JP2001280920A - 膜厚測定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 目的薄膜を含む測定領域内の分光反射スペク
トルから対象外薄膜の成分を除去することにより、測定
領域より狭い線幅を有する目的薄膜の膜厚を正確に測定
することができる。 【解決手段】 膜厚測定の対象である目的薄膜と、膜厚
測定の対象外である対象外薄膜とを含む測定領域内から
の分光反射スペクトルを測定するステップＳ１と、分光
反射スペクトルから目的薄膜の成分だけを抽出分光反射
スペクトルとして抽出するステップＳ４と、抽出分光反
射スペクトルに基づき目的薄膜の膜厚を算出するステッ
プＳ５とを実施する。対象外薄膜の成分を除去した抽出
分光反射スペクトルに基づき目的薄膜だけの膜厚を算出
することにより、測定領域よりも狭い線幅である目的薄
膜だけの膜厚を求めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、円形の半導体ウエ
ハやガラス基板（以下、単に基板と称する）に対して光
を照射し、基板からの反射光に基づき基板上に形成され
た薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法及びその装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体製造プロセスにおいてはパ
ターンの微細化が進み、例えば、０．１μｍ台の線幅で
薄膜のパターンが形成され始めている。プロセスにおい
ては膜厚管理も重要視されているが、現状の光干渉式膜
厚測定装置では、０．５μｍ以下のパターンについて
は、その測定領域の大きさよりも線幅が極めて狭いので
パターンを形成している薄膜の膜厚を測定できていな
い。

【０００３】そのためＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用
いた断面検査を行って膜厚を測定することも行われてい
るが、測定のために基板を破壊する必要がある。そこ
で、現在は、基板に形成されているＴＥＧ（テストエレ
メントグループ）パターン内に、光干渉式膜厚測定装置
の測定領域と少なくとも同等の面積を有する膜厚測定用
の領域を形成しておき、この部分の膜厚を測定して、こ
れを製品パターンにおける目的薄膜の膜厚とすることが
行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成を有する従来例の場合には、次のような問題が
ある。すなわち、実際に測定したいのは製品パターン内
にある目的薄膜の膜厚であって、ＴＥＧパターン内のも
のではない。

【０００５】ＴＥＧパターン内に形成された膜厚測定用
の領域は、同一基板上であっても製品パターンとは異な
る位置にあることや、異なるパターンが形成されている
ので、特にＣＭＰ（化学機械研磨）工程で発生している
ディッシングやエロージョンなどの影響を大きく受け、
ＴＥＧパターン内の膜厚をもって製品パターンにおける
目的薄膜の膜厚とすると不正確になるという問題があ
る。

【０００６】ＣＭＰ工程においては、パターンの線幅と
その間隔（Line & Spaceを略してL&S と称する）の影響
を大きく受ける。例えば、パターンが密な領域と粗な領
域とでは一般的に粗な領域の方が密な領域に比較して研
磨が早く進むことになって研磨度合いが大きく異なる。
そのため製品パターンとＴＥＧパターンとでは全くパタ
ーンが異なるので、ＴＥＧパターンから製品パターンに
おける目的薄膜の膜厚を推定することは正確さに欠ける
のである。

【０００７】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、目的薄膜を含んだ測定領域内の分光反
射スペクトルから対象外薄膜の成分を除去することによ
り、測定領域より狭い線幅を有する目的薄膜の膜厚を正
確に測定することができる膜厚測定方法及びその装置を
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような目
的を達成するために、次のような構成をとる。すなわ
ち、請求項１に記載の膜厚測定方法は、薄膜が形成され
た基板からの反射光に基づき膜厚を測定する膜厚測定方
法であって、膜厚測定の対象である目的薄膜と、膜厚測
定の対象外である対象外薄膜とを含む測定領域内からの
分光反射スペクトルを測定する測光過程と、を含んだ測
定領域内からの分光反射スペクトルを測定する測光過程
と、前記分光反射スペクトルから目的薄膜の成分だけを
抽出分光反射スペクトルとして抽出する抽出過程と、前
記抽出分光反射スペクトルに基づき前記目的薄膜の膜厚
を算出する算出過程と、を実施することを特徴とするも
のである。

【０００９】また、請求項２に記載の膜厚測定方法は、
膜厚測定の対象である目的薄膜が形成された基板の表面
を覆う膜厚測定の対象外である対象外薄膜を所定量だけ
除去して、基板上に目的薄膜および対象外薄膜とを含む
層を露出させる過程で、基板上の目的薄膜の膜厚を測定
する膜厚測定方法において、前記層内の目的薄膜および
対象外薄膜を含む大きさを有する測定領域内からの分光
反射スペクトルを測定する測定過程と、測定領域内の分
光反射スペクトルと、対象外薄膜の分光反射スペクトル
とを比較する比較過程と、比較過程で測定領域内の分光
反射スペクトルと対象外薄膜の分光反射スペクトルとが
不一致である場合に、測定領域内からの分光反射スペク
トルから目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトル
として抽出する抽出過程と、抽出分光反射スペクトルに
基づき目的薄膜の膜厚を算出する算出過程と、を実施す
ることを特徴とするものである。

