JPS63309807A - 凹凸部深さ測定方法 - 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） 本発明は被測定物の溝や穴の深さを測定する凹凸部深さ
測定方法に関し、例えば半導体製造工程でシリコン基板
上にコンデンサー用として設けた溝、所謂トレンチ等の
様な数ミクロン程度の凹凸部の深さを高精度に測定する
際に好適な凹凸部深さ測定方法に関するものである。

（従来の技術） 従来より被測定物に設けた数ミクロン程度の凹凸部の深
さを高精度に測定する為の測定方法が種々と提案されて
いる。

特に最近は半導体製造においてＩＣ回路の高集積化に伴
いシリコン基板上に数ミクロン程度の溝を掘りコンデン
サーを形成する所謂トレンチキャパシタが有望視されて
いる。そしてこのときのトレンチの深さを高精度に測定
する測定方法が要望されている。トレンチの深さ測定方
法としては被測定物を割り、その断面を走査型電子顕微
鏡（ＳＥＭ、ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍ
１ｃｒｏｓｃｏｐｙ）で測定したり、被測定物に光束を
入射させ、該被測定物からの反射光による干渉を利用し
て測定する方法がある。

今、被測定物の凹凸部構造が第４図（Ａ）に示すような
形状のトレンチ４１であり、このトレンチ４１に光束が
入射したとする。トレンチの深さをＴとしたとき、トレ
ンチの上面４２と底部４３からの２つの反射光によって
干渉が生じる。光束の入射角なθとすると ２Ｔｃｏｓθ＝ｎλ　（ｎは整数） となる波長λて２光束は強め合い、 ２Ｔｃｏｓθ＝（ｎ＋Ｉ／２）λ となる波長で弱め合う。この結果第４図（Ｂ）に示すよ
うな分光反射率が得られる。同図において隣接したピー
クの波長を各々λ１．λ２とすると２Ｔｃｏｓθ／λ＋
　＝　ｎ　　　　　　−・”　（１）２Ｔｃｏｓθ／λ
２−ｎ＋１　　　・・・・・・（２）となる。（１）　
、　（２）式より （１／λ２−１／λ＋　）　＝　］　／　（２Ｔｃｏｓ
θ）・・・・・・（３）となる。波数Ｋをに＝１／λと
おくと、即ちに、−１／λ、　　　　・・・・・・・・
・・・・・・・（４−ａ）Ｋ２＝１／λ２　　　　・・
・・・・・・・・・・・・・（４−ｂ）ΔＫ　　”Ｋ２
　　Ｋ＋　　　　・・・・・・・・・・・・・・・（４
−ｃ）とおくと（３）式より Δに＝１／（２Ｔｃｏｓθ）　　　・・・−（５）とな
る。従って（５）式よりθは既知であるからΔＫ（ピー
クの周期）を検出すればトレンチの深さＴを求めること
ができる。

しかしながら実際の被測定物、例えばトレンチ等の場合
は第５図（Ａ）に示す扛にトレンチ５１の上面に薄膜５
２が施されている場合が多い。この為トレンチの上面５
３と底部５４からの反射光の他に薄膜５２の表面５５か
らの反射光が対象とする反射光に混合してくる。この為
分光反射率は第５図（Ｂ）に示すような形状となってし
まい分光反射率のピーク位置を検出するのか難しくなっ
ている。

そこで従来は分光反射率のデータを波数軸上でフーリエ
変換し、第５図（Ｃ）に示す様な周波数スペクトラムを
求めて周波数の高い方のスペクトラムのピークとなる周
波数を求め、その周波数からピーク間隔を求めてトレン
チの深さを測定していた。

この方法はフーリエ変換の際、データの両端での不連続
性をなくす為に窓関数を掛けている。この為測定分光範
囲がトレンチの干渉による波のピッチよりも十分長くな
いと正確な周波数スペクトラムな得ることが難しく、特
にトレンチの深さが浅い場合には測定分光範囲をより広
くとる必要がある為、高精度の測定が困難であった。

又、フーリエ変換の際に周波数スペクトラムのピークを
正確に検出する為には周波数分解能を高くする必要があ
り、この為実測データの他に疑似データを加えて計算し
なければならずデータ数を多くしなければならなかった
。

その結果計算量が増大し、計算時間が長くなるという欠
点があった。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明はトレンチの上面に薄膜等が施されていて、トレ
ンチの上面と底部からの反射光に加えて薄膜からの反射
光があっても、少ない計算量でしかもあまり広い測定分
光範囲を必要としないで、トレンチ等の凹凸部の深さを
高精度に求めることのできる凹凸部深さ測定方法の提供
を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 被測定物の凹凸部に光束を入射させ、該凹凸部からの反
射光に基ついて等波数間隔の分光反射率のデータを得、
次いで該データをハイパスフィルターを介し、それより
得られた出力値を利用して、該凹凸部の深さを求めたこ
とである。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例の処理過程のブロック図であ
る。同図においては後述する測定装置において示すよう
に被測定物の凹凸部の上面と底部からの反射光を互いに
重なり合わせ、これより分光反射率を求める為に分光器
１に入射させてからの処理過程について示している。

