JPH0665963B2 - 微細溝深さ測定装置 - Google Patents

微細溝深さ測定装置

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JPH0665963B2
JPH0665963B2 JP23288686A JP23288686A JPH0665963B2 JP H0665963 B2 JPH0665963 B2 JP H0665963B2 JP 23288686 A JP23288686 A JP 23288686A JP 23288686 A JP23288686 A JP 23288686A JP H0665963 B2 JPH0665963 B2 JP H0665963B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は超LSI製造プロセスの検査技術に関し、特には
微細溝深さ測定技術に関する。
〈従来の技術〉 現在、メガビット級のダイナミックRAMを実現するため
に、従来の2次元的な素子形成の枠組みを越えて3次元
的な素子形成技術が開発されつつある。その一例とし
て、従来のシリコン表面に素子を形成する方法に代わっ
て、シリコン表面に微細な溝を形成し溝側面にも素子を
形成することにより、実行的な表面積を増加させ集積度
を向上させる方法がある。本方法において形成されるシ
リコン溝の典型的な寸法は、更に高集積化を図るための
溝幅数100nmと狭く、深さ数μmであり、溝のアスペク
ト比は(溝深さと溝幅の比)5から10にも達する。本方
法を使用して超LSI製造するためには、この溝の深さを
正確に測定し、そのデータに基づいて工程管理を行う必
要がある。
溝の深さを測定装置として、従来から触針式表面荒さ測
定装置が用いられている。前記触針式測定装置の場合、
触針の先端の曲率半径が数μ程度であるため、上述の如
く寸法サブミクロンの溝には触針が入らず、深さの測定
が不可能であるという問題があった。また、たとえ触針
が溝に入ったとしても接触測定であるので基板を汚染し
やすいという欠点もあった。以上の問題を解決するため
に、微細溝深さ測定としては、一般に、基板を割り、断
面走査電子顕微鏡写真(以下SEM断面写真)を撮る方法
が行われている。
〈発明が解決しようとする問題点〉 上述するSEM断面写真を撮って溝深さを測定する方法
は、サンプルを破壊しなければならないため、超LSIの
製造工程の検査に常時用いることができない。従って、
製造工程での溝深さの管理は甘くならざるを得ず、この
ため、工程のマージンを多く見積る必要が発生し、ま
た、歩留にも悪影響を与えるという問題がある。
〈問題を解決するための手段〉 本発明は、上述する問題を解決するためになされたもの
で、一又は複数の微細溝を所持する面に光を照射するた
めの光源と、前記面に対して、垂直方向に、前記光源の
照射光及び前記面からの反射光を導く顕微鏡と、該顕微
鏡により導出された前記微細溝底面からの反射光と一又
は複数の微細溝を所持する面の表面からの反射光との干
渉光を多チャンネル型受光素子を用いて受光し、分光す
る分光器と、該分光器出力による分光スペクトル信号か
ら最大エントロピー法を用いて光学行路差情報を形成す
る演算手段と、前記光学行路差情報に基づいて微細溝深
さを算出する演算手段とを備えてなることを特徴とする
微細溝深さ測定装置を提供するものである。
〈作 用〉 上述の如く溝深さの測定を、光を照射してその反射光か
ら得られる情報を利用して行なうことにより、被測定基
板に接触する必要がないため該基板を汚染することがな
く、また該基板を破壊する必要がないため、歩留りの向
上が図れるものである。
〈実施例〉 第1図は本発明の一実施例であり、基板シリコンの溝掘
りエッチング後の検査に使用した場合の微細溝深さ測定
装置の構成図である。光源1から出た光は顕微鏡のレン
ズ系を通して基板2上に集光される。該基板2には微細
溝が加工されている。基板2からの反射光は上記レンズ
系とスリット3を通して回折格子4に導かれ分光され
る。分光強度の測定は多チャンネル型の受光素子5を用
いて機械的走査なしに一度に行う。多チャンネル型の受
光素子は、(1)分光時間が短い(演算を含め3秒以
内)、(2)情報の利用効率が高い(明るい)、という
長所を持っている。本実施例では400nmから800nmの領域
を約400チャンネルの直線型多チャンネル受光素子を用
いている。
受光素子5で得られた信号は、データ処理部6において
デジタル化された後、後述する波形処理技術を演算処理
される。
第2図は、0.8μmの幅の溝が1.6μmの周期で繰り返さ
れるパターン(サンプルS−1)について、上記多チャ
ンネル受光素子5から得られる反射分光スペクトル強度
を示し、第3図は1.2μmの幅の溝が2.4μmの周期で繰
り返されるパターン(サンプルS−2)について、上記
多チャンネル型受光素子5から得られる反射分光スペク
トル強度を示している。第2図、第3図において横軸は
