JPH0830646B2

JPH0830646B2 - 薄膜の厚さを測定する装置と方法

Info

Publication number: JPH0830646B2
Application number: JP5310844A
Authority: JP
Inventors: アンソニー・エム・レジャー
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1992-12-10
Filing date: 1993-12-10
Publication date: 1996-03-27
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: DE69317736T2; KR940016660A; DE69317736D1; KR970011746B1; IL107901A; JPH06281420A; TW229265B; IL107901A0; US5365340A; EP0601580A1; EP0601580B1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】関連出願の相互間系この出願は、
「薄膜の厚さを測定する方法相違と方法」という名称の
下に1991年12月6 日に出願された、現在係属中の米国特
許出願第07/804,872号中に開示された主題を開示するも
のであり、前記係属中の特許出願は、現在当方に譲渡さ
れており、参照により当出願と一体をなすものである。

【０００２】当出願と同様な関係にある係属中の出願と
して、やはり現在当方に譲渡されている、それぞれが
「形状が歪みスロープに局部的なばらつきを有する薄膜
層において、薄膜層の厚さの度量衡を決定する方法と装
置」および「薄膜層を反射コンデンサに変形することに
よる薄膜層の厚さの度量衡を決定する方法と装置」とい
う名称を持つ米国特許出願第07/906,079（1992年6 月29
日出願）、米国特許出願第07/891,344（1992年5 月29日
出願）を挙げることができる。

【０００３】この発明は、薄膜または被膜の厚さを計る
方法と装置に関連しており、またこれらによって制限を
受けることなく、半導体ウエハーの構造を有する、シリ
コン／二酸化シリコン／シリコン（Si/SiO₂/Si)の外側
のシリコン被膜の厚さを計る電子光学的システムにも関
連する。

【０００４】

【従来の技術】上記の係属中の出願およびクレームは、
２つのシリコンウエハーのそれぞれの一面に二酸化シリ
コンの被膜を成長させることによって組み立てられ、そ
して２つの二酸化シリコン被膜の面を高温で接着するSi
/SiO₂/Si というサンドイッチ構造を典型的に含む、絶
縁体表面にシリコン被膜を有する(SOI) 半導体の厚さを
測定するための、特に実際的な発明を開示する。しかし
ながら、以前の発明も現発明もともに１つの被膜の厚さ
のみが不知でありすべての被膜の光学的性質が正確に知
られていることを条件として、何枚の被膜層でも測定可
能である点を理解すべきである。さらにまた、例えば、
窒化シリコンのような他の材料が、絶縁材料として使用
可能であること、および他の材料がウエハー材料として
使用してよい点も理解すべきである。そのような応用に
おいては、サンドイッチ構造体の２つの外側のシリコン
表面の１つは、機械的に研削され、数ミクロンの平均的
な厚さに研磨される。この機械的な工程は、不幸にも、
ウエハー面上のシリコン被膜の厚さに大きな空間的バラ
ツキを生じる結果に終る。これらの空間的バラツキを減
少するために、ウエハーの全表面に亘るこの外側のシリ
コン被膜の厚さの不均一性を示すエラーマップが、例え
ば、さらにミクロな研磨工程にかけるために、必要とさ
れる。ミクロな研磨によってこの表面を薄く滑らかなも
のとする工程に先だって、外側のシリコン被膜の厚さの
空間的なバラツキを測定するシーケンスが、外側のシリ
コン被膜全体が所望の厚さに到達する前に、数回反復さ
れることが必要であった。コストを低減し生産を上げる
ためには、ウエハー表面上で、60秒間少なくとも400 地
点の測定を行うことが望ましい。

【０００５】上記の引用発明がなされる以前は、測定装
置は、典型的には表面上でたった１点においてのみ被膜
の厚さの測定を行うのみであった。これらの装置は、薄
膜表面を単色の光束で局部的に照明するために、集光レ
ンズまたは光ファイバーおよび、それぞれの点における
スペクトルの反射率を測定するために、回折各子または
分光スペクトログラフを使用する。どの場合も、この表
面のスペクトルの反射率データは、照明光のｆ数に起因
する入射角の変動のため数値的に修正されなければなら
ない。

【０００６】これらの商業的な装置は、装置またはウエ
ハーのいずれかを制御された態様で移動することによっ
てウエハーの全表面に行き渡ることができる。しかしな
がら、これらの装置が唯１点において薄膜の厚さを決定
するのに要する時間は、数分のオーダーであり、薄膜の
全表面の少なくとも400 点を測定するという特徴は、ウ
エハーの効率的な生産に望ましい時間の大きさをはるか
に越える。

【０００７】上に引用した発明は、例えばウエハーをそ
の全アパーチャーに亘る薄膜の厚さを決定する効率的な
電子光学的なイメージシステムを開示した。この厚さの
不均一性は、ウエハー表面の全アパーチャーの反射率特
性を測定し、数学的反復法またはキャリブレーションを
用いて、この測定データを既知の厚さを有するウエハー
と比較することにより得られる。

