JPH0246462A

JPH0246462A - 測定用パターンの形成方法

Info

Publication number: JPH0246462A
Application number: JP63196341A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Hirukawa; 茂蛭川; Kyoichi Suwa; 恭一諏訪; Hirotaka Tateno; 立野　博貴
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1988-08-06
Filing date: 1988-08-06
Publication date: 1990-02-15

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】〔産業上の利用分野］本発明は、半導体素子等を製造するりソゲラフイエ程で
使用されるとともに、マスクやレチクルに形成されたパ
ターンを感応性の基板に露光したときに、該基板に転写
されたパターンの線幅を測定するのに好適な測定用パタ
ーンの形成方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、マスクやレチクルを用いて半導体ウェハ等に回路
パターンを焼き込けるリソグラフィ工程においては、ウ
ェハ上に塗布されたレジスト層（１〜５μｍ厚）に、い
かに忠実に回路パターンの線幅を再現して形成するかが
問題となっている。

特に、近年多用されてきた縮小投影型露光装置（ステッ
パー、フォトリピータ等）においては、ウェハ上に作り
込む回路パターンの集積度が高まり、これに伴って転写
すべきパターンの線幅もサブミクロンの領域になってき
た。ステッパーの場合、レチクルのパターンを投影光学
レンズを介してウェハ上に１１５〜１／１０に縮小投影
しているが、近年、ウェハ上で要求される投影レンズの
最少線幅（解像力に相当する）は０．８〜０．６μｍと
いった極限に近い値である。この性能を十分に安定に維
持していくためには、露光時の各種条件を常に一定のも
のにする必要がある。ステッパーでは特に露光量条件と
フォーカス条件が重要視され、この２つの条件のいずれ
か一方でも設定値からはずれていると、レジスト上で満
足な線幅が得られないといった問題が生じる。

そこで、ステッパーに解像力チャート等を有するテスト
レチクルを装着して、ウェハ（ペアシリコン）のレジス
ト層に露光条件を種々変化させてチャートパターンの試
し焼きを行ない、現像されたウェハのレジストパターン
の線幅を光学顕微鏡や別の専用測定機（微小線幅測定器
等）で実測し、所望の８１９１幅が得られているときの
露光条件を、最適露光条件と判定する手法が採用されて
いる。この場合、−船釣な線幅測定は、設計上ある線幅
で作られたレチクル上の直線パターンが、ウェハ上のレ
ジストパターンとしてどれくらいの線幅になっているか
を、レジストパターン（直線）のエツジ間隔から読み取
っている。

ところで、線幅測定を必要とする他の場合として、投影
レンズの光学特性、特に像面傾斜や像面湾曲等を検査す
る場合があげられる。この場合は、テストレチクルの中
心と、その周辺の多数点に測定用のチャートパターンを
設け、投影レンズの１回の露光視野内の多数点での解像
力（すなわち線幅）を調べ、各測定点で最も解像力が高
いと推定されるフォーカス位置を求めればよい。このよ
うな検査は、半導体素子の量産ラインでは定期的に行な
われ、ステッパーの性能維持、管理のための基礎データ
となる。

またリソグラフィ工程においては、その他様々の目的で
レジスト層に形成されたパターンの線幅を測定する機会
が多々あり、その場合でも、通常はレジストパターンの
平行なエツジ間隔を目視、光電的なセンサー、あるいは
電子顕微鏡等で直接測っていた。

上記のような線幅測定において、レジストパターンの全
体の長さ（線幅方向と異なる方向）を計測して間接的に
線幅を推定しようとする試みがなされている。その１つ
の例は、放射方向に伸びたくさび状のパターンを一定の
円に沿って多数配列したシーメンスターである。このシ
ーメンスターは、各くさび状パターンの先端が円の中心
に向かうようにレチクル上に形成されており、これをウ
ェハへ焼きつけたとき、くさび状パターンのレジスト像
上での先端部がどこまで解像しているのか、すなわち各
先端部を環状につなげた内側の円の径がどれくらいにな
っているかを調べるものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記シーメンスターのくさび状パターンの１つに着目し
てみると、くさび状パターンの頂角は２°〜数度程度に
定められ、この頂角をはさむ２つの辺（エツジ）は、近
似的な直線で形成されている。すなわち、くさび状パタ
ーンの長手方向に対する幅の変化率はほぼ直線的な関係
になっていた。

本願発明者らは、このような（さび状パターンを各種露
光条件のもとでレジスト層に露光し、くさび状パターン
のレジスト像の長さ寸法と、そのときに解像されていた
線幅との関係について調べたところ、特に露光量条件を
変化させたときに、くさび状のレジスト像の長さ寸法と
線幅との関係が非線形になることを確認した。

すなわち、くさび状パターン（又は類似するパターン）
を含む従来の測定用パターンでは、ある露光条件のもと
でくさび状の部分の長さと線幅とのリニアな関係が失わ
れるため、くさび状の部分の長さ寸法から線幅を正確に
推定することが難しくなるといった欠点が生じる。

そこで本発明は、このようなくさび状の部分を含む測定
用のパターンを露光して得られたレジスト像の寸法を計
測する際、その計測した寸法が広い露光条件のもとで解
像した線幅とリニアな関係を保つような方法を提供する
ことを目的とする。

