(57)【要約】【課題】  半導体基板の表面等に形成された微細構造体の形状を、非破壊で容易かつ高精度で定量的に評価することができる微細構造測定方法および装置の提供。【解決手段】  測定する微細形状の寸法が既知である試料の反射スペクトルを測定し（Ａ１）、次に、測定した微細形状の寸法と相関関係の強い、反射スペクトルの特徴（波形パラメータ）を決定し（Ａ２）、微細形状の寸法と波形パラメータとの関係を求め（Ａ３）、この関係を用いて、寸法が未知な微細構造についての反射スペクトルから、微細構造の寸法を決定する（Ａ４、Ａ５）。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細構造体の表面に測定光を入射したときの、前記微細構造体からの反射光強度の波長依存性、あるいは、前記微細構造体を通過した透過光強度の波長依存性に基づいて、形状を測定する微細構造測定方法であって、
測定する微細形状の寸法が既知である、少なくとも一つの試料に対する反射光強度あるいは透過光強度の波長依存性を測定する工程と、
前記測定する微細形状の寸法と、所定の相関関係を有する、前記反射光強度あるいは透過光強度の波長依存性の特徴（「波形パラメータ」という）を決定する工程と、
前記測定する微細形状の寸法と前記波形パラメータとの関係を求める工程と、
前記測定する微細形状の寸法と前記波形パラメータとの関係を用いて、微細構造の表面に測定光を入射したときの、反射光強度あるいは透過光強度の波長依存性から、前記微細構造の寸法を求める工程と、
を含む、ことを特徴とする微細構造測定方法。
【請求項２】
前記微細構造体の測定表面に平行な面以外での反射、あるいは、該反射による干渉を考慮して、微細構造体の形状を算出する計算工程を含む、ことを特徴とする請求項１記載の微細構造測定方法。
【請求項３】
試料表面に対して垂直に測定光を入射したときの、前記測定光に対して垂直な面以外での反射、あるいは、該反射による干渉を考慮して微細構造の形状を算出する計算工程を含む、ことを特徴とする請求項１又は２記載の微細構造測定方法。
【請求項４】
少なくとも一つの未知の材料物性、あるいは、形状に依存する少なくとも一つの未知の反射特性に対応するため、前記寸法が既知の少なくとも一つの試料を測定する工程と、
前記未知の材料物性、あるいは、形状に依存する反射特性を算出する計算工程と、
を含む、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の微細構造測定方法。
【請求項５】
測定光を周期構造体に対して入射し、前記周期構造体からの反射光強度の波長依存性である反射スペクトルを測定する工程と、
前記周期構造体の高さ、デューティ比、および、周期を仮定して反射スペクトルの計算値を算出し、前記反射スペクトル測定値と前記反射スペクトル計算値との偏差の２乗和を算出する工程と、
該算出した偏差の２乗和が最小値になるように、前記周期構造体の高さ、デューティ比、および、周期を変化させる工程と、
前記偏差の２乗和が最小値になったときの前記周期構造体の高さ、デューティ比、および、周期を前記周期構造体の形状とする工程と、
を含む、ことを特徴とする微細構造測定方法。
【請求項６】
測定を要する箇所の寸法が既知である複数の微細構造体について、反射光強度の波長依存性を測定する工程と、
前記微細構造体の前記測定を要する箇所の寸法と、少なくとも一つの前記波形パラメータとの相関関係を、所定の統計解析により求める工程と、
を含むことを特徴とする請求項１記載の微細構造測定方法。
【請求項７】
測定を要する箇所の寸法に依存するデバイスの物理特性が既知である複数の微細構造体について、反射光強度の波長依存性を測定する工程と、
前記微細構造体の前記測定を要する箇所の寸法に依存するデバイスの特性と、前記反射光強度の波長依存性から一意的に決定される、少なくとも一つの前記波形パラメータと、の相関関係を統計解析により求める工程と、
を含む、ことを特徴とする請求項１記載の微細構造測定方法。
【請求項８】
反射光強度の波長依存性から一意的に決定される、少なくとも一つの前記波形パラメータを、請求項２乃至４のいずれか一に記載の前記計算工程を用いて決定する工程を含む、ことを特徴とする微細構造測定方法。
【請求項９】
測定を要する箇所の寸法、あるいは、寸法に依存するデバイスの物理特性と、前記波形パラメータとの相関式を、前記波形パラメータのそれぞれに係数をかけ合わせたものの和とする工程と、
相関式から求まる、寸法あるいは物理特性と、実測された、寸法あるいは物理特性と、の偏差の２乗和を算出し、該算出した偏差の２乗和が最小値になるように、前記波形パラメータの係数を決定する工程と、
を含む、ことを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一に記載の微細構造測定方法。
【請求項１０】
試料の表面に測定光を入射し、前記試料からの反射光に基づいて、前記測定光の波長よりも短い寸法を有する、周期構造あるいは周期構造に準じる構造を持たない微細構造（「孤立微細構造」という）を測定する微細構造測定方法であって、
前記試料上に前記孤立微細構造と周期構造とを作製する工程と、
前記孤立微細構造と前記周期構造との形状の関係を予め求めておく工程と、
前記周期構造を光学的に測定することにより孤立微細構造の寸法を測定する工程と、
を有する、ことを特徴とする微細構造測定方法。
【請求項１１】
微細構造体の表面に測定光を入射したときの、前記微細構造体からの反射光強度の波長依存性、あるいは、前記微細構造体を通過した透過光強度の波長依存性に基づいて、形状を測定する微細構造測定装置であって、
測定する微細形状の寸法が既知である、少なくとも一つの試料に対する反射光強度あるいは透過光強度の波長依存性を測定する手段と、
前記測定する微細形状の寸法と所定の相関関係を有する、前記反射光強度あるいは透過光強度の波長依存性の特徴（「波形パラメータ」という）を決定する手段と、
前記測定する微細形状の寸法と前記波形パラメータとの関係を求める手段と、
前記測定する微細形状の寸法と前記波形パラメータとの関係を用いて、微細構造の表面に測定光を入射したときの、反射光強度あるいは透過光強度の波長依存性から、前記微細構造の寸法を求める手段と、
を含む、ことを特徴とする微細構造測定装置。
【請求項１２】
前記微細構造体の測定表面に平行な面以外での反射、あるいは、該反射による干渉を考慮して、微細構造体の形状を算出する計算手段と、
を含む、ことを特徴とする請求項１１記載の微細構造測定装置。
【請求項１３】
試料表面に対して垂直に測定光を入射したときの、前記測定光に対して垂直な面以外での反射、あるいは、該反射による干渉を考慮して微細構造の形状を算出する計算手段を含む、ことを特徴とする請求項１１又は１２記載の微細構造測定装置。
【請求項１４】
少なくとも一つの未知の材料物性、あるいは、形状に依存する少なくとも一つの未知の反射特性に対応するため、前記寸法が既知の少なくとも一つの試料を測定する手段と、
前記未知の材料物性、あるいは、形状に依存する反射特性を算出する計算手段と、
を含む、ことを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか一に記載の微細構造測定装置。
【請求項１５】
微細構造体の表面に測定光を入射し、前記微細構造体からの反射光に基づいて形状を測定する微細構造測定装置であって、
測定光を周期構造体に対して入射し、前記周期構造体からの反射光強度の波長依存性である反射スペクトルを測定する手段と、
前記周期構造体の高さ、デューティ比、および、周期を仮定して反射スペクトルの計算値を算出し、前記反射スペクトル測定値と前記反射スペクトル計算値との偏差の２乗和を算出する手段と、
該算出した偏差の２乗和が最小値になるように、前記周期構造体の高さ、デューティ比、および、周期を変化させる手段と、
前記偏差の２乗和が最小値になったときの前記周期構造体の高さ、デューティ比、および、周期を前記周期構造体の形状とする手段と、
を含む、ことを特徴とする微細構造測定装置。
【請求項１６】
測定を要する箇所の寸法が既知である複数の微細構造体について、反射光強度の波長依存性を測定する手段と、
前記微細構造体の前記測定を要する箇所の寸法と、少なくとも一つの前記波形パラメータとの相関関係を所定の統計解析により求める手段と、
を含むことを特徴とする請求項１１記載の微細構造測定装置。
【請求項１７】
測定を要する箇所の寸法に依存するデバイスの物理特性が既知である複数の微細構造体について、反射光強度の波長依存性を測定する手段と、
前記微細構造体の前記測定を要する箇所の寸法に依存するデバイスの特性と、少なくとも一つの前記波形パラメータとの相関関係を統計解析により求める手段と、
を含む、ことを特徴とする請求項１１記載の微細構造測定装置。
【請求項１８】
反射光強度の波長依存性から一意的に決定される、少なくとも一つの前記波形パラメータを、前記計算手段により決定する、ことを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか一に記載の微細構造測定装置。
【請求項１９】
測定を要する箇所の寸法、あるいは、寸法に依存するデバイスの物理特性と、前記波形パラメータとの相関式を、前記波形パラメータのそれぞれに係数をかけ合わせたものの和とする手段と、
