JPH10509508A

JPH10509508A - 干渉法スペクトル画像処理を用いる薄膜厚マップ測定方法

Info

Publication number: JPH10509508A
Application number: JP8505769A
Authority: JP
Inventors: カビブダリオ; エイバックワルドロバート; イーアデルミカエル
Original assignee: アプライドスペクトラルイメージングリミテッド
Priority date: 1994-07-26
Filing date: 1995-07-12
Publication date: 1998-09-14
Also published as: IL110466A0; WO1996003615A1; IL110466A

Abstract

(57)【要約】支持体（１４）に重なる薄膜（１４）の厚さマップを測定する方法。この方法は、異なる角度から同時に薄膜（１０）を照射すること及び薄膜（１４）上の各点によって反射された照射光のスペクトル輝度を分析することを含む。この分析は、薄膜（１４）から反射された照射光を集めること、各ピクセルから放射する照射光のスペクトル輝度の一次結合の所定セットに対応する被変調照射光を出力する干渉計（１６）を通して照射光を通過させること、各ピクセルに対して干渉計（１６）内に生じる光路差を同時に、そして個別にスキャンすること、干渉計（１６）から出力された照射光を検出アレイ上に集束すること、及び各ピクセルのスペクトル輝度を測定しスペクトル輝度分布を得るために、検出アレイの出力を処理することによって行われる。最後に、この方法は、薄膜（１６）の厚さの立体的な分布を測定するために、スペクトル輝度分布をさらに処理することを含む。

