JP2005140554A - 寸法測定方法、寸法測定装置および測定マーク - Google Patents

Abstract

【課題】 測定マークが１次元のライン・アンド・スペース以外のパターンで構成される場合でも、高精度でかつ迅速にその寸法を測定する。
【解決手段】 測定対象パターンと同一形状の孔パターンＨＰを測定方向に直交する方向に周期ＰＹで配置して孔パターン列ＨＸ１とし、この孔パターン列ＨＸ１を測定方向に間隔ＳＸで配置してマトリクスをなすように孔パターン列ＨＸ１〜ＨＸ４で構成された測定マークＭＫ２Ｘに、周期ＰＹを与える方向に直交する斜め方向から波長λの白色光を入射させ、その反射回折光の測定値から測定対象パターンの形状パラメータを算出する寸法測定において、ＰＹ≦ａλ（ａは約１／４の定数）が成立するように周期ＰＹと波長λとの値を調整する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、寸法測定方法、寸法測定装置および測定マークに関し、例えば半導体装置の製造工程中に形成されるパターンの形状パラメータのスキャッテロメトリ（scatterometry）を対象とする。

半導体装置の製造工程においてパターンの寸法を測定する技術として、従来は、一次元のライン・アンド・スペースのパターンが形成された測定マークを利用する技術に実質的に限定されており、ホールパターンなど、任意の形状のパターンに適用することができなかった。

従来の技術について図１３乃至図１７を参照しながら説明する。

図１３は、ライン・アンド・スペースの測定マークの一例を示し、同図（ａ）は平面図であり、同図（ｂ）は（ａ）の切断線Ｌ−Ｌに沿った断面図である。同図に示す測定マークＭＫ１００は、半導体ウェーハＷの上面に薄膜を成膜し、フォトリソグラフィおよびエッチング等を用いたプロセスを経てトレンチ溝ＴＧ１〜ＴＧ４が形成され、平面視において一次元のライン・アンド・スペースのパターンが形成されている。測定マークＭＫ１００において、各トレンチ溝ＴＧ１〜ＴＧ４は、それぞれ幅ＬＸ１〜ＬＸ４、段差ＤＸ１〜ＤＸ４で設けられているものとする。

図１４は、従来の技術による寸法測定装置の一例を示すブロック図である。同図に示す寸法測定装置１００は、光源１１０と、偏光子１１２と、ステージ１４０と、検光子１１４と、アレイ状の検出器１１６と、コンピュータ１１８と、メモリＭＲ１００とを備える。光源１１０は、白色光を発光する。ステージ１４０は、回転運動（ＲＶ方向）および並進運動（ＴＲ方向）によりウェーハＷを移動する。検出器１１６は分光器を含む。メモリＭＲ１００は、複数の記憶領域を有し、後述する測定波形図を格納するとともに、トレンチ溝ＴＧ１〜ＴＧ４の幅ＬＸ１〜ＬＸ４の平均値ＬＸaveの候補となるいくつかの値と、トレンチ溝ＴＧ１〜ＴＧ４の段差ＤＸ１〜ＤＸ４の平均値ＤＸaveの候補となるいくつかの値をも格納している。

図１４に示す寸法測定装置１００を用いた、従来の寸法測定方法の一例について説明する。

まず、ステージ１４０により、Ｒ方向の回転運動およびＴＲ方向の並進運動を組み合わせ、狙いの測定マークＭＫ１００に白色光が入射するようにウェーハＷを移動する。図１４に示す例では、ウェーハＷは、そのノッチＮＴが紙面下側を向くように移動されている。

次に、光源１１０により白色光を発光させ、偏光子１１２を介して入射光Ｌｉとし、測定マークＭＫ１００に入射角θで斜め方向から入射させる。測定マークＭＫ１００からは反射回折光Ｌｒが発生するので、検光子１１４を介して検出器１１６により、この反射回折光Ｌｒが検出され、検出信号がコンピュータ１１８に送られる。コンピュータ１１８は、この検出信号を処理し、図１５の破線ＭＬ１００に示すように横軸が波長λで縦軸が反射光強度Ｉのグラフに測定波形をプロットし、メモリＭＲ１００に記憶させる。コンピュータ１１８はまた、メモリＭＲ１００からライン・アンド・スペースのトレンチパターンの幅の平均値ＬＸaveの候補値と段差の平均値ＤＸaveの候補値とを引き出してこれらの値を、例えばＲＣＷＡのような所定の理論モデルに代入し、図１５に実線ＴＬ１００で代表的に示すように、横軸が波長λで縦軸が反射光強度Ｉのグラフに理論波形を重ねてプロットし、プロットした理論波形のうち、測定波形ＭＬ１００に最も近似する理論波形を特定し、この特定した理論波形を算出するときに入力した幅の平均値ＬＸaveの候補値および段差の平均値ＤＸaveの候補値を、測定値として出力する。

