JP2015017804A - 膜厚分布測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄膜付ウェーハの全面の膜厚分布を精度良く、高いスループットで測定できる膜厚分布測定方法を提供する。
【解決手段】
予め分かっている膜厚の薄膜を有する薄膜付ウェーハを用いて、該薄膜付ウェーハの中心の反射率を測定し、該測定した反射率と予め分かっている膜厚からウェーハ中心における補正された入射角を算出する。測定対象の薄膜付ウェーハと、算出したウェーハ中心における補正された入射角を用い、該薄膜付ウェーハをライン光源に垂直なウェーハ面内方向に移動させながら、ライン光源の中心位置でのウェーハ中心線に沿った領域の膜厚分布を測定する。その後、薄膜付ウェーハを９０°回転させた後、測定した領域の反射率分布をライン光源方向の各点において測定し、測定した反射率分布からライン光源方向の各点における補正された入射角を算出する。補正された入射角を用いて薄膜付ウェーハの薄膜の膜厚分布を測定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体デバイスに使われる１層以上の薄膜付ウェーハのウェーハ全面の膜厚分布をライン光源を用いた反射分光法によって測定する膜厚分布測定方法に関する。

近年、デザインルールの微細化に伴って、ＦＤ−ＳＯＩ（Ｆｕｌｌｙ Ｄｅｐｌｅｔｅｄ ＳＯＩ）デバイス、ＦｉｎＦＥＴデバイス、ＳｉナノワイヤートランジスタなどのＳＯＩデバイスに用いられる、特に高い膜厚均一性を要求される極薄膜のＳＯＩ層を有するＳＯＩウェーハが使われ始めている。これらデバイスにおいて、ＳＯＩ膜厚及び埋め込み酸化膜（ＢＯＸ膜）厚の均一性がトランジスターの特性を決める上で重要な項目となっている。

基板の表面に薄膜を有する、このような薄膜付ウェーハの薄膜の膜厚分布を算出する現有の膜厚測定方法は、分光エリプソ法、反射分光法によるポイント毎の膜厚測定が一般的であるが、ウェーハ全面を高スループットで高精度に膜厚分布測定できる膜厚分布測定装置は市販されていない。

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。
そのため、例えば直径３００ｍｍ以上の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。

これに対し、ライン光源を用いた分光反射法により、ライン光源からの線状の光を測定対象物に照射し、測定対象物をライン光源に垂直な方向にスキャンしながら膜厚を測定する方法が知られている（特許文献１参照）。

特開２０００−３１４６１２号公報

しかし、この方法で膜厚測定を行っても十分な測定精度が出ないという問題がある。この原因を発明者等が調査したところ、以下のことが判明した。
ライン光源を用いたスキャン方式の分光反射法による膜厚分布測定において、光源からの入射光が薄膜で反射して検出器（カメラ）で検出される際の入射角は、光源のライン方向の各測定点で異なる。そのため、各測定点毎の入射角を予め算出し、所定値（理論入射角）に設定しておく必要がある。

しかしながら、実際の測定系においては、光学系の幾何学的なズレが多少なりとも生じてしまうため、理論入射角からのズレが避けられず、薄膜の測定結果に誤差を生じてしまう。誤差の度合いは、測定対象の薄膜の膜厚が薄ければ薄いほど無視できなくなるため、特に、高い膜厚均一性の要求される極薄膜のＳＯＩ層（例えば、ＳＯＩ膜厚が２０ｎｍ以下）では問題となる。

本発明は前述のような問題に鑑みてなされたもので、薄膜付ウェーハの全面の膜厚分布を精度良く、高いスループットで測定できる膜厚分布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に、本発明によれば、基板の表面上に形成された少なくとも１つの薄膜を有する薄膜付ウェーハの前記薄膜の膜厚分布をライン光源を用いた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、前記薄膜付ウェーハ上のライン光源方向の各点における入射角を補正する下記の第１の工程、第２の工程、及び第３の工程と、前記補正された入射角を用いて前記薄膜付ウェーハの薄膜の膜厚分布を測定する第４の工程を有し、前記第１の工程において、予め分かっている膜厚の薄膜を有する薄膜付ウェーハを用いて、該薄膜付ウェーハの中心の反射率を測定し、該測定した反射率と前記予め分かっている膜厚からウェーハ中心における補正された入射角を算出し、前記第２の工程において、前記第１の工程で用いた前記薄膜付ウェーハの薄膜と同じ材質の薄膜を有する前記膜厚分布の測定対象の薄膜付ウェーハと、前記算出したウェーハ中心における補正された入射角を用い、該薄膜付ウェーハを前記ライン光源に垂直なウェーハ面内方向に移動させながら、前記ライン光源の中心位置でのウェーハ中心線に沿った領域の膜厚分布を測定し、前記第３の工程において、前記第２の工程後の薄膜付ウェーハを９０°回転させた後、前記第２の工程で測定した領域の反射率分布を前記ライン光源方向の各点において測定し、該測定した反射率分布と前記第２の工程で測定した膜厚分布から前記ライン光源方向の各点における補正された入射角を算出することを特徴とする膜厚分布測定方法が提供される。

