JP5341354B2 - 周期的回折構造を含む層を有するサンプルを測定するためのシステム - Google Patents

Description

本発明は、一般的には光学サンプル測定システムに関し、特に周期的回折構造を含む層を有するサンプルを測定するためのシステムに関する。

半導体ウェハ処理或いは類似の応用では、レジスト膜または誘電体層にエッチングされた接点穴のような、薄膜にエッチングされた構造の寸法および／またはプロフィールの測定に遭遇することが良くある。構造の寸法および／またはプロフィールを測定する従来の方法は、分光スキャタロメトリ (spectroscopic scatterometry)または分光限界寸法測定法 (spectroscopic critical dimension measurements （ＳＣＤ））による。現在のＳＣＤ法では、広帯域光ビームの正反射率のスペクトルが、膜にエッチングされた接点穴または線のアレイの高さ、幅または直径（限界寸法としても知られている）、および側壁角のようなパラメータを測定するために使用される。測定を実行するために、構造のモデルを用いてモデルパラメータの関数として反射率スペクトルが計算される。そのスペクトルに合致するモデルパラメータの最善の値を見出すためにアルゴリズムが使用される。構造のモデルにおいて説明されなければならないモデルパラメータが多数あるならば、スペクトルの計算は時間を消費し、実時間で（例えば、数秒で）完了するためには実用的でなくなる。

この問題を回避するために、現在の方法の１つの変化形では構造を含まないウェハ上の膜または層の隣接領域が厚さ情報を得るために独立に測定される。隣接領域の膜または層と、興味の対象である構造（例えば、接点穴）を有する膜または層とが同じ膜インデックスおよび厚さ特性を有するとすれば、そのような厚さ値を後に構造モデルの構築に使用し、これによりモデルパラメータの数を減らすことができる。これは、モデリングの複雑さと計算時間とを減少させるという結果をもたらす。

前述した従来の方法は幾つかの理由から不利である。第１に、始めに隣接領域を独立別個に測定することによってモデリングを簡単化することは、そのような隣接領域が常に利用可能であるとは限らないので、常に可能であるとは限らない。たとえそのような領域が利用可能であっても、そのような領域における膜の厚さは、興味の対象であるエッチングされた膜構造の厚さまたは高さとは大幅に異なるかもしれない。隣接領域で別個の測定が実行されなくても、前述したように、計算が実時間で実行されなければならない用途については計算に時間がかかり過ぎるかもしれない。従って、前述した欠点を克服する改良されたシステムを提供することが望ましい。
米国特許第５，６０８，５２６号 米国特許第５，７４７，８１３号 米国特許第４，９０５，１７０号 米国特許第６，５９０，６５６号 米国特許出願第０９／７４１，６６３号 米国特許出願第０９／６７１，７１５号 ペンウェル・パブリッシング・カンパニーから出版されたソリッドステート・テクノロジーの１９９５年８月版からリプリントされたアイボックらによる「非晶質および多結晶質シリコン膜の光学的特性評価」 １９８６年１１月１５日の、フォルイらによる「非晶質半導体および非晶質誘電体についての光学的分散関係」，フィジカル・レビューＢ，第３４巻，第１０号，７０１８〜７０２６頁 １９８８年７月１５日の、フォルイらによる「結晶質半導体および誘電体の光学的特性」，フィジカル・レビューＢ，第３８巻，第３号，１８６５〜１８７４頁 チャールズ・ダブリュー・ハガンスらによる「円錐マウントにおけるゼロ次ラメラ格子の有効媒質理論」，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ，１９９３年１０月１９日，第１０巻，第１０号，２２１７〜２２２５頁 ピー・ララネらによる「古典的マウントにおけるサブ波長格子の高次有効媒質理論：体積ホログラムへの応用」，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ，第１５巻，第７号，１９９８年７月，１８４３〜１８５１頁 ピー・レラネによる「サブ波長周期構造の有効媒質理論について」，現代光学ジャーナル，１９９６年，第４３巻，第１０号，２０６３〜２０８５頁 「非準安定状態限界における２次元サブ波長格子の有効媒質理論」，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ，第１５巻，第６号，１９９８年６月，１５７７〜１５８５頁 ハーランド・ジー・トンプキンスおよびウィリアム・エイ・マクガンによる「分光楕円偏光法および反射計測：ユーザのガイド」，ジョン・ワイリー・アンド・サンズ・インコーポレイション，ニューヨーク，１９９９年，１０１〜１０７頁 バーヌーらの「偏光解析法」，技術者の技術，Ｒ６４９０，１〜１６頁（１９９０）

本発明は、構造モデルの構築を簡単化するために、ターゲット構造の構造モデルを用いて回折構造に関するパラメータの導出を容易にするためにターゲット回折構造を含むウェハの同じ領域に関する膜厚情報を得ることができるという認識に基づいている。その膜厚の値は、モデルパラメータの数を減らし信号スペクトルの計算を簡単化するためにターゲット構造の構造モデルの構築或いは応用に使用され得る。一実施形態では、回折構造に関連するパラメータを導出するために使用される同じ回折データから膜厚を得ることができるので、初めにデータから膜厚を得、その後に回折構造に関連するパラメータを同じデータから導出するプロセスのために充分なデータを得るとき、単一の測定で充分である。代わりの実施形態では、ターゲット回折構造を含むウェハの同じ領域に対して膜厚測定を始めに実行することができ、その後に膜モデルを用いて膜厚を見出すことができる。その後、回折構造に関連するパラメータがそれから導出されるところのデータを得るために回折構造に対して別個の測定が行われる。

