JP3644863B2

JP3644863B2 - 膜厚分布測定方法

Info

Publication number: JP3644863B2
Application number: JP2000014438A
Authority: JP
Inventors: 幸子矢部
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2000-01-24
Filing date: 2000-01-24
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2020-01-24
Also published as: JP2001208531A; US6349594B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法の一工程であるホトリソグラフィ工程において用いられる有機塗布膜の膜厚分布測定方法に関し、特に、段差を有する基板上に形成された有機塗布膜の膜厚分布測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のホトリソグラフィ工程におけるレジスト等の有機塗布膜（以下、有機膜という）の膜厚測定方法としては、「半導体集積回路用レジスト材料ハンドブック（1996.7.31 リアライズ社）２４５頁」に記載されている方法が知られている。触針法は、基板上に形成された有機膜の一部に傷をつけ基板が露出する部分に対して、基板の露出前後に検査針を走査させることにより膜厚を測定する方法である。干渉式膜厚測定方法は、単層の有機膜に対して波長の異なる複数の光を垂直に入射し、各波長における反射光の強度を測定し、有機膜毎の既知の屈折率を用いて膜厚を算出する方法である。また、段差を有する基板上に形成された有機膜の膜厚測定は、基板の切断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscopy）を用いて観察することによって行なっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の膜圧測定方法は、次のような課題を含んでいた。触針法では、段差を有する基板上の有機膜に対して連続的な膜厚測定を行うことが困難である。干渉式膜厚測定方法は、単層有機膜の膜厚測定には適しているが、下地膜が形成された基板上の有機膜の膜厚測定には不向きである。さらに、ＳＥＭによる観察は、基板を切断する必要がある。このため、基板の再利用ができず、膜厚測定のためだけに用いるウエハが必要となり、コスト面でディメリットである。通常、基板の切断はクリーンルームの外で行われるため、ＳＥＭによる観察には多大な時間と工数が必要となる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の膜厚分布測定方法は、段差を有する基板上の測定基準となる座標点である第１の基準点を持つ基板露出領域を含む所定区間における段差形状を測定することにより第１のデータＬ１を抽出し、基板上に有機膜を形成した後、第１の基準点上に位置する第２の基準点を測定基準として所定区間における段差形状を測定することにより第２のデータＬ２を抽出し、基板露出領域内の第１の基準点上に形成された有機膜の膜厚を測定し、第２のデータＬ２に該膜厚を加算することにより第３のデータＬ３を抽出し、第３のデータＬ３と第１のデータＬ１との差をとる（Ｌ３−Ｌ１）ことにより、基板上に形成された有機膜の連続的な膜厚分布を測定することを特徴とするものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態
図１は、半導体ウエハの平面図である。半導体ウエハ１０は表面に段差を有するとともに、シリコン基板露出領域１１（本実施形態では、一辺が約１００μｍ）を含んでいる。シリコン基板露出領域１１内には、段差形状／膜厚測定の基準となる座標点Ａ（０，０，０）が含まれている。なお、１２は要部を拡大した様子を示している。座標点Ｂおよび座標点Ｘは、半導体ウエハ１０表面の任意に設定した座標点である。
【０００６】
本実施形態の膜厚分布測定方法を説明する。図２（ａ）〜図２（ｄ）は、本発明の第１の実施形態を示す説明図である。
【０００７】
（１）第１のステップ
半導体ウエハ１０表面上の座標点ＡＢ間の段差形状を原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭという）により測定する。第１のステップで測定されたデータを第１のデータＬ１とする。測定結果である第１のデータ曲線を図２（ａ）に示す。なお、座標点Ｘ（ａ，ｂ，ｃ）は、座標点Ａ（０，０，０）を基準としている。
【０００８】
（２）第２のステップ
半導体ウエハ１０表面にレジスト等の有機膜を形成する。その後、第１のステップ同様、座標点ＡＢ間をＡＦＭにより測定する。第２のステップで測定されたデータを第２のデータＬ２とする。測定結果である第２のデータ曲線を図２（ｂ）に示す。なお、座標点Ａ’、Ｂ’は、座標点Ａ、Ｂ上に相当する。座標点Ｘ’（ａ，ｂ，ｃ’）は、座標点Ｘ上に相当するとともに、座標点Ａ’（０，０，０）を基準としている。
