CN111076668A - 用于纳米厚度SiO2厚度的差分反射光谱测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于纳米厚度SiO2厚度的差分反射光谱测量方法，包括以下步骤：制备标准样品：制备SiO2层厚为100nm标准样品，对SiO2表面粗糙度Sa值进行检定；确定标准样品的厚度值和光学常数；确定测量装置的透光系数；建立差分光谱测量的多层膜光学模型：将待测样品定义为空气层—SiO2粗糙层—SiO2层—过渡层—Si基底层的多层膜光学模型；建立差分光谱测量的多层膜材料物理模型；获取待测样品SiO2膜层的厚度值：使用差分光谱测量方法获得标准样品和待测样品的差分光谱曲线，利用光谱数据曲线拟合算法对多层膜中各层的厚度进行反演运算，获得SiO2层的厚度值。

Description

用于纳米厚度SiO2厚度的差分反射光谱测量方法
技术领域
本发明涉及半导体透明超薄膜厚度的光学测试技术领域，尤其涉及一种用于纳米厚度SiO2层厚的差分光谱测量方法。
背景技术
半导体工业中SiO2薄膜的厚度是需要精确控制的参数之一，其无损非接触的厚度检定对于提高制造产量、产品良率以及降低成本等具有重要的意义。其中，反射光谱技术测量纳米薄膜多层间的反射/干涉引起的反射率变化，利用光学模型对膜厚、光学常数等进行测量分析。
当前反射光谱测量方法的厚度测量范围取决于所使用光波长范围，当薄膜小于100nm或更薄时，需要使用紫外光波或更短的光波长范围，给实际测量系统的设计带来了难题；同时，典型的光谱测量系统以单光路的光谱信号测量为主，无校正参考光路，测量信号随光强的漂移非常明显，严重影响SiO2厚度的测量精度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种较为精准的用于纳米厚度SiO2厚度的差分光谱测量方法。技术方案如下：
一种用于纳米厚度SiO2厚度的差分反射光谱测量方法，包括但不限于以下步骤：
1)制备标准样品：制备SiO2层厚为100nm标准样品，对SiO2表面粗糙度Sa值进行检定；
2)确定标准样品的厚度值和光学常数：将标准样品定义为环境-薄膜-衬底结构，使用标准介电函数作为各材料的物理模型，根据椭偏仪测得的偏振参数，拟合计算出标准样品的厚度值和光学常数。
3)确定测量装置的透光系数：使用标准样品的反射率，利用光源发光强度分布谱、光谱仪感光分布谱，获得测量装置的透光系数，用于校正测量装置获得的光谱数据；利用参考镜实现光源发光强度漂移的补偿；
4)建立差分光谱测量的多层膜光学模型：将待测样品定义为空气层—SiO2粗糙层—SiO2层—过渡层—Si基底层的多层膜光学模型；
5)建立差分光谱测量的多层膜材料物理模型；
6)获取待测样品SiO2膜层的厚度值：使用差分光谱测量方法获得标准样品和待测样品的差分光谱曲线，利用光谱数据曲线拟合算法对多层膜中各层的厚度进行反演运算，获得SiO2层的厚度值。
优选地，步骤2)中，所述椭偏仪测量采用55°至65°变角度测量，所述拟合计算使用波长范围包括400纳米至1微米，所述SiO2层的标准介电函数为应用于透明材料的柯西公式。
步骤3)所述测量装置包括：白光光源、分束器、第一快门、第二快门、参考镜、光谱仪，白光光源的出射光入射分束器后，由分束器产生的反射光通过第一快门后入射到样品表面；样品的反射光经过分束器后，其透射光由光谱仪进行光谱强度采集；白光光源的出射光经由分束器产生的透射光束，通过第二快门后由入射到参考镜表面；参考镜表面的反射光经由分束器反射后，由光谱仪进行光谱强度采集；通过第一快门和第二快门的分时通断，实现样品和参考镜的反射光谱的测量。
