JPH0617774B2

JPH0617774B2 - 微小高低差測定装置

Info

Publication number: JPH0617774B2
Application number: JP62155125A
Authority: JP
Inventors: 教之近藤
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1987-06-22
Filing date: 1987-06-22
Publication date: 1994-03-09
Anticipated expiration: 2009-03-09
Also published as: JPS63317706A; US4988198A; KR920004751B1; KR890000876A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は、例えば半導体ウエハ等の表面に形成されるよ
うな微細な凹凸パターンの段差部の微小高低差を非破
壊、非接触で測定する微小高低差測定装置に関する。

＜従来の技術＞近年、大記憶容量を備えたダイナミックＲＡＭ(Random
Access Memory)では、集積密度を上げる為に、いわゆる
溝型キャパシタが広く採用されている。周知のように、
溝型キャパシタは、シリコンウエハ表面に掘られた、穴
径あるいは幅がほぼ１μｍ、深さが数μｍ程度の微細な
円柱状の穴、あるいはライン状の溝の内部に、ポリシリ
コン等からなる電極材料を埋め込んだ構造になってい
る。そのため、溝型キャパシタを形成するための穴ある
いは溝（以下総称して、溝という）の深さの程度によっ
て、その容量が著しく変化するから、この種の半導体記
憶装置の特性値を管理する上で、その製造工程において
溝の深さを非破壊、非接触状態で正確に測定することが
要請されている。

従来、この溝の深さのような段差部における微小高低差
を非破壊、非接触で測定する方法として、波長分光方式
によるものや、干渉分光方式によるものが知られてい
る。

これらの測定方法はいずれも、後述するように、試料面
からの反射光のスペクトルを検知することによって、試
料面の段差部における微小高低差を測定する方法であ
る。なお、干渉効果を検知する手段が、前者ではプリズ
ムや回折格子等の分光器から構成される分光測光手段で
あるのに対し、後者では干渉計から構成される分光測光
手段である点で相違している。

次に、これら従来の測定方法を第５図によって説明す
る。

例えば、シリコンウエハのような試料１６の試料面１６
_１には、例えばキャパシタ用の微細な溝３６が形成され
ている。このような試料面１６_１に、例えば可視白色光
Ｌ_１がほぼ垂直に照射される。この可視白色光Ｌ_１は、
試料面１６_１の平坦な表面（凸部分）と溝３６の底（凹
部分）とでそれぞれ反射される。そのため、試料面１６
_１の表面で反射された反射光Ｌ_２１と溝３６の底で反射
された反射光Ｌ_２２との間には、溝深さに相当する位相
差が生じ、反射光Ｌ_２はある特定の波長で強め合った
り、弱め合ったりして、干渉光を生ずる。

測定領域内における溝の占める面積割合が比較的大きい
場合に、このような反射光Ｌ_２のスペクトルを測定した
結果を第６図(a)に示す。同図より明らかなように、ス
ペクトルの強度分布は波長λに応じて周期的に変化して
おり、この変化の山と谷との距離Ｈが溝３６の深さに対
応している。

＜発明が解決しようとする問題点＞ところで、上述したような試料に形成される溝は、試料
として用いられる例えば、シリコンウエハなどでは、測
定領域内にある溝の底面積を合算しても、その面積が測
定領域の面積に比べて相当に小さく、１０％以下になる
ことが多い。このような試料を、上述した従来の方法に
よって測定すると、反射光の大部分は試料表面における
溝のない平坦な部分で正反射された光になり、試料面に
おける微小高低差の影響による干渉光の全反射光に占め
る比率は非常に少なくなる。そのため、このような試料
面からの反射光を分光すると、第６図(b)に示すよう
に、そのスペクトルは、各波長における強度を平均した
平均強度が高く、山と谷との強度差である振幅が小さく
なり、換言すれば、平均強度に対しての振幅の大きさ
（以下、コントラストと称する）が低い信号しか得られ
ず、溝深さを正確に測定できなくなる。なお、溝の占め
る面積比の大きい第６図(a)のスペクトルの方が、同面
積比の小さい同図(b)よりも、その強度が低下している
が、これは、溝での光の回折光が多くなって、試料面か
らの反射光を集光する光学系に入射する光が少なくな
る。

そこで、実パターン（例えば、溝型キャパシタとして利
用されるパターン）が形成されている試料面上の一部の
区画を、溝部の面積比率の高いテストパターンに変更し
て、このテスト用のパターンを上述した方法で測定する
ことによって、実パターンでの溝深さを推定するという
方法が提案されている。しかし、実際の素子として利用
されないテスト用のパターンをシリコンウエハ面に形成
すると、その分け無駄な面積が増えるから、高密度化を
目指す半導体装置にとって不都合である。しかも、テス
ト用パターンと実パターンとの面積比率が異なると、製
造工程において両者の溝深さに差異を生じ易いため、た
とえテスト用のパターンの溝深さを正確に測定しても、
その測定結果から実パターンの溝深さを正確に知ること
ができないという問題点がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであっ
て、試料面に形成される凹凸の密度が低いものであって
も、テスト用のパターンを試料面に形成することなく、
実パターン自身の微小高低差を正確に測定することがで
きる微小高低差測定装置を提供することを目的とする。

