JP4070609B2

JP4070609B2 - 非対称な縦断面形状を持つ凸部の測定方法

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Publication number: JP4070609B2
Application number: JP2002575576A
Authority: JP
Inventors: シングバンウォー; ケイ．テンプルトンマイケル; ランガラジャンバラス; サブラマニアンランクマー
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: Advanced Micro Devices Inc
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-11-13
Publication date: 2008-04-02
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Description

本発明は、広義には半導体デバイスの製造に関し、特に、凸部の縦断面形状の対称性を把握し、その情報を利用して対称な縦断面形状パターンの形成を行えるようにする方法およびシステムに関する。

半導体業界ではデバイスの集積密度を高めようとする継続的な流れがある。デバイスの集積密度を高めるために半導体ウエハ上のデバイスの寸法を（たとえばサブミクロンレベルで）縮小しようとする努力がなされてきており、なお依然としてなされている。このようなデバイスの高集積化を実現するには、半導体表面に形成される凹凸を小さくしていくことが必要になる。これには、例えば、配線の幅と間隔、コンタクトホールの間隔と直径、さまざまな凸部の角やエッジなどの形状が含まれる。

隣接する凸部同士の間隔が狭い小さな凸部を実現するには、解像度の高いフォトリソグラフィプロセスが必要となる。通常、フォトリソグラフィではマスクからウエハへといった具合に、ひとつの媒体から他の媒体にパターンまたは画像を転写する作業を伴う。特に、マスクを使用してウエハの一部分で作業しながら他の部分を保護することが可能である。たとえば、フォトレジスト層をウエハ上に形成し、マスクと位置合わせする。次に、紫外線などの光をマスクを介して投射することで、マスクパターンを用いてフォトレジスト層を露光させる。さらにこのウエハを現像して露光後のフォトレジストを除去し、次いでウエハを焼成して残りのフォトレジスト層を硬化させる。次に、硬化したフォトレジスト層で覆われていない部分をエッチングで取り除き、ウエハを検査してマスクから最上層へのパターンまたは画像の転写が正しくなされていることを確認する。すべてのアクティブデバイスおよび凹凸が形成されるまで、このプロセスを数回繰り返す。

エッチング、成膜、または化学機械研磨を行うときなどの半導体の製造プロセスを実行している間に、凹凸の凸部の縦断面形状が不均一になってしまうことがある。たとえば、ゲートなどのポリシリコンでできた凸部をエッチングで除去したとき、凸部の片方の側面が基板に対して約９０°の角度をなす一方、凸部の反対側の側面はその反対側の側面よりも大きいまたは小さい角度をなすような形となり、縦断面形状が非対称となることがある。このように凸部の縦断面形状が非対称になると、特に極小デバイスでは、表面の凹凸が小さくなったり、不格好になったりすることで、性能上の問題や品質低下が生じかねない。必然的に、デバイスの抵抗値または導電性が悪くなったり、あるいは他のタイプのパラメータについての基準および／または他のタイプの機能についての基準が満たされなくなることがあり、この非対称な凸部の縦断面形状がゆえに規格外のものとなってしまうことがあるのである。

したがって、半導体デバイスの製造ラインでは、半導体デバイスを完成させる前に、ウエハ上に形成された凸部などの構造の縦断面形状をこの構造と接触したり構造を破壊したりせずに手ばやく調べる技術が求められる。また、半導体製造時の製造プロセスにおけるパラメータを最適化し、非対称な凸部の縦断面形状をより一層正確に制御し、検出する技術も必要である。

発明の開示
本発明のいくつかの態様について基本的な理解を得るため、本発明の内容を簡単にまとめた要点を以下にあげておく。この要点は、本発明についてのあらゆる応用についての概要ではない。本発明の鍵になる要素または重要な要素を特定するためのものでもなければ、本発明の範囲に線引きをするためのものでもない。その唯一の目的は、以下に述べる一層詳細な説明の前置きとして本発明の概念をいくつか簡単な形で提示することである。

ウエハ上に形成された凸部の構造的プロファイルは、半導体デバイスの導電性および全体としての性能に影響し得るものである。非対称に形成された凸部があると、半導体デバイスの性能が低下することがある。よって、凸部の縦断面形状についての情報を取得し、製造プロセスの品質と精度とを判断して非対称な凸部の縦断面形状の発生を防止する必要がある。

本発明は、半導体製造のプロセスによりウエハ上に形成された凸部の縦断面形状の非対称性を非破壊的かつ効率よく、正確に検出するための方法およびシステムを対象とするものである。このシステムは、光源と、パターンが形成されたウエハサンプル用のステージと、検出器と、メモリとこれに関連するプロセッサとを含むプロセッサシステムと、表示装置とを含む。本発明のもうひとつの態様によれば、このシステムは、半導体製造ラインの現場に配置され、このシステムの後に続くラインで凸部の作製を最適化するための制御を実現するために、すみやかに凸部の縦断面形状を検出するようにして用いられる。

