JPH03216504A - レーザ式線幅測定装置及び測定方法 - 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〉 本発明は半導体ウェハーに形成された微細パターンの線
幅等を測定するレーザ式線幅測定装置及び測定方法に関
する。

〈従来の技術〉 この種のレーザ式線幅測定装置は、半導体ウェハーに形
成されたパターン付近に対してレーザ光を走査照射して
反射レーザ光を得、当該反射レーザ光のレヘルをディテ
クタで検出し、この検出データの中からパターンのエッ
ジを認識し、このエッジ間隔によりパターンの線幅等を
測定するような基本構成となっている。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、上記従来例による装置では、半導体ウェ
ハーのロソトが単一であれば問題はないが、半導体ウェ
ハーの種類が多岐にわたりパターンの下地の条件が変わ
ると、測定誤差を生じるという欠点がある。即ち、半導
体ウェハーに形成されたパターンの線幅が同じだとして
も、その下地膜厚が変わると、ディテクタの検出結果が
影響され、この影響が測定誤差となって現れるのである
。

半導体ウェハーの下地膜厚が１００人変化すると、０．
　０８５μｍの線幅誤差が発生することが実験により確
かめられている（第５図参照）。かかる欠点は装置の測
定精度を高める上で非常に大きな障害となっている。

本発明は上記事情に鑑みて創案されたものであり、その
目的とするところは、被測定対象の下地の条件が変化し
ても正確な測定結果を得ることができるレーザ式線幅測
定装置及び測定方法を提供することにある。

く課題を解決するための手段〉 本発明の第１請求項にがかるレーザ式線幅測定装置は、
半導体ウェハー上のパターンに対してレーザ光を走査照
射して得られた反射光及び／又は散乱光を検出し、当該
検出結果のプロファイルに基づき前記パターンの線幅測
定を行うレーザ式線幅測定装置において、前記半導体ウ
ェハーにおけるパターン近傍の下地膜厚の大きさ又は反
射率を測定する測定手段と、前記下地膜厚の大きさ又は
反射率と線幅測定誤差との関係を与えるデータテーブル
を予め格納してあり、前記測定手段により得られた下地
膜厚の大きさ又は反射率のデータに対応する線幅測定誤
差のデータを前記データテーブルから読み出すテーブル
部と、テーブル部から出力されたデータに応じて線幅測
定結果を補正する補正部とを具備している。

本発明の第２請求項にかかるレーザ式線幅測定方法は、
半導体ウェハー上のパターンに対してレーザ光を走査照
射して得られた反射光及び／又は散乱光を検出し、当該
検出結果のプロファイルに基づき前記パターンの線幅測
定を行う方法であって、前記半導体ウェハーにおけるパ
ターン近傍の下地膜厚の大きさ又は反射率を測定し、予
め用意された下地膜厚の大きさ又は反射率と線幅測定誤
差との関係を与えるデータテーブルに基づいて、前記下
地膜厚の大きさ又は反射率の測定結果に対応する線幅測
定誤差のデータを求め、求められた線幅測定誤差のデー
タに基づいて線幅測定結果を補正するようにした。

〈作用〉 本発明の第１請求項にがかるレーザ式線幅測定装置につ
いて説明する。

まず、半導体ウェハーにおけるパターン近傍の下地膜厚
の大きさ又は反射率と線幅測定誤差との関係を予め実験
等により求め、これをデータテ−ブルとしてテーブル部
に格納しておく。

そして、測定手段により下地膜厚の大きさ又は反射率が
測定され、測定された下地膜厚の大きさ又は反射率のデ
ータはテーブル部に導かれる。テーブル部では、入力さ
れたデータに対応した線幅測定誤差のデータが読み出さ
れ、読み出されたデータは補正部に出力される。補正部
では、入力されたデータをオフセットとして線幅測定結
果の補正が行われる。

〈実施例〉 以下、本発明にがかるレーザ式線幅測定装置及び測定方
法の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図はレーザ式線幅測定装置の構成図、第２図は半導
体ウェハーの断面図、第３図は半導体ウェハーに対して
正反射したレーザ光を受光するデイテクタの検出波形を
示す図、第４図は下地膜厚Ｔを求めることができる原理
を説明するための説明図、第５図は下地膜厚Ｔと線幅誤
差Ｄとの関係を示す実験結果のグラフ、第６図は下地膜
厚Ｔと反射率Ｒとの関係を実験結果のグラフである。

