JPH0820224B2 - フォトレジスト溶解速度の測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は半導体集積回路装置を製造するプロセスに含
まれる、写真製版工程におけるフォトレジストの溶解速
度の測定方法に関する。

（従来技術） フォトレジストは、従来より広く半導体製造工程にお
いて用いられてきたが、近年、さらなる集積度の向上の
要望に対応するため、現像の解像度の向上、すなわち得
られる回路の線幅をより狭くすることが求められてき
た。しかし、16メガビットDRAMチップを製造するに際し
ては、現像時に用いられるマスクパターンの線幅は約0.
5μ程度にも狭くなる。一方、現像に用いられる光線の
波長は約0.436μｍ又は0.365μｍであり、両者はほぼ同
様なレベルになっている。このように、非常に狭い幅の
現像パターンを得ようとすれば、以下に記す新たな問題
点が発生する。

つまり、マスクパターンのスリットにより、露光に使
用される光が回折してしまうのである。この様子を第１
図に模式的に示した。従って、スリット周辺の総露光量
の分布を図示すれば、第２図のようになる。もしも、露
光後のフォトレジストの、現像液に対する溶解速度が第
５図に点線で示されたように、露光量に比例するとすれ
ば、現像により得られるフォトレジストの断面は第３図
に示すような形状となる。一方、露光後のフォトレジス
トの現像液に対する溶解速度が、第５図に実線で示され
たように、露光量がある程度に達するとともに急激に上
昇するとすれば、得られる現像パターンの断面は第４図
のようになる。当然のことながら、第４図に示された断
面の方が好ましく、逆に言えば、第５図中実線で示され
たような露光量と溶解速度との関係を有するフォトレジ
ストが開発されることが要望されるのである。

このためには、フォトレジストがどのような溶解特性
を有するかを、露光量やその他の諸条件との関係から決
定しなければならず、溶解速度の正確な測定方法の開発
が望まれるのである。

特開平第２−63061号において本発明者らが開示して
いるように、従来から、レジストの現像工程において、
レジスト上面から光を照射し、検出したその反射光の強
度変化をモニターして、反射光強度の最後の極小点Ｃま
での時間（CPT）を検出し、この時間の多項式として総
現像時間を決定する方法が知られている。この際に得ら
れる反射光強度変化の各ピークは、レジストの膜厚がλ
/4n相当分の減少をするごとに現れ、従ってこの反射光
強度変化を測定し、各ピーク間周期を求めることにより
レジストの溶解速度を決定することができる。

しかし、その場合でも、現像開始後、任意の時間にお
けるフォトレジストの溶解速度を知ることができなかっ
た。さらに、任意の膜厚における溶解速度についても知
ることはできなかった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、上記の問題点を解決し、任意の時間および
任意の膜厚におけるフォトレジストの溶解速度を測定す
る方法を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は、レジスト現像工程において、レジスト上面
から光を照射し、反射光強度の変化をモニターすること
により時間にともなう溶解速度の変化を測定する、フォ
トレジストの溶解速度の測定方法であって、 モニターした反射光の２極点間の強度変化曲線を規格
化し、該２極点間を複数区間に分割し、それぞれに対応
する時間を求め、反射強度−時間のデータテーブルを作
成し、 膜厚変化にともなう反射光強度の変化のモデル計算曲
線において、上記の２極点に対応する２極点間を上記と
同数の複数区間に分割し、対応する膜厚を求め、反射強
度−膜厚のデータテーブルを作成し、 上記の２種のデータテーブルから反射強度を削除して
時間−膜厚のデータテーブルを作成し、 このデータテーブルから時間当たりの膜厚の減少速度
を計算することにより、フォトレジストの溶解速度を測
定する方法に関する。

本発明にかかる、フォトレジストの溶解速度の測定方
法についてベアSiウェハー上の単層フォトレジスト膜の
場合を例に説明する。

（１）ベアSiウェハー上の単層フォトレジスト膜の溶解
速度の測定（多重反射を考慮した単層膜の干渉光解析） モニタ波長λに於けるレジスト膜中に発生する定在
波強度の計算 ベアSiウェハー上に単層のフォトジスト膜がある場合
の模式図を第６図に示す。

基板（屈折率n₀）上に屈折率n₁、膜厚d₁の透明膜が存
在し、これに屈折率n₂の透明媒質中から垂直に平行光束
が入射する時、その反射率強度R_2・0は、 で示される。

