JPS63253201A - 半導体製造工程においてパターンの限界寸法の変化をモニタするためのテストパターン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は半導体装置の製造工程における各層の限界寸法
の変化を測定するための限界寸法の測定用テストパター
ンの製造に関し、特に顕微鏡下で目測の可能な限界寸法
測定用テストパターンの製造に関する。

従来の技術 半導体素子の製造工程では普通半導体基板上に４〜゛５
個ないし２０囮程度の相異なる層が順次成長或いは堆積
されると共に写真蝕剣法を利用して各層に所゛定のパタ
ーンが形成される。このような方法によって形成された
各層は上下に集積されて一つの半導体装置を構成する。

このような半導体装８の個々の層に形成された個々のパ
ターンの寸法は半導体装δ全体の動作特性に多大な彩管
を及ぼすので半導体装置の設計時にはこの半導体装置を
構成する個々のパターンの大きさを特定の動作に適合す
るように適切に設定する必要がある。又、半導体装置を
ｖＪＴｉする際には個々のパターンの大きさを設計値と
同じに維持することが非常に重要な問題になる。

したがって、半導体装置の製造工程の特定の段階で形成
された個々のパターンの幅ないし寸法（ＣＤと称する）
の変化を注意深く監視する必要がある。

しかし、半導体装置の製造工程中に個々の層に形成され
たパターンの限界寸法をいちいち測定するのは不便であ
るため従来より個々の層ごとに形成されたパターンの限
界寸法の変化を顕微鏡観察により監視するための特別な
テストパターン（ＣＤバーと称する）をウェーハー上の
スクライビング領域又はチップ素子が形成されない領域
に形成する方法が使用されている。

即ち、同一の層上に形成されるパターンは同一の製造過
程によって形成されるので、個々のパターン自体は異な
っていても、その限界寸法は全てのパターンにわたって
同一に維持されるはずである。そこで限界寸法測定用テ
ストパターンの寸法変化を監視することにより層中のパ
ターンの限界寸法の増加量、又は減少通を知ることが出
来る。

上記のような限弄寸法淵定用テストパターンは大よそ二
つの種類に分類することができる。

その−は特別な機械装置を利用して限界寸法を測定する
ための限界寸Ｆ′！５測定用テストパターンであり、そ
の二は顕微鏡を使用して観開者の目測により限界寸法の
変化を測定するための特殊なパターンに設計された限界
寸法測定用テストパターンである。

上記の第１の種類のテストパターンではかなり正確な測
定をすることができるが、測定そのものが複雑であり、
多大の時間を要する問題点がある。

第２の場合においては多少不正確になる問題点はあるも
のの、簡便かつ短ｖＩ＠に測定ができる特長がある。

ところで、半導体装置の製造工程では、前述したように
個々の層ごとに多数のパターンが形成されるのでパター
ン形成工程の完了毎にいちいち限界寸法を特別な機械装
置にて測定するのは非常に面倒である。

したがって、従来の半導体の製造過程においては、主と
して目測用の限界寸法測定用テストパターンを使用する
ことにより個々の層に形成されたパターン全体の限界寸
法の変化が測定されている。

発明が解決しようとする問題点 第１図は従来の簡単な構造の目測用の限界寸法測定用テ
ストパターンである。このテストパターンでは横辺の長
さが設計時における最小限界寸法変化ｆｆ１（ＪＸ下、
０．１μ僧と仮定する）程度ずつ異なった多数の矩形パ
ターンが上段及び下段にｎい違いに配列される。このテ
ストパターンでは上段及び下段の矩形パターンの各々の
縦辺の一が一直線上整列する位ｄを探すことによって限
界寸法の変化を測定することができる。

第１Ａ図は、丁度形成された層（以下、現在層とする）
に形成されたパターンに限界寸法の変化がない場合を示
した例示図で、図中下段の矩形パターン１１と上段矩形
パターン１２の縦辺が“０″と表示された位置で一直線
上に整列している。これは限界寸法の変化がないことを
あられす。

第１Ｂ図は前記現在層に形成されたパターンの限界寸法
が０．２μ−程度減少した場合状況を示した例示図で、
第１Ａ図と比較すると矩形部の各辺が０．１μｌずつ減
少された結果、横辺と縦辺とが各々０．２μｍずつ減少
されている。その結果、図中下段の矩形パターン１３′
と上段の矩形パターン１４′とは２″と表示されている
位置で縦辺が−直線上に整列する。これは現在層に形成
されたパターンの限界寸法が０．２μ論程減少している
ことをあられす。

