JP3936159B2 - Optical measuring apparatus, optical measuring method, optical film thickness detecting method, and semiconductor manufacturing method - Google Patents

Optical measuring apparatus, optical measuring method, optical film thickness detecting method, and semiconductor manufacturing method Download PDF

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学測定装置と光学測定方法に関し、特に、半導体製造プロセスにおいて必要とされる膜厚測定のための分光反射干渉測定装置および測定方法と、これを用いた半導体製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置には、多種多様の表面保護膜、電極用の金属薄膜、部品材料のめっきなどが使用されており、それらの膜厚管理は動作の信頼性を確保するうえで非常に重要である。
【0003】
また、半導体素子の高集積化・微細化に伴い、CMP技術を用いた絶縁膜平坦化技術が台頭し、層間絶縁膜を研磨する層間工程だけでなく、STI(shallow trench isolation)や埋め込みゲートなどの層にもCMPが適用されつつある。CMP工程の最終段階における終点検出として、光学的に残膜を測定することによって、研磨量の管理が行われている。
【0004】
膜厚測定には、膜の物理的性質に応じていろいろな方法がある。Si表面のSiO2、SiNなど、屈折率が既知の透明膜を測定する場合は、装置構成が比較的簡単な垂直入射の分光反射干渉計を用いた膜厚測定装置が一般的に使用される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、垂直入射の干渉分光測定では、実測値は反射率のみであるため、多変数の解析は困難である。サンプルの膜が多層である場合は、すべての界面で反射された多重反射干渉光を測定するので、求めなければならない変数がさらに多くなり、解析がいっそう困難になる。
【0006】
そこで、測定対象となる薄膜や基板の光学定数、すなわち、媒質(膜)の光学的厚さ(nD;ここでnは屈折率、Dは物理的膜厚)などをあらかじめ仮定(予測)し、この予測膜厚値を順次変えて求めた計算上の反射率と、実測した反射率との差が最小となるようにフィッティング計算を行い、薄膜の厚さを求める場合が多い。しかし、製造プロセスのばらつき、不安定性などの問題により、計算に用いた光学定数と測定した実際の試料の光学定数が相違する場合は、フィッティング計算がうまくいかず、正確な膜厚が求まらないことがある。
【0007】
フィッティングをより正確に行い、正確な膜厚を求めるために、実測パラメータを増やすことが考えられる。たとえば、入射角を様々に変えて測定する多入射角測定方法や、偏光状態のわかっている完全偏光を、平坦な表面をもつ試料に入射させ、反射光の偏光状態の変化を捕らえて試料の光学定数を求めるエリプソメトリーがある。しかし、これらの方法は、一般に用いられている垂直入射の反射率測定に比べ複雑な光学系が必要となる。
【0008】
そこで、本発明では、光学系が簡単な垂直入射の分光反射干渉計をそのまま利用しつつ、測定環境を変化させることにより、複数の反射率測定値を得ることで、解析用のパラメータを増やし、解析を容易にするとともに、正確な膜厚フィッティングを可能にする光学測定装置および光学測定方法を提供する。
【0009】
また、このような測定方法を利用した光学的膜厚検出方法と、これを半導体製造工程の検査プロセスに適用した半導体製造方法を提供する。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明のひとつの側面では、光学測定装置は、光源および分光反射率計を含む光学系、光源からの光を試料上へ透過させる光学窓を有するノズル、ノズルに接続され、2以上の分岐管を介してそれぞれ異なる媒質を提供する供給管、および分岐管の各々に設けられる流量調整手段とを備え、ノズルは、試料と対向する位置に設定され、光学窓と試料表面の間を異なる媒質で満たすことにより、互いに異なる測定環境を形成する
【0011】
流量調整手段は、バルブ、マスフローコントローラなど、光学窓と試料表面との間の空間に、ノズルを介して異なる媒質を供給することの出来る任意の手段である。
【0012】
この装置は、従来の垂直入射型の光学系をそのまま利用しつつ、測定光が通過する空間を連続して異なる媒質で満たすことができる。光学測定に必要なパラメータの種類を簡単な構成で容易に増やすことができるので、測定の精度を向上することができる。
【0013】
本発明の別の側面では、光学測定方法を提供する。この光学測定方法は、以下のステップを含む。
【0014】
(イ) 試料と対向するように光学窓を配置するステップ、
(ロ) 光学窓と試料表面との間の空間を、第1の媒質で満たすステップ、
(ハ) 光学窓と前記空間内の第1の媒質を介して、試料上に測定光を照射し、前記試料からの反射干渉光を測定するステップ、
(ニ) 前記空間を、第1の媒質とは異なる第2の媒質で満たすステップ、
(ホ) 光学窓と前記空間内の第2の媒質を介して、試料上に測定光を照射し、試料からの反射干渉光を測定するステップ。
【0015】
この光学測定方法によれば、異なる測定環境を創出して、それぞれの環境で反射環境光を測定する。したがって、測定に必要なパラメータの種類を増やすことにより、正確な測定を行うことができる。
【0016】
本発明のさらに別の側面では、光学的膜厚検出方法を提供する。この膜厚検出方法は、以下のステップを含む。
【0017】
(イ) 基板上に第1の薄膜が形成された試料と対向するように、光学窓を配置するステップ、
(ロ) 光学窓と第1の薄膜との間の空間を、第1の媒質で満たすステップ、
(ハ) 光学窓と前記空間を満たす第1の媒質とを介して、試料上に測定光を照射し、前記試料からの第1の反射干渉光を測定するステップ、
(ニ) 前記空間を、第1の媒質とは異なる第2の媒質で満たすステップ、
(ホ) 光学窓と前記空間を満たす第2の媒質を介して、試料上に測定光を照射し、試料からの第2の反射干渉光を測定するステップ、および
(ヘ) 第1および第2の反射干渉光に基づいて、第1の薄膜の膜厚を検出するステップ。
【0018】
この膜厚検出方法は、測定環境を変化させ、計算に必要なパラメータを増やすことができるので、膜厚がきわめて薄い場合や、検出対象である膜の屈折率と、下層(あるいは基板)の屈折率が近い場合であっても、精度よく膜厚を検出することができる。
【0019】
本発明のさらに別の側面では、膜厚検査工程に光学的膜厚測定を適用した半導体製造方法を提供する。半導体製造方法は、以下のステップを含む。
【0020】
(イ) ウエハ上に第1の薄膜を形成するステップ、
(ロ) 第1の薄膜と対向するように、光学窓を配置するステップ、
(ハ) 光学窓と第1の薄膜との間の空間を第1の媒質で満たし、光学窓と前記空間を満たす第1の媒質を介してウエハ上に測定光を照射し、ウエハからの第1の反射干渉光を測定するステップ、
(ニ) 前記空間を、前記第1の媒質とは異なる第2の媒質で満たし、光学窓と前記空間を満たす第2の媒質を介して、ウエハ上に測定光を照射し、ウエハからの第2の反射干渉光を測定するステップ、および
(ホ) 第1および第2の反射干渉光に基づいて、第1の薄膜の膜厚を検出するステップ。
【0021】
この半導体製造方法によれば、同一ウエハで測定環境を変えることによって、測定に必要なパラメータを複数得ることができるので、製造プロセスのばらつきや薄膜、基板等における光学定数の変動も考慮して、精密な膜厚検査が可能になる。
【0022】
本発明のさらに別の側面では、研磨最終工程に光学的膜厚測定を適用した半導体製造方法を提供する。この半導体製造方法は、以下のステップを含む。
【0023】
(イ) ウエハ上に第1の層を形成するステップ、
(ロ) 第1の層上に、第1の層とは異なる第2の層を形成するステップ、
(ハ) 第2の層を研磨するステップ、
(ニ) 研磨後のウエハと対向するように、光学窓を配置するステップ、
(ホ) 光学窓とウエハとの間の空間を第1の媒質で満たし、光学窓と前記空間を満たす第1の媒質を介してウエハ上に測定光を照射し、ウエハからの第1の反射干渉光を測定するステップ、
(ヘ) 前記空間を、前記第1の媒質とは異なる第2の媒質で満たし、光学窓と前記空間を満たす第2の媒質を介して、ウエハ上に測定光を照射して、ウエハからの第2の反射干渉光を測定するステップ、および
(ト) 第1および第2の反射干渉光に基づいて、前記研磨後に残存する第2の層の膜膜を検出するステップ。
【0024】
この半導体製造方法によれば、半導体装置の高集積化に対応した平坦化プロセスにおける膜厚検査を、研磨の最終段階で連続的かつ正確に行うことができる。
【0025】
本発明のその他の特徴、効果は、以下で図面を参照して述べる詳細な説明により、いっそう明確になるものである。
【0026】
【発明の実施の形態】
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態にかかる光学測定装置である。第1実施形態では、Si基板101上に形成されたSiN薄膜102の膜厚を測定する例について説明する。
【0027】
第1実施形態に係る光学測定装置は、光源105と、光源側に光学窓103を有するノズル104と、光源105と光学窓103の間の光軸上に位置するハーフミラー106と、ハーフミラーの光軸上に位置する分光反射率計107と、ノズル104に接続され、2つに分岐する供給管110と、供給管110の分岐点近傍に位置するバルブ111、112を含む。
