JP2003207313A - 周期構造測定装置および周期構造測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、半導体の表面等に形成された周期
構造体の形状を容易かつ高精度で定量的に評価すること
ができる周期構造測定装置および周期構造測定方法を提
供することを課題とする。 【解決手段】 計算機４による反射光強度の波長依存性
から周期構造体の構造を求める際の解析では、まず、周
期構造体を仮想薄膜として仮定し、次に測定した反射光
強度の波長依存性から仮想薄膜の層厚および屈折率を求
めるが、このとき同時に周期構造体の周期に依存する散
乱の影響を併せて考慮することにより、周期構造体の高
さ、デューティ比、および周期を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、周期構造体が有す
る微細周期構造の形状を光学的に測定する周期構造測定
装置および周期構造測定方法に関し、特にソグラフィあ
るいはエッチング等により形成する半導体微細周期構造
の形状を光学的に測定する周期構造測定装置および周期
構造測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、寸法が０．１μm程度の微細なパ
タンを形成するリソグラフィやエッチング等の半導体製
造プロセスにおいては、パタンの寸法を精密に制御する
ことが重要であり、露光条件やエッチング条件を確認す
る際や量産時の工程管理の際に、パタンの寸法を容易に
精度良く測定することが重要な要素のひとつになってい
る。

【０００３】例えば、光通信用の分布帰還型（ＤＦＢ：
Distributed Feedback）半導体レーザ素子内に形成する
回折格子については、１．３μmあるいは１．５５μm帯
のレーザ発振波長に対して、それぞれ０．２μmあるい
は０．２４μm程度の周期を有する回折格子が、干渉露
光法あるいは電子ビーム露光法により形成されている。
このときレーザ素子内に形成する回折格子の高さ、デュ
ーティ比、周期といった回折格子の形状パラメータがレ
ーザの発振特性に大きく影響する。リソグラフィやエッ
チング時の制御精度が不十分であると、安定な単一モー
ド発振が得られなかったり、発振しきい値や光出力等が
製品の規格を満たさず、歩留りを低下させる要因となる
ため、作製した回折格子パタンを評価し、プロセスを管
理する工程、あるいはフィードバックをかける工程が重
要になる。

【０００４】このようなパタンを評価する場合において
は、測定するパタンの寸法が０．１μm程度と微細であ
り、光学顕微鏡やレーザ顕微鏡では十分な分解能が得ら
れないため、走査型電子顕微鏡（SEM）を用いてそのパ
タン寸法を測定するという手法が採用されている。

【０００５】しかしながら、走査型電子顕微鏡による測
定では、断面形状を観察するために試料を切断しなけれ
ばならず、破壊検査が実施できない試料については測定
ができないという問題があった。また、非破壊で表面状
態を観察する測長用電子顕微鏡を使用する場合において
は、深さ方向の情報が得られないために正確な形状を測
定することが困難であった。さらに電子顕微鏡を使用す
る場合においては、真空中に試料を装填しなければなら
ないため、測定に長時間を要する作業となっており、量
産製造工程への適用に関して十分とは言えないという問
題があった。

【０００６】そこで、例えば特開平１１−２１１４２１
号公報、あるいは特開平１１−２１１４２２号公報に
は、微細な周期構造の線幅を光学的に測定する方法とし
て、微細周期パタンへ偏光性を有する光を入射し、その
反射率を測定する方法が開示されている。この技術は周
期構造体が入射光の偏光方向に依存した複屈折特性を有
する特徴を利用しており、非破壊で周期構造の線幅が測
定できる点において一応の効果を奏している。

【０００７】また、特開２０００−２１７２９１号公報
には、分光エリプソメトリ法を用いた凹凸基板表面の形
状評価方法が開示されている。この技術は、DRAM中のコ
ンデンサ容量を増加させるために表面を凹凸化して表面
積を増加させた基板表面形状を測定する技術であり、凹
凸層をマクロ視して平坦な仮想膜と仮定することによ
り、反射特性の解析から仮想膜の厚さおよび屈折率を求
め、さらに、これらの値から半導体と空気により構成さ
れる仮想膜中の半導体の割合（体積分率）を測定する点
において一応の効果を奏している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術の特開平１１−２１１４２１号公報、あるいは特開平
１１−２１１４２２号公報に記載されている周期構造の
線幅測定方法においては、測定光に偏光性を有する光源
を用いているために、周期構造パタンの周期方向と入射
する測定光の偏光方向との角度を精密に制御する必要が
あり、実用上十分な精度が短時間で得られないという問
題を有している。また、同発明においては、測定可能な
パラメータが周期構造の線幅のみに限定されており、高
さに関する情報を得ることができないという問題があ
る。さらに、測定するパタンの線幅の測定時において
も、予め各種測定量と線幅を関係付ける検量線を作成し
ておくことが必要であるという問題があった。