同図において分光器１に人力した反射光は分光検出され
た後、ＡＤ変換器２に人力し、該ＡＤ変換器２で量子化
され、分光反射率のデータ列Ｒ（１）〜Ｒ（ｎ）とされ
る。ここでスキャナ３は分光器１の分光波長を走査する
と共にＡＤ変換器１に変換する際のタイミングを出力し
ている。ＡＤ変換器２からのデータ列Ｒ（１）〜Ｒ（ｎ
）は等波数変換部４で演算され等波数間隔のデータ列ｘ
（１）〜Ｘ　（ｎ）に変換される。このときのデータ列
ｘ（１）〜ｘ（ｎ）を第２図（Ａ）に示す。

尚、分光器１が等波数間隔で分光できる機能を有してい
るときは等波数変換部４は不要である。

又、このときデジタルハイパスフィルター５としては分
光器１からの出力信号かアナログ量であればアナログハ
イパスフィルターを用いれば良い。

等波数変換部４からのデータ列Ｘ（１）〜Ｘ　（ｎ）は
所定の周波数以下をカットするデジタルハイパスフィル
ター５に通され、第２図（Ｂ）に示すような干渉に基づ
くリップルを有したデータ列Ｙ（１）〜Ｙ　（ｎ）とさ
れる。そしてデジタルハイパスフィルター５からのデー
タ列のうち一部のデータＹ　（ｍ）　〜Ｙ　（ｎ）　、
　　（１≦ｍ＜ｎ）を取り出してピーク検出部６でデー
タ列の極値となる波数を検出している。

このときの波数Δにとデータ列Ｙ　（ｍ）〜Ｙ　（ｎ）
との関係を第２図（Ｃ）に示す。計算部７はど−ク検出
部６て得られた出力値の極値と極値との間隔であるピー
クとなる波数の間隔ΔＫを用いてトレンチの深さＴを求
めている。

即ち波数をΔＫ　（７ｃｍ）　、　　トレンチの深さを
Ｔ　（μｍ）としたとき（５）式を変形した’ｒ　　＝
　　１０’／（２−ΔＫ　）　　・−・−・・（６）式
を用いて求めている。又、このとき計算部７では検出可
能なピークにおける極値の全てについて（６）式を用い
て深さＴを求め、その平均値を求め高精度化を図ってい
る。そして計算部７による計算結果を出力部８より出力
している。

本実施例においてはデジタルハイパスフィルター５を用
いる場合、初期値を与える必要があり、このとき初期値
によって出力値が実際の値に収束するまでデータ数に差
が出てくる。そこでなるべく少ないデータ数で収束させ
る為に初期値として人力データの第１項目の値を入れて
いる。更にデジタルハイパスフィルター５からの出力デ
ータの始めの数データはトレンチの深さの計算には用い
ないようにしている。

尚、このときの計算に用いないデータの数はデジタルハ
イパスフィルター５の特性により決定している。又、デ
ジタルハイパスフィルターのカットオフ周波数は測定対
象となるトレンチの中で最も浅いものから得られるピー
クの周期よりも少し低い周波数を設定している。

次に本実施例におけるデジタルハイパスフィルターの一
例として２次のバターツースフィルターを用いたときの
計算例を示す。

このフィルタの伝達関数Ｈ（Ｓ）は、カットオフ角周波
数をＷｃ、５＝ｊＷとすると で表わされる。Ｘ　（ｎ）、Ｙ　（ｎ）を各々ｎ番目の
人力データと出力データとし、データ間隔を波数でＫ　
（７ｃｍ）とすると（７）式を２変換して整理して逆２
変換を行うことにより次式が得られる。

Ｙ（ｎ）＝］ハ（Ｄ　（Ｘ（ｎ）　−２・Ｘ（ｎ−］）
　＋　Ｘ（ｎ−２））−（Ｂ−Ｙ（ｎ−１）　＋　Ｃ−
Ｙ（ｎ−２））　）・・・・・・・・・（８） Ａ＝１＋　ｊＷＩＩｃ＋Ｗａｃ２ Ｂ＝２　　・Ｗａｃ”−Ｚ Ｃ−１−ＪＷａｃ＋Ｗａｃ２ Ｄ＝Ｗａｃ’ Ｗａｃ＝　ｔ　ａ　ｎ　　（Ｗｃ−に／　２　）（８）
式より出力データ列Ｙ　（ｎ）が得られる。

カットオフ角周波数Ｗｃは次の様にして決定している。

測定したいトレンチの最も浅いものをｊｍｔｎ（μｍ）
とすると、この場合のピーク間隔Δに□、ｎは（６）式
より Δに、、１ｎ−１０’　／　（２−ｊｍｉｎ　）−・−
・（９）となり、その周波数ｆ　ｍｉｎは で表わされる。

