JP4996049B2 - 薄膜デバイスの膜厚計測方法及び膜厚計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板上に形成された光学的に透明または半透明の膜の膜厚を計測する膜厚計測方法に関し、例えば成膜，フォトリソグラフィ，エッチング，ＣＭＰ等の工程を繰返して所望の回路を形成する薄膜デバイスの製造工程における膜厚管理をするための薄膜デバイスの膜厚計測方法及びその装置に関する。

例えば半導体製造におけるＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）工程を考える。ＣＭＰとはウェハ表面を研磨によって平坦化または表面の膜を除去する半導体製造工程の一つであり、当該技術分野において既知の技術である。ＣＭＰによってウェハ表面を研磨した場合、研磨後の膜厚はウェハ上での位置やチップ内の位置によってばらつくことが知られている。研磨後の膜厚ばらつきは不良の原因となるため評価する必要がある。しかし、通常の膜厚計測装置では測定対象として数十マイクロメートル程度の大きさの平面的に一様な領域が必要であるため、パターン幅が数マイクロメートル以下の大きさとなる、チップ内の実際のデバイスパターン上での膜厚を計測することはできなかった。従来、チップ内の実デバイスパターン上の膜厚を測定するにはＳＥＭを用いて断面観察するしかなかった。

これに対し、特開２００３−２０７３１５号公報（特許文献１）では、試料表面の分光反射率に基づいて実デバイスパターン上の膜厚を計測する手法が開示されている。また、対象が繰返し構造である場合に、繰返し構造であることを利用して、電磁波解析的にパターンの形状を計測する技術（スキャッタロメトリ）が、近年実用されるようになりつつある（特許文献２参照）。

特開２００３−２０７３１５号公報 Ｕ.Ｓ.Ｐ．５，９６３，３２９

特許文献２を用いれば、微細な繰返しパターン上の膜厚を計測することができる。特許文献２を用いて膜厚計測する方法としては、予め膜厚等をパラメータとして複数の条件で算出した理論分光データをライブラリとしてもち、このライブラリの中から実際に検出した分光データに近いものを選択し、選択した理論分光データを算出したときのパラメータを膜厚として出力する方法がある。また、理論分光データの算出と実際に検出したデータとの比較を繰返して、両者が一致するパラメータを探し出す方法がある（以降、前者ライブラリマッチング方式と後者をパラメータフィッティング方式と呼ぶ）。

ライブラリマッチング方式を実施するには、予め適当なパラメータ範囲と分解能で理論分光反射率を算出してライブラリを作成する必要が有る。計測対象がラインアンドスペースのような一方向の繰返し（一次元の繰返し）であれば、最新のコンピュータを用いれば１条件（パラメータのセット）あたり数〜数十秒程度で算出可能であるが、対象パターンが二方向の繰返し（二次元の繰返し）の場合には、計算量が膨大となるため、ライブラリの作成時間が非常に長くなることが課題であった。

また、パラメータフィッティング方式の場合でも、理論波形の算出と実検出データとの比較を繰返して実検出データとの誤差が十分小さくなるまでに、理論分光波形の演算を数回から十数回繰返すため、対象が２次元の繰返しパターンの場合は一回のパラメータのフィッティングに要する時間が数十分から数時間となる。実用上は長くとも十秒程度で演算が完了することが望ましい。

本発明の目的は、上記課題を解決すべく、半導体製造プロセスにおける１００ｎｍ程度以下、更には４５ｎｍ程度以下の超微細なパターンを有する被計測領域に対して、単純な層構造のモデルとして検出される分光反射率または分光反射強度を基に、容易に膜厚を計測できるようにした薄膜デバイスの膜厚計測方法及び膜厚計測装置を提供することにある。

本発明は、半導体製造プロセスにおける４５ｎｍ程度よりも微細なパターンを被計測対象とし、膜厚計測の検出波長に例えば４００ｎｍから８００ｎｍの可視光を用いてデバイスパターンの寸法が検出波長の１０分の１程度以下となった場合において、光学的にもはやパターンは意味を持たず、パターン部分及び非パターン部分を均一な単層または複数層の膜として取り扱うことができ、その結果、繰返しパターンに基づいた電磁波解析的な手法を用いる必要が無く、単純な複数層の干渉を利用した膜厚計測手法が適用できることを見出したことにある。

即ち、本発明は、被計測対象のパターンの寸法が検出波長の１０分の１程度以下で有るため、被計測対象（被計測領域）のパターン部分及び非パターン部分の面積率、層構成、膜厚及び材質によって決まる均一な単層または複数層の膜と仮定してその層構成、膜厚及び材質を計算によって求めることによって膜厚を計測することにある。