【0028】
光源105、ハーフミラー106、分光反射率計107で分光光学系130を構成する。この光学系は、光源105から試料であるSiN薄膜102に光を垂直入射させ、各層の表面で反射された反射干渉光をハーフミラー106によって分光反射率計107に導いて反射率を測定する、垂直入射型分光反射光学系である。
【0029】
ノズル104の先端は、SiN薄膜102の表面から2mm離れた位置に設定され、光学窓103とSiN薄膜102の間に、光軸を含む測定環境114が形成される。実測パラメータを増やすために、測定環境114を満たす媒質を異ならせて反射光を測定する。第1実施形態では、測定環境を満たす媒質として、空気と純水を用いる。したがって、供給管110は、空気を導入するための第1分岐管121と、純水を導入するための第2分岐管122を有する。
【0030】
第1分岐管121に、空気導入用の第1バルブ111が設けられ、第2分岐管122に純水を導入するための第2バルブ112が設置される。さらに、供給管110に第3バルブ(供給管バルブ)113が設けられる。これらのバルブを切り替えることにより、測定環境114を満たす媒質が連続的に切り替えられ、測定装置自体の配置を変えることなく、連続して2つの反射率(実測パラメータ)を得ることができる。
【0031】
反射率測定手順は、まず、純水用の第2バルブ112を閉じ、空気用の第1バルブ111と供給管の第3バルブ113を開にする。測定環境114を空気で満たし、空気中で反射光のスペクトルを測定する。このとき、光源105からの光は、ハーフミラー106と光学窓103を透過し、測定環境114を満たす空気を通過して、SiN薄膜102に垂直に入射する。
【0032】
入射光の一部は、SiN薄膜102表面で反射され、一部は透過する。透過した光の一部はさらに、Si基板101の表面で反射される。Si基板101を透過した光の一部は、さらに、基板裏面で反射されるが、説明の便宜上、Si基板101の裏面での反射は考慮しないものとする。したがって、戻り光は、SiN薄膜102と空気との界面、およびSiN薄膜102とSi基板101との界面での反射光の干渉光である。戻り光はハーフミラー106で反射され、分光反射率計107に導かれる。
【0033】
続いて、空気用のバルブ111を閉じ、純水用のバルブ112と供給管バルブ113を開にして、光学窓103と試料(SiN膜102)の間の測定環境114に純水を流量1.0リットル/分で供給し、光路を純水で満たす。光路中に気泡がなくなったら、純水中での反射率を測定する。
【0034】
図2は、薄膜測定理論を説明するための図である。屈折率N2=n2−ik2
のSi基板101上に、厚さD1、屈折率N1=n1−ik1 の均質なSiN膜102があり、これに入射角0°で光が入射するものとする。ここで、k1、k2は、SiN膜102およびSi基板101の消衰係数である。図1の分光反射率計107で測定される反射率Rmeasは、SiN膜102表面での反射光r1と、Si基板101表面での反射光r2との干渉光の反射率である。
【0035】
第1実施形態の構成でSiN膜102の反射率を計算するには、Si基板101、SiN膜102、空気、および純水の、それぞれの屈折率nと消衰係数kに加え、SiN膜102の膜厚D1が必要である。今、Si基板101、空気、純水のそれぞれの屈折率および消衰係数と、SiN膜102の消衰係数k1は既知であるとして、計算式に代入できる。一方、SiN膜102の膜厚D1と屈折率n1を未知のパラメータとして回帰計算を行う。
【0036】
測定によって得られた反射率Rmeasと、予測上の膜厚値から得られる計算上の反射率Rcalとを比較し、両者が一致するまでSiN膜102の予測膜厚値を変えながら、計算およびカーブフィッティングを繰り返す。測定値と計算値のフィッティングは、以下の不偏推定量を最小にすることで行う。
【0037】
【数1】

Figure 0003936159
ここで、Nはデータ総数、Pは未知のパラメータ数(上述した例では、未知のパラメータをSiN膜の光学的膜厚nDとしてP=2)である。
【0038】
第1実施形態では、簡単な構成で、空気中での実測反射率の他に、連続して純水中での実測反射率も得ることができ、各測定環境の間でフィッティングすることになる。したがって、空気中での実測反射率のみで膜厚計算を行うよりも、容易に高い精度での解析が実現される。
【0039】
<第2実施形態>
第2実施形態では、半導体製造プロセスにおいて、化学的機械的研磨(CMP)直後にロールスポンジ洗浄を行う面上に膜厚測定装置を取り付けて、残膜の厚さを求めるとともに、下層の膜厚も測定する適用例を説明する。
【0040】
図3は、第2実施形態にかかる光学測定装置を示す。第2実施形態の光学測定装置は、光源(不図示)および分光反射率計(不図示)を含む分光光学系230と、光学窓203を有するノズル204と、ノズル204に接続され、3つに分岐する供給管210と、供給管210の分岐点近傍に位置する3つのバルブ211、212、214を含む。分光光学系230と光学窓203とは、光ファイバ206で接続されている。各分岐管221、222、223からは、対応するバルブ211、212、214を介して、それぞれ、空気、純水、イソプロピルアルコールが供給されるようになっている。
【0041】
第2実施形態では、測定するサンプルは、Si基板201上に約150nmのSiN薄膜202を成膜し、溝216を設けた後、この溝216をSiO2膜215で埋め込んだものをCMP研磨し、SiN薄膜202上のSiO2膜215を除去したものである。すなわち、SiO2膜215の研磨が適正に行われているかどうかを検査、確認するために、SiN薄膜202上に残存するSiO2膜215の膜厚を測定する必要がある。
【0042】
しかしこの場合、SiN薄膜202上に残存するSiO2膜215の膜厚は10nm以下の極薄膜であるうえに、SiN膜202とSiO2膜215の屈折率は近いため、通常の垂直入射分光反射率測定では、正確な膜厚測定は困難であった。
【0043】
そこで、本実施形態では、CMP研磨後の純水での研磨面のロールスポンジ洗浄と同時に、純水中で膜厚測定を行い、その後連続して測定環境を変えることにより精密な残膜測定を行う。
【0044】
図4に示すように、SiO2膜215が研磨されたウエハ220上に洗浄用の純水(不図示)が供給され、ロールスポンジ232が回転しながら、研磨面217を洗浄する。このとき、ウエハ220も、ウエハ回転コロ233で回転され、全体にわたって均一に洗浄が行われる。
【0045】
この洗浄工程において、まず、第2バルブ212と第3バルブ213を開にし、第1バルブ211と第4バルブ214と閉にして、純水を供給し、光学窓203とCMP研磨面217との間の測定環境218を、洗浄環境と同様の純水で満たす。ノズル204はCMP研磨面217から約2mmのところに配置し、第1実施形態と同様に、純水環境中で、ウエハ表面からの反射干渉光を測定する。測定光は、光ファイバ206を伝播し、光学窓203からウエハ表面に垂直入射する。第2実施形態では、測定光は、CMP研磨面217、SiN膜202とSiO2膜215との界面、SiN膜202とSi基板201との界面などで反射し、それぞれ干渉して分光光学系に導かれる。
【0046】
次に、ウエハ洗浄終了後に、第2バルブ212を閉じ、第3バルブ214を開にしてイソプロピルアルコール(IPA)を供給し、測定環境218を異なる媒質で満たす。上述したのと同様の手順で、イソプロピルアルコール中で反射率を測定する。この測定が終了したら、第4バルブ214を閉じてイソプロピルプロピルアルコールの供給を止め、ウエア上のイソプロピルアルコールを蒸発、乾燥させる。乾燥を促進するために、第1バルブ211を開にして、ノズル204から高圧空気を吹き付ける。ウエハが十分に乾燥した後、空気で満たされた測定環境218中で、再度反射干渉光を測定する。この方法によれば、純水、イソプロピルアルコール、空気中のそれぞれで測定した反射率スペクトルが得られる。
【0047】
3つの実測値を得た後、SiN膜202と、SiO2膜215のそれぞれの予測膜厚値を変化させながら3つの測定雰囲気での反射率計算式に代入し、3つの実測値と、対応する計算値が最小となるようにフィッティング計算することによって、SiN膜202と、SiO2膜215の双方の膜厚を解として求める。なお、第2実施形態では、空気、純水、IPA、Si基板の屈折率および消衰係数と、SiN膜202、SiO2膜215の消衰係数は既知とし、SiN膜202の膜厚D1と屈折率n1、SiO2膜215の膜厚D3と屈折率n3を未知のパラメータとして変化させる。
【0048】
第2実施形態によれば、半導体製造プロセスで重要になりつつあるCMP研磨後の残膜を、その下層の膜厚とともに、正確かつ簡単な方法で求めることが可能になる。研磨面洗浄の雰囲気を利用しつつ、実測パラメータも増やすことができるので測定効率が良く、同時に膜厚検出精度も向上する。
【0049】
<第3実施形態>
図5は、第3実施形態に係る光学測定装置を示す。第3実施形態では、第1実施形態とほぼ同様の装置を用いて、第2実施形態のサンプルを測定する例を説明する。
【0050】
第3実施形態に係る光学側定装置は、光源305と、光源側に光学窓303を有するノズル304と、光源305と光学窓303の間の光軸上に位置するハーフミラー306と、ハーフミラー306の光軸上に位置する分光反射率計307と、ノズル304に接続され、2つに分岐する供給管310と、供給管310の分岐点近傍に位置するマスフローコントローラ(MFC)311、312と、供給管310上に位置する屈折率計308を含む。
【0051】
第1実施形態と同様に、光源305、ハーフミラー306、分光反射率計307で光学系330を構成する。この光学系330は、光源305から試料であるCMP研磨面317に光を垂直入射させ、各層の表面で反射された反射干渉光をハーフミラー306によって分光反射率計307に導いて反射率を測定する。
