JPH07218234A - 微細パターンの寸法測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ＩＣパターンなどのサブミクロン領域の寸法を
光学的手段で高精度に測定する方法を提供すること。 【構成】基板上に形成された斜面部を有するパターンに
おいて、基板とパターンからの反射光強度が等しくなる
ように照射レーザ光の焦点制御を行い、反射光強度信号
の最小強度位置及び最小強度値を検出する。最小強度位
置からパターンの斜面中央位置を検出すると共に、最小
強度値から斜面幅を検出する。斜面中央位置と斜面幅情
報からパターンのエッジ位置を検出して寸法を測定す
る。 【効果】パターンの斜面形状に依存しないで高精度にエ
ッジ位置の検出ができると共に、簡素なソフトウエアー
でよいため生産ラインでのインライン計測に適してい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体素子などの微細パ
ターンの形状、寸法を光学的に測定する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣの製造工程においては、ウエハーま
たはマスク基板上に形成されたパターンの線幅測定が重
要である。最近の半導体の高集積化に伴いパターン線幅
はサブミクロンの領域に達しているが、線幅測定には電
子顕微鏡、レーザなどの光波を用いる方法が多く用いら
れている。しかし、生産ラインでの線幅測定には自動計
測化が容易となる光波を用いる方法が有利である。その
ため、初期には白色光源を用いてパターンを拡大して検
出するＴＶカメラ方式が用いられてきたが、測定の分解
能に限界があることなどから、最近ではレーザ走査顕微
鏡（ＬＳＭ）が多く用いられるようになってきた。ＬＳ
Ｍは微少スポットに集光したレーザ光をパターン面上で
走査し、パターンからの反射光強度を検出してパターン
像を得る方法である。ＬＳＭはハードウエアーとしては
像検出のコントラスト特性、Ｓ／Ｎ比が高いこと、分解
能が高いことなど、ＴＶカメラ法に比べて多くの特徴が
あるが、ＩＣパターンなどのサブミクロン寸法測定に応
用するときは、パターンエッジを検出するときのソフト
ウエアーが重要になる。

【０００３】図２にＩＣパターンの一般的な形状例を示
す。２１はアルミニューム（Ａｌ）あるいはポリＳｉな
どから成る基板部、２２はレジスト膜、２３はレジスト
膜の斜面部である。このようにＩＣの場合はパターン断
面形状は理想的な垂直ではなく、一定の斜面部を持った
形状であり、斜面部２３の下面エッジ２４、２５の間の
距離Ｄがパターン寸法である。サブミクロンのパターン
寸法の場合、斜面幅は０．１〜０．２μｍ程度である
が、この斜面幅が寸法測定にとって重要なファクターに
なる。ここで、基板部２１は高反射率、レジスト膜２２
は低反射率の部材から構成されていると共に、基板部２
１とレジスト膜２２の段差は照射レーザ光の焦点深度よ
りも大きい場合を仮定する。このパターンの場合に、パ
ターン上方からレーザ光を照射したときには、斜面部２
３は照射レーザ光に対して散乱体、基板２１とレジスト
膜２２は反射体となり、反射光強度は斜面幅、基板２１
とレジスト膜２２の段差、二つの部材の反射率、及び照
射レーザ光の焦点設定位置に応じて変化する。

