JP3366525B2 - Film thickness measuring method and film manufacturing method - Google Patents
Film thickness measuring method and film manufacturing methodInfo
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、膜からのX線反射
率を計測して膜厚を測定する膜厚測定方法、この膜厚測
定方法を利用する膜の製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for measuring a film thickness by measuring an X-ray reflectivity from a film and a method for manufacturing a film using the method.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年の大規模半導体装置(LSI)にお
ける酸化膜、電極用金属膜、配線用金属膜、誘電体膜等
の各種薄膜や、磁気ヘッドにおける金属薄膜等の技術分
野において、薄膜化や多層膜化が進むと共に、膜厚制御
の要求精度もますます厳しくなっている。2. Description of the Related Art In recent technical fields such as various thin films such as an oxide film, a metal film for an electrode, a metal film for a wiring, and a dielectric film in a large-scale semiconductor device (LSI), and a metal thin film in a magnetic head. As the number of layers increases, the required accuracy of film thickness control is becoming more and more strict.
【0003】例えば、LSIにおけるバリアメタルの場
合、シリコン基板上にシリコン酸化膜、チタン膜、窒化
チタン膜が順番に積層される。10nm以下から数10
nmの膜厚のチタン膜及び窒化チタン膜に対し、数オン
グストロームの精度での制御が要求されている。このよ
うな膜厚制御において要求される測定技術としては、高
精度で、簡便で、短時間で測定でき、しかも、測定膜厚
が一義的に決定するものであることが求められる。ま
た、LSIにおけるバリアメタルや磁気ヘッドにおける
金属膜のように、同一製膜装置で続けて複数の膜が積層
される場合には、多層膜の状態で各膜厚が計測できるこ
とが必要である。For example, in the case of a barrier metal in an LSI, a silicon oxide film, a titanium film, and a titanium nitride film are sequentially stacked on a silicon substrate. 10 nm or less to several tens
For a titanium film and a titanium nitride film having a thickness of nm, control with an accuracy of several angstroms is required. As a measurement technique required for such film thickness control, it is required that the measurement can be performed with high accuracy, simple, short time, and that the measured film thickness is uniquely determined. Further, when a plurality of films are successively laminated by the same film forming apparatus such as a barrier metal in an LSI or a metal film in a magnetic head, it is necessary that each film thickness can be measured in a multilayer film state.
【0004】一方、LSIにおけるゲート酸化膜や低誘
電率の層間絶縁膜では、膜密度や表面凹凸が素子特性に
大きな影響を及ぼすことが明らかになっている。このよ
うに、膜厚の他に、膜密度や表面凹凸も膜質制御の指標
として利用することができる。したがって、膜を形成す
る製造工程を管理するために、膜厚や、膜密度、表面凹
凸等の物理量を高精度で迅速に測定する測定技術の開発
が求められている。On the other hand, it has been clarified that the film density and surface irregularities of a gate oxide film and an interlayer insulating film having a low dielectric constant in an LSI greatly affect device characteristics. As described above, in addition to the film thickness, the film density and the surface unevenness can be used as indices for controlling the film quality. Therefore, in order to manage the manufacturing process of forming a film, there is a need for the development of a measurement technique for quickly measuring physical quantities such as film thickness, film density, and surface irregularities with high accuracy.
【0005】従来から知られている膜厚測定技術につい
て概括的に説明する。最も一般的には、光学的手法のエ
リプソメータが膜厚測定に利用されている。被測定物に
偏光を入射し、その反射光の偏光状態の変化から、薄膜
の厚さと屈折率を測定する。しかしながら、エリプソメ
ータを利用する方法は、シリコン酸化膜のように光が透
過する材料にしか適用できず、前述したLSIにおける
バリアメタルや磁気ヘッドにおける金属膜のように不透
明な膜の測定には適用できない。[0005] A conventionally known film thickness measuring technique will be described generally. Most commonly, an optical ellipsometer is used for film thickness measurement. Polarized light is incident on the object to be measured, and the thickness and refractive index of the thin film are measured from the change in the polarization state of the reflected light. However, the method using an ellipsometer can be applied only to a material through which light passes, such as a silicon oxide film, and cannot be applied to measurement of an opaque film such as a barrier metal in an LSI described above or a metal film in a magnetic head. .
【0006】また、シリコン酸化膜の場合でも、64M
DRAMに用いられるゲート酸化膜のように10nm以
下の極薄膜に対しては測定精度が急激に悪化するため、
利用することができない。また、エリプソメータでは膜
密度が一定であると仮定して膜厚を算出する。しかしな
がら、実際には同一材料であっても、製膜方法、製膜条
件、膜厚により膜密度が異なるのが一般的である。例え
ば、薄いシリコン酸化膜の場合、製膜方法や製膜条件に
より膜密度が大きく異なる。このため、エリプソメータ
では膜厚を精度よく測定することができない。In the case of a silicon oxide film, 64M
For extremely thin films with a thickness of 10 nm or less, such as gate oxide films used in DRAMs, the measurement accuracy rapidly deteriorates.
Not available. The ellipsometer calculates the film thickness on the assumption that the film density is constant. However, in practice, even with the same material, the film density generally differs depending on the film forming method, film forming conditions, and film thickness. For example, in the case of a thin silicon oxide film, the film density greatly differs depending on the film forming method and the film forming conditions. For this reason, the ellipsometer cannot measure the film thickness accurately.
【0007】従来より行われているその他の膜厚測定方
法としては、蛍光分析法、RBS法(ラザフォード後方
散乱法:Rutherford Backscattering Spectrometry)、
AES法(オージェ電子分光法:Auger Electron Spect
roscopy)、XPS法(X線光電子分光法:X-ray Photo
electron Spectroscopy)、SIMS法(二次イオン質
量分析法:Secondary Ion Mass Spectrometry)、X線
反射率法等がある。[0007] Other conventional methods for measuring film thickness include fluorescence analysis, RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry),
AES method (Auger electron spectroscopy: Auger Electron Spect
roscopy), XPS method (X-ray photoelectron spectroscopy: X-ray Photo
electron spectroscopy), SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry), X-ray reflectivity, and the like.
【0008】これら測定方法のうち、蛍光分析法は、試
料にX線を照射したときに放出される蛍光X線を測定
し、蛍光X線の強度から含まれる元素の量を求め、膜厚
に換算する方法である。この蛍光分析法では元素の量の
みを測定するので、得られる膜厚は換算膜厚となり、必
ずしも実際の膜厚とはならない。また、同一元素を含む
積層膜、例えばTi(チタン)とTiN(窒化チタン)
よりなる積層膜等の測定には向いていない。Among these measurement methods, the fluorescence analysis method measures the fluorescent X-ray emitted when a sample is irradiated with X-rays, determines the amount of the contained element from the intensity of the fluorescent X-ray, and determines the film thickness. It is a conversion method. In this fluorescence analysis method, only the amount of the element is measured, so that the obtained film thickness is a converted film thickness, and is not necessarily the actual film thickness. Also, a laminated film containing the same element, for example, Ti (titanium) and TiN (titanium nitride)
It is not suitable for measurement of laminated films and the like.
【0009】また、RBS法は、高エネルギーの軽イオ
ンを試料に照射し、後方散乱される軽イオンのエネルギ
ー分布を解析することにより膜厚を測定する方法であ
る。このRBS法では、原子質量の近いターゲット原子
により後方散乱されるイオンのエネルギーを分離するこ
とが困難であるため、原子質量の近い元素よりなる積層
膜の評価が難しい。加えて、装置自体も高価である。The RBS method is a method of irradiating a sample with high-energy light ions and analyzing the energy distribution of the back-scattered light ions to measure the film thickness. In the RBS method, it is difficult to separate the energy of ions that are backscattered by target atoms having close atomic mass, and thus it is difficult to evaluate a stacked film made of elements having close atomic mass. In addition, the device itself is expensive.
【0010】また、AES法や、XPS法による膜厚の
測定は、Arなどのイオンにより試料表面をスパッタリ
ングしながらAES又はXPS分析することにより、試
料の深さ方向における物質の組成を調べ、膜厚に換算す
る方法である。また、SIMS法による膜厚の測定は、
イオンの照射により生成される二次イオンの質量分析を
行うことにより、試料の深さ方向における物質の組成を
調べ、膜厚に換算する方法である。In the measurement of the film thickness by the AES method or the XPS method, the composition of a substance in the depth direction of the sample is examined by performing AES or XPS analysis while sputtering the sample surface with ions such as Ar to obtain a film. It is a method of converting to thickness. The measurement of the film thickness by the SIMS method is as follows.
In this method, the composition of a substance in the depth direction of a sample is examined by performing mass analysis of secondary ions generated by ion irradiation, and the result is converted into a film thickness.
【0011】これらAES法、XPS法、SIMS法を
用いた膜厚測定方法は、試料表面をスパッタしながら分
析する、いわゆる破壊検査であるため、製品自体の検査
を行うことができず、また、スパッタ進行の過程での複
雑性がある。これらの膜厚測定方法に対し、試料にX線
を照射し、試料におけるX線の干渉により膜厚を測定す
るX線反射率法は、非破壊で、約0.1nm程度の分解
能で精度よく、メタル、シリコン酸化膜、シリコン窒化
膜等の膜厚を評価することができるため、薄膜の膜厚測
定手段として望ましい方法である。特に、X線反射率に
現れる干渉フリンジをフーリエ変換することにより膜厚
を評価するフーリエ法では、迅速且つ一意的に膜厚を測
定することができる。Since the film thickness measuring method using the AES method, the XPS method, and the SIMS method is a so-called destructive inspection in which the sample surface is analyzed while being sputtered, the product itself cannot be inspected. There is complexity in the process of sputtering. In contrast to these film thickness measurement methods, the X-ray reflectivity method of irradiating a sample with X-rays and measuring the film thickness by X-ray interference on the sample is non-destructive and has a high accuracy of about 0.1 nm resolution. Since this method can evaluate the thickness of a metal, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like, it is a desirable method as a thin film thickness measuring means. In particular, in the Fourier method of evaluating the film thickness by performing the Fourier transform on the interference fringe appearing in the X-ray reflectivity, the film thickness can be measured quickly and uniquely.
【0012】次に、フーリエ法を用いた従来のX線反射
率法による膜厚測定方法について説明する。まず、入射
角を変化しながら試料にX線を照射し、反射率を測定す
る。これにより、干渉フリンジを有する曲線Rが得られ
る。次いで、曲線Rの干渉振動のみを抽出するために、
曲線Rから平均反射率曲線Raveを求め、曲線Rからこ
の平均反射率曲線Raveを差し引く。こうすることによ
り、干渉振動のみを有する振動成分曲線Δ(θ)が得ら
れる。Next, a conventional method for measuring the film thickness by the X-ray reflectivity method using the Fourier method will be described. First, the sample is irradiated with X-rays while changing the incident angle, and the reflectance is measured. Thereby, a curve R having an interference fringe is obtained. Next, in order to extract only the interference vibration of the curve R,
An average reflectance curve R ave is obtained from the curve R, and the average reflectance curve R ave is subtracted from the curve R. Thus, a vibration component curve Δ (θ) having only interference vibration is obtained.
