JP2005337927A - Film thickness measuring method and film thickness measuring instrument - Google Patents

Film thickness measuring method and film thickness measuring instrument Download PDF

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啓谷 斉藤
Takeshi Hirose
丈師 廣瀬
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峰生 野本
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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To measure a film thickness in complicated structure such as film thickness on a gate of a transistor, after CMP (Chemical Mechanical Polishing). <P>SOLUTION: When measuring the film thickness on the gate of the transistor, an optical model is prepared to constitute a measuring object by the composition of respective different film structures of a gate area, an active area and an element separation area, and the surface film thickness on the gate is calculated by fitting. When calculating the film thickness, the film thickness is measured highly precisely by fitting optical constants of a polycrystal Si, a metal siliside and the like constituting the gate, at the same time. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光学的に透明な膜の厚さの計測、および膜厚の管理技術に関し、特に、半導体デバイスの製造ラインの成膜工程、平坦化処理工程における半導体ウエハの表面膜厚の計測に適用して有効な技術に関するものである。   The present invention relates to the measurement of the thickness of an optically transparent film and the film thickness management technology, and more particularly to the measurement of the film thickness of the surface of a semiconductor wafer in a film forming process and a planarization process of a semiconductor device manufacturing line. It is related to effective technology when applied.

半導体デバイスは成膜、露光、およびエッチングなどの各プロセスを経て、半導体素子、ならびに配線パターンが半導体ウエハ上に形成され、製造される。近年、高精度化・高密度化を実現するために、半導体素子、および配線パターンは微細化・多層化の方向に進んでいる。   A semiconductor device undergoes processes such as film formation, exposure, and etching, and a semiconductor element and a wiring pattern are formed on a semiconductor wafer and manufactured. In recent years, in order to achieve high accuracy and high density, semiconductor elements and wiring patterns have been advanced in the direction of miniaturization and multilayering.

一般に、半導体素子や配線を形成した後、絶縁膜を形成すると、絶縁膜表面は下層の半導体素子や配線に対応して凹凸を形成する。パターンが微細化するに伴い、露光における焦点深度が減少するため、精度よく露光するためには半導体ウエハの絶縁膜表面を平坦化する必要がある。   Generally, when an insulating film is formed after forming a semiconductor element or wiring, the surface of the insulating film forms irregularities corresponding to the semiconductor element or wiring in the lower layer. As the pattern becomes finer, the depth of focus in exposure decreases, so that the surface of the insulating film of the semiconductor wafer needs to be flattened for accurate exposure.

平坦化には、たとえば、化学的・機械的作用で研磨するCMP(Chemical Mechanical Polishing)などが用いられる。   For the planarization, for example, CMP (Chemical Mechanical Polishing) that is polished by a chemical or mechanical action is used.

CMPの研磨レートは、半導体素子や配線パターンの粗密、CMPのパッド状態、ウエハホルダの加圧状態などによって異なるため、CMP研磨後の膜厚の精度低下や、半導体チップ内の平坦性のばらつきや、加工ウエハ面内の膜厚不均一性が発生する。   Since the polishing rate of CMP differs depending on the density of semiconductor elements and wiring patterns, the pad state of CMP, the pressure state of the wafer holder, etc., the accuracy of the film thickness after CMP polishing is reduced, the variation in flatness in the semiconductor chip, Non-uniform film thickness occurs in the processed wafer surface.

そのため、CMP工程では、膜厚を精度よく管理、制御し、CMP加工を最適化するため、CMP加工後の半導体ウエハの膜厚を測定し、研磨レートを算出する。膜厚の測定は、従来は半導体チップ周辺などに形成された、たとえば、図17(a)に示すようにシリコン(Si)基板44上に形成された配線61のパターンのように大きなダミーパターン上でSiO2 膜46の膜厚d1 を測定していた。 Therefore, in the CMP process, the film thickness of the semiconductor wafer after the CMP process is measured and the polishing rate is calculated in order to accurately manage and control the film thickness and optimize the CMP process. The film thickness is measured on a large dummy pattern such as a pattern of wiring 61 formed on the silicon (Si) substrate 44 as shown in FIG. Thus, the film thickness d 1 of the SiO 2 film 46 was measured.

しかし、ダミーパターンは、実際の半導体素子や配線パターンと大きさ、パターン密度が異なるため、研磨レートが異なり、測定した膜厚も実パターン上と異なる。従って、精度よく膜厚を制御するためには、ダミーパターン上における膜厚から研磨レートを求めることは難しく、実パターン上で膜厚を測定する必要がある。   However, since the dummy pattern is different in size and pattern density from the actual semiconductor element and wiring pattern, the polishing rate is different and the measured film thickness is also different from the actual pattern. Therefore, in order to accurately control the film thickness, it is difficult to obtain the polishing rate from the film thickness on the dummy pattern, and it is necessary to measure the film thickness on the actual pattern.

これまで、実パターン上の膜厚を計測する技術として、いくつかの方法が提案されている。たとえば、図17(b)に示すように配線61による実パターン上のSiO2 膜46の膜厚d1 を対象とする層間絶縁膜の膜厚計測や、図17(c)に示すように素子分離領域を形成する際、Si3 4 膜62の膜厚d1 を対象とするSTI(Shallow Trench Isolation)構造の膜厚計測などがある。 Until now, several methods have been proposed as techniques for measuring the film thickness on an actual pattern. For example, as shown in FIG. 17B, the film thickness measurement of the interlayer insulating film targeting the film thickness d 1 of the SiO 2 film 46 on the actual pattern by the wiring 61, or the element as shown in FIG. When forming the isolation region, there is a film thickness measurement of an STI (Shallow Trench Isolation) structure for the film thickness d 1 of the Si 3 N 4 film 62.

また、特開2001−74419号公報(特許文献1)には、入射光に対して異なった光学的性質を有する少なくとも2つの隣接した要素からなる少なくとも1つのサイクルを有する構造体に対して、所定の波長範囲の入射光を照射し、検出された反射光分光データに対して光学モデルを最適化することにより、構造体の膜厚を計測する技術が開示されている。   Japanese Patent Laid-Open No. 2001-74419 (Patent Document 1) discloses a predetermined structure for a structure having at least one cycle composed of at least two adjacent elements having different optical properties with respect to incident light. A technique for measuring the film thickness of a structure by irradiating incident light in the wavelength range and optimizing an optical model with respect to detected reflected light spectral data is disclosed.

特開2001−21317号公報(特許文献2)には、様々なパターン種から構成されるパターン構造を有する基板に対し、複数の波長成分を有するプローブ光を照射し、得られる反射光分光データと予め計算、または予め測定した波形との比較を行うことにより、パターン種の特定による測定位置の特定、および膜厚の測定を行う技術が開示されている。   Japanese Patent Laid-Open No. 2001-21317 (Patent Document 2) discloses reflected light spectral data obtained by irradiating a substrate having a pattern structure composed of various pattern types with probe light having a plurality of wavelength components. A technique for specifying a measurement position by specifying a pattern type and measuring a film thickness by comparing with a waveform calculated in advance or measured in advance is disclosed.

さらに、この種の膜厚の計測技術に関しては、たとえば、CMP加工において、加工後の半導体ウエハに対して、フィッティングの手法を用いて実パターン上の膜厚計測を可能にし、デバイスの設計情報、ウエハ表面の検出画像、および計測点において検出した分光波形に基づいて、膜厚管理用計測点を自動で決定して高精度な膜厚管理を可能とするものがある(特許文献3参照)。
特開2001−74419号公報 特開2001−21317号公報 特開2003−207315号公報
Furthermore, with regard to this type of film thickness measurement technology, for example, in CMP processing, it is possible to measure the film thickness on an actual pattern using a fitting method for a processed semiconductor wafer, device design information, Some film thickness management measurement points are automatically determined based on a detected image of the wafer surface and a spectral waveform detected at the measurement points, thereby enabling highly accurate film thickness management (see Patent Document 3).
JP 2001-74419 A JP 2001-21317 A JP 2003-207315 A

ところが、上記のような半導体デバイスにおける膜厚計測技術では、次のような問題点がある。   However, the film thickness measurement technique in the semiconductor device as described above has the following problems.

CMP加工における研磨レートは、パターン密度が高い領域で小さく、パターン密度が低い領域で大きい。従って、CMP加工後の膜厚は半導体チップ内で素子、配線の密度の違いで大きく異なり、完全に平坦にはならない。   The polishing rate in CMP processing is small in a region where the pattern density is high, and is large in a region where the pattern density is low. Therefore, the film thickness after CMP processing varies greatly depending on the density of elements and wirings in the semiconductor chip, and does not become completely flat.

また、半導体ウエハ周辺ではパターンが無い、あるいは、CMP加工時のウエハホルダの加圧分布により、半導体ウエハ全面に亘って膜厚が異なり、半導体ウエハ全面に対する均一性が得られない。従って、CMP加工後、膜厚を測定するためには、実際のパターン上で膜厚を計測する必要がある。   Further, there is no pattern around the semiconductor wafer, or the film thickness varies over the entire surface of the semiconductor wafer due to the pressure distribution of the wafer holder during CMP processing, and uniformity over the entire surface of the semiconductor wafer cannot be obtained. Therefore, in order to measure the film thickness after CMP processing, it is necessary to measure the film thickness on an actual pattern.

しかし、実パターン上の膜厚計測として従来からある層間絶縁膜やSTI構造は、構造としては比較的簡単なものである。   However, conventional interlayer insulating films and STI structures for measuring film thickness on actual patterns are relatively simple in structure.

