JPS63222208A - 凹部深さ測定装置 - Google Patents

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】 し産業上の利用分野］ 本発明は、物体表面に規ＩＩＩ的に形成されたトレンチ
もしくは孔等の凹部深さを測定する凹部深さ測定装置に
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ｍ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１０図にはその一
例が示されており、トレンチ（ｔｒｅｎｃｈ）　１の深
さは１〜Ｉ　Ｏμｍ程度であり、トレンチ１により分画
された単位セル２の一辺の長さは数μｍ程度である。

このトレンヂ深さの厳密な測定装置としては、走査型電
子顕微ｍ（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１１図に示すような走査型フーリエ分光器を
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２０等が光源として用いられ、コリメータレンズ
１８Ａにより平行化された光束はその１部がビームスプ
リッタ−３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１０に垂直照射され、その反射光の１部が
ビームスプリッタ−３により反射され、次いで平面鏡４
により反射されてマイケルソン干渉計２２Ｅへ入射され
る。

そして、マイケルソン干渉計２２Ｅの出射光強度が光セ
ンサ４８により検出され、アンプ５０、フィルタ５２を
介してストレージオシロスコープ５３へ供給され、移動
ｗＬ３４の走査に同期してストレージオシロスコープ５
３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１
０の表面が、トレンチが存在しない研磨された而だとす
ると、ストレージオシロスコープ５３の画面」二には、
フーリエ分光法の原理により、第３図（Δ　）に示すよ
うなインクフェログラムが得られる。シリコンウェハー
１０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３図（１３’）
に示すようなインターフェログラムが得られ、図中のメ
インピークＭとサブビークＳとの間の距ＭＬを用いて次
式によりトレンチ深さｄが求められる。

ｄ＝Ｘｎ／Ｎ　　　　　　・・・（１）ここに、Ｎは移
動鏡３４の移動区間におけるサンプリング点数（全デー
タ点数）であり、ｎはメインピークＭとサブビークＳと
の間のサンプリン２１点数であり、Ｘは固定！１３２に
対する移動鏡３４の最大移動量の２倍である。

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、メインピークＭに対するサブピークＳの相対レ
ベルが低いため、サブピークＳがメインピークＭに接近
した場合、すなわち１記ｎ又はｄの値が小さい場合には
、サブビークＳの位置の検出誤差が大きくなり、トレン
チ深さｄの測定精度が低下する。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、高精度測定が可能
な凹部深さ測定装置を提供することにある。

「間悪点を解決するための手段］ 本発明では、連続スペクトルを放射する光源からの光線
束を、表面に凹部が規則的に形成された被測定物体の該
表面へ照射し、その回折光を干渉計へ入射させてインタ
ーフェログラムを形成し、該インターフェログラムを光
検出器で検出し、該インターフェログラムのメインピー
クとサブピークとの間の距離を求め、該距離を用いて該
凹部の深さ又は該透明被膜の膜厚を算出・出力する凹部
深さ測定装置において、 凹面が被測定物体の該表面へ斜めに向けて配設され、該
光源からの光線束が通過され該表面からの正反射光が通
過される孔が形成された凹面鏡を備え、 被測定物体の該表面からの零次以外の回折光が該凹面鏡
へ入射され、その反射光が該干渉計へ入射されるように
、該凹面鏡を配置したことを特徴としている。

この凹面鏡は、球面鏡、放物面鏡または楕円面鏡などの
回転２次曲線面鏡である。

［実施例コ 図面に基づいて本発明の詳細な説明する。

第１図には、第１実施例の凹部深さ測定装置の全体構成
が示されている。

シリコンウェハー１０が置かれるベース１２の上方には
、放物面鏡Ｉ４がその凹面を斜め下方へ向けて配設され
ている。放物面ｍ１４の中心部には円孔１６が穿設され
、円孔１６の上方に集光レンズ１８を介して白色光源２
０が配設されている。

