JPH10300428A

JPH10300428A - パターン寸法評価装置

Info

Publication number: JPH10300428A
Application number: JP10040603A
Authority: JP
Inventors: Kei Hayazaki; 圭早崎; Shinichi Ito; 信一伊藤; Kenji Kawano; 健二川野; Soichi Inoue; 壮一井上; Katsuya Okumura; 勝弥奥村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-02-26
Filing date: 1998-02-23
Publication date: 1998-11-13
Anticipated expiration: 2018-02-23
Also published as: JP4327266B2; US6423977B1

Abstract

(57)【要約】【課題】現像時間の制御により異なるウエハに対して
もレジストパターンの精密な寸法制御を可能にする。【解決手段】ウエハ１００上のレジスト１１０にデバ
イスパターン１１１を露光し、所定時間の現像によりデ
バイスパターン１１１を形成するパターン形成方法にお
いて、レジスト１１０の露光時に、矩形状の要素パター
ンを隣接して周期的に配置し、その繰り返しのピッチを
デバイスパターン１１１とは異なるモニタパターン１１
２を露光しておき、レジスト１１０の現像中に、モニタ
パターン１１１に波長４００ｎｍの平行光２０１を照射
し、モニタパターン１１１より回折して得られる１次回
折光２０３の強度を検出し、予め求められている寸法と
回折光強度との関係を基にデバイスパターンの評価を行
い、この評価結果から現像の時間制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の作製
における光リソグラフィのレジストパターン形成技術に
係わり、特に現像中若しくは現像後のレジストパターン
を評価するためのパターン寸法評価装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】ウエハ上に集積回路パターンを形成する
には、ウエハ上にレジストを塗布した後に該レジストに
所望のパターンを露光し、さらに現像処理してレジスト
パターンを形成し、これをマスクにエッチング等の加工
を行う。マスクとしてのレジストパターンには高い寸法
精度が要求されるが、レジストパターンの寸法は現像時
間により大きく変わる。このため、現像時間の制御が非
常に重要である。

【０００３】従来、現像時の寸法制御は、先行ウエハを
露光し、現像した後、その寸法評価を行うことで最適現
像時間を決め、全てのウエハの現像時間を一定として行
ってきた。しかし、実際にはそれぞれのウエハの引き置
き時間といったウエハ履歴が異なっているために、同一
ロットを同一現像時間で現像を行うとウエハ間に寸法ば
らつきが生じ、所望寸法で現像を終わらせることができ
ない。

【０００４】これまではこのような現像の時間管理を行
っていても、寸法誤差が許容範囲内に入っていたため大
きな問題とはなっていなかったが、プロセスの微細化が
進みこれまで以上に精密な寸法制御が必要となってきて
おり、従来の現像時間管理手法では現像時の寸法制御が
困難となっている。

【０００５】一方、従来では現像後に行うレジストパタ
ーンの評価は、例えばＳＥＭ（Scanning Electron Micr
oscope）を用いて行ってきた。ＳＥＭは高倍率のパター
ン観察が可能である反面、装置構成が複雑でかつ高価で
ある。また、検査に非常に長い時間を要するため、効率
良く評価することが困難であった。

【０００６】また、現像中や現像後に限らず、回折光等
を利用して光学的にデバイスパターンを検査する場合、
必要なデバイスパターンのモニタの際に他のデバイスパ
ターンからの情報も取り込まれる可能性があり、これが
モニタの精度を劣化させる要因となっていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、現像
時間の制御により異なるウエハに対してレジストパター
ンの精密な寸法制御を行うことは困難であった。また、
レジストパターンをＳＥＭで評価するには多大な時間が
かかるという問題があった。さらに、回折光等を利用し
てデバイスパターンを検査する場合、モニタすべきパタ
ーンとは別のパターンからの影響でモニタ精度が低下す
る問題があった。

【０００８】本発明は、上記の事情を考慮して成された
もので、その目的とするところは、異なるウエハに対し
てもレジストパターンの精密な寸法制御が可能となるパ
ターン寸法評価装置を提供することにある。

【０００９】本発明の他の目的は、モニタすべきパター
ンとは別のパターンからの影響を受けることなく、レジ
ストパターンを短時間で高精度に検査することのできる
パターン寸法評価装置を提供することにある。

【００１０】本発明のさらなる他の目的は、レジストパ
ターンの寸法を、その現像中に短時間でかつ高精度に評
価でき、現像の終点を高精度に予測することのできるパ
ターン寸法評価装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

（構成）上記課題を解決するため、この発明のパターン
寸法評価装置は、被処理体上の、デバイスパターンと異
なる位置に形成されたモニタ領域に対し、特定波長の平
行光を照射するための照明手段と、前記モニタ領域から
の回折光強度を検出する手段と、このモニタ領域からの
回折光強度に基づいて前記デバイスパターン寸法を評価
するデバイスパターン評価手段とを有することを特徴と
する。

【００１２】この装置は、現像終了後のデバイスパター
ンの寸法を評価するのに適用されるものであっても良い
し、デバイスパターンの現像終点を検出するのに適用さ
れるものであっても良い。デバイスパターンの現像終点
を検出するのに適用される装置である場合、前記パター
ン評価手段は、モニタ領域からの回折光の強度変化に基
づいてデバイスパターンの現像の終点を判断する手段を
有するものとする。

【００１３】一方、モニタ領域としては、第１にモニタ
パターンを有するものであることが好ましい。このモニ
タパターンは、デバイスパターンとは異なる要素パター
ンで構成され、このモニタパターンからの回折光をデバ
イスパターンからの回折光と分離して検出できるように
構成されているものである。また、このモニタパターン
は、露光用パターン要素の間隔が解像限界以下となるよ
うに隣接して周期的に配置してなる露光パターンを通し
てレジストを露光することで形成されたものであること
が好ましい。

【００１４】この場合、パターン寸法評価手段は、予め
求められているデバイスパターン寸法とモニタパターン
からの回折光の強度との関係に基づいてパターン評価を
行なうようにすれば良い。

【００１５】また、前記モニタ領域として、第２に、全
体に亘って略均一の現像速度となるように露光され、現
像の進行に伴い徐々にかつ略均一に膜減りが生じるよう
に形成されているものであっても良い。

【００１６】この場合、このモニタ領域は、デバイスパ
ターンを作成したマスクと同一面内に作成したマスクパ
ターンを用いてデバイスパターンと同一条件で露光する
ことにより作成するものであって、モニタ領域形成用の
マスクパターンは、露光条件に対して被処理体上に０次
回折光しか到達しないピッチを有する規則パターンであ
り、かつ、現像の進行に伴い徐々にかつ略均一に膜減り
が生じるような透過率となるようにマスクパターンの抜
きと残しの比率が設計されたマスクで作成されたもので
あることが好ましい。

【００１７】そして、このようなモニタ領域を用いる場
合、照明手段からモニタ領域に照射される照明光とし
て、モニタ領域の膜減りに伴う回折光の強度変化もしく
はその時間微分値が極大・極小を有する波長の光を用
い、現像の終点を予測する手段は、検出された回折光強
度変化もしくはその時間微分値の極大・極小に基づいて
現像終点を予測するものであることが好ましい。

【００１８】さらに、モニタ領域として、第３に、デバ
イスパターンに対する現像終点に基づいて決定されたタ
イミングで所定の膜厚となるように露光されたものであ
っても良い。この場合、前記現像の終点を予測する手段
は、モニタ領域が前記所定の膜厚となったことを検出す
ることで現像終点を予測するようにすれば良い。

【００１９】（作用）本発明では、レジストの現像中又
は現像後に、デバイスパターンや既加工パターンから識
別可能な要素からなるモニタ領域を用いてパターン評価
を行うことにより、レジストパターンの寸法を検査する
ことができる。

【００２０】そしてモニタ領域にモニタパターンを露光
により形成する場合、例えば露光マスクの要素パターン
として円形又は多角形を用い、しかもそのパターン間隔
が使用する露光装置の解像限界以下になるように構成し
た露光マスクを使用して露光を行なう。このようにして
形成されたモニタパターンによれば、現像時間の経過に
よる回折光の強度変化をデバイスパターンよりも大きく
することができ、これにより検査精度の向上をはかるこ
とができる。

【００２１】また、ピッチ又は繰り返しの方向等が異な
るモニタパターンを用いてパターン評価を行うことによ
り、他のパターンからの影響を受けない精度良い検査が
可能となる。さらに、回折光強度をモニタするだけでパ
ターン評価を行うことができるので、ＳＥＭ等は異なり
短時間で検査することができる。

【００２２】一方、モニタ領域として、前記のようなパ
ターンを有さず、ただ全体に亘って略均一の現像速度と
なるように露光され、現像の進行に伴い略均一に膜減り
が生じるように形成されているものを用いる場合、この
モニタ領域からの回折光強度には極大・極小を観察する
ことができる。そして、この極大、極小に基づいてデバ
イスパターンの現像終点を予測することができる。

