JP4371891B2 - パターン形成プロセスの評価方法及び評価用フォトマスク又はフォトマスクセット - Google Patents

Description

本発明は、パターン形成プロセスの評価方法、及びその評価用マスクに係り、特に半導体製造における露光プロセス、レジストプロセス、ドライエッチングプロセス等における線幅変動の解析に主として適用されるパターン形成プロセスの評価方法、及びその評価用マスクに係る。

近年、特にサブミクロンオーダの微細な集積構造を有する半導体装置のパターン形成プロセスにおいて、注目パターンに対する周辺からの各種の影響が問題となっている。

例えば、注目する微細なパターンの近傍にパターンの存在しない広大な領域が存在する場合、特にこれがフォトリソグラフィ工程において露光光を透過して形成される明部に相当する場合、露光時のマイクロフレアに起因する微細なパターンの寸法変動が問題となっている。

図１４を参照して、このマイクロフレアの現象について簡単に説明する。図１４（ａ）は、デバイスパターンの描かれたレチクルの一部を示す。この簡略化された例では、デバイスパターンは、サブミクロンオーダ又はそれ以下の線幅と相互間隔を有する複数の線分パターン１１の並びである。図１４（ｂ）に示すように、露光後のレジストパターンにおいて、セルアレイ１８端からその内部に進むに従い、各線分パターン１１の線幅が変化する現象がしばしば観測される。これは、パターンが存在しない領域、すなわちセルアレイ１８の周辺領域に照射された露光光が、投影光学系内の散乱等により、セルアレイ１８の領域にまで洩れ出ているためと考えられる。

信頼性の高い半導体装置を製造するためには、微細なパターンは設計どおり形成されなければならない。線分パターン１１は、線幅及びその長さが設計どおり、かつ同一面内において均一に仕上げられることが望ましい。

微細なパターンの形成時、微細なパターンが受ける周辺からの影響は、マイクロフレアの効果に限られない。例えば、微細なパターンを形成する被転写媒体が、その下地の影響によって転写時すでに段差を有しているパターン形成プロセスも多い。例えば、酸化膜の上にパターニングされたポリシリコン膜が堆積されており、この上にさらにフォトレジストを塗布して、リソグラフィ工程を実行するような製造工程である。このような場合には、微細なパターンの直接の被転写媒体であるレジスト膜は平坦な膜とならず、段差を有した形で露光、エッチング、現像の各工程が施される。

さらに、露光の工程のみでなく、現像の段階、フォトレジストのエッチング工程においてフォトレジストが除去される領域が特定部分に集中すると、フォトレジストが現像液と反応して生成した化学物質が微量に周囲に流出し、周囲の微細なパターンの形成に悪影響を与えるようなことも現実には存在する。

マイクロフレア等による周辺からの影響は大きな問題であり、例えば、１５０ｎｍの線幅を有する微細な線分パターンを１５０ｎｍの間隙をおいて複数並べて配置したフォトマスクを用意し、フォトリソグラフィ工程によってこれをフォトレジストに転写、フレアがあれば転写後その線幅が変化するので、転写された各線分パターンにおいてその線幅を各々の微細なパターンにおいて測定することにより、露光装置に起因するフレア発生の効果を調べる方法が知られている（特許文献１）。

しかしながら、このような従来の評価方法では、微細なパターンにおける個々の線幅の計測に多大な時間と労力を要し、特にスピードが要求される半導体装置の開発現場では、はなはだ非効率的である。加えて、個別の微細なパターンの計測には誤差も大きい。
特開２００３−１００６２４号公報

そこで本発明では、簡便な作業で、迅速に、かつ正確に、パターン形成プロセスの評価を行うことができる評価方法を提供する。

本発明の第１の特徴は、被処理基板上にフォトレジストを塗布する工程と、明部からなり、同一の長さと光の波長オーダ又はそれ以下の線幅を有し、互いに平行にかつ長手方向の両方の端部を揃えて周期的に配置された複数の線分のパターンを含む第１パターンと、明部からなり、線分のパターンより面積が大きく、線分のパターンの長手方向に線分のパターンの長手方向の長さよりも長い第２パターンとを、第２パターンが第１パターンと長手方向と直交する方向において隣接するように、又は第１のパターンの直交する方向の一部が第２のパターンに重なるように、フォトレジストに転写する工程と、フォトレジストに転写された第１パターンを用いて被処理基板上に形成されたパターンの、線分のパターンの長手方向に測った端部の後退量を光学的手段によって計測する工程とを含むことを特徴とするパターン形成プロセスの評価方法である。

本発明の第２の特徴は、被処理基板上にフォトレジストを塗布する工程と、明部からなり、光の波長オーダ又はそれ以下の線幅を有し、有限の区間内において互いに平行にかつ周期的に配置された複数の線分のパターンを含み、区間内の周辺部に位置する線分のパターンほど線幅が小さい第１パターンと、明部からなり、いずれの線分のパターンより面積が大きく、線分のパターンの長手方向と直交する方向に区間よりも長い第２パターンとを、第２パターンが第１パターンと直交する方向において隣接するように、又は第１のパターンの直交する方向の一部が第２のパターンに重なるように、フォトレジストに転写する工程と、フォトレジストに転写された第１パターンを用いて被処理基板上に形成されたパターンにおいて区間の後退量を光学的手段によって計測する工程とを含むことを特徴とするパターン形成プロセスの評価方法である。

本発明の第３の特徴は、明部からなり、光の波長オーダ又はそれ以下の線幅を有し、有限の区間内において互いに平行にかつ周期的に配置された複数の線分のパターンを含み、区間内の周辺部に位置する線分のパターンほど線幅が小さい第１パターンと、明部からなり、いずれの線分のパターンより面積が大きく、線分のパターンの長手方向と直交する方向に区間よりも長い第２パターンとを、第２パターンが第１パターンと直交する方向において隣接するように、又は第１のパターンの直交する方向の一部が第２のパターンに重なるように有する、パターン形成プロセスを評価するためのフォトマスクである。

