JP3953821B2 - 膜厚測定方法および膜厚測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビームを用いた薄膜の膜厚測定装置および膜厚測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開平６−２７３２９７号公報には、イオンビームを照射して試料を薄膜化する際に、イオンビームの照射と同時に試料に電子ビームを照射し、試料を透過した電子ビームをファラデーカップで検出することにより過度のエッチングを防止する方法が開示されている。
また、特開平８−５５２８号公報には、透過電子顕微鏡用の試料を作るために、イオンビーム加工機を用い、その加工部分に電子ビームを照射して加工部分を透過した電子ビームの電流量を検出することによりイオンビーム加工量を制御する方法が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平６−２７３２９７号公報および特開平８−５５２８号公報に記載の方法では、試料を透過した電子ビーム量を測定するものであるため、測定される試料は電子ビームが透過できるように薄く削られている必要があり、通常の半導体デバイスのように支持基板上に形成された薄膜の膜厚を測定するのは困難であった。
【０００４】
また、例えば特開昭６３−９８０７号公報に開示されているように、薄膜に電子ビームを照射して薄膜内から放出される二次電子を捕集し、捕集された二次電子量と薄膜の膜厚との相関関係から基板上の薄膜の厚みを測定する手法が知られている。しかし、この手法においては、アスペクト比の高いホールの底部に形成された薄膜から放出される二次電子を正確に捕集することは困難であった。
【０００５】
本発明者は、従来技術の有する上記課題を解決すべく、支持基板上に形成された薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を測定し、参照データをもとに薄膜の膜厚を算出する技術の開発に成功し、すでに特許出願している（特開２０００−１８０１４３号公報）。この方法においては、試料を透過した電子ビーム量を測定するのではなく、基板から基板電流値を直接測定するので、支持基板上に形成された薄膜の膜厚をも測定可能である。
【０００６】
図１は、特開２０００−１８０１４３号公報に開示された膜厚測定装置を示すブロック図である。この装置は、基板１上の薄膜２に電子ビームを照射する電子銃３、基板１の下部に接触配置された電極４および電極４に集められた基板電流値を測定する電流測定部５を有する。電流測定部５に測定された電流は、電流増幅器６および差動増幅器７により調整され、Ａ／Ｄ変換器９によりデジタル信号に変換される。膜厚測定装置はさらに、デジタル信号に変換された測定電流値を記憶する測定電流記憶部１０、既存の標準試料を用いて測定した検量線データを記憶する検量線データ記憶部１１、および検量線データと測定電流値とを比較する検量線データ比較部１２を有する。
【０００７】
以上のように構成された膜厚測定装置によれば、薄膜、特に極薄薄膜の膜厚を正確に測定することができるという効果がある。
【０００８】
特開２０００−１８０１４３号公報に記載の発明は、以下の原理を利用している。試料に数百ｅＶから数ｋｅＶ程度の低エネルギーの電子ビームを照射すると、試料の表面近傍から二次電子が放出される。一般に、導体または半導体の二次電子放出能力は小さく、絶縁体の二次電子放出能力は大きいという性質がある。例えば半導体であるシリコンの二次電子放出能力は０．９程度なのに対し、絶縁体であるシリコン酸化膜の二次電子放出能力は２程度である。
【０００９】
したがって、シリコン基板表面にシリコン酸化膜の薄膜が形成された半導体デバイスに電子ビームを照射すると、シリコン酸化膜からより多くの二次電子が放出される。このときシリコン酸化膜から放出された二次電子を補償するためにシリコン基板からシリコン酸化膜に電子が流出する。つまり、シリコン基板には照射された電子ビームにより生じる電流と、その電流と逆方向の補償電流との和である基板電流が流れる。
【００１０】
図２は、この原理を示す模式図である。図２（ａ）に示すように、シリコン基板上にシリコン酸化膜の薄膜が形成されている場合、電子ビームによる１つの電子が照射されると、シリコン酸化膜から二次電子として２つの電子が放出される。シリコン酸化膜から電子が１つ放出されたことになるので、シリコン酸化膜から放出された電子を補償するために、シリコン基板からシリコン酸化膜に電子が１つ流出する。この場合、シリコン基板には、電子ビームにより生じる電流と逆方向の基板電流が流れる。
【００１１】
一方、図２（ｂ）に示すように、シリコン基板上にシリコン酸化膜が形成されていない場合、電子ビームによる１つの電子が照射されると、シリコン基板から二次電子として０．９の電子が放出される。そのため、シリコン基板には電子ビームにより生じる電流の方向に、照射された電子量から放出された電子量を引いた量の基板電流が流れる。
【００１２】
以上のように、シリコン基板上にシリコン酸化膜がないときには二次電子の放出量が少ないので、電子ビームにより生じる電流が支配的であるが、シリコン酸化膜の膜厚が厚くなるに従い、補償電流が増加していく。したがって、予め基準試料の基板電流と膜厚との相関を示す参照データを求めておき、測定された基板電流を参照データと比較することにより、薄膜の膜厚を算出することができる。
