JPH09237812A - Processing dimension measuring method, semiconductor device manufacturing method, and quality control method - Google Patents
Processing dimension measuring method, semiconductor device manufacturing method, and quality control methodInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 エリプソメトリを使い、ウェハ上に形成され
たパターンの横方向への寸法を、非接触かつ非破壊に、
しかも高速に求める加工物寸法測定工程を含み、求めら
れた寸法にもとづいて半導体装置の製造プロセスを制御
する。
【解決手段】 ウェハ上に形成された、寸法が確認され
ている較正パターンについて、偏光状態パラメータを求
めてデータベースを作成し、測定試料の偏光パラメータ
にもとづいてデータベースを検索し、寸法を求める。
(57) 【Abstract】 PROBLEM TO BE SOLVED: To use non-contact and non-destructive measurement of a lateral dimension of a pattern formed on a wafer by using ellipsometry.
In addition, it includes a workpiece dimension measuring step required at high speed, and controls the semiconductor device manufacturing process based on the obtained dimension. A polarization state parameter is obtained for a calibration pattern formed on a wafer and its dimensions are confirmed, a database is created, and the database is searched based on the polarization parameter of a measurement sample to obtain the dimension.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に半導体装置
の製造に関し、特に加工物寸法測定工程を含む半導体装
置の製造方法、およびかかる加工物寸法測定工程を含む
半導体装置の品質管理方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention generally relates to semiconductor device manufacturing, and more particularly to a method of manufacturing a semiconductor device including a workpiece dimension measuring step, and a semiconductor device quality control method including the workpiece dimension measuring step.
【0002】[0002]
【従来の技術】半導体装置の製造ラインでは、ウェハ上
に形成された加工物、例えばゲートパターンの寸法を、
非接触かつ非破壊で高速に測定することが要求される。
また、このような、測定結果を製造ラインに迅速にフィ
ードバックして、製造パラメータを調整することが望ま
しい。特に、ゲート長寸法は、半導体装置のしきい値特
性に影響するため、その精密な制御が要求されている。2. Description of the Related Art In a semiconductor device manufacturing line, the dimensions of a workpiece, such as a gate pattern, formed on a wafer are
Non-contact and non-destructive high-speed measurement is required.
In addition, it is desirable to quickly feed back such measurement results to the production line to adjust the production parameters. In particular, the gate length dimension influences the threshold characteristics of the semiconductor device, and therefore its precise control is required.
【0003】従来は、ゲートパターン等の構造物を形成
されたウェハを、走査電子顕微鏡(SEM)で一つ一つ
走査し、その寸法を測定していた。 また、ゲートパタ
ーンを形成されたウェハ上にブリッジ回路を同時に形成
し、かかるブリッジ回路に電流を流すことによりゲート
パターンの寸法を測定する方法も行われている。Conventionally, a wafer on which a structure such as a gate pattern is formed is scanned one by one with a scanning electron microscope (SEM), and the dimension thereof is measured. Another method is also used in which a bridge circuit is simultaneously formed on a wafer on which a gate pattern is formed, and a current is passed through the bridge circuit to measure the dimensions of the gate pattern.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかし、SEMを使う
方法では、製造ラインを流れるウェハを一つ一つSEM
の真空室に搬送する必要があるため、全数検査を行うこ
とは不可能で、また抜取り検査を行った場合にも、半導
体装置の製造スループットが低下してしまう問題が避け
られない。また、最近の高集積化半導体装置のように、
ゲート長等の加工寸法が0.1μm程度になると、SE
Mの電子ビーム径の影響により、10nm程度の測定誤
差が生じてしまい、測定結果の精度および再現性の点で
問題を生じる。However, in the method using the SEM, each wafer flowing through the manufacturing line is SEM.
Since it has to be transferred to the vacuum chamber, it is impossible to perform a 100% inspection, and even if a sampling inspection is performed, the problem that the manufacturing throughput of the semiconductor device is lowered cannot be avoided. In addition, like recent highly integrated semiconductor devices,
When the processing dimension such as the gate length becomes about 0.1 μm, SE
Due to the influence of the electron beam diameter of M, a measurement error of about 10 nm occurs, which causes a problem in terms of accuracy and reproducibility of the measurement result.
【0005】一方、抵抗測定法では、SEMを使った場
合に生じる測定結果の精度および再現性の問題は解消す
るものの、ウェハ製造工程を最後まで流さないと結果が
得られないため、その場ですぐに製造工程をフィードバ
ック制御することができない問題点が生じる。On the other hand, although the resistance measurement method solves the problem of accuracy and reproducibility of the measurement result that occurs when using the SEM, the result cannot be obtained unless the wafer manufacturing process is completed until the end of the wafer manufacturing process. A problem arises in that the manufacturing process cannot be immediately feedback-controlled.
【0006】一方、従来より、エリプソメトリの技術
が、半導体装置の製造工程において、半導体膜や絶縁膜
の膜厚測定に使われている。例えば、エッチング工程に
おいて、ラインアンドスペースパターンを形成する際の
エッチング制御にもエリプソメトリは使われている(Bl
ayo, N., et al., "Ultraviolet-visible ellipsometry
for process control during the etching of submicro
meter features," J. Opt. Soc. Am. A, vol.12, no.3,
1995, pp.591-599) 。On the other hand, conventionally, the ellipsometry technique has been used to measure the film thickness of a semiconductor film or an insulating film in the process of manufacturing a semiconductor device. For example, in the etching process, ellipsometry is also used to control etching when forming a line and space pattern (Bl
ayo, N., et al., "Ultraviolet-visible ellipsometry
for process control during the etching of submicro
meter features, "J. Opt. Soc. Am. A, vol.12, no.3,
1995, pp.591-599).
【0007】図22(A),(B)は従来のエリプソメ
トリで使われるエリプソメータの構成を示す。このう
ち、図22(A)に示すものは、回転消光型と称するタ
イプの装置、また図22(B)に示すものは、消光型と
称するタイプの装置である。図22(A)を参照する
に、光源1から出射した光は偏光子2により、所定の偏
光面を有する直線偏光に変換され、測定したい膜が形成
されている試料3に入射する。試料3で反射した光は、
一般に偏光状態が、図23に示すように偏光面の回転角
φと楕円偏平率amin /amax =tanψで特徴づけら
れる楕円偏光に変化し、回転検光子4を通過した後、検
出器5で検出される。この装置では、偏光状態は、回転
検光子4を回転させながら検出器5により入射光の強度
を測定することにより求められる。また、この構成の装
置においては、回転検光子4と試料3との間に1/4波
長板4aを挿入することもある。22A and 22B show the configuration of an ellipsometer used in conventional ellipsometry. Of these, the device shown in FIG. 22 (A) is a device of the type called rotation extinction type, and the device shown in FIG. 22 (B) is a device of the type called extinction type. With reference to FIG. 22 (A), the light emitted from the light source 1 is converted into linearly polarized light having a predetermined polarization plane by the polarizer 2, and enters the sample 3 on which the film to be measured is formed. The light reflected by sample 3 is
In general, the polarization state changes to elliptically polarized light which is characterized by the rotation angle φ of the plane of polarization and the elliptical flatness ratio a min / a max = tan ψ as shown in FIG. 23, and after passing through the rotation analyzer 4, the detector 5 Detected in. In this device, the polarization state is obtained by measuring the intensity of the incident light with the detector 5 while rotating the rotary analyzer 4. Further, in the apparatus having this configuration, the quarter wavelength plate 4 a may be inserted between the rotation analyzer 4 and the sample 3.
【0008】図22(B)の装置では、回転検光子4と
試料3との間に回転1/4波長板4bが挿入され、試料
3で反射した楕円偏光をいったん直線偏光に変換する。
この状態で回転検光子4を回転させ、検出器5に到達す
る光が消光する消光角を求める。In the apparatus shown in FIG. 22B, a rotating quarter-wave plate 4b is inserted between the rotating analyzer 4 and the sample 3, and the elliptically polarized light reflected by the sample 3 is once converted into linearly polarized light.
In this state, the rotation analyzer 4 is rotated to find the extinction angle at which the light reaching the detector 5 is extinguished.
【0009】先にも説明したように、これらのエリプソ
メータは、半導体装置の製造工程において、膜厚の測定
に広範囲に使われているが、試料3上に形成された構造
物を通過した光ビームの偏光状態は、かかる構造物の横
方向への寸法の情報を含んでいると考えられる。しか
し、従来、エリプソメータにより、試料3上に形成され
たラインアンドスペースパターン等の加工物の、横方向
への寸法を測定する思想は提案されていなかった。As described above, these ellipsometers are widely used for measuring the film thickness in the manufacturing process of semiconductor devices, but the light beam that has passed through the structure formed on the sample 3 is used. The state of polarization is considered to contain information on the lateral dimension of such structures. However, conventionally, the idea of measuring the dimension in the lateral direction of a processed product such as a line and space pattern formed on the sample 3 by an ellipsometer has not been proposed.
