JP4231902B2 - 半導体上の多層薄膜積層を解析する装置 - Google Patents
半導体上の多層薄膜積層を解析する装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
発明の属する技術分野
本発明は、光学的アナライザに関し、更に詳しくは、多層薄膜積層を正確に特性づけるように安定単波長偏光解析計および広帯域分光測定モジュールを有する光学測定システムに関する。
【０００２】
発明の背景
多層薄膜の厚さおよび／または成分を正確に測定するシステムの開発においては考慮すべき事項がある。半導体基板上の薄膜酸化層の厚さが測定される半導体製造工業では特にその必要が大きい。測定システムが有用であるためには、膜の厚さおよび／または成分を高精度に決定可能でなければならない。好適な測定システムは非接触光学的測定技術によっており、これは半導体製造工程中にウェハ試料に損傷を与えることなく実行できる。このような光学的測定技術は、試料へプローブビームを指向させて、反射プローブビームの少なくとも一つの光学的パラメータを測定することを含む。
【０００３】
測定精度の向上と対象試料に関する付加的な情報を得る目的で、しばしば複数の光学的測定デバイスが単独の複合光学的測定システムに組み込まれている。例えば、本願の譲受人はOPTI−PROBEと称される製品を市販しており、これにはビームプロファイル反射計(Beam Profile Reflectometer; BPR)、ビームプロファイル偏光解析計(Beam Profile Ellipsometer;BPE)、広帯域反射スペクトロメータ(Broadband Refletive Spectrometer;BRS)を含む幾つかの光学的測定装置が組み込まれている。これらのデバイスの各々は対象試料から反射した光ビームのパラメータを測定する。ＢＰＲおよびＢＰＥデバイスは米国特許第４，９９９，０１４号および第５，１８１，０８０号にそれぞれ説明された技術を利用しており、これらは引用により本明細書に組み込まれている。
【０００４】
上述した複合測定システムは、各々の測定デバイスの測定結果を組合せて、対象試料の薄膜と基板の厚さと成分とを正確に得るようにする。しかしながら、測定結果の精度は、光学的測定システムにおける測定デバイスの正確な初期較正と定期的な較正とに依存している。更に、最近開発された測定デバイスは、薄膜をより正確に測定する膜および基板成分のより正確な測定に対して向上した感度を有し、薄膜および基板に関する付加的な情報を与える。これらの新たなシステムは非常に正確な初期較正を必要とする。更に、光学的測定デバイスに常に起こり得る熱、汚染、光学的損傷、アライメントなどが測定結果の精度に影響する。従って、複合光学的測定システムの精度を維持するためには定期的な較正が必要である。
【０００５】
既知の成分および厚さを有する薄膜が基板上に存在する既知の基板を有する参照試料を与えることにより、光学的測定デバイスを較正することが知られている。この参照試料は測定システムの所定位置にあり、各々の光学測定デバイスは参照試料の光学的パラメータを測定し、参照試料からの結果を用いて、これらを既知の膜厚および成分と比較して較正される。標準的な参照試料は「天然酸化物」参照試料であり、これは既知の厚さ（約２０オングストローム）を有する酸化層が基板上に形成されたシリコン基板である。制作の後、この参照試料は、更なる酸化および汚染（これらは参照試料膜の厚さを既知の厚さから変化させて、ひいては正確な較正のための酸化試料の有効性を低減させる）を最小限に抑えるように、非酸素環境に保管される。
【０００６】
同一の参照試料は測定システムを定期的に較正するように再使用できる。しかしながら、参照試料の酸化または汚染の量が膜厚を既知の厚さから相当に変化させたときは、この参照試料は破棄せねばならない。
【０００７】
多くの光学的測定システムのために、既知の厚さを有する参照試料がシステム較正のために有効であった。参照試料に常に慣習的に起こる酸化および汚染は、酸化／汚染からもたらされる膜厚変化が膜の全体的な厚さ（約１００オングストローム）に対して比較的に些細であるので許容できる。しかしながら、新たな超感度光学的測定システムが最近開発されてきており、これは１０オングストローム未満の厚さを有する膜層を測定できる。これらのシステムは正確な較正について２０オングストローム程度における膜厚を有する参照試料を要求する。しかしながら、このような薄膜参照試料にとっては、極微な酸化または汚染からもたらされる膜層厚の変化ですら、全体的な既知の膜層厚に比較して無視できないものであり、相当な較正誤差をもたらす。従って、超感度光学的測定システムの定期的な較正に使用される間に常に充分に安定な厚さである既知の厚さを有する天然酸化物参照試料を与えるのは、不可能ではないにせよ、非常に困難である。
【０００８】
そこで安定した膜厚（即ち既知の膜厚）を有さない参照試料を利用できる超感度光学的測定システムの較正方法への要請がある。
【０００９】
多重薄膜層を有する試料の特性決定を可能とするように、この種の測定システムの精度を向上させる工業上の要請もある。特に、半導体工業においては、半導体材料基板は現在では多重薄膜層を用いて制作されている。各膜層は異なる材料から形成できる。共通の層材料は、酸化物、窒化物、ポリシリコン、チタニウム、チタニウム窒化物を含む。
【００１０】
多重薄層を有する試料の特性を通常の技術で決定しようとする試みは困難であり、これは各層が異なる厚さと異なる光学特性とを有するためである。このような複合積層の特性を決定するために今のところ発見されている最適の試みは、多重測定技術であり、これはプロセッサにより処理可能な独立データを生成する。既存のデバイスは、偏光（位相）および分光測光（光度）測定と、その結果のマイクロプロセッサにおける統合との双方をなす能力がある。これらのデバイスにおける偏光解析計は多重波長および多重入射角測定を含むことができる。同様に、これらのデバイスの幾つかにおける分光光度計は多重入射角の測定をなすのに配置できる。
【００１１】
これらのシステムは妥当な成功を収めているものの、多重積層における個々の層の特性の解析における更なる精度は常に希求される。波長安定較正偏光解析計を含む対象のシステムは、多重薄膜積層の個々の層の特性決定を向上させるように変更できる。
【００１２】
発明の要約
本発明は波長安定偏光解析計を有する薄膜光学的測定システムであり、これは較正のためと、多重薄膜積層の特性決定を向上させるために使用できる。較正目的のために使用するとき、安定波長偏光解析計は参照試料上の膜の厚さを正確に決定するように機能する。較正偏光解析計からの測定結果は薄膜光学的測定システムにおける他の光学的測定デバイスの較正のために使用される。所定の既知の膜厚を有する参照試料を与える必要がないので、参照試料の酸化または汚染が膜の厚さが時間の経過と共に変化する場合でさえも、既知の組成を有する参照試料を超感度光学的測定デバイスの較正に繰り返し使用することができる。
【００１３】
較正参照偏光解析計は、少なくとも他の一つの非接触光学的測定デバイスを較正するように少なくとも部分的に既知の組成を有する参照試料を用いる。参照偏光解析計は、参照試料との相互作用のために既知の波長と既知の偏光とを有する光の準単色光ビームを生成する光ジェネレータを含む。ビームは、参照試料に関して非直角入射角で指向されて参照試料と相互作用する。アナライザは、光ビームが参照試料と相互作用した後の光ビームにおけるＳ偏光成分とＰ偏光成分との間の干渉を形成する。検出器はビームがアナライザを通過した後の光の強度を測定する。プロセッサは、アナライザへ入射する光ビームの偏光状態を検出器により測定された強度から決定する。次いでプロセッサは、決定された偏光状態と、光ジェネレータからの光の既知の波長と、参照試料の少なくとも部分的に既知の組成とに基づいて参照試料の光学特性を決定する。プロセッサは、参照試料の一つの光学的パラメータを測定する少なくとも一つの他の非接触光学測定デバイスを作動する。プロセッサは、他の光学的測定デバイスで測定された光学的パラメータを参照偏光解析計からの決定された光学的特性と比較することにより他の光学的測定デバイスを較正する。
【００１４】
参照偏光解析計は、基板上の未知の多重積層の全体的な光学的厚さを非常に正確に測定することに使用できるという更なる利点を有する。ここにおいて、用語「全光学的厚さ」とは、均一な光学的パラメータ（即ちｎおよびｋ）を有する単独の均一層に対応する積層の有効な厚さを意味する。安定波長偏光解析計は、５００オングストローム未満の厚さを有する層または積層の全光学的厚さを決定するための優れた機器であり、且つ２００ストローム以下の厚さを有する積層のための最良の機器である。
【００１５】
単波長、単入射角出力のみを与える参照偏光解析計は、積層における個々の層を解析するには適さない。このような解析は、通常はスペクトロメータ、分光偏光解析計のような分光機器からの付加的な測定を必要とする。しかしながらこれらの機器のみでは、積層を正確に特性決定する有効な情報を生成するのが困難である。
【００１６】
本発明によれば、波長安定偏光解析計からの出力が多重積層の全体的光学的厚さを決定するようにプロセッサにより使用される。この情報は、分光測定に基づく解析の不確実性を低減するようにプロセッサにより使用される。少なくとも一つの技術により異なる波長における多数の測定をなすことにより、層成分および厚さに関する非常に正確な情報を測定できる。
【００１７】
本発明の他の局面と特徴とは、明細書、請求の範囲および添付図面の検討により明白になろう。
【００１８】
好適実施例の詳細な説明
本発明は波長安定参照偏光解析計２を有する複合薄膜光学的測定システム１であり、その偏光解析計２は、既知の成分を有する基板６および薄膜８を有する参照試料４に関連して使用されて、複合薄膜光学的測定システム１に包含された非接触光学的測定デバイスを較正するようにされている。
【００１９】
図１は本願の譲受人により開発されてきた複合光学的測定システムを示し、これは５台の異なる非接触光学的測定デバイスと本発明の参照偏光解析計２とを有する。
【００２０】
複合光学的測定システム１は、ビームプロファイル偏光解析計(Beam Profile Ellipsometer;BPE)１０、ビームプロファイル反射計(Beam Profile Reflectometer; BPR)１２、広帯域反射スペクトロメータ(Broadband Refletive Spectrometer;BRS)１４、遠紫外反射スペクトロメータ(Deep Ultra Violet Refletive Spectrometer;DUV)１６、および広帯域分光偏光解析計(Broadband Refletive Spectroscopic Ellipsometer;BSE)１８を含む。これらの５台の測定デバイスは少なくとも２つの光源、即ちレーザー２０および白色光源２２を有する。レーザー２０はプローブビーム２４を生成し、白色光源２２はプローブビーム２６（これはレンズ２８によりコリメートされて、ミラー２９によりプローブビーム２４と同一の経路に沿って指向される）を生成する。レーザー２０は理想的には東芝製の固体レーザーダイオードであり、これは６７３ｎｍで直線偏光された３ｍＷビームを射出する。白色光源２２は理想的には、２００ｎｍ乃至８００ｎｍのスペクトルを包含する２００ｍＷ単色光を生成する重水素タングステンランプである。
