JP3444010B2 - パターン形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体を製造する際のフ
ォトリソグラフィ工程に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスはパターンの微細
化に伴いその加工精度に対する要求はますます厳しくな
っている。特にリソグラフィにおけるパタ−ン形成にお
いては、寸法バラツキを抑えるために様々な工夫が凝ら
されている。以下図面を参照しながら、上記した従来の
パタ−ン線幅制御方法の一例について説明する。

【０００３】図９は従来のパタ−ン形成方法を説明する
装置の要部構成図である。図９において、１２は光を照
射してウエハの一部を照明する投光部であり、２２は投
光部１２から照射された光が、レジスト及び基板で反射
した時の光強度を検出する受光部である。また３２は選
択的に露光されたレジストを表面に有するウエハであ
る。これらは現像機４２内に入っている。５２はコント
ロールユニットで受光部２２からの光強度データを受け
とり、それを基に最適な現像終了時間を現像機４２に指
示する働きを有する。

【０００４】以上のように構成されたパタ−ン線幅制御
方法について、以下その動作について説明する。

【０００５】まずレジスト上にパタ−ン露光されたウエ
ハ３２が現像機４２内の基板支持台に載置される。次に
現像液がウエハ３２上に滴下されると同時に投光部１２
からウエハに向けて光が一定領域内（通常数ｍｍ角）に
照射される。この時投光部１２の光の波長はレジストを
感光させない波長でなければならず、ｇ線（４３６ｎ
ｍ）用やｉ線（３６５ｎｍ）用レジストではそれよりも
長波長側の光が用いられる。現像液が滴下されると時間
とともに露光された領域のレジストは溶解し、徐徐にそ
の膜厚が薄くなるため、受光部２２にはレジスト膜厚の
違いによる光強度の強弱が観測される。露光部のレジス
トが全て溶けると光強度の変動は極端にゆるやかになる
ため、現像液が塗布されてからそれまでの時間を計測す
ることによってｉｎ−ｓｉｔｕに現像の進行状態を認識
することができる。また、受光部２２から光強度のデー
タが送られたコントロールユニット５２ではレジストが
全て溶解した時間をもとに即座に現像機４２に適切な現
像終了時間を指示する。現像終了時間を指示された現像
機４２は指示された時間になると現像を打ち切り、水で
リンスしたのちウエハを振りきり乾燥して次工程へ送り
出す。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな構成では、投光部の照射領域内に、様々な寸法、密
度を有するパタ−ンが共有する場合、露光領域の面積に
よってレジストが溶ける時間が異なるために光強度の信
号波形が正確に得られないという問題点を有していた。
同じ理由から様々なパターン寸法パターン密度がランダ
ムに配置されているウエハ（通常のデバイス）では複数
のウエハ間で正確な信号波形を得るためには、照射領域
をウエハ内の同一箇所に正確に当てなけれならない。な
ぜなら、仮にレジストが溶解する時間がウエハ間でばら
ついていたとしても、それが照射領域が異なるためか、
下地基板の反射が異なるためかは判断できなくなるから
である。従って投光部とウエハを正確にアライメントす
る構造がさらに必要とされる。

【０００７】また照射領域に基板段差が存在する場合、
段差によるレジスト膜厚の変化や、基板から反射する光
が散乱して検出する光強度が変化して、安定した検出波
形が得られないという問題がある。これらの要因によっ
て従来の構成では線幅制御を精度良く行えないという問
題点を有していた。特に０．５μｍ以降のデザインルー
ルではパターンの線幅精度を±１０％以内と設定した場
合、線幅変動を±０．０５μｍ以内に抑える必要があ
り、従来例では上記の問題点によりこの範囲内に線幅コ
ントロールすることは難しくなっている。

【０００８】従って本発明は上記問題点に鑑み、０．５
μｍ以降のデザインルールのパタ−ンでも安定した線幅
制御を得ることができるパタ−ン形成方法を提供するも
のである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明のパタ−ン形成方法は、ウエハ上にレジスト
現像終点検出用の専用エリアを設け、その専用エリアに
光を照射し、レジスト及び基板からの反射光を検出して
レジストの現像状態をｉｎ−ｓｉｔｕに観測し、そのデ
ータを現像時間にフィードバックさせて所望のパタ−ン
を得るという構成を備えたものである。専用エリアに
は、その上に専用パターンを転写するものと転写しない
ものがあり、後者はレジストが感光する（露光波長と同
じ）光で現像中にレジストを溶かすことによって現像の
進みぐあいをモニターする方法である。

