JP3919854B2 - 単一材料の校正目標を作成するための方法および器具を校正するための方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
この発明は、光学式表面走査器、機械式型彫機および走査型プローブ顕微鏡などの器具において表面粗さ、テクスチャ（texture ）およびヘイズ（haze）を決定するために用いられる校正基準を作成するための方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
半導体の製造において、出発材料としてのシリコン材料の質は最終的な電気デバイスの質に大きな影響を及ぼすことが多い。対象のシリコンウェーハの特徴は、「ヘイズ」と呼ばれることもある表面のミクロの粗さであり、これは表面走査器といったトポグラフィックインスペクションデバイス（topographic inspection device ）によって測定される。表面粗さは、ディスクおよび光学的コンポーネントの製造といった他の産業上の製造工程において重要であり、特に品質管理への要求が増すと重要である。トポグラフィックインスペクション器具はさまざまな空間帯域幅で機能するため、応答機能がさまざまに異なり、各器具が同じ表面に対して全く異なった値を記録するおそれがあるため、これらの器具を特徴付けることが困難であった。器具による空間波長の範囲とは一般に、１単位の距離に対するデータサンプリング速度を意味する。空間帯域幅はしばしば空間周波数に表現され、かつ一次格子方程式から計算される。
【０００３】
【数１】

【０００４】
ここでｆは空間周波数であり、θ_i は単色光ビームの入射角であり、θ_s は格子からの主な散乱角であり、かつλはビームの波長である。これに代わってＡＳＴＭは、物体の、フーリエ変換された表面プロファイル（profile ）の成分の周波数範囲によって空間周波数を定義することを提案している。校正目標が、いくつかのデバイス、特定的には走査器からの標準的な読取を得られるようにするために作成されている。このような目標は、パターン処理されていない研磨された新しいウェーハ表面にあるヘイズパターンを複製するために作成されている。
【０００５】
校正目標または基準の表面は、対象の区域にわたって極度に均一かつ等方性があり、たやすく再生され、かつ主なシリコンウェーハの表面を複製する、極度に低いレベルのヘイズの値を読取るために非常に小さな表面の基準マーク（feature ）を備えなければならない。このようなヘイズ基準は米国特許第５，１９８，８６９号の「ヘイズ校正のための基準ウェーハ」（“Reference Wafer for Haze Calibration”）においてシェイア（Scheer）によって説明された。しかしそこに記載されたデバイスは、主なシリコンウェーハに対して有用なレベルよりもはるかに高いレベルで読取るヘイズ基準を示す。記載された基準は非常に有用であるが、それは２つの材料からなり、そのうち１つは膜層であって、膜を通して生じる光路長の差および界面での位相のシフトからの付加的な影響をもたらすものである。これらの影響はともに照明波長によって変化するため、なくさなければならない。読取デバイスは米国特許第４，５９７，６６５号に記載され、テンコール・インスツルメンツ（Tencor Instruments）に譲渡された型の集光器であるが、他のビーム読取デバイスを用いることもできる。ピット、ステップ高さバー、ライン−スペース対および格子パターンを含むヘイズまたは粗さをシミュレートするためにさまざまな型の基準マークが用いられてきた。大抵の場合、これらの基準マークはシリコン基板上のフォトリソグラフィによって製造された。
【０００６】
