JP3556472B2 - 露光量測定方法と露光量測定用マスク - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マスクを用いた露光における露光量測定技術に係わり、特に投影露光装置を用いた光リソグラフィにおける露光量を測定するための露光量測定方法とそれに用いる露光量測定用マスクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＬＳＩの最小寸法が光露光装置の限界解像力に近づき、光リソグラフィにおけるプロセスマージン（焦点深度，露光量余裕度）が十分に得られなくなってきている。そこで、これらのプロセスマージンを引き上げるために、位相シフトマスク（ＰＳＭ），変形照明などの様々な工夫がなされてきている。
【０００３】
その一方で、少ないプロセスマージンで光リソグラフィを行うために、プロセスマージンを消費する誤差の精密な分析と誤差配分（エラーバジェット）が重要視されてきている。例えば、ウェハ上に多数のチップを同じ設定露光量で露光したつもりでも、ＰＥＢ，現像のウェハ面内不均一性、レジストのウェハ面内膜厚変動などが原因となって、実効的な適正露光量がばらつく。
【０００４】
従来、ウェハ面内の適正露光量変動を測定する場合には、露光装置におけるフォーカス，露光量の設定値を一定にしてウェハ面内にパターンを転写し、そのパターン寸法を測定し、パターン寸法から露光量に換算することによってウェハ面内露光量不均一性を求めていた。しかし、この方法では最終的に形成されたパターン寸法を測定することから、微妙なフォーカス変動の解像寸法への影響を除くことが不可能であった。また、寸法測定に膨大な時間を要していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のウェハ面内の露光量測定方法においては、パターン寸法を測定し、パターン寸法から露光量に換算するために、フォーカス変動の影響を避けることができず、露光量を正確に測定することは困難であった。また、測定に長時間を要するという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、フォーカス変動の影響を受けることなく、露光量を短時間でかつ正確に測定することのできる露光量測定方法と、これに用いる露光量測定用マスクを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
即ち本発明は、マスクパターンが形成されたマスクを、露光波長λ，ウェハ側開口数ＮＡ，照明のコヒーレンスファクタσ，ウェハ上のパターンに対するマスクパターンの倍率Ｍなる露光装置にセットし、ウェハ上に塗布されたレジストにマスクパターンを露光し、該マスクパターンに対応するウェハ上のレジストの状態を観察することにより、ウェハ上の実効的な露光量を測定する露光量測定方法であって、前記マスクパターンは周期ｐにて透光部と遮光部が繰り返されたパターンであり、かつ透光部と遮光部の割合が異なる複数種類が同一マスクに形成され、前記周期ｐが、ｐ／Ｍ≦λ／（１＋σ）ＮＡを満たすように設定されていることを特徴とする。
【０００８】
また本発明は、マスクパターンが形成されたマスクを、露光波長λ，ウェハ側開口数ＮＡ，照明のコヒーレンスファクタσ，ウェハ上のパターンに対するマスクパターンの倍率Ｍなる露光装置にセットし、ウェハ上に塗布されたレジストにマスクパターンを露光し、該マスクパターンに対応するウェハ上のパターンを、波長λｍ ，ウェハ側開口数ＮＡｍ ，照明のコヒーレンスファクタσｍ なる光学顕微鏡で観察することにより、ウェハ上の実効的な露光量を測定する露光量測定方法であって、前記マスクパターンは周期ｐにて透光部と遮光部が繰り返されたパターンであり、かつ透光部と遮光部の割合が異なる複数種類が同一マスクに形成され、前記周期ｐが、ｐ／Ｍ＞λ／（１＋σ）ＮＡ，ｐ／Ｍ≦λｍ ／（１＋σｍ ）ＮＡｍ を満たすように設定されていることを特徴とする。
【０００９】
また本発明は、基板上にマスクパターンを有するマスクであって、ウェハ上に塗布されたレジストにマスクパターンを露光することにより、ウェハ上の実効的な露光量を測定する露光量測定に用いられる露光量測定用マスクにおいて、前記マスクパターンは周期ｐにて透光部と遮光部が繰り返されたパターンであり、かつ透光部と遮光部の割合が異なる複数種類が前記基板上に形成され、前記マスクパターンを露光する際の露光波長をλ、ウェハ側開口数をＮＡ、照明のコヒーレンスファクタをσ、ウェハ上のパターンに対するマスクパターンの倍率をＭとするとき、前記周期ｐが、ｐ／Ｍ≦λ／（１＋σ）ＮＡを満たすように設定されていることを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、基板上にマスクパターンを有するマスクであって、ウェハ上に塗布されたレジストにマスクパターンを露光することにより、ウェハ上の実効的な露光量を測定する露光量測定に用いられる露光量測定用マスクにおいて、前記マスクパターンは周期ｐにて透光部と遮光部が繰り返されたパターンであり、かつ透光部と遮光部の割合が異なる複数種類が前記基板上に形成され、前記マスクパターンを露光する際の露光波長をλ、ウェハ側開口数をＮＡ、照明のコヒーレンスファクタをσ、ウェハ上のパターンに対するマスクパターンの倍率をＭとし、さらに前記マスクパターンに対応するウェハ上パターンを観測する光学顕微鏡の波長をλｍ 、ウェハ側開口数をＮＡｍ 、照明のコヒーレンスファクタをσｍ とするとき、前記周期ｐが、ｐ／Ｍ＞λ／（１＋σ）ＮＡ，ｐ／Ｍ≦λｍ ／（１＋σｍ ）ＮＡｍ を満たすように設定されていることを特徴とする。
【００１１】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。
（１） ウェハ上のレジスト膜が抜けきった箇所に対応するマスクパターンの透光部面積を測定し、該面積を露光量に置き換えること。
（２） ウェハ上のレジスト膜が所定膜厚になった箇所に対応するマスクパターンの透光部面積を測定し、該面積を露光量に置き換えること。
（３） 光学顕微鏡の受光面での強度が所定値になった箇所に対応するマスクパターンの透光部面積を測定し、該面積を露光量に置き換えること。
【００１２】
（４） マスクパターンは、ラインアンドスペースパターンであること。
（５） マスクパターンは、繰り返しのホールパターンであること。
（６） マスクパターンは、菱形の繰り返しパターンであること。
【００１３】
（７） 複数種類のマスクパターンは、透光部面積の変化量が一定となるように設定されていること。
（８） 複数種類のマスクパターンは、透光部面積の変化率が一定となるように設定されていること。
【００１４】
（作用）
本発明では、遮光領域に対する開口領域の面積比（開口比）が微妙に異なった複数の繰り返しパターンを含むマスクを投影露光装置で露光し、現像する。このとき、透光部と遮光部の繰り返し周期ｐを請求項１，７のように設定することにより、マスクパターンにおける回折光（１次以上の回折光）は投影レンズの瞳に入らず、直進光（０次回折光）のみが瞳に入るようになる。つまり、マスクパターンのピッチは解像限界以下となる。そして、マスクパターンが解像限界以下のピッチであると、そのパターンは解像されず、開口比に応じてウェハ面上に到達する露光量が異なったフラット露光となる。このため、露光装置の設定露光量が同じでも開口比に応じてレジストの残膜量が変化する。
【００１５】
