JP5367549B2 - 基板計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板計測方法に関する。

半導体集積回路は、高性能化の達成のために、回路パターンの微細化が進行している。回路パターンの微細化に伴って、回路パターンの計測に要求される精度は厳しさを増している。従来の半導体プロセスでは、周期的構造を構成する単位構造体について、主に幅や高さなど、比較的大まかな寸法が管理の対象とされてきた。その一方で、回路パターンの微細化が進行するに従って、側壁角、トップラウンディングと呼ばれる単位構造体上部の丸み、ボトムラウンディングと呼ばれる単位構造体下部の丸みなど、形状の詳細な寸法についても厳密に計測する必要が生じている。

構造体の断面形状を精密に観察するものとして、例えば、走査型電子顕微鏡（断面ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、スキャトロメトリ、ＣＤ−ＳＡＸＳ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｓｍａｌｌ Ａｎｇｌｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｃａｔｔｉｎｇ）が知られている。これらのうち、Ｘ線小角散乱を利用して表面形状を計測するＣＤ−ＳＡＸＳは、非破壊及び非接触で、微細形状に対する良好な感度を得られる観点から、微細な回路パターンの計測に適しているといえる。

例えば、特許文献１には、Ｘ線のスペクトルの信頼性を評価し、補正するＸ線分析方法及びＸ線分析システムの技術が提案されている。かかる技術では、Ｘ線強度を蓄積する積算時間を分割し、スペクトル中のピーク強度の時間変化をモニタすることにより、スペクトルの信頼性を評価する。

ＣＤ−ＳＡＸＳでは、一般に、光源としてＸ線管球が用いられている。Ｘ線管球では、周期的構造で散乱した光の強度分布を観測可能な程度の光強度を得るには、通常、長い積算時間の光照射を要することとなる。このため、計測に高い精度が要求されるほど長い計測時間を要することとなり、基板計測のトータルでのスループット悪化を招くこととなる。

特開２００３−２５４９２０号公報

本発明は、微細な周期的構造について高精度かつ高スループットでの形状計測を実現するための基板計測方法を提供することを目的とする。

本願発明の一態様によれば、周期的構造を構成する単位構造体の形状に関する形状パラメータから注目パラメータを選択し、前記単位構造体の形状を計測するための計測条件を前記注目パラメータに応じて決定する工程と、決定された前記計測条件に従い、前記周期的構造が形成された基板上の基準面に平行な面内における方位角を変化させながら、前記周期的構造へ電磁波を入射させる工程と、前記周期的構造での反射により、前記基準面に平行な方向である方位角方向と、前記基準面に垂直な方向である仰角方向とへ散乱した前記電磁波を検出する工程と、を含み、前記計測条件は、前記周期的構造での反射による前記電磁波の散乱強度の分布を表す散乱プロファイルの算出と、前記注目パラメータの値を変化させるごとの前記散乱プロファイルを比較した比較結果に応じた最適化と、を経て決定されることを特徴とする、基板計測方法が提供される。

本発明によれば、微細な周期的構造について高精度かつ高スループットでの形状計測を実現できるという効果を奏する。

図１は、第１の実施の形態にて使用される基板計測装置の構成を示す模式図である。 図２は、検出器の斜視概略構成を示す図である。 図３は、半導体基板及びラインパターンの一部分の断面模式図である。 図４は、単位構造体の形状を計測するための計測条件を注目パラメータに応じて決定する手順を示すフローチャートである。 図５は、図４に示す手順により作成された計測レシピを使用した基板計測の手順を示すフローチャートである。 図６は、方位角方向についての散乱プロファイルの例を示す図である。 図７は、仰角方向についての散乱プロファイルの例を示す図である。 図８は、第２の実施の形態にて使用される基板計測装置の構成を示す模式図である。

以下に添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る基板計測方法を詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る基板計測方法の実施に使用される基板計測装置の構成を示す模式図である。本実施の形態に係る基板計測方法は、基板上の周期的構造で散乱させたＸ線による干渉パターンから、パターン形状を再構築する手法を採用する。基板計測装置は、Ｘ線光源３及び検出器４を含む光学系と、サンプルである基板が載置され回転するステージ５とを備える。図１のうち（ａ）は、基板計測装置の側面構成、（ｂ）は基板計測装置を上から見た平面構成を示す。