本発明の第４の特徴は、明部からなり、光の波長オーダ又はそれ以下の線幅を有し、有限の区間内において互いに平行にかつ周期的に配置された複数の線分のパターンを含み、区間内の周辺部に位置する線分のパターンほど線幅が小さい第１パターンを有する第１フォトマスクと、明部からなり、いずれの線分のパターンより面積が大きく、線分のパターンの長手方向と直交する方向に区間よりも長い第２パターンとを、第２パターンが第１パターンと直交する方向において隣接するように、又は第１のパターンの直交する方向の一部が第２のパターンに重なるように有する第２フォトマスクとを組み合わせてなる、パターン形成プロセスを評価するためのフォトマスクセットである。

本発明によれば、パターン形成プロセスの評価を簡便な方法で、迅速に、かつ正確に行うことができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係るパターン形成プロセスの評価方法、及びその評価用マスクを説明する。但し、図面は模式的なものであり、パターンの幅と長さの関係、その形状、長さの変化、各層の厚みの比、長さと厚みの比などは現実のものとは必ずしも同じでないことに留意すべきである。

（第１の実施の形態）
本発明の特徴を端的に述べれば、被処理基板上にフォトレジストを塗布し、露光光を透過する明部からなる面積の大きい他のパターンの存在又はフォトレジストが段差を有する周辺環境において、複数の線分を含む微細パターンをフォトレジスト表面に転写し、フォトレジストに転写された微細パターンを用いて被処理基板上に形成されたパターンの輪郭を抽出、抽出された輪郭の情報に基づいて、輪郭の各位置における輪郭相互の距離を計測することによって行われる、パターン形成プロセスの評価方法である。輪郭の抽出は、典型的には、光学式の検査装置で観察して行われ、また段差や他のパターンからの輪郭間の距離の変化が調べられる。このような方法によって、露光装置のフレア、現像／エッチングのマイクロローディング効果の簡単なモニターが可能となる。

このような本発明の特徴をより具体的に実現した第１の実施の形態においては、被転写媒体に転写する評価用のパターンは、図１に示したように、同一の長さを有し、互いに平行にかつ端部５０Ａ_１、５０Ａ_２、・・・を揃えて配置された複数の線分１０Ａ_１、１０Ａ_２、・・・を含む第１パターン１００Ａと、露光光を透過する明部からなる大面積の他のパターン９００Ｂとの２つから成り立っている。

光露光でこれらのパターンを被転写媒体、すなわち基板上に転写する場合、これがフォトマスクのデザインに相当する。しかし、第１パターン１００Ａ及びパターン９００Ｂは、必ずしも同時に露光される必要は無く、例えば図７（ａ）及び図７（ｂ）に示したように、各々別々のフォトマスク上にあっても構わない。即ち、図１の通りのデザインが一枚のフォトマスクである場合は一回の露光、複数のフォトマスク上にある場合は２回の露光が行われ、結果的に図１（ａ）のデザインが被転写媒体へ転写されればよい。

マスクを複数枚とし、複数回の露光を行う場合、その露光の順序は特に問題ではなく、いずれのマスクを用いた露光が先でもよい。また、微細なパターン１００Ａとパターン９００Ｂとは同一の被転写媒体に転写するが、マイクロフレアなど周辺環境の影響を顕著に検出するためには、パターン９００Ｂは微細なパターン１００Ａに隣接して或いは重ね合わせて配置することが望ましい。隣接させる場合、その相互の距離は、概ねパターン１００Ａを構成する線分パターンの線幅程度又はそれ以下であることが望ましい。重ね合わせない場合には、パターン９００Ｂは、複数の線分１０Ａ_１、１０Ａ_２、・・・の長手方向と直角の方向であって第１パターン１００Ａと重ならない位置に、第１パターン１００Ａに隣接して配置することが望ましい。なお、フォトマスクを用いない、電子線直接描画リソグラフィにおけるパターン形成プロセスの評価を行うこともできる。この場合には、電子線を用い一本一本の線分の描画を逐次行い、結果的に図１（ａ）に示すパターンが被転写媒体である基板へ描画されればよい。

第１パターン１００Ａにおいては、パターンの構成は微細である必要がある。パターンが微細でなければ、露光装置に起因するマイクロフレアなど周辺環境からの微妙な影響を転写パターンの形状変化に反映することができない。実際そのような周辺環境からの影響が顕著に現れ問題となっているのも、ひとつには近年の微細化された半導体装置の製造工程においてであり、第１パターン１００Ａは、そのような製造工程を擬似的に実現したようなものである。

具体的には、その微細度として、第１パターン１００Ａを構成する線分１０Ａ_１、１０Ａ_２、・・・からなる微細なパターンは、その線幅がおおよそ３０ｎｍから１５０ｎｍの範囲のもの、微細なパターン間のスペース、すなわち線分間の間隙はおおよそ３０ｎｍから１５０ｎｍの範囲のものであることが望ましい。可視光の波長領域は概ね４００ｎｍから７００ｎｍの範囲であって、このような微細なパターン内のパターン近接距離であれば、光学的な方法では、個々の線分等細かなパターンは分離して観察することができない。

