(57)【要約】  ウェハの層厚とそりを測定するための統合測定装置（５０）及び方法。その装置は単色光源（５２）と、白色光源（１００）と、白色光源と単色光源との間で切り替えるための第一スイッチ（１０２）と、切り替えられた光源からの光を半導体ウェハ表面（５４）の様々な位置に指向させるための複数の光学ヘッド（５６）と、ウェハからの反射光を分光処理するための第一光学処理装置（１０４）と、反射光を処理してウェハの反りの程度を決定するための第二光学処理装置（５８）と、白色光が層厚を決定するために分光処理され、単色光がそりのために処理されるように、ウェハからの反射光を第一光学処理装置と第二光学処理装置との間で切り替える第二光学スイッチとを備える。
2005510699.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェハの特性を測定するための装置であって：
前記ウェハに指向させるための単色光を発生するための少なくとも一つの単色光源と、
前記単色光ビームをそれぞれ実質的に平行な光ビームとして前記ウェハに向かって指向させて、前記ウェハの平坦面上のそれぞれの場所に各々当てるために、光学的に単色光源に各々関連付けられた少なくとも第一および第二ビーム指向器であって、前記第一ビーム指向器が関連ビームを前記平坦面上に実質的に中心に指向させるように構成され、かつ前記第二ビーム指向器が関連ビームを前記中心から実質的に外方に指向させるように構成されて成る第一および第二ビーム指向器と、
各ビームの反射を受け取り、各反射を処理し、そこから前記ウェハの反りを示す前記反射間の光学的差異を得るように構成された光学処理装置と、
を備えた装置。
【請求項２】
前記反り測定と前記ウェハの別の特性の測定との間で切り替えるための測定モードスイッチをさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ウェハの応力の指標であって、前記反りに基づく指標を出力するために、前記光学処理装置に作動的に関連付けられた出力をさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記ビーム指向器は、前記単色光源からの光を受け取り、前記光をビームとして前記ウェハに指向させるための光学ヘッドを備える請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記光学ヘッドは、さらに前記ウェハからの前記反射を受け取り、前記反射を前記光学処理装置に指向させるように作動可能である請求項４に記載の装置。
【請求項６】
少なくとも前記第一ビーム指向器は、光を前記平坦面に実質的に直角に当てるように指向させるように構成する請求項１に記載の装置。
【請求項７】
少なくとも前記第二ビーム指向器は、光を前記平坦面に実質的に斜めに当てるように指向させるように構成する請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記光学処理装置は干渉計を備える請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記干渉計は、前記ビーム間の干渉パターンを生成するように作動可能であり、前記光学的差異は前記ビーム間の光路差である請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記干渉計はマイケルソン干渉計である請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記光学処理装置はビーム反射器および複数の導波管を含み、前記ビーム反射器は、偏向強度が反射角の関数として前記導波管の間で差別的に分布するように、前記平坦面からの反射を前記導波管に偏向させるように構成される請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記光学処理装置は各々の前記導波管の光強度を測定するための強度測定器をさらに含み、前記光学的差異は前記導波管全体にわたる強度の分布の差異である請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記光ビーム反射器は軸外れ放物面反射器である請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記単色光源はレーザを備える請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
装置は、
2005510699.tif 000018
式中、Ｅ＝ウェハのヤング率、
ν＝ウェハのポアソン比、
Ｄｓ＝ウェハの厚さ、
Ｒ＝反りから導出可能な正味曲率半径、
Ｄｆ＝ウェハに堆積された膜の厚さ、
の関係を使用して、前記反りから応力レベルを決定するように作動可能な応力決定装置をさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記別の特性は厚さであり、前記装置は白色光源をさらに備え、各前記ビーム指向器は前記白色光源と前記単色光源との間で選択するために第一光学スイッチを備える請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
第二光学処理装置および少なくとも一つの第二光学スイッチを備え、前記第二光学スイッチは、前記反射を選択された光学処理装置に指向させるために、前記第一光学処理装置と前記第二光学処理装置との間で選択するように構成される請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記第二光学処理装置は分光計を備える請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記第一および第二光学スイッチは、前記単色光源を前記第一光学処理装置と共に、前記白色光源を前記第二光学処理装置と共に選択するように、一緒に制御可能である請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記分光計の出力を周波数領域に変換し、それによって前記ウェハ上の少なくとも一つの堆積層の層厚の情報を得るために、前記分光計に接続されたフーリエ変換装置をさらに備える請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
