JP2004119452A

JP2004119452A - 薄膜測定方法とその装置

Info

Publication number: JP2004119452A
Application number: JP2002277293A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Kanezashi; 金指　康雄
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】半導体装置の製造工程で用いられている成膜工程や、エッチング工程で、薄膜を堆積あるいはエッチングしていく際に、高精度で迅速にリアルタイムで測定のできる薄膜測定方法とその装置を提供すること。
【解決手段】薄膜２２、２３の膜厚の測定に際して、薄膜２２、２３の反射光から分光反射強度の分布を測定し、この分光反射強度の分布から分光振幅反射率を算出、この分光振幅反射率から特性行列を算出して膜厚を算出する。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造工程で用いられている成膜工程やエッチング工程で、薄膜を堆積あるいはエッチング加工を施していく際に、薄膜の厚さをリアルタイムで測定する膜厚測定方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、試料であるウエハの表面上に形成された薄膜の膜厚測定は、分光反射率データから算出しており、主にカーブフィッティングによる方法が用いられている。このカーブフィッティングによる方法では、理論的な強度分光反射率分布を決定する各種パラメータ、主に膜厚、また、必要とあれば形状を変えながら全波長域で分光反射率の計算を行い、その都度測定された分光反射率分布とその形状の比較を行い、最も測定波形と算出波形の整合性が良好なパラメータを以って膜厚とする計算を行う方法が取られている。
【０００３】
つまり、膜厚測定の原理は図８に示すように、分光器で検出した分光スペクトル信号波形ｆ（干渉光強度ｄ_０、波長λ）と、予めデータベースに収納されている理論波形ｆ（ｄ_０ ^′、λ）とのカーブを比較するカーブフィッティングを行い、双方のカーブの差が最小となるような理論波形カーブを選定して、それにより膜厚を求めている。
【０００４】
また、従来から複数の膜構造のそれぞれから求められる理論的分光反射率と測定反射率との類似度を求め、類似度により特定された膜構造を測定結果として用いる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１６００２８号公報　段落番号１乃至４１　図１乃至図６
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようなカーブフィッティングを用いて薄膜の厚さを求める場合は、対象となる薄膜の厚さの精度や形状にもよるが、一般的にパラメータの組み合わせ数が膨大となることが多い。その膨大な組み合わせ数だけ理論的分光反射率の測定分布を生成する必要がある。
【０００７】
したがって、膨大な組み合わせ数だけ理論的分光反射率の測定分布を生成のためには、計算量が多くなり処理時間がかかる。そのため、リアルタイム性と相反する結果となるという問題がある。
【０００８】
また、それを解決するために最適化手法を導入する方法もあるが、必ずしも最適解に収束するという保証はない。
【０００９】
また、特許文献１（特開平１１−１６００２８号公報）に開示されている技術でも、同様に膨大な理論的分光反射率の測定分布を生成する必要がある。
【００１０】
本発明はこれらの事情にもとづいてなされたもので、半導体装置の製造工程で用いられている成膜工程や、エッチング工程で、薄膜を堆積あるいはエッチングしていく際に、高精度で迅速にリアルタイムで測定のできる薄膜測定方法とその装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明による手段によれば、基板上に形成されている薄膜に対して、エッチング又は堆積による加工処理を施す際に、前記加工処理中に前記薄膜の反射光の分光を受光して前記薄膜の膜厚をリアルタイムで測定する薄膜測定方法において、
