知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024129288
(43)【公開日】2024-09-27
(54)【発明の名称】計測装置、及び、計測システム
(51)【国際特許分類】
G01N 23/201 20180101AFI20240919BHJP
H01L 21/66 20060101ALI20240919BHJP
【ＦＩ】
G01N23/201
H01L21/66 J
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023038393
(22)【出願日】2023-03-13
(71)【出願人】
【識別番号】318010018
【氏名又は名称】キオクシア株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001634
【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】阿部 優輝
(72)【発明者】
【氏名】濱口 晶
(72)【発明者】
【氏名】橋本 隆希
(72)【発明者】
【氏名】野島 和弘
(72)【発明者】
【氏名】文田 香織
【テーマコード（参考）】
2G001
4M106
【Ｆターム（参考）】
2G001AA01
2G001BA26
2G001BA29
2G001BA30
2G001CA01
2G001DA03
2G001DA09
2G001FA02
2G001FA14
2G001GA08
2G001GA13
2G001HA13
2G001JA04
2G001JA08
2G001JA09
2G001KA04
2G001KA05
2G001LA11
2G001MA05
2G001PA01
2G001PA11
2G001SA02
4M106BA20
4M106CA39
4M106CA48
4M106DH25
4M106DH34
4M106DH55
(57)【要約】
【課題】被検体に形成された凹部の３次元形状を、非破壊で精度よく計測することができる、計測装置、及び、計測システムを提供することを目的とする。
【解決手段】計測装置は、Ｘ線照射部２１と、被検体７から生成される散乱Ｘ線を検出するＸ線検出部２３と、散乱Ｘ線を光電変換して得られる回折像を解析して被検体７の３次元形状を推定する解析部２４とを備える。被検体７は、ＯＮ積層膜７２上に形成されたエッチングマスク膜７３の開口部からＯＮ積層膜７２に孔７４が形成されている。解析部２４は、被検体７に対するＸ線の照射角度を変えながら取得した複数の回折像と、被検体７を予め計測して得られた形状パラメータとに基づき被検体７の３次元形状を推定する。形状パラメータは、エッチングマスク膜７３の膜厚Ｔｍ、ネック径ＣＤｎ、ボトム径ＣＤｂを含む。
【選択図】図１１
【解決手段】計測装置は、Ｘ線照射部２１と、被検体７から生成される散乱Ｘ線を検出するＸ線検出部２３と、散乱Ｘ線を光電変換して得られる回折像を解析して被検体７の３次元形状を推定する解析部２４とを備える。被検体７は、ＯＮ積層膜７２上に形成されたエッチングマスク膜７３の開口部からＯＮ積層膜７２に孔７４が形成されている。解析部２４は、被検体７に対するＸ線の照射角度を変えながら取得した複数の回折像と、被検体７を予め計測して得られた形状パラメータとに基づき被検体７の３次元形状を推定する。形状パラメータは、エッチングマスク膜７３の膜厚Ｔｍ、ネック径ＣＤｎ、ボトム径ＣＤｂを含む。
【選択図】図１１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
被検体にＸ線を照射するＸ線照射部と、
前記Ｘ線の照射により前記被検体から発せられる散乱Ｘ線を検出するＸ線検出部と、
前記散乱Ｘ線を光電変換して得られる回折像を解析して前記被検体における前記Ｘ線が照射される計測領域の３次元形状を推定する解析部と、
を備える計測装置において、
前記被検体の前記計測領域には、第１の膜と、前記第１の膜と異なる材料で形成された第２の膜が積層されており、かつ、前記領域の一部に前記第２の膜を貫通する凹部が形成されており、
前記解析部は、前記被検体に対する前記Ｘ線の照射角度を変えながら取得した複数の前記回折像と、前記被検体を予め計測して得られた形状データとに基づき、前記凹部の３次元形状を推定し、
前記形状データは、前記第２の膜の膜厚、前記第２の膜内における前記凹部の最小寸法、および、前記第１の膜と前記第２の膜との界面における前記孔凹部の寸法、を含むことを特徴とする、計測装置。
前記Ｘ線の照射により前記被検体から発せられる散乱Ｘ線を検出するＸ線検出部と、
前記散乱Ｘ線を光電変換して得られる回折像を解析して前記被検体における前記Ｘ線が照射される計測領域の３次元形状を推定する解析部と、
を備える計測装置において、
前記被検体の前記計測領域には、第１の膜と、前記第１の膜と異なる材料で形成された第２の膜が積層されており、かつ、前記領域の一部に前記第２の膜を貫通する凹部が形成されており、
前記解析部は、前記被検体に対する前記Ｘ線の照射角度を変えながら取得した複数の前記回折像と、前記被検体を予め計測して得られた形状データとに基づき、前記凹部の３次元形状を推定し、
前記形状データは、前記第２の膜の膜厚、前記第２の膜内における前記凹部の最小寸法、および、前記第１の膜と前記第２の膜との界面における前記孔凹部の寸法、を含むことを特徴とする、計測装置。
【請求項2】
前記形状データは、前記凹部の中心プロファイルをさらに含む、請求項１に記載の計測装置。
【請求項3】
前記形状データは、前記凹部の傾き度合いをさらに含む、請求項１に記載の計測装置。
【請求項4】
前記Ｘ線照射部は、前記被検体の表面側に前記Ｘ線を照射し、
前記Ｘ線検出部は、前記被検体の裏面側で前記散乱Ｘ線を検出する、請求項１に記載の計測装置。
前記Ｘ線検出部は、前記被検体の裏面側で前記散乱Ｘ線を検出する、請求項１に記載の計測装置。
【請求項5】
被検体にＸ線を照射するＸ線照射部と、
前記Ｘ線の照射により前記被検体から発せられる散乱Ｘ線を検出するＸ線検出部と、
前記散乱Ｘ線を光電変換して得られる回折像を解析して前記被検体における前記Ｘ線が照射される計測領域の３次元形状を推定する解析部と、
を備える計測装置と、
前記被検体の複数位置を予め計測して得られた形状データから、前記被検体における前記形状データの面内分布を推定する情報処理装置と、を備える計測システムであって、
前記被検体の前記計測領域には、第１の膜と、前記第１の膜と異なる材料で形成された第２の膜が積層されており、かつ、前記領域の一部に前記第２の膜を貫通する凹部が形成されており、
前記形状データは、前記第２の膜の膜厚、前記第２の膜内における前記凹部の最小寸法、および、前記第１の膜と前記第２の膜との界面における前記凹部の寸法、の少なくとも１つを含み、
前記解析部は、前記被検体に対する前記Ｘ線の照射角度を変えながら取得した複数の前記回折像と、前記情報処理装置から入力された前記形状データとに基づき、前記凹部の３次元形状を推定し、
前記情報処理装置は、前記面内分布から前記計測領域の位置における前記形状データを抽出して前記計測装置に入力することを特徴とする、計測システム。
前記Ｘ線の照射により前記被検体から発せられる散乱Ｘ線を検出するＸ線検出部と、
前記散乱Ｘ線を光電変換して得られる回折像を解析して前記被検体における前記Ｘ線が照射される計測領域の３次元形状を推定する解析部と、
を備える計測装置と、
前記被検体の複数位置を予め計測して得られた形状データから、前記被検体における前記形状データの面内分布を推定する情報処理装置と、を備える計測システムであって、
前記被検体の前記計測領域には、第１の膜と、前記第１の膜と異なる材料で形成された第２の膜が積層されており、かつ、前記領域の一部に前記第２の膜を貫通する凹部が形成されており、
前記形状データは、前記第２の膜の膜厚、前記第２の膜内における前記凹部の最小寸法、および、前記第１の膜と前記第２の膜との界面における前記凹部の寸法、の少なくとも１つを含み、
前記解析部は、前記被検体に対する前記Ｘ線の照射角度を変えながら取得した複数の前記回折像と、前記情報処理装置から入力された前記形状データとに基づき、前記凹部の３次元形状を推定し、
前記情報処理装置は、前記面内分布から前記計測領域の位置における前記形状データを抽出して前記計測装置に入力することを特徴とする、計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本実施形態は、計測装置、及び、計測システムに関する。
【背景技術】
【0002】
半導体基板上の成膜部位に形成された凹部（深孔・深溝）の深さや側壁の３次元形状を計測する装置として、透過型小角Ｘ線散乱（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｍａｌｌ Ａｎｇｌｅ Ｘ－ｒａｙ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ、以下、Ｔ－ＳＡＸＳと示す）技術を用いた計測装置が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２２－０３８３８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本実施形態は、被検体に形成された凹部の３次元形状を、非破壊で精度よく計測することができる、計測装置、及び、計測システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本実施形態の計測装置は、被検体にＸ線を照射するＸ線照射部と、前記Ｘ線の照射により前記被検体から発せられる散乱Ｘ線を検出するＸ線検出部と、前記散乱Ｘ線を光電変換して得られる回折像を解析して前記被検体における前記Ｘ線が照射される計測領域の３次元形状を推定する解析部とを備える。