前記相関式から求まる、寸法あるいは物理特性と、実測された、寸法あるいは物理特性との偏差の２乗和を算出し、該算出した偏差の２乗和が最小値になるように、前記波形パラメータの係数を決定する手段と、
を含む、ことを特徴とする請求項１６乃至１８のいずれか一に記載の微細構造測定装置。
【請求項２０】
試料の表面に測定光を入射し、前記試料からの反射光に基づいて、前記測定光の波長よりも短い寸法を有する周期構造あるいは周期構造に準じる構造を持たない微細構造（「孤立微細構造」という）を測定する微細構造測定装置であって、
前記試料上に、前記孤立微細構造と周期構造とを作製する手段と、
前記孤立微細構造と前記周期構造との形状の関係を予め求めておく手段と、
前記周期構造を光学的に測定することにより孤立微細構造の寸法を測定する手段と、
を有する、ことを特徴とする微細構造測定装置。
【請求項２１】
微細構造体の表面に測定光を入射したときの、前記微細構造体からの反射光強度の波長依存性、あるいは、前記微細構造体を通過した透過光強度の波長依存性に基づいて、形状を測定する微細構造測定装置を構成するコンピュータに、
測定する微細形状の寸法が既知である、少なくとも一つの試料に対する反射光強度あるいは透過光強度の波長依存性を測定する処理と、
前記測定する微細形状の寸法と所定の相関関係を有する、前記反射光強度あるいは透過光強度の波長依存性の特徴（「波形パラメータ」という）を決定する処理と、
前記測定する微細形状の寸法と前記波形パラメータとの関係を求める処理と、
前記測定する微細形状の寸法と前記波形パラメータとの関係を用いて、微細構造の表面に測定光を入射したときの、反射光強度あるいは透過光強度の波長依存性から、前記微細構造の寸法を求める処理と、
を実行させるプログラム。
【請求項２２】
請求項２１記載のプログラムにおいて、
前記微細構造体の測定表面に平行な面以外での反射、あるいは、該反射による干渉を考慮して、微細構造体の形状を算出する計算処理を、前記コンピュータに実行させるプログラム。
【請求項２３】
請求項２１又は２２記載のプログラムにおいて、
試料表面に対して垂直に測定光を入射したときの、前記測定光に対して垂直な面以外での反射、あるいは、該反射による干渉を考慮して微細構造の形状を算出する計算処理を、前記コンピュータに実行させるプログラム。
【請求項２４】
請求項２１乃至２３のいずれか一に記載のプログラムにおいて、
少なくとも一つの未知の材料物性、あるいは、形状に依存する少なくとも一つの未知の反射特性に対応するため、前記寸法が既知の少なくとも一つの試料を測定する処理と、
前記未知の材料物性、あるいは、形状に依存する反射特性を算出する計算処理と、
を前記コンピュータに実行させるプログラム。
【請求項２５】
微細構造体の表面に測定光を入射し、前記微細構造体からの反射光に基づいて形状を測定する微細構造測定装置を構成するコンピュータに、
測定光を周期構造体に対して入射し、前記周期構造体からの反射光強度の波長依存性である反射スペクトルを測定する処理と、
前記周期構造体の高さ、デューティ比、および、周期を仮定して反射スペクトルの計算値を算出し、前記反射スペクトル測定値と前記反射スペクトル計算値との偏差の２乗和を算出する処理と、
該算出した偏差の２乗和が最小値になるように、前記周期構造体の高さ、デューティ比、および、周期を変化させる処理と、
前記偏差の２乗和が最小値になったときの前記周期構造体の高さ、デューティ比、および、周期を前記周期構造体の形状とする処理と、
を実行させるプログラム。
【請求項２６】
請求項２１に記載のプログラムにおいて、
測定を要する箇所の寸法が既知である複数の微細構造体について、反射光強度の波長依存性を測定する処理と、
前記微細構造体の前記測定を要する箇所の寸法と、前記反射光強度の波長依存性から一意的に決定される、少なくとも一つの前記波形パラメータとの相関関係を統計解析により求める処理と、
を前記コンピュータに実行させるプログラム。
【請求項２７】
請求項２１に記載のプログラムにおいて、
測定を要する箇所の寸法に依存するデバイスの物理特性が既知である複数の微細構造体について、反射光強度の波長依存性を測定する処理と、
前記微細構造体の前記測定を要する箇所の寸法に依存するデバイスの特性と、前記反射光強度の波長依存性から一意的に決定される、少なくとも一つの前記波形パラメータとの相関関係を統計解析により求める処理と、
を前記コンピュータに実行させるプログラム。
【請求項２８】
請求項２２乃至２４のいずれか一に記載のプログラムにおいて、
反射光強度の波長依存性から一意的に決定される、少なくとも一つの前記波形パラメータを、前記計算処理により決定する処理を、前記コンピュータに実行させるプログラム。
【請求項２９】
請求項２６乃至２８のいずれか一に記載のプログラムにおいて、
測定を要する箇所の寸法、あるいは、寸法に依存するデバイスの物理特性と、前記波形パラメータとの相関式を、波形パラメータのそれぞれに係数をかけ合わせたものの和とする処理と、
前記相関式から求まる、寸法あるいは物理特性と、実測された、寸法あるいは物理特性との偏差の２乗和を算出し、該算出した偏差の２乗和が最小値になるように前記波形パラメータの係数を決定する処理と、
を前記コンピュータに実行させるプログラム。
【請求項３０】
試料の表面に測定光を入射し、前記試料からの反射光に基づいて、前記測定光の波長よりも短い寸法を有する、周期構造あるいは周期構造に準じる構造を持たない微細構造（「孤立微細構造」という）を測定する微細構造測定装置を構成するコンピュータに、
前記試料上に作成された前記孤立微細構造と周期構造の形状の関係を予め求めておく処理と、
前記周期構造を光学的に測定することにより前記孤立微細構造の寸法を測定する処理と、
を前記コンピュータに実行させるプログラム。
【請求項３１】
反射スペクトル解析センターに設置される第１の端末と、
反射スペクトル測定装置を備えた生産工場に設置される第２の端末と、
を備え、
前記第１、第２の端末が相互に通信接続され、
前記第１の端末は、生産工場から解析を依頼する試料の情報として、複数の試料についての反射スペクトル情報と、前記複数の試料それぞれについての測定を要する箇所の寸法情報と、を含む注文情報を受信して、記憶手段に記憶する手段と、
測定を要する箇所の寸法と、反射スペクトルの波形パラメータと、の相関式を求める解析手段と、
解析結果を前記第２の端末に送信する手段と、
を備えている、ことを特徴とする微細構造解析システム。
【請求項３２】
前記相関式を求める手段として、請求項１乃至１０のいずれかに記載の微細構造測定方法を用いる、ことを特徴とする請求項３１記載の微細構造解析システム。
【請求項３３】
（Ａ１）形状の寸法が既知な試料に測定光を入射し反射スペクトルを測定する工程と、
（Ａ２）前記反射スペクトルから、前記形状の寸法と所定の相関関係を有する前記反射スペクトルの特徴を決定する工程と、
（Ａ３）前記形状の寸法と前記反射スペクトルの特徴との関係を求める工程と、
（Ａ４）形状の寸法が未知な試料に測定光を入射し反射スペクトルを測定する工程と、
（Ａ５）前記（Ａ３）の工程で求めた、前記形状の寸法と前記反射スペクトルの特徴との前記関係を用いて、前記（Ａ４）の工程で測定された前記反射スペクトルから、前記形状の寸法が未知な試料の寸法を求める工程と、
を含む、ことを特徴とする測定方法。
【請求項３４】
（Ｂ１）試料に測定光を入射し反射スペクトルを測定する工程と、
（Ｂ２）前記試料の形状の寸法パラメータの設定値を初期化する工程と、
（Ｂ３）前記設定値に基づき、反射スペクトルを算出する工程と、
（Ｂ４）前記（Ｂ３）の工程で求められた前記反射スペクトルの計算値と、前記（Ｂ１）の工程で測定された前記反射スペクトルの実測値との偏差の２乗和を求める工程と、
（Ｂ５）前記偏差の２乗和が所定の許容範囲内であるか否か判定する工程と、
（Ｂ６）前記工程（Ｂ５）の判定の結果、前記偏差の２乗和が前記所定の許容範囲内にない場合には、前記試料の形状の寸法パラメータの設定値を可変させて、前記（Ｂ３）の工程に移行する工程と、
（Ｂ７）前記工程（Ｂ５）の判定の結果、前記偏差の２乗和が前記所定の許容範囲内の場合には、前記工程（Ｂ３）で前記反射スペクトルの算出に用いた前記試料の寸法パラメータを出力する工程と、
を含む、ことを特徴とする測定方法。
【請求項３５】
前記試料の形状の寸法パラメータが、前記試料の周期構造体の高さ、デューティ比、及び周期を含む、ことを特徴とする請求項３４記載の測定方法。
【請求項３６】
請求項３４記載の測定方法において、測定試料の散乱光の割合を求めるにあたり、前記工程（Ｂ１）の前に、
（Ｃ１）試料に測定光を照射し反射スペクトルを測定する工程と、
（Ｃ２）前記試料の寸法を顕微鏡観察で測定する工程と、
（Ｃ３）散乱光の割合の設定値を初期化する工程と、
（Ｃ４）設定された前記散乱光の割合と、前記顕微鏡観察により求めた試料の寸法とに基づいて、反射スペクトルを算出する工程と、
（Ｃ５）前記（Ｃ４）の工程で算出された反射スペクトルの計算値と、前記（Ｃ１）の工程で測定した反射スペクトルの実測値との偏差の２乗和を計算する工程と、
（Ｃ６）前記偏差の２乗和が所定の許容範囲内であるか否か判定する工程と、
（Ｃ７）前記工程（Ｃ６）の前記判定の結果、前記偏差の２乗和が前記所定の許容範囲内にない場合には、前記散乱光の割合の設定値を可変させて、前記工程（Ｃ４）に移行する工程と、
