JPH0626833A - 結像特性の測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 照明条件や投影条件の差異による焦点深度や
解像力等の結像特性の変化を定量的に求める。 【構成】 解像限界に近い線幅のパターンを、フォーカ
ス状態を少しずつ変えながら投影露光し、形成されたレ
ジスト像のトップ幅Ｔとボトム幅Ｂの比Ｔ／Ｂを各フォ
ーカス位置毎に求め、そのデータをグラフ化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路の製造
工程のうち、リソグラフィ−工程で使用される露光装置
の結像特性（転写特性）の変化を高精度に測定する方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】リソグラフィー工程で使用される露光装
置は、年々微細化が進むマイクロパターンの転写のた
め、その転写性能を可能な限り高めることが要求されて
きている。１９８０年代の初頭には、光（紫外線）を用
いた転写可能線幅は１μｍまでが限界で、ハーフミクロ
ン領域の転写にはＸ線が使われると考えられていた。そ
の頃、光学式の露光装置として縮小投影型露光装置、い
わゆるステッパーが半導体製造現場に多数投入されるよ
うになった。ステッパーは、レチクルに形成されたパタ
ーンを１／５、又は１／１０に縮小して半導体ウェハ上
のレジスト層に投影する高精度な投影光学系と、ウェハ
を一定ピッチで２次元的にステップ移動させる高精度な
移動ステージとを有することが大きな特徴である。さら
に投影光学系の性能を最大限に引き出すために、レチク
ルを露光用照明光で照射する照明系にも特別な工夫（フ
ライアイインテグレータの利用等）がなされている。

【０００３】このようなステッパーは、時代とともに高
精度化、オートメーション化が進み、露光用照明光の短
波長化ということから、水銀ランプのｇ線（波長４３６
ｎｍ）よりｉ線（波長３６５ｎｍ）が使われるようにな
り、さらには水銀ランプの輝線に代わって紫外域のハイ
パワーレーザ光源（エキシマ等）も使われるようになっ
た。また投影光学系の進歩も著しく、光学設計、硝材開
発、加工、製造技術等の努力によって現在ではハーフミ
クロン以下の線幅のパターンの解像が容易に得られるよ
うになってきた。この数値は、８０年代初頭に考えられ
た状況を大きくくつがえすことになった。

【０００４】現在、最先端のステッパーは、水銀ランプ
のｉ線を用いたもので０．４５μｍ程度の解像力を有
し、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）を用いた
もので０．３５μｍ程度の解像力を有するに至った。さ
らに水銀ランプ、エキシマレーザのいずれを用いても、
その照明系内のフーリエ変換面上での照明光分布を制御
することで、露光装置としての解像力をさらに数十％程
度向上させる工夫（ＳＨＲＩＮＣ）が特開平４−１８０
６１２号公報に開示されている。そのＳＨＲＩＮＣ（Su
per High Resolution by Illumi-Nation Control) と
は、照明系のフーリエ変換面の位置に、レチクルパター
ンの周期性，周期方向性に関連した開口形状をもつ空間
フィルターを設けることによって、ウェハへ達する結像
光束の特質を改善して解像力、及び焦点深度を向上させ
る方式の総称である。

【０００５】このように、照明系や投影光学系の光学的
な諸条件が様々に調整された場合、その調整によって露
光されたパターンの結像特性がどのようなものなのかを
定量的に測定する必要がある。従来から知られた結像特
性の測定方法として、代表的に以下の２通りの手法があ
った。 投影されたパターンの空間像を光電センサーによって
直接計測する手法（特開昭５９−９４０３２号公報
等）。

【０００６】投影されたパターン像を感光基板のレジ
スト層に露光し、現像後に出現するレジスト像（凹凸パ
ターン）を計測する手法（特開平２−３０１１２号公報
等）。これら２つの手法のうち、現在最も良く使われて
いるのはの手法であり、その中でも常用される手法
は、現像後のレジスト像の断面形状を電子顕微鏡写真で
撮影し、その写真上のレジストプロファイルを観察する
手法、もしくはレジスト像を光学顕微鏡等で拡大して、
レジスト像のエッジ間の線幅（ボトム線幅）を計測する
手法である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記、従来の測定技術
のうち、の空間像の直接検出手法においては、昨今の
サブハーフミクロン（０．５μｍ以下）のデザインルー
ルのパターンに関する結像特性計測に適した光電センサ
−が得られない点で、実用化が難しいと考えられてい
る。すなわち、０．５μｍ以下の線幅のパターン像を分
解能よく受光する撮像素子（ＣＣＤ等）やそのパターン
像を０．５μｍよりも十分狭い幅のスリットで走査して
透過光を受光する走査スリット式光電検出器等が簡単に
得られないからである。またのレジスト像の計測手法
のうち、断面形状の電子顕微鏡写真の撮影においては、
サンプル作成に手間がかかると言う問題がある。またレ
ジスト像のボトム線幅の変化を計測する手法では、レジ
ストの進歩に伴って、パターン像の投影時のデフォーカ
スに対してほとんどボトム線幅の差が出ないため、結像
特性の違いを判断しにくいと言う問題が生じた。

