(57)【要約】【課題】一度に多数の被測定パターンの線幅や断面形状を測定することができる測定装置および測定方法を提供する。【解決手段】光源２からの入射光は、光分割手段３の複数の反射板３１により異なる方向に反射され、各反射光は被測定基板１０の複数の被測定パターン１１にそれぞれ照射される。被測定パターン１１は、例えばラインアンドスペースパターンにより構成される。被測定基板１０の各被測定パターン１１に光が照射されると、各被測定パターンから回折光が発生し、光学系５を通って受光手段６により受光される。データ処理手段７は、予め基準形状に対する理論スペクトルを備え、検出された回折光のスペクトルに最も近い理論スペクトルを検索することにより、被測定パターン１１の線幅あるいは断面形状を特定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの入射光を複数に分割し、分割した光を被測定基板の複数の被測定パターンにそれぞれ照射させる光分割手段と、
各被測定パターンからの反射あるいは回折光を検出する受光手段と、
前記受光手段により検出された光強度に基づいて、各被測定パターンの線幅あるいは断面形状を特定するデータ処理手段と
を有する測定装置。
【請求項２】
前記光分割手段は、前記光源からの入射光を異なる方向に反射させて、各反射光を前記被測定基板の複数の前記被測定パターンにそれぞれ照射させる複数の反射部を有する
請求項１記載の測定装置。
【請求項３】
前記反射部は、前記被測定基板への反射光の照射位置を調整し得るように、前記光源からの入射光に対する反射面の角度を調整可能に構成された
請求項２記載の測定装置。
【請求項４】
前記受光手段は、各被測定パターンからの反射あるいは回折光を別々に検出する複数の受光素子を有する
請求項１記載の測定装置。
【請求項５】
前記複数の受光素子は、反射あるいは回折光の受光位置を調整し得るように移動可能に構成された
請求項４記載の測定装置。
【請求項６】
前記受光手段は、各被測定パターンからの反射あるいは回折光を同時に検出するマトリックス状に配置された複数の受光素子を有する
請求項１記載の測定装置。
【請求項７】
前記データ処理手段は、予め被測定パターンの線幅あるいは断面形状に応じた前記反射あるいは回折光の理論強度値を複数備え、前記受光手段により検出された光強度に最も近い理論強度値を検索し、当該理論強度値に対応する線幅あるいは断面形状を、被測定パターンの線幅あるいは断面形状として特定する
請求項１記載の測定装置。
【請求項８】
前記被測定パターンとして繰り返しパターンを用いる
請求項１記載の測定装置。
【請求項９】
光を複数に分割し、分割した光を被測定基板の複数の被測定パターンにそれぞれ照射させるステップと、
各被測定パターンからの反射あるいは回折光を検出するステップと、
検出された光強度に基づいて、各被測定パターンの線幅あるいは断面形状を特定するステップと
を有する測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定装置および測定方法に関し、特に、光を用いてパターンのＣＤ（Critical Dimension) や、断面形状を測定する測定装置および測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路のパターンの微細化に伴い、パターンの線幅測定における測定精度が要求されている。また、測定装置には、高精度のみならず、歩留り低下要因を早期に検出する高速かつ非破壊の機能が要求されている。
【０００３】
さらに、測定結果を元にプロセスの最適化のためのフィードバックへの適用が可能な測定装置も求められている。その結果、測定装置は従来の独立型のものでなく、製造と同時に測定を行う装置組み込み型（ＩＭ：Integrated Metrology) が強く要求されている。
【０００４】
従来ＣＤ測定には、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope) や原子間力顕微鏡といった装置が使用されてきた。この中で、測長ＳＥＭはウエハ上部からＣＤを測定することができ、製造現場においてもっとも一般的であった。しかし、近年になって線幅微細化に対応する精度の不足や、測定におけるレジストの電子線損傷が無視できなくなってきている。また、ＳＥＭは真空装置であるため小型化は困難であり、ＩＭ化への要求には対応が難しい。
【０００５】