従って、レジストが完全に抜けきった領域を光学顕微鏡で把握し、この領域を形成したマスクの開口比と対応付けることによって、実質的な露光量が判る。さらに、開口比が微妙に異なった複数の繰り返しパターンをウェハ全面に転写することにより、ウェハ面内の適正露光量変動が判ることになる。
【００１６】
そしてこの場合、マスクパターンを解像しないため、フォーカス変動の影響を完全に取り除くことが可能となる。また、レジストが抜けきった境界を観測すればよいことから、低倍の光学顕微鏡でも十分測定可能であるため、露光量の正確な測定を短時間でかつ安価に行うことが可能となる。
【００１７】
また、透光部と遮光部の繰り返し周期ｐを請求項２，８のように設定した場合は、マスクパターンは露光時には解像されるが検出の際は解像されないので、上記と同様にウェハ面内の適正露光量変動が判ることになる。
【００１８】
そしてこの場合、ウェハ上でマスクパターンを解像するが、パターンサイズが大きいので微妙なフォーカス変動の影響などを受け難くくすることができる。また、高精度マスクは必要なく、通常の精度のマスクで十分露光量変動に対する分解能が達成できる。さらに、ウェハ上のパターンが解像しないような低解像力で、かつ低倍の光学顕微鏡の測定となめために、露光量の正確な測定を短時間でかつ安価に行うことが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によつて説明する。
（第１の実施形態）
図１〜図５に従って、本発明に係わる第１の実施形態を説明する。本実施形態では、ピッチが一定で、ライン幅に対するスペース幅の比（開口比）が異なる複数のラインアンドスペースパターン（Ｌ／Ｓ）のマスクを用いた。以降、特に断りがない限り、マスク上の寸法はウェハ上に換算して記す。
【００２０】
図１は、本実施形態で使用したマスクパターンの概念を示す平面図と断面図である。ピッチがウェハ上換算寸法で０．３μｍ、倍率が４倍のＣｒマスクであって、図中１０は透明基板、１１はＣｒ（遮光部）、１２はスペース（透光部）である。スペース寸法は、ウェハ上換算寸法で０．６２５ｎｍ刻みで変化させた。
【００２１】
図２は、実際に用いたマスクパターンのレイアウトを示している。Ｘ方向に２０ブロック、Ｙ方向に１２ブロックの計２４０ブロックに分けられており、その１つのブロックに１種類の開口比のＬ／Ｓが配置されている。図中の左上のブロック１３ｆｉｒｓｔ がスペース寸法最小であり、右下のブロック１３ｅｎｄ がスペース寸法最大となっている。また、後述のように低倍率の光学顕微鏡の視野に納まるように、図２のようなブロック配置としている。
【００２２】
まず、上記のマスクを用いて条件出し露光を行った。Ｓｉウェハ上には塗布型反射防止膜６０ｎｍをスピンコーティングし、さらに感度１５ｍＪ／ｃｍ２ の化学増幅系ポジ型レジストを厚さ０．４μｍでスピンコーティングした。この後、１００℃，９０秒でプリベーク処理を行った。一連の処理は、露光装置に連結されたトラックで行った。
【００２３】
これらの処理が終了したウェハを露光装置に搬送し、上記マスクの露光を行った。投影光学系の縮小比は１／４、露光波長は２４８ｎｍ、ＮＡは０．６、照明コヒーレンスファクタσは０．３であった。露光装置の設定露光量は５ｍＪ／ｃｍ２ から２５ｍＪ／ｃｍ２ まで０．２ｍＪ／ｃｍ２ 刻みで増加させた。
【００２４】
露光が終了したウェハを再びトラックに搬送し、１００℃，９０秒でポストベーク（ＰＥＢ）した後、０．２１規定のアルカリ現像液にて６０秒現像を行った。このように処理されたウェハ上のパターンを光学顕微鏡で観察した。露光量７．５ｍＪ／ｃｍ２ での顕微鏡像を、図３に示す。図３は、図２に示したマスクパターンのウェハ上への転写像の一部を模式的に示している。図３中のＡ，Ｂ等で示されている四角の１つが、図２で示した１つのブロックに相当している。Ｌ／Ｓのスペース幅に応じてレジスト膜厚が減少していることが判る。
【００２５】
なお、図３において、顕微鏡での見え方としては、Ａ点からＢ点まではレジストが徐々に薄くなるに伴い、干渉の影響で徐々に明るくなって見える。Ｃ点からＤ点まではほぼ一定であり、Ｅ点からレジスト下地の色が透けて見え始めＦ点までは徐々に色が変わっている。さらに、Ｇ点からレジスト下地が露出し始め、Ｈ点まではレジスト残りの影響で不均一な色となっている。そして、Ｉ点からはレジストが完全に除去されているため、下地の色がそのまま見えて均一になっている。この顕微鏡像から、レジストが抜けきった位置であるＩ点を容易に認識できた。
【００２６】
レジストが抜けきった位置に対応するマスクスペース幅と露光装置の設定露光量の関係を、図４に示す。マスクスペース幅が広い方が、露光量変化に対して感度が高いことが判る。即ち、露光量を７．５ｍＪ／ｃｍ２ 程度に設定して露光することによって、ＰＥＢ，現像のウェハ面内不均一性、レジストのウェハ面内膜厚変動などが原因となった実効的な適正露光量のばらつきに対応して、レジストが抜けきる位置に対応するマスクスペース幅が感度良く変動する。
【００２７】
次に、ウェハ面内の適正露光量のばらつきを測定するための露光を行った。露光装置の設定露光量は、上記の理由により７．５ｍＪ／ｃｍ２ とした。その他の条件は、上記の条件出し露光と同じである。ウェハ面内に前記図２のマスクパターンを転写し、光学顕微鏡でレジストが抜けきった位置を測定し、対応するＬ／Ｓのスペース幅を求めた。そして、前記図４によって露光量に換算した。その結果を、図５に３次元表示で示し、さらに図６に等高線表示で示す。ノッチを下にしてウェハの上側が実効的に２％程度適性露光量が高いことが判る。また、ウェハ面内での適正露光量ばらつきは３．８％程度であることが判った。
【００２８】
図７に従って、本実施形態の作用を説明する。ここで、図中の３０は透明基板、３１は遮光部、３２は透光部、３３は投影レンズ、３４は瞳、３５はウェハ、３６はレジスト、４１は露光光、４２は直進光（０次回折光）、４３は回折光（±１次回折光）を示している。
【００２９】
図７（ａ）に示すように、ピッチｐが一定で、ライン幅Ｌに対するスペース幅Ｓの比（開口比）が異なる複数のＬ／Ｓのマスクを考える。このようなマスクパターンを照明すると、回折角度はピッチｐで決定されるため、どのパターンでも同じ角度で回折する。ここで、±１次回折光４３が投影レンズ３３の瞳３４に入らないようにピッチを決定する。すると、０次回折光４２のみが投影レンズ３３を通過するため、ウェハ３５上にはパターンは形成されず、０次回折光４２が単に照射されることとなる。
【００３０】
図８で、さらに詳細なマスクパターン設計を説明する。図８は、露光装置の投影光学系のウェハ側ＮＡ、露光波長λ、照明のコヒーレンスファクタσ、Ｌ／Ｓのピッチｐに対するこれらの間の関係を示している。この図より、±１次回折光が投影レンズの瞳に入らないようなピッチｐ（ウェハ上換算ピッチ）は光源サイズ（コヒーレンスファクタ）まで考慮すると、
ｐ≦λ／（１＋σ）ＮＡ …（式１）
を満足する必要があることが判る。例えば、λ＝２４８ｎｍ，ＮＡ＝０．６，σ＝０．３なら、ｐ≦０．３１８μｍとなり、本実施形態においてピッチ０．３μｍとしたのは道理にかなっているといえる。
【００３１】
次に、マスク上のＬ／Ｓの開口比が異なる場合を考える。マスク上のＬ／Ｓの開口比が異なると、前記図７（ａ）に示すようにマスクパターンを通過する光量、０次回折光と１次回折光の配分比がそれぞれ変化する。その結果、０次回折光強度がマスク上のＬ／Ｓの開口比に依存して変化する。つまり、開口比の異なったＬ／Ｓは透過率の異なったフィルムと同等の機能を果たすことになる。従って本マスクを用いて露光すると、図７（ｂ）に示すように、開口比に応じてレジストの抜けが変化することとなる。
【００３２】