層厚およびウェハの反りを測定するための統合測定装置であって：
単色光源と、
白色光源と、
前記白色光源と前記単色光源との間で切り替えるための第一スイッチと、
前記切り替えられた光源からの光を半導体ウェハに指向させるための複数のビーム指向器と、
前記ウェハからの反射光を分光処理するための第一光学処理装置と、
反射光を処理して前記ウェハの反りの程度を決定するための第二光学処理装置と、
前記ウェハからの反射光を前記第一光学処理装置と前記第二光学処理装置との間で切り替える第二光学スイッチと、
を備えた装置。
【請求項２２】
前記第一光学処理装置は分光計であり、前記第二光学処理装置は干渉計である請求項２１に記載の統合測定装置。
【請求項２３】
前記第一光学処理装置は分光計であり、前記第二光学処理装置は、
前記ウェハからの反射光を偏向させるための反射器と、
前記ウェハからの前記光の異なる反射角がそれぞれ最大光強度を与える異なる導波管によって指示されるような仕方で、前記偏向光を遮るように構成された一連の導波管と、
各導波管に関連付けられて各導波管の光強度を検出し、それによってどの導波管が最大強度を持つかを決定し、そこから前記ウェハからの反射角を導出する光強度検出器と、
を備える請求項２１に記載の統合測定装置。
【請求項２４】
前記ウェハの応力の指標であって、前記反りに基づく指標を算出するための前記第二光学処理装置に作動的に関連付けられた応力計算器をさらに備える請求項２１に記載の統合測定装置。
【請求項２５】
前記光指向器は、前記ウェハからの前記反射を受け取り、前記反射を前記第二光学スイッチに指向させるように動作可能な光学ヘッドを備える請求項２１に記載の統合測定装置。
【請求項２６】
前記干渉計はマイケルソン干渉計である請求項２２に記載の統合測定装置。
【請求項２７】
前記光ビーム反射器は放物面反射器である請求項２３に記載の統合測定装置。
【請求項２８】
前記単色光源はレーザを備える請求項２１に記載の統合測定装置。
【請求項２９】
2005510699.tif 000019
式中、Ｅ＝ウェハのヤング率、
ν＝ウェハのポアソン比、
Ｄｓ＝ウェハの厚さ、
Ｒ＝反りから導出可能な正味曲率半径、
Ｄｆ＝ウェハに堆積された膜の厚さ、
の関係を使用して、前記反りから応力レベルを決定するように作動可能な応力決定装置をさらに備える請求項２１に記載の統合測定装置。
【請求項３０】
前記分光計の出力を周波数領域に変換し、それによって前記ウェハ上の少なくとも一つの堆積層の層厚の情報を得るために、前記分光計に接続されたフーリエ変換装置をさらに備える請求項２２に記載の統合測定装置。
【請求項３１】
前記分光計の出力を周波数領域に変換し、それによって前記ウェハ上の少なくとも一つの堆積層の層厚の情報を得るために、前記分光計に接続されたフーリエ変換装置をさらに備える請求項２３に記載の統合測定装置。
【請求項３２】
統合測定装置を使用して、シリコンウェハの応力を測定する方法であって：
単色光源を切り替えて少なくとも二つの単色光ビームを発生させることと、
前記ウェハの中心領域からの第一ビームおよび前記ウェハの周辺領域からの第二ビームの少なくとも二本の光ビームをウェハの表面から反射させることと、
前記反射させるビームの特性を決定することと、
前記反射させる光ビームの前記決定された特性を比較し、それにより前記ウェハの反りの程度を決定することと、
前記反りの程度から前記ウェハの応力レベルを算出することと、
を含む方法。
【請求項３３】
前記特性は反射させるビームの路長である請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記決定および比較は、
前記反射間の干渉パターンを設定すること、および
前記干渉パターンを解析すること、
を含む請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記決定および比較は、前記ビームのそれぞれの反射角を測定して比較することを含む請求項３２に記載の方法。
【請求項３６】
2005510699.tif 000020
式中、Ｅ＝ウェハのヤング率、
ν＝ウェハのポアソン比、
Ｄ＝ウェハの厚さ、
Ｒ＝反りから導出可能な正味曲率半径、
ｔ＝ウェハに堆積された膜の厚さ、
の関係を使用して、前記反りの程度から前記応力レベルを決定することを含む請求項３２に記載の方法。
【請求項３７】
前記光ビームはレーザ光ビームである請求項３２に記載の方法。
【請求項３８】
前記単色光源はレーザ光源である請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
マイケルソン干渉計を使用して前記決定および比較を実行することを含む請求項３４に記載の方法。
【請求項４０】
半導体ウェハの応力および厚さの統合測定の方法であって：
白色光源と単色光源との間で選択することと、
（ｉ）  白色光源の場合：
半導体の単点に照射することと、
前記単点からの反射光を受け取ることと、
変換を使用して前記反射光をスペクトル解析することと、
前記解析から層厚を導出することと、
（ｉｉ）単色光源の場合：
前記ウェハの中心領域からの第一ビームおよび前記ウェハの周辺領域からの第二ビームの少なくとも二本の光ビームをウェハの表面から反射させることと、
前記反射させるビームの特性を決定することと、
前記反射させる光ビームの前記決定された特性を比較し、それにより前記ウェハの反りの程度を決定することと、
前記反りの程度から前記ウェハの応力レベルを算出することと、
を含む方法。
【請求項４１】
前記特性は前記反射ビームの路長である請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記決定および比較は、
前記反射間の干渉パターンを設定すること、および
前記干渉パターンを解析すること、
を含む請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記決定および比較は、前記ビームのそれぞれの反射角を測定して比較することを含む請求項４０に記載の方法。
【請求項４４】
2005510699.tif 000021
式中、Ｅ＝ウェハのヤング率、
