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【発明の名称】 形状複屈折を有する表面特徴を測定するためのシステムおよび形状複屈折を有する特徴サイズを測定するための方法および高い横方向分解能で異方性サンプル上でクリティカルディメンションを測定するための装置および高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法
【発明者】 【氏名】アレクサンダー ミヒャエリス

【氏名】オリヴァー ゲンツ

【氏名】ウルリッヒ マンツ
【要約】 【課題】サブクォーターミクロン測定のための分解能を改善し、ストラクチャアセンブリ上でこのような測定を行い、測定の統計値を改善する。

【解決手段】従来のマイクロエリプソメーターに、回転ステージを設けて、異方性エリプソメーター(ＡＭＥ)(すなわち、回転エリプソメーター)と呼ぶ種類の測定ツールを実現する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 形状複屈折を有する表面特徴を測定するためのシステムにおいて、表面特徴を有する表面上に入射する光線を供給するための光線源と、前記入射光が前記表面特徴から反射された後、この反射光の特性を測定するための光線検出装置と、前記入射光が、回転ステージの回転に起因して異なる角度に配向されるように前記表面を回転するための回転ステージと、前記表面特徴を測定するために、前記反射光の特性測定値を処理し、前記表面特徴を測定するために特性を互いに相関するためのプロセッサとから成る、形状複屈折を有する表面特徴を測定するためのシステム。
【請求項２】 前記反射光の前記特性測定値を、光の複素屈折率と、次元特徴サイズとの間の関係式により、表面特徴に相関する、請求項１に記載の形状複屈折を有する表面特徴を測定するためのシステム。
【請求項３】 前記表面特徴が、前記表面にほぼ平行に延在する特徴を含む、請求項１に記載の形状複屈折を有する表面特徴を測定するためのシステム。
【請求項４】 前記表面特徴が、前記表面に実質的に垂直に延在する厚さを含む、請求項１に記載の形状複屈折を有する表面特徴を測定するためのシステム。
【請求項５】 前記入射光線が、直線偏光された光を含む、請求項１に記載の形状複屈折を有する表面特徴を測定するためのシステム。
【請求項６】 前記反射光線が、楕円偏光された光を含む、請求項１に記載の形状複屈折を有する表面特徴を測定するためのシステム。
【請求項７】 前記光線源が、エリプソメーターを含む、請求項１に記載の形状複屈折を有する表面特徴を測定するためのシステム。
【請求項８】 前記反射光の前記特性測定値が、前記反射光の特性と、前記次元特徴サイズとの間の、実験的に較正された関係式により、表面特徴に相関されている、請求項１に記載の形状複屈折を有する表面特徴を測定するためのシステム。
【請求項９】 約２５０ナノメータの長さより短い表面特徴が測定可能である、請求項１に記載の形状複屈折を有する表面特徴を測定するためのシステム。
【請求項１０】 形状複屈折を有する特徴サイズを測定するための方法において、表面上に表面特徴を有する表面を提供するステップと、第１の偏光を有する光により、前記表面特徴を照射するステップと、前記表面特徴から反射された光の反射偏光を測定するステップと、少なくとも１つの新しい回転された位置で、前記反射光の反射偏光を測定するために、前記表面を回転することにより、前記表面特徴を回転するステップと、前記反射偏光を、表面特徴サイズに相関するステップとから成る、形状複屈折を有する特徴サイズを測定するための方法。
【請求項１１】 前記表面を提供するステップが、前記表面上に表面特徴を有する半導体装置を提供するステップから成る、請求項１０に記載の形状複屈折を有する特徴サイズを測定するための方法。
【請求項１２】 第１の偏光を有する光により前記表面特徴を照射するステップが、さらに、直線偏光を有する光により前記表面特徴を照射するステップから成る、請求項１０に記載の形状複屈折を有する特徴サイズを測定するための方法。
【請求項１３】 前記表面特徴からの反射光の反射偏光を測定するためのステップが、さらに、前記反射光のエリプソメトリー的角度を測定するステップから成る、請求項１０に記載の形状複屈折を有する特徴サイズを測定するための方法。
【請求項１４】 前記表面を回転するステップが、さらに、約２０度の増分で、前記表面を回転することにより、前記表面特徴を回転するステップから成る、請求項１０に記載の形状複屈折を有する特徴サイズを測定するための方法。
【請求項１５】 前記反射偏光を、表面特徴サイズに相関するステップが、さらに、前記反射光の特性を、表面特徴サイズに相関する式を提供するステップから成る、請求項１０に記載の形状複屈折を有する特徴サイズを測定するための方法。
【請求項１６】 前記反射光の前記特性が、偏光角を含む、請求項１５に記載の形状複屈折を有する特徴サイズを測定するための方法。
【請求項１７】 前記反射偏光を、表面特徴サイズに相関するステップが、さらに、表面特徴パターンのための較正データを提供するステップと、前記表面特徴パターンのための特性曲線を形成するために、前記較正データに、前記反射光の特性を相関するステップと、前記反射光特性を、前記特性曲線と比較することにより、前記表面特徴パターンの表面特徴サイズを測定するステップとから成る、請求項１０に記載の形状複屈折を有する特徴サイズを測定するための方法。
【請求項１８】 前記反射偏光を、表面特徴サイズに相関するステップが、さらに、反射光特性を、表面特徴サイズに相関するために、誘電テンソルを形成するステップから成る、請求項１０に記載の形状複屈折を有する特徴サイズを測定するための方法。
