JP2002506217A - 原子レベルのステップ高さスタンダード認証方法 - Google Patents

原子レベルのステップ高さスタンダード認証方法

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JP2002506217A
JP2002506217A JP2000535894A JP2000535894A JP2002506217A JP 2002506217 A JP2002506217 A JP 2002506217A JP 2000535894 A JP2000535894 A JP 2000535894A JP 2000535894 A JP2000535894 A JP 2000535894A JP 2002506217 A JP2002506217 A JP 2002506217A
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シェイア，ブラッドリー・ダブリュ
プロチャスカ，ジェイ・ジェリー
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    • G—PHYSICS
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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Abstract

(57)【要約】 走査プローブ顕微鏡法（６２）をＵＬ−ＳＨＳ、すなわち超低ステップ高さスタンダード（６３）および表面トポグラフィスタンダード（６１）に対して用いてステップ（７０）において用いるための方形波デューティサイクル（Ｃ）を定める。角度分解したスキャタロメトリ（６５）をＵＬ−ＳＨＳ（６３）に対して用いて両指向性反射率分布（６６）を定め、その後、一次元のパワー密度関数（６７）を定め、その後、空間周波数帯域幅におけるＲＭＳラフネス（６８）を定める。これおよび方形波デューティサイクル（Ｃ）から、ステップ高さ（６９）が定められ、認証（７０）が完了する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
この発明は、概して平滑な表面上の地形特徴の表面プロフィールを測定するこ
とに関し、特に、さまざまな機械的または光学的プロファイリング機器のいずれ
かを用いてそのような表面上のステップ特徴の高さを測定することに関する。こ
の発明は特に、ステップ高さ較正スタンダードを用いたステップ高さ測定機器の
較正およびそのようなスタンダードの認証に関する。
【０００２】
【背景技術】
ステップ高さスタンダードは表面プロファイリング機器を較正する上で有用で
ある。このようなスタンダードの１つが「表面プロファイラ較正のためのステッ
プ高さスタンダード」（“A Step-Height Standard For Surface Profiler Cali
bration,”SPIE Vol. 1995 Optical Scattering (1993) pp.235-244）と題され た論文においてピーター・Ｚ・タカックス（Peter Z. Takacs）およびユージン ・Ｌ・チャーチ（Eugene L. Church）により開示される。そのスタンダードは、
その中に異方性エッチングされた単一の中央ステップを備えた平坦な領域を含み
、また、５０μｍおよび１０μｍのピッチの２つの薄層をなすプロフィールバー
パターンを含む。この単一のステップは光学プロファイラを較正するのに有効で
あり、バーパターンはスタイラスプロファイラを較正するのに有効である。その
バーパターンにより、スタイラスプローブがその横方向の位置にかかわらず第１
回目の試みにおいてエッジを見出すことを確実にする。ステップの頂点から谷ま
での高さは約１５０ｎｍである。
【０００３】 最近では、より規模が小さい縦方向特徴を作るための技術が開発されている。
較正スタンダードを作る上で用いられるそのような方法の１つは、この発明の譲
受人に譲渡される、レアード（Laird）他への米国特許第５，５９９，４６４号 に記載される。その方法により、１０Å（１ｎｍ）のオーダの縦方向高さを有す
る特徴を一貫して作ることができる。その特許ではさらに、幾百万ものそのよう
な特徴をウェハ上に同時に作って研磨されたウェハ上にヘイズまたはマイクロラ
フネスの効果をシミュレートでき、これによってマイクロラフネススタンダード
として有効に用いられることが開示される。
【０００４】 「工業用の平滑表面のマイクロラフネススタンダードに対する要件および提案