【０００８】本発明は、上述の問題点に鑑みてなされた
もので、露光装置の照明条件や投影条件の変更に伴う結
像特性（転写特性）の変化、特に投影像のフォーカスマ
ージンの変化を、サブハーフミクロン領域のデザインル
ールのパターンに対して簡単に、かつ高感度に測定する
方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで本発明では、原版
上のパターンを投影光学系を介して感光基板上のレジス
ト層に転写した後、その転写像の寸法を計測することで
結像特性を測定する方法において、露光光に対する吸収
が比較的大きいレジスト層を一定の厚みで感光基板に塗
布し、この感光基板上にレチクルのパターン、例えば解
像限界に近い一定ピッチのライン・アンド・スペース
（Ｌ＆Ｓパターン）の投影像を、フォーカス状態を微小
量ずつ変化させて複数カ所に露光する。その後、その感
光基板を現像して、露光されたパターンのレジスト像を
出現させ、そのレジスト像の表面部（トップ）の線幅Ｔ
と、底部（ボトム）の線幅Ｂとを計測する。そして、露
光時のフォーカス状態の変化に対応させて、各フォーカ
ス位置毎に測定された線幅Ｂ、Ｔの比、例えばＴ／Ｂを
算出する。こうして算出された比の値を各フォーカス位
置毎にグラフ化すると、フォーカスマージンに関する特
性が視覚的にとらえられる。この特性は、照明条件や投
影条件の違いに敏感に応答して変化する。

【００１０】

【作用】本発明は、解像限界に近い線幅のパターンのレ
ジスト像の断面が、露光光の吸収が大きい組成、換言す
れば露光光に対する透明度が低い組成のレジスト程、台
形状になりやすいと言う点に着目してなされたものであ
る。一般にレジスト層の感光（光化学反応）は、その表
面から下地の方へ進むが、吸収の大きいレジストである
と、表面部分のレジストは感光が早く進み、下地の部分
のレジストは感光が遅い。このため現像後のレジスト層
のエッジ部は比較的大きなテーパ（台形の斜辺）をもっ
て形成される。このテーパは投影されたパターン像のエ
ッジ部の光強度分布変化（変調度もしくは鮮鋭度）にも
依存して大きくなる。すなわち、ベストフォーカス像を
レジスト層に結像した状態でのエッジの光強度分布変化
に対して、ベストフォーカスからわずか（例えば焦点深
度程度）にずれた状態でのエッジの光強度分布変化はか
なり悪化する。本発明では投影されたエッジ像の光強度
分布変化と、レジスト像のエッジがテーパ状になりやす
いという２つの特質の相乗効果によって、感度の高い測
定を可能としている。

【００１１】そこで、本発明の原理について図１を参照
して説明する。図１（Ａ）はレチクル上に形成されたＬ
＆Ｓパターンの断面状態を模式的に表したものである。
図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＬ＆Ｓパターンの投影光学系
による投影像の感光基板上での強度分布を模式的に表し
たものである。この図１（Ｂ）において強度分布Ｖ₁は
投影像が感光基板上に正確に焦点合わせされた状態を示
し、強度分布Ｖ₂ はわずかにデフォーカスした状態を示
す。さらに図１（Ｂ）中のレベルＳＨは、露光エネルギ
ー（ドーズ量）のスレッシュホールドであり、ポジ型レ
ジストの場合、これ以上のエネルギーを与えられたと
き、レジスト層が現像時に除去される。図１（Ｃ）は強
度分布Ｖ₁ の像を一定時間露光して得られたレジスト像
の断面を示し、図１（Ｄ）は強度分布Ｖ₂ の像を同一露
光時間で露光して得られたレジスト像の断面を示す。こ
こで使用されるレジストを露光光に対する吸収が大きい
ものにすると、ベストフォーカス状態でも図１（Ｃ）の
ようにＬ＆Ｓパターンの各ライン（又はスペース）の断
面は台形状になり、ベストフォーカス状態からずれるに
従ってその断面は図１（Ｄ）のように上底の寸法が狭く
なってくる。

