JPH0251005A - 深さ測定方法および装置 - 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】 〔慮栗上の利用分野〕 本発明は半導体基板上の微細な凹凸溝の深さを測定する
微細ツクターン碑の深さ測定方法および装置に関するっ 〔従来の技術〕 従来の半導体デバイスは高集積化を達成するため、平面
ｆＦＪ構造から立体的素子栴造へ転換されつつある。そ
のため例えはエツチング等の加工手段によりシリコン基
板に深さ３〜５μｍの穴をあけたり、約１〜２μｍ幅の
溝を作る技術か必要とされる。

これらのプロセス開発および生性管理上で、加工再の非
受触深さ（段差）測定が必要不可欠である。

従来この梅の加工溝の深さ（波源）の測定方法および装
置として、巣１にはオー−エフ・ニス′８６、トーキヨ
ー（１９８６年）第２５頁から第２６頁に亘る論文「プ
リサイス　メジャーメント　メソッド　７オー　トレン
チ　デプス　オプ　ブイ・エルφニス・アイ　デー・ラ
ムダ　キャパシタセル　ベースド　オン　マイケルソン
　インターフエｏメーｐＪ　Ｃ０ＦＳ　’８６　、ＴＯ
ＫＹＯ（１９８１５）Ｐ　Ｐ　２５−２６　　「ｐｒｅ
ｃｉｓｇＭｇｚｂｒａｒｎｇｒＬｔ　Ｍｇｔｈｏｄ　ｆ
ｏｒＴｒｅｎｃｈ　Ｄｅｐｔｈ　ｏｆ　Ｖ　Ｌ　Ｓ　Ｉ
　　　Ｄ　ＲＡＭ’ｚ　ＣａｐａｃｉｔｏｒＣａｌｌ　
Ｂａｚｇｄ　ｏｎ　Ｍｉｃｈｇｌｓｏｒｂ　Ｉｎｔａｒ
ｊｇｒｏｍａｔｇｒ　Ｊ　　）にて論じられている。こ
の方法は試料に白色光を照射して反射してくる元をビー
ムスプリッタにより分岐し、マイケルンン干渉計を用い
た干渉計測法により溝の深さ（段差）を測定する方法で
ある。

また第２には特開昭６１−２５５７０８号公報に開示さ
れている。この方法は試料に光を照射して反射して（る
光の強度を成長を選択して検出し、その強度変化から溝
の深さ（段差）を算出する方法で、このさい０次回折光
あるいは路次回折光のどちらか一方を遮光して他方を検
出することにより、干渉光強度変化のコントラストを向
上させてパター密度の小さい段差でも測定することがで
きる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、第１の方法ではパターンで回折する０
次回折光および路次回折光を同時に検出してしまうため
、干渉光強Ｋｆｆｉ化のコントラストが小さくなってし
まうのが原因で、パターン＠度の小゛さい段差では信号
レベルが小さくなって測定できなくなるという問題があ
った。また第２の方法で蚤エバターン密度の小さい段差
でも測定することができるが、しかし干渉光強度変化か
ら深さを算出する方法が難かしいため、マイクロコンビ
エータ等を用いても１０秒から４０秒程度かかつてしま
うという問題があった。

本発明の目的は、上記した従来技術の第１と第２の方法
の問題点を相互に補完し、第１の干渉計測法に帛２の路
次回折光干渉法を併用して、０次回折光と路次回折光を
分離することにより干渉元強度食化のコントラストを上
げ、パターン密度の小さい碑パターンでも高い信号レベ
ルでかつ短時間に測定できる溝の深さ測定方法および装
置を提供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、白色光源を試料上に照射し、上記試料から
反射する０次回折光あるいは０仄以外の回折光のどちら
か一方を遮光し、上記遮光されない光速を２つに分岐し
、上記分岐された２光束を干渉させることにより得られ
る干渉光強度変化を検出し、上記検出された信号から上
記試料上に形成された深さを算出する従さ測定方法およ
び装置により達成される。

〔作用〕

上記深さ測定方法および装置は、上記従来技術の第１の
干渉計測法における光信号検出部で検出する信号レベル
すなわち干渉光の各成長成分での強度変化（コントラス
ト）を太き（するため、上記第２のｒ＆次次回折子干渉
法おいてフラウンホーファー領域の回折現象およびＢａ
ｂｔｎｇｔ　（バビネ）の原理に看目し、試料からの反
射光００次次回光あるいは０次回折光以外の高次回折光
を遮光することＫより、試料上に形成された溝の凹部と
凸部とでそれぞれ反射する光量を同程度にして検出する
構成とし、これによりパターン密度の小さい溝パターン
でも高い信号レベルでかつ短時間に溝の深さを測定する
ことが可能となる。