【００１０】また、請求項３に記載の膜厚測定方法は、
請求項１または２に記載の膜厚測定方法において、前記
抽出過程では、対象外薄膜の分光反射スペクトルに対し
て、目的薄膜と対象外薄膜との線幅比に応じた補正係数
を乗じるとともに、前記対象外薄膜の分光反射スペクト
ルに付加されているオフセットを加算し、この成分を前
記目的薄膜の分光反射スペクトルから減算することに基
づき前記抽出分光反射スペクトルを抽出するようにした
ことを特徴とするものである。

【００１１】また、請求項４に記載の膜厚測定装置は、
薄膜が形成された基板からの反射光に基づき膜厚を測定
する膜厚測定装置において、膜厚測定の対象である目的
薄膜と、膜厚測定の対象外である対象外薄膜とを含む測
定領域内からの分光反射スペクトルを測定する測光手段
と、前記分光反射スペクトルから目的薄膜の成分だけを
抽出分光反射スペクトルとして抽出する抽出手段と、前
記抽出分光反射スペクトルに基づき前記目的薄膜の膜厚
を算出する算出手段と、を備えたことを特徴とするもの
である。

【００１２】また、請求項５に記載の膜厚測定装置は、
膜厚測定の対象である目的薄膜が形成された基板の表面
を覆う膜厚測定の対象外である対象外薄膜を所定量だけ
除去して、基板上に目的薄膜および対象外薄膜とを含む
層を露出させる過程で、基板上の目的薄膜の膜厚を測定
する膜厚測定装置において、前記層内の目的薄膜および
対象外薄膜を含む大きさを有する測定領域内からの分光
反射スペクトルを測定する測光手段と、測定領域内の分
光反射スペクトルと、対象外薄膜の分光反射スペクトル
とを比較する比較手段と、比較過程で測定領域内の分光
反射スペクトルと対象外薄膜の分光反射スペクトルとが
不一致である場合に、測定領域内からの分光反射スペク
トルから目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトル
として抽出する抽出手段と、抽出分光反射スペクトルに
基づき目的薄膜の膜厚を算出する算出手段と、を備えた
ことを特徴とするものである。

【００１３】また、請求項６に記載の膜厚測定装置は、
請求項４または５に記載の膜厚測定装置において、前記
抽出手段では、対象外薄膜の分光反射スペクトルに対し
て、目的薄膜と対象外薄膜との線幅比に応じた補正係数
を乗じるとともに、前記対象外薄膜の分光反射スペクト
ルに付加されているオフセットを加算し、この成分を前
記目的薄膜の分光反射スペクトルから減算することに基
づき前記抽出分光反射スペクトルを抽出するようにした
ことを特徴とするものである。

【００１４】

【作用】請求項１に記載の発明の作用は次のとおりであ
る。まず、膜厚測定の対象である目的薄膜と対象外薄膜
とを含む測定領域内からの分光反射スペクトルを測定
し、次いで目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクト
ルとして抽出する。このようにして対象外薄膜の成分を
除去した抽出分光反射スペクトルに基づき目的薄膜だけ
の膜厚を算出する。

【００１５】また、請求項２に記載の発明によれば、膜
厚測定の対象である目的薄膜が形成された基板の表面を
覆う膜厚測定の対象外である対象外薄膜を所定量だけ除
去して、基板上に目的薄膜および対象外薄膜とを含む層
を露出させる過程で、基板上の目的薄膜の膜厚を測定す
る場合には、対象外薄膜が除去できているか否かを、対
象外薄膜の分光反射スペクトルのプロファイルと比較す
ることで判断することができる。その比較の結果、プロ
ファイルが一致しなかった場合には対象外薄膜が除去さ
れていると判断されるので、抽出過程へと移行する。

【００１６】なお、『露出する過程』とは、例えば図１
０に示すように対象外薄膜が目的薄膜上に薄く残ってい
る状態と、対象外薄膜が完全に除去されて目的薄膜が露
出した状態の両方を含む。

【００１７】また、請求項３に記載の発明によれば、抽
出分光反射スペクトルは、線幅比に応じた補正係数を対
象外薄膜の分光反射スペクトルに乗じ、さらにオフセッ
トを加算し、この成分を測定領域内の分光反射スペクト
ルから減算することに基づき求められる。