対象となる別の用途のための校正目標は、磁気ディスクの表面テクスチャをシミュレートする。このような目標は、ディスク記録媒体の信頼性または機能性を下げる、スティックスリップ（stick-slip）と呼ばれるまたは最悪の場合にはブロッキングとなって現れる、主な機械上の影響に対処しなければならない。スティックスリップは、剛性記録ディスクの回転速度を不規則にする高い摩擦係数により生じる。システムは記録媒体からのデータの速度が一定であることを前提とするため、スティックスリップは常にデータの完全性を失うことをもたらすだろう。一方ブロッキングは、ディスク表面にヘッドを完全に付着させるおそれがある。ブロッキングに関連する最後の現象はスティクション（stiction）と呼ばれ、これは時々ブロッキングが起きる状態と説明することができる。これもまた早期の機械的摩耗の原因となるだろう。
【０００７】
これら３つの影響のすべては、記録ヘッドの表面または媒体表面が綺麗に研磨されすぎる場合に起こるおそれがある。これらの問題を避けるためには、規定された量の表面テクスチャが表面自体の上に与えられなければならない。これは先行技術において既に知られている。ヘッドが記録表面に対して、必要な近接度に置くことが所望されるため、この与えられた表面テクスチャの量は注意深く調整されなければならない。このテクスチャは校正目標でモデル化され、かつ表面トポグラフィックインスペクション器具によって観察されてもよい。
【０００８】
したがって、ヘッドとディスクの界面の摩擦的特性、特定的にはディスクコーティングの表面トポグラフィをモデル化する校正目標が必要である。
【０００９】
この発明の目的は、ステップ高さ分解能、すなわち原子間隔の下限において、十分に研磨されたウェーハまたはディスク表面のミクロの粗さを複製する校正目標を考案することであった。
【００１０】
【発明の概要】
以上の目的は、８Åから１００Åのオーダであり、好ましくは原子スケールが約１０Åである高さの基準マークを備える表面テクスチャを有する、単一材料のシリコン校正目標によって達成される。原子スケールの縦方向のステップ高さを有する基準マークはシリコンウェーハの酸化およびエッチングによって得られる。酸素原子はシリコンに移動し、基板のシリコン原子と結合して二酸化ケイ素を生じ、原子スケールの寸法を有するステップ高さの分離を可能にする。これはシリコンの酸化によってたやすく達成される。これは、周囲の雰囲気による再酸化プロセスは所与の温度において自己制限的であり、制限された深さまで進んだ後止まるためである。これらの原子スケールの基準マークは校正目標の、典型的には平坦な主要な表面におけるピット、バーまたは格子パターンなどのアレイとして構成される。米国特許第５，１９８，８６９号に記載されるようなランダムな配置を有するピットの場合、校正目標はヘイズ標準である。
【００１１】
基準マークは第１に、フォトレジストおよびフォトマスクを用いてピットまたはストリップなどの基準マークをパターン化することによって厚い酸化物層に形成されてもよい。基準マークの領域方向の形状および分布はトポグラフィック測定器具によって走査されるテスト材料の粗さを模倣するよう選択される。１つの実施例において、フォトレジストにあるフォトマスクパターンによって規定される区域は厚い酸化物層にエッチングされ、それによりエッチング区域に裸シリコンが露出する。次に、裸シリコンが酸素に富んだ環境にさらされると、薄い酸化物、たとえば天然酸化物の層がエッチング区域に形成される。このときシリコン表面は、先にパターン化されエッチングされた区域に原子寸法の浅いピットを含む。これらのピットの高さは、薄い酸化物が厚い酸化物の下の基板表面の中に延びる間隔にしかすぎない。擬似ランダム配置によって、１ｃｍ² につき１００万以上のピットを密集させることによって、ウェーハ表面のヘイズは、光学式走査器の縦方向の分解能の下限を校正するためにシミュレートされてもよい。
【００１２】
エッチングされたピットは米国特許第５，１９８，８６９号に教示されるような公知のｘ−ｙ座標に厳密に置かれてもよいため、ウェーハの表面に所与のレベルのＲＭＳ粗さを複製することができる。エッチング面積の合計を、エッチング深さと併せると、数学的に簡単に予測できる粗さのレベルが得られる。この単純な式の導出は、エッチング深さΔｚを、エッチングされたピット直径ｄ_p および走査面積Ａ_scanに単純に関係付ける。もしエッチングされたピットサイズが１つしかなければ、Ａ_scanは、ピットを囲む想像上の箱区域に等しい。ｎ個のピットサイズ、すなわち（ｄ_p ＝ｄ_p1，ｄ_p2，…，ｄ_pn）については、以下の式に従ってＡ_scanをｎ倍する。
