JPH1062128A - レ−ザ走査顕微鏡を用いた寸法測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板部に対して、断面形状が段差と一定の斜
面を持つ微細パタ−ンにおいて、この斜面幅の影響を受
けずに微細パタ−ンの上面と下面の寸法を測定するこ
と。 【解決手段】 レ−ザ光を対物レンズで集光して被測定
物上を走査し、反射光強度信号波形を検出し、これから
微分強度信号波形を求める。微分強度信号波形には４つ
の極値があらわれる。このうち内側２つの極値は微細パ
タ−ンの上面２つのエッジに対応し、外側２つの極値は
微細パターンの下面２つのエッジに対応する。まず内側
２つの極値の強度差が最大になるようにレ−ザ光の焦点
を微細パタ−ンの上面に合わせて、上面２つのエッジを
検出して寸法を測定する。次に外側２つの極値の強度差
が最大になるようにレ−ザ光の焦点を微細パタ−ンの下
面に合わせて、下面２つのエッジを検出して寸法を測定
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子などの微
細パタ−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、ウェハまた
はマスク基板上に形成された微細パタ−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微細パタ−
ンの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−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、生産ラインにおいては自動
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た顕微鏡でパタ−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−
ザ走査顕微鏡（ＬＳＭ）が用いられるようになってき
た。

【０００３】ＬＳＭは微小スポットに集光したレ−ザ光
を微細パタ−ン面上で走査し、微細パタ−ンからの反射
光強度信号を検出して微細パタ−ン像を得る方法であ
る。ＬＳＭはハ−ドウェア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−
ンなどのサブミクロン寸法測定に応用するときには、パ
タ−ンエッジを検出するときのソフトウェアが重要にな
る。

【０００４】図２にＩＣパタ−ンの一般的な形状例を示
す。２１はアルミニウムあるいはポリＳｉ等から成る基
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−ンの断面形状は理
想的な垂直ではなく、一定の斜面部を持った形状が一般
的である。斜面部２３の下面エッジ２４、２５の間の距
離Ｄｂが微細パタ−ンの下面寸法で、斜面部２３の上面
エッジ２６、２７の間の距離Ｄｔが微細パタ−ンの上面
寸法である。なお説明の都合上、図においてはレ−ザ光
２８のスポットをパタ−ンに対して小さく表している
が、実際にはスポット径はパタ−ン幅半分程度の大きさ
を持つ。

【０００５】サブミクロンの微細パタ−ン寸法の場合、
斜面の幅は、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ともに、基板部２１とレジ
スト膜２２の段差は照射レ−ザ光２８の焦点深度程度、
あるいはそれ以上である場合を仮定する。

【０００６】この微細パタ−ンの場合に、微細パタ−ン
上方からレ−ザ光２８を照射したときには、斜面部２３
は照射レ−ザ光に対して散乱体、基板部２１とレジスト
膜２２は反射体となり、反射光強度は斜面幅、基板部２
１とレジスト膜２２の段差、２つの部材の反射率、及び
照射レ−ザ光２８の焦点設定位置に応じて変化する。

【０００７】前述したＬＳＭにより微小スポットのレ−
ザ光を、微細パタ−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図３に示して、従来の寸法測定方法
を説明する。

【０００８】例えば照射レ−ザ光２８の焦点位置を基板
部２１の面上に設定した場合、反射光強度信号波形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（５０％強度）となる位置３２、３３を
図２に示した微細パタ−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−
ン寸法を測定する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】微細パタ−ンからの反
射光強度信号波形３１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（特に幅）に応じて
変化する。

【００１０】これら各種の要因の中で反射光強度信号波
形３１に最も大きな影響を及ぼすのは斜面部２３の幅と
段差である。斜面幅が与える影響については、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−ン寸法が一定
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。

【００１１】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微細パタ−ンのエッ
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。また微細
パタ−ンの段差が、ＬＳＭの焦点深度に近くなると焦点
位置の設定が難しくなる。即ちレ−ザ光の焦点位置が、
微細パタ−ンの上面及び下面、あるいはその中間のいず
れの位置に合っているのか判断が難しくなる。焦点位置
の違いにより反射光強度のレベルが変動するため、正確
な寸法測定が不可能である。

