JP2004093436A - Analysis method for thin-film multi-layer structure by using spectral ellipsometer - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To determine a thin-film multi-layer structure by setting a combined model of film thickness and complex index of refraction, calculating the simulation spectrum thereof, and fitting the simulation spectrum to measured spectrum by using Extended Best Local Minimum Calculation (EBLMC) in the analysis method of a thin-film n-layer structure by using a spectral ellipsometer. <P>SOLUTION: This analysis method for a thin-film three-layer structure (d1, d2, d3) by using the spectral ellipsometer comprises a spectral measuring phase capable of providing measured data on a specimen 4 by using the spectral ellipsometer, an analysis phase 1 determining the initial model of the thin-film three-layer structure, an analysis phase 2 having a first stage determining the unidentified constant of a noted layer among the three-layer structure by the EBLMC and a second stage determining the constant of the other layer by the EBLMC in the initial model, and an analysis phase 3 in which the final fitting of the model provided in the analysis phase 2 is performed, and the results are confirmed and stored. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

ここで、Ｐは、パラメータの数である。χ^２　が小さいということは測定結果とモデルの一致度が大きいということに他ならないから、複数のモデルについて比較するときに、χ^２　の最も低いものがベストモデルということになる。
【０００６】
前述した測定試料が基板上に膜が１層ついているサンプルの場合、偏光変化量は、位相角（β）×ビーム径の面積に比例する。位相角（β）は次の式で表される。
β＝２π（ｄ／λ）（Ｎ^２　−Ｎ_Ａ　^２　ｓｉｎ^２　φ）^１／２
ビーム径が一定とすると偏光変化量は次のようになる。
偏光変化量∝膜厚（ｄ）×複素屈折率（Ｎ）×ｆ（φ）
ここでＮ_Ａ　は周囲（Ａｍｂｉｅｎｔ）の複素屈折率、Ｎは膜の複素屈折率、φは入射角である。膜厚（ｄ）が薄く、複素屈折率（Ｎ）が低ければ、位相角（β）の変化が小さくなり、測定が困難になる可能性が出てくる。明確に言うと、ｄとＮの間に相関関係が強くなる。
【０００７】
前述した問題は、極薄膜多層構造の場合、上記にさらに各層の間に相関関係が発生する可能性があり、偏光変化量を表している測定結果（Ψ_Ｅ　（　λ_ｉ　）　，Δ_Ｅ　（　λ_ｉ　）　）から、各層のｄ，ｎ，ｋを求めることが困難となる。
【０００８】
また、前述した式のとおり、入射角の正しさによって、偏光変化量の値も変わる。したがって、何らかの方法で、入射角を正しく求める必要がある。正しい入射角度が決定できることにより偏光変化量の値も正しく求めることが可能となる。
【０００９】
本発明では、様々な理由により１つの分散式では膜の誘電率の波長依存性を特定できないかまたは困難な場合についても問題にして、有効媒質論（Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　Ｍｅｄｉｕｍ　Ｔｈｅｏｒｙ）を利用して、有効誘電率（Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）　を計算する。
一般的に、例えばホスト材料中に様々な誘電率を持つＮ個の物質（ゲスト）が混ざり合っている場合、有効誘電率（ε）は、下記の様に表される。

この時ε_ｈ　はホストの誘電率を、ε_ｊ　はｊ個目の誘電率を、ｋはスクリーニングファクターを示している。ここで、ホストの材料と、中に入っている材料がほぼ同じ量で混ざり合っているか、またはどちらがホストかゲストか分からない場合、ホストの材料自身が有効媒質材料と同じε＝ε_ｈ　になる。この条件の有効媒質論をブラッグマンの有効媒質近似（Ｂｒｕｇｇｅｍａｎ　Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　Ｍｅｄｉｕｍ　Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ以下本願において単にＥＭＡ）と呼ばれている。３つの球状物質ａ，ｂ，ｃが対照的に混在しているときの誘電率εは次の式で与えられる。
ｆ_ａ　（ε_ａ　−ε）／（ε_ａ　＋２ε）＋ｆ_ｂ　（ε_ｂ　−ε）／（ε_ｂ　＋２ε）
＋ｆ_ｃ　（ε_ｃ　−ε）／（ε_ｃ　＋２ε）＝０
ここで、
ε　　　：　求めようとする有効誘電率
ε_ａ　，　ε_ｂ　，　ε_ｃ　　：　　球状物質ａ，ｂ，ｃの誘電率
ｆ_ａ　，　ｆ_ｂ　，　ｆ_ｃ　　：　　各物質の混合比（Ｖｏｌｕｍｅ　Ｆｒａｃｔｉｏｎ　　以下Ｖｆ）で、
ｆ_ａ　＋ｆ_ｂ　＋ｆ_ｃ　＝１
基板上の膜が不均一または不連続や、いくつかの材料が混ざり合っている場合、波長オーダーより十分小さく、物理的に混合している複数の物質から成る媒質については、有効媒質近似（ＥＭＡ）を利用してモデルをたてる。
物質ａと物質ｂと物質ｃが混合している場合について説明する。このときの有効媒質近似（ＥＭＡ）は、物質ａの混合比、物質ｂの混合比、物質ｃの混合比、ａとｂとｃの混合層の膜厚、誘電率には分散式やリファレンスデータなどを推定してフィッティングを行い、評価する。
【００１０】
本発明では、ＢＬＭＣ（　Ｂｅｓｔ　Ｌｏｃａｌ　Ｍｉｎｉｍｕｍ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　）とＥＢＬＭＣ（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　Ｂｅｓｔ　Ｌｏｃａｌ　Ｍｉｎｉｍｕｍ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　）と言う計算方法を多用するから、これを簡単に定義してＢＬＭＣとＥＢＬＭＣという略語を直接用いることにする。
ＢＬＭＣとは、一つの層に対して行う方法である。任意のパラメータの初期値を一定の範囲内で変えながら、決まった手順でフィッティングを行い、最良な結果を決定する。
ＥＢＬＭＣとは、複数の層に対して行う方法である。ＢＬＭＣを行う以外の層の、任意のパラメータをその中心値および付近の複数点にわたり選択して各点についてＢＬＭＣを行い、最良な結果を決定する。
【００１１】
本発明の目的は、膜厚や複素屈折率などの組み合わせモデルを設定し、そのシミュレーションスペクトルを算出して、そのシミュレーションスペクトルと測定スペクトルとのフィッティングを広範囲極小値計算法（ＥＢＬＭＣ）を使用して行うことにより、薄膜多層構造を決定する、分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１記載の分光エリプソメータを用いた薄膜３層構造の解析方法は、
分光エリプソメータを用いて測定データを得る分光測定フェーズと、
薄膜３層構造の初期モデルを決定する解析フェーズ１と、
前記初期モデルについて、３層構造中の注目層の未知の定数をＥＢＬＭＣにより決定する第１段階と、前記決定された定数を採用して、他の層の定数をＥＢＬＭＣにより決定する第２段階とを含む解析フェーズ２
から構成されている。
【００１３】
本発明による請求項２記載の分光エリプソメータを用いた薄膜３層構造の解析方法は、
分光エリプソメータを用いて測定データを得る分光測定フェーズと、
薄膜３層構造の初期モデルを決定する解析フェーズ１と、
前記初期モデルについて、３層構造中の注目層の未知の定数をＥＢＬＭＣにより決定する第１段階と、前記決定された定数を採用して、他の層の定数をＥＢＬＭＣにより決定する第２段階とを含む解析フェーズ２、および
前記解析フェーズ２で得られたモデルについて最終フィッティングを行い、結果の確認をして保存する解析フェーズ３と、
から構成されている。
【００１４】
本発明による請求項３記載の分光エリプソメータを用いた薄膜ｎ層構造の解析方法は、
分光エリプソメータを用いて測定データを得る分光測定フェーズと、
薄膜ｎ層構造の初期モデルを決定する解析フェーズ１と、
薄膜ｎ層構造の初期モデルについて、ｎ層構造中の注目層の未知定数をＥＢＬＭＣにより決定する解析フェーズ２
から構成されている。
【００１５】
本発明による請求項４記載の分光エリプソメータを用いた薄膜ｎ層構造の解析方法は、
分光エリプソメータを用いて測定データを得る分光測定フェーズと、
薄膜ｎ層構造の初期モデルを決定する解析フェーズ１と、
前記初期モデルについて、ｎ層構造中の注目層の未知定数をＥＢＬＭＣにより決定する解析フェーズ２、および
前記解析フェーズ２で得られたモデルについて最終フィッティングを行い、結果の確認をして保存する解析フェーズ３と、
から構成されている。
本発明による請求項５記載の分光エリプソメータを用いた薄膜３またはｎ層構造の解析方法は、
請求項１，２，３または４記載の分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法において、
前記未知の定数は、各層の膜厚、未知材料の光学定数、または混合比とする。
【００１６】
本発明による請求項６記載の分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法は、
請求項１，２，３または４記載の分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法において、
前記分光測定フェーズは、計測対象の基板上の薄膜３またはｎ層構造について、入射光の波長を変えて各波長λ_ｉ　ごとの入射光と反射光の偏光の変化を表わしている測定スペクトルΨ_Ｅ　（　λ_ｉ　）　とΔ_Ｅ　（　λ_ｉ　）　を得るΨ_Ｅ　，Δ_Ｅ　スペクトル測定ステップと、
前記測定で得たデータを保存する保存ステップと、
を含んで構成されている。
【００１７】
本発明による請求項７記載の分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法は、
請求項１，２，３または４記載の分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法において、
前記解析フェーズ１では、複数のモデルからフィッティングにより１つの最良近似モデル（Ｂｅｓｔ　Ｆｉｒｓｔ　Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅｌ　以下ＢＦＡＭ）を選択するか、または既知のデータから仮定した初期モデルを設定するフェーズであって、