【００１３】
しかし、特開２０００−１８０１４３号公報に開示された膜厚測定方法を、アスペクト比の高いホールの底部に形成された薄膜の膜厚の測定に適用すると、図３に示すように、薄膜から放出された二次電子の一部がホールの側壁に堆積する。そのため、ホール内には側壁に堆積した二次電子による電界が生じる。この電界の影響を受けて薄膜表面の二次電子のさらなる放出が抑制され、同じ膜厚であっても平面部に形成された薄膜とホールの底部における薄膜とでは基板電流値が異なるということが判明した。つまり、ホールの底部に形成された薄膜から放出される二次電子の量が減少し、結果として補償電流が減少するので、電子ビームにより生じる電流の向きを正とすると、基板電流値が平面部に比べて正方向にずれてしまうという問題が生じる。
【００１４】
このような問題は、特開２０００−１８０１４３号公報で開示された方法を、平坦に形成された薄膜だけでなく、アスペクト比の高いホールの底部や凹凸な基板上に形成された薄膜の測定に採用する場合に生じる特有の課題である。本発明は、上記課題を解決すべく特開２０００−１８０１４３号公報で開示された技術を改良したものである。
【００１５】
本発明はこうした背景のもとになされたものであり、基板上に形成された薄膜の膜厚を測定する技術を提供すること、特にアスペクト比の高いホールの底部や凹凸な基板上に形成された薄膜であっても膜厚を正確に測定する技術を提供することを課題とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を利用して薄膜の膜厚を測定する方法が提供される。この方法は、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する工程と、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を取得する工程と、電子ビームの照射により薄膜近傍に発生した電荷分布の影響を考慮して基板電流値を補正する工程と、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する工程とを含む。
【００１７】
この方法によれば、二次電子の電荷分布の影響を考慮して基板電流値を補正するので、薄膜に電子ビームを照射した際に薄膜から放出された二次電子が薄膜近傍に堆積していても、その影響を取り除いて参照データと比較することができる。そのため、例えばアスペクト比の高いホールの底部に形成された薄膜の膜厚も正確に測定することができる。
【００１８】
基板電流とは、基板に照射された電子ビームにより生じる電流と薄膜に電子ビームを照射することにより薄膜から放出される二次電子を補償するために基板から薄膜に流出した電子量を示す補償電流との和である。
【００１９】
基板電流値とは、測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を測定した生データであってもよく、このデータを増幅などにより調整したデータであってもよく、またこれらのデータをデジタル信号に変換したデータであってもよく、測定した基板電流値に由来すればどのようなデータであってもよい。
【００２０】
この方法で用いられる電子ビームのエネルギー（加速電圧）は、電子ビームが基板を貫通しない程度であるのが好ましく、例えば１０ｋｅＶくらいまでである。
【００２１】
参照データは、所定の膜厚の薄膜に電子ビームを照射したときに基板に流れるべき参照用の基板電流と所定の膜厚との相関を示すものであってよい。
【００２２】
また本発明によれば、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を利用して薄膜の膜厚を測定する方法が提供される。この方法は、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する工程と、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を取得する工程と、薄膜近傍の基板表面形状の影響を考慮して基板電流値を補正する工程と、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する工程とを含む。
【００２３】
この方法によれば、薄膜近傍の基板表面形状に応じた二次電子の堆積量を考慮して基板電流値を補正するので、薄膜に電子ビームを照射した際に薄膜から放出された二次電子が薄膜近傍に堆積していても、その影響を取り除いて参照データと比較することができる。そのため、例えばアスペクト比の高いホールの底部に形成された薄膜の膜厚も正確に測定することができる。
【００２４】
ここで、基板表面形状の影響とは、前記薄膜が形成された領域とその周囲との段差による影響や、薄膜が形成された領域とその周囲との凹凸による影響であってよい。
【００２５】
薄膜は、基板上の堆積層に形成された凹部の底部に設けられていてよく、補正する工程は、薄膜が設けられた凹部の形状に応じて電荷分布の影響を算出してよい。
【００２６】