【００２１】
プローブビーム２４／２６はレンズ３２または３３により試料の表面へ収束される。好適実施例においては、２つのレンズ３２／３３はターレット（図示せず）に取り付けられて、プローブビーム２４／２６の経路へ交互に移動する。レンズ３２は、試料表面に関して大きく広がった入射角を形成し、且つ約１ミクロン径のスポットサイズを形成するように、高開口数（０．９０ＮＡ程度）を有する球面顕微鏡対物レンズである。レンズ３３は図２に示されており、低開口数（０．４ＮＡの程度）を有する反射レンズであり、約１０−１５ミクロンのスポットサイズへ遠ＵＶ光を収束させる能力がある。
【００２２】
ビームプロファイル偏光解析法(Beam Profile Ellipsometry;BPE)は、１９９３年１月１９日発行の米国特許第５，１８１，０８０号に説明されており、これは本願の譲受人に譲渡され、引用により本明細書に組み込まれている。ＢＰＥ１０は１／４波長板３４、偏光器３６、レンズ３８および象限検出器４０を含む。操作においては、直線偏光されたプローブビーム２４はレンズ３２により試料４上へ収束される。試料面から反射した光は透過レンズ３２、透過ミラー４２，３０および４４を通過して、ミラー４６によりＢＰＥ１０へ指向される。反射プローブビーム内の光線の位置は、試料面に関する特定の入射角に対応する。１／４波長板３４はビームの偏光状態の一つの位相を９０度だけ遅延させる。直線偏光器３６はビームの二つの偏光状態を互いに干渉させる。最大信号のために、偏光器３６の軸は、１／４波長板３４の速軸および遅軸に関して４５度の角度に向き付けられている。検出器４０は、放射状に配置された４つの象限を有する象限セル検出器であり、各々の象限はプローブビームの１／４を遮断し、象限に入射するプローブビームの部分の出力に比例する分離された出力信号を生成する。各々の象限からの出力信号はプロセッサ４８へ送られる。米国特許第５，１８１，０８０号に説明されているように、ビームの偏光状態の変化を監視することにより、偏光情報、例えばψおよびΔを決定できる。この情報を決定するために、プロセッサ４８は、直径方向に対向する象限の出力信号の合計の差をとり、その値は非常に薄い膜についての膜厚に比例して変化する。
【００２３】
ビームプロファイル反射(Beam Profile Reflectometry; BPR)は１９９１年３月１２日発行の米国特許第４，９９９，０１４号に説明されており、これは本願の譲受人に譲渡され、引用により本明細書に組み込まれている。ＢＰＲ１２は、試料の反射率を測定するように、レンズ５０と、２つの直線検出器アレイ５４および５６とを含む。操作においては、線形偏光プローブビーム２４がレンズ３２により試料４へ収束され、ビーム内の様々な光線が入射角の範囲で試料面へ入射する。試料面から反射した光は透過レンズ３２と、透過ミラー４２および３０とを透過して、ミラー４４によりＢＰＲ１２へ指向された。反射プローブビーム内の光線の位置が、試料面に関する特定の入射角に対応する。レンズ５０はビームを二次元方向へ空間的に広げる。ビームスプリッタ５２はビームのＳおよびＰ成分を分離し、検出器アレイ５４および５６は、ＳおよびＰ偏光に関する情報を分離するように、互いに直交して配置されている。大きな入射角の光線はアレイの対向端に近接して入射する。ダイオードアレイの各々の素子からの出力は異なる入射角に対応する。検出器アレイ５４／５６は、試料面に関する入射角の関数として反射プローブビームに亘る強度を測定する。プロセッサ４８は検出器アレイ５４／５６の出力を受け、様々な形式のモデル化アルゴリズムを用いることにより、これらの角度依存強度計測に基づいて薄膜層８の厚さと屈折率とを得る。最小二乗法適合ルーチーンのような反復処理を用いる最適化ルーチーンが典型的に使用される。この種の最適化ルーチーンの一例が“Multiparameter Measurement of Thin Films Using Beam-Profile Reflectivity,” Fanton, et al., Journal of Applied Physics, Vol. 73, No.11, p.7035, 1933 に記載されている。他の例は“Simultaneous of Six Layers in a Silicon on Insulator Film Stack Using Spectrophotometry and Beam Profile Reflectivity,” Leng, et al., Journal of Applied Physics, Vol. 81, No.8, p.3570, 1997に記載されている。
【００２４】
広帯域反射スペクトロメータ(Broadband Refletive Spectrometer;BRS)１４は同時に光の多重波長で試料４を調べる。ＢＲＳ１４はレンズ３２を用い、且つ広帯域スペクトロメータ５８を含む。その広帯域スペクトロメータ５８は、当該技術分野で一般的に知られて使用されている任意の形式のものとすることができる。図１に示すスペクトロメータ５８はレンズ６０、アパーチュア６２、分散素子６４および検出器アレイ６６を含む。操作の間、白色光源２２からのプローブビーム２６はレンズ３２により試料４へ収束される。試料の面から反射した光はレンズ３２を透過し、ミラー４２（透過ミラー８４）によりスペクトロメータ５８へ指向される。レンズ６０はプローブビームをアパーチュア６２を通じて収束させ、そのアパーチュアは解析する試料面上の視野におけるスポットを規定する。発散素子６４、例えば回折格子、プリズムまたはホログラフィック板は、検出器アレイ６６に包含された個々の検出素子へビームを波長の関数として角度的に発散させる。異なる検出素子はプローブビームに含まれた光の異なる波長の光学的強度を測定し、この測定は好ましくは同時になされる。これに代えて、検出器６６はＣＣＤカメラか、或いは適切な発散素子または他の波長選択光学素子を有する光電子増倍管とすることができる。単独の検出素子を用いて、単色分光計を異なる波長の連続的な測定（１回につき１波長を測定）に用いることができることに留意されたい。更に発散素子６４は、光を波長の関数として１方向へ、且つ試料面に関する入射角の関数として直交方向へ発散させるようにも構成できるので、波長と入射角との双方の関数としての同時測定が可能である。プロセッサ４８は検出器アレイ６６により測定された強度情報を処理する。
【００２５】
遠紫外反射分光測定（ＤＵＶ）は、紫外線の多重波長で試料を同時に調べる。ＤＵＶ１６は、プローブビーム２６を解析するために、集束レンズ３２に代えて反射レンズ（図２）を用いる点を除いてはＢＲＳ１４におけるのと同一のスペクトロメータ５８を用いる。ＤＵＶ１６を操作するためにはレンズ３２／３３を保持するターレットを回動させて、反射レンズ３３をプローブビーム２６に整合させる。この反射レンズ３３が必要なのは、固体の対物レンズは紫外線を試料へ充分に収束させないためである。
【００２６】
広帯域分光偏光解析法（ＢＳＥ）は、１９９６年７月２４日出願の係属中の米国特許出願第０８／６８５，６０６号に説明されており、これは本願の譲受人に譲渡され、引用により本明細書に組み込まれている。ＢＳＥ（１８）偏光器７０、収束ミラー７２、コリメートミラー７４、回転補償器７６、およびアナライザ８０を含む。操作においては、ミラー８２はプローブビーム２６の少なくとも一部を偏光器７０へ指向させる。この偏光器はプローブビームについて既知の偏光状態を形成し、好ましくは直線偏光器である。ミラー７２はビームを試料面上に斜角、理想的には試料面の垂線方向に対して７０度程度で収束させる。良く知られた偏光解析原理に基づけば、反射ビームは試料との干渉の後に、試料の膜８と基板６との組成と厚さとに基づいて、一般に直線と円形との混合された偏光状態を有する。この反射ビームは、ビームを回転補償器７６へ指向させるミラー７４によりコリメートされる。補償器７６は、相互に直交する１対の偏光ビーム成分の間の相対位相遅延δ（位相遅延）を導く。補償器７６は、ビームの伝搬方向に実質的に平行な軸の周りに角速度ωにて好ましくは電気モータ７８により回転する。アナライザ８０、好ましくは他の直線偏光器は、それに入射する偏光状態を混合する。アナライザ８０により伝送された光を測定することにより、反射プローブビームの偏光状態を決定できる。ミラー８４はビームをスペクトロメータ５８へ指向し、これは補償器／アナライザ組み合わせ体を透過した反射プローブビームにおける異なる波長光の強度を同時に測定する。プロセッサ４８は検出器６６の出力を受信し、検出器６６により検出された強度情報を波長の関数として、且つ補償器７６の回転軸の周りの補償器７６の方位角（回転角）の関数として処理して、米国特許出願第０８／６８５，６０６号に説明されたように偏光解析値ψおよびΔを解くようにする。
【００２７】
検出器／カメラ８６がミラー４６の上に位置しており、試料４を離れた反射ビームをアライメントおよび合焦目的で視るために用いることができる。
【００２８】
ＢＰＥ１０、ＢＰＲ１２、ＢＲＳ１４、ＤＵＶ１６およびＢＳＥ１８を較正する目的で、複合光学的測定システム１は、参照試料４に関連して用いられる波長安定較正参照偏光解析計２を含む。偏光解析計２は光源９０、偏光器９２、レンズ９４および９６、回転補償器９８、アナライザ１０２および検出器１０４を含む。
【００２９】
光源９０は、既知の安定波長および安定強度を有する準単色光プローブビーム１０６を生成する。これは受動的に実行でき、光源９０が常に変動しない非常に安定な出力波長（即ち変動が１％未満）を生成する。受動的安定光源の例はヘリウム−ネオンレーザーまたは他のガス放電レーザーシステムである。これに代えて、非受動システムを図３に示したように用いることができ、ここでは光源９０が、正確に既知でないか或いは常に安定でない波長を有する光を生成する光ジェネレータ９１と、この光ジェネレータ９１により生成された光の波長を正確に測定する単色光計９３とを含む。このような光ジェネレータの例は固体レーザー、レーザーダイオード、または格子のようなカラーフィルタに関連して用いられる多色光源を含む。いずれの場合においても、既知の一定値であるか単色光計９３により測定されたビーム１０６の波長はプロセッサ４８へ与えられるので、偏光解析計２はシステム１における光学的測定デバイスを正確に較正できる。
【００３０】
ビーム１０６は偏光器９２と相互作用して既知の偏光状態を形成する。好適実施例においては、偏光器９２は石英ローションプリズムからなる直線偏光器であるが、一般的には偏光は直線性を有する必要はなく、完全である必要もない。偏光器９２は方解石から形成することもできる。偏光器９２の方位角は、偏光器９２から射出する直線偏光ビームに関連する電気ベクトルの平面が入射面（ビーム１０６の伝搬方向により規定され、試料４の表面に対して垂直）に関して既知の角度を成すように向き付けられている。方位角は好ましくは３０度程度に選択されており、これはＰおよびＳ偏光成分の反射強度が概ね平衡したときに感度が最適化されているためである。光源９０が所望の既知の偏光状態を有する光を射出するならば、偏光器９２を省略できることに留意されたい。
【００３１】
