部342が算出した(8)式で与えられるモデル関数F(x,y)を保存する。
なお、図15に示したリソグラフィプロセス評価システムのその他の構成要素は図1と同じであるので説明は省略する。
次に図19に示すフローチャートを用いて第3の実施の形態に係るリソグラフィープロセス評価方法について説明する。
(a) まずステップS401で、図16に示した検査マスクを用いて、図10に示したリソグラフィプロセス評価方法と同様の方法により、窓パターン151, 152, 153のそれぞれの投影像の周囲における、周期パターン領域12の投影像の線幅の寸法変動を、窓パターン151, 152, 153のそれぞれの投影像の中心位置から複数の距離の位置で取得する。
(b) ステップS402で、図15に示した線幅変動予測装置325で被覆率に依存する寸法変動要因の大きさと線幅の寸法変動の関係を算出する。さらに線幅変動換算部341は、ステップS401で取得した線幅の寸法変動を、線幅変動予測装置325が算出した関係を基に換算寸法変動要因量に換算する。
(c) ステップS403で、モデル関数作成部342はステップS402で算出された換算寸法変動要因量に基づき、(6)式で定義される偏差平方和Sを最小にする定数a0, a1, b1 を算出する。さらに算出された定数a1, b1に基づいて(7)式で与えられるリソグラフィプロセスの被覆率に依存する寸法変動要因の大きさと影響範囲を表す関数P1(x,y)を作成する。さらにステップS404で、モデル関数作成部342は(7)式を基に、(8)式で与えられるモデル関数F(x, y)を作成する。
以上示した第3の実施の形態に係るリソグラフィプロセス評価システム及びリソグラフィプロセス評価方法によれば、被覆率に依存する寸法変動をモデル化し、任意のマスクパターンに対し、被覆率に依存する寸法変動要因の大きさの分布を算出可能なモデル関数F(x, y)を取得することが可能となる。
第3の実施の形態においては、図16に示した3種類の寸法の窓パターン151, 152, 153を有する検査マスクを用いたが、窓パターンの数は3種類に限らず、任意の数の任意の寸法の透過領域を有する検査マスクを使用しても、(3)〜(5)式で与えられた積分範囲を変更することで、対応可能である。
なお、図16に示した検査マスクで窓パターン151, 152, 153のそれぞれがスキャン方向に一列に配置されているのは、ステップアンドスキャン露光により、ミッドレンジフレアの大きさ及び影響範囲等の特性はスキャン方向において共通になると考えられるからである。
従って、スキャン方向に直交するスリット方向には、ミッドレンジフレアの特性が変化する場合が生じ、(7)式で与えられる被覆率に依存する寸法変動要因の大きさと影響範囲を表す関数P1(x,y)の定数は、スリット方向の複数のポイントのそれぞれで取得すべき場合も生じる得る。よって図20に示すように、検査マスクの検査パターン領域13に窓パターンセット50a, 50b, 50cをスリット方向に平行に配置してもよい。窓パターンセット50aはスキャン方向に同軸上に配置された窓パターン251a, 252a, 253aを有する。窓パターンセット50bは同様に窓パターン251b, 252b, 253bを有する。窓パターンセット50cは同様に窓パターン251c, 252c, 253cを有する。窓パターンセット50a, 50b, 50cのそれぞれについて、図19に示した方法でモデル関数F(x, y)算出することにより、より高い精度で、任意のマスクパターンで被覆率に依存する寸法変動要因の大きさの分布を算出することが可能となる。
（第3の実施の形態の変形例1）
第3の実施の形態で定義された(2)式の第2項a1 ×exp(-b1rp 2)は図15に示した露光装置3で生じるミッドレンジフレア、加熱処理装置5で生じる酸の蒸散と再付着、現像装置4で生じる現像液濃度の偏り等の被覆率に依存する寸法変動要因を示している。
