JPH10135112A

JPH10135112A - レジスト感光パラメータの測定方法およびそれを用いた半導体リソグラフィ方法

Info

Publication number: JPH10135112A
Application number: JP8291367A
Authority: JP
Inventors: Hisafumi Iwata; 尚史岩田; Toshiharu Nagatsuka; 俊治永塚; Susumu Komoriya; 進小森谷; Shinji Kuniyoshi; 伸治國吉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-11-01
Filing date: 1996-11-01
Publication date: 1998-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】レジスト感光パラメータを簡易に高精度で測
定し得るようにする。【解決手段】基板上に形成されたレジスト膜Ｌに感光
波長の光を照射して、瞳面１７での反射光強度分布を連
続的に検出し、その検出結果に基づいてレジスト膜の膜
厚、屈折率、消衰係数の過渡変化を算出する。算出され
た膜厚および屈折率の過渡変化特性に基づいて、レジス
ト膜Ｌ内の平均消衰係数の理論値を算出し、この理論値
と前記消衰係数の過渡変化特性とを照合して感光パラメ
ータを算出する。この感光パラメータを用いて、レジス
ト膜Ｌ内における潜像の立体形状を求めて、その立体形
状から露光装置の露光条件を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体集積回路を構
成する回路や配線などのデバイスパターンを基板に形成
するためのリソグラフィ技術に関し、特に、ポジ型ホト
レジスト膜の感光パラメータを測定し、その測定結果を
用いて半導体リソグラフィ工程を制御し得るようにした
半導体リソグラフィ技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路装置の製造においては、
感光性ホトレジスト膜が形成された基板上に、半導体集
積回路を構成する回路や配線などのデバイスパターンに
対応したレジストパターンを形成するホトリソグラフィ
技術が適用されている。

【０００３】半導体ウエハ上にデバイスパターンを形成
する場合には、ウエハ上にレジスト液を塗布してレジス
ト膜を形成し、これに対するプリベークが終了した後
に、露光装置を用いてデバイスパターンをレジスト膜に
焼き付け、これにより化学変化したレジスト膜を現像液
により処理して不要部分を溶出することによってデバイ
スパターンを形成している。このようなホトリソグラフ
ィ技術にあっては、デバイスパターンを基板上に所望の
寸法精度で形成できるか否かがパターン微細化の重要な
課題となっている。

【０００４】そのため、半導体リソグラフィ工程では、
寸法精度を維持するために種々の作業が行われており、
その１つに膜厚の管理がある。レジスト膜厚が変化する
と、露光エネルギーの実効的な吸収効率が変化し、スイ
ングカーブと言われる寸法変動が生じる。そこで、回転
式レジスト塗布装置やベーク炉の動作点検を行うため
に、分光反射式や偏光解析式等の光学測定装置を用いて
レジスト膜厚を測定管理している。

【０００５】最近のサブミクロンのデバイスパターンの
形成では、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により現像後の
レジストパターンを観察、測長することが、寸法精度の
向上および管理を行う上で最も重要な手法になってい
る。ＳＥＭでの測定結果に基づいて、露光装置における
露光量やフォーカスなどの露光条件の初期設定を行うと
ともに、定期的に寸法精度の検査を行っている。また、
パターン寸法の制御は、予め取得しておいた露光量と寸
法との関係図などを参照し、ＳＥＭの測定結果に基づ
き、露光装置の露光量を増減することにより行われてい
る。この関係図は、パターンの種類、露光装置の違いや
レジスト液の種類により異なるため、必要に応じて各組
合せでそれぞれ準備する必要がある。

【０００６】パターンの寸法精度を劣化させる要因とし
ては、レジスト膜厚以外にも、基板上に成膜された酸化
膜などの薄膜層の厚さ、レジスト材料および現像液温度
などの変動がある。ここで、レジスト材料の光学特性と
しては、屈折率、消衰係数および感光パラメータＡ，Ｂ
およびＣがある。この感光パラメータＡ，ＢおよびＣ
は、ホトレジストパターンの立体形状のシミュレーショ
ンを行う上での入力値であり、その概念、測定原理およ
び測定装置の概要は、IEEE Trans.Electron Devices.ED
-22,7. pp445〜452 (1975 年７月発行）におけるFreder
ick H.Dill他による「characterization of Positive P
hotoresist」と題する文献、および電子情報通信学会論
文誌Ｃ−II Vol.J77-C-II No.12 pp.555〜563 (1994 年
12月発行)における関口他による「ホトレジストの感光
パラメータ（Ａ，Ｂ，Ｃ）測定装置の開発」と題する文
献に記載されている。

【０００７】ここで、感光パラメータＡは露光前の感光
剤の光吸収係数を表し、感光パラメータＢは基材樹脂の
光吸収係数を表し、感光パラメータＣは感光剤の分解速
度（レジスト感度）を表す。

【０００８】図１５は感光パラメータＡ，ＢおよびＣを
測定するための従来の測定装置を示す概略図であり、従
来では、レジスト膜Ｌを透過した光を検出することによ
り、感光パラメータＡ，ＢおよびＣを測定するようにし
ている。この測定装置にあっては、レジスト膜Ｌが形成
された透明基板Ｔは、光源５１からの光を平行光にする
コリメータレンズ５２と検出器５３との間に配置される
ようになっている。透明基板Ｔを配置した状態で、シャ
ッタ５４を開いてコリメータレンズ５２により平行光と
なった光源５１からの光を単色フィルタ５５によりパタ
ーン露光と同一の波長の光として、これをレジスト膜Ｌ
に照射すると、透明基板Ｔを透過した光が検出器５３に
より検出され、検出器５３の出力信号から、図１６に示
すような透過率の過渡変化特性が求められる。

【０００９】ホトレジストにはネガ型レジストとポジ型
レジストとがあり、ネガ型レジストは光が照射されると
重合または架橋反応を起こして現像液に不溶性または難
溶性となり、現像後まで基板表面に残る特性を有する感
光材料であり、ポジ型レジストは光が照射されると分解
して現像液に可溶性となり、現像時に基板表面から除去
される特性を有する感光材料である。