ビーム１０６はレンズ９４により斜角で試料４上に収束される。較正目的のために、参照試料４は理想的には厚さｄを有してシリコン基板６上に形成された薄い酸化物層８からなる。しかしながら、一般的には試料４は、裸のシリコンウェハ、少なくとも一つの層がその上に形成されたシリコンウェハ基板を含む既知の組成の適切な基板とすることができる。層８の厚さｄは既知である必要はなく、定期的な較正の間に一貫している必要はない。プローブビーム１０６からの有益な光は、試料４によりその表面に対する垂線に関する入射ビームに対して対称に反射した光である。しかしながら、非鏡面散乱放射の偏光状態は本発明の方法によりよく決定できることに留意されたい。ビーム１０６は理想的には試料４上にその表面の垂線に対して７０度程度の角度で入射し、これは試料特性に対する感度が材料のブルースター角または疑似ブルースター角の近傍において最大になるためである。よく知られた偏光解析原理に基づけば、反射ビームは一般に、試料と干渉した後に、到来ビームの直線偏光状態と比較して、混合した直線および円形偏光状態を有する。レンズ９６はビーム１０６を試料４から反射した後にコリメートする。
【００３２】
ビーム１０６は回転補償器（遅延器）９８を通過し、これは１対の相互直交偏光ビーム成分の間の相対位相遅延δを導く。位相遅延の量は波長、補償器を形成するのに用いられた材料の分散特性、および補償器の厚さの関数である。補償器９８はビーム１０６の伝搬方向に対して実質的に平行な軸の周りで角速度ωにて好ましくは電気モータ１００により回転する。補償器９８は任意の通常の波長板補償器、例えば結晶石英から形成されたものとすることができる。補償器９８の厚さと材料とは、ビームの所望の位相遅延が誘発されるように選択されている。好適実施例においては、補償器９８は、非異方性（通常は倍屈折）材料の２つの平行板から構成された２板補償器、例えば左右対向する石英結晶であり、その２つの板の速軸は互いに直交し、厚さは殆ど等しく、ただ光源９０により導かれた波長についての純一次遅延を実現するのに充分なだけ異なっている。
【００３３】
ビーム１０６は次いでアナライザ１０２と相互作用する。このアナライザ１０２はそれに入射する偏光状態を混合する役割を果たす。この実施例においては、アナライザ１０２は他の直線偏光器であり、好ましくは入射面に関して４５度の方位角に指向されている。しかしながら、到来偏光状態を適切に混合するように働く任意の光学的デバイスをアナライザとして使用できる。アナライザ１０２は好ましくは石英RochonまたはWollastonプリズムである。回転補償器９８は、その回転に応じてビームの偏光状態をアナライザにより伝送された光が次式により特性決定されるように変化させる。
【式１】
【００３４】
【式２】
【００３５】
ここでＥｘおよびＥｙはアナライザの伝送軸に対してそれぞれ平行と垂直の入射電場ベクトルの投影であり、δは補償器の位相遅延であり、ωは補償器の角回転周波数である。
【００３６】
特定の試料からの非垂直入射で反射した直線偏光については、
【式３】
【００３７】
ここでＰは入射面に関する入射光の方位角である。係数ａ０，ｂ２，ａ４，ｂ４は複合反射率比を決定するように様々な手法で組み合わせることができる。
【式４】
【００３８】
補償器９８は、式に対する適切でよく知られた僅かな変更に応じて、試料４とアナライザ１０２との間（図１に示す如し）か、或いは試料４と偏光器９２との間の何れにも配置できることに留意されたい。偏光器７０、レンズ９４／９６、補償器９８および偏光器１０２の全ては、光源９０により生成された光の特定の波長のために構造的に最適化されており、これは偏光解析計２の精度を最大化する。
【００３９】
ビーム１０６は次いで検出器１０４へ入射し、これは補償器／アナライザ組み合わせ体を透過するビームの強度を測定する。プロセッサ４８は、検出器１０４により測定された強度情報を処理して、アナライザと相互作用した後の光の偏光状態、ひいては試料の偏光解析パラメータを決定する。この情報処理は、補償器の回転軸周りの補償器の方位角（回転角）の関数としてのビーム強度の測定を含む。この補償器回転角の関数としての強度の測定は、補償器の角速度が通常は既知であり、且つ一定であることから、時間の関数としてのビーム１０６の強度の測定に有効である。
【００４０】
試料４の組成を知り、光源９０により生成された光の正確な波長を知ることにより、参照試料４の光学的特性、例えば膜厚ｄ、屈折率、および消滅係数その他を偏光解析計２により決定できる。膜が非常に薄く、例えば約２０オングストローム以下ならば、厚さｄは下式により解かれるｄ／λにおける第１次に見出すことができる。
【式５】
【００４１】
ここで
【式６】
【００４２】
【式７】
【００４３】
これはｄ＝０についてのρ＝ｔａｎΨｅｉΔの値である。ここで、λ＝光の波長であり、εｓ，ε０およびε２はそれぞれ基板、薄酸化膜、および周辺雰囲気の絶縁関数であり、θは入射角である。
【００４４】
膜厚ｄが小さくないならば、これは次式を解くことにより得られる。
【式８】
【００４５】
ここで、
【式９】
【００４６】
【式１０】
【００４７】
またここで、
【式１１】
【００４８】
【式１２】
【００４９】
【式１３】
【００５０】
【式１４】
【００５１】
【式１５】
【００５２】
【式１６】
【００５３】
であり、一般に
【式１７】
【００５４】
ここでｊはｓまたはａである。一般にこれらの式は、既知のεｓ，εａ，λ，およびθを用いてｄおよびｎ０について同時に数値的に解かねばならない。
【００５５】
膜８の厚さが偏光解析計２により決定されたならば、次いで参照試料４が試料４の様々な光学的パラメータを測定する他の光学的測定デバイスＢＰＥ１０、ＢＰＲ１２、ＢＲＳ１４、ＤＵＶ１６、ＢＳＥ１８により検査される。プロセッサ４８は、これらの光学的測定デバイスからの結果を解析するのに用いられた処理値を較正するので、これらは正確な結果をもたらす。これらの測定デバイスの各々について、測定データに影響して、他の試料の正確な測定をなせる前に考慮しなければならないシステム変数がある。ＢＰＥ１０の場合には、最も重要な変数システムパラメータは、ＢＰＥ光学的経路に沿った光学素子に起因して生じる位相シフトである。偏光解析パラメータΔにおける全体的ドリフト（これは次いでＢＰＥ１０からプロセッサ４８により計算された試料厚ドリフトへ変換される）の結果、環境はこれらの光学的素子を変化させる。参照試料上のＢＰＥ１０の測定された光学的パラメータを用いて、且つ式５と、較正偏光解析計２から決定されたものとしての膜８の厚さとを用いて、他の試料についてＢＰＥ１０からの測定値へ適用される位相オフセットを導くことにより、プロセッサ４８はＢＰＥ１０を較正する結果、正確なＢＰＥ測定が確立される。ＢＳＥ１８については、多重位相オフセットが、測定されたスペクトルにおける多重波長について導かれる。
【００５６】
残りの測定デバイス、ＢＰＲ１２、ＢＲＳ１４、ＤＵＶ１６については、測定された反射率もビーム経路における光学的素子に対する環境変化により影響される。従って、参照試料４についてＢＰＲ１２、ＢＲＳ１４、ＤＵＶ１６により測定された反射率Ｒｒｅｆが偏光解析計２による測定値と組み合わせて用いられて、これらのシステムを較正する。式９−１７は、偏光解析計２の測定値から参照試料４の絶対反射率Ｒｃ ｒｅｆを計算するのに用いられる。任意の他の試料についての反射率（Ｒｓ）のＢＰＲ／ＢＲＳ／ＤＵＶデバイスによる全ての測定値は、下式１８における標準化項を用いてプロセッサ４８により割合を定められて、ＢＰＲ、ＢＲＳおよびＤＵＶデバイスから導かれた正確な反射率Ｒをもたらす。
【式１８】
【００５７】
上述した較正技術においては、位相および強度に影響する全てのシステム変数が決定されて、位相オフセットおよび反射率標準化項を用いるために補償されて、これらの較正された光学的測定デバイス絶対値によりなされた光学的測定値が表現される。
【００５８】
上述した較正技術は導かれた薄膜の厚さｄを用いる較正に大きく依存している。しかしながら、偏光解析計２を用いる較正は、試料がその上に単独の膜を有するか、多重膜を有するかによらず、或いは膜がない場合（裸の試料）でさえも、偏光解析計２により測定可能または決定可能および／または既知である参照試料の任意の光学的特性の何れかに基づかせることができる。
【００５９】
本発明の利点は、その上に薄膜を有さないか、または常に緩慢に変化し得る未知の厚さを持つ薄膜を有する参照試料を超感度光学的測定デバイスを正確に較正するのに反復的に使用できる。
【００６０】
光源９０の出力もスペクトロメータ５８によりなされた波長の測定値を較正するのに使用できる。試料４は、ビーム１０６をミラー４２へ、および発散素子６４へ指向させるように尖っていてもよく、または尖端ミラーに置き換えてもよい。光源９０により生成された光の正確な波長を知ることにより、プロセッサ４８は、検出器６６の１つまたは複数のピクセルが光の波長に対応するように定めることにより、検出器６６の出力を較正できる。
【００６１】
本発明の較正偏光解析計２は、上述した特定の回転補償偏光解析計形態に限定されないことに留意されたい。本発明の目的は、（既知の波長を有する）光源９０に関連する任意の偏光解析計形態を含み、これは試料と相互作用した後のビームの偏光状態を測定し、非接触光学的測定デバイスを較正するのために試料に関する必要な情報を与える。
【００６２】
例えば、他の偏光解析計形態は、補償器９８を回転させるのに代えて、偏光器９２を回転させるか、またはモータ１００を有するアナライザ１００である。厚さｄを解くための上述の計算は依然として適用される。
【００６３】
更に、図１の偏光解析計２として同一の素子を用いる零偏光解析法は、較正目的のために膜厚ｄを決定するのに用いることができる。この偏光解析情報は、これらの素子の方位角を検出器１０４により測定された零または最小レベル強度まで整合させることにより導かれた。好適な零偏光解析計実施例においては、偏光器９２および１０２は直線偏光器であり、補償器９８は１／４波長板である。補償器９８は、その速軸が試料４の入射面に関して４５度の方位角であるように整合されている。偏光器９２は入射面に関する方位角Ｐを形成する伝送軸を有し、偏光器１０２は入射面に関する方位角Ａを形成する伝送軸を有する。偏光器９２および１０２は、アナライザ１０２により光が完全に消される（最小化される）ようにビーム１０６に関して回転する。一般に、この状態と光を消すこととを満足する２つの偏光器９２／１０２の向き（Ｐ１，Ａ１）および（Ｐ２，Ａ２）がある。９０度の位相シフトを含み、入射面に関する４５度の方位角に向き付けられた補償器によれば、
【式１９】
【００６４】
【式２０】
【００６５】
【式２１】
【００６６】
（ここでＡ１はＡが正についての状態）
【式２２】
【００６７】
これは、式５−１０が組み合わされたとき、プロセッサが厚さｄを解くことを可能にする。
【００６８】
零偏光解析は、その結果が機械的角度の測定に完全に依存しており、且つ強度から独立しているので非常に正確である。零偏光解析は、R. M. A. Azzamおよび N. M. Bashara によりEllipsometry and Polarized Light（北オランダ、アムステルダム、１９７７）に、また D. E. AspenceによりOptical Propeties of Solids: New Developments, ed. B. O. Seraphin（北オランダ、アムステルダム、１９７６）７９９頁に更に説明されている。