【００２３】このような予測方法によれば、回折光強度
信号の絶対値に信号的なオフセットが生じている場合で
あっても、極大、極小に基づいてデバイスパターンの現
像終点を予測するようにしたので、このオフセットを補
正して正確な現像終点を求めることが可能になる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。

【００２５】（第１の実施形態）図１は、本発明の第１
の実施形態に係わるパターン寸法評価装置を説明するた
めのもので、１次回折光を利用して現像後にパターン検
査を行う装置構成例を示す図である。

【００２６】ウエハ（被処理基板）１００上のレジスト
１１０には、デバイスパターン１１１と共にモニタパタ
ーン１１２が、一括露光、現像処理により形成されてい
る。モニタパターン１１２は、１ショット内においてデ
バイス作成に寄与するエリアと分離して配置されてい
る。

【００２７】モニタパターン１１２に対し、光源２０１
から、狭帯域フィルタを介して４００±２０ｎｍとした
波長の平行光を入射させる。モニタパターン１１２から
は０次の回折光２０２、１次の回折光２０３、さらに高
次の回折光（図示せず）が得られる。そして、モニタパ
ターン１１２からの１次回折光２０３をＣＣＤカメラ２
１０によって検出する。このＣＣＤカメラ２１０は、コ
ンピュータシステムからなるパターン評価部２２０に接
続されており、このパターン評価部２２０は、検出され
た１次回折光２０３の強度を予め得られている寸法と１
次回折光強度との関係に適用し、デバイスパターン寸法
の評価を行う。

【００２８】図２は、本実施形態における現像モニタパ
ターン１１２の例を示す図である。１辺の長さＬ＝０．
２μｍ（ウエハ換算値、以下同様）の正方形が規則的に
配置されており、隣接する４つの正方形の中心が四角形
の頂点になるように配置されている。ｘ方向の間隔ｄ
ｘ、ｙ方向の間隔ｄｙは共に０．０７μｍである。ここ
で、間隔ｄｘ、ｄｙ＝０．０７μｍは使用する露光装置
の解像限界以下の値である。

【００２９】デバイスパターン１１１として０．１５μ
ｍのＬ＆Ｓパターンを想定した。露光条件は露光波長＝
２４８ｎｍ（ＫｒＦエキシマレーザ）、投影光学系の開
口数（ＮＡ）＝０．７、コヒーレンスファクタ（σ）＝
０．７５、２／３輪帯照明とし、レジストには０．１５
μｍ膜厚のポジ型化学増幅レジストを用いた。

【００３０】そして、０．１５μｍのＬ＆Ｓデバイスパ
ターン（ライン幅：スペース幅＝１：１）１１１が現像
時間３０秒で所望寸法に仕上がる条件で、モニターパタ
ーン１１２を以下の寸法として露光を行なった。すなわ
ち、（ａ）…図２に示したモニタパターン。

【００３１】（ｂ）…０．１５μｍのＬ＆Ｓモニタパタ
ーン（ライン幅：スペース幅＝１：１）。

【００３２】（ｃ）…０．１５μｍのＬ＆Ｓモニタパタ
ーン（仕上がりのライン幅：スペース幅＝１：３）。

【００３３】（ｄ）…ライン幅０．０７μｍ、スペース
幅０．２μｍのＬ＆Ｓモニタパターン。

【００３４】ここで（ｂ）は、前記デバイスパターン１
１１と同一寸法であるため、この（ｂ）との比較によ
り、デバイスパターン１１１に対する１次回折光の強度
変化を知ることができる。

【００３５】（ａ）〜（ｄ）それぞれの現像時間（１０
〜３６秒）に対する現像後の１次回折光強度の関係は、
図３に示すようになる。このとき、（ｄ）のパターンは
全く解像していなかったため、図示されていない。

【００３６】現像終点近傍（３０秒）で（ｂ）のパター
ンでは殆ど強度変化がなく、（ａ）のモニタパターンは
（ｃ）のパターンの約４倍の強度変化を示した。このと
き、（ａ）のモニタパターンの強度変化は、（ｂ）の
０．１５μｍのＬ＆Ｓパターン（ライン幅：スペース幅
＝１：１）の寸法１．５ｎｍの変化に対して、１０（Ｃ
ＣＤカメラの階調を２５６とした場合）である。

【００３７】この原因として、以下のようなことがあげ
られる。

【００３８】パターンの繰り返しピッチをｐ、ライン部
分の間隔、反射率、位相をｌ、ｒ_a、φ_a、スペース部
分の反射率、位相をｒ_b、φ_bとすると、Ｌ＆Ｓパター
ンにおけるｍ次光の強度は（H. P. Kleinknecht and H.
Meier、 Applied Optics Vol.19 No.4 (1980) pp525-53
3）に見られるように、次の式で表される。

【００３９】

【数１】

【００４０】この関係より、大きな強度変化を得るため
には、線幅の変化が１／ｐ＝０．２５又は０．７５の近
傍で起こっていることが必要である（図４）。

【００４１】すなわち、（ａ）のモニタパターンは線幅
の変化が１／ｐ＝０．２５の近傍で起こっているため、
最も変化が大きくなっていると考えられる。また、
（ａ）のパターンと同じピッチだがスペース幅の異なる
（ｄ）のＬ＆Ｓパターンは変化を示していないことか
ら、ホール状のパターンであることが重要であると考え
られる。

【００４２】このように本実施形態によれば、現像後に
１次回折光強度よりパターン評価を行う場合に、１次回
折光強度変化がデバイスパターン１１１の寸法変化に対
して大きい寸法のモニタパターンを用いることにより、
２５６階調のＣＣＤカメラの１０階調で寸法変化１．５
ｎｍの計測ができることが分かる。

【００４３】すなわち、デバイスパターン１１１の０．
１５μｍのＬ＆Ｓパターン（ライン幅：スペース幅＝
１：１）では、寸法の５％の変動（７．５ｎｍ）に対し
て、階調が１階調しか変化していない。これに対して、
パターン間隔が使用する露光装置の解像限界以下の値で
あるモニタパターン（ａ）をモニタするようにすれば、
より多くの階調でこの寸法変動を検出することができる
から測定精度が大きく向上する。

【００４４】また、光学的な手法でパターン評価を行う
ようにしたことから、容易なウエハのパターン評価が可
能となり、スループットが向上する。さらに、１０２４
階調のＣＣＤカメラでモニタを行えば、単純に４倍の精
度でモニタが可能である。

【００４５】（第２の実施形態）図５は、本発明の第２
の実施形態を説明するためのもので、１次回折光を利用
し、現像中にパターン検査を行う際の装置構成例を示す
図である。即ち、１次回折光を利用した in-situ現像モ
ニタの例である。

【００４６】基本的な構成は前記図１と同じであるが、
レジスト１１０上には現像液２３０が存在し、その上に
円盤状のノズル２４０が設置された状態となっている。
また、前記ＣＣＤカメラ２１０は、現像時間等のプロセ
ス条件を制御する現像制御装置２４１に接続されてお
り、この現像制御装置２４１には、前記モニタパターン
１１２からの回折光の強度に基づいてデバイスパターン
１１１の現像終点を予測する現像終点予測部２２０’が
設けられている。

【００４７】この装置においても、現像中に、モニタパ
ターン１１２に対し、狭帯域フィルタを介して４００±
２０ｎｍとしたレジストが感光しない波長の平行光２０
１を斜め方向から入射させる。モニタパターン１１２
は、１ショット内においてデバイス作成に寄与するエリ
アと分離して配置されているが、デバイスパターン１１
１とモニタパターン１１２のピッチが異なるように設計
されている。

【００４８】具体的には、図６に示すように、デバイス
パターン１１１としては、非常に近接した領域に０．１
５μｍのＬ＆Ｓパターン２５１或いはピッチ０．３０μ
ｍのホールパターン２５２が存在する。また、現在加工
中の下層には既加工の層が存在し、その層にはデバイス
パターンである０．１５μｍのＬ＆Ｓパターン或いはピ
ッチ０．３μｍのホールパターンが存在する。

【００４９】一方、モニタパターン１１２としては、前
記図２に示したものと同じパターンを用いる。すなわ
ち、このモニタパターン１１２は、１辺の長さＬ＝０．
２μｍの正方形が規則的に配置され、ｘ方向の間隔ｄ
ｘ、ｙ方向の間隔ｄｙは共に０．０７μｍである。ここ
で、間隔ｄｘ、ｄｙ＝０．０７μｍは使用する露光装置
の解像限界以下の値である。

【００５０】現像モニタパターン１１２からの１次回折
光２０３をＣＣＤカメラ２１０により検出する。前記現
像終点予測部２２０’は、検出した１次回折光を予め得
られている現像時間と１次回折光強度との関係と照合
し、所望の値に１次回折光強度がなった時点で現像の終
点とする。前記現像制御装置２４１は、この検出に基づ
いて現像を終了する。

【００５１】この実施例においては、前記デバイスパタ
ーン１１１とモニタパターン１１２のパターンピッチを
異ならせたので、両者を区別して認識することが可能で
ある。