【００１２】本発明は上記問題点を解決し、微細パタ−
ンの斜面幅と段差の影響を受けずに高精度に微細パタ−
ンの上面及び下面の寸法を測定する新規な寸法測定法を
提供する事を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、本発明の測定法は、レ−ザ光源から放射された
レ−ザ光をビ−ム走査手段によって、第１の板状部材上
の長手方向に形成される断面が略台形形状である第２の
板状部材上に照射して走査し、この第２の板状部材から
の反射光強度信号波形を検出する。次にこの反射光強度
信号波形から微分強度信号波形を検出して、第２の板状
部材の寸法を決定する。

【００１４】第２の板状部材から得られた微分強度信号
波形は、第２の板状部材の上面のエッジからの反射光に
起因する２つの極値と、第２の板状部材の下面のエッジ
からの反射光に起因する２つの極値の計４つの極値を持
つ。

【００１５】４つの極値における内側２つの極値の強度
差が最大になるように、第２の板状部材の上面に照射レ
−ザ光の焦点位置を制御して、第２の板状部材の上面の
寸法を測定する。次に外側２つの極値の強度差が最大に
なるように、第２の板状部材の下面に照射レ−ザ光の焦
点位置を制御して、第２の板状部材の下面の寸法を測定
することを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】第１の板状部材である例えばＩＣ
ウェハまたはマスク基板部と、その上に形成される第２
の板状部材である例えばレジスト膜で形成された微細パ
タ−ンにおいて、基板部の反射率がレジスト膜の反射率
よりも高いときに、レーザ光をこれらの上方から照射か
つ走査して反射光強度信号波形を得る。さらにこの反射
光強度信号波形を微分し、微分強度信号波形を得る。

【００１７】微細パタ−ンが斜面部を持つために、レ−
ザ光が斜面部上を走査したときに散乱が起こる。そのた
めに反射光強度信号波形は、２つの極値（最小値）を持
ち、略Ｗ型の形状になる。微分強度信号波形は、この反
射光強度信号波形を微分して得られるため、４つの極値
を持つ。

【００１８】４つの極値における内側２つの極値は微細
パタ−ン上面のエッジに、外側２つの極値は微細パタ−
ン下面のエッジにそれぞれ対応している。そこで内側２
つの極値の強度差が最大になるように、微細パタ−ンの
上面にレ−ザ光の焦点を合わせ、レーザ光を走査して得
られた微分強度信号波形の内側２つの極値の位置から、
微細パタ−ン上面の２つのエッジを検出し、この２つの
エッジ間を走査した距離から、微細パタ−ンの上面寸法
を測定する。また同じように、外側２つの極値の強度差
が最大になるように、微細パタ−ンの下面にレ−ザ光の
焦点を合わせ、レ−ザ光を走査して得られた微分強度信
号波形の外側２つの極値の位置から、微細パタ−ン下面
の２つのエッジを検出し、この２つのエッジ間を走査し
た距離から、微細パタ−ンの下面寸法を測定する。

【００１９】

【実施例】以下に図面を用いて、本測定法の実施例を詳
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。１１はレ−ザ光源で、例えばＨｅ−Ｎｅ
レ−ザ等から構成され、直線偏光を有するレ−ザ光１１
１を放射する。１２は偏光ビ−ムスプリッタ（ＰＢＳ）
で、反射光検出の際の光路変換を行う。ＰＢＳ１２を透
過したレ−ザ光は、レ−ザ光走査手段１３に入射する。
レ−ザ光走査手段１３は例えば音響光学偏向素子（Ａ
Ｏ）からなり、走査ドライバ１３１からの駆動信号に応
じてレ−ザ光の走査を行う。

【００２０】１４は対物レンズで、走査レ−ザ光１１２
を微小なスポットに集光して寸法が測定される微細パタ
−ン１５の面上に照射する。なお微細パタ−ン１５は図
２に示した構成である。微細パタ−ン１５からの反射レ
−ザ光１１３は、再度レ−ザ光走査手段１３を透過して
ＰＢＳ１２で反射され、集光レンズ１６を介して受光器
１７で検出される。

