JP2012104586A - 半導体計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定のスループットが低下するのを防ぎ、測定感度の高い半導体計測装置を提供する。
【解決手段】一定の偏光状態の光を多入射角に分解する第１のレンズ３１と、第１のレンズ３１から出射される光が計測対象物で反射した、多反射角の反射光を同軸の平行光に変える第２のレンズ３２と、第２のレンズ３２を透過した光の所定の成分を波長および入射角に対応して分光する分光器４０と、分光器４０から照射される光の波長および入射角をパラメータとして表される光強度分布を検出して電気信号に変換する２次元検出器５０と、２次元検出器５０から受信する電気信号に基づく光学パターンを解析し、計測対象物の構造を特定する情報処理装置７０と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の構造を観測するための半導体計測装置に関する。

スキャトロメトリ（光波散乱計測）は、製造過程における半導体装置の計測装置として利用されている。スキャトロメトリは、計測対象物（以下では、ターゲットと称する）に対し偏光を入射し、その反射回折光の偏光状態の変化（複素反射係数Ｒｐ、Ｒｓ）をスペクトル波形として観測し、観測した実スペクトルと予め準備した理論スペクトルとの波形マッチングによる数値解析を行って、ターゲットの形状および寸法を含む構造を特定する測定器である。

関連するスキャトロメトリの一例を説明する。図５は関連するスキャトロメトリの一構成例を示す図である。図５に示すスキャトロメトリは、光源１５と、偏光子２１と、検光子２２と、分光器４５と、ディテクタ５５とを有する。ディテクタ５５は、上記数値解析を行うためのコンピュータ（不図示）に接続されている。

光源１５から出射される広域波長帯の光が偏光子２１を透過することにより、偏光状態が一定の条件で光がターゲットＴに照射される。ターゲットＴで反射した光が検光子２２および分光器４５を透過することにより、分光器４５から出射される反射回折光がディテクタ（検出器）５５に入射する。ディテクタ５５は、図６に示す、１次元のＣＣＤ（Charge Coupled Device）アレイ５６を備え、波長に対応して反射回折光の偏光状態を検出する。このようにして、ターゲットＴでの反射回折光の偏光状態が波長分散として観測される。

図５に示すスキャトロメトリは、広域波長帯の偏光が入射角一定の条件でターゲットに入射される、現在、主流のタイプである。図５では、入射角（θ）が約７０度の場合を示す。

図５に示したスキャトロメトリとは異なるタイプの装置として、入射角が可変であるスキャトロメトリが知られている。図７は図５に示したスキャトロメトリとは異なるタイプの装置の構成を示す図である。

図７に示すスキャトロメトリには、図５に示した構成の他に、軸８５を中心にして回転駆動する駆動部８６ａ、８６ｂが設けられている。光源１５および偏光子２１を含む投光側光学系８１に駆動部８６ａが接続され、検光子２２、分光器４５およびディテクタ５５を含む受光側光学系８２に駆動部８６ｂが接続されている。

図７で示すスキャトロメトリでは、駆動部８６ａ、８６ｂを軸８５を中心に回転駆動させ、物理的に光軸を動かして入射角を変更することで、広域波長帯の光を多入射角でターゲットＴに入射することが可能である。所定の角度ずつ入射角を変更する毎に、広域波長帯の偏光をターゲットＴに入射させ、その反射回折光を受光して測定を行う。この装置では入射角を任意に設定できるという長所がある。図５および図７のそれぞれを参照して説明したスキャトロメトリの一例が特許文献１に開示されている。

特開２００３−１４２３９７号公報（段落０００６、第２０図）

スキャトロメトリによる測定の感度は、ターゲットの形状、寸法、膜質などに依存して変化し、また、ターゲットに入射する光の波長や入射角にも依存して変化する。これは、ターゲットの形状、寸法、膜質により、感度のよい波長領域や入射角が変わることを意味する。このことは、薄膜解析において、一般的に知られているブリュースター角（ＲｐとＲｓの差が最大になる入射角）が膜質によって変化することから容易に理解される。