【００１８】また、請求項４に記載の発明によれば、ま
ず、測光手段が目的薄膜と対象外薄膜とを含む測定領域
内からの分光反射スペクトルを測定し、次いで抽出手段
が目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトルとして
抽出する。このようにして目的薄膜以外の対象外薄膜成
分を除去した抽出分光反射スペクトルに基づいて、算出
手段が目的薄膜だけの膜厚を算出することができる。

【００１９】また、請求項５に記載の発明によれば、膜
厚測定の対象である目的薄膜が形成された基板の表面を
覆う膜厚測定の対象外である対象外薄膜を所定量だけ除
去して、基板上に目的薄膜および対象外薄膜とを含む層
を露出させる過程で、基板上の目的薄膜の膜厚を測定す
る場合には、対象外薄膜の分光反射スペクトルのプロフ
ァイルと測光手段で測定された分光反射プロファイルと
を比較手段が比較することにより、不要な対象外薄膜が
除去できているか否かを判断することができる。その比
較の結果、プロファイルが一致しなかった場合には対象
外薄膜が除去されていると判断されるので、抽出手段に
よる抽出へと移行する。

【００２０】また、請求項６に記載の発明によれば、抽
出手段は、線幅比に応じた補正係数を対象外薄膜の分光
反射スペクトルに乗じ、さらにオフセットを加算し、こ
の成分を測定領域の分光反射スペクトルから減算するこ
とに基づき抽出分光反射スペクトルを求める。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施例を説明する。図１は本発明に係る光干渉式膜厚測
定装置の概略構成を示したブロック図である。

【００２２】膜厚測定の対象である目的薄膜が形成され
た基板Ｗは、図示しない移動機構により水平面内で移動
可能に構成されたステージ１に載置されている。このス
テージ１の上方には、光源部３が配備されており、この
光源部３から横向きに射出された光はビームスプリッタ
５により下方に反射されて対物レンズ７を通り、基板Ｗ
に対して照射される。対物レンズ７を通して基板Ｗに光
が照射される範囲内の所定範囲が本発明における測定領
域に相当し、その大きさは、対物レンズ７の倍率と後述
のプレート１１ａに形成されたピンホールの大きさによ
り決定されるもので、概ね数十μｍ径である。

【００２３】光源部３は、ハロゲンランプまたはハロゲ
ンランプ及び重水素ランプを備えたランプ３ａと、複数
個のレンズ３ｂとを備えており、可視光または紫外光を
含んだ可視光を射出する。なお、測定対象の目的薄膜の
膜厚や膜種によってはランプ３ａを重水素ランプだけで
構成して紫外光だけを射出するようにしてもよい。

【００２４】基板Ｗの表面からの反射光は、再び対物レ
ンズ７を通るとともに、その上方の光軸上に配備された
ビームスプリッタ５を透過し、その上方に配備されてい
るチューブレンズ９により集光されて分光ユニット１１
に入射される。

【００２５】また、分光ユニット１１とチューブレンズ
９の間には、プリズム１３が配備されており、基板Ｗか
らの反射光の一部を取り出すようになっている。取り出
された反射光の一部は撮像ユニット１５に導かれ、レン
ズ１５ａを介して所定位置に集光される。集光位置には
撮像素子１５ｂが配設されており、測定領域に対応した
画像信号が画像処理部１７に出力される。

【００２６】画像処理部１７は、入力された画像信号に
所定の処理を施してＩ／Ｏ２１に出力する。出力された
画像信号は、ＣＰＵやメモリを内蔵した制御部２３の制
御の下でディスプレイ装置２５に出力される。測定者
は、このようにして表示される画像を見ながら、操作部
２７を操作してステージ１を移動させ、基板Ｗ表面の所
望の位置に測定領域を設定して膜厚測定を行うようにな
っている。

【００２７】分光ユニット１１は、反射光の入射位置に
ピンホールが形成されたプレート１１ａと、このプレー
ト１１ａの上方に配備されて反射光を分光する凹面回折
格子１１ｂと、この凹面回折格子１１ｂによって分光さ
れた回折光の分光光強度を検出する光検出器１１ｃとを
備えている。光検出器１１ｃは、例えば、フォトダイオ
ードアレイやＣＣＤなどにより構成されており、プレー
ト１１ａに形成されているピンホールと共役な関係に配
置されている。したがって、分光ユニット１１に入射し
た反射光は、凹面回折格子１１ｂで分光され、この光の
分光光強度に対応した信号が光検出１１ｃから分光反射
スペクトルとしてデータ処理部１９に出力される。

【００２８】なお、分光ユニット１１が本発明における
測光手段に相当する。

【００２９】データ処理部１９は、詳細は後述するが、
操作部２７を介しての測定者の指示に基づく制御部２３
からの制御信号に応じて処理を行う。具体的には、分光
反射スペクトルに基づき基板Ｗに被着された目的薄膜の
分光反射スペクトルだけを抽出するとともに、この抽出
分光反射スペクトルに基づいて目的薄膜の膜厚を算出す
る等の処理を行う。このようにして求められた目的薄膜
の膜厚は、ディスプレイ装置２５に表示される。