【００１３】
【数２】

【００１４】
単一のサイズの円形ピットを用いるときには、ピットが検出される際にエアリーディスク（Airy disk ）回折として知られる現象が起こる。これにはＰＳＤ曲線において顕著な伏角を生み出す効果がある。ピット直径はＰＳＤ曲線におけるエアリーディスクの最小値に直接関係するため、単に一次格子方程式をエアリーディスク方程式に関係付けることによってピット直径を直接求めることができる。この有用性は、このピット面積（πｄ_p ² ／４）を先に導出された方程式の中に入れるとわかる。走査面積がわかっているため、非常に低いステップ高さΔｚの値を直接求めることができる。これは、原子間力顕微鏡上の非常に小さな縦方向の間隔の校正に大変有用である。
【００１５】
しかし、このアーティファクトをウェーハ走査システム上のヘイズの校正に用いるときには、この同じ現象が障害になるおそれがある。もし走査器の空間帯域幅の境界線がこれらの最小値のうち１つに一致するならば、ヘイズの決定にさらに不確定要素が加わる。しかしこれは、いくつかの方法のうちの１つによって直接対処できる。すなわちこれらの方法とは、１）ウェーハの表面上に２つのピット直径を置き、両者を交互にし、各々は各隣り合う「箱」に置き、ここで両直径は（エアリーディスク方程式に含まれるような）０次および１次ベッセル関数の乗数によって関連づけられ、その後それらの結果として生じる最小値および最大値は重複することとなり、したがってＰＳＤ曲線を滑らかにする、ということによる方法、２）所与のサイズの範囲内にあるランダムなサイズのピットを用いることにより、集合的な効果がＰＳＤ曲線をさらに滑らかにする方法、および最後に３）これらのランダムなピットサイズ、たとえば３つのピットサイズを密接に近接して「箱」にエッチングすることにより、各々は、その特定の箱にあるピット半径に等しい大きさを有するランダムなベクトルによって配置され、このベクトルの末尾は箱に置かれた初めのピットの中心に置かれ、最終的な形状は円形にならないので、いかなる回折パターンをなくすことによる方法、である。各「箱」は、米国特許第５，１９８，８６９号に記載されるようなウェーハの表面上にある想像上の部分または格子スクエアである。以上の技術を用いて、エッチング区域は原子スケールの縦方向のステップ高さを有し、原子間力顕微鏡、光学式型彫機および走査器などといった器具を特徴付けるのを可能にする。
【００１６】
【発明を実施するための最良モード】
図１を参照すると、シリコンウェーハ１０は複数の想像上の部分１２に分割されて示される。ウェーハは十分に研磨された半導体基板、すなわち研磨された裸ウェーハである。部分１２はウェーハの上で物理的に区分されているわけではなく、ウェーハの端縁まで広がらない。部分１２は、この発明の基準マークを含むようチェッカ盤パターンのような選択された部分が用いられ得ることを示すためのものである。これに代わって、表面全体が基準マークで覆われてもよく、この基準マークは十分に研磨されたウェーハ表面上のヘイズの影響を模倣するよう設計される。
【００１７】
図２において、米国特許第５，１９８，８６９号に示されるような擬似ランダム分布に配置された、ヘイズをシミュレートするための基準マークを備えた図１のウェーハ１０の画域１１の拡大図が示される。例示の目的で、基準マークの密度はかなり減らされている。ここに記載される基準マークと米国特許第５，１９８，８６９号に記載される基準マークとの違いは、この発明の基準マークが約１０Åのオーダであって、１ｃｍ² に付き百万個を超える基準マークの密度を有する原子スケールのステップ高さまたは深さを有することである。基準マークの配置は、入射光があるときに、パターンによって散乱する光によって形成される干渉縞がないようにするべきである。
【００１８】