同様に、第１Ｃ図と第１Ｄ図とは現在層に形成されたパ
ターンの限界寸法の変化が各々０．３μｍ減少し、ある
いは０．１μｌ増加したことを示していることがすぐわ
かる。

このように、上記の第１図のような限界寸法測定用テス
トパターンを使用することにより０．１μ■単位で限界
寸法の変化を目測できるが、この方法では上段の四角形
の縦辺と下段の四角形の縦辺が一直線上に整列している
ことを確実に判断するための基準線を欠いているのでそ
れに対応して誤差が生じがちであった。

上記問題点を改良するため、第１Ａ図に図示したように
中心線近辺の形状を点線のように変形して上段の四角形
の縦辺と下段の四角形の縦辺が一直線上に整列した場合
に対応して四角形の頂点が互いに重なるようにすること
はできるが、半導体装置の製造工程に使われる写真蝕刻
技術そのものに起因する頂点の角が十分鋭利に形成され
ない問題が生じ二つの頂点の間にエツチングされない部
分が残ってしまうので十分な効果を得ることが困　　　
”難であった。

第２図は従来のマレイダガー（Ｈｕｒｒａｙ　ｔ＋ａａ
ａｅｒ）と呼ばれる限界寸法測定用テストパターンであ
る。

このテストパターンは階段の高さが０．１μ隣ずつ増加
する階段形に形成され現在層に形成されたパターンの限
界寸法の変化が０．１μ■ずっ減少する時毎にその階段
が一つずつ消去されるようになっている。テストパター
ンの横には限界寸法の変化を識別できるように記号或い
は数字が表示され、テストパターンの先端に対応する数
字或いは記号を読上ことによって限界寸法の減少分が測
定される。

例えば、第２Ａ図は限界寸法の変化が０．１μｍ以内の
場合であり、第２Ｂ図は限界寸法の減少が０．１〜０．
２μ禦の間の場合であり、又、第２Ｃ図は限界寸法の減
少が０．３〜０．４μ園の間の場合を表わしている。

上記のようなマイレダガーに基いたテストパターンでは
限界寸法が減少する場合は目測が容易であるが、第２Ｄ
図のように限界寸法が増加する時にはテストパターンの
幅のみが増加し、その長さには全く変化がない問題点が
ある。このため限界寸法が増加する場合にはこのテスト
パターンでは測定ができない。

また、上記テストパターンは階段が消滅することを利用
して限界寸法を測定しているので通常の設計時の最少限
界寸法の変化石である０、１μ−まで階段状のテストパ
ターンを正確に形成することができなければならない。

しかし、今日広く使用されている写真蝕刻の技術により
０．５μｍ以下の幅を持つ精密なホトマスクパターンを
形成するのは困難であり、従って上記限界寸法測定用テ
ストパターン先端部の０．１μｗ幅の段階を形成するこ
とは困難である。このような理由で上記限界寸法測定用
テストパターンは現在層に形成されるパターンの限界寸
法の変化が０．５μＩＩ以下である半導体装置の製造時
や限界寸法が□増加するような場合には使用できない問
題点があった。

したがって、本発明の目的は限界寸法の変化が増加する
場合においても減少する場合においても限界寸法の変化
１の目測ガ同様に容易に行なえる限界寸法測定用テスト
パターンを提供することになる。

本発明の他の目的は限界寸法の変化ω測定を設計ＢＳに
おける最少限界寸法変化逗程度の精度まで可能にすると
ともに形成が容易な目測用の限界寸法測定用テストパタ
ーンを提供することにある。

問題点を解決するための手段 上記の目的を達成するため、本発明は半導体装置の製造
工程中において半導体基板上に一の層が形成される毎に
そのパターンの限界寸法の変化を目測するためのテスト
パターンであって、上記層よりも下側の別の層に形成さ
れ直線状基準ラインを一の縁部により提供する基準パタ
ーンと、上記の基準ラインに平行に延在する多数の線分
を形成する指示階段を画成され、上記線分を延長した延
長線が互いに同−Ｂ隔隔てられて前記一の層上を延在し
、上社絵分の延長線の一が上記の基準ラインと重なるよ
うに構成された階段形状の第１のパターンと、上記第１
パターンの各々の線分延長線上にあり、上記基準ライン
に平行した多数の指示階段を形成する線分により縁部が
画成された、上記第１のパターンと離間して前記一の層
中に形成された階段形状の第２のパターンとよりなるこ
とを特徴とするテストパターンを提供する。

本発明ではまた上記のテストパターンの指示階段の各々
の線分に隣接した現在層中の領域に限界寸法の増加又は
減少変化間を測定するための限界寸法の値又は記号が形
成される。