【0052】
ノズル304の先端は、CMP研磨面317の表面から約2mm離れた位置に設定され、光学窓303とCMP研磨面317の間に、光軸を含む測定環境314が形成される。ノズル304には、第1分岐管321を介して純水が接続され、第2分岐管322を介してIPAが接続される。
【0053】
第3実施形態では、MFC311と312で純水とIPAの流量を調節して混合比を変えることによって、測定環境314を任意の媒質で満たし、任意の数の測定環境で、連続して反射干渉光を側定することを可能にする。
【0054】
具体的には、
(1) 純水のみを1リットル/分の流量で流して反射率の測定を行う
(2) その後、純水を0.8リットル/分、IPAを0.2リットル/分(すなわち、純水とIPAの混合比8:2)になるようにMFCを調整して測定する
(3) その後、純水を0.6リットル/分、IPAを0.4リットル/分(すなわち、純水とIPAの混合比6:4)になるようにMFCを調整して測定する
(4) その後、純水を0.4リットル/分、IPAを0.6リットル/分(すなわち、純水とIPAの混合比4:6)になるようにMFCを調整して測定する
(5) その後、純水を0.2リットル/分、IPAを0.8リットル/分(すなわち、純水とIPAの混合比2:8)になるようにMFCを調整して測定する
(6) その後、IPAのみを1リットル/分の流量で供給して測定する
というふうに、6つの異なる測定環境を連続して作り上げる。測定環境を満たす媒質がそれぞれ異なるため、その屈折率も異なる。各測定環境314での屈折率は、純水とIPAの混合比から計算により求めてもよいが、より正確な値をリアルタイムで求められるように、インラインの屈折率計308を供給管310上に設ける。これにより、流量比の変動による屈折率の変動の影響を排除した、より精密な膜厚検出が可能になる。
【0055】
第3実施形態では、2つのMFCを調整することによって、6つの異なる測定環境を連続して創出し、フィッティングのための実測値の数を増やしたが、混合比を6以上に変化させて測定環境を変えることももちろん可能である。
【0056】
また、第3実施形態では、2つの異なる液体を混合させたが、同じ相の物質であれば、容易かつ均一に混合するので、2つの異なる気体、たとえば、空気とアルゴン、あるいは空気と水素など混合させることによって、異なる測定環境を連続して作り上げてもよい。
【0057】
いずれの場合も、各測定環境における実測値と、計算による反射率とをフィッティングすることによって、CMP研磨後の残膜(SiO2膜315)の膜厚と、その下層のSiN膜302の膜厚の双方をきわめて高い精度で検出することができる。
【0058】
第3実施形態では、簡単な構成で連続して任意の数の測定環境で反射率の測定ができるので、より高い精度で膜厚検出が可能になる。しかも、測定対象となる膜の屈折率以外の他の物理的性質、たとえば消衰係数等をも未知のパラメータとして、実測パラメータの数をさらに増やすこともできる。また、インラインの屈折率計を用いた場合は、測定環境を満たす媒質の屈折率変動誤差を排除し、より正確な測定が可能になる。
【0059】
さらに、研磨後の洗浄工程と同時に膜厚検査を行うことができるので、作業効率に優れる。
以上、第1実施形態から第3実施形態を、半導体基板上に形成された膜厚の測定と関連づけて説明したが、本発明は、半導体基板上の膜厚の測定に限定されず、トレンチの深さ測定や、ピエゾ素子、超音波弾性素子、電子部品等に形成される薄膜配線、絶縁膜など、任意の膜厚測定に適用できる。
【0060】
さらに、半導体装置の検査工程のみならず、任意の機械部品や、電気部品の膜厚検査にも適用できる。
【0061】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、複雑な光学系を必要とせず、簡単な構成で、きわめて薄い膜厚も精度よく検出することが可能になる。
【0062】
測定環境を連続的かつ迅速に変えることが可能なため、多くの環境での反射率測定を短時間で行うことができる。
【0063】
半導体製造工程に適用した場合は、同一試料で多数の測定パラメータが得られるため、極めて薄い膜厚の測定だけでなく、製造プロセスのばらつきや膜、基板等の光学定数の変動を考慮した精密な光学解析が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る光学測定装置と、それを利用した膜厚測定の例を示す図である。
【図2】垂直入射光による反射干渉光を利用した薄膜測定の原理を示す図である。
【図3】本発明の第2実施形態に係る光学測定装置と、それを利用した膜厚測定の例を示す図である。
【図4】図3の装置で、CMP研磨後の洗浄工程で残膜を測定する例を示す図である。
【図5】本発明の第3実施形態に係る光学測定装置と、それを利用した膜厚測定の例を示す図である。
【符号の説明】
101、201、301 Si基板
102、202、302 SiN膜
103、203、303 光学窓
104、204、304 ノズル
105、305 光源
106、306 ハーフミラー
107、307 分光反射率計
110、210、310 供給管
111、112、113、211、212、213、214 バルブ
114、218、314 測定環境
121、122、221、222、223、321、322 分岐管
130、230、330 光学系
215、315 SiO2
216、316 溝
217、317 CMP研磨面
308 屈折率計
311、312 マスフローコントローラ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical measurement apparatus and an optical measurement method, and more particularly to a spectral reflection interference measurement apparatus and measurement method for film thickness measurement required in a semiconductor manufacturing process, and a semiconductor manufacturing method using the same.
[0002]
[Prior art]
Semiconductor devices use a wide variety of surface protective films, metal thin films for electrodes, plating of component materials, and the like, and their film thickness control is very important for ensuring operational reliability.
[0003]
In addition, along with the high integration and miniaturization of semiconductor elements, insulating film planarization technology using CMP technology has emerged, and not only an interlayer process for polishing an interlayer insulating film, but also STI (shallow trench isolation), buried gate, etc. CMP is also being applied to these layers. As the end point detection in the final stage of the CMP process, the amount of polishing is managed by optically measuring the remaining film.
[0004]
There are various methods for measuring the film thickness depending on the physical properties of the film. When measuring a transparent film having a known refractive index, such as SiO 2 or SiN on the Si surface, a film thickness measuring apparatus using a normal incidence spectral reflection interferometer having a relatively simple apparatus configuration is generally used. .
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the interference spectroscopy measurement at normal incidence, since the actual measurement value is only the reflectance, it is difficult to analyze multivariables. When the sample film is a multilayer, the multiple reflection interference light reflected at all the interfaces is measured, so that more variables need to be obtained and the analysis becomes more difficult.