このような背景にあって、光の散乱を用いたスキャトロメトリー（ＯＣＤ（Optical Critical Dimension) あるいはＯＤＰ（Optical Digital Profilometry) などとも称される）が、次世代測定技術として用いられつつある（特許文献１参照）。
【０００６】
スキャトロメトリーは、レジストパターンの線幅をＳＥＭなどに比較して短時間で測定できるのみならず、同時に断面形状等も計測できる。また、大気中で測定するため、現像装置に組み込まれる等して露光装置へのフィードバックにも利用可能であるとして期待されている。
【０００７】
図７は、従来の測定装置（スキャトロメトリー）の概略構成を示す図である。
【０００８】
図７に示す測定装置は、光源１０１と、偏光子を含む光学系１０２と、光学系１０３と、受光手段１０４とを有する。被測定パターン１１０は、例えば、数十μｍ角の領域に配置された、一定のピッチで繰り返されるラインアンドスペースパターンである。
【０００９】
図７に示す測定装置では、光源１０１から照射されたブロードバンド光が光学系１０２により直線偏向にされて、被測定パターン１１０へ入射される。被測定パターン１１０からの回折光が光学系１０３を通って受光手段１０４により受光される。
【００１０】
被測定パターン１１０の線幅、断面形状、材質によって回折光のスペクトルが変化することから、予め蓄積したスペクトルと比較することにより、被測定パターン１１０の線幅、断面形状が特定される。
【特許文献１】特開２０００−１１４１６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記の従来の測定装置では、一度に１箇所（１つの被測定パターン１１０）しか測定することができず、短時間といえども１箇所の測定に３０秒程度かかるため、多数の箇所の測定が必要な場合には、時間がかかるという問題があった。
【００１２】
露光ショット内のフォーカスのモニタリングなどを行う場合には多数の箇所の測定が必要であることから、従来の測定装置では、現像装置等に組み込み、量産レベルで露光条件等のプロセス条件にフィードバックすることが困難であるという問題がある。
【００１３】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、一度に多数の被測定パターンの線幅や断面形状を測定することができる測定装置および測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するため、本発明の測定装置は、光源と、前記光源からの入射光を複数に分割し、分割した光を被測定基板の複数の被測定パターンにそれぞれ照射させる光分割手段と、各被測定パターンからの反射あるいは回折光を検出する受光手段と、前記受光手段により検出された光強度に基づいて、各被測定パターンの線幅あるいは断面形状を特定するデータ処理手段とを有する。
【００１５】
上記の本発明の測定装置によれば、光源からの入射光は、光分割手段により、複数に分割され、分割された光は被測定基板の複数の被測定パターンにそれぞれ照射される。
被測定基板の各被測定パターンに光が照射されると、各被測定パターンから反射あるいは回折光が発生し、受光手段により受光される。
受光手段により検出された光強度に基づいて、データ処理手段により、各被測定パターンの線幅あるいは断面形状が特定される。
【００１６】
上記の目的を達成するため、本発明の測定方法は、光を複数に分割し、分割した光を被測定基板の複数の被測定パターンにそれぞれ照射させるステップと、各被測定パターンからの反射あるいは回折光を検出するステップと、検出された光強度に基づいて、各被測定パターンの線幅あるいは断面形状を特定するステップとを有する。
【００１７】
上記の本発明の測定方法によれば、１つの光が複数に分割され、分割された光は、被測定基板の複数の被測定パターンにそれぞれ照射される。
被測定基板の各被測定パターンに光が照射されると、各被測定パターンから反射あるいは回折光が発生する。
各被測定パターンからの反射あるいは回折光を検出し、検出された光強度に基づいて、各被測定パターンの線幅あるいは断面形状が特定される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の測定装置および測定方法によれば、一度に多数の被測定パターンの線幅や断面形状を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の測定装置および測定方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。本実施形態では、スキャトロメトリーと称される測定装置を例に説明する。なお、スキャトロメトリーはＯＣＤ（Optical Critical Dimension) あるいはＯＤＰ（Optical
