JPS60602B2 - パタ−ンの光学的横方向寸法試験法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は基板の上に配置された材料のパターンの横方
向寸法を光学的に試験する方法に関する。

集積回路装置やマスクの製造には、ある材料のパターン
を基板上に配置する工程が多数ある。

この材料の代表的なものがホトレジストのマスク層で、
マスクを通して選択的に露光現像してパターンに形成さ
れ、最終的に基板上に形成される集積回路装置の横方向
寸法を決定するものである。集積回路は拡散深さ（Ｚ方
向）を１ミクロン以下の精度で制御して製造することが
できるが、横方向（×一Ｙ方向）の寸法はマスク製作中
の露光設定の変動、ホトレジスト塗布、露光および現像
の変動、および横方向のエッチングの変動によって数ミ
クロンも変動することがある。最近の集積回路は横方向
寸法の公差が厳しく、マスクや基板の種々の処理段階に
おいてこの寸法を検査する必要がある。例えばホトレジ
ストの現像後に横方向寸法を検査して大幅な再処理の必
要が生ずる前に寸法の変動を検知してそれを補正しなけ
ればならない。現在、集積回路パターンの寸法検査はフ
アイラ付接眼レンズを備えた顕微鏡を用いて手動で行な
われているが、これには熟練を要する上に時間がかかり
、精度や信頼度が作業者に依存し、さらに作業者の疲労
の問題がある。

自動検査袋瞳であればこのような精度不良の問題はなく
、複雑な回路パターンをさらに大量に迅速正確に試験す
ることができる。この発明は顕微鏡を用いずに集積回路
パターンの横方向寸法を試験する方法を提供するもので
ある。次に添付図面を参照しつつこの発明をその実施例
についてさらに詳細に説明する。

第１図に示すようにこの発明の方法の第１工程は基板１
４の試験表面１２に材料層１０を被着することから成る
。

試験表面１２を含む基板１４は典型的には表面に同じ材
料の集積回路パターンが形成された大きな半導体ゥェハ
またはマスクの一部分から成り、そのパターンの横方向
寸法をこの発明の方法によって光学的に試験しようとす
るものである。試験すべきパターンを持つ層１０はエッ
チングされた２酸化珪素、窒化珪素、多結晶珪素または
金属の層でもよい。この実施例ではこの層１０をホトレ
ジストのマスク層とし、基板１４を珪素ウェハの一部分
とする。この部分は珪素ゥェハ中応の不便用部分とする
のが便利であるが、間歌的に反復される各回路パターン
の端縁部とすることもできる。この発明の方法はまた集
積回路のガラスマスク上に形成した乳剤または金属酸化
物の集積回路パターンの横方向寸法の試験にも応用でき
る。次にその半導体ウェハおよび小型の試験表面１２か
ら同時にその材料を選択的に除去して、第２図に示すよ
うにゥェハ上に集積回路パターンを、試験表面１２上に
回折格子１６をそれぞれ形成する。

その回折格子１６はその材料の条幅Ｗ、ピッチｄの等間
隔線条１８を有する。１実施例において格子１６は大き
さが０．５×０．５肌、条幅Ｗが約５仏、ピッチｄが約
２０山である。

上記材料がホトレジストであるこの例では、ホトレジス
トを適当な所定パターンのマスクを通して選択的に露光
現像する当業者に公知の通常の写真食刻法を用いて除去
する。ウヱハおよび試験表面１２上のホトレジストは同
時に除去され、従って露光時間や現像時間のような処理
条件は厳密に同じになるので、回折格子１６は集積回路
パターンの横方向寸法を光学的に試験する試験パターン
として利用することができる。換言すれば回折格子１６
の線条１８の最終条幅Ｗは同じウヱハ上に隣接する集積
回路パターンのホトレジスト線の幅の尺度になり、従っ
て横方向寸法公差に対する処理条件（ホトレジスト厚さ
、露光時間および現像時間）の試験に使用することがで
きる。他の実施例では、試験すべきパターンと格子１６
の線条１８とが２酸化珪素、室化珪素、多結晶珪素、金
属等の他の材料から成ることもある。次に第３図に示す
ように、回折格子１６をレーザビームのような単色光ビ
ーム２０１こ露出する。