【請求項１９】 さらに、横方向特徴サイズおよび垂直方向特徴サイズを測定するステップから成る、請求項１０に記載の形状複屈折を有する特徴サイズを測定するための方法。
【請求項２０】 さらに、２５０ナノメータより小さい特徴サイズを測定するステップから成る、請求項１０に記載の形状複屈折を有する特徴サイズを測定するための方法。
【請求項２１】 高い横方向分解能で形状複屈折を示す異方性サンプル上でクリティカルディメンションを測定するための装置において、エリプソメトリー的パラメータΔおよびΨを測定するためのエリプソメーターから成り、前記エリプソメーターは、直線偏光された入射光を、前記サンプルの選択された領域へ導いて、楕円偏光された反射光を生成し、前記エリプソメーターは、前記直線偏光された入射光と、前記楕円偏光された反射光とを比較して、前記エリプソメトリー的パラメータΔおよびΨを測定し、さらに、回転軸の中心軸線を中心として、回転角αを変化させるために、前記サンプルを回転するための、前記エリプソメーターの下方に配置されている回転ステージから成り、前記回転軸の前記中心軸線を、前記エリプソメーターと位置合せし、前記エリプソメーターは、前記エリプソメトリー的パラメータΔおよびΨを、前記回転角αに相関して、高い横方向分解能で前記サンプルの前記選択された領域におけるクリティカルディメンションを求める、高い横方向分解能で異方性サンプル上でクリティカルディメンションを測定するための装置。
【請求項２２】 前記エリプソメーターが、さらに、光を生成するための光源を有しており、前記光を、前記直線偏光された光に偏光するための偏光子と、高い横方向分解能で分解するために、前記直線偏光された光を集束するための集束装置を有しており、ｘ、ｙ、およびｚ方向に、前記サンプルの位置を変化させるためのｘ−ｙ−ｚステージを有し、前記サンプルを、前記ｘ、ｙ、およびｚステージの上に配置し、前記直線偏光された光は、前記サンプルから反射されて、前記楕円偏光された反射光を生成し、さらに、顕微鏡を有しており、前記顕微鏡を、前記回転ステージの前記回転軸線に位置合せして、前記サンプルの１つの領域を選択して、前記領域上のクリティカルディメンションを求め、さらに、回転検光子から成り、前記回転検光子は、前記第１の偏光状態を、前記第２の偏光状態と比較して、偏光状態に関する前記エリプソメトリー的パラメータΔおよびΨを生成し、前記回転検光子は、前記Δ角および前記Ψ角を光強度に変換し、エリプソメトリー的パラメータΔおよびΨを生成するために、前記光強度を検出する検出器を有しており、前記検出器に結合されている制御装置を有しており、前記回転検光子、前記ｘ−ｙ−ｚステージおよび前記回転ステージは、前記検出器からのエリプソメトリー的パラメータΔおよびΨを測定して、回転角αに相関して、前記サンプルの前記選択された領域におけるクリティカルディメンションを求める、請求項２１に記載の高い横方向分解能で異方性サンプル上でクリティカルディメンションを測定するための装置。
【請求項２３】 前記光源が、レーザービームである、請求項２２に記載の高い横方向分解能で異方性サンプル上でクリティカルディメンションを測定するための装置。
【請求項２４】 前記光源が、ポリクロメーターを有する、請求項２２に記載の高い横方向分解能で異方性サンプル上でクリティカルディメンションを測定するための装置。
【請求項２５】 前記光源が、ダイオード検出器アレイを有する、請求項２４に記載の高い横方向分解能で異方性サンプル上でクリティカルディメンションを測定するための装置。
【請求項２６】 前記集束装置が、レンズ系から成る、請求項２２に記載の高い横方向分解能で異方性サンプル上でクリティカルディメンションを測定するための装置。
【請求項２７】 前記集束装置が、顕微鏡対物レンズである、請求項２２に記載の高い横方向分解能で異方性サンプル上でクリティカルディメンションを測定するための装置。
【請求項２８】 前記サンプルが、集積回路装置である、請求項２２に記載の高い横方向分解能で異方性サンプル上でクリティカルディメンションを測定するための装置。
【請求項２９】 高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法において、前記サンプルは、少なくとも１つの材料から成り、形状複屈折を有する表面特徴を有し、前記方法は、第１のエリプソメトリー的振幅の集合を、第１のクリティカルディメンション値の集合に相関する較正曲線を生成するステップであって、それぞれ１つの第１のクリティカルディメンション値が、各第１のエリプソメトリー的振幅に対応するステップと、第２のエリプソメトリー的振幅を求めるために、前記サンプルを回転することにより、前記サンプルの、選択された領域で回転角αの領域にわたり、第２のエリプソメトリー的パラメータを測定するステップと、前記較正曲線から、対応する第１のクリティカルディメンション値を求めるために、第２のエリプソメトリー的振幅をインデックスとして使用して、前記較正曲線から前記サンプルの、選択された領域で、クリティカルディメンションを求めるステップとから成る、高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法。
【請求項３０】 較正曲線を生成する前記ステップを、少なくとも１つのテストサンプルから実行し、前記テストサンプルは、形状複屈折を有する少なくとも１つの材料から成り、少なくとも１つの第１のクリティカルディメンション値によって特徴付けられている、請求項２９に記載の高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法。
