JPH06112293A

JPH06112293A - フォトレジストの仕上がり形状予測方法およびその装置

Info

Publication number: JPH06112293A
Application number: JP5193466A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Yamashita; 一博山下; Masaru Sasako; 勝笹子; Yoshiyuki Tani; 美幸谷; Yoichi Minami; 洋一南; Atsushi Sekiguchi; 淳関口; Yoshihisa Sensu; 義久扇子
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd; General Signal Japan KK
Current assignee: Panasonic Holdings Corp; General Signal Japan KK
Priority date: 1992-08-04
Filing date: 1993-08-04
Publication date: 1994-04-22

Abstract

(57)【要約】【目的】フォトレジストの仕上がり形状を手間をかけ
ず且つ正確に予測する方法を提供する。【構成】フォトレジスト膜および下地膜の膜厚を一定
にし露光量を変化させたときのフォトレジスト膜内の第
１の溶解速度分布を求める。次に、露光量を一定にしフ
ォトレジスト膜の膜厚を変化させたときのフォトレジス
ト膜内の第２の溶解速度分布を求める。次に、第１の溶
解速度分布および第２の溶解速度分布から仕上がり形状
を求めようとするフォトレジスト膜の所定の膜厚におけ
る露光量の変化に対するフォトレジスト膜内の第３の溶
解速度分布を求める。次に、仕上がり形状を予測しよう
とするフォトレジスト膜内の光結像強度分布を求める。
光の結像強度分布から仕上がり形状を求めようとするフ
ォトレジスト膜内の所定部位における光結像強度と対応
する露光量を求め、該露光量を第３の溶解速度分布に当
てはめることによりフォトレジストの仕上がり形状を予
測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、現像後のフォトレジス
トの形状を予測する方法および該方法に用いる予測装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】フォトリソグラフィは従来から半導体製
造工程に広く用いられてきた。近年においては、集積度
のいっそうの向上の要望に対処するために、レジスト、
投影露光光学系、レジスト処理装置および下地条件など
に対する高度なコントロールが求められている。高解像
度化の要求に沿うべく、近年多くの種類のレジスト処理
装置が発表され、販売されてきた。しかしながら、これ
らのレジスト処理装置を利用して現実に半導体装置の製
造を行なうためには、種々の条件下でプロセス条件とパ
ターニング特性の評価を行なう必要がある。特に、フォ
トリソグラフィでは現像後のフォトレジストの形状すな
わち現像後のフォトレジストの形および寸法は重要な評
価項目の１つである。

【０００３】かかるフォトレジストの仕上がり形状の評
価方法としては、従来から以下のような方法が提案され
ている。

【０００４】最も単純な評価方法としては、実際に種々
の条件下で半導体基板上にレジストをスピン塗布し、露
光し、現像することによってフォトレジストを形成した
後、現像後のフォトレジストを電子顕微鏡などで観察す
ることにより、フォトレジストの仕上がり形状を確認す
る方法が提案されている。

【０００５】この方法は視覚によりフォトレジストの形
および寸法を測定するので信頼性が高い反面、多数の条
件下でフォトレジストを作成し、得られたフォトレジス
トの形および寸法を評価するので非常に手間がかかる。

【０００６】そこで、コンピュータを利用して、半導体
基板上にレジストを塗布し、露光し、現像する工程を物
理的に解析することによって現像後のフォトレジストの
形および寸法を求める方法が以下のような文献において
提案されている。すなわち (1) Ｆ．Ｈ．Ｄｉｌｌ，ｅｔａｌ．，ＩＥＥＥ．Ｔｒ
ａｎｓ．ＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ，ＥＤ−２
２，Ｎｏ．７，ｐ．４４０〜ｐ．４６４（１９７５） (2) Ｍ．Ｓ．Ｙｅｕｎｇ，ＳＰＩＥＶｏｌ．９２２，
Ｏｐｔｉｃａｌ／ＬａｓｅｒＭｉｃｒｏｌｉｔｈｏｇ
ｒａｐｈｙ，ｐ．１４９〜ｐ．１６７（１９８８） (3) Ｃ．Ａ．Ｍａｃｋ，ＯｐｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅ
ｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．１２，ｐ．１０９３
〜ｐ．１１００（１９８８）

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このコ
ンピュータによる方法は電子顕微鏡などで観察する方法
に比べて手間はかからないが、下地膜の反射状態の違い
に伴うフォトレジスト膜内部の露光状態、および現像プ
ロセスにおける化学的又は物理的反応のモデル化が完全
に把握されていない。このため、下地膜を形成する条件
の変化、Ｐ．Ｅ．Ｂ．（ＰｏｓｔＥｘｐｏｓｕｒｅ
Ｂａｋｅ）の効果、又は表面難溶化効果を伴うプロセス
においては、フォトレジストの正確な仕上がり形状を予
測するのは困難である。

【０００８】また、上記のコンピュータによる方法はフ
ォトレジスト膜の光学パラメータ：Ａ，Ｂ，Ｃを必要と
するが、化学増幅系レジスト（ＣｈｅｍｉｃａｌＡｍ
ｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎＲｅｓｉｓｔ）においては、
光学パラメータ：Ａ，Ｂ，Ｃの測定ができないので、上
記のコンピュータによる方法は化学増幅系フォトレジス
トに対するシミュレーションを行なうのが困難であると
言う問題を有している。近時のフォトレジストとして
は、化学増幅系フォトレジストが主流になっているの
で、化学増幅系レジストを用いたフォトレジストに対す
るシミュレーションを行なえる技術が切望されている。

