JPS6093903A - ホトレジスト膜の形状確認・寸法測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、半導体製造プロセスにおけるホトし。

シスト膜の形状を確認し、寸法を測定する装置に関する
。

〔発明の背景〕

ホトレジスト膜の膜厚または該膜のパターンの５寸法（
穴径など）を測定したり、あるいは形状を。

確認することは、半導体製造プロセスにおける重“要課
題の一つである。

一般に、半導体製造プロセスでは、半導体基板。

上の面積が０．０１〜１　ｐｍ２、厚さが０．０１〜］
　Ｉｔｍ程度のＩＯ残留ホトレジスト膜や、幅が１〜２
１１ｍ、厚さカ月μｍ程度のホトレジスト膜のパターン
の測定を行なう・必要がある。特にコンタクト・ホール
形成用の直・径約１μｍ、深さ約０．５〜３μｍのホト
レジストいては、貫通すべき散大の底面部分に未だホト
し５シストがエツチングされずに残留しているか、あ・
るいは完全にエツチングされて例えばシリコン単・結晶
の基板表面が露出しているかは、厳密に確認・しなけれ
ばならない事項である。

しかしながら、後述する従来のホトレジスト膜〇厚測定
装置にあっては、以下に述べるような理由゛で、コンタ
クト・ホール形成用ホトレジスト穴の゛ような微細穴の
形状を確認したり、あるいは寸法。

を測定するには無力である。

すなわち、従来、膜厚の測定には、近赤外偏光５干渉計
（日立評論、４５．　Ｎｏ、　６３．　Ｐ］６６６、１
９６３　）、。

目視測定を行なう光学干渉顕微鏡、エリプソメー。

り、タリステップ等が使用されている。また、光゛の吸
収を用いた膜厚測定装置（第２０回計測自動詞。

御学会学術講演会予稿集、Ｎｏ、　２７０６．１９８］
　）、ある１０いは、金属表面−１−の油膜の膜厚測定
を螢光を使っ。

て行なう装置（特開昭５７−８６７４３号公報）などが
提・案されている。

まず、近赤外偏光干渉計では、入射光を基板に・対して
斜めに入射させるので、短焦点のレンズを３使用するこ
とができず、したがって光束を十分に。

絞ることができない。このため、高い位置分解能。

は期待できない。また、この装置では膜厚が約　・１０
００Ａ　（０，１μｍ）より薄いものを測定することは
。

不可能である。

光学干渉顕微鏡を使った場合には、ホトレジスト膜は膜
厚が薄いと干渉色が発生するので、干渉縞の色を判別す
るのが剥しくなる。また、当然段差がなければ測定でき
ないが、ホトレジストの微。

細穴が１μｍ２以下となれば、その大部分の干渉縞５を
読みとる必要があるため、測定は非常に困つ）１１と”
なり、実用の範囲を超える。

また、上記した光吸収を利用する膜厚測定装置。

を考えてみる。例えばシリコン基板」−のホトレジ。

スト薄膜に紫外レーザ光を収束して照則し、該照１″射
光（基準光）強度と反ｎ＝Ｊ光強度との比から吸収（量
をめると仮定すると、ある程度広い面積をも・つ部分の
膜厚は吸収量から推定できる。しかるに・、コンタクト
・ホール形成用の微細なホトレジスト・穴の底面部分（
１μｍ径以下）の吸収Ｈｋを測るに（誠レーザビーム径
は０．３〜０．４１１ｍ以下でなければならない。しか
し、レンズの回折限界から判断して、・近紫外領域の波
長でビーム径を０．３〜０．／Ｉ　ｐｍに収束・するこ
とは不可能に近い。

次に、エリプソメータは、薄いホトレジストの膜厚が測
定できるが、光を膜面に対して斜めに。

入射させる必要があるため、位置分解能をミクロ。

ンオーダにすることが￥１１シい。また、斜め入射の。

ため、ホトレジスト穴の底面部分の膜厚をその周。

辺部分すなわち散大の壁を含む部分と独立的に測５るこ
とは不可能となる。

さらに、」−記した油分測定装置（特開昭５７−゛８６
７４３号公報）をコンタクト・ホール形成用ホトレジス
ト穴の測定に適用した場合、次のような困。

難を伴う。　１０ （ａ）紫外光源（ランプ）からの光束を絞ること・が難
しく、したがって光を照射したホトレジストから放出す
る十分な螢光を得るのに必要な光密度・が得難い。