これに対して、図11の説明で記載したように、表面保護膜で加熱処理装置5によるPEB処理中の酸の蒸散及び再付着を抑制し、現像装置4で現像された検査用及び参照用ウェハの投影像を顕微鏡装置332で観察し、線幅変動予測装置325でミッドレンジフレアの大きさ及び現像液の偏り量と、投影像の線幅の寸法変動との関係を取得することにより、線幅変動換算部341でミッドレンジフレアの大きさと現像液の偏り量のみを示す換算寸法変動要因量f1000(xn,1000), f500(xn,500), f100(xn,100)を算出することが可能である。そのため、モデル関数作成部342で、ミッドレンジフレアの大きさと現像液の偏り量のみを含む被覆率に依存する寸法変動要因の大きさと影響範囲を表す関数P1(x,y)を作成可能である。
さらに、関数P1(x,y)を作成を作成した際に算出された定数a1, b1を用い、(2)式を(9)式に置き換えて、再度図19に示したリソグラフィープロセス評価方法を行い、a0, a2, b2を求める。
Pb(x-s, y-t) = a0 + a1 ×exp(-b1rp 2)+ a2 ×exp(-b2rp 2) …(9)
(9)式において、第1項a0はロングレンジフレア、第2項a1×exp(-b1rt 2)はミッドレンジフレア及び現像液の偏り、第3項a2×exp(-b2rt 2)は酸の蒸散と再付着を示す。すなわち、(9)式は、酸の蒸散と再付着に起因する寸法変動の挙動を、ミッドレンジフレア及び現像液の偏りに起因する寸法変動と独立して示すことが可能となる。
（第3の実施の形態の変形例2）
第3の実施の形態に係るリソグラフィプロセス評価方法で算出された(8)式で与えられるモデル関数F(x, y)で算出される被覆率に依存する寸法変動要因の大きさには、図15に示した露光装置3で発生するミッドレンジフレアの大きさ、加熱処理装置5によるPEB処理中に検査用及び参照用ウェハから発生する酸の蒸散及び再付着の量、及び現像装置4による現像中の現像液濃度の偏り量等が含まれる。
これに対し、顕微鏡装置332に摩擦力顕微鏡、位相差顕微鏡等を用いて、露光装置3で投影された検査用及び参照用ウェハに投影された潜像を観察し、線幅変動予測装置325でミッドレンジフレアの大きさと潜像の線幅の寸法変動との関係を取得することにより、線幅変動換算部341でミッドレンジフレアの大きさのみを示す換算寸法変動要因量f1000(xn,1000), f500(xn,500), f100(xn,100)を算出することが可能である。そのため、モデル関数作成部342で、ミッドレンジフレアの大きさの分布を算出可能なモデル関数を作成することが可能である。
また、加熱処理装置5によるPEB処理後の検査用及び参照用ウェハの潜像を顕微鏡装置332で観察し、線幅変動予測装置325でミッドレンジフレアの大きさ及び酸の蒸散及び再付着の量と、潜像の線幅の寸法変動との関係を取得することにより、線幅変動換算部341でミッドレンジフレアの大きさと酸の蒸散及び再付着の量のみを示す換算寸法変動要因量f1000(xn,1000), f500(xn,500), f100(xn,100)を算出することが可能である。そのため、モデル関数作成部342で、ミッドレンジフレアの大きさと酸の蒸散及び再付着の量のみを含む被覆率に依存する寸法変動要因の大きさの分布を算出可能なモデル関数を作成することが可能である。また、ミッドレンジフレアのみによる寸法変動の評価結果と組み合わせれば、酸の蒸散と再付着のみの分布を算出可能なモデル関数を作成することが可能である。
さらに、図11の説明で記載したように、表面保護膜で加熱処理装置5によるPEB処理中の酸の蒸散及び再付着を抑制し、現像装置4で現像された検査用及び参照用ウェハの投影像を顕微鏡装置332で観察し、線幅変動予測装置325でミッドレンジフレアの大きさ及び現像液の偏り量と、投影像の線幅の寸法変動との関係を取得することにより、線幅変動換算部341でミッドレンジフレアの大きさと現像液の偏り量のみを示す換算寸法変動要因量f1000(xn,1000), f500(xn,500), f100(xn,100)を算出することが可能である。そのため、モデル関数作成部342で、ミッドレンジフレアの大きさと現像液の偏り量のみを含む被覆率に依存する寸法変動要因の大きさの分布を算出可能なモデル関数を作成することが可能である。また、ミッドレンジフレアのみによる寸法変動の評価結果と組み合わせれば、現像液の偏り量のみの分布を算出可能なモデル関数を作成することが可能である。
