(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の膜を表面に有する被測定物に所定波長の楕円偏光状態の入射光を所定入射角で照射した時に、前記被測定物から反射する反射光のｐ偏光成分とｓ偏光成分の位相差（Δ）に基づく値及び振幅比（Ψ）に基づく値を理論計算により求めて基準データを得るとともに、
実際に前記被測定物に前記入射光を照射した時に反射する反射光のｐ偏光成分とｓ偏光成分の位相差（Δ）に基づく値及び振幅比（Ψ）に基づく値を測定によって求めて、前記基準データと比較することにより、前記膜の解析を行う偏光解析方法において、
前記基準データを得る際に、前記ｐ偏光成分の反射面と、前記ｓ偏光成分の反射面とを異ならせて前記理論計算を行うことを特徴とする偏光解析方法。
【請求項２】
請求項１記載の偏光解析方法において、
前記比較は少なくとも２つ以上の波長に基づいてなされることを特徴とする偏光解析方法。
【請求項３】
請求項１記載の偏光解析方法において、
前記比較は少なくとも２つ以上の入射角に基づいてなされることを特徴とする偏光解析方法。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか１項記載の偏光解析方法において、
前記位相差（Δ）に基づく値はcos Δであり、前記振幅比（Ψ）に基づく値はtan Ψであることを特徴とする偏光解析方法。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項記載の偏光解析方法において、
前記被測定物が、
最上層に形成され、光透過性の高い高光透過性材料で構成された第１層と、
前記第１層の下に設けられ、光透過性の高い高光透過性材料と、光透過性の低い低光透過性材料とで構成される第２の層と、
第２の層の下に設けられ、光透過性の高い高光透過性材料で構成される第３層と、
前記第３層の下に設けられ、光透過性の低い低光透過性材料からなる基板と
を有することを特徴とする偏光解析方法。
【請求項６】
請求項５記載の偏光解析方法において、
前記第２層は、前記高光透過性材料と、前記低光透過性材料が、層平面方向に交互に配置された直線状配線構造を有し、
前記ｐ偏光成分の偏光面は前記直線状配線と平行であることを特徴とする偏光解析方法。
【請求項７】
請求項６記載の偏光解析方法において、
前記基板と前記第３層との間に、光透過性の高い高光透過性材料と、光透過性の低い低光透過性材料が、層平面方向に交互に配置された直線状配線構造を少なくとも表面に有する第４層を有し、
前記第４層の直線状配線の方向は、前記第２層の直線状配線の方向と直交する方向であることを特徴とする偏光解析方法。
【請求項８】
請求項７記載の偏光解析方法において、
前記ｓ偏光成分は、前記第２層上で反射し、前記ｐ偏光成分は前記第２層を透過し、前記第４層上で反射することを特徴とする偏光解析方法。
【請求項９】
請求項５〜８いずれか一項記載の偏光解析方法において、
前記理論計算における前記第２層は、前記ｐ偏光成分に対する屈折率と、前記ｓ偏光成分に対する屈折率とが異なることを特徴とする偏光解析方法。
【請求項１０】
請求項５〜９いずれか１項記載の偏光解析方法において、
前記光透過性の低い低光透過性材料が金属配線材料であり、前記光透過性の高い高光透過性材料が絶縁性材料であることを特徴とする偏光解析方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０いずれか１項記載の偏光解析方法において、
前記測定対象の膜は第１層から第４層の少なくともいずれか１つであって、前記測定対象の膜の膜厚、屈折率、断面形状の少なくともいずれか一つを測定することを特徴とする偏光解析方法。
【請求項１２】
測定対象の膜を表面に有する被測定物に所定波長の楕円偏光状態の入射光を所定入射角で照射した時に、前記被測定物から反射する反射光のｐ偏光成分とｓ偏光成分の位相差（Δ）に基づく値及び振幅比（Ψ）に基づく値を理論計算により求めて得られた基準データと、
