JP5857714B2 - パターン測定方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、相互に平行に配置された複数の直線パターンを含む縞状パターンの測定方法及び半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置の微細化に伴い、半導体装置の製造工程におけるプロセスマージンが小さくなっている。特に、トランジスタのゲート形成工程における線幅の精度に対する要求が厳しさを増しており、線幅の制御性向上が求められている。線幅の制御性を向上させるために、線幅の測定精度を高めることが望まれる。さらに、線幅のみではなく、パターンの断面形状も高精度に測定することが望まれる。

線幅の測定に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）が広く用いられている。ところが、ＳＥＭによる観測時に電子の照射によって測定対象パターンが変形してしまうことがある。また、ＳＥＭによる測定では、パターンの極一部を拡大し、拡大された部分の寸法が測定される。このため、測定誤差が生じやすい。

ＳＥＭ以外の測定方法として、スキャトロメトリが用いられ始めている。以下、従来のスキャトロメトリについて説明する。

測定対象パターンに測定用の光を入射させ、反射光を分光することにより、スペクトルを取得する。予め、測定対象パターンの物性値、形状、下地構造等の物理量を逐次変化させた複数の参照モデルについて、反射光のスペクトルをシミュレーションにより求めておく。求められたスペクトルは、参照モデルの各物理量と関連付けて、参照例としてライブラリに登録しておく。

測定されたスペクトルと、ライブラリに登録されている参照例のスペクトルとを比較し、両者が最も近似（ベストマッチング）する参照例を抽出する。抽出された参照例の各物理量の値が、測定対象パターンの物理量にほぼ等しいと推定される。

半導体装置の微細化がさらに進むと、反射光のスペクトルから測定対象パターンの各物理量の特徴量を捉えにくくなることが考えられる。そうすると、実測されたスペクトルにベストマッチングする参照例を１つに特定できない場合が生じ得る。このような場合には、測定対象パターンを規定する複数の物理量のうち一部の物理量を、スキャトロメトリ以外の方法、例えば測長ＳＥＭ（ＣＤ−ＳＥＭ）等で測定する。これにより、一部の物理量の値を決定することができる。一部の物理量の値が固定されることにより、実測されたスペクトルに基づいて、ライブラリに登録されている参照例のスペクトルからベストマッチングのスペクトルを抽出しやすくなる。

特開２０１１−２７４６１号公報

従来の方法では、ライブラリからベストマッチングのスペクトルを抽出できない場合に、スキャトロメトリ以外の他の測定方法を適用する必要がある。

本発明の一観点によると、
表面に、複数の第１の直線パターンを含む第１の縞状パターンが形成された測定対象物の前記第１の縞状パターンに、前記第１の直線パターンの延在する方向と入射面とが平行になる条件で測定用の光を入射させ、反射光の第１のスペクトルを取得する工程と、
前記第１のスペクトルを解析することにより、前記第１の縞状パターンの下地の構造に関わる第１の物理量を推定し、第１の推定値を得る工程と、
前記測定対象物の表面に、複数の第２の直線パターンを含む第２の縞状パターンが形成されており、前記第２の縞状パターンに、前記第２の直線パターンの長手方向と入射面が垂直になる条件で測定用の光を入射させ、反射光の第２のスペクトルを取得する工程と、
前記第１の推定値に基づき、前記第２のスペクトルを解析することにより、前記第２の縞状パターンの断面形状に関わる第２の物理量を推定し、第２の推定値を得る工程と
を有するパターン測定方法が提供される。

本発明の他の観点によると、
半導体ウエハの表面に、複数の第１の直線パターンを含む第１の縞状パターン、及び前記第１の直線パターンの長手方向と直交する方向に延在する複数の第２の直線パターンを含む第２の縞状パターンを形成する工程と、
前記第１の縞状パターンに、前記第１の直線パターンの延在する方向と入射面とが平行になる条件で測定用の光を入射させ、反射光の第１のスペクトルを取得する工程と、
前記第１のスペクトルを解析することにより、前記第１の縞状パターンの下地の構造に関わる第１の物理量を推定し、第１の推定値を得る工程と、
前記第２の縞状パターンに、前記第２の直線パターンの長手方向と入射面とが垂直になる条件で測定用の光を入射させ、反射光の第２のスペクトルを取得する工程と、
前記第１の推定値に基づき、前記第２のスペクトルを解析することにより、前記第２の縞状パターンの断面形状に関わる第２の物理量を推定し、第２の推定値を得る工程と、
前記第１の推定値及び前記第２の推定値が許容範囲内であるか否かを判定し、許容範囲内である場合には、前記半導体ウエハに対する製造工程を継続し、許容範囲から外れている場合には、前記半導体ウエハに対する製造工程を中止する工程と
を有する半導体装置の製造方法が提供される。

第２のスペクトルを解析する前に、第１の縞状パターンの下地の構造に関わる第１の物理量の第１の推定値が得られている。このため、第２のスペクトルの解析時に、第１の推定値に基づいて、第２の縞状パターンの第１の物理量の取り得る範囲を絞り込むことができる。この第１の物理量の取り得る範囲を絞り込む際に、他の測定方法を併用する必要がない。

