JPH07142363A - 半導体集積回路装置の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 測定対象薄膜の膜厚、屈折率および吸収係数
を決定する場合に、測定に必要な反射率の入射角依存特
性を精度良く求め、この特性値に基づいて露光・現像工
程のパラメータを制御できる半導体集積回路装置の製造
技術を提供する。 【構成】 レジスト塗布、ベーク、露光および現像工程
のフォトリソグラフィ設備において、薄膜特性値測定部
１７は、光源２１、コリメート用レンズ２２、偏光板２
３、波長限定用光学素子２４、照明側レンズ２５、検出
側レンズ２６、反射光強度検出器２７、レジスト膜また
は参照ウェハ反射光強度測定結果格納用記憶部２８，２
９、レジスト膜反射率または特性値演算部３０，３１か
ら構成され、照明側レンズ２５による収束光が半導体ウ
ェハ１８上のレジスト膜１９または参照ウェハ３２面上
に照射され、広い範囲の入射角に対応する反射光強度が
同時に測定され、レジスト膜１９の反射率の入射角依存
特性が測定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路装置の
製造技術に関し、特に試料上に形成された薄膜の特性値
変化に基づいたパラメータの制御において、たとえばＬ
ＳＩ製造工程中の半導体ウェハに対するレジスト塗布、
ベーク、露光および現像に至るフォトリソグラフィ工程
におけるレジスト膜の膜厚、屈折率および吸収係数の状
態計測に好適な、また半導体集積回路装置の製造方法お
よび製造装置に適用して有効な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、半導体集積回路装置の製造技
術において、半導体ウェハ上にレジスト膜を塗布し、集
積回路を構成する１層分のパターンを露光し、現像する
ことによって半導体ウェハ上にパターンを形成するフォ
トリソグラフィ技術は、要求される寸法、精度のパター
ンをいかに半導体ウェハ上に形成し、またこれらをいか
に制御するかが、微細パターン形成のための重要な課題
となっている。

【０００３】そこで、このフォトリソグラフィ工程にお
いては、たとえば特開平５−２０６０００号公報に記載
されるように、パターン寸法の微細化に伴い、レジスト
膜厚、光学特性変動、表面層反射率変動に対応した半導
体チップ毎の最適露光量を設定し、所望のパターンを半
導体ウェハ上に形成する技術が開示されている。

【０００４】この技術は、予め、反射率変動と最適露光
時間との関係を調べておき、露光する際に、露光可能領
域内で、かつ回路パターンを形成しない領域を露光し、
反射率変動を計測して次に露光する半導体チップの最適
露光時間を求め、この最適露光時間を露光量制御部に送
って制御するものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、近年のよう
に露光パターン線幅寸法の許容誤差がサブ・サブミクロ
ンのオーダに達すると、前記の技術のような反射率変動
の計測による制御だけでは寸法精度を十分に安定化でき
ないという問題が生じている。そのため反射率以外の薄
膜の特性値が必要となってくるが、反射率により薄膜の
特性値を高精度に測定するためには、まず反射光強度の
入射角依存特性を高精度に測定する必要がある。

【０００６】そこで、本発明の目的は、特に可動部を有
さない光学系と、任意の露光波長での測定を可能とする
レーザ以外の照明光とを用いて薄膜の特性値を決定する
場合に、光源の照度むらを取り除き、測定に必要な反射
率の入射角依存特性を精度良く求め、この特性値に基づ
いて露光・現像工程のパラメータを制御することができ
る半導体集積回路装置の製造方法および製造装置を提供
することにある。

【０００７】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。

【０００８】

【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、
下記のとおりである。

【０００９】すなわち、本発明における請求項１記載の
半導体集積回路装置の製造方法は、光源から照射される
収束光を露光光として試料上の薄膜上にマスク上のパタ
ーンを転写する半導体集積回路装置の製造方法であっ
て、実際に前記試料上の薄膜を露光・現像させることな
く、前記露光光と実質的に同じ波長の光を前記薄膜に照
射し、この照射による透過光または反射光から前記薄膜
の特性値を検出し、この検出結果に基づいて露光・現像
工程のパラメータを制御するものである。

【００１０】また、請求項２記載の半導体集積回路装置
の製造方法は、紫外線を露光光とした縮小投影露光装置
により半導体ウェハ上の感光性のレジスト膜上にマスク
上の回路パターンを縮小投影露光方法によって転写する
半導体集積回路装置の製造方法であって、実際に前記半
導体ウェハ上のレジスト膜を露光・現像させることな
く、前記露光光と実質的に同じ波長の光を前記レジスト
膜に照射し、この照射による透過光または反射光から前
記レジスト膜の特性値を検出し、この検出結果に基づい
てレジスト塗布、ベーク、露光および現像工程の各パラ
メータを制御するものである。

【００１１】さらに、請求項３記載の半導体集積回路装
置の製造方法は、前記半導体ウェハ上のレジスト膜の特
性値を、前記レジスト膜の膜厚、屈折率、吸収係数と
し、前記レジスト膜の特性値の変化を所定の頻度で検出
し、この検出された特性値の変化を実施中の工程以降の
工程または実施中の工程のパラメータの制御に反映させ
るものである。

【００１２】また、本発明における請求項１２記載の半
導体集積回路装置の製造装置は、紫外線を露光光とした
縮小投影露光装置により半導体ウェハ上の感光性のレジ
スト膜上にマスク上の回路パターンを縮小投影露光方法
によって転写する半導体集積回路装置の製造装置であっ
て、レジスト塗布、ベーク、露光および現像工程の各パ
ラメータを制御するために、実際に前記半導体ウェハ上
のレジスト膜を露光・現像させることなく、前記露光光
と実質的に同じ波長の光を前記レジスト膜に照射し、こ
の照射による透過光または反射光から前記レジスト膜の
特性値を検出する検出手段を備えるものである。

【００１３】

【作用】前記した半導体集積回路装置の製造方法および
製造装置によれば、試料上の薄膜の特性値、たとえば半
導体ウェハ上のレジスト膜の膜厚、屈折率、吸収係数の
変化が、実際に半導体ウェハに照射する露光光と実質的
に同じ波長の光の照射による透過光または反射光から検
出されることにより、特に光学系に可動部を有すること
なく、任意の露光波長での測定を可能とするレーザ以外
の照明光を用いてレジスト膜の特性値を検出するので、
光源の照度むらを取り除き、測定に必要な反射率の入射
角依存特性を精度良く求めることができる。

【００１４】たとえば、屈折率および吸収係数が既知で
ある参照ウェハの反射光強度の入射角依存特性Ｉref
(θ) の測定、および前記参照ウェハの反射率の入射角
依存特性Ｒref(θ) の計算を予め行っておき、測定対象
である半導体ウェハ上のレジスト膜の反射光強度の入射
角依存特性Ｉ( θ) を測定し、これを前記Ｉref(θ) で
割った後で前記Ｒref(θ) を乗ずる。

【００１５】以上の手順により、レジスト膜の反射光強
度の入射角依存特性Ｉ( θ) は、レジスト膜の反射率の
入射角依存特性Ｒ( θ) と照明光の照度むらＳ( θ) の
積となっており、参照ウェハの反射光強度の入射角依存
特性Ｉref(θ) も同様に、参照ウェハの反射率の入射角
依存特性Ｒref(θ) と照明光の照度むらＳ( θ) の積と
なっているため、前記Ｉ( θ) を前記Ｉref(θ) で除算
するとＳ( θ) の項が消去され、Ｒ( θ) とＲref(θ)
の比が求まり、前記Ｒref(θ) は参照ウェハの屈折率お
よび吸収係数が既知であるために理論計算により求めら
れ、これを前記のＲ( θ) とＲref(θ) の比に乗ずれ
ば、前記Ｒ( θ) を取り出すことができる。

【００１６】よって、本発明によれば、水銀ランプなど
の照度むらを有する光源を用いても、照明光の照度むら
を測定することなく、測定対象の半導体ウェハ上のレジ
スト膜の各入射角に対応した絶対反射率、すなわち反射
率の入射角依存特性を容易に算出することができる。

【００１７】従って、レジスト膜の膜厚値、屈折率値、
吸収係数値を種々に変化させて反射率の入射角依存特性
理論値を計算し、上記手順により求まった反射率の入射
角依存特性測定値と重なる理論値を探索することによ
り、その理論値の計算に用いた膜厚値、屈折率値、吸収
係数値を測定対象の半導体ウェハ上のレジスト膜の特性
値とすることができる。