前記ＢＦＡＭを選択する場合は、
考えられるモデルを複数種類たてる第１ステップと、
前記複数種類のモデルについて膜厚、混合比、入射角度についてフィッティングを行う第２ステップと、および
前記第２ステップの結果からχ^２　値の最も低いモデルまたは、あらかじめ設定した膜厚、混合比、入射角度の最大値と最小値の間に入っている最低χ^２　値のモデルを選定する第３ステップから構成されている。
【００１８】
本発明による請求項８記載の分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法は、
請求項１，２，３または４記載の分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法において、
前記解析フェーズ２の第１段階は、前記決定した初期モデルにおいて、３またはｎ層構造中の最も未知な材料層（注目層）の光学定数を分散式１つにおきかえる第１ステップと、
前記設定した注目層以外の任意の層（１〜（ｎ−１））の膜厚や混合比などを、複数点にわたり選択して各点について注目層のＥＢＬＭＣを行う第２ステップと、および
前記第２ステップのＥＢＬＭＣの結果からχ^２　値の最も低いモデルまたはあらかじめ設定した膜厚や混合比、分散式パラメータ、入射角などの最大値と最小値の間に入っている最低χ^２　値のモデルを選定する第３ステップとを含んで構成されている。
【００１９】
本発明による請求項９記載の分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法は、
請求項１，２，３または４記載の分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法において、
前記解析フェーズ２の第２〜ｔ段階は、
前記前段階で得られた注目層の光学定数をほぼ既知とし、それ以外の層の中から最も未知な材料層を新たな注目層として、請求項８と同じステップを行うように構成されている。
【００２０】
本発明による請求項１０記載の分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法は、
請求項１，２，３または４記載の分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法において、
解析フェーズ２でＥＢＬＭＣを行う順序は、３またはｎ層構造中の材料において、光学定数が最も未知な材料から順序立てて行うものであり、解析フェーズ２の解析段階の数は、層数によらず、少なくとも１からｎまで可能であるように構成されている。
【００２１】
本発明による請求項１１記載の分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法は、
請求項１，２，３または４記載の分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法において、
解析フェーズ２で、χ^２　の最も良い結果を選択した結果、あらかじめ設定した各層の膜厚や、分散式パラメータ、混合比、入射角度のそれぞれの最大・最小値の範囲内にあることが確認されない場合には、解析フェーズ２を必要な回数、繰り返して行うように構成されている。
【００２２】
本発明による請求項１２記載の分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法は、
請求項２または４記載の分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法において、
前記解析フェーズ３は、前記解析フェーズ２で得られたモデルの任意のパラメータについて最終フィッティングを行い、結果の確認をして保存するフェーズとして構成されている。
【００２３】
本発明による請求項１３記載の分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法は、
請求項２または４記載の分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法において、
解析フェーズ３のステップ１のフィッティングの結果があらかじめ設定した最大値と最小値の範囲内にあることがステップ２で確認されない場合は、解析フェーズ１に戻り再度解析を行うように構成されている。
【００２４】
本発明による請求項１４記載の分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法は、
請求項１，２，３または４記載の分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法において、
前記解析フェーズ１で、注目層に有効媒質近似を使用して初期モデルを決定した後、解析フェーズ２の第１段階で、請求項８のようにこの注目層を１つの分散式で表すことができない場合、この層にいくつかの材料が混ざり合っているとして有効媒質近似を続けて用い、このときこの注目層中のいくつかの材料のうち少なくとも１つを分散式で表す第１ステップと、前記設定した注目層以外の任意の層（１〜（ｎ−１））の膜厚や混合比などを複数点にわたり選択して、各点について注目層の混合比を変えながらこの層についてＥＢＬＭＣを行う第２のステップを含んで構成されている。
【００２５】
本発明による請求項１５記載の分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法は、
請求項１，２，３または４記載の分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法において、
計測対象の基板上の多層構造を、入射光の波長を変えて各波長λ_ｉ　ごとの入射光と反射光の偏光の変化を表わす測定スペクトルΨ_Ｅ　（　λ_ｉ　）　とΔ_Ｅ　（　λ_ｉ　）　を得るΨ_Ｅ　，Δ_Ｅ　スペクトル分光測定フェーズと、
予想される範囲内にある複数の測定条件（Ｚｉ）ごとに解析フェーズ１第３ステップ、または解析フェーズ２解析第ｔ段階第３ステップまでを行い、各測定条件ごとに得られる結果の中から、最低χ^２　値または分散式のパラメータや混合比、入射角度が、設定した最大、最小値の間に入っている組み合わせの中で、χ^２　値の最も良いものを選択する第４ステップとにより構成されている。
【００２６】
本発明による請求項１６記載の分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法は、
請求項１，２，３または４記載の分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法において、
前記解析フェーズ１，２，３における前記差の最も少ないものを選択するステップは、フィッティングしたものと、測定値の平均二乗誤差を求め、最も小さい平均二乗誤差のものまたは、あらかじめ設定した膜厚、分散式パラメータ、混合比、入射角の変量のそれぞれの最大・最小値の中に入っている最も小さい平均二乗誤差のものに決定するように構成されている。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下図面等を参照して本発明による分光エリプソメータを用いた薄膜多層構造の解析方法を説明する。
図１は、本発明方法で使用するエリプソメータの構成を示す略図である。
本発明は、一般的に言って、２層以上の極薄膜または薄膜多層構造の解析方法に利用できるものである。理解を容易にするためにまず、極薄膜３層構造データの解析方法を例にして説明する。なお図１において、測定の対象の試料　（サンプル）　４の一部を拡大して示してある。
【００２８】
図１に示されている分光エリプソメータにより、後述する方法の分光測定データの獲得ステップ（測定フェーズ）が実行される。先ず、測定装置について簡単に説明する。Ｘｅランプ１は、多数の波長成分を含む、いわゆる白色光源である。このＸｅランプ１の発光は光ファイバ２を介して偏光子３に導かれる。偏光子３により偏光された光は、測定対象であるサンプル４の表面に特定の入射角（例えばφ＝７５．００°）で入射させられる。サンプル４は後述する基板表面に３層に薄膜を形成した測定試料である。
サンプル４からの反射は、光弾性変調器（ＰＥＭ）５を介して検光子６に導かれる。光弾性変調器（ＰＥＭ）５により５０ｋＨｚの周波数に位相変調されて、直線から楕円偏光までが作られる。そのため、数ｍ秒の分解能でΨ，Δを決定することができる。検光子６の出力は光ファイバ７を介して分光器８に接続される。分光器８の出力データがデータ取込部９に取り込まれ、分光測定データの獲得ステップを終了する。なお、ＰＥＭ５の位置は偏光子３の後か検光子６の前どちらでも可能とする。
【００２９】
図２は、極薄膜３層測定方法の流れ図、図８は本発明方法の一般形態である薄膜ｎ層構造の解析方法の流れ図である。
本発明方法における解析は、基本的には３つのフェーズに分けて考えることができる。解析フェーズ１は、解析フェーズ２以降で解析の対象となる実際のサンプルに最もよく合うと考えられる初期モデルを決定するフェーズである。
このフェーズ１は、後述するように、複数のモデルからフィッティングにより一つの最良近似モデル（Ｂｅｓｔ　Ｆｉｒｓｔ　Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅｌ　以下ＢＦＡＭ）を選択（図３の３１，３２，３３、図８の８１Ａ）しても良いし、与えられるかまたは既知のデータから仮定した初期モデルの設定（図３の３４、図８の８１Ｂ）であっても良い。いずれにしてもここで選択されたモデルが解析フェーズ２以降の解析の対象となる。
【００３０】
解析フェーズ１で前記モデル（ＢＦＡＭ）を決定するためのモデルの数は、構造中の未知層数と利用できるデータの数に依存する。ここで未知層とは正確な光学定数を決定しなければならない層等のことである。
解析フェーズ２では多層構造中の未知材料、特に最も未知な材料から解析第１、解析第２段階、の順番にＥＢＬＭＣ手順を順次実行する。
例えば、解析第１段階では後述するようにＭａｔ２　について、ＥＢＬＭＣ手順を実行し、解析第２段階で第１段階の結果を利用してＭａｔ３　について、ＥＢＬＭＣ手順を実行するのである。解析フェーズ３は、解析フェーズ２の結果について、最終フィッティングを行い結果の確認をしてデータとして出力または保存を行うのである。
【００３１】
以下本発明で用いる記号を一括して示す。
（記号の定義）
Ｓｕｂ：　基板（光学定数は既知，バルクとして取り扱い可能）
Ｍａｔ：　薄膜材料（物質の光学定数）
ｄ_ｉ　：　ｉ層目の膜厚
ｄ_{ｉ（ｂｅｓｔ）}　：　フィッティングによって得られたｉ層目の膜厚
ｄ_ｉｊ：　ｊ　番目のモデルのｉ層目の膜厚
ｄ_{ｉｊ（ｂｅｓｔ）}：　フィッティングで得たｊ　番目のモデルのｉ層目の膜厚
Ｘ２　：　平均二乗誤差（χ^２）値
Ｘ２_（ｊ）　：　ｊ番目のモデルにおける平均二乗誤差（χ^２）値
Ｖｏｉｄ　：　ｎ＝１，ｋ＝０の物質
Ｖｆ_（ｉｊ）　：　ｊ　番目のモデルのｉ層目の混合比（Ｖｏｌｕｍｅ　ｆｒａｃｔｉｏｎ）
Ｖｆ_{（ｉｊ）（ｂｅｓｔ）}　：　フィッティングで得られた　ｊ番目のモデルのｉ層目の混合比
【００３２】
以下の実施例では、各層は次の材料から構成されている。
第３層　　　ＴａＯ_ｘ　（Ｍａｔ_３　）　ｄ_３
第２層　　　Ｓｉ　Ｎ　（Ｍａｔ_２　）　ｄ_２
第１層　　　Ｓｉ　Ｏ_２　（Ｍａｔ_１　）　ｄ_１
基板（Ｓｕｂ）　　Ｓｉ　　　　　　　バルク
【００３３】
測定フェーズ（測定ステップ）図２の２０Ａの測定は、図１に示す装置で測定を行う。計測対象４の基板上の極薄膜３層構造（図中の拡大図を参照されたい）を、入射光の波長を変えて各波長λ_ｉ　ごとの入射光と反射光の偏光の変化を表わす測定スペクトルΨ_Ｅ　（　λ_ｉ　）　とΔ_Ｅ　（　λ_ｉ　）　を得るΨ_Ｅ　，Δ_Ｅ　スペクトルを測定する。測定フェーズデータ保存ステップ２０Ｂは、前のステップで測定したデータを保存して比較の対象データとする（図２参照）。
