JP2013137205A - 膜厚分布測定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】測定対象の薄膜付ウェーハの可視光の波長以上の波長領域の光に対する反射率の波長依存性を示すプロファイルP1を算出し(A)、薄膜付ウェーハの第二薄膜の設定膜厚T2より薄い、又は厚い第二薄膜を有する薄膜付ウェーハの可視光以上の波長領域の光に対する反射率の波長依存性を示すプロファイルP21を算出し(B)、P1、P21の差のプロファイルP31ゼロとなるときの波長λ1を求め(C)、求めた波長λ1を含む波長帯を反射分光法による膜厚分布測定に用いる光の波長帯として選択し(D)、測定対象の薄膜付ウェーハの表面に光を照射し、該薄膜付ウェーハの表面からの反射光のうち選択した波長帯の反射光のみを測定対象として、第一薄膜の膜厚分布を反射分光法によって測定する(E)。
【選択図】図1
Description
分光エリプソ法、反射分光法によるポイント測定においては、各測定点毎に、ある波長範囲(一般的には、可視光域)のスペクトルを取り、そのスペクトルに対してモデル膜構造にフィッティングすることで各測定点の膜厚を求めている。従って、ウェーハ全面を高スループットで高精度に測定を行おうとすると、測定点数が極端に増えるため、計算量と時間の制約から現実的に測定不可能である。
このように、SOIウェーハなどの薄膜付ウェーハの膜厚分布の測定を高密度で精度良く、かつ短時間で行うことが課題となっている。
特許文献2には、SOIに白色光を照射し、反射光を各波長別に分光し、波長別の干渉情報からSOI層膜厚を算出する技術が開示されている。
特許文献3には、基板上に複数の層が形成された被測定物の膜厚をより高い精度で測定することを目的とし、主に赤外帯域に波長成分を有する光源を用い、各波長における理論反射率(スペクトル)を繰返し算出し、測定対象の膜厚をフィッティングによって決定する方法が記載されている。
このようにすれば、第二薄膜の膜厚変動に対して反射率が変動しない波長帯をより確実に選択でき、第一薄膜の膜厚分布を確実に精度良く測定できる。
このようにすれば、第一薄膜の膜厚変動に対して反射率が変動しない波長帯をより確実に選択でき、第二薄膜の膜厚分布を確実に精度良く測定できる。
このようにすれば、薄膜の膜厚変動に対して反射率が変動しない波長帯をより確実に選択でき、第一薄膜及び第二薄膜の膜厚分布を確実に精度良く測定できる。
このように、測定対象の薄膜付ウェーハとして、埋め込み酸化膜及びSOI層を有するSOIウェーハを用いることができる。SOI層膜厚と埋め込み酸化膜の膜厚の組み合わせに応じて適切な波長を選ぶことによって、SOIウェーハの薄膜の膜厚分布を高密度で精度良く、かつ短時間で測定できる。
従来、SOIウェーハなどの2層の薄膜付ウェーハの膜厚分布を反射分光法によって測定する膜厚分布測定方法において、測定を高密度で精度良く、かつ短時間で行うことが課題となっている。
そこで、本発明者はこのような問題を解決すべく鋭意検討を重ねた。その結果、第一薄膜及び第二薄膜に膜厚変動があっても、光を照射した際にその光の反射率を変動させない波長が第一薄膜と第二薄膜のそれぞれに対し存在し、このような波長は薄膜付ウェーハの設定膜厚仕様毎に異なることを発見した。さらに、この波長を中心とした所定範囲の波長帯の光を用いて反射分光法により測定すれば、膜厚分布を実用的な高いスループットで高精度に測定でき、膜厚のフィッティング精度を向上できることを見出し、本発明を完成させた。
本発明の膜厚分布測定方法の測定対象は、基板の表面上に形成された第一薄膜と、該第一薄膜の表面上に形成された第二薄膜とを有する薄膜付ウェーハである。例えば、この測定対象の薄膜付ウェーハの例として、シリコン基板の上に埋め込み酸化膜(BOX膜)が形成され、その上にシリコン単結晶からなるSOI層が形成されたSOIウェーハが挙げられる。ここでは、薄膜付ウェーハをこのようなSOIウェーハとした場合を例として説明する。