【００１８】これにより、レジスト塗布、ベーク、露光
および現像工程において、測定対象である半導体ウェハ
上のレジスト膜の反射光強度の入射角依存特性を高精度
に求め、これを用いてさらにレジスト膜の特性値が求ま
り、このレジスト膜の特性値の変動に基づいて実施中の
工程以降の工程または実施中の工程のパラメータを制御
し、フォトリソグラフィ工程の最適化を図ることができ
る。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。

【００２０】（実施例１）図１は本発明の実施例１であ
る半導体集積回路装置の製造装置におけるフォトリソグ
ラフィ設備を示すブロック図、図２は本実施例のフォト
リソグラフィ設備における薄膜特性値測定部を示す構成
図、図３〜図１２は本実施例の薄膜特性値測定部におけ
る薄膜の測定原理、測定方法などの説明図、測定精度向
上のための薄膜特性値測定部を示す構成図などである。

【００２１】まず、図１により本実施例の半導体集積回
路装置の製造装置におけるフォトリソグラフィ設備の構
成を説明する。

【００２２】本実施例のフォトリソグラフィ設備は、た
とえば試料上に薄膜を塗布し、集積回路を構成する１層
分のパターンを露光し、現像することによって試料上に
パターンを形成するフォトリソグラフィ工程に用いら
れ、前処理部１、レジスト塗布部２、プレベーク部３、
露光部４、露光後ベーク部４ａ，現像部５、ポストベー
ク部６、エッチング部７およびレジスト除去部８と、こ
れらのパラメータ制御部９〜１２，１２ａ，１３〜１６
と、薄膜特性値測定部（検出手段）１７とから構成さ
れ、ＬＳＩ製造工程中において、半導体ウェハ（試料）
１８上の感光性のレジスト膜（薄膜）１９上にマスク２
０上の回路パターンが縮小投影露光方法によって転写さ
れるようになっている。

【００２３】前処理部１は、レジストの塗布に先立っ
て、半導体ウェハ１８の表面上の異物を取り除くために
半導体ウェハ１８の洗浄を行う部分であり、広く行われ
ている洗浄法としては、たとえば純水を流すと同時にナ
イロン、フェルト、モヘアなどのブラシを用いて半導体
ウェハ１８上に付着している異物を機械的に除去する方
法と、高圧純水を半導体ウェハ１８の表面に吹き付ける
ことにより異物を除去する方法とに分けられる。

【００２４】レジスト塗布部２は、半導体ウェハ１８の
洗浄後に、半導体ウェハ１８上に薄いレジスト膜１９を
形成する部分であり、このレジスト膜１９を形成する方
法としては、たとえばレジストを半導体ウェハ１８の中
央部に滴下した後、半導体ウェハ１８を所定の回転数で
回転させるスピンコート方式が一般的に用いられ、この
方式は半導体ウェハ１８の回転時に生ずる遠心力を利用
してレジスト膜１９が形成される。

【００２５】プレベーク部３は、塗布したレジスト膜１
９中の残った溶剤を蒸発させ、レジスト膜１９と半導体
ウェハ１８との接着性を強め、露光による光化学反応の
効果を高めるためにベーキングを行う部分であり、たと
えば赤外線による加熱方式、ホットプレートによる加熱
方式、さらにマイクロ波によるベーク方式などが挙げら
れる。

【００２６】露光部４は、半導体ウェハ１８上に既に形
成されているパターンに、マスク２０上のパターンを位
置合わせした後に紫外線を一定時間照射し、マスク２０
上のパターンを半導体ウェハ１８上に転写する部分であ
り、この露光処理がリソグラフィ工程中で最も重要な工
程であり、この露光方法としては、たとえばマスク２０
と半導体ウェハ１８との位置関係から、密着露光、プロ
キシミティ露光、投影露光方式がある。

【００２７】露光後ベーク部４ａは、レジスト膜１９に
入射する光と下地からの反射光とが干渉するために生ず
る定在波により、レジスト膜１９の光化学反応の割合が
深さ方向で異なり現像後のパターンの断面形状が波打つ
現象を、加熱により深さ方向でレジスト膜１９をなじま
せて反応の進み具合をそろえることによって抑え、線幅
精度を向上させる部分である。

【００２８】現像部５は、感光後のレジスト膜１９を現
像する部分であり、この現像方法としては、たとえば現
像液や洗浄液を噴霧状、あるいはシャワー状にして半導
体ウェハ１８の表面に吹き付けることにより現像するス
プレー方式と、現像液や洗浄液中に半導体ウェハ１８を
一定時間浸して現像する浸漬方式が一般的に使用されて
いる。

【００２９】ポストベーク部６は、レジスト膜１９中に
存在する現像液あるいはリンス液を除き、レジスト膜１
９と半導体ウェハ１８との接着性を増すために、レジス
ト膜１９が熱変形を起こし始める前後の温度でベーキン
グを行う部分であり、この工程が終了した後に、レジス
ト寸法、下地との合わせ精度、欠陥発生などの外観検査
が行われる。

【００３０】エッチング部７は、形成後のレジスト膜１
９をマスクにして半導体ウェハ１８のレジスト膜１９で
覆われていない所を加工する部分であり、化学薬品を用
いるウェットエッチングなどの液相エッチングの他に、
大量のバッチ処理ができ、サイドエッチを少なくシャー
プなエッジを得ることができる気相エッチングとして、
ガスプラズマエッチング、スパッタエッチング、イオン
ビームエッチングなどが用いられる。

【００３１】レジスト除去部８は、エッチング処理後に
不要となったレジスト膜１９を除去する部分であり、こ
のレジスト膜１９の除去には、たとえばプラズマ中で灰
化する方法と、強い酸化溶剤中で酸化除去する方法があ
る。

【００３２】パラメータ制御部９〜１２，１２ａ，１３
〜１６は、前処理部１、レジスト塗布部２、プレベーク
部３、露光部４、露光後ベーク部４ａ、現像部５、ポス
トベーク部６、エッチング部７およびレジスト除去部８
におけるそれぞれのパラメータを設定する部分であり、
特にレジスト塗布部２、プレベーク部３、露光部４、露
光後ベーク部４ａ、現像部５、ポストベーク部６におい
て、薄膜特性値測定部１７からのレジスト膜１９の特性
値変化に基づいて常に最適な処理条件に制御できるよう
になっている。

【００３３】薄膜特性値測定部１７は、可動部なしで、
レジスト膜１９の膜厚、屈折率および吸収係数の測定を
行う部分であり、半導体ウェハ１８上のレジスト膜１９
を露光・現像させることなく、露光光と実質的に同じ波
長の光をレジスト膜１９に照射し、この照射による透過
光または反射光からレジスト膜１９の特性値を検出し、
この検出結果に基づいてレジスト塗布、ベーク、露光お
よび現像工程の各パラメータが制御されるようになって
いる。

【００３４】たとえば、薄膜特性値測定部１７は、図２
に示すように、光源２１、コリメート用レンズ２２、偏
光板２３、波長限定用光学素子２４、集光用の照明側レ
ンズ２５、検出側レンズ２６、反射光強度検出器２７、
レジスト膜反射光強度測定結果格納用記憶部２８、参照
ウェハ反射光強度測定結果格納用記憶部２９、レジスト
膜反射率演算部３０、レジスト膜特性値演算部３１など
から構成されている。

【００３５】そして、照明側レンズ２５により収束光を
作り、半導体ウェハ１８上のレジスト膜１９または参照
ウェハ３２の面上に照射し、このような収束光を用いる
ことで広い範囲の入射角に対応する反射光強度を同時に
測定し、レジスト膜１９の反射率の入射角依存特性の高
速な測定が可能となっている。また前述のように可動部
がないため、高精度な測定が可能である。

【００３６】次に、本実施例の作用について、始めにフ
ォトリソグラフィ工程の処理手順の概略図を図１に基づ
いてを説明する。

【００３７】まず、前処理部１において、レジストの塗
布に先立って、半導体ウェハ１８の表面上の異物を取り
除くために半導体ウェハ１８の洗浄を行い、その半導体
ウェハ１８の洗浄後、レジスト塗布部２において、半導
体ウェハ１８上に薄いレジスト膜１９を形成する。

【００３８】さらに、プレベーク部３において、塗布し
たレジスト膜１９中の残った溶剤を蒸発させ、レジスト
膜１９と半導体ウェハ１８との接着性を強め、露光によ
る光化学反応の効果を高めるためにベーキングを行う。