【００１２】そこで図１（Ｃ）で得られたラインパター
ンのレジスト像の上底（トップ）の線幅Ｔ₁ と下底（ボ
トム）の線幅Ｂ₁ とを測定し、その比Ｔ₁ ／Ｂ₁ を求め
る。同様にデフォーカス状態を順次異ならせたいくつか
の点で同様にトップ線幅とボトム線幅との比（図１
（Ｄ）ではＴ₂ ／Ｂ₂ ）を求める。そして得られた各フ
ォーカス状態毎の比の値から図１（Ｅ）のようなグラフ
を作成する。図１（Ｅ）で横軸がフォーカス状態、縦軸
がトップとボトムの線幅比Ｔ／Ｂである。このグラフ
上、Ｔ／Ｂ比がある値、例えば０．２〜０．３以上得ら
れる範囲が、所謂焦点深度（又はフォーカスマージン）
と呼ばれる。この図１（Ｅ）ではベストフォーカス状態
のときＴ／Ｂ比が０．５以上あるように示したが、パタ
ーン線幅が極めて細い場合や、レジストの種類、膜厚に
よっては、Ｔ／Ｂ比はベストフォーカス状態でも０．５
以上にならないこともある。また、図１（Ｅ）のグラフ
は、単一の特性で見る限り、単なる焦点深度を表すグラ
フであるが、露光装置の照明条件（σ値、照明開口絞り
形状等）や投影条件（投影光学系のＮＡ絞り等）を変え
ると、そのグラフの特性がドラスティックに変化するこ
とが実験により確認された。

【００１３】

【実施例】図２は、本発明による測定方法を実施するの
に好適な投影露光装置（ステッパー）の構成を示す。こ
こではエキシマレーザ光を露光光とするエキシマステッ
パーを例にして説明するが、水銀ランプのｇ線、ｉ線を
露光光とする通常のステッパーでも、全く同じに本発明
が実施できることは言うまでもない。

【００１４】さて、図２において、パルス発振型のエキ
シマレーザ光源１を射出したレーザビーム（通常、矩形
断面）は、全反射ミラー３で偏向されて光量調整部５
（通常、透過率を１００％に設定）を通ってからビーム
形状調整部７へ入射する。このビーム形状調整部７内に
はシリンドリカルレンズ等が含まれ、ビームの矩形断面
を正方形断面に整形するとともに、後段の照度均一化手
段１１へビームが効率よく入射するような断面寸法に調
整する。こうしてビーム形状調整部７から射出したビー
ムは全反射ミラー９で偏向されて照度均一化手段１１に
入射し、ビームの断面方向の強度分布を高い精度で均一
化する。この照度均一化手段１１内には、フライアイレ
ンズ、光ファイバー束等のオプチカルインテグレータ等
が設けられ、コンデンサーレンズ１９と共同してレチク
ルＲ上の照度を均一にする。またエキシマレーザ光源１
がスペクトルの狭帯化によって可干渉性の高いレーザビ
ームを発振する特質を有するときは、例えば特開昭５９
−２２６３１７号公報に開示されているように、フライ
アイレンズに入射するビームの角度を振動ミラーによっ
て微小量変化させる構成が照度均一化手段１１内に設け
られているものとする。その振動ミラーを１ショットの
露光中に振ることによって、高い可干渉性により発生す
る光学的なノイズ（干渉縞、スペックル等）が低減（各
パルス露光毎に発生する干渉縞やスペックルの位置を微
妙にずらして均質化）される。

【００１５】ところで、照度均一化手段１１の射出口に
は、所謂２次（又は３次）光源面が形成されている。こ
の２次光源面は、例えばフライアイレンズの射出側空間
に形成される数百〜数千個の点光源の２次元的な集合に
よって作られる。そして２次光源面、もしくはその近傍
には、照明条件を変えるための絞り１３が設けられる。
この絞り１３は実効的な２次光源面の大きさを比例的に
縮小したり、又は２次光源面の実効的な形状を変更した
りする。絞り１３を通った各点光源からのビームは透過
率の高いビームスプリッタ−１５で大部分が透過され、
全反射ミラー１７で偏向されてコンデンサーレンズ１９
に入射し、このコンデンサーレンズ１９の焦点位置に配
置されたレチクルＲのパターン面上で重畳される。これ
によってレチクルＲは均一な照度で照明される。

【００１６】レチクルＲには通常、クロム層、又は位相
シフターでパターンが形成されており、このパターンを
透過した光は、両側テレセントリックな投影レンズＰＬ
に入射し、ウェハＷ上にレチクルＲのパターン像が結像
される。投影レンズＰＬ内の瞳２１は、照明系内の２次
光源面（絞り１３）と共役な位置となっている。この瞳
２１は投影光学系内のフーリエ変換面と呼ばれ、照明光
学系内の２次光源面は照明系内のフーリエ変換面と呼ば
れる。