本発明の膜厚分布測定方法では、測定対象のSOIウェーハの薄膜の膜厚変動に対して反射率が変動しない波長帯を選択し、その選択した波長帯の光を反射分光法による膜厚分布測定時の解析対象とする。この波長帯を選択するために以下に示す工程を実施する。初めに、第一薄膜、すなわち埋め込み酸化膜の膜厚分布のみを測定する場合について説明する。
まず、測定対象のSOIウェーハの可視光の波長以上の波長領域の光に対する反射率の波長依存性を示すプロファイルP1をシミュレーションにより算出する(図1のA参照)。
図3(A)は、測定対象のSOIウェーハのSOI層の設定膜厚T2が12nm、埋め込み酸化膜の設定膜厚T1が25nmの場合のプロファイルP1と、その測定対象のSOIウェーハのSOI層よりSOI層が1nm厚くなった、すなわち、SOI層の設定膜厚T2が13nm、埋め込み酸化膜の設定膜厚T1が25nmのSOIウェーハのプロファイルP21の一例を示す図である。
次に、シミュレーションにより算出した両方のプロファイルP1、P21の差のプロファイルP31(=P21−P1)を算出し、該算出した差のプロファイルP31がゼロとなるときの波長λ1を求める(図1のC参照)。ここで、プロファイルP31は、P1とP21間の反射率差の波長依存性を示すプロファイルである。
図4(C)―図7(C)には、図3(C)の場合と異なる設定膜厚のSOI層と埋め込み酸化膜とを有するSOIウェーハの場合の差のプロファイルP31が示されているが、この場合、プロファイルP31がゼロとなるときの波長が複数あるときには、求める波長λ1として、膜厚分布測定で用いる装置の検出系のS/N比が大きくとれる波長とする。通常、500〜700nmに近い波長とすれば高感度での測定が可能となる。
ここで、波長帯を波長λ1±50nmの範囲内から選択することが好ましい。このようにすれば、薄膜の膜厚変動に対して反射率が変動しない波長帯をより確実に選択できる。
図3(C)に示すプロファイルP31の例では、波長608nmの±50nmの範囲内(558〜658nm)から608nmを含む波長帯を選択する。
本発明の膜厚分布測定方法において、この波長帯の選択は毎回実施する必要はなく、測定対象の薄膜付ウェーハのSOI層厚及び埋め込み酸化膜厚の組み合わせに応じて適切な波長帯を上記した工程によって事前に選択しておくことができる。このように事前に波長帯を選択しておけば膜厚分布測定の時間を短縮することができる。
測定対象のSOIウェーハの表面に光を照射し、該SOIウェーハの表面からの反射光のうち選択した波長帯の反射光のみを測定対象として、埋め込み酸化膜の膜厚分布を測定する。このときSOIウェーハの表面に照射する光の波長帯は、可視光の広い波長帯とすることができる。反射光のうち選択した波長帯の反射光のみを測定対象とする方法としては、解析ソフトウェアを用いる方法がある。この方法であれば、複雑な測定方法や装置を用いる必要もなく、簡便に実施でき、実用性が高い。
図2に示す光学顕微鏡装置2にはバンドパスフィルター4が取り付けられており、光源3からの光をバンドパスフィルター4により選択した波長帯の光のみを通過させるようにフィルタリングして、SOIウェーハ1の表面に照射できる。このようにすれば、膜厚分布の測定精度をより高めることができる。
また、光源で波長帯を設定することもでき、種種のレーザ(LD、ガスレーザ、固体レーザ、波長可変レーザ)、発光ダイオード(LED)、液晶表示装置(LCD)等を用いることもできる。また、簡易的にはカラーカメラのRGB信号の中の1つの信号を用いることもできる。
上記のようにして測定した反射光強度分布から第一薄膜の膜厚分布を得ることができる。
上記と同様にプロファイルP1を算出した後(図1のA参照)、測定対象のSOIウェーハの埋め込み酸化膜の設定膜厚T1よりt[nm]だけ薄い、又は厚いSOI層を有するSOIウェーハの可視光以上の波長領域の光に対する反射率の波長依存性を示すプロファイルP22をシミュレーションにより算出する(図1のB参照)。