【００３９】そして、露光部４において、半導体ウェハ
１８上に既に形成されているパターンに、マスク２０上
のパターンを位置合わせした後に紫外線を一定時間照射
し、マスク２０上のパターンを半導体ウェハ１８上に転
写した後、露光後ベーク部４ａにおいて、寸法精度向上
のためのベークを行い、現像部５において、感光後のレ
ジスト膜１９を現像する。

【００４０】さらに、ポストベーク部６において、レジ
スト膜１９中に存在する現像液あるいはリンス液を除
き、レジスト膜１９と半導体ウェハ１８との接着性を増
すために、レジスト膜１９が熱変形を起こし始める前後
の温度でベーキングを行う。

【００４１】そして、エッチング部７において、レジス
ト膜１９をマスクにして半導体ウェハ１８のレジスト膜
１９で覆われていない所を加工した後、最後に不要とな
ったレジスト膜１９をレジスト除去部８で除去すること
により、半導体ウェハ１８のレジスト膜１９上にマスク
２０上の回路パターンを転写するフォトリソグラフィ工
程が終了する。

【００４２】このフォトリソグラフィ工程のレジスト塗
布以降の各処理段階において、薄膜特性値測定部１７で
は、レジスト膜１９を感光しながら複数の後焦点面強度
分布を検出し、この検出した後焦点面強度分布から各検
出時点における膜厚、屈折率、吸収係数を算出し、感光
中のレジスト膜１９の特性値の変化を測定する。

【００４３】そして、この測定結果に基づいて、パラメ
ータ制御部１０〜１４では、レジスト塗布部２、プレベ
ーク部３、露光部４、露光後ベーク部４ａ、現像部５、
ポストベーク部６における各パラメータを設定すること
により、所望のパターンを半導体ウェハ１８上に高精度
で形成することができる。

【００４４】このパラメータ設定頻度は、半導体ウェハ
１８の全体に対する処理を行うレジスト塗布部２、プレ
ベーク部３、露光後ベーク部４ａ、現像部５、ポストベ
ーク部６においてはウェハ１枚の処理につき１回以下で
よいが、露光部４では半導体ウェハ１８上のチップ毎と
してもよい。その際にはレジスト膜１９の特性値の測定
も各チップの周辺で行うのが望ましい。またパラメータ
設定を数チップ露光毎に１回としてもよく、そうするこ
とでレジスト膜１９の特性値測定の回数も減らすことが
できる。

【００４５】たとえば、レジスト塗布部２においては、
レジスト膜１９の膜厚は半導体ウェハ１８の回転速度に
比例して薄くなるので、薄膜特性値測定部１７において
測定されたレジスト膜１９の膜厚が厚過ぎる場合には、
半導体ウェハ１８の回転速度を速めるようにパラメータ
を設定し、逆に膜厚が薄過ぎる場合には回転速度を遅く
し、このレジスト塗布工程のパラメータを制御すること
によって塗布条件の最適化を図ることができる。

【００４６】同様にして、レジスト塗布工程以降のプレ
ベーク部３、露光部４、露光後ベーク部４ａ、現像部
５、ポストベーク部６においても、レジスト膜１９の膜
厚値に基づいてそれぞれの処理条件のパラメータを設定
することにより、それぞれの工程において最適な処理を
可能とすることができる。

【００４７】また、レジスト塗布部２からプレベーク部
３への移行段階においても、たとえばレジスト塗布部２
におけるレジスト塗布工程の終了後の膜厚が過大または
過小な場合には、この膜厚値を次の工程のプレベーク部
３に送り、この膜厚値に対応させてプレベーク部３のパ
ラメータを変更することにより、レジスト塗布部２での
膜厚値の変化を補正することができる。

【００４８】すなわち、プレベーク部３では、予め記憶
されているベークパラメータのデータ表と、レジスト塗
布部２での膜厚値とを比較し、プレベーク部３のベーク
温度、ベーク時間を変更し、たとえばレジスト膜１９の
膜厚が過大な場合には温度を上昇させるか、または時間
を延長して溶媒の蒸発を強め、逆に膜厚が過小な場合に
は温度の下降または時間の縮小により、前工程での膜厚
値の変化を補正してレジスト塗布工程からプレベーク工
程での最適化を図ることができる。

【００４９】同様にして、プレベーク工程以降のプレベ
ーク工程からの露光部４による露光工程、露光工程から
の露光後ベーク部４ａによる露光後ベーク工程、露光後
ベーク工程からの現像部５による現像工程、現像工程か
らのポストベーク部６によるポストベーク工程において
も、前工程のレジスト膜１９の膜厚値に基づいてそれぞ
れの処理条件のパラメータを変更することにより、フォ
トリソグラフィ工程において最適な処理を可能とするこ
とができる。

【００５０】次に、薄膜特性値測定部１７における処理
を詳細に説明する。

【００５１】まず、図２に示すように、測定対象のレジ
スト膜１９が形成された半導体ウェハ１８が設置された
場合、入射角θの照明光線３３は、測定対象のレジスト
膜１９に入射すると、このレジスト膜１９内で多重反射
して反射角θの反射平行光束３４が反射される。この図
２では簡単化するために反射平行光束３４は２本しか図
示していない。この反射平行光束３４は、検出側レンズ
２６のレンズの性質より検出側レンズ２６の後焦点面３
５上に集光する。

【００５２】ここで、図３に示すように後焦点面３５の
中心から集光位置までの距離をｘとおき、検出側レンズ
２６の光軸に対して反射平行光束３４のなす角をａとお
くと、良く収差補正されているレンズでは正弦条件が成
立しているために距離ｘと角ａの間には式１の関係があ
る。

【００５３】

【数１】

【００５４】ただし、ｆ：検出側レンズ２６の焦点距離
すなわち、後焦点面３５上にとったＸ軸方向の検出軸３
６上の反射光強度を測定することにより、前記の式１を
用いれば測定対象の半導体ウェハ１８上のレジスト膜１
９の反射光強度の入射角依存特性Ｉ( θ) を得ることが
できる。

【００５５】しかし、光源２１に水銀ランプなどを用い
る際には、レーザと異なり照明光の照度分布３７は均一
にできないため、半導体ウェハ１８上のレジスト膜１９
の反射光強度の入射角依存特性Ｉ( θ) に反射光強度か
ら反射率への変換のための定数を乗ずるだけでは、レジ
スト膜１９の反射率の入射角依存特性Ｒ( θ) を求める
ことができない。

【００５６】そこで、本実施例では、この測定結果の半
導体ウェハ１８上のレジスト膜１９の反射光強度の入射
角依存特性Ｉ( θ) をレジスト膜反射光強度測定結果格
納用記憶部２８に格納しておき、次に参照ウェハ３２に
ついて同様の測定を行う。この参照ウェハ３２として
は、屈折率および吸収係数が既知の鏡面試料であれば何
であってもよく、たとえばベアシリコンウェハなどを用
いればよい。

【００５７】この参照ウェハ３２の反射光強度の入射角
依存特性Ｉref(θ) を前記半導体ウェハ１８と同様に測
定し、参照ウェハ３２の反射率の入射角依存特性をＲre
f(θ) 、照明光の照度分布３７を入射角θの関数と考え
てＳ( θ) とおくと、それぞれ式２、式３で表すことが
できる。

【００５８】

【数２】

【００５９】

【数３】

【００６０】この式３を式２で辺々割算すれば式４とな
り、測定結果である半導体ウェハ１８上のレジスト膜１
９の反射光強度の入射角依存特性Ｉ( θ) と参照ウェハ
３２の反射光強度の入射角依存特性Ｉref(θ) の比を求
めることにより、未知の項Ｓ( θ) を消去することがで
きる。

【００６１】

【数４】

【００６２】さらに、参照ウェハ３２の反射率の入射角
依存特性Ｒref(θ) は、参照ウェハ３２の既知である屈
折率および吸収係数を用いて後で述べる式８から式１３
などにより理論計算で求まるので、これを式４の両辺に
乗ずると式５が得られる。

【００６３】

【数５】

【００６４】すなわち、測定結果である半導体ウェハ１
８上のレジスト膜１９の反射光強度の入射角依存特性Ｉ
( θ) および参照ウェハ３２の反射光強度の入射角依存
特性Ｉref(θ) と、理論計算結果である参照ウェハ３２
の反射率の入射角依存特性Ｒref(θ) を用いた式５の左
辺の計算により、測定対象の半導体ウェハ１８上のレジ
スト膜１９の膜厚、屈折率および吸収係数の決定に必要
なレジスト膜１９の反射率の入射角依存特性Ｒ( θ) を
求めることができる。