【０００９】特に、ＫｒＦエキシマレーザ用化学増幅レ
ジストは、透明性が高く、多重干渉効果を受けやすい。
多重干渉効果とは、入射する光と半導体基板から反射す
る光とが互いに干渉する結果、フォトレジスト膜又はそ
の下地膜の膜厚の変化に伴ってフォトレジスト膜の受け
るエネルギー量が変化する現象である。すなわち、フォ
トレジスト膜又はその下地膜の膜厚の変化に伴って、フ
ォトレジスト膜の受けるエネルギー量が変化し、これに
よりフォトレジストの仕上がり形状が変化する現象であ
る。

【００１０】このような現象を抑制するためには、フォ
トレジスト膜又はその下地膜の上に反射防止膜をコート
する方法が提案されているが、この方法は手間が掛かる
と共にその効果は十分ではないという問題がある。

【００１１】上記に鑑み、本発明は、フォトレジストの
仕上がり形状を手間をかけず且つ正確に予測する方法お
よびこの方法に用いる装置を提供することを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、請求項１の発明は、フォトレジスト膜の仕上がり形
状の予測方法を、フォトレジスト膜の多重干渉効果を定
量化し、定量化されたフォトレジスト膜の多重干渉効果
に基づきフォトレジストの仕上がり形状を予測する構成
とするものである。

【００１３】請求項２の発明は、フォトレジストの仕上
がり形状の予測方法を、フォトレジスト膜およびその下
地膜の膜厚をそれぞれ一定にし且つ露光量を変化させた
ときの露光量の変化と対応するフォトレジスト膜内の第
１の溶解速度分布を求める工程と、露光量を一定にし且
つフォトレジスト膜又はその下地膜の膜厚を変化させた
ときのフォトレジスト膜又はその下地膜の膜厚の変化と
対応するフォトレジスト膜内の第２の溶解速度分布を求
める工程と、上記第１の溶解速度分布および第２の溶解
速度分布から仕上がり形状を求めようとするフォトレジ
スト膜又はその下地膜の所定の膜厚における露光量の変
化に対するフォトレジスト膜内の第３の溶解速度分布を
求める工程と、仕上がり形状を予測しようとするフォト
レジスト膜内の光結像強度分布を求める工程と、上記光
の結像強度分布から仕上がり形状を求めようとするフォ
トレジスト膜内の所定部位における光結像強度と対応す
る露光量を求め、該露光量を上記第３の溶解速度分布に
当てはめることによりフォトレジストの仕上がり形状を
予測する工程とを備えている構成とするものである。

【００１４】請求項３の発明は、フォトレジスト膜の仕
上がり形状予測装置を、半導体基板の表面に塗布された
レジスト膜を現像する現像液を貯溜しており、上記半導
体基板をディッピングさせると共にディッピングされた
半導体基板を所定の姿勢で保持する現像液貯溜容器と、
上記フォトレジスト膜を感光させない光を出射する光源
と、該光源から出射された光を上記現像液貯溜容器にデ
ィッピングされている半導体基板に垂直方向から照射す
る光照射手段と、上記半導体基板から反射されてくる反
射光を検出する光検出手段と、上記光検出手段が検出し
た光信号を電気信号に変換して出力する信号変換手段
と、該信号変換手段から出力されてくる電気信号をデー
タ処理して上記フォトレジスト膜の仕上がり形状を予測
するデータ処理手段とを備えている構成とするものであ
る。

【００１５】請求項４の発明は、請求項３の構成に、上
記現像液貯溜容器は、直方体状の形状を有していると共
に貯溜されている現像液の液面に対する垂直方向から上
記半導体基板を収納可能な大きさを有しているという構
成を付加するものである。また、上記現像液貯溜容器は
貯溜薬液を循環、温調する装置を備えていることが好ま
しい。

【００１６】

【作用】請求項１又は２の構成により、フォトレジスト
膜の光学パラメータＡ，Ｂ，Ｃを用いることなくフォト
レジストの仕上がり形状を予測できる。

【００１７】また、定量化した多重干渉効果に基づきフ
ォトレジストの仕上がり形状を予測するので、多重干渉
効果を受けやすいＫｒＦエキシマレーザ用化学増幅レジ
ストパターンの仕上がり形状を正確に予測することがで
きる。

【００１８】請求項３又は４の構成により、半導体基板
を現像液中にディッピングするのに要する時間が極めて
短いので、現像初期の溶解速度のデータを正確に収集す
ることができる。また、現像中に生成される溶解生成物
は半導体基板の上に残留することなく下方に移動するの
で、溶解生成物が溶解速度測定の妨げにならない。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の一実施例について説明する。

【００２０】本発明に係るフォトレジストの仕上がり形
状予測方法は、図１に示すように、露光量の変化と対応
するフォトレジスト膜内の第１の溶解速度分布を求める
工程（Ｓ１）と、フォトレジスト膜又はその下地膜の膜
厚の変化と対応するフォトレジスト膜内の第２の溶解速
度分布を求める工程（Ｓ２）と、上記第１の溶解速度分
布および上記第２の溶解速度分布から所定の膜厚のとき
の露光量の変化と対応するフォトレジスト膜内の第３の
溶解速度分布を求める工程（Ｓ３）と、仕上がり形状を
求めようとするフォトレジスト膜内の光結像強度分布を
求める工程（Ｓ４）と、上記第３の溶解速度分布および
光結像強度分布からフォトレジストの仕上がり形状を予
測する工程（Ｓ５）とを備えている。

【００２１】以下、上記のフォトレジストの仕上がり形
状予測方法を説明する前に、露光量の変化と対応するフ
ォトレジスト膜内の第１の溶解速度分布を求める工程
（Ｓ１）およびフォトレジスト膜又はその下地膜の膜厚
の変化と対応する第２の溶解速度分布を求める工程（Ｓ
２）に用いるフォトレジストの仕上がり形状予測装置に
ついて説明する。

【００２２】図２および図３は、本発明に係る仕上がり
形状予測方法において定在波を解析するためのハードウ
ェアの構成図である。

【００２３】図２は従来から知られているフォトレジス
トの形状予測装置の構成を示しており、該構成は、パド
ル現像方法、スプレー現像方法およびオートディップ現
像方法に適用できる。

