JP2005321414A - 測定方法、測定装置および品質管理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 エリプソメトリを使い、ウェハ上に形成されたパターンの横方向への寸法を、非接触かつ非破壊に、しかも高速に求める加工物寸法測定工程を含み、求められた寸法にもとづいて半導体装置の製造プロセスを制御する。
【解決手段】 ウェハ上に形成された、寸法が確認されている較正パターンについて、偏光状態パラメータを求めてデータベースを作成し、測定試料の偏光パラメータにもとづいてデータベースを検索し、寸法を求める。
【選択図】 図２

Description

本発明は、一般に半導体装置の製造に関し、特に加工物寸法測定工程を含む半導体装置の製造方法、およびかかる加工物寸法測定工程を含む半導体装置の品質管理方法に関する。

半導体装置の製造ラインでは、ウェハ上に形成された加工物、例えばゲートパターンの寸法を、非接触かつ非破壊で高速に測定することが要求される。また、このような、測定結果を製造ラインに迅速にフィードバックして、製造パラメータを調整することが望ましい。特に、ゲート長寸法は、半導体装置のしきい値特性に影響するため、その精密な制御が要求されている。

従来は、ゲートパターン等の構造物を形成されたウェハを、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で一つ一つ走査し、その寸法を測定していた。 また、ゲートパターンを形成されたウェハ上にブリッジ回路を同時に形成し、かかるブリッジ回路に電流を流すことによりゲートパターンの寸法を測定する方法も行われている。
Blayo, N., et al., "Ultraviolet-visible ellipsometry for process control during the etching of submicrometer features," J. Opt. Soc. Am. A, vol.12, no.3, 1995, pp.591-599

しかし、ＳＥＭを使う方法では、製造ラインを流れるウェハを一つ一つＳＥＭの真空室に搬送する必要があるため、全数検査を行うことは不可能で、また抜取り検査を行った場合にも、半導体装置の製造スループットが低下してしまう問題が避けられない。また、最近の高集積化半導体装置のように、ゲート長等の加工寸法が０．１μｍ程度になると、ＳＥＭの電子ビーム径の影響により、１０ｎｍ程度の測定誤差が生じてしまい、測定結果の精度および再現性の点で問題を生じる。

一方、抵抗測定法では、ＳＥＭを使った場合に生じる測定結果の精度および再現性の問題は解消するものの、ウェハ製造工程を最後まで流さないと結果が得られないため、その場ですぐに製造工程をフィードバック制御することができない問題点が生じる。

一方、従来より、エリプソメトリの技術が、半導体装置の製造工程において、半導体膜や絶縁膜の膜厚測定に使われている。例えば、エッチング工程において、ラインアンドスペースパターンを形成する際のエッチング制御にもエリプソメトリは使われている（Blayo, N., et al., "Ultraviolet-visible ellipsometry for process control during the etching of submicrometer features," J. Opt. Soc. Am. A, vol.12, no.3, 1995, pp.591-599) 。

図２２（Ａ），（Ｂ）は従来のエリプソメトリで使われるエリプソメータの構成を示す。このうち、図２２（Ａ）に示すものは、回転消光型と称するタイプの装置、また図２２（Ｂ）に示すものは、消光型と称するタイプの装置である。

図２２（Ａ）を参照するに、光源１から出射した光は偏光子２により、所定の偏光面を有する直線偏光に変換され、測定したい膜が形成されている試料３に入射する。試料３で反射した光は、一般に偏光状態が、図２３に示すように偏光面の回転角φと楕円偏平率ａ_ｍｉｎ ／ａ_ｍａｘ ＝ｔａｎψで特徴づけられる楕円偏光に変化し、回転検光子４を通過した後、検出器５で検出される。この装置では、偏光状態は、回転検光子４を回転させながら検出器５により入射光の強度を測定することにより求められる。また、この構成の装置においては、回転検光子４と試料３との間に１／４波長板４ａを挿入することもある。

図２２（Ｂ）の装置では、回転検光子４と試料３との間に回転１／４波長板４ｂが挿入され、試料３で反射した楕円偏光をいったん直線偏光に変換する。この状態で回転検光子４を回転させ、検出器５に到達する光が消光する消光角を求める。

先にも説明したように、これらのエリプソメータは、半導体装置の製造工程において、膜厚の測定に広範囲に使われているが、試料３上に形成された構造物を通過した光ビームの偏光状態は、かかる構造物の横方向への寸法の情報を含んでいると考えられる。しかし、従来、エリプソメータにより、試料３上に形成されたラインアンドスペースパターン等の加工物の、横方向への寸法を測定する思想は提案されていなかった。

そこで、本発明は、上記の課題を解決した、新規で有用な加工物寸法の測定方法およびかかる加工物寸法の測定方法を使った半導体装置の製造方法を提供することを概括的目的とする。

