JP3865637B2

JP3865637B2 - 半導体デバイスの製造方法

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Publication number: JP3865637B2
Application number: JP2002005470A
Authority: JP
Inventors: 丈師廣瀬; 峰生野本
Original assignee: Renesas Technology Corp
Current assignee: Renesas Technology Corp
Priority date: 2002-01-15
Filing date: 2002-01-15
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2022-01-15
Also published as: JP2003207315A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は透明な膜の厚さおよび厚さ分布の計測および膜厚管理に関し、例えばシリコンウェハ上に半導体デバイスを製造する方法および製造ラインにおいて成膜工程または成膜後表面の平坦化処理におけるウェハ等に対して最表面膜厚を計測する方法・装置，平坦化処理装置および加工管理方法に関する。
【０００２】
透明膜の例としては、上記の他ＤＶＤ，ＴＦＴ，ＬＳＩレチクル等の薄膜デバイスの製造工程におけるレジスト膜や絶縁膜等も含まれる。
【０００３】
【従来の技術】
例えば半導体デバイスの製造ラインにおけるＣＭＰ加工を考える。半導体デバイスは成膜，露光およびエッチング等により、半導体素子および配線パターンをシリコンウェハ上に形成することによって製造される。近年、高精度化・高密度化を実現するために微細化・多層化の方向に進んでいる。このことによってウェハ表面の凹凸が増大している。このようなウェハ上の凹凸は配線等の形成に不可欠な露光を困難とするため、ウェハ表面の平坦化が行われる。
【０００４】
この平坦化プロセスとして、化学的および物理的作用により表面を研磨して平坦化を実現する方法（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）が用いられる。ＣＭＰは当該技術分野において既知の加工方法である。
【０００５】
ＣＭＰ加工において重要な課題として、膜厚管理が挙げられる。従来は、これを加工時間によって管理していた。一般的には、ＣＭＰ加工の前後で膜厚を計測することにより求まる研磨量と実際に加工を行った研磨時間とから研磨レートを算出し、これを次の加工時間にフィードバックさせるというものである。
【０００６】
また、加工後の膜厚が所望の膜厚範囲に入っているかを確認するために、予め決定しておいた計測点を計測することにより膜厚を管理していた。膜厚を計測する際は、チップ周辺部等に形成された従来の膜厚計測装置で十分計測可能な大きさをもったパターン（ダミーパターン）上を計測していた。
特開平６−２５２１１３号公報や特開平９−７９８５号公報では、実際のデバイスパターン（実際の製品の微細な回路パターン）上の膜厚の計測が可能なin-situ計測システムの開示がなされている。特開平９−１０９０２３号公報では加工後、洗浄をせず水中に保持したままで膜厚を計測することによりスループットの向上を実現するIn-line計測システムの開示がなされている。特開平６−２５２１１３号公報では実際のデバイスパターン上の膜厚計測に、膜による干渉光の分光分布を周波数解析し、分光波形の持つ周波数成分と膜厚との関係に着目し膜厚の絶対値を算出する手法の開示がなされている。特開平９−１９３９９５号公報では、分光波形の極値の位置（波長）の検出等から加工の終点検出をするin-situ計測システム、特開２０００−２４１１２６号公報では検出した分光波形とモデルによる理論波形とのフィッティングにより膜厚を算出する手法の開示がなされている。一方、特開平９−７９８５号公報ではレーザー（単波長）の膜による干渉光強度の加工時間による変化を検出し、その波形の持つ周波数成分から膜厚の算出を行うものである。また特開２０００−９４３７号公報では、計測視野内のパターンの面積率（配線パターンの面積の局所的な面内の面積に占める割合）がある程度の値以上で有れば、任意の位置の膜厚計測を可能とする方法の開示がなされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
例えば半導体デバイスの製造工程に於ける配線工程を考えた場合、ＣＭＰ加工を行っても表面が完全に平坦にはならない場合が多い。この原因は、膜下層の配線パターンの局所的な面内に占める割合（パターンの面積率）が一様ではないからである。一般的に、下層のパターンの面積率と加工後の膜厚との間には相関が
あることが知られている。
【０００８】
加工後の膜厚のばらつきが大きい場合、その後の露光工程やエッチング工程において不良の原因となる。そのため加工後の膜厚を管理する必要がある。
【０００９】