【0013】続いて、振動成分曲線Δ(θ)をフーリエ
変換し、フーリエ係数Fと膜厚dとの関係F(d)を得
る。こうして得られた曲線のピーク位置は試料表面に形
成された膜の厚さに対応していることから、曲線のピー
ク位置を計測することにより膜厚を一意的に求めること
ができる。上記一連の膜厚測定手順において、より正確
な膜厚を得るためには如何にして平均反射率曲線Rave
を決定するかが重要となる。従来は、(1)曲線Rのデー
タの平均化操作を繰り返し、平均反射率曲線Raveを求
める、(2)曲線Rにおいて任意の範囲を指定し、多項式
近似により平均反射率曲線Raveを求める、(3)曲線Rの
データから平均付近の値を何点か与え、それをスプライ
ン曲線で補間することにより平均反射率曲線Raveを求
める、(4)薄膜又は基板の構成元素のみからなる単層サ
ンプルにおける反射率の理論式を測定データにフィット
させることにより平均反射率曲線Raveを求める、等の
方法が用いられていた。Subsequently, the vibration component curve Δ (θ) is Fourier-transformed to obtain a relationship F (d) between the Fourier coefficient F and the film thickness d. Since the peak position of the curve thus obtained corresponds to the thickness of the film formed on the sample surface, the film thickness can be uniquely determined by measuring the peak position of the curve. In order to obtain a more accurate film thickness in the above series of film thickness measurement procedures, how to obtain an average reflectance curve R ave
It is important to decide. Conventionally, (1) an average averaging operation of the data of the curve R is repeated to obtain an average reflectance curve Rave . (2) An arbitrary range is designated in the curve R, and an average reflectance curve Rave is obtained by polynomial approximation. (3) Give some points near the average from the data of the curve R, and obtain an average reflectance curve R ave by interpolating the values with a spline curve. (4) A single element consisting only of the constituent elements of the thin film or the substrate A method of finding an average reflectance curve R ave by fitting a theoretical formula of reflectance in a layer sample to measured data, or the like, has been used.
【0014】しかしながら、上記従来のX線反射率法に
よる膜厚測定方法では、X線反射率曲線R自体が全反射
臨界角付近で急激に減少する特徴を有するため、適切な
平均反射率曲線Raveを求めることが容易ではなかっ
た。すなわち、上記(1)の方法では、曲線Rを平均化す
ることによりその特徴自体が平均化されてしまう可能性
があった。また、平均化の回数に任意性があるため、測
定された膜厚自体にその任意性が反映される虞があっ
た。However, in the above-mentioned conventional method for measuring the film thickness by the X-ray reflectivity method, since the X-ray reflectivity curve R itself has a feature of sharply decreasing near the critical angle of total reflection, an appropriate average reflectivity curve R Seeking ave was not easy. That is, in the method (1), the characteristics themselves may be averaged by averaging the curve R. In addition, since the number of times of averaging is arbitrary, there is a possibility that the arbitraryness is reflected in the measured film thickness itself.
【0015】また、上記(2)、(3)の方法では、範囲を指
定するなど、条件の選び方に任意性があり、干渉振動を
吸収してしまう可能性があった。また、上記(4)の方法
では、反射率の関数型は正しくなるが、反射率を求める
にあたって膜の密度や屈折率等を与える必要があり、取
り扱いが複雑で汎用性がなかった。また、積層膜の膜厚
を測定する場合にはどの膜の元素を基準とするかに任意
性があった。In the above methods (2) and (3), the conditions are arbitrarily selected, such as designating a range, and there is a possibility that interference vibrations may be absorbed. Further, in the above method (4), the function type of the reflectance is correct, but it is necessary to provide the film density, the refractive index, and the like in obtaining the reflectance, and the handling is complicated and versatile. Further, when measuring the film thickness of the laminated film, there is arbitrariness in which film element is used as a reference.
【0016】一方、膜の密度を測定する従来の方法とし
ては、重量測定から算出する古典的な方法しかなかっ
た。すなわち、測定すべき膜を製膜後に重量と膜厚を測
定し、その後、膜のみを化学的にエッチング除去し、再
び重量を測定する。エッチング除去前後の重量差から膜
自体の重量を算出する。別途、膜厚及び面積から体積を
算出し、膜自体の重量から膜密度を算出する。On the other hand, as a conventional method for measuring the density of a film, there has been only a classical method of calculating from a weight measurement. That is, the weight and thickness of the film to be measured are measured after the film is formed, and then only the film is chemically removed by etching, and the weight is measured again. The weight of the film itself is calculated from the weight difference before and after the etching removal. Separately, the volume is calculated from the film thickness and the area, and the film density is calculated from the weight of the film itself.
【0017】このような従来の膜密度の測定方法では、
膜だけを化学的にエッチング除去する材料に限られるこ
と、薄い膜では測定精度が著しく悪化すること、測定の
ための手間がかかりすぎて実用的でないこと等の理由に
より、膜密度を製膜工程における管理に用いることは不
可能であった。In such a conventional method for measuring the film density,
The film density is determined by the film-forming process, because it is limited to materials that only chemically remove the film by etching, the measurement accuracy is extremely poor for thin films, and the measurement is too time-consuming and impractical. It was not possible to use it for management in.
【0018】[0018]
【発明が解決しようとする課題】以上詳述したように、
従来の技術では、近年の厳しい膜厚制御の要求精度に適
した膜厚測定技術が確立しておらず、膜の製造方法に利
用できる膜厚測定技術の確立が望まれている。また、膜
厚の他に、膜密度や表面凹凸も膜質制御の指標として重
要であるが、これら膜密度や表面凹凸を非破壊で精度よ
く測定する技術も待望されている。As described in detail above,
In the prior art, a film thickness measurement technique suitable for the demanded precision of recent strict film thickness control has not been established, and it is desired to establish a film thickness measurement technique that can be used in a film manufacturing method. In addition to film thickness, film density and surface irregularities are also important as indices for controlling film quality. Techniques for accurately and non-destructively measuring these film densities and surface irregularities are also expected.
【0019】本発明の目的は、高精度で、簡便で、短時
間で測定でき、しかも、一義的に測定膜厚を決定するこ
とができる膜厚測定方法を提供することにある。本発明
の他の目的は、多層膜の状態で各層の膜厚を測定するこ
とができる膜厚測定方法を提供することにある。本発明
の他の目的は、上記膜厚測定方法による測定結果を利用
して膜の製膜条件を調整できる膜の製造方法を提供する
ことにある。An object of the present invention is to provide a method for measuring the thickness of a film, which can be measured with high accuracy, is simple, can be performed in a short time, and can uniquely determine a measured film thickness. Another object of the present invention is to provide a method for measuring the thickness of each layer in the state of a multilayer film. Another object of the present invention is to provide a film manufacturing method capable of adjusting the film forming conditions using the measurement result obtained by the film thickness measuring method.
【0020】[0020]
【課題を解決するための手段】上記目的は、膜からのX
線反射率を計測し、前記計測X線反射率から干渉振動を
抽出し、前記干渉振動をフーリエ変換することにより前
記膜の膜厚を算出する膜厚測定方法において、前記膜の
表面に凹凸がない場合の反射率の減衰を表す入射角の羃
関数と、前記膜の表面凹凸の影響を表す指数関数との積
よりなる項に、バックグラウンドを表す定数項を加えた
解析式に、前記計測X線反射率をフィッティングするこ
とにより平均反射率を求め、前記計測X線反射率と前記
平均反射率とを用いて前記干渉振動を抽出することを特
徴とする膜厚測定方法によって達成される。こうするこ
とにより解析式には反射率の性質が盛り込まれるので、
従来は任意に設定されていた自由度を正しい形で制限す
ることができる。また、膜の構造が異なった場合でも汎
用性をもって解析式を利用することができ、且つ精度よ
く測定することができる。また、測定の迅速性を向上す
ることができる。SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to provide a method for producing X
In a film thickness measuring method of measuring a line reflectivity, extracting interference vibration from the measured X-ray reflectivity, and calculating a film thickness of the film by performing a Fourier transform of the interference vibration, the surface of the film has irregularities. In addition, an analytical expression obtained by adding a constant term representing the background to a term consisting of a product of a power function of the incident angle representing the attenuation of the reflectance in the absence of the incident angle and an exponential function representing the influence of the surface unevenness of the film, This is achieved by a film thickness measuring method, wherein an average reflectance is obtained by fitting an X-ray reflectance, and the interference vibration is extracted using the measured X-ray reflectance and the average reflectance. By doing so, the analytic formula incorporates the property of reflectance,
Conventionally, the degree of freedom that has been arbitrarily set can be limited in a correct manner. Further, even when the structures of the films are different, the analytic formula can be used with versatility and the measurement can be performed with high accuracy. In addition, the speed of measurement can be improved.
【0021】上述した膜厚測定方法において、前記解析
式が、強度をI0、X線の入射角をθ、前記入射角の原
点補正値をθ0、前記膜表面のラフネスの二乗平均値を
σ、X線の波長をλ、バックグラウンド定数をB0とし
て、
I0(θ−θ0)-4・exp{−(4πσ/λ・sin
θ)2}+B0
により表されることが望ましい。In the above-mentioned film thickness measuring method, the analytical expression is that the intensity is I 0 , the incident angle of the X-ray is θ, the origin correction value of the incident angle is θ 0 , and the root mean square value of the roughness of the film surface is Assuming that σ, the wavelength of the X-rays are λ, and the background constant is B 0 , I 0 (θ−θ 0 ) -4 · expex− (4πσ / λ · sin
θ) 2 } + B 0 .
【0022】上述した膜厚測定方法において、前記解析
式に前記計測X線反射率をフィッティングさせることに
より得られた前記ラフネスの二乗平均値より、前記膜表
面の凹凸を推定することが望ましい。これにより、解析
式に計測X線反射率をフィッティングさせることにより
得られたラフネスの二乗平均値から膜表面の凹凸を推定
することができる。上述した膜厚測定方法において、前
記干渉振動は、前記計測X線反射率を前記平均反射率に
より除算することにより求めることが望ましい。In the above-described film thickness measuring method, it is preferable to estimate the roughness of the film surface from the root mean square value of the roughness obtained by fitting the measured X-ray reflectance to the analytical expression. This allows the analysis
The roughness of the film surface can be estimated from the root mean square value of the roughness obtained by fitting the measured X-ray reflectivity to the equation . In the above-described film thickness measuring method, it is desirable that the interference vibration is obtained by dividing the measured X-ray reflectance by the average reflectance.
【0023】上述した膜厚測定方法において、前記膜
は、二層以上の多層膜である場合、前記膜の前記表面側
に位置する層に対しては前記入射角が低く、前記膜の内
部側に位置する層に対しては前記入射角が高くなるよう
に、前記多層膜中の測定する層の位置に基づいて前記入
射角の範囲を限定して測定するようにすればよい。これ
により、測定の目的に応じて角度測定領域の範囲を限定
し、所望の深さの解析を行うことができる。In the film thickness measuring method described above, when the film is a multilayer film having two or more layers, the incident angle is low with respect to a layer located on the surface side of the film, For the layer located at the position (1), the range of the incident angle may be limited based on the position of the layer to be measured in the multilayer film, so that the measurement is performed. Thus, the range of the angle measurement region can be limited according to the purpose of the measurement, and the desired depth can be analyzed.