【０００４】図３に前述したＬＳＭにより微小スポット
のレーザ光をパターン面上で走査したときに得られる反
射光強度信号波形を示して従来の寸法測定方法を説明す
る。例えば照射レーザ光の焦点位置を基板２１の面上に
設定した場合、反射光信号波形３１は、基板部２１で強
度が強く、斜面部２３での散乱によって反射光強度が低
下し、レジスト膜２２の上面で再び強度が増加する。こ
の波形３１に対して最大強度と最小強度の中間強度（５
０％強度）となる位置３２、３３を決定して２値化処理
を行う。この２値化された位置３２、３３を第２図に示
したパターンのエッジ位置２４、２５と定義し、その２
点間を走査したときの走査距離からパターン寸法を測定
する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】パターンからの反射光
強度信号波形の形状、強度レベルは、基板２１とレジス
ト膜２２の反射率と表面粗さ、レジスト膜２２の段差、
さらには斜面部２３の形状（幅）に応じて変化する。こ
れら各種の要因のなかで反射光強度信号に最も大きな影
響を及ぼすのは斜面部２３の幅である。それは斜面部２
３が散乱体となるため、斜面部２３において反射光強度
低下が最も大きくなるためである。パターン寸法Ｄが一
定の場合、斜面幅が広い場合には反射光強度の低下が大
きくなり、逆に斜面幅が狭い場合には反射光強度の低下
が小さくなる。そのため、反射光強度の２値化処理を行
う従来方法では、中間強度位置は斜面幅によって大きく
変化するため、２値化法で検出されたパターンエッジ位
置は本来のエッジ位置とは一致しなくなり正確な寸法測
定ができなくなるという問題点が生じる。本発明は上記
問題点を解決し、斜面幅の影響を受けずに高精度に寸法
を測定する新規な寸法測定方法を提供することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ため、本発明は次の方法からなる。レーザ光源から放射
されたレーザ光をビーム走査手段により寸法が測定され
る微細パターン上に照射して走査し、該パターンからの
反射光強度変化を検出して該微細パターンの寸法を測定
する寸法測定方法において、前記微細パターンが基板部
に対して段差と共に斜面部を有する形状の場合、基板部
とパターン部からの反射光強度が等しくなるように照射
レーザ光の焦点位置を制御し、その焦点位置でパターン
上を走査して反射光強度信号を作成し、該反射光強度信
号の極値強度位置を検出してパターン斜面部の中央位置
を検出すると共に、前記反射光強度信号の極値強度の大
きさを検出し、予め設定された極値強度とパターン斜面
幅の関係を表す参照データによりパターン斜面幅を検出
し、前記斜面中央位置と斜面幅の二つのデータからパタ
ーンのエッジ位置を検出して微細パターンの寸法を測定
するものである。

【０００７】

【作用】基板部に対して段差と斜面部を有し、基板部と
は異なる反射率から成るレジスト膜において、基板部と
レジスト膜からの反射光強度が互いに等しくなる高さ方
向位置に照射レーザ光の焦点制御を行う。この照射条件
でレーザ光をパターン面上で走査すれば、ガウス強度分
布をもつレーザ光の強度最大部が斜面の中央部に照射さ
れた走査位置で斜面部からの光散乱が最大になり、反射
光強度が最小になる。したがって反射光強度信号の最小
（極値）強度位置からレジスト膜斜面の中央位置を決定
することができる。この最小強度位置はパターンを構成
する部材の反射率、斜面幅などには依存しない。

【０００８】一方、反射光強度信号の最小強度は斜面幅
に応じて変化し、斜面幅が広くなるにしたがって最小強
度値は低下する特性がある。このとき、照射レーザ光の
強度分布、スポット径に応じて斜面幅と最小強度は非線
形的に変化するが、両者は固有の関数関係にある。した
がって、反射光強度信号の最小強度値を検出することで
レジスト膜の斜面幅を測定することができる。そこで、
レジスト膜斜面の中点位置と斜面幅の二つのデータから
パターンのエッジ位置を正確に検出し、二つのエッジ間
を走査した距離から微細パターンの寸法を測定する。

【０００９】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。図１は本発明の寸法測定方法を示すブロック
図である。１０はレーザ光源で、例えばＨｅ−Ｎｅレー
ザ等から構成され、直線偏光を有するレーザ光１００を
放射する。１１は偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）
で、反射光検出の際の光路変換を行う。ＰＢＳ１１を透
過したレーザ光はビーム走査手段１２に入射する。ビー
ム走査手段１２は例えば音響光学偏向素子（以下にＡＯ
と略記する）からなり、走査ドライバー１２０からの駆
動信号に応じてレーザ光の走査を行う。１１０は対物レ
ンズで、走査されるレーザ光１０５を微少なスポットに
集光して寸法が測定される微細パターン１３の面上に照
射する。なお、パターン１３は第２図に示した構成であ
る。パターン１３からの反射光は再度ＡＯ１２を透過し
てＰＢＳ１１で反射され、集光レンズ１３０を介して受
光器１４にて検出される。反射光１４０はＡＯ１２を再
透過することによって、照射レーザ光がパターン１３の
面上のどの位置を走査していても常に受光器１４の一定
位置に入射するため、走査定点位置での検出が可能にな
る。したがって、受光器１４の面上に一定幅をもつスリ
ットを張り付け、反射光の強度分布の中央部を含む一部
の範囲の強度のみを検出すれば共焦点型のレーザ走査顕
微鏡の構成になる。この構成では、反射光強度の全体を
検出する非共焦点型の検出と比べて面内分解能を上げる
ことが可能になる。

