JP4142552B2 - 形状プロファイル測定装置およびそれを用いた半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置に関し、特に、短波長光源を用いたスキャテロメトリィ（ scatterometry ）装置およびそれを用いた半導体デバイスの製造方法に適用して有効な技術に関する。

本発明者が検討したところによれば、半導体デバイスの製造では、半導体ウェハ上に導電膜または絶縁膜を成膜する成膜工程と、この膜上に感光剤であるレジストを塗布、レチクル上の回路パターンをレジストに露光、現像した後、残存するレジストをマスクとして膜をエッチングすることによって半導体ウェハ上に回路パターンを形成するリソグラフィ工程を各層で繰り返すことによって行われている。

ここで、本発明の参考技術として、リソグラフィ工程の中で感光剤にパターンを焼き付ける露光工程を図６により説明する。レチクル６には回路パターン６１が描かれており、これらは露光光６００１により、露光レンズ７を介して半導体ウェハ３の感光剤上に転写される。転写された回路パターンが寸法規格どおりできているかをチェックするため、通常、ＳＥＭ（ Scanning Electron Microscope ）で寸法検査が行われている。検査は、転写回路パターン３５１を直接計測する場合と、チップ領域３５０の外側に存在する転写テストパターン３５２を計測する場合がある。測定した寸法の大小により、一般的には露光装置の露光量で補正を行っている。この露光量補正の自動化に関しては、例えば非特許文献１に記載されている。

一方で、寸法の変動の原因としては、露光装置の露光量変動以外にフォーカスずれがあげられる。露光量だけでなく、フォーカスの補正も行う方法が、例えば特許文献１に開示されている。これは、予めＳＥＭの波形変化を露光量、フォーカスずれと関連付けることにより、ＳＥＭの波形から直接、露光量およびフォーカスの補正量を求める方法である。

また、最近、転写回路パターンの断面プロファイルを光学的に測定するスキャテロメトリィという方法が、例えば非特許文献２に開示されている。ここで、スキャテロメトリィ計測装置の構成を図７により説明する。図７は分光型のスキャテロメトリィ計測装置である。白色光源１１１０から出射した白色光１１１１を基板３３上の繰り返しパターン３１に照射、正反射光を回折格子４００で分光し、センサ５００で分光波形を検出する。

次に、上記の計測装置で得られた分光波形の処理方法を図８により説明する。分光波形８００は、シグネチャ（ signature ）と呼ばれ、図７の計測装置で得られた信号の場合、波長に対する光強度変化の信号となる。シグネチャは繰り返しパターン３１の断面プロファイルによって変化する。そこで、前もって様々な断面プロファイルに対するシグネチャを波動光学シミュレーションによって求めておき、これらをライブラリとして蓄えておく。例えば、繰り返しパターン３１のボトム線幅Ｌ、膜厚Ｄ、テーパ角αに応じて断面プロファイルを矩形でモデル化し、シグネチャのシミュレーションを行う。分光波形８００とシグネチャのライブラリの比較を行い、一致したシグネチャを与える断面プロファイル、すなわち線幅Ｌ１、膜厚Ｄ１、テーパ角α１が計測値となる。

この方法は、感光剤の反応により電子線照射中に線幅が変化する懸念のあるＳＥＭと比べて、スキャテロメトリィは光による計測であるので、有利である。また、大気中で計測可能であり、ＳＥＭのように真空引きに時間を取られることもないので、高速測定が可能である。

また、スキャテロメトリィは、上述のように回路パターン断面プロファイルを測定する上でＳＥＭと比べてメリットがあるが、大量の波形を予め算出する必要があるため、高速な光学シミュレーションが必要となる。このため、例えば非特許文献３に開示されているリゴラス カップルド ウェーブ アナリシス（ＲＣＷＡ：Rigorous Coupled Wave Analysis ）と呼ばれる計算手法が採用されている。これは、パターン断面を複数の矩形層で近似し、それぞれの矩形層を無限に続く同一ピッチおよびデューティの回折格子とみなし、矩形層間の境界条件を合わせることにより波動方程式の級数解の係数を決定する方法である。波動方程式の別の解法である有限要素法等と比較すると、極めて高速に波形算出が行える。
特開２００１−１４３９８２号公報 インプレメンテーション オブ ア クローズドループ シーディ アンド オーバレイ コントローラ フォー サブ ０．２５μｍ パターニング（ Implementation of a Closed-loop CD and Overlay Controller for sub 0.25μm Patterning ），ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．３３３２，１９９８，ｐｐ４６１−４７０ スペキュラ スペクトロスコープ スキャテロメトリィ イン ディユーブイ リソグラフィ（ Specular Spectroscopic Scatterometry in DUV Lithography ），ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．３６７７，１９９９，ｐｐ１５９−１６８ ディフラクション アナリシス オブ ディエレクトリック サーフェイスレリーフ グレーティング（ Diffraction Analysis of Dielectric Surface-relief Gratings ），Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．，Ｖｏｌ．７２，Ｎｏ．１０，１９８２