【００１７】さて、ウェハＷはＺステージ２３上に載置
され、Ｚステージ２３はＸＹステージ２５上に保持され
る。ＸＹステージ２５はレーザ干渉計による位置計測の
もとで、駆動系２７によりＸＹ平面（投影レンズＰＬの
光軸と垂直な面）内を２次元移動する。Ｚステージ２３
は、ウェハＷの表面の光軸方向（Ｚ方向）の変位を斜入
射光式で検出するフォーカス制御部２９によってＺ方向
に微動される。またフォーカス制御部２９には、斜入射
光式で検出されたウェハＷの表面を、ベストな状態から
一定量だけオフセットさせてＺステージ２３を位置決め
する機能も設けられている。

【００１８】一方、ビームスプリッタ１で反射されたビ
ームの一部は、光量モニター（光電センサー）３１に受
光され、その出力信号は露光量制御部３３に送られる。
この露光量制御部３３は、予め定められた露光量制御ロ
ジックに従ってエキシマレーザ光源１に発光トリガ信号
を送るとともに、必要に応じて光量調整部５へ減光指令
を送り、ビームの光量を指定した値へ減衰させる。露光
量制御ロジックとしては、特開昭６３−３１６４３０号
公報に開示された方式がそのまま利用でき、また干渉縞
低減の制御と露光量制御とを両立させる必要があるとき
は、特開平１−２５７３２７号公報に開示されているよ
うに露光量制御部３３から照度均一化手段１１内の振動
ミラー等に指令を送るようにしてもよい。以上、図２に
示した装置はエキシマステッパーの場合であるが、水銀
ランプのｇ線、ｉ線を露光光とするステッパーでは、露
光量制御がシャッターの開閉制御によって行われる点が
大きく異なるだけで、それ以外の構成は基本的にはエキ
シマステッパーと同じである。

【００１９】ここで、図２に示した絞り１３の形状と、
投影レンズＰＬの瞳２１との関係について説明する。図
２の場合、瞳２１に２次光源面の像が空中像として結像
するケーラ照明法を採用している。瞳２１は有限の直径
をもち、この瞳２１を通った光だけがウェハＷへ結像光
束となって達する。そのため、瞳２１の有効径がその投
影レンズＰＬのＮＡ（開口数）を決めることになる。最
近の投影レンズとしてＮＡが０．５以上のものも発表さ
れているが、ＮＡ＝０．５とすると、ウェハＷ上の一点
に結像する光束の主光線に対する開き角θは、θ＝ａｒ
ｃｓｉｎ（０．５）＝３０°という極めて大きなものと
なる。

【００２０】さて、この種の投影系では、瞳２１の有効
径内に２次光源面の像が包含されるような大きさで結像
される。レチクルＲがない状態で、瞳２１内に形成され
る２次光源面の像の面積（Ｓｉ）と、瞳２１の有効径に
よって決まる面積（Ｓｐ）との比（Ｓｉ／Ｓｐ）、もし
くは照明系の開口数と投影光学系のレチクル側の開口数
との比をσ値と呼び、照明条件の１つのファクターとし
て扱われている。σ値が限りなく零に近いときのことを
コヒーレンス照明と呼び、σ値が１のときをインコヒー
レント照明と呼び、そしてその間の値のときはパーシャ
ルコヒーレントと呼ぶ。一般的に、この種のステッパー
の場合、σ値は０．４〜０．７の最適値に設定されてい
る。このσ値を設定するためには、図２中の絞り１３の
開口寸法を変更する方法が最も簡便な方法である。

【００２１】照明系内の絞り１３の開口形状は、一般的
には円形に設定され、この円形内に２次光源面となる多
数の点光源が、フライアイレンズのエレメントレンズの
配列に合わせて点在する。同様に投影レンズＰＬの瞳２
１の有効領域も円形であるので、そこに絞り（以下、Ｎ
Ａ絞りと呼ぶ）が配置される場合、それは一般的には虹
彩絞りになる。そのため、例えばσ値が０．５のとき、
ＮＡ絞りの開口の直径に対して、絞り１３の円形開口の
像の直径は約５０％になる。

【００２２】近年、照明系内の絞り１３の開口形状を円
形以外の形状、例えば輪帯状、２開口、４開口等にする
ことが提案されている。そこで絞り１３の開口形状のい
くつかの例を図３に示す。図３（Ａ）は通常の円形開口
を有する絞り１３Ａを示し、開口の半径は照明光学系の
光軸ＡＸを中心にｒ₁ に設定される。この半径ｒ₁ は虹
彩絞りの場合、連続的に可変できるが、数段階の切り換
えでよい場合は半径ｒ ₁ の異なる絞りを何枚か用意して
おき交換すればよい。図３（Ｂ）は輪帯状の開口を有す
る絞り１３Ｂを示し、輪帯開口の外径は光軸ＡＸを中心
にｒ₁ 、内径はｒ₂ に設定される。輪帯開口の幅（ｒ₁
−ｒ₂ ）、外径ｒ₁ については、いく種類かのものを予
め用意して、交換可能にしておくとよい。