【０００８】この引用出願によれば、ウエハー被膜の反
射率特性を効率的に測定するために、フィルターを通し
た白色光源を用いて、いくつかの異なる波長を持つ平行
な単色光ビームの連続性を発生させる。これらの平行な
単色光ビームは、ウエハーの全表面に別々に照射され、
これが、ウエハー構造体の物理的諸境界から反射するの
で、この光の中にコヒーレントな相互作用が起こる。こ
れらの相互作用の結果として、ウエハーの表面に各照射
ビーム毎に、したがって各波長毎に干渉縞パターンが形
成される。各干渉縞パターンの反射像が、例えば、電荷
結合素子(CCD)カメラのディテクターアレーに投影さ
れ、ここで、この像の全アパーチャーが捕捉される。こ
の縞パターンの像は、この像に対応して、CCD カメラの
ディテクターアレーのデジタル画素により捕捉される。
ウエハーの全表面の反射率マップが、この縞パターンの
像から発生する。２πより大きい位相厚さを有する被膜
に起因する厚さの不明瞭性を排除するために、それぞれ
に測定されたウエハーから、いくつかの反射率マップが
発生する。

【０００９】上記の引用出願によれば、１つのウエハー
のための基準反射率データが、理論的計算またはキャリ
ブレーションウエハーの使用によって得られる。この理
論的方法は、ウエハー材料の固有の光学的特性の見かけ
上の数値に基づいて数学的に計算される基準反射率特性
からなる。またはその代わりに、測定すべきウエハーを
構築するのに常用される同じ材料のバッチから、既知の
厚さの数値を有するキャリブレーションウエハーが構築
されてもよい。このキャリブレーションウエハーに、こ
の発明の測定方法を適用することによって、既知のウエ
ハーのために基準反射率データが得られる。

【００１０】上記の引用出願の教える所によれば、測定
された反射率データと基準反射率データの比較が、コン
ピュータによって実行される。この比較を実行する上
で、ウエハーの全アパーチャーに亘り被膜の厚さまたは
厚さの不均一性のマッピングを提供することができる。

【００１１】測定される絶縁体上にシリコン結晶を成長
させた(SOI) ウエハーは、二酸化圭素の薄層をサンドイ
ッチする２つのシリコンウエハーからなっており、その
製造および研磨に起因する典型的な機械的な歪みを受け
ている。このことは、100 ミクロンに及ぶ表面の変形を
もたらし、局部的な勾配が1/4 度まで変化する。上記の
引用出願によれば、シリコン被膜の厚さの測定は、ウエ
ハーの像を、CCD カメラの視野に、様々な単色波長で形
成することが必要である。この像は、デジタル化(512×
512 画素) され、このデータは、シリコン被膜の厚さの
相違の起因するウエハーの反射率の空間的な変動を推定
するのに使用される。

【００１２】上記の引用出願によれば、さらに、外側被
膜の異なる厚さの数値ために、反射率の値のライブラリ
ーが、すべての異なる波長について前もって計算され、
測定されたサンプリングされたスペクトル反射率と前も
って計算されサンプリングされたスペクトルとを最小二
乗法による適合化技法を用いてマッチングさせるために
使用される。この計算には、最小二乗法による適合化技
法を実行する前に、デジタル化されたデータからSOI ウ
エハーの実際の反射率を推定することが必要である。し
かしながら、デジタル化された像の密度は、ウエハーの
反射率に比例しないのみならず、光源のスペクトル特性
すなわちカメラおよび光学システム中のコーティングに
も比例しない。このように、SOI ウエハーの反射率の絶
対的な測定は、裸のシリコンウエハーの追加的な像の組
を記録することによって得られ、裸のシリコンの反射率
が正確に知られていれば、ウエハーの反射率は、２組の
像中のデータから測定されることができる。

【００１３】時期を異にする２組の測定結果を使用する
には、２つのウエハーが、位置と角度において正確に整
合しなければならない。光源もまた、約１分間に亘る測
定時間の間振幅が安定した状態になければならない。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】

発明の要旨この発明の目的の１つは、測定像の数を減少することに
より上記の厚さの決定を改善することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明によれば、各画
素が１つの独立した反射計として処理され得ることおよ
び前記の画素に与えられた波長における各反射が、同一
の画素のための異なる波長における他の反射に関し自己
正規化され得ることを実現することによって、上記の一
般タイプの厚さの決定に有意義な改善がなされる。

【００１６】この発明によればさらに、スペクトル応答
に起因する反射率の均一性の変動が測定され、メリット
関数の計算に先立って排除される。

【００１７】その結果、メリット関数においてウエハー
の反射率を使用することは、自己正規化された反射率パ
ターンをこれと対向する絶対的反射パターンとマッチン
グさせることによって置換される。この新しいアプロー
チは、むき出しのシリコン上で測定を行う必要性を排除
することによる２つの要因のうちの１つによって、測定
される像の数が減少することを可能とする。

【００１８】

【作用】このスキームにおいては、２Ｎ個の測定値が、
Ｎ個の像とＮ個のスペクトル型キャリブレーション常数
により置換される。１つの画素から測定されるデータ
は、波長λ₁…λ_NにおけるＮ個のデジタル値Ｖ₁…Ｖ
_Nからなり、そして画素データを、与えられた波長にお
けるデータＶ_kを全波長における全デジタル値の合計で
割ることによって正規化される。これらの比率は、ま
た、それぞれをシステムのゲインで割ることによって平
坦なスペクトル応答を作り出すために、さらに一層変形
される。ライブラリーもまた、平坦なスペクトル応答を
有するので、比率も理論的に計算が可能であり、最小二
乗法を用いたパターンマッチング技法において使用され
る。