（第4の実施の形態）
図21に示す第4の実施の形態に係るマスクパターン設計システムが図15に示したリソグラフィプロセス評価システムと異なるのは、CPU300にマスクパターン記憶装置335及び閾値記憶装置333が接続され、CPU300が変動要因分布算出部343、パターン寸法変動評価部344及びマスクデータ補正部345を更に備えている点である。
マスクパターン記憶装置335には、半導体装置製造に用いられるマスクのマスクパターンがCADデータ等として保存される。
変動要因分布算出部343は、マスクパターン記憶装置335に保存されているマスクパターンデータと、モデル関数記憶装置337に保存されている(8)式で与えられるモデル関数F(x,y)を基に、ウェハ上の座標(x, y)における被覆率に依存する寸法変動要因の大きさを算出する。
パターン寸法変動評価部344は、線幅変動予測装置325がマスクパターン記憶装置335に保存されているマスクパターンデータを用いて算出したマスクパターン投影像の各座標における寸法変動を基に、マスクパターン投影像の寸法変動の標準偏差を算出し、寸法変動の標準偏差が許容範囲内であるか否か判断する。許容範囲の閾値は、入力装置312から設定される。
マスクデータ補正部345は、線幅変動予測装置325が求めた線幅変化に基づき、マスクパターン記憶装置335に保存されているマスクパターンデータを補正する。またマスクデータ補正部345は内部にカウンタを有し、補正の回数を記録する。さらに閾値記憶装置333は、マスクデータ補正部345が行う補正の回数の上限値を保存する。
マスクパターン設計システムのその他の構成要素は図15に示したリソグラフィプロセス評価システムと同じであるので説明は省略する。
次に図22に示すフローチャートを用いて第4の実施の形態に係るマスクパターン設計方法について説明する。
(a) まずステップS501で、図21に示した変動要因分布算出部343はマスクパターン記憶装置335からマスクパターンデータ、モデル関数記憶装置337から(8)式で与えられるモデル関数F(x, y)を読み出す。さらにステップS502で、変動要因分布算出部343はマスクパターンデータとモデル関数F(x, y)を基に、ウェハ上の座標(x, y)における被覆率に依存する寸法変動要因の大きさを算出する。
(b) ステップS504で、線幅変動予測装置325はマスクパターン記憶装置335に保存されているマスクパターンデータと、ステップS502で算出された寸法変動要因の大きさの分布を基に、マスクパターン投影像の寸法変動の分布を算出する。さらにステップS505でパターン寸法変動評価部344は、算出されたマスクパターン投影像の寸法変動の分布が許容範囲内であるか否か判断する。許容範囲内であれば、ステップS511に進む。一方、許容範囲外であればステップS508に進む。
(c) ステップS508で、線幅変動予測装置325はマスクパターン投影像の許容範囲外と判断された寸法変動が生じた位置に対応するマスクパターンの線幅を段階的に拡大又は縮小し、逐次マスクパターン投影像の線幅を寸法変動の分布が許容範囲内となるまで算出する。なお算出過程において、被覆率に依存する寸法変動要因の大きさの分布の条件は、ステップS502で算出された条件を用いる。さらに線幅変動予測装置325は、レジストパターンの寸法変動が生じなくなったときのマスクパターンの線幅の増減量を補正量と定義する。
(d) ステップS509で、マスクデータ補正部345はステップS502で求められた補正量を基にマスクパターン記憶装置335に保存されているマスクパターンデータを補正する。さらにステップS510で、マスクデータ補正部345は補正の回数が上限に達しているか否かを判断する。上限に達している場合にはステップS511に進む。上限に達していない場合には、ステップS502に戻る。最後にステップS511で、マスクパターン記憶装置335に保存されているマスクパターンデータに基づいてマスクを製造して終了する。
