JP3854539B2 - 半導体ウェハの微細パターンの寸法及び３次元形状測定方法とその測定装置 - Google Patents
半導体ウェハの微細パターンの寸法及び３次元形状測定方法とその測定装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体メモリや集積演算回路などの半導体デバイスに形成された微細パターンの寸法及び３次元形状測定方法とその測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスに形成された微細パターンの幅を測定する技術として、電子ビームを対象パターンに照射し、これから発生する二次電子や反射電子を検出してその信号強度を用いる測長ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）が知られている。しかし、測長ＳＥＭでは、測定対象物の上面から観察するため、対象パターンの微細な幅を測定できても、その対象パターンの高さなどの３次元形状を測定することができない。３次元形状の測定には、従来、半導体ウェハに形成された半導体デバイスの回路パターンの対象部分を切断、あるいはＦＩＢなどで削り取り、その断面を電子顕微鏡などで観察する方法が一般的であった。
【０００３】
しかし、このような測長ＳＥＭによる測定あるいは断面観察による測定は、顕微鏡などによる光学的な測定に比べて、スループットが低く、測定装置が複雑で高価になるという問題があった。
【０００４】
一方、かかる問題を解消するものとして、光学的な測定方法を用い、非接触・非破壊で微細パターンの寸法及び３次元形状を測定するスキャッタロメトリと呼ばれる方法が提案されている。これは、例えば、米国特許第５，８６７，２７６号明細書に記載された手法である。この方法を図２を用いて簡単に説明するが、図２は分光測定装置の一般的な構成を示す図である。
【０００５】
同図において、白色光光源３からの白色光を、対物レンズ４を通し、入射光５として半導体ウェハ１上の測定点１０に照射する。この入射光５は特定の入射角で半導体ウェハ１に照射され、これと光学的に対称な反射角の反射光６が、集光レンズ７で集光され、受光部８で受光される。受光部８からの受光光は分光部９で分光され、各波長毎に測定点１０での反射強度が測定される。
【０００６】
測定対象である半導体ウェハ１はＸ，Ｙ，Ｚ方向と回転方向(θ)に移動可能なステージ２上に搭載され、ステージ２をＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動することにより、ウェハ１上の任意の箇所に光を照射可能であるし、また、同一測定点に対して、異なるθ角度での分光波形が検出可能となっている。
【０００７】
図３は以上の装置による分光分布１１の測定結果を模式的に示すグラフ図であって、横軸に波長をとり、縦軸に測定した反射光強度をとる。
【０００８】
ところで、例えば、図４（ａ）に示すように、半導体ウェハ１に半導体チップ１２が配置されている場合、一般に、半導体チップ１２内には、図４（ｂ）に示すように、チップ本体部１３とスクライブ領域１４，１５とが設けられている。チップ本体部１３には、半導体メモリや集積演算回路などの半導体デバイスの微細なパターン（実パターン）が形成されており、また、これらスクライブ領域１４，１５には、実パターンと同様の工程で製造されたテスト用のパターン（テストパターン）が設けられ、パターンの測定に用いられるこれらスクライブ領域１４，１５は、半導体ウェハ１が完成して半導体チップ１２毎の切断後、半導体チップ１２から切断されて取り除かれる。
【０００９】
図５は図４のスクライブ領域１４，１５におけるテストパターンの一例を示す斜視図である。
【００１０】
同図に示すテストパターンは、一般に、ライン＆スペースと呼ばれるパターンの例であって、一次元的なパターン線１６Ｌとスペース部１６Ｓとが交互に配列された構成をなすものである。
【００１１】
上記のスキャッタロメトリ法は、このようなテストパターンを対象とし、図２に示すような光学測定装置を用いて実際に検出した散乱光強度分布と、モデル化したパターン形状（モデルパターン）を複数想定し、光学シミュレーションによって求めたかかるモデルパターン毎の散乱光強度分布とを比較し、双方の散乱光強度分布が一致するようなモデルパターンを測定対象となるテストパターンの形状とする方法である。
【００１２】
例えば、図５に示すようなライン＆スペースを測定対象パターンとした場合、図６に示すような断面（３次元）形状のモデルパターン（プロファイル）１７を構築する。このモデルパターン１７はライン部１８とスペース部１９とからなり、この測定対象パターンの形状パラメータとして、例えば、上部幅Ｗｔ，中間幅Ｗｍ，下部幅Ｗｂ，上部肩丸みＲｔ，下部角度Ａｂ，高さＨｃなどを設定する。そして、これら夫々のパラメータの上限・下限値及びステップ値を決め、これらパラメータ毎に下限値から上限値までステップ値ずつ異なる複数の値を設定して、これらパラメータの設定値の全ての組合せのモデルパターン１７を想定し、夫々のモデルパターン１７毎に図３に示すような散乱光強度分布を計算して求め、上記の比較のためにライブラリとして記録しておくものである。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
スキャッタロメトリ法は、このように、基本的には光学的な測定であるため、ＳＥＭ測定に比較して測定装置が簡便で低価格な上、スループットが高いという利点がある。しかし、一方では、検出に充分な光量を確保するため、測定対象パターンとして凡そ５０μｍ角の均一な繰り返しパターンが必要である点や、精度の良い測定結果を得るためには、膨大な数のモデルパターンの形状を計算機上で生成し、モデルパターン毎の散乱光強度分布を計算機で計算する必要がある点などのため、現状では、図５に示すような一次元のライン＆スペース形状のパターンしか現実的な時間でモデルパターンの形状やその散乱光強度分布を計算することができないという問題があった。
【００１４】
本発明の目的は、かかる問題を解消し、半導体デバイスの微細パターンをなす任意形状のパターンやホールパターンなどを含めた２次元分布パターンの寸法や３次元形状の測定を、実際に有効なプロファイルを用いて短時間で可能とした半導体ウェハの微細パターンの寸法及び３次元形状測定方法とその測定装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による測定方法は、半導体ウェハの微細パターンに光を照射し、該光の照射による該微細パターンからの散乱光を検出し、検出した該散乱光の情報を用いて該微細パターンの寸法及び３次元形状の計測をする方法であって、該計測を、該微細パターンを形成する製造工程で予測されるプロセスのずれに基づいて、微細パターン形成のためのパラメータを順次異ならせたときのモデルパターンの３次元形状を計算機で求め、該モデルパターン毎に、該モデルパターンに光照射したときに得られる散乱光の情報をシミュレーションを用いて予め求め、該シミュレーションにより求めた該モデルパターンの散乱光の情報と検出した該散乱光の情報とを比較し、検出した該散乱光の情報に最も一致度が高い散乱光の情報の該モデルパターンから該半導体ウェハ上の該微細パターンの寸法及び３次元形状を求めることにより行なうものである。
【００１６】
また、微細パターンの製造工程による形状変化は、露光・現像工程における露光量とフォーカスずれによるパターンの形状変化とするものである。
【００１７】
また、微細パターンの製造工程による形状変化は、エッチング工程におけるガスの流量や圧力などのパターン形成条件の変化によるパターン形状変化とするものである。
【００１８】