特開２０００−９４３７号公報では、膜厚のばらつきを評価するために、サブミクロンオーダーのデバイスパターン上の膜厚を計測する方法を開示している。検出した分光データを周波数解析して膜厚を求める。しかし、この方法では検出波長帯域に対して計測対象膜厚が小さい場合、膜厚計測困難となる。これに対し比較的膜厚が小さいものに対しても有効な、フィッティングによる膜厚計測方法が特開２０００−２４１１２６号公報で開示されている。しかし、ここに開示されている技術では、微細なパターン上に形成された薄い膜の厚さを計測する場合，パターンの密度によって計測精度が大きく影響を受け，種々のパターンに対して精度良く計測することには適さなかった。
【００１０】
そこで、本発明では微細なパターンに対しても膜厚計測可能なフィッティングによる膜厚計測方法及びその装置並びにそれを用いた薄膜デバイスの製造方法及びその製造装置を提供することを目的とする。
【００１１】
また、特開２０００−９４３７号公報では、チップ内での膜厚分布を評価することにより、熟練を要さずに正確な膜厚評価を可能とする方法を開示している。
【００１２】
しかし、チップ内の膜厚分布の評価をするために、例えば１０×１０の計１００点を計測しようとした場合、１００点の計測点の位置決めを操作者が設定する必要があった。
【００１３】
そこで本発明は、計測点を自動で決定する方法及びその装置並びにそれを用いた薄膜デバイスの製造方法及びその製造装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
フィッティングによる膜厚計測の課題を解決するために、本発明では新しいモデルを仮定した。即ち、計測対象の試料上に形成されたパターンの寸法が計測に用いる光の波長と同じかそれよりも小さい場合に、パターンエッジ部分（パターン段差部）を考慮した境界領域を設定し、フィッティングにおいてこの境界領域の影響を考慮するようにした。
【００１５】
また膜厚計測点選定における課題を解決するために、設計情報，計測点周辺画像，計測点において検出した分光波形に基づいて、所望の条件の計測点を自動で決定するようにした。
【００１６】
更に、上記フィッティングにより精度良く計測された膜厚の情報を用いて、半導体デバイスの製造ラインにおける各処理装置のプロセス条件を制御するようにした。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の例として、半導体デバイスの製造工程におけるＣＭＰを対象とし、ウェハ表面に形成された膜の加工後の膜厚管理に適用した例を示す。
【００１８】
まずフィッティングによる膜厚計測手法について説明する。
【００１９】
フィッティング手法は従来から膜厚計測に用いられてきた。図３３に示すような、複数の層からなる、計測視野内で一様な構造の膜を考える。各層の膜厚及び材質（屈折率及び吸収係数）が既知であれば、ｊ層での表面反射率R_jは数１に示す理論式で表される。すなわち、膜の表面反射率R_Nは数１を下層より順次適用することにより求めることができる。
【００２０】
【数１】

【００２１】
そこで、計測対象の膜厚を未知数として理論反射率を算出し、実際に検出した反射率との誤差が最も小さくなるように未知数を決定することにより膜厚を算出することができる。この際、未知数としては膜厚だけでなく、膜の材質を設定する場合もある。
【００２２】
しかし、この方法では計測視野内で層構造が一様であることを仮定しているので図３４の様に、計測視野内で層構造が一様でない場合には適用できない。計測視野内で層構造が一様でない場合にも膜厚計測可能とするために、理論式として複数の層構造が混在するモデルを仮定する必要がある。
【００２３】
そこで、例えば図３５に示す様な２つの層構造が混在する場合を考える。図３５は対象膜の断面を模式的に示したものである。
【００２４】
理論式は、検出光学系や計測対象パターンの微細さによって異なる。まず始めに、図３６に示す様な集光の光学系を考える。光源１０３からの光はレンズ系１０５により平行光となり試料１０１に照射される。試料１０１からの反射光はレンズ系１０５を介して集光する。この位置に空間フィルタ１０６を設け反射光の０次光成分のみを通す。この空間フィルタ１０６は、試料表面での散乱光やパターンによる回折光の影響を除去する効果がある。空間フィルタ１０６を通った光はレンズ系１０７により再び平行光となり、レンズ系１０９により集光され分光器１１０により分光されて分光データを得ることができる。このときレンズ系１０７とレンズ系１０９の間に視野絞り１０８を挿入することにより、任意の大きさの検出領域を設定する事ができる。
【００２５】
この光学系の場合、計測視野内からの正反射光のみが一点に集光されるためモデル式は数２となる。
【００２６】
【数２】

【００２７】
次に、光学系として図３７に示す様な結像系を考える。光源２０３を出た光は対物レンズ２２０を介して試料２０１に照射される。試料２０１からの反射光はレンズ系２１１〜２１３を介して再び結像される。この結像位置に視野絞り２０８を挿入することにより任意の大きさの検出領域を設定する事ができる。
【００２８】