図３から図８には単一の基準マークの形成を示すが、実際には、おそらく何百万個とあるウェーハ上の基準マークすべては同時に作成されることになる。図３は、熱成長した二酸化ケイ素の均一な層２１をシリコン基板上に有するシリコンウェーハ２０を示す。二酸化ケイ素層は５００Åから１０００Åの範囲の厚さを有する。「ＶＬＳＩ時代のシリコン処理」（Silicon Processing for the VLSI Era ）という本の第１巻ｐ．２００〜２１２にシリコンの熱酸化が説明される。この本はディールおよびグローブ（Deal and Grove）が説明した以下のことについて触れている。すなわち、シリコンの酸化は、分子状酸素といった酸化剤が、存在する酸素を通りシリコンと二酸化ケイ素との界面まで拡散し、そこで分子がシリコンと反応して二酸化ケイ素を形成することによって行なわれると述べられた。言い換えると、酸素は裸シリコン基板へと移動し、そこでシリコンと相互作用し、それにより酸化の起こった所でシリコンと二酸化ケイ素との界面レベルを下げる。これはこの発明の重要な局面である。
【００１９】
図４においてポジ型フォトレジストの薄い層２３が付与される。フォトレジストは所望の場所に、領域方向の広がりで、マスクによって基準マークの全体的な密度を有してパターン処理されてもよい。光を用いて、マスクを通してフォトレジスト層２３を露光すると、基準マークの潜像が光によってフォトレジストに形成される。言い換えると、露光されたフォトレジストの化学結合が破壊され、レジストの分子量および溶解度を変え、これにより潜像の現像が可能になり、エッチング区域にある露光されたフォトレジストを取除き、その下にある二酸化ケイ素層が現れる。ポジ型フォトレジストの場合、露光したフォトレジストの結合が破壊される。
【００２０】
図５において、レジスト層２３の取除かれた部分、すなわちレジストが露光された箇所はアパーチャ２５になる。酸化物エッチャントはシリコン基板２０の上表面２７まで二酸化ケイ素を取除くために用いられ、これは元のレベルよりも均一的に低い。
【００２１】
図６においてフォトレジストは酸化物層２１から取除かれる。アパーチャ領域２５は、単一のピット３１となって同様のピットとともにアレイを構成し、この発明の光散乱基準マークを含むトポグラフィック基準マークを形成するが、ここで空気にさらされることにより自己制限的再酸化過程を経る。酸化することのできる雰囲気の環境ならいかなるものが用いられてもよいが、空気は有効であり費用がかからない。室温での空気による酸化で、約１７Åの厚さを有する自然酸化物が生じる。自然酸化物層の約半分は基板界面のシリコンを食う。これは図７に示され、ここではピットの底部にある自然酸化物は二酸化ケイ素を支える元のレベル２７の下の、シリコン基板の中に延びる。自然酸化物層の形成は急速であるが、一般には短時間の後に自然に止まる。
【００２２】
次に、図８に示されるように酸化物すべてが取除かれる。このときピット３３の底部と、二酸化ケイ素を支えた元のベース２７との間に異なったステップ高さが存在することがわかる。
【００２３】
図３から図８において、暗視野マスクを用いてトポグラフィック基準マークの作成が示され、この結果光を反射するフィールド内にピットが生じた。これと逆の工程を用いることもでき、これはピットではなくステップ高さを有する基準マークを作成する。逆の工程は逆のマスクまたは反対の型のフォトレジストで達成できる。
【００２４】
図９において、均一な熱酸化物層４１を、光を反射する研磨されたシリコンウェーハ上に７００Åから１０００Åの範囲の厚さで成長させる。このような層はウェーハの表面上に十分な一貫性を有し、かつ均一な厚さを備えて半導体産業においてたやすく製造される。より薄い厚さのものを製造することもできるが、７００Åから１０００Åの範囲が好ましい。これは、製造が簡単であり、かつ測定器具によって厚さを確認するのが簡単なためである。
【００２５】
図１０において、フォトレジスト４３の層は熱酸化物層４１の上に置かれる。フォトレジストはマスクを通して露光され、このマスクは図４および図５に関して先に述べられた露光に用いられたマスクと光学的に相補の関係にある。
【００２６】
