JP2002033268A - 表面形状測定方法及びこれを用いた露光方法とデバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 表面形状測定方法及びこれを用いた露光方法
とデバイスの製造方法において、基板上に反射率の異な
る２種以上の薄膜が露出又は積層される場合であって
も、表面形状測定を高精度に行うこと。 【解決手段】 基板表面上に測定光Ｌを少なくとも一部
反射するとともに内部を通る測定光を基板表面までの間
で吸収する光反射膜１０を、一定膜厚で形成し、さら
に、光反射膜表面に測定光を照射して測定を行うので、
測定光が光反射膜を透過せず光反射膜下の基板表面で反
射しないことから、基板表面で反射率が異なっていても
基板表面の反射光による干渉の影響が除去されて、測定
に誤差を生じさせることを防ぐことができる。また、光
反射膜からの反射光に基づいて測定ができるので、基板
表面で反射率が異なっていても、このために反射光強度
が変化することがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、半導体集
積回路、液晶ディスプレイ等の微細回路パターン等の製
造工程において、基板上に反射率の異なる２種以上の薄
膜が露出又は積層される場合の表面形状測定方法及びこ
れを用いた露光方法とデバイスの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】多層化や薄膜化が行われている半導体集
積回路、液晶ディスプレイ等の微細回路パターン等の製
造では、金属薄膜等からなる前記回路パターンが形成さ
れる基板表面の形状を正確に測定することは、高精度に
回路パターンを製造するために重要な課題となってい
る。また、多層化や薄膜化に伴って採用されるＣＭＰ
（機械的化学的研磨）等の平坦化技術においても、表面
形状を正確に測定することが重要である。

【０００３】このため、製造工程中に一部のウェハをサ
ンプルとして抜き出し、その表面形状を測定すると共
に、外観検査や異物検査等を行うことで、製造プロセス
の確認や露光の際の焦点深度に対する情報等を得ること
ができ、それが高い歩留まりへつながっている。従来、
半導体集積回路等が形成される基板の表面形状の測定に
は、例えばフィゾー干渉計方式の表面形状測定装置等が
用いられていた。

【０００４】フィゾー干渉計方式の表面形状測定装置に
代表されるフリンジスキャン式のウェハ平坦度計測装置
は、コリメートレーザ光を基板表面に垂直入射して干渉
縞を形成し、その変化から表面形状の変化を計測するも
のである。このウェハ平坦度計測装置によれば、ベアシ
リコンウェハ等の表面の反射率分布が一定の基板に対し
て正確に計測を行うことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の表面形状測
定技術には、以下のような課題が残されている。すなわ
ち、製造工程において半導体集積回路等が形成されつつ
あるウェハでは、微細化に伴う多層膜の薄膜化や、多層
膜の材質の変化により、従来の表面形状測定技術におい
て、被測定物の表面で反射した光だけでなく、入射させ
た測定光が多層構造の内部に透過し、下地によって反射
した光が表面に戻り、表面おける反射光に重畳され、両
者の干渉により、実際の形状とは異なった計測結果が得
られる場合がある。例えば、図５に示すように、Ｓｉ
（シリコン）基板１の下地上にＡｌ（アルミニウム）配
線２をパターン形成し、さらにこれらの上に窒化膜（Ｓ
ｉＮ）３を積層した場合、図中のＡ部分を基準として表
面の計測を行うと、Ｂ部分においては薄膜内において測
定光Ｌの光路差がＡ部分と異なり、表面における干渉の
結果、反射光強度及び位相がＡ部分から変化し、実際に
は高さが変化していないにも関わらず、高く盛り上がっ
てしまって、又は低く窪んでいると測定されてしまう。
このように干渉状態は、多層膜を構成する材質の光学定
数や厚み、層構造により異なり、表面形状の測定が多層
膜の構造や下地の形状に左右されてしまう。

【０００６】また、ウェハ表面においても、ＡｌとＳｉ
Ｏ₂（酸化シリコン）等の反射率の大きく異なるレイヤ
ーとが隣接して存在する場合も、表面高さが一定であっ
ても多層膜の場合と同様に、ウェハ表面に反射率の分布
（反射率の異なる領域）ができてしまい、正確な形状を
計測することが不可能であった。例えば、図６に示すよ
うに、例えばＳｉ基板１の下地上に高反射率部分のＡｌ
配線４と低反射率部分のＳｉＯ₂膜５とを隣接してパタ
ーン形成した場合、図中のＡ部分とＢ部分とでは、反射
率が大きく異なり、反射光強度等が変化し、実際には高
さが変化していないにも関わらず、両部分に段差がある
と測定してしまう場合があった。