ν＝ウェハのポアソン比、
Ｄ＝ウェハの厚さ、
Ｒ＝反りから導出可能な正味曲率半径、
ｔ＝ウェハに堆積された膜の厚さ、
の関係を使用して、前記反りの程度から前記応力レベルを決定することを含む請求項４０に記載の方法。
【請求項４５】
レーザ光源から前記単色光ビームを得ることをさらに含む請求項４０に記載の方法。
【請求項４６】
マイケルソン干渉計を使用して前記決定および比較を実行することを含む請求項４２に記載の方法。
【請求項４７】
前記白色光源と前記単色光源との間で光学的に切り替えることをさらに含む請求項４０に記載の方法。
【請求項４８】
分光計と干渉計との間で光学的に切り替えることを含む請求項４０に記載の方法。
【請求項４９】
前記白色光源では前記分光計が選択され、前記単色光源では前記干渉計が選択されるように、前記光学的切替えを制御することをさらに含む請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
いずれかの光源からの光を、前記ウェハに照射するための一体化ビームフォーマ構成に切り替えることを含む請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記一体化ビームフォーマ構成は、前記ウェハからの反射を受け取るためにも利用可能な複数の光学ヘッドを備える請求項５０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハの応力を測定するための方法および装置に関し、さらに詳しくは、半導体ウェハにおける集積操作または装置の応力を厚さと共に測定することに関するが、それに限定されない。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップ製造プロセスは一般的に、シリコンウェハを形成し、次いで、基本的に層の追加および選択的除去を含む一連の操作を実行して、チップの機能性を構築することを含む。
【０００３】
層厚および層応力は、製造プロセスの様々な段階でシリコンウェハに実行される二つの測定である。特に、半導体製造プロセスには、上述したシーケンスの一部としてシリコンウェハ上に誘電体層が堆積される幾つかのステップがある。
【０００４】
堆積に続き、層の幾つかの特性を次に試験して、層自体の品質および堆積プロセスの品質の両方を検証することができる。一般的に、厚さおよび応力は別個に、かつ異なる方法で測定される。二つの測定はプロセスの時間を増加し、それによりスループットを低減し、かつプロセスを受け入れるために必要な床空間をも増加する。
【０００５】
厚さの測定に関し、ＰＣＴ特許出願Ｎｏ．ＷＯ  ００１２９５８号は、ウェハ表面の層内の点から反射する光ビームを使用して透明な層および特にフォトレジスト層の厚さの測定を行なう、ＴＭＳとして知られる測定システムを記載している。測定は一般的に周波数領域に変換され、それからフォトレジスト層の厚さを非常に正確に決定することが可能である。測定は迅速かつ簡単である。
【０００６】
応力の測定の話に移って、薄膜が半導体ウェハのような基板上に堆積されるときに、膜および基板の両方に機械的応力が形成される。応力はウェハを反らせるだけでなく、クラック、ボイド、ヒロック形成、および膜のリフトをも誘発させ、歩留まりの低減および信頼性の低下を導くことがある。
【０００７】
半導体ウェハのような基板上に薄膜が堆積されるときに生じる応力レベルを測定する公知の方法は、層の堆積前に全体としてのウェハの反りを測定し、結果を記憶し、次いで層の堆積後にそれを再び測定することを含む。
【０００８】
反りの決定は、正味曲率半径Ｒの測定のためにウェハから反射するレーザ、またはより一般的には単色光ビームを使用して、実行することができる。応力レベルは、公知の方程式：
2005510699.tif 000003
によって決定することができる。
式中、Ｅ＝基板のヤング率、
ν＝基板のポアソン比、
Ｄｓ＝基板の厚さ、
Ｒ＝正味曲率半径、
Ｄｆ＝膜の厚さ、
である。
【０００９】
光源の非互換性、および層の堆積前の応力測定の最初の部分を実行する必要性は、厚さおよび応力の測定の統合を妨げる。一般的に、二つの測定は時間的に離して、かつ別個の測定装置を使用して実行される。
【発明の開示】
【００１０】
本発明の第一実施形態では、したがって、ウェハの特性を測定するための装置であって、
ウェハに指向させるための単色光を発生するための少なくとも一つの単色光源と、
単色光ビームをそれぞれ実質的に平行な光ビームとしてウェハに向かって指向させて、ウェハの平坦面上のそれぞれの場所に各々当てるために、光学的に単色光源に各々関連付けられた少なくとも第一および第二ビーム指向器であって、第一ビーム指向器が関連ビームを平坦面上に実質的に中心に指向させるように構成され、かつ第二ビーム指向器が関連ビームを中心から実質的に外方に指向させるように構成されて成る、第一および第二ビーム指向器と、
各ビームの反射を受け取り、各反射を処理し、そこからウェハの反りを示す反射間の光学的差異を得るように構成された光学処理装置と、
を備えた装置を提供する。
【００１１】
装置は、反り測定とウェハの別の特性の測定との間で切り替えるための測定モードスイッチを備えることが好ましい。
【００１２】
装置は、ウェハの応力の指標であって、反りに基づく指標を出力するために、光学処理装置に作動的に関連付けられた出力を備えることが好ましい。  
【００１３】
ビーム指向器は、単色光源からの光を受け取り、光をビームとしてウェハに指向させるための光学ヘッドを備えることが好ましい。
【００１４】
光学ヘッドは、ウェハからの反射を受け取り、反射を光学処理装置に指向させるように作動可能であることが好ましい。
【００１５】
第一ビーム指向器は、光を平坦面に実質的に直角に当てるように指向させるように構成することが好ましい。
【００１６】
少なくとも第二ビーム指向器は、光を平坦面に実質的に斜めに当てるように指向させるように構成することが好ましい。
【００１７】
光学処理装置は干渉計を備えることが好ましい。
【００１８】
干渉計は、ビーム間の干渉パターンを生成するように作動可能であることが好ましく、光学的差異はビーム間の光路差である。
【００１９】
干渉計はマイケルソン干渉計であることが好ましい。
【００２０】