Description

【発明の詳細な説明】干渉法スペクトル画像処理を用いる薄膜厚マップ測定方法発明の分野及び背景本発明は、薄膜厚を測定する目的で、画像のスペクトル分析を行う方法及び装置、特に、シリコン・ウエハあるいは他の同類の材料（例えば、フラットパネル・ディスプレイ）の表面に施されたコーティングの薄膜厚を立体的に解析する方法及び装置に関する。反射分光法による薄膜厚測定はよく知られている。例えば、「可視反射スペクトルの分析による多結晶シリコン薄膜厚測定」（P．S．Hauge，"Polycrystall ine silicon film thickness measurement from analysis of visible reflecta nce spectra"，J．Opt．Soc．Am.，No．8，August 1979）及び「薄膜の材料科学」（Milton Ohring: "The material science of thin films"，Academic Press Ltd.，1992）を参照。今日のマイクロエレクトロニクス機器の製造行程においては、ウエハ上に被覆される薄膜の均一性が重要性を増している。それは、優れた均一性が出来上がった製品チップの一体性を保証するからである。また、チップの大きさが小さくなっているため、その均一性への許容範囲はより厳しくなっている。さらに、高い歩止まり（少ない不合格品）と効率的な（低コストの）生産を保証するために、ウエハ点検には、より高度な自動化が必要で、より短時間で、より高精度に、より広範囲の厚さ測定が要求される。その結果、ウエハの薄膜厚マップは、製造中に行われる多くの点検項目の一つとして、非常に多くのポイント（テスト位置）で広い範囲の厚さに対して、迅速に正確になされなければならない。今日、薄膜厚マッピング計測器は、楕円偏光法あるいは反射分光法に基づいている。ここでは後者だけに言及し、この分野における従来の技術の例として、プロメトリクス（Prometrix）のスペクトラマップ（SpectraMap）SM-300 及び F T-500 をあげる。一枚の厚さマップを完成するために、ウエハを移動ステージ上で動かすことによって一点一点スペクトルが測定される。これは、時間を要し、立体的な高い解像度が要求されるため、高い移動精度も必要であり、ウエハの操作を増すため、ウエハがメッキ室の外にある場合にだけ実用的である（従って、本来の場所において行うことが不可能である）。実際、薄膜厚装置の製造業者が言及する最も高速な厚さマッピングは、数秒間で何百ポイント程度を行うものである。より速く、より高い立体的解像度（より多くのテスト位置）で、テスト位置から他のテスト位置へ移るときに計測器に対してウエハを動かす必要がなく（より高精度及び、本来の場所での監視を可能にするより少ないウエハ操作）、可能な限り最も広い範囲の厚さを容易に測定可能な、支持体に重なる薄膜の厚さの立体的な分布を測定するための方法及び装置の必要性が認められると共に、それら方法及び装置をもつことは非常に有利であろう。本発明は、シリコン・ウエハあるいは同類の支持体上の、薄膜厚をマップするための方法と装置とに関する。本発明によれば、ウエハを動かすことを必要としないため（測定結果をより速く、また立体的により正確に、そして潜在的に本来の場所において行われることが可能であり）、（現在のカタログに述べられる何百ではなく）数秒間で何万ピクセルにも到達し、（下記の）他の潜在的に競合する方法と同時に、より広い範囲の厚さを測定可能である。分光計は、光を受け入れ、それをその構成波長へ分離し（分散し）スペクトルを検出するようにデザインされた装置である。結像分光計は、シーン（scene）からの入射光を集め、そのシーンの各ピクセルのスペクトル輝度を測定するために入射光を分析するものである。前者は、一点だけにおけるスペクトルを測るため、このような計測器では、計測器に対してウエハが一点ごとに動かされなくてはならず、先に述べたように、測定時間が長い、また位置精度を確保し難いという欠点を有する。後者、すなわち、結像分光計あるいはスペクトル・イメージャ（spectral i mager）としては、異なるタイプのものが可能であり、飛行機や人工衛星から地表の資源をマップするために用いられる技術に類似したものが、薄膜厚マッピングのために用いられることも可能である（例えば、「地球及び惑星の遠隔探知のための結像分光計」J．B． Wellman，Imaging Spectrometers for Terrestrial and Planetary Remote Sensing，SPIE Proceedings，Vol.: 750，p．140（1987 ）を参照）。しかしながら、この技術は光を分光的に分散する格子技術に基づいているため、次の欠点をもたらす。格子には高次の回折があり、それをスペクトル測定に役立てるためには、スペクトル範囲を、波長の「オクターブ」と呼ばれる範囲の外側の波長をふさぐことによって限定してやらなければならない。例えば、０.４から０.８μ。従って、回折格子に基づく計測器は、高い波長と低い波長との間の割合が２より大きくなってしまう広い波長範囲を有することは不可能である。この問題は、異なるオクターブを格子を異なる角度に回転させることによって、あるいは同時にいくつかの格子を用いることによって別個に測定することによって解決できる。しかしながら、これらの解決方法は、測定時間を増やす、あるいは計測器の光学系を複雑にするものである。これと同じ問題は、液晶や音響光学結晶チューナブルフィルターによっても見られる。この波長範囲は、計測器によって測定される薄膜厚範囲に関係する重要な点である。