JP2006091670A - マスクパターン幅測定方法及び測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 エッチング用のマスクパターン幅を、非接触、非破壊、高速で測定でき、特に、プロセス中に測定できるようにする。
【解決手段】 ウェハ１１上のレジストパターン１５のピッチより長い連続した多波長の光を発生する赤外光源１と、この赤外光源１から発生された光をウェハ１１に集光するとともに、ウェハ１１から反射した光を所定方向に導くレンズ３及び２分岐光ファイバ２と、２分岐光ファイバ２によって導かれる光を入射させてスペクトルに分解し、電気信号として出力する赤外分光器４と、この赤外分光器４から出力される分光スペクトル信号に基づいてレジストパターン幅を算出する線幅演算部５とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体エッチングプロセスにおける加工寸法を測定する技術に関し、特にゲート用マスクパターン幅を測定する測定方法及び測定装置に関する。

半導体素子のゲート加工では、例えば、レジストをマスクにしてポリシリコン（ウェハ）をエッチングすることにより微細構造を作るようになっているが、より微細な構造を作するため、図６（ａ）に示すようなレジスト（マスク）１０１をスリミングすることにより図６（ｂ）に示すようにそのパターン幅を細くし、このパターン幅を細くしたレジスト（マスク）１０１を用いて図６（ｃ）に示すように、ポリシリコン（ウェハ）１０２をエッチング加工することで微細なゲートパターン１０３の作成が可能となる。

ところで、上記したようにスリミングされたレジスト（マスク）のパターン幅は、寸法測定用ＳＥＭ（電子顕微鏡）により測定されて管理されている。

しかしながら、従来のＳＥＭ（電子顕微鏡）を用いた測定方法では、測定に時間がかかりオフライン測定であるため、ウェハ全数は測定できず抜き取り検査となってしまう（ロット毎に一枚程度）。

このため、ロット内でレジスト（マスク）のパターン幅がばらついていると、最終的なゲートのパターン幅がばらつき、製品不良の原因となる。

本発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、マスクパターン幅を、非接触、非破壊、高速で測定でき、特に、エッチングプロセス中に測定できるようにしたマスクパターン幅測定方法及び測定装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１記載のものは、被エッチング材上のマスクパターンのピッチより長い連続した多波長の光を発生する工程と、この工程により発生された光を前記被エッチング材に集光するとともに、前記被エッチング材から反射した光を所定方向に導く工程と、この工程によって導かれる光をスペクトルに分解し、分光スペクトル信号として出力する工程と、この工程により出力される分光スペクトル信号から前記マスクパターンの幅寸法を算出する工程とを具備する。

請求項５記載のものは、被エッチング材上のマスクパターンのピッチより長い連続した多波長の光を発生する光発生手段と、この光発生手段から発生された光を前記被エッチング材に集光するとともに、前記被エッチング材から反射した光を所定方向に導く光学系と、この光学系によって導かれる光を入射させてスペクトルに分解し、電気信号として出力する分光手段と、この分光手段から出力される分光スペクトル信号に基づいて前記マスクパターン幅を算出する演算手段とを具備する。

本発明によれば、マスクパターン幅を非接触で、プロセス中に全数測定することができ、製品不良の発生を防止できる。

以下、本発明を図面に示す実施の形態を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施の形態であるエッチングマスクのパターン幅測定装置を示す構成図である。
このパターン幅測定装置は光発生手段としての赤外光源１、光学系としての２分岐光ファイバ２、レンズ３、及び分光手段としての赤外分光器４、さらに線幅演算手段として線幅演算部５を備えている。

赤外光源１は、後述するレジストパターン（マスクパターン）のピッチより十分長い（ピッチの約２倍以上）連続した多波長の赤外光を発生するものである。２分岐光ファイバ２は、赤外光源１からの赤外光を効率良くレンズ３に導くとともに、後述するプロセスチャンバ１０内の被エッチング材としてのウェハ１１の表面から反射する光をレンズ３を介して赤外分光器４に導くものである。

レンズ３は２分岐光ファイバ２からの出射光をウェハ１１の表面に集光し、赤外分光器４は入射する光をスペクトルに分解し、電気信号として線幅演算部５に出力するものである。線幅演算部５は分光スペクトル信号に基づいてレジストパターン幅を算出するものである。

このように構成されるパターン幅測定装置の下方部には、プロセスチャンバ１０が設けられている。プロセスチャンバ１０の上面部には窓部１２が形成され、内部にはウェハ１１が設けられている。パターン幅測定装置のレンズ３はプロセスチャンバ１０の窓部１２を介してウェハ１１に対向されている。

図２はウェハ１１とこのウェハ１１上に設けられる誘電体のレジストパターン（マスクパターン）１５を示す。

ウェハ１１は、Ｓｉ基板１６と、このＳｉ基板１６上に積層されるＳｉＯ２膜１７と、多結晶シリコン膜１８とからなる。

ところで、レジストパターン１５のような誘電体物質でできた繰返パターン構造に、そのピッチより十分長い波長の光を照射した場合、回折が生じないため、繰返パターンは図３に示すように一つのパターンのない膜２０とみなせる。

この膜２０の屈折率はライン部分のレジストパターン１５の屈折率とスペース部分の空気（真空）の屈折率の割合で一義的に決まる。レジストパターン１５が太い場合はレジストパターン１５の割合が大きくなり膜２０の屈折率は大きくなる。逆にレジストパターン１５が細くなると膜２０の屈折率が小さくなる。このことを利用して膜２０の屈折率からレジストパターン幅を算出する。