前記薄膜の膜厚の測定に際しては、前記薄膜の反射光から分光反射強度の分布を測定し、この分光反射強度の分布から分光振幅反射率を算出し、この分光反射率に基づいて前記薄膜の測定をすることを特徴とする薄膜測定方法。
【００１２】
また請求項２の発明による手段によれば、前記分光振幅反射率は、前記分光反射強度の分布の極小値に基づいて求めていることを特徴とする薄膜測定方法である。
【００１３】
また請求項３の発明による手段によれば、前記薄膜の膜厚の測定に際しては、予め、既に堆積されている薄膜の反射光から分光反射率の分布を測定する測定工程と、
この測定工程により測定された分光反射強度の分布から分光振幅反射率を算出する算出工程と、
この算出工程で算出された分光振幅反射率から特性行列を求める第１行列算出工程と、
新たに加工された薄膜についても同様のステップで前記新たに加工された薄膜の反射光から特性行列を求める第２行列算出工程と、
前記２つの特性行列から前記新たに加工された薄膜に依存する特性行列を算出する第３特性行列算出工程
とを有することを特徴とする薄膜測定方法である。
【００１４】
また請求項４の発明による手段によれば、薄膜の反射光から分光反射率の分布を測定する測定工程では、光源および受光光学系および受光センサの分光特性を基準値により補正していることを特徴とする薄膜測定方法である。
【００１５】
また請求項５の発明による手段によれば、基板上に形成されている薄膜に対して、エッチング又は堆積による加工処理を施す際に、前記加工処理中に前記薄膜の反射光の分光を受光する受光部と、この受光部で受光した分光の分光反射率強度の分布を測定する測定手段を具えた薄膜測定装置において、
前記測定手段には、測定された分光反射率強度の分布から分光振幅反射率を算出する算出手段と、この算出手段には行列特性を算出する行列算出手段を具えた演算部が接続されていることを特徴とする薄膜測定装置である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は本発明に係る膜厚測定装置の構成を示す模式構成図である。
【００１８】
膜厚測定装置は、ステージ１上に載置された試料２ヘの照明光を出射するランプ３、ランプ３からの照明光を試料２ヘと導く照明光学系４、試料２からの反射光を受光部５に導く結像光学系６、試料２からの分光された反射光を受光する受光部５、受光部５からのアナログ信号である受光信号５ｓをデジタル信号の受光信号７ｓに変換するＡ／Ｄ変換部７、および受光信号７ｓに基づいて膜厚を算出する演算部８を有している。
【００１９】
ランプ３は白色光を照明光学系４に向けて出射する光源であり、この膜厚測定装置ではハロゲンランプが用いられている。
【００２０】
照明光学系４は、レンズ８、視野絞り９、レンズ１１、ハーフミラー１２および対物レンズ１３を有しており、ランプ３からの照明光はレンズ８、視野絞り９およびレンズ１１を順に介してハーフミラー１２にて反射し、対物レンズ１３を介して試料２上に集光されて照射される。したがって、ランプ３および照明光学系４がこの膜厚測定装置における照明の手段となっている。
【００２１】
ステージ１は任意方向に移動可能とされており、ステージ１上の試料２の位置を調整することにより所望の位置を照明することができるようにされている。
【００２２】
結像光学系６は、対物レンズ１３、ハーフミラー１２、レンズ１４、ピンホール板１５および凹面回折格子１６を有しており、ハーフミラー１２および対物レンズ１３は照明光学系４と共有されている。試料２からの反射光は対物レンズ１３を経由してハーフミラー１２を透過し、レンズ１４を介してピンホール板１５に形成されているピンホールの位置に集光される。そして、ピンホール板１５のピンホールを透過した反射光は凹面回折格子１６にて分光されるとともに波長ことに受光部５の受光面上の異なった位置に集光される。
