JP3681319B2 - 膜厚測定方法及びその装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円形の半導体ウエハやガラス基板（以下、単に基板と称する）に対して光を照射し、基板からの反射光に基づき基板上に形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体製造プロセスにおいてはパターンの微細化が進み、例えば、０．１μｍ台の線幅で薄膜のパターンが形成され始めている。プロセスにおいては膜厚管理も重要視されているが、現状の光干渉式膜厚測定装置では、０．５μｍ以下のパターンについては、その測定領域の大きさよりも線幅が極めて狭いのでパターンを形成している薄膜の膜厚を測定できていない。
【０００３】
そのためＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いた断面検査を行って膜厚を測定することも行われているが、測定のために基板を破壊する必要がある。そこで、現在は、基板に形成されているＴＥＧ（テストエレメントグループ）パターン内に、光干渉式膜厚測定装置の測定領域と少なくとも同等の面積を有する膜厚測定用の領域を形成しておき、この部分の膜厚を測定して、これを製品パターンにおける目的薄膜の膜厚とすることが行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。
すなわち、実際に測定したいのは製品パターン内にある目的薄膜の膜厚であって、ＴＥＧパターン内のものではない。
【０００５】
ＴＥＧパターン内に形成された膜厚測定用の領域は、同一基板上であっても製品パターンとは異なる位置にあることや、異なるパターンが形成されているので、特にＣＭＰ（化学機械研磨）工程で発生しているディッシングやエロージョンなどの影響を大きく受け、ＴＥＧパターン内の膜厚をもって製品パターンにおける目的薄膜の膜厚とすると不正確になるという問題がある。
【０００６】
ＣＭＰ工程においては、パターンの線幅とその間隔（Line & Spaceを略してL&S と称する）の影響を大きく受ける。例えば、パターンが密な領域と粗な領域とでは一般的に粗な領域の方が密な領域に比較して研磨が早く進むことになって研磨度合いが大きく異なる。そのため製品パターンとＴＥＧパターンとでは全くパターンが異なるので、ＴＥＧパターンから製品パターンにおける目的薄膜の膜厚を推定することは正確さに欠けるのである。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、目的薄膜を含んだ測定領域内の分光反射スペクトルから対象外薄膜の成分を除去することにより、測定領域より狭い線幅を有する目的薄膜の膜厚を正確に測定することができる膜厚測定方法及びその装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の膜厚測定方法は、薄膜が形成された基板からの反射光に基づき膜厚を測定する膜厚測定方法であって、予め対象外薄膜の分光反射スペクトルを記憶しておく過程と、膜厚測定の対象である目的薄膜と、膜厚測定の対象外である対象外薄膜とを含む測定領域内からの分光反射スペクトルを測定する測光過程と、前記測光過程で測定した分光反射スペクトルから、予め記憶しておいた対象外薄膜の分光反射スペクトルを減算して目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトルとして抽出する抽出過程と、前記抽出分光反射スペクトルに基づき前記目的薄膜の膜厚を算出する算出過程と、を実施することを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項２に記載の膜厚測定方法は、膜厚測定の対象である目的薄膜が形成された基板の表面を覆う膜厚測定の対象外である対象外薄膜を所定量だけ除去して、基板上に目的薄膜および対象外薄膜とを含む層を露出させる過程で、基板上の目的薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法において、前記層内の目的薄膜および対象外薄膜を含む大きさを有する測定領域内からの分光反射スペクトルを測定する測定過程と、測定領域内の分光反射スペクトルと、予め記憶された対象外薄膜の分光反射スペクトルとを比較する比較過程と、比較過程で測定領域内の分光反射スペクトルと対象外薄膜の分光反射スペクトルとが不一致である場合に、測定領域内からの分光反射スペクトルから予め記憶された対象外薄膜の分光反射スペクトルを減算して目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトルとして抽出する抽出過程と、抽出分光反射スペクトルに基づき目的薄膜の膜厚を算出する算出過程と、を実施することを特徴とするものである。
【００１０】
また、請求項３に記載の膜厚測定方法は、請求項１または２に記載の膜厚測定方法において、前記抽出過程では、対象外薄膜の分光反射スペクトルに対して、目的薄膜と対象外薄膜との線幅比に応じた補正係数を乗じるとともに、前記対象外薄膜の分光反射スペクトルに付加されているオフセットを加算し、この成分を前記目的薄膜の分光反射スペクトルから減算することに基づき前記抽出分光反射スペクトルを抽出するようにしたことを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項４に記載の膜厚測定装置は、薄膜が形成された基板からの反射光に基づき膜厚を測定する膜厚測定装置において、予め対象外薄膜の分光反射スペクトルを記憶しておく記憶手段と、膜厚測定の対象である目的薄膜と、膜厚測定の対象外である対象外薄膜とを含む測定領域内からの分光反射スペクトルを測定する測光手段と、前記測光過程で測定した分光反射スペクトルから、予め記憶しておいた対象外薄膜の分光反射スペクトルを減算して目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトルとして抽出する抽出手段と、前記抽出分光反射スペクトルに基づき前記目的薄膜の膜厚を算出する算出手段と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１２】
また、請求項５に記載の膜厚測定装置は、膜厚測定の対象である目的薄膜が形成された基板の表面を覆う膜厚測定の対象外である対象外薄膜を所定量だけ除去して、基板上に目的薄膜および対象外薄膜とを含む層を露出させる過程で、基板上の目的薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置において、予め対象外薄膜の分光反射スペクトルを記憶しておく記憶手段と、前記層内の目的薄膜および対象外薄膜を含む大きさを有する測定領域内からの分光反射スペクトルを測定する測光手段と、測定領域内の分光反射スペクトルと、予め記憶された対象外薄膜の分光反射スペクトルとを比較する比較手段と、比較過程で測定領域内の分光反射スペクトルと対象外薄膜の分光反射スペクトルとが不一致である場合に、測定領域内からの分光反射スペクトルから予め記憶された対象外薄膜の分光反射スペクトルを減算して目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトルとして抽出する抽出手段と、抽出分光反射スペクトルに基づき目的薄膜の膜厚を算出する算出手段と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項６に記載の膜厚測定装置は、請求項４または５に記載の膜厚測定装置において、前記抽出手段では、対象外薄膜の分光反射スペクトルに対して、目的薄膜と対象外薄膜との線幅比に応じた補正係数を乗じるとともに、前記対象外薄膜の分光反射スペクトルに付加されているオフセットを加算し、この成分を前記目的薄膜の分光反射スペクトルから減算することに基づき前記抽出分光反射スペクトルを抽出するようにしたことを特徴とするものである。
【００１４】
【作用】
請求項１に記載の発明の作用は次のとおりである。