すなわち、本発明は、検出波長の１０分の１以下の寸法の微細なパターンが繰り返し形成された薄膜デバイスの表面または下層に形成された膜の膜厚を計測する方法であって、前記微細なパターンが繰り返し形成された薄膜デバイスの被計測領域をパターン部分および非パターン部分における占有率および反射率を用いて面方向に均一なパターンの無い単純な層構造モデルに置き換えるための計算を行い、前記計算の結果から前記パターンの無い単純な層構造のモデルに置き換え、前記薄膜デバイスの被計測領域から実際に分光検出される分光反射率または分光反射強度を、前記微細なパターンにおけるパターン部分および非パターン部分の被計測領域における占有率、層構成、膜厚および材質の特徴量を用いて前記モデルでシミュレーションすることによって、前記繰返し微細なパターンが形成された実際の複雑な層構造の表面または下層に形成された膜の膜厚を計測することを特徴とする薄膜デバイスの膜厚計測方法である。

また、本発明は、前記薄膜デバイスの膜厚計測方法において、前記微細なパターンの幅寸法が１００ｎｍ程度以下であることを特徴とする。また、本発明は、前記薄膜デバイスの膜厚計測方法において、前記反射率または反射強度の検出は、紫外線、可視光線又は赤外線に限らず、Ｘ線、電子線又はマイクロ波の電磁波の波長帯域において単波長または複数波長を用いることを特徴とする。また、本発明は、前記薄膜デバイスの膜厚計測方法において、前記微細なパターンの微細度に応じて前記反射率または反射強度を検出する光の波長を選択することを特徴とする。また、本発明は、前記薄膜デバイスの膜厚計測方法において、前記反射率または反射強度を検出する光の波長帯域として、４００ｎｍ程度以上の波長帯域であることを特徴とする。

また、本発明は、検出波長の１０分の１以下の寸法の微細なパターンが繰り返し形成された薄膜デバイスの被計測領域に光を照射する照射手段と、該照射手段により光が照射された前記薄膜デバイスの被計測領域からの反射光を実際に分光検出して前記薄膜デバイスの被計測領域の分光反射率または分光反射強度を求める分光検出手段と、前記微細なパターンが繰り返し形成された薄膜デバイスの被計測領域をパターン部分および非パターン部分における占有率および反射率を用いて面方向に均一なパターンの無い単純な層構造モデルに置き換えるための計算を行い、前記計算の結果から前記パターンのない単純な層構造で表したモデルに置き換え、前記分光検出手段で求めた前記分光反射率または分光反射強度を、前記微細なパターンにおけるパターン部分および非パターン部分の被計測領域における占有率、層構成、膜厚および材質の特徴量を用いて前記モデルでシミュレーションすることによって、前記繰返し微細なパターンが形成された実際の複雑な層構造の表面または下層に形成された膜の膜厚を計測する膜厚演算処理部とを備えたことを特徴とする薄膜デバイスの膜厚計測装置である。

また、本発明は、前記膜厚演算処理部において、前記パターン部分及び非パターン部分の特徴量（被計測領域における占有率、層構成、膜厚及び材質等）を、膜厚計測条件として設定する設定手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、半導体製造プロセスにおける１００ｎｍ程度以下、更には４５ｎｍ程度以下の超微細なパターンを有する被計測対象（被計測領域：被計測箇所）に対して検出される分光反射率または分光反射強度を基に、容易に膜厚を計測することが可能となる。

本発明に係る薄膜デバイスの膜厚計測方法及び膜厚計測装置の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、回折格子シミュレーションソフトＧＳＯＬＶＥＲを用いて、図３（ａ）に示す一次元繰返し配線パターンの断面モデルにおいて繰返しピッチｐを変えて例えば４００〜８００ｎｍでの分光反射率データを演算した結果である。図３（ａ）は半導体デバイスの配線構造をモデル化したものであり、同図中に「パターン」と示した３層構造（ＴｉＮ／Ａｌ／ＴｉＮ）が配線を表している。同図は紙面に対して垂直方向に伸びた配線の断面を表している。シミュレーションでは、ＴｉＮの厚さを５０ｎｍ、Ａｌの厚さを６００ｎｍ、パターンの幅ｗはピッチｐの１／２で、パターン上の膜厚ｄを４００ｎｍとして演算した。なお、図１（ａ）は繰返しピッチｐが１００００ｎｍ（パターンの幅ｗが５０００ｎｍ）の場合、図１（ｂ）は繰返しピッチｐが１０００ｎｍ（パターンの幅ｗが５００ｎｍ）の場合、図１（ｃ）は繰返しピッチｐが２００ｎｍ（パターンの幅ｗが１００ｎｍ）の場合、図１（ｄ）は繰返しピッチｐが１００ｎｍ（パターンの幅ｗが５０ｎｍ）の場合を示す。