【0006】
前記被検体の前記計測領域には、第１の膜と、前記第１の膜と異なる材料で形成された第２の膜が積層されており、かつ、前記領域の一部に前記第２の膜を貫通する凹部が形成されている。
【0007】
前記解析部は、前記被検体に対する前記Ｘ線の照射角度を変えながら取得した複数の前記回折像と、前記被検体を予め計測して得られた形状データとに基づき、前記凹部の３次元形状を推定する。
【0008】
前記形状データは、前記第２の膜の膜厚、前記第２の膜内における前記凹部の最小寸法、および、前記第１の膜と前記第２の膜との界面における前記凹部の寸法を含む。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】第１実施形態にかかる計測装置を有する計測システムの構成例を示すブロック図である。
【図2】被検体の構造の一例を説明する断面図である。
【図3】Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置の構成の一例を説明する概略図である。
【図4】Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置の構成の一例を説明する概略図である。
【図5】Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置の構成の一例を説明する概略図である。
【図6】Ｘ線の照射角度と回折像との関係を説明する図である。
【図7】Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置の構成の一例を説明するブロック図である。
【図8】第１の多波長光計測装置の測定原理の一例を説明する図である。
【図9】電子線計測装置の測定原理の一例を説明する図である。
【図10】第２の多波長光計測装置の測定原理の一例を説明する図である。
【図11】第１実施形態の計測システムにおけるデータの流れの一例を説明する図である。
【図12】第１実施形態の計測方法の一例を説明するフローチャートである。
【図13】比較例の方法で計測した形状プロファイルの一例を説明する図である。
【図14】実施形態の方法で計測した形状プロファイルの一例を説明する図である。
【図15】３次元構造のＮＡＮＤメモリのメモリセルアレイを有する半導体記憶装置の一部領域の断面図である。
【図16】メモリホールを形成する工程について説明する概略断面図である。
【図17】メモリホールの形成手順の一例を説明するフローチャートである。
【図18】第１実施形態にかかる計測装置を有する計測システムの別の構成例を示すブロック図である。
【図20】第１実施形態にかかる計測装置を有する計測システムの別の構成例を示すブロック図である。
【図22】半導体ウエハ上に配置されたメモリチップのレイアウトの一例を説明する平面図である。
【図23】第２実施形態にかかる計測装置を有する計測システムの構成例を示すブロック図である。
【図24】形状パラメータの計測対象領域の一例を説明する平面図である。
【図25】３次元形状の計測領域の位置の一例を説明する平面図である。
【図26】第２実施形態の計測システムにおけるデータの流れの一例を説明する図である。
【図27】第２実施形態の計測方法の一例を説明するフローチャートである。
【図28】第２実施形態の計測方法の一例を説明するフローチャートである。
【図29】第２実施形態の計測方法の一例を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる計測装置を有する計測システムの構成例を示すブロック図である。本実施形態の計測システム１は、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２と、形状パラメータ計測ユニット３と、ホストコンピュータ４と、データベース５とを備える。計測システム１は、Ｔ―ＳＡＸＳ計測装置２と形状パラメータ計測ユニット３との間で被検体を搬送する搬送装置６を備えてもよい。実施形態の計測システム１は、被検体の表面に形成された周期パターンの３次元形状を計測するために用いられる。より具体的には、実施形態の計測システム１は、被検体に形成された凹部（孔や溝など）の深さや膜の厚さを含む、形状プロファイルを取得するために用いられる。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる計測装置を有する計測システムの構成例を示すブロック図である。本実施形態の計測システム１は、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２と、形状パラメータ計測ユニット３と、ホストコンピュータ４と、データベース５とを備える。計測システム１は、Ｔ―ＳＡＸＳ計測装置２と形状パラメータ計測ユニット３との間で被検体を搬送する搬送装置６を備えてもよい。実施形態の計測システム１は、被検体の表面に形成された周期パターンの３次元形状を計測するために用いられる。より具体的には、実施形態の計測システム１は、被検体に形成された凹部（孔や溝など）の深さや膜の厚さを含む、形状プロファイルを取得するために用いられる。
【0011】
図２は、被検体の構造の一例を説明する断面図である。図２に示すように、被検体は、第１の膜としてのＯＮ積層膜７２と第２の膜としてのエッチングマスク膜７３とが、半導体基板７１の表面に積層されている。ＯＮ積層膜７２は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とが交互に堆積されている膜である。図２において、実線は、シリコン窒化膜に対応し、実線に隣接した空白がシリコン酸化膜に対応する。エッチングマスク膜７３は、例えば、アモルファスカーボン膜である。被検体の一部領域には、エッチングマスク膜７３の表面からＯＮ積層膜７２の所定の深さまで、孔７４が形成されている。なお、図２において、エッチングマスク膜７３の膜厚をＴｍ、エッチングマスク膜７３内における孔７４の最小径（以下、ネック径と示す）をＣＤｎ、エッチングマスク膜７３とＯＮ積層膜７２との界面における孔７４の径（以下、ボトム径と示す）をＣＤｂと示している。
【0012】
Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２は、被検体の表面に形成された周期パターンの３次元形状を、透過Ｘ線を用いて計測する装置である。被検体へのＸ線の入射角度を変えて取得した複数枚の回折像（ＳＡＸＳ像群）を用いて、スポットサイズ（例えば、５０～１０００μｍ角程度）内に形成された周期パターンの平均的な３次元形状を計測することができる。
【0013】
図３～図５は、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置の構成の一例を説明する概略図である。図３に示すように、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２は、Ｘ線源２１１から出射されたＸ線を、Ｘ線収束機構２１３によりビームスポットを収束させ、計測ステージ２２に保持された被検体（半導体ウエハ）７の表面に照射する。
【0014】
図４に示すように、被検体７に照射されたＸ線は、被検体７の表面に形成されたパターンによって散乱される。散乱されたＸ線は、被検体７の裏面側に配置された検出器２３２において検出され、被検体７の特性を示す信号（回折像）に変換される。
【0015】
図５に示すように、被検体７は、被検体表面と平行な直交する２方向（ｘ方向、ｙ方向）のいずれか一方、または両方を回動軸として回動可能に設置されている。なお、被検体７が図２に示す構造である場合、半導体基板７１の表面を被検体表面とする。設定された回動軸を中心に、被検体７を回動させた状態でＸ線を照射することで、被検体７に対するＸ線の照射角度θｉを調整することができる。Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２は、照射角度θｉを少しずつ変化させながら複数の回折像（回折像群）を取得する。図６は、Ｘ線の照射角度と回折像との関係を説明する図である。図６には照射角度が異なる３つの回折像を示している。図６において、各回折像の右側に照射角度θｉを示している。取得した回折像群を、様々な３次元形状パターンに対応するＸ線回折光の強度分布をシミュレーションにより算出した複数の回折像群と比較する。複数の回折像群の中から一致度の高い回折像群を抽出し、この回折像群に対応する３次元形状パターンを、Ｘ線が照射された領域における、被検体７の表面に形成された３次元形状であると推定する。なお、Ｘ線の照射方向は、鉛直方向と直交する方向であってもよいし、鉛直方向であってもよい。被検体７を回動させない状態において、被検体７の表面を鉛直方向に対して平行に設置する場合、Ｘ線の照射方向は鉛直方向と直交する方向となる。被検体７を回動させない状態において、被検体７の表面を鉛直方向に対して垂直に設置する場合、Ｘ線の照射方向は鉛直方向となる。
【0016】