以上示した方法により、被覆率に依存する寸法変動要因の影響を抑制したマスクが製造可能となり、半導体装置の製造プロセスにおいて歩留まりの向上を可能とする。
ここで、図23に示す第4の実施の形態に係るマスクは、デバイスパターン302及び遮光領域301を有する。さらに、デバイスパターン302の正方形の破線で囲まれた領域の拡大図が図24であり、微細パターンが密集するメモリセルアレイ領域351と、遮光パターンが少ない領域である周辺回路領域350が配置されている。メモリセルアレイ領域351は例えば辺aが5mm程度の長さをもつ正方形である。周辺回路領域350は、メモリセルアレイ領域351を取り囲むように配置されている。
第4の実施の形態に係るマスクパターン設計方法を採用しないでマスクを製造した場合、被覆率に依存する寸法変動要因により、図25に示すように、周辺回路領域350との境界付近のメモリセルアレイ領域351の投影像の線幅は、メモリセルアレイ領域351の中心部の投影像の線幅と比較して減少する傾向があった。これに対し、第4の実施の形態に係るマスクパターン設計方法を用いれば、マスクの被覆率に依存する寸法変動要因を抑制することが可能となるため、図25に示した周辺回路領域350との境界付近のメモリセルアレイ領域351の投影像の線幅減少を抑制可能となる。
なお、図22に示した方法で、ステップS510で補正の回数が上限に達していないと判断された場合に再びステップS502に戻っているのは、マスクパターンを補正したことよってマスクの局所的な被覆率が変わり、その結果例えばフレアの大きさの分布が変わる場合があるためである。そのため、ステップS502で補正後のマスクパターンデータで再度被覆率に依存する寸法変動要因の大きさを算出し、さらにステップS504でレジストパターンの寸法を予測することによって、補正精度の向上が可能となる。
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。例えば図3においては、周期パターン領域12及び検査パターン領域13の両方を有する検査マスクを示したが、周期パターン領域12と等価なパターンのみを有する第1の検査マスクと、検査パターン領域13と透過なパターンのみを有する第2の検査マスクを別々に作成し、図10に示したリソグラフィプロセス評価方法を実施しても良い。
また、図3に示した検査マスクの説明において、周期パターン領域12は、ウェハ上における投影像が、周期0.4μmのラインアンドスペースパターンであり、窓パターン14a, 14b, 14cのそれぞれは１辺が2,000μmの正方形の透光部であり、窓パターン14a, 14b, 14cのそれぞれは少なくとも20,000μmの間隔をおいて平行に配置されると記載したが、それぞれの寸法はこれらに限られることはなく、評価する装置等によって増減可能な寸法である。図16に示した検査マスクについても同様である。
以上示したように、この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明からは妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
本発明の第1の実施の形態に係るリソグラフィプロセス評価システムを示すブロック図である。 本発明の第1の実施の形態に係る露光装置を示す模式図である。 本発明の第1の実施の形態に係る検査マスクの上面図である。 本発明の第1の実施の形態に係る検査用ウェハの上面図である。 本発明の第1の実施の形態に係る検査用ウェハの拡大上面図（その1）である。 本発明の第1の実施の形態に係る参照用ウェハの拡大上面図（その1）である。 本発明の第1の実施の形態に係る検査用ウェハの拡大上面図（その2）である。 本発明の第1の実施の形態に係る参照用ウェハの拡大上面図（その2）である。 本発明の第1の実施の形態に係る線幅の寸法変動を示すグラフである。 本発明の第1の実施の形態に係るリソグラフィプロセス評価方法を示すフローチャートである。 本発明の第1の実施の形態の変形例に係るリソグラフィプロセス評価方法を示すフローチャートである。 