JP2003294431A - 半導体製造工程におけるパターン部膜厚の測定方法と測定装置 - Google Patents
半導体製造工程におけるパターン部膜厚の測定方法と測定装置Info
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Abstract
薄膜パターンの膜厚を簡便に測定する方法と装置を提案
する。 【解決手段】 蛍光X線を用いてパターン構造部分の膜
厚を測定する。ただし、照射範囲に多数の繰り返しパタ
ーンが含まれるように、プローブとして用いる励起X線
1として、測定対象のパターン寸法よりも大きなビーム
径のものを使用する。また、検出した蛍光X線量を膜厚
に換算する際に、パターンの面方向寸法を用いる。
Description
におけるパターン部膜厚を測定する方法と装置に関す
る。
形成するために、以下のような順序にて工程が繰り返さ
れる。まず、製膜工程によりウェハ全面に薄膜を形成す
る。次に、ウェハ全面にレジスト膜を塗布し、リソグラ
フィ工程によりパターン形状に合わせた露光を行い、露
光されたレジスト部分のみ、または露光されなかったレ
ジスト部分のみを除去する。次に、除去されずに残った
レジスト膜で保護されている部分以外の薄膜、つまり表
面が露出している薄膜部分をエッチング等で除去する。
最後に、エッチング時の保護膜として残っているレジス
ト膜を除去する。結果として、最初に形成した薄膜に露
光パターンが転写される。除去されずに残った薄膜の一
部が、半導体素子や配線として利用される。このような
工程で製作したパターンの表面はレジストで保護されて
いるので、エッチングによってその膜厚が変化すること
はない。したがって、パターン部膜厚を知りたい場合に
は、パターン形成前の薄膜の膜厚を測定すればよい。そ
のためには、4端子抵抗測定、渦電流測定、光干渉測
定、エリプソメータ測定、蛍光X線測定等の方法が用い
られる。
除去された溝部分に金属を埋め込んで配線として利用す
る方法も採用されている。この場合は、レジスト除去後
のウェハ全面に金属薄膜を製膜し、溝部分を埋めた金属
以外の金属薄膜をエッチバック工程、あるいはCMP工
程により除去する。CMPはChemical Mec
hanicalPolishingの略で、CMP工程
とは化学的、及び機械的に表面を研磨し、その過程で表
面の凸凹をならして平坦化する工程である。これらの工
程では、溝を構成する薄膜表面より高い部分の金属を全
て除去し、薄膜の厚さ,つまり溝の深さと同じ膜厚の金
属配線を残すことが基本となる。しかし、実際には、溝
を構成する薄膜自身の表面が一部除去され、同様に金属
配線の膜厚も元の溝の深さよりも薄くなる。また、薄膜
表面よりも金属配線部の方が多く除去されて、さらに配
線膜厚が薄くなることもある。このように、金属配線の
膜厚が溝を構成する薄膜の製膜直後の膜厚とは異なると
いう事態が生じる。
ンの膜厚を測定しようとすると、パターン形成前の薄膜
の膜厚を測定する従来の方法は、以下のような問題を抱
えているために利用できない。第一に、配線パターンの
膜厚はパターン形成前の薄膜の膜厚とは異なる。したが
って、パターン形成後の測定が必要になる。4端子抵抗
測定、及び渦電流測定では面方向に構造のない広範囲の
薄膜を測定する必要があるので、パターン形成後には利
用できない。第二に、光干渉測定、及びエリプソメータ
測定は光を通す薄膜しか測定できないので、金属薄膜を
測定することはできない。第三に、蛍光X線測定では、
個々の配線パターンより小さなビーム径の励起X線を用
いれば個々の配線の膜厚を求めることができるが、パタ
ーン寸法ほどにビーム径を小さくすることは現実的では
ない。
択成長させるような場合も、工程途中に面方向に構造の
ない広範囲の薄膜が存在しないので、膜厚を測定する際
に同様の問題が生じる。