好ましくは、光学処理装置はビーム反射器および多数の導波管を含み、ビーム反射器は、偏向強度が反射角の関数として導波管の間で差別的に分布するように、平坦面からの反射を導波管に偏向させるように構成される。
【００２１】
好ましくは、光学処理装置は各々の導波管の光強度を測定するための強度測定器をさらに含み、光学的差異は導波管全体にわたる強度の分布の差異である。
【００２２】
好ましくは、光ビーム反射器は軸外れ放物面反射器である。
【００２３】
好ましくは、単色光源はレーザを備える。
【００２４】
装置は、
2005510699.tif 000004
式中、Ｅ＝ウェハのヤング率、
ν＝ウェハのポアソン比、
Ｄｓ＝ウェハの厚さ、
Ｒ＝反りから導出可能な正味曲率半径、
Ｄｆ＝ウェハに堆積された膜の厚さ、
の関係を使用して、反りから応力レベルを決定するように作動可能な応力決定装置を備えることが好ましい。
【００２５】
好ましくは、別の特性は厚さであり、装置は白色光源をさらに備え、各ビーム指向器は白色光源と単色光源との間で選択するために第一光学スイッチを備える。
【００２６】
装置は第二光学処理装置および少なくとも一つの第二光学スイッチを備えることが好ましく、第二光学スイッチは、反射を選択された光学処理装置に指向させるために、第一光学処理装置と第二光学処理装置との間で選択するように構成される。
【００２７】
好ましくは、第二光学処理装置は分光計を備える。
【００２８】
好ましくは、第一および第二光学スイッチは、単色光源を第一光学処理装置と共に、白色光源を第二光学処理装置と共に選択するように、一緒に制御可能である。
【００２９】
装置は、分光計の出力を周波数領域に変換し、それによってウェハ上の少なくとも一つの堆積層の層厚の情報を得るために、分光計に接続されたフーリエ変換装置を備えることが好ましい。
【００３０】
本発明の第二実施形態では、層厚およびウェハの反りを測定するための統合測定装置であって、
単色光源と、
白色光源と、
白色光源と単色光源との間で切り替えるための第一スイッチと、
切り替えられた光源からの光を半導体ウェハに指向させるための複数のビーム指向器と、
ウェハからの反射光を分光処理するための第一光学処理装置と、
反射光を処理してウェハの反りの程度を決定するための第二光学処理装置と、
ウェハからの反射光を第一光学処理装置と第二光学処理装置との間で切り替える第二光学スイッチと、
を備えた装置を提供する。
【００３１】
好ましくは、第一光学処理装置は分光計であり、第二光学処理装置は干渉計である。
【００３２】
好ましくは、第一光学処理装置は分光計であり、第二光学処理装置は、
ウェハからの反射光を偏向させるための反射器と、
ウェハからの光の異なる反射角がそれぞれ最大光強度を与える異なる導波管によって指示されるような仕方で、偏向光を遮るように構成された一連の導波管と、
各導波管に関連付けられて各導波管の光強度を検出し、それによってどの導波管が最大強度を持つかを決定し、そこからウェハからの反射角を導出する光強度検出器と、
を備える。
【００３３】
装置は、ウェハの応力の指標であって、反りに基づく指標を算出するための第二光学処理装置に作動的に関連付けられた応力計算器を備えることが好ましい。
【００３４】
好ましくは、光指向器は、ウェハからの反射を受け取り、反射を第二光学スイッチに指向させるように動作可能な光学ヘッドを備える。
【００３５】
好ましくは、干渉計はマイケルソン干渉計である。
【００３６】
好ましくは、光ビーム反射器は放物面反射器である。
【００３７】
好ましくは、単色光源はレーザを備える。
【００３８】
装置は、
2005510699.tif 000005
式中、Ｅ＝ウェハのヤング率、
ν＝ウェハのポアソン比、
Ｄｓ＝ウェハの厚さ、
Ｒ＝反りから導出可能な正味曲率半径、
Ｄｆ＝ウェハに堆積された膜の厚さ、
の関係を使用して、反りから応力レベルを決定するように作動可能な応力決定装置を備えることが好ましい。
【００３９】
装置は、分光計の出力を周波数領域に変換し、それによってウェハ上の少なくとも一つの堆積層の層厚の情報を得るために、分光計に接続されたフーリエ変換装置を備えることが好ましい。
【００４０】
本発明の第三実施形態では、統合測定装置を使用して、シリコンウェハの応力を測定する方法であって、
単色光源を切り替えて少なくとも二つの単色光ビームを発生させることと、
ウェハの中心領域からの第一ビームおよびウェハの周辺領域からの第二ビームの少なくとも二本の光ビームをウェハの表面から反射させることと、
反射ビームの特性を決定することと、
反射光ビームの決定された特性を比較し、それによりウェハの反りの程度を決定することと、
反りの程度からウェハの応力レベルを算出することと、
を含む方法を提供する。
【００４１】
好ましくは、特性は反射ビームの路長である。
【００４２】
好ましくは、決定および比較は、
反射間の干渉パターンを設定すること、および
干渉パターンを解析すること、
を含む。
【００４３】
好ましくは、決定および比較は、ビームのそれぞれの反射角を測定して比較することを含む。
【００４４】
好ましくは、該方法は、
2005510699.tif 000006
式中、Ｅ＝ウェハのヤング率、
ν＝ウェハのポアソン比、
Ｄ＝ウェハの厚さ、
Ｒ＝反りから導出可能な正味曲率半径、
ｔ＝ウェハに堆積された膜の厚さ、
の関係を使用して、反りの程度から応力レベルを決定することをさらに含む。
【００４５】
好ましくは、光ビームはレーザ光ビームである。
【００４６】
好ましくは、単色光源はレーザ光源である。
【００４７】
好ましくは、該方法は、マイケルソン干渉計を使用して決定および比較を実行することをさらに含む。
【００４８】
本発明の第四態様では、半導体ウェハの応力および厚さの統合測定の方法であって、
白色光源と単色光源との間で選択することと、
白色光源の場合、
半導体の単点に照射することと、
単点からの反射光を受け取ることと、
変換を使用して反射光をスペクトル解析することと、
解析から層厚を導出することと、
単色光源の場合、
ウェハの中心領域からの第一ビームおよびウェハの周辺領域からの第二ビームの少なくとも二本の光ビームをウェハの表面から反射させることと、
反射ビームの特性を決定することと、
反射光ビームの決定された特性を比較し、それによりウェハの反りの程度を決定することと、