＜問題点を解決するための手段＞上記目的を達成するために、本発明は、白色光を出射す
る光源と、この光源からの前記白色光を試料面へほぼ垂
直に照射する偏向手段と、前記試料面に照射された前記
白色光の反射光を集光する集光用光学系と、その集光用
光学系によって集光された前記試料面からの反射光を分
光する分光器と、この分光器で分光された光のスペクト
ルを検知する検知手段と、を備え、前記試料面の段差部
での微小高低差を測定する装置において、前記偏向手段は、中央部が前記光源からの白色光を前記
試料面に対してほぼ垂直方向に反射する全反射領域、周
辺部が透過領域である部材を用い、前記全反射領域を前
記集光用光学系の光軸上に配置したことを特徴とする。

＜作用＞本発明によれば、光源からの白色光が偏向手段の全反射
領域で反射されて試料面にほぼ垂直に照射され、その照
射光に対する試料面からの反射光のうちの正反射光が、
偏向手段の全反射領域によって遮光されるので、分光器
は主として段差部で回折した光を分光する。従って、検
知手段は段差部からの光のスペクトルを主として測定す
るので、これに基づいて、実パターン自身の微小高低差
を高精度で測定する。

＜実施例＞以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図は本発明の実施例に係る測定装置の要部を示した
概略図であり、第２図はその全体の概略図である。

この実施例装置は、通常の落射照明型の顕微鏡２、分光
器４からなる分光顕微鏡およデータ処理部６等から構成
されている。

光源８から照射された可視白色光は、特殊ミラー４０で
反射されて後述する対物レンズ１２を通過し、ステージ
１４上にセットされたシリコンウエハ等の試料１６の表
面に達し、その表面で反射される。反射光は再び対物レ
ンズ１２を通過し、さらに特殊ミラー４０、結像レンズ
１８などを経て、分光器４の入射ピンホール２０に入射
する。入射ピンホール２０は光軸上に位置しており、試
料面を結像関係にあることから、光軸と交わる試料面の
ほぼ一点から出た光が、入射ピンホール２０を通過して
凹面回折格子２２に達する。

反射光を入射した凹面回折格子２２は、入射した光を分
光し、そのスペクトルは、１次元固体撮像素子（ＣＣ
Ｄ）２４の光電変換手段によって、電気信号に変換され
る。この電気信号が、データ処理部６に与えられ、適宜
に演算処理されて微小高低差が算出され、その結果がＣ
ＲＴ２６やプリンタ２８に出力される。なお、第２図に
おける符号３０は視野絞り、３２は接眼鏡、３４はシャ
ッター、３５は開口絞りを示している。

前記光源８は、可視白色光を照射する白色光ランプを用
い、前記対物レンズ１２は、試料面からの反射光を集光
するための集光用光学系としての機能の他に、光源８か
らの可視白色光を試料面に照射する照明用光学系を兼用
する。なお、光源８に付設の開口絞り３５は、その開口
数を、対物レンズ１２の開口数よりも小さく設定するこ
とによって、対物レンズ１２から射出する可視白色光の
光束の拡がりが、試料面からの反射光の対物レンズに入
射する光束の拡がりよりも狭くなるようにしている。具
体的には、光源から照射された可視白色光のこの開口絞
りの位置における光束径が３mmになるように調整してい
る。

第１図(b)は、前記特殊ミラー４０を平面視した図であ
る。特殊ミラー４０は、その中央部を光が全反射する鏡
面にすることによって、この中央部を特殊ミラー背後に
対して遮光性にしたもので、すなわちガラス板の中央部
に、アルミニウム膜などによって小さな全反射領域４２
を形成した構造になっている。この特殊ミラー４０は、
対物レンズ１２と分光器４との間で、かつ対物レンズ１
２の光軸が全反射領域４２を通過する位置に配置され
る。なお本実施例においては、対物レンズ１２と結像レ
ンズ１８との間に特殊ミラー４０が配置されている。特
殊ミラー４０は水平に入射した可視白色光Ｌ_４を鉛直に
反射させるために、入射光に対して４５度の角度に取り
付けられる。このような取り付け状態で、入射方向から
全反射領域４２を見たとき、全反射領域４２が円形にな
るように、長径が約４．２mm、短径が３mmの楕円形状に
形成されている。なお、特殊ミラー４０における全反射
領域４２以外のところは、透過性を有していればよく、
ハーフミラーとなっていても、かまわない。