好ましくは、膜厚を得るためのプロセスに使用される膜モデルは、ピッチ、限界寸法、側壁角或いは他のプロフィール関連パラメータのような、回折構造に関連する如何なる量も変化させず、或いはパラメータ化しない。好ましくは、回折構造は複数の波長（例えば、２３０〜８５０ｎｍの範囲の波長）の輻射によって照明される。ビームの回折は好ましくは複数の波長で検出され、見出された厚さ値と検出された回折とを用いて回折構造に関連する１つ以上のパラメータが判定される。前述したシステムは、信号スペクトルの或る領域内で検出される輻射を用いて膜内の或るタイプの構造を測定するために特に有益である。回折は、分光スキャタロメータ (spectroscopic scatterometer)、反射計、楕円偏光計或いは偏光計のような任意の適切な機器を用いて検出され得る。

説明を簡潔にするために、本願では同一の構成要素は同じ数字により特定される。

図１Ａは、半導体ウェハ１２の一部分の斜視図であり、これは中に接点穴１３の２次元アレイを有する層１２ｂを上に有するシリコン基板１２ａを有する。図１Ｂは、図１Ａのウェハ１２の、図１Ａの線１Ｂ−１Ｂに沿う横断面図である。図１Ｂの横断面図は、図１Ａの縮尺と同じ縮尺で描かれてはいない。図１Ｂに示されているように、接点穴のアレイ内の穴１３の各々は直径Ｄを有し、穴はピッチＰで間隔を置いて並べられている。層１２ｂはｈの厚さまたは高さを有し、接点穴１３の側壁はシリコン基板１２ａの上面に対して角度Ａをなす。

従来の方法では、Ｄ（穴１３の直径）、ピッチＰ、高さまたは厚さｈ、側壁角Ａ、または接点穴１３のプロフィールまたは形状に関連する他のパラメータのような量を判定できるように、前に参照されたパラメータの全ては層１２ｂの複素屈折率と共に構造のモデルに含められ、スペクトルと合致する最良のモデルパラメータを見出すために回帰が使用される。このような多数のパラメータを含むスペクトルの計算は時間を消費し、実時間で完了するためには実用的でない。前述した従来の方法の１つでは、膜厚の値を見出すために穴のない膜の隣接領域が独立に測定される。この測定された厚さ値は、構造モデルの独立変数の数を減らすために、中に穴を有する膜のための構造モデルにおいて後に使用され得る。しかし、図１Ａおよび１Ｂのウェハ１２により例示されているように、残りのパラメータの判定とは無関係にそのような別個の測定を行って層１２ｂの厚さｈを判定するための、接点穴１３の存在しない層１２ｂの余分の領域はない。

本発明は、穴アレイに関連するパラメータの測定のための構造モデルを簡単にするために、接点穴アレイに関連するパラメータをいろいろに変えない層の膜モデルを用いて始めに層１２ｂの厚さｈの近似値を見出すことができるという認識に基づく。そのようにして見出される厚さは、穴１３の直径ＤがピッチＰ或いは穴間の間隔の三分の一未満である場合により正確である。そのとき、穴１３により占められる体積率は０．１より僅かに小さい。そのような場合、接点穴のパラメータ（例えば、直径、ピッチ、側壁角など）をいろいろに変えない膜モデルは、多くの用途のために充分な精度の高さｈの推定値を提供する。膜モデルを用いる前述したコンセプトを適用するための他の有利な条件は、或る波長における層１２ｂの穴１３のアレイから屈折した輻射の反射率が、穴直径Ｄのような回折構造に関連するパラメータによる影響を余り受けないということである。これらの問題点を検討する前に、まず、図１Ａおよび１Ｂのウェハ１２を測定するために使用され得る装置を説明するのが有益である。

図２は、本発明の好ましい実施形態を具体的に説明する分光スキャタロメータシステム１０の略図である。図２に示されているように、システム１０は、分光スキャタロメータ、分光楕円偏光計および分光反射計の特徴を有利に組み合わせられる。分光反射計または分光楕円偏光計は、膜モデルを用いて回折構造を含む層の膜厚を測定し、以下で説明される回折構造に関連するパラメータを判定するために接点穴１３のアレイから回折した輻射のスペクトルを後に測定するために使用され得る。図２に示されているように、半導体ウェハ１２は、シリコン基板１２ａと、膜内の接点穴のアレイのような２次元回折構造を中に有する基板上の（フォトレジストパターンのような）膜１２ｂとを含むことができ、この膜は、少なくとも部分的に光伝導性であって、一定の膜厚ｈおよび屈折率（ｎおよびｋ、すなわち屈折率の実数成分および虚数成分）を有する。

ウェハを光学系に対して位置決めするためウェハを水平ＸＹ方向に移動させるためにＸＹＺステージ１４が使用される。以下で説明するように、ウェハ１２のｚ高さを調整するためにもステージ１４が使用され得る。図２に関して、白色光源２２のような広帯域輻射源（或いは単一または複数の波長の輻射を供給する光源）は、偏りをランダム化してウェハを照明するための均一な光源を作り出すオプションの光ファイバケーブル２４を通して光を供給する。好ましくは、光源２２は少なくとも２３０〜８００ｎｍの範囲の波長を有する電磁輻射を供給する。ファイバ２４から出ると、輻射は、スリットアパーチャおよびフォーカスレンズ（図示せず）を含むことのできる光学照明器を通過する。このスリットアパーチャは、出てきた光ビームに、調節され得る寸法の層１２ｂの領域を結像させる。照明器２６から出た光は、Ｐ偏光またはＳ偏光を有するもののような、層１２ｂを照明する偏光サンプリングビーム３０を生じさせるように偏光子２８により偏光させられる。