【００５２】すなわち、図５における入射角を４０°と
した場合、検出角とパターンピッチの関係は図７のよう
に表される。この図によれば、ピッチ０．２７μｍの場
合の検出角は５７°、ピッチ０．３０μｍの場合の検出
角は４４°である。したがって、非常に近接した領域に
デバイスパターン１１１とモニタパターン１１２が存在
しても、パターンピッチが異なればデバイスパターン１
１１及び既加工パターンからの１次回折光とモニタパタ
ーン１１２からの１次回折光は分離可能である。

【００５３】このように本実施形態によれば、デバイス
パターン１１１及び既加工パターンと異なるピッチのモ
ニタパターン１１２を用いることにより、モニタパター
ン１１２以外の回折光の影響を受けない精度の良いモニ
タが可能となる。このため、現像終点を正確に判断する
ことができ、レジストパターンの精密な寸法制御を行う
ことできる。

【００５４】（第３の実施形態）本実施形態は、第２の
実施形態と同様の装置構成（図５）を有するが、モニタ
パターン１１２の配置が異なるものである。

【００５５】この装置は、現像中に、モニタパターン１
１２に対し、狭帯域フィルタを介して３９０±１０ｎｍ
としたレジストが感光しない波長の平行光２０１を斜め
方向から入射させる。モニタパターン１１２は、１ショ
ット内においてデバイス作成に寄与するエリアと分離し
て配置されているが、前記第２の実施形態と異なり、デ
バイスパターン１１１とモニタパターン１１２の繰り返
しの方向が異なるように設計されている。

【００５６】具体的には、図８に示すように、非常に近
接した領域にデバイスパターン１１１であるピッチ０．
２７μｍのＬ＆Ｓパターン２５２或いはピッチ０．２７
μｍのホールパターン２５１が存在するが、これらのデ
バイスパターン２５１、２５２は、隣接するモニタパタ
ーン１１１と繰り返しの方向が１５°異なるように形成
・配置されている。

【００５７】ここで、現像モニタパターン１１２からの
１次回折光２０３をＣＣＤカメラ２１０により検出す
る。検出した１次回折光強度の時間微分値を、予め得ら
れている現像時間と１次回折光強度との関係と照合し、
所望の値に１次回折光強度の微分値がなった時点で現像
の終点とする。

【００５８】図８に矢印（α）で示す方向から、パター
ン面に約３０°の角度で光を入射させると、モニタパタ
ーン１１２からの１次回折光は入射光と同じ方向でかつ
パターンに垂直な方向に検出されるが、デバイスパター
ン１１１からの１次回折光は入射光とは異なる方向に検
出されることになる。従って、繰り返しの方向が異なれ
ば、ピッチが同じでも１次回折光が分離可能である。

【００５９】本実施形態によれば、デバイスパターン１
１１及び既加工パターンと異なる繰り返し方向のモニタ
パターン１１２を用いることにより、モニタパターン１
１２以外からの１次回折光の影響を受けない精度の良い
モニタが可能となり、第２の実施形態と同様にレジスト
パターンの精密な寸法制御を行うことできる。

【００６０】（第４の実施形態）本実施形態も、第２の
実施形態と同様の装置構成（図５）を有するが、モニタ
パターン１１２の配置が異なるものである。

【００６１】この装置も、現像中に、モニタパターン１
１２に対し、狭帯域フィルタを介して３９０±１０ｎｍ
としたレジストが感光しない波長の平行光２０１を斜め
方向から入射させる。ただし、モニタパターン１１２の
下層には、図９に示すようにピッチ０．３μｍの既加工
のモニタパターン１１２’が存在する。

【００６２】加工中のモニタパターン１１２としては、
前記図２に示したのと同寸法のパターンを用いる。ここ
で、間隔ｄｘ、ｄｙ＝０．０７μｍは使用する露光装置
の解像限界以下の値である。

【００６３】現像モニタパターン１１２からの１次回折
光２０３をＣＣＤカメラ２１０により検出する。予め得
られている現像時間と回折光強度との関係を基に、１次
回折光強度が極値を取る現像時間から現像の終点までの
時間差を算出し、この値を参照して現像の終点を検出す
る。

【００６４】前記図５における入射光の入射角を４０°
として、検出角とピッチの関係は前記図７に示すように
表される。ピッチ０．２７μｍの場合の検出角は５７
°、ピッチ０．３０μｍの場合の検出角は４４°である
ことから、層によって異なるモニタパターンを用いれ
ば、下の層からのモニタパターン１１２’からの１次回
折光と現加工のモニタパターン１１２からの１次回折光
は分離可能である。

【００６５】本実施形態によれば、モニタパターンとし
て各層毎に異なるピッチのモニタパターンを用いたの
で、下層のモニタパターンからの１次回折光の影響を受
けない精度の良いモニタが可能となり、第２の実施形態
と同様にレジストパターンの精密な寸法制御を行うこと
できる。

【００６６】（第５の実施形態）図１０は、本発明の第
５の実施形態を説明するためのもので、０次回折光を利
用して現像中にパターン検査を行う際の装置構成例を示
す図である。即ち、０次回折光を利用した in-situ現像
モニタの例である。

【００６７】この装置は、現像中に、前記モニタパター
ン１１２に対し、コリメートされた波長４８８ｎｍのレ
ーザ光３０１を垂直に入射させる。そして、現像モニタ
パターン１１２からの回折光（０次回折光３０２、１次
回折光３０３等）のうち０次回折光３０２のみをＣＣＤ
カメラ２１０により検出する。現像制御装置２４０（現
像終点予測部２２０’）は、ＣＣＤカメラ２１０のピク
セル輝度をコンピュータ処理することで０次回折光強度
を算出し、これに基づいてデバイスパターン１１１の現
像終点を予測する。

【００６８】図１１は、本実施形態における、現像モニ
タパターン１１２を露光用マスク上でのイメージとして
表したものである。１辺の長さＬ＝０．２μｍの正方形
が規則的に配置されており、敷き詰められた三角形の頂
点位置が正方形の中心となるように配置されている。ｘ
方向の間隔ｄｘ、ｙ方向の間隔ｄｙは共に０．０６μｍ
であり、使用する露光装置の解像限界以下の値である。
この正方形は、実際のウエハ上には円形のホールとして
転写されるため、モニタパターン１１２はホールを敷き
詰めたパターンとなっている。

【００６９】デバイスパターン１１１として０．１５μ
ｍのＬ＆Ｓパターンを想定した。露光条件は露光波長＝
２４８ｎｍ（ＫｒＦエキシマレーザ）、投影光学系の開
口数（ＮＡ）＝０．７、コヒーレンスファクタ（σ）＝
０．７５、２／３輪帯照明とし、０．１５μｍ膜厚のポ
ジ型化学増幅レジストを用いた。

【００７０】図１２に、現像時間と０次回折光強度の関
係を示す。デバイスパターンの現像終点時間３０秒にお
いて、現像モニタパターン１１２における０次回折光強
度の変化がデバイスパターン１１１と比較して３倍とな
った。パターンからの０次回折光強度は現像残し面積に
比例する量であり、強度変化が大きいということは、面
積変化が大きいことを意味する。

【００７１】このようにモニタパターンで大きな強度変
化が得られた理由として、(1) ホールパターンの形状変
化が円の外周方向で大きくなる方向であること、(2) ホ
ールが密に配置されているために、３つの隣接するホー
ルパターンで囲まれた領域が解像限界以下であること、
(3) 現像残し部分の形状が先細りであること、等があげ
られる。

【００７２】図１１に示す現像モニタパターン（Ｌ＝
０．２μｍ、ｄｘ＝ｄｙ＝０．０６μｍ）を用いること
によって、ＣＣＤカメラを用いた場合、０．１５μｍの
Ｌ＆Ｓパターンの１．５ｎｍの寸法変化（１％）を６階
調でモニタでき、０．１５μｍのＬ＆Ｓパターンの場合
の２階調と比較して、より精密な線幅の制御が可能とな
る。また、１０２４階調のＣＣＤカメラを用いれば、さ
らに精密な線幅の制御が可能となる。

【００７３】（第６の実施形態）図１３（ａ）は本発明
の第６の実施形態を示す概略構成図である。なお、すで
に述べた実施形態（特に第２の実施例を参照）と同一の
構成要素については同一符号を付してその説明は省略す
る。

【００７４】図に４０５で示すのはモニターヘッドであ
る。このモニターヘッド４０５は、狭帯域フィルターで
波長３３０±５ｎｍに整形された平行光出射する光源４
０１と、モニタパターン１１２からの１次回折光を画像
として認識する１次回折光検出器４０２と、デバイスパ
ターン１１１からの０次回折光を画像として認識できる
０次回折光検出器４０３とを有する。

【００７５】このモニターヘッド４０５は、更に、反射
光学系４０４を有する。この反射光学系４０４は、ウエ
ハ１００側からの入出射光を、前記光源射光ガイド４０
１、１次回折光検出器４０２及び０次回折光検出器４０
３に対して略垂直にガイドする機能を有する。

【００７６】この図１３（ａ）の例では、レジスト１１
０上には現像液２３０が存在し、その上に円盤状のノズ
ル２４０が設置された状態となっており、前記モニター
ヘッド４０５は、入出射面をこの円盤状のノズル２４０
に対向させて配置されている。