（ｂ）巨視的な形でホトレジスト膜の存在は検知ｊでき
ても、該ホトレジストの一部分の微細穴の存。

在を検知するには位置分解能が足らない。

（Ｃ）紫外線を利用するため、使用したフィルタ・およ
びレンズから螢光を発生し、Ｓ／Ｎ比の低下を・招く。

もし、螢光を出さない光学系を使えば、ｉ＃ＩＩ価とな
り、実用性に欠ける。

他方、紫外光源としてレーザを用いると仮定ず。

ると、連続発振を行なうものが極めて少なく、連。

続発振しないものを用いると測定が煩全１１となり実。

用に適さない。また、紫外レーザとして連続発振５のも
のを使用したとしても、発振出力が極めて小゛さく、Ｓ
／Ｎ比よく螢光を検知するにはエネルギー゛不足である
。

以」二のように、従来の膜厚測定装置では、いず゛れも
ホトレジスト微細穴の検出・測定には、多ぐ１】の問題
を含んでいる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を解・消し、
ホトレジスト膜のコンタクＩ・・ホール形成・用微細穴
のような、微細パターンの形状・寸法をコサブミクロン
オーダの高分解能で検出し得るホト。

レジスト膜の形状確認・寸法測定装置を提供する。

ことにある。

〔発明の概要〕

本発明は、上記目的を達成するため、紫外から・Ｃ１可
視の範囲の波長の励起光をホトレジストに照射。

することにより放出される螢光を利用する。なおミ励起
光をホトレジスト膜に照射した場合、その膜厚ｌこほぼ
比例した量の螢光が放出される。　。

本発明者らの検討によれば、半導体製造プロ上５スで最
も頻用されるホトレジストＡＺ　１３５０　Ｊに紫外。

から可視光に亘る光を照射したとき、該ホトレジ。

ストから放出される螢光のスペクトルは、はぼ第。

１図（Ａ）のようになった。このグラフは、照射す゛る
光において、紫外域（約２００〜４００　ｎｍ　）より
も可１０視域（約４００〜７００　ｎｍ　）の方がむし
ろ螢光効率が大。

きいことを示しており、紫外励起が常識とされて・いた
従来の螢光分析の手段が、ホトレジストに関・しては明
らかに異なることを示すものである。　・なお、このグ
ラフにおいては、３６０　ｎｍ以下およ１ｊび５４．Ｏ
ｎｍ以」二の波長の照射光に対して螢光は示さ・れてい
ないが、前者については光源にキセノンラ・ンプを使用
したので光が弱いために、また後者に・ついてはフィル
タの関係」ニゲラフには現われなか・ったたけて、実際
には螢光は放出されている。　２゜また、第１図（Ｂ）
は、可視レーザであり、しか゛も実用的にも信頼性の高
いアルゴンレーザを用い“て、第１図（Ａ、）の場合と
同じホトレジストＡの波長の光を照射したときの螢光ス
ペクトルを”示す。このグラフから、約５６０〜７５０
　ｎｍの領域に約５６００　ｎｍにピークをもつ螢光が
放出されていること。

がわかる。

本発明は、」―記のようなホトレジストら可視の範囲の
波長の光をホトレジストると螢光を発する特異な性質を
利用して、実用的１０価値の高い高分解能のホトレジス
トの形状確認・・寸法測定装置を実現するものである。

すなわち、本発明は紫外から可視の範囲の波長・の励起
光を放出する光源と、該光源からの光をホ・トレジスト
膜上に収束・照射させる第１の光学系）と、該励起光の
照射により」二記ホトレジストから。

放出される螢光を所定の位置に拡大結像させる第。

２の光学系と、該第２の光学系によって得られた。

螢光像を一次元あるいは二次元的に走査する走査・手段
と、該走査手段により取り出された光を検出！０する光
検出器と、該光検出器からの信号を処理す。

る回路と、該回路によって得られた処理結果を表。

示する表示手段とを具備することを特徴としてぃ。

る。

〔発明の実施例〕　５ 第２図は本発明の装置の一実施例の構成を示す。

図である。図において、１は紫外がら可視の範囲。

の波長の励起光を放出する光源で、例えばＡｒし。

ーザあるいはＨｅ−Ｃｄレーザ等の可視レーザである°
。

２６はミラー、２は絞り、３は２枚のレンズがら構ｉ。

成されるビームエクスパンダ、４は対物レンズ、・５は
ダイクロイックミラーで、これらにより可視。

レーザ１から放出される光をホトレジスト膜上に・収束
・照射させる第１の光学系が構成される。６・は試料で
、通常Ｓｉウェーハであり、表面にホトレジストが塗布
され、該ホトレジスト膜にはコンタ。