【００１０】ポジ型レジストは、基材樹脂、感光剤およ
び有機溶媒の３成分で構成され、紫外線の照射により感
光剤が化学反応を起こしてレジスト膜を可溶化させる。
このとき感光剤の光吸収係数が減少するために、図１６
に示すように、レジスト膜の透過率が上昇つまりブリー
チングする。また、感光剤の化学反応が終了すると、透
過率は上昇しなくなり、この状態をブリーチアウトと呼
ぶ。露光前の透過率をＴ₀、ブリーチアウト時の透過率
をＴ∞、レジスト膜表面での光強度をｌ、レジスト膜圧
をｄとすると、感光パラメータＡ，ＢおよびＣは次式で
与えられる。

【００１１】

【数１】

【００１２】ホトレジストパターンの形状をシミュレー
ションするには、まず、レジスト膜に投影される光学像
の強度計算をし、次いで、感光パラメータとレジスト膜
内の定在波算出値を用いた潜像つまりレジスト膜内の感
光剤濃度分布を計算し、さらに、レジスト溶解速度パラ
メータつまり現像パラメータを用いた現像の計算を行
い、現像後のレジストパターン形状を求めている。感光
パラメータＡ，ＢおよびＣは潜像の計算に必要な入力パ
ラメータである。

【００１３】シミュレーション法の概要は、SPIE Vol.5
38 Optical Microlithography IV.pp207〜220 (1985 年
発行）におけるChris A.Mackによる「PROLITH:a compre
hensive optical lithography model 」と題する文献、
および電子情報通信学会論文誌C-II Vol.J76-C-II No.8
pp562〜570 (1993 年８月発行）における南他による
「ホトリソグラフィにおける実測溶解速度を用いたデフ
ォーカスシミュレーションの検討」と題する文献に記載
されている。シミュレーション技術は、ホトレジストの
選択、露光量、フォーカス裕度などをプロセス設計の段
階で検討する上で有効な手法となっている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ホトレジスト
形状のシミュレーションは、リソグラフィ工程の制御、
たとえば、露光装置などの運転条件出しなどにはあまり
活用されていない。この理由は、製造工程における各種
パラメータの正確な値を入力しなければ、シミュレーシ
ョン結果は実際のレジスト形状とは一致せず、各種パラ
メータを製造工程で簡単に精度良く取得できないからで
ある。

【００１５】たとえば、図１５に示す測定装置を用いた
場合には、レジスト膜Ｌに光を透過させて透過率の過渡
変化を測定し、前記した算出式により感光パラメータ
Ａ，ＢおよびＣを求めており、レジスト膜Ｌと透明基板
Ｔとの境界面Ｓ１での反射、および透明基板Ｔのうち検
出器側の表面Ｓ２での反射がいずれも全く存在しないこ
とを仮定した方式である。したがって、厳密な測定に
は、それぞれの面Ｓ１，Ｓ２をともに無反射面としなけ
ればならない。面Ｓ１を無反射にするには、透明基板Ｔ
の屈折率をレジスト膜Ｌに一致させるか、面Ｓ１に反射
防止膜をつける必要がある。しかし、基板材料の屈折率
は離散的であり、無反射条件を満足する反射防止膜も材
料の制約があり実現は難しく、面Ｓ２にも同様の問題が
ある。また、レジスト膜Ｌの種類、製造ロットの違いな
どによる屈折率の不一致、露光中のレジストの屈折率の
変化も測定誤差要因となる。

【００１６】また、透明基板Ｔの上のレジスト膜Ｌの厚
さｄは、固定値を入力するために、予め別の装置により
測定する必要があり、透明基板Ｔのような測定専用の基
板を使わなければならないことは、生産性を劣化させる
要因となってしまう。

【００１７】一方、ＳＥＭによる測定はその高解像性能
によって、ウエハ上に形成したデバイスパターンの寸法
が許容範囲内かどうかの判定を厳密に行う最適な手法で
ある。しかし寸法変動が基板の不均一性により生じたの
か、レジスト感度のばらつきなのかといった原因の特定
や、製造プロセスの補正量を定量的に決定することは困
難である。また、ＳＥＭは真空排気時間などが必要なた
め、光学機器に比べてスループットが遅く、装置価格も
高い。このため、ＳＥＭの多用を前提とした半導体装置
の量産は望ましい形態とは言いがたい。

【００１８】本発明の目的は、レジスト感光パラメータ
を簡易に高精度で測定し得るようにすることにある。

【００１９】本発明の他の目的は、シリコンウエハなど
のように露光波長に対して光学的に不透明な材料の基板
上に形成されたレジスト膜を測定対象とし、これの感光
パラメータを測定し得るようにすることにある。

【００２０】本発明のさらに他の目的は、半導体デバイ
スパターンを形成するための基板に形成されたレジスト
膜の感光パラメータを測定し、リソグラフィ工程の露光
条件を制御して半導体集積回路装置の生産性を向上する
ことにある。

【００２１】本発明のさらに他の目的は、感光パラメー
タを測定することにより、リソグラフィ工程を管理し得
るようにすることにある。

【００２２】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。

【００２４】すなわち、本発明のレジスト感光パラメー
タの測定方法は、基板に形成されたレジスト膜に感光波
長の光を集光照射し、照明開始後の反射光をレンズで捕
捉し、該レンズの瞳面における反射光強度分布の時間に
伴う変化を検出し、この検出値に基づいて感光パラメー
タを算出する。

【００２５】また、本発明の感光パラメータの測定方法
は、前記レジスト膜の膜厚、屈折率および消衰係数を連
続的に検出してこれらの過渡変化特性を算出し、前記膜
厚および屈折率の過渡変化特性に基づいて前記レジスト
膜内の平均消衰係数の理論値を算出し、この理論値と前
記消衰係数の過渡変化特性とを照合して感光パラメータ
を算出する。