パターン９００Ｂは、例えば、露光領域が特定部分に集中した電極パターンに対応する。典型的にはこのパターンは、方形や円形、楕円形など、まとまった光量を一括して透過させるのに適した形状である。但し、微細な細部を有するようなパターンであっても、制限された面積内に相応の透過部面積を有して同等の効果が実現できるのであれば、パターン９００Ｂとして採用可能である。面積で規定するならば、単位面積当たりの明部の割合が少なくとも５０％以上のパターン９００Ｂであって、そのパターン９００Ｂが、一ヶ所にまとまった領域として、面積にして少なくとも４００μｍ^２ 以上のものであることが望ましい。このような明部を有するパターン９００Ｂであれば、近年の露光装置においてしばしば顕在化するマイクロフレアの効果の評価に適している。面積や明部の割合があまり小さいとマイクロフレアの効果は検出できない。

評価可能となる直接の現象は、図２に示す第１パターン１００ａの周辺環境に依存した線分１０ａ_１、１０ａ_２、・・・の長さの変化、或いは線幅の変化である。第１パターン１００Ａ内の線分１０Ａ_１、１０Ａ_２、・・・は、常に同じデザインであるとしても、その周辺にパターン９００Ｂのような広い領域が存在すると、加工プロセスにおける様々な要因により、第１パターン１００ａ内で線分１０ａ_１、１０ａ_２、・・・の長さや線幅にばらつきが生じる。例えばそれは、露光装置のマイクロフレアや、現像時或いはエッチング時のマイクロローディング効果である。要するに、図１のデザインを基板上に露光したとしても、図２の実際のレジストパターンや、或いはエッチング後のパターンは、パターン９００ｂからの距離に応じて変化すると考えられる。具体的には、線分１０ａ_１、１０ａ_２、・・・の線幅や長さが変化する。実際には、それらは同時に起こり、レジストパターン又はレジストパターンを用いた下地層のエッチングパターンは、図２（ａ）に示すようにデザインと大きく異なってしまう。

第１の実施の形態は、線分１０ａ_１、１０ａ_２、・・・の長さ変化の、他のパターン９００ｂからの位置依存性を効率的に調べるための方法である。その測定法は、第１パターン１００Ａによって形成された第１パターン１００ａの領域の輪郭２０ａを抽出することにより行われる。これは具体的には光学顕微鏡写真等から行えばよい。第１パターン１００ａを構成する線分１０ａ_１、１０ａ_２、・・・の線幅が、光学式のモニターの限界解像度以下であれば、図２（ｂ）に示すように自動的に第１パターン１００ａ全体の輪郭２０ａが得られる。輪郭２０ａが抽出されれば、画像解析により、線分１０ａ_１、１０ａ_２、・・・の長さに相当する値の計測が容易となる。

光学顕微鏡等光学的な観察手段によれば、電子顕微鏡等の局部観察と異なり、パターン全体の情報を一括して取得することが可能である。しかも、このような方法は、個別の線分の長さの情報といった必要以上のデータ取得を伴わない、必要にして十分なデータを画像解析の処理対象とする。このため従来の方法に比較し、第１の実施の形態の方法は、非常に効率的な方法となっている。

なお、第１パターン１００Ａに含まれる各々の線分１０Ａ_１、１０Ａ_２、・・・は、各々の線分１０Ａ_ｎ（ｎは１，２、・・・）内で変化する線幅を有し、線分１０_ｎの端部５０Ａ_ｎにおいて他の部分より、より小さい線幅を有するよう、なされていてもよい。この典型的な例として、図１（ｂ）に示した楔型形状の線分１０Ｇ_１、１０Ｇ_２、・・・からなる第１パターン１００Ｇが例示される。このような線分１０Ｇ_１、１０Ｇ_２、・・・からなる第１パターン１００Ｇを用いれば、典型的には各々の線分１０Ｇ_ｎ（ｎは１、２、・・・）の先端に行くほど寸法が細くなるようなパターン設計であるため、洩れた露光光により敏感に反応し、転写パターンにおいて線分１０Ｇ_ｎの長さの変化をより強調させることが可能になる。したがって、線幅の変化しない線分１０Ａ_１、１０Ａ_２、・・・よりなる第１パターン１００Ａを用いた図１（ａ）の場合と比較し、より高感度に、線分１０Ｇ_ｎの長さ変化を計測することが可能になる。

パターン形成プロセスのパターン形成媒体、すなわち被転写媒体としては、塗布したフォトレジスト膜、及びそのフォトレジストパターンをマスクとしてさらにパターニングされる下地材料が挙げられる。半導体製造プロセスであるならば、下地材料は酸化膜や半導体膜であるのが典型例である。さらに、フォトレジストを現像する前のレジスト中の潜像も評価の対象とすることができる。

露光装置に起因するマイクロフレア、及びレジストプロセスに依存したデバイスパターンの変化を評価するため、第１の実施の形態に従い、以下に示す実験を行った。

シリコン（Ｓｉ）基板上に、反射防止膜とフォトレジストとを順に塗布し、図７（ａ）に示すフォトマスクＡを用い、ＡｒＦ露光装置によって、第１パターン１００Ａをフォトレジスト表面に焼き付けた。第１パターン１００Ａは、長さが１０μｍ、線幅が１１０ｎｍである同一形状の線分１０Ａ_１、１０Ａ２、・・・を１１０ｎｍの等間隔で複数配置したものである。

更に連続して、既に焼き付けたフォトマスクＡの第１パターン１００Ａに一部重ねて、図７（ｂ）に示したフォトマスクＢ、及びＡｒＦ露光装置を用いて、他のパターン９００Ｂを焼き付けた。他のパターン９００Ｂは、露光光を実質的に１００％透過する１０μｍ×１５μｍの方形状の大パターンである。