ところで、ピッチｐが１００００ｎｍ（１０μｍ）の場合のシミュレーション結果（図１（ａ））に着目すると、分光データはパターン上の膜での干渉による低周波成分と非パターン部分の膜による干渉成分である高周波成分とが重畳した形状となっている。

図１（ａ）〜図１（ｄ）に示すように、ピッチｐが１００００ｎｍ、１０００ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍと微細になる場合のシミュレーション結果を比較すると、ピッチが小さくなるに従い分光波形の形状が変化することがわかる。そして、ピッチｐが小さくなるに従い高周波成分が小さくなり、ピッチｐが２００ｎｍ以下では高周波成分がなくなり、ピッチｐによる変化がほとんど見られなくなる。このことからピッチｐが２００ｎｍ以下の場合には、もはやピッチｐの影響を受けなくなることがわかる。

図２は、例えば４００〜８００ｎｍの範囲での分光データにおいて、図１（ｄ）に示すピッチｐが１００ｎｍの条件で、パターン上の膜厚ｄを４００、４５０、５００ｎｍで算出した実線でのグラフを重ねて示したものである。図２を見ると、分光データは膜厚が異なってもある限られた領域（図中点線（包絡線）で囲まれた領域）に出現することがわかる。この様な現象は、パターンの無い単純な層構造の場合に生じる現象と同様である。つまり、本発明は、図３（ａ）に示す構造を、図３（ｂ）に示すような単純な層構造で置き換えることができることを見出したことにある。即ち、本発明において、パターンの無い単純な層構造に置き換えた構造での膜の下地の層構成、膜厚及び材質は、置き換える前の実際の複雑な層構造における微細なパターン部分及び非パターン部分の層構成、膜厚及び材質、並びに面積率Ａ（上面から見た場合のパターンの計測視野（被計測領域：被計測箇所）内に占める割合）又はパターンの繰返しピッチｐとパターンの幅ｗによって定義することができる。例えば、パターンの無い単純な層構造モデルで置き換えた構造での反射率Ｒは次の（１）式で表すことが可能である。

｜Ｒ｜^２＝｜Ａ１・Ｒ１＋Ａ２・Ｒ２｜^２ （１）
なお、Ａ１は単純な層構造に置き換える前のパターン部分の面積率、Ｒ１はその表面反射率である。Ａ２は単純な層構造に置き換える前の非パターン部分の面積率、Ｒ２はその表面反射率である。

図３（ｂ）の場合には、パターンの無い単純な層構造モデルに置き換えた構造での膜の下地の屈折率ｎと吸収係数ｋは、単純な層構造に置き換える前のパターン部分の面積率Ａ１、各層の膜厚及び材質（屈折率、吸収係数）、並びに非パターン部分の面積率Ａ２、材質（屈折率、吸収係数）及び膜厚で表すことができる。

従って、図３（ａ）に示す実際の配線パターンモデルから実際に図３（ｂ）に示すパターンの無い単純な層構造のモデルに置き換えて分光検出される反射率または反射強度のデータを基に、パターン部分及び非パターン部分の特徴量（被計測領域（被計測箇所）における占有率、層構成、膜厚及び材質、並びにパターンの面積率又は繰返しピッチと幅等）を用いてシミュレーションすることによって容易に膜厚を求めることが可能となる。

図３（ａ）及び図４（ａ）の場合は図４（ｂ）に示すような複数層のモデルに置き換えても良い。図４の場合は、被計測対象となる最上層だけでなく、複数の層（ＳｉＯ，ＴｉＮ）の膜厚を求めることもできる。図４（ｂ）では配線パターンのＡｌ上のＴｉＮ膜を均一な膜と置き換えてパターン上のＴｉＮ膜とあわせて２層（ＳｉＯ，ＴｉＮ）の層構造に置き換えた場合を表している。このとき、ＴｉＮの膜厚と置換え後の下層の膜との膜厚が同じになるように下層の材質を設定する。従って、図４（ａ）に示す実際の配線パターンのモデルから実際に図４（ｂ）に示すパターンの無い単純な層構造のモデルに置き換えて分光検出される反射率または分光反射強度のデータを基に、パターン部分及び非パターン部分の特徴量（被計測領域における占有率、層構成、膜厚及び材質等）を用いてシミュレーションすることによって被計測領域（被計測箇所）における膜厚を容易に計測することが可能となる。