サンプリングビーム３０から生じた輻射は、層１２ｂにより反射させられ、その反射した輻射のいろいろなスペクトル成分を検出するために検光子３２を通して分光計３４に渡される。分光楕円偏光計についてのもっと詳しい解説を得るためには、１９９７年３月４日に登録された米国特許第５，６０８，５２６号（特許文献１）を参照されたい。この特許は、その全体が本願明細書において参照により援用されている。

膜厚を測定するためのシステム１０の分光楕円偏光法モードでは、分光計３４が光源２２のスペクトル中の波長などの複数の波長の反射した光を検出しているときに偏光子２８または検光子３２（または両方）が（偏光子および検光子間に相対的回転運動を生じさせるために）回転させられ、その回転は当業者に知られた仕方でコンピュータ４０により制御される。検出されたいろいろな波長における反射強度はコンピュータ４０に供給され、これは以下でより詳しく説明する仕方で層１２ｂ（または層１２ｂに似ているが中に穴を持っていない層）の膜厚と屈折率のｎおよびｋの値とを計算する。層１２ｂに似ているが中に穴を持っていない層の膜厚と屈折率のｎおよびｋの値とは、当業者に知られている仕方で、または米国特許第５，６０８，５２６号（特許文献１）に記載されているように、導出され得る。

膜厚を測定するためには分光楕円偏光法が好ましいけれども、或る用途では膜厚を測定するためには分光反射計（スペクトロリフレクトメータおよびスペクトロフォトメータとしても知られている）が適切である。この目的のために、レンズ２３は光源２２からの輻射を集めてビームスプリッタ５２に向け、これは、入ってきたビームの一部を、輻射を層１２ｂに収束させる集束レンズ５４の方へ反射させる。層１２ｂから反射した光は、レンズ５４により集められ、ビームスプリッタ５２を通過して分光反射計６０内の分光計に進む。測定される単一またはいろいろな波長のスペクトル成分が検出され、そのような成分を表す信号が、例えば米国特許第５，７４７，８１３号（特許文献２）に記載されている仕方で膜厚と屈折率とを判定するためにコンピュータ４０に供給される。分光反射計および分光楕円偏光計以外の分光装置、または偏光計および単一波長楕円偏光計または反射計のような他の装置も、層１２ｂの膜厚を測定するために使用され得、本発明の範囲内にある。

層１２ｂの膜厚を判定するために使用され得るそのような分光装置の他の例は、カリフォルニア州サンタ クララのｎ＆ｋテクノロジー・インク (n&k Technology Inc.)のｎ＆ｋアナライザ (n&k Analyzer)を含み、ペンウェル・パブリッシング・カンパニーから出版されたソリッドステート・テクノロジーの１９９５年８月版からリプリントされたアイボックらによる「非晶質および多結晶質シリコン膜の光学的特性評価」 (“Optical Characterization of Amorphous and Polycrystalline Silicon Films," by Ibok et al., reprinted from August 1995 edition of Solid State Technology published by PennWell Publishing Company) （非特許文献１）、１９８６年１１月１５日の、フォルイらによる「非晶質半導体および非晶質誘電体についての光学的分散関係」，フィジカル・レビューＢ，第３４巻，第１０号，７０１８〜７０２６頁 (“Optical Dispersion Relations for Amorphous Semiconductors and Amorphous Dielectrics," by Forouhi et al., Physical Review B, vol. 34, no. 10, pp. 7018-7026, Nov. 15, 1986) （非特許文献２）、１９８８年７月１５日の、フォルイらによる「結晶質半導体および誘電体の光学的特性」，フィジカル・レビューＢ，第３８巻，第３号，１８６５〜１８７４頁 (“Optical Properties of Crystalline Semiconductors and Dielectrics," by Forouhi et al., Physical Review B, vol. 38, no. 3, pp. 1865-1874, Jul. 15, 1988) （非特許文献３）、および米国特許第４，９０５，１７０号（特許文献３）に記載されている。

ウェハ１２の高さを、分光楕円偏光法測定において適切な焦点調節を達成するために偏光子２８、検光子３２に関して調節する目的で、或いは分光反射計測定において集束レンズ５４および分光反射計６０に関して調節する目的で、ウェハの高さは測定前にステージ１４によって調整される必要がある。この目的のために、層１２ｂから反射してレンズ５４により集められた輻射の一部分は、反射した像をパターンと比較するためにビームスプリッタ６２により収束およびパターン認識ブロック６４の方へ反射させられる。ブロック６２は、その比較に関する情報を、ステージ１４を制御するコンピュータ４０に送る。ステージ１４は、ウェハ１２をシステム１０の光学コンポーネントに関して適切な高さに移動させるためにウェハ１２を垂直またはＺ方向に上または下に移動させる。