′Ａ施例 以下、図面を参照しながら本発明の実施例を詳細に説明
する。

第３図を参照するに、前の製造工程で半導体基板上に形
成された層（以下、４基板層”と称する）に形成された
基準パターン２３はこのパターンの一つの縁部より形成
される垂直の基準線２０を画成する。一方、現在の製造
工程により形成された層、即ち現在層に形成された一対
の限界寸法測定用デス１−パターン６０及び６１は各々
マレイダガー限界寸法測定用テストパターンの形状と類
似しているが、上下の階段末端部６４及び６６の幅は現
在の写真蝕刻の技術が容易に適用できるようにマレイダ
ガーの末端部の幅よりも広くされている。

本発明による最良の実施例では現在層上のパターン６０
．６１の階段末端ｒＡ６４及び６６の幅は少なくとも０
．５μ１以上が望ましい。図中、−上側の限界寸法測定
用テストパターン６０と下側の限界寸法測定用テストパ
ターン６１はそれぞれ垂直縁部により画成される多数の
指示階段を形成する線分７１を有する。

上側の限界寸法測定用テストパターン６０の各々の指示
階段の線分の延長線上には上記下側の限界寸法測定用テ
ストパターン６１の指示階段線分が形成される。上記の
延長線は互いに同一な間隔、即ち、設計詩の最少限界寸
法変化ｌ（０，１μｍと仮定する）程度水平方向に隔て
られており、且つ上記の基準線２０に平行に延在する。

又、上記の基準線２０は上記上側の限界寸法測定用テス
トパターン６０と下側の限界寸法測定用テストパターン
６１の下部階段及び上部階段を形成する指示階段の線分
に対して平行に延在する。

さらに、上下の限界寸法測定用テストパターン６０及び
６１は所定点に対して点対称に配置される。かかるテス
トパターンにはざらに各指示階段の線分に隣接した現在
層中に形成されたパターンの限界寸法の変化を示すため
の一連の数値が形成配置される。

現在層に形成されたパターンがホトレジスタの現像又は
写真蝕刻の技術によって陽刻された凸パターンであると
仮定すると、上側の限界寸法測定用テストパターン６０
は正の限界寸法測定用テストパターン値を指示し、下側
の限界寸法の全ての６１は負の限界寸法測定用テストパ
ターン値を指示するはずである。

基板層に形成された基準パターン２３と現在層に形成さ
れた限界寸法測定用テストパターン６０゜６１とは全て
半導体基板上のスクライビング領域ないし素子パターン
形成領域として使用されない領域に形成されることに留
意しなければならない。

第３図は基板層と現在層とでパターン形成時のマスクの
整列誤差がなく、基板層のパターンの限界寸法の変化が
なく、現在層のパターンにのみ限界寸法の変化がある場
合の実施例である。

第３Ａ図は現在層に形成されたパターンに限界寸法の変
化がない場合の図で、上側限界寸法測定用テストパター
ン２１では基板層に形成された基準パターン２３の基準
線２０がテストパターンの数値“Ｏ″に対応する指示階
段の線分と重なり、下側の限界寸法測定用テストパター
ン２２でも上記の基準ライン２０がテストパターン数値
“０°′に対応する指示階段の線分と重なるので二つの
限界寸法測定用テストパターンに対応する数値の差は“
０”になる。従って現在層に形成されたパターンには限
界寸法の変化のないεとがわかる。第３Ｂ図は現在層に
形成されたパターンの限界寸法が０．２μ−程増加した
場合で、上側限界寸法測定用テストパターン２４では基
板層の基準線２０と数値“１″に対応する指示階段の線
分とが重なり、一方、下側限界寸法測定用テストパター
ン２５では基板層の基準線２０と数値“−１″に対応す
る指示階段の線分が重なる。そこで上記の二つの限界寸
法測定用テストパターンに対応する数値を差引すると“
２”になり、従って現在層に形成されたパターンの限界
寸法が０．２μｍ程増加したことを知ることが出来る。

第３Ｃ図は現在層に形成されたパターンの限界寸法が０
．２μｌ程度減少した場合で、上側限界寸法測定用テス
トパターン２６では基板層の基準線２０と数値゛−１”
に対応する指示階段の線分とが重なり、下側限界寸法測
定用テストパターン２７では基盤層の基準線２０と数値
“′１”に対応する指示階段の線分とが重なるので上記
の二つの限界寸法測定用テストパターンに対応する数値
の差は“−２”になる。従って、現在層に形成されたパ
ターンの限界寸法が０．２μｍ程度減少したことがわか
る。