【０００７】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
ので、基板上に反射率の異なる２種以上の薄膜が露出又
は積層される場合であっても、表面形状測定を高精度に
行うことができる表面形状測定方法及びこれを用いた露
光方法とデバイスの製造方法を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するために以下の構成を採用した。すなわち、図１か
ら図３に対応づけて説明すると、本発明の表面形状測定
方法では、反射率の異なる２種以上の材料（２、３、
４、５）が露出又は積層されている基板表面上に測定光
（Ｌ）を照射し反射した光に基づいて基板表面の形状を
測定する方法であって、前記基板表面上に、前記測定光
を少なくとも一部反射するとともに内部を通る測定光を
基板表面までの間で吸収する光反射膜（１０、２０）
を、一定膜厚で形成する光反射膜形成工程と、前記光反
射膜表面に前記測定光を照射して前記測定を行う形状測
定工程とを有することを特徴とする。

【０００９】この表面形状測定方法では、光反射膜形成
工程において、基板表面上に測定光（Ｌ）を少なくとも
一部反射するとともに内部を通る測定光を基板表面まで
の間で吸収する光反射膜（１０、２０）を、一定膜厚で
形成し、さらに形状測定工程において、光反射膜表面に
測定光を照射して測定を行うので、測定光が光反射膜を
透過せず光反射膜下の基板表面で反射しないことから、
基板表面で反射率が異なっていても基板表面の反射光に
よる干渉の影響が除去されて、測定に誤差を生じさせる
ことを防ぐことができる。また、光反射膜からの反射光
に基づいて測定ができるので、基板表面で反射率が異な
っていても、このために反射光強度が変化することがな
い。

【００１０】本発明の露光方法では、露光光をマスクに
導き、該マスクのパターンを投影光学系を介して基板に
転写する露光方法であって、前記基板の表面形状を上記
発明の表面形状測定方法により測定し、その測定結果に
基づいて前記投影光学系の焦点調整を行うことを特徴と
する。この露光方法では、基板の表面形状を上記発明の
表面形状測定方法により測定し、その測定結果に基づい
て投影光学系の焦点調整を行うので、焦点深度等に対す
る正確な情報を得ることができる。

【００１１】本発明のデバイスの製造方法では、マスク
のパターンを基板に転写する転写工程を経て製造される
デバイスの製造方法であって、上記本発明の露光方法に
より前記転写工程を行うことを特徴とする。このデバイ
スの製造方法では、上記露光方法により転写工程を行う
ので、正確に投影光学系の焦点が調整され、露光精度の
向上により高精度にデバイスを製造できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る表面形状測定
方法及びこれを用いた露光方法とデバイスの製造方法の
第１実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明す
る。

【００１３】本実施形態の表面形状測定方法は、例えば
フィゾー干渉計方式の表面形状測定装置を用いて行うも
のであり、測定対象の例として、図１に示すように、前
述したＳｉ基板（半導体基板）１の下地上に集積回路の
少なくとも一部としてＡｌ配線２をパターン形成し、さ
らにこれらの上に窒化膜３を積層したもので、この表面
をＣＭＰ（機械的化学的研磨）により平坦化処理した基
板の表面形状を測定するものである。

【００１４】まず、図１に示すように、基板表面である
窒化膜３表面に光反射膜１０を一定膜厚で形成する。こ
の光反射膜１０は、表面形状測定装置の測定光Ｌ（レー
ザ光）が少なくとも一部反射するとともに内部を通る測
定光Ｌを窒化膜３表面までの間で吸収する材質のもので
形成される。本実施形態では、光反射膜１０として炭化
させたレジスト膜を用い、例えば、想定される表面の凹
凸が数百ｎｍである場合、光反射膜１０の厚さも、数百
ｎｍ（４００ｎｍ等）以下に設定される。

【００１５】なお、この光反射膜１０は、レジストをＳ
ｉ基板１の窒化膜３上に塗布し、ベークプレートに載せ
て高温に加熱して炭化させることにより形成する。レジ
ストとしては、測定領域の表面に対して十分に膜厚均一
性がある低粘度のものが採用される。この炭化したレジ
スト膜は、測定光Ｌの波長と同じ光を内部で十分に吸収
する材質を有している。

【００１６】次に、光反射膜１０が形成された状態で、
表面形状測定装置により光反射膜１０表面に測定光Ｌを
照射し、その反射光に基づいて表面形状の計測を行う。
すなわち、光反射膜１０は、一定膜厚で形成され、窒化
膜３表面形状と同様の表面形状となっており、光反射膜
１０からの反射光で窒化膜３表面の形状を測定すること
ができる。