【００７７】なお、図１３（ｂ）、（ｃ）に示すのは、
このモニターヘッド４０５の他の配置例である。すなわ
ち、図１３（ｂ）は、前記モニターヘッド４０５が現像
液２３０の直上に設置されている例、図１３（ｃ）は、
モニターヘッド４０５が現像液２３０に接した状態で配
置されている例である。なお、図５に示したものと同様
に、このモニターヘッド４０５の先端部が前記ノズル２
４０内に挿入されていても良い。

【００７８】また、前記モニターヘッド４０５は、この
モニターヘッド４０５をＸＹＺ方向に位置決め駆動する
ための駆動機構４０６により保持され、この駆動機構４
０６は図に４０７で示す現像制御装置により制御される
ようになっている。さらに、この現像制御装置４０７に
は、前記１次回折光検出器４０２及び０次回折光検出器
４０３が接続されており、この制御装置４０７により前
記モニタパターン１１２及びデバイスパターン１１１の
位置検出がなされる。また、この現像制御装置４０７に
は、現像終点予測部２２０’が設けられており、この現
像終点予測部２２０’は前記０次回折光の強度に基づい
て現像終点を予測するように構成されている。

【００７９】モニタパターン１１２としては、例えば図
１４（ａ）〜（ｃ）で示したパターンを用いる。図１４
（ａ）に示したパターン１１２は、すでに図２に示して
説明したものと同一である。このモニターパターン１１
２は、１ショット内においてデバイス作成に寄与するエ
リアと分離して配置されている。

【００８０】この実施形態では、モニターパターン１１
２に対する入射光の入射角（以下示す角度は全てモニタ
ーパターン１１２に対する角度）を６０°、モニターパ
ターン１１２からの１次回折光（１０７）の検出角度を
２０°、０次回折光（１０８）の検出角度を６０°に設
定されている。

【００８１】次に、この装置の作用を説明する。

【００８２】図１５（ａ）中４０８はウエハであり、４
０９はこのウエハ４０８上の１チップを示している。現
像開始後、前記モニターヘッド４０５は図１５（ｂ）に
示す前記１チップ４０９内のモニターパターン領域に、
ショットマップ、マスクのデータをもとに移動し、１次
回折光および０次回折光の検出を開始する。このモニタ
ーヘッド４０５では一度に２×２ｍｍの領域の観察が可
能である。

【００８３】前記モニターパターン１１２は、すでに第
２の実施形態で説明したものと同様に、デバイスパター
ン１１１及び既加工パターンと異なるピッチで形成され
ており、入射光の入射角度についても、モニターパター
ン１１２からの１次回折光のみがモニターヘッド４０５
の１次回折光検出器４０２で検出されるような角度に定
められている。

【００８４】したがって、前記１次回折光検出器４０２
にはピッチ０．２７μｍ以外のパターン（デバイスパタ
ーン１１１及び既加工パターン）からの光は検出されな
いので、図１６（ａ）に示すように、１次回折光検出器
の検出画面では、モニターパターン１１２の部分だけが
光っているように検出される。

【００８５】一方、０次回折光検出器４０３では、図１
６（ｂ）に示すように、デバイスパターン１１１および
モニターパターン１１２の両方が画像として検出され
る。そして、０次回折光検出器４０３と１次回折光検出
器４０２のそれぞれの画像のビクセルの位置関係はあら
かじめわかっているので、１次回折光検出器４０２と０
次回折光検出器４０３で検出された領域の論理積より、
図１６（ｃ）に示すように、０次回折光検出器４０２の
検出画像内でのモニターパターン１１２の位置検出が行
なえる。

【００８６】以上のような検出がなされたならば、制御
装置４０７は、現像中のウエハ１００の回転に追随する
ように前記モニターヘッド４０５を移動・回転駆動さ
せ、０次回折光強度をモニターする。そして、前記現像
終点予測部２２０’は、あらかじめ得られているデバイ
スパターン１１１の寸法とモニターパターン１１２の０
次回折光強度の関係を参照し、回折光強度が所望の値に
なった時点で現像の終点とする。

【００８７】このような実施形態によれば、現像中に０
次回折光・１次回折光の検出および走査が可能な一体型
のモニターヘッド４０５を用い、モニターパターン１１
２からの１次回折光検出位置からモニターパターン１１
２の位置を検出するようにした。したがって、デバイス
パターン１１１が非常に狭い領域にある場合や、デバイ
スパターン１１１とモニターパターン１１２の形状が似
ていて近接している場合でも、大幅な光学系の変更を行
うことなくモニターパターン１１２の位置検出が可能で
ある。

【００８８】なお、前記制御装置４０７（現像終点予測
部２２０’）では、０次回折光および１次回折光の両方
の光強度をモニターするようにしても良い。すなわち、
あらかじめ得られているデバイスパターン１１１の寸法
とモニターパターン１１２の０次および１次回折光強度
の関係を参照し、デバイスパターン１１１が所望寸法に
仕上がっているかを判断する。

【００８９】このように０次回折光と１次回折光を同時
にモニターすることにより、測定の精度がさらに向上す
る。

【００９０】なお、この実施形態に示すモニタヘッド４
０５を、現像後にパターン寸法評価を行なう装置に適用
することはもちろん可能である。

【００９１】また、（第７の実施形態）図１７はこの実施形態を示す概略構
成図である。なお、第６の実施形態と同一の構成要素に
は同一符号を付してその詳しい説明は省略する。

【００９２】この実施形態のモニターヘッド５０１に設
けられた反射光学系５０２は、光源４０１から出射され
た光の前記モニタパターン１１２（若しくはデバイスパ
ターン１１１）への入射角度を、０次回折光が０次回折
光検出器４０３へ略垂直に戻るような角度に制御するよ
う構成されている。すなわち、この実施形態の０次回折
光検出器４０３は、前記モニタパターン１１２で回折し
た０次回折光を直接検出するように構成されている。

【００９３】また、この反射光学系５０２には、図に５
０３、５０４で示す一対のハーフミラーが配置されてい
る。一方のハーフミラー５０３は、入射光路上に配置さ
れ、入射光の一部を他方のハーフミラー５０４側に分岐
させる。この他方のハーフミラー５０３は、前記分岐し
た入射光を反射し、前記０次回折光の光路と一致させた
状態でモニターパターン１１２に照射する。また、この
他方のハーフミラー５０３は、前記モニターパターン１
１２からの０次回折光については、これを透過させ前記
０次回折光検出器４０３に導くようになっている。

【００９４】ここで、入射光のモニターパターン１１２
に対する入射角を６０°とし、モニターパターン１１２
からの１次回折光の検出角度は２０°と設定されてい
る。また、０次回折光の検出角度は０°である。

【００９５】このような構成によれば、まず、前記第６
の実施形態と同様の制御を行なうことにより、モニター
パターン１１２からの０次回折光のモニタを行なうこと
ができ、これによりデバイスパターン１１１の現像を精
度良くモニターすることができる。また、この実施形態
によれば、次に説明するように、レジスト（モニタパタ
ーン１１２）の残し面積を、より精度良くモニターでき
る効果がある。

【００９６】すなわち、図１８（ａ）に示すように、斜
入射ではレジストのトップにあたる入射光５０５とレジ
ストパターン間にあたる入射光５０６が存在するため、
０次回折光はレジストの残し面積を直接反映しない。

【００９７】しかしながら、この実施形態では、図１８
（ｂ）に示すように、垂直入射となるため、０次回折光
の強度はレジストからの０次回折光５０７と反射防止膜
からの０次回折光５０８の和として表される。このた
め、レジストの残し面積を直接反映することになる。従
って、第６の実施形態と比較して、レジストの残し面積
を反映した光の強度の取得が可能であるから、より精度
の高いモニターが行なえる。

【００９８】なお、この実施形態の装置においても、図
１３（ｂ）、（ｃ）に示すように各種の装置配置が考え
られる。また、この実施形態に示すモニタヘッドを、現
像後にパターン寸法評価を行なう装置に適用するように
しても良い。

【００９９】（第８の実施形態）図１９は、この実施形
態を示す装置構成図である。なお、第６、第７の実施形
態と同様の構成については同一符号を付してその詳しい
説明は省略する。

【０１００】この実施例のモニターヘッド６０１は、図
に６０２で示す入射・０次回折光検出光学系を有する。
この光学系６０２は、狭帯域フィルターで２６０±５ｎ
ｍとした波長の平行光をモニタパターン側に入射させる
と共に、このモニタパターンからの０次回折光をイメー
ジとして検出できるように構成されている。また、モニ
タパターンからの１次回折光は、図に６０３で示す１次
回折光検出器によって検出されるようになっている。

【０１０１】この実施形態では、入射光のモニターパタ
ーン１１２に対する入射角（以下示す角度は全てモニタ
ーパターンに対する角度）を０°、モニターパターン１
１２からの１次回折光の検出角度は７４°、０次回折光
の検出角度は０°と設定されている。

