JP4938219B2 - 光学分光システムを使用するパラメトリック・プロフィーリング - Google Patents

Description

本発明は、一般に回折格子の形状特徴物などの小寸法の形状特徴物のプロフィールを見出すためのシステムに関し、特に光学分光手法を使用するその種のシステムに関する。

超小形電子デバイスの集積密度および速度が大きくなるにつれて、回路構造は寸法が縮小し、プロフィールのエッジの鋭さが向上し続ける。現状技術のデバイスの製造は、かなりの数のプロセスステップを必要とする。各プロセスステップにおいてサブミクロン・ライン幅の正確な測定値およびパターン・ウェハ上のエッチングされた構造のプロフィールの量的記述を持つことがますます重要になりつつある。さらに、ウェハプロセス監視と、フォトリソグラフィにおける焦点−露出制御などの閉ループ制御の必要性が大きくなってきている。

分光学的回折ベースの手法は、臨界寸法走査形電子顕微鏡法と比べると非破壊式で、充分に精密で、反復可能で、迅速で、単純でかつ安価であるので、超小形電子技術測定の応用に特に良く適している。このような回折ベースの分析技術では、通常は始めにプロフィールのモデルが作られ、そのモデルは、変化させることのできるパラメータをいくつか包含する。作られたモデルに基づいて１つ以上の回折強度対波長カーブが計算され、そのカーブはサンプルからの測定された回折データと比較される。該カーブと測定データとの一致が見出されるまでパラメータが調整される。

現在使用されている方法はマルチスラブ・モデルを包含し、このモデルでは、測定されるプロフィールの近似物であるシード・プロフィールを形成するために長方形または台形のスラブが積み重ねられる。調整できるパラメータは、該長方形の幅および高さまたは該台形の幅、高さおよび側壁角を含む。ウェハ処理プロセスでは構造物の非常に多様なプロフィールに遭遇することがあるということが分かっている。現行の方法は、製造工程において広範で非常に多様なプロフィールを測定するためには不充分である。単にスラブの数を増やしてそのような多様なプロフィールをモデリングするためには、サイズがスラブおよび関連するパラメータの数の増大に伴って指数関数的に増大する巨大なライブラリを作る必要がある。さらに、種々のプロフィールに対応するパラメータの種々のセットは、識別不可能な分光データを作り出して交差相関として知られている問題をもたらす可能性がある。

コンラドらの米国特許第５，９６３，３２９号（特許文献１）は、実際のプロフィールを測定するための改良された方法を提案した。このモデルでは、“Ｓ”ライン・プロフィールなどの特定のプロフィール形状を採用し、モデルのライン・プロフィールを２つ以上のサブプロフィールに分割し、より少数のスケーリングファクタを使って単一のサブプロフィールの中の全てのスラブ幅および高さを調整できるように各サブプロフィールの数値モデルを提供することによって独立のパラメータまたは変数が減少されている。

コンラドらの上述した方法は、処理しなければならないパラメータの数を減少させたけれども、依然として欠点をいくつか抱えている。すなわち、この方法は、十分以上の材料から作られているライン・プロフィールを測定するため、また光学的パラメータおよび幾何学的パラメータを測定するためには、使用不可能である。従って、解が交差相関の大きな危険なしに単一の解に収斂するように上述したサンプルを決定するために使用できる改良されたモデルを提供することが望ましい。

上述したように、製造中の半導体ウェハで遭遇するラインプロフィールの形状は広範な形状を呈する。そのようなラインプロフィールは、通常、該プロフィールの材料と同じかまたは異なる材料の層に接してかつ／または該層の下に位置する。そのようなプロフィールを測定するために回折ベースの分光学的手法が使用されるときには、該手法に使用される放射はその１つ以上の層と相互作用し、該層からの透過または反射された放射は、ラインプロフィールからの放射を検出するために使用される検出器により検出される。該層に起因する信号の寄与をラインプロフィールに起因する信号の寄与から分離することが不可能または非常に困難である場合、どのような手法を使うとしても、そのような層のパラメータをラインプロフィールの測定と同時に測定することが望ましい。現存するどの手法も、そのような能力を持っていない。従って、そのような層の検出器信号への寄与を考慮に入れることのできる改良されたシステムを提供することが望ましい。

現在、市場において、構造物のプロフィール（横断面）を決定する普通の方法は、走査形電子顕微鏡法、すなわちＳＥＭ（横断面およびトップダウン）、原子間力顕微鏡法、すなわちＡＦＭ、および散乱計測法である。製造監視のために、散乱計測法は、周期的図票を使用するロット毎監視のための主要な方法として確立されつつある。

散乱計測法における基本的方法は、測定された（通常はスペクトル）データと、前もって作成されたターゲットプロフィール並びに下に存する層の可能な変化を含むライブラリとの比較である。しかし、多くの場合、変数（例えば、ダマスカス層における下に存する層の厚さなど）の数は法外に多く、従ってユーザがライブラリを作るのを妨げる。

米国特許第５，９６３，３２９号（特許文献１）は、測定されたスペクトル反射強度を用いて格子プロフィールを決定するためのリアルタイム回帰アルゴリズムの使用を開示している。このアルゴリズムの主な難点は、４より大きな自由度（ＣＤ、側壁角および下に存するフィルムの厚さなどの浮動パラメータ）については回帰時間が法外になることである。そのため、ユーザは、ダマスカス構造あるいは複雑な／可変のフィルム上のフォトレジストを測定するためにこの方法を使うことができない。さらに、自由度の数が増えると、局所相関極小値にロックしがちな非ロバスト根収斂がもたらされる結果となる。

上記方法の主要な欠点は次の通りである。多変数フィルム上の格子（例えば、ダマスカス層上のフォトレジストまたは金属間誘電体にエッチングされたトレンチまたはヴァイアなど）についてライブラリを作るのは困難である。５以上の浮動プロフィールおよびフィルム変数についてリアルタイムで回帰することも困難である。従って、このような問題を緩和する改良されたシステムを提供することが望ましい。
米国特許第５，９６３，３２９号 米国特許第５，６０８，５２６号 Ｍ．Ｇ．モハラム、Ｅ．Ｂ．グラン、Ｄ．Ａ．ポメット、およびＴ．Ｋ．ゲイロード著，"二元格子の厳密な結合波分析の安定した効率的実施の定式化"，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ，１２巻，１０６８〜１０７６ページ，１９９５年 Ｌ．リ著，"層状回折格子をモデリングするための２つの回帰行列アルゴリズムの定式化および比較"，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ，１３巻，１０２４〜１０３５ページ，１９９６年（非特許文献２） Ｍ．Ｇ．モハラム著，"２次元誘電体格子の結合波分析"，ＰＲＯＣ．ＳＰＩＥ，８８３巻，８〜１１ページ，１９８８年 Ｊ．ノセダルおよびＳ．Ｊ．ライト著，"数値最適化"，シュプリンガー出版，ニューヨーク州ニューヨーク，１９９９年 Ｄ．Ｔ．ファムおよびＤ．カラボガ著，"インテリジェント最適化手法：遺伝アルゴリズム、タブー調査、模擬アニーリングおよびニューラルネットワーク"，シュプリンガー出版，ニューヨーク州ニューヨーク，２０００年

リソグラフィにおける時間、温度、焦点および照射線量、並びに一定の層の堆積のための時間および温度やエッチングプロセスの時間および性質などの他のパラメータなどの製造プロセスのセットされた一定のパラメータを有する処理装置により半導体デバイスは製造される。これらのパラメータが分かると、そのような製造プロセスからもたらされる構造のプロフィールをシミュレートすることが可能となる。ライン・プロフィールの実際の形状を発見するための可能な出発点としてシード・プロフィールまたはプロフィール・タイプのギャラリを使用することができる。測定されたデータと突き合わせるために特定のプロフィール・タイプを選出できるプロフィール・タイプのギャラリの作成に製造プロセス・パラメータについての情報を利用することができるのが好ましい。また、構造の実際のプロフィールを発見する目的のために最善のシード・プロフィールとして役立つ特定のプロフィール・タイプを該ギャラリから選択するために製造プロセス・パラメータについての情報を利用するのが好ましい。