定量的には、２種類の開口比のＬ／Ｓにおけるスペース幅の比の２乗は０次回折光の強度比に比例する。つまり、適正露光量のばらつきに対する本実施形態の分解能は、スペース幅が最も近い２種類の開口比のＬ／Ｓにおけるスペース幅の比の２乗である。本実施形態で使用したＬ／Ｓマスクは、ウェハ上換算０．６２５ｎｍ刻みでスペース幅を変化させてあるので、抜け露光量７．５ｍＪ／ｃｍ２ 付近に対応するスペース幅２６０ｎｍ（ウェハ上換算寸法）での感度は、
（２６０．６２５／２６０）２ ＝１．００４８１
となり、０．４８％程度の分解能があることが判る。
【００３３】
このように本実施形態では、マスクパターンにおける透光部と遮光部の繰り返しピッチｐを前記（式１）のように設定し、マスクパターンを解像しないようにしているので、フォーカス変動の影響を完全に除去することができる。また、レジストが抜けきった境界を観測すればよいことから、低倍の光学顕微鏡でも十分測定可能であるため、露光量の正確な測定を短時間でかつ安価に行うことができる。即ち、フォーカス変動の影響を受けることなく、露光量を短時間でかつ正確に測定することが可能となる。
【００３４】
（第２の実施形態）
図９〜図１１に従って、本発明に係わる第２の実施形態を説明する。本実施形態方法では、ピッチが一定で、ライン幅に対するスペース幅の比（開口比）が異なる複数のＬ／Ｓのマスクを用いることにおいては第１の実施形態と同じであるが、そのピッチは２．６μｍと大きくした。第１の実施形態ではマスクパターンがウェハ上に転写されない条件で露光を行ったのに対し、本実施形態ではマスクパターンをウェハ上に転写し、そのウェハ上パターンが解像できない条件で光学顕微鏡にて観察することを特徴とする。
【００３５】
図９は、本実施形態で使用したマスクパターンの概念を示す平面図と断面図である。ピッチがウェハ上換算寸法で２．６μｍ、倍率が４倍のＣｒマスクであって、図中８０は透明基板、８１はＣｒ、８２はスペースである。スペース寸法はウェハ上換算寸法６．２５ｎｍ刻みで変化させた。
【００３６】
図１０は、実際に用いたマスクパターンレイアウトを示している。Ｘ方向に２０ブロック、Ｙ方向に１２ブロックの計２４０ブロックに分けられており、その１つのブロックに１種類の開口比のＬ／Ｓが配置されている。後述のように低倍の光学顕微鏡の視野に納まるように、図１０のようなブロック配置とした。
【００３７】
まず、上記のマスクを用いて条件出し露光を行った。条件出し露光時の露光装置のコヒーレンスファクタσが０．７５であったこと以外は、第１の実施形態での条件出し露光と同じようにした。
【００３８】
このように処理されたウェハ上のパターンを光学顕微鏡で観察した。この光学顕微鏡の対物レンズのＮＡは０．１２、波長は５５０ｎｍ、コヒーレンスファクタσは０．７であった。この条件ではパターンは分解解像せず、検出像としては０次回折光に対応した一定強度を示した。この強度が所定値となる露光装置の露光量とマスクスペース幅との関係を、図１１に示す。マスクスペース幅が広い方が、露光量変化に対して感度が高いことが判る。即ち、露光量を７．５ｍＪ／ｃｍ２ 程度に設定して露光することによって、ＰＥＢ，現像のウェハ面内不均一性、レジストのウェハ面内膜厚変動などが原因となった実効的な適正露光量のばらつきに対応して、顕微鏡による検出像の強度が所定値になる位置に対応するマスクスペース幅が感度良く変動する。
【００３９】
次に、ウェハ面内の適正露光量ばらつきを測定するための露光を行った。露光装置の設定露光量は上記の理由により７．５ｍＪ／ｃｍ２とした。その他の条件は、上記の条件出し露光と同じである。ウェハ面内に図１０のマスクパターンを転写し、光学顕微鏡で強度が所定値になる位置を測定し、対応するＬ／Ｓのスペース幅を求めた。そして、図１１によって露光量に換算した。その結果は、前記図５と同じとなり、ノッチを下にしてウェハの上側が実効的に２％程度適正露光量が高いことが判り、ウェハ面内での適正露光量ばらつきは、３．８％程度であることが判った。
【００４０】
図１２及び図１３に従って、本実施形態の作用を説明する。ピッチｐが一定で、ライン幅Ｌに対するスペース幅Ｓの比（開口比）が異なる複数のＬ／Ｓのマスクを考える。このようなマスクパターンを照明すると、図１２（ａ）のように回折角度はピッチで決定されるため、どのパターンでも同じ角度で回折する。本実施形態では少なくとも±１次回折光４３が投影レンズ３３の瞳３４に入るようにピッチを決定する。この場合の条件は、前記（式１）とは逆に、
ｐ＞λ／（１＋σ）ＮＡ …（式２）
である。すると、図１２（ｂ）に示すように、ウェハ３５上にレジスト３６のパターンが形成される。
【００４１】
次に、このウェハ上のパターンを光学顕微鏡で観察する。このとき、ウェハ上に形成されたＬ／Ｓが分解解像しない条件で観察する。
図１３（ａ）に示すように、ピッチｐが一定で、ライン幅Ｌに対するスペース幅Ｓの比（開口比）が異なる複数のＬ／Ｓを考える。このようなウェハ上パターンを照明すると、回折角度はピッチｐで決定されるため、どのパターンでも同じ角度で回折する。ここで、±１次回折光６３が対物レンズ５３の瞳５４に入らないようにピッチを決定する。すると、０次回折光６２のみが対物レンズ５３を通過するため、光学顕微鏡の受光部５５には１次回折光６３は入射せず、０次回折光６２のみが入射することとなる。
【００４２】
光学顕微鏡の対物レンズの開口数をＮＡｍ 、波長をλｍ 、照明のコヒーレンスファクタをσｍ 、ウェハ上のＬ／Ｓのピッチをｐとすると、±１次回折光が投影レンズの瞳に入らないようなピッチｐは光源サイズ（コヒーレンスファクタ）まで考慮すると
ｐ≦λｍ ／（１＋σｍ ）ＮＡｍ …（式３）
を満足する必要があることが判る。例えば、λｍ ＝５５０ｎｍ，ＮＡｍ ＝０．１２，σｍ ＝０．７なら、ｐ≦２．７μｍとなり、本実施形態においてピッチ２．６μｍとしたのは道理にかなっているといえる。
【００４３】
次に、ウェハ上のＬ／Ｓの開口比が異なる場合を考える。ウェハ上のＬ／Ｓの開口比が異なると、図１３（ａ）（ｂ）に示すようにウェハ３５から回折する光量、０次回折光６２と１次回折光６３の配分比がそれぞれ変化する。その結果、０次回折光強度がウェハ３５上のＬ／Ｓの開口比に依存して変化する。従って、本ウェハを光学顕微鏡で観測すると、開口比に応じて受光面での強度が変化することとなる。
【００４４】
定量的には、２種類の開口比のＬ／Ｓにおけるスペース幅の比の２乗は０次回折光の強度比に比例する。つまり、適正露光量のばらつきに対する本実施形態の分解能は、スペース幅が最も近い２種類の開口比のＬ／Ｓにおけるスペース幅の比の２乗である。本実施形態で使用したＬ／Ｓは６．２５ｎｍ刻みでスペース幅が変化しているので、抜け露光量７．５ｍＪ／ｃｍ２ 付近に対応するスペース幅２２５３ｎｍでの感度は、
（２２５９．２５／２２５３）２ ＝１．００５５５
となり、０．５６％程度の分解能があることが判る。
【００４５】
このように本実施形態では、マスクパターンにおける透光部と遮光部の繰り返しピッチｐを前記（式２）のように設定しており、第１の実施形態とは異なり、ウェハ上でパターンを解像するが、パターンサイズが大きいので微妙なフォーカス変動の影響などを受け難く、安定している。さらに、ピッチｐを前記（式３）のように設定することにより、パターンが分解解像できない条件で光学顕微鏡にて観察することができ、ウェハ上のＬ／Ｓの開口比を精度良く測定することができる。
【００４６】
また、第１の実施形態のようにウェハ上換算０．６２５ｎｍステップでスペース幅を変化させるといったような高精度マスクは必要なく、ウェハ上換算で６．２５ｎｍステップ程度の通常の精度のマスクでも露光量変動を十分精度良く測定することができる。従って、先の第１の実施形態と同様に、フォーカス変動の影響を受けることなく、露光量を短時間でかつ正確に測定することが可能となる。
