JP3908472B2 - 膜厚測定方法及び段差測定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハの多層配線等の上に形成された膜の膜厚を測定或いはその膜に形成された段差を測定する方法、更には測定装置に関する。また、これらの測定をコンピュータに行わせるためのプログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造プロセスにおいて、Ｓｉウェハ上には各種の薄膜が形成される。図１は、Ｓｉウェハ１０７上に酸化膜１０５，金属膜１０４，絶縁膜１０３の３層構造を形成した後に、これらの上に層間絶縁膜１０６を介して金属配線１０２を形成し、さらにその上に薄膜（測定対象膜）１０１を形成した例である。
【０００３】
従来、図１に示すような多層配線上の膜厚Ｗを測定するには、次のようにしている。まず、図９に示す手順（ステップＳ１からＳ４）で干渉分光強度比を計算する。
【０００４】
（ステップＳ１）
ベアシリコンでリファレンスウェハの測定を行う。具体的には、測定対象のＳｉウェハに白色光を照射し、Ｓｉウェハからの干渉光強度を波長毎に検出する。そして、検出した干渉光強度をコンピュータに横軸が波長、縦軸が分光強度の分光波形Ｉref（λ）として記録する。
【０００５】
（ステップＳ２）
バックグランドの測定を行う。具体的には、検出系のシャッターを閉じた状態で、光学系内部で生じる乱反射の分光反射光強度をバックグランドＩbg（λ）とし、ステップＳ１と同様に測定する。
【０００６】
（ステップＳ３）
膜厚測定対象ウェハの測定を行う。即ち、図１に示すような多層配線上に測定対象膜１０１としての酸化膜が成膜され、その酸化膜の膜厚測定したいというサンプルの反射分光強度Ｉspl（λ）をステップＳ１と同様にして測定する。
【０００７】
（ステップ４）
反射光強度比への換算を行う。具体的には、ステップＳ１〜Ｓ３で求めた分光反射光強度Ｉref（λ），Ｉbg（λ），Ｉsp（λ）を基に、各波長における反射分光強度比Ｒef（λ）を計算する。
【０００８】
次に、以下のステップＳ５によって測定対象膜１０１の膜厚（段差）を算出する。
【０００９】
（ステップ５）
ステップＳ４で記録した干渉分光強度比Ｒef（λ）の波形から測定値を算出する。即ち、所定の範囲の膜厚（段差）ｔ＝ｔ０〜ｔ１の範囲で理論上の分光波形を求め、ステップＳ１〜Ｓ３で測定された分光波形を理論上の分光波形と比較する。理論上の分光波形は、例えば下記の手順（１）〜（６）で算出する。
【００１０】
（１）各膜１０１〜１０６及びＳｉウェハ１０７の光学定数を事前に求めておく。これらの光学定数は、例えば文献値から調査する、又は単層膜のサンプルを別途作成し，そのサンプルの反射光強度比の分光波形を解析することにより求める。
【００１１】
（２）層間絶縁膜１０６と酸化膜１０５の混合層とし、１０６と１０５の光学定数をある比率で混合して新たなレイヤＸとし、その光学定数を算出する。例えば、混合比ｆ＝ｆx に対し、
レイヤｘの屈折率ｎx ＝ｆx ×ｎ106＋（１−ｆx ）×ｎ105
を求める。
【００１２】
（３）（２）と同様の手段で層間絶縁膜１０６と金属膜１０４についても新たなレイヤＹの屈折率ｎy とし、その光学定数を算出する。
（４）（２）と同様の手段で層間絶縁膜１０６と絶縁膜１０３についても新たなレイヤＺの屈折率ｎz とし、その光学定数を算出する。
（５）（２）と同様の手段で層間絶縁膜１０６と金属配線１０２についても新たなレイヤＷの屈折率ｎw とし、その光学定数を算出する。
【００１３】
（６）Ｓｉウェハ１０７で反射した光がレイヤＸ→レイヤＹ→レイヤＺ→層間絶縁膜１０６→レイヤＷ→測定対象膜１０１を通過するときの、理論上の分光波形を上記（２）から（５）で求めた各レイヤの屈折率ｎx,ｎy,ｎz,ｎw 及び膜厚ｔx,ｔy,ｔz,ｔw を入力パラメータとする多層膜の理論上の分光波形Ｉthe を求める。
【００１４】
このときの多層膜の理論波形はＩthe は、下記の（ａ）〜（ｄ）によって求められる。
【００１５】
（ａ）Ｓｉ基板の屈折率をｎsiとした場合、図１０における、基板面での反射光９０１であるｒsiは、
【００１６】
【数１】
【００１７】
で計算される。
【００１８】
（ｂ）（ａ）の反射光９０１であるｒsiが１０５及び１０６の混合膜Ｘ（膜厚ｔx 、屈折率ｎx ）の層を通過し、１０４，１０５の混合膜Ｙと混合膜Ｘの界面により生じるｒx と干渉することで、干渉光ｒが計算される。
【００１９】
【数２】
【００２０】
（ｃ）（ｂ）の干渉光ｒが１０４及び１０６の混合膜Ｙ（膜厚ｔy 、屈折率ｎy ）の層を通過し、１０３，１０６の混合膜Ｚと混合膜Ｙの界面により生じるｒy と干渉することで、干渉光ｒ’が（ｂ）と同様に計算される。
【００２１】
（ｄ）以後、測定対象膜１０１を通過するまで（ｂ）の計算を繰り返すことで、多層膜の理論波形Ｉthe が計算される。
【００２２】
上記（６）の分光波形Ithe は、（２）から（５）の混合比ｆx,ｆy,ｆz,ｆw を指定した範囲ｆx ＝０〜１，ｆy ＝０〜１，ｆz ＝０〜１，ｆw ＝０〜１と、膜厚の範囲ｔx ＝ｔx0〜ｔx1，ｔy ＝ｔy0〜ｔy1，ｔz ＝ｔz0〜ｔz1，ｔw ＝ｔw0〜ｔw1の全てについて求める。
【００２３】
これらの所定の範囲の屈折率及び膜厚に対する多層膜の理論波形Ｉthe（λ）と上記ステップＳ１〜Ｓ４で測定されたＲｅｆ（λ）を比較し、その差が最小となるところの測定対象膜厚ｔ及び各レイヤの混合比ｆx,ｆy,ｆz,ｆw 及び膜厚の範囲ｔx,ｔy,ｔz,ｔw を測定値として算出する。
【００２４】
以上説明した従来技術には、次のような問題点があげられる。即ち、パラメータ数が多いため、計算に莫大な時間を要する。具体的には、６つの膜厚値（ｔx,ｔy,ｔz,ｔw ）と４つの混合比（ｆx,ｆy,ｆz,ｆw ）で合計１０種のパラメータが必要である。また、配線のエッジ部分で生じる散乱光，配線の形状，密度などの不確定要因が多いため、高精度な測定ができない。例えば、散乱光は図１１に示すように、垂直に入射してきた光９１２が金属配線１０２のエッジ部分で散乱されディテクタに検出できない光９１１がある。
【００２５】
従って、半導体製造工程において図１に示される多層配構造の膜厚測定は現実的に不可能である。現状はテストピースウェハ（ベアシリコン上に成膜したサンプル）によって膜厚の条件出しと管理が行われている。しかし、このテストピースウェハによるコストの増大と生産性の低下が問題となっている。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、多層配線の上に形成された膜の膜厚や段差を測定するには、Ｓｉウェハをリファレンスとして光学系のハードウェアの分光特性のキャリブレーションを行うのが一般的であるが、この方法では、パラメータ数が多いため計算に莫大な時間を要する、配線のエッジ部分で生じる散乱光や配線の形状，密度など不確定要因が多いため高精度な測定ができない問題があった。
