(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定構造のセルを有するサンプルウェーハ上の一つのセルに光を照射して反射された光から輝度値を得る第１段階と、
前記セルに隣接したオキシドサイトの薄膜厚さを測定する第２段階と、
前記第１段階と前記第２段階を反復遂行して前記ウェーハに存在するセルから前記輝度値と各セルに隣接したオキシドサイトの薄膜厚さ値を得る第３段階と、
前記第３段階から得られた輝度値と厚さ値により輝度値から厚さ値を得る厚さ算出式を求める第４段階と、
製造工程上にあるウェーハ上のセルから反射された光の輝度を用いて前記第４段階から得られた厚さ算出式からセルの上部膜厚さを得る第５段階とを含むことを特徴とする薄膜厚さ測定方法。
【請求項２】
前記セルを照射する光は白色光であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜厚さ測定方法。
【請求項３】
前記セルを照射する光は単色光であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜厚さ測定方法。
【請求項４】
前記セルを照射する光は緑色光または赤色光であることを特徴とする請求項３に記載の薄膜厚さ測定方法。
【請求項５】
前記第１段階において、セルから反射された光の輝度を測定するとき、反射された光から赤色及び/または緑色光を分離し、これらそれぞれの輝度を得ることを特徴とする請求項２に記載の薄膜厚さ測定方法。
【請求項６】
前記第１段階において、セルから反射された光の輝度を測定するとき、セルから反射された光から直接輝度値を得ることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の薄膜厚さ測定方法。
【請求項７】
所定の下部パターンが形成されたセルとこれら間のオキシドサイトが備えられた測定対象ウェーハに光を照射する光源と、
前記ウェーハのセルから反射された光を受光するカメラと、
前記カメラからの画像信号により輝度を測定する輝度測定部と、
前記輝度測定部からの輝度値により前記セルの上部膜の厚さを計算する薄膜厚さ計算部とを具備することを特徴とする薄膜厚さ測定装置。
【請求項８】
前記薄膜厚さ計算部は、前記測定対象ウェーハのセルと同じ構造のセルを有するサンプルウェーハ上の多数のセルから反射された光の輝度と各セルの隣接したオキシドサイトの厚さ値を適用して前記測定対象ウェーハのセルの上部膜厚さを計算することを特徴とする請求項７に記載の薄膜厚さ測定装置。
【請求項９】
前記セルを照射する光は白色光であることを特徴とする請求項７に記載の薄膜厚さ測定装置。
【請求項１０】
前記セルを照射する光は白色光であることを特徴とする請求項８に記載の薄膜厚さ測定装置。
【請求項１１】
前記セルを照射する光は単色光であることを特徴とする請求項７に記載の薄膜厚さ測定装置。
【請求項１２】
前記セルを照射する光は単色光であることを特徴とする請求項８に記載の薄膜厚さ測定方法。
【請求項１３】
前記セルを照射する光は緑色光または赤色光であることを特徴とする請求項１０に記載の薄膜厚さ測定装置。
【請求項１４】
前記セルから反射された光の輝度を測定するとき、反射された光から赤色及び/または緑色光を分離しこれらそれぞれの輝度を得ることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の薄膜厚さ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜厚さ測定方法及びこれを適用した装置に係り、詳細には半導体ウェーハ表面に形成された薄膜の厚さを測定する方法及びこれを適用した装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の高集積化に従ってウェーハの表面に形成される薄膜の厚さは製造工程上重要なパラメータとして作用する。薄膜の厚さが希望の範囲内に調節されなければ素子の不良化を招き、写真工程でのマージンを縮めて収率低下を招く。このような理由で、製造工程中ウェーハ表面の特定部分に対する上部膜の厚さの測定はかなり重要な意味を有する。従来の光学的測定方法によれば、測定対象の上部層の下部に存在するパターンによる光学的干渉及びこれに照射されるビームのスポット大きさに従う制約のため、パターンが形成されたセル部分での厚さ測定が難しかった。従って、従来の測定方法によれば、下部パターンが存在しない平らな構造に対してのみ測定が可能であった。このために、図１と図２に示したように、半導体製造工程時ウェーハ１に形成された薄膜、特に所定の下部パターン３が形成されたセルB上に形成された上部膜の厚さは、セルB間のパターンが形成されないオキシドサイトAの厚さから測定された。前記オキシドサイトAはビームスポットの大きさを考慮して２０ ２０乃至１００ ２００ m2程度の大きさを有する。