特許文献1では、異なった光学的性質を有する少なくとも2つの隣接した要素からなる少なくとも1つのサイクルを有する構造体を対象としているが、実際に適用しているのは配線層の層間絶縁膜やプラグ工程など、比較的構造の単純なものを対象としている。また、構造として要素の大きさ、ピッチが変化する不規則な構造体については触れられていない。   In Patent Document 1, a structure having at least one cycle composed of at least two adjacent elements having different optical properties is targeted. However, what is actually applied is an interlayer insulating film or plug of a wiring layer. It is intended for relatively simple structures such as processes. In addition, there is no mention of an irregular structure in which the size and pitch of elements change as a structure.

さらに、特許文献2においては、様々なパターンを対象としているが、適用工程として、STI、およびダマシンと比較的単純な工程を対象としている。   Furthermore, in Patent Document 2, although various patterns are targeted, STI and damascene and relatively simple processes are targeted as application processes.

半導体デバイスを製造する場合、Si基板にSTI工程で素子分離用のフィールドを形成し、素子であるトランジスタや容量をSi基板の活性領域に形成し、その上に層間絶縁膜を形成し、その後、多層の配線層を層間絶縁膜とともに形成する。   When manufacturing a semiconductor device, an element isolation field is formed in an Si substrate by an STI process, an element transistor or capacitor is formed in an active region of the Si substrate, an interlayer insulating film is formed thereon, and then A multilayer wiring layer is formed together with an interlayer insulating film.

これら2つの発明は、半導体素子形成前のSTI工程と素子形成後の配線層の層間絶縁膜、および層間絶縁膜に対するダマシン、およびプラグ工程と比較的単純な構造を対象としている。   These two inventions are directed to a relatively simple structure such as an STI process before forming a semiconductor element, an interlayer insulating film in a wiring layer after forming the element, and a damascene and plug process for the interlayer insulating film.

一方、素子形成直後に半導体素子上に形成する絶縁膜は、下層に素子であるトランジスタや素子分離用のフィールドがあるなど構造が複雑になる。前述した2つの発明、および特許文献3の発明は、このような構造が複雑な半導体ウエハに対して、CMP加工後の膜厚を実パターン上として、たとえば、トランジスタのゲート上で測定する場合については、述べられていない。   On the other hand, an insulating film formed on a semiconductor element immediately after element formation has a complicated structure such as a transistor serving as an element or a field for element isolation in a lower layer. In the two inventions described above and the invention of Patent Document 3, the semiconductor wafer having such a complicated structure is measured with the film thickness after CMP processing as an actual pattern, for example, on the gate of a transistor. Is not stated.

また、トランジスタなど、半導体素子形成直後の絶縁膜をゲート上で測定する場合、ゲートには多結晶Siなどプロセス条件によって結晶状態が変化する材料が用いられる。これらの材料の光学定数は成膜条件、あるいはアニール処理によって大きく変化するが、そのような場合ついて触れられていない。   In the case where an insulating film immediately after formation of a semiconductor element such as a transistor is measured on the gate, a material whose crystal state changes depending on process conditions such as polycrystalline Si is used for the gate. The optical constants of these materials vary greatly depending on the film formation conditions or annealing treatment, but such cases are not mentioned.

本発明の目的は、半導体素子であるトランジスタや素子分離用のフィールドの上に絶縁膜が形成された複雑な構造の試料に対し、CMP加工後、ゲートなどの実パターン上で、膜厚を高精度に計測し、計測結果を基に対象ウエハの研磨レートを高精度に算出し、CMP加工条件を最適化する技術を提供することにある。   An object of the present invention is to increase the film thickness on a real pattern such as a gate after CMP processing on a sample having a complicated structure in which an insulating film is formed on a transistor or a field for element isolation as a semiconductor element. An object of the present invention is to provide a technique for measuring with high accuracy, calculating the polishing rate of the target wafer with high accuracy based on the measurement result, and optimizing the CMP processing conditions.

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。   Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.

本発明は、表面が光学的に透明な膜が形成された試料に白色光を照射し、該白色光の照射による試料表面からの反射光を検出し、検出した反射光の0次光の分光波形に基づいて膜厚を求める膜厚検査方法であって、試料の光学モデルを、光学的に構造、材質の異なる3つ以上の構造の合成で構成し、該光学モデルから得られる反射光の分光波形を検出した反射光の0次光の分光波形にフィッティングさせることにより、試料の各構造の表面膜厚、および面積率を求めることを特徴とする。   The present invention irradiates a sample on which a film having an optically transparent surface is formed with white light, detects reflected light from the surface of the sample due to the irradiation of the white light, and spectrums zero-order light of the detected reflected light. A film thickness inspection method for determining a film thickness based on a waveform, wherein an optical model of a sample is composed of a combination of three or more structures having different optical structures and materials, and the reflected light obtained from the optical model By fitting the spectral waveform to the spectral waveform of the 0th-order light of the detected reflected light, the surface film thickness and the area ratio of each structure of the sample are obtained.

また、本願のその他の発明の概要を簡単に示す。   Moreover, the outline | summary of the other invention of this application is shown briefly.

本発明による膜厚計測装置は、表面が光学的に透明な膜が形成された試料に白色光を照射する照射手段と、該照射手段により照射されて試料から発生する反射光の0次光を検出する検出手段と、該試料の光学モデルを、光学的に構造、材質の異なる3つ以上の構造の合成で構成する光学モデル作成手段と、光学モデル作成手段から得られる反射光分光波形を検出した反射光の0次光の分光波形にフィッティングさせるフィッティング処理手段と、フィッティング処理手段より試料の各構造の膜厚、および面積率を算出する膜厚算出手段とを備えたものである。   A film thickness measuring apparatus according to the present invention includes an irradiation unit that irradiates a sample on which a film having an optically transparent surface is formed, and zero-order light of reflected light emitted from the sample by the irradiation unit. Detecting means for detecting, optical model creating means for composing an optical model of the sample by combining three or more structures having different optical structures and materials, and detecting a reflected light spectrum waveform obtained from the optical model creating means Fitting processing means for fitting to the spectral waveform of the zero-order light of the reflected light, and film thickness calculation means for calculating the film thickness and area ratio of each structure of the sample by the fitting processing means.

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。   Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.

(1)半導体素子の形成後、絶縁膜が形成された複雑な構造をもった試料に対して、その光学モデルとして、試料をゲート領域、活性領域、素子分離領域の3構造で合成し、光学モデルの分光波形を検出分光波形にフィッティングすることにより、試料の各領域の膜厚、面積率を高精度に計測することができる。   (1) After a semiconductor element is formed, a sample having a complicated structure in which an insulating film is formed is synthesized as an optical model of the sample with three structures of a gate region, an active region, and an element isolation region. By fitting the spectral waveform of the model to the detected spectral waveform, the film thickness and area ratio of each region of the sample can be measured with high accuracy.

(2)また、膜厚算出時、ゲートを構成する多結晶シリコンや金属シリサイドなど、プロセス条件によって結晶状態が変化する材料の光学定数を、同時にフィッティングすることにより、光学定数を求めるとともに、高精度に膜厚を計測することができる。   (2) When calculating the film thickness, the optical constants of the material whose crystal state changes depending on the process conditions, such as polycrystalline silicon and metal silicide constituting the gate, are simultaneously fitted to obtain the optical constants with high accuracy. The film thickness can be measured.

(3)上記(1)、(2)により、非破壊で計測不可能なトランジスタのゲート上の膜厚の計測が可能となり、膜厚管理を高精度に行うことができ、歩留まりの向上、およびスループットの向上を実現することができる。   (3) By the above (1) and (2), it becomes possible to measure the film thickness on the gate of the transistor which cannot be measured nondestructively, the film thickness can be managed with high accuracy, the yield is improved, and Throughput can be improved.

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。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における膜厚計測装置の装置構成を示す概略図、図2は、図1の膜厚計測装置の処理方式を説明する概略図、図3は、本発明の実施の形態1における半導体デバイスの製造ラインにおけるライン構成を示す概略図、図4は、図1の膜厚計測装置における計測対象の試料の構造を示す概略図、図5は、図4の試料における単構造の膜構造を示す概略図、図6は、図1の膜厚計測装置における光学モデル作成処理の処理の一例を示すフローチャート、図7は、図1の膜厚計測装置における検出分光波形と光学モデルによる分光波形のフィッティングを説明する概略図、図8は、図1の膜厚計測装置におけるモニタに出力される膜厚、面積率算出結果の表示例を説明する概略図、図9は、図4の計測対象の試料のピッチが不規則な場合の構造を示す概略図、図10は、図4の計測対象の試料の各領域が単数の場合の構造を示す概略図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the apparatus configuration of a film thickness measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention, FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a processing method of the film thickness measuring apparatus in FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is a schematic diagram showing a structure of a sample to be measured in the film thickness measuring apparatus in FIG. 1, and FIG. 5 is a sample in FIG. FIG. 6 is a flowchart showing an example of processing of an optical model creation process in the film thickness measuring apparatus of FIG. 1, and FIG. 7 is a detected spectral waveform in the film thickness measuring apparatus of FIG. FIG. 8 is a schematic diagram for explaining a fitting example of a spectral waveform by an optical model, FIG. 8 is a schematic diagram for explaining a display example of a film thickness and area ratio calculation result output to a monitor in the film thickness measuring apparatus of FIG. The sample of the sample to be measured in FIG. Schematic diagram showing the structure of a case where irregular, FIG. 10, the area of the sample to be measured in FIG. 4 is a schematic diagram showing the structure when the singular.

本実施の形態1において、たとえば、図3に示す半導体デバイスの製造ラインにおいて、トランジスタを形成し、成膜装置131で絶縁膜を成膜後、CMP装置13で研磨し、研磨後、試料を膜厚計測装置133で、実際のデバイスパターン上で計測する。計測後、露光装置134、およびエッチング装置135でコンタクトホールを形成する。   In the first embodiment, for example, in the semiconductor device manufacturing line shown in FIG. 3, a transistor is formed, an insulating film is formed by the film forming apparatus 131, and then polished by the CMP apparatus 13. The thickness measurement apparatus 133 measures the actual device pattern. After the measurement, contact holes are formed by the exposure device 134 and the etching device 135.