【0010】そこで、本発明は、上記の課題を解決し
た、新規で有用な加工物寸法の測定方法およびかかる加
工物寸法の測定方法を使った半導体装置の製造方法を提
供することを概括的目的とす。本発明のより具体的な目
的は、エリプソメトリの技術を使い、基板ウェハ上に形
成された構造物の寸法を、高い精度で、迅速に、しかも
非破壊で測定する加工物寸法の測定方法、およびかかる
加工物寸法の測定方法を使った半導体装置の製造方法を
提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, it is a general object of the present invention to provide a novel and useful method for measuring a workpiece size and a method for manufacturing a semiconductor device using the method for measuring a workpiece size, which solves the above problems. And A more specific object of the present invention is to use a technique of ellipsometry to measure a dimension of a structure formed on a substrate wafer with high accuracy, quickly, and nondestructively, and measure a workpiece dimension. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device using such a method for measuring a workpiece size.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題
を、請求項1に記載したように、平坦な表面を有する基
板上に形成された構造物の寸法を測定する工程を含む半
導体装置の製造方法において、前記構造物に、前記基板
表面に対して所定の角度で、偏光した入射光ビームを入
射させる照明工程と;前記入射光ビームが入射した前記
構造物から出射する出射光ビームの偏光状態を測定する
測定工程と;前記構造物の、前記基板表面に平行な方向
への寸法を、前記偏光状態から求める評価工程とを含
み;前記求められた寸法に基づいて、半導体装置の製造
パラメータを調整することを特徴とする半導体装置の製
造方法により、または請求項2に記載したように、前記
評価工程は、前記求められた偏光状態に基づき、偏光状
態と構造物の寸法との間の関係を、様々な構造物の寸法
について含むデータベースを参照することにより実行さ
れることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造
方法により、または請求項3に記載したように、前記偏
光状態は、前記構造物を通過した後における出射光ビー
ムの偏光面の回転と、偏平率により表現され、前記測定
工程は、エリプソメータにより実行されることを特徴と
する請求項1記載の半導体装置の製造方法により、また
は請求項4に記載したように、前記照明工程は、前記偏
光した入射光ビームの入射角を変化させながら実行さ
れ、前記評価工程は、得られた偏光状態と、前記入射角
の組み合わせにより、さらに前記構造物を画成する側壁
面が、前記基板平面に対してなす角度を推定する工程を
含むことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造
方法により、または請求項5に記載したように、前記測
定工程は、前記出射光ビームとして、前記入射光ビーム
の反射光を使うことを特徴とする請求項1記載の半導体
装置の製造方法により、または請求項6に記載したよう
に、前記照明工程は、前記測定工程は、前記出射光ビー
ムとして、前記構造物から回折される前記入射光ビーム
の回折光を使って実行されることを特徴とする請求項1
記載の半導体装置の製造方法により、または請求項7に
記載したように、前記測定工程は、前記出射光ビームと
して、前記構造物で散乱される前記入射光ビームの散乱
光を使って実行されることを特徴とする請求項1記載の
半導体装置の製造方法により、または請求項8に記載し
たように、前記評価工程は、前記構造物の膜厚を測定す
る工程と、前記測定された膜厚に対応するデータベース
を選択する工程と、前記選択されたデータベースを使
い、前記偏光状態より前記構造物の幅または断面形状を
求める工程を含むことを特徴とする請求項2記載の半導
体装置の製造方法により、または請求項9に記載したよ
うに、前記照明工程は、前記入射光ビームを断続する工
程を含み、前記測定工程は、前記断続する入射光ビーム
に対応して形成される断続する出射光ビームの偏光状態
を、照射状態および遮断状態について測定することを特
徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法により、
または請求項10に記載したように、平坦な表面を有す
る基板上に形成された構造物の寸法を測定する加工物寸
法測定方法において、前記構造物に、前記基板表面に対
して所定の角度で、偏光した入射光ビームを入射させる
照明工程と;前記入射光ビームが入射した前記構造物か
ら出射する出射光ビームの偏光状態を測定する測定工程
と;前記構造物の、前記基板表面に平行な方向への寸法
を、前記偏光状態から求める評価工程とを含むことを特
徴とする測定方法により、または請求項11に記載した
ように、前記評価工程は、前記求められた偏光状態に基
づき、偏光状態と構造物の寸法との間の関係を、様々な
構造物の寸法について含むデータベースを参照すること
により実行されることを特徴とする請求項10記載の測
定方法により、または請求項12に記載したように、前
記偏光状態は、前記構造物を通過した後における出射光
ビームの偏光面の回転と、偏平率により表現され、前記
測定工程は、エリプソメータにより実行されることを特
徴とする請求項10記載の測定方法により、または請求
項13に記載したように、前記照明工程は、前記偏光し
た入射光ビームの入射角を変化させながら実行され、前
記評価工程は、得られた偏光状態と、前記入射角の組み
合わせにより、さらに前記構造物を画成する側壁面が、
前記基板平面に対してなす角度を推定する工程を含むこ
とを特徴とする請求項10の測定方法により、または請
求項14に記載したように、前記測定工程は、前記出射
光ビームとして、前記入射光ビームの反射光を使うこと
を特徴とする請求項10記載の測定方法により、または
請求項15に記載したように、前記測定工程は、前記出
射光ビームとして、前記構造物から回折される前記入射
光ビームの回折光を使って実行されることを特徴とする
請求項10記載の測定方法により、または請求項16に
記載したように、前記測定工程は、前記出射光ビームと
して、前記構造物で散乱される前記入射光ビームの散乱
光を使って実行されることを特徴とする請求項10記載
の測定方法により、または請求項17に記載したよう
に、前記評価工程は、前記構造物の膜厚を測定する工程
と、前記測定された膜厚に対応するデータベースを選択
する工程と、前記選択されたデータベースを使い、前記
偏光状態より前記構造物の幅またはラインアンドスペー
スパターンの断面形状を求める工程を含むことを特徴と
する請求項11記載の測定方法により、または請求項1
8に記載したように、前記照明工程は、前記入射光ビー
ムを断続する工程を含み、前記測定工程は、前記断続す
る入射光ビームに対応して形成される断続する出射光ビ
ームの偏光状態を、照射状態および遮断状態について測
定することを特徴とする請求項10記載の測定方法によ
り、または請求項19に記載したように、平坦な表面を
有する基板上に形成された構造物を含む半導体装置の品
質管理方法において、前記構造物に、前記基板表面に対
して所定の角度で、偏光した入射光ビームを入射させる
照明工程と;前記入射光ビームが入射した前記構造物か
ら出射する出射光ビームの偏光状態を測定する測定工程
と;前記構造物の、前記基板表面に平行な方向への寸法
を、前記偏光状態から求める評価工程とを含むことを特
徴とする品質管理方法により解決する。According to the present invention, there is provided a semiconductor device including a step of measuring a dimension of a structure formed on a substrate having a flat surface as described in claim 1. And a step of illuminating the structure with a polarized incident light beam at a predetermined angle with respect to the surface of the substrate; A measurement step of measuring a polarization state; and an evaluation step of obtaining a dimension of the structure in a direction parallel to the substrate surface from the polarization state; manufacturing a semiconductor device based on the obtained dimension. According to a method for manufacturing a semiconductor device, which is characterized by adjusting a parameter, or as described in claim 2, in the evaluation step, the polarization state and the size of the structure are determined based on the obtained polarization state. Is performed by referring to a database containing the dimensions of various structures, by the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, or as described in claim 3, 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the state is represented by a rotation of a plane of polarization of the emitted light beam after passing through the structure and an aspect ratio, and the measuring step is executed by an ellipsometer. According to a manufacturing method or as described in claim 4, the illuminating step is performed while changing an incident angle of the polarized incident light beam, and the evaluating step includes the obtained polarization state and the incident angle. 2. The semiconductor device according to claim 1, further comprising the step of estimating an angle formed by the side wall surface defining the structure with respect to the substrate plane by a combination of the above. 2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the measuring step uses the reflected light of the incident light beam as the outgoing light beam, according to the method of manufacturing the device or as described in claim 5. According to a method or as defined in claim 6, the illuminating step, the measuring step is performed using as the outgoing light beam diffracted light of the incident light beam diffracted from the structure. Claim 1 characterized by the above-mentioned.
According to the method for manufacturing a semiconductor device described above, or as described in claim 7, the measuring step is performed by using, as the outgoing light beam, scattered light of the incident light beam scattered by the structure. According to the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, or as described in claim 8, the evaluation step includes a step of measuring a film thickness of the structure, and the measured film thickness. 3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2, further comprising the step of selecting a database corresponding to, and the step of using the selected database to obtain the width or sectional shape of the structure from the polarization state. Or according to claim 9, the illuminating step includes a step of interrupting the incident light beam, and the measuring step is formed corresponding to the interrupted incident light beam. The polarization state of the emitted light beam intermittent, by the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the measuring the irradiation state and a blocking state,
Alternatively, as described in claim 10, in a workpiece size measuring method for measuring a size of a structure formed on a substrate having a flat surface, the structure has a predetermined angle with respect to the substrate surface. An illuminating step of injecting a polarized incident light beam; a measuring step of measuring a polarization state of an outgoing light beam emitted from the structure on which the incident light beam is incident; A dimension in a direction is evaluated by a measuring method including an evaluation step for obtaining from the polarization state, or as described in claim 11, the evaluation step is based on the obtained polarization state, 11. A method according to claim 10, characterized in that the relationship between the condition and the dimensions of the structure is implemented by referring to a database containing the dimensions of the various structures. As described in claim 12, the polarization state is expressed by rotation of a plane of polarization of an outgoing light beam after passing through the structure and flatness, and the measuring step is performed by an ellipsometer. 11. The measuring method according to claim 10, or as described in claim 13, wherein the illuminating step is performed while changing an incident angle of the polarized incident light beam, and the evaluating step is performed. By the combination of the polarization state and the incident angle, the side wall surface that further defines the structure,
11. The method according to claim 10, further comprising the step of estimating an angle formed with respect to the plane of the substrate, or as described in claim 14, the measuring step includes: 11. The measuring method according to claim 10, characterized in that the reflected light of the incident light beam is used, or as described in claim 15, the measuring step is performed as the emitted light beam before being diffracted from the structure. The method according to claim 10, wherein the diffracted light of the incident light beam is used, or the measuring step is performed by using the structure as the outgoing light beam. 11. The measuring method according to claim 10, characterized in that it is carried out using scattered light of the incident light beam scattered by Measuring the film thickness of the structure, selecting a database corresponding to the measured film thickness, using the selected database, the width or line-and-space pattern of the structure from the polarization state 12. The measuring method according to claim 11, further comprising the step of obtaining a cross-sectional shape of
As described in 8, the illuminating step includes a step of interrupting the incident light beam, and the measuring step determines a polarization state of the intermittent exit light beam formed corresponding to the intermittent incident light beam. A semiconductor device including a structure formed on a substrate having a flat surface by the measuring method according to claim 10 or by measuring the irradiation state and the blocking state. In the quality control method according to claim 1, an illumination step of injecting a polarized incident light beam into the structure at a predetermined angle with respect to the surface of the substrate; an outgoing light beam emitted from the structure into which the incident light beam is incident. And a measuring step of measuring a polarization state of the structure; and an evaluation step of obtaining a dimension of the structure in a direction parallel to the surface of the substrate from the polarization state. It is solved by law.
【0012】図1は、本発明の原理を説明する。図1を
参照するに、本発明では、エリプソメトリを使い、基板
10上に形成されたパターン11に入射した光ビームの
偏光状態を検出することにより、パターン11の横方向
への幅Wを求める。FIG. 1 illustrates the principle of the present invention. Referring to FIG. 1, in the present invention, the width W in the lateral direction of the pattern 11 is obtained by using ellipsometry and detecting the polarization state of the light beam incident on the pattern 11 formed on the substrate 10. .
【0013】入射光ビームはパターン11に入射角θで
入射し、互いに直交する振動電界成分Ep とEs が、偏
光角φの直線偏光を形成する。かかる入射光ビームは、
パターン11の一の側から他の側に通過するが、その際
各振動成分で基板10との境界あるいは空気との境界に
おける屈折率と反射率が異なることと、パターン内部を
通過する際に生じる位相おくれのために、パターン通過
後の振動成分Ep ’,Es ’は楕円偏光を形成する。The incident light beam is incident on the pattern 11 at an incident angle θ, and the oscillating electric field components E p and E s orthogonal to each other form linearly polarized light having a polarization angle φ. Such an incident light beam
The pattern 11 passes from one side to the other side, but at that time, each vibration component has a different refractive index and reflectance at the boundary with the substrate 10 or the boundary with air, and occurs when passing through the inside of the pattern. Due to the phase delay, the vibration components E p ′ and E s ′ after passing through the pattern form elliptically polarized light.
【0014】図2は、図1の一部を拡大して詳細に示
す。図2を参照するに、パターン11はパターン要素1
1a,11bよりなり、パターン要素11aには直線偏
光状態の入射光ビームを構成する光線a〜cが入射し、
屈折・反射された後楕円偏光となって出射する。FIG. 2 is an enlarged view showing a part of FIG. 1 in detail. Referring to FIG. 2, the pattern 11 is the pattern element 1
1a and 11b, light rays a to c forming an incident light beam in a linearly polarized state are incident on the pattern element 11a,
After being refracted and reflected, it becomes elliptically polarized light and exits.