本発明の方法は、ある凸部の第１の側面に光または放射線のビームを照射することを含む。この凸部の第１の側面についての反射光線を検出器で捕捉し、測定する。光源または凸部は、元の位置から相手に対して回転（例えば、約１８０°）できるようになっており、その状態で光のビームが凸部の第２の側面に照射される。この凸部の第２の側面についての反射光線をもう一度検出器で捕捉し、測定し、二組の測定値（第１の側面および第２の側面から得た測定値）を、あらかじめ定められた相関閾値を使ってプロセッサシステムで関連付ける。関連付けが行われたら、凸部の縦断面形状の対称性または非対称性を割り出す。

特に、本発明は、凸部の縦断面形状の非対称性を検出する方法について説明するものであって、少なくとも１つの凸部（グレーティングなど）が表面にある、パターンが形成されたウエハをキャラクタリゼーションチャンバ（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｃｈａｍｂｅｒ）に配置することを含む。次に、放射線の入射光線を凸部の第１の側面に照射し、凸部の第１の側面についての第１の反射光線を検出する。続いて放射線の入射光線を凸部の第２の側面に照射し、凸部の第２の側面についての第２の反射光線を検出する。凸部の第１の側面および第２の側面から集めたデータを利用して、凸部の縦断面形状のパターンを割り出す。割り出した縦断面形状のパターンを解析することで、凸部の非対称性のタイプと度合いとを確認し、このような非対称性を明らかにして調整するためのフィードバック制御データまたはフィードフォワード制御データの生成に利用する。

この方法のもうひとつの態様は、偏光とされた入射光線を凸部の第１の側面に照射し、反射光線を検出して、反射前後の偏光状態の変化を判断することを含む。この偏光の変化を用いて反射面（凸部の縦断面形状など）についてのる特性を確認する。続いて光源またはステージをその元位置からたとえば約１８０°回転させて光のビームが凸部の第２の側面に照射されるようにし、もう一度測定を行う。

本発明のもうひとつの態様では、広帯域の波長範囲の入射光をウエハ表面に対して略法線方向で該当する凸部に照射することができる。この状態で、反射光の強度を波長の関数として検出する。この反射光のデータを、既知のさまざまな凸部の縦断面形状についての膨大な反射シグネチャ（signature：特徴、以下同じ。）を含む反射プロファイルのデータベースと比較する。比較の結果、該当する凸部の縦断面形状とこれについての非対称性を特定する。さらに、このように特定した内容を使ってフィードバックプロセス制御データまたはフィードフォワードプロセス制御データを生成し、以後の処理で上記のような非対称性を補償または補正する。

本発明のさらに別の態様によれば、スキャトロメトリー（scatterometory）を用いてグレーティングなどの被験構造の非対称性を確認する。入射する光のスペクトルを被験構造で反射させ、反射光の強度および位相プロファイルを波長の関数として検出器で収集する。次に、縦断面形状についてのデータを、既知の凸部の縦断面形状についての強度および位相シグネチャのデータベースと比較し、被験構造の縦断面形状を特定する。このプロセスを被験構造の反対側についても繰り返し、被験構造であり凸部の対称性を確認する。さらに、非対称性の割り出し内容を利用してフィードバック制御データまたはフィードフォワード制御データを生成し、非対称性を補償またはプロセスを修正し、それ以後に凸部の形状に非対称性が生じるのを防止する。

本発明は、以下において十分に説明する凸部および特許請求の範囲において特に明記してある凸部にまで及ぶものである。以下の詳細な説明および添付の図面によって、本発明の特定の実例をいくつか示す。これらの例は、本発明の原理を利用できるさまざまな方法のうちのごく数例を示すものである。本発明の原理を利用できる他の方法および本発明の他の目的、利点ならびに新規な特徴については、図面を参照して本発明の詳細な説明を検討することで明らかになろう。

以下、図面を参照して本発明を説明する。図中、全図をとおして同一の参照符号は同一の構成要素を示ものとする。本発明の一態様に従って、ウエハ上に形成された形状の非対称な縦断面形状を、偏光解析法、反射率測定法、またはスキャトロメトリーを利用して、検出する方法について説明する。凸部の非対称性の度合いが確認されたら、この方法ではさらに、フィードバックプロセス制御データまたはフィードフォワードプロセス制御データを生成し、このような非対称性を緩和すべく以後の処理を補償または調整することを含む。これらの態様の説明は単に例示的なものにすぎず、限定的な意味で解釈すべきものではない点は理解されたい。

図面には、本発明のいくつかの態様が示されている。図１は、偏光解析法、反射率測定法またはスキャトロメトリーなどの光学的手法を利用して縦断面形状のパターンを割り出すまたは凸部の縦断面形状の対称性を特定する代表的なシステムの概略図である。図１に示すシステムは、本発明の教示内容を示すにあたって必ずしも一定の縮尺率で描かれているわけではない、ということは明らかであろう。