フォトレジストの露出部分を取除き、かつ酸化物をエッチングした後、図１１に示されるようにメサ（mesa）４５が残る。メサ４５は似たサイズの熱酸化物層４１の層の上にあるフォトレジスト４３の小さな層からなる。図１２において、フォトレジスト部分が取除かれて示される。
【００２７】
図１３において、空気がウェーハと接触することが可能になると、自然酸化物５１の非常に薄い層が、露出したシリコン上に成長し、初めのウェーハレベルより下のシリコンを食う。二酸化ケイ素の島４１は取除かれ、小さなメサまたは基準マーク５３を残し、これがまた空気にさらされ、均一の薄い天然酸化物層を有する。基準マーク５３は周囲のシリコン表面より上に約８Åから９Åに延びる。
【００２８】
レーザ走査器は約５０ミクロメータの空間分解能を有する。ここで述べられた基準マークをこの距離の約１０分の１の間隔をおいてまたは５ミクロン毎に間隔をおいて配置することが好ましい。１００μｍの典型的なビーム直径がレーザ走査器に用いられるならば、これはいかなる所与の時間にも約３００ピットが照らされることを意味する。したがって、走査器が個々の散乱する基準マークを検出することはできない。
【００２９】
テスト器具を校正する上で、等方性の校正目標のための１次パワースペクトル密度曲線が描かれる。図１５において、パワースペクトル密度（ＰＳＤ）の対数であって、検出された散乱光の振幅または基準マークから検出されたトポグラフィック振幅に関連する量であるものがｙ軸に描かれ、空間周波数１／Ｌであって、Ｌは空間波長であるものが（典型的には逆ミクロンにある）ｘ軸に沿って描かれる。空間波長Ｌは表面のピークと谷との間の距離の測定値である。所与の器具について、計算されたＲＭＳ粗さであるＲ_Q1は以下のように規定される。
【００３０】
【数３】

【００３１】
ｆ₁ およびｆ₂ はその器具の有効空間帯域幅の周波数の極限値であって、特定の測定器具については図１５の垂直線３１および３３によって示され、かつＰＳＤはパワースペクトル密度関数である。曲線下の影の付いた区域は計算された粗さの値Ｒ_Q1の二乗である。この値は、平均表面レベルからの変化量であるΔＺ_i に関して規定される。
【００３２】
異なった器具を使えば、その器具の空間帯域幅および応答機能に依存して、同じ校正目標に対してＲＭＳ粗さＲ_QM測定値は異なることになる。特定の校正標準のＲＭＳ粗さであって、対象の範囲内で値Ｒ_q を得るよう選ばれる特定のΔＺ_i の値を有するものは、ｆ₁ およびｆ₂ についての特定の組の値に対するＲ_Q1として知られる。特定の被テスト器具については、ｆ₁ およびｆ₂ は器具の特質からたやすくテストされ、または定められるだろう。校正目標をテストしている間に器具がｆ₁ とｆ₂ との間で十分に動作し、かつ測定されたＲ_QMが一般に式（３）を用いて計算された値Ｒ_Q1に対応するならば、器具は所与のミクロの粗さの値か、所与のヘイズレベルかのいずれかを検出するために適切に校正される。器具の感度を確定するために、異なった目標であって各々が異なったΔＺ_i を有するものが用いられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に従う校正目標の上面図である。
【図２】図１の校正目標の小さな部分の拡大図である。
【図３】この発明に従う単一の基準マークの形成の断面図を示す、校正目標の微小な部分の側面図である。
【図４】この発明に従う単一の基準マークの形成の断面図を示す、校正目標の微小な部分の側面図である。
【図５】この発明に従う単一の基準マークの形成の断面図を示す、校正目標の微小な部分の側面図である。
【図６】この発明に従う単一の基準マークの形成の断面図を示す、校正目標の微小な部分の側面図である。
【図７】この発明に従う単一の基準マークの形成の断面図を示す、校正目標の微小な部分の側面図である。
【図８】この発明に従う単一の基準マークの形成の断面図を示す、校正目標の微小な部分の側面図である。
【図９】代替的な形成方法の断面図を示す、校正目標の微小な部分の側面図である。
【図１０】代替的な形成方法の断面図を示す、校正目標の微小な部分の側面図である。
