JP2859159B2 - 薄層構造体の表面層の局限区域の形態と厚さを原位置実時間観測する方法と装置 - Google Patents

薄層構造体の表面層の局限区域の形態と厚さを原位置実時間観測する方法と装置

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JP2859159B2 JP7079069A JP7906995A JP2859159B2 JP 2859159 B2 JP2859159 B2 JP 2859159B2 JP 7079069 A JP7079069 A JP 7079069A JP 7906995 A JP7906995 A JP 7906995A JP 2859159 B2 JP2859159 B2 JP 2859159B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は薄層構造体の表面層の局
限区域(localized area)の形態を定量
化するとともにその厚さおよび発展を測定するための方
法および装置に関するものである。
【0002】本発明の多くの適用は半導体、集積回路の
ごときミクロシステムの製造の原位置実時間制御、例え
ば輪郭抽出のための寸法制御、層の厚さおよび層の成長
(析出)または除去(エッチング)率の絶対測定などを
包含する。
【0003】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】米国
特許出願第930243号には、真空処理室の内部にお
ける薄層スタックの原位置干渉計測定用の同時的レーザ
干渉計測定および観測のためのコンパクトなシステムが
開示されている。該システムは対物レンズの光学軸が単
色照明ビームと1つまたは2つの干渉計測定レーザビー
ムとに共通である観測カメラを有する。
【0004】この先行技術に関する文書には、薄層構造
体の表面層の成長または除去率を制御するのに適してい
る強力な方法が開示されている。しかし、それは若干の
欠点を有する。とりわけ、単色照明ビームと干渉計測定
レーザビームとは色消し性を生じさせる正確に同じ波長
を有しておらず、したがって2つの光ビームは対物レン
ズが無色である場合にのみ同時に焦点をあわされ得る。
また、この方法は観測中の区域内の表面層の厚さの絶対
測定を許さない。それは1を法とする期間(modulo one
period )繰返される差動干渉計測定に基づいているか
らである。
【0005】コンド(KONDO)の米国特許第498
4894号には多層構造体の表面層の厚さを測定する技
術が開示されている。この技術は反射されたビームの一
部分のスペクトル分析によって構造体表面層の厚さを決
定するため可視スペクトルまたは紫外スペクトルを有す
る光ビームによって構造体を照明することから成ってい
る。しかし、この技術は真空室内における製造の間、パ
ターンを担持している層の厚さを測定するため原位置で
使用され得ない顕微鏡において用いるべく提案されてい
る。測定中の構造体と装置の対物レンズとの間の距離は
比較的大きく(普通、10cmのオーダー)、そのこと
は顕微鏡が使用され得ないことを意味する。
【0006】本発明の目的は前述した先行技術の短所を
取り除くとともに薄層構造体の表面層の局限区域の形態
および厚さの原位置実時間観測を可能にする改良された
技術を提案することである。
【0007】本発明のもう一つの目的はこの技術を用い
る観測装置であって極めて小さく、したがって複雑な薄
層構造体のために真空製造技術を用いる現存装置と一体
化され得るものを提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の方法は薄層構造
体の表面層の局限区域の形態および厚さの原位置実時間
観測のための方法である。薄層構造体は透明なのぞき窓
または観測窓を有する真空処理室内に閉じ込められる。
本発明の方法は、規定スペクトルを有する照明光ビーム
および少なくとも1つのレーザビームを局限区域上に導
く過程であって、両ビームが観測カメラの対物レンズの
光学軸に中心を置かれた共通光路に従って真空処理室の
のぞき窓を通過して前記局限区域に衝突するようにされ
る過程、レーザスポット上にその中心を置かれている前
記局限区域によって反射された光ビームを連続的に、前
記共通光路に従って単色差動干渉計測定法によって前記