【0024】上記目的は、下地基板上に膜を形成する膜
の製造方法において、上述した膜厚測定方法により前記
膜の膜厚を測定し、測定された前記膜の膜厚を用いて前
記膜の製膜条件を調整することを特徴とする膜の製造方
法によって達成される。上記目的は、下地基板上に膜を
形成する膜の製造方法において、上述した膜厚測定方法
により前記膜の膜厚を測定し、測定された前記膜の膜厚
を初期値としてX線反射率を演算し、前記演算X線反射
率と前記計測X線反射率とをフィッティングすることに
より、前記膜の膜密度、表面凹凸の少なくともひとつの
物理量を求め、前記膜の膜厚、膜密度、表面凹凸の少な
くともひとつの物理量を用いて前記膜の製膜条件を調整
することを特徴とする膜の製造方法によって達成され
る。The object of the present invention is to provide a method for manufacturing a film for forming a film on an underlying substrate, wherein the film thickness of the film is measured by the above-described film thickness measuring method, and the film thickness is measured by using the measured film thickness. This is achieved by a method for producing a film, characterized by adjusting the film forming conditions. The object of the present invention is to provide a method for manufacturing a film for forming a film on an underlying substrate, wherein the film thickness of the film is measured by the above-described film thickness measuring method, and the measured film thickness is used as an initial value to determine the X-ray reflectivity. By calculating the calculated X-ray reflectivity and the measured X-ray reflectivity, the film density of the film, at least one physical quantity of the surface unevenness is obtained, and the film thickness, the film density, and the surface of the film are obtained. This is achieved by a method for producing a film, characterized in that the film-forming conditions of the film are adjusted using at least one physical quantity of unevenness.
【0025】上述した膜の製造方法において、前記膜の
膜厚、膜密度、表面凹凸の少なくともひとつの物理量を
用いることにより、酸化処理、窒化処理、酸化窒化処
理、スパッタ処理、CVD処理、電子ビーム蒸着処理、
イオンビーム蒸着処理、分子線蒸着処理、液相成長処理
のいずれかの処理を行う製造装置における、製膜温度、
ガス導入量、ガス混合比の少なくともひとつのパラメー
タを調整するようにしてもよい。In the above-mentioned method for producing a film, an oxidation treatment, a nitridation treatment, an oxynitridation treatment, a sputtering treatment, a CVD treatment, an electron beam Deposition processing,
In a manufacturing apparatus that performs any one of ion beam evaporation processing, molecular beam evaporation processing, and liquid phase growth processing, a film forming temperature,
At least one parameter of the gas introduction amount and the gas mixture ratio may be adjusted.
【0026】上記目的は、下地基板上に形成された膜の
少なくとも一部をエッチング除去する膜のエッチング方
法において、上述した膜厚測定方法によりエッチングさ
れた前記膜の膜厚を測定し、測定された前記膜の膜厚を
用いて前記膜のエッチング条件を調整することを特徴と
する膜のエッチング方法によって達成される。The object of the present invention is to provide a method of etching a film for removing at least a part of a film formed on a base substrate, by measuring the film thickness of the film etched by the above-mentioned film thickness measuring method. The etching condition of the film is adjusted by using the film thickness of the film.
【0027】[0027]
【発明の実施の形態】本発明の第1実施形態による膜厚
測定方法について、図1乃至図6を用いて説明する。図
1は本実施形態による膜厚測定方法を説明する図、図
2、図4乃至図6は本実施形態による膜厚測定方法によ
り測定した結果を示すグラフ、図3は従来の膜厚測定方
法により測定した結果を示すグラフである。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A method for measuring a film thickness according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a view for explaining a film thickness measuring method according to the present embodiment, FIGS. 2, 4 to 6 are graphs showing results measured by the film thickness measuring method according to the present embodiment, and FIG. 3 is a conventional film thickness measuring method. 6 is a graph showing the results measured by the method.
【0028】始めに、本実施形態による膜厚測定方法の
概略について図1を用いて説明する。まず、被測定膜が
形成された試料表面にX線を照射してX線反射率の測定
を行い、曲線Rを求める(ステップS1)。次いで、ス
テップS1にて測定した曲線Rを基にして平均反射率曲
線Raveを求める(ステップS2)。First, an outline of the film thickness measuring method according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. First, the surface of the sample on which the film to be measured is formed is irradiated with X-rays to measure the X-ray reflectivity , thereby obtaining a curve R (step S1). Next, an average reflectance curve R ave is determined based on the curve R measured in step S1 (step S2).
【0029】続いて、曲線Rから平均反射率曲線Rave
を差し引くことにより、曲線Rの干渉振動を反映した振
動成分曲線Δ(θ)を抽出する(ステップS3)。この
後、振動成分曲線Δ(θ)の変数変換を行い、振動成分
曲線Δ(x)を求める(ステップS4)。次いで、振動
成分曲線Δ(x)をフーリエ変換し(ステップS5)、
得られたフーリエ係数F(d)のピーク位置より膜厚を
測定する(ステップS6)。Subsequently, an average reflectance curve R ave is obtained from the curve R.
Is subtracted to extract a vibration component curve Δ (θ) reflecting the interference vibration of the curve R (step S3). Thereafter, the vibration component curve Δ (θ) is subjected to variable conversion to obtain a vibration component curve Δ (x) (step S4). Next, the vibration component curve Δ (x) is Fourier-transformed (step S5),
The film thickness is measured from the peak position of the obtained Fourier coefficient F (d) (step S6).
【0030】このようにして行われるX線反射率法を用
いた膜厚測定方法において、本実施形態では、上記膜厚
測定方法において平均反射率曲線Raveを求める際に、
試料表面に凹凸がない場合の反射率の減衰を表す入射角
の羃関数と、表面凹凸の影響を表す指数関数との積より
なる項と、バックグラウンドを表す定数項からなる解析
式を用いてデータのフィッティングを行う点を特徴とし
ている。In the film thickness measuring method using the X-ray reflectivity method performed as described above, in the present embodiment, when the average reflectance curve R ave is obtained in the above film thickness measuring method,
Using an analytical expression consisting of a term consisting of the product of a power function of the incident angle representing the attenuation of the reflectance when there is no unevenness on the sample surface and an exponential function representing the influence of the surface unevenness, and a constant term representing the background It is characterized by performing data fitting.
【0031】本願発明者は、このような解析式を用いる
ことにより、精度よく、且つ任意性を与えることなく平
均反射率曲線Raveをフィッティングできることを新た
に見いだした。具体的には、例えば、
R=I0(θ−θ0)-4・exp{−(4πσ/λ・sinθ)2}+B0
…(1)
よりなる解析式を用いることができる。The inventor of the present application has newly found that the average reflectance curve R ave can be fitted accurately and without giving any arbitrariness by using such an analytical expression. Specifically, for example, an analytical expression represented by R = I 0 (θ−θ 0 ) −4 · exp {− (4πσ / λ · sin θ) 2 } + B 0 (1) can be used.
【0032】ここで、I0は強度、θはX線の入射角、
θ0はθの原点補正値、σは試料表面のラフネスの二乗
平均値(以下、rms(root mean square)ラフネスと
呼ぶ)、λはX線の波長であり、B0はバックグラウン
ド定数である。バックグラウンド定数B0はゼロを含
む。なお、本願明細書にいう入射角は、試料表面の法線
に対する角度ではなく、試料表面と入射X線とが成す角
度を表すものとする。Where I 0 is the intensity, θ is the incident angle of the X-ray,
θ 0 is the origin correction value of θ, σ is the root mean square (rms) roughness of the sample surface (hereinafter referred to as rms (root mean square) roughness), λ is the wavelength of X-rays, and B 0 is the background constant. . The background constant B 0 includes zero. The angle of incidence referred to in the specification of the present application is not an angle with respect to a normal to the surface of the sample, but an angle formed between the surface of the sample and the incident X-ray.
【0033】本実施形態では、試料表面に凹凸がない場
合の反射率の減衰を表す入射角の羃関数としてI0(θ
−θ0)-4よりなる関数を用いているが、これは、表面
に凹凸のない試料における反射率は試料に対するX線の
入射角θに関し、θ-4で減少する性質を有するからであ
る。また、表面凹凸の影響を表す指数関数としてexp
{−(4πσ/λ・sinθ)2}よりなる関数を用い
ているが、これは、rmsラフネスをσとしてデバイワ
ラー(Debye waller)型ラフネスを仮定すると、このラ
フネスによる反射率の減衰は近似的にexp{−(4π
σ/λ・sinθ)2}により表されるからである。In this embodiment, as a power function of the incident angle representing the attenuation of the reflectance when the sample surface has no irregularities, I 0 (θ
The function of −θ 0 ) −4 is used because the reflectance of a sample having no irregularities on the surface has a property of decreasing at θ −4 with respect to the incident angle θ of the X-ray to the sample. . Exponential function representing the effect of surface irregularities is exp exp
The function of {− (4πσ / λ · sin θ) 2 } is used. Assuming that the rms roughness is σ and the Debye waller type roughness is assumed, the attenuation of the reflectance due to this roughness is approximately exp {− (4π
σ / λ · sin θ) 2 }.
【0034】従って、これらの積よりなる項を用いれ
ば、反射率の性質を盛り込んだ解析式を構成することが
できるので、従来は任意に設定されていた自由度を正し
い形で制限することができる。また、この解析式は、I
0、θ0、σ、B0の4つのパラメータを有する単調減少
関数であるため、フィッティングの際に曲線Rの振動を
吸収する可能性はない。Therefore, by using the term composed of these products, it is possible to construct an analytical expression incorporating the property of the reflectance, and it is possible to restrict the degree of freedom, which has been conventionally set arbitrarily, in a correct manner. it can. This analytic expression is given by I
Since it is a monotonically decreasing function having four parameters of 0 , θ 0 , σ, and B 0 , there is no possibility of absorbing the vibration of the curve R during fitting.
【0035】また、これらのパラメータは試料に固有な
定数を含んでいないため、種々の試料に対して用いる汎
用性がある。更に、この式で曲線Rをフィットしたと
き、得られるσの値から試料表面ラフネスの情報を同時
に得ることもできる。なお、曲線のフィッティングにあ
たっては、例えば最小二乗法を用いて行えばよい。シリコン酸化膜:SiO2
次に、X線反射率をシミュレーションしたデータを、従
来法及び本実施形態による膜厚測定方法により解析した
結果を比較して説明する。Further, since these parameters do not include constants peculiar to the sample, they have versatility to be used for various samples. Further, when the curve R is fitted by this equation, information on the sample surface roughness can be obtained simultaneously from the obtained value of σ. Note that the curve fitting may be performed using, for example, the least squares method. Silicon oxide film: SiO 2 Next, data obtained by simulating the X-ray reflectivity will be described by comparing results obtained by analyzing the data obtained by the conventional method and the film thickness measurement method according to the present embodiment.