？こに掲げるレーザ式線幅測定装置は、第１図に示すよ
うに、Ｘ−Ｙテーブル７０にセットした半導体ウェハー
８０に形成されたパターン８１の線幅等を高精度で測定
する装置であって、線幅等を測定するという基本機能の
他に、半導体ウェハー８０の下地膜厚を求め、求められ
た下地膜厚のデータに基づいて当該線幅測定結果を補正
するという機能が含められている。

本装置は大きく分けて測定光学系Ａと信号処理系Ｂとか
らなり、測定箇所移動用のＸ−Ｙテーブル７０を含めて
、これらは、図外の制御回路から発せられた命令に基づ
いて制御されるようになっている。

なお、第２図には半導体ウェハー８０の断面構造が示さ
れている。即ち、Ｓｉ基板８２の上面にＳｉＯ■膜８３
、ＳｉＮ膜８４の薄膜が形成されている上に、ＳｉＮ膜
８４の上面にパターン８１が形成されている。

まず、測定光学系Ａについて第１図を参照して説明する
。これは、パターン８１の線幅を測定するための線幅測
定部１０と、半導体ウェハー８０の下地膜厚を測定する
ための下地膜厚測定部２０とから構成されている。

線幅測定部１０には図示されていないが半導体レーザ発
振器が内蔵されている。これから発せられるレーザ光は
所定のレンズで拡大され平行化されるようになっている
。平行化されたレーザビームは、所定の光学経路を経て
半導体ウェハー８０上にスポット照射されるようになっ
ている。更にその上で、光学経路の途中にはモータに連
結された反射ミラーが設けられており、この反射ミラー
の往復運動により、レーザビームがパターン８１を横切
る方向に交互走査されるようになっている（第２図参照
）。そして半導体ウェハー８０を反射又は散乱したレー
ザ光は、所定配置されたディテクタで受光され、ここで
レーザ光の輝度レベルが検出されるようになっている。

第３図は半導体ウェハー８０に対して正反射したレーザ
光を受光するディテクタの検出波形を示している。この
波形には図示のようにパターン８１の線幅Ｌに関連した
エッジ部が含まれており、このエッジ部の長さがマイケ
ルソン干渉計により求められ、これがパターン８１の線
幅Ｌの測定結果として出力されるようになっている。な
お、パターン８ｌの線幅測定データは、信号処理系Ｂに
逐次導かれている。

次に、下地膜厚測定部２０について説明する。これには
、図示されていないが通常光を発するランプを内蔵して
おり、これから発せられた光は所定の光学経路を経て半
導体ウェハー８０におけるＳｉＮ膜８４の表面に照射さ
れるようになっている。これから反射した光は回折格子
等を介して光増幅管で受光され、ここでその輝度レベル
が検出されるようになっている。光増幅管の検出信号は
信号処理系Ｂにおける下地膜厚演算部５０に導かれ、こ
こでオペアンプ等により信号増幅された後、次のような
演算が行われ、半導体ウェハー８０におけるパターン８
１の下地膜厚が演算されるようになっている。

なお、下地膜厚測定部２０と下地膜厚演算部５０は測定
手段に相当する。

次に、下地膜厚を求めることのできる原理について第４
図を参照して説明する。

ランプから発せられた光が半導体ウェハー８０の表面に
照射されることにより生じた反射光ａの中には、ＳｉＮ
膜８４の表面で反射した光（反射光ａ１とする）とＳｔ
基板８２（或いはＳｉＯｚ膜８３）で反射した光（反射
光ａ２とする）とがあるが、これらの光は干渉する。こ
の干渉した光の振幅Ａ、強度Ｙは次式で表すことができ
る。

Ａ（Ｘ）１＋ａＥＸＰ　（２πｉｎδ／λ）・・・■？
ω１　＋ａ２＋２　ａｃｏｓ（２　ｒｃ　ｎδ／λ）・
・■ＳｉＮ膜８４（或いはＳｉＯ■膜８３も含めて）の
下地膜厚の大きさをＴとすると、δ＝２７であるので式
■を変形すると、次式が得られる。