【００６９】
補償器９８を偏光解析計２から省いて、偏光器９２またはアナライザ１０２を回転させるのにモータ１００を用いることも考えられる。検出信号を反射ビームの直線偏光成分の正確な測定に使用できるように偏光器９２またはアナライザ１０２の何れかを回転させる。従って円形偏光成分は、ビームが完全に偏光しており、非直線偏光が円形偏光でないとみなすことにより推測される。一般に回転偏光器または回転アナライザ偏光解析計と称されるこの種の偏光解析計は「不完全」偏光計と称される。これは円形偏光成分の左右に対して感度がなく、解析される光が近似的に完全直線偏光であるか、或いは非偏光成分を処理するかの何れの場合でも劣った性能を示すためである。しかしながら、光源９０からのＵＶライトを用いると、シリコンのような基板の材料は、試料と相互作用する光の全位相シフトに寄与するのに充分であり、補償器を用いることなく正確な結果が得られる。このような場合、上述したのと同様な式を厚さｄを導くのに用いることができ、ここで位相シフトは補償器を零に設定することにより導かれる。
【００７０】
本発明は上述して図示したものに限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲の主旨の範囲内にある任意且つ全ての変更例を包含することを理解されたい。例えば、第２の補償器を追加でき、この場合、図４に示すように第１の補償器は試料とアナライザとの間に配置され、第２の補償器は試料と光源との間に配置される。これらの補償器は静止型としてもよく、回転型としてもよい。更に、偏光状態の間に固定または可変遅延を与えるために、補償器９８は非回転光電素子または光弾性素子、例えば圧電セル遅延器に置き換えることができ、この圧電セル遅延器は、セルに対して可変電圧または静電圧を印加することにより、正弦位相遅延または静的位相遅延を導くように当該技術分野で一般的に用いられている。
【００７１】
装置を較正した後は、装置は様々な測定をなすために使用できる。半導体工業において最も重要な測定の１形式は、基板上の多重層薄膜の特性決定である。図５はこのような試料２００の図を示す。試料２００は半導体基板２０２を示し、これは典型的にはシリコンであるが、ゲルマニウム、ガリウム砒素などとすることができる。複数の薄膜層は基板の上部に置かれている。図におけるこれらの層の厚さは明瞭化のために誇張されている。
【００７２】
図５の例に明らかなように、４つの薄膜層２０４乃至２１０が積層して配置されている。薄膜層を形成するのに用いられる最も典型的な材料は、酸化物、窒化物、ポリシリコン、チタニウム、チタニウム窒化物を含む。これらの材料の各々は、異なる光学特性を有する。薄膜層の数と変化が増加するにつれて、多重測定がなされた場合でさえも、個々の層の特性を決定するのが次第に困難になる。
【００７３】
本発明によれば、本システムの参照偏光解析計は、複雑な多重層積層の良好な解析を支援するためにも使用できる。参照偏光解析計からの出力が限定されていて、積層における個々の層の解析に特に有益でないにも拘わらず、参照偏光解析計は積層の全光学的厚さＴの非常に正確な決定を与えるように使用することができる。以下に説明するように、プロセッサ４８は個々の層の解析の精度を向上させるように、他の測定値と組み合わせて参照偏光解析計から得られた測定値を用いることができる。
【００７４】
図６はシステムを如何にして多重積層解析へ構成できるかを示すフローチャートである。図６に示されるステップは一般に、上述した方式の較正の後に生じる。更に、データを集める段階は図６においては図示の目的のみの連続順に示されていることに留意されたい。実際には、様々な測定を任意の順序でなすことができる。その結果は、角測定が終了するのに応じてプロセッサに記憶される。全ての所望の測定が完了すると、プロセッサはデータを解析できる。
【００７５】
本発明によれば、偏光解析計２は試験試料（ステップ２３０）を測定するのに使用できる。この場合、試験試料２００は、図１に示す参照試料４に代えて装置内に配置される。第１の出力信号の形成における測定からの出力はステップ２３２におけるプロセッサ４８へ送られる。
【００７６】
上述したように、偏光解析計２の出力は層の全光学的厚さＴを計算するのに用いられる。この目的のために偏光解析計を用いる拡張のためには、光源９０が所定の口の波長を生成するレーザーであることが好ましい。好的実施例においては、光源９０は、６３２．８ナノメータの所定の出力を有するヘリウムネオンレーザーである。ヘリウムネオンレーザーの利点は低コストでしっかりと収束させることができ、室温またはパワーレベルに関係なく既知の波長を生成できることである。
【００７７】
本発明によれば、個々の層の特性を解析する目的で付加的な測定をなさねばならない。好適実施例においては、もっとも望ましい測定はステップ２３４に示されるように多重波長測定を含むであろう。この多重波長測定は反射ビームの位相または光度の変化の何れかに基づき得る。上述したように、白色光源２２を何れの形式の測定にも用いることができる。検出器５８は、広帯域反射スペクトロメータ（ＢＲＳ）１４または遠紫外線反射スペクトロメータ（ＤＵＶ）１６の何れについても大きな波長範囲に亘って反射ビームの光度における変化を測定できる。この検出器５８は、複数の波長に対応する出力信号を発生する。ステップ２３６は分光光度測定を示す。
【００７８】
多重波長におけるビームの位相変化は広帯域分光偏光解析計（ＢＳＥ）１８から得ることができる。ステップ２３８はＢＳＥ測定を示す。何れの形式の多重波長測定の異なる波長に対応する第２の出力信号は記憶のためにプロセッサ４８へ送られる（ステップ２４０）。好適実施例においては、光度と位相との双方の測定がなされてプロセッサへ送られる。
【００７９】
付加的な測定が層のより正確な特性決定を支援するために望ましい。好適実施例においては、これらの測定は、ステップ２４２におけるビームプロファイル偏光解析計システム（ＢＰＥ）およびステップ２４４におけるビームプロファイル反射計システム（ＢＰＲ）によりなされた測定を含む。これらの測定からの結果はステップ２４６においてプロセッサへ送られる。
【００８０】
本発明によれば、プロセッサは試料を特性決定するように測定システムからの入力の組み合わせを用いることができる。上述したように、プロセッサは典型的には、個々の層の特性を決定する最小二乗適合ルーティーンのような反復処理を利用するモデリングアルゴリズムを含む（例えば、先に引用したFantonその他、およびLengその他の文献を参照）。これらの形式のルーティーンにおいては、積層のパラメータの初期計算は、フレネルの式と層の特性の所定の「最良の推量」を用いてなされる。この計算はデバイスにおける様々な検査システムを用いて得ることができる測定結果の組に対応する理論値の組を導く。次いで、この理論値の組は、様々な検査システムから実際に得られた測定値の組と比較されて、実際の値と理論値との間の近似または「整合」として評価がなされる。理論値が測定値からどの程度にどのような方式で異なっているかに基づく層特性として、新たな「最良の推量」がなされる。アルゴリズムはフレネルの式を再度用いてパラメータを再計算し、訂正された理論値と実験的に得られた測定値との間の他の比較がなされる。この処理は理論値が実際の測定値に精度の所定のレベルで整合するまで反復形式で続けられる。
【００８１】
本発明によれば、この数学的モデル化は積層の全光学的厚さを示すパラメータを含むように拡張されている（ステップ２５０）。この解析は多重積層が実際には共通の特性を有する単独層であると仮定されている。このモデルは、狭帯域オフ軸偏光解析計測定により生成されるべき測定値に対応する付加的な理論値の組を生成する。反復処理の間に、全光学的厚さに関連するこれらの理論値は、オフ軸偏光解析計により得られた実際の測定値と比較される。全ての理論値（全光学的厚さに関連する値を含む）と全ての測定値との間の近似または「整合」は反復処理において評価されて、積層における個々の層の特性のより正確な解析を生成する。
【００８２】
この試みにより達成された改良は、既知の波長を有するオフ軸偏光解析計を用いる測定から積層の全光学的厚さを非常に正確に決定できるという事実が得られることである。厚さ２００オングストロームを越える範囲の積層については、この種の測定は１オングストローム以下の範囲で正確である。
【００８３】
本発明は個々の層の特性を導くのに用いられた特定のアルゴリズムに限定されるものではない。より一般的な最小二乗整合ルーティーンに加えて、代替的な手法を用いることもできる。例えば、現在利用可能な高水準のコンピュータ能力は、遺伝子アルゴリズムを含む手法の利用を可能とする。薄膜層の厚さを決定する遺伝子アルゴリズムの使用の一例は、”Using Genetic Algorithms with Local Search for Thin Film Metrology,” Land,et al., Proceeding of the Seventh International Conference on Gnenetic Algorithm, July 19-23, page 537, 1997に見ることができる。本発明が単に要求することは、オフ軸偏光解析計からの測定値が多重積層の理論的全光学的厚さを評価するために用いられて、且つこの情報が個々の層の特性の解析における曖昧さの最小化を支援するために用いられるように、アルゴリズムが設計されていることである。
【００８４】
本発明について好適実施例を参照して説明したが、添付の請求の範囲により規定された本発明の目的と要旨から逸脱することなく、当業者には様々な変形や変更をなすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】 図１は本発明の較正偏光解析計を有する複合光学的測定システムの平面図である。
【図２】 図２は本発明に使用された反射レンズの横断面図である。
【図３】 図３は本発明の較正偏光解析計のための光源の代替的実施例の平面図である。
【図４】 図４は本発明の較正偏光解析計における多重補償器を有する複合光学的測定システムの平面図である。
【図５】 図５は試料上の多重積層の図である。
【図６】 図６は安定波長偏光解析計と多重波長測定との双方からの測定を用いる多重積層の個々の層を特性決定するのに実行できる段階を示すフローチャートである。
発明の属する技術分野
本発明は、光学的アナライザに関し、更に詳しくは、多層薄膜積層を正確に特性づけるように安定単波長偏光解析計および広帯域分光測定モジュールを有する光学測定システムに関する。
【０００２】
発明の背景
多層薄膜の厚さおよび／または成分を正確に測定するシステムの開発においては考慮すべき事項がある。半導体基板上の薄膜酸化層の厚さが測定される半導体製造工業では特にその必要が大きい。測定システムが有用であるためには、膜の厚さおよび／または成分を高精度に決定可能でなければならない。好適な測定システムは非接触光学的測定技術によっており、これは半導体製造工程中にウェハ試料に損傷を与えることなく実行できる。このような光学的測定技術は、試料へプローブビームを指向させて、反射プローブビームの少なくとも一つの光学的パラメータを測定することを含む。
【０００３】