本発明のより具体的な目的は、エリプソメトリの技術を使い、基板ウェハ上に形成された構造物の寸法を、高い精度で、迅速に、しかも非破壊で測定する加工物寸法の測定方法、およびかかる加工物寸法の測定方法を使った半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明は、上記の課題を、
請求項１に記載したように、
基板上に形成された構造物の寸法を測定する測定方法において、
入射光ビームを複数の光線に分解する分解工程と、
前記構造物に前記複数の光線を入射させる入射工程と、
前記入射光ビームが入射した前記構造物から出射する複数の出射光ビームの偏光成分及び強度を計算し積分する測定工程と、
前記積分された偏光成分及び強度に基づいて、前記構造物の前記基板表面に平行な方向への寸法に関する情報を求める評価工程と
を含むことを特徴とする測定方法により、または
請求項２に記載したように、
前記評価工程は、前記偏光状態と構造物の寸法に関する情報との間の関係を含むデータベースを参照することにより実行されることを特徴とする請求項１記載の測定方法により、解決する。

本発明によれば、半導体装置の製造工程において、ウェハ上に形成されたパターンの寸法を、非接触かつ非破壊で高速に測定することが可能になり、さらに測定結果を製造プロセスにフィードバックすることが可能になる。

また本発明によれば、求められた楕円偏光パラメータをもとに、実験に基づいて構築されたデータベースを参照することにより、複雑な理論計算をすることなく、容易にパターン寸法を求めることが可能になる。

さらに本発明によれば、エリプソメータを使うことにより、偏光状態を簡単に求めることができる。

さらに本発明よれば、さらに入射光ビームの入射角を変化させて測定を行うことにより、パターン寸法のみならず、パターン側壁が基板表面に対してなす角度をも求めることが可能である。

さらに本発明によれば、前記構造物から反射される強力な反射光を使うことにより、反射光ビームの偏光状態を安定して、再現性良く求めることが可能である。

さらに発明の特徴によれば、前記構造物から回折される回折光を使うことにより、比較的粗なパターンであっても、測定結果に対する下地層の影響を最小化することが可能になる。

さらに本発明の特徴によれば、前記構造物から散乱される散乱光を使うことにより、比較的粗なパターンであっても、測定結果に対する下地層の影響を最小化することが可能になる。

さらに本発明によれば、構造物の幅あるいは断面形状を、非破壊、非接触により求めることが可能になる。

さらに本発明によれば、入射光ビームを断続し、照射状態と遮断状態の各々について偏光状態を測定することにより、散乱光のような弱い出射光を使う場合にも、高精度な測定が可能になる。

図１は、本発明の原理を説明する。

図１を参照するに、本発明では、エリプソメトリを使い、基板１０上に形成されたパターン１１に入射した光ビームの偏光状態を検出することにより、パターン１１の横方向への幅Ｗを求める。

入射光ビームはパターン１１に入射角θで入射し、互いに直交する振動電界成分Ｅ_ｐ とＥ_ｓ が、偏光角φの直線偏光を形成する。かかる入射光ビームは、パターン１１の一の側から他の側に通過するが、その際各振動成分で基板１０との境界あるいは空気との境界における屈折率と反射率が異なることと、パターン内部を通過する際に生じる位相おくれのために、パターン通過後の振動成分Ｅ_ｐ ’，Ｅ_ｓ ’は楕円偏光を形成する。

図２は、図１の一部を拡大して詳細に示す。

図２を参照するに、パターン１１はパターン要素１１ａ，１１ｂよりなり、パターン要素１１ａには直線偏光状態の入射光ビームを構成する光線ａ〜ｃが入射し、屈折・反射された後楕円偏光となって出射する。

例えば、図２のパターンに、斜めから４５°の単色直線偏光ビームを角度Θで入射させると、ｓ偏光成分とｐ偏光成分の、表面および下地との境界での反射率の違い、およびパターン中を通過する際に生じる位相差のために、反射光は楕円偏光となる。このような場合、基板屈折率、パターン屈折率、パターン形状および入射角で決まる複素反射係数比Ｒ_ｐ ／Ｒ_ｓ を、エリプソメータにより求めることができるが、複素反射係数比Ｒ_ｐ ／Ｒ_ｓ と、エリプソメータで得られるΨとΔの関係は、次式により与えられる。

ただし、パラメータΨは図２３に説明したように、ｔａｎΨ＝ρ_ｐ ／ρ_ｓ で与えられ、またパラメータΔは位相差を表し、エリプソメトリにより測定される量である。また、パラメータΨおよびΔは、先に説明した偏光角φおよび楕円の偏平率と対応関係により結ばれている。さらに、式（１）において、総和Σはパターン１１を通過する全ての光線についてなされる。

換言すると、基板１０の屈折率（誘電率）とパターン１１の屈折率（誘電率）とが規定され、入射光ビームの入射角が規定されている場合、エリプソメトリにより成分Ｅ_ｐ ’，Ｅ_ｓ ’よりなる出射光ビームの楕円偏光状態を求めることにより、パラメータΨ，Δが求められる。