〔問題点を解決する為の手段〕

そこで本発明においては、マスクに形成された測定用パ
ターンをレジスト層に転写して、レジスト層にくさび状
の部分を含むレジストパターンを形成する際、そのくさ
び状の部分が長手方向に関して非線形な幅変化率の関係
になるように、マスク上の測定用パターンの形状を補正
するようにした。

特に、くさび状のレジストパターンが先端部にいくにし
たがった幅変化率が小さくなるようにすることによって
、くさび状部分の長さ寸法と線幅との関係が良好にリニ
アに保たれる範囲を広げることができる。

〔作　　用〕

第１図は、本発明におけるくさび状パターンの形状補正
の様子を模式的に表したものであり、第１図（Ａ）はレ
チクル上に形成された単一のくさび状パターンＴＰの形
状を示し、第１図（Ｂ）、（Ｃ）は２つの直線状パター
ンＴＰ、、ＴＰ、を鋭角で交差させて２重露光して、く
さび状ノ〈ターン（モアレ状パターン）を得る様子を示
す。

第１図（Ａ）のように、レチクル（マスク）上に元々く
さび状パターンを形成しておく場合、例えばｘ−ｙ座標
系のＸ軸と平行な中心軸Ｊに関して線対称な関係の曲線
Ｊ＋、Ｊｚ（漸近線的なスロープ）を定め、この曲線Ｊ
＋　、Ｊ２に沿ってＸ方向に２・ΔＰずつ線幅が変化す
る微小矩形（微小直線）パターンを連続させる。従って
その微小矩形パターンＰａ、ＰｂのＸ方向のＸ方向の長
さは、くさびの先端（パターンＰａ）側にいくにしたが
って徐々に長くなっていく。例えばくさびの中央部にあ
る微小矩形パターンＰｂの線幅Ｄｂは、先端の微小矩形
パターンＰａの線幅Ｄａよりも太いが、パターンＰｂの
長さはパターンＰａの長さよりも短い。このように曲線
ＪＩ、ＪＺに沿って、くさびの２辺（エツジ）がステッ
プ状になっているのは、このパターンＴＰが元々微小形
状であることと、パターンＴＰをレチクルに形成すると
きの電子線描画装置が曲線ＪＩ、ＪＺに沿ってなめらか
にエツジを描画できないこと等に起因している。ここで
−例をあげると、レジスト上での寸法にして２・ΔＰは
０．０５〜０．０２μｍ程度、微小矩形パターン先端形
状Ｄｂは１．０μｍ１先端の微小矩形パターンＰａ０幅
Ｄａは０．６μｍ、そして終端の微小矩形パターンの最
大幅は１．５μｍにし、全長として１０〜２０μｍ程度
にしたものが作られる。

このようなくさび状パターンＴＰを、ステッパーを用い
て感光基板のレジスト層に投影露光すると、投影光学系
及びレジストの解像力の制限によって、細かな段差は転
写できず、くさび状パターンＴＰの２辺のΔＰの段差部
分はほぼなめらかに連続した曲線として近似され、曲線
Ｊ１、Ｊ２に沿ったエツジをもつレジストパターンが形
成される。このパターンＴＰは内側を光透過部、又は遮
光部のいずれにしてもよく、また感光基板上のレジスト
層もポジレジスト、ネガレジストのいずれでもよい。

この方法は、第１図（Ｄ）に示すように、露光不足の状
態はど、くさび状のレジストパターン■Ｒのパターン先
端形状が鈍くなり、くさびの２つのエツジを外挿して求
められる交点ＣＣ＋　と実際のくさびパターン先端ＣＣ
２との距離ｄが大きくなる現象を補正するものである。

すなわち、露光不足の場合にはレチクル上の（゛さびパ
ターンＴＰＯ先端（Ｐａ）により近い部分がレジストパ
ターン先端ＣＣ２となるので、パターン先端に近い部分
を距離ｄの増加分ずつ、微小矩形パターンの長さを増す
わけである。

また第１図（Ｂ）は、線幅ｌの２つの直線パターンＴ　
Ｐ　＋　、Ｔ　Ｐ　ｚを交差角度θ。で２重露光した様
子を示し、レジスト層をポジ型とし、直線パターンＴＰ
Ｉ　、ＴＰ２をともに遮光部（クロム層）とすると、第
１図（Ｂ）の斜線部で示したひし形の部分が２重露光に
よっても未露光のところであり、このひし形の部分がレ
ジストパターンとして残る。このようなひし形の部分（
くさびを左右対称に有する）の左右の頂角部Ｘ、　、Ｘ
２のＸ方向の間隔は、２つのパターンＴＰ、　、ＴＰ、
の重ね合わせ位置がｘ、Ｘ方向に平行ずれしても、角度
θ。が一定である限り、理想的には常に一定寸法になる
。ところが、レジスト層に焼き付けられた２つの直線状
パターンＴＰ、　、ＴＰ２のわずかな線幅変化によって
、ＸＩ　、Ｘｉの間隔、すなわちモアレ状のレジストパ
ターンの長さ寸法は大きく変化する。

