(57)【要約】処理ツール（１１）内に組込まれたウェハ測定ステーション（１９）は、ウェハ（３１）上のパターニングされた形状構成を測定するためのスキャッタメータ測定法の計器（３５）を有する。ウェハハンドラ（１７）は、カセット（１５）と処理ツールの１つ以上の処理ステーション（１３）との間でウェハを供給する。測定ステーションに提示されたウェハは、可動であってもよいウェハ支持体（３３）上に保持され、スキャッタメータ測定法の計器は、ステージ（３９）によりウェハ支持体上方を可動の光学測定システム（４１）を有する。窓（３７）は可動光学部品をウェハから隔離する。光学測定システムは、低ＮＡシステムを形成する、顕微鏡に基づいた光学部品である。ウェハでの照射スポットサイズはパターニングされた形状構成の周期性よりも大きく、データ処理は拡散モデルを用いて、収集された光の光学信号を分析する。
2004536440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェハ処理ツール内で用いられるウェハ測定システムであって、
ウェハ処理ツールに関連し、カセットとウェハ処理ツールの複数のステーションのうちのいずれか１つ以上との間でウェハを供給するためのウェハハンドラと、
ウェハ処理ツールのステーションのうちの１つを形成するウェハ測定ステーションとを含み、測定ステーションはウェハハンドラと連絡するウェハ支持体を有し、測定ステーションはその中に、ウェハ支持体上方の特定された場所へステージにより可動である、スキャッタメータ測定法の計器を形成する光学測定システムをも有し、光学測定システムは光源に光学的に結合されて、ウェハ支持体上のウェハ表面のパターニングされた形状構成上へ光ビームをスポットとして向け、光ビームは、パターニングされた形状構成の周期性よりもウェハ表面でより大きなスポットサイズによって特徴づけられ、ヘッドも検出器に関連する集光器を有し、それによりウェハ上の照射された形状構成は特徴的な光学信号を産出し、その信号における独立した光学パラメータは、波長、入射角、および高さならびに方位収集角のうちの１つ以上を含んでおり、前記ウェハ測定システムはさらに、
ウェハ上の可能な周期性構造用の散乱モデルを用いてウェハの特徴的な信号を分析するデータプロセッサを含み、ウェハ上のパターニングされた形状構成の測度を得て、そのためウェハ処理ツールによって実行される処理が分析可能である、ウェハ測定システム。
【請求項２】
光学測定システムはウェハ上のスポットからの光を結像する対物レンズを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
光学測定システムは最適なスキャッタメータ測定法のためにＮＡ＜０．４である低い開口数（ＮＡ）システムを形成する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
光学測定システムは、ウェハから光を受ける集光器と反対方向に伝わる光を結像する対物レンズとに関連するピンホール開口部を含み、ピンホール開口部はそれが動くにつれて対物レンズとの固定した光学的関係を維持する、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
可動光学測定システムは共焦点顕微鏡に基づいた測定システムを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
測定システムは、顕微鏡に基づいたシステムの対物レンズ開口絞り近傍に置かれたアポダイザをさらに含む、請求項２に記載の装置。
【請求項７】
顕微鏡に基づいたシステムの照射経路と収集経路とは、インコネルプレートビームスプリッタで分かれる、請求項２に記載の装置。
【請求項８】
ウェハ上に入射する光ビームは実質的に偏光されておらず、光学測定システムは実質的に偏光感受性を有しない、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
ウェハハンドラは、光学測定システムに対するウェハの向きを特定せずに、ウェハ測定ステーションへウェハを供給する、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
光学測定ヘッドは垂直入射の光ビームをウェハ表面上へ向ける、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
データプロセッサによって得られるパターニングされた形状構成の測度は、ウェハ上の形状構成の幾何学的構造の横方向または縦方向の少なくとも１つの次元を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
パターニングされた形状構成の測度は、ウェハの形状構成の線幅およびプロファイルを含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
パターン形状構成のプロファイルは、形状構成を横切る横方向位置とともに可変であるかもしれない形状構成高さまたは深さによって特徴づけられ、データプロセッサによって用いられる拡散モデルは、そのような可変形状構成高さまたは深さの横方向位置への依存を考慮に入れる、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
データプロセッサによって得られるパターニングされた形状構成の測度は、オーバーレイ、侵食、残留物、トレンチ深さ、膜厚、コンタクトホール形状および大きさ、接点の開放または閉鎖状態、および線縁粗さのうちのいずれか１つ以上を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
測定ステーションは、ウェハ支持体の一つの側に位置づけられた、明るい背景測定用の基準ゼロ反射率測度を提供する光吸収体を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
光学測定システムを駆動するｘ−ｙステージをさらに含み、ウェハ支持体はウェハ測定ステーション内でウェハを静止させて保持する、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