この方法は、基板の表面に形成された凹部の配置を示すレイアウトデータを取得する工程をさらに備えてよく、基板電流値を取得する工程は、薄膜上において、電子ビームが照射された位置を基板電流値に対応づけて取得してよく、補正する工程は、電子ビームが照射された位置のレイアウトデータに基づき、基板電流値を補正してもよい。
【００２７】
本発明における基板とは、膜厚測定対象となる薄膜の形成される下地となる基材をいい、半導体基板、絶縁基板およびこれらの上に堆積膜が形成されたもの等をいう。たとえば、シリコン基板上に絶縁膜等が形成されたもの等をいう。
【００２８】
レイアウトデータを取得する工程は、薄膜の膜厚を算出するために薄膜に電子ビームを照射するのに先立ち、レイアウトデータの取得のために薄膜に電子ビームを照射する工程と、そのときに基板に流れる基板電流を電子ビームの照射位置に対応づけて取得する工程と、基板電流と照射位置とに基づき基板の表面に形成された凹部の配置を検出する工程とを含んでよい。
【００２９】
レイアウトデータを取得する工程は、設計データに基づきレイアウトデータを取得してよい。
【００３０】
凹部はホールであってよく、補正する工程は、ホールのホール径を変数とする補正式により基板電流値を補正してよい。
【００３１】
基板の表面には複数の凹部が形成されていてよく、基板電流値を取得する工程は、各凹部の位置に対応づけて基板電流値を取得してよく、レイアウトデータを取得する工程は、各凹部の位置に対応づけてその凹部の形状を検出する工程を含んでよく、補正する工程は、各凹部の形状に応じて基板電流値を補正してよい。
【００３２】
また本発明によれば、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を利用して薄膜の膜厚を測定する装置が提供される。この装置は、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する参照データ取得部と、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を取得する測定データ取得部と、電子ビームの照射により薄膜近傍に発生した電荷分布の影響を考慮して基板電流値を補正する補正処理部と、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する演算処理部とを含む。
【００３３】
この装置によれば、補正処理部が二次電子の電荷分布の影響を考慮して基板電流値を補正するので、薄膜に電子ビームを照射した際に薄膜から放出された二次電子が薄膜近傍に堆積していても、演算処理部は、その影響を取り除いて参照データと比較することができる。そのため、例えばアスペクト比の高いホールの底部に形成された薄膜の膜厚も正確に測定することができる。
【００３４】
薄膜は、基板の表面に形成された凹部の底部に設けられていてよく、補正処理部は、薄膜が設けられた凹部の形状に応じて電荷分布の影響を算出してよい。
【００３５】
また本発明によれば、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を利用して薄膜の膜厚を測定する装置が提供される。この装置は、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する参照データ取得部と、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を取得する測定データ取得部と、薄膜近傍の基板表面形状の影響を考慮して基板電流値を補正する補正処理部と、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する演算処理部とを含む。
【００３６】
この装置によれば、補正処理部が薄膜近傍の基板表面形状に応じた二次電子の堆積量を考慮して基板電流値を補正するので、演算処理部は、薄膜に電子ビームを照射した際に薄膜から放出された二次電子が薄膜近傍に堆積していても、その影響を取り除いて参照データと比較することができる。そのため、例えばアスペクト比の高いホールの底部に形成された薄膜の膜厚も正確に測定することができる。
【００３７】
この装置は、測定対象の薄膜に電子ビームを照射する電子ビーム照射部と、薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を測定する電流測定部とをさらに備えてよく、測定データ取得部は、電流測定部から基板電流値を取得してよい。
【００３８】
電流測定部は、基板に接触して設けられた電極を有してよく、その電極に流れる電流を基板電流値として測定してもよい。
【００３９】
この装置は、基板の表面に形成された凹部の配置を示すレイアウトデータを記憶するレイアウトデータ記憶部をさらに備えてもよく、電流測定部は、薄膜上において、電子ビームが照射された位置を基板電流値に対応づけて取得してもよく、補正処理部は、電子ビームが照射された位置のレイアウトデータに基づき、基板電流値を補正してよい。
【００４０】
凹部はホールであってもよく、補正処理部は、ホールのホール径を変数とする補正式により基板電流値を補正してよい。
【００４１】
