JP2574807B2 - 膜厚分布測定方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ホトレジスト等の膜厚測定装置に係り、特
にサブミクロンオーダの微小領域における膜厚の分布を
高速・高精度に測定できる膜厚分布測定方法及び装置に
関する。

〔従来の技術〕 膜厚測定手段としては、従来から光の干渉と偏光を利
用する２つの方式が知られている。前者は例えば第15図
に示すように、まず白色光源50からの白色光51をハーフ
ミラー52及び対物レンズ53を介して試料１′に入射させ
る。次に試料１′の膜内で干渉した白色干渉光54を、回
折格子55、ミラー56,57及びピンホール58を介して光電
子増倍管59に入射させる。ここで、回折格子55を少しず
つ傾け、白色干渉光54を波長スキャニングし、各波長に
おける干渉強度を光電子増倍管59でモニタする。そして
２つの干渉強度ピークにおける波長から膜厚を求めるわ
けである。

一方、後者は、エリプソメトリと呼ばれる手法であ
り、レーザのように空間的及び時間的にコヒーレントな
光を試料に照射し、入射光と反射光の間での偏光状態の
差から、膜厚及び屈折率を求めるものである。

この他、従来技術としては、特開昭59−60203号公報
が知られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記２つの従来技術のうち、前者の白色光の干渉を利
用する方式では、対物レンズを介して試料に入射するス
ポット光の照明領域の平均的膜厚しか得られず、ある任
意の膜厚分布を測定することはできない。仮に試料を２
次元的に走査しながら、膜厚測定を行ったとしても、現
状の装置では最小のスポット径が３〜４μｍもあり、サ
ブミクロンオーダーの横分解能を得ることは不可能であ
り、また測定に多くの時間がかかってしまう。

一方、後者のエリプソメトリも同様に、現状の装置で
は照射スポット径が1mm近くもあり、サブミクロンオー
ダーの横分解能を得ることはできない。

以上のように、従来の膜厚測定技術は、あくまでポイ
ントデータとしての膜厚、もしくはある大きさをもった
領域の平均的膜厚しか得られなかった。

一方、半導体集積回路のパターンの微細化が進み、サ
ブミクロンパターンが出現する今日、露光の前にウェハ
上に塗布したホトレジスト膜厚の均一性がパターンの線
幅制御あるいはアライメントの際のアライメントパター
ン検出において極めて重要な課題となっている。すなわ
ち、ウェハ上のグローバルな膜厚均一性もさることなが
ら、チップ内の凹凸を有する微小領域における膜厚均一
性も非常に重要である。ホトレジスト膜厚の均一化を図
るには、上記微小領域におけるホトレジスト膜厚分布
と、回転塗布機の回転数やホトレジストの粘性、あるい
はウェハチャック温度との関係を十分に把握する必要が
ある。

本発明の目的は、サブミクロンオーダーの微小領域に
おけるホトレジスト等の膜厚分布を高速高精度に測定で
きる膜厚分布測定方法及び装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、パターンを形成した基板上に設けた光を
透過する被測定膜の膜厚の分布を前記パターンの幅と同
程度の所望の横分解能で測定する膜厚分布測定方法にお
いて、多波長発振可干渉性光源から出射した光をこの光
を透過する被測定膜に照射し、この被測定膜の被測定領
域の厚さの分布に応じて発生する照射した光による被測
定膜からの２次元の干渉光を複数の所望の波長成分の２
次元の干渉光に分離し、この分離した複数の所望の波長
成分の２次元の干渉光から複数の波長成分に対応した被
測定領域の膜厚分布に応じた複数の２次元の干渉像を、
照射した光との組み合わせにより所望の横分解能を有す
る光学系によりそれぞれ結像させ、この結像させた複数
の２次元の干渉像を各々撮像して複数の２次元干渉像を
複数の画像信号として得、この複数の画像信号に基づい
て被測定膜の２次元の膜厚の分布を算出する方法を採用
し、また、パターンを形成した基板上に設けた光を透過
する被測定膜の膜厚の分布を前記パターンの幅と同程度
の所望の横分解能で測定する膜厚分布測定装置を、多波
長発振可干渉性光源手段と、この多波長発振可干渉性光
源手段から出射した光をこの光を透過する被測定膜に照
射する照射手段と、この被測定膜の被測定領域の厚さの
分布に応じて発生する照射した光による被測定膜からの
２次元の干渉光から所望の複数の波長成分の２次元の干
渉光に分離する分離手段と、この分離した所望の複数の
波長成分の２次元の干渉光から複数の波長成分に対応し
た前記被測定領域の膜厚分布に応じた複数の２次元の干
渉像を、照射した光との組み合わせにより所望の横分解
能を有する光学系によりそれぞれ結像させる結像手段
と、この結像手段により結像させた複数の２次元の干渉
像を各々撮像して複数の２次元干渉像を複数の画像信号
を得る撮像手段と、この撮像手段の複数の２次元干渉像
の画像信号に基づいて被測定膜の２次元の膜厚の分布を
算出する信号処理手段とを備えて構成することにより達
成される。