また、本発明による測定方法は、半導体ウェハの微細パターンに光を照射し、その散乱光を用いて該微細パターンの寸法及び３次元形状を計測する方法であって、該微細パターンの製造工程での形状変化をシミュレーションによって求めて、該微細パターンの形状変化毎の散乱光強度分布を予測し、予測した該散乱光強度分布と実際に形成された微細パターンから検出した散乱光強度分布とを比較して計測を行なうものである。
【００１９】
また、パターンの製造工程での形状変化のシミュレーションは、露光・現像工程における露光・現像シミュレーションとするものである。
【００２０】
また、パターンの製造工程での形状変化のシミュレーションは、エッチング工程におけるエッチングシミュレーションとするものである。
【００２１】
また、予測した散乱光強度分布と実際に検出した散乱光強度分布とを比較する際には、実際に形成した微細パターンの３次元形状を電子顕微鏡を用いて測定した結果を校正データとするものである。
【００２２】
また、予測した散乱光強度分布と実際に検出した散乱光強度分布とを比較する際には、実際に形成した微細パターンの３次元形状を原子間力顕微鏡を用いて測定した結果を校正データとするものである。
【００２３】
上記目的を達成するために、本発明による測定装置は、半導体ウェハ上の微細パターンの寸法及び３次元形状を計測する装置であって、該微細パターンを形成する製造工程で予測されるプロセスのずれに基づいて、微細パターンを形成するためのパラメータを順次異ならせたときのモデルパターンの３次元形状を求め、該モデルパターン毎に、該モデルパターンに光照射したときに反射される散乱光の強度分布をシミュレーションを用いて求める計算手段と、該製造工程で形成された半導体ウェハ上の計測対象の微細パターンに光を照射する照明手段と、該計測対象の微細パターンからの散乱光を検出する検出手段と、該検出手段で検出された該散乱光の強度分布を計測する計測手段と、該計測手段で求めた該計測対象の微細パターンに対する該散乱光の強度分布と該計算手段で求めた該モデルパターンに対する該散乱光の強度分布とを比較し、該計測対象の微細パターンに対する該散乱光の強度分布に一致度が最も高い該散乱光の強度分布の該モデルパターンを選択する比較判定手段と、該比較判定手段で選択された該モデルパターンの寸法及び３次元形状から該計測対象の微細パターンの寸法及び３次元形状を求めて出力する出力手段とを有するものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
初めに、測定対象である半導体ウェハのレジストパターンについて説明する。
【００２５】
半導体デバイス製造の露光・現像工程で生成するレジストパターンは、露光装置の露光量のずれや焦点(フォーカス)のずれにより、形成されるパターンの形状が大きく変化することが知られている。そこで、設計値通りのパターン形状とするために、予め同じ半導体ウェハ内に露光量とフォーカス値とを夫々僅かずつ変化させてパターンを形成した半導体チップをマトリクス状に配置し、夫々のパターン形状を測定することにより、最適な（即ち、最も設計通りのパターン形状となる）露光量とフォーカス値との組合せを決定している。
【００２６】
その測定方法として、上記のスキャッタロメトリを用いることができるが、以下、これについて説明する。
【００２７】
例えば、レジストパターンとして、図７に示すようなＶＩＡ（ビア）ホールと呼ばれる穴パターンの例を考えると、このパターンは上部層２０と下部層２１とこれらの間を繋ぐホール２２からなっている。
【００２８】
かかるホール２２の寸法及び３次元形状の測定に上記従来のスキャッタロメトリを用いるために、このパターンをモデル化する場合、これは図８に示すようなモデルパターン２３となる。このモデルパターン２３はホールの断面（３次元）形状(プロファイル)２４を示すものある。このモデルパターン２３では、形状のパラメータとして、例えば、上部ホール幅Ｗｔ，中間ホール幅Ｗｍ，下部ホール幅Ｗｂ，下部丸みＲｂ，上部角度Ａｔ，深さＨｃなどが考えられる。高精度の測定結果を得るために、これらパラメータ毎に一般的な測定で用いられる５０通り程度の値を所定ステップ値（間隔）で設定し、これらパラメータの値の全ての組み合わせをマトリクスで形成すると、これらパラメータの値の組合せが夫々プロファイルとなるが、上記のように、凡そ１００万通りのプロファイルが必要となる。そして、散乱光シミュレーションにより夫々のプロファイルの散乱光強度分布を計算すると、一般的な１０ＣＰＵ並列計算機を用いた場合で凡そ１５万時間（＝１７年）の計算時間を要することになり、現実的でなくなってしまう。
【００２９】
これに対し、光学シミュレーションを用いることにより、露光量とフォーカス値とをパラメータとした場合のこれらパラメータのずれに対するレジストでのパターン形状を算出可能であり、本発明はこれに基づくものである。以下、本発明の実施形態を図面により説明する。
【００３０】
図１は本発明による半導体ウェハの微細パターンの寸法及び３次元形状測定方法の第１の実施形態を示すフローチャートである。
【００３１】
同図において、まず、測定対象となるパターンが形成されるレジストの特性や露光装置の光学条件などを決定し、測定対象パターンの既知の露光・現像シミュレーションを行なう（ステップ１００）。この露光・現像シミュレーションでは、所定のステップ値ずつ異なる露光量とフォーカス値とを複数ずつ設定し（これらは、半導体ウェハの製造で実際に生ずるずれを考慮して設定するものである）、設定された露光量とフォーカス値との全ての組合せを求め、これら組合せ毎に、その組合せの露光量とフォーカス値とを条件に生成されるレジストのモデルパターンの３次元形状（プロファイル）を計算機で求め、これら全ての組合せに対するプロファイルのマトリクス（プロファイルマトリクス）を構築する。例えば、露光量とフォーカス値とを夫々１０通りずつ設定し、これら全ての組合せの計１００通りのプロファイルからなるプロファイルマトリクスを構築したとすると、これに要する時間は、一般的な１０ＣＰＵ並列計算機を用いた場合、１〜数時間程度である。
【００３２】
図９（ａ）はかかるプロファイルマトリクス２５を模式的に示すものであって、図示するように、露光量とフォーカス値との異なる組合せに対するプロファイル２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，……を要素とするものである。例えば、プロファイル２５ａは、露光量Ｅａ，フォーカス値Ｆａのときのプロファイルであり、プロファイル２５ｂは、露光量Ｅｂ，フォーカス値Ｆｂのときのプロファイルである。
【００３３】
図１に戻って、次に、上記の露光・現像シミュレーション（ステップ１００）で生成されたプロファイルマトリクス２５のレジストモデルパターン（プロファイル２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，……）毎に、既知の散乱光シミュレーションにより（ステップ１０１）、散乱光強度分布を計算し、散乱光ライブラリを構築する（ステップ１０２）。
【００３４】
図９（ｂ）はかかる散乱光ライブラリ２６を模式的に示したものであって、散乱光ライブラリ２６は、プロファイルマトリクス２５（図９（ａ））でのプロファイル２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，……毎の散乱光強度分布２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，……を要素とするものである。従って、かかる散乱光強度分布２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，……とプロファイルマトリクス２５（図９（ａ））のプロファイル２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，……とは一対一に対応し、例えば、散乱光強度分布２６ａはプロファイル２５ａの散乱光強度分布、散乱光強度分布２６ｂはプロファイル２５ｂの散乱光強度分布ということになる。