このように、従来の技術によれば、測定マークＭＫ１００を構成するようなライン・アンド・スペースのパターンを用いるため、これらのパターンから一次元のパターンの周期特性による回折光のみが生じ、ＲＣＷＡのような従来の理論モデルで迅速にパターン寸法を算出することができた。
特開平９−２０３６１５号公報 特開平９−２１８０１８号公報 特開２０００−３０４５０７号公報 特開平９−２３７８１２号公報 特開２００２−１１６０１１号公報 特許−３３６１１５３号公報

しかしながら、上述した従来技術では、ライン・アンド・スペース以外のパターンを測定マークに用いる場合には適用することができなかった。

例えば図１６に示す測定マークＭＫ１２０を構成する円柱状の孔パターンでは、測定する方向によって幅および段差の値が異なることがあり、これは、例えばＸ方向では幅ＬＨＸ１〜ＬＨＸ８、段差ＤＨＸ１〜ＤＨＸ８となり、例えばＹ方向では幅ＬＨＹ１〜ＬＨＹ８、段差ＤＨＹ１〜ＤＨＹ８となるように、Ｘ方向とＹ方向の双方、即ち、２次元の周期特性による回折光が生じるからである。このため、Ｘ方向の幅の平均値ＬＨＸａｖｅ、Ｘ方向の段差の平均値ＤＨＸａｖｅ，Ｙ方向の幅の平均値ＬＨＹａｖｅ、およびＹ方向の段差の平均値ＤＨＹａｖｅの各候補値をＲＣＷＡ法のような従来の理論モデルに入力しても理論モデルＴＬの候補波形を迅速に計算することができなかった。

また、限定された時間内で理論波形を計算しようとすると、図１７に示す理論波形ＴＬ１２０のように測定波形ＭＬ１２０から大きくかけ離れたものになり、その結果、測定精度が著しく悪化するという問題があった。

この一方、測定精度を高めるためには、２次元の理論モデルを使用しなければならず、この場合は、その計算のために１次元の理論モデルの２乗の測定ステップが必要となるので、実用性に欠けていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、１次元のライン・アンド・スペース以外のパターンに対しても、その形状パラメータ（幅、段差等）を高い精度で迅速かつ簡単に測定できる寸法測定方法および寸法測定装置、並びにこのような寸法測定に使用できる測定マークを提供することにある。

本発明は、以下の手段により上記課題の解決を図る。

即ち、本発明によれば、
試料に形成された測定対象パターンの測定対象である寸法を与える任意の測定方向に直交する方向に、上記測定対象パターンの少なくとも一部と同一形状の測定用パターンを所定の周期で配置して形成された測定用パターン列が上記測定方向に所定の間隔で繰り返し配置されてマトリクスをなすように上記試料に形成された測定マークに、上記測定用パターン列の方向に直交する方向から光を入射させる手順と、
上記測定マークからの反射回折光を検出してその強度を測定する手順と、
上記測定対象寸法の候補となる複数の候補値から反射回折光の強度の理論値を算出する手順と、
上記複数の候補値のうち、測定された反射回折光の強度に最も近似する理論値を与える上記候補値を上記測定対象寸法の測定値として出力する手順と、
を備え、
上記測定マークに入射する光の波長と上記周期との関係は、上記パターン列が連続したラインパターンであると仮定した場合に発生する反射回折光と実質的に同一の反射回折光が上記測定マークから発生するように調整される、
寸法測定方法が提供される。

また、本発明によれば、
光を発光させる光源と、
試料に形成された測定対象パターンの測定対象である寸法を与える任意の測定方向に直交する方向に、上記測定対象パターンの少なくとも一部と同一形状の測定用パターンを所定の周期で配置して形成された測定用パターン列が上記測定方向に所定の間隔で繰り返し配置されてマトリクスをなすように上記試料に形成された測定マークに、上記測定用パターン列の方向に直交する方向から上記光を入射させる偏光手段と、
上記測定マークからの反射回折光を検出してその強度を測定する検出手段と、
上記測定対象寸法の候補となる複数の候補値の入力を受けて上記測定マークからの反射回折光の強度の理論値を算出し、測定された反射回折光の強度に最も近似する理論値を与える上記候補値を上記測定対象寸法の測定値として出力する演算手段と、
上記パターン列が連続したラインパターンであると仮定した場合に発生する反射回折光と実質的に同一の反射回折光が上記測定マークから発生するように、上記周期との間で上記入射光の波長を調整する波長制御手段と、
を備える、寸法測定装置が提供される。