〔作用〕

多波長発振可干渉性光源は、照射した光の被測定膜の
表面と裏面からの反射光の光路差、即ち被測定膜の厚さ
に応じて発生する干渉光の２次元干渉パターンをＮ個の
波長成分について同時に発生せしめるものである。波長
選択光学系は、これらの干渉パターンをＮ個の波長成分
に波長分離するものである。２次元検出光学系は、これ
らのＮ個の干渉パターンを２次元のまま検出するもので
ある。検出された２次元干渉パターンの各点における干
渉強度を、あらかじめ導出しておいた上記Ｎ個の波長を
パラメータとする。膜厚と干渉強度との関係に照合すれ
ば、最終的に２次元の膜厚分布が得られる。

〔実施例〕

本発明の実施例を、実際のパターン付ウェハ上のレジ
スト膜厚分布測定を例にとり、第１図〜第14図により説
明する。

具体的な説明の前に、本発明の基本原理について簡単
に触れる。本発明は、基本的には第１図に示すように、
入射光３に対する膜２（以下ではホトレジストとする）
の表面からの反射光４と、膜２・下地基板１（デポ膜に
相当する）界面からの反射光５との干渉を利用するもの
である。複数個の波長について、このレジスト膜厚ｄと
干渉強度Ｉとの関係を求めたのが第２図である。図よ
り、各波長の干渉強度の値から一意的に膜厚が求まるこ
とがわかる。

第３図は本発明の一実施例を示す図である。本実施例
においては、多波長発振可干渉性光源10として、多波長
発振Arレーザを使用した。Arレーザから出射された光11
は、ビーム拡大光学系12により所望のビーム径に拡大さ
れた後、集光レンズ13を経て、ビームスプリッタ14によ
り２つの光路50,51に分離される。光路50に分離された
ビームは対物レンズ15を介してホトレジスト２の塗布さ
れたウェハ１′に照射する。ホトレジスト２の表面から
の反射光４と、ホトレジスト２・下地基板１界面からの
反射光５とが干渉し、２次元干渉パターンが発生する。
この干渉パターンは、対物レンズ15で検出され、ビーム
スプリッタ14を通過した後、ビームスプリッタ17により
２つの光路52,53に分離される。尚、対物レンズのNAは
0.6とした。従ってArレーザの中心波長λを0.5μｍとす
ると、検出分解能はおよそ0.5μｍ（0.6 λ/NA）とな
る。光路52に分離された干渉パターンは、結像レンズ18
aにより２次元固体撮像素子19a上に結像されその像がTV
モニタ20に出力される。

ビームスプリッタ17で他方の光路53に分離された干渉
パターンは、それぞれ第４図（ａ），（ｂ），（ｃ）の
波長特性をもつダイクロイックミラー等の波長選択ミラ
ー21,23,25と、それぞれ第５図（ａ），（ｂ），（ｃ）
の波長特性をもつ干渉フィルタ22,24,26からなる波長選
択光学系により、Ｎ個の波長成分に関する干渉パターン
に波長分離される。尚、本実施例では、Ｎ個の波長とし
て３種類の波長λ₁,λ₂,λ_３を採用した。波長分離され
たこの３つの干渉パターンは、それぞれ結像レンズ18b,
18c,18dにより２次元固体撮像素子19b,19c,19d上に結像
される。