【0015】例えば、図2のパターンに、斜めから45
°の単色直線偏光ビームを角度Θで入射させると、s偏
光成分とp偏光成分の、表面および下地との境界での反
射率の違い、およびパターン中を通過する際に生じる位
相差のために、反射光は楕円偏光となる。このような場
合、基板屈折率、パターン屈折率、パターン形状および
入射角で決まる複素反射係数比Rp /Rs を、エリプソ
メータにより求めることができるが、複素反射係数比R
p /Rs と、エリプソメータで得られるΨとΔの関係
は、次式により与えられる。For example, the pattern of FIG.
When a monochromatic linearly polarized light beam is incident at an angle of Θ, the difference in reflectance between the s-polarized light component and the p-polarized light component at the boundary between the surface and the base and the phase difference that occurs when passing through the pattern , The reflected light becomes elliptically polarized light. In such a case, the complex reflection coefficient ratio R p / R s determined by the substrate refractive index, the pattern refractive index, the pattern shape and the incident angle can be obtained by an ellipsometer.
The relationship between p / R s and Ψ and Δ obtained by the ellipsometer is given by the following equation.
【0016】[0016]
【数1】 [Equation 1]
【0017】ただし、パラメータΨは図23に説明した
ように、tanΨ=ρp /ρs で与えられ、またパラメ
ータΔは位相差を表し、エリプソメトリにより測定され
る量である。また、パラメータΨおよびΔは、先に説明
した偏光角φおよび楕円の偏平率と対応関係により結ば
れている。さらに、式(1)において、総和Σはパター
ン11を通過する全ての光線についてなされる。However, the parameter Ψ is given by tan Ψ = ρ p / ρ s as explained in FIG. 23, and the parameter Δ represents the phase difference and is an amount measured by ellipsometry. Further, the parameters Ψ and Δ are connected by the correspondence relationship with the polarization angle φ and the elliptic flatness described above. Further, in equation (1), the summation Σ is done for all rays that pass through the pattern 11.
【0018】換言すると、基板10の屈折率(誘電率)
とパターン11の屈折率(誘電率)とが規定され、入射
光ビームの入射角が規定されている場合、エリプソメト
リにより成分Ep ’,Es ’よりなる出射光ビームの楕
円偏光状態を求めることにより、パラメータΨ,Δが求
められる。In other words, the refractive index (dielectric constant) of the substrate 10
And the refractive index (dielectric constant) of the pattern 11 are defined, and the incident angle of the incident light beam is defined, the elliptical polarization state of the outgoing light beam composed of the components E p 'and E s ' is obtained by ellipsometry. As a result, the parameters Ψ and Δ are obtained.
【0019】図2よりわかるように、出射光ビームはパ
ターン11を通過する際に、各パターン要素11a,1
1bの寸法、特に横方向の寸法Wに関する情報を、位相
の変化として取り込んでおり、従って、出射光ビームの
偏光状態から求められたΨ,Δを基に、前記寸法Wを推
定することが可能である。本発明の一実施例では、あら
かじめ、例えばSEM等により形状・寸法を把握した種
々のパターンについて、パラメータΨ,Δをデータベー
スとして求めておき、実際に得られたパラメータΨ,Δ
をデータベース中のΨ,Δと比較することにより、パタ
ーンの寸法Wが求められる。As can be seen from FIG. 2, as the outgoing light beam passes through the pattern 11, each pattern element 11a, 1a
The information about the dimension 1b, particularly the dimension W in the lateral direction, is incorporated as a change in phase, and therefore the dimension W can be estimated based on Ψ, Δ obtained from the polarization state of the emitted light beam. Is. In one embodiment of the present invention, the parameters Ψ, Δ are obtained in advance as a database for various patterns whose shapes and dimensions are grasped by, for example, SEM, and the actually obtained parameters Ψ, Δ are obtained.
Is compared with Ψ and Δ in the database, the pattern dimension W is obtained.
【0020】以下、本発明の好ましい実施例について、
図面を参照しながら説明する。The preferred embodiments of the present invention will be described below.
This will be described with reference to the drawings.
【0021】[0021]
[第1実施例]図3は、本発明の第1実施例による、エ
リプソメトリを使った基板上に形成されたパターンの寸
法測定装置の構成を示す。[First Embodiment] FIG. 3 shows the structure of a dimension measuring apparatus for a pattern formed on a substrate using ellipsometry according to the first embodiment of the present invention.
【0022】図3を参照するに、パターンを形成された
基板22がステージ21上に設置され、He−Neレー
ザ23からの、波長が6328Åの光ビームにより照射
される。すなわち、レーザ23の出力光は、1/4波長
板24で位相を調整され、さらに偏光子25で所定の偏
光角、例えば45°の偏光角を有する直線偏光に変換さ
れ、ステージ21上の基板22に、所定の入射角、例え
ば70°の入射角で照射される。あるいは、レーザ23
の出力光を、先に偏光子25に通し、その後で1/4波
長板24で位相を調整してもよい。また、典型的な場
合、光ビームは、前記パターン上において50〜150
μmのビーム径を有する。Referring to FIG. 3, the patterned substrate 22 is placed on the stage 21, and is irradiated with a light beam having a wavelength of 6328Å from the He—Ne laser 23. That is, the output light of the laser 23 has its phase adjusted by the quarter-wave plate 24, and further converted by the polarizer 25 into linearly polarized light having a predetermined polarization angle, for example, a polarization angle of 45 °, and the substrate on the stage 21. 22 is illuminated with a predetermined angle of incidence, for example 70 °. Alternatively, the laser 23
The output light of 1 may be first passed through the polarizer 25, and then the phase thereof may be adjusted by the 1/4 wavelength plate 24. Also, typically, the light beam is 50-150 on the pattern.
It has a beam diameter of μm.
【0023】基板22上のパターンを通過し、さらに反
射された光ビームは、楕円偏光状態を有し、回転検光子
26で直線偏光に変換された後、フォトセル27に入射
し、検出される。その際、フォトセルによる入射光の検
出は、回転検光子26を回転させながら実行される。The light beam that has passed through the pattern on the substrate 22 and is further reflected has an elliptically polarized state, is converted into linearly polarized light by the rotating analyzer 26, and then enters the photocell 27 and is detected. . At that time, the incident light is detected by the photocell while rotating the rotary analyzer 26.
【0024】フォトセル27は、検出した入射光の強度
に対応した出力信号を形成し、これを増幅器28および
A/D変換器29を介して、デジタル信号の形で処理装
置30に送る。処理装置30は、供給されるデジタル信
号から、フォトセル27に入射する光ビームの偏光状態
を求め、これから前記パラメータΨ,Δを出力する。The photocell 27 forms an output signal corresponding to the detected intensity of the incident light and sends it to the processing device 30 via the amplifier 28 and the A / D converter 29 in the form of a digital signal. The processing device 30 obtains the polarization state of the light beam incident on the photocell 27 from the supplied digital signal, and outputs the parameters Ψ and Δ from this.
【0025】図4(A),(B)は、基板22上に形成
されたレジストパターン22aの例を示す、それぞれ斜
視図および断面図である。これらのパターンとしては、
基板上の適当なパターンを使ってもよいが、測定に適し
たパターンがない場合には、測定用のラインアンドスペ
ースパターンを、スクライブライン上等、基板上の適当
な箇所に形成すればよい。FIGS. 4A and 4B are a perspective view and a sectional view, respectively, showing an example of the resist pattern 22a formed on the substrate 22. As shown in FIG. These patterns include
Although an appropriate pattern on the substrate may be used, if a pattern suitable for measurement is not available, a line and space pattern for measurement may be formed at an appropriate position on the substrate such as a scribe line.
【0026】図4(A),(B)を参照するに、基板2
2はSi基板221 上に153nmの厚さに堆積したポ
リシリコン膜222 よりなり、レジストパターン22a
はポリシリコン膜222 上に形成される。レジストパタ
ーン22aとしては、例えば東洋ソーダ社製の電子ビー
ム露光用CMSレジスト(商品名)を使うことができ
る。Referring to FIGS. 4A and 4B, the substrate 2
2 is a polysilicon film 22 2 deposited on the Si substrate 22 1 to a thickness of 153 nm.
Is formed on the polysilicon film 22 2 . As the resist pattern 22a, for example, an electron beam exposure CMS resist (trade name) manufactured by Toyo Soda Co., Ltd. can be used.
【0027】レジストパターン22aは複数のパターン
要素22bが平行に所定のパターンピッチ、例えば0.
3μmのピッチで繰り返されるラインアンドスペースパ
ターンであり、基板22上の例えば1mm×1mmの範
囲に形成されている。また、各パターン要素22bは厚
さが150nmのレジスト層のパターニングにより、1
50nmの高さに形成されている。このようなレジスト
パターンでは、パターンピッチは正確に決定されていて
も、個々のパターン要素22bの幅は所定値に対して変
化することがあり、これが基板22上に形成されるライ
ンアンドスペースパターンの幅を狂わせる原因となる。
例えば、かかるラインアンドスペースパターンが、MO
Sトランジスタのゲート電極を構成する場合、かかる狂
いは、形成されるトランジスタのしきい値電圧の変化に
結びつく。In the resist pattern 22a, a plurality of pattern elements 22b are parallel to each other and have a predetermined pattern pitch, for example, 0.
It is a line-and-space pattern repeated at a pitch of 3 μm, and is formed in a range of, for example, 1 mm × 1 mm on the substrate 22. In addition, each pattern element 22b is formed by patterning a resist layer having a thickness of 150 nm.
It is formed to a height of 50 nm. In such a resist pattern, even if the pattern pitch is accurately determined, the width of each pattern element 22b may change with respect to a predetermined value, which results in a line and space pattern formed on the substrate 22. It causes the width to go wrong.
For example, such a line and space pattern is MO
When forming the gate electrode of the S-transistor, this deviation leads to a change in the threshold voltage of the formed transistor.
【0028】図5は、このようなラインアンドスペース
パターンに対して図3の装置を適用した場合に得られる
Ψ,Δの関係を、様々なパターン幅Wについて実験的に
求めた結果を示す。ただし、実験では、基板は図4
(A),(B)に示した基板22を使い、パターン要素
22bの幅Wを、100nmから190nmまで変化さ
せてΨ,Δを求めた。その際、幅Wの値は、SEMによ
る観察により確認した値を使っている。Ψ,Δの値は、
各パターン幅Wについて5回測定をおこなった。FIG. 5 shows the experimental results of the relationship between Ψ and Δ obtained when the apparatus of FIG. 3 is applied to such a line-and-space pattern for various pattern widths W. However, in the experiment, the substrate is
Using the substrate 22 shown in (A) and (B), the width W of the pattern element 22b was changed from 100 nm to 190 nm to obtain Ψ and Δ. At that time, the value of the width W uses the value confirmed by the observation with the SEM. The values of Ψ and Δ are
The measurement was performed 5 times for each pattern width W.
【0029】図5よりわかるように、一つの(Ψ,Δ)
の組み合わせに対して一つの幅Wが対応し、従って与え
られた基板についてΨ,Δを測定し、図5の関係と照合
することにより、基板上に形成されたラインアンドスペ
ースパターンの幅Wが求められる。図5の関係は、図3
の処理装置30において、データベースに格納され、処
理装置30は、このような照合をデータベースに対して
行い、幅Wの値を求める。As can be seen from FIG. 5, one (Ψ, Δ)
One width W corresponds to the combination of, and therefore, the width W of the line-and-space pattern formed on the substrate is determined by measuring Ψ and Δ for a given substrate and checking the relationship with the relationship of FIG. Desired. The relationship of FIG.