膜厚計測装置133は、図1に示すように、検出光学系1、および膜厚計測処理部30から構成されている。検出光学系1は、半導体ウエハ(試料)2を載置するXYステージ11、対物レンズ12、ハーフミラー13、結像レンズ17、視野絞り18、リレーレンズ19、21、空間フィルタ20、分光器22、照明光源16、開口絞り15、および集光レンズ14から構成される。   As shown in FIG. 1, the film thickness measuring device 133 includes a detection optical system 1 and a film thickness measurement processing unit 30. The detection optical system 1 includes an XY stage 11 on which a semiconductor wafer (sample) 2 is placed, an objective lens 12, a half mirror 13, an imaging lens 17, a field stop 18, relay lenses 19 and 21, a spatial filter 20, and a spectrometer 22. , An illumination light source 16, an aperture stop 15, and a condenser lens 14.

照明光源(照射手段)16は、キセノンランプ、またはハロゲンランプなどの白色照明光源で白色照明光を開口絞り15、集光レンズ14、ハーフミラー13、および対物レンズ12を介して半導体ウエハ2に照射する。   The illumination light source (irradiation means) 16 is a white illumination light source such as a xenon lamp or a halogen lamp, and irradiates the semiconductor wafer 2 with the white illumination light through the aperture stop 15, the condenser lens 14, the half mirror 13, and the objective lens 12. To do.

半導体ウエハ2は、図2の下方における半導体ウエハ拡大図に示すように、トランジスタ形成後、絶縁膜を成膜し、CMPで絶縁膜表面の凹凸を研磨したものである。半導体ウエハ2からの反射光は、対物レンズ12、ハーフミラー13、結像レンズ17、視野絞り18、リレーレンズ19、空間フィルタ20、ならびにリレーレンズ21を介して分光器22に導かれる。   As shown in the enlarged view of the semiconductor wafer in the lower part of FIG. 2, the semiconductor wafer 2 is obtained by forming an insulating film after forming a transistor and polishing the unevenness on the surface of the insulating film by CMP. The reflected light from the semiconductor wafer 2 is guided to the spectroscope 22 through the objective lens 12, the half mirror 13, the imaging lens 17, the field stop 18, the relay lens 19, the spatial filter 20, and the relay lens 21.

視野絞り18は、半導体ウエハ2上の検出視野からの反射光のみを分光器22に導く。空間フィルタ(検出手段)20は、半導体ウエハ2からの反射光のうち、繰り返しパターンによる回折光、試料表面の凹凸による散乱光を除去し、0次光のみを分光器22に導く。   The field stop 18 guides only the reflected light from the detection field on the semiconductor wafer 2 to the spectrometer 22. The spatial filter (detection means) 20 removes the diffracted light due to the repetitive pattern and the scattered light due to the unevenness of the sample surface from the reflected light from the semiconductor wafer 2, and guides only the 0th-order light to the spectroscope 22.

分光器22で分光された分光波形4は、電気信号として膜厚計測処理部30に入力され、膜厚、面積率が算出される。膜厚計測処理部30では、分光波形入力処理31で分光波形を入力し、光学モデル作成処理(光学モデル作成手段)32で、図2の中央部に示す光学モデル5を作成し、フィッティング処理(フィッティング処理手段)33で検出された分光波形4にフィッティングし、膜厚/面積率算出処理(膜厚算出手段)34で、膜厚、および面積率を算出し、モニタ35に出力する。   The spectral waveform 4 spectrally separated by the spectroscope 22 is input to the film thickness measurement processing unit 30 as an electrical signal, and the film thickness and area ratio are calculated. In the film thickness measurement processing unit 30, a spectral waveform is input in the spectral waveform input processing 31, and in the optical model creation processing (optical model creation means) 32, the optical model 5 shown in the center of FIG. Fitting to the spectral waveform 4 detected by the fitting processing means) 33, the film thickness / area ratio calculating process (film thickness calculating means) 34 calculates the film thickness and area ratio, and outputs them to the monitor 35.

次に、膜厚計測処理部30における処理の概要を述べる。   Next, an outline of processing in the film thickness measurement processing unit 30 will be described.

分光波形入力処理31では、入力された分光波形に対し、参照分光波形としてシリコン(Si)の分光波形を除算することにより、照明光源16の分光強度特性を除去した半導体ウエハの反射率分光波形を得る。   In the spectral waveform input process 31, the reflectance spectral waveform of the semiconductor wafer from which the spectral intensity characteristic of the illumination light source 16 is removed by dividing the spectral waveform of silicon (Si) as the reference spectral waveform with respect to the input spectral waveform. obtain.

光学モデル作成処理32では、試料の光学モデルをゲート領域、活性領域、素子分離領域の3構造の合成で構成する。フィッティング処理33では、検出された分光波形に対し、光学モデルにより得られた分光波形の膜厚、面積率をパラメータとしてフィッティングを行い、二乗誤差が最小になる条件を求める。膜厚/面積率算出処理34では得られた条件から、各領域の膜厚、および面積率を算出する。   In the optical model creation process 32, the optical model of the sample is configured by combining three structures of a gate region, an active region, and an element isolation region. In the fitting process 33, fitting is performed on the detected spectral waveform using the film thickness and area ratio of the spectral waveform obtained by the optical model as parameters, and a condition for minimizing the square error is obtained. In the film thickness / area ratio calculation process 34, the film thickness and area ratio of each region are calculated from the obtained conditions.

光学モデル作成処理32について、図2、図4、および図5を用いて、より詳細に述べる。   The optical model creation process 32 will be described in more detail with reference to FIG. 2, FIG. 4, and FIG.

半導体素子であるトランジスタ形成後、絶縁膜が形成された試料の膜構造の光学モデルを構成する例として、図4に示すようにSi基板44上に素子分離用の絶縁膜であるSiO2 膜45で素子分離領域43が形成され、活性領域42とゲート領域41からなるトランジスタ57が形成され、トランジスタ57と素子分離領域43が絶縁膜であるSiO2 膜46で覆われている構造を考える。 As an example of constructing an optical model of a sample film structure in which an insulating film is formed after forming a transistor as a semiconductor element, an SiO 2 film 45 as an insulating film for element isolation is formed on a Si substrate 44 as shown in FIG. Consider a structure in which an element isolation region 43 is formed, a transistor 57 including an active region 42 and a gate region 41 is formed, and the transistor 57 and the element isolation region 43 are covered with an SiO 2 film 46 which is an insulating film.

この例では、ゲート領域41は、Si基板44、SiO2 膜47、ポリ(poly)Si膜48、SiO2 膜46、活性領域42は、Si基板44、SiO2 膜46、素子分離領域43は、Si基板44、SiO2 膜45、SiO2 膜46から構成される。 In this example, the gate region 41 includes the Si substrate 44, the SiO 2 film 47, the poly (poly) Si film 48, the SiO 2 film 46, and the active region 42 includes the Si substrate 44, the SiO 2 film 46, and the element isolation region 43. , Si substrate 44, SiO 2 film 45, and SiO 2 film 46.

半導体ウエハ2の計測視野91は、視野絞り18を調整することにより設定できる。このような試料に対し、光学モデルとして、試料のゲート領域41、活性領域42、素子分離領域43をそれぞれ膜構造、膜厚が異なる第1構造51、第2構造52、第3構造53の3構造からなると仮定する。   The measurement field 91 of the semiconductor wafer 2 can be set by adjusting the field stop 18. As an optical model for such a sample, the gate region 41, the active region 42, and the element isolation region 43 of the sample have a film structure and a first structure 51, a second structure 52, and a third structure 53 having different film thicknesses. Assume that it consists of a structure.

このとき、各構造は、図5に示すように、従来からある多層膜の膜構造で表される。一般に、図5に示すようにj層161の表面反射率Rj 162は、以下に示す(数1)で表される。 At this time, each structure is represented by a conventional multilayer film structure as shown in FIG. In general, as shown in FIG. 5, the surface reflectance R j 162 of the j layer 161 is expressed by the following (Equation 1).

従って、第1構造、第2構造、第3構造で、各構造における各層の膜厚、光学定数(複素屈折率)が分かれば、第1構造、第2構造、第3構造単独での表面反射率R1 、R2 、R3 がそれぞれ算出できる。 Therefore, if the thickness, optical constant (complex refractive index) of each layer in each structure is known in the first structure, the second structure, and the third structure, the surface reflection by the first structure, the second structure, and the third structure alone. The rates R 1 , R 2 and R 3 can be calculated respectively.

一般に、各構造のパターンが大きい場合、各構造は独立の構造として、各構造からの反射光は干渉しないため、図4に示す膜全体の反射率Rは、第1構造、第2構造、第3構造の表面反射率にそれぞれの構造の面積率を掛けて和を取ることによって得られる。   In general, when the pattern of each structure is large, each structure is an independent structure, and reflected light from each structure does not interfere. Therefore, the reflectance R of the entire film shown in FIG. 4 is the first structure, the second structure, and the second structure. It is obtained by multiplying the surface reflectance of the three structures by the area ratio of each structure to obtain the sum.

ここで、面積率は、各構造の計測視野91に対する面積の比率を表す。但し、図4のように、計測視野91に対して、ゲート領域41、活性領域42、素子分離領域43が複数ある場合、面積率は複数の領域における面積の和を求め、求めた和の計測視野91の面積に対する比率として表す。   Here, the area ratio represents the ratio of the area to the measurement visual field 91 of each structure. However, as shown in FIG. 4, when there are a plurality of gate regions 41, active regions 42, and element isolation regions 43 with respect to the measurement visual field 91, the area ratio is obtained by calculating the sum of the areas in the plurality of regions. Expressed as a ratio to the area of the field of view 91.

