JP5186129B2 - 溝パターンの深さの測定方法および測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板に形成された溝パターンの深さを測定する技術に関する。

従来より、基板上に形成された溝（トレンチとも呼ばれる。）のパターン（例えば、一方向に伸びる複数の溝の集合）の深さを分光干渉法にて非破壊で測定する手法が提案されており、例えば特許文献１では、溝を有する基板に光を照射しつつ基板からの反射光を分光して分光スペクトルを取得し、基板の最上面と溝の底面との間の光路差に起因する分光スペクトル中のピークの周期を最大エントロピー法を用いて特定することにより、溝深さを測定する手法が開示されている。また、特許文献２では、基板上の膜のエッチングにより形成されたエッチング溝の深さを測定する際に、まず、基板上の元の厚さの膜に対して得られるスペクトルと、当該元の厚さよりも薄い膜が基板上に形成されていると仮定した場合のスペクトルの理論値とが取得される。この薄い膜は、エッチング溝の底面に対応しており（すなわち、元の厚さの膜の膜厚と薄い膜の膜厚との差が溝の深さとなる。）、元の厚さの膜のスペクトルと薄い膜のスペクトルとを設計上のエッチング溝の面積比に応じた混合比にて混合することにより、複数の深さのエッチング溝にそれぞれ対応する複数の混合スペクトルが取得される。そして、基板から得られる実際のスペクトルを複数の混合スペクトルと比較することにより、エッチング溝の深さが求められる。
特公平６−６５９６３号公報 特許第３７４００７９号公報

ところで、分光反射率を取得する際には、回折格子を有する分光器がよく用いられるが、回折格子では、光の入射強度と反射強度との比である回折効率が、当該光の波長によってはｐ偏光光とｓ偏光光とで大きく異なることが知られている。一方、基板上に形成された溝パターンの深さの測定では、各種条件によっては、溝パターンの影響により基板からの反射光の振動方向が限定されてしまう（すなわち、基板からの反射光が偏光光となる。）。したがって、回折格子に入射する反射光の振動方向によっては、基板からの反射光に基づいて分光反射率を正確に求めることができず、溝パターンの深さを精度よく求めることができない場合がある。

また、単層膜や多層膜を有する基板の溝パターンの深さを測定する際に、基板の反射光から取得される測定分光反射率と、演算により求められる理論分光反射率とを比較する場合には、測定分光反射率は膜の影響を受けているため、理論分光反射率においても膜の影響が考慮される必要がある。しかしながら、基板上の膜が極めて薄い（例えば、膜厚１０ナノメートル）場合に、当該膜の膜厚もパラメータとする理論分光反射率と測定分光反射率とを比較して膜の膜厚および溝パターンの深さを求めようとしても、これらのパラメータの値を精度よく決定できないことがある。基板上に多層膜が形成されている場合も同様である。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、溝パターンの深さを精度よく求めることを目的としている。

請求項１に記載の発明は、基板に形成された溝パターンの深さの測定方法であって、ａ）所定の方向に伸びる溝パターンが測定領域に形成された基板に開口数０．０５以上０．１以下の対物レンズを介して照明光を照射する工程と、ｂ）前記基板からの前記照明光の反射光が導かれる回折格子が、前記回折格子の格子方向に対応する前記基板上の方向と前記所定の方向とのなす角が４０度以上５０度以下となる状態で配置されており、前記回折格子にて前記反射光を受光して分光する工程と、ｃ）前記ｂ）工程により分光された光を検出器にて受光して前記測定領域の測定分光反射率を取得する工程と、ｄ）少なくとも前記溝パターンの深さ、前記溝パターンの底面の面積率および前記基板の表面における最上面の面積率をパラメータとして、前記溝パターンの前記底面からの光に基づいて理論的に求められる複素振幅反射係数に前記底面の面積率を乗じたものと、前記最上面からの光に基づいて理論的に求められる複素振幅反射係数に前記最上面の面積率を乗じたものとの和を前記測定領域における複素振幅反射係数とすることにより求められる理論分光反射率と、前記測定分光反射率とを比較することにより、前記パラメータの値を決定する工程とを備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の溝パターンの深さの測定方法であって、前記基板の前記測定領域に少なくとも１つの膜が形成されており、前記ｄ）工程において、前記パラメータに前記少なくとも１つの膜の膜厚が含まれる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の溝パターンの深さの測定方法であって、ｅ）前記基板の前記測定領域および前記溝パターンが存在しない補助領域に少なくとも１つの膜が形成されており、前記ａ）工程の前に、照明光を前記補助領域に照射して前記検出器にて前記補助領域の分光反射率を取得することにより、前記少なくとも１つの膜の一部または全部の膜厚を求める工程をさらに備え、前記ｄ）工程において、前記ｅ）工程にて取得された前記膜厚を利用して前記理論分光反射率が求められる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の溝パターンの深さの測定方法であって、前記ｅ）工程において、前記少なくとも１つの膜の一部の膜厚が求められ、前記ｄ）工程において、前記パラメータに前記一部以外の膜の膜厚が含まれる。

