JP4212421B2 - マスク、露光量調整方法及び半導体デバイスの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体のリソグラフィ技術に係わり、露光マージンを最大に得るための実効露光量値を高精度にモニタするための露光量モニタマスク、露光量調整方法、及び、それを用いた半導体デバイスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パターンの微細化の要求から、露光波長の短波長化、及び、投影レンズの高ＮＡ化がなされており、それと同時にプロセスの改善が同時に行われてきた。しかしながら、近年のデバイスパターンの微細化への要求はさらに厳しく、露光量裕度と焦点深度の露光マージンを十分に得ることが難しく、歩留まりの減少を引き起こしていた。このため、少ない露光マージンを有効に使用し、歩留まりの低下を防ぐために、より高精度の露光量管理、及び、フォーカス管理が求められている。
【０００３】
露光量の管理方法については、通常はパターンの線幅の測定により判断されている。しかしながら、パターンの線幅の変動要因は露光量だけでなくフォーカスによっても変化する。パターンがより微細になるほど、フォーカスエラーによるパターンの線幅に与える影響が無視できなくなるため、適正露光量値の変動による影響か、フォーカス値の変動による影響か判断が難しく、精度のよい露光量管理方法が求められていた。
【０００４】
これに対して、フォーカス変動の影響を受けない実効的な露光量を測定する手法がある（非特許文献１）。非特許文献１において、フォーカスエラーによる線幅の影響が付加されない露光量モニタマークについて提案がなされている。使用する投影露光装置において解像しないピッチのパターンを用いて、パターンの透過部と遮光部の寸法比（デューティー比）を連続的に変えたパターンを配置することで、ウエハ上でフォーカスの状態に依存しない照射量の傾斜分布を持ったパターンを形成する点である。つまり、露光量モニタマークの回折光像のうち、ＮＡ内に入るレンズの中心付近を通る０次回折光のみにすることで、デフォーカスの影響を受けずに実効露光量をモニタできる点にある。
【０００５】
しかしながら、更なる微細化が進み、レベンソン型位相シフトマスクを用いる工程が増えることによって、上記露光量モニタマークをレベンソン型位相シフトマスクに入れた場合に、通常のバイナリーマスクやハーフトーン型位相シフトマスクでは起こらなかった新たな問題が発生した。
【０００６】
通常のバイナリーマスクやハーフトーン型位相ソフトマスク用いた場合に、マスク上のモニタしたいデバイスパターンからの発生する回折光像として結像に寄与するものは０次、±１次の回折光である。回折光像強度は０次≧±１次であり、更に、±１次回折光は瞳エッジ部分で蹴られる部分があるため、光量としては大部分が０次回折光の寄与が大きかった。そのため、従来の０次回折光のみがウェハ上へ照射される上記の露光量モニタマークを計測することで、実際の実効露光量変動として、露光装置自体のドーズ変動、Post Exposure Bake(ＰＥＢ)温度変動、ＰＥＢ時間変動、レジスト感度の変動の他に定在波効果に起因するレジスト膜厚や下地膜厚の変動による実効的な露光量変動を高精度にモニタできていた。
【０００７】
しかしながら、レベンソン型位相シフトマスクに、上記従来の露光量モニタマークを用いた場合には、実デバイスパターンからの回折光像は、レベンソン型の位相シフト効果によってレンズの中心付近を通過する０次回折光は発生せず、±１次回折光による結像が成されるのに対して、従来の露光量モニタマークは投影レンズの中心付近の０次回折光のみで形成されるため、レジストへの入射角度が異なっていた。
【０００８】
その結果、上記露光量モニタマークで実効露光量変動をモニタしようとした場合、露光装置のドーズ変動、ＰＥＢ温度変動、ＰＥＢ時間変動等に起因するものはモニターできるものの、レジスト膜厚や下地膜厚の変動に起因する変動要因については上記理由から、露光量モニタマークと実パターンとのパターン形成におけるレジストへの入射角度が大きく違うため、定在波効果の影響も異なり、正確に実パターンに対する実効露光量をモニターすることができなかった。
【０００９】
【非特許文献１】
SPIE Vol.1261 Integrated Circuit Metrology, Inspection, and Process Control IV（1990） p.315
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、レベンソン型位相シフトマスクにおいては、現状の露光量モニタマークを用いて、実デバイスパターンにおける実効露光量変動をモニタできず、高精度のＣＤコントロールができないという問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、レベンソン型位相シフトマスクにおいては、実デバイスパターンにおける実効露光量変動をモニタできる露光量モニタマークを含むマスク、このマスクを用いた露光量調整方法及び半導体デバイスの製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために以下のように構成されている。
（１）本発明の一例に係わるマスクは、露光光に対して透明な透明基板と、透明基板上に形成された遮光膜とを具備し、投影露光装置によりマスク上の回路パターンをウェハ上に形成されたレジストに転写する際の露光量をモニタする露光量モニタマークが形成されたマスクにおいて、前記露光量モニタマークは、前記投影露光装置で解像することができない一定幅ｐ内に遮光部と透光部とが一方向に配列された複数のブロックが連続的に前記一方向に配列され、該ブロックの遮光部と透光部との寸法比が前記一方向に単調に変化し、且つ隣接する透光部を通過する露光光の位相差は略１８０度であることを特徴とする。
【００１３】
（２）本発明の一例に係わる露光量調整方法は、露光光に対して透明な透明基板と、透明基板上に形成された遮光膜とを具備し、投影露光装置で解像することができない一定幅ｐ内に遮光部と透光部とが一方向に配列された複数のブロックが連続的に前記一方向に配列され、該ブロックの遮光部と透光部との寸法比が前記一方向に単調に変化し、且つ隣接する透光部を通過する露光光の位相差は略１８０度である前記露光量モニタマークが形成されたマスクを用意する工程と、前記投影露光装置を用いて、前記露光量モニタマークをウェハ上に形成されたレジストに転写し、露光量モニタマークを形成する工程と、転写後、或いは現像後の少なくともどこか１ヶ所において露光量モニタマークを計測する計測工程と、測定結果に基づいて、前記露光量モニタマークを前記レジストに転写する際の最適な露光量値と前記投影露光装置に設定された露光量設定値との差を算出する演算工程と、算出された差に応じて露光装置の露光量設定値を変更することを特徴とする。
【００１４】
（３）本発明の一例に係わる半導体デバイスの製造方法は、露光光に対して透明な透明基板と、透明基板上に形成された遮光膜とを具備し、回路パターンと、投影露光装置で解像することができない一定幅ｐ内に遮光部と透光部とが一方向に配列された複数のブロックが連続的に前記一方向に配列され、該ブロックの遮光部と透光部との寸法比が前記一方向に単調に変化し、且つ隣接する透光部を通過する露光光の位相差は略１８０度である前記露光量モニタマークとが形成されたマスクを用意する工程と、前記投影露光装置を用いて、前記露光量モニタマークをウェハ上に形成されたレジストに転写し、露光量モニタマークを形成する工程と、露光後、或いは現像後の少なくともどこか１ヶ所において露光量モニタマークを計測する計測工程と、測定結果に基づいて、前記露光量モニタマークを前記レジストに転写する際の最適な露光量値と前記投影露光装置に設定された露光量設定値との差を算出する演算工程と、算出された差に応じて前記投影露光装置の露光量、もしくは、露光後の加熱工程における加熱処理時間、該加熱工程における加熱処理温度、或いは現像工程における現像時間、現像液温度、現像液濃度の少なくとも１つを変更する工程を含むことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