図3(B)は、測定対象のSOIウェーハのSOI層の設定膜厚T2が12nm、埋め込み酸化膜の設定膜厚T1が25nmの場合のプロファイルP1と、その測定対象のSOIウェーハの埋め込み酸化膜より埋め込み酸化膜が1nm厚くなった、すなわち、埋め込み酸化膜の設定膜厚T1が26nm、SOI層の設定膜厚T2が12nmのSOIウェーハのプロファイルP22の一例を示す図である。
図3(C)には、図3(B)に示したプロファイルP1、P22の差のプロファイルP32が示されている。図3(C)に示すように、この場合のプロファイルP32がゼロとなるとき、すなわち反射率差がゼロになるときの波長λ2は535nmである。
図3(C)に示すプロファイルP32の例では、波長535nmの±50nmの範囲内(485〜585nm)から535nmを含む波長帯を選択する。
次に、選択した波長帯を用い、反射分光法によってSOI層の膜厚分布を測定する(図1のE参照)。
図3(A)(B)に示す例では、λ1は608nm、λ2は535nmである。
次に、求めた波長λ1及びλ2を含む波長帯を反射分光法による膜厚分布測定に用いる光の波長帯として選択する。ここで、求めた波長λ1及びλ2がλ1<λ2の場合には、波長帯を波長λ1−50nmから波長λ2+50nmの範囲内から選択し、λ1>λ2の場合には、波長帯を波長λ2−50nmから波長λ1+50nmの範囲内から選択することが好ましい。このようにすれば、薄膜の膜厚変動に対して反射率が変動しない波長帯をより確実に選択できる。
その後、この選択した波長帯を用い、反射分光法によって埋め込み酸化膜の膜厚分布を測定する。
従って、FD―SOIデバイスなどで要求される高い膜厚分布均一性のSOI層、BOX層を有するウェーハの工程管理、品質管理が可能となる。
図1に示すような本発明の膜厚分布測定方法により、直径300mmのSOIウェーハの埋め込み酸化膜(BOX層)の膜厚分布を測定し、フィッティング精度を評価した。
ここで、測定対象のSOIウェーハのSOI層の設定膜厚を12nm、埋め込み酸化膜の設定膜厚は25nmであった。反射分光法による膜厚分布測定の際の条件として、測定ポイントを1mmピッチによる全面測定とし、周辺除外領域を3mmとした。尚、フィッティング精度は95%信頼区間に基づいた測定精度である。
結果を表2に示す。表2に示すように、フィッティング精度は後述する比較例1と比べて大幅に改善されており、分光エリプソ法の精度と同等以上(最大値において0.11nm以下の精度)が得られた。また、測定に要した時間は、通常の反射分光法と同等の1分以下であった。
図1に示すような本発明の膜厚分布測定方法により、実施例1と同様の条件のSOIウェーハのSOI層の膜厚分布を測定し、フィッティング精度を評価した。
まず、反射分光法による膜厚分布測定の際に用いる波長帯を選択するために、プロファイルP1、P22、P32を算出した。ここで、P22の算出において、tの条件を1nmだけ厚い条件(埋め込み酸化膜の設定膜厚が26nm)とした。算出したP1を図3(A)に、P22を図3(B)に、P32を図3(C)に示す。プロファイルP32がゼロとなるときの波長λ2は535nmであり、波長λ2を含む波長帯525〜545nmを選択した。
結果を表2に示す。表2に示すように、フィッティング精度は後述する比較例2と比べて大幅に改善されており、分光エリプソ法の精度と同等以上(最大値において0.11nm以下の精度)が得られた。また、測定に要した時間は、通常の反射分光法と同等の1分以下であった。
図1に示すような本発明の膜厚分布測定方法により、実施例1と同様の条件のSOIウェーハのSOI層及び埋め込み酸化膜の膜厚分布を同時に測定し、フィッティング精度を評価した。