【００３５】
そして、これらプロファイルマトリクス２５と散乱光ライブラリ２６とがプロファイルライブラリを構成する。かかるプロファイルライブラリは、半導体ウェハの微細パターン（実パターン）の製造工程において、露光量やフォーカス値のずれに応じて形成されるかかる実パータンの形状変化を表わす情報である。
【００３６】
このステップ１０１では、このような連続したホールパターンばかりでなく、ライン＆スペースや孤立パターンでも、その散乱光強度分布の計算が可能である。これにより、例えば、図４に示すような半導体ウェハ１に対し、スクライブ領域１４，１５での図５に示すようなテストパターンばかりでなく、チツプ本体部１３でのレジストの任意の実パターンに関しても、散乱光シミュレーションによる散乱光ライブラリ２６が構築可能である。そして、例えば、上記１００通りのレジストのモデルパターンの散乱光ライブラリ２６を構築するのに要する時間は、上記の１０ＣＰＵ並列計算機を用いた場合で１５〜数１０時間程度であり、従来の直接プロファイルをモデル化する方式に比べて実用的な時間で測定が可能となる。
【００３７】
図１に戻って、このようにして、プロファイルライブラリ（プロファイルマトリクス２５＋散乱光ライブラリ２６）を予め構築しておく。そして、図２にような光学測定装置と同様の構成の光学測定装置を本発明による測定装置の第１の実施形態として用い、例えば、図４に示したように、チップ本体部１３に半導体デバイスの実パターンが形成された半導体ウェハ１を測定対象とし、その夫々の半導体チップ１２のチップ本体部１３での同じ種類の実パターンの散乱光分布を測定し、測定点毎にその測定結果１０５とこの実パターンに対応する図９（ａ），（ｂ）に示すようなプロファイルライブラリの散乱光ライブラリ２６における散乱光強度分布２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，……とを比較し、最も一致度の高い散乱光強度分布を判定する（ステップ１０３）。なお、このステップ１０３での一致度比較の方法としては、例えば、各波長での散乱強度の最小２乗誤差比較などを用いる。
【００３８】
散乱光ライブラリ２６の中の最も一致度の高い散乱光強度分布を求まると、この散乱光強度分布に対するプロファイルマトリクス２５でのプロファイルをこの測定点での実パターンの３次元形状とする。
【００３９】
このようにして、半導体ウェハ１上の各測定点での実パターンの３次元形状が上記の比較処理の結果であるプロファイルとして得られることになり、その測定結果が出力される（ステップ１０４）。
【００４０】
図１０は測定対象のパターンをホールパターンとした場合の上記測定結果が表示されるＰＣ（パソコン）画面を示す図である。
【００４１】
同図において、この画面では、プロファイルの各パラメータ、即ち、上部ホール幅Ｗｔ，中間ホール幅Ｗｍ，下部ホール幅Ｗｂ，下部丸みＲｂ，上部角度Ａｔ，深さＨｃを示すプロファイル画面２７と、半導体チップ１２が設けられた半導体ウェハ１を表わすウェハ画面２８と、パラメータを指定するパラメータ指定部２９とが表示される。
【００４２】
ユーザが、モデルパターンの種類のうちの、例えば、ホールのモデルパターンを指定すると、ＰＣ画面のプロファイル画面２７にホールモデルパターンのプロファイルが、そのパラメータとともに、表示される。そして、これらパラメータのうちの１つを指定すると、この指定されたパラメータがパラメータ指定部２９に表示され、ウェハ画面２８に表示される半導体ウェハ１上の測定点毎にその測定結果に応じた表示がなされる。上記の測定によると、半導体ウェハ１の測定点毎にそこでのホールモデルパターンに適合したプロファイルが対応されているが、例えば、パラメータの下部ホール幅Ｗｂが指定されたとすると、夫々の測定点に対応したプロファイルでの下部ホール幅Ｗｂが選択され、例えば、半導体チップ１２の決められた領域毎にそこでのこの選択されたパラメータ（ここでは、下部ホール幅Ｗｂ）の値に応じて表示（例えば、設計値からのずれ量に応じた表示）がなされる。その表示方法としては、例えば、濃度あるいは色を異ならせるようにする。
【００４３】
このようにして、半導体製造の露光・現像工程で生成されたレジストの実パターンの半導体ウェハ１全体での寸法や３次元形状の分布・ばらつきが容易に把握できる。図１０に示す表示内容では、半導体ウェハ１の中央部と周辺部との間でバラツキがあることを示している。
【００４４】
なお、先に、露光・現像工程では、半導体チップ毎に露光量やフォーカス値をわずかずつ異ならせてパターンを形成した半導体ウェハを予め作成し、かかる半導体ウェハを用いて最適な露光量とフォーカス値とを決定すると説明したが、この実施形態においても、かかる半導体ウェハを用いる場合には、上記の測定装置により、この半導体ウェハでの各半導体チップのパターン毎に散乱光強度分布を求め、これら夫々とプロファイルライブラリの散乱光ライブラリの散乱光強度分布と比較することにより、パターン毎に最適なプロファイルを求め、そのうちのパターンの設計値に最も適合したプロファイルに対する露光量とフォーカス値との組合せを求めることにより、設計通りのパターンを形成するのに最適な露光量とフォーカス値との組合せを得ることができる。
【００４５】
図１１は本発明による半導体ウェハの微細パターンの寸法及び３次元形状測定方法の第２の実施形態を示すフローチャートである。
【００４６】
この第２の実施形態は、図１１に示すように、図１に示した第１の実施形態において、ステップ１０３で断面ＳＥＭあるいはＡＦＭなどで直接パターンのプロファイルを測定した結果（ステップ１０６）を校正データとして用いて、測定精度を向上させたものであり、これ以外は、図１に示した第１の実施形態と同様である。
【００４７】
この実施形態によると、実パターンの散乱光強度分布の測定結果（ステップ１０５）に、例えば、何らかの原因でオフセットが生じた場合などでは、これを断面ＳＥＭあるいはＡＦＭなどの測定結果を用いて補正することができ、測定精度の向上が図れる。
【００４８】
図１２は本発明による半導体ウェハの微細パターンの寸法方法及び３次元形状測定方法の第３の実施形態を示すフローチャートである。
【００４９】
この第３の実施形態は、測定対象を、レジストパターンはなく、エッチングパターンとしたときのものである。
【００５０】
図１２において、図１での露光・現像シミュレーションに代え、エッチングシミュレーションより、モデルパターンの形状マトリクス（プロファイルマトリクス）を形成する（ステップ２００）。この場合のパラメータとしては、例えば、ガス種，流量，圧力などであって、かかるプロファイルマトリックスのプロファイル毎に反射光強度分布をシュミレーションで求めて散乱光ライブラリを形成し、これと形状マトリクス（プロファイルマトリクス）とでプロファイルライブラリとする。これ以降の処理手順（ステップ１０１〜１０５）は図１に示した実施形態と同様であり、また、図１１に示した第２の実施形態と同様、一致度比較（ステップ１０３）に際しては、断面ＳＥＭあるいはＡＦＭなどで直接パターンのプロファイルを測定した結果を校正データとして用い、測定精度を向上させることが可能なことはいうまでもない。
【００５１】
図１３は本発明による測定装置の第２の実施形態を示す構成図であって、３０はレーザ光源、３１は対物レンズ、３２は入射レーザ光、３３は反射レーザ光、３４は集光レンズ、３５は受光部、３６は計測部、３７は入出射角度変更手段であり、図２と同様、１は半導体ウェハ、２はステージ、１０は測定点である。