ところが、前記のような従来の厚さ測定方法は、オキシドサイトAの薄膜厚さによりセルBの薄膜の厚さを推定することであるため、正確にセルB部分の上部膜の厚さを算出できない問題がある。このような非破壊的な厚さ測定方法による測定限界を克服できる測定方法はVSEM(Vertical Secondary Electron Microscope)を適用することである。しかしVSEMを用いる場合、ウェーハを破壊しなければならないために製造工程中リアルタイムで厚さを測定できなく、特に測定対象の厚さを得るための分析に長時間がかかる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第１の目的は、非破壊的にウェーハの表面に形成された上部膜の厚さを測定できる薄膜厚さ測定方法及びこれを適用した装置を提供することである。本発明の第２の目的は、パターンが形成されたセル領域の上部膜の厚さを直接測定できる薄膜厚さ測定方法及びこれを適用した装置を提供することである。
本発明の第３の目的は、非破壊的にセル領域の上部膜の厚さをリアルタイムで測定できる薄膜厚さ測定方法及びこれを適用した装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明によれば、特定構造のセルを有するサンプルウェーハ上の一つのセルに光を照射して反射された光から輝度値を得る第１段階と、前記セルに隣接したオキシドサイトの薄膜厚さを測定する第２段階と、前記第１段階と第２段階を反復遂行して前記ウェーハに存在するセルから前記輝度値と各セルに隣接したオキシドサイトの薄膜厚さ値を得る第３段階と、前記第３段階から得られた輝度値と厚さ値により輝度値から厚さ値を得る厚さ算出式を求める第４段階と、製造工程上にあるウェーハ上のセルから反射された光の輝度を用いて前記第５段階から得られた厚さ算出式からセルの上部膜厚さを得る第５段階とを含む薄膜厚さ測定方法が提供される。
【０００５】
前記本発明の薄膜厚さ測定方法の各段階において、前記セルに入射される光は白色光であることが望ましく、セルから反射された光の輝度を測定することにおいて、反射された光中赤色及び/または緑色光を分離してこれらそれぞれの輝度を得るようにすることが望ましい。
【０００６】
また前記セルに入射される光を単色光、例えば緑色光または赤色光にする場合もある。この場合反射光から特定色相の光を分離する必要なく反射された緑色光または赤色光から直接輝度値を得られる。
【０００７】
前記目的を達成するために、本発明によれば、所定の下部パターンが形成されたセルとこれら間のオキシドサイトが備えられた測定対象ウェーハに光を照射する光源と、前記ウェーハのセルから反射された光を受光するカメラと、前記カメラからの画像信号から輝度を測定する輝度測定部と、前記輝度測定部からの輝度値により前記セルの上部膜の厚さを計算する薄膜厚さ計算部とを具備する薄膜厚さ測定装置が提供される。
【０００８】
前記本発明の薄膜厚さ測定装置において、前記薄膜厚さ計算部は、前記測定対象ウェーハのセルと同じ構造のセルを有するサンプルウェーハ上の多数のセルから反射された光の輝度と各セルの隣接したオキシドサイトの厚さ値を適用して前記測定対象ウェーハのセルの上部膜厚さを計算させることが望ましい。
【０００９】
また前記本発明の薄膜厚さ測定装置において、前記光源は白色または単色の光を照射し、特に単色光の場合は緑色または青色の光を照射する。前記色相別輝度測定部は前記光源が白色光を照射する場合、緑色及び/または赤色光を分離して各色光別平均輝度を計算し、単色光の場合直接平均輝度を求める。前記厚さ計算部は入力される色相別平均輝度値を前記厚さ算出式に適用してこれに対応するセルの上部膜厚さを計算する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下添付した図面を参考にしながら、本発明の望ましい実施例を詳細に説明する。
本発明はセル領域に光を照射したとき、反射された光色相別強度がセルの厚さ、特にセル領域に形成された薄膜の厚さにより周期的に変化するという点を用いる。即ち、反射された光特性は媒質の状態に従って変化するという点を用いてウェーハの表面に形成された薄膜、特にセル領域に形成された薄膜の厚さを非破壊的に測定する。
【００１１】
図３乃至図５は４M Fast SRAMを製作する過程でCMP工程以後、セル部分のカラーイメージを撮像した後、色相別に画素数及び画素当り強度変化を示すグラフである。図３乃至図５で座標の垂直方向は画素の数を示し、水平方向は画素別電気的信号、即ち、光強度を示す。
【００１２】
図３は、セルに隣接したオキシドサイトの薄膜の厚さが１３６１０Åの場合であって、セルから反射された緑色領域は赤色領域に比べて低い強度を示す。例えば、緑色光の場合１１０〜１２０の強度を有する画素の数は２５００個をやや越える。そして赤色光の場合、２２０前後の強度を有する画素の数はほとんど３５００個に迫る。このような結果によれば、特定の一サンプルによるものであるが、薄膜の厚さが１３６１０Åの場合、緑色光に比べて赤色光が高い輝度を示す。
