JP3420801B2 - Thin film evaluation method and evaluation apparatus - Google Patents

Thin film evaluation method and evaluation apparatus

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JP3420801B2
JP3420801B2 JP23084493A JP23084493A JP3420801B2 JP 3420801 B2 JP3420801 B2 JP 3420801B2 JP 23084493 A JP23084493 A JP 23084493A JP 23084493 A JP23084493 A JP 23084493A JP 3420801 B2 JP3420801 B2 JP 3420801B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は薄膜評価方法および評価
装置、特に薄膜からの反射光の干渉により薄膜状態を評
価する方法および装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thin film evaluation method and evaluation apparatus, and more particularly to a method and apparatus for evaluating a thin film state by interference of light reflected from the thin film.

【0002】[0002]

【従来の技術】薄膜構造を有する機能性材料が広く利用
されており、例えばバイポーラトランジスタあるいはバ
イポーラICの分野では、シリコーンエピタキシャル成
長技術が利用され、その薄膜の形成状態が品質に重大な
影響を与える。ところで、この薄膜の膜厚は、巨視的に
はもちろん、微視的にも厳密には一定でなく、バラツキ
をもっている。そして、従来は巨視的なバラツキに対し
てのみ品質のバラツキに関わるものとして感心がはらわ
れ、マッピング測定などによって面内分布が測定・評価
されてきた。
2. Description of the Related Art A functional material having a thin film structure is widely used. For example, in the field of a bipolar transistor or a bipolar IC, a silicon epitaxial growth technique is used, and the formation state of the thin film has a great influence on the quality. By the way, the film thickness of the thin film is not strictly constant not only macroscopically but also microscopically, and has variations. In the past, it was admired that the variation in quality was related only to macroscopic variation, and the in-plane distribution was measured and evaluated by mapping measurement and the like.

【0003】従来、一般的な薄膜の膜厚測定方法として
は、該薄膜を破壊して断面を走査型顕微鏡で観察する方
法、あるいは電気抵抗値を測定し、膜厚を推定する方法
などがあった。これらの手法は、比較的直接に膜厚を測
定し得るものではあるが、いずれにしろ薄膜の破壊を伴
い、単に研究目的であるならばともかく、実際の製品管
理などには用いにくいものであった。一方、フーリエ変
換分光光度計を用い、薄膜の表面および裏面から反射さ
れる光の干渉光を得、インターフェログラム上で膜厚に
依存して生じるサイドバースト情報より、膜厚の評価を
行なう手法も開発されている。
Conventionally, as a general method for measuring the thickness of a thin film, there is a method of breaking the thin film and observing a cross section with a scanning microscope, or a method of measuring the electric resistance value and estimating the film thickness. It was These methods can measure the film thickness relatively directly, but in any case, they involve destruction of the thin film and are difficult to use for actual product management, whether they are for research purposes only. It was On the other hand, using a Fourier transform spectrophotometer, the interference light of the light reflected from the front and back surfaces of the thin film is obtained, and the film thickness is evaluated from the side burst information generated depending on the film thickness on the interferogram. Is also being developed.

【0004】これは、薄膜の破壊を伴わないという点で
優れたものであるが、一方で薄膜の測定精度が低く、薄
膜の膜厚測定として一般的なSR値との相関が低いとい
う問題点があった。さらに、微視的なバラツキについて
は関心を持たれることさえ少なく、前記いずれの手法に
おいても、測定対象とされていなかった。ところが、最
近になって薄膜材料の品質のさらに厳密な管理の必要か
ら、平均の膜厚に加え、その微視的なバラツキ(分布)
にも関心が持たれ、その測定方法が模索されている。
This is excellent in that it does not cause destruction of the thin film, but on the other hand, the measurement accuracy of the thin film is low and the correlation with the SR value that is generally used for measuring the film thickness of the thin film is low. was there. Furthermore, even microscopic variations are rarely concerned, and were not targeted for measurement in any of the above methods. However, due to the need for more strict control of the quality of thin film materials, in addition to the average film thickness, microscopic variations (distribution) have recently become apparent.
Are also interested in, and the measurement method is being sought.

【0005】また、前記IC等の半導体デバイスの分野
では、基板に対して熱拡散によりドープすることなどに
よりその機能を作り出しているが、これが膜構造を有す
ることからその膜厚を測定することが不可欠となってい
る。ところが、ドープによって膜構造を形成した場合、
厳密な境界面が形成されるわけではなく、ドープ種があ
る連続的な濃度勾配を持つ境界層が形成される。このよ
うな構造に対して、測定が要求される「膜厚」は、境界
層の厚さや、不純物濃度が1/1000レベルというよ
うな形で定義される境界層までの厚さなどであり、その
測定は平均膜厚の分布という捉え方と実質的に変らな
い。
In the field of semiconductor devices such as ICs, the function is created by doping the substrate by thermal diffusion, but since it has a film structure, its film thickness can be measured. Has become essential. However, when the film structure is formed by doping,
A strict boundary surface is not formed, but a boundary layer having a continuous concentration gradient with doped species is formed. For such a structure, the “film thickness” required to be measured is the thickness of the boundary layer, the thickness up to the boundary layer defined in such a manner that the impurity concentration is 1/1000 level, The measurement is substantially the same as the view of the distribution of the average film thickness.