」（“Requirements and suggestions for industrial smooth surface microro
ughness standards,”SPIE vol.2862 Proceedings, 1996年8月8日−9日、コロラ
ド州デンバー、pp.69-77）と題された論文においてジョン・Ｃ・ストーバー（Jo
hn C. Stover）は、矩形の断面と５０％のデューティサイクルを有するグレイテ
ィングを有するマイクロラフネススタンダードを提案している。このスタンダー
ドによれば、結果生じるパワースペクトル密度（ＰＳＤ）は、無限の一連の調和
的に関連づけられたピークからなり（デューティサイクルが５０％である際には
偶数オーダが欠けている）、その振幅はグレーティングステップの高さに関連し
ており、ｆ-2に従って下降し、ここでｆはグレーティングのピッチに関連のある
空間周波数である。さらに、ＲＭＳマイクロラフネス値は、この一連のピーク（
ほぼ第２１次のオーダまで）の和の平方根をとることによって見出される。
【０００５】 ステップ高さスタンダードの場合には、ステップ高さが約５０Åより低くなる
とスタンダードを認証するためにステップ高さを確認するのが困難であることが
わかっている。たとえば、原子間力顕微鏡を用いて直接エピタキシャルシリコン
のステップ高さを測定する場合、得られるステップ高さ値はウェハの正確な結晶
方位に依存しており、簡単に２０％ほども外れ得る。
【０００６】 この発明の目的は、証明されたトレーサビリティによりステップ高さ較正スタ
ンダードを証明する方法と、第１の方法によって認証された較正スタンダードに
よってステップ高さ測定機器を較正する方法とを提供することである。
【０００７】
【発明の開示】
この目的は、矩形のグレーティングタイプのマイクロラフネススタンダードを
利用し、これを代わりにステップ高さスタンダードとして用いる方法によって達
成される。スタンダードは、ほぼ平滑な反射表面を有するがその表面に規則的な
特徴が形成される物理的人工品である。これらの規則的な特徴は、一次元（１Ｄ
）の方形波（矩形）の断面を有する交互の平行する平坦な線形メサおよび谷（va
lley）の周期的なパターンである。特性ステップ高さ（メサから谷）は最大１０
０Åであり、パターンの周期性またはピッチ（Ｐ）は１００μｍより小さく、好
ましくは約２０μｍである。
【０００８】 認証方法は、原子間力顕微鏡など、較正されたプローブ顕微鏡を用いて、表面
特徴の周期的パターンのピッチと、メサ特徴の線幅（Ｌ）および谷の空間幅（Ｓ
）の少なくとも一方とを測定することを含む。この測定から、パターンのデュー
ティサイクル（Ｃ）が得られ、ここでＣ＝Ｌ／Ｐ＝１−（Ｓ／Ｐ）である。好ま
しくは、認証されるスタンダードは約５０％のデューティサイクルを有する。認
証方法はさらに、角度分解したスキャタロメータを用いてスタンダード上の表面
特徴の周期的パターンから散乱する光に対して両指向性反射率分布関数（ＢＲＤ
Ｆ）を測定することを含む。この測定および得られたデューティサイクルから、
一連の計算によって最終的に特性ステップ高さ（Ｈ）が定められる。これらの計
算には、測定されたＢＲＤＦ値から１Ｄパワースペクトル分布（ＰＳＤ）関数を
得ることと、次に、そのＰＳＤ関数からＲＭＳラフネス（Ｒq）値を得ることと 、最後に、Ｈ＝Ｒq［Ｃ（１−Ｃ）］-1/2の等式に従ってＲq値から特性ステップ
高さ（Ｈ）を定めることが含まれる。認証されたステップ高さ値の精度が十分な
ものであるように、測定および計算は少なくとも
【０００９】
【数２】
【００１０】 空間周波数帯域幅にわたって行なわれるべきである。 一旦ステップ高さ較正スタンダードが認証されると、これを用いて数多くのタ
イプのステップ高さ測定機器を較正することができる。こうして既知のピッチ、
デューティサイクルおよび特性ステップ高さを有することとなったスタンダード
を測定機器内に置く。スタンダードのステップ高さをその機器によって測定し、
その機器に特有の手法に従って較正し、次に測定された結果を既知の認証値と比
較する。すべての較正手法においてそうであるように、この比較を用いて機器の
調整を行ない、測定されたステップ高さ値を認証された値に合わせる。較正を完
了するには複数の連続する測定とその間に行なわれる調整とが必要であるかもし
れない。
【００１１】 この発明の認証方法により、以前の手法と比べてかなり小さいステップ高さの
スタンダードを認証することが可能となる。特に、この発明は、以前のマイクロ