回折格子１６とその下の検査面１２とは凹凸パターンと
して働き、単色光ビームを回折して雲次ビーム２２、１
次ビーム２４および２次ビーム２６を含む回折パターン
を形成する。この実施例では、光ビーム２０は直径が約
２肋で回折格子１６を均一に照射し、従ってその全部分
が入射光ビーム２０に均一に露出される。低価格、高信
頼性および使い易さの点から、波長入が０．６３２８舷
のヘリウムーネオンガスレーザを用いることが好ましい
。

この波長は珪素ダイオードまたは光トランジスタによっ
て容易に検出することができるが、ホトレジストはこの
波長に感じない。第３図の凹凸パターンは、反射型位相
格子として用いられ、格子１６が入射光ビームを回折し
て強度が反射および回折された光線間の干渉に依存する
種々の次数の回折ビームを形成する。

この種々の回折次数の角位置は格子ピッチｄおよび波長
入のみに依存し、ある回折格子における回折角のま入お
よびｄの関数として次式で表わされる。Ｓｈ８＝Ｓｊｎ
８１十ｍ入／ｄここで、ａｌは第３図に示すように入射
光ビーム２０の入射角、ｄはピッチ、ｍは回折次数であ
る。

この例では第１次回折ビーム２４および第２次回折ビー
ム２６を用い、ｍをそれぞれ１および２とすると、上記
の式は次のようになる。

Ｓ■８１＝Ｓｉｎ８１十入／ｄ Ｓｍ８２＝Ｓｉｎ８１十２入／ｄ ここで、８・と０２とは第３図に示すようにそれぞれが
第１次ビーム２４および第２次ビーム２６の回折角であ
る。

回折格子１６の面に垂直に均一に入射しかつ波長入が０
．６３２８〃のレーザビームを用いると、ピッチが２０
ムの回折格子では１次回折角０，は約１．８度、２次回
折角８２ は約３．６度になる。従ってこの回折角０，
，８２ に配置した光検出器により１次ビーム２４およ
び２次ビーム２６を受光してそれぞれの強度１，，１２
を測定することができる。

回折格子１６に入射する光ビーム２０の一部分はその上
表面で反射し、他の部分（図示せず）はホトレジストの
線条１８に入射し、そこから出るまでに１回以上の内面
反射を行なう。

回折ビームの測定強度はこれらのビーム部分の干渉の結
果により生ずる。

回折ビームの強度は線条１８の幅Ｗが変われば回折ビー
ムと反射ビームの干渉が変化するためにその値が変化す
る。第１次ビーム２４と第２次ビーム２６との強度それ
ぞれ１，と１２とを測定した後、電子アナログ除算器に
よってこの例では２次ビーム強度対１次ビーム強度（１
２／１，）を表わす比信号を得る。矩形回折格子１６に
おいて条幅Ｗはこの比信号（１２／１，）の関数であり
、この例では次の近似式を用いて決定される。Ｗ＝ｄ／
ｍＣｏｓ‐１ノ１２／１， ここでｄは回折格子１６の既知のピッチである。

矩形の凹凸パターンは製造解析が特に簡単なためこの実
施例はこの型の回折格子１６について説明しているが、
製造困難で解析に難しい数理を要するけれども他の型の
周期格子を使用することもできる。この発明の方法の次
の工程は条幅Ｗを所定値と比較して差信号を得、その差
信号値が集積回路パターンの横方向寸法の尺度となるよ
うにすることである。