【0006】以上のような状況から、これまで測定され
ていた膜厚に加え、その分布も測定することが要求され
るようになってきたが、従来の膜厚測定法では、平均値
が得られるのみであり、その分布を求めることは不可能
であった。また、薄膜の微小領域範囲における膜厚の局
所的バラツキがあった場合、その測定の重要性も高まっ
てきている。
Under the circumstances as described above, it has become necessary to measure not only the film thickness that has been measured until now, but also the distribution thereof. In the conventional film thickness measuring method, an average value can be obtained. However, it was impossible to obtain the distribution. Further, when there is a local variation in the film thickness in the minute area range of the thin film, the importance of the measurement is increasing.

【0007】そこで、従来よりエピタキシャルウエハー
の遷移領域の評価が行なわれている(特開平2−143
543)。すなわち、薄膜試料に光を反射・透過させる
と、膜の表面と裏面での反射光が干渉して干渉波形が観
察される。そこで、走査型インターフェログラムを得、
その一方のサイドバースト波形のピークとピークまたは
ピークとボトム間の距離を測定することにより、エピタ
キシャルウエハーの遷移領域の評価を行なうのである。
Therefore, the transition region of the epitaxial wafer has been conventionally evaluated (Japanese Patent Laid-Open No. 2-143).
543). That is, when light is reflected and transmitted through the thin film sample, the reflected light on the front surface and the back surface of the film interfere with each other, and an interference waveform is observed. Therefore, we obtained a scanning interferogram,
The transition region of the epitaxial wafer is evaluated by measuring the peak-to-peak or peak-to-bottom distance of one of the side burst waveforms.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の膜厚評価方法では必ずしも満足のいく結果が得られ
ておらず、より的確な薄膜評価方法が求められていた。
本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであ
り、その目的はエピタキシャル成長あるいは熱拡散によ
りドープされた膜厚などの適正な評価を行ない得る膜厚
評価方法および評価装置を提供することにある。
However, the above-mentioned conventional film thickness evaluation method has not always obtained satisfactory results, and a more accurate thin film evaluation method has been demanded.
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and an object thereof is to provide a film thickness evaluation method and an evaluation device capable of performing an appropriate evaluation of a film thickness doped by epitaxial growth or thermal diffusion. .

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明にかかる薄膜評価方法は、薄膜試料に光を照射
し、該薄膜の表面および裏面において反射又は透過され
る各反射又は透過光の干渉光のスペクトルのピークの
絡線における光の反射面深さの分布に起因した特性より
薄膜の膜厚を評価することを特徴とする。ここで、前記
包絡線の減衰項より膜厚の分布を求めることが好適であ
る。また、前記包絡線特性により振幅がゼロとなる波数
より、該波数の逆数に比例する薄膜厚を算出することが
好適である。
In order to achieve the above-mentioned object, a thin film evaluation method according to the present invention comprises irradiating a thin film sample with light and reflecting or transmitting light reflected or transmitted on the front and back surfaces of the thin film. The peak envelope of the interference light spectrum of
From the characteristics due to the distribution of the depth of the reflecting surface of light at the tangent line
It is characterized in that the film thickness of the thin film is evaluated. Here, it is preferable to obtain the distribution of the film thickness from the attenuation term of the envelope. Further, it is preferable to calculate the thin film thickness proportional to the reciprocal of the wave number from the wave number at which the amplitude becomes zero due to the envelope characteristic.

【0010】また、前記薄膜の分布をガウス特性として
扱うことが好適である。一方、本発明にかかる薄膜評価
装置は、光束照射手段と、検出手段と、包絡線演算手段
と、評価手段を備える。そして、前記光束照射手段は、
薄膜試料に、スペクトルを得るための光束を照射する。
It is also preferable to handle the distribution of the thin film as a Gaussian characteristic. On the other hand, the thin film evaluation apparatus according to the present invention includes a light beam irradiation means, a detection means, an envelope calculation means, and an evaluation means. And, the luminous flux irradiating means,
A thin film sample is irradiated with a light beam for obtaining a spectrum.

【0011】また、検出手段は、前記薄膜試料からの透
過又は反射光による干渉光を検出する。包絡線演算手段
は、前記検出手段から得られるスペクトル情報より、干
渉光のスペクトルのピークの包絡線特性を得る。評価手
段は、前記包絡線演算手段から出力される包絡線の光の
反射面深さの分布に起因した特性より、前記薄膜の膜厚
評価を行なう。
Further, the detecting means detects the interference light due to the transmitted or reflected light from the thin film sample. The envelope calculating means obtains the envelope characteristic of the peak of the spectrum of the interference light from the spectrum information obtained from the detecting means. The evaluation means is for the envelope light output from the envelope calculation means .
From the characteristics resulting from the distribution of the reflection surface depth, the film thickness of the thin film
Carry out the evaluation.

