JP4568341B2

JP4568341B2 - シミュレーションモデル作成方法、マスクデータ作成方法、及び半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP4568341B2
Application number: JP2008070900A
Authority: JP
Inventors: 省次三本木; 野昌史浅
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2028-03-19
Also published as: US8055366B2; US20090240362A1; JP2009229479A

Description

本発明は、シミュレーションモデル作成方法、マスクデータ作成方法、及び半導体装置の製造方法に関するものである。

近年、ＬＳＩの微細化に伴い、露光用マスクのパターンとウェーハ上で得られるパターンとの間に寸法変動や形状変化が生じるという、いわゆる光近接効果（ＯＰＥ：Optical Proximity Effect）が問題になっている。そのため、光近接効果の影響を予め考慮してマスクパターンに補正を加える光近接効果補正（ＯＰＣ：Optical Proximity Correction）が用いられるようになった（例えば非特許文献１参照）。

高い補正精度が得られるＯＰＣ技術として、リソグラフィシミュレーションに基づいて適切なマスク寸法の調整量を算出するモデルベースＯＰＣが知られている。モデルベースＯＰＣでは、予め実験的に取得したライン寸法のピッチ依存性等のＯＰＥ特性から、リソグラフィシミュレーションの各種パラメータが求められる（ＯＰＥ特性がモデリングされる）。

ＯＰＥ特性取得のための実験としては、ウェーハ上にテストパターンを形成し、このパターンの寸法をＣＤ−ＳＥＭ（Critical Dimension-Scanning Electron Microscope：測長走査型電子顕微鏡）等を用いて計測することが行われる。

パターン寸法の計測結果にはオートフォーカスエラー等に起因する異常値が含まれることがあるが、従来はこのような異常値が含まれたままモデルが作られており、モデリングの精度を低下させるという問題を有していた。
L.W.Liebmann, B.Grenon, M.Lavin, S.Schomody, and T.Zell, "Optical proximity correction, a first at manufacturability," Proceedings of SPIE Vol.2322 (1994), pp.229-238

本発明は寸法測定データから異常値を効率良く除去し、高精度なモデルベースＯＰＣが行えるシミュレーションモデル作成方法、マスクデータ作成方法、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。

本発明の一態様によるシミュレーションモデル作成方法は、マスクのパターンを露光量及びフォーカス値を変化させてウェーハ上に転写することでレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンの線幅を計測する工程と、露光量のばらつき及びフォーカス値のばらつきからパターン線幅の第１の許容変動範囲を算出する工程と、露光量及びフォーカス値をパラメータとして含む多項式であり前記線幅の計測結果にフィッティングする関数を算出し、前記計測結果と前記関数上の近似値との差分値を第１の差分として算出する工程と、前記第１の差分と前記第１の許容変動範囲を比較し、前記第１の許容変動範囲より前記第１の差分が大きくなる計測値がある場合は、この計測値を削除し、前記第１の差分が前記第１の許容変動範囲より小さくなるまで、削除後の前記計測結果にフィッティングする関数を算出する工程と、前記第１の差分と前記第１の許容変動範囲の比較工程と、計測結果の削除工程と、を繰り返す工程と、前記マスクのパターン線幅の平均値及びばらつきからパターン線幅の第２の許容変動範囲を算出する工程と、前記第１の許容変動範囲より前記第１の差分が大きくなる計測値の削除後の前記計測結果に基づいて作成したシミュレーションモデルを用いて、前記マスクに対してリソグラフィシミュレーションを実行し、ウェーハ上に形成されるパターンの予測線幅を算出する工程と、前記第１の許容変動範囲より前記第１の差分が大きくなる計測値の削除後の前記計測結果と前記予測線幅との差分値を第２の差分として算出する工程と、前記第２の差分と前記第２の許容変動範囲を比較し、前記第２の許容変動範囲より前記第２の差分が大きくなる計測値がある場合は、この計測値を削除し、削除後の前記計測結果に基づいてシミュレーションモデルを作成する工程と、を備えるものである。