【００５２】
同図において、レーザ光源３０からのレーザ光は対物レンズ３１によって集光され、入射レーザ光３２として半導体ウェハ１上の測定点１０に照射される。この測定点１０からの反射レーザ光３３は対物レンズ３１とは測定点１０に関して対称な位置にある集光レンズ３４で集光され、受光部３５で受光される。計測部３６はその受光量から測定点１０での反射光強度分布を計測する。
【００５３】
対物レンズ３１と集光レンズ３４を備えた受光部３５とは入出射角度変更手段３７上に設置されており、この入出射角度変更手段３７でもって対物レンズ３１の位置を、また、それに応じて受光部３５の位置を変更することにより、任意の入射角度で入射レーザ３２を同一測定点１０に照射することが可能であり、これにより、入射レーザ光３２の入射角度を変更させて、計測部３６が測定点１０での入射レーザ光３２の入射角度に対する反射光強度分布を計測する。
【００５４】
測定対象である半導体ウェハ１はステージ２上に搭載され、任意の位置の測定点１０でのかかる計測が可能である。このように、任意の入射角度に対する測定点１０からの反射光を検出する構成とすることにより、図１４に示すように、各測定点１０について、入射角度（degree）に対する反射光強度分布３８が得られる。
【００５５】
半導体ウェハ１の半導体チップ１２毎に露光量とフォーカス値との組み合わせが異なる所定のパターンを設けてこれを測定点とすることにより、各半導体チップ１２毎にかかる散乱光の反射光強度分布３８を得ることができる。また、シミュレーションにより、図９（ａ）に示すようなプロファイルマトリクス２５のプロファイル２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，……夫々毎に複数の入射角度に対する図１４に示すような反射光強度分布３８の散乱光ライブラリを作成し、これと上記の測定結果とを用いて図１，図１１，図１２に示した方法の実施形態を行なうことができる。
【００５６】
以上のように、上記の実施形態では、シミュレーションによって得られる実際の露光量とフォーカス値との異なる組合せによって生成されるプロファイルのライブラリを用いるものであるから、任意の実パターンを対象として、露光量やフォーカス値のずれによって実際に生ずるパターンのプロファイルだけを計測に用いることとなり、無駄なプロファイルを除いて短時間でのライブラリの作成が可能となるし、半導体ウェハ１でのパターンの寸法や３次元形状の分布やバラツキの測定が可能となり、設計値に最適な露光量とフォーカスの組合せを精度良く求めることも可能となる。このことは、エッチングパターンについても、同様である。
【００５７】
なお、上記の実施形態では、任意の実パターンの寸法や３次元形状の測定が可能であるから、測定対象となる半導体ウェハでは、半導体チップに設けられていた図４（ｂ）に示すようなテストパターン用のスクライブ領域１４，１５を省くこともできる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体製造での実際の条件に基づくプロファイルのライブラリを用いるものであるから、従来に比べて非常に短時間でプロファイルライブラリを作成することができ、半導体デバイスの任意形状の実パターンの寸法や３次元形状を、製造された半導体ウェハを切断せずに、迅速にかつ精度良く測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体ウェハの微細パターンの寸法及び３次元形状測定方法の第１の実施形態を示すフローチャートである。
【図２】従来と同様の構成をなす本発明による測定装置の第１の実施形態を示す構成図である。
【図３】図２に示した測定装置で検出される散乱光強度分布を模式的に示す図である。
【図４】半導体ウェハとこれに形成された半導体チップとの構成を摸式的に示す図である。
【図５】図４（ｂ）に示す半導体チップでのスクライブ領域におけるライン＆スペースパターンの一例を示す斜視図である。
【図６】図５に示すライン＆スペースパターンのモデルパターンの一例を示す斜視図である。
【図７】連続したビアホールパターンの一例を示す図である。
【図８】ビアホールパターンのモデルパターンの一例を示す図である。
【図９】図１に示す実施形態で形成された散乱光ライブラリの一具体例を模式的に示す図である。
【図１０】図１に示す実施形態で得られる測定結果の一表示例を模式的に示す図である。
【図１１】本発明による半導体ウェハの微細パターンの寸法及び３次元形状測定方法の第２の実施形態を示すフローチャートである。
【図１２】本発明による半導体ウェハの微細パターンの寸法及び３次元形状測定方法の第３の実施形態を示すフローチャートである。
【図１３】本発明による測定装置の第２の実施形態を示す構成図である。
【図１４】図１３に示す測定装置で得られる反射光強度分布を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１ 半導体ウェハ
２ ステージ
３ 白色光源
４ 対物レンズ
５ 入射光
６ 反射光
７ 集光レンズ
８ 受光部
９ 分光部
１１ 散乱光強度分布
１２ 半導体チップ
２０ 上部層
２１ 下部層
２２ ビアホール
２３ ビアホールモデル
２４ ホールのプロファイル
２５ プロファイルマトリックス
２５ａ〜２５ｄ プロファイル
２６ 散乱光ライブラリ
２６ａ〜２６ｄ 散乱光分布
２７ プロファイル画面
２８ ウェハ画面
２９ パラメータ指定部
３０ レーザ光源
３１ 対物レンズ
３２ 入射レーザ光
３３ 反射レーザ光
３４ 集光レンズ
３５ 受光部
３６ 計測部
３７ 入出射角度変更手段
３８ 反射光強度分布
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体メモリや集積演算回路などの半導体デバイスに形成された微細パターンの寸法及び３次元形状測定方法とその測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスに形成された微細パターンの幅を測定する技術として、電子ビームを対象パターンに照射し、これから発生する二次電子や反射電子を検出してその信号強度を用いる測長ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）が知られている。しかし、測長ＳＥＭでは、測定対象物の上面から観察するため、対象パターンの微細な幅を測定できても、その対象パターンの高さなどの３次元形状を測定することができない。３次元形状の測定には、従来、半導体ウェハに形成された半導体デバイスの回路パターンの対象部分を切断、あるいはＦＩＢなどで削り取り、その断面を電子顕微鏡などで観察する方法が一般的であった。
【０００３】
しかし、このような測長ＳＥＭによる測定あるいは断面観察による測定は、顕微鏡などによる光学的な測定に比べて、スループットが低く、測定装置が複雑で高価になるという問題があった。
【０００４】
一方、かかる問題を解消するものとして、光学的な測定方法を用い、非接触・非破壊で微細パターンの寸法及び３次元形状を測定するスキャッタロメトリと呼ばれる方法が提案されている。これは、例えば、米国特許第５，８６７，２７６号明細書に記載された手法である。この方法を図２を用いて簡単に説明するが、図２は分光測定装置の一般的な構成を示す図である。
【０００５】
同図において、白色光光源３からの白色光を、対物レンズ４を通し、入射光５として半導体ウェハ１上の測定点１０に照射する。この入射光５は特定の入射角で半導体ウェハ１に照射され、これと光学的に対称な反射角の反射光６が、集光レンズ７で集光され、受光部８で受光される。受光部８からの受光光は分光部９で分光され、各波長毎に測定点１０での反射強度が測定される。