【0012】[0012]

【作用】本発明者らは、干渉法による膜厚評価手法につ
いて検討を進めるにあたり、干渉スペクトルの減衰に着
目した。すなわち、膜厚評価に用いられる干渉波形は短
波長にいくほど、その振幅が小さくなるのが一般的であ
る。これは、多くの物質では短波長領域で光吸収を示す
傾向にあり、光吸収が生じると、裏面での反射光が減衰
して干渉波形の振幅の減衰の原因となり得ることによ
る。事実、吸収のある膜ではその吸収によって減衰した
干渉波形が観測される。
The present inventors have paid attention to the attenuation of the interference spectrum when proceeding with the examination of the film thickness evaluation method by the interferometry method. That is, the amplitude of the interference waveform used for film thickness evaluation generally becomes smaller as the wavelength becomes shorter. This is because many substances tend to absorb light in the short wavelength region, and when light absorption occurs, the reflected light on the back surface is attenuated, which may cause attenuation of the amplitude of the interference waveform. In fact, in an absorbing film, an interference waveform attenuated by the absorption is observed.

【0013】しかし、吸収が無いと思われる膜でも短波
長になるにしたがって振幅は減衰する。そして、本発明
者らは、この減衰特性、特に波数と振幅により表現され
る干渉スペクトル波形の包絡線特性が薄膜特性を示唆す
ることを見出し、該包絡線特性より膜厚あるいは微小領
域における膜厚分布を求めることとしたのである。
However, even in a film which seems to have no absorption, the amplitude is attenuated as the wavelength becomes shorter. Then, the present inventors have found that this attenuation characteristic, particularly the envelope characteristic of the interference spectrum waveform expressed by the wave number and the amplitude suggests the thin film characteristic, and the film thickness or the film thickness in a minute region is more than the envelope characteristic. We decided to find the distribution.

【0014】[0014]

【実施例】以下、図面に基づき本発明の好適な 図1に
は本発明の一実施例にかかる薄膜評価装置の概略図が示
されている。同図に示す膜厚評価装置10は、光束照射
手段としての分光器12と、該分光手段12より出射さ
れる光束を被測定物(ウエハー)14上に導光する反射
鏡16と、被測定物14からの反射光を検出手段18に
導光する反射鏡20と、を含む。
1 is a schematic view of a thin film evaluation apparatus according to an embodiment of the present invention. A film thickness evaluation apparatus 10 shown in the figure includes a spectroscope 12 as a luminous flux irradiating means, a reflecting mirror 16 for guiding the luminous flux emitted from the spectroscopic means 12 onto a measured object (wafer) 14, and a measured object. And a reflecting mirror 20 for guiding the reflected light from the object 14 to the detecting means 18.

【0015】そして、前記分光器12は本実施例におい
てフーリエ変換型分光器よりなり、光源21、ビームス
プリッタ22、固定鏡24、移動鏡26を含む。そし
て、光源20からの光束はビームスプリッタ22により
二分割され、一方は固定鏡24により反射されてビーム
スプリッタ22に返光され、他方は移動鏡26により反
射され同じくビームスプリッタ22に返光される。そし
て、ビームスプリッタ22では両反射鏡24,26から
の反射光を合成し、干渉光束を前記反射鏡16に向けて
出射している。
The spectroscope 12 is a Fourier transform spectroscope in this embodiment, and includes a light source 21, a beam splitter 22, a fixed mirror 24, and a movable mirror 26. The light beam from the light source 20 is split into two by the beam splitter 22, one of which is reflected by the fixed mirror 24 and returned to the beam splitter 22, and the other of which is reflected by the moving mirror 26 and similarly returned to the beam splitter 22. . Then, the beam splitter 22 combines the reflected lights from the two reflecting mirrors 24 and 26 and emits the interference light beam toward the reflecting mirror 16.

【0016】検出手段18の出力するインターフェログ
ラム信号(図2)はフーリエ変換手段30によりフーリ
エ変換され、スペクトラム信号(図3)を得る。そし
て、包絡線演算手段32は、このスペクトラム上に表現
される干渉スペクトル波形の包絡線33a,33bを求
める。そして、本実施例においては、エピタキシャル成
長あるいは熱拡散によりドープさせて得られたウエハー
を被測定物とし、評価手段34は包絡線情報より薄膜評
価を行なう。該評価結果はディスプレイ36に表示さ
れ、ウエハーの製造状態の適否等が示される。
The interferogram signal (FIG. 2) output from the detecting means 18 is Fourier transformed by the Fourier transforming means 30 to obtain a spectrum signal (FIG. 3). Then, the envelope calculating means 32 obtains the envelopes 33a and 33b of the interference spectrum waveform expressed on this spectrum. Then, in the present embodiment, a wafer obtained by doping by epitaxial growth or thermal diffusion is used as an object to be measured, and the evaluation means 34 performs thin film evaluation from envelope information. The evaluation result is displayed on the display 36, and the suitability of the wafer manufacturing state is shown.

