JPH01123102A - トレンチ深さ測定装置 - 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、例えば半導体集積回路の高集積化を図るため
にトレンチキャパシタの形成や素子分離等に際し、半導
体ウェハ上に形成されるトレンチ（深い溝）の深さを測
定するためのトレンチ深さ測定装置に関するものである
。

（従来の技術） 従来、このような分野の技術としては、例えばＮＩＫＫ
ＥＩ　ＭＩＣＲＯＤＥＶＩＣＥＳ　　（−１：ッゲイ　
マイクロデバイセズ）、（１９８６−１’２）日経マグ
ロウヒＩし社、Ｐ、１５に記載されるものがあった。こ
の文献に記載されたトレンチ深さの測定は、次のような
方法で行なわれる。

先ず、−殻内には開口幅０．５〜１０μｍ、深さ２〜１
０μｍ程度の寸法のトレンチが形成された半導体ウェハ
上に酢酸メチルを垂らし、その上からアセチルセルロー
スのフィルムを押し付ける。

この状態で６〜２４時間程かけて酢酸メチルを乾燥させ
た後、フィルムを剥離するとフィルム上にトレンチの反
転したパターンが転写される。

次に、前記パターンの深さ寸法及び形状等をＳ　Ｅ　Ｍ
　（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏ
ｓｃｏｐｅ　：電子走査顕微鏡）で観察、測定する。こ
の方法によれば、非破壊検査により半導体ウェハに形成
されたトレンチ深さを測定できるという利点がある。

一方、前記文献に記載された方法とは別に、半導体ウェ
ハの断面を直接観察し、トレンチ深さを測定する方法が
ある。

この方法は、トレンチが形成された半導体ウェハをトレ
ンチと平行にへき開して断面サンプルを作り、そのトレ
ンチ断面を直接ＳＥＭで測定するものである。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記のようなトレンチ深さの測定方法に
おいては、次のような問題点があった。

（１）　前記フィルム上にパターンを転写する方法では
、酢酸メチルの乾燥に６〜２４時間もの長時間を要し、
半導体集積回路の製造工場レベルの検査に使用するには
、実用にそぐわない。また、トレンチパターンの個々に
ついてＳＥＭで測定することは、多大な手間と時間を要
し、非常に煩わしい作業となってしまう。

（２）　前記半導体ウェハの断面サンプルを測定する方
法においても、通常数時間の測定時間を要する上に、断
面サンプルを作製するために製品の半導体ウェハを破壊
しなければならない。それ故、この方法も製場工場レベ
ルの検査に使用するには、実用的でない。

本発明は、前記従来技術がもっていた問題点として、ト
レンチ深さの測定に長時間を要したり破壊検査を必要と
する点について解決したトレンチ深さ測定装置を提供す
るものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、前記問題点を解決するために、点光源からの
レーザ光を対物レンズにより被測定物に集光し、該被測
定物からの反射光を点受光して該反射光の強度により前
記被測定物に形成されたトレンチの深さを検出する共焦
点光学系と、前記被測定物の３次元方向の移動を制御し
前記レーザ光に該被測定物上の相対的な走査を行なわし
める制御ステージと、前記レーザ光と異なる波長の光を
用いて前記被測定物の測定位置を観察する観察用光学系
とで、トレンチ深さ測定装置を構成したものである。

（作用） 本発明によれば、以上のようにトレンチ深さ測定装置を
構成したので、共焦点光学系は反射光の強弱を識別する
ことによりトレンチの深さ方向に対する高度な分解能を
もってその深さを検出する働きをし、制御ステージは被
測定物の３次元方向の制御に基づきトレンチの座標デー
タを提供して前記共焦点光学系と共働する。また、観測
用光学系は被測定物の測定箇所の目視による観察を可能
にする働きをする。これらの働きにより、トレンチ深さ
の測定は非接触及び非破壊で短時間内に行なわれる。し
たがって、前記問題点を除去することができる。

（実施例） 第１図は本発明の実施例を示すトレンチ深さ測定装置の
構成図、第２図は測定方法を示す断面図、及び第３図（
ａ）〜（ｅ）は第１図の装置により得られる反射光強度
図である。

第１図において、このトレンチ深さ測定装置は、共焦点
光学系１０、観察用光学系２０及び制御ステージ３０に
よって構成されている。

共焦点光学系１０はトレンチ深さを検出するためのもの
で、例えば波長６３３ｎｍのレーザ光を出射するＨｅ−
Ｎｅレーザ発振器１１を有している。このレーザ発振器
１１の光軸上に前方には、点光源を作り出すための集光
レンズ１２、ピンホールを有するアパーチャ１３、及び
レーザ光を角度９０°反射させる赤色反射ダイクロイッ
クミラー１４が順次配設されている。