【請求項３１】 前記較正曲線生成ステップが、形状複屈折を有する少なくとも１つのテストサンプルにおいて第１のクリティカルディメンション値の集合を測定するステップと、各第１のクリティカルディメンション値に対して、第１のエリプソメトリー的パラメータ値の集合を生成するために、前記少なくとも１つのテストサンプルを回転することにより、回転角αの領域にわたり、第１のエリプソメトリー的パラメータを測定するステップと、前記第１のエリプソメトリー的パラメータ値の各集合に対して、前記第１のエリプソメトリー的パラメータ値の前記集合により定まる、第１の最大値と第１の最小値との間の差値を表す第１のエリプソメトリー的振幅を求めるステップと、前記較正曲線を生成するために、前記第１のエリプソメトリー的振幅を、前記第１のクリティカルディメンション値に相関するステップとから成る、請求項３０に記載の高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法。
【請求項３２】 前記サンプルの回転角αの領域にわたり測定された前記第２のエリプソメトリー的パラメータから、エリプソメトリー的パラメータ値の第２の集合を生成するステップから成る、請求項３１に記載の高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法。
【請求項３３】 第２のエリプソメトリー的パラメータ値の前記集合が、第２のエリプソメトリー的パラメータ曲線を定め、第２のエリプソメトリー的振幅は、前記第２のエリプソメトリー的パラメータ曲線における第２の最大値と第２の最小値との間の差値である、請求項３２に記載の高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法。
【請求項３４】 第２のエリプソメトリー的パラメータ値の前記集合により定まる第２の最大値と第２の最小値との間の差値として、第２のエリプソメトリー的振幅を定めるステップから成る、請求項３２に記載の高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法。
【請求項３５】 前記第１のエリプソメトリー的パラメータおよび前記第２のエリプソメトリー的パラメータが、双方とも、Δである、請求項３１に記載の高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法。
【請求項３６】 前記第１のエリプソメトリー的パラメータおよび前記第２のエリプソメトリー的パラメータが、双方とも、Ψである、請求項３１に記載の高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法。
【請求項３７】 前記第１のエリプソメトリー的パラメータおよび前記第２のエリプソメトリー的パラメータを、回転角αにわたり測定する、請求項３１に記載の高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法。
【請求項３８】 第１のエリプソメトリー的パラメータ値Δ(α)の集合を生成するために、前記第１のエリプソメトリー的パラメータΔおよび前記第１のエリプソメトリー的パラメータΨを、回転角の関数として測定する、請求項３５に記載の高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法。
【請求項３９】 第１のエリプソメトリー的パラメータ値Ψ(α)の集合を生成するために、前記第１および第２のエリプソメトリー的パラメータΨを、回転角αの部分の関数として測定する、請求項３６に記載の高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法。
【請求項４０】 前記第１のエリプソメトリー的パラメータおよび前記第２のエリプソメトリー的パラメータが、エリプソメトリー的パラメータΔおよびエリプソメトリー的パラメータΨから成る、請求項３４に記載の高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法。
【請求項４１】 前記較正曲線が、第１の較正曲線および第２の較正曲線から成る、請求項４０に記載の高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法。
【請求項４２】 前記第１の較正曲線を、前記第１のエリプソメトリー的パラメータΔに対して生成し、前記第２の較正曲線を、前記第１のエリプソメトリー的パラメータΨに対して生成する、請求項４１に記載の高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法。
【請求項４３】 前記エリプソメトリー的パラメータΔおよびΨを、回転角αにわたり測定する、請求項４０に記載の高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法。
【請求項４４】 前記第１および第２のエリプソメトリー的パラメータの集合を生成するために、前記エリプソメトリー的パラメータΔおよびΨを、それぞれ前記回転角αにわたり測定する、請求項４０に記載の高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法。
【請求項４５】 前記第２の振幅が、Δ(α)振幅およびΨ(α)振幅から成る、請求項１４に記載の高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法。
【請求項４６】 前記第２の振幅のΔ(α)振幅およびΨ(α)振幅を、それぞれ前記第１の較正曲線および前記第２の較正曲線に対するインデックスとして使用して、対応するクリティカルディメンション値を求める、請求項４４に記載の高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法。