さらに、本発明によれば、
試料に形成された測定対象パターンの少なくとも一部と同一形状の測定用パターンを含むように上記試料に形成され、光の入射を受けて反射回折光を発生させ、この反射回折光を用いた測定対象パターンの寸法測定に用いられる測定マークであって、
上記測定用パターンは、測定対象である寸法を与える任意の測定方向に直交する方向に所定の周期で配置されて測定用パターン列をなし、この測定用パターン列が上記測定方向に所定の間隔で繰り返し配置され、
上記周期の値は、上記パターン列が連続したラインパターンであると仮定した場合に発生する反射回折光と実質的に同一の反射回折光が上記測定マークから発生するように、上記入射光の波長との間で調整される、
測定マークが提供される。

以上詳述したとおり、本発明は、以下の効果を奏する。

即ち、本発明によれば、１次元のライン・アンド・スペース以外のパターンで構成される測定マークについても、高精度でかつ迅速にその寸法を測定することができる。

また、本発明によれば、１次元のライン・アンド・スペース以外のパターンで構成される場合でも、高精度でかつ迅速な寸法測定を可能にする測定マークが提供される。

以下、本発明の実施の形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。

（１）第１の実施の形態
図１（ａ）は、本実施形態による測定マークの一部の平面図であり、同図（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。また、図２は、本実施形態による寸法測定装置の概略構成を示すブロック図である。

図１に示す測定マークＭＫ２Ｘは、半導体ウェーハＷの上に膜材料で薄膜を成膜し、孔パターンＨＰをマトリクス状に配置したものである。孔パターンＨＰは、まずＹ方向に周期ＰＹでライン状に孔パターン列ＨＸ１として配置され、この孔パターン列ＨＸ１が間隔ＳＸでＸ方向に繰り返し並ぶように配置されて４列の孔パターン列ＨＸ１〜ＨＸ４でなるマトリクスをなす。これらの孔パターンＨＰのＸ方向の幅はそれぞれＬＨＸ１,ＨＸ２、ＬＨＸ３，ＬＨＸ４，…であり、Ｘ方向の段差はそれぞれＤＨＸ１,ＤＨＸ２、ＤＨＸ３，ＬＨＸ４，…である。

Ｘ方向における孔パターン列２間の間隔ＳＸは、これらの孔パターンＨＰと例えば同時に形成された本来の評価対象であるデバイスパターンの間隔に合致するよう設定される。また、Ｙ方向の周期ＰＹは本実施形態における特徴点であり、図２に示す寸法測定装置１による入射光Ｌｉの波長λの１／４以下に設定される。

図２に示す寸法測定装置１は、光源１０と、偏光子１２と、ステージ２０と、検光子１４と、分光器を含むアレイ状の検出器１６と、コンピュータ１８と、メモリＭＲ２とを備える。光源１０は、波長λの白色光を発光する。ステージ２０は、図示しない駆動装置に駆動されて回転運動（ＲＶ）および並進運動（ＴＲ）によりウェーハＷを移動する。メモリＭＲ２は、コンピュータ１８により作成された測定波形図を格納するとともに、孔パターンＨＰのＸ方向の幅ＬＨＸ１,ＨＸ２、ＬＨＸ３，ＬＨＸ４，…の平均値ＬＨＸaveの候補となる複数の値と、孔パターンＨＰのＸ方向の段差ＤＨＸ１,ＤＨＸ２、ＤＨＸ３，ＬＨＸ４，…の平均値ＤＨＸaveの候補となる複数の値をも格納している。

次に、図１に示す測定マークＭＫ２Ｘと図２に示す寸法測定装置１とを用いた寸法測定方法について説明する。

まず、ステージ２０を用いて回転運動（ＲＶ）と並進運動（ＴＲ）により測定マークＭＫ２Ｘに白色光が入射するようにウェーハＷを移動する。図２に示す例では、ウェーハＷは、そのノッチＮＴが紙面下側を向くように移動されている。

次に、光源１０により波長λの白色光を発光させ、偏光子１２を介して入射光Ｌｉとし、測定マークＭＫ２Ｘに入射角θで斜め方向から入射させる。

ここで、前述したとおり、各孔パターン列ＨＸにおける孔パターンＨＰ間の周期ＰＹが入射光Ｌｉの波長λの１／４以下に設定されているので、孔パターンＨＰのＹ方向における周期特性は反射回折光Ｌｒにほとんど影響しない。即ち、本実施形態の測定マークＭＫ２Ｘにおいて、Ｙ方向における孔パターン列ＨＸの孔パターン同士は光学的に分離されず、Ｙ方向孔パターン列ＨＸは、光学上、実質的にラインパターンと同様に機能する。従って、測定マークＭＫ２Ｘからは、実質的に１次元のＸ方向の周期特性、即ち、幅ＬＨＸ１，ＬＨＸ２，ＬＨＸ３，ＬＨＸ４，…、段差ＤＨＸ１，ＤＨＸ２，ＤＨＸ３，ＤＨＸ４，…のラインパターンの反射回折光と実質的に同一の反射回折光Ｌｒが発生する。

