JP4088588B2 - レチクル測定値を使用したフォトリソグラフィ短寸法制御 - Google Patents

Description

本発明は広くはフォトリソグラフィの分野に関し、詳細には、単純な制御アルゴリズムおよびフィードバックを使用するプロセス制御システムによってウェーハ設計寸法を達成する方法に関する。このフィードバックは、マスク設計データ、マスク寸法データおよび履歴ウェーハ特徴測定値を利用して、短寸法（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ：ＣＤ）が、設計ウェーハ特徴寸法の中心にくるようにする。異なるレチクル測定を利用する本発明は、処理するそれぞれのウェーハに対して適切な露光条件が使用されることを保証することによって、特徴サイズ、すなわちラインまたはスペースの短寸法を制御する方法を提供する。

集積回路（ＩＣ）の分野では、フォトリソグラフィを使用して、回路設計情報を含むマスクから、基板、例えばＳｉウェーハの表面の薄膜にパターン、すなわち像を転写する。このパターンの転写は、フォトレジスト（例えば紫外光感受性有機ポリマー）を用いて実施される。一般的な像転写プロセスでは、フォトレジストが塗布された基板をマスク（すなわちレチクル）を通して照明し、マスクのパターンを化学現像剤によってフォトレジストに転写する。以後、用語「レチクル」と用語「マスク」を相互交換可能に使用することがある。さらに、化学エッチング剤を使用したパターン転写が実施される。

集積回路を製造する現行技術では通常、このマスキング・プロセスを複数回、繰り返す。

図１に、例えば測定された設計寸法１２０からの誤差、すなわち偏差１００を有するレチクル８０と、露光エネルギー１３０を表す露光条件を、フォトレジスト１５０を塗布したウェーハ９５の表面に集束させるレンズ１４０を有するステッパ装置９０とを備え、設計寸法１６０に印刷されたウェーハを得るフォトリソグラフィ処理（ｆａｂ）環境を示す。

フォトリソグラフィの分野において、多くの生産品を同時に処理する論理ｆａｂにおける短寸法の制御は最も困難でやっかいであることはよく知られている。複数のマスキング層および独特のＣＤカスタマイゼーションをそれぞれが有するますます多くの生産品がｆａｂに導入されるにつれ、露光量計算の複雑さも増大した。製造ボリュームおよび製造の複雑さの増大に追いつくために、較正およびプロセスがそれぞれ異なる追加のリソグラフィ・ツールおよびツール・タイプを導入しなければならなかったことを考えると、ｆａｂにおけるＣＤ制御の必要性は、解決しなければならない重大な問題に変化した。かなりの数の全てのツール／レチクル・セットアップが特定のレチクルを初めて使用すること、および生産品の寸法がその標的短寸法の中心にくるようにするためにはかなりの数のパスが必要であることを考えると、新しいレチクル／ツールの組合せを使用した生産品の最初の生産の誤差を低減させることが強く求められている。

ｆａｂにおけるＣＤ制御の関連技法が、アダムズ（Ａｄａｍｓ）（米国特許第５９８９７６４号）に記載されている。この特許は、散乱エネルギーの測定によるリソグラフィ・ツールの調整方法を対象としている。しかしこの方法は、フィードバック・ループでレチクル・サイズ・データを使用して、ＣＤの分布を中心に据えることを含まない。

他の関連方法が、ヒタチ（Ｈｉｔａｃｈｉ）（米国特許第６２２５０１１号）に記載されている。この方法は複数の露光系を利用する。この場合も、この技法の短寸法制御にレチクル・サイズ・データは使用されない。

カージコースキー（Ｋｅｒｓｚｙｋｏｗｓｋｉ）（米国特許第５９６９９７２号）に開示されている他の関連方法は、半導体構成要素を製造する際に使用する自動機械プログラム・ジェネレータを含む。この関連技術の方法はオプティマイザを開示しているが、このオプティマイザは、レチクル寸法が設計標的とは異なる場合、および新しいレチクルが、そのレチクルを使用することができる任意のツールとの使用履歴を持たない場合のＣＤ制御の必要性に対処することができない。

マーチマン（Ｍａｒｃｈｍａｎ）（米国特許第５６５６１８２号）に記載の他の関連技法は、フィードバック制御を利用するが、最適なＣＤの達成には対処しない。これは単に、基板に生み出される潜像の関数としてステージ位置の制御を実行するだけである。