ラフネススタンダードが光学散乱を介する測定されたマイクロラフネスをスタン
ダード上の特徴のステップ高さに正確に関連付けるという特性を有していること
を認識した結果である。したがって、この特定のタイプのマイクロラフネススタ
ンダードはステップ高さスタンダードとしても有効であることがわかった。
【００１２】
【発明を実施するための最良の形態】
図１を参照して、較正スタンダードは、シリコンウェハダイ１０の形態である
物理的人工物であり、ダイの上面１４に形成される規則的な表面特徴１２のパタ
ーンを有する。このダイは約５２５μｍの厚さであってもよく、７ｍｍ×１４ｍ
ｍの寸法の主表面を有する。表面特徴１２のパターンは上面１４の７ｍｍ×７ｍ
ｍの区域を占め得る。しかしながら、これらの寸法は重要ではなく、全く例示的
なものとみなすべきである。ダイはたとえばプロファイロメータのステージ上で
用いるための５０ｍｍ×５０ｍｍ×６ｍｍ厚の石英基板などのより大きい基板上
に載置してもよく、または検査区域の限られた、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）もし
くは他の走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）で用いるために取外すことができる。こ
のため、ダイの形状は較正すべき機器の基板取扱い能力に基づいて選択できる。
【００１３】 図２の拡大図を参照して、ダイの上面１４上の規則的な表面特徴１２が、一次
元の方形波、すなわち矩形、の断面を有する、交互の平行する平坦な線形メサ１
６および谷１８の周期的なパターンであるのが分かる。上面１４そのものは、交
互のメサ１６および谷１８によって作られたステップを除いては概して平滑な反
射表面である。すなわち、メサ１６の頂部は概して平面状であり、平滑で、かつ
鏡面反射し、同様に谷１８の表面も概して平面状であり、平滑で、かつ鏡面反射
し、ヘイズが最小である。本来ベアのシリコン基板１０の上に全体的に天然の酸
化物の薄膜１９が形成される。
【００１４】 酸化膜１９は取除いてはならない。なぜなら、再び新しい膜が自然に形成され
るためであり、また、表面は、較正スタンダードが認証されたステップ高さ値を
維持するためには安定していなければならない。スタンダードの表面のミクロレ
ベルのテクスチャを変化させるどのような洗浄プロセスも、圧縮ガスで吹付ける
ことさえも、ステップ高さ値を変化させることとなり、スタンダードの再認証が
必要となる。同様に、スタンダードを酸化膜１９が成長するような高温にさらし
てはならず、また、スタンダードが濡れるようなことがあってはならない。粒子
が表面を汚染してスタンダードの精度を減少させることを防ぐため、スタンダー
ドをクラス１０環境またはそれ以上の環境で容器内に保管し、較正測定を行なう
準備ができた際だけその容器から取出し、その後すぐに容器に戻す必要がある。
スタンダードを取扱う上では注意を払う必要がある。
【００１５】 次に図３を参照して、特徴の規則的なパターンの断面図により、定量化できる
いくつかのパラメータが示される。パターンは周期的なものであるため、メサお
よび谷の対にわたっての幅寸法である周期性またはピッチＰを有する。このピッ
チ寸法Ｐは、メサにわたっての幅寸法である線幅Ｌと、谷にわたっての幅寸法で
ある空間幅Ｓとの寄与によってできている。すなわち、Ｐ＝Ｌ＋Ｓである。また
、デューティサイクル（Ｃ）をこれらの測定した数量のうちのいずれか２つから
規定することもできる。Ｃ＝Ｌ／Ｐ＝１−（Ｓ／Ｐ）＝Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）。最終の
測定可能な数量はステップ高さＨであり、これはメサの頂部から谷の底面までの
深さ寸法である。以下に図７および図８に関連してさらに説明するように、ステ
ップ高さはいずれの実際の較正スタンダードにおいても本質的に平均値である。
【００１６】 次に図４Ａ−図４Ｆおよび図５Ａ−図５Ｆを参照して、較正スタンダードを形
成するウェハダイ上の表面特徴を作るための２つのプロセスが示される。そのプ
ロセスは米国特許第５，５９９，４６４号に記載される。図は単一の特徴の製造
を示しているが、実際にはウェハ上のすべての特徴が同時に作られることになる
。
【００１７】 図４Ａには、シリコン基板上に熱成長させた二酸化シリコンの均一層２１を有
するシリコンウェハ２０が示される。二酸化シリコン層は５００Åと１０００Å
との間の厚さを有する。Silicon Processing for the VLSI Era（vol.1, p.200-