局限区域のマップを示すためその固有波長が前記レーザ
ビームの波長に近似する光学フィルタを介して前記観測
カメラのマトリックスセンサへ導き、次いでモノクロメ
ータへ選択器ダイヤフラム、光ファイバケーブルおよび
モノクロメータ入口に在る分析器スリットを介して導く
過程、および前記局限区域内の前記表面層の厚さを測定
するため前記反射光ビームのスペクトル分析のためのモ
ノクロメータを使用し、かつ、または前記局限区域内の
前記表面層の厚さの変動を測定するため規定波長による
差動干渉計測定法を使用する過程を有する。
【0009】前記レーザビームは照明光ビームを局限区
域上に集中させるために使用され、かつ、その開口がモ
ノクロメータのための光ファイバケーブルの入口におい
てイメージ面(像面)を限定するために所定のまたは可
変である選択器ダイヤフラムを中心に置くために使用さ
れる。また、前記レーザビームは光ビームの光度を測定
することによって光ビームをサンプル上で焦点に集める
ため使用される。前記イメージ面は測定カメラの対物レ
ンズの光学特性、局限区域(関係している層以外の隣接
部分を除外することによって観測中の表面層の代表的部
分を含むにすぎない)の形態、およびモノクロメータか
らの信号の信号対雑音比によって限定される。
【0010】前記モノクロメータの入口スリットは、モ
ノクロメータの特性、光ファイバの直径および配置およ
び選択器ダイヤフラムの開口によって決定される。
【0011】反射されたビームのスペクトル分析は、観
測中の区域内の表面層の厚さを示す。実際上は、これは
照明光ビームのスペクトルの最短波長に依存するしきい
値を越えた表面層厚さに対してのみ可能である。その最
短波長が紫外へ移動されている照明ビームスペクトルを
選択することによって、最小スペクトル分析しきい値を
減じることが可能である。
【0012】しかし、観測カメラの対物レンズは、可視
スペクトルの特性は良好であるが紫外スペクトルの特性
が劣っている光学レンズから作られている。したがっ
て、使用されている対物レンズの特定光学限度を越えて
照明光スペクトルを紫外まで動かすことは許されない。
この場合において、本発明は後述する付加モジュールを
使用して並列光路を構成する。
【0013】本発明によれば、特定波長が照明光ビーム
のスペクトル内に選択され、かつ、差動干渉計測定法が
この特定波長における光度の発展を検査するために使用
される。これはサンプルの表面層の厚さの時間的変動を
正確に測定する。この技術は、特に表面層のプラズマエ
ッチングまたは化学的気相析出の間、サンプル表面層の
厚さの発展を正確に監視することを可能にする。
【0014】スペクトル分析と差動干渉計測定法との組
合せによって、サンプルの表面層の絶対厚さおよびこの
厚さの瞬間変動率の実時間測定が可能にされる。
【0015】前記差動干渉計測定法は、正確な分析を可
能にする高信号対雑音比を保証するその高輝度の故に、
レーザビームの波長をもって実行され得る。したがっ
て、例えば、同一検出器において同時に行われ得るスペ
クトル分析を妨害しないように照明光ビームのスペクト
ルの一端においてレーザビームの波長を選ぶことが好ま
しい。照明光ビームのスペクトルは、サンプルの局限区
域の差動干渉計マップを供給する測定カメラによる良好
な実視観測を可能にするために、可視スペクトル(40
0nmから800nmの間の波長)の少なくとも一部分
とオーバラップしている。
【0016】本発明は制限的でない例として開示されか
つ添付図面に示されている本発明の一実施例の詳細な説
明を検討することによってより明快に理解されるであろ
う。
【0017】
【実施例】本発明の出願人は、米国特許出願第9302
43号に詳細に記載されている技術によって、特に薄層
構造体に対する、レーザによる同時的な観測および干渉
計測定のための極めてコンパクトなシステムを開発し
た。本発明の実施例によって説明される器械および装置
は、出願人によって前に開発されたそれらと多くの共通
点を有する。この理由によって、本明細書を検討する人
は前記器械および装置のさらなる細部を理解するため
に、前記米国特許出願第930243号を参照すること
を勧められる。
【0018】図1に示されているように、真空処理室1
は処理さるべきサンプル2、例えばプラズマエッチング
による製造過程における集積回路ウェーハ、を収容して
おり、その上面にはシリカ窓3を備えている。観測ユニ