この光を分光器２１０で分光して分光データを得る。このときレンズ系２１１〜２１３のフーリエ変換面に空間フィルタ２０６を設け０次光のみを通すことにより、上記と同様に試料表面での散乱光やパターンによる回折光の影響を除去することができる。
【００２９】
この光学系の場合のモデル式は計測対象パターンの大きさや繰り返しの幅によって異なる。
【００３０】
計測対象パターンの大きさや繰り返しの幅が、検出波長と比較して十分大きい場合、例えば、図３８に示すような数μｍの大きさの繰返しパターン１１５を、φ１０μｍの計測視野サイズで検出波長帯域４００〜８００ｎｍで計測した場合、モデル式は数３のようになる。
【００３１】
【数３】

【００３２】
この図３８に示したような数μｍ程度、又はそれ以上の大きさのパターンを計測する場合、各層構造をそれぞれ独立の構造として考えることができる（図３９）。即ち、この場合、平面上の異なる位置からの反射光は互いに干渉しないと考えることができるため、モデル式の数３はそれぞれ単独の層構造の場合の表面反射率を、計測視野内におけるそれぞれの層構造の占める割合（パターンの面積率ａ_１，ａ_２）で重み付けをして、それらの和をとれば良い。
【００３３】
一方、計測対象パターンの大きさや繰り返しの幅が検出波長と比較して同等またはそれ以下の場合、例えば、図４０に示すような１μｍ以下の大きさの繰返しパターン１１８を、φ１０μｍの計測視野サイズで検出波長帯域４００〜８００ｎｍで計測した場合、図３８に示したような場合とは異なり、各層構造をそれぞれ独立の構造として考えることができない。
【００３４】
この図４０に示したような場合、図３５と図３９とに示したような２つのモデルの中間のモデル式を考える必要がある。すなわち、図４１の様に、それぞれ単独の層構造の他に２つの構造が混在する境界構造を考える必要がある。この境界構造では、空間的に異なる位置からの反射光が互いに干渉することを仮定する。全体の反射光のモデル式はそれぞれの構造（境界構造も含む）をそれぞれ計測視野内での面積率で重み付けをして和をとることにより、数４に示すようなモデル式で求めることができる。
【００３５】
【数４】

【００３６】
上記の式を場合に応じてフィッティングのモデル式として適用すれば、所望の膜厚を求めることができる。
【００３７】
フィッティングさせるパラメータとしては、膜厚の他に膜の材質や各層構造の計測視野内での面積率を設定する事が考えられる。
【００３８】
各層構造の面積率は予め設定しておくことが望ましい。しかし、計測視野の位置ずれ等の原因により、設定した面積率と実際の面積率とが異なると、算出結果に誤差を生じる場合が考えられる。そこで、面積率もパラメータとしてフィッティングにより求めれば、予め設定する必要もなく、また位置ずれ等による誤差が発生することも防ぐことができる。
【００３９】
材質をパラメータとする場合、材質に関する情報（屈折率や吸収係数など）を数５に示すコーシーの式等の近似式を用いれば良い。
【００４０】
【数５】

【００４１】
フィッティングによりパラメータを決定する手法としては、最小自乗法が一般的である。数２から数４のようにモデル式が複雑な場合は、非線形の手法であるレーベンバーグ・マーカート法等を用いることが多い。
【００４２】
また、混在する層構造の数が３つ以上の場合に対しても、本方式を適用すれば所望の膜の膜厚を求めることができる。数２，数３及び数４を、層構造の数が３つ以上の場合に拡張して一般化するとそれぞれ数６，数７及び数８となる。
【００４３】
【数６】

【００４４】
【数７】

【００４５】
【数８】

【００４６】
フィッティングさせるパラメータの数は、計算時間や算出誤差に影響をおよぼすため、少ないことが望ましい。しかし、３構造以上の場合、特に数８ではパラメータの数が極端に多くなる。そこで、計測視野に占める面積率が非常に小さい等の影響度の小さい要素を無視することや、ある膜厚が別のある膜厚を変数とする関数によって求まる場合はその膜厚をフィッティングパラメータとする代わりに上記関数を導入することにより、全体のパラメータの数を減らすことができる。
【００４７】
図４４は、図３５に示す計測対象に対して同一の波長帯域の光で検出し、境界構造を考慮した場合と考慮しない場合とを比較したものである。図４４から境界構造を考慮する事により、検出値と理論値との誤差が小さくなっていることがわかる。
【００４８】
計測対象の構造にもよるが、境界構造を考慮することにより、１００ｎｍ程度の対象に対して１０ｎｍ以下の精度、そして条件を整えれば、１〜４ｎｍ程度の計測精度を得ることができる。境界構造を考慮しない場合は、上記した理由により計測精度は低下し、誤差が十数ｎｍから数十ｎｍになり、最悪の場合は検出値へのフィッティングができず、計測が不可能となる。
【００４９】
計測対象が検出波長帯域に対して小さくなると、計測視野内に占める境界構造の割合が増大してくる。そのため、結像光学系で１μｍ以下の微細なパターン上の膜厚を計測する場合は、境界構造をフィッティングの演算に考慮することが不可欠となる。
【００５０】
次に、膜厚計測点の設定方法について説明する。
【００５１】
