JPH01110206A - 微細形状計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はＸ線吸収による物体表面・内部形状評価装置及
びその方法に係り、特に半導体ウェーハ上の微細溝の深
さを始めとする微細パターン寸法を計測するのに好適な
計測方法とそれに用いる装置に関する。

〔従来の技術〕

半導体素子の高集積化に伴い、素子パターンの微細化お
よび素子構造の立体化が進んでいる。例えばＳｉウェー
ハ表面に幅１μｍ以下、深さ数μｍの溝を堀り、その溝
部にＭＯＳキャパシタを形成する立体キャパシタなどが
用いられ始めている。

このように微細な立体形状の深さなどを測定する方法と
して、従来特開昭６１−９９８０８号に記載のようにＸ
線の吸収を応用したものがある。また−般にＸ線による
物体の微細構造観察法であるＸ線顕微鏡については、光
学第１２巻第３号Ｐｐ１８０〜１８８で論じられている
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術はウェーハ上に密に形成されたパターンの
計測については配慮がされておらず、計測したいパター
ンからの信号が周辺のパターン（もしくは凹凸）によっ
て影響を受けやすいという問題があった。

本発明の目的は近接パターンの影響なく微細な立体形状
の寸法を計測することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、ウェー八表面上でのＸ線発生領域を常に同
等にし、かつ発生したＸ線が検出器に到達するまでの間
に計測の対象となるパターン以外の構造物が介在するこ
とを極力排除した計測状態とすることにより達成される
。

〔作用〕

Ｘ線発生領域を一定にすることによってＸ線源の強度が
一定に保たれ、また介在物を排除することによってＸ線
吸収量の不要な変動がなくなるので、対象とする形状の
みを高精度に計測できる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により詳細に説明する。

第１図は本発明の計測装置の構成を示す模式図である。

計測するウェーハ１は、水平方向に微動・粗動可能な試
料台２に載置した状態で真空容器３中に置く。ウェーハ
表面に対しほぼ垂直に電子ビーム４を照射するため、真
空容器３上部に電子ビーム発生装置５を設置した。ウェ
ーハ１の表面で発生したＸ線６を検出するため、ウェー
ハ下側に半導体検出器７を配置し、信号分析器８により
Ｘ線スペクトルおよび強度を解析した。Ｘ線検出器とし
てはＳｉやＧｅの半導体検出器の他にＮａ工結晶のシン
チレーション計数管などを用いることもできる。

本装置には上記の他の２次電子検出器９を側面に設置し
ウェーハ表面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）像も同時に
得られる構成とした。この構成は、実質的に、周知のＳ
ＥＭ装置とその下部にＸ線検出装置を組合せたものであ
るが、ウェーハ１と電子ビーム４．Ｘ線検出器７の配置
を図のように設定することによって、ウェーハ１上の微
細パターンの計測を最も精度よく行うことが可能となる
。

この点を以下に述べる。

第２図は、上記装置によって、Ｓｉウェーハ１の表面に
ホトエツチングで形成された幅０．５μｍ深さ５μｍ程
の微細溝１０が密に並んだ形状を測定する様子を示す断
面模式図である。電子ビーム４を径１０ｎｍ程度の微細
ビームに絞り溝底面に照射する。電子ビームの加速エネ
ルギー１゜ｋｅＶのとき、径約１μｍのＸ線発生領域１
７が、溝底面からＳｉウェーハ内に向って液滴状にでき
る。Ｘ線６はあらゆる方向に放射されるが、ここではウ
ェーハ裏面に向うＸ線を、受光面１０ｍｍ”のＸ線検出
器７で測定した。ウェーハから１０ｍｎ離れた位置に検
出器を置くと、ウェーハ裏面に向って±１０°の範囲に
放射されたＸ線を検出することになる。

このようにして、ウェーハの表面（溝上面）と溝底面に
電子ビームを照射し、ウェーハ内を透過してきたＸ線の
それぞれの強度Ｉｓ　　（表面）。

ＩＢ　　（底面）の比をとると。

Ｉ　ｓ／　Ｉ　ｎ＝ｅｘｐ（−ｐ　・ｄ　）の関係を満
たすことがわかった。ここではμはＸ線のＳｉ中での吸
収係数であり、ｄは溝の深さである。なお、上式は物質
中の光の吸収を表わすランバートの法則から導かれるも
のである。上式より溝の深さは μ　　　■Ｓ となり、ｄの値の知れた標準サンプルでμを予め求めて
おき、以後ＩＢ／ＩＳを測定して深さｄを求めることが
できた。

Ｘ線の検出方向をウェーハ表面側の斜め上方にとると、
第２図で明らかなように、Ｘ線は隣接する他の溝を横切
ることになり、Ｘ線がウェーハ内を透過してきた距離、
ひいては溝の深さｄを正確に見積る二とが困難となる。