【００２４】図３は本発明に係る新規なフォトレジスト
の仕上がり形状予測装置の構成を示しており、該構成は
ディップ現像方法を用いるものである。ディップ現像方
法は、自動現像方法のように現像液の液盛り（レジスト
の上に現像液が表面張力により盛り上がる現象）による
ノイズ（現像液の表面が平坦でなく、露光光の入反射が
乱れることに起因するノイズ）がないので、現像開始時
の溶解データが正確にとれるという特徴がある。

【００２５】図２および図３に示す予測装置は、半導体
基板１上に塗布された後に露光されたフォトレジスト膜
を現像することにより上記半導体基板上にフォトレジス
トを形成する現像手段２と、上記フォトレジスト膜が感
光しない光を出射する光源３と、該光源３から出射した
光を上記半導体基板１に照射する光照射手段４と、上記
半導体基板１から反射されてくる反射光を検出する光検
出手段５と、該光検出手段５が検出した反射光を電気信
号に変換して出力する信号変換手段６と、該信号変換手
段６から出力されている電気信号をデータ処理して上記
フォトレジスト膜の仕上がり形状を予測するデータ処理
手段７とを備えている。

【００２６】現像手段２としては、図２に示すように、
水平に保持された半導体基板１上のフォトレジスト膜に
対して上方から現像液２ａを噴射するものと、図３に示
すように縦長直方体状の現像液容器２ｂの内部に現像液
２ａが収納されたものとを用いることができる。

【００２７】図２に示す装置は、パドル現像法に用いら
れるものであり、半導体基板１に対して均一に現像液２
ａを盛り付けるため半導体基板１の表面に現像液２ａを
数秒間噴射する。この場合、半導体基板１の表面に現像
液２ａをメニスカス状に盛るために、半導体基板１を回
転させながら現像液２ａをシャワーのように噴射する。
この方法によると、半導体基板１の表面に盛り付けられ
た現像液２ａの表面から散乱する反射光がノイズとして
測定されるという問題がある。

【００２８】図３に示す装置は、現像液２ａを貯溜した
現像液容器２ｂの内部に垂直状態の半導体基板１を上方
から挿入する。そして、垂直状態の半導体基板１に対し
て光照射手段４により光を水平方向から照射する。この
場合、光照射手段４は半導体基板１に対して光源３から
の光を垂直に照射できる構造であればよく、半導体基板
１は現像液容器２ｂに貯溜された現像液の液面に対して
垂直でなくてもよい。現像液容器２ｂとしては、光源３
から出射された光を透過させる材質からなるものを用い
る必要があり、例えば石英ビーカー２ｂを用いることが
できる。

【００２９】上述したパドル法および水平状態の半導体
基板１に対して側方から現像液を噴射するオートディッ
プ法によると、現像液の噴射中はノイズが大きく正確な
データを収集できないと言う問題点があるが、図３に示
す装置を用いると、半導体基板１を挿入する時間は極め
て短い（０．２秒程度）から、現像初期のデータを正確
に収集できる。また、図３に示す装置を用いると、現像
中に生成される溶解生成物は下方に移動するので、溶解
生成物が干渉波形測定すなわち溶解速度測定の障害にな
らない。

【００３０】光源３は、例えばタングステンランプや水
銀ランプからなるランプ８と、ランプ８の前方に設けら
れランプ８から出射された光のうち半導体基板１上のフ
ォトレジスト膜を感光させない波長の光のみを透過させ
る発光側フィルタ９とからなる。発光側フィルタ９とし
ては、例えば４６０ｎｍ以下の短波長の光を遮閉するも
のが用いられる。

【００３１】光照射手段４としては、発光側フィルタ９
を通過した光を半導体基板１上に導く光ファイバ束１０
が用いられる。光ファイバ束１０は例えば直径１０ｍｍ
程度の光をフォトレジスト膜に照射する。この場合、図
３に示すように、光ファイバ束１０の前方に光ファイバ
束１０から出射された光の直径を調整する集光レンズ１
１を設けることが好ましい。

【００３２】光ファイバ束１０は、半導体基板１から反
射された反射光を光検出手段５に導く手段を兼ねてい
る。すなわち、光ファイバ束１０は、光源３から出射さ
れた光を半導体基板１に導く発光用ファイバと半導体基
板１から反射された反射光を光検出手段５に導く受光用
ファイバとがランダムに束ねられている。

【００３３】光検出手段５は、光ファイバ束１０を通過
した光を透過させる受光側フィルタ１２と、受光側フィ
ルタ１２を透過した光を受光するフォトトランジスタ１
３とからなる。受光側フィルタ１２は、特定の波長範囲
の光のみを透過させる狭帯域バンドパスフィルタであ
り、レジストの種類などに応じてＳ／Ｎ比が最も大きく
なるような波長を選択できるものである。

【００３４】信号変換手段６としてはＡ／Ｄコンバータ
が用いられ、フォトトランジスタ１３により検出された
検出信号は、Ａ／Ｄコンバータによりデジタル信号に変
換された後、データ処理手段７としてのコンピュータに
取り込まれて茨形の解析が行われる。コンピュータとし
ては市販のパーソナルコンピュータを使用することがで
きる。

【００３５】以下、フォトレジスト膜の膜厚および下地
膜の膜厚を一定にし且つ露光量を変化させたときのフォ
トレジスト膜内の第１の溶解速度分布を求める工程（Ｓ
１）について説明する。

【００３６】この工程は、特開平４−５０６０４号「フ
ォトレジスト溶解速度の測定方法」又は特願平３−１８
４７６５号「フォトレジストの形状の予測方法」に示さ
れている。以下においては、特願平３−１８４７６５号
に記載の方法を説明する。なお、干渉波形の収集方法す
なわち溶解速度の測定方法については、特開平２−６３
０６３号に開示されているような周知の方法を採用でき
るので、その説明は省略する。