図１は、実施例１によるパターン測定方法で用いられるスキャトロメトリ測定装置の概略図である。 図２は、測定対象物の表面に形成されている測定対象パターンの断面図である。 図３は、測定対象物の平面図である。 図４Ａは、スキャトロメトリにより測定される第１の縞状パターンと測定用の光との位置関係を示す平面図であり、図４Ｂは、スキャトロメトリにより測定される第２の縞状パターンと測定用の光との位置関係を示す平面図である。 図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ平行入射条件及び垂直入射条件でスキャトロメトリにより測定されるスペクトルの感度の一例を示すグラフである。 図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ平行入射条件及び垂直入射条件でスキャトロメトリにより測定する際の物理量間の相互影響度を示す図表である。 図７は、実施例１による方法で参照されるライブラリの構成の一例を示す図表である。 図８は、実施例１によるパターン測定方法のフローチャートである。 図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃは、それぞれ実施例１によるパターン測定方法のステップＳＡ４、ＳＡ６、ＳＡ８を示す概略図である。 図９Ｄ、図９Ｅは、それぞれ実施例１によるパターン測定方法のステップＳＡ９、ＳＡ１１を示す概略図である。 図１０Ａは、シミュレーション対象である参照モデルの断面図であり、図１０Ｂ及び図１０Ｃは、図１０Ａの参照モデルを垂直入射条件で測定して得られるスペクトルのシミュレーション結果（丸記号）、及びある試料のスペクトルの実測値（実線）を示すグラフである。 図１１Ａは、シミュレーション対象である他の参照モデルの断面図であり、図１１Ｂ及び図１１Ｃは、図１１Ａの参照モデルを垂直入射条件で測定すて得られるスペクトルのシミュレーション結果（丸記号）、及び図１０Ｂ、図１０Ｃのスペクトルの実測値と同一のスペクトル（実線）を示すグラフである。 図１２は、測定対象物のうち直線パターンが密に配置された部分と、直線パターンが配置されていない部分との一例を示す断面図である。 図１３は、実施例２によるパターン測定方法のフローチャートである。 図１４は、実施例２による方法で参照されるライブラリの構成の一例を示す図表である。 図１５は、実施例３によるパターン測定方法のフローチャートである。 図１６は、実施例４による半導体装置の製造方法の一部分のフローチャートである。

［実施例１］
図１に、実施例１によるパターン測定方法で用いられるスキャトロメトリ測定装置の概略図を示す。ステージ２０に測定対象物２１が載置されている。測定対象物２１は、例えば表面に回路パターンが形成された半導体ウエハである。回転機構２７が、測定対象物２１の表面に対して垂直な直線を回転中心として、ステージ２０を回転させる。ステージ２０は、測定対象物２１を面内に平行な２次元方向に並進移動させることができる。

広帯域光源２２が、例えば、少なくとも２７０ｎｍ〜７５０ｎｍの波長域の光を含む測定用の光を出射する。広帯域光源２２から出射された測定用の光２８が偏光子２３を透過して測定対象物２１に斜め入射する。測定用の光２８は、偏光子２３を透過することにより直線偏光になる。偏光子２３は、透過軸の方向が変化するように回転可能に支持されている。

測定対象物２１の表面で反射した反射光２９が、検光子２４を透過してプリズム２５に入射する。検光子２４も、その透過軸の方向が変化するように回転可能に支持されている。検光子２４を透過した光がプリズム２５で分光され、撮像装置２６に入射する。撮像装置２６は、検光子２４を透過した光のスペクトルを測定する。

制御装置３８が、ステージ２０、回転機構２７、広帯域光源２２、及び撮像装置２６を制御する。撮像装置２６で得られたスペクトルの画像データが制御装置３８に入力される。制御装置３８は、種々の処理結果を出力装置３９に出力する。

図２に、測定対象物２１の表面に形成されている測定対象パターンの断面図の一例を示す。シリコン等の半導体ウエハ３０の上に、酸化シリコン等の絶縁膜３１、多結晶シリコン等の半導体膜３２、絶縁膜３３、及びレジスト膜３４が形成されている。レジスト膜３４が、複数の直線状パターンを含む縞状にパターニングされている。縞状にパターニングされたレジスト膜３４をエッチングマスクとして、絶縁膜３３及び半導体膜３２がエッチングされている。エッチングにより形成された凹部５０の深さは、半導体膜３２の厚さ方向の途中まで達する。このエッチングにより、一方向に延在する複数の凸状の直線パターン３５が形成される。複数の直線パターン３５により、縞状パターン３６が構成される。

凹部５０の底面を連ねる仮想的な平面と絶縁膜３１の底面との間の積層構造を、下地構造３７ということとする。具体的には、下地構造３７は、絶縁膜３１の厚さＴＬ、凹部の底面を連ねる仮想的な平面から半導体膜３２の底面までの厚さＴＵ、絶縁膜３１及び半導体膜３２の屈折率等の物理量（第１の物理量）により規定される。直線パターン３５の断面形状が、線幅Ｗ及び側面の傾斜角Ａ等の物理量（第２の物理量）により規定される。直線パターン３５の線幅Ｗは、例えば、凹部５０の底面と直線パターン３５の頂部との中間の位置における線幅で代表される。

図３に、測定対象物２１である半導体ウエハの平面図を示す。測定対象物２１の表面に、複数のチップ領域（ダイ）４０が画定されている。チップ領域４０内に、第１の縞状パターン３６Ａ及び第２の縞状パターン３６Ｂが形成されている。第１の縞状パターン３６Ａに含まれる直線パターンの長手方向と、第２の縞状パターン３６Ｂに含まれる直線パターンの長手方向とは、相互に直交する。第１の縞状パターン３６Ａ及び第２の縞状パターン３６Ｂは、実際の回路パターンとは別に形成されたテストパターンである。