ステージ５上には、ラインパターンが形成された半導体基板１が載置される。周期的構造であるラインパターンは、複数の単位構造体２で構成されている。単位構造体２は、所定方向を長手方向とするライン状に形成されている。ここで、半導体基板１のうちラインパターンが形成された面を基準面とする。ステージ５は、基準面に平行な面内において回転可能に構成されている。

Ｘ線光源３は、例えば、０．０５ｎｍから０．５ｎｍのうちのいずれかを波長とするＸ線を射出する。Ｘ線光源３は、基板計測のための電磁波を射出する電磁波射出部として機能する。Ｘ線光源３は、例えば、ＣｕのＫα線を発生させる管球と、発生させたＸ線を平行化させる凹面鏡とを備える。Ｘ線光源３は、基準面に対してＸ線が例えば０．４度以下の傾きをなすように配置されている。

図２は、検出器４の斜視概略構成を示す図である。検出器４は、二次元方向へ配列させた複数の受光部６を備える。受光部６は、Ｘ線を検出する検出素子として機能する。検出器４は、二次元方向におけるＸ線の強度分布を検出する。検出器４は、ラインパターンから広く散乱したＸ線を検出可能とするために、ステージ５上の半導体基板１から十分離れた位置に配置される。

図３は、半導体基板１及びラインパターンの一部分の断面模式図である。図示する断面は、単位構造体２の長手方向に垂直な面とする。本実施の形態は、単位構造体２の形状に関する形状パラメータを計測対象とする。形状パラメータは、図示する断面における幅（ＣＤ）、基準面ｓから最上部までの高さ（ＨＴ）、側壁部７と基準面ｓとがなす側壁角（ＳＷＡ）、トップラウンディング及びボトムラウンディングとする。

トップラウンディングは、単位構造体２のうち基準面ｓ側とは反対側の肩落ち状部分８の曲率あるいは曲率半径とする。ボトムラウンディングは、単位構造体２のうち基準面ｓ側の裾引き状部分９の曲率あるいは曲率半径とする。側壁部７は、肩落ち状部分８及び裾引き状部分９の間の壁状部分である。

ラインパターンに照射させたＸ線は、ラインパターンでの反射によって散乱する。ここで、基準面ｓに平行な面内における角度を方位角、基準面ｓに垂直な面内における角度を仰角とする。Ｘ線は、単位構造体２の長手方向に対して平行に近い方位角、かつ例えば０．４度程度の仰角をなすように、ラインパターンへ入射させる。ラインパターンで散乱したＸ線同士が干渉することにより、方位角方向（基準面ｓに平行な方向）に回折ピークが現れ、仰角方向（基準面ｓに垂直な方向）には回折ピークごとに干渉縞が現れる。

散乱プロファイルは、ラインパターンでの反射によるＸ線の散乱強度の分布を表す。干渉縞を含む散乱プロファイルは、光学条件及びパターン情報を基にして計算することが可能である。光学条件とは、ラインパターンへ入射するＸ線の波長、入射方位角、入射仰角、ラインパターンから散乱するＸ線の散乱方位角及び散乱仰角とする。パターン条件とは、ラインパターンの材料及び断面形状とする。断面形状とは、単位構造体２の断面の輪郭形状であって、ＣＤ、ＨＴ、ＳＷＡ、トップラウンディング及びボトムラウンディングの各形状パラメータの関数として表される。Ｘ線の散乱プロファイルは、かかる断面形状を表す関数をフーリエ変換することにより算出される。

形状パラメータの値を変化させると、干渉縞におけるＸ線の強度、干渉縞の周期や形状が変化することにより、散乱プロファイルには差異が生じる。散乱プロファイルにおける違いの現れ方には、値を変化させる形状パラメータごとに特徴が見られる。形状パラメータから選択された注目パラメータのみを変数とし、他の形状パラメータを固定値とする複数の散乱プロファイルを比較すると、散乱プロファイルのうち変化が見られる回折プロファイル領域（例えば回折次数や散乱角の範囲）が割り出される。本実施の形態では、散乱プロファイルの中で注目パラメータの値の変化に対して変化が生じ易く高い感度を示す回折プロファイル領域を抽出し、注目パラメータに特化した計測条件を決定する。