さらにＰＥＢを経て、図１０（ａ）に示す潜像の第１パターン１００ａ_Ｓ及び９００ｂ_Ｓを得た。潜像の第１パターン１００ａ_Ｓ及び９００ｂ_Ｓは、露光によるフォトレジスト膜中の化学変化により生じたパターンであり、現像することにより実際のレジストパターンが得られる。潜像では、パターンに応じて、フォトレジスト膜の屈折率、或いは膜厚が微小に変化している。このため、光学顕微鏡等の光学式の検査装置ではパターンを検出することが可能である。

光学式顕微鏡を用いて潜像パターンの画像を取得した。光学顕微鏡では、解像度不足の為、マークを成す微細な周期パターンを分離して観察することはできない。従って、図１０（ｂ）に示したようなパターン全体の輪郭２０ａ_Ｓの画像を得て、これから図内に矢印で示した距離Ｌを計測した。この距離は、線分パターンの線分１０ａ_ｓ１、１０ａ_ｓ２・・・の長さに相当する。

潜像観察を終えたウエーハ基板に現像処理を施して、図１０（ｃ）に示すレジストパターンを得た。潜像パターンの観察と同様に、レジストパターンを光学顕微鏡を用いて観察し、パターン全体の輪郭２０ａ_Ｓの画像を取得、この輪郭２０ａ_Ｓの画像情報に基づき、輪郭２０ａ_Ｓに沿って、線分１０ａ_１、１０ａ_２・・・の長さに相当する距離Ｌを計測した。

図１１は、光学顕微鏡を用いて取得した潜像パターンの輪郭２０ａ_ｓの画像及びレジストパターンの輪郭２０ａの画像それぞれについて計測された線分１０ａ_Ｓｎ及び１０ａ_ｎの長さの寸法を縦軸に、方形状の他のパターン９００ｂ_ｓ及び９００ｂからの相対距離を横軸にとり、相対距離に沿った線分１０ａ_Ｓｎ及び１０ａ_ｎの長さの変化を示したグラフである。図１１からわかるように、潜像の場合には、方形状の大面積の他のパターン９００ｂ_ｓに近づくに従って線分１０ａ_Ｓｎの長さの寸法が著しく増大している。しかし、現像後のレジストパターンにおいては、このような増大傾向が緩和されている。この結果から、フォトレジストの現像プロセスに露光時のマイクロフレアを相殺する効果が存在することが結論される。

なお、従来から行われてきたＳＥＭを用いた計測も試みた。しかし、ＳＥＭでは潜像パターンの計測は困難であり、結果的に同様のデータを取得することはできなかった。

第１の実施の形態によれば、光学的手段を用いてパターン観察を行うので、従来の例えばＳＥＭを用いた方法では困難であった、潜像段階の、フレア等の周辺環境が微細なパターンに及ぼす効果も評価可能である。また、露光、露光後ベーク（ＰＥＢ）、現像、エッチング、の各工程で、パターン形成プロセスの評価を行い、パターン環境の及ぼす影響を調べれば、どの工程が最も影響が高いかを見極めることができる。

光学的な観察手段としては、光学顕微鏡、ＣＣＤカメラによる撮像、及びそのコンピュータを用いた画像解析、それらの組み合わせ等、種々の手段が利用可能である。

第１の実施の形態によれば、基板上の広い領域を一括して画像に取り込み、その画像の解析からパターンの変動量を求めることができる。従って、従来のＳＥＭを用いた測定よりも、評価時間が短くて済む。さらに、以下で示すような複数の露光装置間の比較では、このような効果が特に顕著である。

異なる露光装置を用いてパターン形成を行った場合の、露光装置の相違によるマイクロフレアの発生の仕方の違いを探るため、以下に説明するエッチングプロセス及びその評価を行った。

Ｓｉ基板の上に、反射防止膜及びフォトレジストを順次塗布し、図７（ａ）に示した第１パターン１００Ａを有するフォトマスクＡ、及びアルゴンフッ素（ＡｒＦ）露光装置を用いて、第１パターン１００Ａをフォトレジスト表面に焼き付けた。第１パターン１００Ａは、長さが１０μｍ、線幅が１１０ｎｍである同一形状の線分１０Ａ_ｎ（ｎは１，２、・・・）を１１０ｎｍの等間隔で複数配置したものである。

更に連続して、既に焼き付けた第１パターン１００Ａに一部重ねて、図７（ｂ）に示した他のパターン９００Ｂを有するフォトマスクＢ、及びＡｒＦ露光装置を用いて、他のパターン９００Ｂを焼き付けた。他のパターン９００Ｂは、露光光を実質的に１００％透過する１０μｍ×１５μｍの方形状の大パターンである。さらに、露光後ベーク（ＰＥＢ）及び現像処理を経て、図８（ａ）に示したフォトレジストの第１パターン１００ａ及び９００ｂを得た。

次に光学式顕微鏡を用い、レジストパターンの画像を取得した。光学顕微鏡では、解像度不足の為、マークを成す微細な周期パターンを分離して観察することはできない。従って、パターンの全体像の輪郭２０ａの線からなる図８（ｂ）に示したような画像を得て、これから図内に矢印で示した距離Ｌを計測した。この距離は、線分１０ａ_１、１０ａ_２、・・・の長さに相当する。

なお、従来技術との比較のため、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて図８（ａ）に示したレジストパターンを直接観察することも試みた。特に、この直接観察によって、方形状の他のパターン９００ｂの近傍から順次、各線分パターンの線幅の計測を行った。

異なる露光装置＃１、＃２、＃３に対して以上の作業を繰り返した。

図９は、光学顕微鏡を用いて取得したレジストパターンの画像から計測された線分１０ａ_１、１０ａ_２、・・・の長さの寸法を横軸に、縦軸に方形状の他のパターン９００ｂからの相対距離を縦軸にとり、相対距離に沿った線分１０ａ_１、１０ａ_２、・・・の長さの変化を示したグラフである。露光装置＃２を用いて露光を行った場合が、最も線分１０ａ_ｎ（ｎは１，２、・・・）の長さの変化量が大きく、他のパターン９００ｂに隣接する第１パターン１００ａの寸法に影響を与え易いことが結論付けられる。