【００３７】まず、露光量とフォトレジスト膜の反射強
度との関係を計算し、この関係を、フォトレジスト膜お
よびその下地膜の膜厚を一定にし且つ露光量を変化させ
て実測したフォトレジスト膜の表面の反射強度とフォト
レジスト膜内の溶解時間との関係のデータに当てはめる
ことにより、露光量の変化に対応するフォトレジスト膜
の深さ方向の溶解速度を求める。なお、露光量を変化さ
せる範囲は、光の結像強度の最大値の１．４倍程度の強
度を最大値とし０を最小値とする範囲であり、この範囲
を対数に基づき１０等分程度に分割した値をそれぞれ実
際の露光量とする。

【００３８】次に、図４に示すような、露光量の変化と
対応しており、フォトレジスト膜内の深さと溶解速度と
の関係を示すグラフを作成する。この溶解速度分布のグ
ラフからフォトレジスト膜の深さ方向の特定の位置にお
ける溶解速度を求める。なお、対応する露出量がない場
合には、両側の露出量のデータから線形補間することに
より、フォトレジスト膜の深さ方向の特定の位置におけ
る溶解速度を求める。このようにしてフォトレジスト膜
の各部分における深さ方向の溶解速度分布を順次求める
ことにより２次元の溶解速度分布図を作成する。

【００３９】次に、上記２次元の溶解速度分布表に基づ
きフォトレジスト膜内の各部分が現像開始後どの程度の
時間が経過すると消失するかを順次求めることにより、
２次元の現像時間分布図を作成する。

【００４０】上記２次元の現像時間分布図における、仕
上がり形状を予測しようとする現像時間に相当する時間
の部位を等高線で結ぶと、図５に示すような現像後のフ
ォトレジストの仕上がり形状を予測することができる。

【００４１】次に、フォトレジスト膜又はその下地膜の
膜厚が他の大きさであるときのフォトレジストの仕上が
り形状を求める。

【００４２】次に、フォトレジスト膜およびその下地膜
の膜厚を一定にし且つ露光量を変化させて収集した溶解
速度のデータから図６に示すような、露光量の変化と対
応するフォトレジスト膜内の第１の溶解速度分布を算出
する。図６に示す第１の溶解速度分布曲線において、ｙ
軸の溶解速度Ｒ_Txはフォトレジスト膜の深さ方向の所定
位置Ｔ_xの溶解速度又は所定位置間Ｔ_xの平均溶解速度
である。ｘ軸の露光量はマスクの無いオープン状態での
露光量である。この溶解速度曲線の区間を指定して、指
数関数の最小二乗法による近似又はスプライン関数近似
によりデータ間を補間する。これらにより得られる近似
式のうち指数関数により得られる近似式は式で表わさ
れる。

【００４３】Ｅ_n＝ａ（Ｒ_Tx）^b……… ここにおいて、ａ，ｂはそれぞれ定数、Ｅ_nは露光量
（mJ／cm²）であり、Ｒ_Txはフォトレジスト膜内の所定
深さ位置Ｔ_xの溶解速度である。

【００４４】以下、露光量を一定にし且つフォトレジス
ト膜又はその下地膜の膜厚を変化させたときのフォトレ
ジスト膜内の第２の溶解速度分布を求める工程（Ｓ２）
について説明する。

【００４５】まず、求めたい１つの膜厚パラメータに着
目して該１つの膜厚パラメータを変化させたフォトレジ
スト膜を作成する。

【００４６】次に、このフォトレジスト膜に一定の露光
量で露光し、特開平４−５０６０４号又は特願平３−５
１７２６号に記載の方法に従ってレジストの現像速度を
測定する。

【００４７】特願平３−５１７２６号に記載の方法は以
下の通りである。

【００４８】１．膜厚を変化させたときのフォトレジス
ト膜の表面の反射強度とフォトレジスト膜内の溶解速度
との関係の測定方法について、広帯域光源から出射し、
フォトレジスト膜が露光されることのない光を、イエロ
ーフィルターを通過させた後、発光側光ファイバ及びオ
プティカルレンズを介して半導体基板の表面に照射す
る。半導体基板の表面で反射された光は、受光側光ファ
イバおよび複数の狭帯域化フィルタを介してフォトディ
テクタに入射する。フォトディテクタからの出力はデジ
タイズされてコンピュータに入力された後、数学的にフ
ィルタリングされ、その後ハードディスクに格納され
る。

【００４９】単色光が現像中のフォトレジスト膜に照射
されると、フォトレジスト膜表面からの反射光と半導体
基板表面からの反射光とが互いに干渉するため、反射光
の強度は、フォトレジスト膜の膜厚の変化に伴って正弦
波状になる。このように正弦波状に変化する各波長の干
渉波をコンピュータを用いて解析することにより、フォ
トレジスト膜の膜厚の変化に伴うフォトレジスト膜内の
溶解速度を算出することができる。尚、フォトレジスト
膜の下地膜の膜厚の変化に伴うフォトレジスト膜内の溶
解速度は上記と同様の方法により算出できる。

【００５０】２．フォトレジスト膜又はその下地膜の膜
厚の変化と対応する第２溶解速度分布の計算方法につい
て、第２の溶解速度分布の計算は、コンピュータにより
シミュレーションした膜厚とフォトレジスト膜の表面の
反射強度との関係と、実測で求めたフォトレジスト膜の
表面の反射強度とフォトレジスト膜内の溶解時間との関
係とを互いに比較することにより行なう。