基板の表面には複数の凹部が形成されていてもよく、測定データ記録部は、各凹部の位置に対応づけて基板電流値を記録してよく、レイアウトデータ記憶部は、各凹部の位置に対応づけてその凹部の形状を記憶してよく、補正処理部は、各凹部の形状に応じて基板電流値を補正してもよい。
【００４２】
また本発明によれば、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を利用して薄膜の膜厚を測定する処理をコンピュータに実行させるためのプログラムが提供される。このプログラムは、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する処理と、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を取得する処理と、電子ビームの照射により薄膜近傍に発生した電荷分布の影響を考慮して基板電流値を補正する処理と、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する処理とをコンピュータに実行させる。
【００４３】
また本発明によれば、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を利用して薄膜の膜厚を測定する処理をコンピュータに実行させるためのプログラムが提供される。このプログラムは、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する参照データ取得手段と、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を取得する測定データ取得手段と、基板電流値を補正する補正処理手段と、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する演算処理手段と、を備えてなる情報処理装置を制御し、参照データ取得手段に、参照データを取得させる処理と、測定データ取得手段に、基板電流値を取得させる処理と、補正処理手段に、電子ビームの照射により薄膜近傍に発生した電荷分布の影響を考慮して基板電流値を補正させる処理と、演算処理手段に、参照データ記憶手段から参照データを読み出させ、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出させる処理とをコンピュータに実行させる。
【００４４】
また本発明によれば、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を利用して薄膜の膜厚を測定する処理をコンピュータに実行させるためのプログラムが提供される。このプログラムは、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する処理と、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を取得する処理と、薄膜近傍の基板表面形状の影響を考慮して基板電流値を補正する処理と、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する処理とをコンピュータに実行させる。
【００４５】
また本発明によれば、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を利用して薄膜の膜厚を測定する処理をコンピュータに実行させるためのプログラムが提供される。このプログラムは、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する参照データ取得手段と、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を取得する測定データ取得手段と、基板電流値を補正する補正処理手段と、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する演算処理手段と、を備えてなる情報処理装置を制御し、参照データ取得手段に、参照データを取得させる処理と、測定データ取得手段に、基板電流値を取得させる処理と、補正処理手段に、薄膜近傍の基板表面形状の影響を考慮して基板電流値を補正させる処理と、演算処理手段に、参照データ記憶手段から参照データを読み出させ、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出させる処理とをコンピュータに実行させる。
【００４６】
また本発明によれば、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を利用して薄膜の膜厚を測定する処理をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータに読取可能な記録媒体が提供される。この記録媒体は、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する処理と、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を取得する処理と、電子ビームの照射により薄膜近傍に発生した電荷分布の影響を考慮して基板電流値を補正する処理と、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する処理と、をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録する。