【００３４】
極薄膜３層膜フィッティング過程
この実施例では、物質１（Ｍａｔ１　）は略既知、２，３層目の物質（Ｍａｔ２　，Ｍａｔ３　）および１，２，３層目の膜厚（ｄ_１，ｄ_２，ｄ_３　）は未知とする。
なおこの例では２層目の物質（Ｍａｔ２　）の光学定数がもっとも分からないものとして説明する。
【００３５】
解析フェーズ１でＢＦＡＭの設定３１〜３３を行う。または、初期モデルの仮定３４を行う。
（解析フェーズ１ステップ１）
図３の３１に示すように、考えられるモデル複数種類をたてる。そして最も合う構造および初期膜厚を決定する。
このステップで、基板の（Ｎ_０　（ｎ_０　，ｋ_０　））および各薄膜の材料（Ｍａｔ１　，Ｍａｔ２　，Ｍａｔ３　）の考えられる複素屈折率（Ｎ_１　，（ｎ_１　，ｋ_１　）），（Ｎ_２　，（ｎ_２　，ｋ_２　）），（Ｎ_３　，（ｎ_３　，ｋ_３　）），各層の膜厚（ｄ_１，ｄ_２，ｄ_３　）を利用し、いくつかのモデルをたてる。
この実施例では、下記各モデル（１）　〜（４）　を設定したものとする。
図３の３１が示す部分に前記各モデルを略図示してある。
モデル（１）　は、基板（Ｓｕｂ）の上に第１層（　Ｍａｔ１　の光学定数，膜厚ｄ_１１）　、第２層（Ｍａｔ２　の光学定数，膜厚ｄ_２１）、第３層（Ｍａｔ３　の光学定数，膜厚ｄ_３１）を形成したものである。
モデル（２）　は、基板（Ｓｕｂ）の上に第１層（　Ｍａｔ１　の光学定数，膜厚ｄ_１２）　、第２層（　Ｍａｔ２　の光学定数＋Ｖｏｉｄ、膜厚ｄ_２２　）と第３層（　Ｍａｔ３　の光学定数＋Ｖｏｉｄ、膜厚ｄ_３２　）を形成したものである。なおＶｏｉｄとは屈折率１の空間である。
モデル（３）　は、基板（Ｓｕｂ）の上に第１層（　Ｍａｔ１　の光学定数，膜厚ｄ_１３）　、第２層（　Ｍａｔ２　の指定光学定数＋Ｖｏｉｄ、膜厚ｄ_２３）　、第３層（　Ｍａｔ３　の指定光学定数＋Ｖｏｉｄ、膜厚ｄ_３３）　を形成したものである。
なお、指定光学定数とは光学定数の基準にする量（Ｓｐｅｃｉａｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）を意味し、基準にする量とは似たような試料を用いて得られた光学定数である。第３層についても同様である。
モデル（４）　は、基板（Ｓｕｂ）の上に第１層（Ｍａｔ１　の光学定数、膜厚ｄ_１４）第２層（　Ｍａｔ２　＋Ｍａｔ２　’、膜厚ｄ_２４）　、第３層（　Ｍａｔ３　＋Ｍａｔ３　’、膜厚ｄ_３４）　を形成したものである。
ここで、モデル（２）　〜（４）　の２，３層目で設定されている混合比からは、有効媒質近似論を用いて、均質膜としての光学定数を求めることができる。なお前記各モデルは、基板Ｓｕｂの材料の光学定数は既知、第１層の光学定数は、ほぼ既知で、第２層、第３層の光学定数および、第１層の膜厚ｄ_１，第２層の膜厚ｄ_２，第３層の膜厚ｄ_３　は、未知（不確か）であることを前提にして前述の４個のモデルをたててある。
【００３６】
（解析フェーズ１ステップ２）
前記ステップ１で選定した４個のモデル（１）　〜（４）　のそれぞれについて、前記測定スペクトルより得られた測定データΨ_Ｅ　，Δ_Ｅ　とのフィッティングを行う。図３の３２の示す部分に各モデルのフィッティングの対象とフィッティングの結果得られたデータのχ^２　値を示してある。
モデル（１）　では、第１層目の膜厚ｄ_１１、第２層目の膜厚ｄ_２１，第３層目の膜厚ｄ_３１および入射角φ_１　をフィッティングして、その結果ｄ_{１１（ｂｅｓｔ）}，ｄ_{２１（ｂｅｓｔ），}　ｄ_{３１（ｂｅｓｔ）}，φ_{１　（ｂｅｓｔ）}およびχ^２　値　Ｘ２　_（１）　を得る。
モデル（２）　では、第１層目の膜厚ｄ_１２，第２層目の膜厚ｄ_２２，　第３層目の膜厚ｄ_３２，　第２層目の混合比Ｖｆ_２２，　第３層目の混合比Ｖｆ_３２および入射角φ_２　のフィッティングをして、その結果ｄ_{１２（ｂｅｓｔ）}，ｄ_{２２（ｂｅｓｔ）}，ｄ_{３２（ｂｅｓｔ）}，Ｖｆ_{２２（ｂｅｓｔ）}，Ｖｆ_{３２（ｂｅｓｔ）}，φ_{２　（ｂｅｓｔ）}およびχ^２　値　Ｘ２　_（２）　を得る。
モデル（３）　では、第１層目の膜厚ｄ_１３，第２層目の膜厚ｄ_２３，第３層目の膜厚ｄ_３３，　第２層目の混合比Ｖｆ_２３，　第３層目の混合比Ｖｆ_３３および入射角φ_３　のフィッティングをして、その結果ｄ_{１３（ｂｅｓｔ）}，ｄ_{２３（ｂｅｓｔ）}，ｄ_{３３（ｂｅｓｔ）}，Ｖｆ_{２３（ｂｅｓｔ）}，Ｖｆ_{３３（ｂｅｓｔ）}，φ_{３　（ｂｅｓｔ）}およびχ^２　値　Ｘ２　_（３）　を得る。
モデル（４）　では、第１層目の膜厚ｄ_１４，第２層目の膜厚ｄ_２４，第３層目の膜厚ｄ_３４，第２層目の混合比Ｖｆ_２４，第３層目の混合比Ｖｆ_３４および入射角φ_４　のフィッティングをして、その結果ｄ_{１４（ｂｅｓｔ）}，ｄ_{２４（ｂｅｓｔ）}，ｄ_{３４（ｂｅｓｔ）}，Ｖｆ_{２４（ｂｅｓｔ）}，Ｖｆ_{３４（ｂｅｓｔ）}，φ_{４　（ｂｅｓｔ）}およびχ^２　値　Ｘ２　_（４）　を得る。
【００３７】
（解析フェーズ１ステップ３）
前記複数組のフィッティングの結果から、最低χ^２　値またはあらかじめ設定した膜厚や混合比、入射角度の最大値と最小値の間に入っている最低χ^２　値のモデルの結果を選択するステップであり、これを図３の３３に示す。
【００３８】
解析フェーズ２は、最も未知な材料から順序立ててＥＢＬＭＣを行う。
（解析フェーズ２解析第１段階ステップ１）
図４の４１に解析第２段階で使用するモデルであるＢＦＡＭが示されている。この例では、解析フェーズ１のフィッティング結果でモデル（４）　のχ^２　値が最も低かったものとする。２層目の光学定数を１つの分散式でおきかえる。このとき全層の膜厚（ｄ_１，ｄ_２，ｄ_３　）および１，３層目の光学定数，３層目の混合比は解析フェーズ１のフィッティング結果の値で設定する。
【００３９】
（解析フェーズ２解析第１段階ステップ２）
この例では、図４に示すように、１層目の膜厚を下記の値で固定し、さらに３層目の膜厚を±１０％程度、混合比を±１０％程度変えながらそれぞれ２層目についてＢＬＭＣを行う。４２−１はｄ_１　＝ｄ_{１　（ｂｅｓｔ）}−１０％に固定して、ｄ_３　＝ｄ_{３　（ｂｅｓｔ）}±１０％の範囲，Ｖｆ_１　＝Ｖｆ_{１　（ｂｅｓｔ）}±１０％の範囲でそれぞれ動かしながら、２層目のＭａｔ２　（ＤＳＰ）についてＢＬＭＣを行うものである。
４２−１（ｄ_１　＝ｄ_{１　（ｂｅｓｔ）}−１０％に固定）の詳細を図７に示してある。
図７の例では４２−１−２−ｆに示すように、まず、Ｖｆ_１　＝Ｖｆ_{１　（ｂｅｓｔ）}に固定し、ｄ_３　＝ｄ_{３　（ｂｅｓｔ）}を中心値とし、±１０％変えながら、２層目についてＢＬＭＣを行い、それぞれについての厚さ，光学定数およびχ^２　を求め、そのうちχ^２　値の最も良い結果（４２−１−２−ｓ）を選択する。これと、さらに、Ｖｆ_１　を変化させながら同様の手順を行った（４２−１−１−ｓ）や（４２−１−３−ｓ）などと比較してχ^２　値の最も良い結果（図４および図７の（４２−１−１））を選択する。
【００４０】
なお、図４に示す４２−２では、ｄ_１　＝ｄ_{１　（ｂｅｓｔ）}に固定して前記同様にＢＬＭＣを行う。４２−３はｄ_１　＝ｄ_{１　（ｂｅｓｔ）}＋１０％に固定して前記同様にＢＬＭＣを行う。それぞれから得られたχ^２　値の最も良い結果（４２−２−１），（４２−３−１）と前述の（４２−１−１）とを比較してχ^２　値の最も良い結果を選択する（４３）。
【００４１】
解析フェーズ２解析第２段階は、図５に示すように３層目の光学定数を１つの分散式におきかえる（ステップ１）。そして全層の膜厚（ｄ_１，ｄ_２，ｄ_３　）および１，２層目の光学定数は解析フェーズ２解析第１段階のフィッティング結果の値で決定する。
（解析フェーズ２解析第２段階ステップ２）
ステップ１で設定したモデルについて、ＥＢＬＭＣを行う。
１層目の膜厚をｄ_{１　（ｂｅｓｔ）}±１０％程度変えながら、さらに２層目の膜厚をｄ_２　＝ｄ_{２（ｂｅｓｔ）}　±１０％変えながらそれぞれ３層目についてＢＬＭＣを行う。
（解析フェーズ２解析第２段階ステップ３）図５の５３では前述した結果からχ^２　値の最も良い結果を選択する。なおこの際最も良い結果として選択されたものが、あらかじめ設定した各層の膜厚や、分散式パラメータ、混合比、入射角度のそれぞれの最大・最小値の範囲内に入っていないときは解析フェーズ２の解析第１段階のステップ２に戻る。なお、この繰り返しは必要な回数行われる。
【００４２】
図６に示す解析フェーズ３の最終段階ステップ１では、前述したχ^２　値の最も良い結果をもつモデルについて以下のフィッティングを行う。
全層の光学定数を固定し、全層の膜厚のフィッティングを行う。または
１，３層の光学定数を固定し、全層の膜厚，および２層目の光学定数のフィッティングを行う。または
１，２層の光学定数を固定し、全層の膜厚，および３層目の光学定数のフィッティングを行う。または
１層目の光学定数を固定して、全層の膜厚，および２，３層目の光学定数のフィッティングを行う。
【００４３】
解析フェーズ３のステップ２図６の６２では、ステップ１のフィッティングの結果を確認する。たとえばフィッティングの結果があらかじめ定めた範囲内に入るか否かの確認を行う。この確認の結果が設定範囲から外れた場合には解析フェーズ１に戻る。解析フェーズ３のステップ３図６の６３では、確認された結果を保存する。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、
１．相関関係が強い多層膜構造（特に極薄膜）でも、信頼できる膜厚（全ての層）および光学定数（少なくとも構造中の２層）を得ることができる。
２．ＢＦＡＭ決定ステップでは、考えられる必要な未知変数を最小限にすることができる。
３．ＥＢＬＭＣを順序立てて行うことにより、別のローカルミニマムに落ちてしまうことは劇的に減り、結果の信頼性があがる。
４．未知材料が多く含まれた多層膜構造でも、この方法により、膜厚や光学定数を決定することができる。
【００４５】
以上詳しく説明した実施例について、本発明の範囲内で種々の変形を施すことができる。理解を容易にするために、データの取得、モデルの設定に関連して、一貫してΨ，Δを用いて説明した。当業者には良く知られている以下のデータ対を用いても同様な、測定およびフィッティングが可能であり、本発明の技術的範囲に含まれるものである。
（ｎ，ｋ）、（ε_ｉ　，ε_ｒ　）、（　ｔａｎ　Ψ，ｃｏｓ　Δ）　、　（Ｉ_ｓ，Ｉ_ｃ　）
【００４６】
また、基板上にＳｉＯ_２　層，ＳｉＮ_ｘ　層，ＴａＯ_ｘ　層を３層形成する例を示したが、様々な材料の単層・多層構造の測定や広い範囲の膜厚の測定にも同様に利用できる。
【００４７】
光学定数には、既知の数値（リファレンス）を用いたが、物質の誘電率の波長依存性を示す分散式なども使用可能であり、本発明の技術的範囲に含まれるものとする。また、分散式を使用する例では、既知の数値を光学定数に使用する場合もあり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。
【００４８】
実施例として光弾性変調器（ＰＥＭ）の例を示したが、ＰＥＭ使用以外のエリプソメータを使用することもできる。
【００４９】
基板もＳｉの他、ガラスや石英、その他透明基板や化合物半導体なども同様に利用できる。また、基板の種類によらず、どんな平坦な基板でも、あれている基板でも使用することができる。
【００５０】
分散式には、古典力学理論から作成された式や量子力学理論から作成された式、経験式の他、様々な式・パラメータも使用可能であり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。
【００５１】