図４は、単位構造体２の形状を計測するための計測条件を注目パラメータに応じて決定する手順を示すフローチャートである。ステップＳ１では、シミュレーションの対象とする単位構造体２の断面形状を設定する。断面形状の設定においては、ＣＤ、ＨＴ、ＳＷＡ、トップラウンディング及びボトムラウンディングの各形状パラメータのうちの一つを注目パラメータとして選択し、他の形状パラメータには固定値を設定する。注目パラメータについては、数値範囲及び間隔、あるいは複数の数値として指定する。例えばボトムラウンディングを注目パラメータとする場合、１０ｎｍから１ｎｍ刻みの曲率半径などと指定する。

ステップＳ２では、ステップＳ１での設定に基づくシミュレーションにより、注目パラメータの値を変化させるごとの散乱プロファイルを算出する。ステップＳ３では、ステップＳ２で算出された散乱プロファイルを比較し、注目パラメータに対して感度が出易い回折プロファイル領域を抽出する。ステップＳ４では、ステップＳ３での比較結果に応じて、計測条件とする計測範囲及び積算時間の最適化を行う。ステップＳ５では、ステップＳ４において最適化された計測範囲及び積算時間が反映された計測レシピを作成する。

例えば、トップラウンディングやボトムラウンディングを注目パラメータとする場合、高次回折線、高散乱角のプロファイル領域に違いが現れる傾向にある。高次回折線は強度が小さいことから、Ｓ／Ｎ（信号対ノイズ比）を稼ぐためにある程度長めの積算時間が必要となる。単位構造体２の長手方向を方位角０度とすると、通常の基板計測は、方位角０度から、５度以上、例えば１０度程度までを計測範囲として実施される。例えば、方位角０度から５度の計測範囲では積算時間を長くし、５度以上の計測範囲については積算時間を短くするような重み付けをすることで、基板計測におけるＳ／Ｎ（信号対ノイズ比）の劣化を低減させるとともに計測時間の短縮を図れる。

また、ＨＴを注目パラメータとする場合は、一次回折線のプロファイル領域に違いが現れる傾向にあることから、低次回折線のみの計測とすれば十分となる。低次回折線、特に一次回折線については、検出される強度が大きいことから、積算時間の短縮や計測範囲の縮小が可能となる。これにより、基板計測において良好なＳ／Ｎを得るとともに計測時間の短縮を図れる。低次回折線を検出するには、ラインパターンへ入射させるＸ線の仰角は例えば０．４度以下に調整される。

Ｘ線を入射させる積算時間は、ラインパターンへＸ線を入射させる方位角の変化に対する重み付けを調整することにより最適化される。注目パラメータに対して高感度な回折プロファイル領域については積算時間を長くする重み付けにより、Ｓ／Ｎの劣化を低減させる。積算時間の重み付けをすることで、感度の低い回折プロファイル領域における積算時間を短縮させる。方位角方向における計測範囲は、抽出された回折プロファイル領域について十分な感度を得られるように適宜調整することにより最適化される。このように、必要な計測感度に応じて計測範囲や積算時間を調整することにより、微細な周期的構造のうち注目している形状パラメータについて、高精度、高スループットな計測が可能となる。

方位角方向の計測範囲として、例えば、ＣＤについては０度から３．５度、高さ（あるいは深さ）については０．１度から０．２５度、トップラウンディング及びボトムラウンディングについては０度から２．５度において、それぞれ十分な感度を得ることが可能となる。このような傾向を基に、注目している形状パラメータごとに最適化された計測条件が決定される。

図５は、図４に示す手順により作成された計測レシピを使用した基板計測の手順を示すフローチャートである。ステップＳ１１では、半導体基板１についての散乱プロファイルの実測値を取得する。半導体基板１が載置されたステージ５を回転させながらラインパターンへＸ線を入射させることで、ラインパターンに対するＸ線の入射方位角を変化させる。ラインパターンに対するＸ線の入射方位角を変化させることにより、さまざまな回折条件での散乱光が取得可能となる。計測レシピには、ステージ５を回転させる方位角範囲と回転速度とが対応付けられて指定されている。