事実、光学文献によく述べられているように、高精度の薄膜厚測定は、薄膜の厚みｔが（λ／４）ｎより少ない場合、反射分光分析法によって行うことが難しい。この場合、λは計測器感度範囲における最小波長であり、ｎは薄膜の屈折率である。したがって、計測器が感知できる波長範囲が広ければ広いほど、測定可能な厚さの範囲は広くなる。干渉計にはこの制限がなく、そのため、より広い範囲の厚みをもっと容易に測定できることもよく知られている（例えば、著書「導入的フーリエ変換分光分析法」R．J．Bell，"Introductory Fourier Transform Spectroscopy"，Academi c Press 1972 を参照）。ここに参照として含まれる、我々の米国特許第 5,539,517 号は、シーン（s cene）の各ピクセルのスペクトル輝度を測定するために、シーンの光学的画像を分析する方法を明らかにしている。この方法は、シーンから、入射光を集め、各ピクセルから放射される光のスペクトル輝度の一次結合の所定セットに対応する被変調光（modulated light）を出力する干渉計を通してその光を通過させ、そのシーンのすべてのピクセルに対して干渉計内に生じる光路差（OPD）を別個にまた同時にスキャンするために、干渉計へ入る光線を干渉計に対してスキャンし、あるいは干渉計自体をスキャンし、干渉計から出力された光を検出アレイ上に集束させ、各ピクセルのスペクトル輝度を測定するために検出アレイの出力を処理するということを含んでいる。上記に参照された特許出願は、他の既存の計測器と比較し、薄膜厚測定時間をかなり減少させ、立体的解像度をより高め、そして厚さの動的範囲（dynamic range）を増すために、画像の収集された入射光から利用可能なすべての情報をより良く利用する画像のスペクトル分析のための方法と装置とを提供する。この点から、我々の方法がいかに数秒間で何万ピクセルもの厚さマップを提供することができるのかが理解できる。現時点で利用可能な検出マトリクスは、16,384（128 x 128）ピクセルを有し、それらは 1,000 フレーム／秒（１６ mHz）でスキャンされる。結果として、各フレームが画像の各ピクセルの OPD についての個々の、そして同時の情報を提供する（フーリエ変換によるスペクトルの情報に等しい）ため、１秒後には、必要なすべてのスペクトル情報がすべてのピクセルについて集められる。本発明の要約本発明によれば、支持体に重なる薄膜の厚さマップを測定する方法が提供される。この方法は、（ａ）異なる角度から同時に薄膜を照らすステップ、（ｂ）薄膜上の各点によって反射された照射光（radiation）のスペクトル輝度を分析するステップ、この分析は、（Ａ）フィルムから反射された照射光を集め、（Ｂ）この照射光を、各ピクセルから放射される照射光のスペクトル輝度の一次結合の所定セットに対応する被変調照射光（modulated radiation）を出力する干渉計を通して通過させ、（Ｃ）各ピクセルに対して干渉計内に生じる光路差を同時に、そして別個にスキャンし、（Ｄ）干渉計から出力される照射光を検出アレイ上に集束させ、そして（Ｅ）各ピクセルのスペクトル輝度を測定しスペクトル輝度分布を得るために、検出アレイの出力を処理することによって行われ、（ｃ）薄膜の厚さの立体的分布を測定するために、さらにスペクトル輝度分布を処理するステップからなる。また、本発明によれば、支持体に重なる薄膜の厚さマップを測定するための装置が提供される。この装置は、（ａ）異なる角度から同時に薄膜を照らすための手段と、（ｂ）薄膜から反射された照射光を集める手段と、（ｃ）干渉計と、（ｄ）干渉計が、各ピクセルから放射される照射光のスペクトル輝度の一次結合の所定セットに対応する被変調照射光を出力するように、照射光を干渉計を通して通過させる手段と、（ｅ）検出アレイと、（ｆ）各ピクセルに対して干渉計内に生じる光路差を同時に、そして別個にスキャンするための手段と、（ｇ）干渉計から出力された照射光を検出アレイ上に集束するための手段と、（ｈ）各ピクセルのスペクトル輝度を測定しスペクトル輝度分布を得るために検出アレイの出力を処理するための手段と、（ｉ）他の可能な方法よりも、ウエハの移動無しでより速くそしてより広い厚さ範囲ですべての上記ピクセルに対し薄膜厚の立体的分布を測定するために、スペクトル輝度分布をさらに処理する手段とからなる。下記の本発明の実施例における特徴によれば、このさらなる処理には、一定角度反射干渉分光分析法の技術（CARIS、上記 Ohring 参照）あるいは他のスペクトル分析アルゴリズムを用いることが含まれる。また、下記実施例におけるさらなる特徴によれば、このさらなる処理には、異なる入射角の照射光に対する補正も含まれる。本発明は、より速く、より正確で、ウエハの移動を必要としない、より広い厚さ範囲に有効な薄膜厚マッピングのための方法及び装置を提供することによって、現時点における既知の機器構成の欠点を示すものである。図面の簡単な説明本発明は、添付の図面を参照として、例としてのみ、ここに説明される。図１は、本発明による装置と方法とを概略的に描写するものであり、スペクトル・イメージャとしては、米国特許第 5,539,517 号に説明された種々のタイプのいずれを用いてもよい。図２は、照明輝度のドリフトに対するリアルタイム補正を提供する四つの反射率基準に囲まれたウエハを示す。実施例の説明本発明は、スペクトル結像を用いてウエハあるいは他の光学的材料の支持体上に薄膜厚の立体的な分布を測るための装置及び方法に関するものである。