【００１０】

【作用】本発明は、一様な専用パターンを特別に入力し
た専用領域を設ける事によって、検出されるレジストの
溶解時間がパターンや下地の影響を受けなくなるため、
正確で再現性の良い検出信号が得られる。またもう一つ
の手段として露光光と同一の波長を用いて露光されてい
ない領域のレジストを照射し溶解させ、その時のレジス
ト表面で反射する光強度をモニターすることによって
も、安定した信号波形が得られる。この場合はパタ−ン
露光と同一な波長を用いるので、異なる光の波長でモニ
ターするよりも正確に下地膜の反射率の違いが認識でき
るという利点を有する。なぜなら波長が異なる場合、下
地の膜厚の違いで起こる反射光の強弱の周期が波長によ
って変わるため（レジストの寸法もこれに応じて変化す
る）、下地膜厚の違いによる反射率変化には対応できな
い。以上２つの発明はデバイスを作成する領域外で現像
の進行度合をモニターすることを特徴としている。その
ため作製する半導体デバイスの種類やレイヤーに関係な
く、モニター領域の下地を平坦にすることが可能であ
り、塗布するレジスト膜厚を常に一定に保つことができ
る。これはレジスト膜厚の違いによって終点検出の時間
が大きくずれることを防止する効果が得られる。これら
の結果、レジストパターンの線幅制御を従来例に比べ向
上させることができる。

【００１１】

【実施例】以下本発明の実施例のパタ−ン形成方法につ
いて、図面を参照しながら説明する。

【００１２】（実施例１）図１は本発明の第１の実施例
におけるパタ−ン形成方法を説明する装置の構成図を示
したものである。図１において、１はウエハ上に光を照
射する投光部であり２は基板から反射した光を検出する
受光部で、３はレジストが塗布され露光が終えたウエハ
で３Ａは現像終点検出用のパターンが露光された領域で
あり、これらは現像機内４に入っている。５は受光部２
からの信号をデータ処理し、適切な現像終了時間を現像
機４に指示するコントロールユニットである。

【００１３】以上のように構成された装置を用いたパタ
−ン形成方法について、以下図１、図２、図３及び図４
を用いてその動作を説明する。

【００１４】露光されたウエハ３が現像機４に入り、現
像液がウエハ３上に滴下される。それと同時に投光部１
から光がウエハ３上のオリフラの近くに位置する現像終
点検出パタ−ン３Ａへ照射され、その反射光を受光部２
が検出する。パターン３Ａは０．６μｍのLine and Spa
ce パターンが用いられ、その大きさは１００μｍ角で
あり、また投光部１の照射する領域は直径１０μｍであ
る。照射領域を小さくしたことによって専用エリアへの
アライメントを容易にできる。投光部１から照射される
光の波長はレジストを感光しない波長に限定され、本実
験では、レジストにｉ線用レジスト、投光部にＨｅ−Ｎ
ｅレーザ（波長６３２．８ｎｍ）をもちいた。

【００１５】現像終点検出パタ−ン３Ａの露光された領
域のレジストは溶解し、徐徐にその膜厚が薄くなるた
め、受光部２にはレジスト膜厚の変化による光強度の強
弱が観測される。露光された部分のレジストが全て溶け
ると光強度の強弱は観測されなくなる。受光部２が得た
データはコントロールユニット５に転送される。コント
ロールユニット５では光強度の波形から振幅が観測され
なくなった時点を判断し、現像液がウエハ３に塗布され
てから基板に達するまでの時間を計算し、その時間をも
とにｉｎ−ｓｉｔｕに現像機４に現像終了時間の指令を
送る。現像機４は指令された時間で現像を打ち切りウエ
ハ３を次工程に送り出す。

【００１６】図２に現像終点検出パタ−ン３Ａの存在す
る領域の断面図を示す。６は基板で７は例えばゲートの
様なデバイス段差、８はその上に塗布されたレジストで
ある。現像終点検出パタ−ン３Ａはデバイス領域外の専
用領域内に形成される。

【００１７】現像終点検出パタ−ンの下地にはデバイス
段差７がなく平坦になっているため、その上に塗布され
たレジスト８の膜厚は均一になる。この効果は現像終点
検出パターンの領域が広ければ広いほど効果的である。
これによって現像終点検出パタ−ンの領域のレジスト膜
厚は常に安定し、かつデバイス段差による光の散乱も防
げ現像終点を正確に検出することができる。

