JP2009239029A - リソグラフィ装置の評価方法および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実効露光量ばらつきを露光量変動とＰＥＢ温度変動とに分離して評価できるリソグラフィ装置の評価方法を提供すること
【解決手段】リソグラフィ装置の評価方法は、レジストパターンとして、互いに周辺環境が異なる第１および第２の評価パターンを含むレジストパターンを形成する工程Ｓ１と、第１の評価パターンの寸法と第２の評価パターンの寸法とを測定する工程Ｓ２と、前記測定した第１の評価パターンの寸法と前記測定した第２の評価パターンの寸法との寸法差に基づいて、露光装置によりレジストを露光した時の露光量を推定する工程Ｓ４と、前記推定した露光量および前記寸法差に基づいて、加熱装置により前記レジストを加熱した時の前記レジストの実効的な加熱温度を推定する工程Ｓ５とを含む。
【選択図】 図５

Description

本発明は、半導体装置の製造に使用されるリソグラフィ装置の評価方法および制御方法に関する。

近年、加工寸法の微細化により、リソグラフィ工程におけるプロセス制御が重要となっている。プロセス制御の一つとして、ウエーハ上に形成するパターンの寸法を狂わせしめる要因（寸法変動要因）を大きく露光量のばらつきとフォーカスのばらつきとに分離し、露光量とフォーカスをそれぞれ独立に制御することが知られている（特許文献１）。

ここでの露光量とは，単に露光装置での設定露光量という意味だけではなく，マスクの寸法誤差や塗布・ベーク・現像などのレジストプロセスがウエーハ上のパターン寸法に及ぼす影響を露光量に換算した実効露光量と呼ばれるものである。

近年の調査では、実効露光量のばらつきの要因については、露光後ベーク（ＰＥＢ：Post Exposure Bake）の温度変動とその他の要因とでは、レジスト寸法に対する影響が異なることを示唆する結果が報告されている。具体的には、光近接効果による寸法変動（ラインパターン寸法のスペース依存性などに現れる。）の様相が異なってくる。より具体的には、密集したラインの寸法と孤立ラインの寸法との寸法差を見てみると、露光時の露光量を変化させた場合には寸法差の変化は大きいに対し、ＰＥＢ時の加熱温度（ＰＥＢ温度）を変化させた場合には寸法差の変化は小さい。

このような露光量の変化（露光量変動）、ＰＥＢ温度の変化（ＰＥＢ温度変動）は、微細なレジストパターンを正確に形成することの障害となる。したがって、露光量変動とＰＥＢ温度変動を正確に評価し、その評価結果をリソグラフィ装置の制御に反映させることは重要である。

しかしながら、従来の技術では、露光量変動とＰＥＢ温度変動を区別せずに実効露光量ばらつきを求めて、リソグラフィ装置の評価を行っている。さらに、露光量変動とＰＥＢ温度変動を正確に分離してそれぞれの変動を測定する技術は提案されていない。

すなわち、従来の技術では、実効露光量ばらつきを、露光量変動とＰＥＢ温度変動とに分離して、リソグラフィ装置を評価する方法は提案されていない。
特開２００１−１０２２８２号公報

本発明の目的は、実効露光量ばらつきを露光量変動とＰＥＢ温度変動とに分離して評価できるリソグラフィ装置の評価方法および制御方法を提供することにある。

本発明の一態様によるリソグラフィ装置の評価方法は、基板上にレジストを塗布するための塗布装置と、前記基板上に塗布したレジストを露光するための露光装置と、前記露光したレジストを加熱するための加熱装置と、前記加熱したレジストを現像してレジストパターンを形成するための現像装置とを具備してなるリソグラフィ装置の評価方法であって、前記レジストパターンとして、互いに周辺環境が異なる第１および第２の評価パターンを含むレジストパターンを形成する工程と、前記第１の評価パターンの寸法と前記第２の評価パターンの寸法とを測定する工程と、前記測定した前記第１の評価パターンの寸法と前記測定した前記第２の評価パターンの寸法との寸法差に基づいて、前記露光装置により前記レジストを露光した時の露光量を推定する工程と、前記推定した露光量および前記寸法差に基づいて、前記加熱装置により前記レジストを加熱した時の前記レジストの実効的な加熱温度を推定する工程とを含むことを特徴とする。