本発明の一態様によるマスクデータ作成方法は、前記方法を用いて作成されたシミュレーションモデルを用いて設計データからマスクデータを作成する工程を備えるものである。

本発明の一態様による半導体装置の製造方法は、前記方法を用いて作成されたマスクデータに基づくマスクパターンをウェーハ上のフォトレジトに転写する工程と、現像処理により前記ウェーハ上にレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンをマスクとして前記ウェーハ上の被加工膜を加工する工程と、を備えるものである。

本発明によれば、寸法測定データから異常値（データ飛び値）を効率良く除去し、高精度なモデルベースＯＰＣを行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１に本発明の実施形態に係るシミュレーションモデル作成方法のフローチャートを示す。

（ステップＳ１）露光装置の設定露光量、設定フォーカスを振りながら（変えながら）ウェーハ上のレジスト膜にマスクパターンを転写し、レジストパターン（露光サンプル）を作製する。線幅等の異なる複数種類のマスクパターンを用いて、複数種類のレジストパターンを作製する。

（ステップＳ２）ウェーハ上に形成されたレジストパターンの線幅（ＣＤ：Critical Dimension）をＳＥＭにより計測する。

露光量、フォーカスを振って形成した１つのレジストパターンのＳＥＭ計測結果の一例を図２に示す。縦軸はパターン線幅（計測結果）、横軸はフォーカス値を示す。フォーカス値は焦点面がレジスト中を下に下がるに伴い小さくなる。また、図２のグラフにおいてマーカの違いは設定露光量の違いを示す。

一般に、線幅Ｗは露光量Ｅ、フォーカスＤ、及びマスク線幅Ｍの関数として次のような数式で表すことができる。

（ステップＳ３）ウェーハ面内で計測されたパターン線幅Ｗのばらつきの分散σ_Ｗ ^２を求める。分散σ_Ｗ ^２は露光量のばらつきの分散をσ_Ｅ ^２、フォーカスのばらつきの分散をσ_Ｄ ^２とし、マスク線幅Ｍを固定すると、次のような数式で表すことができる。

そして、分散σ_Ｗ ^２を用いて露光量／フォーカスにおける線幅の許容変動範囲Ｒ_１を算出する。例えば許容変動範囲Ｒ_１はＲ_１＝３×σ_Ｗとなる。ここで、許容変動範囲Ｒ_１をσ_Ｗの３倍としたが、３倍でなくてもよく、要求される精度に応じて増減することができる。

（ステップＳ４）計測したパターン線幅Ｗを露光量ＥとフォーカスＤの多項式関数でフィッティングする。フィッティングに用いる多項式関数（フィッティング関数）は、例えば次のような数式Ｗ１やＷ２で表すことができる。

ここで、ａ’、ａ、ｂ、ｂ’、ｃ、ｃ’はフィッティングで決まる係数である。

例えばフィッティング関数Ｗ２を用いてフォーカス値を一定にし、露光量に対してフィッティングを行うと図３（ａ）に示すようになる。そして計測値とフィッティング関数Ｗ２上の近似値との差分Ｒ’を算出する。また、同様に露光量を一定にし、フォーカス方向に関してもフィッティングを行い、差分Ｒ’を算出する。

（ステップＳ５）差分Ｒ’が許容変動範囲Ｒ_１より大きい点（計測結果）の有無を検出する。大きい点が有る場合はステップＳ６へ進み、無い場合はステップＳ７へ進む。

（ステップＳ６）差分Ｒ’が許容変動範囲Ｒ_１より大きい点を異常点と判定し、削除する。例えば、図３（ａ）から異常点を削除すると図３（ｂ）のようになる。削除後ステップＳ４へ戻る。