[0006]
Therefore, an optical constant of a thin film or a substrate to be measured, that is, an optical thickness (nD; where n is a refractive index and D is a physical film thickness) of a medium (film) is assumed (predicted) in advance. In many cases, the thickness of the thin film is obtained by performing fitting calculation so that the difference between the calculated reflectance obtained by sequentially changing the predicted film thickness value and the actually measured reflectance is minimized. However, if the optical constants used for the calculation and the measured optical constants of the sample are different due to problems such as manufacturing process variations and instability, the fitting calculation will not be successful and an accurate film thickness will not be obtained. There may not be.
[0007]
In order to perform fitting more accurately and obtain an accurate film thickness, it is conceivable to increase the actual measurement parameters. For example, a multiple incidence angle measurement method that measures various incident angles, or a completely polarized light whose polarization state is known is incident on a sample with a flat surface, and changes in the polarization state of reflected light are captured. There is an ellipsometry for obtaining optical constants. However, these methods require a complicated optical system as compared with the normal incidence reflectivity measurement.
[0008]
Therefore, in the present invention, while using a normal incidence spectral reflection interferometer with a simple optical system as it is, by changing the measurement environment, by obtaining a plurality of reflectance measurement values, increase the parameters for analysis, Provided are an optical measurement apparatus and an optical measurement method that facilitate analysis and enable accurate film thickness fitting.
[0009]
Moreover, the optical film thickness detection method using such a measuring method and the semiconductor manufacturing method which applied this to the inspection process of a semiconductor manufacturing process are provided.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In one aspect of the present invention, an optical measurement device includes an optical system including a light source and a spectral reflectometer, a nozzle having an optical window that transmits light from the light source onto the sample, and two or more branch pipes connected to the nozzle. And a flow rate adjusting means provided in each of the branch pipes, and the nozzle is set at a position facing the sample, and a different medium is provided between the optical window and the sample surface. By satisfying, different measurement environments are formed .
[0011]
The flow rate adjusting means is any means that can supply a different medium via a nozzle to the space between the optical window and the sample surface, such as a valve or a mass flow controller.
[0012]
This apparatus can continuously fill the space through which the measurement light passes with different media while using the conventional normal incidence optical system as it is. Since the types of parameters necessary for optical measurement can be easily increased with a simple configuration, the accuracy of measurement can be improved.
[0013]
In another aspect of the present invention, an optical measurement method is provided. This optical measurement method includes the following steps.
[0014]
(A) a step of arranging an optical window so as to face the sample;
(B) filling the space between the optical window and the sample surface with the first medium;
(C) irradiating the sample with measurement light through the optical window and the first medium in the space, and measuring reflected interference light from the sample;
(D) filling the space with a second medium different from the first medium;
(E) A step of irradiating the sample with measurement light through the optical window and the second medium in the space and measuring reflected interference light from the sample.
[0015]
According to this optical measurement method, different measurement environments are created, and reflected environment light is measured in each environment. Therefore, accurate measurement can be performed by increasing the types of parameters required for measurement.
