WO2004113833A1 - 立体形状計測装置、加工装置、および半導体デバイス製造方法 - Google Patents

立体形状計測装置、加工装置、および半導体デバイス製造方法 Download PDF

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WO2004113833A1
WO2004113833A1 PCT/JP2004/009289 JP2004009289W WO2004113833A1 WO 2004113833 A1 WO2004113833 A1 WO 2004113833A1 JP 2004009289 W JP2004009289 W JP 2004009289W WO 2004113833 A1 WO2004113833 A1 WO 2004113833A1
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measuring apparatus
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PCT/JP2004/009289
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Masahiro Watanabe
Toshihiko Nakata
Maki Tanaka
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Hitachi, Ltd.
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67242—Apparatus for monitoring, sorting or marking
    • H01L21/67253—Process monitoring, e.g. flow or thickness monitoring

Definitions

  • the present invention relates to a technology for measuring a three-dimensional shape, and more particularly to a technology effective when applied to a multipoint high-speed measuring device for a three-dimensional shape of a sample such as a semiconductor, a processing apparatus using the same, and a semiconductor device manufacturing method.
  • Akita
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-173984 discloses a technique for controlling an etching condition by combining an etching apparatus and a sample surface evaluation system.
  • a method called Scatterome try that estimates the shape by measuring the angular distribution or wavelength distribution of the scattered light, or the brightness of the detected light by narrowing down the laser and scanning Laser microscope, which obtains height information from the information of a confocal point, confocal microscope, which obtains height information from the brightness information of the detected light by illuminating and detecting through a pinhole, and a microscope image in which the detected light and reference light interfere with each other
  • There is an interference microscope which detects height and obtains height information from the brightness information.
  • AFM Anatomic Forcible Mi croscope
  • sand there is a method called an atomic force microscope, which traces the surface with a very small force using a fine probe.
  • the cross section is dug by a stereo SEM, FIB (F 0 cused I on Beam), which obtains depth information from multiple SEM images in which the irradiation direction of the electron beam is changed, and the SEM There are methods such as FIB-SEM to observe and electron holography, which reconstructs the three-dimensional shape of the sample from the electron beam interference pattern. Disclosure of the invention
  • Another object of the present invention is to provide a pattern such as an edge of a wiring pattern with a sectional view of a pattern edge and a measurement function of a short detection mode for measuring the meandering of the pattern edge. .
  • a plurality of measurement heads are prepared, and these are used to simultaneously measure a plurality of points on a sample.
  • This allows for fast solids Shape measurement can be realized.
  • the operation of the stage on which the sample is mounted and the operation of the measuring head are coordinated. This enables high-speed measurement of more points.
  • the required installation space is small and it can be tightly coupled to the processing equipment.
  • a directly attached device can be provided. Furthermore, it detects the relative position between the sample and the measurement head so as not to be affected by the vibration and deformation of the installation location, and corrects the three-dimensional shape measurement result.
  • the measured three-dimensional shape is displayed in association with the wafer map, and the shape parameters extracted from the measured three-dimensional shape are displayed on an e-map. This makes it possible to quantify the measurement results and display the state of the machining process in an easily understandable manner.
  • the shape parameters of the three-dimensional shape obtained by measuring the pattern of the semiconductor sample and the distribution in the wafer can be used to set the processing process conditions before and after the feedpack and feedforward. In this way, stable production of high-precision depis can be realized.
  • the present invention it is possible to prepare a plurality of measurement heads for measuring a three-dimensional shape, and to measure a plurality of points on a sample at the same time. It is possible to realize a simple three-dimensional shape measurement. Furthermore, since the operation of the stage on which the sample is mounted and the operation of the measurement head can be coordinated, high-speed measurement of more points is possible. In addition, by designing the operation of the stage on which the sample is mounted and the operation of the measuring head to operate in coordination, the required installation space is small, and it can be tightly coupled to the processing equipment. It is possible to provide a device that can be directly attached to a vehicle.
  • the relative position between the sample and the measurement head is detected so as not to be affected by the vibration or deformation of the installation location, and the result of the three-dimensional shape measurement is supplemented. Therefore, it is possible to provide a three-dimensional shape measuring device that does not depend on the environment of the installation place.
  • a pattern such as an edge of a wiring pattern
  • the measured three-dimensional shape can be displayed in association with the e-ah map, and the shape parameters extracted from the measured three-dimensional shape can be displayed on the e-ah map. Can be displayed in an easily understandable manner.
  • the three-dimensional shape parameters obtained by measuring the pattern of the semiconductor sample and the distribution in the wafer can be changed before and after the processing process conditions. Since feed pack and feed forward can be performed to the setting, stable production of high-precision depis can be realized.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a main part of a three-dimensional shape measuring apparatus that measures a multi-point three-dimensional shape with a plurality of measurement heads according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a main part of another three-dimensional shape measuring apparatus that measures a multi-point three-dimensional shape by using a plurality of measurement heads in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a main part of a compact and high-speed three-dimensional shape measuring apparatus using an R-0 stage in one embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4A and 4B show the principle of measuring a three-dimensional shape by scattered light distribution in one embodiment of the present invention, wherein FIG. 4A shows a library matching method, and FIG. 4B shows a regression calculation method.
  • FIG. 5 shows an example in which the relative position between the sample and the measurement head is measured and corrected in one embodiment of the present invention, wherein (a) shows a case where a relative distance sensor is used, and (b) shows an optical example.
  • FIG. FIG. 6 is a diagram showing the concept of feed-packing and feed-forwarding the profile measurement result to the preceding and following steps in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing measurement points of a three-dimensional shape of a wiring pattern in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing a processing apparatus having a three-dimensional shape measuring apparatus mounted on an etcher in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing a processing apparatus in which a three-dimensional shape measuring apparatus is combined with a coating / developing machine, a bake furnace, and an exposure machine in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing a scan method for measuring the shape of the three-dimensional edge of the wiring portion in detail in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 shows a screen display when the shape of the edge portion of the three-dimensional shape of the wiring portion is analyzed at an arbitrary level in one embodiment of the present invention, and (a) shows a height close to the height of the base.
  • (B) is a diagram showing a case where the sample is taken at a height of 50% in the middle of the base and the upper part of the pattern.
  • FIG. 12 is a diagram showing a screen display of a three-dimensional shape distribution within a wafer in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing another screen display of the distribution of the three-dimensional shape in the wafer according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram showing a screen display of a distribution of a plurality of dimensional parameters on a wafer in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a main part of a three-dimensional shape measuring apparatus that measures a multi-point three-dimensional shape by using a plurality of measurement heads.
  • the three-dimensional shape measuring apparatus is used for measuring a three-dimensional shape of a sample.
  • a plurality of pads 100 are mounted side by side.
  • the distance between these measurement heads 100 can be changed according to the distance between the measurement points 500 on the sample 300 to be measured by the head distance adjustment mechanism 101.
  • a sample 300 such as a semiconductor wafer is loaded on a loader / stage 200 and moves. By moving the sample 300 while performing measurement by such a mechanism, measurement of a plurality of points on the sample 300 can be performed at the same time.
  • FIG. 1 In the example of FIG.
  • the four corner points protrude from the sample 300, so that 21 points can be actually measured.
  • the number of measurement heads 100 and the number of measurements by moving the header Z-stage 200 are respectively five in FIG. 1, but this number can be freely selected and the present invention can be used. It goes without saying that it does not deviate from the scope.
  • the measurement may be performed by moving the measurement head 100 in the left-right direction in FIG.
  • the measurement may be performed while changing the relative position between the sample 300 and the measurement head 100. Thereby, three-dimensional shape data of a plurality of points on the sample 300 can be obtained in a short time.
  • the loader / stage 200 unloads a sample for another apparatus. May be omitted by arranging the measurement head 100 on the path of the sample 300 for measurement and simultaneously measuring at the time of loading / unloading. By doing so, it is possible to measure the three-dimensional shape before, after, or before and after the additional measurement on another device without providing a special installation area for the three-dimensional shape measurement.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a main part of another three-dimensional shape measuring apparatus that measures a multi-point three-dimensional shape by using a plurality of measurement heads.