【００２３】
受光部５は複数の受光素子を１列に配列して有しており、これらの受光素子は凹面回折格子１６にて分光された反射光を波長ごとに受光するようになっている。また、各受光素子の受光量はアナログ信号の受光信号５ｓとなって受光部５から出力される。
【００２４】
Ａ／Ｄ変換部７はアナログ信号の受光信号５ｓをデジタル化するものであり、演算部８にて演算処理できるデジタル化された受光信号７ｓを出力する。
【００２５】
演算部８は、受光部５で受光された反射光の分光反射率強度の分布から分光振幅反射率を算出する算出手段と、この算出手段には行列特性を算出する行列算出手段を具えている。
【００２６】
以上のような構成により、この膜厚測定装置では膜厚測定に際して、まずランプ３からの白色光である照明光を試料２に照射し、試料２からの反射光を凹面回折格子１６にて分光し、分光された反射光を受光して波長ごとの光量すなわち分光強度を示す受光信号５ｓを生成する。
【００２７】
次に、反射光の分光強度を示すデジタル信号である受光信号７ｓを演算部で演算処理することにより、試料２の表面上に形成された薄膜の膜厚を算出している。なお、演算部８はコンピュータ・システムを利用してソフトウェア的に構築されていてもよく、また専用の電気的回路として構成されていてもよい。
【００２８】
図２は、演算部での動作を示すフローチャートである。
【００２９】
試料２の薄膜の厚さの測定にあたっては、試料２は図３（ａ）に示すように、基板２１の表面上に既に薄膜２２が形成された最初の状態（堆積あるいは、エッチングの加工前）で、半導体製造装置（不図示）のチャンバ内のステージ１上に載置されている。その状態で、試料２に、ランプ３からの光を照明光学系４にて所定の光束に整えて照射する。試料２からの反射光はハーフミラー１２により入射光と反射光の分離を行った後、凹面回折格子１６により分光されて受光部５に入射する。それにより、試料２の初期状態の分光強度反射率Ｉ（λ）を測定する。なお、図３（ｂ）に示すように、分光強度反射率分布は薄膜２２の材質、厚さに応じて周期的な強弱を繰り返すような形状となるのが普通である。（測定工程：Ｓ１）
次に、求められた分光強度反射率Ｉ（λ）の分布から、極小波長での分光振幅反射率Ｒ（λ）を求める。（算出工程：Ｓ２）
なお、分光振幅反射率Ｒ（λ）には振幅比による反射率、薄膜厚や屈折率に応じた位相情報が含まれているが、受光部５のセンサによって測定された分光強度反射率Ｉ（λ）は、下記に（式１）で示すように、分光振幅反射率Ｒ（λ）の複素共役との積になっているため、膜厚の解析に必要な情報を含む位相情報が完全に欠落してしまっている。
【００３０】
Ｉ（λ）＝Ｒ（λ）・Ｒ^＊（λ）　　＊は複素共役　　　　（式１）
しかし、分光強度反射率Ｉ（λ）が極小を取る時は
分光振幅反射率Ｒ（λ）の虚部Ｉｍ（Ｒ（λ））＝０、実部Ｒｅ（Ｒ（λ））＜０
となることが分かっているため、分光強度反射率Ｉ（λ）が極小を取る場合の値を正とすると、このときの振幅反射率Ｒは、
Ｒ＝−√Ｉ
となる。また振幅反射率Ｒには条件から虚部の成分が０であることが分かっているので、位相φも０である。つまり、初期状態の特性行列Ｍｌは以下のように定義される。なお、特性行列は、薄膜の透過特性（入力に対する透過）を示す指標になるものである。
【数１】

（第１行列算出工程；Ｓ３）
また、特性行列からは以下のような式３で振幅反射率Ｒが得られる。
【数２】

このように特性行列にはＡ、Ｂ、ＣおよびＤの４つの未知数があるが、上記の式２において、極小点のデータを４つ以上用意することで、解析的あるいは数値的にＡ、Ｂ、ＣおよびＤを求めることができる。
【００３１】
次に特性行列Ｍ_２が不明の薄膜２２を堆積あるいはエッチングした状態で同様に分光強度反射率Ｉ（λ）の分布を測定し（第２行列算出工程；Ｓ４）、この分光強度反射率分布から、極小波長での分光振幅反射率Ｒ（λ）を求める。（第２行列算出工程；Ｓ５）