【００２７】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、膜厚や段差の測定のために必要なパラメータ数を少なくして計算に要する時間を短縮でき、配線のエッジ部分で生じる散乱光や配線の形状，密度などの不確定要因を排除して高精度な測定を行い得る膜厚及び段差の測定方法を提供することにある。
【００２８】
また、本発明の他の目的は、上記の膜厚測定方法を実施するための膜厚測定装置を提供することにある。本発明の更に他の目的は、上記の膜厚測定方法をコンピュータで実現するためのプログラムを提供することにある。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は次のような構成を採用している。
【００３０】
即ち本発明は、ウェハ上の測定対象膜の膜厚（又は段差）を測定するための膜厚（又は段差）測定方法において、測定対象となるウェハに白色光を照射し、該ウェハからの干渉光強度を波長毎に検出する第１の工程と、前記検出された波長毎の干渉光強度の値を横軸が波長、縦軸が干渉光強度の分光波形として求める第２の工程と、第１及び第２の工程と同様にして、前記ウェハの測定対象膜よりも下層と同一構造のサンプルをリファレンスとして干渉光強度の分光波形を求める工程と、前記求められたリファレンスとなるサンプルの干渉光強度の分光波形で、前記求められた測定対象となるウェハの干渉光強度の分光波形を正規化する工程と、前記正規化により得られた反射光強度比から前記測定対象膜の膜厚（又は段差）を求める工程と、を含むことを特徴とする。
【００３１】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。
(1) 測定対象となるウェハは、金属配線及び層間絶縁膜を有する多層金属配線上に測定対象膜が形成されていること。
(2) リファレンスとなるサンプルとして、測定対象となるウェハの層構造を形成するのと同一のプロセスで、金属配線，層間絶縁膜及びその下層構造が形成されたものを用いること。
(3) リファレンスとして用いたサンプルの構造の全てを基板と見なし、該基板に対する理論波形を計算すること。
(4) 基板と見なした多層配線部分の構造に対し、既知の物理的モデル或いは数学的近似により光学定数を求めること。
【００３２】
また本発明は、ウェハ上の測定対象膜の膜厚を測定するための膜厚測定装置において、測定対象膜を有する測定対象となるウェハに対し白色光源からの白色光を集束レンズにより収束して照射する手段と、前記白色光の照射により得られる前記ウェハからの干渉光強度を分光器を介して波長毎に検出する手段と、前記検出された波長毎の干渉光強度の値をコンピュータで横軸が波長、縦軸が干渉光強度の分光波形として記録する手段と、前記照射手段，検出手段及び記録手段を用いて、前記ウェハの測定対象となる層構造よりも下層と同一構造のサンプルをリファレンスとして干渉光強度の分光波形を記録する手段と、前記記録されたリファレンスとなるサンプルの干渉光強度の分光波形で、前記記録された測定対象となるウェハの干渉光強度の分光波形を正規化する手段と、前記正規化により得られた反射光強度比から測定対象膜の膜厚を演算する手段と、を具備してなることを特徴とする。
【００３３】
また本発明は、コンピュータを用いてウェハ上の測定対象膜の膜厚を測定するためのコンピュータ読み取り可能なプログラムであって、測定対象膜を有して測定対象となるウェハに白色光を照射し、該ウェハからの干渉光強度を波長毎に検出する第１の手順と、前記検出された波長毎の干渉光強度の値を横軸が波長、縦軸が干渉光強度の分光波形として記録する第２の手順と、第１及び第２の手順と同様にして、前記ウェハの測定対象膜よりも下層と同一構造のサンプルをリファレンスとして干渉光強度の分光波形を記録する第３の手順と、第３の手順により記録されたリファレンスとなるサンプルの干渉光強度の分光波形で、第１及び第２の手順により記録された測定対象となるウェハの干渉光強度の分光波形を正規化する第４の手順と、第４の手順により正規化して得られた反射光強度比から前記測定対象膜の膜厚を演算する第５の手順と、をコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００３４】
（作用）
半導体製造工程における光学式膜厚測定は、Ｓｉウェハをリファレンスとして光学系のハードウエアの分光特性のキャリブレーションをするのが一般的である。しかし、多層配線上の膜厚及び段差測定をする上では、Ｓｉウェハから上の配線構造を全てモデル化して高精度，高スループットで測定することは不可能に近い。
【００３５】
本発明では、リファレンスとするサンプルとして、測定対象膜より下の構造を持つウェハを用いることにより、膜厚測定のために必要なパラメータ数を少なくして計算に要する時間を短縮することができ、しかも配線のエッジ部分で生じる散乱光や配線の形状，密度など不確定要因を排除することもできる。これにより、多層配線構造の影響が少ない分光スペクトルが得られ、容易でかつ精度の良い膜厚測定が可能となる。この手法は同様に、多層配線上に形成された段差測定にも適用可能である。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００３７】
（第１の実施形態）
本実施形態は、多層配線基板上の膜厚測定を精度良く行う方法に関するものである。
【００３８】
図１は、本実施形態に適用するウェハ断面構造を示すものである。Ｓｉウェハ１０７上に、酸化膜１０５，金属膜１０４，絶縁膜１０３の３層構造が部分的に形成されている。この３層構造上及びＳｉウェハ１０７上には層間絶縁膜１０６が形成され、層間絶縁膜１０６の表面部に金属配線１０２が埋め込み形成されている。そして、これらの上に酸化膜等の測定対象膜１０１が形成されている。
【００３９】
なお、金属配線１０２はラインアンドスペースに配置されており、そのピッチは波長λに対して十分短く（λ／４以下）となっている。これは、測定光を通過しづらくして、金属配線１０２を含む層間絶縁膜１０６の表面を一つの基板面として扱うためである。
【００４０】
図２は、本実施形態に使用した膜厚測定装置の概略構成を示す図である。２０１は白色光を発光する白色光源、２０２は分光器、２０３はディテクタ、２０４はウェハ、２０５は集光レンズ、２０６はハーフミラー、２０７はシャッタ、２０８はコンピュータを示している。
【００４１】
光源２０１からの白色光は、ハーフミラー２０６を通過し集光レンズ２０５により集光されてウェハ２０４の表面に照射される。この光照射によるウェハ２０４からの反射光（干渉光）は、集光レンズ２０５及びハーフミラー２０６を介して分光器２０２に導かれる。そして、分光器２０２により分光された光がディテクタ２０３で検出される。これによりコンピュータ２０８では、検出された波長毎の干渉光強度の値を横軸が波長、縦軸が干渉光強度の分光波形として記録できるようになっている。
【００４２】