実際に前記被測定物に前記入射光を照射した時に反射する反射光を測定し、当該測定された反射光のｐ偏光成分とｓ偏光成分の位相差（Δ）に基づく値及び振幅比（Ψ）に基づく値と、
を比較し、前記膜の解析を行う光学的膜厚測定装置において、
前記基準データが、前記ｐ偏光成分の反射面と、前記ｓ偏光成分の反射面とを異ならせて前記理論計算を行い求めたものであることを特徴とする光学的膜厚測定装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の光学的膜厚測定装置において、
前記比較は少なくとも２つ以上の波長に基づいてなされることを特徴とする光学的膜厚測定装置。
【請求項１４】
請求項１２記載の光学的膜厚測定装置において、
前記比較は少なくとも２つ以上の入射角に基づいてなされることを特徴とする光学的膜厚測定装置。
【請求項１５】
請求項１２〜１４いずれか１項記載の光学的膜厚測定装置において、
前記位相差（Δ）に基づく値はcos Δであり、前記振幅比（Ψ）に基づく値はtan Ψであることを特徴とする光学的膜厚測定装置。
【請求項１６】
請求項１２〜１５いずれか１項記載の光学的膜厚測定装置において、
前記被測定物が、
最上層に形成され、光透過性の高い高光透過性材料で構成された第１層と、
前記第１層の下に設けられ、光透過性の高い高光透過性材料と、光透過性の低い低光透過性材料とで構成される第２の層と、
第２の層の下に設けられ、光透過性の高い高光透過性材料で構成される第３層と、
前記第３層の下に設けられ、光透過性の低い低光透過性材料からなる基板と
を有することを特徴とする光学的膜厚測定装置。
【請求項１７】
請求項１６記載の光学的膜厚測定装置において、
前記第２層は、前記高光透過性材料と、前記低光透過性材料が、層平面方向に交互に配置された直線状配線構造を有し、
前記ｐ偏光成分の偏光面は前記直線状配線と平行であることを特徴とする光学的膜厚測定装置。
【請求項１８】
請求項１７記載の光学的膜厚測定装置において、
前記基板と前記第３層との間に、光透過性の高い高光透過性材料と、光透過性の低い低光透過性材料が、層平面方向に交互に配置された直線状配線構造を少なくとも表面に有する第４層を有し、
前記第４層の直線状配線の方向は、前記第２層の直線状配線の方向と直交する方向であることを特徴とする光学的膜厚測定装置。
【請求項１９】
請求項１８記載の光学的膜厚測定装置において、
前記ｓ偏光成分は、前記第２層上で反射し、前記ｐ偏光成分は前記第２層を透過し、前記第４層上で反射することを特徴とする光学的膜厚測定装置。
【請求項２０】
請求項１６〜１９いずれか１項記載の光学的膜厚測定装置において、
前記理論計算における前記第２層は、前記ｐ偏光成分に対する屈折率と、前記ｓ偏光成分に対する屈折率とが異なることを特徴とする光学的膜厚測定装置。
【請求項２１】
請求項１６〜２０いずれか１項記載の光学的膜厚測定装置において、
前記光透過性の低い低光透過性材料が金属配線材料であり、前記光透過性の高い高光透過性材料が絶縁性材料であることを特徴とする光学的膜厚測定装置。
【請求項２２】
請求項１２〜２１いずれか１項記載の光学的膜厚測定装置において、
前記測定対象の膜は第１層から第４層の少なくともいずれか１つであって、前記測定対象の膜の膜厚、屈折率、断面形状の少なくともいずれか一つを測定することを特徴とする光学的膜厚測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、偏光解析方法及び光学的膜厚測定装置に係り、特に半導体装置の製造工程における膜厚測定や、エッチング形状等の断面形状の測定に好適な偏光解析方法及び光学的膜厚測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、例えば半導体装置の製造プロセスにおける膜厚の検査工程等では、エリプソメータを使用した光学的膜厚測定が利用されている。