露光量バイアスを使用してウェーハ測定値の偏差を補償できること、および以前に使用したレチクルのレチクル・ファクタ（ｒｅｔｉｃｌｅ ｆａｃｔｏｒ）を、フィードバック露光制御ループを使用して、履歴ウェーハ測定値から導き出すことができることは当技術分野ではよく知られているが、新しいレチクルおよび生産品に対するセンドアヘッド（ｓｅｎｄ−ａｈｅａｄ）ウェーハまたは試験ウェーハの必要なしに、適正な露光量バイアスを決定するという問題が残っている。

図２に、それぞれのレチクルおよびステッパ・ツールの履歴寸法データを使用したフィードバック・システムを示す。成熟した生産品に対しては、短寸法メトロロジ（ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ）ステップ２１０によって、この成熟した生産品に関する履歴データ２２０が生み出される。このデータはフィードバックされて、露光量セッティング２４０を生み出すフィードバック計算２３０が実施される。この成熟した生産品はリワーク・ステップを必要とせず、したがって、フィードバック露光制御ループを使用して計算された露光量セッティング２４０が最適な露光量とみなされる。

図３に、新しい生産品または新しいレチクルをステッパ・ツール３００とともに使用する従来技術の方法を示す。図示のとおり、短寸法メトロロジ・ステップ３１０は実行されるが、新しいツール３０５からの履歴データはない。この場合には、露光量セッティング３７０を生み出すためにフィードバック計算３６０で使用する他のツール／レチクルの組合せ３４０からの履歴データを使用する最初のランが必要である。一般に、このフィードバック配置は新しいマスクのオフセットを考慮せず、結果として得られる生産品ランは、図１の設計寸法仕様１６０を満たさない。設計寸法仕様を満たさない任意の生産品はリワークされ３２０、これによって、後の生産ラン３３０で、この新しいレチクルに対する生産データ３５０から利益を得ることが可能になる。

関連技法の以上の欠点を考慮すれば、新しいレチクル／ツールの組合せを用いたときの最初の露光量をうまく予測することができ、これによって高ボリューム、高複雑ｆａｂ環境におけるサイクル時間の短縮を容易にするＣＤ制御を提供する必要性が存在する。すなわち、レチクルの測定寸法および設計寸法を、適当なフィードバック・パラメータとともに入力として使用して、最適な露光量セッティングを生み出すことができる方法が求められている。
米国特許第５９８９７６４号 米国特許第６２２５０１１号 米国特許第５９６９９７２号 米国特許第５６５６１８２号

本発明の目的は、新しいレチクル／ツールの組合せを使用して集積回路生産品を製造するときのＣＤ誤差の低減を可能にするフォトリソグラフィ・システムおよびプロセスを提供することにある。

本発明の他の目的は、設計仕様に対してレチクルの実際のＣＤ測定値の偏差が存在する場合に、製造されたＣＤと確立された標的ＣＤとの間の差を最小化するフォトリソグラフィ・システムおよびプロセスを提供することにある。

本発明の他の目的は、ウェーハ設計仕様、すなわち設計寸法＋／−所与の半導体製品に対して必要な許容差を満たすウェーハ特徴サイズを達成するフォトリソグラフィ露光量を設定する方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、必要なＣＤメトロロジ・ステップ（図３の３１０）の後の標準センドアヘッド・プロセスおよび付随するリワーク・ステップ（図３の３２０）の必要性を排除し、これによってプロセス・サイクル・タイムを短縮することにある。

本発明のこれらの目的および利点、ならびにその他の目的および利点は、レチクルの測定値を露光制御のためのフィードバック機構の一部として使用するメトロロジ・フィードバック方法、すなわち制御アルゴリズムを利用することによって達成することができる。この方法は、初期露光量を計算するステップを含み、これによってＣＤ特徴サイズを制御し、センドアヘッド・ウェーハの必要性を排除する。実際のレチクルＣＤを設計レチクルＣＤで除したものと、フィードバック・システムのレチクル・ファクタ、すなわち同様のレチクルの必要な露光条件に対する特定のレチクルの必要な露光条件との間の観察された相関を利用して、単一のパスで最適な露光量または露光条件を得る。

具体的には、生産に使用したそれぞれのレチクルのレチクル・ファクタを計算し、データベースに記憶する。次いで、所与のフォトリソグラフィ・ツールに対する適当な最近の履歴ウェーハ・データを持たないレチクルに対して、この計算されたレチクル・ファクタを使用して、最適露光条件を得る。しかし、新しいレチクルに対しては、同様のレチクルのサイズの偏差とそれらのレチクル・ファクタの間の相関を計算する。新しいレチクルの測定寸法および設計寸法は既知なので、履歴相関データから導出レチクル・ファクタが「獲得」される。次いでこの導出レチクル・ファクタをフィードバック露光制御ループにシードとして導入し、これを使用して、新しいレチクルの初期露光条件を計算する。