検出器４は、ラインパターンで反射し方位角方向と仰角方向とへ散乱したＸ線を検出する。検出器４によるＸ線の検出結果からは、Ｘ線の強度分布を表す二次元散乱強度画像が作成される。検出器４の各受光部６では、入射したＸ線による露光を継続させることで、Ｘ線による信号強度が積算される。Ｘ線の二次元散乱強度画像は、計測レシピに基づいて積算時間が変わるごとにコンピュータに取り込まれ、単位時間当たりの強度分布に変換される。かかる単位時間当たりの強度分布を加算することにより、注目した形状パラメータについて高感度な二次元散乱強度画像を得られる。

得られた二次元散乱強度画像は、方位角方向と仰角方向とに分けられ、それぞれの方向についての散乱プロファイルとして算出される。図６は、方位角方向についての散乱プロファイルの例を示す図である。方位角方向についての散乱プロファイルは、水平面内における散乱強度の分布を表し、ラインパターンのピッチ幅を反映した回折ピークが現れる。図７は、仰角方向についての散乱プロファイルの例を示す図である。仰角方向についての散乱プロファイルは、垂直方向における散乱強度を表し、ラインパターンの高さを反映した干渉縞が現れる。仰角方向についての散乱プロファイルは、回折ピークごとに得られる。

次に、ステップＳ１２では、ステップＳ１１において実測値として得られた散乱プロファイルと、計算によって得られた散乱プロファイルとのフィッティングを行う。ＣＤについては、方位角方向の散乱プロファイルによるフィッティングを行う。ＨＴ、ＳＷＡ、トップラウンディング及びボトムラウンディングについては、仰角方向の散乱プロファイルによるフィッティングを行う。方位角方向の散乱プロファイルによるフィッティングと、仰角方向の散乱プロファイルによるフィッティングとは、交互に行われる。

実測値と計算値とで散乱プロファイルが一致しない場合（ステップＳ１２、Ｎｏ）、ステップＳ１３において、形状パラメータの値を変更させた断面形状を設定する。ステップＳ１４では、ステップＳ１３において設定された断面形状についてのシミュレーションにより、散乱プロファイルを計算する。そして、断面形状を再設定して計算された散乱プロファイルを用いて、ステップＳ１２によるフィッティングがなされる。

実測値と計算値とで散乱プロファイルが一致（ステップＳ１２、Ｙｅｓ）することにより、各形状パラメータは最適化される。最適化されたときの各形状パラメータの値を、計測値と決定する（ステップＳ１５）。以上により、本実施の形態での手法による計測を終了する。注目する形状パラメータに対して感度が出易い回折プロファイル領域を割り出し、方位角方向における計測範囲に対する回転速度を加減することで、感度が高くなる計測範囲では計測時間を長く確保し、それ以外では計測時間を短縮させる。これにより、注目する形状パラメータに特化した、高精度かつ高スループットな形状計測が可能となる。高精度な形状計測により、基板の製造歩留まりを向上させることができる。

なお、本実施の形態は、サンプルの周期的構造がラインパターンである場合に限られず、周期的構造をなすいずれのパターンであっても良い。周期的構造は、例えば、二次元方向へ配列された二次元パターンやホールパターン等であっても良い。本実施の形態に係る基板計測方法は、いずれのパターン周期の周期的構造に適用しても良い。本実施の形態は、特に、微細な周期的構造、例えば３０ｎｍ以下のパターン周期をなす周期的構造の計測に有用である。基板計測に使用される電磁波は、Ｘ線である場合に限られず、散乱光の干渉により回折パターンを生じさせるものであればいずれの波長の電磁波であっても良い。