本発明の一態様によるリソグラフィ装置の制御方法は、基板上にレジストを塗布するための塗布装置と、前記基板上に塗布したレジストを露光するための露光装置と、前記露光したレジストを加熱するための加熱装置と、前記加熱したレジストを現像してレジストパターンを形成するための現像装置とを具備してなるリソグラフィ装置の制御方法であって、前記露光装置により前記レジストを露光する時の前記露光装置の設定露光量と請求項１ないし３のいずれか１項に記載のリソグラフィ装置の評価方法により推定した露光量との露光量差が、一定値以下になるように、前記露光装置により前記レジストを露光する時の前記露光装置の設定露光量を設定する工程と、前記加熱装置により前記レジストを加熱する時の前記加熱装置の設定加熱温度と請求項１ないし３のいずれか１項に記載のリソグラフィ装置の評価方法により推定した実効的な加熱温度との温度差が、一定値以下になるように、前記加熱装置により前記レジストを加熱する時の前記加熱装置の設定加熱温度を設定する工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、実効露光量ばらつきを露光量変動とＰＥＢ温度変動とに分離して評価できるリソグラフィ装置の評価方法および制御方法を実現できるようになる。

まず、リソグラフィプロセスにおいて寸法変動を引き起こす要因について本発明者等が検討した結果について説明する。

図１に、実効露光量変動、実効フォーカス変動に対する、孤立パターンの寸法（Ｗ_iso ）、密集パターンの寸法（Ｗ_den ）、孤立パターンと密集パターンとの寸法差（ＩＤＢ＝Ｗ_den −Ｗ_iso ）、ドーズモニターパターン（ＤＭ）およびフォーカスモニターパターン（ＦＭ）の各々の応答を示す。図１では定性的な関係を示しており、Ｏは変化が大きい、△は変化が小さい、×は変化が無いことを示している。孤立パターンおよび密集パターンはそれぞれ孤立ラインパターンおよび密集ラインパターンである。

実効露光量変動は、露光量変動とＰＥＢ温度変動の二つに大別している。ここでいう露光量変動とは、露光装置において照射される露光エネルギーの変動（露光装置照度むら）のみならず、下地膜厚変動、レジスト膜厚変動またはレチクル寸法誤差などによって生じる、レジスト中の吸収光量の変動に起因するものも含む。

また、ドーズモニターパターンは露光量のみ、フォーカスモニターパターンはフォーカスのみに夫々応答を示す特別なパターンであって、文献(M. Asano, T. Fujisawa, K. Izuha, and S. Inoue, “Run-to-Run CD error analysis and control with monitoring of effective dose and focus“, Proc. SPIE 5038, 239-246 (2003). ）に開示したものに代表される。

一般的な露光条件であれば、図１から判るように、孤立パターンの方がフォーカスに対して敏感であり、また、密集パターンの方が露光量に対して敏感である。また、ドーズモニターとフォーカスモニターを用いれば、実効露光量変動と実効フォーカス変動の判別は可能である。しかし、図１から判るように、ドーズモニター、フォーカスモニターでは、実効露光量変動における露光量変動（光量変動）とＰＥＢ温度変動（熱量変動）との判別は不可能である。

ここで、孤立パターンと密集パターンとのライン幅の寸法差（パターン間寸法差）ＩＤＢを見てみると、露光量変動によってパターン間寸法差ＩＤＢは大きく変化しているが、ＰＥＢ温度変動によってはパターン間寸法差ＩＤＢは変化しないことが判る。したがって、パターン間寸法差ＩＤＢの変化を見れば、露光量変動とＰＥＢ温度変動との判別は可能となる。例えば、ドーズモニターが動く時に、同時にパターン間寸法差ＩＤＢを観測し、そのパターン間寸法差ＩＤＢに変化が認められれば露光量変動がある可能性が高く、一方、パターン間寸法差ＩＤＢに変化が無ければＰＥＢ温度変動があるものと推定できる。