上記問題を解決するための第１の実施例について、以下に詳細に説明する。
【００１８】
発明者は上記レベンソン型位相シフトマスクにおいては、現状の露光量モニタマークを用いた場合、下地やレジスト膜厚変動要因に関する実効露光量変動をモニタできないため、高精度のＣＤ（Critical Dimension）コントロールができないという問題を、以下に示す方法により解決を図った。
【００１９】
今回適用した露光条件は、ArFエキシマレーザー露光装置、露光波長λは１９３ｎｍ、開口数ＮＡは０．６８、コヒーレンスファクターσが０．３４、レベンソン型マスクを用いた。レジストプロセスとしては、ポジ型を用いており、レベンソン型特有の不要エッジ部分のパターンについては、ここでは、詳細に述べることは省略するが、その後の２重露光で除去することにしている。ターゲット寸法としては、ピッチ１９０ｎｍで８０ｎｍのレジスト残しパターン（ターゲットパターン）を形成する場合への適用例について以下に記載する。
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる露光量モニタマークの概略構成を示す平面図である。図２は、図１に示す露光量モニタマークの概略構成を示す断面図である。
【００２１】
図１，２に示すように、露光量モニタマーク１００は、透光部１０１，１０２と遮光部１０３とが露光装置で解像しない幅ｐのブロック内に配列されている。複数のブロックが、ブロック内の透光部１０１と遮光部１０２との配列方向に、連続的に配列されている。そして、前記配列方向では、ブロック内の透光部１０１，１０２と遮光部１０３とのデューティー比が単調に変化している。なお、複数のブロックが断続的に配列されていても良い。
【００２２】
なお、図２において、符号１１０は石英ガラス等の透明基板、１１１は遮光膜、１１２は位相シフタ（光学膜）である。位相シフタ１１２の膜厚は、透明基板１１０を透過した光の位相が、位相シフタ１１２を透過しないで透明基板１１０を透過した光の位相に対して１８０゜変化するように、調整されている。図２に示すように、透光部１０１には位相シフタ１１２が形成されていない。透光部１０２には位相シフタ１１２が形成されている。
【００２３】
この露光量モニタマークに照明光を照射すると、基板面上での露光量モニタマークの回折光の光強度分布は、フォーカス位置に依存しない単調減少又は単調増加である。
【００２４】
上述したように、隣接した透光部で透明基板を透過したそれぞれ光の位相が１８０゜異なる。このような位相シフト型の露光量モニタマークを用いることにより、実際に寸法制御が必要な上記ターゲットパターンと同様に露光量モニタマークから発生する０次回折光を無くし、±１次回折光でウェーハ面上にフォーカスに依存しない露光量モニタマークを形成することができる。
【００２５】
さらに、図３に示した瞳面上の回折光像のように、±１次回折光像２０２の中心が露光装置の投影光学系の瞳面２０１のエッジにかかる状態よりも広い回折角を得るような条件がよいことから、位相シフト型の露光量モニタマークのピッチＰは、σには依存せず、
ｐ≦λ／２ＮＡ … (1)
とすればよいことがわかる。上記露光量モニタマーク１００では、（１）式を満足するように、ピッチＰとして０．１４μｍを適用した。
【００２６】
このように設計した位相シフト型の露光量モニタマークを用いることにより、ターゲットパターンにおいて投影光学系の瞳面上で形成される回折光像と露光量モニタマークで形成される回折光像を瞳面上の近い位置に形成することができるため、ターゲットパターンが下地膜厚変動に対して受ける定在波効果の影響を露光量モニタマークがとられることができる。以下にその作用を従来の露光量モニタマークと比較して詳細に説明する。
【００２７】
図４，５，６には、それぞれ本発明の露光量モニタマーク（ピッチ１４０ｎｍ）とピッチ１９０ｎｍのレベンソン型のターゲットパターンについて、両者の投影光学系の瞳面上の回折光像、および、ウェーハ面上の入射状態について示した。図４はマスクの概略構成を示す断面図。図４において、符号３００は透明基板、符号３０２がターゲットパターンを示している。
【００２８】
図５は、瞳面２０１上の本発明の露光量モニタマーク１００の回折光像（±１次回折光）３１１を示している。図５に示すように、本発明のレベンソン型の露光量モニタマーク１００の回折光像３１１と、ターゲットパターン３０２の回折光像３１２とは、瞳面２０１上のほぼ同じ位置に投射される。その結果、図６に示したように、レベンソン型の露光量モニタマーク１００の回折光３２１の入射角度とターゲットパターン３０２の回折光３２２の入射角度とは、ほぼ同じである。
【００２９】
これに対して、従来のバイナリ型の露光量モニタマーク４００を図７に示す。図７において、符号４０１が透光部、符号４０３が遮光部である。図７に示すように、バイナリ型の露光量モニタマーク４００の回折光像３１５とターゲットパターン３０２の回折光像３１２とは、瞳面２０１上の全く異なる位置に投射されている。図８には、瞳面２０１上のバイナリ型の露光量モニタマーク４００の回折光像（０次回折光）３１５を示している。図９は、バイナリ型の露光量モニタマークの回折光３２５とターゲットパターンの回折光３２２とのウェーハ面上での入射角度関係を示している。図９において、符号３３１が被処理基板、符号３３２がレジスト膜である。図９からわかるように、バイナリ型の露光量モニタマーク４００の回折光３２５の入射角度とターゲットパターン３０２の回折光３２２の入射角度とは、全く異なっている。
【００３０】
図１０には、位相シフト型の露光量モニタマークとターゲットパターンにおけるレジスト膜厚に対する吸収光量特性を示した。これに対して、図１１には、従来の露光量モニタマークとターゲットパターンにおけるレジスト膜厚に対する吸収光量特性を示す。尚、下地条件としては、レジスト／酸化膜（１１０ｎｍ）/有機系反射防止膜（３００ｎｍ）／Ｓｉを用いている。これらの結果から、本発明の位相シフト型の露光量モニタマークでは、ターゲットパターンにおけるレジストへの吸収光量特性とほとんど同じ結果が得られることから、下地膜厚変動やレジスト膜厚変動に対する実効露光量変動についても正確にとらえることができる。
【００３１】
図１２には、本発明の位相シフト型の露光量モニタマークと従来の露光量モニタマークを用いて露光量制御を行った場合についてのその影響について示した。尚、図１２の実線はターゲットパターンの寸法変動を示しており、これに対して、図１２の一点鎖線、および、点線はそれぞれ従来の露光量モニターマーク、および、本発明の露光量モニターマークでの実効露光量を示している。図１２に従って、露光量制御の詳細について以下に記載する。
【００３２】
まずはじめの条件として、レジストの初期膜厚を０．２２μｍで露光工程を進めていた。そのときに何らかの原因でレジスト膜厚条件の変動が生じて、その結果、図１２の実線で示したような寸法変動が生じた。この変化を本発明の露光量モニタマークでモニターしようとした場合には、図１２の点線が示すように、ターゲットパターンの寸法変動が実効露光量変動としてモニターできていることがわかる。
【００３３】
これに対して、この変化を従来の露光量モニタマークでモニターしようとした場合には、レジスト膜厚が薄くなった場合、一点鎖線で示したように、露光量を本来は、増加させてターゲットの寸法を細めるべきところを、露光量を下げるべきだと誤判断してしまい、ターゲットの寸法からさらにかけ離れた寸法のパターンを形成してしまうことがわかる。
【００３４】
以上のことから、本発明の露光量モニタマークを用いることによって、ターゲットパターンがレベンソン型位相シフトマスクの場合のレジストの膜厚変動、および、下地膜厚変動により生じる実効露光量変動についても正しく検出できるので、高精度の寸法制御が可能となった。
【００３５】
次に、この露光量モニタマークを用いた半導体装置の製造方法を説明する。図１３は、本発明の第１の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を説明するフローチャートである。