【０００６】
測定対象である半導体ウェハ１はＸ，Ｙ，Ｚ方向と回転方向(θ)に移動可能なステージ２上に搭載され、ステージ２をＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動することにより、ウェハ１上の任意の箇所に光を照射可能であるし、また、同一測定点に対して、異なるθ角度での分光波形が検出可能となっている。
【０００７】
図３は以上の装置による分光分布１１の測定結果を模式的に示すグラフ図であって、横軸に波長をとり、縦軸に測定した反射光強度をとる。
【０００８】
ところで、例えば、図４（ａ）に示すように、半導体ウェハ１に半導体チップ１２が配置されている場合、一般に、半導体チップ１２内には、図４（ｂ）に示すように、チップ本体部１３とスクライブ領域１４，１５とが設けられている。チップ本体部１３には、半導体メモリや集積演算回路などの半導体デバイスの微細なパターン（実パターン）が形成されており、また、これらスクライブ領域１４，１５には、実パターンと同様の工程で製造されたテスト用のパターン（テストパターン）が設けられ、パターンの測定に用いられるこれらスクライブ領域１４，１５は、半導体ウェハ１が完成して半導体チップ１２毎の切断後、半導体チップ１２から切断されて取り除かれる。
【０００９】
図５は図４のスクライブ領域１４，１５におけるテストパターンの一例を示す斜視図である。
【００１０】
同図に示すテストパターンは、一般に、ライン＆スペースと呼ばれるパターンの例であって、一次元的なパターン線１６Ｌとスペース部１６Ｓとが交互に配列された構成をなすものである。
【００１１】
上記のスキャッタロメトリ法は、このようなテストパターンを対象とし、図２に示すような光学測定装置を用いて実際に検出した散乱光強度分布と、モデル化したパターン形状（モデルパターン）を複数想定し、光学シミュレーションによって求めたかかるモデルパターン毎の散乱光強度分布とを比較し、双方の散乱光強度分布が一致するようなモデルパターンを測定対象となるテストパターンの形状とする方法である。
【００１２】
例えば、図５に示すようなライン＆スペースを測定対象パターンとした場合、図６に示すような断面（３次元）形状のモデルパターン（プロファイル）１７を構築する。このモデルパターン１７はライン部１８とスペース部１９とからなり、この測定対象パターンの形状パラメータとして、例えば、上部幅Ｗｔ，中間幅Ｗｍ，下部幅Ｗｂ，上部肩丸みＲｔ，下部角度Ａｂ，高さＨｃなどを設定する。そして、これら夫々のパラメータの上限・下限値及びステップ値を決め、これらパラメータ毎に下限値から上限値までステップ値ずつ異なる複数の値を設定して、これらパラメータの設定値の全ての組合せのモデルパターン１７を想定し、夫々のモデルパターン１７毎に図３に示すような散乱光強度分布を計算して求め、上記の比較のためにライブラリとして記録しておくものである。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
スキャッタロメトリ法は、このように、基本的には光学的な測定であるため、ＳＥＭ測定に比較して測定装置が簡便で低価格な上、スループットが高いという利点がある。しかし、一方では、検出に充分な光量を確保するため、測定対象パターンとして凡そ５０μｍ角の均一な繰り返しパターンが必要である点や、精度の良い測定結果を得るためには、膨大な数のモデルパターンの形状を計算機上で生成し、モデルパターン毎の散乱光強度分布を計算機で計算する必要がある点などのため、現状では、図５に示すような一次元のライン＆スペース形状のパターンしか現実的な時間でモデルパターンの形状やその散乱光強度分布を計算することができないという問題があった。
【００１４】
本発明の目的は、かかる問題を解消し、半導体デバイスの微細パターンをなす任意形状のパターンやホールパターンなどを含めた２次元分布パターンの寸法や３次元形状の測定を、実際に有効なプロファイルを用いて短時間で可能とした半導体ウェハの微細パターンの寸法及び３次元形状測定方法とその測定装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による測定方法は、半導体ウェハの微細パターンに光を照射し、該光の照射による該微細パターンからの散乱光を検出し、検出した該散乱光の情報を用いて該微細パターンの寸法及び３次元形状の計測をする方法であって、該計測を、該微細パターンを形成する製造工程で予測されるプロセスのずれに基づいて、微細パターン形成のためのパラメータを順次異ならせたときのモデルパターンの３次元形状を計算機で求め、該モデルパターン毎に、該モデルパターンに光照射したときに得られる散乱光の情報をシミュレーションを用いて予め求め、該シミュレーションにより求めた該モデルパターンの散乱光の情報と検出した該散乱光の情報とを比較し、検出した該散乱光の情報に最も一致度が高い散乱光の情報の該モデルパターンから該半導体ウェハ上の該微細パターンの寸法及び３次元形状を求めることにより行なうものである。
【００１６】
また、微細パターンの製造工程による形状変化は、露光・現像工程における露光量とフォーカスずれによるパターンの形状変化とするものである。
【００１７】
また、微細パターンの製造工程による形状変化は、エッチング工程におけるガスの流量や圧力などのパターン形成条件の変化によるパターン形状変化とするものである。
【００１８】
また、本発明による測定方法は、半導体ウェハの微細パターンに光を照射し、その散乱光を用いて該微細パターンの寸法及び３次元形状を計測する方法であって、該微細パターンの製造工程での形状変化をシミュレーションによって求めて、該微細パターンの形状変化毎の散乱光強度分布を予測し、予測した該散乱光強度分布と実際に形成された微細パターンから検出した散乱光強度分布とを比較して計測を行なうものである。
【００１９】
また、パターンの製造工程での形状変化のシミュレーションは、露光・現像工程における露光・現像シミュレーションとするものである。
【００２０】
また、パターンの製造工程での形状変化のシミュレーションは、エッチング工程におけるエッチングシミュレーションとするものである。
【００２１】
また、予測した散乱光強度分布と実際に検出した散乱光強度分布とを比較する際には、実際に形成した微細パターンの３次元形状を電子顕微鏡を用いて測定した結果を校正データとするものである。
【００２２】
また、予測した散乱光強度分布と実際に検出した散乱光強度分布とを比較する際には、実際に形成した微細パターンの３次元形状を原子間力顕微鏡を用いて測定した結果を校正データとするものである。
【００２３】
上記目的を達成するために、本発明による測定装置は、半導体ウェハ上の微細パターンの寸法及び３次元形状を計測する装置であって、該微細パターンを形成する製造工程で予測されるプロセスのずれに基づいて、微細パターンを形成するためのパラメータを順次異ならせたときのモデルパターンの３次元形状を求め、該モデルパターン毎に、該モデルパターンに光照射したときに反射される散乱光の強度分布をシミュレーションを用いて求める計算手段と、該製造工程で形成された半導体ウェハ上の計測対象の微細パターンに光を照射する照明手段と、該計測対象の微細パターンからの散乱光を検出する検出手段と、該検出手段で検出された該散乱光の強度分布を計測する計測手段と、該計測手段で求めた該計測対象の微細パターンに対する該散乱光の強度分布と該計算手段で求めた該モデルパターンに対する該散乱光の強度分布とを比較し、該計測対象の微細パターンに対する該散乱光の強度分布に一致度が最も高い該散乱光の強度分布の該モデルパターンを選択する比較判定手段と、該比較判定手段で選択された該モデルパターンの寸法及び３次元形状から該計測対象の微細パターンの寸法及び３次元形状を求めて出力する出力手段とを有するものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