【０００３】
図２は、このようなエリプソメータを使用した光学的膜厚測定の概略を示すものである。同図に示すように、エリプソメータを使用した光学的膜厚測定では、光源１０１からの光を、偏光状態を調整する偏光子１０２、位相を調整する補償板１０３の各光学素子を通過させることによって、楕円偏光状態の入射光を形成し、サンプル１０７に照射する。
【０００４】
そして、サンプル１０７からの反射光の光路上に、偏光状態を調べるための検光子１０４、所定波長の光を選択するための分光器１０５、検出器１０６を設けて反射光の各波長について偏光状態を測定し、スペクトルを得る。
【０００５】
例えば、図３に示すように、Ｓｉ基板２０２上に成膜された酸化膜（ゲート酸化膜など）２０１の膜厚を測定する場合、上記のようにして、空気（屈折率＝Ｎ0 ）２００中から角度θ0 で照射された楕円偏光状態の入射光は、酸化膜（屈折率＝Ｎ1 ）２０１表面で反射するとともに、そのほとんどは酸化膜２０１内に入射する。そして、酸化膜２０１内に入射した光は、Ｓｉ基板２０２界面（基板面）（屈折率＝Ｎ2 ）で反射して酸化膜２０１内から空気２００中に戻り、酸化膜２０１表面での反射光と偏光干渉する。
【０００６】
上記のような光について、それぞれｐ偏光成分とｓ偏光成分を計算し、それぞれの位相差Δと振幅比Ψから膜厚が算出される。
【０００７】
Ｓｉ基板２０２面での反射光のｐ偏光成分（ｒ1p）と、ｓ偏光成分（ｒ1s）は、それぞれ以下の式によって計算される。
ｒ1p＝（ｎ2 cos θ1 −ｎ1 cos θ2 ）／（ｎ2 cos θ1 ＋ｎ1 cos θ2 ）
ｒ1s＝（ｎ1 cos θ1 −ｎ2 cos θ2 ）／（ｎ1 cos θ1 ＋ｎ2 cos θ2 ）
【０００８】
また、検出される光のｐ偏光成分（ＲP ）とｓ偏光成分（Ｒs ）は、上記のｒ1p、ｒ1sと、酸化膜２０１面での反射光のｐ偏光成分（ｒ0p）と、ｓ偏光成分  （ｒ0s）から、以下の式により偏光状態が計算される。
ＲP ＝（ｒ0p＋ｒ1pexp （−２ｉδ））／（１＋ｒ0p・ｒ1pexp （−２ｉδ））
Ｒs ＝（ｒ0s＋ｒ1sexp （−２ｉδ））／（１＋ｒ0s・ｒ1sexp （−２ｉδ））
但し（δ＝２πｎ1 ｔcos θ1 ／λ）
最終的に、
ＲP ／Ｒs ＝tan （Ψ）・exp （−ｉΔ）
を用いて、cos Δとtan Ψを各波長について計算することで、波長依存スペクトルが得られる。そして、酸化膜２０１の膜厚値ｔをパラメータとして実測のスペクトルと理論スペクトルを比較することで、膜厚値ｔが算出できる。
【０００９】
また、図４に示すように、Ｓｉ基板２０２上に形成された酸化膜２０１が、グレーティング構造を有する場合、このグレーティング構造の断面形状の測定も、エリプソメータで可能であり、この場合、図５に示すように、パターン部分をＬ等分に分割し、グレーティング部分をＬ層の積層膜として形状を求める方法もある。この方法においては、空気とグレーティング構造の誘電率の混合層が存在し、各界面においてｎ次回折光が発生するというモデルで断面形状を算出している。この場合、図５に示すグレーティングパターンが無限に繰り返される領域を仮定する。グレーティング構造をＬ層に分割し各層で空気とグレーティング部分の体積比に基づいて誘電率を算出する。そのＬ層の積層構造にある角度で光を入射したとき、各層の界面において反射と透過のｎ次回折光が発生するというモデルを立て、それぞれｓ偏光成分、ｐ偏光成分の振幅反射率を計算する。最終的にcos Δとtan Ψの波長依存性から断面形状を求めることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した膜厚測定方法、断面形状測定方法のいずれも、基板面（下層の反射面）がＳｉ、Ａｌ、Ｃｕ等の光の吸収係数ｋが大きい材料（光透過性の低い低光透過性材料）からなり、膜厚が厚く、平坦な非透過性の場合に適用可能である。
【００１１】