【０００９】一方、特開２０００−２１７２９１号公報
に示される分光エリプソメトリ法を用いた凹凸基板表面
形状の測定方法においても、偏光性を有する測定光を用
いるために、前記特開平11-211421と同様の問題を有す
ることになる。また、測定する対象物の形状に依存する
散乱光の影響を考慮していないために、測定時に十分な
精度が得られないという問題を有している。すなわち、
同発明において図１３に示されている測定結果について
は、最大で約30%以上のSEM観察結果との差異を生じてお
り、測定精度が不十分になるという問題をもたらしてい
る。さらに測定する対象物である凹凸形状の密度（周期
構造パタンの周期に相当）については全く情報が得られ
ないうえ、密度が変化した場合においては測定精度がさ
らに低下する。

【００１０】本発明は斯かる問題点を鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、半導体の表面等に
形成された周期構造体の形状を容易かつ高精度で定量的
に評価することができる周期構造測定装置および周期構
造測定方法を提供する点にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
すべく、以下に掲げる構成とした。請求項１記載の発明
の要旨は、周期構造体の表面に測定光を入射し、前記周
期構造体からの反射光に基づいて形状を測定する周期構
造測定装置であって、偏光性がない測定光を前記周期構
造体に対して垂直に入射する測定光入射手段と、前記周
期構造体からの反射光強度の波長依存性を測定する光測
定手段と、該光測定手段により測定された反射光強度の
波長依存性に基づいて前記周期構造体の高さ、デューテ
ィ比および周期の全てあるいはいずれかを算出する計算
手段とを具備することを特徴とする周期構造測定装置に
存する。また請求項２記載の発明の要旨は、前記計算手
段は、前記周期構造体を仮想薄膜と仮定して前記周期構
造体の高さおよびデューティ比の両者あるいはいずれか
を算出させることを特徴とする請求項１記載の周期構造
測定装置に存する。また請求項３記載の発明の要旨は、
前記計算手段は、前記周期構造体からの散乱による反射
光強度の低下を考慮して前記周期構造体の周期を算出さ
せることを特徴とする請求項１又は２記載の周期構造測
定装置に存する。また請求項４記載の発明の要旨は、周
期構造体の表面に測定光を入射し、前記周期構造体から
の反射光に基づいて形状を測定する周期構造測定装置で
あって、偏光性がない測定光を前記周期構造体に対して
垂直に入射する測定光入射手段と、前記周期構造体から
の反射光強度の波長依存性である反射スペクトルを測定
する光測定手段と、前記周期構造体の高さ、デューティ
比および周期を仮定して反射スペクトルを算出する反射
スペクトル算出手段と、前記反射スペクトル測定手段に
よる測定値と前記反射スペクトル算出手段による計算値
との偏差の２乗和を算出する偏差算出手段と、該偏差算
出手段により算出された値が予め定められた許容範囲内
になったときの前記反射スペクトル算出手段で仮定した
前記周期構造体の高さ、デューティ比および周期を出力
する算出結果出力手段とを具備することを特徴とする周
期構造測定装置に存する。また請求項５記載の発明の要
旨は、前記光測定手段により測定する反射光強度の波長
範囲が２００nmから８００nmの間であることを特徴とす
る請求項１乃至４のいずれかに記載の周期構造測定装置
に存する。また請求項６記載の発明の要旨は、周期構造
体の表面に測定光を入射し、前記周期構造体からの反射
光に基づいて形状を測定する周期構造測定方法であっ
て、偏光性がない測定光を前記周期構造体に対して垂直
に入射し、前記周期構造体からの反射光強度の波長依存
性を測定し、該測定した反射光強度の波長依存性に基づ
いて前記周期構造体の高さ、デューティ比および周期の
全てあるいはいずれかを算出することを特徴とする周期
構造測定方法に存する。また請求項７記載の発明の要旨
は、前記周期構造体を仮想薄膜と仮定して前記周期構造
体の高さおよびデューティ比の両者あるいはいずれかを
算出することを特徴とする請求項６記載の周期構造測定
方法に存する。また請求項８記載の発明の要旨は、前記
周期構造体からの散乱による反射光強度の低下を考慮し
て前記周期構造体の周期を算出することを特徴とする請
求項６又は７記載の周期構造測定方法に存する。また請
求項９記載の発明の要旨は、周期構造体の表面に測定光
を入射し、前記周期構造体からの反射光に基づいて形状
を測定する周期構造測定方法であって、偏光性がない測
定光を前記周期構造体に対して垂直に入射し、前記周期
構造体からの反射光強度の波長依存性である反射スペク
トルの測定値を測定し、前記周期構造体の高さ、デュー
ティ比および周期を仮定して反射スペクトルの計算値を
算出し、前記反射スペクトルの測定値と前記反射スペク
トルの計算値との偏差の２乗和を算出し、該算出した偏
差の２乗和が予め定められた許容範囲内になったときの
前記反射スペクトルの計算値を算出する際に仮定した前
記周期構造体の高さ、デューティ比および周期を出力す
ることを特徴とする周期構造測定方法に存する。また請
求項１０記載の発明の要旨は、測定する反射光強度の波
長範囲が２００nmから８００nmの間であることを特徴と
する請求項６乃至９のいずれかに記載の周期構造測定方
法に存する。また請求項１１記載の発明の要旨は、コン
ピュータに請求項６乃至１０のいずれかに記載の周期構
造測定方法を実行させるためのプログラムに存する。ま
た請求項１２記載の発明の要旨は、周期構造体を作製す
る周期構造体作製方法であって、請求項６乃至９のいず
れかに記載の周期構造測定方法を用いて前記周期構造体
を作製する微細構造エッチングプロセス時に周期構造の
形状を測定する工程と、測定結果に基づき微細構造エッ
チングプロセスを停止する工程とを有することを特徴と
する周期構造体作製方法に存する。また請求項１３記載
の発明の要旨は、試料の表面に測定光を入射し、前記試
料からの反射光に基づいて前記測定光の波長よりも短い
寸法を有する孤立微細構造の形状を測定する孤立構造測
定方法であって、前記試料上に孤立微細構造と周期構造
とを同時に作製する工程と、前記孤立微細構造と前記周
期構造との形状の関係を予め求めておく工程と、前記周
期構造を光学的に測定することにより孤立パタンの寸法
を測定する工程とを有することを特徴とする孤立構造測
定方法に存する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。