初めに、測定対象である半導体ウェハのレジストパターンについて説明する。
【００２５】
半導体デバイス製造の露光・現像工程で生成するレジストパターンは、露光装置の露光量のずれや焦点(フォーカス)のずれにより、形成されるパターンの形状が大きく変化することが知られている。そこで、設計値通りのパターン形状とするために、予め同じ半導体ウェハ内に露光量とフォーカス値とを夫々僅かずつ変化させてパターンを形成した半導体チップをマトリクス状に配置し、夫々のパターン形状を測定することにより、最適な（即ち、最も設計通りのパターン形状となる）露光量とフォーカス値との組合せを決定している。
【００２６】
その測定方法として、上記のスキャッタロメトリを用いることができるが、以下、これについて説明する。
【００２７】
例えば、レジストパターンとして、図７に示すようなＶＩＡ（ビア）ホールと呼ばれる穴パターンの例を考えると、このパターンは上部層２０と下部層２１とこれらの間を繋ぐホール２２からなっている。
【００２８】
かかるホール２２の寸法及び３次元形状の測定に上記従来のスキャッタロメトリを用いるために、このパターンをモデル化する場合、これは図８に示すようなモデルパターン２３となる。このモデルパターン２３はホールの断面（３次元）形状(プロファイル)２４を示すものある。このモデルパターン２３では、形状のパラメータとして、例えば、上部ホール幅Ｗｔ，中間ホール幅Ｗｍ，下部ホール幅Ｗｂ，下部丸みＲｂ，上部角度Ａｔ，深さＨｃなどが考えられる。高精度の測定結果を得るために、これらパラメータ毎に一般的な測定で用いられる５０通り程度の値を所定ステップ値（間隔）で設定し、これらパラメータの値の全ての組み合わせをマトリクスで形成すると、これらパラメータの値の組合せが夫々プロファイルとなるが、上記のように、凡そ１００万通りのプロファイルが必要となる。そして、散乱光シミュレーションにより夫々のプロファイルの散乱光強度分布を計算すると、一般的な１０ＣＰＵ並列計算機を用いた場合で凡そ１５万時間（＝１７年）の計算時間を要することになり、現実的でなくなってしまう。
【００２９】
これに対し、光学シミュレーションを用いることにより、露光量とフォーカス値とをパラメータとした場合のこれらパラメータのずれに対するレジストでのパターン形状を算出可能であり、本発明はこれに基づくものである。以下、本発明の実施形態を図面により説明する。
【００３０】
図１は本発明による半導体ウェハの微細パターンの寸法及び３次元形状測定方法の第１の実施形態を示すフローチャートである。
【００３１】
同図において、まず、測定対象となるパターンが形成されるレジストの特性や露光装置の光学条件などを決定し、測定対象パターンの既知の露光・現像シミュレーションを行なう（ステップ１００）。この露光・現像シミュレーションでは、所定のステップ値ずつ異なる露光量とフォーカス値とを複数ずつ設定し（これらは、半導体ウェハの製造で実際に生ずるずれを考慮して設定するものである）、設定された露光量とフォーカス値との全ての組合せを求め、これら組合せ毎に、その組合せの露光量とフォーカス値とを条件に生成されるレジストのモデルパターンの３次元形状（プロファイル）を計算機で求め、これら全ての組合せに対するプロファイルのマトリクス（プロファイルマトリクス）を構築する。例えば、露光量とフォーカス値とを夫々１０通りずつ設定し、これら全ての組合せの計１００通りのプロファイルからなるプロファイルマトリクスを構築したとすると、これに要する時間は、一般的な１０ＣＰＵ並列計算機を用いた場合、１〜数時間程度である。
【００３２】
図９（ａ）はかかるプロファイルマトリクス２５を模式的に示すものであって、図示するように、露光量とフォーカス値との異なる組合せに対するプロファイル２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，……を要素とするものである。例えば、プロファイル２５ａは、露光量Ｅａ，フォーカス値Ｆａのときのプロファイルであり、プロファイル２５ｂは、露光量Ｅｂ，フォーカス値Ｆｂのときのプロファイルである。
【００３３】
図１に戻って、次に、上記の露光・現像シミュレーション（ステップ１００）で生成されたプロファイルマトリクス２５のレジストモデルパターン（プロファイル２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，……）毎に、既知の散乱光シミュレーションにより（ステップ１０１）、散乱光強度分布を計算し、散乱光ライブラリを構築する（ステップ１０２）。
【００３４】
図９（ｂ）はかかる散乱光ライブラリ２６を模式的に示したものであって、散乱光ライブラリ２６は、プロファイルマトリクス２５（図９（ａ））でのプロファイル２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，……毎の散乱光強度分布２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，……を要素とするものである。従って、かかる散乱光強度分布２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，……とプロファイルマトリクス２５（図９（ａ））のプロファイル２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，……とは一対一に対応し、例えば、散乱光強度分布２６ａはプロファイル２５ａの散乱光強度分布、散乱光強度分布２６ｂはプロファイル２５ｂの散乱光強度分布ということになる。
【００３５】
そして、これらプロファイルマトリクス２５と散乱光ライブラリ２６とがプロファイルライブラリを構成する。かかるプロファイルライブラリは、半導体ウェハの微細パターン（実パターン）の製造工程において、露光量やフォーカス値のずれに応じて形成されるかかる実パータンの形状変化を表わす情報である。
【００３６】
このステップ１０１では、このような連続したホールパターンばかりでなく、ライン＆スペースや孤立パターンでも、その散乱光強度分布の計算が可能である。これにより、例えば、図４に示すような半導体ウェハ１に対し、スクライブ領域１４，１５での図５に示すようなテストパターンばかりでなく、チツプ本体部１３でのレジストの任意の実パターンに関しても、散乱光シミュレーションによる散乱光ライブラリ２６が構築可能である。そして、例えば、上記１００通りのレジストのモデルパターンの散乱光ライブラリ２６を構築するのに要する時間は、上記の１０ＣＰＵ並列計算機を用いた場合で１５〜数１０時間程度であり、従来の直接プロファイルをモデル化する方式に比べて実用的な時間で測定が可能となる。
【００３７】
図１に戻って、このようにして、プロファイルライブラリ（プロファイルマトリクス２５＋散乱光ライブラリ２６）を予め構築しておく。そして、図２にような光学測定装置と同様の構成の光学測定装置を本発明による測定装置の第１の実施形態として用い、例えば、図４に示したように、チップ本体部１３に半導体デバイスの実パターンが形成された半導体ウェハ１を測定対象とし、その夫々の半導体チップ１２のチップ本体部１３での同じ種類の実パターンの散乱光分布を測定し、測定点毎にその測定結果１０５とこの実パターンに対応する図９（ａ），（ｂ）に示すようなプロファイルライブラリの散乱光ライブラリ２６における散乱光強度分布２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，……とを比較し、最も一致度の高い散乱光強度分布を判定する（ステップ１０３）。なお、このステップ１０３での一致度比較の方法としては、例えば、各波長での散乱強度の最小２乗誤差比較などを用いる。