さらに、全く同じ方法で特性行列Ｍを求める。（第２行列算出工程；Ｓ６）
上述のように、薄膜が堆積あるいはエッチングされた場合の総合的な特性行列の扱いは、特性行列の積で表されるから、例えば、図４（ａ）に模式図を示すように、特性行列Ｍｍで表される薄膜２２の表面にＭｎで表される薄膜２３が堆積した場合の総合的な特性行列Ｍは、下記に式３で示すように積で表される。また、図４（ｂ）に示すように、分光強度反射率分布は薄膜２３の材質、厚さに応じて周期的な強弱を繰り返す
Ｍ＝Ｍ_ｎＭ_ｍ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（式４）
これにより、初期の薄膜２２の表面に更に薄膜２３が堆積した場合の総合的特性行列Ｍは同様にして以下のように記述されることになる。
【００３２】
Ｍ＝Ｍ_２Ｍ_１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（式５）
前述のとおり、初期状態の特性行列Ｍ_ｌは既知であるので、これの逆行列Ｍ_１ ^−１が得られるならば、後に堆積した薄膜２３の特性行列Ｍ_２は以下のように解析的に求めることが可能である。つまり、加工前の特性行列の逆行列を、加工後の特性行列の右側から掛け合わせれば、変化した膜厚分に依存する特性行列を求めることができる。
【００３３】
Ｍ_２＝ＭＭ_１ ^−１（＝Ｍ_２ＭＭ_１ ^−１）　　　　　　　　　　　　（式６）
（第３行列算出工程；Ｓ７）
Ｍ_２の要素が判明すれば堆積した薄膜２３の厚さｄを得ることが可能で、これで薄膜の膜厚測定の目的を達成したことになる。（第３行列算出工程；Ｓ８）
また以後、更に薄膜を堆積していく場合はこれを繰り返すことによってその都度、薄膜の厚さを算出することができる。
【００３４】
なお、基板２上の複数層の薄膜を積層した場合、エッチングの際に、最上部の膜厚の測定に際して、最上部の薄膜とその下の薄膜との屈折率が異なる場合は、最上部の膜厚の測定については上述の方法をそのまま適用すればよいが、最上部の膜厚が除去されて、次の層の薄膜のエッチングに入った際の膜厚の算出は、次の層の薄膜の屈折率を勘案した式により算出する必要がある。
【００３５】
また、試料２の分光反射率強度の測定に際しては、通常、光源（ランプ）の分光強度分布が図５に示すように、各波長（λ）に対して一様で分光器（凹面回折格子）もそれに対応していれば問題はないが、実際には、光源は図６（ａ）に示すような特性があるとし、また、受光部は図６（ｂ）に示すような特性があるとすれば、測定結果は、図６（ｃ）に示すようになる場合が想定される。これらの場合、光源や受光部の装置固有の特性が影響するため、全体の出力（Ｏｕｔｐｕｔ（λ））は以下の式７のようになる。
【００３６】
Ｏｕｔｐｕｔ（λ）＝Ｉ_１（λ）×Ｉ_２（λ）×Ｉ_３（λ）　　（式７）
このような状態に対して、測定装置固有の特性を補正して、波長ごとの光学系の影響を排除する必要がある。図７は、装置固有の特性についての補正おこなう際の模式説明図である。
【００３７】
この補正に際しては、まず、予め分光特性が分かっている例えば、ベアＳｉ（Ｂａｒｅ　Ｓｉ）を用いて、ランプ３で照射した反射光をハーフミラー１２を介して分光器２５で受光し、その受光結果によって測定装置の基準値を求め、試料２の薄膜を測定した際には、測定結果を基準値を用いて補正して測定装置の固有の特性を除去している。
【００３８】
すなわち、予め、分光特性の分かっているＢａｒｅ　Ｓｉに対して光源で照射して、分光器２５で受光した基準値（Ｒｅｆ（λ））は、式７より、
Ｒｅｆ（λ）＝Ｉ_１（λ）×Ｉ_２（λ）×Ｂａｒｅ　Ｓｉ（λ）
（式８）
また、試料２（ＳａｍｐｌｅＡ）を測定した値（Ｓａｍｐｌｅ（λ））は、同様に式７より、
Ｓａｍｐｌｅ（λ）＝Ｉ_１（λ）×Ｉ_２（λ）×ＳａｍｐｌｅＡ（λ）
（式９）
（式８）と（式９）から、
（Ｓａｍｐｌｅ（λ）／Ｒｅｆ（λ））＝（ＳａｍｐｌｅＡ（λ）／×Ｂａｒｅ　Ｓｉ（λ））