図４Ａに、スキャトロメトリにより第１の縞状パターン３６Ａを測定する時の第１の縞状パターン３６Ａと、測定用の入射光２８及び反射光２９との位置関係を示す。測定用の入射光２８の入射面４２が、縞状パターン３６Ａに含まれている直線パターン３５Ａの長手方向と平行である。この入射条件を「平行入射条件」ということとする。なお、直線パターン３５Ａの長手方向と、入射面４２とのなす角度が０°±１０°の範囲内であるとき、「平行入射条件」ということができる。

図４Ｂに、スキャトロメトリにより第２の縞状パターン３６Ｂを測定する時の第２の縞状パターン３６Ｂと、測定用の入射光２８及び反射光２９との位置関係を示す。入射光２８の入射面４２が、第２の縞状パターン３６Ｂに含まれている直線パターン３５Ｂの長手方向と垂直である。この入射条件を「垂直入射条件」ということとする。なお、直線パターン３５Ｂの長手方向と、入射面４２とのなす角度が８０°〜１００°の範囲内であるとき、「垂直入射条件」ということができる。

入射光２８が照射される領域は、例えば直径が約４０μｍのスポットである。第１の縞状パターン３６Ａ及び第２の縞状パターン３６Ｂの外形は、短辺の長さが４０μｍ以上の長方形である。

図５Ａに、平行入射条件でスキャトロメトリによる測定を行って得られるスペクトルの感度の一例を示す。横軸は、縞状パターンの種々の物理量を表し、縦軸は感度を表す。図５Ａでは、下地構造の膜厚ＴＬ、ＴＵ（図２）を、下地構造の膜厚（第１の物理量）Ｔとしてまとめて表している。ここで、「感度」とは、物理量が変動した時にスペクトルの形状が変化する度合を意味する。物理量がわずかに変動したときに、スペクトル形状が大きく変化する場合、その物理量に対するスペクトルの感度が高いことになる。逆に、物理量が変化しても、スペクトルの形状がほとんど変化しない場合、その物理量に対するスペクトルの感度は低いことになる。

平行入射条件（図４Ａ）の場合、入射光２８は、直線パターン３５Ａの間を通って下地構造３７（図２）に入射する。このため、平行入射条件で測定する場合には、下地構造３７の膜厚Ｔに対するスペクトルの感度が高い。

図５Ｂに、垂直入射条件でスキャトロメトリにより測定を行って得られるスペクトルの感度の一例を示す。垂直入射条件（図４Ｂ）では、入射光２８が直線パターン３５Ｂに遮られるため、下地構造３７（図２）まで到達しにくい。従って、垂直入射条件では、下地構造３７の膜厚Ｔに対してスペクトルの感度が低くなる。その逆に、垂直入射条件では、入射光２８が直線パターン３５Ｂの側面に入射し、直線パターン３５Ｂを幅方向に透過するため、線幅Ｗ及び斜面の傾斜角Ａに対して、スペクトルの感度が高くなる。

図６Ａ及び図６Ｂに、それぞれ平行入射条件及び垂直入射条件で測定する際の物理量間の相互影響度を示す。例えば、膜厚Ｔ、線幅Ｗ、傾斜角Ａの変動に対して、スペクトル形状の変化は周期性をもっている。２つの物理量が変動した時に、類似したスペクトル形状が繰り返し現れるとき、この２つの物理量の相互影響度が高いと定義する。相互影響度の高い２つの物理量の変動に対して、類似したスペクトルを持つ複数の参照例がライブラリに登録されることになる。相互影響度の高い２つの物理量の双方が未知であるとき、スペクトルが類似する複数の参照例から１つの参照例を候補として抽出することが困難な場合が生じ得る。

例えば、図６Ｂに示したように、垂直入射条件で測定する場合には、線幅Ｗと膜厚Ｔとの相互影響度が大きい。これは、１つのスペクトルの実測値に対して、線幅Ｗと膜厚Ｔとの値が異なる複数の参照例が候補として抽出される可能性が高いことを意味する。

図６Ａに示したように、平行入射条件で測定する場合には、膜厚Ｔと線幅Ｗとの相互影響度、及び膜厚Ｔと傾斜角Ａとの相互影響度が小さい。このため、膜厚Ｔが変動したときに、類似のスペクトルが現れない。このため、実測されたスペクトルに近い形状のスペクトルを持つ参照例を容易に特定することができる。

図７に、実施例１で用いられるライブラリの構成の一例を示す。ライブラリ４５に、複数の参照例４６が登録されている。参照例４６の各々は、参照モデルの線幅Ｗ、傾斜角Ａ、膜厚Ｔの各物理量の値、参照モデルを平行入射条件で測定したときに観測されるスペクトルＳｒｐのシミュレーション結果、及び垂直入射条件で測定したときに観測されるスペクトルＳｒｖのシミュレーション結果を含む。

図８に、実施例１によるパターン測定方法のフローチャートを示す。図９Ａ〜図９Ｄに、実施例１によるパターン測定方法の各ステップの処理の概略を示す。図９Ａ〜図９Ｄは、実施例１によるパターン測定方法の説明において、適宜参照される。

ステップＳＡ１において、測定すべき縞状パターンが形成された測定対象物２１（図１）を、測定装置のステージ２０（図１）に載置する。測定対象物２１の表面には、図３に示したように、第１の縞状パターン３６Ａ及び第２の縞状パターン３６Ｂが形成されている。ステップＳＡ２において、制御装置３８が回転機構２７を駆動することにより、測定対象物２１の回転方向の姿勢を調整する。具体的には、図４Ａに示したように、縞状パターン３６Ａに含まれる直線パターン３５Ａの長手方向が、入射光２８の入射面４２に対して平行になるように測定対象物２１の姿勢を調整する。

