JPS61107104A - 微細パタ−ン深さ測定方法及びその装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、半導体基板上の微細な凹凸溝の深さを測定す
る微細パターン深さ測定に関するものである。

〔発明の背景〕

半導体デバイスは高集積化を達成するため、従来の平面
的素手構造から立体的素子構造へ転換が行われている。

そのため例えば、エツチング等の加工手段によシシリコ
ン基板に深さ３〜５μｍの穴をあけたシ、１〜約２μ扉
幅の溝を作る技術が必要とされるが、従来の技術では非
接触の深さ測定が困難でめった。

ビデオディスク等の凹凸パターンの深さを測定する一手
段として光干渉法を利用する方法がある（特開昭５４−
１７８７２号公報）。これは入射光の波長を変化させつ
つ非接触でパターンの深さを測定する方法であるが、本
発明の利用分野であるエツチングによる穴や溝の深さを
測定することはできない。なぜなら穴や溝等の凹部の面
積が被加工面に比べて非常に小さいため、凹部から反射
する光量が上記測定方法により検出できる程度に大きく
ないからである。即ち、凹部からの反射光と被加工面か
らの反−光との干渉光強度変化の幅（コントラスト）が
小さくなシ干渉光を検知できないことに起因する。

また、５ｏｌｉｒＬ　５ｔａｔｅ　５ｃｉｅｎｃｅ　＆
　Ｔｇａｈｎｏｌｏｇｙ１９７３年５月号［０ｐｔｉｃ
ａｌ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅＥｔｃｈｉ
ｎｇ　ｏｆ　Ｓｉｎ、　ａｒＬｔｉ　Ｓｉｎ、　ｏｎ　
Ｓｉ　ｂｙ　ｔｈｔ　Ｕｓｅｏｆ　Ｇｒａｔｉｎｇ　Ｔ
ｅ５ｔ　Ｐａｔｔｒｎ　Ｊ　（Ｈ，Ｐ、　Ｋ１ｇｉｎｋ
ｒｂｔｃｈｔ＆　Ｈ，ｋｈｉａｒ　）には、回折光を利
用した水平干渉法によりエツチング中の深さを測定する
技術が紹介されている。

しかし前記文献の方法は、Ｋｇ　−Ｍｅレーザを用い単
一の波長を照射して、エツチング中に深さが変わってい
くことによる干渉光強度変化を検出しているため、エツ
チング後、深さを測定するという処理過程に適さない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、干渉光の強度を確保し、検出に用いる
光の波長を変化させることによって微細な溝の深さを正
確に測定できる、微細パターン溝深さ測定方法及びその
装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

干渉光強度変化（コントラスト）を大きくするために、
凹部と凸部でそれぞれ反射する光量を同程度にして検出
する構成とする。具体的には、フラウンホー“ファー領
域の回折現象及びＢαパｎｅｔ　（バピネ）の原理に着
目し、０次回新党以外の高次回折光では凹部・と凸部と
でそれぞれ反射する光量が同程度になることを見出し、
特定の高次回折光を検出する構成としている。

（１１Ｂａｈｉｎｇｔの原理について 本発明は「２つの相補的な図形（白、黒の反転した図形
）によるフラウンホーファ領域の回折像は、中央の１点
（Ｏ次回折像）を除いた点で、それぞれの光強度が等し
く位相がπずれているＪ（バビネの原理：物理学大系、
光学■。

みすソ書房）なる性質を利用している。

第９図に示すようなエツチング後の半導体基板上のパタ
ーンに光を照射する場合を考える。

このパターンでは、α〔μ扉〕×α〔μｍ〕の開口、深
さｈ〔μｍ〕の穴がピッチ！〔μｍ〕で連続して並んで
いる。ここで穴部面積、穴以外の面積はそれぞれ、Ａ、
ｚとする。