パターン間寸法差ＩＤＢの振る舞いが、何故、ＰＥＢ温度に対するものと露光量に対するものとで異なるかというメカニズムは必ずしも明らかではないが、文献（Steven Scheer, et al. “CDU minimization at the 45 nm node and beyond - optical, resist and process contributions to CD control”, to be published in Proc. SPIE 6520, (2007).）で明らかなように、再現性のある事実である。

露光量変動とＰＥＢ温度変動との判別は、孤立パターンおよび密集パターン以外のパターン間の寸法差の変化に基づいても行うことが可能である。一般には、パターニング特性の異なるパターン間の寸法差の変化に基づいて行えばよい。パターニング特性は、一般的に、パターン周辺の環境で決まる。また、パターンはラインパターンに限定されず、ホールパターンでも構わない。

通常のパターンの寸法は、ＰＥＢ温度と露光量の両方に依存する。パターン間の寸法差を見てＰＥＢ温度の寄与分が判れば、通常のパターンの寸法からこのＰＥＢ寄与分を差引くことによって露光量寄与分を算出できる。あるいは、逆に、以下の実施形態のように露光量寄与分からＰＥＢ寄与分を算出することもできる。なお、通常のパターンの寸法ではないパターンの寸法、例えば、ドーズモニターパターンの寸法からＰＥＢ寄与分を差引くことによって露光量寄与分を算出しても構わない。

（第１の実施形態）
まず、ウエーハと、このウエーハ上に塗布されたレジストとを含む基板を用意し、ＡｒＦ露光装置により、露光フィールド毎に設定露光量Ｅを変化させながら、フォトマスクに描かれた回路パターンを上記基板のレジストに転写する。ウエーハは、例えば、Ｓｉウエーハである。次に、上記基板（ウエーハ＋レジスト）をホットプレートにより加熱し、レジストに対して露光後ベーク（ＰＥＢ）を行う。次に、このＰＥＢを行ったレジストに対して現像処理を行ってレジストパターンを形成する。このレジストパターンを形成するリソグラフィプロセスを複数のウエーハに対して行う。その際に、基板毎に、ホットプレートの設定温度、つまり、ＰＥＢ設定温度を変更する。

複数のウエーハ上に形成されたレジストパターンのうち、設計上のライン幅とスペース幅との比が１：１のＬ＆Ｓパターン（以下、密パターンという。）、および、設計上のライン幅とスペース幅との比が１：１０のＬ＆Ｓパターン（以下、孤立パターンという。）の２種類のＬ＆Ｓパターンのそれぞれについて、ウエーハ上における実際のライン幅をＣＤ−ＳＥＭ（Critical Dimension - Scanning Electron Microscopy）により測定する。

本発明者等は、密パターンのライン幅Ｗ_den と設定露光量ＥとＰＥＢ設定温度Ｔ（Ｔは絶対温度）との間に式（１）で表される関係があることを見出した。

Ｗ_den ＝ｋ₀ ＋ｋ₁ ｌｏｇＥ＋ｋ₂ （１／Ｔ） …（１）
ここで、ｋ₀ ，ｋ₁ ，ｋ₂ は、上記のＣＤ−ＳＥＭの測定結果（実測データ）を用いて決定される係数である。

また、本発明者等は、密パターンのライン幅Ｗ_den と孤立パターンのライン幅Ｗ_iso とのパターン間寸法差ＩＤＢ（＝Ｗ_den −Ｗ_iso ）と設定露光量ＥとＰＥＢ設定温度Ｔとの間に式（２）で表される関係があることを見出した。

ＩＤＢ＝ｍ₀ ＋ｍ₁ ｌｏｇＥ＋ｍ₂ （１／Ｔ） …（２）
ここで、ｍ₀ ，ｍ₁ ，ｍ₂ は、上記のＣＤ−ＳＥＭの測定結果（実測データ）を用いて決定される係数である。