步骤5)包括：采用混合介质的有效介质理论建立空气/SiO2界面粗糙层和SiO2/Si界面过渡层的物理模型；利用步骤1)得到的粗糙度作为初始厚度参考值；SiO2层为单一材料构成，使用步骤2)确定的光学常数作为参考值；Si基底为单一材料构成，使用步骤2)确定的光学常数作为参考值。
步骤6)中，所述的曲线拟合算法为基于Levenberg-Marquard的非线性最小二乘曲线拟合方法。
从上述技术方案可以看出，本发明的用于纳米厚度SiO2层厚的差分反射光谱测量方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)能够实现对超薄层SiO2的厚度测量。
(2)利用参考光路可有效降低光强漂移引起的测量误差。
(3)测量系统校正后，只需测量一次即可获得待测样品的厚度等信息，提高了测量速度。
附图说明
图1为本发明实施例用于纳米厚度SiO2层厚的差分反射光谱测量方法的工艺流程框图；
图2为本发明的测量装置结构示意图。
上述附图中，附图标记含义如下：
1-白光光源；2-分束器；3-第一快门；4-样品；5-第二快门；6-参考镜；7-光谱仪。
具体实施方式
以下结合说明书附图和实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
现结合上述各附图，提出一种用于纳米厚度SiO2层厚的差分反射光谱测量方法的实施案例。样品的形式为Si基底上的SiO2薄膜，SiO2厚度小于100纳米。
如图1所示，本发明的用于纳米厚度SiO2层厚的差分反射光谱测量方法，包括下列步骤：
1)制备标准样品：对2英寸硅晶圆片进行化学机械抛光(CMP)，然后采用干氧氧化法进行厚度100纳米的SiO2薄膜生长；使用光学轮廓仪、原子力扫描显微镜对SiO2表面粗糙度Sa值进行检定。
2)确定标准样品的厚度值和光学常数：将步骤1)制备的标准样品定义为环境-薄膜-衬底结构，使用标准介电函数(柯西公式)作为各材料的物理模型；使用商业椭偏仪RC-2测量步骤1)制备的标准样品，使用椭偏仪RC-2的商业软件拟合计算出标准样品的厚度值和光学常数。
3)确定测量装置的透光系数：使用步骤2)测得的标准样品的光学常数计算光学反射率，同时利用光源发光强度分布曲线、光谱仪感光分布曲线对测量装置的透射率进行测定，使用所述透射率校正测量装置获得的光谱数据。利用快门的通断，获取参考镜的反射光强，实现光源的光强漂移检测，用于光源发光强度分布曲线的数据补偿。
4)建立差分光谱测量的多层膜光学模型：将待测样品定义为空气层—SiO2粗糙层—SiO2层—过渡层—Si基底层的多层膜光学模型。
5)建立差分光谱测量的多层膜材料物理模型：采用混合介质的有效介质理论建立空气/SiO2界面粗糙层和SiO2/Si界面过渡层的物理模型；所述粗糙层的粗糙度Sa值作为初始厚度参考值；所述SiO2层为单一材料构成，使用步骤2)确定的光学常数作为参考值；所述Si基底为单一材料构成，使用步骤2)确定的光学常数作为参考值。
6)获取待测SiO2膜层的厚度值：使用差分光谱测量方法获得待测样品的差分光谱曲线，具体公式为DRSλ＝(It-It)/IR，式中DRSλ为差分反射光谱，It为待测样品的反射光谱，IR为标准样品的反射光谱；利用基于Levenberg-Marquard的非线性最小二乘曲线拟合方法，对待测样品差分反射光谱的测量曲线和仿真曲线进行拟合，反演运算待测样品多层膜中各层的厚度，最终获得SiO2层的厚度值。
本发明还提供了利用如上所述方法的一个具体测量装置原理图，如图2所示：包括白光光源1、分束器2、第一快门3、第二快门5、参考镜6、光谱仪7。白光光源1可选用卤素灯，但并不局限于此；分束器2可选用分光棱镜、分光平板；第一快门1和第二快门2可选用光学快门或者机械快门；参考镜6可选用镀有保护铝薄膜的平面反射镜；光谱仪7可选用低噪声科研级CCD阵列式光谱仪。光谱范围包括但不限于紫外至红外波段。