（Ｃ８）前記工程（Ｃ６）の前記判定の結果、前記偏差の２乗和が前記所定の許容範囲内の場合には、前記工程（Ｃ４）で反射スペクトルの計算値を算出するために設定した前記散乱光の割合を、測定する試料についての固定値とする工程と、
を含む、ことを特徴とする測定方法。
【請求項３７】
（Ｄ１）試料に測定光を照射し反射スペクトルを測定する工程と、
（Ｄ２）前記試料の寸法を、顕微鏡観察又はデバイス特性評価により取得する工程と、
（Ｄ３）相関式に用いられる反射スペクトルの波形パラメータの設定値を初期化する工程と、
（Ｄ４）設定された前記波形パラメータと、前記工程（Ｄ２）で取得された制御が必要な寸法から相関式を算出する工程と、
（Ｄ５）前記（Ｄ４）の工程で算出された相関式より得られる寸法と、前記（Ｄ２）の工程で得られた測定寸法との偏差の２乗和を計算する工程と、
（Ｄ６）前記偏差の２乗和が所定の許容範囲内であるか否か判定する工程と、
（Ｄ７）前記工程（Ｄ６）の前記判定の結果、前記偏差の２乗和が前記所定の許容範囲内にない場合には、前記相関式に用いる波形パラメータの設定値を可変させて、前記工程（Ｄ４）に移行する工程と、
（Ｄ８）前記工程（Ｄ６）の前記判定の結果、前記偏差の２乗和が前記所定の許容範囲内の場合には、前記工程（Ｄ４）で前記相関式の算出に用いた前記波形パラメータを、寸法と波形パラメータの相関式に用いる波形パラメータとして設定する工程と、
（Ｄ９）試料に測定光を入射し反射スペクトルを測定する工程と、
（Ｄ１０）前記（Ｄ８）の工程で求めた、前記寸法と波形パラメータの相関式を用いて、前記（Ｄ９）の工程で測定された前記反射スペクトルから、前記（Ｄ９）の工程で用いた試料の寸法を求める工程と、
を含む、ことを特徴とする測定方法。
【請求項３８】
形状の寸法が既知な試料に測定光を入射し反射スペクトルを測定する第１の手段と、
前記反射スペクトルから、前記形状の寸法と所定の相関関係を有する前記反射スペクトルの特徴を決定する第２の手段と、
前記形状の寸法と前記反射スペクトルの特徴との関係を求める第３の手段と、
形状の寸法が未知な試料に測定光を入射し反射スペクトルを測定する第４の手段と、
前記第３の手段で求めた、前記形状の寸法と前記反射スペクトルの特徴との前記関係を用いて、前記第４の手段で測定された前記反射スペクトルから、前記形状の寸法が未知な試料の寸法を求める第５の手段と、
を含む、ことを特徴とする測定装置。
【請求項３９】
試料に測定光を入射し反射スペクトルを測定する第１の手段と、
前記試料の形状の寸法パラメータの設定値を初期化する第２の手段と、
前記設定値に基づき、反射スペクトルを算出する第３の手段と、
前記反射スペクトルの計算値と、前記反射スペクトルの実測値との偏差の２乗和を求める第４の手段と、
前記偏差の２乗和が所定の許容範囲内であるか否か判定する第５の手段と、
前記第５の手段による判定の結果、前記偏差の２乗和が前記所定の許容範囲内にない場合には、前記試料の形状の寸法パラメータの設定値を可変させて、前記第３の手段により反射スペクトルを算出し、前記第４の手段、前記第５の手段を実行するように制御する第６の手段と、
前記第５の手段による判定の結果、前記偏差の２乗和が前記所定の許容範囲内の場合には、前記反射スペクトルの算出に用いた前記試料の寸法パラメータを出力する第７手段と、
を含む、ことを特徴とする測定装置。
【請求項４０】
前記試料の形状の寸法パラメータが、前記試料の周期構造体の高さ、デューティ比、及び周期を含む、ことを特徴とする請求項３９記載の測定装置。
【請求項４１】
請求項３９記載の測定装置において、測定試料の散乱光の割合を求める手段として、
試料に測定光を照射し反射スペクトルを測定する手段と、
前記試料の寸法を顕微鏡観察で測定する手段と、
散乱光の割合の設定値を初期化する手段と、
設定された前記散乱光の割合と、前記顕微鏡観察により求めた試料の寸法とに基づいて、反射スペクトルを算出する手段と、
前記反射スペクトルの計算値と、前記反射スペクトルの実測値との偏差の２乗和を計算する計算手段と、
前記偏差の２乗和が所定の許容範囲内であるか否か判定する判定手段と、
前記判定手段による判定の結果、前記偏差の２乗和が前記所定の許容範囲内にない場合には、前記散乱光の割合の設定値を可変させて、前記反射スペクトルを算出する手段で反射スペクトルを算出し、前記計算手段、前記判定手段を実行するように制御する手段と、
前記判定手段による判定の結果、前記偏差の２乗和が前記所定の許容範囲内の場合には、前記反射スペクトルの計算値を算出するために設定した前記散乱光の割合を、測定する試料についての固定値とする手段と、
を含む、ことを特徴とする測定装置。
【請求項４２】
試料に測定光を照射し反射スペクトルを測定する第１の手段と、
前記試料の寸法を、顕微鏡観察又はデバイス特性評価により取得する第２の手段と、
相関式に用いられる反射スペクトルの波形パラメータの設定値を初期化する第３の手段と、
設定された前記波形パラメータと、前記顕微鏡観察又はデバイス特性評価により取得された寸法から、相関式を算出する第４の手段と、
前記第４の手段で算出された前記相関式より得られる寸法と、前記第２の手段で取得された寸法との偏差の２乗和を計算する第５の手段と、
前記偏差の２乗和が所定の許容範囲内であるか否か判定する第６の手段と、
前記第６の手段による判定の結果、前記偏差の２乗和が前記所定の許容範囲内にない場合には、前記相関式に用いる波形パラメータの設定値を可変させて、前記第４の手段で相関式を算出し、さらに前記第５、第６の手段を実行するように制御する第７の手段と、
前記第６の手段による前記判定の結果、前記偏差の２乗和が前記所定の許容範囲内の場合には、前記第４の手段で相関式の算出に用いた前記波形パラメータを、寸法と波形パラメータの相関式に用いる波形パラメータとして設定する第８の手段と、
形状の寸法が未知の試料に測定光を入射して反射スペクトルを測定し、前記寸法と波形パラメータの前記相関式を用いて、前記測定された前記反射スペクトルから、形状の寸法が未知の試料の寸法を求める第９の手段と、
を含む、ことを特徴とする測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細構造測定方法、微細構造測定装置、および、微細構造解析システムに関し、特に、ナノメートルサイズ等の構造体の形状の光学的な測定に適用して好適な微細構造測定方法および微細構造測定装置並びにシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、寸法が０．１μｍ（マイクロメータ）程度の微細なパタンを形成するリソグラフィやエッチング等の半導体製造プロセスにおいては、パタンの寸法をナノメートルオーダーで精密に制御することが重要であり、露光条件やエッチング条件を確認する際や量産時の工程管理の際に、パタンの寸法を容易に精度良く測定することが重要な要素の一つになっている。
【０００３】
例えば、光通信用の分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feedback）半導体レーザ素子内に形成する回折格子については、１．３μｍあるいは１．５５μｍ帯のレーザ発振波長に対して、それぞれ０．２μｍあるいは０．２４μｍ程度の周期を有する回折格子が、電子ビーム露光法あるいは干渉露光法により形成される。このときレーザ素子内に形成する回折格子の高さ、デューティ比、周期といった回折格子の形状パラメータには、数ｎｍ（ナノメータ）の制御精度が要求され、レーザの発振特性に大きく影響を与える要素となる。リソグラフィやエッチング時の制御精度が不十分であると、安定な単一モード発振が得られなかったり、発振しきい値や光出力等が製品の規格を満たさなかったりし、歩留りを低下させる要因となるため、作製した回折格子パタンを評価し、プロセスを管理する工程、あるいはフィードバックをかける工程が重要になる。
【０００４】
このようなパタンを評価する場合においては、測定するパタンの寸法が０．１μm程度と微細であり、光学顕微鏡やレーザ顕微鏡では十分な分解能が得られないため、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いてそのパタン寸法を測定するという手法が採用されている。
【０００５】
しかしながら、走査型電子顕微鏡による測定では、断面形状を観察するために試料を切断しなければならず、破壊検査が実施できない試料については測定ができないという問題があった。また、非破壊で表面状態を観察する測長用電子顕微鏡を使用する場合においては、深さ方向の情報が得られないために正確な形状を測定することが困難であった。さらに電子顕微鏡を使用する場合においては、真空中に試料を装填しなければならないため、測定に長時間を要する作業となっており、量産製造工程への適用に関して十分とは言えないという問題があった。
【０００６】
例えば後記特許文献１、２には、微細な周期構造の線幅を光学的に測定する方法として、微細周期パタンへ偏光性を有する光を入射し、その反射率を測定する方法が開示されている。この技術は周期構造体が入射光の偏光方向に依存した複屈折特性を有する特徴を利用しており、非破壊で周期構造の線幅が測定できる点において一応の効果を奏している。
【０００７】
