JPH0744206B2 - 微細溝の検査方法 - Google Patents

微細溝の検査方法

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JPH0744206B2
JPH0744206B2 JP30745286A JP30745286A JPH0744206B2 JP H0744206 B2 JPH0744206 B2 JP H0744206B2 JP 30745286 A JP30745286 A JP 30745286A JP 30745286 A JP30745286 A JP 30745286A JP H0744206 B2 JPH0744206 B2 JP H0744206B2
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【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は微細溝における深さ等を検査する方法に関し、
例えば超LSIの製造工程において半導体ウェハーに作製
する微細溝の深さを検査マークを用いて非破壊的に検査
する方法に関する。
<従来の技術> メガビッド級のダイナミックRAM等を実現するために、
従来の2次元的な素子形成の枠組みを越えて3次元的な
素子形成技術が開発されつつある。その一例として、従
来のシリコン表面に素子を形成する方法に代わってシリ
コン表面に微細な溝を形成し、これを容量として利用し
たり、また溝側面にも素子を形成することにより、実効
的な表面積を増加させる方法がある。このような方法に
おいて形成されるシリコン溝の典型的な寸法は幅、数10
0nm、深さ、数μmであり、溝のアスペクト比は(溝深
さと溝幅の比)5から10にも達する。
処で上記のような微細溝を使用して超LSIを製造する工
程の歩留を確保するためには、この溝の深さを正確に測
定し、そのデータに基づいて工程管理を行う必要があ
る。
<発明が解決しょうとする問題点> 溝の深さを測定する方法として、従来から触針式表面荒
さ測定装置が用いられている。触針式測定装置の場合、
触針の先端の曲率半径が数μ程度であるため、開口幅の
狭い溝には触針が入らず、深さの測定が不可能である。
また溝が形成された表面を針が直接接触するため汚染は
避けられない。
更に他の測定方法として、基板を溝部分で割りその断面
を走査電子顕微鏡写真に撮る方法が、実験レベルではよ
く行われているが、これは破壊検査であり、超LSIの製
造工程において製品化を損うことなく適宜に実施する検
査としては用いることができない。
上記のような測定方法に対して、非接触で測定する方法
も考えられる。非接触で測定するためには、原理的に
は、表面の反射分光スペクトルを測定し、溝の底部と上
部からの反射光の干渉信号を解析すれば良い。しかし被
測定対象である半導体ウェハー等の基板面は、表面にエ
ッチングマスク等の被膜が形成されているだけでなく、
溝の分布も一定せず、反射分光スペクトルによる非破壊
測定方法を実際の半導体製造工程のウェハーに適用する
ためには、次の問題がある。
(1)溝の深さに対応する干渉信号と、ウェハーの溝周
辺に被着したマスク膜厚とマスク膜厚プラス溝の深さに
対応する干渉信号等との分離が容易でない。
(2)ウェハー表面での溝の配置と密度は、生産する集
積回路装置の種類によって異なる。このため、マスクと
溝からの信号の強度比が多様になり信号解析が難しい。
(3)ウェハー表面での溝の密度が小さい場合は、溝か
らの干渉信号の強度が十分に得られない。
<問題点を解決するための手段> 本発明は上記微細溝の深さ測定方法の問題点に鑑みてな
されたもので、例えば半導体ウェハーに集積回路を作製
する工程で該設した微細溝の深さを測定する方法に関す
る。
この種の微細溝の深さ等を検査するために次の要件を備
える必要がある。
(1)エッチング直後のマスクとなる膜の(シリコン酸
化膜等)付着した状態で検査することが可能でなければ
ならない。
(2)ウェハー上に設けることのできる微細溝の溝幅に
制限がある。よって、概ね、2.0μ幅以下の開口幅の溝
で測定を行う必要がある。
(3)ウェハーの汚染を防ぐために非接触測定であるこ
とが望ましい。
従って本発明は、被検査物に形成した溝周辺の微小領域
を顕微分光装置を用いて分光スペクトルで測定し、これ
を数値解析して微細な溝の深さ等を検査する際に、検査
対象になる基板の非主要領域に、主要領域の溝形状とほ
ぼ同じ形状の溝を検査マークとして、主要領域の溝分布
の密度に拘わらず最適化した密度で形成して主要領域に
形成する溝に関する検査情報を形成する。
<作 用> 被検査対象の基板主要部に作製する溝は、例えば集積回
路のパターンに応じて分布密度が必ずしも一定ではな