【００１９】この発明のこれらおよびその他の目的、特
徴と利点は、下記のベストモードの実施例の詳細な記述
から一層明白となろう。

【００２０】

【実施例】

発明の詳細な説明この発明によるウエハー24の被膜の厚さを測定する電子
光学的システムが図１に示される。この説明の目的のた
めに、SOI 半導体ウエハー24の外側シリコン被膜の測定
が記述される。

【００２１】図１の装置は、ハロゲンランプ10と集光レ
ンズ12により照射される円形アパーチャー14から構成さ
れる白色光源を有する。アパーチャー14を通過する光
は、平行光線の光束15を形成するために、コリメーター
レンズ16に当たる。アパーチャー14の大きさが、光学シ
ステムお平行光線の断面中のフィールドのアングルを決
定し、アパーチャー像がSOI ウエハー24に投影されるよ
うに、指向性が選択される。集光レンズ12は、光ファイ
バー導管と置き換えてもよい。

【００２２】白色光源は、平行光束15置かれた、名目上
30-50 オングストロームの半サンドイッチの一連の狭域
フィルター17によりスペクトルが濾過される。一連のフ
ィルター17は、回転するフィルターホイール組立体18の
周辺に置かれ、それによって、一連の対応する平行な単
色光束19が作り出される。これらの平行な単色光束19の
波長は、例えば、550nm から950nm に亘る。フィルター
ホイール組立体18を平行光束の断面15内に配設すること
が、アパーチャー14の大きさにより規定されるフィール
ドアングルに起因する濾過光束19のスペクトルの広がり
を最小にする。デジタル回路34のタイミング基準値33と
して機能するように、フィルターホイール組立体18によ
って一組のエレクトロニック信号32が発生する。これら
の信号の１つは、フィルターホイールの回転の始点を表
し、他方の信号は、各フィルターの周期の始点を表す。

【００２３】第２のコリメーターレンズ20は、第３のコ
リメーターレンズ22の焦平面内の点21の回りでアパーチ
ャー14の単色光像を形成する。この第３のコリメーター
レンズ22は、例えば、直径100 ミリメーターのSOI ウエ
ハー24の全アパーチャーを照射する平行なビーム23を作
り出す。同様にまた、このウエハー照射技術を、直径15
0-200 ミリメーターのウエハーに拡張するには、第３の
コリメーターレンズ22の大きさが、ウエハーの大きさと
マッチングさせる必要がある。もし、異なる波長の間に
おいて反射計の回転割合が、１秒よりも小さい時間内に
最大20の異なる波長に達するほどに充分高いならば、反
射計は、ハロゲンランプ10、集光レンズ12、最初の２つ
のコリメーターレンズ16,20 および挟域フィルター18と
入れ代わることが可能である点に留意すべきである。

【００２４】図２を参照すると、SOI 半導体ウエハー24
の誇張された断面図が示されている。このウエハー24
は、機械的に研磨された外側被膜40、中間の二酸化圭素
(SiO₂) 層そしてシリコンウエハーの基層44からなるサ
ンドイッチ構造に形成されている。このサンドイッチ構
造体は、３つの境界面46、48、50を形成して、たまたま
外側のシリコン被膜40に当たる光が反射される。これら
境界面46、48、50の反射率特性は、SOI ウエハー24の各
層40、42、44内の半導体材料の複雑な光学的、物理的諸
性質に基づいている。これらの性質は、材料層40、42、
44の吸収率α、屈折係数ｎ、および厚さｔである。SOI
ウエハーとしては、(SiO₂) 層42の吸収率αは0 と見做
される。しかしながら、一般に、値が知られてさえいれ
ば、この吸収率αは0 でなくとも許容しうるものであ
る。

【００２５】SOI ウエハー46の表面が、ビーム23から発
する平行な単色光で照射されるとき、この光がSOI 構造
体24の３つの材料の境界面46,48,50の間で反射されるの
で、一連のコヒーレントな相互作用が発生する。これら
の相互作用は、ウエハー表面上で目視可能な、波長に依
存する妨害パターンを生じる。ウエハー上どこの点にお
ける反射率も、３表面間の多重反射と、基層の性質
ｎ₃, α₃と同様にそれらの物理的諸性質ｎ₁, α₁,
ｔ₁およびｎ₂, α₂, ｔ₂とによって決定される。SO
I ウエハー構造体の独特なケースでは、基層の諸係数
は、外層の諸係数に等しい( ｎ₃＝ｎ₂，α₃＝α
₂ )。何故ならば、両方とも単一の結晶シリコンから形
成されているからである。