本発明による装置及び方法の原理と作動については、図面とその説明とを参照することによってより良く理解することができる。さて、図面を参照すると、図１には、本発明による装置及びシステムが概略的に描写されている。適当な照射光源１０、好ましくはハロゲン・ランプ等の光源からの光が拡散器１２を通過する。この光は、光源１０から拡散器１２へ光ファイバー（図示せず）を介して導かれてもよい。拡散器１２を通過した光がウエハ１４に当たり、その上の薄膜厚分布が測定される。拡散器１２からウエハ１４への、法線に対する光の入射角は変化する。この入射角の変化は、薄膜の立体的な厚さ分布を測定するためのデータ処理において明らかにされるのが好ましい。ウエハ１４上の薄膜から出る光のある部分が、スペクトル結像システム１６（スペクトル・イメージャ）へ入る。このシステム１６は、薄膜の光学的画像を分析し各ピクセルのスペクトル輝度を測定すると共にスペクトル輝度分布を作り出すものである。スペクトル結像システム１６には、参照としてこれに含まれたところの米国特許第 5,539,517 号において明らかにされたタイプのものが好ましい。手短かに述べれば、スペクトル結像システムは、薄膜からの入射光を集める手段と、干渉計、好ましくは、サグナック（Sagnac）、ファブリ−ペロー（Fabry - Perot）あるいはマイケルソン（Michelson）干渉計と、各ピクセルから放射された光のスペクトル輝度の一次結合の所定セットに対応する被変調光（ modulated light）を出力するように、干渉計を通して光を通過させ、シーンのすべてのピクセルに対して生じる光路差（OPD）を別個に、そして同時にスキャンするために、干渉計へ入る光線を干渉計に相対的にスキャンあるいは干渉計それ自体をスキャンするための手段と、検出アレイと、干渉計から出力される光を検出アレイ上に集束するための手段と、各ピクセルのスペクトル輝度を測定しスペクトル輝度分布を得るために、検出アレイの出力を処理する手段とを含む。スペクトル結像システム１６によって生成されたスペクトルの輝度分布は、薄膜の厚みの立体的な分布を得るために、例えば、適当なコンピュータを用いてさらに処理される。本発明による装置と方法とは、ウエハ面上の薄膜厚を立体的に解析する目的で、シリコン・ウエハ上のスペクトル結像を行うために用いられてもよい。本発明による装置と方法とを用いるに、むき出しのシリコン・ウエハ、すなわち、その面上に薄膜を持たないシリコン・ウエハから始めてもよい。このむき出しのウエハを、適当な位置決めされたウエハの上に置き、そして光源を、ウエハ面上に可能なかぎりの最良な均一性を提供するように合わせる。ウエハ上の単一点からあるいはすべての点から計られたスペクトル測定は、全体、あるいは一点毎の根拠として、システムのスペクトル反応を明らかにするための「白色較正」として役立つ。この較正後に、むき出しのウエハを、薄膜厚測定を行うべき実際のウエハで置き代える。得られたスペクトル・データを有意義な厚さ情報に変換するために種々の処理技術が利用可能である。最も単純なものの一つは、一定角度反射干渉分光分析法（CARIS）の技術である（例えば、「薄膜の材料科学」M．Ohring，"The Mater ial Science of Thin Films"Academic Press，1991，ch．6.2 を参照）。この技術を用いるためには、薄膜の厚さは、少なくとも二つの干渉最小値が計測器のスペクトル範囲内に観察されるようでなければならない。測定されたスペクトル範囲内に二つより多くの最小値が観察された場合は、平均ｄがとられ、そして異なるｎが最小値の各ペアに対して入れられる。最小値がない場合には、他のアルゴリズムが適当であると思われる。本発明による装置及び方法の精度は、ウエハの照明の均一性を増すことによって高められ得る。入射光の入射角における立体的な変化を考慮することによって、さらに性能を高めることも可能である。同様に、干渉最小値のスペクトル位置を算定するには、適した最小値を用いるよりも、むしろより洗練された放物線による適応型を用いる方が良いであろう。本発明による装置及び方法の性能をさらに高めるために、上記一定角度反射干渉分光分析法技術よりも優れた計算技術が用いられてもよい。一点一点による干渉写真のフーリエ変換によって得られたスペクトルに頼る、ここに説明された薄膜厚を計算するための技術と異なり、スペクトルからよりもむしろ干渉写真から薄膜厚の直接的な計算を行うことにより、より正確な結果を得ることが可能である。このような技術は、単一層以上の場合の薄膜厚計算に特に役立つ。さらに、本発明による装置及び方法は、照明輝度のドリフトに対するリアルタイム補正を行うために、好ましくは四つの反射率基準１８（図２）を提供することによって、さらに改善され得る。これらの基準は、スペクトル・イメージャの視野の四角に置かれるのが好ましく、小さないくつかのシリコン・ウエハでもよい。反射率基準１８のスペクトル画像がウエハのそれと同時に検出されるため、光源、光学素子、エレクトロニクス等の、どのようなシステム・パラメータに対しても経時変動のリアルタイム補正が可能であり、測定精度と反復精度とが改善される。最後に、二つのスペクトル画像間における、ピクセル毎の、そして波長毎のスペクトル差に基づくアルゴリズムは、半導体素子の点検に役立つ。コーティングの位置合わせを行う、または、不完全あるいは狂い、汚染、あるいは他の欠陥を見つけるために、二つのスペクトル画像の差異を、標準とする基準素子に製造中の素子を比較するために用いることができる。本発明は、限られた数の実施例に関して説明されたが、本発明について多くの変形、改良及び他の適用が行なわれ得ることは明らかである。