【0036】図2は本実施形態による膜厚測定方法によ
り解析した結果を示すグラフ、図3は従来法により解析
した結果を示すグラフである。解析には、膜厚5nm、
表面ラフネス0.4nmの極薄シリコン酸化膜における
X線反射率をシミュレーションした結果を用いた。シミ
ュレーションにより得られた反射率より、図2(a)、
図3(a)に示す曲線Rを求め、従来法及び本実施形態
による膜厚測定方法によりシリコン酸化膜の膜厚を求め
た。FIG. 2 is a graph showing the result analyzed by the film thickness measuring method according to the present embodiment, and FIG. 3 is a graph showing the result analyzed by the conventional method. For analysis, the film thickness was 5 nm,
The result of simulating the X-ray reflectivity of an ultra-thin silicon oxide film having a surface roughness of 0.4 nm was used. From the reflectance obtained by the simulation, FIG.
The curve R shown in FIG. 3A was obtained, and the thickness of the silicon oxide film was obtained by the conventional method and the film thickness measuring method according to the present embodiment.
【0037】図2に示す本実施形態による膜厚測定方法
では、解析式(1)を用いて最小二乗法により平均反射
率曲線Raveのフィッティングを行い、図3に示す従来
法では、データ100個領域毎に曲線Rをスムージング
して平均反射率曲線Raveを求めた(ステップS2)。
なお、解析式(1)のフィッティングの際に得られた各
パラメータの値は、
I0=7.98 (8)
θ0=0.001deg (0deg)
σ =0.397nm (0.4nm)
B0=5.16 (5)
であった。上記括弧中の数値は、実際にシミュレーショ
ンで与えたパラメータである。本実施形態による膜厚測
定方法では、平均反射率曲線Raveのフィッティングの
際にrmsラフネスσを得ることができるが、その値は
0.397nmであり、解析誤差内で正しい値を得るこ
とができた。In the film thickness measuring method according to the present embodiment shown in FIG. 2, the average reflectance curve R ave is fitted by the least squares method using the analytical formula (1), and in the conventional method shown in FIG. The average reflectance curve R ave was obtained by smoothing the curve R for each individual region (step S2).
The value of each parameter obtained at the time of fitting of the analytical expression (1) is as follows: I 0 = 7.98 (8) θ 0 = 0.001 deg (0 deg) σ = 0.397 nm (0.4 nm) B 0 = 5.16 (5) The numerical values in the parentheses are parameters actually given in the simulation. In the film thickness measurement method according to the present embodiment, the rms roughness σ can be obtained at the time of fitting the average reflectance curve R ave , but the value is 0.397 nm, and a correct value can be obtained within the analysis error. did it.
【0038】次いで、曲線R及び平均反射率曲線Rave
より、曲線Rの振動成分を抽出した(ステップS3)。
振動成分曲線Δ(θ)は、
Δ(θ)=logR(θ)−logRave(θ) …(2)
を用いて算出した。続いて、振動成分曲線Δ(θ)の横
軸変数変換を行った(ステップS4)。変数変換は、
x=√(θ2−θc 2)/λ …(3)
を用いて行った。ここで、λはX線の波長であり、θc
は全反射臨界角である。Next, the curve R and the average reflectance curve R ave
Thus, the vibration component of the curve R was extracted (step S3).
Oscillation component curve delta (theta) was calculated using the Δ (θ) = logR (θ ) -logR ave (θ) ... (2). Subsequently, the horizontal axis variable conversion of the vibration component curve Δ (θ) was performed (step S4). Variable conversion was performed using x = √ (θ 2 −θ c 2 ) / λ (3). Here, λ is the wavelength of the X-ray, and θ c
Is the critical angle for total reflection.
【0039】この後、変数変換を行った振動成分曲線Δ
(x)をフーリエ変換し、図2(b)、図3(b)に示
すフーリエ係数F(d)を得た(ステップS5)。この
ようにして得られたグラフのピーク位置よりシリコン酸
化膜の膜厚を計測した結果、本実施形態による膜厚測定
方法を用いた場合には5.1nmの膜厚を得られたのに
対し、従来法では6.1nmと大きくずれていた。多層膜:TiN/Ti/SiO2/Si
次に、シリコン基板上に、膜厚40.8nmのシリコン
酸化膜と、膜厚7.7nmのTi膜と、膜厚15.6n
mのTiN膜とを順次積層した試料を用い、実験により
求めた曲線Rを本実施形態による膜厚測定方法により解
析した結果を図4乃至図6に示す。Thereafter, the vibration component curve Δ obtained by performing variable conversion
(X) was subjected to Fourier transform to obtain Fourier coefficients F (d) shown in FIGS. 2B and 3B (step S5). As a result of measuring the film thickness of the silicon oxide film from the peak position of the graph obtained as described above, when the film thickness measuring method according to the present embodiment was used, a film thickness of 5.1 nm was obtained. In the conventional method, the deviation was as large as 6.1 nm. Multilayer film: TiN / Ti / SiO 2 / Si Next, a silicon oxide film having a thickness of 40.8 nm, a Ti film having a thickness of 7.7 nm, and a film thickness of 15.6 n are formed on a silicon substrate.
FIGS. 4 to 6 show the results obtained by analyzing the curve R obtained by the experiment using the sample in which the mN TiN films are sequentially laminated by the film thickness measuring method according to the present embodiment.
【0040】図4は全角度領域において解析を行った結
果、図5は0〜2°の角度領域において解析を行った結
果、図6は2〜6°の角度領域において解析を行った結
果である。解析にあたっては、曲線Rを最小二乗法を用
いて解析式(1)にフィッティングさせることにより平
均反射率曲線Raveを求めた。なお、解析により求めら
れた各パラメータの値は、
I0=8.34
θ0=0.002deg
σ =0.387nm
B0=11.06
であった。これにより試料表面のrmsラフネスは0.
387nmであることが判った。FIG. 4 shows the results of the analysis in the entire angle range, FIG. 5 shows the results of the analysis in the angle range of 0 to 2 °, and FIG. 6 shows the results of the analysis in the range of 2 to 6 °. is there. In the analysis, the average reflectance curve R ave was obtained by fitting the curve R to the analysis formula (1) using the least squares method. The value of each parameter obtained by the analysis was I 0 = 8.34 θ 0 = 0.002 deg σ = 0.287 nm B 0 = 11.06. As a result, the rms roughness of the sample surface is set to 0.
It was found to be 387 nm.
【0041】図4(a)、図5(a)、図6(a)に示
すように、いずれの角度範囲においてフィッティングを
行った場合にも、スムーズな平均反射率曲線Raveが得
られていることが判る。このようにして求めた平均反射
率曲線Raveを基にして、式(2)、式(3)を用いて
振動成分曲線Δ(x)を求め、フーリエ変換行った結
果、図4(b)、図5(b)、図6(b)に示すフーリ
エ係数F(d)のグラフが得られた。As shown in FIGS. 4 (a), 5 (a) and 6 (a), a smooth average reflectance curve R ave can be obtained regardless of the angle range of the fitting. It turns out that there is. Based on the average reflectance curve R ave thus obtained, a vibration component curve Δ (x) was obtained using Expressions (2) and (3), and the result of Fourier transform was obtained. 5 (b) and 6 (b) were obtained.
【0042】図4(b)に示すグラフには、Ti膜を示
す干渉ピークと、Ti膜とTiN膜とを示す干渉ピーク
と、シリコン酸化膜を示す干渉ピークとがみられる。こ
れらのピーク位置は、それぞれが7.5nm、23.8
nm、40.6nmに対応している。従って、Ti膜の
膜厚が7.5nm、TiN膜の膜厚が16.3nm、シ
リコン酸化膜の膜厚が40.6nmと求めることができ
た。このように本実施形態による膜厚測定方法を用いる
ことにより、誤差0.5nm程度の測定精度で検出でき
ることが判った。In the graph shown in FIG. 4B, an interference peak indicating a Ti film, an interference peak indicating a Ti film and a TiN film, and an interference peak indicating a silicon oxide film are observed. These peak positions are 7.5 nm and 23.8, respectively.
nm and 40.6 nm. Accordingly, it was determined that the thickness of the Ti film was 7.5 nm, the thickness of the TiN film was 16.3 nm, and the thickness of the silicon oxide film was 40.6 nm. As described above, it was found that by using the film thickness measuring method according to the present embodiment, detection was possible with a measurement accuracy of about 0.5 nm in error.
【0043】低角度領域において解析を行った図5
(b)の結果では、Ti膜単独より得られる干渉ピーク
と、シリコン酸化膜より得られる干渉ピークとが消失
し、TiN膜を示す干渉ピークと、Ti膜とTiN膜と
を示す干渉ピークのみが検出されている。一方、高角度
領域において解析を行った図6(b)の結果では、Ti
N膜より得られる干渉ピークが消失し、Ti膜より得ら
れる干渉ピークと、シリコン酸化膜より得られる干渉ピ
ークのみが検出されている。FIG. 5 showing an analysis in the low angle region.
In the result of (b), the interference peak obtained from the Ti film alone and the interference peak obtained from the silicon oxide film disappear, and only the interference peak indicating the TiN film and the interference peak indicating the Ti film and the TiN film are reduced. Has been detected. On the other hand, in the result of FIG.
The interference peak obtained from the N film disappears, and only the interference peak obtained from the Ti film and the interference peak obtained from the silicon oxide film are detected.
【0044】このように解析角度領域を変化することに
より検出されるピークが変化するのは、入射角度が大き
いほどにX線が試料深くに入射するので、入射角度が大
きいほどに試料深くの情報を得ることができるためであ
る。従って、測定の目的に応じて角度測定領域の範囲に
限定すれば、所望の深さの解析を行うことができる。例
えば、上層の膜を測定する際には解析範囲を低角度領域
に限定し、下層の膜を測定する際には解析範囲を高角度
領域に限定することができる。ゲート酸化膜:SiO2
次に、次の製膜条件によりシリコン基板上に形成したゲ
ート酸化膜について、本実施形態による膜厚測定方法に
より解析した結果を説明する。The reason why the peak detected by changing the analysis angle region changes as described above is that the X-rays are incident deeper into the sample as the incident angle is larger, and the information deeper into the sample as the incident angle is larger. Is obtained. Therefore, if the area is limited to the range of the angle measurement area according to the purpose of the measurement, the desired depth can be analyzed. For example, when measuring the upper layer film, the analysis range can be limited to a low angle region, and when measuring the lower layer film, the analysis range can be limited to a high angle region. Gate oxide film: SiO 2 Next, the result of analyzing the gate oxide film formed on the silicon substrate under the following film forming conditions by the film thickness measuring method according to the present embodiment will be described.
【0045】製膜条件は、製膜温度が1000℃、雰囲
気ガスが酸素(200Torr)で、熱酸化時間が30
分で、約4nm厚のゲート酸化膜を形成した。X線反射
率の測定にあたっては、波長が1.3オングストローム
のX線を用い、散乱角(X線入射角の2倍)が0〜7度
の範囲でゲート酸化膜からのX線反射率を測定した。The film formation conditions were as follows: a film formation temperature of 1000 ° C., an atmosphere gas of oxygen (200 Torr), and a thermal oxidation time of 30 minutes.
In about a minute, a gate oxide film having a thickness of about 4 nm was formed. In measuring the X-ray reflectivity, X-rays having a wavelength of 1.3 angstrom were used, and the X-ray reflectivity from the gate oxide film was measured in a range of a scattering angle (twice the X-ray incident angle) of 0 to 7 degrees. It was measured.