スキャトロメトリで高感度の測定を行うには、半導体装置の世代、または測定対象となる工程もしくはパターンにより、最適な波長および入射角を自由に選択できることが必要と考えられる。現状では、図５に示したタイプの装置が主流であり、このタイプでは、波長の選択は可能であるが、入射角は固定されてしまう。

図７に示したタイプでは、入射角が可変という長所があるが、入射角変更の度にターゲットへの光の入射を要すること、入射角変更時に光軸を動かす時間を要すること、入射角変更時に光軸やディテクタのキャリブレーションを要することなどから、測定のスループットが低いという短所がある。そのため、このタイプは、実験には有用であっても、高スループットが要求される量産品の測定には実用的ではない。

今後、半導体装置の世代が進むにつれて、ターゲットのパターンにおいて、薄膜化、微細化、および複雑化がさらに進むと考えられている。そのため、現在、主流となっている「単一入射角＋広域波長帯」のスペクトルの解析では、測定において十分な感度が得られず、測定精度が低下することが予測される。

本発明の半導体計測装置は、光を計測対象物に照射して該計測対象物の構造を観測するための半導体計測装置であって、
光源と、
前記光源から出射される光を一定の偏光状態にして出射する偏光子と、
前記偏光子から出射される光を多入射角に分解する第１のレンズと、
前記第１のレンズから出射される光が前記計測対象物で反射した、多反射角の反射光を同軸の平行光に変える第２のレンズと、
前記第２のレンズを透過した光の所定の成分を検光する検光子と、
前記検光子から出射された偏光を波長および入射角に対応して分光する分光器と、
前記分光器から照射される光の波長および入射角をパラメータとして表される光強度分布を検出し、該光強度分布を電気信号に変換する２次元検出器と、
前記２次元検出器から受信する電気信号に基づく光学パターンを解析し、前記計測対象物の構造を特定する情報処理装置と、を有する構成である。

本発明の半導体計測装置では、光軸固定のまま、一定の偏光状態の光をレンズを介して多入射角にして計測対象物に照射し、その反射光の波長および入射角に関する光強度分布を２次元検出器で検出することにより、広域波長帯かつ多入射角の光による計測対象物の観測を一度にすることが可能である。

本発明によれば、半導体装置の構造測定について、スループットの低下を抑制し、かつ、高い測定感度を得ることができる。

本実施形態のスキャトロメトリの一構成例を示す図である。 本実施形態のディテクタに設けられたＣＣＤアレイを示す図である。 図１に示したコンピュータの一構成例を示すブロック図である。 図１に示したディテクタのキャリブレーション方法を説明するための図である。 関連するスキャトロメトリの一構成例を示す図である。 図５に示したディテクタに設けられたＣＣＤアレイを示す図である。 関連するスキャトロメトリの他の構成例を説明するための図である。

本実施形態の半導体計測装置に相当するスキャトロメトリの構成を説明する。図１は本実施形態のスキャトロメトリの一構成例を示す図である。

図１に示すように、本実施形態のスキャトロメトリは、光源１０と、偏光子２１と、レンズ３１、３２と、検光子２２と、分光器４０と、ディテクタ５０と、アナログ（Ａ）−デジタル（Ｄ）コンバータ６０と、コンピュータ７０とを有する。光源１０、偏光子２１およびレンズ３１は投光側光学系に設けられ、レンズ３２、検光子２２、分光器４０およびディテクタ５０は受光側光学系に設けられている。ディテクタ５０は、Ａ−Ｄコンバータ６０を介してコンピュータ７０と接続されている。ターゲットＴは図に示さないステージの上に載せられている。

なお、図１では、Ａ−Ｄコンバータ６０がディテクタ５０およびコンピュータ７０の間に接続される構成として図に示しているが、Ａ−Ｄコンバータ６０は、ディテクタ５０またはコンピュータ７０に設けられていてもよい。

光源１０は、ハロゲンランプおよびキセノンランプなどの白色光源である。

レンズ３１、３２は平凸型のレンズである。レンズ３１は、光軸固定の光学系において単一入射角の入射光を多入射角に分解する。レンズ３２は、多反射角の反射光を同軸角の平行光に変える。レンズ３１、３２の開口数（ＮＡ）を、入射の光軸角に対して、分解する角度のレンジに合わせて選択すればよい。例えば、入射光を光軸に対して±３５度の角度に分解するには、理論式からＮＡ＞０．６が必要となる。本実施形態のスキャトロメトリを空気中で使用するものとすると、レンズ３１、３２は、１≧ＮＡ＞０．６のレンズである高ＮＡレンズであることが望ましい。