  • five measurement heads 100 are arranged in a cross shape, and the distance and position of these heads can be adjusted by a head distance adjustment mechanism 101.
  • These measurement heads 100 can simultaneously measure a plurality of measurement points on the sample 300 loaded on the loader / stage 200.
  • These measurement heads It is also possible to move the relative position between the group of samples and the sample 300 to further increase the number of measurement points.
  • multiple measurement points on the sample 300 are measured simultaneously to obtain the distribution within the sample 300. It is the same in the sense of achieving the purpose.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a main part of a compact and high-speed three-dimensional shape measuring apparatus using an R-0 stage.
  • the three-dimensional shape measurement device shown in Fig. 3 shows an example of realizing compact and high-speed three-dimensional shape measurement using the R_0 stage, and the rotation position of the sample 300 is controlled by a rotatable loader / stage 200.
  • the loader Z stage 200 also serves as a translation stage that is moved in the horizontal direction by a moving mechanism, and constitutes a so-called R-0 stage.
  • the measurement head 100 may translate. ⁇
  • both the loader / stage 200 and the measurement head 100 may move to change the relative positions of the sample 300 and the measurement head 100.
  • This movement of R-0 makes it possible to bring an arbitrary point on the sample 300 to the observation position of the measurement head 100. With this configuration, extremely compact multipoint three-dimensional shape measurement becomes possible.
  • a rotation mechanism for the measurement head 100 is further provided. Configuration is desirable.
  • the number of measurement heads 100 is one. A plurality of measurement heads are aligned as shown in FIG. 1 or FIG. It can be faster.
  • a plurality of measurement heads 100 for measuring the three-dimensional shape of a sample 300 such as a semiconductor wafer, or one measurement head 10 0 The three-dimensional shape measuring apparatus according to the present embodiment can be configured by a combination of 0 and a mechanism such as a loader Z stage 200 that movably mounts the sample 30 °.
  • the measurement head 100 Various types are conceivable.
  • a method called scattering which estimates the shape by measuring the angle distribution or wavelength distribution of scattered light, a laser microscope that obtains height information from the light / dark information of the detected light by narrowing down the laser and scanning
  • a confocal microscope that obtains height information from the brightness and darkness information of the detected light by illuminating and detecting through a hole, calculates the sharpness of the image by processing multiple images detected by changing the focus
  • there are a method of obtaining height information from a position where the sharpness is highest and an interference microscope that detects a microscope image in which the detection light and the reference light interfere with each other and obtains height information from the brightness information.
  • AFM an atomic force microscope, which traces the surface with a small force using a fine probe.
  • the irradiation direction of charged particle beams such as electron beams and ion beams is changed, and cross-sections are obtained using stereo SEM and FIB, which obtain depth information from multiple SEM images obtained by detecting secondary electrons and reflected particles.
  • FIB_SEM which digs into the specimen obliquely and observes it by SEM
  • electron holography which reconstructs the three-dimensional shape of the sample from the electron beam interference pattern of the detected hologram image.
  • FIG. Fig. 4 shows the principle of measuring the three-dimensional shape by the scattered light distribution, where (a) shows the library matching method and (b) shows the regression calculation method.
  • the pattern of the sample 300 is irradiated with light 170, and the scattered light intensity is measured by the detector 171. At this time, the incident angle or the detection wavelength of the light is changed, and the change in the scattered light intensity with respect to the change is recorded by actual measurement signatre (signature) 17 2.
  • This measured signature 1 7 2 is compared with a theoretical generated signature 1 7 4 generated on a computer using light scattering theory from a periodic model 3 7 3 This is a method of identifying and obtaining this as a parameter representing the shape of the sample 300.
  • the generated signature 1 1 7 4 is calculated in advance for various shape model parameters, and a sample (library) of the signature is generated, and the closest signature to the measured signature 1 2
  • the library matching method (a) that selects the shape model that generates the signature
  • the detection characteristics do not change due to the rotation of the measurement head 100. In other configurations that use light other than normal incidence, the detection characteristics change due to the rotation of the measurement head 100. In the case of the R-e type configuration shown in Fig. 3, the measurement head 10 0 also needs to be rotated according to the 0 rotation of the stage.
  • FIG. Fig. 5 shows an example in which the relative position between the sample and the measurement head is measured and correction is performed.
  • A is a diagram showing a case where a relative distance sensor is used
  • (b) is a diagram showing a case where optical detection is performed. .
  • 150 is a relative distance sensor of measuring means for measuring the distance from the surface of the sample 300.
  • two points on the sample 300 which are separated from the measurement position on the sample 300 by the measuring head 100, are measured by the sensor 150. Prepare two pieces, measure the two points sandwiching the measurement head 100 measurement position, and calculate the weighted average of these results to obtain the measurement head at the measurement head 100 measurement position. It is possible to determine the relative position between the code 100 and the sample 300.
  • the sensor 150 is installed at a point-symmetrical position with the center of the measurement head 100 as the axis, averaging these measurement results with equal weights will make the measurement head 100 The relative position between the measurement head 100 and the sample 300 at the measurement position is obtained.
  • a method for detecting the relative position for example, a triangulation method for measuring a change in the reflection position by irradiating a laser, a method for measuring the capacitance between the sample 300 and the An eddy current method in which an eddy current is generated in the sample 300 by the flowing magnetic field and the resulting voltage is measured, and an air micro that measures the air pressure by flowing air between the sample 300 and the sensor 150
  • a meter method a method of irradiating a laser beam on the sample 300 convergently, detecting the confocal point, and measuring the distance of the sample 300 from a point where the amount of light becomes maximum can be considered.
  • a method using laser speckle interference As a method of measuring not only the height of the sample 300 but also the displacement in the horizontal direction, a method using laser speckle interference, a pattern on the sample 300 is observed with a microscope, and the A method of calculating the image shift by image processing. A predetermined grid pattern is formed on the sample 300, and this is measured via the grid pattern provided on the sensor 150 side. Therefore, a method similar to a linear scale that measures the horizontal position can be considered.
  • the relative position between the measured measurement head 100 and the sample 300 is used to control the position of the measurement head 100 and / or the sample 300 and / or the stage.
  • record the change in the relative position between the sample 300 and the measurement head 100 during the scanning of the sample 300 by the measurement head 100 and save the shape data after the scan is completed.
  • the recorded change in relative position may be used. This allows accurate three-dimensional shape data to be measured even if the relative position between the sample 300 and the measurement head 100 changes during measurement due to thermal deformation, vibration, or the like.
  • Fig. 5 (a) two points on the sample 300, which are separated from the measurement position on the sample 300 by the measurement head 100, were measured by the sensor 150, but another As an example, an example of measuring the relative position of the same position as the measurement position on the sample 300 by the measurement head 100 will be described with reference to FIG.
  • the light emitted from the light source 151 illuminates the slit 152 through the lens.
  • the image of the slit 15 2 is formed on the sample 300 through the projection lens 15 4 and the reflection mirror 15 5.
  • the light reflected by the sample 300 forms an image again on the detector 153 via the reflection mirror 156 and the detection lens 157.
  • the detector 1 5 3 is a PSD that generates a voltage according to the position of the image. (Position sensitive depth), or a divided photodiode, or a linear image sensor, or a two-dimensional image sensor, which detects a change in the position of the slit image. By converting the position of the slit image, the height of the sample 300 can be detected. Alternatively, it is also possible to configure so as to measure the relative position with respect to the sample 300 by the method described above, coaxially with the measuring head 100.
  • FIG. 6 is a diagram showing the concept of feed-packing and feed-forwarding the profile measurement results to the preceding and following processes.