また、例えば、図５（ａ）に示すような、半導体プロセスのＣＭＰを用いた素子分離工程の場合を考える。図５（ａ）はＣＭＰ後の断面構造を表している。この場合は、被計測対象となる膜はＳｉＮまたはＳｉＯの膜厚であるが、いずれもその膜単体では表面が覆われていない。この場合は、図７（ａ）〜（ｃ）に示すような多層膜を仮定すればよい。この場合、置き換えた後の上層の膜厚はＳｉＮと同値となるように、下層の膜厚はＳｉの段差と同値となるように下層の材質を設定する。このように設定することによりＳｉＮの膜厚は最表面の膜厚として、ＳｉＯの膜厚は上層２層（ＳｉＮ，Ｓｉ）の膜厚の合計値として求めることができる。

図６（ａ）〜（ｄ）は、図１と同じモデルで繰返しパターンピッチを５００、４００、３００、２００ｎｍとして演算した結果である。同図から、繰返しパターンのピッチが小さくなるに従い、分光データの長波長側から変化が生じて収束していくことがわかる。このことから、対象パターンの大きさによって、本手法を適用できる波長帯域が限られることがわかる。本手法が適用できる波長範囲は、パターンの繰返しピッチの大きさによって影響を受けない領域である。経験的に、パターン寸法が検出波長の１０分の１程度（繰返しパターンのピッチが検出波長の５分の１）以下となる領域であることがわかっている。

被計測対象のパターン寸法が必ずしも、検出波長の全帯域よりも十分小さいとは限らない。そこで、例えば検出波長帯域が４００〜８００ｎｍで、被計測対象のパターンサイズが６０ｎｍ程度の場合には、膜厚演算に用いる波長帯域として６００〜８００ｎｍのデータを用いれば上記手法を適用することができる。

以上説明したように、本発明によれば、微細なパターンを均一な層と仮定することによって、単純な層構造モデルの膜として膜厚を求めることができ、例えばスキャッタロメトリのような複雑な演算をする必要がなく、演算時間を大幅に短縮することができる。

ここで、メモリを搭載したロジックＬＳＩいわゆるメモリ混載ＬＩＳを考える。チップ内には様々な形状のパターンが形成されている。例えばメモリセルの場合には微細な繰返しパターンであるが、メモリ部以外の部分では必ずしも繰返しのパターンで無い場合が多い。数年後には４５ｎｍノードとなり、メモリ部分のパターンのサイズは４５ｎｍ程度で検出波長の１０分の１程度となるため、上記に示した膜厚計測手法を用いて短時間に膜厚を求めることができる。しかし、チップ内の別の部分では４５ｎｍ程度の微細なパターンであるとは限らない。

被計測対象のパターンが検出波長の１０分の１以下でない場合は上記手法を適用することはできない。この場合は、被計測対象に最適なアルゴリズムを選択すればよい。計測対象パターンが検出波長よりも大きい（パターンピッチが約１μｍ以上）場合または１０分の１程度の大きさで繰返しパターンでない場合は、図７（ａ）に示すように、特開２００３−２０７３１５号公報（特許文献１）に記載された手法を用いることでパターン上の膜厚を求めることができる。被計測対象のパターンと検出波長が同程度から１０分の１程度の大きさで繰返しパターン（パターンピッチが約１μｍ〜２００ｎｍ）の場合には、図７（ｂ）に示すように、Ｕ.Ｓ.Ｐ．５，９６３，３２９に記載された電磁波解析的にパターンの形状を計測する技術であるスキャッタロメトリによりパターン上の膜厚を求めることができる。被計測対象のパターンが上記以下（パターンピッチが約２００ｎｍ以下）の場合には、図７（ｃ）に示すように、本手法（単純な層構造モデルに置き換える方法）によりパターン上の膜厚を求めることができる。

特許文献１に記載されたフィッティング手法は、複数の層からなる計測視野内で一様な構造の膜を考える。各層の膜厚保及び材質（屈折率及び吸収係数）を基にｊ層での表面反射率Ｒｊは（２）式で示す論理式で表される。即ち、膜の表面反射率Ｒｎは（１）式を下層より順次適用することにより求めることができる。