【００６５】なお、この反射率算出方式によれば、照明
光の照度分布３７だけではなく、各光学素子の透過位置
の違いによる透過率の不均一性の補正も行われる。この
光学系中の全光学素子の不均一性を一つにまとめて入射
角θの関数と考えてＴ( θ)とおけば、式２と式３はさ
らに詳しくは次の式６、式７のように表される。

【００６６】

【数６】

【００６７】

【数７】

【００６８】すなわち、式７を式６で辺々割算し、その
結果の両辺に屈折率および吸収係数が既知の参照ウェハ
３２の反射率の入射角依存特性Ｒref(θ) を乗ずると、
上記式５が得られてＳ( θ) と同様にＴ( θ) もやはり
消去される。従って、各光学素子の透過位置の違いによ
る透過率の不均一性の影響も除かれる。この演算はレジ
スト膜反射率演算部３０で行われる。

【００６９】レジスト膜特性値演算部３１は、以上のよ
うにして求まった半導体ウェハ１８上のレジスト膜１９
の反射率の入射角依存特性Ｒ( θ) より、レジスト膜１
９の膜厚、屈折率および吸収係数を決定する。

【００７０】また、理論計算によるレジスト膜１９の反
射率の入射角依存特性Ｒth( θ) は、レジスト膜１９の
膜厚、屈折率および吸収係数を定めれば、境界面での振
幅反射率を示すフレネル係数および多重干渉理論式を用
いて求まる。

【００７１】この式８のＲは、図４のモデルを考えた場
合、入射される照明光線３３の強度を１としたときの点
Ｐにおける反射光強度である。すなわち強度の反射率を
表す。式８から式１３までは照明光線３３をＰ偏光とし
たときの式である。

【００７２】

【数８】

【００７３】ただし、ｒ_P は振幅反射率で複素数であ
り、ｒ_P ^* はｒ_P の共役な複素数である。

【００７４】

【数９】

【００７５】 ただし、δ ：レジスト膜１９内での一往復で生じる
光路差で複素数 ｒ_01P ：空気とレジスト膜１９の境界面でのＰ偏光光の
振幅反射率で複素数 ｒ_12P ：レジスト膜１９と半導体ウェハ１８との境界面
でのＰ偏光光の振幅反射率で複素数

【００７６】

【数１０】

【００７７】 ただし、λ ：照明光線３３の波長 ｄ ：レジスト膜１９の膜厚 θ₁ ：空気からレジスト膜１９への入射角θの照明光線
３３のレジスト膜１９内での屈折角で複素数

【００７８】

【数１１】

【００７９】

【数１２】

【００８０】ただし、θ₂ ：空気からレジスト膜１９へ
の入射角θの照明光線３３の半導体ウェハ１８内での屈
折角で複素数と表される。

【００８１】ただしｎ₀ は空気の屈折率であり、１とみ
なせる。ｎ_1C、ｎ_2Cはそれぞれレジスト膜１９および半
導体ウェハ１８の複素屈折率、すなわち屈折率を実部、
吸収係数を虚部に持つ複素数である。またθ₁ 、θ₂ を
θで表すためには、式１３に示すスネルの法則を用い
る。

【００８２】

【数１３】

【００８３】入射される照明光線３３にＳ偏光の光を用
いる場合には、式９においてｒ_01P およびｒ_12P を次に
示すｒ_01S およびｒ_12S に置き換えれば、振幅反射率ｒ
_S が求まる。

【００８４】

【数１４】

【００８５】

【数１５】

【００８６】 ただし、ｒ_01S ：空気とレジスト膜１９の境界面でのＳ
偏光光の振幅反射率で複素数 ｒ_12S ：レジスト膜１９と半導体ウェハ１８との境界面
でのＳ偏光光の振幅反射率で複素数 ゆえに、入射される照明光線３３の偏光状態が既知であ
れば、レジスト膜１９の反射率の入射角依存特性の理論
値Ｒth( θ) を理論計算により求めることができる。

【００８７】レジスト膜１９の膜厚、屈折率および吸収
係数の３つの特性値の取り方により、レジスト膜１９の
反射率の入射角依存特性の理論値Ｒth( θ) は様々な形
状をとる。そこで、この３特性値を振り、実測によるレ
ジスト膜１９の反射率の入射角依存特性Ｒ( θ) に最も
良く重なる理論値Ｒth( θ) を探索し、それを生成する
３特性値の組を半導体ウェハ１８上のレジスト膜１９の
膜厚、屈折率および吸収係数の測定結果として出力す
る。

【００８８】３次元空間の各座標軸にそれぞれ３つの特
性値を割り振り、空間内の各点の座標値に相当する３つ
の特性値の値を用いてレジスト膜１９の反射率の入射角
依存特性の理論値Ｒth( θ) を計算し、実測値から求め
たレジスト膜１９の反射率の入射角依存特性Ｒ( θ) と
の重なり具合いを算出する。実測値から求めたレジスト
膜１９の反射率の入射角依存特性Ｒ( θ) とこの反射率
の入射角依存特性の理論値Ｒth( θ) の重なり具合いの
評価関数としては、たとえば式１６あるいは式１７に示
すものを用いる。

【００８９】

【数１６】

【００９０】

【数１７】

【００９１】ここで、Ｍは、式１６のようにある複数の
入射角におけるレジスト膜１９の反射率の入射角依存特
性の理論値Ｒth( θ) と反射率の入射角依存特性の実測
値Ｒ( θ) の差の絶対値、あるいは式１７のようにその
２乗の合計であり、このＭを最小とするレジスト膜１９
の反射率の入射角依存特性の理論値Ｒth( θ) を探索
し、その理論値Ｒth( θ) を生成する３つの特性値の値
を結果として出力する。

【００９２】測定結果の高分解能化と計算時間の短縮を
両立させるため、レジスト膜１９の反射率の入射角依存
特性の理論値Ｒth( θ) を計算する３つの特性値の値の
組に相当する３次元空間内の各点の間隔を、始めから小
さくするのではなく順次狭くしていってもよい。すなわ
ち次のような手順をとる。

【００９３】第１段階では、３次元空間内に設定するレ
ジスト膜１９の反射率の入射角依存特性の理論値Ｒth(
θ) を計算する格子点を粗く取り、その中で最も良くレ
ジスト膜１９の反射率の入射角依存特性の実測値Ｒ(
θ) と、レジスト膜１９の反射率の入射角依存特性の理
論値Ｒth( θ) を一致させる特性値の値の組である格子
点を探索する。

【００９４】第２段階では、その格子点の周辺の３次元
空間を第１段階より細かく分割し、最も良くレジスト膜
１９の反射率の入射角依存特性の実測値Ｒ( θ) と理論
値Ｒth( θ) を一致させる特性値の値の組である格子点
を探索する。以降、格子点の間隔が目標の測定分解能に
達するまでこの操作を繰り返す。

【００９５】なお、第１段階で、より大きな格子点間隔
から探索を開始するために、Ｍを小さくする格子点であ
れば、Ｍを最小とする格子点以外の点をも第２段階以降
まで残すことにしてもよい。複数の格子点の周辺で前記
の通り順次格子点間隔を狭めて探索を進めた後に、Ｍを
最小とする格子点の選択を行う。この操作により、格子
点を粗くした場合でも、Ｍを最小とする格子点の誤検出
を防止できる。

【００９６】半導体ウェハ１８上のレジスト膜１９の反
射率の入射角依存特性Ｒ( θ) をさらに精度良く求める
ためには、レジスト膜１９の測定結果である反射光強度
の入射角依存特性Ｉ( θ) 、および参照ウェハ３２の反
射光強度の入射角依存特性Ｉref(θ) に対して暗レベル
補正を行う必要がある。測定対象を検出側レンズ２６の
前から取り除いた状態で反射光強度検出器２７から検出
した光強度を、便宜上入射角θの関数と考えてＩb(θ)
と表わし、式１８によりレジスト膜１９の反射率の入射
角依存特性Ｒ( θ) を求める。

【００９７】

【数１８】

【００９８】これにより、反射光強度検出器２７の出力
の暗レベル補正（０レベル補正）と、迷光の影響の除去
を同時に行うことが可能となり、測定対象のレジスト膜
１９の反射率の入射角依存特性Ｒ( θ) を高精度に求め
られる。