【００４７】
また本発明によれば、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を利用して薄膜の膜厚を測定する処理をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータに読取可能な記録媒体が提供される。この記録媒体は、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する処理と、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を取得する処理と、薄膜近傍の基板表面形状の影響を考慮して基板電流値を補正する処理と、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する処理と、をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録する。
【００４８】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【００４９】
【発明の実施の形態】
図４は、本実施の形態において、基板上の薄膜に電子ビームを照射することにより、基板に流れる基板電流値を測定する手順を示すフローチャートである。まず、薄膜上における電子ビームの照射位置を設定する（Ｓ１０）。設定された照射位置の薄膜に電子ビームを照射する（Ｓ１２）。続いて、薄膜に電子ビームが照射された際に基板に流れる基板電流値を測定する（Ｓ１４）。測定された基板電流値を、増幅等により調整し（Ｓ１６）、調整した基板電流値を照射位置に対応づけて測定データとして記録する（Ｓ１８）。その後、全ての必要な領域での測定が終了したかを判断し（Ｓ２０）、測定が終了していなければ（Ｓ２０のＮｏ）ステップ１０に戻り、新たな照射位置を設定する。全ての必要な領域での測定が終了していれば（Ｓ２０のＹｅｓ）測定を終了する。
【００５０】
図５は、参照データを考慮して測定データに基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する手順を示すフローチャートである。ここで、参照データは、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示すものである。
【００５１】
まず、測定された基板電流値を補正する（Ｓ３０）。次に参照データを読出し（Ｓ３２）、補正済の基板電流値と参照データを比較する（Ｓ３４）。補正済の基板電流値に対応する基板電流と相関関係にある膜厚が算出される（Ｓ３６）算出された膜厚は、照射位置に対応づけて出力される（Ｓ３８）。
【００５２】
図６は、図５のステップ３０で説明した測定データ補正処理の詳細なフローチャートである。まず、電子ビームの照射により薄膜近傍に発生した電荷分布の影響または薄膜近傍の基板表面形状の影響を考慮した補正式を取得する（Ｓ４０）。次に、薄膜が形成された領域における試料のレイアウトデータを取得する（Ｓ４２）。取得した補正式とレイアウトデータに基づいて、試料上の各位置における補正データを算出する（Ｓ４４）。続いて図４のステップ１８で記録された測定データを読出し（Ｓ４６）、補正データを考慮して補正処理を行う（Ｓ４８）。
【００５３】
次に、以上の膜厚測定方法を実現する膜厚測定装置の構成を説明する。図７は、本発明の実施の形態に係る膜厚測定装置を示すブロック図である。
【００５４】
膜厚測定装置１８は、電子ビーム処理部２０、電子ビーム制御部４０、偏向制御部４２、ウェハステージ制御部４４、照射位置制御部４６、電流測定部４８、電流増幅器５０、差動増幅器５２、Ａ／Ｄ変換器５４、測定データ記録部５６、補正処理部５８、レイアウトデータ記憶部６０、補正式記憶部６２、演算処理部６６、参照データ記憶部６８、デジタルマルチメータ７０、ＣＰＵ７２およびディスプレイ７４を有する。
【００５５】
電子ビーム処理部２０は、電子ビームを発生させる電子銃２２、試料上の所定の領域に電子ビームが照射されるように電子ビームを偏向する偏向部２４、試料を保持するウェハステージ２６およびウェハステージ２６を駆動するウェハステージ駆動部２８を有する。本実施の形態において、電子ビーム処理部２０はウェハステージ２６に配置された電極３０を含む。測定対象となる試料は電極３０上に載置され、電極３０は、測定対象となる試料に流れる電流を検出する。
【００５６】
図示していないが、電子ビーム処理部２０は加速電圧発生部を有し、電子ビーム制御部４０は、電子銃２２から所定の加速電圧の電子ビームが照射されるように加速電圧発生部を制御する。また、電子ビーム処理部２０は、ウェハステージ２６など測定対象となる試料の近傍に電圧を印加する手段を有してもよい。試料近傍に電圧を印加することにより、電子ビームの加速速度を実質的に下げることができ、精度よく測定結果を得ることができる。なお、ウェハステージ２６などへの電圧の印加に起因する信号は後述する差動増幅器５２により除去するようにしてよい。これにより、さらに精度よく測定結果を得ることができる。
【００５７】