偏光解析法は、凸部の縦断面形状の対称性の有無を特定する際に利用できるひとつの手段である。偏光解析法は表面解析専用の光学的手法である。この方法は、平面での反射による光の偏光状態の変化を測定することを基本とするものである。偏光解析法の大きな利点として、非破壊検査を行えること、反射光の位相を測定することによる高い選択性を持つこと、測定範囲が大きいこと、複雑なプロセスをリアルタイムで制御できる可能性があること、を挙げられる。

分光偏光解析法では、直線偏光となっている入射光を使うものであり、直線偏光がある表面で反射すると、入射光の各成分の波ごとに異なる量の振幅の減衰と、さまざまな位相シフトが起こるという事実を利用している。つまり、表面での反射時に偏光状態が変化する。本発明の代表的な一態様によれば、エリプソメータ（ellipsometer）によって反射光ビームの位相を波長の関数として測定し、反射光ビームの強度を波長の関数として測定し、これらを解析したものが特定の構造に対応する。検出器が反射光の位相データおよび強度データを収集した後、この情報をプロセッサシステムに伝える。プロセッサシステムではデータを計算し、将来の利用に備えてメモリに保存する。この情報はさらに、モニタ、プリンタまたは他の表示装置によって表示される。また、この情報を製造プロセスのパラメータにフィードバックし、以後のウエハ上の凹凸の作製を最適化することも可能である。

特に、偏光解析法を使用する場合には、入射角および偏向角のある、たとえば約１００ｎｍから約１０００ｎｍなどの複数の波長成分を含む光である入射光が、凸部または被験構造（グレーティングなど）によって反射される。被験構造とウエハ基板の間で屈折率と反射率とに差があることから、反射光はその電界成分、位相および偏光が変化する。結果として、複雑な係数比が得られる。

検出器で収集された被験凸部のプロファイルを後に、既知の凸部の縦断面形状に対応するデータからなるデータベース中のデータと比較し、対応する既知の被験構造のプロファイルを確認する。このような解析を同じように反対側からも行うことで、凸部の両側についての凸部の縦断面形状データを割り出し、その凸部についての非対称性を特定する。このような非対称性情報を利用して、このような非対称性の一因となることに関連し得る半導体製造プロセスにおける不具合をプロセッサによって割り出す。続いてフィードバックプロセス制御データまたはフィードフォワードプロセス制御データを生成し、検出した非対称性を緩和すべく以後の処理を補償または補正する。

本発明のもうひとつの代表的な態様によれば、分光反射率測定法を利用する。分光反射率測定法では、例えば約１００ｎｍから約１０００ｎｍの複数の周波数成分を含む、ウエハ表面の法線方向に入射する入射光線を利用し、一定の波長範囲について反射光の強度分布を得る。すなわち、被験構造（グレーティングなど）に対して略法線方向、すなわちウエハ表面に対して垂直に光を照射し、反射光から波長の関数である強度プロファイルを収集する。入射光はウエハの表面に対して略垂直であるため、（たとえば、検査対象となる凸部（単数または複数）の両側がリエントラント（ｒｅｅｎｔｒａｎｔ：内曲した）ではない、非垂直な面を呈すると仮定すると）凸部の両側のプロファイルに関するデータを確認することができる。したがって、凸部の縦断面形状の非対称性についてのデータを１回の測定で収集することができる。次に、反射光の強度分布データを、既知の凸部の縦断面形状についての強度分布のデータベースと比較し、それに対応する既知の構造の縦断面形状を特定する。このような情報を利用して、検査対象となる凸部の非対称性を確認し、さらに、この非対称性についての情報を利用して、このような非対称性の一因となる半導体製造プロセスの異常がどこにあるかをプロセッサによって割り出す。続いてフィードバックプロセス制御データまたはフィードフォワードプロセス制御データを生成し、検出した非対称性を緩和すべく以後の処理を補償または補正する。

スキャトロメトリーは、凸部の縦断面形状の特徴付けに利用可能な他の手段である。スキャトロメトリーは、一般にはレーザである光ビームを検査対象となるエリアに照射し、このエリアから弾性散乱した光の角度分布を測定する作業を含んでいる。代表的なシステムでは、凸部のそれぞれの部分に光を投射するように配置された１つまたはそれ以上の光源と、この凸部によって反射した光を集めるための１つまたはそれ以上の光検出装置とを用いる。１つまたはそれ以上の検出装置にはプロセッサシステムが接続される。検出器装置はパワースペクトル密度（power spectral density ：ＰＳＤ）を測定し、プロセッサシステムがこれを空間周波数の関数として算出する。ＰＳＤは単位空間周波数あたりに散乱するパワーを示すものである。

本発明の図１〜図６は、ウエハまたは基板上に形成された凸部の構造的プロファイルについての情報を取得し、半導体デバイスの処理と性能とを最適化するとともに凸部の縦断面形状の非対称性の変動を低減する目的で、偏光解析法、反射率測定法またはスキャトロメトリーを用いる方法およびシステムを示している。