その線幅変化量を理想線幅ｌに対してΔ！とすると、Ｘ
Ｉ、Ｘ２間の寸法変化量をΔＬａとして、ｔ’ａ　ｎ　
　θ。／２数置以上（例えば３°）とすると、ｔａｎθ。／２は１
よりも十分小さな数値となり、線幅変化量Δｌを十分に
大きな値（例えばθ。−３°として約４０倍）に拡大し
て求めることができる。

この第１図（Ｂ）のような場合も、頂角部Ｘ１、Ｘ２を
先端とするくさび状のパターンができており、第１図（
Ａ）と同様に、くさび部分の形状を補正しておく必要が
ある。

第１図（Ｃ）はその補正の１つの例を示し、レチクル上
の２つの直線パターンＴＰ、　、ＴＰ２を、その両端側
でわずかに屈曲させた形状にしたものである。２つの直
線パターンＴＰ１、ＴＰ２は中央附近では交差角度θ。

で各エツジが交わるものの、中央から左右に離れた点Ｘ
３、Ｘ４の夫々の外側では、２つの直線パターンＴＰ、
　、ＴＰｚの各エツジが角度θ。よりも小さい角度θ、
で交わるように屈曲変形されている。従ってひし形の理
想レジストパターンは、位置Ｘ３、Ｘ４から外側で角度
θ１の頂角をもつくさび状になり、その先端部Ｘ’　＋
　、Ｘ’　ｔはそれぞれ第１図（Ｂ）の場合とくらべて
ΔＨだけ長くなる。この場合、くさび状の部分は、位置
Ｘ３、Ｘｓをはさんで、長手方向に対する幅変化率が２
段階に変化している。

尚、この幅変化の段階は３段階以上にしてもよい。

〔実　施　例〕

次に本発明の各実施例を説明するが、その前に本発明の
方法の実施に好適なステッパーの構成について第２図を
参照して簡単に説明する。

第２図において、水銀放電灯等のランプ１からの露光光
（ｇ線、ｉ線等）は、楕円鏡２で焦光された後、露光量
を制御するシャッター３、照明光を均一化するオプチカ
ルインテグレータ４、及び主コンデンサ−レンズＣＬを
介してレチクルＲを照明する。レチクルＲはｘ、ｙ、θ
方向に微動するレチクルステージＲ３上に保持され、レ
チクルアライメント系５によって装置に対して位置決め
される。レチクルＲのパターンは、片側、もしくは両側
テレセントリックな投影レンズＰＬによってウェハＷ上
に結像投影される。ウェハＷは、Ｘｙ座標系内で水平移
動するｚｙステージと、投影レンズＰＬの光軸方向に垂
直移動する２ステージと、水平面内で微小回転するθス
テージ、及びレベリングステージ等を含むウェハステー
ジＳＴに載置され、ステップアンドリピート方式の露光
時にはステージコントローラ７からの指令に応答してス
テッピング移動する。そして投光器１４、投光用対物レ
ンズ１５、受光用対物レンズ１６、スリット板１７及び
受光素子１８から成る公知の斜入射光式焦点検出系（以
下ＡＰセンサーとする）は、ウェハＷの表面の高さ方向
の基準面に対する位置変化を高精度に検出し、その位置
変化情報を焦点制御系（以下ＡＦユニットと呼ぶ）９に
出力する。ＡＦユニット９はその位置変化情報に基づい
てステージコントローラ７を介して２ステージを制御し
て、ウェハＷの投影レンズＰＬに対する焦点合わせを行
なう。

さらに、このステッパーには、投影レンズＰＬを介して
ウェハ上のアライメントマーク（回折格子状）を光電検
出するためのＴＴＬ方式のウェハアライメント系１１が
設けられている。ウェハアライメント系１１には、Ｈｅ
−Ｎｅ、Ｈｅ−Ｃｄ。

Ａｒイオン等を光源とするレーザ光源１１ａ、シリンド
リカルレンズ等を含むレンズ系１　ｌ　ｂ。

ビームスプリッタ１１０１対物レンズ１０、レンズ系ｌ
ｉｄ、空間フィルターｌｉｅ、及び受光素子１１ｆが設
けられ、受光素子１１ｆからの光電信号は信号処理系１
２に出力される。ここでレーザ光源１１ａからビームは
、レンズ系１１ｂの作用で一方向に伸びたスリット状の
断面を有するビームに変換され、ビームスプリッタ１１
０１対物レンズ１０を介して投影レンズＰＬの軸外の位
置に入射され、投影レンズＰＬによってスリット状のス
ポット光としてウェハＷ上に集光される。

ウェハＷ上のアライメントマークと、そのスポット光と
が重なると、マークから散乱光や回折光が生じ、その散
乱、回折光は再び投影レンズＰＬを通って対物レンズ１
０に戻り、ビームスプリッタｌｌｃで反射され、瞳リレ
ー系ｌｉｄを介して空間フィルタｌｉｅに達する。瞳リ
レー系１１ｄは、投影レンズＰＬの瞳と空間フィルタ１
１ｅとを互いに共役にするためのもので、空間フィルタ
ｌｉｅはウェハ面からの正反射光を遮断して回折光、散
乱光のみを通すアパーチャを有する。

