JPH01145507A - 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
測定装置に関し、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装置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装置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
する測定装置が要望されている。トレンチの深さ測定装
置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　ｍ１ｃｒｏｓｃ
ｏｐｙ　）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
装置がある。

第６図Ａ、　Ｂはこのうちの凹凸部からの反射光による
干渉を利用した従来の測定装置の概略図である。

同図では、白色光源６２からの光束はコンデンサーレン
ズ６３、ハーフミラ−６５、対物レンズ６４を介して被
測定物６１に照射される。被測定物ｌからの反射光は、
対物レンズ６４、ハーフミラ−６５、結像レンズ６６を
介して、ピンホール６７へ導光される。ここでピンホー
ル６７と被測定物６１は共役となっており、ピンホール
径をφＰ、測定領域をφＳ、被測定物６１からピンホー
ル６７面への結像倍率をβとするとφＳ＝φＰ／βとな
っている。

さらにピンホール６７を通過した光束は、分光器６８に
より分光される。今、被測定物６１の凹凸部の構造が第
３図に示す様な形状のトレンチ３６の上面部分に多層膜
（単層膜も含む）等のいわゆるマスク剤のついたもので
ある時、このトレンチの掘られた被測定面に光束が入射
すると、マスク剤の層数をＮ、　　トレンチの深さをＤ
Ｔ、屈折率をｎ７゜マスク剤の第１層目の膜厚をＤ　Ｍ
ｉ　、屈折率をｎ　Ｍｉとし、マスク剤のみの面の振幅
反射率をρＭｅ　′ｄ　Ｍ（これは一般に多重反射の式
になる）、またトレンチ底面の振幅反射率をρｅ　＋　
ｄ　Ｔとし、さらに測定領域φＳ内にトレンチの占める
面積比（開口率）をＡ、トレンチ開口内での光線の効率
をＫとすると、マスク面の反射光３２とトレンチ底面、
の反射光３１に゛よりトレンチ深さに応じた干渉が生じ
、第６図における分光器８により分光検出される分光反
射特性（分光反射率Ｒ（λ））は下式の様に表わされる
。

λを波長として、さらにθは入射角、 Ｒ（λ）　＝　（１−Ａ）・ρ、：＋Ａ・■（・ρｒ′
＋２ｖ”ｉ可１．＝−Ａ）−マ・ρ８・ρ１・ｃｏｓ　
（φ９−φ□−δ）・・・・・・・・・・・・・・・・
・・（１）上式はρ９＝ρＴ、φＭ＝φＴとおけば、マ
スク剤のないトレンチのみの反射率となる。ここでφＭ
。

φＴが波長λに関して変化が少ないとすると、（１）式
は第３項から振幅が２　　Ａ−（１−手ＫｅρＭ・ρＴ
の周期関数であり、その周期はトレンチ深さｄＴにより
決まる。また、第１項は、マスク剤の膜厚。

屈折率で決まるマスク剤の特性を表わし、単層膜では、
その膜厚に比例した周期関数となり、多層膜では、より
複雑な特性となる。これらの特性の和としてＲ（λ）は
例えば第４図の４１の様な形状となる。通常トレンチ深
さを示す特性（（１）式中の第３項）は、マスク剤の特
性（（１）式中の第１項）よりも、その周波数は高いの
で、分光器８で検出された特性はＡ／Ｄ変換器６９によ
り量子化された後にディジタルバイパスフィルター７０
に入力し、その出力としてノイズ即ち低周波成分である
（１）式の第１，２項を除去し、トレンチの深さを示す
第３項の高周波成分のみをとり出す。

その後、開ロ率Ａ、効率Ｋが小さくなり、トレンチ深さ
を示す信号が微弱な場合で対応可能な様にその振幅を一
定値まで、振幅拡大部７１により引きのばし、次に第４
図４２に示した極大値（１／λ、）極小値（２／λ２）
を求める。ここでマスク剤のない簡単な場合は、 極大値では　２ｎＴｄＴ−ｃｏｓθ＝ｍλ（（ｍは整数
）極小値では　２ｎＴｄＴ−ｃｏｓθ＝（ｍ　　Ｈ）λ
２であるから ■ θは既知であるから、ピーク検出部７２により得られた
λ３．λ２から、トレンチ深さｄＴを求めることができ
る。マスク剤のある場合でも、マスク剤の影響を補正す
る係数を同様の算出式（２）に促すことにより、トレン
チ深さ６丁を求めることができる。