まず、膜厚測定の対象である目的薄膜と対象外薄膜とを含む測定領域内からの分光反射スペクトルを測定し、次いで分光反射スペクトルから、予め記憶しておいた対象外薄膜の分光反射スペクトルを減算して目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトルとして抽出する。このようにして対象外薄膜の成分を除去した抽出分光反射スペクトルに基づき目的薄膜だけの膜厚を算出する。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明によれば、膜厚測定の対象である目的薄膜が形成された基板の表面を覆う膜厚測定の対象外である対象外薄膜を所定量だけ除去して、基板上に目的薄膜および対象外薄膜とを含む層を露出させる過程で、基板上の目的薄膜の膜厚を測定する場合には、対象外薄膜が除去できているか否かを、予め記憶された対象外薄膜の分光反射スペクトルのプロファイルと比較することで判断することができる。その比較の結果、プロファイルが一致しなかった場合には対象外薄膜が除去されていると判断されるので、抽出過程へと移行する。
【００１６】
なお、『露出する過程』とは、例えば図１０に示すように対象外薄膜が目的薄膜上に薄く残っている状態と、対象外薄膜が完全に除去されて目的薄膜が露出した状態の両方を含む。
【００１７】
また、請求項４に記載の発明によれば、まず、測光手段が目的薄膜と対象外薄膜とを含む測定領域内からの分光反射スペクトルを測定し、次いで抽出手段が、分光反射スペクトルから、予め記憶しておいた対象外薄膜の分光反射スペクトルを減算して目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトルとして抽出する。このようにして目的薄膜以外の対象外薄膜成分を除去した抽出分光反射スペクトルに基づいて、算出手段が目的薄膜だけの膜厚を算出することができる。
【００１８】
また、請求項４に記載の発明によれば、まず、測光手段が目的薄膜と対象外薄膜とを含む測定領域内からの分光反射スペクトルを測定し、次いで抽出手段が目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトルとして抽出する。このようにして目的薄膜以外の対象外薄膜成分を除去した抽出分光反射スペクトルに基づいて、算出手段が目的薄膜だけの膜厚を算出することができる。
【００１９】
また、請求項５に記載の発明によれば、膜厚測定の対象である目的薄膜が形成された基板の表面を覆う膜厚測定の対象外である対象外薄膜を所定量だけ除去して、基板上に目的薄膜および対象外薄膜とを含む層を露出させる過程で、基板上の目的薄膜の膜厚を測定する場合には、予め記憶された対象外薄膜の分光反射スペクトルのプロファイルと測光手段で測定された分光反射スペクトルのプロファイルとを比較手段が比較することにより、不要な対象外薄膜が除去できているか否かを判断することができる。その比較の結果、プロファイルが一致しなかった場合には対象外薄膜が除去されていると判断されるので、抽出手段による抽出へと移行する。
【００２０】
また、請求項６に記載の発明によれば、抽出手段は、線幅比に応じた補正係数を対象外薄膜の分光反射スペクトルに乗じ、さらにオフセットを加算し、この成分を測定領域の分光反射スペクトルから減算することに基づき抽出分光反射スペクトルを求める。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。
図１は本発明に係る光干渉式膜厚測定装置の概略構成を示したブロック図である。
【００２２】
膜厚測定の対象である目的薄膜が形成された基板Ｗは、図示しない移動機構により水平面内で移動可能に構成されたステージ１に載置されている。このステージ１の上方には、光源部３が配備されており、この光源部３から横向きに射出された光はビームスプリッタ５により下方に反射されて対物レンズ７を通り、基板Ｗに対して照射される。対物レンズ７を通して基板Ｗに光が照射される範囲内の所定範囲が本発明における測定領域に相当し、その大きさは、対物レンズ７の倍率と後述のプレート１１ａに形成されたピンホールの大きさにより決定されるもので、概ね数十μｍ径である。
【００２３】
光源部３は、ハロゲンランプまたはハロゲンランプ及び重水素ランプを備えたランプ３ａと、複数個のレンズ３ｂとを備えており、可視光または紫外光を含んだ可視光を射出する。なお、測定対象の目的薄膜の膜厚や膜種によってはランプ３ａを重水素ランプだけで構成して紫外光だけを射出するようにしてもよい。
【００２４】
基板Ｗの表面からの反射光は、再び対物レンズ７を通るとともに、その上方の光軸上に配備されたビームスプリッタ５を透過し、その上方に配備されているチューブレンズ９により集光されて分光ユニット１１に入射される。
【００２５】
また、分光ユニット１１とチューブレンズ９の間には、プリズム１３が配備されており、基板Ｗからの反射光の一部を取り出すようになっている。取り出された反射光の一部は撮像ユニット１５に導かれ、レンズ１５ａを介して所定位置に集光される。集光位置には撮像素子１５ｂが配設されており、測定領域に対応した画像信号が画像処理部１７に出力される。
【００２６】
画像処理部１７は、入力された画像信号に所定の処理を施してＩ／Ｏ２１に出力する。出力された画像信号は、ＣＰＵやメモリを内蔵した制御部２３の制御の下でディスプレイ装置２５に出力される。測定者は、このようにして表示される画像を見ながら、操作部２７を操作してステージ１を移動させ、基板Ｗ表面の所望の位置に測定領域を設定して膜厚測定を行うようになっている。
【００２７】
分光ユニット１１は、反射光の入射位置にピンホールが形成されたプレート１１ａと、このプレート１１ａの上方に配備されて反射光を分光する凹面回折格子１１ｂと、この凹面回折格子１１ｂによって分光された回折光の分光光強度を検出する光検出器１１ｃとを備えている。光検出器１１ｃは、例えば、フォトダイオードアレイやＣＣＤなどにより構成されており、プレート１１ａに形成されているピンホールと共役な関係に配置されている。したがって、分光ユニット１１に入射した反射光は、凹面回折格子１１ｂで分光され、この光の分光光強度に対応した信号が光検出１１ｃから分光反射スペクトルとしてデータ処理部１９に出力される。
【００２８】
なお、分光ユニット１１が本発明における測光手段に相当する。
【００２９】
データ処理部１９は、詳細は後述するが、操作部２７を介しての測定者の指示に基づく制御部２３からの制御信号に応じて処理を行う。具体的には、分光反射スペクトルに基づき基板Ｗに被着された目的薄膜の分光反射スペクトルだけを抽出するとともに、この抽出分光反射スペクトルに基づいて目的薄膜の膜厚を算出する等の処理を行う。このようにして求められた目的薄膜の膜厚は、ディスプレイ装置２５に表示される。
【００３０】
また、データ処理部１９は、目的薄膜とは異なる対象外薄膜の分光反射スペクトルを記憶しており、このプロファイルと、測定した分光反射スペクトルのプロファイルとを比較して、ほぼ同じであった場合には目的薄膜の膜厚測定ができない状態であると判断して、データ処理を中断するとともにディスプレイ装置２５にその旨を表示するようにもなっている。または、対象外薄膜だけの分光反射スペクトルと分光反射スペクトルとのプロファイルを比較して、これらが一致しない場合には、対象外薄膜が目的薄膜を覆っていない状態であると判断して膜厚測定のためのデータ処理を実施する。上記の比較の対象となる対象外薄膜の分光反射スペクトルは、予め実際に測定しておいてもよく、理論的な計算から求められたスペクトルを用いてもよい。
【００３１】
なお、データ処理部１９は、本発明における抽出手段及び算出手段に相当するとともに記憶手段及び比較手段にも相当する。
【００３２】
次に、図２のフローチャートを参照しながら説明する。なお、図２は、本発明に係る膜厚測定方法の流れを示したフローチャートである。
【００３３】
また、基板Ｗは、図３の測定領域Ｒにおける薄膜の状態を示した平面図及び縦断面図に示すように、一例としてシリコン基板Ｗａの上に目的薄膜である酸化膜Ｆ１が形成され、その上にタンタルナイトライド(TaN) などのバリアメタル膜Ｆ２が被着され、さらにその上に銅配線用の対象外薄膜である銅膜Ｆ３が被着されているものとする。そして、基本的には、図３（ｂ）に示すように銅膜Ｆ３をバリアメタル膜Ｆ２とともに研磨処理し、図３（ｃ）に示すような状態まで研磨処理を施した後に酸化膜Ｆ１の膜厚測定を行うようになっている。但し、場合によっては図３（ｃ）の状態にまで至っていない場合もありうる。
【００３４】
