JP4658589B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造方法、特に、半導体ウエハの主面に所定の評価パターンを形成することにより露光条件を評価することが可能な半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置の製造におけるホトリソグラフィー工程では、半導体ウエハ上に感光性樹脂、いわゆるフォトレジストを塗布した後、フォトマスクに形成された回路パターンを縮小投影露光装置や走査型縮小投影露光装置（以下、露光装置）を用いて半導体ウエハ上に転写し、レジストパターンを形成する。

近年、半導体装置の高集積化、微細化の進展に伴い、ホトリソグラフィーによって形成されるレジストパターンの高品質化が重要な課題となっている。通常レジストパターンの品質は、形成したレジストパターンの仕上がり寸法、特にボトム寸法と、レジストパターンの形状とによって良否判定が行われる。良好なレジストパターンを形成するためには、露光条件の安定化、すなわち、露光量及び焦点位置（フォーカス）の安定化が不可欠である。そのため、露光条件の変動を定量的に評価することが必要とされている。

ところで、通常のホトリソグラフィー工程では、所望の目標寸法が得られるように予め評価し設定された最適とされる露光条件を用いて製品ウエハの露光処理が行われる。しかしながら、上述したように、露光処理中の装置変動や環境変動、例えば、装置自体が持つ不安定さや、装置を取り巻く温度、湿度などの変動により、最適とされる露光条件を使用した場合でも全てのパターンが必ずしも所望の目標寸法に仕上がるわけではない。そのため、実際の製品ウエハ着工時には、製品ロットの全ウエハを処理する前に、例えば、１枚もしくは数枚のウエハを先行処理して露光条件を確認することがある。この露光条件の変動確認には、チップごとに集積回路本体の回路パターンとは別に形成される所定の露光条件評価用パターンを用いる。確認方法としては、最適とされる露光条件で処理した先行処理ウエハの露光条件評価用パターンの寸法測定を行い、目標寸法とのずれ量を調べることで露光条件を評価する。そして、目標寸法とのずれ量が大きい場合には、露光量もしくは焦点位置を変更することになる。この時、露光量の変更に関しては、露光量とパターン寸法との関係が一般に線形性を示すため、目標寸法と実測寸法との間のずれ量が分かれば変更すべき露光量を割り出すことは可能である。しかしながら、焦点位置の変更に関しては、焦点位置とパターン寸法との関係は一般に最適焦点位置を極値とした略二次曲線となるため、特定のパターン寸法に対応する焦点位置が２つ検出されることになり、焦点位置が＋側にずれたのか−側にずれたのかを判断することはできない。そのため、通常は露光量の変更だけで寸法調整が行われる。

露光条件の評価及び調整を行う半導体装置の製造方法に関する発明が、例えば、特許文献１乃至３に記載されている。

特許文献１に記載の発明は、角部が対向する一対の抜きパターン及び一対の残しパターンを半導体ウエハの段差上及び段差下にそれぞれ形成し、段差上の残しパターンの角部の距離ＨＡ及び抜きパターンの角部の距離ＨＢと、段差下の残しパターンの角部の距離ＬＡ及び抜きパターンの角部の距離Ｌとを測定し、ＨＡ＋ＬＡ−ＨＢ−ＬＢの値により露光量を評価し、ＨＡ＋ＨＢ−ＬＡ−ＬＢの値により焦点位置を評価する。これにより、半導体ウエハの露光処理における露光量及び焦点位置が最適化どうかを定量的に判定している。

特許文献２に記載の発明は、３つの露光条件評価用パターン、すなわち、円形の第１パターンと、第１パターンとは形成される高さ位置が異なり形状及び寸法が同一の第２パターンと、第１パターンとは形成される高さ位置が異なり形状が同一で寸法が異なる第３パターンとを用いて露光条件を評価している。第１パターン及び第２パターンの寸法は、露光工程において想定される焦点位置のずれにより影響を受けない程度に設定されており、第３パターンの寸法は、露光工程において想定される焦点位置のずれにより影響を受ける程度に設定されている。そして、露光条件の評価及び調整については、第１乃至３パターンそれぞれを形成する時の寸法と露光量の関係を示すデータ、及び寸法と焦点位置の関係を示すデータを予め準備し、それらのデータと、実際の製造工程で形成された第１乃至３パターンの寸法測定データとを用いて、露光量の変化量、焦点位置の変化量及び焦点位置の変化方向を推定することにより、次回の露光処理における露光量及び焦点位置を適切に調整している。

特許文献３に記載の発明は、一般的な統計的手法である応答曲面法（ＲＳＭ：Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｅｔｈｏｄ）を用いた露光条件の調整方法である。まず、フォーカス、露光量、マスクパターン形状及び露光装置の機差（収差他）等のような転写されるパターンの寸法への影響要因を考慮して、ベストフォーカスシフト等、露光条件の応答パターン依存性を評価する。続いて、パターン差、装置の機差を含む応答モデルを作成し、複数の応答モデルを用いた露光条件の推定の可否、性能を評価する。続いて、評価結果が良くないときには、条件出し時に制御を考慮した最適化（パターンの選択等）を行う。一方、評価結果が良いときには、フィードバック制御にデバイス寸法検査データを使用する。続いて、複数の実デバイス寸法の検査から各々の応答モデルを用いた着工時の露光条件を推定し、着工時に露光条件の変動を補正している。
特開平８−２６４４０９（第７−８頁、第１図） 特開２００３−１６８６４１号公報（第４−８頁、第１、２、６図） 特開２００４−１０３６７４号公報（第９−２０頁、第３１図）

露光量の変更だけで寸法調整を行う場合、焦点位置の変動に起因する寸法ずれに対しても露光量を変更して対応することになるため、焦点位置の変動の影響をさらに悪化させる虞がある。なぜならば、焦点位置の変動の影響は、単に寸法を増減するだけではなく、露光量の変化に対するパターン寸法の変化を敏感にし、寸法バラツキを増大させるからである。従って、露光量の変動だけでなく、焦点位置の変動も適切に評価して調整できる方法が必要となる。

特許文献１に記載の発明は、露光量及び焦点位置の変動を評価し調整する方法ではあるが、段差の上下にそれぞれ残しパターン及び抜きパターンを必要とするため、露光条件評価用パターンの占有面積が大きくなる虞がある。

特許文献２に記載の発明は、露光量及び焦点位置の変動を評価し調整する方法ではあるが、露光条件評価用パターンのサイズに制約が存在する。すなわち、第１パターン及び第２パターンの寸法は焦点位置のずれにより影響を受けない程度に設定される必要があり、また、第３パターンの寸法は焦点位置のずれにより影響を受ける程度に設定される必要がある。一般に、露光条件の微妙な変動を検出するためには、露光条件評価用パターンのサイズは小さい方が望ましい。しかしながら、本発明の第１パターン及び第２パターンの寸法は、焦点位置のずれにより影響を受けない程度の寸法、例えば、０．５μｍで形成する必要があり、それよりも小さくすると焦点深度が小さくなり、第１パターンと第２パターンとの間で焦点位置のずれを受けやすくなるものと思われる。

特許文献３に記載の発明は、露光量及び焦点位置の変動を評価し調整する方法ではあるが、統計的手法である応答曲面法（ＲＳＭ）を用いて露光条件を評価及び補正しているため、複雑な解析手法が必要とされ、実施の簡便性に欠けるものと思われる。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体ウエハの主面に所定の評価パターンを形成することにより露光条件を評価することが可能な半導体装置の製造方法であって、評価パターンは、残しパターンからなる第１評価パターンと、露光装置の光軸方向において第１評価パターンよりも低い位置に形成される残しパターンからなる第２評価パターンとで構成されている。そして、準備のためのステップとして、第１の半導体ウエハの主面に露光量及び焦点位置をそれぞれに変化させた複数の露光条件を用いて複数の第１評価パターン及び第２の評価パターンを形成するステップと、第１評価パターン及び第２評価パターンの寸法を測定するステップと、同一の露光量及び同一の焦点位置で形成された第１評価パターンの測定寸法と第２評価パターンの測定寸法との間で第１寸法差及び第１平均値を計算するステップと、第１寸法差及び第１平均値を基に露光条件に対する基礎データを作成するステップと、を含んでいる。基礎データを作成するステップは、露光量ごとに焦点位置の変化に対する第１寸法差の変化を１次近似で数式化して第１係数及び第２係数を備える第１基本式を作成するステップと、露光量の変化に対する第１係数の変化を１次近似で数式化して第２基本式を作成するステップと、露光量の変化に対する第２係数の変化を１次近似で数式化して第３基本式を作成するステップと、焦点位置ごとに露光量の変化に対する第１平均値の変化を１次近似で数式化して第３係数及び第４係数を備える第４基本式を作成するステップと、焦点位置の変化に対する第３係数の変化を２次近似で数式化して第５基本式を作成するステップと、焦点位置の変化に対する第４係数の変化を２次近似で数式化して第６基本式を作成するステップと、を含んでいる。そして、実際の半導体装置の製造のためのステップとして、第２の半導体ウエハの主面に所定の露光量及び焦点位置を用いて第１評価パターン及び第２評価パターンを形成するステップと、第１評価パターン及び第２評価パターンの寸法を測定するステップと、第１評価パターンの測定寸法と第２評価パターンの測定寸法との間で第２寸法差及び第２平均値を計算するステップと、第２寸法差及び第２平均値を基礎データに代入して実際の露光量及び焦点位置を算出して露光条件を評価するステップと、を含んでいる。