  • a resist is applied to the wafer, exposed and developed to form a resist pattern, a photolithography process, a resist is used as a mask to cut grooves in the film material, and a silicon oxide film and poly Deposition is performed through a number of processes, such as a film forming process for forming a film of a metal such as silicon and aluminum 'tungsten' copper, and, in some cases, a polishing process for flattening the film.
  • a high-speed multipoint three-dimensional shape measuring means for this purpose is provided. 'For example, by measuring the profile of the resist pattern after the photolithography process at a high speed, we will feed back the exposure amount in the photolithography process,' focus' and development conditions.
  • the etching time and the etching solution It is conceivable to apply a feed pack to the concentration, plasma intensity, and gas concentration.
  • the film is fed to the film formation conditions of the previous process, or the polishing conditions such as the polishing pressure and the polishing rate of the subsequent process. Feed forward. Further, the profile measurement result after the polishing step can be fed back to the polishing conditions in the polishing step.
  • the three-dimensional shape measurement on the wafer is performed at high speed before and after each process such as the photolithography process, the etching process, the film forming process, and the polishing process, and the result is fed-packed and fed forward to the preceding and subsequent processes.
  • This enables stable production of micro devices.
  • FIG. 7 is a diagram showing measurement points of the three-dimensional shape of the wiring pattern.
  • the measurement points of the three-dimensional shape of the wiring pattern are not just the line width (CD: critical dimension), but the top, middle, and bottom widths of the resist pattern (top CD, middle CD, bottom CD, respectively), sidewalls Angle and line width meander (LER: line edge roughness).
  • CD critical dimension
  • LER line edge roughness
  • the width at the bottom corresponds to the gate electrode, which greatly affects the gate operating characteristics (threshold voltage, switching speed, etc.).
  • the sidewall angle affects the impurity concentration distribution when impurities are implanted into the semiconductor, and thus affects the operating characteristics of the gate.
  • FIG. 8 is a diagram showing a processing device in which the three-dimensional shape measuring device is mounted on an etcher.
  • a three-dimensional shape measuring device 400, an etcher 410, and a wafer cassette 420 are mounted around a robot arm 421.
  • the three-dimensional shape measuring device 400 measures the three-dimensional shape.
  • the robot arm 421 preferably has two arms, and the processing completion can be further removed by removing the wafer from the etcher 410 and mounting the next wafer at the same time, thereby further improving the processing throughput. It is possible.
  • the three-dimensional shape measurement by the three-dimensional shape measurement device 400 is performed immediately after the etching process, and the feed pack is performed according to the conditions of the etching process. In addition, it is possible to feed forward the etching conditions.
  • the three-dimensional shape of the pattern on the wafer is measured before and after the etching, and at least one of the three-dimensional shapes is measured. It is possible without any effect.
  • the installation area can be reduced, and the processed device is subject to aging. Before it can be measured.
  • FIG. 9 is a diagram showing a processing apparatus in which a three-dimensional shape measuring apparatus is combined with a coating / developing machine, a bake furnace, and an exposure machine.
  • This processing device includes a three-dimensional shape measuring device 400 around a robot arm 4 21, a coating / developing machine 4 1 2, a baking furnace 4 13, an exposure machine 4 1 1, and a wafer cassette 4 2 0. Is installed.
  • the robot arm 4 2 1 takes out the wafer from the wafer cassette 4 20, applies the resist to the wafer with the coating and developing machine 4 12, pre-bake the resist in the baking furnace 4 13, and exposes the wafer to the exposure machine 4 1 1 To expose the fine pattern.
  • the resist pattern is developed by the coating / developing machine 412, and the three-dimensional shape of the resist pattern is measured by the three-dimensional shape measuring device (profile measuring tool) 400, and the wafer is returned to the wafer cassette 420.
  • a compact three-dimensional shape measuring device 400 was installed on a coating and developing machine 412, a bake oven 413, and an exposure machine. By mounting the robot arm 4 21 and the robot arm 4 2 1 in common, it is possible to perform measurement regardless of the installation area and before the resist after the development processing is subjected to aging. Next, an example of a scanning method for measuring the shape of the three-dimensional wedge portion of the wiring portion in detail will be described with reference to FIG.
  • FIG. 10 is a diagram showing a scanning method for measuring the shape of the three-dimensional edge portion of the wiring portion in detail.
  • Figure 11 shows the screen display when the shape is analyzed at an arbitrary level. (A) is taken at a height close to the height of the base, and (b) is the middle of the top of the base and the pattern. It is a figure which shows the case where it takes at the height of%.
  • the important points in the three-dimensional shape of the wiring portion are the distance between the left and right edges in the upper, middle, and lower sections, that is, the width (CD), the side wall angle of the edge, Edge meandering (line edge roughness).
  • the measurement mode is a scan mode for CD measurement, which is a scan of several (5 in Fig. 8) crossing the cross section. Two types of scans are performed: LER (line edge roughness) scan mode, which is several scans along the edge.
  • the scanning may be performed by any means such as an electron beam, a laser beam, an AFM probe, and the like, in order to obtain the shape information of the sample by scanning.
  • the ability to scan in a short amount of time will not only allow quick information acquisition, but also minimize sample damage.
  • the shape of a three-dimensional shape wedge section taken at an arbitrary height is displayed on a screen, and its shape parameter, It is possible to display the average line width, line width fluctuation width, fluctuation period, and the like.
  • the example in Fig. 11 (a) is a cross-sectional view taken at a height close to the height of the base and its shape parameters.
  • the example in Fig. 11 (b) is the height of 50% in the middle of the base and the top of the pattern These are the cross-sectional view taken in and the shape parameters.
  • FIGS. Fig. 12 shows the screen display of the three-dimensional shape distribution inside the wafer
  • Fig. 13 shows another screen display
  • Fig. 14 shows the distribution of a plurality of dimensional parameters on the wafer. It is a figure showing a screen display.
  • a plurality of three-dimensional shapes on the wafer can be measured at high speed, and this can be displayed on the display means as shown in FIG. 12, for example.
  • the left side shows the location of the measurement dies
  • the right side displays the three-dimensional shape data obtained by measuring the corresponding measurement dies (A, B, C, D, and E in the example of Fig. 12).
  • Displayed on the right side are a diagram in which the height is converted into a gray value and displayed on a two-dimensional surface, and a diagram showing the cross-sectional shape of the pattern.
  • the location on the wafer and the three-dimensional shape of the pattern it is possible to clarify the distribution of the processing state in the wafer and reflect it in finer adjustment of process conditions .
  • FIG. 13 by superimposing and displaying the cross-sectional shape on the e-ha map, it is possible to more intuitively know the distribution of the machining state in the e-ha.
  • a distribution of a plurality of dimensional parameters on a wafer is converted into a gray value or a color and displayed.
  • the plurality of dimensional parameters are, for example, a top CD value, a sidewall angle value, a line edge roughness, and a value estimated by converting the above parameter into, for example, a focus of a photolithography apparatus.
  • the distribution of the machining state in the aerial can be clarified by showing the location on the aerial and the three-dimensional shape of the pattern in contrast, and this can be reflected in finer adjustment of process conditions. It becomes possible.
  • the technique for measuring a three-dimensional shape according to the present invention can be applied particularly to a multipoint high-speed measuring device for a three-dimensional shape of a sample such as a semiconductor, a processing apparatus using the same, and a semiconductor device manufacturing method.