【００２１】反射レ−ザ光１１３はレ−ザ光走査手段１
３を再透過することによって、照射レ−ザ光１１２が微
細パタ−ン１５面上のどの位置を走査していても常に受
光器１７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。従って、受光器１７の面上に一定幅
を持つスリットを設け、反射レ−ザ光１１３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−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
面内分解能をあげることが可能である。

【００２２】１８は反射光強度信号作成部で、微細パタ
−ン１５の面上を走査レ−ザ光１１２で走査したときに
得られた各点における反射光強度デ−タをメモリ−回路
に記憶し、走査の一周期に対応した反射光強度信号波形
を作成する。この反射光強度信号波形を、微分強度信号
作成部１９で微分して微分強度信号波形を得る。

【００２３】微細パタ−ン１５は上面、下面で４つのエ
ッジを有するために反射光強度波形はＷ型の形状とな
り、微分強度信号波形は４つの極値をもつ。微細パタ−
ン１５の上面の寸法を測定するときには、内側極値強度
検出部２１において、微分強度信号波形の４つの極値に
おける内側２つの極値の強度差を算出し、この強度差が
最大になるようにフォ−カス制御部２４で、走査レ−ザ
光１１２の焦点位置を制御する。この焦点制御は微細パ
タ−ン１５を光軸方向に移動させる移動ステ−ジ２５を
介して行う。フォ−カス制御終了後に、内側極値強度位
置検出部２０において上面２つのエッジ位置を決定し、
寸法算出部２６で２つのエッジ間を走査した距離から寸
法を測定する。

【００２４】微細パタ−ン１５の下面の寸法を測定する
ときには、外側極値強度検出部２３において、微分強度
信号波形の４つの極値における外側２つの極値の強度差
を算出し、この強度差が最大になるようにフォ−カス制
御部２４で、走査レ−ザ光１１２の焦点位置を制御す
る。フォ−カス制御終了後に、外側極値強度位置検出部
２２において下面２つのエッジ位置を決定し、寸法算出
部２６で２つのエッジ間を走査した距離から寸法を測定
する。

【００２５】図４を用いて本方法におけるフォ−カス制
御の原理を説明する。図４における曲線４１はフォ−カ
ス位置と反射光強度の関係を示すもので、反射光強度は
ベストフォ−カス位置４２に被測定物４３が設置されて
いるときに最大になる。被測定物４３がベストフォ−カ
ス位置４２から離れた位置に設置されるに従って、反射
光強度は減少し、ベストフォーカス位置から大きく外れ
るとほぼ０になる。このことを利用して、レ−ザ光２８
が照射されている被測定物４３の位置からの反射光強度
が最大となるようにおおまかなフォ−カス制御を行う。
焦点深度に近い段差の上面及び下面に焦点を合わせる場
合には、反射光の最大強度に対する強度変化が小さいた
め、フォ−カス制御が困難である。そのため本方法にお
いては、微分強度信号波形における４つの極値の内側２
つの極値の強度差が最大になるように微細パタ−ン上面
にフォ−カス制御を行い、外側２つの極値の強度差が最
大になるように微細パタ−ン下面にフォ−カス制御を行
う。

【００２６】図５と図６に本方法による反射光強度信号
波形例と微分強度信号波形例を示して、基板部２１上の
レジスト膜２２の上面及び下面寸法を測定する原理を説
明する。一般にはＩＣパタ−ンの基板部２１とレジスト
膜２２には１μｍ程度の段差があり、また各部材の反射
率は互いに異なる。本例では段差は照射レ−ザ光の焦点
深度以上で、基板部２１の反射率がレジスト膜の反射率
よりも高いと仮定する。