次に、短寸法制御すなわちＣＤ制御のフォトリソグラフィ方法を提供する本発明を、この出願に添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、添付図面では、同じ要素および対応する要素を記述するのに同じ参照符号が使用されている。

本発明に従って、図４に示したシステム（４９０）を説明する。このシステムでは、短寸法メトロロジ・ステップ４２０で得たメトロロジ・データを生産品履歴データ４３０として記録する。このデータは、露光量セッティングを調整するためのフィードバック計算４５０の一部として、同様のレチクル、すなわち同じ技術およびレベルを有するレチクルのレチクルＣＤデータ４４０と、アルゴリズム的に（ａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｃａｌｌｙ）に混合される。本発明によって計算される初期露光量によって、生産ランのための最初のラン・リワークを実行する必要が排除される。レチクルごとに、レチクル寸法データ、レチクル・ファクタ、履歴ウェーハ露光条件および履歴ウェーハ寸法データがデータベースに記憶される。これらのデータは、所与のランに対して特定のレチクルが必要なときに使用される。

本発明は、近接プリンティングおよび投影プリンティングを含むフォトリソグラフィ技法で使用することができることに留意されたい。ただし、従来の任意の写真露光システムを本発明とともに使用することができる。どのプリンティング技法を使用するにしても、図４に記載したシステムは像を有するレチクルを含む。レチクルは、クロム・オン・クオーツ・マスクまたは減衰位相シフト・マスクを含む、少なくとも１つの特徴を含む従来の任意のマスク（図１の８０）を含むことができる。さらに、レチクルを通して導かれたエネルギーをフォトレジスト処理された半導体ウェーハ上へ集束させるステッパ露光ツール（図４の４１０）などのツールが提供される。

さらに、露光量セッティングを生み出すために必要なレチクル・ファクタの計算および最適露光量の計算を実行するために、非揮発性記憶機能すなわちハード・ドライブ（４５５）を有するコンピュータ（図４の４６０）が提供される。この記憶装置は、レチクル寸法データ、レチクル・ファクタ、履歴ウェーハ露光条件および履歴ウェーハ寸法データを含む関連履歴ウェーハ生産データがその中に記憶されたデータベース（図４の４３０、４４０）を維持するために使用される。ただし関連履歴ウェーハ生産データはこれらに限定されるわけではない。コンピュータ（４６０）は、必要なデータベース・アクセス、露光量計算およびレチクル・ファクタ計算を支援するのに必要な全ての処理を実行する。コンピュータ（図４の４６０）はさらに、露光制御のために露光量セッティング（図４の４７０）をステッパ露光ツール（図４の４１０）に送るインタフェースを備えることができる。

履歴ウェーハ生産データを取得した後、使用したレチクルごとにレチクル・ファクタを計算し記憶する。好ましい一実施形態では、このファクタが、標的ウェーハ寸法を達成するのに必要な特定のレチクルの露光条件、すなわち露光エネルギー（図１の１３０）、すなわちＯｐｔｉｍｕｍＤｏｓｅ_{ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｔｉｃｌｅ}と、同じ標的ウェーハ寸法、すなわちウェーハ設計寸法を達成するのに必要な同様のレチクルの平均露光条件との比として表現される関係である。具体的には、レチクル・ファクタを計算するための式は以下のとおりである。

上式で、ｎ＝同様のレチクルの数であり、式

はｎ個の同様のレチクルの平均露光条件を表す。

レチクル・ファクタは、所与のレチクル／ツールの組合せに対する適当な最近の履歴ウェーハ・プロセス・データがない場合に新しいウェーハ露光条件を計算する目的に使用される。適当な最近の履歴ウェーハ・プロセス・データがないレチクルに対する露光条件、すなわちＯｐｔｉｍｕｍＤｏｓｅ _{ｒｅｔｉｃｌｅ ｍｉｓｓｉｎｇ ｒｅｃｅｎｔ ｈｉｓｔｏｒｙ}の計算を決定する式は以下のとおりである。

レチクル・ファクタは、測定されたレチクル寸法（測定レクチル寸法）および設計レクチル寸法とともに、新しいレチクルを使用するときのツール・セットアップ時間に実行される本発明のＣＤ制御モデル・アルゴリズムへの入力として使用される。好ましい一実施形態では、ＣＤ制御モデルが、以下の機能を実行する２つの構成要素を含む。