ρ_A，ρ_Bは、媒質−薄膜（第Ａ面）、薄膜−基板（第Ｂ
面）に於けるフレネル係数で示される。

とすると、 ここで、n₀の分光屈折率（波長の関数であるシリコンの
屈折率）は、n^*＝ｎ−ikのｎ（実数部分）をｎ＝n₀とし
て次の近似式により求めることができる。モニタ波長
は、通常0.6〜0.8μｍを、用いるので消衰係数ｋ≒０と
して扱う。

n₀＝Ａ＋BL＋CL²＋Ｄλ²＋Ｅλ⁴ …（1,8） Ａ＝3.41696 Ｂ＝0.138497 Ｃ＝0.013924 Ｄ＝−2.09×10^-5 Ｅ＝1.48×10^-7 Ｌ＝（λ²−0.028）^-1（但しλの単位は、μｍ） 式（1,8）によりn₀を、求め式（1,3），式（1,4），
式（1,5），式（1,6）及び式（1,7）によりレジスト膜
中に発生しているモニター波長λにおける反射率強度
（定在波）を、求める事ができる。

定在波のピーク位置の算出 Ｒはγ₁の関数と考えて良い。得られた干渉波形は周
期的なサインウエーブである。式（1,1）をγ₁の関数と
して微分すると、 Ｒ＝０の時γ₁＝0,πである。

反射強度Ｒが最大になるのは、γ₁＝０の時なので、
従ってγ₁＝2Nπ（Ｎ＝0,1,2,3…）である。式（1,2）
より 反射強度Ｒが最小になるのは、γ₁＝πの時なので、
従ってγ₁＝（2N＋１）π（Ｎ＝1,2,3…）である。式
（1,2）より 実測干渉波形からの溶解速度の決定 ｉ）第７図に干渉波形を実測するための装置の一例を示
す １はスピン装置のチャックであり、回転軸２によって
回転させられる。13はスピン装置のモータを回転させる
モータ駆動回路である。チャック１には吸引機構が備え
られ、下地３は吸引して装着するようになっている。下
地３の上方には現像液供給機構４とリンス液供給機構５
とが備えられている。現像液供給機構４からは下地３の
半径方向に幅1cm程度、長さ10cm程度の帯状に現像液が
吹きつけられ、下地３がスピン装置によって回転させら
れることにより下地３上に均一に現像液が液盛りされ
る。リンス液供給機構５も同様にリンス液を下地３上に
吹きつけることができる。

６は下地３上のレジストの膜厚を測定する光学系の長
波長を有する光源であり、例えばダングステンランプや
水銀灯などが用いられる。７は光源６からの光のうちレ
ジストを感光させない波長の光を通すためのフィルタで
あり、例えば460nm以下の短波長の光を遮蔽するフィル
タが使用される。８はフィルタ７を通った光を下地３上
に導く光ファイバ束であり、下地３上での光の直径が例
えば10mm程度になるように照射する。

光ファイバ束８はまた、下地３からの反射光を導く役
目もしている。光ファイバ８で導かれた反射光はフィル
タ11を経てフォトトランジスタ10で受光される。フィル
タ11は特定の波長範囲の光のみを透過させる狭帯域バン
ドパスフィルタであり、下地３の種類などによって最も
S/N比の大きくなるような波長を選択できるものを使用
する。フォトトランジスタ10の検出信号はA/Dコンバー
タ15を経てデジタル信号に変換され、コンピュータ12に
取り込まれて茨形の解析が行われ、その波形解析の結果
からリンス液供給機構５やモータ駆動回路13を制御す
る。コンピュータ12としては市販のパーソナルコンピュ
ータを使用することができる。

測定により得られる反射光強度と時間との関係は代表
的には第８図のようなグラフに表わされる。又、第８図
中のＡ〜Ｅの点に対応する現像状態を第９図に示す。

Ｃ点、すなわち最後の極小点をコントロールポイント
（CP）、Ｄ点、すなわち下地が露出した点をブレークス
ルーポイント（BT）と呼ぶ。

また、得られた実測データは重み付き平均処理をされ
る。

（ii）第10図にフローチャートを示すノーフリンジアル
ゴリズムを用いてブレイクスルー点を検出する。

（iii）ブレイクスルーまでのデータ数を、 Tri:レジスト初期膜厚（Å） となるように間引きする。

（iv）上記データのピーク＆バレー変曲点を、検出す
る。

（ｖ）ピーク間のデータ数を、次式により調整する。

N_p1：ピークとレバー間のデータ数 λ：モニター波長 n₁：レジスト屈折率 CL:Compress Level（波形の間引き率） （vi）ブレイクスルーよりピーク点のナンバーをつけて
行く。ピークナンバーにおけるレジスト膜厚d_1nを、式
（1,12），（1,13）により求める。