穴１３のアレイからの回折は、前述したように図２の装置またはシステム１０を用いて測定され得る。測定された回折から膜１２ｂの膜厚が得られると、層１２ｂについての構造モデルを簡単化するために膜厚値を用いてコンピュータ４０により基準データベースが構築され得る。回折構造に関連するパラメータは、膜厚が得られた同じデータから（或いは、代わりに図２の装置を用いて別個の測定で得られた構造の回折データから）導出され得る。基準データベースの代わりに、そのように得られた前の膜厚値を固定されたパラメータとして用いて、または回折構造のパラメータと共に膜厚を変動させるパラメータ推定プロセスでシード値として用いて、線形または非線形の最適化プロセスを実行することもできる。別の代案では基準データベースと組み合わせて線形または非線形の最適化プロセスを用いることもできる。

システム１０により測定される反射率が或る波長範囲内では穴直径Ｄの変化の結果としては著しく変化しないということが見出されている。これを図３Ａ〜３Ｃに示す。例えば、図３Ａでは、穴の直径はおよそ１２０ｎｍであり、接点穴アレイは２４０ｎｍのピッチを有するが、この図において実線で示されているように、システム１０により測定される反射率は、穴の直径が５ｎｍも変化したときに実質的に同じままである。図３Ａにおいて、点線の曲線はＳ偏光成分の反射率であり、実線の曲線は５ｎｍの穴直径変化による反射率の変化である。穴のアレイが約２４０ｎｍのピッチを有し、穴の直径は約１２０ｎｍである図３Ａから明らかなように、５００ｎｍより上の波長では、５ｎｍに及ぶ穴直径変化にもかかわらず、反射率は実質的に一定のままである。図３Ｂおよび３Ｃは、穴直径約１５０ｎｍおよびピッチ約３００ｎｍ（図３Ｂ）、並びに穴直径約１８０ｎｍおよびピッチ約３６０ｎｍ（図３Ｃ）での同じ現象を示す。図３Ｂおよび３Ｃの各々において、また、点線の曲線はＳ偏光成分の反射率を表し、実線の曲線は５ｎｍの直径変化による反射率の変化を表す。図３Ａ〜３Ｃにおいて、パラメータＣＤ、すなわち限界寸法は、接点穴１３の直径である。

前述したことから、層１２ｂの厚さまたは高さの正確な推定値を得るために膜モデルを使用することが可能であることは明らかであり、その膜モデルは穴直径をパラメータ化せず、変化させない。これは、スペクトルの赤および赤外部分或いは図３Ａ〜３Ｃに示されている約５００ｎｍより上の波長範囲などの一定の限られた波長範囲においてのみ膜モデルが構築される場合に、特に当てはまる。構造自体に関連するパラメータがモデルにおいて変化させられないけれども、膜の中または近くの何らかの回折構造の存在の効果を考慮するように改変された膜モデルを採用するのが好ましい。中に回折格子を有する膜の厚さを計算するための膜モデルは当業者に知られ、本願明細書では詳しくは説明しない。そのような膜モデルに関するさらなる詳細については、チャールズ・ダブリュー・ハガンスらによる「円錐マウントにおけるゼロ次ラメラ格子の有効媒質理論」，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ，１９９３年１０月１９日，第１０巻，第１０号，２２１７〜２２２５頁 (“Effective-Medium Theory of Zeroth-Order Lamellar Gratings in Conical Mountings," by Charles W. Haggans et al., J. Opt. Soc. Am. A, October 19, 1993, Volume 10, No. 10, Pages 2217-2225) （非特許文献４）、ピー・ララネらによる「古典的マウントにおけるサブ波長格子の高次有効媒質理論：体積ホログラムへの応用」，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ，第１５巻，第７号，１９９８年７月，１８４３〜１８５１頁 (“High-Order Effective-Medium Theory of Subwavelength Gratings in Classical Mounting: Application to Volume Holograms," by P. Lalanne et al., J. Opt. Soc. Am. A, Volume 15, No. 7, July 1998, Pages 1843-1851)（非特許文献５）、ピー・レラネによる「サブ波長周期構造の有効媒質理論について」，現代光学ジャーナル，１９９６年，第４３巻，第１０号，２０６３〜２０８５頁 (“On the Effective Medium Theory of Subwavelength Periodic Structures," P. Lelanne, Journal of Modern Optics, 1996, Volume 43, No. 10, Pages 2063-2085)（非特許文献６）、および「非準安定状態限界における２次元サブ波長格子の有効媒質理論」，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ，第１５巻，第６号，１９９８年６月，１５７７〜１５８５頁 (“Effective Medium Theory of Two-Dimensional Subwavelength Gratings in the Non-Quasi-Static Limit," J. Opt. Soc. Am. A, Volume 15, No. 6, June 1998, Pages 1577-1585)（非特許文献７）を参照されたい。

膜モデルを用いて、図１Ａおよび１Ｂの層１２ｂの厚さｈを回帰アルゴリズムを用いて見出すことができる。回帰アルゴリズムは当業者に知られ、ここでは詳しく説明しない。回帰法の説明についてはハーランド・ジー・トンプキンスおよびウィリアム・エイ・マクガンによる「分光楕円偏光法および反射計測：ユーザのガイド」，ジョン・ワイリー・アンド・サンズ・インコーポレイション，ニューヨーク，１９９９年，１０１〜１０７頁 (“Spectroscopic Ellipsometry and Reflectometry: A User's Guide," by Harland G. Tompkins and William A. McGahan, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1999, Pages 101-107)（非特許文献８）を参照されたい。