【請求項４７】 Δ(α)振幅およびΨ(α)振幅に対応するクリティカルディメンション値を平均化して、形状複屈折を有する構造のクリティカルディメンションを求める、請求項４６に記載の高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法。
【請求項４８】 楕円偏光された反射光を生成するために、前記サンプルの前記選択された領域上に、直線偏光された入射光を集束し、次いで、前記楕円偏光された反射光の前記第２のエリプソメトリー的パラメータを測定することにより、前記第２のエリプソメトリー的パラメータを、高い横方向分解能で測定する、請求項２１に記載の装置を使用して高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法。
【請求項４９】 前記サンプルが、形状複屈折を示す集積回路装置である、請求項２１に記載の高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、第１の発明では、形状複屈折を有する表面特徴を測定するためのシステムに関し、第２の発明では、形状複屈折を有する特徴サイズを測定するための方法に関し、第３の発明では、高い横方向分解能で異方性サンプル上でクリティカルディメンションを測定するための装置に関し、第４の発明では、高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法に関する。
【０００２】本発明は、測定システムおよび方法に関し、詳細には、半導体装置におけるサブクォーターミクロン（Sub-quarter micron）寸法（ディメンション）を測定するためのシステムおよび方法に関する。これらのディメンションは、クリティカルディメンション(ＣＤ)として周知である。
【０００３】
【従来の技術】半導体製造において、１ミクロンより小さいクリティカルディメンションは、典型的には、トップダウン走査型電子顕微鏡で測定する。有用な測定ツールであるにもかかわらず、走査型電子顕微鏡は、いくつかの欠点を有する。これらの欠点は、なかんずく、測定すべきサンプルを荷電することと、汚染リスクを高めることとを含む。
【０００４】走査型電子顕微鏡(ＳＥＭ)は、原理的に、半導体チップなどの固体の表面の画像および表面の近傍の画像を得るために使用される。サンプルの表面全体にわたり電子ビームを走査することにより、サンプル上のプローブの位置と、たとえばオシログラフなどのイメージング装置上の電子ビームとの間の１対１対応を形成できる。生成された信号は、視覚像を提供するために、輝度変調されている。前述のように、ＳＥＭは、サンプルに電子ビームを照射する必要がある。これは、サンプルに負担をかけ、半導体装置に損傷を与えることもある。さらに、電子ビームは、サンプル上での原子を大量に移動させて、半導体装置の様様な領域を汚染させることもある。
【０００５】ＳＥＭおよび原子力顕微鏡(ＡＦＭ)も、制限されている、何故ならば、これらの技術は、主に、ストラクチャアセンブリではなく、半導体装置の表面上の個別のストラクチャを測定するだけであるからである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】したがって、サブクォーターミクロン測定のための分解能が改善された方法およびシステムの必要性が存在する。さらに、測定すべきサンプルを汚染せずに、このような測定を行うための方法およびシステムの必要性が存在する。さらに、ストラクチャアセンブリにおいてこのような測定を行い、このようにして、測定の統計値を改善する必要性が存在する。このために、本発明は、従来のマイクロエリプソメーターに、回転ステージを設けて、異方性エリプソメーター(ＡＭＥ)(すなわち、回転エリプソメーター)と呼ぶ新規の種類の測定ツールを実現することを提案する。後に説明するように、このようなＡＭＥにより、前述のいずれの欠点も伴わずに、高分解能でサブミクロンストラクチャアセンブリのクリティカルディメンション(ＣＤ)を測定することが可能となる。従来のエリプソメトリーは、当技術分野において良く知られ、サンプルに対して非破壊的で非侵襲的である利点を提供する。従来のエリプソメーターは、表面の光学的パラメータと、表面を被覆する膜の厚さとを測定するために使用される。このために、静止したサンプル上での測定が、行われる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題は、本発明により、第１の発明では、表面特徴を有する表面上に入射する光線を供給するための光線源と、入射光が表面特徴から反射された後、この反射光の特性を測定するための光線検出装置と、入射光が、回転ステージの回転に起因して異なる角度に配向されるように表面を回転するための回転ステージと、表面特徴を測定するために、反射光の特性測定値を処理し、表面特徴を測定するために特性を互いに相関するためのプロセッサとから成る、形状複屈折を有する表面特徴を測定するためのシステムにより解決される。
【０００８】第２の発明では、表面上に表面特徴を有する表面を提供するステップと、第１の偏光を有する光により、表面特徴を照射するステップと、表面特徴から反射された光の反射偏光を測定するステップと、少なくとも１つの新しい回転された位置で、反射光の反射偏光を測定するために、表面を回転することにより、表面特徴を回転するステップと、反射偏光を、表面特徴サイズに相関するステップとから成る、形状複屈折を有する特徴サイズを測定するための方法とにより解決される。