【0017】次に、本発明にかかる膜厚評価装置を用
い、エピタキシャル成長あるいは熱拡散によりドープさ
せたウエハーの膜厚分布測定を行なう例について、さら
に詳細に説明する。膜厚分布 まず、前記図1に示した装置による膜厚分布の評価につ
いて説明する。また、図4に示すように特定基板50上
に膜成分52がエピタキシャル成長により形成され、比
較的明確な境界面54を示して存在する場合にも、微視
的に見れば境界面の凹凸が存在し、この凹凸による反射
面深さのバラツキが生じる。
Next, an example of measuring the film thickness distribution of a wafer doped by epitaxial growth or thermal diffusion using the film thickness evaluation apparatus according to the present invention will be described in more detail. Film Thickness Distribution First, the evaluation of the film thickness distribution by the apparatus shown in FIG. 1 will be described. Further, as shown in FIG. 4, even when the film component 52 is formed on the specific substrate 50 by epitaxial growth and a relatively clear boundary surface 54 is present and exists, microscopically, the unevenness of the boundary surface exists. However, the unevenness causes variations in the depth of the reflecting surface.

【0018】したがって、前記図4の場合にも、境界面
の凹凸を膜厚分布として把握する必要がある。この場合
に、本発明者らは前記包絡線がこの膜厚分布に極めて密
接に関係していることを見出した。すなわち、膜厚分布
の評価においては前記評価手段24は、以下のような演
算を行なう。簡略化のため図6に示すように、光束を垂
直に入射させた場合を考える。
Therefore, also in the case of FIG. 4, it is necessary to grasp the unevenness of the boundary surface as the film thickness distribution. In this case, the inventors have found that the envelope is very closely related to this film thickness distribution. That is, in evaluating the film thickness distribution, the evaluation means 24 performs the following calculation. For simplification, consider a case where a light beam is incident vertically as shown in FIG.

【0019】薄膜表面の反射光A1と、薄膜裏面での反
射光A2は屈折率nの膜52の膜厚分の光路差2ndの
ため、位相差4πnd/λを持つ。nd=Dとすると、
The reflected light A 1 on the front surface of the thin film and the reflected light A 2 on the back surface of the thin film have a phase difference of 4πnd / λ because of the optical path difference 2nd corresponding to the film thickness of the film 52 having a refractive index n. If nd = D,

【数1】A1=a1expiωt A2=a2expi(ωt+4πD/λ) 干渉光の強度I(λ,D)は、## EQU1 ## A 1 = a 1 expiωt A 2 = a 2 expi (ωt + 4πD / λ) The intensity I (λ, D) of the interference light is

【数2】I(λ,D)=(A1+A2)・(A1+A2* =a1 2+a2 2+2a12cos4πD/λ 一方、DがΡ(D)Dの分布を有するとすると、## EQU2 ## I (λ, D) = (A 1 + A 2 ) ・ (A 1 + A 2 ) * = a 1 2 + a 2 2 + 2a 1 a 2 cos 4πD / λ Meanwhile, D is Ρ (D) d D Given a distribution,

【数3】 なお、前記Ρ(D)は数4に示すガウス分布とする。[Equation 3] It should be noted that the above-mentioned Ρ (D) has a Gaussian distribution shown in Equation 4.

【0020】[0020]

【数4】 この場合、実際に観測される干渉光強度は、[Equation 4] In this case, the actually observed interference light intensity is

【数5】 で表される。膜厚にバラツキが無い場合、すなわちσp
=0とすると、前記干渉光強度は、
[Equation 5] It is represented by. When there is no variation in film thickness, that is, σ p
= 0, the interference light intensity is

【数6】 となり、減衰項は、[Equation 6] And the damping term is

【数7】q(λ)=exp−8π2(σD/λ)2 となる。Equation 7] becomes q (λ) = exp-8π 2 (σ D / λ) 2.

【0021】次に、実測干渉波形から膜厚分布を求める
場合には、前記減衰項は前記図3に示すように干渉波形
の包絡線33a,33bとして得ることができる。この
減衰項の値を適当な波長λi,i=1〜nで得て、これ
がq(λi)であるとする。この場合、λi,q(λi
は、
Next, when the film thickness distribution is obtained from the actually measured interference waveform, the attenuation term can be obtained as envelopes 33a and 33b of the interference waveform as shown in FIG. It is assumed that the value of this attenuation term is obtained at an appropriate wavelength λ i , i = 1 to n, and this is q (λ i ). In this case, λ i , q (λ i )
Is

【数8】q(λi)=exp−8π2(σD 2/λi2 を満たすため、Since q (λ i ) = exp−8π 2D 2 / λ i ) 2 is satisfied,

【数9】lnq(λi)=−8π2σD 2(1/λi2 となり、測定値(λi,q(λi))を、横軸(1/
λi2、縦軸lnq(λi)としてプロットすると、図7
に示すように負の傾きを持った直線上に並ぶことにな
る。
Lnq (λ i ) =-8π 2 σ D 2 (1 / λ i ) 2 and the measured values (λ i , q (λ i )) are plotted along the horizontal axis (1 /
When plotted as λ i ) 2 and the vertical axis lnq (λ i ), FIG.
As shown in, they will be arranged on a straight line with a negative slope.