上述したように、測定されるべき回折構造は同じまたは異なる材料の１つ以上の層に接してかつ／または該層の下に位置することが良くあるので、使用される検出器は、そのような層の影響を受けた放射を回折構造からの回折と同じく検出する。これらの層はモデルにおいて考慮されなければならないであろう。これらの層の厚さおよび屈折率（ｎおよびｋ）などのパラメータは、一定の測定パラメータに対しては他の測定パラメータに対してよりも敏感であろう。このことは、回折構造を特徴づけるパラメータについても当てはまる。従って、本発明の他の実施形態では、各プロフィール・タイプから２セット以上の放射データを作ることができ、作られた放射データのセットは、反射率あるいは透過率パラメータおよび楕円偏光パラメータなどの種々の放射パラメータのものである。プロフィール・タイプのパラメータ（例えば、回折構造の幅、高さ、側壁角、屈折率、並びに１つ以上の層の厚さおよび屈折率など）の与えられた変化について、楕円偏光パラメータに対しては透過率または反射率パラメータに対してよりも敏感であったり、あるいはその逆であったりする。そのような場合、モデリングおよび突き合わせアルゴリズムの正確さと精度を改善するために、プロフィールのパラメータまたは該１つ以上の層の特性における変化に対してより敏感な放射データのセットと、関連する放射パラメータとを選択することが望ましいであろう。この特徴は、例えば、該層の効果が分かっていたり、無視することができたり、あるいは該構造に関連する層がない場合など、該層の効果を考慮する必要のない場合にも使用可能である。

上記考慮事項とは無関係に、任意の形状を有するプロフィールの１つ以上のパラメータを導出するために、集められた放射の反射率または透過率パラメータと楕円偏光パラメータとを一緒に使用することができる。

ユーザが利用できるようにされているデータベースにプロフィール・タイプのギャラリを蓄積することができ、また、プロフィール・タイプを該ギャラリから選択して、検出された測定データを該選択されたプロフィール・タイプに関連するデータと比較して該プロフィール・タイプの１つ以上のパラメータの値のセットに到達するために任意のプロセッサを使うことができる。

測定されたプロフィールがウェハ製造プロセスを制御するために役立つ場合、１つ以上の処理パラメータを調整するために、測定された情報を使って処理システムを制御することができる。従って、もし測定された構造のプロフィールが処理システムにおける問題を指摘したならば、その問題の影響を軽減しあるいはなくすために処理システムを調整することができる。構造のプロフィールおよび／または該構造の付近の１つ以上の層の特性を見出すために上述した手法のいずれをも使用することができ、これらの値をトラック、ステッパおよび／またはエッチャなどの半導体ウェハ処理機に供給して、発見されたプロフィールの１つ以上のパラメータにおけるエラーを補正するためにリソグラフィおよび／またはエッチング・プロセスを制御することができる。該トラック、ステッパおよび／またはエッチャは、プロフィールの１つ以上のパラメータを見出すためのシステムと単一のツールを形成することができ、あるいはそれとは別の器具であっても良い。

散乱性で回折性の構造の臨界寸法、側壁角および厚さなどのパラメータおよびこの散乱性で回折性の構造の上および／または下のフィルムスタックの特性のパラメータを決定するときの複雑さを軽減するために、複数の測定を組み合わせることができる。回折性構造の１つ以上のパラメータを決定する方法を簡略化するために基準構造を測定することができ、この基準構造は、該回折性構造とほぼ同じ厚さを有する少なくとも１つの層を含み、かつ／または該回折構造の材料のそれと実質的に同じ光学的特性を有する材料を含む。この基準構造に関してそのようにして得られた情報を使って該回折構造のパラメータの決定を簡略化することができる。

回折構造が１つ以上のフィルムに隣接している場合、基準構造を回折構造に隣接している１つ以上のフィルムの特性と同様の特性を有する１つ以上の層を含むフィルム構造に隣接させて配置することができる。従って、基準構造を基準構造に隣接している層の特性と一緒に測定することにより、同様の特性を有する層の特性に関してそのようにして得られた情報を回折構造のパラメータ値を決定するために使うことができる。

回折構造および基準構造の両方が同じ特性を有する２つの異なるフィルム・スタックに隣接して位置するように、基準構造は回折構造と同じサンプル上の平滑なまたは回折性の構造であって良く、基準構造と関連するフィルムは回折構造に隣接するフィルム構造と同じ処理ステップで形成されて良い。

同じサンプル上に、あるいは同じ処理ステップで作られる同じロットの異なるサンプル上に２つの回折構造が存在する場合、該構造のプロフィール測定を簡略化するために、１つの回折構造から得られたプロフィールを他方の回折構造のパラメータを決定するために最適化プロセスにおいてシード・プロフィールとして使うことができる。

散乱計測測定により得られた情報は、同じターゲットに、あるいは同じウェハ上の異なるターゲットに、あるいは同じ処理プロセスにより作られた同じロット内の異なるウェハに対する臨界寸法走査形電子顕微鏡測定（ＣＤ−ＳＥＭ）へ送ることができる。散乱計測データの使用は、臨界寸法測定の壁角依存性に関して走査形電子顕微鏡アルゴリズムに存在する不確定性をなくすのに役立ち、走査形電子顕微鏡エレメントのためのピッチの絶対較正法を提供する。

散乱計測測定データを同じターゲット上の、あるいは同じウェハ上の異なるターゲット上の、あるいは同じプロセスにより作られる同じロット内の異なるウェハ上のオーバーレイ測定器具に供給しても良い。散乱計測データの使用は、ターゲットのプロフィールに起因するオーバーレイ・アルゴリズムに存在する不確定性をなくすのに役立つであろう。

ある測定では、回折構造の上および／または下のフィルム・スタックの特性を得ることが不可能である可能性がある。そのような場合には、集められたデータの一部分だけ、または回折構造に関連するパラメータのうちの１つのパラメータのデータを使って該構造のプロフィールを決定することがおそらく望ましく、その場合には該回折構造の測定に対するフィルム・スタックの影響は最小化される。換言すれば、パラメータのデータのサブセットおよび／または最適化プロセスで使われるパラメータは、最適化プロセスに対するフィルム・スタックの影響を最小化するように選択される。

上述した特徴は、スタンドアローン・システムとして実現され、測定を実行するための光学装置と一体化できるものであるが、既存の光学測定装置を改造するなどして上述した能力を持たせることができる。本発明の上述した種々の態様を実行するためにコンピュータにより実行可能な命令のプログラムとして上述した特徴を具体化することができる。従って、コンピュータまたはその他の情報器具またはデジタル装置にロードされたソフトウェア・コンポーネントによって上述したどの手法を実行することもできる。そのように作動可能にされたときには、そのコンピュータ、器具または装置は、上述した手法を実行し、回折構造および／または関連する１つ以上の層から測定されたデータを使って１つ以上のパラメータの値を見出すための援助をすることができる。固定された媒体から該ソフトウェア・コンポーネントをロードすることができ、あるいはインターネットまたはその他の任意のタイプのコンピュータネットワークなどの通信媒体を通して該ソフトウェア・コンポーネントにアクセスすることができる。

上述した本発明の特徴の各々を個々に使用し、あるいは種々の構成で組み合わせて使用することができる。そのような組み合わせおよび変形はすべて本発明の範囲内にある。

簡略化および説明のために、本願では同一の要素には同じ数字が付けられている。

アルゴリズムおよび方法についての以下の記述の多くは、回折構造に起因する回折の反射または透過強度の見地から記載されているが、いろいろな波長にわたる偏光状態の変化に関する情報を含むデータ（例えば、波長の関数としての楕円偏光パラメータΔおよびΨ）のためにも同じ手法およびアルゴリズムを使えることが理解されるであろう。この理由により、該構造により引き起こされる回折の反射強度または透過強度および該構造の回折に起因する偏光状態の変化の両方を測定できる器具を使用するのがおそらく有利であろう。以下、図１Ａと関連させて適当なシステムを説明する。

図１Ａは、本発明の好ましい実施形態を例示する分光学的回折ベースの測定システムの略図である。図１Ａに示されているように、システム１０は、回折の反射強度若しくは透過強度または偏光状態の変化を測定するために使用可能である。図１Ａに示されているように、半導体ウェハ１１は、シリコン基板１２と、その上のフィルム・スタックに接するおよび／またはフィルム・スタック上のフォトレジスト・パターンを含むことのできる構造１６とを含むことができ、該フィルムは少なくとも部分的に光透過性であって、一定のフィルムの厚さと屈折率（ｎおよびｋ。屈折率の実数成分および虚数成分）とを有する。

ＸＹＺステージ１４は、ウェハを水平ＸＹ方向に動かすために使われる。ステージ１４は、ウェハ１１のｚ高さを調整するためにも使用可能である。白色光源２２などの多色または広帯域の放射源２２は、光ファイバ・ケーブル２４を通して光を供給し、これは偏光をランダム化して、ウェハを照明するための均一な光源を生じさせる。好ましくは、光源２２は、少なくとも１８０〜８００ｎｍの範囲の波長を有する電磁放射を供給する。ファイバ２４から出ると、放射は、アパーチャおよび集束レンズまたはミラー（図示せず）を含むことのできる光照明器２６を通過する。該アパーチャは、出てきた光ビームで構造１６の一つの領域を照明させる。照明器２６から出射した光は、偏光子２８により偏光され、構造１６を照明する偏光したサンプリング・ビーム３０を生じさせる。