【００４７】
（変形例）
以上述べた２つの実施形態で用いたマスクパターンはＬ／Ｓであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図１４（ａ）のようなくさび型のパターンでもよい。第１の実施形態の方式に従ってこのパターンを使用する場合には、そのピッチは（式１）の条件に従い、第２の実施形態の方式に準じる場合には、そのピッチは（式２）（式３）の条件に従う。
【００４８】
先端に行くに従いＣｒパターンが細くなっているので、（式１）に示す露光条件、即ちパターンを解像しない条件で転写すると、ウェハ上では図１４（ｂ）に示すように、マスクパターンの先端に対応する場所に行くに従いレジスト残膜が減少する。レジストが抜けきった位置間の寸法Ｌを測定することによって実質的な露光量を把握することが可能である。くさび型が鋭利であるほど露光量のばらつきに対する感度が高くなる。
【００４９】
また、（式２）（式３）に示す露光条件で転写すると、ウェハ上にパターンが形成され、そのパターンを第２の実施形態に記載した条件の光学顕微鏡で観測すると、その受光面ではパターンの先端に対応する場所に行くに従い光強度が増大する。光強度がある値を示す位置間の寸法Ｌを測定することによって実質的な露光量を把握することが可能である。
【００５０】
実際のマスク作成の制約も考慮に入れ、図１４（ｃ）のようにステップ的に白黒比が変化しているパターンでもよい。さらに、図１４（ａ）（ｃ）の白黒反転パターンでも同様の効果が得られる。
【００５１】
また、図１５（ａ）（ｂ）に示すように、周期的なホールパターンでも同様の効果が得られる。図１５（ａ）のように直交座標上にホールパターンが配置されている場合には、ｘ方向ピッチｐ１とｙ方向ピッチｐ２ のいずれも（式１），又は（式２）（式３）を満足し、かつ開口部の大きさが微妙に異なる複数種類のパターンが存在すればよい。さらに、図１５（ｂ）に示すのように、直交しない座標上にホールパターンが配置されている場合には、ｐ１ ，ｐ２ ，ｐ３ のいずれのピッチも（式１），又は（式２）（式３）を満足し、かつ開口部の大きさが微妙に異なる複数種類のパターンが存在すればよい。いずれの場合でも、図１５の白黒反転パターンでも同様の効果が得られる。
【００５２】
また、図１６に示すように、より一般的には、第１の実施形態の方式に従う場合には（式１）を満たすピッチｐの周期を有する繰り返しパターンであり、その開口面積がＳ１ ，Ｓ２ ，Ｓ３ と微妙に変化している複数のパターンが存在していることが肝要ある。また、第２の実施形態の方式に従う場合には（式２）（式３）を満たすピッチｐの周期を有する繰り返しパターンであり、その開口面積がＳ１ ，Ｓ２ ，Ｓ３ と微妙に変化している複数のパターンが存在していることが肝要ある。さらに、図１６の白黒反転パターンでも同様の効果が得られる。
【００５３】
また、実施形態における（式１）〜（式３）では、ピッチｐをウェハ上換算したものとしたが、マスク上のピッチｐをそのまま用いると、投影レンズの倍率がＭであることから以下の（式１）’〜（式３）’のようになる。
【００５４】
ｐ／Ｍ≦λ／（１＋σ）ＮＡ …（式１）’
ｐ／Ｍ＞λ／（１＋σ）ＮＡ …（式２）’
ｐ／Ｍ≦λｍ ／（１＋σｍ ）ＮＡｍ …（式３）’
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、透光部と遮光部の繰り返しピッチｐを前述した範囲に設定し、透光部と遮光部の割合が異なる複数種類のマスクパターンをウェハ上に露光し、各マスクパターンに対応するウェハ上のパターンを観察することによって、フォーカス変動の影響を受けることなく、露光量を短時間でかつ正確に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態で使用したマスクパターンの概念を示す断面図と平面図。
【図２】第１の実施形態にて実際に使用したマスクを示す平面図。
【図３】第１の実施形態にて露光されたウェハ上のパターンを観察した結果を示す図。
【図４】第１の実施形態にて得られた抜け露光量に対するマスクスペース寸法の関係を示す図。
【図５】第１の実施形態の効果を説明するためもので、適正露光量を３次元表示して示す図。
【図６】第１の実施形態の効果を説明するためのもので、適正露光量を等高線表示して示す図。
【図７】第１の実施形態の作用を説明するための図。
【図８】第１の実施形態にて使用したマスクのピッチの根拠を説明するための図。
【図９】第２の実施形態にて使用したマスクの概念を示す断面図と平面図。
【図１０】第２の実施形態にて実際に使用したマスクを示す平面図。
【図１１】第２の実施形態にて得られた露光量に対するマスクスペース寸法の関係を示す図。
【図１２】第２の実施形態の作用を説明するための図。
【図１３】第２の実施形態の作用を説明するための図。
【図１４】第１及び第２の実施形態にて使用できるパターンの別の例（菱形パターン）を示す図。
【図１５】第１及び第２の実施形態にて使用できるパターンの別の例（繰り返しホールパターン）を示す図。
【図１６】第１及び第２の実施形態包括する一般的なパターンの例を示す図。
【符号の説明】
１０，３０，８０…透明基板
１１，３１，８１…遮光部
１２，３２，８２…透光部
１３…ブロック
３３…投影レンズ
３４…投影レンズの瞳
３５…ウェハ
３６…レジスト
４１…露光光
４２，６２…直進光（０次回折光）
４３，６３…回折光（１次回折光）
５３…対物レンズ
５４…対物レンズの瞳
５５…受光部
【発明の属する技術分野】
本発明は、マスクを用いた露光における露光量測定技術に係わり、特に投影露光装置を用いた光リソグラフィにおける露光量を測定するための露光量測定方法とそれに用いる露光量測定用マスクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＬＳＩの最小寸法が光露光装置の限界解像力に近づき、光リソグラフィにおけるプロセスマージン（焦点深度，露光量余裕度）が十分に得られなくなってきている。そこで、これらのプロセスマージンを引き上げるために、位相シフトマスク（ＰＳＭ），変形照明などの様々な工夫がなされてきている。
【０００３】
その一方で、少ないプロセスマージンで光リソグラフィを行うために、プロセスマージンを消費する誤差の精密な分析と誤差配分（エラーバジェット）が重要視されてきている。例えば、ウェハ上に多数のチップを同じ設定露光量で露光したつもりでも、ＰＥＢ，現像のウェハ面内不均一性、レジストのウェハ面内膜厚変動などが原因となって、実効的な適正露光量がばらつく。
【０００４】
従来、ウェハ面内の適正露光量変動を測定する場合には、露光装置におけるフォーカス，露光量の設定値を一定にしてウェハ面内にパターンを転写し、そのパターン寸法を測定し、パターン寸法から露光量に換算することによってウェハ面内露光量不均一性を求めていた。しかし、この方法では最終的に形成されたパターン寸法を測定することから、微妙なフォーカス変動の解像寸法への影響を除くことが不可能であった。また、寸法測定に膨大な時間を要していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のウェハ面内の露光量測定方法においては、パターン寸法を測定し、パターン寸法から露光量に換算するために、フォーカス変動の影響を避けることができず、露光量を正確に測定することは困難であった。また、測定に長時間を要するという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、フォーカス変動の影響を受けることなく、露光量を短時間でかつ正確に測定することのできる露光量測定方法と、これに用いる露光量測定用マスクを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