計測対象とする形状パラメータは、本実施の形態で説明するものに限られない。形状パラメータとしては、ＣＤ、ＨＴ、ＳＷＡ、トップラウンディング及びボトムラウンディングの他、基準面ｓからの深さ、ラインエッジラフネス、ライン幅ラフネス、高さラフネス等を採用しても良い。これらの各形状パラメータは、断面形状の関数に用いることが可能であって、いずれも注目パラメータとして選択可能である。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態は、電磁波射出部と検出器とを、方位角方向及び仰角方向へ変位させることを特徴とする。上記第１の実施の形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図８は、本実施の形態に係る基板計測方法の実施に使用される基板計測装置の構成を示す模式図である。基板計測装置は、Ｘ線光源１１及び検出器１２を含むゴニオ式光学系と、サンプルである基板が載置されるステージ５とを備える。図８のうち（ａ）は、基板計測装置の側面構成、（ｂ）は基板計測装置を上から見た平面構成を示す。Ｘ線光源１１及び検出器１２は、いずれも方位角方向及び仰角方向へ変位可能に構成されている。検出器１２は、一点においてＸ線を検出するように受光部が設けられている。ステージ５は、方位角方向について回転させず、固定されている。基板計測装置は、計測条件に基づいてＸ線光源１１及び検出器１２を位置調整及び変位速度調整するための機構を備える。

Ｘ線光源１１は、単位構造体２の長手方向にＸ線が平行（Ｘ線の入射方位角が０度）となる位置を基準として方位角方向へ移動する。Ｘ線光源１１及び検出器１２は、入射方位角と散乱方位角とがパターンピッチに応じて決定される回折角となり、かつ入射仰角と散乱仰角とが一定となるように相対移動させる。かかる計測により、方位角方向の散乱パターンが取得される。また、仰角方向の散乱パターンは、回折次数ごとに入射仰角と散乱仰角とが調整された計測により、取得される。方位角方向における計測範囲と積算時間とは、第１の実施の形態と同様のシミュレーションによって最適化されている。

検出器１２により検出されたＸ線強度と、Ｘ線の入射角及び散乱角とを照合することにより、Ｘ線の散乱プロファイルが作成される。角度による積算時間の違いに対しては、計測条件に応じた規格化等により、散乱プロファイルが連続的に接続するような補正をしても良い。本実施の形態においても、注目する形状パラメータに特化した、高精度かつ高スループットな形状計測が可能となる。本実施の形態は、電磁波射出部と検出器との少なくとも一方を、方位角方向及び仰角方向の少なくとも一方へ変位させることとすれば良く、適宜変形しても良い。例えば、検出素子を二次元方向へ並列させた検出器４（図２参照）を用いることとし、Ｘ線光源１１のみを方位角方向及び仰角方向へ変位させることとしても良い。

１ 半導体基板、２ 単位構造体、３、１１ Ｘ線光源、４、１２ 検出器、５ ステージ、７ 側壁部、ｓ 基準面。

Claims (5)

1. 周期的構造を構成する単位構造体の形状に関する形状パラメータから注目パラメータを選択し、前記単位構造体の形状を計測するための計測条件を前記注目パラメータに応じて決定する工程と、
   決定された前記計測条件に従い、前記周期的構造が形成された基板上の基準面に平行な面内における方位角を変化させながら、前記周期的構造へ電磁波を入射させる工程と、
   前記周期的構造での反射により、前記基準面に平行な方向である方位角方向と、前記基準面に垂直な方向である仰角方向とへ散乱した前記電磁波を検出する工程と、を含み、
   前記計測条件は、
   前記周期的構造での反射による前記電磁波の散乱強度の分布を表す散乱プロファイルの算出と、
   前記注目パラメータの値を変化させるごとの前記散乱プロファイルを比較した比較結果に応じた最適化と、
   を経て決定されることを特徴とする、基板計測方法。
2. 前記計測条件は、前記周期的構造へ前記電磁波を入射させる前記方位角の変化に対して、前記電磁波を入射させる積算時間の重み付けを調整することにより最適化されることを特徴とする請求項１に記載の基板計測方法。
3. 前記注目パラメータとして、前記単位構造体の幅、前記単位構造体の前記基準面からの高さ或いは深さ、前記単位構造体の側壁部と前記基準面とがなす側壁角、前記単位構造体のうち前記基準面側のボトムラウンディング、及び前記基準面側とは反対側のトップラウンディング、のいずれかを選択することを特徴とする請求項１又は２に記載の基板計測方法。
4. 前記周期的構造で散乱した前記電磁波の検出に、前記電磁波を検出する検出素子を二次元方向へ配列させた検出器を用いることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の基板計測方法。
5. 前記電磁波を射出する電磁波射出部と、前記電磁波を検出する検出器との少なくとも一方を、前記方位角方向および前記仰角方向の少なくとも一方へ変位させることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の基板計測方法。

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