【００２３】さて、図３（Ｃ）、（Ｄ）に示した絞り１
３Ｃ、１３Ｄは、ＳＨＲＩＮＣ法として提案された２開
口、４開口の形状を示し、各開口の配置条件については
特開平４−１８０６１２号公報に詳しく述べられている
ので、ここではその説明を省略する。これらの絞り１３
Ｃ、１３Ｄのうち、絞り１３Ｃは光軸ＡＸを挟んで２つ
の開口がＸ方向に並んでおり、レチクルＲ上で専らＸ方
向にピッチを有するＬ＆Ｓパターンを照明するのに適し
ている。絞り１３ＤはレチクルＲ上でＸ方向、Ｙ方向の
夫々にピッチを有するＬ＆Ｓパターン、所謂２次元の周
期構造をもったパターンを照明するのに適している。た
だし、絞り１３Ｄの４開口の場合、Ｘ方向にピッチを有
するＬ＆Ｓパターンのピッチ方向の解像は、Ｘ方向に並
んだ２つの開口の２組によって達成され、ピッチ方向と
直交するＹ方向の解像はＹ方向に並んだ２つの開口の２
組によって補償される。このことはＹ方向にピッチを有
するＬ＆Ｓパターンの解像についても同様に言えること
である。

【００２４】次に図２に示したステッパーの照明系内の
絞り１３を、図３に示した絞り１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ
の夫々に切り換えたときに得られる結像特性の変化を、
測定方法とともに説明する。ここでレチクルＲには、Ｘ
方向、及びＹ方向にピッチをもつＬ＆Ｓパターンが形成
されているものとする。そのＬ＆Ｓパターンの線幅は解
像限界に近い方が好ましく、ここではウェハＷ上で０．
３５μｍのライン幅、スペース幅となるＬ＆Ｓパターン
を用いる。従って投影レンズＰＬが１／５縮小タイプの
場合、レチクルＲ上での線幅は１．７５μｍとなる。

【００２５】一方、ウェハＷ上には、吸収率の高いレジ
ストとして、ＦＵＪＩ−ＨＵＮＴ社製のレジストＦＨ−
ＥＸ１（商品名）、又は東京応化製のＯＦＰＲ−８００
（商品名）等を一定の厚みで塗布しておく。そしてこの
ようなウェハＷに対してレチクルＲ上のＬ＆Ｓパターン
をステップアンドリピート方式で露光する。このとき、
ウェハＷ上に配列されるショットは、例えばＸ方向に
ｎ、Ｙ方向にｍのｎ×ｍ個でマトリックス状になる。そ
して、例えばＸ方向に並ぶｎ個のショットについては、
フォーカス状態を一定量（例えば０．１μｍ）ずつ変え
て露光し、Ｙ方向については照明条件を変えた露光にす
る。図４はウェハＷ上でのショット配列の一例を表した
ものである。フォーカス状態がＺ＝０のショットは、図
２に示したフォーカス制御部２９によってベストフォー
カスとして検出されたＺステージ２３の高さ位置であ
り、＋Ｚ方向はウェハＷが投影レンズＰＬに近づく場合
を示す。また、Ｘ方向に一列に並んだＡ列は、図３
（Ａ）の絞り１３Ａで露光した場合、Ｂ列は図３（Ｂ）
の絞り１３Ｂで露光した場合、そしてＣ列は図３（Ｃ）
の絞り１３Ｃで露光した場合を示す。さらに各ショット
内には、一例として図５のようなＬ＆ＳパターンＭｘ、
Ｍｙが転写される。

【００２６】以上のような露光方法でウェハＷ上にショ
ットの転写を行い、そのウェハを現像したら測長用走査
型電子顕微鏡（測長ＳＥＭ）によってＬ＆ＳパターンＭ
ｘ、Ｍｙの夫々のレジスト像のトップ幅Ｔとボトム幅Ｂ
とを測定する。測長ＳＥＭの場合、電子ビームはレジス
ト像（ウェハ面）に垂直に照射された状態で、Ｌ＆Ｓパ
ターンのピッチ方向に走査され、トップ部分の肩、ボト
ム部の下地との境界等で生じる散乱電子、２次電子等を
検出する。こうして、測長ＳＥＭによってＬ＆Ｓパター
ンの線幅（レジスト像のライン幅）のトップ幅Ｔ、ボト
ム幅Ｂを求めたら、その比Ｔ／Ｂを算出する。この測定
を図４に示したショットの全てについて同様に実行し、
その結果をグラフ化してプロットすると、図６のような
特性が得られる。