【００１３】図１は、本発明に係る周期構造測定装置の
実施の形態の構成を示すブロック図であり、図２は、本
発明に係る周期構造測定装置の実施の形態で測定する周
期構造体の形状を示す図であり、図３は、図２に示す周
期構造体を測定するために仮定する仮想薄膜の形状を示
す図である。

【００１４】本実施の形態は、図１を参照すると、試料
を設置する試料台１と、偏光性の無い測定光を供給する
ハロゲンランプ等の測定用光源２と、試料に垂直に測定
光を入射させ、試料からの反射光を分光して測定する光
検出器３、光検出器３で測定されたデータを処理する計
算機４とから構成され、光検出器３で試料からの反射光
の反射光強度の波長依存性を測定して、計算機４で測定
された反射光の反射光強度の波長依存性を解析すること
で周期構造を測定する。さらに、測定する領域が狭い場
合には、対物レンズ５と、測定領域を観察するための光
学モニター６とを設ける。

【００１５】本実施の形態が測定の対象としている試料
は、図２に示すような、屈折率が周期的に変化する微細
周期構造パタンを有する周期構造体であり、屈折率ncお
よびneからなる媒質で構成され、それぞれの領域は、周
期ｄに対してｃおよびｅ（ｃ＋ｅ＝ｄ）である。

【００１６】計算機４による反射光強度の波長依存性か
ら周期構造体の構造を求める際の解析では、まず、図２
に示すような周期構造体を、図３に示すような仮想薄膜
として仮定し、次に測定した反射光強度の波長依存性か
ら仮想薄膜の層厚および屈折率を求めるが、このとき同
時に周期構造体の周期に依存する散乱の影響を併せて考
慮することにより、周期構造体の高さ、デューティ比、
および周期を決定する。

【００１７】まず図３に示した仮想薄膜の層厚および実
効屈折率を求める方法について詳細に説明する。図４
は、図１に示す光検出器で測定された反射光強度の波長
依存性の一例を示す図であり、図５は、図３に示す仮想
薄膜の層厚と実効屈折率とが変化した場合の反射光強度
の波長依存性の傾向を示す図である。

【００１８】光検出器３による測定結果、すなわち反射
光強度の波長依存性を示す反射スペクトルは、図４に示
すように、極大値および極小値を有しており、極大値お
よび極小値は、層厚と実効屈折率とにより決定される仮
想薄膜内での光路長に依存する。

【００１９】仮想薄膜の層厚（図３のｈ）が変化した場
合には、図５（a）に矢印で示すように、仮想薄膜の層
厚が増加する（厚くなる）に従って仮想薄膜内での光路
長が長くなるために、観察されるピーク位置が長波長側
にシフトする。

【００２０】また、仮想薄膜の層厚が一定のまま、実効
屈折率が変化した場合には、図５（b）に矢印で示すよ
うに、実効屈折率が増大することにより、観察されるピ
ーク位置が長波長側へシフトすると共に、極大値と極小
値との反射光強度の差も大きくなる。

【００２１】また、仮想薄膜の層厚と実効屈折率との積
が一定値となる状態で、実効屈折率が変化する場合に
は、図５（C）に矢印で示すように、実効屈折率の変化
に応じて極小値が変化する結果が得られ、図３に示した
屈折率の値としてn2＝√（n1・n3）のときに極小値は最
小値０となる。

【００２２】さらに、仮想薄膜における散乱に変化があ
った場合には、図５（d）に矢印で示すように、散乱が
増大することにより反射光強度が減少する結果となる。

【００２３】図５（a）から（d）に示した結果について
は、それぞれ、仮想薄膜の層厚、実効屈折率および散乱
光の割合を決定すれば、計算により求めることが可能で
ある。従って、実測した反射光強度（反射スペクトル）
に一致する計算結果が得られるように各パラメータ（仮
想薄膜の層厚、実効屈折率および散乱光の割合）を決定
することで仮想薄膜の層厚、実効屈折率および散乱光の
割合の値を求めることができる。すなわち、極値の波長
および極大値と極小値との反射光強度の差から、仮想薄
膜の層厚と実効屈折率とをそれぞれ独立に求めることが
でき、極大値の絶対値から散乱光の割合を求めることが
できることがわかる。

