JP2007521476A - サブミクロンの溝構造部を評価する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ISTSを利用して、ミクロンまたはサブミクロンの幅の溝を評価する方法に関する。溝は、シリコン基板またはシリコン基板上の薄膜内にエッチング加工される。本方法のあるステップでは、空間周期的レーザー強度パターンを用いて構造部を照射することにより、構造部を励起し、表面弾性波を発生させる。別のステップは、熱回折格子でプローブレーザービームを回折させて信号ビームを発生させるステップ；時間の関数として、信号ビームを検出し、信号波形を発生させるステップ；前記波形から表面弾性波位相速度を定めるステップ；構造部パラメータが表面弾性波位相速度に及ぼす影響に基づいて、溝構造部の少なくとも一つの特性を定めるステップである。

Description

本発明は、試料、例えばシリコンウェハ上に形成された溝構造部の特性を評価する音響光学的測定法の分野に関する。

一般に超小型電子装置の製作には、溝構造部（すなわち、孔または直線溝）を製作する複数のパターン化処理ステップが含まれ、これらの構造部は通常、半導体基板または基板に成膜された薄膜層のエッチングによって形成される。

工業的処理プロセスのモニタリングおよび制御に関して、そのような構造部を測定する非接触の光学式方法には大きな需要がある。処理制御用の最大関心パラメータは、溝構造部の深さ、幅および他のパラメータを含む。集積回路製造分野の最新技術では、一般的な溝構造部の幅は、0.1μmのオーダーであり、溝の深さは、1μm以下から数μm程度の範囲にある。そのような高アスペクト比の構造部の非破壊評価は、難しい課題である。

本願の参照文献として取り入れられている米国特許第5,812,261号、第6,081,330号、第6,188,478号に示されている従来の方法では、薄膜構造部は、瞬間励起熱散乱（ISTS）表面弾性波分光計を用いて検査される。図1に示すようにこの技術では、試料構造部1は、2つのビーム3、3’の干渉によって、試料表面に形成される回折格子パターン10に焦点化されたレーザー光の短パルスで励起される。回折格子パターン10の明るい縞の各々の位置での光の吸収によって、試料には局部的に熱が発生する。この結果、瞬発的で周期的な膨張により、試料表面で音波が発生する。音波の伝播は、拡大部分8で見ることができる。この表面弾性波（SAW）は、薄膜の面内を伝播するため、回折信号ビーム6’の強度が変化し、この結果、検出信号内に振動成分（以降「弾性成分」という）が生じる。

前述の技術は、SAW周波数スペクトルを解析することによって、薄膜層の厚さ測定に使用することができる。

膜が例えばエッチングによってパターン化されている場合であって、エッチング領域の寸法が、SAW波長（通常は、2乃至10μm）に比べて大きい場合、ISTSは、エッチング深さの測定に有効である。しかしこの従来技術による方法は、シリコンウェハのようなバルク試料の表面プロファイルの測定には有効ではない。またこの構造は、写真転写処理およびエッチング処理の間、誤って処理される可能性が高い微細形状（例えば0.1μmのオーダー）である。従ってこれらの比較的微細な形状では、プロセス制御法が必要となる。

米国特許第6,256,100号に記載のISTS技術のある変形例では、前述の方法は、誘電体をエッチングした後、金属が充填された狭小（例えば、ミクロンまたはサブミクロンの深さ）溝で構成される、複合構造部の有効厚さの評価に適用される。しかしながら、この方法は、金属が充填される前の溝構造部の測定に利用することはできない。

また、実際の用途において最も関心の高い、高アスペクト比のサブミクロン構造部に対する研究はなされていない。
米国特許第5,812,261号明細書 米国特許第6,256,100号明細書

従って、0.1μmオーダーの幅の溝構造部の評価を行うことが可能な方法を提供することが望まれている。本発明では、0.1μmオーダーの溝構造部を評価することの可能な方法を提供することを課題とする。