なお、本実施例では、図３（ｃ）に示す研磨処理後の膜厚測定において、対象外薄膜を銅膜Ｆ３としてこの成分を分光反射スペクトルから除去するが、バリアメタル膜Ｆ２の成分は除去しない。これは、バリアメタル膜Ｆ２の線幅ｄ３が酸化膜Ｆ１の線幅ｄ１や銅膜Ｆ３の線幅（ｄ２−ｄ３×２）と比較して極めて細く影響が少ないためである。
【００３５】
ステップＳ１（測光過程）
まず、測定者は研磨処理を終えた基板Ｗをステージ１に載置し、ディスプレイ装置２５に映し出される測定領域Ｒの画像を見ながら、操作部２７を操作してステージ１を移動させることにより所望の位置に測定領域Ｒを位置させる。
【００３６】
そして、所望の位置に移動した場合には、操作部２７を介して測定開始の指示を行う。すると、測定領域Ｒからの分光反射スペクトルが分光ユニット１１からデータ処理部１９に与えられる。図４は、このようにして測定された分光反射スペクトルの一例を示したグラフである。なお、この図４の分光反射スペクトルは、図３（ａ）に示した酸化膜Ｆ１の幅ｄ１と、酸化膜Ｆ１同士の間隔ｄ２との線幅比（L&S ）が１μｍ：１μｍ等の５０：５０の基板Ｗから得られたものである。
【００３７】
ステップＳ２（比較過程）
データ処理部１９は、測定した分光反射スペクトルと、予め記憶しておいた対象外薄膜である銅膜Ｆ３の分光反射スペクトルとを比較し、この結果に応じて処理を分岐する。
【００３８】
すなわち、このステップＳ２では、図３（ｂ）の状態から研磨処理が進み、図３（ｃ）のように研磨処理が完了して目的薄膜である酸化膜Ｆ１が表面に露出した状態であるか否かを判断するのである。研磨処理が完了していない場合には、測定した分光反射スペクトルが対象外薄膜Ｆ３の分光反射スペクトル（図５）と一致するので、ステップＳ３に戻って研磨処理を行った後にステップＳ２に戻り、処理が完了している場合にはそれらが不一致となるので、次のステップＳ４に移行する。
【００３９】
なお、銅膜Ｆ３のみの分光反射スペクトルは、図５に示すように、長波長側に向かうにつれて徐々に反射比率が上昇するとともに５５０ｎｍ付近で急激に上昇し、その後、６００ｎｍ付近で緩やかな上昇カーブを描くようになっている。本実施例では、処理の簡略化を図るために、波長４００〜５５０ｎｍまでの分光反射スペクトルのプロファイルと、測定した分光反射スペクトルのプロファイルとを比較するようにしている。また、後述する抽出処理においてもこの波長範囲だけを対象にして処理を行っているが、比較処理や抽出処理において全波長範囲を対象に処理を行うようにしてもよい。
【００４０】
このように基板Ｗの表面全体を銅膜Ｆ３で覆った後に酸化膜Ｆ１の膜厚を測定する場合には、不要な銅膜Ｆ３が除去できているか否かを、銅膜Ｆ３の分光反射スペクトルのプロファイルと比較することで判断することができる。その比較の結果、プロファイルが一致しなかった場合には銅膜Ｆ３が除去されていると判断されるので抽出処理へと移行することで、酸化膜Ｆ１の膜厚測定を適切に行うことができるようになっている。
【００４１】
ステップＳ４（抽出過程）
ここでは、ステップＳ２において測定された分光反射スペクトルから対象外薄膜である銅膜Ｆ３による成分を除去して目的薄膜である酸化膜Ｆ１の成分だけを抽出する。
【００４２】
具体的には、次の（１）式によって抽出分光反射スペクトルＦ（λ）を算出する。なお、式中の記号λは４００〜５５０（あるいは８００）ｎｍであり、Ｍ（λ）は測定領域における分光反射スペクトルであり、Ｎ（λ）は対象外薄膜の分光反射スペクトルを表している。また、ｋは目的薄膜のL&S に応じた補正係数であり、f(offset) は反射比率オフセットを表している。
【００４３】
ΣＦ（λ）＝Σ｛Ｍ（λ）−Ｎ（λ）・ｋ＋f(offset) ｝ ………（１）
【００４４】
この（１）式により、ステップＳ１で測定した分光反射スペクトルＭ（λ）から、対象外薄膜である銅膜Ｆ３の分光反射スペクトルＮ（λ）を差し引いて抽出分光反射スペクトルＦ（λ）とするのである（イメージ的には、図４から図５を引く）。但し、目的薄膜の線幅比であるL&S によって銅膜Ｆ３の影響が異なるので、その分を補正係数ｋで補う。因みに、補正係数ｋは、材料が銅の場合であって線幅比が５０：５０の場合は発明者等の種々の実験により『０．７』程度が好ましいことが判っている。なお、本実施例における分光反射スペクトルＭ（λ），Ｎ（λ）は、シリコン基板Ｗａに対する相対反射率である。
【００４５】
また、銅膜Ｆ３を含む基板Ｗ面の分光反射率スペクトルから銅膜Ｆ３の成分を除去するが、発明者等が実験を繰り返した結果、差分をとると全体的に分光反射比率方向（上下方向）にシフトする傾向があることがわかった。そこで、銅膜Ｆ３の分光反射スペクトルに付加されている成分を補償するために、経験的な値であるオフセットf(offset) を加えることにした。なお、本実施例では、波長に係わらず補正係数ｋもオフセットf(offset) も一定としているが、波長に応じて変えるようにしてもよい。
【００４６】
因みに、図６は、上記の（１）式により図４から図５の成分を除去して求めた抽出分光反射スペクトルである。なお、上述した理由から、この場合に有効なのは二点鎖線で示した波長５５０ｎｍ以下である。また、図７は、上記のようにして測定対象とした基板Ｗに形成されている酸化膜Ｆ１と同じ膜厚を有し、測定領域Ｒよりも十分に幅の広い酸化膜を対象にして測定した分光反射スペクトルの一例である。この図６と図７とを波長４００〜５５０ｎｍの範囲内で比較すると、プロファイルがほぼ一致していることが判る。
【００４７】
ステップＳ５（算出過程）
上記のようにして求めた抽出分光反射スペクトルＦ（λ）に基づいて酸化膜Ｆ１の膜厚を算出する。
【００４８】
具体的には、抽出分光反射スペクトルＦ（λ）のプロファイルと、膜厚が既知である種々の膜厚の酸化膜が被着された基板を対象に膜厚測定を行い、その結果得られた各膜厚に対応する分光反射スペクトルのプロファイルとを比較することによって膜厚を決定する。分光反射スペクトルは、膜種が同一であって厚さが異なると、図８に示すように膜厚に応じてプロファイルが変わる。なお、図８（ａ）は最も膜厚が薄く、図８（ｃ）は最も膜厚が厚く、図８（ｂ）はそれらの間の膜厚の例を示している。つまり、膜厚が厚くなるにしたがって干渉が増加して分光反射スペクトル中の周期が増加するという特性を有する。換言すると、膜厚が厚くなるにつれて山と谷の数が増加する特性を有しているのである。
【００４９】
上記の膜厚毎の分光反射スペクトルを実験により測定するかあるいは理論的に求めておいて予めデータ処理部１９に格納しておき、抽出分光反射スペクトルＦ（λ）のプロファイルとそれらのプロファイルとに基づいてカーブフィット法を用いて正確な膜厚を算出する。
【００５０】
すなわち、膜厚毎の分光反射スペクトルにおける各波長毎の分光反射比率と、抽出分光反射スペクトルにおける各波長毎の分光反射比率とで同じ波長同士の差分をとって二乗するとともに、各波長毎に加算することで得られる誤差平方和を求める。そして、各膜厚毎に誤差平方和をプロットすると、図９に示すようになる。そして、誤差平方和が最小となった膜厚が、その抽出分光反射スペクトルＦ（λ）の膜厚である。
【００５１】
なお、上記のようにして求めた膜厚が適切であるか否かを判定するために、誤差平方和に対して閾値を設定しておくことが好ましい。つまり、誤差平方和が最小となっても、その値がある閾値を越える場合には不適切であると判断し、膜厚を表示せずにその旨をディスプレイ装置２５に表示し、その値が閾値以下である場合にのみ求まった膜厚を表示することが好ましい。
【００５２】
上述したようにこの膜厚測定装置によれば、目的薄膜である酸化膜Ｆ１と対象外薄膜である銅膜Ｆ３とを含んだ測定領域Ｒ内からの分光反射スペクトルＭ（λ）を測定した後、酸化膜Ｆ１の成分だけを抽出分光反射スペクトルＦ（λ）として抽出する。そして、銅膜Ｆ３の成分を除去した抽出分光反射スペクトルＦ（λ）に基づき酸化膜Ｆ１だけの膜厚を算出することにより、測定領域Ｒよりも狭い線幅である酸化膜Ｆ１だけの膜厚を求めることができる。したがって、基板Ｗ上の製品パターン内で酸化膜Ｆ１の膜厚を測定することができるので、ＣＭＰ工程などによる悪影響を受けることがない。その結果、酸化膜Ｆ１の膜厚を正確に測定することができるようになっている。
【００５３】
なお、本発明は以下のように変形実施が可能である。
【００５４】
（１）研磨処理が完了していることが明らかな基板を対象にして測定を行う場合には、上述したステップＳ２，Ｓ３を実施する必要はない。また、銅膜Ｆ３などの対象外薄膜を除去する処理は研磨処理に限定されず、例えば、エッチングにより対象外薄膜を除去してもよい。