【００２６】さらに、本発明の感光パラメータの測定方
法にあっては、前記感光波長に対して不透明な基板に形
成されたレジスト膜の感光パラメータを測定したり、あ
るいは前記基板に形成された前記感光波長に対して不透
明な基板成膜に形成されたレジスト膜の感光パラメータ
を測定する。

【００２７】そして、前記反射光を偏光素子を通過した
後に検出するようにしたり、前記反射光をレジスト膜の
結像面に設置した絞りを通過した後に検出するようにし
ても良い。

【００２８】このように、本発明のレジスト感光パラメ
ータの測定方法にあっては、レジスト膜を透過した光に
よって感光パラメータを測定することなく、レジスト膜
からの反射光を検出して感光パラメータを測定するよう
にしたことから、実際に使用される半導体ウエハなどを
基板としてこれに形成されたレジスト膜について、高い
精度で感光パラメータを検出することができる。

【００２９】本発明の半導体リソグラフィ方法は、基板
にレジスト液を塗布してレジスト膜を形成するレジスト
塗布工程と、前記レジスト膜にパターンを露光する露光
工程と、レジスト膜の不要部分を溶出する現像工程とを
有する半導体リソグラフィ方法であって、前記レジスト
膜に照射した光の反射光により前記レジスト膜の膜厚、
屈折率および消衰係数を連続的に検出してこれらの過渡
変化特性を算出し、前記レジスト膜に照射した光の反射
光により前記レジスト膜のレジスト膜パラメータを算出
し、レジスト膜パラメータとパターン情報とステッパ光
学条件とによりレジスト膜内の潜像を算出し、算出され
た潜像と現像パラメータとによりレジスト膜内に形成さ
れる潜像の立体形状を算出し、前記露光工程における露
光条件を制御するようにしたことを特徴とする。

【００３０】また、本発明の半導体リソグラフィ方法
は、前記基板に基板成膜を介して形成されたレジスト膜
のレジスト膜パラメータとパータン情報と基板成膜パラ
メータと前記ステッパ光学条件とによりレジスト膜内の
潜像を算出する。前記レジスト膜パラメータが膜厚、屈
折率および感光パラメータであり、前記現像パラメータ
がレジスト溶解速度であり、前記基板成膜パラメータが
前記基板と前記レジスト膜との間に形成された薄膜の膜
厚および光学定数である。

【００３１】さらに本発明の半導体リソグラフィ方法
は、レジスト膜パラメータと現像パラメータと基板成膜
パラメータのいずれかを測定し、測定値が規格値以内で
あるか否かを比較し、規格値を外れたパラメータからリ
ソグラフィ工程における異常個所を検出する。

【００３２】このように本発明の半導体リソグラフィ方
法にあっては、半導体集積回路装置の生産ラインにおい
て感光パラメータを検出収集することができるので、こ
れを活用して露光条件を制御することができ、半導体集
積回路の製造を能率良く行うことができる。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。

【００３４】図１は本発明の一実施の形態であるポジ型
ホトレジストの感光パラメータを測定する装置を示す概
略図であり、この装置はレジスト膜Ｌが形成された半導
体ウエハＷを支持する支持ステージ１０を有し、レジス
ト膜Ｌには、照明系の光が照射されるようになってい
る。照明系は光源１１、コレクタレンズ１２、単色フィ
ルタ１３、シャッタ１４、ハーフミラー１５および対物
レンズ１６を有している。光源１１から放射される光に
は、レジストが感光する波長の光が含まれており、単色
フィルタ１３により半導体露光装置のデバイスパターン
の転写に用いられる単色光と同等な光が取り出される。
この単色光は対物レンズ１６により集光されてレジスト
膜Ｌに照射される。

【００３５】レジスト膜Ｌからの反射光を受光して対物
レンズ１６の瞳面１７における光強度分布を検出する検
出系は、対物レンズ１６と検出器２１とを有しており、
これらの間には、レンズ２２と絞り２３と偏光板２４が
配置され、瞳面１７における光強度分布が検出器２１に
結像される。この検出器２１は光電変換素子が１次元も
しくは２次元配列されて形成されたものである。

【００３６】図２は図１に示した測定装置の制御回路を
示すブロック図であり、制御回路は中央演算処理部ＣＰ
Ｕ３１を有し、このＣＰＵ３１からの信号によって、支
持ステージ１０を光軸方向に作動させるＺ軸モータ３
２、照明系のシャッタ１４および偏光板２４の作動が制
御される。ＣＰＵ３１には検出器２１からの光強度分布
に対応する信号が送られるようになっており、検出器２
１からのアナログ信号は、図示しないＡ／Ｄ変換器によ
りデジタル信号に変換されてＣＰＵ３１に送られる。測
定装置を構成する前述したシャッタ１４などの部材は、
予めＲＯＭ３３に格納された手順に従って作動が制御さ
れるようになっている。

【００３７】制御部は検出器２１からの光強度分布に対
応する検出波形を格納するための波形メモリ３４を有し
ており、レジスト膜Ｌは光が照射されると光化学反応に
よって変化するので、シャッタ１４が開くのと同期して
波形メモリ３４に検出信号が格納され、レジスト膜Ｌへ
の光の照射開始から感光するまでの瞳面１７における光
強度分布の変化が検出される。さらに、制御回路は波形
メモリ３４に格納された光強度分布の波形からレジスト
膜Ｌの反射率を算出する反射率算出部３５と、過渡変化
算出部３６とを有しており、この過渡変化算出部３６は
反射率算出部３５により求められた反射率からレジスト
膜Ｌの膜厚ｄ、屈折率ｎ、および消衰係数ｋを求めると
ともに、照明開始後の各時点に検出波形に対して同様の
処理を繰り返すことにより、膜厚ｄ、屈折率ｎ、消衰係
数ｋの過渡変化特性が求められる。この過渡変化特性に
基づいて、感光パラメータＡ，ＢおよびＣを算出するた
めに、感光パラメータ算出部３７がＣＰＵ３１に接続さ
れている。