白色光源２０からの白色光は、集光レンズ１８を透過し
、円孔１６を通り、集光されてシリコンウェハーＩＯの
表面へ略垂直に照射され、その零次以外の回折光が放物
面鏡１４により側方へ反射され、平行光線束Ｌｌがマイ
ケルソン干渉計２２へ入射される。この回折光は、第９
図に示す如く、該物体表面からの回折光と、トレンチ底
面での反射後該底面上方かつ該表面と同一面（相補的な
面）からの回折光である。また、放物面鏡１４の外周形
状は、円形、楕円形または矩形等である。

放物面鏡１４と集光レンズＩ８との間の側方には、望遠
鏡２４の前方に反射プリズム２６が設けられた位置決め
光学系２８が配設されており、トレンチ深さ測定萌に反
射プリズム２６が円孔１６の上方へ水平移動され、操作
者が位置決め光学系２８を覗いて、測定しようとするト
レンチが円孔■６の下方に来るようにシリコンウェハー
ＩＯの位置決めを行う。

なお、測定中における光源２０の発光強度の微少変動を
考慮して、円孔■６を通過する正反射光の強度を検出し
、光源２０の発光強度が一定になるよう調整し又は後述
する光検出器４８の出力値を補正するようにしてもよい
。

マイケルソン干渉計２２は、平行光線束Ｌｌが斜めに入
射されるビー１１スプリツタ３０と、ビームスプリッタ
３０の上方に配設された固定鏡３２と、ビー１５スプリ
ツタ３０の側方に配設された移動ｍ３４とを備えている
。移動体としての移動鏡３４は、壁面３６へ伸縮体３８
を介して固設されている。伸縮体３８は、圧電素子４０
の両端面に電極膜（図示せず）を介して絶縁円板４２．
４４が固着され、この絶縁円板４２が壁面３６へ固着さ
れ、絶縁円板４４が移動鏡３４に固着されている。ビー
ムスプリッタ３０の下方には結像レンズ４６を介して光
検出器４８が配設されている。平行光線束り、はその１
部がビームスプリッタ３０により反射され、固定ｗＬ３
２により反射され、次いでビームスブリック３０、結像
レンズ４６を透咥して光検出器４８の位置へ集光される
。一方、平行光線束り、の残部はビームスプリッタ３０
を透過し、移動ｗ１３４、ビームスプリッタ３０により
反射され、結像レンズ４６を透過して光検出器４８の位
置へ集光される。光検出器４８により検出された光強度
信号はアンプ５０を通って増幅され、フィルタ５２を通
ってノイズが除去され、ＡＩＤ変換４５４によりデジタ
ル変換されてデータ処理装置５６へ供給される。一方、
コントローラ５８はドライバ６０を介して圧電素子４０
へ、第２図に示す如く、ステップ状に変化する駆動電圧
Ｖを供給する。これにより圧電素子４０が偏位し、その
偏位が安定した時点においてコントローラ５８からＡ／
Ｄ変換器５４へ変換開始信号Ｓ１が供給される。また、
駆動電圧Ｖがステップ状に変化する間、コントローラ５
８からデータ処理装置５６へ測定信号Ｓ、が供給され、
データ処理装置５６はこの間Ａ／Ｄ変換器５４から定期
的にデータを読み込み、メインピークＭとサブピークＳ
を検出し、メインピークＭとサブピークＳの間の距離り
を求め、この距離りから上記式（１）を用いてトレンチ
深さｄを算出する。このｄが所定範囲内にあるかどうか
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。

ここで、伸縮体３８の置火偏位量は、トレンチ深さ程度
かつトレンチ深さより大きな値である。

圧電素子４０はＶ＝１００ボルトで偏位量が１０μｍ程
度であり、数ボルト程度ずつ変化させることにより０．
１μｍのステップで円板４２を偏位させることができる
。圧電素子４０自体の応答速度は１００μｓｅｃ程度と
速く、■ステラプ時間を例えば５　ａｔｅ７ｓｅｃとし
１００ステツプ変化させた場合には０．５秒で測定が終
了する。

第３図上段にはマイケルソン干渉計２２への入射光線の
スペクトルが示されており、下段には移動ｍ３４を偏位
させることにより光検出器４８により検出されるインク
フェログラムが示されている。（Ａ）は白色光線２０自
体のスペクトルであり、これをマイケルソン干渉計２２
へ入射させると、（Ａ’）に示すようなインクフェログ
ラムが測定される。