Digital Profilometry) などとも称される。
【００２０】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る測定装置の構成を示す図である。図２は、測定装置に用いられる受光手段の構成を示す図である。
【００２１】
図１に示す測定装置１は、光源２と、光分割手段３と、光学系４と、光学系５と、受光手段６と、データ処理手段７とを有する。
【００２２】
光源２は、例えば数ｃｍ以上の径をもつブロードバンド光を照射する。光源２は、例え、可視光やＵＶ光を照射する白色光源である。
【００２３】
光分割手段３は、光源２からの光を複数の方向に反射するよう、複数の異なる角度をもった反射板（反射部）３１を備える。光源２から複数の反射板３１に光が一括照射されると、それぞれの反射板３１の角度に応じて複数の反射光が別の方向に進行する。光源２からの入射光に対する各反射板３１の角度を調整しておくことにより、被測定基板１０内の所望の位置に複数の入射光が同時に照射される。
【００２４】
光学系４は、例えば反射板３１からの各反射光を直線偏光にする偏光子を複数備える。光学系４に入射した複数の反射光は、直線偏光の入射光に変換される。
【００２５】
被測定基板１０には、直線偏光となった複数の入射光が照射される位置に、それぞれ被測定パターン１１が設けられている。被測定パターン１１は、繰り返しパターンにより構成される。
【００２６】
図３は、被測定パターン１１の構成を示す要部断面図である。図３（ａ）に示すように、繰り返しパターンからなる被測定パターン１１は、例えば、被測定基板１０上の被加工層２０をエッチングするためのレジストパターン２１により構成される。あるいは、図３（ｂ）に示すように、被測定パターン１１は、レジストパターン２１を用いて被加工層２０をエッチングした後の加工パターン２０ａにより構成される。被測定パターン１１は、例えば、数十μｍ角の領域に配置された、一定のピッチで繰り返されるラインアンドスペースパターンであるが、それ以外にもコンタクトホールパターンであってもよい。
【００２７】
被測定基板１０の各被測定パターン１１に光がそれぞれ照射されると、各被測定パターン１１の各膜界面で透過、屈折、回折を繰り返し、入射角と同じ出射角の方向に０次回折光が発生する。０次回折光はパターンに依存するため、０次回折光を正確に解析することによって、測定対象である被測定パターン１１の線幅や断面形状を特定することができる。
【００２８】
被測定パターン１１からの回折光は、光学系５を通って受光手段６に受光され、回折光のスペクトルが検出される。回折光の位相変化状態も解析し得るように、例えば、光学系５は、１／４波長板、検光子、グレーティングを備える。
【００２９】
受光手段６は、図２に示すように、被測定パターン１１からの回折光を同時に検出するため、各被測定パターン１１からの回折光の入射位置に受光素子６１を備える。回折光は、被測定パターン１１のピッチに依存して進行する方向が変化する。ただし、被測定基板１０内の被測定パターン１１の位置、すなわち回折光の発生する位置は決まっているため、受光素子６１間の位置関係は固定されていても検出可能である。
【００３０】
従って、本実施形態では、受光素子６１を４つ取り付けた受光手段６を、回折光の角度に応じて移動させる。本実施形態に係る測定装置１をプロセスのモニターとして用いる場合は、サンプルで最初に４つの受光素子６１を備える受光手段６の位置合わせをしておくことにより、その後は、ほぼ同じ方向に回折光が出るため受光手段６の微調整を行うことで対応可能である。
【００３１】
データ処理手段７は、パターンの線幅、断面形状、材質毎に、予めシミュレーションした理論スペクトルをライブラリーとして蓄積している。データ処理手段７は、受光手段６により得られた０次回折光のスペクトルの信号に基づいて、回折光の測定スペクトルに最も近い、理論スペクトルを検索する。そして、当該理論スペクトルを得るために用いた、パターンの線幅、断面形状を、被測定パターン１１の線幅、断面形状として特定する。
【００３２】
本実施形態に係る測定装置１による測定手順について、図４のフローチャートを参照して説明する。
【００３３】
図４に示すフローチャートは、ステップＳＴ１〜ＳＴ３のオフラインプロセスと、ステップＳＴ４〜ＳＴ５のオンラインプロセスよりなる。
【００３４】