く、従って反射分光スペクトルが常に検査に充分な強度
で得られるとは限らない。しかし基板上の非主要領域を
利用して検査に適合する密度をもって溝を予め形成し、
これを検査マークすることにより、主要領域の溝に拘わ
らず検査マーク部からの反射光によって非破壊的に基板
面の溝を検査することができる。
<実施例> 本実施例の理解を容易にするため、先ず顕微分光装置と
マイクロコンピュータで行なう数値解析法を組み合せた
溝深さの測定装置を、半導体ウェハーに作製した溝の深
さ測定に適用した場合を挙げて説明する。溝深さの測定
は、半導体ウェハーからの反射分光スペクトルを周波数
解析し光学行路差を算出して行なう。
第1図は測定装置の概要を示し、光源1から出た光は顕
微鏡のレンズ系を通して半導体ウェハー基板2上に集光
される。基板2からの反射光は顕微鏡に含まれたレンズ
系とスリット3を通して回折格子4に導かれ分光され
る。分光強度の測定は多チャンネル型の受光素子5を用
いて機械的走査なしに一度に行う。このような受光素子
5を利用した測定は、従来の方法に比べて、(1)分光
時間が短い(演算を含め3秒以内)、(2)情報の利用
効率が高い(明るい)、という長所を持っている。本実
施例では400nmから800nmの領域を約400チャンネルの直
線型多チャンネル受光素子を用いる。受光素子5で得ら
れた信号は、デジタル化された後、コンピュータ6に送
られ演算処理される。
シリコンウェハーを基板としてこれに刻まれた溝の反射
分光スペクトルを、本装置を用いて測定した結果を第2
図に示す。同図の横軸は波数(波長の逆数)である。サ
ンプルの分光場所は、800nm幅の溝が1600nmの周期で繰
り返されるパターンをもつ領域を採り、分光面積は約20
μm径である。顕微鏡の対物レンズは10倍を用いた。光
学系の開口数を最適化することにより、アスペクト比の
大きい溝パターンでも深い溝底部と表面からの反射光が
干渉し、干渉スペクトルが得られる。
第2図では2つ以上の種類の周期を持つ信号が観測され
ている。即ち、第3図に示すようにSiO212をマスクとし
て形成したSi基板11に溝13をエッチングした直後のサン
プルでは、マスク材料12の膜厚と溝13の深さに対応して
3つの光学行路差が存在するからである。反射光として
はSiO2表面からの反射光、SiO2とSiとの境界面からの
反射光及び溝底部からの反射光の3種類があり、こ
れら3種類の反射光が互いに干渉することによって上記
反射分光スペクトルが得られる。
処で上記のような干渉を生じている反射分光スペクトル
から直ちに溝深さに関する情報を得ることは困難であ
る。従って反射分光スペクトルをコンピュータにより周
波数解析の手法を用いて信号分離し、エッチング深さを
得る。第2図の反射分光スペクトルに周波数解析の処理
を施こした結果を第4図に示す。第4図の横軸は光学行
路差に相当する。この観測されたピークをサンプルの構
造に対応させて求めた溝の深さは1890±40nmであるのに
対して、SEMを用いた断面写真による測定値は1900±60n
mとなり、両者は分解能の範囲内で一致し、高い測定精
度を確認した。
上記測定装置を用いて、通常の微細溝エッチング工程後
の半導体ウェハーの溝状態の検査に用いた場合、測定の
不可能な事態があり得る。これはウェハー表面での溝の
密度が小さい場合、溝からの信号強度が十分に得られな
いことにある。例えば、ダイナミックRAM等の高集積LSI
の製造工程では、溝密度が10%以下になることがあり、
このように溝密度が低い場合に検査の精度がしばしば低
下する。
本実施例では半導体ウェハー面に集積回路作製に必要と
なる溝とは別に検査のための溝領域を設定し、集積回路
用の溝を作製する工程と同じ工程を経て処理する。ここ
で検査マークとなる溝は、半導体ウェハー面の集積回路
を作製するための主要領域を避けて、例えばウェハーを
各チップに分割するためのスクライブ領域を利用する。
第5図は集積回路製造工程途中で使用する縮小投影露光
器用のレチクルで、透明ガラス板21の表面に集積回路を
作製するに必要なパターン22、特に半導体ウェハーに微
細溝を形成するためのパターンが酸化クロム等の遮光材
料を用いて形成されている。上記レチクルには、微細溝
をもった集積回路領域のパターンに加えて更に周辺にウ
ェハーを各チップに分割するためのスクライブ領域23の
パターンが設けられている。該スクライブ領域23は各チ
ップの周囲に通常100μ幅程度に亘って設けられ、集積
回路には直接関係がないためこの領域に利用して溝検査
マーク24を設ける。上記顕微分光装置を利用して検査す
る場合、検査マーク24の面積としては40μ角程度の大き
さで十分である。
次に上記検査マークの形状及び配置を説明する。一般に