【００２７】図６は、レジストとしてＦＨ−ＥＸ１（Ｆ
ＵＪＩ−ＨＵＮＴ社製）を０．４８μｍの厚みで塗布
し、０．３５μｍのＬ＆Ｓパターンを露光して得られた
Ｔ／Ｂ比のデフォーカス量依存性の実験データをプロッ
トしたものである。この図６の横軸はデフォーカス量を
表し、縦軸はＴ／Ｂ比を表す。図６中の特性Ａはσ値を
０．５とする通常の絞り１３Ａを用いたときのデフォー
カス依存性であり、特性Ｂは、外径ｒ₁ を絞り１３Ａと
同じにして、内径ｒ₂ をｒ₂ ＝２／３ｒ₁ にした輪帯状
の絞り１３Ｂを用いたときのデフォーカス依存性であ
り、特性Ｃは絞り１３Ｃの２開口を用いたときのデフォ
ーカス依存性である。ここでは、いずれの場合も投影レ
ンズＰＬのＮＡは０．４５に設定してある。

【００２８】さて、これらの特性Ａ、Ｂ、Ｃを比較して
みると、特性Ａのように照明系内の開口絞りを用いた方
がＴ／Ｂ比特性上のピーク値が大きく、変化が急峻にな
っている。また特性Ｂのように、輪帯照明の場合は特性
Ａよりも若干、Ｔ／Ｂ比が小さくなる。さらに特性Ｃの
ように、２開口照明の場合（ここではＬ＆ＳパターンＭ
ｘのみについて評価）、Ｔ／Ｂ比の変化上で急峻なピー
ク値となることがほとんどなく、±１μｍ以上のデフォ
ーカス量に渡って良好なフォーカスマージンが得られて
いる。

【００２９】また図６には示していないが、投影レンズ
ＰＬ内のＮＡ絞りを少し絞ってＮＡ＝０．３８程度に
し、図３（Ｂ）の輪帯絞り１３Ｂを用いると、図６中の
特性Ｂはピーク値が０．３程度に低下する代わりに全体
的にブロードになり、デフォーカス量が＋１μｍ，又は
−１μｍのところでＴ／Ｂ比として０．２程度得られる
ようになる。このことから、別のレジストを用いた場
合、焦点深度がＦＨ−ＥＸ１レジストにおけるＴ／Ｂ比
の低い値、例えば０．２程度で決定されるものとする
と、０．３５μｍのＬ＆Ｓパターンに対してはＮＡを小
さくしてσ値を大きくした輪帯照明にする方が、焦点深
度増大に効果的であることが予想される。

【００３０】さらに図３（Ａ）の円形絞り１３Ａの径ｒ
₁ や投影レンズＰＬ内のＮＡ絞りを適宜変更すると、そ
れに伴って図６中の特性Ａもピーキィな状態からブロー
ドな状態へ変化する。その変化は照明条件、投影条件の
変更に敏感である。同様に図３（Ｃ）の２開口絞り１３
Ｃを用いた場合、Ｌ＆Ｓパターンのピッチに応じて２開
口間の中心間隔、及び各開口の大きさには最適値が存在
するが、それらの条件も変えつつ図６中の特性Ｃを得る
と、それらの条件の最適値が容易に求められる。

【００３１】以上のように、ある一定のデザインルール
のパターンに対して、照明条件、投影条件の違いによる
Ｔ／Ｂ比のデフォーカス依存性のデータをプロットすれ
ば、結像特性のうちデフォーカス特性が一目瞭然にして
定量的につかめるといった効果が得られる。また図６に
示した実験以外に、照明条件を一定として、様々な線幅
のＬ＆Ｓパターンに対するベストフォーカス、ベスト露
光量（ラインとスペースのボトム線幅が１：１となる露
光量）でのＴ／Ｂ比の変化を測定する実験を行うと、結
像特性のうち規格化空間周波数依存性が一目瞭然にわか
る。すなわち、ベスト露光量のもとで、線幅が、例えば
０．０２μｍずつ異なるＬ＆Ｓパターンの複数を、フォ
ーカス状態をベストフォーカスを中心にして一定量ずつ
ふって露光して現像する。そして図６と同様にデフォー
カス依存性（Ｔ／Ｂ比）を各線幅のＬ＆Ｓパターン毎に
求め、さらに各線幅のＬ＆Ｓパターンのデフォーカス依
存性のデータ中からＴ／Ｂ比のピーク値のみを取り出
し、縦軸を取り出したＴ／Ｂ比のピーク値とし、横軸を
Ｌ＆Ｓパターンの線幅を空間周波数として規格化した値
とするグラフ上にプロットする。このようにすると、あ
る一定の照明条件のもとでの規格化空間周波数依存性が
わかり、この特性は投影レンズＰＬ自体の出来、不出来
を反映したものとなる。尚、規格化空間周波数ｆは、Ｌ
＆ＳパターンのピッチをＰ、露光光の波長をλ、投影レ
ンズＰＬの実効開口数をＮＡとすると、次式で表され
る。