このパターンに広い範囲で垂直に光を照射した場合、そ
の反射光は表面の規則性により第１０図のような回折像
を形成する。

この回折像の中央の像を０次とし外側に１次。

２次、・・・、路次回折像と呼びそれぞれの光強度。

をＩＩ　、　Ｉ”　、・・・　ＩＷと表記する。工１は
穴の底で反射し穴開口で回折する光と、穴以外の部分で
反射して回折する光との干渉光強度であり、干渉を生じ
る２７）の光強度をそれぞれＩ、６　、　Ｉ、　　と表
記する。また穴に入った光は減衰し、α倍になり穴から
射出するものとする（αく１）。

このようなモデルでは、穴開口と穴以外の部分は、将に
バピネの原理に従う相補的な図形である。

もちろん実際には、穴に入シ大の底で反射し穴から出よ
うとする際の光の波面は乱れていて穴に入射する際の光
の波面とは同一でないから完全に相補的な図形とは言え
ないが、近似的に相補的な図形と考えて良い。そこで次
式が底型するＯ αＩ″　ｍ１１　　　・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）また穴部
とそれ以外の面積比から 工；とＩ：については、フレネル−キルヒホッフの式を
フラウンホー７７近似した式で、３Ｃｉ−”０　、　ｙ
ｉ→０の極限をとり次式が成シ立つ。

ｙ、→０ ・・・・・・　（３） ここで、ｙ（ｘｏ、ｙａ＞、　ｗ（ｚ；、ｙ；）はそれ
ぞれ開口面９回折像面上の点（”ｏ　＋　’１０　）　
＊　（”　＋　’ｌ　ｓ　）での光強度分布、ノは虚数
単位、には波数ベクトル（／λ）である。

２重積分の部分は、！！（−：、　ｙ＜　）　−１＋す
なわち均一な光強度分布を持つ開口の面積を示すから、
工′は開口部面積の２乗に比例する。従って、 以上のｆｉ＋　、　＋２１　、　（４１式から弐ｆ５１
　、　（６１より、工！とＩ：　の干渉による光強度工
ａ、■、７と工Ｚ　　の干渉による光強度が求められる
。

ピーＳ２＋αｂ”＋２ｙ’ｃｔ　ｓｂ　ｃａｓ　（４π
ｈ／λ）・・・（７）Ｉ’−（１＋α）　ｓｂ　−２（
ａ　ｚｂ　ｃｏｓ　（４πｈ／λ）−ｔｓ１式（７１、
（８１よりＩ’　、　Ｉ’の強度変化のコントラストｃ
’　、　ｃ’″を求めると、 となる。ｂ／ｚ　−０，０１、α纒０．５を式＋９１　
、　（１１に代入すると、 Ｃ’　−０，ｏ１４　、　Ｃ”　−Ｑ、９ｄ３となジ、
Ｏ次回新党ではコントラストが１多しか得られない時に
、１次回折光では９４％と高いコントラストが得られる
ことがわかる。従って１次回折光の強度変化を検出する
ことで深さが測定できる。

（２）パターンへの応用について 次に、表面に別のパターンが配設されバビネの原理で説
明できない場合の測定原理を示す（第１３図）。

一般に、スリット数がＮ１幅ｄなる多スリットの回折像
を考えることに本測定原理は帰着される。この場合の光
強度は第１１図曲線１のようになり、次式（１）に従う
。

％式％ ここで工０は回折像の中心強度、ｊはスリットのピッチ
、λは光の波長、ｂはスリットから回折像面までの距離
、Ｘは像平面上の位置であり回折像中心からの距離であ
る。

包絡線２（第１１図）は、幅ｄなる単スリットの回折像
の強度分布であるが、式αυから包絡線２が０になるの
は次式ａのが成立する時である。

またＮが十分大きい時は、多重干渉によシ鋭いピークが
現われるが、そのピークの位置は次式（１３に従う。

式αり及び式αＪでｍは整数、θは方向を示す角度であ
る。

従って幅の異なるスリットの回折パターンは第１２図１
曲線６及び曲ａ４のごとき形状になる。

この時、Ｘ軸と各曲線との間の面積は、それぞれの光の
光量を示す。

式αυかられかるように、曲ａ４を形成するスリットの
方が幅が小さく、光量は小さいということになる。とこ
ろが点５の位置では、２つの光束の光量は同程度となっ
ている。あるいは領域６では、曲線４を形成する光束の
光量が大きくなっている。