微細溝加工のエッチング工程では、エッチング深さがパ
ターンの開口径、開口幅に依存する性質がある。これは
溝の開口径、開口幅が小さくなるほどエッチングを行な
うイオンやラジカルが溝に入り難くなり、加工の困難度
が高くなるためと考えられる。
また検査マークとするためには、主要領域に形成する溝
のエッチング状態等が検査マークにも反映されて検査マ
ークの観察結果によって直ちに主要部の溝の状況を知り
得ることが望ましい。そのために検査マークは、主要領
域に作製する微細溝の開口径、開口幅に近い寸法に設計
する。集積回路に形成する溝としては、トランジスタ等
の素子間を分離する埋込み絶縁層、側壁にトランジスタ
を形成するための溝或いは容量を形成するための溝があ
るが、これら各種形状の溝に対応して上記40μm角の検
査マーク領域に形成するパターンとしては例えば短冊形
第6図、或いは方形第7図のようなパターンを選択す
る。上記各形状の溝を種々の分布密度に作製して溝深さ
を測定した処、短冊形検査マークの場合は溝の幅S1を集
積回路に用いる溝の幅にほぼ等しい寸法とし、隣接溝間
の距離L1はL1=k1S1,k1=1.0〜2.0即ち15〜50%の密度
に設計することにより微細溝の観察が可能である。特に
25〜40%の範囲ではエッチング処理等に対しても溝形状
の安定がよく、検査マークとしての信頼性が高い。
また第7図の如く方形パターンとして検査マークを作製
する場合は、溝の一辺S2を集積回路で用いる溝の幅にほ
ぼ等しく、隣接溝間の間隔をL2=S2程度に設計する。尚
溝密度10%では上記測定装置による溝深さの測定は反射
分光スペクトルの強度が弱いため極めて難しい。
集積回路に形成する溝は全て同一パターンとは限らない
ため数種類の溝パターンが用いられている場合は、代表
的な寸法の溝形状に検査マークを一致させるか、各種類
の溝形状と同じ形状の検査マークを夫々設けて構成する
こともできる。要は顕微分光装置及び波形処理のための
演算装置に適合した密度でスクライブ領域に溝を形成し
て検査マークとする。
上記検査マークをもつレチクルを用いて、レジストが塗
布された半導体ウェハーの表面に露光することにより、
半導体ウェハーのスクライブ領域に検査マークが焼き付
けられ、エッチング工程によって主要領域の溝と共に検
査マークとしても同じ条件で溝が作製される。上記検査
マークをもつ半導体ウェハーは、微細溝作製工程の途中
或いは終了の時点で、半導体ウェハーを顕微分光装置に
セットし、検査マーク部分からの反射光を用いて加工さ
れた微細溝の深さ等の検査に供される。
上記実施例は半導体ウェハーに作製した溝を検査する場
合を挙げて説明したが、その他ガラスや金属面等に作製
する溝の検査にも適用し得る。
<効 果> 以上本発明によれば、予め検査マークを設計することに
より、基板の主要領域に作製した微細溝の状況に拘わら
ず、検査マークを用いて微細溝を非接触、非破壊手法で
高精度に検査することができ、半導体集積回路の製造等
において工程管理が容易になり、またより制御された微
細溝を作製することができてデバイスの信頼性をも高め
ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施に適用する装置の要部ブロック
図、第2図は同測定装置の分光スペクトル出力信号図、
第3図は微細溝を作製した基板断面図、第4図は分光ス
ペクトルの周波数解析結果図、第5図は本発明の一実施
に適用する半導体製造用マスクの平面図、第6図及び第
7図は半導体製造用マスクに形成する検査マークの図で
ある。 1:光源、2:基板、4:回折格子、5:受光素子、6:コンピュ
ータ、11:Si、12:SiO2、13:溝、22:レチクル、22:集積
回路パターン、23:スクライブ領域、24:検査マーク

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ウェハ表面からの反射光を顕微鏡を介して
    受光し、分光して該分光スペクトルから得られる光学光
    路差情報によってウェハ表面に形成された溝を検査する
    方法において、 チップ形成領域の溝分布パターンに拘わらずスクライブ
    領域に、上記チップ形成領域の溝とほぼ同じ幅を有し、
    分布密度が15〜50%の割合で検査マークを形成し、該検
    査マーク部からの反射光によって上記チップ形成領域の
    溝の状態を検査することを特徴とする、微細溝の検査方
    法。
JP30745286A 1986-12-22 1986-12-22 微細溝の検査方法 Expired - Fee Related JPH0744206B2 (ja)

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