JPS63308508A - 基板上に形成された層のパターン形状を定量的に決定する方法 - 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】 産業上の利用分野 本発明は１ミクロン程度以下の範囲の寸法を有する非常
に小さな突出パターンの形状を決定するための光学的方
法に関する１４本発明は特にマイクロエレクトロニクス
の分野で有用である。

従来の技術 マイクロエレクトロニクスの分野でフォトリソゲラフィ
ー及びエツチング等の製造技術が急速に進歩しており１
ミクロンよりも小さな幅のパターンが得られるようにな
っている。集積回路を研究するに際し設計者は種々の機
能を配置するのに使われるパターンの許容幅を規定する
。このような場合の寸法誤差は一般に製造時における物
理学値の制御できない変動に起因して生じる。このため
、問題のある製造ステップを検出して欠陥を生じている
装置を迅速に調整すめるための試験がなされる。しかし
、かかる試験を行なうと製造工程の流れが遅延し、製造
費用が高くなる問題点の他、判定を誤ると正常な回路が
捨てられたり欠陥のある回路が合格にされる等の重大４
ｉ問題点が生じる。

このため正確で信頼性の高い管理が必要とされる。

寸法測定システムでは動作の大部分が測定したいパター
ンの拡大像にもとづいてなされる。この像は特殊な測定
装置と協働する光学顕微鏡又は電子顕微鏡により得られ
る。

これらの顕微鏡は測定系の第１段を構成する。

顕微鏡は照射装置と、物体を担持する試料台と、像形成
装置とよりなる。

照射は走査電子顕微鏡（ＳＦＭ）においては電子線源に
よりなされ、また光学顕微鏡においては光源（ランプ又
はレーザ）によりなされる。照射に応じて試料の各部分
が２次電子を放出したり（ＳＥＭの場合）入射光の一部
を反射したりする。

照射線と試料との相り作用は試料物質の局所的な性質及
び形状により決まる。このような相互作用−５＝ 現象は情報収集のための像形成装置によって像に変換さ
れて測定系の第２段をなす情報入力装置へ送られる。

情報の入力は光学的な（又は電子的な）空間信号をデジ
タル化可能な電気信号に変換することによってなされる
。この空間情報の時間情報への変換は走査によってなさ
れる。ＳＥＭでは試料物体と検出器が固定され照射ビー
ムが物体に対して動かされる。通常の光学顕微鏡におい
ては照射ビーム、物体及び像が固定され感知器の走査装
置により所望の信号が得られる。

測定したい寸法は１本の線の両側の縁部と縁部との間の
機械的な距離として定義される。最初にパターンの形状
がマスク上に描画により決定される。このようなマスク
の構造は基本的に２次元的であり所定方向に向いている
。

これに対し、集積回路ウェハ上のパターンは３次元的に
推定される必要がある。すなわち、このようなパターン
は材料の厚さ及び縁部の形状により特徴づけられる。特
に、よくあるように縁部が垂直でない場合は測定寸法に
対応してレベルを正確にもとめる必要がある。

ＳＥＭは高い分解能を有しておりトポグラノイー測定を
行なうことができ、また測定基準値を提供することが可
能である。しかし、この走査は破壊を伴う。すなわち、
パターンの断面形状を観察するには試料を観察したい方
向に対して直角にへき開する必要がある。また試料の帯
電を防止するため試料をメタライズ覆る必要がある。ま
た顕微鏡の倍率を較正するＩ、こめにパターンは容易に
測定できるようなピッチを有するくりかえし構造を必要
とする。このため、かかる測定方法は実際的でない。し
かし、これが非常に小さな寸法を有する物体を正確に測
定する視在１１ｆｆ−の知られた方法である。ＳＥＭの
分解能の限界は０．５〜５０ｎｍであるが光学系ではこ
の限界は３００〜１１０００ｎ程度にしかならない。

光学顕微鏡の分解能をより効果的に利用すべく、１９８
３年７月２６日出願のフランス国特許出願第８３／１２
３２８号は線像を直接観察するがゎりにこれをフーリエ
変換して周波数に変換する方法を開示している。しかし
、この方法は測定したい物体の厚さが光学顕微鏡の焦点
深度よりも小さい場合しか信頼できる結果を与えない。

事実、この方法は約０．８ミクロンより大きな厚みを有
する層の測定には使えない。

このため、幅が１ミクロンよりも小さく一方厚さが１ミ
クロン以上である例えば幅０．８ミクロン、厚さ１２ミ
クロンの非常に小さな構造の場合、川石のところ線幅を
信頼性をもって測定できる非破壊測定方法は知られてい
ない。さらに、縁部が垂直になっていない構造の場合は
単なる寸法測定は意味をなさず他に形状決定を行なう必
要がある。