実際にはｆ　ｍｉｎよりも少し低い周波数ｆ　′ｍｉｎ
をカットオフ角周波数とするのが望ましい。そこでこの
ときのカットオフ角周波数ＷｃをＷｃ−２・π・ｆ　′
ｍｉｎ　　　・・・・・・・・・・・・（１１）として
いる。

次に第３図に本発明を実施する為の一実施例の光学系の
概略図を示す。同図において３１は白色の光源、３２は
コンデンサーレンズであり光源３１からの光束を集光し
ている。３４は第１のハーフミラ−１３５は対物レンズ
、３６は対物レンズ３５の瞳であり、本実施例では瞳３
６近傍に光源３１の像が結像するように各要素を設定し
た所謂ケーラー照明系を構成している。３７は被測定物
であり該被測定物３７面上にはトレンチ等の凹凸部が設
けられている。３８は第２のハーフミラ−１３９はどン
ホールであり分光器４０の前方に設けられており、ハー
フミラ−３８からの反射光を入射させている。尚、ピン
ホール３９は矢印３９ａ方向に移動可能に設定されてい
る。４１はＴＶカメラ等の観察面であり、対物レンズ３
５を介して被測定面３７とは共役になっている。

コンデンサーレンズ３２、第１のハーフミラ−３４そし
て対物レンズ３５は照明系の一部を構成している。又、
対物レンズ３５、第１のハーフミラ−３４、第２のハー
フミラ−３８、どンホール３９、そして分光器４０は測
光系の一部を構成している。

本実施例では２点鎖線で示す光路のように光源３１から
の光束をコンデンサーレンズ３２で集光し、第１のハー
フミラ−３４で反射させた後、対物レンズ３５により被
測定物３７面上を照射している。

そして被測定物３７からの反射光を対物レンズ３５で集
光し、第１のハーフミラ−３４を通過させて第２のハー
フミラ−３８で反射させた後、ピンホール３９を通過さ
せて分光器４０に導光している。このとき実線で示すよ
うに被測定物３７からの反射光のうち主に測光系の光軸
Ｓと略平行な反射光のみをどンホール３９に導入するよ
うにしている。

第６図は本発明を実施例する為の他の一実施例の概略図
である。同図においては分光器６１はコントローラ６５
からの信号に従い、顕微鏡６２を通して、試料６３の分
光反射光強度を測定する。

試料ステージ６４はコントローラ６５からの信号に従い
試料６３を移動する。コントローラ６５はコンピュータ
６６からのコマンドに従って分光器６１と試料ステージ
６４を制御し、又、分光器６１からの分光反射光強度を
コンピュータ６６に送る。コンピュータ６６は操作パネ
ル６７からの操作の支持に従ってコントローラ６５へ制
御コマンドを送り、又、分光反射光強度を読み込んでそ
のデータから試料上の凹凸の深さを計算しＣＲＴ６８へ
出力するように構成している。

（発明の効果） 本発明によればトレンチ等の凹凸部からの反射光を利用
して凹凸部の深さを測定する際、トレンチの上面に薄膜
が施されており、該薄膜からの反射光か対象とする反射
光の中に混合しても、前述のような処理方法を採ること
により、トレンチの深さに基づく干渉のリップルを効果
的に取り出すことが出来、比較的狭い分光範囲で、しか
も少ない計算量で高精度にトレンチの深さを求めること
ができる凹凸部深さ測定方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック図の説明図、第２
図（＾）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）は本発明における各
処理過程のデータ波形の説明図、第３図、第６図は本発
明を実施する為の測定装置の一実施例の説明図、第４図
（Ａ）　、　（Ｂ）と第５図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　
（Ｃ）はトレンチの上面と底部からの反射光の光路とそ
れより得られる分光反射率の説明図である。 図中、１は分光器、２はＡ／Ｄ変換部、３はスキャナ、
４は等波数変換部、５はデジタルハイパスフィルター、
６はピーク検出部、７は計算部、８は出力部である。 特許出願人　　キャノン株式会社 第　　１　　　図 第　　２　　図 （Ａ） （Ｂ） （Ｃ） 躬　　３　　図 搭　　４　　図 （Ａ） （Ｂ） １／λ 第　　５　　図 （Ｂ） １ム （Ｃ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定物の凹凸部に光束を入射させ、該凹凸部か
   らの反射光に基づいて等波数間隔の分光反射率のデータ
   を得、次いで該データをハイパスフィルターを介し、そ
   れより得られた出力値を利用して、該凹凸部の深さを求
   めたことを特徴とする凹凸部深さ測定方法。
2. （２）前記ハイパスフィルターを介して得られた出力値
   の最大値と最少値を求め、このときのピッチを利用して
   該凹凸部の深さを求めたことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の凹凸部深さ測定方法。