【００３８】次に、瞳面１７での光強度分布から、反射
率を算出してレジスト膜Ｌの光学特性ｎ，ｋ，ｄを求め
る算出原理を説明する。この実施の形態にあっては、シ
リコン半導体ウエハＷに形成されたレジスト膜Ｌを測定
対象としており、レジスト膜Ｌは平行平面に挟まれた均
質で等方性の単層薄膜と考える。以下の説明では、符号
ｉは虚数単位を示し、添字のｊは媒体を識別するもので
あり、空気がｊ＝０、レジスト膜Ｌがｊ＝１、半導体ウ
エハＷがｊ＝２とする。また、薄膜ｄ_j、屈折率ｎ_j、
消衰係数ｋ_j、複素屈折率Ｎ_j＝ｎ_j−ｉｋ_j、波長
λ、入射角θ_j、振幅反射率ｒと表記する。ｄ_j、
ｎ_j、ｋ_j、λは実数、Ｎ_j、θ_j、ｒは複素数のパラ
メータである。

【００３９】図３に示すように、レジスト膜Ｌに入射し
た１本の光線５は、境界面で振幅分割され、空気−レジ
スト境界面とレジスト−ウエハ境界面で繰り返し反射す
る。そして、レジスト膜Ｌの表面からは徐々に振幅が減
少した多数の平行な光線が反射される。膜厚ｄ₁が波長
オーダーでは、これらの反射光線には干渉性があるた
め、振幅加算した結果が反射率に対応する。振幅加算は
対物レンズ１６により反射光線束を瞳面１７の一点に収
束させることと等価であり、収束点Ｐの振幅は入射光線
の振幅に振幅反射率ｒを乗じたものとなる。振幅反射率
ｒは次式で与えられる。

【００４０】

【数２】

【００４１】ここではδはレジスト膜Ｌを光線が一往復
することで生じる光路差、ｒ_j,j+1は媒体ｊから媒体ｊ
＋１に光が入射するときの境界面の振幅反射率で、フレ
ネルの式で与えられる。これは、偏光状態により異な
り、Ｐ偏光では、

【００４２】

【数３】

【００４３】Ｓ偏光では、

【００４４】

【数４】

【００４５】となる。

【００４６】また、スネルの法則により、次式の関係が
成り立つ。

【００４７】

【数５】

【００４８】したがって、強度反射率Ｒは次式で表され
る。

【００４９】

【数６】

【００５０】ここで、ｒ^*はｒの共役複素数、ｇは関数
を意味している。

【００５１】本実施の形態では、ｎ₀、ｋ₀、ｎ₂、ｋ
₂、λを一定値とし、ｄ₁、ｎ₁、ｋ₁を決定する。こ
のため入射角θ₀を変えたときの反射率特性Ｒ（θ₀)を
検出する。そして、最小自乗法による反射率照合計算を
行うことにより、３つのパラメータを決定する。これに
は、理論計算した反射率特性Ｒ_thと、検出した反射率特
性Ｒの一致度を調べれば良い。すなわち、一致度の評価
関数Ｍ₁をたとえば次式で与える。

【００５２】

【数７】

【００５３】この式により評価関数Ｍ₁が最小になる場
合を探索することにより、レジスト膜パラメータである
膜厚ｄ₁、屈折率ｎ₁、消衰係数ｋ₁を決定することが
できる。

【００５４】次に、反射率特性を測定する方法について
説明する。

【００５５】図３において対物レンズ１６は正弦条件を
満足する。このとき瞳面１７に反射光線が収束する位置
は、次式で与えられる。

【００５６】

【数８】

【００５７】ここで、Ｘは対物レンズ１６の光軸から収
束点Ｐまでの距離、θ_Lは対物レンズ１６の光軸の入射
角、ｆは対物レンズ１６の焦点距離である。Ｐ点の強度
は、入射角θ₀のときのレジスト膜Ｌの反射率に対応す
る。

【００５８】図４に示すように、入射光線５ａ，６ａに
挟まれた紙面に平行な収束光束でレジスト膜Ｌを照明す
ることを考えると、収束光束はある入射角範囲にわたる
光線が集まったもので、それぞれの反射光線５ｂ，６ｂ
の強度反射率は前記式（２ａ）に従い、収束位置は前記
式（８）に従う。つまり、瞳面１７には反射率特性Ｒ
（θ₀)に対応した明暗の変化が生じる。これは等傾角干
渉縞と呼ばれる。そこで、等傾角干渉縞をアレイセンサ
つまり検出器２１で撮像すれば、反射率特性Ｒ（θ₀)を
一括検出できる。

【００５９】照明光に感光波長の単色光を用いれば、照
明によりレジスト膜Ｌは化学反応を起こし、光学特性値
が徐々に変化する。したがって、等傾角干渉縞も変化す
る。そこで、検出器２１により瞳面１７の強度を連続撮
像すれば、図４に示すような感光中の反射率特性の過渡
変化Ｒ（θ₀,ｔ）を検出できる。そして、各時点で反射
率照合計算を行うことにより、膜厚、屈折率、消衰係数
の過渡変化特性ｄ₁(t), ｎ₁(t), ｋ₁(t)を算出できる。

【００６０】また、図５に示すように、等傾角干渉縞は
対物レンズ１６の光軸が試料に対して垂直（θ_L＝０）
でも検出できる。この場合、対物レンズ１６の光軸が試
料面に垂直となり、瞳面１７で反射光線が収束する位置
は、次式で与えられる。