【０１０２】このような構成によれば、第６の実施形態
と同様の制御により、現像のモニタを行なえる。また、
モニタパターン１１２への入射光の光路が０次回折光の
光路と一致しているので、第７の実施形態と同様に、レ
ジスト残り面積を反映した０次回折光の検出が行なえ
る。

【０１０３】なお、この実施形態の装置においても、図
１３（ｂ）、（ｃ）に示すように各種の装置配置が考え
られる。また、この実施形態に示す構成を、現像後にパ
ターン寸法評価を行なう装置に適用することはもちろん
可能である。

【０１０４】（第９の実施形態）第９の実施形態以下の
各実施形態は、第１〜第８の実施形態と異なる形態のモ
ニタ領域を用いてモニタを行なうものである。ただし、
第１〜第８の実施形態の構成要素と同一の構成要素には
同一符号を付し、その詳しい説明は省略する。

【０１０５】すなわち、第１〜第８の実施形態では、モ
ニタ領域として、図２に示すようにホールを敷き詰めて
なるパターン１１２を用いていたが、この実施形態で
は、図２０に示すように、パターンを有せずただ露光量
を調整することにより現像速度を所望の値に調整してな
る一定面積のエリアを使用してモニターを実行するよう
にしたものである。以下、この実施形態でモニタするエ
リア（図２０）を”モニタエリア７０１”と称すること
とする。

【０１０６】この実施形態では、前記デバイスパターン
１１１の現像中に、このモニタエリア７０１からの０次
回折光の強度をモニターし、このモニタエリア７０１の
膜厚が所定の値になったところで現像を終了すること
で、デバイスパターン１１１を所望の寸法に仕上げるも
のである。

【０１０７】以下、まず、前記モニタエリア７０１の形
成手順について詳しく説明する。

【０１０８】この実施形態では、ウエハ１００上に塗布
したレジスト１１０の所定面積のエリアを露光マスクか
らの０次回折光のみを用いて露光することで、前記モニ
タエリア７０１を形成する。すなわち、０次回折光のみ
を用いた露光を行うことでレジスト１１０上にホールや
ライン等の「パターン」が形成されることを防止する。

【０１０９】露光マスクを用いて露光する際に、この露
光マスクからの０次回折光だけがレジスト１１０上に到
達するための露光条件は、露光波長λ、マスクパターン
のレジスト上換算のピッチｐ、ＮＡ、及びσを用いて次
のように定められる。

【０１１０】 λ／ｐ≧（１＋σ）ＮＡ（２）したがって、この式に基づいてモニタエリア７０１用の
露光マスク上に設けるのパターンのピッチを定めるよう
にする。このようなピッチの露光パターンを有する露光
マスクによれば、露光マスクを透過した光のうち０次回
折光のみがレジスト１１０上に達するから、レジスト上
にパターンが成形されるのを防止できる。

【０１１１】また、この実施形態では、露光マスクの線
幅の調整により透過率を適宜に設定することで、レジス
ト１１０に対する露光強度を制御し、この露光により形
成したモニタエリア７０１の現像速度がモニタに適した
値となるように調整する。すなわち、レジスト１１０の
膜厚とレジスト１１０に対する標準の現像時間とからデ
バイスパターン１１１に対する現像の終了時点でこのモ
ニタエリア７０１のレジストが少し残るような現像速度
を算出する。

【０１１２】次に、求めた現像速度とレジスト１１０の
溶解特性から、この現像速度となる露光量（モニタパタ
ーン７０１を形成するための露光量）を算出する。そし
て、デバイスパターン１１１を形成するための最適露光
量と前記モニタパターン７０１を形成するための露光量
の比から、デバイスパターン１１１用の露光マスクに対
するモニタエリア７０１用の露光マスクの透過率を算出
する。

【０１１３】したがって、モニタエリア７０１用の露光
マスク上に、前記（２）式を満たすピッチで、かつ、デ
バイスパターン用の露光マスクに対して前記のような透
過率となる線幅でモニタエリア用の露光用マスクパター
ンを形成するようにする。

【０１１４】例えば、０．１５μｍＬ／Ｓパターンの露
光条件（ＮＡ：０．６、露光波長：２４８ｎｍ、σ：
０．７５）では、レジスト１１０上に０次回折光しか到
達しないような露光用マスクパターンのピッチは０．２
２μｍとなる。そして、モニタエリア７０１の現像速度
が２ｎｍ／ｓｅｃ（６０秒の現像で膜厚が３０ｎｍにな
る）となる露光量が７．２ｍＪである場合において、デ
バイスパターン１１１の最適露光量が２０ｍＪであると
すると、前記透過率は３６％となる。

【０１１５】従って、この場合、ピッチが０．２２μｍ
で、ライン幅が透過率が３６％となるように設計されて
いるライン系パターンをモニタエリア７０１形成用の露
光用マスクパターンとして採用することで、所望のモニ
タエリア７０１を形成することができる。

【０１１６】次に、このようなモニタエリア７０１を用
いて、現像をモニタする装置構成について、図２１を参
照して説明する。

【０１１７】この図２１において、ウエハ（被処理基
板）１００上のレジスト１１０には、デバイスパターン
１１１と共にこの実施形態のモニタエリア７０１が、前
述した一括露光により形成されている。このモニタエリ
ア７０１は、１ショット内においてデバイス作成に寄与
するエリアと分離して配置されている。

【０１１８】また、この装置は、前記第２の実施形態の
ものと同様に、現像中に適用される寸法モニタ装置であ
るから、レジスト１１０上には現像液２３０が存在す
る。

【０１１９】この装置は、光源７０２から波長４１０ｎ
ｍ（半値幅５ｎｍ）に狭帯化したほぼ単色の平行光を前
記モニタエリア７０１に入射させる。そしてモニタエリ
ア７０１からの０次回折光は０次回折光検出器（ＣＣＤ
カメラ）７０３により検出するようになっている。

【０１２０】前記光源７０２及び０次回折光検出器７０
３は、制御部７０４に接続されおり、この制御部７０４
からの作動信号に基づいて動作する。すなわち、まず、
前記制御部７０４は、０次回折光検出器７０３による０
次回折光の検出に基づいて、光源及７０２及び０次回折
光検出器７０３を前記モニターエリア７０１に対向する
位置に駆動・位置決めする。そして、現像の開始に伴
い、前記０次回折光検出器７０４を用いたモニタを開始
する。

【０１２１】このモニタは、前記モニタエリア７０１か
らの０次回折光の強度を検出することで行う。すなわ
ち、理想的な場合、モニタエリア７０１の膜厚に対する
０次回折光の強度変化は図２２に示すように、極大点
Ｉ'max、極小点Ｉ'minを有するカーブで表される。ここ
で、現像終点となる膜厚での０次回折光の強度をＩ'end
とすると、Ｉ'endは、極大点Ｉ'max、極小点Ｉ'minを用
いて次のように表せる。

【０１２２】

【数２】

【０１２３】ここで、ａは補正係数であり、予め先行ウ
エハ等を用いて測定した極大、極小における０次回折光
強度Ｉmax，Ｉmin、Ｉendと、現在の現像で測定した極
大、極小における０次回折光強度Ｉ'max，Ｉ'minとから
求められる。この補正係数ａを現在の測定値Ｉ'max，
Ｉ'minに適用することで、現像終了点の０次回折光強度
Ｉ'endを求めることができる。そして、前記現像終点予
測部２２０’は、前記０次回折光検出器７０３により検
出された光強度がＩ'endとなった時点で現像を終了させ
る。

【０１２４】なお、この実施例で重要なことは、前述の
ように０次回折光の強度変化の極大、極小に基づいて現
像終了時点を予測している点である。したがって、前記
光源７０２から発振される観察光として、このような極
大、極小が得られるような波長を有するものを選択して
用いる必要がある。

【０１２５】なお、この例では、現像終了の判断と実際
の現像終了との間に極端な時間差がないものとして説明
しているが、無視できない時間差が存在する場合は、モ
ニタエリア７０１に対する露光強度としてその時間差に
相当する分を差し引いた強度を設定すれば良い。

【０１２６】このような構成によれば、モニタエリア７
０１からの０次回折光の強度変化をモニタすることで現
像時間を制御できるから、第１〜第８の実施形態と同様
の効果を得ることができる。

【０１２７】また、この実施形態によれば、パターンを
持たないモニタエリア７０１を用いることで、以下に説
明する効果を得ることができる。

【０１２８】すなわち、この実施形態では、パターンを
有しないモニタエリア７０１からの０次回折光をモニタ
すると共に、光強度の極大、極小に基づいて現像終了点
を予測するようにした。このような構成によれば、光強
度信号にオフセットが生じた場合であっても、光強度の
絶対値ではなく、既知の極大、極小、現像終点に基づい
て求めた補正係数を現在の測定値に適用することで現像
終点を正確に予測できる。