なお、従来行われていたようなＳＥＭを用いた各線分１０ａ_ｎの線幅の計測によっても、同様の寸法変化の傾向を得ることができた。

（第２の実施の形態）
第2の実施の形態は、被転写媒体に転写すべきパターンが０／１の、パターンの有無のみでなく、例えばフォトマスクとして構成した場合、１００％未満の有限な透過率を有し、かつその透過率がフォトマスクの中で分布を有するような“パターン”を用いてパターン形成プロセスの評価を行う点で、第１の実施の形態と異なる。

図３（ａ）に示したものがこのようなパターンの典型的な例である。図３（ａ）は、フォトマスク上に形成した評価用のパターンを示した図である。この評価用のパターンは、第１の実施の形態でも例示した露光光を透過する明部からなる他のパターン９００Ｄに隣接して、透過率が一定の方向に沿って連続的に変化し、それと直交する方向には常に一定である第１パターン１００Ｃを有する。パターン９００Ｄは隣接するのでなく、第１パターン１００Ｃに重畳する形態であってもよい。また、透過率が変化する一定の方向に沿った透過率の変化は、図３（ｂ）に示されるように連続的であってもよく、不連続的であってもよい。隣接する他のパターン９００Ｄからの洩れ光（マイクロフレア）がある場合は、大面積の他のパターン９００Ｄに近いほど実効的な露光量が高くなる。従って第１パターン１００Ｃの転写パターンｃを光学的に観察すると、図４（ａ）に示すようなレジストパターンが得られる。レジストパターンの輪郭２０ａの画像に基づいて、矢印で示した距離を順次計測すれば、マイクロフレアを代表例とする周辺環境の効果が効率的に観測できる。

特に図３（ａ）に示した例では、第１パターン１００Ｃの横方向には透過率は変化せず、縦方向には中央において透過率が最も大きく、パターン周辺部に向かって減少していくマスクパターンを採用している。このため露光装置からの散乱光等が存在すると、第１パターン１００ｃの周辺部が受けた散乱光は、周辺部において露光レベルを微妙に補完する。このため、透過率を抑えた第１パターン１００ｃの周辺部において、そのパターン後退量として、散乱光などの周辺環境がより感度良く反映される。

第2の実施の形態を現実に、より簡便に実現するものとして、図３（ｃ）に示したような第１パターン１００Ｅが考えられる。パターン９００Ｆは、露光光を透過する明部からなる他のパターンであり、これまで説明したパターン９００Ｄ、或いはパターン９００Ｂ、パターン９００Ｈと格別異ならない。

第１パターン１００Ｅは、平行な線分１０Ｅ_１、１０Ｅ_２、・・・が一定の周期Ｐで複数並び、且つ、周期Ｐの方向に、線分１０Ｅ_１，１０Ｅ_２、・・・の線幅が連続的乃至は断続的に変化しているパターンであり、線分１０Ｅ_１、１０Ｅ_２、・・・の配置とその線幅の変化とを組み合わせて、透過率が変化するテストパターンを近似的に実現するものである。有限の一定面積当たりの露光光の透過量を計算すると、例えば第１パターン１００Ｅの場合、近似的に図３（ｄ）に示したような透過率の分布となり、第１パターン１００Ｃの場合と同様な光学的効果が得られる。

なおここで、周期Ｐは次の条件：
Ｐ＜λ／ＮＡ（１＋σ） （１）
を満たしていることが望ましい。λは露光光の波長、ＮＡはレンズ開口数、σは照明の大きさを示す指標となるコヒーレンスファクターである。この条件を満たせば、フォトマスク上の微細な線分１０Ｅ_１、１０Ｅ_２、・・・は被転写媒体上では解像せず、単に露光光の透過率調整フィルターとして機能する。現実的には、周期Ｐは、おおよそ５０ｎｍから２００ｎｍの範囲である。またその線幅は、その周期の２０％から１００％未満の寸法の範囲で変化することが望ましい。第１パターン１００Ｃの場合に述べたように、単位面積当たりの露光光の透過量が周辺部においてより低下するような線分１０Ｅ_１、１０Ｅ_２、・・・の配置及び線分変化であると、計測の感度が高まり、好ましい。例えば、周辺部に配置される線分ほど線幅を小さくする。この場合、第１パターン１００Ｅとパターン９００Ｆとの隣接距離は、第１パターン１００Ｅの中央部分に配置される線分１０Ｅ_ｎの線幅程度又はそれ以下であることが望ましい。

なお、第2の実施の形態は、パターン９００Ｄと第１パターン１００Ｃ、パターン９００Ｆと第１パターン１００Ｅとが同時に露光される必要がない点、露光光からなる明部からなるパターン９００Ｄや９００Ｆの面積、形状等の特徴、相互の隣接距離、評価対象となる現象、光学的観察から得られた画像の解析により効率的な評価が可能な点、可能なパターン形成媒体、光学的な観察手段などについては、第１の実施の形態の場合と基本的に異なることなく同様に考えることができる。

（第３の実施の形態）
（ａ）第３の実施の形態は、用いるパターンに更に改良を加え、パターン転写のいわゆる“位置ずれ”に従来から使用される重ね合わせずれ検査装置を、本発明のパターン形成プロセスの評価方法において容易に利用することができるようにしたものである。従って、基本的な発明の作用効果、特徴は、第１の実施の形態及び第２の実施の形態のものが基本的のそのまま当てはまる。