波数であり、分光面積は約20μm四方である。顕微鏡の
対物レンズは10倍を用いる。光学系の開口数を最適化す
ることにより、アスペクト比の大きい溝パターンでも深
い溝底部と表面からの反射光が干渉し、第2図や第3図
のような干渉スペクトルが得られることが見いだされ
た。
ここでサンプルS−1はエッチング終了後マスク材料と
して用いたSiO2を除去したもので、サンプルS−2はエ
ッチング直後のものである。即ちサンプルS−1では1
種類の干渉が繰返して出現しているのに対し、サンプル
S−2の反射分光スペクトル強度である第3図におい
て、2種以上の周期を持つ信号が観測されている。これ
は、前記サンプルS−2が第4図に示す断面図をもち、
SiO2表面の反射光,SiO2とSi境界面からの反射光、
溝底部からの反射光とすると、SiO2の膜厚とSiのエッ
チング溝深さに対応して3つの光学行路差が存在するた
めに起こるものである。
ところで、溝深さの検査はエッチング直後に行うのが望
ましい。これは、溝深さがスペックより浅い場合、追加
のエッチングを直ちに施すことが可能になるからであ
る。第3図の干渉スペクトルから、直ちに溝深さの情報
を得ることは困難である。そこで、スペクトル解析の手
法を用いて信号を分離しエッチング深さを得る方法を試
みた。本実施例では信号の解析方法として高速フーリエ
変換(以下FFT)を採用し、それらはデータ処理部6に
おいて実行する。
FFTの数値演算は、パスカル言語を用いて記述し8086系
のCPU用にコンパイルしたオブジェクトプログラムを用
いて行った。本プログラムを用い、波数軸に対して256
点のデータを演算するのに要する時は、FFTでは約10秒
である。これは、製造工程での検査を実施するのに十分
なスピードである。
第5図は、第2図及び第3図の反射分光スペクトル信号
にFFTを施した結果を示す。縦軸は反射分光スペクトル
強度を示し、横軸は光学行路差情報に相当する。また第
5図中にて観測されるピークにおいて、サンプルS−1
のピークをA、サンプルS−2の2つのピークをそれぞ
れB,Cと名付けると、ピークAはSi基板表面の反射光と
溝底部からの反射光との干渉に基いて出現している出力
であり、横軸の値が両反射光の光学行路差を示し、ピー
クBは第4図中の光ととの光学行路差を示し、ピー
クCは第4図中の光ととの光学行路差を示す。この
光学行路差に基づき、Si溝深さ及びSiO2膜膜厚が得られ
る。
表1はサンプルS−1,S−2について、FFT処理にて得ら
れた光学行路差、該光学行路差から算出した溝深さ若し
くはSiO2膜膜厚と、SEM断面写真から得た各測定結果と
を分解能と共に示す。ここでSiO2の屈折率は1.45とし
て、計算を行なった。
ここで、フーリエ変換の分解能とは、離散フーリエ変換
の理論によって与えられる量で、変換前のシグナルの帯
域幅の逆数に相当する。従って、可視領域の分光を行う
限り、フーリエ変換の分解能は光学行路差にして800nm
前後で大きい。
そこで分光スペクトル信号の演算処理の第2例として、
最大エントロピー法(以下MEM)を採用した。
MEMにおいても上記FFT同様パスカル言語を用いて記述し
8086系のCPU用にコンパイルしたオブジェクトプログラ
ムを用いて行った。本プログラムを用い、波数軸に対し
て256点のデータを演算するのに要する時間は、MEMでは
約70秒である。これも、製造工程での検査を実施するの
に十分なスピードである。
第6図は第2図及び第3図の反射分光スペクトル信号に
MEMを施した結果を示す。縦軸は反射分光スペクトル強
度を示し、横軸は光学行路差情報に相当する。また第6
図中にて観測されるピークにおいて、サンプルS−1の
ピークをA1,サンプルS−2の2つのピークをそれぞれB
1,C1と名付けると、ピークA1はSi基板表面の反射光と溝
底部からの反射光との干渉に基いて出現し、横軸の値は
両反射光の光学行路差を示し、ピークB1は第4図中の光
ととの光学行路差を示し、ピークC1は第4図中の光
ととの光学行路差を示す。この光学行路差に基づ
き、Si溝深さ及びSiO2膜膜厚が得られる。
表2はMEM処理を実行することにて得られた光学行路
差、該光学行路差から算出した溝深さ及びSiO2膜膜厚
と、SEM断面写真から得た各測定結果とを分解能と共に
示す。ここでSiO2の屈折率は1.45として計算を行なっ
た。
MEMの場合は、計算点数を増やすことで計算上の分解能
はいくらでも小さくすることが可能であり、高精度で光
学行路差を求める目的にはMEMが適している。
表2中の、MEMより得た光学行路差をもとに算出した溝
深さ及びSiO2膜膜厚とSEM断面写真より得た溝深さ及びS
iO2膜膜厚とは、それぞれ測定の精度の範囲でよく一致
しており、MEMを用いた本実施例により微細溝深さ測定
が精度よく実現していることを示している。
処で、MEMでは予測誤差フィルターの次数の選択が重要
である。フィルター次数の選択法として次の3つの方法
を試した。