図７は、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置の構成の一例を説明する概略ブロック図である。Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２は、Ｘ線照射部２１と、計測ステージ２２と、Ｘ線検出部２３と、解析部２４とを備える。また、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２は、搬送部２５と、位置計測部２６と、動作制御部２７も備える。なお、図７において、太線は、被検体７の搬送路を示している。また、点線は、照射光及び回折光の光路を示している。また、実線は、データや情報（電気信号）を伝達する信号伝達路を示している。
【0017】
Ｘ線照射部２１は、Ｘ線源２１１と、シャッター２１２と、Ｘ線収束機構２１３とから主に構成される。Ｘ線源２１１は、所定の波長及びエネルギーを有するＸ線を生成する部位である。Ｘ線源２１１は、例えば、固体または液体ターゲットへの粒子照射によりＸ線を励起させるように構成された電子ビーム源として構成される。シャッター２１２は、計測ステージ２２とＸ線源２１１との間に設置される。シャッター２１２は開閉動作が可能であり、動作制御部２７によって制御される。シャッター２１２が開状態の場合、Ｘ線源２１１から出射されたＸ線が計測ステージ２２に照射される。シャッター２１２が閉状態の場合、Ｘ線の光路が遮られるため、Ｘ線は計測ステージ２２に照射されない。
【0018】
Ｘ線収束機構２１３は、第１スリット２１３ａと、ミラー２１３ｂと、第２スリット２１３ｃとから主に構成される。Ｘ線収束機構２１３は、シャッター２１２と計測ステージ２２との間に設置される。第１スリット２１３ａは、出射Ｘ線の角度広がりを制限するために用いられる。ミラー２１３ｂは、出射Ｘ線を収束させ、ビームサイズを抑制する。第２スリット２１３ｃは、計測ステージ２２に近接して配置され、出射Ｘ線のビームサイズを更に絞り込む。すなわち、Ｘ線収束機構２１３は、出射Ｘ線の散乱線が被検体７に照射されるのを防止し、また、被検体７におけるＸ線の照射範囲を絞り込むために設けられている。Ｘ線収束機構２１３により絞り込まれたＸ線は、計測ステージ２２に設置された被検体７の計測領域に照射される。
【0019】
計測ステージ２２は、被検体７を、ｘ方向、及び／または、ｙ方向を回動軸として回動可能に支持する部材である。計測ステージ２２は、例えば、筒状または棒状部材で構成される支持軸と、中空のリング状部材であるチャックとから構成される。チャックは、支持軸の一端に回動可能に係合されている。
【0020】
また、計測ステージ２２は、図示しないモータなどの駆動手段により、ｘ方向、及び／または、ｙ方向に移動すると共に、ｘ方向及びｙ方向と直交する方向（ｚ方向）に移動可能になされている。ｘ方向、及び／または、ｙ方向に計測ステージ２２を移動させることで、被検体７におけるＸ線の照射領域を移動させることができる。また、ｚ方向に計測ステージ２２を移動させることで、Ｘ線検出部２３により検出される被検体７の回折像のフォーカスを変更することができる。
【0021】
Ｘ線検出部２３は、真空管路２３１と、検出器２３２とから主に構成される。真空管路２３１は、内部が真空状態になされた柱状部材であり、計測ステージ２２と検出器２３２との間に配置される。計測ステージ２２に保持された被検体７から発生した回折Ｘ線は、真空管路２３１の一端面から真空管路２３１内に入射され、真空管路２３１内を通過して、真空管路２３１の他端面から検出器２３２に向けて出射される。真空管路２３１は、環境（空気攪乱など）による外乱により回折Ｘ線が影響を受け、回折像にノイズが重畳されることを防ぐために設けられる。
【0022】
検出器２３２は、被検体７から発生した回折Ｘ線を受光し、回折像を生成する。検出器２３２は、例えば、２次元のアレイ状に配置された複数個の半導体検出素子（固体撮像素子等）で構成される。半導体検出素子としては、例えば、ＣＣＤ（電荷結合素子）や、ＣＭＯＳイメージセンサが用いられる。被検体７の計測領域において照射Ｘ線により生成された回折Ｘ線は、検出器２３２の投影領域に配置された半導体検出素子により光電変換され、撮像信号（回折像）として出力される。
【0023】
解析部２４は、検出器２３２から出力された回折像群（被検体７の回動角を変えて取得した複数の回折像）と、予め様々な３次元形状パターンに対応するＸ線回折光の強度分布をシミュレーションにより算出した回折像群とを比較する。複数の回折像群の中から一致度の高い回折像群を抽出し、この回折像群に対応する３次元形状パターンを、被検体７の表面に形成された３次元形状であると推定する。また、ホストコンピュータ４を介して形状パラメータ計測ユニット３で計測された形状パラメータを取得し、該形状パラメータも用いて３次元形状を推定することが可能になされている。解析部２４は、シミュレーションにより算出した複数の回折像群や、形状パラメータ計測ユニット３が計測した形状パラメータを格納可能なデータ格納部２４１を備えている。
【0024】
搬送部２５は、ロードポート２５１と、搬送ユニット２５２と、プリアライナ２５３を備える。ロードポート２５１は、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２内に被検体７を挿入するために設けられた入口部である。搬送ユニット２５２は、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２内の各部位に被検体７を自動搬送する部位である。プリアライナ２５３は、被検体７を計測ステージ２２に設置するにあたり、被検体７に設けられた基準位置（例えば、ノッチ、オリフラ、アライメントマークなど）を、所望の位置に合わせる。
【0025】
Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２の計測ステージ２２に被検体７をセットする場合、搬送部２５は以下のように動作する。ロードポート２５１に被検体７が収納された容器が設置されると、搬送ユニット２５２は、容器から被検体７をピックアップし、プリアライナ２５３へ移動させる。プリアライナ２５３において、被検体７のｘ方向及びｙ方向の位置合わせ、及び、ｘｙ平面内において被検体７中心を軸とする回転方向の位置合わせが行われた後、搬送ユニット２５２が再び被検体７をピックアップし、計測ステージ２２に設置する。また、回折像群の取得が終了し、被検体７をＴ－ＳＡＸＳ計測装置２から取り出す際には、搬送ユニット２５２が計測ステージ２２から被検体７をピックアップし、ロードポート２５１に設置された容器内に移動させる。上述した搬送部２５の動作は、動作制御部２７によって制御される。
【0026】
位置計測部２６は、アライメントカメラ２６１と、被検体傾き計測部２６２とを有する。アライメントカメラ２６１は、設定された計測位置（Ｘ線を照射したい位置）とＸ線の照射位置（Ｘ線が照射される位置）とのずれ量（ｘｙ平面におけるずれ量）を検出する。検出したずれ量は、動作制御部２７に出力される。被検体傾き計測部２６２は、計測ステージ２２に設置された被検体７の計測位置における表面の角度を計測する。
【0027】
動作制御部２７は、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２の各部位の動作を制御する。動作制御部２７は、例えば、Ｘ線照射部２１やＸ線検出部２３に対して、Ｘ線の照射や検出に用いられる各種パラメータを指示する。また、例えば、計測ステージ２２をｘｙ平面内で移動させて、設定された計測位置にＸ線が照射されるように、計測ステージ２２の位置を制御する。さらに、計測ステージ２２の回動角度や回動方向を指示したりする。また、搬送部２５の動作を指示したりする。
【0028】
図１に戻り、形状パラメータ計測ユニット３は、被検体７の表面に形成された３次元形状について、形状パラメータを計測する。具体的には、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２で計測困難な（計測値と実測値のずれが大きい）形状パラメータが計測される。形状パラメータ計測ユニット３で計測される形状パラメータには、図２に示す被検体７の構造におけるエッチングマスク膜７３の膜厚Ｔｍ、エッチングマスク膜７３内における孔７４の最小径ＣＤｎ、エッチングマスク膜７３とＯＮ積層膜７２との界面における孔７４の径ＣＤｂの３つの形状パラメータが少なくとも含まれる。形状パラメータ計測ユニット３は、計測対象となる形状パラメータについて、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２よりも精度よく計測することができる計測装置を具備する。
【0029】
例えば、形状パラメータ計測ユニット３は、膜厚Ｔｍを計測する膜厚計測部３Ａとして、赤外線を用いた第１の多波長光計測装置を具備している。また、ネック径ＣＤｎを計測するネック径計測部３Ｂとして、電子線計測装置を具備している。さらに、ボトム径ＣＤｂを計測するボトム径計測部３Ｃとして、赤外線を用いた第２の多波長光計測装置を具備している。
【0030】
第１の多波長光計測装置は、ＯＣＤ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）手法を用いた計測装置であり、被検体７に対して光を所定の入射角で照射し、回折光の分光特性を取得する。照射する光は、例えば、波長～２０μｍ程度の中赤外領域の多波長光である。