【0022】この傾きをGとすると、If this inclination is G,

【数10】G=−8π2σD 2 となり、標準偏差σDは、## EQU10 ## G = -8π 2 σ D 2 , and the standard deviation σ D is

【数11】σD={−G/8π21/2 となる。## EQU11 ## σ D = {-G / 8π 2 ) 1/2 .

【0023】このσDは、光路差D=ndの標準偏差で
あり、膜厚dの標準偏差σdとするには、σDを屈折率n
で除算する必要がある。
This σ D is the standard deviation of the optical path difference D = nd. To obtain the standard deviation σ d of the film thickness d, σ D is defined as the refractive index n.
It is necessary to divide by.

【数12】σd=σD/n 以上のようにして本実施例によれば、干渉光スペクトル
の包絡線より膜厚分布を求めることができる。
According to the present embodiment in the Equation 12] σ d = σ D / n above, it is possible to determine the film thickness distribution from the envelope of the interference light spectrum.

【0024】なお、干渉波形には、干渉による強度変化
の他、試料の吸収、反射率の波長依存性にともなう変化
が重なる。これらは試料個々に依存するため、一般的に
扱うことは困難で、q(λi)を見積もる際、これが除
外されることが必要となる場合がある。このため、ある
波長λiにおいて上下の包絡線から、q(λi)と−q
(λi)を見積もり、その差をとって
In addition to the intensity change due to the interference, the interference waveform is overlapped with the change due to the absorption of the sample and the wavelength dependence of the reflectance. Since these depend on each sample, it is difficult to handle them in general, and it may be necessary to exclude them when estimating q (λ i ). Therefore, q (λ i ) and −q from the upper and lower envelopes at a certain wavelength λ i .
Estimate (λ i ) and take the difference

【数13】q(λi)−[−q(λi)]=2q(λi) として求めることがもっとも容易である。[Equation 13] It is easiest to obtain as q (λ i ) − [− q (λ i )] = 2q (λ i ).

【0025】また、{(1/λi2,lnq(λi)}のプ
ロットの傾きを求める場合には、最小二乗法による直線
の適用を行なうのが一般的である。この場合、誤差[ln
q(λi)−{k1(1/λi2+k2]の平方和が最小
となるように定式化される。しかし、実際にはq
(λi)が小さくなるほど、相対的な信頼性が低下する
と考えられ、包絡線として直線の適用は妥当でない場合
もある。
Further, when the slope of the plot of {(1 / λ i ) 2 , lnq (λ i )} is obtained, it is general to apply a straight line by the method of least squares. In this case, the error [ln
It is formulated so that the sum of squares of q (λ i ) − {k 1 (1 / λ i ) 2 + k 2 ] is minimized. However, in reality q
It is considered that the smaller (λ i ) is, the lower the relative reliability is, and the application of the straight line as the envelope may not be appropriate.

【0026】このようなときには、非線形の包絡線的用
も考えられる。すなわち、σD 2=Sとおくと、
In such a case, a non-linear envelope type application can be considered. That is, if σ D 2 = S,

【数14】q(λi)=exp−8π2/λi 2・S Sはその初期値S0と変化量ΔSで改善されるとする
と、
[Mathematical formula-see original document] If q (λ i ) = exp−8π 2 / λ i 2 · S S is improved by its initial value S 0 and the variation ΔS,

【数15】f(s)=exp−8π2/λi 2・SF (s) = exp-8π 2 / λ i 2 · S

【数16】 f(S0+ΔS)=f(S0)+(df/dS)0・ΔS+Φ ={1−(8π2/λi 2)・ΔS)exp−8π2/λi 2・S0 そして、残差平方和Rは、F (S 0 + ΔS) = f (S 0 ) + (df / dS) 0 · ΔS + Φ = {1- (8π 2 / λ i 2 ) · ΔS) exp-8π 2 / λ i 2 · S 0 and the residual sum of squares R is

【数17】 またdR/dΔS=0より、[Equation 17] From dR / dΔS = 0,

【数18】 が得られる。[Equation 18] Is obtained.

【0027】そして、図8に示す計算フローチャートに
基づき、ΔSが略ゼロとなるまで演算を行なうことによ
り、非線形の包絡線減衰特性を得ることができる。次
に、本実施例にかかる膜厚分布評価手法を実際に用いた
例について説明する。図9に示すように、薄膜試料につ
いて透過スペクトルを測定すると、図10に示すような
スペクトルが得られる。同図において1000〜250
0nmの領域に見られる波形が干渉波形であり、短波長に
なるほどその振幅が小さくなる。
Then, based on the calculation flow chart shown in FIG. 8, the nonlinear envelope attenuation characteristic can be obtained by performing the calculation until ΔS becomes substantially zero. Next, an example in which the film thickness distribution evaluation method according to the present embodiment is actually used will be described. As shown in FIG. 9, when the transmission spectrum of the thin film sample is measured, a spectrum as shown in FIG. 10 is obtained. In the figure, 1000 to 250
The waveform seen in the region of 0 nm is the interference waveform, and the amplitude becomes smaller as the wavelength becomes shorter.