ット4が真空処理室1の上方に水平X−Y変位テーブル
5によって支持されている。観測ユニット4は、制御キ
ーパッド9および表示画面10と連結された操作・制御
ユニット8に、光ファイバケーブル6および電気ケーブ
ル7によって接続されている。操作・制御ユニット8は
前記テーブル5上における観測ユニット4の水平変位の
ために2つのステッパ電動機(図示されていない)に接
続されている。
【0019】図2にさらに詳細に示されているように、
観測ユニット4は、その調節式対物レンズ13が自動焦
点タイプであり得るビデオカメラ12、照明源14、レ
ーザ15および規定光路に沿って光を導くための多数の
光学板を収容しているケーシング11を有する。
【0020】ビデオカメラ12はマトリックスに配置さ
れた複数の電荷転送(CCD)セルの形式にされている
ことが好ましいセンサ16を有する。センサ16は図示
されていない方式で電気ケーブル7のための電気コネク
タ17に接続されており、それにより、そこでビデオ信
号が表示画面10に表示される操作・制御ユニット8に
ビデオ信号を供給し得る。電気コネクタ17はケーシン
グ11の側面に取付けられている。
【0021】ケーシング11は内部コンパートメント1
1aを有し、前記コンパートメントには、そのエミッシ
ョンスペクトルが可視スペクトルの少なくとも一部分と
オーバーラップすることが好ましい照明源14が収容さ
れている。以下の説明を簡単化するため、照明源14か
ら放射される光は白光と呼ばれる。内部コンパートメン
ト11aは光学レンズ18を嵌めこまれた窓を有し、前
記光学レンズはビデオカメラ12の対物レンズ13とセ
ンサ16との間に配置されたビームスプリッタ板19の
方へ照明光ビームを導き得る。したがって照明光ビーム
はビデオカメラ12の光路、すなわち、対物レンズ13
の光学軸13aに従って進む。第1の光トラップ板20
がビームスプリッタ板19の後方に配置されており、そ
れにより、ビームスプリッタ板19を通過する照明光ビ
ームの一部分を吸収して観測ユニット4内における光学
的干渉を減らし得る。
【0022】レーザ15は図2に示されているような1
個の半導体レーザまたは2個の別々の半導体レーザ(図
示されていない)であり得る。レーザ15からのレーザ
ビームはビームスプリッタ板21を介してビデオカメラ
12の対物レンズ13とセンサ16との間の光路上のも
う1つのビームスプリッタ板22の上に投射され、した
がってレーザビームもまた対物レンズ13の光学軸と一
致しているビデオカメラ12の光路に従って進み得る。
もう1つの光トラップ板23が、観測ユニット4のケー
シング11内における迷光を吸収するようにビームスプ
リッタ板22の後方に配置されている。
【0023】かくして、観測ユニット4のコンパクトな
ケーシング11はビデオカメラ12を照明源14および
レーザ15とともに収容しており、照明源14によって
放射される照明光ビームとレーザ15によって放射され
るレーザビームとから成る光ビームを、ビデオカメラ1
2の対物レンズ13の光学軸13aと一致している共通
光路に従って放射するようにされている。複合された光
ビームは、薄層構造のサンプル2(図1参照)に対して
衝突するように、観測ユニット4によって対物レンズ1
3および真空処理室1のシリカ窓3を介して観測ユニッ
ト4によって導かれる。サンプル2によって反射された
光ビームは入射光ビームと同じ共通光路に従って進み、
対物レンズ13を(図1)を通過して、観測ユニット4
のケーシング11内に入る。ビームスプリッタ板22は
反射ビームを2つの部分に分割する。透過部分はビーム
スプリッタ板22および19を通過してビデオカメラ1
2のセンサ16に達する。ビームスプリッタ板22によ
って反射させられた部分はビームスプリッタ板21を通
過して、観測ユニット4のケーシング11に取付けられ
た光学コネクタ24を介して光ファイバケーブル6に達
する。
【0024】ビデオカメラ12のセンサ16の方へ導か
れた反射ビームは、高輝度反射レーザビームを伴う照明
光ビームのスペクトルと一致するスペクトルを有する。
反射レーザビームがセンサ16(したがって、ビデオカ
メラ12)を眩しがらせるのを防ぐために、光学フィル
タ25がセンサ16のすぐ前においてビデオカメラ12
の光路上に配置されている。光学フィルタ25は固有波
長に対しては透過性を有し、一方、その他の波長に対し