反りの程度からウェハの応力レベルを算出することと、
を含む方法を提供する。
【００４９】
好ましくは、特性は反射ビームの路長である。
【００５０】
好ましくは、決定および比較は、
反射間の干渉パターンを設定すること、および
干渉パターンを解析すること、
を含む。
【００５１】
好ましくは、決定および比較は、ビームのそれぞれの反射角を測定して比較することを含む。
【００５２】
好ましくは、該方法は、
2005510699.tif 000007
式中、Ｅ＝ウェハのヤング率、
ν＝ウェハのポアソン比、
Ｄ＝ウェハの厚さ、
Ｒ＝反りから導出可能な正味曲率半径、
ｔ＝ウェハに堆積された膜の厚さ、
の関係を使用して、反りの程度から応力レベルを決定することをさらに含む。
【００５３】
好ましくは、該方法は、レーザ光源から単色光ビームを得ることをさらに含む。
【００５４】
好ましくは、該方法は、マイケルソン干渉計を使用して決定および比較を実行することをさらに含む。
【００５５】
好ましくは、該方法は、白色光源と単色光源との間で光学的に切り替えることをさらに含む。
【００５６】
好ましくは、該方法は分光計と干渉計との間で光学的に切り替えることをさらに含む。
【００５７】
好ましくは、該方法は、白色光源では分光計が選択され、単色光源では干渉計が選択されるように、光学的切替えを制御することをさらに含む。
【００５８】
好ましくは、該方法は、いずれかの光源からの光を、ウェハに照射するための一体化ビームフォーマ構成に切り替えることをさらに含む。
【００５９】
好ましくは、一体化ビームフォーマ構成は、ウェハからの反射を受け取るためにも利用可能な多数の光学ヘッドを備える。
【００６０】
図面の簡単な記述
本発明をよりよく理解し、それをどのように実行することができるかを示すために、今から、純粋に例として、添付の図面を参照しながら説明する。
図１Ａは層状ウェハ製品の簡略図である。
図１Ｂは生産工程の後の段階における図１の層状ウェハ製品の簡略図である。
図２は層状ウェハ製品の層厚の情報を得るために光の反射をどのように利用できるかを示す簡略光線図である。
図３は半導体ウェハ製造ラインにおける化学気相成長（ＣＶＤ）ツールに関連する反射に基づく測定装置の簡略図である。
図４はフォトレジストを被覆した半導体ウェハを測定することによって得られる、強度に対する波長の典型的グラフである。
図５は図４のグラフにフーリエ変換を実行することによって得られたエネルギまたは強度スペクトルである。
図６は図３の装置を使用する別の半導体ウェハの強度に対する波長の典型的グラフである。
図７は図６のグラフにフーリエ変換を実行することによって得られたエネルギまたは強度スペクトルである。
図８は本発明の第一実施形態に係る測定装置の略ブロック図である。
図９は本発明の一実施形態に係る反りの測定を示す簡略図である。
図１０は本発明の別の実施形態に係る反りの測定のための装置を示す簡略図である。
図１１は本発明の実施形態で使用するための光学ヘッドの簡略図である。
図１２は本発明の実施形態に係る測定装置の略ブロック図である。
図１３はウェハの平行領域からの反射ビームを示す簡略光線図である。
図１４はウェハの傾斜領域からの反射ビームを示す簡略光線図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６１】
本発明への導入として、ＰＣＴ特許出願Ｎｏ．ＷＯ  ００１２９５８号の測定方法を詳細に考察する。
【００６２】
今、図１Ａを参照すると、それは生産工程の中間段階におけるシリコンウェハの断面を示す簡略図である。シリコンウェハ２は、それに付着されたＳｉＯ２層４を有する。図１Ａにおいて、ＳｉＯ２層４は均一であり、層の厚さを決定するには１回の測定が必要なだけである。
【００６３】
今、図１Ｂを参照すると、それは生産工程の別の中間段階における別のシリコンウェハの断面を示す簡略図である。図１Ｂにおいて、ウェハ２は一連のメタル構造６および連続ＳｉＯ２層１０を含む。ＴＭＳ測定システムは、下でさらに詳しく説明する通り、透明な膜の厚さを測定するのに特に適している。本例では、ＳｉＯ２層１０は、メタル構造６のため異なる場所では厚さに差異を有する。したがって、典型的なウェハでは三つの異なる層厚ｄ１〜ｄ３を識別することができる。厚さのこれら上記差異は、従来の測定システムでは正確には測定できない。しかし、ＴＭＳシステムは、加えられたウェハ層または除去された層のそのような厚さの変化を測定することができ、さらに測定は現場で実時間で行なわれる。ＴＭＳプロセスの動作の基本的理論についての以下の説明は、これをいかに達成することができるか理解するのに役立つであろう。
【００６４】
今、図２を参照すると、それは、異なる屈折率を有する一連の層に対する斜めの光の入射を示す簡略光線図である。
【００６５】
図２において、三つの透明な層０、１、および２を含む物質を光照射に曝す。入射光線１２は第一層の界面１４に当たって、反射光線１６と屈折光線１８に分割される。屈折光線１８は第二層の界面２０に当たって、再び分割される。今回は反射光線２２だけが示されている。屈折光線２２は第一界面１４に当たると、再び屈折して第三屈折光線２４を構成する。
【００６６】
多重波長光の反射パターンを使用して、透明な膜の厚さを測定するための幾つかの方法が知られている。図２に示すビームが単色（単一波長）光ビームであり、それが透明な膜に到達すると、ビームの一部が上面（層０／層１の界面）から反射し、一部が底面（層１／層２の界面）から反射する。
【００６７】
図２に示したものを数学的に表現すると、
λは光の波長であり、
φ０は入射光（および層０／層１の界面からの反射光）の位相角であり、
φ０＋φ１は、層１／層２の界面からの反射光の位相角であり、
ｒ０１は、層０／層１の界面の反射率であり、
ｒ１２は、層１／層２の界面の反射率であり、
Ｉは入射光の強度であり、
2005510699.tif 000008
となる。
【００６８】
ここで、Ｉ０は最大強度振幅であり、ｃは光の速度である。
【００６９】
光が膜の表面に垂直に到達する場合、頂面および底面からの反射率は次の通りである。
2005510699.tif 000009
ここで、ｎ０、ｎ１、ｎ２は層０、１、および２それぞれの屈折率である。
【００７０】