ステップＳＡ３において、制御装置３８がステージ２０を駆動して、第１の縞状パターン３６Ａを測定用の光が入射する位置に移動させる。ステップＳＡ４において、第１の縞状パターン３６Ａに測定用の入射光２８を入射させ、反射光２９の第１のスペクトルＳｐ１（図９Ａ）を取得する。ステップＳＡ５において、第１のスペクトルＳｐ１を制御装置３８（図１）内の記憶装置に記憶する。

ステップＳＡ６において第１のスペクトルＳｐ１を解析し、第１の縞状パターン３６Ａの下地構造３７の膜厚（第１の物理量）Ｔ１の推定値Ｔ１ｅを決定する。膜厚Ｔ１は、例えば図２に示した絶縁膜３１の厚さＴＬ及び半導体膜３２の底面から凹部５０の底面までの厚さＴＵを含む。具体的には、図９Ｂに示すように、実測された第１のスペクトルＳｐ１と、ライブラリ４５に登録されている複数の参照例４６の平行入射条件のスペクトルＳｒｐとを比較する。第１のスペクトルＳｐ１の形状に最も近似する（ベストマッチングの）参照スペクトルＳｒｐを持つ参照例４６を抽出する。抽出された参照例４６に登録されている膜厚Ｔを、第１の縞状パターン３６Ａの膜厚Ｔ１の推定値Ｔ１ｅとする。

ステップＳＡ７において、ステージ２０を駆動して、第２の縞状パターン３６Ｂを測定用の光が入射する位置に移動させる。広帯域光源２２等の光学系の位置は不変であるため、図４Ｂに示したように、第２の第２の縞状パターン３６Ｂに含まれる直線パターン３５Ｂの長手方向と入射面４２とが直交する。

ステップＳＡ８において、第２の縞状パターン３６Ｂに測定用の入射光２８を入射させ、反射光２９の第２のスペクトルＳｐ２（図９Ｃ）を取得する。

ステップＳＡ９において、膜厚Ｔ１の推定値Ｔ１ｅに基づいて、第２の縞状パターン３６Ｂの下地構造の膜厚Ｔ２の取り得る範囲を決定する。以下、ステップＳＡ９について詳細に説明する。

第１の縞状パターン３６Ａと、第２の縞状パターン３６Ｂとは、直線パターンの向きが異なるのみであり、下地構造や断面形状は近似していると考えられる。従って、第１の縞状パターン３６Ａの下地構造の膜厚Ｔ１と、第２の縞状パターン３６Ｂの下地構造の膜厚Ｔ２とは、ほぼ等しいと考えられる。従って、第２の縞状パターン３６Ｂの下地構造の膜厚Ｔ２は、ステップＳＡ６で求めた膜厚Ｔ１の推定値Ｔ１ｅに近いと考えられる。例えば、膜厚Ｔ２の値を推定する前提条件として、膜厚が、０．９×Ｔ１ｅと１．１×Ｔ１ｅと範囲内であると仮定する。ライブラリ４５（図９Ｄ）から、膜厚Ｔ２が０．９×Ｔ１ｅと１．１×Ｔ１ｅとの範囲内の参照例４６を比較対象とし、それ以外の参照例４６（図９Ｄにおいてハッチングが付されている）を比較対象から外す。

ステップＳＡ１０において、第２のスペクトルＳｐ２と、ライブラリ４５に登録されている比較対象の参照例４６の垂直入射条件のスペクトルＳｒｖとを比較し、スペクトルが最も近似する参照例４６を抽出する（図９Ｄ）。抽出された参照例４６の下地構造の膜厚Ｔを、第２の縞状パターン３６Ｂの下地構造の膜厚Ｔ２の推定値Ｔ２ｅとする。さらに、抽出された参照例の線幅Ｗ及び傾斜角Ａを、それぞれ第２の縞状パターン３６Ｂの線幅Ｗ２及び傾斜角Ａ２（第２の物理量）の推定値Ｗ２ｅ、Ａ２ｅとする。

ステップＳＡ１１において、第２の縞状パターン３６Ｂの線幅Ｗ２と傾斜角Ａ２の推定値Ｗ２ｅ、Ａ２ｅに基づいて、第１の縞状パターン３６Ａの線幅Ｗ１及び傾斜角Ａ１の取り得る範囲を設定する。一例として、線幅Ｗ１の範囲を０．８×Ｗ２ｅと１．２×Ｗ２ｅとの範囲内と仮定し、傾斜角Ａ１の範囲を０．９×Ａ２ｅと１．１×Ａ２ｅとの範囲内と仮定する。図９Ｅに示すように、ライブラリ４５から、線幅が０．８×Ｗ２ｅと１．２×Ｗ２ｅとの範囲内であり、かつ傾斜角が０．９×Ａ２ｅと１．１×Ａ２ｅとの範囲内である参照例４６を比較対象とし、それ以外の参照例４６（図９Ｅにおいてハッチングが付されている）を比較対象から外す。

ステップＳＡ１２において、ステップＳＡ４で取得された第１のスペクトルＳｐ１と、比較対象の参照例４６の平行入射条件のスペクトルＳｒｐとを比較し、スペクトルが最も近似する参照例４６を抽出する（図９Ｅ）。抽出された参照例４６の線幅Ｗ及び傾斜角Ａを、第１の縞状パターン３６Ａの線幅Ｗ１及び傾斜角Ａ１の推定値Ｗ１ｅ、Ａ１ｅとする。さらに、ステップＳＡ１２で抽出された参照例４６の下地構造の膜厚Ｔを、第１の縞状パターン３６Ａの下地構造の膜厚Ｔ１の新たな推定値Ｔ１ｅとする。