特開２０００−９４３７号公報には、計測視野内のパターンの面積率がある程度の値以上であれば任意のパターン上の膜厚計測が可能であることを利用して、チップ内の膜厚分布を求めることができることが記載されている。これを利用することによって、熟練した作業者でなくてもチップ内またはウェハ内の膜厚分布を正確に評価できる（膜厚計測手法等の詳細な説明は特開２０００−９４３７号公報を参照）。しかし、特開２０００−９４３７号公報に開示された方法では、例えばチップ内を１０点×１０点の計１００点の計測をする場合、それぞれの計測点を作業者が決定する必要があった。
【００５２】
一方、本発明では、計測点を自動決定する。以下に、計測点を自動決定する方法を示す。また、この方法を用いて膜厚管理用の計測点の決定方法およびそれを用いた膜厚管理方法を示す。
【００５３】
計測点を自動で決定するには、まず計測しようとする領域が計測可能であるか、すなわち所望のパターン上で、かつ計測視野内のパターンの面積率が十分であるかを判定する必要がある。この判定方法の一つとして、計測しようとする領域において検出した分光波形に基づいて判定する方法を示す。
【００５４】
先ずはじめに、特開２０００−９４３７号公報に記載された周波数解析を用いた膜厚計測手法を用いた場合について説明する。
【００５５】
計測可能な領域とそうでない領域とで、検出した分光波形はそれぞれ特徴の異なったものとなる。例えば、ＬＳＩの配線工程におけるＣＭＰ工程後の試料の場合、計測可能な領域で検出した分光波形の例を図１に、計測が不可能な領域で検出した分光波形の典型的な例を図２にそれぞれ示す。図１に示した波形の特徴は、パターン上の膜での干渉による低周波成分と下層構造での干渉による高周波成分とが重畳した波形となっている。一方、図２に示した波形の場合は、図１における高周波成分が支配的となり、低周波成分はほとんど確認できない。このような違いは、パターン上からの反射光による干渉成分が支配的であるか、下層からの反射光による干渉成分が支配的であるかの違いにより生じる（計測視野が計測対象のパターンで占められている場合はそのパターン上の干渉による低周波成分のみとなることは言うまでもない）。
【００５６】
上記の様に、波形の特徴の違いとして周波数成分の違いが挙げられる。そこで、波形を周波数解析することによりその特徴を抽出し、その測定点が計測可能であるか否かを判定することができる。
【００５７】
図３には図１に示した波形データを周波数解析した結果を、図４には図２に示した波形データを周波数解析した結果を示す。これらの結果から、計測可能であるか否かを判定する方法として、例えば図３において、高周波成分の強度５と低周波成分の強度６との比を算出し、予め設定したしきい値と比較して、しきい値より大きい場合は計測可能、そうでない場合は計測不可とする判定方法がある。
【００５８】
また、図４に示す様に高周波成分の強度と予め設定したしきい値７を比較し、しきい値より大きい場合は計測不可、そうでない場合は計測可能と判定してもよい。
【００５９】
周波数解析手段としてはＦＦＴ（高速フーリエ変換），ＭＥＭ（最大エントロピー法）等の周波数解析手法を用いればよい。
【００６０】
また、周波数解析を行うかわりに、自己相関関数を演算することによって波形の周期性を抽出し判定してもよい。
【００６１】
波形の周期性に着目しない方法としては、図５，６に挙げるような方法がある。例えば、波形１の局所的な極大値８を抽出しそれらのばらつきの大きさと、予め設定したしきい値とを比較することにより判定する。すなわち、膜厚計測可能な場合の分光波形は低周波成分が大きいため、計測可能な場合はそのばらつきも大きくなり（図５）、計測不可の場合はそのばらつきが小さくなる（図６）ことを利用する。
【００６２】
上記方法は、特開２０００−９４３７号公報の計測手法ではなく、従来の計測手法で従来の計測装置で計測可能な数十μｍ程度の計測対象を計測する場合にも当然適用できる。
【００６３】
また、フィッティングの手法を用いて判定する方法も考えられる。例えば、計測視野内に複数の構造が混在する場合において、計測対象の膜を含む層構造が既知である場合、検出した波形に対して、計測対象膜を含む構造の単独での理論波形をフィッティングする事により判定することができる。
【００６４】
検出波形とフィッティングした理論波形との誤差が小さい場合（図７）は計測視野における計測対象膜を含む層構造の面積率が大きいことを意味し、逆の場合（図８）は面積率が小さいことを意味する。そこで、予め設定しておいたしきい値と上記誤差をと比較し、誤差が小さい場合は計測可能と判定し、大きい場合は計測不可と判定することができる。
【００６５】
次に本発明記載のフィッティングによる膜厚計測手法を用いた場合の判定方法について説明する。
【００６６】
フィッティングした結果の理論波形と検出波形との誤差（各波長での誤差の２乗和）を算出し、予め設定したしきい値と比較し、しきい値より大きい場合は膜厚計測不可と判定し、それ以下であれば計測可能と判定する。
【００６７】
また、図４２はフィッティングによって求まる面積率の算出精度を評価した図である。フィッティングにより数％の誤差で面積率が求まることがわかる。フィッティングパラメータとして面積率を求める場合は、フィッティングにより求めた面積率と予め設定しておいたしきい値とを比較し、しきい値以下の場合は計測不可と判定し、しきい値以上の場合は計測可能と判定する方法がある。