本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、例えば、（第１）半導体ウエハのショットごとに露光量及び焦点位置を変化させて形成した配置高さの異なる２種の評価パターン、すなわち、第１評価パターンと、第１評価パターンよりも低い位置に形成される第２評価パターンとを用い、第１評価パターンの線幅寸法と、第２評価パターンの線幅寸法との間で（第１）寸法差及び（第１）平均値を測定し、これらの測定値を基に基礎データを取得する。そして、製品ロットの全ウエハを処理する前に、例えば、最適とされる所定の露光条件を用いて先行処理した（第２）半導体ウエハの寸法測定結果、すなわち、第１評価パターンの線幅寸法と、第２評価パターンの線幅寸法との間の（第２）寸法差及び（第２）平均値の測定結果を基礎データに代入することにより、様々な変動要因、例えば、装置変動や環境変動を受けて変動した実際の露光条件を逆算することができる。言い換えると、第１評価パターンの線幅寸法及び第２評価パターンの線幅寸法のずれ量から、実際の露光条件を算出して評価することが可能となる。

（１）第１実施形態
〔露光条件評価用パターン〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の製造方法で使用する露光条件評価用パターン１００の構造図である。図１（ａ）は上方からの平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’における断面図である。

露光条件評価用パターン１００は、等間隔に略矩形の複数の線状パターン１０１ａが配置された残しパターン１０１と、等間隔に略矩形複数の線状パターン１０２ａが配置された残しパターン１０２とを備えている。残しパターン１０１と残しパターン１０２とは同一形状のパターンであり、残しパターン１０１における線状パターン１０１ａの線幅寸法と、残しパターン１０２における線状パターン１０２ａの線幅寸法とは設計上同一寸法となっている。本実施形態では、線状パターン１０１ａの短方向の線幅寸法、及び線状パターン１０２ａの短方向の線幅寸法を、例えば、共に０．１６μｍとしている。また、図１（ｂ）に示すように、残しパターン１０１の下方には、例えば、５０〜１００ｎｍの高さを有する段差パターン１０３が形成されており、残しパターン１０１は残しパターン１０２に比べて段差パターン１０３の高さ分だけ高い位置に配置されている。段差パターン１０３は、被加工膜１０４を形成する直前の成膜工程で形成され、その材料は評価対象となるデバイスの構造や工程によって異なる。例えば、被加工膜１０４を金属配線膜とすれば、段差パターン１０３は下層の層間絶縁膜であるシリコン酸化膜などで形成される。なお、残しパターン１０１及び残しパターン１０２は共にレジストパターンであり、被加工膜１０４を形成した後、ホトリソグラフィーにより被加工膜１０４の表面に同時に形成される。なお、本実施形態では、線状パターン１０１ａの短方向の線幅寸法、及び線状パターン１０２ａの短方向の線幅寸法を共に０．１６μｍとしているが、この寸法は使用する寸法測定機の測定精度に応じて適宜設定することは可能である。

〔基礎データの取得〕
以下に説明する基礎データの取得は、基本的に各ホトリソグラフィー工程に対して行うが、下地構造が同一で、かつパターンが同一のレイアウトルールの下に形成される場合には、いくつかのホトリソグラフィー工程で共通の基礎データを使用することができる。また、同一製品ウエハ、すなわち、同一のデバイス構造を有するウエハに対しては、一度取得した基礎データを共通に使用することができる。

図２は、半導体装置を形成する半導体ウエハ１０５のショットレイアウト図である。半導体ウエハ１０５は、その主面に、例えば、７×７のショットレイアウトを持つものとする。半導体ウエハ１０５の各ショット、すなわち、各チップには、トランジスタなどの半導体素子によって集積回路が形成される。また、半導体ウエハ１０５の各チップには、ホトリソグラフィーにより、集積回路の本体である回路パターン以外に露光条件評価用パターン１００（図１）が所定位置、例えば、他のプロセス評価用ＴＥＧ（Ｔｅｓｔ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｇｒｏｕｐ）パターンが形成される領域などに形成される。なお、図２において、露光条件評価用パターン１００が各ショットの中央部に大きく描かれているが、これは実際のレイアウトを示すものではない。また、半導体ウエハ１０５のショットレイアウトは７×７に限るものではない。

まず、製品ウエハ着工時の露光量及び焦点位置を算出するための基礎データを取得するため、製品ロットの中から１枚または複数枚の半導体ウエハ１０５を評価用ウエハとして取り出し、半導体ウエハ１０５の各ショットに対して異なる露光条件でレジストパターン、すなわち、集積回路の本体である回路パターンと露光条件評価用パターン１００とを同時に形成する。この時の露光条件は、例えば、図２に示すように、半導体ウエハ１０５のショットレイアウトのＸ方向に焦点位置を変化させ、半導体ウエハ１０５のショットレイアウトのＹ方向に露光量を変化させる。図２においては、例えば、Ｘ方向に焦点位置を−０．３／−０．２／−０．１／０／０．１／０．２／０．３μｍの７段階で変化させ、Ｙ方向に露光量を４０／４２／４４／４６／４８／５０／５２ｍＪ／ｃｍ２の７段階で変化させている。

次に、露光条件を変化させて形成した各ショットの露光条件評価用パターン１００の寸法、すなわち、残しパターン１０１における線状パターン１０１ａの短方向の線幅寸法と、残しパターン１０２における線状パターン１０２ａの短方向の線幅寸法とを測定する。図３は、各露光量における焦点位置と残しパターン１０１の線幅寸法、すなわち、線状パターン１０１ａの短方向の線幅寸法との関係を示している。図３に示すように、焦点位置と残しパターン１０１の線幅寸法との関係は、焦点位置０μｍを極値とする略二次曲線となることがわかる。図４は、各露光量における焦点位置と残しパターン１０２の線幅寸法、すなわち、線状パターン１０２ａの短方向の線幅寸法との関係を示している。図４に示すように、焦点位置と残しパターン１０２の線幅寸法との関係は、極値が焦点位置０μｍからマイナス方向にずれた略二次曲線となることがわかる。この焦点位置の極値のずれは、残しパターン１０１と残しパターン１０２との配置高さの違いによるものである。

次に、同一の露光量及び同一の焦点位置に対し、残しパターン１０１の線幅寸法（図３）と残しパターン１０２の線幅寸法（図４）との間で寸法差を計算する。すなわち、寸法差＝（残しパターン１０１の線幅寸法）−（残しパターン１０２の線幅寸法）を計算する。図５は、図２に示す露光条件で処理した場合を一例に、各露光量における焦点位置と寸法差との関係を示している。

次に、図５の結果において１次近似を行い、露光量ごとに近似式（１）を求める。なお、近似式（１）において、変数ｙは寸法差であり、変数ｘは焦点位置である。

ｙ（寸法差）＝ａ１１＊ｘ（焦点位置）＋ｂ１１ ・・・（１）
図６は、図２に示す露光条件で処理した場合を一例に、露光量ごとに求められた近似式（１）と、その係数ａ１１及びｂ１１の値を示している。

次に、図６の結果から、露光量と係数ａ１１との関係、及び露光量と係数ｂ１１との関係をそれぞれ求める。図７は、図２に示す露光条件で処理した場合を一例に、露光量と係数ａ１１との関係を示している。また、図８は、図２に示す露光条件で処理した場合を一例に、露光量と係数ｂ１１との関係を示している。

次に、図７の結果において１次近似を行い、係数ａ１１に対する近似式（２）を求める。また、図８の結果において１次近似を行い、係数ｂ１１に対する近似式（３）を求める。なお、近似式（２）において、変数ｙは係数ａ１１であり、変数ｘは露光量である。また、近似式（３）において、変数ｙは係数ｂ１１であり、変数ｘは露光量である。

ｙ（ａ１１）＝ａ１２＊ｘ（露光量）＋ｂ１２ ・・・（２）
ｙ（ｂ１１）＝ａ１３＊ｘ（露光量）＋ｂ１３ ・・・（３）
次に、同一の露光量及び同一の焦点位置に対し、残しパターン１０１の線幅寸法（図３）と残しパターン１０２の線幅寸法（図４）との間で平均値を計算する。すなわち、平均値＝（（残しパターン１０１の線幅寸法）＋（残しパターン１０２の線幅寸法））／２を計算する。図９は、図２に示す露光条件で処理した場合を一例に、各焦点位置における露光量と平均値との関係を示している。