ところで、半導体デバイスの製造では、半導体の回路パターンは、微細化の一途をたどり、現在では１００ｎｍをきる線幅の領域に達している。スキャテロメトリィで微細な線幅が精度良く計測できるかは、上述の分光波形の感度が微細な線幅変化に対して感度があるかにかかっている。

ここで、図９に示す繰り返しパターンの線幅変化に対する分光波形の感度について考える。シリコン基板３０１の上に１００ｎｍ厚の反射防止膜３０２を塗布し、この上に厚さ４００ｎｍのレジストの繰り返しパターン３０３が形成されている。このパターンに対して、上述のリゴラス カップルド ウェーブ アナリシスで計算した分光波形を図１０に示す。線幅１００ｎｍから９０ｎｍへの変化に対しては、波長３５０ｎｍ以下の領域で両者に対応する波形の乖離が大きい。すなわち、３５０ｎｍ以下の短波長領域で線幅変化に対する感度が大きいことが分かる。

現在の通常のスキャテロメトリィ装置では、光源としてキセノンランプが用いられているため、３５０ｎｍ以下の短波長領域では光強度が著しく低下する。これに対して、波長１９０から２５０ｎｍの領域で強度を持つ重水素ランプが短波長光源として知られている。この重水素ランプを光源とした分光波形計測装置は、例えば、コンドウ（N.Kondo）他、フィルム シックネス メジャーメント オブ ウルトラシン フィルム ユージング ライト オブ ユーブイ ウエーブレンス（ Film thickness measurement of ultrathin film using light of UV wavelength ），ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．１６７３，ｐｐ３９５−３９６、に記載されている。

ここで、この装置の構成を図１１を用いて説明する。重水素ランプ１００より射出された光は、楕円ミラー１０１と折り曲げミラー１０２を介して一旦、視野絞り１０３に集光された後、ハーフミラー１０４を介して反射型対物レンズ２０によって半導体ウェハ３上に集光される。反射型対物レンズ２０は笠状の凹面鏡２０１と凸面鏡２０２で構成され、シュワルツチルド（ Schwartzchild ）型と呼ばれている。

半導体ウェハ３を出射した反射光は、反射型対物レンズ２０により絞り１０５上で集光される。絞り１０５は、半導体ウェハ３上の膜内でデフォーカスした光を遮光する働きがある。絞り１０５を出射した光は、結像作用のあるホログラフィックグレーティング４０により分光され、分光波形がＣＣＤセンサなどの１次元撮像素子５０によって計測される。反射型対物レンズ２０を用いる理由は、重水素ランプ１００の波長域ではガラス材料が合成石英、ＣａＦ₂ に限られており、異なる材料の組み合わせで実現してきた色収差補正が不可能なためである。色収差補正ができないと、半導体ウェハ上の特定ポイントへの光の収差が困難となる。

このように、反射型対物レンズ２０を用いる場合は、照明光は半導体ウェハ３に対して垂直ではなく、斜めに入射し、斜めに反射された成分を検出することになる。このことは、図１１の装置をパターンの無い対象の膜厚測定に用いる場合には問題ないが、繰り返しパターンの形状を測定するスキャテロメトリィ装置として用いる場合は問題となる。

このことを、図１２と図１３を用いて説明する。図１２は、繰り返しパターン３１の方向Ｘに対する照明光の入射方向の関係を示す。ＸＺ平面内でのＺに対する傾きをθ、Ｚを回転軸にＸ軸からＹ軸側への角度をφとする。反射型対物レンズ２０がＮＡ０．２相当の開口率を持つとして、傾きθはＡＲＣＳＩＮ（０．２）より、１１．５３７度とし、φ０度、４５度、９０度での分光波形を図１３に示す。対象とする繰り返しパターン３１は図９のパターンと同じである。