【００５１】（１）フォトレジスト膜表面の反射強度を
計算する。

【００５２】半導体基板の屈折率をｎ₀とし、半導体基
板の厚さは該半導体基板上に形成された各薄膜層の膜厚
と比べて圧倒的に厚いものとする。この半導体基板上に
第１層，…，第ｊ層，…，および最上層の第ｍ層が形成
されているとする。各薄膜層の屈折率をそれぞれｎ₁，
…，ｎ_j，…，ｎ_mとし、各薄膜層の膜厚をそれぞれｘ
₁，…，ｘ_j，…，ｘ_mとする。この場合、最上層の第
ｍ層はフォトレジスト膜であり、該フォトレジスト膜の
上には現像液が存在している。現像液の屈折率はｎ_dev
とする。

【００５３】平坦な境界を有し且つ異なる材質からなる
多層膜に対して垂直な方向から一様な単色光が入射した
場合について考える。第ｊ層の反射係数：ｒ_jは次式で
与えられる。すなわち、

【数１】 λは入射光の波長であり、ｎ_jは第ｊ層の屈折率であっ
て光の吸収を扱うために一般的には複素数である。従っ
て、Ｆ_j，Φ_j，ｒ_jはすべて複素数となっている。

【００５４】上記の式を次の境界条件のもとで解く。境
界条件は基板表面で、

【数２】であり、最終的にはフォトレジスト膜表面からの反射強
度は、Ｒ＝｜ｒ_m｜²として求められる。

【００５５】（２）フォトレジスト膜の溶解速度を計算
する。

【００５６】上記のようにして求めたフォトレジスト膜
表面の反射強度の計算結果に、実測で得た反射強度と現
像時間との関係のデータをあてはめることにより、フォ
トレジスト膜内の溶解速度を求める。すなわち、計算で
求めた反射強度の結果のうち、或るフリンジＰ−Ｑ間に
着目し、反射強度ＲをΔＲに分割することにより、反射
強度Ｒと膜厚Ｔとの組み合わせである（Ｒ，Ｔ）テーブ
ルが得られる。一方、実測で得た反射強度Ｒと時刻ｔと
のデータにおいて、シミュレーションで得た反射強度Ｒ
と対応するフリンジＰ−Ｑ間を規格化すると共に反射強
度ＲをΔＲに分割することにより、反射強度Ｒと時刻ｔ
の組み合わせである（Ｒ，ｔ）テーブルが得られる。こ
の２つのテーブルは共通のパラメータとして反射強度Ｒ
を有しているため、この反射強度Ｒを消去することによ
り、膜厚Ｔと時刻ｔとの関係を示す（Ｔ，ｔ）テーブル
が得られる。従って、或る波長の光を照射したときのフ
ォトレジストの溶解速度は次式により求められる。

【００５７】

【数３】これを各波長毎に計算し最終的な溶解速度を求めると以
下の通りになる。

【００５８】

【数４】つまり、各波長の溶解速度Ｖ_DEVnの相加平均を求めて、
これを最終的な溶解速度とするのである。

【００５９】（３）第２溶解速度分布を求める。

【００６０】上記の方法により溶解速度を求めた後、ｘ
軸にフォトレジスト膜の膜厚を、ｙ軸に溶解速度をと
り、サイン関数の最小二乗法による近似を行なうことに
よりデータ間を補間する。その近似式は以下に記載の
式で表わされる。フォトレジスト膜の膜厚の変化と対応
する第２の溶解速度分布のグラフは図７に示すとおりで
ある。この場合、ｙ軸の溶解速度はフォトレジスト膜内
の深さ方向の任意の位置の溶解速度又は任意の区間の平
均溶解速度である。

【００６１】Ｒ_Tx＝｛α×ｓｉｎ（４ｎπ×Ｔ_ri／λ＋β）＋γＴ_ri｝Ｒ_TxE1／Ｒ_TxE2…… ここにおいて、 α：多重干渉パラメータ β：定数 γ：バルク効果パラメータ λ：露光波長Ｔ_ri：フォトレジスト膜の初期の膜厚Ｒ_Tx：フォトレジスト膜内の所定深さ位置Ｔ_xにおける
溶解速度Ｒ_TxE1：シミュレーションしようとする露光量Ｅ₁にお
けるフォトレジスト膜膜内の所定深さ位置Ｔ_xの溶解速
度Ｒ_TxE2：データ収集時の露光量Ｅ₂におけるフォトレジ
スト膜内の所定深さ位置Ｔ_xの溶解速度尚、上記説明においては、露光量を変化させたときのフ
ォトレジスト膜内の第１の溶解速度分布を求める工程
（Ｓ１）を先に説明し、フォトレジスト膜又はその下地
膜の膜厚を変化させたときのフォトレジスト膜内の第２
の溶解速度分布を求める工程（Ｓ２）を後に説明した
が、第１の溶解速度分布を求める工程（Ｓ１）および第
２の溶解速度を求める工程（Ｓ２）についてはいずれを
先に行なってもよいのは当然である。

【００６２】以下、上記第１の溶解速度分布と上記第２
の溶解速度分布とから、フォトレジスト膜の膜厚又は下
地膜の所定の膜厚における露光量の変化と対応するフォ
トレジスト内の第３の溶解速度分布を求める工程（Ｓ
３）について説明する。

【００６３】今、シミュレーションしたい膜厚をＴ_rix
とし、シミュレーションしたい露光量をＥ₁とする。Ｔ
_rixを式のＴ_riに代入して、このときのフォトレジス
ト膜内の所定深さ位置Ｔ_xxにおける溶解速度Ｒ_Txxを求
める。

【００６４】次に、Ｒ_Txxを式のＲ_Txに代入すること
により、このときの露光量Ｅ_nxを求める。

【００６５】データ収集時の露光量のＥ₂と上記の露光
量Ｅ_nxとの比が、フォトレジスト膜又はその下地膜の変
化により生じたレジスト溶解速度の変化量を露光エネル
ギーに換算した換算露光量Ｅ_xとなる。この関係を式
に示す。