しかしながら、上述した膜厚測定方法及び断面形状測定方法膜厚では、測定する対象である酸化膜の下層に多層配線構造を有する試料の場合、膜厚測定及び断面形状測定を行うことができないという問題がある。
【００１２】
すなわち、例えば、図６に示す試料の場合、図６（ａ）に示すように、膜厚を測定する対象である酸化膜３０１からなるａ層の下層に、金属配線３０２と層間絶縁膜３０３からなるｂ層、金属配線３０４と層間絶縁膜３０５からなるｃ層が形成され、同図（ｂ）、（ｃ）に示すように、ｂ層の金属配線３０２とｃ層の金属配線３０４とが直交するように形成された多層配線構造を有する。このような多層配線構造のうち、酸化膜３０１及び層間絶縁膜３０３，３０５は、二酸化シリコン等の光透過性の高い高光透過性材料から構成され、金属配線３０２，３０４は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ等の光透過性の低い低光透過性材料から構成されている。なお、図６（ａ）中、３０６，３０７は、ＳｉＮ膜やＳｉＣ膜等からなり、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing ）工程で利用されるストッパー層である。
【００１３】
また、図７に示す試料の場合、さらに、酸化膜３０１が、グレーティング構造を有する。
【００１４】
上記のような多層配線構造を有する試料の場合、下層の反射面の構造が複雑であるため、理論スペクトルを計算するに当たって、ａ層の表面とａ層とｂ層の界面とで反射するとして理論スペクトルを計算したり、ａ層の表面とｂ層とｃ層の界面で反射するとして理論スペクトルを計算しても、膜厚測定及び断面形状測定を行うことができなかった。
【００１５】
このため、従来においては、多層配線構造上に形成された膜の膜厚測定等を行う場合、製造工程中に、製品ウエハとは別にテストピースウエハを投入し、テストピースウエハ（ベアＳｉ）上に測定対象となる膜を形成し、光学的手法により膜厚測定を行っている。
【００１６】
また、エッチング形状の測定の場合についても、テストピースウエハを投入し、成膜、レジスト塗布、露光、エッチングの工程を行って、断面をＳＥＭで観察し、形状の管理を行っている。
【００１７】
このため、いずれの場合も、テストピースウエハ数だけ製造コストが増すことになるという問題があった。
【００１８】
また、チップ内に膜厚測定あるいはエッチング形状測定のモニタリングパターンを設け、その位置を従来方法で測定することも可能である。しかし、ＩＣの高集積化に伴い、チップ内にある程度の大きさをもったモニタリングパターンを設けることは困難になってきている。また、仮に設けたとしてもパターンが大きいため、ＣＭＰの工程処理で、図８に示すように金属配線３０２の表面がおわん型に削れるディッシングが起こり、金属配線３０２との界面を反射面として膜厚等を測定する場合、測定精度が悪化するという問題がある。
【００１９】
したがって、多層配線上に形成された膜の膜厚及び断面形状を測定、管理するためには、製品ウエハの任意の位置を非破壊、高スループットで測定する方法の開発が求められていた。
【００２０】
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、多層配線上に形成された膜の膜厚測定及び断面形状測定を、非破壊かつ高スループットで行うことのできる偏光解析方法及び光学的膜厚測定装置を提供しようとするものである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１記載の発明は、測定対象の膜を表面に有する被測定物に所定波長の楕円偏光状態の入射光を所定入射角で照射した時に、前記被測定物から反射する反射光のｐ偏光成分とｓ偏光成分の位相差（Δ）に基づく値及び振幅比（Ψ）に基づく値を理論計算により求めて基準データを得るとともに、実際に前記被測定物に前記入射光を照射した時に反射する反射光のｐ偏光成分とｓ偏光成分の位相差（Δ）に基づく値及び振幅比（Ψ）に基づく値を測定によって求めて、前記基準データと比較することにより、前記膜の解析を行う偏光解析方法において、前記基準データを得る際に、前記ｐ偏光成分の反射面と、前記ｓ偏光成分の反射面とを異ならせて前記理論計算を行うことを特徴とする。