【００６８】
別途、視野内での面積率と計測誤差を評価したところ図４３に示すように、計測視野内での面積率が小さくなると、計測誤差が大きくなる傾向にある。経験的には視野内の面積率が２０〜３０％程度を下回ると計測誤差が大きくなる。
【００６９】
次に、上記判定に基づいて計測点を探索する方法を示す。例えば図１８に示すように１チップ内を１０点×１０点の計１００点計測する場合、格子状に設定した各計測点が計測可能な点であるとは限らない、そのため各計測点を計測可能な点に設定する必要がある。図９から図１４が計測点を探索する手順の例を示した図である。図９，１０は探索点の間隔と点数を水平方向Ｘと垂直方向Ｙのそれぞれに設定し、その点で順次分光波形を検出し上記に記した方法で計測可否の判定をする方法を示している。
【００７０】
図９では、例えばＸ方向に間隔ｄＸで５点，Ｙ方向に間隔ｄＹで３点の領域を探索する場合を示している。この場合、最初に設定した計測点を中心として、この点に近い点から順次探索を行い、最初に計測可能の判定となった点を探索結果として膜厚計測を行う例を示している。
【００７１】
図１０の場合はＸ，Ｙ方向にそれぞれ間隔ｄＸ，ｄＹで点数５点の領域を、最初に設定した計測点を中心として渦巻き状に探索する場合の例を示している。
【００７２】
どちらの場合も、全ての探索点を一旦全て分光検出してから、判定結果の最も良好なものを選んでもよいし、または順次判定動作を繰り返して最初に判定の結果が計測可能となったものを選んでも良い。
【００７３】
分光検出及び判定処理が高速で行える場合は、図１１の様にリアルタイムで検出及び判定を行う方法も考えられる。
【００７４】
図１２から１４は、図９から１０において方形で行っていた処理を渦巻き線状に行った場合を示している。また、同様の処理を同心円状に行っても同様の効果が得られる。
【００７５】
図１５から１７は実際に上記処理を膜厚計測装置にて実施した場合の計測領域の表示画面を模式的に示したものである。図１５は図１０に示す探索例を示している。図１５に示す太線の円１６及び細線の円１７は、それぞれは最初に設定した計測点および探索領域を示している。
【００７６】
図中黒線で示した横長状のパターン１８上が膜厚計測対象のパターンである。最初に設定した領域はパターン上ではないので判定の結果計測不可となる。その後、探索手順に従って次々と計測位置をずらして随時判定を行っていく（図１６参照、図中の×がついている部分は判定の結果、計測不可となった点を意味する）。図１７の時点で計測領域がパターン上となるため計測可能の判定となり、膜厚計測を行う。
【００７７】
その後、次の計測点のへ計測領域を移動し同様の処理をする。
【００７８】
例えば、図１８は１チップの画像を模式的に示したものであるが（黒い部分２２が計測可能な領域を示している）、同図に示すように例えば１０点×１０点の計１００点の計測点を設定した場合、上記の処理を繰り返し行うことにより、全ての点が計測可能な領域となるように自動で設定することができる（図１９）。
【００７９】
図２０及び２１は実際に上記処理を膜厚計測装置にて実施した場合の操作画面を模式的に示したものである。図２０は予め何らかの方法で検出した１チップ分の画像を表示した場合を示している。この画面を参考にし、例えばチップの基準位置２７を認識させその点を基準とし例えば１０点×１０点の計測点を設定する。その後上記の一連の処理をし膜厚計測点を決定する。図２１は決定した計測点を確認するための画面である。
【００８０】
また自動で決定しない場合は操作者が手動にて決定してもよい。例えば図２０に示す様にカーソル２６等で所望の計測点を選択し、その部分の拡大画像または実施の画像を表示させる（図２１参照）。そこで操作者が、ステージ等を操作し計測点を決定する方法が考えられる。
【００８１】
この際、確認のために操作者は任意の位置で計測判定処理をし計測点設定の参考にしても良い。
【００８２】
図２２から２９は検出した計測領域周辺の画像に基づいて判定処理をする場合の一例を示す。図２２は計測領域周辺画像を模式的に示したものである。図２２で黒色の横線３２が計測対象のパターンを、円３３は計測領域を示している。図２２の場合計測領域がパターン上でないため膜厚計測することはできない。そこで、例えば図２２の画像に対してエッジ検出処理（図２３），横線抽出処理（図２４），抽出した横線の局所的な密度分布抽出（図２５から２７）等の処理をし、十分計測可能なパターン密度の領域３６を抽出する。この領域と最初に設定した位置との位置関係を算出してステージを移動させることによって、膜厚計測可能な領域を自動で決定することができる。
【００８３】
また上記と同様の操作を設計情報に基づいて行うことによっても、計測領域の自動決定が可能である。すなわち、例えばチップ全体をある適当な大きさの領域に分割して、設計情報に基づいてそれらの領域内でのパターンの面積率を算出し、この算出した面積率に基づいて、画像処理の場合と同様に計測点を設定する方法が考えられる。
【００８４】