第６図は、各２次元固体撮像素子19d,19c,19dの撮像
面に対応した、すなわち検出視野におけるパターン付ウ
ェハ１′上のホトレジスト２の塗布状態を示したもので
ある。さらに第７図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、２次元
固体撮像素子19b,19c,19dの撮像面上に結像した、すな
わち、検出視野における３つに波長分離された各２次元
干渉パターン35,36,37である。当然のことながら、回路
パターン60の部分とその周辺部とでは、ホトレジストの
膜厚が異なるため、干渉強度も異なる。また、各若干パ
ターン35,36,37の強度分布には波長の違いによる差が明
瞭に現れている。

撮像された、これら３つの干渉パターン35,36,37は、
光電変換され、干渉パターン強度信号として前処理回路
27に送られる。前処理回路27では、３つの干渉パターン
強度信号が、一定周期でサンプリングされた後、AD変換
され、コンピュータ28を介して外部メモリ29に格納され
る。

一方、ビームスプリッタ14で光路51に分離されたビー
ムは、集光レンズ30によりホトダイオード等の光検出器
31に集光され、光電変換される。光電変換された信号
は、前処理回路27でAD変換され、上記外部メモリ29に格
納された干渉パターン強度信号の変動補正用信号として
用いられる。

本実施例では、検出された３つの波長に関する干渉パ
ターン強度信号からホトレジストの膜厚分布ｄ（x,y）
を求める手段として、以下の２つの手段を採用した。

第１の手段は、まず、第３図において予めホトレジス
ト２の表面からの反射光４の強度I₁と、ホトレジスト２
・下地基板１界面からの反射光５の強度I₂を、空気、ホ
トレジスト２及び下地基板１の各屈折率から求めてお
く。I₁及びI₂を式（１）に代入して、第８図に示すよう
な波長λ_ｉをパラメータとする。レジスト膜厚d_nと干渉
パターンの強度I_ti（d_n）との関係を求め、それを第９
図に示すようなテーブルに変換して、外部メモリ29に格
納しておく。

但し、ｉ＝1,2,3 n_r:ホトレジストの屈折率 従って、第６図に示した検出視野内の各位置における
ホトレジスト２の膜厚は、外部メモリ29に格納されてい
る２次元干渉パターンの各位置の強度データを、同じく
外部メモリ29に格納されている第９図に示すテーブルと
照合することにより、容易に求めることができる。

例えば、第７図（ａ），（ｂ），（ｃ）において、検
出視野内の任意位置38（x_m,y_m）における干渉パターン
の強度をそれぞれI_m1（x_m,y_m）、I_m2（x_m,y_m）、I_m3（x
_m,y_m）とし、第８図あるいは第９図に示すようにレジス
ト膜厚d_nに対応する干渉パターンの強度をI_t1（d_n）、I
_t2（d_n）、I_t3（d_n）とすると、式（２）の値Ｆ（d_n）
を最小にするd_nを求めれば良い。

Ｆ（d_n）＝｛I_m1（x_m,y_m）−I_t1（d_n）｝^２ ＋｛I_m2（x_m,y_m）−I_t2（d_n）｝^２ ＋｛I_m3（x_m,y_m）−I_t3（d_n）｝^２ ……（２） 第９図に示すテーブルを用いてこのd_nを求める一方法
として、本実施例では以下の方法を採用した。

まず、適当なしきい値αを設定してI_t1（d_n）をd_nの
全範囲にわたって検索し、式（３）を満足するＰ個のd_n
を求める。

｛I_m1（x_m,y_m）−I_t1（d_n）｝^２≦α ……（３） このＰ個のd_nをそれぞれd_p1、d_p2、d_p3、……、d_ppと
する。

次に、得られたd_p1、d_p2、……、d_ppに対応するI
_t2（d_n）を求めた後、適当なしきい値βを設定して、式
（４）を満足するＱ個のd_nを求める。

｛I_m2（x_m,y_m）−I_t2（d_n）｝^２≦β ……（４） 但し、d_nはd_p1、d_p2、……、d_ppとする。又、求めら
れたＱ個のd_nをd_q1、d_q2、……、d_qqとする。