サンプリング・ビーム３０を起源とする放射は、構造１６により反射され、アナライザ３２を通され、例えば放射源２２のスペクトルの成分などの反射された放射のいろいろなスペクトル成分を検出して構造の特徴を得る分光計３４に送られる。１つの動作モード（分光測光モード）では、構造１６の１つ以上のパラメータの値を見出すために後述する態様で反射強度が使用される。代わりに、構造１６の照明ビーム３０とは反対の側に分光計３４を置くことによりシステム１０を改造し、同じ目的のために構造１６を透過した放射の強度を測定することもできる。これらの反射されたまたは透過された強度成分はコンピュータ４０に供給される。

あるいは、構造１６により反射された光は、レンズ５４により集光され、ビームスプリッタ５２を通って分光計６０へ進む。測定されるいろいろな波長のスペクトル成分が検出され、そのような成分を表わす信号がコンピュータ４０に供給される。構造１６により反射される光は、上述したように光源２２により照明器２６を通して供給されても良く、あるいは他の構成では他の光学コンポーネントを通して供給されても良い。従って、そのような構成では、レンズ２３が光源２２からの放射を集光してビームスプリッタ５２へ向け、これは、入射したビームの一部を焦点レンズ５４の方へ反射し、これはその放射を構造１６上に集める。構造１６により反射された光は、レンズ５４により集められ、ビームスプリッタ５２を通過して分光計６０へ進む。

システム１０が該構造による回折に起因する偏光状態の変化を測定するために使用される他のモード（分光楕円偏光モード）で動作する場合には、分光計３４が構造１６から回折した放射を複数の波長で、例えば放射源２２のスペクトル内の波長などで検出しているときに偏光子２８またはアナライザ３２が回転され（この偏光子とアナライザとの相対的回転運動を生じさせる）、その回転は当業者に知られている態様でコンピュータ４０により制御（図示せず）される。種々の波長で検出される回折強度はコンピュータ４０に供給され、これは、当業者に知られている態様で該強度から種々の波長での偏光状態データの変化を導出する。例えば、米国特許第５，６０８，５２６号（特許文献２）を参照されたい。この特許は、その全体が本願明細書において参照により援用される。

図１Ｂは、基板１２上の構造１６の横断面図であり、本発明を説明するために、この構造は、該構造の上のフィルムスタック１６ａと該構造の下のフィルムスタック１６ｃとの間に位置する回折構造１６ｂと、入射電磁ビーム３０とを含む。電磁放射の入射ビーム３０は、始めに、空気とフィルムスタック１６ａとのインタフェースと、該スタック内に存在し得るインタフェースとに遭遇する。次に、ビーム３０からのフィルムスタック１６ａを貫通した部分は、格子構造１６ｂにより回折される。ビーム３０からの放射の少なくとも一部は、該格子の下のフィルムスタック１６ｃに到達し、スタック１６ｃと関連するインタフェースにより反射されるかあるいは該インタフェースを透過する。総光反射率は、格子と、格子の上および／または下のフィルムスタックとの両方から影響を受ける。該フィルムと格子との間での繰り返し反射に起因する多層干渉は、反射率スペクトルに複雑なパターンを生じさせ、これを用いて構造のパラメータを測定することができる。ビーム３０からの上述したような反射または回折されない部分は、基板１２の中へ伝導される。図１Ｂに示されているように、格子１６ｂは、表示されているように、高さＨ、臨界寸法（“ＣＤ”）および側壁角（ＳＷＡ）を有する。

図２は、本発明を説明する代わりの分光測定システム８０の略図である。図２のシステムは、分光測光モードの測定と楕円偏光法測定との両方のために同じ光学コンポーネントを使用し、従って光学コンポーネントが少ないという点で図１Ａのものとは異なっている。一方、図１Ａの装置ではこれら２つのモードを同時に使用できるのに対して、これら２つのモードは順次に使用されなければならない。前と同じく、測定が行われるときには偏光子２８とアナライザ３２とに相対的回転運動があるが、図２のシステム８０は楕円偏光計として動作する。このことは、偏光子２８またはアナライザ３２のいずれか、あるいは両方を回転させることにより達成可能である。偏光子２８とアナライザ３２とが相対的に回転しない場合（例えば、両方が回転しないか、または同じ速度で回転する場合）、器具８０は分光測光計または反射率計として動作する。

図２に示されているように、システム８０はビームデバイダ８２をさらに包含し、これは光源２２からの照明ビームの一部を分光計８４へ向け、これは、照明ビーム強度の変動の影響を測定から除去できるように照明ビーム強度の変動を測定する。ビームをコリメートし、あるいは集束させるなどして照明ビームを整形するためにビーム整形オプティックス８６が使用される。

ある回折構造は、例えば図１Ｂに示されているような単純な幾何学的形状を呈することができるが、ある場合には、これらの構造はもっと複雑な形状を呈することもできる。そのような場合には、在来のモデルよりも遥かに広範な種々の構造のプロフィールを予測可能にするモデルを提供することが望ましい。図３Ａ〜３Ｄは、ウェハ製造プロセス中に遭遇することのある構造のタイプを例示する。図３Ａは、フィルムスタックの上のライン格子の横断面図であり、各ラインの横断面は台形９２の形状を呈し、該フィルムスタックは、基板１２の上の層９４ａ（底の反射防止膜あるいはＢＡＲＣ）、９４ｂ（ポリシリコン）、９４ｃ（二酸化珪素）を含む。

あるいは、該構造は複数の異なる材料のスタックを各々含む周期的ラインを含むことができ、該ラインの横断面形状は湾曲している。図３Ｂに示されているように、該回折構造は３つの層、すなわち９６ａ，９６ｂ，９６ｃからなり、該回折構造は１つ以上の層を含むことのできるフィルム９４の上に置かれている。図３Ｂの構造は、通常はシャロー・トレンチ・アイソレーション（“ＳＴＩ”）のプロセスに由来する。ウェハ製造で遭遇する現実的な構造のもう一つの例が図３Ｃに例示され、それは、ライン格子のそれとは異なる材料から作られた側壁スペーサを有するライン格子を含む。図３Ｃに示されているように、各ライン格子は、横断面がほぼ長方形である中心部分９８ａと、該長方形の両側の２つの側壁９８ａ，９８ｂとを含み、該ライン構造はフィルム９４の上にある。図３Ｃの側壁スペーサは、通常は反応イオンエッチング（“ＲＩＥ”）のプロセスのときにポリシリコン・ライン９８の所望の形状を制御するために使われる。

図３Ｄは、ヴァイアホールを有する周期的構造の透視図であり、該ホールは１つ以上の層を貫通することができる。ヴァイアホールは、１メタライゼーション層から他のメタライゼーション層への垂直結線を提供する。図１Ａ、図２の構造１６は、図１Ｂ，３Ａ〜３Ｄに示されている回折構造および層の１つ以上を包含することができる。図３Ａ〜３Ｄに例示されている構造の形状から、これらの図に例示されているより複雑な構造を測定するためには、例えば米国特許第５，９６３，３２９号（特許文献１）に開示されている方法などの従来の技術方法ではおそらく不充分であろうということは明らかである。

図４Ａ〜４Ｆは、半導体製造時に遭遇する回折構造の実際のプロフィールを推測するために使用できるシード・プロフィールまたはプロフィール・タイプとしておそらく有利に役立つプロフィール・モデルの例を示している。図４Ａは、各台形についてのＣＤの値、高さおよび側壁角により特徴づけられる単一材料の多台形プロフィールを含むプロフィール・タイプの横断面を例示している。側壁角が９０度に固定されているときには、このプロフィール・タイプは多スラブ・モデルとなる。底の台形はフッターを模している。

図４Ｂは、プロフィールの高さおよび係数値ａにより特徴づけられる多項式ｙ＝ａｘ⁴ により表示可能な単一材料の４次式プロフィールの横断面図である。図４Ｃは、高さ、４次式係数ａおよび底の丸みまたはフッターのパラメータにより特徴づけられる、底の丸み（すなわち、丸められたフッター）を有する単一材料の４次式プロフィールの横断面図である。フッターについては２つ以上のモデルを使用することができ、一例は滑らかな関数（例えば、図４Ａに示されている直線、または２次関数の曲線などの曲線）を使用するモデルである。図４Ｄは、係数ａと３つの層の各々の厚さとにより特徴づけられる多材料のエッチングされたｙ＝ａｘ⁴ の形の４次式プロフィールの横断面図である。図４Ｅは、側壁スペーサを有する２材料プロフィールの横断面図であり、このプロフィールは、例えば、内側および外側の材料についての共通の高さ値と、内側および外側の材料についての異なるＣＤ値と、外側材料についての側壁角などのスペーサの内側および外側の材料についての高さ、エッジおよびプロフィーリング・パラメータにより特徴づけられる。図４Ｆは、高さおよびホールのパラメータ（円形ホールの半径）により特徴づけられる均一な層にヴァイアホール・プロフィールを有する３次元構造の透視図である。