次に、図９の結果において１次近似を行い、焦点位置ごとに近似式（４）を求める。なお、近似式（４）において、変数ｙは平均値であり、変数ｘは露光量である。

ｙ（平均値）＝ａ１４＊ｘ（露光量）＋ｂ１４ ・・・（４）
図１０は、図２に示す露光条件で処理した場合を一例に、焦点位置ごとに求めた近似式（４）と、その係数ａ１４及びｂ１４の値を示している。

次に、図１０の結果から、焦点位置と係数ａ１４との関係、及び焦点位置と係数ｂ１４との関係をそれぞれ求める。図１１は、図２に示す露光条件で処理した場合を一例に、焦点位置と係数ａ１４との関係を示している。また、図１２は、図２に示す露光条件で処理した場合を一例に、焦点位置と係数ｂ１４との関係を示している。

次に、図１１の結果において２次近似を行い、係数ａ１４に対する近似式（５）を求める。また、図１２の結果において２次近似を行い、係数ｂ１４に対する近似式（６）を求める。なお、近似式（５）において、変数ｙは係数ａ１４であり、変数ｘは焦点位置である。また、近似式（６）において、変数ｙは係数ｂ１４であり、変数ｘは焦点位置である。

ｙ（ａ１４）＝ａ１５＊ｘ（焦点位置）^２＋ｂ１５＊ｘ（焦点位置）＋ｃ１５
・・・（５）
ｙ（ｂ１４）＝ａ１６＊ｘ（焦点位置）^２＋ｂ１６＊ｘ（焦点位置）＋ｃ１６
・・・（６）
以上の近似式（２）、（３）、（５）及び（６）を基礎データとし、製品着工時の露光量及び焦点位置を算出して評価する。

〔露光条件の算出〕
通常、製品ウエハ着工時には、所望の目標寸法が得られるように予め露光処理の条件出しによって設定された最適とされる露光条件を用いて処理が行われる。しかしながら、露光処理中の装置変動や環境変動、例えば、装置自体が持つ不安定さや、装置を取り巻く温度、湿度などの変動により、最適とされる露光条件を使用した場合でも全てのパターンが必ずしも所望の目標寸法に仕上がるわけではない。そのため、実際の製品ウエハ着工時には、製品ロットの全ウエハを処理する前に１枚もしくは数枚のウエハを先行処理して露光条件を確認することがある。この時、近似式（２）、（３）、（５）及び（６）の基礎データを用いて露光条件の変動を算出して評価する。

まず、近似式（２）及び（３）のｘ（露光量）に、先行処理において使用した露光量、すなわち、その時に最適とされる露光量を仮の露光量として代入する。この結果として、係数ｙ（ａ１１）及びｙ（ｂ１１）が得られる。この係数ｙ（ａ１１）及びｙ（ｂ１１）は、それぞれ近似式（１）における係数ａ１１及びｂ１１として使用される。これにより、近似式（１）は式（７）のようになる。

ｙ（寸法差）＝ｙ（ａ１１）＊ｘ（焦点位置）＋ｙ（ｂ１１） ・・・（７）
さらに、式（７）を変形すると式（８）のようになる。

ｘ（焦点位置）＝（ｙ（寸法差）−ｙ（ｂ１１））／ｙ（ａ１１） ・・・（８）
式（８）において、変数ｙは寸法差であり、変数ｘは焦点位置であるため、実際に先行処理したウエハでの寸法測定、すなわち、残しパターン１０１における線状パターン１０１ａの短方向の線幅寸法と、残しパターン１０２における線状パターン１０２ａの短方向の線幅寸法との寸法測定により得られた寸法差を、式（８）のｙ（寸法差）に代入することで仮の焦点位置が算出できる。

次に、式（８）で得られた焦点位置を近似式（５）及び（６）のｘ（焦点位置）に代入する。この結果として、係数ｙ（ａ１４）及びｙ（ｂ１４）が得られる。この係数ｙ（ａ１４）及びｙ（ｂ１４）は、それぞれ近似式（４）における係数ａ１４及びｂ１４として使用される。これにより、近似式（４）は式（９）のようになる。

ｙ（平均値）＝ｙ（ａ１４）＊ｘ（露光量）＋ｙ（ｂ１４） ・・・（９）
さらに、式（９）を変形すると式（１０）のようになる。

ｘ（露光量）＝（ｙ（平均値）−ｙ（ｂ１４））／ｙ（ａ１４） ・・・（１０）
式（１０）において、変数ｙは平均値であり、変数ｘは露光量であるため、実際に先行処理したウエハでの寸法測定、すなわち、残しパターン１０１における線状パターン１０１ａの短方向の線幅寸法と、残しパターン１０２における線状パターン１０２ａの短方向の線幅寸法との寸法測定により得られた平均値を、式（１０）のｙ（平均値）に代入することで実際の露光量が算出できる。
次に、近似式（２）及び（３）のｘ（露光量）に、このようにして算出した実際の露光量を代入する。この結果として、係数ｙ（ａ１１）及びｙ（ｂ１１）が再び得られる。この係数ｙ（ａ１１）及びｙ（ｂ１１）を、焦点位置を求める上述の近似式（８）に代入し、上述の寸法差を近似式（８）のｙ（寸法差）に代入すると、実際の焦点位置が算出できる。

〔実例〕
以下に、本実施形態における露光条件の算出及び評価の実例を示す。

＊ 基礎データの取得
まず、製品ウエハ着工時の露光量及び焦点位置を算出するための基礎データを取得するため、製品ロットの中から１枚または複数枚の半導体ウエハ１０５を評価用ウエハとして取り出し、図２に示す露光条件でレジストパターン、すなわち、露光条件評価用パターン１００を形成する。

次に、露光条件を変化させて形成した各ショットの露光条件評価用パターン１００の寸法、すなわち、残しパターン１０１における線状パターン１０１ａの短方向の線幅寸法と、残しパターン１０２における線状パターン１０２ａの短方向の線幅寸法とを測定する。図３は、各露光量における焦点位置と残しパターン１０１の線幅寸法との関係を示している。また、図４は、各露光量における焦点位置と残しパターン１０２の線幅寸法との関係を示している。

次に、同一の露光量及び同一の焦点位置に対し、残しパターン１０１の線幅寸法（図３）と残しパターン１０２の線幅寸法（図４）との間で寸法差を計算する。図５は、各露光量における焦点位置と寸法差との関係を示している。

次に、図５の結果において１次近似を行い、露光量ごとに近似式（１）を求め、それぞれの係数ａ１１及びｂ１１の値を求める。図６は、露光量ごとに求められた近似式（１）と、その係数ａ１１及びｂ１１の値を示している。

次に、図６の結果から、露光量と係数ａ１１との関係、及び露光量と係数ｂ１１との関係をそれぞれ求める。図７は、露光量と係数ａ１１との関係を示している。また、図８は、露光量と係数ｂ１１との関係を示している。

次に、図７の結果において１次近似を行い、係数ａ１１に対する近似式（２）’を求める。また、図８の結果において１次近似を行い、係数ｂ１１に対する近似式（３）’を求める。

ｙ（ａ１１）＝０．００２０６４＊ｘ（露光量）−０．０５３７１９・・・（２）’
ｙ（ｂ１１）＝０．００００４３＊ｘ（露光量）−０．０００６４３・・・（３）’
次に、同一の露光量及び同一の焦点位置に対し、残しパターン１０１の線幅寸法（図３）と残しパターン１０２の線幅寸法（図４）との間で平均値を計算する。図９は、各焦点位置における露光量と平均値との関係を示している。

次に、図９の結果において１次近似を行い、焦点位置ごとに近似式（４）を求め、それぞれの係数ａ１４及びｂ１４の値を求める。図１０は、焦点位置ごとに求めた近似式（４）と、その係数ａ１４及びｂ１４の値を示している。

次に、図１０の結果から、焦点位置と係数ａ１４との関係、及び焦点位置と係数ｂ１４との関係をそれぞれ求める。図１１は、焦点位置と係数ａ１４との関係を示している。また、図１２は、焦点位置と係数ｂ１４との関係を示している。

次に、図１１の結果において２次近似を行い、係数ａ１４に対する近似式（５）’を求める。また、図１２の結果において２次近似を行い、係数ｂ１４に対する近似式（６）’を求める。

ｙ（ａ１４）＝−０．０１００９８＊ｘ（焦点位置）^２−０．０００４９６＊ｘ（焦点位置）−０．００３０６７ ・・・（５）’
ｙ（ｂ１４）＝０．２６１９９８＊ｘ（焦点位置）^２＋０．００５６８１＊ｘ（焦点位置）＋０．３０２３６８ ・・・（６）’
以上の近似式（２）’、（３）’、（５）’及び（６’）を基礎データとし、製品着工時の露光量及び焦点位置を算出して評価する。