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Abstract

　試料上の複数の点を同時に計測して高速な立体形状計測を実現し、半導体製造工程の加工プロセス条件の設定に反映させて、高精度なデバイスの安定な製造を実現することができる半導体デバイスの製造技術である。エッチャーや、塗布現像機・ベーク炉・露光機などの加工装置に搭載される立体形状計測装置であって、試料の立体形状を計測するための計測ヘッド（１００）を複数並べて、これと試料（３００）を搭載したローダ／ステージ（２００）の移動の組み合わせによって、試料（３００）上の複数の測定点（５００）の計測を高速に行う。この計測結果を用いて、後続の試料（３００）に対するプロセス条件の補正を行うフィードバック、次の工程でのプロセス条件の補正を行うフィードフォワードを実現する。

Description

立体形状計測装置、 加工装置、 および半導体デバイス製造方法 技術分野
本発明は、立体形状の計測技術に関し、特に半導体などの試料の立体形状の多 点高速計測装置、およびこれを用いた加工装置、半導体デバイス製造方法に適用 して有効な技術に関する。 明 田
背景技術
本発明者が検討したところによれば、近年、半導体の製造プロセスにおいては、 半導体のノヽ0ターンの幅を S EM (S c a n n i n g E l e c t r o n Mi c r o s c o p e) で計測してプロセス状態の管理をしたり、 さらに、 プロセスの 制御パラメータにフィードパックしてプロセスを高精度制御したりすることが 行われるようになってきている。 このような制御は、 APC (Ad v a n c e d P r o c e s s Co n t r o l) と呼ばれている。半導体のパターンサイズが 100 nmオーダ以" Fになって加工マージンが小さくなってくると、パターンの 平面形状 （真上から見た形状） だけではなく、 立体形状も含めて計測して、 高精 度にプロセスを制御する必要性が高まってくる。
これに対して、 特許文献 1 (特開 2000-173984号公報） では、 エツ チング装置と試料表面評価系を組み合わせてェッチング条件を制御する技術が' 開示されている。 また、 試料の立体形状を計測する装置としては、 散乱光の角度 分布あるいは波長分布を計測することによって形状を推定する S c a t t e r ome t r yと呼ばれる方法、レーザを絞り込んでスキャンすることで検出光の 明暗の情報から高さ情報を得るレーザ顕微鏡、 ピンホールを介して照明 ·検出を 行うことで検出光の明暗の情報から高さ情報を得る共焦点顕微鏡、検出光と参照 光を干渉させた顕微鏡像を検出し、この明暗情報から高さ情報を得る干渉顕微鏡、 がある。
他にも、 AFM (A t om i c F o r c e Mi c r o s c o p e), すな わち原子間力顕微鏡という、 微細な探針で表面を微弱な力でなぞる方法もある。 また、電子線の照射方向を変化させた複数の S EM像から深さ情報を得るステレ ォ S EM、 F I B (F 0 c u s e d I o n B e a m) で断面を掘り込んでお いて、斜めから S EM観察する F I B— S EM、電子線干渉パターンから試料の 立体形状を再構成する電子線ホログラフィ一といつた方法がある。 発明の開示
しかしながら、前記のようないずれの方法を用いるにしても、高精度なプロセ ス制御のためには、 ゥヱーハ内の多点の立体形状を計測して、 そのゥエーハ内分 布を知る必要性が高まっているが、 このためには、 計測時間がかかってしまい、 計測頻度を上げられないという問題がある。 また、加工装置と密に結合して計測 を行うニーズも高まっているが、このためにはコンパクトに加工装置と立体形状 計測装置をまとめる必要がある。従って、 上記説明したように、従来技術では測 定スループット向上の課題がある。
そこで、 本発明の目的は、 上記課題を解決すべく、複数の計測へッドを用意し て、 より高速な立体形状の計測装置を提供することである。 さらに、 上記立体形 状計測装置の必要設置場所を小さくし、加工装置と密に結合できる装置を提供す ることである。 さらに、設置場所の振動、 変形の影響を受けないように試料と計 測へッドの間の相対位置を検出し、 補正する機能を提供することである。
また、本発明の別の目的は、配線パターンのエッジのようなパターンに対して、 パターンェッジの断面図と、パターンェッジの蛇行を計測するための短時間検出' モードの計測機能を付与することである。
また、本発明の別の目的は、計測した立体形状をゥエーハマップと関連付けて 表示して、加工プロセスの状態を分かり易く表示する機能を提供することである。 また、本発明の別の目的は、計測した立体形状の形状パラメータとゥエーハ内 分布を半導体製造工程の加工プロセス条件の設定に反映させて、高精度なデパイ スの安定な製造を実現することである。
本発明では、上記目的を達成すべく、複数の計測へッドを用意して、 これらに よって同時に試料上の複数の点を計測するものである。 これにより、高速な立体 形状計測を実現することができる。 さらに、 試料を搭载するステージの動作と計 測ヘッドの動作を協調させるものである。 これにより、 さらに多くの点の高速計 測が可能となる。 また、試料を搭載するステージの動作と計測へッドの動作を協 調させて動作するように設計することで、必要設置場所が小さく、加工装置と密 に結合できる、 あるいは、加工装置上に直接取り付けられる装置を提供すること ができる。 さらに、 設置場所の振動、 変形の影響を受けないように試料と計測へ ッドの間の相対位置を検出して、 立体形状計測結果を捕正するものである。 これ により、 設置場所の環境を選ばない立体形状計測装置を提供することができる。 また、配線パターンのエッジのようなパターンに対して、配線パターンを横切 る少数の線に沿った立体形状と配線ェッジに沿った少数の線上の立体形状を計 測するものである。 これにより、 パターンエッジの断面図と、 パターンエッジの 蛇行を計測するための短時間検出モードを実現することができる。
また、 計測した立体形状をゥヱーハマップと関連付けて表示したり、計測した 立体形状から抽出した形状パラメータをゥエーハマツプ上に表示するものであ る。 これにより、 計測結果を定量化して加工プロセスの状態を分かり易く表示す ることができる。
また、 計測された立体形状の試料上分布を見やすく提示することで、半導体試 料のパターンを計測した立体形状の形状パラメータとゥエーハ内分布を前後の 加工プロセス条件の設定にフィードパック、フィードフォヮ一ドするものである: これにより、 高精度なデパイスの安定な製造を実現することができる。
以上説明したように、本発明によれば、 立体形状を計測するための複数の計測' へッドを用意して、これらによって同時に試料上の複数の点を計測することがで きるので、 高速な立体形状計測を実現することが可能となる。 さらに、 試料を搭 載するステージの動作と計測へッドの動作を協調させることができるので、さら に多くの点の高速計測が可能となる。 また、 試料を搭載するステージの動作と計 測へッドの動作を協調させて動作するように設計することで、必要設置場所が小 さく、 加工装置と密に結合できる、 あるいは、 加工装置上に直接取り付けられる 装置を提供することが可能となる。 さらに、 設置場所の振動、 変形の影響を受け ないように試料と計測へッドの間の相対位置を検出して、立体形状計測結果を補 正することができるので、設置場所の環境を選ばない立体形状計測装置を提供す ることが可能となる。
また、本発明によれば、 配線パターンのエッジのようなパターンに対して、 配 線パターンを横切る少数の線上の立体形状と配線エッジに沿った少数の線上の 立体形状を計測することができるので、パターンェッジの断面図と、パターンェ ッジの蛇行を計測するための短時間検出モードの実現が可能となる。
また、本発明によれば、計測した立体形状をゥエーハマップと関連付けて表示 したり、計測した立体形状から抽出した形状パラメータをゥエーハマップ上に表 示することができるので、計測結果を定量化して加工プロセスの状態を分かり易 く表示することが可能となる。