なお、コンピュータ２０８では、上記の処理に加え、測定対象となるウェハの干渉光強度の分光波形と共にリファレンスとなるサンプルの干渉光強度の分光波形を記録し、リファレンスサンプルの干渉光強度の分光波形で測定対象ウェハの干渉光強度の分光波形を正規化し、正規化により得られた反射光強度比から測定対象膜の膜厚を演算するようになっている。
【００４３】
図３は図１の酸化膜１０１が成膜される直前の断面構造であり、この構造を有するサンプルをリファレンスとする。
【００４４】
次に、本実施形態において、図１に示すような多層配線上の酸化膜の膜厚を測定する方法について説明する。まず、図４に示す手順（ステップＳ１からＳ４）で干渉分光強度比を計算する。
【００４５】
（ステップＳ１）
配線構造を持つリファレンスウェハの測定を行う。具体的には、従来技術で述べた通り、一般にはＳｉウェハをリファレンスとする。本実施形態では図１の測定対象膜１０１が成膜される直前の断面構造（図３に示される構造）のサンプルをリファレンスとする。このサンプルを図２の２０４の位置に静置し、以下の手順で理論波形Ｉref（λ）を求める。
【００４６】
(1-1) 光源２０１から白色光を測定対象のウェハ２０４、この場合はＳｉウェハに照明する。
(1-2) Ｓｉウェハ２０４からの干渉光強度を波長毎に検出する。
(1-3) ディテクタ２０３で検出した干渉光強度をコンピュータ２０８に横軸が波長、縦軸が分光強度の分光波形Ｉref（λ）として記録する。
【００４７】
（ステップＳ２）
バックグランドの測定を行う。具体的には、図２のシャッター２０７を閉じた状態で、光学系内部で生じる乱反射の分光反射光強度をバックグランドＩbg（λ）とし、ステップＳ１と同様に測定する。
【００４８】
（ステップＳ３）
図１の膜厚測定対象ウェハの測定を行う。図１は図３の上に酸化膜１０１が成膜され、この酸化膜１０１が測定対象となる膜である。このサンプルをステップＳ１と同様にして測定し、反射分光強度Ｉspl（λ）を求める。
【００４９】
（ステップＳ４）
反射光強度比への換算を行う。ステップＳ１〜Ｓ３で求めた分光反射光強度を下式に代入し、各波長における反射分光強度比Ｒef（λ）を算出する。
【００５０】
Ｒef(λ)
＝(Ispl(λ)-Ibg(λ))／(Ｉref(λ)-Ibg(λ))…(3)
次に、以下のステップＳ５により膜厚値の算出を行う。
【００５１】
（ステップＳ５）
ステップＳ１〜Ｓ４で求めた分光干渉波形Ｒef（λ）から下記の手順で測定値を算出する。
【００５２】
(5-1) 所定の範囲の膜厚（段差）ｔ＝ｔ０〜ｔ１の範囲の理論上の分光波形Ｓim（λ）を求める。
【００５３】
(5-2) ステップＳ４で測定された分光波形Ｒef（λ）と上記(5-1)のｔ＝ｔ０〜ｔ１の範囲の理論上の分光波形Ｓim（λ）を比較する。そして、最もその差が小さくなるところのｔ＝ｔを測定値として算出する。
【００５４】
理論上の分光波形Ｓim（λ）の計算方法は以下の通りである。
【００５５】
(5-2-1) 酸化膜１０１の光学定数を求める。光学定数を求める方法としては、（１）文献値から調査する、（２）単層膜のサンプルを別途作成し，そのサンプルの反射光強度比の分光波形を以下の手順で解析することにより求める。
【００５６】
ここで、
ａ）光学定数測定対象膜の屈折率は下式で与えられる。
【００５７】
【数３】
【００５８】
但し、ｑe：電子の電荷量、εo：真空の誘電率、ｍ：電子の質量はそれぞれ既知の定数である。定数以外のＮk：原子の密度、ωk：共鳴振動数、γk：振動の減衰定数、さらに膜厚ｔをパラメータとして最もその差が小さくなるところのｎを求める。
【００５９】
ｂ）又は、次の式
ｎ＝ｎi ＋（ｎ２／λ）2 ＋（ｎ４／λ）4 … (5)
のｎ１，ｎ３，ｎ４及び膜厚ｔをパラメータとして最もその差が小さくなるところのｎを求めることでも可能である。
【００６０】
(5-2-2) 図１に示される金属配線１０２と層間絶縁膜１０６及びＳｉウェハ１０７を含む構造全体を１つの基板と見なし、基板の光学定数を実測の反射分光強度比Ｒef（λ）を近似して求める。光学定数を求める方法は以下であり、光学定数と膜厚値の同時測定の方法でもある。
【００６１】
（１）光学定数測定対象膜の屈折率は前記(4) 式で与えられる。反射光ｒint は、基板の屈折率ｎと(5-2-1)で求められた酸化膜１０１の屈折率ｎoxから
【００６２】
【数４】
【００６３】
で計算される。
【００６４】
反射光ｒint は膜厚ｔ、屈折率ｎoxの層を通過し、酸化膜１０１の表面での反射光ｒsec と干渉することで、反射光ｒfin が計算される。
【００６５】
【数５】
【００６６】
上記のパラメータＮk：原子の密度、ωk：共鳴振動数、γk：振動の減衰定数、酸化膜１０１の膜厚ｔをパラメータとする。上記のパラメータの範囲の各値における理論波形Ｓim（λ）＝｜ｒfin｜2 と上記Ｒef（λ）で求めた測定波形を比較し、その差が最小となるパラメータの値を求め、基板部分の光学定数を最適化する。
【００６７】
（２）又は前記(5) 式のｎ１，ｎ２，ｎ４をパラメータとする。基板からの反射光ｒint は、基板の屈折率ｎと(5-2-1)で求められた酸化膜１０１の屈折率ｎoxから前記(6) 式で計算される。
【００６８】
反射光ｒint は膜厚ｔ、屈折率ｎoxの層を通過し、酸化膜１０１の表面での反射光ｒsec と干渉することで、前記(7) 式のように反射光ｒfin が計算される。
【００６９】
(5-3) 上記(5-2)で求めた光学定数を用いて、実測の分光波形Ｒef（λ）と上記(5-1)とｔ＝ｔ０〜ｔ１の範囲の理論上の分光波形Ｓim（λ）を比較する。そして、最もその差が小さくなるところのｔ＝ｔを測定値として算出する。これによって、多層配線層上に形成された酸化膜１０１の膜厚を測定することが可能となる。
【００７０】
本実施形態は、従来技術に対し以下の利点があり、従来技術の問題点を解決することができる。
【００７１】
まず、従来技術に対してパラメータの数を大幅に削減できる。図１においての構造では、従来技術ではパラメータ数が合計１０種であったのに対し、本実施形態では測定対象膜１０１の膜厚値１種のみである。
【００７２】
配線のエッジ部分で生じる散乱光、配線の形状、密度などの不確定要因をリファレンスとするウェハを配線構造のものを用いることでキャリブレーションできる。
【００７３】
▲１▼本実施形態では、図１において酸化膜厚が９５０ｎｍ、配線下膜厚が３００，５２０，７３０，９１０ｎｍの４種類のサンプルを用いて実施した。ステップＳ４で、図１と図３の層間絶縁膜の膜厚が一致するリファレンスサンプルを基板として反射分光強度比Ｒｅｆ（λ）を測定した結果が図５である。スペクトルが配線下の膜厚値に依存しないのが確認できる。
従って、本実施形態では最上層部の酸化膜１０１に関するパラメータだけで理論式のフィッティングをすればよいことになる。
【００７４】
▲２▼参考として従来技術に類したサンプルのリファレンスをベアシリコンを基板とした実測の分光スペクトルの例を図６に示す。
【００７５】
このスペクトルでは層間絶縁膜１０６の膜厚の影響があることが分かる。
【００７６】