【００３０】また、データ処理部１９は、目的薄膜とは
異なる対象外薄膜の分光反射スペクトルを記憶してお
り、このプロファイルと、測定した分光反射スペクトル
のプロファイルとを比較して、ほぼ同じであった場合に
は目的薄膜の膜厚測定ができない状態であると判断し
て、データ処理を中断するとともにディスプレイ装置２
５にその旨を表示するようにもなっている。または、対
象外薄膜だけの分光反射スペクトルと分光反射スペクト
ルとのプロファイルを比較して、これらが一致しない場
合には、対象外薄膜が目的薄膜を覆っていない状態であ
ると判断して膜厚測定のためのデータ処理を実施する。
上記の比較の対象となる対象外薄膜の分光反射スペクト
ルは、予め実際に測定しておいてもよく、理論的な計算
から求められたスペクトルを用いてもよい。

【００３１】なお、データ処理部１９は、本発明におけ
る抽出手段及び算出手段に相当するとともに比較手段に
も相当する。

【００３２】次に、図２のフローチャートを参照しなが
ら説明する。なお、図２は、本発明に係る膜厚測定方法
の流れを示したフローチャートである。

【００３３】また、基板Ｗは、図３の測定領域Ｒにおけ
る薄膜の状態を示した平面図及び縦断面図に示すよう
に、一例としてシリコン基板Ｗａの上に目的薄膜である
酸化膜Ｆ１が形成され、その上にタンタルナイトライド
(TaN) などのバリアメタル膜Ｆ２が被着され、さらにそ
の上に銅配線用の対象外薄膜である銅膜Ｆ３が被着され
ているものとする。そして、基本的には、図３（ｂ）に
示すように銅膜Ｆ３をバリアメタル膜Ｆ２とともに研磨
処理し、図３（ｃ）に示すような状態まで研磨処理を施
した後に酸化膜Ｆ１の膜厚測定を行うようになってい
る。但し、場合によっては図３（ｃ）の状態にまで至っ
ていない場合もありうる。

【００３４】なお、本実施例では、図３（ｃ）に示す研
磨処理後の膜厚測定において、対象外薄膜を銅膜Ｆ３と
してこの成分を分光反射スペクトルから除去するが、バ
リアメタル膜Ｆ２の成分は除去しない。これは、バリア
メタル膜Ｆ２の線幅ｄ３が酸化膜Ｆ１の線幅ｄ１や銅膜
Ｆ３の線幅（ｄ２−ｄ３×２）と比較して極めて細く影
響が少ないためである。

【００３５】ステップＳ１（測光過程） まず、測定者は研磨処理を終えた基板Ｗをステージ１に
載置し、ディスプレイ装置２５に映し出される測定領域
Ｒの画像を見ながら、操作部２７を操作してステージ１
を移動させることにより所望の位置に測定領域Ｒを位置
させる。

【００３６】そして、所望の位置に移動した場合には、
操作部２７を介して測定開始の指示を行う。すると、測
定領域Ｒからの分光反射スペクトルが分光ユニット１１
からデータ処理部１９に与えられる。図４は、このよう
にして測定された分光反射スペクトルの一例を示したグ
ラフである。なお、この図４の分光反射スペクトルは、
図３（ａ）に示した酸化膜Ｆ１の幅ｄ１と、酸化膜Ｆ１
同士の間隔ｄ２との線幅比（L&S ）が１μｍ：１μｍ等
の５０：５０の基板Ｗから得られたものである。

【００３７】ステップＳ２（比較過程） データ処理部１９は、測定した分光反射スペクトルと、
予め記憶しておいた対象外薄膜である銅膜Ｆ３の分光反
射スペクトルとを比較し、この結果に応じて処理を分岐
する。

【００３８】すなわち、このステップＳ２では、図３
（ｂ）の状態から研磨処理が進み、図３（ｃ）のように
研磨処理が完了して目的薄膜である酸化膜Ｆ１が表面に
露出した状態であるか否かを判断するのである。研磨処
理が完了していない場合には、測定した分光反射スペク
トルが対象外薄膜Ｆ３の分光反射スペクトル（図５）と
一致するので、ステップＳ３に戻って研磨処理を行った
後にステップＳ２に戻り、処理が完了している場合には
それらが不一致となるので、次のステップＳ４に移行す
る。