これにより、φの変化、すなわち反射型対物レンズ２０で集光された光の、繰り返しパターンの方向に対する半導体ウェハ平面内での入射角変化により、分光波形が大きく変わる。従って、シミュレーション分光波形のデータベースであるライブラリとの対応が取れなくなる。一方、反射型対物レンズ２０ではなく、通常の屈折型レンズを用いることができれば、垂直入射が実現でき、この問題はクリアできるが、色収差のため集光が出来なくなる問題が生じる。

そこで、本発明の目的は、反射型対物レンズを用いる場合の斜入射の問題と、反射型対物レンズを用いる場合の色収差の問題を解決するスキャテロメトリィ装置を与えることで、短波長で微細パターンの高精度な測定を実現できる形状プロファイル測定装置を提供することにある。本発明の新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を説明すれば、以下のとおりである。

すなわち、本発明は、実測した分光波形とシミュレーション波形の照合により形状プロファイル計測を行う形状プロファイル測定装置において、結像系として１枚の凹面鏡と１枚の凸面鏡を用い、凹面鏡に対して物体側（半導体ウェハ側）と像側（撮像素子側）が同じ側となる光学系、すなわち反射型対物レンズとしてオフナー型を用いることを特徴とする。これにより、従来の膜厚測定装置で用いられていたシュワルツチルド型光学系を用いる場合に生じる、繰り返しパターンに対して入射方向を限定できないという問題は解消し、垂直照明、垂直検出ができ、簡単な構成で短波長光源を用いたプロファイル形状測定が実現でき、結果として微細パターンに対する高精度な測定が可能となる。

一方で、従来のシュワルツチルド型の構成を取りながら、凹面鏡の反射面を直径方向に対向する２箇所に限定する。すなわち、結像系として１枚の凸面鏡と２枚凹面鏡を用い、凹面鏡に対して物体側と像側が反対側となる光学系を構成することにより、入射方向を繰り返しパターンに対して限定でき、シミュレーション波形との照合が可能となるので、結果として短波長光源を用いたプロファイル形状測定が実現できる。

また、ハード構成はシュワルツチルド型を一切変更することなく、シミュレーション側で複数の斜入射波形から実測波形を模した波形を合成する。すなわち、シュワルツチルド型光学系の測定対象繰り返しパターンへの入射方向毎の複数の分光波形のシミュレーション結果から求められた分光波形と実測した分光波形の照合を取ることにより、実波形との照合が可能となり、短波長光源を用いたプロファイル形状測定が実現できる。

さらに、屈折型レンズにより結像系を構成する場合も、色収差起因で発生する各波長毎のぼけ関数を予め求めておき、これを用いてシミュレーション波形を実波形を模した波形に変換する。すなわち、屈折型光学系と、この屈折型光学系で発生する波長毎の色収差起因ぼけ関数を記憶する手段と、この関数を用いてシミュレーション波形を変換した波形と実測した分光波形の照合を取る手段とを有することにより、実波形との照合が可能となり、短波長光源を用いたプロファイル形状測定が実現できる。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

（１）オフナー型の反射光学系を用いることにより、重水素ランプ等の短波長光源を用いたスキャテロメトリィ装置において、垂直成分の反射光を検出することが可能となるため、簡単な構成で短波長のスキャテロメトリィ装置が実現でき、微細パターンの高精度形状測定が可能となる。

（２）シュワルツチルド型反射対物の凹面鏡の反射部を、測定対象の繰り返しパターンに対して一方向となるように構成することにより、スキャテロメトリィ装置において、一方向のシミュレーション結果との照合が実現でき、微細パターンの高精度形状測定が可能となる。

（３）シュワルツチルド型反射対物を用いた場合の斜入射光の平面内での角度を円周上に加算することにより、シミュレーション波形を実測波形に近づけることができ、微細パターンの高精度形状測定が可能となる。

（４）屈折型対物レンズで生じる色収差起因のぼけを各波長毎に予め求めておくことにより、シミュレーション波形を色収差でぼけた状態の分光波形に変換することができ、実測波形とシミュレーション波形の照合が可能となるため、微細パターンの高精度形状測定が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