ステップＳＡ１３において、制御装置３８は、出力装置３９に、第１の縞状パターン３６Ａの下地構造の膜厚Ｔ１、線幅Ｗ１、傾斜角Ａ１の推定値Ｔ１ｅ、Ｗ１ｅ、Ａ１ｅ、及び第２の縞状パターン３６Ｂの下地構造の膜厚Ｔ２、線幅Ｗ２、傾斜角Ａ２の推定値Ｔ２ｅ、Ｗ２ｅ、Ａ２ｅを出力する。ステップＳＡ１４において、測定対象物２１をスキャトロメトリ測定装置から搬出する。

次に、図１０Ａ〜図１０Ｃ、図１１Ａ〜図１１Ｃ、図１２を参照して、実施例１の効果について説明する。

図１０Ａ及び図１１Ａに、ライブラリ４５（図７）に登録されている参照例の縞状パターンの断面の一例を示す。図１０Ａの縞状パターンの下地構造３７は、図１１Ａの縞状パターンの下地構造３７よりも厚い。逆に、図１０Ａの縞状パターン３６の凸部は、図１１Ａの縞状パターン３６の凸部よりも高い。

図１０Ｂ及び図１０Ｃに、図１０Ａの縞状パターンを垂直入射条件で測定して得られるスペクトルのシミュレーション結果を丸記号で示す。図１０Ｂ及び図１０Ｃは、縞状パターンに入射する測定用の入射光の偏光方向が異なる条件でシミュレーションを行った結果を示している。図１１Ｂ及び図１１Ｃに、図１１Ａの縞状パターンを垂直入射条件で測定して得られるスペクトルのシミュレーション結果を丸記号で示す。図１１Ｂ及び図１１Ｃは、それぞれ図１０Ｂ及び図１０Ｃに示したシミュレーションで用いた光の偏光方向と同一の条件でシミュレーションを行った結果を示している。

１つの試料の縞状パターンを、スキャトロメトリにより、垂直入射条件で測定して得られたスペクトルを、図１０Ｂ、図１０Ｃ、図１１Ｂ、図１１Ｃに実線で示す。この実測結果は、図１０Ａの参照例と図１１Ａの参照例との両方のスペクトルに近似している。このため、縞状パターンがどちらの形状であるかを特定することが困難である。

垂直入射条件による測定では、図６Ｂに示したように、下地構造の膜厚Ｔと線幅Ｗとの相互影響度が大きい。このため、下地構造の膜厚Ｔ及び線幅Ｗが変動すると、類似するスペクトルが周期的に表れる。図１０Ｂ及び図１０Ｃのスペクトルと、図１１Ｂ及び図１１Ｃのスペクトルとは、周期的に表れた類似するスペクトルであると考えられる。

実施例１においては、ステップＳＡ６において、平行入射条件で取得されたスペクトルＳｐ１に基づいて、下地構造の膜厚Ｔ１の値が推定される。図６Ａに示したように、平行入射条件では、下地構造の膜厚Ｔと線幅Ｗとの相互影響度、及び膜厚Ｔと傾斜角Ａとの相互影響度のいずれも小さい。このため、下地構造の膜厚Ｔが変動しても、類似するスペクトルが周期的に現れることはない。これにより、下地構造の膜厚Ｔ１の推定値Ｔ１ｅを容易に決定することができる。また、図５Ａに示したように、平行入射条件で測定を行う場合には、下地構造の膜厚Ｔに対する感度が高い。したがって、下地構造の膜厚Ｔを高精度に推定することができる。

ステップＳＡ９において、第２の縞状パターン３６Ｂの下地構造の膜厚Ｔ２の取り得る範囲が限定されている。すなわち、周期的に現れる類似するスペクトルを持つ複数の参照例のうち、測定対象の第２の縞状パターン３６Ｂの下地構造とは相違する参照例が、予め比較対象から除外されている。このため、スペクトルが近似する１つの参照例を容易に特定することができる。

また、図５Ｂに示したように、垂直入射条件で測定を行う場合には、平行入射条件で測定する場合に比べて、線幅Ｗ及び傾斜角Ａに対する測定感度が高い。このため、ステップＳＡ１０において、第２の縞状パターン３６Ｂの線幅Ｗ２及び傾斜角Ａ２を高精度に推定することができる。

図６Ａに示したように、平行入射条件で測定を行う場合には、線幅Ｗと傾斜角Ａとの相互影響度が大きい。実施例１では、ステップＳＡ１１において、平行入射条件で測定された第１の縞状パターン３６Ａの線幅Ｗ１および傾斜角Ａ１の範囲が制限されている。このため、スペクトルＳｐ１に基づいて、線幅Ｗ１及び傾斜角Ａ１を容易に推定することが可能になる。

図１２に、直線パターン３５が密に形成されている領域と、直線パターンが形成されていない領域との断面図を示す。直線パターン３５を形成するときに、通常は、マイクロローディング効果によって、直線パターン３５が密に形成されている領域の下地膜の膜厚ＴＡが、直線パターンが形成されていない領域の下地膜の膜厚ＴＢよる厚くなる。