【００１３】
図４は、セルに隣接したオキシドサイトの薄膜の厚さが１３１０１Åの場合であって、図３とは違って緑色領域と赤色領域が類似の分布を示す。即ち、この場合には緑色光と赤色光の輝度が似ていることが分かる。
【００１４】
図５は、セルに隣接したオキシドサイトの薄膜の厚さが１２６５４Åの場合であって、図３とは違って赤色領域が緑色領域に比べて低い強度を示す。例えば、赤色光の場合１２０〜１３０の強度を有する画素の数は３０００個をやや越える。そして緑色光の場合、２１０前後の強度を有するた画素の数はほとんど３３００個に迫る。このような結果によれば、特定の一サンプルによるものであるが、薄膜の厚さが１２６５４Åの場合、赤色光に比べて緑色光が高い輝度を示す。
【００１５】
図６は、オキシドサイトの薄膜の厚さの変化に従う隣接セルから反射された光色相別平均強度の変化を示すことであって、図７に示したように一枚のウェーハに対してx方向とこれに直交するy方向にスキャンして得た結果である。
【００１６】
ここで厚さ値はセルに隣接したオキシドサイトに対してスペクトロメーターで測定したことであって、そして強度値は各オキシドサイトに隣接したセルに光を照射した後これから反射された光の輝度値を測定したことである。
【００１７】
図６で示された薄膜厚さの範囲は１２６００Å〜１３７００Åであって、緑色光の場合は漸進的に減少し、そして赤色光の場合は漸進的に増加する。そして青色光の場合は特別の変化がなく９０程度を維持している。図６で、１３１００Åの前後で赤色光と緑色光の平均強度が近似して図４の結果と一致する。
【００１８】
このような結果によれば、１２６００乃至１３７００Åの範囲内で０.９２５７程度の直線性を示すことが分かり、従って、次のような厚さ算出式を近似的に得た。
Y＝０.０９６３X−１０９８・・・（数１）
ここでXは厚さを示し、Yは輝度を示す。
従って、下記のような式により輝度Xからセルの上部膜の厚さYを得られる。
X＝(Y＋１０９８)/０.０９６３・・・（数２）
【００１９】
このような結果によれば、青色光の場合、薄膜の厚さ測定に適さず、赤色光と緑色光強度により前記数学式２で薄膜の厚さを測定できることが分かる。特に、赤色光と緑色光それぞれの強度が薄膜厚さに相応する値を有するので赤色光と緑色光それぞれの強度から薄膜厚さを測定できる。
【００２０】
一方、前記赤色光と緑色光強度に対する薄膜の厚さは図８と図９に示したように一定の周期的関数的な特性を示す。
図８と図９で座標の垂直方向は反射された光中の赤色光と緑色光分布率を示す。
図８と図９で周期は約２０００Åで、一反射率に対して反射率が上限値と下限値である場合は半周期当り１個の厚さ値が示され、その他の値に対しては半周期当り２個の厚さ値が示される。即ち、例えば赤色光において、分布率が約５０％の場合１３６００Åであり、分布率が４０％の場合、１３１００Åと１４１００Åが示される。やはり緑色光においても分布率が約３０％の場合１３６００Åであり、分布率が４０％の場合、１３１００Åと１４１００Åが示される。このような結果によれば、反射率が上限値と下限値である場合、１/２周期、即ち１０００Å範囲内で正確な厚さの測定が可能で、上限値と下限値を除外した反射率に対しては１/４周期、即ち、５００Å範囲内で正確な測定が可能である。
【００２１】
前記の周期及び分布率は測定対象の薄膜の厚さ及び物性そしてその下部パターンにより変わるので、前記のような本発明の測定方法を適用することにおいては、先ず測定対象のサンプルから実測により必要な情報を得るべきである。このときにセル構造を同一に維持し、薄膜の厚さは変化させながら薄膜厚さに対応する色相情報、特に赤色と緑色光の強度を得てこれに相応する近似式を求める。この近似式は色相別強度値の関数であって、色相別強度値に相応する厚さを返還する。このときにこの近似式は図７と図８に示したように一定の周期を有する周期的関数であるので、前述したように一周期当り一強度値に対して２個または４個の厚さ値を返還する。したがって、図７と図８に示したように一周期が２０００Åの場合、製造工程中セル上に形成される上部膜の厚さの目標値に対する公差範囲が最大±１０００Å範囲内に調節される場合、この範囲内で精密な厚さの測定が可能になる。
【００２２】
前記のような本発明の薄膜厚さ測定方法は結論的に次のように要約される。
第１段階：特定構造のセルを有するサンプルウェーハ上の一つのセルに光を照射して反射された光から輝度値を得る段階
第２段階：前記セルに隣接したオキシドサイトの薄膜厚さを測定する段階
第３段階：前記第１段階と第２段階を反復遂行して前記ウェーハに存在するセルから前記輝度値と各セルに隣接したオキシドサイトの薄膜厚さ値を得る段階
第４段階：前記第３段階から得られた輝度値と厚さ値により輝度値から厚さ値を得る厚さ算出式を求める段階
第５段階：製造工程上にあるウェーハ上のセルから反射された光の輝度を用いて前記第４段階から得られた厚さ算出式からセルの上部膜厚さを得る段階