図１に示されるキャラクタリゼーションシステム１０は、光源２０と、ステージ２２と、検出器２４と、プロセッサシステム２６（このプロセッサシステムに接続されたメモリ３０を有する）と、表示装置４０とを備えており、そして、プロセッサ２６は表示装置４０に接続および／または検出器２４に接続されている。光源２０は、放射線５２である入射光線をサンプル５４に照射するように配置されている。サンプル５４は、凸部６１ａが刻まれ、または表面に形成されたウエハ６１を含んでいる。ウエハ６１は、必要に応じて２つ以上の凸部を含むものであってもよいことは理解されたい。

ステージ２２は、回転台またはステージを回転させられる他の機構を持っている。本発明のもうひとつの態様では、ステージ２２は、このステージ２２の位置をそのまま保ったまま、サンプル５４を回転させるための機構を持っている。あるいは、ステージ２２が固定され、サンプル５４のまわりで光源２０を回転させるようになっていてもよい。検出器２４は、反射光線５６を検出し、このデータをプロセッサシステム２６に伝える。プロセッサシステム２６は、このデータを収集し、収集したデータを使って凸部の縦断面形状のパターンを割り出す。割り出された縦断面形状のパターンについては、表示装置４０に送信したり、プロセッサシステムのメモリ３０に格納したり、あるいは以後の凸部の製造プロセスを変更すべくすみやかに製造ラインに戻せるようになっている。

図１に示すように、光源は、ウエハ６１に対して角度をなして入射光を出力するものである。図１には入射角を０°から９０°の間として示してあるが、反射率測定法による解析を行う場合など、この角度はウエハ６１に対して法線方向すなわち略垂直であってもよいことは理解されたい。

図２は、ウエハ上に形成された凸部の縦断面形状のパターンを、たとえば図１に示すシステムを使って割り出すための方法５８を示すフローチャートである。この方法５８は、膜（ポリシリコンなど）をエッチングする、あるいは露光したフォトレジストを現像してパターン形状である凸部６１ａ（図１）をウエハ６１上に形成するための、ウエハ６１を処理するステップ６０から開始される。たとえば、ウエハ６１またはグレーティング上にゲート構造を形成することができる。ウエハ６１上に形成可能な他の凸部６１ａとしては、たとえばトレンチまたはバイアなどがあげられる。ステップ６２では、パターンが形成されたウエハ６１をキャラクタリゼーションチャンバに入れる。ステップ６４では、エッチング後のウエハ６１をステージ２２（図１）上で位置決めし、位置を合わせる。エッチングされたこのウエハ６１にステップ６６で放射線５２を照射する（図１）。たとえば、偏光解析法による解析では、この放射線として、波長が約１００ｎｍから約１０００ｎｍの範囲の偏光を用いることができる。放射線５２の入射光線は凸部６１ａの側面に照射される。あるいは、反射率測定法による解析では、入射光線（非偏光など）をウエハ６１に対して略垂直に凸部６１ａに入射させる。

ステップ６８では、たとえば検出器２４を使って凸部６１ａの第１の側面についての反射光線を検出し、測定する。ステップ７０では、ステージ２２を元位置から回転させる（たとえば図３ａおよび図３ｂ参照）。たとえば、放射線に曝露される第２の側面が第１の側面とは反対側の側面になるように、ステージを元位置から約１８０°回転させることが可能である。あるいは、凸部６１ａの第２の側面に照射されるように凸部６１ａのまわりで放射線５２の供給源を回転させることも可能である。ステップ７２では、凸部６１ａの第２の側面６１ａについての反射光線を検出して測定する。

本発明の一態様では、放射線５２の入射光線を実質的に凸部６１ａの側面全体に照射する。本発明のもうひとつの態様では、放射線５２の入射光線を凸部６１ａの側面の一部に照射する。後者の場合、第１の側面で入射光線の照射される部分は、第２の側面で入射光線の照射される部分に実質的に対応する。凸部のタイプによって、凸部の側面のどの部分に入射光線を照射するかは異なっていてもよい。

反射率測定法による解析を用いる本発明の代表的な一態様によれば、入射放射線を略垂直にウエハに照射することから、異なる側面に放射線を照射するステップは当然に必要なくなり、そのうえ、凸部６１ａに対して法線方向に入射すると光は凸部の両面で反射するため、凸部６１ａを回転させる必要もない（非垂直、非リエントラントプロファイルの場合）。よって、凸部６１ａの両側面についてのデータを１ステップで収集することができる。

凸部６１ａの第１および第２の側面についてのデータについては、たとえばプロセッサシステム２６（図１）に集められる。方法５８では、ステップ７４で、凸部６１ａの第１および第２の側面に関連して集めたデータを使って縦断面形状のパターンを割り出す。たとえば、ウエハ６１上に形成されたゲート構造の縦断面形状のパターンを、図２ａ、図２ｂ、図２ｃ、図２ｄまたは図２ｅに示すように割り出すことができる。この方法は、凸部６１ａについて割り出した縦断面形状の構造をオペレータなどに対して表示するステップ７６で終了となる。この情報をデータベースで保持または管理してさらに解析したり、モニタやプリンタなどの他のタイプの出力装置を用いて表示させることも可能である。