仮に、これを理論的に取り扱おうとした場合、最も簡単なモデルである配線部分を混合層として取り扱う方法であっても、下記のものを含む１０種類ある。
【００７７】
１、Ｓｉウェハ１０７から金属配線１０２までの層間絶縁膜１０６の膜厚
２、金属配線１０２と層間絶縁膜１０６との混合比
３、金属配線１０２の厚さ
４、酸化膜１０１の膜厚
しかも断面構造の形状，密度など誤差要因が大きいことが予想される。
【００７８】
本実施形態では、リファレンスを配線から下の構造のウェハとすることで、理論波形のモデルを簡単にすることができ、配線のエッジ部分で生じる散乱光，配線の形状，密度など不確定要因があっても、高精度，高スループットの膜厚測定が可能となる。
【００７９】
（第２の実施形態）
この手法は最上層部が平坦な膜に限らず、図７のように段差構造を持つサンプルの段差測定にも適用可能である。リファレンスを図３のサンプルとし、図７に示される金属配線１０２と層間絶縁膜１０６を含む配線構造〜Ｓｉウェハ１０７までを１つの基板と見なし、この基板の光学定数を予め求めておく。
【００８０】
パターン寸法と同じか、それより短い波長の場合は、パターンの凹部と凸部の２種類の経路を通過する光が存在し、それら２種類の光の位相差により干渉光が生じるというモデルで段差を算出することができる。パターン寸法に対して長い波長を使った場合は、基板面で反射した光がパターンの凹凸を識別できず、光学定数が空気と酸化膜の中間である層を通過するモデルで段差を算出することができる。本実施形態はは長波長を使う後者の手法での実施例である。
【００８１】
図８がその結果であり、横軸に断面ＳＥＭ値、縦軸に本手法により計算した段差値をプロットした。断面ＳＥＭ測定値と±５％（図８の点線）の精度で一致しており、有効な段差測定方法といえる。
【００８２】
以上で説明した通りこの手法により、多層配線上の膜厚と段差測定が高精度，高スループットで可能となり、コスト増大と生産性低下の原因となるテストピースウェハ投入の必要がなくなる。
【００８３】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、多層配線上に形成された酸化膜の膜厚測定及び段差測定について説明したが、酸化膜に限らず各種の薄膜の測定に適用できる。さらに、下地は多層配線に限るものではなく、適宜変更可能である。また、測定装置の構成は図２に何ら限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。
【００８４】
また、実施形態において記載した手法は、コンピュータに実行させることのできるプログラムとして、例えば磁気ディスク（フロッピーディスク，ハードディスク等）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ，ＤＶＤ等）、半導体メモリなどの記録媒体に書き込んで各種装置に適用したり、通信媒体により伝送して各種装置に適用することも可能である。
【００８５】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００８６】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、半導体製造工程の多層配線上の膜の膜厚或いは段差を非破壊的に、しかも高精度、高スループットで測定するための技術である。この手法は製品ウェハの膜厚測定が可能であり、その測定値をデバイスの特性或いは歩留まりなどに直接フィードバックできる。また、テストピースウェハを別途に製造ラインに流す必要がないので、投入ウェハの削減となる。
【００８７】
従って、本発明を半導体製造工程に適用した場合、生産ラインの効率化と製造コスト削減に大きく寄与するといえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に適用するウェハ断面構造の一例を示す図。
【図２】同実施形態に使用した膜厚測定装置の概略構成を示す図。
【図３】同実施形態に用いたウェハ（リファレンス）の断面構造を示す図。
【図４】同実施形態における膜厚測定手順を示す図。
【図５】図１の構造を持つサンプルを本発明方法で測定した場合の分光干渉スペクトルを示す図。
【図６】図１の構造を持つサンプルを従来方法で測定した場合の分光干渉スペクトルを示す図。
【図７】第２の実施形態に適用するウェハ断面構造の一例を示す図。
【図８】第２の実施形態で段差測定した結果を示した図。
【図９】従来方法における膜厚測定手順を示す図。
【図１０】多層構造の各層での反射光を示した図。
【図１１】金属配線のエッジで生じる散乱光を模式的に示した図。
【符号の説明】
１０１…酸化膜（測定対象膜）
１０２…金属配線
１０３…絶縁膜
１０４…金属膜
１０５…酸化膜
１０６…層間絶縁膜
１０７…Ｓｉウェハ
２０１…白色光源
２０２…分光器
２０３…ディテクタ
２０４…ウェハ
２０５…集光レンズ
２０６…ハーフミラー
２０７…シャッタ
２０８…コンピュータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハの多層配線等の上に形成された膜の膜厚を測定或いはその膜に形成された段差を測定する方法、更には測定装置に関する。また、これらの測定をコンピュータに行わせるためのプログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造プロセスにおいて、Ｓｉウェハ上には各種の薄膜が形成される。図１は、Ｓｉウェハ１０７上に酸化膜１０５，金属膜１０４，絶縁膜１０３の３層構造を形成した後に、これらの上に層間絶縁膜１０６を介して金属配線１０２を形成し、さらにその上に薄膜（測定対象膜）１０１を形成した例である。
【０００３】
従来、図１に示すような多層配線上の膜厚Ｗを測定するには、次のようにしている。まず、図９に示す手順（ステップＳ１からＳ４）で干渉分光強度比を計算する。
【０００４】
（ステップＳ１）
ベアシリコンでリファレンスウェハの測定を行う。具体的には、測定対象のＳｉウェハに白色光を照射し、Ｓｉウェハからの干渉光強度を波長毎に検出する。そして、検出した干渉光強度をコンピュータに横軸が波長、縦軸が分光強度の分光波形Ｉref（λ）として記録する。
【０００５】
（ステップＳ２）
バックグランドの測定を行う。具体的には、検出系のシャッターを閉じた状態で、光学系内部で生じる乱反射の分光反射光強度をバックグランドＩbg（λ）とし、ステップＳ１と同様に測定する。
【０００６】
（ステップＳ３）
膜厚測定対象ウェハの測定を行う。即ち、図１に示すような多層配線上に測定対象膜１０１としての酸化膜が成膜され、その酸化膜の膜厚測定したいというサンプルの反射分光強度Ｉspl（λ）をステップＳ１と同様にして測定する。
【０００７】
（ステップ４）
反射光強度比への換算を行う。具体的には、ステップＳ１〜Ｓ３で求めた分光反射光強度Ｉref（λ），Ｉbg（λ），Ｉsp（λ）を基に、各波長における反射分光強度比Ｒef（λ）を計算する。
【０００８】