【０００９】
（３）第３のステップ
シリコン基板露出領域１１上に形成された有機膜の膜厚を膜厚測定計等により測定する。このとき測定した有機膜の膜厚をｄとする。膜厚ｄは、座標点Ａと座標点Ａ’との間隔に相当する。図２（ｂ）に示すデータ曲線に膜厚ｄを加算することにより求めたデータ曲線、すなわち、段差を有する半導体ウエハ１０上における有機膜の膜厚分布形状を表すデータ曲線を図２（ｃ）に示す。なお、座標点Ａ”（０，０，ｄ）、Ｂ”は、座標点Ａ、Ｂ上に相当する。座標点Ｘ”（ａ，ｂ，ｃ’＋ｄ）は、座標点Ｘ上に相当するとともに、座標点Ａ（０，０，０）を基準としている。第３のステップで求めたデータを第３のデータＬ３とする。
【００１０】
また、有機膜の膜厚測定は膜厚測定計だけに限定されるものではない。有機膜の下に形成された下地膜の構造および光学定数が既知の場合、分光エリプソメーター等による膜厚の測定が可能である。この場合の、段差を有する半導体ウエハ１０上における有機膜の膜厚分布形状を表すデータ曲線を図３に示す。繰り返しになるが、有機膜下に形成された下地膜３０は構造および光学定数が既知である。
【００１１】
（４）第４のステップ
図２（ｄ）は、段差を有する半導体ウエハ１０上における有機膜の膜厚分布を連続するデータ曲線で示している。この有機膜の膜厚分布は、第３のデータＬ３と前記第１のデータＬ１との差をとる（Ｌ３−Ｌ１）ことにより求めることができる。座標点Ｄの算出を例にさらに具体的に説明する。ここで、座標点Ｄは、座標点Ｘ’、Ｘ”と同様、座標点Ｘ上に相当する。すなわち、座標点Ｄにおける有機膜の膜厚は、座標点Ｘと座標点Ｘ”との間隔（ｃ’＋ｄ−ｃ）に相当するということが容易に理解される。この結果、座標点Ｄは、（ａ，ｂ，ｃ’＋ｄ−ｃ）と表されるのである。
【００１２】
全てのステップが終了後、硫酸過水洗浄等により半導体ウエハに形成した有機膜を除去すれば再利用可能となる。
【００１３】
以上のように、第１の実施形態の膜厚分布測定方法は、半導体ウエハを破壊することなく、段差を有する半導体ウエハ上に形成された有機膜の膜厚分布を連続的な値として測定することが可能となる。
【００１４】
第２の実施形態
図４（ａ）〜図４（ｅ）は、本発明の第１の実施形態を示す説明図である。第１の実施形態と同一なステップについては、詳細な説明を省略している。
【００１５】
（１）第１のステップ
第１のステップで測定されたデータを第１のデータＬ１とし、測定結果である第１のデータ曲線を図４（ａ）に示す。
【００１６】
（２）第２のステップ
第２のステップで測定されたデータを第２のデータＬ２とする。測定結果である第２のデータ曲線を図４（ｂ）に示す。
【００１７】
（３）第３のステップ
半導体ウエハ１０表面に形成した有機膜を２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）等により部分的に除去し、座標点Ａ（０，０，０）を露出させる。具体的には、座標点Ａ付近を直径１０μｍ程度除去する。有機膜が除去された座標点Ａ付近の断面図を図４（ｃ）に示す。続いて、ＡＦＭを使って有機膜の膜厚ｄを測定する。膜厚ｄは、座標点Ａと座標点Ａ’との間隔に相当する。図４（ａ）に示すデータ曲線に膜厚ｄを加算することにより求めたデータ曲線、すなわち、段差を有する半導体ウエハ１０上における有機膜の膜厚分布形状を表すデータ曲線を図２（ｄ）に示す。なお、座標点Ａ”（０，０，ｄ）、Ｂ”は、座標点Ａ、Ｂ上に相当する。座標点Ｘ”（ａ，ｂ，ｃ’＋ｄ）は、座標点Ｘ上に相当するとともに、座標点Ａ（０，０，０）を基準としている。第３のステップで求めたデータを第３のデータＬ３とする。
【００１８】
（４）第４のステップ
図４（ｅ）は、段差を有する半導体ウエハ１０上における有機膜の膜厚分布を連続するデータ曲線で示している。この有機膜の膜厚分布は、第３のデータＬ３と前記第１のデータＬ１との差をとる（Ｌ３−Ｌ１）ことにより求めることができる。座標点Ｄは、座標点Ｘ’、Ｘ”と同様、座標点Ｘ上に相当する。すなわち、座標点Ｄにおける有機膜の膜厚は、座標点Ｘと座標点Ｘ”との間隔（ｃ’＋ｄ−ｃ）に相当するということが容易に理解される。この結果、座標点Ｄは、（ａ，ｂ，ｃ’＋ｄ−ｃ）と表されるのである。
【００１９】
全てのステップが終了後、硫酸過水洗浄等により半導体ウエハに形成した有機膜を除去すれば再利用可能となる。
【００２０】
以上のように、第２の実施形態の膜厚分布測定方法は、半導体ウエハを破壊することなく、段差を有する半導体ウエハ上に形成された有機膜の膜厚分布を連続的な値として測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体ウエハの平面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態を示す説明図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の他の例を示す説明図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態を示す説明図である。
【符号の説明】
１０半導体ウエハ
１１シリコン基板露出領域