【0031】
図８は、第１の多波長光計測装置の測定原理の一例を説明する図である。図８は、第１の多波長光計測装置３１の一例として、赤外線エリプソメトリー方式を用いた計測装置について示している。図８に示すように、多波長光源３１１から出射された赤外光（例えば、波長～２０μｍ程度の波長帯の光）を、ビームスプリッタ３１２により２方向に分離する。分離された２つの光束のうち、一方の光束（第１の光束）はミラー３１３によって反射される。他方の光束（第２の光束）はミラー３１４によって反射される。反射された２つの光束は、ビームスプリッタ３１２に戻り光軸が同一となり、互いに干渉して所定の波長の照射光に合成される。ミラー３１３はビームスプリッタ３１２からの距離が可変になされており、距離を変化させることで、第２の光束の位相と第１の光束の位相の位相差が変化する。これにより、第１の光束と第２の光束が干渉して合成される光の波長を調整することができる。波長が調整された照射光は、被検体７に斜入射される。被検体７からの反射光は、検出器３１５において、被検体７の特性を示す信号（回折光強度スペクトル）に変換される。ミラー３１３とビームスプリッタ３１２の距離を変えながら、被検体７に照射する照射光の波長を変化させ、異なる波長の回折光強度スペクトルを時分割測定する。
【0032】
一方、ＥＭＡ（Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｍｅｄｉｕｍ Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）法を用いたシミュレーションにより、様々な膜構造および３次元形状パターンに対応する回折光強度スペクトルを算出し、分光特性ライブラリを作成しておく。なお、ＥＭＡ法では、被検体７における膜の積層構造を近似した簡易的なモデルに基づき、分光特性ライブラリが作成される。回折光の分光特性を、分光特性ライブラリと比較して、一致度の高いスペクトルを抽出する。抽出されたスペクトルに対応する３次元形状パターン及び膜構造を、照射光のスポットサイズ内に形成された周期パターンの３次元形状及び膜構造と推定し、最上層の膜の膜厚を、膜厚Ｔｍとして出力する。
【0033】
エッチングマスク膜７３を構成するアモルファスカーボン膜と、ＯＮ積層膜７２を構成するシリコン酸化膜やシリコン窒化膜との電子密度差は小さい。Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２を用いる場合、エッチングマスク膜７３とＯＮ積層膜７２との界面におけるＸ線散乱が弱く、電子密度差が小さい膜を個々に識別するのが困難である。これに対し、第１の多波長光計測装置３１は、Ｘ線よりも波長が長い中赤外光を照射するので、電子密度差が小さい複数の膜（例えば、シリコン基板とシリコン酸化膜や、アモルファスカーボン膜とシリコン酸化膜など）を個々に識別することができる。従って、エッチングマスク膜７３の膜厚Ｔｍを、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２よりも精度よく計測することができる。
【0034】
電子線計測装置は、電子線を試料に当てて被検体７の表面を観察する装置である。例えば、測長ＳＥＭ（ＣＤ－ＳＥＭ：Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ－Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）である。図９は、電子線計測装置の測定原理の一例を説明する図である。図９に示すように、電子銃３２１から発せられた電子線は、加速された後、被検体７の表面に電子スポットとして集束される。被検体７の表面から放出される低角度方向の反射電子（ＢＳＥ：Ｂａｃｋ Ｓｃａｔｔｅｒｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ）は、環状の検出器３２２に入射される。検出器３２２は反射電子を検出し、反射電子の量を光信号に変換して出力する。図示しない走査コイルなどにより、被検体７上の照射位置を移動させながら、照射位置ごとに反射電子の量を検出する（電子線走査）。
【0035】
反射電子の量を、それぞれの照射位置における明るさとして示したのがＢＳＥ像である。反射電子の発生量は被検体７表面の凹凸構造で変化するため、ＢＳＥ像には被検体７の表面形態が映し出される。ＢＳＥ像において、孔の直径を横切る線上のラインプロファイル（明るさの変化）を抽出する。ラインプロファイルに所定の演算処理を施してネック径ＣＤｎを算出し、出力する。
【0036】
エッチングマスク膜７３において、孔７４の径が最小となるネック部分ではＸ線が透過しづらい。このため、被検体７からのＸ線散乱が弱く、十分な回折光強度を得ることが難しい。故に、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２では、ネック部分が閉塞されていると誤検出される場合があった。これに対し、に示す電子線計測装置３２は、被検体７の表面の凹凸形状に敏感な反射電子を計測し、ＢＳＥ像からネック径ＣＤｎを算出している。従って、ネック径ＣＤｎを、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２よりも精度よく計測することができる。
【0037】
第２の多波長光計測装置は、ＯＣＤ手法を用いた計測装置であり、被検体７に対して光を所定の入射角で照射し、回折光の分光特性を取得する。照射する光は、例えば、波長～１１μｍ程度の中赤外領域の多波長光である。図１０は、第２の多波長光計測装置の測定原理の一例を説明する図である。
【0038】
図１０に示すように、第２の多波長光計測装置３３は、多波長光源３３１から出射された多波長光（例えば、白色光）を、ポラライザ（偏向子）３３２、コンペンセータ（補償子）３３３により偏向状態を調整し、被検体７の表面に斜入射させる。被検体７に照射された多波長光は、被検体７の表面に形成されたパターンの膜構造によって、波長ごとに偏向状態や反射強度が変化される。被検体７から反射した回折光は、アナライザ（検光子）３３４により偏向状態が調整された後、プリズム３３５によって波長分解される。すなわち、プリズム３３５は、透過する回折光を波長によって分光する。分光された回折光は、検出器３３６において、光量に応じた信号（回折光強度スペクトル）に変換される。
【0039】
一方、ＲＣＷＡ（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅ－Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）法を用いたシミュレーションにより様々な３次元形状パターン及び膜構造に対応する回折光強度スペクトルを算出し、分光特性ライブラリを作成しておく。取得した回折光強度スペクトルを、この分光特性ライブラリと比較し、一致度の高いスペクトルを抽出する。抽出されたスペクトルに対応する３次元形状パターン及び膜構造を、照射光のスポットサイズ内に形成された周期パターンの３次元形状及び膜構造と推定し、最上層の膜とその直下の膜との界面における径を、ボトム径ＣＤｂとして出力する。
【0040】
第２の多波長光計測装置３３は、中赤外光を照射するので、電子密度差が小さい複数の膜（例えば、シリコン基板とシリコン酸化膜や、アモルファスカーボン膜とシリコン酸化膜など）を個々に識別することができる。故に、界面の位置が精度よく計測できる。また、第２の多波長光計測装置３３は、ＲＣＷＡ法により作成した分光特性ライブラリを用いており、ＥＭＡ法により作成した簡易的な分光特性ライブラリを用いる場合よりも、精度よく３次元形状を推定できる。従って、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２や、第１の多波長光計測装置よりもボトム径ＣＤｂを精度よく計測することができる。
【0041】
なお、形状パラメータ計測ユニット３において、膜厚Ｔｍや、ネック径ＣＤｎや、ボトム径ＣＤｂを計測する装置は、上述の装置に限定されない。例えば、膜厚計測部３Ａとして、レーザー超音波計測装置を用いてもよい。レーザー超音波計測装置は、例えば、以下のようにして膜厚Ｔｍを計測する。まず、被検体７の表面にレーザービーム（励起レーザー）を照射し、被検体７の表面近傍を瞬間的に熱膨張させる。すると、熱膨張によって、被検体７の表面近傍に超音波が発生する。超音波は、被検体７内部に向かって伝搬され、膜の界面で反射する。反射した超音波が被検体７表面に到達すると、被検体７表面が振動する。この超音波の反射による被検体７表面の振動を検知し、励起レーザー照射開始から振動検知までの時間と、計測対象の膜中における超音波の伝搬速度音速とを用いて、膜厚Ｔｍを算出することができる。
【0042】
ホストコンピュータ４は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）とメモリとを備えている。ホストコンピュータ４は、形状パラメータ計測ユニット３から出力される形状データを、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２へ入力する。形状パラメータ計測ユニット３から複数の形状パラメータが出力される場合、ホストコンピュータ４は、ユーザなどにより指定された形状パラメータのデータ（形状データ）を抽出してＴ－ＳＡＸＳ計測装置２へ入力することも可能である。