次に、以下のステップＳ５によって測定対象膜１０１の膜厚（段差）を算出する。
【０００９】
（ステップ５）
ステップＳ４で記録した干渉分光強度比Ｒef（λ）の波形から測定値を算出する。即ち、所定の範囲の膜厚（段差）ｔ＝ｔ０〜ｔ１の範囲で理論上の分光波形を求め、ステップＳ１〜Ｓ３で測定された分光波形を理論上の分光波形と比較する。理論上の分光波形は、例えば下記の手順（１）〜（６）で算出する。
【００１０】
（１）各膜１０１〜１０６及びＳｉウェハ１０７の光学定数を事前に求めておく。これらの光学定数は、例えば文献値から調査する、又は単層膜のサンプルを別途作成し，そのサンプルの反射光強度比の分光波形を解析することにより求める。
【００１１】
（２）層間絶縁膜１０６と酸化膜１０５の混合層とし、１０６と１０５の光学定数をある比率で混合して新たなレイヤＸとし、その光学定数を算出する。例えば、混合比ｆ＝ｆx に対し、
レイヤｘの屈折率ｎx ＝ｆx ×ｎ106＋（１−ｆx ）×ｎ105
を求める。
【００１２】
（３）（２）と同様の手段で層間絶縁膜１０６と金属膜１０４についても新たなレイヤＹの屈折率ｎy とし、その光学定数を算出する。
（４）（２）と同様の手段で層間絶縁膜１０６と絶縁膜１０３についても新たなレイヤＺの屈折率ｎz とし、その光学定数を算出する。
（５）（２）と同様の手段で層間絶縁膜１０６と金属配線１０２についても新たなレイヤＷの屈折率ｎw とし、その光学定数を算出する。
【００１３】
（６）Ｓｉウェハ１０７で反射した光がレイヤＸ→レイヤＹ→レイヤＺ→層間絶縁膜１０６→レイヤＷ→測定対象膜１０１を通過するときの、理論上の分光波形を上記（２）から（５）で求めた各レイヤの屈折率ｎx,ｎy,ｎz,ｎw 及び膜厚ｔx,ｔy,ｔz,ｔw を入力パラメータとする多層膜の理論上の分光波形Ｉthe を求める。
【００１４】
このときの多層膜の理論波形はＩthe は、下記の（ａ）〜（ｄ）によって求められる。
【００１５】
（ａ）Ｓｉ基板の屈折率をｎsiとした場合、図１０における、基板面での反射光９０１であるｒsiは、
【００１６】
【数１】
で計算される。
【００１８】
（ｂ）（ａ）の反射光９０１であるｒsiが１０５及び１０６の混合膜Ｘ（膜厚ｔx 、屈折率ｎx ）の層を通過し、１０４，１０５の混合膜Ｙと混合膜Ｘの界面により生じるｒx と干渉することで、干渉光ｒが計算される。
【００１９】
【数２】
（ｃ）（ｂ）の干渉光ｒが１０４及び１０６の混合膜Ｙ（膜厚ｔy 、屈折率ｎy ）の層を通過し、１０３，１０６の混合膜Ｚと混合膜Ｙの界面により生じるｒy と干渉することで、干渉光ｒ’が（ｂ）と同様に計算される。
【００２１】
（ｄ）以後、測定対象膜１０１を通過するまで（ｂ）の計算を繰り返すことで、多層膜の理論波形Ｉthe が計算される。
【００２２】
上記（６）の分光波形Ithe は、（２）から（５）の混合比ｆx,ｆy,ｆz,ｆw を指定した範囲ｆx ＝０〜１，ｆy ＝０〜１，ｆz ＝０〜１，ｆw ＝０〜１と、膜厚の範囲ｔx ＝ｔx0〜ｔx1，ｔy ＝ｔy0〜ｔy1，ｔz ＝ｔz0〜ｔz1，ｔw ＝ｔw0〜ｔw1の全てについて求める。
【００２３】
これらの所定の範囲の屈折率及び膜厚に対する多層膜の理論波形Ｉthe（λ）と上記ステップＳ１〜Ｓ４で測定されたＲｅｆ（λ）を比較し、その差が最小となるところの測定対象膜厚ｔ及び各レイヤの混合比ｆx,ｆy,ｆz,ｆw 及び膜厚の範囲ｔx,ｔy,ｔz,ｔw を測定値として算出する。
【００２４】
以上説明した従来技術には、次のような問題点があげられる。即ち、パラメータ数が多いため、計算に莫大な時間を要する。具体的には、６つの膜厚値（ｔx,ｔy,ｔz,ｔw ）と４つの混合比（ｆx,ｆy,ｆz,ｆw ）で合計１０種のパラメータが必要である。また、配線のエッジ部分で生じる散乱光，配線の形状，密度などの不確定要因が多いため、高精度な測定ができない。例えば、散乱光は図１１に示すように、垂直に入射してきた光９１２が金属配線１０２のエッジ部分で散乱されディテクタに検出できない光９１１がある。
【００２５】
従って、半導体製造工程において図１に示される多層配構造の膜厚測定は現実的に不可能である。現状はテストピースウェハ（ベアシリコン上に成膜したサンプル）によって膜厚の条件出しと管理が行われている。しかし、このテストピースウェハによるコストの増大と生産性の低下が問題となっている。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、多層配線の上に形成された膜の膜厚や段差を測定するには、Ｓｉウェハをリファレンスとして光学系のハードウェアの分光特性のキャリブレーションを行うのが一般的であるが、この方法では、パラメータ数が多いため計算に莫大な時間を要する、配線のエッジ部分で生じる散乱光や配線の形状，密度など不確定要因が多いため高精度な測定ができない問題があった。
【００２７】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、膜厚や段差の測定のために必要なパラメータ数を少なくして計算に要する時間を短縮でき、配線のエッジ部分で生じる散乱光や配線の形状，密度などの不確定要因を排除して高精度な測定を行い得る膜厚及び段差の測定方法を提供することにある。
【００２８】
また、本発明の他の目的は、上記の膜厚測定方法を実施するための膜厚測定装置を提供することにある。本発明の更に他の目的は、上記の膜厚測定方法をコンピュータで実現するためのプログラムを提供することにある。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は次のような構成を採用している。
【００３０】
即ち本発明は、ウェハ上の測定対象膜の膜厚（又は段差）を測定するための膜厚（又は段差）測定方法において、測定対象となるウェハに白色光を照射し、該ウェハからの干渉光強度を波長毎に検出する第１の工程と、前記検出された波長毎の干渉光強度の値を横軸が波長、縦軸が干渉光強度の分光波形として求める第２の工程と、第１及び第２の工程と同様にして、前記ウェハの測定対象膜よりも下層と同一構造のサンプルをリファレンスとして干渉光強度の分光波形を求める工程と、前記求められたリファレンスとなるサンプルの干渉光強度の分光波形で、前記求められた測定対象となるウェハの干渉光強度の分光波形を正規化する工程と、前記正規化により得られた反射光強度比から前記測定対象膜の膜厚（又は段差）を求める工程と、を含むことを特徴とする。
【００３１】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。
(1) 測定対象となるウェハは、金属配線及び層間絶縁膜を有する多層金属配線上に測定対象膜が形成されていること。
(2) リファレンスとなるサンプルとして、測定対象となるウェハの層構造を形成するのと同一のプロセスで、金属配線，層間絶縁膜及びその下層構造が形成されたものを用いること。
(3) リファレンスとして用いたサンプルの構造の全てを基板と見なし、該基板に対する理論波形を計算すること。