【００９９】参照ウェハ３２と測定対象の半導体ウェハ
１８上のレジスト膜１９の反射光強度の入射角依存特性
Ｉref(θ) およびＩ( θ) は、同じ光量で測定しなけれ
ばならない。そのため、光源２１に光量変動がある場合
には、参照ウェハ３２の反射光強度の入射角依存特性Ｉ
ref(θ) を、半導体ウェハ１８上のレジスト膜１９の測
定を行う度に測り直すと光量変動による誤差を小さくで
きる。

【０１００】そのためには、レジスト膜１９が形成され
た半導体ウェハ１８と参照ウェハ３２を人手により交換
してもよいが、図５に示すように参照試料片３８をウェ
ハチャック３９の端部に取り付けておき、図６に例示す
る順序に従って参照試料片３８および半導体ウェハ１８
の反射光強度の入射角依存特性を測定してもよい。この
ような構成とすることにより、作業者は測定対象のレジ
スト膜１９が形成された半導体ウェハ１８と参照ウェハ
３２の移し替えが不要となり、効率的な測定が可能とな
る。

【０１０１】光量が安定している光源２１を使用する場
合には、参照ウェハ３２の反射光強度の入射角依存特性
Ｉref(θ) は一度測定しておけばよく、測定結果を参照
ウェハ反射光強度測定結果格納用記憶部２９に格納して
おき、測定対象の半導体ウェハ１８上のレジスト膜１９
の測定を行うときに読み出してくるようにしておけば、
やはり効率的な測定が可能となる。

【０１０２】光源２１の光量変動をさらに厳密に補正す
るには、図７のように光量センサ４０、光量検出用レン
ズ４１およびハーフミラー４２を追加して光源２１の光
量モニタを行う。すなわち、参照ウェハ３２と暗レベル
の反射光強度の入射角依存特性は予め測定しておき、参
照ウェハ反射光強度検出結果用記憶部４３および暗レベ
ル反射光強度検出結果用記憶部４４に格納しておく。そ
のときの光量センサ４０で測定した光源光量値も参照ウ
ェハ反射光強度検出時光量値用記憶部４５および暗レベ
ル反射光強度検出時光量値用記憶部４６に格納してお
く。

【０１０３】そして、レジスト膜反射率演算部３０で
は、半導体ウェハ１８上のレジスト膜１９、参照ウェハ
３２および暗レベルの反射光強度の入射角依存特性を同
時に測定した光源光量値で補正した後に、式１８により
レジスト膜１９の反射率の入射角依存特性を計算する。

【０１０４】この場合に、反射光強度検出器２７の検出
信号には、通常、この反射光強度検出器２７自身のＳ／
Ｎ比などに起因する白色ノイズが加わっているため、測
定した半導体ウェハ１８上のレジスト膜１９の反射率の
入射角依存特性Ｒ( θ) より、前記方法で求めたレジス
ト膜１９の膜厚、屈折率および吸収係数の検出精度が低
下している。

【０１０５】これに対処するために、図８に示すよう
に、複数検出信号平均演算部４７を付加し、反射光強度
検出器２７の検出信号を複数回読み出してその平均を用
いることにしてもよい。その際には、参照ウェハ平均結
果用記憶部４８および暗レベル平均結果用記憶部４９に
それぞれ予め測定した参照ウェハ３２および暗レベルの
反射光強度の入射角依存特性の平均を格納しておくこと
により効率的な測定ができる。

【０１０６】照明方向および検出方向は、これまでの説
明の通り斜方照明・斜方検出でもよいし、照明側レンズ
２５と検出側レンズ２６を１つのレンズで兼ね、垂直照
明・垂直検出としてもよい。ただし、垂直検出方式で
は、光学系の調整が簡単である反面、図９に示すような
検出側レンズ２６と半導体ウェハ１８の間での表面反射
により反射光強度の入射角依存特性Ｉ( θ) の誤差が生
じるという問題点がある。

【０１０７】また、照明・検出用レンズに顕微鏡用対物
レンズを用いる際には、対物レンズは複数のレンズから
なっているため、図１０に示すような照明・検出用レン
ズ５０において、光軸付近を通る照明光線３３のレンズ
表面での反射によるレンズ表面反射光線５１により反射
光強度の入射角依存特性Ｉ( θ) に誤差が生じる。これ
らの誤差を防ぐには、図１１に示すように遮光板５２、
ミラー５３およびハーフミラー５４を用いて光軸付近の
照明光線３３を遮光すればよい。

【０１０８】このように、測定対象を半導体ウェハ１８
上のレジスト膜１９とし、露光波長の照明光を用いて測
定を行う場合、レジスト膜１９は照明光により露光され
て変質する。このレジスト膜１９の露光を抑制し、かつ
反射光強度の入射角依存特性Ｉ( θ) の測定Ｓ／Ｎ比を
向上させるために、図１２に示すような遮光板５２とミ
ラー５３のみによる光学系の構成をとってもよい。図１
１と同じ照明光量でも、図１１と異なりハーフミラー５
４を使用しないので大きな反射光量が得られ、レジスト
膜１９をあまり感光せずに反射光強度の入射角依存特性
をＳ／Ｎ比良く測定することができる。

【０１０９】また、反射光強度検出器２７は１次元でも
よいし、２次元でもよい。たとえば、１次元センサを用
いれば、検出信号の読み出しに要する時間が短くなり、
前記の検出信号の複数回読み出しの際に多くの読み出し
回数を設定することができ、白色ノイズの影響を受けに
くくできる。一方、２次元センサを用いれば、検出信号
の読み出しに要する時間、すなわち複数回読み出しによ
る平均を求めるために要する時間が増す代わりに、後焦
点面３５の２次元画像を見ることができるので、光学系
の調整が容易になるという利点がある。

【０１１０】さらに、照明方法は、光源２１の像を試料
面に結像させるクリティカル照明、照明側レンズ２５の
後焦点面上に結像させるケーラー照明のいずれでもよ
い。本実施例は参照ウェハ３２との比較により照度むら
の影響を除去するので、後焦点面に光源像が結像するケ
ーラー照明を用いても、問題なくレジスト膜１９の反射
率の入射角依存特性Ｒ( θ) を検出できる。

【０１１１】また、照明光線３３はＰ偏光としてもよい
し、Ｓ偏光としてもよく、さらに振幅比が既知であれば
Ｐ偏光およびＳ偏光の両方を含んでいてもよい。たとえ
ば、Ｐ偏光の光の薄膜内多重干渉を考慮した反射率の入
射角依存特性は式８から式１３までを用いて計算でき、
Ｓ偏光の光についても同様の理論式で計算でき、両方の
偏光を含む場合でも、やはりこれらの式を用いて計算し
た偏光ごとの反射率と振幅比とから反射率の入射角依存
特性を計算することができる。

【０１１２】以上のようにして、屈折率および吸収係数
が既知である参照ウェハ３２の反射光強度の入射角依存
特性Ｉref(θ) の測定、および参照ウェハ３２の反射率
の入射角依存特性Ｒref(θ) の計算を予め行っておき、
測定対象である半導体ウェハ１８上のレジスト膜１９の
反射光強度の入射角依存特性Ｉ( θ) を測定することに
より、半導体ウェハ１８上のレジスト膜１９の反射率の
入射角依存特性を算出することができる。

【０１１３】従って、本実施例のフォトリソグラフィ設
備によれば、実際に半導体ウェハ１８に照射する露光光
と実質的に同じ波長の照明光線３３の照射による透過光
または反射光の反射平行光束３４から検出し、このレジ
スト膜１９の膜厚値、屈折率値、吸収係数値を種々に変
化させて反射率の入射角依存特性理論値を計算し、上記
の手順で求めた反射率の入射角依存特性測定値と重なる
理論値を探索することにより、測定対象のレジスト膜１
９の膜厚、屈折率、吸収係数を決定することができる。

【０１１４】これにより、レジスト塗布、ベーク、露光
および現像工程において、測定対象である半導体ウェハ
１８上のレジスト膜１９の反射光強度の入射角依存特性
を高精度に求めることができるので、このレジスト膜１
９の特性値の変動に基づいて実施中の工程以降の工程ま
たは実施中の工程のパラメータを制御し、フォトリソグ
ラフィ工程の最適化を図ることができる。

【０１１５】特に、薄膜特性値測定部１７の光学系に可
動部を有することなく、任意の露光波長での測定を可能
とするレーザ以外、たとえば水銀ランプなどの照明光線
３３を用いてレジスト膜１９の特性値を検出することが
できるので、光源２１の照度むらを取り除き、測定に必
要な反射率の入射角依存特性を高精度に求めることがで
きる。