白光光源1的出射光入射分束器2后，由分束器2产生的反射光通过第一快门1后入射到样品4表面；样品4的反射光经过分束器2后，其透射光由光谱仪7进行光谱强度采集；白光光源1的出射光经由分束器2产生的透射光束，通过第二快门5后由入射到参考镜6表面；参考镜6表面的反射光经由分束器2反射后，由光谱仪7进行光谱强度采集。容易理解，样品4位置用于放置标准样品和待测样品，样品4和参考镜6在图2中的位置可以互换。
本方法参考现有技术中利用光谱拟合获取薄膜厚度的方法，具体来说，可通过建立薄膜的光学模型，利用薄膜的反射光谱拟合出其厚度，由于不涉及本发明的创新点，在此不作赘述。
综上所述，本发明提供的可用于10纳米厚度SiO2层厚的差分反射光谱测量方法。差分光谱法可以有效抑制基底产生的背景光学信号，提高SiO2的光学信号灵敏度，即厚度测量灵敏度。系统校正后，只需测量一次即可获得样品的厚度等信息，提高了测量速度。利用参考光路可有效降低光强漂移引起的测量误差。

Claims (5)

1.一种用于纳米厚度SiO2厚度的差分反射光谱测量方法，包括但不限于以下步骤：
1)制备标准样品：制备SiO2层厚为100nm标准样品，对SiO2表面粗糙度Sa值进行检定；
2)确定标准样品的厚度值和光学常数：将标准样品定义为环境-薄膜-衬底结构，使用标准介电函数作为各材料的物理模型，根据椭偏仪测得的偏振参数，拟合计算出标准样品的厚度值和光学常数。
3)确定测量装置的透光系数：使用标准样品的反射率，利用光源发光强度分布谱、光谱仪感光分布谱，获得测量装置的透光系数，用于校正测量装置获得的光谱数据；利用参考镜实现光源发光强度漂移的补偿；
4)建立差分光谱测量的多层膜光学模型：将待测样品定义为空气层—SiO2粗糙层—SiO2层—过渡层—Si基底层的多层膜光学模型；
5)建立差分光谱测量的多层膜材料物理模型；
6)获取待测样品SiO2膜层的厚度值：使用差分光谱测量方法获得标准样品和待测样品的差分光谱曲线，利用光谱数据曲线拟合算法对多层膜中各层的厚度进行反演运算，获得SiO2层的厚度值。
2.根据权利要求1的差分反射光谱测量方法，其特征在于，步骤2)中，所述椭偏仪测量采用55°至65°变角度测量，所述拟合计算使用波长范围包括400纳米至1微米，所述SiO2层的标准介电函数为应用于透明材料的柯西公式。
3.根据权利要求1的差分反射光谱测量方法，其特征在于，步骤3)所述测量装置包括：白光光源、分束器、第一快门、第二快门、参考镜、光谱仪，白光光源的出射光入射分束器后，由分束器产生的反射光通过第一快门后入射到样品表面；样品的反射光经过分束器后，其透射光由光谱仪进行光谱强度采集；白光光源的出射光经由分束器产生的透射光束，通过第二快门后由入射到参考镜表面；参考镜表面的反射光经由分束器反射后，由光谱仪进行光谱强度采集；通过第一快门和第二快门的分时通断，实现样品和参考镜的反射光谱的测量。
4.根据权利要求1的差分反射光谱测量方法，其特征在于，步骤5)包括：采用混合介质的有效介质理论建立空气/SiO2界面粗糙层和SiO2/Si界面过渡层的物理模型；利用步骤1)得到的粗糙度作为初始厚度参考值；SiO2层为单一材料构成，使用步骤2)确定的光学常数作为参考值；Si基底为单一材料构成，使用步骤2)确定的光学常数作为参考值。
5.根据权利要求1的差分反射光谱测量方法，其特征在于，步骤6)中，所述的曲线拟合算法为基于Levenberg-Marquard的非线性最小二乘曲线拟合方法。
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