第11図に示すように最初のピークP₁は極小点をとり、
次のピークP₂は極大点を取る。以降これを繰り返すの
で、ピーク点に於けるレジスト膜厚d_1n（ｎはピーク点
ナンバー）は、 ピーク点ナンバーｎのピークP_nにおけるレジスト膜厚
d_1nは以下の式で用わされる。

により求める事ができる。

今、実データのあるピーク点をそれぞれ、P,Q,とする
（第12図、但しV_p＞V_Qとした時）この時のＰ点における
電圧をV_P,Q点における電圧をV_Qとし、その時の時刻をそ
れぞれ、t_p，t_Qとする。

このデータをcosγ₁の関数と考え、強度Ｒ（V_Q＝R_Q＝
1,V_P＝R_P＝−１）として規格化する。次いでR_P〜R_Q（−
１〜１）間をΔＲで分割し、これをR₁，R₂，R₃，…R_nと
する（第13図）。

第13図よりR₁，R₂，R₃…R_nに於ける時刻t₁，t₂，t₃…
t_nを算出する。これを（R,t）データテーブルとする。

一方、Ｐ点におけるレジスト膜厚は、式（1,20）、Ｑ
点に於けるレジスト膜厚は、式（1,22）により求められ
る。Ｐ点に於けるレジスト膜厚をd_1p,Q点に於けるレジ
スト膜厚をd_1Qとすると、式（1,2）より が得られる。

そこで、式（1,7）において においてR_P〜R_Q間に式1,7を当てはめ、膜厚d_1P〜d_1Qに
於ける強度Ｒのγ_１の関数を作成する（第14図）。

このモデルは次式で示される。

次いで、第14図のR_P〜R_Q（−１〜１）間をΔＲで分割
しそれぞれR_P→P_Qに向けてR₁，R₂，R₃，…R_nとする。こ
の時のΔＲは第13図に於けるＲの分割ΔＲと同じ分解能
とする。

第14図よりR₁，R₂，R₃，…R_nに於けるレジスト膜厚d
₁₁，d₁₂、d₁₃…d_1nを算出できる。これを（R,d）データ
テーブルとする。

（R,d）データテーブル及び（R,d）データテーブルよ
り強度Ｒを消去して、レジスト膜厚ｄとその時刻ｔの関
係（d,t）データテーブルを得る。

現像速度はレジスト膜厚とその時刻との関数として扱
い式（1,27）により得ることができる。

V_DEVn：レジスト溶解速度 次に、ベアSi上の多層膜におけるフォトレジスト膜の
溶解速度の測定方法について述べる。

３層膜（フォトレジスト膜を含む）の場合について以
下に述べるが、２層膜の場合はもちろんより多くの層を
含む場合でも適当な修正を行うことにより、本発明にか
かる測定方法を適用することは可能である。

又、式（1,8）に示す基板の屈折率の補間式を他の基
板、たとえばGaAs,GaP,SiO₂,Cr,Al等それぞれの基板の
波長対屈折率の補間式で代替えすればベアSiに限らずGa
As,GaP,SiO₂,Cr,Al等の基板上の多層膜上のフォトレジ
スト溶解速度の測定にも適用できる。

（２）ベアSi上の３層膜（フォトレジスト膜を含む）に
おけるフォトレジスト膜の溶解速度の測定 ベアSiウェハー上に３層膜がある場合の模式図を第15
図に示す。

レジスト膜中に発生しているモニター波長λにおけ
る定在波の位置の計算 基板（屈折率n₀）上に、屈折率n₁，膜厚d₁及び屈折率
n₂，膜厚d₂の下地膜が存在しその上に屈折率n₃，膜厚d₃
のフォトレジストが存在している。これに屈折率n₄の透
明媒質中から垂直に平行光束が入射する時、その反射強
度R_4・0を考える。