Ｙｏｏｌ＋ａ”　＋２ａＣＯＳ（４πｎＴ／λ）・・■
吸収ピークは４πｎＴ／λ＝２ｋ＋１（ｋ：整数）のと
きに現れるので、この場合の吸収ピークλは次式となる
。

λ＝４πｎＴ／（２ｋ＋１）・・・■ 従って、吸収ビークλと振幅比ａのデータに基づいて下
地膜厚Ｔを求めることができる。この下地膜厚Ｔのデー
タは、次に説明する信号処理系Ｂのテーブル部６０に導
かれ、ここで線幅測定誤差のデータに逐次変換されるよ
うになついる。

このテーブル部６０には第５図に示すような下地膜厚Ｔ
と線幅誤差Ｄとの関係を与えるテーブルデータが備えら
れている。このテーブルデータを得る方法について説明
する。まず、所謂ＳＥＭと称される走査型電子顕微鏡を
用いて半導体ウェハー８０のパターン８１の線幅を測定
する。この測定値は現在のところ真の値とし得る。次に
、測定光学系Ａにおける線幅測定部１０を用いて同じく
半導体ウェハー８０のパターン８１の線幅を測定する。

そして両測定方法により測定された値の差をとり、この
値を線幅誤差Ｄとする。そして下地膜厚Ｔの異なる半導
体ウェハー８０について上記した実験を繰り返す。この
実験結果を統計的な手法も用いてまとめた結果が第５図
である。

テーブル部６０には上記したようなテーブルデー夕が予
め格納されている訳であるが、下地膜厚演算部５０から
下地膜厚Ｔのデータが逐次入力されると、テーブルデー
タの中から入力された下地膜厚Ｔのデータに対応した線
幅誤差Ｄのデータが読み出され、このデータが次に説明
する補正部４０に逐次導かれるようになっている。

補正部４０は、線幅測定部１０から出力された線幅測定
データと線幅誤差Ｄのデータとを加算し、加算データを
最終的な線幅測定のデータとして出力するようになって
いる。つまり線幅測定部１０より測定された線幅測定結
果を補正部４０にて半導体ウェハー８０の下地膜厚Ｔの
大きさに応じて補正するようになっている。

次に、レーザ式線幅測定装置の変形例について説明する
。

かかる変形例は、半導体ウェハー８０の反射率を測定し
、測定された反射率のデータに応じて線幅測定部１０の
測定結果を補正するという形態を採るものである。ここ
で反射率とは、薄膜形成前の半導体ウェハー８０（　Ｓ
ｉ基板８２の表面が露出状態となっている）に対して光
を照射したときの反射光の輝度レヘルと薄膜形成後の半
導体ウェハー８０（第２図参照）に対して光を照射した
ときの反射光の輝度レベルとの比である。この反射率は
下地膜厚Ｔを求めるにあたってなされた上記方法と順じ
た方法で求められる。ただ、求められた反射率Ｒのデー
タを線幅誤差Ｄに変換する方法については、第５図に示
すデータテーブルの他に、第６図に示すデータテーブル
をテーブル部６０に設けて、求められた反射率Ｒのデー
タから下地膜厚Ｔのデータに一旦変換し、その後、線幅
誤差Ｄのデータに変換するようにすれは良い。また、こ
れとは別に、テーブル部６０に新たに反射率Ｒと線幅誤
差Ｄとの関係を示すデータテーブルを設けて−、求めら
れた反射率Ｒのデータから線幅誤差Ｄを求めるようにし
ても同じ結果を得られる。

以上述べたレーザ式線幅測定装置による場合には、半導
体ウェハー８０に形成されたパターン８１の線幅を高い
精度で測定することができる上に、全自動で測定するこ
とができる。

だが、新たな構成のレーザ式線幅測定装置をつくるので
はなく、既存のレーザ式線幅測定装置を用いる方法も考
えられる。

１番目としては、第１図に示す下地膜厚測定部２０、下
地膜厚演算部５０、テーブル部６０、補正部４０を備え
る装置をつくり、これを既存のレーザ式線幅測定装置に
接続させる方法が掲げられる。