【００１７】このとき、光反射膜１０は、測定光Ｌの一
部を反射すると共に内部を通る測定光Ｌを吸収し、該測
定光Ｌを窒化膜３やさらに下層のＡｌ配線２やＳｉ基板
１表面へほとんど透過させない。このため、光反射膜１
０をわずかに透過した測定光Ｌが窒化膜３表面で反射し
ても、さらに光反射膜１０内で吸収されるので、新たに
形成した光反射膜１０表面では多重干渉等が生じない。

【００１８】なお、加熱され炭化したレジスト膜は、収
縮等の形状変化を起こすが、図１に示すように、平らな
面上に一定の厚さで塗布されたレジスト膜は、均等に形
状変化を起こすので、表面の測定に影響はない。しかし
ながら、図２に示すように、凹凸（段差）のある面上に
形成されたレジスト膜の場合は、加熱及び炭化による形
状変化が測定結果に影響を与える場合がある。このた
め、予め表面形状が分かっている基準基板表面にレジス
トを塗布して炭化させ、この炭化させたレジスト膜に測
定光Ｌを照射して表面形状測定を行って得られた表面形
状と予め分かっている表面形状との違いを補正データと
して記録しておく。

【００１９】なお、基準基板としては、平坦度の出てい
る基板や凹凸等の形状が分かっている様々なパターンを
有する基板等を用いる。そして、実際の形状測定で得ら
れた表面形状を上記補正データに基づいて補正すること
により、炭化したレジスト膜からなる光反射膜１０の収
縮等を考慮した正確な表面形状測定が可能になる。

【００２０】このように本実施形態の表面形状測定方法
で得られたＳｉ基板１上の窒化膜３表面の形状に基づい
て、露光工程を行う。まず、露光工程の前に、光反射膜
１０を除去しておく。この光反射膜１０はレジストであ
るため、デベロッパー等を用いて現像液等で容易に剥が
すことが可能である。次に、光反射膜１０を取り去った
Ｓｉ基板１を既知の露光装置におけるウェハステージに
セットし、露光処理を行う。すなわち、露光装置によ
り、露光光を所定のマスクに導き、該マスクのパターン
を投影光学系を介してＳｉ基板１に転写する。このと
き、Ｓｉ基板１の表面形状の測定結果に基づいて投影光
学系の焦点調整を行うことにより、焦点深度等に対する
正確な情報を得ることができ、Ｓｉ基板１上（窒化膜３
表面）に高精度な露光を行うことができる。

【００２１】次に、本発明に係る表面形状測定方法及び
これを用いた露光方法とデバイスの製造方法の第２実施
形態を、図３を参照しながら説明する。

【００２２】第２実施形態と第１実施形態との異なる点
は、第１実施形態では炭化させたレジストの光反射膜１
０を測定対象の表面に形成するのに対し、第２実施形態
では金属薄膜の光反射膜２０を測定対象の表面に形成す
る点である。また、第１実施形態における測定対象が、
Ｓｉ基板１上及びＡｌ配線２上を窒化膜３で覆ったもの
であり表面が窒化膜３のみであるのに対し、第２実施形
態における測定対象は、Ｓｉ基板１の下地上に高反射率
部分のＡｌ配線４と低反射率部分のＳｉＯ₂膜５とを隣
接してパターン形成したものである点でも異なる。

【００２３】この本実施形態では、光反射膜２０がＡｌ
配線４及びＳｉＯ₂膜５の表面を覆うと共に光反射膜２
０表面で反射される測定光Ｌに基づいて表面形状が測定
されるため、反射率分布を無くし、実際の表面形状にな
らった測定結果を得ることができる。特に、光反射膜２
０が金属薄膜であり、照射される測定光Ｌをほとんど反
射すると共に内部に透過させないので、測定光Ｌが光反
射膜２０下のＡｌ配線４及びＳｉＯ₂膜５に届かないと
共にこれらの表面で反射されることもなく、反射率差に
よる反射光強度等の変化を防ぐことができる。

【００２４】なお、一般に金属薄膜は反射率が高いが、
本実施形態の光反射膜２０としては、Ａｌ、Ｃｕ
（銅）、Ｗ（タングステン）、ＷＳｉ（タングステン−
シリコン合金）等の薄膜が採用される。また、これらの
金属薄膜の光反射膜２０も通常の金属配線材料として用
いられる金属であるため、通常用いられるプロセスによ
り容易に成膜（蒸着やスパッタリング等）及び除去（ウ
ェットエッチングやドライエッチング等）することが可
能である。