請求項５に記載の発明は、基板に形成された溝パターンの深さの測定装置であって、所定の方向に伸びる溝パターンが測定領域に形成された基板を保持する保持部と、前記基板に開口数０．０５以上０．１以下の対物レンズを介して照明光を照射する光照射部と、前記基板からの前記照明光の反射光を所定位置へと導く光学系と、前記所定位置に配置される回折格子を有し、前記回折格子の格子方向に対応する前記基板上の方向と前記所定の方向とのなす角が４０度以上５０度以下となる状態とされ、前記回折格子にて前記反射光を受光して分光する分光器と、前記分光器により分光された光を受光して前記測定領域の測定分光反射率を取得する検出器と、少なくとも前記溝パターンの深さ、前記溝パターンの底面の面積率および前記基板の表面における最上面の面積率をパラメータとして、前記溝パターンの前記底面からの光に基づいて理論的に求められる複素振幅反射係数に前記底面の面積率を乗じたものと、前記最上面からの光に基づいて理論的に求められる複素振幅反射係数に前記最上面の面積率を乗じたものとの和を前記測定領域における複素振幅反射係数とすることにより求められる理論分光反射率と、前記測定分光反射率とを比較することにより、前記パラメータの値を決定する演算部とを備える。

本発明によれば、溝パターンの深さを精度よく求めることができる。

また、照明光の溝パターンの底面への照射を確実に行うことができ、溝パターンの側面からの反射光の影響を無視して、溝パターンの深さ並びに底面の面積率および最上面の面積率を容易に取得することができる。請求項２の発明では、基板に形成された膜を考慮しつつ溝パターンの深さを精度よく求めることができる。

また、請求項３および４の発明では、少なくとも１つの膜を有する基板において、溝パターンが存在しない領域にて膜厚を求めることにより、溝パターンの深さをより精度よく求めることができ、請求項４の発明では、膜厚測定にて求められなかった膜の膜厚も精度よく求めることができる。

図１は、本発明の一の実施の形態に係るトレンチ形状測定装置１の構成を示す図である。トレンチ形状測定装置１は、半導体の基板９上に形成された溝パターン（すなわち、トレンチパターン）の深さ等の溝パターンの形状に係る情報を取得するためのものである。実際には、トレンチ形状測定装置１では、溝パターンの形状に係る情報を取得するために、基板９に形成される膜の膜厚も測定される。また、本実施の形態では、基板９の溝パターンは、一方向に伸びる複数の溝の集合（すなわち、回折格子形状のパターン）となっている。

トレンチ形状測定装置１は、溝パターンが形成された円板状の基板９を保持する保持部２１、保持部２１を上下方向を向く軸を中心として回動する回動機構２２、回動機構２２を介して保持部２１を水平方向であるＸ方向およびＹ方向に移動する保持部移動機構２３、照明光を出射する光照射部３、光照射部３からの照明光を基板９に導くとともに基板９からの反射光が入射する光学系４、光学系４により導かれる反射光を受光して分光する分光器５、分光器５により分光された光を受光して分光反射率を取得する検出器６、並びに、各種演算を行う演算部７１を有するとともにトレンチ形状測定装置１の全体制御を担う制御部７を備える。保持部移動機構２３は、図示省略のＸ方向移動機構およびＹ方向移動機構を備え、各移動機構にはモータ、ボールネジおよびガイドレールの組合せが設けられる。

光照射部３は、電源３１に接続された光源３２を有し、光源３２から照明光（白色光）が出射される。光源３２からの照明光は光学系４のレンズ４１，４２を介してハーフミラー４３へと導かれ、基板９側へと反射された照明光は対物レンズ４４を介して基板９上に照射される。このとき、対物レンズ４４の開口数（ＮＡ）は０．０５以上０．１以下とされており、基板９に対してほぼ垂直に、かつ、平行光に近い状態にて照明光が照射される。

基板９からの照明光の反射光は対物レンズ４４により取り込まれ、ハーフミラー４３およびレンズ４５を介して分光器５へと入射する。分光器５は、ピンホール５１１を有する開口板５１を備え、ピンホール５１１を通過した反射光は一方向に伸びる多数の溝（図１中では平行斜線を付して溝の領域を示しており、以下、溝が伸びる方向を「格子方向」という。なお、図１では回折格子５２の溝の個数を実際のものよりも大幅に少なく描いている。）が表面に形成された回折格子５２に照射される。このとき、仮に、基板９の主面上にてＹ方向に振動方向を有する直線偏光光を基板９の位置から出射した場合に、当該直線偏光光は回折格子５２の格子方向に対して平行または垂直となるように回折格子５２に入射する。言い換えれば、回折格子５２の格子方向に対応する基板９上の方向が、Ｙ方向に平行または垂直となるように、回折格子５２が配置されている。回折格子５２では、ピンホール５１１を通過した反射光が受光されて分光され、分光された光は、検出器６の受光面上において波長毎に異なる位置へと導かれる。なお、図１では、分光器５内の詳細な構成要素の図示を省略している。