同様に、第３Ｄ図では上記のような方法によって現在層
に形成されたパターンの限界寸法が０．６μ■程度減少
したことを知ることが出来る。

第４図は基板層と現在層の間でマスクパターン形成詩の
マスク整列誤差がなく、現在層に形成されたパターンの
限界寸法も変化がなく、基板層に形成されたパターンの
限界寸法のみが変化する場合の実施例である。第４Ａ図
は基板層の基準パターン３３が０．２μｍ程度増加して
た場合で、上側の限界寸法測定用テストパターン３０は
基板層の基板層３１と数値“−１″に対応する線分の位
置で重なり、下側の限界寸法測定用テストパターン３２
は基板層のＭ準うイン３１と数値“−１″′に対応する
線分の位置で重なるので上記の二つの限界寸法測定用テ
ストパターンの値の差は“０″になる。従って現在層に
形成されたパターンの限界寸法は変化がないことがわか
る。

第４Ｂ図は基板層に形成されたパターンの限界寸法の変
化のない場合であって、第３Ａ図と同一であり、上記の
ような方法で現在層のパターンの限界寸法に変化のない
ことを知ることが出来る。

第４Ｃ図は基板層のパターンの限界寸法が０．２μ■程
ｔｕｇ少した場合であって、上側の限界寸法測定用テス
トパターン３０は基板層の基準線３７と数値“１″に対
応する線分の位置で重なり、下側の限界寸法測定用テス
トパターン３２は基板層の基準ライン３７と数値“１″
に対応する線分の位置で重なるので上記の二つの値の差
は“０”に、　　なる。従って、現在層の限界寸法に変
化のないことがかわる。

第４Ｄ図は基板層のパターンの限界寸法が０．４μｍ程
度減少した場合であって、基板層の基準線３９と重なる
上側限界寸法測定用テストパターン３０申の線分に対応
する数値で下側の限界寸法測定用テストパターン３２中
の対応する線分の数値を差引すると“０″になるのでや
はり現在層の限界寸法に変化のないことがわかる。

上記の第４Ａ〜第４Ｄ図により明らかなように、基板層
のパターンの限界寸法が変化して基板層の基準線が移動
したにもかかわらず、各場合共、上側の限界寸法測定用
テストｔ’＜ターンの数値から下側の限界寸法測定用テ
ストパターンの数値を差引いた値が“０′°になるので
観察者が基板層のテストパターンの限界寸法の変化量を
全く知らない場合でも上側の限界寸法測定用テストパタ
ーンの数値と下側の限界寸法の測定用テストパターンの
数値のみを読んで現在層のパターンの限界寸法の変化量
を容易に測定することができる。

第５図は現在層のパターンと基板層のパターンの限界寸
法には変化がなく、基板層のパターンと現在層のパター
ン形成時にマスクの整列にのみ誤差がある場合の実施例
である。

第５Ａ図は基板層のマスクのパターンが右側に０．１μ
１１又は現在層のマスクのパターンが左側に０．１μｍ
′８動じて整列誤差が生じた場合であって、上側限界寸
法測定用テストパターン４１と下側限界寸ＦＩｉ測定用
テストパターン４２の数値は全て“１′″になりこれら
二つの値の差は“０”になる従って、現在層のパターン
の限界寸法の変化はないことがわかる。

第５Ｂ図は基板層のマスクのパターンと現在層のマスク
のパターンが同時に同一方向に同一の聞移動したことに
より基板層のパターンと現在層のパターンとに整列誤差
がない場合であって、基板層の基準１１４３と重なる上
側限界寸法測定用テストパターン４４に対応する数値と
下側の限界寸法測定用テストパターン４５に対応する数
値は全て０″になり、現在層のパターンの限界寸法に変
化のないことがわかる。

第５Ｃ図はマスクの整列誤差が右側に約０．１μ■生じ
た場合であって、上側及び下側の限界寸法測定用テスト
パターンに対応する数値は全て“−１”である。第５Ｄ
図はマスクの整列誤差が右側に約０．３μｍ生じた場合
であって、上側及び下側の限界寸法測定用テストパター
ンに対応する数値は全て“−３”である。

したがって、上記の二つの場合において上側の限界寸法
測定用テストパターンの数値から下側の限界寸法測定用
テストパターンの数値を差引いた値は全て整列誤差のな
い場合と同一な値である“０″になる。このように、本
発明によるテストパターンでは基板層と現在層との間の
マスクの整列誤差に関係なしに現在層のパターンの限界
寸法を測定することが出来る。