１．測定レチクル特徴寸法と設計レクチル寸法の比と計算されたレチクル・ファクタ（計算レチクル・ファクタ）とを含む相関データから、導き出されたレチクル・ファクタを決定する。
２．この導き出されたレチクル・ファクタを新しいレチクルを使用したウェーハ生産に適用する。

このレチクルの以降の使用では、履歴ウェーハ露光条件と、レチクル・ファクタを含むウェーハ寸法データとを利用して、現行の露光条件を特性づける。すなわち、制御アルゴリズムからのより正確な露光量推定を保証するために最も最近の履歴データを使用可能にする。

図４に示すように、レチクルＣＤの測定データ対設計データ４４０によってフィードバック計算４５０を修正して、製造されたレチクルの設計レクチル寸法からの偏差を補償する露光セッティングを決定する。測定レクチル寸法と設計レクチル寸法の関係を取得して、これをレチクル・ファクタと相関させる。好ましい一実施形態では、製造されたレチクルの偏差、すなわちサイズ偏差の尺度が、測定レクチル寸法と設計レクチル寸法の比を含む。最適露光量、計算レチクル・ファクタ、相関データおよび導出レチクル・ファクタを求めるのに必要な計算は、コンピュータ４６０によって実行される。

先に述べたとおり、レチクル・ファクタは、適当な最近の履歴ウェーハ寸法および露光条件データがない場合の露光条件の計算に使用される。新しい露光条件は、フィードバック制御ループによって最適化された露光量およびレチクル・ファクタの関数として計算される。

新しいレチクルを導入するときには、実際のすなわち測定された特徴寸法／サイズ偏差と生産で使用された他のレチクルの設計寸法の比と、これらの他のレチクルの計算レチクル・ファクタとの間の相関から、導き出されたレチクル・ファクタ「導出レチクル・ファクタ」を決定する。サイズ偏差の母集団、すなわち測定特徴寸法を設計寸法で除したものの母集団、および使用されるレチクル・ファクタは、所与のウェーハ設計寸法に対する対応するレチクルの母集団に限定される。この導出レチクル・ファクタを初期レチクル・ファクタとして使用して、新しいレチクルの適当な露光条件を決定する。導出レチクル・ファクタは、生産ウェーハ・データが得られたときに更新される。ＯｐｔｉｍｕｍＤｏｓｅ_{ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｔｉｃｌｅ}は、フィードバック露光制御ループを使用して補正された現行のウェーハ設計寸法に対する露光量／露光条件である。同様のレチクルの所望の母集団に対する計算レチクル・ファクタが使用可能となった後、サイズ偏差と計算レチクル・ファクタとの間の相関を実行する。先に述べたとおり、導出レチクル・ファクタは、サイズ偏差と計算レチクル・ファクタの相関から決定される。続いて、新しいレチクルに対する最適な露光量を下式に従って計算する。

図５に、レチクル・ファクタに対するレチクル測定値のプロットを示す。縦座標であるレチクルのサイズ偏差、すなわちｒｅｔｉｃｌｅ_{ｍｅａｔｕｒｅｄ ｆｅａｔｕｒｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ}／ｒｅｔｉｃｌｅ_{ｄｅｓｉｇｎ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ}（図５の５００）と、横座標であるレチクル・ファクタ（図５の５１０）との間の相関を、最小自乗多項式曲線の当てはめ（ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅｓ ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ ｃｕｒｖｅ ｆｉｔｔｉｎｇ）などの周知の回帰技法を使用して、プロットした。

次いで、このレチクル・ファクタ、すなわち導出レチクル・ファクタを、新しいレチクルを使用する前にフィードバック制御ループにシード（ｓｅｅｄ）として導入する。したがって、この制御システムは、新しいレチクルの履歴がシステムにない場合でも、この導出レチクル・ファクタを新しいレチクルに対して使用する。

したがって、この技法は、そのシステムで以前に使用した履歴のあるレチクルと履歴データのない新しいレチクルの両方について、最初のパスで標的ＣＤを達成することができる。

本発明を特に、その好ましい実施形態に関して図示し説明してきたが、形態および詳細の上記変更およびその他の変更を、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく実施することができることを当業者は理解されたい。したがって、本発明は説明し図示した形態に限定されるものではなく、本発明は、添付の請求項の範囲に包含される。