後記特許文献２には、分光エリプソメトリ法を用いた凹凸基板表面の形状評価方法が開示されている。この技術は、ＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメモリ）中のコンデンサ容量を増加させるために表面を凹凸化して表面積を増加させた基板表面形状を測定する技術であり、凹凸層をマクロ視して平坦な仮想膜と仮定することにより、反射スペクトルの解析から仮想膜の厚さおよび屈折率を求め、さらに、これらの値から半導体と空気により構成される仮想膜中の半導体の割合（体積分率）を測定する点において一応の効果を奏している。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２１１４２１号公報
【特許文献２】特開平２００１−２１７２９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１、２に記載されている周期構造体の線幅測定方法においては、測定する反射特性データが少なく、また、入射光に対して垂直な方向以外での反射や多重反射の影響を考慮していないために、測定可能なパラメータが周期構造の線幅のみに限定されており、高さに関する情報を得ることができないという問題がある。また同方法を、斜面を有する形状などの他の形状を測定するために適用する方法についても明確な記載はなく、適用が容易ではない、という問題がある。
【００１０】
また、既知の試料を測定することにより、検量線を作成することが示されているが、同方法が適用できるものは周期構造体の線幅に限られており、周期構造体の高さ測定等への適用が困難である、という問題がある。
【００１１】
一方、特許文献２に示される分光エリプソメトリ法を用いた凹凸基板表面形状の測定方法においても、測定試料に対して平行な面以外での反射について考慮がなされていず、測定する対象物の形状に依存する散乱光の影響の考慮がなされていないために、測定時に、十分な精度が得られないという問題を有している。
【００１２】
すなわち、特許文献２において、図１３に示されている測定結果については、最大で約３０％以上のＳＥＭ観察結果との差異を生じており、測定精度が不十分になるという問題をもたらしている。
【００１３】
さらに、測定する対象物である凹凸形状の密度（周期構造パタンの周期に相当）については全く情報が得られないうえ、密度が変化した場合においては測定精度がさらに低下することになる。
【００１４】
したがって、本発明は、斯かる問題点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、測定試料に測定光を入射したときの反射光強度の波長依存性（反射スペクトル）を測定することにより、半導体の表面等に形成された微細構造体の形状を、容易、かつ高精度で定量的に評価することができる、汎用的な微細構造測定方法、装置、および微細構造解析システムを提供することにある。
【００１５】
また、本発明は、量産時の工程管理等に適用して好適とされ、簡易で高精度な測定が可能な、汎用的な微細構造測定方法、装置およびコンピュータ・プログラムとシステムを提供することもその目的の一つとしている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本願で開示される発明は、前記課題を解決するにあたり、代表的には概略以下の構成とされる。
【００１７】
本発明の１つのアスペクト（側面）に係る微細構造測定装置は、
微細構造体の表面に測定光を入射したときの、前記微細構造体からの反射光強度の波長依存性、あるいは、前記微細構造体を通過した透過光強度の波長依存性に基づいて、形状を測定する微細構造測定装置において、
（ａ１）測定する微細形状の寸法が既知である、一つ以上の試料に対する反射光強度、あるいは、透過光強度の波長依存性を測定する手段と、
（ａ２）前記測定する微細形状の寸法と相関関係の強い、前記反射光強度あるいは透過光強度の波長依存性の特徴を決定する手段と、
（ａ３）前記測定する微細形状の寸法と、前記反射光強度あるいは透過光強度の波長依存性の特徴と、の関係を求める手段と、
（ａ４）前記測定する微細形状の寸法と、前記反射光強度あるいは透過光強度の波長依存性の特徴と、の関係を用いて、微細構造の表面に測定光を入射したときの、反射光強度あるいは透過光強度の波長依存性から微細構造の寸法を求める手段と、
を含む。
【００１８】
また、本発明に係る微細構造測定装置は、前記微細構造体の測定表面に平行な面以外での反射、あるいは、該反射による干渉を考慮して、微細構造体の形状を算出する計算手段を備えた構成としてもよい。
【００１９】
また、本発明に係る微細構造測定装置は、測定光を試料表面に対して垂直に入射したときの、前記測定光に対して垂直な面以外での反射、あるいは該反射による干渉を考慮して微細構造の形状を算出する計算手段を備えた構成としてもよい。
【００２０】
また、本発明に係る微細構造測定装置は、一つ以上の未知の材料物性、あるいは、形状に依存する一つ以上の未知の反射特性がある場合に、寸法が既知の一つ以上の試料を測定する手段と、未知の材料物性、あるいは、形状に依存する反射特性を算出する手段を備えた構成としてもよい。
【００２１】
また、本発明の他のアスペクトに係る微細構造測定装置は、
（ｂ１）測定光を周期構造体に対して入射し、前記周期構造体からの反射光強度の波長依存性である反射スペクトルを測定する手段と、
（ｂ２）前記周期構造体の高さ、デューティ比、および、周期を仮定して反射スペクトルの計算値を算出し、前記反射スペクトル測定値と前記反射スペクトル計算値との偏差の２乗和を算出する手段と、
（ｂ３）該算出した偏差の２乗和が最小値になるように、前記周期構造体の高さ、デューティ比、および、周期を変化させる手段と、
（ｂ４）前記偏差の２乗和が最小値になったときの前記周期構造体の高さ、デューティ比、および、周期を前記周期構造体の形状とする手段とを備えている。
【００２２】
また、本発明の他のアスペクトに係る微細構造測定装置は、微細構造体の表面に測定光を入射したときの、前記微細構造体からの反射光強度の波長依存性に基づいて形状を測定する微細構造測定装置であって、
（ｃ１）測定を要する個所の寸法が既知である複数の微細構造体について、反射光強度の波長依存性を測定する手段と、
（ｃ２）前記微細構造体の前記測定を要する箇所の寸法と、前記反射光強度の波長依存性から一意的に決定される一つ以上の波形パラメータとの相関関係を統計解析により求める解析手段とを備えている。
【００２３】
本発明のさらに他のアスペクトに係る微細構造測定装置は、微細構造体の表面に測定光を入射したときの、前記微細構造体からの反射光強度の波長依存性に基づいて形状を測定する微細構造測定装置であって、
（ｄ１）測定を要する個所の寸法に依存するデバイスの物理特性が既知である複数の微細構造体について、反射光強度の波長依存性を測定する手段と、
（ｄ２）前記微細構造体の前記測定を要する箇所の寸法に依存するデバイスの物理特性と、前記反射光強度の波長依存性から一意的に決定される一つ以上の波形パラメータとの相関関係を統計解析により求める解析手段とを備えている。
【００２４】
また、本発明に係る微細構造測定装置は、反射光強度の波長依存性から一意的に決定される一つ以上の波形パラメータを、前記計算手段を用いて決定する構成とされる。
【００２５】
また、本発明に係る微細構造測定装置において、測定を要する箇所の寸法、あるいは、寸法に依存するデバイスの物理特性と、前記波形パラメータとの相関式を、各波形パラメータに係数をかけ合わせたものの和とする手段と、相関式から求まる寸法あるいは物理特性と、実測した寸法あるいは物理特性との偏差の２乗和を算出し、該算出した偏差の２乗和が最小値になるように各パラメータの係数を決定する手段を備えている。
【００２６】
また、本発明のさらに他のアスペクトに係る微細構造測定装置は、試料の表面に測定光を入射し、前記試料からの反射光に基づいて前記測定光の波長よりも短い寸法を有する周期構造あるいは周期構造に準じる構造を持たない微細構造を測定する微細構造測定装置であって、
（ｅ１）前記周期構造あるいは周期構造に準じる構造を持たない微細構造を孤立微細構造と称するときに、前記試料上に孤立微細構造と周期構造とを同時に作製する手段と、
（ｅ２）前記孤立微細構造と前記周期構造との形状の関係を予め求めておく手段と、
（ｅ３）前記周期構造を光学的に測定することにより孤立構造の寸法を測定する手段と
を有する。
【００２７】
また、本発明に係るプログラムは、前記本発明に係る微細構造測定装置を構成するコンピュータに、前記微細構造測定装置の各処理を実行させるものである。
【００２８】
また、本発明による微細構造測定方法は、微細構造体の表面に測定光を入射し、前記微細構造体からの反射光に基づいて形状を測定する微細構造測定方法であって、前記した本発明に係る微細構造測定装置の処理手順を実現するものである。
【００２９】
また、本発明による微細構造解析システムは、反射スペクトル解析センターに設置されている反射スペクトル解析センター端末と、反射スペクトル測定装置を備えた生産工場に設置されている生産工場端末、とが通信回線により相互に接続されたデータ解析システムであって、前記反射スペクトル解析センター端末は、生産工場から解析を依頼する試料の情報として、複数の試料についての反射スペクトル情報と、前記複数の試料それぞれについての測定を要する箇所の寸法情報とを含む注文情報を受信し、記憶手段に記憶する手段と、測定を要する箇所の寸法と反射スペクトルの波形パラメータとの相関式を求める解析手段と、解析結果を前記生産工場の端末に送信する手段と、を備えている。