【0028】この干渉波形は、図9に示す直接透過した
透過光A1’と、表面および裏面で各1回反射した透過
光A2’が干渉した光の強度分布を表している。ここ
で、膜厚D=ndが前記ガウス分布を有しているとする
と、この強度は前記数5に示され、さらに減衰項は前記
数7に示される通りである。各波長での減衰項q(λ)
を見積もるために、まず干渉波長のピークおよび谷の位
置の波長とその強度を求めた(図11参照)。なお、波
長は谷の位置を用いることとする(λi:i=1〜
n)。
This interference waveform represents the intensity distribution of the light which the directly transmitted transmitted light A 1 ′ shown in FIG. 9 interferes with the transmitted light A 2 ′ which has been reflected once on the front surface and once on the rear surface. Here, assuming that the film thickness D = nd has the Gaussian distribution, this intensity is shown in the above equation 5, and the attenuation term is as shown in the above equation 7. Attenuation term q (λ) at each wavelength
In order to estimate, the wavelength and intensity of peak and valley positions of the interference wavelength were first obtained (see FIG. 11). Note that the wavelength uses the position of the valley (λ i : i = 1 to 1
n).

【0029】この波長における下側の包絡線の値は、I
(λi)となる。これに対して、上側の包絡線の値Xを
直接求めることはできないので、図11に示すように、
その波長の両隣のピークの値から比例配分で求める。各
値が図11の通りとすると、
The value of the lower envelope at this wavelength is I
i ). On the other hand, since it is not possible to directly obtain the value X of the upper envelope, as shown in FIG.
It is obtained by proportional distribution from the peak values on both sides of the wavelength. If each value is as shown in Fig. 11,

【数19】 したがって、波長λiにおける減衰項q(λi)は、[Formula 19] Therefore, the attenuation term q (λ i ) at the wavelength λ i is

【数20】2q(λi)=X−I(λi) と求められる。[Equation 20] 2q (λ i ) = X−I (λ i ).

【0030】ここからln(2q(λi)),(1000
/λi2を演算し、包絡線を得ると、図12のようにな
り、その傾きは−2.7291となる。 −8π2σD 2=−2.7291 よって、σD=0.186(μm) σD=0.186/n(μm) と求められる。以上のように、本実施例にかかる膜厚分
布評価方法によれば、微小領域における膜厚のバラツキ
をたとえば標準偏差として求めることが可能となる。
From here, ln (2q (λ i )), (1000
When / λ i ) 2 is calculated and the envelope is obtained, the result is as shown in FIG. 12, and the inclination thereof is -2.7291. −8π 2 σ D 2 = −2.7291 Therefore, σ D = 0.186 (μm) σ D = 0.186 / n (μm). As described above, according to the film thickness distribution evaluation method according to the present embodiment, it is possible to obtain the variation in the film thickness in a minute region as, for example, the standard deviation.

【0031】膜厚測定 本実施例において測定対象とした拡散ウエハー14は、
図5に示すようにシリコーン単結晶基板よりなるI層
(非拡散層)50と、熱拡散により形成した拡散層52
からなる。そして、拡散工程の性格上、拡散層52と非
拡散層50の界面は、拡散不純物の濃度プロファイルを
反映し、深さ方向に広がりを持ったものとなる。この拡
散ウエハーに光を照射した場合、前述したようにある不
純物濃度(5×1017atom/cm3程度)の深さを光学的な
界面として、多重反射を起こす。したがって、この光学
的な境界面までの深さを測定することにより、膜厚の評
価が可能である。
Film Thickness Measurement The diffusion wafer 14 to be measured in this example is
As shown in FIG. 5, an I layer (non-diffusion layer) 50 made of a silicon single crystal substrate and a diffusion layer 52 formed by thermal diffusion
Consists of. Then, due to the nature of the diffusion process, the interface between the diffusion layer 52 and the non-diffusion layer 50 reflects the concentration profile of the diffusion impurities and has a spread in the depth direction. When this diffused wafer is irradiated with light, multiple reflection occurs with a certain impurity concentration (about 5 × 10 17 atom / cm 3 ) as an optical interface as described above. Therefore, the film thickness can be evaluated by measuring the depth to this optical boundary surface.

【0032】しかしながら、この光学的界面54は、S
R法により定義された拡散層厚Xiより深い位置にある
ので、干渉法による拡散層厚Xi’は厚いものとなって
しまう。図13にはSR法により定義された拡散層厚X
iと干渉法により測定された拡散層厚Xi’の関係を示
す。
However, this optical interface 54 is
Since it is located deeper than the diffusion layer thickness X i defined by the R method, the diffusion layer thickness X i ′ by the interferometry becomes thick. FIG. 13 shows the diffusion layer thickness X defined by the SR method.
i and shows the relationship of the measured diffusion layer thickness X i 'by interferometry.