また、第６図Ｂに示すようにＡ／Ｄ変換部６９により量
子化された後、データを周波数領域に変換するためにＦ
ＦＴ部７５により変換され、処理されたデータからトレ
ンチ深さ計算７６を行い、トレンチ深さを求めることも
可能である。

〔発明が解決しようとしている問題点〕しかしながら、
第６図に示した測定方法では、以下の様な問題点があっ
た。

ｌ）マスク剤のある試料の時は、トレンチの開口率（Ａ
）及び効率（ＩＯが小さくなり、トレンチ深さを示す信
号が微弱になると、バイパスフィルターによりマスク剤
の特性を除いても、前記周期の整数倍の周期の微弱な信
号、即ちここでは、マスク剤上面の反射光とマスク剤の
上下面間で多重反射した光との干渉等による高周波の信
号は残り、これらがノイズとなってトレンチ深さを示す
周期と混同し、抽出可能となる。

２）マスク剤の光路長とトレンチ深さの光路長が近い時
は、バイパスフィルターでトレンチ深さを示す信号のみ
を得るのが困難で、前記の各特性が混合するか、或は各
特性とも消してしまう結果となり、トレンチ深さを示す
特性のみを抽出することができない。

３）得られた出力を周波数領域に変換後に、すなわちフ
ーリエ変換で周波数成分ごとに分解してトレンチ深さの
信号を見つける方法では、特に該信号が微弱になった時
、マスク剤の特性の周期の整数倍信号と混合し、注出す
ることができない。

本発明は上記した様な問題点を有していた場合でも、よ
り正確にトレンチ深さを示す信号のみを抽出することを
可能にし、従来、測定不可能であった試料を測定可能に
し、さらに測定の不安定であったものをより高精度に測
定することを可能にしたトレンチ深さ測定の際、好適な
凹凸部深さ測定装置の提供を目的とする。

〔問題点を解決するための手段及び作用〕本発明によれ
ば、被測定物の分光反射特性を測定し、該被測定物の凹
凸部のある部分と凹凸部のない部分の各分光反射特性を
測定し、該多分光反射特性を用いて信号処理を行い、凹
凸部の深さを示す特性のみを注出することである。

〔実施例〕

第１図は、本発明の一実施例の光学系概略図及び処理過
程のブロック図である。１はトレンチが掘られしかも、
トレンチ面にはマスク剤のついた被測定物、２は白色光
源、３はコンデンサーレンズ、４は対物レンズ、５はハ
ーフミラ−１６は結像レンズ、７はピンホール、８は分
光器、９はＡ／Ｄ変換器、ＩＯはゲート、１１．１２は
分光特性を記憶するメモリー、１３は１１．　１２のデ
ータの差分計算する演算処理部、１４はトレンチ深さの
信号特性のみを透過するバンドパスフィルター、１５は
トレンチ深さの信号のコントラストを拡大する振幅拡大
部であり、１３〜１５においてトレンチ深さの信号のみ
を注出する信号処理部が構成されている。さらに、１６
はトレンチ深さの特性の極大、極小ピークの検出部、１
７はトレンチ深さ計算部で、１６．　１７により計算部
が構成されている。１８は出力部である。１００は被測
定物を保持するステージ、１９はステージを駆動するス
テージ駆動部である。

白色光源２の光束は、コンデンサーレンズ３、ハーフミ
ラ−５及び対物レンズ４を介して、被測定物ｌに照射さ
れる。被測定物１からの反射光は対物レンズ４、ハーフ
ミラ−５、結像レンズ６を介して、その１部がピンホー
ル７を通過し、分光器により、測定に必要な波長範囲に
おいて分光される。ここで被測定物１とピンホール７と
は共役関係にあり、ピンホール径をφＰ被測定物１から
ピンホール７面への倍率をβとすると、測定領域φＳは
、φＳ＝φＰ／β となる。