【００５５】
（２）研磨処理を行いながらインラインで膜厚測定が可能なように、上述した膜厚測定装置を研磨処理装置に組み込んだ構成としてもよい。
【００５６】
（３）抽出分光反射スペクトルを求める方法は、上述した（１）式だけに限定されるものではなく種々の数式を利用することができる。
【００５７】
（４）上述した実施例では、膜厚の算出にカーブフィット法を用いたが、これに代えて、図８に示すように膜厚に応じてプロファイルが変わり、プロファイルと山と谷の数が増減することを利用したピーク＆バレイ法により膜厚を算出してもよい。
【００５８】
（５）研磨処理後（図３（ｃ））において対象外薄膜を銅膜だけとして、バリアメタル膜の影響を無視しているが、この分光反射スペクトルをも考慮して抽出反射分光スペクトルを算出するようにしてもよい。
【００５９】
（６）上述した実施例では研磨処理後の基板の分光反射スペクトルに基づき目的薄膜の膜厚を求めたが、研磨処理中の基板の分光反射スペクトルに基づき目的薄膜の膜厚を求めても良い。図１０は、図３（ｂ）に示す状態と図３（ｃ）に示す状態との間の状態を示し、銅膜Ｆ３／バリアメタル膜Ｆ２／酸化膜Ｆ１からなる層を所定量だけ研磨し、銅膜Ｆ３を一部除去して酸化膜Ｆ１上のバリアメタル膜Ｆ２に銅膜Ｆ３が厚さｄ４で形成されている状態である。銅膜Ｆ３の厚さｄ４が例えば５０ｎｍ以下になると銅膜Ｆ３中を光が透過するので、酸化膜Ｆ１およびバリアメタル膜Ｆ２の分光反射スペクトルを測定することが可能となる。この測定した分光反射スペクトルから対象外薄膜である銅膜Ｆ３およびバリアメタル膜Ｆ２の成分を除去して目的薄膜である酸化膜Ｆ１の成分だけを抽出してもよい。図１０の状態からさらに研磨処理が進み、酸化膜Ｆ１上にバリアメタル膜Ｆ２のみが残っている状態においても、上述と同様に測定した分光反射スペクトルから銅膜Ｆ３およびバリアメタル膜Ｆ２の成分を除去して酸化膜Ｆ１の成分だけを抽出することができる。
【００６０】
（７）上述した実施例では目的薄膜を酸化膜と、対象外薄膜を銅膜としたが、本発明はこれらに限定されないことは言うまでもない。例えば、測定波長に対する透明膜を目的薄膜とし、金属膜などの測定波長に対する不透明膜を対象外薄膜としてもよい。また、測定領域内に複数種の透明膜が存在する場合、その中の一つを目的薄膜とし、他の透明膜を対象外薄膜とすることも可能である。
【００６１】
以上の説明から明らかなように、請求項１に記載の方法発明によれば、目的薄膜と対象外薄膜とを含んだ測定領域内からの分光反射スペクトルを測定した後、分光反射スペクトルから、予め記憶しておいた対象外薄膜の分光反射スペクトルを減算して目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトルとして抽出する。そして、対象外薄膜の成分を除去した抽出分光反射スペクトルに基づき目的薄膜だけの膜厚を算出することにより、測定領域よりも狭い線幅である目的薄膜だけの膜厚を求めることができる。したがって、基板上の製品パターン内で目的薄膜の膜厚を測定することができるので、ＣＭＰ工程などによる悪影響を受けることがない。その結果、目的薄膜の膜厚を正確に測定することができる。
【００６２】
また、請求項２に記載の方法発明によれば、膜厚測定の対象である目的薄膜が形成された基板の表面を覆う膜厚測定の対象外である対象外薄膜を所定量だけ除去して、基板上に目的薄膜および対象外薄膜とを含む層を露出させる過程で、基板上の目的薄膜の膜厚を測定する場合には、不要な対象外薄膜が除去できているか否かを、予め記憶された対象外薄膜の分光反射スペクトルのプロファイルと比較することで判断することができる。その比較の結果、プロファイルが一致しなかった場合には対象外薄膜が除去されていると判断されるので抽出過程へと移行することで、目的薄膜の膜厚測定を適切に行うことができる。
【００６３】
また、請求項３に記載の方法発明によれば、線幅比に応じた補正係数を対象外薄膜の分光反射スペクトルに乗じ、さらにオフセットを加算し、この成分を測定領域の分光反射スペクトルから減算することに基づき抽出分光反射スペクトルを求めることができる。これにより分光反射スペクトルから対象外薄膜の成分を適切に除去することができ、抽出分光反射スペクトルの精度を高めて膜厚測定精度を高めることができる。
【００６４】
また、請求項４に記載の装置発明によれば、請求項１に記載の方法発明を好適に実施することができる。
【００６５】
また、請求項５に記載の装置発明によれば、請求項２に記載の方法発明を好適に実施することができる。
【００６６】
また、請求項６に記載の装置発明によれば、請求項３に記載の方法発明を好適に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係る光干渉式膜厚測定装置の要部を示したブロック図である。
【図２】膜厚測定方法の流れを示すフローチャートである。
【図３】基板上の測定領域における薄膜の状態を示した平面図及び縦断面図である。
【図４】測定領域内からの分光反射スペクトルを示したグラフである。
【図５】金属薄膜からの分光反射スペクトルを示したグラフである。
【図６】金属薄膜の成分を除去した後の分光反射スペクトルを示したグラフである。
【図７】理論的に求められた分光反射スペクトルを示したグラフである。
【図８】膜厚既知の基板を使って測定された種々の膜厚毎の分光反射スペクトルを示すグラフである。
【図９】分光反射スペクトルのプロファイルを比較して膜厚を求める手法の説明に供する図である。
【図１０】基板上の測定領域における薄膜の状態を示した縦断面図である。
【符号の説明】
Ｗ … 基板
Ｗａ … シリコン基板
Ｆ１ … 酸化膜（目的薄膜）
Ｆ３ … 銅膜（対象外薄膜）
Ｍ（λ） … 酸化膜の分光反射スペクトル
Ｎ（λ） … 銅膜の分光反射スペクトル
Ｆ（λ） … 抽出分光反射スペクトル
１ … ステージ
３ … 光源部
５ … ビームスプリッタ
１１ … 分光ユニット
１９ … データ処理部
【発明の属する技術分野】
本発明は、円形の半導体ウエハやガラス基板（以下、単に基板と称する）に対して光を照射し、基板からの反射光に基づき基板上に形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体製造プロセスにおいてはパターンの微細化が進み、例えば、０．１μｍ台の線幅で薄膜のパターンが形成され始めている。プロセスにおいては膜厚管理も重要視されているが、現状の光干渉式膜厚測定装置では、０．５μｍ以下のパターンについては、その測定領域の大きさよりも線幅が極めて狭いのでパターンを形成している薄膜の膜厚を測定できていない。
【０００３】
そのためＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いた断面検査を行って膜厚を測定することも行われているが、測定のために基板を破壊する必要がある。そこで、現在は、基板に形成されているＴＥＧ（テストエレメントグループ）パターン内に、光干渉式膜厚測定装置の測定領域と少なくとも同等の面積を有する膜厚測定用の領域を形成しておき、この部分の膜厚を測定して、これを製品パターンにおける目的薄膜の膜厚とすることが行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。
すなわち、実際に測定したいのは製品パターン内にある目的薄膜の膜厚であって、ＴＥＧパターン内のものではない。
【０００５】
ＴＥＧパターン内に形成された膜厚測定用の領域は、同一基板上であっても製品パターンとは異なる位置にあることや、異なるパターンが形成されているので、特にＣＭＰ（化学機械研磨）工程で発生しているディッシングやエロージョンなどの影響を大きく受け、ＴＥＧパターン内の膜厚をもって製品パターンにおける目的薄膜の膜厚とすると不正確になるという問題がある。
【０００６】