一方、パターンが小さい場合、各構造の境界部分では各構造の反射光が互いに干渉する。従って、図4に示す膜構造の光学モデルとして、(数2)に示すように互いに干渉しない単構造部分R1、R2、R3と、互いに干渉する境界部分R123との和で表される。 On the other hand, when the pattern is small, the reflected light of each structure interferes with each other at the boundary portion of each structure. Therefore, the optical model of the film structure shown in FIG. 4 is represented by the sum of the single structure portions R 1 , R 2 , R 3 that do not interfere with each other and the boundary portion R 123 that interferes with each other, as shown in (Equation 2). The

以上から、光学モデル作成処理32では、図6に示すように、構造1、構造2、構造3の単構造モデルをそれぞれ作成する(ステップS151〜S153)。続いて、構造1、構造2、構造3の境界モデルを作成し(ステップS154)、単構造、境界モデルを合成し(ステップS155)、試料全体の反射率Rを得る。   From the above, in the optical model creation process 32, as shown in FIG. 6, single structure models of the structure 1, the structure 2, and the structure 3 are created (steps S151 to S153). Subsequently, boundary models of the structure 1, structure 2, and structure 3 are created (step S154), the single structure and the boundary model are synthesized (step S155), and the reflectance R of the entire sample is obtained.

フィッティング処理33では、図7に示すように検出された分光波形231に対し、光学モデルにより得られた分光波形232の膜厚、面積率をパラメータとして非線形最小二乗法を用いてフィッティングを行い、二乗誤差が最小になる膜厚、面積率を求める。   In the fitting process 33, the spectral waveform 231 detected as shown in FIG. 7 is fitted using the nonlinear least square method with the film thickness and area ratio of the spectral waveform 232 obtained by the optical model as parameters, and the square Find the film thickness and area ratio that minimize the error.

次に、膜厚/面積率算出処理34でモニタ35に出力する膜厚、面積率算出結果の表示例を図8に示す。   Next, a display example of the film thickness / area ratio calculation result output to the monitor 35 in the film thickness / area ratio calculation process 34 is shown in FIG.

図8(a)は、各検出箇所の膜厚、面積率を表示する例で、モニタ35画面左上の半導体ウエハ171上で測定する半導体チップ172、画面左下の半導体チップ180上で該半導体チップ180上の測定位置181を示す。画面右側の膜厚/面積率表示領域173に膜厚、面積率を表示する。   FIG. 8A shows an example of displaying the film thickness and area ratio of each detection location. The semiconductor chip 172 measured on the semiconductor wafer 171 at the upper left of the monitor 35 screen, and the semiconductor chip 180 on the semiconductor chip 180 at the lower left of the screen. The upper measurement position 181 is shown. The film thickness / area ratio is displayed in the film thickness / area ratio display area 173 on the right side of the screen.

半導体ウエハ171上の測定する半導体チップ172、および、半導体チップ180上の測定位置181は測定前、予めオペレータが指定しておく。測定開始後、指定位置で分光データが取得され、フィッティングが行われ、膜厚、面積率が算出される。膜厚算出後、オペレータが半導体ウエハ171上、任意の測定する半導体チップ172をクリックすることにより、指定された半導体チップにおけるゲート領域、活性領域、素子分離領域の膜厚d1 、d2 、d3 、および面積率m1 、m2 、m3 が表示される。 The semiconductor chip 172 to be measured on the semiconductor wafer 171 and the measurement position 181 on the semiconductor chip 180 are specified in advance by the operator before the measurement. After the measurement is started, spectral data is acquired at the designated position, fitting is performed, and the film thickness and area ratio are calculated. After calculating the film thickness, the operator clicks on the semiconductor chip 172 to be measured on the semiconductor wafer 171, so that the film thicknesses d 1 , d 2 , d of the gate region, the active region, and the element isolation region in the designated semiconductor chip. 3 and the area ratios m 1 , m 2 , m 3 are displayed.

図8(b)は、膜厚、面積率の半導体ウエハ上での分布を表示する例で、図8(a)と同様、モニタ35画面の左側で半導体ウエハ171上の測定する半導体チップ172、および半導体チップ180上の測定位置181を示し、画面右側の膜厚/面積分布表示領域182で膜厚、面積率の半導体ウエハ上の分布を表示する。   FIG. 8B shows an example of displaying the distribution of the film thickness and area ratio on the semiconductor wafer. Similar to FIG. 8A, the semiconductor chip 172 to be measured on the semiconductor wafer 171 on the left side of the monitor 35 screen, The measurement position 181 on the semiconductor chip 180 is shown, and the film thickness / area distribution display area 182 on the right side of the screen displays the distribution of the film thickness and area ratio on the semiconductor wafer.

図8(a)と同様、半導体ウエハ171上の測定する半導体チップ172、および半導体チップ180上の測定位置181は、オペレータが測定前に予め指定しておき、膜厚算出後、オペレータが出力項目183でゲート領域、活性領域、素子分離領域の膜厚d1 、d2 、d3 、あるいは面積率m1 、m2 、m3 、の何れかを指定することにより、膜厚/面積分布表示領域182に対応する膜厚、または面積率の半導体ウエハ上の分布が表示される。 Similarly to FIG. 8A, the semiconductor chip 172 to be measured on the semiconductor wafer 171 and the measurement position 181 on the semiconductor chip 180 are specified in advance by the operator before the measurement, and after the film thickness is calculated, the operator outputs the items. By specifying one of the gate region, active region, element isolation region film thicknesses d 1 , d 2 , d 3 , or area ratios m 1 , m 2 , m 3 in 183, the film thickness / area distribution display The film thickness or area ratio distribution on the semiconductor wafer corresponding to the region 182 is displayed.

本実施の形態では、試料として図4に示すように計測視野91に対して、ゲート領域41、活性領域42、素子分離領域43の同一ピッチによる繰り返しを対象としたが、図9に示すように各領域のピッチが不規則となる場合も対処できる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the sample is intended to repeat the same pitch of the gate region 41, the active region 42, and the element isolation region 43 with respect to the measurement visual field 91, but as shown in FIG. A case where the pitch of each region is irregular can be dealt with.

また、図10に示すように計測視野91内にゲート領域41、活性領域42、素子分離領域43が1つだけ存在する場合も対処できる。図10からも分かるように、計測視野91に対して、活性領域42、素子分離領域43の面積率は大きくなるが、ゲート領域41が単独、あるいは2構造で計測視野91内に存在し、ゲート領域の面積率が大きくなることは少ない。従って、ゲート上の膜厚を計測する場合、本実施例で示したように3構造でモデル化することによってのみ、計測可能となる場合が多い。   Further, the case where only one gate region 41, active region 42, and element isolation region 43 exists in the measurement visual field 91 as shown in FIG. As can be seen from FIG. 10, the area ratio of the active region 42 and the element isolation region 43 is larger than the measurement visual field 91, but the gate region 41 is present in the measurement visual field 91 alone or in two structures. The area ratio of the region is rarely increased. Therefore, when measuring the film thickness on the gate, it is often possible to measure only by modeling with three structures as shown in this embodiment.

それにより、本実施の形態1によれば、トランジスタや容量形成後、絶縁膜が形成された複雑な構造をもった試料に対して、その光学モデルとして、試料をゲート領域、活性領域、素子分離領域の3構造で合成し、光学モデルの分光波形を検出分光波形にフィッティングすることにより、試料の各領域の膜厚、面積率を高精度に計測することができる。   Thus, according to the first embodiment, after forming transistors and capacitors, a sample having a complicated structure in which an insulating film is formed is used as an optical model of the sample as a gate region, an active region, and an element isolation. By synthesizing with three structures of regions and fitting the spectral waveform of the optical model to the detected spectral waveform, the film thickness and area ratio of each region of the sample can be measured with high accuracy.

(実施の形態2)
図11は、本発明の実施の形態2における試料のゲート構造を示す概略図、図12は、図11の試料におけるゲート材料の光学定数の温度依存性を示す概略図、図13は、本発明の実施の形態2における試料のゲート材料の温度−光学定数対応テーブルを説明する概略図、図14は、本発明の実施の形態2におけるゲート材料の光学定数をフィッティングで求める場合の処理例を示すフローチャートである。
(Embodiment 2)
FIG. 11 is a schematic diagram showing the gate structure of the sample in Embodiment 2 of the present invention, FIG. 12 is a schematic diagram showing the temperature dependence of the optical constant of the gate material in the sample of FIG. 11, and FIG. FIG. 14 is a schematic diagram for explaining the temperature-optical constant correspondence table of the gate material of the sample in the second embodiment, and FIG. 14 shows a processing example in the case where the optical constant of the gate material in the second embodiment of the present invention is obtained by fitting. It is a flowchart.

本実施の形態2においては、図4、図9、図10に示した半導体素子であるトランジスタ形成後、絶縁膜が形成された試料に対し、各領域の膜厚、面積率を算出する際、ゲート領域におけるゲート材料の光学定数も同時にフィッティングで求める方法について述べる。   In Embodiment 2, when the film thickness and area ratio of each region are calculated with respect to the sample on which the insulating film is formed after the formation of the transistor which is the semiconductor element shown in FIGS. A method for simultaneously obtaining the optical constant of the gate material in the gate region by fitting will be described.

ゲートには、多結晶Si、金属シリサイドなどのプロセス条件によって結晶状態が変化する材質が多く用いられるが、これらの光学定数は成膜条件、アニール処理の条件によって大きく変化し、膜厚の算出に影響する。   The gate is often made of a material whose crystal state changes depending on the process conditions such as polycrystalline Si, metal silicide, etc., but these optical constants vary greatly depending on the film formation conditions and annealing conditions, and can be used to calculate the film thickness. Affect.