図２よりわかるように、出射光ビームはパターン１１を通過する際に、各パターン要素１１ａ，１１ｂの寸法、特に横方向の寸法Ｗに関する情報を、位相の変化として取り込んでおり、従って、出射光ビームの偏光状態から求められたΨ，Δを基に、前記寸法Ｗを推定することが可能である。本発明の一実施例では、あらかじめ、例えばＳＥＭ等により形状・寸法を把握した種々のパターンについて、パラメータΨ，Δをデータベースとして求めておき、実際に得られたパラメータΨ，Δをデータベース中のΨ，Δと比較することにより、パターンの寸法Ｗが求められる。

以下、本発明の好ましい実施例について、図面を参照しながら説明する。

［第１実施例］
図３は、本発明の第１実施例による、エリプソメトリを使った基板上に形成されたパターンの寸法測定装置の構成を示す。

図３を参照するに、パターンを形成された基板２２がステージ２１上に設置され、Ｈｅ−Ｎｅレーザ２３からの、波長が６３２８Åの光ビームにより照射される。すなわち、レーザ２３の出力光は、１／４波長板２４で位相を調整され、さらに偏光子２５で所定の偏光角、例えば４５°の偏光角を有する直線偏光に変換され、ステージ２１上の基板２２に、所定の入射角、例えば７０°の入射角で照射される。あるいは、レーザ２３の出力光を、先に偏光子２５に通し、その後で１／４波長板２４で位相を調整してもよい。また、典型的な場合、光ビームは、前記パターン上において５０〜１５０μｍのビーム径を有する。

基板２２上のパターンを通過し、さらに反射された光ビームは、楕円偏光状態を有し、回転検光子２６で直線偏光に変換された後、フォトセル２７に入射し、検出される。その際、フォトセルによる入射光の検出は、回転検光子２６を回転させながら実行される。

フォトセル２７は、検出した入射光の強度に対応した出力信号を形成し、これを増幅器２８およびＡ／Ｄ変換器２９を介して、デジタル信号の形で処理装置３０に送る。処理装置３０は、供給されるデジタル信号から、フォトセル２７に入射する光ビームの偏光状態を求め、これから前記パラメータΨ，Δを出力する。

図４（Ａ），（Ｂ）は、基板２２上に形成されたレジストパターン２２ａの例を示す、それぞれ斜視図および断面図である。これらのパターンとしては、基板上の適当なパターンを使ってもよいが、測定に適したパターンがない場合には、測定用のラインアンドスペースパターンを、スクライブライン上等、基板上の適当な箇所に形成すればよい。

図４（Ａ），（Ｂ）を参照するに、基板２２はＳｉ基板２２_１ 上に１５３ｎｍの厚さに堆積したポリシリコン膜２２_２ よりなり、レジストパターン２２ａはポリシリコン膜２２_２ 上に形成される。レジストパターン２２ａとしては、例えば東洋ソーダ社製の電子ビーム露光用ＣＭＳレジスト（商品名）を使うことができる。

レジストパターン２２ａは複数のパターン要素２２ｂが平行に所定のパターンピッチ、例えば０．３μｍのピッチで繰り返されるラインアンドスペースパターンであり、基板２２上の例えば１ｍｍ×１ｍｍの範囲に形成されている。また、各パターン要素２２ｂは厚さが１５０ｎｍのレジスト層のパターニングにより、１５０ｎｍの高さに形成されている。このようなレジストパターンでは、パターンピッチは正確に決定されていても、個々のパターン要素２２ｂの幅は所定値に対して変化することがあり、これが基板２２上に形成されるラインアンドスペースパターンの幅を狂わせる原因となる。例えば、かかるラインアンドスペースパターンが、ＭＯＳトランジスタのゲート電極を構成する場合、かかる狂いは、形成されるトランジスタのしきい値電圧の変化に結びつく。

図５は、このようなラインアンドスペースパターンに対して図３の装置を適用した場合に得られるΨ，Δの関係を、様々なパターン幅Ｗについて実験的に求めた結果を示す。ただし、実験では、基板は図４（Ａ），（Ｂ）に示した基板２２を使い、パターン要素２２ｂの幅Ｗを、１００ｎｍから１９０ｎｍまで変化させてΨ，Δを求めた。その際、幅Ｗの値は、ＳＥＭによる観察により確認した値を使っている。Ψ，Δの値は、各パターン幅Ｗについて５回測定をおこなった。

図５よりわかるように、一つの（Ψ，Δ）の組み合わせに対して一つの幅Ｗが対応し、従って与えられた基板についてΨ，Δを測定し、図５の関係と照合することにより、基板上に形成されたラインアンドスペースパターンの幅Ｗが求められる。図５の関係は、図３の処理装置３０において、データベースに格納され、処理装置３０は、このような照合をデータベースに対して行い、幅Ｗの値を求める。