一方、前記のように白色光を試料面に照射する照明用光
学系を兼ねた対物レンズ１２は、焦点距離が９mmで、そ
の光軸が試料面に対してほぼ垂直になるように設定され
ている。

次に、上述した構成を備えた実施例の作用を説明する。

光源から照射された可視白色光Ｌ_４は、特殊ミラー４０
の全反射領域４２によって反射されて対物レンズ１２に
入射し、収束されて試料面１６_１に照射される。試料面
１６_１に照射された可視白色光Ｌ_４のうち、平坦面に照
射された可視白色光Ｌ_４は正反射される一方、溝３６の
周辺に照射された可視白色光Ｌ_４は回折されて戻ってく
る。試料面１６_１で正反射された光は、対物レンズ１２
の光軸中心付近を通過して、特殊ミラー４０に入射す
る。正反射光が入射する部分には、全反射領域４２が形
成されているから、前記正反射光はこの領域で遮光され
て、ミラー背後（分光器４側）へは伝わらない。

一方、試料面１６_１で回折されて戻ってきた回折光は、
正反射光の周辺にも広く分布するから、全反射領域４２
でほとんど遮交されることなく、特殊ミラー４０を通過
する。特殊ミラー４０を透過した回折光は、結像レンズ
１８で収束されて、分光器４の入射ピンホール２０に入
射する。

なお、本実施例では、正反射光を遮光する遮光手段であ
る特殊ミラー４０に、光源８からの可視白色光を試料面
へほぼ垂直に照射するように反射する偏向手段の機能を
兼用しているので、遮光手段と偏向手段を個別に設ける
場合に比較して、部品点数が削減できて好都合である。

次に、本発明の対比のために例示した装置であって、光
源からの照射光を試料面に導く手段として、一般的に用
いられているハーフミラーを用いて構成された装置につ
いて説明する。

第３図は、本発明の対比のために例示した測定装置の要
部を示した概略図である。

この装置は、上記したように前記特殊ミラー４０を後述
するハーフミラー１０に代え、試料面１６_１からの正反
射光を遮光する機能を除去し、別に試料面１６_１からの
正反射光を遮光する手段として、中央部を遮光性にした
ガラスマスク４６を用いている。

ところで、通常の顕微鏡では、対物レンズの後側焦点
は、対物レンズの内部か、もしくはその近辺にある。仮
に、前述したガラスマスクを、対物レンズの後側焦点位
置にセットすれば、その対物レンズに入射した照明光
（可視白色光）自体が遮光されて、試料面に照射されな
くなるので、不都合である。一方、対物レンズの後側焦
点を結像関係にある位置にセットしようとすれば、この
位置は試料面が結像する分光器の入射ピンホールよりも
更に高い位置にあるから、このような位置にガラスマス
クをセットすることはできない。そこで、この装置で
は、ガラスマスクをセットする適当な位置を後述するレ
ンズ系を設けることによって、作り出している。

即ち、結像レンズ１８の後側焦点以降にレンズユニツト
４４を配置することによって、対物レンズ１２の後側焦
点の結像位置を設定し、この位置にガラスマスク４６を
セットしている。このガラスマスク４６は、全透過性の
ガラス板の中心位置に、直径が１mmの遮光性膜４８が形
成されている。ガラスマスク４６の上方には、レンズユ
ニツト５０が配置され、このレンズユニツト５０で収束
された光が分光器４の入射ピンホール２０に入射するよ
うになっている。なお、この装置において、対物レンズ
１２の口径は１０mm、焦点距離は９mm、結像レンズ１８
の焦点距離は１８０mm、レンズユニツト４４の焦点距離
は５０mm、レンズユニツト５０の焦点距離は１５mmにそ
れぞれ設定されている。

次に、上述した構成を備えた装置の作用を説明する。

開口絞り３５の位置での光束径が３mm程度になるように
開口絞りで調整された可視白色光Ｌ_４は、偏向手段とし
てのハーフミラー１０で鉛直下方に反射され、対物レン
ズ１２を通って試料面１６_１に達する。試料面１６_１か
らの反反射光と回折光は、対物レンズ１２、ハーフミラ
ー１０、結像レンズ１８、レンズユニツト４４を通って
ガラスマスク４６に達する。ガラスマスク４６に達した
正反射光は、ガラスマスク４６の遮光性膜４８で遮光さ
れるが、この正反射光の周囲に分布している回折光は、
遮光性膜４８の周囲の透過性部分を通過し、レンズ５０
を通って入射ピンホール２０に入射する。

この装置は、本発明の実施例で説明したような特殊なミ
ラーを用いないで、通常のハーフミラーを使用している
ため、本発明の実施例に比較して製作が容易であるが、
分光器へ届く光がハーフミラーを通るため、やや光量低
下を引き起こす。