検出器６の受光面には複数の受光素子が一列に並べられており、所定の波長帯（以下、「測定波長帯」という。）に含まれる各波長の光が対応する受光素子にて受光され、その光の強度が取得される。トレンチ形状測定装置１では、保持部２１にミラーを載置して照明光を照射し、当該ミラーからの反射光が分光器５を介して検出器６の各受光素子に照射される際の光の強度が予め取得されており、各受光素子にて基板９から取得される光の強度と、ミラーを用いて取得される光の強度との比が（相対）反射率として取得される。これにより、測定波長帯に含まれる複数の波長にそれぞれ対応する複数の反射率の集合が分光反射率として取得される。以下の説明では、検出器６にて取得される分光反射率を測定分光反射率という。なお、基板９から取得される光の強度と、ミラーを用いて取得される光の強度との比を求める演算は、検出器６の外部にて実現されてもよい。

次に、トレンチ形状測定装置１が溝パターンの形状の測定を行う動作の流れについて図２を参照しつつ説明する。溝パターン形状の測定を行う際には、まず、外部の搬送装置によりトレンチ形状測定装置１内に測定対象の基板９が搬送され、保持部２１上に載置されて保持される（ステップＳ１０）。このとき、基板９上の所定の測定領域９３内では、溝パターンが基板９に形成された基準部位（すなわち、基板９の方向を定める部位であり、例えば、ノッチやオリエンテーション・フラット等）に対して予め定められた方向に伸びるように形成されており、トレンチ形状測定装置１では、保持部２１に設けられる位置決めピンを基準部位に当接させることにより基板９が所定の方向に向くようにして保持される。これにより、保持部２１上の基板９の測定領域９３内の溝パターンの向きがＹ方向に対して４５度±５度（４０度〜５０度）の範囲内のいずれかの角度、好ましくは４５度だけ傾いた状態とされる。換言すれば、回折格子５２の格子方向に対応する基板９上の方向と溝パターンの伸びる方向とのなす角が４０度以上５０度以下、好ましくは４５度となる状態とされる。以下の説明では、溝パターンが伸びる方向を溝方向とも呼ぶ。

続いて、溝パターンの形状に係る情報（溝パターンの深さ等を含む情報であり、以下、「溝パターン情報」という。）の取得の前に基板９上に形成された膜の膜厚を補助的に測定する処理（以下、「補助膜厚測定」という。）を行うか否かが確認される（ステップＳ１１）。補助膜厚測定の要否は基板９の膜構造に応じて決定され、例えば、基板９上に極めて薄い単層膜や、多層膜が形成されている場合には、溝パターン情報の測定精度を向上するために、補助膜厚測定が行われる。ここでは、基板９上に極めて薄い単層膜が形成されており、補助膜厚測定が行われるものとする（ステップＳ１２）。

図３は、補助膜厚測定の処理の流れを示す図である。また、図４は、溝方向に垂直な基板９の断面を示す図である。なお、図４では、基板９の断面の平行斜線の図示を省略している（後述の図５において同様）。

図４に示すように、基板９の表面には酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の薄い膜９１（例えば、膜厚１０ナノメートルの膜であり、図４では膜９１を実際よりも厚く図示している。後述の図５において同様。）が形成されており、溝方向に垂直な方向に一定ピッチＰ１にて並ぶ複数の溝９２は膜９１およびシリコン（Ｓｉ）にて形成される基板９の本体９０がエッチングされることにより形成される。実際には、基板９の主面上には、溝パターンが形成され、測定の対象となる測定領域９３の他に、溝パターンが存在しない領域（いわゆる、ベタ領域であり、溝パターン形状の測定を補助するための情報が取得される領域であるため、以下、「補助領域」という。）９４が形成されており、補助膜厚測定では、保持部移動機構２３により基板９上の照明光の照射位置に補助領域９４が配置された後、光照射部３から照明光が出射されて補助領域９４に照射される（ステップＳ１２１）。補助領域９４からの反射光は光学系４により分光器５に導かれて分光され（ステップＳ１２２）、検出器６にて受光されて補助領域９４の測定分光反射率が取得される（ステップＳ１２３）。

一方、トレンチ形状測定装置１では、補助膜厚測定にて利用される理論分光反射率が予め求められて準備されている。ここで、補助膜厚測定における理論分光反射率について述べる。理論分光反射率を求める際には、まず、膜９１がある膜厚ｄであると仮定して、膜９１の屈折率をＮ、膜９１への光（照明光）の入射角をθ、光の波長をλ、空気９９と膜９１との界面における振幅反射係数をｒ_０１、膜９１と基板９の本体９０との界面における振幅反射係数をｒ_１２として、数１に各値を代入することにより、当該波長λの光に対する反射率Ｒが求められる。なお、本実施の形態では、膜９１への光の入射角θを０度としている（後述の数３および数４において同様。）。また、数１中の添え字の無いｒは複素振幅反射係数を示し、βは位相膜厚を示す（βについて後述の数３および数４において同様）。

実際には、測定波長帯に含まれる複数の波長のそれぞれに対して反射率Ｒが求められ、複数の波長における複数の反射率Ｒの集合が理論分光反射率として取得される。トレンチ形状測定装置１では、膜９１の想定される膜厚を変更しつつ上記演算が繰り返されることにより、複数の膜厚に対する複数の理論分光反射率が取得される。

