(57)【要約】パターン付半導体ウェーハ上にある層の厚さ（他の特性）を高速高解像度マッピングするシステムが開示されている。システムは、複数の空間位置をそれぞれ同時に撮像する分光計を一つまたはそれ以上有する。一つの例において、分光計は、スペクトルデータを測定する撮像装置を一軸にまた、空間データを測定する撮像装置を他軸にもつ二次元ＣＣＤ撮像装置を有する。試験用パターン付ウェーハのスペクトル反射またはスペクトル透過は、ウェーハが撮像スペクトル計の下（または上）を通過することによって、また連続的な複数の空間位置に対する連続的な反射像または透過像を撮像することによって得られる。その結果、別々の位置での層の厚さ又は他の特性を求めるために、スペクトル反射マップまたはスペクトル透過マップが解析される。
2004502952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜の一つまたはそれ以上の特性を測定する装置であって、
膜に光を向ける光源と、
膜の空間位置の一次元パターンを介して反射された光または透過された光を受光し、それによりパターンの一つまたはそれ以上の空間位置に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを求める一次元撮像分光計と、
分光計に対して膜を相対移動させる移動機構と、
（ａ）膜に沿った空間位置の複数の一次元パターンに対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを分光計から得て、（ｂ）これらの反射スペクトルまたは透過スペクトルを結合して膜の二次元領域に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを得て、（ｃ）それにより膜の一つまたはそれ以上の特性を求めるプロセッサとを有するシステム。
【請求項２】
分光計が、第一及び第二空間次元両方に沿って１ｍｍまたはそれ以上の解像度を設けるように構成される請求項１のシステム。
【請求項３】
領域に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルが、１ｍｍまたはそれ以上の空間解像度を有する請求項１のシステム。
【請求項４】
移動機構が、分光計または分光計及び光源に対して膜を支持しているプラットフォームを移動させるように構成される請求項１のシステム。
【請求項５】
移動機構が、膜を支持しているプラットフォームに対して分光計または分光計及び光源を移動させるように構成される請求項１のシステム。
【請求項６】
プロセッサが、一つまたはそれ以上の所望の測定位置で層の一つまたはそれ以上の特性を求めるように構成される請求項１のシステム。
【請求項７】
プロセッサが、二次元領域に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルの少なくとも一部分を解析することにより、一つまたはそれ以上の所望の測定位置の少なくとも一部分を位置決めするように構成される請求項６のシステム。
【請求項８】
プロセッサが、位置を取り囲む領域またはその範囲内でモデル化された反射スペクトルまたは透過スペクトルと実反射スペクトルまたは透過スペクトルとを比較することにより、ある位置での一つまたはそれ以上の特性を求めるように構成される請求項７のシステム。
【請求項９】
プロセッサが、実反射スペクトルまたは透過スペクトル及びモデル化された反射スペクトルまたは透過スペクトルが所定の許容差内となるまで、一つまたはそれ以上のモデリング仮定条件または実反射スペクトルまたは透過スペクトルの位置を変更するように構成される請求項７のシステム。
【請求項１０】
プロセッサが、一つまたはそれ以上の所望の測定位置で膜厚を求めるように構成される請求項６のシステム。
【請求項１１】
プロセッサが、一つまたはそれ以上の所望の測定位置で光定数を求めるように構成される請求項６のシステム。
【請求項１２】
プロセッサが、一つまたはそれ以上の所望の測定位置でドーピング密度を求めるように構成される請求項６のシステム。
【請求項１３】
プロセッサが、一つまたはそれ以上の所望の測定位置で屈折率を求めるように構成される請求項６のシステム。
【請求項１４】
プロセッサが、一つまたはそれ以上の所望の測定位置で吸光係数を求めるように構成される請求項６のシステム。
【請求項１５】
移動機構が、半導体マイクロエレクトロニクスを製造する装置と一体である請求項１のシステム。
【請求項１６】
分光計が、ライン形状で空間位置の一次元パターンに対する反射または透過スペクトルを求めるように構成される請求項１のシステム。
【請求項１７】
ラインが線形である請求項１６のシステム。
【請求項１８】
ラインが非線形である請求項１６のシステム。
【請求項１９】
二次元領域に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルが、連続したラインの反射スペクトルまたは透過スペクトルを結合したものである請求項１６のシステム。
【請求項２０】
分光計が、ワイヤレスインターフェイスを介してプロセッサに反射スペクトルまたは透過スペクトルを連絡するように構成される請求項１のシステム。
【請求項２１】
分光計が、ワイヤラインインターフェイスを介してプロセッサに反射スペクトルまたは透過スペクトルを連絡するように構成される請求項１のシステム。
【請求項２２】
分光計が、一つまたはそれ以上の光通信リンクを介してプロセッサに反射スペクトルまたは透過スペクトルを連絡するように構成される請求項１のシステム。
【請求項２３】
一次元撮像分光計が、膜の空間位置の複数の一次元パターンを介して反射された光または透過された光を受光するように構成され、パターン内の一つまたはそれ以上の空間位置に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを上記パターンそれぞれに対して求め、分光計が、第一空間次元及び第二空間次元両方に沿って１ｍｍまたはそれ以上の解像度を設けるように構成されている請求項１のシステム。
【請求項２４】
膜の一つまたはそれ以上の特性を測定する方法であって、膜に光を向け、
膜の空間位置の一次元パターンを介して反射された光または透過された光を受光し、それによりパターン内の一つまたはそれ以上の一次元空間位置に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを求め、
膜の空間位置の更なる一次元パターンに対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを得て、
これらの反射スペクトルまたは透過スペクトルを結合して膜の二次元領域に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを得て、それにより膜の一つまたはそれ以上の特性を求める方法。
【請求項２５】
領域に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルが、１ｍｍまたはそれ以上の空間解像度を有する請求項２４の方法。
【請求項２６】
一つまたはそれ以上の所望の測定位置で膜の一つまたはそれ以上の特性を求める請求項２４の方法。
【請求項２７】
二次元領域に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルの少なくとも一部分を解析することにより、一つまたはそれ以上の所望の測定位置の少なくとも一部分を位置決めする請求項２６の方法。
【請求項２８】
位置を取り囲む領域またはその範囲内でモデル化された反射スペクトルまたは透過スペクトルと実反射スペクトルまたは透過スペクトルとを比較することにより、ある位置での一つまたはそれ以上の特性を求める請求項２６の方法。
【請求項２９】
実反射スペクトルまたは透過スペクトル及びモデル化された反射スペクトルまたは透過スペクトルが所定の許容差内となるまで、一つまたはそれ以上のモデリング仮定条件または実反射スペクトルまたは透過スペクトルの位置を変更する請求項２８の方法。
【請求項３０】
一つまたはそれ以上の所望の測定位置で膜厚を求める請求項２４の方法。
【請求項３１】
一つまたはそれ以上の所望の測定位置で光定数を求める請求項２４の方法。
【請求項３２】
一つまたはそれ以上の所望の測定位置でドーピング密度を求める請求項２４の方法。
【請求項３３】
一つまたはそれ以上の所望の測定位置で屈折率を求める請求項２４の方法。
【請求項３４】
一つまたはそれ以上の所望の測定位置で吸光係数を求める請求項２４の方法。
【請求項３５】
膜に沿った連続した空間位置の連続した一次元パターンに対する反射スペクトルまたは透過スペクトルをライン形状で得る請求項２４の方法。
【請求項３６】
ラインが線形である請求項３５の方法。
【請求項３７】
ラインが非線形である請求項３５の方法。
【請求項３８】
２次元領域に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを形成するために、連続したラインに対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを結合する請求項３５の方法。
【請求項３９】
膜の空間位置の複数の一次元パターンを介して反射された光または透過された光を受光し、パターン内の一つまたはそれ以上の一次元空間位置に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを上記パターンそれぞれに対して求める請求項３８の方法。