図４Ａは、層の厚さの基準値を提供するために、層１２ｂに似ているが中に接点穴を持たない層が測定されたときの、１つのスペクトルにわたっての、楕円偏光パラメータαの測定された値と、膜モデルにより計算された値との比較を示すグラフ的プロットである。楕円偏光パラメータαおよびβの説明については、バーヌーらの「偏光解析法」，技術者の技術，Ｒ６４９０，１〜１６頁（１９９０） (Bernoux et al., “Ellipsometrie," Techniques de l'Ingenieur, R6490, pp.1-16 (1990))（非特許文献９）を参照されたい。図４Ａに示されているように、αの測定された値は軽快な点線で示され、モデルにより予測された値はより重い点線で示されている。図４Ａに示されているように、測定された値とモデルにより予測された値とは一致し、実質的に同じである。図４Ｂおよび４Ｄに示されているように、同じことが楕円偏光パラメータβとＰ偏光成分の反射率とに当てはまると思われる。Ｓ偏光成分の反射率に関して、測定された値１０２は、予測された値には現れない少量の振動を４５０〜５００ｎｍ波長の間で示し、５００〜６００ｎｍの波長範囲ではモデルにより予測された値（１０４）より僅かに高い。このようなずれは別として、楕円偏光パラメータと反射率との実際の測定された値は、膜モデルにより予測された値と実質的に一致する。図４Ａ〜４Ｂに示されている結果では、屈折率変数ｎおよびｋは膜モデルでは変えられ、厚さも変える。回帰により到達した厚さは３９６７オングストロームである。

図５Ａ〜５Ｄは、中に接点穴を有する層１２ｂが測定されたときの、楕円偏光パラメータαおよびβとＳおよびＰ偏光成分の反射率との、測定された値と修正された膜モデルにより予測される値とを比較した比較をグラフを用いて示す。図５Ａ〜５Ｄに示されている結果では、有効屈折率変数ｎおよびｋの他にモデルにおいて層１２ｂの厚さも変えられる。しかし、直径または穴のプロフィールのような接点穴に関するパラメータは変えられない。図４Ａ〜４Ｄと図５Ａ〜５Ｄを比較することから明らかなように、グラフ的プロットの両方のセットにおいて測定された値とモデルにより予測された値とは実質的に同じである。図４Ｃおよび５Ｃの測定された値１１２は、４００から５００ｎｍの間では実質的に同じ振動の挙動を示し、５００から６００ｎｍの間では予測された値１１４より僅かに高い。

図５Ａ〜５Ｄに示されている測定および構造モデルから回帰により得られた層１２ｂの厚さは３９７０．０８オングストロームであり、これは、中に穴のない膜パッドの測定から得られた値３９６７オングストロームに近い。これは、実際に、層内の回折構造の存在を考慮した層１２ｂの修正されたモデルを用いて得られた厚さが、中に接点穴のない膜を測定することから得られた厚さと一致することを証明している。修正されたモデルでは、いろいろに変えられる屈折率パラメータｎおよびｋは図２のシステム１０により見られる中に接点穴１３を有する層１２ｂについての実効値であって、層１２ｂの材料の屈折率の値とは異なり得る。前述したように、精度を改善するために、赤および近赤外波長のみ、または５００ｎｍ以上、或いは反射率が回折構造の寸法またはプロフィールの変化による影響を余り受けない他の波長範囲などにおけるデータなどの、限られた波長範囲において回帰プロセスが測定されたデータおよびモデルに適用され得る。

図６Ａ〜６Ｄは、中に接点穴を有する層１２ｂが測定されたときの、楕円偏光パラメータαおよびβとＳおよびＰ偏光成分の反射率との、測定された値と修正された膜モデルにより予測された値とを比較した比較をグラフを用いて示す。図６Ａ〜６Ｄに示されている結果では、モデルにおいて層１２ｂの厚さが変えられるが、実効屈折率変数ｎおよびｋは変えられない。図５Ａ〜５Ｄと図６Ａ〜６Ｄを比較すれば明らかであるように、実効屈折率変数ｎおよびｋを変えずに厚さだけを変えると（図６Ａ〜６Ｄ）、実効屈折率変数ｎおよびｋも変えた場合（図５Ａ〜５Ｄ）より劣る結果が生じる。図６Ａ〜６Ｄに示されているように、測定された値２０２，２１２，２２２，２３２は、修正されたモデルにより予測される値２０４，２１４，２２４，２３４に近いけれども幾つかの波長範囲において一致しない。従って、厚さだけを変えることは或る目的のためには充分であるが、実効屈折率変数ｎおよびｋも変化させるのが好ましい。

図７は、層１２ｂに類似するが中に穴のない膜と層１２ｂとについてのｎおよびｋの回帰させられた値の比較を示すグラフ的プロットである。図７に示されているように、中に穴のない膜についてのｎおよびｋの値３０２および３１２は、中に穴を有する層１２ｂについての値３０４および３１４とは異なる。前述した層の厚さを導出するための回帰プロセスもｎおよびｋについての値をもたらすことができる。従って、或る用途について、膜のための前述した回帰プロセスで得られるｎおよびｋについての値は中に穴を有する層１２ｂについての値とは著しく異なり得るので、それらは、後に穴アレイからの回折についてモデルを構築するときに使用される必要のある変数の数をさらに減らすためには役立たないかもしれない。それでも、膜についてのｎの回帰させられた値は格子についての値と大幅には違わないことが観察されているので、或る用途について、接点穴アレイからの回折をモデル化するときに変えられなければならないモデルパラメータの数をさらに減らすために、層の厚さを得るときに前述したプロセスで得られたｎの回帰させられた値を使用することが可能である。或いは、層１２ｂの厚さが良く確認されているときには（例えば、安定した製造プロセスにおいて）、有効媒質理論を取り入れた膜モデルを用いて導出された率の値（ｎ＆ｋ）は、回折構造のプロフィールパラメータのうちのあるもの（例えば、穴直径）についての線形または非線形の最適化プロセスにおいてシードまたは開始値を生成し、これによりこのプロセスの収束を速めるために、使用され得る。