図６は、図３の装置の平面図を示す
図６を参照するに、ステージ２１上には基板２２を構成するウェハのオリエンテーションフラット２２Ａと衝合する位置決め部材２１Ａが形成され、さらに基板２２の側面に衝合する位置決めピン２１Ｂが形成される。その際、前記基板２２上にはラインアンドスペースパターン２２ａが、基板２２が位置決め部材２１Ａおよび２１Ｂに衝合した状態で光源２３からの光ビームの光路に直交するように形成される。ラインアンドスペースパターン２２ａをこのような方位に形成することにより、前記光ビームは、その位相中に前記ラインアンドスペースパターン２２ａの情報を効率的に取り込む。換言すると、図３のエリプソメータは、基板２２をステージ２１上に図６に示した方位に設置することにより、ラインアンドスペースパターン２２ａの幅Ｗに対する感度が最大になる。

また、ウェハの方位合わせは、例えばウェハ上に切り込みを形成しかかる切り込みと位置決めピンを係合させるようにしてもよい。さらに、ウェハの方位合わせを、ＬＥＤを使った方位検出機構を使って行ってもよい。

また、図６の構成において、ウェハ２２は、パターン２２ａを構成するパターン要素が光ビームの光路に直交するように配置されたが、これを、各パターン要素が、図６の平面図で光ビームの光路に平行に延在するように配置してもよい。この場合には、パターン２２ａの下地の情報が求められる。

［第２実施例］
図７は、本発明の第２実施例を示す。ただし、図７中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。

図７を参照するに、本実施例ではパターン要素２２ｂが基板２２上に比較的疎に形成されているため、光源２３から出射した光ビームの実質的な部分が基板２２自体の情報、例えば厚さの情報を拾ってしまう。その結果、得られたΨ，Δから求められるパターン幅Ｗが、実際のものに対してずれてしまう可能性がある。

本実施例では、Ｈｅ−Ｎｅレーザよりなる光源２３から出射する光ビームがコヒーレント光であることを利用し、基板２２上に所定のピッチで形成されたラインアンドスペースパターン２２ａでブラッグ回折された高次の回折光をも使って、パターン幅Ｗを求める。この場合には、個々の回折光の回折位置にフォトセルを設け、その偏光状態からΨ，Δを求める。さらに、先の実施例と同様に、個々の回折光に対して形成されたデータベースを参照して、パターン幅Ｗを求める。さらに、個々の回折光から得られたＷの値を平均あるいは加重平均することにより、パターン幅Ｗの最確値を求める。

図８は、図７に示す構成を使い、Ｓｉ基板上に厚さ１５０ｎｍで形成した５μｍピッチのレジストラインアンドスペースパターンについて得られた偏光状態パラメータΨ，Δの値を、偏光状態の検出に反射光を使った場合と１次回折光を使った場合について示す。ただし、図７において、入射光の入射角は７７°に設定してあり、その結果、反射光は７７°の反射角の方向に生じる。これに対し、１次回折光は、図８の例では、５８°の回折角の方向に生じる。

図８よりわかるように、Ｓｉ基板上のラインアンドスペースパターンの幅Ｗを１１０〜２１０ｎｍの範囲で変化させることにより、前記パラメータΨ，Δの値が変化するが、反射光ではΨの値が５〜１０°、Δの値が３０〜６０°の範囲で変化するのに対し、１次回折光ではΨの値が６０°〜８５°、Δの値が−１００〜−１１０°の範囲で変化するのがわかる。図８よりわかるように、１次回折光を使った場合、位相差Δの変化は小さく、幅Ｗは大体Ψの値に対応する。

［第３実施例］
図９は、図３の加工物寸法測定装置を組み込んだ本発明の第３実施例による半導体装置の製造ラインを概略的に示す。

図９を参照するに、半導体装置の製造ラインは、露光工程およびエッチング工程を含むウェハプロセス１０１、およびウェハプロセス１０１を制御するプロセス制御部１０２を含み、さらに、ウェハプロセス１０１で処理されるウェハを検査するエリプソメトリ部１０３が設けられる。エリプソメトリ部１０３は図３に示した構成のエリプソメータを含み、ウェハプロセス１０１中において処理されるウェハを偏光光ビームで照射し、得られた反射光ビームの偏光状態からパラメータΨ，Δの実測値を求める。

エリプソメトリ部１０３で求められた反射光ビームの実測パラメータΨ，Δは前記プロセス制御部１０２に供給され、プロセス制御部１０２は、これを初期条件設定部１０４から供給されるパラメータΨ，Δのプリセット値と比較し、その結果に基づいて、ウェハプロセス１０１において露光ドーズや露光時間等の露光条件、あるいはＲＦパワー等のエッチング条件等を変化させる。

初期条件設定部１０４は、ウェハプロセス１０１で形成されるラインアンドスペースパターンの膜厚やパターン幅等の形状パラメータ、あるいはかかるラインアンドスペースパターンの下に形成される層の膜厚等のデータを供給され、かかる形状パラメータにもとづいて、図５に示したようなΔとΨの関係を保持したデータベース１０４ａを参照し、所期のΔとΨの値を算出する。先にも説明したように、プロセス制御部１０２は、かかる初期条件設定部１０４から供給されるパラメータΔ，Ψの組み合わせを、エリプソメータ１０３で得られるパラメータΔ，Ψの組み合わせと比較して、その差が最小になるように、ウェハプロセス１０１を制御する。