ここで第１３図に示したパターンの回折像について考え
る。

Ｘ方向の回折光８．９に着目すると、幅ｄｘ、　。

ｃｏｘ、　、　ｃｏｘ３ともに同程度の大きさになって
いるため、各パターンからの回折像は同じ形状をしてい
る。さらに穴の面積に比べ、穴のない部分の面積が太き
いため（穴のない方の長さＣＬ’Ｉｓが長い）、大成か
ら反射してくる光８の回折像は第１４図曲線１２のよう
に表面から反射してぐる光９の回折像面ｉ１３に比べ全
体に小さくなるため干渉のコントラストは小さくなり、
測定は難しい。

これに対しｙ方向の回折は、’３’＋＃”／２であるの
に”／ｓは大きい（第１３図）。また領域１４はｙ方向
の回折光を持たない。従って第１５図のよつｉｃ　ＣＬ
　ｙ　ｓ　Ｋ　、ｊニル回折光１１（第１３図）の曲線
１５が、’ｙ２による回折光１０（第１３図）の曲線１
６より小さくなる次数が存在する。

’３１＋−”／ｌ−Ｉ　Ｃμｍｌ＋（Ｌ’／ｓ５−５Ｃ
ｐ〕　の時を計算してみると、式αり及び式αＪよりｍ
−３及びｍ−５（３次回折光及び５次回折光）を検出す
れば、コントラストの大きい検出が行える。

即ち、第１３図に示した表面パターンを有する場合は、
ｙ方向の回折光のうち３次、５次のものを検出しなけれ
ばならないことになる。

さらに複雑なパターンの場合、表面のパターンから類推
できず、全ての回折像を検出し、強度変化の生じるもの
を選び出さねばガらないこともある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図、第２図。

第１６図及び第１７図により説明する。

ｆｉｌ構成 本発明は、 光源１７．レンズ１９，２０．２１ｊ球面鏡１８゜光源
２２から成る光源部２３゜ ミラー２４，２５　、ハーフミラ−２８，対物レンズ２
６．し７ズ系２７　、　Ｈｅ　−Ｎｔレーザ２９から成
るレーザ光源部３０゜ ミラー３１，３２．スリット３ａ、５５　、凹面回折格
子３３．ステッピングモータ３６から成るモノクロメー
タ部３７．゛ レンズ４０．ハーフミラ−３９，ミラー３８．光検出器
４５、光検出器＆１　、４２　、スリット４３，４４．
採光開口４６゜ステッピングモータ５２から成る光検出
部４７゜オリフラ合せ治具４８．ウェハ載置台４９が設
けられたＸＹステージ５０を主要部とするウェハ位置決
定部５９゜ アナログデジタル変換器５１．モータ制御系５５　、Ｃ
ＲＴ　５５　、マイクロコンピュータ５４．プリンタ５
７ｊ７セグメント表示器５６から成る制御演算出力部５
８より構成される。

光源部２３は、光源１７からの光を効率良くモノクロメ
ータ部３７のスリット３４に入射するように、レンズ１
９，２０．２１および球面鏡１８が設けられ、光源１７
は輝度の高いキセノンランプが用いられる。

さらに光源１７は波長３００〜８００ル展の光を多く含
む必要がありキセノンランプが適している。しかし、光
源１７はキセノンランプに限らず、さらに短波長領域の
光を多く含む水銀ランプ、あるいはハロゲンランプでも
良い。また、レンズ系のかわシに、楕円ミラーで光を集
めてスリットに入射させても良い。

ここで光源の使用波長の選択について説明する。

回折格子のピッチを！波長なλ、回折光の回折角をθと
すると、 ここで、回折光が存在するということは、ル≧１なるル
が存在することである。血θ≦１より、ル＝１が存在す
るのは次式が成り立つ時である。

λくｌ　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・−・・・・・・・ｔＬ４
’′従って、光源の波長λは、回折、格子のピッチ！よ
シ短い必要がある。

また、第１３図に示したようなパタンの測定の場合、幅
の広い回折図形からの回折像の光強度が０≦なる方向が
存在する必要があるため、式α３よシ次式が成り立つ必
要がある。