The processing device 30 stores the data in the database, and the processing device 30 performs such collation with the database to obtain the value of the width W.
【0030】図6は、図3の装置の平面図を示す図6を
参照するに、ステージ21上には基板22を構成するウ
ェハのオリエンテーションフラット22Aと衝合する位
置決め部材21Aが形成され、さらに基板22の側面に
衝合する位置決めピン21Bが形成される。その際、前
記基板22上にはラインアンドスペースパターン22a
が、基板22が位置決め部材21Aおよび21Bに衝合
した状態で光源23からの光ビームの光路に直交するよ
うに形成される。ラインアンドスペースパターン22a
をこのような方位に形成することにより、前記光ビーム
は、その位相中に前記ラインアンドスペースパターン2
2aの情報を効率的に取り込む。換言すると、図3のエ
リプソメータは、基板22をステージ21上に図6に示
した方位に設置することにより、ラインアンドスペース
パターン22aの幅Wに対する感度が最大になる。FIG. 6 is a plan view of the apparatus shown in FIG. 3. Referring to FIG. 6, a positioning member 21A that abuts an orientation flat 22A of a wafer forming a substrate 22 is formed on a stage 21. Positioning pins 21B that abut against the side surface of the substrate 22 are formed. At this time, the line and space pattern 22a is formed on the substrate 22.
However, the substrate 22 is formed so as to be orthogonal to the optical path of the light beam from the light source 23 in a state where the substrate 22 abuts on the positioning members 21A and 21B. Line and space pattern 22a
Is formed in such an azimuth, the light beam causes the line-and-space pattern 2 to move in its phase.
Efficiently capture the information of 2a. In other words, in the ellipsometer of FIG. 3, the substrate 22 is installed on the stage 21 in the orientation shown in FIG. 6 to maximize the sensitivity to the width W of the line and space pattern 22a.
【0031】また、ウェハの方位合わせは、例えばウェ
ハ上に切り込みを形成しかかる切り込みと位置決めピン
を係合させるようにしてもよい。さらに、ウェハの方位
合わせを、LEDを使った方位検出機構を使って行って
もよい。また、図6の構成において、ウェハ22は、パ
ターン22aを構成するパターン要素が光ビームの光路
に直交するように配置されたが、これを、各パターン要
素が、図6の平面図で光ビームの光路に平行に延在する
ように配置してもよい。この場合には、パターン22a
の下地の情報が求められる。 [第2実施例]図7は、本発明の第2実施例を示す。た
だし、図7中、先に説明した部分には同一の参照符号を
付し、説明を省略する。The orientation of the wafer may be adjusted, for example, by forming a notch on the wafer and engaging the notch with the positioning pin. Further, the orientation of the wafer may be adjusted by using an orientation detection mechanism using LEDs. Further, in the structure of FIG. 6, the wafer 22 is arranged so that the pattern elements forming the pattern 22a are orthogonal to the optical path of the light beam. You may arrange so that it may extend in parallel with the optical path of. In this case, the pattern 22a
Information of the background of is required. [Second Embodiment] FIG. 7 shows a second embodiment of the present invention. However, in FIG. 7, the parts described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
【0032】図7を参照するに、本実施例ではパターン
要素22bが基板22上に比較的疎に形成されているた
め、光源23から出射した光ビームの実質的な部分が基
板22自体の情報、例えば厚さの情報を拾ってしまう。
その結果、得られたΨ,Δから求められるパターン幅W
が、実際のものに対してずれてしまう可能性がある。Referring to FIG. 7, since the pattern elements 22b are formed relatively sparsely on the substrate 22 in this embodiment, a substantial part of the light beam emitted from the light source 23 is the information of the substrate 22 itself. , For example, pick up the thickness information.
As a result, the pattern width W obtained from Ψ and Δ obtained
However, there is a possibility that it will deviate from the actual one.
【0033】本実施例では、He−Neレーザよりなる
光源23から出射する光ビームがコヒーレント光である
ことを利用し、基板22上に所定のピッチで形成された
ラインアンドスペースパターン22aでブラッグ回折さ
れた高次の回折光をも使って、パターン幅Wを求める。
この場合には、個々の回折光の回折位置にフォトセルを
設け、その偏光状態からΨ,Δを求める。さらに、先の
実施例と同様に、個々の回折光に対して形成されたデー
タベースを参照して、パターン幅Wを求める。さらに、
個々の回折光から得られたWの値を平均あるいは加重平
均することにより、パターン幅Wの最確値を求める。In the present embodiment, the fact that the light beam emitted from the light source 23 composed of a He--Ne laser is coherent light is used, and the Bragg diffraction is performed by the line and space pattern 22a formed on the substrate 22 at a predetermined pitch. The pattern width W is obtained by using the diffracted light of higher order.
In this case, a photocell is provided at the diffraction position of each diffracted light, and Ψ and Δ are obtained from the polarization state thereof. Further, similarly to the previous embodiment, the pattern width W is obtained by referring to the database formed for each diffracted light. further,
The most probable value of the pattern width W is obtained by averaging or weighted averaging the values of W obtained from the individual diffracted lights.
【0034】図8は、図7に示す構成を使い、Si基板
上に厚さ150nmで形成した5μmピッチのレジスト
ラインアンドスペースパターンについて得られた偏光状
態パラメータΨ,Δの値を、偏光状態の検出に反射光を
使った場合と1次回折光を使った場合について示す。た
だし、図7において、入射光の入射角は77°に設定し
てあり、その結果、反射光は77°の反射角の方向に生
じる。これに対し、1次回折光は、図8の例では、58
°の回折角の方向に生じる。FIG. 8 shows the polarization state parameters Ψ and Δ obtained for a resist line and space pattern of 5 μm pitch formed on a Si substrate with a thickness of 150 nm using the configuration shown in FIG. The case where reflected light is used for detection and the case where first-order diffracted light is used are shown. However, in FIG. 7, the incident angle of the incident light is set to 77 °, and as a result, the reflected light is generated in the direction of the reflection angle of 77 °. On the other hand, in the example of FIG.
Occurs in the direction of the diffraction angle of °.
【0035】図8よりわかるように、Si基板上のライ
ンアンドスペースパターンの幅Wを110〜210nm
の範囲で変化させることにより、前記パラメータΨ,Δ
の値が変化するが、反射光ではΨの値が5〜10°、Δ
の値が30〜60°の範囲で変化するのに対し、1次回
折光ではΨの値が60°〜85°、Δの値が−100〜
−110°の範囲で変化するのがわかる。図8よりわか
るように、1次回折光を使った場合、位相差Δの変化は
小さく、幅Wは大体Ψの値に対応する。 [第3実施例]図9は、図3の加工物寸法測定装置を組
み込んだ本発明の第3実施例による半導体装置の製造ラ
インを概略的に示す。As can be seen from FIG. 8, the width W of the line and space pattern on the Si substrate is 110 to 210 nm.
By changing in the range of
The value of ψ changes, but in the reflected light, the value of Ψ is 5 to 10 °, Δ
Of the first-order diffracted light, the value of Ψ is 60 ° to 85 °, and the value of Δ is −100 to
It can be seen that it changes in the range of −110 °. As can be seen from FIG. 8, when the 1st-order diffracted light is used, the change in the phase difference Δ is small, and the width W roughly corresponds to the value of Ψ. [Third Embodiment] FIG. 9 schematically shows a semiconductor device manufacturing line according to a third embodiment of the present invention, which incorporates the workpiece size measuring apparatus of FIG.
【0036】図9を参照するに、半導体装置の製造ライ
ンは、露光工程およびエッチング工程を含むウェハプロ
セス101、およびウェハプロセス101を制御するプ
ロセス制御部102を含み、さらに、ウェハプロセス1
01で処理されるウェハを検査するエリプソメトリ部1
03が設けられる。エリプソメトリ部103は図3に示
した構成のエリプソメータを含み、ウェハプロセス10
1中において処理されるウェハを偏光光ビームで照射
し、得られた反射光ビームの偏光状態からパラメータ
Ψ,Δの実測値を求める。Referring to FIG. 9, the semiconductor device manufacturing line includes a wafer process 101 including an exposure process and an etching process, a process control unit 102 for controlling the wafer process 101, and the wafer process 1
Ellipsometry part 1 for inspecting wafers processed at 01
03 is provided. The ellipsometry unit 103 includes the ellipsometer having the configuration shown in FIG.
The wafer to be processed in 1 is irradiated with the polarized light beam, and the measured values of the parameters Ψ and Δ are obtained from the obtained polarization state of the reflected light beam.
【0037】エリプソメトリ部103で求められた反射
光ビームの実測パラメータΨ,Δは前記プロセス制御部
102に供給され、プロセス制御部102は、これを初
期条件設定部104から供給されるパラメータΨ,Δの
プリセット値と比較し、その結果に基づいて、ウェハプ
ロセス101において露光ドーズや露光時間等の露光条
件、あるいはRFパワー等のエッチング条件等を変化さ
せる。The measured parameters Ψ, Δ of the reflected light beam obtained by the ellipsometry section 103 are supplied to the process control section 102, which in turn supplies the parameters Ψ, Δ supplied from the initial condition setting section 104. Based on the result of comparison with the preset value of Δ, the exposure conditions such as the exposure dose and the exposure time or the etching conditions such as the RF power are changed in the wafer process 101.
【0038】初期条件設定部104は、ウェハプロセス
101で形成されるラインアンドスペースパターンの膜
厚やパターン幅等の形状パラメータ、あるいはかかるラ
インアンドスペースパターンの下に形成される層の膜厚
等のデータを供給され、かかる形状パラメータにもとづ
いて、図5に示したようなΔとΨの関係を保持したデー
タベース104aを参照し、所期のΔとΨの値を算出す
る。先にも説明したように、プロセス制御部102は、
かかる初期条件設定部104から供給されるパラメータ
Δ,Ψの組み合わせを、エリプソメータ103で得られ
るパラメータΔ,Ψの組み合わせと比較して、その差が
最小になるように、ウェハプロセス101を制御する。The initial condition setting unit 104 sets shape parameters such as the film thickness and pattern width of the line and space pattern formed in the wafer process 101, or the film thickness of a layer formed under the line and space pattern. Data is supplied, and the desired values of Δ and Ψ are calculated with reference to the database 104a that holds the relationship between Δ and Ψ as shown in FIG. 5 based on the shape parameters. As described above, the process control unit 102
The combination of the parameters Δ and Ψ supplied from the initial condition setting unit 104 is compared with the combination of the parameters Δ and Ψ obtained by the ellipsometer 103, and the wafer process 101 is controlled so that the difference is minimized.
【0039】また、図9の装置において、パターン寸法
がSEM等で確認されたウェハをエリプソメトリ部10
3で検査することにより、データベース104aを構成
するパラメータΔ,Ψの組が求められる。図9の装置で
は、また理論計算ユニット104bにより、与えられた
初期パラメータから、所期のΔ,Ψの理論値を計算し、
これを前記初期条件設定部104を介してプロセス制御
部に供給するようにしてもよい。Further, in the apparatus shown in FIG. 9, a wafer whose pattern dimension is confirmed by SEM or the like is used as an ellipsometry section 10.