【０００９】第３の発明では、エリプソメトリー的パラメータΔおよびΨを測定するためのエリプソメーターから成り、エリプソメーターは、直線偏光された入射光を、サンプルの選択された領域へ導いて、楕円偏光された反射光を生成し、エリプソメーターは、直線偏光された入射光と、楕円偏光された反射光とを比較して、エリプソメトリー的パラメータΔおよびΨを測定し、さらに、回転軸の中心軸線を中心として、回転角αを変化させるために、サンプルを回転するための、エリプソメーターの下方に配置されている回転ステージから成り、回転軸の中心軸線を、エリプソメーターと位置合せし、エリプソメーターは、エリプソメトリー的パラメータΔおよびΨを、回転角αに相関して、高い横方向分解能でサンプルの選択された領域におけるクリティカルディメンションを求める、高い横方向分解能で異方性サンプル上でクリティカルディメンションを測定するための装置により解決される。
【００１０】第４の発明では、サンプルは、少なくとも１つの材料から成り、形状複屈折を有する表面特徴を有し、第１のエリプソメトリー的振幅の集合を、第１のクリティカルディメンション値の集合に相関する較正曲線を生成するステップであって、それぞれ１つの第１のクリティカルディメンション値が、各第１のエリプソメトリー的振幅に対応するステップと、第２のエリプソメトリー的振幅を求めるために、サンプルを回転することにより、サンプルの、選択された領域で回転角αの領域にわたり、第２のエリプソメトリー的パラメータを測定するステップと、較正曲線から、対応する第１のクリティカルディメンション値を求めるために、第２のエリプソメトリー的振幅をインデックスとして使用して、較正曲線からサンプルの、選択された領域で、クリティカルディメンションを求めるステップとから成る、高い横方向分解能でサンプルにおけるクリティカルディメンションを求めるための方法により解決される。
【００１１】従来のエリプソメトリーと異なり、本発明は、クリティカルディメンション(ＣＤ)を測定するために、エリプソメトリーすなわちＡＭＥを使用する。さらに、本発明は、サンプルを回転する点で、従来のエリプソメトリーを変更している(回転エリプソメトリー)。
【００１２】本発明に係る形状複屈折を有する表面特徴（表面素性）のクリティカルディメンションを測定するためのシステムは、表面特徴を有する表面上に入射光線を供給するための光線源を含む。光線検出装置は、表面特徴から反射された後、入射光線の特性を測定するために設けられている。回転ステージは、入射光が、回転ステージの回転に起因して、異なる角度で配向されるように、表面を回転する。プロセッサは、反射光の特性測定値を処理し、特性を互いに相関して、表面特徴を測定するために設けられている。
【００１３】本発明のシステムの変形実施例では、反射光の特性測定値は、光の複素屈折率と、寸法特徴サイズとの間の関係式により、表面特徴に相関できる。入射光線は、直線偏光された光を含むこともある。反射光線は、楕円偏光された光を含むこともある。光線源および検出装置は、好ましくは、従来のエリプソメーターを含む。反射光の特性測定値は、反射光の特性と、寸法特徴サイズとの間の、実験的に較正された関係式により、表面特徴に相関できる。約２５０ナノメータの長さより短い表面特徴が、有利にも、測定可能である。
【００１４】本発明に係る、形状複屈折を有する特徴のクリティカルディメンションを測定するための方法は、表面上に表面特徴を有する表面を提供するステップと、第１の偏光を有する光により、表面特徴を照射するステップと、表面特徴から反射された光の反射偏光を測定するステップと、少なくとも１つの新しい回転された位置で、反射光の反射偏光を測定するために、表面を回転することにより、表面特徴を回転するステップと、反射偏光を、表面特徴サイズに相関するステップとを含む。
【００１５】本発明の方法では、表面を提供するステップが、表面上に表面特徴を有する半導体装置を提供するステップを含む。第１の偏光を有する光により表面特徴を照射するステップが、直線偏光を有する光により表面特徴を照射するステップを含むこともある。表面特徴からの反射光の反射偏光を測定するためのステップが、反射光のエリプソメトリー的角度ΔおよびΨを測定するステップを含むこともある。少なくとも１つの新しい回転された位置で、反射光の反射偏光を測定するために、表面を回転することによる、表面特徴を回転するステップが、約２０度の小さい増分で、表面を回転することによる、表面特徴を回転するステップを含むこともある。反射偏光を、表面特徴サイズに相関するステップが、反射光の特性を、表面特徴サイズに相関する式を提供するステップを含むこともある。反射光の特性は、好ましくは、偏光角を含む。反射偏光を表面特徴サイズに相関するステップは、表面特徴パターンのための較正データを提供するステップと、表面特徴パターンのための特性曲線を形成するために、較正データに、反射光の特性を相関するステップと、反射光特性を、特性曲線と比較することにより、表面特徴パターンの表面特徴サイズを測定するステップとを含むこともある。反射偏光を、表面特徴サイズに相関するステップは、反射光特性を、表面特徴サイズに相関するために、誘電テンソルを求めるステップを含むこともある。横方向特徴サイズおよび垂直方向特徴サイズを測定するステップを含むこともある。約２５０ナノメータより短い特徴サイズを測定するステップを含むこともある。
【００１６】本発明のこれらおよび他の目的、特徴および利点は、添付の図面を参照して、説明する本発明の実施例の、以下の詳細な説明から明らかである。
【００１７】
【発明の実施の形態】次に、図を参照して、好ましい実施例について詳細な説明を提供する。