即ち本発明は、マスクパターンが形成されたマスクを、露光波長λ，ウェハ側開口数ＮＡ，照明のコヒーレンスファクタσ，ウェハ上のパターンに対するマスクパターンの倍率Ｍなる露光装置にセットし、ウェハ上に塗布されたレジストにマスクパターンを露光し、該マスクパターンに対応するウェハ上のレジストの状態を観察することにより、ウェハ上の実効的な露光量を測定する露光量測定方法であって、前記マスクパターンは周期ｐにて透光部と遮光部が繰り返されたパターンであり、かつ透光部と遮光部の割合が異なる複数種類が同一マスクに形成され、前記周期ｐが、ｐ／Ｍ≦λ／（１＋σ）ＮＡを満たすように設定されていることを特徴とする。
【０００８】
また本発明は、マスクパターンが形成されたマスクを、露光波長λ，ウェハ側開口数ＮＡ，照明のコヒーレンスファクタσ，ウェハ上のパターンに対するマスクパターンの倍率Ｍなる露光装置にセットし、ウェハ上に塗布されたレジストにマスクパターンを露光し、該マスクパターンに対応するウェハ上のパターンを、波長λｍ ，ウェハ側開口数ＮＡｍ ，照明のコヒーレンスファクタσｍ なる光学顕微鏡で観察することにより、ウェハ上の実効的な露光量を測定する露光量測定方法であって、前記マスクパターンは周期ｐにて透光部と遮光部が繰り返されたパターンであり、かつ透光部と遮光部の割合が異なる複数種類が同一マスクに形成され、前記周期ｐが、ｐ／Ｍ＞λ／（１＋σ）ＮＡ，ｐ／Ｍ≦λｍ ／（１＋σｍ ）ＮＡｍ を満たすように設定されていることを特徴とする。
【０００９】
また本発明は、基板上にマスクパターンを有するマスクであって、ウェハ上に塗布されたレジストにマスクパターンを露光することにより、ウェハ上の実効的な露光量を測定する露光量測定に用いられる露光量測定用マスクにおいて、前記マスクパターンは周期ｐにて透光部と遮光部が繰り返されたパターンであり、かつ透光部と遮光部の割合が異なる複数種類が前記基板上に形成され、前記マスクパターンを露光する際の露光波長をλ、ウェハ側開口数をＮＡ、照明のコヒーレンスファクタをσ、ウェハ上のパターンに対するマスクパターンの倍率をＭとするとき、前記周期ｐが、ｐ／Ｍ≦λ／（１＋σ）ＮＡを満たすように設定されていることを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、基板上にマスクパターンを有するマスクであって、ウェハ上に塗布されたレジストにマスクパターンを露光することにより、ウェハ上の実効的な露光量を測定する露光量測定に用いられる露光量測定用マスクにおいて、前記マスクパターンは周期ｐにて透光部と遮光部が繰り返されたパターンであり、かつ透光部と遮光部の割合が異なる複数種類が前記基板上に形成され、前記マスクパターンを露光する際の露光波長をλ、ウェハ側開口数をＮＡ、照明のコヒーレンスファクタをσ、ウェハ上のパターンに対するマスクパターンの倍率をＭとし、さらに前記マスクパターンに対応するウェハ上パターンを観測する光学顕微鏡の波長をλｍ 、ウェハ側開口数をＮＡｍ 、照明のコヒーレンスファクタをσｍ とするとき、前記周期ｐが、ｐ／Ｍ＞λ／（１＋σ）ＮＡ，ｐ／Ｍ≦λｍ ／（１＋σｍ ）ＮＡｍ を満たすように設定されていることを特徴とする。
【００１１】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。
（１） ウェハ上のレジスト膜が抜けきった箇所に対応するマスクパターンの透光部面積を測定し、該面積を露光量に置き換えること。
（２） ウェハ上のレジスト膜が所定膜厚になった箇所に対応するマスクパターンの透光部面積を測定し、該面積を露光量に置き換えること。
（３） 光学顕微鏡の受光面での強度が所定値になった箇所に対応するマスクパターンの透光部面積を測定し、該面積を露光量に置き換えること。
【００１２】
（４） マスクパターンは、ラインアンドスペースパターンであること。
（５） マスクパターンは、繰り返しのホールパターンであること。
（６） マスクパターンは、菱形の繰り返しパターンであること。
【００１３】
（７） 複数種類のマスクパターンは、透光部面積の変化量が一定となるように設定されていること。
（８） 複数種類のマスクパターンは、透光部面積の変化率が一定となるように設定されていること。
【００１４】
（作用）
本発明では、遮光領域に対する開口領域の面積比（開口比）が微妙に異なった複数の繰り返しパターンを含むマスクを投影露光装置で露光し、現像する。このとき、透光部と遮光部の繰り返し周期ｐを請求項１，７のように設定することにより、マスクパターンにおける回折光（１次以上の回折光）は投影レンズの瞳に入らず、直進光（０次回折光）のみが瞳に入るようになる。つまり、マスクパターンのピッチは解像限界以下となる。そして、マスクパターンが解像限界以下のピッチであると、そのパターンは解像されず、開口比に応じてウェハ面上に到達する露光量が異なったフラット露光となる。このため、露光装置の設定露光量が同じでも開口比に応じてレジストの残膜量が変化する。
【００１５】
従って、レジストが完全に抜けきった領域を光学顕微鏡で把握し、この領域を形成したマスクの開口比と対応付けることによって、実質的な露光量が判る。さらに、開口比が微妙に異なった複数の繰り返しパターンをウェハ全面に転写することにより、ウェハ面内の適正露光量変動が判ることになる。
【００１６】
そしてこの場合、マスクパターンを解像しないため、フォーカス変動の影響を完全に取り除くことが可能となる。また、レジストが抜けきった境界を観測すればよいことから、低倍の光学顕微鏡でも十分測定可能であるため、露光量の正確な測定を短時間でかつ安価に行うことが可能となる。
【００１７】
また、透光部と遮光部の繰り返し周期ｐを請求項２，８のように設定した場合は、マスクパターンは露光時には解像されるが検出の際は解像されないので、上記と同様にウェハ面内の適正露光量変動が判ることになる。
【００１８】
そしてこの場合、ウェハ上でマスクパターンを解像するが、パターンサイズが大きいので微妙なフォーカス変動の影響などを受け難くくすることができる。また、高精度マスクは必要なく、通常の精度のマスクで十分露光量変動に対する分解能が達成できる。さらに、ウェハ上のパターンが解像しないような低解像力で、かつ低倍の光学顕微鏡の測定となめために、露光量の正確な測定を短時間でかつ安価に行うことが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によつて説明する。
（第１の実施形態）
図１〜図５に従って、本発明に係わる第１の実施形態を説明する。本実施形態では、ピッチが一定で、ライン幅に対するスペース幅の比（開口比）が異なる複数のラインアンドスペースパターン（Ｌ／Ｓ）のマスクを用いた。以降、特に断りがない限り、マスク上の寸法はウェハ上に換算して記す。
【００２０】
図１は、本実施形態で使用したマスクパターンの概念を示す平面図と断面図である。ピッチがウェハ上換算寸法で０．３μｍ、倍率が４倍のＣｒマスクであって、図中１０は透明基板、１１はＣｒ（遮光部）、１２はスペース（透光部）である。スペース寸法は、ウェハ上換算寸法で０．６２５ｎｍ刻みで変化させた。
【００２１】