これに対し、本発明の実施例は光量低下を起こさない点
で好ましい。

第４図は、上述した本発明の実施例によって分光器に入
射した回折光を分光して得られたスペクトルの分布を従
来例として比較して示した図である。実施例のスペクト
ル分布は実線、従来例のそれは破線でそれぞれ示されて
いる。特に、同図(a)は穴の開口径が１．５μｍ、深さ
が４μｍで、穴の占有面積率が８％の試料を測定した場
合、同図(b)は同じ穴形状で穴の占有面積率が４０％の
試料を測定した場合のスペクトル分布をそれぞれ示して
いる。第４図から明らかなように、本実施例では全反射
光に占める試料面段差部での回折光の割合が高いから、
そのスペクトルは干渉光の影響を従来例のそれよりも強
く受けた光のスペクトルを測定することになる。そのス
ペクトルは、山と谷との強度差である振幅を小さくせず
に、各波長における強度を平均した平均強度を低く押さ
えた特性となるので、平均強度を低くしたことによって
コントラストが高まる。

なお、上述の実施例では、可視白色光を発する光源を使
用したが、本発明は必ずしもこのような光源を使用する
ものに限らず、連続したスペクトルを持った光を照射す
る光源であれば足り、その波長域も可視光に限定しな
い。

また、光源は連続したスペクトルを持つ光を同時に照射
するものに限らず、例えば、波長が連続的に変化する光
を照射するものであってもよい。

なお、上記実施例では、凹面回折格子２２からなる分光
器４を構成したが、凹面回折格子２２の代わりにプリズ
ムを使用してもよく、あるいは、そのような波長分光方
式によってスペクトルを測定する代わりに、干渉分光方
式によってスペクトルを測定するようにしてもよい。

また、本発明においては、試料面に白色光を照射するの
を、試料面に対してほぼ垂直にする必要があるが、必ず
しも完全に垂直にすることを要さず、試料面の凹部の底
まで白色光を照射できるのであれば、その範囲内にて垂
直よりややずれてもかまわない。

さらに、上記実施例では、溝の深さを測定したが、平坦
な面に一部高くなった凸部の高さを測定するのにも、適
用できる。

＜発明の効果＞以上の説明から明らかなように、本発明に係る微小高低
差測定装置によれば、微小段差部の面積比率が小さい試
料であっても、試料面の段差部による干渉光の占める割
合が高いので、そのスペクトルは干渉光の影響を強く受
けるから、スペクトルの信号に含まれる微小段差部の微
小高低差の信号の割合が高く、それだけコントラストが
高くなる。このため、従来例のようにテストパターンを
用いなくとも、実際のパターンの微小高低差を精度よく
測定することができる。

また、本発明によれば、光源からの白色光を偏向手段の
全反射領域で反射して試料面に導くので、例えば、光源
からの白色光をハーフミラーで試料面に導く場合に比べ
て、光量の低下が少なくなり、最終的に分光器に入射さ
れる反射光の光量低下が少ないので、微小高低差を精度
よく検出することができる。さらに、試料面からの正反
射光を遮光する手段を、光源からの白色光を試料面に導
く偏向手段で兼用した構成であるので、部品点数を減ら
すことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る測定装置の要部を示した
概略図、第２図はその全体概略図、第３図は本発明の対
比のために例示した測定装置の要部を示した概略図、第
４図は前記実施例によって得られたスペクトルの分布例
と従来例によって得られた分布例との比較図、第５図は
本発明および従来例に共通する試料面での反射状態を示
した説明図、第６図は従来例の作用説明図である。２……落射型顕微鏡、４……分光器、１２……対物レンズ、１６……試料、２４……ＣＣＤ、４０……特殊ミラー、４６……ガラスマスク。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】白色光を出射する光源と、この光源からの
前記白色光を試料面へほぼ垂直に照射する偏向手段と、
前記試料面に照射された前記白色光の反射光を集光する
集光用光学系と、その集光用光学系によって集光された
前記試料面からの反射光を分光する分光器と、この分光
器で分光された光のスペクトルを検知する検知手段と、
を備え、前記試料面の段差部での微小高低差を測定する
装置において、前記偏向手段は、中央部が前記光源からの白色光を前記
試料面に対してほぼ垂直方向に反射する全反射領域、周
辺部が透過領域である部材を用い、前記全反射領域を前
記集光用光学系の光軸上に配置したことを特徴とする微
小高低差測定装置。
【請求項２】偏向手段は集光用光学系の光軸に対して４
５゜で配置され、全反射領域の形状が楕円形に形成され
たことを特徴とする特許請求の範囲第１項の微小高低差
測定装置。
【請求項３】開口数が集光用光学系より小さい開口絞り
を光源に付設したことを特徴とする特許請求の範囲第２
項の微小高低差測定装置。