JP2013231674A

JP2013231674A - 膜厚測定装置および膜厚測定方法

Info

Publication number: JP2013231674A
Application number: JP2012104228A
Authority: JP
Inventors: Mina Ryo; 民雅呂
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2013-11-14

Abstract

【課題】炭化珪素基板上の薄膜の膜厚を簡単に精度良く測定する。
【解決手段】キセノンランプ１が出射する所定の波長範囲において連続するスペクトルを有する光を固定偏光子３に通過させて偏光光とし、偏光光を７０°の入射角度で炭化珪素基板５ａの表面の薄膜な測定試料５に入射させる。測定試料５から出射した出射光は回転検光子７を通過させ、分光器８にて受光して分光強度を取得する。分光強度の値は処理装置により、理論式により得られた理論光強度値と比較して測定試料５の膜厚を光学的に解析する。測定試料５と回転検光子７を結ぶ光路上に、スリット幅が炭化珪素基板５ａの厚み以下のスリット６を設置し、測定試料５から出射した出射光がスリット６を通過した後に回転検光子７を通過し、炭化珪素基板５ａ上の薄膜５の光学解析を高精度に行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化珪素基板上に形成された薄膜の膜厚を解析的に測定する膜厚測定装置および膜厚測定方法に関する。

近年、電力損失を大幅に低減できるパワー半導体装置として、ＭＯＳ型の炭化珪素半導体装置が提案されており、炭化珪素半導体装置に特有の製造技術が開発されてきている。これに合わせて炭化珪素基板上に形成される酸化膜やフォトレジストの膜厚を測定する技術が求められている。

従来、薄膜の膜厚の測定方法として分光エリプソメトリーが用いられている。分光エリプソメトリーは、偏光光を測定対象の測定面に所定の入射角度で入射し、その反射光の偏光状態を偏光解析することにより光学測定を行う方法である。一つの例として、キセノンランプから測定対象に白色光を連続的に照射し、その反射光の波長毎の偏光状態に基づいて測定対象の膜厚および光学定数を測定する分光エリプソメトリー法が開示されている（例えば、下記特許文献１参照。）。

特開２００５−３６６６号公報

炭化珪素の結晶は２０００℃程度の高温で高純度の炭化珪素結晶粒を昇華させて種結晶に析出させる昇華法で製造されるのが一般的である。しかし、昇華法で製造された炭化珪素基板は、結晶製造時の雰囲気中に存在する窒素やアルミニウムなどが結晶中に不純物準位を形成しやすく、製造メーカや製造ロットによって結晶の光学定数が異なるため、測定結果の信頼性が低くなることが問題となっている。

特許文献１では、脈理や泡等を含む基板上の膜の解析を行う方法として、基板の裏面を砂摺り状に形成し、基板の裏面からの反射光を散乱させる方法が開示されている。しかし、炭化珪素は非常に固く裏面を砂摺り状にするためには高度な研磨技術が必要であり、また、製品を直接検査することはできない。

本発明は、上記課題に鑑み、炭化珪素基板上の薄膜の膜厚を簡単に精度良く測定できる膜厚測定装置および膜厚測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の膜厚測定装置は、光源が出射する所定の波長範囲において連続するスペクトルを有する光から偏光光を生成する偏光子と、前記偏光光を所定の入射角度で炭化珪素基板の表面に付着した薄膜からなる測定試料に入射させ、前記測定試料から出射した出射光を検光子に通過させた後、分光器にて受光して分光強度を取得し、前記分光強度の値を理論式により得られた理論光強度値と比較することにより、前記測定試料を光学的に解析する膜厚測定装置において、前記測定試料と前記検光子を結ぶ光路上に、前記炭化珪素基板に並行かつ幅が前記炭化珪素基板の厚み以下のスリットを設置し、前記測定試料から出射した前記出射光が前記スリットを通過した後に前記検光子を通過させることを特徴とする。