(4) 基板と見なした多層配線部分の構造に対し、既知の物理的モデル或いは数学的近似により光学定数を求めること。
【００３２】
また本発明は、ウェハ上の測定対象膜の膜厚を測定するための膜厚測定装置において、測定対象膜を有する測定対象となるウェハに対し白色光源からの白色光を集束レンズにより収束して照射する手段と、前記白色光の照射により得られる前記ウェハからの干渉光強度を分光器を介して波長毎に検出する手段と、前記検出された波長毎の干渉光強度の値をコンピュータで横軸が波長、縦軸が干渉光強度の分光波形として記録する手段と、前記照射手段，検出手段及び記録手段を用いて、前記ウェハの測定対象となる層構造よりも下層と同一構造のサンプルをリファレンスとして干渉光強度の分光波形を記録する手段と、前記記録されたリファレンスとなるサンプルの干渉光強度の分光波形で、前記記録された測定対象となるウェハの干渉光強度の分光波形を正規化する手段と、前記正規化により得られた反射光強度比から測定対象膜の膜厚を演算する手段と、を具備してなることを特徴とする。
【００３３】
また本発明は、コンピュータを用いてウェハ上の測定対象膜の膜厚を測定するためのコンピュータ読み取り可能なプログラムであって、測定対象膜を有して測定対象となるウェハに白色光を照射し、該ウェハからの干渉光強度を波長毎に検出する第１の手順と、前記検出された波長毎の干渉光強度の値を横軸が波長、縦軸が干渉光強度の分光波形として記録する第２の手順と、第１及び第２の手順と同様にして、前記ウェハの測定対象膜よりも下層と同一構造のサンプルをリファレンスとして干渉光強度の分光波形を記録する第３の手順と、第３の手順により記録されたリファレンスとなるサンプルの干渉光強度の分光波形で、第１及び第２の手順により記録された測定対象となるウェハの干渉光強度の分光波形を正規化する第４の手順と、第４の手順により正規化して得られた反射光強度比から前記測定対象膜の膜厚を演算する第５の手順と、をコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００３４】
（作用）
半導体製造工程における光学式膜厚測定は、Ｓｉウェハをリファレンスとして光学系のハードウエアの分光特性のキャリブレーションをするのが一般的である。しかし、多層配線上の膜厚及び段差測定をする上では、Ｓｉウェハから上の配線構造を全てモデル化して高精度，高スループットで測定することは不可能に近い。
【００３５】
本発明では、リファレンスとするサンプルとして、測定対象膜より下の構造を持つウェハを用いることにより、膜厚測定のために必要なパラメータ数を少なくして計算に要する時間を短縮することができ、しかも配線のエッジ部分で生じる散乱光や配線の形状，密度など不確定要因を排除することもできる。これにより、多層配線構造の影響が少ない分光スペクトルが得られ、容易でかつ精度の良い膜厚測定が可能となる。この手法は同様に、多層配線上に形成された段差測定にも適用可能である。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００３７】
（第１の実施形態）
本実施形態は、多層配線基板上の膜厚測定を精度良く行う方法に関するものである。
【００３８】
図１は、本実施形態に適用するウェハ断面構造を示すものである。Ｓｉウェハ１０７上に、酸化膜１０５，金属膜１０４，絶縁膜１０３の３層構造が部分的に形成されている。この３層構造上及びＳｉウェハ１０７上には層間絶縁膜１０６が形成され、層間絶縁膜１０６の表面部に金属配線１０２が埋め込み形成されている。そして、これらの上に酸化膜等の測定対象膜１０１が形成されている。
【００３９】
なお、金属配線１０２はラインアンドスペースに配置されており、そのピッチは波長λに対して十分短く（λ／４以下）となっている。これは、測定光を通過しづらくして、金属配線１０２を含む層間絶縁膜１０６の表面を一つの基板面として扱うためである。
【００４０】
図２は、本実施形態に使用した膜厚測定装置の概略構成を示す図である。２０１は白色光を発光する白色光源、２０２は分光器、２０３はディテクタ、２０４はウェハ、２０５は集光レンズ、２０６はハーフミラー、２０７はシャッタ、２０８はコンピュータを示している。
【００４１】
光源２０１からの白色光は、ハーフミラー２０６を通過し集光レンズ２０５により集光されてウェハ２０４の表面に照射される。この光照射によるウェハ２０４からの反射光（干渉光）は、集光レンズ２０５及びハーフミラー２０６を介して分光器２０２に導かれる。そして、分光器２０２により分光された光がディテクタ２０３で検出される。これによりコンピュータ２０８では、検出された波長毎の干渉光強度の値を横軸が波長、縦軸が干渉光強度の分光波形として記録できるようになっている。
【００４２】
なお、コンピュータ２０８では、上記の処理に加え、測定対象となるウェハの干渉光強度の分光波形と共にリファレンスとなるサンプルの干渉光強度の分光波形を記録し、リファレンスサンプルの干渉光強度の分光波形で測定対象ウェハの干渉光強度の分光波形を正規化し、正規化により得られた反射光強度比から測定対象膜の膜厚を演算するようになっている。
【００４３】
図３は図１の酸化膜１０１が成膜される直前の断面構造であり、この構造を有するサンプルをリファレンスとする。
【００４４】
次に、本実施形態において、図１に示すような多層配線上の酸化膜の膜厚を測定する方法について説明する。まず、図４に示す手順（ステップＳ１からＳ４）で干渉分光強度比を計算する。
【００４５】
（ステップＳ１）
配線構造を持つリファレンスウェハの測定を行う。具体的には、従来技術で述べた通り、一般にはＳｉウェハをリファレンスとする。本実施形態では図１の測定対象膜１０１が成膜される直前の断面構造（図３に示される構造）のサンプルをリファレンスとする。このサンプルを図２の２０４の位置に静置し、以下の手順で理論波形Ｉref（λ）を求める。
【００４６】
(1-1) 光源２０１から白色光を測定対象のウェハ２０４、この場合はＳｉウェハに照明する。
(1-2) Ｓｉウェハ２０４からの干渉光強度を波長毎に検出する。
(1-3) ディテクタ２０３で検出した干渉光強度をコンピュータ２０８に横軸が波長、縦軸が分光強度の分光波形Ｉref（λ）として記録する。
【００４７】
（ステップＳ２）
バックグランドの測定を行う。具体的には、図２のシャッター２０７を閉じた状態で、光学系内部で生じる乱反射の分光反射光強度をバックグランドＩbg（λ）とし、ステップＳ１と同様に測定する。
【００４８】
（ステップＳ３）
図１の膜厚測定対象ウェハの測定を行う。図１は図３の上に酸化膜１０１が成膜され、この酸化膜１０１が測定対象となる膜である。このサンプルをステップＳ１と同様にして測定し、反射分光強度Ｉspl（λ）を求める。
【００４９】
（ステップＳ４）
反射光強度比への換算を行う。ステップＳ１〜Ｓ３で求めた分光反射光強度を下式に代入し、各波長における反射分光強度比Ｒef（λ）を算出する。
【００５０】
Ｒef(λ)
＝(Ispl(λ)-Ibg(λ))／(Ｉref(λ)-Ibg(λ))…(3)