また、本発明によれば、高スループットで計測された立体形状の試料上分布を 見やすく提示することで、半導体試料のパターンを計測した立体形状の形状パラ メータとゥエーハ内分布を前後の加工プロセス条件の設定にフィードパック、フ イードフォワードすることができるので、高精度なデパイスの安定な製造の実現 が可能となる。 図面の簡単な説明
図 1は、本発明の一実施の形態において、複数の計測へッドにより多点立体形 状を計測する立体形状計測装置の要部の構成を示す図である。
図 2は、本発明の一実施の形態において、複数の計測へッドにより多点立体形 状を計測する別の立体形状計測装置の要部の構成を示す図である。
図 3は、本発明の一実施の形態において、 R— 0ステージによるコンパクトで 高速な立体形状計測装置の要部の構成を示す図である。
図 4は、本発明の一実施の形態において、散乱光分布により立体形状を計測す る原理を表し、 ( a ) はライブラリマッチング法、 （b ) は回帰計算法を示す図で ある。
図 5は、本発明の一実施の形態において、試料と計測へッドの相対位置を計測 して補正を行う例を表し、 （a ) は相対距離センサを用いる場合、 （b ) は光学的 に検出する場合を示す図である。 図 6は、本発明の一実施の形態において、 プロファイル測定結果を前後の工程 にフィードパック、 フィードフォワードする概念を示す図である。
図 7は、本発明の一実施の形態において、配線パターンの立体形状の計測点を 示す図である。
図 8は、本発明の一実施の形態において、立体形状計測装置をエッチヤーに搭 載した加工装置を示す図である。
図 9は、本発明の一実施の形態において、 立体形状計測装置を塗布現像機'ベ ーク炉 ·露光機に組み合わせた加工装置を示す図である。
図 1 0は、本発明の一実施の形態において、配線部の立体形状のエッジ部の形 状を詳細に計測するためのスキヤン方法を示す図である。
図 1 1は、本発明の一実施の形態において、配線部の立体形状のエッジ部の形 状を任意のレベルで解析する場合の画面表示を表し、 （a ) は下地の高さに近い 高さで取った場合、 （b ) は下地とパターン上部の真中 5 0 %の高さで取った場 合を示す図である。
図 1 2は、本発明の一実施の形態において、立体形状のゥエーハ内分布の画面 表示を示す図である。
図 1 3は、本発明の一実施の形態において、立体形状のゥエーハ内分布の別の 画面表示を示す図である。
図 1 4は、本発明の一実施の形態において、複数の寸法パラメータのゥヱーハ 上分布の画面表示を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 なお、 実施の形 態を説明するための全図において、同一機能を有する部材には同一の符号を付し、 その繰り返しの説明は省略する。
まず、 図 1により、本発明の一実施の形態の立体形状計測装置の一例の要部の 構成を説明する。図 1は、複数の計測へッドにより多点立体形状を計測する立体 形状計測装置の要部の構成を示す図である。
本実施の形態の立体形状計測装置は、試料の立体形状を計測するための計測へ ッド 1 0 0が複数並んで取り付けられている。これらの計測へッド 1 0 0の間隔 は、へッド間隔調整機構 1 0 1で計測対象の試料 3 0 0上の測定点 5 0 0の間隔 に応じて変更可能である。半導体ゥヱーハなどの試料 3 0 0は、 ローダ/ステー ジ 2 0 0上に積載されて移動する。このような機構で計測を行いながら試料 3 0 0を動かしていくと、同時に試料 3 0 0上の複数の点の計測を行うことができる。 図 1の例では、立体形状の計測へッド 1 0 0を 5個用意して、 口ーダ /ステー ジ 2 0 0の 5箇所の位置において計測を行うことによって、 5 X 5 = 2 5点の計 測が可能である。 ただし、 図 1の例では、 4隅の点は試料 3 0 0からはみ出てい るために実際に計測可能な点は 2 1点である。 なお、計測へッド 1 0 0の数と口 ーダ Zステージ 2 0 0を動かしての測定の回数は図 1ではそれぞれ 5回になつ ているが、この数は自由に選んでも本発明の範囲を逸脱しないことは言うまでも ない。
また、試料 3 0 0を移動させる代わりに、計測へッド 1 0 0を図 1の左右方向 に移動させて計測を行ってもよい。要するに、試料 3 0 0と計測へッド 1 0 0の 相対位置を変化させながら計測を行えばよい。 これによつて、短時間で試料 3 0 0上の複数 点の立体形状データを得ることができる。
また、後述するように他の装置と組み合わせて、 たとえば加工装置と同時に設 置して計測を行う場合に、ローダ/ステージ 2 0 0は他の装置のための試料を口 一ド.アンロードするための試料 3 0 0の経路上に計測へッド 1 0 0を配置して、 ロード'アンロード時に同時に計測することで省略しても良い。 こうすることに よって、立体形状計測のために特別な設置領域を設けずとも、他の装置上での加' ェ ·計測の前あるいは後あるいは前後に立体形状を計測することができる。
次に、 図 2により、本発明の一実施の形態の別の立体形状計測装置の一例の要 部の構成を説明する。 図 2は、複数の計測へッドにより多点立体形状を計測する 別の立体形状計測装置の要部の構成を示す図である。
図 2に示す立体形状計測装置は、 5個の計測へッド 1 0 0が十字状に並べられ て、 これらの間隔 ·位置はへッド間隔調整機構 1 0 1によって調整可能である。 これらの計測へッド 1 0 0によってローダ/ステージ 2 0 0に積載された試料 3 0 0上の複数の測定点が同時に計測できる。これらの計測へッド 1 0 0のへッ ド群と試料 3 0 0との間の相対位置を移動させて、さらに測定点を増やすことも 可能である。 また、 図 2にとらわれず、 計測へッド 1 0 0の個数、 配列を任意に 選んでも、試料 3 0 0上の複数の測定点を同時に計測し、試料 3 0 0内分布を得 るという目的を達成する意味では同じことである。
次に、図 3により、本発明の一実施の形態のさらに別の立体形状計測装置の一 例の要部の構成を説明する。 図 3は、 R— 0ステージによるコンパクトで高速な 立体形状計測装置の要部の構成を示す図である。
図 3に示す立体形状計測装置は、 R _ 0ステージによるコンパクトで高速な立 体形状計測の実現例を示し、試料 3 0 0は回転可能なローダ /ステージ 2 0 0に よって回転位置を制御される。 さらに、 ローダ Zステージ 2 0 0は移動機構によ つて水平方向へ移動させる並進ステージをも兼ねており、いわゆる R— 0ステー ジを構成している。 あるいは、 ローダ ステージ 2 0 0に並進ステージの機能を 持たせる代わりに、 計測へッド 1 0 0が並進移動してもよい。 ·あるいは、 ローダ /ステージ 2 0 0と計測へッド 1 0 0の双方が動いて試料 3 0 0と計測へッド 1 0 0の相対的な位置を変化させても良いことは言うまでもない。
この R— 0の動きによって、試料 3 0 0上の任意の点を計測へッド 1 0 0の観 測位置に持っていくことが可能となる。 この構成により、非常にコンパクトな多 点立体形状計測が可能となる。 また、計測方式によっては、 計測へッド 1 0 0の 方向を試料 3 0 0上のパターンの方向に合わせる必要があるので、この場合には さらに計測へッド 1 0 0の回転機構を有する構成が望ましい。 また、 この図 3の 場合には、計測へッド 1 0 0の個数は 1個である力 前記図 1あるいは図 2のよ' うに複数の計測へッドを整列させて、さらに計測速度を速くすることが可能であ る。
以上、図 1から図 3を用いて説明したように、半導体ゥエーハなどの試料 3 0 0の立体形状を計測するための複数の計測へッド 1 0 0、あるいは 1つの計測へ ッド 1 0 0と、試料 3 0◦を移動可能に搭载するローダ Zステージ 2 0 0などの 機構との組み合わせによって、本実施の形態における立体形状計測装置を構成す ることができる。