【００１８】本発明は、測定装置および方法に関し、より詳細には、半導体装置におけるサブクォーターミクロン（sub-quarter micron）寸法を測定するためのシステムおよび方法に関する。サブミクロンマイクロエレクトロニック装置の製作は、構造表面上の、設計された構造の横方向特徴サイズ(クリティカルディメンション(ＣＤ）)および垂直方向特徴サイズ(厚さ)を測定するための正確な測定技術を必要とする。本発明は、高分解能で、半導体チップなどの構造化された表面の特徴を測定するために、形状複屈折を利用する。本発明は、横方向特徴サイズおよび垂直方向特徴サイズの双方を同時に求めることを可能にするシステムおよび方法を教示している。本発明は、さらに、ストラクチャのアセンブリの測定を可能にし、このようにして、測定の統計値を改善する。測定すべきアセンブリサイズは、サンプル上に集束された光ビームのスポットサイズに依存して、調整できる。横方向分解能は、約１ｎｍのオーダである。
【００１９】ストラクチャが、分子寸法に比して大きく、光の波長に比して小さいサイズを有する、ストラクチャの順序付けされた配置の場合、光学的異方性が、結果として生じる。この物理的現象を、形状複屈折と呼ぶ。サブミクロン世代の現在のマイクロエレクトロニック装置で生じたストラクチャは、このカテゴリーに属する。これは、フォトリソグラフィおよびエッチング技術により生じたコンタクト孔、溝または線は、これらのストラクチャが、光学的等方性を含むにもかかわらず、光学的に異方性であることを意味する。この物理的特性は、しばしば、従来の光学的方法（たとえば、エリプソメトリー（偏光解析）、分光）の使用を、妨害しないまでも、困難にする。
【００２０】本発明は、ストラクチャ、好ましくは、半導体装置上のストラクチャを光学的に測定するための斬新かつ新規の方法およびシステムを提示する。本発明の測定法は、一般に異方性マイクロエリプソメトリー（ＡＭＥ）と呼ばれる。ＡＭＥは、形状複屈折を利用し、横方向特徴サイズおよび垂直方向特徴サイズの双方を求めることを可能にする。ＡＭＥは、無侵襲形高感度測定技術を含むエリプソメトリーのすべての利点を有し、しかも、横方向特徴サイズおよび垂直方向特徴サイズの双方を測定できる。ＡＭＥは、同時にかつ元の位置で、すなわち、ＳＥＭの場合のように汚染または荷電を生じさせずに、製造の間にまたは処理工程の間に、エリプソメトリーの垂直方向感度を使用し、横方向ディメンションの測定に転用する手段も、提供する。
【００２１】たとえば、メモリチップなどの、サブミクロン世代の現在の半導体装置で使用されるストラクチャは、材料特性よりはむしろ、ジオメトリを基礎とする複屈折を示す。これは、光が、測定すべきサンプルの表面上に入射すると、異方性光学システムに変換する。任意の等方性システムの光学特性は、３×３複素誘電テンソルにより完全に表される。このテンソルは、その主軸系の中に、特異屈折率Ｎe1、Ｎe2および通常複素屈折率Ｎoを、その対角線要素として含む。複素値Ｎは、Ｎ＝ｎ＋ｉｋとして定義され、ただし、ｎは、従来の屈折率であり、ｋは、吸収係数である（ｉは、複素数単位である）。各特定のストラクチャに対して、ストラクチャの特徴サイズと、ストラクチャの光学パラメータとの間の量的相関関係が、存在する。たとえば、線および空間ストラクチャの場合、次式により表せる。
【００２２】
Ｎe2−Ｎo2＝ｆ1ｆ2（Ｎ12−Ｎ22）2／（ｆ1Ｎ22＋ｆ2Ｎ12） （１）
ただし、ｆ1＝ｃｄ1（ｃｄ1＋ｃｄ2），ｆ2＝ｃｄ2／（ｃｄ1＋ｃｄ2），ｃｄ1＝線幅（クリティカルディメンション）およびｃｄ2＝線間隔である。Ｎ1は、（通常は等方性である）線材料の複素屈折率であり、Ｎ2は、空間材料の複素屈折率である（たとえば、空気＝１）。任意の線および空間ストラクチャは、光学的に一軸である。これにより、次式の関係が真となる。Ｎe1＝Ｎe2＝Ｎe。式１から、いったん、誘電テンソルの要素を測定すると、クリティカルディメンションを量的に求めることができる。より不規則的ストラクチャ、または一般に他のストラクチャにおいて、対応する式を導出できる。さらに、クリティカルディメンションは、以下に説明する較正法により、求めることができる。当技術分野において良く知られているように、従来のエリプソメトリーは、光学パラメータのための、最も感度の高い測定技術である。エリプソメトリーは、サンプル表面から反射された、直線偏光された光の偏光状態の変化を測定する。反射後、光は楕円偏光される。エリプソメトリーは、２つの量、すなわち、角度Δ、Ψを測定することにより、楕円偏光された光の偏光状態を測定する。良く知られているように、楕円は２つの量により完全に決まる。したがって、偏光状態はΔおよびΨにより完全に決まる。２つの量が各サイクルに対して測定されるので、複素屈折率の実部および虚部の双方とも、等方性系に関して、一回の測定で求めることができる。
【００２３】従来のエリプソメーターは、ΔおよびΨにおいて０．０１度の分解能を有する。典型的な系において、層厚差が１００ｎｍであると、Δの変化は約３６０度である。したがって、オングストロームの領域での垂直方向特徴変化を、検出できる。同じ精度で、光学パラメータを求めることができる。誘電テンソルは、その主軸系の中で、３つの複素数（６つのパラメータ）、すなわち、Ｎe1、Ｎe2およびＮoを含む。したがって、このテンソルを求めるには、少なくとも３つの、独立したエリプソメトリー的測定（３つのΔおよびΨ対）が必要である。これは、エリプソメトリー的測定の間に、オイラー角を変化することにより達成できる。いくつかの図において、同じ参照番号は、類似または同一の要素を示す、図面の特定の詳細を以下に説明するが、まず初めに図１において、オイラー角α，ψは、サンプル表面１０と、エリプソメトリー的入射面とに対する、誘電テンソルの配向を表す。前述のように、誘電テンソルは、屈折率Ｎo、Ｎe1、Ｎe2を含む。オイラー角αサンプルは、その表面垂線を中心としてサンプルを回転することにより変化できる。付加的に、使用エリプソメーターの偏光子の方位角を変化できる。