つまり、φＳ内の反射光のみが測定される。

測定前に、ステージ駆動部１９により、被測定物ｌが移
動し、測定領域φＳがトレンチのある部分になるようセ
ットされる。前述した過程で反射光の分光特性が検出さ
れた後に、Ａ／Ｄ変換器９に入力し、量子化され、ゲー
トｌＯにより、まずトレンチのある部分の分光特性とし
て、メモリ１１に記憶される。次にステージ駆動部１９
により被測定物ｌはトレンチのない部分にセットされ、
同様の過程で、分光特性が測定され、ゲー）１０に達す
る。ここで、ゲートｌＯを切り換え、メモリ１２にトレ
ンチのない部分の分光特性として記憶される。

メモリ１１．メモリ１２の各分光反射特性をＲＴＭ（λ
）、ＲＭ（λ）とすると、差分演算部１３により、ΔＲ
（λ）−ＲＴＭ（λ）−Ｋ（λ）・ＲＭ（λ）開開（３
）の演算が行われる。ここではＫ（λ）は、第４図に示
す様に、メモリ１１．　１２の各分光反射特性ＲＴＭ（
λ）、ＲＭ（λ）の絶対値の差を合わせるための補正係
数であり、本来は波長依存の関数となるが、使用波長範
囲で特に値が大きく変化しなければ波長に依存しない定
数でもかまわない。また、該補正係数Ｋ（λ）は、オペ
レーターがマニュアルで入力しても、計算処理でオート
に算出してもかまわない。後者の計算処理による方法と
しては、例えば、第４図の特性を例にとると（４１はＲ
ＴＭ（λ）。

４２はＲＭ（λ）に相当する）（マスク剤の特性）、Ｒ
ＴＭ（λ）、ＲＭ（λ）にディジタルローパスフィルタ
を用いてＲＭ（λ）４２に見られる周期のみを第５図の
様に注出する。ＲＴＭ（λ）４１の出力をＲＴＭＬＯ（
λ）５１．ＲＭ（λ）４２の出力をＲＭＬＯ（λ）５２
とすると、波長による分散も考慮したＫ（λ）　＝　Ｒ
ＴＭＬＯ（λ）　／　ＲＭＬＯ（λ）曲・・曲回間・・
間・（４）又は、波長によらない係数として、 Ｋ（λ）　＝　Ａｖｅ　（ＨＴＭＬＯ（λ）　／　ＲＭ
ＬＯ（λ））・・・・聞・・曲・（５）（Ａｖｅ（）は
各波長毎の係数の平均値を示す）が考えられる。

（４）式は、トレンチ深さの光路長とマスク剤の光路長
に差があり、特にトレンチ深さの信号が微弱になった時
に有効である。また（５）式はトレンチ深さの光路長と
マスク剤の光路長が近接してトレンチ深さの信号が強い
時有効である。また、（３）式のかわりにΔＲ’　（λ
）　＝ＲＴＭ（λ）／（Ｋ（λ）・ＲＭ（λ））の演算
処理を用いてもよい。

前述したＲＴＭ（λ）とＲＭ（λ）の測定順は逆でも構
わない。

１３により演算された式（３）により表わされるΔＲ（
λ）は、トレンチ深さを示す特性のみを透過するディジ
タルバンドパスフィルター１４により、差分演算１３で
とりきれなかったマスク剤の特性、さらには、ノイズを
除去し、振幅拡大部１５により、トレンチ深さ信号のコ
ントラストが拡大され、極値の検出を容易にする。ピー
ク検出部１６で測定波長域内の全ての極値が検出される
。ここで、差分演算１３及びディジタルバンドパスフィ
ルター１４のどちらか一方の処理だけでもかまわない。

式（１）のトレンチ深さを示す特性（第３項）をＲＴ（
λ）とおく、つまり、 Ｒ・ｒ　（λ）　＝２　ＦＴ（１−Ａ）　Ｋ・ｐＭ・ｐ
Ｔ−ｃｏｓ　（φＭ−φＴ−δ）である。　　　・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・　（６）（６）式は
、 φＭ−φＴ−δ＝２ｍπ（ｍは整数）で極大。

φＭ−φＴ−δ＝（２ｍ−１）π（ｍは整数）で極小値
をとる。

つまり、第４図から、λ１．λ２を検出すれば、＝２ｍ
π　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
（７）（７）　（８）式よりトレンチ深さｄＴは、と表
わされる。