直線パターンが形成されていない領域の下地膜の膜厚Ｔ２は、例えばエリプソメトリによって測定することができる。ところが、エリプソメトリで測定可能な領域の膜厚ＴＢは、直線パターン３５が密に形成されている領域の下地膜の膜厚ＴＡとは異なる。従って、ステップＳＡ９において決定した膜厚Ｔ２の取り得る範囲を、膜厚ＴＢの測定結果に基づいて決定すると、膜厚Ｔ２の取り得る範囲が実際の膜厚Ｔ２を含まなくなってしまうこともあり得る。実施例１では、膜厚Ｔ２の取り得る範囲を決定するための基礎となるデータとして、第１の縞状パターン３６Ａの領域の下地構造の膜厚Ｔ１の推定値Ｔ１ｅを採用している。このため、第２の縞状パターン３６Ｂの下地構造の膜厚Ｔ２の取り得る範囲として、適切な範囲を設定することができる。

［実施例２］
図１３に、実施例２によるパターン測定方法のフローチャートを示す。以下、図８に示した実施例１による方法との相違点について説明し、同一の工程については説明を省略する。

実施例１では、ステップＳＡ２において、測定対象物２１（図１）の回転方向の姿勢を調整する際に、第１の縞状パターン３６Ａの直線パターン３５Ａ（図４Ａ）の長手方向が入射面４２と平行になるように調節された。ところが、エリプソメトリに用いられる通常の測定装置には、回転方向の姿勢を高精度に調節する機能が備わっていない。従って、直線パターン３５Ａの長手方向が入射面４２に平行な方向からわずかにずれる場合が想定される。

図１４に、実施例２による方法で準備されるライブラリの概略図を示す。ライブラリ４５に登録された参照例４６の各々において、平行入射条件のスペクトルＳｒｐ及び垂直入射条件のスペクトルＳｒｖが、線幅Ｗ、傾斜角Ａ、及び下地構造の膜厚Ｔの他に、角度偏差θと関連付けられている。ここで、角度偏差θは、縞状パターンに含まれる直線パターンの長手方向と測定用の入射光の入射面とのなす角度である。種々の角度偏差θの条件でシミュレーションを行い、その結果が参照例４６としてライブラリ４５に登録されている。

図１３に示したステップＳＡ１からＳＡ５までの工程は、実施例１の工程と同一である。ステップＳＡ６ａにおいて、第１のスペクトルＳｐ１と、ライブラリ４５（図１４）に登録されている平行入射条件のスペクトルＳｒｐとを比較することにより、膜厚Ｔ１の推定値Ｔ１ｅの他に、角度偏差θの推定値θｅを決定する。ステップＳＡ７、ＳＡ８は、実施例１の工程と同一である。

ステップＳＡ７では、測定対象物２１が並進移動されるため、第１の縞状パターン３６Ａ（図４Ａ）に含まれる直線パターン３５Ａの長手方向と、入射面４２とのなす角度θは、第２の縞状パターン３６Ｂ（図４Ｂ）に含まれる直線パターン３５Ｂの長手方向と、入射面４２に対して垂直な方向とのなす角度（角度偏差）と等しい。

ステップＳＡ９ａにおいて、膜厚Ｔ２の取り得る範囲を決定するとともに、ステップＳＡ６ａで求められた角度偏差θの推定値θｅに基づいて、第２の縞状パターン３６Ｂの角度偏差θの取り得る範囲を決定する。例えば、第２の縞状パターン３６Ｂの角度偏差θの取り得る範囲の下限値及び上限値を、それぞれ０．９×θｅ、及び１．１×θｅとする。

ステップＳＡ１０ａにおいて、膜厚Ｔ２及び角度偏差θの取り得る範囲内で、第２のスペクトルＳｐ２を解析する。これにより、第２の縞状パターン３６Ｂの線幅Ｗ２、傾斜角Ａ２の推定値Ｗ２ｅ、Ａ２ｅが決定される。同時に、角度偏差θの推定値θｅも決定される。ステップＳＡ１０ａで決定された推定値θｅを、角度偏差θの新たな推定値θｅとする。

ステップＳＡ１１ａにおいて、線幅Ｗ１及び傾斜角Ａ１の取り得る範囲を決定するとともに、ステップＳＡ１０ａで決定された推定値θｅに基づいて、第１の縞状パターン３６Ａの角度偏差θの取り得る範囲を決定する。第１の縞状パターン３６Ａの角度偏差θの取り得る範囲の下限値及び上限値を、それぞれ０．９×θｅ、及び１．１×θｅとする。

ステップＳＡ１２ａにおいて、線幅Ｗ１、傾斜角Ａ１、及び角度偏差θの取り得る範囲内で、第１のスペクトルＳｐ１を解析する。これにより、第１の縞状パターン３６Ａの線幅Ｗ１及び傾斜角Ａ１の推定値Ｗ１ｅ、Ａ１ｅが決定される。さらに、下地構造の膜厚Ｔ１の推定理Ｔ１ｅを修正する。

実施例２では、図４Ａ及び図４Ｂに示した縞状パターン３６Ａ、３６Ｂに含まれる直線パターン３５Ａ、３５Ｂの長手方向と、測定用の光の入射面４２との位置関係が、平行または垂直の関係からずれていても、高精度に、縞状パターンの形状を推定することができる。

［実施例３］
図１５に、実施例３によるパターン測定方法のフローチャートを示す。以下、図８に示した実施例１による方法との相違点について説明し、同一の工程については説明を省略する。

実施例１では、直線パターンの長手方向が相互に直交する２つの縞状パターンを利用して、平行入射条件及び垂直入射条件でスペクトルの測定を行った。実施例３では、１つの縞状パターンに対して、平行入射条件及び垂直入射条件でスペクトルの測定を行う。

ステップＳＡ１からステップＳＡ６までの工程は、実施例１の工程と同一である。ステップＳＡ７ｂにおいて、測定対象物２１を９０°回転させる。これにより、垂直入射条件での測定が可能になる。