【００２２】
請求項２の発明は、請求項１記載の偏光解析方法において、前記比較は少なくとも２つ以上の波長に基づいてなされることを特徴とする。
【００２３】
請求項３の発明は、請求項１記載の偏光解析方法において、前記比較は少なくとも２つ以上の入射角に基づいてなされることを特徴とする。
【００２４】
請求項４の発明は、請求項１〜３いずれか１項記載の偏光解析方法において、前記位相差（Δ）に基づく値はcos Δであり、前記振幅比（Ψ）に基づく値はtan Ψであることを特徴とする。
【００２５】
請求項５の発明は、請求項１〜４いずれか１項記載の偏光解析方法において、前記被測定物が、最上層に形成され、光透過性の高い高光透過性材料で構成された第１層と、前記第１層の下に設けられ、光透過性の高い高光透過性材料と、光透過性の低い低光透過性材料とで構成される第２の層と、第２の層の下に設けられ、光透過性の高い高光透過性材料で構成される第３層と、前記第３層の下に設けられ、光透過性の低い低光透過性材料からなる基板とを有することを特徴とする。
【００２６】
請求項６の発明は、請求項５記載の偏光解析方法において、前記第２層は、前記高光透過性材料と、前記低光透過性材料が、層平面方向に交互に配置された直線状配線構造を有し、前記ｐ偏光成分の偏光面は前記直線状配線と平行であることを特徴とする。
【００２７】
請求項７の発明は、請求項６記載の偏光解析方法において、前記基板と前記第３層との間に、光透過性の高い高光透過性材料と、光透過性の低い低光透過性材料が、層平面方向に交互に配置された直線状配線構造を少なくとも表面に有する第４層を有し、前記第４層の直線状配線の方向は、前記第２層の直線状配線の方向と直交する方向であることを特徴とする。
【００２８】
請求項８の発明は、請求項７記載の偏光解析方法において、前記ｓ偏光成分は、前記第２層上で反射し、前記ｐ偏光成分は前記第２層を透過し、前記第４層上で反射することを特徴とする。
【００２９】
請求項９の発明は、請求項５〜８いずれか１項記載の偏光解析方法において、前記理論計算における前記第２層は、前記ｐ偏光成分に対する屈折率と、前記ｓ偏光成分に対する屈折率とが異なることを特徴とする。
【００３０】
請求項１０の発明は、請求項５〜９いずれか１項記載の偏光解析方法において、前記光透過性の低い低光透過性材料が金属配線材料であり、前記光透過性の高い高光透過性材料が絶縁性材料であることを特徴とする。
【００３１】
請求項１１の発明は、請求項１〜１０いずれか１項記載の偏光解析方法において、前記測定対象の膜は第１層から第４層の少なくともいずれか１つであって、前記測定対象の膜の膜厚、屈折率、断面形状の少なくともいずれか一つを測定することを特徴とする。
請求項１２の発明は、測定対象の膜を表面に有する被測定物に所定波長の楕円偏光状態の入射光を所定入射角で照射した時に、前記被測定物から反射する反射光のｐ偏光成分とｓ偏光成分の位相差（Δ）に基づく値及び振幅比（Ψ）に基づく値を理論計算により求めて得られた基準データと、実際に前記被測定物に前記入射光を照射した時に反射する反射光を測定し、当該測定された反射光のｐ偏光成分とｓ偏光成分の位相差（Δ）に基づく値及び振幅比（Ψ）に基づく値と、を比較し、前記膜の解析を行う光学的膜厚測定装置において、前記基準データが、前記ｐ偏光成分の反射面と、前記ｓ偏光成分の反射面とを異ならせて前記理論計算を行い求めたものであることを特徴とする。
請求項１３の発明は、請求項１２記載の光学的膜厚測定装置において、前記比較は少なくとも２つ以上の波長に基づいてなされることを特徴とする。
請求項１４の発明は、請求項１２記載の光学的膜厚測定装置において、前記比較は少なくとも２つ以上の入射角に基づいてなされることを特徴とする。