【００６１】

【数９】

【００６２】最大入射角は対物レンズ１６のＮＡ数（開
口数）で制限される。図５は、瞳面１７上のＰinを通過
した光線が視野内の試料面で反射し、軸対称位置Ｐout
に収束する光路を示している。瞳面１７には同心円状の
等傾角干渉縞ができ、中心Ｏから半径方向の強度分布が
反射率特性に対応する。図５に示すように、検出方向Ｏ
→Ｐout が偏光方向と平行であれば、Ｐ偏光の反射率特
性となり、垂直であればＳ偏光の特性に対応する。これ
には、図１に示す偏光板２４と検出器２１の取り付けを
調整すれば良い。偏光板２４を用いることにより、ハー
フミラー１５などの光学部品の偏光特性を厳密に設定す
る必要がなくなり、光学系を容易に製作できる利点があ
る。また、直線偏光状態で検出すれば、前記式（３）、
（４）による反射率照合における理論計算も低減でき
る。

【００６３】ところで、図６に示すように、通常の光学
装置では広い視野にわたり、均一な照度で照明すること
は難しい。そこで、本実施の形態では、検出する視野を
限定し、照度の均一な領域から反射光だけを検出する。
このために、図１に示す検出光学系には、絞り２３が設
置されている。絞り２３は対物レンズ１６とレンズ２２
により、試料表面が結像する光軸方向の位置に置かれ
る。これにより、検出する瞳面１７の強度分布は、試料
面上の照度が均一な領域からの反射光に限定できる。換
言すれば、レジスト膜の化学変化の進度が均一な領域か
らの反射光に限定できる。

【００６４】図７は強度反射率の過渡変化特性の測定例
を示し、露光時間が経過するとともに、反射率が増加す
ることがわかる。これは、露光によりレジスト膜がブリ
ーチングし透明度が増加したためである。図８は前記式
（７）の反射率照合計算を繰り返して光学特性値を算出
した結果であり、消衰係数ｋの過渡変化の算出結果であ
り、ブリーチング現象を光学定数により定量的に表した
ものである。消衰係数ｋは光が吸収される度合いを表
し、消衰係数ｋが大きいほど光は吸収され、透明度は低
下する。

【００６５】図８においては、感光パラメータＡはこれ
が露光前の感光剤の光吸収係数であることから、露光時
間が０の場合における消衰係数ｋに所定の係数をかけた
値に相当する。感光パラメータＢはこれが基材樹脂の光
吸収係数であることから、露光時間を無限大にした場合
における消衰係数に所定の係数をかけた値に相当する。
また、感光パラメータＣは感光剤の分解速度であること
から、消衰係数ｋが減少している速度に相当する。

【００６６】次に、感光パラメータＡ，ＢおよびＣの算
出手順について説明する。薄膜に単色光を照射すると、
膜内を上下方向に進む光が干渉するために、深さにより
光強度が異なる。光強度は深さ方向に周期変動し、これ
を定在波と呼ぶ。図９は膜厚がｄであるレジスト膜内の
定在波の計算例を示す。横軸はレジスト膜表面（レジス
ト−空気の境界面）からの深さＺを表し、縦軸は定在波
の強度を表す。

【００６７】Ｚ＝０はレジスト表面を意味し、Ｚ＝ｄは
レジスト−半導体ウエハ境界面を意味する。ｔ＝０は露
光前の状態を、ｔ＝ｔ₁、ｔ₂は露光開始後の状態をそ
れぞれ示し、ｔ₁＜ｔ₂である。深くなるほど定在波強
度が小さくなるのは、レジスト膜が光を吸収するためで
ある。

【００６８】図１０はレジスト膜内の膜厚方向の消衰係
数分布の理論計算例である。露光前（ｔ＝０）は材料が
均一なため、消衰係数は一定である。しかし、露光開始
後は、図９に示したように定在波が生じるため、レジス
ト膜の化学変化の進みかたが深さ方向で異なる。このた
め、消衰係数も深さ方向に周期的に変動する。

【００６９】図９の定在波強度および図１０の消衰係数
理論計算値ｋ_thは、前述したSPIE Vol.538 Optical Mi
crolithography IV,pp.207〜220 (1985 年発行）におけ
るChris A.Mackによる「PROLITH:a comprehensive opti
cal lithography model 」と題する文献に記載された方
法で行えば良い。この方法を要約すれば、露光時間ｔ、
照度ｌ、膜厚ｄ、屈折率ｎ、感光パラメータＡ，Ｂおよ
びＣ、空気と基板の光学定数を入力変数とし、定在波計
算と消衰係数計算とを交互に行い、時間方向の変化を算
出するものである。すなわち、膜厚方向の消衰係数分布
ｋ_thは、以下の関数で表現される。

【００７０】

【数１０】

【００７１】ここで、感光パラメータＡ，ＢおよびＣの
算出のため、次式で表す平均消衰係数ｋ_{th ave}（膜厚方
向の消衰係数の平均値）を次のように新たに定義する。

【００７２】

【数１１】

【００７３】先に述べた膜厚、屈折率、消衰係数の過渡
変化測定法は、レジスト膜を平行平面に挟まれた均質で
等方性な薄膜と仮定したものである。つまりこの方法で
求めた消衰係数の過渡変化特性ｋ₁(t)は平均消衰係数ｋ
_{th ave}（ｔ，Ａ，Ｂ，Ｃ）に対応する。そこで、Ａ，Ｂ
およびＣパラメータを算出するには、以下の評価関数Ｍ
₂を用いて最小自乗法を適用すれば良い。

【００７４】

【数１２】

【００７５】感光パラメータ算出部３７では、膜厚と屈
折率の過渡変化の測定結果が入力されて、平均消衰係数
ｋ_{th ave}の過渡変化を理論計算する。そして、消衰係数
の過渡変化測定値ｋ₁と前記式（１２）により照合計算
することによって、感光パラメータＡ，ＢおよびＣが求
められる。

【００７６】次に、図１１に示すフローチャートを参照
しながら、図１に示す測定装置によりレジスト膜Ｌの感
光パラメータを測定する手順について説明する。

【００７７】まず、参照面と暗レベルの瞳面波形をステ
ップＳ１，Ｓ２で示すように検出する。参照面として
は、たとえば、シリコン半導体ウエハのような屈折率と
消衰係数が既知の金属反射面などのように、理論計算で
反射率特性を算出できるものを用いる。暗レベル波形を
求めるには、試料を対物レンズ１６の下から退避して検
出すれば良く、これらの値はメモリに格納される。