上面から反射した光は底面から反射した光と干渉して、層厚、光の波長、および層の屈折率の関数である総合反射率Ｒを生じる。この反射は、周知のフレネル方程式によって記載することができる。
2005510699.tif 000010
ここで、
2005510699.tif 000011
であり、ここで、ｄ１は層厚である。
【００７１】
膜に多重波長光（白色光）を照射し、各波長（λ）の反射率を測定することにより、λの関数としてのＲ、すなわちＲ（λ）が得られる。
【００７２】
複雑な（すなわち横方向に変動する）トポロジを有する製品ウェハに多重波長光の大きいスポットを照射すると、単独で得られる各々の厚さの個別反射の合成である反射ビームを生じる。
2005510699.tif 000012
【００７３】
単純な数学的演算によって、反射率を次式によって表わすことが可能である。
2005510699.tif 000013
ここで、
2005510699.tif 000014
である。
【００７４】
反射率の周波数分解の方法を応用して引数（Φｉ）の各々を提供することができ、方程式３および４から、層の屈折率が既知であることを前提として、層厚を決定することが可能である。代替的に、層厚が既知である場合、層の屈折率を決定することが可能である。
【００７５】
周波数分解を実行する方法は幾つかあり、その幾つかを以下に示す。
数学的分解
１）直交変換方法群、例えばフーリエ変換
２）最大尤度原理に基づく方法群
３）パラメトリックモデルに基づく方法群
４）部分空間分解法群
【００７６】
電気的分解
電気周波数フィルタは電気システムで幅広く使用されている。そのようなフィルタは、周波数領域のウィンドウを画定し、ウィンドウの範囲内の入力信号の成分の振幅を出力するのに役立つ。反射信号（電気信号に変換された）を１組のフィルタまたは可変周波数の単一フィルタに通すことにより、所望の分解が得られる。
【００７７】
今、図３を参照すると、それは、半導体基板上の透明な層の厚さの変化を測定するための構成を示す簡略ブロック図である。測定構成は、化学気相成長（ＣＶＤ）ツールに装着される。堆積室２０は、ウェハＷを受容するためのチャック２２と、化学反応を使用してＳｉＯ２層２８を堆積させる堆積パラメータを制御するための制御器２４とを備える。
【００７８】
図３に示す通り、装置はさらに、フォトレジスト皮膜に多重波長の光（白色光）のビームを照射するための照射装置３０と、ＳｉＯ２から反射する各波長の光の強度を検出するための検出器３２とを含む。好ましくは、検出器３２はフォトダイオードアレイスペクトルアナライザに接続される。スペクトルアナライザは、ある波長範囲にわたって干渉パターンを検出することができ、上記の方程式を使用して、層厚のデータを得ることができる。
【００７９】
ウェハ上の二つ以上のスポットの厚さまたは屈折率に関する情報を得るために、複数の検出ヘッド３１をウェハ上の様々な位置に配置することができる。検出ヘッド３１の出力は、例えば各々の光ファイバの間で機械的に切り替えることによって、スペクトルアナライザ３２に送ることによって多重化することが好ましい。したがって、ウェハ上の様々な部位からのデータ収集が可能になる。
【００８０】
照射装置は白色光のビームをいずれかの適切な方法で、例えば光ファイバ３６を介して、ウェハＷの上に取り付けられた光学ヘッド３１に当て、それにより、ウェハを回転しながら、光のビームをウェハＷのＳｉＯ２皮膜に投射することが好ましい。フォトレジスト皮膜から反射した光はいずれかの適切な方法で、例えば別の光ファイバ３８を介して、スペクトルアナライザ３４に指向され、それにより、ＳｉＯ２から反射した各波長の光の強度が検出される。
【００８１】
スペクトルアナライザ３４の出力は、上述した動作の基本的理論に従って出力を処理し、スクリーン４２上に出力を表示する処理装置４０に送られることが好ましい。加えて、処理装置４０の出力はまた、ＳｉＯ２層２８のウェハＷ上への塗布を制御するために、例えばフィードバック入力として使用することもできる。
【００８２】
好ましくは、光のビーム３０は、ウェハＷによって支持される多数のダイの少なくとも一つの完全なダイをカバーするのに充分に大きい。完全なダイまたは複数のダイをカバーするのに充分に大きいそのような光のビームの使用は、多数の利点をもたらす。例えば、それは、検出器３２によって検出される複合反射光が、厳密な測定位置の相違にもかかわらず、測定の間で実質的に変化しない。さらに、大きいスポットサイズは、光学ヘッドによって収集される信号を増加し、かつ検出の速度をも増加する。
【００８３】
今、図４を参照すると、それは、例えばエッチング操作の結果、異なる位置で二つの異なる厚さ（ｄ１、ｄ２）を有するフォトレジスト皮膜を被覆したウェハに適用された場合の上述のプロセスのシミュレーションを含む典型的な組の測定について、振幅に対する波長を示す簡略グラフである。図４はしたがって、それぞれの厚さｄ１およびｄ２ならびに波長の関数としてのは反射率ｒ１およびｒ２の合計Ｒを示す。実施例では、ｄ１＝０．９５μ、ｄ２＝１．２５μ、ｆ（別個の信号の強度の比）＝１である。
【００８４】
今、図５を参照すると、それは、フーリエ変換が適用された図４のデータを示す簡略グラフである。すなわち、総合反射を定義する信号Ｒにフーリエ変換が適用される。フーリエ変換は信号周波数に対する一連のフーリエ係数を生じ、そこからそれぞれの各信号周波数について透明な膜の厚さを決定することができる。図５に示す通り、フォトレジスト皮膜の二つの厚さは、各々厚さの一つに関連する周波数を表わす二つの全く区別されるピークを生じる。
【００８５】
今、図６および７を参照すると、それらは、上述したシステムをいかに使用して、相互に重ね合わされた二つの層の厚さを測定することができるかを示す簡略グラフである。
【００８６】
図６は、二酸化シリコン（酸化物）上の金属間誘電体によってカバーされる金属線のパターンを持つウェハからの反射信号の波長に対する強度を示す。酸化物の二つの厚さが、次の測定スポット：
１）ｄ２＝１５５６ｎｍの金属線の上の酸化物、および
２）前に堆積したｄ１＝７２２ｎｍの厚さの誘電体の上の酸化物、
の近傍に存在する。図７は、上述したのと同様の周波数変換プロセスによって処理した後に受け取った信号を示す。結果は、ｄ２およびｄ１＋ｄ２に関連する周波数でピークを示す。