212）と題された本にはシリコンの熱酸化について説明されている。この本は、 ディール（Deal）およびグローブ（Grove）がシリコン酸化を次のように説明し ていることに言及している。すなわち、シリコン酸化とは、分子酸素などのオキ
シダントが既存の酸化物を通ってシリコン−二酸化シリコン界面まで拡散し、そ
こで分子がシリコンと反応して二酸化シリコンを形成する進行であると説明して
いる。換言すると、酸素はベアのシリコン基板に移動し、そこでシリコンと相互
作用し、これによって酸化が生じた場所でシリコン／二酸化シリコン界面のレベ
ルを低下させる。これがこの発明の重要な局面である。
【００１８】 図４Ｂでは、ポジ型フォトレジストの薄い層２３が塗布される。フォトレジス
トはマスクによって特徴の所望の位置、面積的広がりおよび全体密度をもってパ
ターニングされてもよい。光を用いてマスクを介してフォトレジスト層２３を露
光する場合、光によってフォトレジストに特徴の潜像が形成される。換言すると
、露光されたフォトレジストにおいて化学結合が壊れ、レジストの分子量および
可溶性を変化させ、このことにより潜像を現像することが可能となり、エッチン
グされた区域において露光されたフォトレジストを除去し、下にある二酸化シリ
コン層をあらわにする。ポジ型フォトレジストの場合、露光されたフォトレジス
トの結合が壊される。
【００１９】 図４Ｃにおいて、除去されたレジスト層２３の部分はレジストが光によって露
光されたところに開口２５を生じる。酸化物エッチャントを用いて二酸化シリコ
ンをシリコン基板２０の上部面２７まで除去する。これは元のレベルより均一に
低い。
【００２０】 図４Ｄでは、フォトレジストが酸化層２１から剥がされる。この発明の光散乱
特徴を含む、地形特徴を形成することとなる類似のトレンチのアレイにおける、
単一のトレンチ３１となった開口領域２５は、空気にさらされることによって自
己制限的に再酸化される。どのような酸化させる周囲環境を用いることもできる
が、空気は効果的であり、かつ安価である。室温での空気酸化により、約１７Å
の厚さを有する天然の酸化物が生成される。天然酸化層の約半分が基板界面にお
けるシリコンを消費する。これは図４Ｅに示されており、ピットの底部における
天然の酸化物がシリコン基板の中の、二酸化シリコンを支持する前のレベル２７
より下まで延在する。天然酸化層の形成は急速であるが、概して短時間の後にひ
とりでに止まる。
【００２１】 次に、図４Ｆに示されるように酸化物がすべて剥がされる。ここでトレンチ３
３の底部と二酸化シリコンを支持していた前のベース２７との間には差分ステッ
プ高さが存在することが明らかとなる。
【００２２】 図４Ａ−図４Ｆでは、暗視野マスク（dark field mask）を用いて光反射フィ ールド２７内のピット３３を結果として生じる地形特徴の構造を示した。逆のプ
ロセスを用いて、トレンチではなくステップ高さを有するメサ特徴を生成するこ
ともできる。逆のプロセスは逆マスクによって、または反対のタイプのフォトレ
ジストを用いて実行できる。この逆プロセスを図５Ａ−図５Ｆに示す。
【００２３】 図５Ａでは、均一の熱酸化物層４１が研磨された光反射性シリコンウェハの上
に７００Åと１０００Åとの間の厚さに成長させられる。このような層は半導体
産業では容易にウェハの表面にわたって良好な整合性（consistency）および均 一の厚さをもって製造できる。より薄い厚さで作ることもできるが、製造を容易
にするためと測定機器で厚さを確認するため、７００Åから１０００Åの範囲が
好ましい。
【００２４】 図５Ｂでは、フォトレジストの層４３が熱酸化層４１の上に配置される。フォ
トレジストは、図４Ｂおよび図４Ｃに関連して前に説明した露光に用いられたマ
スクに対する光学的相補性のマスクを介して光で露光される。
【００２５】 フォトレジストの露光された部分を除去し酸化物をエッチングした後に、図５
Ｃに示されるようなメサが残される。メサ４５は、フォトレジストの小さい層４
３とその上の同様な大きさにされた熱酸化物４１の層とからなる。図５Ｄには、
そのフォトレジストの部分が剥がされているのが示される。
【００２６】 図５Ｅでは、空気がウェハと接触するようにされ、初期のウェハレベルより下
のシリコンが消費されるにつれ、露出したシリコン上に天然の酸化物の非常に薄
い層５１が成長している。二酸化シリコンのアイランド４１が取除かれ、小さい
メサまたは特徴５３が残り、これも空気にさらされ、均一な薄い天然の酸化層を
有する。特徴５３は周囲のシリコンフィールドの表面から上方へ約８Åから９Å
だけ延在する。