層の厚さの推定値（およびオプションでｎの値も）が前述したように得られた後、中に穴を有する層１２ｂからの回折の検出された信号スペクトルを有するモデルが、米国特許第６，５９０，６５６号（特許文献４）により詳しく説明されている仕方で構築され、この特許はその全体が本願明細書において参照により援用されている。膜厚と回折構造に関連するパラメータとの両方の別個の連続した導出のために同じ回折データが使用される実施形態では、そのように得られた膜厚を用いてそのようなパラメータが導出される。回折構造に関連するパラメータが厚さ導出のために用いられるものとは異なるデータから得られる代替の実施形態では、図２のシステム１０は、照明ビームを層に向けて米国特許第６，５９０，６５６号（特許文献４）により詳しく説明されている仕方で層からのゼロ次回折を好ましくは複数の波長において検出することによって、層１２ｂ内の穴１３のアレイから回折した輻射を測定するために再び使用されるが、或る用途のためには単一の波長で充分である。両方の実施形態において、測定されたデータおよび構築されたモデルに回帰アルゴリズムが適用され、それはピッチ、限界寸法（線の幅または穴の直径）、側壁角またはプロフィールのような、回折構造に関連するパラメータの値を見出すために推定された層の厚さ（およびオプションでｎの値も）を使用する。回帰アルゴリズムによりいろいろに変えられるパラメータは、回折構造に関連するものを含み、層１２ｂの厚さを含まない。層の厚さを推定するためのプロセスから有効なｎおよびｋの（またはｋだけの）値が分からない場合には、ｎおよびｋ（またはｋだけ）はプロセスにおいていろいろに変えられるパラメータとして含まれても良い。回折構造に関連するパラメータを見出すためのモデルは、２０００年１２月１９日に出願された「光学分光システムを使用するパラメトリック・プロフィーリング」という米国特許出願第０９／７４１，６６３号（特許文献５）と、２０００年９月２７日に出願された「散乱計測定の改良システムおよび応用」という米国特許出願第０９／６７１，７１５号（特許文献６）とに説明され、これら特許出願はその全体が本願明細書において参照により援用されている。これらのパラメータの値は、システム１０により測定された強度または楕円偏光パラメータデータを用いて見出され得る。

その２つの実施形態が図８に示されている。図８に示されているように、複数の波長の電磁輻射のビームが、周期的回折構造を含む層を有するサンプルに向けられる。回折構造からの複数の波長のビームの回折が検出される。層の膜モデルを使用する層の厚さの値が、検出された回折から、または、構造がビームにより照明されてその構造によるビームの回折がデータを得るために検出される別個の測定で得られたデータから、見出される。その後、回折構造に関連する１つ以上のパラメータが、厚さ値と検出された回折とを用いて判定される。

第１のステップで得られた膜厚に関する情報は、格子プロフィールパラメータ推定プロセスの前にまたはその間に、光学的照明および収集角度並びにアパーチャサイズが回折構造の測定のために最善であることを確認するために使用され得る。或る多層膜構造について、格子プロフィールパラメータを判定するための最も敏感な光学的条件は、膜厚と共に変化し得る。第１のパラメータ推定ステップで導出された膜厚に基づいて、調整可能または選択可能な角度およびアパーチャサイズを取り入れた測定システムについて、第１のステップと同じサイト或いは同じウェハ上または次のウェハ上の次のサイトについての後の分光および角度測定データの感度を最大にするために、光学的照明および収集角度並びにアパーチャサイズが調整または選択可能である。

種々の実施形態を参照して本発明を前に説明してきたが、添付されている特許請求の範囲およびその同等物によってのみ定義されるべき発明の範囲から逸脱せずに変更および改変をなし得ることが理解される。例えば、穴の２次元アレイに関連するパラメータを測定するために実施形態を説明してきたが、柱の２次元アレイ、格子線または穴の１次元アレイのような他の回折構造に関連するパラメータを測定するために同じ実施形態が使用され得る。本願明細書において参照された全ての参考文献は、その全体が本願明細書において参照により援用されている。