図２に、式（１）から導かれる密パターンライン幅Ｗ_den と設定露光量ＥとＰＥＢ温度Ｔとの関係を示す。また、図３に、式（２）から導かれるパターン間寸法差ＩＤＢと設定露光量ＥとＰＥＢ設定温度Ｔとの関係を示す。図２、図３では温度（PEB_temp）は摂氏である。

図２からは、同じ設定露光量Ｅにおいて、ＰＥＢ設定温度Ｔが変動すると、ライン幅Ｗ_den の変化は大きいことが分かる。一方、図３からは、同じ設定露光量Ｅにおいて、ＰＥＢ設定温度Ｔが変動しても、パターン間寸法差ＩＤＢの変化は十分に小さいことが分かる。そこで、パターン間寸法差ＩＤＢはＰＥＢ設定温度Ｔに依存しないと仮定し、式（２）においてｍ₂ ＝０として、式（２）を式（２’）に書き換えて、再度、実測データを当てはめてｍ₀ ，ｍ₁ を決定した。

ＩＤＢ＝ｍ₀ ＋ｍ₁ ｌｏｇＥ …（２’）
次に、式（１），（２’）を用いた実施形態のリソグラフィ装置の評価方法について説明する。

図４はリソグラフィ装置を模式的に示す図である。リソグラフィ装置１は、ウエーハ上にレジストを塗布するための塗布装置２と、ウエーハ上に塗布したレジストを露光するための露光装置３と、露光したレジストを加熱するためのホットプレート４と、加熱したレジストを現像してレジストパターンを形成するための現像装置５とを備えている。露光装置３は、例えば、ＡｒＦ露光装置である。

図５は、実施形態のリソグラフィ装置の評価方法を示すフローチャートである。

まず、図４に示したリソグラフィ装置１を用いて、実際の製品ロットの複数のウエーハに対してそれぞれ周知のリソグラフィプロセス（塗布工程、露光工程、ＰＥＢ工程および現像工程）を行う（ステップＳ１）。このリソグラフィプロセスによって上述した密パターンおよび孤立パターンを含むレジストパターンが形成される。密パターンおよび孤立パターンは各露光フィールド毎に形成される。

次に、上記の製品ロットからウエーハを抜取り、密パターンのライン幅Ｗ_den の寸法と孤立パターンのライン幅Ｗ_iso の寸法を露光フィールド毎に測定する（ステップＳ２）。この測定は、例えば、ＣＤ−ＳＥＭを用いて行われる。なお、製品ロットでは、露光装置３の設定露光量／フォーカスはウエーハ内の各露光フィールドで一定である。

次に、ステップＳ２の測定結果に基づき、パターン間寸法差ＩＤＢ（＝Ｗ_den − Ｗ_iso ）を算出する（ステップＳ３）。

次に、算出したパターン間寸法差ＩＤＢを式（２’）に代入し、設定露光量Ｅを露光フィールド毎に算出する（ステップＳ４）。この算出した設定露光量Ｅは、下層膜やレジストの厚さ変動や現像むら等の影響による実効的な露光量変動を含んだ露光量と推定される。そのため、フィールド毎のパターン間寸法差ＩＤＢが異なり、上記の推定された露光量は、フィールド毎に変化していると考えられる。本来、露光装置に設定された設定露光量は、各露光フィールドで一定であるはずであるが、算出した設定露光量Ｅは、フィールド毎に変化している。なお、フィールド毎のフォーカス変動が充分に小さいことは事前に確認されていた。

算出した設定露光量は、露光装置の評価に使用する。算出した露光量が予め決められた一定値（許容値）を超えたか否かを判断する。一定値を超えた場合には、例えば、露光装置３をメンテナンスする。また、露光装置３に実際に設定した設定露光量Ｅと算出した設定露光量Ｅとの差（露光量差）を取得しても構わない。この場合、露光量差が予め決められた一定値（許容値）を超えたか否かを判断する。露光量差が一定値を超えた場合には、例えば、露光装置３をメンテナンスする。