【0046】図7に、本実施形態による膜厚測定方法に
より解析した結果を示す。解析にあたっては、曲線Rを
最小二乗法を用いて解析式(1)にフィッティングさせ
ることにより平均反射率曲線Raveを求めた。なお、解
析により求められた各パラメータの値は、
I0=6。93
θ0=0.002deg
σ =0.37nm
B0=10.5
であった。これにより試料表面のrmsラフネスは0.
37nmであることが判った。FIG. 7 shows the result of analysis by the film thickness measuring method according to the present embodiment. In the analysis, the average reflectance curve R ave was obtained by fitting the curve R to the analysis formula (1) using the least squares method. The value of each parameter obtained by the analysis was I 0 = 6.93 θ 0 = 0.002 deg σ = 0.37 nm B 0 = 10.5. As a result, the rms roughness of the sample surface is set to 0.
It was found to be 37 nm.
【0047】図7(a)に示すように、スムーズな平均
反射率曲線Raveが得られた。このようにして求めた平
均反射率曲線Raveを基にして、式(2)、式(3)を
用いて振動成分曲線Δ(x)を求め、フーリエ変換を行
った結果、図7(b)に示すフーリエ係数F(d)のグ
ラフが得られた。図7(b)に示すグラフにはゲート酸
化膜を示す明瞭な干渉ピークがみられ、このピーク位置
は3.9nmであった。したがって、ゲート酸化膜の膜
厚は3.9nmであるとの測定結果が得られた。As shown in FIG. 7A, a smooth average reflectance curve R ave was obtained. Based on the average reflectance curve R ave obtained in this manner, the vibration component curve Δ (x) was obtained using the equations (2) and (3), and the result of Fourier transform was obtained. The graph of the Fourier coefficient F (d) shown in FIG. In the graph shown in FIG. 7B, a clear interference peak indicating the gate oxide film was observed, and the peak position was 3.9 nm. Therefore, the measurement result that the thickness of the gate oxide film was 3.9 nm was obtained.
【0048】なお、DRAMにおけるゲート酸化膜の膜
厚は、64M−DRAMで10nm程度、1G−DRA
Mで6〜7nm程度であると見込まれている。このよう
なゲート酸化膜の膜厚を、正確にしかも簡便に計測でき
る方法は従来は存在しなかった。従来のエリプソメータ
による方法では10nm以下の膜厚では急激に精度が劣
化する。これに対し、本実施形態によれば10nm以下
の極めて薄いゲート酸化膜についても、簡便に、短時間
で、正確な膜厚測定が可能である。さらに、測定された
膜厚により製膜工程の制御を行うことができる。窒化チタン膜:TiN(膜厚)
次に、次の製膜条件によりシリコン基板上に形成した窒
化チタン膜について、本実施形態による膜厚測定方法に
より解析した結果を説明する。The thickness of the gate oxide film in the DRAM is about 10 nm in a 64M-DRAM, and 1 G-DRA
M is expected to be about 6 to 7 nm. Conventionally, there has been no method capable of accurately and easily measuring the thickness of the gate oxide film. In the conventional method using an ellipsometer, accuracy is rapidly deteriorated at a film thickness of 10 nm or less. On the other hand, according to the present embodiment, even for an extremely thin gate oxide film having a thickness of 10 nm or less, accurate film thickness measurement can be performed simply, in a short time. Further, the film formation process can be controlled based on the measured film thickness. Titanium Nitride Film: TiN (Film Thickness) Next, the result of analyzing the titanium nitride film formed on the silicon substrate under the following film forming conditions by the film thickness measuring method according to the present embodiment will be described.
【0049】スパッタリングによる窒化チタン膜の製膜
条件は、ターゲットにチタンを用い、RF出力が400
W、雰囲気ガスが窒素、ガス流量が10sccm(Stan
dardCubic Centimeter per Minute)である。X線反射
率の測定にあたっては、波長が1.3オングストローム
のX線を用い、X線入射角が0〜6度の範囲で窒化チタ
ン膜からのX線反射率を測定した。The conditions for forming the titanium nitride film by sputtering are as follows.
W, atmosphere gas is nitrogen, gas flow rate is 10 sccm (Stan
dardCubic Centimeter per Minute). In measuring the X-ray reflectivity, X-rays having a wavelength of 1.3 angstroms were used, and the X-ray reflectivity from the titanium nitride film was measured at an X-ray incident angle of 0 to 6 degrees.
【0050】図8に、本実施形態による膜厚測定方法に
より解析した結果を示す。上述した手順と同様にして、
X線反射率の測定値を解析し、図8(a)に示すよう
な、明瞭な振動成分曲線Δ(x)を求めた。この振動成
分曲線Δ(x)をフーリエ変換した結果、図8(b)に
示すフーリエ係数F(d)のグラフが得られた。図8
(b)に示すグラフには、窒化チタン膜を示す非常に明
瞭な干渉ピークがみられ、このピーク位置は21.4n
mであった。したがって、窒化チタン膜の膜厚は21.
4nmであるとの測定結果が得られた。FIG. 8 shows the result of analysis by the film thickness measuring method according to the present embodiment. Similar to the procedure described above,
The measured value of the X-ray reflectivity was analyzed to obtain a clear vibration component curve Δ (x) as shown in FIG. As a result of Fourier transform of the vibration component curve Δ (x), a graph of Fourier coefficient F (d) shown in FIG. 8B was obtained. FIG.
In the graph shown in (b), a very clear interference peak indicating the titanium nitride film was observed, and the peak position was 21.4 n.
m. Therefore, the thickness of the titanium nitride film is 21.
A measurement result of 4 nm was obtained.
【0051】なお、本実施形態によりフィッティング解
析に要した時間は約数分と極めて短時間であった。な
お、窒化チタン膜は不透明な金属膜であるため、エリプ
ソメータによる膜厚測定は不可能である。また、化合物
であるので蛍光X線強度から膜厚を算出することも困難
である。電子顕微鏡により膜厚測定は可能であるが非常
に手間がかかるため基礎データの取得には有効であって
も、製膜制御のために測定技術として用いることはでき
ない。The time required for the fitting analysis according to the present embodiment was extremely short, about several minutes. Since the titanium nitride film is an opaque metal film, it is impossible to measure the film thickness using an ellipsometer. Further, since it is a compound, it is also difficult to calculate the film thickness from the fluorescent X-ray intensity. Although it is possible to measure the film thickness using an electron microscope, it is very troublesome, so that it is effective for acquiring basic data, but cannot be used as a measurement technique for controlling film formation.
【0052】しかも、窒化チタン膜のようにスパッタリ
ングによる製膜方法の場合、RF電圧やガス流量、ガス
成分比等の製膜条件により微妙に膜の形成状態が変化す
る。このため、同一条件で一連の製膜を行う場合には、
微妙な製膜制御が必要である。本実施形態によれば、簡
便に、短時間で、正確な膜厚測定が可能であるので、例
えば、一連の製膜工程の最初に検査用基板を用いて製膜
し、その膜厚の測定値から製膜条件の微調整が可能であ
る。また、測定データを長期間にわたって監視すること
により、製膜装置の経時変化に応じた対応も可能であ
る。多層膜:TiN/Ti/SiO2/Si
次に、シリコン基板上に、シリコン酸化膜と、Ti膜
と、TiN膜とを順次積層した試料について、本実施形
態による膜厚測定方法により解析した結果を説明する。Moreover, in the case of a film forming method by sputtering such as a titanium nitride film, the state of film formation is slightly changed depending on film forming conditions such as an RF voltage, a gas flow rate, and a gas component ratio. Therefore, when performing a series of film formation under the same conditions,
Fine control of film formation is required. According to this embodiment, it is possible to easily and accurately measure the film thickness in a short time. For example, a film is formed using an inspection substrate at the beginning of a series of film forming steps, and the film thickness is measured. Fine adjustment of film formation conditions is possible from the values. Further, by monitoring the measurement data over a long period of time, it is possible to cope with a change with time of the film forming apparatus. Multilayer film: TiN / Ti / SiO 2 / Si Next, a sample obtained by sequentially laminating a silicon oxide film, a Ti film, and a TiN film on a silicon substrate was analyzed by the film thickness measuring method according to the present embodiment. Will be described.
【0053】図9は角度領域を3つに分割して解析した
結果をあわせて図示したものである。図10は0.6〜
2°の角度領域において解析を行った結果、図11は2
〜4°の角度領域において解析を行った結果、図12は
4〜6°の角度領域において解析を行った結果である。
解析にあたっては、曲線Rを最小二乗法を用いて解析式
(1)にフィッティングさせることにより平均反射率曲
線Raveを求めた。FIG. 9 also shows the result of analysis by dividing the angle region into three. FIG.
As a result of performing analysis in an angle region of 2 °, FIG.
FIG. 12 shows the result of the analysis in the angle range of 4 to 6 ° as a result of the analysis in the angle range of 44 °.
In the analysis, the average reflectance curve R ave was obtained by fitting the curve R to the analysis formula (1) using the least squares method.
【0054】なお、解析により求められた各パラメータ
の値は、
I0=7.2
θ0=−0.002deg
σ =1.6nm
B0=15.3
であった。これにより試料表面のrmsラフネスは1.
6nmであることが判った。The value of each parameter obtained by the analysis was I 0 = 7.2 θ 0 = −0.002 deg σ = 1.6 nm B 0 = 15.3. Thereby, the rms roughness of the sample surface is 1.
It was found to be 6 nm.
【0055】図9(a)、図10(a)、図11
(a)、図12(a)に示すように、いずれの角度範囲
においてフィッティングを行った場合にも、スムーズな
平均反射率曲線Raveが得られていることが判る。この
ようにして求めた平均反射率曲線Raveを基にして、式
(2)、式(3)を用いて振動成分曲線Δ(x)を求め
た。各角度範囲における特徴を説明する。FIGS. 9A, 10A and 11
12 (a) and FIG. 12 (a), it can be seen that a smooth average reflectance curve R ave is obtained when fitting is performed in any angle range. Based on the average reflectance curve R ave obtained in this manner, a vibration component curve Δ (x) was obtained using the equations (2) and (3). Features in each angle range will be described.
【0056】図10(a)に示すように、0.6〜2゜
の比較的低い角度範囲では、Ti膜の変調を受けたTi
N膜の干渉振動が見られた。図11(a)に示すよう
に、2〜4゜の真ん中の角度範囲では、SiO2膜によ
る短周期の変調が重なったTi膜の干渉振動が見られ
た。図12(a)に示すように、4〜6゜の比較的高い
角度範囲では、最下層のSiO2膜の単調な干渉振動が
見られた。As shown in FIG. 10A, in a relatively low angle range of 0.6 to 2 °, the Ti film modulated by the Ti film is used.
Interference vibration of the N film was observed. As shown in FIG. 11A, in the middle angle range of 2 to 4 °, interference vibration of the Ti film in which short-period modulation by the SiO 2 film overlaps was observed. As shown in FIG. 12A, in the relatively high angle range of 4 to 6 °, monotonous interference vibration of the lowermost SiO 2 film was observed.