請求項１５の発明は、請求項１２〜１４いずれか１項記載の光学的膜厚測定装置において、前記位相差（Δ）に基づく値はcos Δであり、前記振幅比（Ψ）に基づく値はtan Ψであることを特徴とする。
請求項１６の発明は、請求項１２〜１５いずれか１項記載の光学的膜厚測定装置において、前記被測定物が、最上層に形成され、光透過性の高い高光透過性材料で構成された第１層と、前記第１層の下に設けられ、光透過性の高い高光透過性材料と、光透過性の低い低光透過性材料とで構成される第２の層と、第２の層の下に設けられ、光透過性の高い高光透過性材料で構成される第３層と、前記第３層の下に設けられ、光透過性の低い低光透過性材料からなる基板とを有することを特徴とする。
請求項１７の発明は、請求項１６記載の光学的膜厚測定装置において、前記第２層は、前記高光透過性材料と、前記低光透過性材料が、層平面方向に交互に配置された直線状配線構造を有し、前記ｐ偏光成分の偏光面は前記直線状配線と平行であることを特徴とする。
請求項１８の発明は、請求項１７記載の光学的膜厚測定装置において、前記基板と前記第３層との間に、光透過性の高い高光透過性材料と、光透過性の低い低光透過性材料が、層平面方向に交互に配置された直線状配線構造を少なくとも表面に有する第４層を有し、前記第４層の直線状配線の方向は、前記第２層の直線状配線の方向と直交する方向であることを特徴とする。
請求項１９の発明は、請求項１８記載の光学的膜厚測定装置において、前記ｓ偏光成分は、前記第２層上で反射し、前記ｐ偏光成分は前記第２層を透過し、前記第４層上で反射することを特徴とする。
請求項２０の発明は、請求項１６〜１９いずれか１項記載の光学的膜厚測定装置において、前記理論計算における前記第２層は、前記ｐ偏光成分に対する屈折率と、前記ｓ偏光成分に対する屈折率とが異なることを特徴とする。
請求項２１の発明は、請求項１６〜２０いずれか１項記載の光学的膜厚測定装置において、前記光透過性の低い低光透過性材料が金属配線材料であり、前記光透過性の高い高光透過性材料が絶縁性材料であることを特徴とする。
請求項２２の発明は、請求項１２〜２１いずれか１項記載の光学的膜厚測定装置において、前記測定対象の膜は第１層から第４層の少なくともいずれか１つであって、前記測定対象の膜の膜厚、屈折率、断面形状の少なくともいずれか一つを測定することを特徴とする。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を、実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３３】
図１は、前述した図６に示した多層配線構造を有する試料の酸化膜３０１の膜厚（ｔA ）を測定する場合の例を示すもので、同図では、説明を簡単にするために、図６に示したストッパー層３０６，３０７については、図示を省略してある。また、同図において、（ａ）は、照射された光のうちのｓ偏光成分の挙動を示しており、（ｂ）は、ｐ偏光成分の挙動を示している。なお、測定に使用されるエリプソメータの構成は、前述した図２に示されるように、光源１０１、偏光子１０２、補償板１０３、検光子１０４、分光器１０５、検出器１０６等から構成されている。
【００３４】
図１（ａ）に示すように、屈折率がＮ0 の空気３００中から、屈折率がＮA の酸化膜３０１からなるＡ層に照射された入射光のｓ偏光成分は、その一部が反射角θ0 でＡ層の表面から反射され（ｒ0s）、残りがＡ層内に入射する。
【００３５】
そして、Ａ層内に入射したｓ偏光成分は、Ａ層を通過して、金属配線３０２と層間絶縁膜３０３からなるＢ層との界面に到達するが、ｓ偏光成分は、金属配線３０２の配線方向（配線の長手方向）と垂直な方向に振幅しているため、Ｂ層の金属配線３０２間に形成された層間絶縁膜３０３形成領域を通過することができず、Ｂ層との界面において反射角θ1 で反射される。この反射光の振幅反射率ｒ1sは、