モニター波長λにおけるSiウエハーの屈折率n₀は式
（1,8）により算出する。初めに基板（Si），下地膜１
での反射率強度R_2・0を求める。

ρ_A＝R_A …（1,5） ρ_B＝R_B …（1,6） 次に基板（Si），下地膜1,下地膜2,での反射率強度R
_3・0を求める。

ρ_A2＝R_A2 …（2,4） 最後に、基板（Si），下地膜1,下地膜2,レジスト膜で
の反射強度R_4・0は、 これを、計算する事により求める事ができる。

定在波のピーク位置の算出 （ｉ）レジスト膜厚d₃初期膜厚Triとし、これをΔｄに
分割する。

Tri:初期膜厚（Å） これを、Tri⇒０へ向けてΔｄごとにｄ_３Δ１,d
_３Δ２，…ｄ_３Δｎ,0とする。式（3,2）に、この値を
代入しγ_３Δ１，γ_３Δ２，…γ_３Δｎを得る。これを
式（3,1）に代入してｄ_３Δ１,d_３Δ２，…ｄ_３Δｎに
於ける反射率強度Ｒ_４Δ１,R_４Δ２，…Ｒ_４Δｎを得る
事ができる。従って膜厚ｄ_３Δ１,d_３Δ２，…ｄ_３Δｎ
に於ける反射率強度Ｒ_４Δ１,R_４Δ２，…Ｒ_４Δｎを
（d,R）データテーブルとして得ることが出来る。

（ii）（d,R）データテーブルに於けるRri,R_４Δ１,R
_４Δ２，…Ｒ_４Δｎデータをサーチし強度Ｒの周期的変
化の極大値、極小値を与える膜厚d_3maxn，d_3minnを検出
する。レジスト膜厚０⇒Triに向けてd_3maxn，d
_3minnに、それぞれナンバーを付け、以下の（d_3max，d
_3min）データテーブルを作成する。

（iii）ピーク位置の再計算 各極値を与えるレジスト膜厚d_3maxn，d_3minnを中心に
さらにピーク位置の再計算を行う。

反射率強度が極大値となるレジスト膜厚の再計算d
_3maxn±Δｄの間をさらにΔd/10で分割し強度Ｒの最大
値を持つレジスト膜厚を新たにd_3maxnとする。

反射率強度が極小値となるレジスト膜厚の再計算d
_3maxn±Δｄの間をさらにΔd/10で分割し強度Ｒの最小
値を持つレジスト膜厚を新たにd_3minnとする。

再計算後のd_3maxn，d_3minnとピーク位置の関係を以下
のデータテーブルに示す。

（d_3max，d_3min）データテーブル；d_3max1＞d_3min1時
（第16図）。

（d_3max，d_3min）データテーブル；d_3max1＞d_3min1時
（第17図）。

実測干渉波形からの溶解速度の決定 （ｉ）ブレイクスルーよりピーク点ナンバーを付けると
ころまではベアSiウエハー上の単層フォトレジスト膜の
溶解速度の計算方法実測波形からの溶解速度計算方法
（ｉ）〜（vi）と同じである。

（ii）ピークナンバーとその時のレジスト膜厚の関係
は、以下のデータテーブルを用いて求める事ができる。

ピークナンバー１（P₁）が極小のとき（第18図） ピークナンバー１（P₁）が極大のとき（第19図） 今、実データのあるピーク点を、それぞれP,Qとす
る。（V_Q＞V_pとした時）この時のＰ点における電圧を
V_p、Ｑ点における電圧をV_Qとし、その時の時刻をそれぞ
れt_p，t_Qとする（第20図）。

この波形のデータをcosγ₃の関数と考え、強度Ｒ（V_p
＝R_p＝−1,V_Q＝R_Q＝１）として規格化する。

次いで、R_p〜R_Q（−１〜１）間をΔＲで分割し、R_p→
R_Qに向けてR₁，R₂，R₃，…R_nとする。第21図よりR₁，
R₂，R₃，…R_nに於ける時刻t₁，t₂，t₃…t_nを算出する。
これを（R,t）データテーブルとする。

（R,t）データテーブル 一方、Ｐ点及びＱ点に於けるレジスト膜厚は、先のピ
ークナンバーとレジスト膜厚とのデータテーブルにより
求められる。Ｐ点に於けるレジスト膜厚をd_3p,Q点にお
けるレジスト膜厚をd_3Qとすると、式（3,2）より が得られる。そこで式（3,1）において と置いて、R_p〜R_Q間に式（3,1）をあてはめ膜厚d_3p〜d
_3Q間に於ける強度Ｒのγ₃の関数を作成する。このモデ
ルは次式で示される。

次いで第22図のR_p〜R_Q（−１〜１）間をΔＲで分割し、
それぞれR_p→R_Qに向けてR₁，R₂，R₃，…R_nとする。この
時ΔＲは第21図に於ける分割ΔＲと同じ分解能とする。