空間フィルタｌｉｅを通った散乱、回折光はレンズ系で
集光されて受光素子１１ｆに達する。

ところでステージコントローラ７にはｘ、Ｘ方向の２軸
に関してウェハステージＳＴの位置を計測するレーザ干
渉計が設けられており、このレーザ干渉計からステージ
ＳＴの単位移動（例えば０゜０２μｍ）毎に出力される
計測パルス（アップダウンパルス）に応答して、信号処
理系１２は受光素子１２からの光電信号の波形をデジタ
ルサンプリングする。信号処理系１２はサンプリングさ
れた信号波形に基づいて、スリット状のスポット光とウ
ェハ上のアライメントマークとが合致したときの位置を
高速演算プロセッサにて求め、その位置情報を主制御形
８へ出力する。

以上のマーク検出方式では、信号波形を抽出するために
、投影レンズＰＬの視野内で静止しているスリット状の
スポット光に対してウェハＷを移動させる必要がある。

さて主制御系８はステップアンドリピート方式の露光シ
ーケスやアライメントシーケスを統括的に制御するが、
露光時にはシャッターコントローラ６を介してシャッタ
ー３の開閉のタイミング、及び開時間の長さを制御する
。

第２図に示したステッパーは、ウェハ上のアライメント
マークを検出するためにＴＴＬの方式のウェハアライメ
ント系１１が設けられているが、以下で説明する各実施
例では、ウェハ上に形成された測定用レジストパターン
ＩＲの寸法を計測するために共用するものとする。

第１勿亥差割− さて、第３図は、第２図のようなステッパーに装着され
るテストレチクルＲのパターン配置を示し、投影レンズ
ＰＬで投影露光される矩形のパターン領域ＰＡと、レチ
クルアライメント用のマークＲＭ、、ＲＭ２、ＲＭ、が
形成される。このマークＲＭ、　、ＲＭ、　、ＲＭ３は
ステッパーのレチクルアライメント系５で検出されるも
ので、パターン領域ＰＡの外側に設けられている。パタ
ーン領域ＰＡ内には、例えば３×３のマトリックス状の
位置に９個のマーク領域ＭＡ、　、ＭＡｆｆｉ　。

ＭＡ８、ＭＡａ　、ＭＡｓ　、ＭＡｂ　、ＭＡ？　、Ｍ
Ａ、　、ＭＡ９が形成され、それぞれのマーク領域の中
心は互いにＸ方向とＸ方向にＳｘ、Ｓｙずつ離れており
、マーク領域ＭＡ、はパターン領域ＰＡの中心、すなわ
ち投影レンズＰＬの光軸が通る点近傍に形成されている
。

各マーク領域ＭＡｎ内には第１図（Ａ）で示したような
くさび状パターンＴＰが形成されているが、より具体的
には第４図に示すように配置される。第４図のように、
第１図（Ａ）と同様のくさび状パターンＴＰａ、ＴＰｂ
、ＴＰｃの３本（それ以上でもよい）がＸ方向に一定の
ピッチで形成され、その横に線幅ＬＤでＸ方向に伸びた
ライン・アンド・スペース状の直線パターンＬＰａ、Ｌ
Ｐｂ、ＬＰｃがＸ方向に一定ピッチで形成されている。

この直線パターンＬＰａ、１．．Ｐｂ、１、Ｉ−ＰＣは
、くさび状パターンのレジスト像の長さと線幅との関係
をはじめに特定する際に必要なだけで、−度その関係が
わかってしまえば、以後はレジスト層のくさび状パター
ンの長さのみで線幅が特定できる。

尚、ライン・アンド・スペース状の直線パターン群（Ｌ
ＰａＳＬＰｂ、ＬＰｃ）は、少しずつ線幅を変えたもの
の複数をともにマーク領域ＭＡｎ内に設けておいてもよ
い。

また各パターンＴＰａ、ＴＰｂ、ＴＰｃ、ＬＰａ、ＬＰ
ｂ、ＬＰｃは透明部に遮光量として形成されているが、
マーク領域ＭＡｎ内全体を遮光層にし、その内に上記各
パターンを透明部で形成するようにしてもよい。

さらに、くさび状パターンＴＰａ、ＴＰｂ、ＴＰｃは、
第５図（Ａ）に示すような対称的なくさび部分をもつ測
定用パターンＴＰにかえてもよい。

このパターンＴＰを中心（最も線幅の太い部分の中心）
でＸ方向に２分すると、その一方が丁度第１図（Ａ）に
示したくさび状パターンＴＰになる。

この場合、レジスト層に形成されるレジストパターンＩ
Ｒは第５図（Ｂ）に示すように、極めて偏平なひし形に
なる。

そこでこのテストレチクルＲをステッパーに装着してレ
チクルアライメントを行ない、ポジレジストを塗布した
ベアシリコンのウェハＷをウェハステージＳＴ上に載置
する。そしてステッパーの主制御系８に記載されている
ショット配列のデータに基づいて、テストレチクルＲの
パターン領域ＰＡの投影像を、ウェハＷ上にステップア
ンドリピート方式で順次露光していく。このとき、例え
ば第６図に示すように、各ショット領域毎にわずかずつ
露光条件を変えていく。第６図は、横に７列、縦に８列
の計５６個のショット配列を示し、横（Ｘ）方向の７個
の各ショットについては露光量を少しずつ変えるように
し、縦（ｙ）方向の８個の各ショットについてはフォー
カス位置を少しずつ変えるようにする。露光量は、シャ
ッターコントローラ６に予め設定されている適正光量に
対応したシャッター３の開時間をオフセｙト０とし、そ
の前後に例えば１０ｍ５ｅｃずつオフセットを与えるよ
うにして変化させる。従って第６図の場合、露光量オフ
セットが零のところで、例えば露光時間（シャッター３
の開時間）が２５０ｍ５ｅｃであるものとすると、５６
個のショットのうち、Ｘ方向に並んだ７個のショットは
、それぞれ２２０．２３０．２４０．２５０，２６０．
２７０．２８０ｍ５ｅｃの露光時間で焼き付けが行われ
る。