【００３９】なお、銅膜Ｆ３のみの分光反射スペクトル
は、図５に示すように、長波長側に向かうにつれて徐々
に反射比率が上昇するとともに５５０ｎｍ付近で急激に
上昇し、その後、６００ｎｍ付近で緩やかな上昇カーブ
を描くようになっている。本実施例では、処理の簡略化
を図るために、波長４００〜５５０ｎｍまでの分光反射
スペクトルのプロファイルと、測定した分光反射スペク
トルのプロファイルとを比較するようにしている。ま
た、後述する抽出処理においてもこの波長範囲だけを対
象にして処理を行っているが、比較処理や抽出処理にお
いて全波長範囲を対象に処理を行うようにしてもよい。

【００４０】このように基板Ｗの表面全体を銅膜Ｆ３で
覆った後に酸化膜Ｆ１の膜厚を測定する場合には、不要
な銅膜Ｆ３が除去できているか否かを、銅膜Ｆ３の分光
反射スペクトルのプロファイルと比較することで判断す
ることができる。その比較の結果、プロファイルが一致
しなかった場合には銅膜Ｆ３が除去されていると判断さ
れるので抽出処理へと移行することで、酸化膜Ｆ１の膜
厚測定を適切に行うことができるようになっている。

【００４１】ステップＳ４（抽出過程） ここでは、ステップＳ２において測定された分光反射ス
ペクトルから対象外薄膜である銅膜Ｆ３による成分を除
去して目的薄膜である酸化膜Ｆ１の成分だけを抽出す
る。

【００４２】具体的には、次の（１）式によって抽出分
光反射スペクトルＦ（λ）を算出する。なお、式中の記
号λは４００〜５５０（あるいは８００）ｎｍであり、
Ｍ（λ）は測定領域における分光反射スペクトルであ
り、Ｎ（λ）は対象外薄膜の分光反射スペクトルを表し
ている。また、ｋは目的薄膜のL&S に応じた補正係数で
あり、f(offset) は反射比率オフセットを表している。

【００４３】 ΣＦ（λ）＝Σ｛Ｍ（λ）−Ｎ（λ）・ｋ＋f(offset) ｝ ………（１）

【００４４】この（１）式により、ステップＳ１で測定
した分光反射スペクトルＭ（λ）から、対象外薄膜であ
る銅膜Ｆ３の分光反射スペクトルＮ（λ）を差し引いて
抽出分光反射スペクトルＦ（λ）とするのである（イメ
ージ的には、図４から図５を引く）。但し、目的薄膜の
線幅比であるL&S によって銅膜Ｆ３の影響が異なるの
で、その分を補正係数ｋで補う。因みに、補正係数ｋ
は、材料が銅の場合であって線幅比が５０：５０の場合
は発明者等の種々の実験により『０．７』程度が好まし
いことが判っている。なお、本実施例における分光反射
スペクトルＭ（λ），Ｎ（λ）は、シリコン基板Ｗａに
対する相対反射率である。

【００４５】また、銅膜Ｆ３を含む基板Ｗ面の分光反射
率スペクトルから銅膜Ｆ３の成分を除去するが、発明者
等が実験を繰り返した結果、差分をとると全体的に分光
反射比率方向（上下方向）にシフトする傾向があること
がわかった。そこで、銅膜Ｆ３の分光反射スペクトルに
付加されている成分を補償するために、経験的な値であ
るオフセットf(offset) を加えることにした。なお、本
実施例では、波長に係わらず補正係数ｋもオフセットf
(offset) も一定としているが、波長に応じて変えるよ
うにしてもよい。

【００４６】因みに、図６は、上記の（１）式により図
４から図５の成分を除去して求めた抽出分光反射スペク
トルである。なお、上述した理由から、この場合に有効
なのは二点鎖線で示した波長５５０ｎｍ以下である。ま
た、図７は、上記のようにして測定対象とした基板Ｗに
形成されている酸化膜Ｆ１と同じ膜厚を有し、測定領域
Ｒよりも十分に幅の広い酸化膜を対象にして測定した分
光反射スペクトルの一例である。この図６と図７とを波
長４００〜５５０ｎｍの範囲内で比較すると、プロファ
イルがほぼ一致していることが判る。

【００４７】ステップＳ５（算出過程） 上記のようにして求めた抽出分光反射スペクトルＦ
（λ）に基づいて酸化膜Ｆ１の膜厚を算出する。

【００４８】具体的には、抽出分光反射スペクトルＦ
（λ）のプロファイルと、膜厚が既知である種々の膜厚
の酸化膜が被着された基板を対象に膜厚測定を行い、そ
の結果得られた各膜厚に対応する分光反射スペクトルの
プロファイルとを比較することによって膜厚を決定す
る。分光反射スペクトルは、膜種が同一であって厚さが
異なると、図８に示すように膜厚に応じてプロファイル
が変わる。なお、図８（ａ）は最も膜厚が薄く、図８
（ｃ）は最も膜厚が厚く、図８（ｂ）はそれらの間の膜
厚の例を示している。つまり、膜厚が厚くなるにしたが
って干渉が増加して分光反射スペクトル中の周期が増加
するという特性を有する。換言すると、膜厚が厚くなる
につれて山と谷の数が増加する特性を有しているのであ
る。