次に、露光フィールド毎に算出した設定露光量Ｅおよび密パターンのライン幅Ｗ_den を式（１）に代入し、ＰＥＢ設定温度Ｔを算出する（ステップＳ５）。この算出したＰＥＢ設定温度Ｔも、ＰＥＢ時のホットプレートの温度むら（温度変動）を含む、設定値ではない、実効的はＰＥＢ温度（実効ＰＥＢ温度）と推定される。

算出したＰＥＢ設定温度（実効ＰＥＢ温度）は、ホットプレートの評価に使用する。実効ＰＥＢ温度が予め決められた一定値（許容値）を超えたか否かを判断する。一定値を超えた場合には、例えば、ホットプレート４をメンテナンスする。また、ホットプレート４に実際に設定したＰＥＢ設定温度Ｔと実効ＰＥＢ温度との差（温度差）を取得しても構わない。この場合、その温度差が予め決められた一定値（許容値）を超えたか否かを判断する。温度差が一定値を超えた場合には、例えば、ホットプレート４をメンテナンスする。

以上述べたように本実施形態によれば、下層膜の膜厚変動、レジスト膜の膜厚変動、現像むらの影響を含んだ実効露光量ばらつきを、露光量変動とＰＥＢ温度変動とに分離して評価できるリソグラフィ装置の評価方法を実現できるようになる。

本実施形態では、パターン寸法と露光量とＰＥＢ温度との関係、パターン間寸法差と露光量とＰＥＢ温度との関係を実験により求めたが、シミュレーションにより求めても構わない。また、本実施形態では、パターン寸法と露光量とＰＥＢ温度との関係、パターン間寸法差と露光量とＰＥＢ温度との関係を式の形で表現（体現）したが、グラフや参照テーブルの形でも構わない。また、パターンはラインパターンに限定されず、コンタクトホールやヴィアホール等のホールパターンでも構わない。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係るリソグラフィ装置を模式的に示す図である。図７は、実施形態のリソグラフィ装置の制御方法を示すフローチャートである。なお、図４および図５と対応する部分には図４および図５と同一符号を付してあり、詳細な説明は省略する。

本実施形態のリソグラフィ装置は、図４に示したリソグラフィ装置に、ＣＤ−ＳＥＭ６と制御装置７を付加した構成になっている。

ＣＤ−ＳＥＭ６は寸法測定（ステップＳ２）を実施するための測定装置である。ＣＤ−ＳＥＭ６にて測定された寸法（Ｗ_den ， Ｗ_iso ）は制御装置７に入力される。

制御装置７は、入力された寸法（Ｗ_den ， Ｗ_iso ）に基づき、図５のステップＳ３，−Ｓ５を実施する。

制御装置７は、算出した設定露光量Ｅと実際に設定した設定露光量Ｅとの差（露光量ばらつき）、算出したＰＥＢ設定温度（実効ＰＥＢ温度）と実際に設定したＰＥＢ設定温度Ｔとの差（ＰＥＢ温度ばらつき）を算出する（ステップＳ６）。

制御装置７は、露光量ばらつきが一定値以下（許容範囲内）になるように、露光装置２の設定露光量をフィールド毎に変更するという制御を行う（ステップＳ７）。

制御装置７は、設定露光量の制御（ステップＳ７）の後、ＰＥＢ温度ばらつきが一定値（許容範囲内）になるように、ホットプレート４に意図的に温度勾配を設けるという制御を行う（ステップＳ８）。

本実施形態では、ＰＥＢ温度ばらつきは、設定ＰＥＢ温度の変更（これによってはパターン間寸法差ＩＤＢは変化しない）で小さくし、ＰＥＢ温度ばらつき以外のばらつき、つまり、露光量ばらつき（これによってはパターン間寸法差ＩＤＢは変化していると考えられる）は、設定露光量の変更で小さくする（パターン間寸法差ＩＤＢを元に戻す）という制御を行う。したがって、本実施形態によれば、露光量ばらつき、実効ＰＥＢばらつきが改善され、ウエーハ上の寸法均一性を向上できるようになる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