まず、図１により、本発明の第１の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置の構成および動作の一例を説明する。図１は、第１の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置を示す構成図である。

第１の実施の形態の形状プロファイル測定装置は、オフナー型の反射光学系を用いたスキャテロメトリィ装置からなり、重水素ランプ１０、楕円ミラー１１、折り曲げミラー１２、視野絞り１３、ハーフミラー１４、折り曲げミラー１５、絞り１６、凹面鏡２１、凸面鏡２２、ホログラフィックグレーティング４１、１次元撮像素子５１などからなる光学系と、処理系８１、シミュレーション分光波形ライブラリ８２、形状データ記憶手段８３、計算エンジン８４などからなる分光波形処理系とで構成される。

この形状プロファイル測定装置において、重水素ランプ１０を出射した光は、楕円ミラー１１により折り曲げミラー１２を介して視野絞り１３上に集光される。視野絞り１３は、半導体ウェハ３上に照射される光の範囲を、半導体ウェハ３上の繰り返しパターンの領域に限定する作用を持つ。視野絞り１３を出射した光は、ハーフミラー１４により反射され、凹面鏡２１、凸面鏡２２、凹面鏡２１により半導体ウェハ３上の繰り返しパターン上に結像される。凹面鏡２１と凸面鏡２２はオフナー型の反射光学系を構成し、凹面鏡２１に対して半導体ウェハ３側と１次元撮像素子５１側が同じ側となっている。

オフナー型の反射光学系は、例えば、ルドルフ キングスレイク（ Rudolf Kingslake ），レンズ デザイン ファンダメンタルズ（ Lens Design Fundamentals ），アカデミック プレス（ Academic Press Inc. ），１９７８，ｐｐ３２１−３２２、に記載されている。オフナー型は、垂直入射および反射成分の検出が可能であるという点で、垂直成分が検出できない前述のシュワルツチルド型に比べてスキャテロメトリィ装置には有利である。また、構成上、高ＮＡ化が困難だが、スキャテロメトリィ応用の場合は垂直入反射成分が取れれば良いので、ＮＡ０．０８程度の結像光学系で十分である。反射光学系であるので、屈折型のように色収差は発生せず、重水素ランプ１０から発した波長１９０〜２５０ｎｍ程度の範囲の光をぼけることなく、半導体ウェハ３上の繰り返しパターンに結像させることができる。

そして、半導体ウェハ３上の繰り返しパターンで反射した光は、凹面鏡２１、凸面鏡２２、凹面鏡２１により、ハーフミラー１４および折り曲げミラー１５を介して、絞り１６上に結像される。絞り１６は、繰り返しパターン表面以外からの反射光であるデフォーカス成分や迷光をカットする働きがある。絞り１６を発した光は、結像作用のあるホログラフィックグレーティング４１により１次元撮像素子５１上に分光波形として結像される。その後の分光波形の処理は、従来のスキャテロメトリィ装置と同じ手順で処理される。

すなわち、分光波形の処理系８１は、シミュレーション分光波形ライブラリ８２中の分光波形と１次元撮像素子５１により検出された分光波形を照合し、一致した波形を見つけ、シミュレーションの断面プロファイルデータ（線幅、膜厚、テーパ角等）を検出した分光波形に対応した形状データとして、形状データ記憶手段８３に記憶する。各形状プロファイルに対応した分光波形は、前述のリゴラス カップルド ウェーブ アナリシス（ＲＣＷＡ）を用い、計算エンジン８４によって予め計算され、シミュレーション分光波形ライブラリ８２に記憶される。なお、シミュレーション分光波形ライブラリ８２を持たず、計測した分光波形に合わせてシミュレーションを逐次行っても良い。

以上により、第１の実施の形態の形状プロファイル測定装置によれば、オフナー型の反射光学系を用いることにより、重水素ランプ１０などの短波長光源を用いたスキャテロメトリィ装置において、垂直成分の反射光を検出することができる。この結果、簡単な構成で短波長のスキャテロメトリィ装置が実現でき、微細パターンの形状測定を高精度で行うことができる。

次に、図２により、第２の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置の構成および動作の一例を説明する。図２は、第２の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置を示す構成図である。