ここで、φＭ（λＩ）、　　φＭ（λ２）、　　φ丁（
λ１）。

φ］（λ２）は、極値波長λ１．λ２が検出され、マス
ク剤の構成（膜厚、屈折率）がわかっていれば、計算に
より算出可能なフレネル係数で、さらにｎＴ、　θは既
知であるので、トレンチ深さを求めることができる。実
際には、全ての隣り合う極値から（９）式により、多数
のトレンチ深さを得、平均化することにより安定性を高
めている。

さらに（９）式において、特に多層膜の場合にはφ−は
、波長により複雑に変化する。従って、各極値間隔は、
理論的には等間隔でない。この様な信号に対しては、Ｆ
ＦＴ等の周波数領域に変換する従来−技術の１例の方法
では、検出ピークはなまり、安定性を大幅に欠（ことに
なり、安定した測定は不可能である。

また、トレンチ底面の形状がくずれた試料では、効率■
くが減少し、（６）式の振幅は減衰する。この振幅の大
きさ、又は振幅拡大部での拡大率を検出することにより
トレンチ底面の形状判定方法への応用も可能である。

第２図に本発明の第２の実施例の光学配置図及び処理過
程のブロック図を示す。

２１は白色光源、２２はコンデンサーレンズ、２３はハ
ーフミラ−１２４は対物レンズ、２５は結像レンズ、２
６はピンホール、２７は分光器である。多は第１図と共
通である。

本実施例では、トレンチのある部分とトレンチのない部
分の分光反射特性を測定する手段を各々別個に持ってい
る。２〜９からなる構成により、トレンチのない部分の
分光反射特性を測定し、２１〜２８からなる同一の構成
により、トレンチのある部分の分光反射特性を測定し、
以下同様に信号処理されトレンチ深さを求めている。２
チヤンネルの測定手段により、同時測定を可能にし、測
定時間が短縮される。さらに、Ａ／Ｄ変換器９，２８を
除き、アナログ量として、差分演算を行い、ディジタル
バンドパスフィルターのかわりに、アナログバンドパス
フィルターを用いてもよい。又、マスク剤の無い部分や
、トレンチ深さの信号が大きい場合は、差分を取らずに
、凹凸部の分光反射特性の信号を直接バンドパスフィル
ターに入れて、信号処理して深さ計算を行うように、切
換えができる様にしてもよい。バンドパスフィルターを
通すだけでも膜厚によるうねり等の低周波成分、膜上下
面間で複数反射した光によるうねり等のより高周波な成
分を除去する効果がある。

〔発明の効果〕

以上述べた様に、凹凸部のある部分と凹凸部のない部分
の各分光反射特性を測定し、各分光反射特性に、特定の
信号処理を促すことにより、凹凸部の深さを示す特性以
外の信号は除去し、凹凸部の深さを示す信号のみをとり
出すことを可能とし、従来技術では、測定不可能もしく
は、測定の不安定だった被測定物についても、安定した
測定が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施したトレンチ測定用光学配置図と
処理過程のブロック図、 第２図は本発明の第２の実施例のトレンチ測定用光学配
置図と処理過程のブロック図、 第３図はトレンチ試料の断面図、 第４図はトレンチのある面とマスク剤のみの面の分光反
射特性を示す図、 第５図は第４図にローパスフィルタを促した特性図、第
６図Ａ、Ｂは従来技術の概略図、 である。 図中、

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面に凹部を有する被測定物の凹部の無い表面部
   分の分光反射特性を検出する第１の過程と前記被測定物
   の凹部を含む表面部分の分光反射特性を検出する第２の
   過程と、前記第２の過程の検出結果を、前記第１の過程
   の検出結果を用いてノイズ成分を除去する様補正し、補
   正結果より凹部の深さを測定する第３の過程とを有する
   事を特徴とする測定方法。
2. （２）前記補正は前記第１・第２の過程の検出結果の差
   分をとる事により行われる事を特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の測定方法。
3. （３）前記補正結果は更に凹部の深さを示す分光反射特
   性の周波数の近傍の周波数帯域のみを透過するバンドパ
   スフィルターにより処理される事を特徴とする特許請求
   の範囲第２項記載の測定方法。