【００４９】上記の膜厚毎の分光反射スペクトルを実験
により測定するかあるいは理論的に求めておいて予めデ
ータ処理部１９に格納しておき、抽出分光反射スペクト
ルＦ（λ）のプロファイルとそれらのプロファイルとに
基づいてカーブフィット法を用いて正確な膜厚を算出す
る。

【００５０】すなわち、膜厚毎の分光反射スペクトルに
おける各波長毎の分光反射比率と、抽出分光反射スペク
トルにおける各波長毎の分光反射比率とで同じ波長同士
の差分をとって二乗するとともに、各波長毎に加算する
ことで得られる誤差平方和を求める。そして、各膜厚毎
に誤差平方和をプロットすると、図９に示すようにな
る。そして、誤差平方和が最小となった膜厚が、その抽
出分光反射スペクトルＦ（λ）の膜厚である。

【００５１】なお、上記のようにして求めた膜厚が適切
であるか否かを判定するために、誤差平方和に対して閾
値を設定しておくことが好ましい。つまり、誤差平方和
が最小となっても、その値がある閾値を越える場合には
不適切であると判断し、膜厚を表示せずにその旨をディ
スプレイ装置２５に表示し、その値が閾値以下である場
合にのみ求まった膜厚を表示することが好ましい。

【００５２】上述したようにこの膜厚測定装置によれ
ば、目的薄膜である酸化膜Ｆ１と対象外薄膜である銅膜
Ｆ３とを含んだ測定領域Ｒ内からの分光反射スペクトル
Ｍ（λ）を測定した後、酸化膜Ｆ１の成分だけを抽出分
光反射スペクトルＦ（λ）として抽出する。そして、銅
膜Ｆ３の成分を除去した抽出分光反射スペクトルＦ
（λ）に基づき酸化膜Ｆ１だけの膜厚を算出することに
より、測定領域Ｒよりも狭い線幅である酸化膜Ｆ１だけ
の膜厚を求めることができる。したがって、基板Ｗ上の
製品パターン内で酸化膜Ｆ１の膜厚を測定することがで
きるので、ＣＭＰ工程などによる悪影響を受けることが
ない。その結果、酸化膜Ｆ１の膜厚を正確に測定するこ
とができるようになっている。

【００５３】なお、本発明は以下のように変形実施が可
能である。

【００５４】（１）研磨処理が完了していることが明ら
かな基板を対象にして測定を行う場合には、上述したス
テップＳ２，Ｓ３を実施する必要はない。また、銅膜Ｆ
３などの対象外薄膜を除去する処理は研磨処理に限定さ
れず、例えば、エッチングにより対象外薄膜を除去して
もよい。

【００５５】（２）研磨処理を行いながらインラインで
膜厚測定が可能なように、上述した膜厚測定装置を研磨
処理装置に組み込んだ構成としてもよい。

【００５６】（３）抽出分光反射スペクトルを求める方
法は、上述した（１）式だけに限定されるものではなく
種々の数式を利用することができる。

【００５７】（４）上述した実施例では、膜厚の算出に
カーブフィット法を用いたが、これに代えて、図８に示
すように膜厚に応じてプロファイルが変わり、プロファ
イルと山と谷の数が増減することを利用したピーク＆バ
レイ法により膜厚を算出してもよい。

【００５８】（５）研磨処理後（図３（ｃ））において
対象外薄膜を銅膜だけとして、バリアメタル膜の影響を
無視しているが、この分光反射スペクトルをも考慮して
抽出反射分光スペクトルを算出するようにしてもよい。

【００５９】（６）上述した実施例では研磨処理後の基
板の分光反射スペクトルに基づき目的薄膜の膜厚を求め
たが、研磨処理中の基板の分光反射スペクトルに基づき
目的薄膜の膜厚を求めても良い。図１０は、図３（ｂ）
に示す状態と図３（ｃ）に示す状態との間の状態を示
し、銅膜Ｆ３／バリアメタル膜Ｆ２／酸化膜Ｆ１からな
る層を所定量だけ研磨し、銅膜Ｆ３を一部除去して酸化
膜Ｆ１上のバリアメタル膜Ｆ２に銅膜Ｆ３が厚さｄ４で
形成されている状態である。銅膜Ｆ３の厚さｄ４が例え
ば５０ｎｍ以下になると銅膜Ｆ３中を光が透過するの
で、酸化膜Ｆ１およびバリアメタル膜Ｆ２の分光反射ス
ペクトルを測定することが可能となる。この測定した分
光反射スペクトルから対象外薄膜である銅膜Ｆ３および
バリアメタル膜Ｆ２の成分を除去して目的薄膜である酸
化膜Ｆ１の成分だけを抽出してもよい。図１０の状態か
らさらに研磨処理が進み、酸化膜Ｆ１上にバリアメタル
膜Ｆ２のみが残っている状態においても、上述と同様に
測定した分光反射スペクトルから銅膜Ｆ３およびバリア
メタル膜Ｆ２の成分を除去して酸化膜Ｆ１の成分だけを
抽出することができる。