【００２３】
前記第１段階において、前記セルを照射する光は白色光にすることが望ましく、セルから反射された光の輝度を測定する段階において、反射された光中赤色及び/または緑色光を分離してこれらそれぞれの輝度を得るようにすることが望ましい。
また前記セルに入射される光を単色光、例えば緑色光または赤色光にする場合もある。この場合、反射光から特定色相の光を分離する必要なく反射された緑色光または赤色光から直接輝度値を得られる。
また前記色相別輝度値を前記厚さ算出式に適用して各色相に対応するセル薄膜厚さを得ることによって色相別に得られた厚さを比較することによって厚さ値の誤差などを検出することもできる。
【００２４】
前記のような段階を経て得られた厚さ算出式を適用してセルの上部膜の厚さを得る本発明に係る装置は例えば図１０に示したような構造を有する。
所定の下部パターン３が形成されたセルBとこれら間のオキシドサイトAが備えられたウェーハ１のセルに光を照射する光源１１とセルBから反射された光を受光するカメラ１２が備えられる。前記カメラ１２からの画像信号は色相別輝度測定部１３に伝送される。色相別輝度測定部１３は各色相別平均輝度を計算する。前記色相別輝度測定部１３から得られた平均輝度値は厚さ計算部１４に伝送される。厚さ計算部１４は前述したような過程を通じて得られた厚さ算出式から入力された平均輝度値により特定セルBの上部膜の厚さを計算する。ここで得られた厚さ値はディスプレーに表示される。
【００２５】
前記の構造において、前記光源は白色または単色の光を照射し、特に単色光の場合は緑色または青色の光を照射する。前記色相別輝度測定部は前記光源が白色光を照射する場合、緑色及び/または赤色光を分離して各色光別平均輝度を計算し、単色光の場合直接平均輝度を求める。前記厚さ計算部は入力される色相別平均輝度値を前記厚さ算出式に適用してこれに対応するセルの上部膜厚さを計算する。
【００２６】
【発明の効果】
以上の本発明は、セルから反射された光の輝度により薄膜の厚さ、特にセルの薄膜の厚さを直接測定することによって従来の間接的測定方式より精密に薄膜厚さを測定する。さらには非破壊的に薄膜の厚さを測定し、特に反射光からの輝度情報により薄膜を測定するので、半導体製造工程中リアルタイムで薄膜を測定できる。
【００２７】
前述した実施例を通じて本発明の薄膜厚さ測定方法及び装置を十分に理解でき、本発明の薄膜厚さ測定方法及び装置は前述された実施例に限らない。本発明は図面に示した実施例を参考として説明されたが、これは例示的なことに過ぎず、当該分野で通常的知識を有する者であればこれより多様な変形及び均等な他の実施例が可能であることを理解するはずである。従って、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲に限って決まるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般のウェーハの平面図である。
【図２】図１に示したウェーハの部分拡大断面図である。
【図３】隣接したオキシドサイトの厚さが１３６１０Åのセルのカラーイメージを撮像した後、画素当り強度変化に従う色相別画素数を示すグラフである。
【図４】隣接したオキシドサイトの厚さが１３１０１Åのセルのカラーイメージを撮像した後、画素当り強度変化に従う色相別画素数を示すグラフである。
【図５】隣接したオキシドサイトの厚さが１２６５４Åのセルのカラーイメージを撮像した後、画素当り強度変化に従う色相別画素数を示すグラフである。
【図６】隣接したオキシドサイトの薄膜の厚さの変化に従う隣接セルから反射された光の色相別平均強度の変化を示す。
【図７】図６の結果を得るためのスキャニング方向を示すウェーハの平面図である。
【図８】オキシドサイトの薄膜の厚さの変化に従う隣接セルから反射された光中赤色光の分布率の変化を示すグラフである。
【図９】オキシドサイトの薄膜の厚さの変化に従う隣接セルから反射された光中緑色光分布率の変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の一実施例に係る薄膜厚さ測定装置を示す模式図である。
【符号の説明】
３  下部パターン
１  ウェーハ
１１  光源
１２  カメラ
１３  色相別輝度測定部
１４  厚さ計算部
１５  ディスプレイ
【図１】
0003943819.tif 000002
【図２】
0003943819.tif 000003
【図３】
0003943819.tif 000004
【図４】
0003943819.tif 000005
【図５】
0003943819.tif 000006
【図６】
0003943819.tif 000007
【図７】
0003943819.tif 000008
【図８】
0003943819.tif 000009
【図９】
0003943819.tif 000010
【図１０】
0003943819.tif 000011