まず、各形状パラメータ値を設定する（ステップＳＴ１）。形状パラメータ値とは、測定対象が取りうる形状を特定するパラメータである。形状パラメータ値として、測定対象（被測定パターン）の線幅、断面形状、材質を複数設定する。
【００３５】
次に、各形状パラメータ値をもつパターンについて、光学シミュレーションを行うことにより、特定の形状パラメータ値をもつパターンに光を照射した場合に得られる回折光のスペクトルを解析する。光学シミュレーションには、例えば、厳密電磁波解析（ＲＣＷＡ：Rigorous Coupled Wave Analysis) を用いる。
【００３６】
ＲＣＷＡでは、パターン形状を左右対象な平板の組み合わせで近似し、まず、パターンの周期的な構造、および対応する電場をフーリエ級数で表現する。ＲＣＷＡでは、この周期構造に既知の状態の光が入射した時に発生する回折をベクトル波として扱い、マクスウェル方程式で表す。そして、得られたマクスウェル方程式を境界条件に従って固有値問題に書き換えて解を求める。これにより、０次回折光の理論スペクトルが求まる。
【００３７】
ＲＣＷＡを用いてある構造に対する光学シミュレーションを行うことが可能であるが、変数が非常に多いため、測定で得られた０次回折光の信号から、測定対象の構造を直接計算することができない。そこで、ライブラリー方式と称される方式が取られる。すなわち、様々なパターン形状について光学シミュレーションすることにより得られた理論スペクトラムをライブラリーとして蓄積しておく（ステップＳＴ３）。
【００３８】
そして、オンラインプロセスにおいて、被測定パターン１１からの回折光の測定スペクトルを得たら、データ処理手段７により、予め蓄積された理論スペクトルの中から、測定スペクトルに最も近い理論スペクトルを検索する。最も近い理論スペクトルを解析する際に用いた形状パラメータ値により、被測定パターン１１の線幅や断面形状が特定される。ライブラリー方式の場合、オンラインプロセスでは検索時間のみで足りるため、非常に高速に処理できるという利点がある。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態に係る測定装置および測定方法によれば、一度に多数の被測定パターン１１へ光を照射し、被測定パターン１１からの各回折光を同時に検出することができることから、複数の被測定パターン１１の線幅や断面形状の測定のスループットを向上させることができる。このため、現像装置等に組み込み、量産レベルで露光条件等のプロセス条件に迅速にフィードバックすることが可能となる。
【００４０】
本実施形態に係る測定装置の第１の応用対象は、欠陥パターン検出および原因分類である。形状に関連するパラメータの許容上限と下限を設定し、その範囲を逸脱したウエハ等の被測定基板１０を検知すること、あるいは変動の傾向を把握して、必要であれば警告を発するといった利用方法である。
【００４１】
また、レジストパターン形状は露光量、フォーカスと相関があることが分かっているため、本実施形態に係る測定装置１による形状結果に基づき、最適露光量、フォーカスをフィードバックすることにも利用することができる。
【００４２】
また、現像後ベークの温度、塗布膜厚均一性等もパターン形状に影響する。このような多変量の関係を解明し、フィードバックすることによってスロット毎のコントロールや、ウエハ毎のコントロールが可能になる。
【００４３】
（第２実施形態）
第１実施形態に係る測定装置は、測定可能な位置を固定しているため、デバイスパターンをそれに合わせて設計し、所望の位置に数十μｍ角の被測定パターン１１を配置する例である。第２実施形態では、測定可能な位置を固定することなく、任意の複数箇所の測定を可能とする測定装置および測定方法を提供する。
【００４４】
図５は、本実施形態に係る測定装置の概略構成図である。第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付してあり、その説明は省略する。
【００４５】
本実施形態では、光分割手段３には、光源２からの入射光に対する反射面の角度を調整可能に構成された可動反射板３２を備える。可動反射板３２の反射面は、それぞれ機械的に制御可能に構成される。これにより、被測定基板１０内への光の照射位置を任意に調整可能となる。
【００４６】
光学系４ａは、例えば可動反射板３２からの各反射光を直線偏光にする偏光子を複数備える。本実施形態では、可動反射板３２からの反射光をそれぞれ直線偏向にし、被測定パターン１１へ導くように、複数の偏向子の位置が機械的に制御可能に構成される。
【００４７】