次に、得られたd_q1、d_q2、……、d_qqに対応するI
_t3（d_n）を求めた後、式（５）の値Ｇ（d_n）を最小にす
るd_nを求める。

Ｇ（d_n）＝｛I_m3（x_m,y_m）−I_t3（d_n）｝^２ ……（５） 但し、d_nはd_q1、d_q2、……、d_qqとする。

以上の方法で得られたd_nが、検出視野内の任意位置38
（x_m,y_m）におけるホトレジスト膜厚に相当する。従っ
て、検出視野の全領域のホトレジスト膜厚分布を得るに
は、上記の処理を、各サンプル点ごとに実行すればよ
い。

第２の手段は、まず式（１）においてI_ti（d_n）及びd
_nをそれぞれI_mi（x_m,y_m）及びｄに換えて式（６）を求
める。

第７図（ａ），（ｂ），（ｃ）に示した２次元固体撮
像素子19b,19c,19dの検出視野内の任意位置38（x_m,y_m）
における干渉パターンの強度I_m1（x_m,y_m）、I_m2（x_m,
y_m）及びI_m3（x_m,y_m）をそれぞれ式（６）に代入する
と、第10図に示すように、各干渉パターン強度に対し
て、複数個のｄが対応する。それぞれのｄの値を、I_m1
（x_m,y_m）については、 d_m11,d_m12,d_m13,……,d_m1i I_m2（x_m,y_m）については、 d_m21,d_m22,d_m23,……,d_m2j I_m3（x_m,y_m）については、 d_m31,d_m32,d_m33,……,d_m3k とする。そしてｉ×ｊ×ｋ個の組合せについて、次式の
値を求める。

F₁〜Ｆ_{ｉ×ｊ×ｋ}のうちでその値が最小となるｄの組
合せを見出し、その中でI_mi（x_m,y_m）の値がI₁＋I₂に最
も近いものを、図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に示した検
出視野内の任意位置38（x_m,y_m）でのホトレジスト膜厚
とする。例えば、第10図においては、理論上真のホトレ
ジスト膜厚d_rに対応し、I_m1（x_m,y_m）、I_m2（x_m,y_m）及
びI_m3（x_m,y_m）に関するｄの値d_m15,d_m25,d_m35は一致
し、（７）式の値は零になるはずであるが、実際には検
出系のノイズ、変動等により零にはならない。その場
合、第10図に示す干渉パターン強度曲線の傾きが大きい
所ほど高い精度でｄが検出できるため、３波長のうち傾
きが最大となる、すなわちI₁＋I₂に最も近い干渉パター
ン強度I_m2（x_m,y_m）に対応するd_m25を検出視野内の任意
位置38（x_m,y_m）でのホトレジスト膜厚とすれば、高い
測定精度が得られる。検出視野の全領域のホトレジスト
膜厚分布を得るには、上記の処理を、各サンプル点ごと
に実行すればよい。

第11図〜第14図は、本発明の他の実施例を示したもの
である。

本実施例では、前述の実施例における波長選択光学系
のかわりに、第12図に示すような回転可能な円板状の干
渉フィルタ41を採用した点に大きな特徴がある。すなわ
ち、この干渉フィルタ41は、第５図（ａ），（ｂ），
（ｃ）に対応した波長特性をもつ３つの領域41a,41b,41
cから構成されている。従って第13図の垂直走査信号に
示すように、まず波長λ_１に対応した干渉パターンを２
次元固体撮像素子19eで撮像し、干渉パターン強度デー
タをコンピュータ28を介して外部メモリ29に格納する。
次に第14図に示すようにパルスモータ42により干渉フィ
ルタ41を120゜回転させた後、同様に波長λ_２に対応し
た干渉パターン強度データを外部メモリ29に格納する。
次に再び、干渉フィルタ41を120゜回転させた後、波長
λ_３に対応した干渉パターン強度データを外部メモリ29
に格納する。以上より得られた３つの波長に対する干渉
パターン強度データに対して、前述の２つの手段を適用
して、検出視野内の全領域のホトレジスト膜厚分布を得
る。