本発明においては現在層の限界寸法の変化口は（（上側
の限界寸法測定用テストパターンの数値）−（下側限界
寸法測定用テストパターンの数値））×（設計時の最少
ＣＤ変化ｍ）であられされ、上記の計算された限界寸法
の変化囚の符号が負である場合には現在層のパターンの
限界寸法は減少したことを表わし、正である場合は現在
層のパターンの限界寸法が増加したことを示す。ただし
これは現在層のパターンが門刻された場合に対応する。

現在層のパターンが陰刻された場合には正負の符号を反
対にすればよい。

さらに、半導体素子の製造工程で使われる写貞触刻の技
術では限界寸法の変化Ｒは隣接のパターンとの閂の間隙
とパターンの密度によって少しずつ変わる特徴があるの
でこれを回避するた上述の限界寸法測定用テストパター
ンは同一層中に隣接するパターンとの間に所定の間隙を
維持するのが望ましい。

以上の説明では上側限界寸法測定用テストパターンと下
側の限界寸法側室用テストパテターンとは互いに所定点
に対して点対称である場合を実施例として説明したが、
上側の限界寸法測定用テストパターンと下側の限界寸＠
測定用テスパターンを規定の直線に対してね対称にして
も同様に効果が得られることはこの分野の通常の知識を
持つものには０朋である。

さらに、下側の限界寸法測定用テストパターンが上側の
限界寸法測定用テストパターンに対し平行移動した図像
にある場合には下側の限界寸法測定用テストパターンに
対応する数値の符号のみを反対にすればよい。

したがって、本発明による限界寸法測定用テストパター
ンでは基板層の限界寸法が変化したり基板層と現在層の
間に整列誤差があっても限界寸法の変化ωの目測を容易
に行なうことができ、またテストパターンの形成が容易
な特長が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の簡単な構造の目測用の限界寸法測定用テ
ストパターンを示す図、第２図は従来のマレイダガー限
界寸法測定用テストパターンを示す図、第３図は本発明
の限界寸法測定用テストパターンを基板層と現在層との
整列誤差が無く、基板層の限界寸法の変化がない場合に
ついて示す実施例の図、第４図は本発明の限界寸法測定
用テストパターンを基板層と現在層との間に整列誤差が
く、基板層の限界寸法のみ変化する場合について示す実
施例の図、第５図は本発明の限界寸法測定用テストパタ
ーンを基板層と現在層との限界寸法には変化がなく整列
誤差のみがある場合について示す実施例の図である。 １０．１０’　ｊｌｏ“、ｉｏ”、ｉ　ｉ、ｉ　ｉ’　
。 １１”、１１″′、１２．１２’　、１２”、１２”。 １３．１３’　、１３’、１３”、１４．１４’　。 １４“、１４”、１５．１５’　、１５”、１５”。 １６．１６’　、１６“、１６”、１７．１７’　。 １７“、１７”、２１．２２．２４〜２７．３０゜３２
．４１．４２．４４．４５．６０．６１・・・テストパ
ターン、２０．３１．３７．３９．４３・・・基準線、
２３．３３・・・基準パターン、６４．６５・・・階段
末端部、７１・・・線分。 特許出願人　三星半導禮通信株式ｅ社 【柁１１１．−ノ ロー 〇コ く Ｑ　　■　　ａｏｈ　　　の　　膿　　寸　　１　　へ
　　−〇＄、１

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体装置の製造工程中において半導体基板上に
   一の層が形成される毎にそのパターンの限界寸法の変化
   を目測するためのテストパターンであつて、 上記層よりも下側の別の層に形成され直線状基準ライン
   を一の縁部により提供する基準パターンと、上記の基準
   ラインに平行に延在する多数の線分を形成する指示階段
   を画成され、上記線分を延長した延長線が互いに同一間
   隔に隔てられて該一の層上を延在し、上記線分の延長線
   の一が上記の基準ラインと重なるように構成された階段
   形状の第１のパターンと、上記第１パターンの各々の線
   分の延長線上にあり、上記基準ラインに平行した多数の
   指示階段を形成する線分により縁部が画成された、上記
   第１のパターンより離間して該一の層中に形成された階
   段形状の第２のパターンとよりなることを特徴とするテ
   ストパターン。
2. （２）該第１のパターンと第２のパターンの指示階段の
   線分に対応して隣接した領域に対応の限界寸法を示す符
   号が印刷されることを特徴とする請求項１記載のテスト
   パターン。（３）該第１のパターンと第２のパターンは
   各々略直角三角形状に形成されると共に階段形状部を形
   成され、末端部の階段の幅は少なくとも０．５μｍ以上
   であることを特徴とする請求項１記載のテストパターン
   。