一方、フォーカス位置については、ここでは８段階にフ
ォーカス位置を光軸方向に、例えば０．２５μｍずつ変
化させる。第６図でフォーカス・オフセットが零のとき
は、ステッパーのＡＦセンサーからのフォーカス信号が
合焦を表わし、この合焦点にウェハ表面が一致するよう
にオートフォーカスが実行され、フォーカス・オフセッ
トが１段（±１）分だけ主制御系８からＡＦユニット９
に設定されると、本来の合焦点から±０．２５μｍ（こ
こで符号の負はウェハ面が投影レンズＰＬに近づく方向
）だけずれてフォーカス設定される。

尚、第６図中の各ショット領域に記入された符号Ｌｌｌ
、Ｌ１２、・・・Ｌｅ？は、レジストパターンＩＲの長
さを表わす。

以上の動作によって露光されたウェハＷは、所定の現像
を行なった後、再びステッパーへ搬送され、ウェハステ
ージＳＴ上にプリアライメントされて載置される。そし
て、ステッパーのウェハアライメント系１１からのスリ
ット状のスポット光によって、各ショット領域の例えば
中心部に形成されたくさび状のレジストパターンＩＲを
長手方向に相対走査する。この様子を第７図に模式的に
示す。第７図（Ａ）では、第５図に示すようなひし形の
パターンＴＰの複数をＸ方向に所定ピッチで配列したも
のを露光した場合を示し、スリット状のスポット光ＳＰ
はＸ方向に伸びて、相対的にＸ方向に走査される。レジ
ストパターンＩＲａ、ＩＲｂ、ＩＲｃ、ｌＲｄはＸ方向
に細長い偏平なひし形であり、スポット光ＳＰの相対走
査により、ウェハアライメント系１１の受光素子１１ｆ
の光電信号は第７図（Ｂ）のような波形となる。信号処
理系１２は、この信号波形を適当なスライスレベルで切
って、レジストパターンＩ　Ｒａ−Ｉ　Ｒｄの平均的な
長さＬｎｍを計測する。

本実施例では、この長さＬｎｍの変化は、そのショッＨ
１域の露光条件、特に最適フォーカス条件のもとで露光
量条件を変えたときにレジスト層に焼き付けられる直線
パターン（ＬＰａ、ＬＰｂ、ＬＰｃ等）の線幅ＬＤの変
化と線形な関係になっている。

尚、直線パターンＬＰａ、ＬＰｂ、、ＬＰｃのレジスト
パターンの線幅は、別の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等
を用いたＥＢ測長機により各シミツト領域毎に１／１０
０μｍ程度の分解能で実測しテアリ、この線幅の実測値
ＬＤとレジストパターンＩＲのウェハアライメント系１
１を用いた寸法計測値Ｌｎｍとの線形関係の比例定数等
は予め求められている。

従ってレジストパターンＩＲの長さＬｎｍを計るだけで
、その時の露光量条件（フォーカス条件は一定）のもと
でレジスト層に形成される直線パターンの線幅がどれぐ
らいになるのかが直ちにわかる。逆に、テストレチクル
Ｒに形成されたひし形のパターンＴＰＯ長さがわかって
いる場合、投影レンズＰＬの縮小倍率は１１５又は１／
１０の一定値であることから、レジスト層に形成される
べきレジストパターンＩＲの長さＬｎｍも一義的に推定
される。従ってその推定値から異なる長さＬｎｍが計測
されたときは、線形関係の定数から、露光量条件の変化
を知ることもできる。

さて、第８図は、上記線形関係を説明する図で、第８図
（Ａ）は直線Ｊ３に沿って傾いたテーパを有する通常の
くさび状パターンＴ　Ｐ　ｏを示し、これに対し、第８
図（Ｂ）は同一の全長で漸近線Ｊ、に沿って線幅変化率
を非線形にしたくさび状パターンＴＰを示し、第８図は
（Ｃ）は、２つのくさび状パターンＴＰ、　、ＴＰの夫
々のレジストパターンの長さＬｎｍと、そのときに再現
されるある直線パターンの線幅ＬＤとの変化の関係を、
定のフォーカス条件のもとで実験的により求めたグラフ
である。第８図（Ｃ）の特性Ｖａは第８図（Ａ）の場合
であり、パターン長さＬｎｍと線幅ＬＤの線形性が、パ
ターン長Ｌｎｍかに２よりも大きいところで失われてい
る。これに対し、第８図（Ｂ）の場合は特性ｖｂのよう
にパターン長さＬｎｍかに、〜に、のほぼ全域で線形性
がよく保存されている。

