JP2006510019A - 過渡的な熱反射率によって薄膜の厚さを計測する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

膜厚を計測するための方法は、瞬間的な加熱に続く膜の反射率の過渡的な変化をモニターすることに基づく。本方法は、膜の温度上昇を引き起こすように励起パルスで膜表面を瞬間的に照射するステップと、反射されたプローブビームを生成するために膜表面から反射するようにして、プローブビームで膜表面を照射するステップと、反射されたプローブビームの強度における時間に依存する変化を検出するステップと、計測された強度の変化に基づいて信号の波形を生成するステップと、信号の波形に基づいて膜厚を決定するステップとを有する。

Description

本発明は、例えば、薄膜などのサンプルの特徴を決定する光応用計測の分野に関する。

超小型電子装置の組立ては、典型的には、複数の金属及び誘電性層の沈積及びパターニングを含んでいる。膜厚を計測する光技術は、典型的に迅速で、非接触で非破壊的であるので、工業的な処理の制御において最も適している。しかしながら、金属膜の厚さの光計測は、金属膜が典型的には不透明であるので、難儀な問題である。

熱波と呼ばれる光計測は、例えば、膜厚などサンプルの様々に異なる物質の特徴を計測するために以前から使用されている。熱波検出の計測において、周期的に変調された励起ビームがサンプルを熱する。反射されたプローブビームの強度の変化を計測することは、膜表面での周期的な温度変化をモニターする。次いで、計測された強度変化の規模及び／又は位相は、サンプルの特徴を決定するように使用される。（例えば、ここで参照として組み込まれている特許文献１参照）低い変調周波数を活用し、単にプローブビームの強度変化の規模を計測する同様の方法が開示されている。（例えば、ここで参照として組み込まれている特許文献２参照）

過渡的な熱反射率と呼ばれる別の従来の光技術は、サンプルの表面を瞬間的に加熱する短い（典型的には、フェムト秒又はピコ秒）励起レーザーパルスを活用し、一方で、反射されたプローブパルスの強度は、表面の動的温度（surface temperature dynamics）をモニターするように計測される。プローブパルス（典型的には、フェムト秒又はピコ秒パルス）は励起に関して遅れ、反射率の時間依存を得るために、計測は可変する遅れで何度も反復される。この技術は開示されている。（例えば、非特許文献１参照。）

過渡的な熱反射率の計測を分析することによって、膜と物質の境界面の熱的な特徴を計測する方法が提案されている。（例えば、ここで参照として組み込まれている特許文献３参照。）しかしながら、過渡的な熱反射率技術は、膜厚計測において使用されていない。下記で示されるように、膜厚に敏感な動的温度の適切なタイムスケールは、典型的には、数１０ナノ秒の範囲内であり、つまり、過渡的な熱反射率計測において使用される典型的なフェムト秒装置ではアクセス可能でない。ある研究において、１０ｐｓのタイムスケールでの薄金膜の過渡的な熱反射率は、膜厚に対して感受性を有することが分かった（例えば、非特許文献２参照）。原理的には、ホルフェルド等によって記載された方法は、膜厚計測において使用され得る。しかしながら、そのような計測は、複雑なフェムト秒装置を必要とし、ホルフェルド等による文献の図３から以下のように、単に、３００ｎｍより薄い膜にだけ適用可能である。
米国特許第５，９７８，０７４号明細書 米国特許第６，０５４，８６８号明細書 米国特許第５，７４８，３１７号明細書 Ｃ．Ａ．パドック及びＧ．Ｌ．エスレイ"Transient thermoreflectance from thin metal film", J. Appl. Phys. 60, 285 (1986) Ｊ．ホルフェルド、Ｊ．Ｇ．ミュラー、Ｓ．Ｓ．ウェラーショフ及びＥ．マチアス"Time-resolved thermoreflectivity of thin gold films and its dependence on film thickness"