ステップＳ１２３にて取得された補助領域９４の測定分光反射率は複数の理論分光反射率と比較され、これらの理論分光反射率から測定分光反射率に近似するものが特定されて膜９１の膜厚が求められる（ステップＳ１２４）。具体的には、ある波長において理論分光反射率が示す反射率をＲｃ、測定分光反射率が示す反射率をＲｍとして、類似度Ｅｒｒが数２により求められる。なお、数２においてｍｅａｎ（Ａ）は、測定波長帯に含まれる複数の波長に対して得られる複数のＡの平均値を示す。

トレンチ形状測定装置１では、類似度Ｅｒｒが最小となる理論分光反射率が特定され、当該理論分光反射率における膜厚が、基板９の補助領域９４における膜９１の膜厚とされる。なお、類似度Ｅｒｒが所定値以下となる場合等、必要に応じてガウス・ニュートン法やレーベンバーグ・マーカート法等の非線形最適化手法が用いられ、類似度Ｅｒｒを収束させつつ類似度Ｅｒｒが所定値よりも大きくなる理論分光反射率が取得されて膜９１の膜厚が求められてもよい。

以上のようにして、基板９の膜９１の膜厚が求められると、溝パターン情報を取得する際の理論分光反射率（補助膜厚測定における理論分光反射率とは異なる。）の演算におけるパラメータの設定（いわゆる、測定レシピの生成）が行われる（図２：ステップＳ１３）。具体的には、溝パターンの深さ（すなわち、溝９２の深さ）、測定領域９３における複数の溝９２の底面９２１の集合の面積率、および、複数の最上面（すなわち、補助領域９４の表面と同じ高さの面）９３１の集合の面積率のそれぞれがパラメータとされ、各パラメータの初期値および複数の変動値（すなわち、初期値との差）が演算部７１に設定されるとともに、ステップＳ１２にて求められた膜９１の膜厚も設定される。なお、各パラメータに対して複数の値を設定することにより、後述の類似度の算出において類似度が局所解に陥ることが抑制される。以下、複数の底面９２１の集合の面積率および複数の最上面９３１の集合の面積率を、それぞれ、単に底面９２１の面積率および最上面９３１の面積率と呼ぶ。

続いて、溝パターン情報の取得時における理論分光反射率が求められる（ステップＳ１４）。具体的には、膜９１の膜厚の設定された値をｄ、膜９１の屈折率をＮ、膜９１への光（照明光）の入射角をθ、光の波長をλ、空気９９と膜９１との界面における振幅反射係数をｒ_０１、膜９１と基板９の本体９０との界面における振幅反射係数をｒ_１２として、数３に各値を代入することにより、当該波長λの光に対する最上面９３１の複素振幅反射係数ｒ_Ｉが求められる。

また、底面９２１に関して、図５中にて平行斜線を付して示すように溝９２が、溝９２の深さの初期値に等しい膜厚ｔの空気の膜９９ａであるものと捉えて、膜９９ａの屈折率をＮ、膜９９ａへの光（照明光）の入射角をθ、光の波長をλ、空気９９と膜９９ａとの界面における振幅反射係数をｒ_０１、膜９９ａと基板９の本体９０との界面における振幅反射係数をｒ_１２として、数４に各値を代入することにより、当該波長λの光に対する底面９２１の複素振幅反射係数ｒ_IIが求められる。実際には、数４中の屈折率Ｎは１、空気９９と膜９９ａとの界面における振幅反射係数ｒ_０１は０とされる。

ここで、図６中に平行斜線を付してそれぞれ示す領域Ｖ１，Ｖ２からの光は、符号８１，８２をそれぞれ付す矢印にて抽象的に示すように、光路差が生じて干渉する。したがって、領域Ｖ１，Ｖ２の全体におけるある波長の光に対する複素振幅反射係数ｒ_Ｖは、領域Ｖ１，Ｖ２の面積率をそれぞれＡ_Ｖ１、Ａ_Ｖ２とし、領域Ｖ１，Ｖ２における当該波長の光に対する複素振幅反射係数をそれぞれｒ_Ｖ１、ｒ_Ｖ２として、数５により求められる。

実際には、図４中の右側の測定領域９３では、最上面９３１および底面９２１に加えて、溝９２の傾斜した側面９２２も存在するため、基板９に垂直な方向から側面９２２を見た場合における側面９２２の領域を側面領域として、測定領域９３における最上面９３１の面積率、並びに、溝９２の底面９２１の面積率、および、側面領域の面積率（正確には、測定領域９３における複数の最上面９３１の集合の面積率、並びに、複数の溝９２の底面９２１の集合の面積率、および、複数の溝９２の側面領域の集合の面積率）をそれぞれＡ_Ｉ、Ａ_II、Ａ_III（ただし、これらの面積率の和は１となる。）とし、ある波長の光に対する最上面９３１の複素振幅反射係数、並びに、溝９２の底面９２１の複素振幅反射係数、および、側面領域の複素振幅反射係数をそれぞれｒ_Ｉ、ｒ_II、ｒ_IIIとすると、測定領域９３における当該波長の光に対する複素振幅反射係数ｒ_sampleは、数６にて表される。