ウェハ支持体はウェハを少なくとも１つの次元において動かすことができる、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
ウェハ支持体は、ウェハの（ｘ，ｙ）並進なしに、測定ヘッドに対するウェハ形状構成の複数の角度方向（ｑ）のいずれかへ回転可能であり、線形のステージは、光学測定システムをウェハの半径方向位置（ｒ）に対して駆動する、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
ウェハ支持体はウェハの（ｘ，ｙ）並進を提供する、請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
ウェハ支持体は、前記ウェハ表面上への前記ビームの複数の入射角のいずれかへ傾斜可能である、請求項１７に記載の装置。
【請求項２１】
ウェハ支持体は少なくとも３ピンウェハ接触を提供する、請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
ウェハ支持体は真空チャックを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
測定ステーションは、測定システムとウェハ支持体との間に位置し、可動光学システムによる潜在的な汚染からウェハを隔離する窓を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項２４】
測定ステーションは処理ツール環境から別のやり方で密閉されていない、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
窓は、光学計測システムおよびシステムを動かすためのステージの洗浄および保守を可能にするために取外し可能である、請求項２３に記載の装置。
【請求項２６】
ウェハのカセットと関連するウェハハンドラを有する種類のウェハ処理ツールと協同使用するためのウェハ測定方法であって、
ウェハ処理ツール内で、処理ツールの処理ステーションにおいて実行される１つ以上の処理ステップのいずれかの完了後、最初にウェハを処理ツールから別のカセットまたはカセット装填ステーションへ移送することなく、処理ツールに関連するウェハハンドラからウェハを処理ツールの組込み測定ステーション内に受けて、ウェハを可動光学測定システムに対して特定されない測定ステーションにおける向きで置くステップと、
光学計測システムをウェハ上方の複数の場所へ動かすステップと、
前記複数の場所の各々で、光のビームをウェハ表面上へ垂直に、光スポットとして向けるステップとを含み、光スポットは、ウェハ上のパターン形状構成の周期性よりもウェハ表面でより大きなスポットサイズによって特徴づけられ、前記方法はさらに、
ウェハ表面から反射された光を検出し、前記複数の場所でウェハの表面パターン形状構成の光学的特徴についてのデータを得るステップと、
ウェハ上の可能な周期性構造の拡散モデルを用いて光学的特徴データを分析し、ウェハ上の表面パターン形状構成の臨界寸法の測度を得るステップとを含む、ウェハ測定方法。
【請求項２７】
ウェハ処理ツールから受けた複数のウェハについての反射率データを順番に測定することによってさらに規定される、請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
この発明は、集積回路製造のための半導体ウェハ処理に関し、特に、リソグラフィシステム、クラスタツール環境、または、ツールのステーションもしくはモジュール間でウェハを搬送するロボットハンドラを有する他のウェハ処理ツールに関する。この発明はまた、半導体ウェハ用計測装置にも関し、特に、リソグラフィ中に形成され他の集積回路製造処理ステップにおいてさらに処理される回折構造のパラメータを測定するための光学測定装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
半導体の製造では、電子構造を作るために、処理ツールを用いて半導体ウェハ上に非常に薄い材料の層を堆積させ、平坦化し、除去し、パターニングする。処理ツールは、半導体表面上に均一な薄膜を堆積させるための堆積ツールと、フォトレジスト材料を塗布しレジストにパターンを作り出すリソグラフィツールと、構造を材料層へエッチングするためのエッチングツールと、材料を除去してウェハを平坦化するための研磨ツールと、何らかの処理ステップの後で汚れまたは残された材料を除去するための洗浄ツールとを含む。クラスタツールは、さまざまな処理ステーションを、ステーション間でウェハを移送する取扱システムと組合わせる。たとえば、リソグラフィトラックは通常、トラック内のステーション間での搬送用にそれら自体のロボットウェハハンドラを有するマルチステーションシステムである。これらの処理ツールは通常、或る許容誤差内で製造処理を制御するための処理パラメータを測定する温度計およびガス流量計などのさまざまなセンサを含む。たとえば、リソグラフィトラックの異なるベークステーションは、異なる時間の間ウェハを保持する温度設定が異なってもよい。処理ツール内の他のセンサは、化学的機械的平坦化（ＣＭＰ）におけるモータ電流終点など、処理完了を示す何らかの測定パラメータにおける主な変化を判断する。フォトレジストをパターニングするためのツールであるステッパは通常、ステッパツールの基準フレームに対するウェハの整列ノッチの場所を判断するための光ノッチセンサを有し、そのためウェハは、パターンの適正に整列された露光に備え、予め定められた向きへ回転され得る。前述のセンサはモジュールまたはステーションに組込まれて処理ツール自体の本質的な部分を形成し、それらの適正な動作を確実にする。
【０００３】