発明が解決しようとする問題点 そこで、本発明は幅に比べて無視できないまた光学系の
焦点深度に対しても無視できない厚みを有するパターン
についての形状決定方法を提供することを−の目的とす
る。

線幅測定を行なう場合、特休に対する焦点面の位置を正
確に決定することができないため、線上の測定点の高さ
方向ないし厚さ方向の正確な位置を求めることができな
い。本発明の目的はこの不確実性を解決するにある。

問題点を解決するための手段 以上の及びその他の目的を達成すめるため、本発明は 一基板上に形成された層状物体の像１（ｘ）を、光学顕
微鏡にＪ：す、顕微鏡焦点を該物体の厚さ方向の任意の
高さに合わせた状態で得てこれをデジタル化し： ＝フーリエ変換により像に対応する周波数スペクトルＩ
　（Ｘ）を３１算し； 一幅がして基板と比較した反射能を特徴づ【ノるパラメ
ータａ、ｂを有する物体の干デルＭ（Ｘ）を、光学顕微
鏡特性関数Ｔ（Ｘ）及びＰ（Ｘ）に対応して、　　５ｉ
ｎｃＹ＝　（５ｉｎＹ）／Ｙどして、また当初のａ、ｂ
及びＬの概略値を使って弐Ｍ　（Ｘ）　＝＝ｂ　（Ｔ　
（Ｘ）　　５ｉｎｃ７ｃＸＬ−ａＰ（Ｘ）ｃｏｓπＸＬ
） に従ってｆｆｔｗシ： Ｑ− −Ｘの多値について式Ｄ　（Ｘ）ｌ　（ＸＩＭ（Ｘ）で
定義されるＤ（×）を計算しニーＤ（Ｘ）の総和Ｅをモ
デル決定に際し考慮するＸ値の範囲にわたり計算し； −Ｅが最小になるようにａ、ｂ及びＬを変化さ′ｔｉ： 〜顕微鏡の焦点が合っている点の高さに対応するＬの値
を求めることよりなる、基板上に形成された層のパター
ン形状を定ｍ的に決定する方法を提供する。

ｓｉｎπＸＬ及びＣＯＳπＸＬはモデルの直交規格化基
底を構成するのが好ましい。

本発明の一実施例では、 −ｃ、ｄ、ｅを観測とモデルとの差を最小化するように
決定された可変パラメータとし、−Ｘ′を空間周波数Ｘ
ど同じ性質を右する積分変数として、 伝達関数Ｔ（Ｘ）はＵ　（Ｘ、ｃ）＋　　　ｄ、Ｖ（Ｘ
、ｅ）の形を有し、また関数Ｐ（Ｘ）は式％式％ Ｐ（Ｘ）＝ より求められることを特徴とする。

本発明Ｉｊ法により、パターン幅の第１測定値を測定点
位置の高さを知ることなく得ることができる。

本発明ではこの高さに関する曖昧さを解決してパターン
の形状を定子的に決定するため、さらに顕微鏡レンズを
測定物体に対して徐々に動かして垂直方向走査を行ない
ながら測定がくりかえされる１１例えば顕微鏡レンズは
まず物体方向に動かされついで物体が遠さくプられる。

それぞれの位置で上記Ｅ値の最小値が求められ、これよ
り対応するしの値が得られる。このＥ値の一連の最小値
中の最小値により被測定物体が急な傾斜変化（頂部、基
部、・・・）を示すレベルにお参プる測定点の位置が示
される１゜ 以上の及びその他の目的、特徴及び利点を以下図面を参
照しながら詳細に説明する。

実施例 第１図は本発明方法により形状を決定されるパターンの
例を示す。第１図のパターンは例えば基板２上に形成さ
れた抵抗リブ１をあられツー１．このリブは使用する顕
微鏡の焦点深度よりも大きな高さを有する。。

測定装置はクリアバックグラウンドモードで使用されて
測定しようとするパターンの拡大像を提供する光学顕微
鏡を含む。この顕微鏡は光源が実際上針穴になっていて
照明が常時半ばコヒーレントであることを特徴とする。

さらに、光源は単一周波数光により照明を行なう場合に
生じる寄生的干渉効果が消滅するような十分に大きな幅
の放射スペクトルを有することを特徴とする。帯域幅は
８０ｎｍに近いのが好ましい。また、この光源の放射帯
域幅の中心をずらして像のコントラストを最適化するこ
ともできる。得られた像は光感応リセプタにて受信され
受信強度に比例した信号が形成される。リセプタは像の
強度分布を空間的に標本化する。この標本化はシャノン
の定理、すなわち＝　　１１　− Ｐを光学系の分解能限度として標本化間隔をＰ／２より
も小さくとる原則に従って実行される。次いで標本はデ
ジタル化され、かかる標本の集合により観測信号が構成
される１、この信号は１９８３年７月２６日出願のフラ
ンス国特許出願第８３／１２３２８号に開示の方法に従
ってフーリエ変換される。この方法では図示したような
パターンにおいて、その高さく例えば１ミクロンを超え
る）が使用する顕微鏡の焦点深度を超えると焦点が合わ
されている高さの値りは無視される。