λく己　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・＠′以上より
、測定対象バタンの幅、ピッチを考えて、使用波長を決
める必要がある。本実施例では、線幅１〜３μｍピッチ
数μｍの測定対象を考え、３００〜８００　ｎｍの波長
の光を用いる。

レーザ光源部３０は、径０．４〜２ｍｍ程度のレーザビ
ームを、対物レンズ２６で広がる光に変え、ハーフミラ
−２８を通し、レンズ２７でモノクロメータ部３７のス
リット３４に集光する。この結果、スリット３４に入射
するレーザ光束は光源部２３で作られる光束と同じ形状
になる。

またハーフミラ−２８は、透過対反射比を９：１程度に
し光源部２３からの光を保存している。

分光部３７で、スリット３４から入射した光は、ミラー
３１を通して凹面回折格子３３により回折する。このう
ち１次回折光が、ミラー３２を通してスリット５５に達
する。この時、波長により回折角が異なるため、凹面回
折格子３３を、ステッピング七−夕３６で回転させるこ
とでスリット３５から特定の範囲の波長の光をと９出せ
る。

光検出部４７で、レンズ４０は、スリット３５の実像を
ハーフミラ−３９、基板６０の測定面６１、ミラー３８
を通して、光検出器４１前面に設けたスリット４４上に
結像する。ノ・−７ミラー３９は、測定面６１で反射し
た光を光検出器４２前面に設けたスリット４３上に導く
。ミラー３８は、減速器付のステッピングモータ５２で
軸６２を中心に回転する。

この回転角を決めることで、測定面６１から任意の角度
で回折する光を、定位置に置かれている光検出器４４に
導く。

本実施例では測定面に光を垂直に照射している。これは
、測定面上の凹部に入りこんだ光が凹部の壁面に当たり
反射することなどがなく直接凹部底面にとどくことが望
ましいためである。

したがって、凹部深さをル、開口部寸法をαとした時、
入射光θは以下の式を満たすことが望ましい。

しかしながら、入射光θが予めわかっていて壁面で反射
しながらも、底面からの反射光がもどってくる場合、θ
による補正を加えれば深さｈの測定は可能である。

また、αが十分小さく、凹部を光が単一モードで伝播す
る場合は、θによる補正をかけずに深さｈの測定が可能
となる。従ってθは必ずしも直角に限定する必要はない
。

ここで、ミラー３８、測定点６１、光検出器４１は、第
２図に示すように同一円周６３上におかれている。さら
に、ミラー３８の回転軸６２は測定点と光検出器を結ぶ
線分の垂直２等分線上にある。

このような位置関係により、任意の回折角θで回折して
くる光を、固定されている光検出器４１の受光面上に反
射させるためのミラーの角度制御が容易になる。すなわ
ち、この場合、光の回折角θ、と、ミラーの回転角θ２
が必ず一致するからである。