スト・ホール形成用ホトレジスト穴が設けられて。

いる。７は試料６を載置する架台、８は架台７を。

縦方向および横方向すなわち二次元的に移動させ。

る駆動装置である。

９は反射鏡、１０は接眼レンズ、月は干渉フィル。

りもしくはカットフィルタ、１２はイメージディセ゛ク
ター、シリコンφインテンシファイア−・ター。

ゲット（　ＳＩＴ管）、あるいはチャネルプレー１・な
。

どのイメージインテンシファイア−、１３はテレビ５モ
ニタおよび小型計算機からなる表示器である。。

１４は接眼レンズで、対物レンズ４と共に、可視。

レーザ１の励起光の照射により試料６のホトレグストか
ら放出される螢光を所定の位置に拡大結像。

させる第２の光学系を構成している。１５は干渉フ１′
）イルタもしくはカットフィルタ、１６は対物レンズ・
４および接眼レンズ１４によって拡大結像された螢・光
像Ｆ２を走査する走査手段で、例えばピンホール・であ
る。１７はピンホール１６と直結されて一体化し・、ピ
ンホール１６によって取り出された光を検出するＩｎ光
検出器である光電子増倍管で、暗電流を極力小。

さくするためにピンホールとほぼ同面積の微小な・受光
面を持つよう特殊加工されたもので、該受光・面はピン
ホールと位置が合わせである。１８はビン・ホール１６
および光電子増倍管１７の機械的な走査を・Ｉ）行なう
駆動装置である。１９は単一光電子計数回路；２０は記
憶素子（フレームメモリ）と信号処理を行。

なう回路からなる情報処理回路であり、これらに。

より光電子増倍管からの信号を処理する回路が構成され
る。

以」二のように構成した装置において、その動作゛を説
明する。可視レーザ１から放出された励起光゛はミラー
２６により直角に方向が変換され、絞り２゛により所望
のビーム径に設定される。絞り２を通。

過した光は、ビームエクスパンダ３によりビームＩＯ径
が拡大され、グイクロイックミラー５により再・び直角
方向に曲げられ、対物レンズ４を通過した・後、実線矢
印で示すように架台７に載置された試・料６上の所定の
範囲に収束されて照射される。な・お、励起光の照射領
域は絞り２によって適宜変化１コし得る。このようにホ
トレジスト膜上、ここでは・コンタクト・ホール形成用
ホトレジスト穴近傍を・十分な光エネルギー密度で照射
した場合、前記し・たようにその膜厚にほぼ比例した量
の螢光が放出・される。図中の点線矢印はホトレジスト
穴にホト２０レジストが残留していた場合を想定して、
散大か゛ら放出される螢光を示すもので、図では示され
て。

いないが、励起光が照射されかつホト（／シストが゛存
在するすべての箇所から螢光が放出されること゛はいう
までもない。

対物レンズ４は励起光照射部分からの反射光お。

よび螢光の両方を透過するが、該反射光はダイク゛ロイ
ツクミラー５によって選択反射されるので、゛螢光によ
る像のみがＦＪ像として結像される。　。

なお、ここでＦｌ像を表示器１３を介して直接１−１視
１゛ゝするために、矢印Ａ方向に移動可能な反Ｉ・１鏡
９を・図示の位置すなわち光路中に挿入する。反射鏡９
・により反射された像（Ｆ＋像）は、接眼レンズ１０に
・より拡大され、フィルタ１１を通ってイメージイン・
テンシファイア１２のフェースプレー１・」〕に拡大結
”像される。かくして得られたホトレジストからの・螢
光のみによる拡大像すなわち励起光原則領域の・ホトレ
ジスト膜の表面像は、表示器１３に表示され・る。

次に、ホトレジストの特定箇所の形状、寸法、′（）こ
こではホトレジスト穴の断面形状を確認し、寸。

法（深さもしくは直径）を測定するには、まず駆。

動装置８を起動させて架台７を動かし、試料６の。

位置合わせを行なう。なお、駆動装置８からは試。

料６の位置を正確に表わす位置信号が表示器１３へ５送
られる。

このとき反射鏡９は光路中から外され、結像さ゛れたＦ
１像は接眼鏡１４およびフィルタ１５を通過して。

完全に螢光像のみとなり、Ｆ２像として拡大結像さ。

れる。なお、ここではＦ２像は、イメージインテンＩ０
シファイア１２のフェースプレート上に結像された・拡
大像と同一の大きさになっている。

次にこのＦ２像は、駆動装置１８によってピンホー・ル
１６およびこれと一体化された光電子増倍管によ・って
−次元あるいは二次元的に走査される。　１コ光電子増
倍管１７の出力は、ピンホール１６を透過・する螢光量
が極端に少ないため、単一光電子事象・の範囲に入り、
パルスとなって現われるのが普通・である。