赤色反射ダイクロイックミラー１４は４５°傾斜して設
けられており、その反射方向の光軸上には対物レンズ１
５が配設されている。この対物レンズ１５は、例えば倍
率１０〜１５０倍でレボルバによる切換方式から成るも
のである。対物レンズ１５の焦点位置付近には制御ステ
ージ３０が設けられている。また、前記アパーチャ１３
と赤色反射ダイクロイックミラー１４との間には、アパ
ーチャエ３を経たレーザ光を透過させ、制御ステ−ジ３
０の被測定物３１から反射光を９０°反射させるハーフ
ミラ−１６が配設されている。ハーフミラ−１６の反射
方向には、例えば開口径０．５〜２μｍ程度のピンホー
ルを有するアパーチャ１７及び反射光を受光する受光器
１８が設けられている。

前記観察用光学系２０は、制御ステージ３０上の被測定
物３１における測定箇所を観察するためのもので、共焦
点光学系１０を補うものである。

即ち、共焦点光学系１０から得られる像は基本的には０
次元であるため、画像面にはならず測定箇所を識別する
ことが難しい。これを共焦点光学系１０で解決するなめ
には、高密度及び高速度の２次元走査をレーザ光側か制
御ステージ３０側で行なう必要があり、技術的には可能
なものの高価かつ複雑な機構となってしまう。したがっ
て、本発明では簡単な方式として、通常の光学顕微鏡と
ほぼ同様の観察用光学系２０を、共焦点光学系１０と複
合して設けたものである。

この観察用光学系２０は、例えばハロゲンランプから成
る照明光源２１を有し、その先軸上前方に集光レンズ２
２、及び特定波長領域の光のみ透過させるバンドパス光
学フィルタ２３を有している。バンドパス光学フィルタ
２３は、照明光源２１の光のうちレーザ光の波長と異る
ものを透過させ、共焦点光学系のトレンチ底部セズ精度
の低下を防ぐためのもので、例えばＨｅ　−Ｎ　ｅレー
ザ光の波長６３３　ｎ　ｍとの分離と可視光領域である
必要性から、フィルタの透過波長領域は４００〜６００
ｎｍとしている。

バンドパス光学フィルタ２３前方には、照明光源２１の
光を９０°反射させるハーフミラ−２４が設けられてい
る。このハーフミラ−２４は、前記対物レンズ１５の光
軸上にあり、その光軸上の対物レンズ１５の反対側には
、ハーフミラ−２５及びＴＶｉメラ装置２６が配設され
ている。ハーフミラ−２５の９０°反射方向には、目視
用の接眼レンズ２７が設けられている。

前記＃Ｉｆ；Ｒステージ３０はＸ、Ｙ及ＵＺ軸の３ｅ＆
方向への高精度な制御が可能なもので、これにより制御
ステージ３０上に載置された例えば半導体ウェハ等の被
測定物３１を３軸方向に移動し、レーザ光に相対的な走
査を行なわし、めるものである。

この制御ステージ３０は図示しない電子計算機等に接続
され、被測定物３１の移動位置の高精度な読み取りが可
能な構成となっている。

上記のように構成されたトレンチ深さ測定装置において
、レーザ発振器１１がら出射れた例えば数ｍｍ径のレー
ザ光Ａは、集光レンズ１２により０．５〜１μｍ径の点
光源Ｂに集光される。その後、この点光源Ｂからのレー
ザ光Ａは、アパーチャ１３で光束径を制限され、ハーフ
ミラ−１６を透過して赤色反射ダイクロイックミラー１
４に入射する。ここで９０°反射されたレーザ光Ａは、
対物レンズ１５によって集光され、制御ステージ３０上
の被測定物３１を照射する。

その際、点光源Ｂからのレーザ光Ａは、もともと細い上
にアパーチャ１３で光束径を制限されているので、対物
レンズ１５における集光角の浅い光軸中心領域を通る。

それ故、被測定物３１に入射するレーザ光Ａの集光角も
浅くなり、開口幅の狭く深いトレンチ底部をがなりの光
量で照射することができる。

次に、レーザ光Ａの対物レンズ１５の焦点Ｃに対し、制
御ステージ３ｏにより被測定物３１を移動し、２次元（
Ｘ−Ｚ軸方向またはＹ−Ｚ軸方向）或は３次元走査を行
なう。