【００２７】図５（ａ）は、レジスト膜２２の上面にレ
−ザ光２８の焦点が合っている状態を示す。波形図
（ｂ）中の５１はこの状態で基板部２１とレジスト膜２
２上をレ−ザ光２８で走査したときに得られる反射光強
度信号波形で、波形図（ｃ）中の５２は反射光強度信号
波形５１を微分して得られた微分強度信号波形である。
図４を用いて説明したように、反射光強度はベストフォ
−カス位置からが最も大きい。またこのパタ−ンの段差
はレ−ザ光２８の焦点深度よりも大きいため、レジスト
膜２２からの反射光強度は基板部２１からのものよりも
大きくなる。レジスト膜２２は斜面部を持つため、レ−
ザ光２８がこの部分に照射されたときに散乱を起こし、
反射光強度はほぼ０になる。この結果、レ−ザ光２８の
焦点がレジスト膜２２の上面に合っているときに反射光
強度信号波形５１における５１１と５１２の傾斜が最大
となる。

【００２８】５１１及び５１２の傾斜が大きいために、
微分強度信号波形５２における内側２つの極値５２１と
５２２の強度の絶対値もそれぞれ大きくなる。この事を
利用して、微分強度信号波形５２における内側の２つの
極値５２１（極大値）と５２２（極小値）の強度差が最
大になるように、フォ−カス制御を行えば、レ−ザ光の
ベストフォ−カス位置にレジスト膜２２の上面を設定す
ることが可能である。

【００２９】フォ−カス制御終了後に、２つの極値５２
１と５２２の位置からレジスト膜上面のエッジを決定し
て、２つのエッジ間を走査した距離から寸法を測定す
る。

【００３０】図６を用いてレジスト膜２２の下面寸法の
測定方法を説明する。図６はレジスト膜２２の下面にレ
−ザ光２８の焦点が合っている状態を示す。６１はこの
状態で基板部２１とレジスト膜２２上をレ−ザ光２８で
走査したときに得られる反射光強度信号波形で、６２は
反射光強度信号波形６１を微分して得られた微分強度信
号波形である。レジスト膜２２の斜面部からの反射光強
度は、前述のように散乱を起こすためほぼ０になる。こ
のためレジスト膜２２の下面にレ−ザ光２８の焦点が合
っているときに、反射光強度信号波形６１における６１
１と６１２の傾斜は最大となる。

【００３１】６１１及び６１２の傾斜が最大となるため
に、微分強度信号波形６２における外側２つの極値６２
１と６２２の強度の絶対値もそれぞれ最大となる。この
ことを利用して、微分強度信号波形６２における外側２
つの極値６２１（極小値）と６２２（極大値）の強度差
が最大となるように、フォ−カス制御を行えば、レ−ザ
光のベストフォ−カス位置にレジスト膜２２の下面及び
基板部２１を設定することが可能である。

【００３２】フォ−カス制御終了後に、２つの極値６２
１と６２２の位置からレジスト膜下面のエッジを決定し
て、２つのエッジ間を走査した距離から寸法を測定す
る。

【００３３】図７に本発明による寸法測定のフロ−チャ
−トを示す。ステップ７０２〜７０５は、走査レ−ザ光
１１２の焦点が微細パタ−ン１５の上面に合うようにフ
ォ−カス制御を行う過程を示す。ステップ７０２では、
移動ステ−ジ２５を用いて微細パタ−ン１５を光軸方向
に移動させる。

【００３４】ステップ７０３では、光軸方向に移動後の
微細パタ−ン１５上を走査レ−ザ光１１２で走査して得
られた反射光強度信号波形から、微分強度信号作成部１
９において微分強度信号波形を検出する。ステップ７０
４では内側極値強度検出部２１において、微分強度信号
波形から４つの極値のうち内側２つの極値強度を検出す
る。

【００３５】ステップ７０５では、ステップ７０４で得
られた内側２つの極値強度から強度差を検出し、その値
が最大となった時、すなわち走査レ−ザ光１１２の焦点
が微細パタ−ン１５の上面に合ったときは、ステップ７
０６に移る。それ以外はステップ７０２に移り、引き続
きフォ−カス制御を行う。ステップ７０６ではフォ−カ
ス制御終了後に、走査レ−ザ光１１２で微細パタ−ン１
５上を走査して得られた微分強度信号波形から内側２つ
の極値強度の位置を、内側極値強度位置検出部２０にお
いて検出し、寸法算出部２６において微細パタ−ンの上
面寸法を算出する。