【００３８】
散乱光ライブラリ２６の中の最も一致度の高い散乱光強度分布を求まると、この散乱光強度分布に対するプロファイルマトリクス２５でのプロファイルをこの測定点での実パターンの３次元形状とする。
【００３９】
このようにして、半導体ウェハ１上の各測定点での実パターンの３次元形状が上記の比較処理の結果であるプロファイルとして得られることになり、その測定結果が出力される（ステップ１０４）。
【００４０】
図１０は測定対象のパターンをホールパターンとした場合の上記測定結果が表示されるＰＣ（パソコン）画面を示す図である。
【００４１】
同図において、この画面では、プロファイルの各パラメータ、即ち、上部ホール幅Ｗｔ，中間ホール幅Ｗｍ，下部ホール幅Ｗｂ，下部丸みＲｂ，上部角度Ａｔ，深さＨｃを示すプロファイル画面２７と、半導体チップ１２が設けられた半導体ウェハ１を表わすウェハ画面２８と、パラメータを指定するパラメータ指定部２９とが表示される。
【００４２】
ユーザが、モデルパターンの種類のうちの、例えば、ホールのモデルパターンを指定すると、ＰＣ画面のプロファイル画面２７にホールモデルパターンのプロファイルが、そのパラメータとともに、表示される。そして、これらパラメータのうちの１つを指定すると、この指定されたパラメータがパラメータ指定部２９に表示され、ウェハ画面２８に表示される半導体ウェハ１上の測定点毎にその測定結果に応じた表示がなされる。上記の測定によると、半導体ウェハ１の測定点毎にそこでのホールモデルパターンに適合したプロファイルが対応されているが、例えば、パラメータの下部ホール幅Ｗｂが指定されたとすると、夫々の測定点に対応したプロファイルでの下部ホール幅Ｗｂが選択され、例えば、半導体チップ１２の決められた領域毎にそこでのこの選択されたパラメータ（ここでは、下部ホール幅Ｗｂ）の値に応じて表示（例えば、設計値からのずれ量に応じた表示）がなされる。その表示方法としては、例えば、濃度あるいは色を異ならせるようにする。
【００４３】
このようにして、半導体製造の露光・現像工程で生成されたレジストの実パターンの半導体ウェハ１全体での寸法や３次元形状の分布・ばらつきが容易に把握できる。図１０に示す表示内容では、半導体ウェハ１の中央部と周辺部との間でバラツキがあることを示している。
【００４４】
なお、先に、露光・現像工程では、半導体チップ毎に露光量やフォーカス値をわずかずつ異ならせてパターンを形成した半導体ウェハを予め作成し、かかる半導体ウェハを用いて最適な露光量とフォーカス値とを決定すると説明したが、この実施形態においても、かかる半導体ウェハを用いる場合には、上記の測定装置により、この半導体ウェハでの各半導体チップのパターン毎に散乱光強度分布を求め、これら夫々とプロファイルライブラリの散乱光ライブラリの散乱光強度分布と比較することにより、パターン毎に最適なプロファイルを求め、そのうちのパターンの設計値に最も適合したプロファイルに対する露光量とフォーカス値との組合せを求めることにより、設計通りのパターンを形成するのに最適な露光量とフォーカス値との組合せを得ることができる。
【００４５】
図１１は本発明による半導体ウェハの微細パターンの寸法及び３次元形状測定方法の第２の実施形態を示すフローチャートである。
【００４６】
この第２の実施形態は、図１１に示すように、図１に示した第１の実施形態において、ステップ１０３で断面ＳＥＭあるいはＡＦＭなどで直接パターンのプロファイルを測定した結果（ステップ１０６）を校正データとして用いて、測定精度を向上させたものであり、これ以外は、図１に示した第１の実施形態と同様である。
【００４７】
この実施形態によると、実パターンの散乱光強度分布の測定結果（ステップ１０５）に、例えば、何らかの原因でオフセットが生じた場合などでは、これを断面ＳＥＭあるいはＡＦＭなどの測定結果を用いて補正することができ、測定精度の向上が図れる。
【００４８】
図１２は本発明による半導体ウェハの微細パターンの寸法方法及び３次元形状測定方法の第３の実施形態を示すフローチャートである。
【００４９】
この第３の実施形態は、測定対象を、レジストパターンはなく、エッチングパターンとしたときのものである。
【００５０】
図１２において、図１での露光・現像シミュレーションに代え、エッチングシミュレーションより、モデルパターンの形状マトリクス（プロファイルマトリクス）を形成する（ステップ２００）。この場合のパラメータとしては、例えば、ガス種，流量，圧力などであって、かかるプロファイルマトリックスのプロファイル毎に反射光強度分布をシュミレーションで求めて散乱光ライブラリを形成し、これと形状マトリクス（プロファイルマトリクス）とでプロファイルライブラリとする。これ以降の処理手順（ステップ１０１〜１０５）は図１に示した実施形態と同様であり、また、図１１に示した第２の実施形態と同様、一致度比較（ステップ１０３）に際しては、断面ＳＥＭあるいはＡＦＭなどで直接パターンのプロファイルを測定した結果を校正データとして用い、測定精度を向上させることが可能なことはいうまでもない。
【００５１】
図１３は本発明による測定装置の第２の実施形態を示す構成図であって、３０はレーザ光源、３１は対物レンズ、３２は入射レーザ光、３３は反射レーザ光、３４は集光レンズ、３５は受光部、３６は計測部、３７は入出射角度変更手段であり、図２と同様、１は半導体ウェハ、２はステージ、１０は測定点である。
【００５２】
同図において、レーザ光源３０からのレーザ光は対物レンズ３１によって集光され、入射レーザ光３２として半導体ウェハ１上の測定点１０に照射される。この測定点１０からの反射レーザ光３３は対物レンズ３１とは測定点１０に関して対称な位置にある集光レンズ３４で集光され、受光部３５で受光される。計測部３６はその受光量から測定点１０での反射光強度分布を計測する。
【００５３】
対物レンズ３１と集光レンズ３４を備えた受光部３５とは入出射角度変更手段３７上に設置されており、この入出射角度変更手段３７でもって対物レンズ３１の位置を、また、それに応じて受光部３５の位置を変更することにより、任意の入射角度で入射レーザ３２を同一測定点１０に照射することが可能であり、これにより、入射レーザ光３２の入射角度を変更させて、計測部３６が測定点１０での入射レーザ光３２の入射角度に対する反射光強度分布を計測する。
【００５４】
測定対象である半導体ウェハ１はステージ２上に搭載され、任意の位置の測定点１０でのかかる計測が可能である。このように、任意の入射角度に対する測定点１０からの反射光を検出する構成とすることにより、図１４に示すように、各測定点１０について、入射角度（degree）に対する反射光強度分布３８が得られる。
【００５５】
半導体ウェハ１の半導体チップ１２毎に露光量とフォーカス値との組み合わせが異なる所定のパターンを設けてこれを測定点とすることにより、各半導体チップ１２毎にかかる散乱光の反射光強度分布３８を得ることができる。また、シミュレーションにより、図９（ａ）に示すようなプロファイルマトリクス２５のプロファイル２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，……夫々毎に複数の入射角度に対する図１４に示すような反射光強度分布３８の散乱光ライブラリを作成し、これと上記の測定結果とを用いて図１，図１１，図１２に示した方法の実施形態を行なうことができる。
【００５６】