ては非透過性を有し、したがって、ビデオカメラ12の
センサ16に事実上単色光を伝達する。したがって、セ
ンサ16の各CCDセルはビデオカメラ12のイメージ
面において1つの画素を表す個別干渉計として機能す
る。その結果として、ビデオカメラ12はマトリックス
配列において複数の干渉計として機能して、サンプル2
の被照明局限区域の表面形態の単色マップとして表示画
面10上に表示されるビデオ信号を供給する。光学フィ
ルタ25の固有波長は表示画面10のためのレーザビー
ムの波長に十分に近似しかつまたビデオカメラ12を眩
しがらせることなしに被照明局限区域内にレーザスポッ
トを示すことが好ましい。
【0025】光学コネクタ24は反射ビームの一部分を
受取ってそれを光ファイバケーブル6を介して操作・制
御ユニット8へ送る。光学コネクタ24は選択器ダイヤ
フラム24aを有し、前記選択器ダイヤフラム24aの
開口(アパチャ)25aは予め決定されておりまたは分
析の目的に対してサンプル2の被照明局限区域の一部分
のみに一致するイメージ面を決定するため変更可能であ
る。
【0026】図3から図5までは本発明の方法を表して
いる数個のイメージ(画像)を示す線図である。処理さ
るべきサンプル2はプラズマエッチングまたは析出によ
って集積回路を製造するのに使用される薄層構造体であ
る。サンプル2はシリコン基板26、該シリコン基板2
6を覆っている下層27、および爾後そのなかに集積回
路がエッチングによって形成される酸化珪素表面層28
を有する。この目的のために、表面層28の複数の部分
はマスク29によって保護されている。マスク29によ
って保護されていない表面層28の露出区域28aは、
所定の厚さになるまでプラズマエッチング(周知技術)
を施される。
【0027】観測ユニット4によって放射される入射光
ビームは、サンプル2の上面に位置する局限区域2aを
照明する。局限区域2aは白光照明光ビーム30によっ
て限界を決定される。レーザビーム31は照明光ビーム
30と同心であり、それによって照明光ビーム30はサ
ンプル2上に正確に位置決めされ得る。
【0028】既に説明されたように、サンプル2の照明
された局限区域2a(ビデオカメラ12の可使区域によ
って限界を決定される)の単色マップは、ビデオカメラ
12によって実時間をもって確立される。したがって、
被照明局限区域2aの形態およびその発展はサンプル2
のプラズマエッチングの前および間に実時間をもって観
測され得る。被照明局限区域2aにおけるパターンの寸
法の実時間制御は、画素を数えることと、ビデオカメラ
12の光度しきい値を調整することとによって達成され
得る。サンプル2の表面層28の露出区域28aにおけ
るレーザスポット31a(図4参照)は、ビデオカメラ
12によって確立される単色マップにおいて確認され得
る。
【0029】次に、図5を参照して操作・制御ユニット
8におけるモノクロメータ8aについて説明する。典型
的に、分析のためモノクロメータ8aに送られる光ビー
ムは、サンプル2を表している特定分析区域32(図4
参照)に限定されなくてはならない。サンプル2のプラ
ズマエッチングは、表面層28の露出区域28aすなわ
ち非保護部分の厚さ Δe[sic]のバリエーション
(変動)である厚さの観測を必要とする。次に、特定
分析区域32はマスク29によって覆われた部分を除く
露出区域28aの内側に存在しなくてはならない。特定
分析区域32はレーザスポット31a上にその中心を位
置させることが好ましく、該区域は光学コネクタ24の
入口に配置された選択器ダイヤフラム24aによって限
界を決定される。選択器ダイヤフラム24aの開口25
aは、対物レンズ13の倍率、サンプル2の表面層28
の露出区域28aと対物レンズ13との間の距離、およ
びモノクロメータ8aからの信号の信号対雑音比に基づ
いて決定される。分析スリット33によって限定される
モノクロメータ8aのイメージ面は、サンプル2におけ
る特定分析区域32と一致する。
【0030】図5はレーザスポット31a、該スポット
上に中心を決められた選択器ダイヤフラム24aの開口
25a、およびモノクロメータ8aの入口における分析
スリット33を示している。この選択器ダイヤフラム2
4aと分析スリット33aとの間には、サンプル2の特
定分析区域32から反射された光ビームをモノクロメー
タ8aまで運ぶ光ファイバケーブル6が配置されてい