【００３０】
また、本発明による微細構造解析システムは、前記微細構造解析システムにおいて、相関式を求める手段として、前記微細構造測定方法を用いることを特徴としている。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、従来、ＳＥＭによる破壊観察が必要であった微細構造体の形状を、非破壊で容易かつ高精度で測定することが可能となる。周期構造体に適用した場合には、周期構造体の高さ、デューティ比および周期を非破壊で精度良く測定することができる。
【００３２】
また、本発明によれば、作製される微細構造の寸法がある程度予測され、サブミクロンあるいはナノメールオーダーでの寸法管理が要求される製造工程において、汎用性の高い、簡易で高精度の測定手法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
上記した本発明について更に詳細に説述すべく、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について以下に説明する。
【００３４】
図１は、本発明を実施するための最良の一形態を説明するための図である。図１には、本発明に係る微細構造解析手順の一実施形態が示されている。また、図２は、本発明に係る微細構造体測定方法の一実施形態における、試料測定時の構造体形状と、測定光の反射特性を説明するための断面図である。そして、図３乃至図５は、本発明の一実施の形態に係る微細構造測定方法の原理をさらに詳細に説明するための図である。
【００３５】
図１を参照して、本発明に係る微細構造解析の一実施の形態の処理手順を説明する。本発明による微細形状の評価手法は、まず、測定する微細形状の寸法が既知である一つ以上の試料表面に測定光を入射し、反射光の反射スペクトルを測定する（ステップＡ１）。
【００３６】
次に、寸法が既知の試料について、測定した微細形状の寸法と、相関関係の強い、反射光スペクトルの特徴（波形パラメータ、例えばピーク強度、波長等）を決定する（ステップＡ２）。
【００３７】
さらに、微細形状の寸法と波形パラメータとの関係（相関式あるいは波形解析用のパラメータ）を求める（ステップＡ３）。
【００３８】
次に、寸法が未知な微細構造の表面に測定光入射して、その反射スペクトルを測定する（ステップＡ４）。
【００３９】
ステップＡ３で求めた微細形状の寸法と波形パラメータとの関係（相関式あるいは波形解析用のパラメータ）を用いて、寸法が未知な微細構造の寸法を求める（ステップＡ５）。
【００４０】
次の試料を測定する場合には、Ａ以下のステップＡ４、Ａ５を繰り返す。なお、図１に示した処理手順は、測定装置を構成するコンピュータで実行されるプログラムにより実現してもよい。
【００４１】
本実施の形態が測定の対象としている試料は、半導体基板表面にレジスト等をマスクとして、エッチングにより形成した台形形状を有する回折格子である。図２（ａ）には、この測定試料１に対して、ハロゲンランプ等の測定光を入射したときに、反射光の様子が示されている。
【００４２】
本実施の形態では、測定光を入射したときの反射光として、
・台形形状の山部での反射光１１、
・台形形状の谷部での反射光１２、
・台形形状の斜面での多重反射光１３、および、
・台形形状斜面で反射し、基板内の一部を通過したのち、さらに別の台形形状斜面で反射した多重反射光１４、
を考慮し、さらに、
それぞれの反射光の光路長差によって生じる干渉の影響を考慮する。
【００４３】
また、反射光として測定されない散乱光１５を考慮する。
【００４４】
図２（ｂ）に示すような半導体基板等に形成した矩形回折格子構造の反射スペクトルを測定する場合、回折格子の周期ｄが測定波長に比べて十分小さいときには、回折格子山部での反射光（番号１）と谷部での反射光（番号２）との位相差により反射強度が変化する。すなわち、山部および谷部で反射する光の光路差（２ｈ）によって、両者の位相が同じになる波長では反射率が最大となり、位相が逆になる波長では山谷デューティ比（ａ：ｂ）に応じて反射率が低減する。
【００４５】
一方、図２(ｃ)に示すような台形形状の回折格子の場合には、図２（ａ）と同様に、回折格子山部での反射光（番号１）、谷部での反射光（番号２）に加えて、斜面での多重反射光（番号３）の干渉を考慮すれば良い。
【００４６】
さらに図２（ａ）に示した、反射光１４および散乱光１５の影響を考慮することにより、反射スペクトルが決定されることになる。
【００４７】
回折格子による多重反射の影響を評価する方法の一つとして、基板の反射率の波長依存性を利用する方法がある。
【００４８】
図３は、ＩｎＰ基板についての絶対反射率の波長依存性を示している。２５０ｎｍ付近および４００ｎｍ付近に極大値を有しており、多重反射成分が大きくなると極大値における反射率が他に比べて大きくなるため、反射スペクトルの極大値から斜面部の割合および角度に依存した多重反射量を測定することが可能となる。
【００４９】
図４は、図２（ａ）および図２（ｂ）に相当するＩｎＰ基板に形成した回折格子の反射スペクトルの計算例を示している。図４において、横軸は波長、縦軸はＩｎＰ基板に対する反射率を示している。回折格子高さは４０ｎｍ、デューティ比は５：５（１：１）とした。
【００５０】
斜部の無い矩形回折格子（θ＝９０°）の場合、山部での反射光と谷部での反射光とが干渉し、測定波長が短くなるほど反射率が低下している。
【００５１】
一方、斜部を有する構造（θ＝４５°）の場合、多重反射が生じるため約４００ｎｍ付近に極大値を有する反射スペクトルが得られている。
【００５２】
また、回折格子による多重反射の影響を評価する別の方法として、図２（ａ）に示した反射光１４の波長依存性を利用する方法がある。
【００５３】
図５は、高さ、山谷デューティ比が同じで、周期のみを０．２μｍから０．３μｍまで変化させた、ＩｎＰ基板に形成した回折格子の反射スペクトルを示している。多重反射光の光路差による干渉の影響により、周期が長くなるほど極大値が長波長側にシフトした反射スペクトルが得られる。この極大値は山谷デューティ比にも依存し、周期が同じ場合には、屈折率の高い領域の割合が高くなるほど長波長になる。
【実施例１】
【００５４】
次に、本発明の微細構造測定原理に基づく、測定装置および計算手順の実施例について図面を参照して詳細に説明する。
【００５５】
図６は、本発明に係る周期構造測定装置の一実施例の構成を示すブロック図であり、図７は、本発明に係る微細構造測定方法の一実施例の計算手順を説明するためのフローチャートである。
【００５６】
図６を参照すると、本実施例は、測定試料１を設置する試料台２と、測定光を供給するハロゲンランプ等の測定用光源４と、試料に垂直に測定光を入射させ、試料からの反射光を分光して測定する光検出器６、光検出器６で測定されたデータを処理する計算機７とを備えて構成されている。
【００５７】
光検出器６で、試料からの反射光の反射光強度の波長依存性を測定して、計算機７で測定された反射光の反射光強度の波長依存性を解析することで、周期構造を測定する。さらに、測定する領域が狭い場合には、対物レンズ３と、測定領域を観察するための光学モニター５と、を設ける。この構成の場合には、１μｍ程度の領域の測定が可能となる。
【００５８】
図７に示すフローチャートに従い、本実施例による微細構造の解析手順を説明する。得られた反射光強度の波長依存性を解析する手法としては、まず、微細構造を有する測定試料１を試料台２に設置し、測定用光源４からの測定光を試料に入射し、試料からの反射スペクトルを光検出器６により測定し（ステップＢ１）、測定した反射スペクトル（測定値）を記憶しておく。
【００５９】
次に、計算機７は、測定する周期構造体の高さ、デューティ比、および周期を、任意の値に初期設定し（ステップＢ２）、初期設定した周期構造体の高さ、デューティ比および周期に基づいて、反射スペクトルを計算する（ステップＢ３）。周期構造体の高さ、デューティ比、周期から、反射スペクトルを計算により求める。すなわち、微細周期構造を形成した半導体基板に対して、任意の波長の測定光を入射した場合には、回折格子山部での反射光と、谷部での反射光、および、斜面での多重反射光とに光路差に依存した位相差があるため、反射光として観察される光は、それぞれの反射光が干渉したものとなり、半導体および空気層のそれぞれの屈折率に依存する反射と、パタンの形状に依存する散乱光による反射率の低減を考慮した計算により、微細周期構造を形成した半導体基板の反射率を正確に求めることができる。さらに、入射光の波長を変化させた場合について、同様の計算を実施することで、反射スペクトルが計算できる。
【００６０】
次に、計算機７は、ステップＢ３で計算した反射スペクトルの計算値と、ステップＢ１で測定した反射スペクトルの測定値とを比較し、反射スペクトルの計算値と測定値との偏差の２乗和を計算する（ステップＢ４）。
【００６１】
次に、計算機７は、反射スペクトルの計算値と測定値との偏差の２乗和の値と、反射スペクトルの計算値と測定値との偏差量とが最小値、あるいは予め定められた許容範囲内であるか否かを判断し（ステップＢ５）、最小値あるいは許容範囲内でない場合には、周期構造体の高さ、デューティ比、および周期の設定値を調整して（ステップＢ６）、調整した設定値により、ステップＢ３にて、再度、反射スペクトルを計算する。すなわち、計算機７は、反射スペクトルの計算値と測定値との偏差の２乗和の値が最小になり、かつ反射スペクトルの計算値と測定値との偏差量が十分に小さくなるように周期構造体の高さ、デューティ比、および周期を順次変化させて計算を繰り返す。