ＣＭＰ工程においては、パターンの線幅とその間隔（Line & Spaceを略してL&S と称する）の影響を大きく受ける。例えば、パターンが密な領域と粗な領域とでは一般的に粗な領域の方が密な領域に比較して研磨が早く進むことになって研磨度合いが大きく異なる。そのため製品パターンとＴＥＧパターンとでは全くパターンが異なるので、ＴＥＧパターンから製品パターンにおける目的薄膜の膜厚を推定することは正確さに欠けるのである。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、目的薄膜を含んだ測定領域内の分光反射スペクトルから対象外薄膜の成分を除去することにより、測定領域より狭い線幅を有する目的薄膜の膜厚を正確に測定することができる膜厚測定方法及びその装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の膜厚測定方法は、薄膜が形成された基板からの反射光に基づき膜厚を測定する膜厚測定方法であって、予め対象外薄膜の分光反射スペクトルを記憶しておく過程と、膜厚測定の対象である目的薄膜と、膜厚測定の対象外である対象外薄膜とを含む測定領域内からの分光反射スペクトルを測定する測光過程と、前記測光過程で測定した分光反射スペクトルから、予め記憶しておいた対象外薄膜の分光反射スペクトルを減算して目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトルとして抽出する抽出過程と、前記抽出分光反射スペクトルに基づき前記目的薄膜の膜厚を算出する算出過程と、を実施することを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項２に記載の膜厚測定方法は、膜厚測定の対象である目的薄膜が形成された基板の表面を覆う膜厚測定の対象外である対象外薄膜を所定量だけ除去して、基板上に目的薄膜および対象外薄膜とを含む層を露出させる過程で、基板上の目的薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法において、前記層内の目的薄膜および対象外薄膜を含む大きさを有する測定領域内からの分光反射スペクトルを測定する測定過程と、測定領域内の分光反射スペクトルと、予め記憶された対象外薄膜の分光反射スペクトルとを比較する比較過程と、比較過程で測定領域内の分光反射スペクトルと対象外薄膜の分光反射スペクトルとが不一致である場合に、測定領域内からの分光反射スペクトルから予め記憶された対象外薄膜の分光反射スペクトルを減算して目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトルとして抽出する抽出過程と、抽出分光反射スペクトルに基づき目的薄膜の膜厚を算出する算出過程と、を実施することを特徴とするものである。
【００１０】
また、請求項３に記載の膜厚測定方法は、請求項１または２に記載の膜厚測定方法において、前記抽出過程では、対象外薄膜の分光反射スペクトルに対して、目的薄膜と対象外薄膜との線幅比に応じた補正係数を乗じるとともに、前記対象外薄膜の分光反射スペクトルに付加されているオフセットを加算し、この成分を前記目的薄膜の分光反射スペクトルから減算することに基づき前記抽出分光反射スペクトルを抽出するようにしたことを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項４に記載の膜厚測定装置は、薄膜が形成された基板からの反射光に基づき膜厚を測定する膜厚測定装置において、予め対象外薄膜の分光反射スペクトルを記憶しておく記憶手段と、膜厚測定の対象である目的薄膜と、膜厚測定の対象外である対象外薄膜とを含む測定領域内からの分光反射スペクトルを測定する測光手段と、前記測光過程で測定した分光反射スペクトルから、予め記憶しておいた対象外薄膜の分光反射スペクトルを減算して目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトルとして抽出する抽出手段と、前記抽出分光反射スペクトルに基づき前記目的薄膜の膜厚を算出する算出手段と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１２】
また、請求項５に記載の膜厚測定装置は、膜厚測定の対象である目的薄膜が形成された基板の表面を覆う膜厚測定の対象外である対象外薄膜を所定量だけ除去して、基板上に目的薄膜および対象外薄膜とを含む層を露出させる過程で、基板上の目的薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置において、予め対象外薄膜の分光反射スペクトルを記憶しておく記憶手段と、前記層内の目的薄膜および対象外薄膜を含む大きさを有する測定領域内からの分光反射スペクトルを測定する測光手段と、測定領域内の分光反射スペクトルと、予め記憶された対象外薄膜の分光反射スペクトルとを比較する比較手段と、比較過程で測定領域内の分光反射スペクトルと対象外薄膜の分光反射スペクトルとが不一致である場合に、測定領域内からの分光反射スペクトルから予め記憶された対象外薄膜の分光反射スペクトルを減算して目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトルとして抽出する抽出手段と、抽出分光反射スペクトルに基づき目的薄膜の膜厚を算出する算出手段と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項６に記載の膜厚測定装置は、請求項４または５に記載の膜厚測定装置において、前記抽出手段では、対象外薄膜の分光反射スペクトルに対して、目的薄膜と対象外薄膜との線幅比に応じた補正係数を乗じるとともに、前記対象外薄膜の分光反射スペクトルに付加されているオフセットを加算し、この成分を前記目的薄膜の分光反射スペクトルから減算することに基づき前記抽出分光反射スペクトルを抽出するようにしたことを特徴とするものである。
【００１４】
【作用】
請求項１に記載の発明の作用は次のとおりである。
まず、膜厚測定の対象である目的薄膜と対象外薄膜とを含む測定領域内からの分光反射スペクトルを測定し、次いで分光反射スペクトルから、予め記憶しておいた対象外薄膜の分光反射スペクトルを減算して目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトルとして抽出する。このようにして対象外薄膜の成分を除去した抽出分光反射スペクトルに基づき目的薄膜だけの膜厚を算出する。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明によれば、膜厚測定の対象である目的薄膜が形成された基板の表面を覆う膜厚測定の対象外である対象外薄膜を所定量だけ除去して、基板上に目的薄膜および対象外薄膜とを含む層を露出させる過程で、基板上の目的薄膜の膜厚を測定する場合には、対象外薄膜が除去できているか否かを、予め記憶された対象外薄膜の分光反射スペクトルのプロファイルと比較することで判断することができる。その比較の結果、プロファイルが一致しなかった場合には対象外薄膜が除去されていると判断されるので、抽出過程へと移行する。
【００１６】
なお、『露出する過程』とは、例えば図１０に示すように対象外薄膜が目的薄膜上に薄く残っている状態と、対象外薄膜が完全に除去されて目的薄膜が露出した状態の両方を含む。
【００１７】
また、請求項４に記載の発明によれば、まず、測光手段が目的薄膜と対象外薄膜とを含む測定領域内からの分光反射スペクトルを測定し、次いで抽出手段が、分光反射スペクトルから、予め記憶しておいた対象外薄膜の分光反射スペクトルを減算して目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトルとして抽出する。このようにして目的薄膜以外の対象外薄膜成分を除去した抽出分光反射スペクトルに基づいて、算出手段が目的薄膜だけの膜厚を算出することができる。
【００１８】
また、請求項４に記載の発明によれば、まず、測光手段が目的薄膜と対象外薄膜とを含む測定領域内からの分光反射スペクトルを測定し、次いで抽出手段が目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトルとして抽出する。このようにして目的薄膜以外の対象外薄膜成分を除去した抽出分光反射スペクトルに基づいて、算出手段が目的薄膜だけの膜厚を算出することができる。
【００１９】
また、請求項５に記載の発明によれば、膜厚測定の対象である目的薄膜が形成された基板の表面を覆う膜厚測定の対象外である対象外薄膜を所定量だけ除去して、基板上に目的薄膜および対象外薄膜とを含む層を露出させる過程で、基板上の目的薄膜の膜厚を測定する場合には、予め記憶された対象外薄膜の分光反射スペクトルのプロファイルと測光手段で測定された分光反射スペクトルのプロファイルとを比較手段が比較することにより、不要な対象外薄膜が除去できているか否かを判断することができる。その比較の結果、プロファイルが一致しなかった場合には対象外薄膜が除去されていると判断されるので、抽出手段による抽出へと移行する。