先ず、ウエハ上にレジスト膜を形成する(ステップＳ１０１)。レジスト膜に露光量モニタマークをレジスト膜に露光し、露光量モニタマークを形成する（ステップＳ１０２）。露光後、露光後ベーク（ＰＥＢ）、現像を行う（ステップＳ１０３）。
【００３６】
検査用サンプルが抜き取られ、レベンソン型の露光量モニタマークの寸法を計測する（ステップＳ１０４）。なお、露光量モニタマークの寸法測定は、現像を行った後ではなく、ＰＥＢの後に行っても良い。測定された寸法から、実効露光量を求める（ステップＳ１０５）。
【００３７】
設計露光量に対する実行露光量の変動量を算出する（ステップＳ１０６）。変動量が許容値以下であるか比較する（ステップＳ１０７）。変動量が許容値以下であれば、露光条件、及びその後の処理条件を変更せず、次の工程を行う（ステップＳ１０８）。
【００３８】
変動量が許容値より大きい場合、露光条件、及びその後の処理条件を変更する（ステップＳ１０９）。
【００３９】
その後の処理条件とは、具体的には、露光装置の露光量設定値、ＰＥＢ処理における処理時間、処理温度、現像時間、現像液温度、もしくは、現像液濃度、さらには、レジスト膜塗布条件、下地膜厚条件等の露光プロセス条件を上記ステップＳ１０６で算出された値に応じて変更している。
【００４０】
さらに、本発明の位相シフト型の露光量モニタマークは図１，２に記載したものだけに限定さえるものではなく、たとえば、図１，２の反転パターン等についても適用可能である。また、構造についても、図１，２では、１８０度に位相を変換するシフタを貼り付けた場合を示したが、露光量モニタマークに対する０次回折光が発生しないように、位相シフト等の加工を施したものであれば、上記以外にも適用可能であり、例えば、透明基板を彫り込んで形成しても同様の効果が期待できる。
【００４１】
（第２の実施形態）
上記実施例１においては、ターゲットパターンとしては、レベンソン型の０．１９μｍピッチと微細パターンについてであったが、実用上、さらに、ピッチの緩いパターンについても同様に線幅精度が要求される場合がある。
【００４２】
本実施形態では、さらに、０．１９μｍピッチのパターンと、ターゲット寸法は同様であるもののピッチが０．４６μｍと比較的大きなパターンの双方について、下地膜厚変動による実効露光量を正確に検出して、高精度のＣＤコントロールを可能にする手法を説明する。
【００４３】
今回適用した露光条件は、第１の実施形態と同様、ＡｒＦエキシマレーザー露光装置、露光波長λは、１９３ｎｍ、開口数ＮＡは０．６８、コヒーレンスファクターσを０．３４、レベンソン型マスクを用いた。レジストプロセスとしては、ポジ型を用いており、レベンソン型特有の不要エッジ部分のパターンについては、ここでは、詳細に述べることは省略するが、その後の２重露光で除去することにしている。ターゲット寸法としては、ピッチ１９０ｎｍ、および、４６０ｎｍで双方ともに８０ｎｍのレジスト残しパターンを形成する場合への適用例について以下に記載する。
【００４４】
上記ピッチの異なるターゲットパターンに対しては、下地膜厚が異なった場合、それぞれのパターンにおける定在波効果の影響が異なるため、両者を精度よくコントロールすることは難しく、レジスト膜厚、および下地膜厚に対するプロセス変動が生じた際には、いち早く検出し、修正できるかが重要であった。
【００４５】
そこで、発明者は、０．１９μｍピッチ、並びに、０．４６μｍピッチの双方のパターンに対して、定在波効果を含めた実効露光量変動をモニタし、その両モニタパターンの実効露光量変動の関係から下地膜厚変動が生じたことを検出する手法を見出した。
【００４６】
図１４に示す、第２の実施形態に係わるマスクの構成を示す断面図を用いて説明する。なお、本実施形態では、露光量モニタとしてバイナリ型の露光量モニタマーク４００を付加している。図１４はマスクの断面形状を示しており、１００は第１の実施形態に示した位相シフト型の露光量モニタマーク、符号４００はバイナリ型の露光量モニタマーク、符号３０４が０．４６μｍのターゲットパターンを示している。
【００４７】
図１５には、バイナリ型の露光量モニタマーク４００を用いた場合に対応する瞳面上の回折光像（０次回折光）３１３、および、ピッチ０．４６μｍのターゲットパターン３０４に対応する回折光像３１４を合わせて示した。図１６には、露光量モニタマーク４００の回折光３２３とターゲットパターン（０．４６μｍピッチ）３０４の回折光３２４を示している。
【００４８】
上記第１の実施例で示したように、０．１９μｍピッチのターゲットパターン３０２については、位相シフト型の露光量モニタマーク１００を用いて下地膜厚の変動も含めて実効露光量を正確に検出できることは述べてきたとおりである。一方、図１５に示すように、ピッチが大きい０．４６μｍのパターン３０４の回折光３２４が瞳面２０１上の中心に集中する傾向があることから、従来の露光量モニタマーク４００による回折光３２３とほぼ同じ角度からレジスト中に入射することがわかる。
【００４９】
図１７には、露光量モニタマーク４００と０．４６μｍピッチのターゲットパターン３０４におけるレジスト膜厚に対する吸収光量特性を示した。尚、下地条件としては、上記実施例１と同様レジスト／酸化膜（１１０ｎｍ）／有機系反射防止膜（３００ｎｍ）／Ｓｉを用いている。これらの結果から、０．４６μｍピッチのターゲットパターン３０４におけるレジスト膜への吸収光量特性は露光量モニタマーク４００とほとんど同じであることから、下地膜厚変動に対する実効露光量変動についても正確にとらえることができていることがわかった。
【００５０】
図１８には、二つのターゲットのパターン寸法のレジスト膜厚変動依存性と、二つの露光量モニタマークにより検出された実効露光量のレジスト膜厚変動依存性を示した。図１８の実線、および、２点鎖線はそれぞれ、０．１９μｍピッチのターゲットパターン寸法、および、０．４６μｍピッチのターゲットパターン寸法を示している。また、点線、および、一点鎖線はそれぞれ、位相シフト型の露光量モニタマークの寸法測定から得られる実効露光量、および、バイナリ型の露光量モニタマークの寸法測定から得られる実効露光量を示している。
【００５１】
これら図１７，図１８の結果から、発明者は双方のピッチのターゲットパターン寸法の下地膜厚変動に対する影響の違いは、第１の実施形態で説明した位相シフト型露光量モニタマークと従来の露光量モニタマークの実効露光量変動に反映されていることに着目した。
【００５２】
そこで、我々は、図１９に示したフォローチャートを用いて、実効露光量変動のうちでもとりわけ、レジスト膜厚変動、および、下地膜厚変動の要因を素早く検出して、レジスト膜塗布工程や下地形成工程にフィードバックする手法を確立した。先ず、ウエハ上に酸化膜や反射防止膜等の下地膜を形成する(ステップＳ２０１)。次に、下地膜上にレジスト膜を塗布し、露光前ベーク処理を行いレジスト膜に露光量モニタマークをレジスト膜に露光し（ステップＳ２０２）、露光後、露光後ベーク（ＰＥＢ）、現像を行いパターンを形成する（ステップＳ２０３）。次に、検査用サンプルが抜き取られ、バイナリ型及びレベンソン型の露光量モニタマークの寸法を計測する（ステップＳ２０４）。なお、露光量モニタマークの寸法測定は、現像を行った後ではなく、ＰＥＢの後、もしくは露光後の潜像段階で行っても良い。露光測定された寸法から、双方のマークについて実効露光量を求める（ステップＳ２０５）。設計露光量に対する実行露光量の変動量を算出する（ステップＳ２０６）。変動量が許容値以下であるか比較する（ステップＳ２０７）。変動量が許容値以下であれば、露光条件、及びその後の処理条件を変更しない（ステップＳ２０８）。
【００５３】
しかしながら、変動量が許容値より大きい場合、双方の実効露光量変動の傾向が同じであるかどうかを双方の実効露光量変動を比較する（ステップＳ２０９）。双方の実効露光量変動がともに同一傾向である場合は、下地膜厚による影響はないか少ないことが予想できるため、露光装置の設定露光量、もしくは、ＰＥＢ条件、もしくは、現像条件に対して補正を加える（ステップＳ２１０）。しかし、双方の露光量モニタマークから得られた実効露光量変動が異なった傾向の場合は、その原因はレジスト膜厚、もしくは、下地膜厚の変動による影響であるので、露光工程や露光後処理工程を変更しても十分な効果が得られない。そこで、レジスト膜及び下地膜厚変動を測定し（ステップＳ２１１）、変動量に応じてレジスト膜又は下地膜の成膜条件を修正する（ステップＳ２１２）。