【００６２】
計算機７は、反射スペクトルの計算値と測定値との偏差の２乗和の値と、反射スペクトルの計算値と測定値との偏差量とが予め定められた許容範囲内であると判断した場合には、反射スペクトルの計算値を計算するために設定した周期構造体の高さ、デューティ比および、周期を出力する（ステップＢ７）。
【００６３】
なお、最初に仮定する、周期構造体の高さ、デューティ比、および周期として、周期構造体の作製時にある程度予想される値、あるいは実測した反射光強度の波長依存性の山谷ピーク位置および強度等から予想される値を用いることで、上記の最小２乗近似は、数秒以下で計算することができる。
【００６４】
なお、図７に示した処理手順は、計算機７で実行されるプログラムの制御により実現される。
【００６５】
次に、本発明の実施例として、ＩｎＰ基板上に形成した回折格子パタンの形状を測定する方法について詳細に説明する。
【００６６】
図８は、本発明の実施例で測定した半導体回折格子の断面形状を示す電子顕微鏡写真である。図９は、本発明の実施例で測定した半導体回折格子の反射スペクトルおよびパラメータフィッティング結果（測定値に対する最小２乗近似式）を示す図である。図１０（ａ）は、本発明の実施例で測定した回折格子高さの測定結果を示す図であり、図１０（ｂ）は、本発明の実施例で測定した回折格子デューティ比（周期に対する山の割合）の測定結果を示す図である。
【００６７】
図８は、本発明の実施例で測定に用いた回折格子の断面ＳＥＭ写真を示す図であり、電子ビーム（ＥＢ）露光により作製した、１．５５μｍ帯ＤＦＢレーザの回折格子となる周期が０．２４０μｍのラインアンドスペースパタンである。
【００６８】
ＥＢ露光およびエッチングの条件を変化させることにより、回折格子の高さとデューティ比を意図的に変化させている。
【００６９】
図８に示されるように、回折格子を構成する凹凸形状は斜面を有する台形形状となっており、測定光を入射した場合には一部の入射光が多重反射したり、散乱、あるいは回折したりすることが予想される。
【００７０】
図９は、図８に示した高さおよびデューティ比が異なる、複数の回折格子パタンを測定したときの反射光強度の波長依存性を示しており、測定用光源は、無偏光で波長約４００ｎｍから８００ｎｍのハロゲンランプとし、試料からの反射光を分光することで反射光強度の波長依存性を測定した。また、測定領域は対物レンズを使用して約２μｍφとした。また、図９には、回折格子高さ、山谷デューティ比をパラメータとして、測定値に最小２乗フィッティングした曲線を計算結果に合わせて示している。なお、図に示しているフィッティングでは、回折格子の周期が０．２４μｍと予め判っているために、周期を固定して計算した。
【００７１】
図９に示されるように、回折格子高さ、および、デューティ比が異なるいずれの形状においても、測定結果のフィッティングが良好に行われている。
【００７２】
図１０（ａ）および図１０（ｂ）には、回折格子の高さおよびデューティ比について、図９に示したフィッティング結果から得られた測定値とＳＥＭ観察による実測値との関係を示している。回折格子高さ、デューティ比ともＳＥＭ観察値にほぼ一致する値が得られている。
【００７３】
回折格子高さが３０ｎｍ以下で測定精度が低下している原因は、反射光による干渉が小さく、スペクトル測定時のノイズ等が影響していることが考えられる。従って、測定回数を増やしノイズの影響を低減すること、あるいはディテクターの感度を向上させることによって測定精度の向上が可能になる。
【００７４】
上述実施例においては、反射光強度を測定している波長を４００ｎｍから８００ｎｍとしているが、測定波長が短いほど干渉の効果が明瞭に観察されることが多く、測定精度が向上するため、測定波長範囲を広くすることが有効である。測定波長が２００ｎｍ以下の場合には散乱の影響が大きくなり十分な反射強度が得られないこと、また、波長が８００ｎｍ以上の場合については、測定精度があまり向上しないことから、実用上は反射光強度測定波長範囲を２００ｎｍから８００ｎｍとして測定することが有効である。
【００７５】
また、図６に示した測定計においては、測定試料に対して、測定光を垂直に入射しているが、斜め方向から入射したときの、基板表面での反射光を測定した場合にも同様の解析が可能となる。
【００７６】
また、上記実施例では、測定光として偏光性の無い光源を使用したが、偏光性のある光源を使用した場合も同様に解析が可能である。
【実施例２】
【００７７】
次に、本発明の第２の実施例について図面を参照して詳細に説明する。
【００７８】
図１１は、本発明に係る微細構造体測定方法における第２の実施例を示す試料測定時の構造体形状と測定光を入射したときの反射特性を示す断面図である。図１１に示す構成においては、半導体基板２１上に、半導体層Ａ２２およびＢ２３を形成した後に、半導体層Ｂ２３上に微細周期構造を形成している点で、前記第１の実施例と相違している。
【００７９】
本実施例では、測定光を入射したときの反射光として、基板平面部での反射光１６に示されるように、
・基板と半導体層Ａとの境界での反射、
・半導体層Ａと半導体層Ｂとの境界での反射、
を基板表面での反射と合わせて考慮する必要がある。
【００８０】
回折格子形成領域での反射１１〜１５についても、図示はしていないが、平面部と同様に、
・基板と半導体層Ａとの境界での反射、
・半導体層Ａと半導体層Ｂとの境界での反射、
を考慮することにより、前記第１の実施例と同様に解析することができる。
【００８１】
まず、平面部での反射スペクトルを測定し、層構造を求め、つぎに、回折格子部の反射スペクトルを測定し、平坦部の測定で得た層構造を考慮することにより微細構造の測定が可能となる。
【００８２】
本実施例では、台形形状の斜面角度が、前記第１の実施例と相違しており、散乱により測定されない反射光の割合が未知であったため、標準的な形状について、反射スペクトルと断面ＳＥＭ写真を評価し、散乱光の割合を、まず決定し、散乱光の割合を決定した後に、他の試料の評価を実施した。
【００８３】
次に、本発明の微細構造測定原理に基づく計算手順の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１２は、本発明に係る微細周期構造測定方法における実施例の計算手順を説明するためのフローチャートである。
【００８４】
測定試料の散乱光の割合を求める手法としては、まず、標準的な微細構造を有する測定試料の反射スペクトルを測定する（ステップＣ１）。
【００８５】
同測定試料の寸法をＳＥＭ観察等により測定する（ステップＣ２）。
【００８６】
次に、散乱光の割合を任意の値に初期設定する（ステップＣ３）。
【００８７】
初期設定した散乱光量、ＳＥＭ観察により求めた、周期構造体の高さ、デューティ比および周期に基づいて反射スペクトルを計算により求める（ステップＣ４）。
【００８８】
周期構造体の高さ、デューティ比、周期から反射スペクトルを計算により求める。
【００８９】
次に、ステップＣ４で計算した反射スペクトルの計算値と、ステップＣ１で測定した反射スペクトルの測定値とを比較し、反射スペクトルの計算値と測定値との偏差の２乗和を計算する（ステップＣ５）。
【００９０】
反射スペクトルの計算値と測定値との偏差の２乗和の値と、反射スペクトルの計算値と測定値との偏差量とが最小値あるいは予め定められた許容範囲内であるか否かを判断する（ステップＣ６）。最小値あるいは許容範囲内でない場合には、散乱光の割合を調整して（ステップＣ７）、調整した設定値によりステップＣ４で再度反射スペクトルを計算する。
【００９１】
すなわち、反射スペクトルの計算値と測定値との偏差の２乗和の値が最小になり、かつ反射スペクトルの計算値と測定値との偏差量が十分に小さくなるように散乱光の割合を順次変化させて計算を繰り返す。
【００９２】
反射スペクトルの計算値と測定値との偏差の２乗和の値と、反射スペクトルの計算値と測定値との偏差量とが予め定められた許容範囲内であると判断した場合には、反射スペクトルの計算値を計算するために設定した散乱光の割合を、本実施例で測定する試料についての固定値とする（ステップＣ８）。
【００９３】
以上の例では、散乱光の割合を決定するための標準サンプルを１試料のみ使用した場合について示しているが、より測定精度を向上させるためには、複数の試料についての反射スペクトルとＳＥＭ観察寸法とを使用すれば良い。また、複数の試料について、散乱光の割合を求めた際に、散乱光の割合が他の微細構造の寸法等に依存する場合には、散乱光の割合についての相関式を求めておく。
【００９４】
以上の方法で求まった、散乱光量の割合を用いることにより、図１２のＡ以下に示す、図７に示した手順と同じ手順で反射スペクトルから、回折格子の高さ、デューティ比および周期を解析することが可能になる（ステップＣ９〜Ｃ１４）。
【００９５】
測定する試料の形状が大きく変わらない場合には、Ａ以下の計算手順を繰り返すことで試料の形状評価が可能となる。
【００９６】
なお、本実施例においては、散乱光の割合が未知である場合について記述しているが、試料の屈折率、あるいは、試料の一部の寸法等が未知である場合についても、同様の方法が適用可能である。
【００９７】