図２は、実際に用いたマスクパターンのレイアウトを示している。Ｘ方向に２０ブロック、Ｙ方向に１２ブロックの計２４０ブロックに分けられており、その１つのブロックに１種類の開口比のＬ／Ｓが配置されている。図中の左上のブロック１３ｆｉｒｓｔ がスペース寸法最小であり、右下のブロック１３ｅｎｄ がスペース寸法最大となっている。また、後述のように低倍率の光学顕微鏡の視野に納まるように、図２のようなブロック配置としている。
【００２２】
まず、上記のマスクを用いて条件出し露光を行った。Ｓｉウェハ上には塗布型反射防止膜６０ｎｍをスピンコーティングし、さらに感度１５ｍＪ／ｃｍ２ の化学増幅系ポジ型レジストを厚さ０．４μｍでスピンコーティングした。この後、１００℃，９０秒でプリベーク処理を行った。一連の処理は、露光装置に連結されたトラックで行った。
【００２３】
これらの処理が終了したウェハを露光装置に搬送し、上記マスクの露光を行った。投影光学系の縮小比は１／４、露光波長は２４８ｎｍ、ＮＡは０．６、照明コヒーレンスファクタσは０．３であった。露光装置の設定露光量は５ｍＪ／ｃｍ２ から２５ｍＪ／ｃｍ２ まで０．２ｍＪ／ｃｍ２ 刻みで増加させた。
【００２４】
露光が終了したウェハを再びトラックに搬送し、１００℃，９０秒でポストベーク（ＰＥＢ）した後、０．２１規定のアルカリ現像液にて６０秒現像を行った。このように処理されたウェハ上のパターンを光学顕微鏡で観察した。露光量７．５ｍＪ／ｃｍ２ での顕微鏡像を、図３に示す。図３は、図２に示したマスクパターンのウェハ上への転写像の一部を模式的に示している。図３中のＡ，Ｂ等で示されている四角の１つが、図２で示した１つのブロックに相当している。Ｌ／Ｓのスペース幅に応じてレジスト膜厚が減少していることが判る。
【００２５】
なお、図３において、顕微鏡での見え方としては、Ａ点からＢ点まではレジストが徐々に薄くなるに伴い、干渉の影響で徐々に明るくなって見える。Ｃ点からＤ点まではほぼ一定であり、Ｅ点からレジスト下地の色が透けて見え始めＦ点までは徐々に色が変わっている。さらに、Ｇ点からレジスト下地が露出し始め、Ｈ点まではレジスト残りの影響で不均一な色となっている。そして、Ｉ点からはレジストが完全に除去されているため、下地の色がそのまま見えて均一になっている。この顕微鏡像から、レジストが抜けきった位置であるＩ点を容易に認識できた。
【００２６】
レジストが抜けきった位置に対応するマスクスペース幅と露光装置の設定露光量の関係を、図４に示す。マスクスペース幅が広い方が、露光量変化に対して感度が高いことが判る。即ち、露光量を７．５ｍＪ／ｃｍ２ 程度に設定して露光することによって、ＰＥＢ，現像のウェハ面内不均一性、レジストのウェハ面内膜厚変動などが原因となった実効的な適正露光量のばらつきに対応して、レジストが抜けきる位置に対応するマスクスペース幅が感度良く変動する。
【００２７】
次に、ウェハ面内の適正露光量のばらつきを測定するための露光を行った。露光装置の設定露光量は、上記の理由により７．５ｍＪ／ｃｍ２ とした。その他の条件は、上記の条件出し露光と同じである。ウェハ面内に前記図２のマスクパターンを転写し、光学顕微鏡でレジストが抜けきった位置を測定し、対応するＬ／Ｓのスペース幅を求めた。そして、前記図４によって露光量に換算した。その結果を、図５に３次元表示で示し、さらに図６に等高線表示で示す。ノッチを下にしてウェハの上側が実効的に２％程度適性露光量が高いことが判る。また、ウェハ面内での適正露光量ばらつきは３．８％程度であることが判った。
【００２８】
図７に従って、本実施形態の作用を説明する。ここで、図中の３０は透明基板、３１は遮光部、３２は透光部、３３は投影レンズ、３４は瞳、３５はウェハ、３６はレジスト、４１は露光光、４２は直進光（０次回折光）、４３は回折光（±１次回折光）を示している。
【００２９】
図７（ａ）に示すように、ピッチｐが一定で、ライン幅Ｌに対するスペース幅Ｓの比（開口比）が異なる複数のＬ／Ｓのマスクを考える。このようなマスクパターンを照明すると、回折角度はピッチｐで決定されるため、どのパターンでも同じ角度で回折する。ここで、±１次回折光４３が投影レンズ３３の瞳３４に入らないようにピッチを決定する。すると、０次回折光４２のみが投影レンズ３３を通過するため、ウェハ３５上にはパターンは形成されず、０次回折光４２が単に照射されることとなる。
【００３０】
図８で、さらに詳細なマスクパターン設計を説明する。図８は、露光装置の投影光学系のウェハ側ＮＡ、露光波長λ、照明のコヒーレンスファクタσ、Ｌ／Ｓのピッチｐに対するこれらの間の関係を示している。この図より、±１次回折光が投影レンズの瞳に入らないようなピッチｐ（ウェハ上換算ピッチ）は光源サイズ（コヒーレンスファクタ）まで考慮すると、
ｐ≦λ／（１＋σ）ＮＡ …（式１）
を満足する必要があることが判る。例えば、λ＝２４８ｎｍ，ＮＡ＝０．６，σ＝０．３なら、ｐ≦０．３１８μｍとなり、本実施形態においてピッチ０．３μｍとしたのは道理にかなっているといえる。
【００３１】
次に、マスク上のＬ／Ｓの開口比が異なる場合を考える。マスク上のＬ／Ｓの開口比が異なると、前記図７（ａ）に示すようにマスクパターンを通過する光量、０次回折光と１次回折光の配分比がそれぞれ変化する。その結果、０次回折光強度がマスク上のＬ／Ｓの開口比に依存して変化する。つまり、開口比の異なったＬ／Ｓは透過率の異なったフィルムと同等の機能を果たすことになる。従って本マスクを用いて露光すると、図７（ｂ）に示すように、開口比に応じてレジストの抜けが変化することとなる。
【００３２】
定量的には、２種類の開口比のＬ／Ｓにおけるスペース幅の比の２乗は０次回折光の強度比に比例する。つまり、適正露光量のばらつきに対する本実施形態の分解能は、スペース幅が最も近い２種類の開口比のＬ／Ｓにおけるスペース幅の比の２乗である。本実施形態で使用したＬ／Ｓマスクは、ウェハ上換算０．６２５ｎｍ刻みでスペース幅を変化させてあるので、抜け露光量７．５ｍＪ／ｃｍ２ 付近に対応するスペース幅２６０ｎｍ（ウェハ上換算寸法）での感度は、
（２６０．６２５／２６０）２ ＝１．００４８１
となり、０．４８％程度の分解能があることが判る。
【００３３】
このように本実施形態では、マスクパターンにおける透光部と遮光部の繰り返しピッチｐを前記（式１）のように設定し、マスクパターンを解像しないようにしているので、フォーカス変動の影響を完全に除去することができる。また、レジストが抜けきった境界を観測すればよいことから、低倍の光学顕微鏡でも十分測定可能であるため、露光量の正確な測定を短時間でかつ安価に行うことができる。即ち、フォーカス変動の影響を受けることなく、露光量を短時間でかつ正確に測定することが可能となる。
【００３４】
（第２の実施形態）
図９〜図１１に従って、本発明に係わる第２の実施形態を説明する。本実施形態方法では、ピッチが一定で、ライン幅に対するスペース幅の比（開口比）が異なる複数のＬ／Ｓのマスクを用いることにおいては第１の実施形態と同じであるが、そのピッチは２．６μｍと大きくした。第１の実施形態ではマスクパターンがウェハ上に転写されない条件で露光を行ったのに対し、本実施形態ではマスクパターンをウェハ上に転写し、そのウェハ上パターンが解像できない条件で光学顕微鏡にて観察することを特徴とする。
【００３５】
図９は、本実施形態で使用したマスクパターンの概念を示す平面図と断面図である。ピッチがウェハ上換算寸法で２．６μｍ、倍率が４倍のＣｒマスクであって、図中８０は透明基板、８１はＣｒ、８２はスペースである。スペース寸法はウェハ上換算寸法６．２５ｎｍ刻みで変化させた。
【００３６】
図１０は、実際に用いたマスクパターンレイアウトを示している。Ｘ方向に２０ブロック、Ｙ方向に１２ブロックの計２４０ブロックに分けられており、その１つのブロックに１種類の開口比のＬ／Ｓが配置されている。後述のように低倍の光学顕微鏡の視野に納まるように、図１０のようなブロック配置とした。