【００２６】どの波長におけるウエハーの反射率も、も
し、他のすべてのパラメーターが知られていれば外層被
膜の厚さの関数として明快に計算することが可能であ
る。しかしながら、単一の測定された反射率から、厚さ
を計算することの裏返しの問題は明瞭ではない。この不
明瞭性は、外層の厚さが増加すればするほど、位相厚さ
( ｎｔ₂ )もπ／4 の複数倍で増加するので、測定され
た反射率は最大値と最小値の間を振動するという事実に
よりもたらされる。この多重性の問題が、単一の反射率
の測定からｔ₂の値を計算することを不可能にする。多
重の波長の測定値を使用すれば、原理的には複数値の問
題は克服されるが、しかし、材料の性質の波長に依存し
た挙動が極めて正確に知られなければならない。さもな
ければ、厚さの計算に大きなエラーが発生する。

【００２７】１つの代替的アプローチは、統計的なそれ
であり、この場合、いくつかの波長で測定された反射率
データが、最小二乗法による最適化技法をもとにして、
同じ波長で計算されたスペクトルデータのライブラリー
と比較される。SOI ウエハーの場合、スペクトルのライ
ブラリーは、外層被膜のすべての値のために計算され、
最小二乗法によって最小となる外層被膜の厚さを採用す
るように選択がなされる。

【００２８】図１に戻れば、妨害縞パターンの平行光の
像が、SOI ウエハー24の表面から反射され、第３のコリ
メーターレンズ22を通過して復帰する。この第３のコリ
メーターレンズ22が、反射した妨害縞パターンの集光像
を、偏心軸ミラー26に投影する。このミラー26は、第３
のコリメーターレンズ22の焦平面内の点25に設けられ、
焦点21のアパーチャー像と並んでいる。これらの２つの
焦点21,25 の分離程度は、集光レンズ12と最初の２つの
コリメーターレンズ16,20 の光軸と関連する第３のコリ
メーターレンズ22の光軸中で、わずかに横にシフトさせ
て制御されることが可能である。これと均等に、ウェハ
ー24が、同じ効果を達成するために１度よりも少ない小
角度だけ傾くことが可能である。この像の分離スキーム
は、派生する光学損失を伴う金属層を有するビームスプ
リッターの使用を避ける。

【００２９】偏心軸ミラー26は、ウエハー24から反射し
た縞パターン像を最後のコリメーターレンズ28に向け直
す。この最後のコリメーターレンズ28は、縞パターン像
を含む平行光束29をCCD カメラのディテクターアレー31
に投影する。フィルターホイール組立体18は、もし、ウ
エハー24を照射する平行ビーム23内のフィールドアング
ルの約15倍大きいフィールドアングルが、狭帯域フィル
ターによって許容されるならば、この平行光ビーム29内
に置かれてもよい。

【００３０】反射した縞パターン像をCCD カメラのディ
テクターアレー31に提供する代替法が、図１に、点線の
ブロックに示される。偏心していないビームスプリッタ
ー60が、フィルターホイール組立体18が設けられる平行
光ビーム断面19内に設置される。ビームスプリッター60
は、第２のコリメーターレンズ20から、平行な縞パター
ン像を受光し、この平行ビームの一部62を、最後のコリ
メーターレンズ64に反射する。この最後のコリメーター
レンズ64は、縞パターン像をCCD カメラのディテクター
アレー31に収束する。この代替方法は、ビームスプリッ
ターに固有の光学損失に終るけれども、偏心SOI ウエハ
ーから反射する平行光ビーム23内にフィ−ルドアングル
の誤差を導入し得る像の分離スキームを必要としない。
前記の方法と同様に、フィルターホイール組立体18は、
もし、フィールドアングルが、狭帯域フィルター17によ
って許容されるならば、この平行光ビーム62内に置かれ
てよい。

【００３１】反射した縞パターン像をCCD カメラ30に提
供するために用いる方法を決定することは、第３のコリ
メーターレンズ22の光学的性能に際どく依存する。偏心
軸ミラー法を用いる場合は、第３のコリメーターレンズ
22の光学的設計が、最も望ましい偏心軸性能品質を備
え、色収差の影響が最小にならなければならない。最適
の偏心軸性能は、平行光ビーム23がSOI ウエハー24の偏
心した不均一な表面から反射されるときに作り出される
フィールドアングルと関連する収差の影響を最小にとど
める。さらにまた、CCD カメラのディテクターアレー31
に、高密度な縞パターン像を得たいと要求するならば、
偶発的な単色光の波長域に亘る径方向の収差の修正が必
要となる。偏心軸を持たないビームスプリッター法が用
いられる場合は、しかしながら、軸が偏心していないSO
I ウエハー46から反射する平行光ビーム23中に作り出さ
れるフィールドアングルは無視できるので、径方向の色
収差の修正のみが適用される。したがって、復帰した縞
パターン像が、最適とはいえない偏心軸性能に起因して
第３のコリメーターレンズ22によって歪むことがあれ
ば、偏心軸ミラー法は不適切であり、軸が偏心しないビ
ームスプリッター60を用いなければならない。

【００３２】図３を参照すると、CCD カメラのディテク
ターアレー31が、測定されるSOI ウエハーのおよその輪
郭像52と、一対の整合基準像54、およびその表面に写し
出される一対の基準反射像56とで示される。これらの基
準像は、SOI ウエハー24の表面と同じ面に沿って、整合
基準マークおよび基準反射面を置くことによって形成さ
れる。第３のコリメーターレンズ22からの平行光ビーム
23で照射されると、これらの基準面はそれらの表面から
光を反射する。SOI ウエハーの縞パターンに似て、これ
らの反射基準像は、第３のコリメーターレンズ22を通過
して復帰し、そして、時としてCCD カメラのディテクタ
ーアレー31上に写し出される。整合基準マークは、ウエ
ハーの整合をを助け、他方、基準反射面は、実際のウエ
ハーの反射率を計算できるように、この発明にしたがっ
て、CCD 信号を自己正規化するために使用される。