偏向制御部４２は、偏向部２４を制御する。ウェハステージ制御部４４は、ウェハステージ駆動部２８を制御し、ウェハステージ２６を所定の位置に移動させる。照射位置制御部４６は、試料の所定の位置に電子ビームが照射されるように偏向制御部４２およびウェハステージ制御部４４を制御する。なお、図示していないが、膜厚測定装置１８は電子銃移動手段を有してもよく、照射位置制御部４６は試料の所定の位置に電子ビームが照射されるように電子銃移動手段を制御して電子銃２２を移動させてもよい。
【００５８】
電流測定部４８は電極３０に接続され、電極３０が検出した基板電流値を測定する。電流増幅器５０は、測定された基板電流値を増幅する。差動増幅器５２は、オフセット調整機能を有し、膜厚測定装置１８の漏れ電流からなるオフセット電圧を取り除くとともに基板電流値をさらに増幅する。差動増幅器５２は、電子ビームを照射していないときの電流値と電子ビームを照射しているときの電流値との差を利用してオフセット電圧の補正を行ってよい。デジタルマルチメータ７０は、調整された基板電流値を表示する。
【００５９】
Ａ／Ｄ変換器５４は、差動増幅器５２により調整された基板電流値をデジタル変換する。測定データ記録部５６は、デジタル変換された基板電流値を記録する。また、測定データ記録部５６は、照射位置制御部４６から電子ビームの照射位置データを取得する。測定データ記録部５６は、照射位置データを測定された基板電流値に対応づけて記録する。
【００６０】
レイアウトデータ記億部６０は、薄膜３４が形成された領域のレイアウトデータを記憶する。ここで、レイアウトデータ記億部６０は、例えば基板３２上に、複数のホールが形成された堆積層が形成されている場合、各ホールのホール径をそのホールの位置に対応づけたものをレイアウトデータとして記憶する。レイアウトデータは、膜厚の測定対象となる試料を測定することにより得られる測定値であってもよく、またその試料の設計データであってもいずれでもよい。レイアウトデータは、ＣＤ−ＳＥＭ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）装置や、後述するように、膜厚測定装置１８自体を用いて測定により得られてよい。
【００６１】
補正式記憶部６２は、レイアウトデータに基づいて測定データを補正するための補正式を記憶する。具体例については後述するが、補正式は、例えばホール径を変数とする関数であってよい。
【００６２】
補正処理部５８は、測定データ記録部５６から測定データを読出し、電子ビームが照射により薄膜３４近傍に発生した電荷分布の影響を考慮して測定データの補正を行う。このとき、補正処理部５８は、薄膜３４近傍の基板表面形状の影響を考慮して測定データの補正を行ってもよい。
【００６３】
参照データ記憶部６８は、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを記憶する。ここで、参照データは、膜厚が既知の薄膜を含む標準試料を用いて膜厚測定装置１８により電子ビームを照射したときに得られた測定値を膜厚に対応づけることにより取得されてよい。標準試料に含まれる薄膜は、薄膜３４と同一材料により形成されるのが好ましいが、薄膜３４と同じ二次電子放出能力を有する材料により形成されていれば他の材料により形成されてもよい。参照データは、例えば平坦な基板上に形成された薄膜を用いて取得されるのが好ましい。補正処理部５８は、参照データが取得されたときの薄膜近傍の基板表面形状と測定データを取得するときの薄膜３４近傍の基板表面形状との差異を考慮して測定データの補正を行ってもよい。
【００６４】
また、他の例において、参照データは測定対象の薄膜３４および基板３２の二次電子放出能力を考慮した理論計算により求められてもよい。また、例えば薄膜３４がＳｉＯＮにより形成されている場合、ＳｉＯ２とＳｉＮについてそれぞれ測定した基板電流値から比率計算により求めてもよい。
【００６５】
演算処理部６６は、参照データ記憶部６８に記憶された参照データを考慮して、測定された基板電流値から測定対象の薄膜３４の膜厚を算出する。ＣＰＵ７２は、膜厚測定装置１８全体の制御を行う。ディスプレイ７４は、算出結果を表示する。
【００６６】
図８は、本実施の形態における膜厚測定装置１８の測定対象となる試料の一例を示す断面図である。薄膜測定装置１８は、基板３２上に堆積された堆積膜８０に形成されたホール８２の底部に設けられた薄膜３４の膜厚を測定する。このホール８２の具体例としては、例えばエッチングにより形成されたコンタクトホールがある。このとき、測定対象となる薄膜３４は、基板上の層間絶縁膜をエッチングした際の層間絶縁膜の残膜であってもよく、基板と層間絶縁膜との間に設けられたエッチングストッパ層であってもよい。ここで、基板３２は導体または半導体であるのが好ましい。本実施の形態において、基板３２はシリコンにより形成される。
【００６７】