【００３７】
まず、上記のマスクを用いて条件出し露光を行った。条件出し露光時の露光装置のコヒーレンスファクタσが０．７５であったこと以外は、第１の実施形態での条件出し露光と同じようにした。
【００３８】
このように処理されたウェハ上のパターンを光学顕微鏡で観察した。この光学顕微鏡の対物レンズのＮＡは０．１２、波長は５５０ｎｍ、コヒーレンスファクタσは０．７であった。この条件ではパターンは分解解像せず、検出像としては０次回折光に対応した一定強度を示した。この強度が所定値となる露光装置の露光量とマスクスペース幅との関係を、図１１に示す。マスクスペース幅が広い方が、露光量変化に対して感度が高いことが判る。即ち、露光量を７．５ｍＪ／ｃｍ２ 程度に設定して露光することによって、ＰＥＢ，現像のウェハ面内不均一性、レジストのウェハ面内膜厚変動などが原因となった実効的な適正露光量のばらつきに対応して、顕微鏡による検出像の強度が所定値になる位置に対応するマスクスペース幅が感度良く変動する。
【００３９】
次に、ウェハ面内の適正露光量ばらつきを測定するための露光を行った。露光装置の設定露光量は上記の理由により７．５ｍＪ／ｃｍ２とした。その他の条件は、上記の条件出し露光と同じである。ウェハ面内に図１０のマスクパターンを転写し、光学顕微鏡で強度が所定値になる位置を測定し、対応するＬ／Ｓのスペース幅を求めた。そして、図１１によって露光量に換算した。その結果は、前記図５と同じとなり、ノッチを下にしてウェハの上側が実効的に２％程度適正露光量が高いことが判り、ウェハ面内での適正露光量ばらつきは、３．８％程度であることが判った。
【００４０】
図１２及び図１３に従って、本実施形態の作用を説明する。ピッチｐが一定で、ライン幅Ｌに対するスペース幅Ｓの比（開口比）が異なる複数のＬ／Ｓのマスクを考える。このようなマスクパターンを照明すると、図１２（ａ）のように回折角度はピッチで決定されるため、どのパターンでも同じ角度で回折する。本実施形態では少なくとも±１次回折光４３が投影レンズ３３の瞳３４に入るようにピッチを決定する。この場合の条件は、前記（式１）とは逆に、
ｐ＞λ／（１＋σ）ＮＡ …（式２）
である。すると、図１２（ｂ）に示すように、ウェハ３５上にレジスト３６のパターンが形成される。
【００４１】
次に、このウェハ上のパターンを光学顕微鏡で観察する。このとき、ウェハ上に形成されたＬ／Ｓが分解解像しない条件で観察する。
図１３（ａ）に示すように、ピッチｐが一定で、ライン幅Ｌに対するスペース幅Ｓの比（開口比）が異なる複数のＬ／Ｓを考える。このようなウェハ上パターンを照明すると、回折角度はピッチｐで決定されるため、どのパターンでも同じ角度で回折する。ここで、±１次回折光６３が対物レンズ５３の瞳５４に入らないようにピッチを決定する。すると、０次回折光６２のみが対物レンズ５３を通過するため、光学顕微鏡の受光部５５には１次回折光６３は入射せず、０次回折光６２のみが入射することとなる。
【００４２】
光学顕微鏡の対物レンズの開口数をＮＡｍ 、波長をλｍ 、照明のコヒーレンスファクタをσｍ 、ウェハ上のＬ／Ｓのピッチをｐとすると、±１次回折光が投影レンズの瞳に入らないようなピッチｐは光源サイズ（コヒーレンスファクタ）まで考慮すると
ｐ≦λｍ ／（１＋σｍ ）ＮＡｍ …（式３）
を満足する必要があることが判る。例えば、λｍ ＝５５０ｎｍ，ＮＡｍ ＝０．１２，σｍ ＝０．７なら、ｐ≦２．７μｍとなり、本実施形態においてピッチ２．６μｍとしたのは道理にかなっているといえる。
【００４３】
次に、ウェハ上のＬ／Ｓの開口比が異なる場合を考える。ウェハ上のＬ／Ｓの開口比が異なると、図１３（ａ）（ｂ）に示すようにウェハ３５から回折する光量、０次回折光６２と１次回折光６３の配分比がそれぞれ変化する。その結果、０次回折光強度がウェハ３５上のＬ／Ｓの開口比に依存して変化する。従って、本ウェハを光学顕微鏡で観測すると、開口比に応じて受光面での強度が変化することとなる。
【００４４】
定量的には、２種類の開口比のＬ／Ｓにおけるスペース幅の比の２乗は０次回折光の強度比に比例する。つまり、適正露光量のばらつきに対する本実施形態の分解能は、スペース幅が最も近い２種類の開口比のＬ／Ｓにおけるスペース幅の比の２乗である。本実施形態で使用したＬ／Ｓは６．２５ｎｍ刻みでスペース幅が変化しているので、抜け露光量７．５ｍＪ／ｃｍ２ 付近に対応するスペース幅２２５３ｎｍでの感度は、
（２２５９．２５／２２５３）２ ＝１．００５５５
となり、０．５６％程度の分解能があることが判る。
【００４５】
このように本実施形態では、マスクパターンにおける透光部と遮光部の繰り返しピッチｐを前記（式２）のように設定しており、第１の実施形態とは異なり、ウェハ上でパターンを解像するが、パターンサイズが大きいので微妙なフォーカス変動の影響などを受け難く、安定している。さらに、ピッチｐを前記（式３）のように設定することにより、パターンが分解解像できない条件で光学顕微鏡にて観察することができ、ウェハ上のＬ／Ｓの開口比を精度良く測定することができる。
【００４６】
また、第１の実施形態のようにウェハ上換算０．６２５ｎｍステップでスペース幅を変化させるといったような高精度マスクは必要なく、ウェハ上換算で６．２５ｎｍステップ程度の通常の精度のマスクでも露光量変動を十分精度良く測定することができる。従って、先の第１の実施形態と同様に、フォーカス変動の影響を受けることなく、露光量を短時間でかつ正確に測定することが可能となる。
【００４７】
（変形例）
以上述べた２つの実施形態で用いたマスクパターンはＬ／Ｓであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図１４（ａ）のようなくさび型のパターンでもよい。第１の実施形態の方式に従ってこのパターンを使用する場合には、そのピッチは（式１）の条件に従い、第２の実施形態の方式に準じる場合には、そのピッチは（式２）（式３）の条件に従う。
【００４８】
先端に行くに従いＣｒパターンが細くなっているので、（式１）に示す露光条件、即ちパターンを解像しない条件で転写すると、ウェハ上では図１４（ｂ）に示すように、マスクパターンの先端に対応する場所に行くに従いレジスト残膜が減少する。レジストが抜けきった位置間の寸法Ｌを測定することによって実質的な露光量を把握することが可能である。くさび型が鋭利であるほど露光量のばらつきに対する感度が高くなる。
【００４９】
また、（式２）（式３）に示す露光条件で転写すると、ウェハ上にパターンが形成され、そのパターンを第２の実施形態に記載した条件の光学顕微鏡で観測すると、その受光面ではパターンの先端に対応する場所に行くに従い光強度が増大する。光強度がある値を示す位置間の寸法Ｌを測定することによって実質的な露光量を把握することが可能である。
【００５０】
実際のマスク作成の制約も考慮に入れ、図１４（ｃ）のようにステップ的に白黒比が変化しているパターンでもよい。さらに、図１４（ａ）（ｃ）の白黒反転パターンでも同様の効果が得られる。
【００５１】
また、図１５（ａ）（ｂ）に示すように、周期的なホールパターンでも同様の効果が得られる。図１５（ａ）のように直交座標上にホールパターンが配置されている場合には、ｘ方向ピッチｐ１とｙ方向ピッチｐ２ のいずれも（式１），又は（式２）（式３）を満足し、かつ開口部の大きさが微妙に異なる複数種類のパターンが存在すればよい。さらに、図１５（ｂ）に示すのように、直交しない座標上にホールパターンが配置されている場合には、ｐ１ ，ｐ２ ，ｐ３ のいずれのピッチも（式１），又は（式２）（式３）を満足し、かつ開口部の大きさが微妙に異なる複数種類のパターンが存在すればよい。いずれの場合でも、図１５の白黒反転パターンでも同様の効果が得られる。