Ｘ線をウェーハ裏面から測定すると、Ｘ線通過途中で他
のパターンを横切ることはない。ただし、通常用いられ
るＳｉミラニーへは裏面が鏡面でない場合があり、裏面
の凹凸が表面の溝深さ測定に与える誤差を考える必要が
ある。ここでは検出器の受光面をウェーハ裏面の凹凸の
寸法よりも十分に大きくし、かつ受光面をウェーハ裏面
に近接させることによって、ウェーハ裏面の小さい凹凸
（すなわちウェーハ厚みのミクロなばらつき）を平均し
て測定できるようにしている。

以上のことから、本発明の計測法は、Ｘ線の発生点がで
きる表面は鏡面状態の上にパターンが形成されており、
Ｘ線を広い面積にわたって検出する裏面は平均的にウェ
ーハ厚みが保たれているならば粗面でもよいような物体
、すなわち半導体ウェーハの表面微細形状、特に深い溝
形状の計測に最も効果である。

なお、ここではＸ線発生用に電子ビームを用いたが、計
測すべき溝の幅よりも十分に細く絞れるイオンビームな
どのエネルギービームであればよい。また、電子ビーム
とウェーハ、Ｘ線検出器の位置関係が保たれていれば、
ビーム・Ｘ線検出器の軸を水平に置くような装置構成で
もよい。

第３図は、本発明の他の実施例の計算方法を示す模式的
断面図であり、ウェーハ上に形成されたパターンを透視
して観察する場合である。Ｓｉウェーハ１の上に下層パ
ターン１１としてＷの配線があり、その上にＡＱの上層
パターン１２が層間膜１３を介して置かれた構造におい
て、下層パターンの形状不良箇所の観察や寸法測定を行
うため、まず有効様被膜１４を塗布形成し、その上にＸ
線発生源となる金属薄膜１５を堆積した。有機被膜は１
〜２μｍの厚さで、ポリイミド、レジスト材等で形成し
、電子ビーム照射時に不要となる電子の停止層とした。

金属薄膜の厚さはＸ線発生源１６の大きさと密接に関係
し、ここでは５０ｎｍの厚さのＷ膜をスパッタ蒸着によ
り堆積して、膜厚と同等寸法の微小なＸ線源を得た（こ
こで、Ｘ線源の金属はＡｕ’、Ｔａ、Ｔｉ、ＡＱ、Ｓｉ
など種々のものが使用でき、これらの金属膜と電子ビー
ム停止膜を重ねたフィルムをウェーハ上に置いて用いて
もよい。金属膜は帯電防止の為アースしておく）。Ｗ薄
膜で発生した特性Ｘ線として８．４ｋｅＶのエネルギー
を持つＬａ線を、ウェーハ裏面側の検出器７で測定した
。このようにして、電子ビームを走査するとウェーハ表
面のＷパターンのある位置でＸ線強度が弱まり、Ｗパタ
ーン形状を透視して計測することができた。

このような透視計測はＬＳＩの不良解析における配線シ
ョート部などの非破壊観察に有効である。

なお、透視観察は従来の光学顕微鏡やＳＥＭでは満足に
行えるものではなく、また従来のＸ線顕微鏡ではＸ線源
をウェーハ表面に近接させることは困難であり、不要な
電子ビームが試料表面に入射して満足な測定精度が得ら
れない。本発明ではウェーハ表面に電子吸収層を設ける
とともにＸ線源の薄膜をウェーハに密着させているので
最も高精度な透視像を得ることができる。さらに、Ｘ線
検出強度を向上するためには、必要に応じてより薄いウ
ェーハを用いるか、ウェーハ裏面を研摩、エツチングし
て観察領域のウェーハ厚みを減少させてもよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ウェーハの表面に密に形成された微細
パターンの深さ・形状を非破壊で高精度に計測できるの
で、半導体集積回路などのウェーハ・プロセスの検査・
制御を精密に行えるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の装置断面模式図、第２図、
第３図は本発明の実施例を示す断面模式１・・・ウェー
ハ、４・・・電子ビーム、６・・・Ｘ線、７・・・Ｘ線
検出器、１０・・・微細溝、１４・・・有機膜、１５’
ｙＦｒｚ　　図 ％３　図 ３湊遣室　７Ｘ線編差 トー６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、パターンが形成されたウェーハ表面に微細に絞つた
   電子ビームもしくはイオンビームを照射し、該ウェーハ
   表面でＸ線を発生させるとともに、該Ｘ線をウェーハ裏
   面側で検出して、ビーム照射位置とＸ線検出強度の関係
   からウェーハ表面のパターンを計測することを特徴とす
   る微細形状計測方法。 ２、第１項記載のパターンはウェーハ表面の溝であり、
   溝底面と溝上面に電子ビームを照射した際のＸ線強度比
   から溝深さを求めることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の微細形状計測方法。 ３、パターンが形成されたウェーハ表面に、平坦化層と
   Ｘ線発生層を付加することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の微細形状計測方法。