以上に示す処理をすることによって、操作者の熟練によらずチップ内またはウェハ面内の膜厚分布が正確に評価できる。上記処理によって決定した計測領域の座標情報を保存すれば、同一の製品に対しては、上記処理を繰り返し行う必要はない。
【００８５】
次に、上記処理で膜厚分布を評価することにより、膜厚管理用の計測点を決定する方法を示す。前述の様に少ない計測点で膜厚を正確に管理するには、膜厚の最大値と最小値の２点を計測することが最も効率が良い。図３０は例えば１チップ膜厚を１０点×１０点の計１００点計測した場合を示している。図３０でｍａｘ及びｍｉｎで示した部分は膜厚最大値と最小値の部分を示している。そこでこれらの２点を膜厚管理用の計測点として選定すれば良い（図３１参照）。また、更に正確な評価を必要とする場合は、図３０に示すように、ｍａｘとｍｉｎのそれぞれの領域を更に細かい間隔で膜厚を評価して膜厚の最大値と最小値位置決定することにより、より精度の高い管理が可能となる。
【００８６】
膜厚管理用の計測点として膜厚の最大値及び最小値領域以外の領域を用いても良い。
【００８７】
図３２は、上記方法で決定した膜厚管理用計測点によってＣＭＰの膜厚管理をする場合の一例を示している。図３２は、１台のスタンドアローンタイプの膜厚計測装置４２にて評価した膜厚管理用計測点の情報（座標，計測条件）をＣＭＰ装置４３に搭載された膜厚計測装置４４に展開する場合を示している。一台のＣＭＰ装置４３に搭載の膜厚計測装置４４、または複数のＣＭＰ装置４３，４３’、４３”それぞれに搭載した膜厚計測装置４４、４４’、４４”全てがスタンドアローンタイプの役割を果たしてもよい。また、展開先の膜厚計測装置が必ずしもＣＭＰ装置搭載のものでなくても良い。
【００８８】
次に、図４５に示すように、半導体デバイスの製造ラインにおいて、半導体基板を処理する処理装置、例えば成膜装置やＣＭＰ装置、露光装置、エッチング装置などを、本発明による膜厚を計測する技術により膜厚を計測した結果を用いて、各処理装置で基板を処理するためのプロセス条件を制御することができる。
【００８９】
即ち、基板上に薄膜を形成する成膜工程と、基板上に形成された薄膜を加工するＣＭＰ工程と、加工された薄膜上にレジストを塗布してパターンを露光する露光工程と、露光されたレジストをマスクとしてＣＭＰ加工された薄膜をエッチング加工するエッチング工程とを備えた半導体デバイスの製造工程において、成膜工程を経た基板またはＣＭＰ工程を経た基板に対して本発明による膜厚計測を行って基板上の光学的に透明な薄膜の厚さを１０ｎｍ以下の精度で計測し、この計測した結果を用いて成膜工程、ＣＭＰ工程、露光工程またはエッチング工程のうちの少なくとも１つの工程のプロセス条件を制御することが可能になる。
【００９０】
膜厚を計測した結果、膜厚にばらつきがある場合には、露光工程やエッチング工程に影響がある場合が考えられる。露光工程の場合、ショットないのある部分で焦点を定めて露光するため、膜厚のばらつきが大きい場合不良となる。この場合、ショット内の膜厚のばらつきによる表面の凹凸が少なくとも露光の焦点深度以内の場合は、ショット内の膜厚のばらつきを評価することにより最適の高さに焦点を設定する事ができ、不良の発生を低減することができる。
【００９１】
エッチングの場合にも、膜厚のばらつきが大きい場合、穴の貫通不良等が発生する場合が考えられる。この場合も膜厚のばらつきを評価しておけば、エッチング時間を最適化する等により不良の発生を低減することができる。
【００９２】
成膜工程対しても、例えば、研磨前の膜厚によって研磨後の膜厚のばらつきが変化する場合は、研磨後の膜厚のばらつきを評価することにより、成膜の厚さを最適化することができる。
【００９３】
このように計測した結果をＣＭＰ工程はもちろん様々な工程の条件等に反映することにより、不良発生を低減する事が可能となる。
【００９４】
【発明の効果】
本発明によれば、熟練を要さず短時間，自動で正確な評価が可能な膜厚管理用計測点を決定することができる。および、上記方法を用いることにより、歩留まりの及びスループットの向上が可能となる。例えば、上記のシリコンウェハ上に半導体デバイスを製造する方法および製造ラインにおけるＣＭＰ工程において高精度の膜厚管理が可能となり、工程のスループット向上がはかれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】膜厚計測可能な領域で検出した分光波形の一例で、反射率と波数との関係を示すグラフである。
【図２】膜厚計測不可の領域で検出した分光波形の一例で、反射率と波数との関係を示すグラフである。
【図３】膜厚計測可能な領域で検出した分光波形を周波数解析した結果の一例で、反射光強度と周波数との関係を示すグラフである。
【図４】膜厚計測不可の領域で検出した分光波形を周波数解析した結果の一例で、反射光強度と周波数との関係を示すグラフである。
【図５】膜厚計測可能な領域で検出した分光波形の極大値を検出した一例で、反射率と波数との関係を示すグラフである。
【図６】膜厚計測不可の領域で検出した分光波形の極大値を検出した一例で、反射率と波数との関係を示すグラフである。