半導体の製造はまた、ウェハ上のいかなる欠陥または異常をも探し、そのような欠陥または異常に関する情報（場所、大きさ、識別など）を報告する検査装置も使用する。分光反射率計、ビームプロファイル反射率計、楕円偏光計、および偏光計などのさまざまな光学測定ツールを含む測定装置は、ウェハ上に形成された層および構造を、層厚または線幅などの寸法パラメータの点で特徴づけるために使用される。処理制御のためにこれらのパラメータを測定することは重要である。そのような測定装置は、パターニングされていないウェハを測定する場合特に、１枚のウェハ全体についての包括的な情報を報告するかもしれないが、パターニングされたウェハ上の特定の形状構成を測定する場合特に、ウェハ上の特定の予め定められた場所で測定値をしばしば収集する必要性がある。高い測定精度で特定の形状構成の場所を突き止めるこの必要性のため、測定ツールは通常、プリアライナおよびステージを採用してウェハを光学系に対して整列させ、ウェハ上のさまざまな場所の測定を可能にする。多くの測定ツールは、測定システム（光学部品）を実質的に静止させたままで、ウェハを横方向に（水平方向に）動かす。これは、ウェハ全体をカバーするために、双方の横方向寸法においてウェハの直径の少なくとも２倍の設置面積を必要とする。ウェハを静止させたままにし、光学部品のある部分を動かしてウェハのさまざまな部分を測定する測定ツールもある。通常、対物レンズは照射光をウェハ上にフォーカスし、および／またはウェハからの反射光を収集する。同じ光学素子を照射および検出用の対物レンズとして用いるシステムもあれば、各機能が別個に取扱われるかまたは２つの機能のうちの１つしか行なわれないシステムもある。いずれにせよ、対物レンズはここでは、ウェハの一部を照射するための、および、ウェハの一部から光を収集するための光学系として用いられる。このため、測定ツールの中にはウェハを動かして対物レンズをウェハに対して位置づけるものもあれば、ウェハを動かすものもある。従来の半導体製造では、計測学ツールは、検査装置であれ測定装置であれ、スタンドアロンのユニットである。つまり、それらは処理ツールから取外されて、たとえばＦＯＵＰまたはカセットなど、以下に「カセット」として一般に言及されるウェハキャリア用のそれら独自の装填ポートを有することによって特徴づけられる。それらは時として、処理ツールとは異なる製作施設の区域に置かれている場合すらある。いずれにせよ、個々のウェハまたはウェハのカセットは、何らかの処理ステップに続いてウェハを検査または測定することが望まれる場合にはいつでも、処理ツールと検査または測定ツールとの間を搬送されなければならない。スタンドアロンツールにまつわる固有の遅延のため、検査または測定は通常、ウェハの小さなサブセットを抽出すること、または検査された各ウェハの小さな部分を抽出することに限定される。さらに、ウェハは、１組のウェハ全部が処理された後でしか測定されず、このため、ツールまたは処理の誤動作がある場合にウェハを危険にさらすことになる。また、処理ツールは測定の結果に基づいてしばしば制御されており、ウェハの処理とそのウェハの測定値の利用可能性との間に長い遅延があると、制御の有効性またはウェハが処理され得る総レートのいずれかを減少させる。
【０００４】
スキャッタメータ測定法は、近年の処理の結果を測定するのに有利な光学測定方法である。ウェハ上の形状構成の横方向寸法は、光波長および測定スポットサイズに比べて、縮んで小さくなりつつある。そのような処理の結果を光学的に結像することは難しくまたは不可能になってきている。電子ビームおよびプロファイロメータタイプの計器（たとえば原子間力顕微鏡、ＡＦＭ）はそのような形状構成を「結像」できるが、処理ツールに組込むには遅く、難しい。スキャッタメータ測定法は、周期性の形状構成の光学的特徴を用いて、横方向寸法に関するパラメータを判断する。さらに、光が構造の「上部」表面より下へ浸透するにつれ、スキャッタメータ測定法は、サンプルへの深さが増すほど形状構成における変動に敏感である。たとえば、線と空間とを０．２ミクロンの周期および５０％の名目デューティサイクルで繰返している構造を考慮されたい。名目上、線と空間とは、光学結像システムの解像度を十分下回る１００ｎｍの幅を有するであろう。しかし、構造から反射された光の特徴は、周期性構造の詳細に依存するであろう。たとえば、線は垂直の壁を持たないかもしれず、側壁角度における変動は光学的特徴の変動を引き起こすであろう。スキャッタメータ測定法は、パラメータを有する周期性形状構成の光学的特徴の何らかのモデルを利用する。スキャッタメータ測定法では、モデルのパラメータは、測定された特徴とモデル化された特徴との間に最良の整合があるまで変更される。最良の整合を作り出すモデルのパラメータは、測定されたパラメータとして考えられる。測定されたパラメータはより使いやすいまたは処理により密接に関連する形に数学的に変換可能であることが明らかである。
【０００５】
スキャッタメータ測定法に用いられる光学的特徴は測定可能で、１つ以上の独立パラメータを有しており、そのため独立パラメータの集合全体は複数を形成する。大抵の測定可能な光学的特徴は、構造と相互作用した光の強度に関連する。例は、反射率計用の反射光の強度、および楕円偏光計用の楕円偏光パラメータであるプシーおよびデルタである。独立パラメータの例は波長および入射角である。他の独立パラメータが可能であり、たとえば関心の対象となる構造における或るパターンに対して測定された方位角、または偏光状態である。一般に、独立パラメータは、制御されてウェハの光学的特徴に影響を与える、測定システムの任意の特徴である。
【０００６】
スキャッタメータ測定法によって用いられるモデルは物理的なものでも理論上のものでもよい。前者の場合、「モデル」は公知のパラメータを有するサンプルの測定値からなる。理想的には、測定は、説明中の測定ツールと同じまたは同様の計器を用いて行なわれる。好ましくは、モデルは理論上のものであってもよく、計器の光学特性だけでなく、可変パラメータを有する構造と相互作用する光の何らかの数学的表示も含んでいてもよい。それは、材料の光学特性（屈折率（ｉｎｄｅｘ）および吸収度）も適宜、たとえば波長の関数として含んでいる。
【０００７】