カ＜シて、光電子増倍管１７からの出力パルスは２１之
単−光電子計数回路１９によって計数され、暗電流。

パルスと背景雑音パルスとからなる雑音計数値を。

差し引いた、純粋に、ある位置のピンホール１６か。

ら取り出される螢光量に比例した用数値となって。

回路１９から出力される。この計数値は、情報処理５回
路２０によってホトレジスト膜の断面輪郭表示に。

適する信号に変換され、表示器１３へ伝送される。。

他方、駆動装置１８からは、ピンホール】６の位置を゛
正確に表わす位置信号が出力されており、これも。

また表示器１３へ伝送される。　１０ 次に、上記のような構成および動作により得ら・れる情
報の表示について説明する。

第３図（Ａ）は、第２図に示した装置によって形・状を
確認し、あるいは寸法を測定すべき試料のホ・トレジス
ト膜の部分の一例を示す断面図である。１コ図において
、２１はシリコン基板、２２はホトレジストト膜、２３
はコンタクト・ホール形成用のホトレジスト穴である。

穴２３は完全に貫通し、その底面は・シリコン表面が完
全に露出しているべきであるが・、ホトレジスト膜のエ
ツチング条件が不備な場合（第１ζ図示のように底面に
ホトレジストの残留部分が生′じる。

第３図（Ｂ）〜（Ｄ）はそれぞれ表示器１３の画面を゛
示す図である。第３図（Ｂ）に示す画面は、ホトレジス
ト膜の表面すなわちホトレジスト穴近傍が第５２図で示
した対物レンズ４および接眼レンズ１０で。

拡大され、イメージインテンシファイア１２に結像。

された螢光像が表示器１３に映し出されたものであ。

る。図において２３′はホトレジスト穴の輪郭を示し一
２２′はホトレジスト膜の表面像である。　１０第３図
（Ｃ）に示す画面は、対物レンズ４および・接眼レンズ
１／Ｉ（反射鏡９は光路から外される）で・拡大・結像
されたホトレジスト穴近傍のＦ２像が、・ピンホール１
６および光電子増倍管１７で走査・検知・され、その出
力が単一光電子計数回路１９で計数さ１５れ、その計数
値が情報処理回路２０で平滑化処理さ・れて断面の輪郭
として表示されたもので、２５はホ・トレジスト膜の断
面輪郭線である。２４は計数値の・ゼロ基線で、ホトレ
ジスト膜と基板との境界線を・示す。このゼロ基線を厳
密に設定するには、ホ）２０レジスト膜が完全に除去さ
れている箇所を別個に。

計測し、その箇所での暗電流レベルおよび背景雑。

音計数レベルを記憶させておき、断面輪郭線２５を。

表示する線にこれが基線となるようにすればよいＬ前述
のように、ホトレジスト膜厚と螢光量は比５例関係にあ
る。したがって、第３図（Ａ）に示すよ。

うに、ホトレジスト穴２３の底面にイーｌ′＋か（１０
Ａオー。

ダ）でもホトレジストが残留している場合は、ｒｌｔ。

−光電子計数回路１８に出力を生じ表示器１３の画面。

に表示される。第３図（Ａ）と（Ｃ）を比較ずれば明１
０らかなように、ホトレジス！・膜２３の断面形状と、
。

断面輪郭線２５はほとんど一致する。

第３図（Ｄ）に示す画面は、フレームメモリを用・いて
イメージインテンシファイア１２の像を記憶し・ておき
、第３図（Ｂ）に示した画像と第３図（Ｃ）に１５示し
た画像とを重ねて同時表示したものである。。

この場合、２４は、情報処理回路２０の処理信号と駆、
動装置１８の位置信号とから得られるピンホール走。

査位置表示線を示すと同時に、前記ゼロ基線を兼ねてい
る。この場合、該ピンホール走査位置表示・０線２４は
、ホトレジスト穴輪郭線２３′の中央部を横゛切ってい
るので、該中央部の断面形状が断面輪郭。