【００７８】次いで、被測定膜であるレジスト膜Ｌが形
成されたウエハＷを対物レンズ１６の下に設置し、照明
開始後に瞳面１７の波形を連続的に検出し、図２に示す
波形メモリ３４に記憶する（ステップＳ３，Ｓ４）。被
測定膜と参照面のそれぞれの検出波形から、ステップＳ
５において暗レベル補正する。この暗レベル補正は、図
１２に示すように、被測定膜の波形から暗レベル波形を
減算するとともに、参照面の波形からも暗レベル波形を
減算して、測定光学系の迷光や検出器の電気回路上の誤
差で生じるオフセットを除くために行われる。

【００７９】暗レベル補正後の反射光の強度に対応した
波形信号Ｉ，Ｉref に基づいて、図２に示す反射率算出
部３５ではステップＳ６に示すように反射率特性Ｒを算
出する。その算出の手順は、図１２に示すように、被測
定膜の波形信号Ｉが反射率Ｒに照度分布Ｄを乗じた値で
あり、参照面の波形信号Ｉref が参照面の理論反射率Ｒ
ref に照度分布Ｄを乗じた値であるので、これらを割算
処理して照度分布項Ｄを除いてまずＩ₂の値を求める。
この値Ｉ₂はＲ／Ｒref で表されるので、Ｉ₂に理論反
射率Ｒref の値を乗算することにより、反射率特性Ｒが
求められる。

【００８０】このようにして反射率特性Ｒが求められた
ならば、過渡変化算出部３６においてはステップＳ７に
より反射率照合計算を行って、被測定膜の光学特性値で
ある膜厚ｄ、屈折率ｎ、消衰係数ｋが算出される。これ
らのレジスト膜特性値の算出をステップＳ８で所定回数
まで終了することが判断されるまで繰り返して行って、
各時点における光学特性値のそれぞれを求めると、ステ
ップＳ９で示すように、膜厚、屈折率および消衰係数の
過渡変化特性ｄ₁(t)、ｎ₁(t)、ｋ₁(t)を算出することが
できる。

【００８１】次いで、ステップＳ９で求められた過渡変
化特性ｄ₁(t)、ｎ₁(t)の値を前記式（１１）に代入し
て、感光パラメータ算出部３７において、ステップＳ１
０に示すように、平均消衰係数ｋ_{th ave}の過渡変化を理
論計算する。この平均消衰係数ｋ_{th ave}と消衰係数の測
定値ｋ(t) とを、ステップＳ１１において式（１２）に
代入して最小自乗法により感光パラメータＡ，Ｂおよび
Ｃが算出される。

【００８２】図示する実施の形態にあっては、図１に示
す光学系で検出した膜厚、屈折率および消衰係数の過渡
変化特性を用いて感光パラメータＡ，ＢおよびＣを算出
するために、まず、試料は異なる入射角の光線により同
時に照明するようにし、次いで、円形の瞳面を通過した
全ての光線で試料を照明するようにすることに留意す
る。

【００８３】このために、照明光線の入射角とその重み
を考慮した定在波の理論計算が必要となる。図１３に瞳
面１７と定在波計算のためのサンプリング点列を示す。
試料は瞳面１７を通過するすべての光で照明される。こ
のとき、同図のリング部を通過する光は、同一の入射角
で試料を照明することになる。しかし、半径が異なれば
入射角が変わり、光強度に対応したリング部の面積も変
わることになる。そこで、リング部の面積を各入射角の
光線の重みとして定在波を計算する。

【００８４】実際の計算では中心Ｏから半径方向に離散
的なサンプリング点列を通過した光線による定在波強度
を算出することになる。そこで、図１３に示すように、
定在波計算のサンプリングを瞳面１７上でΔｒとした場
合、リング内径の半径をｒ−Δｒ／２、外側の半径をｒ
＋Δｒ／２とし、リング部の面積から重みを算出する。
これを各入射角の場合の定在波強度に乗じ、さらにすべ
ての入射角の場合を積算することで定在波の強度を算出
する。これをもとに平均消衰係数の理論計算値ｋ_{th ave}
を算出して前記式（１２）により感光パラメータＡ，Ｂ
およびＣを求めれば良い。

【００８５】これまでの説明では、シリコンウエハＷの
表面に塗布形成されたレジスト膜Ｌを測定対象とした
が、シリコンウエハＷの表面に絶縁膜などの薄膜つまり
基板成膜が数層形成され、さらにその上に塗布形成され
たレジスト膜Ｌの測定にも適用することができる。この
場合には、レジスト膜Ｌの下の基板成膜の光学的影響を
考慮して、レジスト膜の膜厚、屈折率および消衰係数を
算出し、レジスト膜内の定在波の理論計算を行えば良
い。つまり、基板成膜の膜厚と光学定数とを既知の値と
し、反射率分布の定在波の理論計算を行えば良い。この
場合には、瞳面１７の反射率分布の検出に関してはなん
ら変わるところはなく、図１に示す測定装置により感光
パラメータＡ，ＢおよびＣを測定することができる。

【００８６】次に、前述したレジスト膜の感光パラメー
タの測定方法を利用した半導体リソグラフィ方法につい
て説明する。

【００８７】図１４は半導体リソグラフィ工程を示す図
であり、この工程はシリコンウエハＷの上に回転式レジ
スト塗布装置であるスピンコータなどのレジスト塗布装
置４１ａを用いてレジスト液を塗布し、レジスト膜Ｌを
形成するレジスト塗布工程４１と、ステッパなどの投影
露光装置４２ａを用いてホトマスクに形成されたマスク
パターンをレジスト膜Ｌに露光する露光工程４２と、現
像装置４３ａによりレジスト膜Ｌの不要部分を溶出する
現像工程４３とを有しており、さらに、ウエハＷの表面
に形成された薄膜の特定部位を食刻するエッチング工程
およびレジスト除去工程などを有している。