（ｂ）第３の実施の形態に係る評価に用いるパターンは、図５に例示されるように、図中縦方向に伸び、横方向にお互いに平行に並んだ複数の線分１０Ｉ_１、１０Ｉ_２、・・・を含んだ櫛型の第１パターン１００Ｉであって、櫛型の第１パターン１００Ｉが線分１０Ｉ_１、１０Ｉ_２、・・・の長手方向に二つ以上並べられたパターン、すなわち１００Ｉ_１ｊと１００Ｉ_２ｊ（ｊは１，２、・・・）とを含むペアパターン２００Ｉｊを、長手方向とは直角を成す方向、すなわち図中横方向に複数転写して得られる２００Ｉ_１，２００Ｉ_２、・・・からなる行列形式のパターン５００Ｉ、と一般的に表現することができる。パターン９００Ｊは、第１の実施の形態及び第２の実施の形態で既に説明した露光光を透過する明部からなる大面積パターンである。

（ｃ）まず第１パターン１００Ｉないしペアパターン２００Ｉを複数、被転写媒体に転写する。パターン９００Ｊについては、第１パターン１００Ｉないしペアパターン２００の転写と同時に又は別々に、好ましくは第１パターン１００Ｉに重畳して、又は図中最も左に位置するペアパターン２００Ｉの左隣に、重畳せず隣接して、或いは図中最も右に位置するペアパターン２００Ｉの右隣に、重畳せず隣接して、パターン９００Ｊを転写する。図５は、左隣に転写した例である。

（ｄ）重ね合わせずれ検査装置を用いて行われるべき工程として、さらにこの後、ペアパターン２００Ｉによって形成された被処理基板上のペアパターン２００ｉ、の中心位置を求める工程が実行される。他のパターン９００Ｊの影響で、一般にペアパターン２００ｉの中心位置は他のパターン９００ｊに近いものほど、櫛型第１パターン１００ｉの歯の長手方向にずれを有している。例えば、この各ペアパターン２００ｉの中心位置のずれの、他のパターン９００Ｊにより形成された被転写媒体上の他のパターン９００ｊからの距離依存性を求めることによって、大面積の他のパターン９００Ｊとの位置関係によって、各位置の第１パターン１００ｉにどのようにマイクロフレアの影響が現れるのか、評価することができる。この“ずれ”の距離依存性を求める作業も、既に知られている重ね合わせずれ検査装置を用いて自動的に行うことができる。

（ｅ）なお、このような重ね合わせずれ検査装置を用いた評価を容易に実行するため、図５に示されているように、ペアパターン２００Ｉ_１，２００Ｉ_２、・・・の各々は、上下に並んだくし型パターンの中央に基準マーク９０Ｉを有することが望ましい。現像、エッチング等のプロセスを経ると、図６に示すように、他のパターン９００Ｊから転写された他のパターン９００ｊからの距離に応じて、櫛型第１パターン１００ｉを構成する線分１０ｉ_１、１０ｉ_２、・・・の先端の後退量が変化する。図６で見れば、パターン全体の位置が、パターン９００ｊからの距離に応じて下方にシフトしていると見なすことが出来る。基準マーク９０ｉの位置は変わることがないので、これを基準とし、くし型第１パターン１００ｉのエリア全体のシフト量を、一般的に用いられる光学式の合わせずれ検査装置を用いて容易かつ迅速に計測することが可能となる。

（ｆ）第３の実施の形態においても楔形の変形例を考えることができる。すなわち、第１パターン１００Ｉに含まれる各々の線分１０Ｉ_ｎ（ｎは１，２、・・・）は、その線分１０Ｉ_ｎ内で、線分１０Ｉ_ｎの長手方向に進むにしたがって変化する線幅を有し、線分の端部５０Ｉ（くしの歯の先）において他の部分より、より小さい線幅を有するよう、なされていてもよい。この典型例として、櫛型パターンの櫛の歯を先端の細くなった楔状にしたものを例示することができる。このような線分１０Ｉ_１、１０Ｉ_２、・・・からなる第１パターン１００Ｉを用いれば、線分１０Ｉ_ｎの先端に行くほど寸法が細くなるようなパターン設計であるため、転写パターンにおいて線分１０ｉ_ｎの長さの変化量を増大させることが可能になる。したがって、線幅の変化しない線分１０Ｉ_１，１０Ｉ_２、・・・を用いた図５の第１パターン１００Ｉの場合と比較し、より高感度に線分１０ｉ_ｎの長さ変化を検出することができる。

（ｇ）第2の実施の形態として示した透過率変化型の第１パターン１００Ｃ、或いは第１パターン１００Ｅを基本単位とし、これを行列に複数配置したテスト用パターンを用いても、従来の重ね合わせずれ検査装置を利用したパターン形成プロセスの評価方法を実行することができる。

（ｈ）この場合、基本単位となるパターンの配置は図５と全く同様であり、図示は省く。例えば、図３に示した第１パターン１００Ｃのデザインを基本単位とする場合、露光装置を用いて、第１パターン１００Ｃがその透過率が変化する方向（図６で上下の方向）に2つ以上配置されてなるペアパターンを、透過率が変化する方向に直交する方向（図６で左右の方向）に、互いに間隙をおいて複数個転写する。ここでペアパターンは、図５のペアパターン２００Ｉ_ｊ（ｊは１，２、・・・）に相当し、ペアパターンを複数組み合わされたものは行列形式のパターン５００Ｉに相当する。各箇所に転写される第１パターン１００Ｃの転写の順序は問わず、結果的に同等の行列形式の転写パターンの配置が得られればよい。