【００３２】 ｆ＝（１／Ｐ）／（ＮＡ／λ）＝λ／（Ｐ・ＮＡ） 以上、本実施例では、データとしてＬ＆ＳパターンのＴ
／Ｂ比を測定したが、その他、孤立ライン、孤立スペー
ス、あるいはコンタクトホール等のいずれに対しても全
く同じ測定法が適用できる。さらに本実施例ではボトム
幅、トップ幅として残膜したレジスト像を対象とした
が、逆に除去されたレジスト像を対象としてもよい。例
えば図１（Ｃ）、（Ｄ）において、１つの残膜レジスト
像のトップ部分の右肩の位置と、右隣の残膜レジスト像
のトップ部分の左肩の位置との間の寸法を測定し、さら
にレジストが完全に除去されているボトム部分の寸法を
測定してその比を求めてもよい。

【００３３】またＬ＆Ｓパターンの場合、各ライン（又
はスペース）毎にほぼ同じＴ／Ｂ比のデータが得られる
ので、それらを平均化してランダムな測定誤差を低減さ
せてもよい。その測定あたって本実施例では測長ＳＥＭ
を用いたが、光学的なパターン線幅測定器（同等のもの
はステッパーのアライメントセンサーとして組み込まれ
ている）によってＴ／Ｂ比を求めてもよい。

【００３４】ステッパーのアライメントセンサーを用い
て、ボトム幅、トップ幅が正確に測定されると、Ｔ／Ｂ
比に基づいてステッパー自身がより最適な照明条件、投
影条件を見つけ出し、照明系内の絞りや投影レンズ内の
ＮＡ絞り等を自動調整することが可能となる。この場
合、ステッパーとコータ−デベロッパーとをインライン
化しておくと好都合であり、レジスト塗布、露光、現
像、レジスト像計測等の一連の作業が自動的に行われ
る。このような自己計測、自己管理（オートセットアッ
プ）については、例えば特開平２−３０１１２号公報に
詳しく述べられている。

【００３５】さらにレジストの現像を行わずに、レジス
ト層中に露光されたパターンの潜像を直接測定するよう
にしてもよい。一般にこの種のレジストの多くは、露光
光を吸収した部分と吸収していない部分とで光学的な特
性、例えば屈折率、反射率がわずかに異なるという特質
をもつ。そこで位相差顕微鏡、又は微分干渉顕微鏡等を
用いてレジスト層の潜像を検出する際、レジスト層の表
面でのラインパターンの潜像の幅と、レジスト層底部で
の潜像の幅とを計測することで、同様にＴ／Ｂ比を測定
できる。尚、エキシマレーザ等の紫外線の場合、長時間
露光光を照射すると、レジスト層の表面が徐々に蒸発し
て掘り込んだような段差が生じることがある。そこでそ
の段差の肩のところをトップ幅（又はボトム幅）と認定
してもよい。

【００３６】ところでＴ／Ｂ比を測定するために、フォ
ーカス状態を一定量（例えば０．１μｍ）ずつ変えて露
光する手法としては、先に図４で説明したもの以外に適
宜様々の方法がある。一例としては、レチクルＲの回路
パターン領域の周辺に形成された窓（例えば数ｍｍ角）
内に所望の線幅のＬ＆Ｓパターン、あるいは孤立ライン
を刻設しておき、この窓だけを露光光で照明するように
レチクルブラインド（可変照明視野絞り）を設定する。
そしてウェハＷの周辺部分で、実デバイスの露光にあた
っては欠けショットとなってしまう領域に、レチクルＲ
の窓内のパターンを、順次フォーカス状態をかえてウェ
ハをステップ移動させては露光することを繰り返す。レ
チクルＲの窓は数ｍｍ角であるため、１／５、１／１０
縮小レンズを使う場合、ウェハＷ上には１ｍｍ角以下の
寸法で投影される。従ってウェハのステップ移動のピッ
チも１ｍｍ程度でよく、全体的な露光処理の時間が短く
なる。またウェハＷの周辺領域に測定用のＬ＆Ｓパター
ン、孤立ライン等が露光できるので、実デバイス製造時
のウェハを使うことも可能となる。