図４Ｂ，４Ｃおよび４Ｄに４次式プロフィールが例示されているが、例えば２次式放物線、あるいは４次式および２次式放物線の組み合わせなどの他の多項式表示を使用して説明することのできるプロフィールも使用可能であり、それも本発明の範囲にある。同じ文脈で、図４Ａのプロフィール・タイプは複数の台形スラブを包含しているが、例えば台形の一方の側が湾曲しているなどの１つ以上の解析関数により定義されるスラブを使用することができ、それも本発明の範囲にある。

図４Ａ〜４Ｆのプロフィール・タイプは、測定される実際の回折構造の上および／または下に存することのできる材料の層を含んでいない。これらのプロフィール・タイプを用いて作られるモデルが測定される回折構造の上および／または下に存する層を考慮に入れることができるように、例えば厚さおよび屈折率など（ここではフィルム・パラメータとも称される）のこれらの層についてのパラメータを用いて以下に示すようにこれらの層をモデリングすることもできる。さらに、該プロフィール・タイプ自体が、例えば図４Ｄに示されている層などの層を包含することができる。係数ａと３つの層の各々の高さなどの幾何学的パラメータだけではなくて、該プロフィール自体の３つの層の材料の各々の複素屈折率も用いて図４Ａのプロフィール・タイプの層をモデリングすることができる。

図１Ａおよび２の装置を用いて構造１６の測定が行われる前に、例えば図４Ａ〜４Ｆに例示されているものなどのプロフィール・タイプのギャラリが始めに作成されてデータベースに蓄積される。図５Ａは、モデルを使って回折構造のパラメータを測定するプロセスを例示するプロフィールおよびフィルム測定のフローチャートである。該構造が材料の１つ以上の層に接してかつ／またはその層の下に位置する場合、そのような層の１つ以上のパラメータを測定するためにモデルを使うこともできる。図５Ａに示されているように、図示されているプロフィールの上および下の層と共に、図４Ａ〜４Ｆに例示されているプロフィール・タイプなどのそれぞれのプロフィール・タイプに関連するシード・プロフィールおよびフィルム・パラメータと共に上述したギャラリを提供するためにオフライン前処理ツール１０２が使用される。プロフィール・パラメータは、例えば、ＣＤ、高さ、側壁角、係数ａおよび４次式プロフィールの高さなどの多項式表示に関連するパラメータ、底の丸みおよびスペーサのパラメータ、ライン・プロフィールの材料の屈折率（ｎおよびｋ）などを包含することができる。フィルム・パラメータは、層の厚さおよび屈折率（ｎおよびｋ）を包含することができる。

ツール１０２は、次に、回折ソルバ１０８において、プロフィール・タイプおよびこれに関連するプロフィールおよびフィルム・パラメータ、およびこのようなパラメータの初期値（例えば、推定、あるいは製造プロセスの情報またはシミュレーションに基づく）から、これらに関連する予測スペクトル放射データを計算する。回折ソルバ１０８の動作は図５Ｂにより詳細に示されている。図５Ｂに示されているように、プロフィール・タイプはスラブにより近似されて良い（ブロック１１０）。各スラブおよびプロフィール・タイプの下および／または上の各フィルムについて固有値およびＳ行列が計算される（ブロック１１２）。Ｓ行列は伝播されて（ブロック１１４）スペクトルに到達するが（ブロック１１６）、これは、図１Ａ、２の装置を用いてプロフィールが測定されたときの予測放射データである。ソルバ１０８により使用されるモデリング・プロセスの詳細な説明については、以下のの参考文献を参照されたい。以下の参考文献とは、
− Ｍ．Ｇ．モハラム、Ｅ．Ｂ．グラン、Ｄ．Ａ．ポメット、およびＴ．Ｋ．ゲイロードによる“二元格子の厳密な結合波分析の安定した効率的実施の定式化”，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ，１２巻，１０６８〜１０７６ページ，１９９５年（非特許文献１）、
− Ｌ．リによる“層状回折格子をモデリングするための２つの回帰行列アルゴリズムの定式化および比較”，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ，１３巻，１０２４〜１０３５ページ，１９９６年（非特許文献２）、および
− Ｍ．Ｇ．モハラムによる“２次元誘電体格子の結合波分析”，ＰＲＯＣ．ＳＰＩＥ，８８３巻，８〜１１ページ，１９８８年（非特許文献３）、
である。

図５Ａに戻る。実際の回折構造と構造１６のフィルムとに関連するスペクトルが図１Ａまたは図２の装置（ブロック１２０）または他の任意の適切な装置を用いて測定され、その測定されたデータは回折ソルバ１０８からの予測スペクトルと比較される（ブロック１２２）。これら２つのスペクトルが良好に一致するならば、プロフィール・タイプおよびフィルムのパラメータの初期値は、測定される実際の構造およびフィルムの値を正しく予測する（ブロック１２４）。もし一致が満足できない程度であれば（ブロック１２６）、プロフィールおよびフィルム・パラメータ（ブロック１０６）はフィードバック経路の非線形最適化ツール（ブロック１２６）により変更あるいは調整される。回折ソルバ１０８のステップと比較１２２とは、予測されたスペクトルと実験によるスペクトルとが満足できる程度に一致するまで、反復される。例えば、以下の論文に記載されているものなどの任意の数の非線形最適化ツールを使用することができる。以下の論文とは、
− Ｊ．ノセダルおよびＳ．Ｊ．ライトによる“数値最適化”，シュプリンガー出版，ニューヨーク州ニューヨーク，１９９９年（非特許文献４）、および
− Ｄ．Ｔ．ファムおよびＤ．カラボガによる“インテリジェント最適化手法：遺伝アルゴリズム、タブー調査、模擬アニーリングおよびニューラルネットワーク”，シュプリンガー出版，ニューヨーク州ニューヨーク，２０００年（非特許文献５）、
である。

図３Ａ〜３Ｄを参照して上述したように、ウェハ処理時に遭遇する実際の回折構造は非常に多様な形状を含む。本発明の一態様によれば、モデリング・プロセスのためのシード・プロフィールとして役立つギャラリのためのプロフィール・タイプを選択するときに製造プロセスに関する情報を有利に使用することができる。従って、例えば、図３Ａ〜３Ｄの構造などの半導体製造時に遭遇する構造に留意しながら、図４Ａ〜４Ｆのギャラリが選択される。

上述したように、例えばリソグラフィにおける時間、温度、焦点および照射線量、並びに一定の層の堆積またはエッチング・プロセスの他のパラメータなどの製造プロセスの一定のセットされるパラメータを有する処理装置によって半導体デバイスは製造される。これらのパラメータが分かると、そのような製造プロセスから得られる構造のプロフィールを導出することが可能になる。製造プロセスから得られる構造のプロフィールをシミュレートするために使える１つのソフトウェア・ツールはＰＲＯＬＩＴＨ（商標）シミュレータ・ソフトウェアであるが、これはカリフォルニア州サンノゼの本願の譲受人であるケーエルエー−テンカー コーポレイションから入手できる。このソフトウェアは、フィンレ テクノロジーズ（テキサス州オースチン、１９９７年）のクリス Ａ．マックによる“インサイドＰＲＯＬＩＴＨ (InsidePROLITH)”に記載されている。該製造プロセスから得られる構造のプロフィールをシミュレートするために使用可能なもう一つのツールは、ドイツ、ミュンヘンのシグマ＿Ｃからのソリッド＿Ｃである。製造プロセス・パラメータ（例えば、時間、温度）の値などの製造プロセスに関する情報が入手可能になったならば、図５Ａ、５Ｂに示されているモデリング・プロセスのためのシード・プロフィールとして役立つプロフィール・タイプをプロフィール・タイプのギャラリから選択するために、そのようなパラメータから予測されるプロフィールを使うことができる。さらに、例えばＣＤ、側壁角、高さ、係数ａおよび二次式の高さまたは他の多項式形の式の係数などのプロフィール・タイプに関連するパラメータの初期値のセットと、これらのパラメータが中で変動すると予想されるプロセス・ウィンドウとを選択するために、製造プロセス情報を用いて到達する予測プロフィールを使うこともできる。このプロセスが図６Ａに示されている。