被測定パターン１１からの回折光は、光学系５を通って受光手段６に受光され、回折光のスペクトルが検出される。例えば、光学系５は、１／４波長板、検光子、グレーティングを備えるが、被測定パターン１１からの回折光の入射位置の変化に対応するため、これらの光学素子の位置が機械的に制御可能に構成される。
【００４８】
受光手段６は、図６（ａ）に示すように、可動受光素子６２を備える。可動受光素子６２は、回折光の入射位置の変化に対応すべく平面内での位置を機械的に制御可能に構成されている。
【００４９】
なお、第１実施形態と同様に、測定装置１をプロセスのモニターとして用いる場合は、サンプルで最初に受光手段６の位置および可動受光素子６２の相対位置を調整しておくことにより、その後は、ほぼ同じ方向に回折光が出るため受光手段６の微調整を行うことで対応可能である。
【００５０】
あるいは、図６（ｂ）に示すように、マトリックス状に複数の受光素子６３を取り付け、４つの回折光の全てを同時に測定できるような構成の受光手段６を採用してもよい。
【００５１】
本実施形態に係る測定装置１によれば、被測定基板１０の任意の箇所を測定することが可能であるため、被測定基板１０内の被測定パターン１１の位置が変更しても対応可能である。従って、デバイスパターンの設計の自由度を制限することなく、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００５２】
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、本実施形態では、４つの被測定パターン１１を測定する例について説明したが、被測定パターン１１の数に限定はなく、従って、反射板の数および受光素子の数は種々の変更が可能である。また、本実施形態では、被測定パターン１１として繰り返しパターンを用い、被測定パターン１１からの回折光を検出する例について説明したが、被測定パターン１１からの反射光を検出してもよい。この場合には、被測定パターン１１として、繰り返しパターン以外の他のパターンを採用することができる。
【００５３】
また、ブロードバンド光を照射する光源２を使用し、光分割手段３は反射板を備える例について説明したが、光分割手段３は、光源からの入射光を複数に分割し、分割した光を被測定基板１０の複数の被測定パターン１１にそれぞれ照射させるものであれば限定はない。
【００５４】
例えば、レーザ光を採用することも可能である。レーザ光を採用する場合には、光分割手段３としてビームスプリッタを用いて、レーザ光を分割すればよい。また、データ処理手段７によるデータ処理方法として、ライブラリー方式を採用する例について説明したが、多変量回帰方式を採用してもよい。
【００５５】
多変量回帰方式では、データベースはもたずに、基準形状に対する理論スペクトルの光学シミュレーション、理論スペクトルと実測スペクトルとの比較、誤差算出という手順を、予め決められた誤差範囲に収束するまで繰り返す手法である。ただし、収束誤差を小さく設定すると、多変量回帰分析に要する時間が長くなるため、スループットの向上の観点からは、短時間で処理可能なライブラリー方式を採用することが好ましい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】第１実施形態に係る測定装置の構成を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る測定装置に用いられる受光手段の構成図である。
【図３】被測定パターンの構成を示す要部断面図である。
【図４】本実施形態に係る測定装置による測定手順を示すフローチャートである。
【図５】第２実施形態に係る測定装置の概略構成図である。
【図６】第２実施形態に係る測定装置に用いられる受光手段の構成図である。
【図７】従来例の測定装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００５７】
１…測定装置、２…光源、３…光分割手段、４，４ａ…光学系、５，５ａ…光学系、６…受光手段、７…データ処理手段、１０…被測定基板、１１…被測定パターン、２０…被加工層、２０ａ…加工パターン、２１…レジストパターン、３１…反射板、３２…可動反射板、６１…受光素子、６２…可動受光素子、６３…受光素子、１０１…光源、１０２…光学系、１０３…光学系、１０４…受光手段、１１０…被測定パターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005315742.tif 000009