【００２７】 図６を参照して、スタンダードの認証は主に、物理的第１原則分析（physical
first principles analysis）にトレースできる（traceable）ｒｍｓマイクロ ラフネス（Ｒq）の測定に基づく。パターン特徴の一次元方形波（矩形）断面お よび５０％のデューティサイクルに対し、ステップ高さＨは２Ｒqに等しい。こ の関係はデューティサイクルが正確に５０％ではない際にはわずかに変更しなけ
ればならないが、本質的にこの特定のスタンダードの特性ステップ高さは角度分
解したスキャタロメトリ測定値から得ることが可能である。正確さのため、スキ
ャタロメトリ測定は、パターンのデューティサイクルを得るためのピッチ幅およ
び線幅の原子間力顕微鏡（または他の走査プローブ顕微鏡）測定によって補われ
る。超低ステップ特徴（Ｈ≦５０Å）の直接のステップ高さ測定を認証するとい
う目的には原子間力顕微鏡は不適当であることがわかっているが、原子間力顕微
鏡は、典型的に約５μｍから５０μｍ幅のオーダであるピッチ、線幅および空間
幅を正確に測定することが可能である。
【００２８】 デューティサイクル判定から始め、原子間力顕微鏡などの走査プローブ顕微鏡
（ＳＰＭ）を、まず、表面トポグラフィスタンダード（ＳＴＳ）６１によって正
確な幅測定のために較正する。そのスタンダードはＮＩＳＴ ＳＲＭ−４７６に
トレースできる。一旦ＳＰＭが較正されると、これを用いて、認証すべき超低ス
テップ高さスタンダード（ＵＬ−ＳＨＳ）６３上の特徴のピッチ（Ｐ）、線幅お
よび空間幅（ＬおよびＳ）を測定する（ステップ６２）。これらの測定値のうち
のいずれか２つからＣ＝Ｌ／Ｐ＝１−（Ｓ／Ｐ）の定義に従ってデューティサイ
クル（Ｃ）が導出される（ステップ６４）。ここで、Ｐ＝Ｌ＋Ｓはピッチであり
、ＬおよびＳはそれぞれ、メサ特徴の線幅および谷の空間幅である。
【００２９】 次に、光学スキャタロメトリによってマイクロラフネス値（Ｒq）を測定する 。特に、角度分解したスキャタロメトリ（ステップ６５）を用いて、表面特徴の
周期的パターンから散乱する光に対して両指向性反射率分布関数（ＢＲＳＦ）６
６を得る。特定的には、周期的パターンは、ある特定の優先的方向に光を散乱さ
せるある種のグレーティングとして作用し、さまざまな散乱方向の強度はステッ
プ高さＨを含むパターン寸法に依存する。スタンダード上の直径３ｍｍのスポッ
トサイズおよび６３３ｎｍの波長を有する照明レーザビームがスキャタロメータ
では典型的である。測定されたＢＲＤＦから、一次元のパワースペクトル密度（
ＰＳＤ1D）関数が計算され（ステップ６７）、そのＰＳＤ1D関数からｒｍｓラフ
ネス（Ｒq）値が導出される（ステップ６８）。測定および計算は好ましくは、 光散乱の少なくとも第１１次のオーダの奇数調波までとらえるために、少なくと
も最小空間周波数
【００３０】
【数３】
【００３１】 から最大空間周波数
【００３２】
【数４】
【００３３】 の空間帯域幅に対して行なわれる。好ましくは、
【００３４】
【数５】
【００３５】 であり、これは約２０μｍの典型的なピッチＰに対して、ｆmaxに対する２５ｆm in の下限を十分に超えるものである。最小空間周波数ｆminは単純に、空間周波 数ｆ1＝１／Ｐにおける光散乱の基本的なオーダをとらえることを確実にするた めに選択される。Ｒq測定のトレーサビリティは、ＡＮＳＩ／ＮＣＳＬ ＺＳ４ ０およびＩＳＯ １００１２に挙げられる固有スタンダードにトレースできる。
【００３６】 表面特徴の上述の周期的パターンを有するスタンダードに対する光学スキャタ
ロメトリ測定値によるｒｍｓマイクロラフネスＲqの計算は、この発明の譲受人 に譲渡される、１９９７年８月７日出願の同時係属中の米国特許出願第０８／９
０８，５２４号に記載される。簡潔には、スキャタロメトリ機器はＴＭＡ ＣＡ
ＳＩ（ｒ）角度分解した光散乱（ＡＲＳ：angle-resolved light scattering） 機器であってもよい。これは光の波長および機器の光学的ジオメトリに基づいて
第１原則トレーサビリティを可能にする専門の道具である。角度分解したスキャ
タロメトリを介して測定した実際の数量は両指向性反射率分布関数（ＢＲＤＦ）
であり、以下の通りである。
【００３７】
【数６】
【００３８】 ここで、Ｐsは、角度θsの関数として立体角Ωsにわたって集められた散乱光の パワーである。係数Ｐiは、ウェハ法線から角度θiにおける入射レーザパワーを
示す。このように、ＢＲＤＦは物理的には、所与の立体角内に散乱させられた再
配分されたエネルギ以上の何ものでもない。