【0043】
データベース５は、形状パラメータ計測ユニット３からホストコンピュータ４に入力されたデータを格納したり、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２へ入力したデータを格納したり、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２で計測された３次元形状を格納したりする。また、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２へ入力したデータと、該データを用いて推定した３次元形状とを関連付けて格納することも可能である。
【0044】
次に、第１実施形態の計測システムによる３次元形状の計測方法について、図１１、１２を用いて説明する。図１１は、第１実施形態の計測システムにおけるデータの流れの一例を説明する図である。図１１に示すように、被検体７の計測領域の位置座標は、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２において設定され、ホストコンピュータ４を介して形状パラメータ計測ユニット３に入力される。なお、計測領域の位置座標は、ホストコンピュータ４において設定され、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２と形状パラメータ計測ユニット３とに入力される場合もある。
【0045】
膜厚Ｔｍは、形状パラメータ計測ユニット３の第１の多波長光計測装置３１からホストコンピュータ４に出力される。ネック径ＣＤｎは、形状パラメータ計測ユニット３の電子線計測装置３２からホストコンピュータ４に出力される。ボトム径ＣＤｂは、形状パラメータ計測ユニット３の第２の多波長光計測装置３３からホストコンピュータ４に出力される。コンピュータ４は、膜厚Ｔｍ、ネック径ＣＤｎ、及び、ボトム径ＣＤｂを、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２に出力する。
【0046】
被検体７の計測領域の形状プロファイルは、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２からホストコンピュータ４へ出力される。形状プロファイルは、ホストコンピュータ４の図示しない表示装置に表示されたり、データベース５に出力されて格納されたりする。
【0047】
図１２は、第１実施形態の計測方法の一例を説明するフローチャートである。図１２において、長方形は手順を示しており、平行四辺形はデータを示している。長方形から平行四辺形へ向かう矢印は、該長方形の示す手順を実行した場合に、該平行四辺形の示すデータが生成（取得）されることを示している。また、平行四辺形から長方形へ向かう矢印は、該平行四辺形の示すデータが該長方形の示す手順で使用されることを示している。
【0048】
最初に、形状パラメータ計測ユニット３において、以下のＳ１１からＳ１６の一連の手順を実行し、形状パラメータを取得する。まず、被検体７の計測領域において、第１の多波長光計測装置３１を用いて回折光強度スペクトルを取得する（Ｓ１１）。Ｓ１１で取得した回折光強度スペクトルを解析し、被検体７の表面に形成されたエッチングマスク膜７３の膜厚Ｔｍを計測する（Ｓ１２）。次に、被検体７の計測領域において、電子線計測装置３２を用いてＢＳＥ像を取得する（Ｓ１３）。Ｓ１３で取得したＢＳＥ像を解析し、エッチングマスク膜７３のネック径ＣＤｎを計測する（Ｓ１４）。続いて、被検体７の計測領域において、第２の多波長光計測装置３３を用いて回折光強度スペクトルを取得する（Ｓ１５）。Ｓ１４で取得した回折光強度スペクトルを解析し、エッチングマスク膜７３のボトム径ＣＤｂを計測する（Ｓ１６）。
【0049】
続いて、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２において、計測ステージ２２の回動角度を変えながら計測し、被検体７の計測領域について複数の回折像（ＳＡＸＳ像群）を取得する（Ｓ１７）。Ｓ１７で取得したＳＡＸＳ像群を解析し、被検体７の計測領域の３次元形状を推定して形状プロファイルを取得する（Ｓ１８）。Ｓ１８におけるＳＡＸＳ像群の解析において、解析部２４は、形状パラメータ計測ユニット３で取得した各種形状パラメータ（Ｓ１２で取得した膜厚Ｔｍ、Ｓ１４で取得したネック径ＣＤｎ、Ｓ１６で取得したボトム径ＣＤｂ）を解析パラメータとしてセットし、３次元形状を解析する。
【0050】
図１３は、比較例の方法で計測した形状プロファイルの一例を説明する図である。比較例の方法とは、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２のみで被検体７の３次元形状を計測する方法である。すなわち、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２におけるＳＡＸＳ像群の解析時には、形状パラメータ計測ユニット３で取得した各種形状パラメータを用いずに、形状プロファイルを推定する。図１４は、実施形態の方法で計測した形状プロファイルの一例を説明する図である。なお、図１３、１４は、横軸をホール半径、縦軸を深さとして形状プロファイルを示している。
【0051】
図１３において、一点鎖線は、比較例の方法で計測した形状プロファイルを示しており、実線は、測長値（断面ＳＥＭによる計測で得られた形状プロファイル）を示している。図１３に示すように、比較例の方法で計測した形状プロファイルは、孔７４の深さ（エッチングマスク膜７３の膜厚ＴｍとＯＮ積層膜７２における孔７４の深さの和）は、測長値と同等である。しかし、比較例の方法で計測されたエッチングマスク膜７３の膜厚Ｔｍは測長値に対して小さく、比較例の形状プロファイルと測長値とは一致の度合いが小さい。
【0052】
図１４において、二点鎖線は、実施形態の方法で計測した形状プロファイルを示しており、実線は、測長値（断面ＳＥＭによる計測で得られた形状プロファイル）を示している。図１４に示すように、実施形態の方法で計測した形状プロファイルは、比較例の方法で計測した形状プロファイルよりも、測長値との一致の度合いが高い。特に、実施形態の形状プロファイルにおける膜厚Ｔｍ、ネック径ＣＤｎ、ボトム径ＣＤｂは、実測値とほぼ等しい。
【0053】
このように、実施形態の計測装置によれば、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２において計測が困難である形状パラメータ（特に、エッチングマスク膜７３の膜厚Ｔｍ、ネック径ＣＤｎ、ボトム径ＣＤｂ）を、形状パラメータ計測ユニット３で計測する。Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２は、形状パラメータ計測ユニット３で計測された形状パラメータを用いてＳＡＸＳ像群を解析する。これにより、より精度の高い形状プロファイルを生成することができる。すなわち、被検体７に形成された凹部の３次元形状を、非破壊で精度よく計測することができる。
【0054】
なお、図１２においては、膜厚Ｔｍの計測（Ｓ１１、Ｓ１２）と、ネック系ＣＤｎの計測（Ｓ１３、Ｓ１４）と、ボトム径ＣＤｂの計測（Ｓ１５、Ｓ１６）を逐次的に行っているが、形状パラメータを計測する順序はこれに限定されない。例えば、膜厚Ｔｍの計測に先立って、ネック径ＣＤｎを計測してもよい。また、これらの形状パラメータの計測を並列的に行ってもよい。すなわち、Ｓ１３はＳ１２の終了を待たずに開始してもよいし、Ｓ１５はＳ１４の終了を待たずに開始してもよい。
【0055】
以上に説明した実施形態の計測システム１は、例えば、３次元構造のメモリセルアレイを有する半導体記憶装置のメモリホールを形成するエッチング工程において用いられる。ここで、３次元構造のメモリセルアレイを有する半導体記憶装置について、図１５を用いて説明する。
【0056】
図１５は、３次元構造のＮＡＮＤメモリのメモリセルアレイを有する半導体記憶装置の一部領域の断面図である。例えば、半導体記憶装置を製造するための半導体ウエハが、被検体７として機能する。図１５には、メモリセルアレイの一部領域を図示している。以下の説明では、半導体基板７１表面と平行な平面にあって、ビット線ＢＬの延伸する方向をＤ１方向とする。また、半導体基板７１表面と平行かつＤ１方向と直交する方向をＤ２方向とする。また、半導体基板７１表面と直交する方向をＤ３方向とする。すなわち、Ｄ３方向はｚ方向と一致する。
【0057】
図１５に示すように、ｐ型ウェル領域（Ｐ－ｗｅｌｌ）上に複数のＮＡＮＤストリングＮＳが形成されている。すなわち、ｐ型ウェル領域上には、セレクトゲート線ＳＧＳとして機能する複数の配線層６３３、ワード線ＷＬｉとして機能する複数の配線層６３２、およびセレクトゲート線ＳＧＤとして機能する複数の配線層６３１が積層されている。なお、図１５においては、ワード線ＷＬｉとして機能する配線層６３２が８層積層された構造を示しているが、半導体記憶装置のメモリセルアレイにおいては、４８層、６４層、９６層など更に多層の配線層６３２が積層されていてもよい。
【0058】
そして、これらの配線層６３３、６３２、６３１を貫通してｐ型ウェル領域に達するメモリホール６３４が形成されている。メモリホール６３４の側面には、ブロック絶縁膜６３５、電荷蓄積膜６３６、およびトンネル絶縁膜６３７が順次形成され、更にメモリホール６３４内に半導体柱６３８が埋め込まれている。半導体柱６３８は、例えばポリシリコンからなり、ＮＡＮＤストリングＮＳに含まれるメモリセルトランジスタＭＴｉ並びに選択トランジスタＳＴ１及びＳＴ２の動作時にチャネルが形成される領域として機能する。