本発明の代表的な一態様によれば、図２に示す検出のプロセスを、エリプソメータを使用して、方法７８にて実行する。図３を図３ａおよび図３ｂとともに参照すると、方法７８は、凸部８２のあるウエハが位置合わせされたステージ８１に、あらかじめ定められた範囲の波長を有する偏光である入射光を照射するステップ８０から開始される。この入射光線の波長の代表的な範囲は約１００ｎｍから約１０００ｎｍである。ステップ８４では、偏光８６のビームを凸部８２の第１の側面８７（図３ａ）に照射する。また、フィルタ（図示せず）を使ってこの方法に伴うバックグラウンド「ノイズ」を排除してもよいことも明らかであろう。

ステップ８８では、検出器によって、第１の反射光線９０の強度と位相とを波長の関数として検出および測定する。このタイプのデータの一例をそれぞれ図４ａおよび図４ｂに示す。付け加えておくと、この検出を行うには、本発明の目的を達成するのに適した従来技術において周知の適当な検出器を用いればよい。ステップ９２では、ステージ８１をその元位置から約１８０°回転させる。次に、あらかじめ定められた範囲の波長の偏光とされた入射光線９３を凸部８２の第２の側面９４に照射する（ステップ９６）。繰り返すが、この波長の代表的な範囲は約１００ｎｍから約１０００ｎｍである。

ステップ９８では、検出器によって第２の反射光線１００の強度と位相とを波長の関数として検出し、測定する。このデータをプロセッサシステム２６（図１）に伝え、プロセッサシステム２６にて収集する。ステップ１０２では、凸部８２の第１の側面８７から集めたデータと第２の側面９４から集めたデータとが対応しているか否かをプロセッサシステム２６（図１）によって判断する。たとえば、第１および第２の側面からの強度データと位相データが、それぞれ対応している可能性がある。本発明の一態様では、「対応する」とは第１の側面のデータと第２の側面のデータとの統計的な相関解析として定義されるものである。ここでは相関閾値（たとえば相関が０．９より大きい場合は対称とする、あるいはあらかじめ定められた他の何らかの閾値）に基づいて、対称であるか、或いは非対称であるかを割り出す。

本発明のもうひとつの態様によれば、「対応する」とは、たとえば第１および第２の側面から得られた縦断面形状のパターンを比較することにより、第１の側面および第２の側面についてそれぞれ割り出した縦断面形状のパターンを比較し、凸部の縦断面形状が非対称であるか否かをプロセッサで判断する（たとえば互いにＸ°以内、あるいは互いにＹ％（ＸまたはＹはなんらかの規準に従ってあらかじめ定められる））こととして定義されるものである。条件が満たされる（１０２：Ｙｅｓ）と、凸部は許容範囲内で対称であると判断され（ステップ１０４）、方法７８は終了する。しかしながら、相関の量が不十分な場合（１０２：Ｎｏ）、ステップ１０６に進み、凸部は非対称であると判断される。凸部の縦断面形状が非対称であると判断された後は、さまざまなステップを続けることが可能である。たとえば、オペレータに情報を提供して対象となるウエハをさらに試験させてもよいし、手作業または自動でウエハを製造ラインから破棄してもよいし、あるいは詳細については後述するようにウエハから収集したデータを利用して半導体製造プロセスの１つまたはそれ以上のプロセスパラメータを最適化してもよい。

図３を用いて説明した方法７８が参考になるが、方法１０９は、散乱計を使って凸部の縦断面形状の対称性または非対称を検出することを含む本発明のもうひとつの態様を示す。この検出のプロセスに適した散乱計システム１０７の一例を図５に示す。方法７８と方法１０９とは鍵になる事項が若干異なっている。たとえば、方法１０９では凸部８２の第１の側面に向かってほぼ平行な光９１の入射光線を照射する（図３、ステップ８０、８４）。以下のステップでは、検出器９５が第１の反射光線を検出し、プロセッサがパワースペクトル密度（ＰＳＤ）を空間周波数の関数として算出する。ＰＳＤは単位空間周波数あたりに散乱するパワーを示すものである。凸部の側面についてのこのようなデータの一例を図５ａに示す。したがって、方法１０９は図３において上述したようにして続けられ、スキャトロメトリーのデータを使って凸部の縦断面形状が対称であるか非対称であるかを判断する。

あるいは、光の１またはそれ以上の入射光線を凸部の側面に連続的に、または同時に照射してもよい。本発明のもうひとつの態様では、１つまたはそれ以上の検出器を使って、凸部についてのデータを収集することができる。本発明の他の態様では、ステージ２２に対して光源９１を固定することができる。本発明のさらに別の態様では、ステージ２２に対して光源９１を固定しないようにし、光源９１が凸部８２のまわりを回転する際に一定間隔で検出器９５によって反射光が検出されるようにしてもよい。

本発明の代表的な一態様によれば、上述したシステムおよび方法は、ウエハ上に設けられた凸部が非対称な縦断面形状を呈するか否かを識別する用途に応用できる。凸部が非対称であるか否かを単に確認することに加え、このシステムおよび方法は、たとえば（相関によるなど）既知のプロファイルデータシグネチャを含むデータベースを利用して、凸部の対向する側面間の非対称性の量を確認することにも応用できる。

