JPS63193003A

JPS63193003A - 凹部深さ・膜厚測定装置

Info

Publication number: JPS63193003A
Application number: JP2600287A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Iwata; 哲郎岩田
Original assignee: Japan Spectroscopic Co Ltd
Current assignee: Jasco Corp
Priority date: 1987-02-06
Filing date: 1987-02-06
Publication date: 1988-08-10
Anticipated expiration: 2011-09-11
Also published as: JP2533514B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野コ本発明は、物体表面に規はり的に形成されたトレンチも
しくは孔等の凹部深さ、または物体表面に形成された透
明膜もしくは半透明膜の膜厚を測定する凹部深さ・膜厚
測定装置に関する。

［従来技術およびその問題点］数メガビットの記憶容量を有するＤＲＡＭでは、チップ
上の単位メモリーセルの静電容量を減少させることなし
に集積密度を向上させる必要があるため、種々のタイプ
の縦型容量セルが案出されている。第４図にはその一例
が示されており、トレンチ（ｔｒｅｎｃｈ）　Ｉ　Ｏの
深さは１〜１０μｍ程度であり、トレンチｌＯにより分
画された単位セル１２の一辺の長さは数μｍ程度である
。

このトレンチ深さの厳密な測定装置としては、走査型電
子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いたものがある。

ＳＥＭによれば、高精度測定ができるばかりでなく、ト
レンチ内部の局所的形状に関する情報も得られる。

しかし、ＳＥＭは高価であり、取り扱いが煩雑であり、
そのうえ、抜き取り検査が主で、生産ラインにおいてリ
アルタイム測定を行うことは不可能である。

そこで、第７図に示すような走査型マイケルソン干渉計
Ｗを用いた測定装置が案出されている。

この測定装置では、連続スペクトルを放射するハロゲン
ランプ１６等が光源として用いられ、コリメータレンズ
＋８１こより平行化された光束はその１部がビームスプ
リッタ−２０を透過し、表面にトレンチが形成されたシ
リコンウェハー２４に垂直照射され、その反射光の１部
がビームスプリッタ−２０により反射され、次いで平面
ｊｉａ２６により反射されてマイケルソン干渉計Ｗへ入
射される。

そして、マイケ）レソン干渉計Ｗの出射光強度が光セン
サ２８により検出され、アンプ３０、フィルタ３２を介
してストレージオシロスコープ３４へ供給され、移動ｍ
３６の走査に同期してストレージオンロスコープ３４が
動作する。

次に、測定原理を説明する。もし、シリコンウェハー２
４の表面が、トレンチが存在しない研磨された面だとす
ると、ストレージオシロスコープ３４の画面上には、フ
ーリエ分光法の原理により、第２図（Ａ）に示すような
白色光インクフェログラムが得られる。ソリコンウェハ
ー２４をトレンチが形成されたものと取り替えると、表
面及びトレンチ底面からの反射により、第２図（Ｂ）に
示すような波形が得られ、図中のメインピークＭとサブ
ピークＳとの間の距離ａを用いてトレンチ深さｄか求め
られる。

この装置によれば、シリコンウェハーを非破壊で測定で
きる。

しかし、市販の走査型フーリエ分光器では全データ点数
と波数分解能（移動鏡３６の最大走査圧＃１）か固定さ
れているため、第２図（Ｂ）に示すメインピークＭとサ
ブピークＳとの間のサンプリング点数ｎが極端に少なく
、測定精度が低い。

すなわち、固定鏡３５に対する移動鏡３６の最大移動量
をＬ／２、全データ点数をＮとすると、トレンチ深さｄ
についてｄ　＝　Ｌ　ｎ　／　Ｎ　　　　　　（１）か成立し、
Ｌ−１ｃｍ、　Ｎ　＝　８１９２のとき、ｄ＝　１μｍ
に対してｎ＝０．８、ｄ　＝　１０μｍに対してｎ＝８
となり、測定精度が低い。

このため、第７図に示すように、ストレージオシロスコ
ープ３４を用いて測定するシステムが必要となり、測定
データを自動処理しようとすればその構成が複雑となる
。また、移動鏡３６を用いているので、駆動部などを設
ける必要があり、装置の複雑化は避けられず、しかも瞬
時測定ができない。加えて、測定試料周辺の光学系の正
確なアライメントが要求される。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、構成が簡単で、し
かも瞬時に高精度測定を行うことが可能な凹部深さ・膜
厚測定装置を提供することにある。