【００６６】Ｅ_x＝Ｅ₁（Ｅ₂／Ｅ_nx）…… 次に、膜厚を一定にし露光量を変化させた条件下で収集
したデータから、図８に示すような、所定の膜厚におけ
る換算露光量Ｅ_xの変化と対応するフォトレジスト膜内
の第３の溶解速度分布図を作成する。

【００６７】但し、この場合の溶解速度分布はＴ_ri（膜
厚が一定で露光量を変化させて溶解速度データを収集し
たときの膜厚）におけるものであり、求めたい膜厚はＴ
_rixであるから、（Ｔ_rix／Ｔ_ri）を１セルに掛けるこ
とにより、１セルの深さ方向の大きさを調整する。

【００６８】以下、フォトレジスト膜内の光結像強度分
布を求める工程（Ｓ４）について説明する。

【００６９】この工程については、例えば特願平３−１
８４７６５「フォトレジストの形状の予測方法」に記載
されている方法により計算できる。

【００７０】すなわち、フォトレジスト膜を深さ方向
（垂直方向）に１０層に分け、各層の光結像強度を求め
る。さらに、フォトレジスト膜を細分化して光結像強度
を求めるために、水平方向×垂直方法＝１００×１００
となるようにフォトレジスト膜を分割して各部分の光結
像強度を補間計算により求める。なお、分解能を上げる
ために、フォトレジスト膜をさらに細かく分割すること
も可能である。光結像強度はレチクルの遮光部を０と
し、透過部を１として規格化することにより求め、さら
に、フォトレジスト膜の仕上がり形状を予測するときの
露光量を、規格化された光結像強度に掛け合わせること
により、光結像強度分布を求めることができる。

【００７１】尚、以上の説明においては、第１の溶解速
度分布および第２の溶解速度分布から第３の溶解速度分
布を求める工程（Ｓ３）を先に説明し、フォトレジスト
膜内の光結像強度分布を求める工程（Ｓ４）を後に説明
したが、これらの工程の前後を問わないのは当然であ
る。

【００７２】以下、第３の溶解速度分布および光結像強
度分布から現像後のフォトレジストの形状を予測する工
程（Ｓ５）について簡単に説明する。

【００７３】この工程は、前述の特願平３−１８４７６
５「フォトレジストの形状の予測方法」に記載された方
法により行なうことができる。すなわち、すべてのセル
をフォトレジスト膜除去後の時間に変換し、ある除去時
間のセルを等高線でつなぐと、その時間の時のフォトレ
ジスト膜の形状が得られる。これを膜厚Ｔ_rix、露光量
Ｅ₁のときのフォトレジスト膜の形および寸法として取
り出す。この手法は、フォトレジスト膜内に定在波の少
ない場合に適用できる。

【００７４】フォトレジスト膜内に定在波が強く存在す
る場合には、以下に示す方法により膜厚Ｔ_rixの補正を
行なう。

【００７５】まず、Ｔ_rix＜Ｔ_riのときには、露光量Ｅ
_nと対応する膜厚Ｔ_riの溶解速度分布図における膜厚０
から膜厚Ｔ_rixまでが１００分割されるように線形補間
し、Ｔ_ri〜Ｔ_rix間のデータを消去して現像計算を行な
う。そして、フォトレジスト膜の仕上がり形状を露光量
Ｅ₁のときの結果として出力する。またボトム寸法を測
定して出力する。

【００７６】尚、フォトレジスト膜が表面難溶化効果を
有する場合は、表面から所定の深さを指定し、この所定
深さまでの領域に現像速度を低下させるファクタをかけ
ればよい。

【００７７】一方、Ｔ_rix＞Ｔ_riの場合には、従来技術
の項で引用したＤｉｌｌのモデルを用いてフォトレジス
ト膜内の溶解速度分布の補正を行なう。補正方法は以下
に示す通りである。

【００７８】まず、Ｄｉｌｌのモデルに従って、膜厚Ｔ
_riと対応する露光量Ｅ_pのときの感光剤の分解率（規格
化値）を計算する。

【００７９】次に、露光量Ｅ_pにおける深さ方向の溶解
速度分布（実測）と、フォトレジスト膜内における光結
像強度分布とを比較して深さｚを消去することにより、
図９に示すような（Ｒ，Ｅ）テーブルを作成する。これ
を数次の関数（通常は４〜６次関数）による多項式近似
を行なうと、溶解速度Ｒは次の式で表される。すなわ
ち、Ｒ＝ａ＋ｂＭ＋ｃＭ₂＋ｄＭ₃＋ｅＭ₄…… ここにおいて、Ｒは溶解速度であり、Ｍは感光剤の分解
率（規格値）（０≦Ｍ≦１）である。この感光剤の分解
率Ｍと溶解速度Ｒとの関係は図１０に示すとおりであ
る。

【００８０】次に、膜厚Ｔ_rixと対応する露光Ｅ_pのと
きのフォトレジスト膜内の光結像強度分布を計算する。
この場合、Ｔ_rix〜Ｔ_ri間においては、計算された光強
度に対応する感光剤の分解率を式に当てはめ、溶解速
度Ｒを計算して外装する。

【００８１】これを露光量を変化させたときに収集した
すべてのデータに適応することにより、Ｔ_rixにおける
深さ方向の溶解速度分布を作成する。これをもとに露光
量Ｅ_nと対応するフォトレジスト膜内の溶解速度分布図
を作成する。そして、この溶解速度分布図に基づいて溶
解速度Ｒの計算を行ない、現像後の形状及びボトムの寸
法を露光量Ｅ₁として出力する。