【請求項４０】
膜の一つまたはそれ以上の特性を測定するシステムであって
膜に光を向ける手段と、
膜の空間位置の一次元パターンを介して反射された光または透過された光を受光し、それによりパターン内の一つまたはそれ以上の空間位置に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを求める手段と、
分光計に対して膜を相対移動させる手段と、
（ａ）膜に沿った空間位置の複数の一次元パターンに対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを分光計から得て、（ｂ）これらの反射スペクトルまたは透過スペクトルを結合して膜の二次元領域に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを得て、（ｃ）それにより膜の一つまたはそれ以上の特性を求める手段とを有するシステム。
【請求項４１】
膜の一つまたは他の特性を測定する方法であって、
膜に光を向ける工程と、
膜の空間位置の一次元パターンを介して反射された光または透過された光を受光し、それによりパターン内の一つまたはそれ以上の一次元空間位に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを求める工程と、
膜の空間位置の更なる一次元パターンに対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを得る工程と、
これらの反射スペクトルまたは透過スペクトルを結合して膜の二次元領域に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを得る工程と、
それにより膜の一つまたはそれ以上の特性を求める工程とを有する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本出願は米国特許出願出願番号０９／６１１，２１９号（２，０００年６月６日出願）の一部継続出願であり、それは本明細書内に参照として完全に組込まれている。
【０００２】
（発明の背景）
本発明は、一般に膜厚測定分野に関するものであり、特に、半導体ウェーハの製造及びその処理などの領域内における膜測定分野であって、膜厚の測定される層がパターン化されたサンプル上に存在するものである。
【０００３】
多くの工業プロセスが精密な膜厚制御を必要とする。半導体プロセスにおいて、例えば、半導体ウェーハは、金属、金属酸化物、絶縁体、シリコン二酸化物（ＳｉＯ２）、シリコン窒化物（ＳｉＮ）、ポリシリコンまたは類似するものを包含するグループ内の材料からなる一つまたは複数の層を、シリコンなどの材料で作られた基板上に積み重ねて製造される。多くの場合、これらの層は化学蒸着法（ＣＶＤ）などの公知の処理によって重ねられ、またエッチングにより除去され、更に化学的機械的研磨法（ＣＭＰ）などの公知の処理によりポリッシングされて除去される。必要とされる精度のレベルは、０．０００１μｍ（原子厚さより小さい）から０．１μｍ（原子厚さ数百分）の範囲である。
【０００４】
上記の処理が行われた後に該処理の精度を求めるために、または、それぞれの処理によって加えられたまたは除去された材料の量を求めるために、それぞれの生産物ウェーハ上にある（すなわち、売却可能生産物を含む生産されたウェーハそれぞれ上にある）層厚を測定することが有効である。そのウェーハは、通常０．１μｍから１０μｍ幅のオーダである形状がパターン付けされている。これらの形状により覆われた領域は膜特性の測定には通常不適当であり、そのために特殊な測定「パッド」がウェーハ上の様々な場所で設けられる。これらの測定パッドによって占められるウェーハ上の領域を最小化するために、パッドは非常に小さく通常は約１００×１００平方マイクロメートルの大きさである。このようにパッドのサイズが小さいことにより、スポットサイズの測定や大きなパターン付ウェーハ上への測定パッドの配置の点で、膜測定装置に問題を生じる。
【０００５】
今日まで、製品歩どまりおよび処理能力に対して膜圧測定が望ましい効果を及ぼすことは広く理解されているが、その膜厚測定はある重要な処理工程の後にのみ行われ、また一般的に少数のウェーハのみについて行われている。この理由として、パターン付ウェーハの厚さを測定する現行のシステムは、測定に時間がかかり、また複雑で高価であり、そして半導体製造用クリーンルーム内に相当な場所を要するためである。
【０００６】
パターン付およびパターンなし半導体ウェーハ両方の上にある薄膜の厚さを測定する最も広く使用されている技術はスペクトル反射法である。パターン付ウェーハ上の厚さを測定する従来のシステムは、所定の測定パッド位置でスペクトル反射を検出して測定するために、パターン認識ソフトウェアと機械的移動装置を有する高倍率顕微鏡式光学装置を使用している。このタイプのシステムの例が、ナノメトリクス社（Ｎａｎｏｍｅｔｒｉｃｓ）およびケーエルエーテンコール社（ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ）により製造されている。このシステムは遅すぎて半導体処理と共に使用することができず、そのために半導体処理速度を膜の監視ができる速度に抑えなけらばならない。
【０００７】
パターン付膜の厚さを測定する新しい手法が、米国特許第５，４３６，７２５号に記載されている。この方法は、ＣＣＤカメラを使用し、異なる波長の単色光をウェーハに連続照射することによって全体にパターンが付されたウェーハのスペクトル反射を撮像する。使用されるＣＣＤ撮像装置の解像度および撮影速度には限界があることから、測定パッドを解像するためにより高倍率なウェーハの別画像が必要となる。これらの新たな別画像を得るためには多くの時間を要し、また、複雑な移動レンズシステムと機械的移動装置を必要とする。その結果、従来の顕微鏡／パターン認識式スペクトル反射率システムに関する処理速度と性能の改善は疑わしいものである。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、半導体処理工程中、またはその処理工程の間、若しくはその処理工程後に、パターン付ウェーハの膜厚や他の特性を迅速に測定する装置と方法を提供することである。
【０００９】
別の目的は、多層サンプルまたはパターンサンプルにおける個々の膜の膜厚および他の特性を正確に測定できる膜測定装置および方法を提供することである。
【００１０】
更なる目的は、先行技術の欠点を解消する薄膜測定用光学的装置および方法を提供することである。
【００１１】
更に、主体発明の目的は、上述の目的を単独または組み合わせた状態で達成するまたは利用することを有する。新たな目的および利点は、本明細書内に記載されており、また本発明を実施する当業者には明白である。
【００１２】
（本発明の要約）
本発明は、膜の一つまたはそれ以上の特性を測定するシステムを提供する。光源は、膜に光が向くように構成されている。一次元撮像分光計は、膜上の空間位置の一次元パターンを介して反射された又は透過された光を受けるように、またそれによりパターン内の一つまたは複数の空間位置での反射または透過スペクトルを求めるように構成されている。分光計は、第一空間次元と第二の空間次元に沿って１ｍｍまたはそれ以上の解像度を有するように構成されている。
【００１３】
移動機構は、分光計または分光計と光源に対して膜を相対移動させるように構成されている。処理装置は、（ａ）膜に沿った空間位置の複数の一次元パターンに対する反射または透過スペクトルを分光計から得る、（ｂ）これらの反射または透過スペクトルを結合し、それによって膜の二次元領域に対する反射または透過スペクトル（１ｍｍまたはそれ以上の空間解像度を有するスペクトル）を得る、（ｃ）それにより膜の一つまたはそれ以上の特性を求める、ように構成されている。
【００１４】
本発明はまた、膜の一つまたはそれ以上の特性を測定する方法を提供する。光は膜に向けられ、その光は膜の空間位置の一次元パターンを介して反射されるまたは透過される。反射した又は透過した光は受光され、それによりパターン内の一つまたはそれ以上の一次元空間位置に対する反射または透過スペクトルが求められる。
【００１５】
膜上の空間位置の新たな一次元パターンに対する反射または透過スペクトルが更に受光される。これらの反射または透過スペクトルは、膜の二次元領域に対する反射または透過スペクトルを得るために結合され、この領域に対する反射または透過スペクトルは１ｍｍまたはそれ以上の空間解像度を有する。膜の一つまたはそれ以上の特性は、二次元領域に対する反射または透過スペクトルにより求められる。
【００１６】
一つの実施形態において、分光計は、サンプル上の複数の各空間位置に対する反射または透過スペクトルを並行または同時に撮像するように構成されている。分光計は、複数の空間位置を介して反射された又は透過された平行光を受光するためにプリズムまたは回折格子などの波長分散要素を有する。波長分散要素は、それらの各位置に対する光をそれを構成する波長成分に並行または同時に分割する。分光計は更に、各位置に対する構成波長成分を受光するために撮像装置を有し、そこから各位置に対する反射又は透過スペクトルを求める。
【００１７】