（［３）は白色光線２０からの光をシリコンウェハーＩ
Ｏへ照射したときの零次回折光（正反射光）のスペクト
ルであり、これをマイケルソン干渉計２２へ入射させる
と、（Ｂ゛）に示す如く、メインピークＭの両側にｓ、
ｓ’が現れるインタフエログラムが得られる。

（Ｃ）、（Ｃ’）は本実施例の場合であり、（Ｃ）に示
す零次以外の回折光の集合がマイケルソン干渉計２２へ
入射されると、（Ｃ′）に示す如く、メインビークＭの
両側にサブビークｓ、ｓ’が存在するインクフェログラ
ムが得られる。メインビークＭに対するサブビークＳの
相対強度は、（Ｃ’）の方が（Ｂ゛）の場合よりも大き
くなることが本発明者により発見された。

したがって、トレンチ深さｄが小さくてサブビークＳが
メインビークＭに近付いたときにも、サブビークＳの位
置の読み取り誤差が小さくなり、各種演算処理の計算確
度が向上し、ひいては測定精度が向上する。

次に、第４図に基づいて本発明の第２実施例を説明する
。

マイケルソン干渉計２２Ａは、第１図に示すマイケルソ
ン干渉計２２と異なり、ビームスプリッタ３０の代わり
に楔形プリズム６２．６４が用いられている。移動体と
しての楔形プリズム６２は、その端面が伸縮体３８を介
して壁面３６Ａに固着されており、楔形プリズム６２Ａ
が壁面３６Ａの法線方向へ偏位されるようになっている
。また、第１図に示す移動ｖｔ３４の代わりに固定鏡３
２Ｂが用いられている。他の点及び作用効果については
第１実施例の場合と同様である。

次に、第５図に基づいて本発明の第３実施例を説明する
。

この例では、第１図に示す放物面鏡１４の代わりに球面
ｍ１４Ａが用いられ、球面ｍｌ　４Ａの側方にアパーチ
ャ６６、コリメータレンズ６８が配設されており、零次
以外の回折光は球面ｍ１４Ａによりスリット７０の位置
で収束され、コリメータレンズ６８により平行化される
。

、この第３実施例では、回折光集光部分と干渉計とを組
み合わせて構成できるので、光学設計における自由度が
増すという利点がある。

次に、第６図に基づいて本発明の第４実施例を説明する
。

この例では、移動鏡３４を移動させ光路差を時間的に変
化させてインターフェログラムを作成するマイケルソン
干渉計２２の代わりに、同一時点で光路差を空間的に変
化させてインターフェログラムを作成する三角光路型干
渉計が用いられている。

第１図に示す平行光線束Ｌｌは図示しない光学系により
絞られて平行光線束Ｌｌ゛にされ、第６図に示す三角光
路型干渉計２２Ｂのビームスプリッタ−７０へ入射され
る。

三角光路型干渉計２２Ｂは、ビームスプリッタ−７０と
、ビームスプリッタ−７０に対し互いに反対側へ配設さ
れた平面鏡７２．７４と、ビームスプリッタ−７０に対
し平面鏡７４と反対側に配設されたフーリエ変換レンズ
７６とからなる。この平面鏡７２．７４の反射面は、ビ
ームスプリッタ−７０の而に対し２２．５度傾斜してい
る。平面鏡７２は、ビームスプリッタ−７０に対し平面
鏡７４と対称な共役位置７４Ａから、入射光線束Ｌｌ’
の方向へ微小距離Ｑだけ平行移動された位置に配設され
ている。また、フーリエ変換レンズ７６は、ビームスプ
リッタ−７０に対し４５度をなして配設されている。

入射光線束Ｌｌ’の一部はビームスプリッタ−７０を透
過して平面ｗＪ、７２で反射され、次いで平面鏡７４で
反射された後、その一部がビームスプリッタ−７０を透
過して、光線束ＢＩとしてフーリエ変換レンズ７６へ入
射される。一方、入射光線束Ｌｌ’の一部はビームスプ
リッタ−７０，平面鏡７４．７２、ビームスプリッタ−
７０で順次反射され、光線束Ｂ、としてフーリエ変換レ
ンズ７６へ入射される。光線束Ｂ、及び光線束Ｂ、はフ
ーリエ変換レンズ７６を透過し、フーリエ変換レンズ７
６の焦点面に配設された一次元イメージセンサ７８の受
光素子面に結像され、インターフェログラムが形成され
る。