【図７】膜厚計測可能な領域で検出した分光波形に対して理論波形をフィッティングさせた一例を示すグラフである。
【図８】膜厚計測不可の領域で検出した分光波形に対して理論波形をフィッティングさせた一例を示すグラフである。
【図９】本発明による計測探索手順の一例（方形領域を近いもの順に探索）を示す試料表面の概略図である。
【図１０】本発明による計測探索手順の一例（方形領域を渦巻き状に探索）を示す試料表面の概略図である。
【図１１】本発明による計測探索手順の一例（方形領域を渦巻き線状に探索）を示す試料表面の概略図である。
【図１２】本発明による計測探索手順の一例（渦巻き状に近いもの順に探索）を示す試料表面の概略図である。
【図１３】本発明による計測探索手順の一例（渦巻き状に近いもの順に探索）を示す試料表面の概略図である。
【図１４】本発明による計測探索手順の一例（渦巻き線状に近いもの順に探索）を示す試料表面の概略図である。の概略図である。
【図１５】本発明による膜厚計測領域を表示した表示画面の正面図である。
【図１６】本発明による膜厚計測領域を表示した表示画面の正面図である。
【図１７】本発明による膜厚計測領域を表示した表示画面の正面図である。
【図１８】本発明による１チップ内の膜厚計測領域を表示した表示画面の正面図である。
【図１９】本発明による１チップ内の膜厚計測領域を表示した表示画面の正面図である。
【図２０】本発明による１チップ内での膜厚計測点を設定する操作を行う表示画面の正面図である。
【図２１】本発明による膜厚計測点設定時に表示する拡大画像の一例を示す表示画面の正面図である。
【図２２】本発明による測定領域周辺の画像の一例を示す図である。
【図２３】本発明による測定領域周辺の画像で、エッジ検出処理を施した画像の一例を示す図である。
【図２４】本発明による測定領域周辺の画像で、横線抽出処理を施した画像の一例を示す図である。
【図２５】本発明による測定領域周辺の画像で、抽出した横線の密度分布抽出処理手順を示す画像の一例を示す図である。
【図２６】本発明による測定領域周辺の画像で、抽出した横線の密度分布抽出処理手順を示す画像の一例を示す図である。
【図２７】本発明による測定領域周辺の画像で、抽出した横線の密度分布抽出処理手順を示す画像の一例を示す図である。
【図２８】本発明による画像処理を用いた計測点決定処理の一例を示す図である。
【図２９】本発明による画像処理を用いた計測点決定処理の一例を示す図である。
【図３０】本発明により測定した１チップ内の膜厚の分布を示す膜厚分布図である。
【図３１】本発明により選定した１チップ内の膜厚管理用計測点の状態を示す１チップ分の平面図である。
【図３２】本発明をＣＭＰ加工ラインに適用して例を示すＣＭＰ加工ラインの概略平面図である。
【図３３】多層膜の断面図である。
【図３４】複数の層構造が混在する計測対象の断面図である。
【図３５】２つの層構造が混在する計測対象の断面図である。
【図３６】本発明による膜厚計測装置の集光系の検出光学系の概略構成を示す正面図である。
【図３７】本発明による膜厚計測装置の結像系の検出光学系の概略構成を示す正面図である。
【図３８】検出波長よりも大きな寸法のパターンと計測視野の関係を示すパターンの平面図である。
【図３９】本発明による検出波長よりも大きな寸法のパターンのモデル式の設定方法を示すパターンの断面図である。
【図４０】検出波長よりも小さい寸法のパターンと計測視野の関係を示すパターンの平面図である。
【図４１】本発明による検出波長よりも小さい寸法のパターンのモデル式の設定方法を示すパターンの断面図である。
【図４２】本発明において算出した面積率の算出精度評価結果の一例で、算出面積率と計測視野内パターン面積率との関係を示すグラフである。
【図４３】本発明による計測誤差の絶対値と計測視野内パターン面積率との関係を示すグラフである。
【図４４】本発明による境界構造を考慮した場合の効果の一例を示す反射率と波長との関係を示すグラフである。
【図４５】本発明による膜厚計測結果をプロセス条件に反映させる半導体デバイス製造ラインの構成の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
1……膜厚計測可能な領域で検出した分光波形
2……膜厚計測不可の領域で検出した分光波形
3……膜厚計測可能な領域で検出した分光波形の周波数解析結果
4……膜厚計測不可の領域で検出した分光波形の周波数解析結果
5……高周波成分の強度
6……低周波成分の強度
7……強度しきい値
8……膜厚計測可能な領域で検出した分光波形の極大値
9……膜厚計測不可の領域で検出した分光波形の極大値
10……膜厚計測可能な領域で検出した分光波形に対してフィッティングした理論波形
11……膜厚計測不可の領域で検出した分光波形に対してフィッティングした理論波形
12……最初に設定した計測点，13……探索領域，14……探索領域
15……探索画面表示ウィンドウ，16……最初に設定した計測点，17……探索領域
18……計測対象パターン，19……可能のパターン，20……計測不可領域の表示
21……１チップ画像，22……計測対象パターン，23……設定計測点
24……計測点設定用ウィンドウ，25……設定計測点，26……カーソル