測定精度の向上と対象試料に関する付加的な情報を得る目的で、しばしば複数の光学的測定デバイスが単独の複合光学的測定システムに組み込まれている。例えば、本願の譲受人はOPTI−PROBEと称される製品を市販しており、これにはビームプロファイル反射計(Beam Profile Reflectometer; BPR)、ビームプロファイル偏光解析計(Beam Profile Ellipsometer;BPE)、広帯域反射スペクトロメータ(Broadband Refletive Spectrometer;BRS)を含む幾つかの光学的測定装置が組み込まれている。これらのデバイスの各々は対象試料から反射した光ビームのパラメータを測定する。ＢＰＲおよびＢＰＥデバイスは米国特許第４，９９９，０１４号および第５，１８１，０８０号にそれぞれ説明された技術を利用しており、これらは引用により本明細書に組み込まれている。
【０００４】
上述した複合測定システムは、各々の測定デバイスの測定結果を組合せて、対象試料の薄膜と基板の厚さと成分とを正確に得るようにする。しかしながら、測定結果の精度は、光学的測定システムにおける測定デバイスの正確な初期較正と定期的な較正とに依存している。更に、最近開発された測定デバイスは、薄膜をより正確に測定する膜および基板成分のより正確な測定に対して向上した感度を有し、薄膜および基板に関する付加的な情報を与える。これらの新たなシステムは非常に正確な初期較正を必要とする。更に、光学的測定デバイスに常に起こり得る熱、汚染、光学的損傷、アライメントなどが測定結果の精度に影響する。従って、複合光学的測定システムの精度を維持するためには定期的な較正が必要である。
【０００５】
既知の成分および厚さを有する薄膜が基板上に存在する既知の基板を有する参照試料を与えることにより、光学的測定デバイスを較正することが知られている。この参照試料は測定システムの所定位置にあり、各々の光学測定デバイスは参照試料の光学的パラメータを測定し、参照試料からの結果を用いて、これらを既知の膜厚および成分と比較して較正される。標準的な参照試料は「天然酸化物」参照試料であり、これは既知の厚さ（約２０オングストローム）を有する酸化層が基板上に形成されたシリコン基板である。制作の後、この参照試料は、更なる酸化および汚染（これらは参照試料膜の厚さを既知の厚さから変化させて、ひいては正確な較正のための酸化試料の有効性を低減させる）を最小限に抑えるように、非酸素環境に保管される。
【０００６】
同一の参照試料は測定システムを定期的に較正するように再使用できる。しかしながら、参照試料の酸化または汚染の量が膜厚を既知の厚さから相当に変化させたときは、この参照試料は破棄せねばならない。
【０００７】
多くの光学的測定システムのために、既知の厚さを有する参照試料がシステム較正のために有効であった。参照試料に常に慣習的に起こる酸化および汚染は、酸化／汚染からもたらされる膜厚変化が膜の全体的な厚さ（約１００オングストローム）に対して比較的に些細であるので許容できる。しかしながら、新たな超感度光学的測定システムが最近開発されてきており、これは１０オングストローム未満の厚さを有する膜層を測定できる。これらのシステムは正確な較正について２０オングストローム程度における膜厚を有する参照試料を要求する。しかしながら、このような薄膜参照試料にとっては、極微な酸化または汚染からもたらされる膜層厚の変化ですら、全体的な既知の膜層厚に比較して無視できないものであり、相当な較正誤差をもたらす。従って、超感度光学的測定システムの定期的な較正に使用される間に常に充分に安定な厚さである既知の厚さを有する天然酸化物参照試料を与えるのは、不可能ではないにせよ、非常に困難である。
【０００８】
そこで安定した膜厚（即ち既知の膜厚）を有さない参照試料を利用できる超感度光学的測定システムの較正方法への要請がある。
【０００９】
多重薄膜層を有する試料の特性決定を可能とするように、この種の測定システムの精度を向上させる工業上の要請もある。特に、半導体工業においては、半導体材料基板は現在では多重薄膜層を用いて制作されている。各膜層は異なる材料から形成できる。共通の層材料は、酸化物、窒化物、ポリシリコン、チタニウム、チタニウム窒化物を含む。
【００１０】
多重薄層を有する試料の特性を通常の技術で決定しようとする試みは困難であり、これは各層が異なる厚さと異なる光学特性とを有するためである。このような複合積層の特性を決定するために今のところ発見されている最適の試みは、多重測定技術であり、これはプロセッサにより処理可能な独立データを生成する。既存のデバイスは、偏光（位相）および分光測光（光度）測定と、その結果のマイクロプロセッサにおける統合との双方をなす能力がある。これらのデバイスにおける偏光解析計は多重波長および多重入射角測定を含むことができる。同様に、これらのデバイスの幾つかにおける分光光度計は多重入射角の測定をなすのに配置できる。
【００１１】
これらのシステムは妥当な成功を収めているものの、多重積層における個々の層の特性の解析における更なる精度は常に希求される。波長安定較正偏光解析計を含む対象のシステムは、多重薄膜積層の個々の層の特性決定を向上させるように変更できる。
【００１２】
発明の要約
本発明は波長安定偏光解析計を有する薄膜光学的測定システムであり、これは較正のためと、多重薄膜積層の特性決定を向上させるために使用できる。較正目的のために使用するとき、安定波長偏光解析計は参照試料上の膜の厚さを正確に決定するように機能する。較正偏光解析計からの測定結果は薄膜光学的測定システムにおける他の光学的測定デバイスの較正のために使用される。所定の既知の膜厚を有する参照試料を与える必要がないので、参照試料の酸化または汚染が膜の厚さが時間の経過と共に変化する場合でさえも、既知の組成を有する参照試料を超感度光学的測定デバイスの較正に繰り返し使用することができる。
【００１３】
較正参照偏光解析計は、少なくとも他の一つの非接触光学的測定デバイスを較正するように少なくとも部分的に既知の組成を有する参照試料を用いる。参照偏光解析計は、参照試料との相互作用のために既知の波長と既知の偏光とを有する光の準単色光ビームを生成する光ジェネレータを含む。ビームは、参照試料に関して非直角入射角で指向されて参照試料と相互作用する。アナライザは、光ビームが参照試料と相互作用した後の光ビームにおけるＳ偏光成分とＰ偏光成分との間の干渉を形成する。検出器はビームがアナライザを通過した後の光の強度を測定する。プロセッサは、アナライザへ入射する光ビームの偏光状態を検出器により測定された強度から決定する。次いでプロセッサは、決定された偏光状態と、光ジェネレータからの光の既知の波長と、参照試料の少なくとも部分的に既知の組成とに基づいて参照試料の光学特性を決定する。プロセッサは、参照試料の一つの光学的パラメータを測定する少なくとも一つの他の非接触光学測定デバイスを作動する。プロセッサは、他の光学的測定デバイスで測定された光学的パラメータを参照偏光解析計からの決定された光学的特性と比較することにより他の光学的測定デバイスを較正する。
【００１４】
参照偏光解析計は、基板上の未知の多重積層の全体的な光学的厚さを非常に正確に測定することに使用できるという更なる利点を有する。ここにおいて、用語「全光学的厚さ」とは、均一な光学的パラメータ（即ちｎおよびｋ）を有する単独の均一層に対応する積層の有効な厚さを意味する。安定波長偏光解析計は、５００オングストローム未満の厚さを有する層または積層の全光学的厚さを決定するための優れた機器であり、且つ２００ストローム以下の厚さを有する積層のための最良の機器である。
【００１５】
単波長、単入射角出力のみを与える参照偏光解析計は、積層における個々の層を解析するには適さない。このような解析は、通常はスペクトロメータ、分光偏光解析計のような分光機器からの付加的な測定を必要とする。しかしながらこれらの機器のみでは、積層を正確に特性決定する有効な情報を生成するのが困難である。
【００１６】
本発明によれば、波長安定偏光解析計からの出力が多重積層の全体的光学的厚さを決定するようにプロセッサにより使用される。この情報は、分光測定に基づく解析の不確実性を低減するようにプロセッサにより使用される。少なくとも一つの技術により異なる波長における多数の測定をなすことにより、層成分および厚さに関する非常に正確な情報を測定できる。
【００１７】
本発明の他の局面と特徴とは、明細書、請求の範囲および添付図面の検討により明白になろう。
【００１８】
好適実施例の詳細な説明
本発明は波長安定参照偏光解析計２を有する複合薄膜光学的測定システム１であり、その偏光解析計２は、既知の成分を有する基板６および薄膜８を有する参照試料４に関連して使用されて、複合薄膜光学的測定システム１に包含された非接触光学的測定デバイスを較正するようにされている。
【００１９】
図１は本願の譲受人により開発されてきた複合光学的測定システムを示し、これは５台の異なる非接触光学的測定デバイスと本発明の参照偏光解析計２とを有する。
【００２０】
複合光学的測定システム１は、ビームプロファイル偏光解析計(Beam Profile Ellipsometer;BPE)１０、ビームプロファイル反射計(Beam Profile Reflectometer; BPR)１２、広帯域反射スペクトロメータ(Broadband Refletive Spectrometer;BRS)１４、遠紫外反射スペクトロメータ(Deep Ultra Violet Refletive Spectrometer;DUV)１６、および広帯域分光偏光解析計(Broadband Refletive Spectroscopic Ellipsometer;BSE)１８を含む。これらの５台の測定デバイスは少なくとも２つの光源、即ちレーザー２０および白色光源２２を有する。レーザー２０はプローブビーム２４を生成し、白色光源２２はプローブビーム２６（これはレンズ２８によりコリメートされて、ミラー２９によりプローブビーム２４と同一の経路に沿って指向される）を生成する。レーザー２０は理想的には東芝製の固体レーザーダイオードであり、これは６７３ｎｍで直線偏光された３ｍＷビームを射出する。白色光源２２は理想的には、２００ｎｍ乃至８００ｎｍのスペクトルを包含する２００ｍＷ単色光を生成する重水素タングステンランプである。
【００２１】
プローブビーム２４／２６はレンズ３２または３３により試料の表面へ収束される。好適実施例においては、２つのレンズ３２／３３はターレット（図示せず）に取り付けられて、プローブビーム２４／２６の経路へ交互に移動する。レンズ３２は、試料表面に関して大きく広がった入射角を形成し、且つ約１ミクロン径のスポットサイズを形成するように、高開口数（０．９０ＮＡ程度）を有する球面顕微鏡対物レンズである。レンズ３３は図２に示されており、低開口数（０．４ＮＡの程度）を有する反射レンズであり、約１０−１５ミクロンのスポットサイズへ遠ＵＶ光を収束させる能力がある。
【００２２】