光源部２３から出た光は分光部３７で幅Δλを持つ単色
光として基板６０に照射される。照射された光は、次式
（１４＋に従う方向に離散的に回折する。

この時、光検出面で、となり合う回折光が相互に干渉し
てはならない場合がある。バビネの原理が適用できる場
合にはさしつかえない。

そこで測定点から検出面までの光路長をＬとし、検出面
での光束の幅をｄ、とした時、次式が成り立たなければ
いけない。

すなわち、この観点からは、光束の幅ｄ、は測定対象に
より許される一最大値が存在する。

さらに、測定点を小さくするという観点からも光束の幅
ｇ、は許容される最大値が存在する。

ところが分光部の射出側スリット３５の像を拡大して検
出面に結像しているため、光束の幅ｄ、を小さくするに
は、スリット幅を小さくする必要がある。

スリット幅ｄ、は、分光幅Δλ、回折格子間隔もモノク
ロメータ焦点距離り、を用いると次式αので決定される
。

ここで、分光幅に関しては、分光幅を変えて干渉コント
ラストをプロットした第１６図によシ３〜５ｒＬｒｎで
十分という結果がでている。

またｃＬ、は、入光側を考えてよシ多くの光を入党でき
る工うにできるだけ大きい方が良いため上記光束の幅ｄ
、ｌに許される最大値になるよう設定する。

ｄ２、Δλが上記の条件を満たすようにＬｌｄ。

を設定する必要がある。

（２）動作 次に測定の動作を説明する。

測定対象が載置され、光が照射される。

分光部３７の回折格子３３を回転することで、照射光の
波長を３００　ｒｚｍから８００　ｒＬ７７Ｌの範囲で
連続的に変化させる。

この時、ミラー３８は、式α尋によシ波長λに合わせて
回転させる。式ａ４内のｍ（は予め決められた値であり
３次の回折光をとりこむ場合、３が代入される。

このように回折格子３３と、ミラー３８を回転させなが
ら、光検出器４１．および７！２でそれぞれ０次回出光
およびｔＬｆ３１次回折光次回出光る。

とりこまれた光は光検出器で光電変換され、増幅された
後、九ω変換の後、計算機で処理される。波形を第１７
図に示す。

処理手順を次に説明する。

第１に光源１７の分光特性を補正する。これは予め測定
してメモリに格納しておいたキセノンランプの分光特性
工、で、測定信号工、・、Ｉｓを除算することにより達
成される。

■、は、予め測定しておかなくても検出器４５で測定し
ながら除算しても良い。

次に干渉強度変化の極大極小値となる波長を求める予備
手順として、λ−１／λ変換を行う・。

取り込んだデータ１．．１．は横軸が波長λでるるか、
これを１／λに並べなおす。

その結果、第１８図に示す波長とともに周期が変わる周
期関数が同一周期の関数忙変換される。

この結果、極大極小点の検出に、ポイントマツチング法
を用いることができるようになる。

データはλ−１／λ変換された後、隣り合う数点の平均
をとる方法で平滑処理され、ポイントマツチング法で極
大極小点をとる波長λが求められる。

こうして求められたλを小さい方からλ８．λ２゜・・
・λ、・・・λ、とする。

路次回折光では２光束の位相がπずれるため極大となる
のは式（１７）に従う時であり、極小となるのは式α碍
に従う時である。

これらの式を連立させて龜を消去すると波長から深さん
が求められる。

ところが、この式で求めると、分母が小さいため誤差が
拡大されてしまい、算出精度は良くない。

そこで、次式を用いて深さを算出する。

さらに、この式（１）で求めたんを式ａη等に代入して
、ｔを算出し、ｉは整数という条件でまるめ直して、五
を算出しなおせば精度はさらに高くなる。

０次回出光でも同様の処理を行う。

異なる点は第１に平滑化処理で平均するデータ数を多く
して、周期の比較的大きいノイズも消している。０次回
出光から算出するものが表面の薄膜でアシ、膜厚が比較
的薄いため干渉強度変化の周期が大きいので、周期の比
較的大きいノイズも消去した方が都合が良い。

さらに、厚さの算出式は、膜の屈折率をルとすると次式
ａａになる。

以下、第９図の測定対象を測定した場合、本実施例によ
る表面の光を透過する酸化膜の厚さによる穴深さｈの測
定値の補正法を説明する。

照射光は、酸化膜の表面、酸化膜と基板の界面および穴
の底面の３つの面で反射する。それぞれの面での厘射率
をｒ、　ｒ、　ｒ、とすると、回折光の強度Ｉは以下の
式に従う。

％式％ ここで、γ、くγ。夕γ、の場合、第５項が支配的とな
るため、深さみは、実際よジも（ルー１）ｄだけ浅く検
出される。従って、膜厚ｄおよび膜の屈折率ルを求めて
深さｈを補正できる。

第２の実施例として、本発明を凹凸パタンを形成するエ
ツチング装置に結合した場合を、第３図を用いて説明す
る。

エツチング装置部６４は、平行平板電極６６．６８高周
波電源６５および真空室６９よシ構成される。

ここで、エツチング終了後、下部電極６８上に基板６７
を載置したまま、基板搬送装置７２により、測定部７０
の下部に、基板６７を搬送する。この位置で基板６７に
は窓７１を通して、光を照射し、エツチング深さｈを測
定する。