【0059】
各ＮＡＮＤストリングＮＳにおいて、ｐ型ウェル領域上に選択トランジスタＳＴ２、複数のメモリセルトランジスタＭＴｉ、及び選択トランジスタＳＴ１が形成されている。半導体柱６３８よりも上側には、ビット線ＢＬとして機能する配線層が形成される。半導体柱６３８の上端には、半導体柱６３８とビット線ＢＬとを接続するコンタクトプラグ６３９が形成されている。
【0060】
さらに、ｐ型ウェル領域の表面内には、ｎ＋型不純物拡散層が形成されている。ｎ＋型不純物拡散層上にはコンタクトプラグ６４０が形成され、コンタクトプラグ６４０上には、ソース線ＳＬとして機能する配線層が形成される。
【0061】
以上に示した構成が、図１５の紙面の奥行き方向（Ｄ２方向）に複数配列されており、奥行き方向に一列に並ぶ複数のＮＡＮＤストリングの集合によって、１つのストリングユニットＳＵが形成される。
【0062】
ビット線ＢＬやソース線ＳＬなどの金属材料で形成される配線層は、ＮＡＮＤストリングＮＳを形成後、これより上層に形成される。通常、金属材料で形成される配線層は、絶縁膜を挟んで複数層形成される。図１５の例では、２層の配線層ＭＬ１、ＭＬ２が設けられている場合を示している。ビット線ＢＬやソース線ＳＬは、これらの配線層ＭＬ１、ＭＬ２のうちの１つ以上の層に形成される。例えば、図１５では、下から一層目の配線層ＭＬ１にソース線ＳＬが形成されており、下から二層目の配線層ＭＬ２にビット線ＢＬが形成されている場合を示している。
【0063】
次に、図１５に示すような構造を有する半導体記憶装置における、メモリホール６３４の形成方法について、図１６を用いて説明する。図１６は、メモリホールを形成する工程について説明する概略断面図である。メモリホール６３４は、例えば、複数の工程を経て形成される。図１６には、メモリホール６３４を形成するための複数の工程における断面図を、時間的な順序に従って、左から右に並べて示している。
【0064】
まず、最初の工程（工程１）において、半導体基板７１上に、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とが交互に堆積され、半導体基板７１表面の全面にＯＮ積層膜７２が形成される。図１６において、実線は、シリコン窒化膜に対応し、実線に隣接した空白がシリコン酸化膜に対応する。ＯＮ積層膜７２におけるシリコン窒化膜は、後の工程で導電体膜（例えば、タングステン膜）に置換され、配線層６３１、配線層６３２、及び、配線層６３３となる。ＯＮ積層膜７２におけるシリコン酸化膜は、上述の配線層６３１、６３２、６３３間の絶縁膜となる。
【0065】
続く工程（工程２）において、ＯＮ積層膜７２の表面に、エッチングマスク膜７３が堆積される。エッチングマスク膜７３は、例えば、アモルファスカーボン膜などが用いられる。そして、次の工程（工程３）において、メモリホール６３４を形成する領域に位置するエッチングマスク膜７３が除去され、エッチングマスク膜７３に開口部が形成される。
【0066】
続く工程（工程４～工程７）において、エッチングマスク膜７３をマスクとして用いるドライエッチングにより、エッチングマスク膜７３の開口部の下部に形成されたＯＮ積層膜７２が除去される。メモリホール６３４は、例えば直径が１００ｎｍ程度で深さが数μｍと高アスペクト比の孔である。従って、メモリホール６３４を形成する過程において、適正なエッチング条件が変化し得る。そこで、メモリホール６３４を形成する過程において、複数段階でエッチング条件の変更が行われる。例えば、予め定められた各段階が終了した時点では、エッチングが一旦中断され、孔の加工状態（エッチングマスク膜７３の残膜厚、ＯＮ積層膜７２のエッチング深さ、及び、断面形状など）が計測される。そして、計測された加工状態に応じて、エッチング条件を調整して、次の段階のエッチングを行う。図１６においては、ＯＮ積層膜７２に浅くエッチングを施した時点における断面を工程４として示している。また、ＯＮ積層膜７２の膜厚の半分に満たない程度にエッチングを施した時点における断面を工程５として示している。さらに、ＯＮ積層膜７２の膜厚の半分より少し深い位置までエッチングを施した時点における断面を工程６として示している。なお、メモリホール６３４形成のためのエッチングにおいて、加工状態の計測とエッチング条件の調整をするための「段階」がさらに多く定められていてもよい。各段階が終了する都度、加工状態の計測が行われ、次の段階のエッチング条件の調整にフィードバックされる。また、加工状態の計測結果によっては、次の段階のエッチング条件が変更されないこともあり得る。
【0067】
図１６においては、工程６より後の段階の終了時点における断面を工程７として示している。工程７において、エッチングマスク膜７３の開口部の下部に形成されたＯＮ積層膜７２が全て除去され、メモリホール６３４の形成が完了する。なお、図１６においては、ＯＮ積層膜７２のエッチング深さをＴｈと示している。
【0068】
実施形態の計測システム１は、メモリホール６３４形成時における加工状態の計測に適用することができる。図１７を用いて、実施形態の計測システム１を加工状態の計測に適用した場合における、メモリホール６３４の形成手順を説明する。図１７は、メモリホールの形成手順の一例を説明するフローチャートである。
【0069】
まず、半導体基板７１上に、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とが交互に堆積され、ＯＮ積層膜７２が形成される（Ｓ１）。続いて、ＯＮ積層膜７２の表面に、ハードマスク材料としてのアモルファスカーボンが堆積され、エッチングマスク膜７３が成膜される（Ｓ２）。次に、メモリホール６３４を形成する領域のエッチングマスク膜７３が除去され、エッチングマスク膜７３に開口部（メモリホールパターン）が形成される（Ｓ３）。
【0070】
続いて、ＯＮ積層膜７２のドライエッチング（異方性エッチング）が行われる（Ｓ４）。上述のように、ＯＮ積層膜７２は膜厚が厚く、かつ、メモリホール６３４の径は小さいため、エッチングマスク膜７３の開口部の下部にメモリホール６３４として形成されるべき孔の高アスペクト比は大きい。従って、エッチングは複数の段階に分けて行われる。エッチング中は、エッチングの終了を判断するために、開口部の底部に半導体基板７１が露出したか否かの検知（終点検知）が行われる（Ｓ５）。半導体基板７１が検知された場合（Ｓ５、ＹＥＳ）、エッチングによって形成された孔が、ＯＮ積層膜７２を貫通したとみなし、エッチングを終了する。以上により、メモリホール６３４の形成が完了する。
【0071】
一方、一段階目のエッチングが終了した時点で、終点検知において半導体基板７１が検知されない場合（Ｓ５、ＮＯ）、エッチングが一時停止され、孔の加工形状（エッチングマスク膜７３の残膜厚、ＯＮ積層膜７２のエッチング深さ、及び、断面形状など）が実施形態の計測システム１によって計測される（Ｓ６）。Ｓ６は、メモリホール６３４形成途中の半導体ウエハを被検体７として、図１２のフローチャートに示す一連の手順により実行される。図１２に示す手順を実行することにより、計測時点において被検体７に形成されているメモリホール６３４（孔）の３次元形状が、形状プロファイルとして出力される。
【0072】
メモリホール６３４のようにアスペクト比の大きな孔を形成する場合、長時間にわたりエッチングが行われる。エッチング中においては、エッチング対象膜であるＯＮ積層膜７２に比べてエッチングレートは小さいものの、エッチングマスク膜７３も少しずつ削られる。エッチングマスク膜７３が全て削られてしまうと、被検体７の上面にＯＮ積層膜７２が露出する。被検体７の上面にＯＮ積層膜７２が露出した状態でエッチングが継続されると、開口部底部だけでなく、ＯＮ積層膜７２の表面もエッチングされてしまうため、後の工程で形成すべき配線層が形成できなくなり、不良品となる。
【0073】
また、エッチング中においては、削り取られたエッチングマスク膜７３の残渣などが、エッチングマスク膜７３の開口部側壁に付着する。開口部には、付着物によって孔の径が小さくなったり閉塞したりする、所謂ネッキングが生じる。ネッキングが生じると、エッチングレートが低下したり、孔が垂直でなく斜めに加工されたりする。エッチングレートの低下は生産性の低下を引き起こす。また、メモリホール６３４が斜めに形成されると、隣接するメモリホール６３４の距離が近くなったり、場合によっては隣接するメモリホール６３４同士が接続されたりする可能性があり、動作不良を引き起こす。このように、メモリホール６３４のようなアスペクト比の大きな孔を形成する際には、加工した孔の３次元形状と共に、エッチングマスク膜７３の残膜厚Ｔｍや、ネック径ＣＤｎに応じてエッチング条件を管理することが有効となる。従って、Ｓ６における加工形状の計測においては、膜厚Ｔｍやネック径ＣＤｎの精度のよい計測が望まれる。
【0074】
続くＳ７においては、Ｓ６で計測された形状プロファイルに基づき、次段階のエッチングのパラメータが必要に応じて調整される。そして、Ｓ４に戻り、ＯＮ積層膜７２の次段階のエッチングが行われる。Ｓ４からＳ７の一連の手順は、Ｓ５において終点が検出されるまで繰り返し実行される。
【0075】