理論上のモデルは通常、ウェハ上の構造の或るモデルについて正確な、電磁相互作用の計算を含む。通常、構造の幾何学的モデルは、感知された可能な幾何学的モデルへの近似である。たとえば、周期性構造のプロファイルは滑らかであると予想されるが、実際の幾何学的モデルは「階段」近似を有し、厳密な結合モード計算が行なわれるようにする。そのような計算はしばしば時間がかかる。測定の速度を最適化するため、測定の前に計算の或る部分を行ない、結果をデータベースに記憶することができる。簡単な場合では、構造パラメータを選び、各パラメータにとって可能な値を範囲および離散化に基づいて固定する。それから、パラメータ値の各組合せについての光学的特徴が計算され、データベースに記憶される。測定時間に、各特徴は測定された特徴と比較され、測定された特徴に最良に整合する理論的特徴に関連するパラメータが、測定されたパラメータとして選ばれる。たとえば、測定されたプロファイルは、最良に適合するモデル特徴のプロファイルパラメータを有する。また、これに代えて、線の測定された臨界寸法はパラメータ化されたプロファイル、たとえば線のその２０％の高さでの幅から派生する。ライブラリを用いることの欠点は、パラメータの離散化が測定において明らかであり、物理的に滑らかに変化するパラメータの測定における「離散化ノイズ」につながるかもしれないということである。
【０００８】
上述のライブラリアプローチにとって代わるものは、電磁計算が測定時間に行なわれる「ライブラリレス」方法である。このアプローチの欠点は、測定時間（計算時間を含む）とモデルの複雑性との間にトレードオフが存在することである。たとえば、上述の階段近似は、受容可能な時間に終了するために、多くの段を有することができず、実際のプロファイルにぴったりとは適合しないかもしれない。または、その特徴のパラメータ化が、測定された特徴と整合するために必要な自由度を持たないかもしれない。
【０００９】
スキャッタメータ測定法はオーバーレイ位置合わせに敏感である。或る周期の横方向の幾何学的形状を有するサブ構造がウェハの一状態において作られる。後に、ウェハの上の構造が構築されると、同じ周期の別のサブ構造が第１のサブ構造の上に直接置かれてもよい。第２のサブ構造は現像されたフォトレジストからなっていてもよく、第１のサブ構造はウェハのエッチングされた下部層、たとえばエッチングされたゲート接点、分離トレンチ、または金属配線からなっていてもよい。２つのサブ構造は、同じ横方向領域を占めているため、光学的特徴を有するであろう周期を持つ単一の構造をこの時点で形成する。２つのサブ構造間の整列は一般に（全）構造の光学的特徴に影響を与え、モデル特徴におけるパラメータによって表わすことができる。こうしてスキャッタメータ測定法は、適正にパラメータ化されたモデルを有し、サブ構造の整列に関連するパラメータの値を戻すことによって、オーバーレイ（ｏｖｅｒｌａｙ）を測定できる。オーバーレイは、ステッパがどれほど良好に１つのパターンを別のパターンの上へ整列させて次にプリントできたかを示す測度（ｍｅａｓｕｒｅ）となるため、非常に重要な測定値である。このパラメータは厳密に制御される。なぜなら、それは、形状構成がどれほど密接してともに実装され得るかということだけでなく、半導体素子の全体的な性能にも非常に著しく関係し得るためである。こうして、同じ計器がスキャッタメータ測定法を用いたいくつかの重要なリソグラフィパラメータ、つまりオーバーレイ、プロファイル、臨界寸法、線縁粗さ、コンタクトホール形状およびそれらが開いているかいないかを測定することができる。
【００１０】
スキャッタメータ測定法はまた、エッチング、ＣＭＰおよび洗浄の後で重要なパラメータの測定を行なうために適用可能である。たとえば、金属ＣＭＰの後で、スキャッタメータ測定法を用いて、横方向寸法がスポットサイズよりも著しく小さく、用いられた光の波長に匹敵している、交互の酸化物区域および金属区域からなる周期性のアレイにおける酸化物侵食または残留金属の量を判断することができる。これらの周期性構造の上に（望ましくない）金属または他の膜残留物が残っている場合、測定された光学的特徴データを適切なモデル化された特徴と再度比較することによって、それらの存在を検出することが可能である。
【００１１】
スキャッタメータ測定法を用いて検査される構造は通常、実質的に周期性であるが、正確にはそうでない。材料における欠陥およびウェハに加えられる処理は、周期性であるよう意図されている構造の上に非周期性の形状構成をもたらし、たとえば、線は完全には真っ直ぐでなく、「粗さ」を有する。
【００１２】
実質的に周期性の構造は通常、当該技術分野において周知であるように、光をさまざまな回折次数へ反射する。より細かい構造、またはより長い波長、もしくはより高い次数については、回折された次数は非伝搬性または一過性であってもよく、直接には検出できない。しかしながら、そのような非伝搬性の次数は伝搬次数からエネルギを取り、そのため伝搬次数の特徴（測定された部分）に影響を与えるかもしれない。スキャッタメータ測定法はしばしば、測定された特徴の一因となる０次の回折次数のみを実質的に用いて行なわれるが、これはそれが決して一過性にはならないためである。欧州特許出願公報ＥＰ  ０  ９７３  ０６８  Ａ２（ノバ・メジャリング・インスツルメンツ社（Ｎｏｖａ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ））において、コーヘン（Ｃｏｈｅｎ）他は、リソグラフィトラックに組込まれる、またはそれに代えてクラスタツールの構成要素の１つとしての測定ツールを記載している。この測定ツールは、フォトレジストの厚さ、吸収係数および屈折率と基板の反射率とを測定するための分光光度計である。測定は、レジスト塗布ステップの後、しかしながら露光および現像ステップの前に起こる。測定結果は露光ツールの順方向制御に用いられ、最適露光量を達成する。しかしながら、パターニングされた構造の臨界寸法計測学もオーバーレイもこのフォトトラックには組込まれておらず、依然として、通常、現像ステップの後でスタンドアロン機器を用いて行なわれるであろう。
【００１３】
欧州特許出願公報ＥＰ  ０  ９７３  ０６９  Ａ２（ノバ・メジャリング・インスツルメンツ社）において、ディション（Ｄｉｓｈｏｎ）他は、同じロボットウェハハンドラを用いる、測定ステーションが組込まれたリソトラック装置を記載している。この測定計器は、臨界寸法（ＣＤ）エラーなどを測定するための高倍率高ＮＡ画像チャネルを有する顕微鏡からなる。ウェハは測定ステーションにおいて静止して保持され、ステーションはｘ−ｙ−ｚステージ上に可動光学ヘッドを有する。ウェハを汚染から保護するため、光学ヘッドおよび可動ステージは、透明の光学窓を有する外枠内にある。測定は、リソグラフィ処理の終わりに、カセットへ降ろされる前に行なわれる。