【００３３】再び図１に戻る。最後のコリメーターレン
ズ28により形成される平行光ビーム29は、１つの反射縞
パターンの像を含んでいる。この像は、CCD カメラのデ
ィテクターアレー31上に写し出され、CCD カメラ30によ
り捕捉される。CCD 画素信号を、デジタル回路を用いて
デジタル化することによって、写しだされた縞パターン
像に対応して、反射率マップが発生する。この未処理の
反射率データは、画素感度の変動を排除するために正規
化することができ、そして、付随するミクロな化学的研
磨工程の空間的な制約にマッチさせるために、多数の画
素ブロックに亘って信号を平均化することによって、大
きさが減少する。この発明によれば、SOI ウエハー24の
外層シリコン被膜の厚さｔを決定する上で、数学上の計
算方法が使用される。これらの２つの方法はともにコン
ピュータ36を用いなければならない。

【００３４】先に引用した係属出願によれば、外層シリ
コン被膜の厚さｔ₂を決定する数学上の方法は、薄膜常
数ｎ₁, α₁, ｔ₁, ｎ₂, α₂, α₂, ｎ₃とα₃を
推定すること、と、濾過された白色光源によって作り出
される単色光に対応する一組の波長についてスペクトル
反射率を計算すること、からなる。この計算は、異なる
外層被膜の厚さｔ₂の数についてなされ、そして最初の
薄膜常数の推定が正しければ、この計算は一回だけでよ
い。この計算は、外側シリコン層の最も薄い場合から最
も厚い場合に亘る評価値について、複数組の反射率の値
Ｒ₀( λ₁, λ₂, …λ_n, ｔ₂) を提供する。これら
の計算されたスペクトル反射率は、次いで、測定された
反射率データＲ_m( λ₁, λ₂, …λ_n, ｔ₂) と、ウ
エハーの特定の点について、下記のメリット関数式で表
される相乗平均を用いて比較される。

【００３５】

【数１】このメリット関数は、最小またはベストマッチの値が見
出だされるまで、ｔ₂の異なる値について評価され、こ
の関数値がもっとも確からしい厚さを示す。先の引用出
願によれば、さらに、もし望むならば、他のパターンと
マッチングするメリット関数を使用できることが明らか
である。

【００３６】この発明の教示するところによれば、上記
のような数学上の方法が改良される。上記の方法では、
絶縁体の上にシリコンを成長させた(SOI) ウエハーの外
側シリコン被膜の厚さは、数値上異なる波長についてウ
エハーのデジタル像を記録することによって決定され
る。任意の画素用の各波長についての電圧レベルはウエ
ハーの反射率に比例し、計算値( Ｒ_m( λ_m, ｔ₂) と
のスペクトルマッチングが実行される前に、電圧レベル
を反射率値( Ｒ_m( λ_n, ｔ₂) に変換する何等かの方
法が必要とされる。一度データが変換されると、変換さ
れた反射率の組は、外側被膜の厚さの大きな範囲につい
て計算されたライブラリーに対して比較される。この比
較には、各外側被膜の厚さについて計算された最小二乗
法のメリット関数を使用し、このメリット関数は、測定
された反射率の値の組がライブラリーの反射率の組と精
密にマッチングしたときが最小となる。

【００３７】上記の方法によれば、さらに、各波長につ
いてのウエハーの反射率が、同じ波長についての裸のシ
リコンウエハーの像の数Ｎと同様に異なる波長について
のSOI ウエハーの像の数Ｎを最初に記録することによっ
て決定されることができる。SOI ウエハーの第ｋ番目の
任意の画素について作り出される電圧信号は、Ｖ_{S O I}( Ｘ₀, Ｙ₀, λ_k) ＝ Ω( Ｘ₀, Ｙ₀, λ_k) Ｒ_{S O I}( Ｘ₀, Ｙ₀, λ_k) ｋ＝１，…，Ｎ，ここに、Ω( Ｘ₀, Ｙ₀, λ_k) は、装置の空間的およ
びスペクトル的応答を表し、Ｒ_{S O I}( Ｘ₀, Ｙ₀, λ
_k) は、像中の点( ｘ₀, ｙ₀) におけるウエハーの反
射率を表す。同様に、層を有しないシリコンウエハーに
ついて、Ｖ_{S I}( Ｘ₀, Ｙ₀, λ_k) ＝ Ω( Ｘ₀, Ｙ₀, λ_k) Ｒ_{S I}( Ｘ₀, Ｙ₀, λ_k) ｋ＝１，…，Ｎ．ウエハーの反射率は、これらの２つの測定値から、裸の
シリコンの計算された反射率ρ_{S I}( λ_k) として得ら
れる。