例では、ＥＭＡを使用すると説明したが、他の有効媒質近似論の使用も可能であり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。
【００５２】
全ての例の１部または全部は、手動や自動（コンピュータやロボットなど）で行うことができ、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。
【００５３】
例では入射角度を７５度として説明したが、これ以外の角度でも使用可能であり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。
【００５４】
公称入射角度（７５度）近傍で動かしながら解析すると説明したが、その他、物理的に決定した入射角度の近傍で変化させながら解析する場合もあり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。
【００５５】
入射角度を自動でいくつか変化させながら測定（Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ａｎｇｌｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）を行い、これら全体のデータ、またはこの中の特定角度のデータを用いて解析する場合もあり、これらも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。さらに、前記測定で得られた全体のデータ、またはこの中の特定角度のデータ解析において、各入射角度近傍を変化させながらフィッティングする場合もあり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。
【００５６】
例では基板上の３層構造の極薄膜（Ｍａｔ１　，Ｍａｔ２　，Ｍａｔ３　）としたが、Ｍａｔ１　，Ｍａｔ２　，Ｍａｔ３　には、極薄膜誘電体材料だけでなく、様々な厚さや材料など、幅広いアプリケーションにも使用することができる。
【００５７】
上記手段の全部または１部を行う場合もあり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００５８】
あらゆる任意のパラメータを同時にフィッティングすると説明したが、別々にフィッティングする場合もあり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。
【００５９】
ＥＢＬＭＣの一部であるＢＬＭＣでは、前述したとおり、入射角度をフィッティングする場合がある。また、手順では入射角度と様々なパラメータを同時にフィッティングするとしたが、別々にフィッティングする場合や、入射角度を固定する場合もあり、これらも全て本発明の技術的範囲に含まれるものとする。
【００６０】
入射角度はＢＬＭＣ以外でも、一般的なパラメータとしてフィッティングすることがあり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。
【００６１】
例では、ＢＬＭＣやＥＢＬＭＣを行う際に、中心値および付近の複数点にわたり選択する時に±１０％、ステップ数５％として説明したが、さらに広い範囲や様々なステップ数も設定可能である。また、％として表したが、「最小値」、「最大値」、「ステップ数」として設定する場合もあり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。
【００６２】
例で示した様に、ＥＢＬＭＣは最も未知な材料から始めることが効果的だが、別の順序でも同じ手順を行うことができ、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。
【００６３】
例では、測定段階のステップの１つとしてデータ保存としたが、これは「この全解析過程が終了した後にも、再度データとして使用できるような永久保存する場合」や「全解析過程が終了するまでの一時保存とする場合」があり、これらも技術的範囲に含まれるものとする。
【００６４】
例では、モデル準備過程において様々な材料を混ぜ合わせた１〜４つのモデルを使用したが、製造プロセスや未知総数によってモデルの種類・数が変わる場合があり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。
【００６５】
例では、フィッティングは入射角と膜厚の組み合わせで書いたが、ソフトによっては入射角を分散式と同時にフィッティングすることもあり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。
【００６６】
平均二乗誤差の計算式として１例をあげたが、これ以外の式でも同様の手順が可能であり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。
【００６７】
例では２種類の材料の混ぜ合わせで説明したが、３種類以上混ぜ合わせる場合もあり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法の実施例である極薄膜３層構造の解析方法で使用するエリプソメータの構成を示す略図であり、測定の対象の試料　（サンプル）　４の一部を拡大して示してある。
【図２】本発明方法の実施例である極薄膜３層構造の解析方法の流れ図である。
【図３】前記実施例における解析フェーズ１を示す詳細説明図である。
【図４】前記実施例における解析フェーズ２の解析第１段階を示す詳細説明図である。
【図５】前記実施例における解析フェーズ２の解析第２段階を示す詳細説明図である。
【図６】前記実施例における解析フェーズ３の詳細説明図である。
【図７】前記実施例における解析フェーズ２の解析第１段階のステップ２の一部の詳細説明図である。
【図８】本発明方法の一般形態である薄膜ｎ層構造の解析方法の流れ図である。
【符号の説明】
１　Ｘｅランプ
２　光ファイバ
３　偏光子
４　サンプル
５　光弾性変調器（ＰＥＭ）
６　検光子
７　光ファイバ
８　分光器
９　データ取込部
２０　測定フェーズ
３０　解析フェーズ１
４０　解析フェーズ２の第１段階
５０　解析フェーズ２の第２段階
６０　解析フェーズ３
８１　解析フェーズ１（ｎ層モデル）
８２　解析フェーズ２
８３　解析フェーズ３[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer.
More specifically, the method of the present invention uses a wide-range minimum value calculation method (
The present invention relates to a method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer for processing data of a multilayer film made of an unknown material using Extended Best Local Minimum Calculation (hereinafter, EBLMC).
[0002]
[Prior art]
A spectroscopic ellipsometer is a device that applies polarized light to a sample and measures the amount of polarization change of the light returned from the sample. The polarization change amount of the incident light and the reflected light is measured using a spectroscopic ellipsometer, and the film thickness (d) and the complex refractive index (N = n-ik) can be calculated from the results. The polarization change amount (ρ) is represented by ρ = tanｔexp (iΔ) and depends on parameters such as the wavelength (λ), the incident angle (φ), the film thickness, and the complex refractive index. .
(D, n, k) = F (Ψ, Δ, λ, φ)
[0003]
When the incident angle is fixed, the single-wavelength ellipsometer can measure only two independent variables for three unknowns of (d, n, k). Therefore, one of d, n, and k is known. Need to be fixed as Changing the angle of incidence, even at a single wavelength, increases the measured variables. However, due to the difference in the incident angle (φ) (Ψφ_i, Δφ_i) Since there is a strong correlation between the pairs, it is difficult to accurately determine d, n, and k.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Measurement spectrum (Ψ) showing the polarization change of the single-layer and multi-layer thin films formed on the substrate measured using a spectroscopic ellipsometer._E(Λ_i) And Δ_E(Λ_i)) Includes all of the n, k information of the substrate and the d, n, k information of each layer. From now on, only the n, k information of the substrate, and the d, n, k information of each layer are unique. Cannot be calculated (except for the case of only the substrate). This method of finding the only combination is called analysis of spectroscopic ellipsometer data. When performing the analysis, a model is created by using the n, k information of the substrate and the d, n, k information of each layer. For the n and k information of the substrate and each layer, a reference (known table data), a dispersion formula, or an optical constant of a single-layer thin film of a similar material is used.