となり、
Ｓａｍｐｌｅ（λ）＝Ｒｅｆ（λ）×（ＳａｍｐｌｅＡ（λ）／×Ｂａｒｅ　Ｓｉ（λ））
なお、Ｂａｒｅ　Ｓｉ（λ）は、複屈折率が既知で、それより理論的な分光反射率を求めることができるので、Ｓａｍｐｌｅ（λ）を算出することができる。
【００３９】
以上に説明したように、本発明によれば、従来用いられていたカーブフィッティングによる演算よりも少ない計算量で薄膜の特性をあらわす行列を求めることが可能である。
【００４０】
また、最適化手法のような膜厚の推定値に頼る必要もなくなるため、精度のより測定をおこなうことができる。
【００４１】
したがって、膜厚の測定のリアルタイム性が向上して、より高速に高精度な測定結果を得ることが可能となる。
【００４２】
また、測定装置の固有の特性を補正して、波長ごとの光学系の影響を排除することができるので、精度のよい膜厚の測定をおこなうことができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、高精度で迅速にリアルタイムで測定のできる薄膜測定方法とその装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る膜厚測定装置の構成を示す模式構成図。
【図２】本発明に係る膜厚測定装置の演算部での動作を示すフローチャート。
【図３】（ａ）は試料の説明図、（ｂ）は試料の分光強度反射率分布のグラフ。
【図４】（ａ）は試料の説明図、（ｂ）は試料の分光強度反射率分布のグラフ。
【図５】望ましいランプの分光強度分布のグラフ。
【図６】（ａ）はランプの分光強度分布の特性を示すグラフ、（ｂ）は受光部の分光強度分布の特性を示すグラフ、（ｃ）は測定結果の分光強度分布の特性を示すグラフ。
【図７】装置固有の特性についての補正おこなう際の模式説明図。
【図８】カーブフィッティング法による膜厚測定の原理の説明図。
【符号の説明】
１…ステージ、２…試料、３…ランプ、４…照明光学系、５…受光部、６…結像光学系、１６…凹面回折格子、２１…基板、２２…薄膜、２３…薄膜

Claims

基板上に形成されている薄膜に対して、エッチング又は堆積による加工処理を施す際に、前記加工処理中に前記薄膜の反射光の分光を受光して前記薄膜の膜厚をリアルタイムで測定する薄膜測定方法において、
前記薄膜の膜厚の測定に際しては、前記薄膜の反射光から分光反射強度の分布を測定し、この分光反射強度の分布から分光振幅反射率を算出し、この分光反射率に基づいて前記薄膜の測定をすることを特徴とする薄膜測定方法。
前記分光振幅反射率は、前記分光反射強度の分布の極小値に基づいて求めていることを特徴とする請求項１記載の薄膜測定方法。
前記薄膜の膜厚の測定に際しては、予め、既に堆積されている薄膜の反射光から分光反射率の分布を測定する測定工程と、
この測定工程により測定された分光反射強度の分布から分光振幅反射率を算出する算出工程と、
この算出工程で算出された分光振幅反射率から特性行列を求める第１行列算出工程と、
新たに加工された薄膜についても同様のステップで前記新たに加工された薄膜の反射光から特性行列を求める第２行列算出工程と、
前記２つの特性行列から前記新たに加工された薄膜に依存する特性行列を算出する第３特性行列算出工程
とを有することを特徴とする薄膜測定方法。
薄膜の反射光から分光反射率の分布を測定する測定工程では、光源および受光光学系および受光センサの分光特性を基準値により補正していることを特徴とする請求項３記載の薄膜測定方法。
基板上に形成されている薄膜に対して、エッチング又は堆積による加工処理を施す際に、前記加工処理中に前記薄膜の反射光の分光を受光する受光部と、この受光部で受光した分光の分光反射率強度の分布を測定する測定手段を具えた薄膜測定装置において、
前記測定手段には、測定された分光反射率強度の分布から分光振幅反射率を算出する算出手段と、この算出手段には行列特性を算出する行列算出手段を具えた演算部が接続されていることを特徴とする薄膜測定装置。