【００３８】

【数２】上の式において、空間的なおよびスペクトル的な変動
は、下記のメリット関数Ｍ(x_0,y0,t_j) を計算して正規
化される点に注目されたい。

【００３９】

【数３】ここに、Ｌ( λ_k，ｔ_j）は、ｊ＝１…ＭａｘＴまでの
厚さの範囲についての反射率の計算されたライブラリー
であり、ρ_{S I}( λ_k) は、よく知られた光学常数から
計算されたシリコンのスペクトル反射率である。この技
法は、比較を可能にするために、電圧測定値を反射率に
変換する。しかしながら、この技法は、全アパーチャー
のウエハー像を、２つのウエハーの異なるタイプについ
て、レジストレーション、アライメントおよびソースの
密度変化に起因する誤差を導入できる２度の異なった回
について記録することを必要とする。

【００４０】この発明の教示によれば、メリット関数に
おけるウエハーの反射率の使用が、自己正規化された反
射率パターンを、対向する絶対的な反射率パターンに対
してマッチングさせることと置き換えられることが可能
である点に着目することによって、厚さの決定に有意な
改良がなされる。この新しいアプローチは、測定された
像の数を裸のシリコンウエハーについての測定値を排除
することによって２つの要因のうち１つを減らすことを
可能にする。このスキームにおいては、２Ｎの数の測定
値がＮ個の像とＮ個のスペクトル形のキャリブレーショ
ン常数に置き替わる。

【００４１】図４にステップ60に示すように、波長λ₁
…λ_NについてのＮ個のデジタル値と、任意の画素につ
いての対応するライブラリー反射率とからなる測定デー
タがステップ61で示すように計算される。任意の厚さｔ
_jについて、ステップ62で示す自己正規化されたメリッ
ト関数は、Ｍ＝Σ( Ｆ_j−Ｌ_j )²の形を取り、完全に
は下記の式で表される。

【００４２】

【数４】上記のメリット関数の括弧内左の測定量（Ｆ_i）は、図
４に示すように、ステップ66で計算される。対応して計
算されるメリット関数の右手にある( Ｌ_i) は、ステッ
プ68に示すように計算される。

【００４３】要素Ω_kは、電圧を、ステップ72に示すよ
うに各波長についての反射率と関連づけて使用される
（図４において、ステップ70に示される要素Ｓ₁,
Ｓ₂, …Ｓ_N,に対応する）予め計算されるスペクトル型
要素である。しかしながら、これらは、下記に示すよう
に、無次元のスペクトル型要素γ₁…γ_nの組を提供す
るために任意の波長に対して自己正規化されることがで
きる。そのようなスペクトル型要素は、 γ₁＝Ω₁／Ω₁＝１，γ₂＝Ω₂／Ω₂＝１，…，γ
_n＝Ω_N／Ω₁ であり、そして、これらは、ステップ70,72 に関連する
上記の要素Ω_kとして等しく使用できる。

【００４４】図４にステップ62で示すメリット関数は、
これらの正規化されたスペクトル型要素( γ_k) を用い
て、次のように書くことができる。

【００４５】

【数５】

【００４６】

【発明の効果】上記のメリット関数は、測定されたデー
タの率と機能的に同じ式である計算されたライブラリー
パターンＬ_SOI( λ_k, ｔ_j) を一緒に伴う単一の画素
から測定されたデータのみを有することが実現されなけ
ればならない。

【００４７】このＮ個のスペクトル型キャリブレーショ
ン要素( γ₁, …, γ_N) は、装置のフィールド内の小
さな裸のシリコンミラーとして図３に示されるような既
に知られた反射計上で、ただ１点を測定することによっ
て得られ、メリット関数内で測定された比率が、密度の
変動および不均一な照射とは無関係であるので、この測
定は、ときたま行われればよい。このスキームは、裸の
シリコンキャリブレーションウエハーのすべての像を記
録する必要性を排除する。

【００４８】図４のステップ62で示すメリット関数の計
算は、示唆されるようにあらゆる厚さの膨大な数に亘る
反復計算である。これは、図４において、新しい正規化
されたスペクトル型が、厚さの指数が、次ぎの厚さのパ
ターンが比較される必要のあるステップ76での決定の対
応して変化したことを示すステップ78にしたがうステッ
プ74のライブラリーから選択される、ステップ74,62,7
6,78 からなる比較ループを掲げることによって示され
る。これは、例えば、10ミクロンから0 ミクロンに亘る
厚さを10オングストローム刻みで、行われるであろう。
これらすべての厚さが比較された後、ステップ80が、ベ
ストフィットを決定し、画素についての実際の厚さとな
る。次ぎに、新しい画素について全プロセスが反復さ
れ、ウエハーの全表面について厚さが決定されるまで、
この操作が継続する。

【００４９】上の説明が、特定の実施例に沿って初歩的
になされているが、この発明は、これに限定されないこ
とを理解すべきである。実際、もし、他のすべての被膜
の厚さが知られており、すべての被膜の光学的性質が正
確に知られているならば、被膜の数が幾つあっても、そ
れらの厚さの決定に使用できるのである。

【００５０】この発明は、ベストモードの実施例につい
て図示され説明されているが、当業者は、この発明の精
神および技術的範囲を逸脱しない限り、数式その他に数
々の変形、付加および省略がなされることを理解すべき
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に用いることができるウエハー被膜の
厚さを測定する装置の骨格を表現した図。