検光子２２は、レンズ３２から出射される光を、Ｐ成分およびＳ成分に偏光して出力する。検光子２２は、反射光の偏光状態の変化を検出するためである。分光器４０は、例えば、プリズムである。分光器４０は、検光子２２から出射された偏光を波長および入射角に対応して分光する。

ディテクタ５０の受光面には、２次元のＣＣＤアレイ５１が設けられている。図２は本実施形態のディテクタに設けられたＣＣＤアレイを示す図である。図２に示すように、ＣＣＤアレイ５１には、受光素子となるＣＣＤピクセルがマトリクス状に配置されている。図２に示すＣＣＤアレイ５１の横軸が波長に対応し、縦軸が入射角に対応している。

本実施形態では、波長のみに対応してＣＣＤピクセルが配置された１次元のＣＣＤアレイ５６ではなく、波長と入射角の２変数に対応するようにＣＣＤピクセルがマトリクス状に配置された２次元のＣＣＤアレイ５１を、ディテクタ５０に設けている。２次元のＣＣＤアレイ５１を、「多入射角＋広域波長帯」の反射回折光の強度を、入射角の分散、かつ波長の分散として、１回の受光で観測する目的のために用いている。

ＣＣＤアレイ５１が、光が照射されたピクセル毎に、光の波長および入射角に対応した光強度を検出することで、光の波長および入射角をパラメータとして表される光強度分布が検出される。以下では、この分布を「光学パターン」と称する。ディテクタ５０は、ＣＣＤアレイ５１で検出された光強度分布の情報を含む電気信号をＡ−Ｄコンバータ６０に送る。なお、２次元のＣＣＤアレイの代わりに２次元のＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサアレイを用いてもよい。

Ａ−Ｄコンバータ６０は、ディテクタ５０から入力される電気信号を受信すると、アナログ信号の情報をデジタル信号に変換してコンピュータ７０に出力する。光の波長と入射角の情報は、ＣＣＤアレイ５１におけるピクセルの位置で表されるので、ディテクタ５０は、ピクセルの位置の情報をデジタル信号でＡ−Ｄコンバータ６０に送り、光強度の情報をアナログ信号でＡ−Ｄコンバータ６０で送ってもよい。この場合、Ａ−Ｄコンバータ６０は、光強度の検出値をアナログ信号からデジタル信号に変換すればよい。

また、Ａ−Ｄコンバータ６０がディテクタ５０に設けられている場合には、ディテクタ５０は、光強度の検出値をデジタル信号に変換した後、光強度分布の情報を含む電気信号をコンピュータ７０に送ればよい。

続いて、図１に示したコンピュータ７０の構成を、図３を参照して説明する。図３は図１に示したコンピュータの一構成例を示すブロック図である。コンピュータ７０は、記憶部７１と、制御部７２と、表示部７３とを有する情報処理装置である。

記憶部７１には、ターゲットの複数種の構造のそれぞれに対応する光学パターンのデータが予め格納されている。ターゲットが、配線パターンエッチング工程で形成される配線パターンである場合、配線の幅および高さなどをパラメータとして所定の値ずつ変化させたときの各構造について、本実施形態のスキャトロメトリで光学パターンを予め解析し、その解析結果と一緒にパラメータの値を、１つのライブラリとして記憶部７１に格納しておく。

ターゲットが、トレンチエッチング工程で形成される溝ゲートである場合、トレンチの深さ、開口幅および側壁角度などをパラメータとして所定の値ずつ変化させたときの各構造について、本実施形態のスキャトロメトリで光学パターンを予め解析し、その解析結果と一緒にパラメータの値を、別のライブラリとして記憶部７１に格納しておく。