[0016]
In still another aspect of the present invention, an optical film thickness detection method is provided. This film thickness detection method includes the following steps.
[0017]
(A) a step of arranging an optical window so as to face a sample on which a first thin film is formed on a substrate;
(B) filling a space between the optical window and the first thin film with the first medium;
(C) irradiating the sample with measurement light through the optical window and the first medium filling the space, and measuring the first reflected interference light from the sample;
(D) filling the space with a second medium different from the first medium;
(E) irradiating the sample with measurement light through the optical window and the second medium filling the space, and measuring the second reflected interference light from the sample; and
(F) A step of detecting the thickness of the first thin film based on the first and second reflected interference lights.
[0018]
This film thickness detection method can change the measurement environment and increase the number of parameters required for the calculation. Therefore, when the film thickness is extremely thin, the refractive index of the film to be detected and the refractive index of the lower layer (or substrate) Even when the rates are close, the film thickness can be detected with high accuracy.
[0019]
In still another aspect of the present invention, a semiconductor manufacturing method in which optical film thickness measurement is applied to a film thickness inspection process is provided. The semiconductor manufacturing method includes the following steps.
[0020]
(A) forming a first thin film on the wafer;
(B) arranging the optical window so as to face the first thin film;
(C) Filling the space between the optical window and the first thin film with the first medium, irradiating the wafer with measurement light through the first medium filling the optical window and the space, Measuring the reflected interference light of 1;
(D) Filling the space with a second medium different from the first medium, irradiating the wafer with measurement light via the optical window and the second medium filling the space, Measuring two reflected interference lights; and
(E) detecting the film thickness of the first thin film based on the first and second reflected interference lights;
[0021]
According to this semiconductor manufacturing method, by changing the measurement environment on the same wafer, it is possible to obtain a plurality of parameters required for measurement, so taking into account variations in manufacturing processes and variations in optical constants in thin films, substrates, etc. Precise film thickness inspection is possible.
[0022]
In still another aspect of the present invention, a semiconductor manufacturing method in which optical film thickness measurement is applied to the final polishing process is provided. This semiconductor manufacturing method includes the following steps.
[0023]
(A) forming a first layer on the wafer;
(B) forming a second layer different from the first layer on the first layer;
(C) polishing the second layer;
(D) a step of arranging an optical window so as to face the polished wafer;
(E) Filling the space between the optical window and the wafer with the first medium, irradiating the wafer with the measuring light through the first medium filling the optical window and the space, and the first reflection from the wafer Measuring interference light,
(F) Filling the space with a second medium different from the first medium, irradiating the wafer with measurement light through the optical medium and the second medium filling the space, Measuring second reflected interference light; and
(G) A step of detecting a film film of the second layer remaining after the polishing based on the first and second reflected interference lights.
[0024]
According to this semiconductor manufacturing method, the film thickness inspection in the planarization process corresponding to the high integration of the semiconductor device can be performed continuously and accurately at the final stage of polishing.
[0025]
Other features and advantages of the present invention will become more apparent from the detailed description given below with reference to the drawings.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<First Embodiment>
FIG. 1 shows an optical measurement apparatus according to the first embodiment of the present invention. In the first embodiment, an example in which the film thickness of the SiN thin film 102 formed on the Si substrate 101 is measured will be described.
[0027]
The optical measurement apparatus according to the first embodiment includes a light source 105, a nozzle 104 having an optical window 103 on the light source side, a half mirror 106 positioned on the optical axis between the light source 105 and the optical window 103, and a half mirror. A spectral reflectometer 107 located on the optical axis, a supply pipe 110 connected to the nozzle 104 and bifurcated, and valves 111 and 112 located near the branch point of the supply pipe 110 are included.
[0028]
The light source 105, the half mirror 106, and the spectral reflectometer 107 constitute a spectral optical system 130. In this optical system, light is vertically incident on a sample SiN thin film 102 from a light source 105, and reflected interference light reflected on the surface of each layer is guided to a spectral reflectometer 107 by a half mirror 106, and the reflectance is measured. It is a normal incidence type spectral reflection optical system.
[0029]
The tip of the nozzle 104 is set at a position 2 mm away from the surface of the SiN thin film 102, and a measurement environment 114 including an optical axis is formed between the optical window 103 and the SiN thin film 102. In order to increase the actual measurement parameters, the reflected light is measured by changing the medium that satisfies the measurement environment 114. In the first embodiment, air and pure water are used as the medium that satisfies the measurement environment. Therefore, the supply pipe 110 has a first branch pipe 121 for introducing air and a second branch pipe 122 for introducing pure water.
[0030]
A first valve 111 for introducing air is provided in the first branch pipe 121, and a second valve 112 for introducing pure water is installed in the second branch pipe 122. Further, the supply pipe 110 is provided with a third valve (supply pipe valve) 113. By switching these valves, the medium satisfying the measurement environment 114 is continuously switched, and two reflectances (measurement parameters) can be obtained continuously without changing the arrangement of the measurement apparatus itself.
[0031]
In the reflectance measurement procedure, first, the second valve 112 for pure water is closed, and the first valve 111 for air and the third valve 113 of the supply pipe are opened. The measurement environment 114 is filled with air, and the spectrum of reflected light is measured in the air. At this time, the light from the light source 105 passes through the half mirror 106 and the optical window 103, passes through the air that satisfies the measurement environment 114, and enters the SiN thin film 102 perpendicularly.
[0032]
Part of the incident light is reflected on the surface of the SiN thin film 102 and part of it is transmitted. Part of the transmitted light is further reflected on the surface of the Si substrate 101. A part of the light transmitted through the Si substrate 101 is further reflected on the back surface of the substrate, but for convenience of explanation, the reflection on the back surface of the Si substrate 101 is not considered. Therefore, the return light is interference light of reflected light at the interface between the SiN thin film 102 and air and at the interface between the SiN thin film 102 and the Si substrate 101. The return light is reflected by the half mirror 106 and guided to the spectral reflectometer 107.
[0033]
Subsequently, the air valve 111 is closed, the pure water valve 112 and the supply pipe valve 113 are opened, and pure water is supplied to the measurement environment 114 between the optical window 103 and the sample (SiN film 102) at a flow rate of 1. Supply at 0 liter / min and fill the light path with pure water. When there are no more bubbles in the optical path, measure the reflectance in pure water.
[0034]
FIG. 2 is a diagram for explaining the thin film measurement theory. Refractive index N 2 = n 2 −ik 2
A thickness D 1 and a refractive index N 1 = n 1 −ik 1 It is assumed that light is incident at an incident angle of 0 °. Here, k 1 and k 2 are extinction coefficients of the SiN film 102 and the Si substrate 101. The reflectance R meas measured by the spectral reflectometer 107 in FIG. 1 is the reflectance of interference light between the reflected light r1 on the surface of the SiN film 102 and the reflected light r2 on the surface of the Si substrate 101.
[0035]
In order to calculate the reflectance of the SiN film 102 in the configuration of the first embodiment, in addition to the respective refractive indexes n and extinction coefficients k of the Si substrate 101, the SiN film 102, air, and pure water, the SiN film 102 is calculated. The film thickness D 1 is required. Now, Si substrate 101, the air, respectively the refractive index and extinction coefficient of pure water, as the extinction coefficient k 1 of the SiN film 102 are known, can be assigned to the formula. On the other hand, regression calculation is performed using the film thickness D 1 and the refractive index n 1 of the SiN film 102 as unknown parameters.