【００２４】図１、２および３において、２つの異なるサンプルに対する、表面垂線（角度α）を中心とする、サンプルの回転の関数としての、対応するΔ／度（デルタ）の測定が、図２に例示的に示されている。
【００２５】従来のエリプソメトリーに比して、開示するＡＭＥ法の原理を説明するために、図２Ａは、何らかの特徴もない（すなわち、均一の等方性表面の）サンプル上のエリプソメトリー的測定を示す。この場合、エリプソメトリー的測定可能パラメータΔおよびΨは、角度αを中心とする、サンプルの回転に依存しない。これは、従来のエリプソメトリーの場合である。したがって、従来のエリプソメトリーでは、サンプルは全く回転せず、ΔおよびΨの測定は、１つの固定角のみで行われる。
【００２６】反対に、図２Ｂに示されている線および区間ストラクチャの場合、回転角αに依存する、ΔおよびΨの正弦曲線状の変化が生じる。これは、このストラクチャの形状複屈折に起因する。これは、ＡＭＥの場合である。これらのΔ（α）およびΨ（α）曲線の解析は、ストラクチャの異方性光学パラメータ（誘電テンソル）を完全に決めることを可能にする。これらの光学パラメータ（誘電テンソル）は、式１により例示されているように、クリティカルディメンションに相関されている。したがって、形状複屈折を示すΔ（α）およびΨ（α）曲線のＡＭＥ測定は、そのクリティカルディメンションを決めることを可能にする。
【００２７】図３は、異なるＣＤを有する、（たとえば、形成されたレジストの中に、互いに平行な線を有するメモリチップ内のゲートコンダクタＧＣなどの）３つの異なる線および空間ストラクチャのためのこのようなΔ（α）およびΨ（α）を示す。異なるチップにおけるＣＤは、チップＦ＝２２４ｎｍ、チップＥ＝２８０ｎｍであり、ピッチは、すべての場合に一定である（４４０ｎｍ）。これらのチップおよび寸法は例にすぎず、比較のために本発明の示すを示すために使用される。
【００２８】測定は、分光学的エリプソメーターを適用して行われた。サンプルを、２０度ステップで、ステージ上で回転した。この回転は、角度αにより表される。すべてのＣＤにおいて、αの関数としてのΔおよびΨの大きい変化が観察された。この変化は、Δにおいて１００度の領域をカバーし、Ψにおいて３０度の領域をカバーし、これは、エリプソメーターの分解能が０．０１であることを考慮すると、非常に大きい。
【００２９】図示のΔ（α）曲線およびΨ（α）曲線は、３つの量、すなわち、平均値、振幅、および位相により特徴付けできる。当技術分野において良く知られているように、たとえば二乗適合の和などの従来の適合法により、誘電テンソルの要素を、これらの曲線を使用して、求めることができる。このために、当技術分野において良く知られている、一般化エリプソメトリー（ＧＥ）を、適用できる。たとえば、A. Michaelis and J. W. Schlutze,"Thins Solid Films"274(1996)82-94の詳細な数学的説明を参照されたい。このテンソル変換は、１つ以上のプログラミングされたプロセッサを使用して実施できる。プロセッサは、変換を実施するためのソフトウェアプログラムを含むことも可能である。この量的アプローチにより、誘電テンソルを求めることが可能となる。したがって、横方向特徴サイズおよび垂直方向特徴サイズ（ＣＤおよび厚さ）の双方を、式１を使用して、導出できる。
【００３０】ストラクチャのジオメトリに依存して、サブナノメートル領域内の精度を推定できる。あるいは、誘電テンソルを量的に求めずに、本発明の方法は、較正アプローチ法をとる場合、使用できる。このために、テストストラクチャのＣＤ値は、（たとえばＳＥＭ、ＡＦＭなどを使用して）独立した方法により、測定する。次いで、これらの値を、対応する振幅および／またはΔおよびΨ曲線の最大値および最小値と相関させる。
【００３１】図４において、例示する較正曲線が、図３のＧＣ線ストラクチャの上記の場合に対して、示されている。これらの曲線から、サブナノメートル領域内のＣＤ分解能を、ΔおよびΨにおける０．０１度のエリプソメトリー的分解能を考慮して、推定できる。あるいは、較正曲線は、エリプソメトリー的スペクトルから直接に形成できる。このために、ΔスペクトルおよびΨスペクトルにおける特徴的ピークを、選択しなければならない。次いで、このピークの波長シフトを、ＣＤ変化への依存により求める。対応する曲線が形成され、図５に示されている。このアプローチ法の分解能は、分光学的測定装置の制限されている波長分解能に起因して、僅かに低い。上記図に示されている例示的な例における元のスペクトルが、図６および図７に示されている。
【００３２】図８において、高い横方向分解能でサンプル２６上の内部フィルム応力を測定するための装置２０が示されている。装置２０は、エリプソメーターおよび回転ステージ２２から成る。回転ステージ２２は、回転軸の中心線を中心として、回転角αを変化するために、サンプルを回転するためのエリプソメーターの下方に回転可能に配置されている。エリプソメーターは、楕円偏光された反射光を生成するために、直線偏光された入射光を、サンプル２６の選択された領域上に導くことにより、エリプソメトリー的パラメータΔおよびΨを測定する。エリプソメーターは、直線偏光入射光と、前記楕円偏光反射光を比較して、エリプソメトリー的Δ値およびΨ値を測定する。従来のエリプソメーターとは対照的に、装置２０は、サンプル回転角αの関数として、エリプソメトリー的パラメータΔ（α）曲線およびΨ（α）曲線を測定できる。