【００２５】なお、本発明は、次のような実施形態をも
含むものである。 （１） なお、本実施形態の露光方法として、マスクと
基板とを同期移動してマスクのパターンを露光する走査
式の露光方法にも適用することができる。 （２） なお、本実施形態の露光方法として、マスクと
基板とを静止した状態でマスクのパターンを露光し、基
板を順次ステップ移動させるステップ・アンド・リピー
ト式の露光方法にも適用することができる。

【００２６】（３） 露光方法の用途としては半導体製
造用の露光方法に限定されることなく、例えば、角型の
ガラスプレートに液晶表示素子パターンを露光する液晶
用の露光方法や、薄膜磁気ヘッドを製造するための露光
方法にも広く適当できる。 （４） 本実施形態の露光方法における露光光の光源
は、ｇ線（４３６ｎｍ）、ｉ線（３６５ｎｍ）、ＫｒＦ
エキシマレーザ（２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ
（１９３ｎｍ）、Ｆ２レーザ（１５７ｎｍ）のみなら
ず、Ｘ線や電子線などの荷電粒子線を用いることができ
る。例えば、電子線を用いる場合には電子銃として、熱
電子放射型のランタンヘキサボライト（LaB6）、タンタ
ル（Ta）を用いることができる。さらに、電子線を用い
る場合は、マスクを用いる構成としてもよいし、マスク
を用いずに直接基板上にパターンを形成する構成として
もよい。

【００２７】（５） 投影光学系の倍率は縮小系のみな
らず等倍および拡大系のいずれでもよい。 （６） 投影光学系としては、エキシマレーザなどの遠
紫外線を用いる場合は硝材として石英や蛍石などの遠紫
外線を透過する材料を用い、Ｆ２レーザやＸ線を用いる
場合は反射屈折系または屈折系の光学系にし（レチクル
も反射型タイプのものを用いる）、また、電子線を用い
る場合には光学系として電子レンズおよび偏向器からな
る電子光学系を用いればいい。なお、電子線が通過する
光路は真空状態にすることはいうまでもない。

【００２８】（７） 半導体デバイスは、図４に示すよ
うに、デバイスの機能・性能設計を行うステップ２０
１、この設計ステップに基づいたマスク（レチクル）を
製作するステップ２０２、シリコン材料からウエハを製
造するステップ２０３、前述した実施形態の露光装置に
よりレチクルのパターンをウエハに露光するウエハ処理
ステップ２０４、デバイス組み立てステップ（ダイシン
グ工程、ボンディング工程、パッケージ工程を含む）２
０５、検査ステップ２０６等を経て製造される。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、以下の効果を奏する。
本発明の表面形状測定方法によれば、光反射膜形成工程
において、基板表面上に測定光を少なくとも一部反射す
るとともに内部を通る測定光を基板表面までの間で吸収
する光反射膜を、一定膜厚で形成し、さらに形状測定工
程において、光反射膜表面に測定光を照射して測定を行
うので、反射率の異なる２種以上の材料が露出又は積層
されていても、測定光が光反射膜下の基板表面で反射せ
ず、基板表面の反射光による干渉の影響が除去されて、
正確に表面形状を測定することができる。したがって、
下地多層膜の多重干渉や隣接する反射率の異なる部分等
における測定光への影響が生じず、表面形状を高精度に
測定することが可能になる。

【００３０】また、本発明の表面形状測定方法によれ
ば、光反射膜を、炭化させたレジスト膜とすることによ
り、通常の露光工程で用いるレジストを用いて容易に光
反射膜を形成することができ、測定後に除去することも
容易となる。

【００３１】さらに、本発明の表面形状測定方法によれ
ば、予め表面形状が分かっている基準基板表面にレジス
トを塗布して炭化させ、この炭化させたレジスト膜に測
定光を照射して前記測定を行って得られた表面形状と予
め分かっている表面形状との違いを補正データとして記
録する工程と、形状測定工程で得られた表面形状を補正
データに基づいて補正する補正工程とを有しているの
で、加熱及び炭化によってレジストが収縮しても補正デ
ータによって実測値を補正することにより、正確に表面
形状を求めることができる。

【００３２】また、本発明の表面形状測定方法によれ
ば、光反射膜を金属薄膜とすることにより、通常の配線
材料として用いる金属材料を用いて容易に高反射率の光
反射膜を形成することができ、測定後に除去することも
容易となる。