このように、実施形態の計測装置によれば、エッチングにより被検体に形成した孔の３次元形状をＴ－ＳＡＸＳ計測装置を用いて計測する際に、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置での計測が困難な形状パラメータを、形状パラメータ計測ユニットで予め計測する。形状パラメータ計測ユニットは、該形状パラメータを精度よく計測可能な計測装置を有する。Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置は、形状パラメータ計測ユニットで計測された形状パラメータを用いて、ＳＡＸＳ像群を解析する。これにより、孔の３次元形状を精度よく計測することができる。特に、形状パラメータ計測ユニットにおいて、エッチングマスク膜の残膜厚、エッチングマスク膜における孔のネック径、および、エッチングマスク膜と加工対象膜（ＯＮ積層膜）との界面における孔の径（ボトム径）、の各形状パラメータを精度よく計測し、これらをＴ－ＳＡＸＳ計測装置に入力することで、孔の３次元形状の計測精度をより一層向上させることができる。
【0076】
また、上述のように半導体記憶装置の製造におけるエッチング工程（特に、メモリホールなどアスペクト比の大きい孔を形成するエッチング工程）の検査（加工形状の計測）に適用することで、エッチング条件を適正化しながら孔の加工を進めることができるので、孔の加工不良を未然に防ぐことができる。
【0077】
なお、形状パラメータ計測ユニット３で計測し、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２に入力する形状パラメータは、上述の３つのパラメータに限定されない。例えば、上述の３つのパラメータに加え、中心プロファイルを形状パラメータ計測ユニット３で計測し、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２に入力してもよい。中心プロファイルとは、ｘｙ平面に平行な面で切断したときの孔の中心位置を、ｚ方向にプロットして得られる形状プロファイルである。
【0078】
図１８は、第１実施形態にかかる計測装置を有する計測システムの別の構成例を示すブロック図である。また、図１９は、図１８に示す計測システムにおけるデータの流れの一例を説明する図である。図１８は、形状パラメータ計測ユニット３において、膜厚Ｔｍと、ネック径ＣＤｎと、ボトム径ＣＤｂと、中心プロファイルＰｃの４つの形状パラメータを測定し、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２に出力する計測システム１を示している。図１８に示すように、形状パラメータ計測ユニット３は、膜厚計測部３Ａ、ネック径計測部３Ｂ、ボトム径計測部３Ｃに加えて、中心プロファイルＰｃを計測する中心プロファイル計測部３Ｄを有する。その他の構成は、図１に示す計測システム１と同様である。ボトム径計測部３Ｃとして用いる第２の多波長光計測装置３３は、ボトム径ＣＤｂだけでなく、中心プロファイルＰｃも精度よく計測することができる。このような場合、第２の多波長光計測装置３３は、ボトム径計測部３Ｃと中心プロファイル計測部３Ｄの両方の役割を兼ねることができる。すなわち、図１９に示すように、第２の多波長光計測装置３３からホストコンピュータ４に、ボトム径ＣＤｂと中心プロファイルＰｃとが出力される。ホストコンピュータ４は、膜厚Ｔｍ、ネック径ＣＤｎ、ボトム径ＣＤｂ及び、中心プロファイルＰｃを、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２に出力する。Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２は、これらの４つの形状パラメータを用いてＳＡＸＳ像群を解析する。精度よく計測された中心プロファイルＰｃを形状パラメータに加えることで、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２で計測される孔の３次元形状の精度は、より一層向上する。
【0079】
また、中心プロファイルＰｃにかえて、チルトを形状パラメータ計測ユニット３で計測し、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２に入力してもよい。チルトとは、被検体７の最表面における孔の中心を通りｚ方向に平行な線と中心プロファイルとの距離を、ｚ方向にプロットして得られる形状パラメータである。
【0080】
図２０は、第１実施形態にかかる計測装置を有する計測システムの別の構成例を示すブロック図である。また、図２１は、図２０に示す計測システムにおけるデータの流れの一例を説明する図である。図２０は、形状パラメータ計測ユニット３において、膜厚Ｔｍと、ネック径ＣＤｎと、ボトム径ＣＤｂと、チルトＴの４つの形状パラメータを測定し、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２に出力する計測システム１を示している。図２０に示すように、形状パラメータ計測ユニット３は、膜厚計測部３Ａ、ネック径計測部３Ｂ、ボトム径計測部３Ｃに加えて、チルトＴを計測するチルト計測部３Ｅを有する。その他の構成は、図１に示す計測システム１と同様である。ボトム径計測部３Ｃとして用いる第２の多波長光計測装置３３は、ボトム径ＣＤｂだけでなく、チルトＴも精度よく計測することができる。このような場合、第２の多波長光計測装置３３は、ボトム径計測部３Ｃとチルト計測部３Ｅの両方の役割を兼ねることができる。すなわち、図２１に示すように、第２の多波長光計測装置３３からホストコンピュータ４に、ボトム径ＣＤｂとチルトＴとが出力される。ホストコンピュータ４は、膜厚Ｔｍ、ネック径ＣＤｎ、ボトム径ＣＤｂ及び、チルトＴを、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２に出力する。Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２は、これらの４つの形状パラメータを用いてＳＡＸＳ像群を解析する。精度よく計測されたチルトＴを形状パラメータに加えることで、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２で計測される孔の３次元形状の精度は、より一層向上する。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態の計測装置は、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２で用いられる形状パラメータの取得方法が、上述した第１実施形態と異なる。計測対象となる被検体７の構造については、上述した第１実施形態と同様であるので説明を省略する。以下、第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態の計測装置は、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２で用いられる形状パラメータの取得方法が、上述した第１実施形態と異なる。計測対象となる被検体７の構造については、上述した第１実施形態と同様であるので説明を省略する。以下、第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。
【0081】
図２２は、半導体ウエハ上に配置されたメモリチップのレイアウトの一例を説明する平面図である。図２２に示すように、被検体７としての半導体ウエハには、複数のメモリチップ１００が、ｘ方向およびｙ方向に行列状に配列される。それぞれのメモリチップ１００には、３次元形状の計測対象となる孔（メモリホール）を有するメモリセルアレイが形成されている。
【0082】
半導体ウエハ上に、ＣＶＤ技術などにより各種の膜を堆積させる場合、半導体ウエハの全面において、均一な膜厚で成膜をすることは困難である。また、リソグラフィ技術及びエッチング技術により堆積された膜を加工する場合も、半導体ウエハの全面において、均一な形状で加工することは困難である。すなわち、計測対象となる孔７４の位置によって、形状パラメータ（例えば、エッチングマスク膜７３の膜厚Ｔｍや、ネック径ＣＤｎ、ボトム径ＣＤｂ）は、異なる値をし得る。
【0083】
そこで、本実施形態の計測装置は、半導体ウエハの面内の複数箇所について、予め形状パラメータを計測し、形状パラメータの面内傾向を解析する。解析結果は、形状パラメータマップとして保持される。形状パラメータマップから、３次元形状の計測領域位置における形状パラメータのデータを抽出し、ＳＡＸＳ像の解析に用いる。このような構成により、計測の過程で３次元形状の計測領域の位置を変更しても、形状パラメータを計測しなおす必要がないので、ＳＡＸＳ像の解析を、高精度かつ短時間に行うことができる。
【0084】
図２３は、第２実施形態にかかる計測装置を有する計測システムの構成例を示すブロック図である。本実施形態の計測システム１は、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２と、形状パラメータ計測ユニット３と、ホストコンピュータ４´と、データベース５´とを備える。情報処理装置としてのホストコンピュータ４´は、形状パラメータマップ生成部４１と、形状パラメータ取得部４２とを具備する。データベース５´は、形状パラメータマップ５１を格納する。
【0085】