［問題点を解決するための手段」本発明に係る凹部深さ・膜厚測定装置では、連続スペク
トルを放射する光源と、入射光束を分岐させるビームスプリッタ−と、該分岐さ
れた各光束を反射させる平面鏡と、該ビームスプリッタ
−の光束分岐面に対し光軸が４５度をなして配設された
レンズとを備え、該反射された光束の一方が該ビームス
プリッタ−で反射され他方が該ビームスプリッタ−を透
過し、両光束が該レンズを透過して該レンズの焦点面に
インターフェロダラムが空間的に得られるように、該ビ
ームスプリッター、該平面鏡及び該レンズを配置した干
渉計と、表面に四部が規則的に形成され又は表面に被膜が形成さ
れた被測定物体に該光源からの光束を照射して、その反
射光束を該干渉計に入射させる照射手段と、該焦点面に配設されたイメージセンサと、該イメージセ
ンサを駆動するドライバと、該イメージセンサの出力値
を受けて、主ピークとサブピーク間の距離を求め、該距
離より該凹部深さ又は該被膜の厚さを演算・出力する演
算手段と、を有することを特徴としている。

［実施例コ図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明する。

第１図には凹ｆ！５深さ・膜厚測定装置の全体構成が示
されている。

二股光ファイバ３８は基部ファイバ３８ａの１端が分岐
ファイバ３８ｂと分岐ファイバ３８ｃとに分岐されて構
成されている。この基部ファイバ３８ａの端面はシリコ
ンウェハー２４へ向けて配置され、分岐ファイバ３８ｂ
の端面は光結合レンズ３７へ向けて配置され、分岐ファ
イバ３８ｃの端面は三角光路型干渉計Ｘの光束入射部へ
向けて配置されている。

ハロゲンランプＩ６から放射された連続スペクトル光は
、光結合レンズ３７を透過して分岐ファイバ３８ｂ内へ
導入され、基部ファイバ３８ａを通ってシリコンウェハ
ー２４上へ垂直照射され、シリコンウェハー２４の表面
及びトレンチ底面で反射され、両光束が再度基部ファイ
バ３８ａを通り、次いで分岐ファイバ３８ｃを通って光
束Ｂ０が放射され、三角光路型干渉計Ｘのビームスプリ
ッタ−４０へ入射される。

三角光路型干渉計Ｘは、ビームスプリッタ−４０と、ビ
ームスプリッタ−４０に対し互いに反対側へ配設された
平面鏡４２．４４と、ビームスプリッタ−４０に対し平
面ｍ４４と反対側に配設されたフーリエ変換レンズ４６
とからなる。この平面鏡４２．４４の反射面は、ビーム
スプリッタ−４０の面に対し２２．５度傾斜している。

また、平面鏡４２は、ビームスプリッタ−４０に対し平
面ｍ４４と対称な共役位置４４Ａから、入射光束Ｂ０の
方向へ微小距離ｇだけ平行移動された位置に配設されて
いる。フーリエ変換レンズ４６は、ビームスプリッタ−
４０に対し４５度をなして配設されている。

入射光束Ｂ０の一部はビームスプリッタ−４０を透過し
て平面鏡４２で反射され、次いで平面鏡４４で反射され
た後、その一部がビームスプリッタ−４０を透過して、
光束Ｂ、としてフーリエ変換レンズ４６へ入射される。

一方、入射光束Ｂ０の一部はビームスプリッタ−４０、
平面ｍ４４、平面ｍ４２、ビームスプリッタ−４０で順
次反射され、光束Ｂ、としてフーリエ変換レンズ４６へ
入射される。光束Ｂ１及び光束Ｂ、はフーリエ変換レン
ズ４６を透過し、フーリエ変換レンズ４６の焦点面に配
設された一次元イメージセンサ４８の受光素子面に結像
される。

この−次元イメージセンサ４８はドライバ５０により駆
動され、各受光素子の受光量に応じた電圧が順次信号処
理装置Ｒ５２へ供給される。信号処理装置５２は、この
電圧信号から第２図（Ｂ）に示すメインピークＭとサブ
ピークＳを検出し、両者間の距離ユを求め、これを用い
てトレンチ深さｄを算出し、このｄが所定範囲内に有る
かどうかによりシリコンウェハー２４の表面に形成され
た集積回路の品質管理を行う。