次に、以下のステップＳ５により膜厚値の算出を行う。
【００５１】
（ステップＳ５）
ステップＳ１〜Ｓ４で求めた分光干渉波形Ｒef（λ）から下記の手順で測定値を算出する。
【００５２】
(5-1) 所定の範囲の膜厚（段差）ｔ＝ｔ０〜ｔ１の範囲の理論上の分光波形Ｓim（λ）を求める。
【００５３】
(5-2) ステップＳ４で測定された分光波形Ｒef（λ）と上記(5-1)のｔ＝ｔ０〜ｔ１の範囲の理論上の分光波形Ｓim（λ）を比較する。そして、最もその差が小さくなるところのｔ＝ｔを測定値として算出する。
【００５４】
理論上の分光波形Ｓim（λ）の計算方法は以下の通りである。
【００５５】
(5-2-1) 酸化膜１０１の光学定数を求める。光学定数を求める方法としては、（１）文献値から調査する、（２）単層膜のサンプルを別途作成し，そのサンプルの反射光強度比の分光波形を以下の手順で解析することにより求める。
【００５６】
ここで、
ａ）光学定数測定対象膜の屈折率は下式で与えられる。
【００５７】
【数３】
但し、ｑe：電子の電荷量、εo：真空の誘電率、ｍ：電子の質量はそれぞれ既知の定数である。定数以外のＮk：原子の密度、ωk：共鳴振動数、γk：振動の減衰定数、さらに膜厚ｔをパラメータとして最もその差が小さくなるところのｎを求める。
【００５９】
ｂ）又は、次の式
ｎ＝ｎi ＋（ｎ２／λ）2 ＋（ｎ４／λ）4 … (5)
のｎ１，ｎ３，ｎ４及び膜厚ｔをパラメータとして最もその差が小さくなるところのｎを求めることでも可能である。
【００６０】
(5-2-2) 図１に示される金属配線１０２と層間絶縁膜１０６及びＳｉウェハ１０７を含む構造全体を１つの基板と見なし、基板の光学定数を実測の反射分光強度比Ｒef（λ）を近似して求める。光学定数を求める方法は以下であり、光学定数と膜厚値の同時測定の方法でもある。
【００６１】
（１）光学定数測定対象膜の屈折率は前記(4) 式で与えられる。反射光ｒint は、基板の屈折率ｎと(5-2-1)で求められた酸化膜１０１の屈折率ｎoxから
【００６２】
【数４】
で計算される。
【００６４】
反射光ｒint は膜厚ｔ、屈折率ｎoxの層を通過し、酸化膜１０１の表面での反射光ｒsec と干渉することで、反射光ｒfin が計算される。
【００６５】
【数５】
上記のパラメータＮk：原子の密度、ωk：共鳴振動数、γk：振動の減衰定数、酸化膜１０１の膜厚ｔをパラメータとする。上記のパラメータの範囲の各値における理論波形Ｓim（λ）＝｜ｒfin｜2 と上記Ｒef（λ）で求めた測定波形を比較し、その差が最小となるパラメータの値を求め、基板部分の光学定数を最適化する。
【００６７】
（２）又は前記(5) 式のｎ１，ｎ２，ｎ４をパラメータとする。基板からの反射光ｒint は、基板の屈折率ｎと(5-2-1)で求められた酸化膜１０１の屈折率ｎoxから前記(6) 式で計算される。
【００６８】
反射光ｒint は膜厚ｔ、屈折率ｎoxの層を通過し、酸化膜１０１の表面での反射光ｒsec と干渉することで、前記(7) 式のように反射光ｒfin が計算される。
【００６９】
(5-3) 上記(5-2)で求めた光学定数を用いて、実測の分光波形Ｒef（λ）と上記(5-1)とｔ＝ｔ０〜ｔ１の範囲の理論上の分光波形Ｓim（λ）を比較する。そして、最もその差が小さくなるところのｔ＝ｔを測定値として算出する。これによって、多層配線層上に形成された酸化膜１０１の膜厚を測定することが可能となる。
【００７０】
本実施形態は、従来技術に対し以下の利点があり、従来技術の問題点を解決することができる。
【００７１】
まず、従来技術に対してパラメータの数を大幅に削減できる。図１においての構造では、従来技術ではパラメータ数が合計１０種であったのに対し、本実施形態では測定対象膜１０１の膜厚値１種のみである。
【００７２】
配線のエッジ部分で生じる散乱光、配線の形状、密度などの不確定要因をリファレンスとするウェハを配線構造のものを用いることでキャリブレーションできる。
【００７３】
▲１▼本実施形態では、図１において酸化膜厚が９５０ｎｍ、配線下膜厚が３００，５２０，７３０，９１０ｎｍの４種類のサンプルを用いて実施した。ステップＳ４で、図１と図３の層間絶縁膜の膜厚が一致するリファレンスサンプルを基板として反射分光強度比Ｒｅｆ（λ）を測定した結果が図５である。スペクトルが配線下の膜厚値に依存しないのが確認できる。
従って、本実施形態では最上層部の酸化膜１０１に関するパラメータだけで理論式のフィッティングをすればよいことになる。
【００７４】
▲２▼参考として従来技術に類したサンプルのリファレンスをベアシリコンを基板とした実測の分光スペクトルの例を図６に示す。
【００７５】
このスペクトルでは層間絶縁膜１０６の膜厚の影響があることが分かる。
【００７６】
仮に、これを理論的に取り扱おうとした場合、最も簡単なモデルである配線部分を混合層として取り扱う方法であっても、下記のものを含む１０種類ある。
【００７７】
１、Ｓｉウェハ１０７から金属配線１０２までの層間絶縁膜１０６の膜厚
２、金属配線１０２と層間絶縁膜１０６との混合比
３、金属配線１０２の厚さ
４、酸化膜１０１の膜厚
しかも断面構造の形状，密度など誤差要因が大きいことが予想される。
【００７８】
本実施形態では、リファレンスを配線から下の構造のウェハとすることで、理論波形のモデルを簡単にすることができ、配線のエッジ部分で生じる散乱光，配線の形状，密度など不確定要因があっても、高精度，高スループットの膜厚測定が可能となる。
【００７９】
（第２の実施形態）
この手法は最上層部が平坦な膜に限らず、図７のように段差構造を持つサンプルの段差測定にも適用可能である。リファレンスを図３のサンプルとし、図７に示される金属配線１０２と層間絶縁膜１０６を含む配線構造〜Ｓｉウェハ１０７までを１つの基板と見なし、この基板の光学定数を予め求めておく。
【００８０】
パターン寸法と同じか、それより短い波長の場合は、パターンの凹部と凸部の２種類の経路を通過する光が存在し、それら２種類の光の位相差により干渉光が生じるというモデルで段差を算出することができる。パターン寸法に対して長い波長を使った場合は、基板面で反射した光がパターンの凹凸を識別できず、光学定数が空気と酸化膜の中間である層を通過するモデルで段差を算出することができる。本実施形態はは長波長を使う後者の手法での実施例である。
【００８１】
図８がその結果であり、横軸に断面ＳＥＭ値、縦軸に本手法により計算した段差値をプロットした。断面ＳＥＭ測定値と±５％（図８の点線）の精度で一致しており、有効な段差測定方法といえる。
【００８２】
以上で説明した通りこの手法により、多層配線上の膜厚と段差測定が高精度，高スループットで可能となり、コスト増大と生産性低下の原因となるテストピースウェハ投入の必要がなくなる。