前述（発明が解決しようとする課題）において、スキャテロメトリィ装置にシュワルツチルド型の反射対物レンズを用いる場合の不都合を述べたが、斜め入射成分を繰り返しパターンの繰り返し方向に対して一方向に絞ることが解決策となる。そこで、本発明の第２の実施の形態２では、シュワルツチルド型反射光学系の入射方向を一方向に限定している。

すなわち、第２の実施の形態の形状プロファイル測定装置は、シュワルツチルド型反射光学系の入射方向を一方向に限定したスキャテロメトリィ装置からなり、光源１、ハーフミラー１４０、凸面鏡２３、凹面鏡２４，２５、絞り１６０、ホログラフィックグレーティング４２、１次元撮像素子５２などからなる光学系と、制御処理系８１０、シミュレーション分光波形ライブラリ８２０、形状データ記憶手段８３０、計算エンジン８４０などからなる分光波形処理系とで構成される。

この形状プロファイル測定装置において、光源１を射出した光は、ハーフミラー１４０で反射され、凸面鏡２３に入射し、凹面鏡２４，２５によって反射され、半導体ウェハ３上の繰り返しパターン３１上に集光される。光源１は、前記図１に示す重水素ランプ１０、楕円ミラー１１および視野絞り１３で構成される。また、凹面鏡２４，２５および凸面鏡２３はシュワルツチルド型の反射結像光学系を構成し、凹面鏡２４，２５に対して半導体ウェハ３側と１次元撮像素子５２側が反対側となっており、光源１内の視野絞り１３の像を半導体ウェハ３上に結像する。この例では、入射方向を限定するため、凹面鏡２４，２５に分割しているが、二点鎖線で示す一体化された凹面の一部（凹面鏡２４，２５に相当する部分）だけにアルミニウム等の反射コーティングを施しても良い。

そして、半導体ウェハ３で反射した光は、凹面鏡２４，２５および凸面鏡２３によってハーフミラー１４０を介し、絞り１６０に集光される。絞り１６０は、繰り返しパターン３１の表面以外からの、デフォーカス光や迷光をカットする働きがある。絞り１６０を発した光は、結像作用のあるホログラフィックグレーティング４２により１次元撮像素子５２上に分光波形として結像される。分光波形の処理は、前記第１の実施の形態のスキャテロメトリィ装置と同じ手順で処理される。

すなわち、分光波形の制御処理系８１０は、シミュレーション分光波形ライブラリ８２０中の分光波形と１次元撮像素子５２により検出された分光波形を照合し、一致した波形を見つけ、シミュレーションの断面プロファイルデータ（線幅、膜厚、テーパ角等）を検出した分光波形に対応した形状データとして、形状データ記憶手段８３０に記憶する。各形状プロファイルに対応した分光波形は、上述のＲＣＷＡを用い、計算エンジン８４０によって予め計算され、シミュレーション分光波形ライブラリ８２０に記憶される。

なお、シミュレーション分光波形ライブラリ８２０を持たず、計測した分光波形に合わせてシミュレーションを逐次行っても良い。また、繰り返しパターン３１への半導体ウェハ面内での入射角は、ウェハ回転ステージ３００を制御処理系８１０が回転させることによって変更できる。このため、対象とする形状プロファイルに敏感で感度の良い入射角を設定することにより、精度の高いプロファイル測定を行うことができる。

以上により、第２の実施の形態の形状プロファイル測定装置によれば、シュワルツチルド型反射対物の凹面鏡２４，２５の反射部を、測定対象の繰り返しパターンに対して一方向となるように構成することにより、スキャテロメトリィ装置において、一方向のシミュレーション結果との照合が実現できる。この結果、微細パターンの形状測定を高精度で行うことができる。

次に、図３により、第３の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置の構成および動作の一例を説明する。図３は、第３の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置を示す構成図である。

第３の実施の形態においては、測定装置自体の構成は、前述した図１１により説明した従来例のシュワルツチルド型の膜厚測定装置と全く同じものを用いている。

すなわち、第３の実施の形態の形状プロファイル測定装置は、シュワルツチルド型反射光学系の分光波形にシミュレーション結果を合わせるスキャテロメトリィ装置からなり、重水素ランプ１００、楕円ミラー１０１、折り曲げミラー１０２、視野絞り１０３、ハーフミラー１０４、反射型対物レンズ２０（凹面鏡２０１、凸面鏡２０２）、絞り１０５、ホログラフィックグレーティング４０、１次元撮像素子５０などからなる光学系と、処理系８１１、シミュレーション分光波形ライブラリ８２１、形状データ記憶手段８３１、計算エンジン８４１などからなる分光波形処理系とで構成される。