〔実施例〕

以下に本発明の実Ｍｆｎを第１図ないし第３図により説
明する。

第１図は本発明による深さ測定方法および装置の第１の
実施例を示すブロック図である。第１図において、本装
置は光源１、集光レンズ２、空間フィルタ５、集光レン
ズ４より構成される光源部５と、ハーフミラ−１０、対
物レンズ８より構成される照明光学系を含み、対物レン
ズ８、フィールドレンズ１１、空間フィルタ１２、結像
レンズ１５より構成される検出光学系１４と、ファイバ
ー１６、コリメータレンズ１７、ビームスピリツタ１８
、ミラー１９、可動ミラー２０、可動ミラー駆動手段２
１、集光レンズ２２、光検出器２３より構成される干渉
計９２４と、マイクロコンビエータ２５より構成される
信号処理部２６とより構成される。

上記構成において、光？２１１部５では有限の帯域を有
する白色の光源１より発せられた光を集光レンズ２によ
り空間フィルタ５上に結像し、そのＷｉ像した像を集光
レンズ４により照明光学系のノ’−７ミラー１０を介し
て対物レンズ８の焦点位＠９に紹像し、さらに対物レン
ズ８を通して試料６上を照射する。さらにこの光束は対
物レンズ８により再び焦点位ｆ［ｌｃ９上に結像し、フ
ィールドレンズ１１によりを間フィルタ１２上に結像す
る。惇出光学系１４では試料６より反射した光は対物レ
ンズ８によりフィールドレンズ１１の近傍に試料６の測
定点７の像を結像し、その結像した像を結像レンズ１５
によりファイバー１６の開口１５に結像する。一方で空
間フィルタ５の集光レンズ４による焦点位ｔｉＬ９の像
は対物レンズ８を通して試料６で反射し、再び対物レン
ズ８を通って焦点位置９に再結像し、この像はフィール
ドレンズ１１により空間フィルタ１２上に結像する。

このとき試料７からの０次回折光がファイバー１６の開
口１５に届かない構成とするために、空間フィルタ５お
よび空間フィルタ１２は互いに相補的な形状とする。ま
た空間フィルタ３，１２０形状は多（の文献〔例えば久
保田広著、波動光学、岩敦膏店発行）に超；介されてい
る輪帝状絞りにするのが好ましい。これらの文献には位
相差顕微碗の光源として輪帯状の絞りを用いることの効
果が論じられている。すなわち光源として理想的な点光
源を用いない場合には、０久回折元の連光が峻しいが、
輪帯状の軟りを用いることにより効果的に０次回折光を
遮光できる。また上記の文献にはマルテイビエービル位
相差顕微説か紹介されており、この方法は本実施例で用
いている方法でありて、フィールドレンズ１１により対
物レンズ８０近くに存在する焦点位ｆ９を空間フィルタ
１２の位置に再結像するものである。なお本実施例では
このマルテイビエービル元学糸を用いているが、本発明
の目的を達成する上ではこの眠りではな（、上記のを間
フィルタ５と相補的なを間フィルタ１２を用いることに
より、０久回折元をカットすれはよい。

また空間フィルタ５，１２を同形状として、ル久回折元
を遮光し、０次回折光のみを検出する構成としてもよい
。

このようにして検出光学系１４では試料６上の測定点７
の像を対物レンズ８と結像レンズ１５とにより決定され
る倍率で干渉計部２４のファイバ−１６０開口１５に結
像し、これ罠より開口１５０大きさと上記光学系の倍率
とから計算される大きさを有する測定点Ｚ内に形成され
た穴や段差や溝の平均的な採さが測定される。したがっ
て必要に応じて上記対物レンズ８および結像レンズ１５
０倍率あるいはファイバー１６の開口１５の大きさを変
えることにより、測定する領域の大きさを決定できる。

また検出光学系１４にプリズム３２および［ｔレンズ３
３を設置することにより、測定位置を目視で確認するこ
とも可能である。

つぎに干渉計ｆｉ１５２４では検出光学系１４によりフ
ァイバー１６の開口１５に結像された光束がファイバー
１６を通り、コリメータレンズ１７によりほぼ平行なビ
ームにコリメートされる。この光束はビームスグリツタ
１ＢＩＣより２光束に分岐され、それぞれミラー１９お
よび可動ミラー２０で反射し、再びビームスプリッタ１
８に戻って重ね合わされたのち、集光レンズ２２により
光検出器２３に入射して光電変換される。ここでファイ
バー１６は検出光学系１４と干渉計部２４をフレキシブ
ルＫＭぶものであり、これを省略することもできる。信
号処理部２６では光検出器２５により光電変換された信
号と可動ミラー２０を位ｔｌｔＺ方向に駆動するｋｉＡ
ｗＪ手段２１よりの信号を人力し、マイクロコンピュー
タ２５により試料７上に形成された微細パターンの溝の
深さが算出される。ここで信号処理′＠２６はマイクａ
コンビニ−タ２５でなくてもよく、従来技術の第２の方
法に開示されているように、オシミスコープの３：。

ｙ軸にそれぞれミラー駆動手段２１よりの信号および光
検出器２３よりの信号を入力してもよい。

第２図は本発明による深さ測定方法および装置の第２の
実施例を示すブロック図である。藁２囚において、本装
置！は光源１、集光レンズ４より構成される光源部５Ａ
と、ハーフミラ−１０により構成される照明元字糸を含
み、対物レンズ８、空間フィルタ１２より構成される慣
出元字糸１４Ａと、干渉計部２４と、信号処理８２６と
より構成される。