上述のようにして、半導体装置の製造工程において、パターンの観測が必要な工程毎に、光学パターンのライブラリが記憶部７１に格納されている。記憶部７１に格納されているライブラリの光学パターンを、理論上光学パターンと称する。また、上述のようにして、理論上光学パターンを、予め準備したサンプルを観測して作成してもよいが、ターゲットの構造のパラメータと光学パターンとの関係を示す構造モデル式が予めわかっている場合には、この式に対してパラメータを変化させたシミュレーションを行うことで、理論上光学パターンを作成してもよい。

制御部７２は、プログラムにしたがって処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）（不図示）と、プログラムを格納するためのメモリ（不図示）とを有する。制御部７２は、Ａ−Ｄコンバータ６０から電気信号を受信すると、受信した電気信号に基づく光学パターンである実光学パターンと理論上光学パターンとのフィッティングによる数値解析を行う。具体的には、制御部７２は、記憶部７１に格納されたデータを参照し、複数種の理論上光学パターンから、実光学パターンに一致する理論上光学パターンを選択する。その際、実光学パターンに一致する理論上光学パターンがない場合、制御部７２は、実光学パターンにおける、光の波長、入射角および光強度を上記の構造モデル式に代入して、実光学パターンに一致する理論上光学パターンを算出してもよい。そして、制御部７２は、特定した理論上光学パターンと一緒に記憶部７１に格納されているパラメータの値を読み出して表示部７３に表示させる。

なお、制御部７２は、解析結果を表示部７３に表示させる際、特定した理論上光学パターンに対応する、ターゲットの構造の断面を表す２次元画像、または、ターゲットの斜視図を表す３次元画像を表示部７３に表示させてもよい。

次に、ディテクタ５０のキャリブレーション方法を説明する。図４は図１に示したディテクタのキャリブレーション方法を説明するための図である。ここでは、光源１１として、単波長源（例えば、水銀ランプ）を用いる。

単波長源からは、特定の波長の光が入射角の中心で高い強度で出射されることが知られている。このことを利用して、次のようにして、図２に示した２次元のＣＣＤアレイ５１において、横軸方向のピクセルと波長を較正し、縦軸方向のピクセルと入射角を較正する。

単波長源からの光を検光子２２および分光器４０を介してディテクタ５０に出射すると、２次元のＣＣＤアレイ５１で、高い光強度の光が検出される。この段階では、ＣＣＤアレイ５１の横軸方向に波長の値が決められておらず、縦軸方向に入射角の値が決められていない。

２次元のＣＣＤアレイ５１において、最も高い強度の光が検出されたピクセルの横軸方向の位置に、特定の波長の既知の値を付与し、この値を基準にして、横軸方向のピクセルに波長を割りつける。また、２次元のＣＣＤアレイ５１において、最も高い強度の光が検出されたピクセルの縦軸方向の位置に、入射角の中心の値を付与し、この値を基準にして、縦軸方向のピクセルに入射角を割りつける。

なお、ここでは、１つの特定の波長の光を用いてキャリブレーションする場合を説明したが、基準になる光を２つ以上用いてキャリブレーションしてもよい。

次に、本実施形態のスキャトロメトリによる、半導体装置の計測方法を、図１を参照して説明する。

ここでは、光源１０として、Ｘｅランプを用いる。Ｘｅランプによる白色光から、波長が２５０〜７５０ｎｍの広域帯の光を使用する。また、レンズ３１の光軸を水平面から４５度に設定し、レンズ３２の光軸もレンズ３１に対応して４５度に設定しておくものとする。

光源１０から出射した光は偏光子２１により直線偏光に変わる。直線偏光は、高ＮＡレンズのレンズ３１に一定の入射角で入射する。レンズ３１を透過した直線偏光はレンズ３１を通り、レンジを持った多入射角の成分に分解されターゲットＴに入射する。ここで、レンズ３１の光軸が４５度であるため、例えば、水平面を基準にして、入射角を１〜８９度の範囲で分解する場合、レンズ３１の見込み角は４４度であり、理論式からＮＡ＞０．７が必要となる。

多入射角でターゲットＴに入射した光は、各々の入射角と同一角度で反射し、高ＮＡレンズのレンズ３２を通過する際、同軸角（４５度）の平行光に変わる。そして、Ｐ成分およびＳ成分の光が検光子２２を通過した後、これらの光が分光器４０で波長分散される。波長分散された光は、ディテクタ５０の受光面に設けられた、２次元のＣＣＤアレイ５１で各波長、入射角毎に光の強度が測定される。