ｒ1s＝（ＮA cos θ1 −ＮBscos θ2 ）／（ＮA cos θ1 ＋ＮBscos θ2 ）
で表せる。なお、ＮBsは、Ｂ層のｓ偏光成分に対する屈折率である。
【００３６】
この反射光（ｒ1s）が、Ｂ層を通過し、Ａ層表面で反射した反射光（ｒ0s）と干渉するが、その干渉光の振幅反射率Ｒs は、
Ｒs ＝（ｒ0s＋ｒ1sexp （−２ｉδ））／（１＋ｒ0s・ｒ1sexp （−２ｉδ））
但し、
δ＝２πＮA ｔA cos θ1 ／λ
ｒ0s＝（Ｎ0 cos θ0 −ＮA cos θ1 ）／（Ｎ0 cos θ0 ＋ＮA cos θ1 ）
である。
【００３７】
一方、図１（ｂ）は、照射された光のうち、ｐ偏光成分の挙動を示している。屈折率がＮ0 の空気３００中から、屈折率がＮA の酸化膜３０１からなるＡ層に照射された入射光のｐ偏光成分は、その一部が反射角θ0 でＡ層の表面から反射され（ｒ0p）、残りがＡ層内に入射する。
【００３８】
そして、Ａ層内に入射したｐ偏光成分は、Ａ層を通過して、金属配線３０２と層間絶縁膜３０３からなるＢ層との界面に到達するが、ｐ偏光成分は、金属配線３０２の配線方向（配線の長手方向）と平行な方向に振幅しているため、Ｂ層の金属配線３０２間に形成された層間絶縁膜３０３形成領域を通過することができる。そして、この通過したｐ偏光成分は、さらに、層間絶縁膜３０３のみからなるＣ層を通過して、金属配線３０４と層間絶縁膜３０５からなるＤ層との界面に到達する。なお、同図に示されるとおり、Ｂ層との界面、Ｃ層との界面において、一部のｐ偏光成分は、反射角θ1 ，θ2 で反射される。
【００３９】
Ｄ層の金属配線３０４は、ｐ偏光成分の振幅方向に対して垂直であるので、ｐ偏光成分は、Ｄ層の金属配線３０４間に形成された層間絶縁膜３０５形成領域を通過することができず、Ｄ層との界面に到達したｐ偏光成分は、ここで、反射角θ3 で反射される。この反射光の振幅反射率ｒ3Pは、
ｒ3P＝（ＮD cos θ3 −ＮC cos θ4 ）／（ＮD cos θ3 ＋ＮC cos θ4 ）
で表せる。
【００４０】
ｓ偏光成分に対するＢ層と、ｐ偏光成分に対するＤ層は、実質的に基板面（非透過面）のように作用しているので、ｓ偏光成分に対するＢ層の屈折率ＮBsと、ｐ偏光成分に対するＤ層の屈折率ＮD との間には、ＮD ＝ＮBsが成立する。但し、Ｂ層とＣ層の金属配線の線幅及び間隔が等しい場合に限る。
【００４１】
Ｄ層との界面で反射した反射光（ｒ3p）は、Ｃ層を通過し、Ｃ層との界面で反射した反射光（ｒ2p）と干渉するが、この干渉光の振幅反射率Ｒ2pは、
Ｒ2p＝（ｒ2p＋ｒ3pexp （−２ｉδ））／（１＋ｒ2p・ｒ3pexp （−２ｉδ））
但し、
δ＝２πＮC ｔCcosθ3 ／λ
ｒ2p＝（ＮC cos θ2 −ＮBpcos θ3 ）／（ＮC cos θ2 ＋ＮBpcos θ3 ）
である。
【００４２】
ここで、Ｂ層について説明すると、既にｓ偏光成分の計算において、Ｂ層の屈折率をＮBsと定義したが、Ｂ層は膜厚により屈折率が変化するＣｕ、Ｗ、Ａｌ等の金属を含む層である。このような層の場合、ｓ偏光成分に対して基板面（非透過面）のように機能する場合と、ｐ偏光成分に対して透過膜として機能する場合の屈折率は異なり、ＮBs≠ＮBpである。
【００４３】
前述した干渉光（Ｒ2p）がＢ層を通過する場合も同様に考えると、Ｂ層での振幅反射率Ｒ1pは、
Ｒ1p＝（ｒ1p＋Ｒ2pexp （−２ｉδ））／（１＋ｒ1p・Ｒ2pexp （−２ｉδ））
但し、
δ＝２πＮBpｔB cos θ2 ／λ
ｒ1p＝（ＮBpcos θ1 −ＮA cos θ2 ）／（ＮBpcos θ1 ＋ＮA cos θ2 ）
である。最終的に、Ａ層表面での振幅反射率Ｒp は、
Ｒp ＝（ｒ0p＋Ｒ1pexp （−２ｉδ））／（１＋ｒ0p・Ｒ1pexp （−２ｉδ））
但し、
δ＝２πＮA ｔA cos θ1 ／λ
ｒ0p＝（ＮA cos θ0 −Ｎ0 cos θ1 ）／（ＮA cos θ0 ＋Ｎ0 cos θ1 ）