この実施例では、コンピュータを利用した処理手段によ
って比信号（１２／１，）からＷ／ｄの値すなわち条幅
／ピッチを迅速に計算することによってこの比較工程を
実行する。次にこの比（Ｗ／ｄ）を所要のＷ／ｄと比較
する。実際の試験動作ではＷ／ｄの上限と下限に対する
電子的なゲートをコンピュータにプログラミングするこ
とにより、半導体ウェハを自動的に選択分類することが
できる。この目的でこのレーザ試験装置にクリツク・ア
ンド・ソフア・フオート・ワシントン（ＫＷｉｃｋｅａ
ｎｄＳｏＨａＦｏｒｔＷａｓｈｍ亀ｏｎ）社の半自動ウ
ェハ検査機型式６７１を装備した。この発明の方法を用
いてこの機械は７秒に１枚の割合でウェハを処理するこ
とができる。この発明の方法によって、Ｗ（もし格子の
ピッチｄが既知なら）を顕微鏡を用いずに客観的に迅速
に測定することが可能になり、このため格子面全体にわ
たって平均化されたホトレジスト条幅Ｗを得ることがで
きる。測定される強度はしーザで照射された格子パタ−
ン全体に基〈ものであるから、その試験パターンの欠陥
に対しては敏感でない。この方法は工程の各段階におけ
るウェハの検査と同時にマスクの検査にも用いることが
できる。この格子試験パターンは理想的な矩形波である
から、この発明の方法は特にマスクの試験に適している
。何回もの実験により、この場合のレーザ技術は顕微鏡
で格子線の条幅を測定するよりも正確で信頼度が高く、
精度が土０．５ｒ以上もあることが判った。この例では
検査されるパターンがホトレジストから成るが、この方
法は例えば２酸化珪素、窒化珪素、多結晶珪素、種々の
金属導体等の他の材料のパターンの光学的試験にも応用
できる。研究の結果試験パターンの格子定数としてはｄ
＝２０仏がよいことが判った。

前述の式の微分をとると測定の最高感里蔓と精度、すな
わちＷ／ｄの所定の変化に対する最大変化がＷ／ｄ＝０
．２５（１２ ／１，＝０．５）のときに得られること
が判る。同時に、格子１６の条幅Ｗをその回路パターン
の最小部分の幅にほぼ等しくすることが好ましい。現状
ではこの値は例えば５Ａとすればよく、これはＷ＝５仏
、ｄ＝２０仏を意味する。この格子は格子面積僅か０．
５×０．５側の場合に良好な回折反射を示す。従って測
定精度土１０％で土０．５ムの絶対精度が得られ、これ
は現在の集積回路に対しては充分である。上述のレーザ
装置を用いて測定したＷ／ｄの値と顕微鏡で測定した値
との相関は陽画用ホトレジスト試料に対して１０％以内
であったが、陰画用ホトレジストの試験パターンのよう
な構造の格子１６においては膜厚および屈折率がある値
のとき格子特性はいくらか矩形からはずれ、条幅Ｗと強
度比１２／１，との間の上記の関係が成立しなくなる。

この場合はブリュースタ角度で入射させて測定するとう
まくいった。単色光ビームは、ｎをその材料の屈折率と
するときｔａｎ８，＝ｎで定義されるブリュースタ角を
入射角０１として矩形の凹凸パターンに均一に入射する
ようにする。この場合の入射面は格子線条１８に平行で
なければならず、入射光ビームの偏向面（電気ベクトル
）は入射面内に一致しなければならない。このような条
件下では格子試験パターンの特性は矩形近似式にさらに
よく従がう。すなわち、このような条件下では空気とホ
トレジストとの界面における反射が抑制されて、ホトレ
ジスト内における多重ビーム干渉をなくするから、矩形
からのずれの影響を無視することのできる純粋な位相格
子を得ることができる。第４図にはこの発明の方法の実
施に使用する装置の１実施例が示されている。