The dispersion equation is an equation indicating the wavelength dependence of the dielectric constant of a substance. In the near-infrared to ultraviolet range, the dielectric constant ε (λ) is determined from the bonding mode of the constituent atoms of the material. As the dispersion formula, a calculation formula based on a harmonic oscillator, a calculation formula based on quantum mechanics, an empirical formula, and the like are known, and usually include two or more parameters. While changing all the unknowns (thickness of each layer, dispersion formula parameters, mixing ratios, etc.) included in the above-described model, the measurement data is adjusted. This is called fitting, and as a result of this fitting, the film thickness and mixing ratio of each layer are determined, and the complex dielectric constant ε (λ) of the material can be calculated from the dispersion equation parameters. The complex dielectric constant and the complex refractive index of the material have the following relationship.
ε (λ) = N²(Λ)
[0005]
Here, the fitting frequently used in the method of the present invention will be briefly described.
(Χ of the fitting result² Meaning of)
Assume that N measurement data pairs, Exp (i = 1, 2,..., N) and the corresponding N model calculation data pairs of the model, Mod (i = 1, 2,..., N), Assuming that the measurement error has a normal distribution, the standard deviation is σ_iMeans the mean square error (χ²) Is given as follows.

Here, P is the number of parameters. χ²When is small, it means that the degree of coincidence between the measurement result and the model is high.²The one with the lowest is the best model.
[0006]
In the case where the above-mentioned measurement sample is a sample in which one film is provided on a substrate, the amount of change in polarization is proportional to the area of phase angle (β) × beam diameter. The phase angle (β) is represented by the following equation.
β = 2π (d / λ) (N²-N_A ²Sin²Φ)^1/2
If the beam diameter is constant, the amount of polarization change is as follows.
Polarization change / thickness (d) × complex refractive index (N) × f (φ)
Where N_AIs the surrounding (Ambient) complex refractive index, N is the complex refractive index of the film, and φ is the incident angle. If the film thickness (d) is thin and the complex refractive index (N) is low, the change in the phase angle (β) becomes small, and the measurement may become difficult. Specifically, there is a strong correlation between d and N.
[0007]
The above-mentioned problem is that, in the case of an ultra-thin multilayer structure, there is a possibility that a correlation may occur between the respective layers, and the measurement result (Ψ_E(Λ_i), Δ_E(Λ_i)) Makes it difficult to determine d, n, and k for each layer.
[0008]
In addition, as described in the above equation, the value of the amount of polarization change also changes depending on the correctness of the incident angle. Therefore, it is necessary to correctly determine the incident angle by some method. Since the correct incident angle can be determined, the value of the amount of change in polarization can be determined correctly.
[0009]
In the present invention, even if it is difficult or difficult to determine the wavelength dependence of the dielectric constant of a film by one dispersion equation for various reasons, the effective dielectric medium is utilized by using the effective medium theory (Effective Medium Medium Theory). Calculate the rate {Effective {Dielectric {Function)}.
Generally, for example, when N substances (guests) having various dielectric constants are mixed in a host material, the effective dielectric constant (ε) is expressed as follows.

Then ε_hIs the dielectric constant of the host, ε_jIndicates a j-th dielectric constant, and k indicates a screening factor. Here, when the material of the host and the material contained therein are mixed in almost the same amount, or it is not known which is the host or the guest, the material of the host itself is the same as the effective medium material, ε = ε._h become. The effective medium theory under this condition is called Braggman's effective medium approximation (Bruggeman \ Effective \ Medium \ Approximation, hereinafter simply EMA in the present application). The dielectric constant ε when three spherical materials a, b, and c are mixed in contrast is given by the following equation.
f_a(Ε_a-Ε) / (ε_a+ 2ε) + f_b(Ε_b-Ε) / (ε_b+ 2ε)
+ F_c(Ε_c-Ε) / (ε_c+ 2ε) = 0
here,
ε: effective dielectric constant to be obtained
ε_a, Ε_b, Ε_c: Dielectric constant of spherical materials a, b, c
f_a, F_b, F_c: で The mixing ratio of each substance (Volume Fraction Vf)
f_a+ F_b+ F_c= 1
If the film on the substrate is non-uniform or discontinuous, or if some materials are mixed, a medium that is sufficiently smaller than the wavelength order and is composed of a plurality of physically mixed substances is referred to as an effective medium approximation (EMA). ) To make a model.
The case where the substance a, the substance b, and the substance c are mixed will be described. At this time, the effective medium approximation (EMA) includes the mixing ratio of the material a, the mixing ratio of the material b, the mixing ratio of the material c, the thickness of the mixed layer of a, b, and c, and the dielectric constant. Estimate and perform fitting and evaluate.
[0010]
In the present invention, the calculation methods BLMC (Best Local Minimum Calculation) and EBLMC (Extended Best Local Minimum Calculation) are frequently used, and therefore, the abbreviations BLMC and EBLMC will be directly used.
BLMC is a method performed for one layer. Fitting is performed according to a predetermined procedure while changing the initial value of an arbitrary parameter within a certain range, and the best result is determined.
EBLMC is a method performed on a plurality of layers. An arbitrary parameter of a layer other than the one where the BLMC is performed is selected over its center value and a plurality of points in the vicinity, and the BLMC is performed for each point to determine the best result.
[0011]
An object of the present invention is to set a combination model such as a film thickness and a complex refractive index, calculate a simulation spectrum thereof, and fit a fit between the simulation spectrum and the measurement spectrum using a wide-range minimum value calculation method (EBLMC). An object of the present invention is to provide a method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer, which determines a thin film multilayer structure.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The method for analyzing a three-layer structure of a thin film using a spectroscopic ellipsometer according to claim 1 of the present invention is as follows.
A spectroscopic measurement phase for obtaining measurement data using a spectroscopic ellipsometer,
An analysis phase 1 for determining an initial model of the thin film three-layer structure;
For the initial model, a first step of determining an unknown constant of the layer of interest in the three-layer structure by EBLMC, and a second step of determining the constant of another layer by EBLMC using the determined constant. Analysis phase 2 including
It is composed of
[0013]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for analyzing a three-layer structure of a thin film using a spectroscopic ellipsometer.
A spectroscopic measurement phase for obtaining measurement data using a spectroscopic ellipsometer,
An analysis phase 1 for determining an initial model of the thin film three-layer structure;
For the initial model, a first step of determining an unknown constant of the layer of interest in the three-layer structure by EBLMC, and a second step of determining the constant of another layer by EBLMC using the determined constant. Analysis phase 2, including
An analysis phase 3 in which a final fitting is performed on the model obtained in the analysis phase 2, a result is confirmed and stored,
It is composed of
[0014]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for analyzing a thin film n-layer structure using a spectroscopic ellipsometer.
A spectroscopic measurement phase for obtaining measurement data using a spectroscopic ellipsometer,
Analysis phase 1 for determining an initial model of the thin film n-layer structure;
Analysis phase 2 in which the unknown constant of the layer of interest in the n-layer structure is determined by EBLMC for the initial model of the thin film n-layer structure
It is composed of
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for analyzing a thin film n-layer structure using a spectroscopic ellipsometer.
A spectroscopic measurement phase for obtaining measurement data using a spectroscopic ellipsometer,
Analysis phase 1 for determining an initial model of the thin film n-layer structure;
Analysis phase 2 of determining the unknown constant of the layer of interest in the n-layer structure by EBLMC for the initial model, and
An analysis phase 3 in which a final fitting is performed on the model obtained in the analysis phase 2, a result is confirmed and stored,
It is composed of
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method for analyzing a thin film 3 or n-layer structure using a spectroscopic ellipsometer,
A method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 1, 2, 3, or 4.
The unknown constant is the thickness of each layer, the optical constant of the unknown material, or the mixing ratio.
[0016]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer,
A method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 1, 2, 3, or 4.
In the spectroscopic measurement phase, with respect to the thin film 3 or the n-layer structure on the substrate to be measured, the wavelength of the incident light is changed to change each wavelength λ._i測定 Measurement spectrum showing change of polarization of incident light and reflected light for each_E(Λ_i) And Δ_E(Λ_i) Get Ψ_E, Δ_ESpectrum measurement step,
A storage step of storing data obtained in the measurement,
It is comprised including.
[0017]
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer,
A method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 1, 2, 3, or 4.
In the analysis phase 1, one best approximation model (Best {Approximation} Model or less BFAM) is selected from a plurality of models by fitting, or an initial model assumed from known data is set,
When selecting the BFAM,
A first step of creating a plurality of possible models;
A second step of fitting the film thickness, the mixing ratio, and the incident angle for the plurality of types of models, and
From the result of the second step,²モ デ ル The model with the lowest value or the minimum value between the maximum and minimum values of the preset film thickness, mixing ratio, and incident angle²The third step is to select a model of the value.
[0018]
According to the present invention, there is provided a method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer,
A method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 1, 2, 3, or 4.
The first step of the analysis phase 2 is a first step in which, in the determined initial model, the optical constant of the most unknown material layer (layer of interest) in the three or n-layer structure is replaced with one dispersion equation;
A second step of selecting the thickness, mixing ratio, and the like of arbitrary layers (1 to (n-1)) other than the set attention layer over a plurality of points and performing EBLMC of the attention layer for each point; and
From the result of the EBLMC of the second step,²モ デ ル The model with the lowest value or the minimum value between the maximum and minimum values such as preset film thickness, mixing ratio, dispersion parameter, and incident angle.²And a third step of selecting a model of the value.
[0019]
The method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 9 according to the present invention comprises:
A method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 1, 2, 3, or 4.
The second to t stages of the analysis phase 2 include:
The same steps as in claim 8 are performed, wherein the optical constant of the layer of interest obtained in the previous stage is substantially known, and the most unknown material layer among the other layers is set as a new layer of interest. .
[0020]
According to the present invention, there is provided a method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 10.
A method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 1, 2, 3, or 4.
The order in which EBLMC is performed in the analysis phase 2 is that in which the optical constants of the materials in the three or n-layer structure are the least known, in order, and the number of analysis steps in the analysis phase 2 depends on the number of layers. And at least 1 to n are possible.
[0021]
According to the eleventh aspect of the present invention, there is provided a method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer,
A method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 1, 2, 3, or 4.
In analysis phase 2,²If the best results are not found to be within the ranges of the maximum and minimum values of the preset film thickness of each layer, dispersion parameter, mixing ratio, and incident angle, the analysis phase 2 Is repeated as many times as necessary.