そのため、フィッティング時、膜厚計測箇所でのゲート材料の光学定数を同時に求める。ここでは、図11、図12、図13、図14を用い、その方法について述べる。   Therefore, at the time of fitting, the optical constant of the gate material at the film thickness measurement location is obtained simultaneously. Here, the method will be described with reference to FIGS. 11, 12, 13, and 14.

ここで、ゲート材料として、図11に示すように、ゲート電極がpolySi膜48、WSi2 膜64の2層構造から構成される場合について述べる。 Here, as a gate material, a case where the gate electrode is constituted by a two-layer structure of a polySi film 48 and a WSi 2 film 64 as shown in FIG. 11 will be described.

polySi膜48、WSi2 膜64は、成膜条件、あるいはアニール処理の条件によって結晶状態が変化し、光学定数もそれに従い変化する。ここでは、WSi2 膜64を対象として述べる。 The crystal state of the polySi film 48 and the WSi 2 film 64 changes depending on the film forming conditions or annealing conditions, and the optical constants change accordingly. Here, the WSi 2 film 64 will be described as an object.

図12に、WSi2 膜64の成膜条件として温度を変化させた場合の光学定数の屈折率(n)、消衰係数(k)の変化をそれぞれ示す。図示するように、屈折率101、消衰係数103は、温度上昇によってそれぞれ屈折率102、消衰係数104に変化する。 FIG. 12 shows changes in the refractive index (n) of the optical constant and the extinction coefficient (k) when the temperature is changed as the film formation condition of the WSi 2 film 64. As shown in the figure, the refractive index 101 and the extinction coefficient 103 change to the refractive index 102 and the extinction coefficient 104, respectively, as the temperature rises.

これらの変化は、膜形成後のアニール処理による加熱によっても生じる。フィッティングによって、ゲート上のSiO2 の膜厚d1 を算出する際、下層のpolySi膜48、WSi2 膜64の光学定数を用いる。従って、膜厚算出時のpolySi膜48、WSi2 膜64の光学定数が実際の膜の光学定数と異なると、正しい膜厚を求めることができない。 These changes are also caused by heating by annealing after film formation. When calculating the thickness d 1 of SiO 2 on the gate by fitting, the optical constants of the underlying polySi film 48 and WSi 2 film 64 are used. Therefore, if the optical constants of the polySi film 48 and the WSi 2 film 64 at the time of calculating the film thickness are different from the optical constants of the actual film, the correct film thickness cannot be obtained.

そこで、ゲート領域41、活性領域42、素子分離領域43の各膜厚d1 、d2 、d3 、および面積率を求める際、同時にフィッティングによりWSi2 膜64の光学定数も求める。 Therefore, when the respective film thicknesses d 1 , d 2 , d 3 and the area ratio of the gate region 41, the active region 42, and the element isolation region 43 are obtained, the optical constant of the WSi 2 film 64 is also obtained by fitting.

以下、その方法について述べる。   The method will be described below.

本実施の形態2における膜厚計測装置は、図1に示す膜厚計測装置と膜厚計測処理部30の光学モデル作成処理32、フィッティング処理33を除いて同一である。   The film thickness measurement apparatus according to the second embodiment is the same as the film thickness measurement apparatus shown in FIG. 1 except for the optical model creation process 32 and the fitting process 33 of the film thickness measurement processing unit 30.

光学モデル作成処理32で作成する光学モデルは、ゲート材料のWSi2 膜64の光学定数がパラメータとして変数となる点を除いて、前記実施の形態1の光学モデルと同一である。 The optical model created by the optical model creation processing 32 is the same as the optical model of the first embodiment except that the optical constant of the WSi 2 film 64 of the gate material becomes a variable as a parameter.

フィッティング処理33では、膜厚、面積率と同時にWSi2 膜64の光学定数もパラメータとしてフィッティングを行う。通常、光学定数をパラメータとしてフィッティングする場合、屈折率、消衰係数を波長の関数である分散式で表す。 In the fitting process 33, fitting is performed using the optical constant of the WSi 2 film 64 as a parameter as well as the film thickness and area ratio. In general, when fitting using optical constants as parameters, the refractive index and extinction coefficient are expressed by a dispersion formula that is a function of wavelength.

分散式には、透明な試料に用いられるコーシーの分散式のように屈折率、消衰係数を波長のn次多項式で表す、あるいは吸収のある試料に用いられる振動子モデルで表す方法がある。   As the dispersion formula, there is a method in which the refractive index and extinction coefficient are expressed by an nth-order polynomial of wavelength as in the Cauchy dispersion formula used for a transparent sample, or a vibrator model used for a sample having absorption.

屈折率、消衰係数に分散式を用いる場合、分散式内の係数を膜厚と面積率のパラメータと同様の方法でフィッティングすることにより、二乗誤差最小となる分散式の係数、および膜厚、面積率を求めることができる。   When using the dispersion formula for the refractive index and extinction coefficient, by fitting the coefficients in the dispersion formula in the same manner as the parameters of the film thickness and area ratio, the coefficient of the dispersion formula that minimizes the square error, and the film thickness, The area ratio can be obtained.

しかし、分散式を用いるとフィッティングするためのパラメータ数が多くなる。そこで、図12に示されるように、屈折率、消衰係数が成膜温度によって変化することから、屈折率、消衰係数のパラメータとして温度を用いる。   However, using the dispersion formula increases the number of parameters for fitting. Therefore, as shown in FIG. 12, since the refractive index and extinction coefficient change depending on the film forming temperature, temperature is used as a parameter for the refractive index and extinction coefficient.

屈折率、消衰係数を温度の関数と表すことは難しいため、図13に示すような、温度−光学定数対応テーブル191を作成し、該温度−光学定数対応テーブル191を用いてフィッティングを行う。   Since it is difficult to express the refractive index and the extinction coefficient as a function of temperature, a temperature-optical constant correspondence table 191 as shown in FIG. 13 is created, and fitting is performed using the temperature-optical constant correspondence table 191.

温度−光学定数対応テーブル191は、膜厚計測前、試料のダミーパターンなどを用いて各成膜温度に対する屈折率、消衰係数の波長依存性を分光エリプソメータなどによって求めておく。   The temperature-optical constant correspondence table 191 uses a spectroscopic ellipsometer or the like to determine the wavelength dependence of the refractive index and extinction coefficient for each film forming temperature using a dummy pattern of the sample before film thickness measurement.

次に、フィッティング処理33について処理の詳細を図14に示す処理フローにより述べる。   Next, the details of the fitting process 33 will be described with reference to the process flow shown in FIG.

処理は2段階で、最初に光学定数の概略値、次に詳細値を求める。   The process is a two-stage process. First, an approximate value of optical constants and then a detailed value are obtained.

始めに、光学定数パラメータ増分大設定で温度−光学定数対応テーブル191を走査するためのパラメータ(温度)の増分を設定する(ステップS201)。ここでは、増分を150℃とする。   First, the increment of the parameter (temperature) for scanning the temperature-optical constant correspondence table 191 with the large optical constant parameter increment setting is set (step S201). Here, the increment is set to 150 ° C.

温度−光学定数対応テーブル191に対し、温度500℃から150℃毎にWSi2 膜64の光学定数を設定して、膜厚、面積率のフィッティングを行い(ステップS202)、最終データまでの処理を確認する(ステップS203)。 In the temperature-optical constant correspondence table 191, the optical constant of the WSi 2 film 64 is set for each temperature from 500 ° C. to 150 ° C., the film thickness and the area ratio are fitted (step S202), and the processing up to the final data is performed. Confirmation (step S203).

続いて、二乗誤差最小となる温度の光学定数を概略値として決定し(ステップS204)、光学定数の詳細値を決定するためのパラメータ(温度)の増分を設定する(ステップS205)。ここでは、50℃とする。   Subsequently, the optical constant of the temperature that minimizes the square error is determined as an approximate value (step S204), and the parameter (temperature) increment for determining the detailed value of the optical constant is set (step S205). Here, it is 50 degreeC.

その後、ステップS204の処理において決定された温度の前後の光学定数を設定して、膜厚、面積率のフィッティングを行う(ステップS206)。データの終了を確認し(ステップS207)、二乗誤差最小となる温度の光学定数、および膜厚、面積率をそれぞれ決定する(ステップS208,S209)。   Thereafter, optical constants before and after the temperature determined in the process of step S204 are set, and the film thickness and area ratio are fitted (step S206). After confirming the end of the data (step S207), the optical constant of the temperature that minimizes the square error, the film thickness, and the area ratio are respectively determined (steps S208 and S209).

それにより、本実施の形態2では、膜厚算出時にゲートを構成する多結晶Si、金属シリサイドなどのプロセス条件によって結晶状態が変化する材料の光学定数を、同時にフィッティングすることにより、光学定数を求めることが可能となるとともに高精度に膜厚を計測することができる。   Thereby, in the second embodiment, the optical constant is obtained by simultaneously fitting the optical constants of the material whose crystal state changes depending on the process conditions such as polycrystalline Si and metal silicide constituting the gate when calculating the film thickness. And the film thickness can be measured with high accuracy.

本実施の形態2では、ステップS205の処理において、増分として50℃を設定したが、増分をそれより小さくし、各温度での光学定数は温度−光学定数対応テーブル191のデータを補間することにより求めてもよい。   In the second embodiment, 50 ° C. is set as the increment in the process of step S205, but the increment is made smaller than that, and the optical constant at each temperature is interpolated from the data of the temperature-optical constant correspondence table 191. You may ask for it.

また、ここでは試料として3構造部分を対象として、ゲート材料の光学定数を計測したが、試料上、ゲートと同一のダミーパターンなど、一様で大きなパターンがある場合、その部分で光学定数のみを単独で計測する方法も考えられる。この場合、計測時間は短縮できる。   Here, the optical constant of the gate material was measured for three structural parts as a sample. However, if there is a uniform and large pattern on the specimen, such as a dummy pattern that is the same as the gate, only the optical constant is measured at that part. A method of measuring alone is also conceivable. In this case, the measurement time can be shortened.