本実施の形態における立体形状計測装置において、計測へッド 1 0 0としては、 さまざまな方式のものが考えられる。散乱光の角度分布あるいは波長分布を計測 することによって形状を推定する S c a t t e r 0 m e t r yと呼ばれる方法、 レーザを絞り込んでスキャンすることで検出光の明暗の情報から高さ情報を得 るレーザ顕微鏡、 ピンホールを介して照明 ·検出を行うことで検出光の明暗の情 報から高さ情報を得る共焦点顕微鏡、焦点を変化させて検出した複数の画像を画 像処理して画像の鮮鋭度を計算し、鮮鋭度が最も高くなる位置より高さ情報を得 る方法、検出光と参照光を干渉させた顕微鏡像を検出し、 この明暗情報から高さ 情報を得る干渉顕微鏡、 などがある。
他にも、 A FM、 すなわち原子間力顕微鏡という、微細な探針で表面を微弱な 力でなぞる方法もある。 また、 電子線、 イオンビームなどの荷電粒子線の照射方 向を変化させ、 その 2次電子、反射粒子などの検出による複数の S EM像から深 さ情報を得るステレオ S EM、 F I Bで断面を掘り込んでおいて、斜めから S E M観察する F I B _ S EM、検出したホログラム像の電子線干渉パターンから試 料の立体形状を再構成する電子線ホログラフィーといつた方法、 などがある。 次に、 図 4を用いて、 計測へッドによる計測方法の一例として、 散乱光分布に より立体形状を計測する原理を説明する。 図 4は、散乱光分布により立体形状を 計測する原理を表し、 （a ) はライブラリマッチング法、 ( b ) は回帰計算法を示 す図である。
試料 3 0 0のパターンに対して光 1 7 0を照射して、その散乱光強度を検出器 1 7 1で計測する。 このとき、光の入射角あるいは検出波長を変化させて、 これ に対する散乱光強度の変化を実測 s i g n a t u r e (シグネチャー） 1 7 2ど して記録する。 この実測シグネチャー 1 7 2を、周期的な立体構造のモデル 1 7 3から光散乱理論を用いて計算機上で生成した理論的な生成シグネチャー 1 7 4と比較して、両者が等しくなる形状モデルパラメータを同定して、 これを試料 3 0 0の形状を表すパラメータとして得る方法である。
このときに、あらかじめ色々な形状モデノレパラメータに対して生成シグネチャ 一 1 7 4を計算しておいて、シグネチャーの標本（ライブラリ）を生成しておき、 この中から実測シグネチャー 1 7 2と最も近くなるシグネチャーを生成する形 状モデルを選択するライブラリマッチング法 （a ) と、 繰り返し計算によって実 測シグネチャー 1 7 2と生成シグネチャー 1 7 4が最も近くなるように形状モ デルパラメータを微調整していく回帰計算法 （b ) がある。
S c a t t e r o m e t o r yを用いた方式の場合、光を垂直入射させて検出 波長を変化させることによって実測シグネチャー 1 7 2を得る構成では、計測へ ッド 1 0 0の回転によって検出特性が変わらないが、これ以外の垂直入射ではな い光を使う構成では、 計測へッド 1 0 0の回転によって検出特性が変わるので、 前記図 3に示す R— e型の構成の場合には計測へッド 1 0 0もステージの 0回 転に合わせて回転させることが必要となる。
次に、 図 5を用いて、試料と計測へッドの相対位置を計測して補正を行う場合 の一例を説明する。 図 5は、試料と計測へッドの相対位置を計測して補正を行う 例を表し、 （a ) は相対距離センサを用いる場合、 ( b ) は光学的に検出する場合 を示す図である。
ほぼ全ての立体計測検出原理において、計測へッド 1 0 0と試料 3 0 0の間の 位置の変動は形状計測誤差につながり問題となる。 ところが、振動、熱変形など によって計測へッド 1 0 0と試料 3 0 0の間の相対位置が変動することが起こ り得る。 そこで、 この補正のために、計測へッド 1 0 0と試料 3 0 0の間の相対 位置を計測する実施例が考えられる。
図 5 ( a ) において、 1 5 0は試料 3 0 0の表面との距離を計測する計測手段 の相対距離センサである。 図 5 ( a ) は、 計測ヘッド 1 0 0による試料 3 0 0上 の計測位置とは離れた試料 3 0 0上の 2点をセンサ 1 5 0によつて計測するが、 センサ 1 5 0を 2個用意し、計測へッド 1 0 0の計測位置を挟む 2点を計測して、 これらの結果の加重平均を求めることによって、計測へッド 1 0 0の計測位置に おける計測へッド 1 0 0と試料 3 0 0の間の相対位置を求めることが可能であ る。
たとえば、センサ 1 5 0·を計測へッド 1 0 0の中心を軸とする点対称の位置に 設置する場合、 これらの計測結果を等しい加重で平均すれば、計測へッド 1 0 0 の計測位置における計測へッド 1 0 0と試料 3 0 0の間の相対位置が求められ る。 この相対位置の検出方式としては、 たとえば、 レーザを照射して反射位置の 変化を計測する三角測量方式、試料 3 0 0との間の静電容量を計測する方式、交 流磁界によって試料 3 0 0に渦電流を生じさせて、これによる電圧を計測する渦 電流方式、空気を試料 3 0 0とセンサ 1 5 0の間に流して、 この空気圧を計測す るエアマイクロメータ方式、 レーザを試料 3 0 0上に収束して照射して、 これを 共焦点検出して光量が最大となる点から試料 3 0 0の距離を計測する方式、など が考えられる。
また、試料 3 0 0の高さだけではなく、水平方向の変位をも計測する方式とし ては、 レーザスペックル干渉を利用する方法、試料 3 0 0上のパターンを顕微鏡 観察し、 このパターンの像のシフトを画像処理で求める方法、試料 3 0 0上にあ らかじめ決められた格子パターンを形成しておいて、これをセンサ 1 5 0側に設 置した格子パターンを介して計測することで水平方向の位置を計測するリニア スケールに類似した方法、 などが考えられる。
これらの手段によって、計測された計測へッド 1 0 0と試料 3 0 0の間の相対 位置を用いて計測へッド 1 0 0あるいは試料 3 0 0のステージあるいはその両 方の位置の制御を行って、常に同じ相対位置で計測へッド 1 0 0による立体形状 計測を行うようにすることが可能となる。 あるいは、計測へッド 1 0 0による試 料 3 0 0のスキャン中の試料 3 0 0と計測へッド 1 0 0の相対位置の変化を記 録しておいて、 スキャン完了後に形状データを補正するために、記録した相対位 置の変化を利用してもよい。 これによつて、熱変形や振動などによって計測中に 試料 3 0 0と計測へッド 1 0 0の相対位置が変動しても、正確な立体形状データ を測定することが可能になる。
図 5 ( a ) では、 計測へッド 1 0 0による試料 3 0 0上の計測位置とは離れた' 試料 3 0 0上の 2点をセンサ 1 5 0によって計測していたが、別の例として、 図 5 ( b ) を用いて、 計測へッド 1 0 0による試料 3 0 0上の計測位置と同じ箇所 の相対位置を計測する例を説明する。
図 5 ( b ) のように、 計測手段として光学系を用いた場合、 光源 1 5 1を出射 した光は、 レンズを介してスリット 1 5 2を照明する。 スリット 1 5 2の像が投 影レンズ 1 5 4、反射ミラー 1 5 5を介して試料 3 0 0上に結像される。試料 3 0 0で反射した光は、反射ミラー 1 5 6、検出レンズ 1 5 7を介して検出器 1 5 3上に再度像を結ぶ。検出器 1 5 3は、像の位置に応じた電圧を発生する P S D (ポジションセンシティプデパイス）、 あるいは分割フォトダイオード、 あるい はリニアイメージセンサ、 あるいは 2次元イメージセンサなどからなり、 これに よって、 スリツト像の位置の変化を検出する。 このスリット像の位置の変ィヒを変 換することで、 試料 3 0 0の高さを検出することが可能となる。 あるいは、 計測 ヘッド 1 0 0と同軸で、上記で説明した方法によつて試料 3 0 0との相対位置を 計測するように構成することも可能である。