この第８図（Ｃ）において、パターン長さＬｎｍかに１
のときは、いずれのパターンＴＰ、、ＴＰにおいても、
くさび部の最も太い部分のみが残り、先端部の方は全く
レジストパターンとして形成されない。これは露光量が
過大のときに生じる。

この状態のときは当然、直線状パターンの線幅ＬＤは、
本来の値（最適線幅）からかなり細くなってしまう。ま
たパターン長さＬｎｍかに３のときは、露光量が適正値
よりもわずかに少ない場合に相当し、くさび状のパター
ンＴＰ、　、、ＴＰ、の各先端に近い部分までレジスト
パターンとして再現されるが、適正露光量よりも少なく
なるに従って、特性Ｖａにおいては直線パターンの露光
量不足による線幅の太りとなって現われる。これは、２
つのパターンＴＰ、、ＴＰの先端部の最も線幅の小さい
（例えば投影レンズの解像限界に近い値）微小矩形パタ
ーン（第１図（Ａ）のＰａ）の各線幅を同一にした場合
であっても、その長さが異なると、この微小矩形パター
ンのレジスト像を再現しておくのに必要な露光量がわず
かに異なるといった現象に起因している。

以上のことからも明らかなように、パターンＴＰ０のよ
うな通常のくさび状（又はひし形状）のパターンを投影
露光する限り、最適露光量近傍におけるパターン長さＬ
ｎｍと線幅ＬＤの関係は非線形になってしまい、パター
ン長さＬｎｍの変化から線幅ＬＤの変化を知るには、特
性Ｖａのようなカーブとなる関係を予め求めるといった
作業が必要である。本実施例では特性Ｖａのような非線
形のものを、特性ｖｂのような線形関係に補正するよう
に、くさび状の部分の線幅変化率を非線形にしたのであ
る。

尚、第８図（Ｃ）の特性Ｖａ、ｖｂは、くさび状パター
ンＴＰ、ＴＰ０等が遮光部でポジレジストを使ったとき
のものであって、パターンＴＰ、ＴＰ、が透明部になっ
たり、レジストがネガになったときには、特性の全体的
な傾向は異なる。

ただし、パターンＴ　Ｐ　ｏの場合にパターン長さしｎ
ｍと線幅ＬＤとの変化が非線形になる点は全く同様に生
じる。例えば第８図（Ａ）、又は第５図（Ａ）のパター
ンを透明部にして、ポジレジストに露光すると、くさび
状（ひし形状）の感光部分は現像時に除去されて凹部と
なり、その周囲の未露光部がレジスト層の段差エツジと
して残る。このときはレジスト層の中で凹部となったく
さび状パターンの長さＬｎｍを計測することになるが、
パターン長さＬｎｍの変化と露光量の関係は先の場合と
は逆の傾向になる。また、レジスト層の下地をアルミニ
ウム、ＰＳＧ等に変えて同様に露光しても、最適フォー
カス条件のもとでは、パターン長さＬｎｍと線幅ＬＤの
関係は線形性を保つことも確認した。

さらに第８図（Ｃ）の特性ｖｂは、フォーカス条件が変
わると線幅が大きくなる方向へ一様に平行移動する傾向
をもつ。

以上、本実施例によれば、第３図に示した９ケ所のマー
ク領域ＭＡｎの夫々で、レジストパターンＩＨの長さＬ
ｎｍをスポット光ＳＰで走査して計測することによって
９．１つのショット領域内の９ケ所の夫々における解像
力を検査でき、このことから像面湾曲を像面傾斜をステ
ッパーが自動計測することもできる。この場合、ショッ
ト領域内の９ケ所の夫々でフォーカスオフセット量とレ
ジストパターンＩＲの長さＬｎｍの変化との関係を、最
適露光量のもとで調べる必要がある。

策ｌ夏尖施桝次に、第１図（Ｂ）、（Ｃ）で説明したように、２重露
光法によって、くさび状（モアレ状）のレジストパター
ンＩＲを形成する場合について詳述する。

第１図（Ｃ）に示したような屈曲した直線パターンＴＰ
、　、ＴＰ、は、実際にＥＢ描画露光装置で作成すると
き、第９図のように周辺が微小段差をともなって描画さ
れる。第９図では、パターンＴＰ、のみを示し、線幅の
中心を通る線は、位ＲＸｓ　、Ｘｓで逆Ｓ字状で屈曲し
ている。ここで屈曲の角度はθｏ／２からθ、／２へ変
化するように定められ、パターンＴＰ、の中央部はＸ軸
に対してθ。／２（例えばθ。は３°程度）だけ傾いて
いる。このようなパターンＴＰ、　　（ＴＰりをレジス
ト層に露光すると、エツジ部分の微小段差は解像限界以
下なので、はぼなめらかに連続した直線状の潜像となっ
て形成される。尚、パターンＴＰ、についても同様で、
パターンＴ　Ｐ　＋の中心点Ｏｃを通りＸ軸と平行な線
分に対して線対称の形状に作られる。このような２つの
パターンＴＰＩ、ＴＰ２は、テストレチクルＲの各マー
ク領域ＭＡｎ内に例えば第１０図に示すように配列され
る。パターンＴＰ、は第１０図では遮光部として複数本
をＸ方向に配列したパターン群にしたものであり、パタ
ーンＴＰ、も複数本をＸ方向に配列したパターン群にし
たものである。またマーク領域ＭＡｎには、第４図で示
したのと同様に、ライン・アンド・スペース状の直線パ
ターンＬＰも形成される。そして２つのパターン群ＴＰ
＋　とＴＰ、はレチクル上でＸ方向にＸＰだけ離れてい
る。