Claims

【特許請求の範囲】１．支持体に重なる薄膜の厚さマップを測定するための方法であって、（ａ）薄膜を異なる角度から同時に照らすステップと、（ｂ）この薄膜上の各点から反射した照射光（radiation）のスペクトル輝度を分析するステップと、この分析は、（Ａ）前記薄膜から反射された照射光を集めること、（Ｂ）各ピクセルから放射されたこの照射光のスペクトル輝度の一次結合の所定セットに対応する被変調照射光（modulated radiation）を出力する干渉計を通して前記照射光を通過させること、（Ｃ）前記各ピクセルに対して前記干渉計内に生じる光路差を同時に、そして個別にスキャンすること、（Ｄ）前記干渉計から出力された前記照射光を検出アレイ上に集束すること、及び（Ｅ）各ピクセルのスペクトル輝度を測定しスペクトル輝度分布を得るために、前記検出アレイの出力を処理することから行われ、（ｃ）前記薄膜の厚さの立体的分布を測定するために、前記スペクトル輝度分布をさらに処理するステップとからなる方法。２．前記干渉計が、サグナック（Sagnac）、ファブリ−ペロー（Fabry - Perot ）及びマイケルソン（Michelson）干渉計からなるグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。３．拡散器を介して前記薄膜の照明方向を調節して、異なる入射角度が得られることを特徴とする請求項１に記載の方法。４．さらに、前記薄膜上への入射の前に、前記照射光を拡散することからなる請求項１に記載の方法。５．さらに、基準ウエハを測ることによって追加のスペクトル画像を得ることからなり、前記のさらなる処理が、視野内での計測器反応の相違及び前記薄膜の異なる領域ついての照明の変化を補正するために、前記追加のスペクトル画像に基づく一点毎の正規化を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。６．前記のさらなる処理が、前記照射光の異なる入射角に対する補正を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。７．前記干渉計が可動タイプであることを特徴とする請求項１に記載の方法。８．前記検出アレイが二次元であることを特徴とする請求項１に記載の方法。９．支持体に重なる薄膜の厚さマップを測定するための装置であって、（ａ）異なる角度から同時に薄膜を照らすための手段と、（ｂ）この薄膜から反射した照射光を集めるための手段と、（ｃ）可動タイプの干渉計と、（ｄ）この干渉計が、各ピクセルから放射された照射光のスペクトル輝度の一次結合の所定セットに対応する被変調照射光を出力するように、前記干渉計を通して前記照射光を通過させる手段と、（ｅ）二次元の検出アレイと、（ｆ）前記各ピクセルに対して前記干渉計内に生じた光路差を同時に、そして個別にスキャンするための手段と、（ｇ）前記干渉計から出力された照射光を前記検出アレイ上に集束するための手段と、（ｈ）各ピクセルのスペクトル輝度を測定しスペクトルの輝度分布を得るために前記検出アレイの出力を処理するための手段と、（ｉ）前記薄膜の厚さの立体的な分布を測定するために、前記スペクトル輝度分布をさらに処理するための手段とからなる装置。１０．前記の異なる角度が、照射光の通路に位置する拡散器によって起こされることを特徴とする請求項９に記載の装置。１１．前記干渉計が、サグナック（Sagnac）、ファブリ−ペロー（Fabry - Pero t）及びマイケルソン（Michelson）干渉計からなるグループから選択されることを特徴とする請求項９に記載の装置。１２．さらなる処理のための前記手段が、一定角度反射干渉分光分析法技術を行うための手段を含むことを特徴とする請求項９に記載の装置。１３．さらなる処理のための前記手段が、前記照射光の異なる入射角に対し補正を行うための手段を含むことを特徴とする請求項９に記載の装置。１４．さらに、照射輝度、検出器反応及び電子偏流に対するリアルタイム補正を提供するための複数の反射率基準からなることを特徴とする請求項９に記載の装置。１５．前記干渉計が可動タイプであることを特徴とする請求項９に記載の装置。１６．前記検出アレイが二次元であることを特徴とする請求項９に記載の装置。