【００８８】シリコンウエハＷにレジスト塗布工程４１
で形成されたレジスト膜Ｌの膜厚、屈折率および感光パ
ラメータＡ，ＢおよびＣからなるレジスト膜パラメータ
を測定装置４４により前述のように求め、求められたレ
ジスト膜パラメータは、シミュレーション部４５に送ら
れるようになっている。感光パラメータＡ，ＢおよびＣ
を含めたレジスト膜パラメータを検出するためのレジス
ト膜Ｌとしては、実際に製造される半導体ウエハＷに形
成されたものを使用するようにしても良く、半導体ウエ
ハＷと同種の材料により製造された試料用の半導体ウエ
ハＷを基板としてこれにレジスト膜Ｌを形成し、そのレ
ジスト膜Ｌを使用して感光パラメータなどのレジスト膜
パラメータを測定するようにしても良い。

【００８９】現像装置４３ａには現像装置の作動を制御
するための制御部から制御信号が送られるようになって
おり、その制御部からはレジスト溶解速度を表す現像パ
ラメータがシミュレーション部４５に送られるようにな
っている。この現像パラメータとして与えられるレジス
ト溶解速度の測定には、現像中のレジスト膜減りを干渉
強度変化として捉える従来の手法が適用できる。

【００９０】シミュレーション部４５には、パターン情
報と基板成膜パラメータとステッパ光学条件などが送ら
れるようになっている。パターン情報とはホトマスクに
描かれたデバイスパターンの形状の情報のことであり、
半導体集積回路装置の製品名と工程に対応したマスク情
報を検索することにより求められる。また、基板成膜パ
ラメータつまり基板成膜情報はシリコンウエハＷの表面
に積層された各薄膜の厚さ、光学定数の設計値もしくは
生産ラインで収集した実測値であり、これによりレジス
ト膜Ｌの下の光学特性を算出することができる。ただ
し、ウエハＷの表面に直接レジスト膜を形成するのであ
れば、基板成膜パラメータは不要である。さらに、ステ
ッパ光学条件は露光装置４２ａを作動させるための波
長、投影露光レンズのＮＡ数、コヒーレンシー係数、照
度などのように光学的な結像性能の計算に必要な値であ
る。

【００９１】測定装置４４から送られた膜厚、屈折率お
よび感光パラメータＡ，ＢおよびＣからなるレジスト膜
パラメータと、パターン情報、ステッパ光学条件および
基板成膜パラメータとにより、潜像データが算出され、
この潜像データと現像パラメータとにより、界面溶解現
象を逐次計算することによってレジスト立体形状が求め
られる。

【００９２】このようにして、レジストの立体形状が算
出できれば、露光装置４２ａの寸法調整パラメータであ
る露光量などの露光条件の最適値を設定できる。また、
レジスト材料の製造ロット間でのばらつきなどにより、
レジスト膜パラメータである感光パラメータＡ，Ｂおよ
びＣが変動した場合には、最適露光量を短時間で修正す
ることも可能となる。

【００９３】従来では、感光パラメータＡ，ＢおよびＣ
を簡易に高精度で測定する手段がなく、レジスト形状の
シミュレーション技術をリソグラフィ工程の管理に適用
することが困難であったが、本発明によれば、レジスト
膜の反射光から感光パラメータＡ，ＢおよびＣを測定す
ることができるので、これらのパラメータを生産ライン
で容易に収集できるため、所望のレジスト立体形状を獲
得するための露光条件の設定が可能となる。

【００９４】半導体リソグラフィ方法の他の実施の形態
としては、レジスト膜パラメータと現像パラメータおよ
び基板成膜パラメータを監視し、露光作業の流れを管理
するようにしても良い。すなわち、ホトリソグラフィ工
程の異常を検知するための各パラメータを測定し、これ
らの測定値が規格値から逸脱しなければ、大量のウエハ
を露光する前に行うＳＥＭによる寸法確認作業を省略す
ることも可能となり、ＳＥＭによる寸法検査を省略する
ことができれば、生産性を向上することができる。ま
た、測定値が規格値から逸脱した場合には、生産を中断
し、測定データの異常個所を調べ、成膜、レジスト塗
布、現像のいずれが原因であるのかを速やかに判断する
ことができる。

【００９５】以上、本発明者によってなされた発明を実
施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実
施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱し
ない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

【００９６】たとえば、図示する場合にはシリコンウエ
ハを基板としてこれに形成されたレジスト膜の感光パラ
メータＡ，ＢおよびＣを測定するようにしているが、ホ
トマスクを製造する際にホトマスクの基板に形成された
レジスト膜の感光パラメータＡ，ＢおよびＣを測定する
ために本発明を適用するようにしても良い。

【００９７】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。

【００９８】(1).レジスト膜に照射した感光波長の光の
レジスト膜からの反射光を検出して感光パラメータを算
出するようにしたので、半導体ウエハなどのように照明
波長に対して不透明な基板に形成されたレジスト膜を測
定対象とすることができる。

【００９９】(2).これにより、測定専用の透明基板が不
要となり測定誤差要因が少ないことから、検査コストを
増加させることなく、レジスト感光パラメータを高精度
で測定することができ、測定値の信頼性を向上すること
ができる。

【０１００】(3).感光パラメータの検出と同時に膜厚も
測定することができるので、レジスト膜厚の測定も行う
ことができ、さらに、屈折率をも測定することができる
ので、これらのレジスト膜パラメータを管理することが
でき、半導体リソグラフィ工程の変動要因をより多くの
項目で定量的に監視して、半導体集積回路装置の生産性
を向上することができる。