【００２４】次に周期構造体の高さおよびデューティ比
と仮想薄膜の層厚および実効屈折率との関係について詳
細に説明する。

【００２５】図２に示すような、屈折率が一方向に周期
的に変化する周期構造体を測定する場合、測定光の波長
に対して周期構造体の周期が小さいとき、周期構造体を
マクロ視することができる。すなわち、図３に示すよう
な、層厚が周期構造体の高さ(h)に等しく、実効屈折率
（n2）を有する薄膜として取り扱うことができる。特
に、測定用光源の波長が構造体周期よりも十分長い場合
には、反射特性が入射光の偏光に依存した複屈折性を有
することが知られており、周期構造体の周期方向に対し
て垂直な偏光に対しての実効屈折率Ｎ0と、平行な偏光
に対しての実効屈折率Ｎeとは次式で表される。

【００２６】

【数式１】

【００２７】ここで、周期構造体は、屈折率ncおよびne
からなる媒質で構成され、それぞれの領域は、周期ｄに
対してｃおよびｅ（ｃ＋ｅ＝ｄ）であるため、周期構造
体を構成する媒質の屈折率neおよびncが判っていれば、
実効屈折率からデューティ比（ｃ／ｄおよびｅ／ｄ）を
求めることができ、さらに周期ｄが判れば、周期構造体
の寸法（ｃおよびｅ）を求めることができる。

【００２８】次に測定に使用する入射光に偏光性が無い
（円偏光）場合について、測定する周期構造体のデュー
ティ比と実効屈折率との関係を計算で求める方法につい
て説明する。図６は、周期構造体であるレジストの回折
格子形状についてのデューティ比と実効屈折率との関係
を示す図である。

【００２９】図６には、一例として、周期構造体を構成
する媒質の屈折率がそれぞれn1=nc=１．０（空気）、ne
=１．５（レジスト）であるときの上述の式（１）およ
び（２）に従う計算例を示している。

【００３０】入射光に偏光性がない場合には、測定され
る反射特性は、各偏光成分（周期構造体の周期方向に対
して垂直な偏光に対しての実効屈折率Ｎ0、平行な偏光
に対しての実効屈折率Ne）を積分し、平均化した値を使
用すれば良く、図６に示している場合においては、周期
構造体のデューティ比に対して実効屈折率n2がほぼ直線
的に変化する関係となる。なお、半導体や誘電体の屈折
率については、一般に波長依存性を有するため、計算時
に考慮する必要がある。

【００３１】次に周期性構造体を測定する際の散乱光の
影響について説明する。図７は、本発明に係る周期構造
測定装置の実施の形態が測定する周期性構造体の形状例
を示す図であり、図８は、本発明に係る周期構造測定装
置の実施の形態が測定する周期性構造体であるレジスト
回折格子における回折格子周期と散乱光量との関係を示
す図である。

【００３２】実際に測定する周期構造体については、図
２に示されるような完全な矩形であることは少なく、図
７に示すように角が丸まった形状や台形形状であるた
め、生じる散乱光による反射光強度の低下の影響を考慮
する必要がある。

【００３３】図７（a）および（b）に示すように、周期
が異なり（d1＞d2）、高さ（ｈ）およびデューティ比
（c1／d1＝c2／d2＝ｍ）が等しい回折格子について反射
光強度を測定した場合には、周期が短くなるほど丸みを
帯びている領域の占める割合が高くなり、散乱による反
射光強度の低減が大きくなる。

【００３４】図８には、一例として、電子ビーム（EB：
Electron Beam）露光により形成した、高さ１５０nmの
レジスト回折格子についての回折格子周期と、測定光の
波長が４００nmのときの散乱光量との関係を示してい
る。レジスト回折格子については、散乱光の割合が単位
面積あたりのパタン数にほぼ比例するために、散乱光の
割合と回折格子周期との積がほぼ一定値になるような関
係を有している。従って、測定している周期構造パタン
の散乱による反射光強度の低減量を求めることで、周期
構造体の周期情報を得ることができる。なお、散乱につ
いては一般に波長が短くなるほど散乱する割合が多くな
るために、計算時に波長依存性を考慮する必要がある。

【００３５】以上のように、測定した反射光強度の波長
依存性を測定することにより、極値の波長と極大及び極
小値の反射光強度の差から、仮想薄膜の層厚と実効屈折
率とを独立に求めることができ、極大値の絶対値から散
乱光の割合を求めることができることがわかる。さら
に、仮想薄膜の層厚と周期構造体の高さとが同じである
ことから周期構造体の高さが決定され、周期構造体のデ
ューティ比が仮想薄膜の実効屈折率に依存することから
周期構造体のデューティ比が決定され、周期構造体の周
期が散乱光の割合に依存することを考慮した反射光強度
の波長依存性の解析により試周期構造体の周期を決定す
ることが可能になる。従って、測定した反射光強度の波
長依存性を測定することにより、周期構造体の高さ、デ
ューティ比および周期を決定することができる。

【００３６】次に本実施の形態の具体的な計算手順につ
いて図９を参照して詳細に説明する。図９は、本発明に
係る周期構造測定装置の実施の形態の計算手順を説明す
るためのフローチャートである。