波長および入射角のそれぞれのチャネルで特定される受光素子での受光強度を示す光学パターンの情報が、ディテクタ５０から時間と共に変化する電気信号で出力され、Ａ−Ｄコンバータ６０でアナログ信号の部分がデジタル信号に変換された後、コンピュータ７０に送られる。コンピュータ７０は、受信した電気信号に基づく実光学パターンと理論上光学パターンとのフィッティングによる数値解析を行って理論上光学パターンを特定し、特定した理論上光学パターンに対応する、ターゲットの構造を示す情報を出力する。

本実施形態の半導体計測装置によれば、投光側に、単一入射光を多入射角の光に分解するレンズを備え、受光側に、ターゲットからの多反射角の反射光を平行光に変えるレンズと、光強度を観測するディテクタとして、光の波長および入射角の２変数に対応した２次元検出器を備えている。この構成により、「光軸固定＋ターゲットに対して１回の光の入射＋１回の反射光の受光」で、広域波長帯かつ多入射角の光によるターゲットの観測が可能であり、測定にかかる時間が「単一入射角＋広域波長帯」タイプのスキャトロメトリと同等で、測定のスループットが低下することを抑制できる。

また、駆動式の「多入射角＋広域波長帯」のスキャトロメトリは、入射角を任意に設定可能であるが、本実施形態でも、光軸の角度およびレンズのＮＡ値として適切なものを採用すれば、多入射角のレンジを任意に設定することが可能である。そのため、入射角の取り得る範囲について、駆動式タイプのスキャトロメトリと同等の性能である。

さらに、レンズの集光作用によりターゲット上の光のスポットサイズが、レンズを設けていないタイプの場合の３０μｍ□に比べ小さくなり、ウエハ上のターゲットパターンの必要面積（現状、５０μｍ□）を縮小できる。この場合、ウエハに形成される半導体装置間に設けられるスクライブラインに、観測用のパターンを形成することも可能である。

１０ 光源
２１ 偏光子
２２ 検光子
３１、３２ レンズ
４０ 分光器
５０ ディテクタ
５１ ＣＣＤアレイ
６０ Ａ−Ｄコンバータ
７０ コンピュータ

Claims (5)

1. 光を計測対象物に照射して該計測対象物の構造を観測するための半導体計測装置であって、
   光源と、
   前記光源から出射される光を一定の偏光状態にして出射する偏光子と、
   前記偏光子から出射される光を多入射角に分解する第１のレンズと、
   前記第１のレンズから出射される光が前記計測対象物で反射した、多反射角の反射光を同軸の平行光に変える第２のレンズと、
   前記第２のレンズを透過した光の所定の成分を検光する検光子と、
   前記検光子から出射された偏光を波長および入射角に対応して分光する分光器と、
   前記分光器から照射される光の波長および入射角をパラメータとして表される光強度分布を検出し、該光強度分布を電気信号に変換する２次元検出器と、
   前記２次元検出器から受信する電気信号に基づく光学パターンを解析し、前記計測対象物の構造を特定する情報処理装置と、
   を有する半導体計測装置。
2. 請求項１記載の半導体計測装置において、
   前記第１および第２のレンズの開口数ＮＡが０．６＜ＮＡ≦１．０である、半導体計測装置。
3. 請求項１または２記載の半導体計測装置において、
   前記２次元検出器は、受光素子がマトリックス状に配置された、ＣＣＤアレイまたはＣＭＯＳイメージセンサアレイを有する、半導体計測装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項記載の半導体計測装置において、
   前記所定の成分はＰ成分およびＳ成分である、半導体計測装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項記載の半導体計測装置において、
   前記情報処理装置は、
   前記計測対象物の複数種の構造のそれぞれに対応した前記光学パターンである理論上光学パターンのデータを記憶する記憶部と、
   前記記憶部に格納されたデータを参照し、受信した電気信号に基づく光学パターンである実光学パターンと理論上光学パターンとのフィッティングによる数値解析を行って、該実光学パターンに対応する理論上光学パターンを特定する制御部と、
   を有する半導体計測装置。