したがって、従来法の制限に悩まされず、膜厚などのサンプルの特徴を迅速で簡素に計測するための方法及び装置を提供することが望まれる。

本発明は、一つの態様の半導体製造工程の制御において、金属膜の迅速で再現可能な計測が可能な膜厚計測における簡素な方法を提供する。本方法は、膜の温度上昇を引き起こすように励起パルスで膜表面を瞬間的に照射するステップと、反射されたプローブビームを生成するために膜表面から反射するようにして、プローブビームで膜表面を照射するステップと、反射されたプローブビームの強度の一連の変化を検出するステップと、計測された強度の変化に基づいて信号の波形を生成するステップと、信号の波形に基づいて膜厚を決定するステップとを有する。

本発明の一つの実施態様において、プローブビームで膜表面を照射するステップは、連続的な照射を使用して実行される。本発明の別の実施態様において、プローブビームで膜表面を照射するステップは、準連続的な照射を使用して実行される。

本発明の別の実施態様において、検出ステップは、励起パルスに反応する時間領域温度（time domain temperature）を形成する、変化を検出することを有する。

本発明の別の実施態様において、決定ステップは、数的モデルで信号の波形を分析することを有する。別の実施態様において、数的モデルは、膜の光学定数及び膜が構成される物質又は複数の物質の熱的特質に基づいて導き出される。

また別の実施態様において、決定するステップは、経験的なキャリブレーションでの信号の波形を分析することを有する。本発明の別の実施態様において、計測及び生成ステップは、高速検出器及び過渡的なデジタイザー、例えば、オスシロスコープによって実行される。

さらに別の実施態様において、励起パルスで膜表面を励起パルスで瞬間的に照射するステップは、１０μｍよりも大きな励起のスポットサイズを使用する。

別の実施態様において、方法は、励起又はプローブのスポットサイズよりも大きいか又は小さい、いずれかの特徴的なサイズのパターン化された金属／誘電性の構造を計測する。

別の実施態様において、方法は、励起パルスのスポットサイズよりも大きいか又は小さい、いずれかの分離された金属構造を計測する。

別の態様において、本発明は、フィルムの温度上昇を引き起こす単一の瞬間的な励起ビームを照射するための単一の照射手段と、反射されたプローブビームを生成するために膜表面から反射するようにして、プローブビームで膜表面を照射するための照射手段と、薄膜の表面内の熱の衰えの変化に対応する反射されたプローブビームの強度の一連の変化を検出し計測するための高速光検出器と、計測された強度の変化に基づく信号の波形を生じるためのオスシロスコープと、信号の波形に基づき、膜厚を決定するためのマイクロコンピュータを有する膜厚を計測するための装置を有する。

一つの実施態様において、単一の瞬間的な励起ビームを照射するための照射手段はレーザーである。

別の実施態様において、連続するプローブビームで膜表面を照射するための照射手段はレーザーである。

本発明は、下記の記載、図面及び特許請求の範囲から明白な多数の利点を提供する。

本発明は、添付図を参照してより完全に理解される。

図１は、本発明による薄膜の厚さを計測する方法を実行するための装置を描写する。提案された方法において、１ｎｓ又はより短い継続時間で励起レーザー１によって照射される励起レーザーパルス１０が、金属膜１１の表面１５に入射する。金属フィルム１１は、シリコンウェハー１３上の誘電性層１２にわたって沈着される。プラットフォーム１００は、ウェハー１３を支持する。表面１５でレーザーパルス１０からの光放射の吸収は、温度を上昇させる。熱の拡散によって引き起こされた崩壊はこの上昇に続く。下記に記載のように、この崩壊の原動力は、膜１１の厚さに依存する。質的に、膜が厚くなると、冷却する時間が長くなる。