尚、以上に説明した実施例において、使用する波長を
３種類にしたのは、次の理由による。すなわち、第８図
において求めるべきホトレジスト膜厚d_nが仮にI
_t3（d_n）の曲線の２番目のピーク位置に相当するものと
すると、このピーク位置での波長λ_３に関する干渉パタ
ーン強度は変動に対する許容量が非常に小さいため、実
際には波長λ_３に関する干渉パターン強度データを用い
てホトレジスト膜厚d_nを求めなければならない。その
際、測定精度の向上を図るためには、少くとも複数の干
渉パターン高度データを用いる必要があり、本実施例で
はこれを２つとし計３つ、すなわち計３種類の波長に関
する干渉パターン強度データを使用したものである。ま
た、測定する膜厚の範囲が、第８図のI_ti（d_n）の曲線
の最初のピーク位置よりも小さいことが明らかな場合に
は、そのI_ti（d_n）に対応する波長λ_ｉと、これよりも
小さい波長の計２種類の波長に関する干渉パターン強度
データだけを使用しても高い測定精度が得られる。逆に
測定する膜厚の範囲が非常に大きい場合には、４種類か
ら５種類の波長を使用することにより、高い測定精度が
得られる。

又、以上の実施例において、検出された３種類の波長
成分に関する干渉パターン強度が、多波長発振Arレーザ
の変動によって変化する場合、該変動分に合わせて干渉
パターン強度を補正する手段を付加することによって更
に高精度の測定を実行することが可能になる。

以上述べたように、本発明は膜厚の分布状態を２次元
固体撮像素子により、極めて短時間にＮ個の波長に関す
る２次元干渉パターンの強度分布として得るという点に
大きな特徴を有しており、時間的外乱に強い測定が可能
である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の膜厚分布測定方法及び
装置によれば、従来の測定方式のようにポイントデータ
としての膜厚、もしくはある大きさをもった領域の平均
的膜厚ではなく、パターン付ウェハ上に塗布されたホト
レジストのようにサブミクロンオーダーの微小領域で変
化する膜厚の分布状態を、Ｎ個の波長に関する２次元干
渉パターンの強度分布測定と単純な数値計算により、高
速高精度に求めることができ、半導体製造工程において
微細な回路パターンの線幅制御を容易にし、歩留り向上
すなわち高い生産性と信頼性が得られるという効果を有
す。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の基本原理を示す図、第２図は複数個の
波長に関するレジスト膜厚と干渉強度との関係を示す
図、第３図は本発明の一実施例の光学系を示す図、第４
図は波長選択ミラーの波長特性を示す図、第５図は干渉
フィルタの波長特性を示す図、第６図はパターン付ウェ
ハ上のホトレジストの塗布状態を示す斜視図、第７図は
３つの波長に関する２次元干渉パターンを示す平面図、
第８図はレジスト膜厚d_nと干渉パターン高度I_ti（d_n）
との関係を示す図、第９図は第８図に示した関係を第３
図に示す外部メモリ29に格納するためのテーブルを示す
図、第10図はレジスト膜厚ｄと検出された干渉パターン
高度I_mi（x_m,y_m）との関係を示す図、第11図は本発明の
他の実施例の光学系を示す図、第12図は第11図の光学系
における回転可能な円板状の干渉フィルタを示す斜視図
第13図は第12図の光学系における２次元固体撮像素子19
eの垂直走査信号を示す図、第14図は同じく干渉フィル
タの回転のタイミングを示す図、第15図は従来の膜厚測
定装置の一例を示す図である。 ２……ホトレジスト 10……多波長発振Arレーザ 19a,19b,19c,19d,19e……２次元固体撮像素子 21,23,25……波長選択ミラー 22,24,26,41……干渉フィルタ 28……コンピュータ 35,36,37……２次元干渉パターン 50……白色光源 55……回折格子 59……光電子増倍管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−75605（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−178304（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−134506（ＪＰ，Ａ)