【００３７】まず、周期構造体である試料を試料台１に
設置し、測定用光源２からの偏光性の無い測定光を試料
に入射し、試料からの反射スペクトルを光検出器３によ
り測定し（ステップ１）、測定した反射スペクトル（測
定値）を記憶しておく。

【００３８】次に、計算機４は、測定する周期構造体の
高さ、デューティ比および周期を任意の値に初期設定し
（ステップ２）、初期設定した周期構造体の高さ、デュ
ーティ比および周期に基づいて計算して反射スペクトル
の計算値を求める（ステップ３）。周期構造体の高さお
よびデューティ比から仮想薄膜の層厚および実効屈折率
を求め、周期構造体の周期から散乱光の割合を求め、仮
想薄膜が形成された基板についての反射率を計算により
求める。すなわち、仮想薄膜を形成した半導体基板に対
して任意の波長の測定光を入射した場合には、薄膜表面
での反射光と、薄膜と半導体基板との境界面での反射光
とに光路差に依存した位相差があるため、反射光として
観察される光は、それぞれの反射光が干渉したものとな
り、半導体、薄膜、および空気層のそれぞれの屈折率に
依存する薄膜内での多重反射と、パタンの形状に依存す
る散乱光による反射率低減を考慮した計算により、（仮
想）薄膜を形成した半導体基板の反射率を正確に求める
ことができ、さらに、入射光の波長を変化させた場合に
ついて同様の計算を実施することで、反射スペクトルの
計算値を求めることができる。

【００３９】次に、計算機４は、ステップ３で計算した
反射スペクトルの計算値と、ステップ１で測定した反射
スペクトルの測定値とを比較し、反射スペクトルの計算
値と測定値との偏差の２乗和を計算する（ステップ
４）。

【００４０】次に、計算機４は、反射スペクトルの計算
値と測定値との偏差の２乗和の値と、反射スペクトルの
計算値と測定値との偏差量とが予め定められた許容範囲
内であるか否かを判断し（ステップ５）、許容範囲内で
ない場合には、周期構造体の高さ、デューティ比および
周期の設定値を調整して（ステップ６）、調整した設定
値によりステップ３で再度反射スペクトルを計算する。
すなわち、計算機４は、反射スペクトルの計算値と測定
値との偏差の２乗和の値が最小になり、かつ反射スペク
トルの計算値と測定値との偏差量が十分に小さくなるよ
うに周期構造体の高さ、デューティ比および周期を順次
変化させて計算を繰り返す。

【００４１】計算機４は、反射スペクトルの計算値と測
定値との偏差の２乗和の値と、反射スペクトルの計算値
と測定値との偏差量とが予め定められた許容範囲内であ
ると判断した場合には、反射スペクトルの計算値を計算
するために設定した周期構造体の高さ、デューティ比お
よび周期を出力する（ステップ７）。

【００４２】なお、最初に仮定する、周期構造体の高
さ、デューティ比および周期として、周期構造体の作製
時にある程度予想される値、あるいは実測した反射光強
度の波長依存性の山谷ピーク位置および強度等から予想
される値を用いることで、上記の最小２乗近似は数秒以
下で計算することができる。

【００４３】次に、本発明の実施例として、半導体基板
上に形成したレジスト回折格子パタンの形状を測定する
方法について詳細に説明する。図１０は、本発明の実施
例で測定したレジスト回折格子の断面形状を示す電子顕
微鏡写真であり、図１１は、本発明の実施例で測定した
レジスト回折格子の反射スペクトルおよびパラメータフ
ィッティング結果（測定値に一致するように各々の値を
調整した計算結果）を示す図であり、図１２は、本発明
の実施例で測定したレジスト回折格子高さの測定結果を
示す図であり、図１３は、本発明の実施例で測定したレ
ジスト回折格子開口比の測定結果を示す図であり、図１
４は、本発明の実施例における半導体回折格子の断面形
状を示す図であり、図１５は、本発明の実施例における
レジストをマスクとして半導体をエッチングする際の断
面形状を示す図であり、図１６は、本発明の実施例にお
ける周期構造体を測定するための仮想多層薄膜を示す図
であり、図１７は、本発明の実施例における周期構造体
を測定する機能を有するエッチング装置の構成を示す図
であり、図１８は、本発明の実施例における孤立パタン
の形状評価を回折格子パタンの形状評価結果から推定す
る方法を説明するための説明図であり、図１９は、本発
明の実施例における孤立パタンと回折格子パタンの形状
の関係を示す図である。

【００４４】図１０は、本発明の実施例で測定に用いた
レジスト回折格子の断面SEM写真であり、ポジ型の電子
ビーム（ＥＢ）レジストを使用し、ＥＢ露光により１．
５５μm帯DFBレーザの回折格子となる２４０nm一定周期
のラインアンドスペースパタンを作成した。ＥＢ露光条
件を変化させることによりレジスト回折格子の高さとデ
ューティ比を意図的に変化させている。図１０に示され
るように、回折格子を構成するレジストの形状は角の丸
まった形状となっており、測定光を入射した場合には一
部の入射光が散乱されることが予想される。