【００１０】１５はフォーカス制御部で、パターン１３
の基板部２１からの反射光強度とレジスト膜２２からの
反射光強度を検出し、両者からの反射光強度が等しくな
るように照射レーザ光の焦点位置を制御する。この焦点
制御はパターン１３を光軸方向（Ｚ方向）に移動させる
Ｚステージ１５０を介して行う。１６は反射光強度信号
作成部で、フォーカス制御されたレーザ光をパターン１
３の面上で走査し、走査の各点で検出された反射光強度
データをメモリー回路に記憶し、走査の一周期に対応し
た反射光強度信号を作成する。１７は極値強度位置検出
部で、反射光強度信号の強度が極値（最小）となる位置
を検出する。この極値となる位置はパターン１３の斜面
中央部に相当する。１８は極値強度検出部で、反射光強
度の極値位置での強度を検出するもので、この極値強度
はパターン斜面幅に関する情報を含んでいる。１８０は
極値強度と斜面幅の相関を表す参照データ部で、メモリ
回路に予め記憶されている。１９は寸法算出部で、参照
データをもとにして極値強度から斜面幅を決定すると共
に、斜面中央位置と斜面幅の情報からパターンのエッジ
位置を決定し、二つのエッジ間を走査した距離から寸法
を測定する。以上のように本発明による寸法測定方法
は、パターンのエッジ位置を直接に検出することなく、
斜面部の情報を検出することで間接的にパターンのエッ
ジ位置を測定するものである。

【００１１】図４に本方法による反射光強度信号例を示
してパターン中央位置を検出する原理を説明する。図４
（ａ）にパターンの斜面中央部にレーザ光が照射された
状態を示す。一般にはＩＣパターンの基板２１とレジス
ト膜２２には１μｍ程度の段差ｈがあり、また、各部材
の反射率ｒ１，ｒ２は互いに異なる。本例では段差ｈは
照射レーザ光の焦点深度以上、反射率はｒ１＞ｒ２を仮
定する。４１は照射レーザ光で、その強度分布はガウス
型分布である。このようなパターンに対して照射レーザ
光４１の焦点位置を設定するとき、焦点位置は反射率
差、段差に応じて設定する必要がある。本発明では基板
２１とレジスト膜２２からの反射光強度が互いに等しく
なるように焦点位置を設定する必要があるが、本例では
基板２１からの高さがｄの位置に焦点設定する場合を示
す。照射レーザ光４１をこの焦点位置で走査したとき、
強度最大部４１０が斜面中央部に照射される偏向状態の
場合に斜線で囲んだ領域４２からの散乱光強度が最大に
なる。また、領域４２以外の基板２１に照射されている
領域４２２及びレジスト膜２２に照射されている領域４
２４からの反射光強度は等しい。そのため、この偏向位
置では受光器で検出される反射光強度が最小になる。

【００１２】図４（ｂ）に前述の焦点位置に設定したと
きに得られる反射光強度信号波形例を示す。縦軸は反射
光強度、横軸は照射ビームの走査位置（距離）である。
反射光強度信号４３は位置４４及び４５において最小強
度をとる。この反射光強度信号４３において反射光強度
４３２、４３６は照射ビーム４１が基板２１の面上を走
査しているとき、また、反射光強度４３４は同じくレジ
スト膜２２の面上を走査しているときに得られ、それら
の強度は互いに等しい。このように、基板２１とレジス
ト膜２２からの反射光強度が等しくなるという条件のも
とで、最小強度位置４４、４５とレジスト膜２２の斜面
中央位置を一致させることができる。このとき、最小強
度位置は斜面幅に依存しないという特徴がある。以上の
説明で明かなように、本測定方法では反射光強度の強い
領域は検出対象とせず、最小強度位置を検出するため、
例えば基板２１などの表面粗さによる反射光強度の変動
の影響を受けない。また、各部材の反射率の変動の影響
も受けない。

【００１３】図４（ｃ）に比較のために、照射レーザ光
の焦点位置を基板２１に設定した場合の例を説明する。
反射光強度信号４６は位置４７、４８で最小強度とな
る。このとき、強度４６２及び４６６は照射レーザ光４
１が基板２１を走査しているときに得られ、強度４６４
は同じくレジスト膜２２上を走査しているときに得られ
る。本例では最小強度位置の両側の強度レベルが異なる
ため、もはや最小強度位置と斜面中央部とが一致しなく
なる。それは、図４（ａ）に示した照射状態において反
射率がｒ１＞ｒ２の場合を考えると、斜面からの散乱光
強度が最大になっても、基板２１の面上に照射されてい
る領域４２２とレジスト膜２２に照射されている領域４
２４からの反射光強度が異なり、かつ基板２１からの反
射光強度の寄与が大きいためである。そのため、反射率
がｒ１＞ｒ２のときには、照射レーザ光の最大強度部４
１０がさらに右側のレジスト膜２２の面上に照射された
偏向状態で最小強度が得られることになる。したがって
最小強度位置は各部材の反射率、斜面幅によって異な
り、焦点の設定位置に応じては反射光強度信号の最小強
度位置と斜面中央部が一致するとは限らない。そのため
に領域４２２と４２４からの反射光強度が等しくなるよ
うに照射レーザ光の焦点制御を行うことが重要である。