る。
【0031】図6に示されているように、分析スリット
33を介してモノクロメータ8aに入る光ビームは、プ
レーンフィールド(plain field)回折格子
34上に投射される。CCDホトダイオード(例え
ば、1024ダイオード)のストリップまたは横列と
縦列とを有するCCDダイオードのマトリックスの形
式にされ得る感光性構成素子35が配置されている。各
ダイオードが25μm×25μmであるCCDダイオー
ドストリップの場合、分析スリット33は25μm×2
5μmまたはそれより少し大きくされ得る。
【0032】感光性構成素子35は照明光ビームスペク
トルの各波長λに対する光度を提供する。図7に示され
ているように、分析されたスペクトルは最小波長λ1
よび最大波長λ2 によって限界を決定される。図7から
のダイヤグラムのスペクトル分析は、サンプル2の表面
層28の露出区域28aの瞬間厚さeを正確に提供す
る。
【0033】スペクトル分析と同時にまたその後に、差
動干渉計測定が照明ビームスペクトル(図8)において
規定波長λ1 を使用して実行され得る。規定波長λ
1 (図8)に対する時間の関数としての光度のダイヤグ
ラムの分析は、本質的に既知である方式で、プラズマエ
ッチングの間においてサンプル2の表面層28の露出区
域28aの厚さの変動率を提供する。
【0034】その高エネルギーの故に、サンプル2によ
って反射されるレーザビームは、モノクロメータ8aに
よる差動干渉計分析(図8)のために使用され得る。ス
ペクトル分析を妨害するのを避けるために、レーザビー
ムは照明ビームスペクトルの一端における波長をもって
放出されることが好ましい。レーザビームの差動干渉計
分析を可能にするために、特定区域がモノクロメータ8
aの感光性構成素子35上に既知の方式で電子的に形成
され得る。この特定区域は光度減衰コーティングを施さ
れることが好ましい。
【0035】本発明は、例えば、プラズマエッチング間
におけるサンプル2の表面層28の露出区域28aの
(スペクトル分析による)絶対厚さおよび(差動干渉計
分析による)厚さの瞬間変動率の実時間監視と、サンプ
ル2の局限区域2aの単色マップの同時表示とを可能に
する。
【0036】本発明は、当然、実時間をもってかつその
場において、処理中のサンプルの表面層の形態および厚
さを監視するため、薄層構造体の真空処理の他形式にも
適用される。
【0037】図9は特に、使用される波長が構成部品
(ビデオカメラ対物レンズ、ビームスプリッタ板など)
の光学特性と両立できない場合に、または分析される材
料の分析または吸収敏感度が不十分である場合に、標準
型の観測ユニット4がその役割を果たすのに不十分であ
るとき使用される、既に説明された装置の一変形を示す
線図である。これら極端な場合においては、付加モジュ
ール36が標準型の観測ユニット4のケーシング11に
取付けられる。
【0038】前記付加モジュール36は観測ユニット4
と並列して作動して観測ユニットを補完する。例えば、
紫外スペクトル中に連続体(continuum)を放
出する高発光キセノン照明源が使用され得る。これは発
生される熱の故に、かつ、ビデオカメラ12の対物レン
ズ13に対する非両立性の故に、標準型の観測ユニット
4と両立できないであろう。付加モジュール36内のキ
セノン照明源は紫外スペクトル(200nmから450
nmの間の波長)中に付加照明ビームを放出する。付加
照明ビームは特殊の水晶対物レンズ37を透過して、分
析されるべきサンプルに対してビームスプリッタ板3
8、39によって導かれる。標準型の観測ユニット4も
また既に説明したように光ビームを放出し、該光ビーム
は分析されるべきサンプルに対して付加照明ビームと同
じ光路に従ってビームスプリッタ板39を介して衝突す
る。反射された光ビームは、特にサンプルの形態を示す
マップを表示するための標準型の観測ユニット4に対す
る1つの部分と、標準型の観測ユニット4(図2)の光
学コネクタ24からプラグを抜かれていない光ファイバ
ケーブル6に光学コネクタ(図示されていない)を介し
て接続されている付加モジュール36に対する他の1つ
の部分とに分割される。次いで、モノクロメータが、既
に説明されたように、紫外スペクトルにおけるスペクト
ル分析とともに差動干渉計分析を実行する。
【0039】標準型の観測ユニット4の表示光学手段と
両立できないレーザビームを使用することが必要である