Claims

段差を有する基板上の測定基準となる座標点である第１の基準点を持つ基板露出領域を含む所定区間における段差形状を測定することにより第１のデータＬ１を抽出し、
前記基板上に有機膜を形成した後、前記第１の基準点上に位置する第２の基準点を測定基準として前記所定区間における段差形状を測定することにより第２のデータＬ２を抽出し、
前記基板露出領域内の前記第１の基準点上に形成された前記有機膜の膜厚を測定し、前記第２のデータＬ２に該膜厚を加算することにより第３のデータＬ３を抽出し、
前記第３のデータＬ３と前記第１のデータＬ１との差をとる（Ｌ３−Ｌ１）ことにより、前記基板上に形成された前記有機膜の連続的な膜厚分布を測定することを特徴とする膜厚分布測定方法。
前記第１、第２のデータＬ１、Ｌ２は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscopy）により測定することを特徴とする請求項１記載の膜厚分布測定方法。
前記第２のデータＬ２は、分光エリプソメーターにより測定することを特徴とする請求項１記載の膜厚分布測定方法。
段差を有する基板上の測定基準となる座標点である第１の基準点を含む所定区間における段差形状を測定することにより第１のデータＬ１を抽出し、
前記基板上に有機膜を形成した後、前記第１の基準点上に位置する第２の基準点を測定基準として前記所定区間における段差形状を測定することにより第２のデータＬ２を抽出し、
前記第１の基準点を含む前記基板表面を露出させた後、前記第１の基準点を測定基準として前記有機膜の膜厚を測定し、前記第２のデータＬ２に該膜厚を加算することにより第３のデータＬ３を抽出し、
（Ｌ３−Ｌ１）なる演算を施すことにより、前記基板上に形成された前記有機膜の連続的な膜厚分布を測定することを特徴とする膜厚分布測定方法。
前記第１、第２の測定データＬ１、Ｌ２は、原子間力顕微鏡により測定することを特徴とする請求項４記載の膜厚分布測定方法。
前記第２の測定データＬ２は、分光エリプソメーターにより測定することを特徴とする請求項４記載の膜厚分布測定方法。
段差を有する基板上の測定基準となる座標点である第１の基準点を持つ基板露出領域を含む所定区間における段差形状を測定することにより第１のデータＬ１を抽出し、
前記基板上に有機膜を形成した後、前記第１の基準点上に位置する第２の基準点を測定基準として前記所定区間における段差形状を測定することにより第２のデータＬ２を抽出し、
前記有機膜を部分的に除去し、前記測定基準となる第１の座標点を露出させ、
その後、露出した前記第１の基準点を測定基準として前記有機膜の膜厚を測定し、前記第２のデータＬ２に該膜厚を加算することにより第３の測定データＬ３を抽出し、
前記第３のデータＬ３と前記第１のデータＬ１との差をとる（Ｌ３−Ｌ１）ことにより、前記基板上に形成された前記有機膜の連続的な膜厚分布を測定することを特徴とする膜厚分布測定方法。
前記有機膜の部分的除去は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）により行なうことを特徴とする請求項７記載の膜厚分布測定方法。
前記第１、第２の測定データＬ１、Ｌ２および前記有機膜の膜厚は、原子間力顕微鏡により測定することを特徴とする請求項７記載の膜厚分布測定方法。