ビームプロファイル偏光解析法(Beam Profile Ellipsometry;BPE)は、１９９３年１月１９日発行の米国特許第５，１８１，０８０号に説明されており、これは本願の譲受人に譲渡され、引用により本明細書に組み込まれている。ＢＰＥ１０は１／４波長板３４、偏光器３６、レンズ３８および象限検出器４０を含む。操作においては、直線偏光されたプローブビーム２４はレンズ３２により試料４上へ収束される。試料面から反射した光は透過レンズ３２、透過ミラー４２，３０および４４を通過して、ミラー４６によりＢＰＥ１０へ指向される。反射プローブビーム内の光線の位置は、試料面に関する特定の入射角に対応する。１／４波長板３４はビームの偏光状態の一つの位相を９０度だけ遅延させる。直線偏光器３６はビームの二つの偏光状態を互いに干渉させる。最大信号のために、偏光器３６の軸は、１／４波長板３４の速軸および遅軸に関して４５度の角度に向き付けられている。検出器４０は、放射状に配置された４つの象限を有する象限セル検出器であり、各々の象限はプローブビームの１／４を遮断し、象限に入射するプローブビームの部分の出力に比例する分離された出力信号を生成する。各々の象限からの出力信号はプロセッサ４８へ送られる。米国特許第５，１８１，０８０号に説明されているように、ビームの偏光状態の変化を監視することにより、偏光情報、例えばψおよびΔを決定できる。この情報を決定するために、プロセッサ４８は、直径方向に対向する象限の出力信号の合計の差をとり、その値は非常に薄い膜についての膜厚に比例して変化する。
【００２３】
ビームプロファイル反射(Beam Profile Reflectometry; BPR)は１９９１年３月１２日発行の米国特許第４，９９９，０１４号に説明されており、これは本願の譲受人に譲渡され、引用により本明細書に組み込まれている。ＢＰＲ１２は、試料の反射率を測定するように、レンズ５０と、２つの直線検出器アレイ５４および５６とを含む。操作においては、線形偏光プローブビーム２４がレンズ３２により試料４へ収束され、ビーム内の様々な光線が入射角の範囲で試料面へ入射する。試料面から反射した光は透過レンズ３２と、透過ミラー４２および３０とを透過して、ミラー４４によりＢＰＲ１２へ指向された。反射プローブビーム内の光線の位置が、試料面に関する特定の入射角に対応する。レンズ５０はビームを二次元方向へ空間的に広げる。ビームスプリッタ５２はビームのＳおよびＰ成分を分離し、検出器アレイ５４および５６は、ＳおよびＰ偏光に関する情報を分離するように、互いに直交して配置されている。大きな入射角の光線はアレイの対向端に近接して入射する。ダイオードアレイの各々の素子からの出力は異なる入射角に対応する。検出器アレイ５４／５６は、試料面に関する入射角の関数として反射プローブビームに亘る強度を測定する。プロセッサ４８は検出器アレイ５４／５６の出力を受け、様々な形式のモデル化アルゴリズムを用いることにより、これらの角度依存強度計測に基づいて薄膜層８の厚さと屈折率とを得る。最小二乗法適合ルーチーンのような反復処理を用いる最適化ルーチーンが典型的に使用される。この種の最適化ルーチーンの一例が“Multiparameter Measurement of Thin Films Using Beam-Profile Reflectivity,” Fanton, et al., Journal of Applied Physics, Vol. 73, No.11, p.7035, 1933 に記載されている。他の例は“Simultaneous of Six Layers in a Silicon on Insulator Film Stack Using Spectrophotometry and Beam Profile Reflectivity,” Leng, et al., Journal of Applied Physics, Vol. 81, No.8, p.3570, 1997に記載されている。
【００２４】
広帯域反射スペクトロメータ(Broadband Refletive Spectrometer;BRS)１４は同時に光の多重波長で試料４を調べる。ＢＲＳ１４はレンズ３２を用い、且つ広帯域スペクトロメータ５８を含む。その広帯域スペクトロメータ５８は、当該技術分野で一般的に知られて使用されている任意の形式のものとすることができる。図１に示すスペクトロメータ５８はレンズ６０、アパーチュア６２、分散素子６４および検出器アレイ６６を含む。操作の間、白色光源２２からのプローブビーム２６はレンズ３２により試料４へ収束される。試料の面から反射した光はレンズ３２を透過し、ミラー４２（透過ミラー８４）によりスペクトロメータ５８へ指向される。レンズ６０はプローブビームをアパーチュア６２を通じて収束させ、そのアパーチュアは解析する試料面上の視野におけるスポットを規定する。発散素子６４、例えば回折格子、プリズムまたはホログラフィック板は、検出器アレイ６６に包含された個々の検出素子へビームを波長の関数として角度的に発散させる。異なる検出素子はプローブビームに含まれた光の異なる波長の光学的強度を測定し、この測定は好ましくは同時になされる。これに代えて、検出器６６はＣＣＤカメラか、或いは適切な発散素子または他の波長選択光学素子を有する光電子増倍管とすることができる。単独の検出素子を用いて、単色分光計を異なる波長の連続的な測定（１回につき１波長を測定）に用いることができることに留意されたい。更に発散素子６４は、光を波長の関数として１方向へ、且つ試料面に関する入射角の関数として直交方向へ発散させるようにも構成できるので、波長と入射角との双方の関数としての同時測定が可能である。プロセッサ４８は検出器アレイ６６により測定された強度情報を処理する。
【００２５】
遠紫外反射分光測定（ＤＵＶ）は、紫外線の多重波長で試料を同時に調べる。ＤＵＶ１６は、プローブビーム２６を解析するために、集束レンズ３２に代えて反射レンズ（図２）を用いる点を除いてはＢＲＳ１４におけるのと同一のスペクトロメータ５８を用いる。ＤＵＶ１６を操作するためにはレンズ３２／３３を保持するターレットを回動させて、反射レンズ３３をプローブビーム２６に整合させる。この反射レンズ３３が必要なのは、固体の対物レンズは紫外線を試料へ充分に収束させないためである。
【００２６】
広帯域分光偏光解析法（ＢＳＥ）は、１９９６年７月２４日出願の係属中の米国特許出願第０８／６８５，６０６号に説明されており、これは本願の譲受人に譲渡され、引用により本明細書に組み込まれている。ＢＳＥ（１８）偏光器７０、収束ミラー７２、コリメートミラー７４、回転補償器７６、およびアナライザ８０を含む。操作においては、ミラー８２はプローブビーム２６の少なくとも一部を偏光器７０へ指向させる。この偏光器はプローブビームについて既知の偏光状態を形成し、好ましくは直線偏光器である。ミラー７２はビームを試料面上に斜角、理想的には試料面の垂線方向に対して７０度程度で収束させる。良く知られた偏光解析原理に基づけば、反射ビームは試料との干渉の後に、試料の膜８と基板６との組成と厚さとに基づいて、一般に直線と円形との混合された偏光状態を有する。この反射ビームは、ビームを回転補償器７６へ指向させるミラー７４によりコリメートされる。補償器７６は、相互に直交する１対の偏光ビーム成分の間の相対位相遅延δ（位相遅延）を導く。補償器７６は、ビームの伝搬方向に実質的に平行な軸の周りに角速度ωにて好ましくは電気モータ７８により回転する。アナライザ８０、好ましくは他の直線偏光器は、それに入射する偏光状態を混合する。アナライザ８０により伝送された光を測定することにより、反射プローブビームの偏光状態を決定できる。ミラー８４はビームをスペクトロメータ５８へ指向し、これは補償器／アナライザ組み合わせ体を透過した反射プローブビームにおける異なる波長光の強度を同時に測定する。プロセッサ４８は検出器６６の出力を受信し、検出器６６により検出された強度情報を波長の関数として、且つ補償器７６の回転軸の周りの補償器７６の方位角（回転角）の関数として処理して、米国特許出願第０８／６８５，６０６号に説明されたように偏光解析値ψおよびΔを解くようにする。
【００２７】
検出器／カメラ８６がミラー４６の上に位置しており、試料４を離れた反射ビームをアライメントおよび合焦目的で視るために用いることができる。
【００２８】
ＢＰＥ１０、ＢＰＲ１２、ＢＲＳ１４、ＤＵＶ１６およびＢＳＥ１８を較正する目的で、複合光学的測定システム１は、参照試料４に関連して用いられる波長安定較正参照偏光解析計２を含む。偏光解析計２は光源９０、偏光器９２、レンズ９４および９６、回転補償器９８、アナライザ１０２および検出器１０４を含む。
【００２９】
光源９０は、既知の安定波長および安定強度を有する準単色光プローブビーム１０６を生成する。これは受動的に実行でき、光源９０が常に変動しない非常に安定な出力波長（即ち変動が１％未満）を生成する。受動的安定光源の例はヘリウム−ネオンレーザーまたは他のガス放電レーザーシステムである。これに代えて、非受動システムを図３に示したように用いることができ、ここでは光源９０が、正確に既知でないか或いは常に安定でない波長を有する光を生成する光ジェネレータ９１と、この光ジェネレータ９１により生成された光の波長を正確に測定する単色光計９３とを含む。このような光ジェネレータの例は固体レーザー、レーザーダイオード、または格子のようなカラーフィルタに関連して用いられる多色光源を含む。いずれの場合においても、既知の一定値であるか単色光計９３により測定されたビーム１０６の波長はプロセッサ４８へ与えられるので、偏光解析計２はシステム１における光学的測定デバイスを正確に較正できる。
【００３０】
ビーム１０６は偏光器９２と相互作用して既知の偏光状態を形成する。好適実施例においては、偏光器９２は石英ローションプリズムからなる直線偏光器であるが、一般的には偏光は直線性を有する必要はなく、完全である必要もない。偏光器９２は方解石から形成することもできる。偏光器９２の方位角は、偏光器９２から射出する直線偏光ビームに関連する電気ベクトルの平面が入射面（ビーム１０６の伝搬方向により規定され、試料４の表面に対して垂直）に関して既知の角度を成すように向き付けられている。方位角は好ましくは３０度程度に選択されており、これはＰおよびＳ偏光成分の反射強度が概ね平衡したときに感度が最適化されているためである。光源９０が所望の既知の偏光状態を有する光を射出するならば、偏光器９２を省略できることに留意されたい。
【００３１】
ビーム１０６はレンズ９４により斜角で試料４上に収束される。較正目的のために、参照試料４は理想的には厚さｄを有してシリコン基板６上に形成された薄い酸化物層８からなる。しかしながら、一般的には試料４は、裸のシリコンウェハ、少なくとも一つの層がその上に形成されたシリコンウェハ基板を含む既知の組成の適切な基板とすることができる。層８の厚さｄは既知である必要はなく、定期的な較正の間に一貫している必要はない。プローブビーム１０６からの有益な光は、試料４によりその表面に対する垂線に関する入射ビームに対して対称に反射した光である。しかしながら、非鏡面散乱放射の偏光状態は本発明の方法によりよく決定できることに留意されたい。ビーム１０６は理想的には試料４上にその表面の垂線に対して７０度程度の角度で入射し、これは試料特性に対する感度が材料のブルースター角または疑似ブルースター角の近傍において最大になるためである。よく知られた偏光解析原理に基づけば、反射ビームは一般に、試料と干渉した後に、到来ビームの直線偏光状態と比較して、混合した直線および円形偏光状態を有する。レンズ９６はビーム１０６を試料４から反射した後にコリメートする。
【００３２】