また、散乱光の割合と試料の屈折率等、複数の未知の値がある場合についても同様の方法が適用可能である。その場合、未知の値を求めるための標準サンプル数が多いほど正確な解析が可能となる。
【００９８】
なお、図１２に示した処理は、測定装置を構成するコンピュータで実行されるプログラムの制御により実現してもよい。
【００９９】
また、本実施例においては、図１１に示した測定試料についての解析手法を示したが、図２（ａ）に示した測定試料についても同様に適用可能である。
【実施例３】
【０１００】
次に、本発明の第３の実施例について図面を参照して詳細に説明する。
【０１０１】
第１の実施例でも示したように、微細構造体に測定光を入射したときの反射スペクトルは、形状の影響を大きく受け、ピーク波長および強度等に反映される。従って、反射スペクトルの特徴（波形パラメータ）を数式化することにより、制御が必要な寸法をその数式で示すことが可能となる。
【０１０２】
図１３は、本発明に係る微細構造体測定方法における第３の実施例を示す試料測定時の構造体形状と測定光の反射特性を示す断面図である。図１３に示す構成においては、半導体基板２１上に、半導体層Ａ２２およびＢ２３を形成した後に、半導体層Ｂ２３上に微細周期構造を形成し、さらに微細構造上に半導体層Ｃ２４を形成している点で、第２の実施例と異なっている。
【０１０３】
本実施例では、試料表面については平坦な形状が得られているが、測定光を入射したときの反射光としては、回折格子形成部での反射、多重反射、および、干渉を考慮し、さらに、図示はしていないが、各層間の境界での多重反射および干渉を考慮することにより、第２の実施例と同様に解析が可能となる。
【０１０４】
本実施例では、形状が非常に複雑になり、第２の実施例による方法では十分な測定精度が得られなかったため、反射スペクトルと微細構造寸法との相関を求めるために統計的手法を採用した。すなわち、反射スペクトルと微細構造寸法との相関を求めるために、まず、反射スペクトルを測定する可能性のある代表的な形状について、ＳＥＭ観察等により求めた形状と反射スペクトルを測定し、つぎに反射スペクトルの極値、特性波長での反射強度、特定波長間での強度変化量等を波形パラメータとして相関式を求め、微細構造の寸法測定を実施した。
【０１０５】
次に、本発明の微細構造測定原理に基づく計算手順を図面に基づいて詳細に説明する。図１４は、本発明に係る微細構造測定方法における実施例の計算手順を説明するためのフローチャートである。
【０１０６】
まず、複数の測定可能性のある代表的な微細構造を有する測定試料の反射スペクトルを測定する（ステップＤ１）。次に、ステップＤ１で反射スペクトルを測定したそれぞれの試料に対応する制御が必要な寸法を、ＳＥＭ観察等により、測定する（ステップＤ２）。次に、統計的手法により、相関式に使用する波形パラメータを任意の値に初期設定し（ステップＤ３）、初期設定した波形パラメータと、ステップＤ２で測定した、制御が必要な寸法から、相関式を求める（ステップＤ４）。
【０１０７】
次に、ステップＤ４で求めた相関式により得られる寸法と、ステップＤ２で測定した測定値とを比較し、相関式で得られた寸法と、寸法の測定値との偏差の２乗和を計算する（ステップＤ５）。相関式により得られる寸法と、測定寸法との偏差の２乗和の値が最小値あるいは予め定められた許容範囲内であるか否かを判断し（ステップＤ６）、最小値あるいは許容範囲内でない場合には、相関式に使用する波形パラメータを変更して（ステップＤ７）、ステップＤ４で再度、相関式を計算する。すなわち、相関式により得られる寸法と測定寸法との偏差の２乗和の値が最小になるように、波形パラメータを順次変化させて、相関式の計算を繰り返す。
【０１０８】
相関式により得られる寸法と測定寸法との偏差の２乗和の値が予め定められた許容範囲内であると判断した場合には、そのときの波形パラメータおよび係数を、反射スペクトルの計算値を計算するために設定した相関式に使用する値として決定する（ステップＤ８）。
【０１０９】
本実施例では、次のように、相関式の波形パラメータを決定した。
【０１１０】
波形パラメータとして、ピーク波長（λｐ）、ピーク強度（Ｉｐ）、波長４００ｎｍの強度（Ｉ１）、波長４００ｎｍと４５０ｎｍの強度の変化量（Ｄ１）、波長６００ｎｍと６５０ｎｍの強度の変化量（Ｄ２）の５種類の波形パラメータを初期値として用いた。
【０１１１】
測定が必要な寸法を回折格子の高さである場合、相関式は、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、を定数として、次のように示される。相関式から求まる回折格子高さをｈｃとした場合、ｈｃは次式（１）で与えられる。
【０１１２】
hc＝a1・λp＋a2・Ip＋a3・I1＋a4・D1＋a5・D2    …（１）
【０１１３】
ここで、ｎ個の試料についての反射スペクトル、および、ＳＥＭ観察した回折格子高さ（ｈｓ）がある場合には、下記微分式から、定数ａ１〜ａ５を決定することができる。なお、使用する波形パラメータが５種類の場合、ｎは５以上とする必要があるが、ある程度精度を得るためには、好ましくは、ｎは２０以上とされる。
【０１１４】
Σ（d(hc-hs)2/dλp）＝0       …(２)
【０１１５】
Σ（d(hc-hs)2/dIp）＝0        …(３)
【０１１６】
Σ（d(hc-hs)2/dI1）＝0        …(４)
【０１１７】
Σ（d(hc-hs)2/dD1）＝0        …(５)
【０１１８】
Σ（d(hc-hs)2/dD2）＝0       …（６）
【０１１９】
ここで、例えば（２）式は、ｎ個の試料についての（ｈｃ−ｈｓ）２の和をλｐで微分した値が０になることを示している。
【０１２０】
このように求めた定数を使用して、（１）式から、回折格子高さ（ｈｃ）を求めたところ、ＳＥＭ観察した回折格子高さ（ｈｓ）との差が大きく、その差にλｐとの相関が見られた。
【０１２１】
次に、波形パラメータを、ピーク波長（λｐ）、ピーク波長の２乗（λｐ２）、ピーク強度（Ｉｐ）、ピーク強度の２乗（Ｉｐ２）、波長４００ｎｍの強度（Ｉ１）、波長４００ｎｍと４５０ｎｍの強度の変化量（Ｄ１）、波長６００ｎｍと６５０ｎｍの強度の変化量（Ｄ２）、波長４００ｎｍの強度と波長４００ｎｍから４５０ｎｍまでの強度の変化量との積（Ｉ１・Ｄ１）の積の８種類の値に再設定した。相関式は、上記と同様に、ｂ１からｂ８を定数として、次のように示される。
【０１２２】
hc＝b1・λp＋b2・λp2＋b3・Ip＋b4・Ip2＋b5・I1＋b6・D1＋b7・D2＋b8・I1・D1            …（７）
【０１２３】
ここで、前述の方法と同じ手法で、ｂ１からｂ８の値を決定することにより、相関式が決定でき、上記（７）式から、回折格子高さを求めたところ、ＳＥＭ観察した回折格子と良く一致する結果を得た。
【０１２４】
以上の方法で求まった、相関式を用いることにより、図１４のＡ以下に示す手順で反射スペクトルから、回折格子の高さを解析することが可能になる（ステップＤ９〜Ｄ１１）。測定する試料の形状が大きく変わらない場合には、Ａ以下の計算手順を繰り返すことで試料の形状評価が可能となる。
【０１２５】
なお、本実施例においては、回折格子高さについて、相関式を求めたが、回折格子デューティ比についても同様の方法で相関式を求めることができる。
【０１２６】
上記実施例では、回折格子の高さを制御が必要な寸法として取り扱ったが、回折格子高さに相関のあるデバイス特性を制御が必要な値とすることも可能である。
【０１２７】
例えば、半導体レーザでは、図１３に示した半導体層の屈折率が同じである場合、回折格子高さはデバイスを評価することにより得られる結合係数と相関があり、発振閾値、スロープ効率とも相関を有している。従って、図１５に示すように、ＳＥＭ観察により寸法を測定する代わりに、デバイス特性を評価する（ステップＥ２）ことによっても同様に相関式を求めることが可能となる。
【０１２８】
なお、図１４、図１５に示した処理は、測定装置（解析装置）を構成するコンピュータで実行されるプログラムの制御により実現してもよい。
【０１２９】
また、上記実施例では、反射スペクトルのピーク値、特定波長の反射率等を波形パラメータとして取り扱ったが、例えば、得られた反射スペクトルに対して、多項式近似を行い、各項の係数を相関式の波形パラメータとすることも可能である。
【０１３０】
すなわち、得られた反射スペクトルを二次関数で近似したときに、反射強度が、
ax2＋bx＋c（x：波長、a,b,c：定数）
と示される場合、a,b,cの値を波形パラメータとすることも可能である。
【０１３１】
また、特定の波長領域での反射スペクトルをそれぞれ多項式で近似することも可能であり、例えば、３００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲では、ガウス分布、５００から８００ｎｍの範囲では、３次多項式で近似し、それぞれの式の係数を波形パラメータとしても良い。
【０１３２】
また、本実施例においては、図１３に示した測定試料についての解析手法を示したが、図２（ａ）に示した測定試料や、図１１に示した測定試料についても同様に適用可能である。
【実施例４】
【０１３３】