図６Ａに示されているように、リソグラフィ・シミュレータ２４０（例えば、ＰＲＯＬＩＴＨ（商標）シミュレータ）は、製造プロセス２４２のパラメータから、ライン・プロフィール２４４をシミュレートする。シミュレートされたライン・プロフィール２４４から、ギャラリ中のライン・プロフィール２４４に最も近い図４Ａのプロフィール・タイプがシード・プロフィールとして選択される。このようなプロフィール・タイプを使用する予測プロフィールがシミュレートされたプロフィール２４４に最も近くなるように、このようなプロフィール・タイプの種々のパラメータの初期値を選択するためにもライン・プロフィール２４４が使われる。図６Ａの例では、図６Ａに示されている予測されるプロフィール２４６がシミュレートされたプロフィール２４４に最も近くなるように、図５Ａ、５Ｂのモデリング・プロセスのために７つのパラメータＣＤ₁ ，ＣＤ₂ ，ＣＤ₃ ，ＣＤ₄ およびＨ₁ ，Ｈ₂ ，Ｈ₃ の初期値が選択される。図５Ａに示されている非線形最適化プロセスが迅速に収斂できるように、上述した製造プロセスを使用することにより、測定される実際の構造に近い初期パラメータ値を有するプロフィール・タイプがモデリング・プロセスのためのシード・プロフィールとして選択される。

該シード・プロフィールあるいはプロフィール・タイプと初期パラメータ値とから出発する上述したモデリング・プロセスが図６Ｂに示されている。上述したように、製造プロセスから入手できる情報から、パラメータがその中で変動することのできるプロセス・ウィンドウを確かめることができる。そのようなウィンドウが図６Ｂに示され、図示されているパラメータ１および２の範囲は、これら２つのパラメータが変動することのできる範囲である。該ウィンドウは、中心点２５０と、各パラメータがこの中心点での値から逸れることのできる量とに関して定められて良い。該中心点と、各パラメータに許容される逸れとは、製造情報から導出される。垂直な線のセットと水平な線のセットとによって該プロセス・ウィンドウを種々のセクションに分割することができ、線の２つのセットの交点は点のセットを形成し、その各々は２つのパラメータの値の対に対応する。ソルバ１０８を用いて、これらの値の対に対応する放射スペクトルを導出することができ、該スペクトルと、それらに対応する対とは粗ライブラリを形成する。プロフィール・タイプが３つ以上のパラメータにより特徴づけられる場合には、ウィンドウは３つ以上の変数を有する空間となり、各交点は３つ以上のパラメータのセットに対応することになる。

この粗ライブラリが作られた後、該ライブラリのスペクトルが、最も近いものを見出すためにシミュレートされたデータと突き合わされる。最も近く一致するスペクトルに対応する交点２５２は、図５Ａの最適化プロセスを実行するために最良の出発点である初期パラメータ値のセットを示す。図６Ｂの線２５４は、最適化プロセスがとる図６Ｂの点２６０に存する最終結果に到達する経路を略示している。

例えば、図４Ａのプロフィール・タイプでは、少なくとも３つのパラメータ値、すなわちＣＤ、高さ（“Ｈ”）および側壁角（“ＳＷＡ”）がある。例えば、係数ａおよびプロフィールの高さにより特徴づけることのできる図４Ｂの四次式プロフィール・タイプなどのあるプロフィール・タイプについては、２つのパラメータで充分であろう。上述したように、選択されるプロフィール・タイプの初期パラメータ値のセットは、ギャラリからのプロフィール・タイプを用いる予測プロフィールがシミュレートされたプロフィールと最も近く一致するようなセットである。図５Ｂを参照して上述したように、回折ソルバ１０８を用いて波長の範囲１１６にわたる放射パラメータのスペクトルに到達し、それは選択されたプロフィール・タイプおよび関連するフィルムの初期値２５２のセットに対応する。このスペクトルは図５Ａのブロック１２２のように測定されたデータと比較され、上述したように非線形の最適化ツールを利用して、収斂後に経路２５４に沿って該プロフィール・タイプのパラメータ値の最終セット２６０に到達することができる。例えば、図４Ａのプロフィール・タイプが選択された場合、最終セット２６０は、各台形のＣＤ、高さおよび側壁角の最終値を含むであろう。

図５Ａを参照して説明されたプロセスを高速化するために、図６Ｂに示されているものなどの粗ライブラリをオフラインで前もって計算することができるので、図６Ｂの格子状構造の交点（例えば、２５２）に対応するものなどの初期パラメータ値のいくつかのセットおよびそれらに対応するスペクトルと一緒にギャラリ内の各プロフィール・タイプが蓄積される。そのとき、該交点の各々に対応するスペクトルを計算するために回折ソルバ１０８が使われ、そのようなスペクトルは、プロフィール・タイプ、および、交点での初期パラメータ値の関連するセットと一緒に蓄積される。その後、図６Ａのシミュレートされたプロフィール２４４などのシミュレートされたプロフィールを利用できるようになったとき、そのようなシミュレートされたプロフィールは、粗ライブラリ内の図６Ｂの交点に対応する初期パラメータ値のいろいろなセットに対応する予測プロフィールと突き合わされる。この比較から、該格子状構造中の特定の交点と、初期パラメータ値の対応するセットとを迅速に特定することができ、図５Ａのブロック１２０，１２２，１２４および１２６のプロセスを非常に迅速に実行して該プロフィール・タイプのパラメータ値の最終セット２６０を突き止めることができる。従って、図６Ｂの粗ライブラリの解像度は測定のためには充分でないけれども、非線形の最適化を顕著に高速化する。粗ライブラリが前もって作られない場合には、中心点２５０、これに対応するパラメータ値のセットおよびスペクトルを図５Ａの最適化プロセスのための出発点として使うことができる。

上述した放射パラメータは、図１Ａおよび２のシステムを用いて、当業者に知られているように測定可能である。本発明のもう一つの態様は、プロフィール・タイプおよび関連するフィルムに関連する１つ以上のパラメータの変化に対してある放射パラメータは他の放射パラメータより敏感であり得るという所見に基づく。このことが図６Ｃに示されている。プロフィール・タイプ、それに関連するフィルム、および選択されたパラメータの初期値２５２から、回折ソルバ１０８は種々の放射パラメータの予測スペクトルを作る。図６Ｃには例として、そのようにして作られた４つの異なる放射パラメータ、すなわちＲ_s ，Ｒ_p ，ｃｏｓΔおよびｔａｎΨについてのスペクトル２７０が示されている。プロフィール・タイプに関連する種々のパラメータ値（例えば、ＣＤ，Ｈ，ＳＷＡ）に変化が与えられ、そして４つ以上の種々の放射パラメータの各々について種々のスペクトルのセットを作るために回折ソルバ１０８が使われる。パラメータ値（例えば、ＣＤ，Ｈ，ＳＷＡ）の同じ変化に対応する４つ以上の放射パラメータのスペクトルの変化を比較することにより、パラメータ値の変化に対して最も敏感な放射パラメータおよびこれに対応するスペクトルが特定される。

換言すれば、選択されたプロフィール・タイプの各々を変化させる。すなわち、図４Ａのプロフィール・タイプが選択されれば、パラメータＣＤ，ＨおよびＳＷＡの各々を変化させる。これら３つのパラメータの各々の各変化について、回折ソルバ１０８は４つ以上の放射パラメータの各々について対応するスペクトルを計算する。方程式、

によって量χ² を定義することができる。この量（χ² ）は、例えば一定の信号（Ｒ_s ，Ｒ_p ，ｃｏｓΔ，・・・）の理論値および実験値などの２つのデータＲ₁ およびＲ₂ のセット間の差を測定する。値σ_n は、ｎ番目のデータポイントの重みを規定するものであり、通常は実験の不確定性により画定される。図６Ｃでχ² を計算するとき、実際には２つの理論スペクトル、すなわち１つは初期パラメータ値でのスペクトル、もう１つは変更されたパラメータ値でのスペクトル、が比較される。χ² 以外の量を最適化に使用することができ、例えば、比較されるスペクトル間の交差相関を最適化することができる。

経路２５４に沿って量χ² が上記方程式にしたがって計算されるが、これは２つの理論スペクトル、すなわち１つは初期パラメータ値２５２でのスペクトル、もう１つはパラメータのうちの１つがその初期値から変更されているスペクトル、の差である。図６Ｃに示されているスペクトルの４つのセット２７０では、４つの放射パラメータの各々について一定数の曲線が計算され、その各曲線は、パラメータのうちの１つの値が初期値とから比較して変更されている理論スペクトルに対応する。ＣＤ，ＨまたはＳＷＡの同じ変更に対応する４つの放射パラメータの４つの量χ² は、ＣＤ，ＨまたはＳＷＡの変化に対して最も敏感な放射パラメータとそのスペクトルとを特定するために比較される。図６Ｃに示されている例２７４では、χ² は放射パラメータｔａｎΨについて最大である。従って、図５Ａに示されているモデリング・プロセスのために放射パラメータｔａｎΨが選ばれれば、より正確な結果が達成可能であろう。換言すると、回折構造と、付随するフィルムとに関連するスペクトルを測定するために図１Ａまたは２の装置が使用されるとき（図５Ａのブロック１２０）、放射パラメータｔａｎΨがある範囲の波長にわたって測定され、そのようなスペクトルは、図６Ｂの最終セット２６０についての値のより正確なセットに到達するために、図５Ａのフローチャートにおいて回折ソルバ１０８により作られたｔａｎΨと比較される（ブロック１２２）。