次に、トレンチ深さｄの算出方法を説明する。

時刻ｔにおけるシリコンウェハー２４への入射光の電界
強度をＥ（ｔ）とすると、三角光路型干渉計Ｘへの入射
光束Ｂ０の電界強度Ｅｌｆ（ｔ　）は次式のようになる
。

Ｅｓ＋（ｔ　）＝　ａ　Ｅ（ｔ　）＋　ｂ　Ｅ（ｔ−α
）　　　　（２）ここで、α＝　２　ｄ　／　ｃであり
、Ｃは光速であり、３はシリコンウェハー２４の表面で
の反射率と照射面積に比例する量であり、ｂはトレンチ
底面での反射率と照射面積に比例する量である。

さて、フーリエ分光器は入射電界強度の一次相関をとる
ものであるから、１次元イメージセンサ４８上には６次
式に示す波形が得られる。

ｔ　＝　Ｓ　：Ｅ＋＋（ｔ　）＋　Ｅ＊（ｔ−τ）１″
ｄｉ　　　　（３）（２）式を（３）式に代入すると次
式が得られる。

１　＝ＤＣｃｏｓｐｏｎｅｎＬ＋　２　（ａ”＋　ｂ”
）　Ｒ（ｒ　）＋２ａｂ（Ｒ（ｒ−ａ）士Ｒ（ｒ＋ａ）
）　　　　（４）ここで、Ｒ（τ）＝　Ｓ　ＥＤ）Ｅ’
（ｔ−τ）ａｔ　　（５）であり、また、Ｅ′″（１）
はＥ（ｔ）の複素共役を表す。

（４）式のＡＣ成分だけをとると次式が得られる。

ＩＡｃ＝２（ａ”−ｔ−ｂ’）Ｒ（ｒ）＋２ａｂ（Ｒ（
ｒ−ａ）＋Ｒ（τ十α））　　　　　　　　　　　（６
）このＲ（τ）はシリコンウェハ２４への入射光のイン
クフェログラムであり、白色光の場合には第２図（Ａ）
に示すようになるので、（６）式より、第２図（Ｂ）に
示す如く、τ＝０にメインピークＭが生じ、τ＝±αに
同強度のサブピークｓ、ｓ’が生じる。

したがって、トレンチ深さｄは、α＝　２　ｄ　／　ｃ
を測定することにより求められる。

ここで、メインピークＭとサブピークＳ間のサンプリン
グ点数（メインビークＭとサブピークＳ間に存在する１
次元イメージセンサ４８の受光素子数）ｎは、フーリエ
変換レンズ４６の焦点距離を１％　１次元イメージセン
サ４８の受光素子間のピッチをｐ　（ｐ＝ａ／ｎ）、共
役位置４４Ａからの平面ｍ４２のずれ損をＱとすると次
式が成立する。

ｎ＝４ｆｄ／Ｑｐ　　　　　　　　　　　　　　　（７
）したがって、例えばｆ＝４５ａｍ、ｐ＝２５μｓ。

Ｑ＝２ａｍとすると、ｄ＝１μ−のときｎ＝３６、ｄ＝
１０μｍのときｎ＝３６０となり、−次元イメージセン
サ４８の１エレメント当たりの読取誤差は従来例よりも
充分低減され、高精度測定を行うことができる。

しかも、ハロゲンランプ１６とシリコンウェハー２４と
の間及びシリコンウェハー２４と三角光路型干渉計Ｘと
の間に、二股光ファイバ３８を用いているので、シリコ
ンウェハー２４に対する二股光ファイバ３８の光軸のア
ライメントは全く不要になり、生産ライン上に本装置を
組み込める。

また、−次元イメージセンサ４８としては分光測定用の
フォトダイオードアレイなどが望ましいが、受光強度に
対する一次元イメージセンサ４８の出力電圧のりニアリ
イティは全く要求されないので、例えば安価なファクシ
ミリ用ＣＯＤなどを用いることができる。

そのうえ、（７）式における距離Ｑを微調整することに
よりより、広範囲なトレンチ深さｄの測定に対処できる
。

さらにもう１つ重要なことは、三角光路型干渉計Ｘを一
般のフーリエ分光器として使用する場合には、フォト、
ダイオードアレイの全素子数が固定されているとき、波
数分解能を向上させるためにｅの値を大きくする必要が
あり、したがって干渉縞の濃淡間隔が狭くなりすぎ、使
用するイメージセンサのＭ　Ｔ　Ｆ　（ｍｏｄｕｌａｔ
ｉｏｎ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ）によっ
て距離ｇの上限値が制限されるという欠点があるが、本
測定装置では、高精度測定を行うためには逆にＱをなる
べく小さくしてピーク間距離ａを大きくとる必要がある
ため、このような欠点が生じないという点にある。