この形状プロファイル測定装置において、反射型対物レンズ２０では、繰り返しパターンに対し、半導体ウェハ３の法線を回転軸にした面内３６０度の方向から光が入射し、反射される。従って、１次元撮像素子５０で検出される分光波形は、面内３６０度方向の全ての分光波形が加算されたものとなる。実際には、繰り返しパターンと装置の対称性より、分光波形は０度から９０度で変化する。０度から９０度の範囲で、どの程度の角度ピッチで分光波形を計算し、加算すれば良いかは、予め角度ピッチを振って計算してみることにより、対象パターンに応じて最適なピッチが得られる。

計算エンジン８４１は、入射角の最適なピッチで複数の分光波形を計算しておき、シミュレーション分光波形ライブラリ８２１では、それらの平均波形をデータベース化しておく。処理系８１１は、検出した分光波形とシミュレーション分光波形ライブラリ８２１中の分光波形を比較し、対応する形状プロファイルデータを形状データ記憶手段８３１に記憶する。なお、シミュレーション分光波形ライブラリ８２１を持たず、計測した分光波形に合わせてシミュレーションを逐次行っても良い。

以上により、第３の実施の形態の形状プロファイル測定装置によれば、シュワルツチルド型反射対物を用いた場合の斜入射光の平面内での角度を円周上に加算することにより、シミュレーション波形を実測波形に近づけることができる。この結果、微細パターンの形状測定を高精度で行うことができる。

次に、図４により、第４の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置の構成および動作の一例を説明する。図４は、第４の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置を示す構成図である。

第４の実施の形態では、屈折型対物レンズで発生する色収差起因のぼけ関数を波長毎に求めておき、理想状態で計算したシミュレーション波形を色収差のある状態の波形に変換することにより実測波形のライブラリを作成し、照合を取ることにより、精度の高い形状プロファイルが得られるようにするものである。

すなわち、第４の実施の形態の形状プロファイル測定装置は、屈折型結像系の色収差を考慮したシミュレーションによりライブラリを作成するスキャテロメトリィ装置からなり、重水素ランプ１０００、楕円ミラー１００１、折り曲げミラー１００２、視野絞り１００３、ハーフミラー１００４、コンデンサレンズ２００１、屈折型対物レンズ２００２、結像レンズ２００３、ホログラフィックグレーティング４３、１次元撮像素子５３などからなる光学系と、処理系８１２、シミュレーション分光波形ライブラリ８４２０、形状データ記憶手段８３２、計算エンジン８４２、色収差関数データベース８５２などからなる分光波形処理系とで構成される。

この形状プロファイル測定装置において、重水素ランプ１０００を発した光は、楕円ミラー１００１によって視野絞り１００３上に集光される。視野絞り１００３を射出した光はハーフミラー１００４を介して、コンデンサレンズ２００１および屈折型対物レンズ２００２により半導体ウェハ３上の繰り返しパターン上に照明される。半導体ウェハ３からの反射光は、ハーフミラー１００４を介して屈折型対物レンズ２００２および結像レンズ２００３によって一旦、結像される。屈折型対物レンズ２００２および結像レンズ２００３の色収差により、波長によって結像位置が異なる。

例えば、波長λ１の場合は点Ａに結像され、ホログラフィックグレーティング４３によって１次元撮像素子５３上に結像されるが、波長λ２の場合は点Ｂに結像され、１次元撮像素子５３上ではデフォーカスした状態で撮像される。色収差関数データベース８５２には、例えば、波長λ１，λ２，λ３の色収差起因のぼけ関数Ｆ１（λ），Ｆ２（λ），Ｆ３（λ）が記憶されている。色収差起因のぼけ関数は各波長を中心波長とした強度分布であり、設計データの光線追跡や、屈折型対物レンズ２００２および結像レンズ２００３と波長フィルタを用いた実験により求めることができる。

色収差起因のぼけ関数は、例えば１ｎｍおきにデータベース化される。計算エンジン８４２は、ＲＣＷＡで計算された理想状態の分光波形を、色収差関数データベース８５２の色収差起因のぼけ関数を用いて式（１）により実波形に変換し、ライブラリ化する。