めに、蛍光X線測定を用いて微細化された繰り返し薄膜
パターンの膜厚を簡便に測定する方法と装置を提案する
ことである。
めに、本発明では、蛍光X線を用いてパターン構造部分
の膜厚を測定する。ただし、その測定領域内に隙間なく
多数の繰り返し薄膜パターンが含まれるような構成をと
る。また、検出した蛍光X線量を膜厚に換算する際に、
薄膜パターンの面内寸法を用いる。
法はよく知られているが、物理的な測定対象は試料中の
原子数である。測定対象の薄膜は励起X線で照射されて
いる励起領域内で一様であると仮定し、かつ膜中の原子
数密度を仮定して、検出した蛍光X線量から膜厚に換算
する。このような制約を考えると、パターン構造を持っ
た薄膜の膜厚を測定するには、励起X線のビーム径をパ
ターン寸法以下にしなければならない。実際の測定対象
となるパターン寸法は1マイクロメートル以下と非常に
小さいので、小型の分析計測装置にそのような励起X線
を用意することは現実的ではない。
とする個々のパターン寸法よりも広い領域をまとめて測
定し、その薄膜パターンの膜厚を求めるための蛍光X線
測定を提案する。その新発想とは、測定対象は測定領域
内で一様な薄膜でなければならないという今までの制限
を取り払い、多数のパターンが繰り返されている広い領
域を測定領域とする点である。測定により得られる情報
は、個々のパターンの膜厚ではなく、測定領域内に含ま
れるパターンの平均膜厚である。したがって、測定対象
とする微細構造の寸法以下に測定領域を小さくする必要
が無く、逆に測定領域内に含まれる標本数が多いほど平
均値の精度が良くなるので、測定領域が広いほうが望ま
しい。また、測定領域が小さいほどその測定位置がずれ
ないように振動を低く抑える必要が生じるが、本発明に
おいてはそのような要求を抑えることができる。したが
って、測定対象とするパターン寸法のさらなる微細化に
対応することが容易である点が、この発明の優れた点で
ある。
明する。まず、蛍光X線測定により検出される蛍光X線
量を以下のように表す。
(x、y、z))・D(x、y、z)・(e(x、y)
・G2(x、y、z))dx・dy・dz(積分範囲:
測定領域全面×厚み) ここで、Bは検出される蛍光X線量、D(x、y、z)
は位置(x、y、z)での膜中の測定対象元素の体積原
子数密度、(a(x、y)・G1(x、y、z))は位
置(x、y、z)での励起X線の照射密度、(e(x、
y)・G2(x、y、z))は位置(x、y、z)で出
射された蛍光X線に対する検出効率を示す。G1(x、
y、z)は、励起X線が位置(x、y、z)まで進入す
る時の透過率を示す。したがって、G1(x、y、0)
=1である。同様に、G2(x、y、z)は、位置
(x、y、z)で出射された蛍光X線が試料表面に達す
るまでの透過率を示す。したがって、G2(x、y、
0)=1である。Cは励起X線のエネルギー、測定対象
元素の種類、検出対象の蛍光X線エネルギー、測定時
間、式中の単位系等で決まる定数を表す。x、及びyは
試料表面に沿って直交する2軸上の座標を示し、zは試
料表面からの深さを示す。積分範囲における「厚み」
は、対象としている薄膜パターンの厚みを示す。積分中
でa(x、y)とe(x、y)の両方が正値の部分のみ
が、蛍光X線量Bに寄与する。その寄与領域が測定領域
である。
り返される場合、上式を適切に近似変換して以下の式を
得ることができる。ここで、S1は単位構造の面積を示
す。
z)・G2(x、y、z)dx・dy・dz
(積分範囲:単位構造内)= S1・B/(C・(∫∫
a(x、y)・e(x、y)dx・dy))(積分範
囲:測定領域全面) 試料表面に沿った繰り返し構造が一方向にしか存在しな
い場合、繰り返し構造の無い軸上での繰り返し幅を任意
の適当な幅として定義する。そうすることで、上式中の
S1、及び積分範囲の「単位構造内」の定義を変更する