[0022]
According to the method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 12 of the present invention,
An analysis method of a thin film multilayer structure using the spectroscopic ellipsometer according to claim 2 or 4,
The analysis phase 3 is configured as a phase in which a final fitting is performed on arbitrary parameters of the model obtained in the analysis phase 2, a result is confirmed and stored.
[0023]
A method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 13 according to the present invention,
An analysis method of a thin film multilayer structure using the spectroscopic ellipsometer according to claim 2 or 4,
If it is not confirmed in step 2 that the result of the fitting in step 1 of the analysis phase 3 is within the range of the preset maximum value and minimum value, the flow returns to the analysis phase 1 and the analysis is performed again.
[0024]
A method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 14 according to the present invention,
A method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 1, 2, 3, or 4.
After the initial model is determined using the effective medium approximation for the layer of interest in the analysis phase 1, the layer of interest may be represented by one dispersion equation in the first stage of the analysis phase 2 as in claim 8. If not, continue to use the effective medium approximation assuming that some material is mixed in this layer, then at least one of the several materials in this layer of interest is represented by a dispersive equation, The film thickness and mixing ratio of arbitrary layers (1 to (n-1)) other than the set layer of interest are selected over a plurality of points, and EBLMC is performed on this layer while changing the mixing ratio of the layer of interest at each point. It is configured to include a second step to be performed.
[0025]
An analysis method of a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 15 according to the present invention,
A method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 1, 2, 3, or 4.
The multilayer structure on the substrate to be measured is changed at each wavelength λ by changing the wavelength of the incident light._i測定 Measurement spectrum showing change of polarization of incident light and reflected light for each_E(Λ_i) And Δ_E(Λ_i) Get Ψ_E, Δ_ESpectral spectroscopy phase,
The analysis phase 1 third step or the analysis phase 2 analysis t-th stage third step is performed for each of a plurality of measurement conditions (Zi) within the expected range. From the results obtained for each measurement condition, At least²組 み 合 わ せ Among the combinations where the value or dispersion formula parameter, mixing ratio and incident angle are between the set maximum and minimum values,²The fourth step of selecting the best value.
[0026]
According to the present invention, there is provided a method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 16.
A method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 1, 2, 3, or 4.
The step of selecting the one with the smallest difference in the analysis phases 1, 2, and 3 includes calculating the mean square error between the fitted one and the measured value, and selecting the one with the smallest mean square error or a film thickness set in advance. It is configured to determine the one with the smallest mean square error included in the maximum and minimum values of the dispersion equation parameter, the mixing ratio, and the variable of the incident angle.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to the present invention will be described with reference to the drawings and the like.
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an ellipsometer used in the method of the present invention.
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be generally used for a method of analyzing an ultrathin film or a multilayer structure of two or more layers. To facilitate understanding, an analysis method of ultrathin three-layer structure data will first be described as an example. In FIG. 1, a part of the sample # 4 (sample) # 4 to be measured is shown in an enlarged manner.
[0028]
An acquisition step (measurement phase) of spectral measurement data in a method to be described later is executed by the spectral ellipsometer shown in FIG. First, the measuring device will be briefly described. The Xe lamp 1 is a so-called white light source including many wavelength components. Light emitted from the Xe lamp 1 is guided to the polarizer 3 via the optical fiber 2. The light polarized by the polarizer 3 is incident on the surface of the sample 4 to be measured at a specific incident angle (for example, φ = 75.00 °). Sample 4 is a measurement sample in which three thin films are formed on the substrate surface described later.
The reflection from the sample 4 is guided to an analyzer 6 via a photoelastic modulator (PEM) 5. The phase is modulated to a frequency of 50 kHz by a photoelastic modulator (PEM) 5 to produce linear to elliptically polarized light. Therefore, Ψ and Δ can be determined with a resolution of several milliseconds. The output of the analyzer 6 is connected to a spectroscope 8 via an optical fiber 7. The output data of the spectroscope 8 is taken into the data acquisition unit 9, and the step of acquiring the spectroscopic measurement data ends. The position of the PEM 5 can be set either after the polarizer 3 or before the analyzer 6.
[0029]
FIG. 2 is a flowchart of a method for measuring an ultrathin three-layer film, and FIG. 8 is a flowchart of a method for analyzing a thin-film n-layer structure as a general embodiment of the method of the present invention.
The analysis in the method of the present invention can be basically considered in three phases. The analysis phase 1 is a phase for determining an initial model that is considered to best match an actual sample to be analyzed after the analysis phase 2.
In this phase 1, as described later, one best approximation model (Best {First} Proximation Model> BFAM) may be selected from a plurality of models by fitting (31, 32, 33 in FIG. 3, 81A in FIG. 8). Alternatively, the initial model may be set (34 in FIG. 3, 81B in FIG. 8) given or assumed from known data. In any case, the model selected here becomes a target of analysis after the analysis phase 2.
[0030]
The number of models for determining the model (BFAM) in analysis phase 1 depends on the number of unknown layers in the structure and the number of available data. Here, the unknown layer is a layer or the like for which an accurate optical constant must be determined.
In the analysis phase 2, the EBLMC procedure is sequentially executed in the order of the first analysis and the second analysis from the unknown material in the multilayer structure, particularly the most unknown material.
For example, in the first stage of analysis, the EBLMC procedure is executed for Mat2 # as described later, and in the second stage of analysis, the EBLMC procedure is executed for Mat3 # using the result of the first stage. In the analysis phase 3, the result of the analysis phase 2 is subjected to final fitting, the result is confirmed, and output or storage is performed as data.
[0031]
The symbols used in the present invention are shown below.
(Definition of symbols)
Sub: substrate (optical constants are known and can be handled as bulk)
Mat: Thin film material (optical constant of substance)
d_i: 膜厚 th layer thickness
d_{i (best)}: Thickness of i-th layer obtained by fitting
d_ij: Thickness of the i-th layer of the {j} -th model
d_{ij (best)}: Thickness of the i-th layer of {j} th model obtained by fitting
X2: mean square error (χ²)value
X2_(J): 平均 mean square error in the j-th model (χ²)value
Void: {n = 1, k = 0 substance
Vf_(Ij): Mixture ratio of the i-th layer of the {j} -th model (Volume fraction)
Vf_{(Ij) (best)}: 混合 mixture ratio of i-th layer of j-th model obtained by fitting
[0032]
In the following examples, each layer is composed of the following materials.
3rd layer @TaO_x(Mat₃) D₃
Second layer {Si} N} (Mat₂) D₂
First layer Si O₂(Mat₁) D₁
Substrate (Sub) {Si} Bulk
[0033]
Measurement Phase (Measurement Step) The measurement at 20A in FIG. 2 is performed by the apparatus shown in FIG. The ultrathin three-layer structure (refer to the enlarged view in the figure) on the substrate of the measurement object 4 is changed at each wavelength λ by changing the wavelength of the incident light._i測定 Measurement spectrum showing change of polarization of incident light and reflected light for each_E(Λ_i) And Δ_E(Λ_i) Get Ψ_E, Δ_E測定 Measure the spectrum. In the measurement phase data storage step 20B, the data measured in the previous step is stored and used as comparison target data (see FIG. 2).
[0034]
Ultra-thin three-layer film fitting process
In this embodiment, the substance 1 (Mat1) is substantially known, and the second and third layers of the substance (Mat2, Mat3) and the first, second, and third layers have a thickness (d)._1,d_2,d₃) Is unknown.
In this example, the description is given on the assumption that the optical constant of the substance (Mat2) of the second layer is least known.
[0035]
In analysis phase 1, BFAM settings 31 to 33 are performed. Alternatively, assumption 34 of the initial model is made.
(Analysis Phase 1 Step 1)
As shown at 31 in FIG. 3, a plurality of possible models are created. Then, the most suitable structure and initial film thickness are determined.
In this step, (N₀(N₀, K₀)) And the material (Mat1, Mat2, Mat3) of each thin film,₁, (N₁, K₁)), (N₂, (N₂, K₂)), (N₃, (N₃, K₃)), The thickness of each layer (d_1,d_2,d₃Use i) and build several models.
In this embodiment, it is assumed that the following models (1) to (4) are set.
Each of the models is schematically illustrated in a portion indicated by 31 in FIG.
The model (1) is formed on a substrate (Sub) by a first layer (optical constant of {Mat1}, film thickness d).₁₁), Second layer (Mat2 optical constant, film thickness d)₂₁), Third layer (optical constant of Mat3, film thickness d)₃₁) Is formed.
The model (2) is formed on a substrate (Sub) by a first layer ({Mat1} optical constant, film thickness d).₁₂)}, Second layer (optical constant of {Mat2} + Void, thickness d)₂₂) And the third layer (optical constant of {Mat3} + Void, thickness d)₃₂) Is formed. Note that Void is a space having a refractive index of 1.
The model (3) is composed of a first layer ({Mat1} optical constant and film thickness d) on the substrate (Sub)._Thirteen)}, Second layer (specified optical constant of {Mat2} + Void, film thickness d)₂₃)}, Third layer (specified optical constant of {Mat3} + Void, film thickness d)₃₃) Is formed.
Note that the designated optical constant refers to a reference amount (Special reference) of the optical constant, and the reference amount is an optical constant obtained using a similar sample. The same applies to the third layer.
Model (4) is formed on the substrate (Sub) by the optical constant of the first layer (Mat1) and the thickness d.₁₄) Second layer ({Mat2} + Mat2 ", thickness d)₂₄)}, The third layer ({Mat3} + Mat3 ", thickness d)₃₄) Is formed.
Here, from the mixture ratios set in the second and third layers of the models (2) to (4), the optical constant as a homogeneous film can be obtained using the effective medium approximation theory. In each of the above models, the optical constants of the material of the substrate Sub are known, the optical constants of the first layer are substantially known, the optical constants of the second and third layers, and the film thickness d of the first layer._1,Thickness d of second layer_2,Thickness d of third layer₃Is based on the assumption that it is unknown (uncertain), and the four models described above have been set up.
[0036]
(Analysis Phase 1 Step 2)
For each of the four models (1) ４ to (4) で selected in step 1, measurement data よ り obtained from the measurement spectrum Ψ_E, Δ_EPerform fitting with. In the portion indicated by 32 in FIG. 3, the fitting target of each model and と of the data obtained as a result of the fitting are shown.²Values are shown.