【００１４】
【発明の開示】
目的は、光学スキャッタメータ測定法の測定ステーションがウェハ処理ツールに組込まれているウェハ測定システムおよび方法によって満たされる。測定ステーションは、処理ツールのロボットウェハハンドラ機構を、測定されるウェハの測定ステーションによる受取を含む、処理ツール内のステーションまたはモジュール間でのウェハの移送に使用する。ウェハはこのため、最初に処理ツールを離れる必要なく、処理ツールの処理ステーションから測定ステーションへ直接移送可能となる。このため、その組のウェハすべてが処理される前に個々のウェハについての処理結果を測定することが便利である。測定時、ウェハの処理は完了していてもよく、そのためウェハは次にウェハハンドラによって処理ツールに関連するキャリアまたはカセットステーションへ移送される。また、これに代えて、処理の中間ステージでウェハを測定し、次の処理は測定の結果に依存してもよい。処理ツールの他のモジュールによって処理された場合、処理パラメータは測定結果に依存してもよい。いくつかの場合では、より初期の処理の結果が不適切であることが測定によりわかった場合、ウェハは同じ処理モジュールによって再加工されてもよい。スタンドアロンの計測学を用いるよりもより迅速に測定結果が利用可能になるため、装置効率は改良され、閉ループ処理制御が今や可能になる。
【００１５】
測定ステーションは、ウェハ上の回折パターンの光学的特徴についてのデータを得る光学計器を含む。この計器は、好ましくは、ウェハを最小限しか動かさずにウェハ上の測定場所を位置づける可動光学系を用いて、測定ステーションの最小設置面積を可能にする。ウェハ支持体は、好ましくは、ウェハを固定された並進（ｘ，ｙ）位置に保持し、一方、光学ヘッドは、ウェハに平行な平面において、ウェハ上方の複数の特定された場所へ動く。好ましい一実施例（ｒ−シータ）では、ウェハは回転し（実質的に並進なしのシータ）、光学ヘッドは１つの横方向の次元において実質的にウェハの中央から端へｒ並進する。代替的な一実施例では、ｒに垂直なウェハまたは光学部品の何らかの並進が許容され、ウェハに対して光学部品を位置づけるためのアルゴリズムを簡略化する。光学計器は、分光反射率計またはビームプロファイル反射率計、楕円偏光計、偏光計、もしくはウェハ上の箇所の光学的特徴を独立した光学パラメータの関数として測定可能ないかなる光学計器であってもよい。可能な独立した光学パラメータは、極入射角、極反射角、（ウェハ上のパターンに対する）入射方向、反射方向、波長、入射偏光、反射偏光を含む。ここおよび全体を通し、「反射」は、入射光のサンプル（ウェハ）からの反射またはサンプルを通る透過のいずれかを示すために用いられる。好ましい実施例は、波長を独立した光学パラメータとして有する、実質的に垂直の入射反射率計である。光源は、ウェハ表面のパターニングされた形状構成上へヘッドを通して向けられる光ビームを提供する。光学系は通常、ウェハ上のスポットへ光ビームをフォーカスするための対物レンズを含む。対物レンズは、ウェハから反射される光のための集光器としても作用してもよい。光学系は集光経路に関連するピンホールを有していてもよく、それは光学系が動くにつれ、対物レンズに対して固定した光学的関係を維持する。いずれにせよ、光学系によって収集された光は検出および分析されて、ウェハにおけるパターン形状構成の関心の対象となるパラメータの測度が得られる。光検出器から得られたデータの分析は、好ましくは、ウェハ表面の形状構成からの測定された特徴的な光学信号（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）とメモリに記憶された信号のデータベースとの比較を伴い、それらの各々はパターン形状構成の公知の臨界寸法に関連している。
【００１６】
【発明を実施するための最良の形態】
図１を参照すると、処理ツール１１は、複数の処理ステーション（ＰＳ）１３と、１つ以上のカセットステーション（ＣＳ）１５と、共有ロボットウェハ取扱および移送機構（ＲＨ）１７とを含む。ロボットハンドラ１７は、カセットステーション１５からウェハを降ろし、さまざまな処理ステップを実行するための処理ステーション１３間でウェハを特定された順序で搬送する。処理ステーション１３は半導体回路製造に用いられる幅広いさまざまなツールのうちのいずれであってもよく、堆積ツール、リソグラフィツール、エッチングツール、ベークツール、平坦化または研磨ツール、および洗浄ツールを含む。最後の処理ステップの完了後、ロボットハンドラ１７はウェハを最後の処理ステーション１３からカセットステーション１５へ搬送して戻すが、それはウェハを降ろしたステーションと同じであってもなくてもよい。
【００１７】
この発明では、処理ツール１１は１つ以上の組込み測定ステーション（ＩＭＳ）１９も含む。測定ステーション１９は、プロセスツール１１に取付可能となるために、サイズ基準によって制約を受ける。測定ステーション２１もまた、処理ステーション１３よりもさらに厳しいサイズ制約を有し得るカセット装填ステーション１５を置換えるかもしれない。測定ステーション１９または２１は、処理ツール１１の残りと同じロボットハンドラ１７を共有する。ロボットハンドラは、処理ツール１１内でウェハを全体的および局所的の双方に動かすために、いくつかのロボットを含み得る。処理ステーション１３での１つ以上の処理ステップのいずれかの完了後の製造処理においていつでも、ハンドラ１７は、特定された測定の実行のためにウェハを測定ステーション１９または２１へ搬送してもよい。ウェハの測定は、すべての処理ステップが完了してカセットステーション１５に戻される前に、または製造処理における或る中間ステージで行なわれてもよい。次の処理ステップは測定結果に依存してもよい。また、次のウェハの処理は測定結果に依存してもよい。
【００１８】
図２の好ましい一実施例を参照すると、この発明における組込み測定ステーション１９または２１は、たとえば、線幅、段高さ、側壁角度または線プロファイルなどのウェハ上の細かいパターニングされた形状構成のパラメータを測定するための、スキャッタメータ測定法に好適な光学計器を提供する。しかしながら、図１の処理ツール１１は、パターニングされていないウェハを特徴づける（たとえばレジスト塗布厚さ）ため、または電気的特徴を測定するためなどの他の種類の測定および検査ステーションも含んでいるかもしれない。