このような膜厚分布測定方法であれば、ライン光源方向の各点における補正された入射角を精度良く得ることができるので、この入射角を用いて薄膜付ウェーハの全面の膜厚分布を精度良く、高いスループットで測定できる。

このとき、前記第１の工程において用いる薄膜付ウェーハ及び／又は前記測定対象の薄膜付ウェーハとして、エリプソメータで校正された２００ｎｍ以上の膜厚のシリコン酸化膜がシリコン単結晶ウェーハの表面上に形成されたウェーハを用いることが好ましい。
このようにすれば、光源からの入射光の波長の変化に対する反射率の絶対値が十分に大きくなるので、入射角の測定精度を高めることができる。

本発明の膜厚分布測定方法によれば、ライン光源を用いた反射分光法による膜厚分布測定において、ライン光源方向の各点における入射角を補正し、この補正された入射角を用いて薄膜付ウェーハの薄膜の膜厚分布を測定するので、例えば、極薄膜ＳＯＩ層、極薄膜ＢＯＸ層を有するＳＯＩウェーハなどの薄膜付ウェーハの全面の膜厚分布を高精度に実用的な高いスループットで測定することが可能である。従って、例えばＦＤ−ＳＯＩデバイスで要求されるような、ＳＯＩ層厚、ＢＯＸ層膜厚分布均一性の高いウェーハの工程管理、品質管理が可能になる。

本発明の膜厚分布測定方法の一例のフロー図である。 本発明の膜厚分布測定方法を実施するための測定装置の一例を示す概略図である。 実施例における第２の工程で測定した膜厚分布を示す図である。 実施例における補正入射角と比較例における理論入射角を示す図である。 実施例におけるＳＯＩ膜厚分布測定結果を示す図である。 比較例におけるＳＯＩ膜厚分布測定結果を示す図である。

以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

本発明は、薄膜付ウェーハの薄膜の膜厚分布をライン光源を用いた反射分光法によって測定する膜厚分布測定方法である。
測定対象の薄膜付ウェーハは、基板の表面上に形成された少なくとも１つの薄膜を有する。１層の薄膜を有する薄膜付ウェーハの例としては、シリコン酸化膜付きのシリコン単結晶ウェーハが挙げられる。また、２層の薄膜を有する薄膜付ウェーハの例としては、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。しかし、本発明はこれらのウェーハに限定されるものではなく、３層以上の薄膜構造にも適用可能である。

ここでは、本発明の膜厚分布測定方法について、測定対象の薄膜付ウェーハとして、シリコン酸化膜付きのシリコン単結晶ウェーハを用いた場合を例として、図１及び図２を参照しながら説明する。

本発明の膜厚分布測定方法は、例えば図２に示すような測定装置を用いて実施することができる。
図２に示すように、測定装置１はライン光源２、検出器（カメラ及び分光器）３を有している。ライン光源２から線状の光が測定対象の薄膜付ウェーハＷに照射される。この照射された光の反射光を検出器３で検出し、スペクトル解析することで、薄膜付ウェーハ上のライン光源方向の各測定点における薄膜の膜厚分布を測定できる。

ライン光源２から照射された光の反射光を検出器３で検出してスペクトル解析する際に、ライン光源方向の各測定点における入射角が用いられるため、予め設定しておく必要がある。この入射角はライン光源方向の各測定点で異なる値となる。
従来の膜厚分布測定方法では、理論入射角を予め設定して膜厚分布の測定に用いているが、実際の測定系においては、光学系の幾何学的なズレが存在するので、実際の入射角と理論入射角にズレが生じてしまい、膜厚分布の測定誤差の原因となる。

これに対し、本発明の膜厚分布測定方法では、ライン光源方向の各測定点における入射角を実際の測定系を用いて補正し、補正後の入射角を設定して膜厚分布の測定に用いる。
そのため、光学系の幾何学的なズレなどにより生じる入射角の誤差をなくすことができ、高精度の膜厚分布の測定が可能となる。