第１図の実施例の光源部５お゛よび検出光学系１４では
、試料７からの０久回折元が７アイパー１６の一口１５
に届かない構成とするために空間フィルタ６゜１２は互
いに相補的な形状とし、その光学系にマルテイピエービ
ル光学系を用いている。これに対して第２図の光源ｓ５
Ａおよび検出光学系１４Ａではさらに簡便な方法として
空間フィルタ３を省略することができ、この場合には照
明光を平行に近い光束すなわち照明時のＮ　＠　Ａ　、
　（ＮｇｗｍｇｒｉｃａｌＡｐＧｒｔμｒ＃、開口数）
を小さいものにし、空間フィルタ１２を固形にすれはよ
い。

またＷ、２図に示すようにノ１−フミラー１０を対物レ
ンズ８の外側に配置し、空間フィルタ１２を原点位置９
あるいは近似的な手法として対物レンズ８の外側の位置
に配置してもよい。また上記の簡便な手法として空間フ
ィルタ３を省略する珈せには。

光源１としてハロゲンランプ等のフィラメントタイプに
替えて、キセノンランプやＥｌ　　ラング等の放電管タ
イプとするとよい。これらの放ｔ′にタイプのランプは
点光源に近いため、平行光に近い光束を容易に作れると
いう利点がある。このような光学系によりても試料６よ
りの反射光００次次回光を還元できる。干渉針部２４お
よび信号処理部２６は第１図と同様である。

第５図は本発明による深さ測定方法および装置の第３の
実施例を示すブロック必である。第３図において、本装
置は光源部５と、検出光学系１４と、ファイバー１６、
コリメータレンズ１７、偏光素子２７、ウオーラストン
プリズム２８、偏光素子２９、集光レンズ５０、光検出
器３１より構成される干渉計５２４Ａと、信号処理部２
６とより構成されるあ１図の実施例を工干渉計部２４と
してマイケルソンの干渉計（例えば久保田広著、波動光
字、岩波蕾店）を用いた例を示したが、干渉計部２４は
マイケルソンの干渉計に限らず他のものであってもよく
、これに対してａＫ３図の干渉計部２４Ａはウオーラス
トンプリズム２８を用いた例を示す。

このウオーラストンプリズム２８を用いた干渉計部２４
Ａによりても、第１図のマイケルソン干渉計を用いた干
渉計部２４の場合と同様の原理により信号が検出できる
。ただし干渉針部２４Ａ″′Ｃ″は光検出器５１として
１次元のりニアセンサが好ましく、これは干渉縞が光検
出器３１の位置２の方向に形成されるからである。すな
わちマイケルソン干渉計を用いたさいの佃号の横軸が可
動ミラー２００位＆Ｚ方向だったのに対して、フカ−ラ
ストンプリズム２８を用いる場合には横軸が光検出器６
１０位＆工の方向になるわけである。なお詳細は上記の
文献に述べられている。光源部５と検出光学系１４と信
号処理部２６は第・１図と同様である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、半導体基板上に形成された立体パター
ンの溝の深さ測定にさいし、ｔ＆次次回折子干渉法より
ｎ次回折光あるいは０仄回折元のどちらか一方のみを俣
出でき、かつ干渉計剣法により深さを算出できるので、
密度の低いパターンであっても高い信号強度でかつ渦速
に溝の深さ測定ができる幼果がある。

４、図面のＷＩ３ＭＩＬな説明 第１図は本発明による深さ測定方法および装置の第１の
実施例を示すブロック図、第２図は同じ（第２の実施例
を示すブロック図、纂３図は岡じ（纂３の実施例を示す
７　Ｑツク囚である。

１・・・光源 ５．５Ａ・・・光源部 ８・・・対物レンズ １２・・・空間フィルタ １８・・・ビーム゛スプリッタ ２３・・・光検出器 ２６・・・信号処理部 ２８・・・ウオーラスト ンプリズム ３・・・至闇フィルタ ６・・・試料 １０・・・ハーフミラ− １４，１４Ａ・・・検出光学系 ２０・・・可動ミラー ２４　、２４Ａ・・・干渉計部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、白色光源を試料上に照射し、上記試料から反射する
   ０次回折光あるいは０次以外の回折光のどちらか一方を
   遮光し、上記遮光されない光束を２つに分岐し、上記分
   岐された２光束を干渉させることにより得られる干渉光
   強度変化を検出し、上記検出された信号から上記試料上
   に形成された溝の深さを算出する深さ測定方法。 ２、白色光源と、上記白色光源を試料上に照射する手段
   と、上記試料から反射する０次回折光あるいは０次以外
   の回折光のどちらか一方を遮光する手段と、上記分岐さ
   れない光束を２つに分岐する手段と、上記分岐された２
   光束を干渉させることにより得られる干渉光強度変化を
   検出する手段と、上記検出された信号から上記試料上に
   形成された溝の深さを算出する手段とから構成される深
   さ測定装置。