ことなく上記の基本式を利用できる。
dx・dy)は、光学素子の特性、配置等で決まるの
で、何らかの基準測定により較正した値を定数として使
用することができる。
厚を算出する式を導く。まず、以後の計算を明瞭に進め
られるように、試料内部でのX線の減衰が無視できる程
度に少ないと仮定し、G1(x、y、z)=G2(x、
y、z)=1とする。その結果、以下のように書き換え
ることができる。
z)・G2(x、y、z)dx・dy・dz
(積分範囲:単位構造内)= ∫∫∫D(x、y、z)
dx・dy・dz (積分範囲:単位構造内) ここで、測定対象の薄膜試料を上から見た時に、xy面
内で測定対象元素を含む領域とそれ以外の領域が明確に
分かれ、それぞれの領域での原子数密度D(x、y、
z)がD、及び0となっている場合を考える。以後、単
位構造内での測定対象元素を含む範囲を単位測定対象範
囲と呼び、そのxy面内での面積を単位測定対象面積S
2とする。また、単位測定対象範囲での膜厚をT(x、
y)とする。これらの定義を用いてさらに式を変形す
る。続けて、単位測定対象範囲内での膜厚T(x、y)
を一定値Tとした場合も検討する。
(∫∫a(x、y)・e(x、y)dx・dy))(積
分範囲:測定領域全面) ∫∫T(x、y)dx・dy (積分範囲:
単位測定対象範囲)= S1・B/(C・D・(∫∫a
(x、y)・e(x、y)dx・dy))(積分範囲:
測定領域全面) 前者の式より、蛍光X線量Bとパターン面積比(S1/
S2)をもとにTを求められることが分かる。
2を参照)であれば、配線幅W、及び繰り返しピッチ幅
Pの2種の寸法が分かれば、(S1/S2)=P/Wな
ので膜厚Tを求めることができる。図2は、薄膜の断面
図で、紙面に対して垂直方向に多数の配線が並んでいる
状態を示している。
(図3A、及び3Bを参照)であれば、単位構造の面積S
1とプラグの配線断面積S2の2種の値が分かれば、膜
厚Tを求めることができる。図3Aは、試料を上から見
た図で、xy面内でのプラグの繰り返し構造、及びS1
とS2に対応する範囲を示している。プラグとは、ウェ
ハ表面に対して平行な下層配線と上層配線の間を上下に
つなぐ短い配線である。プラグの配線断面積とは、プラ
グ配線をウェハ表面と平行な面(xy面)でカットした
時の断面積を指す。図3Bは、プラグ構造を立体的に示
した透視図である。
際、パターン部の設計値をそのまま使用する方法もある
が、設計値とのずれが懸念される場合にはパターン部の
面内寸法を別の測定手段にて求める必要がある。したが
って、上記方法を取り入れた蛍光X線膜厚測定装置に、
光学顕微鏡、電子顕微鏡、またはSPM(Scanni
ng Probe Microscope)等の表面測
長機能を組み込むことで、同じ装置内で面方向の測長と
深さ方向の膜厚測定をまとめて行うことができる。SP
MとはSTM(Scanning Tunneling
Microscope)、AFM(Atomic F
orce Microscope)、SNOAM(Sc
anning Near−Field Optical
Atomic−Force Microscope)
等の総称で、先端のとがった針で試料表面をなぞり、そ
の電気的、物理的、光学的な特性を検出し、試料の表面
形状や特性を原子、分子サイズで測定する顕微鏡のこと
である。
(x、y)を用いて以下のような書き換えを行う。ここ
で、F(x、y)−F0=T(x、y)の関係を用い
る。SPM等による測定で表面形状F(x、y)を測定
した場合、それだけでは試料内部の情報を持たないの
で、膜厚T(x、y)との間にオフセットF0を考慮し
てなければならない。
2)・∫∫F(x、y)dx・dy(積分範囲:単位測
定対象範囲)+(S1/S2)・B/(C・D・(∫∫
a(x、y)・e(x、y)dx・dy))(積分範
囲:測定領域全面) したがって、蛍光X線量B、S1、S2、及び表面形状