【０１２９】これに対して、第１〜第８の実施形態で
は、０次回折光の強度信号の絶対値を用いてモニタを行
っている。このような方法では、何らかの原因で信号に
オフセットが生じた場合に、デバイスパターンの現像終
点を正確に検出できない恐れがある。また、入射光をモ
ニタパターンの直上から照射し、その０次回折光を検出
する構成では、強度信号がパターンの残り面積を反映し
てしまうため、０次回折光の強度は、図１２に示すよう
に現像時間に対して直線的に変化することになる。した
がって、この場合も、強度信号の絶対値を用いてモニタ
することになってしまい、やはり現像終点を正確に検出
できない恐れが生じる。

【０１３０】この実施形態の制御によれば、この様な欠
点を排除し、上述したように、より正確に現像終点を検
出できる効果がある。

【０１３１】なお、この第９の実施形態では、パターン
を有しないモニタエリア７０１を使用したが、このモニ
タエリアの形成方法はこの実施形態に挙げたものに限定
されるものではなく、適宜他の方法を用いて形成するよ
うにしても良い。たとえば、この実施形態では、所定の
ピッチ、線幅を有する露光パタンを用いた露光により前
記モニタエリア７０１を形成するようにしたが、透過率
を適宜に設定したハーフトーン膜を露光マスクとして形
成するようにしても良い。

【０１３２】（第１０の実施形態）この実施形態は、第
９の実施形態の具体例を示すものである。

【０１３３】図２３はこの実施形態を示す概略構成図で
ある。

【０１３４】まず、この実施形態では、前記光源７０２
は、グレーティングにより分光可能なランプハウス８０
１と、このランプハウス８０１に接続された光ファイバ
８０２と、この光ファイバ８０２の先端に取り付けられ
たコリメーションレンズ８０３とからなる。前記光ファ
イバ８０２の先端部及びこのコリメーションレンズ８０
３は、ＸＹＺ方向に移動可能なモニタヘッド８０４によ
り保持されている。

【０１３５】前記ランプハウス８０１からの平行光は、
光ファイバ８０２、コリメーションレンズ８０３を通し
て前記モニタエリア７０１に入射する。このモニタエリ
ア７０１からの０次回折光は、前記モニタヘッド８０４
に保持されたレンズ８０５、このレンズ８０５に接続さ
れ先端部を前記モニタヘッド８０４に保持された光ファ
イバ８０６を通して前記０次回折光検出器７０３（ＣＣ
Ｄカメラ）に検知されるようになっている。

【０１３６】前記モニタヘッド８０４は、モニタヘッド
駆動装置８０７によって駆動されるようになっていて、
このモニタヘッド駆動装置８０７は、前記制御部７０４
の指令により作動するように構成されている。

【０１３７】すなわち、このモニターヘッド８０４はモ
ニターエリア７０１の位置に移動し、モニターエリア７
０１からの０次回折光の強度を検出する。このとき、モ
ニターヘッド８０４はウエハのショットマップおよびマ
スクのレイアウトをもとにモニターエリア７０１に移動
し、その後は、現像中のウエハの回転に同期させてモニ
ターエリア７０１の強度を取得する。

【０１３８】なお、この際、複数のモニタヘッドを用い
るようにして、検出精度を高めるようにしても良い。ま
た、モニタヘッド８０４は、図１３（ａ）〜（ｃ）や図
５に示すような配置であっても良い。また、モニタヘッ
ド８０４の形状も、図１３に示した形状のものの他、適
宜の形状を採用することが可能である。

【０１３９】（第１１の実施形態）この実施形態は、第
９の実施形態、第１０の実施形態と同様に、現像中にモ
ニタエリア７０１からの０次回折光をモニタし、現像終
了時点を判断する装置である。ただし、第９の実施形態
では現像の終了点を０次回折光の強度に基づいて判断し
たが、この実施形態では、現像時間に基づいて判断す
る。その他の点は、第９若しくは第１０の実施形態と同
様であるから説明を省略する。

【０１４０】図２４は、レジスト１１０の膜厚と０次回
折光の強度の関係を示すグラフである。この実施形態で
は、光強度が極大、極小となる現像時刻ｔ'max、ｔ'min
から、現像終点となる現像時刻ｔ'endを予測し、この現
像時刻ｔ'endで現像を終了させるようにしたものであ
る。

【０１４１】なお、プロセス条件が常に一定であれば、
現像終点となる時刻は一定である。しかし、実際にはプ
ロセス条件にはゆらぎがあるため、現像終了時刻は一定
にはならない。今、露光量の条件が所望の値の−５％変
動したとすると、現像時間に対するレジスト膜の膜減り
はレジストの溶解特性より図２５に示す通りに変化す
る。このときの極小値、極大値、現像終点となる時間を
それぞれ、ｔ'max、ｔ'min、ｔ'endとする。そして、こ
の実施形態では、次式に示すように、予め求めておいた
現像終了時刻ｔendに補正係数ａをかけることで、現在
の現像プロセスにおける現像終了時刻ｔ'endを予測す
る。

【０１４２】ｔ'end＝ａ×ｔend 補正係数ａは、次式で求められるもののうちもっとも精
度が良いものを用いるようにすれば良い。

【０１４３】ａ＝ｔ'max／ｔmax ａ＝ｔ'min／ｔmin ａ＝（ｔ'max／ｔmax＋ｔ'min／ｔmin）／２なお、現像終了時刻ｔ'endの定め方はこの方法に限定さ
れるものではなく、極値となる時刻時間ｔ'max、ｔ'min
に基づいて予測するものであれば、例えばｔ'maxから一
定の時間の後を現像終了時刻とする等、適宜の方法を採
用することが可能である。

【０１４４】（第１２の実施形態）この実施形態は、第
９、第１０の実施形態と同様にモニタエリアからの０次
回折光をモニタするものであるが、互いに異なる波長を
有する２種類の観察光を用いてモニタを行うものであ
る。

【０１４５】すなわち、この実施形態では、図２３に示
す構成において、ランプハウス８０１から、波長４１０
ｎｍ（半値幅５ｎｍ）に狭帯化した光と波長６００ｎｍ
（半値幅５ｎｍ）に狭帯化した光を交互に出射するよう
に制御する。

【０１４６】制御部７０４は、前記ＣＣＤカメラ７０３
により、両方の波長の０次回折光の強度を交互に検出す
る。理想的な場合、各波長でのレジスト膜厚に対する０
次回折光の強度変化は図２６に示すようになる。

【０１４７】ここで、波長４１０ｎｍの場合の極大、極
小、現像終点での０次回折光の強度をＩ₁max、Ｉ₁min、
Ｉ₁end、波長６００ｎｍの場合の極大、極小となる強度
をＩ₂max、Ｉ₂minとする。一方、今回の現像で検出され
た波長４１０ｎｍの場合の極大、極小での０次回折光の
強度をＩ₁'max、Ｉ₁'min、波長６００ｎｍの場合の極
大、極小となる強度をＩ₂'max、Ｉ₂'minとすると、現像
終点の強度Ｉ'endは、補正係数ａを用いて次式で求めら
れる。

【０１４８】

【数３】

【０１４９】この様な構成によれば、異なる波長の光を
用い、一方の波長の光の検出値に加えて他方の波長の光
の測定値を用いて補正を行うようにしたから、現像終了
時点の０次回折光強度をより精度良く予測することが可
能になる。

【０１５０】なお、この実施形態のように２つの異なる
波長を用いて補正精度を挙げる手法は、第１１の実施形
態に示したように極大、極小となる時刻ｔmax、ｔminか
ら、現像終了となる時刻ｔendを予測する方法にも適用
できる。

【０１５１】すなわち、理想的な場合、４１０ｎｍ、４
７０ｎｍの各波長を有する光でのレジスト膜厚に対する
０次回折光の強度変化は図２７に示すようになる。

【０１５２】このとき、波長４１０ｎｍの光の０次回折
光強度が極小、極大、現像終点となる時刻をそれぞれ、
ｔ₁max、ｔ₁min、ｔendとする。また、波長４７０ｎｍ
の光の０次回折光強度が極大となる時刻をｔ₂maxとす
る。プロセス条件が常に一定であれば、現像時間は常に
一定でよいが、実際にはプロセス条件にゆらぎがある。
今、露光量の条件が所望の値の−５％であったとする
と、現像時間に対する膜減りはレジストの溶解特性より
図２８に示すようになる。

【０１５３】このとき、波長４１０ｎｍの光の０次回折
光強度が極小、極大、現像終点となる時間をそれぞれ、
ｔ₁'max、ｔ₁'min、ｔ'endとし、波長４７０ｎｍの光の
０次回折光強度が極大となる時刻をｔ₂'maxとする。こ
れらの時間のうちあらかじめｔ₁max、ｔ₁min、ｔend、
ｔ₂maxは求められており、現像中に０次回折光を検出す
ることにより、ｔ₁'max、ｔ₁'min、ｔ₂'maxが算出され
る。これらより次の式で現像終了点の時間ｔ'endを求め
ることができる。

【０１５４】ｔ'end＝ａ×ｔend ａ＝（ｔ₁'max／ｔ₁max＋ｔ₁'min／ｔ₁min＋ｔ₂'max／
ｔ₂max）／３したがって、第１１の実施形態と同様に、時刻ｔ'endで
現像を終了するようにすれば、現像の終点を正確に制御
できる。