【００３９】 積分スキャタロメータなどのレーザベースの機器の場合、帯域は以下のように
規定される。入射角θiにおける入射単色レーザビーム、（角度θsにおける）正
反射ビームおよび散乱ビームがすべて同じ面上にある場合、空間周波数は以下の
一次元グレーティング等式による散乱角に関連する。
【００４０】
【数７】
【００４１】 ここでｆは空間周波数であり、λはレーザ照明波長である。φsの項は、それぞ れφs＝０°および１８０°に対し、１．０および−１．０の値をとる。
【００４２】 理想的には、機器の伝達関数は帯域領域では平坦でありそれ以外では０である
。これは実際には決して達成されず、真の機器間比較を行なうためには、空間帯
域は常に伝達関数（入手可能であれば）とたたみ込まれなければならない。
【００４３】 一次元パワースペクトル密度（ＰＳＤ）関数は、空間周波数ｆの単位当りの散
乱したパワーの測定単位である。ＰＳＤ関数は測定されたＢＲＤＦから計算され
る。
【００４４】
【数８】
【００４５】 ここで、ｓ偏光に対し、係数Ｑはウェハ表面の正反射率により近似される。こ
の反射率は、波長、入射角および偏光の関数である。その表面が等方性である場
合、ＰＳＤ（ｆx，ｆy）は方位角φsのあたりで積分され等方性ＰＳＤ関数
【００４６】
【数９】
【００４７】 を得ることができ、Å2μｍの単位であり、ｆはｆxおよびｆyの二乗和の平方根 に等しい。等式４におけるＰＳＤiso（ｆ）というこの関数こそが、一次元ＰＳ Ｄ関数に加えられ、ｒｍｓラフネスが計算される関数となる。方形波は一次元の
散乱体であるが、シリコンの「ピークおよびトラフ」の粗さ（roughness）は等 方性の散乱体である。したがって、２つの測定が行なわれ、その１つは方形波表
面の方向が（一次元ＰＳＤ曲線生成全体に対し）レーザの入射面に垂直であり、
もう１つは表面が平行である。第２の走査により、エッチングされた特徴とは無
関係にシリコンの粗さを測定する。この値は次に、等式４で等方性の値に変換さ
れ、次に二乗和の平方根として一次元走査に加算される（等式７）。シリコンの
粗さは実際には、低い公称ラフネス値においてのみ意味を持つものであるが、慣
例として一貫して測定される。
【００４８】 ＰＳＤ関数は、典型的には逆マイクロメータなど、空間周波数の単位で測定さ
れた表面粗さの周波数スペクトルである。ＰＳＤ関数は、表面の振幅および空間
波長（１／ｆ）の双方についての情報をもたらす。ｒｍｓラフネスは、一次元Ｐ
ＳＤ曲線の積分の平方根として直接計算してもよい。ｒｍｓマイクロラフネスス
タンダードの場合では、シリコンの固有の粗さを考慮するために等方性ラフネス
値をも加える必要がある。一次元パワースペクトル密度関数ＰＳＤ1Dからの、空
間周波数ｆminと空間周波数ｆmaxとの間のｒｍｓラフネスＲqは以下のとおりで ある。
【００４９】
【数１０】
【００５０】 角度分解したスキャタロメトリからのデータのすべてが離散点に入れられるた
め、これらのデータをｒｍｓラフネス値に変換するのに必要である「積分」は単
に、乗算された一次元ＰＳＤ関数ＰＳＤ1D（ｆ）の総和の平方根に、積分の適当
な範囲内で差分（differential）周波数ステップサイズを掛けたものとなる。
【００５１】
【数１１】
【００５２】 また、この等式が、試験下の機器の空間帯域幅範囲に従って設定されるｆlおよ びｆhで示される積分の限界を意味することに注意されたい。シリコンの固有の 等方性ラフネスを考慮するため、等式６にさらなる項ＰＳＤisoを加える必要も ある。ＲＱＳスタンダードのための最終の式は等式７の形をとる。
【００５３】
【数１２】
【００５４】 これは、所与の範囲の積分限界に対するスタンダードのためのｒｍｓラフネス値
を認証するのに用いられる等式である。
【００５５】 一旦、一次元パワースペクトル密度関数（ＰＳＤ1D）からのマイクロラフネス
値ＲqおよびデューティサイクルＣの双方がわかると（等式６）、スタンダード 上の特徴の特性ステップ高さＨは、Ｈ＝Ｒq［Ｃ（１−Ｃ）］-1/2の等式に従っ て定められる（ステップ６９）。このスタンダードはその後較正するステップ高
さ測定機器において用いるために、定められたステップ高さＨおよびデューティ
サイクルＣを有するものとして認証される（ステップ７０）。
【００５６】 較正は、認証されたステップ高さスタンダードを、原子間力顕微鏡または他の
走査プローブ顕微鏡、干渉計または他の光学プロファイロメータなどの機器に対
してステップ高さを測定する関係に配置することを含む。直接に測定するか、ま
たは間接の測定値からの一連の計算を介して、その機器でステップ高さを測定し