この−次元イメージセンサ７８は、データ処理装置８２
からの走査指令に基づいてドライバ８０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データ処理装
置８２へ供給される。データ処理装置８２は、この電圧
信号から第３図（Ｃ’）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ＭＬを求め、次式を用いて
トレンチ深さｄを算出する。

ｄ＝ｌ、／４ｆ　　　・・・（２） ここに、ｆはフーリエ変換レンズ７６の焦点距離であり
、Ｑは共役位１７４　Ａからの平面鏡７２のずれ量であ
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（メインピークＭとサブピークＳ間に存在する１
次元イメージセンサ７８の受光素子数）ｎは、１次元イ
メージセンナ７８の受光素子間のピッチをｐ（ｐ＝Ｌ／
ｎ）とすると、式（２）より次式が成立する。

ｎ−４ｆｄ／ｅｐ　　　・・・（３） したがって、例えばｆ＝４５ｃ＋ｗ、ｐ＝２５μｍ、Ｑ
＝２ｎ＋ｍとすると、ｄ＝１μｍ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。

また、−次元イメージセンサ７８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７８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、（２）式における距離ｅ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
。

この三角光路型干渉計２２Ｂを一般のフーリエ分光器と
して使用する場合には、１次元イメージセンサ７８の全
受光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Ｑ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ＭＴＦ（ｍｏｄｕｌａＬｉｏｎ　ｔｒａｎｓｒｅ
ｒ　ｒｕｎｃｔｉｏｎ）によって距離σの上限値が制限
されるという欠点があるが、本実施例（以下の実施例に
ついても同様）において特徴的なことは、高精度測定を
行うためには逆にａをなるべく小さくしてピーク間距離
り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。

次に、第７図に基づいて本発明の第５実施例を説明する
。

この例では、第４実施例の三角光路型干渉計２２Ｂの代
わりに傾斜型マイケルソン干渉計２２Ｇが用いられてい
る。すなわち、三角光路型干渉計２２Ｂの平面鏡７２．
７４に対応して平面鏡８６．８８が配設されており、平
面鏡８６の法線が入射光線束Ｌｌ’と一致し、平面鏡８
８の法線が結像レンズ９０の光軸に対し微小角θ傾いて
いる。また、傾斜型マイケルソン干渉計２２Ｃの光線東
入射部にはコリメータレンズ９２が配設されている。

したがって、コリメータレンズ９２を透過した入射光線
束■、１　の一部がビームスプリッタ−７０を透過して
平面鏡８６により反射され、その反射光線束の一部がビ
ームスプリッタ−７０により反射されて結像レンズ９０
を透過し、他方、入射光線束Ｌ＋　　の一部がビームス
プリッタ−７０゜平面鏡８８により順次反射され、その
反射光線束の一部がビームスプリッタ−７０を透過して
結像レンズ９０を透過する。これら両光線束は、結像レ
ンズ９０により一次元イメージセンサ７８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、上記式（２）に対応して次式が成立する。

ｎ　＝　２　ｄ　／　ｐθ　　　・・・（４）この第５
実施例においても、前記第４実施例と同様の効果が得ら
れ、式（４）における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８図に基づいて本発明の第６実施例を説明する
。