【００４５】図１１は、図１０に示した高さおよびデュ
ーティ比が異なる、複数のレジスト回折格子パタンを測
定したときの反射光強度の波長依存性を示しており、測
定用光源２は、無偏光で波長約４００nmから８００nmの
ハロゲンランプとし、試料からの反射光を分光すること
で反射光強度の波長依存性を測定した。また、測定領域
は対物レンズを使用して約５μｍφとした。また、図１
１には、レジスト回折格子高さ、実効屈折率をパラメー
タとして、測定値に最小２乗フィッティングした曲線を
計算結果に合わせて示している。なお、図に示している
フィッティングでは、回折格子の周期が２４０nmと予め
判っているために、散乱光の割合を約１０％と固定して
計算した。図１１に示されるように、回折格子高さおよ
びデューティ比が異なるいずれの形状においても測定結
果のフィッティングが良好に行われている。

【００４６】図１２および図１３には、レジスト回折格
子の高さおよびデューティ比について、図１１に示した
フィッティング結果から得られた測定値とSEM観察によ
る実測値との関係を示している。レジスト回折格子高
さ、デューティ比ともSEM観察値にほぼ一致する値が得
られており、広い測定範囲にわたり測定可能であること
がわかる。最小２乗近似した直線に対する標準偏差とし
ては、図１２に示すレジスト高さについては１．９nm、
また、図１３に示すデューティ比については、レジスト
開口幅に換算すると２．０nmの値が得られ、測定精度と
して±５％以下が得られた。

【００４７】以上のように、偏光性の無い測定光を回折
格子パタンへ垂直に入射し、反射特性の波長依存性を、
層厚、実効屈折率、および散乱光を考慮して解析するこ
とにより、パタンの高さ、デューティ比、および周期を
数秒以下で精度良く測定することが可能となっている。

【００４８】なお、本実施例においては、回折格子の周
期が既知であったため、フィッティング時に変化させて
いないが、周期が未知の試料を測定する場合において
は、フィッティング時の偏差が最小になるよう散乱光の
割合についても変化させれば良い。

【００４９】上述実施例においては、反射光強度を測定
している波長を４００nmから８００nmとしているが、こ
れは測定しているレジスト回折格子の高さが約１００nm
から２００nmと比較的高く、図１１に示されるように、
前記波長領域において反射スペクトルのピークが観察さ
れるためである。特に回折格子の高さがより低く、反射
スペクトルのピーク数が少なくなるパタンを測定する場
合には、例えば図５に示されるように測定開始する波長
が短いほどピークが多数測定され精度が向上するため、
測定波長範囲を広くすることが有効である。測定波長が
２００nm以下の場合には散乱の影響が大きくなり十分な
反射強度が得られないこと、また、波長が８００nm以上
の場合については、測定精度があまり向上しないことか
ら、実用上は反射光強度測定波長範囲を２００nmから８
００nmとして測定することが有効である。

【００５０】本実施例では、半導体基板上に作製したレ
ジスト回折格子について測定したが、図１４に示すよう
な半導体基板にエッチングにより作製した回折格子パタ
ンについても同等の測定精度で評価をすることが可能で
ある。この場合においては、図２に示した回折格子構造
において、n1=nc=1（空気）とし、ne=n3＝3（半導体）
とすれば良い。

【００５１】また、図１５に示すような、レジストをマ
スクとして半導体をエッチングした回折格子パタンにつ
いては、図１６に示すように、回折格子により、レジス
トと空気、および半導体と空気からなる２種類の仮想薄
膜が形成されることを考慮することで、レジスト形状お
よび半導体エッチング形状をそれぞれ同様の精度で測定
できる。従って、図１７に示すような、マスクに形成さ
れたパタンを半導体基板に転写するためのエッチング液
を装填したエッチングセルと、半導体基板に対して測定
光を入射し、反射光を測定する周期構造測定装置からな
る構成において、エッチング状況をモニタリングしなが
ら目標の値になった時点でエッチングを停止することに
より、エッチング深さを精密に制御することが可能とな
る。

【００５２】また上記実施例では、周期構造パタンとし
て１方向に周期を有する回折格子パタンについて測定し
たが、２方向に周期を有する２次元周期構造についても
同様に測定可能である。この場合には測定光の偏光方向
に対するパタンの周期性と偏光方向に垂直な方向に対す
る周期性を合わせて取り扱うことで、上述の式（１）お
よび（２）に相当する関係を求めることができる。

【００５３】本発明では、光学顕微鏡やレーザ顕微鏡で
の測定が困難な微細な周期構造パタンの形状を測定する
ことが実現されるが、この方法を用いて孤立パタンの寸
法を精密に推定することも可能である。すなわち、同じ
試料上に同じ手法を用いて孤立パタンと周期構造パタン
を同時に作製し、予め両者の相関関係を調べておくこと
で、周期構造パタンの評価から孤立パタンの形状を測定
することができる。