【0057】図9に示す全角度範囲の解析結果から、こ
れら各角度範囲における干渉振動のの特徴の違いがわか
る。図10(a)、図11(a)、図12(a)に示す
干渉振動に対してフーリエ変換を行った結果、図10
(b)、図11(b)、図12(b)に示すフーリエ係
数F(d)のグラフが得られた。From the analysis results of the entire angle range shown in FIG. 9, it is found that there are differences in the characteristics of the interference vibration in each of these angle ranges. As a result of performing the Fourier transform on the interference vibration shown in FIGS. 10A, 11A, and 12A, FIG.
(B), graphs of Fourier coefficients F (d) shown in FIGS. 11 (b) and 12 (b) were obtained.
【0058】図10(b)に示すように、0.6〜2゜
の比較的低い角度範囲では、135.2nmの位置にT
i膜とTiN膜の膜厚の和に相当するピークが明瞭に見
られた。この多層膜では、Ti膜とTiN膜の間の密度
差に比べて、Ti膜とSiO 2膜の間の密度差が大きい
ため、Ti膜とTiN膜の膜厚の和が明瞭なピークとな
る。図11(b)に示すように、2〜4゜の真ん中の角
度範囲では、20.6nmの位置にTi膜に相当するピ
ークが明瞭に見られ、99.7nmの位置にSiO2膜
に相当するピークが明瞭に見られた。TiN膜に相当す
るピークは現れていない。図12(b)に示すように、
4〜6゜の比較的高い角度範囲では、99.8nmの位
置にSiO2膜に相当するピークのみが明瞭に見られ
た。As shown in FIG. 10B, 0.6 to 2 °
At a relatively low angle range of 135.2 nm, T
A peak corresponding to the sum of the thicknesses of the i film and the TiN film is clearly seen.
Was done. In this multilayer film, the density between the Ti film and the TiN film
Compared to the difference, Ti film and SiO TwoLarge density difference between membranes
Therefore, the sum of the thicknesses of the Ti film and the TiN film becomes a clear peak.
You. As shown in FIG. 11B, the middle corner of 2 to 4 °
In the temperature range, a pin corresponding to a Ti film is located at a position of 20.6 nm.
Is clearly seen, and SiO at 99.7 nmTwofilm
Was clearly seen. Equivalent to TiN film
No peak appears. As shown in FIG.
In the relatively high angle range of 4 to 6 °, the order of 99.8 nm
SiOTwoOnly the peak corresponding to the film is clearly seen
Was.
【0059】これらの結果から、TiN膜の膜厚は11
4.6nm、Ti膜の膜厚は20.6nm、SiO2膜
の膜厚は99.8nmの解析結果が得られた。これらの
値は、膜厚、膜密度、凹凸等の全てのパラメータを仮定
して試行錯誤的にフィッティングを行った結果得られた
正確な膜厚(TiN膜の膜厚が115.1nm、Ti膜
の膜厚が20.4nm、SiO2膜の膜厚が99.9n
m)に比べても±1%以内で一致した。From these results, the thickness of the TiN film was 11
The analysis result was 4.6 nm, the thickness of the Ti film was 20.6 nm, and the thickness of the SiO 2 film was 99.8 nm. These values are the exact film thicknesses obtained by performing fitting by trial and error assuming all parameters such as film thickness, film density, irregularities, etc. (TiN film thickness is 115.1 nm, Ti film is Has a thickness of 20.4 nm and a SiO 2 film has a thickness of 99.9 n.
Compared with m), the agreement was within ± 1%.
【0060】なお、比較のため、領域分けすることなく
全角度領域についてフィッティングした。その結果、図
13に示すような振動成分曲線Δ(x)が得られた。こ
の振動成分曲線Δ(x)をフーリエ変換した結果、Ti
N膜の膜厚は117.1nm、Ti膜の膜厚は20.4
nm、SiO2膜の膜厚は100.3nmとなり、正確
な膜厚とは有意なずれが見られた。For comparison, fitting was performed for all angle regions without dividing the regions. As a result, a vibration component curve Δ (x) as shown in FIG. 13 was obtained. As a result of Fourier transform of this vibration component curve Δ (x), Ti
The thickness of the N film is 117.1 nm, and the thickness of the Ti film is 20.4.
nm, the film thickness of the SiO 2 film was 100.3 nm, which was significantly different from the accurate film thickness.
【0061】このように、二層以上の多層膜の場合に
は、多層膜の構造(積層の順番)と各膜の材料と厚さが
決まれば、どの層の干渉振動がどの入射角度領域に反映
されるか決定できる。そこで、測定される多層膜の膜厚
の目標値が分かれば、多層膜の構造と材料から、どの膜
に対してどの角度領域を解析すればよいか予測すること
ができる。As described above, in the case of a multilayer film having two or more layers, if the structure of the multilayer film (the order of lamination) and the material and thickness of each film are determined, the interference vibration of which layer is applied to which incident angle region. You can decide whether it will be reflected. Therefore, if the target value of the measured film thickness of the multilayer film is known, it is possible to predict which angle region should be analyzed for which film from the structure and material of the multilayer film.
【0062】また、入射角度を領域分けをすることによ
り、X線反射率の解析においては雑音となる余分な振動
成分の混入が減ることから、フ―リエ変換後のフーリエ
強度曲線におけるピ―クも明瞭になり、膜厚の同定も容
易である。また、通常、多層膜の各製膜工程では、当然
のことながら、多層膜の構造、各膜の材料、膜厚が目標
値として設定されている。したがって、多層膜に最適な
角度領域をデータベースとして保有し、実際に測定値を
解析して膜厚を算出する前に、保有したデータを利用す
ることにより、いっそう迅速で正確な膜厚の算出が可能
である。また、X線反射率の測定に際しても、目的に応
じた入射角の角度領域と膜厚に合わせた角度精度をデ−
ターべ―スとして保有することにより、いっそう効率的
で迅速な測定が可能となる。Further, by dividing the incident angle into regions, in the analysis of the X-ray reflectivity, the mixing of extra vibration components, which become noise, is reduced. Therefore, the peak in the Fourier intensity curve after the Fourier transform is obtained. And the film thickness can be easily identified. Usually, in each film forming process of the multilayer film, naturally, the structure of the multilayer film, the material of each film, and the film thickness are set as target values. Therefore, by storing the optimal angle region for the multilayer film as a database and using the stored data before actually analyzing the measured values and calculating the film thickness, it is possible to calculate the film thickness more quickly and accurately. It is possible. In measuring the X-ray reflectivity, the angle range of the incident angle and the angular accuracy in accordance with the film thickness according to the purpose are also obtained.
By holding as a database, more efficient and quick measurement is possible.
【0063】従来の金属薄膜の膜厚計測法として、蛍光
X線強度から標準試料を用いて算出する方法があるが、
Tiという共通の元素を含む多層膜(TiN/Ti/S
iO 2/Si)の測定は不可能であった。これに対し、
本実施形態によれば、各膜の材料として共通の元素を含
む多層膜に対しても、正確な膜厚測定が可能である。こ
れにより、多層膜を製造する連続した製膜工程を制御、
管理することが本実施形態により始めて可能となった。As a conventional method for measuring the thickness of a metal thin film, a fluorescent
There is a method of calculating from the X-ray intensity using a standard sample,
A multilayer film containing a common element called Ti (TiN / Ti / S
iO Two/ Si) was not possible. In contrast,
According to this embodiment, a common element is included as a material of each film.
Accurate film thickness measurement is also possible for a multilayer film. This
This controls the continuous film forming process for manufacturing multilayer films,
The present embodiment enables management for the first time.
【0064】TiN/Tiの積層構造は、シリサイド電
極や、Al配線の保謹膜として使われている。シリサイ
ド電極は、電極開口部でSiと熱反応させ、チタンシリ
サイドの低抵抗電極を作製するためものであ。その電極
抵抗に最も大きく影響するのはTi膜の膜厚である。T
i膜の膜厚が厚すぎると電極パターンが広がり、Ti膜
の膜厚が薄すぎると電極抵抗が増大する。The stacked structure of TiN / Ti is used as a silicide electrode or a protective film for Al wiring. The silicide electrode is for thermally reacting with Si at an electrode opening to produce a titanium silicide low-resistance electrode. The largest influence on the electrode resistance is the thickness of the Ti film. T
If the film thickness of the i film is too thick, the electrode pattern spreads, and if the film thickness of the Ti film is too thin, the electrode resistance increases.
【0065】Al配線の保護膜では、Ti膜の膜厚が配
線の信頼性と電気抵抗に影響する。そこで、Ti膜をス
パッタリングにより製膜する場合には、それらの電気的
特性と電子顕微鏡によるTi膜の観察結果とを比較し
て、膜厚の誤差を数オングストローム程度以内に抑える
必要がある。従来は、製膜工程を直接管理するための膜
厚計測技術がなく、半導体素子製造後の特性不良等の結
果から、その原因をさかのぼって解析しているのが現状
であった。本実施形態によれば、このような多層膜構造
の膜厚を、簡便に正確に測定できる。したがって、一連
の製膜工程の初期に、検査用試料を使って製膜し、成膜
された多層膜構造の膜厚を測定することにより、その測
定結果を製膜条件に反映することができ、製膜工程の管
理技術が格段に向上する。In the protective film for the Al wiring, the thickness of the Ti film affects the reliability and electric resistance of the wiring. Therefore, when a Ti film is formed by sputtering, it is necessary to suppress the error of the film thickness to within several angstroms by comparing the electric characteristics of the film with the observation result of the Ti film by an electron microscope. Conventionally, there is no film thickness measurement technology for directly managing the film forming process, and at present, the cause is analyzed retroactively based on the result of characteristic failure or the like after manufacturing a semiconductor element. According to the present embodiment, the film thickness of such a multilayer structure can be easily and accurately measured. Therefore, at the beginning of a series of film-forming processes, a film is formed using an inspection sample, and the film thickness of the formed multilayer structure is measured, so that the measurement result can be reflected in the film-forming conditions. In addition, the management technology of the film forming process is remarkably improved.
【0066】したがって、本実施形態による膜厚測定方
法を用いれば、所望の抵抗値のシリサイド電極やAl配
線を効率よく形成することができる。窒化チタン膜:TiN(密度)
本実施形態による窒化チタン膜の膜密度の測定について
説明する。窒化チタン膜の膜厚測定については前述した
が、保護膜として用いられる窒化チタン膜は、膜の緻密
さが膜質の重要なポイントである。例えば、多層配線の
保護膜として窒化チタン膜を用いた場合、多層配線間の
接続用穴をタングステンのCVD成長により埋め込む際
に使用されるWF6が保護膜である窒化チタン膜を突き
抜けて、チタン膜とアルミニウム膜間のはがれを引き起
こすおそれがある。膜の緻密さを表す指標としては膜密
度が最も適切であるが、配線の保謹膜として使われる数
10nm程度の薄膜の密度計測は、これまで不可能であ
った。Therefore, by using the film thickness measuring method according to the present embodiment, it is possible to efficiently form a silicide electrode or an Al wiring having a desired resistance value. Titanium nitride film: TiN (density) The measurement of the film density of the titanium nitride film according to the present embodiment will be described. Although the measurement of the thickness of the titanium nitride film has been described above, the denseness of the titanium nitride film used as the protective film is an important point of the film quality. For example, when a titanium nitride film is used as a protective film for a multilayer wiring, WF 6 used when filling the connection hole between the multilayer wirings by CVD growth of tungsten penetrates the titanium nitride film as a protective film, and the titanium Peeling may occur between the film and the aluminum film. Although the film density is the most appropriate as an index indicating the denseness of the film, it has not been possible to measure the density of a thin film of about several tens nm used as a protective film for wiring.