In the model (1), the film thickness d of the first layer₁₁, The thickness d of the second layer₂₁, Third layer thickness d₃₁And incident angle φ₁And the result d_{11 (best)}, D_{21 (best),}D_{31 (best)}, Φ_{1 (Best)}And χ²{Value} X2}₍₁₎Get.
In model (2), the film thickness d of the first layer₁₂, Thickness d of the second layer_22,膜厚 Thickness d of the third layer_32,混合 Mixing ratio Vf of the second layer_22,混合 Mixing ratio Vf of the third layer₃₂And incident angle φ₂Fitting and as a result d_{12 (best)}, D_{22 (best)}, D_{32 (best)}, Vf_{22 (best)}, Vf_{32 (best)}, Φ_{2 (Best)}And χ²{Value} X2}₍₂₎Get.
In model (3), the film thickness d of the first layer_Thirteen, Thickness d of the second layer₂₃, Third layer thickness d_33,混合 Mixing ratio Vf of the second layer_23,混合 Mixing ratio Vf of the third layer₃₃And incident angle φ₃Fitting and as a result d_{13 (best)}, D_{23 (best)}, D_{33 (best)}, Vf_{23 (best)}, Vf_{33 (best)}, Φ_{3 (Best)}And χ²{Value} X2}₍₃₎Get.
In model (4), the film thickness d of the first layer₁₄, Thickness d of the second layer₂₄, Third layer thickness d₃₄, Mixing ratio Vf of the second layer₂₄, Mixing ratio Vf of the third layer₃₄And incident angle φ₄Fitting and as a result d_{14 (best)}, D_{24 (best)}, D_{34 (best)}, Vf_{24 (best)}, Vf_{34 (best)}, Φ_{4 (Best)}And χ²{Value} X2}₍₄₎Get.
[0037]
(Analysis Phase 1 Step 3)
From the results of the multiple sets of fittings,²The minimum value between the maximum and minimum values of the value or the preset film thickness, mixing ratio, and incident angle.²This is the step of selecting the result of the value model, which is shown at 33 in FIG.
[0038]
The analysis phase 2 performs EBLMC in order from the most unknown material.
(Analysis Phase 2 Analysis First Stage Step 1)
BFAM which is a model used in the second stage of analysis is shown at 41 in FIG. In this example, the fitting result of the analysis phase 1 shows the model (4)²と す る Assume that the value is the lowest. The optical constant of the second layer is replaced by one dispersion equation. At this time, the thickness of all layers (d_1,d_2,d₃), The optical constants of the first and third layers, and the mixing ratio of the third layer are set by the values of the fitting results of the analysis phase 1.
[0039]
(Analysis Phase 2 Analysis First Stage Step 2)
In this example, as shown in FIG. 4, the thickness of the first layer is fixed at the following value, and the thickness of the third layer is changed by about ± 10% and the mixing ratio is changed by about ± 10%. Perform BLMC on the eyes. 42-1 is d₁= D_{1 (Best)}Fixed at -10%, d₃= D_{3 (Best)}± 10% range, Vf₁= Vf_{1 (Best)}BLMC is performed for Mat2 層 (DSP) of the second layer while moving each within the range of ± 10%.
42-1 (d₁= D_{1 (Best)}Details of (fixed to -10%) are shown in FIG.
In the example of FIG. 7, as indicated by 42-1-2-f, first, Vf₁= Vf_{1 (Best)}And d₃= D_{3 (Best)}, And BLMC was performed for the second layer while changing ± 10%, and the thickness, optical constant and χ², Of which χ²Select the best result (42-1-2-s) of the value. And Vf₁The same procedure was performed while changing, and compared with (42-1-1-s) and (42-1-3-s), etc.²The best result of the value ((42-1-1) in FIGS. 4 and 7) is selected.
[0040]
In addition, in 42-2 shown in FIG.₁= D_{1 (Best)}And perform BLMC in the same manner as described above. 42-3 is d₁= D_{1 (Best)}BLMC is carried out in the same manner as described above, fixing at + 10%.そ れ ぞ れ obtained from each²{Comparison of the best results (42-2-1) and (42-3-1) with the above (42-1-1)}²The result with the best value is selected (43).
[0041]
Analysis Phase 2 In the analysis second step, the optical constant of the third layer is replaced with one dispersion equation as shown in FIG. 5 (step 1). Then, the film thickness of all layers (d_1,d_2,d₃) And the optical constants of the first and second layers are determined by the values of the fitting results in the first stage of the analysis phase 2 analysis.
(Analysis Phase 2 Analysis 2nd Stage Step 2)
EBLMC is performed on the model set in step 1.
The thickness of the first layer is d_{1 (Best)}While changing about ± 10%, further increase the thickness of the second layer to d.₂= D_{2 (best)}ＢＬ Perform BLMC on the third layer while changing ± 10%.
(Analysis Phase 2 Analysis Second Stage Step 3) In FIG.²選 択 Select the best value result. In this case, if the one selected as the best result does not fall within the ranges of the preset maximum and minimum values of the film thickness of each layer, dispersion parameter, mixing ratio and incident angle, the analysis phase 2 Return to step 2 of the first stage of analysis. This repetition is performed a required number of times.
[0042]
In the final step 1 of the analysis phase 3 shown in FIG.²The following fitting is performed for the model with the best result of value.
The optical constants of all layers are fixed, and the thickness of all layers is fitted. Or
The optical constants of the first and third layers are fixed, and the thicknesses of all layers and the optical constants of the second layer are fitted. Or
The optical constants of the first and second layers are fixed, and the thicknesses of all layers and the optical constants of the third layer are fitted. Or
The optical constants of the first layer are fixed, and the thicknesses of all layers and the optical constants of the second and third layers are fitted.
[0043]
Step 2 of Analysis Phase 3 At 62 in FIG. 6, the result of the fitting in step 1 is confirmed. For example, it is checked whether or not the fitting result falls within a predetermined range. If the result of this check is out of the set range, the process returns to the analysis phase 1. Step 3 of Analysis Phase 3 At 63 in FIG. 6, the confirmed result is stored.
[0044]
【The invention's effect】
According to the present invention,
1. Reliable film thickness (all layers) and optical constants (at least two layers in the structure) can be obtained even with a multilayer structure (particularly an extremely thin film) having a strong correlation.
2. In the BFAM decision step, possible required unknown variables can be minimized.
3. By performing the EBLMC in sequence, the chance of falling into another local minimum is dramatically reduced, and the results are more reliable.
4. Even in a multilayer film structure containing many unknown materials, the film thickness and the optical constant can be determined by this method.
[0045]
Various modifications can be made to the embodiment described above in detail within the scope of the present invention. For ease of understanding, explanations have been consistently made using Ψ and Δ in relation to data acquisition and model setting. Similar measurements and fittings are possible using the following pairs of data that are well known to those skilled in the art and are within the scope of the present invention.
(N, k), (ε_i, Ε_r), (Tan Ψ, cos Δ), (I_s,I_c)
[0046]
In addition, SiO₂Layer, SiN_xLayer, TaO_xAlthough an example in which three layers are formed is shown, the present invention can be similarly used for measurement of a single-layer / multi-layer structure of various materials and measurement of a wide range of film thickness.
[0047]
Although a known numerical value (reference) is used as the optical constant, a dispersion formula or the like showing the wavelength dependence of the dielectric constant of a substance can be used, and is included in the technical scope of the present invention. In addition, in an example using a dispersion formula, a known numerical value may be used as an optical constant, which is also included in the technical scope of the present invention.
[0048]
Although an example of a photoelastic modulator (PEM) has been described as an embodiment, an ellipsometer other than the PEM can be used.
[0049]
As the substrate, in addition to Si, glass, quartz, other transparent substrates, compound semiconductors, and the like can be similarly used. In addition, regardless of the type of the substrate, any flat substrate or a broken substrate can be used.
[0050]
Various formulas and parameters can be used for the dispersion formula, in addition to formulas created from classical mechanical theory, formulas created from quantum mechanical theory, empirical formulas, and these are also included in the technical scope of the present invention. Shall be.
[0051]
Although the example has been described as using EMA, it is possible to use other effective medium approximations, which is also included in the technical scope of the present invention.
[0052]
Part or all of all examples can be performed manually or automatically (computer, robot, etc.), and this is also included in the technical scope of the present invention.
[0053]
Although the incident angle is described as 75 degrees in the example, other angles may be used, and this is also included in the technical scope of the present invention.
[0054]
Although it has been described that the analysis is performed while moving near the nominal incident angle (75 degrees), there is also a case where the analysis is performed while changing near the physically determined incident angle, which is also included in the technical scope of the present invention. And
[0055]
The measurement (Variable Angle Measurement) may be performed while automatically changing some of the incident angles, and the analysis may be performed using the entire data or the data of a specific angle therein, and these are also included in the technical scope of the present invention. Shall be included. Furthermore, in data analysis of the entire data obtained by the measurement, or a specific angle therein, fitting may be performed while changing the vicinity of each incident angle, which is also included in the technical scope of the present invention. I do.
[0056]
In the example, an ultrathin film (Mat1, Mat2, Mat3) having a three-layer structure on the substrate is used. Can be used.
[0057]
In some cases, all or a part of the above means is performed, and this is also included in the technical scope of the present invention.
[0058]
Although it has been described that all arbitrary parameters are fitted at the same time, fitting may be performed separately, and this is also included in the technical scope of the present invention.
[0059]
In the BLMC that is a part of the EBLMC, the incident angle may be fitted as described above. In the procedure, the incident angle and various parameters are fitted simultaneously. However, the fitting may be performed separately or the incident angle may be fixed, and these are all included in the technical scope of the present invention.
[0060]
The incident angle may be fitted as a general parameter other than the BLMC, and this is also included in the technical scope of the present invention.
[0061]
In the example, when BLMC or EBLMC is performed, ± 10% and the number of steps are 5% when a selection is made over a central value and a plurality of nearby points. However, a wider range and various numbers of steps can be set. In addition, although expressed as%, it may be set as “minimum value”, “maximum value”, or “number of steps”, and this is also included in the technical scope of the present invention.
[0062]
As shown in the examples, EBLMC is effective to start with the most unknown material, but the same procedure can be performed in another order, which is also within the scope of the present invention.