また、前記膜厚測定装置において、前記偏光光の入射角度が７０°であることを特徴とする。

また、本発明の膜厚測定方法は、所定の波長範囲において連続するスペクトルを有する光を偏光子に通過させて偏光光を生成する工程と、前記偏光光を所定の入射角度で炭化珪素基板の表面に付着した薄膜からなる測定試料に入射する工程と、前記測定試料から出射した出射光を検光子に通過させた後、分光器にて受光して分光強度を取得する工程と、前記分光強度の値を理論式により得られた理論光強度値と比較することにより、前記測定試料を光学的に解析する膜厚測定方法において、前記測定試料と前記検光子を結ぶ光路上に、前記炭化珪素基板に並行かつ幅が前記炭化珪素基板の厚み以下のスリットを設置し、前記測定試料から出射した前記出射光が前記スリットを通過した後に前記検光子を通過させることを特徴とする。

また、前記膜厚測定方法において、前記偏光光の入射角度が７０°であることを特徴とする。

上記構成によれば、炭化珪素基板の表面に付着した薄膜からなる測定試料と検光子を結ぶ光路上に、炭化珪素基板に平行かつ幅が炭化珪素基板の厚み以下のスリットを設けることにより、測定試料から出射された出射光のうち、炭化珪素基板中を通過して基板の裏面で反射された成分が分光器に到達しない。これにより、炭化珪素基板上の薄膜の光学解析を高精度で行えるようになる。

本発明によれば、炭化珪素基板上の薄膜の光学解析を簡単に高精度で行えるという効果を奏する。

この発明の実施の形態における膜厚測定装置の構成を説明する図である。膜厚測定装置のスリット部分を示す斜視図である。この発明の実施形態の測定方法により測定した炭化珪素基板上の酸化膜の測定値を示す図表である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる膜厚測定装置および膜厚測定方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。

（実施形態）
図１は、この発明の実施の形態における膜厚測定装置の構成を説明する図である。膜厚測定装置の光源としてキセノンランプ１を用いる。このキセノンランプ１の出射部分にはデポラライザー２を設け、無偏光の測定光として出射する。出射された測定光の光軸上には、直線偏光用の固定偏光子３と、直線偏光を円偏光に変換する位相変位素子４を設ける。

測定試料５は、例えば、炭化珪素基板上に形成された薄膜である。光源１から測定試料５に対して照射される測定光は所定の入射角度θを有する。測定試料５から出射（反射）された測定光の光軸上には、スリット６が設けられる。

図２は、膜厚測定装置のスリット部分を示す斜視図である。スリット６は、保持板６ａに保持されている。保持板６ａは、測定試料５から出射（反射）された測定光の光軸Ｏがスリット６に対し直角に入射するように保持する。このスリット６は、横方向に長く形成され、光軸Ｏを中心として縦方向（図２の高さ方向）に所定の幅を有している。

図１に示すように、スリット６を通過した測定光は、回転検光子７を通過した後、分光器８に入射される。分光器８は、測定光の強度を検出する。

上記のキセノンランプ１は、例えば、波長２００〜８００ｎｍの連続するスペクトルを有する白色光を測定光として出射する。キセノンランプ１が出射する測定光は、デポラライザー２の通過により、ランダムな無偏光光となる。この無偏光光は、固定偏光子３の通過により、直線偏光となる。この直線偏光は、位相変位素子４の通過により、円偏光に変換される。この円偏光とされた測定光は、測定試料５に照射される。

測定試料５は、例えば、厚さ３５０μｍの炭化珪素基板５ａ上に形成されたＳｉＯ₂膜である。測定試料５に入射角度θで入射した測定光は、測定試料５から楕円偏光を有して出射（反射）する。この楕円偏光の測定光は、スリット６を通過する。スリット６は縦方向に幅３００μｍの開口幅を有する。このスリット６の縦方向の開口幅は、炭化珪素基板５ａの厚み以下とする。このスリット６を通過した楕円偏光の測定光は、回転検光子７を通過した後、分光器８にて０〜３６０°の範囲について、直線偏光の強度の変化を検出する。

分光器８で受光した分光強度の値は、図示しないコンピュータ等の処理装置に入力され、この処理装置は、分光強度の値を理論式により得られた理論光強度値と比較することにより、測定試料５の膜厚を演算により求める。