【0033】同図より、干渉法による拡散層厚Xi’は
SR法により定義された拡散層厚Xiより厚く測定され
てしまうばかりでなく、両者の相関性にも問題がある。
ここで、前記ウエハーの全厚X0は不明である。そこで
本発明者らは前記包絡線に着目し、前記図3における包
絡線33a,33bの交点における波数値の逆数と、S
R法による層厚Xiとの相関が極めて高いことを見出し
た(図14参照)。
From the figure, the diffusion layer thickness X i 'by the interferometry is not only measured thicker than the diffusion layer thickness X i defined by the SR method, but there is a problem in the correlation between the two.
Here, the total thickness X 0 of the wafer is unknown. Therefore, the inventors of the present invention focused on the envelope, and calculated the reciprocal of the wave number at the intersection of the envelopes 33a and 33b in FIG.
It was found that the correlation with the layer thickness X i by the R method is extremely high (see FIG. 14).

【0034】一方、本発明者らは前記拡散ウエハーの不
純物濃度分布が、一般にガウス分布を示すことを見出し
た。そして、図5に示すように、 ウエハーの最大不純物濃度:N0=1020atoms/cm3 干渉法による光学的界面54における不純物濃度:N1
=5×1017atoms/cm3 拡散層における不純物濃度:N2=1014atoms/cm3 であるから、ガウス曲線のP1点がX=0,N0=1020
atoms/cm3としてまず特定され、さらに前記図14に示
す関係式より包絡線交点の波長σからXjを求めること
で、P2点が特定される。この結果、ガウス曲線Lが特
定され、さらに光学的界面54のX座標位置Xj’が算
出され得る。
On the other hand, the present inventors have found that the impurity concentration distribution of the diffusion wafer generally exhibits a Gaussian distribution. Then, as shown in FIG. 5, the maximum impurity concentration of the wafer: N 0 = 10 20 atoms / cm 3 The impurity concentration at the optical interface 54 by the interferometry: N 1
= 5 × 10 17 atoms / cm 3 Since the impurity concentration in the diffusion layer is N 2 = 10 14 atoms / cm 3 , the P 1 point of the Gaussian curve is X = 0, N 0 = 10 20
First, it is specified as atoms / cm 3 , and then the point P 2 is specified by obtaining X j from the wavelength σ of the envelope intersection point from the relational expression shown in FIG. As a result, the Gaussian curve L is specified, and the X coordinate position X j ′ of the optical interface 54 can be calculated.

【0035】この結果、求めるべき膜厚XiAs a result, the film thickness X i to be obtained is

【数21】Xi=Xi’−(Xj−Xj’) で算出することができる。以上の結果、SR法による拡
散層の膜厚Xiは、干渉法により求められたXi’より、
算出することができる。
It can be calculated by X i = X i ′ − (X j −X j ′). As a result, the film thickness X i of the diffusion layer obtained by the SR method is calculated from X i ′ obtained by the interference method,
It can be calculated.

【0036】以上のように、薄膜より得られる干渉光ス
ペクトルの包絡線の交点の波数σおよび前記数21の補
正式より、SR法により定義された拡散層厚Xiを正確
に演算することができる。なお、前記図13に示すXi
とXi’の相関が図16に示すように補正され、両者が
極めて良好に一致することが理解される。なお、以上の
実施例においては、フーリエ変換型の分光手段を用いた
例について説明したが、これに限られるものではなく、
たとえば分散型分光手段を用い、直接にスペクトルを得
ることもできる。
As described above, the diffusion layer thickness X i defined by the SR method can be accurately calculated from the wave number σ at the intersection of the envelopes of the interference light spectrum obtained from the thin film and the correction equation of the above equation 21. it can. Incidentally, X i shown in FIG.
The correlation between X i 'and X i ' is corrected as shown in FIG. 16, and it is understood that the two agree very well. In the above embodiments, an example using a Fourier transform type spectroscopic means has been described, but the present invention is not limited to this.
For example, the spectrum can be directly obtained by using a dispersive spectroscopic means.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上説明したように本発明にかかる膜厚
評価法法および評価装置によれば、干渉光スペクトルの
包絡線特性より薄膜を評価することとしたので、膜厚あ
るいは膜厚分布などの薄膜情報を非破壊で正確に求める
ことができる。
As described above, according to the film thickness evaluation method and the evaluation device of the present invention, the thin film is evaluated from the envelope characteristic of the interference light spectrum. It is possible to accurately and accurately obtain the thin film information of.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例にかかる薄膜評価装置の概略
構成の説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a schematic configuration of a thin film evaluation apparatus according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1に示す装置で得られたインターフェログラ
ムの説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram of an interferogram obtained by the device shown in FIG.

【図3】図2に示したインターフェログラムより得られ
る干渉光スペクトルおよびその包絡線の説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram of an interference light spectrum and its envelope obtained from the interferogram shown in FIG.

【図4】明確な境界面の存在する薄膜における反射状態
の説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram of a reflection state in a thin film having a clear boundary surface.