前記走査される被測定物３１がら反射したレーザ光Ａは
、再び対物レンズ１５を通り、赤色反射ダイクロイック
ミラー１４で９０’方向へほぼ全反射されて光路を逆進
する。その後、ハーフミラ−１６で９０°方向へ反射さ
れ、アパーチャ１７を通って受光器１８に入射する。

その際、アパーチャ１７の開口径は０．５〜２μｍ程度
に設定されているので、焦点がずれた場合、アパーチャ
１７を通過できる光量は急激に低下する。それ故、前記
制御ステージ３ｏにおけるＺ軸方向の焦点Ｃ面に対する
分解能が高められる。これを利用することにより、焦点
Ｃに対する被測定物３１のトレンチの深さ方向の位置を
段階的に変えながら、Ｘ−Ｙ軸を走査することによって
、トレンチの上面平坦面と底面をＺ軸位置に対する焦点
Ｃ反射面として検出できる。したがってトレンチ深さを
測定することができる。

一方、観察用光学系２０は次のように動作する。

先ず、照明光源２１からの照明光りは集光レンズ２２で
集光された後、バンドパス光学フィルタ２３により例え
ば４００〜６００ｎｍの波長領域の光のみが透過される
。その後、照明光りはハーフミラ−２４で９０°方向へ
反射され、共焦点光学系１０と共通の光路をたどる。

即ち、照明光りは赤色ダイクロイックミラー１４をその
まま透過し、対物レンズ１５を経て被測定物３１上に焦
点を結ぶ。被測定物３１に反射した照明光りは逆の光路
をたどってハーフミラ−２４を透過し、その後ハーフミ
ラ−２５により２分割される。そのうち一方の照明光り
は目視用の接眼レンズ２７を通り、結像されて測定箇所
の目視観察に供される。他方ハーフミラ−２５を直進し
た照明光りは、ＴＶ左カメラ置２６へ入射して′ｒＶモ
ニタ上での観察に供される。

次に、第２図及び第３図（ａ）〜（ｅ）を用いてトレン
チ深さの測定方法について説明する。

第２図において、先ず対物レンズ１５で集光されたレー
ザ光Ａによる走査を行なうために、トレンチ３２を有す
る被測定物３１を搭載した制御ステージ３０を、この場
合はＸ軸上に矢印Ｅの方向へ移動する。これにより、相
対的にレーザ光ＡによるＸ軸方向の座標位置Ｘ１から座
標位置Ｘ２に向っての走査がなされる。

このとき、一走査毎に制御ステージ３０をＺ軸方向に矢
印Ｆの如く微小間隔でその位！または移動量を読み取り
ながら移動させる。これにより、レーザ光ＡによるＺ軸
方向への相対的な走査がなされる。その際、Ｚ軸方向の
移動は、例えば制御ステージ３０に固定された５段階の
座標位置Ｚ１〜Ｚ５に、焦点Ｃが一致するように移動さ
せる。

ここに、座標位置Ｚ２はトレンチ３２の上面３３に一致
し、座標位置Ｚ４はトレンチ３２の底面３４仲一致して
いるものと仮定する。

このようにして、各座標位置２１〜Ｚ５毎にＸ軸方向へ
座標位置Ｘ１からＸ２、Ｘ３へと走査を行なったときの
、受光器１８で測定されたレーザ光Ａの反射光強度Ｒが
、それぞれ第３図（ａ）〜（ｅ）に示されている。

先ず、座標位置ｚ１を焦点Ｃに一致させたときにおける
測定結果は、第３図（ａ）に示す如く、反射光強度Ｒは
各座標位置Ｘ１〜Ｘ３でほぼ同じである。

座像位置Ｚ２を焦点Ｃに一致させたときにおける測定結
果は、第３図（ｂ）に示す如く、トレンチ３２の上面３
３であるところの座標位置ＸＩ。

Ｘ３で反射光強度Ｒは最大となる。

さらにＺ軸方向へ移動し、座標位置Ｚ４を焦点Ｃに一致
させたときの測定結果は、第３図（ｄ）の如くトレンチ
３２の底面３４であるところの座標位置Ｘ２において、
反射光強度Ｒが最大となる。

上記測定結果より、座標位置ＸＩ、Ｘ３と座標位置Ｘ２
上の反射光強度Ｒがそれぞれ最大となったところの制御
ステージ３０のＺ軸方向位置を読み取り、その間の距離
を算出することによりトレンチ３２の深さＩ（を得るこ
とができる。