本発明を具体的に説明するために役立つ、接点穴の２次元アレイを中に有する層を有する半導体ウェハの一部分の斜視図である。 図１Ａの線１Ｂ−１Ｂに沿う図１Ａのウェハおよび層の一部分の横断面図である。 本発明の実施形態を具体的に説明する分光スキャタロメータ／反射計の略図である。 図３Ａ，３Ｂおよび３Ｃは、互いに無関係に測定された３つの対応する異なる層により散乱した輻射の３つの独立の測定で測定されたＳ偏光成分の反射率のグラフ的プロットである。各層は中に接点穴の２次元アレイを有し、３つの層の中の穴は異なる直径を持っていて異なるピッチで並べられ、本発明を具体的に説明するのに役立つ。これらのグラフ的プロットは、反射率スペクトルがスペクトルの長い波長部分において穴直径の変化に対して敏感でないという事実を具体的に説明するために層内の接点穴直径の５ｎｍの変化に起因するそのような成分の反射率の変化をも示す。 図４Ａ，４Ｂ，４Ｃおよび４Ｄは、本発明を具体的に説明するために使用される、中に穴のない膜パッドにより散乱した輻射の、各々、楕円偏光パラメータα、βと、Ｓ偏光成分およびＰ偏光成分の反射率との、測定された値とモデルにより予測された値との比較を示すグラフ的プロットである。図４Ａ〜４Ｄにおいて、モデルは、３９６７Ａの膜厚値をもたらすように複素屈折率ｎおよびｋがいろいろに変えられるモデルである。 図５Ａ，５Ｂ，５Ｃおよび５Ｄは、図２の装置を用いて測定される穴の２次元アレイを中に有する膜により散乱した輻射の、各々、楕円偏光パラメータα、βと、Ｓ偏光成分およびＰ偏光成分との、測定された値とモデルにより予測された値との比較を示すグラフ的プロットである。図５Ａ〜５Ｄにおいて、モデルは、３９７０．０８Ａの膜厚値をもたらすように複素屈折率ｎおよびｋおよび厚さがいろいろに変えられるモデルである。 図６Ａ，６Ｂ，６Ｃおよび６Ｄは、図２の装置を用いて測定される穴の２次元アレイを中に有する膜パッドにより散乱した輻射の、各々、楕円偏光パラメータα、βと、Ｓ偏光成分およびＰ偏光成分との、測定された値とモデルにより予測された値との比較を示すグラフ的プロットである。図６Ａ〜６Ｄにおいて、モデルは、３９３２．６７Ａの膜厚値をもたらすように厚さがいろいろに変えられる（複素屈折率ｎおよびｋは変えられない）モデルである。 本発明をさらに具体的に説明する、中に穴のない膜パッドの複素屈折率ｎおよびｋのグラフ的プロットと、対応する格子（接点穴の２次元アレイを有する膜パッド）のグラフ的プロットとである。 回折構造を測定する方法を示すフローチャートである。

Claims (37)