図６には、データベースを利用して凸部の縦断面形状のパターンを割り出すためのキャラクタリゼーションチャンバシステム１０８の代表的な図が示されている。また、図６は、後述する半導体製造過程１３０において非対称な凸部の縦断面形状をすみやかに検出し、制御することを目的として、システム１０８を現場に配置することを示している。図６に示したように、データベース１２０はプロセッサシステム２６に接続されており、プロセッサシステムとの間で通信を行うようになっている。このデータベースは、既知の凸部の縦断面形状に対応する複数組のデータを含む。データのタイプは形状の特徴付けを行うのに使用する装置のタイプによって異なる。たとえば、エリプソメータを使用して凸部の縦断面形状（図３）の検出を行う場合、データベースには既知の凸部の縦断面形状についての波長の関数とされた、位相と強度を組にしたデータが複数含まれる。この場合、波長の関数としての一組の位相と強度が、ある側面について既知の縦断面形状を持つ凸部の側面に対応付けられている。

同様に、反射率測定法システム／方法を用いる場合、波長の関数として反射率強度を含むデータの組を測定し、既知の凸部の縦断面形状についての強度分布を記録したデータベースと比較することができる。最後に、たとえばスキャトロメトリーシステム／方法を利用する場合、強度／位相分布またはパワースペクトル密度関数を測定および／または計算し、既知の凸部の縦断面形状についてのデータシグネチャのデータベースと比較することができる。

上述したように、該当する凸部についての収集データを既知の凸部の縦断面形状についてのデータシグネチャのデータベースと比較した後、このような情報を凸部の両側に適用して非対称性を確認することで、凸部の各側面の縦断面形状の特徴を割り出し、これによって縦断面形状の非対称性を割り出す。本発明のもうひとつの代表的な態様によれば、既知の凸部の縦断面形状についてのシグネチャのデータベースを利用してニューラルネットワークに学習をさせる。そして、解析対象の凸部についてのデータの組を学習後のニューラルネットワークに導入し、このニューラルネットワークから凸部の縦断面形状の状態を割り出すようにする。凸部の両側についての解析結果を利用して、その後に解析対象となる凸部の非対称性を解析できるようにプロセッサを機能させることができる。

図６ａに移ると、データベース１２０（図６）を利用して凸部の縦断面形状の対称性を検出するための方法１１０を示すフローチャートが示されている。方法１１０は、方法７８の場合と同様のステップ、すなわちステップ８０乃至９８（図３）などで開始される。ステップ９８（図３）と同様のステップを実行した後、方法１１０は、（偏光解析法またはスキャトロメトリーによるシステム／方法のために）データベース１２０を凸部の第１の側面および第２の側面についての位相および強度データと比較するステップ１４０へと続く。ステップ１４０の次はプロファイル情報を表示または伝達する（ステップ１４４）。図６ａに示すプロセスはデータベースを利用した検出を行うプロセスの代表的なものにすぎないことは明らかであろう。たとえば、収集したデータとデータベースとの比較を凸部の第１の側面の測定後に行い、凸部の第２の側面の測定後にも再度行うようにしてもよい。また、あらかじめ定められた閾値を超える対応付けについて一致するものを見つける統計的な対応付けを比較に含むようにしてもよい。さらに、複数のデータの組が対応付けられる場合、その相関の度合いが最も高いデータの組を選択するようにしてもよい。

あるいは、反射率測定法を用いる場合、単に強度分布データの組を利用するようにしてもよい。スキャトロメトリーを用いる場合、強度および位相分布データを使用できるだけでなく、必要に応じてパワースペクトル密度を計算して利用してもよい。

本発明のもうひとつの態様を示す図６ｂは、非対称であると判断された凸部の縦断面形状についての情報を製造プロセスのパラメータ１３０にすみやかにフィードバックまたはフィードフォワードし、半導体の製造を最適化する代表的な方法１８０を示している。たとえば、図２において説明したような方法５８を半導体製造ラインの現場に適用する。

さまざまなタイプのプロセスにおける条件が凸部の非対称性が生じる一因となり得る。たとえば、化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセスでは、スラリー組成物や研磨パッド（単数または複数）の状態、または摩耗、研磨パッドの移動制御の仕方などが原因で非対称な状態が発生し得る。このような状況において、縦断面形状の非対称性について特定された内容に基づいてプロセッサでフィードバック制御データを生成し、上記のプロセスパラメータを１つ又はそれ以上変更して、それ以後に作製される凸部でそのような非対称性が発生することを抑えることができる。

本発明のもうひとつの代表的な態様によれば、コマ収差などのレンズ収差が原因でプロファイルの非対称性が発生することがある。このような状況では、プロセッサによって非対称性について検出した内容をプロセッサで利用して、露光条件を広い範囲にわたって変化させたり、あるいは瞳フィルタを調整して画像フィールドの１つまたはそれ以上の部分の光の強度または位相を全面的または局所的に変化させることにより、それ以後作製する凸部について収差を補償する。