【０１０１】(4).現像後のレジスト膜に形成されるレジ
スト立体形状をシミュレーションするための入力パラメ
ータを生産ラインで収集することができるので、収集し
たデータに基づいて露光条件を制御することができ、半
導体デバイスパターン寸法の制御、監視を厳密に行うこ
とが可能となり、高精度のデバイスパターンを能率良く
生産することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態であるレジスト感光パラ
メータ測定方法を適用した測定装置を示す概略構成図で
ある。

【図２】図１に示す測定装置の制御回路を示すブロック
図である。

【図３】レジスト膜での繰り返し反射干渉の状態を示す
原理図である。

【図４】レジスト感光パラメータの測定方法の原理図で
ある。

【図５】図１に示す測定装置の光学系を示す概略図であ
る。

【図６】図１に示す測定装置における検出視野の限定に
よる照度分布均一化の説明図である。

【図７】レジスト膜からの検出波形の一例を示すグラフ
である。

【図８】消衰係数の過渡変化の測定例を示すグラフであ
る。

【図９】レジスト膜中の定在波の計算例を示すグラフで
ある。

【図１０】レジスト膜中の消衰係数の計算例を示すグラ
フである。

【図１１】レジスト感光パラメータＡ，ＢおよびＣを算
出する手順を示すフローチャートである。

【図１２】レジスト感光パラメータＡ，ＢおよびＣの算
出アルゴリズムを示すフローチャートである。

【図１３】定在波計算における重みの考え方を示す概略
図である。

【図１４】本発明の一実施の形態である半導体リソグラ
フィ方法を示す工程図である。

【図１５】従来のレジスト感光パラメータの測定装置を
示す概略図である。

【図１６】図１５に示す測定装置による測定結果を示す
グラフである。

【符号の説明】

Ｌレジスト膜Ｗウエハ５ａ，６ａ入射光線５ｂ，６ｂ反射光線１１光源１２コレクタレンズ１３単色フィルタ１４シャッタ１５ハーフミラー１６対物レンズ１７瞳面２１検出器２２レンズ２３絞り２４偏光板３１ＣＰＵ３２Ｚ軸モータ３４波形メモリ３５反射率算出部３６過渡変化算出部３７感光パラメータ算出部４１レジスト塗布工程４２露光工程４３現像工程４４測定装置４５シミュレーション部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者國吉伸治東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式会社日立製作所半導体事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板に形成されたレジスト膜に感光波長
の光を集光照射し、照明開始後の反射光をレンズで捕捉
し、該レンズの瞳面における反射光強度分布の時間に伴
う変化を検出し、この検出値に基づいて感光パラメータ
を算出するようにしたことを特徴とするレジスト感光パ
ラメータの測定方法。
【請求項２】請求項１記載のレジスト感光パラメータ
の測定方法であって、前記レジスト膜の膜厚、屈折率お
よび消衰係数を連続的に検出してこれらの過渡変化特性
を算出し、前記膜厚および屈折率の過渡変化特性に基づ
いて前記レジスト膜内の平均消衰係数の理論値を算出
し、この理論値と前記消衰係数の過渡変化特性とを照合
して感光パラメータを算出するようにしたことを特徴と
するレジスト感光パラメータの測定方法。
【請求項３】請求項１記載のレジスト感光パラメータ
の測定方法であって、前記感光波長に対して不透明な基
板に形成されたレジスト膜の感光パラメータを測定する
ようにしたことを特徴とするレジスト感光パラメータの
測定方法。
【請求項４】請求項１記載のレジスト感光パラメータ
の測定方法であって、前記基板に形成された前記感光波
長に対して不透明な基板成膜に形成されたレジスト膜の
感光パラメータを測定するようにしたことを特徴とする
レジスト感光パラメータの測定方法。
【請求項５】請求項１記載のレジスト感光パラメータ
の測定方法であって、前記反射光を偏光素子を通過した
後に検出するようにしたことを特徴とするレジスト感光
パラメータの測定方法。
【請求項６】請求項１記載のレジスト感光パラメータ
の測定方法であって、前記反射光をレジスト膜の結像面
に設置した絞りを通過した後に検出するようにしたこと
を特徴とするレジスト感光パラメータの測定方法。
【請求項７】基板にレジスト液を塗布してレジスト膜
を形成するレジスト塗布工程と、前記レジスト膜にパタ
ーンを露光する露光工程と、レジスト膜の不要部分を溶
出する現像工程とを有する半導体リソグラフィ方法であ
って、前記レジスト膜に照射した光の反射光により前記レジス
ト膜の膜厚、屈折率および消衰係数を連続的に検出して
これらの過渡変化特性を算出し、前記レジスト膜に照射した光の反射光により前記レジス
ト膜のレジスト膜パラメータを算出し、前記レジスト膜パラメータとパターン情報とステッパ光
学条件とによりレジスト膜内の潜像を算出し、算出された潜像と現像パラメータとによりレジスト膜内
に形成される潜像の立体形状を算出し、前記露光工程における露光条件を制御するようにしたこ
とを特徴とする半導体リソグラフィ方法。
【請求項８】請求項７記載の半導体リソグラフィ方法
であって、前記基板に基板成膜を介して形成されたレジスト膜のレ
ジスト膜パラメータとパータン情報と基板成膜パラメー
タと前記ステッパ光学条件とによりレジスト膜内の潜像
を算出するようにしたことを特徴とする半導体リソグラ
フィ方法。
【請求項９】請求項７記載の半導体リソグラフィ方法
であって、レジスト膜パラメータと現像パラメータと基板成膜パラ
メータのいずれかを測定し、測定値が規格値以内であるか否かを比較し、規格値を外れたパラメータからリソグラフィ工程におけ
る異常個所を検出するようにしたことを特徴とする半導
体リソグラフィ方法。
【請求項１０】請求項８記載の半導体リソグラフィ方
法であって、前記レジスト膜パラメータが膜厚、屈折率および感光パ
ラメータであり、前記現像パラメータがレジスト溶解速
度であり、前記基板成膜パラメータが前記基板と前記レ
ジスト膜との間に形成された薄膜の膜厚および光学定数
であることを特徴とする半導体リソグラフィ方法。