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】パターンを形成した基板上に設けた光を透
   過する被測定膜の膜厚の分布を前記パターンの幅と同程
   度の所望の横分解能で測定する膜厚分布測定方法であっ
   て、 多波長発振可干渉性光源から出射した光を該光を透過す
   る前記被測定膜に照射し、 該被測定膜の被測定領域の厚さの分布に応じて発生する
   前記照射した光による前記被測定膜からの２次元の干渉
   光を複数の所望の波長成分の２次元の干渉光に分離し、 該分離した複数の所望の波長成分の２次元の干渉光から
   該複数の波長成分に対応した前記被測定領域の膜厚分布
   に応じた複数の２次元の干渉像を、前記照射した光との
   組み合わせにより前記所望の横分解能を有する光学系に
   よりそれぞれ結像させ、 該結像させた複数の２次元の干渉像を各々撮像して該複
   数の２次元干渉像を複数の画像信号として得、 該複数の画像信号に基づいて前記被測定膜の２次元の膜
   厚の分布を算出することを特徴とする膜厚分布測定方
   法。
2. 【請求項２】前記複数の２次元の干渉像を、前記光の中
   心波長とほぼ同じ程度の横分解能で検出し、前記被測定
   膜の膜厚の分布を前記光の中心波長とほぼ同じ程度の横
   分解能で算出することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の膜厚分布測定方法。
3. 【請求項３】前記複数の所望の波長成分の２次元の干渉
   光は少なくとも３種類の所望の波長成分の２次元の干渉
   光であり、該少なくとも３種類の所望の波長成分の２次
   元の干渉光による各波長に対応する少なくとも３種類の
   ２次元の干渉像をそれぞれ検出することにより、前記被
   測定膜の膜厚の分布を算出することを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の膜厚分布測定方法。
4. 【請求項４】前記被測定膜の膜厚の分布の算出は、前記
   多波長発振可干渉性光源の出力変動に合わせて前記検出
   した複数の２次元の干渉像の画像信号を補正して行うこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の膜厚分布測
   定方法。
5. 【請求項５】パターンを形成した基板上に設けた光を透
   過する被測定膜の膜厚の分布を前記パターンの幅と同程
   度の所望の横分解能で測定する膜厚分布測定装置であっ
   て、 多波長発振可干渉性光源手段と、 該多波長発振可干渉性光源手段から出射した光を該光を
   透過する被測定膜に照射する照射手段と、 該被測定膜の被測定領域の厚さの分布に応じて発生する
   前記照射した光による前記被測定膜からの２次元の干渉
   光から所望の複数の波長成分の２次元の干渉光に分離す
   る分離手段と、 該分離した前記所望の複数の波長成分の２次元の干渉光
   から該複数の波長成分に対応した前記被測定領域の膜厚
   分布に応じた複数の２次元の干渉像を、前記照射した光
   との組み合わせにより前記所望の横分解能を有する光学
   系によりそれぞれ結像させる結像手段と、 該結像手段により結像させた前記複数の２次元の干渉像
   を各々撮像して該複数の２次元干渉像を複数の画像信号
   を得る撮像手段と、 該撮像手段の前記複数の２次元干渉像の画像信号に基づ
   いて前記被測定膜の２次元の膜厚の分布を算出する信号
   処理手段と を備えたことを特徴とする膜厚分布測定装置。
6. 【請求項６】前記分離手段が、前記光の中心波長とほぼ
   同じ程度の横分解能を有することを特徴とする特許請求
   の範囲第５項記載の膜厚分布測定装置。
7. 【請求項７】前記分離手段は、前記２次元の干渉光から
   少なくとも３種類の波長成分の２次元の干渉光を分離
   し、前記２次元干渉像検出手段は、該少なくとも３種類
   の波長成分の２次元の干渉光による少なくとも３種類の
   ２次元干渉像をそれぞれ検出することを特徴とする特許
   請求の範囲第５項記載の膜厚分布測定装置。
8. 【請求項８】前記信号処理手段は、前記被測定膜の膜厚
   の分布の算出を、前記多波長発振可干渉性光源手段の出
   力変動に合わせて補正して行うことを特徴とする特許請
   求の範囲第５項記載の膜厚分布測定装置。