これにλ１し、本発明では像ｉ　（ｘ）が顕微鏡を適当
に焦点合ねゼすることによって得られ（第２図）、像ｉ
　　（ｘ）のフーリエ変換が８１算される。

この例を第３図中に実線で示した曲線１　（Ｘ）として
示す。これにもとづいて、上記特許出願に開示の方法に
より、与えられた焦点合わせに対応した幅の近似値を（
ｑることができる。この従来の方法により求められた幅
の値あるいは先験的な幅の推定値より、関数Ｍ（Ｘ）が
上記（１）に従ってパラメータａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅにつ
いての推定値及び先験値を使って求められる。ここに、
ｂは規格化因子でありａはパターン１及び基板２の反射
ノ〈ラメータに関係した因子である。またＴ（Ｘ）及び
Ｐ（Ｘ）は光学顕微鏡装置に固有な既知関数である。そ
の結果、Ｘの値の夫々について偵Ｄ　（Ｘ＞＝　１　（
Ｘ）−Ｍ　（Ｘ）が割算され（第３図）、またＤ　（Ｘ
）の総和Ｅがモデル決定に関係のあるＸの範囲内で割算
される。次いで、Ｋ１”ｍ　ｍｌ　ｔＪ台時に（１１１
線Ｍ（Ｘ）を構成するために任意に選定された値し及び
パラメータａおよびｂの値が総和Ｅの（Ｉｆｈく最小に
なるように変化され固定される。

本方法により高さｈにおける幅りの正確な値りく求まる
。しかし、この結果はパターン１が完全（こ矩形である
場合にしか有効でない。これ（よ顕微鏡の焦点の位置が
基板２の面に対してどれだけの高さにあるかを光学的に
あるいは機械的に決定できないためである。

本発明者は顕微鏡レンズを観察している物体に対して動
かして基板２に近接させると最適イヒ１殺のＥの値がｈ
＝ｏの場合に最小の最小値（ｍｉｎｉｍｏｒｕｍ）にな
ることを見ｊ」１シた。そこで、顕微鏡を基板２から徐
々に離していきながら１−の値を次々に目算して求める
ことにより分析したいパターンの形状を決定することが
可能である。別の最小値が焦点がパターンの頂部に合わ
された場合にあられれる。

より一般的には、測定されている物体の幾何学的な傾き
が変化で−るたびに明瞭な最小ピークが現われる。

第４図は本発明実施例の理解のため第１図のパターンに
対応する関数１０（１（１（Ｘ）／Ｉ　（０）　）の値
をそれぞれ高さｈｏ、ｈ及びｈｌに対応する関数１ｏ　
　（Ｘ）、Ｉ　（Ｘ）及びＩｔ　　（Ｘ）について示す
グラフである。

十記実施例では顕ｇｌ鏡が基板から上方へ突出している
パターンについて近接・離間されたが、本発明はパター
ンがエツチングされている場合についても同様に有効で
ある。すなわち最小の最小値が基板とパターンを形成さ
れた層との境界面のレベルで現われる３゜ 要約すると、本発明は基板上に形成された層状物体の像
ｉ　（ｘ）を光学顕微鏡により顕微鏡焦点を該物体の厚
さ方向の任意の高さに合わせた状態で得てデジタル化し
、フーリエ変換により像に対応する周波数スペクトルＩ
　（Ｘ）をｈｌ算し、幅が１−で基板と比較した反射能
を特徴づけるパラメータａ、ｂを有する物体のモデルＭ
（Ｘ）を光学顕微鏡特性関数Ｔ　（Ｘ）及びＰ（Ｘ）に
対応して、また５ｉｎｃＹ＝　（５ｉｎＹ＞／Ｙとして
、さらに当初ａ、ｂ及び１−の概略を使って式 ％式％） に従って計算し、Ｘの多値について式Ｄ（Ｘ）−１（Ｘ
）　−Ｍ　（Ｘ）で定義されるＤ（Ｘ）を計算し、Ｄ　
（Ｘ）の総和Ｅをモデル決定に際し考慮するＸ値の範囲
にわたり計算し、Ｅ値が最小になるようにａ、ｂ及びＬ
を変化させ、顕微鏡の焦点が合っている点の高さに対応
するしの値を求める段階よりなる基板上に形成された層
のパターンを定量的に決定する方法を提供する。