【図２】ＳＯＩ半導体ウエハーの断面図。

【図３】ウエハー像の概略といくつかの基準表面像を示
すＣＣＤカメラディテクターアレーの平面図。

【図４】この発明による自己正規化方法を示すフローチ
ャート。

【符号の説明】

１０…ハロゲンランプ，１２…集光レンズ，１４…円形
アパーチャー，１６…コリメーターレンズ，１８…狭帯
域フィルター組立体，２０…第２のコリメーターレン
ズ，２４…ウエハー，２２…第３のコリメーターレン
ズ，３０…ＣＣＤカメラ，３４…デジタル回路，３６…
コンピュータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−248825（ＪＰ，Ａ) 特開平６−66524（ＪＰ，Ａ) 特開平１−206203（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−76904（ＪＰ，Ａ) 特開平４−50604（ＪＰ，Ａ) 実開昭52−45455（ＪＰ，Ｕ) 特公平７−23843（ＪＰ，Ｂ２) 特公平７−31050（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下記の(a)-(c) からなる、光を透過する
性質を有し、前部表面と後部表面を備える材料の被膜の
厚さを測定する装置： (a) 前記前部表面および後部表面から反射する光が、前
記表面区域の前記被膜の厚さに対応する特性値を有する
ように、前記被膜の前部表面区域を平行な単色光で照射
する手段であって、前記の平行な単色光で照射する手段が、前記の厚さが多
重波長である場合に発生する不明瞭性を排除するため
に、波長を異にする単色光で前記区域を連続して照射す
る手段を含む； (b) 前記反射光を受光し、前記特性値を探知する手段； (C) 前記の探知特性値を自己正規化し、受光し自己正規
化した特性を、既知の厚さに対応する一組の基準特性値
と比較し、前記区域の前記被膜の前記厚さに対応する出
力を提供する手段；
【請求項２】前記すべての波長について探知された諸
特性値が、ある波長について探知された特性値を、前記すべての波
長について探知されたすべての諸特性値の総和で割るこ
とによって自己正規化される請求項１記載の装置。
【請求項３】前記の組をなす基準特性値が、予め決め
られた厚さに基づいて計算され、材料の光学的性質と推
定される請求項１記載の装置。
【請求項４】前記被膜の前記厚さに対応する前記諸特
性値が、前記材料の反射率を有し、前記反射光を受光す
る前記手段が、電荷結合装置を有する請求項１記載の装
置。
【請求項５】前記探知された諸特性値を自己正規化し
比較する前記手段が、前記電荷結合装置の出力信号をデ
ジタル化するためのデジタル化手段と；前記デジタル化
された出力信号を自己正規化し、前記自己正規化された
デジタル信号を前記の基準諸特性値に対応するデジタル
化信号の組と比較するための計算手段とを有する請求項
４記載の装置。
【請求項６】前記自己正規化手段は、また、前記自己
正規化された探知諸特性値と比較するために、前記の基
準諸特性値を自己正規化する手段でもある請求項１記載
の装置。
【請求項７】前記比較手段中で使用される基準諸特性
値の前記の組が、予め決められた厚さに基づいて計算さ
れて、前記材料の性質と推定される請求項１記載の装
置。
【請求項８】下記の(a)-(f) からなる、前記被膜が、
それぞれが前部および後部表面を有し、そして基体の前
部表面上に形成された複数の被膜であり、前記材料が、
光を透過する性質を有する、前部表面と後部表面を備え
る材料の被膜の厚さを測定する装置： (a) 平行光ビームを準備する手段； (b) 前記平行光ビームが単色光となるように単一の波長
を通過させる複数個の挟帯域フィルターを前記平行光ビ
ーム中に挿入する手段； (c) 前記の光が、前記被膜の前部および後部表面、前記
複数の他の被膜、および基体の前部表面から反射され、
前記反射光が、その像が反射される縞パターンを形成す
るために相互作用を行う、前記被膜の前記前部表面全体
を照射するために前記平行光ビームを拡大する手段； (d) 前記の反射縞パターンの前記像を、電荷結合装置カ
メラの活性面に指向させる手段を備えるとともに、前記
カメラが、前記縞パターンに対応する出力を供給する； (e) 前記電荷結合装置カメラの出力をデジタル化する手
段；および、 (f) 前記デジタル化出力を自己正規化するために、前記
電荷結合装置カメラの前記デジタル化出力を受光し、前
記自己正規化出力を既知の被膜の厚さと対応する蓄えら
れた自己正規化諸特性値の組と比較し、前記被膜の厚さ
の厚さマップと対応する出力を準備する手段；
【請求項９】前記自己正規化されたデジタル化出力
が、ある波長についてそれぞれ探知された特性値を、全
波長について探知されたすべての特性値の総和で割るこ
とによって得られる請求項８記載の装置。
【請求項１０】下記の(a)-(f) の段階からなる、光を
透過する性質を有し、前部表面と後部表面を備える材料
の被膜の厚さを測定する方法： (a) 前記前部および後部表面からの反射光が、１つの区
域内の前記被膜の前記厚さに対応する特性値を持ち、前
記被膜の厚さが多重波長である場合に発生する曖昧性が
明示されるように、異なる波長の平行な単色光で、前記