次に、 図 6により、 プロファイル測定結果を前後の工程にフィードパック、 フ ィ一ドフォヮードする概念の一例を説明する。 図 6は、 プロファイル測定結果を 前後の工程にフィードパック、 フィードフォヮ一ドする概念を示す図である。 半導体の製造工程においては、 ゥエーハにレジストを塗布し、 露光'現像して レジストのパターンを形成するホトリソグラフィ一工程、 レジストをマスクとし て膜材料に溝を切るエッチング工程、 さらにシリコン酸化膜、 ポリシリコン、 ァ ルミ 'タングステン '銅といった金属などの膜を形成する成膜工程、 さらに場合 よってはこれを平坦にするための研磨工程といった工程を何度も経てデパイ スを形成していく。
デパイスのパターンサイズが縮小し、 0 . 1マイクロメートル前後になってく ると、微細パターンを安定して形成することが工程マージンの減少のために、 困 難になってくる。 これを解決するために、形成途中のデパイスパターンの立体形 状を計測して、 前後の工程の条件に反映することで、微細パターンの形成を制御 することが重要になってくる。本実施の形態では、 このための高速な多点立体形 状計測手段を提供する。 ' たとえば、ホトリソグラフィー工程後のレジストパターンのプロファイルを高 速に測定することで、 ホトリソグラフィー工程の露光量 'フォーカス '現像条件 などにフィードパックする。 さらに、 レジストパターンの線幅の設計値に対する 大小を打ち消すように、後の工程のエッチングの条件にフィードフォヮ一ドする ことも可能である。 たとえば、 エッチングの時間、 ウエットエッチングの場合は エッチング液の濃度、 プラズマエッチングの場合はプラズマ強度'ガス濃度など の条件に対してフィードフォヮ一ドすることが考えられる。
また、 エッチング後のプロフィノレ測定では、 エッチング時間、 エッチング液の 濃度、 プラズマ強度 ·ガス濃度などに対してフィードパックをかけることが考え られる。 また、 成膜工程後のプロファイル測定では、 膜の平坦度に応じて、 前の 工程の成膜条件にフィードパ Vクしたり、 後の工程の研磨圧 ·研磨速度 'スラリ 一濃度といった研磨条件にフィードフォワードする。 また、研磨工程後のプロフ アイル測定結果を、研磨工程の研磨条件にフィードバックすることも可能である。 このようにして、 ホトリソグラフィー工程、 エッチング工程、 成膜工程、 研磨 工程などの各工程の前後で高速にゥヱーハ上の立体形状計測を行って、この結果 を前後の工程にフィードパック、 フィードフォワードすることで、微細デバイス の安定製造が可能となる。
次に、 図 7により、 配線パターンの立体形状の計測点の一例を説明する。 図 7 は、 配線パターンの立体形状の計測点を示す図である。
' 配線パターンの立体形状の計測点は、 単なる線幅 （C D：クリティカルディメ ンシヨン） ではなく、 レジストパターンの上部、 中部、 下部の幅 （それぞれ、 ト ップ C D、 ミドル C D、 ボトム C D)、 側壁の角度、 線幅の蛇行 （L E R：ライ ンエッジラフネス） を計測する。 たとえば、 ゲート配線工程では底部の幅がゲー ト電極に相当するので、 ゲートの動作特性 （しきい値電圧 'スイッチング速度な ど） に大きく影響を与える。線幅の蛇行も同様である。 サイドウオールアングル は、 半導体に不純物を注入したときの不純物濃度分布に影響を与え、従って、 ゲ 一卜の動作特性に影響を与える。計測した立体形状から、 こういった寸法パラメ —タを算出し、 工程の制御に用いる。
次に、 図 8により、立体形状計測装置をエッチヤーに搭載した加工装置の一例' を説明する。 図 8は、立体形状計測装置をエツチヤ一に搭載した加工装置を示す 図である。
この加工装置は、ロボットアーム 4 2 1の周りに、立体形状計測装置 4 0 0と、 エッチヤー 4 1 0、 ゥエーハカセット 4 2 0が搭載されている。 ゥエーハカセッ ト 4 2 0からロボットアーム 4 2 1でゥエーハを取り出し、エッチヤー 4 1 0に ゥエーハをロードしてエッチング処理を行う。 この後、 ゥエーハをアンロードし てゥエーハカセット 4 2 0にゥエーハを戻す前に、立体形状計測装置 4 0 0で立 体形状を計測する。 ロボットアーム 4 2 1は、望ましくは 2本のアームを具備し、処理完了ゥエー ハのエッチヤー 4 1 0からの取り出しと同時に次のゥエーハの搭載を行えるよ うにすることによって、 より処理スループットを向上することが可能である。 ま た、立体形状計測装置 4 0 0による立体形状計測はエッチング処理後すぐに計測 を行い、エッチング工程の条件にフィードパックを行うという説明を上記で行つ たが、エッチング処理前に計測を行って、 エッチング条件にフィードフォワード を行うことも可能である。
この図 8で説明した加工装置の例によって、エツチングの前後、少なくとも一 方でゥヱーハ上のパターンの立体形状計測を行って、ェツチング工程の条件を高 精度制御することが、全体の処理時間にほとんど影響を与えずに可能となる。 ま た、コンパクトな立体形状計測装置 4 0 0をエッチヤー 4 1 0とロボットアーム 4 2 1を共有して搭载することで、設置面積もとらず、 また処理後のデバイスが 経時変ィ匕を受ける前に測定することが可能となる。
次に、 図 9により、 立体形状計測装置を塗布現像機 ·ベータ炉 ·露光機に組み 合わせた加工装置の一例を説明する。 図 9は、 立体形状計測装置を塗布現像機 · ベーク炉 ·露光機に組み合わせた加工装置を示す図である。
この加工装置は、ロボットアーム 4 2 1の周りに、立体形状計測装置 4 0 0と、 塗布現像機 4 1 2、 ベ一ク炉 4 1 3、露光機 4 1 1、 ゥエーハカセット 4 2 0が 搭載されている。ロボットアーム 4 2 1はゥエーハカセット 4 2 0からゥエーハ を取り出し、塗布現像機 4 1 2でゥエーハにレジストを塗布し、ベーク炉 4 1 3 でレジストをプリべークし、露光機 4 1 1で微細パターンを露光する。塗布現像' 機 4 1 2でレジストパターンを現像し、立体形状計測装置（プロファイル計測ッ ール） 4 0 0でレジストパターンの立体形状計測を行って、 ゥエーハカセット 4 2 0にゥエーハを戻す。
これによつて、ホトリソグラフィ一工程後のレジストパターンのプロファイル を高速に測定することで、 ホトリソグラフィ一工程の露光量'フォ一カス '現像 条件などにフィードパックし、ホトリソグラフィー工程の加工結果を高精度制御 すること力 全体の処理時間にほとんど影響を与えずに可能となる。 また、 コン パクトな立体形状計測装置 4 0 0を塗布現像機 4 1 2、 ベーク炉 4 1 3、露光機 4 1 1とロボットアーム 4 2 1を共有して搭載することで、 設置面積もとらず、 また現像処理後のレジストが経時変ィ匕を受ける前に測定することが可能となる。 次に、 図 1 0および図 1 1を用いて、配線部の立体形状のェッジ部の形状を詳 細に計測するためのスキャン方法の一例を説明する。 図 1 0は、配線部の立体形 状のエッジ部の形状を詳細に計測するためのスキャン方法を示す図である。図 1 1は、 その形状を任意のレベルで解析する場合の画面表示を表し、 （a ) は下地 の高さに近い高さで取った場合、 （b ) は下地とパターン上部の真中 5 0 %の高 さで取つた場合を示す図である。
前記図 Ίを用いて説明したように、配線部の立体形状で重要な箇所は左右のェ ッジの間の断面上部 ·中部 ·下部における距離、 すなわち幅 （C D)、 エッジの サイドウオールアングル、 エッジの蛇行 (ラインエッジラフネス) である。 これ らを詳細に、 しかも短時間で計測するために、計測モードとして、 図 1 0に示す ように、 断面を横断する数本 （図 8では 5本） のスキャンである C D計測用スキ ヤンモードと、 エッジに沿った数本のスキャンである L E R (ラインエッジラフ ネス） 用スキャンモードとの 2種類のスキャンを行う。