本実施の形態では、後述するように、開口数が小さい対物レンズ４４を介して照明光が基板９に照射され、基板９からの反射光も対物レンズ４４を介して光学系４内に取り込まれるため、側面９２２にて反射した光は無視することができ（すなわち、当該光は光学系４内にはほとんど取り込まれない。）、側面領域における複素振幅反射係数ｒ_IIIを０とすることができる。したがって、数６中の最上面９３１の面積率Ａ_Ｉおよび底面９２１の面積率Ａ_IIに初期値を代入し、数３および数４にて求められる波長λの光に対する最上面９３１の複素振幅反射係数ｒ_Ｉおよび底面９２１の複素振幅反射係数ｒ_IIも数６中に代入することにより、パラメータである溝９２の深さ、底面９２１の面積率および最上面９３１の面積率のそれぞれを初期値とした場合の当該波長λの光に対する測定領域９３の複素振幅反射係数ｒ_sampleが求められる。そして、数７に示すように、複素振幅反射係数ｒ_sampleの絶対値の二乗の値を求めることにより、各パラメータを初期値とした場合の当該波長λの光に対する測定領域９３の反射率Ｒ_sampleが求められる。

実際には、測定波長帯に含まれる複数の波長のそれぞれに対して反射率Ｒ_sampleが求められ、複数の波長における複数の反射率Ｒ_sampleの集合が、各パラメータを初期値とした場合の理論分光反射率として取得される。トレンチ形状測定装置１では、各パラメータの値を、初期値、および、初期値から変動値だけ離れた値（以下、「設定値」と総称する。）に順次変更しつつ上記演算が繰り返されることにより、溝９２の深さ、底面９２１の面積率および最上面９３１の面積率における設定値の全ての組合せにそれぞれ対応する複数の理論分光反射率が取得される。

複数の理論分光反射率が取得されると、保持部移動機構２３により基板９上の照明光の照射位置が測定領域９３内に配置された後、光照射部３から照明光が出射され、基板９上の測定領域９３に照射される（ステップＳ１５）。このとき、既述のように、開口数が小さい対物レンズ４４を介して照明光が基板９へと導かれることにより、照明光の溝パターンの底面９２１への照射を確実に行うことができる。また、基板９の測定領域９３からの反射光は、対物レンズ４４を介して光学系４内に取り込まれることにより、溝９２の側面９２２にて反射した光や、溝パターンにおける１次以上の回折光は光学系４内には取り込まれず、底面９２１からの正反射光（０次光）のみが光学系４に入射する。そして、反射光は光学系４により分光器５へと導かれて回折格子５２にて分光され（ステップＳ１６）、分光された光が検出器６にて受光されて測定領域９３の測定分光反射率が取得される（ステップＳ１７）。

続いて、測定分光反射率とステップＳ１４にて求められた複数の理論分光反射率のそれぞれとの間の類似度Ｅｒｒが、上記の数２を用いて求められる。そして、類似度Ｅｒｒが最小となる理論分光反射率が特定され、当該理論分光反射率におけるパラメータの値が基板９の測定領域９３における溝９２の深さ、底面９２１の面積率および最上面９３１の面積率として取得される（ステップＳ１８）。このように、測定領域９３の測定分光反射率と理論分光反射率とが比較されることにより複数のパラメータの値が決定されて、溝パターン情報が取得される。なお、類似度Ｅｒｒが所定値以下となる場合等、必要に応じてガウス・ニュートン法やレーベンバーグ・マーカート法等の非線形最適化手法が用いられ、類似度Ｅｒｒを収束させつつ類似度Ｅｒｒが所定値よりも大きくなる理論分光反射率が取得されて測定領域９３における溝９２の深さ、底面９２１の面積率および最上面９３１の面積率が求められてもよい。

続いて、演算部７１では、溝パターンの形状に係る他の情報も取得される（ステップＳ１９）。例えば、値１から底面９２１の面積率および最上面９３１の面積率を減じた値が、側面領域の面積率として求められ、既知であるピッチＰ１を用いて溝方向に垂直な方向の１つの側面９２２の幅（図４中にて符号Ｗ１を付して示す幅）を取得して、溝方向に垂直な基板９の断面上における側面９２２の傾斜角（図４中にて符号γを付して示す角度）が求められる。また、ピッチＰ１を用いて溝方向に垂直な方向に関する１つの最上面９３１の幅（図４中にて符号Ｗ２を付して示す幅であり、線幅と捉えられる。）や１つの底面９２１の幅（図４中にて符号Ｗ３を付して示す幅）を取得することもでき、測定領域９３の面積が既知である場合には、底面９２１、最上面９３１および側面領域のそれぞれの総面積も求めることが可能である。