さらに、本実施の形態2では、ゲート領域におけるゲート材料の光学定数を求める際、光学定数を成膜温度で表したが、それ以外に組成比、あるいはアニール温度など、少数のパラメータで表すことも可能である。   Furthermore, in the second embodiment, when determining the optical constant of the gate material in the gate region, the optical constant is represented by the film formation temperature, but it may also be represented by a small number of parameters such as the composition ratio or annealing temperature. Is possible.

(実施の形態3)
図15は、本発明の実施の形態3における膜厚計測装置の装置構成を示す概略図、図16は、図15の膜厚測定装置の画像検出系により検出された膜厚計測箇所の反射光検出画像を説明する概略図である。
(Embodiment 3)
FIG. 15 is a schematic diagram showing the apparatus configuration of the film thickness measurement apparatus according to Embodiment 3 of the present invention, and FIG. 16 shows the reflected light at the film thickness measurement location detected by the image detection system of the film thickness measurement apparatus in FIG. It is the schematic explaining a detection image.

本実施の形態3においては、前記実施の形態1,2と同様、図4、図9、図10に示すように、半導体素子であるトランジスタ形成後、絶縁膜が形成された試料の膜厚、面積率を算出する際、試料の反射光により試料の検出画像を得、得られた検出画像から各領域の面積率を算出し、算出された各領域の面積率を用いて、フィッティングにおけるパラメータ数を減らす、あるいはフィッティングにおける算出範囲を小さくする方法を示す。   In the third embodiment, as in the first and second embodiments, as shown in FIGS. 4, 9, and 10, the film thickness of the sample in which the insulating film is formed after the formation of the transistor as the semiconductor element, When calculating the area ratio, obtain the detection image of the sample from the reflected light of the sample, calculate the area ratio of each region from the obtained detection image, and use the calculated area ratio of each region to calculate the number of parameters in the fitting The method of reducing the calculation range in fitting or reducing fitting is shown.

本実施の形態3における膜厚計測装置の構成は、図15に示すように、前記実施の形態1の膜厚計測装置の構成に対し、半導体ウエハ上の膜厚計測箇所の画像を検出し、各領域の面積率を算出する画像検出系を追加したものである。   As shown in FIG. 15, the configuration of the film thickness measuring apparatus in the present third embodiment detects an image of the film thickness measurement location on the semiconductor wafer, compared to the structure of the film thickness measuring apparatus in the first embodiment. An image detection system for calculating the area ratio of each region is added.

膜厚計測装置は、検出光学系70、および膜厚計測処理部80で構成されている。   The film thickness measuring device includes a detection optical system 70 and a film thickness measurement processing unit 80.

検出光学系70は、前記実施の形態1の検出光学系において、ハーフミラー71、ミラー72、結像レンズ73、ならびにビデオカメラ74を付加したものである。   The detection optical system 70 is obtained by adding a half mirror 71, a mirror 72, an imaging lens 73, and a video camera 74 to the detection optical system of the first embodiment.

前記実施の形態1と同様に、照明光源16は、白色照明光を対物レンズ12を介して半導体ウエハ2に照射し、該半導体ウエハ2からの反射光を、空間フィルタ20のピンホールを介して反射光の0次光を分光器22に導く。分光器22で分光された分光波形は、電気信号として膜厚計測処理部80に入力され、膜厚、面積率が算出される。   As in the first embodiment, the illumination light source 16 irradiates the semiconductor wafer 2 with white illumination light via the objective lens 12, and reflects the reflected light from the semiconductor wafer 2 via the pinhole of the spatial filter 20. The zero-order light of the reflected light is guided to the spectrometer 22. The spectral waveform dispersed by the spectroscope 22 is input to the film thickness measurement processing unit 80 as an electric signal, and the film thickness and area ratio are calculated.

一方、本実施の形態3で追加した画像検出系では、半導体ウエハ2からの反射光をハーフミラー71で分割し、ミラー72、結像レンズ73を介してビデオカメラ74で膜厚計測箇所の反射光検出画像を得る。ビデオカメラ74で検出された反射光検出画像は膜厚計測処理部80に入力され、各領域の面積率が算出される。   On the other hand, in the image detection system added in the third embodiment, the reflected light from the semiconductor wafer 2 is divided by the half mirror 71, and the film thickness is reflected by the video camera 74 via the mirror 72 and the imaging lens 73. A photodetection image is obtained. The reflected light detection image detected by the video camera 74 is input to the film thickness measurement processing unit 80, and the area ratio of each region is calculated.

膜厚計測処理部80では、分光波形入力処理31で分光波形を入力するとともに、画像入力処理81で検出箇所の画像信号を入力し、面積率算出処理82で試料表面の各領域の面積率を算出し、光学モデル作成処理83で、試料の光学モデルをゲート領域、活性領域、素子分離領域の3構造の合成で構成し、フィッティング処理84で、検出された分光波形に対し、光学モデルにより得られた分光波形の膜厚、面積率のパラメータを変化してフィッティングを行い、二乗誤差が最小になる条件を求める。   In the film thickness measurement processing unit 80, the spectral waveform is input in the spectral waveform input process 31, the image signal of the detected portion is input in the image input process 81, and the area ratio of each region on the sample surface is calculated in the area ratio calculation process 82. In the optical model creation process 83, the optical model of the sample is composed of a composite of the three structures of the gate region, the active region, and the element isolation region. In the fitting process 84, the detected spectral waveform is obtained by the optical model. Fitting is performed by changing the parameters of the film thickness and area ratio of the obtained spectral waveform, and a condition for minimizing the square error is obtained.

次に、膜厚計測処理部80の主要な処理について述べる。   Next, main processes of the film thickness measurement processing unit 80 will be described.

面積率算出処理82では、図16に示すように、画像入力処理81で入力された反射光検出画像221から、画像処理によってゲート領域41、活性領域42、素子分離領域43を区分し、各領域の画素数から各領域の面積を求める。   In the area ratio calculation process 82, as shown in FIG. 16, from the reflected light detection image 221 input in the image input process 81, the gate region 41, the active region 42, and the element isolation region 43 are divided by image processing. The area of each region is obtained from the number of pixels.

反射光検出画像221からゲート領域41、活性領域42、素子分離領域43を区分する方法として、たとえば各領域の反射率が異なることや、各領域の反射光の波長成分が異なることから、画素毎に反射光検出画像の反射強度から領域を決定する。   As a method for distinguishing the gate region 41, the active region 42, and the element isolation region 43 from the reflected light detection image 221, for example, the reflectance of each region is different or the wavelength component of the reflected light of each region is different. The region is determined from the reflection intensity of the reflected light detection image.

また、各領域の区分、および面積算出を画像処理によらず、オペレータがモニタ上でカーソルにより指定することもできる。算出されたゲート領域41、活性領域42、素子分離領域43の面積の内、図16に示す計測視野91の面積を算出し、それを用いて各領域の計測視野91に対する面積率が算出される。   Further, the division of each region and the area calculation can be specified by the operator with a cursor on the monitor without using image processing. Of the calculated areas of the gate region 41, the active region 42, and the element isolation region 43, the area of the measurement visual field 91 shown in FIG. 16 is calculated, and the area ratio of each region to the measurement visual field 91 is calculated. .

光学モデル作成処理83では、光学モデルを作成するが膜構造、および光学定数などは前記実施の形態1の場合と同一である。ただ、各領域の面積率が既知のため、面積率のパラメータとして各領域における単構造部分と境界部分の比率を用いる。そのため、面積率のパラメータ数を減らすことができる。   In the optical model creation process 83, an optical model is created, but the film structure, optical constants, and the like are the same as those in the first embodiment. However, since the area ratio of each region is known, the ratio of the single structure portion and the boundary portion in each region is used as the area ratio parameter. Therefore, the number of area ratio parameters can be reduced.

フィッティング処理84では、光学モデルによって得られる反射光の分光波形を、試料から検出される反射光の分光波形にフィッティングして、ゲート領域、活性領域、素子分離領域の膜厚、および、各領域における単構造部分と境界構造部分の比率を算出する。   In the fitting process 84, the spectral waveform of the reflected light obtained by the optical model is fitted to the spectral waveform of the reflected light detected from the sample, and the film thickness of the gate region, the active region, the element isolation region, and in each region The ratio of the single structure part and the boundary structure part is calculated.

フィッティングでは、ゲート領域、活性領域、素子分離領域の面積率は既知のため、パラメータ数が少なくなり、算出時間を削減できる。   In the fitting, since the area ratios of the gate region, the active region, and the element isolation region are known, the number of parameters is reduced, and the calculation time can be reduced.

本実施の形態3では、光学モデルから得られる反射光の分光波形を、検出した反射光の分光波形にフィッティングする際、試料の反射光により試料の検出画像を得、得られた検出画像から各領域の面積率を算出し、算出された各領域の面積率を用いて、フィッティングにおけるパラメータ数を減らし、膜厚を算出した。   In the third embodiment, when fitting the spectral waveform of the reflected light obtained from the optical model to the spectral waveform of the detected reflected light, a detection image of the sample is obtained from the reflected light of the sample, and each detected image is obtained from the obtained detection image. The area ratio of the region was calculated, and using the calculated area ratio of each region, the number of parameters in fitting was reduced, and the film thickness was calculated.

それにより、本実施の形態3においては、フィッティングにおけるパラメータ数を減少させることができるので、算出時間をより短くしながら、高精度に膜厚測定を行うことができる。   Thereby, in the third embodiment, since the number of parameters in the fitting can be reduced, the film thickness can be measured with high accuracy while shortening the calculation time.