＊ 露光条件の算出
図１３は、最適とされる露光条件で先行処理した半導体ウエハ１０５における寸法測定結果、すなわち、残しパターン１０１における線状パターン１０１ａの短方向の線幅寸法（上段）と、残しパターン１０２における線状パターン１０２ａの短方向の線幅寸法（下段）との測定結果を示している。なお、ここでの寸法測定は、７×７のショットレイアウトを持つ半導体ウエハ１０５の中で、図１３に示す５ショットに対して寸法測定を行ったものである。また、図１４は、図１３の測定結果を基に、残しパターン１０１の線幅寸法と残しパターン１０２の線幅寸法との間で算出した寸法差（上段）及び平均値（下段）を示している。

ここでは、半導体ウエハ１０５の中心ショットに対して露光条件を算出してみる。図１３から、半導体ウエハ１０５の中心ショットにおける残しパターン１０１の線幅寸法は０．１６４μｍ、残しパターン１０２の線幅寸法は０．１６０μｍである。また、図１４から、残しパターン１０１の線幅寸法と残しパターン１０２の線幅寸法との間の寸法差は０．００４μｍ、平均値は０．１６２μｍである。そして、この先行処理時の露光条件は、露光量が４４．０ｍＪ／ｃｍ^２で、焦点位置が＋０．０５μｍであったとする。

まず、近似式（２）’及び（３）’のｘ（露光量）に、先行処理において使用した露光量４４．０ｍＪ／ｃｍ^２を仮の露光量（以下、露光量（仮）と称す）として代入する。この結果として、係数ａ１１及びｂ１１が次のように求められる。

係数ａ１１＝０．００２０６４＊４４．０−０．０５３７１９＝０．０３７０９７
係数ｂ１１＝０．００００４３＊４４．０−０．０００６４３＝０．００１２４９
次に、これらの係数ａ１１及びｂ１１を焦点位置を求める近似式（８）のｙ（ａ１１）及びｙ（ｂ１１）にそれぞれ代入する。また、近似式（８）のｙ（寸法差）に０．００４μｍを代入する。この結果として、仮の焦点位置（以下、焦点位置（仮）と称す）が次のように求められる。

焦点位置（仮）＝（０．００４−０．００１２４９）／０．０３７０９７＝＋０．０７４μｍ
次に、この焦点位置（仮）を近似式（５）’及び（６）’のｘ（焦点位置）に代入する。この結果として、係数ａ１４及びｂ１４が次のように求められる。

係数ａ１４＝−０．０１００９８＊０．０７４^２−０．０００４９６＊０．００７４−０．００３０６７＝−０．００３１５９
係数ｂ１４＝０．２６１９９８＊０．０７４^２＋０．００５６８１＊０．０７４＋０．３０２３６８＝０．３０４２２３
次に、これらの係数ａ１４及びｂ１４を露光量を求める近似式（１０）のｙ（ａ１４）及びｙ（ｂ１４）にそれぞれ代入する。また、近似式（１０）のｙ（平均値）に０．１６２μｍを代入する。この結果として、様々な変動要因、例えば、装置変動や環境変動を受けて条件変動した実際の露光量（以下、露光量（実）と称す）が次のように求められる。

露光量（実）＝（０．１６２−０．３０４２２３）／（−０．００３１５９）＝４５．０ｍＪ／ｃｍ^２
ここで、既に算出した焦点位置（仮）は露光量（仮）を用いて計算した値であるため、露光量（実）を用いて条件変動した実際の焦点位置（以下、焦点位置（実）称す）を再度算出する。近似式（２）’及び（３）’のｘ（露光量）に、露光量（新）４５．０ｍＪ／ｃｍ^２を代入すると、係数ａ１１及びｂ１１が次のように求められる。

係数ａ１１＝０．００２０６４＊４５．０−０．０５３７１９＝０．０３９１６１
係数ｂ１１＝０．００００４３＊４５．０−０．０００６４３＝０．００１２９２
これらの係数ａ１１及びｂ１１を焦点位置を求める近似式（８）のｙ（ａ１１）及びｙ（ｂ１１）にそれぞれ代入する。また、近似式（８）のｙ（寸法差）に０．００４μｍを代入する。この結果として、焦点位置（実）が次のように求められる。

焦点位置（実）＝（０．００４−０．００１２９２）／０．０３９１６１＝＋０．０６９μｍ
このように、最適とされる露光条件、すなわち、露光量４４．０ｍＪ／ｃｍ^２、焦点位置＋０．０５μｍで形成された残しパターン１０１の線幅寸法及び残しパターン１０２の線幅寸法を測定し、それらの寸法差及び平均値を算出して基礎データの近似式（２）’、（３）’、（５）’及び（６’）に代入することにより、様々な変動要因、例えば、装置変動や環境変動を受けて変動した実際の露光条件、すなわち、露光量（実）４５．０ｍＪ／ｃｍ^２、焦点位置（実）＋０．０６９μｍを逆算することができる。言い換えると、残しパターン１０１の線幅寸法及び残しパターン１０２の線幅寸法のずれ量から、実際の露光条件を算出することが可能となる。

ここまでは、半導体ウエハ１０５の中心ショットに対して条件変動した実際の露光条件を算出した。同様の方法を用いて、図１３に示す５ショットに対して実際の露光条件を算出した結果を図１５に示す。図１５（ａ）は、上段に５ショットのそれぞれに対して算出した露光量（実）を、下段に５ショットのそれぞれに対して算出した焦点位置（実）を示している。図１５（ａ）の結果から、露光量（実）に対して５ショットの平均を求めると４３．５ｍＪ／ｃｍ^２となり、焦点位置（実）に対して５ショットの平均を求めると＋０．０２５μｍとなることが分かる。これらの算出結果は、例えば、次のように利用することができる。第１に、半導体ウエハ１０５の面内平均として算出した実際の露光量及び焦点位置を用いて露光条件を微調整することにより、製品ウエハ着工時にパターン寸法を目標寸法により近い寸法に形成することができる。第２に、半導体ウエハ１０５の各ショット、例えば、図１３に示す５ショットに対して算出した実際の露光量及び焦点位置を用いてウエハ面内での露光条件のバラツキ傾向を評価することにより、露光装置の安定性を評価することができ、また、露光装置自体の調整や補正を行うことができる。

〔作用効果〕
本発明の第１実施形態によれば、半導体ウエハ１０５のショットごとに露光量及び焦点位置を変化させて形成した配置高さの異なる２種のレジストパターン、すなわち、段差パターン１０３上に配置される残しパターン１０１と、残しパターン１０１よりも段差パターン１０３の分だけ低い位置に配置される残しパターン１０２とを用い、残しパターン１０１における線状パターン１０１ａの短方向の線幅寸法と、残しパターン１０２における線状パターン１０２ａの短方向の線幅寸法との間で寸法差及び平均値を測定し、これらの測定値を基に基礎データを取得する。そして、製品ロットの全ウエハを処理する前に、最適とされる露光条件を用いて先行処理した半導体ウエハ１０５の寸法測定結果、すなわち、残しパターン１０１における線状パターン１０１ａの短方向の線幅寸法と、残しパターン１０２における線状パターン１０２ａの短方向の線幅寸法との間の寸法差及び平均値の測定結果を基礎データの近似式に代入することにより、様々な変動要因、例えば、装置変動や環境変動を受けて変動した実際の露光条件を逆算することができる。言い換えると、残しパターン１０１の線幅寸法及び残しパターン１０２の線幅寸法のずれ量から、実際の露光条件を算出して評価することが可能となる。

（２）第２実施形態
〔露光条件評価用パターン〕
図１６は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造方法で使用する露光条件評価用パターン２００の構造図である。図１６（ａ）は上方からの平面図であり、図１６（ｂ）は図１６（ａ）のＡ−Ａ’における断面図である。

露光条件評価用パターン２００は、等間隔に略矩形の複数の線状パターン２０１ａ及び２０１ｂが配置された残しパターン２０１と、等間隔に略矩形の複数の線状パターン２０２ａ及び２０２ｂが配置された残しパターン２０２とを備えている。線状パターン２０１ａと２０１ｂとは配置方向が９０度異なっており、線状パターン２０１ａはＸ方向、線状パターン２０１ｂはＹ方向に配置されている。同様に、線状パターン２０２ａと２０２ｂとは配置方向が９０度異なっており、線状パターン２０２ａはＸ方向、線状パターン２０２ｂはＹ方向に配置されている。また、線状パターン２０１ａと線状パターン２０２ａとは平行に対向しており、線状パターン２０１ｂと線状パターン２０２ｂとは平行に対向している。残しパターン２０１と残しパターン２０２とは同一形状のパターンであり、残しパターン２０１における線状パターン２０１ａ及び２０１ｂの線幅寸法と、残しパターン２０２における線状パターン２０２ａ及び２０２ｂの線幅寸法とは設計上同一寸法となっている。本実施形態では、線状パターン２０１ａ及び２０１ｂの短方向の線幅を、例えば、０．１６μｍとし、長方向の線幅を、例えば、２μｍとしている。同様に、線状パターン２０２ａ及び２０２ｂの短方向の線幅を、例えば、０．１６μｍとし、長方向の線幅を、例えば、２μｍとしている。また、図１６（ｂ）に示すように、残しパターン２０１の下方には、例えば、５０〜１００ｎｍの高さを有する段差パターン２０３が形成されており、残しパターン２０１は残しパターン２０２に比べて段差パターン２０３の高さ分だけ高い位置に配置されている。段差パターン２０３は、被加工膜２０４を形成する直前の成膜工程で形成され、その材料は評価対象となるデバイスの構造や工程によって異なる。例えば、被加工膜２０４を金属配線膜とすれば、段差パターン２０３は下層の層間絶縁膜であるシリコン酸化膜などで形成される。なお、残しパターン２０１及び残しパターン２０２は共にレジストパターンであり、被加工膜２０４を形成した後、ホトリソグラフィーにより被加工膜２０４の表面に同時に形成される。