また、トレンチ形状測定装置１では、基板９上の膜９１が比較的厚い場合等には、補助膜厚測定を行うことなく、溝パターン情報を取得することも可能である（ステップＳ１１）。この場合、溝パターンの深さ、溝９２の底面９２１の面積率および最上面９３１の面積率に加えて、膜９１の膜厚もパラメータとされ、各パラメータの設定値が演算部７１に設定される（ステップＳ１３）。続いて、溝９２の深さ、底面９２１の面積率、最上面９３１の面積率および膜９１の膜厚における設定値の全ての組合せにそれぞれ対応する複数の理論分光反射率が演算により取得される（ステップＳ１４）。そして、光照射部３により測定領域９３に照明光を照射し、測定領域９３からの照明光の反射光に基づいて測定領域９３の測定分光反射率が取得され（ステップＳ１５〜Ｓ１７）、測定分光反射率と複数の理論分光反射率とを比較することにより各パラメータの値が決定される。これにより、基板９上の溝９２の深さ、底面９２１の面積率、最上面９３１の面積率および膜９１の膜厚が取得される（ステップＳ１８）。また、必要に応じて、溝パターンの形状に係る他の情報も取得される（ステップＳ１９）。

ところで、分光器の回折格子では、光の入射強度と反射強度との比である回折効率が、当該光の波長によっては格子方向に平行な振動方向の偏光光と格子方向に垂直な振動方向の偏光光とで大きく異なる。また、溝パターンの形状測定では溝パターンの影響により基板からの反射光の振動方向が限定されてしまう（例えば、基板９からの反射光が基板９上の溝方向に平行な方向に振動する直線偏光光や当該方向におよそ沿って振動する楕円偏光光を多く含む。）。この場合に、回折格子に入射する反射光の振動面と格子方向とのなす角と、当該振動面と格子方向に垂直な方向とのなす角との間に差があると、基板からの反射光のスペクトルを正確に取得することができず（すなわち、基板の正確な分光反射率を取得することができず）、溝パターンの深さを精度よく求めることができない。

これに対し、トレンチ形状測定装置１では、基板９からの照明光の反射光が導かれる回折格子５２が、回折格子５２の格子方向に対応する基板９上の方向と溝方向とのなす角が４０度以上５０度以下（好ましくは４５度）となる状態で配置されているため、基板９上の溝パターンによる反射光の偏光の影響を受けることなく基板の分光反射率を正確に求めることができ、非破壊方式にて溝パターンの深さを精度よく求めることができる。

トレンチ形状測定装置１では、対物レンズ４４の開口数が０．０５以上０．１以下とされることにより、基板９上に形成される溝パターンのアスペクト比（断面形状の縦横比）が大きい場合でも、照明光の溝パターンの底面９２１への照射、および、底面９２１からの反射光の回折格子５２における受光を確実に行うことが可能とされる。また、溝パターン情報を取得する際に、測定波長帯に含まれる各波長において、底面９２１からの光に基づいて理論的に求められる複素振幅反射係数に底面９２１の面積率を乗じたものと、最上面９３１からの光に基づいて理論的に求められる複素振幅反射係数に最上面９３１の面積率を乗じたものとの和を、測定領域９３における複素振幅反射係数とすることにより、溝パターンの側面９２２からの反射光の影響を無視しつつ理論分光反射率が適切に求められる。これにより、溝パターンの深さ並びに底面９２１の面積率および最上面９３１の面積率を容易にかつ精度よく求めることができる。

また、補助膜厚測定において、照明光を補助領域９４に照射して検出器６にて補助領域９４の分光反射率を取得することにより、基板９上の膜９１の膜厚を求め、その後、補助膜厚測定にて得られた膜厚を利用して溝パターン情報の取得時の理論分光反射率が求められる。このように、膜９１を有する基板９において、溝パターンが存在しない領域にて膜厚を求めることにより、溝パターンの深さをより精度よく求めることが実現される。さらに、補助膜厚測定が行われない場合であっても、溝パターン情報を取得する際における理論分光反射率の演算のパラメータに膜９１の膜厚を含めることにより、基板９に形成された膜９１を考慮しつつ溝パターンの深さを精度よく求めることができる。

トレンチ形状測定装置１では、複数の膜が形成されている（すなわち、多層膜の）基板９上の溝パターンの形状の測定が行われてもよく、例えば、補助膜厚測定を行う場合には（ステップＳ１１）、基板９上の補助領域９４に照明光を照射して検出器６にて反射光に基づいて補助領域９４の分光反射率を取得することにより、複数の膜の一部（例えば、溝パターン情報を取得する際に溝パターンの深さと共にパラメータに含めた場合、膜厚を精度よく求めることが困難な測定感度が低い膜）の膜厚が求められる（ステップＳ１２）。続いて、溝パターンの深さ、測定領域９３における溝９２の底面９２１の面積率、および、最上面９３１の面積率に加えて、他の膜の膜厚もパラメータに含められ、各パラメータの設定値が演算部７１に設定される（ステップＳ１３）。そして、補助膜厚測定にて取得された一部の膜の膜厚を利用しつつ、溝９２の深さ、底面９２１の面積率、最上面９３１の面積率および他の膜の膜厚における設定値の全ての組合せにそれぞれ対応する複数の理論分光反射率が演算により求められ（ステップＳ１４）、測定領域９３に照明光を照射して取得される測定分光反射率と比較されることにより各パラメータの値が決定される（ステップＳ１５〜Ｓ１８）。このように、溝パターン情報を取得する際における演算のパラメータに、補助膜厚測定にて測定される一部の膜以外の膜の膜厚が含まれることにより、補助膜厚測定にて求められなかった膜の膜厚も精度よく求めることができる。