次に、第３図に基づいて本発明の第２実施例を説明する
。

この実施例では、第１実施例の三角光路型干渉計Ｘの代
わりに傾斜型マイケルソン干渉計Ｙが用いられている。

すなわち、三角光路型干渉計Ｘの平面鏡４２．４４に対
応して平面鏡５６．５８が配設されており、平面鏡５６
の法線が入射光束Ｂ０と一致し、平面ｍ５８の法線が結
像レンズ６０の光軸に対し微小角θ度傾いている。また
、傾斜型マイケルソン干渉計Ｙの光束入射部にはコリメ
ータレンズ６２が配設されている。

したがって、コリメータレンズ６２を透過した入射光束
Ｂ０の一部がビームスプリッタ−４０を透過して平面ｍ
５６により反射され、その反射光束の一部がビームスプ
リッタ−４０により反射されて結像レンズ６０を透過し
、他方、入射光束Ｂ。の一部がビームスプリッタ−４０
、平面鏡５８により順次反射され、その反射光束の一部
がビームスプリッタ−４０を透過して結像レンズ６０を
透過する。これら両光束は、結像レンズ６０により一次
元イメージセンサ４８上に結像され、インターフェログ
ラムが検出される。

この場合、上記（７）式に対応して次式が成立する。

ｎ　＝　２　ｄ　／　ｐθ　　　　　　　　　　　（８
）この第２実施例においても、前記第１実施例と同様の
効果が得られ、（８）式に於けるθを微調整することに
より広範囲なトレンチ深さｄの測定に対処できる。

次に、第４図に基づいて本発明の第３実施例を説明する
。

この実施例では、第２実施例の傾斜型マイケルソン干渉
計Ｙの代わりに四角行路型干渉計Ｚが用いられている。

すなわち、傾斜型マイケルソン干渉計Ｙの平面ｍ５６．
５８に対応して平面鏡６４．６６がビームスプリッタ−
４０に対し互いに対称に、かつ平行に配設され、さらに
平面鏡６８が平面鏡６４．６６の面間に配設されており
、平面鏡６８の法線がビームスプリッタ−４０の光束分
岐面に対し微小角θ度傾いている。他の構成については
第２実施例と同一になっている。

したがって、コリメータレンズ６２を透過した入射光束
Ｂ０の一部がビームスプリッタ−４０を透過して平面鏡
６４．６８．６６により順次反射され、次にその反射光
束の一部がビームスプリッタ−４０、結像レンズ６．０
を順次透過し、他方、入射光束Ｂ０の一部がビームスプ
リッタ−４０、平面鏡６６．６８．６４により順次反射
され、次にその反射光束の一部がビームスプリッタ−４
０に反射され、結像レンズ６０を透過する。これら両光
束は、結像レンズ６０により一次元イメージセンサ４８
上に結像され、インターフェログラムが検出される。

この第２実施例においても上記（８）式が成立し、前記
第２実施例と同様の効果が得られ、（８）式に於けるθ
を微調整することにより広範囲なトレンチ深さｄの測定
に対処できる。

なお、照射手段としての光結合レンズ３７及び二股光フ
ァイバ３８は、第５図に示す如く、光結合レンズ３７、
ビームスプリッタ−２０及び平面！２６により構成して
もよい。

また、２本の光ファイバを用いること等により、被測定
物体からの反射光束を干渉計の光束入射部へ導く代わり
に、第５図に示す如く、該物体表面からの回折光と、ト
レンチ底面での反射複核底面上方かつ該表面と同一面（
相補的な而）からの回折光とを、上記干渉計へ入射する
構成であってもよい。

また、被測定物体表面には、トレンチＩＯの代わりに、
多数の孔が規則的に形成されている場合であってもよい
。

さらに、第３図において、平面ｊａ５６の代わりに平面
鏡５８を該位置から微少角傾斜させ、または平面鏡５６
．５８の両方を傾斜させた構成であってもよい。同様に
、第４図において、平面鏡６８の代わりに平面鏡６４も
しくは６６を該位置から微少内傾斜させ、または平面鏡
６４．６６．６８のうち２枚以上を傾斜させた構成であ
ってもよい。