本実施形態では、後述するように、線状パターン２０１ａ及び２０１ｂの長方向の線幅寸法、並びに線状パターン２０２ａ及び２０２ｂの長方向の線幅寸法を測定する。長方向の寸法変化は短方向の寸法変化よりも敏感であることから、長方向の寸法測定を行う場合には、通常の寸法測定に使用するＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）型寸法測定機以外の光学式寸法測定機などを使用することが可能となる。光学式寸法測定機は、ＳＥＭ型寸法測定機に比べて解像度は劣るものの、安価で測定時間が短く完全自動での寸法測定が可能であるため、光学式寸法測定機が使用できることは寸法測定の簡略化という点で大きな利点となる。また、残しパターン２０１における線状パターン２０１ｂと、残しパターン２０２における線状パターン２０２ｂとを用いることでＸ方向の寸法測定が可能であり、残しパターン２０１における線状パターン２０１ａと、残しパターン２０２における線状パターン２０２ａとを用いることでＹ方向の寸法測定が可能であるため、露光条件の評価をＸ方向、Ｙ方向で個別に行うことができる。なお、本実施形態では、線状パターン２０１ａ及び２０１ｂの長方向の線幅寸法、並びに線状パターン２０２ａ及び２０２ｂの長方向の線幅寸法をいずれも２μｍとしているが、この寸法は使用する寸法測定機の測定精度に適宜設定することは可能である。

〔基礎データの取得〕
以下に説明する基礎データの取得は、基本的に各ホトリソグラフィー工程に対して行うが、下地構造が同一で、かつパターンが同一のレイアウトルールの下に形成される場合には、いくつかのホトリソグラフィー工程で共通の基礎データを使用することができる。また、同一製品ウエハ、すなわち、同一のデバイス構造を有するウエハに対しては、一度取得した基礎データを共通に使用することができる。

図１７は、半導体装置を形成する半導体ウエハ２０５のショットレイアウト図である。半導体ウエハ２０５は、その主面に、例えば、７×７のショットレイアウトを持つものとする。半導体ウエハ２０５の各ショット、すなわち、各チップには、トランジスタなどの半導体素子によって集積回路が形成される。また、半導体ウエハ２０５の各チップには、ホトリソグラフィーにより、集積回路の本体である回路パターン以外に露光条件評価用パターン２００（図１６）が所定位置、例えば、他のプロセス評価用ＴＥＧパターンが形成される領域などに形成される。なお、図１７において、露光条件評価用パターン２００が各ショットの中央部に大きく描かれているが、これは実際のレイアウトを示すものではない。また、半導体ウエハ２０５のショットレイアウトは７×７に限るものではない。

まず、製品ウエハ着工時の露光量及び焦点位置を算出するための基礎データを取得するため、製品ロットの中から１枚または複数枚の半導体ウエハ２０５を評価用ウエハとして取り出し、半導体ウエハ２０５の各ショットに対して異なる露光条件でレジストパターン、すなわち、集積回路の本体である回路パターンと露光条件評価用パターン２００とを同時に形成する。この時の露光条件は、例えば、図１７に示すように、半導体ウエハ２０５のショットレイアウトのＸ方向に焦点位置を変化させ、半導体ウエハ２０５のショットレイアウトのＹ方向に露光量を変化させる。図１７においては、例えば、Ｘ方向に焦点位置を−０．３／−０．２／−０．１／０／０．１／０．２／０．３μｍの７段階で変化させ、Ｙ方向に露光量を４０／４２／４４／４６／４８／５０／５２ｍＪ／ｃｍ２の７段階で変化させている。

次に、露光条件を変化させて形成した各ショットの露光条件評価用パターン２００の寸法、すなわち、残しパターン２０１における線状パターン２０１ａ及び２０１ｂの長方向の線幅寸法と、残しパターン２０２における線状パターン２０２ａ及び２０２ｂの長方向の線幅寸法とを測定する。ここでの寸法測定は、残しパターン２０１における線状パターン２０１ｂと、残しパターン２０２における線状パターン２０２ｂとを用いることでＸ方向の寸法測定が可能である。また、残しパターン２０１における線状パターン２０１ａと、残しパターン２０２における線状パターン２０２ａとを用いることでＹ方向の寸法測定が可能である。以下、Ｘ方向の寸法測定を例に説明を進めるが、Ｙ方向の寸法測定も同様に行うことができる。

図１８は、各露光量における焦点位置と残しパターン２０１の線幅寸法、すなわち、線状パターン２０１ｂの長方向の線幅寸法との関係を示している。図１８に示すように、焦点位置と残しパターン２０１の線幅寸法との関係は、焦点位置０μｍを極値とする略二次曲線となることがわかる。図１９は、各露光量における焦点位置と残しパターン２０２の線幅寸法、すなわち、線状パターン２０２ｂの長方向の線幅寸法との関係を示している。図１９に示すように、焦点位置と残しパターン２０２の線幅寸法との関係は、極値が焦点位置０μｍからマイナス方向にずれた略二次曲線となることがわかる。この焦点位置の極値のずれは、残しパターン２０１と残しパターン２０２との配置高さの違いによるものである。

次に、同一の露光量及び同一の焦点位置に対し、残しパターン２０１の線幅寸法（図１８）と残しパターン２０２の線幅寸法（図１９）との間で寸法差を計算する。すなわち、寸法差＝（残しパターン２０１の線幅寸法）−（残しパターン２０２の線幅寸法）を計算する。図２０は、図１７に示す露光条件で処理した場合を一例に、各露光量における焦点位置と寸法差との関係を示している。

次に、図２０の結果において１次近似を行い、露光量ごとに近似式（１１）を求める。なお、近似式（１１）において、変数ｙは寸法差であり、変数ｘは焦点位置である。

ｙ（寸法差）＝ａ２１＊ｘ（焦点位置）＋ｂ２１ ・・・（１１）
図２１は、図１７に示す露光条件で処理した場合を一例に、露光量ごとに求められた近似式（１１）と、その係数ａ２１及びｂ２１の値を示している。

次に、図２１の結果から、露光量と係数ａ２１との関係、及び露光量と係数ｂ２１との関係をそれぞれ求める。図２２は、図１７に示す露光条件で処理した場合を一例に、露光量と係数ａ２１との関係を示している。また、図２３は、図１７に示す露光条件で処理した場合を一例に、露光量と係数ｂ２１との関係を示している。

次に、図２２の結果において１次近似を行い、係数ａ２１に対する近似式（１２）を求める。また、図２３の結果において１次近似を行い、係数ｂ２１に対する近似式（１３）を求める。なお、近似式（１２）において、変数ｙは係数ａ２１であり、変数ｘは露光量である。また、近似式（１３）において、変数ｙは係数ｂ２１であり、変数ｘは露光量である。

ｙ（ａ２１）＝ａ２２＊ｘ（露光量）＋ｂ２２ ・・・（１２）
ｙ（ｂ２１）＝ａ２３＊ｘ（露光量）＋ｂ２３ ・・・（１３）
次に、同一の露光量及び同一の焦点位置に対し、残しパターン２０１の線幅寸法（図１８）と残しパターン２０２の線幅寸法（図１９）との間で平均値を計算する。すなわち、平均値＝（（残しパターン２０１の線幅寸法）＋（残しパターン２０２の線幅寸法））／２を計算する。図２４は、図１７に示す露光条件で処理した場合を一例に、各焦点位置における露光量と平均値との関係を示している。

次に、図２４の結果において１次近似を行い、焦点位置ごとに近似式（１４）を求める。なお、近似式（１４）において、変数ｙは平均値であり、変数ｘは露光量である。

ｙ（平均値）＝ａ２４＊ｘ（露光量）＋ｂ２４ ・・・（１４）
図２５は、図１７に示す露光条件で処理した場合を一例に、焦点位置ごとに求めた近似式（１４）と、その係数ａ２４及びｂ２４の値を示している。