まず、反射分光法による膜厚分布測定の際に用いる波長帯を選択するために、プロファイルP1、P21、P22、P31、P32を算出した。ここで、P21の算出において、tの条件を1nmだけ厚い条件(SOI層の設定膜厚が13nm)とし、P22の算出において、tの条件を1nmだけ厚い条件(埋め込み酸化膜の設定膜厚が26nm)とした。算出したP1、P21を図3(A)に、P22を図3(B)に、P31、P32を図3(C)に示す。プロファイルP31、P32がゼロとなるときの波長λ1、λ2はそれぞれ608nm、535nmであり、波長λ1及びλ2を含む波長帯535〜610nmを選択した。
結果を表2に示す。表2に示すように、フィッティング精度は後述する比較例3と比べて大幅に改善されており、分光エリプソ法の精度と同等以上(最大値において0.11nm以下の精度)が得られた。また、測定に要した時間は、通常の反射分光法と同等の1分以下であった。
実施例1−3の測定ポイントで分光エリプソ法による測定を行うためには、測定精度の悪い条件、例えば1点2秒で測定したとしても30時間以上を要するため現実的ではない。
反射分光法による膜厚分布測定の際に、照射した波長帯400〜800nmの可視光に対してその波長帯全体の反射光を測定対象とした以外、実施例1と同様な条件でSOIウェーハの埋め込み酸化膜の膜厚分布を測定し、実施例1と同様に評価した。
その結果を表2に示す。表2に示すように、実施例1と比べフィッティング精度が大幅に悪化してしまった。
反射分光法による膜厚分布測定の際に、照射した波長帯400〜800nmの可視光に対してその波長帯全体の反射光を測定対象とした以外、実施例2と同様な条件でSOIウェーハのSOI層の膜厚分布を測定し、実施例2と同様に評価した。
その結果を表2に示す。表2に示すように、実施例2と比べフィッティング精度が大幅に悪化してしまった。
反射分光法による膜厚分布測定の際に、照射した波長帯400〜800nmの可視光に対してその波長帯全体の反射光を測定対象とした以外、実施例3と同様な条件でSOIウェーハのSOI層及び埋め込み酸化膜の膜厚分布を測定し、実施例3と同様に評価した。
その結果を表2に示す。表2に示すように、実施例3と比べフィッティング精度が大幅に悪化してしまった。
4…バンドパスフィルター。
Claims (7)
- 基板の表面上に形成された第一薄膜と、該第一薄膜の表面上に形成された第二薄膜とを有する薄膜付ウェーハの前記第一薄膜の膜厚分布を反射分光法によって測定する膜厚分布測定方法であって、
前記測定対象の薄膜付ウェーハの可視光の波長以上の波長領域の光に対する反射率の波長依存性を示すプロファイルP1をシミュレーションにより算出する工程と、
前記測定対象の薄膜付ウェーハの前記第二薄膜の設定膜厚T2よりt[nm]だけ薄い、又は厚い第二薄膜を有する薄膜付ウェーハの可視光以上の波長領域の光に対する反射率の波長依存性を示すプロファイルP21をシミュレーションにより算出する工程と、
前記算出した両方のプロファイルP1、P21の差のプロファイルP31(=P21−P1)を算出し、該算出した差のプロファイルP31がゼロとなるときの波長λ1を求める工程と、
前記求めた波長λ1を含む波長帯を前記反射分光法による膜厚分布測定に用いる光の波長帯として選択する工程と、
前記測定対象の薄膜付ウェーハの表面に光を照射し、該薄膜付ウェーハの表面からの反射光のうち前記選択した波長帯の反射光のみを測定対象として、又は、前記測定対象の薄膜付ウェーハの表面に前記選択した波長帯の光を照射し、該薄膜付ウェーハの表面からの反射光の全てを測定対象として、前記第一薄膜の膜厚分布を反射分光法によって測定することを特徴とする膜厚分布測定方法。 - 前記求めた波長λ1を含む波長帯を選択する工程において、前記波長帯を波長λ1±50[nm]の範囲内から選択することを特徴とする請求項1に記載の膜厚分布測定方法。
- 基板の表面上に形成された第一薄膜と、該第一薄膜の表面上に形成された第二薄膜とを有する薄膜付ウェーハの前記第二薄膜の膜厚分布を反射分光法によって測定する膜厚分布測定方法であって、