この反射回折光Ｌｒを検光子１４を介して検出器１６が検出し、検出信号をコンピュータ１８に供給する。コンピュータ１８は、この検出信号を処理し、図３の破線に示すように、横軸が波長λで縦軸が反射光強度Ｉのグラフに測定波形ＭＬ２Ｘをプロットし、メモリＭＲ２に記憶させる。コンピュータ１８はまた、メモリＭＲ２から孔パターンＨＰのＸ方向の幅ＬＨＸ１,ＨＸ２、ＬＨＸ３，ＬＨＸ４，…の平均値ＬＨＸaveの複数の候補値とＸ方向の段差のＤＨＸ１,ＤＨＸ２、ＤＨＸ３，ＬＨＸ４，…の平均値ＤＨＸaveの複数の候補値とを引き出してこれらの値を、例えばＲＣＷＡの理論モデルに代入し、横軸が波長λで縦軸が反射光強度Ｉのグラフに理論波形を測定波形ＭＬ２Ｘに重ねてプロットし、プロットした理論波形のうち、図３に実線で示すように、測定波形ＭＬ２Ｘに最も近似する理論波形ＴＬ２Ｘを特定し、この特定した理論波形を算出するときに入力した幅および段差の平均値ＬＨＸave，ＤＨＸaveの候補値を測定値として出力する。

このように、本実施形態によれば、孔パターンＨＰのＸ方向の幅および段差の形状パラメータを測定する場合には、孔パターンＨＰをＹ方向に周期ＰＹで列をなすように配置し、かつ、この孔パターン列ＨＸが間隔ＳＸでＸ方向に繰り返し並ぶように配置して形成した測定マークＭＫ２Ｘを用い、さらに周期ＰＹを入射光の波長λの１／４以下の値に設定するので、光学上は上記マトリクス状の孔パターンＨＰが一次元のＸ方向のライン・アンド・スペースと同様に機能する。これにより、ＲＣＷＡ法のような従来の理論モデルでＸ方向の幅の平均値およびＸ方向の段差の平均値を簡単かつ迅速に算出でき、この結果、本来の評価対象パターンの寸法を高い精度でかつ迅速に測定することが可能になる。

以上の測定方法では、測定マークを構成する孔パターンＨＰの幅および段差をＸ方向において測定する場合について説明したが、これらの幅および段差をＹ方向において測定したい場合も、上記方法に準じて測定することができる。

即ち、図４に示すように、Ｘ方向に周期ＰＸで配置された孔パターンＨＰ２で構成される孔パターン列ＨＹ１がＹ方向に間隔ＳＹでＨＹ２,ＨＹ３，ＨＹ４，…と繰り返し配置された測定マークＭＫ２Ｙを予め測定対象のウェーハＷ上に形成しておく。ここで、測定しようとする各孔パターンのＹ方向の幅は、図４（ａ）に示すように、ＬＨＹ１,ＬＨＹ２、ＬＨＹ３，ＬＨＹ４，…であり、Ｙ方向の段差は、図４（ｂ）に示すように、ＤＨＹ１,ＤＨＹ２、ＤＨＹ３，ＤＨＹ４，…である。さらに、上述した測定マークＭＫ２Ｘと同様に、測定マークＭＫ２Ｙにおける孔パターンＨＰ２のＹ方向の間隔ＳＹは、本来の評価対象であるデバイスパターンの間隔に合致する距離であり、測定マークＭＫ２Ｙにおける孔パターンＨＰのＸ方向の周期ＰＸは入射光Ｌｉの波長λの１／４以下に設定される。

測定時においては、まず、各孔パターン列ＨＹのＹ方向の幅ＬＨＹ１,ＬＨＹ２、ＬＨＹ３，ＬＨＹ４，…の平均値ＬＨＹaveのいくつかの候補値および、各孔パターン列ＨＹのＹ方向の段差ＤＨＹ１,ＤＨＹ２、ＤＨＹ３，ＤＨＹ４，…の平均値ＤＨＹaveのいくつかの候補値を予めメモリＭＲ２に格納しておく。次に、孔パターン列ＨＹ１〜ＨＹ４が入射光Ｌｉの入射方向に対して所定の角度と位置関係になるようにウェーハＷと測定装置１の光学系との相対位置を調整する。図５に示す例では、ステージ２０の回転運動（ＲＶ）と並進運動（ＴＲ）により、ウェーハＷのノッチＮＴが紙面右側を向くようにウェーハＷを移動させることにより、上記相対関係を調整する。これにより、光源１０から発光した白色光は、各孔パターン列ＨＹ内で孔パターンＨＰを互いに結ぶ方向、即ち、周期ＰＸを与える方向に直交する方向から入射角θで測定マークＭＫ２Ｙに入射する。