被膜の前部表面区域を連続して照射すること； (b) 前記反射光を受光すること； (c) 前記受光した光の前記特性値を探知すること； (d) 各波長について探知された各特性値を、基準諸特性
値と比較し区分けするために自己正規化すること； (e) 自己正規化された前記受光した光の探知特性値を既
知の厚さに対応する基準特性値の組と比較すること； (f) 前記探知特性値と記基準特性値の組との前記比較に
基づいて、前記区域内にある前記被膜の厚さに対応する
出力を準備すること；
【請求項１１】さらに、予め決められた厚さに基づく
基準特性値の組を計算し、前記材料の光学的性質を推定
すること；および、前記計算された基準特性値の組を貯
蔵することを含む請求項１０記載の方法。
【請求項１２】さらに、前記の計算に先立って基準特
性値の前記の組を自己正規化する段階を有する請求項１
０記載の方法。
【請求項１３】前記特性値を探知する前記の段階が、
電荷結合装置カメラを用いて前記特性値を探知するこ
と、前記カメラが、前記特性値に対応する出力信号を準
備すること；を含み、前記方法がさらに、前記電荷結合装置カメラからの出力
信号をデジタル化すること；および、基準特性値の前記の組に対応して、前記デジタル化信号
を自己正規化し、デジタル化された基準信号と比較する
段階；を含む請求項１０記載の方法。
【請求項１４】前記特性が、前記反射光により明示さ
れる反射率であり、前記電荷結合カメラが、前記複数の
異なる点についての前記被膜の厚さを決定するために、
複数の点について前記の反射光を測定する請求項１３記
載の方法。
【請求項１５】さらに、前記被膜の前記の厚さに対応
する前記出力と一致して、前記被膜の前記前部表面に化
学的な精密研磨工程を施すこと；および、前記被膜の厚
さが、予め決定した値と一致するまで、前記の各段階を
連続して反復することを含む請求項１０記載の方法。
【請求項１６】前記自己正規化の段階が、探知された
各特性値を、探知された特性値の総和で割ることを含む
請求項１０記載の方法。
【請求項１７】さらに、前記探知諸特性値を、対応す
る予め測定したスペクトル応答特性値に対して自己正規
化する段階を含む請求項１０記載の方法。
【請求項１８】前記の基準諸特性値の組を自己正規化
する前記段階が、各基準特性値を、基準特性値の総和で
割る段階を含む請求項１２記載の方法。
【請求項１９】下記の(a)-(d) の段階からなる、異な
る波長について計算された反射率のライブラリーを、メ
リット関数を用いて、異なる波長について測定された対
応する反射率と比較することによって、既知の光学的性
質と厚さを持つ１つまたはそれ以上の数の被膜の間に混
在する未知の厚さの被膜の実際の厚さを決定するための
装置を利用する方法： (a) 異なる波長の各々について、複数の厚さの各々に関
して計算された反射率のライブラリーに基づいて計算さ
れた自己正規化された反射率のライブラリーを蓄積する
こと； (b) 未知の厚さを有する被膜の複数の区域の各々につい
て測定された反射率の各々について、異なる波長の各々
について自己正規化された測定反射率を計算すること； (c) 自己正規化された諸計算反射率を、複数の厚さの各
々について自己正規化された諸計算反射率と比較するた
めに、複数の厚さの各々の区域について、メリット関数
を計算すること；および、 (d) メリット関数の区分に基づき、各区域について、複
数の厚さから１つの厚さを選択すること；
【請求項２０】前記の蓄積段階が、各厚さについて計
算された各反射率を複数の波長のすべてについて計算さ
れた諸反射率の総和で割ることによって実行される請求
項１９記載の方法。
【請求項２１】さらに、選択された反射計について、
異なる波長に亘るスペクトル応答値を測定する段階と、
自己正規化された反射率を計算する前に、異なる波長に
ついての装置のスペクトル応答値に関連する異なる波長
の各々について測定された反射率を正規化する段階とを
含む請求項１９記載の方法。
【請求項２２】測定された諸反射率の正規化が、任意
の厚さについて波長の各々について測定された反射率
を、当該波長についての測定されたスペクトル応答値で
割ることによって実行される請求項２１記載の方法。
【請求項２３】さらに、波長の各々について測定され
たスペクトル応答値を、異なる諸波長について測定され
たスペクトル応答値に関連して正規化することを含む請
求項２２記載の方法。
【請求項２４】各波長について測定されたスペクトル
応答値を正規化する段階が、各波長について測定された
スペクトル応答値を選択された１波長について測定され
たスペクトル応答値で割ることにより実行される請求項
２３記載の方法。
【請求項２５】各区域について、異なる波長の各々に
ついての各々の厚さについて自己正規化された測定反射
率を計算する段階が、異なる波長の各々について測定さ
れた反射率を、測定された反射率の総和で割ることによ
り実行される請求項１９記載の方法。
【請求項２６】各区域について、異なる波長の各々に
ついての各々の厚さについて自己正規化された測定反射
率を計算する前記段階が、異なる波長の各々について測
定された反射率を、正規化された測定反射率の総和で割
ることにより実行される請求項２１記載の方法。