【００６０】（７）上述した実施例では目的薄膜を酸化
膜と、対象外薄膜を銅膜としたが、本発明はこれらに限
定されないことは言うまでもない。例えば、測定波長に
対する透明膜を目的薄膜とし、金属膜などの測定波長に
対する不透明膜を対象外薄膜としてもよい。また、測定
領域内に複数種の透明膜が存在する場合、その中の一つ
を目的薄膜とし、他の透明膜を対象外薄膜とすることも
可能である。

【００６１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１に記載の方法発明によれば、目的薄膜と対象外薄膜と
を含んだ測定領域内からの分光反射スペクトルを測定し
た後、目的薄膜の成分だけを抽出分光反射スペクトルと
して抽出する。そして、対象外薄膜の成分を除去した抽
出分光反射スペクトルに基づき目的薄膜だけの膜厚を算
出することにより、測定領域よりも狭い線幅である目的
薄膜だけの膜厚を求めることができる。したがって、基
板上の製品パターン内で目的薄膜の膜厚を測定すること
ができるので、ＣＭＰ工程などによる悪影響を受けるこ
とがない。その結果、目的薄膜の膜厚を正確に測定する
ことができる。

【００６２】また、請求項２に記載の方法発明によれ
ば、膜厚測定の対象である目的薄膜が形成された基板の
表面を覆う膜厚測定の対象外である対象外薄膜を所定量
だけ除去して、基板上に目的薄膜および対象外薄膜とを
含む層を露出させる過程で、基板上の目的薄膜の膜厚を
測定する場合には、不要な対象外薄膜が除去できている
か否かを、対象外薄膜の分光反射スペクトルのプロファ
イルと比較することで判断することができる。その比較
の結果、プロファイルが一致しなかった場合には対象外
薄膜が除去されていると判断されるので抽出過程へと移
行することで、目的薄膜の膜厚測定を適切に行うことが
できる。

【００６３】また、請求項３に記載の方法発明によれ
ば、線幅比に応じた補正係数を対象外薄膜の分光反射ス
ペクトルに乗じ、さらにオフセットを加算し、この成分
を測定領域の分光反射スペクトルから減算することに基
づき抽出分光反射スペクトルを求めることができる。こ
れにより分光反射スペクトルから対象外薄膜の成分を適
切に除去することができ、抽出分光反射スペクトルの精
度を高めて膜厚測定精度を高めることができる。

【００６４】また、請求項４に記載の装置発明によれ
ば、請求項１に記載の方法発明を好適に実施することが
できる。

【００６５】また、請求項５に記載の装置発明によれ
ば、請求項２に記載の方法発明を好適に実施することが
できる。

【００６６】また、請求項６に記載の装置発明によれ
ば、請求項３に記載の方法発明を好適に実施することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係る光干渉式膜厚測定装置の要部を示
したブロック図である。

【図２】膜厚測定方法の流れを示すフローチャートであ
る。

【図３】基板上の測定領域における薄膜の状態を示した
平面図及び縦断面図である。

【図４】測定領域内からの分光反射スペクトルを示した
グラフである。

【図５】金属薄膜からの分光反射スペクトルを示したグ
ラフである。

【図６】金属薄膜の成分を除去した後の分光反射スペク
トルを示したグラフである。

【図７】理論的に求められた分光反射スペクトルを示し
たグラフである。

【図８】膜厚既知の基板を使って測定された種々の膜厚
毎の分光反射スペクトルを示すグラフである。

【図９】分光反射スペクトルのプロファイルを比較して
膜厚を求める手法の説明に供する図である。

【図１０】基板上の測定領域における薄膜の状態を示し
た縦断面図である。

【符号の説明】

Ｗ … 基板 Ｗａ … シリコン基板 Ｆ１ … 酸化膜（目的薄膜） Ｆ３ … 銅膜（対象外薄膜） Ｍ（λ） … 酸化膜の分光反射スペクトル Ｎ（λ） … 銅膜の分光反射スペクトル Ｆ（λ） … 抽出分光反射スペクトル １ … ステージ ３ … 光源部 ５ … ビームスプリッタ １１ … 分光ユニット １９ … データ処理部