その後は、上述した測定マークＭＫ２Ｘでの測定と同様に、測定マークＭＫ２Ｙからの反射光Ｌｒの反射回折光強度を測定してその測定波形ＭＬ２Ｙを求め、この一方、孔パターン列ＨＹのＹ方向の幅の平均値ＬＨＹaveのいくつかの候補値および、孔パターン列ＨＹのＹ方向の段差の平均値ＤＨＹaveのいくつかの候補値から、例えば従来のＲＣＷＡ法の理論モデルを用いて理論波形のいくつかの候補を算出し、例えば図６に示すように、候補の理論波形のうちで最も測定波形ＭＬ２Ｙに近似する理論波形ＴＬ２Ｙを特定し、この理論波形ＴＬ２Ｙを与える平均値ＬＨＹave，ＤＨＹaveの候補値を測定値として出力する。

このように、本実施形態によれば、孔パターンＨＰのＹ方向の幅および段差の形状パラメータを測定する場合、孔パターンＨＰをＸ方向に周期ＰＸで列をなすように配置し、かつ、この孔パターン列ＨＹが間隔ＳＹでＹ方向に繰り返し並ぶように配置して形成した測定マークＭＫ２Ｙを用い、さらに周期ＰＸを入射光の波長λの１／４以下の値に設定するので、光学上は上記マトリクス状の孔パターンが一次元のＹ方向のライン・アンド・スペースと同様に機能する。これにより、ＲＣＷＡ法のような従来の理論モデルでＹ方向の幅の平均値およびＹ方向の段差の平均値を簡単かつ迅速に算出でき、この結果、本来の評価対象パターンの寸法を高い精度でかつ迅速に測定することが可能になる。

（２）第２の実施の形態
次に、本発明の第２の実施の形態について図７および図８を参照しながら説明する。

図７は、本実施形態の測定マークの概略構成の説明図であり、図８は、図７に示す測定マークを用いた寸法測定方法の説明図である。

まず、図７に示すように、本実施形態において、測定マークＭＫＰ１，ＭＫＰ２，…，ＭＫＰｎは、任意の測定方向Ｒ１，Ｒ２，…，Ｒｎに対応して半導体ウェーハＷの周辺領域に設けられる。図７に示す例において、測定方向Ｒ１，Ｒ２，…，Ｒｎは、ウェーハＷの径方向に合致する。各測定マークＭＫＰ１，ＭＫＰ２，…，ＭＫＰｎは、各測定方向Ｒ１，Ｒ２，…，Ｒｎにそれぞれ直交する方向Ｔ１，Ｔ２，…，Ｔｎに周期ＰＴ１，ＰＴ２，…，ＰＴｎでそれぞれ配置された孔パターンＨＰがそれぞれの孔パターン列を構成し、これらの孔パターン列はそれぞれＲ１，Ｒ２，…，Ｒｎ方向に間隔ＳＲ１，ＳＲ２，…，ＳＲｎでそれぞれ繰り返し配置されることにより、測定マークＭＫＰ１，ＭＫＰ２，…，ＭＫＰｎをそれぞれ構成する。上述した第１の実施の形態と同様に、各測定マークの孔パターン列内のパターン周期ＰＴ１，ＰＴ２，…，ＰＴｎは、入射光の波長λの１／４以下の値にそれぞれ設定され、また、各測定マークにおける孔パターン列間の間隔ＳＲ１，ＳＲ２，…，ＳＲｎは、評価対象であるデバイスパターンの間隔に合致するようそれぞれ設定される。従って、光学的見地から見るといずれの測定マークについても孔パターン列はライン・アンド・スペースの各ラインパターンとみなすことができる。

図７に示す測定マークＭＫＰ１，ＭＫＰ２，…，ＭＫＰｎを用いた寸法測定方法は、以下の通りである。

まず、寸法測定装置１（図８参照）のメモリＭＲ２に、各測定マーク毎に形状パラメータの候補値を予め格納しておく。例えば、測定マークＭＫＰ２であれば、測定方向Ｒ２における孔パターンＨＰの幅ＬＨＲ２１〜ＬＨＲ２４および段差ＤＨＲ２１〜ＤＨＲ２４（図示せず）の各平均値ＬＨＲ２aveおよびＤＨＲ２aveに対する候補値をいくつか格納しておく。