本発明のさらにもうひとつの代表的な態様では、ポリシリコンゲートなどの凸部が非対称であると以後のイオン注入ステップに影響し、ソース／ドレイン領域における空間ドーピング濃度が不均一になるという悪影響を生じる可能性がある。このような状況において、本発明は、プロセッサで検出した非対称性についての情報を利用してフィードフォワードプロセス制御データを生成し、以後のイオン注入ステップを修正して凸部の縦断面形状の非対称性を補償し、これによってソース／ドレイン領域を実質的に空間的な均一さをもつものとすることも意図している。

たとえば、ポリシリコンゲート構造の一側面の方が、その反対側の側面よりも側壁の傾斜が実質的に大きいと判断された場合、形成された縦断面形状の下の部分に、従来の注入ステップでその領域に存在するであろうよりも多くのドーパントを確保できるように、ゲートの該当する側面に注入するドーパントの量を変化させることができる。このタイプおよび他のタイプのフィードフォワード補償調整を、非対称性の解析結果に鑑みて、プロセス制御データを通してプロセッサで利用してもよい。たとえば、プロセス制御データの量またはタイプが必要に応じて解析された非対称量についての関数であってもよい。

方法１８０は、たとえばステップ６０〜７２など、図２で説明したステップと同様のステップから始まる。図２で説明したのと同様のステップ７２を実行した後、方法１８０は、凸部の第１の側面および第２の側面についての収集データを方法５８において明記したように対応させるステップ１９０へと続く。あるいは、方法１１０で使用したデータベースなどを用いて、凸部の縦断面形状を割り出すことも可能である（ステップ１９０）。

ステップ１９２では、プロセッサシステムは凸部の第１の側面と第２の側面が対称であるか否かを判断しなければならない。肯定（１９２：Ｙｅｓ）の結果が得られた場合は、縦断面形状が対称であると判断し（ステップ１９４）方法１８０は終了する（ステップ１９６）。しかしながら、結果が否（１９２：Ｎｏ）であった場合は、縦断面形状が非対称であると判断し（ステップ１９８）、調整を行って以後の凸部の構造（縦断面形状）を最適化できるように、この凸部についての収集データを製造プロセスのパラメータ１３０にフィードバックする（ステップ２００）。

たとえば、上述したように、製造プロセスのパラメータを変えることには、プラズマエッチングプロセスのプラズマ化学、圧力などを変更して凸部の側壁の傾斜を増減し、これによって以後の凸部の対称性を改善するなど、エッチングプロセスを変更することが含まれる。あるいは、製造プロセスのパラメータを変えることには、化学機械研磨（ＣＭＰ）パッド、ＣＭＰスラリーなどについえてのパラメータを１つまたはそれ以上変更し、凸部の第１または第２の側面の一方または両側の研磨量を増減することや、あるいはウエハの位置合わせを変更してエッチングプロセスでステッパレンズについてのコマ収差を補償することも含み得る。凸部の作製に影響する他のプロセスパラメータを変更してもよく、このような変更も本発明の範囲に包含されることが企図される点は理解されたい。さらに、非対称な凸部の縦断面形状に関連する情報次第では、２つ以上のプロセスパラメータを変更することも可能である。

また、方法７８および１０９（図３）を半導体製造ラインの現場に適用し、方法１８０を実行できることも明らかであろう。

本発明のもうひとつの態様では、学習させたニューラルネットワークをプロセッサシステムに取り入れ、凸部の縦断面形状の対称性を検出する。たとえば、図３、図６ａまたは図６ｂを用いて説明した方法に、学習させたニューラルネットワークを導入し、凸部の縦断面形状の対称性判断を行うことが可能である。

以上、特定の態様に鑑みて本発明を図示および説明したが、本願明細書を理解し、添付の図面を参照すれば、当業者であれば本発明と等価な変更内容および改変内容を想起できるであろう。特に上述した構成要素（システム、デバイス、アセンブリなど）が果たすさまざまな機能に関しては、このような構成要素の説明に用いた用語は、特に明記しない限り、本願明細書にて例示した本発明の代表的な態様の機能を果たす本願に開示の構造とは構造的に等価でないとしても、上述した構成要素の特定の機能を果たす任意の構成要素に対応する（すなわち機能的に等価である）。また、いくつかの態様のうちの１つのみに関して本発明の特定の特徴を開示した部分もあるが、必要に応じてこのような特徴を他の態様の１つまたはそれ以上の他の特徴と組み合わせてもよく、このような特徴が特定の用途において都合がよい場合もある。さらに、詳細な説明または請求の範囲のいずれかで「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」という表現を使用する限りにおいて、この表現は「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という表現の場合と同様に該当する箇所に記載した以外の構成要素も含むことを意図している。