一つの実施例において、システムは、それぞれに強度（輝度）を備える複数の波長成分を有するサンプルを介して反射された又は透過された光から、サンプル上の少なくとも一膜を測定するように構成されている。一連の空間的に連続した一空間次元のスペクトル反射像または透過像が、一空間次元分光計の撮像装置でウェーハを走査することによって得られる。それにより得られた一連の一空間次元スペクトル像が配列され、ウェーハの二空間次元スペクトル像が形成される。一つまたはそれ以上の所望の測定位置でのスペクトルデータが解析され、膜厚などのパラメータが求められる。
【００１８】
本発明の他のシステム、方法、特徴および利点は、当業者には明らかであり、また、後の図面および詳細な説明を検討することにより明らかになっていく。全ての上記システム、方法、特徴および利点は、本明細書内に含まれ、また本発明の範囲でもあり、これらは添付の請求項により保護される。
【００１９】
（好適な実施例の詳細な説明）
本発明に係る撮像システムの第１実施形態は、透明または半透明な膜の厚さ測定などの用途に使用するのが適切であり、図１に示されている。測定される膜の好ましい厚さは０．０１μｍから５０μｍの範囲である。しかし、この範囲は単なる一例であって、限定的なものでないと理解すべきである。この実施形態は、ウェーハカセットの素早い測定を容易にするウェーハ移送ステーション１と共に使用するように構成されている。このステーションは、複数の個々のウェーハ１ａ、１ｂ、１ｃを収納し、これらのウェーハから選択された一つのウェーハ１ｄをプラットフォーム２上に配置するように構成されている。この実施形態はまた、光源３からプラットフォーム２にあるウェーハに光を送るために、光ファイバ９またはファイバ束に連結された光源３を有する。光源３は白色光源が望ましい。光源３はタングステン−ハロゲンランプまたは類似したものが好ましく、その出力は長時間にわたって実質的に不変であるように調節されている。説明上、図にはサンプルを共に有するウェーハ１ｄ上の膜の厚さを測定するために使用されている本実施形態が示されているが、本実施形態は多層膜を有するサンプル内の個々の膜の厚さを測定するために有利に使用できるものと理解すべきである。
【００２０】
この実施形態はまた、レンズアセンブリ４、スリット５、レンズアセンブリ６、回折格子７、二次元撮像装置８を有するライン撮像分光計１１を有する。ライン撮像分光計は以下のように動作する。光源３からの光は、ファイバ束９を通過し、次にウェーハ１ｄの膜に当たる。光は、ウェーハで反射し、レンズアセンブリ４によって受光される。レンズアセンブリ４は、スリット５に光の焦点を合わせる。スリット５は、光を受け、ウェーハ１ｄに対応するラインのライン像を形成する。ライン像は、空間次元に沿って配列される。ライン像は、第２レンズアセンブリ６によって受光され、次に回折格子７を通過する。
【００２１】
回折格子７は、ライン像を受け、各格子に入ったそれぞれの光部分（ｓｕｂｐｏｒｔｉｏｎ）をスペクトル次元に沿って配置されるそれの構成波長成分に切断する。一つの実施において、スペクトル次元は空間次元と直交する。その結果、二次元撮像装置８によって撮像された二次元スペクトルライン像が形成される。一つの実施例において、撮像装置はＣＣＤであり、空間次元は水平次元、スペクトル次元は垂直次元である。この実施において、スリット像に沿った水平方向のＣＣＤ画素位置それぞれでのスペクトル成分は、ＣＣＤアレイの垂直次元に沿って投射される。
【００２２】
分光計１１に関する詳細が図２に示されており、そこでは図１と類似の構成要素は類似の符号によって示されている。図示するように、ウェーハ１ｄからの反射光（図には、反射光の二つの光線１３ａ、１３ｂが別々に示されている）は、レンズアセンブリ４によって受光され、次にスリット５に焦点を合わす。スリット５は光のライン像を形成し、そのライン像の一部が空間次元に沿って配置される。ライン像はレンズアセンブリ６に向けられる。レンズアセンブリ６は、ライン像を回折格子７に向ける。回折格子７は、ライン像の各部をその構成波長成分に切断する。ライン像の各部分に対する波長成分は、スペクトル次元に沿ってそれぞれ配置される。ライン像の各部分に対する波長成分は、二次元撮像装置８によって個々に撮像される。したがって、光線１３ａに対する波長成分は、画素１４ａ、１４ｂ、１４ｃそれぞれによって個々に撮像される。同様に、光線１３ｂに対する波長成分は、画素１５ａ、１５ｂ、１５ｃそれぞれによって撮像される。
【００２３】
図１に関して、光源３とプラットフォーム２は、一方が他方に対して移動可能である。加えて、プラットフォーム２と分光計１１は、一方が他方に対して移動可能である。一つの実施例において、光源３および分光計１１は固定されており、プラットフォーム２はＸ方向１２に移動可能である。
【００２４】
運転中、ファイバ束９からの光は、ウェーハ移送ステーション１にあるプラットフォーム２上のウェーハ１ｄに反射される。光は一次元撮像スペクトル計１１によって検出される。分光計は、一つまたはそれ以上の信号線またはワイヤレスインターフェイスを介してコンピュータ１０にスペクトル情報と空間情報を伝達する。スペクトル反射データは、ウェーハ１ｄがプラットフォーム２によって一空間次元撮像分光計の下を移動する間に、この手法により連続的に取り込まれる。このようにしてウェーハ全体が走査されると、コンピュータ１０は、ウェーハの二空間次元像を作成するために、連続的に得た一次元空間データを使用する。この二次元マップは、ウェーハ上それぞれの位置での単一波長の測定された信号強度を画像内に組込むことによって作成される。この二次元像は、ウェーハ上の特定の位置に対する画素を検出するために使用される。これらの画素に関連するスペクトル反射データは、膜厚を精密に評価するのに適当な技術を使用することによって解析される。通常、膜厚は、異なる厚さの層に対する理論的または実験的に決定された一連のスペクトルに測定されたスペクトルを照合することによって決定される。
【００２５】
上述の実施形態において、波長の関数である反射光の強度を決定する手段としてＣＣＤを基礎とする一空間次元撮像分光計が示されまた説明されているが、この機能を実行する他の手段でも可能であり、図に示された種類以外の一空間次元撮像分光計も可能であるのは認めるところである。
【００２６】
上述の実施形態は半導体ウェーハに関連して説明され、この機能を実行するウェーハ移送ステーションと組み合わせた状態で図示されているが、この実施形態は他の環境内においてまた他の処理装置と組み合わせて使用することが可能である。他の可能である用途には、自動車のプラスチック部品、めがねレンズ、プラスチックパッケージ用途に類似するものに薄膜擦傷耐性コーティングおよび／または無反射コーティングを設けることも含まれ、用途にはフラットパネルディスプレイの製造において特有のポリミイドおよび絶縁塗料を設けることも含まれる。実際、膜測定が必要とされる用途または工業的処理に本実施形態を使用することは可能である。
【００２７】
上述の実施形態における主要な利点の一つは、リアルタイムな用途に対し特に適しているということである。理由として、時間を要する光学部品の角掃引又は機械掃引を用いたデータ収集工程が不要であるためである。例えば、本実施形態において、一空間次元撮像分光計は、機械的工程または類似するものを必要とせず、入射光の強度のデジタル値を波長の関数として直接提供する。また、測定パッドの解像が実際できるように、十分な数の画素を備えたＣＣＤを用いたデジタル式ラインスキャンカメラが利用される。加えて、コンピュータによって実行される多くの解析およびパターン認識工程の数は、極めて僅かに限られている。これは、ウェーハ全体の画像が作成されるからであり、そのために顕微鏡機器等を用いてウェーハの少数領域だけを一時に観察する場合に必要とされる複雑なパターン認識ルーチンが不要になる。
【００２８】
本発明の第２実施形態は、パターン付半導体ウェーハの上に蒸着された誘導体などの透明なまたは半透明な膜を測定するのに適しており、図３に示されている。図１および図２と比べてみれば判るように、類似する構成要素に類似する符号が付されている。本実施形態は、ウェーハ１ｄが真空処理内または移送チャンバ１７にあることを除いて上述の実施形態と類似する。走査に必要なウェーハの移動は、処理チャンバアセンブリ内部でウェーハを移動させるために使用される移送ロボット１７によって行われる。これらの移送ロボットは、光源３と分光計１１に対してウェーハ１ｄをＸ方向に移動させる。ウェーハ１ｄの視認は、ビューポート１８によって行われる。特に、光源３からの光は、ファイバ束９を通りビューポート１８を介してウェーハ１ｄ上に当たるように向けられている。加えて、ウェーハ１ｄで反射された光は、ビューポート１８を通過した後、分光計１１によって受光される。移送ロボット１７がＣＶＤ処理の一部である移送ステーション１６を介してウェーハ１ｄを移動させるに従い、ウェーハ１ｄの連続部分のスペクトル測定が連続的に行われ、そのデータをプロセッサ１０に供給する。プロセッサ１０は、ウェーハ１ｄの全部分または重要部分の走査が完了した後に、受信した又は実行するデータの計算を連続的に実行する。上述の実施形態のように、プロセッサ１０はこのデータを使用して膜厚を求める。
【００２９】