ビーム１０６は回転補償器（遅延器）９８を通過し、これは１対の相互直交偏光ビーム成分の間の相対位相遅延δを導く。位相遅延の量は波長、補償器を形成するのに用いられた材料の分散特性、および補償器の厚さの関数である。補償器９８はビーム１０６の伝搬方向に対して実質的に平行な軸の周りで角速度ωにて好ましくは電気モータ１００により回転する。補償器９８は任意の通常の波長板補償器、例えば結晶石英から形成されたものとすることができる。補償器９８の厚さと材料とは、ビームの所望の位相遅延が誘発されるように選択されている。好適実施例においては、補償器９８は、非異方性（通常は倍屈折）材料の２つの平行板から構成された２板補償器、例えば左右対向する石英結晶であり、その２つの板の速軸は互いに直交し、厚さは殆ど等しく、ただ光源９０により導かれた波長についての純一次遅延を実現するのに充分なだけ異なっている。
【００３３】
ビーム１０６は次いでアナライザ１０２と相互作用する。このアナライザ１０２はそれに入射する偏光状態を混合する役割を果たす。この実施例においては、アナライザ１０２は他の直線偏光器であり、好ましくは入射面に関して４５度の方位角に指向されている。しかしながら、到来偏光状態を適切に混合するように働く任意の光学的デバイスをアナライザとして使用できる。アナライザ１０２は好ましくは石英RochonまたはWollastonプリズムである。回転補償器９８は、その回転に応じてビームの偏光状態をアナライザにより伝送された光が次式により特性決定されるように変化させる。
【式１】
【００３４】
【００３５】
【００３６】
特定の試料からの非垂直入射で反射した直線偏光については、
【式３】
【００３７】
【式４】
【００３８】
【００３９】
ビーム１０６は次いで検出器１０４へ入射し、これは補償器／アナライザ組み合わせ体を透過するビームの強度を測定する。プロセッサ４８は、検出器１０４により測定された強度情報を処理して、アナライザと相互作用した後の光の偏光状態、ひいては試料の偏光解析パラメータを決定する。この情報処理は、補償器の回転軸周りの補償器の方位角（回転角）の関数としてのビーム強度の測定を含む。この補償器回転角の関数としての強度の測定は、補償器の角速度が通常は既知であり、且つ一定であることから、時間の関数としてのビーム１０６の強度の測定に有効である。
【００４０】
試料４の組成を知り、光源９０により生成された光の正確な波長を知ることにより、参照試料４の光学的特性、例えば膜厚ｄ、屈折率、および消滅係数その他を偏光解析計２により決定できる。膜が非常に薄く、例えば約２０オングストローム以下ならば、厚さｄは下式により解かれるｄ／λにおける第１次に見出すことができる。
【式５】
【００４１】
【式６】
【００４２】
【００４３】
【００４４】
膜厚ｄが小さくないならば、これは次式を解くことにより得られる。
【式８】
【００４５】
【式９】
【００４６】
【００４７】
【式１１】
【００４８】
【００４９】
【００５０】
【００５１】
【００５２】
【００５３】
【式１７】
【００５４】
【００５５】
膜８の厚さが偏光解析計２により決定されたならば、次いで参照試料４が試料４の様々な光学的パラメータを測定する他の光学的測定デバイスＢＰＥ１０、ＢＰＲ１２、ＢＲＳ１４、ＤＵＶ１６、ＢＳＥ１８により検査される。プロセッサ４８は、これらの光学的測定デバイスからの結果を解析するのに用いられた処理値を較正するので、これらは正確な結果をもたらす。これらの測定デバイスの各々について、測定データに影響して、他の試料の正確な測定をなせる前に考慮しなければならないシステム変数がある。ＢＰＥ１０の場合には、最も重要な変数システムパラメータは、ＢＰＥ光学的経路に沿った光学素子に起因して生じる位相シフトである。偏光解析パラメータΔにおける全体的ドリフト（これは次いでＢＰＥ１０からプロセッサ４８により計算された試料厚ドリフトへ変換される）の結果、環境はこれらの光学的素子を変化させる。参照試料上のＢＰＥ１０の測定された光学的パラメータを用いて、且つ式５と、較正偏光解析計２から決定されたものとしての膜８の厚さとを用いて、他の試料についてＢＰＥ１０からの測定値へ適用される位相オフセットを導くことにより、プロセッサ４８はＢＰＥ１０を較正する結果、正確なＢＰＥ測定が確立される。ＢＳＥ１８については、多重位相オフセットが、測定されたスペクトルにおける多重波長について導かれる。
【００５６】
残りの測定デバイス、ＢＰＲ１２、ＢＲＳ１４、ＤＵＶ１６については、測定された反射率もビーム経路における光学的素子に対する環境変化により影響される。従って、参照試料４についてＢＰＲ１２、ＢＲＳ１４、ＤＵＶ１６により測定された反射率Ｒｒｅｆが偏光解析計２による測定値と組み合わせて用いられて、これらのシステムを較正する。式９−１７は、偏光解析計２の測定値から参照試料４の絶対反射率Ｒｃ ｒｅｆを計算するのに用いられる。任意の他の試料についての反射率（Ｒｓ）のＢＰＲ／ＢＲＳ／ＤＵＶデバイスによる全ての測定値は、下式１８における標準化項を用いてプロセッサ４８により割合を定められて、ＢＰＲ、ＢＲＳおよびＤＵＶデバイスから導かれた正確な反射率Ｒをもたらす。
【式１８】
【００５７】
【００５８】
上述した較正技術は導かれた薄膜の厚さｄを用いる較正に大きく依存している。しかしながら、偏光解析計２を用いる較正は、試料がその上に単独の膜を有するか、多重膜を有するかによらず、或いは膜がない場合（裸の試料）でさえも、偏光解析計２により測定可能または決定可能および／または既知である参照試料の任意の光学的特性の何れかに基づかせることができる。
【００５９】
本発明の利点は、その上に薄膜を有さないか、または常に緩慢に変化し得る未知の厚さを持つ薄膜を有する参照試料を超感度光学的測定デバイスを正確に較正するのに反復的に使用できる。
【００６０】
光源９０の出力もスペクトロメータ５８によりなされた波長の測定値を較正するのに使用できる。試料４は、ビーム１０６をミラー４２へ、および発散素子６４へ指向させるように尖っていてもよく、または尖端ミラーに置き換えてもよい。光源９０により生成された光の正確な波長を知ることにより、プロセッサ４８は、検出器６６の１つまたは複数のピクセルが光の波長に対応するように定めることにより、検出器６６の出力を較正できる。
【００６１】
本発明の較正偏光解析計２は、上述した特定の回転補償偏光解析計形態に限定されないことに留意されたい。本発明の目的は、（既知の波長を有する）光源９０に関連する任意の偏光解析計形態を含み、これは試料と相互作用した後のビームの偏光状態を測定し、非接触光学的測定デバイスを較正するのために試料に関する必要な情報を与える。
【００６２】
例えば、他の偏光解析計形態は、補償器９８を回転させるのに代えて、偏光器９２を回転させるか、またはモータ１００を有するアナライザ１００である。厚さｄを解くための上述の計算は依然として適用される。
【００６３】
更に、図１の偏光解析計２として同一の素子を用いる零偏光解析法は、較正目的のために膜厚ｄを決定するのに用いることができる。この偏光解析情報は、これらの素子の方位角を検出器１０４により測定された零または最小レベル強度まで整合させることにより導かれた。好適な零偏光解析計実施例においては、偏光器９２および１０２は直線偏光器であり、補償器９８は１／４波長板である。補償器９８は、その速軸が試料４の入射面に関して４５度の方位角であるように整合されている。偏光器９２は入射面に関する方位角Ｐを形成する伝送軸を有し、偏光器１０２は入射面に関する方位角Ａを形成する伝送軸を有する。偏光器９２および１０２は、アナライザ１０２により光が完全に消される（最小化される）ようにビーム１０６に関して回転する。一般に、この状態と光を消すこととを満足する２つの偏光器９２／１０２の向き（Ｐ１，Ａ１）および（Ｐ２，Ａ２）がある。９０度の位相シフトを含み、入射面に関する４５度の方位角に向き付けられた補償器によれば、
【式１９】
【００６４】
【００６５】
【００６６】
【式２２】
【００６７】
【００６８】
零偏光解析は、その結果が機械的角度の測定に完全に依存しており、且つ強度から独立しているので非常に正確である。零偏光解析は、R. M. A. Azzamおよび N. M. Bashara によりEllipsometry and Polarized Light（北オランダ、アムステルダム、１９７７）に、また D. E. AspenceによりOptical Propeties of Solids: New Developments, ed. B. O. Seraphin（北オランダ、アムステルダム、１９７６）７９９頁に更に説明されている。
【００６９】
補償器９８を偏光解析計２から省いて、偏光器９２またはアナライザ１０２を回転させるのにモータ１００を用いることも考えられる。検出信号を反射ビームの直線偏光成分の正確な測定に使用できるように偏光器９２またはアナライザ１０２の何れかを回転させる。従って円形偏光成分は、ビームが完全に偏光しており、非直線偏光が円形偏光でないとみなすことにより推測される。一般に回転偏光器または回転アナライザ偏光解析計と称されるこの種の偏光解析計は「不完全」偏光計と称される。これは円形偏光成分の左右に対して感度がなく、解析される光が近似的に完全直線偏光であるか、或いは非偏光成分を処理するかの何れの場合でも劣った性能を示すためである。しかしながら、光源９０からのＵＶライトを用いると、シリコンのような基板の材料は、試料と相互作用する光の全位相シフトに寄与するのに充分であり、補償器を用いることなく正確な結果が得られる。このような場合、上述したのと同様な式を厚さｄを導くのに用いることができ、ここで位相シフトは補償器を零に設定することにより導かれる。
【００７０】
本発明は上述して図示したものに限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲の主旨の範囲内にある任意且つ全ての変更例を包含することを理解されたい。例えば、第２の補償器を追加でき、この場合、図４に示すように第１の補償器は試料とアナライザとの間に配置され、第２の補償器は試料と光源との間に配置される。これらの補償器は静止型としてもよく、回転型としてもよい。更に、偏光状態の間に固定または可変遅延を与えるために、補償器９８は非回転光電素子または光弾性素子、例えば圧電セル遅延器に置き換えることができ、この圧電セル遅延器は、セルに対して可変電圧または静電圧を印加することにより、正弦位相遅延または静的位相遅延を導くように当該技術分野で一般的に用いられている。
【００７１】
装置を較正した後は、装置は様々な測定をなすために使用できる。半導体工業において最も重要な測定の１形式は、基板上の多重層薄膜の特性決定である。図５はこのような試料２００の図を示す。試料２００は半導体基板２０２を示し、これは典型的にはシリコンであるが、ゲルマニウム、ガリウム砒素などとすることができる。複数の薄膜層は基板の上部に置かれている。図におけるこれらの層の厚さは明瞭化のために誇張されている。
【００７２】
図５の例に明らかなように、４つの薄膜層２０４乃至２１０が積層して配置されている。薄膜層を形成するのに用いられる最も典型的な材料は、酸化物、窒化物、ポリシリコン、チタニウム、チタニウム窒化物を含む。これらの材料の各々は、異なる光学特性を有する。薄膜層の数と変化が増加するにつれて、多重測定がなされた場合でさえも、個々の層の特性を決定するのが次第に困難になる。
【００７３】