２番目の方法としては、下地膜厚測定部２０、下地膜厚
演算部５０を具備する装置を利用し、これにより得られ
た下地膜厚等のデータと予め用意された上記データテー
ブルに関する実験結果とを参考にしながら、既存のレー
ザ式線幅測定装置の測定結果を測定者自らの手で補正す
る方法が掲げられる。

何れの方法による場合にも、既存のレーザ式線幅測定装
置を十分に利用することができるので経済的な面でのメ
リットがあり、非常に実用的である。

なお、本発明にがかるレーザ式線幅測定装置は半導体ウ
ェハーに形成されたパターンの線幅だけでなく、隣合う
パターン間の距離等も測定することができる他、半導体
マスクのパターンも測定することが可能である。

〈発明の効果〉 以上、本発明の第１請求項にがかるレーザ式線幅測定装
置による場合には、半導体ウェハー上のパターン近傍の
下地膜厚又は反射率が求められ、求められたデータに基
づいて線幅測定結果が補正されるような構成となってい
るので、パターンの下地の条件が変化しても正確な測定
結果を得ることができる。従って、測定すべき半導体ウ
ェハーの種類が多岐にわたる場合でも測定誤差を生じる
ようなことがなく、しかも全自動で測定を行うことがで
きるというメリットがある。

また、本発明の第２請求項にがかるレーザ式線幅測定方
法による場合でも上記と同様にパターンの下地の条件が
変化しても正確な測定結果を得ることができる。しかも
既存のレーザ式線幅測定装置を利用することが可能であ
るので、経済的なメリットがある。

【図面の簡単な説明】

第１図から第６図にかけては本発明にががるレーザ弐線
幅測定装置及び測定方法の一実施例を説明するための図
であって、第１図はレーザ式線幅測定装置の構成図、第
２図は半導体ウェハーの断面図、第３図は半導体ウェハ
ーに対して正反射したレーザ光を受光するディテクタの
検出波形を示す図、第４図は下地膜厚Ｔを求めることが
できる原理を説明するための説明図、第５図は下地膜厚
Ｔと線幅誤差Ｄとの関係を示す実験結果のグラフ、第６
図は下地膜厚Ｔと反射率Ｒとの関係を実験結果のグラフ
である。 Ａ　・ ｌＯ・ ２０・ Ｂ　・ ４０・ ５０・ ６０・ ８０・ 測定光学系 線幅測定部 下地膜圧測定部 信号処理系 補正部 下地膜厚演算部 テーブル部 半導体ウェハー ８１・ ・パターン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体ウェハー上のパターンに対してレーザ光を
   走査照射して得られた反射光及び／又は散乱光を検出し
   、当該検出結果のプロファイルに基づき前記パターンの
   線幅測定を行うレーザ式線幅測定装置において、前記半
   導体ウェハーにおけるパターン近傍の下地膜厚の大きさ
   又は反射率を測定する測定手段と、前記下地膜厚の大き
   さ又は反射率と線幅測定誤差との関係を与えるデータテ
   ーブルを予め格納してあり、前記測定手段により得られ
   た下地膜厚の大きさ又は反射率のデータに対応する線幅
   測定誤差のデータを前記データテーブルから読み出すテ
   ーブル部と、テーブル部から出力されたデータに応じて
   線幅測定結果を補正する補正部とを具備していることを
   特徴とするレーザ式線幅測定装置。
2. （２）半導体ウェハー上のパターンに対してレーザ光を
   走査照射して得られた反射光及び／又は散乱光を検出し
   、当該検出結果のプロファイルに基づき前記パターンの
   線幅測定を行うレーザ式線幅測定方法において、前記半
   導体ウェハーにおけるパターン近傍の下地膜厚の大きさ
   又は反射率を測定し、予め用意された下地膜厚の大きさ
   又は反射率と線幅測定誤差との関係を与えるデータテー
   ブルに基づいて、前記下地膜厚の大きさ又は反射率の測
   定結果に対応する線幅測定誤差のデータを求め、求めら
   れた線幅測定誤差のデータに基づいて線幅測定結果を補
   正するようにしたことを特徴とするレーザ式線幅測定方
   法。