第１実施形態に関して記載された利点に加えて、本実施形態は、ウェーハがそれぞれの処理間を通常移動運動している間に行われ迅速な直列膜厚測定を提供するという利点を有する。これは、処理速度を低下させることなく測定が行え、生産量に影響しないことを意味する。また、このユニットはコンパクトで現行装置上に配置可能であるために、必要とされるクリーンルームスペースが非常に小さくなる。加えて、付加される可動部分がないため、このシステムの信頼性は非常に高くなる。その上、完全に真空チャンバの外部に配置されるため、粒子または汚染物が製造プロセスに入らない。
【００３０】
上述の実施形態は、半導体ウェーハのＣＶＤ処理に関連して説明され、またこれを実行するＣＶＤステーションと組合わせて図示されている。しかし、この実施形態は他の環境内や他の処理装置と組み合わせて使用できる。実際、直列膜測定が必要とされる用途または工業的処理に、すなわち工業的処理進行中に膜測定を行いたい場合に、本実施形態を使用することが可能である。
【００３１】
本発明に係る実施形態の方法が図４に示されている。図示するように、工程２０において、膜のラインに対応するライン像が形成される。ライン像は、空間次元に沿って配置された複数の部分を有する。工程２０の後に続く工程２１では、ライン像の各部分が、それと関連する構成波長成分に切断される。各部分に対する波長成分が、スペクトル次元に沿って配置される。工程２１の後に続く工程２２では、各部分の波長成分のデータが個々に形成される。この処理は、膜の全部分または選択された部分の走査が終わるまで、膜の連続ラインに対して繰返される。生産歩どまりまたはこの処理判定時の、膜厚の計算または他の膜特性は、データを組合わせて求められる。
【００３２】
（例）
ＣＶＤ環境で使用される本発明の実施形態例において、光源３はタングステン／ハロゲン調整光源である。これは、ニューハンプシャー州セーラム市のストッカーアンドエール社（Ｓｔｏｃｋｅｒ ＆ Ｙａｌｅ，Ｉｎｃ．，Ｓａｌｅｍ，Ｎｅｗ Ｈａｍｐｓｈｉｒｅ）によって製造されている。
【００３３】
この実施形態におけるファイバ／ファイバ束９は、測定される表面に沿って均一な照明を提供するために一筋のファイバ状に構成されている。上記光ファイバ光学系の「ライン光」は、複数の企業（例えばストッカーアンドエール社）によって製造されている。
【００３４】
この例は、ＣＶＤ処理システム（Ｍｏｄｅｌ Ｐ５０００）と共に使用するように構成されている。該ＣＶＤ処理システムは、カルフォルニア州サンタクレア市のアプリードマテリアルズ社（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｉｎｃ．，Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）によって製造されている。光学的に透明であるビューポート１８が、標準的なＰ５０００の構成に設けられている。
【００３５】
この例におけるライン撮像分光計１１は、本出願の譲受人であるカルフォルニア州サンディエゴ市のフィルメトリクス社（Ｆｉｌｍｅｔｒｉｃｓ，Ｉｎｃ．，Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）によって製造されている。この分光計において、撮像装置８は、ＣＣＤ撮像装置である。ＣＣＤ撮像装置は、時間遅延調整式（ＴＤＩ式）ラインスキャンカメラ（ダルサ社製（Ｄａｌｓａ Ｉｎｃ．，）、Ｐａｒｔ Ｎｏ．ＣＴ−Ｅ４−２０４８）を組込んでいる。ＣＣＤ撮像影装置は、システム空間方向に２０４８画素、システムスペクトル方向に９６画素有する。透過回折格子７は、マサチューセッツ州エーアにあるオプトメトリクス社（Ｏｐｔｏｍｅｔｒｉｃｓ、Ｐａｒｔ Ｎｏ．３４−１２１１）によって製造されている。レンズ４および６は、３５ｍｍフォーマットカメラ用にデザインされた標準レンズである。ラインスキャンカメラは、最初の４８列の画素のみを読み出すエリアスキャンモードで動作される。その結果、データ読み取り速度は７００フレーム／秒より大きくなる。４８列のスペクトルデータは、ＣＶＤ蒸着層に必要とされる範囲の厚さの測定には十分である。
【００３６】
この例の実施形態の厚さ精度は、厚さ１，０００ｎｍの膜である場合、ウェーハ１枚あたり５秒の走査速度で±１ｎｍある。
【００３７】
本発明に係るシステムの商業的実形態を説明する。このシステムの構成要素の製造業者は、分光計に使用されるレンズアセンブリを除いて上述例の業者と同じである。３５ｍｍカメラに使用するように設計された標準的なレンズの代わりに、カリフォルニア州サウザンドオークにあるオプティクス１（Ｏｐｔｉｃｓ １）製の高品質レンズとミラーが使用される。これらのレンズとミラーは、白ラインと黒ラインからなるライン対を白黒交互に約４０ｌｐ（ライン対）／ｃｍの密度で配置した変調伝達関数（ＭＴＦ）は、問題の波長範囲全体対して７０％以上であるようなものである。
【００３８】
このシステムは、サンプル、例えばパターン付半導体ウェーハの所望の測定位置で個々の層の厚さを測定するように構成されている。これら所望な測定位置の座標は、システムに提供されている。正確な測定位置を検出する場合、複雑で信頼できない従来のパターン認識技術は信用できない。これら所望の位置それぞれのウェーハの厚さは、所望の測定位置を含む大きな領域に対する実反射スペクトルと層厚が仮定されている領域に対するモデル化された反射スペクトルとを比較することによって求める。比較の結果が所定の許容範囲内であれば、仮定された厚さ（仮定厚さ）は実厚さとなる。比較が所定の許容範囲内でなければ、仮定厚さは変更され、新しく仮定された厚さと整合するモデル化反射スペクトルが求められる。この処理は、比較が所定の許容範囲内になるまで続けられる。この処理は、所定の回数、例えば５回、ウェーハの層の所望測定位置で繰り返される。
【００３９】
この状況を、パターン付半導体ウェーハ５００を示している図５Ａと図５Ｂを参照することによってさらに説明する。図５Ａには、ウェーハ５００の上面図が示されている。図示するように、ウェーハ５００は、個々のダイ５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃに分割されている。予め決められた複数の測定位置５０４ａ、５０４ｂ、５０４ｃが設けられている。これらの測定位置は、ウェーハ５００表面上の隣接し合うダイの間の領域に通常配置されている。その理由として、これらの領域が、測定位置として使用されるようにデザインされているためである。このことは、図５Ａにおける一つのダイの断面例を示す図５Ｂによって理解できる。図示するように、この例において、断面は三つの層を有し、上部から底部にかけて符号５０６ａ、５０６ｂ、５０６ｃにより示されている。層５０６ｂと５０６ｃ内に設けられた形状の組み合わせにより、電界効果トランジスタ５１４ａ、５１４ｂ、５１４ｃが形成される。この例における層５０６ｃは、シリコン基板内にドープ領域５０６ａ、５０６ｂ、５０６ｃを設け、このドープ領域５０６ａ、５０６ｂ、５０６ｃはそれぞれトランジスタ５１４ａ、５１４ｂ、５１４ｃのソース／ドレイン領域として機能する。この例における層５０６ｂは、トランジスタ５１４ａ、５１４ｂ、５１４ｃそれぞれのゲートとして機能する５１０ａ、５１０ｂ、５１０ｃを有する。最上層５０６ａには、金属接触領域５１２ａ、５１２ｂ、５１２ｃが設けられ、ダイ加工の間、これらはゲート領域５１０ａ、５１０ｂ、５１０ｃのそれぞれと選択的に接続される。
【００４０】
この断面は、５０６ｃ、５０６ｂ、５０６ａの順に層を重ね合わせたものである。それぞれの層５０６ａ、５０６ｂ、５０６ｃを重ねる工程中、またはそれぞれの層を重ねた後に、これらの層の厚さを一点またはそれ以上の箇所で測定する必要がある。しかしながら、それぞれの層は形状を含んでいるため、それらの位置の反射スペクトルを正確にモデル化するのは困難である。例えば、層５０６ｃはソース／ドレイン領域５０８ａ、５０８ｂ、５０８ｃを有し、層５０６ｂはゲート領域５１０ａ、５１０ｂ、５１０ｃを有し、層５０６ａは接触領域５１２ａ、５１２ｂ、５１２ｃを有する。これらの形状は、ダイ内のこれらの領域の反射スペクトルのモデル化を複雑なものとする。モデリング処理を単純化するために、所定の測定ポイントは、一般に形状が少ない領域に決定され、それによってモデリング処理は単純化される。図５Ａに、これらの位置の例が、符号５０４ａ、５０４ｂ、５０４ｃで示されている。多くの場合、ウェーハパターンデザイン内の約１００マイクロメートル×１００マイクロメートルの開放領域が、膜特性測定位置として機能する。
【００４１】
図６Ａには、本システムの商業的実施形態６００の全体図が示されている。ウェーハ５００はプラットフォーム６３２上に支持されている。光源６０４は、光６３０をウェーハ５００表面の複数の位置６３４に、本商業的実施形態においてはウェーハ５００直径全体を横切るラインを描くように方向付ける。しかしながら、この実施形態に、複数の位置６３４にライン形状の一次元パターンを形成する以外に、不規則または曲線若しくはパターンなどの非線形ラインを形成でき、またウェーハ５００の全直径より小さいラインを形成することもできることは理解すべきである。
【００４２】
一次元撮像分光計６０２は、一つまたはそれ以上の位置６３４からの反射光を受光し、それにより一つまたはそれ以上の位置６３４に対する反射スペクトルを求める。ある位置に対する反射スペクトルは、波長または１／λ、ｎ／λ、ｎｄ／λなどの他の波長相関パラメータの関数である位置から反射された光の強度のスペクトルであり、ｎは層を構成する材料に対する反射率、λは波長、ｄは膜厚である。ウェーハ５００表面上のある位置に対する反射スペクトルの例が図７に示されている。