F(x、y)をもとにT(x、y)を求められることが
分かる。T(x、y)は表面形状F(x、y)に膜厚情
報が加わったもので、断面形状を表わしている。
の平均膜厚Tを求める。結果は、以下のようになり、膜
厚一定の試料を測定した場合の膜厚Tと同じ結果を得
る。
(∫∫a(x、y)・e(x、y)dx・dy))(積
分範囲:測定領域全面) 表面形状F(x、y)、S1、及びS2を求める際にS
PM等による表面形状測定を行うが、本発明の蛍光X線
膜厚測定装置にその表面形状測定機能を組み込むこと
で、ひとつの装置内で断面形状測定を行うことができ
る。
(x、y、z)=1と仮定して計算を進めてきたが、こ
の仮定が適切でない場合には上記の計算のように膜厚
T、またはT(x、y)を単純な式で表すことはできな
くなる。そのような場合、まず、膜厚T、またはT
(x、y)を適当に仮定し、薄膜パターンの具体的な構
造を元に、G1(x、y、z)、及びG2(x、y、
z)を計算により求める。次に、そのG1(x、y、
z)、及びG2(x、y、z)を用いて、検出した蛍光
X線量から膜厚を求める。ここで得られた膜厚と最初に
仮定した膜厚が一致すれば、最初に仮定した膜厚が正し
かったことが分かる。もしずれていれば、補正した仮定
膜厚を用いて同じ事を繰り返す。仮定した膜厚と解析結
果の膜厚が一致した時、正しい膜厚が得られたことにな
る。また、実際の薄膜パターンの構造によっては、具体
的な構造を計算に組み込むことで、上記と同様に膜厚
T、またはT(x、y)を求める式を算出できる場合も
ある。その場合は、計算を繰り返す必要は無くなる。
実施例では、配線構造の試料に対する測定例を示した
が、繰り返し配線構造だけが対象試料ではない。例え
ば、プラグの繰り返しパターン構造も本発明の対象に含
まれる。
て示した図である。ウェハ4の表面にTEG5を設け、
そこに励起X線1を照射する。TEG(Test El
ement Group)とは測定条件に合わせて作成
された測定専用領域で、直に測定できない実デバイスの
製造工程をモニターするために利用される。励起X線1
により照射された部分だけが測定領域15となり、そこ
から放出された蛍光X線14を蛍光X線用検出器3を用
いて測定する。また、励起X線1の照射範囲を絞るため
に励起X線用集光ミラー2を用いる。この方法で利用す
るTEGは、そのパターン形状が管理対象のパターンと
同じになるように、管理対象のパターンと同時に作成す
る。また、下部構造が測定に影響しないように、それ以
前の工程により作られる下部構造を制限する。励起X線
の照射範囲に多数のパターンが含まれるように、パター
ン寸法に合わせて、励起X線のビーム径、およびTEG
の大きさを設定する。集光ミラーの代わりにコリメータ
ーを利用して必要なビーム径の励起X線ビームを用意し
てもよい。実際の装置においては、ウェハ4内でのTE
G5の位置を特定し、測定領域をその位置に合わせる必
要があり、その目的のために内蔵された光学顕微鏡等を
利用する。
る。CMP後に残された配線部8は、表面が水平ではな
く、えぐれた形状をしている。配線パターンの配線ピッ
チ6、及び配線幅7をSEM測定によって求め、そこか
ら得られるパターン面積比(S1/S2)の値を元に配
線部の膜厚を求める。本発明による膜厚測定方法では破
線で示したような平均の膜厚9が求められる。
ーンを示している。この例では、配線パターンの配線ピ
ッチ6、及び配線幅7をAFM測定によって求め、そこ
から得られるパターン面積比(S1/S2)の値を元に
配線部の膜厚9を求める。AFM測定では、さらに各配
線の表面形状10も測定することができる。したがっ
て、本発明により、破線で示した平坦な平均膜厚9だけ
ではなく、平均的な配線断面形状11も求めることがで
きる。したがって、配線側壁近傍での膜厚12、配線の