【０１１６】（実施例２）図１３は本発明の実施例２で
ある半導体集積回路装置の製造装置におけるフォトリソ
グラフィ設備の薄膜特性値測定部を示す要部構成図であ
る。

【０１１７】本実施例のフォトリソグラフィ設備は、実
施例１と同様に、試料上に薄膜を塗布し、集積回路を構
成する１層分のパターンを露光し、現像することによっ
て試料上にパターンを形成するフォトリソグラフィ工程
に用いられ、実施例１との相違点は、測定対象の半導体
ウェハ（試料）１８上のレジスト膜（薄膜）１９の吸収
係数が大きい場合でも、レジスト膜１９の特性値を精度
良く求めることができる点である。

【０１１８】すなわち、本実施例の薄膜特性値測定部
（検出手段）１７ａの要部は、図１３に示すように、波
長限定用光学素子２４、集光用の照明側レンズ２５、検
出側レンズ２６、反射光強度検出器２７、長波長時参照
ウェハ用記憶部５５、長波長時暗レベル用記憶部５６、
短波長時参照ウェハ用記憶部５７、短波長時暗レベル用
記憶部５８、レジスト膜反射率演算部３０、レジスト膜
特性値演算部３１などから構成されている。

【０１１９】次に、本実施例の作用について説明する。

【０１２０】たとえば、測定対象の半導体ウェハ１８上
のレジスト膜１９の吸収係数が大きいと、レジスト膜１
９内に入射し下地で反射してレジスト膜１９から射出す
る光がほとんどなくなるため、レジスト膜１９の表面で
反射した光と干渉することにより生じる反射光強度の入
射角依存特性Ｉ( θ) の振動の振幅が小さくなってく
る。

【０１２１】このため、波形照合時にパラメータの違い
による反射率の入射角依存特性の違いが小さくなり、レ
ジスト膜１９の膜厚、屈折率および吸収係数の３つの特
性値を同時に決定しようとすると決定精度が低下する。
これを防ぐためには、長波長の測定光を１種類以上用い
ればよい。

【０１２２】すなわち、吸収係数は分光特性を有し、長
波長になるほど小さくなるため、まず長波長の測定光を
用いてレジスト膜１９の膜厚、屈折率および吸収係数を
測定する。この膜厚には分光特性はないため、ここで求
めた膜厚値と、露光波長の測定光による反射光強度の入
射角依存特性Ｉ( θ) とから、露光波長における屈折率
および吸収係数の２つの特性値を求めればよい。

【０１２３】これを実現するために、図１３に示す本実
施例では、測定光である照明光線３３の波長限定用光学
素子２４が複数の波長分だけ用意されており、容易にそ
れが交換できるようにしておく。また、予め長波長測定
光を用いたときの参照ウェハ３２と暗レベルの反射光強
度の入射角依存特性を検出し、長波長時参照ウェハ用記
憶部５５および長波長時暗レベル用記憶部５６に、また
本来の測定光波長における参照ウェハ３２と暗レベルの
反射光強度の入射角依存特性を検出し、短波長時参照ウ
ェハ用記憶部５７および短波長時暗レベル用記憶部５８
に格納しておく。

【０１２４】たとえば、長波長測定光を用いる際には、
長波長時参照ウェハ用記憶部５５および長波長時暗レベ
ル用記憶部５６中のデータを使用し、一方本来の波長の
測定光を用いる際には、短波長時参照ウェハ用記憶部５
７および短波長時暗レベル用記憶部５８中のデータを使
用する。以上のようにして、レジスト膜１９の任意の波
長、特に短波長における特性値を測定することができ
る。

【０１２５】従って、本実施例のフォトリソグラフィ設
備における薄膜特性値測定部１７ａによれば、測定対象
の半導体ウェハ１８上のレジスト膜１９の吸収係数が大
きく、レジスト膜１９内に入射して下地で反射してレジ
スト膜１９から射出する光がほとんどないような場合で
も、長波長または短波長などの任意の波長、特に短波長
におけるレジスト膜１９の特性値を精度良く求めること
ができる。

【０１２６】（実施例３）図１４は本発明の実施例３で
ある半導体集積回路装置の製造装置におけるフォトリソ
グラフィ設備の薄膜特性値測定部を示す要部構成図、図
１５は本実施例の変形例である薄膜特性値測定部を示す
要部構成図である。

【０１２７】本実施例のフォトリソグラフィ設備は、実
施例１と同様に、試料上に薄膜を塗布し、集積回路を構
成する１層分のパターンを露光し、現像することによっ
て試料上にパターンを形成するフォトリソグラフィ工程
に用いられ、実施例１および２との相違点は、露光中の
半導体ウェハ（試料）１８上のレジスト膜（薄膜）１９
の特性値の過渡変化を測定するため、このレジスト膜１
９の特性値測定中に感光して変質することを積極的に用
いた点である。

【０１２８】すなわち、本実施例の薄膜特性値測定部
（検出手段）１７ｂの要部は、図１４に示すように、集
光用の照明側レンズ２５、検出側レンズ２６、反射光強
度検出器２７、レジスト膜反射光強度連続測定結果格納
用記憶部５９、参照ウェハ用記憶部６０、暗レベル用記
憶部６１、レジスト膜反射率演算部３０、レジスト膜特
性値演算部３１などから構成されている。

【０１２９】次に、本実施例の作用について説明する。

【０１３０】まず、反射光強度検出器２７からの信号
を、連続してレジスト膜反射光強度連続測定結果格納用
記憶部５９に格納する。また、参照ウェハ３２および検
出時の暗レベルの反射光強度の入射角依存特性は、それ
ぞれ参照ウェハ用記憶部６０および暗レベル用記憶部６
１に格納しておく。

【０１３１】そして、測定中、すなわちレジスト膜１９
の感光中の反射光強度の入射角依存特性の検出が終了し
た後に、レジスト膜反射率演算部３０において反射率の
入射角依存特性を求め、レジスト膜特性値演算部３１で
レジスト膜１９の特性値を決定するという操作を繰り返
して特性値の露光による過渡変化を求める。

【０１３２】たとえば、レジスト膜１９の吸収係数が大
きく、実施例２と同様に露光波長において３つの特性値
を同時に精度良く決めることができない場合にも、本実
施例を用いることができる。

【０１３３】すなわち、測定開始時の反射光強度の入射
角依存特性Ｉs(θ) と、測定光によりレジスト膜１９が
露光されて吸収係数が小さくなったときの反射光強度の
入射角依存特性Ｉe(θ) を用いればよい。このＩe(θ)
を用いて膜厚を求め、その膜厚値とＩs(θ) を用いて測
定開始時の屈折率および吸収係数を求める。このＩe
(θ) には、十分長い時間測定光を照射した後、あるい
は吸収係数が減少すると反射光量が増加するため反射光
量が増加した後の反射光強度の入射角依存特性を用いれ
ばよい。

【０１３４】従って、本実施例のフォトリソグラフィ設
備における薄膜特性値測定部１７ｂによれば、実施例２
と同様にレジスト膜１９の吸収係数が大きく、露光波長
において３つの特性値を同時に精度良く決めることがで
きない場合にも、レジスト膜１９の特性値測定中に感光
して変質することを積極的に用い、露光中のレジスト膜
１９の特性値の過渡変化を測定してレジスト膜１９の特
性値を精度良く求めることができる。

【０１３５】また、本実施例において、たとえばレジス
ト膜反射率演算部３０およびレジスト膜特性値演算部３
１の演算速度が速く、レジスト膜１９の反射光強度の入
射角依存特性の検出間隔の間に処理が終了する場合に
は、図１５のように反射光強度の入射角依存特性の過渡
変化ではなく、レジスト膜１９の特性値の過渡変化のみ
をレジスト膜特性値連続測定結果格納用記憶部６２に格
納しておけばよいので、記憶部の容量を少なくすること
ができる。なお、特性値の過渡変化を測定したいときに
は、測定光強度を大きくすれば過渡変化を短時間で検出
することができる。

【０１３６】（実施例４）図１６は本発明の実施例４で
ある半導体集積回路装置の製造装置におけるフォトリソ
グラフィ設備を示す要部構成図である。

【０１３７】本実施例のフォトリソグラフィ設備は、実
施例１と同様に、試料上に薄膜を塗布し、集積回路を構
成する１層分のパターンを露光し、現像することによっ
て試料上にパターンを形成するフォトリソグラフィ工程
に用いられ、実施例１，２および３との相違点は、露光
波長光である測定光による半導体ウェハ（試料）１８上
のレジスト膜（薄膜）１９の感光を積極的に利用する
際、測定光の他にレジスト膜１９を露光する目的の露光
光照明系を用いる点である。