【００４３】
反射スペクトルが求められると、複数の位置６３４に対する該反射スペクトルは一つまたはそれ以上の信号ライン６２６を通じてプロセッサ６０６に提供される。それは、ケーブル、ワイヤライン接続、ワイヤレス接続、インターフェイス、光学インターフェイス、コミュニケーションリンク等を通じて実行してもよい。このデータは、ウェーハ５００表面上の他の位置から撮像されたデータと共に並行してプロセッサに提供される。代わりに、ウェーハ５００の表面全てまたは重要な部分の撮像が完了するまでデータの転送を延期してもよい。
【００４４】
移動機構６０８は、入射光６３０がウェーハ５００の表面全体を横切って走査できるように、分光計６０２と光源６０４に対して（または、分光計６０２へ）ウェーハ５００を相対移動させるように構成されている。移動機構６０８は、プロセッサ６０６または他の制御手段によって制御してもよい。本商業的実施形態において、移動機構６０８の制御はプロセッサ６０６により行われ、それが極細線６２８により図に示されている。また、本商業的実施形態において、入射光６３０がウェーハ５００の表面上に当たりウェーハ全直径に及ぶラインを描く場合、ウェーハ５００をＸ方向６３６に移動させる必要がある。しかし、他の実施形態では、ウェーハ５００を別の方向又は複数の方向を組み合わせた方向に移動させることも可能である。例えば、入射光がウェーハ５００の表面上にウェーハの全直径の半分に及ぶライン形状で当る場合、Ｘ方向にウェーハの片側半分を走査することによってウェーハ５００は全体が走査される。次に、入射光の下にあるウェーハ５００の残った未走査部分のためにＹ方向６３８にウェーハを移動し、その次にウェーハ５００をＸ方向に移動させることにより、ウェーハ５００の残りの半分が走査される。
【００４５】
本商業的実施形態において、複数の位置６３４がウェーハ５００の全直径に及ぶラインを描く場合、光源６０４と分光計６０２は一方が他方に対して固定される。また、移動機構６０８は、光源６０４と分光計６０２に対してＸ方向６３６にウェーハ５００を支持するプラットホーム６３２を連続移動させることによって、分光計６０２とウェーハ５００との間の相対移動ができるように構成されている。しかしながら、光源６０４と分光計６０２はプラットホーム６３２に対して光源６０４と分光計６０２を移動させることで、ウェーハ５００に対して移動可能としてもよい。さらに、光源６０４からの光をウェーハ５００の表面全体に当てることが可能であり、この場合分光計６０２に対してウェーハ５００を相対移動させるだけでよい。本商業的実施形態において、光源６０４は、白色光源６１０または少なくとも所望の波長範囲に波長成分を有する光源を有する。本商業的実施形態において、光源６０４は更にライトシェーパ６１２を有する。そのライトシェーパ６１２は、ファイバケーブルの束であり、図８に示すようにケーブルの外面６４０でファイバが長方形に集められている。長方形の外面６４０は、光源６１０からウェーハ５００の表面にウェーハの全直径に及ぶＹ方向にライン状に投射する。本実施形態の場合、１００ｍｍである。図８を参照して説明すると、長手方向（図面にＲで示されている）に用いられるファイバの数は約１０，０００本で、短辺方向（図面にＳで示されている）に使用されているファイバの数は約１０本である。他の大きさ及び形状でも可能であることは理解すべきである。しかし、ファイバケーブル以外のライトシェーパを使用することも可能であり、またライトシェーパを使用しなくてもよい。
【００４６】
本商業的実施形態の分光計６０２は、ウェーハ５００表面からの反射光の光路に沿って配置されたレンズアセンブリ６１４を有する。このレンズアセンブリは、反射光の大きさを長さ約１００ｍｍのラインから長さ約２６ｍｍのラインに減少させる。
【００４７】
分光計６０２は更に、スリット６１６、凹面ミラー６１８、凸面ミラー６２０を内部に有し、それらは、反射光６４２の光路に沿って配置されている。本商業的実施形態において、これらの光学構成要素は、レンズアセンブリ６１４の後に図６Ａに示された順序で配置されている。スリット６１６は、レンズアセンブリ６１４からの出射光をライン形状にする開口として機能する。ミラー６１８と６２０は、光路上で次に現れる透過回折格子６２２に光が当たるようにそれを方向付ける。上述のように、レンズ／スリット／ミラーアセンブリ全てが高品質であり、白ラインと黒ラインからなるライン対を白黒交互に約４０ｌｐ（ライン対）／ｃｍの密度で配置した変調伝達関数（ＭＴＦ）は、少なくとも７０％以上である。
【００４８】
レンズアセンブリ６１４、スリット６１６、ミラー６１８および６２０は、本発明の要点ではなく、これらの構成要素を全く用いずに実施することは可能であり、同等または類似の機能を果たす他の光学構成要素でも実施可能であることは理解すべきである。
【００４９】
一つの実施形態において、分光計６０２は、サンプルの表面における複数の空間位置それぞれに対する反射スペクトルを並行または同時に撮像するように構成されている。分光計は、複数の空間位置を表す平行光を受光するためにプリズムまたは回折格子などの波長分散要素を有する。その波長分散要素は、並行または同時に上記位置それぞれに対する光をその光を構成する波長成分に分割する。分光計は更に、一つまたはそれ以上の位置に対する波長成分を受光して上記位置それぞれに対する反射スペクトルを求める撮像装置を有する。本明細書に関して、「同時に」、「並行して」、「平行」は、厳密な時間的正確さを必要とせず、厳密な時間的正確さは、装置の実時間運転を妨害しない相対的な遅延（一つの実施では、１ミリ秒以下の遅延なら許される）など当業者が許容できる相対的遅延を考慮する余地がある。
【００５０】
本商業的実施形態において、光は、ＣＣＤ撮像装置近傍に配置されている回折格子６２２に当たり、再びライン形状に焦点を合わせられる。この状態は図６Ａに対する図６Ｂに記載されており、類似する構成要素は類似の符号で示される。図示するように、ライトシェーパ６１２の外面６４０からの入射光６３０は、ライン形状であり、ウェーハ５００の全直径に及ぶＹ方向のライン形状でウェーハ５００上に当たる。反射光６４２もまたライン形状であり、種々の大きさおよび形状に変更される工程を経て回折格子６２２に当たる。ライン６４４は、ライン６３４に沿ったウェーハ５００の対応する部分を表すそれぞれの部分に分割可能である。例えば、回折格子６２２に当たる光の部分６４４ａはウェーハ５００の部分６３４ａを表し、回折格子６２２に当たる光の部分６４４ｂはウェーハ５００の部分６３４ｂを表す。
【００５１】
回折格子６２２は、ライン６４４の各部分をそれを構成する波長成分に分割する。したがって、図６Ｂに示すように、格子６２２は、部分６４４ａをｎ個の波長成分λ０、・・・、λｎ−１に分割し、それはそれぞれ符号６４４ａ（０）、・・・、６４４ａ（ｎ−１）で示され、また部分６４４ｂをｎ個の波長成分λ０、・・・、λｎ−１に分割し、それはそれぞれ符号６４４ｂ（０）、・・・、６４４ｂ（ｎ−１）で示される。
【００５２】
ライン６４４の各部分からの波長成分は撮像装置６２４に当たり、撮像装置６２４は各波長成分の強度を測定する。撮像装置６２４は、これらの各強度のデータをプロセッサ６０６に提供する。
【００５３】
本商業的実施形態における撮像装置６２４は２，０４８画素×９６画素の解像度を有する。しかし、本商業的実施形態では垂直（スペクトル）次元に関して３２画素しか使用しない。空間次元において、センサ６０２は、撮像装置６２４の２０４８画素上に約１００ｍｍのウェーハを撮像し、各画素に撮像されるウェーハの表面は約５０μｍに相当する。スペクトル次元に関するスリット６１６の幅によってライン像と垂直方向に測定地点の寸法が決定され、スペクトル次元においても同様に５０μｍの測定地点寸法が選択される。その結果、測定地点寸法は、ウェーハ上の測定される全１００ｍｍライン上で約５０×５０平方マイクロメートルとなる。フィルメトリクス社製（Ｆｉｌｍｅｔｒｉｃｓ）ＳＴＭａｐｐｅｒなどの新たな商業的実施形態は、同じセンサを用いてより大きいウェーハを測定する。それは、ウェーハの連続した１００ｍｍ幅の列を同時に測定するために、複数のセンサを並べている。例えば、極めて一般的な直径２００ｍｍのウェーハは二つのセンサを並べることによって測定され、より大きい直径３００ｍｍのウェーハは三つのセンサを並べることによって測定される。
【００５４】
上述の特徴の組合せによって、ＣＣＤ撮像装置と開口スリット寸法は多数の画素を有し、分光計６０２は、Ｘ次元６３６およびＹ次元６３８などの第一空間次元または第二空間次元に１ｍｍまたはそれ以上の解像度を設ける。本商業的実施形態においては、Ｘ次元とＹ次元両方に約５０μｍの解像度を設けている。
【００５５】
層の走査が一度完了すると、プロセッサ６０６は、ウェーハ５００の表面全体または重要な部分に対する反射スペクトルの処理に移る。このデータは、図９に示すように表現することができる。符号９００ａは一番目の波長成分λ０に対する反射データを示し、符号９００ｂは二番目の波長成分λ１に対する反射データを示す。また、符号９００ｃは（ｎ−１）番目の波長成分λｎ−１に対する反射データを示す。本商業的実施形態において、各画素位置に対して３２個の波長成分が設けられている。これらの波長成分を収集することによって画素位置に対する反射スペクトルが構成される。したがって、図９のように、符号９０２ａ、９０２ｂ、９０２ｃで示された波長成分は、ウェーハの表面の画素に対する反射スペクトルを集合的に構成する。通常、それぞれの層に対して約１ギガバイトのデータが生じ、そのため、プロセッサはこのデータ量を記憶できる記憶装置を有しなければならない。このデータは１ｍｍまたはそれ以上の空間解像度を有する。本商業的実施形態において、データは約５０μｍの空間解像度を有する。本明細書に関して、「約」、「ほぼ」の用語は、当業者にとって許容できる許容差であることを意味する。一つの実施例において、±２５％の許容差は容認できる。