た後、結果生じる測定された値をステップ高さＨの既知の認証された値と比較す
る。既知の認証された値に較正すべき機器から得られた測定された値のいかなる
偏差も、測定された値と認証された値とが認証された不確定性において等しくな
るまで機器を調整するのに用いられる。
【００５７】 図７および図８を参照して、特性ステップ高さＨの規定は、スタンダード自体
の固有の表面テクスチャにより必然的に有効または平均ステップ高さである。エ
ッチングされたシリコン基板の表面は（図２に示されるように）天然酸化物の薄
膜を有する。この酸化膜は公称分子「直径」が約３．５５Åであるアモルファス
シリカ（ＳｉＯ2）である。最良のスタンダードであってもマイクロテクスチャ のメサ表面および谷表面７２および７４を生じるこのアモルファスシリカ膜を有
することになる。図７に示される点はアモルファスシリカの「分子」を表わす。
特徴によりもたらされる表面テクスチャのレベルが非常に低いため（典型的なス
テップ高さＨは約１０Åであり、これは公称シリカ「直径」の２．８倍でしかな
い）、いかなるステップ高さ測定も必然的にその性質上統計的なものである。図
８は、メサ特徴および谷特徴のさまざまな部分の高さまたは深さＺを示す。ある
特定の深さ測定の機会の数Ｎが深さＺに対してプロットされ、メサおよび谷の双
方に対して平均値
【００５８】
【数１３】
【００５９】 について（ベル型の）ガウス分布を示す。第１の曲線７６は谷のさまざまな部分
に対する深さ測定を表わし、平均値
【００６０】
【数１４】
【００６１】 を有する。第２の曲線７８は、メサ特徴の上面のさまざまな部分に対する対応す
る深さ測定を表わし、平均値
【００６２】
【数１５】
【００６３】 を有する。ステップ高さＨは平均値
【００６４】
【数１６】
【００６５】 であり、これは
【００６６】
【数１７】
【００６７】 であり、ここで測定値は表面位置（ｘ、ｙ）にわたって平均される。特徴深さの
統計的な性質は、すべてのメサ７２が同一の平均深さ
【００６８】
【数１８】
【００６９】 を有し、すべての谷７４が同様に同一の平均深さ
【００７０】
【数１９】
【００７１】 を有する際であっても生じることに注目されたい。異なる特徴間の高さの変動も
またあり得ることであり、約３００個の異なるメサ特徴および谷特徴の部分を取
囲む３ｍｍ直径の照明レーザスポットを用いたスキャタロメトリ測定によって平
均される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明においてステップ高さスタンダードとして用いられる人
工品の斜視図である。
【図２】 図１において円２で示される区域内のスタンダードの部分の拡大
斜視図である。
【図３】 この発明の認証方法によって測定されたさまざまなパラメータ、
ピッチ（Ｐ）、線幅（Ｌ）、空間幅（Ｓ）およびステップ高さ（Ｈ）を示す、図
１のスタンダードの断面を示す概略側面図である。
【図４Ａ】 ２つの製造プロセスの対応する１つに従った製造の各段階にお
けるウェハステップ高さスタンダードの側面図である。
【図４Ｂ】 ２つの製造プロセスの対応する１つに従った製造の各段階にお
けるウェハステップ高さスタンダードの側面図である。
【図４Ｃ】 ２つの製造プロセスの対応する１つに従った製造の各段階にお
けるウェハステップ高さスタンダードの側面図である。
【図４Ｄ】 ２つの製造プロセスの対応する１つに従った製造の各段階にお
けるウェハステップ高さスタンダードの側面図である。
【図４Ｅ】 ２つの製造プロセスの対応する１つに従った製造の各段階にお
けるウェハステップ高さスタンダードの側面図である。
【図４Ｆ】 ２つの製造プロセスの対応する１つに従った製造の各段階にお
けるウェハステップ高さスタンダードの側面図である。
【図５Ａ】 ２つの製造プロセスの対応する１つに従った製造の各段階にお
けるウェハステップ高さスタンダードの側面図である。
【図５Ｂ】 ２つの製造プロセスの対応する１つに従った製造の各段階にお
けるウェハステップ高さスタンダードの側面図である。
【図５Ｃ】 ２つの製造プロセスの対応する１つに従った製造の各段階にお
けるウェハステップ高さスタンダードの側面図である。
【図５Ｄ】 ２つの製造プロセスの対応する１つに従った製造の各段階にお
けるウェハステップ高さスタンダードの側面図である。
【図５Ｅ】 ２つの製造プロセスの対応する１つに従った製造の各段階にお
けるウェハステップ高さスタンダードの側面図である。
【図５Ｆ】 ２つの製造プロセスの対応する１つに従った製造の各段階にお
けるウェハステップ高さスタンダードの側面図である。