フィッティング時のパラメータを減らす方法としては、これ以外にトランジスタを形成する前の工程のSTI工程で膜厚を計測した場合、その計測結果を用いる方法がある。STI工程では、たとえば、図17(c)に示すように活性領域42、素子分離領域43の膜厚d1 、d2 、および面積率が計測される。 As another method of reducing the parameters at the time of fitting, there is a method of using the measurement result when the film thickness is measured in the STI process before the transistor is formed. In the STI process, for example, as shown in FIG. 17C, the film thicknesses d 1 and d 2 and the area ratio of the active region 42 and the element isolation region 43 are measured.

計測は半導体チップ上、位置を指定して行われる。従って、トランジスタ形成後の絶縁膜の膜厚を計測する際、半導体チップ上の同一箇所の計測された活性領域、素子分離領域の測定膜厚、測定面積率を用いることにより、フィッティングにおけるパラメータ数を減らすことができる。   Measurement is performed by designating a position on a semiconductor chip. Therefore, when measuring the film thickness of the insulating film after transistor formation, the number of parameters in the fitting can be calculated by using the measured active region at the same location on the semiconductor chip, the measured film thickness of the element isolation region, and the measured area ratio. Can be reduced.

フィッティングにより、ゲート領域、活性領域、素子分離領域の膜厚、面積率を求める際、パラメータを減らす方法として、半導体ウエハ上、複数の半導体チップの同一箇所を計測する場合、半導体ウエハ上の各半導体チップの同一箇所は構造、寸法が殆ど等しいことから、各領域の面積率も殆ど等しくなることを用いて、フィッティングにおけるパラメータ数を減らす、あるいはフィッティングにおける算出範囲を小さくして、膜厚、面積率を計測する方法がある。   When determining the thickness and area ratio of the gate region, active region, and element isolation region by fitting, as a method of reducing parameters, when measuring the same location on a semiconductor wafer or multiple semiconductor chips, each semiconductor on the semiconductor wafer Since the same part of the chip has almost the same structure and dimensions, the area ratio of each region is almost the same, so the number of parameters in fitting is reduced, or the calculation range in fitting is reduced to reduce the film thickness and area ratio. There is a way to measure.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

本発明の膜厚測定技術は、シリコンなどの半導体デバイスの他、DVD、TFT、LSIレチクルなどの薄膜デバイスの製造工程におけるレジスト膜や絶縁膜などの高精度な膜厚の測定技術に適している。   The film thickness measurement technique of the present invention is suitable for a highly accurate film thickness measurement technique such as a resist film and an insulating film in a manufacturing process of a thin film device such as a DVD, a TFT, and an LSI reticle in addition to a semiconductor device such as silicon. .

本発明の実施の形態1における膜厚計測装置の装置構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the apparatus structure of the film thickness measuring apparatus in Embodiment 1 of this invention. 図1の膜厚計測装置の処理方式を説明する概略図である。It is the schematic explaining the processing system of the film thickness measuring apparatus of FIG. 本発明の実施の形態1における半導体デバイスの製造ラインにおけるライン構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the line structure in the manufacturing line of the semiconductor device in Embodiment 1 of this invention. 図1の膜厚計測装置における計測対象の試料の構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the sample of the measuring object in the film thickness measuring apparatus of FIG. 図4の試料における単構造の膜構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the film | membrane structure of the single structure in the sample of FIG. 図1の膜厚計測装置における光学モデル作成処理の処理の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the process of the optical model creation process in the film thickness measuring apparatus of FIG. 図1の膜厚計測装置における検出分光波形と光学モデルによる分光波形のフィッティングを説明する概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating fitting of a detected spectral waveform and a spectral waveform by an optical model in the film thickness measuring apparatus of FIG. 1. 図1の膜厚計測装置におけるモニタに出力される膜厚、面積率算出結果の表示例を説明する概略図である。It is the schematic explaining the example of a display of the film thickness output to the monitor in the film thickness measuring apparatus of FIG. 1, and an area ratio calculation result. 図4の計測対象の試料のピッチが不規則な場合の構造を示す概略図である。It is the schematic which shows a structure in case the pitch of the sample of the measuring object of FIG. 4 is irregular. 図4の計測対象の試料の各領域が単数の場合の構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure in case each area | region of the sample of the measurement object of FIG. 4 is single. 本発明の実施の形態2における試料のゲート構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the gate structure of the sample in Embodiment 2 of this invention. 図11の試料におけるゲート材料の光学定数の温度依存性を示す概略図である。It is the schematic which shows the temperature dependence of the optical constant of the gate material in the sample of FIG. 本発明の実施の形態2における試料のゲート材料の温度−光学定数対応テーブルを説明する概略図である。It is the schematic explaining the temperature-optical constant correspondence table | surface of the sample gate material in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2におけるゲート材料の光学定数をフィッティングで求める場合の処理例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process example in the case of calculating | requiring the optical constant of the gate material in Embodiment 2 of this invention by fitting. 本発明の実施の形態3における膜厚計測装置の装置構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the apparatus structure of the film thickness measuring apparatus in Embodiment 3 of this invention. 図15の膜厚測定装置の画像検出系により検出された膜厚計測箇所の反射光検出画像を説明する概略図である。It is the schematic explaining the reflected light detection image of the film thickness measurement location detected by the image detection system of the film thickness measuring apparatus of FIG. 本発明者が検討した膜厚計測方法を説明する概略図である。It is the schematic explaining the film thickness measuring method which this inventor examined.

符号の説明Explanation of symbols

1…検出光学系、2…半導体ウエハ(試料)、11…XYステージ、12…対物レンズ、13…ハーフミラー、14…集光レンズ、15…開口絞り、16…照明光源(照射手段)、17…結像レンズ、18…視野絞り、19…リレーレンズ、20…空間フィルタ(検出手段)、21…リレーレンズ(検出手段)、22…分光器、30…膜厚計測処理部、31…分光波形入力処理、32…光学モデル作成処理(光学モデル作成手段)、33…フィッティング処理(フィッティング処理手段)、34…膜厚/面積率算出処理(膜厚算出手段)、35…モニタ、41…ゲート領域、42…活性領域、43…素子分離領域、44…シリコン基板、45〜47…SiO2 膜、48…ポリSi膜、51…第1構造、52…第2構造、53…第3構造、57…トランジスタ、64…WSi2 膜、70…検出光学系、71…ハーフミラー、72…ミラー、73…結像レンズ、74…ビデオカメラ、80…膜厚計測処理部、81…画像入力処理、82…面積率算出処理、83…光学モデル作成処理、84…フィッティング処理、85…膜厚算出処理、86…モニタ、91…計測視野、101,102…屈折率、103,104…消衰係数、131…成膜装置、132…CMP装置、133…膜厚計測装置、134…露光装置、135…エッチング装置、171…半導体ウエハ、172…半導体チップ、173…膜厚/面積率表示領域、180…半導体チップ、181…測定位置、182…膜厚/面積分布表示領域、183…出力項目、191…温度−光学定数対応テーブル、231…分光波形、232…分光波形。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Detection optical system, 2 ... Semiconductor wafer (sample), 11 ... XY stage, 12 ... Objective lens, 13 ... Half mirror, 14 ... Condensing lens, 15 ... Aperture stop, 16 ... Illumination light source (irradiation means), 17 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Imaging lens, 18 ... Field stop, 19 ... Relay lens, 20 ... Spatial filter (detection means), 21 ... Relay lens (detection means), 22 ... Spectroscope, 30 ... Film thickness measurement processing part, 31 ... Spectral waveform Input process 32... Optical model creation process (optical model creation means) 33... Fitting process (fitting process means) 34... Film thickness / area ratio calculation process (film thickness calculation means) 35 35 Monitor 41. , 42 ... active region, 43 ... isolation region 44 ... silicon substrate, 45 to 47 ... SiO 2 film, 48 ... poly-Si film, 51 ... first structure, 52 ... second structure, 53 ... third structure 57 Transistors, 64 ... WSi 2 film, 70 ... detection optical system, 71 ... half mirror, 72 ... mirror, 73 ... imaging lens 74 ... video camera, 80 ... film thickness measuring unit, 81 ... image input process, 82 ... Area ratio calculation process, 83 ... Optical model creation process, 84 ... Fitting process, 85 ... Thickness calculation process, 86 ... Monitor, 91 ... Measurement field of view, 101,102 ... Refractive index, 103,104 ... Extinction coefficient, 131 ... Deposition apparatus 132 ... CMP apparatus, 133 ... Film thickness measuring apparatus, 134 ... Exposure apparatus, 135 ... Etching apparatus, 171 ... Semiconductor wafer, 172 ... Semiconductor chip, 173 ... Thickness / area ratio display area, 180 ... Semiconductor chip 181 ... Measurement position, 182 ... Film thickness / area distribution display area, 183 ... Output item, 191 ... Temperature-optical constant correspondence table, 231 ... Spectral waveform, 232 ... Optical waveform.