プローブレーザー２によって照射されたプローブレーザービーム１６は、動的温度をモニターする。プローブビーム１６は、サンプル表面１５で励起ビーム１０をオーバーラップする。プローブビーム１６は、連続ビームであるか、又は準連続ビームである。後者の用語は、計測のタイムスケール、つまり、典型的には、数１０ナノ秒から数１０マイクロ秒までの連続ビームを意味する。準連続ビームの例は、１００nsの継続時間の方形のパルスによって変調されるビームであり得る。プローブビーム１６の反射された部分１７の強度は、サンプル表面における温度の変化に対応する強度の変化を受ける。これは、温度における膜物質の光学定数の依存による。反射されたプローブビーム１７の強度は、５００ＭＨｚまで又はそれ以上の周波数帯域のオスシロスコープ１９に接続した高速検出器１８によって計測される。必要であれば、検出器１８の反応は、複数の励起パルス１０にわたって平均することができる。コンピュータ２０は、膜１１の厚さを決定する検出器１８及びオスシロスコープ１９によって生じる信号の波形を分析する。

理論的な評価
下記の分析は、時間ｔの熱拡散の長さにおける単純な評価に基づき、

式中、χは熱拡散率である。

励起パルス１０の吸収で発生する最速処理は、膜１１の厚さにわたる熱移動である。式（１）によると、金属膜の厚さｈｍによる特徴的な熱拡散時間は、

によって与えられ、式中、χｍは金属膜の熱拡散率である。この時間は、１μm厚のＣｕ膜において１０ｎｓまでである。０．１μｍ厚のＣｕ膜において、式（１）で、τ_１は１ｎｓまでを生じる。しかしながら、この場合、０．１μｍは、Ｃｕでの光励起された電子における非平衡拡散長の大まかな長さであるので、古典的な熱の拡散モデルは有効ではない。この非平衡拡散は、１ｐｓもかからない非常に迅速な処理である（例えば、O.B. Wright and V.E. Gusev, IEEE Trans. Ultrason. 42, 331 (1995)参照）。このようにして、厚くても０．１μmまでの厚さ又は薄いＣｕ膜において、膜厚にわたる熱平衡は、０．５ｎｓまでのレーザーパルスの継続時間と比較して、ほとんど瞬時で達成される。

膜１１の厚さにわたる熱平衡が確立した後、膜１１は、熱移動の２つのチャネルを介して冷却される。２つのチャネルは、膜の平面内の横の熱移動１１１と、下にある誘電体１２への垂直の熱移動２１１である。式（１）にしたがって、横の熱移動１１１では、熱伝播の特有の半径は、

によって与えられ、式中、ａは励起パルス１０のスポットサイズである。エネルギー保存の必要性により、温度は、熱が拡散した領域に対して反比例する。それゆえ、熱崩壊は、

によって記載され、Ｔ_０は初期の温度上昇である。２倍に崩壊する温度で必要とされる時間は、

によって与えられ、ｔ＞＞τ_２の場合、温度は１／ｔとして崩壊する。

垂直の熱移動２１１において、誘電体１２が金属フィルム１１よりはるかに厚い場合を最初に考慮する。Ｌが誘電体１２への熱拡散長である場合、エネルギーの保存は、熱崩壊における下記の式を導く、

式中、ρ_ｍ、ｄ及びＣ_ｍ、ｄは、それぞれ、金属フィルム１１及び誘電体１２の密度及び比熱であり、χ_ｄは誘電体１２の熱拡散率である。式（６）から、１／２崩壊時間は、

として認識される。ｔ＞＞τ_３の大きな時間場合、温度はｔ^−１／２として崩壊する。

誘電体１２の厚さが金属膜１１と比較してかなり薄い場合、状況は異なる。シリコン基板１３の高い熱伝導度により、誘電体１２／シリコン１３の境界面での温度上昇は、０であると仮定することができる。誘電体１２の熱の流れは、誘電体ｋｄ＝ρ_ｄＣ_ｄχ_ｄの熱伝導度及び誘電層１２にわたる温度勾配、つまりＴ／ｈ_ｄ（式中、Ｔは金属膜１１の温度上昇で、ｈ_ｄは誘電体１２の厚さである）の産物と等しい。金属膜１１の動的温度は、下記式