By checking in step 3, the set of parameters Δ and Ψ that form the database 104a is obtained. In the apparatus of FIG. 9, the theoretical calculation unit 104b calculates desired theoretical values of Δ and Ψ from given initial parameters,
This may be supplied to the process control unit via the initial condition setting unit 104.
【0040】かかる理論値の計算は、おおよそ次のよう
に行われる。屈折率n3 を有する基板上に周期的に形成
された、屈折率がn2 のラインアンドスペースパターン
を含む試料に、屈折率がn1 の環境中において入射角Θ
1 で光ビームを入射させると、光ビームは、図10に示
すように、試料内でスネルの法則に従って屈折および反
射を繰り返し、入射角Θ1 と同じ角度で試料から出射す
る。そこで、試料の1周期分について、入射光をm本の
入射光線I(1) ,I(2 ) ,...I(m) に分解し、各々
の入射光線の光路を、スネルの法則に従って求める。そ
の際、入射光線を、p偏光成分とs偏光成分に分解し、
各々の成分について反射および屈折に伴う減衰の効果を
求める。より具体的には、入射光線が反射する場合、入
射光線のp偏光成分およびs偏光成分の強度I0 に、反
射の度にそれぞれフレネルの振幅反射率rp およびrs
を乗じ、反射に伴う光振幅の減衰を求める。また、入射
光線が屈折する場合には、入射光線のp偏光成分および
s偏光成分の強度I0 に、屈折の度にそれぞれフレネル
の振幅屈折率tp ,ts を乗じ、屈折に伴う光振幅の減
衰を求める。さらに、光ビームが不透明な媒質を通過す
る場合には、振幅透過率tk を乗じることにより、減衰
の効果を求めることができる。これに、さらに光路長に
伴う位相遅れδを加え、それぞれの偏光成分の最終的な
強度Ip (n)’とIs (n)’が求められる。ただ
し、振幅反射率rp ,rs ,振幅屈折率tp ,ts ,振
幅透過率tk および位相遅れ項δは、 rp =tan(Θ1 −Θ2 )/tan(Θ1 +Θ2 ) rs =−sin(Θ1 −Θ2 )/sin(Θ1 +Θ2 ) tp =2sinΘ2 cosΘ1 /sin(Θ1 +Θ2 )
cos(Θ1 −Θ2 ) ts =2sinΘ2 cosΘ1 /sin(Θ1 +Θ2 ) tk =exp(−2πkd/λ) δ=exp(−i2πnd/λ) で与えられる。ただし、λは入射光ビームの波長、dは
試料中の光路長を表す。The calculation of the theoretical value is performed as follows. The angle of incidence Θ in the environment where the refractive index is n 1 is applied to a sample including a line-and-space pattern with a refractive index n 2 which is periodically formed on a substrate having a refractive index n 3.
When the light beam is incident at 1 , the light beam repeats refraction and reflection in the sample according to Snell's law as shown in FIG. 10, and is emitted from the sample at the same angle as the incident angle Θ 1 . Therefore, for one cycle of the sample, the incident light is divided into m incident light beams I (1) , I (2 ) ,. . . It is decomposed into I (m) , and the optical path of each incident ray is obtained according to Snell's law. At that time, the incident light is decomposed into a p-polarized component and an s-polarized component,
The effect of attenuation due to reflection and refraction is obtained for each component. More specifically, when an incident ray is reflected, the intensity I 0 of the p-polarized component and the s-polarized component of the incident ray and the Fresnel amplitude reflectances r p and r s for each reflection
Multiply by to obtain the attenuation of light amplitude due to reflection. Further, when the incident light beam is refracted, the intensity I 0 of the p-polarized component and the s-polarized component of the incident light beam is multiplied by Fresnel's amplitude refractive index t p , t s , respectively, to obtain the optical amplitude associated with the refraction. Find the decay of. Further, when the light beam passes through an opaque medium, the effect of attenuation can be obtained by multiplying by the amplitude transmittance t k . To this, a phase delay δ associated with the optical path length is further added to obtain final intensities I p (n) ′ and I s (n) ′ of each polarization component. However, the amplitude reflectances r p and r s , the amplitude refractive indices t p and t s , the amplitude transmittance t k, and the phase delay term δ are as follows: r p = tan (Θ 1 −Θ 2 ) / tan (Θ 1 + Θ 2 ) r s = -sin (Θ 1 -Θ 2) / sin (Θ 1 + Θ 2) t p = 2sinΘ 2 cosΘ 1 / sin (Θ 1 + Θ 2)
It is given by cos (Θ 1 -Θ 2) t s = 2sinΘ 2 cosΘ 1 / sin (Θ 1 + Θ 2) t k = exp (-2πkd / λ) δ = exp (-i2πnd / λ). Where λ is the wavelength of the incident light beam and d is the optical path length in the sample.
【0041】例えば、図11の例では、強度I0 の入射
光線(1)〜(3)は、ラインアンドスペースパターン
で反射および屈折の後、次式で表される偏光成分I
p (1)’〜Ip (3)’,Is (1)’〜I
s (3)’を有する出射光として出射する。 Ip (1)’=tp1tp2rp3tp4tp5 × exp(−2πk2 d1 /λ) exp(−i2πn2 d1 /λ)・I0 Is (1)’=ts1ts2rs3ts4ts5 × exp(−2πk2 d1 /λ) exp(−i2πn2 d1 /λ)・I0 Ip (2)’=tp1rp2tp3 × exp(−2πk2 d2 /λ) exp(−i2πn2 d2 /λ)・I0 Is (2)’=ts1rrs2 ts3 × exp(−2πk2 d2 /λ) exp(−i2πn2 d2 /λ)・I0 Ip (3)’=rp1・Io Is (3)’=rs1・Io ただし、n2 ,k2 は、それぞれラインアンドパターン
中における屈折率および吸収係数を表し、またd1,d2
は光線(1),(2)の、ラインアンドスペース中にお
ける光路長をそれぞれあらわす。また、添字1〜5は、
それそれの光線の反射点、屈折点の、入射側から数えた
順番を示す。図11を参照。For example, in the example of FIG. 11, the incident light rays (1) to (3) having the intensity I 0 are reflected and refracted by the line and space pattern, and then the polarization component I represented by the following equation.
p (1) 'to Ip (3)', Is (1) 'to I
Emitted as emitted light having s (3) '. I p (1) ′ = t p1 t p2 r p3 t p4 t p5 × exp (−2πk 2 d 1 / λ) exp (−i 2πn 2 d 1 / λ) · I 0 I s (1) ′ = t s1 t s2 r s3 t s4 t s5 × exp (−2πk 2 d 1 / λ) exp (−i 2πn 2 d 1 / λ) · I 0 I p (2) ′ = t p1 r p2 t p3 × exp (−2πk) 2 d 2 / λ) exp ( -i2πn 2 d 2 / λ) · I 0 I s (2) '= t s1 r rs2 t s3 × exp (-2πk 2 d 2 / λ) exp (-i2πn 2 d 2 / Λ) · I 0 I p (3) ′ = r p1 · I o I s (3) ′ = r s1 · I o where n 2 and k 2 are the refractive index and the absorption coefficient in the line and pattern, respectively. , And d 1, d 2
Represents the optical path lengths of rays (1) and (2) in the line and space. The subscripts 1 to 5 are
The order of the reflection points and refraction points of the light rays counted from the incident side is shown. See FIG.
【0042】このように、各光線の強度I(1)’〜I
(n)’が求められると、複素反射係数比(ρ=Rp /
Rs)は、 ρ=Rp /Rs =ΣIp (n)’/ΣIs (n)’=t
anΨexp(iΔ) で与えられ、これからパラメータΨ,Δが、 Ψ=tan- 1 (|ρ|) Δ=arg(ρ) で求められる。In this way, the intensities I (1) 'to I of each light beam are
When (n) ′ is obtained, the complex reflection coefficient ratio (ρ = R p /
Rs) is ρ = R p / R s = ΣI p (n) ′ / ΣI s (n) ′ = t
an Ψ exp (iΔ), from which the parameters Ψ, Δ are determined by Ψ = tan −1 (| ρ |) Δ = arg (ρ).
【0043】図9の構成において、計算ユニット104
bは、上記の計算を行い、求められたパラメータΨ,Δ
を初期条件設定ユニット104を介してプロセス制御ユ
ニットに供給する。図12は、前記計算ユニット104
bが実行する動作の概略を示すフローチャートである。In the configuration of FIG. 9, the calculation unit 104
b is the parameter Ψ, Δ obtained by performing the above calculation.
Are supplied to the process control unit via the initial condition setting unit 104. FIG. 12 shows the calculation unit 104.
It is a flow chart which shows an outline of operation which b performs.
【0044】図12を参照するに、まずステップ1にお
いて、パターンの膜厚、屈折率、吸収率、下地の膜厚、
屈折率、吸収率、さらにパターンピッチ等の構造条件が
入力され、さらにステップ2において入射光ビームが、
スネルの法則に従う個々の光線に分解され、さらに光線
路が個々の光線(i=1〜n)について求められる。さ
らに、ステップ3において、個々の光線iについて、偏
光成分pおよびsの強度Ip(i)’,Is(i)’が
求められる。Referring to FIG. 12, first, in step 1, the film thickness of the pattern, the refractive index, the absorptivity, the film thickness of the base,
Structural conditions such as the refractive index, the absorptance, and the pattern pitch are input, and in step 2, the incident light beam is
It is decomposed into individual rays according to Snell's law, and the optical path is obtained for each individual ray (i = 1 to n). Furthermore, in step 3, for each ray i, the intensities Ip (i) ′, Is (i) ′ of the polarization components p and s are determined.
【0045】次に、ステップ4において、前記偏光成分
pおよびsの積分強度ΣIp(n)’,ΣIs(n)’
が求められ、求められた積分強度より、ステップ5にお
いて複素反射係数比ρが求められる。さらに、ステップ
6において、前記複素反射係数比ρより、パラメータ
Ψ,Δが求められ、ステップ7においてデータベースを
参照することにより、パターンの幅Wが求められる。Next, in step 4, the integrated intensities ΣIp (n) ′ and ΣIs (n) ′ of the polarization components p and s are obtained.
Is calculated, and the complex reflection coefficient ratio ρ is calculated in step 5 from the calculated integrated intensity. Further, in step 6, the parameters Ψ and Δ are obtained from the complex reflection coefficient ratio ρ, and in step 7, the pattern width W is obtained by referring to the database.