【０１３８】すなわち、本実施例のフォトリソグラフィ
設備においては、図１６に示すように、測定用の光源
（図示せず）の他に、レジスト膜１９を露光するための
露光用光源６３と露光用レンズ６４とからなる露光用照
明系６５を用いるものであり、従って本実施例において
は、このように露光用光源６３と測定用光源を分離する
ことにより、露光波長と測定波長を任意かつ独立に測定
することができる。

【０１３９】以上、本発明者によってなされた発明を実
施例１〜４に基づき具体的に説明したが、本発明は前記
実施例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。

【０１４０】たとえば前記実施例の変形例としては、図
１７に示すとおり、図１中の薄膜特性値測定部１７を薄
膜特性値測定部光学検出系６６ａ〜６６ｆと薄膜特性値
測定部計算処理系６７に分けて薄膜特性値測定部光学検
出系６６ａ〜６６ｆのみを各ウェハ処理部の近くに配置
し、薄膜特性値測定部計算処理系６７は１つで済ませる
構成としてもよい。このような構成とすることにより、
システム全体のコストを抑えつつウェハの搬送距離を短
くできるので、効率のよいフォトリソグラフィ工程の最
適化が可能となる。

【０１４１】また、前記実施例においては、ＬＳＩ製造
工程中において、半導体ウェハ１８上のレジスト膜１９
の膜厚、屈折率および吸収係数を測定する場合について
説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものでは
なく、薄膜の特性値測定としては導体膜などの他の薄膜
の測定についても広く適用可能である。

【０１４２】

【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、
下記のとおりである。

【０１４３】(1).試料上の薄膜を露光・現像させること
なく、実際に試料に照射する露光光と実質的に同じ波長
の光の照射による透過光または反射光から検出すること
により、特に光学系に可動部を有することなく、任意の
露光波長での測定を可能とするレーザ以外の照明光を用
いて光源の照度むらを取り除き、薄膜の反射率の入射角
依存特性を精度良く検出することができるので、試料上
の薄膜の特性値の膜厚、屈折率、吸収係数の変動を正確
に求めることが可能となる。

【０１４４】(2).前記(1) において、試料上の薄膜の膜
厚値、屈折率値、吸収係数値を種々に変化させて反射率
の入射角依存特性理論値を計算し、求まった反射率の入
射角依存特性測定値と重なる理論値を探索することによ
り、その理論値の計算に用いた膜厚値、屈折率値、吸収
係数値を測定対象薄膜の特性値とすることができる。

【０１４５】(3).前記(1) および(2) により、測定対象
薄膜、たとえばＬＳＩ製造工程中のレジスト膜の膜厚、
屈折率および吸収係数を高精度に測定することができる
ので、レジスト塗布、ベーク、露光および現像工程にお
いて、レジスト膜の特性値の変動に基づいて実施中の工
程以降の工程または実施中の工程のパラメータを制御
し、フォトリソグラフィ工程の最適化が可能となる。

【０１４６】(4).前記(1) 〜(3) により、特にＬＳＩ製
造工程中のレジスト膜の膜厚、屈折率および吸収係数を
高精度に測定し、露光・現像後のレジストパターン線幅
寸法の精度を悪化させるレジスト膜の膜厚、屈折率およ
び吸収係数の変動を容易に検出することができるので、
寸法精度の安定化およびＬＳＩの歩留まり向上に大きく
寄与できる半導体集積回路装置の製造技術を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１である半導体集積回路装置の
製造装置におけるフォトリソグラフィ設備を示すブロッ
ク図である。

【図２】実施例１のフォトリソグラフィ設備における薄
膜特性値測定部を示す構成図である。

【図３】実施例１において、検出側レンズによる後焦点
面上での集光を示す説明図である。

【図４】実施例１において、薄膜内多重干渉を示す説明
図である。

【図５】実施例１において、測定対象薄膜と参照試料と
の交換方法を示す説明図である。

【図６】実施例１において、測定対象薄膜の入射角変化
に伴う反射率変化を測定する手順を示す説明図である。

【図７】実施例１において、薄膜の特性値測定精度の向
上のために光源の光量モニタを行う薄膜特性値測定部を
示す構成図である。

【図８】実施例１において、薄膜の特性値測定精度の向
上のために反射光強度の複数検出を行う薄膜特性値測定
部を示す構成図である。

【図９】実施例１において、レンズ表面での多重反射を
示す説明図である。

【図１０】実施例１において、レンズ表面での他の多重
反射を示す説明図である。

【図１１】実施例１において、光軸付近を遮光した垂直
照明・垂直検出方式を示す説明図である。

【図１２】実施例１において、Ｓ／Ｎ比向上のために遮
光した垂直照明・垂直検出方式を示す説明図である。

【図１３】本発明の実施例２である半導体集積回路装置
の製造装置におけるフォトリソグラフィ設備の薄膜特性
値測定部を示す要部構成図である。

【図１４】本発明の実施例３である半導体集積回路装置
の製造装置におけるフォトリソグラフィ設備の薄膜特性
値測定部を示す要部構成図である。

【図１５】実施例３の変形例である薄膜特性値測定部を
示す要部構成図である。

【図１６】本発明の実施例４である半導体集積回路装置
の製造装置におけるフォトリソグラフィ設備を示す要部
構成図である。

【図１７】本発明の変形例である半導体集積回路装置の
製造装置におけるフォトリソグラフィ設備を示すブロッ
ク図である。

【符号の説明】

１ 前処理部 ２ レジスト塗布部 ３ プレベーク部 ４ 露光部 ４ａ 露光後ベーク部 ５ 現像部 ６ ポストベーク部 ７ エッチング部 ８ レジスト除去部 ９〜１２，１２ａ，１３〜１６ パラメータ制御部 １７，１７ａ，１７ｂ 薄膜特性値測定部（検出手段） １８ 半導体ウェハ（試料） １９ レジスト膜（薄膜） ２０ マスク ２１ 光源 ２２ コリメート用レンズ ２３ 偏光板 ２４ 波長限定用光学素子 ２５ 照明側レンズ ２６ 検出側レンズ ２７ 反射光強度検出器 ２８ レジスト膜反射光強度測定結果格納用記憶部 ２９ 参照ウェハ反射光強度測定結果格納用記憶部 ３０ レジスト膜反射率演算部 ３１ レジスト膜特性値演算部 ３２ 参照ウェハ ３３ 照明光線 ３４ 反射平行光束 ３５ 後焦点面 ３６ 検出軸 ３７ 照度分布 ３８ 参照試料片 ３９ ウェハチャック ４０ 光量センサ ４１ 光量検出用レンズ ４２ ハーフミラー ４３ 参照ウェハ反射光強度検出結果用記憶部 ４４ 暗レベル反射光強度検出結果用記憶部 ４５ 参照ウェハ反射光強度検出時光量値用記憶部 ４６ 暗レベル反射光強度検出時光量値用記憶部 ４７ 複数検出信号平均演算部 ４８ 参照ウェハ平均結果用記憶部 ４９ 暗レベル平均結果用記憶部 ５０ 照明・検出用レンズ ５１ レンズ表面反射光線 ５２ 遮光板 ５３ ミラー ５４ ハーフミラー ５５ 長波長時参照ウェハ用記憶部 ５６ 長波長時暗レベル用記憶部 ５７ 短波長時参照ウェハ用記憶部 ５８ 短波長時暗レベル用記憶部 ５９ レジスト膜反射光強度連続測定結果格納用記憶部 ６０ 参照ウェハ用記憶部 ６１ 暗レベル用記憶部 ６２ レジスト膜特性値連続測定結果格納用記憶部 ６３ 露光用光源 ６４ 露光用レンズ ６５ 露光用照明系 ６６ａ〜６６ｆ 薄膜特性値測定部光学検出系 ６７ 薄膜特性値測定部計算処理系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小森谷 進 東京都小平市上水本町５丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者 窪田 仁志 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 岩田 尚史 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 相場 良彦 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 永塚 俊治 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 栗原 雅宏 東京都青梅市藤橋３丁目３番地２ 日立東 京エレクトロニクス株式会社内