本発明の第2の実施の形態に係るリソグラフィプロセス評価システムを示すブロック図である。 本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の第2の実施の形態に係るフレアの半導体装置依存性を示すグラフである。 本発明の第3の実施の形態に係るリソグラフィ評価システムを示すブロック図である。 本発明の第3の実施の形態に係る検査マスクの上面図（その1）である。 本発明の第3の実施の形態に係る検査用ウェハの拡大上面図である。 本発明の第3の実施の形態に係る寸法変動のフレア依存性を示すグラフである。 本発明の第3の実施の形態に係るリソグラフィ評価方法を示すフローチャートである。 本発明の第3の実施の形態に係る検査マスクの上面図（その2）である。 本発明の第4の実施の形態に係るマスクパターン設計システムを示すブロック図である。 本発明の第4の実施の形態に係るマスクパターン設計方法を示すフローチャートである。 本発明の第4の実施の形態に係るマスクの模式図（その1）である。 本発明の第4の実施の形態に係るマスクの模式図（その2）である。 本発明の第4の実施の形態に係る被覆率に依存する寸法変動を示すグラフである。
符号の説明
3, 3a, 3b, 3c, ・・・・・, 3n …露光装置
4…現像装置
5…加熱処理装置
11…遮光領域
12…周期パターン領域
13…検査パターン領域
14a, 14c, 14d, 151,152,153, 251a, 251b, 251c, 252a, 252b, 252c, 253a, 253b, 253c…窓パターン
15…レジスト膜
32…ウェハステージ
41a, 41b, 41c, 41d, 41e, 41f, 41g, 41h, 41i…検査マスク投影パターン
42, 44, 45…周期パターン投影像
43a, 43b, 43c, 243…窓パターン投影像
50a, 50b, 50c…窓パターンセット
54…スリットホルダ
58…開口絞りホルダ
81…レチクル用XYステージ
82…レチクル用Z傾斜ステージ
83a, 83b…レチクル用可動軸
91…ウェハ用XYステージ
92…ウェハ用Z傾斜ステージ
93a, 93b…ウェハ用可動軸
94…ウェハステージ駆動部
95…ウェハ用レーザ干渉計
96…ウェハ用移動鏡
97…レチクルステージ駆動部
98…レチクル用移動鏡
99…レチクル用レーザ干渉計
115…レチクルステージ
141…照明光源
142…投影光学系
143…集光光学系
300…CPU
301…遮光領域
302…デバイスパターン
312…入力装置
313…出力装置
323…線幅測定部
324…被覆率依存性評価部
325…線幅変動予測装置
326…露光装置制御部
327…現像装置制御部
328…加熱処理装置制御部
330…プログラム記憶装置
331…データ記憶装置
332…顕微鏡装置
333…閾値記憶装置
335…マスクパターン記憶装置
336…線幅情報記憶装置
337…モデル関数記憶装置
338…露光条件記憶装置
339…現像条件記憶装置
340…加熱条件記憶装置
341…線幅変動換算部
342…モデル関数作成部
343…変動要因分布算出部
344…パターン寸法変動評価部
345…マスクデータ補正部
350…周辺回路領域
351…メモリセルアレイ領域

Claims (9)

  1. 周期パターン領域及び窓パターンのそれぞれをウェハ上の同じ領域に多重露光する露光装置と、
    前記ウェハ上において、前記窓パターンの投影像位置を基準として、前記周期パターン領域の投影像の線幅の寸法変動を測定する線幅測定部と、
    前記線幅の寸法変動をもとに、マスクの被覆率に依存する寸法変動要因を評価する被覆率依存性評価部
    とを備えることを特徴とするリソグラフィプロセス評価システム。
  2. ウェハ上にレジストを塗布するステップと、
    多重露光により、前記レジストの同じ投影領域に周期パターン領域及び窓パターンを有する検査パターン領域を投影するステップと、
    前記窓パターンの投影像位置を基準として、前記周期パターン領域の投影像の線幅の寸法変動を測定するステップと、