図６Ｃは、使用できる放射パラメータのうちの４つを示している。もっとも完全なリストは、以下の１２個の放射パラメータ、

を含み、ここでｒ_s およびｒ_p はそれぞれＳおよびＰ偏光についての複素振幅反射係数であり、Ｒ_s およびＲ_p はそれぞれＳおよびＰ偏光についての反射率であり、すなわちＲ_s ＝｜ｒ_s ｜² 、Ｒ_p ＝｜ｒ_p ｜² である。角度Ａは、アナライザ角度であり、ハードウェア構成により（最適に）セットすることができる。量ｔａｎΨおよびｃｏｓΔは、当業者に知られている楕円偏光パラメータである。

図５Ａ、５Ｂを参照して説明されたプロセスはプロフィールおよびフィルム・パラメータの両方を考慮に入れているので、図６Ｃを参照して上述されたプロセスは、プロフィールおよび／またはフィルム・パラメータの変化に対して最も敏感な放射パラメータおよびこれに関連するスペクトルを選択することに留意されたい。

上述したプロセスの種々の態様により提供される利点が以下の表１に記載されている。

図７は、統合分光学的回折ベースの測定システム、フォトリソグラフィ・トラック／ステッパおよびエッチャのブロック図であり、本発明のもう一つの態様を示す。フォトレジストなどの材料の層がトラック／ステッパ３５０により半導体ウェハの表面上に形成され、ここで該フォトレジストはウェハ上に格子構造を形成する。格子構造のＣＤ，Ｈ，ＳＷＡおよび／または他のパラメータのうちの１つ以上が図１Ａ，２のシステム１０，８０を用いて測定され、フォトレジスト・パターンおよびこれに関連するフィルムの１つ以上のパラメータの値を見出すために、所望ならば上述した手法のうちの１つ以上を採用することができる。コンピュータ４０からのそのような値はトラック／ステッパ３５０へフィードバックされ、ここでトラック／ステッパ３５０におけるリソグラフィのプロセスを変更してエラーを補正するためにそのような情報を使用することができる。半導体処理時に、フォトレジストの層がウェハ上に形成された後に、エッチャ３６０を用いるなどしてエッチング・プロセスを実行することができる。フォトレジストの層は、その後、当業者に知られているように除去され、ウェハ上の結果としての半導体材料からなる格子構造を所望ならばシステム１０または８０を用いて再び測定することができる。エッチング・パラメータのいずれか１つを変化させて、システム１０または８０を用いて見出されたエラーを補正するために、上述した手法のいずれか１つ以上を用いて測定された値をエッチャに供給することができる。もちろん、システム１０，８０において上述した手法の１つ以上により得られた結果を、トラック／ステッパおよびエッチャの両方において、あるいはトラック／ステッパまたはエッチャの両方ではなくていずれか一方において使用することができる。トラック／ステッパ３５０および／またはエッチャ３６０は、回折構造の１つ以上のパラメータを見出すためにシステム１０または８０と統合された単一のツールを形成することができ、あるいはそれとは別の器具であっても良い。

図８は、半導体ウェハ処理のためのプロセスを説明するトラック／ステッパ３５０と、関連するフローチャートとの略図であって、回折構造および関連するフィルムのプロフィールの検出と処理プロセスとの統合のポイントを詳しく示し、図７のプロセスの一部を詳しく示す。図８に示されているように、半導体ウェハ３５２をカセットローダ３５４から“プライム”、“コート”、“ソフトベーク”、“ＥＢＲ”という符号が付されている数個のステーションにロードすることができる。ウェハ３５２はステッパ・インタフェース３５６により露光ツール３５８に渡される。上述した４つの場所でのいろいろなプロセスについて以下に記述する。

場所“プライム”において、ウェハは、ウェハの上にフォトレジストの層が作られる前に、フォトレジスト層がウェハに粘着できるように、化学処理される。場所“コート”において、フォトレジスト・コーティングの層がウェハ上に作られる。“ソフトベーク”において、レジストから化学溶剤を除去するためにレジストの層は焼かれる。“エッジビード除去 (edge-bead removal)”を表わす“ＥＢＲ”において、ウェハのエッジから余分のフォトレジストを除去するために溶剤ノズルまたはレーザが使用される。

ウェハがツール３５８によって放射に対して露出された後、ウェハに対して４つの追加プロセス、すなわち“ＰＥＢ”、“ＰＥＢチル”、“現像”および“ハードベーク”が行われる。“ＰＥＢ、すなわち露光後ベーク (post exposure bake) ”において、露光ツールからの定在波効果を低減させるためにウェハは焼かれる。その後、それは“ＰＥＢチル”で冷却される。その後、ウェハはフォトレジストを現像するために試薬で洗われるので、露光されていない（ネガティブ）または露光された（ポジティブ）フォトレジストが除去される。その後、フォトレジスト・パターンを安定させるためにウェハは“ハードベーク”で焼かれる。“現像ツール”３５８以外の図８の装置３５０のコンポーネントはすべて“トラック”（クラスタとも称される）として知られていることに留意されたい。

これら後者の４つのプロセスが完了した後、ウェハ３５２はカセットローダ３５４に戻され、これでステッパ３５０を必要とする処理は完了する。回折構造および関連するフィルムのパラメータを測定するために矢印３６２のところで検出システム１０または８０を使用することができる。従って、そのようなパラメータは“ハードベーク”後に測定可能である。

別のフィルムまたは別のプロフィール測定から得られる情報を使用するプロフィールの測定を可能にする方法はいくつかある。
ａ．フィルム測定を実行して下にある層の厚さを決定し、その情報を回帰を用いるフォトレジストの格子ターゲットに関する別の散乱計測測定へ順方向に送る。これにより、回帰における変数の数が減少し、そのために計算が顕著に高速化すると共に精度／ロバストネスが向上する。
ｂ．フィルム測定を実行して下にある層（例えば、ゲートＡＤＩ測定におけるＢＡＲＣ層）のｎおよびｋを決定し、その情報を回帰を用いるフォトレジストの格子ターゲットに関する別の散乱計測測定へ順方向に送る。これにより、回帰における変数の数が減少し、そのために計算が顕著に高速化すると共に、ライブラリまたは回帰方式における不正確な光学定数に起因するエラーが除去される。
ｃ．フィルム測定を実行して下にあるおよび現在のエッチングされた層（格子構造の部分である層）の厚さを決定し、その情報をエッチングされた誘電体の格子ターゲットに関する別の散乱計測測定へ順方向に送る。これにより、別な方法によればプロフィール・ライブラリまたは回帰測定においてあまりに多くの自由度を持つことになるダマスカス構造の測定が可能となる。
ｄ．散乱計測法を用いてプロフィール測定を実行し、それをシードとして次の散乱計測回帰測定へ順方向に送る。
ｅ．散乱計測測定を実行して、その情報（最も重要なのは側壁角およびピッチである）を同じターゲットにまたは同じウェハ上の別のターゲットに関するＣＤ−ＳＥＭ測定へ送る。これにより、ＣＤ測定の壁角依存性に関してＳＥＭアルゴリズムに存在する不確定性がなくなる。さらに、それはＣＤ−ＳＥＭにピッチの絶対の較正を与える。
ｆ．散乱計測測定を実行して、その情報（最も重要なのは頂部の丸みおよび壁角である）を同じターゲットまたは同じウェハ上の別のターゲット（例えば、ゼブラ・ターゲット）に関するオーバーレイ測定へ送る。これにより、ウェハにより引き起こされるシフト（ウェハ処理変動の結果として）に関してオーバーレイ・アルゴリズムに存在する不確定性がなくなる。
ｇ．順方向送り方式または同時回帰のいずれかにおいて複数照明角情報を組み合わせて構造のプロフィール・パラメータを決定する。例えば、構造に関する追加の情報（１つまたは両方がＳＥであって良い）を提供するために垂直反射率計または近垂直反射率計を斜角反射率計と共に使用する。
ｈ．反射された信号または測定ツール（通常は分光楕円偏光計）により集められた位相信号に関して回帰により散乱計測法を用いてプロフィール測定を実行する。
ｉ．集められたスペクトル、偏光または位相情報の下に存在するフィルム特性に対してあまり敏感ではないサブセットを用いて構造のプロフィールを見出すために回帰を実行する。