【００５４】
以上の示してきたように、２種類の露光量モニタマークを用いることにより、得られた実効露光量の変動がレジスト膜厚、および、下地膜厚変動によるものか、それら以外の原因によるものかを判断できるので、すばやく、下地成膜工程やレジスト塗布工程に対してフォードバックが可能となるため、とりわけ、複数種類のターゲットパターンに対して高精度な寸法精度が可能となった。
【００５５】
尚、今回は下地としてはレジスト膜厚変動について記載したが、特にレジストだけに限定されたものではなく、他の下地酸化膜や有機系反射防止膜等の変動についても、レジストと同様に実効露光量変動を正確にモニタすることができることから、高精度な寸法制御が可能である。
【００５６】
さらに、位相シフト型の露光量モニタマークは図１，図２に記載したものだけに限定されるものではなく、たとえば、図１，図２の反転パターン等についても適用可能である。また、構造についても、図２では、１８０度に位相を変換するシフタを貼り付けた場合を示したが、露光量モニタマークに対する０次回折光が発生しないように、位相シフト等の加工を施したものであれば、上記以外にも適用可能であり、たとえば、ガラスを彫り込んで形成しても同様の効果が期待できる。また、特開２０００−３１０８５０に記載された構造を利用して、図２０に示したように、Ｘ方向をレベンソン型の露光量モニタマーク５０１〜５０４、ｙ方向をバイナリ型の露光量モニタマーク５１１〜５１４を配置することで（またはその逆）、実効露光量変動を合わせずれ量として検出することも可能である。
【００５７】
なお、本発明は、上記実施形態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種々に変形することが可能である。更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、一方向に配列された一定のピッチのパターンを透過部と遮光部とのデューティ比を連続的、または、断続的に変化させ並べて形成されており、隣合った透光部を通過する露光光の位相差を略１８０度変化するように成された露光量モニタマークをマスクに形成することによって、実際に寸法制御が必要な上記ターゲットパターンでは発生しない０次回折光を無くすことが可能となり、±１次回折光において露光量モニタマークのピッチを調整することで、フォーカスに依存しない露光量分布をウェーハ面上に形成することができる。
【００５９】
このように設計した位相シフト型の露光量モニタマークを用いることにより、レベンソン型位相シフトマスクで形成されたターゲットパターンにおいて投影光学系の瞳面上で形成される回折光像と露光量モニタマークで形成される回折光像を瞳面上の近い位置に形成することができるため、ターゲットパターンが下地膜厚変動に対して受ける定在波効果の影響を露光量モニタマークがとられることができ、下地変動に対するターゲットパターン寸法特性を反映した実効露光量が正確に検出できるので、高精度の寸法制御が可能となる。
【００６０】
さらに、従来のバイナリーな露光量モニタマークと本発明によるレベンソン型の露光量モニタマークの双方をマスクに配置し、検出された実効露光量値を比較することによって、プロセスの変動要因が、下地膜厚の変動か、それ以外のものかを判断することができることから、プロセス変動に対して迅速、かつ、正確に補正を行うことができるようになり、高精度のＣＤコントロールが実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態に係わる露光量モニタマークの概略構成を示す平面図。
【図２】 第１の実施形態に係わる露光量モニタマークの概略構成を示す断面図。
【図３】 第１の実施形態に係わる露光量モニタマークを通過した回折光の瞳面上の分布を示す図。
【図４】 第１の実施形態に係わるマスクの概略構成を示す断面図。
【図５】 第１の実施形態に係わる露光量モニタマークの回折光の瞳面上の分布を示す平面図。
【図６】 第１の実施形態に係わる露光量モニタマークを通過した回折光像（０次回折光）を示す図。
【図７】 従来の露光量モニタマークの構成を示す平面図。
【図８】 バイナリ型の露光量モニタマークの回折光像（０次回折光）の瞳面上の分布を示す平面図
【図９】 従来の露光量モニタマークの回折光（０次回折光）を示す図。
【図１０】 第１の実施形態に係わるの露光量モニタマーク及びターゲットパターンの吸収光量のレジスト膜厚依存性を示す特性図。
【図１１】 従来の露光量モニタマーク及びターゲットパターンの吸収光量のレジスト膜厚依存性を示す特性図。
【図１２】 従来の露光量モニタマークを用いて露光量制御をした場合と位相シフト型の露光量モニタマークを用いた場合についての影響の違いを示す図。
【図１３】 第１の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を説明するフローチャート。
【図１４】 第２の実施形態に係わるマスクの構成を示す断面図。
【図１５】 第２の実施形態に係わる、露光量モニタマーク及び０．４６μｍピッチの位相シフト型のターゲットパターンを通過した回折光像を示す図。
【図１６】 第２の実施形態に係わる、露光量モニタマーク及び０．４６μｍピッチのターゲットパターンの回折光を示す図。
【図１７】 露光量モニタマーク及び０．４６μｍピッチのターゲットパターンの吸収光量のレジスト膜厚依存性を示す図。
【図１８】 二つのターゲットパターン寸法のレジスト膜厚変動依存性と、二つの露光量モニタマークにより検出された実行露光量のレジスト膜厚変動依存性を示す図。
【図１９】 第２の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示すフローチャート。
【図２０】 第２の実施形態に露光量モニタマークの構成を示す断面図。
【符号の説明】
１００…露光量モニタマーク，１０１，１０２…透光部，１０３…遮光部，１１０…透明基板，１１１…遮光膜，１１２…位相シフタ（光学膜）
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体のリソグラフィ技術に係わり、露光マージンを最大に得るための実効露光量値を高精度にモニタするための露光量モニタマスク、露光量調整方法、及び、それを用いた半導体デバイスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パターンの微細化の要求から、露光波長の短波長化、及び、投影レンズの高ＮＡ化がなされており、それと同時にプロセスの改善が同時に行われてきた。しかしながら、近年のデバイスパターンの微細化への要求はさらに厳しく、露光量裕度と焦点深度の露光マージンを十分に得ることが難しく、歩留まりの減少を引き起こしていた。このため、少ない露光マージンを有効に使用し、歩留まりの低下を防ぐために、より高精度の露光量管理、及び、フォーカス管理が求められている。
【０００３】
露光量の管理方法については、通常はパターンの線幅の測定により判断されている。しかしながら、パターンの線幅の変動要因は露光量だけでなくフォーカスによっても変化する。パターンがより微細になるほど、フォーカスエラーによるパターンの線幅に与える影響が無視できなくなるため、適正露光量値の変動による影響か、フォーカス値の変動による影響か判断が難しく、精度のよい露光量管理方法が求められていた。
【０００４】
これに対して、フォーカス変動の影響を受けない実効的な露光量を測定する手法がある（非特許文献１）。非特許文献１において、フォーカスエラーによる線幅の影響が付加されない露光量モニタマークについて提案がなされている。使用する投影露光装置において解像しないピッチのパターンを用いて、パターンの透過部と遮光部の寸法比（デューティー比）を連続的に変えたパターンを配置することで、ウエハ上でフォーカスの状態に依存しない照射量の傾斜分布を持ったパターンを形成する点である。つまり、露光量モニタマークの回折光像のうち、ＮＡ内に入るレンズの中心付近を通る０次回折光のみにすることで、デフォーカスの影響を受けずに実効露光量をモニタできる点にある。