27……基準位置マーク，28……計測点設定用ウィンドウ，29……計測領域
30……下層のパターン，31……計測対象パターン，32……計測対象パターン
33……計測領域，34……エッジ検出したパターン，35……横線抽出しパターン
36……抽出した計測可能領域，37……１チップ膜厚分布計測結果
38……膜厚最小部を含む詳細な膜厚分布計測結果
39……膜厚最大部を含む詳細な膜厚分布計測結果
40……膜厚管理用計測点選定結果，41……膜厚管理用計測点
42……スタンドアローンタイプの膜厚計測装置，43……ＣＭＰ装置
44……ＣＭＰ装置搭載の膜厚計測装置
101……試料，102……ステージ，103……光源，104……ビームスプリッタ，105……レンズ系, 106……空間フィルタ，107……レンズ系，108……視野絞り，109……レンズ系，110……分光器，111……レンズ系，112……レンズ系，113……レンズ系，114……計測視野，115……数μｍ大のパターン，116……層構造１，117……層構造２，118……１μｍ以下のパターン，119……境界構造，120……対物レンズ，121……成膜条件判定装置，122……ＣＭＰ条件判定装置，123……露光条件判定装置，124……エッチング条件判定装置

Claims

パターンが形成された基板上に薄膜を形成する成膜工程と、前記基板上に形成された薄膜を加工するＣＭＰ工程と、前記加工された薄膜上にレジストを塗布してパターンを露光する露光工程と、前記露光されたレジストをマスクとして前記ＣＭＰ加工された薄膜をエッチング加工するエッチング工程とを備えた半導体デバイスの製造工程において、前記成膜工程を経た基板または前記ＣＭＰ工程を経た基板上の薄膜の厚さを、単独の層構造からなる層構造領域と２つの層構造が混在する境界構造領域とを含む領域モデルを設定して前記層構造領域と前記境界構造領域とに重みを付けて該領域モデルからの反射光の波形を算出して該算出した波形の情報と前記基板の計測視野に光を照射して該照射による前記基板からの反射光を検出して得た該反射光の分光分布波形の情報とを用いてフィッティングにより求め、該求めた結果を用いて前記成膜工程、ＣＭＰ工程、露光工程またはエッチング工程のうちの少なくとも１つの工程のプロセス条件を制御することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
前記層構造領域と前記境界構造領域とに付ける重みを、前記計測視野における前記パターンの面積率に基づいて決定することを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイスの製造方法。
パターンが形成された基板上に薄膜を形成する成膜工程と、前記基板上に形成された薄膜を加工するＣＭＰ工程と、前記加工された薄膜上にレジストを塗布してパターンを露光する露光工程と、前記露光されたレジストをマスクとして前記ＣＭＰ加工された薄膜をエッチング加工するエッチング工程とを備えた半導体デバイスの製造工程において、前記成膜工程を経た基板または前記ＣＭＰ工程を経た基板上の薄膜の厚さを計測する計測点を、前記基板に照射した光の反射光を検出して得た該反射光の分光データを用いて決定し、該決定した計測点ごとに単独の層構造からなる層構造領域と２つの層構造が混在する境界構造領域とを含む領域モデルを設定して前記層構造領域と前記境界構造領域とに重みを付けて該領域モデルからの反射光の波形を算出して該算出した波形の情報と前記基板の計測視野に光を照射して該照射による前記基板からの反射光を検出して得た該反射光の分光分布波形の情報とを用いてフィッティングにより求め、該求めた結果を用いて前記成膜工程、ＣＭＰ工程、露光工程またはエッチング工程のうちの少なくとも１つの工程のプロセス条件を制御することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
前記成膜工程において、前記基板上に光学的に透明な薄膜を形成することを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の半導体デバイスの製造方法。
前記領域モデルには、前記パターンからの反射光と前記パターンより下の層からの反射光とが混在する領域モデルを含むことを特徴とする、請求項３に記載の半導体デバイスの製造方法。
前記領域モデルに複数の層構造を設定し、それぞれの構造が隣接する部分を別の構造として設定する事を特徴とする、請求項３に記載の半導体デバイスの製造方法。
前記薄膜の厚さを計測する計測点を、前記反射光の分光データの極大値または極小値を示す位置およびその大きさの情報を用いて決定することを特徴とする請求項３に記載の半導体デバイスの製造方法。
前記薄膜の厚さを計測する計測点を、前記反射光の分光データを周波数解析し、該周波数解析した結果に基づいて決定することを特徴とする請求項３に記載の半導体デバイスの製造方法。
前記薄膜の厚さを計測する計測点を、前記反射光の分光データから計測対象構造の計測視野内における面積率を求め、該求めた面積率の情報を用いて決定することを特徴とする請求項３に記載の半導体デバイスの製造方法。