本発明によれば、本システムの参照偏光解析計は、複雑な多重層積層の良好な解析を支援するためにも使用できる。参照偏光解析計からの出力が限定されていて、積層における個々の層の解析に特に有益でないにも拘わらず、参照偏光解析計は積層の全光学的厚さＴの非常に正確な決定を与えるように使用することができる。以下に説明するように、プロセッサ４８は個々の層の解析の精度を向上させるように、他の測定値と組み合わせて参照偏光解析計から得られた測定値を用いることができる。
【００７４】
図６はシステムを如何にして多重積層解析へ構成できるかを示すフローチャートである。図６に示されるステップは一般に、上述した方式の較正の後に生じる。更に、データを集める段階は図６においては図示の目的のみの連続順に示されていることに留意されたい。実際には、様々な測定を任意の順序でなすことができる。その結果は、角測定が終了するのに応じてプロセッサに記憶される。全ての所望の測定が完了すると、プロセッサはデータを解析できる。
【００７５】
本発明によれば、偏光解析計２は試験試料（ステップ２３０）を測定するのに使用できる。この場合、試験試料２００は、図１に示す参照試料４に代えて装置内に配置される。第１の出力信号の形成における測定からの出力はステップ２３２におけるプロセッサ４８へ送られる。
【００７６】
上述したように、偏光解析計２の出力は層の全光学的厚さＴを計算するのに用いられる。この目的のために偏光解析計を用いる拡張のためには、光源９０が所定の口の波長を生成するレーザーであることが好ましい。好的実施例においては、光源９０は、６３２．８ナノメータの所定の出力を有するヘリウムネオンレーザーである。ヘリウムネオンレーザーの利点は低コストでしっかりと収束させることができ、室温またはパワーレベルに関係なく既知の波長を生成できることである。
【００７７】
本発明によれば、個々の層の特性を解析する目的で付加的な測定をなさねばならない。好適実施例においては、もっとも望ましい測定はステップ２３４に示されるように多重波長測定を含むであろう。この多重波長測定は反射ビームの位相または光度の変化の何れかに基づき得る。上述したように、白色光源２２を何れの形式の測定にも用いることができる。検出器５８は、広帯域反射スペクトロメータ（ＢＲＳ）１４または遠紫外線反射スペクトロメータ（ＤＵＶ）１６の何れについても大きな波長範囲に亘って反射ビームの光度における変化を測定できる。この検出器５８は、複数の波長に対応する出力信号を発生する。ステップ２３６は分光光度測定を示す。
【００７８】
多重波長におけるビームの位相変化は広帯域分光偏光解析計（ＢＳＥ）１８から得ることができる。ステップ２３８はＢＳＥ測定を示す。何れの形式の多重波長測定の異なる波長に対応する第２の出力信号は記憶のためにプロセッサ４８へ送られる（ステップ２４０）。好適実施例においては、光度と位相との双方の測定がなされてプロセッサへ送られる。
【００７９】
付加的な測定が層のより正確な特性決定を支援するために望ましい。好適実施例においては、これらの測定は、ステップ２４２におけるビームプロファイル偏光解析計システム（ＢＰＥ）およびステップ２４４におけるビームプロファイル反射計システム（ＢＰＲ）によりなされた測定を含む。これらの測定からの結果はステップ２４６においてプロセッサへ送られる。
【００８０】
本発明によれば、プロセッサは試料を特性決定するように測定システムからの入力の組み合わせを用いることができる。上述したように、プロセッサは典型的には、個々の層の特性を決定する最小二乗適合ルーティーンのような反復処理を利用するモデリングアルゴリズムを含む（例えば、先に引用したFantonその他、およびLengその他の文献を参照）。これらの形式のルーティーンにおいては、積層のパラメータの初期計算は、フレネルの式と層の特性の所定の「最良の推量」を用いてなされる。この計算はデバイスにおける様々な検査システムを用いて得ることができる測定結果の組に対応する理論値の組を導く。次いで、この理論値の組は、様々な検査システムから実際に得られた測定値の組と比較されて、実際の値と理論値との間の近似または「整合」として評価がなされる。理論値が測定値からどの程度にどのような方式で異なっているかに基づく層特性として、新たな「最良の推量」がなされる。アルゴリズムはフレネルの式を再度用いてパラメータを再計算し、訂正された理論値と実験的に得られた測定値との間の他の比較がなされる。この処理は理論値が実際の測定値に精度の所定のレベルで整合するまで反復形式で続けられる。
【００８１】
本発明によれば、この数学的モデル化は積層の全光学的厚さを示すパラメータを含むように拡張されている（ステップ２５０）。この解析は多重積層が実際には共通の特性を有する単独層であると仮定されている。このモデルは、狭帯域オフ軸偏光解析計測定により生成されるべき測定値に対応する付加的な理論値の組を生成する。反復処理の間に、全光学的厚さに関連するこれらの理論値は、オフ軸偏光解析計により得られた実際の測定値と比較される。全ての理論値（全光学的厚さに関連する値を含む）と全ての測定値との間の近似または「整合」は反復処理において評価されて、積層における個々の層の特性のより正確な解析を生成する。
【００８２】
この試みにより達成された改良は、既知の波長を有するオフ軸偏光解析計を用いる測定から積層の全光学的厚さを非常に正確に決定できるという事実が得られることである。厚さ２００オングストロームを越える範囲の積層については、この種の測定は１オングストローム以下の範囲で正確である。
【００８３】
本発明は個々の層の特性を導くのに用いられた特定のアルゴリズムに限定されるものではない。より一般的な最小二乗整合ルーティーンに加えて、代替的な手法を用いることもできる。例えば、現在利用可能な高水準のコンピュータ能力は、遺伝子アルゴリズムを含む手法の利用を可能とする。薄膜層の厚さを決定する遺伝子アルゴリズムの使用の一例は、”Using Genetic Algorithms with Local Search for Thin Film Metrology,” Land,et al., Proceeding of the Seventh International Conference on Gnenetic Algorithm, July 19-23, page 537, 1997に見ることができる。本発明が単に要求することは、オフ軸偏光解析計からの測定値が多重積層の理論的全光学的厚さを評価するために用いられて、且つこの情報が個々の層の特性の解析における曖昧さの最小化を支援するために用いられるように、アルゴリズムが設計されていることである。
【００８４】
本発明について好適実施例を参照して説明したが、添付の請求の範囲により規定された本発明の目的と要旨から逸脱することなく、当業者には様々な変形や変更をなすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】 図１は本発明の較正偏光解析計を有する複合光学的測定システムの平面図である。
【図２】 図２は本発明に使用された反射レンズの横断面図である。
【図３】 図３は本発明の較正偏光解析計のための光源の代替的実施例の平面図である。
【図４】 図４は本発明の較正偏光解析計における多重補償器を有する複合光学的測定システムの平面図である。
【図５】 図５は試料上の多重積層の図である。
【図６】 図６は安定波長偏光解析計と多重波長測定との双方からの測定を用いる多重積層の個々の層を特性決定するのに実行できる段階を示すフローチャートである。
Claims (13)
- 半導体試験試料の特性を評価する光学的装置であって、
試験試料から反射するように指向されたプローブビームを生成する主光源と、多重波長における前記反射プローブビームの偏光状態または光度の何れかの変化を監視する検出器とを含む主光学的測定モジュールと、
前記プローブビームの測定された変化に基づいて試験試料を評価するプロセッサと、
参照試料と、この参照試料を測定する波長安定狭帯域光源を有するオフ軸偏光解析計とを含む較正モジュールとを備え、前記装置は、参照試料も前記主光学的測定モジュールにより測定されるように構成されており、且つ前記プロセッサは、試験試料の連続的測定のために前記主光学的測定モジュールを較正するように、前記オフ軸偏光解析計と前記主光学的測定モジュールとの双方による参照試料の測定値を用いる装置。 - 請求項１記載の装置において、前記主光源が広帯域光源であり、前記検出器が、波長の関数として変化を監視する装置。
- 請求項２記載の装置において、前記主光学的測定モジュールが、スペクトロフォトメータであり、反射プローブビームの光度の変化が複数の波長において測定される装置。
- 請求項３記載の装置において、前記主光学的測定モジュールが、分光偏光解析計であり、プローブビームの偏光状態の変化が複数の波長において解析される装置。
- 請求項１記載の装置において、前記プローブビーム内の光線が、前記試料へ複数の異なる入射角で入射するように収束される装置。
- 請求項５記載の装置において、前記検出器が、前記プローブビームにおける光度の変化を入射角の関数として監視する装置。
- 請求項２記載の装置において、前記主光学的モジュールが、遅延器とアナライザとを更に含むと共に、前記検出器が、前記試料に関する偏光解析情報を決定するように、２つの直交軸に沿って強度を測定する装置。
- 請求項７記載の装置において、前記主光学的モジュールの検出器が、象限セルを含むと共に、前記プロセッサが、前記試料に関する偏光解析情報を決定するように、直径方向に対向する象限の合計の間の差を計算する装置。
- 請求項１記載の装置において、前記狭帯域光源が、ガス放電レーザーにより規定される装置。
- 半導体試験試料の特性を解析する光学的検査装置を操作する方法であり、前記装置は、主光学的モジュールを含み、このモジュールは、試験試料から反射するように指向されたプローブビームを生成する主光源を有し、且つ多重波長において前記反射プローブビームの偏光状態または光度の何れかの変化を監視する検出器を含み、前記装置は、安定波長狭帯域光源を有するオフ軸偏光解析計に関連する較正モジュールを更に含み、その較正モジュールは参照試料を更に含み、前記方法は、
前記オフ軸偏光解析計で前記参照試料を測定する段階と、
前記主光学的モジュールで前記参照試料を測定する段階と、
前記オフ軸偏光解析計と前記主光学的モジュールとの双方から得られた測定値を用いて前記参照試料の特性を解析する段階と、
前記オフ軸偏光解析計および前記主光学的モジュールから得られた測定値から導かれた参照試料の特性の解析を比較する段階と、
前記参照試料の特性の解析の比較に基づいて前記主光学的モジュールを較正する段階と、
前記較正された前記主光学的モジュールにより試験試料を測定及び解析する段階とを含む方法。 - 請求項１０記載の方法において、前記主光源が広帯域光源であり、且つ前記検出器が波長の関数として変化を監視する方法。
- 請求項１１記載の方法において、前記主光学的測定モジュールが、複数の波長における反射プローブビームの振幅の変化を測定するように働く方法。
- 請求項１２記載の方法において、前記主光学的測定モジュールが、複数の波長におけるプローブビームの偏光状態の変化を測定するように働く方法。
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