[0036]
The reflectance R meas obtained by the measurement and the calculated reflectance R cal obtained from the predicted film thickness value are compared, and the calculation is performed while changing the predicted film thickness value of the SiN film 102 until they match. Repeat the curve fitting. The measurement value and the calculated value are fitted by minimizing the following unbiased estimation amount.
[0037]
[Expression 1]
Figure 0003936159
Here, N is the total number of data, and P is the number of unknown parameters (in the above-described example, P = 2 where the unknown parameter is the optical film thickness nD of the SiN film).
[0038]
In the first embodiment, with a simple configuration, in addition to the measured reflectance in the air, the measured reflectance in pure water can be continuously obtained, and fitting is performed between the measurement environments. . Therefore, an analysis with higher accuracy can be realized more easily than when the film thickness is calculated using only the measured reflectance in the air.
[0039]
Second Embodiment
In the second embodiment, in the semiconductor manufacturing process, a film thickness measuring device is attached on the surface where roll sponge cleaning is performed immediately after chemical mechanical polishing (CMP) to obtain the thickness of the remaining film, and the film thickness of the lower layer. An application example for measuring the above will also be described.
[0040]
FIG. 3 shows an optical measurement apparatus according to the second embodiment. The optical measurement apparatus according to the second embodiment includes a spectroscopic optical system 230 including a light source (not shown) and a spectroscopic reflectometer (not shown), a nozzle 204 having an optical window 203, and a nozzle 204 connected to the three. It includes a supply pipe 210 that branches off and three valves 211, 212, and 214 located near the branch point of the supply pipe 210. The spectroscopic optical system 230 and the optical window 203 are connected by an optical fiber 206. Air, pure water, and isopropyl alcohol are supplied from the branch pipes 221, 222, and 223 through corresponding valves 211, 212, and 214, respectively.
[0041]
In the second embodiment, as a sample to be measured, a SiN thin film 202 having a thickness of about 150 nm is formed on a Si substrate 201, a groove 216 is provided, and then the groove 216 embedded with a SiO 2 film 215 is subjected to CMP polishing. The SiO 2 film 215 on the SiN thin film 202 is removed. That is, it is necessary to measure the film thickness of the SiO 2 film 215 remaining on the SiN thin film 202 in order to inspect and confirm whether the SiO 2 film 215 is properly polished.
[0042]
However, in this case, the thickness of the SiO 2 film 215 remaining on the SiN thin film 202 is an extremely thin film of 10 nm or less, and the refractive indexes of the SiN film 202 and the SiO 2 film 215 are close to each other. In the rate measurement, accurate film thickness measurement was difficult.
[0043]
Therefore, in this embodiment, the film thickness is measured in pure water at the same time as the roll sponge cleaning of the polished surface with pure water after CMP polishing, and then a precise residual film measurement is performed by continuously changing the measurement environment. Do.
[0044]
As shown in FIG. 4, cleaning water (not shown) is supplied onto the wafer 220 on which the SiO 2 film 215 has been polished, and the polishing surface 217 is cleaned while the roll sponge 232 rotates. At this time, the wafer 220 is also rotated by the wafer rotating roller 233, and cleaning is performed uniformly throughout.
[0045]
In this cleaning process, first, the second valve 212 and the third valve 213 are opened, the first valve 211 and the fourth valve 214 are closed, pure water is supplied, and the optical window 203 and the CMP polishing surface 217 are contacted. The measurement environment 218 is filled with pure water similar to the cleaning environment. The nozzle 204 is disposed approximately 2 mm from the CMP polished surface 217, and measures reflected interference light from the wafer surface in a pure water environment, as in the first embodiment. The measurement light propagates through the optical fiber 206 and enters the wafer surface perpendicularly from the optical window 203. In the second embodiment, the measurement light is reflected at the CMP polished surface 217, the interface between the SiN film 202 and the SiO 2 film 215, the interface between the SiN film 202 and the Si substrate 201, and interferes with each other to enter the spectroscopic optical system. Led.
[0046]
Next, after the wafer cleaning is completed, the second valve 212 is closed, the third valve 214 is opened, and isopropyl alcohol (IPA) is supplied to fill the measurement environment 218 with a different medium. The reflectance is measured in isopropyl alcohol by the same procedure as described above. When this measurement is completed, the fourth valve 214 is closed to stop the supply of isopropylpropyl alcohol, and the isopropyl alcohol on the wear is evaporated and dried. In order to accelerate drying, the first valve 211 is opened and high pressure air is blown from the nozzle 204. After the wafer is sufficiently dried, the reflected interference light is measured again in the measurement environment 218 filled with air. According to this method, reflectance spectra measured in pure water, isopropyl alcohol, and air can be obtained.
[0047]
After obtaining three actual measurement values, the predicted film thickness values of the SiN film 202 and the SiO 2 film 215 are changed and substituted into the reflectance calculation formulas in the three measurement atmospheres. By performing fitting calculation so that the calculated value to be minimized is obtained, the film thicknesses of both the SiN film 202 and the SiO 2 film 215 are obtained as solutions. In the second embodiment, the refractive index and extinction coefficient of air, pure water, IPA, and Si substrate, and the extinction coefficients of the SiN film 202 and SiO 2 film 215 are known, and the film thickness D 1 of the SiN film 202 is determined. And the refractive index n 1 , the film thickness D 3 of the SiO 2 film 215 and the refractive index n 3 are changed as unknown parameters.
[0048]
According to the second embodiment, the remaining film after CMP polishing, which is becoming important in the semiconductor manufacturing process, can be obtained together with the film thickness of the lower layer by an accurate and simple method. The measurement parameters can be increased while using the polishing surface cleaning atmosphere, so that the measurement efficiency is good and the film thickness detection accuracy is improved at the same time.
[0049]
<Third Embodiment>
FIG. 5 shows an optical measurement apparatus according to the third embodiment. In the third embodiment, an example will be described in which the sample of the second embodiment is measured using an apparatus substantially the same as that of the first embodiment.
[0050]
The optical side fixing device according to the third embodiment includes a light source 305, a nozzle 304 having an optical window 303 on the light source side, a half mirror 306 positioned on the optical axis between the light source 305 and the optical window 303, and a half mirror. A spectral reflectometer 307 located on the optical axis 306; a supply pipe 310 connected to the nozzle 304 and bifurcated; and mass flow controllers (MFCs) 311 and 312 located near the branch point of the supply pipe 310; A refractometer 308 located on the supply tube 310.
[0051]
As in the first embodiment, the optical system 330 is configured by the light source 305, the half mirror 306, and the spectral reflectometer 307. In this optical system 330, light is vertically incident from a light source 305 to a CMP polishing surface 317 as a sample, and reflected interference light reflected on the surface of each layer is guided to a spectral reflectometer 307 by a half mirror 306 to measure the reflectance. To do.