また、補助膜厚測定では、複数の膜の全部の膜厚が求められてもよい。さらに、溝パターン情報を取得する際における演算のパラメータに補助膜厚測定にて測定された膜の膜厚も含まれてもよく、この場合、補助膜厚測定にて得られた測定値を初期値とすることが好ましい。

以上のように、トレンチ形状測定装置１では、基板９の測定領域９３および溝パターンが存在しない補助領域９４に少なくとも１つの膜が形成される場合に、補助膜厚測定において、照明光を補助領域９４に照射し、反射光に基づいて補助領域９４の分光反射率を取得することにより、当該少なくとも１つの膜の一部または全部の膜厚を求め、続いて、溝パターン情報を取得する際に当該膜厚を利用して理論分光反射率を求めることにより、少なくとも１つの膜を有する基板９において、溝パターンの深さをより精度よく求めることが可能となる。

また、複数の膜が形成されている基板９上の溝パターンの形状の測定を行う際に、基板９上の膜構造によっては、補助膜厚測定を行うことなく、溝パターン情報を取得する際における演算のパラメータに、複数の膜のそれぞれの膜厚が含まれてもよい。すなわち、基板９の測定領域９３に少なくとも１つの膜が形成されている場合に、溝パターン情報を取得する際における演算のパラメータに、当該少なくとも１つの膜の膜厚が含まれることにより、基板９に形成された膜を考慮しつつ溝パターンの深さを精度よく求めることが実現される。

図７は、本発明の関連技術に係るトレンチ形状測定装置１ａの構成を示す図である。図７のトレンチ形状測定装置１ａは、図１のトレンチ形状測定装置１と比較して、ハーフミラー４３とレンズ４５との間に、入射する光に含まれる偏光光を非偏光光とする偏光解消素子４６が設けられる点でのみ相違する。他の構成は、図１と同様であり同符号を付している。

図７のトレンチ形状測定装置１ａによる溝パターンの形状の測定動作では、保持部２１上にて基板９を保持する際に（図２：ステップＳ１０）、基板９の向きは調整されず、以降の処理は、図１のトレンチ形状測定装置１と同様にして行われる。トレンチ形状測定装置１ａでは、基板９と回折格子５２との間の光路上に偏光解消素子４６が配置されることにより、偏光解消素子４６を用いて溝パターンによる反射光の偏光の影響を解消することができ、分光反射率を正確に取得して溝パターンの深さを精度よく求めることが可能となる。なお、偏光解消素子４６は基板９と回折格子５２との間の光路上に配置されるのであるならば、いずれの位置に設けられてもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、上記形態は様々な変形が可能である。

上記一の実施の形態では、基板９を保持部２１にて保持する際に基板９の向きが回折格子５２に対して調整されるが、例えば、分光器５および検出器６を一体として回折格子５２の中心線を中心として回動する機構を設け、測定分光反射率を取得する際に、回折格子５２の格子方向に対応する基板９上の方向と溝方向とのなす角が４０度以上５０度以下（好ましくは４５度）となるように、分光器５および検出器６が回動されてもよい。

図７のトレンチ形状測定装置１ａでは、基板９からの照明光の反射光が偏光解消素子４６を介して回折格子５２に導かれることにより、溝パターンによる反射光の偏光の影響を容易に除去することが実現されるが、図１のトレンチ形状測定装置１において、基板９と回折格子５２との間の光路上に偏光解消素子が追加され、反射光の偏光の影響がより確実に除去されてもよい。

上記では、溝パターン情報を取得する際における演算のパラメータに溝パターンの深さ、底面９２１の面積率および最上面９３１の面積率が必ず含まれるが、溝９２の側面９２２が基板９に垂直である場合等、側面領域の面積が０と捉えられる場合には、溝パターンの深さおよび底面９２１の面積率（１から最上面９３１の面積率を減じたものでもよい。）のみがパラメータとされてもよい。すなわち、少なくとも溝パターンの深さおよび溝パターンの底面９２１の面積率をパラメータとする演算により理論分光反射率が求められる。

トレンチ形状測定装置１，１ａでは、保持部移動機構２３が照射位置変更部として基板９を移動することにより、光照射部３からの照明光の基板９上における照射位置が変更されるが、照射位置変更部は、光照射部３、光学系４、分光器５および検出器６を基板９に対して移動する機構により実現されてもよい。

図２に示す動作の流れは、可能な範囲内で適宜変更されてよく、例えば、測定分光反射率が取得された後に、理論分光反射率が求められてもよい。

トレンチ形状測定装置１，１ａにおける反射光の偏光の影響を除去する手法は、一の方向に伸びる複数の溝（ラインアンドスペース状の溝）が形成された基板９以外に、１つの溝のみが形成された基板や、互いに直交する２つの方向に伸びる複数の溝が形成された基板、あるいは、一の方向に並ぶ複数のホールの集合が実質的に１つの溝として捉えられる基板等、基板からの反射光に溝パターンによる偏光の影響が生じる場合に利用される。すなわち、実質的に所定の方向に伸びる溝パターンが測定領域に形成された基板が対象とされる。