線２５によって表示される。

なお、上記実施例においては、ホトレジスト穴。

２３の底面にホトレジストが残留しているかどうか５を
確認するため、主にホトレジスト膜の形状ノ確。

認について述べたが、ホトレジスト膜の寸法スな。

わちホトレジスト膜の厚さ、ホトレジスト穴の直径ある
いは深さ等を測定することが容易なことは。

いつまでもない。　１０ なお、第２図に示した」二記実施例において、ダ・イク
ロイックミラ−５は可視光（励起光）による・反射光を
完全に遮断し、完全に螢光のみを透過さ・せてイメージ
インテンシファイア１２に螢光像を結・像させたが、可
視光による反射光が僅かに透過す１５るようにグイクロ
イックミラー５を特殊設計する・ことにより、この僅か
な反射光による像を上記壁・光像に重畳させれば該反射
光による試料の輪郭と・螢光によるホトレジスト像とが
表示器１３に表示さ・れるので、ホトレジスト穴等の位
置確認に便利と２０なる。この場合はもちろんフィルタ
１１を除外する；また、上記実施例では、ピンポールＪ
６と、該ピ。

ンホールと同面積の微小受光面をもつ光電子増倍管１７
とを、該ピンホールと受光面を一致させて直。

結させ、両者を一体的に動かして走査させた。し゛かし
、光電陰極面の感度分布の極めて少ない光電“子増倍管
１７を選び、ピンホール１６の走査範囲だけ。

に受光面を限定した該光電子増倍管１７を固定し、。

ピンホール１６だけを駆動装置１８により走査しても。

よい。　１０ さらに、ピンホール１６から取り出される螢光量・は極
めて少ないため、光電子増倍管１７の出力はパ・ルスと
なるが、必要ならば暗電流を十分小さくす・るため、該
光電子増倍管１７を冷却してもよい。　・その他、本発
明は特許請求の範囲内でいろいろＩ）な変形があり得る
ことはいうまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は励起光をホトレ・シスト
膜に照射することにより放出される螢光を・利用して、
ホトレジスト膜の断面形状が表示でき２１４ホトレジス
ト膜やコンタクト・ホール形成用ホト。

レジスト穴の形状を確認し、かつホトレジスト膜。

厚やホトレジスト穴の直径、深さ等の寸法を測定。

できる効果がある。また、ホトレジスト穴底面の。

残留ホトレジストの有無が検知でき、エツチング５条件
設定のモニタとして活用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）ハホトレシスｔ−（ＡＺ１３５０Ｊ）　カ
ラノ’螢光の励起スペクトルを示すグラフ、第１図（Ｂ
）。 はアルゴンレーザで励起したときのホトレジストＩＯの
螢光スペクトルを示すグラフ、第２図は本発明・の装置
の一実施例を示すシステム構成図、第３図・（Ａ、）は
測定すべきホトレジスト膜の断面図、第３・図（Ｂ）〜
（Ｄ）はそれぞれ本発明の装置における表・示器の画面
を表わす図である。　１３ １・・・可視レーザ（光源） ４・・・対物レンズ ５・・・グイクロイックミラー ６・・・試料　８．１８・・・駆動装置１０．１４・・
・接眼レンズ　・り１１１２・・・イメージインテンシ
ファイア１３・・・表示器 １６・・・ピンホール（走査手段） １７・・・光電子増倍管（光検出器） １９・・・単一光電子計数回路 ２０・・・情報処理回路 代理人弁理士　中伺純之助　１０ 矛１図 （Ａ） 追　長　（１ｍ） 朱２図 十３図 （Ａ） ３ （Ｂ） 矛　３　図 （Ｃ） （Ｄ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 紫外から可視の範囲の波長の励起光を放出する。 光源と、該光源からの光を、形状を確認し寸法を゛測定
   すべきホトレジスト膜を有する試料」二に収束。 ・照射させる第１の光学系と、該励起光の照射に。 より上記ホトレジストから放出される螢光を所定Ｏの位
   置に拡大結像させる第２の光学系と、該第２゜の光学系
   によって得られた螢光像を一次元あるい。 は二次元的に走査する走査手段と、該走査手段に・より
   取り出された光を検出する光検出器と、散光・検出器か
   らの信号を処理する回路と、該回路によ１５って得られ
   た処理結果を表示する表示器とを具備。 することを特徴とするホトレジスト膜の形状確認。 ・寸法測定装置。