【００１９】
図２の好ましい光学測定ステーション１９では、ウェハ３１は３点ウェハ支持体３３上に取付けられ、対物レンズ４１は、好ましくは、少なくとも１つの次元において横方向に動く。支持体３３は、好ましくは、一旦それが測定光学部品の下に置かれると、ウェハ３１を静止させたまま保持する。３点支持体３３はウェハとの最小限の接触を提供するため、好まれる。この好ましい実施例ではウェハは動かないため、連動装置は必要なく、したがって処理ツールウェハ移送機構とウェハ支持機構との不慮の衝突が防止される。
【００２０】
また、これに代えて、３点支持体３３は、縁支持体、ウェハチャックまたはマルチピンチャックのいずれかで置換えられてもよい。縁支持体では、ウェハ３１はその外側の縁によって中央に置かれ支持される。ウェハチャックでは、ウェハ３１はプラテン上に平らに載っている。マルチピンチャックでは、ウェハは３つ以上のピンの上に載っており、真空がピンに加えられてウェハをしっかりと、しかし真空チャックよりも少ない接触面積で保持する。すべての代替物は、それがステーションへ置かれた後のウェハ３１の回転および／またはノッチ整列を可能にする。チャックは潜在的に、ウェハを平らに保ちしたがって測定光学部品に対し常にフォーカスされた状態に保つ際により良好な作業を行ない、それにより、オートフォーカス時間が最短化されるためにスループットが改良されるものの、それはロボット用のリフトピンと、チャックとハンドラ間のエフェクタ間隙とを必要とし、プラテンとの背面接触は交差汚染の可能性を提供する。
【００２１】
測定光学部品３５は、透明な（たとえば溶融されたシリカ）窓３７を有する外枠３６によってウェハ３１から物理的に隔離されている。窓３７はウェハ表面を、任意の粒子による汚染から、または上述の光学部品アセンブリに起因するガス放出から保護する。同様に、窓３７は光学部品を、蒸気などのウェハから生じる汚染から、または化学物質、液体、気体もしくは真空などのウェハ３１が置かれているかもしれない劣悪な環境から保護する。
【００２２】
外枠３６内の光学部品アセンブリは、移動ステージ３９によって駆動される可動測定光学系３５を含む。ステージシステム３９の目的は、ウェハ上方の光学部品を測定用に選択された場所へ動かすことである。ウェハに対する対物レンズ４１の正確な位置づけが重要である。なぜなら、測定されるべきウェハの形状構成は小さく、特定の場所にあるためである。好ましい一実施例では、ステージシステム３９は、ウェハ表面に平行な２つの直交する横方向に対物レンズを動かすためのｘステージおよびｙステージからなる。また、これに代えて、対物レンズは単一のステージによって一方向（半径方向）にのみ動かされ、一方、ウェハはたとえば縁支持体、ピンチャックまたはプラテンによって回転される。さまざまなそのようなステージシステム３９は、処理ツールによって課されるサイズ制約内で利用可能である。測定光学系３５を動かすことは、より大きな設置面積を必要とするであろうウェハを並進させる必要性を回避し、一方、依然としてウェハ全体をカバーする。
【００２３】
可動光学系３５は、少なくとも、互いに固定した関係にある対物レンズ４１およびピンホール４３を含む。対物レンズ４１は入射光路および反射光路の双方にある。対物レンズ４１は入射光４５を、窓４５を通してウェハ３１の構造化した表面上へフォーカスする。対物レンズ４１はまた、ウェハから反射された光を収集し、この収集された光４７の一部をピンホール４３上へフォーカスする。ピンホール４３は光４７を抽出し、分光検出システム（図２には図示せず）へ伝送するが、その要素は可動光学系３５の一部であってもなくてもよい。
【００２４】
図３は、別の好ましい光学測定計器のさらなる詳細を示す。
この場合、支持体３５ａ上の光学部品のいくつかは、外枠３６の上部に取付けられたｙステージ３９ａ上をｙにのみ動く。支持体３５ｂおよびその光学部品は、支持体３５ａとともにｙに動くが、ｘステージ３９ｂ上でｘにも動く。このためこの実施例では、対物レンズ４１はｘおよびｙに動き、ミラー４３のピンホールはｙにのみ動き、そのためこれら２つは固定された関係にない。この実施例では、広帯域光源５１からの光はファイバ５３によって光学計測ステーション１９へ伝搬される。広帯域光源５１は、電磁放射（光、可視光線および紫外線の双方）を、多種多様の波長で、好ましくは２４０ｎｍ−１０００ｎｍ波長範囲において提供する。コリメータ５５はファイバ５３からの光を収集し、実質的にコリメートする。ミラー５７はコリメートされたビームをｘ−ｙ可動光学部品の方へ偏向させる。ビームスプリッタ５９は、コリメートされたビーム５６を、モニタビーム６２とサンプルビーム６４とに分割する。モニタビーム６２はミラー６１ａおよび６１ｂによって偏向され、そのためそれはモニタレンズ６１ｃによってモニタピンホールミラー６１ｄ上へフォーカスされ得る。ビーム６１の一部はピンホールによって抽出され、ファイバを通過してモニタ分光計６１ｅへ通り、そこでそのスペクトルは記録される。対物レンズ４１は、フレーム３６によって保持された窓３７を通して、下向きに伝搬する照射光６４ａをウェハ３１上にフォーカスし、反射されたサンプルビーム６４ｂを収集する。透明の窓３７はウェハ３１上方の外枠３６の底に取付けられている。サンプルビーム６４はビームスプリッタ５９を通過し、ミラー６３ａ、６３ｂおよび６３ｃによって偏向される。サンプルレンズ６３ｄはサンプルビーム６４ｂをサンプルピンホールミラー４３上へフォーカスし、それは、サンプルビームの一部を抽出し、ファイバを通して分光計６１ｅへ送る。サンプルピンホールミラー４３はサンプルビーム６４の残りを反射し、そのためそれは結像レンズ６３ｅによって小視野カメラ６３ｇ上へフォーカスされ得る。
【００２５】
基準反射体３２は対物レンズの移動範囲内にあるが、ウェハを覆い隠してはいない。それは安定した反射率を有し、有効反射面は名目上、ウェハ３１の上部と同じｚ位置を有する。
【００２６】