前述した第１から第３の実施例では、光学顕微鏡やレーザ顕微鏡での測定が困難な微細な周期構造パタンの形状を測定することが実現されるが、この方法を用いて周期構造を持たない孤立パタンの寸法を精密に推定することも可能である。すなわち、同じ試料上に同じ手法を用いて孤立パタンと周期構造パタンを同時に作製し、予め両者の相関関係を調べておくことで、周期構造パタンの評価から孤立パタンの形状を測定することができる。
【０１３４】
図１６は、半導体基板３１上に同じ工程により形成した孤立パタン３２と回折格子パタン３３を示している。ＥＢ露光時の近接効果やエッチング時のパタン効果等により孤立パタンと回折格子パタンとで寸法に違いが生じる可能性を考慮して、図１７に示すような、予め測定した回折格子パタンと孤立パタンとの関係から、回折格子パタンの形状を本発明により測定することで、孤立パタンの形状を正確に推定することが可能になる。
【０１３５】
また、上記実施例では、周期構造パタンとして１方向に周期を有する回折格子パタンについて測定したが、２次元の微細構造についても同様に測定可能である。図１８は半導体基板上に形成した量子ドットパタンの模式図を示している。ＧａＡｓ基板上へ１０ｎｍ前後の横寸法を有するＩｎＡｓ量子ドットを結晶成長時に自己形成したものであるが、量子ドットによる多重反射の影響を反射スペクトルで観察できるため、形状寸法を解析することが可能となる。また、測定する微細構造として周期性が無い場合についても、パタン密度および寸法がある程度そろっていれば解析可能となる。
【０１３６】
また、上記実施例では、反射スペクトルについての解析結果を示しているが、透過スペクトルについても同様の解析が適用可能である。
【実施例５】
【０１３７】
上記実施例では、図６で示したように、試料の反射スペクトルを測定する機能と測定した反射スペクトルを解析する計算機７とが、光学的微細構造測定装置内に近接して設置されている場合を例に説明したが、本発明はかかる構成にのみ限定されるものではない。例えば図１９に示すように、微細構造測定装置と計算機とが離れた場所にあり、それらがネットワークにより接続されている場合においても、同様に測定可能である。
【０１３８】
この場合、ＳＥＭ等のデバイス形状測定装置やデバイス特性測定装置についても測定値を計算機にデータ送信できる構造とし、さらに、データ解析した結果を計算機に接続されている他のエッチング装置、露光装置、現像装置などのプロセス装置のプロセス条件へフィードバックすることも実施可能である。また、それぞれの装置がネットワーク接続されておらず、記録メディアを介してデータを受け渡し、離れた場所において測定および解析がそれぞれ実施される場合においても同様に実施可能である。
【０１３９】
また、測定データの解析のみを実施する、反射スペクトル解析センターを設置し、ネットワーク接続された生産工場との間で、データを送受信するシステムを適用することも可能である。
【０１４０】
図２０は、生産工場と反射スペクトル解析センターとのデータ送受信手順を示している。まず、生産工場では、測定する寸法あるいは特性が既知の複数試料の反射波形データを測定する（ステップＦ１）。
【０１４１】
該測定データを反射スペクトル解析センターへ送信する（ステップＦ２）。
【０１４２】
つぎに、反射スペクトル解析センターに設置されている反射スペクトル解析センター端末でデータ解析を実行する（ステップＦ３）。
【０１４３】
解析結果を生産工場へ送信する（ステップＦ４）。
【０１４４】
生産工場では、受け取った解析結果である相関式を微細構造測定装置に解析パラメータとして入力し（ステップＦ５）、試料の測定を実行する（ステップＦ６）。
【０１４５】
本実施例のシステムは、図１４のＤ３からＤ８のステップ、あるいは、図１５のＥ３からＥ８のステップを行うものであり、図１４あるいは図１５で示したように、いったんパラメータと相関式が決定すれば、Ａ以下のＤ９からＤ１１のステップ、あるいは、Ｅ９からＥ１１のステップを繰り返すことで、工程の寸法管理、あるいはデバイス特性を管理するための寸法管理が実施できるため、解析センターとのデータ送受信を実施するのは、新規試料の測定を実施するときのみである。
【０１４６】
以上のように、微細構造体の表面に測定光を入射し、反射光強度の波長依存性を、微細構造体の測定表面に平行な面以外での反射および干渉を考慮して解析することにより、微細構造体の形状を非破壊で容易に高精度で測定することが可能になる。
【０１４７】
また、以上のような微細構造解析システムを採用することにより、より高度で正確なデータ処理が可能となり、精密な形状評価が可能となるという効果がある。特に、測定する微細構造の形状が複雑になればなるほど、その効果は顕著である。
【産業上の利用可能性】
【０１４８】
本発明は、半導体デバイス製造工程における、リソグラフィ、エッチング、あるいは、結晶成長等により形成する微細構造、すなわち、半導体レーザ等に適用する回折格子構造、量子ドット構造、あるいは、キャパシタ等に適用する凹凸形状を有する粗面の測定に使用される微細構造測定方法およびその方法を用いた微細構造測定装置に適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１４９】
【図１】本発明に係る微細構造解析手順を説明するためのフローチャートである。
【図２】本発明に係る微細構造測定方法における実施の形態を示す試料測定時の構造体形状と測定光の反射特性を示す断面図、および、本発明に係る微細構造測定方法における原理を示す図である。
【図３】本発明に係る微細構造測定方法における原理を説明するためのＩｎＰ基板による反射スペクトルを示す図である。
【図４】本発明に係る微細構造測定方法における原理を説明するための反射スペクトル計算の一例を示す図である。
【図５】本発明に係る微細構造測定方法における原理を説明するための反射スペクトル計算の一例を示す図である。
【図６】本発明に係る微細構造測定装置における第一の実施例の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明に係る微細構造測定装置における第一の実施例の計算手順を説明するためのフローチャートである。
【図８】本発明の実施例で測定した回折格子の断面形状を示す電子顕微鏡写真である。
【図９】本発明の実施例で測定した回折格子の反射スペクトルおよびパラメータフィッティング結果を示す図である。
【図１０】本発明の実施例で測定した回折格子高さおよび山谷デューティ比の測定結果を示す図である。
【図１１】本発明に係る微細構造測定方法における第２の実施例を示す試料測定時の構造体形状と測定光の反射特性を示す断面図である。
【図１２】本発明に係る微細構造測定装置の実施例の計算手順を説明するためのフローチャートである。
【図１３】本発明に係る微細構造測定方法における第３の実施例を示す試料測定時の構造体形状と測定光の反射特性を示す断面図である。
【図１４】本発明に係る微細構造測定装置の実施例の計算手順を説明するためのフローチャートである。
【図１５】本発明に係る微細構造測定装置の実施例の計算手順を説明するためのフローチャートである。
【図１６】本発明の実施例における孤立パタンの形状評価を回折格子パタンの形状評価結果から推定する方法を説明するための説明図である。
【図１７】本発明の実施例における孤立パタンと回折格子パタンの形状の関係を示す図である。
【図１８】本発明に係る微細構造測定方法における実施例を示す微細構造の形状を示す図である。
【図１９】本発明に係る微細構造測定装置の実施例がネットワーク接続された状態を示す図である。
【図２０】本発明に係る微細構造測定システムの実施例の動作を示す図である。
【符号の説明】
【０１５０】
１    測定試料
２    試料台
３    対物レンズ
４    測定用光源
５    光学モニター
６    光検出器
７    計算機
１１    台形形状の山部での反射光
１２    台形形状の谷部での反射光
１３    台形形状の斜面での多重反射光
１４    台形形状の斜面での多重反射光
１５    散乱光１６平面部での多重反射光
２１    半導体基板
２２    半導体層Ａ
２３    半導体層Ｂ
２４    半導体層Ｃ
３１    基板
３２    孤立パタン
３３    回折格子パタン
４１    量子ドット
【図１】
2005291859.tif 000003
【図２】
2005291859.tif 000004
【図３】
2005291859.tif 000005
【図４】
2005291859.tif 000006
【図５】
2005291859.tif 000007
【図６】
2005291859.tif 000008
【図７】
2005291859.tif 000009
【図８】
2005291859.tif 000010
【図９】
2005291859.tif 000011
【図１０】
2005291859.tif 000012
【図１１】
2005291859.tif 000013
【図１２】
2005291859.tif 000014
【図１３】
2005291859.tif 000015
【図１４】
2005291859.tif 000016
【図１５】
2005291859.tif 000017
【図１６】
2005291859.tif 000018
【図１７】
2005291859.tif 000019
【図１８】
2005291859.tif 000020
【図１９】
2005291859.tif 000021
【図２０】
2005291859.tif 000022