【００３３】また、本発明の表面形状測定方法は、集積
回路の少なくとも一部が形成された表面を機械的化学的
研磨により平坦化処理された半導体基板を測定対象とし
た場合に特に好適である。すなわち、ＣＭＰによって平
坦化された多層配線等を採用する集積回路では、下地形
状が多様に変化していると共に反射率の異なる材質の金
属薄膜や誘電体膜が混在しており、これらの影響を受け
にくい本発明の表面形状測定方法によれば、正確に表面
形状の測定が可能であると共に露光工程において正確な
焦点深度を得ることが可能になり高精度な多層配線構造
を得ることができる。

【００３４】本発明の露光方法によれば、基板の表面形
状を上記発明の表面形状測定方法により測定し、その測
定結果に基づいて投影光学系の焦点調整を行うので、焦
点深度等に対する正確な情報を得ることができ、高精度
な露光を行うことができる。

【００３５】本発明のデバイスの製造方法によれば、上
記露光方法により転写工程を行うので、正確に投影光学
系の焦点が調整され、露光精度の向上により高精度に半
導体素子等のデバイスを製造でき、デバイスの品質及び
信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る表面形状測定方法及びこれを用
いた露光方法とデバイスの製造方法の第１実施形態にお
いて、表面形状測定方法を説明するための測定対象（平
坦化された基板）を示す概略的な要部断面図である。

【図２】 本発明に係る表面形状測定方法及びこれを用
いた露光方法とデバイスの製造方法の第１実施形態にお
いて、表面形状測定方法を説明するための測定対象（凹
凸を有する基板）を示す概略的な要部断面図である。

【図３】 本発明に係る表面形状測定方法及びこれを用
いた露光方法とデバイスの製造方法の第２実施形態にお
いて、表面形状測定方法を説明するための測定対象（平
坦化された基板）を示す概略的な要部断面図である。

【図４】 半導体デバイスの製造工程の一例を示すフロ
ーチャート図である。

【図５】 本発明に係る表面形状測定方法の従来例にお
いて、表面形状測定方法を説明するための測定対象（平
坦化された基板）を示す概略的な要部断面図及び要部平
面図である。

【図６】 本発明に係る表面形状測定方法の従来例にお
いて、表面形状測定方法を説明するための他の測定対象
（平坦化された基板）を示す概略的な要部断面図及び要
部平面図である。

【符号の説明】

１ Ｓｉ基板（半導体基板） ２、４ Ａｌ配線（薄膜） ３ 窒化膜（薄膜） ５ ＳｉＯ₂膜（薄膜） １０、２０ 光反射膜 Ｌ 測定光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA54 BB02 CC17 DD03 EE05 FF55 QQ38 5F046 AA18 AA20 DA05 DA14 DB05 EA19

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反射率の異なる２種以上の材料が露出又
   は積層されている基板表面上に測定光を照射し反射した
   光に基づいて基板表面の形状を測定する方法であって、 前記基板表面上に、前記測定光を少なくとも一部反射す
   るとともに内部を通る測定光を基板表面までの間で吸収
   する光反射膜を、一定膜厚で形成する光反射膜形成工程
   と、 前記光反射膜表面に前記測定光を照射して前記測定を行
   う形状測定工程とを有することを特徴とする表面形状測
   定方法。
2. 【請求項２】 前記光反射膜は、炭化させたレジスト膜
   であることを特徴とする請求項１記載の表面形状測定方
   法。
3. 【請求項３】 予め表面形状が分かっている基準基板表
   面にレジストを塗布して炭化させ、この炭化させたレジ
   スト膜に前記測定光を照射して前記測定を行って得られ
   た表面形状と予め分かっている前記表面形状との違いを
   補正データとして記録する工程と、 前記形状測定工程で得られた表面形状を前記補正データ
   に基づいて補正する補正工程とを有していることを特徴
   とする請求項２記載の表面形状測定方法。
4. 【請求項４】 前記光反射膜は、金属薄膜であることを
   特徴とする請求項１記載の表面形状測定方法。
5. 【請求項５】 前記基板は、集積回路の少なくとも一部
   が形成された表面を機械的化学的研磨により平坦化処理
   された半導体基板であることを特徴とする請求項１から
   ４のいずれかに記載の表面形状測定方法。
6. 【請求項６】 露光光をマスクに導き、該マスクのパタ
   ーンを投影光学系を介して基板に転写する露光方法であ
   って、 前記基板の表面形状を請求項１から５のいずれかに記載
   の表面形状測定方法により測定し、その測定結果に基づ
   いて前記投影光学系の焦点調整を行うことを特徴とする
   露光方法。
7. 【請求項７】 マスクのパターンを基板に転写する転写
   工程を経て製造されるデバイスの製造方法であって、 請求項１から６のいずれかに記載の露光方法により前記
   転写工程を行うことを特徴とするデバイスの製造方法。