【００８２】尚、レジスト難溶化効果を有するフォトレ
ジスト膜についてはＴ_rix＞Ｔ_riのときと同じ扱いをす
る。

【００８３】また、下地膜の膜厚の変化による多重干渉
効果は、以下に示す方法により、半導体基板上のフォト
レジスト膜の溶解速度のみから計算することもできる。

【００８４】この計算フローは図１１に示す通りであ
る。

【００８５】まず、シリコン基板上のフォトレジスト膜
を深さ方向（ｚ方向）に１０分割し、各層における相対
光結像強度を多層薄膜反射率計算のソフトウェアを用い
て計算する。

【００８６】次に、フォトレジスト膜を深さ方向（ｚ方
向）に１００分割し、各層毎の相対光結像強度（Ｅ_s）
を補間方法により求める。

【００８７】次に、Ｓｉ基板上のフォトレジスト膜によ
り収集した溶解速度データを用いて、フォトレジスト膜
内における光結像強度（Ｅ_s）と溶解速度との関係を求
める。次に、各露光量に対してフォトレジスト膜内の溶
解速度が割り当てられた図１２に示すような溶解速度テ
ーブルを作成する。このテーブルにおいては、入射光量
をｅｅ_sとし、膜内光量をｅ_sとして示している。

【００８８】次に、図１３に示すように、膜内光量ｅ_s
と溶解速度Ｒ_sとの関係をプロットすることにより、膜
内光量ｅ_sと溶解速度Ｒ_sとの関数（式に示す）をフ
ィッティングして求める。すなわち、Ｒ_s＝ｆ（ｅ_s）…… 次に、フォトレジスト膜内における求めようとする層の
相対光結像強度Ｅ_mを計算する。Ｓｉ基板の場合と同様
にフォトレジスト膜を膜厚方向に１００分割し、各点に
おける相対光結像強度Ｅ_mを補間により求める。そし
て、Ｒ_s＝ｒ_m＝ｆ（ｅ_s）として式を用いてｒ_mを
求め、多層基板上における膜内光量ｅ_mと溶解速度ｒ_m
との溶解速度テーブルを求める。そして、膜内の各位置
における相対光結像強度をフォトレジスト膜内の深さに
変換し、図１４に示すようなフォトレジスト膜内の深さ
ｚと溶解速度Ｒとのデータを作成する。そして、これを
用いて上述した手法により現像後のフォトレジスト膜の
形状を求める。

【００８９】以下、本発明の有効性を実証するために行
なった実験について説明する。但し、ここではフォトレ
ジスト膜内の定在波が少ない場合の計算方法を用いた。

【００９０】まず、ＯＦＰＲ−８００（東京応化製）を
Ｓｉ基板に１．１μｍの厚さに塗布し、露光量を０〜１
０００mJ／cm²の間で変化させて露光量と溶解速度との
関係を求めた。その結果は図１５に示すとおりである。
露光については、ＮＡ：０．３８、σ＝０．５、λ＝４
３６ｎｍ（ＧＣＡ社製）のステッパを用いた。露光量
３．１６２〜３１６．２２８の間で指数関数の最小二乗
法による近似結果は次に示すとおりである。すなわち、Ｒ＝ｋＥｎｋ＝５．０８３１、ｎ＝０．９７４７Ｅの有効範囲は、３．１６２＜Ｅ＜３１６．２２８であ
る。

【００９１】次に、露光量を６４mJ／cm²で一定とし、
フォトレジスト膜の膜厚を１．０１００〜１．２１００
μｍの間で変化させて溶解速度とフォトレジスト膜の膜
厚との関係を求めた。その結果は図１６に示す通りであ
る。サイン関数の最小二乗法による近似結果は次式に示
すとおりである。

【００９２】Ｒ＝α｛ｓｉｎ（４ｎπＴ／λ＋β）｝＋γＴ α＝１１４．４５５１８、 β＝−１．１１７４５、γ
＝０．０３８７６、 λ＝４３６、ｎ＝１．６３Ｔの有効範囲は、１．０１２４≦Ｔ≦１．２５００（μ
ｍ）である。

【００９３】図１７は、本発明に係る予測方法に基づ
き、フォトレジストの膜厚を１．０４〜１．１０μｍの
範囲で変化させたときのフォトレジスト膜のボトム寸法
と、実際にフォトレジスト膜を形成し、該フォトレジス
ト膜を電子顕微鏡で観察したときのボトム寸法とを比較
したものである。

【００９４】また、図１８は本発明に係る予測方法によ
り予測したフォトレジストの仕上がり形状であり、図１
９は電子顕微鏡により観察したフォトレジストの仕上が
り形状である。図１８と図１９との比較から明らかなよ
うに、本発明に係る予測方法によって予測した仕上がり
形状は電子顕微鏡による観察結果と良く一致していた。

【００９５】

【発明の効果】以上、説明したように、請求項１又は２
の発明に係るレジストパターンの仕上がり形状予測方法
によると、フォトレジスト膜の光学パラメータＡ，Ｂ，
Ｃを用いることなくフォトレジストの仕上がり形状を予
測できるので化学増幅系フォトレジストに対するシミュ
レーションを行なうことが可能になると共に、定量化し
た多重干渉効果に基づきフォトレジストの仕上がり形状
を予測するので多重干渉効果を受けやすいＫｒＦエキシ
マレーザ用化学増幅レジストパターンの仕上がり形状を
正確に予測することができる。

【００９６】このため、請求項１又は２の発明による
と、フォトレジスト特に化学増幅系フォトレジストの仕
上がり形状を手間を掛けずに且つ正確に予測することが
可能になる。

【００９７】請求項３又は４の発明に係るレジストパタ
ーンの仕上がり形状予測装置によると、半導体基板を現
像液中にディッピングするのに要する時間が短いため現
像初期の溶解速度のデータを正確に収集することがで
き、また、現像中に生成される溶解生成物は半導体基板
の上に残留することなく下方に移動し溶解速度測定の妨
げにならないので、フォトレジスト膜内の溶解速度を正
確に測定することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るレジストパターンの仕
上がり形状予測方法の概略を示すフローチャート図であ
る。