【０１５５】（第１３の実施形態）この実施形態は、第
９の実施形態と同じように、モニタエリア７０１からの
０次回折光をモニタするものであるが、レジスト１１０
として、図２９に示すように、現像開始当初は膜減りが
起こらず、数秒後から膜減りが開始するような溶解特性
を有するものを採用する。

【０１５６】このモニタエリア７０１は、前記デバイス
パターン１１１の現像終了時に膜減りが開始するように
設計する。すなわち、６０秒の現像した後に膜減りが始
まるような露光量が６．６ｍＪであるレジストを用いる
場合、デバイスパターン１１１の最適露光量が３０ｍＪ
であるので、デバイスパターン用露光マスクと比較して
透過率が２２％となるようにモニタエリア用の露光マス
クを設計する。

【０１５７】図３０にモニタエリア７０１に対する膜抜
け時間と露光量との関係、図３１にモニタエリア７０１
に対する膜抜け開始時間と露光量との関係を示す。

【０１５８】プロセス条件が常に一定であれば、現像時
間は常に６０秒で制御すればよいが、デバイスパターン
１１１の露光量が適正値の３０ｍＪから２９ｍＪに変化
した場合には、６０秒では十分な現像が行なえないこと
になる。しかしながら、この実施形態では、モニタエリ
ア７０１の膜抜け開始時点を検出することで、このよう
なプロセス条件の変動にも対応でき、常に正確な終点制
御を行なえる。

【０１５９】すなわち、デバイスパターン１１１の露光
量が適正値の３０ｍＪから２９ｍＪに変化した場合、モ
ニタエリア７０１の露光量はその２２％であることか
ら、モニタエリア７０１に対する露光量は６．４ｍＪと
なる。従ってこの場合、図３１より、８０秒後に膜抜け
が開始する。したがって、この膜抜けを検出して現像の
終点とすることで、プロセス条件の変動にも対応するこ
とができる。

【０１６０】なお、膜の抜け始め及び抜け終わりの検出
は、０次回折光の強度の変化に基づいて検出するように
すれば良い。

【０１６１】また、同様の手法で図３０に示す抜け終わ
り時間に基づいて、この抜け終わりを検出することで現
像の終点とするようにしても良い。

【０１６２】この場合、前記モニタエリア７０１は、前
記デバイスパターン１１１の現像終了時に膜厚がほとん
ど０となるように設計する。すなわち、６０秒の現像し
た後に膜厚がほとんど０若しくは０となるような露光量
が７．５ｍＪであるレジストを用いる場合、デバイスパ
ターン１１１の最適露光量が３０ｍＪであるので、デバ
イスパターン用露光マスクと比較して透過率が２５％と
なるようにモニタエリア用の露光マスクを設計する。

【０１６３】前述したように、図３０はモニタエリア７
０１に対する膜抜け時間と露光量との関係を示すもので
ある。

【０１６４】プロセス条件が常に一定であれば、現像時
間は常に６０秒で制御すればよいが、デバイスパターン
１１１の露光量が適正値の３０ｍＪから２９ｍＪに変化
した場合には、６０秒では十分な現像が行なえないこと
になる。しかしながら、この実施形態では、モニタエリ
ア７０１の膜抜け時点（膜厚０）を検出することで、こ
のようなプロセス条件の変動にも対応でき、常に正確な
終点制御を行なえる。

【０１６５】すなわち、デバイスパターン１１１の露光
量が適正値の３０ｍＪから２９ｍＪに変化した場合、モ
ニタエリア７０１の露光量はその２５％であることか
ら、モニタエリア７０１に対する露光量は７．２５ｍＪ
となる。従ってこの場合、図３０より、１１０秒後に膜
抜けが終了する。したがって、この膜抜けを検出して現
像の終点とすることで、プロセス条件の変動にも対応す
ることができる。

【０１６６】（第１４の実施形態）この実施形態は第９
の実施形態と同様の構成を有する寸法モニタ装置を用
い、図３２に示すように、各ホールの中心が成六角形の
各頂点に位置するように配置してなるモニタパターン９
０１をモニタする装置に関するものである。

【０１６７】このモニタパターン９０１は、他の実施形
態のものと同様に、１ショット内においてデバイス作成
に寄与するエリアと分離して１０×１０μｍ²のエリア
に配置されている。

【０１６８】図３３に、現像時間とモニタパターン９０
１からの０次回折光の強度との関係を示す。この実施形
態のモニタパターン９０１の場合、現像終点（６０秒
後）での強度変化は余り大きくならないため、現像終点
の直接検出は困難である。このため、この実施形態で
は、現像初期の強度変化の大きい部分を０次回折光検出
器で強度検出し、その検出値から現像終点を予測するよ
うにする。予測方法としては、例えば、強度のしきい値
を１４０に設定し、このしきい値を超えた後５０秒後を
現像の終点とする。

【０１６９】このような構成によれば、現像終点で強度
変化の少ないパターンを用いた場合でも、比較的正確に
現像の終点を検出することができる効果がある。

【０１７０】なお、本発明は上述した第１〜第１４の各
実施形態に限定されるものではない。例えば、モニタパ
ターンを構成する要素パターンの形状、繰り返しピッ
チ、繰り返し数等は、仕様に応じて適宜変更可能であ
る。モニタパターンは、デバイスパターンに隣接してチ
ップ有効部の空き領域に形成しても良いし、チップのダ
イシングライン等に形成しても良い。

【０１７１】モニタパターンに照射する光は実施形態に
用いたものに何等限定されるものではなく、レジストを
感光しない波長の単波長光（若しくは狭帯域の光）であ
ればよい。現像後のパターン検査においては、レジスト
を感光させない波長である必要はない。モニタパターン
からの回折光を検出する手段は、ＣＣＤカメラに限定さ
れず、強度変化を検出できるものであればよい。

【０１７２】また、実施形態では、斜め照射で垂直方向
に１次回折光の検出、又は垂直照射で垂直方向に０次回
折光の検出を行ったが、斜め照射で斜め方向に０次回折
光の検出、又は垂直照射で斜め方向に１次回折光の検出
を行うようにしても良い。また、レジストに対する露光
は必ずしも光に限らず、Ｘ線或いは電子ビームを用いる
ことも可能である。

【０１７３】また、その他、本発明の要旨を逸脱しない
範囲で、種々変形して実施することができることはいう
までもない。

【０１７４】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、現
像中又は現像後に、デバイスパターンや既加工パターン
とは異なるモニタパターン、特に現像時間の経過による
に回折光の強度変化が大きいモニタパターンを用いてパ
ターン評価を行うことにより、レジストパターンを短時
間で高精度に検査することが可能となり、さらにこの検
査を基に現像時間を制御することによって異なるウエハ
に対してもレジストパターンの精密な寸法制御が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態を説明するためのもので、１次
回折光を利用して現像後のパターン検査を行う際の装置
構成例を示す図。