また、図９の装置において、パターン寸法がＳＥＭ等で確認されたウェハをエリプソメトリ部１０３で検査することにより、データベース１０４ａを構成するパラメータΔ，Ψの組が求められる。

図９の装置では、また理論計算ユニット１０４ｂにより、与えられた初期パラメータから、所期のΔ，Ψの理論値を計算し、これを前記初期条件設定部１０４を介してプロセス制御部に供給するようにしてもよい。

かかる理論値の計算は、おおよそ次のように行われる。

屈折率ｎ_３ を有する基板上に周期的に形成された、屈折率がｎ_２ のラインアンドスペースパターンを含む試料に、屈折率がｎ_１ の環境中において入射角Θ_１ で光ビームを入射させると、光ビームは、図１０に示すように、試料内でスネルの法則に従って屈折および反射を繰り返し、入射角Θ_１ と同じ角度で試料から出射する。そこで、試料の１周期分について、入射光をｍ本の入射光線Ｉ_（１） ，Ｉ_（２） ，．．．Ｉ_（ｍ） に分解し、各々の入射光線の光路を、スネルの法則に従って求める。その際、入射光線を、ｐ偏光成分とｓ偏光成分に分解し、各々の成分について反射および屈折に伴う減衰の効果を求める。より具体的には、入射光線が反射する場合、入射光線のｐ偏光成分およびｓ偏光成分の強度Ｉ_０ に、反射の度にそれぞれフレネルの振幅反射率ｒ_ｐ およびｒ_ｓ を乗じ、反射に伴う光振幅の減衰を求める。また、入射光線が屈折する場合には、入射光線のｐ偏光成分およびｓ偏光成分の強度Ｉ_０ に、屈折の度にそれぞれフレネルの振幅屈折率ｔ_ｐ ，ｔ_ｓ を乗じ、屈折に伴う光振幅の減衰を求める。さらに、光ビームが不透明な媒質を通過する場合には、振幅透過率ｔ_ｋ を乗じることにより、減衰の効果を求めることができる。これに、さらに光路長に伴う位相遅れδを加え、それぞれの偏光成分の最終的な強度Ｉ_ｐ （ｎ）’とＩ_ｓ （ｎ）’が求められる。ただし、振幅反射率ｒ_ｐ ，ｒ_ｓ ，振幅屈折率ｔ_ｐ ，ｔ_ｓ ，振幅透過率ｔ_ｋ および位相遅れ項δは、
ｒ_ｐ ＝ｔａｎ（Θ_１ −Θ_２ ）／ｔａｎ（Θ_１ ＋Θ_２ ）
ｒ_ｓ ＝−ｓｉｎ（Θ_１ −Θ_２ ）／ｓｉｎ（Θ_１ ＋Θ_２ ）
ｔ_ｐ ＝２ｓｉｎΘ_２ ｃｏｓΘ_１ ／ｓｉｎ（Θ_１ ＋Θ_２ ）ｃｏｓ（Θ_１ −Θ_２ ）
ｔ_ｓ ＝２ｓｉｎΘ_２ ｃｏｓΘ_１ ／ｓｉｎ（Θ_１ ＋Θ_２ ）
ｔ_ｋ ＝ｅｘｐ（−２πｋｄ／λ）
δ＝ｅｘｐ（−ｉ２πｎｄ／λ）
で与えられる。ただし、λは入射光ビームの波長、ｄは試料中の光路長を表す。

例えば、図１１の例では、強度Ｉ_０ の入射光線（１）〜（３）は、ラインアンドスペースパターンで反射および屈折の後、次式で表される偏光成分Ｉ_ｐ （１）’〜Ｉ_ｐ （３）’，Ｉ_ｓ （１）’〜Ｉ_ｓ （３）’を有する出射光として出射する。
Ｉ_ｐ （１）’＝ｔ_ｐ１ｔ_ｐ２ｒ_ｐ３ｔ_ｐ４ｔ_ｐ５ × ｅｘｐ（−２πｋ_２ ｄ_１ ／λ）
ｅｘｐ（−ｉ２πｎ_２ ｄ_１ ／λ）・Ｉ_０
Ｉ_ｓ （１）’＝ｔ_ｓ１ｔ_ｓ２ｒ_ｓ３ｔ_ｓ４ｔ_ｓ５ × ｅｘｐ（−２πｋ_２ ｄ_１ ／λ）
ｅｘｐ（−ｉ２πｎ_２ ｄ_１ ／λ）・Ｉ_０
Ｉ_ｐ （２）’＝ｔ_ｐ１ｒ_ｐ２ｔ_ｐ３ × ｅｘｐ（−２πｋ_２ ｄ_２ ／λ）
ｅｘｐ（−ｉ２πｎ_２ ｄ_２ ／λ）・Ｉ_０
Ｉ_ｓ （２）’＝ｔ_ｓ１ｒ_ｒｓ２ ｔ_ｓ３ × ｅｘｐ（−２πｋ_２ ｄ_２ ／λ）
ｅｘｐ（−ｉ２πｎ_２ ｄ_２ ／λ）・Ｉ_０
Ｉ_ｐ （３）’＝ｒ_ｐ１・Ｉ_ｏ
Ｉ_ｓ （３）’＝ｒ_ｓ１・Ｉ_ｏ
ただし、ｎ_２ ，ｋ_２ は、それぞれラインアンドパターン中における屈折率および吸収係数を表し、またｄ_１，ｄ_２ は光線（１），（２）の、ラインアンドスペース中における光路長をそれぞれあらわす。また、添字１〜５は、それぞれの光線の反射点、屈折点の、入射側から数えた順番を示す。図１１を参照。