本発明の方法は、集積回路のフォトリソグラフィ処理において有用であり、処理するそれぞれのウェーハに対して適当な露光条件が使用されることが保証されるので、ウェーハ設計寸法を取得し、短寸法を制御するのに特に有用である。

出願人の発明の環境を表すフォトリソグラフィ処理システムの主要な構成要素を示す図である。 露光量セッティングを設定するためのＣＤメトロロジおよび履歴データ・フィードバック・ループを示す図である。 初期露光量セッティングを決定するための従来技術の方法を示す図である。 レチクルＣＤデータをフィードバック計算の一部として使用して最適な露光量セッティングを決定する本発明の制御方法を示す図である。 レチクル・ファクタに対する測定／設計レチクル寸法のグラフである。

Claims (8)

1. ウェーハ設計寸法を達成するためにリソグラフィ・ツール中に実装された新しいレチクルの初期露光条件を決定するための方法であって、前記新しいレチクルが、既知の設計レクチル寸法および既知の測定レチクル特徴寸法を有し、
   ａ）前記新しいレチクルの前記設計レクチル寸法および前記測定レチクル特徴寸法をメモリ記憶装置に記録するステップであって、前記メモリ記憶装置がさらに、
   ｉ．）他のレチクルからのレチクル寸法データと、
   ｉｉ．）前記他のレチクルを実装したときの過去のウェーハの露光条件、および、前記他のレチクルを使用して露光したときに結果として得られた前記過去のウェーハのウェーハ特徴寸法
   を記憶するステップと、
   ｂ）前記新しいレチクルの前記測定レチクル特徴寸法と前記新しいレチクルの前記設計レチクル寸法との間の第１の関係を、前記メモリ記憶装置中の複数のサイズ偏差の１つとして記録するステップであって、前記複数のサイズ偏差が、それぞれの前記他のレチクルの前記第１の関係を含むステップと、
   ｃ）それぞれの複数の前記他のレチクルについて、前記それぞれの複数の前記他のレチクルを使用して前記ウェーハ設計寸法を達成するのに必要な前記露光条件と、前記ウェーハ設計寸法を達成するのに必要な同様のレチクルの平均露光条件との間の第２の関係を含むレチクル・ファクタを計算し、これによって複数の計算されたレチクル・ファクタを生成するステップと、
   ｄ）前記複数のサイズ偏差からなる第１の母集団を、前記複数の計算されたレチクル・ファクタからなる第２の母集団と相関させることによって、前記新しいレチクルに対して導き出されたレチクル・ファクタ（導出レチクル・ファクタ）を決定するステップと、
   ｅ）前記導出レチクル・ファクタを使用することによって、前記新しいレチクルの初期露光条件（最適ドーズ量）を計算するステップと、
   ｆ）半導体デバイスの製造中に、前記初期露光条件を前記新しいレチクルに適用し、それによって前記ウェーハ設計寸法を達成するステップと、
   を含む方法。
2. 前記新しいレチクルに対する前記初期露光条件を前記メモリ記憶装置に記録するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記新しいレチクルを用いて露光したウェーハの前記ウェーハ特徴寸法を前記メモリ記憶装置に記録するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の関係が、前記測定レチクル特徴寸法と前記設計レクチル寸法の比を表す、請求項１に記載の方法。
5. 前記導出レチクル・ファクタを決定するステップがさらに、
   前記同様のレチクルの前記第１の関係と生産に使用された前記同様のレチクルの前記計算レチクル・ファクタとを関係づける関数を生成するステップと、
   前記関数を利用して、前記新しいレチクルの前記既知の測定レチクル特徴寸法および前記設計レクチル寸法から前記導出レチクル・ファクタを決定するステップと
   を含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記関数が、前記同様のレチクルの前記第１の関係と前記計算レチクル・ファクタとを関係づける最小自乗多項式曲線の当てはめを含む、請求項５に記載の方法。
7. ウェーハ設計寸法を達成するためにリソグラフィ・ツールに実装された新しいレチクルの初期露光条件を決定するプロセスを制御するコンピュータ可読プログラム・コードを含むコンピュータ・プログラムであって、前記新しいレチクルが、既知の設計レチクル寸法および既知の測定レチクル特徴寸法を有し、請求項１から６のいずれかに記載の方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
8. ウェーハ設計寸法を達成するためにリソグラフィ・ツールに実装された新しいレチクルの初期露光条件を決定するシステムであって、前記新しいレチクルが、既知の設計レチクル寸法および既知の測定レチクル特徴寸法を有し、請求項１から６のいずれかに記載の方法を実行する手段を含むシステム。

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