また、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。

実効露光量変動、実効フォーカス変動に対する、孤立パターンの寸法、密集パターンの寸法、孤立パターンと密集パターンとの寸法差、ドーズモニターパターンおよびフォーカスモニターパターンの各々の応答を示す図。 密パターンライン幅と設定露光量とＰＥＢ温度との関係を示す図。 パターン間寸法差と設定露光量とＰＥＢ温度との関係を示す図。 リソグラフィ装置を模式的に示す図。 実施形態のリソグラフィ装置の評価方法を示すフローチャート。 第２の実施形態に係るリソグラフィ装置を模式的に示す図。 実施形態のリソグラフィ装置の制御方法を示すフローチャート。

符号の説明

１…リソグラフィ装置、２…塗布装置、３…露光装置、４…加熱装置、５…現像装置、６…ＣＤ−ＳＥＭ、７…制御装置。

Claims (5)

1. 基板上にレジストを塗布するための塗布装置と、
   前記基板上に塗布したレジストを露光するための露光装置と、
   前記露光したレジストを加熱するための加熱装置と、
   前記加熱したレジストを現像してレジストパターンを形成するための現像装置と
   を具備してなるリソグラフィ装置の評価方法であって、
   前記レジストパターンとして、互いに周辺環境が異なる第１および第２の評価パターンを含むレジストパターンを形成する工程と、
   前記第１の評価パターンの寸法と前記第２の評価パターンの寸法とを測定する工程と、
   前記測定した前記第１の評価パターンの寸法と前記測定した前記第２の評価パターンの寸法との寸法差に基づいて、前記露光装置により前記レジストを露光した時の露光量を推定する工程と、
   前記推定した露光量および前記寸法差に基づいて、前記加熱装置により前記レジストを加熱した時の前記レジストの実効的な加熱温度を推定する工程と
   を含むことを特徴とするリソグラフィ装置の評価方法。
2. 前記露光量を推定する工程は、予め取得しておいた、前記露光装置により前記レジストを露光する時の前記露光装置の設定露光量と前記寸法差との関係を用いて行い、
   前記実効的な加熱温度を推定する工程は、予め取得しておいた、前記加熱装置により前記レジストを加熱する時の前記加熱装置の設定加熱温度と前記露光装置により前記レジストを露光する時の前記露光装置の設定露光量と前記寸法差との関係を用いて行うことを特徴とする請求項１に記載のリソグラフィ装置の評価方法。
3. 前記互いに周辺環境が異なる前記第１および第２の評価パターンは、同じパターンの繰り返しで構成され、かつ、前記パターンの繰り返し周期が互いに異なる二つのパターンであることを特徴とする請求項１または２に記載のリソグラフィ装置の評価方法。
4. 前記露光装置により前記レジストを露光する時の前記露光装置の設定露光量と前記推定した露光量との露光量差を取得する工程と、
   前記加熱装置により前記レジストを加熱する時の前記加熱装置の設定加熱温度と前記推定した前記実効的な加熱温度との温度差を取得する工程とをさらに含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれ１項に記載のリソグラフィ装置の評価方法。
5. 基板上にレジストを塗布するための塗布装置と、
   前記基板上に塗布したレジストを露光するための露光装置と、
   前記露光したレジストを加熱するための加熱装置と、
   前記加熱したレジストを現像してレジストパターンを形成するための現像装置と
   を具備してなるリソグラフィ装置の制御方法であって、
   前記露光装置により前記レジストを露光する時の前記露光装置の設定露光量と請求項１ないし３のいずれか１項に記載のリソグラフィ装置の評価方法により推定した露光量との露光量差が、一定値以下になるように、前記露光装置により前記レジストを露光する時の前記露光装置の設定露光量を設定する工程と、
   前記加熱装置により前記レジストを加熱する時の前記加熱装置の設定加熱温度と請求項１ないし３のいずれか１項に記載のリソグラフィ装置の評価方法により推定した実効的な加熱温度との温度差が、一定値以下になるように、前記加熱装置により前記レジストを加熱する時の前記加熱装置の設定加熱温度を設定する工程と
   を含むことを特徴とするリソグラフィ装置の制御方法。

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