前記読み取り及び深さＨの算出処理等は手動でも可能で
あるが、制御ステージ３０と連動した電子計算機で処理
することにより、測定時間の短縮及び精度の向上を図る
ことができる。

また、Ｚ軸方向の制御及び位置読み取りには高度な分解
能が必要なため、位置読み取り装置としては、例えば０
．０５μｍ以下の分解能を有するレーザ干渉計等を用い
る。制御ステージ３０をＺ軸方向に駆動制御するための
装置としては、高分解能のパルスモータ等を使用する。

以上のように本実施例のトレンチ深さ測定装置において
は、共焦点光学系１０の非常に浅い焦点深度と制限され
た光束径による対物レンズ１５の集光角の浅い領域を利
用するようにしたので、高精度の深さ方向分解能が得ら
れると共に、開口幅が狭く深さの深いトレンチ底面３４
からの強い反射光を得ることができる。

したがって、このトレンチ深さ測定装置を使用すること
により、半導体ウェハ等に形成されなトレンチの深さの
高精度な測定を、非破壊で容易かつ短時間内に効率良〈
実施することができる。

なお、本発明は図示の実施例に限定されず種々の変形が
可能であり、例えば次のような変形例が挙げられろ （ｉ）　上記実施例では、゛第１図の共焦点光学系１０
の光源としてＨｅ−Ｎｅレーザ発振器１１を用いるもの
としたが、これに限定されず、他の波長のレーザ発振器
を用いることができる。但し、その場合には使用するレ
ーザ光の波長によって、ダイクロイックミラー１４の反
射波長及びバンドパス光学フィルタ２３の透過波長を変
える必要がある （ｉｉ）　　第２図において、制御ステージ３０のＺ軸
方向の移動は、簡潔に説明するなめに座標位置７１〜Ｚ
５の５段階としたが、これに限定されるものではない。

必要に応じてもつと増やすことができる。

（ｉｉｉ）　　上記実施例では、読み取り装置としてレ
ーザ干渉計、制御ステージ３０の駆動制御装置としてパ
ルスモータを用いることとしたが、これに限定されない
。例えば、レーザ干渉計の代りにエンコーダを用いるこ
ともできる。

（ｉｖ）　　本発明は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の３次元走査
を行ない、その反射光を電子計算機によって処理するこ
とにより、３次元形状の測定及び立体図化が可能である
。

（ｖ）　　本発明は、トレンチ深さの測定のみならず、
例えば微細な３次元構造物の断差の測定等にも適田酊能
である。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように本発明に上れば、トレンチ深
さ測定装置と共焦点光学系、制御ステージ及び観察用光
学系により構成したので、被測定物に形成されたトレン
チの深さを高精度かつ短時間内に測定することができ、
しかも非接触、非破壊で行なえるという効果がある。

これにより、トレンチ深さ測定に係わる効率が飛躍的に
向上し、工場レベルでの実用的な検査にも適用できると
いう効果も生じる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すトレンチ深さ測定装置の
構成図、第２図は第１図のトレンチ深さ測定装置による
測定方法を示す断面図、及び第３図（ａ）〜（ｅ）は第
１図のトレンチ深さ測定装置により測定された反射光の
強度を示す反射光強度図である。 １０・・・・・・共焦点光学系、１゛１・・・・・・レ
ーザ発振器、１２．２２・・・・・・集光レンズ、１３
．１７・・・・・・アパーチャ、１４・・・・・・赤色
反射ダイクロイックミラー、１５・・・・・・対物レン
ズ、１６，２４．２５・・・・・・ハーフミラ−１１８
・・・・・・受光器、２０・・・・・・観察用光学系、
３０・・・・・・制御ステージ、３１・・・・・・被測
定物。 出願人代理人　　柿　　本　　恭　　成第１図 」り左方法を示す断面図 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　点光源からのレーザ光を対物レンズにより被測定物に
   集光し、該被測定物からの反射光を点受光して該反射光
   の強度により前記被測定物に形成されたトレンチの深さ
   を検出する共焦点光学系と、前記被測定物の３次元方向
   の移動を制御し前記レーザ光に該被測定物上の相対的な
   走査を行なわせる制御ステージと、 前記レーザ光と異なる波長の光を用いて前記被測定物の
   測定位置を観察する観察用光学系とを備えたことを特徴
   とするトレンチ深さ測定装置。