測定に際しては、例えばここで測定マークＭＫＰ２を取り上げると、（Ｔ２方向の）孔パターン列ＨＲ２１〜ＨＲ２４が入射光Ｌｉの入射方向に対して所定の角度と位置関係になるようにウェーハＷと測定装置１の光学系との相対位置を調整する。図８に示す例では、ステージ２０の回転運動（ＲＶ）と並進運動（ＴＲ）により、ウェーハＷのノッチＮＴが紙面右下側を向くようにウェーハＷを移動させることにより、上記相対関係を調整する。これにより、光源１０から発光した白色光は、例えば孔パターン群ＨＲ２１内の孔パターンＨＰを互いに結ぶ方向、即ち、周期ＰＴ２を与える方向に直交する方向から入射角θで測定マークＭＫＰ２に入射する。

その後は、上述した測定マークＭＫ２Ｘ，ＭＫ２Ｙでの各測定と同様に、測定マークＭＫＰ２からの反射光Ｌｒの反射回折光強度を測定してその測定波形を求め、この一方、孔パターン列ＨＲ２１〜ＨＲ２４のＲ２方向の幅の平均値ＬＨＲ２aveのいくつかの候補値および、孔パターン列ＨＲ２１〜ＨＲ２４のＲ２方向の段差の平均値ＤＨＲ２aveのいくつかの候補値から、例えば従来のＲＣＷＡ法の理論モデルを用いて理論波形のいくつかの候補を算出し、算出した候補理論波形のうちで測定波形に最も近似する理論波形を特定し、この特定した理論波形を与える平均値ＬＨＲ２ave，ＤＨＲ２aveの候補値を測定値として出力する。

その他の測定マークについても、上述した測定マークＭＫＰ２に準じて測定すれば良い。

このように、本実施形態によれば、任意の測定方向Ｒ１，Ｒ２，…，Ｒｎに対応する方向に形成された測定マークＭＫＰ１，ＭＫＰ２，…，ＭＫＰｎを半導体ウェーハＷ上に設けるので、評価対象のデバイスパターンの配置方向に対応する測定マークを選択することにより、その形状パラメータを迅速かつ高精度で測定することができる。

（３）第３の実施の形態
次に、本発明の第３の実施の形態について図９〜図１１を参照しながら説明する。上述した実施形態では、円柱状の孔パターンＨＰを測定する場合について説明したが、本発明はこれらの形状に限ることなく、任意の形状のパターンに適用することができる。

図９は、評価対象のデバイスパターンの一例を示す平面図である。同図に示すパターンＰｍｋは、３つのパターンＰ２，Ｐ４およびＰ６を連ねて配置したものである。このような形状の評価対象パターンに対して、パターンＰ２の短手方向の幅ＨＳ１を測定したい場合は、図１０に示すように、幅ＨＳ１のパターンＰ２を、幅ＨＳ１を与える方向に直交する方向に入射光の波長λの１／４以下の周期Ｐｈｓ１で配置したパターン列を幅ＨＳ１の方向に繰り返し配置して構成した測定マークを準備すればよい。

また、図９に示すパターンＰｍｋにおいて、幅ＨＳ１と平行な方向における最大幅ＨＳ２を測定したい場合には、図１１の平面図に示すように、パターンＰｍｋを幅ＨＳ２を与える方向に直交する方向に入射光の波長λの１／４以下の周期Ｐｈｓ２で配置してパターン列とし、このパターン列を幅ＨＳ２の方向に繰り返し配置して構成した測定マークを準備すればよい。

図１０および図１１のいずれの測定マークについても、上述した第１および第２の実施の形態で用いた測定方法を適用できるので、従来の理論モデルで理論波形の候補を簡単に算出することができる。これにより、任意の形状のパターンについても、迅速かつ高精度でその寸法を測定することが可能になる。

（４）第４の実施の形態
上述した実施形態では、測定マークに対して斜め方向から光を入射させるエリプソ配置の光学系を用いてパターン寸法を測定する形態について説明した。しかしながら、本発明はこれらの形態に限ることなく垂直入射の分光反射光学系を用いる場合にも適用可能である。このような分光反射光学系を用いてパターン寸法を測定する形態について図１２を参照しながら説明する。

図１２は、垂直入射の分光反射光学系を備える寸法測定装置の実施の一形態のブロック図である。同図に示す寸法測定装置３は、光源３０と、偏光子３２と、偏光子回転駆動機構４２と、ハーフミラーＨＭと、駆動装置（図示せず）に駆動されるステージ４０と、検光子３４と、検光子回転駆動機構４４と、分光器を含むアレイ状の検出器３６と、コンピュータ３８と、メモリＭＲ４とを備える。光源１０は、波長λの白色光を発光する。ハーフミラーＨＭは、偏光子３２を通過した白色光を反射させて測定マークに垂直に（θ＝０）入射させる。この一方、ハーフミラーＨＭは測定マークからの反射回折光をそのまま通過させて検光子３４を介して検出器３６に検出させる。偏光子回転駆動機構４２は、光源３０からハーフミラーＨＭに至る光路を中心軸として偏光子３２を回転運動により回転させ、これにより、測定マークのパターン列と平行または垂直な電場が測定対象上に形成されるように、一次光学系と測定対象との相対的位置関係を調整する。この調整は、偏光子３２の回転に限ることなく、検光子回転駆動機構４４により反射回折光の光路を中心軸として検光子３４を回転させることによっても実現可能である。メモリＭＲ４は、前述したメモリＭＲ２と同様に、コンピュータ３８により作成された測定波形図を格納するとともに、測定マークを構成するパターンの所望の測定方向における形状パラメータの候補値をも格納する。