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年４月４日（２０００．４．４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１０】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 玉田 厚 京都市上京区堀川通寺之内上る４丁目天神 北町１番地の１ 大日本スクリーン製造株 式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA30 BB01 CC17 CC31 DD12 EE00 FF00 FF04 GG02 GG03 HH04 JJ02 JJ03 JJ25 JJ26 LL42 LL46 LL67 MM02 QQ08 QQ13 QQ25 QQ31 QQ41 SS13 4M106 CA21 CA48 DH03 DH13 DH31 DJ04 DJ12 DJ13

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 薄膜が形成された基板からの反射光に基
   づき膜厚を測定する膜厚測定方法であって、 膜厚測定の対象である目的薄膜と、膜厚測定の対象外で
   ある対象外薄膜とを含む測定領域内からの分光反射スペ
   クトルを測定する測光過程と、 前記分光反射スペクトルから目的薄膜の成分だけを抽出
   分光反射スペクトルとして抽出する抽出過程と、 前記抽出分光反射スペクトルに基づき前記目的薄膜の膜
   厚を算出する算出過程と、 を実施することを特徴とする膜厚測定方法。
2. 【請求項２】 膜厚測定の対象である目的薄膜が形成さ
   れた基板の表面を覆う膜厚測定の対象外である対象外薄
   膜を所定量だけ除去して、基板上に目的薄膜および対象
   外薄膜とを含む層を露出させる過程で、基板上の目的薄
   膜の膜厚を測定する膜厚測定方法において、 前記層内の目的薄膜および対象外薄膜を含む大きさを有
   する測定領域内からの分光反射スペクトルを測定する測
   定過程と、 測定領域内の分光反射スペクトルと、対象外薄膜の分光
   反射スペクトルとを比較する比較過程と、 比較過程で測定領域内の分光反射スペクトルと対象外薄
   膜の分光反射スペクトルとが不一致である場合に、測定
   領域内からの分光反射スペクトルから目的薄膜の成分だ
   けを抽出分光反射スペクトルとして抽出する抽出過程
   と、 抽出分光反射スペクトルに基づき目的薄膜の膜厚を算出
   する算出過程と、 を実施することを特徴とする膜厚測定方法。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の膜厚測定方法
   において、 前記抽出過程では、対象外薄膜の分光反射スペクトルに
   対して、目的薄膜と対象外薄膜との線幅比に応じた補正
   係数を乗じるとともに、前記対象外薄膜の分光反射スペ
   クトルに付加されているオフセットを加算し、この成分
   を前記目的薄膜の分光反射スペクトルから減算すること
   に基づき前記抽出分光反射スペクトルを抽出するように
   したことを特徴とする膜厚測定方法。
4. 【請求項４】 薄膜が形成された基板からの反射光に基
   づき膜厚を測定する膜厚測定装置において、 膜厚測定の対象である目的薄膜と、膜厚測定の対象外で
   ある対象外薄膜とを含む測定領域内からの分光反射スペ
   クトルを測定する測光手段と、 前記分光反射スペクトルから目的薄膜の成分だけを抽出
   分光反射スペクトルとして抽出する抽出手段と、 前記抽出分光反射スペクトルに基づき前記目的薄膜の膜
   厚を算出する算出手段と、 を備えたことを特徴とする膜厚測定装置。
5. 【請求項５】 膜厚測定の対象である目的薄膜が形成さ
   れた基板の表面を覆う膜厚測定の対象外である対象外薄
   膜を所定量だけ除去して、基板上に目的薄膜および対象
   外薄膜とを含む層を露出させる過程で、基板上の目的薄
   膜の膜厚を測定する膜厚測定装置において、 前記層内の目的薄膜および対象外薄膜を含む大きさを有
   する測定領域内からの分光反射スペクトルを測定する測
   光手段と、 測定領域内の分光反射スペクトルと、対象外薄膜の分光
   反射スペクトルとを比較する比較手段と、 比較過程で測定領域内の分光反射スペクトルと対象外薄
   膜の分光反射スペクトルとが不一致である場合に、測定
   領域内からの分光反射スペクトルから目的薄膜の成分だ
   けを抽出分光反射スペクトルとして抽出する抽出手段
   と、 抽出分光反射スペクトルに基づき目的薄膜の膜厚を算出
   する算出手段と、 を備えたことを特徴とする膜厚測定装置。
6. 【請求項６】 請求項４または５に記載の膜厚測定装置
   において、 前記抽出手段では、対象外薄膜の分光反射スペクトルに
   対して、目的薄膜と対象外薄膜との線幅比に応じた補正
   係数を乗じるとともに、前記対象外薄膜の分光反射スペ
   クトルに付加されているオフセットを加算し、この成分
   を前記目的薄膜の分光反射スペクトルから減算すること
   に基づき前記抽出分光反射スペクトルを抽出するように
   したことを特徴とする膜厚測定装置。