によって記載され、

によって与えられた崩壊時間で、

指数関数的な熱崩壊を生じる。

両者の場合、τ_３は金属１１の厚さに高感度であり、一方で、τ_２は金属１１の厚さに依存しないことを注意する。したがって、熱崩壊による金属１１の厚さの計測における最も好ましい状況は、垂直の熱移動２１１が支配する、つまり、τ_３＜＜τ_２の場合である。これは、広大な励起スポット（下記の評価を参照）を使用するか、励起スポットのサイズよりも小さい分離した試験構造を計測するか、いずれかによって達成できる。τ_２及びτ_３が比較可能である場合に計測が可能であるが、信号分析に使用される数的モデルは、横に熱移動１１１を考慮に入れ、モデルパラメータの一つとしてスポットサイズを使用する。最終的に、τ_３＞＞τ_２の場合、計測は金属膜１１の厚さに対して感受性を示さない。

実施例として、定量計測が厚い二酸化ケイ素上のＣｕ膜において実行された。式（７）によると、崩壊時間τ_３は、膜厚が０．１から１μｍになるにつれて、５０ｎｓ乃至５μｓ間で変化する。“横の”崩壊時間τ_２は、１００μｍまでにおいて２０μｓのオーダーとなり、１０μｍまでにおいて０．２μｓのオーダーとなる。したがって、１０μｍまでのスポットサイズは、ミクロン厚の膜を計測するにはあまりにも小さいが、０．１μｍまでの厚さの膜においては適切であり、一方で、１００μｍまでのスポットサイズは１μｍまでの厚さの膜においては適切である。

提案された方法の実験の立証において、励起波長は５３２ｎｍであり、パルスエネルギーは約１μＪであり、パルスの継続時間は０．５ｎｓまでであり、スポットサイズは２００ｘ４０μｍであった。プローブ波長は８３０ｎｍで、スポットサイズは３０ｘ１５μｍで、プローブパワーは１μＷまでであった。わずかなプローブパワーは低い信号レベルを導き、４８００レーザーショットに関して平均化を必要とした。例えば、１ｍＷまでのプローブパワーの増大は、わずかなレーザーショットで同様の品質の信号を得ることを可能にするか、又はさらなる平均化での信号対ノイズ比を高める。

計測は、プローブ波長が８３０ｎｍで良好な熱反射信号を生じるＴｉＮフィルムで実行される。短いプローブ波長は、銅での計測において良好である。

１０００Åのシリコン熱酸化ウェハーに沈積した５００、７５０、１０００及び１５００Å厚のＴｉＮ膜を備える４サンプルが使用された。図２は、４サンプルから得られた熱反射の過渡状態を示すグラフを描写する。図２の横軸は時間（ｎｓ）に対応し、図２の縦軸は任意の単位の反射率の変化に対応する。直線２１、２２、２３及び２４は、５００、７５０、１０００及び１５００Åのそれぞれの厚さのＴｉＮを備えるサンプルと対応する。信号のマイナス表示は、８３０ｎｍでＴｉＮの反射率が温度とともに減少することを示す。予想通り、崩壊はさらに厚いサンプルにおいて遅い。２つの厚いサンプルの２３、２４が信号の開始時に迅速な過渡現象を生じることを注意する。これは、崩壊時間τ_１によって記述された膜厚にわたる緩和とすることができる。この場合の崩壊時間τ_１は、ＴｉＮの低い熱拡散率のために、Ｃｕ膜において予期された時間よりも長い。

図３は、膜１１の厚さでの効果的な熱の崩壊時間の依存を示すグラフを提示する。図３の横軸はＴｉＮの厚さ（オングストローム）に対応し、図３の縦軸は時間（ｎｓ）に対応する。効果的な崩壊時間は、１５から５０ｎｓのタイムウィンドウ（time window）内で信号の波形を指数関数に適合することによって計測された。グラフ上のポイントは、膜厚の決定において計測が良好に適していることを示す、滑らかな曲線３１にある。

