JP2008199050A - 半導体装置の製造方法および半導体装置 - Google Patents
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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】半導体装置の下地膜上のパターンに、前記下地膜表面に対して所定の角度で偏光した入射光ビームを入射させ、前記入射光ビームが入射した前記パターンから出射する出射光ビームの偏光状態をエリプソメトリを使用することで測定し、前記パターンの膜厚、前記パターンの幅、及び前記下地膜の膜厚に基づいて生成された、偏光状態とパターンの幅の情報との対応関係が格納されたデータベースから得られるパターンの幅に関する第1情報と前記測定結果とを比較し、前記第1情報と前記比較結果とが最小になるように半導体装置の製造プロセスの製造パラメータを設定し、前記設定されたパラメータに基づいて半導体装置を製造する。
【選択図】図9
【解決手段】半導体装置の下地膜上のパターンに、前記下地膜表面に対して所定の角度で偏光した入射光ビームを入射させ、前記入射光ビームが入射した前記パターンから出射する出射光ビームの偏光状態をエリプソメトリを使用することで測定し、前記パターンの膜厚、前記パターンの幅、及び前記下地膜の膜厚に基づいて生成された、偏光状態とパターンの幅の情報との対応関係が格納されたデータベースから得られるパターンの幅に関する第1情報と前記測定結果とを比較し、前記第1情報と前記比較結果とが最小になるように半導体装置の製造プロセスの製造パラメータを設定し、前記設定されたパラメータに基づいて半導体装置を製造する。
【選択図】図9
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 controlduring the etchingof submicrometer features," J. Opt. Soc. Am. A, vol.12, no.3,1995, pp.591-599。
Blayo, N., et al., "Ultraviolet-visible ellipsometry for process controlduring the etchingof 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
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),(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amin/amax=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。
一の側面によれば半導体装置の製造方法は、半導体装置の下地膜上のパターンに、前記下地膜表面に対して所定の角度で偏光した入射光ビームを入射させ、前記入射光ビームが入射した前記パターンから出射する出射光ビームの偏光状態をエリプソメトリを使用することで測定し、前記パターンの膜厚、前記パターンの幅、及び前記下地膜の膜厚に基づいて生成された、偏光状態とパターンの幅の情報との対応関係が格納されたデータベースから得られるパターンの幅に関する第1情報と前記測定結果とを比較し、前記第1情報と前記比較結果とが最小になるように半導体装置の製造プロセスの製造パラメータを設定し、前記設定されたパラメータに基づいて半導体装置を製造することを特徴とする。
他の側面によれば半導体装置の製造方法は、半導体装置の下地膜上のパターンに、前記下地膜表面に対して所定の角度で偏光した入射光ビームを入射させ、前記入射光ビームが入射した前記パターンから出射する出射光ビームの偏光状態をエリプソメトリを使用することで測定し、前記パターンの膜厚、前記下地膜の膜厚、及び前記パターンピッチに基づいて計算を行い前記パターンの幅に関する第2情報を取得し、前記第2情報と前記測定結果とが最小になるように半導体装置の製造プロセスの製造パラメータを設定し、前記設定されたパラメータに基づいて半導体装置を製造することを特徴とする。
他の側面によれば半導体装置の製造方法は、半導体装置の下地膜上の構造物に、前記下地膜表面に対して所定の角度で偏光した入射光ビームを入射させ、前記入射光ビームが入射した前記構造物から出射する出射光ビームの偏光状態をエリプソメトリを使用することで測定し、前記測定結果に基づいて半導体装置の製造プロセスの製造パラメータを設定することで半導体装置を製造し、前記製造パラメータの設定は、偏光状態と構造物の幅の情報との対応関係が格納されたデータベースから得られる構造物の幅に関する第1情報、又は、供給される前記下地膜又は前記構造物の構造条件に基づく計算から得られる構造物の幅に関する第2情報のいずれかに基づいて行われることを特徴とする。
本発明の特徴によれば、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。
また本発明の特徴によれば、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。
また本発明の特徴によれば、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。
また本発明の特徴によれば、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。
また本発明の特徴によれば、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。
また本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。
また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。
また本発明の特徴によれば、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。
また本発明の特徴によれば、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。
[原理]
図1は、本発明の原理を説明する。
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Ep とEs 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Ep ’,Es ’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Rp /Rs 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Rp /Rs 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。
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Ep ’,Es ’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。
[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221 上に153nmの厚さに堆積したポリシリコン膜222 よりなり、レジストパターン22aはポリシリコン膜222 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。
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。
[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。
[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n3 を有する基板上に周期的に形成された、屈折率がn2 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n1 の環境中において入射角Θ1 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Θ1 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I0 に、反射の度にそれぞれフレネルの振幅反射率rp およびrs 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I0 に、屈折の度にそれぞれフレネルの振幅屈折率tp ,ts 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tk 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Ip (n)’とIs (n)’が求められる。ただし、振幅反射率rp ,rs ,振幅屈折率tp ,ts ,振幅透過率tk および位相遅れ項δは、
rp =tan(Θ1 −Θ2 )/tan(Θ1 +Θ2 )
rs =−sin(Θ1 −Θ2 )/sin(Θ1 +Θ2 )
tp =2sinΘ2 cosΘ1 /sin(Θ1 +Θ2 )cos(Θ1 −Θ2 )
ts =2sinΘ2 cosΘ1 /sin(Θ1 +Θ2 )
tk =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。
rp =tan(Θ1 −Θ2 )/tan(Θ1 +Θ2 )