この例では、第５実施例の傾斜型マイケルソン干渉計２
２Ｇの代わりに四角行路型干渉計２２Ｄが用いられてい
る。すなわち、傾斜型マイケルソン干渉計２２Ｃの平面
Ｗｊ、８６．８８に対応して平面ｍ９４．９６がビーム
スプリッタ−７０に対し互いに対称に、かつ平行に配設
され、さらに平面鏡９８が平面鏡９４．９６の面間に配
設されており、平面鏡９８の法線がビームスプリッタ−
７゜の光線東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５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９２を透過した入射光線
束Ｌｌ’の一部がビームスプリッタ−７０を透過して平
面鏡９４．９８．９６により順次反射され、次にその反
射光線束の一部がビームスプリッタ−７０、結像レンズ
９０を順次透過し、他方、入射光線束Ｌ　Ｉ　’の一部
がビームスプリッタ−７０、毛面鏡９６．９８．９４に
より順次反射され、次にその反射光線束の一部がビーム
スプリッタ−７０に反射され、結像レンズ９０を透過す
る。これら両光線束は、結像レンズ９０により一次元イ
メージセンサ７８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６実施例においても上記式（４）が成立し、面記
第５実施例と同様の効果が得られ、式（４）における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、上記実施例では被測定物体表面にトレンチＩＯが
形成されている場合を説明したが、本発明はこれに限定
されず、該表面に多数の孔が規則的に形成されている場
合であってらよい。

また、第７図において、平面鏡８８の代わりに平面鏡８
Ｇを該位置から微少用傾斜させ、または平面鏡８６．８
８の両方を傾斜させた構成であってらよい。同様に、第
８図において、平面鏡９８の代わりに平面鏡９４もしく
は９６を該位置から微少用傾斜させ、または平面鏡９４
．９６．９８のうち２枚以上を傾斜させた構成であって
もよい。

［発明の効果コ 本発明に係る凹部深さ測定装置では、凹面鏡の凹面を被
測定物体の表面へ斜めに向けて配設し、凹面鏡に孔を穿
設してこの孔に光源からの光線束を通過させるとともに
被測定物体表面からの正反射光を通過させ、被測定物体
からの零次以外の回折光をこの凹面鏡で反射さけ、干渉
計へ入射させてインターフェログラムを形成するように
なっており、インターフェログラムのメインピークに対
するサブピークの相対レベルが零次回折光を用いた場合
よりも大きいので、サブピークがメインビークに接近し
ていてもサブビーク位置の検出誤差が小さくなり、した
がって、高精度で凹部深さを測定することができるとい
う優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第１０図は本発明の実施例に係り、第１図は
第１実施例の凹部深さ測定装置の全体構成図、第２図は
圧電素子に印加する電圧■、光強度デジタル変換開始信
号Ｓ、及び測定信号Ｓｔのタイミングチャート、第３図
上段は干渉計への入射光線束のスペクトル図、第３図下
段は上段に対応したインターフェログラム図、第４図は
第２実施例のマイケルソン干渉計を示す構成図、第５図
は第３実施例の回折光集光部を示す構成図、第６図乃至
第８図は第４乃至第６実施例のインターフェログラム形
成部を示す構成図、第９図は被測定物体表面での回折光
を示す図、第１θ図はトレンチが形成されたシリコンウ
ェハーの表面を示す斜視図である。第１１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。 １ニドレンチ　　　　　Ｉ４：放物面鏡１４Ａ：球面ｗ
１　　　１６：円孔 ２０：白色光源 ２２．２２Ａ−Ｅ：干渉計 ２８：位置決め光学系　３０：ビームスブリブタ３２：
固定鏡　　　　　３４：移動鏡 ３８：伸縮体　　　　　４０：圧電素子４８：光検出器
　　　　　Ｍ：メインビークＳ：サブピーク

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 連続スペクトルを放射する光源からの光線束を、表面に
   凹部が規則的に形成された被測定物体の該表面へ照射し
   、その回折光を干渉計へ入射させてインターフェログラ
   ムを形成し、該インターフェログラムを光検出器で検出
   し、該インターフェログラムのメインピークとサブピー
   クとの間の距離を求め、該距離を用いて該凹部の深さ又
   は該透明被膜の膜厚を算出・出力する凹部深さ測定装置
   において、 凹面が被測定物体の該表面へ斜めに向けて配設され、該
   光源からの光線束が通過され該表面からの正反射光が通
   過される孔が形成された凹面鏡を備え、 被測定物体の該表面からの零次以外の回折光が該凹面鏡
   へ入射され、その反射光が該干渉計へ入射されるように
   、該凹面鏡を配置したことを特徴とする凹部深さ測定装
   置。