（ステップＳ７）異常点削除後の計測結果及びフィッティング関数を用いて、所望のパターン線幅から基準露光量、基準フォーカスを求める。例えば図２から異常点を削除し、フィッティングを行うと図４のようになる。図４に示すように、所望のパターン線幅ＣＤ１がフィッティング関数の極大値となるような露光量が基準露光量となり、その時のフォーカス値が基準フォーカスとなる。フィッティング関数の極大値としたのは、露光量変動のパターン線幅への影響が小さいためである。

（ステップＳ８）マスク線幅Ｍに依存したパターン線幅Ｗの許容変動範囲Ｒ_２を算出する。マスク線幅の変動の平均値をＭ_ｍｅａｎ、ばらつきの分散をσ_Ｍ ^２とすると、Ｒ_２は次のような数式で表すことができる。露光量のばらつき、フォーカスのばらつきの効果は取り除かれており、マスク線幅の変動のみを考慮すればよい。

（ステップＳ９）続いて、計測結果に基づいてシミュレーションモデルを作成し（モデリング）、露光装置の照明条件、マスクパターン、投影光学系の条件等を考慮したリソグラフィシミュレーションを行う。

（ステップＳ１０）リソグラフィシミュレーションにより求められる予測パターン線幅と、ステップＳ２で計測された線幅Ｗとの差分Ｒ”を算出する。但し、ステップＳ６で削除された計測値は除かれている。

（ステップＳ１１）差分Ｒ”が許容変動範囲Ｒ_２より大きい点の有無を検出する。大きい点が有る場合はステップＳ１２へ進み、無い場合は処理を終了する。

（ステップＳ１２）差分Ｒ”が許容変動範囲Ｒ_２より大きい点は異常点と判定し、削除してステップＳ９に戻る。ステップＳ９に戻ると、削除後の計測点に基づいてシミュレーションモデルが作成され、リソグラフィシミュレーションが再度行われる。なお、異常点がなくなるまでステップＳ９〜Ｓ１２を繰り返すこともできる。

ステップＳ４〜Ｓ６における異常点削除によりウェーハ面内の露光量ばらつき及びフォーカスばらつきの効果は取り除かれる。また、ステップＳ９〜Ｓ１２における異常点削除によりマスク線幅ばらつきの効果も取り除かれる。

このように、本実施形態では、マスクも含めたプロセス変動から予想される線幅変動（許容変動範囲）を超える計測値を異常点として削除してモデルを作成するため、モデリング（モデルベースＯＰＣ）の精度を向上させることができる。また、線幅計測データの取得から異常点の削除までをプログラムの実行等により人手を介さず自動的に行うことができるため、データ処理効率が良い。

異常点の削除では、露光量Ｅ、フォーカス値Ｄをパラメータとした以下のような線幅ｗの近似式Ｗ３を用いて、各測定点におけるマハラノビス距離ｄを算出し、マハラノビス距離ｄが所定の閾値以上となる計測値を削除するようにしてもよい。

この近似式Ｗ３は線幅と露光量／フォーカスの関係を物理的に表したもので、例えば文献C. A. Mack, J. D. Byers, “Improved model for focus-exposure data analysis”, proc. SPIE vol 5038 pp. 396(2003) に記載されている。マハラノビス距離ｄは次のような数式で表すことができる。

ここでｗｆは各設定露光量／フォーカスにおける近似値（近似式Ｗ３上の値）であり、σは全測定点におけるｗ−ｗｆの標準偏差である。フォーカスにおける近似値ｗｆの一例を図５に示す。

各測定点でのマハラノビス距離ｄの一例を図６に示す。いくつか存在するピーク値がオートフォーカスエラー等に起因する異常値と考えられる。マハラノビス距離ｄの閾値ｄｔｈを例えば３×σに設定し、これらの異常値を除去する。

上記実施形態と同様にレジストパターン計測結果に含まれる異常値を削除することができるので、以降のモデリング精度を向上させることができる。

さらに、マハラノビス距離ｄを用いた異常値削除後の計測結果と、リソグラフィシミュレーションにより求められる予測線幅とからマハラノビス距離ｄ’を求め、所定の閾値以上の計測値を異常値として削除するようにしてもよい。