【００５２】
また、図１６に示すように、より一般的には、第１の実施形態の方式に従う場合には（式１）を満たすピッチｐの周期を有する繰り返しパターンであり、その開口面積がＳ１ ，Ｓ２ ，Ｓ３ と微妙に変化している複数のパターンが存在していることが肝要ある。また、第２の実施形態の方式に従う場合には（式２）（式３）を満たすピッチｐの周期を有する繰り返しパターンであり、その開口面積がＳ１ ，Ｓ２ ，Ｓ３ と微妙に変化している複数のパターンが存在していることが肝要ある。さらに、図１６の白黒反転パターンでも同様の効果が得られる。
【００５３】
また、実施形態における（式１）〜（式３）では、ピッチｐをウェハ上換算したものとしたが、マスク上のピッチｐをそのまま用いると、投影レンズの倍率がＭであることから以下の（式１）’〜（式３）’のようになる。
【００５４】
ｐ／Ｍ≦λ／（１＋σ）ＮＡ …（式１）’
ｐ／Ｍ＞λ／（１＋σ）ＮＡ …（式２）’
ｐ／Ｍ≦λｍ ／（１＋σｍ ）ＮＡｍ …（式３）’
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、透光部と遮光部の繰り返しピッチｐを前述した範囲に設定し、透光部と遮光部の割合が異なる複数種類のマスクパターンをウェハ上に露光し、各マスクパターンに対応するウェハ上のパターンを観察することによって、フォーカス変動の影響を受けることなく、露光量を短時間でかつ正確に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態で使用したマスクパターンの概念を示す断面図と平面図。
【図２】第１の実施形態にて実際に使用したマスクを示す平面図。
【図３】第１の実施形態にて露光されたウェハ上のパターンを観察した結果を示す図。
【図４】第１の実施形態にて得られた抜け露光量に対するマスクスペース寸法の関係を示す図。
【図５】第１の実施形態の効果を説明するためもので、適正露光量を３次元表示して示す図。
【図６】第１の実施形態の効果を説明するためのもので、適正露光量を等高線表示して示す図。
【図７】第１の実施形態の作用を説明するための図。
【図８】第１の実施形態にて使用したマスクのピッチの根拠を説明するための図。
【図９】第２の実施形態にて使用したマスクの概念を示す断面図と平面図。
【図１０】第２の実施形態にて実際に使用したマスクを示す平面図。
【図１１】第２の実施形態にて得られた露光量に対するマスクスペース寸法の関係を示す図。
【図１２】第２の実施形態の作用を説明するための図。
【図１３】第２の実施形態の作用を説明するための図。
【図１４】第１及び第２の実施形態にて使用できるパターンの別の例（菱形パターン）を示す図。
【図１５】第１及び第２の実施形態にて使用できるパターンの別の例（繰り返しホールパターン）を示す図。
【図１６】第１及び第２の実施形態包括する一般的なパターンの例を示す図。
【符号の説明】
１０，３０，８０…透明基板
１１，３１，８１…遮光部
１２，３２，８２…透光部
１３…ブロック
３３…投影レンズ
３４…投影レンズの瞳
３５…ウェハ
３６…レジスト
４１…露光光
４２，６２…直進光（０次回折光）
４３，６３…回折光（１次回折光）
５３…対物レンズ
５４…対物レンズの瞳
５５…受光部
Claims (8)
- マスクパターンが形成されたマスクを、露光波長λ，ウェハ側開口数ＮＡ，照明のコヒーレンスファクタσ，ウェハ上のパターンに対するマスクパターンの倍率Ｍなる露光装置にセットし、ウェハ上に塗布されたレジストにマスクパターンを露光し、該マスクパターンに対応するウェハ上のレジストの状態を観察することにより、ウェハ上の実効的な露光量を測定する露光量測定方法であって、
前記マスクパターンは周期ｐにて透光部と遮光部が繰り返されたパターンであり、かつ透光部と遮光部の割合が異なる複数種類が同一マスクに形成され、前記周期ｐが、
ｐ／Ｍ≦λ／（１＋σ）ＮＡ
を満たすように設定されていることを特徴とする露光量測定方法。 - マスクパターンが形成されたマスクを、露光波長λ，ウェハ側開口数ＮＡ，照明のコヒーレンスファクタσ，ウェハ上のパターンに対するマスクパターンの倍率Ｍなる露光装置にセットし、ウェハ上に塗布されたレジストにマスクパターンを露光し、該マスクパターンに対応するウェハ上のパターンを、波長λｍ ，ウェハ側開口数ＮＡｍ ，照明のコヒーレンスファクタσｍ なる光学顕微鏡で観察することにより、ウェハ上の実効的な露光量を測定する露光量測定方法であって、
前記マスクパターンは周期ｐにて透光部と遮光部が繰り返されたパターンであり、かつ透光部と遮光部の割合が異なる複数種類が同一マスクに形成され、前記周期ｐが、
ｐ／Ｍ＞λ／（１＋σ）ＮＡ
ｐ／Ｍ≦λｍ ／（１＋σｍ ）ＮＡｍ
を満たすように設定されていることを特徴とする露光量測定方法。 - 前記ウェハ上のレジストが抜けきった箇所、又はレジストが所定膜厚になった個所に対応するマスクパターンの透光部面積を測定し、該面積を露光量に置き換えることを特徴とする請求項１又は２記載の露光量測定方法。
- 前記光学顕微鏡の受光面での強度が所定値になった箇所に対応するマスクパターンの透光部面積を測定し、該面積を露光量に置き換えることを特徴とする請求項２記載の露光量測定方法。
- 前記マスクパターンは、ラインアンドスペースパターン，繰り返しのホールパターン，又は菱形の繰り返しパターンであることを特徴とする請求項１又は２記載の露光量測定方法。
- 前記複数種類のマスクパターンは、透光部面積の変化量又は変化率が一定となるように設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の露光量測定方法。
- 基板上にマスクパターンを有するマスクであって、ウェハ上に塗布されたレジストにマスクパターンを露光することにより、ウェハ上の実効的な露光量を測定する露光量測定に用いられる露光量測定用マスクにおいて、
前記マスクパターンは周期ｐにて透光部と遮光部が繰り返されたパターンであり、かつ透光部と遮光部の割合が異なる複数種類が前記基板上に形成され、前記マスクパターンを露光する際の露光波長をλ、ウェハ側開口数をＮＡ、照明のコヒーレンスファクタをσ、ウェハ上のパターンに対するマスクパターンの倍率をＭとするとき、前記周期ｐが、
ｐ／Ｍ≦λ／（１＋σ）ＮＡ
を満たすように設定されていることを特徴とする露光量測定用マスク。 - 基板上にマスクパターンを有するマスクであって、ウェハ上に塗布されたレジストにマスクパターンを露光することにより、ウェハ上の実効的な露光量を測定する露光量測定に用いられる露光量測定用マスクにおいて、
前記マスクパターンは周期ｐにて透光部と遮光部が繰り返されたパターンであり、かつ透光部と遮光部の割合が異なる複数種類が前記基板上に形成され、前記マスクパターンを露光する際の露光波長をλ、ウェハ側開口数をＮＡ、照明のコヒーレンスファクタをσ、ウェハ上のパターンに対するマスクパターンの倍率をＭとし、さらに前記マスクパターンに対応するウェハ上パターンを観測する光学顕微鏡の波長をλｍ 、ウェハ側開口数をＮＡｍ 、照明のコヒーレンスファクタをσｍ とするとき、前記周期ｐが、
ｐ／Ｍ＞λ／（１＋σ）ＮＡ
ｐ／Ｍ≦λｍ ／（１＋σｍ ）ＮＡｍ
を満たすように設定されていることを特徴とする露光量測定用マスク。
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