Ｉ’（λ）＝｛Ｆ１（λ）＋Ｆ２（λ）＋Ｆ３（λ）＋…｝
・Ｅ（λ）・Ｉ（λ） （式１）
この式（１）において、λは波長、Ｉ（λ）はＲＣＷＡで計算された理想状態の分光波形、Ｅ（λ）は半導体ウェハ３上での照明光の分光分布であり、Ｅ（λ）は実験により求められる。処理系８１２は、実波形に変換されたデータベースのシミュレーション分光波形ライブラリ８４２０と検出された分光波形を照合し、対象パターンの形状プロファイルデータを形状データ記憶手段８３２に記憶する。なお、シミュレーション分光波形ライブラリ８４２０を持たず、計測した分光波形に合わせてシミュレーションを逐次行っても良い。

以上により、第４の実施の形態の形状プロファイル測定装置によれば、屈折型対物レンズ２００２で生じる色収差起因のぼけを各波長毎に予め求めておくことにより、シミュレーション波形を色収差でぼけた状態の分光波形に変換することができる。この結果、実測波形とシミュレーション波形の照合が可能となるため、微細パターンの形状測定を高精度で行うことができる。

次に、図５により、前述した第１〜第４の実施の形態である形状プロファイル測定装置を用いた半導体デバイスの製造方法の一例を説明する。図５は、形状プロファイル測定装置を用いた半導体デバイスの製造方法を示すフロー図である。

半導体デバイスの製造においては、例えば、半導体単結晶のインゴットのスライス、研磨などの工程にて半導体ウェハを準備するとともに（ステップＳ１）、予め、製品回路パターンとテストパターンの露光量およびフォーカスの最適値との差ΔＡ、ΔＢの測定（ステップＳ２０）、およびテストパターンの断面形状もしくは断面形状と関連のある信号波形を露光量およびフォーカスの最適値に対する偏差と関連付けてライブラリに記憶する処理（ステップＳ３０）、を行っておく。

この半導体ウェハに薄膜などを形成した後（ステップＳ２）、平坦化処理を行い（ステップＳ３）、その後、レジスト塗布（ステップＳ４）、露光装置による露光処理（ステップＳ５）、現像処理（ステップＳ６）を行う。

ここで、本実施の形態では、現像された半導体ウェハ上のテストパターンの信号波形を、スキャテロメトリィによる形状プロファイル測定装置にて測定し（ステップＳ７）、測定結果とステップＳ３０で構築されているライブラリの信号波形とを照合して、テストパターンに関する露光量およびフォーカスの最適値からの偏差ΔＡｔ、ΔＢｔを得る（ステップＳ８）。

さらに、ステップＳ８で得られたテストパターンの偏差ΔＡｔ、ΔＢｔを、ステップＳ２０で既知のΔＡ、ΔＢを用いて補正し、製品パターンに関する露光量およびフォーカスの最適値からの偏差ΔＡｐ、ΔＢｐを得て、この偏差を露光工程補正情報としてステップＳ５の露光工程にフィードバックし、以降の露光工程に反映させる（ステップＳ９）。

その後、レジストをマスクとするエッチングによる製品パターン形成およびレジスト除去を行い（ステップＳ１０）、ウェハプロセスが完了か否かを判定し（ステップＳ１１）、未完了の場合にはステップＳ２以降を反復する。

ウェハプロセスが完了の場合には、ウェハプローブなどのウェハレベルでの各半導体チップの機能試験による良品選別を行い（ステップＳ１２）、その後、半導体ウェハのダイシングにて半導体チップを個別に分離し（ステップＳ１３）、良品の半導体チップのみに対して封止などのパッケージングを行い（ステップＳ１４）、さらにバーンインテストなどの出荷前検査を行い（ステップＳ１５）、良品の半導体デバイスのみを出荷する（ステップＳ１６）。

以上のように、本実施の形態の場合には、ステップＳ２〜Ｓ１０のリソグラフィにおけるステップＳ５の露光工程での露光条件の最適値からの変動を、スキャテロメトリィによるテストパターンの実測、さらには製品パターンへの補正にて、露光量およびフォーカス毎に個別に検出して、以降の露光処理にフィードバックされるので、露光量およびフォーカスなどの露光条件が、常に最適値に近い範囲で維持されることになり、半導体デバイスの歩留まり向上を実現できる。