次に、図２５の結果から、焦点位置と係数ａ２４との関係、及び焦点位置と係数ｂ２４との関係をそれぞれ求める。図２６は、図１７に示す露光条件で処理した場合を一例に、焦点位置と係数ａ２４との関係を示している。また、図２７は、図１７に示す露光条件で処理した場合を一例に、焦点位置と係数ｂ２４との関係を示している。

次に、図２６の結果において２次近似を行い、係数ａ２４に対する近似式（１５）を求める。また、図２７の結果において２次近似を行い、係数ｂ２４に対する近似式（１６）を求める。なお、近似式（１５）において、変数ｙは係数ａ２４であり、変数ｘは焦点位置である。また、近似式（１６）において、変数ｙは係数ｂ２４であり、変数ｘは焦点位置である。

ｙ（ａ２４）＝ａ２５＊ｘ（焦点位置）^２＋ｂ２５＊ｘ（焦点位置）＋ｃ２５
・・・（１５）
ｙ（ｂ２４）＝ａ２６＊ｘ（焦点位置）^２＋ｂ２６＊ｘ（焦点位置）＋ｃ２６
・・・（１６）
以上の近似式（１２）、（１３）、（１５）及び（１６）を基礎データとし、製品着工時の露光量及び焦点位置を算出して評価する。

〔露光条件の算出〕
通常、製品ウエハ着工時には、所望の目標寸法が得られるように予め露光処理の条件出しによって設定された最適とされる露光条件を用いて処理が行われる。しかしながら、露光処理中の装置変動や環境変動、例えば、装置自体が持つ不安定さや、装置を取り巻く温度、湿度などの変動により、最適とされる露光条件を使用した場合でも全てのパターンが必ずしも所望の目標寸法に仕上がるわけではない。そのため、実際の製品ウエハ着工時には、例えば、製品ロットの全ウエハを処理する前に、１枚もしくは数枚のウエハを先行処理して露光条件を確認することがある。この時、近似式（１２）、（１３）、（１５）及び（１６）の基礎データを用いて露光条件の変動を算出して評価する。

まず、近似式（１２）及び（１３）のｘ（露光量）に、先行処理において使用した露光量、すなわち、その時に最適とされる露光量を仮の露光量として代入する。この結果として、係数ｙ（ａ２１）及びｙ（ｂ２１）が得られる。この係数ｙ（ａ２１）及びｙ（ｂ２１）は、それぞれ近似式（１１）における係数ａ２１及びｂ２１として使用される。これにより、近似式（１１）は式（１７）のようになる。

ｙ（寸法差）＝ｙ（ａ２１）＊ｘ（焦点位置）＋ｙ（ｂ２１） ・・・（１７）
さらに、式（１７）を変形すると式（１８）のようになる。

ｘ（焦点位置）＝（ｙ（寸法差）−ｙ（ｂ２１））／ｙ（ａ２１）・・・（１８）
式（１８）において、変数ｙは寸法差であり、変数ｘは焦点位置であるため、実際に先行処理したウエハでの寸法測定、すなわち、残しパターン２０１における線状パターン２０１ｂの長方向の線幅寸法と、残しパターン２０２における線状パターン２０２ｂの長方向の線幅寸法との寸法測定により得られた寸法差を、式（１８）のｙ（寸法差）に代入することで実際の焦点位置が算出できる。

次に、式（１８）で得られた焦点位置を近似式（１５）及び（１６）のｘ（焦点位置）に代入する。この結果として、係数ｙ（ａ２４）及びｙ（ｂ２４）が得られる。この係数ｙ（ａ２４）及びｙ（ｂ２４）は、それぞれ近似式（１４）における係数ａ２４及びｂ２４として使用される。これにより、近似式（１４）は式（１９）のようになる。

ｙ（平均値）＝ｙ（ａ２４）＊ｘ（露光量）＋ｙ（ｂ２４） ・・・（１９）
さらに、式（１９）を変形すると式（２０）のようになる。

ｘ（露光量）＝（ｙ（平均値）−ｙ（ｂ２４））／ｙ（ａ２４） ・・・（２０）
式（２０）において、変数ｙは平均値であり、変数ｘは露光量であるため、実際に先行処理したウエハでの寸法測定、すなわち、残しパターン２０１における線状パターン２０１ｂの長方向の線幅寸法と、残しパターン２０２における線状パターン２０２ｂの長方向の線幅寸法との寸法測定により得られた平均値を、式（２０）のｙ（平均値）に代入することで実際の露光量が算出できる。

〔実例〕
以下に、本実施形態における露光条件の算出及び評価の実例を示す。

＊ 基礎データの取得
まず、製品ウエハ着工時の露光量及び焦点位置を算出するための基礎データを取得するため、製品ロットの中から１枚または複数枚の半導体ウエハ２０５を評価用ウエハとして取り出し、図１７に示す露光条件でレジストパターン、すなわち、露光条件評価用パターン２００を形成する。

次に、露光条件を変化させて形成した各ショットの露光条件評価用パターン２００の寸法を測定する。ここでは、Ｘ方向の寸法測定、すなわち、残しパターン２０１における線状パターン２０１ｂと、残しパターン２０２における線状パターン２０２ｂとを用いて寸法測定を行っている。図１８は、各露光量における焦点位置と残しパターン２０１の線幅寸法との関係を示している。また、図１９は、各露光量における焦点位置と残しパターン２０２の線幅寸法との関係を示している。

次に、同一の露光量及び同一の焦点位置に対し、残しパターン２０１の線幅寸法（図１８）と残しパターン２０２の線幅寸法（図１９）との間で寸法差を計算する。図２０は、各露光量における焦点位置と寸法差との関係を示している。

次に、図２０の結果において１次近似を行い、露光量ごとに近似式（１１）を求め、それぞれの係数ａ２１及びｂ２１の値を求める。図２１は、露光量ごとに求められた近似式（１１）と、その係数ａ２１及びｂ２１の値を示している。

次に、図２１の結果から、露光量と係数ａ２１との関係、及び露光量と係数ｂ２１との関係をそれぞれ求める。図２２は、露光量と係数ａ２１との関係を示している。また、図２３は、露光量と係数ｂ２１との関係を示している。

次に、図２２の結果において１次近似を行い、係数ａ２１に対する近似式（１２）’を求める。また、図２３の結果において１次近似を行い、係数ｂ２１に対する近似式（１３）’を求める。

ｙ（ａ２１）＝０．０２０６３８＊ｘ（露光量）−０．５３７１９４
・・・（１２）’
ｙ（ｂ２１）＝０．０００４３１＊ｘ（露光量）−０．００６４１５
・・・（１３）’
次に、同一の露光量及び同一の焦点位置に対し、残しパターン２０１の線幅寸法（図１８）と残しパターン２０２の線幅寸法（図１９）との間で平均値を計算する。図２４は、各焦点位置における露光量と平均値との関係を示している。

次に、図２４の結果において１次近似を行い、焦点位置ごとに近似式（１４）を求め、それぞれの係数ａ２４及びｂ２４の値を求める。図２５は、焦点位置ごとに求めた近似式（１４）と、その係数ａ２４及びｂ２４の値を示している。

次に、図２５の結果から、焦点位置と係数ａ２４との関係、及び焦点位置と係数ｂ２４との関係をそれぞれ求める。図２６は、焦点位置と係数ａ２４との関係を示している。また、図２７は、焦点位置と係数ｂ２４との関係を示している。

次に、図２６の結果において２次近似を行い、係数ａ２４に対する近似式（１５）’を求める。また、図２７の結果において２次近似を行い、係数ｂ２４に対する近似式（１６）’を求める。

ｙ（ａ２４）＝−０．１００９７８＊ｘ（焦点位置）^２−０．００４９６２＊ｘ（焦点位置）−０．０３０６７０ ・・・（１５）’
ｙ（ｂ２４）＝２．６１９９８２＊ｘ（焦点位置）^２＋０．０５６８１１＊ｘ（焦点位置）＋３．４２３６８０ ・・・（１６）’
以上の近似式（１２）’、（１３）’、（１５）’及び（１６’）を基礎データとし、製品着工時の露光量及び焦点位置を算出して評価する。

＊ 露光条件の算出
図２８は、最適とされる露光条件で先行処理した半導体ウエハ２０５における寸法測定結果、すなわち、残しパターン２０１における線状パターン２０１ｂの長方向の線幅寸法（上段）と、残しパターン２０２における線状パターン２０２ｂの長方向の線幅寸法（下段）との測定結果を示している。なお、ここでの寸法測定は、７×７のショットレイアウトを持つ半導体ウエハ２０５の中で、図２８に示す５ショットに対して寸法測定を行ったものである。また、図２９は、図２８の測定結果を基に、残しパターン２０１の線幅寸法と残しパターン２０２の線幅寸法との間で算出した寸法差（上段）及び平均値（下段）を示している。