【０００５】
しかしながら、更なる微細化が進み、レベンソン型位相シフトマスクを用いる工程が増えることによって、上記露光量モニタマークをレベンソン型位相シフトマスクに入れた場合に、通常のバイナリーマスクやハーフトーン型位相シフトマスクでは起こらなかった新たな問題が発生した。
【０００６】
通常のバイナリーマスクやハーフトーン型位相ソフトマスク用いた場合に、マスク上のモニタしたいデバイスパターンからの発生する回折光像として結像に寄与するものは０次、±１次の回折光である。回折光像強度は０次≧±１次であり、更に、±１次回折光は瞳エッジ部分で蹴られる部分があるため、光量としては大部分が０次回折光の寄与が大きかった。そのため、従来の０次回折光のみがウェハ上へ照射される上記の露光量モニタマークを計測することで、実際の実効露光量変動として、露光装置自体のドーズ変動、Post Exposure Bake(ＰＥＢ)温度変動、ＰＥＢ時間変動、レジスト感度の変動の他に定在波効果に起因するレジスト膜厚や下地膜厚の変動による実効的な露光量変動を高精度にモニタできていた。
【０００７】
しかしながら、レベンソン型位相シフトマスクに、上記従来の露光量モニタマークを用いた場合には、実デバイスパターンからの回折光像は、レベンソン型の位相シフト効果によってレンズの中心付近を通過する０次回折光は発生せず、±１次回折光による結像が成されるのに対して、従来の露光量モニタマークは投影レンズの中心付近の０次回折光のみで形成されるため、レジストへの入射角度が異なっていた。
【０００８】
その結果、上記露光量モニタマークで実効露光量変動をモニタしようとした場合、露光装置のドーズ変動、ＰＥＢ温度変動、ＰＥＢ時間変動等に起因するものはモニターできるものの、レジスト膜厚や下地膜厚の変動に起因する変動要因については上記理由から、露光量モニタマークと実パターンとのパターン形成におけるレジストへの入射角度が大きく違うため、定在波効果の影響も異なり、正確に実パターンに対する実効露光量をモニターすることができなかった。
【０００９】
【非特許文献１】
SPIE Vol.1261 Integrated Circuit Metrology, Inspection, and Process Control IV（1990） p.315
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、レベンソン型位相シフトマスクにおいては、現状の露光量モニタマークを用いて、実デバイスパターンにおける実効露光量変動をモニタできず、高精度のＣＤコントロールができないという問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、レベンソン型位相シフトマスクにおいては、実デバイスパターンにおける実効露光量変動をモニタできる露光量モニタマークを含むマスク、このマスクを用いた露光量調整方法及び半導体デバイスの製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために以下のように構成されている。
（１）本発明の一例に係わるマスクは、露光光に対して透明な透明基板と、透明基板上に形成された遮光膜とを具備し、投影露光装置によりマスク上の回路パターンをウェハ上に形成されたレジストに転写する際の露光量をモニタする露光量モニタマークが形成されたマスクにおいて、前記露光量モニタマークは、前記投影露光装置で解像することができない一定幅ｐ内に遮光部と透光部とが一方向に配列された複数のブロックが連続的に前記一方向に配列され、該ブロックの遮光部と透光部との寸法比が前記一方向に単調に変化し、且つ隣接する透光部を通過する露光光の位相差は略１８０度であることを特徴とする。
【００１３】
（２）本発明の一例に係わる露光量調整方法は、露光光に対して透明な透明基板と、透明基板上に形成された遮光膜とを具備し、投影露光装置で解像することができない一定幅ｐ内に遮光部と透光部とが一方向に配列された複数のブロックが連続的に前記一方向に配列され、該ブロックの遮光部と透光部との寸法比が前記一方向に単調に変化し、且つ隣接する透光部を通過する露光光の位相差は略１８０度である前記露光量モニタマークが形成されたマスクを用意する工程と、前記投影露光装置を用いて、前記露光量モニタマークをウェハ上に形成されたレジストに転写し、露光量モニタマークを形成する工程と、転写後、或いは現像後の少なくともどこか１ヶ所において露光量モニタマークを計測する計測工程と、測定結果に基づいて、前記露光量モニタマークを前記レジストに転写する際の最適な露光量値と前記投影露光装置に設定された露光量設定値との差を算出する演算工程と、算出された差に応じて露光装置の露光量設定値を変更することを特徴とする。
【００１４】
（３）本発明の一例に係わる半導体デバイスの製造方法は、露光光に対して透明な透明基板と、透明基板上に形成された遮光膜とを具備し、回路パターンと、投影露光装置で解像することができない一定幅ｐ内に遮光部と透光部とが一方向に配列された複数のブロックが連続的に前記一方向に配列され、該ブロックの遮光部と透光部との寸法比が前記一方向に単調に変化し、且つ隣接する透光部を通過する露光光の位相差は略１８０度である前記露光量モニタマークとが形成されたマスクを用意する工程と、前記投影露光装置を用いて、前記露光量モニタマークをウェハ上に形成されたレジストに転写し、露光量モニタマークを形成する工程と、露光後、或いは現像後の少なくともどこか１ヶ所において露光量モニタマークを計測する計測工程と、測定結果に基づいて、前記露光量モニタマークを前記レジストに転写する際の最適な露光量値と前記投影露光装置に設定された露光量設定値との差を算出する演算工程と、算出された差に応じて前記投影露光装置の露光量、もしくは、露光後の加熱工程における加熱処理時間、該加熱工程における加熱処理温度、或いは現像工程における現像時間、現像液温度、現像液濃度の少なくとも１つを変更する工程を含むことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
上記問題を解決するための第１の実施例について、以下に詳細に説明する。
【００１８】
発明者は上記レベンソン型位相シフトマスクにおいては、現状の露光量モニタマークを用いた場合、下地やレジスト膜厚変動要因に関する実効露光量変動をモニタできないため、高精度のＣＤ（Critical Dimension）コントロールができないという問題を、以下に示す方法により解決を図った。
【００１９】
今回適用した露光条件は、ArFエキシマレーザー露光装置、露光波長λは１９３ｎｍ、開口数ＮＡは０．６８、コヒーレンスファクターσが０．３４、レベンソン型マスクを用いた。レジストプロセスとしては、ポジ型を用いており、レベンソン型特有の不要エッジ部分のパターンについては、ここでは、詳細に述べることは省略するが、その後の２重露光で除去することにしている。ターゲット寸法としては、ピッチ１９０ｎｍで８０ｎｍのレジスト残しパターン（ターゲットパターン）を形成する場合への適用例について以下に記載する。
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる露光量モニタマークの概略構成を示す平面図である。図２は、図１に示す露光量モニタマークの概略構成を示す断面図である。
【００２１】
図１，２に示すように、露光量モニタマーク１００は、透光部１０１，１０２と遮光部１０３とが露光装置で解像しない幅ｐのブロック内に配列されている。複数のブロックが、ブロック内の透光部１０１と遮光部１０２との配列方向に、連続的に配列されている。そして、前記配列方向では、ブロック内の透光部１０１，１０２と遮光部１０３とのデューティー比が単調に変化している。なお、複数のブロックが断続的に配列されていても良い。
【００２２】