【００１８】図３は専用パタ−ンとして０．６μｍのLi
ne and Spaceパターンを現像したときの光強度波形の１
例である。照射領域すべてが０．６μｍLine and Space
パタ−ンなので、ランダムパターンからの反射光強度が
入っておらず、下地もフラットなため、現像の終点検出
が明確にできる光強度波形が得られている。またパター
ン３Ａのパターン寸法については、実デバイスパターン
の制御したい線幅により近いほうが制御性が向上する。

【００１９】図４は専用領域に設定した０．６μｍLine
and Space パターンを用いて露光部のレジストが溶解
し、現像液が基板に達するまでの時間を割り出し、ウエ
ハごとに現像終了時間をコントロールして得られた０．
５μｍのレジスト線幅を測定したデータである。従来例
にくらべて線幅精度が向上していることがわかる。

【００２０】以上のように本実施例によれば、ウエハに
現像終点検出用の専用パタ−ン領域を設け、専用パタ−
ンを露光することにより、寸法精度のよいレジストパタ
−ンを形成することができる。

【００２１】（実施例２）以下図５を参照しながら本発
明第２の実施例におけるパターン形成方法について説明
する。本発明第２の実施例は上記した第１の実施例にお
ける現像終点検出パタ−ン３Ａをウエハ中央に備えるこ
とを特徴とするパタ−ン形成方法である。

【００２２】図５はウエハの平面図でウエハの中央に２
００μｍ角の現像終点検出パタ−ンが露光されている。
それ以外の領域は最小０．５μｍのパターン線幅を有す
るデバイス領域である。デバイス現像終点検出パターン
は０．５μｍ Line and Space パターンを用いた。また
投光部の照射面積は直径１０μｍである。この構造によ
れば、現像時にウエハのオリフラがどの方向を向いてい
ても、ウエハが回転していても専用パターン中心付近が
回転軸となるようにウエハの位置決め（センタリング）
さえ行っていれば容易に投光部からでる光を現像終点検
出パタ−ンに照射することができる。

【００２３】（実施例３）以下本発明の第３の実施例に
ついて図面を参照しながら説明する。

【００２４】図６は本発明の第３の実施例を示すパタ−
ン形成方法を説明する装置の構成図である。

【００２５】図６において、１１はウエハ上に光源を照
射する投光部であり２１は基板から反射した光を検出す
る受光部で、３１はウエハであり、これらは現像機４１
内に入っている。５１は受光部２１からの信号をデータ
処理し、現像終了時間を現像機４１に指示するコントロ
ールユニットである。上記の第１の実施例と異なる点
は、パターン露光をしない検出専用領域を設けた点と投
光部の光の波長を露光光と同様にした点である。

【００２６】以上のように構成されたパターン形成方法
ついて、以下図６を用いてその動作を説明する。

【００２７】ｉ線（３６５ｎｍ）でパターン露光された
ウエハ３１が現像機４１に入り、現像液がウエハ３１上
に滴下される。それと同時に投光部１１から光がウエハ
３１上のオリフラの近くに位置する露光がされていない
５００μｍ検出専用領域３Ｂへ照射され、その反射光を
受光部２１が検出する。この時投光部１１の光の波長は
露光光と同様の３６５ｎｍの光が用いられ、その面積は
直径３０μｍである。

【００２８】そのため投光部１１の光によって照射され
た領域のレジストは感光され溶解していく。その時の反
射光の波形を受光部２１がモニターする。受光部２１で
はレジストが溶解し、膜厚が変化すると光強度の強弱が
観測されるが、照射領域のレジストがすべて溶解すると
光強度は一定となる。受光部２１が得たデータはコント
ロールユニット５１に転送される。コントロールユニッ
ト５１では現像液が塗布されてからレジストが溶解する
までの時間をｉｎ−ｓｉｔｕで計算し、現像機４１に現
像終了時間の指令を送る。現像機４１はコントロールユ
ニット５１から指令された現像終了時間で現像を打ち切
り、ウエハ３１を次工程に送り出す。

【００２９】本実施例では投光部の光が露光波長と同じ
波長を用いているため、基板の下地膜厚の違いによる反
射率の違いを正確に認識することができ、微妙な下地の
反射率の違いによるレジスト内の露光量の違いを認識出
来る。また現像終点検出パタ−ンを特別に露光する必要
はなく、第１の実施例と比較すると、現像終点検出パタ
−ンのマスクを設けずにすむ、またステッパで現像終点
検出パタ−ンを露光する時間が省けスループットを向上
させることができる長所を有している。