【００８３】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、多層配線上に形成された酸化膜の膜厚測定及び段差測定について説明したが、酸化膜に限らず各種の薄膜の測定に適用できる。さらに、下地は多層配線に限るものではなく、適宜変更可能である。また、測定装置の構成は図２に何ら限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。
【００８４】
また、実施形態において記載した手法は、コンピュータに実行させることのできるプログラムとして、例えば磁気ディスク（フロッピーディスク，ハードディスク等）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ，ＤＶＤ等）、半導体メモリなどの記録媒体に書き込んで各種装置に適用したり、通信媒体により伝送して各種装置に適用することも可能である。
【００８５】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００８６】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、半導体製造工程の多層配線上の膜の膜厚或いは段差を非破壊的に、しかも高精度、高スループットで測定するための技術である。この手法は製品ウェハの膜厚測定が可能であり、その測定値をデバイスの特性或いは歩留まりなどに直接フィードバックできる。また、テストピースウェハを別途に製造ラインに流す必要がないので、投入ウェハの削減となる。
【００８７】
従って、本発明を半導体製造工程に適用した場合、生産ラインの効率化と製造コスト削減に大きく寄与するといえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に適用するウェハ断面構造の一例を示す図。
【図２】同実施形態に使用した膜厚測定装置の概略構成を示す図。
【図３】同実施形態に用いたウェハ（リファレンス）の断面構造を示す図。
【図４】同実施形態における膜厚測定手順を示す図。
【図５】図１の構造を持つサンプルを本発明方法で測定した場合の分光干渉スペクトルを示す図。
【図６】図１の構造を持つサンプルを従来方法で測定した場合の分光干渉スペクトルを示す図。
【図７】第２の実施形態に適用するウェハ断面構造の一例を示す図。
【図８】第２の実施形態で段差測定した結果を示した図。
【図９】従来方法における膜厚測定手順を示す図。
【図１０】多層構造の各層での反射光を示した図。
【図１１】金属配線のエッジで生じる散乱光を模式的に示した図。
【符号の説明】
１０１…酸化膜（測定対象膜）
１０２…金属配線
１０３…絶縁膜
１０４…金属膜
１０５…酸化膜
１０６…層間絶縁膜
１０７…Ｓｉウェハ
２０１…白色光源
２０２…分光器
２０３…ディテクタ
２０４…ウェハ
２０５…集光レンズ
２０６…ハーフミラー
２０７…シャッタ
２０８…コンピュータ
Claims (8)
- 測定対象膜を有して測定対象となるウェハに白色光を照射し、該ウェハからの干渉光強度を波長毎に検出する第１の工程と、
前記検出された波長毎の干渉光強度の値を横軸が波長、縦軸が干渉光強度の分光波形として求める第２の工程と、
第１及び第２の工程と同様にして、前記ウェハの測定対象膜よりも下層と同一構造のサンプルをリファレンスとして干渉光強度の分光波形を求める工程と、
前記求められたリファレンスとなるサンプルの干渉光強度の分光波形で、前記求められた測定対象となるウェハの干渉光強度の分光波形を正規化する工程と、
前記正規化により得られた反射光強度比から前記測定対象膜の膜厚を求める工程と、
を含むことを特徴とする膜厚測定方法。 - 前記測定対象となるウェハは、金属配線及び層間絶縁膜を有する多層金属配線上に前記測定対象膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載の膜厚測定方法。
- 前記リファレンスとなるサンプルとして、前記測定対象となるウェハの層構造を形成するのと同一のプロセスで、金属配線，層間絶縁膜及びその下層構造が形成されたものを用いることを特徴とする請求項２記載の膜厚測定方法。
- 前記リファレンスとして用いたサンプルの構造の全てを基板と見なし、該基板に対する理論波形を計算することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の膜厚測定方法。
- 前記基板と見なした構造に対し、既知の物理的モデル或いは数学的近似により光学定数を求めることを特徴とする請求項４記載の膜厚測定方法。
- 表面に凹凸を有する測定対象膜を有して測定対象となるウェハに白色光を照射し、該ウェハからの干渉光強度を波長毎に検出する第１の工程と、
前記検出された波長毎の干渉光強度の値を横軸が波長、縦軸が干渉光強度の分光波形として求める第２の工程と、
第１及び第２の工程と同様にして、前記ウェハの測定対象膜よりも下層と同一構造のサンプルをリファレンスとして干渉光強度の分光波形を求める工程と、
前記求められたリファレンスとなるサンプルの干渉光強度の分光波形で、前記求められた測定対象となるウェハの干渉光強度の分光波形を正規化する工程と、
前記正規化により得られた反射光強度比から前記測定対象膜の段差を求める工程と、
を含むことを特徴とする段差測定方法。 - 測定対象膜を有する測定対象となるウェハに対し白色光源からの白色光を集束レンズにより収束して照射する手段と、
前記白色光の照射により得られる前記ウェハからの干渉光強度を分光器を介して波長毎に検出する手段と、
前記検出された波長毎の干渉光強度の値をコンピュータで横軸が波長、縦軸が干渉光強度の分光波形として記録する手段と、
前記照射手段，検出手段及び記録手段を用いて、前記ウェハの測定対象となる層構造よりも下層と同一構造のサンプルをリファレンスとして干渉光強度の分光波形を記録する手段と、
前記記録されたリファレンスとなるサンプルの干渉光強度の分光波形で、前記記録された測定対象となるウェハの干渉光強度の分光波形を正規化する手段と、
前記正規化により得られた反射光強度比から測定対象膜の膜厚を演算する手段と、
を具備してなることを特徴とする膜厚測定装置。 - コンピュータを用いてウェハ上の測定対象膜の膜厚を測定するためのコンピュータ読み取り可能なプログラムであって、
コンピュータに、
測定対象膜を有して測定対象となるウェハに白色光を照射し、該ウェハからの干渉光強度を波長毎に検出する第１の手順と、
前記検出された波長毎の干渉光強度の値を横軸が波長、縦軸が干渉光強度の分光波形として記録する第２の手順と、
第１及び第２の手順と同様にして、前記ウェハの測定対象膜よりも下層と同一構造のサンプルをリファレンスとして干渉光強度の分光波形を記録する第３の手順と、
第３の手順により記録されたリファレンスとなるサンプルの干渉光強度の分光波形で、第１及び第２の手順により記録された測定対象となるウェハの干渉光強度の分光波形を正規化する第４の手順と、
第４の手順により正規化して得られた反射光強度比から前記測定対象膜の膜厚を演算する第５の手順と、
を実行させることを特徴とするプログラム。
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