【００２０】
また、請求項６に記載の発明によれば、抽出手段は、線幅比に応じた補正係数を対象外薄膜の分光反射スペクトルに乗じ、さらにオフセットを加算し、この成分を測定領域の分光反射スペクトルから減算することに基づき抽出分光反射スペクトルを求める。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。
図１は本発明に係る光干渉式膜厚測定装置の概略構成を示したブロック図である。
【００２２】
膜厚測定の対象である目的薄膜が形成された基板Ｗは、図示しない移動機構により水平面内で移動可能に構成されたステージ１に載置されている。このステージ１の上方には、光源部３が配備されており、この光源部３から横向きに射出された光はビームスプリッタ５により下方に反射されて対物レンズ７を通り、基板Ｗに対して照射される。対物レンズ７を通して基板Ｗに光が照射される範囲内の所定範囲が本発明における測定領域に相当し、その大きさは、対物レンズ７の倍率と後述のプレート１１ａに形成されたピンホールの大きさにより決定されるもので、概ね数十μｍ径である。
【００２３】
光源部３は、ハロゲンランプまたはハロゲンランプ及び重水素ランプを備えたランプ３ａと、複数個のレンズ３ｂとを備えており、可視光または紫外光を含んだ可視光を射出する。なお、測定対象の目的薄膜の膜厚や膜種によってはランプ３ａを重水素ランプだけで構成して紫外光だけを射出するようにしてもよい。
【００２４】
基板Ｗの表面からの反射光は、再び対物レンズ７を通るとともに、その上方の光軸上に配備されたビームスプリッタ５を透過し、その上方に配備されているチューブレンズ９により集光されて分光ユニット１１に入射される。
【００２５】
また、分光ユニット１１とチューブレンズ９の間には、プリズム１３が配備されており、基板Ｗからの反射光の一部を取り出すようになっている。取り出された反射光の一部は撮像ユニット１５に導かれ、レンズ１５ａを介して所定位置に集光される。集光位置には撮像素子１５ｂが配設されており、測定領域に対応した画像信号が画像処理部１７に出力される。
【００２６】
画像処理部１７は、入力された画像信号に所定の処理を施してＩ／Ｏ２１に出力する。出力された画像信号は、ＣＰＵやメモリを内蔵した制御部２３の制御の下でディスプレイ装置２５に出力される。測定者は、このようにして表示される画像を見ながら、操作部２７を操作してステージ１を移動させ、基板Ｗ表面の所望の位置に測定領域を設定して膜厚測定を行うようになっている。
【００２７】
分光ユニット１１は、反射光の入射位置にピンホールが形成されたプレート１１ａと、このプレート１１ａの上方に配備されて反射光を分光する凹面回折格子１１ｂと、この凹面回折格子１１ｂによって分光された回折光の分光光強度を検出する光検出器１１ｃとを備えている。光検出器１１ｃは、例えば、フォトダイオードアレイやＣＣＤなどにより構成されており、プレート１１ａに形成されているピンホールと共役な関係に配置されている。したがって、分光ユニット１１に入射した反射光は、凹面回折格子１１ｂで分光され、この光の分光光強度に対応した信号が光検出１１ｃから分光反射スペクトルとしてデータ処理部１９に出力される。
【００２８】
なお、分光ユニット１１が本発明における測光手段に相当する。
【００２９】
データ処理部１９は、詳細は後述するが、操作部２７を介しての測定者の指示に基づく制御部２３からの制御信号に応じて処理を行う。具体的には、分光反射スペクトルに基づき基板Ｗに被着された目的薄膜の分光反射スペクトルだけを抽出するとともに、この抽出分光反射スペクトルに基づいて目的薄膜の膜厚を算出する等の処理を行う。このようにして求められた目的薄膜の膜厚は、ディスプレイ装置２５に表示される。
【００３０】
また、データ処理部１９は、目的薄膜とは異なる対象外薄膜の分光反射スペクトルを記憶しており、このプロファイルと、測定した分光反射スペクトルのプロファイルとを比較して、ほぼ同じであった場合には目的薄膜の膜厚測定ができない状態であると判断して、データ処理を中断するとともにディスプレイ装置２５にその旨を表示するようにもなっている。または、対象外薄膜だけの分光反射スペクトルと分光反射スペクトルとのプロファイルを比較して、これらが一致しない場合には、対象外薄膜が目的薄膜を覆っていない状態であると判断して膜厚測定のためのデータ処理を実施する。上記の比較の対象となる対象外薄膜の分光反射スペクトルは、予め実際に測定しておいてもよく、理論的な計算から求められたスペクトルを用いてもよい。
【００３１】
なお、データ処理部１９は、本発明における抽出手段及び算出手段に相当するとともに記憶手段及び比較手段にも相当する。
【００３２】
次に、図２のフローチャートを参照しながら説明する。なお、図２は、本発明に係る膜厚測定方法の流れを示したフローチャートである。
【００３３】
また、基板Ｗは、図３の測定領域Ｒにおける薄膜の状態を示した平面図及び縦断面図に示すように、一例としてシリコン基板Ｗａの上に目的薄膜である酸化膜Ｆ１が形成され、その上にタンタルナイトライド(TaN) などのバリアメタル膜Ｆ２が被着され、さらにその上に銅配線用の対象外薄膜である銅膜Ｆ３が被着されているものとする。そして、基本的には、図３（ｂ）に示すように銅膜Ｆ３をバリアメタル膜Ｆ２とともに研磨処理し、図３（ｃ）に示すような状態まで研磨処理を施した後に酸化膜Ｆ１の膜厚測定を行うようになっている。但し、場合によっては図３（ｃ）の状態にまで至っていない場合もありうる。
【００３４】
なお、本実施例では、図３（ｃ）に示す研磨処理後の膜厚測定において、対象外薄膜を銅膜Ｆ３としてこの成分を分光反射スペクトルから除去するが、バリアメタル膜Ｆ２の成分は除去しない。これは、バリアメタル膜Ｆ２の線幅ｄ３が酸化膜Ｆ１の線幅ｄ１や銅膜Ｆ３の線幅（ｄ２−ｄ３×２）と比較して極めて細く影響が少ないためである。
【００３５】
ステップＳ１（測光過程）
まず、測定者は研磨処理を終えた基板Ｗをステージ１に載置し、ディスプレイ装置２５に映し出される測定領域Ｒの画像を見ながら、操作部２７を操作してステージ１を移動させることにより所望の位置に測定領域Ｒを位置させる。
【００３６】
そして、所望の位置に移動した場合には、操作部２７を介して測定開始の指示を行う。すると、測定領域Ｒからの分光反射スペクトルが分光ユニット１１からデータ処理部１９に与えられる。図４は、このようにして測定された分光反射スペクトルの一例を示したグラフである。なお、この図４の分光反射スペクトルは、図３（ａ）に示した酸化膜Ｆ１の幅ｄ１と、酸化膜Ｆ１同士の間隔ｄ２との線幅比（L&S ）が１μｍ：１μｍ等の５０：５０の基板Ｗから得られたものである。
【００３７】
ステップＳ２（比較過程）
データ処理部１９は、測定した分光反射スペクトルと、予め記憶しておいた対象外薄膜である銅膜Ｆ３の分光反射スペクトルとを比較し、この結果に応じて処理を分岐する。
【００３８】
すなわち、このステップＳ２では、図３（ｂ）の状態から研磨処理が進み、図３（ｃ）のように研磨処理が完了して目的薄膜である酸化膜Ｆ１が表面に露出した状態であるか否かを判断するのである。研磨処理が完了していない場合には、測定した分光反射スペクトルが対象外薄膜Ｆ３の分光反射スペクトル（図５）と一致するので、ステップＳ３に戻って研磨処理を行った後にステップＳ２に戻り、処理が完了している場合にはそれらが不一致となるので、次のステップＳ４に移行する。
【００３９】
なお、銅膜Ｆ３のみの分光反射スペクトルは、図５に示すように、長波長側に向かうにつれて徐々に反射比率が上昇するとともに５５０ｎｍ付近で急激に上昇し、その後、６００ｎｍ付近で緩やかな上昇カーブを描くようになっている。本実施例では、処理の簡略化を図るために、波長４００〜５５０ｎｍまでの分光反射スペクトルのプロファイルと、測定した分光反射スペクトルのプロファイルとを比較するようにしている。また、後述する抽出処理においてもこの波長範囲だけを対象にして処理を行っているが、比較処理や抽出処理において全波長範囲を対象に処理を行うようにしてもよい。
【００４０】