以上のように、上記の実施形態では、シミュレーションによって得られる実際の露光量とフォーカス値との異なる組合せによって生成されるプロファイルのライブラリを用いるものであるから、任意の実パターンを対象として、露光量やフォーカス値のずれによって実際に生ずるパターンのプロファイルだけを計測に用いることとなり、無駄なプロファイルを除いて短時間でのライブラリの作成が可能となるし、半導体ウェハ１でのパターンの寸法や３次元形状の分布やバラツキの測定が可能となり、設計値に最適な露光量とフォーカスの組合せを精度良く求めることも可能となる。このことは、エッチングパターンについても、同様である。
【００５７】
なお、上記の実施形態では、任意の実パターンの寸法や３次元形状の測定が可能であるから、測定対象となる半導体ウェハでは、半導体チップに設けられていた図４（ｂ）に示すようなテストパターン用のスクライブ領域１４，１５を省くこともできる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体製造での実際の条件に基づくプロファイルのライブラリを用いるものであるから、従来に比べて非常に短時間でプロファイルライブラリを作成することができ、半導体デバイスの任意形状の実パターンの寸法や３次元形状を、製造された半導体ウェハを切断せずに、迅速にかつ精度良く測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体ウェハの微細パターンの寸法及び３次元形状測定方法の第１の実施形態を示すフローチャートである。
【図２】従来と同様の構成をなす本発明による測定装置の第１の実施形態を示す構成図である。
【図３】図２に示した測定装置で検出される散乱光強度分布を模式的に示す図である。
【図４】半導体ウェハとこれに形成された半導体チップとの構成を摸式的に示す図である。
【図５】図４（ｂ）に示す半導体チップでのスクライブ領域におけるライン＆スペースパターンの一例を示す斜視図である。
【図６】図５に示すライン＆スペースパターンのモデルパターンの一例を示す斜視図である。
【図７】連続したビアホールパターンの一例を示す図である。
【図８】ビアホールパターンのモデルパターンの一例を示す図である。
【図９】図１に示す実施形態で形成された散乱光ライブラリの一具体例を模式的に示す図である。
【図１０】図１に示す実施形態で得られる測定結果の一表示例を模式的に示す図である。
【図１１】本発明による半導体ウェハの微細パターンの寸法及び３次元形状測定方法の第２の実施形態を示すフローチャートである。
【図１２】本発明による半導体ウェハの微細パターンの寸法及び３次元形状測定方法の第３の実施形態を示すフローチャートである。
【図１３】本発明による測定装置の第２の実施形態を示す構成図である。
【図１４】図１３に示す測定装置で得られる反射光強度分布を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１ 半導体ウェハ
２ ステージ
３ 白色光源
４ 対物レンズ
５ 入射光
６ 反射光
７ 集光レンズ
８ 受光部
９ 分光部
１１ 散乱光強度分布
１２ 半導体チップ
２０ 上部層
２１ 下部層
２２ ビアホール
２３ ビアホールモデル
２４ ホールのプロファイル
２５ プロファイルマトリックス
２５ａ〜２５ｄ プロファイル
２６ 散乱光ライブラリ
２６ａ〜２６ｄ 散乱光分布
２７ プロファイル画面
２８ ウェハ画面
２９ パラメータ指定部
３０ レーザ光源
３１ 対物レンズ
３２ 入射レーザ光
３３ 反射レーザ光
３４ 集光レンズ
３５ 受光部
３６ 計測部
３７ 入出射角度変更手段
３８ 反射光強度分布
Claims (9)
- 半導体ウェハの微細パターンに光を照射し、該光の照射による該微細パターンからの散乱光を検出し、検出した該散乱光の情報を用いて該微細パターンの寸法及び３次元形状の計測をする方法において、
該計測を、該微細パターンを形成する製造工程で予測されるプロセスのずれに基づいて、微細パターン形成のためのパラメータを順次異ならせたときのモデルパターンの３次元形状を計算機で求め、該モデルパターン毎に、該モデルパターンに光照射したときに得られる散乱光の情報をシミュレーションを用いて求め、該シミュレーションにより求めた該モデルパターンの散乱光の情報と検出した該散乱光の情報とを比較し、検出した該散乱光の情報に最も一致度が高い散乱光の情報の該モデルパターンから該半導体ウェハ上の該微細パターンの寸法及び３次元形状を求めることにより行なうこと特徴とする半導体ウェハの微細パターンの寸法及び３次元形状測定方法。 - 請求項１において、
前記微細パターンの製造工程による形状変化は、露光・現像工程における露光量とフォーカスずれによるパターンの形状変化であることを特徴とする半導体ウェハの微細パターンの寸法及び３次元形状測定方法。 - 請求項１において、
前記微細パターンの製造工程による形状変化は、エッチング工程におけるガスの流量や圧力などのパターン形成条件の変化によるパターン形状変化であることを特徴とする半導体ウェハの微細パターンの３次元形状測定システム。 - 半導体ウェハの微細パターンに光を照射し、その散乱光を用いて該微細パターンの寸法及び３次元形状を計測する方法において、
該微細パターンの製造工程での形状変化をシミュレーションによって求めて、該微細パターンの形状変化毎の散乱光強度分布を予測し、予測した該散乱光強度分布と実際に形成された微細パターンから検出した散乱光強度分布とを比較して計測を行なうこと特徴とする半導体ウェハの微細パターンの寸法及び３次元形状測定方法。 - 請求項４において、
該パターンの製造工程での形状変化の前記シミュレーションは、露光・現像工程における露光・現像シミュレーションであることを特徴とする半導体ウェハの微細パターンの寸法及び３次元形状測定方法。 - 請求項４において、
該パターンの製造工程での形状変化のシミュレーションは、エッチング工程におけるエッチングシミュレーションであることを特徴とする半導体ウェハの微細パターンの寸法及び３次元形状測定方法。 - 請求項４において、
予測した前記散乱光強度分布と実際に検出した前記散乱光強度分布とを比較する際には、実際に形成した前記微細パターンの３次元形状を電子顕微鏡を用いて測定した結果を校正データとすることを特徴とする半導体ウェハの微細パターンの寸法及び３次元形状測定方法。 - 請求項４において、
予測した前記散乱光強度分布と実際に検出した前記散乱光強度分布とを比較する際には、実際に形成した前記微細パターンの３次元形状を原子間力顕微鏡を用いて測定した結果を校正データとすることを特徴とする半導体ウェハの微細パターンの寸法及び３次元形状測定方法。 - 半導体ウェハ上の微細パターンの寸法及び３次元形状を計測する装置であって、
該微細パターンを形成する製造工程で予測されるプロセスのずれに基づいて、微細パターンを形成するためのパラメータを順次異ならせたときのモデルパターンの３次元形状を求め、該モデルパターン毎に、該モデルパターンに光照射したときに反射される散乱光の強度分布をシミュレーションを用いて求める計算手段と、
該製造工程で形成された半導体ウェハ上の計測対象の微細パターンに光を照射する照明手段と、
該計測対象の微細パターンからの散乱光を検出する検出手段と、
該検出手段で検出された該散乱光の強度分布を求める計測手段と、
該計測手段で求めた該計測対象の微細パターンに対する該散乱光の強度分布と該計算手段で求めた該モデルパターンに対する該散乱光の強度分布とを比較し、該計測対象の微細パターンに対する該散乱光の強度分布に一致度が最も高い該散乱光の強度分布の該モデルパターンを選択する比較判定手段と、
該比較判定手段で選択された該モデルパターンの寸法及び３次元形状から該計測対象の微細パターンの寸法及び３次元形状を求めて出力する出力手段と
を有することを特徴とする半導体ウェハの微細パターンの寸法及び３次元形状測定装置。
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