【００３７】先に図５で示したように、Ｘ方向、Ｙ方向
のＬ＆Ｓパターンの一組をレチクルＲ上に並置しておく
と、その点でのＸ方向とＹ方向に関するフォーカスマー
ジン、又は限界解像力の差を検査することができる。そ
こでレチクルＲ上の中心、及びその周囲の多数点にＸ方
向用とＹ方向用のＬ＆Ｓパターンの組を設け、レジスト
層に転写されたラインのＴ／Ｂ比を、Ｘ方向、Ｙ方向で
それぞれ測定することで、投影レンズＰＬの投影視野内
でのフォーカスマージンの分布や解像力の分布が容易に
求まり、さらにそれらの分布のパターンの方向性による
ちがいも容易に求められる。

【００３８】さらに本発明によれば、例えば特公昭６２
−５０８１１号公報に示されたような位相シフトレチク
ルを用いた露光において、焦点深度、解像力がどれくら
い改善されたかを定量的に把握することができる。しか
も実デバイス用のレチクル上のパターンを使うことがで
きるので、レチクル上の位相シフターの出来、不出来を
間接的に検査することができる。

【００３９】また焦点深度拡大法の１つとして、レチク
ルのパターンを焦点位置を変えて多重露光する方法（Ｆ
ＬＥＸ）が提案されているが、本発明はその効果を確認
するために応用することもできる。尚、本発明の実施例
では、ラインパターンのボトム幅Ｂとトップ幅Ｔとを測
定するとしたが、これはレジスト層のわずかな厚み変化
による影響（測定誤差）を低減させるためであり、レジ
スト層の厚みの均一性が保証される領域においては、台
形状のレジスト像断面の斜辺の傾きの値をＴ／Ｂ比の代
わりに測定してもよい。このように台形状のレジスト像
の斜辺の傾きを測定する場合、台形の右側の斜辺の傾き
と左側の斜辺の傾きとを別々に求めて比較すると、投影
像の非対称性（ピンホール等の点像を投影したときの強
度分布の非対称性）を見つけることも可能になる。この
非対称性は投影レンズ自体がもつ収差、又は照明光学系
からレチクルに照射される照明光のテレセン性の劣化
（主光線の傾き誤差）等によって生じる。

【００４０】

【発明の効果】以上、本発明によれば、吸収の高いレジ
スト層に露光されたパターンの線幅のうちトップ幅とボ
トム幅との差（又はエッジ部の傾き）を測定してデフォ
ーカス量依存性やパターンのデザインルール（デザイン
線幅）に対する依存性を調べるようにしたので、照明条
件や投影条件のわずかな違いを敏感に反映させることが
できる。このため、露光すべきパターンのデザインルー
ルに対してより大きな焦点深度（フォーカスマージン）
を与えるための最適な照明条件や投影条件を容易に決定
することが可能となる。また異なる照明条件、投影条件
のもとで露光されるパターンの限界解像力の比較も容易
に行えるといった利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の原理を説明する図である。

【図２】 本発明で使用されるエキシマステッパーの構
成を示す図である。

【図３】 図２のステッパーの照明系内に設けられた照
明条件変更用の各種絞りの形状を示す図である。

【図４】 測定のための露光ショットの配列を示す図で
ある。

【図５】 測定用のライン・アンド・スペースパターン
の一例を示す図である。

【図６】 実験によって得られたデータをプロットした
グラフを示す図である。

【符号の説明】

Ｒ…レチクル ＰＬ…投影レンズ Ｗ…ウェハ ５〜１９…照明光学系 １３…照明系σ絞り ２１…投影レンズ内の瞳 ２３…Ｚステージ ２５…ＸＹステージ Ｔ、Ｔ₁ 、Ｔ₂ …トップ線幅 Ｂ、Ｂ₁ 、Ｂ₂ …ボトム線幅

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の線幅を有するパターンが形成された
   原版を照明系からの照明光で照射することにより、前記
   パターンの像を投影光学系を介して感光基板上のレジス
   ト層に転写した後、該転写されたパターンの像の寸法を
   計測することによって、前記転写時の結像特性を測定す
   る方法において、 前記感光基板上のレジスト層として前記照明光に対する
   吸収が比較的多いものを、ほぼ一定の厚みで形成する工
   程と；前記パターンの像を前記感光基板上の異なる位置
   ごとにフォーカス状態を変化させて転写する工程と；該
   転写された感光基板の現像により出現する前記パターン
   のレジスト像の表面部の線幅Ｔと底部の線幅Ｂとを計測
   する工程と；前記フォーカス状態の変化に対応させて、
   前記２つの線幅Ｔ、Ｂの比を算出する工程とを含み；該
   算出された比の特性変化に基づいて、照明条件、もしく
   は投影条件の変更に伴う結像特性の変化を測定すること
   を特徴とする結像特性の測定方法。