ステップＳＡ８ｂにおいて、垂直入射条件で縞状パターンを測定し、第２のスペクトルを取得する。ステップＳＡ９ｂにおいて、ステップＳＡ６で決定された膜厚Ｔ１の推定値Ｔ１ｅに基づいて、縞状パターンの下地構造の膜厚Ｔ１の取り得る範囲を決定する。

ステップＳＡ１０ｂにおいて、ステップＳＡ９ｂで決定された膜厚Ｔ１の取り得る範囲内で第２のスペクトルを解析する。これにより、縞状パターンの線幅Ｗ１、傾斜角Ａ１の推定値Ｗ１ｅ、Ａ１ｅを決定する。ステップＳＡ１３〜ＳＡ１４は、実施例１の方法の工程と同一である。

実施例３においては、平行入射条件の測定結果に基づいて、下地構造の膜厚Ｔ１を推定する。このため、垂直入射条件の測定結果に基づいて膜厚Ｔ１を推定する場合に比べて、推定精度を高めることができる。さらに、垂直入射条件の測定結果に基づいて、線幅Ｗ１及び傾斜角Ａ１を推定するため、平行入射条件の測定結果に基づいて推定する場合に比べて、推定精度を高めることができる。さらに、垂直入射条件の測定結果に基づいて線幅Ｗ１及び傾斜角Ａ１を推定する前に、下地構造の膜厚Ｔ１の取り得る範囲が狭められているため、スペクトルの形状変化の周期性に起因する推定誤りを回避することができる。

［実施例４］
図１６に、実施例４による半導体装置の製造方法のフローチャートの一部分を示す。成膜工程、フォトリソグラフィ工程、及びエッチング工程を実施することにより、図３に示すように半導体ウエハ３０（図２）の表面に、第１の縞状パターン３６Ａ及び第２の縞状パターン３６Ｂを形成する。なお、同時に、半導体ウエハ３０の表面に、ゲート電極等の回路パターンを形成する。

第１の縞状パターン３６Ａ及び第２の縞状パターン３６Ｂを形成したのち、インライン測定を行う。このインライン測定には、例えば図８に示した実施例１によるパターン測定方法、図１３に示した実施例２によるパターン測定方法、または図１５に示した実施例３によるパターン測定方法が適用される。実施例３によるパターン測定方法を適用する場合には、第２の縞状パターン３６Ｂを形成する必要はない。

インライン測定により、第１の縞状パターン３６Ａ及び第２の縞状パターン３６Ｂの下地構造の膜厚の推定値Ｔ１ｅ、Ｔ２ｅ、線幅の推定値Ｗ１ｅ、Ｗ２ｅ、及び傾斜角の推定値Ａ１ｅ、Ａ２ｅの各々が、許容範囲に収まっているか否かを判定する。これらの物理量が許容範囲に収まっている場合には、半導体ウエハ３０に対する製造プロセスを継続する。これらの物理量が許容範囲に収まっていない場合には、半導体ウエハ３０に対する製造プロセスを中止する。

なお、許容範囲に収まっているか否かを判定する対象の物理量は、必ずしも推定されたすべての物理量である必要はない。一例として、図８に示した実施例１では、ステップＳＡ６で決定された膜厚の推定値Ｔ１ｅ、ステップＳＡ１０で決定された線幅の推定値Ｗ２ｅ及び傾斜角の推定値Ａ２ｅに基づいて、製造プロセスを継続するか否かを判定してもよい。この場合には、図８に示したステップＳＡ１１〜ＳＡ１４を省略することも可能である。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

２０ ステージ
２１ 測定対象物
２１Ａ、２１Ｂ 参照モデル
２２ 広帯域光源
２３ 偏光子
２４ 検光子
２５ プリズム
２６ 撮像装置
２７ 回転機構
２８ 入射光
２９ 反射光
３０ ウエハ
３１ 絶縁膜
３２ 導電膜
３３ 絶縁膜
３４ レジスト膜
３５ 直線パターン
３５Ａ 第１の直線パターン
３５Ｂ 第２の直線パターン
３６ 縞状パターン
３６Ａ 第１の縞状パターン
３６Ｂ 第２の縞状パターン
３７ 下地構造
３８ 制御装置
３９ 出力装置
４０ チップ領域（ダイ）
４２ 入射面
４５ ライブラリ
４６ 参照例
５０ 凹部
Ｔ、Ｔ１、Ｔ２ 膜厚（第１の物理量）
Ｔ１ｅ、Ｔ２ｅ 膜厚の推定値
Ｗ、Ｗ１、Ｗ２ 線幅（第２の物理量）
Ｗ１ｅ、Ｗ２ｅ 線幅の推定値
Ａ、Ａ１、Ａ２ 傾斜角（第２の物理量）
Ａ１ｅ、Ａ２ｅ 傾斜角の推定値
θ 角度偏差
θｅ 角度偏差の推定値
Ｓｐ１ 平行入射条件で測定したスペクトルの実測値
Ｓｐ２ 垂直入射条件で測定したスペクトルの実測値
Ｓｒｐ 平行入射条件で測定されるスペクトルのシミュレーション結果
Ｓｒｖ 垂直入射条件で測定されるスペクトルのシミュレーション結果

Claims (10)