(1) フィルター次数を1から順に増大させ最終予測
誤差の極小値を与えるフィルター次数を選択する。
(2) 設定されたフィルター次数の範囲の最終予測誤
差をすべて計算しその最小値を与えるフィルター次数を
選択する。
(3) フィルター次数を最終予測誤差の予測誤差フィ
ルター次数依存性に関わらず、あらかじめ設定された値
に固定して演算する。
(1)の方法は演算時間は早いが、ノイズの多い波形を
観測するときに最終予測誤差のノイズによる振舞いを極
小値と見誤り、その結果、正しいスペクトル解析が不能
になる場合がある。(2)の方法は今回の信号解析で
は、多くの場合よい結果が得られた。ただし、微細溝の
面積が小さく溝底部から信号がマスク表面からの信号に
比べて小さい場合に、溝深さに相当する光学行路差をノ
イズと判断し消し去る場合がある。(3)は(2)で解
析できない場合に有効であり、大きな振幅に乗った小さ
い信号からもスペクトル解析が可能である。ただし、ま
れにノイズを信号と見誤り偽の光学行路差を与えること
がある。これを避けるため予想誤差フィルターの次数の
範囲を30から60にし、この範囲からフィルター次数を選
択するとよい。各種の構造の微細溝の測定結果から、
(2)と(3)を上記の特徴を意識しながら場合により
使い分けることが適当であることが分かった。実用的に
は、シリコン基板上に分光しやすい検査マークを作れば
(幅1μm前後の溝が2μm程度のピッチで並んでいる
パターン等)、(2)の方式で失敗なく溝深さの測定が
可能であることが確かめられた。なお、(3)において
偽の信号を見分けるためには、FFTの結果との信号の積
を取ることが有効である。
本実施例では、シリコン基板の溝掘りエッチング後の溝
深さ測定の場合を述べたが、一般の微細溝の深さ測定に
本発明が利用できるのは明白である。
また、一般の多層膜や基板上に形成された微細溝の底面
に形成された各種膜の光学膜厚測定に関しても本発明が
有効であると考えられる。
〈効 果〉 本発明を用いて、微細溝底面からの反射光と該微細溝所
持面の表面からの反射光との干渉光によるスペクトル情
報から最大エントロピー法を用いて微細溝深さを測定す
ることによって、測定対象の複数の微細溝が規則的に配
列されているか否かにかかわらず、従来困難であった値
の小さなスペクトル情報からの微細溝深さのモニターを
工程途中で正確にできるようになった。その結果、微細
溝を用いるLSIの製造プロセスの信頼性が向上し、高集
積メモリーに代表される超LSIの歩留りが向上する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例による構成図、第2図はサン
プルS−1の反射分光スペクトル強度を波数に対しプロ
ットした図、第3図はサンプルS−2の反射分光スペク
トル強度を波数に対しプロットした図、第4図はサンプ
ルS−2の断面図、第5図は第2図及び第3図の反射分
光スペクトル信号を高速フーリエ変換した結果を表す
図、第6図は第2図及び第3図の反射分光スペクトル信
号を最大エントロピー法にて処理した結果を表す図であ
る。 1:光源、2:基板、3:スリット、4:回折格子、5:多チャン
ネル受光素子、6:データ処理部

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一又は複数の微細溝を所持する面に光を照
    射するための光源と、 前記面に対して、垂直方向に、前記光源の照射光及び前
    記面からの反射光を導く顕微鏡と、 該顕微鏡により導出された前記微細溝底面からの反射光
    と一又は複数の微細溝を所持する面の表面からの反射光
    との干渉光を多チャンネル型受光素子を用いて受光し、
    分光する分光器と、 該分光器出力による分光スペクトル信号から最大エント
    ロピー法を用いて光学行路差情報を形成する演算手段
    と、 前記光学行路差情報に基づいて微細溝深さを算出する演
    算手段とを備えてなることを特徴とする微細溝深さ測定
    装置。
JP23288686A 1986-09-29 1986-09-29 微細溝深さ測定装置 Expired - Lifetime JPH0665963B2 (ja)

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DE102012102826B4 (de) * 2011-04-06 2020-03-26 Precitec Optronik Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen einer Tiefe einer Region, die ein hohes Aspektverhältnis aufweist und in eine Oberfläche eines Halbleiterwafers hineinragt

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