（ｉ）図５の例と同様に、ペアパターンの転写と同時乃至は別々に、好ましくはペアパターンに重畳して又は最も左側に位置するペアパターンの左側に、これに重なることなく隣接して、或いは最も右側に位置するペアパターンの右側に、これに重なることなく隣接して、露光光を透過する明部からなる大面積のパターンを転写する。これが図５で他のパターン９００Ｊに相当する。

（ｊ）なお、第１パターン１００Ｃにおいていずれかの箇所を基準にして、ペアパターンにおいてその中心位置を求めておく。図５の例では、基準マーク９０Ｉがこれに相当し、例えばマスクパターンにこの位置を記しておけば、図６の基準マーク９０ｉに相当する基準マークを転写パターンにおいて自動的に得ることが可能である。

（ｋ）重ね合わせずれ検査装置を用いて、中心位置の、露光光を透過する明部からなる大面積のパターンからの距離依存性を求めることによって、第１パターン１００Ｃを基本単位とした、第３の実施の形態に従ったパターン形成プロセスの評価方法を実行することができる。

（ｌ）第１パターン１００Ｃの場合、櫛型の第１パターン１００Ｉの場合と異なり、透過率分布の与え方次第で、透過率の変化する方向の両方の端辺が転写の過程で後退し得るが、どちらか一方端を決め、その特定の端部５０の後退量でペアパターンの、透過率が変化する方向での“ずれ”を定義すればよい。

（ｍ）第２の実施の形態の場合と同様、透過率の変化は、第１パターン１００Ｃの周辺部で透過率が低下している傾向を有するものが、ずれの感度が向上するため、好ましい。このような形態の場合、複数の線分の長さの変化ではなく、透過率が分布を有する第１パターン１００Ｃのどちらかの端部５０ｃで“ずれ”を検出してパターン形成プロセスの評価を行うのであるから、周辺部での透過率低下はいずれか一方の端部５０ｃでのみ実現すればよい。

（ｎ）第１パターン１００Ｅを基本単位とする場合も、その基本パターンが異なるだけで、第１パターン１００Ｃの場合と全く同様に考えることができる。

（第４の実施の形態）
第１から第３の実施の形態においては、各タイプの評価用の第１パターン１００Ａ，１００Ｇ，１００Ｃ，１００Ｅ、或いは１００Ｉを用意し、これらのパターンの転写領域に近接して或いは重ね合わせて、露光装置のマイクロフレア等の周辺環境の効果を調べるため、露光光を透過する明部からなるそれぞれの他のパターン９００Ｂ、９００Ｈ、９００Ｄ、９００Ｆ、或いは９００Ｊを同一の被転写媒体に転写した。第４の実施の形態は、被転写媒体に段差がある場合、典型的には被転写媒体が半導体製造工程における塗布されたフォトレジスト１２であって、その下層が段差を有する層構造になっている場合のパターン形成プロセスの評価方法である。

図１２はそのようなケースの一例であって、下地パターンの影響を調べるために、以下に示す実験を行った。

図１２（ａ）に示されるように、Ｓｉ基板１６上に膜厚１００ｎｍのシリコン酸化膜１４、及び膜厚２００ｎｍのポリシリコン１２の膜を順に形成した基板を準備した。さらにポリシリコン１２の膜をパターニングすることによって、基板の一部のみにポリシリコン１２膜の大パターンが堆積されたポリシリコン膜の段差を有する基板を作成した。

続いて、図１２（ｃ）に示したように、作成した基板上にさらに８５ｎｍの膜厚で反射防止膜（図示せず）、及び２００ｎｍの膜厚でフォトレジスト１０を順に塗布し、これに対してＡｒＦ露光装置を用いて、図１３（ａ）に示すフォトマスクＣのパターンを焼き付けた。フォトマスクＣには、充分な測定感度が得られるように楔状の第１パターン１００Ｇを配置している。さらにＰＥＢと現像を経て、図１３（ｂ）に示すレジストの第１パターン１００ｇを得た。

第１の実施の形態で例示した方法と全く同様にして、線分パターンの線分の長さの計測を、光学顕微鏡によるレジストパターン全体の輪郭観察によって行った。図１３（ｃ）は、この際得られた輪郭２０ｇの画像情報の模式図である。段差を有する部分においてレジストの第１パターン１００ｇが細く絞り込まれており、このような下地の段差を有するリソグラフィ工程においては、このようなパターン形状の変化を予め想定しておく必要があることが理解される。

第１から第３までの実施の形態で示したパターンないしパターンの組み合わせから、いわゆる明部からなる他のパターン９００Ｂ、９００Ｈ、９００Ｄ、９００Ｆ、或いは９００Ｊを取り去って評価用パターンとし、段差を有する被転写媒体にそのパターンの転写を実行、それぞれのパターンの特徴に従った位置ずれや長さの後退量の計測を光学手段を用いて実行することによって、何ら困難なく第４の実施の形態を実施することができる。

第４の実施の形態によれば、段差を有する被転写媒体、例えば段差基板上のフォトレジスト膜の膜厚変化による影響が、簡単な方法でモニターできる。

以上、種々実施の形態を挙げて、本発明について詳細な説明を行った。しかし、本発明はこれら例示の形態に限られない。本発明の思想の範囲内でさらに種々改良例、変形例が考えられると理解されるべきである。