【００５４】図１８は、半導体基板上塗布したネガレジ
ストへEB露光により同時に同条件で作製した孤立パタン
と回折格子パタンを示している。EB露光時には、電子線
の基板やレジストでの反射や散乱により、パタンの近接
した領域で相互に影響しあう近接効果が生じるために、
回折格子パタンが孤立パタンに比べてレジストパタン幅
が太くなる。従って、図１９に示すような予め測定した
回折格子パタンと孤立パタンとの関係から、回折格子パ
タンの形状を本発明により測定することで、従来光学的
な測定が不可能であった孤立パタンの形状を正確に推定
することが可能になる。

【００５５】図２０は、本発明に係る周期構造測定装置
の実施の形態がネットワーク接続された状態を示す図で
ある。図１においては試料の反射スペクトルを測定する
機能と測定した反射スペクトルを解析する計算機４と
が、光学的周期構造測定装置内に近接して設置されてい
る場合を示しているが、図２０に示されるように、周期
構造測定装置と計算機４とが離れた場所にあり、それら
がネットワークにより接続されている場合においても同
様に測定可能であり、さらに、データ解析した結果を計
算機４に接続されている他のエッチング装置、露光装
置、現像装置などのプロセス装置のプロセス条件へフィ
ードバックする場合においても同様に可能である。ま
た、それぞれの装置がネットワーク接続されておらず、
記録メディアを介してデータを受け渡し、離れた場所に
おいて測定および解析がそれぞれ実施される場合におい
ても同様に実施可能である。

【００５６】以上説明したように、本実施の形態によれ
ば、偏光性の無い測定光を微細周期構造パタンを有する
周期構造体に入射し、反射スペクトルの波長依存性を周
期構造体を仮定した仮想薄膜の層厚、実効屈折率および
散乱光を考慮して解析することにより、周期構造体の高
さ、デューティ比および周期を精度良く測定することが
でき、半導体の表面等に形成された周期構造体の形状を
容易かつ高精度で定量的に評価することができるという
効果を奏する。

【００５７】なお、本発明が上記各実施形態に限定され
ず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施形態は
適宜変更され得ることは明らかである。また、上記構成
部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定され
ず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にす
ることができる。なお、各図において、同一構成要素に
は同一符号を付している。

【００５８】

【発明の効果】本発明の周期構造測定装置および周期構
造測定方法は、偏光性の無い測定光を微細周期構造パタ
ンを有する周期構造体に入射し、反射スペクトルの波長
依存性を周期構造体を仮定した仮想薄膜の層厚、実効屈
折率および散乱光を考慮して解析することにより、周期
構造体の高さ、デューティ比および周期を精度良く測定
することができ、半導体の表面等に形成された周期構造
体の形状を容易かつ高精度で定量的に評価することがで
きるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る周期構造測定装置の実施の形態の
構成を示すブロック図である。