【００５６】
ある層に対するデータの収集が完了すると、プロセッサ６０６は、データを解析し、それにより一つまたはそれ以上の所望な測定位置での層厚または層の他の特性を求める。本商業的実施形態において、測定位置の座標は既知であり、プロセッサ６０６に利用されている。これらの座標は、通常、ウェーハの中心とウェーハの縁にある位置決め切欠き部などの一つまたはそれ以上のウェーハの反射点に対して形成される。プロセッサ６０６は、二次元反射または二次元透過マップを解析することによってウェーハの中心と位置決め切欠き部の位置を検出する。それによって、ウェーハに対するスペクトルデータの位置を求めてもよい。例えば、プロセッサ６０６がウェーハ縁を検出する画像処理を行い、次に縁から等距離の位置である中心を検出してもよい。再び画像処理を行い切欠き部を検出してもよい。この位置決めが終わると、プロセッサ６０６は得たデータに測定位置の座標を利用することができる。
【００５７】
プロセッサ６０６はまた、所望な位置またはそれを直接取り囲む領域での反射スペクトルを十分正確にモデル化するために、所望な測定位置でのウェーハの構成を示す情報を利用する。上記情報には、当該層（測定対象層）と当該層の下にある任意の層の構成、当該層内と当該層の下にある任意の層内に存在する金属導線または類似するものなどの形状の概要、また当該層の下にある任意の層の厚さが含まれる。所望な測定位置それぞれに関して、プロセッサ６０６は、その位置またはその周辺領域の反射スペクトルをモデル化するための情報を使用し、当該層の厚さを仮定するように構成されている。
【００５８】
当業者が認めているように、膜または膜積層物の構成及び特性が一度わかると、フレスネル式を適用することによって膜または膜積層物上のある位置に対する反射（または透過）スペクトルを簡単にモデル化することができる。その上、再びフレスネル式を適用することによって、膜の一つまたはそれ以上の特性を変化させた反射（または透過）スペクトルも簡単にモデル化される。フレスネル式についての情報を捕足するために、種々のウェブページを、例えば、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｒｅａｓｕｒｅ−ｔｒｏｖｅｓ．ｃｏｍ／ｐｈｙｓｉｃｓ／ＦｒｅｓｎｅｌＥｑｕａｔｉｏｎｓ．ｈｔｍｌを参照する。または、フレスネル式を使用する反射または透過スペクトルのモデリングについての情報を補足するためには、ニューヨークのジョン　ウィリー＆サンズ社（Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ）のハーランド　ジィ．トプキンス（Ｈａｒｌａｎｄ Ｇ．Ｔｏｍｐｋｉｎｓ）とウィリアム　エーマックガハン（Ｗｉｌｉａｍ Ａ．ＭｃＧａｈａｎ）共著による１９９９年出版の「分光学的偏光解析法及び反射率計法：ユーザーズガイド」などの種々のテキストを参照する。したがって、ここでは、モデリング処理について詳細に説明しない。上述のウェブページ、同様に上述のトプキンスとウィリアムのテキストは、本明細書内に参照として完全に取り込まれている。
【００５９】
プロセッサ６０６は更に、所望の測定位置またはそれを取り囲む領域内の位置に対するモデル化されたスペクトルと上記位置または取り囲む位置に対する実際の反射スペクトルとを比較するように構成されている。プロセッサは、モデル化されたスペクトルが実スペクトルの所定の許容範囲内であれば、仮定層厚を実際の層厚と決定する。比較が当該測定位置に対する所定の許容範囲内でない場合、プロセッサ６０６は、（ａ）仮定層厚を変更して新たに層厚を仮定し、それを使用して反射スペクトルの再モデル化を行うか、あるいは（ｂ）実反射スペクトルが測定された位置を変更する。プロセッサ６０６は、モデル化されたデータと実データが規定の許容範囲内になるまで比較を実行し続ける。代わりとして、プロセッサ６０６は、所望の最小測定位置を取り囲む予め決められた領域、例えば１０×１０画素領域内の各画素に対して比較を行い、実データとモデルデータ間の最近接適合（ｔｈｅ ｃｌｏｓｅｓｔ ｆｉｔ）を提供する位置を求める。最近接適合（ｔｈｅ ｃｌｏｓｅｓｔ ｆｉｔ）を提供する仮定特性値は、所定の位置に対する実特性値とされる。他の代案における取り囲む領域内の各画素に関して、プロセッサ６０６は、モデルデータと実データ間の最良適合（ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｆｉｔ）が得られるまで仮定特性値を変更する。これらの各画素の適合を比較し、最近接適合（ｔｈｅ ｃｌｏｓｅｓｔ ｆｉｔ）である画素を選択する。再び、最近接適合（ｔｈｅ ｃｌｏｓｅｓｔ ｆｉｔ）を提供する仮定特性値は、所望の測定位置に対する実値とされる。この代案の変形として、最高適合（ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｆｉｔ）を提供する画素の上位５つ（または他の予め決められた数）が選択される。次に、これらの画素に対する平均仮定特性値が計算され、この値が所定の測定位置に対する実特性値とされる。プロセッサ６０６は、ある層の所望の測定位置それぞれに対してこの処理を繰り返す。この処理は層厚以外の他の特性に対しても実行され、屈折率、吸光係数等の光学特性またはドーピング特性も含まれる。
【００６０】
本商業的実施形態において、プロセッサ６０６は所望の測定位置の基準点を中心として周囲にある１０×１０画素領域に関して比較を行うが、他の領域でも可能であるものと理解すべきである。得られたウェーハ画像の所望の測定地点の位置は、ウェーハの振動または他の非理想特性により生じた像欠陥によって正確でない可能性がある。そのため、一つ以上の画素を解析する必要がある。この状況は図１０に示され、そこには所望の基準測定位置１０００を取り囲む１０×１０画素領域が示されている。プロセッサ６０６は、これらの各画素に対する測定されたスペクトルとモデル化されたスペクトルとを比較し、スペクトルの各波長成分に対する差分の絶対値の総合計を各画素に対して計算する。数学的に、この処理は単画素に対して次式で表現することができる。
2004502952.tif 000003
ここで、添字ｉは所定画素に対するすべての波長成分に関する範囲であり（ここでは３２）、Δｉは解析されている画素に対するモデル化された波長成分の強度と実波長成分の強度との差であり、ＡＢＳは絶対値関数である。この１０×１０領域内の最近接適合を提供する画素に対するモデル化されたデータは、所望の測定位置に対する一つまたはそれ以上の膜特性を求めるために使用される。代わりとして、この領域内の第一画素に対する実データの所定の閾値内である（その位置に対する）モデル化されたデータを、所望の測定位置に対する一つまたはそれ以上の膜特性を求めるために使用してもよい。しかしながら、比較の実行は他の方法でも可能であり、またその方法は本発明（プロセッサ６０６に対して上述された方法など）の範囲内にあるものと理解すべきである。他の方法には、１０×１０領域より小さいまたは大きい領域で実行される方法も含まれ、また所望な測定位置を中心とする必要がない領域対して比較を実行すること、また絶対値関数以外の関数を使用することが含まれる。例えば、一つの代案において、次の統計値を使用してもよい。
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【００６１】
図１１には、本商業的実施形態によって評価されるサンプルにおける一つまたはそれ以上の層に対して行われる運転方法のフローチャートが示されている。サンプルは半導体ウェーハまたは他のサンプルであってもよい。１１００工程において、サンプル上の複数の空間位置に対する反射スペクトルが撮像される。本商業的実施形態の空間位置はライン形状であるが、該空間位置は、線形または非線形のライン形状のどちらか、または曲線形などの他の一次元形またはパターンでもよい。
【００６２】
１１０４工程において、走査されたサンプルの二次元領域全てまたは重要な部分どちらかの評価が行われる。そうでない場合、１１０２工程が実行される。１１０２工程において、撮像処理を実行するために、サンプルと使用される分光計の間で相対移動が実行される。この処理は、分光計に対してサンプルをまたはその逆に移動させることによって行われる。また、それには光源と分光計に対してサンプルをまたはその逆に移動させることも含まれる。次に１１００工程が再び実行され、この処理は、二次元領域の全てまたは重要な部分の走査が完了するまで繰り返される。
【００６３】
二次元領域全てまたは重要な部分の走査が完了すると、１１０６工程が実行される。１１０６工程において、所望な測定位置の座標が、その位置に対する反射データまたはそれを取り囲む領域内の位置を検出するために使用される。次に１１０８工程が実行される。１１０８工程において、モデル化されたデータと実データが規定の許容範囲内にあるかどうかを求めるために、その位置またはそれを取り囲む領域内の位置に対する反射データと同位置またはそれを取り囲む領域内の位置に対するモデル化された反射データとを比較する。このモデル化されたデータは、所望の測定位置またはその近傍にある層に対する特定の特性を仮定することによって求められる。