前記測定対象の薄膜付ウェーハの可視光の波長以上の波長領域の光に対する反射率の波長依存性を示すプロファイルP1をシミュレーションにより算出する工程と、
前記測定対象の薄膜付ウェーハの前記第一薄膜の設定膜厚T1よりt[nm]だけ薄い、又は厚い第一薄膜を有する薄膜付ウェーハの可視光以上の波長領域の光に対する反射率の波長依存性を示すプロファイルP22をシミュレーションにより算出する工程と、
前記算出した両方のプロファイルP1、P22の差のプロファイルP32(=P22−P1)を算出し、該算出した差のプロファイルP32がゼロとなるときの波長λ2を求める工程と、
前記求めた波長λ2を含む波長帯を前記反射分光法による膜厚分布測定に用いる光の波長帯として選択する工程と、
前記測定対象の薄膜付ウェーハの表面に光を照射し、該薄膜付ウェーハの表面からの反射光のうち前記選択した波長帯の反射光のみを測定対象として、又は、前記測定対象の薄膜付ウェーハの表面に前記選択した波長帯の光を照射し、該薄膜付ウェーハの表面からの反射光の全てを測定対象として、前記第二薄膜の膜厚分布を反射分光法によって測定することを特徴とする膜厚分布測定方法。 - 前記求めた波長λ2を含む波長帯を選択する工程において、前記波長帯を波長λ2±50[nm]の範囲内から選択することを特徴とする請求項3に記載の膜厚分布測定方法。
- 基板の表面上に形成された第一薄膜と、該第一薄膜の表面上に形成された第二薄膜とを有する薄膜付ウェーハの前記第一薄膜及び第二薄膜の膜厚分布を反射分光法によって測定する膜厚分布測定方法であって、
前記測定対象の薄膜付ウェーハの可視光の波長以上の波長領域の光に対する反射率の波長依存性を示すプロファイルP1をシミュレーションにより算出する工程と、
前記測定対象の薄膜付ウェーハの前記第二薄膜の設定膜厚T2よりt[nm]だけ薄い、又は厚い第二薄膜を有する薄膜付ウェーハの可視光以上の波長領域の光に対する反射率の波長依存性を示すプロファイルP21をシミュレーションにより算出する工程と、
前記算出した両方のプロファイルP1、P21の差のプロファイルP31(=P21−P1)を算出し、該算出した差のプロファイルP31がゼロとなるときの波長λ1を求める工程と、
前記測定対象の薄膜付ウェーハの前記第一薄膜の設定膜厚T1よりt[nm]だけ薄い、又は厚い第一薄膜を有する薄膜付ウェーハの可視光以上の波長領域の光に対する反射率の波長依存性を示すプロファイルP22をシミュレーションにより算出する工程と、
前記算出した両方のプロファイルP1、P22の差のプロファイルP32(=P22−P1)を算出し、該算出した差のプロファイルP32がゼロとなるときの波長λ2を求める工程と、
前記求めた波長λ1及びλ2を含む波長帯を前記反射分光法による膜厚分布測定に用いる光の波長帯として選択する工程と、
前記測定対象の薄膜付ウェーハの表面に光を照射し、該薄膜付ウェーハの表面からの反射光のうち前記選択した波長帯の反射光のみを測定対象として、又は、前記測定対象の薄膜付ウェーハの表面に前記選択した波長帯の光を照射し、該薄膜付ウェーハの表面からの反射光の全てを測定対象として、前記第一薄膜及び第二薄膜の膜厚分布を反射分光法によって測定することを特徴とする膜厚分布測定方法。 - 前記求めた波長λ1及びλ2を含む波長帯を選択する工程において、λ1<λ2の場合には、前記波長帯を波長λ1−50[nm]から波長λ2+50[nm]の範囲内から選択し、λ1>λ2の場合には、前記波長帯を波長λ2−50[nm]から波長λ1+50[nm]の範囲内から選択することを特徴とする請求項5に記載の膜厚分布測定方法。
- 前記測定対象の薄膜付ウェーハがSOIウェーハであり、前記第一薄膜が埋め込み酸化膜であり、前記第二薄膜がシリコン単結晶からなるSOI層であることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の膜厚分布測定方法。
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