このように基板Ｗの表面全体を銅膜Ｆ３で覆った後に酸化膜Ｆ１の膜厚を測定する場合には、不要な銅膜Ｆ３が除去できているか否かを、銅膜Ｆ３の分光反射スペクトルのプロファイルと比較することで判断することができる。その比較の結果、プロファイルが一致しなかった場合には銅膜Ｆ３が除去されていると判断されるので抽出処理へと移行することで、酸化膜Ｆ１の膜厚測定を適切に行うことができるようになっている。
【００４１】
ステップＳ４（抽出過程）
ここでは、ステップＳ２において測定された分光反射スペクトルから対象外薄膜である銅膜Ｆ３による成分を除去して目的薄膜である酸化膜Ｆ１の成分だけを抽出する。
【００４２】
具体的には、次の（１）式によって抽出分光反射スペクトルＦ（λ）を算出する。なお、式中の記号λは４００〜５５０（あるいは８００）ｎｍであり、Ｍ（λ）は測定領域における分光反射スペクトルであり、Ｎ（λ）は対象外薄膜の分光反射スペクトルを表している。また、ｋは目的薄膜のL&S に応じた補正係数であり、f(offset) は反射比率オフセットを表している。
【００４３】
ΣＦ（λ）＝Σ｛Ｍ（λ）−Ｎ（λ）・ｋ＋f(offset) ｝ ………（１）
【００４４】
この（１）式により、ステップＳ１で測定した分光反射スペクトルＭ（λ）から、対象外薄膜である銅膜Ｆ３の分光反射スペクトルＮ（λ）を差し引いて抽出分光反射スペクトルＦ（λ）とするのである（イメージ的には、図４から図５を引く）。但し、目的薄膜の線幅比であるL&S によって銅膜Ｆ３の影響が異なるので、その分を補正係数ｋで補う。因みに、補正係数ｋは、材料が銅の場合であって線幅比が５０：５０の場合は発明者等の種々の実験により『０．７』程度が好ましいことが判っている。なお、本実施例における分光反射スペクトルＭ（λ），Ｎ（λ）は、シリコン基板Ｗａに対する相対反射率である。
【００４５】
また、銅膜Ｆ３を含む基板Ｗ面の分光反射率スペクトルから銅膜Ｆ３の成分を除去するが、発明者等が実験を繰り返した結果、差分をとると全体的に分光反射比率方向（上下方向）にシフトする傾向があることがわかった。そこで、銅膜Ｆ３の分光反射スペクトルに付加されている成分を補償するために、経験的な値であるオフセットf(offset) を加えることにした。なお、本実施例では、波長に係わらず補正係数ｋもオフセットf(offset) も一定としているが、波長に応じて変えるようにしてもよい。
【００４６】
因みに、図６は、上記の（１）式により図４から図５の成分を除去して求めた抽出分光反射スペクトルである。なお、上述した理由から、この場合に有効なのは二点鎖線で示した波長５５０ｎｍ以下である。また、図７は、上記のようにして測定対象とした基板Ｗに形成されている酸化膜Ｆ１と同じ膜厚を有し、測定領域Ｒよりも十分に幅の広い酸化膜を対象にして測定した分光反射スペクトルの一例である。この図６と図７とを波長４００〜５５０ｎｍの範囲内で比較すると、プロファイルがほぼ一致していることが判る。
【００４７】
ステップＳ５（算出過程）
上記のようにして求めた抽出分光反射スペクトルＦ（λ）に基づいて酸化膜Ｆ１の膜厚を算出する。
【００４８】
具体的には、抽出分光反射スペクトルＦ（λ）のプロファイルと、膜厚が既知である種々の膜厚の酸化膜が被着された基板を対象に膜厚測定を行い、その結果得られた各膜厚に対応する分光反射スペクトルのプロファイルとを比較することによって膜厚を決定する。分光反射スペクトルは、膜種が同一であって厚さが異なると、図８に示すように膜厚に応じてプロファイルが変わる。なお、図８（ａ）は最も膜厚が薄く、図８（ｃ）は最も膜厚が厚く、図８（ｂ）はそれらの間の膜厚の例を示している。つまり、膜厚が厚くなるにしたがって干渉が増加して分光反射スペクトル中の周期が増加するという特性を有する。換言すると、膜厚が厚くなるにつれて山と谷の数が増加する特性を有しているのである。
【００４９】
上記の膜厚毎の分光反射スペクトルを実験により測定するかあるいは理論的に求めておいて予めデータ処理部１９に格納しておき、抽出分光反射スペクトルＦ（λ）のプロファイルとそれらのプロファイルとに基づいてカーブフィット法を用いて正確な膜厚を算出する。
【００５０】
すなわち、膜厚毎の分光反射スペクトルにおける各波長毎の分光反射比率と、抽出分光反射スペクトルにおける各波長毎の分光反射比率とで同じ波長同士の差分をとって二乗するとともに、各波長毎に加算することで得られる誤差平方和を求める。そして、各膜厚毎に誤差平方和をプロットすると、図９に示すようになる。そして、誤差平方和が最小となった膜厚が、その抽出分光反射スペクトルＦ（λ）の膜厚である。
【００５１】
なお、上記のようにして求めた膜厚が適切であるか否かを判定するために、誤差平方和に対して閾値を設定しておくことが好ましい。つまり、誤差平方和が最小となっても、その値がある閾値を越える場合には不適切であると判断し、膜厚を表示せずにその旨をディスプレイ装置２５に表示し、その値が閾値以下である場合にのみ求まった膜厚を表示することが好ましい。
【００５２】
上述したようにこの膜厚測定装置によれば、目的薄膜である酸化膜Ｆ１と対象外薄膜である銅膜Ｆ３とを含んだ測定領域Ｒ内からの分光反射スペクトルＭ（λ）を測定した後、酸化膜Ｆ１の成分だけを抽出分光反射スペクトルＦ（λ）として抽出する。そして、銅膜Ｆ３の成分を除去した抽出分光反射スペクトルＦ（λ）に基づき酸化膜Ｆ１だけの膜厚を算出することにより、測定領域Ｒよりも狭い線幅である酸化膜Ｆ１だけの膜厚を求めることができる。したがって、基板Ｗ上の製品パターン内で酸化膜Ｆ１の膜厚を測定することができるので、ＣＭＰ工程などによる悪影響を受けることがない。その結果、酸化膜Ｆ１の膜厚を正確に測定することができるようになっている。
【００５３】
なお、本発明は以下のように変形実施が可能である。
【００５４】
（１）研磨処理が完了していることが明らかな基板を対象にして測定を行う場合には、上述したステップＳ２，Ｓ３を実施する必要はない。また、銅膜Ｆ３などの対象外薄膜を除去する処理は研磨処理に限定されず、例えば、エッチングにより対象外薄膜を除去してもよい。
【００５５】
（２）研磨処理を行いながらインラインで膜厚測定が可能なように、上述した膜厚測定装置を研磨処理装置に組み込んだ構成としてもよい。
【００５６】
（３）抽出分光反射スペクトルを求める方法は、上述した（１）式だけに限定されるものではなく種々の数式を利用することができる。
【００５７】
（４）上述した実施例では、膜厚の算出にカーブフィット法を用いたが、これに代えて、図８に示すように膜厚に応じてプロファイルが変わり、プロファイルと山と谷の数が増減することを利用したピーク＆バレイ法により膜厚を算出してもよい。
【００５８】
（５）研磨処理後（図３（ｃ））において対象外薄膜を銅膜だけとして、バリアメタル膜の影響を無視しているが、この分光反射スペクトルをも考慮して抽出反射分光スペクトルを算出するようにしてもよい。
【００５９】
（６）上述した実施例では研磨処理後の基板の分光反射スペクトルに基づき目的薄膜の膜厚を求めたが、研磨処理中の基板の分光反射スペクトルに基づき目的薄膜の膜厚を求めても良い。図１０は、図３（ｂ）に示す状態と図３（ｃ）に示す状態との間の状態を示し、銅膜Ｆ３／バリアメタル膜Ｆ２／酸化膜Ｆ１からなる層を所定量だけ研磨し、銅膜Ｆ３を一部除去して酸化膜Ｆ１上のバリアメタル膜Ｆ２に銅膜Ｆ３が厚さｄ４で形成されている状態である。銅膜Ｆ３の厚さｄ４が例えば５０ｎｍ以下になると銅膜Ｆ３中を光が透過するので、酸化膜Ｆ１およびバリアメタル膜Ｆ２の分光反射スペクトルを測定することが可能となる。この測定した分光反射スペクトルから対象外薄膜である銅膜Ｆ３およびバリアメタル膜Ｆ２の成分を除去して目的薄膜である酸化膜Ｆ１の成分だけを抽出してもよい。図１０の状態からさらに研磨処理が進み、酸化膜Ｆ１上にバリアメタル膜Ｆ２のみが残っている状態においても、上述と同様に測定した分光反射スペクトルから銅膜Ｆ３およびバリアメタル膜Ｆ２の成分を除去して酸化膜Ｆ１の成分だけを抽出することができる。
【００６０】
（７）上述した実施例では目的薄膜を酸化膜と、対象外薄膜を銅膜としたが、本発明はこれらに限定されないことは言うまでもない。例えば、測定波長に対する透明膜を目的薄膜とし、金属膜などの測定波長に対する不透明膜を対象外薄膜としてもよい。また、測定領域内に複数種の透明膜が存在する場合、その中の一つを目的薄膜とし、他の透明膜を対象外薄膜とすることも可能である。
【００６１】