薄膜３４は、例えばＳｉＯ2 （Ｐ、Ｂを含有するものを含む）（シリコン酸化膜）、ＳｉＮ（シリコン窒化膜）、ＳｉＯＮ（シリコン酸化窒化膜）、ＳｉＯＦ（シリコンフッ素添加酸化膜）、ＳｉＯＮＦ（シリコンフッ素添加酸化窒化膜）、ＵＳＧ(ｕｎｄｏｐｅｄ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ)、ＢＰＳＧ(ｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ)、ＰＳＧ(ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ)、有機高分子などのポリマー、無機系酸化膜、シリサイド、窒化膜、強誘電体、ポリイミド、レジスト、フルオロカーボン、炭素、蛋白質、ＤＮＡ、または、ＳＯＧ(ｓｐｉｎ ｏｎ ｇｌａｓｓ)、ＦＯＸ(ｆｌｏｗａｂｌｅ ｏｘｉｄｅ)、パリレン、サイトップ、ＢＣＢ（Ｂｅｎｓｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ）、ＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｎｘａｎｅ）、ＭＳＱ（Ｍｅｔｈｙｌ Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｎｘａｎｅ）あるいはＳｉｌｋ（ダウ・ケミカル社登録商標）などの低誘電率材（ｌｏｗ−ｋ膜）などにより形成されてよい。薄膜３４は、さらに、例えばＡｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃｏ合金等の金属により形成されてもよい。本実施の形態において、堆積層８０および薄膜３４はシリコン酸化膜により形成される。
【００６８】
ここでは、薄膜３４がホールの底部に設けられると説明したが、薄膜３４は、ホールに限らず、例えば溝などの凹部の底部や、凸部の上面に設けられもよい。この場合、凹部は、電子ビームを薄膜３４に照射できればどのような開口形状を有したものであってもよい。
【００６９】
図９は、試料上で電子ビームを走査する様子を示す模式図である。照射位置制御部４６は、ウェハステージ制御部４４および偏向制御部４２などを制御することにより、電子ビームを試料上でｘ方向およびｙ方向に二次元的に走査する。
【００７０】
本実施の形態において、膜厚測定装置１８は、ホール８２の底部に設けられた薄膜３４を測定対象とするので、底部の薄膜３４に電子ビームが十分に直接届くように、電子ビームを垂直に保つのが好ましい。このようにホール８２の底部や溝などの凹部の底部に設けられた薄膜の膜厚を測定する場合は、電子ビームを偏向するよりも、電子ビームが試料表面に垂直に照射されるようにウェハステージ２６または電子銃２２を移動させて電子ビームを走査させる方が好ましい。さらに、ホール８２内の薄膜３４に電子ビームを垂直に照射することにより、薄膜３４に照射される前に酸化シリコンの堆積膜８０に当たって吸収されてしまう二次電子の量を減らすこともできるので、より正確に薄膜３４の膜厚を算出することができる。
【００７１】
また、電子ビームは、測定範囲において、試料のどの部分にも同じ角度で照射されるのが好ましい。これにより、二次電子の放出量を定量的に保つことができるので、測定した基板電流値から正確に膜厚を算出することができるという効果がある。膜厚測定装置１８は、このように電子ビームを試料上で走査しながら基板電流値を測定し、測定された基板電流値を電子ビームの照射位置に対応づけて測定データ記録部５６に記録させる。
【００７２】
図１０は、本実施の形態における膜厚測定装置１８の測定対象となる試料の他の例を示す断面図である。膜厚測定装置１８は、シリコンの基板３２上に堆積された酸化シリコンの堆積膜８０に複数のホール８２ａ、８２ｂ、８２ｃが形成され、各ホールの底部に薄膜３４が設けられた試料を測定対象とする。ここで、複数のホール８２ａ、８２ｂ、８２ｃのホール径はそれぞれｒ１、ｒ２、ｒ３のように異なる。また、この試料に電子ビームが照射された際の照射位置は、ホール８２ａ、８２ｂ、８２ｃの中心部において、（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ１）、（ｘ３，ｙ１）である。
【００７３】
次に、図７〜図１０を参照して、本実施の形態における膜厚測定装置１８の動作を説明する。
【００７４】
図７において、ウェハステージ２６上に配置された電極３０上に、測定対象の試料が載置される。ここでは、図１０に示した試料を測定対象とする。電子ビーム制御部４０は、電子銃２２から所定のエネルギーの電子ビームが照射されるように加速電圧発生部を制御する。まず、照射位置制御部４６は、試料上の所定の位置（ｘ１,ｙ１）に電子ビームが照射されるようにウェハステージ制御部４４および偏向制御部４２を制御する。照射位置制御部４６は、この照射位置（ｘ１,ｙ１）を測定データ記録部５６に出力する。
【００７５】
電子銃２２から電子ビームが試料に照射されると、試料から二次電子が放出される。そのため、薄膜３４から放出された二次電子を補償するために基板３２から薄膜３４に電子が流出し、基板３２に補償電流が流れる。また、基板３２には電子銃２２から発生された電子ビームのうち、試料に衝突しなかった電子ビームにより生じる電流が流れる。基板３２には、これらの電流の和である基板電流が流れる。電極３０は基板電流を検出し、電流測定部４８は基板電流値を測定する。
【００７６】
測定された基板電流値は電流増幅器５０、差動増幅器５２、およびＡ／Ｄ変換器５４により調整される。デジタル変換された基板電流値をａとすると、測定データ記録部５６は、基板電流値ａを照射位置（ｘ１,ｙ１）に対応づけて記録する。