[0063]
In the example, the data is stored as one of the steps of the measurement stage. However, this may be “when the data is permanently stored so that it can be used again as data even after the entire analysis process is completed” or “the entire analysis process is completed. May be temporarily stored until the above), and these are also included in the technical scope.
[0064]
In the example, 1 to 4 models in which various materials are mixed in the model preparation process are used. However, the type and number of models may change depending on the manufacturing process and the total number of unknowns, which is also within the technical scope of the present invention. Shall be included.
[0065]
In the example, the fitting is written with a combination of the incident angle and the film thickness. However, depending on software, the incident angle may be fitted simultaneously with the dispersion type, and this is also included in the technical scope of the present invention.
[0066]
Although one example has been given as an equation for calculating the mean square error, a similar procedure can be applied to other equations, which are also included in the technical scope of the present invention.
[0067]
In the example, two types of materials are mixed, but three or more types may be mixed, which is also included in the technical scope of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of an ellipsometer used in a method for analyzing an ultrathin film three-layer structure which is an embodiment of the method of the present invention, in which a part of a sample (sample) 4 to be measured is enlarged and shown. is there.
FIG. 2 is a flowchart of a method for analyzing a three-layer structure of an ultrathin film according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a detailed explanatory diagram showing an analysis phase 1 in the embodiment.
FIG. 4 is a detailed explanatory diagram showing a first stage of analysis in an analysis phase 2 in the embodiment.
FIG. 5 is a detailed explanatory diagram showing a second stage of analysis in analysis phase 2 in the embodiment.
FIG. 6 is a detailed explanatory diagram of an analysis phase 3 in the embodiment.
FIG. 7 is a detailed explanatory diagram of a part of step 2 of a first analysis stage of the analysis phase 2 in the embodiment.
FIG. 8 is a flowchart of a method for analyzing a thin film n-layer structure, which is a general form of the method of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Xe lamp
2 Optical fiber
3 polarizer
4 samples
5 photoelastic modulator (PEM)
6 analyzer
7 optical fiber
8 spectrometer
9 Data capture unit
20 measurement phase
30 Analysis Phase 1
The first stage of 40 ° analysis phase 2
Second stage of 50 ° analysis phase 2
60 ° analysis phase 3
81 Analysis phase 1 (n-layer model)
82 Analysis Phase 2
83 Analysis Phase 3

Claims (16)

An analysis method of a three-layer structure of a thin film using a spectroscopic ellipsometer,
A spectroscopic measurement phase for obtaining measurement data using a spectroscopic ellipsometer,
An analysis phase 1 for determining an initial model of the thin film three-layer structure;
For the initial model, a first step of determining an unknown constant of the layer of interest in the three-layer structure by EBLMC, and a second step of determining the constant of another layer by EBLMC using the determined constant. Analysis phase 2 including
Method for analyzing a three-layer structure of a thin film using a spectroscopic ellipsometer composed of: An analysis method of a three-layer structure of a thin film using a spectroscopic ellipsometer,
A spectroscopic measurement phase for obtaining measurement data using a spectroscopic ellipsometer,
An analysis phase 1 for determining an initial model of the thin film three-layer structure;
For the initial model, a first step of determining an unknown constant of the layer of interest in the three-layer structure by EBLMC, and a second step of determining the constant of another layer by EBLMC using the determined constant. Analysis phase 2 including: and analysis phase 3 in which the final fitting is performed on the model obtained in the analysis phase 2, the result is confirmed and saved,
Method for analyzing a three-layer structure of a thin film using a spectroscopic ellipsometer composed of: An analysis method of a thin film n-layer structure using a spectroscopic ellipsometer,
A spectroscopic measurement phase for obtaining measurement data using a spectroscopic ellipsometer,
Analysis phase 1 for determining an initial model of the thin film n-layer structure;
Analysis phase 2 in which the unknown constant of the layer of interest in the n-layer structure is determined by EBLMC for the initial model of the thin film n-layer structure
Analysis method of a thin film n-layer structure using a spectroscopic ellipsometer composed of: An analysis method of a thin film n-layer structure using a spectroscopic ellipsometer,
A spectroscopic measurement phase for obtaining measurement data using a spectroscopic ellipsometer,
Analysis phase 1 for determining an initial model of the thin film n-layer structure;
For the initial model, an analysis phase 2 in which the unknown constant of the layer of interest in the n-layer structure is determined by EBLMC, and an analysis phase in which final fitting is performed on the model obtained in the analysis phase 2, the result is confirmed and saved. 3 and
Analysis method of a thin film n-layer structure using a spectroscopic ellipsometer composed of: A method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 1, 2, 3, or 4.
The unknown constant is a film thickness of each layer, an optical constant of an unknown material, or a mixing ratio. A method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 1, 2, 3, or 4.
In the spectroscopic measurement phase, for the thin film 3 or the n-layer structure on the substrate to be measured, the measurement spectrum _{Ｅ E} representing the change in the polarization of the incident light and the reflected light for each wavelength λ _i by changing the wavelength of the incident light. (Λ _i ) and Δ _E (λ _i ) are obtained. Ψ _E , Δ _E spectrum measurement step;
A storage step of storing data obtained in the measurement,
Of thin-film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer including a method. A method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 1, 2, 3, or 4.
The analysis phase 1 is a phase in which one best approximation model (Best First Application Model or less, BFAM) is selected by fitting from a plurality of models, or an initial model assumed from known data is set,
When selecting the BFAM,
A first step of creating a plurality of possible models;
Thickness for said plurality of types of models, the mixing ratio, the lowest model or the thickness previously set for the second step of performing a fitting on the incident angle, and the mean square error from the result of the second step (chi ² value) the mixing ratio, the third method for analyzing thin film multilayer structure using spectroscopic ellipsometer comprising a step of selecting a model of that minimum mean square error (chi ² value) entered into between the maximum value and the minimum value of the incident angle. A method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 1, 2, 3, or 4.
The first step of the analysis phase 2 is a first step in which, in the determined initial model, the optical constant of the most unknown material layer (layer of interest) in the three or n-layer structure is replaced with one dispersion equation;
A second step of selecting a film thickness, a mixing ratio, and the like of arbitrary layers (1 to (n-1)) other than the set attention layer over a plurality of points and performing EBLMC of the attention layer for each point; the lowest model or preset thickness and mixing ratio of the mean square error from the result of EBLMC the second step (chi ² value), dispersion type parameter, a minimum contained between the maximum value and the minimum value, such as the angle of incidence the third step and the analyzing method of a thin-film multi-layer structure using a spectroscopic ellipsometer comprising selecting a model of the mean square error (chi ² value). A method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 1, 2, 3, or 4.
The second to t stages of the analysis phase 2 include:
9. A thin film using a spectroscopic ellipsometer performing the same steps as in claim 8, wherein the optical constant of the layer of interest obtained in the previous step is substantially known, and the most unknown material layer among the other layers is set as a new layer of interest. Analysis method of multilayer structure. A method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 1, 2, 3, or 4.
The order in which EBLMC is performed in the analysis phase 2 is to perform the EBLMC in order from the material whose optical constant is the least unknown in the materials in the 3- or n-layer structure. The number of analysis steps in the analysis phase 2 depends on the number of layers. A method for analyzing a multilayer structure of a thin film using a spectroscopic ellipsometer capable of at least 1 to n. A method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 1, 2, 3, or 4.
In the analysis phase 2, the mean square error (chi ² value) best results were selected results of the film thickness of each layer or set in advance, the dispersion equation parameters, the mixing ratio, within the scope of the respective maximum and minimum values of the incidence angle If it is not confirmed, the analysis phase 2 is repeated a required number of times, and a method of analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer. An analysis method of a thin film multilayer structure using the spectroscopic ellipsometer according to claim 2 or 4,
The analysis phase 3 is a phase in which a final fitting is performed on arbitrary parameters of the model obtained in the analysis phase 2, a result is confirmed and stored, and a thin film multilayer structure analysis method using a spectroscopic ellipsometer. An analysis method of a thin film multilayer structure using the spectroscopic ellipsometer according to claim 2 or 4,
If it is not confirmed in Step 2 that the result of the fitting in Step 1 of the analysis phase 3 is within the preset maximum value and minimum value, the process returns to the analysis phase 1 and performs the analysis again. The thin film multilayer using the spectroscopic ellipsometer How to analyze the structure. A method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 1, 2, 3, or 4.
After the initial model is determined using the effective medium approximation for the layer of interest in the analysis phase 1, the layer of interest may be represented by one dispersion equation in the first stage of the analysis phase 2 as in claim 8. If not, continue to use the effective medium approximation assuming that some material is mixed in this layer, then at least one of the several materials in this layer of interest is represented by a dispersive equation, The film thickness and mixing ratio of arbitrary layers (1 to (n-1)) other than the set layer of interest are selected over a plurality of points, and EBLMC is performed on this layer while changing the mixing ratio of the layer of interest at each point. A method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer including a second step to be performed. A method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 1, 2, 3, or 4.
The multi-layer structure on the substrate to be measured is converted into a measured spectrum _{Ｅ E} (λ _i ) and Δ _E (λ _i ) representing the change in the polarization of the incident light and the reflected light for each wavelength λ _i by changing the wavelength of the incident light. Obtaining Ψ _E , Δ _E spectrum spectroscopy phase;
The analysis phase 1 third step or the analysis phase 2 analysis t-th stage third step is performed for each of a plurality of measurement conditions (Zi) within the expected range. From the results obtained for each measurement condition, minimum mean square error (chi ² value) or the dispersion equation parameters and the mixing ratio, angle of incidence, among the combinations contained in between the maximum and the minimum value set, the best of the mean square error (chi ² value) A method of analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer comprising a fourth step of selecting an object. A method for analyzing a thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer according to claim 1, 2, 3, or 4.
Selecting those smallest of the differences in the analysis phase 1, 2 and 3 to that fitting, calculated mean square error of the measurement value (chi ² value), the smallest mean square error (chi ² value) or those, thickness previously set, the dispersion equation parameters, mixing ratio, which determines what the smallest mean square error contained in each of the maximum and minimum values of the variable angle of incidence (chi ² value) Analysis method of thin film multilayer structure using a spectroscopic ellipsometer.

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