以上の説明から明らかなように、請求項１に記載の方法発明によれば、目的薄膜と対象外薄膜とを含んだ測定領域内からの分光反射スペクトルを測定した後、分光反射スペクトルから、予め記憶しておいた対象外薄膜の分光反射スペクトルを減算して目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトルとして抽出する。そして、対象外薄膜の成分を除去した抽出分光反射スペクトルに基づき目的薄膜だけの膜厚を算出することにより、測定領域よりも狭い線幅である目的薄膜だけの膜厚を求めることができる。したがって、基板上の製品パターン内で目的薄膜の膜厚を測定することができるので、ＣＭＰ工程などによる悪影響を受けることがない。その結果、目的薄膜の膜厚を正確に測定することができる。
【００６２】
また、請求項２に記載の方法発明によれば、膜厚測定の対象である目的薄膜が形成された基板の表面を覆う膜厚測定の対象外である対象外薄膜を所定量だけ除去して、基板上に目的薄膜および対象外薄膜とを含む層を露出させる過程で、基板上の目的薄膜の膜厚を測定する場合には、不要な対象外薄膜が除去できているか否かを、予め記憶された対象外薄膜の分光反射スペクトルのプロファイルと比較することで判断することができる。その比較の結果、プロファイルが一致しなかった場合には対象外薄膜が除去されていると判断されるので抽出過程へと移行することで、目的薄膜の膜厚測定を適切に行うことができる。
【００６３】
また、請求項３に記載の方法発明によれば、線幅比に応じた補正係数を対象外薄膜の分光反射スペクトルに乗じ、さらにオフセットを加算し、この成分を測定領域の分光反射スペクトルから減算することに基づき抽出分光反射スペクトルを求めることができる。これにより分光反射スペクトルから対象外薄膜の成分を適切に除去することができ、抽出分光反射スペクトルの精度を高めて膜厚測定精度を高めることができる。
【００６４】
また、請求項４に記載の装置発明によれば、請求項１に記載の方法発明を好適に実施することができる。
【００６５】
また、請求項５に記載の装置発明によれば、請求項２に記載の方法発明を好適に実施することができる。
【００６６】
また、請求項６に記載の装置発明によれば、請求項３に記載の方法発明を好適に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係る光干渉式膜厚測定装置の要部を示したブロック図である。
【図２】膜厚測定方法の流れを示すフローチャートである。
【図３】基板上の測定領域における薄膜の状態を示した平面図及び縦断面図である。
【図４】測定領域内からの分光反射スペクトルを示したグラフである。
【図５】金属薄膜からの分光反射スペクトルを示したグラフである。
【図６】金属薄膜の成分を除去した後の分光反射スペクトルを示したグラフである。
【図７】理論的に求められた分光反射スペクトルを示したグラフである。
【図８】膜厚既知の基板を使って測定された種々の膜厚毎の分光反射スペクトルを示すグラフである。
【図９】分光反射スペクトルのプロファイルを比較して膜厚を求める手法の説明に供する図である。
【図１０】基板上の測定領域における薄膜の状態を示した縦断面図である。
【符号の説明】
Ｗ … 基板
Ｗａ … シリコン基板
Ｆ１ … 酸化膜（目的薄膜）
Ｆ３ … 銅膜（対象外薄膜）
Ｍ（λ） … 酸化膜の分光反射スペクトル
Ｎ（λ） … 銅膜の分光反射スペクトル
Ｆ（λ） … 抽出分光反射スペクトル
１ … ステージ
３ … 光源部
５ … ビームスプリッタ
１１ … 分光ユニット
１９ … データ処理部
Claims (6)
- 薄膜が形成された基板からの反射光に基づき膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
予め対象外薄膜の分光反射スペクトルを記憶しておく過程と、
膜厚測定の対象である目的薄膜と、膜厚測定の対象外である対象外薄膜とを含む測定領域内からの分光反射スペクトルを測定する測光過程と、
前記測光過程で測定した分光反射スペクトルから、予め記憶しておいた対象外薄膜の分光反射スペクトルを減算して目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトルとして抽出する抽出過程と、
前記抽出分光反射スペクトルに基づき前記目的薄膜の膜厚を算出する算出過程と、
を実施することを特徴とする膜厚測定方法。 - 膜厚測定の対象である目的薄膜が形成された基板の表面を覆う膜厚測定の対象外である対象外薄膜を所定量だけ除去して、基板上に目的薄膜および対象外薄膜とを含む層を露出させる過程で、基板上の目的薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法において、
前記層内の目的薄膜および対象外薄膜を含む大きさを有する測定領域内からの分光反射スペクトルを測定する測定過程と、
測定領域内の分光反射スペクトルと、予め記憶された対象外薄膜の分光反射スペクトルとを比較する比較過程と、
比較過程で測定領域内の分光反射スペクトルと対象外薄膜の分光反射スペクトルとが不一致である場合に、測定領域内からの分光反射スペクトルから予め記憶された対象外薄膜の分光反射スペクトルを減算して目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトルとして抽出する抽出過程と、
抽出分光反射スペクトルに基づき目的薄膜の膜厚を算出する算出過程と、
を実施することを特徴とする膜厚測定方法。 - 請求項１または２に記載の膜厚測定方法において、
前記抽出過程では、対象外薄膜の分光反射スペクトルに対して、目的薄膜と対象外薄膜との線幅比に応じた補正係数を乗じるとともに、前記対象外薄膜の分光反射スペクトルに付加されているオフセットを加算し、この成分を前記目的薄膜の分光反射スペクトルから減算することに基づき前記抽出分光反射スペクトルを抽出するようにしたことを特徴とする膜厚測定方法。 - 薄膜が形成された基板からの反射光に基づき膜厚を測定する膜厚測定装置において、
予め対象外薄膜の分光反射スペクトルを記憶しておく記憶手段と、
膜厚測定の対象である目的薄膜と、膜厚測定の対象外である対象外薄膜とを含む測定領域内からの分光反射スペクトルを測定する測光手段と、
前記測光過程で測定した分光反射スペクトルから、予め記憶しておいた対象外薄膜の分光反射スペクトルを減算して目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトルとして抽出する抽出手段と、
前記抽出分光反射スペクトルに基づき前記目的薄膜の膜厚を算出する算出手段と、
を備えたことを特徴とする膜厚測定装置。 - 膜厚測定の対象である目的薄膜が形成された基板の表面を覆う膜厚測定の対象外である対象外薄膜を所定量だけ除去して、基板上に目的薄膜および対象外薄膜とを含む層を露出させる過程で、基板上の目的薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置において、
予め対象外薄膜の分光反射スペクトルを記憶しておく記憶手段と、
前記層内の目的薄膜および対象外薄膜を含む大きさを有する測定領域内からの分光反射スペクトルを測定する測光手段と、
測定領域内の分光反射スペクトルと、予め記憶された対象外薄膜の分光反射スペクトルとを比較する比較手段と、
比較過程で測定領域内の分光反射スペクトルと対象外薄膜の分光反射スペクトルとが不一致である場合に、測定領域内からの分光反射スペクトルから予め記憶された対象外薄膜の分光反射スペクトルを減算して目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトルとして抽出する抽出手段と、
抽出分光反射スペクトルに基づき目的薄膜の膜厚を算出する算出手段と、
を備えたことを特徴とする膜厚測定装置。 - 請求項４または５に記載の膜厚測定装置において、
前記抽出手段では、対象外薄膜の分光反射スペクトルに対して、目的薄膜と対象外薄膜との線幅比に応じた補正係数を乗じるとともに、前記対象外薄膜の分光反射スペクトルに付加されているオフセットを加算し、この成分を前記目的薄膜の分光反射スペクトルから減算することに基づき前記抽出分光反射スペクトルを抽出するようにしたことを特徴とする膜厚測定装置。
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