吸収体３４は、対物レンズがその上方に置かれた場合に、ほぼゼロの光を反射するよう設計されている。吸収体は、焦点から離れた適度に黒い表面、Ｖ字形の２つの黒い表面、レザー状の刃の堆積された配列、または黒く塗られた粗面を含む、任意の数のものであり得る。最良の設計は、２片または３片の黒いガラスが、一方からの鏡面反射が次のものに当たるように配置されたものである。対物レンズが上方に置かれた状態で、吸収体は光学部品における不要な迷光による信号を測定することができ、そのためこの量は後に各測定値から減ずることができる。好ましくは、吸収体３４は、対物レンズ４１がそれを窓３７を通して、または、これが機械的に実現可能でない場合には窓３７と同じ反射率を有する第２の窓（図示せず）を通して見るよう位置づけられる。ウェハの中央近傍で大きなパッチを見るために、支持体３５ｂは図示された位置へ動く。ＬＥＤ７１は大視野（ＬＦＯＶ）照射７２を放射する。フレネルレンズ７３はＬＦＯＶ照射７２を収集し、それをＬＦＯＶビームスプリッタ５９へ向ける。ＬＦＯＶビームスプリッタ７５はいくらかの照射をウェハ３１上へ向け、ウェハによって反射されたいくらかの光が、ＬＦＯＶカメラ７９上へフォーカスするＬＦＯＶレンズ７７を通過するようにする。ＬＦＯＶは少なくとも２平方ｍｍである。
【００２７】
分光器６１ｅおよび６３ｆ、カメラ７９および６３ｇ、ステージ３９ａならびに３９ｂに関連したｘモータおよびｙモータ（図示せず）などは、測定プロセッサ（図示せず）に電気的に接続されている。プロセッサはスペクトルをデジタル化し、モータを駆動し、システムを包括的に制御して、ウェハ３１上の予め定められた場所での特徴を収集する。
【００２８】
ウェハ３５が来た後、ＬＦＯＶカメラ７９は、ステージ３９が図示された位置にある状態で、ウェハの位置の判断を可能にする。その後、ステージ３９は、対物レンズがパターン場所および特定箇所へ動くことを可能にし、そこで光学的特徴が分光器６１ｅおよび６３ｆの助けを借りて記録される。
【００２９】
また、これに代えて、計測学ステーション１９は、対物レンズ４１のためのオートフォーカスを含む。
【００３０】
また、これに代えて、他の処理ツールモジュールにおいて提供されたものと同様の、反射率計計器の対物レンズ４１に対する正確なウェハの向きおよび位置を判断するためのノッチ観察システムもある。ＬＦＯＶ画像におけるパターンの向きは、コグネックスコーポレイション（Ｃｏｇｎｅｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）によるパッドマックス（ＰａｄＭａｘ）などのパターン認識ソフトウェアを用いて判断可能である。ウェハの中央の場所は、好ましくは、ウェハのカーブした縁の一部または全部を結像するようＳＦＯＶを動かし、中央位置を計算するために得られた画像を用いることによって判断される。さらに、校正マークをウェハ支持体（図３には図示せず）に組込んで、ウェハがない場合の焦点合わせに使用する基準を提供してもよい。たとえば、３点ウェハ支持体における１つ以上の支持点の上部のすこぶる端を用いて、測定光学部品までの距離を判断することができる。この情報は、ウェハ厚さ情報と組合わせると、ウェハに焦点が合うまで、ウェハ表面の場所を計算し、光学部品アセンブリまたはウェハ支持体のいずれかに関連する２ステージの調整を制御するために使用され得る。
【００３１】
光学測定ステーションはデータ取得および処理システムも含み、それらのうちの一部またはすべては処理ツールモジュールの外に置かれているかもしれない。そのようなシステムでは、ウェハ上のパターン形状構成の分光反射率計からの測定された反射強度スペクトル、または、ビームプロファイル反射率法、楕円偏光法または偏光法データなどの別の種類の光学測定からの他の同様のデータは、デジタル化され、おそらくはたとえば校正用にコンピュータ修正されて、分析用に用いられる測定された特徴となってもよい。分析は、予めコンピュータ計算された特徴のライブラリを探索して最良の整合を見つけること、または上述の他のスキャッタメータ測定法手法のいずれかを含んでいてもよい。一方はモニタチャネル６１、他方はサンプルチャネル６３である２つの測定チャネルの使用と、モノリシック分光計６１ｅおよび６３ｆの使用とは、たとえば、光源の変動または変化、および温度に誘発されたドリフトを補償する。対物レンズシステム４１は、単一の回折次数に基づいて光学的特徴の計算を簡略化する低開口数（０．１以下）の光学システムの一部であり、そのため、このシステムは、ウェハのトポグラフィ状のパターニングされた表面を観察する場合にフォーカスすること、および３点支持体上にある間にいかなるウェハ形状偏差をも補償することに対してそれほど敏感でない。また、これに代えて、オートフォーカスシステムが対物レンズとウェハ間の距離を調整してもよい。
【００３２】
ビームスプリッタ５９は、インコネルがコーティングされた溶融シリカプレートである。また、これに代えて、多層誘電体または金属／誘電体ハイブリッドコーティングを用いてもよいが、ＵＶおよび可視波長が組合わされた範囲にわたって効率は低下する。これら他のコーティングも、それらがより多くの不要な偏光をビームに導入するという問題を有する。プレートの代わりに立方体のビームスプリッタを用いてもよいが、プレートは、ＵＶ光中で劣化するかもしれない（立方体にあるような）光セメントを使用しないため、ＵＶシステムに対して特定の利点を有する。
【００３３】
場合によっては、スキャッタメータ測定法に望まれる低ＮＡは、そこから光が収集されるサンプル上の区域を、回折効果のためにより大きくするかもしれない。図３の光学部品に対して行なうことのできる可能な改良が２つある。１つはそのシステムを共焦点顕微鏡に基づいたシステムにすることである。もう１つは対物レンズの開口絞り近傍にアポダイザを置くことである。これら２つの改良はともにまたは別個に用いてもよい。
【００３４】
一般に、共焦点顕微鏡は、検査または測定されるサンプル上へピンホールを投射し、サンプルおよびピンホールの組合わされた画像が次に第２のピンホール上へ投射され、それにより顕微鏡は、回折がさもなくば許可するであろう区域よりも小さいサンプル上の区域から光を収集するようになる。
【００３５】