【図２】第１の実施形態におけるモニタパターンの例を
示す図。

【図３】第１の実施形態における現像時間と１次回折光
強度の関係を示す図。

【図４】理想的なピッチとライン幅の比と１次回折光回
折強度との関係を示す図。

【図５】第２の実施形態を説明するためのもので、１次
回折光を利用して現像中にパターン検査を行う際の装置
構成例を示す図。

【図６】第２の実施形態におけるデバイスパターンとモ
ニタパターンの例を示す図。

【図７】パターンの繰り返しピッチと検出角との関係を
示す図。

【図８】第３の実施形態におけるデバイスパターンとモ
ニタパターンの例を示す図。

【図９】第４の実施形態におけるモニタパターンと既加
工パターンの例を示す図。

【図１０】第５の実施形態を説明するためのもので、０
次回折光を利用して現像中にパターン検査を行う際の装
置構成例を示す図。

【図１１】第５の実施形態におけるモニタパターンの例
を示す図。

【図１２】第５の実施形態における現像時間と０次回折
光強度との関係を示す図。

【図１３】第６の実施形態を説明するためのもので、０
次回折光を利用して現像中にパターン検査を行う際の装
置構成例を示す図。

【図１４】（ａ）〜（ｃ）は、第６の実施形態における
モニタパターンの例を示す図。

【図１５】（ａ）、（ｂ）は、第６の実施形態における
モニタヘッドの位置決めを示す図。

【図１６】（ａ）〜（ｃ）は、第６の実施形態における
モニタパターンの検出例を示す図。

【図１７】第７の実施形態を説明するためのもので、０
次回折光を利用して現像中にパターン検査を行う際の装
置構成例を示す図。

【図１８】（ａ）、（ｂ）は、第７の実施形態におい
て、０次回折光の光路を説明するための図。

【図１９】第８の実施形態を説明するためのもので、０
次回折光を利用して現像中にパターン検査を行う際の装
置構成例を示す図。

【図２０】第９の実施形態を説明するためのもので、こ
の実施形態で用いるモニタエリアを示す概略図。

【図２１】第９の実施形態を説明するためのもので、０
次回折光を利用して現像中にパターン検査を行う際の装
置構成例を示す図。

【図２２】第９の実施形態において、図２０に示すモニ
タエリアからの０次回折光の強度とレジスト厚との関係
を示す図。

【図２３】第１０の実施形態を説明するためのもので、
０次回折光を利用して現像中にパターン検査を行う際の
装置構成例を示す図。

【図２４】第１１の実施形態を説明するためのもので、
図２０に示すモニタエリアからの０次回折光の強度とレ
ジスト厚との関係を示す図。

【図２５】第１１の実施形態を説明するためのもので、
レジスト厚と現像時間との関係を示す図。

【図２６】第１２の実施形態を説明するためのもので、
２つの異なる波長の光を用いて検出した場合の０次回折
光の強度とレジスト厚との関係を示す図。

【図２７】第１２の実施形態の他の測定例を説明するた
めのもので、２つの異なる波長の光を用いて検出した場
合の０次回折光の強度とレジスト厚との関係を示す図。

【図２８】第１２の実施形態の他の測定例を説明するた
めのもので、２つの異なる波長の光を用いて検出した場
合のレジスト厚と現像時間との関係を示す図。

【図２９】第１３の実施形態を説明するためのもので、
レジスト厚と現像時間との関係を示す図。

【図３０】第１３の実施形態を説明するためのもので、
露光量とレジストの抜け時間との関係を示す図。

【図３１】第１３の実施形態を説明するためのもので、
露光量とレジストの抜け始め時間との関係を示す図。

【図３２】第１４の実施形態で用いるモニタパターンの
例を示す図。

【図３３】第１４の実施形態を説明するためのもので、
０次回折光の強度と露光時間との関係を示す図。

【符号の説明】

１００…ウエハ１１０…レジスト１１１…デバイスパターン１１２…モニタパターン２０１、３０１…入射光２０２、３０２…０次回折光２０３、３０３…１次回折光２１０…ＣＣＤカメラ２２０…パターン寸法評価部２２０’…現像終点予測部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井上壮一神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者奥村勝弥神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理体上の、デバイスパターンと異な
る位置に形成されたモニタ領域に対し、特定波長の平行
光を照射するための照明手段と、前記モニタ領域からの回折光強度を検出する手段と、このモニタ領域からの回折光強度に基づいて前記デバイ
スパターン寸法を評価するデバイスパターン評価手段と
を有することを特徴とするパターン寸法評価装置。
【請求項２】請求項１のパターン寸法評価装置におい
て、前記被処理体のモニタ領域には、モニタパターンが設け
られており、このモニタパターンは、デバイスパターンとは異なる要素パターンで構成され、
このモニタパターンからの回折光をデバイスパターンか
らの回折光と分離して検出できるように構成されている
ことを特徴とするパターン寸法評価装置。
【請求項３】請求項２記載のパターン寸法評価装置に
おいて、前記モニタパターンは、前記デバイスパターンと異なるピッチで形成され、この
モニタパターンからの回折光をデバイスパターンからの
回折光と分離して検出できるように構成されていること
を特徴とするパターン寸法評価装置。
【請求項４】請求項２記載のパターン寸法評価装置に
おいて、前記モニタパターンは、パターンの周期性の方向が、前記デバイスパターンと異
なるように形成され、このモニタパターンからの回折光
をデバイスパターンからの回折光と分離して検出できる
ように構成されていることを特徴とするパターン寸法評
価装置。
【請求項５】請求項２記載のパターン寸法評価装置に
おいて、前記モニタパターンは、露光用パターン要素の間隔が解像限界以下となるように
隣接して周期的に配置してなる露光パターンを通してレ
ジストを露光することで形成されたものであることを特
徴とするパターン寸法評価装置。
【請求項６】請求項１記載のパターン寸法評価装置に
おいて、前記モニタ領域は、全体に亘って略均一の現像速度となるように露光され、
現像の進行に伴い徐々にかつ略均一に膜減りが生じるよ
うに形成されていることを特徴とするパターン寸法評価
装置。
【請求項７】請求項６記載のパターン寸法評価装置に
おいて、前記モニタ領域は、デバイスパターンを作成したマスクと同一面内に作成し
たマスクパターンを用いてデバイスパターンと同一条件
で露光することにより作成するものであって、モニタ領域形成用のマスクパターンは、露光条件に対し
て被処理体上に０次回折光しか到達しないピッチを有す
る規則パターンであり、かつ、現像の進行に伴い徐々に
かつ略均一に膜減りが生じるような透過率となるように
マスクパターンの抜きと残しの比率が設計されたもので
あることを特徴とするパターン寸法評価装置。
【請求項８】請求項１記載のパターン寸法評価装置に
おいて、前記デバイスパターン評価手段は、前記モニタ領域から
の０次回折光若しくは１次回折光の光強度に基づいてデ
バイスパターン寸法を評価するものであることを特徴と
するパターン寸法評価装置。
【請求項９】請求項８記載のパターン寸法評価装置に
おいて、前記照明手段は、照明光をモニタ領域に対して垂直に照
射する手段を有し、前記回折光強度検出手段は、前記モニタ領域から略垂直
に得られる０次回折光を検出する手段を有することを特
徴とするパターン寸法評価装置。
【請求項１０】請求項８記載のパターン寸法評価装置
において、前記照明手段は、照明光をモニタ領域に対して斜め方向
から照射する手段を有し、前記回折光強度検出手段は、前記モニタ領域から略垂直
に得られる１次回折光を検出する手段を有することを特
徴とするパターン寸法評価装置。
【請求項１１】請求項８記載のパターン寸法評価装置
において、前記照明手段は、０次回折光検出用の照明光をモニタ領
域に対して垂直に照射する手段と、１次回折光検出用の
照明光をモニタ領域に対して斜め方向から照射する手段
とを有し、前記回折光強度検出手段は、前記モニタ領域から略垂直
に得られる０次回折光及び１次回折光を検出する手段を
有することを特徴とするパターン寸法評価装置。
【請求項１２】請求項８記載のパターン寸法評価装置
において、モニタ領域からの１次回折光の検出結果とモニタ領域・
デバイスパターンからの０次回折光の検出結果との論理
積から、モニタ領域の位置を検出するモニタ領域検出手
段を有することを特徴とするパターン寸法評価装置。
【請求項１３】請求項１記載の装置において、前記照明手段と回折光の検出手段とを保持するモニタヘ
ッドと前記回折光の検出手段による検出に基づいてモニ
タ領域を検知する手段とを有し、検知したモニタ領域に対し、このモニタヘッドを駆動・
位置決めするモニタヘッド位置決め手段を有することを
特徴とするパターン寸法評価装置。
【請求項１４】請求項１のパターン寸法評価装置にお
いて、この装置は、デバイスパターンの現像終点を検出するの
に適用されるものであって、前記パターン寸法評価手段は、モニタ領域からの回折光
の強度変化に基づいて現像の終点を判断する手段を有す
ることを特徴とするパターン寸法評価装置。
【請求項１５】請求項１４記載のパターン寸法評価装
置において、前記現像の終点を判断する手段は、回折光強度の時間微分値を求め、予め求められている現
像時間と回折光強度の時間微分値との関係と照合するこ
とにより、現像の終点を検出するものであることを特徴
とするパターン寸法評価装置。
【請求項１６】請求項１４のパターン寸法評価装置に
おいて、照明手段からモニタ領域に照射される照明光として、モ
ニタ領域の膜減りに伴う回折光の強度変化が極大・極小
を有する波長の光を用い、現像の終点を予測する手段は、検出された回折光強度変化の極大・極小に基づいて現像
終点を予測することを特徴とするパターン寸法評価装
置。
【請求項１７】請求項１４のパターン寸法評価装置に
おいて、照明手段からモニタ領域に照射される照明光として、モ
ニタ領域の膜減りに伴う回折光の強度変化の時間微分値
が極大・極小を有する波長の光を用い、現像の終点を予測する手段は、検出された回折光強度変化の時間微分値の極大・極小に
基づいて現像終点を予測することを特徴とするパターン
寸法評価装置。
【請求項１８】請求項１４のパターン寸法評価装置に
おいて、照明手段からモニタ領域に照射される照明光として２以
上の異なる波長の光を用い屡ことを特徴とするパターン
寸法評価装置。
【請求項１９】請求項１４記載のパターン寸法評価装
置において、前記モニタ領域は、デバイスパターンに対する現像終点に基づいて決定され
たタイミングで所定の膜厚となるように露光されてお
り、前記現像の終点を予測する手段は、前記モニタ領域が前記所定の膜厚となる回折光の強度を
検出することで現像終点を予測することを特徴とするパ
ターン寸法評価装置。
【請求項２０】請求項１４のパターン寸法評価装置に
おいて、前記現像の終点を予測する手段は、前記デバイスパターンからの回折光の強度が所定の値を
超えたことに基づいて現像終点を予測するものであっ
て、前記現像終点を予測するために検出する所定の値は、現
像開始直後の回折光の強度変化の大きい範囲に設定され
ていることを特徴とするパターン寸法評価装置。