rs =−sin(Θ1 −Θ2 )/sin(Θ1 +Θ2 )
tp =2sinΘ2 cosΘ1 /sin(Θ1 +Θ2 )cos(Θ1 −Θ2 )
ts =2sinΘ2 cosΘ1 /sin(Θ1 +Θ2 )
tk =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I0 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Ip (1)’〜Ip (3)’,Is (1)’〜Is (3)’を有する出射光として出射する。
Ip (1)’=tp1tp2rp3tp4tp5 × exp(−2πk2 d1 /λ)
exp(−i2πn2 d1 /λ)・I0
Is (1)’=ts1ts2rs3ts4ts5 × exp(−2πk2 d1 /λ)
exp(−i2πn2 d1 /λ)・I0
Ip (2)’=tp1rp2tp3 × exp(−2πk2 d2 /λ)
exp(−i2πn2 d2 /λ)・I0
Is (2)’=ts1rrs2 ts3 × exp(−2πk2 d2 /λ)
exp(−i2πn2 d2 /λ)・I0
Ip (3)’=rp1・Io
Is (3)’=rs1・Io
ただし、n2 ,k2 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d1,d2 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、それそれの光線の反射点、屈折点の、入射側から数えた順番を示す。図11を参照。
Ip (1)’=tp1tp2rp3tp4tp5 × exp(−2πk2 d1 /λ)
exp(−i2πn2 d1 /λ)・I0
Is (1)’=ts1ts2rs3ts4ts5 × exp(−2πk2 d1 /λ)
exp(−i2πn2 d1 /λ)・I0
Ip (2)’=tp1rp2tp3 × exp(−2πk2 d2 /λ)
exp(−i2πn2 d2 /λ)・I0
Is (2)’=ts1rrs2 ts3 × exp(−2πk2 d2 /λ)
exp(−i2πn2 d2 /λ)・I0
Ip (3)’=rp1・Io
Is (3)’=rs1・Io
ただし、n2 ,k2 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d1,d2 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、それそれの光線の反射点、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=Rp /Rs)は、
ρ=Rp /Rs =ΣIp (n)’/ΣIs (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。
ρ=Rp /Rs =ΣIp (n)’/ΣIs (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222 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222 の下地層221 は、SiではなくSiO2 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。
[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SiO2 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。
[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SiO2 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。
[実施例6]
図20は、SiO2 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SiO2 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。
[実施例6]
図20は、SiO2 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SiO2 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。
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
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 (14)
- 半導体装置の下地膜上のパターンに、前記下地膜表面に対して所定の角度で偏光した入射光ビームを入射させ、
前記入射光ビームが入射した前記パターンから出射する出射光ビームの偏光状態を、エリプソメトリを使用することで測定し、
前記パターンの膜厚、前記パターンの幅、及び前記下地膜の膜厚に基づいて生成された、偏光状態とパターンの幅の情報との対応関係が格納されたデータベースから得られるパターンの幅に関する第1情報と前記測定結果とを比較し、
前記第1情報と前記比較結果とが最小になるように半導体装置の製造プロセスの製造パラメータを設定し、
前記設定されたパラメータに基づいて半導体装置を製造する半導体装置の製造方法。 - 半導体装置の下地膜上のパターンに、前記下地膜表面に対して所定の角度で偏光した入射光ビームを入射させ、
前記入射光ビームが入射した前記パターンから出射する出射光ビームの偏光状態を、エリプソメトリを使用することで測定し、
前記パターンの膜厚、前記下地膜の膜厚、及び前記パターンピッチに基づいて計算を行い前記パターンの幅に関する第2情報を取得し、
前記第2情報と前記測定結果とが最小になるように半導体装置の製造プロセスの製造パラメータを設定し、
前記設定されたパラメータに基づいて半導体装置を製造する半導体装置の製造方法。 - 前記計算は、更に、前記パターンの屈折率、前記パターンの吸収率、前記下地膜の屈折率、又は前記下地膜の吸収率に基づいて行われること
を特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。 - 半導体装置の下地膜上の構造物に、前記下地膜表面に対して所定の角度で偏光した入射光ビームを入射させ、
前記入射光ビームが入射した前記構造物から出射する出射光ビームの偏光状態をエリプソメトリを使用することで測定し、
前記測定結果に基づいて半導体装置の製造プロセスの製造パラメータを設定することで半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、
前記製造パラメータの設定は、
偏光状態と構造物の幅の情報との対応関係が格納されたデータベースから得られる構造物の幅に関する第1情報、
又は、
供給される前記下地膜又は前記構造物の構造条件に基づく計算から得られる構造物の幅に関する第2情報
のいずれかに基づいて行われること
を特徴とする半導体装置を製造する半導体装置の製造方法。 - 前記データベースは、前記パターンの膜厚、前記パターンの幅、及び前記下地膜の膜厚に基づいて生成されること
を特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記構造条件は、前記構造物の形状パラメータ、又は、前記下地膜の形状パラメータであること
を特徴とする請求項4又は請求項5に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記構造条件は、前記構造物の膜厚、前記構造物の屈折率、前記構造物の吸収率、前記下地膜の膜厚、前記下地膜の屈折率、前記下地膜の吸収率又は前記構造物のパターンピッチの少なくとも何れか一つを含むこと
を特徴とする請求項4,請求項5又は請求項6に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記偏光状態は、位相差と楕円扁平率とで表されること
を特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記偏光状態は、ΔパラメータとΨパラメータとで表されること
を特徴とする請求項1乃至請求項8の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記製造パラメータは、エッチング条件であることを特徴とする請求項1乃至請求項9の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記製造パラメータは、露光条件であること
を特徴とする請求項1乃至請求項9の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記構造条件は、ラインアンドスペースパターンに関する情報を含むこと
を特徴とする請求項4乃至請求項11の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記偏光状態と構造物の幅の情報との対応関係は、曲線の形で示されること
を特徴とする請求項1乃至請求項12の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記構造物は、レジストパターンであること
を特徴とする請求項1乃至請求項13の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。
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