リソグラフィ開発および半導体処理の分野にこの装置および関連の方法を利用し、集積回路などを製造する際の線幅の制御性を改善してもよい。

本発明による代表的な検出システムを示す部分ブロック図である。ウエハ上に形成された凸部の縦断面形状を特徴付けし、凸部の第１および第２の側面を測定し、続いてその縦断面形状のパターンを割り出すための方法を示すフローチャートである。ウエハ上に形成された凸部の代表的な縦断面形状のパターンの概略図である。ウエハ上に形成された凸部の代表的な縦断面形状のパターンの概略図である。ウエハ上に形成された凸部の代表的な縦断面形状のパターンの概略図である。ウエハ上に形成された凸部の代表的な縦断面形状のパターンの概略図である。ウエハ上に形成された凸部の代表的な縦断面形状のパターンの概略図である。ウエハ上に形成された凸部の縦断面形状を偏光解析法で解析するための方法を示すフローチャートである。図３に示す本発明の方法の態様を示す概略図である。図３に示す本発明の方法の態様を示す概略図である。エリプソメータによって測定した凸部の側面についての強度を、波長の関数として示す代表的なグラフである。それぞれエリプソメータによって測定した凸部の側面についての位相を、波長の関数として示す代表的なグラフである。本発明による代表的な検出システムを示す部分ブロック図である。散乱計の場合についてパワースペクトル密度（ＰＳＤ）を、空間周波数の関数として示したグラフである。本発明によるデータベースを利用した検出システムを示す部分ブロック図である。データベースを利用して凸部の縦断面形状を検出するための方法を示すフローチャートである。製造プロセスのパラメータにすみやかにフィードバックして、以後の凸部の作製を最適化する目的で凸部の縦断面形状を検出するための方法を示すフローチャートである。

Claims

凸部の縦断面形状（８７、９４）の非対称性を検出する方法（５８）であって、
放射線の入射光線（８６）を凸部（８２）の第１の側面（８７）に照射し（６６）、
凸部（８２）の第１の側面（８７）についての第１の反射光線（９０）を検出し（６８）、
放射線の入射光線（９３）を凸部（８２）の第２の側面（９４）に照射し（６６）、
凸部（８２）の第２の側面（９４）についての第２の反射光線（１００）を検出する（７２）ことを含み、
第１の反射光線（９０）または第２の反射光線（１００）を検出する（６８）ことに、反射光線の強度を波長の関数として検出する（８８、９８）こと、あるいは、反射光線の位相を波長の関数として検出する（８８、９８）ことが含まれ、
前記方法がさらに、
検出した第１の反射光線（９０）と検出した第２の反射光線（１００）とを利用して凸部（８２）の非対称性を割り出す（７４）ことを含む、方法。
凸部の非対称性を割り出す（７４）ことに、
第１の側面および第２の側面の反射光線の強度を、既知の凸部の特徴についての複数の強度プロファイルを含むデータベースと比較し（１４０）、
比較の結果に基づいて凸部の第１の側面および第２の側面についての側面プロファイルを割り出す（１９０、１９２、１９４、１９８）ことを含む、請求項１に記載の方法（５８）。
凸部の第１および第２の側面についての側面プロファイルを割り出す（１９０）ことが、あらかじめ定められた相関閾値を用いて、凸部（８２）の第１の側面（８７）および第２の側面（９４）についてのデータをそれぞれ既知の凸部の縦断面形状についての複数のプロファイルと対応させることを含む、請求項２に記載の方法（５８）。
表面に凸部（８２）のある基板に、直線偏光を垂直以外の角度で照射することを含み、該直線偏光の波長範囲が約１００ｎｍから約１０００ｎｍである、放射線を凸部（８２）に照射する（６６）ステップと、
波長範囲にわたって反射放射線の強度分布を検出するとともに、複数の波長について反射放射線の位相分布を検出することを含む、凸部（８２）からの反射放射線を検出する（６８、７２）ステップと、
検出した反射放射線を利用して凸部（８２）の非対称性を確認する（１９２）ステップと、
凸部（８２）の非対称性に基づいてプロセス制御データを生成する（２００）ステップと、
を含む、凸部（８２）についての非対称性を割り出し、これについてのプロセス制御データを生成する方法（１８０）。
凸部（８２）の非対称性を確認する（１９２）ことが、
検出した反射放射線の強度分布および検出した反射放射線の位相分布を、既知の凸部の縦断面形状の特徴についての複数の強度分布と位相分布とを含むデータベースと対応づけ（１９０）、
検出した凸部の反射放射線の強度分布と検出した反射位相分布に最も密接に相関している強度分布および位相分布を含む既知の凸部の縦断面形状を特定する（１９０）ことを含む、
請求項４に記載の方法（１８０）。
プロセス制御データ（２００）が、半導体プロセスステップを変更して以後同様の凸部を製造する際に凸部の非対称性を低減するのに用いられるフィードバックプロセス制御データを含む、
請求項４に記載の方法（１８０）。
プロセス制御データ（２００）が、凸部に関する以後の処理ステップを変更し、これによって凸部の非対称性による影響を低減するためのフィードフォワードプロセス制御データを含む、
請求項４に記載の方法（１８０）。