1. 表面に、複数の第１の直線パターンを含む第１の縞状パターンが形成された測定対象物の前記第１の縞状パターンに、前記第１の直線パターンの延在する方向と入射面とが平行になる条件で測定用の光を入射させ、反射光の第１のスペクトルを取得する工程と、
   前記第１のスペクトルを解析することにより、前記第１の縞状パターンの下地の構造に関わる第１の物理量を推定し、第１の推定値を得る工程と、
   前記測定対象物の表面に、複数の第２の直線パターンを含む第２の縞状パターンが形成されており、前記第２の縞状パターンに、前記第２の直線パターンの長手方向と入射面が垂直になる条件で測定用の光を入射させ、反射光の第２のスペクトルを取得する工程と、
   前記第１の推定値に基づき、前記第２のスペクトルを解析することにより、前記第２の縞状パターンの断面形状に関わる第２の物理量を推定し、第２の推定値を得る工程と
   を有するパターン測定方法。
2. 前記第１のスペクトルを取得する工程において、前記第１の直線パターンの延在する方向と入射面とのなす角度が０°±１０°の範囲内になる条件で前記測定用の光を入射させ、
   前記第２のスペクトルを取得する工程において、前記第２の直線パターンの長手方向と入射面とのなす角度が８０°〜１００°の範囲内になる条件で前記測定用の光を入射させることを特徴とする請求項１に記載のパターン測定方法。
3. 前記第１の直線パターンの長手方向と、前記第２の直線パターンの長手方向とが相互に直交しており、前記第１の縞状パターンに測定用の光を入射させた後、前記第２の縞状パターンに測定用の光を入射させる前に、前記測定用の光が前記第２の縞状パターンに入射するように前記測定対象物を並進移動させる工程をさらに含む請求項１または２に記載のパターン測定方法。
4. さらに、前記第２の推定値に基づき、前記第１のスペクトルを解析することにより、前記第１の縞状パターンの形状に関わる第２の物理量を推定し、第３の推定値を得る工程を有する請求項３に記載のパターン測定方法。
5. 前記第１の物理量及び前記第２の物理量の値が異なる複数の参照例について、前記第１の物理量、前記第２の物理量、入射面が前記直線パターンの長手方向と平行になる条件で測定用の光を斜め入射させて得られる反射光の第１の参照スペクトル、及び入射面が前記直線パターンの長手方向と垂直になる条件で測定用の光を斜め入射させて得られる反射光の第２の参照スペクトルとが関連付けられてライブラリに登録されており、
   前記第１の推定値を得る工程において、前記第１のスペクトルと、前記ライブラリに登録されている前記参照例の各々の前記第１の参照スペクトルとを比較し、比較結果に基づいて前記第１の推定値を得る請求項１乃至４のいずれか１項に記載のパターン測定方法。
6. 前記第２の推定値を得る工程において、前記第１の推定値に基づいて、前記ライブラリに登録されている前記複数の参照例から一部の参照例を候補として抽出し、その後、前記第２のスペクトルと、候補として抽出された前記参照例の前記第２の参照スペクトルとを比較し、比較結果に基づいて前記第２の推定値を得る請求項５に記載のパターン測定方法。
7. 前記ライブラリに登録された前記参照例の各々は、前記測定用の光の入射面と前記直線パターンの長手方向とのなす角度である角度偏差を含み、前記角度偏差の複数の値に関して前記参照例が登録されており、
   前記第１の推定値を得る工程において、前記第１のスペクトルと、前記ライブラリに登録されている前記参照例の各々の前記第１の参照スペクトルとを比較し、比較結果に基づいて前記角度偏差の推定値である第４の推定値を求め、
   前記第２の推定値を得る工程において、前記第４の推定値と、前記ライブラリに登録されている前記参照例の前記角度偏差とを比較し、比較結果に基づいて、前記複数の参照例から一部の参照例を候補として抽出する請求項６に記載のパターン測定方法。
8. 前記第１の縞状パターンと前記第２の縞状パターンとは、前記測定対象物に形成された同一の縞状パターンであり、
   前記第２のスペクトルを取得する工程において、前記測定対象物を、該測定対象物の表面に垂直な直線を回転中心として９０°回転させた後、前記第２の縞状パターンに前記測定用の光を斜め入射させる請求項１または２に記載のパターン測定方法。
9. 半導体ウエハの表面に、複数の第１の直線パターンを含む第１の縞状パターン、及び前記第１の直線パターンの長手方向と直交する方向に延在する複数の第２の直線パターンを含む第２の縞状パターンを形成する工程と、
   前記第１の縞状パターンに、前記第１の直線パターンの延在する方向と入射面とが平行になる条件で測定用の光を入射させ、反射光の第１のスペクトルを取得する工程と、
   前記第１のスペクトルを解析することにより、前記第１の縞状パターンの下地の構造に関わる第１の物理量を推定し、第１の推定値を得る工程と、
   前記第２の縞状パターンに、前記第２の直線パターンの長手方向と入射面とが垂直になる条件で測定用の光を入射させ、反射光の第２のスペクトルを取得する工程と、
   前記第１の推定値に基づき、前記第２のスペクトルを解析することにより、前記第２の縞状パターンの断面形状に関わる第２の物理量を推定し、第２の推定値を得る工程と、
   前記第１の推定値及び前記第２の推定値が許容範囲内であるか否かを判定し、許容範囲内である場合には、前記半導体ウエハに対する製造工程を継続し、許容範囲から外れている場合には、前記半導体ウエハに対する製造工程を中止する工程と
   を有する半導体装置の製造方法。
10. 前記第１のスペクトルを取得する工程において、前記第１の直線パターンの延在する方向と入射面とのなす角度が０°±１０°の範囲内になる条件で前記測定用の光を入射させ、
    前記第２のスペクトルを取得する工程において、前記第２の直線パターンの長手方向と入射面とのなす角度が８０°〜１００°の範囲内になる条件で前記測定用の光を入射させることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
    

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