本実施例では、本発明が被接触で深さを測定できること
を用いて、基板を真空室６９から出さずに深さを測定で
きる。その結果、エツチング量が不足の場合、エツチン
グ装置部６４に基板をもどしさらにエツチング可能なた
め基板上の異物が低減でき、測定に要する時間が短縮で
きるという効果を生む。

以下、照射光の波長の変化に伴う回折角度の変化に追従
して、特定次数の回折光を採光する方法を第４図から第
９図を用いて説明する。

第４図に示した実施例は、ステッピングモータ７３、ア
ーム７４、光検出器７５、アパーチャ７６から構成され
る。

ステッピングモータ７乙にニジ光検出器を移動し、照射
光波長の変化による回折角度の変化に追従させ光をとり
こむ。

第５図に示した実施例は、第４図の実施例の光検出器の
位置に光ファイバ７７を設けることにより光検出器７５
を固定したものでるる。

第６図に示した実施例は、ハーフミラ−７８を用いて、
ステッピングモータ７３の回転軸の位置を変えたもので
、装置の大きさを小さくする効果を生む。

第７図に示した実施例は、ハーフミラ−７８とレンズ７
９、アパーチャ８ｏから構成される。このアパーチャ８
０は、開口部８１の位置を、ＸＹ駆動系８２によシ変え
ることができる。この構成により光検出器７５の位置を
固定することができる。

さらに、バビネの原理に従う測定対象の場合０次以外の
回折光の強度変化は、波長の変化に対して、全ての次数
で同時に生じるため、特定の回折光だけをとりこむ必要
はない。そこで、この場合は、０次光だけを透過させな
いアパーチャとして、０次光以外を同時にとりこむこと
によって、採光する光量を犬きくすることができる。

さらに回折像のうちある領域の光が同時に強度変化をす
る場合、その領域の光を全てと９こめる形状のアパーチ
ャとして採光する光強度を大きくすることができる。

また、ハーフミラ−７８を中央部を〈ジぬいたミラーと
して、０次回出光をとシ除いても良い。

第８図に示した実施例は、第７図の実施例のレンズに変
えて、回転楕円鏡８３０２つの焦点８４゜８５を用いた
ものである。

以上、いくつかの採光方法を説明したが、本発明では、
０次回出光以外の回折光を効果的にとシこめば良いわけ
であるから、ここに説明した以外の採光方法であっても
良い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、基板上に形成された溝等の深さを干渉
法により測定する際、溝部の面積が微小で表面との面積
比が大きくても、溝部から射出する光と表面から射出す
る光との強度を同程度として採光でき、高精度の溝の深
さの測定ができる。より具体的には被食刻部の面積が微
小な深穴や溝深さを測定できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図、第２図はミラー制
御の説明図、第３図は本発明をエツチング装置に応用し
た例を示す模式図、第４図ないし第８図は採光装置部分
の他の実施例を示す図、第９図は測定試料の断面図、第
１０図は回折像を示す図、第１１図は回折光強度を示し
た口笛１２図は２つの回折像の比較図、第１３図は試料
の断面図、第１４図及び第１５図は回折光強度を示した
図、第１６図は分光器の波長分解能とコントラストの関
係を示す図、第１７図は検出波形を示す図、第１８図は
データ処理後の波形を示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、微細な溝が形成された試料に、該溝の深さ方向から
   該試料に光を照射し、該照射光の波長を変えながら回折
   光の０次以外の分光強度分布を検出し、該分光強度分布
   の複数の極値に対応する光の波長から前記溝の深さを算
   出する微細パターン深さ測定方法。 ２、試料位置決定可能な試料載置台と、光の回折光が検
   出可能となるに十分な光量を発する光源と、該光源から
   の光を分光して前記試料に照射する手段と、前記試料か
   らの回折光であって、０次光を除くものの任意の到達位
   置へ検出器を配設可能な光検出手段と、前記載置台、前
   記照射する手段及び前記光検出手段を制御する制御演算
   手段とを有する微細パターン深さ測定装置。