【0067】本実施形態の膜厚測定方法により計測した
正確な膜厚を初期値として、膜厚、膜密度、表面凹凸を
パラメータとしたフィッティング法により膜厚、膜密
度、表面凹凸を算出できる。フィッティング法により正
確で迅速な解析を行うためには、適切な初期値を選択す
ることが不可欠である。従来は、設計値を初期値として
入力していたが、本実施形態では、測定した正確な膜厚
を初期値として用いることができるので、正確でかつ短
時間の処理が可能となった。さらに、従来のフィッティ
ング技術では減衰の激しい反射率曲線で行われていたた
め、フィッティング結果の良否を把握しにくいという問
題があった。しかし、本実施形態によれば、最初に算出
した振動成分のみでフィッティングが可能であるので、
フィッティング結果の良否を明瞭に把握することができ
る。Using the accurate film thickness measured by the film thickness measuring method of this embodiment as an initial value, the film thickness, the film density, and the surface unevenness can be calculated by a fitting method using the film thickness, the film density, and the surface unevenness as parameters. In order to perform accurate and rapid analysis by the fitting method, it is essential to select an appropriate initial value. Conventionally, a design value was input as an initial value. However, in the present embodiment, an accurate measured film thickness can be used as an initial value, so that accurate and short-time processing can be performed. Furthermore, in the conventional fitting technique, since the reflection curve is sharply attenuated, there is a problem that it is difficult to grasp the quality of the fitting result. However, according to the present embodiment, since fitting can be performed only with the vibration component calculated first,
The quality of the fitting result can be clearly understood.
【0068】なお、一般的なフィッティング法について
は、例えば、下記の論文に記載されている。
(1)L.G.Paratt, Phys.Rev.,
95,359(1954)
(2)L.Nevot and P.Croce, R
ev.Phys.App1., 15,761(198
0)
(3)B.Vida1 and P.Vincent,
App1.0ptics, 23,1794(198
4)
(4)S.K.Sinha, E.B.Shirota
and S.Garoff, Phys.Rev.
B, 38,2297(1988)
(5)H.Chen and M.Hea1d, J.
App1.Phys.,66(4),15,1793
(1989)
したがって、本実施形態によれば、膜厚だけでなく膜密
度も特性に大きな影響を与える窒化チタン膜に対して、
膜厚と膜密度による製膜工程の管理が初めて実用レベル
で可能となった。SiOF膜
本実施形態をSiOF膜の製膜制御に利用した具体例に
ついて説明する。A general fitting method is described in the following paper, for example. (1) L. G. FIG. Paratt, Phys. Rev .. ,
95, 359 (1954) (2) L.P. Nevot and P.S. Crosse, R
ev. Phys. App1. , 15, 761 (198
0) (3) B. Vida1 and P.M. Vincent,
App 1.0 ptics, 23, 1794 (198
4) (4) S.P. K. Sinha, E .; B. Shirota
and S.M. Garoff, Phys. Rev ..
B, 38, 2297 (1988). Chen and M.S. Heald, J.M.
App1. Phys. , 66 (4), 15,1793
(1989) Therefore, according to the present embodiment, not only the film thickness but also the film density greatly affects the characteristics of the titanium nitride film.
For the first time, it is possible to control the film forming process at the practical level by the film thickness and the film density. SiOF Film A specific example in which the present embodiment is used for controlling the film formation of a SiOF film will be described.
【0069】寄生容量による配線遅延を防止する目的で
開発された低誘電体SiOF膜は、SiO2膜の製膜時
にふっ素(F)を更に添加して製膜する。一般に、Si
OF膜は、ふっ素の添加により吸湿性が増大し、信頼性
に欠けるという問題があった。しかしながら、製膜時に
充分な酸素を供給し、緻密な膜にすることでふっ素を添
加しても吸湿性が増大しない安定した膜が得られる。The low dielectric SiOF film developed for the purpose of preventing the wiring delay due to the parasitic capacitance is formed by further adding fluorine (F) when forming the SiO 2 film. Generally, Si
The OF film has a problem that the hygroscopicity is increased by the addition of fluorine and the reliability is lacking. However, by supplying sufficient oxygen at the time of film formation and forming a dense film, a stable film whose hygroscopicity does not increase even when fluorine is added can be obtained.
【0070】例えば、SiH4/N2O/SiF4混合ガ
スを用いたCVD法によりSiOF膜を成長する場合、
ガスの流量比が膜密度を最も大きく支配している。ま
た、現状では、製膜条件が微妙であり充分な制御を行う
ことが困難である。そこで、本実施形態の測定技術を用
いて膜密度を正確に測定し、この測定結果を製膜条件に
フィードバックするようにすれば、SiOF膜の膜質制
御を精度よく管理することができる。For example, when growing a SiOF film by a CVD method using a mixed gas of SiH 4 / N 2 O / SiF 4 ,
The gas flow ratio governs the film density most. Further, at present, film forming conditions are delicate and it is difficult to perform sufficient control. Therefore, if the film density is accurately measured using the measurement technique of the present embodiment, and the measurement result is fed back to the film forming conditions, the film quality control of the SiOF film can be managed with high accuracy.
【0071】このように、本実施形態によれば、平均反
射率曲線Raveを求める際に、試料表面に凹凸がない場
合の反射率の減衰を表す入射角の羃関数と、表面凹凸の
影響を表す指数関数との積よりなる項と、バックグラウ
ンドを表す定数項からなる解析式を用いてデータのフィ
ッティングを行うので、解析式には反射率の性質が盛り
込まれており、従来は任意に設定されていた自由度を正
しい形で制限することができる。As described above, according to the present embodiment, when calculating the average reflectance curve R ave , the power function of the incident angle representing the attenuation of the reflectance when there is no unevenness on the sample surface, and the influence of the surface unevenness. The data is fitted using an analytical expression consisting of a term consisting of the product of the exponential function and the constant term representing the background. The set degree of freedom can be restricted in a correct manner.
【0072】これにより、膜の構造が異なった場合でも
汎用性をもって解析式を利用することができ、且つ精度
よく測定することができる。また、測定の迅速性を向上
することができる。なお、本実施形態では、表面凹凸の
影響を表す指数関数の項として、デバイワラー型ラフネ
スを仮定したが、正確な式によりラフネスによる反射率
の減衰を表してもよい。例えば、
exp(−q・q′・σ2)
により示される式を適用することができる。ここで、q
及びq′は、それぞれ基板上及び基板中の運動量転移ベ
クトルで、
q=(4π/λ)・√(n2−cos2θ)
で表され、nは複素屈折率である。Thus, even when the structure of the film is different, the analytical formula can be used with versatility and the measurement can be performed with high accuracy. In addition, the speed of measurement can be improved. In the present embodiment, the Debye-Waller type roughness is assumed as the term of the exponential function representing the influence of the surface unevenness, but an accurate expression may represent the attenuation of the reflectance due to the roughness. For example, an expression represented by exp (−q · q ′ · σ 2 ) can be applied. Where q
And q ′ are momentum transfer vectors on and in the substrate, respectively, and are expressed as q = (4π / λ) √ (n 2 −cos 2 θ), and n is a complex refractive index.
【0073】また、本実施形態では、曲線Rを解析式に
フィッティングする際に最小二乗法により行ったが、他
のフィッティング方法を用いてもよい。例えば、シンプ
レックス法、マルカート法、マキシマムエントロピー法
を適用することができる。また、本実施形態では、バッ
クグラウンド定数B0を含めた解析式を提示したが、バ
ックグラウンド成分が小さい場合には、バックグラウン
ド定数B0を含まない解析式によりフィッティングを行
ってもよい。Further, in the present embodiment, the curve R is fitted to the analytical expression by the least squares method, but another fitting method may be used. For example, a simplex method, a Marquardt method, or a maximum entropy method can be applied. Further, in the present embodiment, an analytical expression including the background constant B 0 is presented. However, when the background component is small, fitting may be performed using an analytical expression not including the background constant B 0 .
【0074】[0074]
【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、膜からの
X線反射率を計測し、X線反射率から干渉振動を抽出
し、干渉振動をフーリエ変換することにより膜の膜厚を
算出する膜厚測定方法において、膜の表面に凹凸がない
場合の反射率の減衰を表す入射角の羃関数と、膜の表面
凹凸の影響を表す指数関数との積よりなる項に、バック
グラウンドを表す定数項を加えた解析式に、X線反射率
をフィッティングさせることにより平均反射率を求め、
X線反射率と平均反射率とを用いて干渉振動を抽出する
ので、解析式には反射率の性質が盛り込まれており、従
来は任意に設定されていた自由度を正しい形で制限する
ことができる。これにより、膜の構造が異なった場合で
も汎用性をもって解析式を利用することができ、且つ精
度よく測定することができる。また、測定の迅速性を向
上することができる。As described above, according to the present invention, the film thickness of the film is measured by measuring the X-ray reflectance from the film, extracting interference vibrations from the X-ray reflectance, and performing Fourier transform of the interference vibrations. In the film thickness measurement method to be calculated, the term consisting of the product of the power function of the incident angle representing the attenuation of the reflectance when the film surface has no irregularities and the exponential function representing the influence of the film surface irregularities is used as the background. The average reflectance is obtained by fitting the X-ray reflectance to an analytical expression to which a constant term representing
Since the interference vibration is extracted using the X-ray reflectivity and the average reflectivity, the analytical formula incorporates the property of the reflectivity, and the degree of freedom that was conventionally set arbitrarily must be limited in a correct form. Can be. Accordingly, even when the structures of the films are different, the analytical formula can be used with versatility and the measurement can be performed with high accuracy. In addition, the speed of measurement can be improved.
【0075】また、本発明によれば、膜厚、膜密度、表
面凹凸等の膜の物性値を簡便にしかも正確に計測できる
ので、これらの計測値を,製膜後直ちに利用することが
できる。したがって、従来は不可能であった膜の製膜工
程の管理を高精度で行うことができる。その管理や制御
には、次のような方法が可能である。例えば、同―条件
で製膜する一連の工程の初期に、条件検査用の試料を作
成し、検査して、製膜条件の確認や再調整を行う。ま
た、これら膜の物性値と製膜条件との関係を予め検量線
として作成しておき、計測結果を検量線に照らし合わせ
ることにより,製膜条件に迅速に適合させることができ
る。また、同様に、抜き取り検査を通した製膜工程の検
査にも非常に有効である。このように、大規模半導体装
置における酸化膜、電極用金属膜、配線用金属膜、誘電
体膜等の各種薄膜や、磁気ヘッドにおける金属薄膜等の
技術分野において、従来は不可能であった膜厚、膜密
度、表面凹凸の制御が可能であり、これらの制御を通じ
て製品の品質の管理が可能である。したがって、生産効
率や歩留りの向上に大きく寄与する。Further, according to the present invention, physical properties of the film such as film thickness, film density, surface irregularities, etc. can be measured simply and accurately, and these measured values can be used immediately after film formation. . Therefore, it is possible to control the film formation process of the film, which has been impossible in the past, with high accuracy. The following methods can be used for the management and control. For example, at the beginning of a series of processes for forming a film under the same conditions, a sample for condition inspection is prepared and inspected to confirm and readjust the film forming conditions. In addition, the relationship between the physical property values of these films and the film forming conditions is created in advance as a calibration curve, and the measurement results are compared with the calibration curve to quickly adapt to the film forming conditions. Similarly, it is also very effective in the inspection of the film forming process through the sampling inspection. Thus, various thin films such as an oxide film, a metal film for an electrode, a metal film for a wiring, and a dielectric film in a large-scale semiconductor device, and a film which has been impossible in the technical field such as a metal thin film in a magnetic head. It is possible to control the thickness, film density, and surface irregularities, and through these controls, it is possible to control the quality of the product. Therefore, it greatly contributes to improvement of production efficiency and yield.