本発明は、少なくともある態様では、0.1μmオーダーの溝構造部を評価することができる方法によって、前述の要求を満足することができる。ある態様では、パターン化された構造部を評価する方法が提供される。当該方法のあるステップでは、表面弾性波を発生させるため、空間周期的なレーザー強度パターンを用いて、前記構造部を照射することによって、前記構造部を励起する。他のステップは、熱回折格子でプローブレーザービームを回折させて、信号ビームを形成するステップ；時間の関数として前記信号ビームを検出して、信号波形を発生するステップ；表面弾性波位相速度に及ぼす前記表面プロファイルの影響に基づいて、前記パターン化された構造部の少なくとも一つの特性を定めるステップである。

ある実施例では、空間周期的なレーザー強度パターンは、1乃至20μmの範囲の周期を有する。別の実施例では、パターン化された構造部は、約2μm以下の周期の表面プロファイルを有する。

ある実施例では、パターン化された構造部は、溝の周期配列を有する。別の実施例では、前記周期配列は、直線溝の周期配列である。さらに別の実施例では、周期配列は、溝の2次元配列である。

ある実施例では、溝は、シリコン基板内に製作加工される。別の実施例では、溝は、薄膜内に製作加工される。

ある実施例では、前記少なくとも一つの特性は、溝の深さである。別の実施例では、前記少なくとも一つの特性は、溝の幅である。別の実施例では、前記少なくとも一つの特性は、溝構造部の深さプロファイルである。

ある実施例では、前記定めるステップは、複数の音波波長での測定を組み合わせるステップを有し、前記溝構造部の複数のパラメータが定められる。別の実施例では、前記定めるステップは、前記直線溝構造部に沿った測定と、前記直線溝構造部を横断する測定とを組み合わせるステップを有する。さらに別の実施例では、前記定めるステップは、パターン化された領域内および領域外での測定を組み合わせるステップを有し、膜厚等の他の影響から、前記溝構造部によって生じる、前記表面弾性波速度に対する影響を分離することができる。

ある実施例では、前記定めるステップは、基板の弾性特性に基づく理論モデルを用いて、前記信号波形を解析するステップを有する。別の実施例では、前記定めるステップは、経験的校正を用いて、信号波形を解析するステップを有する。

本発明は、以下の説明、図面および特許請求の範囲の記載から明らかとなる、多くの利点を提供する。

本発明は、以下の図面を参照することにより、より完全に理解される。

本発明では、ISTSを用いて、ミクロンまたはサブミクロン深さの溝構造部を評価することができ、例えば、薄膜またはシリコン基板のいずれかをエッチングして形成された溝の周期的配列を評価することができる。本測定法は、SAW位相速度は、溝構造部の影響を受け、構造部のパラメータに依存するという事実に基づくものである。

本発明の方法では、SAWの励起および検出は、1μm程度あるいはこれ未満の周期によって特徴付けられた表面プロファイルを有する、パターン化試料上で行われる。測定では、一定波長のSAW周波数が付与され、それを用いてSAW位相速度が計算される。データは、解析モデルまたは実験モデルを援用して解析され、プロファイルのパラメータのうち、通常は溝深さまたは幅が定められる。

高アスペクト比溝構造部でのSAW伝播の正確な解析には、有限要素計算法が必要となる。近似モデルでは、SAW伝播に及ぼす高アスペクト比の溝配列の影響を予測することができる。モデルは、溝構造部の周期よりも大きな周期の表面弾性波2を用いて、図2の符号30および40で示されるような、直線溝の周期的配列に適用される。図2Aの構造（a）には、基板70上の薄膜層60内に形成される溝30の周期的配列が示されている。図2Bの構造（b）には、シリコン基板に形成される周期的な溝配列40が示されている。構造（a）は、10μmオーダーの溝9を有する。この溝は、従来のISTS法で測定することができる。