【００３０】以上のように、 第３の実施例における露
光波長と同じ光の波長を有する投光部を設けることによ
り、 通常工程と変わらないスループットを得ることが
できる。図７に第３の実施例によりウエハごとに現像時
間をコントロールして得られた０．３５μｍの線幅のデ
ータを示す。コントロールしない場合にくらべて線幅精
度が向上していることがわかる。

【００３１】（実施例４）本発明第４の実施例は上記し
た第３の実施例におけるパタ−ン形成方法において露光
されていない領域３Ｂをウエハ中央に備えることを特徴
とするパタ−ン形成方法である。図８はウエハの平面図
でウエハの中央に露光されていない領域３Ｂが配置され
ている。それ以外のエリアは実際に作成されるチップの
パタ−ンが露光されている。この構造によってウエハの
オリフラがどの方向を向いて現像されていても、また現
像中にウエハが水平を保ったまま回転していても専用パ
ターンエリア３Ｂの中心が回転軸となるようにウエハ位
置決め（センタリング）さえ行っていれば容易に投光部
からでる光を領域３Ｂに照射することができる。またこ
れによってウエハと投光部、受光部とのアライメント装
置を省略することができる。

【００３２】なお、第１、第３の実施例において、投光
部１と受光部２とは別々にしたが、分かれていなくても
もよい。

【００３３】また第１、第２の実施例では現像検出パタ
ーンは０．６μｍと０．５μｍのラインアンドスペース
パターンを用いたが、その寸法は管理したい線幅に近け
れば何でよい。

【００３４】また第１、第２の実施例では現像検出パタ
ーンにラインアンドスペースパターンを用いたが、同じ
パターンの繰り返し、つまり露光面積が一様であれば何
でもよい。

【００３５】また第２、第４の実施例ではセンターチッ
プを露光せずにその位置に光強度を検出する専用エリア
を配置したが、スクライブライン上やデバイスのテグパ
ターンや空き領域上でもウエハ中心に配置されていれば
何でもよい。また、第１、３の実施例では現像時間によ
って線幅をコントロールしたが、現像液の量や塗布の回
数、温度等によって線幅をコントロールしてもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上のように本発明は現像終点検出専用
パタ−ンをウエハに設けて投光部をそのパタ−ンに照射
してその反射光を受光部で検出する、あるいは、露光波
長と同じ波長を投光部がパタ−ン露光していない部位に
照射し、レジストが溶解する時間を受光部を持ちいて検
出することによってパタ−ン線幅をより正確に安定して
形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例におけるパタ−ン形成を
行う装置の構成図

【図２】同実施例における現像終点専用パターンの断面
図

【図３】同実施例における現像終点専用パターンの光検
出波形を示す図

【図４】同実施例における線幅制御を行ったものと従来
例のパタ−ン線幅の比較データを示す図

【図５】本発明の第２の実施例におけるウエハの平面図

【図６】本発明の第３の実施例におけるパターン形成方
法を行う装置の構成図

【図７】本発明の第３の実施例における線幅制御を行っ
たものと従来例のパタ−ン線幅の比較データを示す図

【図８】本発明の第４の実施例におけるウエハの平面図

【図９】従来のパタ−ン形成を行う装置の構成図

【符号の説明】

１、１１、１２ 投光部 ２、２１、２２ 基板からの反射光を検出する受光部 ３、３１、３２ パタ−ンが露光されたウエハ ３Ａ 現像終点検出パタ−ン ３Ｂ パタ−ン露光をしない検出専用領域 ４、４１、４２ 現像機 ５、５１、５２ コントロールユニット ６ 基板 ７ デバイス段差 ８ レジスト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G03F 7/30

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】デバイスが形成されない領域を有するウエ
   ハ上にレジストを塗布する工程と、前記レジストを現像
   するとともに露光波長または前記露光波長付近の光を用
   いて前記デバイスが形成されない領域を露光する工程
   と、前記デバイスが形成されない領域を露光する工程と
   同時に前記露光の光が前記レジスト及び前記ウエハから
   反射する光強度を検出する工程と、前記光強度の結果を
   基にして現像条件を制御して前記ウエハ上のデバイスが
   形成された領域のパターンを形成する工程とを有するパ
   タ−ン形成方法。
2. 【請求項２】前記デバイスが形成されない領域は、前記
   ウエハの中央に配置されている請求項１に記載のパタ−
   ン形成方法。