【図1】本発明の第1実施形態による膜厚測定方法の概
略を説明する図である。FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a film thickness measuring method according to a first embodiment of the present invention.
【図2】シミュレーションにより得られた反射率曲線を
本発明の第1実施形態による膜厚測定方法により解析し
た結果を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing a result obtained by analyzing a reflectance curve obtained by simulation by a film thickness measuring method according to a first embodiment of the present invention.
【図3】シミュレーションにより得られた反射率曲線を
従来の膜厚測定方法により解析した結果を示すグラフで
ある。FIG. 3 is a graph showing a result of analyzing a reflectance curve obtained by a simulation by a conventional film thickness measuring method.
【図4】本発明の第1実施形態による膜厚測定方法によ
り多層膜(TiN/Ti/SiO2/Si)を解析した
結果を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing a result of analyzing a multilayer film (TiN / Ti / SiO 2 / Si) by the film thickness measuring method according to the first embodiment of the present invention.
【図5】図4において、角度測定領域を低角度側に限定
して解析を行った結果を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing a result of an analysis performed in FIG. 4 with an angle measurement region limited to a low angle side.
【図6】図4において、角度測定領域を高角度側に限定
して解析した結果を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing an analysis result obtained by limiting an angle measurement region to a high angle side in FIG. 4;
【図7】本発明の第1実施形態による膜厚測定方法によ
りシリコン酸化膜を解析した結果を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing a result of analyzing a silicon oxide film by the film thickness measuring method according to the first embodiment of the present invention.
【図8】本発明の第1実施形態による膜厚測定方法によ
り窒化チタン膜を解析した結果を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing a result of analyzing a titanium nitride film by the film thickness measuring method according to the first embodiment of the present invention.
【図9】本発明の第1実施形態による膜厚測定方法によ
り多層膜(TiN/Ti/SiO2/Si)を解析した
結果を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing a result of analyzing a multilayer film (TiN / Ti / SiO 2 / Si) by the film thickness measuring method according to the first embodiment of the present invention.
【図10】図9において、入射角度領域を0.6〜2゜
の範囲に限定して解析を行った結果を示すグラフであ
る。FIG. 10 is a graph showing a result of an analysis performed in FIG. 9 with an incident angle region limited to a range of 0.6 to 2 °.
【図11】図9において、入射角度領域を2〜4゜の範
囲に限定して解析を行った結果を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing the results of analysis performed in FIG. 9 with the incident angle region limited to the range of 2 to 4 °.
【図12】図9において、入射角度領域を4〜6゜の範
囲に限定して解析を行った結果を示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing a result of an analysis performed in FIG. 9 with an incident angle region limited to a range of 4 to 6 °.
【図13】図9において、入射角度領域を0〜6゜の全
範囲にして解析を行った結果を示すグラフである。FIG. 13 is a graph showing a result of an analysis performed in FIG. 9 with the incident angle range set to the whole range of 0 to 6 °.
R…X線反射率曲線 Rave…平均反射率曲線 Δ(θ)…振動成分曲線R: X-ray reflectance curve R ave : average reflectance curve Δ (θ): vibration component curve
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 21/302 H01L 21/66 P 21/66 H05K 3/00 V H05K 3/00 H01L 21/302 Z (56)参考文献 特開 平8−254509(JP,A) 特開 平6−221841(JP,A) 特開 平4−340407(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 15/00 - 15/08 G01N 23/00 - 23/227 G01R 23/16 H01L 21/203 H01L 21/205 H01L 21/302 H01L 21/66 H05K 3/00 B01J 19/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI H01L 21/302 H01L 21/66 P 21/66 H05K 3/00 V H05K 3/00 H01L 21/302 Z (56) References Special features JP-A-8-254509 (JP, A) JP-A-6-221841 (JP, A) JP-A-4-340407 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01B 15 / 00-15/08 G01N 23/00-23/227 G01R 23/16 H01L 21/203 H01L 21/205 H01L 21/302 H01L 21/66 H05K 3/00 B01J 19/00
Claims (9)
X線反射率から干渉振動を抽出し、前記干渉振動をフー
リエ変換することにより前記膜の膜厚を算出する膜厚測
定方法において、 前記膜の表面に凹凸がない場合の反射率の減衰を表す入
射角の羃関数と、前記膜の表面凹凸の影響を表す指数関
数との積よりなる項に、バックグラウンドを表す定数項
を加えた解析式に、前記計測X線反射率をフィッティン
グすることにより平均反射率を求め、 前記計測X線反射率と前記平均反射率とを用いて前記干
渉振動を抽出することを特徴とする膜厚測定方法。1. A film thickness measuring method for measuring an X-ray reflectance from a film, extracting interference vibration from the measured X-ray reflectance, and calculating a film thickness of the film by Fourier transforming the interference vibration. In the term consisting of the product of the exponential function representing the influence of the surface irregularities of the film and the exponential function representing the effect of the surface irregularities of the film, the exponential function representing the effect of the surface irregularities of the film, and a power function of the incident angle representing the attenuation of the reflectance when the surface of the film has no irregularities. Calculating an average reflectance by fitting the measured X-ray reflectivity to an analytical expression to which the interference vibration is added, and extracting the interference vibration using the measured X-ray reflectivity and the average reflectance. Film thickness measurement method.
射角の原点補正値をθ0、前記膜表面のラフネスの二乗
平均値をσ、X線の波長をλ、バックグラウンド定数を
B0として、 I0(θ−θ0)-4・exp{−(4πσ/λ・sinθ)2}+B0 により表されることを特徴とする膜厚測定方法。2. The method of measuring a film thickness according to claim 1, wherein the analytic formulas are: intensity I 0 , incident angle of X-ray θ, θ, origin correction value of the incident angle θ 0 , roughness of the film surface. Is represented by I 0 (θ−θ 0 ) −4 · exp の − (4πσ / λ · sin θ) 2 } + B 0 , where σ is the mean square value of X, λ is the X-ray wavelength, and B 0 is the background constant. A film thickness measuring method, characterized in that:
ることにより得られた前記ラフネスの二乗平均値より、
前記膜表面の凹凸を推定することを特徴とする膜厚測定
方法。3. The method of measuring a film thickness according to claim 2 , wherein a square mean value of the roughness obtained by fitting the measured X-ray reflectance to the analytical expression is
A method for measuring a film thickness, characterized by estimating unevenness of the film surface.
膜厚測定方法において、 前記干渉振動は、前記計測X線反射率を前記平均反射率
により除算することにより求めることを特徴とする膜厚
測定方法。4. The film thickness measuring method according to claim 1, wherein the interference vibration is obtained by dividing the measured X-ray reflectance by the average reflectance. Thickness measurement method.
膜厚測定方法において、 前記膜は、二層以上の多層膜であり、 前記膜の前記表面側に位置する層に対しては前記入射角
が低く、前記膜の内部側に位置する層に対しては前記入
射角が高くなるように、前記多層膜中の測定する層の位
置に基づいて前記入射角の範囲を限定して測定すること
を特徴とする膜厚測定方法。5. The method for measuring a film thickness according to claim 1, wherein the film is a multilayer film having two or more layers, and a layer located on the surface side of the film. The angle of incidence is low, and the range of the angle of incidence is limited based on the position of the layer to be measured in the multilayer film so that the angle of incidence is high for a layer located on the inner side of the film. A film thickness measuring method, characterized in that the film thickness is measured.
において、 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の膜厚測定方法に
より前記膜の膜厚を測定し、 測定された前記膜の膜厚を用いて前記膜の製膜条件を調
整することを特徴とする膜の製造方法。6. A method of manufacturing a film for forming a film on an underlying substrate, wherein the film thickness of the film is measured by the film thickness measuring method according to claim 1, wherein the film thickness is measured. A method for producing a film, comprising: adjusting a film forming condition of the film using a film thickness of the film.
において、 請求項1乃至5のいずれかに記載の膜厚測定方法により
前記膜の膜厚を測定し、 測定された前記膜の膜厚を初期値としてX線反射率を演
算し、 前記演算X線反射率と前記計測X線反射率とをフィッテ
ィングすることにより、前記膜の膜密度、表面凹凸の少
なくともひとつの物理量を求め、 前記膜の膜厚、膜密度、表面凹凸の少なくともひとつの
物理量を用いて前記膜の製膜条件を調整することを特徴
とする膜の製造方法。7. A method for manufacturing a film for forming a film on an underlying substrate, comprising: measuring the film thickness of the film by the film thickness measuring method according to claim 1; Calculate the X-ray reflectivity with the film thickness as an initial value, by fitting the calculated X-ray reflectivity and the measured X-ray reflectivity, determine the film density of the film, at least one physical quantity of surface irregularities, A method for producing a film, comprising adjusting a film-forming condition of the film using at least one physical quantity of a film thickness, a film density, and surface irregularities.
物理量を用いることにより、 酸化処理、窒化処理、酸化窒化処理、スパッタ処理、C
VD処理、電子ビーム蒸着処理、イオンビーム蒸着処
理、分子線蒸着処理、液相成長処理のいずれかの処理を
行う製造装置における、製膜温度、ガス導入量、ガス混
合比の少なくともひとつのパラメータを調整することを
特徴とする膜の製造方法。8. The method for producing a film according to claim 7, wherein at least one physical quantity of the film thickness, the film density, and the surface irregularities is used to perform an oxidation treatment, a nitridation treatment, an oxynitridation treatment, a sputtering treatment, C
In a manufacturing apparatus that performs any one of VD processing, electron beam evaporation processing, ion beam evaporation processing, molecular beam evaporation processing, and liquid phase growth processing, at least one parameter of a film forming temperature, a gas introduction amount, and a gas mixing ratio is set. A method for producing a film, comprising adjusting.
一部をエッチング除去する膜のエッチング方法におい
て、 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の膜厚測定方法に
よりエッチングされた前記膜の膜厚を測定し、 測定された前記膜の膜厚を用いて前記膜のエッチング条
件を調整することを特徴とする膜のエッチング方法。9. A method of etching a film formed by etching at least a part of a film formed on a base substrate, wherein the film is etched by the film thickness measuring method according to claim 1. Description: Measuring the thickness of the film, and adjusting the etching conditions of the film using the measured film thickness of the film.
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