なお、図２において、符号１１０は石英ガラス等の透明基板、１１１は遮光膜、１１２は位相シフタ（光学膜）である。位相シフタ１１２の膜厚は、透明基板１１０を透過した光の位相が、位相シフタ１１２を透過しないで透明基板１１０を透過した光の位相に対して１８０゜変化するように、調整されている。図２に示すように、透光部１０１には位相シフタ１１２が形成されていない。透光部１０２には位相シフタ１１２が形成されている。
【００２３】
この露光量モニタマークに照明光を照射すると、基板面上での露光量モニタマークの回折光の光強度分布は、フォーカス位置に依存しない単調減少又は単調増加である。
【００２４】
上述したように、隣接した透光部で透明基板を透過したそれぞれ光の位相が１８０゜異なる。このような位相シフト型の露光量モニタマークを用いることにより、実際に寸法制御が必要な上記ターゲットパターンと同様に露光量モニタマークから発生する０次回折光を無くし、±１次回折光でウェーハ面上にフォーカスに依存しない露光量モニタマークを形成することができる。
【００２５】
さらに、図３に示した瞳面上の回折光像のように、±１次回折光像２０２の中心が露光装置の投影光学系の瞳面２０１のエッジにかかる状態よりも広い回折角を得るような条件がよいことから、位相シフト型の露光量モニタマークのピッチＰは、σには依存せず、
ｐ≦λ／２ＮＡ … (1)
とすればよいことがわかる。上記露光量モニタマーク１００では、（１）式を満足するように、ピッチＰとして０．１４μｍを適用した。
【００２６】
このように設計した位相シフト型の露光量モニタマークを用いることにより、ターゲットパターンにおいて投影光学系の瞳面上で形成される回折光像と露光量モニタマークで形成される回折光像を瞳面上の近い位置に形成することができるため、ターゲットパターンが下地膜厚変動に対して受ける定在波効果の影響を露光量モニタマークがとられることができる。以下にその作用を従来の露光量モニタマークと比較して詳細に説明する。
【００２７】
図４，５，６には、それぞれ本発明の露光量モニタマーク（ピッチ１４０ｎｍ）とピッチ１９０ｎｍのレベンソン型のターゲットパターンについて、両者の投影光学系の瞳面上の回折光像、および、ウェーハ面上の入射状態について示した。図４はマスクの概略構成を示す断面図。図４において、符号３００は透明基板、符号３０２がターゲットパターンを示している。
【００２８】
図５は、瞳面２０１上の本発明の露光量モニタマーク１００の回折光像（±１次回折光）３１１を示している。図５に示すように、本発明のレベンソン型の露光量モニタマーク１００の回折光像３１１と、ターゲットパターン３０２の回折光像３１２とは、瞳面２０１上のほぼ同じ位置に投射される。その結果、図６に示したように、レベンソン型の露光量モニタマーク１００の回折光３２１の入射角度とターゲットパターン３０２の回折光３２２の入射角度とは、ほぼ同じである。
【００２９】
これに対して、従来のバイナリ型の露光量モニタマーク４００を図７に示す。図７において、符号４０１が透光部、符号４０３が遮光部である。図７に示すように、バイナリ型の露光量モニタマーク４００の回折光像３１５とターゲットパターン３０２の回折光像３１２とは、瞳面２０１上の全く異なる位置に投射されている。図８には、瞳面２０１上のバイナリ型の露光量モニタマーク４００の回折光像（０次回折光）３１５を示している。図９は、バイナリ型の露光量モニタマークの回折光３２５とターゲットパターンの回折光３２２とのウェーハ面上での入射角度関係を示している。図９において、符号３３１が被処理基板、符号３３２がレジスト膜である。図９からわかるように、バイナリ型の露光量モニタマーク４００の回折光３２５の入射角度とターゲットパターン３０２の回折光３２２の入射角度とは、全く異なっている。
【００３０】
図１０には、位相シフト型の露光量モニタマークとターゲットパターンにおけるレジスト膜厚に対する吸収光量特性を示した。これに対して、図１１には、従来の露光量モニタマークとターゲットパターンにおけるレジスト膜厚に対する吸収光量特性を示す。尚、下地条件としては、レジスト／酸化膜（１１０ｎｍ）/有機系反射防止膜（３００ｎｍ）／Ｓｉを用いている。これらの結果から、本発明の位相シフト型の露光量モニタマークでは、ターゲットパターンにおけるレジストへの吸収光量特性とほとんど同じ結果が得られることから、下地膜厚変動やレジスト膜厚変動に対する実効露光量変動についても正確にとらえることができる。
【００３１】
図１２には、本発明の位相シフト型の露光量モニタマークと従来の露光量モニタマークを用いて露光量制御を行った場合についてのその影響について示した。尚、図１２の実線はターゲットパターンの寸法変動を示しており、これに対して、図１２の一点鎖線、および、点線はそれぞれ従来の露光量モニターマーク、および、本発明の露光量モニターマークでの実効露光量を示している。図１２に従って、露光量制御の詳細について以下に記載する。
【００３２】
まずはじめの条件として、レジストの初期膜厚を０．２２μｍで露光工程を進めていた。そのときに何らかの原因でレジスト膜厚条件の変動が生じて、その結果、図１２の実線で示したような寸法変動が生じた。この変化を本発明の露光量モニタマークでモニターしようとした場合には、図１２の点線が示すように、ターゲットパターンの寸法変動が実効露光量変動としてモニターできていることがわかる。
【００３３】
これに対して、この変化を従来の露光量モニタマークでモニターしようとした場合には、レジスト膜厚が薄くなった場合、一点鎖線で示したように、露光量を本来は、増加させてターゲットの寸法を細めるべきところを、露光量を下げるべきだと誤判断してしまい、ターゲットの寸法からさらにかけ離れた寸法のパターンを形成してしまうことがわかる。
【００３４】
以上のことから、本発明の露光量モニタマークを用いることによって、ターゲットパターンがレベンソン型位相シフトマスクの場合のレジストの膜厚変動、および、下地膜厚変動により生じる実効露光量変動についても正しく検出できるので、高精度の寸法制御が可能となった。
【００３５】
次に、この露光量モニタマークを用いた半導体装置の製造方法を説明する。図１３は、本発明の第１の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を説明するフローチャートである。
先ず、ウエハ上にレジスト膜を形成する(ステップＳ１０１)。レジスト膜に露光量モニタマークをレジスト膜に露光し、露光量モニタマークを形成する（ステップＳ１０２）。露光後、露光後ベーク（ＰＥＢ）、現像を行う（ステップＳ１０３）。
【００３６】
検査用サンプルが抜き取られ、レベンソン型の露光量モニタマークの寸法を計測する（ステップＳ１０４）。なお、露光量モニタマークの寸法測定は、現像を行った後ではなく、ＰＥＢの後に行っても良い。測定された寸法から、実効露光量を求める（ステップＳ１０５）。
【００３７】
設計露光量に対する実行露光量の変動量を算出する（ステップＳ１０６）。変動量が許容値以下であるか比較する（ステップＳ１０７）。変動量が許容値以下であれば、露光条件、及びその後の処理条件を変更せず、次の工程を行う（ステップＳ１０８）。
【００３８】
変動量が許容値より大きい場合、露光条件、及びその後の処理条件を変更する（ステップＳ１０９）。
【００３９】
その後の処理条件とは、具体的には、露光装置の露光量設定値、ＰＥＢ処理における処理時間、処理温度、現像時間、現像液温度、もしくは、現像液濃度、さらには、レジスト膜塗布条件、下地膜厚条件等の露光プロセス条件を上記ステップＳ１０６で算出された値に応じて変更している。
【００４０】
さらに、本発明の位相シフト型の露光量モニタマークは図１，２に記載したものだけに限定さえるものではなく、たとえば、図１，２の反転パターン等についても適用可能である。また、構造についても、図１，２では、１８０度に位相を変換するシフタを貼り付けた場合を示したが、露光量モニタマークに対する０次回折光が発生しないように、位相シフト等の加工を施したものであれば、上記以外にも適用可能であり、例えば、透明基板を彫り込んで形成しても同様の効果が期待できる。
【００４１】
（第２の実施形態）
上記実施例１においては、ターゲットパターンとしては、レベンソン型の０．１９μｍピッチと微細パターンについてであったが、実用上、さらに、ピッチの緩いパターンについても同様に線幅精度が要求される場合がある。