【図１１】代替的な形成方法の断面図を示す、校正目標の微小な部分の側面図である。
【図１２】代替的な形成方法の断面図を示す、校正目標の微小な部分の側面図である。
【図１３】代替的な形成方法の断面図を示す、校正目標の微小な部分の側面図である。
【図１４】代替的な形成方法の断面図を示す、校正目標の微小な部分の側面図である。
【図１５】図１に示された等方的な校正目標の１次パワースペクトル密度曲線を描くグラフ図である。
【符号の説明】
２０ 基板
２１ 第１の層
２３ 第２の層
２５ アパーチャ

Claims (12)

1. 原子スケールの高さ方向のトポグラフィック寸法を有する単一材料の校正目標を作成するための方法であって、前記方法は、そのような寸法を測定することのできる器具をテストするためのものであり、
   第１の材料からなる上表面を有する基板を設けるステップと、
   第２の材料の第１の層を、前記第２の材料と前記第１の材料との化合によって形成するステップと、
   均一のフィールドに互いに分けられた基準マークを備えた前記第２の材料をパターン化するステップとを含み、前記基準マークは領域方向の形状および光を散乱させるための分布を有し、
   さらに前記方法は前記均一のフィールドを保護しつつ前記第２の材料を通って前記第１の材料までエッチングすることによって前記基準マークを作成するステップを含み、前記基準マークは前記フィールドにあるアパーチャであり、さらに
   前記アパーチャに前記第２の材料の第２の層を形成するステップを含み、前記第２の層は原子スケール量だけ前記第１の層のレベルより下に延び、前記第２の層は前記第１の層よりも実質的に薄く、さらに
   前記第２材料すべてを前記基板から取除くステップを含む、単一材料の校正目標を作成するための方法。
2. 前記基準マークは規則的なパターンにある、請求項１に記載の方法。
3. 前記基準マークは擬似ランダムのパターンにある、請求項１に記載の方法。
4. 前記基準マークは異なったサイズを有する、請求項１に記載の方法。
5. 前記基準マークは前記ウェーハ表面上の想像上の箱に分布し、交互の箱の各々は、隣の箱とは異なったサイズの少なくとも１つの基準マークを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記基準マークのサイズはベッセル関数のオーダの乗数として関係する、請求項５に記載の方法。
7. 原子スケールの高さ方向のトポグラフィック寸法を測定するための器具を校正するための方法であって、
   校正標準であって、既知の粗さおよび前記既知の粗さに関連した既知のパワーベクトル
   密度関数を有するものを提供するステップと、
   測定された粗さを規定する、測定されたパワースペクトル密度関数の関数としての前記校正標準の粗さを前記器具によって測定するステップと、
   前記既知の粗さを前記測定された粗さと比較するステップとを含む、器具を校正するための方法。
8. 前記既知の粗さは既知の空間周波数範囲に関連し、この既知の空間周波数範囲は前記器具に対する有効な空間帯域幅に対応し、前記測定するステップは前記既知の範囲にわたって前記測定されたパワースペクトル密度関数を測定することを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記比較するステップは、前記測定された粗さに対応する１次パワースペクトル密度曲線を描くことを含む、請求項７に記載の方法。
10. 前記測定された粗さは、原子スケールの縦方向のトポグラフィック寸法ΔＺ_i の関数として規定される、請求項７に記載の方法。
11. 前記既知の粗さは前記既知の空間周波数範囲にわたって前記測定されたパワースペクトル密度関数を積分することによって計算される、請求項７に記載の方法。
12. 前記測定された粗さは、前記既知の空間周波数範囲にわたって前記測定されたパワースペクトル密度関数を積分することによって決定する、請求項７に記載の方法。

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