えぐれ形状の底部での膜厚13等を求めることができ
る。平坦膜厚9から求められる配線断面積と膜構造11
から求められる配線断面積は、ほぼ等しくなる。
施され、以下に記載されるような効果を奏する。
まれるように励起X線を照射し、その照射範囲からの蛍
光X線量を測定することで、パターン面積比を元にパタ
ーン薄膜の平均膜厚を求めることができる。また、パタ
ーン表面形状を元にパターン薄膜の断面形状を求めるこ
とができる。
子顕微鏡、またはSPM等の表面測長機能を組み込むこ
とで、同じ装置内で面方向の測長と深さ方向の膜厚測定
をまとめて行うことができる。また、SPM等の表面形
状測定機能を組み込むことで、同じ装置内でパターン部
の断面形状測定を行うことができる。
ーン寸法ほどに集光したりする必要がなく、振動を低く
抑える必要も無いので、将来の半導体加工におけるさら
なる微細化に対応することが容易である。
幅とピッチをもとにして、配線部の膜厚を求めることが
できる。
ある。
配線構造を示す図である。
上から見た図である。Bは、プラグ構造の繰り返しパタ
ーンを立体的に示した透視図である。
う例を示す図である。
う例を示す図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 測定領域内に隙間なく多数の繰り返し薄
膜パターンが含まれるような構成をとり、前記測定領域
に励起X線を照射しそこから出射される蛍光X線を検出
し、その検出量と前記薄膜パターンの面内寸法をもとに
前記薄膜パターンの膜厚を求める薄膜パターン膜厚測定
方法。 - 【請求項2】 面内寸法の測長機能を持つ測定方法によ
り測定した薄膜パターンの面内寸法をもとに薄膜パター
ン膜厚を求める請求項1記載の薄膜パターン膜厚測定方
法。 - 【請求項3】 表面形状測定機能を持つ測定方法により
測定した表面形状情報をもとに薄膜パターン断面形状を
求める請求項2記載の薄膜パターン膜厚測定方法。 - 【請求項4】 前記薄膜パターンが半導体集積回路配線
であり、前記面内寸法が前記半導体集積回路配線の配線
幅とピッチであることを特徴とする請求項1記載の薄膜
パターン膜厚測定方法。 - 【請求項5】 測定領域内に隙間なく多数の繰り返し薄
膜パターンが含まれるような構成をとり、前記測定領域
に励起X線を照射する励起X線源と、前記励起X線を前
記測定領域に導く光学回路と、前記測定領域から出射さ
れる蛍光X線を検出するX線検出器と、前記測定領域か
ら出射された蛍光X線を前記X線検出器に導く光学回路
と、及び前記検出した蛍光X線量と前記薄膜パターンの
面内寸法をもとに前記薄膜パターンの膜厚を求めるため
の解析手段とを含む薄膜パターン膜厚測定装置。 - 【請求項6】 面内寸法の測長機能を内蔵し、その機能
により測定した薄膜パターンの面内寸法をもとに薄膜パ
ターン膜厚を求める請求項5記載の薄膜パターン膜厚測
定装置。 - 【請求項7】 表面形状測定機能を内蔵し、その機能に
より測定した表面形状情報をもとに薄膜パターン断面形
状を求める請求項6記載の薄膜パターン膜厚測定装置。 - 【請求項8】 前記薄膜パターンが半導体集積回路配線
であり、前記面内寸法が前記半導体集積回路配線の配線
幅とピッチであることを特徴とする請求項5記載の薄膜
パターン膜厚測定装置。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002101309A JP4124609B2 (ja) | 2002-04-03 | 2002-04-03 | 半導体製造工程におけるパターン部膜厚の測定方法と測定装置 |
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|---|---|
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