また、補助膜厚測定を行って溝パターン情報を精度よく取得する手法は、様々な形状の溝パターンを有する基板に対して適用することが可能である。この場合に、回折格子５２以外の光学素子を用いて反射光を分光して測定分光反射率が取得されてもよい。

トレンチ形状測定装置１，１ａにおける測定対象の基板は、半導体基板以外に、プリント配線基板やガラス基板等であってもよい。

一の実施の形態に係るトレンチ形状測定装置の構成を示す図である。 溝パターンの形状の測定を行う動作の流れを示す図である。 補助膜厚測定の処理の流れを示す図である。 溝方向に垂直な基板の断面を示す図である。 底面の複素振幅反射係数を求める処理を説明するための図である。 領域全体における複素振幅反射係数を説明するための図である。 関連技術に係るトレンチ形状測定装置の構成を示す図である。

１，１ａ トレンチ形状測定装置
３ 光照射部
４ 光学系
５ 分光器
６ 検出器
７ 制御部
９ 基板
２１ 保持部
２３ 保持部移動機構
４４ 対物レンズ
４６ 偏光解消素子
５２ 回折格子
７１ 演算部
９１ 膜
９２ 溝
９３ 測定領域
９４ 補助領域
９２１ 底面
９３１ 最上面
Ｓ１０，Ｓ１４〜Ｓ１８，Ｓ１２１〜Ｓ１２４ ステップ

Claims (5)

1. 基板に形成された溝パターンの深さの測定方法であって、
   ａ）所定の方向に伸びる溝パターンが測定領域に形成された基板に開口数０．０５以上０．１以下の対物レンズを介して照明光を照射する工程と、
   ｂ）前記基板からの前記照明光の反射光が導かれる回折格子が、前記回折格子の格子方向に対応する前記基板上の方向と前記所定の方向とのなす角が４０度以上５０度以下となる状態で配置されており、前記回折格子にて前記反射光を受光して分光する工程と、
   ｃ）前記ｂ）工程により分光された光を検出器にて受光して前記測定領域の測定分光反射率を取得する工程と、
   ｄ）少なくとも前記溝パターンの深さ、前記溝パターンの底面の面積率および前記基板の表面における最上面の面積率をパラメータとして、前記溝パターンの前記底面からの光に基づいて理論的に求められる複素振幅反射係数に前記底面の面積率を乗じたものと、前記最上面からの光に基づいて理論的に求められる複素振幅反射係数に前記最上面の面積率を乗じたものとの和を前記測定領域における複素振幅反射係数とすることにより求められる理論分光反射率と、前記測定分光反射率とを比較することにより、前記パラメータの値を決定する工程と、
   を備えることを特徴とする溝パターンの深さの測定方法。
2. 請求項１に記載の溝パターンの深さの測定方法であって、
   前記基板の前記測定領域に少なくとも１つの膜が形成されており、
   前記ｄ）工程において、前記パラメータに前記少なくとも１つの膜の膜厚が含まれることを特徴とする溝パターンの深さの測定方法。
3. 請求項１に記載の溝パターンの深さの測定方法であって、
   ｅ）前記基板の前記測定領域および前記溝パターンが存在しない補助領域に少なくとも１つの膜が形成されており、前記ａ）工程の前に、照明光を前記補助領域に照射して前記検出器にて前記補助領域の分光反射率を取得することにより、前記少なくとも１つの膜の一部または全部の膜厚を求める工程をさらに備え、
   前記ｄ）工程において、前記ｅ）工程にて取得された前記膜厚を利用して前記理論分光反射率が求められることを特徴とする溝パターンの深さの測定方法。
4. 請求項３に記載の溝パターンの深さの測定方法であって、
   前記ｅ）工程において、前記少なくとも１つの膜の一部の膜厚が求められ、
   前記ｄ）工程において、前記パラメータに前記一部以外の膜の膜厚が含まれることを特徴とする溝パターンの深さの測定方法。
5. 基板に形成された溝パターンの深さの測定装置であって、
   所定の方向に伸びる溝パターンが測定領域に形成された基板を保持する保持部と、
   前記基板に開口数０．０５以上０．１以下の対物レンズを介して照明光を照射する光照射部と、
   前記基板からの前記照明光の反射光を所定位置へと導く光学系と、
   前記所定位置に配置される回折格子を有し、前記回折格子の格子方向に対応する前記基板上の方向と前記所定の方向とのなす角が４０度以上５０度以下となる状態とされ、前記回折格子にて前記反射光を受光して分光する分光器と、
   前記分光器により分光された光を受光して前記測定領域の測定分光反射率を取得する検出器と、
   少なくとも前記溝パターンの深さ、前記溝パターンの底面の面積率および前記基板の表面における最上面の面積率をパラメータとして、前記溝パターンの前記底面からの光に基づいて理論的に求められる複素振幅反射係数に前記底面の面積率を乗じたものと、前記最上面からの光に基づいて理論的に求められる複素振幅反射係数に前記最上面の面積率を乗じたものとの和を前記測定領域における複素振幅反射係数とすることにより求められる理論分光反射率と、前記測定分光反射率とを比較することにより、前記パラメータの値を決定する演算部と、
   を備えることを特徴とする溝パターンの深さの測定装置。

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