Ｒ_ｊ＝（ｒ_ｊ＋１＋Ｒ_ｊ−１ｅ^{−２ｎｊ２ｄｊ（ｎｊ／λ）}）／（１＋ｒ_ｊ＋１Ｒ_ｊ−１ｅ^{−２ｎｊ２ｄｊ（ｎｊ／λ）}）
ただし、ｒ_ｊ＋１＝（ｎ_ｊ＋１−ｎ_ｊ）／（ｎ_ｊ＋１＋ｎ_ｊ）， Ｒ_０＝ｒ_１ （２）
Ｒ_ｊ：第ｊ層表面反射率、ｒ_ｊ：第ｊ層界面反射率、ｎ_ｊ：第ｊ層の膜の屈折率（複素屈折率）、ｄ_ｊ：第ｊ層の膜の膜厚。

そこで、計測対象の膜厚を未知数として理論反射率を算出し、実際に検出した反射率との誤差が最も小さくなるように未知数を決定することにより膜厚を算出することができる。この際、未知数として膜厚だけではなく、膜の材質を設定する場合がある。しかし、この方法では計測視野内での層構造が一様でない場合には、理論式として複数の層構造が混在するモデルを考えて上記（１）式に基づいて複数の層構造の膜の表面反射率を求めることが可能となる。

アルゴリズムを選択する方法としては、例えば検出対象の周辺を含めた領域の画像から決定する方法が考えられる。検出した画像を周波数解析等の画像処理技術を用いて解析することによりパターン寸法を求め、求めたパターン寸法の大きさによって膜厚計測アルゴリズムを選択する方法が考えられる。

また、検出位置の設計情報を用いることによっても膜厚計測アルゴリズムを選択する方法が考えられる。検出画像による場合と同様に、パターンの設計情報を解析することにより、計測対象のパターン寸法を検出してアルゴリズムを選択すればよい。

また、前述のようにチップ内には様々な大きさのパターンが存在する。膜厚計測しようとする領域が例えばφ１０μｍであるとすると、この領域内でパターンの種類（パターン寸法）が均一で有る場合は、上記のようにアルゴリズムを選択することによってパターン上の膜厚を計測することができる。しかし、計測領域内に複数の種類のパターンが混在した場合には、上記３つのアルゴリズムのいずれか単体では膜厚計測することはできない。

このような場合には、３つの内の２つまたは全てのアルゴリズムを組み合わせることによって膜厚を計測することができる。例えば、図８（ａ）（ｂ）に示すように２つの種類のパターンが混在する場合を考える。例えば、図８（ｂ）に示すように、一方は本発明の手法により膜厚を算出できる種類のパターンであり、もう一方はスキャタロメトリにより膜厚を算出できる種類のパターンであるとする。それぞれの手法を用いれば、それぞれの領域での反射率（Ｒ_２，Ｒ_３）を求めることができる。そこで、全体の反射率Ｒとして、次に示す（３）式のように、それぞれのパターンの計測領域における占める割合（Ａ_２，Ａ_３）を重みとして足し合わせることにより、領域全体の反射率Ｒを求めることができる。

Ｒ＝Ａ_２｜Ｒ_２｜^２＋Ａ_３｜Ｒ_３｜^２ （３）
このシミュレーション結果をモデルとして、モデルフィッティングまたはライブラリマッチングを用いれば膜厚を求めることができる。

次に、本発明に係る薄膜デバイスの膜厚計測装置の実施の形態について図９及び図１０を用いて説明する。図９は、被計測対象の試料から分光反射率または分光反射強度を検出する分光検出光学系を示す。図１０は、膜厚計測装置の全体構成を示す図である。

分光検出光学装置２２４は、試料１の表面に光を照射する照射光学系４０と、試料１の表面からの反射光を分光検出する分光検出光学系５０とから構成される。照射光学系４０は、広帯域の波長の光を出射する光源４１と、照射角度範囲を狭める開口絞り４２と、照射光を反射するミラー４４と、対物レンズ４３とから構成される。分光検出光学系５０は、上記対物レンズ４３と、反射光を透過するミラー４４と、フーリエ変換光学系と、結像面に設けられた視野絞り５２と、フーリエ変換面に設けられた空間フィルタ４６と、回折格子５４およびリニアセンサ５５からなる分光器５１とで構成される。