【図２】上記レジストパターンの仕上がり形状予測方法
に用いる一の装置の全体構成図である。

【図３】上記レジストパターンの仕上がり形状予測方法
に用いる他の装置の全体構成図である。

【図４】フォトレジスト膜内の深さと溶解速度との関係
を示す図である。

【図５】溶解時間とレジストパターンの仕上がり形状と
の関係を示す図である。

【図６】露光量の変化と対応するフォトレジスト膜内の
第１の溶解速度分布図である。

【図７】フォトレジスト膜の膜厚の変化と対応するフォ
トレジスト膜内の第２の溶解速度分布図である。

【図８】所定の膜厚における露光量の変化と対応するフ
ォトレジスト膜内の第３の溶解速度分布図である。

【図９】フォトレジスト膜の深さと溶解速度との関係、
およびフォトレジスト膜の深さと光結像強度との関係か
ら、光結像強度と溶解速度との関係を求める状態を示す
図である。

【図１０】感光剤の分解率と溶解速度との関係を示す図
である。

【図１１】下地膜の膜厚の変化による多重干渉効果をフ
ォトレジスト膜の溶解速度のみから求める方法を示すフ
ローチャート図である。

【図１２】下地膜の膜厚の変化による多重干渉効果をフ
ォトレジスト膜の溶解速度のみから求める方法に用い
る、各露光量に対してフォトレジスト膜内の溶解速度が
割り当てられた溶解速度テーブルである。

【図１３】下地膜の膜厚の変化による多重干渉効果をフ
ォトレジスト膜の溶解速度のみから求める方法に用い
る、膜内光量と溶解速度との関係を示す図である。

【図１４】下地膜の膜厚の変化による多重干渉効果をフ
ォトレジスト膜の溶解速度のみから求める方法に用い
る、フォトレジスト膜の深さと溶解速度との関係を示す
図である。

【図１５】本発明の有効性を実証するために行なった実
験において得られた、露光量の変化と溶解速度との関係
を示す図である。

【図１６】本発明の有効性を実証するために行なった実
験において得られた、フォトレジスト膜の膜厚の変化と
溶解速度との関係を示す図である。

【図１７】本発明の有効性を実証するために行なった実
験において得られたフォトレジスト膜のボトム寸法と、
実際にフォトレジスト膜を電子顕微鏡で観察したときの
ボトム寸法とを比較する図である。

【図１８】本発明に係る予測方法により予測したフォト
レジストの仕上がり形状を示す図である。

【図１９】電子顕微鏡により観察したフォトレジストの
仕上がり形状を示す図である。

【符号の説明】

１半導体基板２現像手段２ａ現像液２ｂ現像液容器３光源４光照射手段５光検出手段６信号検出手段７データ処理手段８ランプ９発光側フィルター１０光ファイバ１１集光レンズ１２受光側レンズ１３フォトトランジスタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者谷美幸大阪府高槻市幸町１番１号松下電子工業株式会社内 (72)発明者南洋一埼玉県戸田市上戸田４丁目17番13号ゼネラルシグナルジャパン株式会社内 (72)発明者関口淳埼玉県戸田市上戸田４丁目17番13号ゼネラルシグナルジャパン株式会社内 (72)発明者扇子義久埼玉県戸田市上戸田４丁目17番13号ゼネラルシグナルジャパン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フォトレジスト膜の多重干渉効果を定量
化し、定量化されたフォトレジスト膜の多重干渉効果に
基づきフォトレジストの仕上がり形状を予測することを
特徴とするフォトレジストの仕上がり形状の予測方法。
【請求項２】フォトレジスト膜およびその下地膜の膜
厚をそれぞれ一定にし且つ露光量を変化させたときの露
光量の変化と対応するフォトレジスト膜内の第１の溶解
速度分布を求める工程と、露光量を一定にし且つフォトレジスト膜又はその下地膜
の膜厚を変化させたときのフォトレジスト膜又はその下
地膜の膜厚の変化と対応するフォトレジスト膜内の第２
の溶解速度分布を求める工程と、上記第１の溶解速度分布および第２の溶解速度分布から
仕上がり形状を求めようとするフォトレジスト膜又はそ
の下地膜の所定の膜厚における露光量の変化に対するフ
ォトレジスト膜内の第３の溶解速度分布を求める工程
と、仕上がり形状を予測しようとするフォトレジスト膜内の
光結像強度分布を求める工程と、上記光の結像強度分布から仕上がり形状を求めようとす
るフォトレジスト膜内の所定部位における光結像強度と
対応する露光量を求め、該露光量を上記第３の溶解速度
分布に当てはめることによりフォトレジストの仕上がり
形状を予測する工程とを備えていることを特徴とするフ
ォトレジストの仕上がり形状予測方法。
【請求項３】半導体基板の表面に塗布されたレジスト
膜を現像する現像液を貯溜しており、上記半導体基板を
ディッピングさせると共にディッピングされた半導体基
板を所定の姿勢で保持する現像液貯溜容器と、上記レジスト膜を感光させない光を出射する光源と、該光源から出射された光を上記現像液貯溜容器にディッ
ピングされている半導体基板に垂直方向から照射する光
照射手段と、上記半導体基板から反射されてくる反射光を検出する光
検出手段と、上記光検出手段が検出した光信号を電気信号に変換して
出力する信号変換手段と、該信号変換手段から出力されてくる電気信号をデータ処
理してフォトレジスト膜の仕上がり形状を予測するデー
タ処理手段とを備えていることを特徴とするフォトレジ
ストの仕上がり形状予測装置。
【請求項４】上記現像液貯溜容器は、直方体状の形状
を有していると共に貯溜されている現像液の液面に対す
る垂直方向から上記半導体基板を収納可能な大きさを有
していることを特徴とする請求項３に記載のフォトレジ
ストの仕上がり形状予測装置。