【００１４】パターン寸法を測定するにはパターン斜面
中央部の情報だけでなく、斜面幅に関する情報も必要で
ある。次に斜面幅を測定するときの方法を説明する。図
５に示した曲線５１は反射光強度信号の最小強度値（規
格化強度）と斜面幅の相関を表したもので、斜面幅が広
くなるにしたがって最小強度値は低下する。このとき斜
面幅の変化に対して最小強度値は非線形に変化する特性
を持つ。それは照射レーザ光の強度分布がガウス型であ
るためで、散乱光強度はガウス分布が積分された形で変
化するためである。そこで、曲線５１のデータを参照デ
ータとしてメモリー回路に記憶しておき、測定した最小
強度値から斜面幅を決定する。斜面中央位置と斜面幅が
求められればパターンのエッジ位置が決定され、エッジ
間を走査したときの距離から寸法が測定できる。なお、
最小強度値はパターンを構成する部材の反射率に応じて
も変化するため、測定対象とする部材の反射率に応じた
参照データを準備することが必要である。

【００１５】以上に述べた寸法測定方法による寸法測定
精度は主としてレーザ光の走査精度に依存する。高精度
の走査を行うために、ビーム走査手段１２としてＡＯを
用いるのがよい。ＡＯを用いた走査光学系で走査距離を
２０μｍに設定したとき、走査を制御する電気信号を１
／２０００のステップに分割すれば、０．０１μｍの走
査ステップでレーザ光を走査することができる。この場
合には±０．０１μｍ精度での最小強度位置検出が可能
である。

【００１６】

【発明の効果】上記のごとく本発明はサブミクロン領域
の微細パターンの斜面による光散乱効果を利用し、斜面
中央位置と斜面幅を測定してパターンエッジ位置を検出
するもので、斜面形状に依存しないで精密な寸法測定が
可能である。このエッジ検出においては、反射光強度信
号の最小強度位置及び最小強度値のみを検出対象とする
ため簡易なソフトウエアーでよく、高速な測定が可能
で、生産ラインでのインライン計測に適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の寸法測定方法を説明するシステムブロ
ック図である。

【図２】本発明に適用されるＩＣパターンの形状例を説
明する図である。

【図３】従来の方法による反射光強度信号波形例で、２
値化法によるエッジ検出法を説明する図である。

【図４】本発明による斜面中央位置を検出する方法を説
明する図で、（ａ）は斜面中央部にレーザ光が照射され
た例、（ｂ）はそのとき得られるの反射光強度信号波形
例、（ｃ）は比較のために示した反射光強度信号波形例
である。

【図５】本発明による反射光強度信号の最小強度と斜面
幅の相関を示す図である。

【符号の説明】

１０ レーザ光源 １２ ビーム走査手段 １５ フォーカス制御部 １７ 極値強度位置検出部 １８ 極値強度検出部 １９ 寸法算出部 ２１ パターンの基板 ２２ パターン部 ２３ パターンの斜面部 ４１ 照射レーザ光

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光源から放射されたレーザ光をビ
   ーム走査手段により寸法が測定される微細パターン上に
   照射して走査し、該パターンからの反射光強度変化を検
   出して該微細パターンの寸法を測定する寸法測定方法に
   おいて、前記微細パターンが基板部に対して段差と共に
   斜面部を有する形状の場合、基板部とパターン部からの
   反射光強度が等しくなるように照射レーザ光の焦点位置
   を制御し、その焦点位置でレーザ光をパターン上で走査
   して走査の一周期で反射光強度信号を作成し、該反射光
   強度信号の極値強度位置を検出してパターン斜面部の中
   央位置を検出すると共に、前記反射光強度信号の極値強
   度の大きさを検出し、予め設定された前記極値強度とパ
   ターン斜面幅の関係を表す参照データによりパターン斜
   面幅を検出し、前記斜面中央位置と斜面幅の二つのデー
   タからパターンのエッジ位置を検出して微細パターンの
   寸法を測定することを特徴とする微細パターンの寸法測
   定方法。