［発明の効果］本発明に係る凹部深さ・膜厚測定装置では、表面に凹部
が規則的に形成され又は表面に被膜が形成された被測定
物体に、連続スペクトルを放射する光椋からの光束を照
射して、その反射光束または回折光束を、空間的にイン
クフェログラムを生成させる干渉計に入射させ、その結
果生じたインクフェログラムをイメージセンサ上に作成
し、このインターフェログラムのメインピークとサブピ
ーク間の距離を求め、この距離より凹部深さ又は膜・厚
を演算・出力するようになっており、従来のように平面
鏡を移動させる必要がないので、構成が簡単となり、し
かも瞬時に測定可能であるという優れた効果がある。

そのうえ、インターフェログラムのメインピークとサブ
ピーク間の距離を長くすることができるので、高精度測
定を行うことが可能であるという優れた効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は本発明の実施例に係り、第１図は第
１実施例の凹部深さ・膜厚測定装置の全体構成図、第２
図はインターフェログラムを示す波形図、第３図及び第
４図はそれぞれ第２実施例及び第３実施例の凹部深さ・
膜厚測定装置の１部構成図、第５図は被測定物体からの
回折光を干渉計へ導く場合の説明図である。第６図はシ
リコンウェハーの表面に形成されたトレンチの形状を示
す斜視図である。第７図は従来例のトレンチ深さ測定装
置を示す全体構成図である。ＩＯ＝トレンチ　　　　１２：単位セル１６、ハロゲン
ランプ１８．６２：コリメータレンズ２４：シリコンウェハー３８：二股光ファイバ４０：ビームスプリッタ− ４２，４４，５６，５８，６４，６６，６８：平面鏡４４Ａ：共役位置４６：フーリエ変換レンズ４８、−次元イメージセンサ６０：結像レンズＸ二三角光路型干渉計Ｙ：傾斜型マイケルソン干渉計Ｚ：四角行路型干渉計

Claims

【特許請求の範囲】

（１）連続スペクトルを放射する光源と、入射光束を分岐させるビームスプリッターと、該分岐さ
れた各光束を反射させる平面鏡と、該ビームスプリッタ
ーの光束分岐面に対し光軸が４５度をなして配設された
レンズとを備え、該反射された光束の一方が該ビームス
プリッターで反射され他方が該ビームスプリッターを透
過し、両光束が該レンズを透過して該レンズの焦点面に
インターフェログラムが空間的に得られるように、該ビ
ームスプリッター、該平面鏡及び該レンズを配置した干
渉計と、表面に凹部が規則的に形成され又は表面に被膜が形成さ
れた被測定物体に該光源からの光束を照射して、その反
射光束または回折光束を該干渉計に入射させる照射手段
と、該焦点面に配設されたイメージセンサと、該イメージセンサを駆動するドライバと、該イメージセンサの出力値を受けて、主ピークとサブピ
ーク間の距離を求め、該距離より該凹部深さ又は該被膜
の厚さを演算・出力する演算手段と、を有することを特
徴とする凹部深さ・膜厚測定装置。
（２）前記照明手段は、基部ファイバの一端が第１分岐
ファイバと第２分岐ファイバに分岐した二股光ファイバ
であり、該基部ファイバの端面を前記被測定物体に対面
させ、該第１分岐ファイバの端面を光結合レンズを介し
前記光源へ向け、該第２分岐ファイバの端面を前記干渉
計の光束入射部へ向けて該二股分岐ファイバを配置した
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の凹部深さ
・膜厚測定装置。
（３）前記干渉計は、前記平面鏡が２枚であり、前記レ
ンズがフーリエ変換レンズであり、該各平面鏡が前記ビ
ームスプリッターの光束分岐面に対し略対称な位置に、
該分岐面に対し２２．５度をなして配設された三角光路
型干渉計Ｘであることを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の凹部深さ・膜厚測定装置。
（４）前記干渉計は、前記平面鏡が２枚であり、前記レ
ンズが結像レンズであり、該各平面鏡が前記ビームスプ
リッターの光束分岐面に対し互いに反対側へ配設され、
該各平面鏡が該光束分岐面に対し略４５°をなして配設
された傾斜型マイケルソン干渉計Ｙであることを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の凹部深さ・膜厚測定装
置。
（５）前記干渉計は、前記平面鏡が３枚であり、前記レ
ンズが結像レンズであり、該平面鏡の２枚が前記ビーム
スプリッターの光束分岐面に対し互いに略対称な位置に
該分岐面に略平行に配設され、残り１枚の該平面鏡が該
２枚の平面鏡の面間に該分岐面に略直行して配設された
四角光路型干渉計Ｚであることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の凹部深さ・膜厚測定装置。