光源４１から出射された光は対物レンズ４３を介して試料１に照射され、試料１からの反射光は再び対物レンズ４３を介して分光器５１で分光検出する。光源４１は、Ｘｅやハロゲン光源等の広波長帯域の光源を用いることが望ましい。光源としては、可視光に限らず紫外線、赤外線、Ｘ線、電子線またはマイクロ波等の波長帯域のものを用いても良い。そして、試料１へ照射する照射角度範囲を狭めることで、膜厚演算に要する計算量を小さくすることができる。また反射光を検出する際は、反射光の０次光（正反射光）のみを検出すれば、同様に計算量を小さくすることができる。照射角度範囲を小さくする手段としては、光源の開口絞り４２を小さくすることによって実現できる。また、反射光の０次光を検出する手段としては、光学系のフーリエ変換面にピンホール状の空間フィルタ５３を設けることによって実現できる。また、対物レンズ４３のＮＡを制限することにより、上記２つの効果を実現することができる。

膜厚計測装置は、図１０に示すように、分光検出光学装置２２４と、試料１を載置するステージ２２３と、試料（ウェハ）１を収納するカセット２２１と、試料１をカセット２２１とステージ２２３との間を搬送する搬送手段２２２と、分光検出したデータから膜厚を算出する膜厚演算処理部２２５と、計測条件設定や結果出力のための入出力手段２２６とを有して構成される。図１０では膜厚演算処理部２２５と入出力手段２２６にはパーソナルコンピュータを用いた実施例を示している。

次に、膜厚計測装置の動作シーケンスについて図１１を用いて説明する。まず、ウェハ（試料）１をカセット２２１からステージ２２３に搬送し（Ｓ１１１）、アライメント手段（図示せず）によってアライメントする（Ｓ１１２）。アライメントはステージへの搬送前に実施してもよく、またステージ搬送前とステージ搬送後の２度実施してもよい。まず、分光検出光学装置２２４をレファレンスデータ検出位置となるようにステージ２２３を動作させる（Ｓ１１３）。この位置で反射率を算出するための基準となるレファレンス試料の分光強度データを検出する（Ｓ１１４）。次にステージ２２３を分光検出光学装置２２４が膜厚計測位置となるように動作させ（Ｓ１１５）、試料１における繰返し微細なパターンを形成した複雑な層構造を有する被計測対象の表面の分光データを検出する（Ｓ１１６）。Ｓ１１４で検出したレファレンス分光強度データとＳ１１６で検出した試料表面の分光データとから分光反射率又は分光反射強度を例えば図２に示すような単純な層構造のモデルで置き換えた状態で算出し、該算出された分光反射率または分光強度を、繰返し微細なパターンにおけるパターン部分及び非パターン部分の特徴量（被計測箇所における占有率、層構成、膜厚及び材質）を用いてシミュレーションすることによって前記繰返し微細なパターンが形成された実際の複雑な層構造の表面または下層に形成された膜の膜厚を計測することが可能となる（Ｓ１１７）。膜厚計測位置へのステージの移動から膜厚計測までの動作を予め設定された条件で繰返して実施し（Ｓ１１８）、計測完了後、搬送手段２２２によってウェハ１をカセット２２１に戻す（Ｓ１１９）。

以上の動作を予め設定されたウェハに対して実施し、膜厚計測結果を表示装置２２６などに出力する（Ｓ１２０）。

図１２は、膜厚計測装置において、パターンの無い単純な層構造モデルとして分光器５１から検出される分光反射率または分光反射強度に基づいて膜厚を計測する膜厚演算処理部２２５に対する膜厚計測設定条件を設定する際の条件設定画面を模式的に示した図である。本発明に係るパターンの無い単純な層構造モデルとして分光器５１から検出される分光反射率または分光反射強度に基づいて膜厚計測を実施するには、微細なパターンにおけるパターン部分及び非パターン部分の特徴量であるパターンの面積率、層構成、膜厚ｄ及び材質（Material）等を設定する必要がある。これらの値を数値で入力すればよいが、図１２に示すように設定した形状等をグラフィカルに示したほうが、設定のミスを防ぐことができる。図１２では、被計測対象のパターンの断面構造１２１及び平面構造（平面形状）１２２を設定する方法を示している。例えば、各層の形状をＸ，Ｙ，Ｚの座標１２４で指定し、それぞれの領域について材質１２５を指定すればよい。更に、図１２ではカーソル１２３を用いて被計測領域の形状や材質を指定する方法を示している。例えば、図１２に示すようにカーソル１２３で断面形状のある部分をクリックすると、その領域のＸＹＺの範囲及び材質（Material）を表示し、この領域を含む層の平面構造（平面形状）を表示する。表示された領域のＸＹＺの範囲の数値を調整したり、材質を変更することにより設定することができる。平面形状としては、方形だけでなく、円、楕円、双曲線等各種の曲線が設定できる。このように、図１２で設定した被計測対象のパターンの構造に基づいて、膜厚計測条件を設定することが可能となる。なお、膜厚演算処理部２２５において、パターンの面積率Ａは平面形状から求めることができる。