図９Ａ，９Ｂ，９Ｃは、回折構造のプロフィールあるいはパラメータを決定するための本発明の種々の実施形態を説明するのに役立つサンプル構造の略図である。

図９Ａに示されているフィルムスタック３６０は、該フィルムスタック中の種々の層の厚さおよび／または複素屈折率を得るために図１Ａおよび２に示されている反射率計、分光測光計または楕円偏光計によりサイト１で測定される。図１Ａおよび２の器具を使ってフィルムスタック３６０の上の回折構造３６２ａからの強度および位相情報をサイト２で測定することもできる。サイト１でフィルムスタック３６０を測定することにより得られたフィルムの厚さおよび屈折率の情報がサイト２で構造３６２を測定するときに放射データの計算またはモデリングに使用されれば、その回帰または計算の変数の数は激減するであろう。これにより、回折構造３６２ａのプロフィールおよび／またはパラメータ（例えば、臨界寸法、側壁角および厚さ）の計算が顕著に高速化する。

あるアプリケーションでは、サイト１での測定に利用できるフィルムスタックは、回折構造に関連するフィルムスタックと同一でなくても良い。このことが図９Ｂに示されている。従って、サイト１で測定されるフィルムスタック３６４は、構造３６８全体の中の回折構造３６８ａの上または下のフィルムスタック３６６とは異なる。しかし、これらのフィルムスタック３６４，３６６に共通の層が１つある限り、スタック３６４の測定は、回折構造３６８ａの測定を簡略化するのに役立つ情報をもたらすであろう。図９Ｂに示されているように、２つのフィルムスタック３６４，３６６は実質的に同一の層３７０を有する。このような場合、層３７０の厚さと複素屈折率とに関する情報は、回折構造３６８ａのプロフィールまたはパラメータを決定するときの計算または回帰プロセスを簡略化するであろう。これは、２つのスタック３６４，３６６の２つの層３７０が同一ではないが実質的に同じ厚さまたは同じ屈折率またはその他の光学的特性を有する場合にも当てはまることである。

図９Ａ，９Ｂは、リソグラフィ処理時に頻繁に得られる構造を示している。エッチング・プロセス時には、層の一部分のみがエッチング可能で、層の他の部分がエッチングされないということが良くある。そのような場合には、エッチングされなかった部分の測定は、エッチングされた部分の回折構造のプロフィールまたはパラメータの決定を簡略化するのに役立つであろう。このことが図９Ｃに示されている。図９Ｃに示されているように、エッチングされない部分３７２は層０，１および２を包含する。エッチング前は、部分３７４の層０，１，２は部分３７３のものと実質的に同じである。エッチング時に、層２はエッチングされて構造３７４全体の回折構造３７４ａとなる。従って、サイト１に存する構造３７２が図１Ａまたは２の装置によって測定されれば、構造３７２の３つの層の厚さおよび屈折率に関する情報は、回折構造３７４ａのプロフィールまたはパラメータを導出すための計算または最適化プロセスの複雑さを大幅に低減するであろう。

上述した特徴は、層０および１と構造３７４内の対応する層とが同一でない場合、あるいは構造３７２の層２が回折構造３７４ａと同じ厚さまたは屈折率を持たないときでも、適用可能である。構造３７２のいずれか１つの層と構造３７４の他の層とが厚さまたは屈折率などの何らかのパラメータを共通に持っている限り、サイト１で構造３７２を測定してその情報を構造３７４の測定に順方向に送れば、２番目の測定が簡略化されるであろう。

図１０は、散乱計測測定ツール３７６から得られたデータを（図９Ｃに関して上述したものと同じ意味で）同じターゲットまたは何らかの共通特徴を有するターゲットに対する測定を実行するＣＤ−ＳＥＭ測定ツール３７８に順方向に送ることができるようになっている実施形態を例示している。

図１０は、散乱計測測定ツール３７６から得られたデータを（図９Ｃに関して上述したものと同じ意味で）同じターゲットまたは何らかの共通特徴を有するターゲットに対する測定を実行するオーバーレイ測定ツール３７８に順方向に送ることができるようになっている実施形態も例示している。

図１１は、２つの格子（１つの格子３８２のみを図１１に示す）間のオフセットを測定するオーバーレイ・ツールの略図である。放射ビーム３８１は、ミラー３８５により反射され、レンズ３８４によりターゲット３８２へ集束される。散乱または回折された放射はレンズ３８６により集められてＣＣＤ３８７へ集束され、その出力は格子間のミスアラインメントを計算するためにコンピュータ４０に送られる。あるいは、ターゲットはボックス・イン・ボックス形ターゲットであっても良くて、その１次元イメージが図１２に示されている。両方のタイプのターゲットのプロフィールがオーバーレイ測定に影響を及ぼす。図１２に示されているように、ボックス・イン・ボックス形ターゲットのエッジの形状は、ボックス・イン・ボックス形ターゲットにより回折される放射に対して影響を及ぼすことができる。従って、ターゲットのプロフィールまたは他のパラメータを測定し、その情報をオーバーレイ測定ツールに送れば、オーバーレイ測定はより正確になるであろう。

図６Ｃと関連する上記説明とに関して、パラメータ値についてより正確な結果を得るために、突き合わせプロセスに最適のパラメータを選択することが可能であろうことに留意されたい。あるアプリケーションでは、その逆が望ましいであろう。フィルム構造に隣接する回折構造のプロフィールまたはパラメータを測定するのが望ましいけれども、フィルム構造の厚さおよび屈折率を容易に利用することはできないか、あるいは測定できない場合、回折構造測定に対するフィルム構造の影響が最小限にされるパラメータを選択することが望ましいであろう。そのようなアプリケーションについては、図６Ｃを参照して上述されたプロセスと実質的に同じプロセスを実行することができる。しかし、図６Ｃについての説明とは対照的に、パラメータ値の与えられた変化についてスペクトル変化量を最大にするフィルム構造のパラメータ（例えば、フィルムの厚さまたは屈折率）を選択する代わりに、変更されたときにスペクトル変化量の最小の変化を生じさせるフィルム・パラメータが選択される。

ソフトウェアのアップグレード
図１Ａ，２および１１に示されているようなシステムを用いて本発明を説明してきた。図１Ａ，２および１１のシステムのいろいろな光学コンポーネントがサンプルから測定されたデータを得るために使われるが、その他のプロセスの多くがコンピュータ４０により実行される（図を簡略化するために図２には示していない）。半導体メーカーなどのメーカーにより現在使用されている多くのシステムについては、該システムで使われているコンピュータは上述した手法を実行する能力を持っていないであろう。本発明の他の態様は、コンピュータ４０が上述したいろいろな機能のうちの１つ以上を実行できるように、これらのコンピュータ・ソフトウェアをアップグレードできることを目論む。従って、本発明の他の態様は、上述した機能を実行するようにコンピュータ４０にロードされるソフトウェア・コンポーネントを必要とする。これらの機能は、図１Ａまたは２または１１のシステム１０または８０または３８０の光学コンポーネントと関連して、上で概説したいろいろな利点を有する結果を提供する。ソフトウェアまたはプログラム・コンポーネントをいろいろな方法でコンピュータ４０にインストールすることができる。

この技術分野において理解されるであろうが、本発明のソフトウェア・コンポーネントは、適切に構成された計算装置にロードされたとき該装置を本発明に従って動作させる論理命令および／またはデータを含む固定媒体プログラム・コンポーネントで具体化され得るものである。この技術分野において理解されるであろうが、固定媒体プログラムは、ユーザのコンピュータにロードするために固定媒体でユーザに渡されても良く、また固定媒体プログラムは、ユーザがプログラム・コンポーネントをダウンロードするために通信媒体を通してアクセスするリモート・サーバに常駐しても良い。従って、本発明の他の態様は、プログラム・コンポーネントをユーザへ送信し、あるいは送信させることを含み、該コンポーネントは、ユーザの装置にダウンロードされると上述した機能のうちのいずれか１つ以上を実行することができる。

図１３は、命令を媒体４１７および／またはネットワークポート４１９から読み出すことのできる論理装置として理解し得る情報装置（またはデジタル装置）を示している。その後、装置４０は、これらの命令を使って、当該技術分野において理解されているように、本発明のいろいろな態様を具体化するようにサーバまたはクライアント論理に指示をすることができる。本発明を具体化できる論理装置の１つのタイプは４０に示されているコンピュータ装置であり、これはＣＰＵ４０４、任意の入力装置４０９および４１１、ディスクドライブ４１５および任意のモニタ４０５を含む。固定媒体４１７は、このようなシステムをプログラムするために使用可能であり、ディスク形の光学媒体または磁性媒体、磁気テープ、固体メモリなどを表す。本発明の１つ以上の態様は、全体的にまたは部分的にこの固定媒体に記録されているソフトウェアとして具体化できる。通信ポート４１９も、上述した機能のうちの１つ以上を実行するようにこのようなシステムをプログラムするために使われる命令を始めに受け取るために使用可能であり、インターネットまたは他の何らかのコンピュータ・ネットワークなどの任意のタイプの通信接続を表すことができる。該命令またはプログラムは、ユーザの装置に直接送られても良く、あるいはユーザの装置を通してアクセス可能であるようにネットワークに、例えばインターネットのウェブサイトなどに置かれても良い。ユーザがプログラムまたはソフトウェア・コンポーネントを利用できるようにするこのような方法はすべて当業者に知られているので、ここでは説明しない。