図１２に示す寸法測定装置３を用いた寸法測定方法は、上述した実施形態と実質的に同一であるため、その説明は省略する。

図１２に示すような垂直入射の分光反射光学系を備える寸法測定装置を用いても、測定方向に直交する方向の周期が入射光λの１／４以下であるパターン列を測定方向に繰り返し配置した測定マークを使用すれば、従来の理論モデルで理論波形の候補を簡単かつ迅速に算出することができる。これにより、評価対象のデバイスパターンの形状パラメータを高い精度でかつ迅速に測定することが可能になる。

（５）半導体装置の製造方法
上述した寸法測定方法を半導体装置の製造工程に用いることにより、評価対象パターンの寸法を高い精度でかつ迅速に測定できるので、高い歩留まりで半導体装置を製造することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記形態に限ることなく、その技術的範囲内で種々変形して適用することができる。例えば、第１および第２の実施形態ではステージの回転運動および並進運動によりウェーハＷを移動することにより、測定装置の光学系と測定マークとの相対的位置関係を調整したが、この態様に限ることなく、第４の実施形態と同様に、発光から入射までの一次光学系および反射回折光の発生からその検出までの二次光学系のうちの少なくともいずれかを回転させることにより、上記相対的位置関係を調整しても良い。また、上述した実施形態では、測定マークのパターン列と平行または垂直な電場が測定対象上に形成されるように、上記相対的位置関係を調整することとしたが、入射光の電場面とパターン列との角度はこれら平行および垂直な場合に限るものでなく、本願発明は分光エリプソメトリで適用される寸法測定にも適用可能である。この場合は、例えば所定の範囲の角度ψａ〜ψｂを設定し、電場面がパターン列との間でこの角度ψａ〜ψｂをなすように入射光をパターン列に順次照射し、それぞれの反射回折光強度Ｉａ〜Ｉｂを測定し、得られた反射回折光強度Ｉａ〜Ｉｂから、パターン列に対して平行および垂直に入射光を照射した場合の反射回折光の位相差Δおよび振幅比Φを検出すればよい。さらに、上述した実施形態では波長選択手段として分光器を用いる場合を取り上げたが、これに限ることなく、分光器に代えて例えば波長フィルタを用いても良い。

（ａ）は、本発明の第１の実施の形態による測定マークの一部の平面図であり、同図（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本発明の第１の実施の形態による寸法測定装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態による寸法測定方法により得られた測定波形および理論波形 の一例を示すグラフである。 （ａ）は、本発明の第１の実施の形態による測定マークの他の一部の平面図であり、同図（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 図４に示す測定マークと入射光の入射方向との位置関係の調整方法を示すブロック図である。 図４に示す測定マークと図２に示す寸法測定装置により得られた測定波形および理論波形の一例を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態による測定マークの概略構成の説明図である。 図７に示す測定マークを用いた寸法測定方法の説明図である。 評価対象のデバイスパターンの一例を示す平面図である。 任意の形状のパターンで構成される測定マークの一例を示す平面図である。 任意の形状のパターンで構成される測定マークの他の一例を示す平面図である。 本発明の第４の実施の形態による寸法測定装置の概略構成を示すブロック図である。 従来の技術による測定マークの一例を示す図である。 従来の技術による寸法測定装置の一例を示すブロック図である。 従来の技術による寸法測定方法の一例を説明する波形図である （ａ）は、円柱状の孔パターンで構成される測定マークの一例の平面図であり、同図（ｂ）は、（ａ）のＭ−Ｍ線に沿った断面図であり、同図（ｃ）は（ａ）のＮ−Ｎ線に沿った断面図である。 従来の技術による寸法測定方法の問題点を説明する波形図である。