【図5】境界層の存在する薄膜における反射状態の説明
図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram of a reflection state in a thin film having a boundary layer.

【図6】膜厚分布の測定状態の説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of a measurement state of a film thickness distribution.

【図7】波長と包絡線の相関図である。FIG. 7 is a correlation diagram between a wavelength and an envelope.

【図8】非線形包絡線を算出する場合のフローチャート
図である。
FIG. 8 is a flow chart diagram in the case of calculating a non-linear envelope.

【図9】本発明の一実施例にかかる薄膜評価状態の説明
図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram of a thin film evaluation state according to an example of the present invention.

【図10】図9に示す薄膜の干渉スペクトル図である。FIG. 10 is an interference spectrum diagram of the thin film shown in FIG.

【図11】図10に示す干渉スペクトル図における包絡
線の求めかたの説明図である。
11 is an explanatory diagram of how to obtain an envelope curve in the interference spectrum diagram shown in FIG. 10. FIG.

【図12】図10に示す干渉スペクトル図に基づく波長
の包絡線の相関図である。
12 is a correlation diagram of a wavelength envelope based on the interference spectrum diagram shown in FIG.

【図13】従来手法による干渉法に基づく膜厚とSR値
との比較図である。
FIG. 13 is a comparison diagram of a film thickness and an SR value based on an interference method according to a conventional method.

【図14】包絡線交点における波数の逆数と、SR値と
の相関図である。
FIG. 14 is a correlation diagram between the reciprocal of the wave number at the intersection of the envelopes and the SR value.

【図15】薄膜内における不純物濃度の説明図である。FIG. 15 is an explanatory diagram of the impurity concentration in the thin film.

【図16】本発明による膜厚補正値とSR値との相関図
である。
FIG. 16 is a correlation diagram between a film thickness correction value and an SR value according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 … 薄膜評価手段 12 … 分光器(光束照射手段) 18 … 検出手段 32 … 包絡線演算手段 34 … 評価手段 10 ... Thin film evaluation means 12 ... Spectrometer (light flux irradiation means) 18 ... Detection means 32 ... Envelope computing means 34 ... Evaluation means

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 11/00 - 11/30 G01N 21/00 - 21/88 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G01B 11/00-11/30 G01N 21/00-21/88

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 薄膜試料に光を照射し、該薄膜の表面お
よび裏面において反射又は透過される各反射又は透過光
の干渉光の特性より薄膜の評価を行なう薄膜評価方法に
おいて、 前記干渉光のスペクトルのピークの包絡線における光の
反射面深さの分布に起因した特性より薄膜の膜厚を評価
することを特徴とする薄膜評価方法。
1. A thin film evaluation method for irradiating a thin film sample with light to evaluate a thin film from characteristics of interference light of each reflected or transmitted light reflected or transmitted on the front surface and the back surface of the thin film, Of the light at the envelope of the spectral peak
A thin film evaluation method, characterized in that the film thickness of a thin film is evaluated from the characteristics resulting from the distribution of the depth of the reflecting surface .
【請求項2】 請求項1記載の方法において、前記包絡
線の減衰項より膜厚の分布を求めることを特徴とする薄
膜評価方法。
2. The thin film evaluation method according to claim 1, wherein a film thickness distribution is obtained from an attenuation term of the envelope.
【請求項3】 請求項1記載の方法において、前記包絡
線特性により振幅がゼロとなる波数より、該波数の逆数
に比例する薄膜厚を算出することを特徴とする薄膜評価
方法。
3. The thin film evaluation method according to claim 1, wherein the thin film thickness proportional to the reciprocal of the wave number is calculated from the wave number at which the amplitude becomes zero due to the envelope characteristic.
【請求項4】 請求項1〜3のいずれかに記載の方法に
おいて、前記薄膜の分布をガウス特性として扱うことを
特徴とする薄膜評価方法。
4. The thin film evaluation method according to claim 1, wherein the distribution of the thin film is treated as a Gaussian characteristic.
【請求項5】 薄膜試料に、スペクトルを得るための光
束を照射する光束照射手段と、 前記薄膜試料からの透過又は反射光による干渉光を検出
する検出手段と、 前記検出手段から得られるスペクトル情報より、干渉光
のスペクトルのピークの包絡線特性を得る包絡線演算手
段と、 前記包絡線演算手段から出力される包絡線の光の反射面
深さの分布に起因した特性より、前記薄膜の膜厚の評価
を行なう評価手段と、 を備えたことを特徴とする薄膜評価装置。
5. A light beam irradiating means for irradiating a thin film sample with a light beam for obtaining a spectrum, a detecting means for detecting an interference light due to transmitted or reflected light from the thin film sample, and spectrum information obtained from the detecting means. And envelope reflection means for obtaining the envelope characteristic of the peak of the spectrum of the interference light, and the light reflection surface of the envelope output from the envelope calculation means
A thin film evaluation apparatus comprising: an evaluation unit that evaluates the film thickness of the thin film based on the characteristics caused by the depth distribution .
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