さて、このようなテストレチクルＲを用いるときは、ウ
ェハＷ上の各ショット領域にステップアンドリピート方
式で１回目の露光を行ない、その後、２回目の露光時に
は、各ショット領域毎のウェハステージＳＴのステッピ
ング位置がウエノ＼上でｍ−Ｘｐ（ｍは投影レンズの縮
小率）だけシフトするように、各ショット領域毎に１回
目と同じ露光条件で順次ステップアンドリピート方式で
２重露光を行なう。

あるいは、１回目の露光時のテストレチクルＲの位置を
、２回目の露光時に正確にＸＰだけＸ方向に平行移動さ
せ、ウェハステージＳＴのステッピング位置は１回目、
２回目の各露光時とも同一にしてお（。

以上の２重露光の後、ウェハを現像すると、先の第７図
（Ａ）で示したのと同様のレジストパターンＩＲの複数
本が形成される。

従って、ステッパーのウェハアライメント系１１を用い
て、レジストパターンＩＲの長さＬｎｍを全く同様に計
測することができる。

また、２重露光方式は２枚のテストレチクル（又はデバ
イスレチクル）にパターン群ＴＰ、とＴＰ、を別々に設
けておき、１回目の露光と２回目の露光とでレチクル交
換を行なってもよい。

本実施例のように２重露光を行なってくさび状（又はモ
アレ状）のレジストパターンＩＲを形成すると、先端の
頂角部分は極めて細い線幅のところまで解像可能となり
、その値は投影レンズＰＬの解像力を上回わる。これは
レチクルに形成するパターンの線幅がいくら細くなった
としても、解像限界は投影レンズの特性で決まるのに対
し、２重露光方式では、２つの交差するエツジで規定さ
れるくさび部の先端の線幅はレジスト層のみ（又は現像
条件）の解像特性で決まるためである。レジスト層自体
の解像力は極めて高く、現像条件をベストなものにして
おけば、投影レンズの解像力（例えば０．８μｍ）の２
倍（例えば０．４μｍ）以上を容易に確保できる。

本実施例でも、最適フォーカス条件近傍で露光量を変え
ても、レジストパターンＩＲの長さＬｎｍと線幅ＬＤと
は線形関係を保ち、下地を変えても同様の効果が得られ
た。

策ｌ■災施桝上記２重露光方式によってくさび状（又はモアレ状）の
レジストパターンを形成する場合、複数の直線パターン
からなる直線状パターン群ＴＰ、、ＴＰ、のライン・ア
ンド・スペースの明部と暗部の線幅比率を１：１以外の
値、例えば明部の線幅の方を暗部の線幅よりも大きくす
ると、最適露光条件の付近でレジストパターンＩＲの長
さＬｎｍと線幅ＬＤとの変化率をほぼ一定にすることが
できる。このことを第１１図を参照して説明する。

第１１図（Ａ）は、パターン群ＴＰ、　、ＴＰ、のライ
ン・アンド・スペースの比率が１：１、あるいは相対的
に暗部の線幅の方が大きい場合を示し、代表して１本の
直線パターンＴＰ＋　、ＴＰｚ　　（線幅２＋）のみを
示す。第１１図（Ｂ）は、パターン群ＴＰ、　、ＴＰ、
の明部と暗部のピッチは第１１図（Ａ）と同じにしてお
き、暗部の線幅１２を明部の線幅の１／２程度にした様
子を示す。この場合直線状パターンＴＰ、　、ＴＰ、は
第９図のように形状補正しな（でもよい。この場合、２
つのパターン群ＴＰ、　、ＴＰ、の２重露光によりウェ
ハ上にできるレジストパターンＩＲは、レチクル上の線
幅がｆｆｉ＋から１２へと小さくなっているため、当然
、その長さＬｎｍも幾何学的な計算上で２・ΔＸだけ短
くなる。

そこで、このような細いパターン群ＴＰ、　、ＴＰ２と
、デユーティが１：１のライン・アンド・スペースパタ
ーンＬＰとを第６図のようにして２重露光し、得られた
モアレ状のレジストパターンＩＲの長さＬｎｍをステッ
パーのアライメント系を使って計測し、ＳＥＭ方式のＥ
Ｂ測長機でライン・アンド・スペースパターン（Ｌ／Ｓ
パターン）ＬＰのレジスト像のライン部（レジスト層に
よる凸部）とスペース部の各線幅と、その比率を求めた
。

この際、ＥＢ測長機で実測したＬ／ＳパターンＬＰのレ
ジスト像の線幅比率が１：１になったときを、線幅の再
現が最適であったもの（最適線幅）とすると、レジスト
パターンＩＲの長さＬｎｍと線幅ＬＤとの関係は、第１
１図（Ｃ）中の特性Ｖｃのようになる。同図中の特性Ｖ
ａは第１１図（Ａ）の場合における同様の関係を示し、
特性Ｖｃは特性Ｖａを線幅値ＬＤが大きくなる方向へ平
行にシフトさせた状態となる。尚、先の実施例で説明し
た非線形性はここでは補正していない。