【００３３】エリプソメーターは、光源２８（たとえば、レーザービーム、モノクロメーター、ポリクロメーター、ダイオード検出器アレイなど）、偏光子６０６、集束装置６０８、ｘ−ｙ−ｚステージ２４、顕微鏡６１０、回転検光子６１２、および制御装置３４から成る。光源２８は、レーザービーム、光ビーム、または任意のタイプの光などの入射光を生成する。特に、波長を調整できる光源を、分光学的方法を実施するために、使用できる。偏光子６０６は、入射光を受け取って、直線偏光する。レンズなどの集束装置６０８は、光を受け取り、直線偏光された光を集束して、サンプル２６の表面上に、高い横方向分解能を提供し、計算する。サンプル２６は、ｘ−ｙ−ｚステージ２４上に配置され、ｘ−ｙ−ｚステージ２４は、サンプル２６の位置をｘ、ｙおよびｚ方向に変化する。顕微鏡６１０は、クリティカルディメンションを求めるために、サンプル２６の領域を選択するために、回転ステージ２２の回転の中心に位置合せされている。
【００３４】図６において、集束され、直線偏光された入射光は、サンプル２６の選択された領域に導かれ、次いで、サンプル２６から反射されて、楕円偏光された反射光を生成する。回転検光子６１２は、楕円偏光された反射光を受け取り、偏光状態を強度変化に変換する。この強度信号の解析により、エリプソメトリー的パラメータΔおよびΨを求めることができる。検出器３２は、回転検光子を経た反射光を受け取り、光強度を検出して、光強度に関して、エリプソメトリー的パラメータΔおよびΨを生成する。制御装置３４は、検出器３２、回転検光子６１２、ｘ−ｙ−ｚステージ２４、または回転ステージ２２に結合されて、これらの装置を協調させる。制御装置すなわちＣＰＵ３４は、検出器３２からエリプソメトリー的パラメータΔおよびΨを受け取って、回転角αに相関させて、サンプル２６の選択された領域におけるクリティカルディメンション（ＣＤ）を求める。この構成により、サンプル２６の任意の位置を選択することが可能となり（すなわちマッピング）、サンプル２６を、エリプソメトリー的位置合せに影響を与えずに、回転することが可能となる。さらに、入射角および偏光子角度は、調整可能である。エリプソメーターの下にサンプルをこのように回転することにより、装置２０は、エリプソメトリー的パラメータΔおよびΨ、および、エリプソメトリー的パラメータ曲線Δ（α）およびΨ（α）を測定することが可能となり、このようにして、上記技術を使用して、サンプル２６上のクリティカルディメンションを求めることが可能となる。
【００３５】図９において、サンプル上の横方向表面特徴を測定する方法は、次のステップを含む。ブロック４０で、サンプルは、回転ステージ上に取付けられる。ブロック４２で、光線が、サンプルに入射され、そこから、好ましくはエリプソメーターにより反射される。ブロック４４で、反射光が測定され、特性が記録される。ブロック４６で、ステージは、前もって定められた量だけ、さらに回転され、付加的データが収集される。このプロセスは、誘電テンソルを求めるのに、または、データを特徴付けるのに充分なデータが蓄積されるまで、繰り返され、式１を使用して、表面特徴にデータを相関させる。
【００３６】図１０において、代替的測定方法において、ブロック４８は、次のステップを含む。ブロック５０は、較正ステップを含み、データが、異なる測定技術、たとえばＡＦＭまたはＳＥＭなどをテストストラクチャに使用して、収集される。表面特徴はマッピングされ、信号応答は、ブロック５２のＡＭＥを同一のテストストラクチャに使用して、反射光に対して記録される。ブロック５４で、ＡＭＥΔ（α）およびΨ（α）曲線、特に、これらの曲線の振幅値および平均値が、異なる測定技術により収集された表面特徴と比較される。このようにして、ＡＭＥにより提供される信号応答は、特徴サイズの実際の測定値に相関され、較正曲線が、ブロック５６で生成される。
【００３７】次いで、ブロック５８で、ＡＭＥが未知のＣＤの任意の構造に適用されて、較正曲線がＣＤを求めるのに使用される。較正は、テストストラクチャについて一度だけ行えばよいことに注意されたい。次いで、任意の同様のストラクチャを測定できる。エリプソメトリーは、既に、生産ラインで確立され、本発明は、従来のエリプソメトリーを基礎とする。マイクロスポットオプションを有する任意のエリプソメーターが、回転ステージを加えると、使用可能となる。しかしながら、位置合せおよびデータ収集手順は、変更しなければならない。量的解析のために、データを処理するソフトウェアを、全く新たに開発することもある。本方法は、高い局所的分解能でオンラインに適用でき、それは、非侵襲的である。
【００３８】サブクォーターミクロンの領域内で、横方向表面特徴および垂直方向表面特徴を測定するための、新規のシステムおよび方法のための、（例示的であり、制限的ではない）好ましい実施例を説明したが、前述の教示を斟酌して当業者は、変更および変形を行うことができる。したがって、添付の請求の範囲により定められる、本発明の範囲および精神内にある、開示されている、本発明の特定の実施例を変形することができる。このようにして、本発明を、詳細および具体的に説明した。
【出願人】 【識別番号】３９００３９４１３
【氏名又は名称】シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト
【氏名又は名称原語表記】ＳＩＥＭＥＮＳ ＡＫＴＩＥＮＧＥＳＥＬＬＳＣＨＡＦＴ
【出願日】 平成１１年１２月２日（１９９９．１２．２）
【代理人】 【識別番号】１０００６１８１５
【弁理士】
【氏名又は名称】矢野 敏雄 （外２名）
【公開番号】 特開２０００−１７１２１２（Ｐ２０００−１７１２１２Ａ）
【公開日】 平成１２年６月２３日（２０００．６．２３）
【出願番号】 特願平１１−３４３４９１