Claims (12)

表面が光学的に透明な膜が形成された試料に白色光を照射し、前記白色光の照射による前記試料表面からの反射光を検出し、検出した前記反射光の0次光の分光波形に基づいて前記膜の膜厚を求める膜厚計測方法であって、
前記試料の光学モデルを、光学的に構造、材質の異なる3つ以上の構造の合成で構成し、前記光学モデルから得られる反射光の分光波形を検出した前記反射光の0次光の分光波形にフィッティングさせることにより、前記試料の各構造の表面膜厚、および面積率を求めることを特徴とする膜厚計測方法。
A sample having an optically transparent surface is irradiated with white light, reflected light from the sample surface due to the irradiation of the white light is detected, and a spectral waveform of the detected zero-order light of the reflected light is detected. A film thickness measuring method for determining the film thickness of the film based on
The optical model of the sample is composed of a combination of three or more structures optically different in structure and material, and the spectral waveform of the zero-order light of the reflected light obtained by detecting the spectral waveform of the reflected light obtained from the optical model A film thickness measuring method characterized in that the surface film thickness and the area ratio of each structure of the sample are obtained by fitting to the surface.
請求項1記載の膜厚計測方法において、
前記試料の光学モデルを、ゲート領域、活性領域、素子分離領域の3構造の合成で構成し、前記光学モデルから得られる反射光の分光波形を、検出した前記反射光の0次光の分光波形にフィッティングさせることにより、ゲート領域、活性領域、素子分離領域における膜厚、および面積率を求めることを特徴とする膜厚計測方法。
In the film thickness measuring method according to claim 1,
An optical model of the sample is configured by combining three structures of a gate region, an active region, and an element isolation region, and a spectral waveform of reflected light obtained from the optical model is a spectral waveform of zero-order light of the detected reflected light. A film thickness measuring method, wherein the film thickness and the area ratio in the gate region, the active region, and the element isolation region are obtained by fitting to each other.
請求項2記載の膜厚計測方法において、
前記光学モデルから得られる反射光の分光波形を、検出した前記反射光の0次光の分光波形にフィッティングさせることにより、ゲート領域、活性領域、素子分離領域における膜厚、面積率、および光学定数を求めることを特徴とする膜厚計測方法。
In the film thickness measuring method according to claim 2,
By fitting the spectral waveform of the reflected light obtained from the optical model to the spectral waveform of the detected zero-order light of the reflected light, the film thickness, area ratio, and optical constant in the gate region, active region, and element isolation region The film thickness measuring method characterized by calculating | requiring.
請求項3記載の膜厚計測方法において、
前記光学モデルから得られる反射光の分光波形を、検出した前記反射光の0次光の分光波形にフィッティングさせることにより、ゲート領域、活性領域、素子分離領域における膜厚、面積率、およびゲート領域におけるゲート材料の光学定数を求めることを特徴とする膜厚計測方法。
In the film thickness measuring method according to claim 3,
By fitting the spectral waveform of the reflected light obtained from the optical model to the spectral waveform of the detected zero-order light of the reflected light, the gate region, the active region, the film thickness in the element isolation region, the area ratio, and the gate region A method for measuring a film thickness, comprising: obtaining an optical constant of a gate material in
請求項3記載の膜厚計測方法において、
前記各領域における光学定数を求める際、成膜温度、あるいは組成比などの少数のパラメータを用いてフィッティングすることを特徴とする膜厚計測方法。
In the film thickness measuring method according to claim 3,
A method for measuring a film thickness, wherein the optical constant in each region is obtained by fitting using a small number of parameters such as a film formation temperature or a composition ratio.
請求項4記載の膜厚計測方法において、
前記ゲート領域におけるゲート材料の光学定数を求める際、成膜温度、あるいは組成比などの少数のパラメータを用いてフィッティングすることを特徴とする膜厚計測方法。
In the film thickness measuring method according to claim 4,
A method for measuring a film thickness, characterized in that when an optical constant of a gate material in the gate region is obtained, fitting is performed using a small number of parameters such as a film formation temperature or a composition ratio.
請求項2記載の膜厚計測方法において、
前記光学モデルから得られる反射光の分光波形を、検出した前記反射光の0次光の分光波形にフィッティングさせることにより、ゲート領域、活性領域、素子分離領域における膜厚、および面積率を求める際、前記試料の反射光により前記試料の検出画像を得、得られた前記検出画像から各領域の面積率を算出し、算出された各領域の面積率を用いて、フィッティングにおけるパラメータ数を減らす、あるいはフィッティングにおける算出範囲を小さくすることを特徴とする膜厚計測方法。
In the film thickness measuring method according to claim 2,
When obtaining the film thickness and area ratio in the gate region, the active region, and the element isolation region by fitting the spectral waveform of the reflected light obtained from the optical model to the spectral waveform of the detected zero-order light of the reflected light The detection image of the sample is obtained from the reflected light of the sample, the area ratio of each region is calculated from the obtained detection image, and the number of parameters in the fitting is reduced using the calculated area ratio of each region. Alternatively, a film thickness measurement method characterized by reducing a calculation range in fitting.
請求項2記載の膜厚計測方法において、
前記光学モデルから得られる反射光の分光波形を、検出した前記反射光の0次光の分光波形にフィッティングさせることにより、ゲート領域、活性領域、および素子分離領域における膜厚と面積率とを求める際、終了しているSTI工程における活性領域、素子分離領域の測定面積率、測定膜厚を用いることにより、フィッティングにおけるパラメータ数を減らす、あるいはフィッティングにおける算出範囲を小さくすることを特徴とする膜厚計測方法。
In the film thickness measuring method according to claim 2,
By fitting the spectral waveform of the reflected light obtained from the optical model to the spectral waveform of the detected zero-order light of the reflected light, the film thickness and the area ratio in the gate region, the active region, and the element isolation region are obtained. At this time, by using the active area in the completed STI process, the measured area ratio of the element isolation region, and the measured film thickness, the number of parameters in fitting is reduced or the calculation range in fitting is reduced. Measurement method.
請求項2記載の膜厚計測方法において、
前記光学モデルから得られる反射光の分光波形を、検出した前記反射光の0次光の分光波形にフィッティングさせることにより、ゲート領域、活性領域、および素子分離領域における膜厚と面積率とを求める際、半導体ウエハ上の半導体チップ間のほぼ同一位置の面積率を用いて、フィッティングにおけるパラメータ数を減らす、あるいはフィッティングにおける算出範囲を小さくすることを特徴とする膜厚計測方法。
In the film thickness measuring method according to claim 2,
By fitting the spectral waveform of the reflected light obtained from the optical model to the spectral waveform of the detected zero-order light of the reflected light, the film thickness and the area ratio in the gate region, the active region, and the element isolation region are obtained. In this case, the film thickness measuring method is characterized in that the number of parameters in the fitting is reduced or the calculation range in the fitting is reduced by using an area ratio at substantially the same position between the semiconductor chips on the semiconductor wafer.
表面が光学的に透明な膜が形成された試料に白色光を照射する照射手段と、
前記照射手段により照射されて前記試料から発生する反射光の0次光を検出する検出手段と、
前記試料の光学モデルを、光学的に構造、材質の異なる3つ以上の構造の合成で構成する光学モデル作成手段と、
前記光学モデル作成手段から得られる反射光分光波形を検出した前記反射光の0次光の分光波形にフィッティングさせるフィッティング処理手段と、
前記フィッティング処理手段より前記試料の各構造の膜厚、および面積率を算出する膜厚算出手段とを備えたことを特徴とする膜厚計測装置。
An irradiation means for irradiating the sample on which the surface is formed with an optically transparent film with white light;
Detecting means for detecting zero-order light of reflected light emitted from the sample irradiated by the irradiation means;
An optical model creating means configured to compose an optical model of the sample by combining three or more structures having different optical structures and materials;
Fitting processing means for fitting the reflected light spectral waveform obtained from the optical model creating means to the spectral waveform of the zero-order light of the reflected light detected;
A film thickness measuring apparatus comprising: a film thickness calculating means for calculating a film thickness of each structure of the sample and an area ratio from the fitting processing means.
表面が光学的に透明な膜が形成された試料に白色光を照射する照射手段と、
前記照射手段により照射されて前記試料から発生する反射光の0次光を検出する検出手段と、
前記試料の光学モデルを、ゲート領域、活性領域、素子分離領域の3構造の合成で構成する光学モデル作成手段と、
前記光学モデル作成手段から得られる反射光分光波形を検出した前記反射光の0次光の分光波形にフィッティングさせるフィッティング処理手段と、
前記フィッティング処理手段より前記試料のゲート領域、活性領域、素子分離領域における膜厚、および面積率を算出する膜厚算出手段とを備えたことを特徴とする膜厚計測装置。
An irradiation means for irradiating the sample on which the surface is formed with an optically transparent film with white light;
Detecting means for detecting zero-order light of reflected light emitted from the sample irradiated by the irradiation means;
An optical model creating means configured to synthesize an optical model of the sample by combining three structures of a gate region, an active region, and an element isolation region;
Fitting processing means for fitting the reflected light spectral waveform obtained from the optical model creating means to the spectral waveform of the zero-order light of the reflected light detected;
A film thickness measuring apparatus comprising: a film thickness calculating means for calculating a film thickness and an area ratio in the gate region, the active region, and the element isolation region of the sample from the fitting processing means.
表面が光学的に透明な膜が形成された試料に白色光を照射する照射手段と、
前記照射手段により照射されて前記試料から発生する反射光の0次光を検出する検出手段と、
前記試料の光学モデルを、ゲート領域、活性領域、素子分離領域の3構造で合成し、ゲート材料の光学定数をパラメータとして構成する光学モデル作成手段と、
前記光学モデル作成手段から得られる反射光分光波形を検出した前記反射光の0次光の分光波形に膜厚、面積率、光学定数をパラメータとしてフィッティングさせるフィッティング処理手段と、
前記フィッティング処理手段より前記試料のゲート領域、活性領域、素子分離領域における膜厚、面積率、およびゲート材料の光学定数を算出する膜厚算出手段とを備えたことを特徴とする膜厚計測装置。
An irradiation means for irradiating the sample on which the surface is formed with an optically transparent film with white light;
Detecting means for detecting zero-order light of reflected light emitted from the sample irradiated by the irradiation means;
An optical model creating means for synthesizing the optical model of the sample with three structures of a gate region, an active region, and an element isolation region, and configuring the optical constant of the gate material as a parameter;
Fitting processing means for fitting the spectral waveform of the zero-order light of the reflected light obtained by detecting the reflected light spectral waveform obtained from the optical model creating means as a parameter with a film thickness, an area ratio, and an optical constant;
A film thickness measuring device comprising: a film thickness calculating means for calculating the film thickness, area ratio, and optical constant of the gate material in the gate region, active region, and element isolation region of the sample from the fitting processing means .
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