このように、各光線の強度Ｉ（１）’〜Ｉ（ｎ）’が求められると、複素反射係数比（ρ＝Ｒ_ｐ ／Ｒｓ）は、
ρ＝Ｒ_ｐ ／Ｒ_ｓ ＝ΣＩ_ｐ （ｎ）’／ΣＩ_ｓ （ｎ）’＝ｔａｎΨｅｘｐ（ｉΔ）
で与えられ、これからパラメータΨ，Δが、
Ψ＝ｔａｎ^{− １} （｜ρ｜）
Δ＝ａｒｇ（ρ）
で求められる。

図９の構成において、計算ユニット１０４ｂは、上記の計算を行い、求められたパラメータΨ，Δを初期条件設定ユニット１０４を介してプロセス制御ユニットに供給する。

図１２は、前記計算ユニット１０４ｂが実行する動作の概略を示すフローチャートである。

図１２を参照するに、まずステップ１において、パターンの膜厚、屈折率、吸収率、下地の膜厚、屈折率、吸収率、さらにパターンピッチ等の構造条件が入力され、さらにステップ２において入射光ビームが、スネルの法則に従う個々の光線に分解され、さらに光線路が個々の光線（ｉ＝１〜ｎ）について求められる。さらに、ステップ３において、個々の光線ｉについて、偏光成分ｐおよびｓの強度Ｉｐ（ｉ）’，Ｉｓ（ｉ）’が求められる。

次に、ステップ４において、前記偏光成分ｐおよびｓの積分強度ΣＩｐ（ｎ）’，ΣＩｓ（ｎ）’が求められ、求められた積分強度より、ステップ５において複素反射係数比ρが求められる。さらに、ステップ６において、前記複素反射係数比ρより、パラメータΨ，Δが求められ、ステップ７においてデータベースを参照することにより、パターンの幅Ｗが求められる。

図１３は、図４（Ａ），（Ｂ）の実施例で示したレジストパターン２２ａをマスクに、下地のポリシリコン層２２_２ をＲＩＥ法によりエッチングし、さらにレジストパターン２２ａを除去した状態における、図３の測定装置により求められたパラメータΨとΔの関係を示す。ただし、この場合、入射角は５５°に設定し、ポリシリコン層２２_２ の下地層２２_１ は、ＳｉではなくＳｉＯ_２ としている。このような関係をデータベース１０４ａに蓄積することにより、様々なパターンについて、パターン幅を求めることが可能になる。

さらに、図１４は、図４（Ａ），（Ｂ）の実施例において、マスクパターンのピッチが１５０ｎｍの場合に、図３の測定装置を使い、エッチング時間を変えながらパラメータΨ，Δの変化をモニタした例である。ただし、図示した例は、エッチングの終点に対してさらに１０％および３０％の過剰エッチングを行った場合に相当する。また、偏光状態は、レジストパターン２２ａを除去した状態で測定している。一般に、３０％の過剰エッチングを行うと、およそ２０ｎｍのサイドエッチングが生じることがＳＥＭの観察から知られているが、図１４に示した結果は、本発明による加工物寸法測定方法が、この程度のサイドエッチングを検出できることを示している。換言すると、本発明による、エリプソメトリを使った加工物寸法測定方法は、１０ｎｍ以下の精度で加工寸法のずれを検出できることを示している。

［第４実施例］
図１５は、本発明の第４実施例の原理を示す。

図１５を参照するに、本実施例では、入射光ビームの反射光あるいは回折光のかわりに、入射光ビームが基板２２上のパターン２２ｂにより散乱されることにより生じる散乱光の偏光状態を求めることにより前記パラメータΨ，Δを求める。

図１６は、図１５に示す散乱光の測定を実行するための構成を示す。ただし、図１６中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。

図１６の測定装置では、光源２３から出射したコヒーレント光が、１／４λ位相差板２３および偏光子２５を通過した後、ビームチョッパ２５Ａを介してパターン２２ａを形成されたウェハ２２上に入射する。ビームチョッパ２５ａはその一部にカットを形成された回転ディスクよりなり、光源２３からウェハ２２に入射するコヒーレント光をオンオフ制御する。