なお、本実施の形態の形状プロファイル測定装置による計測結果は、露光工程に限らず、成膜工程、平坦化工程、レジスト塗布工程、現像工程、エッチング工程などの各工程などにも適用でき、これらの各工程における処理条件にフィードバックすることで、より一層、半導体デバイスの歩留まり向上が可能となる。

本発明の第１の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置を示す構成図である。 本発明の第２の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置を示す構成図である。 本発明の第３の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置を示す構成図である。 本発明の第４の実施の形態である短波長光源を用いた形状プロファイル測定装置を示す構成図である。 本発明の第１〜第４の実施の形態である形状プロファイル測定装置を用いた半導体デバイスの製造方法を示すフロー図である。 本発明の参考技術として、露光工程を説明するための図である。 本発明の参考技術として、スキャテロメトリィ装置を説明するための図である。 本発明の参考技術として、スキャテロメトリィの原理を説明するための図である。 本発明の参考技術として、シミュレーションの対象とする繰り返しパターンを説明するための図である。 本発明の参考技術として、線幅１００ｎｍおよび９０ｎｍの分光波形のシミュレーション結果を説明するための図である。 本発明の参考技術として、シュワルツチルド型反射対物レンズを用いた従来の膜厚測定装置を説明するための図である。 本発明の参考技術として、繰り返しパターンの方向と照明光入射方向の関係を説明するための図である。 本発明の参考技術として、照明光入射方向の違いによる分光波形の違いを説明するための図である。

符号の説明

１…光源、１０，１００，１０００…重水素ランプ、１１，１０１，１００１…楕円ミラー、１２，１０２，１００２…折り曲げミラー、１３，１０３，１００３…視野絞り、１４，１０４，１４０，１００４…ハーフミラー、１５…折り曲げミラー、１６，１０５，１６０…絞り、２０…反射型対物レンズ、２１…凹面鏡、２２…凸面鏡、２３…凸面鏡、２４，２５…凹面鏡、２０１…凹面鏡、２０２…凸面鏡、２００１…コンデンサレンズ、２００２…屈折型対物レンズ、２００３…結像レンズ、３…半導体ウェハ、３００…ウェハ回転ステージ、３１…繰り返しパターン、４０，４１，４２，４３…ホログラフィックグレーティング、５０，５１，５２，５３…１次元撮像素子、６…レチクル、６１…回路パターン、７…露光レンズ、８１，８１１，８１２…処理系、８１０…制御処理系、８２，８２０，８２１，８４２０…分光波形ライブラリ、８３，８３０，８３１，８３２…形状データ記憶手段、８４，８４０，８４１，８４２…計算エンジン、８５２…色収差関数データベース。

Claims (5)

1. 試料上に形成された周期パターンを照明し、該照明された試料からの反射光を分光させて検出した分光波形とシミュレーション波形との照合により前記周期パターンの形状プロファイル計測を行う形状プロファイル測定装置であって、
   結像系として、１枚の凹面鏡と１枚の凸面鏡とを用い、前記凹面鏡に対して物体側と像側とが同じ側となるように構成した光学系を有して前記試料を垂直方向から照明し垂直方向に反射した光を分光させて検出することを特徴とする形状プロファイル測定装置。
2. 請求項１記載の形状プロファイル測定装置において、
   前記光学系は、オフナー型であることを特徴とする形状プロファイル測定装置。
3. 請求項１記載の形状プロファイル測定装置において、
   前記形状プロファイル測定装置は、前記分光させて検出した分光波形データを予め記憶しておいたシミュレーション分光波形のデータベースと照合して一致したデータに基づいて前記周期パターンの断面形状を求める演算処理部を更に備えたスキャテロメトリィ装置であることを特徴とする形状プロファイル測定装置。
4. 請求項１記載の形状プロファイル測定装置を用いた半導体デバイスの製造方法であって、
   半導体ウェハ上に回路パターンを形成するリソグラフィ工程を有し、
   前記リソグラフィ工程に前記形状プロファイル測定装置による形状プロファイル計測結果を反映させることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
5. 請求項４記載の半導体デバイスの製造方法において、
   前記リソグラフィ工程は、露光工程を含み、前記露光工程に前記形状プロファイル計測結果をフィードバックすることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。

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