【００４２】
本実施形態では、さらに、０．１９μｍピッチのパターンと、ターゲット寸法は同様であるもののピッチが０．４６μｍと比較的大きなパターンの双方について、下地膜厚変動による実効露光量を正確に検出して、高精度のＣＤコントロールを可能にする手法を説明する。
【００４３】
今回適用した露光条件は、第１の実施形態と同様、ＡｒＦエキシマレーザー露光装置、露光波長λは、１９３ｎｍ、開口数ＮＡは０．６８、コヒーレンスファクターσを０．３４、レベンソン型マスクを用いた。レジストプロセスとしては、ポジ型を用いており、レベンソン型特有の不要エッジ部分のパターンについては、ここでは、詳細に述べることは省略するが、その後の２重露光で除去することにしている。ターゲット寸法としては、ピッチ１９０ｎｍ、および、４６０ｎｍで双方ともに８０ｎｍのレジスト残しパターンを形成する場合への適用例について以下に記載する。
【００４４】
上記ピッチの異なるターゲットパターンに対しては、下地膜厚が異なった場合、それぞれのパターンにおける定在波効果の影響が異なるため、両者を精度よくコントロールすることは難しく、レジスト膜厚、および下地膜厚に対するプロセス変動が生じた際には、いち早く検出し、修正できるかが重要であった。
【００４５】
そこで、発明者は、０．１９μｍピッチ、並びに、０．４６μｍピッチの双方のパターンに対して、定在波効果を含めた実効露光量変動をモニタし、その両モニタパターンの実効露光量変動の関係から下地膜厚変動が生じたことを検出する手法を見出した。
【００４６】
図１４に示す、第２の実施形態に係わるマスクの構成を示す断面図を用いて説明する。なお、本実施形態では、露光量モニタとしてバイナリ型の露光量モニタマーク４００を付加している。図１４はマスクの断面形状を示しており、１００は第１の実施形態に示した位相シフト型の露光量モニタマーク、符号４００はバイナリ型の露光量モニタマーク、符号３０４が０．４６μｍのターゲットパターンを示している。
【００４７】
図１５には、バイナリ型の露光量モニタマーク４００を用いた場合に対応する瞳面上の回折光像（０次回折光）３１３、および、ピッチ０．４６μｍのターゲットパターン３０４に対応する回折光像３１４を合わせて示した。図１６には、露光量モニタマーク４００の回折光３２３とターゲットパターン（０．４６μｍピッチ）３０４の回折光３２４を示している。
【００４８】
上記第１の実施例で示したように、０．１９μｍピッチのターゲットパターン３０２については、位相シフト型の露光量モニタマーク１００を用いて下地膜厚の変動も含めて実効露光量を正確に検出できることは述べてきたとおりである。一方、図１５に示すように、ピッチが大きい０．４６μｍのパターン３０４の回折光３２４が瞳面２０１上の中心に集中する傾向があることから、従来の露光量モニタマーク４００による回折光３２３とほぼ同じ角度からレジスト中に入射することがわかる。
【００４９】
図１７には、露光量モニタマーク４００と０．４６μｍピッチのターゲットパターン３０４におけるレジスト膜厚に対する吸収光量特性を示した。尚、下地条件としては、上記実施例１と同様レジスト／酸化膜（１１０ｎｍ）／有機系反射防止膜（３００ｎｍ）／Ｓｉを用いている。これらの結果から、０．４６μｍピッチのターゲットパターン３０４におけるレジスト膜への吸収光量特性は露光量モニタマーク４００とほとんど同じであることから、下地膜厚変動に対する実効露光量変動についても正確にとらえることができていることがわかった。
【００５０】
図１８には、二つのターゲットのパターン寸法のレジスト膜厚変動依存性と、二つの露光量モニタマークにより検出された実効露光量のレジスト膜厚変動依存性を示した。図１８の実線、および、２点鎖線はそれぞれ、０．１９μｍピッチのターゲットパターン寸法、および、０．４６μｍピッチのターゲットパターン寸法を示している。また、点線、および、一点鎖線はそれぞれ、位相シフト型の露光量モニタマークの寸法測定から得られる実効露光量、および、バイナリ型の露光量モニタマークの寸法測定から得られる実効露光量を示している。
【００５１】
これら図１７，図１８の結果から、発明者は双方のピッチのターゲットパターン寸法の下地膜厚変動に対する影響の違いは、第１の実施形態で説明した位相シフト型露光量モニタマークと従来の露光量モニタマークの実効露光量変動に反映されていることに着目した。
【００５２】
そこで、我々は、図１９に示したフォローチャートを用いて、実効露光量変動のうちでもとりわけ、レジスト膜厚変動、および、下地膜厚変動の要因を素早く検出して、レジスト膜塗布工程や下地形成工程にフィードバックする手法を確立した。先ず、ウエハ上に酸化膜や反射防止膜等の下地膜を形成する(ステップＳ２０１)。次に、下地膜上にレジスト膜を塗布し、露光前ベーク処理を行いレジスト膜に露光量モニタマークをレジスト膜に露光し（ステップＳ２０２）、露光後、露光後ベーク（ＰＥＢ）、現像を行いパターンを形成する（ステップＳ２０３）。次に、検査用サンプルが抜き取られ、バイナリ型及びレベンソン型の露光量モニタマークの寸法を計測する（ステップＳ２０４）。なお、露光量モニタマークの寸法測定は、現像を行った後ではなく、ＰＥＢの後、もしくは露光後の潜像段階で行っても良い。露光測定された寸法から、双方のマークについて実効露光量を求める（ステップＳ２０５）。設計露光量に対する実行露光量の変動量を算出する（ステップＳ２０６）。変動量が許容値以下であるか比較する（ステップＳ２０７）。変動量が許容値以下であれば、露光条件、及びその後の処理条件を変更しない（ステップＳ２０８）。
【００５３】
しかしながら、変動量が許容値より大きい場合、双方の実効露光量変動の傾向が同じであるかどうかを双方の実効露光量変動を比較する（ステップＳ２０９）。双方の実効露光量変動がともに同一傾向である場合は、下地膜厚による影響はないか少ないことが予想できるため、露光装置の設定露光量、もしくは、ＰＥＢ条件、もしくは、現像条件に対して補正を加える（ステップＳ２１０）。しかし、双方の露光量モニタマークから得られた実効露光量変動が異なった傾向の場合は、その原因はレジスト膜厚、もしくは、下地膜厚の変動による影響であるので、露光工程や露光後処理工程を変更しても十分な効果が得られない。そこで、レジスト膜及び下地膜厚変動を測定し（ステップＳ２１１）、変動量に応じてレジスト膜又は下地膜の成膜条件を修正する（ステップＳ２１２）。
【００５４】
以上の示してきたように、２種類の露光量モニタマークを用いることにより、得られた実効露光量の変動がレジスト膜厚、および、下地膜厚変動によるものか、それら以外の原因によるものかを判断できるので、すばやく、下地成膜工程やレジスト塗布工程に対してフォードバックが可能となるため、とりわけ、複数種類のターゲットパターンに対して高精度な寸法精度が可能となった。
【００５５】
尚、今回は下地としてはレジスト膜厚変動について記載したが、特にレジストだけに限定されたものではなく、他の下地酸化膜や有機系反射防止膜等の変動についても、レジストと同様に実効露光量変動を正確にモニタすることができることから、高精度な寸法制御が可能である。
【００５６】
さらに、位相シフト型の露光量モニタマークは図１，図２に記載したものだけに限定されるものではなく、たとえば、図１，図２の反転パターン等についても適用可能である。また、構造についても、図２では、１８０度に位相を変換するシフタを貼り付けた場合を示したが、露光量モニタマークに対する０次回折光が発生しないように、位相シフト等の加工を施したものであれば、上記以外にも適用可能であり、たとえば、ガラスを彫り込んで形成しても同様の効果が期待できる。また、特開２０００−３１０８５０に記載された構造を利用して、図２０に示したように、Ｘ方向をレベンソン型の露光量モニタマーク５０１〜５０４、ｙ方向をバイナリ型の露光量モニタマーク５１１〜５１４を配置することで（またはその逆）、実効露光量変動を合わせずれ量として検出することも可能である。
【００５７】