さらに、図１６の構成では、ウェハ２２上のパターン２２ａが形成する反射光あるいは回折光を避けて、レンズ３１およびこれに協働するビームスプリッタ３２が形成され、前記ビームスプリッタ３２は、前記パターン２２ａから生じ、レンズ３１により集束された散乱光を、ｐ成分およびｓ成分に分解してそれぞれ検出器２７Ａおよび２７Ｂに供給する。その際、前記検出器２７Ａおよび２７Ｂには、前記ビームチョッパ２５Ａから回転制御信号が、同期信号ＳＹＮＣとして供給され、検出器２７Ａおよび２７Ｂは、それぞれ前記同期信号ＳＹＮＣの１周期に対応して前記散乱光の強度Ｉｐ，Ｉｓを測定する。かかる構成によれば、ウェハ２２上へ光ビームが照射されている状態における散乱光の強度を、光ビームが遮断されている状態の散乱光の強度と比較することにより、微弱な散乱光の強度Ｉｐ，Ｉｓを、精度よく測定することができる。

このようにして得られた散乱光の強度Ｉｐ，Ｉｓは、処理装置３０において処理され、強度Ｉｐ，Ｉｓに対して割算Ｉｐ／Ｉｓを実行することにより反射係数比ｔａｎΨが求められ、この値から前記偏光パラメータΨが求められる。

図１７は、図１６の散乱光を使った構成における反射係数比ｔａｎΨとパターン幅Ｗの関係を示す。ただし、図１７の例では、厚さ１００ｎｍのＳｉＯ_２ 膜上に厚さが１８０ｎｍのポリシリコンラインアンドスペースパターンを、３００ｎｍのピッチで形成した基板を使い、個々のパターン幅Ｗを１２０〜１８０ｎｍの範囲で変化させている。また測定は、図１６の装置において、偏光角が４５°の直線偏光を入射光として使った。

図１７よりわかるように、散乱光を使うことにより、反射係数比ｔａｎΨのパターン幅依存性が観測される。すなわち、反射係数比ｔａｎΨを散乱光から求めることにより、ラインアンドスペースパターンのパターン幅Ｗを求めることが可能になる。

［第５実施例］
ところで、図３，図７，図９あるいは図１５の装置において、光源２３から出射される光ビームの入射角は７０°に限定されるものではなく、他の角度を使うこともできる。また、入射角を様々に変化させてΔ，Ψを測定し、これをもとに、Ψ，Δの他に入射角をパラメータとして含むデータベースを参照することにより、パターンの幅のみならず、パターン側壁の、基板表面に対する傾き角をも求めることが可能である。

図１８は、厚さが１０２ｎｍのＳｉＯ_２ 膜上にポリシリコン膜を１８２ｎｍの厚さに形成し、さらにその上に厚さが１５０ｎｍのレジストラインアンドスペースパターンを５００ｎｍピッチで形成したウェハについて、反射光より求められた偏光パラメータΨ，Δの関係を示す。

図１８を参照するに、レジストパターンを形成したままの、ポリシリコン膜をエッチングする前の状態では、パターン幅Ｗの各値（Ｗ＝１７５ｎｍ，Ｗ＝１５０ｎｍ，Ｗ＝１２５ｎｍ）について、パラメータΨ，Δが、図１８中、左上のカーブに示すように得られる。このうち、Ｗの値に対応する各点において、白丸、白三角および白四角で示す三点の実験を行っているが、各点において、得られたデータの収束性は非常に良好である。ただし、上記のデータでは、入射光ビームの入射角を７０°にして求めている。

次に、前記ポリシリコン膜を、前記レジストラインアンドスペースパターンをマスクとしてエッチングし、得られた構造について求められた偏光パラメータΨ，Δを、黒丸，黒三角および黒四角で示す。ただし、黒三角は、図１９Ａの断面ＳＥＭ写真に示すように、オーバーエッチング量を０％とした場合を、黒四角は図１９Ｂの断面ＳＥＭ写真に示すように、オーバーエッチング量を３０％とした場合を、さらに黒丸は、図１９Ｃの断面ＳＥＭ写真に示すように、オーバーエッチング量を８０％とした場合を示す。

図１８よりわかるように、オーバーエッチング量を０％とした場合のカーブとオーバーエッチング量を３０％とした場合のカーブ、さらにオーバーエッチング量を８０％とした場合のカーブとは、パターン幅Ｗが１７５ｎｍの場合に部分的に重なる他は、互いに異なっており、これは、偏光パラメータΨ，Δの組み合わせから、図１９（Ａ）〜（Ｃ）に示すポリシリコンパターンの断面形状の違いを検出することができることを示している。すなわち、パターン幅Ｗおよび膜厚あるいは屈折率等の構造パラメータがあらかじめ何らかの方法で知られている場合、エリプソメトリにより得られる偏光パラメータΨ，Δの組み合わせから、パターンの断面形状を推定することが可能になる。