【００８７】
今、図８を参照すると、それは、本発明の第一実施形態に係る統合測定装置を示す簡略ブロック図である。図８において、統合測定装置５０は厚さ測定部品および応力測定部品のみならず、両方の種類の測定のための共通部品および切替え部品をも含む。
【００８８】
最初に、応力測定部品について考慮すると、単色光源、一般的にレーザ５２は、ウェハ５４に指向させるための単色光源を発生する。光学ヘッド構成５６は、レーザ源５２からの光を一連の平行ビームとしてウェハ５４の様々な部分に向かって指向させるための少なくとも二つの光学ヘッドを備える。好ましくは、ビームの一つはウェハの中心領域に指向され、第二ビームはウェハの周縁に指向される。
【００８９】
好ましくは、光学処理装置５８は、各ビームの反射を受け取り、各反射を処理し、そこから前記反射間の光学的差異、一般的には位相差、または光路長の差を得るように構成される。位相差は一般的に、ウェハ５４の反りを示す。代替的に、光学的差異は反射角の差とすることができる。理解される通り、反射角は、試験した様々な位置におけるウェハ表面の相対角度を示し、適切な解析により、反りの程度を決定することができる。
【００９０】
今、図９を参照すると、それは、ウェハの反りを示す位相差を測定するための構成をより詳細に示す簡略図である。応力のために反ったウェハ６０は、光学ヘッド６２が実質的にウェハの中心領域の上に配置され、光学ヘッド６４がウェハの実質的に周辺領域の上に配置されるように、光学ヘッド６２および６４の下に配置される。
【００９１】
しかし、応力を決定するための後述する方程式は曲率半径のみを必要とし、該半径は単にそれぞれの光学ヘッド間の距離を知ることによって得られるので、光学ヘッドをウェハの中心および周辺領域の上に配置することは本質ではないことは理解されるであろう。
【００９２】
ウェハは各々の光学ヘッドから、ウェハの反りによるＹで表わされる差を除き、各ビームが実質的に同一光路長に従うように照射される。Ｙが光の波長より小さければ、ビーム間の位相差の測定からＹが生じ、そこからウェハの曲率半径を算出することができる。
【００９３】
今、図９Ａを参照すると、それは曲率半径の算出を示す光線図である。次の通り、値Ｒの導出のための形式幾何学的図式を図９ａに示す。
2005510699.tif 000015
ここで、Ｌ＝ビーム経路の長さ、
Ｘｈ＝中心および周辺の測定位置間の距離、
Ｘα＝応力を受けたウェハからの反射ビームのシフト、
である。
【００９４】
図９ａに示す通り、曲率半径Ｒは式：
2005510699.tif 000016
ここで、Ｙ＝中心の測定位置のウェハカービングの距離、
Ｘｈ＝中心および周辺の測定位置間の距離、
を使用して算出することができる。
【００９５】
今、図８に戻って、処理装置７０は、曲率半径およびしたがってウェハの応力を算出するために、光学処理装置５８に接続される。光学処理装置５８は干渉計であることが好ましい。反射ビームが干渉計に達したときに、干渉フリンジパターンが設定される。フリンジパターンは好ましくはビーム間の位相差を与え、そこから距離を導出することができる。干渉計はマイケルソン干渉計であることが好ましい。
【００９６】
好ましくは、光をビームとしてウェハに向かって指向させる同じ光学ヘッド６２および６４が、下でさらに詳しく説明するように、反射を受け取り、かつそれらを光学処理装置に指向させるように働く。
【００９７】
一実施形態では、光学ヘッド６２および６４が両方とも平行なビームを送出する。入射ビームと同一経路に沿って反射する周辺ビームを示す図９は、ウェハ表面の反った部分の入射角が９０度ではないので、多少簡略化されていることに気付かれるであろう。このように、位相差の測定では、単に反射角だけのために追加経路長を考慮に入れる必要が無い。言うまでもなく、反りが算出されるまで反射角は不明であり、したがって、正確な結果のためには、多数の繰返しを含む計算が必要になるかもしれないことは理解されるであろう。
【００９８】
今、図１０を参照すると、それは、本発明のさらなる実施形態を示す簡略図である。図１０の実施形態では、反射角による不正確さを考慮に入れる。図１０には、ウェハ５４から受け取った光を反射するビーム反射器８０が図式的に示されている。光は、導波管に対応するように配設された光強度測定装置に各々接続された導波管のアレイ８４を備えた検出器８２に反射する。測定装置はブロック８６に配設することが好ましい。
【００９９】
使用中、光ビームが反射器８０に入射する角度は、それが主としてどの光導体に指向されるかを決定する。強度グラフを描くことができ（図１０の８８）、ウェハの反り角は強度グラフのピークの位置から導出することができる。
【０１００】
図１０に、比較のために二本のビーム９０および９２が示されている。ビーム９０はグラフ８８に第一ピーク９４を発生させ、第二ビーム９２は第二ピーク９６を発生させる。
【０１０１】
図１０は反射器８０を平面反射器として示す。しかし、好適な実施形態では、放物面反射器を使用し、さらに特定的には軸外れ放物面反射器または鏡を使用する。
【０１０２】
今、処理装置７０に戻ると、処理装置７０は、
2005510699.tif 000017
式中、Ｅ＝ウェハのヤング率、
ν＝ウェハのポアソン比、
Ｄｓ＝ウェハの厚さ、
Ｒ＝上述の通り、反りの程度から導出可能な正味曲率半径、
Ｄｆ＝応力の原因である、ウェハに堆積された膜の厚さ、
の関係を使用して、反りから応力レベルを決定することができる。
【０１０３】
再び、図８に戻って、今、装置の厚さ測定部を考慮すると、白色光源１００、およびいずれかの源からの光を希望通りにウェハに指向させることができるように、レーザ５２と白色光源１００との間で切替えるための光学スイッチ１０２をも追加的に装備される。
【０１０４】
厚さ測定部の一部として、上記のように、ウェハからの反射を処理して、ウェハの透明および半透明な層の厚さを決定するための第二光学処理装置１０４が装備される。第二光学処理装置１０４は、反射光のスペクトルを得るための分光計を備えることが好ましく、それはその後、上述のように、どの層が存在するかを決定するために解析するため、周波数領域に変換される。
【０１０５】
加えて、反射光を二つの光学処理装置間で切り替えるための第二光学スイッチ１０６が装備される。
【０１０６】