ここでは、半導体ウエハ２０５の中心ショットに対して露光条件を算出してみる。図２８から、半導体ウエハ２０５の中心ショットにおける残しパターン２０１の線幅寸法は０．２０４０μｍ、残しパターン１０２の線幅寸法は２．００３μｍである。また、図２９から、残しパターン２０１の線幅寸法と残しパターン２０２の線幅寸法の間の寸法差は０．０３７μｍ、平均値は２．０２２μｍである。そして、この先行処理時の露光条件は、露光量が４４．０ｍＪ／ｃｍ^２で、焦点位置が＋０．０５μｍであったとする。

まず、近似式（１２）’及び（１３）’のｘ（露光量）に、先行処理において使用した露光量４４．０ｍＪ／ｃｍ^２を仮の露光量（以下、露光量（仮）と称す）として代入する。この結果として、係数ａ２１及びｂ２１が次のように求められる。

係数ａ２１＝０．０２０６３８＊４４．０−０．５３７１９４＝０．３７０８７８
係数ｂ２１＝０．０００４３１＊４４．０−０．００６４１５＝０．０１２５４９
次に、これらの係数ａ２１及びｂ２１を焦点位置を求める近似式（１８）のｙ（ａ２１）及びｙ（ｂ２１）にそれぞれ代入する。また、近似式（１８）のｙ（寸法差）に０．０３７μｍを代入する。この結果として、仮の焦点位置（以下、焦点位置（仮）と称す）が次のように求められる。

焦点位置（仮）＝（０．０３７−０．０１２５４９）／０．３７０８７８＝＋０．０６６μｍ
次に、この焦点位置（仮）を近似式（１５）’及び（１６）’のｘ（焦点位置）に代入する。この結果として、係数ａ２４及びｂ２４が次のように求められる。

係数ａ２４＝−０．１００９７８＊０．０６６^２−０．００４９６２＊０．０６６−０．０３０６７０＝−０．０３１４３７
係数ｂ２４＝２．６１９９８２＊０．０６６^２＋０．０５６８１１＊０．０６６＋３．４２３６８０ ＝３．４３８８４２
次に、これらの係数ａ２４及びｂ２４を露光量を求める近似式（２０）のｙ（ａ２４）及びｙ（ｂ２４）にそれぞれ代入する。また、近似式（２０）のｙ（平均値）に２．０２２μｍを代入する。この結果として、様々な変動要因、例えば、装置変動や環境変動を受けて条件変動した実際の露光量（以下、露光量（実）と称す）が次のように求められる。

露光量（実）＝（２．０２２−３．４３８８４２）／（−０．０３１４３７）＝４５．１ｍＪ／ｃｍ^２
ここで、既に算出した焦点位置（仮）は露光量（仮）を用いて計算した値であるため、露光量（実）を用いて条件変動した実際の焦点位置（以下、焦点位置（実）称す）を再度算出する。近似式（１２）’及び（１３）’のｘ（露光量）に、露光量（実）４５．１ｍＪ／ｃｍ^２を代入すると、係数ａ２１及びｂ２１が次のように求められる。

係数ａ２１＝０．０２０６３８＊４５．１−０．５３７１９４＝０．３９３５８０
係数ｂ２１＝０．０００４３１＊４５．１−０．００６４１５＝０．０１３０２３
これらの係数ａ２１及びｂ２１を焦点位置を求める近似式（１８）のｙ（ａ２１）及びｙ（ｂ２１）にそれぞれ代入する。また、近似式（１８）のｙ（寸法差）に０．０３７μｍを代入する。この結果として、焦点位置（実）が次のように求められる。

焦点位置（実）＝（０．０３７−０．０１３０２３）／０．３９３５８０＝＋０．０６１μｍ
このように、最適とされる露光条件、すなわち、露光量４４．０ｍＪ／ｃｍ^２、焦点位置＋０．０５μｍで形成された残しパターン２０１の線幅寸法及び残しパターン２０２の線幅寸法を測定し、それらの寸法差及び平均値を算出して基礎データの近似式（１２）’、（１３）’、（１５）’及び（１６’）に代入することにより、様々な変動要因、例えば、装置変動や環境変動を受けて変動した実際の露光条件、すなわち、露光量（実）４５．１ｍＪ／ｃｍ^２、焦点位置（実）＋０．０６１μｍを逆算することができる。言い換えると、残しパターン２０１の線幅寸法及び残しパターン２０２の線幅寸法のずれ量から、実際の露光条件を算出することが可能となる。

ここまでは、半導体ウエハ２０５の中心ショットに対して条件変動した実際の露光条件を算出した。同様の方法を用いて、図２８に示す５ショットに対して実際の露光条件を算出した結果を図３０に示す。図３０（ａ）は、上段に５ショットのそれぞれに対して算出した露光量（実）を、下段に５ショットのそれぞれに対して算出した焦点位置（実）を示している。図３０（ａ）の結果から、露光量（実）に対して５ショットの平均を求めると４２．４ｍＪ／ｃｍ^２となり、焦点位置（実）に対して５ショットの平均を求めると＋０．０１０μｍとなることが分かる。これらの算出結果は、例えば、次のように利用することができる。第１に、半導体ウエハ２０５の面内平均として算出した実際の露光量及び焦点位置を用いて露光条件を微調整することにより、製品ウエハ着工時にパターン寸法を目標寸法により近い寸法に形成することができる。第２に、半導体ウエハ２０５の各ショット、例えば、図２８に示す５ショットに対して算出した実際の露光量及び焦点位置を用いてウエハ面内での露光条件のバラツキ傾向を評価することにより、露光装置の安定性を評価することができ、また、露光装置自体の調整や補正を行うことができる。

〔作用効果〕
本発明の第２実施形態によれば、半導体ウエハ２０５のショットごとに露光量及び焦点位置を変化させて形成した配置高さの異なる２種のレジストパターン、すなわち、段差パターン２０３上に配置される残しパターン２０１と、残しパターン２０１よりも段差パターン２０３の分だけ低い位置に配置される残しパターン２０２とを用い、残しパターン２０１における線状パターン２０１ａの長方向の線幅寸法と、残しパターン２０２における線状パターン２０２ａの長方向の線幅寸法との間、または、残しパターン２０１における線状パターン２０１ｂの長方向の線幅寸法と、残しパターン２０２における線状パターン２０２ｂの長方向の線幅寸法との間で寸法差及び平均値を測定し、これらの測定値を基に基礎データを取得する。そして、製品ロットの全ウエハを処理する前に、最適とされる露光条件を用いて先行処理した半導体ウエハ２０５の寸法測定結果、すなわち、残しパターン２０１における線状パターン２０１ａの長方向の線幅寸法と、残しパターン２０２における線状パターン２０２ａの長方向の線幅寸法との間、または、残しパターン２０１における線状パターン２０１ｂの長方向の線幅寸法と、残しパターン２０２における線状パターン２０２ｂの長方向の線幅寸法との間の寸法差及び平均値の測定結果を基礎データの近似式に代入することにより、様々な変動要因、例えば、装置変動や環境変動を受けて変動した実際の露光条件を逆算することができる。言い換えると、残しパターン２０１の線幅寸法及び残しパターン２０２の線幅寸法のずれ量から、実際の露光条件を算出して評価することが可能となる。また、寸法測定において、残しパターン２０１の長方向の線幅寸法、及び残しパターン２０２長方向の線幅寸法を測定することで、光学式寸法測定機を用いても高感度に評価を行うことが可能となる。また、残しパターン２０１における線状パターン２０１ａと２０１ｂとは９０度異なった方向に配置され、同様に残しパターン２０２における線状パターン２０２ａと２０２ｂとは９０度異なった方向に配置されているため、線状パターン２０１ａと線状パターン２０２ａとを用いることで、例えば、Ｙ方向の寸法測定が可能であり、線状パターン２０１ｂと線状パターン２０２ｂとを用いることで、例えば、Ｘ方向の寸法測定が可能となる。これにより、露光条件の評価を２つの方向（Ｘ方向、Ｙ方向）で個別に行うことができるため、より詳細に露光条件の評価を行うことが可能となる。