【００６４】
１１１２工程において、適合の近接性（ｃｌｏｓｅｎｅｓｓ）が評価される。適合が規定の許容範囲外である場合、１１１０工程が実行される。１１１０工程において、異なる仮定層特性が仮定されることによって位置に対する反射データが再モデル化され、かつ／または実データを得た位置が変更される。１１０８工程と１１１２工程が次に再実行される。この処理は、モデル化されたデータが実データの規定許容範囲内に収まるまで続けられる。１１１４工程が次に実行される。１１１４工程のおいて、１１１２工程において許容差基準を満たしたモデル化されたデータに対する仮定層特性が、所望な位置の実層特性となる。
【００６５】
これに対して、１１０８、１１１０、１１１２工程の代わりに、基準測定位置を含みまた、それを取り囲む所定の領域、例えば、１０×１０画素領域内の各位置に対するモデル化されたデータと実データとを比較してもよい。そのような各画素に関して、最良適合（ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｆｉｔ）が得られるまで仮定特性値を変更する。最近接適合（ｔｈｅ ｃｌｏｓｅｓｔ ｆｉｔ）を提供するグループ内にある画素が選択され、その位置に対する仮定層特性は、所望の測定位置に対する層特性となる。更なる変形において、この値は、適合が所定の許容範囲内にある場合にのみ、所望な位置の層特性とされる。プロセッサ６０６に対する上述または他の文献のような他の変形及び代案でも可能である。
【００６６】
１１１６工程が次に実行される。１１１６工程において、当該層に対して新たな所望の測定位置の有無が判定される。ある場合は１１０６工程に戻り、処理はその位置から繰り返される。ない場合、この処理は終了する。
【００６７】
上述の商業的実施形態は、膜からの反射光を受光して膜上の種々の空間位置に対する反射スペクトルを測定することに関して説明及び図示されている。しかし、この実施形態は、光が膜を介して透過した場合、膜上の一つまたはそれ以上の空間位置に対する透過スペクトルを膜上の二次元領域に対する透過スペクトルを形成するために測定して結合し、上述の商業的実施形態と類似の方法によって二次元領域に対する透過スペクトルから膜の一つまたはそれ以上の特性を求めることが可能であり、それは理解すべきである。それゆえ、透過スペクトルを使用するこれらの実施形態もまた本発明の範囲に属する。
【００６８】
新たな利点と変更は当業者にとっては難なく発想される。本発明は、幅広く解釈され、それゆえ、特定の詳細、代表的な方法、それを示しかつ説明する実施形態に限定されることはない。したがって、出願人の発明の概念全般の範囲または意図から逸脱することなく本詳細を変更することは可能であり、本発明は、添付の請求項およびこれらと同等なものによってのみを除いて限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシステムの第１実施形態が示されている。
【図２】図１の実施形態の光学サブシステムが詳細に示されている。
【図３】本発明に係るシステムの第２実施形態が示されている。
【図４】本発明に係る方法の実施形態が示されている。
【図５Ａ】所望な測定位置を示している半導体ウェーハの上面図である。
【図５Ｂ】一つまたはそれ以上の正確な形体がそれぞれ構成されている積層を示している半導体ウェーハの側面図である。
【図６Ａ】本発明に係るシステムの商業的実施形態が示されている。
【図６Ｂ】図６Ａのシステムの光路の様態がを示されている。
【図７】半導体ウェーハの表面上にある位置に対する反射スペクトルの例が示されている。
【図８】図６Ａのシステムのファイバ束の断面が示されている。
【図９】図６Ａのシステムにおける個々の層に対して捕捉されたデータが示されている。
【図１０】図６Ａのシステムにおいて実行される所望の測定位置を囲む領域が示されている。
【図１１】図６Ａのシステムにおける運転方法の実施形態のフローチャートである。
【図２】
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【図４】
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【図１１】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年7月1日(2002.7.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つまたはそれ以上の膜の一つまたはそれ以上の特性を測定する装置であって、
一つまたはそれ以上の膜に光を向ける光源と、
一つまたはそれ以上の膜の空間位置の一次元パターンを介して反射された光または透過された光を受光し、それによりパターンの一つまたはそれ以上の空間位置に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを求める一次元撮像分光計と、
分光計に対して一つまたはそれ以上の膜を相対移動させる移動機構と、
（ａ）一つまたはそれ以上の膜に沿った空間位置の複数の一次元パターンに対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを分光計から得て、（ｂ）これらの反射スペクトルまたは透過スペクトルを結合して一つまたはそれ以上の膜の二次元領域に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを得て、（ｃ）それにより一つまたはそれ以上の膜の一つまたはそれ以上の特性を求めるプロセッサとを有するシステム。
【請求項２】
分光計が、第一及び第二空間次元両方に沿って１ｍｍまたはそれ以上の解像度を設けるように構成される請求項１のシステム。
【請求項３】
領域に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルが、１ｍｍまたはそれ以上の空間解像度を有する請求項１のシステム。
【請求項４】
移動機構が、分光計または分光計及び光源に対して一つまたはそれ以上の膜を支持しているプラットフォームを移動させるように構成される請求項１のシステム。
【請求項５】
移動機構が、一つまたはそれ以上の膜を支持しているプラットフォームに対して分光計または分光計及び光源を移動させるように構成される請求項１のシステム。
【請求項６】
プロセッサが、一つまたはそれ以上の所望の測定位置で一つまたはそれ以上の膜の一つまたはそれ以上の特性を求めるように構成される請求項１のシステム。
【請求項７】
プロセッサが、二次元領域に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルの少なくとも一部分を解析することにより、一つまたはそれ以上の所望の測定位置の少なくとも一部分を位置決めするように構成される請求項６のシステム。
【請求項８】
プロセッサが、位置を取り囲む領域またはその範囲内でモデル化された反射スペクトルまたは透過スペクトルと実反射スペクトルまたは透過スペクトルとを比較することにより、ある位置での一つまたはそれ以上の特性を求めるように構成される請求項７のシステム。
【請求項９】
プロセッサが、実反射スペクトルまたは透過スペクトル及びモデル化された反射スペクトルまたは透過スペクトルが所定の許容差内となるまで、一つまたはそれ以上のモデリング仮定条件または実反射スペクトルまたは透過スペクトルの位置を変更するように構成される請求項７のシステム。
【請求項１０】
プロセッサが、一つまたはそれ以上の所望の測定位置で膜厚を求めるように構成される請求項６のシステム。
【請求項１１】
プロセッサが、一つまたはそれ以上の所望の測定位置で光定数を求めるように構成される請求項６のシステム。
【請求項１２】
プロセッサが、一つまたはそれ以上の所望の測定位置でドーピング密度を求めるように構成される請求項６のシステム。
【請求項１３】
プロセッサが、一つまたはそれ以上の所望の測定位置で屈折率を求めるように構成される請求項６のシステム。
【請求項１４】
プロセッサが、一つまたはそれ以上の所望の測定位置で吸光係数を求めるように構成される請求項６のシステム。
【請求項１５】
移動機構が、半導体マイクロエレクトロニクスを製造する装置と一体である請求項１のシステム。
【請求項１６】
分光計が、ライン形状で空間位置の一次元パターンに対する反射または透過スペクトルを求めるように構成される請求項１のシステム。
【請求項１７】
ラインが線形である請求項１６のシステム。
【請求項１８】
ラインが非線形である請求項１６のシステム。
【請求項１９】
二次元領域に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルが、連続したラインの反射スペクトルまたは透過スペクトルを結合したものである請求項１６のシステム。
【請求項２０】
分光計が、ワイヤレスインターフェイスを介してプロセッサに反射スペクトルまたは透過スペクトルを連絡するように構成される請求項１のシステム。
【請求項２１】
分光計が、ワイヤラインインターフェイスを介してプロセッサに反射スペクトルまたは透過スペクトルを連絡するように構成される請求項１のシステム。