【図面の簡単な説明】

第１図は決定したい形状を有する構造の例を示す図、第
２図は第１図の構造の像を光強度パターンｒ　（ｘ）と
して示す図、第３図は本発明方法の一段階を示す曲線、
第４図は焦点合ゎせを変化させた信号のスペクトル形状
変化を示す図である。 １・・・リブ、２・・・基板、Ｌ・・・幅、１（ｘ）用
尺射光強度、Ｔｏ　　（Ｘ）、Ｉ　（Ｘ）、Ｉｔ　　（
Ｘ）−・１（Ｘ）のフーリエ変換、Ｍ（Ｘ）・・・モデ
ル、Ｄ（Ｘ）−１（Ｘ）−Ｍ　（Ｘ）　、ｈｏ、ｈ、ｈ
ｌ・・・レベル。 特許出願人　ギョーム　ミシエル 代　　理　　人　　弁理士　　伊　　東　　忠　　産量
　　　　　か埋土　　松　　浦　　兼　　行手続補正書 １．事件の表示 昭和６２年　特許願　第３１１８１７号２、発明の名称 基板上に形成された層のパターン形状を定量的に決定す
る方法ａ　補正をする省 事件との関係　　特許出願人 住所（居所）　フランス国　３８３３０　　サン　ナゼ
レ　レゼムシエマン　ドユ　プレ　ド　ラシャール（番
地なし） 氏名（名称）　ギョーム　ミシエル ４、代理人 住所　〒１０２　　東京都千代田区麹町５丁目７番地６
、補正の対象 Ｍ書及び図面。 ７、　補正の内容 （１〕　　願書中、出願人の住所の欄記載を別紙のとお
り補正する。 ［Ｆ］　図面の浄書を別紙のとおり補充する。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）一基板上に形成された層状物体の像ｉ（ｘ）を、
   光学顕微鏡により、顕微鏡焦点を該物体の厚さ方向の任
   意の高さに合わせた状態で得てこれをデジタル化し、 −フーリエ変換により像に対応する周波数スペクトルＩ
   （Ｘ）を計算し、 −幅がＬで基板と比較した反射能を特徴づけるパラメー
   タａ、ｂを有する物体のモデルＭ（Ｘ）を、光学顕微鏡
   特性関数Ｔ（Ｘ）及びＰ（Ｘ）に対応して、ｓｉｎｃＹ
   ＝（ｓｉｎＹ）／Ｙとして、また当初のａ、ｂ及びＬの
   概略値を使つて式 Ｍ（Ｘ）＝ｂ〔Ｔ（Ｘ）ｓｉｎｃπＸＬ−ａＰ（Ｘ）ｃ
   ｏｓπ×Ｌ〕 に従つて計算し、 −Ｘの各値について式Ｄ（Ｘ）＝Ｉ（Ｘ） −Ｍ（Ｘ）で定義されるＤ（Ｘ）を計算し、−Ｄ（Ｘ）
   の総和Ｅをモデル決定に際し考慮するＸ値の範囲にわた
   り計算し、 −Ｅが最小になるようにａ、ｂ及びＬを変化させ； −顕微鏡の焦点が合っている点の高さに対応するＬの値
   を求めることよりなる、基板上に形成された層のパター
   ン形状を定量的に決定する方法。
2. （２）モデルＭ（Ｘ）は直交規格化基底ｓｉｎπＸＬ及
   びｃｏｓπＸＬにもとづいて形成される特許請求の範囲
   第１項記載の方法。
3. （３）−ｃ、ｄ、ｅを観測とモデルとの差を最小化する
   ように決定された可変パラメータとし、−Ｘ′を空間周
   波数Ｘと同じ性質を有する積分変数として、 伝達関数Ｔ（Ｘ）はＵ（Ｘ，ｃ）＋ｄ．Ｖ（Ｘ，ｅ）の
   形を有し、また関数Ｐ（Ｘ）は式Ｐ（Ｘ）＝▲数式、化
   学式、表等があります▼ より求められることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   又は第２項記載の方法。
4. （４）顕微鏡は単一波長光による照明の際に生じる寄生
   的干渉効果を除去するに十分な幅の放射スペクトルを有
   する光源を有することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の方法。
5. （５）光源からの放射光の帯域の中心は像のコントラス
   トを最適化するために動かすことができる特許請求の範
   囲第４項記載の方法。
6. （６）−さらに、顕微鏡と基板との間の距離を変化させ
   、 −それぞれの位置で特許請求の範囲第１項記載の方法を
   実行し、 −得られた総和Ｅの値が最小になる位置より基板とパタ
   ーンとが同一面になっている領域を求め、 −顕微鏡を基板／パターン界面の位置から徐々に離しな
   がら距離に応じたＬの値を連続的に求め、これよりパタ
   ーンの形状を定量的に推定する段階を含む特許請求の範
   囲第１項記載の方法。