【0046】図13は、図4(A),(B)の実施例で
示したレジストパターン22aをマスクに、下地のポリ
シリコン層222 をRIE法によりエッチングし、さら
にレジストパターン22aを除去した状態における、図
3の測定装置により求められたパラメータΨとΔの関係
を示す。ただし、この場合、入射角は55°に設定し、
ポリシリコン層222 の下地層221 は、Siではなく
SiO2 としている。このような関係をデータベース1
04aに蓄積することにより、様々なパターンについ
て、パターン幅を求めることが可能になる。In FIG. 13, the underlying polysilicon layer 22 2 is etched by the RIE method using the resist pattern 22a shown in the embodiment of FIGS. 4A and 4B as a mask, and the resist pattern 22a is removed. 4 shows the relationship between the parameters Ψ and Δ obtained by the measuring device of FIG. 3 in the state. However, in this case, the incident angle is set to 55 °,
Under layer 22 1 of the polysilicon layer 22 2 is in the SiO 2 instead Si. Database 1 for such relationships
By accumulating in 04a, the pattern width can be obtained for various patterns.
【0047】さらに、図14は、図4(A),(B)の
実施例において、マスクパターンのピッチが150nm
の場合に、図3の測定装置を使い、エッチング時間を変
えながらパラメータΨ,Δの変化をモニタした例であ
る。ただし、図示した例は、エッチングの終点に対して
さらに10%および30%の過剰エッチングを行った場
合に相当する。また、偏光状態は、レジストパターン2
2aを除去した状態で測定している。一般に、30%の
過剰エッチングを行うと、およそ20nmのサイドエッ
チングが生じることがSEMの観察から知られている
が、図14に示した結果は、本発明による加工物寸法測
定方法が、この程度のサイドエッチングを検出できるこ
とを示している。換言すると、本発明による、エリプソ
メトリを使った加工物寸法測定方法は、10nm以下の
精度で加工寸法のずれを検出できることを示している。 [第4実施例]図15は、本発明の第4実施例の原理を
示す。Further, FIG. 14 shows that in the embodiment of FIGS. 4A and 4B, the mask pattern pitch is 150 nm.
In this case, the measurement apparatus of FIG. 3 is used to monitor changes in the parameters Ψ and Δ while changing the etching time. However, the illustrated example corresponds to the case where excessive etching of 10% and 30% is further performed with respect to the etching end point. The polarization state is the resist pattern 2
The measurement is performed with 2a removed. It is generally known from SEM observation that 30% over-etching causes side etching of about 20 nm. However, the results shown in FIG. It shows that the side etching can be detected. In other words, it has been shown that the method for measuring a workpiece size using ellipsometry according to the present invention can detect a deviation in a machining dimension with an accuracy of 10 nm or less. [Fourth Embodiment] FIG. 15 shows the principle of a fourth embodiment of the present invention.
【0048】図15を参照するに、本実施例では、入射
光ビームの反射光あるいは回折光のかわりに、入射光ビ
ームが基板22上のパターン22bにより散乱されるこ
とにより生じる散乱光の偏光状態を求めることにより前
記パラメータΨ,Δを求める。Referring to FIG. 15, in the present embodiment, instead of the reflected light or the diffracted light of the incident light beam, the polarization state of the scattered light generated by the scattering of the incident light beam by the pattern 22b on the substrate 22. Then, the parameters Ψ and Δ are obtained.
【0049】図16は、図15に示す散乱光の測定を実
行するための構成を示す。ただし、図16中、先に説明
した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図16の測定装置では、光源23から出射したコヒーレ
ント光が、1/4λ位相差板23および偏光子25を通
過した後、ビームチョッパ25Aを介してパターン22
aを形成されたウェハ22上に入射する。ビームチョッ
パ25aはその一部にカットを形成された回転ディスク
よりなり、光源23からウェハ22に入射するコヒーレ
ント光をオンオフ制御する。FIG. 16 shows a configuration for performing the scattered light measurement shown in FIG. However, in FIG. 16, the same reference numerals are given to the parts described previously and the description thereof will be omitted.
In the measuring device of FIG. 16, the coherent light emitted from the light source 23 passes through the 1 / 4λ phase difference plate 23 and the polarizer 25 and then passes through the beam chopper 25A to form the pattern 22.
It is incident on the wafer 22 on which a has been formed. The beam chopper 25a is composed of a rotating disk having a cut formed in a part thereof, and controls on / off of the coherent light incident on the wafer 22 from the light source 23.
【0050】さらに、図16の構成では、ウェハ22上
のパターン22aが形成する反射光あるいは回折光を避
けて、レンズ31およびこれに協働するビームスプリッ
タ32が形成され、前記ビームスプリッタ32は、前記
パターン22aから生じ、レンズ31により集束された
散乱光を、p成分およびs成分に分解してそれぞれ検出
器27Aおよび27Bに供給する。その際、前記検出器
27Aおよび27Bには、前記ビームチョッパ25Aか
ら回転制御信号が、同期信号SYNCとして供給され、
検出器27Aおよび27Bは、それぞれ前記同期信号S
YNCの1周期に対応して前記散乱光の強度Ip,Is
を測定する。かかる構成によれば、ウェハ22上へ光ビ
ームが照射されている状態における散乱光の強度を、光
ビームが遮断されている状態の散乱光の強度と比較する
ことにより、微弱な散乱光の強度Ip,Isを、精度よ
く測定することができる。Further, in the configuration of FIG. 16, the lens 31 and the beam splitter 32 cooperating therewith are formed so as to avoid the reflected light or the diffracted light formed by the pattern 22a on the wafer 22, and the beam splitter 32 is The scattered light generated from the pattern 22a and focused by the lens 31 is decomposed into p component and s component and supplied to the detectors 27A and 27B, respectively. At that time, a rotation control signal is supplied as a synchronization signal SYNC from the beam chopper 25A to the detectors 27A and 27B.
The detectors 27A and 27B respectively have the synchronization signal S
Intensities Ip and Is of the scattered light corresponding to one cycle of YNC
Is measured. According to this structure, the intensity of the scattered light in the state where the light beam is irradiated onto the wafer 22 is compared with the intensity of the scattered light in the state where the light beam is blocked, so that the intensity of the weak scattered light is increased. Ip and Is can be accurately measured.
【0051】このようにして得られた散乱光の強度I
p,Isは、処理装置30において処理され、強度I
p,Isに対して割算Ip/Isを実行することにより
反射係数比tanΨが求められ、この値から前記偏光パ
ラメータΨが求められる。図17は、図16の散乱光を
使った構成における反射係数比tanΨとパターン幅W
の関係を示す。ただし、図17の例では、厚さ100n
mのSiO2 膜上に厚さが180nmのポリシリコンラ
インアンドスペースパターンを、300nmのピッチで
形成した基板を使い、個々のパターン幅Wを120〜1
80nmの範囲で変化させている。また測定は、図16
の装置において、偏光角が45°の直線偏光を入射光と
して使った。The intensity I of the scattered light thus obtained
p and Is are processed in the processing device 30, and the intensity I
The reflection coefficient ratio tan Ψ is obtained by executing the division Ip / Is on p and Is, and the polarization parameter Ψ is obtained from this value. FIG. 17 shows the reflection coefficient ratio tan Ψ and the pattern width W in the configuration using the scattered light of FIG.
Shows the relationship. However, in the example of FIG. 17, the thickness is 100 n.
Using a substrate in which a 180 nm-thick polysilicon line and space pattern is formed at a pitch of 300 nm on a SiO 2 film of m, the individual pattern width W is 120 to 1
It is changed in the range of 80 nm. Also, the measurement is shown in FIG.
In this device, linearly polarized light having a polarization angle of 45 ° was used as incident light.
【0052】図17よりわかるように、散乱光を使うこ
とにより、反射係数比tanΨのパターン幅依存性が観
測される。すなわち、反射係数比tanΨを散乱光から
求めることにより、ラインアンドスペースパターンのパ
ターン幅Wを求めることが可能になる。 [第5実施例]ところで、図3,図7,図9あるいは図
15の装置において、光源23から出射される光ビーム
の入射角は70°に限定されるものではなく、他の角度
を使うこともできる。また、入射角を様々に変化させて
Δ,Ψを測定し、これをもとに、Ψ,Δの他に入射角を
パラメータとして含むデータベースを参照することによ
り、パターンの幅のみならず、パターン側壁の、基板表
面に対する傾き角をも求めることが可能である。As can be seen from FIG. 17, the pattern width dependence of the reflection coefficient ratio tan Ψ is observed by using scattered light. That is, by obtaining the reflection coefficient ratio tan Ψ from the scattered light, the pattern width W of the line and space pattern can be obtained. [Fifth Embodiment] By the way, in the apparatus shown in FIG. 3, FIG. 7, FIG. 9 or FIG. 15, the incident angle of the light beam emitted from the light source 23 is not limited to 70.degree. You can also In addition, by measuring Δ and Ψ by changing the incident angle variously, and referring to a database that includes the incident angle as a parameter in addition to Ψ and Δ based on this, not only the width of the pattern but also the pattern It is also possible to determine the tilt angle of the side wall with respect to the substrate surface.
【0053】図18は、厚さが102nmのSiO2 膜
上にポリシリコン膜を182nmの厚さに形成し、さら
にその上に厚さが150nmのレジストラインアンドス
ペースパターンを500nmピッチで形成したウェハに
ついて、反射光より求められた偏光パラメータΨ,Δの
関係を示す。FIG. 18 shows a wafer in which a polysilicon film having a thickness of 182 nm is formed on a SiO 2 film having a thickness of 102 nm, and a resist line and space pattern having a thickness of 150 nm is further formed thereon at a pitch of 500 nm. The relationship between the polarization parameters Ψ and Δ obtained from the reflected light is shown.
【0054】図18を参照するに、レジストパターンを
形成したままの、ポリシリコン膜をエッチングする前の
状態では、パターン幅Wの各値(W=175nm,W=
150nm,W=125nm)について、パラメータ
Ψ,Δが、図18中、左上のカーブに示すように得られ
る。このうち、Wの値に対応する各点において、白丸、
白三角および白四角で示す三点の実験を行っているが、
各点において、得られたデータの収束性は非常に良好で
ある。ただし、上記のデータでは、入射光ビームの入射
角を70°にして求めている。Referring to FIG. 18, each value of the pattern width W (W = 175 nm, W =) in the state where the resist pattern is formed and before the polysilicon film is etched.
For 150 nm and W = 125 nm), the parameters Ψ and Δ are obtained as shown in the upper left curve in FIG. Of these, white circles at each point corresponding to the value of W,
We are conducting three-point experiments indicated by white triangles and white squares,
At each point, the convergence of the obtained data is very good. However, in the above data, the incident angle of the incident light beam is set to 70 °.
【0055】次に、前記ポリシリコン膜を、前記レジス
トラインアンドスペースパターンをマスクとしてエッチ
ングし、得られた構造について求められた偏光パラメー
タΨ,Δを、黒丸,黒三角および黒四角で示す。ただ
し、黒三角は、図19Aの断面SEM写真に示すよう
に、オーバーエッチング量を0%とした場合を、黒四角
は図19Bの断面SEM写真に示すように、オーバーエ
ッチング量を30%とした場合を、さらに黒丸は、図1
9Cの断面SEM写真に示すように、オーバーエッチン
グ量を80%とした場合を示す。Next, the polysilicon film is etched using the resist line and space pattern as a mask, and the polarization parameters Ψ and Δ obtained for the obtained structure are shown by black circles, black triangles and black squares. However, the black triangle indicates the case where the overetching amount is 0% as shown in the cross-sectional SEM photograph of FIG. 19A, and the black square indicates the overetching amount of 30% as shown in the cross-sectional SEM photograph of FIG. 19B. If the case is further black circle,
As shown in the cross-sectional SEM photograph of 9C, the case where the amount of overetching is 80% is shown.