【請求項２２】
分光計が、一つまたはそれ以上の光通信リンクを介してプロセッサに反射スペクトルまたは透過スペクトルを連絡するように構成される請求項１のシステム。
【請求項２３】
一次元撮像分光計が、一つまたはそれ以上の膜の空間位置の複数の一次元パターンを介して反射された光または透過された光を受光するように構成され、パターン内の一つまたはそれ以上の空間位置に対する反射または透過スペクトルを上記パターンそれぞれに対して求め、分光計が、第一空間次元及び第二空間次元両方に沿って１ｍｍまたはそれ以上の解像度を設けるように構成されている請求項１のシステム。
【請求項２４】
一つまたはそれ以上の膜の一つまたはそれ以上の特性を測定する方法であって、
一つまたはそれ以上の膜に光を向け、
一つまたはそれ以上の膜の空間位置の一次元パターンを介して反射された光または透過された光を受光し、それによりパターン内の一つまたはそれ以上の一次元空間位置に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを求め、
一つまたはそれ以上の膜の空間位置の更なる一次元パターンに対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを得て、
これらの反射スペクトルまたは透過スペクトルを結合して一つまたはそれ以上の膜の二次元領域に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを得て、それにより一つまたはそれ以上の膜の一つまたはそれ以上の特性を求める方法。
【請求項２５】
領域に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルが、１ｍｍまたはそれ以上の空間解像度を有する請求項２４の方法。
【請求項２６】
一つまたはそれ以上の所望の測定位置で一つまたはそれ以上の膜の一つまたはそれ以上の特性を求める請求項２４の方法。
【請求項２７】
二次元領域に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルの少なくとも一部分を解析することにより、一つまたはそれ以上の所望の測定位置の少なくとも一部分を位置決めする請求項２６の方法。
【請求項２８】
位置を取り囲む領域またはその範囲内でモデル化された反射スペクトルまたは透過スペクトルと実反射スペクトルまたは透過スペクトルとを比較することにより、ある位置での一つまたはそれ以上の特性を求める請求項２６の方法。
【請求項２９】
実反射スペクトルまたは透過スペクトル及びモデル化された反射スペクトルまたは透過スペクトルが所定の許容差内となるまで、一つまたはそれ以上のモデリング仮定条件または実反射スペクトルまたは透過スペクトルの位置を変更する請求項２８の方法。
【請求項３０】
一つまたはそれ以上の所望の測定位置で膜厚を求める請求項２４の方法。
【請求項３１】
一つまたはそれ以上の所望の測定位置で光定数を求める請求項２４の方法。
【請求項３２】
一つまたはそれ以上の所望の測定位置でドーピング密度を求める請求項２４の方法。
【請求項３３】
一つまたはそれ以上の所望の測定位置で屈折率を求める請求項２４の方法。
【請求項３４】
一つまたはそれ以上の所望の測定位置で吸光係数を求める請求項２４の方法。
【請求項３５】
一つまたはそれ以上の膜に沿った連続した空間位置の連続した一次元パターンに対する反射スペクトルまたは透過スペクトルをライン形状で得る請求項２４の方法。
【請求項３６】
ラインが線形である請求項３５の方法。
【請求項３７】
ラインが非線形である請求項３５の方法。
【請求項３８】
２次元領域に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを形成するために、連続したラインに対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを結合する請求項３５の方法。
【請求項３９】
一つまたはそれ以上の膜の空間位置の複数の一次元パターンを介して反射された光または透過された光を受光し、パターン内の一つまたはそれ以上の一次元空間位置に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを上記パターンそれぞれに対して求める請求項３８の方法。
【請求項４０】
一つまたはそれ以上の膜の一つまたはそれ以上の特性を測定するシステムであって
一つまたはそれ以上の膜に光を向ける手段と、
一つまたはそれ以上の膜の空間位置の一次元パターンを介して反射された光または透過された光を受光し、それによりパターン内の一つまたはそれ以上の空間位置に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを求める手段と、
分光計に対して一つまたはそれ以上の膜を相対移動させる手段と、
（ａ）一つまたはそれ以上の膜に沿った空間位置の複数の一次元パターンに対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを分光計から得て、（ｂ）これらの反射スペクトルまたは透過スペクトルを結合して一つまたはそれ以上の膜の二次元領域に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを得て、（ｃ）それにより一つまたはそれ以上の膜の一つまたはそれ以上の特性を求める手段とを有するシステム。
【請求項４１】
一つまたはそれ以上の膜の一つまたは他の特性を測定する方法であって、
一つまたはそれ以上の膜に光を向ける工程と、
一つまたはそれ以上の膜の空間位置の一次元パターンを介して反射された光または透過された光を受光し、それによりパターン内の一つまたはそれ以上の一次元空間位に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを求める工程と、
一つまたはそれ以上の膜の空間位置の更なる一次元パターンに対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを得る工程と、
これらの反射スペクトルまたは透過スペクトルを結合して一つまたはそれ以上の膜の二次元領域に対する反射スペクトルまたは透過スペクトルを得る工程と、
それにより一つまたはそれ以上の膜の一つまたはそれ以上の特性を求める工程とを有する方法。
【請求項４２】
一つまたはそれ以上の膜が積層膜を有する請求項１または４０のいずれかのシステム。
【請求項４３】
積層膜が垂直積層膜である請求項４２のシステム。
【請求項４４】
一つまたはそれ以上の膜が積層膜を有する請求項２４または４１のいずれかの方法。
【請求項４５】
積層膜が垂直積層膜である請求項４４の方法。
【請求項４６】
４番目の手段が、一つまたはそれ以上の所望の測定位置で一つまたはそれ以上の膜の一つまたはそれ以上の特性を求めるように構成される請求項４０のシステム。
【請求項４７】
一つまたはそれ以上の所望の測定位置で一つまたはそれ以上の膜の一つまたはそれ以上の特性を求める請求項４１の方法。
【請求項４８】
一つまたはそれ以上の測定位置が、パターン付膜の異なる形状に向けられている請求項６または４６のいずれかのシステム。
【請求項４９】
一つまたはそれ以上の測定位置が、パターン付膜の異なる形状に向けられている請求項２６または４７の方法。
【請求項５０】
一つまたはそれ以上の所望の測定位置が表面上にあり、且つ反射された光または透過された光が表面に対して略垂直である請求項６または４６のいずれかのシステム。
【請求項５１】
一つまたはそれ以上の測定位置が表面上にあり、且つ反射された光または透過された光が表面に対して略垂直である請求項２６または４７のいずれかの方法。
【請求項５２】
一つまたはそれ以上の所望の測定位置が表面上にあり、且つ反射された光または透過された光が表面に対して所定の角度である請求項６または４６のいずれかのシステム。
【請求項５３】
一つまたはそれ以上の所望の測定位置が表面上にあり、且つ反射された光または透過された光が表面に対して所定の角度である請求項２６または４７のいずれかの方法。
【請求項５４】
反射された光または透過された光が非偏光である請求項６または４６のいずれかのシステム。
【請求項５５】
反射された光または透過された光が非偏光である請求項２６または４７のいずれかの方法。
【請求項５６】
反射された光または透過された光が偏光である請求項６または４６のいずれかのシステム。
【請求項５７】
反射された光または透過された光が偏光である請求項２６または４７のいずれかの方法。
【請求項５８】
一つまたはそれ以上の特性が金属鉛と関連する請求項１または４０のいずれかのシステム。
【請求項５９】
一つまたはそれ以上の特性が金属鉛と関連する請求項２４または４１のいずれかの方法。
【請求項６０】
一つまたはそれ以上の特性が金属鉛間の領域と関連する請求項１または４０のいずれかのシステム。
【請求項６１】
一つまたはそれ以上の特性が金属鉛間の領域と関連する請求項２４または４１のいずれかのシステム。
【請求項６２】
反射率測定システムを有する請求項１または４０のいずれかのシステム。
【請求項６３】
偏光解析システムを有する請求項１または４０のいずれかのシステム。
【国際調査報告】
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