上述したデータ処理方法は半導体装置の製造方法に適用可能である。上記データ処理方法による処理の終了後、レジストパターン寸法の露光特性及びフォーカス特性のシミュレーションモデルを作成する。

そしてこのシミュレーションモデルを用いて設計データからマスクデータを生成する。さらに生成されたマスクデータに基づいてフォトマスクを作製する。このようにして作製されたフォトマスクに形成されたパターンを半導体ウェーハ上のフォトレジストに転写し、フォトレジストを現像し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マスクとしてエッチングを行い、半導体ウェーハ上にパターンを形成する。

また、上述したデータ処理方法は、この方法の手順が記述されたプログラムによって動作が制御されるコンピュータによって、実現することが可能である。プログラムは、磁気ディスク等の記録媒体又は通信回線によって提供することができる。

上述した実施の形態は一例であって限定的なものではないと考えられるべきである。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施形態によるシミュレーションモデル作成方法を説明するフローチャートである。レジストパターン線幅の計測結果とフォーカス値の関係を示すグラフである。露光量を振った時のレジストパターン線幅の計測結果にフィッティング関数をフィッティングしたグラフである。異常点削除後のレジストパターン線幅の計測結果にフィッティング関数をフィッティングしたグラフである。各設定露光量／フォーカスにおける近似値を示すグラフである。各測定点でのマハラノビス距離の一例を示すグラフである。

Claims

マスクのパターンを露光量及びフォーカス値を変化させてウェーハ上に転写することでレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンの線幅を計測する工程と、
露光量のばらつき及びフォーカス値のばらつきからパターン線幅の第１の許容変動範囲を算出する工程と、
露光量及びフォーカス値をパラメータとして含む多項式であり前記線幅の計測結果にフィッティングする関数を算出し、前記計測結果と前記関数上の近似値との差分値を第１の差分として算出する工程と、
前記第１の差分と前記第１の許容変動範囲を比較し、前記第１の許容変動範囲より前記第１の差分が大きくなる計測値がある場合は、この計測値を削除し、前記第１の差分が前記第１の許容変動範囲より小さくなるまで、削除後の前記計測結果にフィッティングする関数を算出する工程と、前記第１の差分と前記第１の許容変動範囲の比較工程と、計測結果の削除工程と、を繰り返す工程と、
前記マスクのパターン線幅の平均値及びばらつきからパターン線幅の第２の許容変動範囲を算出する工程と、
前記第１の許容変動範囲より前記第１の差分が大きくなる計測値の削除後の前記計測結果に基づいて作成したシミュレーションモデルを用いて、前記マスクに対してリソグラフィシミュレーションを実行し、ウェーハ上に形成されるパターンの予測線幅を算出する工程と、
前記第１の許容変動範囲より前記第１の差分が大きくなる計測値の削除後の前記計測結果と前記予測線幅との差分値を第２の差分として算出する工程と、
前記第２の差分と前記第２の許容変動範囲を比較し、前記第２の許容変動範囲より前記第２の差分が大きくなる計測値がある場合は、この計測値を削除し、削除後の前記計測結果に基づいてシミュレーションモデルを作成する工程と、
を備えるシミュレーションモデル作成方法。
前記レジストパターンを形成する工程では、それぞれマスクパターンの線幅が異なる複数のマスクを用いることを特徴とする請求項１に記載のシミュレーションモデル作成。
前記第１の許容変動範囲は前記計測結果の標準偏差の３倍であることを特徴とする請求項１又は２に記載のシミュレーションモデル作成。
請求項１乃至３のいずれかの方法を用いて作成されたシミュレーションモデルを用いて設計データからマスクデータを作成する工程を備えることを特徴とするマスクデータ作成方法。
請求項４に記載の方法を用いて作成されたマスクデータに基づくマスクパターンをウェーハ上のフォトレジトに転写する工程と、
現像処理により前記ウェーハ上にレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンをマスクとして前記ウェーハ上の被加工膜を加工する工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。