第22図よりR₁，R₂，R₃…R_nに於けるレジスト膜d₃₁，
d₃₂，d₃₃，…d_3nを算出する。これを、（R,d）データテ
ーブルとする。

（R,t）データテーブル（R,d）データテーブルより強度
Ｒを消去してレジスト膜厚ｄとその時刻ｔの関係（d,
t）データテーブルを得る。

現像速度はレジスト膜厚とその時刻との関数として扱い
式（3,12）により得ることができる。

V_DEVn：レジスト溶解速度 以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。

実施例 Si基板上にSiO₂膜を0.1800μｍ有する下地にレジスト
を塗布し、実施例に供した。

レジストはOFPR−800（東京応化工業社製）を用い、
これを1.0970μｍの厚さに塗布し、100℃/60秒ベークし
た。露光条件はNA;0.38,g線ステッパ（70mJ/cm²）であ
った。現像液はNMD−３（東京応化工業社製）を用いて2
2℃で、ディッピングにより行った。なお、膜厚の測定
はナノスペックAFTを用いて行った。

実測された干渉波の波形を第23図に示す。また、実測
された干渉波の強度を規格化したものを第１表に示す。

干渉モデル波形のグラフを第24図に示す。また、計算
された各ピークにおけるレジスト膜厚の値を第２表に、
ピーク２とピーク１との間における膜厚と規格化強のデ
ータを第３表に示す。

上記の各値から得られたレジストの残膜厚と現像時間
との関係を第25図に示す。

従来方法により決定されたレジストの残膜厚と現像時
間との関係を同時に示すが、本発明にかかる方法によれ
ばより優れた結果の得られることがわかる。

【図面の簡単な説明】

第１図は微小幅スリットを有するマスクにより、露光時
に光が回折するようすの模式図、第２図は露光時に回折
が起こった場合のスリット周辺の総露光量の分布を示す
図、第３図は溶解速度が露光量に比例するフォトレジス
トを現像したときの断面図、第４図は好ましい露光量と
溶解速度の関係を有するフォトレジストを使用し、現像
した場合の断面図、第５図は露光量と溶解速度との好ま
しい関係を示す図、第６図はベアウェハー上に単層のフ
ォトレジスト膜がある場合の模式図、第７図は本発明に
おいて干渉波形を実測するための装置の一例、第８図は
反射光強度の時間変化の一例を示す図、第９図は第８図
中に示された各点における現像状態を示す図、第10図は
ノーフリンジアルゴリズムのフローチャート、第11図は
反射光強度の時間変化を示す図、第12図および第20図は
反射光強度の時間変化を示す図の一部分を示す図、第13
図および第21図は（R,t）データテーブルを得るための
図、第14図および第22図は（R,d）データテーブルを得
るための図、第15図はベアウェハー上に３層膜（フォト
レジスト膜を含む）がある場合の模式図、第16図および
第18図はピークナンバー１が極小点である場合の図、第
17図および第19図はピークナンバー１が極大点である場
合の図、第23図は実施例における実測された反射光強度
の時間変化を示す図、第24図は実施例における計算され
たピークナンバーと膜厚の関係を示す図、第25図は実施
例における結果を示す図である。 符号の説明 １……スピン装置のチャック、２……回転軸 ３……下地、４……現像液供給機構 ５……リンス液供給機構、６……光源 7,11……フィルタ、８……光ファイバ束 10……フォトトランジスタ、12……コンピュータ 13……モータ駆動回路 15……A/Dコンバータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レジスト現像工程において、レジスト上面
   から光を照射し、反射光強度の変化をモニターすること
   により時間にともなう溶解速度の変化を測定する、フォ
   トレジストの溶解速度の測定方法であって、 モニターした反射光の２極点間の強度変化曲線を規格化
   し、該２極点間を複数区間に分割し、それぞれに対応す
   る時間を求め、反射強度−時間のデータテーブルを作成
   し、 膜厚変化にともなう反射光強度の変化のモデル計算曲線
   において、上記の２極点に対応する２極点間を上記と同
   数の複数区間に分割し、対応する膜厚を求め、反射強度
   −膜厚のデータテーブルを作成し、 上記の２種のデータテーブルから反射強度を削除して時
   間−膜厚のデータテーブルを作成し、 このデータテーブルから時間当たりの膜厚の減少速度を
   計算することにより、フォトレジストの溶解速度を測定
   する方法。