モデルでは、構造（a）と（b）の周期が、SAW2の波長および構造部の厚さの両方に比べて短い場合、構造部を有効な弾性特性を有する均一材料として取り扱うことができると仮定している。構造（a）のような構成材料の特性から、層構造部の有効な弾性特性を計算することができることが知られている。積層構造部は、層に垂直な対称軸を有する横方向に等方な媒体として取り扱うことができ、5で示されている層構造部は、有効弾性率とは無関係であるとみなすことができる。構造部の構成材料の一つに真空処理が行われる場合、同じ方法を溝配列30、40に適用することができる。従って、材料の密度ρおよび誘電定数C_ijを用いて、溝配列の有効密度ρ*および弾性定数C_ij*を表す以下の式が得られる：

ここでhは、構造部の周期に対する溝間の隙間の比である。これは、溝幅／隙間比を用いて、h=1／(1+w/s)で表すことができる。式（1）の表記では、ｚ軸は、溝に垂直であると仮定している。

図3は、幅／隙間比が1：1および1：3のときの、Siに加工形成された溝配列の溝深さに対するSAW速度の依存性の算出結果を示している。図4は、Si上の1μmの二酸化シリコン膜内の溝配列の、溝深さに対するSAW速度の依存性の算出結果を示している。計算結果は、特にSAWが溝を横断して伝播する場合、SAW速度が、溝深さ80と幅／隙間比の両方に対して顕著な依存性を示すことを示している。溝深さ80の測定結果の再現性を予測するため、SAW速度測定の再現性が〜0.5m／sである（これは、0.1MHzの再現性のある周波数測定に相当する）と仮定する。溝深さが5000Åで、SAWが溝と垂直に伝播する場合に得られる結果を図3と図4に示す。Si内の1：1幅／隙間比の溝の場合、得られる再現性は、〜7Å（または0.14％）と予測され、酸化膜内の溝の場合、〜20Å（または0.4％）と予測される。

溝深さ80および幅90の変化は、溝5に対して平行（‖）と垂直（⊥）なSAW速度では、異なる影響を示すことに留意する必要がある。溝幅90が増大した場合、平行な速度は増大し、垂直な速度は減少するのに対して、溝幅／隙間比が増大した場合、両方向においてSAW速度は増大する。このことは、溝5に沿った、および溝5を横断するSAW伝播の測定を組み合わせて、溝深さ80と幅比の両方を定めることができることを示唆している。

前述のモデル計算は、直線溝の1次元配列に適用したが、SAW速度は、孔の2次元配列に対しても影響を受けることが予想され、この方法は、溝深さおよび幅等の構造部のパラメータの測定に用いることができる。

複数のSAW波長で測定を実施することにより、追加の情報が得られ、この情報を用いて、溝構造部の複数のパラメータの同時測定を行うことができる。例えば、SAW波長が溝の深さに比べて短い場合、SAW速度は、溝の深さには依存しないが、溝の幅に対しては依然として影響を受ける。波長が長い場合、SAW速度は、溝の深さと幅の両方に影響を受ける。従って、短い波長と長い波長の測定を組み合わせることによって、両方のパラメータを同時に測定することが可能となる。

本発明の方法を用いた溝測定の可能性を実験的に評価するため、6μmのSAW波長で、図5に示す構造部の測定を行った。図5の構造部は、シリコンで構成される基板700と、800nm厚さのSiO₂層内
に製作加工された溝配列500とを有する。溝幅は1μmであり、幅／隙間比は1：1であった。構造部は、〜25nmのTaおよび〜100nmのCu600でコーティングした。

図6には、試料のパターン化されていない領域において得られた信号波形600、および図5の溝配列で得られた信号波形601、602を示す。溝5に対して平行なSAW伝播を用いて得られた信号波形は、例えば601であり、垂直なSAW伝播を用いて得られた信号波形は、例えば602である。波形600、601、602、から、垂直な伝播の場合、信号に及ぼす表面の放出効果は、特に大きく、SAW周波数に顕著な低下が生じることがわかる。

図7には、図6に示す波形から得られたSAW速度値の一覧表を示す。平行な伝播の場合、SAW速度は、パターン化されていない領域（すなわち、溝深さがゼロの場合）に比べてわずかに増大しているのに対して、垂直な伝播の場合、速度が顕著に減少することがわかる。これらの結果は、図4による理論的な予測と定性的には良い一致を示す。