【図６】 図１のスタンダードに対するこの発明の認証プロセスのステップ
を示すフロー図である。
【図７】 測定されたステップ高さの本質的に統計的な平均の性質を示す、
スタンダードの概略斜視図である。
【図８】 測定されたステップ高さの本質的に統計的な平均の性質を示す、
測定された深さに対する測定機会の頻度のグラフ図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 プロチャスカ，ジェイ・ジェリー アメリカ合衆国、94517 カリフォルニア 州、クレイトン、レイブン・ウェイ、5019 Ｆターム(参考） 2F065 AA22 AA24 AA50 AA51 BB18 CC19 EE00 FF00 FF41 FF61 GG04 GG22 PP24 QQ14 QQ33 QQ41 QQ42 2F069 AA42 AA43 AA49 AA57 AA61 BB15 CC06 FF07 GG04 GG07 GG11 NN02 NN06 NN25 NN26

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ステップ高さ較正スタンダードを認証する方法であって、 前記スタンダードは概して平滑な反射表面を有するが前記表面上に規則的な特
    徴が形成される物理的人工品であり、前記規則的な表面特徴は一次元の方形波断
    面を有する交互の平行する平坦な線形メサおよび谷の周期的パターンであり、交
    互のメサおよび谷の前記パターンは１００μｍより小さい周期性またはピッチと
    、約５０％であることがわかっているデューティサイクルと、最大１００Åの特
    性ステップ高さとを有しており、前記認証する方法は、 角度分解したスキャタロメータを用いて表面特徴の前記周期的パターンから散
    乱した光に対して両指向性反射率分布関数（ＢＲＤＦ）を測定するステップと、
    前記ＢＲＤＦ測定からｒｍｓラフネス（Ｒq）値を計算するステップと、 前記計算されたＲq値および仮定された５０％のデューティサイクルから前記 スタンダード上の特徴の前記パターンの前記特性ステップ高さ（Ｈ）を定めるス
    テップとを含み、前記スタンダードは前記定められた特性ステップ高さ（Ｈ）を
    有する前記規則的な表面特徴を有するものとして認証され、前記認証されたスタ
    ンダードによる後に較正するステップ高さ測定機器において用いられる、方法。
  2. 【請求項２】 較正されたプローブ顕微鏡を用いて表面特徴の前記周期的パ
    ターンの前記ピッチ（Ｐ）と、前記メサの線幅（Ｌ）および前記谷の空間幅（Ｓ
    ）のうちの少なくとも一方とを測定するステップと、Ｃ＝Ｌ／Ｐ＝１−（Ｓ／Ｐ
    ）である、前記測定からの前記パターンのデューティサイクル（Ｃ）を確認する
    ステップとをさらに含み、前記スタンダードはさらに、前記確認されたデューテ
    ィサイクル（Ｃ）を有する表面特徴の前記パターンを有するものとして認証され
    、前記特性ステップ高さ（Ｈ）を定めることはＨ＝Ｒq［Ｃ（１−Ｃ）］-1/2の 等式に従ってなされる、請求項１に記載の認証する方法。
  3. 【請求項３】 前記プローブ顕微鏡は、発行されているＮＩＳＴ ＳＲＭ−
    ４７６にトレースできる表面トポグラフィスタンダードで較正される原子間力顕
    微鏡である、請求項２に記載の認証する方法。
  4. 【請求項４】 前記ピッチ（Ｐ）は約２０μｍである、請求項２に記載の認
    証する方法。
  5. 【請求項５】 前記デューティサイクル（Ｃ）は約５０％である、請求項２
    に記載の認証する方法。
  6. 【請求項６】 前記Ｒq値は、前記ＢＲＤＦ測定から計算される一次元パワ ースペクトル密度（ＰＳＤ）関数から導出される、請求項１に記載の認証する方
    法。
  7. 【請求項７】 前記Ｒq値は、少なくとも 【数１】 空間周波数帯域幅にわたって得られる、請求項１に記載の認証する方法。
  8. 【請求項８】 前記スキャタロメータは、約３ｍｍの直径を有する入射レー
    ザビームを前記周期的パターン上に向ける、請求項１に記載の認証する方法。
  9. 【請求項９】 前記スタンダードを構成する前記物理的人工品はシリコンウ
    ェハダイである、請求項１に記載の認証する方法。
  10. 【請求項１０】 前記ダイはより大きい基板上に載置される、請求項９に記
    載の認証する方法。
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