前述の記載及び実施例は典型的なものであり、請求の範囲を制限するように意図されない。

本発明による薄膜を計測する方法を実行するための装置の図である。 １０００オングストローム厚のシリコン熱酸化ウェハー上に沈積された５００、７５０、１０００及び１５００オングストローム厚のＴｉＮから得られる過渡的な熱反射率の信号のチャートを示すグラフである。 膜厚に対比した指数関数に図２のデータを適合させることにより計測された有効な崩壊時間を示すグラフである。

符号の説明

１ 励起レーザー
２ プローブレーザー
１０ 励起レーザーパルス
１１ 金属膜
１２ 誘電性層
１３ シリコンウェハー
１５ 金属膜１１の表面
１６ プローブビーム
１７ 反射されたプローブビーム
１８ 高速検出器
１９ オスシロスコープ
２０ コンピュータ
１００ プラットフォーム
１１１ 横の熱移動
２１１ 垂直の熱移動

Claims (17)

1. 膜の温度上昇を引き起こすように励起パルスで前記膜表面を瞬間的に照射することと、
   反射されたプローブビームを生成するために前記膜表面から反射するように、前記プローブビームで前記膜表面を照射することと、
   前記反射されたプローブビームの強度の時間に依存する変化を検出することと、
   前記計測された強度の変化に基づいて信号の波形を生成することと、
   前記信号の波形に基づいて前記膜の厚みを決定することを有することを特徴とする膜厚を計測するための方法。
2. 前記プローブビームで前記膜表面を照射するステップはさらに、連続的照射を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記プローブビームで前記膜表面を照射するステップはさらに、準連続照射を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記検出ステップはさらに、前記励起パルスに反応する時間領域温度を有する変化の検出を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記決定ステップはさらに、数的モデルで前記信号の波形の分析を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記数的モデルは、前記膜の光学定数及び前記膜が構成される物質の熱的特質に基づいて導き出されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記決定するステップはさらに、経験的なキャリブレーションで前記信号の波形の分析を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記計測及び生成ステップは、高速検出器及びオスシロスコープのような過渡的なデジタイザーによって実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 励起パルスで前記膜表面を励起パルスで瞬間的に照射するステップはさらに、１０μｍよりも大きい励起のスポットサイズを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 前記方法は、前記励起又はプローブのスポットサイズよりも大きいか又は小さい、いずれかの特徴的なサイズのパターン化された金属／誘電性の構造を計測することを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記方法は、前記励起パルスのスポットサイズよりも大きいか又は小さい、いずれかの分離された試験構造を計測することを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. 膜の温度上昇を引き起こす単一の瞬間的な励起ビームを照射するための単一の照射手段と、
    反射されたプローブビームを生成するために前記膜表面から反射するようにして、連続的なプローブビームで前記膜表面を照射するための照射手段と、
    前記薄膜表面に対応する前記反射されたプローブビームの強度の時間に依存する変化を検出し、かつ計測するための高速光検出器と、
    前記計測された強度の変化に基づき信号の波形を生じるためのオスシロスコープなどの過渡的なデジタイザーと、
    前記信号の波形に基づき前記膜厚を決定するためのマイクロコンピュータを有する膜厚を計測するための装置。
13. 前記単一の瞬間的な励起ビームを照射するための照射手段はレーザーであることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 前記レーザーは、１０ｎｓの継続時間よりも短いパルスを照射することを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 前記プローブビームで前記膜表面を照射するための照射手段はレーザーであることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
16. 前記プローブビームは連続ビームであることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
17. 前記プローブビームは１０ｎｓよりも長いパルスの継続時間のパルスビームであることを特徴とする請求項１２に記載の装置。

Images