これによつて、密度の濃い （本数の多い） ラスタースキャンによって計測エリ ァ全体を均等に走査する従来の方法に比べて、短時間で、必要なエッジ部分の立 体形状に関する情報を得ることが可能となる。スキャンするのは、電子線ビーム、 レーザビーム、 A F Mの探針など、 スキャンによって試料の形状情報を得ようと するものであれば何でもよい。短時間でスキャンができることで、情報が迅速に 得られる他に、 試料に対するダメージも最小限に抑えることが可能となる。
このように得られた計測結果があれば、 図 1 1に示すように、任意の高さで断 面をとつた立体形状のェッジ部の形状を画面表示して、その形状パラメータであ る、 平均線幅、 線幅変動幅、 変動周期などを表示することが可能となる。 図 1 1 ( a )の例は下地の高さに近い高さで取った断面図とその形状パラメータであり. 図 1 1 ( b ) の例は下地とパターン上部の真中 5 0 %の高さで取った断面図とそ の形状パラメータである。 また、 図示していないが、 等高線状に立体形状計測結 果を示すことも可能である。 これによつて、得られた立体形状計測結果の特にェ ッジ部分の形状を詳細に解析して、前後の工程の処理条件に反映することが可能 となる。
次に、 図 1 2〜図 1 4を用いて、立体形状のゥエーハ内分布の画面表示の一例 を説明する。 それぞれ、 図 1 2は立体形状のゥエーハ内分布の画面表示を示す 図であり、 図 1 3は別の画面表示を示す図であり、 図 1 4は複数の寸法パラメ一 タのゥエーハ上分布の画面表示を示す図である。
立体形状計測装置 4 0 0を用いれば、ゥ ーハ上の複数箇所の立体形状を高速 に計測することができ、 これを、 たとえば図 1 2のように表示手段に表示するこ とができる。左側が測定ダイの場所を示す図であり、 右側に、 これに対応した測 定ダイ （図 1 2の例では A， B， C， D, E) を測定した立体形状データを表示 する。右側に表示されるのは、高さを濃淡値に変換して 2次元表面上に表示した 図と、パターンの断面形状を示した図である。 このように、 ゥエーハ上の場所と パターンの立体形状を対比して示すことにより、ゥエーハ内の加工状態の分布を 明らかにすることができ、より細かいプロセス条件の調整に反映することが可能 となる。
別の例として、図 1 3は、 ゥエーハマップ上に断面形状を重ねて表示すること により、 より直感的にゥエーハ内の加工状態の分布を知ることが可能となる。 さらに、別の例として、 図 1 4では、複数の寸法パラメータのゥエーハ上分布 を、 濃淡値あるいは色に変換して表示している。複数の寸法パラメータとは、 た とえば、 トップ C D値、 サイドウォールアングル値、 ラインエッジラフネス、 さ らに、上記パラメータをたとえばホトリソグラフィー装置のフォーカスに変換し て推定した値である。 これによつて、 ゥエーハ上の場所とパターンの立体形状を' 対比して示すことにより、ゥエーハ内の加工状態の分布を明らかにすることがで き、 より細かいプロセス条件の調整に反映することが可能となる。 産業上の利用可能性
以上のように、本発明にかかる立体形状の計測技術は、特に半導体などの試料 の立体形状の多点高速計測装置、 およびこれを用いた加工装置、半導体デバイス 製造方法に適用することができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 .試料の立体形状を計測するための計測へッドを複数持ち、前記複数の計測へ ッドによって同時に前記試料上の複数の点の立体形状を計測することを特徴と する立体形状計測装置。
2 . 請求項 1記載の立体形状計測装置において、
前記試料を移動可能に搭載するステージを持ち、前記ステージによる前記試料 の移動と前記複数の計測へッドの位置とを組み合わせて計測することを特徴と する立体形状計測装置。
3 .試料の立体形状を計測するための計測へッドと、前記試料を回転可能に搭載 するステージと、前記試料と前記計測へッドとの相対位置を水平方向に移動させ る移動機構とを持ち、前記ステージと前記移動機構との動作を組み合わせて前記 計測へッドによって前記試料上の複数の点の立体形状を計測することを特徴と する立体形状計測装置。
4 . 請求項 3記載の立体形状計測装置において、
前記計測へッドは回転機構を持ち、前記試料の回転に合わせて前記回転機構に よって前記計測へッドの角度を調整することを特徴とする立体形状計測装置。
5 . 請求項 1記載の立体形状計測装置において、
前記計測へッドは、
( 1 ) 前記試料に光を照射して、 その散乱光の角度分布あるいは波長分布の少 なくとも一方を計測することによって照射領域の立体形状を推定する方法、
( 2 ) 前記試科に探針を接触させ、前記探針と前記試料とを相対的にスキャン させながら立体形状を計測する方法、
( 3 ) 前記試料に荷電粒子線を照射して、 その 2次電子あるいは反射粒子を検 出することによって立体形状を計測する方法、
( 4 ) 前記試料に荷電粒子線を照射し、 この照射する角度を変化させて複数の 画像を撮像し、 これらの複数の画像間の位置関係から立体形状を計測する方法、
( 5 ) 前記試料に荷電粒子線を照射し、 そのホログラム像を検出して立体形状 を計測する方法、
( 6 )顕微鏡下で光学像の焦点位置の変化による光量あるいは鮮鋭度の変化を 用いることによつて立体形状を計測する方法、
( 7 )顕微鏡下で検出光と参照光を干渉させることによつて立体形状を計測す る方法、
( 8 ) 顕微鏡下でレーザ光を前記試料に照射し、 スキャンを行うことによって 立体形状を計測する方法、
のうちの少なくとも一つの方法を用いることを特徴とする立体形状計測装置。
6 . 請求項 1記載の立体形状計測装置において、
前記計測へッドと前記試料との相対位置関係を計測するための計測手段を持 ち、前記計測手段による計測情報を用いて前記計測へッドと前記ステージのうち の少なくとも一方の位置を制御することを特徴とする立体形状計測装置。
7 . 請求項 1記載の立体形状計測装置において、
前記計測へッドと前記試料の相対位置関係を計測するための計測手段を持ち、 前記計測手段による計測情報を用いて計測結果を補正することを特徴とする立 体形状計測装置。
8 . 請求項 6記載の立体形状計測装置において、
前記計測手段は、 静電容量、 空気圧、 光のうちの少なくとも一つを用いて計測 することを特徴とする立体形状計測装置。
9 . 請求項 1記載の立体形状計測装置において、
前記計測へッドは、計測視野内の計測したい箇所を密に計測する計測モードを 持つことを特徴とする立体形状計測装置。
1 0 . 請求項 9記載の立体形状計測装置において、
前記計測モードは、半導体配線の幅とエツジの曲がりを計測し、 この計測情報 を定量化して出力することを特徴とする立体形状計測装置。
1 1 . 請求項 1記載の立体形状計測装置において、
前記計測へッドによって計測した立体形状を前記試料内の位置と対応させて 表示する表示手段を持つことを特徴とする立体形状計測装置。
1 2 . 請求項 1記載の立体形状計測装置において、
前記計測へッドによる計測結果を定量化して前記試料内の位置と対応させて 数値あるいは表示色の少なくとも一方で表示する表示手段を持つことを特徴と する立体形状計測装置。
1 3 . 請求項 1記載の立体形状計測装置を用いた加工装置であって、
前記立体形状計測装置をエッチング装置、塗布露光現像装置、研磨装置に搭載 し、加工前、加工後、 あるいは加工前後に前記立体形状計測装置によって立体形 状を計測することを特徴とする加工装置。
1 4 . 請求項 1 3記載の加工装置を用いた半導体デバイス製造方法であって、 半導体回路パターンあるいはレジストパターンを観察し、その観察結果を前記 加工装置の動作条件にフィードパック、 フィードフォワード、 あるいはフィード パックとフィードフォヮ一ドの両方を行うことを特徴とする半導体デバイス製 造方法。
1 5 . 請求項 1 4記載の半導体デバイス製造方法において、
前記フィードパック、 あるいは前記フィードフォワードされる条件は、エッチ ング条件、 露光 ·現像条件、 研磨条件のいずれか少なくとも一つであることを特 徴とする半導体デパイス製造方法。
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