好ましくは、レーザ源５２が第一光学処理装置と共に使用され、白色光源が第二光学処理装置１０４と共に使用されることを確実にするために、スイッチ１０２および１０６に対して制御が提供される。
【０１０７】
第二光学処理装置１０４は電子処理装置１０８に接続し、第二光学処理装置１０４によって生成されたスペクトルを、一般的にフーリエ変換を使用して周波数領域に変換することが好ましい。変換は、上述したとおり厚さ層情報を得るために使用される。
【０１０８】
応力計算処理装置７０および厚さ計算処理装置１０８は単一処理チップ上に実現することができることが理解される。一般的に、計算は装置に接続されたＰＣによって実行される。
【０１０９】
今、図１１を参照すると、それは、上記実施形態に関連して使用される光学ヘッドを示す簡略図である。前の図と同一の部品には、実行可能な限り同一の参照番号を付与し、実施形態の理解に必要な程度にのみさらに説明する。光学ヘッド１１０は、光源の一つからの入射ビームを光導体１１２を介して受け取る。光は傾斜平面鏡１１４を介して軸外れ方物面鏡１１６に反射し、そこからそれは平行ビームとしてウェハ１０の表面に指向される。反射波は逆の経路で光学ヘッドを通して同じ導波管１１２まで伝搬する。
【０１１０】
今、図１２を参照すると、それは、ウェハ１０の統合測定を提供するための全体的装置の簡略ブロック図である。図１２は図８の詳細版であり、前の図に示された部品には同一参照番号を付与し、必要なことを除いてはこれ以上詳しくは述べない。図１２には、図８の光学ヘッド構成が多数の光学ヘッドとして明示的に示されている。二つの光源がレーザ源５２および光源１００として明示的に示され、二つの処理装置が分光計１０４および干渉計５８として明示的に示されている。加えて、外方に向かい反射する波を伝搬するための単一の光フィードバック構成のみが示され、光学ヘッド５６間で切替えるためにマルチプレクサ１１８が使用される。応力および厚さの計算は、測定装置に取り付けられたＰＣ１９で実行することが好ましい。
【０１１１】
今、図１３および１４を参照すると、それらは、図１０の実施形態用に適応された図１１の光学ヘッドを示す簡略図である。光学ヘッドは、反射した信号が導波管のアレイ１２０に送られることを除いては、図１１に示したものと同一である。図１１で述べた通り、最大出力強度を出すアレイ内の導波管は、反射角を示している。図１３は、ウェハ表面の平行な領域からの反射ビームを示し（平行とは、中心の反っていない領域を意味する）、図１４はウェハの傾斜部からの反射ビームを示す。各々の場合に、反射ビームは導波管アレイ１２０の異なる部分に集まる。
【０１１２】
こうして、最小限の空間を占め、かつ先行技術に照らしてスループットを改善する一方、同時に製品品質を効果的に試験することが可能になる方法で、層付着の品質を試験するためにウェハ製造ラインで使用することができる統合測定装置がもたらされる。
【０１１３】
分かり易くするために別個の実施形態の文脈で記載した本発明の特定の特徴は、単一の実施形態で組み合せて設けることもできる。逆に、簡潔にするために、単一の実施形態の文脈で記載した本発明の種々の特徴は、別個に、またはいずれかの適切な部分組合せで設けることもできる。
【０１１４】
本発明は特に本書で上に示しかつ記載したものに限定されないことを、当業者は理解されるであろう。むしろ、本発明の範囲は請求の範囲の記載によって定義され、本書で上述した種々の特徴の組合せおよび部分組合せの両方のみならず、上記の説明を読んだ上で当業者が思いつくそれらの変形および変化をも含む。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】図１Ａは層状ウェハ製品の簡略図であり、図１Ｂは生産工程の後の段階における図１の層状ウェハ製品の簡略図である。
【図２】層状ウェハ製品の層厚の情報を得るために光の反射をどのように利用できるかを示す簡略光線図である。
【図３】半導体ウェハ製造ラインにおける化学気相成長（ＣＶＤ）ツールに関連する反射に基づく測定装置の簡略図である。
【図４】フォトレジストを被覆した半導体ウェハを測定することによって得られる、強度に対する波長の典型的グラフである。
【図５】図４のグラフにフーリエ変換を実行することによって得られたエネルギまたは強度スペクトルである。
【図６】図３の装置を使用する別の半導体ウェハの強度に対する波長の典型的グラフである。
【図７】図６のグラフにフーリエ変換を実行することによって得られたエネルギまたは強度スペクトルである。
【図８】本発明の第一実施形態に係る測定装置の略ブロック図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る反りの測定を示す簡略図である。
【図９ａ】本発明の一実施形態に係る反りの測定を示す簡略図である。
【図１０】本発明の別の実施形態に係る反りの測定のための装置を示す簡略図である。
【図１１】本発明の実施形態で使用するための光学ヘッドの簡略図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る測定装置の略ブロック図である。
【図１３】ウェハの平行領域からの反射ビームを示す簡略光線図である。
【図１４】ウェハの傾斜領域からの反射ビームを示す簡略光線図である。
【図１】
2005510699.tif 000022
【図２】
2005510699.tif 000023
【図３】
2005510699.tif 000024
【図４】
2005510699.tif 000025
【図５】
2005510699.tif 000026
【図６】
2005510699.tif 000027
【図７】
2005510699.tif 000028
【図８】
2005510699.tif 000029
【図９】
2005510699.tif 000030
【図９ａ】
2005510699.tif 000031
【図１０】
2005510699.tif 000032
【図１１】
2005510699.tif 000033
【図１２】
2005510699.tif 000034
【図１３】
2005510699.tif 000035
【図１４】
2005510699.tif 000036
【国際調査報告】
2005510699.tif 000037