となる。
【００４４】
以上のようにして、基板面（非透過面）のように作用する反射面を、ｓ偏光成分とｐ偏光成分でそれぞれ分けて計算した振幅反射率Ｒs ，Ｒp から、ｓ偏光成分とｐ偏光成分の振幅比Ψと位相差Δの関数であるtan Ψとcos Δが、以下の式から計算できる。
Ｒs ／Ｒp ＝tan Ψ・exp （−ｉΔ）
【００４５】
以上は、任意の波長λについて説明したもので、連続する複数の波長について、tan Ψとcos Δを計算することで、基準データとなるλ−tan Ψとλ−cos Δのスペクトルデータが得られる。
【００４６】
そして、異なるＡ層の膜厚ｔA に関してこのように求められた基準データのスペクトルデータと、実際に測定して得られた実測のスペクトルデータとを、膜厚及び膜質に関するパラメータを振って比較し、その誤差を示す統計量が最小あるいは最大となる膜厚を出力値とする方法で、多層配線上に形成された酸化膜３０１（Ａ層）の膜厚を測定することができる。
【００４７】
なお試料が９０°回転した状態で、ｓ偏光成分とｐ偏光成分の反射・透過が逆になるパターンでもよい。
【００４８】
また、上述したように、ｓ偏光成分とｐ偏光成分が、それぞれ異なる面で反射するとして、tan Ψとcos Δの波長依存性を計算し、実測スペクトルと比較する方法は、図７に示したように、グレーティング構造のエッチング形状測定等の断面形状測定にも適用可能である。最上層に形成された断面形状算出に関しては、図５に示したようにパターン部分をｎ等分に分割し、グレーティング部分をｎ層の積層膜として形状を求める方法を使用する。
【００４９】
さらに、上記の実施形態では、Ｂ層とＤ層に、互いに直交する金属配線３０２，３０４が形成されている場合について説明したが、下層のＤ層については、金属配線３０４ではなく、基板面等の非透過面で構成されているものでも、同様にして適用することができる。
【００５０】
さらにまた、波長の代わりに入射角を可変とすることで同様の効果が得られる。例えば図１において入射角θ0 を可変にして測定を行うことでcos Δとtan Ψの入射角依存性が得られる。そして前記した式に基づき複数の入射角で計算することでθ−cos Δとθ−tan Ψの基準データが得られる。基準データと実測のスペクトルデータを比較することで所望の膜厚及び断面形状に関する物理量を求めることが可能である。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、多層配線上に形成された膜の膜厚測定及び断面形状測定を、非破壊かつ高スループットで行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の測定法の一実施形態を説明するための図。
【図２】本発明方法に使用するエリプソメータの概略構成を示す図。
【図３】従来の膜厚測定方法を説明するための基板断面の概略構成を示す図。
【図４】従来の断面形状測定方法を説明するための基板断面の概略構成を示す図。
【図５】従来の断面形状測定方法を説明するための基板断面の概略構成を示す図。
【図６】従来技術の問題点を説明するための基板断面の概略構成を示す図。
【図７】従来技術の問題点を説明するための基板断面の概略構成を示す図。
【図８】従来技術の問題点を説明するための基板断面の概略構成を示す図。
【符号の説明】
３００……空気、３０１……熱酸化膜、３０２，３０４……金属配線、３０３，３０５……層間絶縁膜。
【図１】
0003878027.tif 000002
【図２】
0003878027.tif 000003
【図３】
0003878027.tif 000004
【図４】
0003878027.tif 000005
【図５】
0003878027.tif 000006
【図６】
0003878027.tif 000007
【図７】
0003878027.tif 000008
【図８】
0003878027.tif 000009