形状パラメータマップ生成部４１は、形状パラメータ計測ユニット３に対し、データを取得する位置（例えば、半導体ウエハにおける位置座標）を指示する。データを取得する位置としては、異なる複数の位置を指示する。図２４は、形状パラメータの計測対象領域の一例を説明する平面図である。図２４は、被検体７としての半導体ウエハ上における、形状パラメータの計測対象領域８０を示している。計測対象領域８０は、半導体ウエハ上に複数設定される。例えば、図２４に示すように、半導体ウエハの中心を原点とし、半径が異なる１つ以上の円において、各円の円周を略等分する位置にあるチップ１００を、計測対象領域８０とする。図２４に示す一例では、中心に１カ所、２つの同心円のうち内側の円の円周上に８カ所、外側の円の円周上に１２カ所、計２１カ所の計測対象領域８０が設定されている。なお、計測対象領域８０は、形状パラメータごとに異なる位置を設定したり、異なる個数を設定したりしてもよい。
【0086】
また、形状パラメータマップ生成部４１は、設定した計測対象領域８０について、形状パラメータ計測ユニット３が計測した形状パラメータのデータに基づき、形状パラメータごとに面内傾向を解析する。具体的には、計測対象領域８０のデータを用いて、形状パラメータが計測されていない位置のデータを推定し、補間する。さらに、形状パラメータマップ生成部４１は、解析結果を、形状パラメータの面内分布を示す形状パラメータマップ５１としてデータベース５´に出力する。
【0087】
形状パラメータ取得部４２は、３次元形状の計測領域の位置に対応する各形状パラメータのデータを、形状パラメータマップ５１から抽出する。図２５は、３次元形状の計測領域の位置の一例を説明する平面図である。さらに、形状パラメータ取得部４２は、抽出したデータを、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２へ出力する。図２５は、被検体７としての半導体ウエハ上における、３次元形状の計測領域７０を示している。例えば、図２５に示すように、ｘ座標がｘ１、ｙ座標がｙ１である計測領域７０が設定されると、形状パラメータ取得部４２は、データベース５´に格納されている形状パラメータマップ５１から（ｘ、ｙ）＝（ｘ１、ｙ１）のデータを抽出し、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２へ出力する。
【0088】
次に、第２実施形態の計測システムによる３次元形状の計測方法について、図２６～２９を用いて説明する。図２６は、第２実施形態の計測システムにおけるデータの流れの一例を説明する図である。図２６は、形状パラメータ計測ユニット３において、膜厚Ｔｍ、ネック系ＣＤｎ、ボトム径ＣＤｂが計測され、これらの形状パラメータがＴ－ＳＡＸＳ計測装置２におけるＳＡＸＳ像群解析に用いられる場合についての一例を示している。
【0089】
膜厚Ｔｍ、ネック系ＣＤｎ、ボトム径ＣＤｂの各形状パラメータについて、複数の計測対象領域８０の位置座標が、ホストコンピュータ４´から形状パラメータ計測ユニット３に入力される（不図示）。入力された位置座標について、形状パラメータ計測ユニット３で計測された形状パラメータは、形状パラメータマップ生成部４１へ出力される。膜厚Ｔｍは、形状パラメータ計測ユニット３の第１の多波長光計測装置３１から形状パラメータマップ生成部４１に出力される。ネック径ＣＤｎは、形状パラメータ計測ユニット３の電子線計測装置３２から形状パラメータマップ生成部４１に出力される。ボトム径ＣＤｂは、形状パラメータ計測ユニット３の第２の多波長光計測装置３３から形状パラメータマップ生成部４１に出力される。なお、形状パラメータのデータは、計測対象領域８０の位置座標と対にして出力される。
【0090】
形状パラメータ計測ユニット３で計測されたデータに基づき生成された形状パラメータマップ５１は、形状パラメータマップ生成部４１からデータベース５´に出力され、格納される。形状パラメータマップ５１は、形状パラメータごとに生成される。例えば、図２６に示す一例の場合、膜厚Ｔｍマップ、ネック径ＣＤｎマップ、ボトム径ＣＤｂマップ、の３つの形状パラメータマップ５１が生成され、格納される。
【0091】
一方、被検体７の計測領域の位置座標は、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２において設定され、ホストコンピュータ４´の形状パラメータ取得部４２に入力される。形状パラメータ取得部４２は、データベース５´に格納されている形状パラメータマップ５１から、計測領域の位置座標に対応するデータを抽出する。抽出されたデータ（膜厚Ｔｍ、ネック径ＣＤｎ、ボトム径ＣＤｂ）は、形状パラメータ取得部４２からＴ－ＳＡＸＳ計測装置２に出力される。
【0092】
被検体７の計測領域の形状プロファイルは、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２からホストコンピュータ４´へ出力される。形状プロファイルは、ホストコンピュータ４´の図示しない表示装置に表示されたり、データベース５´に出力されて格納されたりする。
【0093】
図２７～２９は、第２実施形態の計測方法の一例を説明するフローチャートである。図中に示す長方形、平行四辺形、矢印は、図１２と同義である。図２７に示すように、まず、形状パラメータマップ５１を生成する（Ｓ６１）。図２８は、膜厚Ｔｍを一例とし、Ｓ６１の具体的な手順を示している。他の形状パラメータ（ネック径ＣＤｎ、ボトム径ＣＤｂなど）のマップも、図２８に示す手順と同様にして取得する。
【0094】
まず、ホストコンピュータ４´において、形状パラメータである膜厚Ｔｍの計測対象領域を複数箇所設定し、第１の多波長光計測装置３１に指示する（Ｓ６１１）。第１の多波長光計測装置３１は、最初の計測対象領域に光が照射されるように被検体７の位置を調整し（Ｓ６１２）、回折光強度スペクトルを取得する（Ｓ６１３）。Ｓ６１３で取得した回折光強度スペクトルを解析し、被検体７の表面に形成されたエッチングマスク膜７３の膜厚Ｔｍを計測する（Ｓ６１４）。第１の多波長光計測装置３１は、Ｓ６１２で設定された計測対象領域の座標と、Ｓ６１４で計測された膜厚Ｔｍとを、ホストコンピュータ４´に出力する。Ｓ６１１において指示された計測対象領域のうち、膜厚Ｔｍが未計測の領域がある場合（Ｓ６１６、ＹＥＳ）、次の計測対象領域に光が照射されるように被検体７の位置を調整し（Ｓ６１７）、Ｓ６１３からＳ６１５の手順を繰り返し実行して膜厚Ｔｍの計測を継続する。一方、Ｓ６１１において指示された計測対象領域のうち、膜厚Ｔｍが未計測の領域がない場合（Ｓ６１６、ＮＯ）、ホストコンピュータ４´は、入力されたデータを解析して膜厚Ｔｍの面内傾向を解析し、形状パラメータマップ５１（膜厚Ｔｍマップ）を生成する（Ｓ６１８）。膜厚Ｔｍ以外の形状パラメータ（ネック径ＣＤｎ、ボトム径ＣＤｂなど）のマップも、図２８に示す手順に準じて生成する。
【0095】
図２７に戻り、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２において、Ｓ６１で生成された形状パラメータマップ５１から３次元形状の計測領域と対応する形状パラメータのデータを取得し、孔の形状を計測する（Ｓ６２）。Ｓ６２の具体的な手順を、図２９を用いて説明する。
【0096】
まず、被検体７において、３次元形状の計測領域を設定する（Ｓ６２１）。次に、形状パラメータマップ５１から、Ｓ６２１で設定された計測領域の位置におけるデータ（膜厚Ｔｍ、ネック径ＣＤｎ、ボトム径ＣＤｂの値）を取得する（Ｓ６２２）。続いて、Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置２において、計測ステージ２２の回動角度を変えながら計測し、被検体７の計測領域について複数の回折像（ＳＡＸＳ像群）を取得する（Ｓ６２３）。Ｓ６２３で取得したＳＡＸＳ像群を解析し、被検体７の計測領域の３次元形状を推定して形状プロファイルを取得する（Ｓ６２４）。Ｓ６２４におけるＳＡＸＳ像群の解析において、解析部２４は、Ｓ６２２で取得した各種形状パラメータ（膜厚Ｔｍ、ネック径ＣＤｎ、ボトム径ＣＤｂ）を解析パラメータとしてセットし、３次元形状を解析する。
【0097】
以上のように、本実施形態の計測装置によれば、３次元形状の計測に先立ち、被検体７の面内の複数箇所について形状パラメータを計測し、形状パラメータの面内傾向を解析する。解析結果を形状パラメータマップ５１としてデータベース５´に格納しておき、３次元形状を計測する際には、計測領域における形状パラメータの値を形状パラメータマップ５１から抽出し、ＳＡＸＳ像群の解析に用いる。これにより、計測領域が変更される場合にも、形状パラメータを計測し直す必要がなく、ＳＡＸＳ像の解析を、高精度かつ短時間に行うことができる。
【0098】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、一例として示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0099】
１…計測システム、２…Ｔ－ＳＡＸＳ計測装置、３…形状パラメータ計測ユニット、４、４´…ホストコンピュータ、５、５´…データベース、６…搬送装置、７…被検体、３Ａ…膜厚計測部、３Ｂ…ネック径計測部、３Ｃ…ボトム径計測部、３１…第１の多波長光計測装置、３２…電子線計測装置、３３…第２の多波長光計測装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】