場合は、やはり付加モジュールが必要とされる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法の1つの特定の適用において使用
される装置の実施例を説明する線図。
【図2】本発明の装置を説明する線図。
【図3】本発明の技術によって観測されているサンプル
の局限区域の線図的詳細図。
【図4】本発明の技術によって観測されているサンプル
の局限区域の線図的詳細図。
【図5】本発明を表すイメージ(画像)の配置を示す線
図。
【図6】モノクロメータの作用原理を示す線図。
【図7】スペクトル分析曲線を示す線図。
【図8】差動干渉計曲線を示す線図。
【図9】本発明の装置の異なる実施例を示す線図。
【符号の説明】
1 真空処理室 2 サンプル 4 観測ユニット 5 水平X−Y変位テーブル 6 光ファイバケーブル 8 操作・制御ユニット 8a モノクロメータ 9 キーパッド 10 表示画面 11 ケーシング 12 ビデオカメラ 13 対物レンズ 14 照明源 15 レーザ 16 センサ 18 光学レンズ 19 ビームスプリッタ板 20 光トラップ板 21 ビームスプリッタ板 22 ビームスプリッタ板 23 光トラップ板 25 光学フィルタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−361105(JP,A) 特開 平3−283615(JP,A) 特開 平2−52205(JP,A) 特開 平10−104170(JP,A) 特開 平5−259125(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01B 11/06 H01L 21/66

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 上壁に窓を有する真空処理室内に包囲さ
    れた薄層構造体の表面層の局限区域の形態および厚さの
    原位置実時間観測方法において、 規定スペクトル内の照明光ビームおよび少なくとも1つ
    のレーザビームを前記局限区域上に導く過程であって、
    前記両ビームがビデオカメラの対物レンズの光学軸に中
    心を置かれた共通光路に従って前記真空処理室の窓を通
    過して前記局限区域に衝突するようにされる過程、 前記局限区域によって反射された光ビームを、連続的
    に、前記共通光路に従って最初に差動干渉計測定法によ
    って前記局限区域の単色マップを示すためその固有波長
    が前記レーザビームの波長に近似する光学フィルタを介
    して前記ビデオカメラのマトリックスセンサへ導き、次
    いでモノクロメータへ選択器ダイヤフラム、光ファイバ
    ケーブルおよびモノクロメータ入口に在る分析器スリッ
    トを介して導く過程、および 前記局限区域の一体部分である特定分析区域内の前記表
    面層の厚さを測定するため前記反射光ビームのスペクト
    ル分析のためのモノクロメータを使用し、かつ、または
    前記特定分析区域内の前記表面層の厚さの変動率を測定
    するため規定波長による差動干渉計測定法を使用する過
    程を有する観測方法。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の方法を実施するための
    観測装置において、 ビデオカメラ、照明源、レーザおよび光学構成部品を収
    容しているコンパクトなケーシングを有する観測ユニッ
    ト、 モノクロメータを有する操作・制御ユニット、 光ファイバケーブルおよび電気ケーブルを介して前記操
    作・制御ユニットに前記観測ユニットを接続するため前
    記観測ユニットの前記ケーシングに取付けられた光学コ
    ネクタおよび電気コネクタ、 前記操作・制御ユニットに結合された制御キーパッドお
    よび表示画面、および最初に前記局限区域を選択するた
    め2つの軸線に沿って前記観測ユニットを水平方向に変
    位させ次に入射光ビームおよび前記サンプルによって反
    射された光ビームが共通光路に従うように正確に位置を
    決定するため前記真空処理室の上方に配置されたテーブ
    ルを有する観測装置。
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