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源から照射される収束光を露光光とし
   て試料上の薄膜上にマスク上のパターンを転写する半導
   体集積回路装置の製造方法であって、実際に前記試料上
   の薄膜を露光・現像させることなく、前記露光光と実質
   的に同じ波長の光を前記薄膜に照射し、この照射による
   透過光または反射光から前記薄膜の特性値を検出し、こ
   の検出結果に基づいて露光・現像工程のパラメータを制
   御することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方
   法。
2. 【請求項２】 紫外線を露光光とした縮小投影露光装置
   により半導体ウェハ上の感光性のレジスト膜上にマスク
   上の回路パターンを縮小投影露光方法によって転写する
   半導体集積回路装置の製造方法であって、実際に前記半
   導体ウェハ上のレジスト膜を露光・現像させることな
   く、前記露光光と実質的に同じ波長の光を前記レジスト
   膜に照射し、この照射による透過光または反射光から前
   記レジスト膜の特性値を検出し、この検出結果に基づい
   てレジスト塗布、ベーク、露光および現像工程の各パラ
   メータを制御することを特徴とする半導体集積回路装置
   の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載の半導体集積回路装置の製
   造方法において、前記半導体ウェハ上のレジスト膜の特
   性値を、前記レジスト膜の膜厚、屈折率、吸収係数と
   し、前記レジスト膜の特性値の変化を所定の頻度で検出
   し、この検出された特性値の変化を実施中の工程以降の
   工程または実施中の工程のパラメータの制御に反映させ
   ることを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項３記載の半導体集積回路装置の製
   造方法において、前記半導体ウェハ上のレジスト膜の特
   性値を検出する場合に、前記半導体ウェハを収束光で照
   明し、前記半導体ウェハから反射する発散光を検出する
   レンズの後焦点面強度分布から前記半導体ウェハ上のレ
   ジスト膜の特性値を測定し、かつ屈折率と吸収係数が既
   知の参照ウェハの後焦点面強度分布と、前記参照ウェハ
   の反射率の入射角依存特性の理論計算値とを用い、前記
   半導体ウェハの後焦点面強度分布を反射率の入射角依存
   特性に変換した後、前記半導体ウェハ上のレジスト膜の
   膜厚、屈折率、吸収係数を算出することを特徴とする半
   導体集積回路装置の製造方法。
5. 【請求項５】 請求項４記載の半導体集積回路装置の製
   造方法において、前記半導体ウェハを退避して検出した
   後焦点面強度分布を用いて、前記半導体ウェハの反射率
   の入射角依存特性を算出することを特徴とする半導体集
   積回路装置の製造方法。
6. 【請求項６】 請求項４記載の半導体集積回路装置の製
   造方法において、前記収束光の強度検出値を用いて、前
   記半導体ウェハの反射率の入射角依存特性を算出するこ
   とを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
7. 【請求項７】 請求項４記載の半導体集積回路装置の製
   造方法において、前記後焦点面強度が複数回の測定結果
   の平均値であることを特徴とする半導体集積回路装置の
   製造方法。
8. 【請求項８】 請求項４記載の半導体集積回路装置の製
   造方法において、前記半導体ウェハの後焦点面強度分布
   を変換して求めた反射率の入射角依存特性と、任意の膜
   厚、屈折率、吸収係数の組を代入して理論計算した反射
   率の入射角依存特性とを比較し、両者が最も一致する場
   合の膜厚、屈折率、吸収係数の組を算出することを特徴
   とする半導体集積回路装置の製造方法。
9. 【請求項９】 請求項４記載の半導体集積回路装置の製
   造方法において、前記半導体ウェハ上のレジスト膜の吸
   収係数の小さい波長で膜厚を求め、この膜厚値を用いて
   前記レジスト膜の吸収係数が大きい波長での屈折率、吸
   収係数を算出することを特徴とする半導体集積回路装置
   の製造方法。
10. 【請求項１０】 請求項４記載の半導体集積回路装置の
    製造方法において、前記半導体ウェハ上のレジスト膜を
    感光しながら複数の後焦点面強度分布を検出、記憶し、
    この記憶した後焦点面強度分布から各検出時点における
    膜厚、屈折率、吸収係数を算出し、感光中の前記レジス
    ト膜の特性値の変化を測定することを特徴とする半導体
    集積回路装置の製造方法。
11. 【請求項１１】 請求項４記載の半導体集積回路装置の
    製造方法において、前記半導体ウェハ上のレジスト膜の
    吸収係数が小さくなった時の後焦点面強度分布から膜厚
    を求め、この膜厚値と各検出時における後焦点面強度分
    布から屈折率、吸収係数を算出し、感光中の前記レジス
    ト膜の特性値の変化を測定することを特徴とする半導体
    集積回路装置の製造方法。
12. 【請求項１２】 紫外線を露光光とした縮小投影露光装
    置により半導体ウェハ上の感光性のレジスト膜上にマス
    ク上の回路パターンを縮小投影露光方法によって転写す
    る半導体集積回路装置の製造装置であって、レジスト塗
    布、ベーク、露光および現像工程の各パラメータを制御
    するために、実際に前記半導体ウェハ上のレジスト膜を
    露光・現像させることなく、前記露光光と実質的に同じ
    波長の光を前記レジスト膜に照射し、この照射による透
    過光または反射光から前記レジスト膜の特性値を検出す
    る検出手段を備えることを特徴とする半導体集積回路装
    置の製造装置。
13. 【請求項１３】 請求項１２記載の半導体集積回路装置
    の製造装置において、前記半導体ウェハ上のレジスト膜
    の特性値を検出する検出手段として、光源と、前記半導
    体ウェハを収束光で照明するレンズと、前記半導体ウェ
    ハから反射する発散光を検出するレンズと、前記レンズ
    の後焦点面強度分布を検出する装置と、屈折率と吸収係
    数が既知の参照ウェハと、前記半導体ウェハと前記参照
    ウェハの後焦点面強度分布と前記参照ウェハの反射率の
    入射角依存特性の理論計算値とから前記半導体ウェハの
    反射率の入射角依存特性を算出し、さらに前記半導体ウ
    ェハの反射率の入射角依存特性から前記レジスト膜の膜
    厚、屈折率、吸収係数を算出する演算装置とからなるこ
    とを特徴とする半導体集積回路装置の製造装置。
14. 【請求項１４】 請求項１３記載の半導体集積回路装置
    の製造装置において、前記半導体ウェハと前記参照ウェ
    ハを同時に載置台に搭載することを特徴とする半導体集
    積回路装置の製造装置。
15. 【請求項１５】 請求項１３記載の半導体集積回路装置
    の製造装置において、前記半導体ウェハを収束光で照明
    するレンズが、このレンズの光軸が前記半導体ウェハに
    対して垂直で、前記半導体ウェハから反射する発散光を
    検出するレンズと兼用し、かつ前記レンズの光軸付近に
    は前記収束光による照明光を通過させないことを特徴と
    する半導体集積回路装置の製造装置。
16. 【請求項１６】 請求項１３記載の半導体集積回路装置
    の製造装置において、前記半導体ウェハを収束光で照明
    するレンズが、このレンズの光軸が前記半導体ウェハに
    対して垂直で、前記半導体ウェハから反射する発散光を
    検出するレンズと兼用し、前記レンズの光軸付近には照
    明光を通過させず、かつ前記収束光による照明光と前記
    発散光による反射光のレンズ透過位置が異なることを特
    徴とする半導体集積回路装置の製造装置。
17. 【請求項１７】 請求項１３記載の半導体集積回路装置
    の製造装置において、前記光源から異なる波長光を取り
    出す装置と、各波長での後焦点面強度分布の検出値を記
    憶する装置と、前記半導体ウェハ上のレジスト膜の吸収
    係数が小さい波長での後焦点面強度分布から膜厚を求
    め、この膜厚値とその他の各波長での後焦点面強度分布
    から屈折率、吸収係数を算出する演算装置を持つことを
    特徴とする半導体集積回路装置の製造装置。
18. 【請求項１８】 請求項１３記載の半導体集積回路装置
    の製造装置において、前記後焦点面強度分布の検出値を
    連続で検出して記憶する装置と、この記憶した後焦点面
    強度分布から各検出時点における膜厚、屈折率、吸収係
    数を算出する演算装置とを持つことを特徴とする半導体
    集積回路装置の製造装置。
19. 【請求項１９】 請求項１３記載の半導体集積回路装置
    の製造装置において、前記後焦点面強度分布の検出値を
    連続で検出して記憶する装置と、前記半導体ウェハ上の
    レジスト膜の吸収係数が小さくなった時の後焦点面強度
    分布から膜厚を求め、この膜厚値と各検出時における後
    焦点面強度分布から屈折率、吸収係数を算出する演算装
    置とを持つことを特徴とする半導体集積回路装置の製造
    装置。