図１３は図１２で設定した実際の配線パターンの層構造に基づいて、パターンの無い単純な層構造モデル１３１における膜を膜厚算出条件として仮定した結果を示している。図１３に示す様にカーソル１２３で膜を指定することにより、膜厚演算処理部２２５は記憶装置（図示せず）に格納されたデータを基に指定した膜の材質をグラフ表示することができる。グラフ表示した材質１３２は、図１２で設定した膜構造に基づいて算出したものである。ｎは、膜構造に基づいて算出された分光する波長に対する被計測する膜の屈折率であり、実線で示される。ｋは、膜構造に基づいて算出された分光する波長に対する被計測する膜の吸収係数であり、鎖線で示される。

なお、算出した材質は必要に応じて新たな材質として上記記憶装置に保存することができる。

図１４は膜厚演算処理部での膜厚算出処理の流れを示したものである。膜厚演算処理部２２５は、予め膜厚計測条件として、特許文献１の手法，スキャタロメトリ，本手法にて膜厚算出条件だしを実施しておく。まず、分光検出光学装置２２４において試料１の被計測箇所（被計測領域）の表面の分光反射強度を検出して膜厚演算処理部２２５に入力される（Ｓ１４１）。次に、膜厚演算処理部２２５は、基準となるレファレンスデータを用いて分光反射率を算出する（Ｓ１４２）。ここで、膜厚演算処理部２２５は、検出部分の画像、設計情報または分光検出結果（特にパターンピッチ）に基づいて、図７に示す各種算出アルゴリズムを選択または合成する（Ｓ１４３）。そして、膜厚演算処理部２２５は、選択または合成した各種算出アルゴリズムを用いて膜厚を算出する（Ｓ１４４）。

図１５は膜厚計測結果を示したものである。図１５はウェハ２１１上の指定してチップ２１３のチップ内膜厚分布２１４を計測した結果を示したものである。図１５に示すように、膜厚分布を３Ｄ表示し、膜厚の最大値２１５、最小値２１６及びそれらの位置等を表示することができる。

以上説明したように特許文献１，スキャタロメトリ及び本手法を組み合わせることにより、様々なパターンピッチを有するチップ内の膜厚分布を計測することができる。特に、本手法によれば、１００ｎｍ以下、特に将来予想される４５ｎｍ以下の超微細なパターンにおける膜厚を分光反射率または分光反射強度を検出することによって容易に計測することが可能となる。

繰返しパターンピッチが１００００ｎｍ、１０００ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍの場合における分光反射率のシミュレーション結果の一実施例を示す概略図である。 本発明に係る、繰返しパターンピッチが１００ｎｍの場合において、分光データは膜厚が異なってもある限られた領域（図中点線（包絡線）で囲まれた領域）に出現し、この現象は、パターンの無い単純な層構造の場合に生じる現象と同様であることを示す図である。 （ａ）は実際の配線パターンモデルを示す断面図で、（ｂ）は本発明に係る（ａ）に示す実際の配線パターンモデルを、パターンの無い単純なＳｉＯとその下地からなる層構造のモデルに置き換えることを説明するための概略断面図である。 （ａ）は実際の配線パターンモデルを示す断面図で、（ｂ）は本発明に係る（ａ）に示す実際の配線パターンモデルを、パターンの無い単純なＳｉＯとＴｉＮとその下地からなる層構造のモデルに置き換えることを説明するための概略断面図である。 （ａ）は実際の配線パターンモデルを示す断面図で、（ｂ）は本発明に係る（ａ）に示す実際の配線パターンモデルを、パターンの無い単純なＳｉＮとその下地からなる層構造のモデルに置き換えることを説明するための概略断面図である。 繰返しパターンピッチを５００ｎｍ、４００ｎｍ、３００ｎｍ、２００ｎｍの場合における分光反射率のシミュレーション結果の一実施例を示す概略図である。 本発明に係るパターンピッチに応じて選択する膜厚計測アルゴリズムの一実施例を示す説明図である。 本発明に係る膜厚計測アルゴリズムの合成方法の一実施例を示す説明図である。 本発明に係る分光検出光学装置の一実施例を示す概略構成図である。 本発明に係る膜厚計測装置の一実施例を示す概略構成図である。 本発明に係る膜厚計測装置の動作シーケンスの一実施例を示す概略図である。 本発明に係る膜厚計測条件の設定方法の一実施例を示す概略図である。 本発明に係る膜厚計測条件の設定方法の他の一実施例を示す概略図である。 本発明に係る膜厚演算処理部での膜厚計測処理の流れの一実施例を示す概略図である。 本発明に係る膜厚計測結果の表示の一実施例を示す概略図である。