また先の第８図（Ｃ）の場合と同様に、第１１図（Ｃ）
における線幅ＬＤは、２重露光するパターン群ＴＰ＋、
ＴＰｚのレジストパターン、そのものの線幅に限られる
ものではなく、レチクル上の任意の線幅のパターンのレ
ジスト像の線幅として考えても全く同じある。さらに最
適線幅とは、レチクル上に設けた任意のラインパターン
（線幅は設計上子めわかっている）を露光したときに、
レジスト像として形成されたそのラインパターンの線幅
が設計上の値に最も近くなった状態と考えてもよい。

さて、ここでＬ／ＳパターンＬＰのレジスト像の線幅比
率が、最適フォーカス条件の付近で１：１（最適線幅）
に解像する露光量付近では、第１１図（Ｃ）の特性Ｖｃ
に示すように、その前後のパターン長さＬｎｍの広い範
囲に渡って、線幅ＬＤと長さＬｎｍの線形関係が保たれ
ることがわかる。今までの特性Ｖａでは、最適線幅が得
られる前後の範囲のうち、特に線幅ＬＤが最適値よりも
太くなる方向については、すぐに線形範囲を超えて非線
形域になってしまう。従って特性Ｖｃが得られるように
、パターン群ＴＰ、、ＴＰ２の形状（デユーティ）を補
正しておくと、最適線幅が得られる前後において線幅Ｌ
Ｄと長さＬｎｍの線形関係を広く取ることができる。こ
のことは、レジスト層の下地を変えても同様に保たれる
。

土坐血夏実施貫以上の各実施例では、レジストパターンＩＲの長さ計測
を、ステッパーのＴＴＬ方式のウェハアライメント系１
１からのスポット光ＳＰを使って実行するものとしたが
、その他、ステッパーの投影レンズに近接して設けられ
たｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式のウェハ顕微鏡とテレビカメラ
（ＣＣＤ撮像素子）を使ってもよいし、あるいはレチク
ルＲの透明窓を介してウェハ上の局所領域内のマークを
検出するＴＴＲ（スルーザレチクル）方式のアライメン
ト系を用いてもよい。

また、レジスト層に形成された測定用パターンは、現像
工程を通して食刻するものとしたが、現像を行なわずに
、露光されたパターンの潜像を光電的に検出してもよい
。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば、測定用パターンのレジスト像の
くさび部分（又はモアレ状）の長さ寸法Ｌｎｍと、レジ
ストに形成された線状パターンの線幅ＬＤとの関係を、
露光条件の広い範囲に渡って線形に保つことが可能であ
るため、長さ寸法Ｌｎｍと線幅ＬＤとの関係式が容易に
作成でき、そのため計測処理速度も速くなり、同時に、
近位に起因する誤差も小さく押えられるといった効果が
得られる。

さらに、線形関係が広い範囲で保たれることから、露光
装置の各種精度や投影光学系の光学特性を、露光装置が
備えているアライメント系のセンサーを用いて容易に、
しかも精度よく検査することができ、露光装置のオート
セットアツプ、セルフチエツクを無人で実行することも
可能となる。

〔主要部分の符号の説明〕

ＴＰ、、ＴＰ、　、ＴＰ２、ＴＰａ、ＴＰｂ、ＴＰｃ・
・・・・・測定用パターン、Ｒ・・・・・・レチクル、Ｗ・・・・・・ウェハ、ＩＲ，ＩＲａ、ＩＲｂ、ＩＲｃＳ　ＩＲｄ・・・・・・
レジストパターン、Ｌｎｍ・・・・・・レジストパターン長さ、θ。、θ、
・・・・・・交差角度。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）透過部もしくは遮へい部により所定の長手方向に
細長く形成され、徐々に幅が狭くなるほぼくさび状の部
分を含む測定用パターンをマスクに設け、該測定用パタ
ーンを感光基板のレジスト層に所定の露光条件のもとで
露光し、該レジスト層に形成された測定用パターンの寸
法を計測して、前記レジスト層に露光されるマスクパタ
ーンの線幅を特定する際、前記測定用パターンのほぼく
さび状の部分を、前記長手方向の位置に関して非線形な
幅変化率の関係をもつ形状にしたことを特徴とする測定
用パターンの形成方法。
（２）マスク上に透過部、もしくは遮へい部で形成され
た第１の直線状パターンと第２の直線状パターンとを、
所定の鋭角で交わるように感光基板のレジスト層に所定
の露光条件のもとで２重露光し、該レジスト層に形成さ
れたほぼくさび状の部分を含む測定用レジストパターン
の寸法を計測して、前記レジスト層に露光されるマスク
パターンの線幅を特定する際、前記測定用レジストパタ
ーンのほぼくさび状の部分の理想的な形状が、該くさび
の長手方向の位置に関して非線形な幅変化率の関係とな
るように、前記第１、もしくは第２の直線状パターンの
一部を微小量変形させたことを特徴とする測定用パター
ンの形成方法。