【図２】本発明に係る周期構造測定装置の実施の形態で
測定する周期構造体の形状を示す図である。

【図３】図２に示す周期構造体を測定するために仮定す
る仮想薄膜の形状を示す図である。

【図４】図１に示す光検出器で測定された反射光強度の
波長依存性の一例を示す図である。

【図５】図３に示す仮想薄膜の層厚と実効屈折率とが変
化した場合の反射光強度の波長依存性の傾向を示す図で
ある。

【図６】図２に示す周期構造体のデューティ比と図３に
示す仮想薄膜の実効屈折率との関係を示す図である。

【図７】本発明に係る周期構造測定装置の実施の形態が
測定する周期性構造体の形状例を示す図である。

【図８】本発明に係る周期構造測定装置の実施の形態が
測定する周期性構造体であるレジスト回折格子における
回折格子周期と散乱光量との関係を示す図である。

【図９】本発明に係る周期構造測定装置の実施の形態の
計算手順を説明するためのフローチャートである。

【図１０】本発明の実施例で測定したレジスト回折格子
の断面形状を示す電子顕微鏡写真である。

【図１１】本発明の実施例で測定したレジスト回折格子
の反射スペクトルおよびパラメータフィッティング結果
を示す図である。

【図１２】本発明の実施例で測定したレジスト回折格子
高さの測定結果を示す図である。

【図１３】本発明の実施例で測定したレジスト回折格子
開口比の測定結果を示す図である。

【図１４】本発明の実施例における半導体回折格子の断
面形状を示す図である。

【図１５】本発明の実施例におけるレジストをマスクと
して半導体をエッチングする際の断面形状を示す図であ
る。

【図１６】本発明の実施例における周期構造体を測定す
るための仮想多層薄膜を示す図である。

【図１７】本発明の実施例における周期構造体を測定す
る機能を有するエッチング装置の構成を示す図である。

【図１８】本発明の実施例における孤立パタンの形状評
価を回折格子パタンの形状評価結果から推定する方法を
説明するための説明図である。

【図１９】本発明の実施例における孤立パタンと回折格
子パタンの形状の関係を示す図である。

【図２０】本発明に係る周期構造測定装置の実施の形態
がネットワーク接続された状態を示す図である。

【符号の説明】

１ 試料台 ２ 測定用光源 ３ 光検出器 ４ 計算機 ５ 対物レンズ ６ 光学モニター

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周期構造体の表面に測定光を入射し、前
   記周期構造体からの反射光に基づいて形状を測定する周
   期構造測定装置であって、 偏光性がない測定光を前記周期構造体に対して垂直に入
   射する測定光入射手段と、 前記周期構造体からの反射光強度の波長依存性を測定す
   る光測定手段と、 該光測定手段により測定された反射光強度の波長依存性
   に基づいて前記周期構造体の高さ、デューティ比および
   周期の全てあるいはいずれかを算出する計算手段とを具
   備することを特徴とする周期構造測定装置。
2. 【請求項２】 前記計算手段は、前記周期構造体を仮想
   薄膜と仮定して前記周期構造体の高さおよびデューティ
   比の両者あるいはいずれかを算出させることを特徴とす
   る請求項１記載の周期構造測定装置。
3. 【請求項３】 前記計算手段は、前記周期構造体からの
   散乱による反射光強度の低下を考慮して前記周期構造体
   の周期を算出させることを特徴とする請求項１又は２記
   載の周期構造測定装置。
4. 【請求項４】 周期構造体の表面に測定光を入射し、前
   記周期構造体からの反射光に基づいて形状を測定する周
   期構造測定装置であって、 偏光性がない測定光を前記周期構造体に対して垂直に入
   射する測定光入射手段と、 前記周期構造体からの反射光強度の波長依存性である反
   射スペクトルを測定する光測定手段と、 前記周期構造体の高さ、デューティ比および周期を仮定
   して反射スペクトルを算出する反射スペクトル算出手段
   と、 前記反射スペクトル測定手段による測定値と前記反射ス
   ペクトル算出手段による計算値との偏差の２乗和を算出
   する偏差算出手段と、 該偏差算出手段により算出された値が予め定められた許
   容範囲内になったときの前記反射スペクトル算出手段で
   仮定した前記周期構造体の高さ、デューティ比および周
   期を出力する算出結果出力手段とを具備することを特徴
   とする周期構造測定装置。
5. 【請求項５】 前記光測定手段により測定する反射光強
   度の波長範囲が２００nmから８００nmの間であることを
   特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の周期構造
   測定装置。
6. 【請求項６】 周期構造体の表面に測定光を入射し、前
   記周期構造体からの反射光に基づいて形状を測定する周
   期構造測定方法であって、 偏光性がない測定光を前記周期構造体に対して垂直に入
   射し、 前記周期構造体からの反射光強度の波長依存性を測定
   し、 該測定した反射光強度の波長依存性に基づいて前記周期
   構造体の高さ、デューティ比および周期の全てあるいは
   いずれかを算出することを特徴とする周期構造測定方
   法。
7. 【請求項７】 前記周期構造体を仮想薄膜と仮定して前
   記周期構造体の高さおよびデューティ比の両者あるいは
   いずれかを算出することを特徴とする請求項６記載の周
   期構造測定方法。
8. 【請求項８】 前記周期構造体からの散乱による反射光
   強度の低下を考慮して前記周期構造体の周期を算出する
   ことを特徴とする請求項６又は７記載の周期構造測定方
   法。
9. 【請求項９】 周期構造体の表面に測定光を入射し、前
   記周期構造体からの反射光に基づいて形状を測定する周
   期構造測定方法であって、 偏光性がない測定光を前記周期構造体に対して垂直に入
   射し、 前記周期構造体からの反射光強度の波長依存性である反
   射スペクトルの測定値を測定し、 前記周期構造体の高さ、デューティ比および周期を仮定
   して反射スペクトルの計算値を算出し、 前記反射スペクトルの測定値と前記反射スペクトルの計
   算値との偏差の２乗和を算出し、 該算出した偏差の２乗和が予め定められた許容範囲内に
   なったときの前記反射スペクトルの計算値を算出する際
   に仮定した前記周期構造体の高さ、デューティ比および
   周期を出力することを特徴とする周期構造測定方法。
10. 【請求項１０】 測定する反射光強度の波長範囲が２０
    ０nmから８００nmの間であることを特徴とする請求項６
    乃至９のいずれかに記載の周期構造測定方法。
11. 【請求項１１】 コンピュータに請求項６乃至１０のい
    ずれかに記載の周期構造測定方法を実行させるためのプ
    ログラム。
12. 【請求項１２】 周期構造体を作製する周期構造体作製
    方法であって、 請求項６乃至１０のいずれかに記載の周期構造測定方法
    を用いて前記周期構造体を作製する微細構造エッチング
    プロセス時に周期構造の形状を測定する工程と、 測定結果に基づき微細構造エッチングプロセスを停止す
    る工程とを有することを特徴とする周期構造体作製方
    法。
13. 【請求項１３】 試料の表面に測定光を入射し、前記試
    料からの反射光に基づいて前記測定光の波長よりも短い
    寸法を有する孤立微細構造の形状を測定する孤立構造測
    定方法であって、 前記試料上に孤立微細構造と周期構造とを同時に作製す
    る工程と、 前記孤立微細構造と前記周期構造との形状の関係を予め
    求めておく工程と、 前記周期構造を光学的に測定することにより孤立パタン
    の寸法を測定する工程とを有することを特徴とする孤立
    構造測定方法。