【0056】図18よりわかるように、オーバーエッチ
ング量を0%とした場合のカーブとオーバーエッチング
量を30%とした場合のカーブ、さらにオーバーエッチ
ング量を80%とした場合のカーブとは、パターン幅W
が175nmの場合に部分的に重なる他は、互いに異な
っており、これは、偏光パラメータΨ,Δの組み合わせ
から、図19(A)〜(C)に示すポリシリコンパター
ンの断面形状の違いを検出することができることを示し
ている。すなわち、パターン幅Wおよび膜厚あるいは屈
折率等の構造パラメータがあらかじめ何らかの方法で知
られている場合、エリプソメトリにより得られる偏光パ
ラメータΨ,Δの組み合わせから、パターンの断面形状
を推定することが可能になる。 [実施例6]図20は、SiO2 膜上に形成された同じ
ラインアンドスペースパターンにおいて、ポリシリコン
膜の膜厚を変化させた場合の偏光パラメータΨ,Δの関
係を示す。ただし、図20中、黒丸で示したカーブは、
厚さが100nmのSiO2膜上に厚さが178nmの
ポリシリコンラインアンドスペースパターンを形成した
場合を、また白丸で示したカーブは、ポリシリコンライ
ンアンドスペースパターンの厚さを163nmとした場
合のものである。いずれの場合においても、ラインアン
ドスペースパターンのピッチは300nm、またパター
ン幅Wは110nm〜200nmの範囲で変化させてい
る。As can be seen from FIG. 18, the curve when the overetching amount is 0%, the curve when the overetching amount is 30%, and the curve when the overetching amount is 80% are the pattern. Width W
Is 175 nm, they are different from each other except that they partially overlap each other. This is because the difference in cross-sectional shape of the polysilicon patterns shown in FIGS. 19A to 19C is detected from the combination of the polarization parameters Ψ and Δ. It shows that you can do it. That is, when the structural parameters such as the pattern width W and the film thickness or the refractive index are known in advance by some method, the cross-sectional shape of the pattern can be estimated from the combination of the polarization parameters Ψ and Δ obtained by ellipsometry. become. [Sixth Embodiment] FIG. 20 shows the relationship between the polarization parameters Ψ and Δ when the thickness of the polysilicon film is changed in the same line-and-space pattern formed on the SiO 2 film. However, the curve indicated by the black circle in FIG.
The case where a polysilicon line and space pattern having a thickness of 178 nm is formed on a SiO 2 film having a thickness of 100 nm, and the curve indicated by an open circle shows the case where the thickness of the polysilicon line and space pattern is 163 nm. It is a thing. In any case, the pitch of the line and space pattern is changed to 300 nm, and the pattern width W is changed in the range of 110 nm to 200 nm.
【0057】図20よりわかるように、パラメータΨ,
Δにより規定されるカーブは、ポリシリコンパターンの
厚さが178nmの場合と163nmの場合とでは異な
っており、このため、始めにパターンの厚さを測定する
ことにより、特定のカーブを選択し、選択されたカーブ
についてΨ,Δを求めることが可能になる。As can be seen from FIG. 20, the parameters Ψ,
The curve defined by Δ is different when the thickness of the polysilicon pattern is 178 nm and when it is 163 nm. Therefore, by first measuring the thickness of the pattern, a specific curve is selected, It becomes possible to obtain Ψ and Δ for the selected curve.
【0058】図21は、このような、膜厚測定工程を含
む、本発明の第6実施例による、パターン寸法測定方法
のフローチャートを示す。図21を参照するに、まずス
テップ11において、ラインアンドスペースパターンの
膜厚が測定され、次にステップ12において前記測定さ
れた膜厚に対応するカーブないし特性曲線が選択され
る。さらに、ステップ13においてエリプソメトリーに
よる測定が行われ、得られたパラメータΨおよびΔ、さ
らに前記選択された特性曲線を使って、パターン幅Wあ
るいはその断面形状が求められる。FIG. 21 is a flow chart of a pattern dimension measuring method according to the sixth embodiment of the present invention, which includes such a film thickness measuring step. Referring to FIG. 21, first, at step 11, the film thickness of the line and space pattern is measured, and then at step 12, a curve or characteristic curve corresponding to the measured film thickness is selected. Further, in step 13, measurement by ellipsometry is performed, and the pattern width W or its cross-sectional shape is obtained using the obtained parameters Ψ and Δ and the selected characteristic curve.
【0059】さらに、本発明は上記の実施例に限定され
るものではなく、本発明の要旨内において様々な変形・
変更が可能である。Furthermore, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes are made within the scope of the present invention.
Changes are possible.
【0060】[0060]
【発明の効果】請求項1,10,19記載の本発明の特
徴によれば、半導体装置の製造工程において、ウェハ上
に形成されたパターンの寸法を、非接触かつ非破壊で高
速に測定することが可能になり、さらに測定結果を製造
プロセスにフィードバックすることが可能になる。According to the features of the present invention as set forth in claims 1, 10 and 19, the dimensions of a pattern formed on a wafer are measured at high speed in a non-contact and non-destructive manner in a semiconductor device manufacturing process. It becomes possible to feed back the measurement result to the manufacturing process.
【0061】請求項2,11記載の本発明の特徴によれ
ば、求められた楕円偏光パラメータをもとに、実験に基
づいて構築されたデータベースを参照することにより、
複雑な理論計算をすることなく、容易にパターン寸法を
求めることが可能になる。請求項3,12記載の本発明
の特徴によれば、エリプソメータを使うことにより、偏
光状態を簡単に求めることができる。According to the features of the present invention as set forth in claims 2 and 11, by referring to a database constructed based on experiments based on the obtained elliptic polarization parameters,
It becomes possible to easily obtain the pattern dimension without performing complicated theoretical calculation. According to the features of the present invention set forth in claims 3 and 12, the polarization state can be easily obtained by using the ellipsometer.
【0062】請求項4,13記載の本発明の特徴によれ
ば、さらに入射光ビームの入射角を変化させて測定を行
うことにより、パターン寸法のみならず、パターン側壁
が基板表面に対してなす角度をも求めることが可能であ
る。請求項5,14記載の本発明の特徴によれば、前記
構造物から反射される強力な反射光を使うことにより、
反射光ビームの偏光状態を安定して、再現性良く求める
ことが可能である。According to the features of the present invention described in claims 4 and 13, by further changing the incident angle of the incident light beam for measurement, not only the pattern size but also the pattern side wall is formed with respect to the substrate surface. It is also possible to find the angle. According to the features of the present invention as set forth in claims 5 and 14, by using strong reflected light reflected from the structure,
It is possible to stably obtain the polarization state of the reflected light beam with good reproducibility.
【0063】請求項6,15記載の本発明の特徴によれ
ば、前記構造物から回折される回折光を使うことによ
り、比較的粗なパターンであっても、測定結果に対する
下地層の影響を最小化することが可能になる。請求項
7,16記載の本発明の特徴によれば、前記構造物から
散乱される散乱光を使うことにより、比較的粗なパター
ンであっても、測定結果に対する下地層の影響を最小化
することが可能になる。According to the features of the present invention as set forth in claims 6 and 15, by using the diffracted light diffracted from the structure, even if the pattern is relatively rough, the influence of the underlayer on the measurement result is affected. It becomes possible to minimize it. According to the features of the present invention described in claims 7 and 16, by using the scattered light scattered from the structure, the influence of the underlayer on the measurement result is minimized even in the case of a relatively rough pattern. It will be possible.
【0064】請求項8,17記載の本発明の特徴によれ
ば、構造物の幅あるいは断面形状を、非破壊、非接触に
より求めることが可能になる。請求項9および18記載
の本発明の特徴によれば、入射光ビームを断続し、照射
状態と遮断状態の各々について偏光状態を測定すること
により、散乱光のような弱い出射光を使う場合にも、高
精度な測定が可能になる。According to the features of the present invention described in claims 8 and 17, it is possible to obtain the width or cross-sectional shape of the structure in a non-destructive and non-contact manner. According to the features of the present invention as set forth in claims 9 and 18, when the incident light beam is interrupted and the polarization state is measured for each of the irradiation state and the blocking state, weak emission light such as scattered light is used. Also, high-precision measurement is possible.
【図1】本発明の原理を説明する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the present invention.
【図2】図1の要部を拡大して示す図である。FIG. 2 is an enlarged view showing a main part of FIG. 1;
【図3】本発明の第1実施例による構成を示す図であ
る。FIG. 3 is a diagram showing a configuration according to a first exemplary embodiment of the present invention.
【図4】図3の装置が適用されるラインアンドスペース
パターンを示す図である。4 is a diagram showing a line-and-space pattern to which the device of FIG. 3 is applied.
【図5】図3の装置で使われるデータベースの例を説明
する図である。5 is a diagram illustrating an example of a database used in the device of FIG.
【図6】図3の装置におけるウェハの位置決めを説明す
る図である。FIG. 6 is a diagram for explaining the positioning of the wafer in the apparatus of FIG.
【図7】本発明の第2実施例を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.
【図8】図7の構成において、反射光および1次回折光
を使った例を示す図である。8 is a diagram showing an example in which reflected light and first-order diffracted light are used in the configuration of FIG.
【図9】図3の装置を半導体装置の製造プロセスの制御
に適用した本発明の第3実施例を示す図である。9 is a diagram showing a third embodiment of the present invention in which the device of FIG. 3 is applied to control of a semiconductor device manufacturing process.
【図10】図9の装置において、パラメータΨ,Δを計
算で求める際の原理を示す図(その一)である。FIG. 10 is a diagram (part 1) showing the principle of calculating parameters Ψ and Δ in the apparatus of FIG. 9;
【図11】図9の装置において、パラメータΨ,Δを計
算で求める際の原理を示す図(その二)である。FIG. 11 is a diagram (No. 2) showing the principle when the parameters Ψ and Δ are calculated in the apparatus of FIG. 9;
【図12】図9の装置における処理を示すフローチャー
トである。12 is a flowchart showing a process in the apparatus of FIG.
【図13】図3の装置において、エッチングにより形成
されたラインアンドスペースパターンに本発明を適用し
た場合における、パターン幅をパラメータΨ,Δの関係
を示す図である。13 is a diagram showing the relationship between the pattern width and the parameters Ψ and Δ when the present invention is applied to a line-and-space pattern formed by etching in the apparatus of FIG.
【図14】図3の装置において、エッチングの進行に伴
うパラメータΨ,Δの関係を示す図である。14 is a diagram showing a relationship between parameters Ψ and Δ with the progress of etching in the apparatus of FIG.
【図15】本発明の第4実施例を説明する図である。FIG. 15 is a diagram illustrating a fourth embodiment of the present invention.
【図16】図15の装置の具体的な構成を示す図であ
る。16 is a diagram showing a specific configuration of the apparatus of FIG.
【図17】図16の装置により得られる特性曲線の例を
示す図である。17 is a diagram showing an example of a characteristic curve obtained by the device of FIG.