符号の説明

１…試料（ウエハ）、４０…照射光学系、４１…光源、４２…開口絞り、４３…対物レンズ、４４…ミラー、４６…空間フィルタ、５０…分光検出光学系、５１…分光器、５２…視野絞り、５４…回折格子、５５…リニアセンサ、１２１…被計測対象のパターンの断面構造、１２２…被計測対象のパターンの平面構造（平面形状）、１２３…カーソル、１２４…座標、１２５…材質、１３１…パターンのない単純な層構造モデル、１３２…グラフ表示した材質、２１１…ウエハ、２１３…チップ又はショット、２１４…チップ内膜厚分布、２１５…膜厚の最大値、２１６…膜厚の最小値、２２１…カセット、２２２…搬送手段、２２３…ステージ、２２４…分光検出光学装置、２２５…膜厚演算処理部、２２６…入出力手段。

Claims (7)

1. 検出波長の１０分の１以下の寸法の微細なパターンが繰り返し形成された薄膜デバイスの表面または下層に形成された膜の膜厚を計測する方法であって、
   前記微細なパターンが繰り返し形成された薄膜デバイスの被計測領域をパターン部分および非パターン部分における占有率および反射率を用いて面方向に均一なパターンの無い単純な層構造モデルに置き換えるための計算を行い、前記計算の結果から前記パターンの無い単純な層構造のモデルに置き換え、前記薄膜デバイスの被計測領域から実際に分光検出される分光反射率または分光反射強度を、前記微細なパターンにおけるパターン部分および非パターン部分の被計測領域における占有率、層構成、膜厚および材質の特徴量を用いて前記モデルでシミュレーションすることによって、前記繰返し微細なパターンが形成された実際の複雑な層構造の表面または下層に形成された膜の膜厚を計測することを特徴とする薄膜デバイスの膜厚計測方法。
2. 前記薄膜デバイスに形成された微細なパターンの幅寸法が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の薄膜デバイスの膜厚計測方法。
3. 前記分光反射率または分光反射強度の検出は、紫外線、可視光線または赤外線に限らず、Ｘ線、電子線またはマイクロ波の電磁波の波長帯域において単波長または複数波長を用いることを特徴とする請求項２記載の薄膜デバイスの膜厚計測方法。
4. 前記微細なパターンの微細度に応じて前記分光反射率または分光反射強度を検出する光の波長を選択することを特徴とする請求項１記載の薄膜デバイスの膜厚計測方法。
5. 前記分光反射率または分光反射強度を検出する光の波長帯域として、４００ｎｍ以上の波長帯域であることを特徴とする請求項４記載の薄膜デバイスの膜厚計測方法。
6. 検出波長の１０分の１以下の寸法の微細なパターンが繰り返し形成された薄膜デバイスの被計測領域に光を照射する照射手段と、
   該照射手段により光が照射された前記薄膜デバイスの被計測領域からの反射光を実際に分光検出して前記薄膜デバイスの被計測領域の分光反射率または分光反射強度を求める分光検出手段と、
   前記微細なパターンが繰り返し形成された薄膜デバイスの被計測領域をパターン部分および非パターン部分における占有率および反射率を用いて面方向に均一なパターンの無い単純な層構造モデルに置き換えるための計算を行い、前記計算の結果から前記パターンのない単純な層構造で表したモデルに置き換え、前記分光検出手段で求めた前記分光反射率または分光反射強度を、前記微細なパターンにおけるパターン部分および非パターン部分の被計測領域における占有率、層構成、膜厚および材質の特徴量を用いて前記モデルでシミュレーションすることによって、前記繰返し微細なパターンが形成された実際の複雑な層構造の表面または下層に形成された膜の膜厚を計測する膜厚演算処理部と
   を備えたことを特徴とする薄膜デバイスの膜厚計測装置。
7. 前記膜厚演算処理部において、前記被計測領域におけるパターン部分および非パターン部分の特徴量を、膜厚計測条件として設定する設定手段を有することを特徴とする請求項６記載の薄膜デバイスの膜厚計測装置。

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