単色光源２８は例えばべリウム・ネオンレーザでその光
ビーム２０がビーム分割器３０に入射し、その一部分が
反射されて基準検出器として働くシリコン太陽電池３１
に入射するように配置されている。この例ではまたチョ
ッパ３２を用いて光ビーム２０を約２組ｚで開閉するよ
うになっている。このチョッパ３２を用いて光ビーム２
０を開閉することによって発生した交流信号だけをとり
出すようにロック・ィン増幅器を同調すると背景雑音が
低減される。次に一連の鏡３４，３６，３８によりレー
ザビーム２０は試験表面１２上に形成した回折格子１６
に向かう。鏡３６，３８は基板１４上の光ビーム２０の
位置が容易に調節できるように遠隔制御によって傾斜が
変えられるようになっている。回折ビーム２４，２６は
他の鏡４０‘こよって反射され、その強度が適当な角位
置に配置された光検出器４２により受光測定される。第
３の検出器４４は象限検出器として働き、零次ビーム２
２の位置を検知してサーボ装置を作動させ、零次ビーム
２２が常に象限検出器４４の中央に釆るように鏡４０の
傾斜を制御する。この実施例において光検出器４２，４
４は珪素ＰＩＮダイオード（１０ボルトで逆バイアスさ
れている）から成り、ロック・ィン増幅器（図示せず）
と共に背景雑音の少ない信号の発生に使用される。この
実施例では２つの強度測定値１，，１２を電子アナログ
除算器４６を通すことによって比信号（１２／１，）が
得られる。

この比信号は次に処理手段４８に送られて条幅Ｗを決定
し、その値を所定値と比較して差信号を発生する。比１
２／１，は制御のため上述の式に従がし、Ｗ／ｄの単位
で鮫正されたアナログメータ上に表示される。補助制御
として回折ビームパターンの一部をガラス板５０によっ
て半透明表示面５２上に反射させる。回折パターンのこ
の表示は調整用鏡３６によって１次ビームを調節するた
めに使用し、また基板１４上に数個の格子試験パターン
を形成して格子ピッチｄの判定が不明瞭になったとき、
その決定に使用することができる。

この発明の方法は基板上に形成された集積回路パターン
の横方向寸法を、基板の損傷や不純物の導入を生ずるこ
とのある基板の顕微鏡観測や基板への接触を必要とせず
、光学的に試験する客観的かつ定量的な方法を与える。

また適当な電子回路網を用いることによりＷ／ｄを直接
議取り、外装動作に対する「良・否」の判定をすること
ができる。試験パターンの大きさは１辺億か０．５側の
正方形にすることができ、レーザ光ビーム２０の波長は
ホトレジスト工程の障害にならない。この発明の方法に
よれば、現在のホトレジスト被着整合方式に適合したゥ
ェハ装荷方式を使用し、これにマイクロプロセッサを接
続することによって、集積回路パターンの横方向寸法の
高速客観的検査が可能になり、このようなパターンの検
査に要していた工数が著しく節約できる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はこの発明の方法に使用される回折
格子の１実施例の断面図、第３図は第２図の回折格子の
入射光ビームおよび回折された雫次、１次および２次ビ
ームを図式的に示す断面図、第４図はこの発明の方法を
実施するために使用される装置の１実施例を示す図であ
る。 １０・…・・材料層、１２・・…・試験面、１４・・…
・基板、１６・・・・・・回折格子、１８・・・・・・
線状パターン、２０・・・・・・単色光ビーム、２２・
・・・・・零次ビーム、２４…・・・１次ビーム、２６
……２次ビーム。 才Ｊ図才２図 矛３図 才４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 基板上に配置された材料のパターンの横方向寸法を
   光学的に試験する方法において、上記材料を上記基板と
   試験表面とに被着し、上記基板と上記試験表面との双方
   から同時に上記材料を選択的に除去して上記基板上に集
   積回路パターンを形成すると共に上記試験表面上に上記
   材料から成る条幅Ｗ、ピツチｄの線条パターンを含む回
   折格子を形成し、この回折格子を単色光ビームに露出し
   て、上記回折格子とその下の試験表面とを凹凸パターン
   として働かせて上記単色光ビームを種々の次数の回折ビ
   ームに回折し、その回折ビームの２つを測定して２つの
   強度信号を得、この強度信号を処理手段に伝送して上記
   条幅Ｗを決定し、この条幅Ｗを所定値と比較して差信号
   を得、この差信号の大きさを上記パターンの横方向寸法
   公差の尺度とすることを特徴とするパターンの横方向寸
   法試験法。