本発明は、アプリケーション専用集積回路（ＡＳＩＣ）の回路構成の中でまたはプログラム可能な論理装置（ＰＬＤ）内で全体的にまたは部分的に具体化されても良い。そのような場合、上述したように動作するＡＳＩＣまたはＰＬＤを作るために使用可能なコンピュータが理解できる記述言語で本発明を具体化することができる。

種々の実施形態を参照して本発明を説明してきたが、添付されている請求項およびその同等物によってのみ定義される本発明の範囲から逸脱せずに変更や改造をなし得ることが理解されるであろう。本願明細書において言及されている全ての参考文献は、その全体が参照により援用されている。

本発明を説明するために役立つ分光測定装置の略図である。 本発明を説明するための２次元格子と関連する層との横断面図である。 本発明を説明するために役立つ他の分光測定装置の略図である。 本発明を説明するために役立つ半導体製造時に見られる２次元構造の横断面図である。 本発明を説明するために役立つ半導体製造時に見られる２次元構造の横断面図である。 本発明を説明するために役立つ半導体製造時に見られる２次元構造の横断面図である。 本発明を説明するために役立つヴァイアホールを有する３次元の周期的構造の透視図である。 プロフィール・タイプまたはモデルのギャラリを説明して本発明の実施形態を説明するサンプル・プロフィールである。 プロフィール・タイプまたはモデルのギャラリを説明して本発明の実施形態を説明するサンプル・プロフィールである。 プロフィール・タイプまたはモデルのギャラリを説明して本発明の実施形態を説明するサンプル・プロフィールである。 プロフィール・タイプまたはモデルのギャラリを説明して本発明の実施形態を説明するサンプル・プロフィールである。 プロフィール・タイプまたはモデルのギャラリを説明して本発明の実施形態を説明するサンプル・プロフィールである。 プロフィール・タイプまたはモデルのギャラリを説明して本発明の実施形態を説明するサンプル・プロフィールである。 本発明の実施形態を説明するプロフィールおよびフィルム測定のフローチャートである。 図５Ａのフローチャートの回折ソルバをより詳細に説明するフローチャートである。 最適プロフィール・タイプまたはモデルと初期シート値のためのパラメータの値との選択を説明するフローチャートである。 本発明の１つの態様を説明するために、最適放射パラメータと、測定されたデータと突き合わされる放射データの対応するセットとを選択するためのプロセスを説明するフローチャートである。 本発明の態様を説明するために粗ライブラリからの非線形最適化のための出発点の選択を説明する略図である。 本発明を説明するためにトラック／ステッパおよびエッチャおよび分光測定装置を含むウェハ処理装置を例示する略ブロック図であり、該装置からの回折構造および／または関連構造からの情報は製造プロセスおよびトラック、ステッパおよび／またはエッチャを制御するために使われる。 図７のトラック／ステッパをより詳細に説明する略ブロック図である。 回折構造のプロフィールまたはパラメータを決定するための本発明の種々の実施形態を説明するために役立つサンプル構造の略図である。 回折構造のプロフィールまたはパラメータを決定するための本発明の種々の実施形態を説明するために役立つサンプル構造の略図である。 回折構造のプロフィールまたはパラメータを決定するための本発明の種々の実施形態を説明するために役立つサンプル構造の略図である。 散乱計測測定ツールから得られたデータが、同じターゲットまたはある共通の特徴を有するターゲットに対して測定を実行するＣＤ−ＳＥＭ測定ツールまたはオーバーレイツールに順方向に送られるようになっている実施形態を例示する。 図１０の本発明の特徴を説明するために２つの格子間のオフセットを測定するオーバーレイツールの略図である。 図１０の本発明の特徴を説明するボックス・イン・ボックス形ターゲットの１次元イメージである。 本発明の態様を具体化できる代表的サンプル論理装置を示すブロック図である。

Claims (17)

1. １つ以上の第１のフィルム構造に隣接する回折構造の１つ以上のパラメータを測定する方法であって、前記回折構造または１つ以上の第１のフィルム構造の少なくとも第１の層は第１の材料を含み、かつ関連する厚さおよび光学インデックス情報を有し、前記方法は、
   前記回折構造または少なくとも第１の層と実質的に同じ厚さを有する少なくとも１つの層を含み、かつ／または第１の材料の光学特性と実質的に同じ光学特性を有する第２の材料を含む基準構造を測定して前記１つの層の厚さ、かつまたは前記第２の材料の光学インデックス情報を得るステップと、
   前記回折構造および１つ以上の第１のフィルム構造に複数の波長の電磁放射のビームを照射するステップと、
   前記ビームの回折構造からの複数の波長における回折の強度および／または位相データを検出するステップと、
   前記基準構造に関連するデータおよび前記回折構造から検出されたデータを用いて１つ以上の可変パラメータを決定するステップであって、前記決定するステップは、回帰プロセスまたは１つ以上の可変パラメータの基準データベースを作ることを含み、そして前記基準構造に関連する厚さおよび光学インデックス情報を用い、前記回帰プロセスまたは前記基準データベースの前記可変パラメータの数を減少させることにより前記可変パラメータを決定するための最適化プロセスを簡略化し、決定するステップと、を含む方法。
2. 請求項１記載の方法において、
   前記基準構造は複数層を含む第１のフィルム構造に隣接し、この層のうちの少なくとも１つは１つ以上の第１のフィルム構造中の１つの層と実質的に同じ厚さを有し、かつ／または１つ以上の第１のフィルム構造の材料の光学特性と実質的に同じ光学特性を有する材料を含み、前記方法はさらに前記基準構造に隣接する前記フィルム構造の厚さおよび光学インデックス情報を用いて１つ以上のパラメータの基準データベースを作るステップを含み、前記決定するステップは前記基準データベースを使用する方法。
3. 請求項２記載の方法において、
   前記作るステップは、それぞれが前記回折構造の考えられるライン幅、高さまたは壁角に対応する複数の機能を含む基準データベースを作る方法。
4. 請求項２記載の方法において、
   前記作るステップは波長のスペクトルにわたる基準データベースを作り、前記照射するステップは前記スペクトルを含む波長の広帯域放射のビームを照射し、前記検出するステップは波長の前記スペクトルにわたる強度または楕円偏光パラメータ・データを検出する方法。
5. 請求項１記載の方法において、
   前記測定するステップは、強度データまたは楕円偏光パラメータを測定する方法。
6. 請求項１記載の方法において、
   前記検出するステップは、強度データまたは楕円偏光パラメータを検出する方法。
7. 請求項１記載の方法において、
   前記パラメータは、臨界寸法、高さおよび側壁角を含む方法。
8. 請求項１記載の方法において、
   １つ以上の第１のフィルム構造上には周期的回折パターンはなく、前記測定するステップは分光楕円偏光計、分光測光計または分光反射率計によって測定を行う方法。
9. 請求項１記載の方法において、
   前記照射するステップおよび検出するステップは、分光楕円偏光計、分光測光計または分光反射率計による方法。
10. 請求項１記載の方法において、
    １つ以上の第１のフィルム構造の光学インデックスおよびフィルム厚さに関する情報を提供するステップと、１つ以上の第１のフィルム構造の光学インデックスおよびフィルム厚さ情報を用いて前記回折構造に関連する１つ以上のパラメータの基準データベースを作るステップとをさらに含み、前記決定するステップは前記基準データベースを使用する方法。
11. 請求項１０記載の方法において、
    前記作るステップはそれぞれが前記回折構造の考えられるライン幅、高さまたは壁角に対応する複数の機能を含む基準データベースを作る方法。
12. 請求項１０記載の方法において、
    前記作るステップは波長のスペクトルにわたる基準データベースを作り、前記照射するステップは前記スペクトルを含む波長の広帯域放射のビームを照射し、前記検出するステップは波長の前記スペクトルにわたる強度または楕円偏光パラメータ・データを検出する方法。
13. 請求項１記載の方法において、
    前記検出するステップは、前記回折構造からのビームのゼロ次回折を検出する方法。
14. 請求項１記載の方法において、
    前記照射するステップは、偏光している放射を前記回折部分に照射する方法。
15. 請求項１記載の方法において、
    複数の波長は、紫外線波長を含む方法。
16. 請求項１記載の方法において、
    前記基準構造および回折構造または少なくとも第１の層は、同じ製造プロセスから形成される方法。
17. 請求項１記載の方法において、
    前記決定するステップは、前記基準構造に関連するデータおよび最適化プロセスにおける前記回折構造から検出されたデータを用いて１つ以上のパラメータを決定し、かつ前記基準構造に関連するデータを最適化プロセスに順方向に送って、１つ以上のパラメータを決定するための最適化プロセスを簡略化する方法。

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