本発明は、多くの追加の利点を提供する。これらの利点は、明細書、図面および特許請求の範囲の記載から明らかである。

前述の説明および例は、例示的に示されたものであり、以下の特許請求の範囲の記載を限定することを意図するものではない。

従来の方法による瞬間励起熱散乱法を用いて検査される、集積回路の薄膜構造部を示す図である。 シリコン基板上のパターン化された膜を示す図である。 パターン化されたシリコン基板を示す図である。 シリコン内の溝深さに対するSAW速度の依存性の計算結果を示すマトリクス図である。 シリコン基板上の1μm厚さの熱酸化膜の溝深に対するSAW速度の依存性の計算結果を示すマトリクス図である。 シリコン基板、SiO₂膜をエッチングした溝配列および金属膜コーティングを有する構造部を示す図である。 図5に示す試料のパターン化された領域の外側において生じる信号波形を示す図である。 図5に示す試料のパターン化された領域の外側において生じる信号波形を示す図である 図5に示す試料の溝配列の溝と平行なSAWにおいて生じる信号波形を示す図である。 図5に示す試料の溝配列の溝と平行なSAWにおいて生じる信号波形を示す図である。 図5に示す試料の溝配列の溝と垂直なSAWにおいて生じる信号波形を示す図である。 図5に示す試料の溝配列の溝と垂直なSAWにおいて生じる信号波形を示す図である。 図6に示す信号波形から得られるSAW速度値の一覧表を示す図である。

Claims (16)

1. パターン化された構造部を評価する方法であって、
   表面弾性波を発生させるため、空間周期的なレーザー強度パターンを用いて、前記構造部を照射することによって、前記構造部を励起するステップと、
   熱回折格子でプローブレーザービームを回折させて、信号ビームを形成するステップと、
   時間の関数として前記信号ビームを検出して、信号波形を発生するステップと、
   表面弾性波位相速度に及ぼす前記表面プロファイルの影響に基づいて、前記パターン化された構造部の少なくとも一つの特性を定めるステップと、
   を有する方法。
2. 前記励起するステップは、さらに1乃至20μmの周期範囲の、空間周期的なレーザー強度パターンを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
3. 前記パターン化された構造部は、約2μm以下の幅の溝で構成されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
4. 前記パターン化された構造部は、さらに溝の周期配列を有することを特徴とする請求項3に記載の方法。
5. 前記パターン化された構造部は、さらに直線溝の周期配列を有することを特徴とする請求項4に記載の方法。
6. 前記パターン化された構造部は、さらに溝の2次元周期配列を有することを特徴とする請求項4に記載の方法。
7. 前記溝は、シリコン基板に製作加工されることを特徴とする請求項4に記載の方法。
8. 前記溝は、薄膜内に製作加工されることを特徴とする請求項3に記載の方法。
9. 前記少なくとも一つの特性は、溝の深さを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
10. 前記少なくとも一つの特性は、溝の幅を有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
11. 前記少なくとも一つの特性は、前記溝構造部の深さプロファイルを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
12. 前記定めるステップは、さらに複数の音波波長での測定を組み合わせるステップを有し、前記溝構造部の複数のパラメータが定められることを特徴とする請求項1に記載の方法。
13. 前記定めるステップは、さらに前記溝構造部に沿った測定と、前記溝構造部を横断する測定とを組み合わせるステップを有し、溝の深さと幅の両方が定められることを特徴とする請求項5に記載の方法。
14. 前記定めるステップは、さらにパターン化された領域内および領域外での測定を組み合わせるステップを有し、膜厚等の他の影響から、前記溝構造部によって生じる、前記表面弾性波速度に対する影響を分離することができることを特徴とする請求項1に記載の方法。
15. 前記定めるステップは、前記構造部の弾性特性に基づく理論モデルを用いて、前記信号波形を解析するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
16. 前記定めるステップは、経験的校正に基づくモデルを用いて、前記信号波形を解析するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。

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