【図18】本発明の第5実施例による、パターンの断面
形状によるΔ−Ψ関係の変化を説明する図である。FIG. 18 is a diagram illustrating a change in Δ-Ψ relationship depending on the cross-sectional shape of the pattern according to the fifth embodiment of the present invention.
【図19】(A)〜(C)は、図18に対応した、様々
なパターン断面形状を示す図である。19 (A) to (C) are diagrams showing various pattern cross-sectional shapes corresponding to FIG. 18.
【図20】本発明の第6実施例による、パターンの膜厚
によるΔ−Ψ関係の変化を説明する図である。FIG. 20 is a diagram illustrating a change in Δ-Ψ relationship depending on the film thickness of a pattern according to the sixth embodiment of the present invention.
【図21】本発明の第6実施例による、パターン測定工
程を示すフローチャートである。FIG. 21 is a flowchart showing a pattern measurement process according to the sixth embodiment of the present invention.
【図22】従来のエリプソメータの構成を示す図であ
る。FIG. 22 is a diagram showing a configuration of a conventional ellipsometer.
【図23】エリプソメトリで測定される楕円偏光を示す
図である。FIG. 23 is a diagram showing elliptically polarized light measured by ellipsometry.
1,23 光源 2,25 偏光子 3 試料 4 回転検光子 4a,24 1/4波長板 4b 回転1/4波長板 5,27,27A,27B 検出器 10,22 基板 11 パターン 11a,11b パターン要素 21 ステージ 21A 位置決め構造 21B 位置決めピン 22a パターン 22b パターン要素 22A オリエンテーションフラット 25A ビームチョッパ 26 回転検光子 28 増幅器 29 A/D変換器 30 処理装置 31 レンズ 32 ビームスプリッタ 101 ウェハプロセス部 102 プロセス制御部 103 エリプソメトリ部 104 初期条件設定部 104a データベース 104b 理論計算部 1, 23 Light source 2, 25 Polarizer 3 Sample 4 Rotation analyzer 4a, 24 1/4 wave plate 4b Rotation 1/4 wave plate 5, 27, 27A, 27B Detector 10, 22 Substrate 11 Pattern 11a, 11b Pattern element 21 stage 21A positioning structure 21B positioning pin 22a pattern 22b pattern element 22A orientation flat 25A beam chopper 26 rotation analyzer 28 amplifier 29 A / D converter 30 processing device 31 lens 32 beam splitter 101 wafer process unit 102 process control unit 103 ellipsometry Part 104 initial condition setting part 104a database 104b theoretical calculation part
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/3065 H01L 21/302 B ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Agency reference number FI Technical display location H01L 21/3065 H01L 21/302 B
Claims (19)
構造物の寸法を測定する工程を含む半導体装置の製造方
法において、 前記構造物に、前記基板表面に対して所定の角度で、偏
光した入射光ビームを入射させる照明工程と;前記入射
光ビームが入射した前記構造物から出射する出射光ビー
ムの偏光状態を測定する測定工程と;前記構造物の、前
記基板表面に平行な方向への寸法を、前記偏光状態から
求める評価工程とを含み;前記求められた寸法に基づい
て、半導体装置の製造パラメータを調整することを特徴
とする半導体装置の製造方法。1. A method for manufacturing a semiconductor device, which includes a step of measuring a dimension of a structure formed on a substrate having a flat surface, wherein the structure is polarized at a predetermined angle with respect to the substrate surface. Illuminating the incident light beam, and measuring the polarization state of the outgoing light beam emitted from the structure on which the incident light beam is incident; measuring the polarization state of the structure in a direction parallel to the substrate surface. And an evaluation step of obtaining the dimension from the polarization state; based on the obtained dimension, the manufacturing parameter of the semiconductor device is adjusted.
態に基づき、偏光状態と構造物の寸法との間の関係を、
様々な構造物の寸法について含むデータベースを参照す
ることにより実行されることを特徴とする請求項1記載
の半導体装置の製造方法。2. The evaluation step, based on the determined polarization state, a relationship between the polarization state and the size of the structure,
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the method is executed by referring to a database including dimensions of various structures.
後における出射光ビームの偏光面の回転と、偏平率によ
り表現され、前記測定工程は、エリプソメータにより実
行されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の
製造方法。3. The polarization state is represented by a rotation of a plane of polarization of an output light beam after passing through the structure and an aspect ratio, and the measuring step is performed by an ellipsometer. Item 2. A method of manufacturing a semiconductor device according to item 1.
ームの入射角を変化させながら実行され、前記評価工程
は、得られた偏光状態と、前記入射角の組み合わせによ
り、さらに前記構造物を画成する側壁面が、前記基板平
面に対してなす角度を推定する工程を含むことを特徴と
する請求項1記載の半導体装置の製造方法。4. The illuminating step is performed while changing an incident angle of the polarized incident light beam, and the evaluating step further determines the structure by a combination of the obtained polarization state and the incident angle. 2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising the step of estimating an angle formed by the side wall surface defining the substrate surface.
て、前記入射光ビームの反射光を使うことを特徴とする
請求項1記載の半導体装置の製造方法。5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the measuring step, reflected light of the incident light beam is used as the outgoing light beam.
て、前記構造物から回折される前記入射光ビームの回折
光を使って実行されることを特徴とする請求項1記載の
半導体装置の製造方法。6. The manufacturing of a semiconductor device according to claim 1, wherein the measuring step is performed by using, as the outgoing light beam, diffracted light of the incident light beam diffracted from the structure. Method.
て、前記構造物で散乱される前記入射光ビームの散乱光
を使って実行されることを特徴とする請求項1記載の半
導体装置の製造方法。7. The manufacturing of a semiconductor device according to claim 1, wherein the measuring step is performed by using, as the outgoing light beam, scattered light of the incident light beam scattered by the structure. Method.
定する工程と、前記測定された膜厚に対応するデータベ
ースを選択する工程と、前記選択されたデータベースを
使い、前記偏光状態より前記構造物の幅または断面形状
を求める工程を含むことを特徴とする請求項2記載の半
導体装置の製造方法。8. The evaluation step comprises the steps of measuring a film thickness of the structure, selecting a database corresponding to the measured film thickness, and using the selected database, The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2, further comprising a step of obtaining a width or a sectional shape of the structure.
続する工程を含み、前記測定工程は、前記断続する入射
光ビームに対応して形成される断続する出射光ビームの
偏光状態を、照射状態および遮断状態について測定する
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方
法。9. The illuminating step includes a step of interrupting the incident light beam, and the measuring step irradiates a polarization state of the interrupted emission light beam formed corresponding to the interrupted incident light beam. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the state and the cutoff state are measured.
た構造物の寸法を測定する加工物寸法測定方法におい
て、 前記構造物に、前記基板表面に対して所定の角度で、偏
光した入射光ビームを入射させる照明工程と;前記入射
光ビームが入射した前記構造物から出射する出射光ビー
ムの偏光状態を測定する測定工程と;前記構造物の、前
記基板表面に平行な方向への寸法を、前記偏光状態から
求める評価工程とを含むことを特徴とする測定方法。10. A workpiece size measuring method for measuring a size of a structure formed on a substrate having a flat surface, wherein an incident light polarized to the structure at a predetermined angle with respect to the substrate surface. An illuminating step of injecting a beam; a measuring step of measuring a polarization state of an outgoing light beam emitted from the structure on which the incident light beam enters; a dimension of the structure in a direction parallel to the substrate surface; And an evaluation step of obtaining from the polarization state.
状態に基づき、偏光状態と構造物の寸法との間の関係
を、様々な構造物の寸法について含むデータベースを参
照することにより実行されることを特徴とする請求項1
0記載の測定方法。11. The evaluation step is carried out by referring to a database containing relationships between polarization states and structure dimensions for various structure dimensions based on the determined polarization states. Claim 1 characterized by the above.
The measuring method described in 0.
た後における出射光ビームの偏光面の回転と、偏平率に
より表現され、前記測定工程は、エリプソメータにより
実行されることを特徴とする請求項10記載の測定方
法。12. The polarization state is represented by a rotation of a plane of polarization of an outgoing light beam after passing through the structure and an aspect ratio, and the measuring step is performed by an ellipsometer. Item 10. The measuring method according to Item 10.
ビームの入射角を変化させながら実行され、前記評価工
程は、得られた偏光状態と、前記入射角の組み合わせに
より、さらに前記構造物を画成する側壁面が、前記基板
平面に対してなす角度を推定する工程を含むことを特徴
とする請求項10の測定方法。13. The illuminating step is performed while changing an incident angle of the polarized incident light beam, and the evaluating step further determines the structure by a combination of the obtained polarization state and the incident angle. 11. The measuring method according to claim 10, further comprising the step of estimating an angle formed by the side wall surface that defines with respect to the substrate plane.
して、前記入射光ビームの反射光を使うことを特徴とす
る請求項10記載の測定方法。14. The measuring method according to claim 10, wherein in the measuring step, reflected light of the incident light beam is used as the outgoing light beam.
して、前記構造物から回折される前記入射光ビームの回
折光を使って実行されることを特徴とする請求項10記
載の測定方法。15. The measuring method according to claim 10, wherein the measuring step is performed by using, as the outgoing light beam, diffracted light of the incident light beam diffracted from the structure.
して、前記構造物で散乱される前記入射光ビームの散乱
光を使って実行されることを特徴とする請求項10記載
の測定方法。16. The measuring method according to claim 10, wherein the measuring step is performed by using, as the outgoing light beam, scattered light of the incident light beam scattered by the structure.
測定する工程と、前記測定された膜厚に対応するデータ
ベースを選択する工程と、前記選択されたデータベース
を使い、前記偏光状態より前記構造物の幅またはライン
アンドスペースパターンの断面形状を求める工程を含む
ことを特徴とする請求項10記載の測定方法。17. The evaluation step comprises: measuring a film thickness of the structure; selecting a database corresponding to the measured film thickness; and using the selected database, 11. The measuring method according to claim 10, further comprising a step of obtaining a width of the structure or a cross-sectional shape of the line and space pattern.
断続する工程を含み、前記測定工程は、前記断続する入
射光ビームに対応して形成される断続する出射光ビーム
の偏光状態を、照射状態および遮断状態について測定す
ることを特徴とする請求項10記載の測定方法。18. The illuminating step includes the step of interrupting the incident light beam, and the measuring step irradiates a polarization state of the intermittent output light beam formed corresponding to the interrupted incident light beam. The measuring method according to claim 10, wherein the state and the cutoff state are measured.
た構造物を含む半導体装置の品質管理方法において、 前記構造物に、前記基板表面に対して所定の角度で、偏
光した入射光ビームを入射させる照明工程と;前記入射
光ビームが入射した前記構造物から出射する出射光ビー
ムの偏光状態を測定する測定工程と;前記構造物の、前
記基板表面に平行な方向への寸法を、前記偏光状態から
求める評価工程とを含むことを特徴とする品質管理方
法。19. A quality control method for a semiconductor device including a structure formed on a substrate having a flat surface, wherein an incident light beam polarized at a predetermined angle with respect to the substrate surface is applied to the structure. An incident illumination step; a measurement step of measuring a polarization state of an outgoing light beam emitted from the structure on which the incident light beam is incident; a dimension of the structure in a direction parallel to the substrate surface, A quality control method comprising: an evaluation step obtained from a polarization state.
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