図３は、この発明の実施形態の測定方法により測定した炭化珪素基板上の酸化膜の測定値を示す図表である。図３は、上記のスリット６の有無による測定値の違いを示している。図３の（ａ）には、標準試料として炭化珪素基板（ＳｉＣウェハ）上の酸化膜の膜厚が１０３．１１０ｎｍのものを測定した。実施例のスリット６を設けた場合には、測定試料５としてのこの酸化膜の膜厚が１０２．８３４ｎｍとして検出され、解析残差は０．０００２６となった。これに対し、比較例としてスリット６を設けない場合には、測定試料５としてのこの酸化膜の膜厚が９８．４５ｎｍとして検出され、解析残差は０．４３１２２となった。

同様に、図３の（ｂ）には、標準試料として炭化珪素基板（ＳｉＣウェハ）上の酸化膜の膜厚が５１２．１４３ｎｍのものを測定した。実施例のスリット６を設けた場合には、測定試料５としてのこの酸化膜の膜厚が５１２．００８ｎｍとして検出され、解析残差は０．０００４１となった。これに対し、比較例としてスリット６を設けない場合には、測定試料５としてのこの酸化膜の膜厚が５０８．７０３ｎｍとして検出され、解析残差は０．６８３１となった。このように、スリット６を設けることにより、膜厚をいずれも高精度に測定できることが示されている。

これは、測定光の光路上に、測定試料５の表面に水平な方向のスリットを設けることにより、測定試料から出射された出射光のうち、炭化珪素基板５ａ中を通過してこの炭化珪素基板５ａの裏面で反射された成分が分光器８に到達しない。これにより、炭化珪素基板５ａ上の薄膜の測定試料５の光学解析を高精度で行うことが可能となる。また、硬い炭化珪素基板５ａの裏面を砂摺り状に形成する等の必要が無く、簡単かつ高精度に膜厚を測定できるようになる。

以上のように、本発明にかかる膜厚測定装置および膜厚測定方法は、結晶の光学定数が異なる炭化珪素基板上の膜厚測定に有用である。

１キセノンランプ
２デポラライザー
３固定偏光子
４位相変位素子
５測定試料
６スリット
７回転検光子
８分光器

Claims

光源が出射する所定の波長範囲において連続するスペクトルを有する光から偏光光を生成する偏光子と、前記偏光光を所定の入射角度で炭化珪素基板の表面に付着した薄膜からなる測定試料に入射させ、前記測定試料から出射した出射光を検光子に通過させた後、分光器にて受光して分光強度を取得し、前記分光強度の値を理論式により得られた理論光強度値と比較することにより、前記測定試料を光学的に解析する膜厚測定装置において、
前記測定試料と前記検光子を結ぶ光路上に、前記炭化珪素基板に並行かつ幅が前記炭化珪素基板の厚み以下のスリットを設置し、
前記測定試料から出射した前記出射光が前記スリットを通過した後に前記検光子を通過させることを特徴とする炭化珪素基板上の薄膜の膜厚測定装置。
前記偏光光の入射角度が７０°であることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素基板上の薄膜の膜厚測定装置。
所定の波長範囲において連続するスペクトルを有する光を偏光子に通過させて偏光光を生成する工程と、前記偏光光を所定の入射角度で炭化珪素基板の表面に付着した薄膜からなる測定試料に入射する工程と、前記測定試料から出射した出射光を検光子に通過させた後、分光器にて受光して分光強度を取得する工程と、前記分光強度の値を理論式により得られた理論光強度値と比較することにより、前記測定試料を光学的に解析する膜厚測定方法において、
前記測定試料と前記検光子を結ぶ光路上に、前記炭化珪素基板に並行かつ幅が前記炭化珪素基板の厚み以下のスリットを設置し、前記測定試料から出射した前記出射光が前記スリットを通過した後に前記検光子を通過させることを特徴とする炭化珪素基板上の薄膜の膜厚測定方法。
前記偏光光の入射角度が７０°であることを特徴とする請求項３に記載の炭化珪素基板上の薄膜の膜厚測定方法。