ここで、入射角の補正方法について説明する。
図１に示すように、入射角の補正は、以下に示す第１の工程、第２の工程、及び第３の工程を通じて算出される。
まず、第１の工程では、予め分かっている膜厚の薄膜を有する薄膜付ウェーハを用意する。この薄膜付ウェーハは、測定対象の薄膜付ウェーハの薄膜と同じ材質の薄膜を有し、例えば、薄膜としてシリコン酸化膜を有するシリコン単結晶ウェーハ（以下、標準酸化膜付きウェーハと言う）を用意することができる。

標準酸化膜付きウェーハのシリコン酸化膜の膜厚としては、２００ｎｍ以上であることが好ましく、１０００ｎｍ以上であることがより好ましい。
その理由を以下に示す。反射分光法で酸化膜厚の測定精度を高めるためには、入射光の波長の変化に対して反射率の変動が大きく、反射率の絶対値が大きいことが必要である。このとき酸化膜が薄いと反射率の変動が少なく、反射率も小さくなり、測定精度を高めることができない。シリコン酸化膜の膜厚が２００ｎｍ以上の場合、２５〜３５％の反射率が得られ、反射率の変動幅も大きくなり、測定精度を上げることができる。酸化膜厚が更に厚くなり、特に１０００ｎｍ以上になると、入射光の波長の変化に対して反射率の周期的変動が顕著になるため、測定精度を更に高めることができる。
尚、シリコン酸化膜以外の薄膜に対しても反射率に関し上記と同様の傾向を示す。

このとき、用意する標準酸化膜付きウェーハのシリコン酸化膜の膜厚を、ウェーハ中心の１点でエリプソメータにより予め測定するようにすれば、その膜厚を高精度で測定できるし、測定時間も短時間で済むので好ましい。

図２に示す測定装置を用い、用意した標準酸化膜付きウェーハに、ライン光源２の中心がウェーハ中心に対応するようにライン光源２から線状の光を標準酸化膜付きウェーハに照射して、ウェーハ中心位置のシリコン酸化膜の反射率を測定する。反射率は膜厚と入射角によって決まるので、このようにして測定した反射率と予め分かっている膜厚を用いて、ウェーハ中心、すなわち、ライン光源の中心における補正された入射角θを算出する。

次に、図１に示すように、第２の工程を実施する。第２の工程では、入射角として第１の工程で算出したウェーハ中心における補正された入射角θを用いて、測定対象の薄膜付ウェーハの薄膜の膜厚分布を測定する。ここで、上記したように、測定対象の薄膜付ウェーハは、第１の工程で用いた標準酸化膜付きウェーハの薄膜と同じ材質の薄膜、すなわちシリコン酸化膜を有し、ここでは、全面にシリコン酸化膜を有するシリコン単結晶ウェーハとすることができる。

測定対象のシリコン単結晶ウェーハのシリコン酸化膜の膜厚も上記と同様に、２００ｎｍ以上であることが好ましく、１０００ｎｍ以上であることがより好ましい。
このシリコン単結晶ウェーハを、図２に示すように測定装置１を用いて、ライン光源２に垂直なウェーハ面内方向Ａに移動（スキャン）させながら、ライン光源２の中心位置でのウェーハ中心線に沿った（ウェーハの直径方向）領域の膜厚分布を測定する。

次に、図１に示すように、第３の工程を実施する。第３の工程では、第２の工程後のシリコン単結晶ウェーハを９０°回転させて、第２の工程で膜厚分布を測定した領域がライン光源と平行になるようにする。その後、この領域の反射率分布をライン光源方向の各点において測定する。測定した反射率分布と第２の工程で測定した膜厚分布を用い、幾何学的な関係に基づいて、ライン光源方向の各点における補正された入射角θを算出する。

以上の工程により、補正された入射角を精度良く求めることができる。
次に、図１に示すように、第４の工程を実施する。第４の工程では、第３の工程で算出した補正された入射角θを用いてシリコン単結晶ウェーハのシリコン酸化膜の膜厚分布を測定する。
このように、補正された入射角を用いて、ウェーハの全面の膜厚を精度良く、高いスループットで測定できる。

以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例）
エリプソメータで校正された膜厚１０００ｎｍのシリコン酸化膜を有するシリコン単結晶ウェーハ（標準酸化膜付きウェーハ：直径３００ｍｍ、結晶方位＜１００＞）を用いて第１の工程を行い、ライン光源中心の入射角を求めた。
その結果、入射角は３．２８度と算出され、設定値（理論入射角）の３度に比べて１０％程度のズレが生じていることが判明した。