[0052]
The tip of the nozzle 304 is set at a position about 2 mm away from the surface of the CMP polishing surface 317, and a measurement environment 314 including an optical axis is formed between the optical window 303 and the CMP polishing surface 317. Pure water is connected to the nozzle 304 via the first branch pipe 321, and IPA is connected via the second branch pipe 322.
[0053]
In the third embodiment, the MFCs 311 and 312 adjust the flow rates of pure water and IPA to change the mixing ratio, thereby filling the measurement environment 314 with an arbitrary medium and continuously reflecting interference in an arbitrary number of measurement environments. Allows you to determine the light.
[0054]
In particular,
(1) Measure the reflectivity by flowing pure water only at a flow rate of 1 liter / min.
(2) Thereafter, the MFC is adjusted and measured so that the pure water is 0.8 liter / minute and the IPA is 0.2 liter / minute (that is, the mixing ratio of pure water and IPA is 8: 2).
(3) Thereafter, the MFC is adjusted and measured so that the pure water is 0.6 liter / minute and the IPA is 0.4 liter / minute (that is, the mixing ratio of pure water and IPA is 6: 4).
(4) Thereafter, the MFC is adjusted and measured so that the pure water is 0.4 liter / minute and the IPA is 0.6 liter / minute (that is, the mixing ratio of pure water and IPA is 4: 6).
(5) Thereafter, the MFC is adjusted and measured so that the pure water is 0.2 liter / minute and the IPA is 0.8 liter / minute (that is, the mixing ratio of pure water and IPA is 2: 8).
(6) After that, six different measurement environments are continuously created, such as measuring by supplying only IPA at a flow rate of 1 liter / min. Since the medium satisfying the measurement environment is different, the refractive index is also different. The refractive index in each measurement environment 314 may be obtained by calculation from the mixing ratio of pure water and IPA, but an inline refractometer 308 is provided on the supply pipe 310 so that a more accurate value can be obtained in real time. Provide. This makes it possible to detect the film thickness more precisely without the influence of the refractive index fluctuation caused by the flow ratio fluctuation.
[0055]
In the third embodiment, by adjusting two MFCs, six different measurement environments were created in succession and the number of actual measurement values for fitting was increased, but the measurement was performed by changing the mixing ratio to 6 or more. It is of course possible to change the environment.
[0056]
In the third embodiment, two different liquids are mixed. However, if they are in the same phase, they are easily and uniformly mixed, so two different gases, for example, air and argon, or air and hydrogen, etc. By mixing, different measurement environments may be created continuously.
[0057]
In any case, by fitting the measured value in each measurement environment and the calculated reflectance, the film thickness of the remaining film (SiO 2 film 315) after CMP polishing and the film thickness of the SiN film 302 underneath are polished. Both can be detected with extremely high accuracy.
[0058]
In the third embodiment, since the reflectance can be measured continuously in an arbitrary number of measurement environments with a simple configuration, the film thickness can be detected with higher accuracy. In addition, the physical parameters other than the refractive index of the film to be measured, such as the extinction coefficient, can be used as unknown parameters to further increase the number of actually measured parameters. In addition, when an inline refractometer is used, more accurate measurement is possible by eliminating the refractive index fluctuation error of the medium that satisfies the measurement environment.
[0059]
Furthermore, since the film thickness inspection can be performed simultaneously with the cleaning process after polishing, the working efficiency is excellent.
As described above, the first to third embodiments have been described in relation to the measurement of the film thickness formed on the semiconductor substrate. However, the present invention is not limited to the measurement of the film thickness on the semiconductor substrate. The present invention can be applied to any film thickness measurement such as depth measurement, piezo elements, ultrasonic elastic elements, thin film wirings formed on electronic components, and insulating films.
[0060]
Furthermore, the present invention can be applied not only to the inspection process of semiconductor devices but also to film thickness inspection of arbitrary mechanical parts and electrical parts.
[0061]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an extremely thin film thickness can be accurately detected with a simple configuration without requiring a complicated optical system.
[0062]
Since the measurement environment can be changed continuously and quickly, the reflectance measurement in many environments can be performed in a short time.
[0063]
When applied to semiconductor manufacturing processes, many measurement parameters can be obtained with the same sample, so not only extremely thin film thickness measurements, but also precise measurements that take into account variations in manufacturing processes and optical constants such as films and substrates. Optical analysis becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of an optical measurement apparatus according to a first embodiment of the present invention and film thickness measurement using the same.
FIG. 2 is a diagram showing the principle of thin film measurement using reflected interference light by vertically incident light.
FIG. 3 is a diagram illustrating an optical measurement apparatus according to a second embodiment of the present invention and an example of film thickness measurement using the same.
4 is a diagram showing an example in which a residual film is measured in a cleaning process after CMP polishing with the apparatus of FIG. 3;
FIG. 5 is a diagram illustrating an optical measurement apparatus according to a third embodiment of the present invention and an example of film thickness measurement using the same.
[Explanation of symbols]
101, 201, 301 Si substrate 102, 202, 302 SiN film 103, 203, 303 Optical window 104, 204, 304 Nozzle 105, 305 Light source 106, 306 Half mirror 107, 307 Spectral reflectometer 110, 210, 310 Supply tube 111, 112, 113, 211, 212, 213, 214 Valve 114, 218, 314 Measurement environment 121, 122, 221, 222, 223, 321, 322 Branch pipes 130, 230, 330 Optical system 215, 315 SiO 2 film 216 316 Groove 217, 317 CMP polishing surface 308 Refractometer 311, 312 Mass flow controller

Claims (17)

光源と分光反射率計とを含む光学系と、
前記光源からの光を試料上へ透過させる光学窓を有するノズルと、
前記ノズルに接続され、2以上の分岐管を有して、それぞれ異なる媒質を供給する供給管と、
前記分岐管の各々に設けられる流量調整手段と
を備え、前記ノズルは、前記試料と対向する位置に設定され、前記光学窓と前記試料表面の間を異なる媒質で満たすことにより、互いに異なる測定環境を形成する光学測定装置。
An optical system including a light source and a spectral reflectometer;
A nozzle having an optical window for transmitting light from the light source onto the sample;
A supply pipe connected to the nozzle and having two or more branch pipes, each supplying a different medium;
A flow rate adjusting means provided in each of the branch pipes , wherein the nozzle is set at a position facing the sample, and different measurement environments are obtained by filling the optical window and the sample surface with different media. Optical measuring device forming .