なお、本発明は、上記実施形態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種々に変形することが可能である。更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、一方向に配列された一定のピッチのパターンを透過部と遮光部とのデューティ比を連続的、または、断続的に変化させ並べて形成されており、隣合った透光部を通過する露光光の位相差を略１８０度変化するように成された露光量モニタマークをマスクに形成することによって、実際に寸法制御が必要な上記ターゲットパターンでは発生しない０次回折光を無くすことが可能となり、±１次回折光において露光量モニタマークのピッチを調整することで、フォーカスに依存しない露光量分布をウェーハ面上に形成することができる。
【００５９】
このように設計した位相シフト型の露光量モニタマークを用いることにより、レベンソン型位相シフトマスクで形成されたターゲットパターンにおいて投影光学系の瞳面上で形成される回折光像と露光量モニタマークで形成される回折光像を瞳面上の近い位置に形成することができるため、ターゲットパターンが下地膜厚変動に対して受ける定在波効果の影響を露光量モニタマークがとられることができ、下地変動に対するターゲットパターン寸法特性を反映した実効露光量が正確に検出できるので、高精度の寸法制御が可能となる。
【００６０】
さらに、従来のバイナリーな露光量モニタマークと本発明によるレベンソン型の露光量モニタマークの双方をマスクに配置し、検出された実効露光量値を比較することによって、プロセスの変動要因が、下地膜厚の変動か、それ以外のものかを判断することができることから、プロセス変動に対して迅速、かつ、正確に補正を行うことができるようになり、高精度のＣＤコントロールが実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態に係わる露光量モニタマークの概略構成を示す平面図。
【図２】 第１の実施形態に係わる露光量モニタマークの概略構成を示す断面図。
【図３】 第１の実施形態に係わる露光量モニタマークを通過した回折光の瞳面上の分布を示す図。
【図４】 第１の実施形態に係わるマスクの概略構成を示す断面図。
【図５】 第１の実施形態に係わる露光量モニタマークの回折光の瞳面上の分布を示す平面図。
【図６】 第１の実施形態に係わる露光量モニタマークを通過した回折光像（０次回折光）を示す図。
【図７】 従来の露光量モニタマークの構成を示す平面図。
【図８】 バイナリ型の露光量モニタマークの回折光像（０次回折光）の瞳面上の分布を示す平面図
【図９】 従来の露光量モニタマークの回折光（０次回折光）を示す図。
【図１０】 第１の実施形態に係わるの露光量モニタマーク及びターゲットパターンの吸収光量のレジスト膜厚依存性を示す特性図。
【図１１】 従来の露光量モニタマーク及びターゲットパターンの吸収光量のレジスト膜厚依存性を示す特性図。
【図１２】 従来の露光量モニタマークを用いて露光量制御をした場合と位相シフト型の露光量モニタマークを用いた場合についての影響の違いを示す図。
【図１３】 第１の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を説明するフローチャート。
【図１４】 第２の実施形態に係わるマスクの構成を示す断面図。
【図１５】 第２の実施形態に係わる、露光量モニタマーク及び０．４６μｍピッチの位相シフト型のターゲットパターンを通過した回折光像を示す図。
【図１６】 第２の実施形態に係わる、露光量モニタマーク及び０．４６μｍピッチのターゲットパターンの回折光を示す図。
【図１７】 露光量モニタマーク及び０．４６μｍピッチのターゲットパターンの吸収光量のレジスト膜厚依存性を示す図。
【図１８】 二つのターゲットパターン寸法のレジスト膜厚変動依存性と、二つの露光量モニタマークにより検出された実行露光量のレジスト膜厚変動依存性を示す図。
【図１９】 第２の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示すフローチャート。
【図２０】 第２の実施形態に露光量モニタマークの構成を示す断面図。
【符号の説明】
１００…露光量モニタマーク，１０１，１０２…透光部，１０３…遮光部，１１０…透明基板，１１１…遮光膜，１１２…位相シフタ（光学膜）
Claims (6)
- 露光光に対して透明な透明基板と、透明基板上に形成された遮光膜とを具備し、投影露光装置によりマスク上の回路パターンをウェハ上に形成されたレジストに転写する際の露光量をモニタする露光量モニタマークが形成されたマスクにおいて、
前記露光量モニタマークは、前記投影露光装置で解像することができない一定幅ｐ内に遮光部と透光部とが一方向に配列された複数のブロックが連続的に前記一方向に配列され、該ブロックの遮光部と透光部との寸法比が前記一方向に単調に変化し、且つ隣接する透光部を通過する露光光の位相差は略１８０度であることを特徴とするマスク。 - 前記露光量モニタマークの隣接する透光部の一方には光学膜が形成され、
前記光学膜の膜厚は、他方の透過部を通過した露光光に対して、一方の透過部を通過した露光光の位相差が略１８０度異なるように調整されていることを特徴とする請求項１に記載のマスク。 - 前記露光量モニタマークの隣接する透光部の一方の透明基板が彫り込まれ、
前記透明基板の彫り込み量は、他方の透過部を通過した露光光に対して、一方の透過部を通過した露光光の位相差が略１８０度異なるように調整されていることを特徴とする請求項１に記載のマスク。 - 前記投影露光装置の露光光の波長をλ、ウェハ側の開口数をＮＡ、コヒーレンスファクタσとしたとき、ウェハ上におけるピッチＰが、
ｐ≦λ／２ＮＡ
であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のマスク。 - 露光光に対して透明な透明基板と、透明基板上に形成された遮光膜とを具備し、投影露光装置で解像することができない一定幅ｐ内に遮光部と透光部とが一方向に配列された複数のブロックが連続的に前記一方向に配列され、該ブロックの遮光部と透光部との寸法比が前記一方向に単調に変化し、且つ隣接する透光部を通過する露光光の位相差は略１８０度である前記露光量モニタマークが形成されたマスクを用意する工程と、
前記投影露光装置を用いて、前記露光量モニタマークをウェハ上に形成されたレジストに転写し、露光量モニタマークを形成する工程と、
転写後、或いは現像後の少なくともどこか１ヶ所において露光量モニタマークを計測する計測工程と、
測定結果に基づいて、前記露光量モニタマークを前記レジストに転写する際の最適な露光量値と前記投影露光装置に設定された露光量設定値との差を算出する演算工程と、
算出された差に応じて露光装置の露光量設定値を変更することを特徴とする露光量調整方法。 - 露光光に対して透明な透明基板と、透明基板上に形成された遮光膜とを具備し、回路パターンと、投影露光装置で解像することができない一定幅ｐ内に遮光部と透光部とが一方向に配列された複数のブロックが連続的に前記一方向に配列され、該ブロックの遮光部と透光部との寸法比が前記一方向に単調に変化し、且つ隣接する透光部を通過する露光光の位相差は略１８０度である前記露光量モニタマークとが形成されたマスクを用意する工程と、
前記投影露光装置を用いて、前記露光量モニタマークをウェハ上に形成されたレジストに転写し、露光量モニタマークを形成する工程と、
露光後、或いは現像後の少なくともどこか１ヶ所において露光量モニタマークを計測する計測工程と、
測定結果に基づいて、前記露光量モニタマークを前記レジストに転写する際の最適な露光量値と前記投影露光装置に設定された露光量設定値との差を算出する演算工程と、
算出された差に応じて前記投影露光装置の露光量、もしくは、露光後の加熱工程における加熱処理時間、該加熱工程における加熱処理温度、或いは現像工程における現像時間、現像液濃度、現像液濃度の少なくとも１つを変更する工程を含むことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
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