第１実施形態に係る半導体装置の製造方法に用いられる露光条件評価用パターンの構造図。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法に用いられる露光条件評価用パターンを備える半導体ウエハのショットレイアウト図。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法における焦点位置と残しパターンの線幅寸法との関係を示す図（その１）。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法における焦点位置と残しパターンの線幅寸法との関係を示す図（その２）。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法における焦点位置とパターン寸法差との関係を示す図。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法における焦点位置とパターン寸法差との関係を示す１次近似式とその係数（ａ１１，ｂ１１）を示す図。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法における露光量と係数ａ１１との関係を示す図。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法における露光量と係数ｂ１１との関係を示す図。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法における露光量とパターン平均値との関係を示す図。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法における露光量とパターン平均値との関係を示す１次近似式とその係数（ａ１４，ｂ１４）を示す図。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法における焦点位置と係数ａ１４との関係を示す図。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法における焦点位置と係数ｂ１４との関係を示す図。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法に用いられる露光条件評価用パターンの寸法測定結果を示す図。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法に用いられる露光条件評価用パターンの寸法差と平均値の測定結果を示す図。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法により算出された実際の露光条件を示す図。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法に用いられる露光条件評価用パターンの構造図。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法に用いられる露光条件評価用パターンを備える半導体ウエハのショットレイアウト図。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法における焦点位置と残しパターンの線幅寸法との関係を示す図（その１）。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法における焦点位置と残しパターンの線幅寸法との関係を示す図（その２）。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法における焦点位置とパターン寸法差との関係を示す図。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法における焦点位置とパターン寸法差との関係を示す１次近似式とその係数（ａ２１，ｂ２１）を示す図。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法における露光量と係数ａ２１との関係を示す図。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法における露光量と係数ｂ２１との関係を示す図。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法における露光量とパターン平均値との関係を示す図。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法における露光量とパターン平均値との関係を示す１次近似式とその係数（ａ２４，ｂ２４）を示す図。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法における焦点位置と係数ａ２４との関係を示す図。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法における焦点位置と係数ｂ２４との関係を示す図。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法に用いられる露光条件評価用パターンの寸法測定結果を示す図。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法に用いられる露光条件評価用パターンの寸法差と平均値の測定結果を示す図。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法により算出された実際の露光条件を示す図。

符号の説明

１００、２００・・・露光条件評価用パターン
１０１、１０２、２０１、２０２・・・残しパターン
１０１ａ、１０２ａ、２０１ａ、２０１ｂ、２０２ａ、２０２ｂ・・・線状パターン
１０３、２０３・・・段差パターン
１０４、２０４・・・被加工膜
１０５、２０５・・・半導体ウエハ

Claims (14)

1. 半導体ウエハの主面に所定の評価パターンを形成することにより露光条件を評価することが可能な半導体装置の製造方法であって、
   前記評価パターンは、残しパターンからなる第１評価パターンと、露光装置の光軸方向において前記第１評価パターンよりも低い位置に形成される残しパターンからなる第２評価パターンとで構成されることを前提とし、
   準備のためのステップとして、
   第１の半導体ウエハの主面に露光量及び焦点位置をそれぞれに変化させた複数の露光条件を用いて複数の前記第１評価パターン及び前記第２の評価パターンを形成するステップと、
   前記第１評価パターン及び前記第２評価パターンの寸法を測定するステップと、
   同一の露光量及び同一の焦点位置で形成された前記第１評価パターンの測定寸法と前記第２評価パターンの測定寸法との間で第１寸法差及び第１平均値を計算するステップと、
   前記第１寸法差及び前記第１平均値を基に露光条件に対する基礎データを作成するステップと、
   を含み、
   前記基礎データを作成するステップは、
   露光量ごとに焦点位置の変化に対する前記第１寸法差の変化を１次近似で数式化して第１係数及び第２係数を備える第１基本式を作成するステップと、
   露光量の変化に対する前記第１係数の変化を１次近似で数式化して第２基本式を作成するステップと、
   露光量の変化に対する前記第２係数の変化を１次近似で数式化して第３基本式を作成するステップと、
   焦点位置ごとに露光量の変化に対する前記第１平均値の変化を１次近似で数式化して第３係数及び第４係数を備える第４基本式を作成するステップと、
   焦点位置の変化に対する前記第３係数の変化を２次近似で数式化して第５基本式を作成するステップと、
   焦点位置の変化に対する前記第４係数の変化を２次近似で数式化して第６基本式を作成するステップと、
   を含み、
   実際の半導体装置の製造のためのステップとして、
   第２の半導体ウエハの主面に所定の露光量及び焦点位置を用いて前記第１評価パターン及び前記第２評価パターンを形成するステップと、
   前記第１評価パターン及び前記第２評価パターンの寸法を測定するステップと、
   前記第１評価パターンの測定寸法と前記第２評価パターンの測定寸法との間で第２寸法差及び第２平均値を計算するステップと、
   前記第２寸法差及び前記第２平均値を前記基礎データに代入して実際の露光量及び焦点位置を算出して露光条件を評価するステップと、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第１評価パターン及び前記第２評価パターンは、それぞれ略矩形の複数の線状パターンを備え、前記第１評価パターンと前記第２評価パターンとは同一形状のパターンであることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記第１評価パターン及び前記第２評価パターンの寸法測定は、前記複数の線状パターンの整列方向における個々の線状パターンの線幅寸法を測定することを特徴とする、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記第１評価パターンは、略矩形の複数の線状パターンを有する第３評価パターンと、前記第３評価パターンに対して略直角に配置される略矩形の複数の線状パターンを有する第４評価パターンとを備え、
   前記第２評価パターンは、前記第３評価パターンに対して略平行に対向して配置される略矩形の複数の線状パターンを有する第５評価パターンと、前記第４評価パターンに対して略平行に対向して配置される略矩形の複数の線状パターンを有する第６評価パターンとを備え、
   前記第３評価パターン及び前記第４評価パターンと、前記第５評価パターン及び前記第６評価パターンとは同一形状のパターンであることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記第１評価パターン及び前記第２評価パターンの寸法測定は、前記第３評価パターンと前記第５評価パターンとにより第１の方向に対しての寸法測定を行い、前記第４評価パターンと前記第６パターンとにより前記第１の方向に直交する第２の方向に対しての寸法測定を行うことを特徴とする、請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記第３評価パターン、前記第４評価パターン、前記第５評価パターン及び前記第６評価パターンの寸法測定は、前記複数の線状パターンの整列方向と直交する方向における個々の線状パターンの線幅寸法を測定することを特徴とする、請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記第３評価パターン、前記第４評価パターン、前記第５評価パターン及び前記第６評価パターンの寸法測定は、光学式寸法測定機を使用することを特徴とする、請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記露光条件を評価するステップは、
   前記所定の露光量を前記第２基本式に代入して前記第１係数の第１の値を求めるステップと、
   前記所定の露光量を前記第３基本式に代入して前記第２係数の第２の値を求めるステップと、
   前記第１基本式の前記第１寸法差として前記第２寸法差を代入し、前記第１基本式の前記第１係数に前記第１の値を代入し、前記第１基本式の前記第２係数に前記第２の値を代入して仮の焦点位置を算出するステップと、
   前記仮の焦点位置を前記第５基本式に代入して前記第３係数の第３の値を求めるステップと、
   前記仮の焦点位置を前記第６基本式に代入して前記第４係数の第４の値を求めるステップと、
   前記第４基本式の前記第１平均値として前記第２平均値を代入し、前記第４基本式の前記第３係数に前記第３の値を代入し、前記第４基本式の前記第４係数に前記第４の値を代入して実際の露光量を算出するステップと、
   前記実際の露光量を前記第２基本式に代入して前記第１係数の第５の値を求めるステップと、
   前記実際の露光量を前記第３基本式に代入して前記第２係数の第６の値を求めるステップと、
   前記第１基本式の前記第１寸法差として前記第２寸法差を代入し、前記第１基本式の前記第１係数に前記第５の値を代入し、前記第１基本式の前記第２係数に前記第６の値を代入して実際の焦点位置を算出するステップと、
   を含むことを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記第１評価パターン及び前記第２評価パターンは、それぞれ略矩形の複数の線状パターンを備え、前記第１評価パターンと前記第２評価パターンとは同一形状のパターンであることを特徴とする、請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記第１評価パターン及び前記第２評価パターンの寸法測定は、前記複数の線状パターンの整列方向における個々の線状パターンの線幅寸法を測定することを特徴とする、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
11. 前記第１評価パターンは、略矩形の複数の線状パターンを有する第３評価パターンと、前記第３評価パターンに対して略直角に配置される略矩形の複数の線状パターンを有する第４評価パターンとを備え、
    前記第２評価パターンは、前記第３評価パターンに対して略平行に対向して配置される略矩形の複数の線状パターンを有する第５評価パターンと、前記第４評価パターンに対して略平行に対向して配置される略矩形の複数の線状パターンを有する第６評価パターンとを備え、
    前記第３評価パターン及び前記第４評価パターンと、前記第５評価パターン及び前記第６評価パターンとは同一形状のパターンであることを特徴とする、請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
12. 前記第１評価パターン及び前記第２評価パターンの寸法測定は、前記第３評価パターンと前記第５評価パターンとにより第１の方向に対しての寸法測定を行い、前記第４評価パターンと前記第６パターンとにより前記第１の方向に直交する第２の方向に対しての寸法測定を行うことを特徴とする、請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
13. 前記第３評価パターン、前記第４評価パターン、前記第５評価パターン及び前記第６評価パターンの寸法測定は、前記複数の線状パターンの整列方向と直交する方向における個々の線状パターンの線幅寸法を測定することを特徴とする、請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
14. 前記第３評価パターン、前記第４評価パターン、前記第５評価パターン及び前記第６評価パターンの寸法測定は、光学式寸法測定機を使用することを特徴とする、請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。

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