赤外光源１で発生した赤外光は、２分岐光ファイバ２、及びレンズ３を介してウェハ１１に照射される。ウェハ１１から反射される赤外光は、レンズ３を介して赤外分光器４に導かれ、スペクトルに分解されて電気信号として線幅演算部５に出力される。線幅演算部５では、分光スペクトル信号からレジストパターン幅を算出する。

次に、膜２０の屈折率の算出方法の一例について説明する。

図４で示すような混合膜モデル（簡単のために反射防止膜は除いてある）に赤外光を照射した場合、ウェハ１１から反射される反射光は干渉を起こし、その強度Ｉ（λ）は、
Ｉ（λ）＝ｒｏ（λ）²＋ｒｌ（λ）²＋２ｒｏ（λ）ｒ１（λ）ＣＯＳ（４πｎ（λ）ｄ／λ）
ｒｏ（λ）＝（ｎ（λ）−１）／（ｎ（λ）＋１）
ｒ１（λ）＝（ｎ（λ）−ｎ１（λ））／（ｎ（λ）＋ｎ１（λ））であらわせる。

ここで、ｎ（λ）は混合膜２０の屈折率、ｎ１（λ）は多結晶シリコン膜１８の屈折率、ｄは混合膜２０の厚さ、ｒｏ（λ）は空気／混合膜境界面での反射率、ｒ１（λ）は混合膜／多結晶シリコン膜境界面での反射率である。

上記式において、混合膜２０の屈折率ｎ（λ）と厚さｄは不明である。

この２パラメータを算出するために、図５に示したように、赤外分光器４で測定した分光スペクトル（実線で示す）に一番合うように、理論値（破線で示す）の屈折率ｎ（λ）と厚さｄを変化させ、一致したときの値をｎ（λ）とｄの真値とする。この様にして混合膜の屈折率を算出する。

一方、レジスト１５の屈折率をｎ（λ）とし、混合比をαとおくと、混合膜２０の屈折率は以下のようにあらわせる。

ｎ（λ）＝［αｎr（λ）十（１一α）］
ｎ（λ）とｎr（λ）はわかっているのでαが算出でき、その値からレジストパターン１５の幅寸法が導ける。

上記したように、ウェハ１１上のレジストパターン１５のピッチより長い連続した多波長の光を発生させ、この光をウェハ１１に集光するとともに、ウェハ１１から反射した光を所定方向に導き、この導かれる光を赤外分光器４に入射させてスペクトルに分解して分光スペクトル信号として出力し、この出力される分光スペクトル信号に基づいてレジストパターン１５の幅を算出するため、レジストパターン１５の幅をプロセス中に非接触で全数測定でき、製品不良の発生を防止できる。

なお、本発明は上記した一実施の形態に限られることなく、その要旨の範囲内で種々変形実施可能なことは勿論である。

本発明の一実施の形態であるレジストパターン幅を測定する測定装置を示す構成図。 同測定装置によって測定されるレジストパターンを示す図。 同レジストパターンと空気との混合膜を示す図。 同混合膜の反射光の干渉強度を示す図。 同測定装置によって測定される干渉光強度を示す図。 従来におけるゲートパターンの作成工程を示す図。

符号の説明

１…赤外光源（光発生手段）、２…２分岐光ファイバ（光学系）、３…レンズ（光学系）、４…赤外分光光（分光手段）、５…線幅演算部（演算手段）、１１…ウェハ（被エッチング材）、１５…レジストパターン（マスクパターン）。

Claims (10)

1. 被エッチング材上のマスクパターンのピッチより長い連続した多波長の光を発生する工程と、
   この工程により発生された光を前記被エッチング材に集光するとともに、前記被エッチング材から反射した光を所定方向に導く工程と、
   この工程によって導かれる光をスペクトルに分解し、分光スペクトル信号として出力する工程と、
   この工程により出力される分光スペクトル信号から前記マスクパターンの幅寸法を算出する工程と
   を具備することを特徴とするマスクパターン幅測定方法。
2. 前記マスクパターンは誘電体であることを特徴とする請求項１記載のマスクパターン幅測定方法。
3. 前記光は赤外光であることを特徴とする請求項１記載のマスクパターン幅測定方法。
4. 前記光の波長は前記マスクパターンピッチの約２倍より長いことを特徴とする請求項１又は２記載のマスクパターン幅測定方法。
5. 前記マスクパターンを空気が所定の割合で混合する混合膜とみなし、前記分光スペクトルとその混合膜での理論信号が一致したときの屈折率の混合比から前記マスクパターン幅を算出することを特徴とする請求項１記載のマスクパターン幅測定方法。
6. 被エッチング材上のマスクパターンのピッチより長い連続した多波長の光を発生する光発生手段と、
   この光発生手段から発生された光を前記被エッチング材に集光するとともに、前記被エッチング材から反射した光を所定方向に導く光学系と、
   この光学系によって導かれる光を入射させてスペクトルに分解し、電気信号として出力する分光手段と、
   この分光手段から出力される分光スペクトル信号に基づいて前記マスクパターン幅を算出する演算手段と
   を具備することを特徴とするマスクパターン幅測定装置。
7. 前記マスクパターンは誘電体であることを特徴とする請求項６記載のマスクパターン幅測定装置。
8. 前記光は赤外光であることを特徴とする請求項６記載のマスクパターン幅測定装置。
9. 前記光の波長はマスクピッチの約２倍より長いことを特徴とする請求項６記載のマスクパターン幅測定装置。
10. 前記マスクパターンを空気が所定の割合で混合する混合膜とみなし、前記分光スペクトルとその混合膜での理論信号が一致したときの屈折率の混合比からマスクパターン幅を算出することを特徴とする請求項６記載のマスクパターン幅測定装置。

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