【００３６】ステップ７０７〜７１０は、走査レ−ザ光
１１２の焦点が微細パタ−ン１５の下面に合うようにフ
ォ−カス制御を行う過程を示す。ステップ７０７では、
ステップ７０２と同様の作業を行う。ステップ７０８も
ステップ７０３と同様の作業を行う。ステップ７０９で
は外側極値強度検出部２３において、微分強度信号波形
から４つの極値のうち外側２つの極値強度を検出する。

【００３７】ステップ７１０では、ステップ７０９で得
られた外側２つの極値強度から強度差を検出し、その値
が最大となったとき、すなわち走査レ−ザ光１１２の焦
点が微細パタ−ン１５の下面に合ったときは、ステップ
７１１に移る。それ以外はステップ７０７に移り、引き
続きフォ−カス制御を行う。ステップ７１１ではフォ−
カス制御終了後に走査レ−ザ光１１２で微細パタ−ン１
５上を走査して得られた微分強度信号波形から外側２つ
の極値強度の位置を、外側極値強度位置検出部２２にお
いて検出し、寸法算出部２６において微細パタ−ンの下
面寸法を算出する。これで微細パタ−ン１５の上面及び
下面寸法の測定を終了する。

【００３８】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
おいては、微細パタ−ンが基板部に対して段差とともに
斜面部を有する形状の場合、微細パタ−ン上をレ−ザ光
が走査して得られた反射光強度信号波形から微分強度信
号波形を求める。この微分強度信号波形を利用して、レ
−ザ光の焦点位置に微細パタ−ンの上面あるいは下面を
合わせる事によって、この上面及び下面のパタ−ンエッ
ジを検出し、上面及び下面の寸法を測定する事が可能で
ある。この測定方法は微細パタ−ンの斜面形状に依存し
ないため、精密な寸法測定が可能である。

【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−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】本発明におけるフォ−カス制御の原理を説明す
る図で、フォ−カス位置による反射光強度変化を示す図
である。

【図５】本発明による微細パタ−ンの上面寸法の測定方
法を説明する図で、レ−ザ光の焦点が微細パタ−ン上面
に合っている場合の例である。

【図６】本発明による微細パタ−ンの下面寸法の測定方
法を説明する図で、レ−ザ光の焦点が微細パタ−ン下面
に合っている場合の例である。

【図７】本発明のレ−ザ走査顕微鏡を用いた寸法測定方
法を説明するフロ−チャ−トである。

【符号の説明】

１１ レ−ザ光源 １１１ レ−ザ光 １５ 微細パタ−ン ２１ 基板部 ２３ 斜面部 ２４、２５ 微細パタ−ンの下面 ２６、２７ 微細パタ−ンんの上面 ３１ 反射光強度信号波形 ５２ 微分強度信号波形 ５２１、５２２ 内側２つの極値 ６２１、６２２ 外側２つの極値

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レ−ザ光源から放射されたレ−ザ光をレ
   −ザ光走査手段により、第１の板状部材上の長手方向に
   形成されている断面が略台形形状である第２の板状部材
   上に照射して走査し、該第２の板状部材からの反射光強
   度信号波形を検出し、該反射光強度信号波形から微分強
   度信号波形を検出して、前記第２の板状部材の外形寸法
   を測定するレ−ザ走査顕微鏡を用いた寸法測定方法にお
   いて、 前記微分強度信号波形は前記第２の板状部材の上面のエ
   ッジからの反射光に起因する２つの極値と前記第２の板
   状部材の下面のエッジからの反射光に起因する２つの極
   値の計４つの極値を持ち、該４つの極値のうち内側の２
   つの極値と外側の２つの極値は逆位相で、かつ該内側２
   つの極値の強度差が最大になるように前記第２の板状部
   材の上面に前記照射レ−ザ光の焦点位置を制御して前記
   第２の板状部材の上面の寸法を測定し、前記外側の２つ
   の極値の強度差が最大になるように前記第２の板状部材
   の下面に前記照射レ−ザ光の焦点位置を制御して、前記
   第２の板状部材の下面の寸法を測定することを特徴とす
   るレ−ザ走査顕微鏡を用いた寸法測定方法。