符号の説明

１，３ 寸法測定装置
１０，３０ 光源
１２，３２ 偏光子
１４，３４ 検光子
１６，３６ 検出器
１８，３８ コンピュータ
２０，４０ ステージ
４２ 偏光子回転駆動機構
４４ 検光子回転駆動機構
ＨＰ 孔パターン
ＨＸ１〜ＨＸ４，ＨＹ１〜ＨＹ４，ＨＲ２１〜ＨＲ２４ 孔パターン列
Ｌｉ 入射光
Ｌｒ 反射回折光
ＮＴ ノッチ
ＭＫ２Ｘ，ＭＫ２Ｙ，ＭＫＰ１〜ＭＫＰ４ 測定マーク
ＭＲ２，ＭＲ４ メモリ
ＰＸ Ｘ方向の孔パターン列の周期
ＰＹ Ｙ方向の孔パターン列の周期
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，…，Ｒｎ 測定方向（評価対象であるデバイスパターンの間隔を与える方向）
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，…，Ｔｎ 測定方向に直交する方向
ＳＸ 孔パターン列のＸ方向における間隔
ＳＹ 孔パターン列のＹ方向における間隔
Ｗ ウェーハ

Claims (7)

1. 試料に形成された測定対象パターンの測定対象である寸法を与える任意の測定方向に直交する方向に、前記測定対象パターンの少なくとも一部と同一形状の測定用パターンを所定の周期で配置して形成された測定用パターン列が前記測定方向に所定の間隔で繰り返し配置されてマトリクスをなすように前記試料に形成された測定マークに、前記測定用パターン列の方向に直交する方向から光を入射させる手順と、
   前記測定マークからの反射回折光を検出してその強度を測定する手順と、
   前記測定対象寸法の候補となる複数の候補値から反射回折光の強度の理論値を算出する手順と、
   前記複数の候補値のうち、測定された反射回折光の強度に最も近似する理論値を与える前記候補値を前記測定対象寸法の測定値として出力する手順と、
   を備え、
   前記測定マークに入射する光の波長と前記周期との関係は、前記パターン列が連続したラインパターンであると仮定した場合に発生する反射回折光と実質的に同一の反射回折光が前記測定マークから発生するように調整される、
   寸法測定方法。
2. 前記入射光の波長をλとし、前記周期をＰとすると、これらの間には関係式
   Ｐ≦ａλ （ａは約１／４の定数）
   が成り立つことを特徴とする請求項１に記載の寸法測定方法。
3. 前記周期をＰとし、前記入射光の波長をλとすると、関係式
   Ｐ≦ａλ （ａは約１／４の定数）
   が成り立つように、波長λの値が選択されることを特徴とする請求項１に記載の寸法測定方法。
4. 光を発光させる光源と、
   試料に形成された測定対象パターンの測定対象である寸法を与える任意の測定方向に直交する方向に、前記測定対象パターンの少なくとも一部と同一形状の測定用パターンを所定の周期で配置して形成された測定用パターン列が前記測定方向に所定の間隔で繰り返し配置されてマトリクスをなすように前記試料に形成された測定マークに、前記測定用パターン列の方向に直交する方向から前記光を入射させる偏光手段と、
   前記測定マークからの反射回折光を検出してその強度を測定する検出手段と、
   前記測定対象寸法の候補となる複数の候補値の入力を受けて前記測定マークからの反射回折光の強度の理論値を算出し、測定された反射回折光の強度に最も近似する理論値を与える前記候補値を前記測定対象寸法の測定値として出力する演算手段と、
   前記パターン列が連続したラインパターンであると仮定した場合に発生する反射回折光と実質的に同一の反射回折光が前記測定マークから発生するように、前記周期との間で前記入射光の波長を調整する波長制御手段と、
   を備える、寸法測定装置。
5. 前記入射光の電場面が前記測定用パターン列の方向との間で所定の角度をなすことにより、前記測定マークから一次元の反射回折光が得られるように、前記偏光手段および前記検出手段の少なくとも一つと前記測定マークとの相対的位置関係を調整する位置調整手段をさらに備える、ことを特徴とする請求項４に記載の寸法測定装置。
6. 試料に形成された測定対象パターンの少なくとも一部と同一形状の測定用パターンを含むように前記試料に形成され、光の入射を受けて反射回折光を発生させ、この反射回折光を用いた測定対象パターンの寸法測定に用いられる測定マークであって、
   前記測定用パターンは、測定対象である寸法を与える任意の測定方向に直交する方向に所定の周期で配置されて測定用パターン列をなし、この測定用パターン列が前記測定方向に所定の間隔で繰り返し配置され、
   前記周期の値は、前記パターン列が連続したラインパターンであると仮定した場合に発生する反射回折光と実質的に同一の反射回折光が前記測定マークから発生するように、前記入射光の波長との間で調整される、
   測定マーク。
7. 前記入射光の波長をλとし、前記周期の値をＰとすると、関係式
   Ｐ≦ａλ （ａは約１／４の定数）
   が成り立つように、周期Ｐの値が選択されることを特徴とする請求項６に記載の測定マーク。

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