次に、４８００ｎｍ厚の全面酸化膜付シリコン単結晶ウェーハを用いて、第２の工程を行い、ライン光源中心で、ウェーハ中心線に沿って（ウェーハの直径方向の）酸化膜の膜厚分布を測定した。この膜厚分布の結果を図３に示す。
その後、第２の工程後のウェーハを９０°回転し、第２の工程で膜厚分布を求めた領域の反射率をライン光源に平行な方向の各点において測定した。測定された各点の反射率と第２の工程で測定した酸化膜厚分布を用いて、ライン光源方向の各点の入射角（補正入射角）を求めた。この入射角の結果を図４に示す。

得られた補正入射角を用いて、直径３００ｍｍのＳＯＩウェーハのＳＯＩ膜厚測定を行った。ＳＯＩ膜厚の測定は、ウェーハに形成されたノッチ位置と垂直方向にウェーハをスキャンして行った。１回目の測定を行った後、ウェーハを１８０度回転して２回目の測定を行った。
図５は、１回目の測定と２回目の測定における、ノッチと平行な方向のウェーハ中心線（すなわちライン光源に平行なウェーハ中心線）の膜厚分布とその差分を示している。
尚、２回目の測定はウェーハを１８０度回転させて行っているが、図５には１回目と２回目の測定位置が一致するようにプロットしてある。

図５に示すように、膜厚差を示す折れ線グラフによれば、両者は±０．１ｎｍ以下の精度で一致していることがわかる。

（比較例）
入射角を補正せず、初期設定値である理論入射角の設定のまま、実施例と同一のＳＯＩウェーハ全面のＳＯＩ膜厚測定を行った。
図４に比較例で設定した理論入射角を示す。図４に示すように、理論入射角と補正入射角の間に差があることがわかる。

図６は、１回目の測定と１８０度回転した２回目の測定における、ノッチと平行な方向のウェーハ中心線（すなわちライン光源に平行なウェーハ中心線）の膜厚分布とその差分を示している。
尚、２回目の測定はウェーハを１８０度回転させて行っているが、図６には１回目と２回目の測定位置が一致するようにプロットしてある。
図６に示すように、膜厚差を示す折れ線グラフによれば、両者には±０．５ｎｍ以上の相違が見られる。これは、初期設定された理論入射角が正確でないため、ウェーハのスキャン方向により測定値が異なることを示しており、理論入射角のままで測定を行うと膜厚測定精度が低下することを示している。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…測定装置、 ２…ライン光源、 ３…検出器。

Claims (2)

1. 基板の表面上に形成された少なくとも１つの薄膜を有する薄膜付ウェーハの前記薄膜の膜厚分布をライン光源を用いた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、
   前記薄膜付ウェーハ上のライン光源方向の各点における入射角を補正する下記の第１の工程、第２の工程、及び第３の工程と、前記補正された入射角を用いて前記薄膜付ウェーハの薄膜の膜厚分布を測定する第４の工程を有し、
   前記第１の工程において、予め分かっている膜厚の薄膜を有する薄膜付ウェーハを用いて、該薄膜付ウェーハの中心の反射率を測定し、該測定した反射率と前記予め分かっている膜厚からウェーハ中心における補正された入射角を算出し、
   前記第２の工程において、前記第１の工程で用いた前記薄膜付ウェーハの薄膜と同じ材質の薄膜を有する前記膜厚分布の測定対象の薄膜付ウェーハと、前記算出したウェーハ中心における補正された入射角を用い、該薄膜付ウェーハを前記ライン光源に垂直なウェーハ面内方向に移動させながら、前記ライン光源の中心位置でのウェーハ中心線に沿った領域の膜厚分布を測定し、
   前記第３の工程において、前記第２の工程後の薄膜付ウェーハを９０°回転させた後、前記第２の工程で測定した領域の反射率分布を前記ライン光源方向の各点において測定し、該測定した反射率分布と前記第２の工程で測定した膜厚分布から前記ライン光源方向の各点における補正された入射角を算出することを特徴とする膜厚分布測定方法。
2. 前記第１の工程において用いる薄膜付ウェーハ及び／又は前記測定対象の薄膜付ウェーハとして、エリプソメータで校正された２００ｎｍ以上の膜厚のシリコン酸化膜がシリコン単結晶ウェーハの表面上に形成されたウェーハを用い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。

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