図４は、図３のシステムを共焦点顕微鏡に基づいたシステムに変換するために、図３のレンズ５５を置換える構成要素の詳細な図である。図３および図４では、ファイバ１０１を出る平行光線１０７ａおよび１０７ｂは、ボールレンズ１０２によって反射性ピンホール１０３へフォーカスされる。光線１０７ａおよび１０７ｂは次に、レンズ１０６ａおよび１０６ｂによってコリメートされる。光線１０７ａおよび１０７ｂは次にウェハ３１上へフォーカスされ、ウェハ３１上にピンホール１０３の画像を形成する。ウェハ３１上のピンホール１０３の画像は、ピンホール４３の大きさと、対物レンズ４１およびレンズ６３ｄを含むレンズシステムの倍率とによって決まる、光を収集するために用いる測定スポットよりも、若干大きくなければならない。ピンホール１０３の大きさを減少させることは、スポットサイズの減少という所望の効果を有するが、そのことはウェハ３１上の焦点の深さを減少させるという好ましくない効果も有する。大きさはこれら２つの効果の釣り合いをとるよう選択される。
【００３６】
ピンホール１０３の別の結果は、それがパターン認識に用いられる視野（ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ）の残りを照射する光を遮断することである。フィールド照射を提供するため、ピンホール１０３は、フィールド照射光学部品１０５からの光をその面で反射させ得る反射性コーティングにエッチングされる。パターン認識のためにフィールドが照射されなければならない場合には、シャッタ１０４は開いており、測定のためには閉じられる。フィールド照射光学部品１０５は、その射出瞳（図示せず）がウェハ平面３１近傍で結像され、光源（図示せず）がミラー５７のすぐ後で結像されるよう構成される。
【００３７】
アポダイザは、点像分布関数から回折リングを除去する役割を果たし、計器の有効スポットサイズを減少させる、透過が徐々に変化する開口部である。理想的には、アポダイザは透過されたビームにおいてガウス強度プロファイルを生成すべきであるが、実際には、暗から明へ変わるいかなる滑らかなプロファイルもほぼ同様に良い。目標は、プロファイルの空間周波数スペクトルのハイエンドをできるだけ排除することである。アポダイザはまた、傾斜した反射性表面でもあり得る。
【００３８】
口径食（ｖｉｇｎｅｔｔｉｎｇ）を回避するためまたは減少させるため、アポダイザは光学系の開口絞りにまたはその近傍に置かれるべきである。図４は、アポダイザについての４つの可能な位置を示す、図３からの詳細である。
【００３９】
図４では、位置１０１は対物レンズ絞りに最も近いが、それは他の位置の利点のいくつかを導入しない。この点では、光はアポダイザを２回通過するため、他の位置に比べ、光学密度プロファイルに０．５を乗ずる必要がある。
【００４０】
位置１０２も対物レンズ開口部に近いが、それもサンプル傾斜に対するシステムの感度を低下させる。このことは、照射ビームおよび収集ビームのための絞りが若干異なる大きさを有する場合にはいつでも当てはまる。位置１０２はまた、通常のシステムの開口絞りにとって、ウェハからの収集されたＮＡを減少させるのに最良の場所である。
【００４１】
位置１０３は反射性アポダイザにとって最良の場所である。それは４５°であるため、１つの方向に延ばされなければならない。
【００４２】
位置１０４は多くの点で位置１０２と同様であるが、たぶんそれほど望ましくはない。なぜなら、それは移動する開口部をモニタチャネル経路（上には図示せず）に置き、その読出に影響を与えるかもしれないからである。
【００４３】
好ましい実施例では、プロセッサは光スペクトルから光学的特徴を計算し、次に、関心の対象となる構造用のライブラリから、ライブラリ内の測定された特徴とモデル特徴との間の最良の適合に基づいて、１組の測定パラメータを選択する。測定が所望のウェハについて行なわれる前に、ライブラリは適切なパラメータを用いて計算されている。
【００４４】
測定されたスペクトルを光学的特徴の基盤とすることで、最良の整合は、ウェハの照射された区域上の構造の１組の１つ以上の光学的および／または幾何学的パラメータ（幅、高さ、プロファイル、屈折率など）に関連づけられる。そのようなパラメータが一旦決まり、おそらくは修正または変換されると、これらの測定結果は、処理ツール内の処理ステーションによるそのウェハに対する次のステップの処理制御に、または次のウェハに対する先行する処理ステップのいずれかの処理制御に、または無駄な処理もしくは無駄なウェハを回避するための欠陥検出に使用可能である。処理ツールレシピパラメータへの調整は、処理のモデルと、測定されたパラメータの目標パラメータからの偏差とに基づいて計算される。測定計器を処理ツールに組込むことは、ウェハ製造を速め、短ループのウェハ処理制御を可能とする。
【００４５】
図３では、座標軸ｘ、ｙおよびｚは便宜上示されている。実際には、軸は便利な位置へ回転されてもよい。好ましい一実施例を詳細に説明してきたが、多くの代替的な実施例がこの発明の範囲内で可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に従って光学スキャッタメータ測定法の測定ステーションを組込んだ（ＩＭＳ）処理ツールの概略的な平面図である。
【図２】スキャッタメータ測定法および図１の処理ツールへの組込みに好適な光学測定ステーションの概略的な側面図である。
【図３】スキャッタメータ測定法および図２のステーションとは異なる処理ツールへの組込みに好適な別の測定ステーションのための測定光学部品の詳細を示す斜視図である。
【図４】図３の測定光学部品の代替的な一実施例に用いられる構成要素の詳細を示す概略的な側面図である。
【図５】図３の測定光学部品の別の代替的な実施例に使用される構成要素の位置を示す概略的な側面図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004536440.tif 000036
2004536440.tif 000037
【国際調査報告】
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2004536440.tif 000039
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