前記光学系は、前記試料で反射された反射干渉光を、前記分光反射率計に導く光学手段をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の光学測定装置。  The optical measurement apparatus according to claim 1, wherein the optical system further includes an optical unit that guides reflected interference light reflected by the sample to the spectral reflectometer. 前記流量調整手段は、バルブであることを特徴とする請求項1に記載の光学測定装置。  The optical measurement apparatus according to claim 1, wherein the flow rate adjusting unit is a valve. 前記流量調整手段は、マスフローコントローラであることを特徴とする請求項1に記載の光学測定装置。   The optical measurement apparatus according to claim 1, wherein the flow rate adjusting unit is a mass flow controller. 前記供給管上に設けられる屈折率計をさらに備えることを特徴とする請求項に記載の光学測定装置。The optical measurement apparatus according to claim 4 , further comprising a refractometer provided on the supply pipe. 前記光学手段は、ハーフミラーであることを特徴とする請求項2に記載の光学測定装置。  The optical measurement apparatus according to claim 2, wherein the optical unit is a half mirror. 前記光学手段は、光ファイバであることを特徴とする請求項2に記載の光学測定装置。  The optical measurement apparatus according to claim 2, wherein the optical unit is an optical fiber. 試料と対向するように光学窓を配置するステップと、
前記光学窓と前記試料表面との間の空間を、第1の媒質で満たすステップと、
前記光学窓と前記第1の媒質を介して、前記試料上に測定光を照射し、前記試料からの反射干渉光を測定するステップと、
前記空間を、前記第1の媒質とは異なる第2の媒質で満たすステップと、
前記光学窓と前記第2の媒質を介して、前記試料上に測定光を照射し、前記試料からの反射干渉光を測定するステップと
を含む光学測定方法。
Arranging an optical window to face the sample;
Filling a space between the optical window and the sample surface with a first medium;
Irradiating measurement light on the sample through the optical window and the first medium, and measuring reflected interference light from the sample;
Filling the space with a second medium different from the first medium;
Irradiating measurement light on the sample through the optical window and the second medium, and measuring reflected interference light from the sample.
前記空間を第2の媒質で満たすステップは、前記空間に連通するノズルに接続された管上に設けられたバルブを切り替えることによって、第2の媒質を供給することを特徴とする請求項に記載の光学測定方法。The step of filling the space with the second medium, by switching the valve provided on the tube that is connected to a nozzle communicating with the space, in claim 8, characterized in that to supply the second medium The optical measurement method described. 前記空間を第2の媒質で満たすステップは、前記空間に供給される2種以上の物質の混合比を変えることによって、第2の媒質を供給することを特徴とする請求項に記載の光学測定方法。9. The optical system according to claim 8 , wherein the step of filling the space with the second medium supplies the second medium by changing a mixing ratio of two or more substances supplied to the space. Measuring method. 前記第1の媒質と第2の媒質の屈折率を測定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項10に記載の光学測定方法。The optical measurement method according to claim 10 , further comprising a step of measuring refractive indexes of the first medium and the second medium. 基板上に第1の薄膜が形成された試料と対向するように、光学窓を配置するステップと、
前記光学窓と前記第1の薄膜との間の空間を、第1の媒質で満たすステップと、
前記光学窓と前記第1の媒質を介して、前記試料に測定光を照射し、前記試料からの第1の反射干渉光を測定するステップと、
前記空間を、前記第1の媒質とは異なる第2の媒質で満たすステップと、
前記光学窓と前記第2の媒質を介して、前記試料上に測定光を照射し、前記試料からの第2の反射干渉光を測定するステップと前記第1および第2の反射干渉光に基づいて、前記第1の薄膜の膜厚を検出するステップと
を含む光学的膜厚検出方法。
Disposing an optical window so as to face a sample on which a first thin film is formed on a substrate;
Filling a space between the optical window and the first thin film with a first medium;
Irradiating the sample with measurement light through the optical window and the first medium, and measuring first reflected interference light from the sample;
Filling the space with a second medium different from the first medium;
Based on the steps of irradiating the sample with measurement light through the optical window and the second medium and measuring second reflected interference light from the sample, and the first and second reflected interference light And a step of detecting the thickness of the first thin film.
前記膜厚検出ステップは、前記測定した第1および第2の反射干渉光の反射率と、計算により求めた反射率とをフィッティングすることによって膜厚を求めることを特徴とする請求項12に記載の光学的膜厚検出方法。The thickness detection step, according to claim 12, wherein the determination of the thickness by fitting the first and second reflectance of the reflection interference light obtained by the measurement, and was calculated reflectance Optical film thickness detection method. ウエハ上に第1の薄膜を形成するステップと、
前記第1の薄膜と対向するように、光学窓を配置するステップと、
前記光学窓と前記第1の薄膜との間の空間を第1の媒質で満たし、前記光学窓と前記第1の媒質を介して前記ウエハ上に測定光を照射し、前記ウエハからの第1の反射干渉光を測定するステップと、
前記空間を、前記第1の媒質とは異なる第2の媒質で満たし、前記光学窓と前記第2の媒質を介して、前記ウエハ上に測定光を照射し、前記ウエハからの第2の反射干渉光を測定するステップと、
前記第1および第2の反射干渉光に基づいて、前記第1の薄膜の膜厚を検出するステップと、
を含む半導体製造方法。
Forming a first thin film on the wafer;
Disposing an optical window so as to face the first thin film;
A space between the optical window and the first thin film is filled with a first medium, measurement light is irradiated onto the wafer through the optical window and the first medium, and the first light from the wafer is irradiated. Measuring the reflected interference light of
The space is filled with a second medium different from the first medium, the measurement light is irradiated onto the wafer through the optical window and the second medium, and the second reflection from the wafer. Measuring interference light; and
Detecting the film thickness of the first thin film based on the first and second reflected interference lights;
A semiconductor manufacturing method comprising:
ウエハ上に第1の層を形成するステップと、
前記第1の層上に、前記第1の層と異なる第2の層を形成するステップと、
前記第2の層を研磨するステップと、
研磨後のウエハと対向するように、光学窓を配置するステップと、
前記光学窓と前記ウエハとの間の空間を、第1の媒質で満たし、前記光学窓と前記第1の媒質を介して前記ウエハ上に測定光を照射し、前記ウエハからの第1の反射干渉光を測定するステップと、
前記空間を、前記第1の媒質とは異なる第2の媒質で満たし、前記光学窓と前記第2の媒質を介して、前記ウエハ上に測定光を照射し、前記ウエハからの第2の反射干渉光を測定するステップと前記第1および第2の反射干渉光に基づいて、 前記研磨後に残存する第2の層の膜厚を検出するステップと、
を含む半導体製造方法。
Forming a first layer on the wafer;
Forming a second layer different from the first layer on the first layer;
Polishing the second layer;
Disposing an optical window to face the polished wafer;
A space between the optical window and the wafer is filled with a first medium, measurement light is irradiated onto the wafer through the optical window and the first medium, and first reflection from the wafer is performed. Measuring interference light; and
The space is filled with a second medium different from the first medium, the measurement light is irradiated onto the wafer through the optical window and the second medium, and the second reflection from the wafer. Measuring the interference light and detecting the film thickness of the second layer remaining after the polishing based on the first and second reflected interference lights;
A semiconductor manufacturing method comprising:
前記研磨ステップの後に、前記ウエハ表面を洗浄するステップをさらに含み、
前記第1の反射干渉光を測定するステップは、前記洗浄とともに行われることを特徴とする請求項15に記載の半導体製造方法。
After the polishing step, further comprising cleaning the wafer surface;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 15 , wherein the step of measuring the first reflected interference light is performed together with the cleaning.
前記膜厚検出ステップは、前記残存する第2の層の膜厚とともに、前記第1の層の膜厚をも検出することを特徴とする請求項15に記載の半導体製造方法。 16. The semiconductor manufacturing method according to claim 15 , wherein the film thickness detecting step detects the film thickness of the first layer together with the film thickness of the remaining second layer.
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