第１の実施の形態に係る転写パターンを示した図である。 第１の実施の形態に係る被転写媒体に転写されたパターン及びその光学的顕微鏡によるイメージを示した図である。 第2の実施の形態に係る転写パターン及びその透過率変化の様子を示した図である。 第2の実施の形態に係る被処理媒体に転写されたパターンを示した図である。 第３の実施の形態に係る転写パターンを示した図である。 第３の実施の形態に係る被処理媒体に転写されたパターンの一例を示した図である。 第１の実施の形態で例示したフォトマスクＡ及びＢを示した図である。 フォトマスクＡ及びＢを用いて得られたレジストパターン及びその光学顕微鏡による観察画像を模式的に示した図である。 大面積パターンからの距離に依存した線分パターンの線分の長さの変化を示した図である。 フォトマスクＡ及びＢを用いて得られたフォトレジストの潜像、その光学顕微鏡による観察画像、及び現像後のレジストパターンを模式的に示した図である。 潜像及び現像後のフォトレジストパターンから求められた、大面積パターンからの距離に依存した線分パターンの線分の長さの変化を示した図である。 第４の実施の形態で例示した段差を有する被転写媒体の下層の層構造を示した図である。 楔型の線分パターンを有するフォトマスク、そのレジストパターン、及びその光学顕微鏡による観察画像を示した図である。 露光装置からのマイクロフレアが転写パターンに与える影響を説明した図である。

符号の説明

１０ 線分
１１ 線分パターン
１２ フォトレジスト
１４ ポリシリコン
１５ シリコン酸化膜
１６ シリコン基板
１８ セルアレイ
２０ 輪郭
５０ 端部
８０ 他の線分
９０ 基準マーク
１００ 第１パターン
２００ ペアパターン
５００ 行列形式のパターン
９００ 第２パターン

Claims (9)

1. 被処理基板上にフォトレジストを塗布する工程と、
   明部からなり、同一の長さと光の波長オーダ又はそれ以下の線幅を有し、互いに平行にかつ長手方向の両方の端部を揃えて周期的に配置された複数の線分のパターンを含む第１パターンと、明部からなり、前記線分のパターンより面積が大きく、前記線分のパターンの長手方向に前記線分のパターンの長手方向の長さよりも長い第２パターンとを、前記第２パターンが前記第１パターンと前記長手方向と直交する方向において隣接するように、又は前記第１のパターンの前記直交する方向の一部が前記第２のパターンに重なるように、前記フォトレジストに転写する工程と、
   前記フォトレジストに転写された第１パターンを用いて前記被処理基板上に形成されたパターンの、前記線分のパターンの長手方向に測った前記端部の後退量を光学的手段によって計測する工程と
   を含むことを特徴とするパターン形成プロセスの評価方法。
2. 被処理基板上にフォトレジストを塗布する工程と、
   明部からなり、光の波長オーダ又はそれ以下の線幅を有し、有限の区間内において互いに平行にかつ周期的に配置された複数の線分のパターンを含み、前記区間内の周辺部に位置する線分のパターンほど前記線幅が小さい第１パターンと、明部からなり、いずれの前記線分のパターンより面積が大きく、前記線分のパターンの長手方向と直交する方向に前記区間よりも長い第２パターンとを、前記第２パターンが前記第１パターンと前記直交する方向において隣接するように、又は前記第１のパターンの前記直交する方向の一部が前記第２のパターンに重なるように、前記フォトレジストに転写する工程と、
   前記フォトレジストに転写された第１パターンを用いて前記被処理基板上に形成されたパターンにおいて前記区間の後退量を光学的手段によって計測する工程と
   を含むことを特徴とするパターン形成プロセスの評価方法。
3. 前記第１パターンは、行列形式に配置された複数の群からなり、前記後退量を前記行列形式に配置された群のうち行又は列方向に並んだ一対の群ごとに求めることを特徴とする、請求項１に記載のパターン形成プロセスの評価方法。
4. 前記群のそれぞれは、前記端部の一方を前記複数の線分のパターンに直交する他の線分のパターンと接続した第１パターンであり、前記後退量を前記端部の他方において、前記一対の群ごとに求めることを特徴とする、請求項３に記載のパターン形成プロセスの評価方法。
5. 前記線分のパターンは変化する線幅を有し、後退量が計測される前記端部において他の部分より、より小さい線幅を有する、請求項１、３、４のいずれか1項に記載のパターン形成プロセスの評価方法。
6. 前記被処理基板上に形成されたパターンは、前記フォトレジストの露光及びベーク処理後の潜像、又は現像後のレジストパターンであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか1項に記載されたパターン形成プロセスの評価方法。
7. 前記フォトレジストに転写された第１パターンをマスクとして、前記被処理基板の表面を選択的にエッチングする工程を更に含み、前記エッチングする工程によって、前記被処理基板上に形成されたパターンを形成することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載されたパターン形成プロセスの評価方法。
8. 明部からなり、光の波長オーダ又はそれ以下の線幅を有し、有限の区間内において互いに平行にかつ周期的に配置された複数の線分のパターンを含み、前記区間内の周辺部に位置する線分のパターンほど前記線幅が小さい第１パターンと、明部からなり、いずれの前記線分のパターンより面積が大きく、前記線分の長手方向と直交する方向に前記区間よりも長い第２パターンとを、前記第２パターンが前記第１パターンと前記直交する方向において隣接するように、又は前記第１のパターンの前記直交する方向の一部が前記第２のパターンに重なるように有する、パターン形成プロセスを評価するためのフォトマスク。
9. 明部からなり、光の波長オーダ又はそれ以下の線幅を有し、有限の区間内において互いに平行にかつ周期的に配置された複数の線分のパターンを含み、前記区間内の周辺部に位置する線分のパターンほど前記線幅が小さい第１パターンを有する第１フォトマスクと、明部からなり、いずれの前記線分のパターンより面積が大きく、前記線分のパターンの長手方向と直交する方向に前記区間よりも長い第２パターンとを、前記第２パターンが前記第１パターンと前記直交する方向において隣接するように、又は前記第１のパターンの前記直交する方向の一部が前記第２のパターンに重なるように有する第２フォトマスクとを組み合わせてなる、パターン形成プロセスを評価するためのフォトマスクセット。