    前記線幅の寸法変動をもとに、マスクの被覆率に依存する寸法変動要因を評価するステップ
    とを含むことを特徴とするリソグラフィプロセス評価方法。
  3. 前記レジストをベーク処理するステップを更に含むことを特徴とする請求項２記載のリソグラフィプロセス評価方法。
  4. 前記レジストに含まれる酸の蒸散を防止する表面保護膜を前記ウェハに塗布するステップを更に含むことを特徴とする請求項３記載のリソグラフィプロセス評価方法。
  5. 前記レジストを現像処理するステップを更に含むことを特徴とする請求項２乃至４いずれか１項に記載のリソグラフィプロセス評価方法。
  6. ウェハ上にレジストを塗布するステップと、
    前記レジストの投影領域に周期パターン領域及び窓パターンを有する検査パターン領域のそれぞれを投影するステップと、
    前記窓パターンの投影像位置を基準として、前記周期パターン領域の投影像の線幅の寸法変動を測定するステップと、
    前記線幅の寸法変動をもとに、マスクの被覆率に依存する寸法変動要因を評価するステップと、
    前記線幅の寸法変動の分布から、前記マスクの被覆率に依存する寸法変動要因の大きさの分布を示すモデル関数を算出するステップ
    とを備えることを特徴とするリソグラフィプロセス評価方法。
  7. 複数のウェハ上にそれぞれレジストを塗布するステップと、
    前記複数のウェハのそれぞれを、対応する複数の露光装置の内部に導入するステップと、
    前記複数の露光装置のそれぞれで対応する前記レジストの投影領域に周期パターン領域及び窓パターンを有する検査パターン領域のそれぞれを露光するステップと、
    前記複数のウェハのそれぞれについて、前記窓パターンの投影像位置を基準として、前記周期パターン領域の投影像の線幅の寸法変動を測定するステップと、
    前記線幅の寸法変動をもとに、前記複数の露光装置のそれぞれのフレアに関する性能差を評価するステップ
    とを含むことを特徴とする露光装置評価方法。
  8. ウェハ上にレジストを塗布するステップと、
    前記レジストの投影領域に周期パターン領域及び窓パターンを有する検査パターン領域のそれぞれを投影するステップと、
    前記窓パターンの投影像位置を基準として、前記周期パターン領域の投影像の線幅の寸法変動を測定するステップと、
    前記線幅の寸法変動をもとに、マスクの被覆率に依存する寸法変動要因を評価するステップと、
    前記線幅の寸法変動の分布から、前記マスクの被覆率に依存する寸法変動要因の大きさの分布を示すモデル関数を算出するステップと、
    前記モデル関数と、マスクパターンの設計データとから、前記マスクパターンの投影像の寸法変動を算出するステップと、
    前記寸法変動にもとづき、前記マスクパターンの前記設計データを補正するステップ
    とを含むことを特徴とするマスクパターン設計方法。
  9. ウェハ上にレジストを塗布し、前記レジストの投影領域に周期パターン領域及び窓パターンを有する検査パターン領域のそれぞれを投影し、前記窓パターンの投影像位置を基準として前記周期パターン領域の投影像の線幅の寸法変動を測定し、前記線幅の寸法変動をもとに、マスクの被覆率に依存する寸法変動要因を評価することを、複数の露光装置を使用する条件、複数のレジストを使用する条件、複数のベーク条件及び複数の現像条件の少なくとも一つで行うステップと、
    前記複数の露光装置、前記複数のレジスト、前記複数のベーク条件及び前記複数の現像条件の少なくとも一つについて、前記線幅の寸法変動が抑制される露光装置、レジスト、ベーク条件及び現像条件を決定するステップと、
    前記寸法変動が抑制されると決定された露光装置、レジスト、ベーク条件及び現像条件の少なくとも一つを用いて、半導体装置を製造するステップ
    とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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