1. 周期的回折構造を含む層を有するサンプルを測定する方法であって、
   複数の波長の電磁輻射の第１のビームを前記周期的回折構造に向けるステップと、
   前記周期的回折構造からの複数の波長での第１のビームの回折を検出するステップと、
   層の膜モデルを用いて層の厚さ値を見出すステップであって、選択された波長の範囲内のデータまたは選択された波長におけるデータに限定された層の前記周期的回折構造からの回折から得られたデータを使用する膜モデルを使用し、その範囲またはそのような波長における周期的回折構造の反射率は、前記周期的回折構造の１つ以上のプロフィールパラメータの変化に対する感度がそのような範囲の外側の波長または選択された波長とは異なる波長におけるそのような変化に対する感度よりも低い、見出すステップと、
   厚さ値と検出された前記回折とを用いて前記周期的回折構造に関連する１つ以上のパラメータを判定するステップと、
   を含む方法。
2. 請求項１記載の方法において、
   前記見出すステップは、反射計または楕円偏光計を使用する方法。
3. 請求項１記載の方法において、
   前記見出すステップは、分光反射計または分光楕円偏光計を使用する方法。
4. 請求項１記載の方法において、
   前記見出すステップは、赤外線および近赤外線の範囲内の波長のデータに限定されたデータを使用する膜モデルを使用する方法。
5. 請求項１記載の方法において、
   前記見出すステップは、
   前記周期的回折構造の少なくとも一部分を含む層のセクションに複数の波長の電磁輻射の第２のビームを向けるステップと、
   前記第２のビームが前記層のセクションによって反射、屈折、または回折された後に、前記第２のビームの強度または楕円偏光データを検出するステップと、
   を含む方法。
6. 請求項５記載の方法において、
   前記見出すステップは、層の厚さと屈折率とを含むパラメータを用いるが前記周期的回折構造の別のプロフィールパラメータを用いない膜モデルを使用する方法。
7. 請求項６記載の方法において、
   前記見出すステップは、層の屈折率に関連するパラメータの値を変える方法。
8. 請求項１記載の方法において、
   前記見出すステップは、検出された回折から厚さ値を見出す方法。
9. 請求項１記載の方法において、
   前記見出すステップは、層の厚さと屈折率とを含むパラメータを用いるが前記周期的回折構造の別のプロフィールパラメータを用いない膜モデルを使用する方法。
10. 請求項９記載の方法において、
    前記見出すステップは、層の屈折率に関連するパラメータの値を変える方法。
11. 請求項１０記載の方法において、
    前記見出すステップは、層の厚さと屈折率とを含むパラメータを用いるが前記周期的回折構造の別のプロフィールパラメータを用いない膜モデルを使用する方法。
12. 請求項１記載の方法において、
    前記見出すステップは、層の屈折率に関連するパラメータの値を変える方法。
13. 請求項１記載の方法において、
    前記見出すステップは、少なくとも前記周期的回折構造の回折が検出された部分を含む層のセクションを測定することにより厚さ値を見出す方法。
14. 請求項１記載の方法において、
    前記判定するステップは、厚さ値を用いる回帰アルゴリズムを適用するステップを含む方法。
15. 請求項１記載の方法において、
    前記判定するステップは、前記周期的回折構造に関連する１つ以上のパラメータを判定する回帰アルゴリズムを適用するステップを含む方法。
16. 請求項１５記載の方法において、
    前記回帰アルゴリズムは前記周期的回折構造のプロフィールパラメータのみの値を変え、前記変えられるパラメータは層の厚さを含まない方法。
17. 請求項１６記載の方法において、
    前記変えられるパラメータは、前記周期的回折構造の幅または直径と側壁角とに関連する方法。
18. 請求項１記載の方法において、
    前記検出するステップは、前記回折から強度または楕円偏光データを検出し、前記判定するステップは、検出した強度または楕円偏光データを用いて前記周期的回折構造に関連する１つ以上のパラメータを判定する方法。
19. 請求項１記載の方法において、
    前記判定するステップは、厚さ値を用いて基準データベースを構築するステップを含む方法。
20. 請求項１記載の方法において、
    前記判定するステップは、厚さ値を固定パラメータとして用いる線形または非線形の最適化プロセスをさらに含む方法。
21. 請求項１記載の方法において、
    前記判定するステップは、前記周期的回折構造のパラメータと共に厚さ値が変動するパラメータ推定プロセスで厚さ値をシード値として用いる線形または非線形の最適化プロセスを含む方法。
22. 請求項１記載の方法において、
    前記見出すステップは、膜モデルを用いて層の屈折率の値（単数または複数）も見出す方法。
23. 請求項２２記載の方法において、
    前記周期的回折構造のパラメータの幾つかについて線形または非線形の最適化プロセスでシードまたは開始値を生成し、これによりこのプロセスの収束を速めるために、前記判定するステップは、層の屈折率の値（単数または複数）を用いるステップを含む方法。
24. 請求項１記載の方法において、
    前記周期的回折構造のパラメータの変化に対するデータの感度を最大にするために、厚さ値に応じて、前記第１のビームの光学的照明角度、アパーチャサイズ、および前記検出するステップのための収集角度のうちの１つ以上を選択しまたは調整するステップをさらに含む方法。
25. 請求項２４記載の方法において、
    前記見出すステップは前記向けるステップおよび前記検出するステップに先行して、前記周期的回折構造の少なくとも一部分を含む層のセクションの厚さ値を見出し、前記向けるステップは向け、前記検出するステップは層のセクションまたは前記周期的回折構造の少なくとも一部分を含む層の別のセクションから検出する方法。
26. 請求項２４記載の方法において、
    前記見出すステップは、前記向けるステップおよび前記検出するステップに先行して、前記周期的回折構造の少なくとも一部分を含む層のセクションの厚さ値を見出し、前記向けるステップは、厚さ値がそれから見出されたところのものとは異なる周期的回折構造を含む層のセクションに前記第１のビームを向け、前記検出するステップはこのセクションから検出する方法。
27. 周期的回折構造を含む層を有するサンプルを測定する方法であって、
    複数の波長の電磁輻射の第１のビームを前記周期的回折構造に向けるステップと、
    前記周期的回折構造からの複数の波長での第１のビームの回折を検出するステップと、
    層の膜モデルを用いて層の厚さ値および検出された前記回折を見出すステップであって、層の厚さと屈折率とを含むパラメータを用いるが前記周期的回折構造の別のプロフィールパラメータを用いない膜モデルを使用する、見出すステップと、
    厚さ値と検出された前記回折とを用いて前記周期的回折構造に関連する１つ以上のパラメータを判定するステップと、
    を含む方法。
28. 請求項２７記載の方法において、
    前記判定するステップは、厚さ値を用いる回帰アルゴリズムを適用するステップを含む方法。
29. 請求項２７記載の方法において、
    前記判定するステップは、前記周期的回折構造に関連する１つ以上のパラメータを判定する回帰アルゴリズムを適用するステップを含む方法。
30. 請求項２９記載の方法において、
    前記回帰アルゴリズムは前記周期的回折構造のプロフィールパラメータのみの値を変え、前記変えられるパラメータは層の厚さを含まない方法。
31. 請求項３０記載の方法において、
    前記変えられるパラメータは、前記周期的回折構造の幅または直径と側壁角とに関連する方法。
32. 請求項２７記載の方法において、
    前記見出すステップは、膜モデルを用いて層の屈折率の値（単数または複数）も見出す方法。
33. 請求項３２記載の方法において、
    前記周期的回折構造のパラメータの幾つかについて線形または非線形の最適化プロセスでシードまたは開始値を生成し、これによりこのプロセスの収束を速めるために、前記判定するステップは、層の屈折率の値（単数または複数）を用いるステップを含む方法。
34. 請求項２７記載の方法において、
    前記周期的回折構造のパラメータの変化に対するデータの感度を最大にするために、厚さ値に応じて、前記第１のビームの光学的照明角度、アパーチャサイズ、および前記検出するステップのための収集角度のうちの１つ以上を選択しまたは調整するステップをさらに含む方法。
35. 請求項３４記載の方法において、
    前記見出すステップは前記向けるステップおよび前記検出するステップに先行して、前記周期的回折構造の少なくとも一部分を含む層のセクションの厚さ値を見出し、前記向けるステップは向け、前記検出するステップは層のセクションまたは前記周期的回折構造の少なくとも一部分を含む層の別のセクションから検出する方法。
36. 請求項１記載の方法において、
    前記膜モデルで使用されたデータは、前記検出するステップで検出された前記回折から得られる方法。
37. 請求項２７記載の方法において、
    前記見出すステップは、前記膜モデルおよび前記検出するステップで検出された前記回折を使用する方法。

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