［第６実施例］
図２０は、ＳｉＯ_２ 膜上に形成された同じラインアンドスペースパターンにおいて、ポリシリコン膜の膜厚を変化させた場合の偏光パラメータΨ，Δの関係を示す。ただし、図２０中、黒丸で示したカーブは、厚さが１００ｎｍのＳｉＯ_２ 膜上に厚さが１７８ｎｍのポリシリコンラインアンドスペースパターンを形成した場合を、また白丸で示したカーブは、ポリシリコンラインアンドスペースパターンの厚さを１６３ｎｍとした場合のものである。いずれの場合においても、ラインアンドスペースパターンのピッチは３００ｎｍ、またパターン幅Ｗは１１０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲で変化させている。

図２０よりわかるように、パラメータΨ，Δにより規定されるカーブは、ポリシリコンパターンの厚さが１７８ｎｍの場合と１６３ｎｍの場合とでは異なっており、このため、始めにパターンの厚さを測定することにより、特定のカーブを選択し、選択されたカーブについてΨ，Δを求めることが可能になる。

図２１は、このような、膜厚測定工程を含む、本発明の第６実施例による、パターン寸法測定方法のフローチャートを示す。

図２１を参照するに、まずステップ１１において、ラインアンドスペースパターンの膜厚が測定され、次にステップ１２において前記測定された膜厚に対応するカーブないし特性曲線が選択される。さらに、ステップ１３においてエリプソメトリーによる測定が行われ、得られたパラメータΨおよびΔ、さらに前記選択された特性曲線を使って、パターン幅Ｗあるいはその断面形状が求められる。

さらに、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨内において様々な変形・変更が可能である。

本発明の原理を説明する図である。 図１の要部を拡大して示す図である。 本発明の第１実施例による構成を示す図である。 図３の装置が適用されるラインアンドスペースパターンを示す図である。 図３の装置で使われるデータベースの例を説明する図である。 図３の装置におけるウェハの位置決めを説明する図である。 本発明の第２実施例を示す図である。 図７の構成において、反射光および１次回折光を使った例を示す図である。 図３の装置を半導体装置の製造プロセスの制御に適用した本発明の第３実施例を示す図である。 図９の装置において、パラメータΨ，Δを計算で求める際の原理を示す図（その一）である。 図９の装置において、パラメータΨ，Δを計算で求める際の原理を示す図（その二）である。 図９の装置における処理を示すフローチャートである。 図３の装置において、エッチングにより形成されたラインアンドスペースパターンに本発明を適用した場合における、パターン幅をパラメータΨ，Δの関係を示す図である。 図３の装置において、エッチングの進行に伴うパラメータΨ，Δの関係を示す図である。 本発明の第４実施例を説明する図である。 図１５の装置の具体的な構成を示す図である。 図１６の装置により得られる特性曲線の例を示す図である。 本発明の第５実施例による、パターンの断面形状によるΔ−Ψ関係の変化を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、図１８に対応した、様々なパターン断面形状を示す図である。 本発明の第６実施例による、パターンの膜厚によるΔ−Ψ関係の変化を説明する図である。 本発明の第６実施例による、パターン測定工程を示すフローチャートである。 従来のエリプソメータの構成を示す図である。 エリプソメトリで測定される楕円偏光を示す図である。

符号の説明

１，２３ 光源
２，２５ 偏光子
３ 試料
４ 回転検光子
４ａ，２４ １／４波長板
４ｂ 回転１／４波長板
５，２７，２７Ａ，２７Ｂ 検出器
１０，２２ 基板
１１ パターン
１１ａ，１１ｂ パターン要素
２１ ステージ
２１Ａ 位置決め構造
２１Ｂ 位置決めピン
２２ａ パターン
２２ｂ パターン要素
２２Ａ オリエンテーションフラット
２５Ａ ビームチョッパ
２６ 回転検光子
２８ 増幅器
２９ Ａ／Ｄ変換器
３０ 処理装置
３１ レンズ
３２ ビームスプリッタ
１０１ ウェハプロセス部
１０２ プロセス制御部
１０３ エリプソメトリ部
１０４ 初期条件設定部
１０４ａ データベース
１０４ｂ 理論計算部

Claims (2)

1. 基板上に形成された構造物の寸法を測定する測定方法において、
   入射光ビームを複数の光線に分解する分解工程と、
   前記構造物に前記複数の光線を入射させる入射工程と、
   前記入射光ビームが入射した前記構造物から出射する複数の出射光ビームの偏光成分及び強度を計算し積分する測定工程と、
   前記積分された偏光成分及び強度に基づいて、前記構造物の前記基板表面に平行な方向への寸法に関する情報を求める評価工程と
   を含むことを特徴とする測定方法。
2. 前記評価工程は、前記偏光状態と構造物の寸法に関する情報との間の関係を含むデータベースを参照することにより実行されることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
   

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