【００７７】
照射位置制御部４６は、試料上の電子ビームの照射位置を制御し、位置（ｘ２，ｙ１）および（ｘ３，ｙ１）においても同様に基板電流値の測定を繰り返す。測定データ記録部５６は、各位置での基板電流値ｂおよびｃを照射位置（ｘ２，ｙ１）および（ｘ３，ｙ１）にそれぞれ対応づけて記録していく。
【００７８】
図１１は、補正処理部５８により利用されるテーブルを示す図である。この図を参照して以下に補正処理部５８の処理を説明する。補正処理部５８は、測定データ記録部５６から、電子ビームの照射位置（ｘ１,ｙ１）、（ｘ１,ｙ２）、（ｘ１,ｙ３）にそれぞれ対応づけられた基板電流値ａ、ｂ、ｃを読出す。
【００７９】
補正処理部５８は、補正式記憶部６２からホール径ｒに基づき基板電流値を補正する補正式ｆ（ｒ）を取得する。以下に、補正式の算出方法の一例を説明する。
【００８０】
２次電子の放出エネルギーＥは、仕事関数をΦ、入射電子のエネルギーをＥ０、外部からの電位をＶとすると以下のように表される。ここで、Φは薄膜３４の膜厚に応じて変化する値である。
【００８１】
【数１】
Ｅ＝Ｅ０−（Φ＋Ｖ）
また、ある電子が距離ｒの点に生じさせる電位Ｖ'は、以下のように表される。ここで、ＡおよびＢは正の定数である。
【００８２】
【数２】
Ｖ'＝Ａ×ｅｘｐ（−Ｂ×ｒ）
外部からの電位Ｖは数２のＶ'で表され、ホール径をｒとし、ホール８２の側壁に電子が飽和した状態でｎ個の電子が堆積されていると仮定すると、数１は、以下のように変形できる。
【００８３】
【数３】
Ｅ＝Ｅ０−Φ−ｎ×Ａ×ｅｘｐ（−Ｂ×ｒ）
基板の裏面で検出されるエネルギーは、入射電子のエネルギーＥ０と２次電子の放出エネルギーＥの差に相当するため、数３を変形すると、以下のようになる。
【００８４】
【数４】
Ｅ０−Ｅ＝Φ＋ｎ×Ａ×ｅｘｐ（−Ｂ×ｒ）
これにより、検出される基板電流Ｉは以下のように表される。ａは定数、ｂおよびｃは正の定数である。
【００８５】
【数５】
Ｉ＝ａ＋ｎ×ｂ×ｅｘｐ（−ｃ×ｒ）
このとき堆積膜８０の膜厚が規定値だとすると、側壁に付着する電子数ｎはホール径ｒに比例すると考えられるので、数５を変形すると以下のようになる。αは薄膜３４の膜厚に応じて定められる定数、βおよびγは正の定数である。
【００８６】
【数６】
Ｉ＝α＋β×ｒ×ｅｘｐ（−γ×ｒ）
したがって、ホール径に依存する効果がない場合に期待される出力をＩ'とすると、実測値Ｉからホール径に依存する効果を差し引いた以下のように表される。
【００８７】
【数７】
Ｉ'＝Ｉ−β×ｒ×ｅｘｐ（−γ×ｒ）
次に、数６のα、β、γの値を算出する。まず、シリコン基板上の堆積層に複数のホールをエッチングにより形成する際に、オーバーエッチングされた試料を用いて基板電流値を測定する。ここで、オーバーエッチングされた試料では、ホールの底部にはシリコン基板に付着した自然酸化膜のみが設けられているとして、残膜の膜厚はホール径によらず一定であると仮定する。
図１２は、得られた基板電流値と、ＣＤ−ＳＥＭ装置により求めたホール径との相関を示すグラフである。ホール径は、０．１５ｎｍ〜０．４５ｎｍμｍの間である。図１２（ａ）のグラフを用いて、オーバーエッチングされた試料につき、基板電流の測定値と数６で求められる理論値との差が最も小さくなるα、β、γを算出した。その結果、図１２（ｂ）に示すように、β＝５６．４２８、γ＝８．３９４７が得られた。
【００８８】
ここで得られたβおよびγの値を数７に代入し、基板電流の測定値を補正した。また、アンダーエッチングおよびジャストエッチングされた試料についても基板電流値を測定し、同様に補正を行った。ここで、ジャストエッチングとは、オーバーエッチングとアンダーエッチングとの平均時間においてエッチングすることをいう。
【００８９】
以上の補正を行った測定データを参照データと比較することにより、各薄膜の膜厚を算出した。算出結果を図１３に示す。ここで、参考として、ホールのない平坦なシリコン基板上に形成された薄膜に電子ビームを照射した際に得られた基板電流値と膜厚との関係も示す。
【００９０】
なお、以上の説明ではホール径ｒを用いて説明したが、数７は、堆積層の膜厚をｄ、アスペクト比ｘ'として、以下のように表されてもよい。
【００９１】
【数８】
Ｉ'＝Ｉ−β×ｄ／ｘ'×ｅｘｐ（−γ×ｄ／ｘ'）
補正式記憶部６０は、以上のようにして求められた補正式ｆ（ｒ）＝５６．４２８×ｒ×ｅｘｐ（−８．３９４７×ｒ）を記憶する。補正式ｆ（ｒ）は、このようにして数７におけるβおよびγの値を材料ごとに求められる。補正式は外部から入力されてもよく、膜厚測定装置１８に補正式算出機能を持たせてもよい。なお、ここで用いた補正式は例示であり、凹凸部の形状に応じて種々の補正式が考えられる。
【００９２】
図１１に戻り、補正処理部５８は、レイアウトデータ記憶部６０から堆積膜８０におけるホール８２の配置を示すレイアウトデータを取得する。補正処理部５８は、レイアウトデータから各ホール８２のホール径ｒおよび位置を検出する。補正処理部５８は、照射位置に対応する位置に形成されたホールのホール径ｒを各照射位置に対応付ける。ここでは、電子ビームの照射位置（ｘ１,ｙ１）、（ｘ１,ｙ２）、（ｘ１,ｙ３）におけるホール径はそれぞれｒ２、ｒ３、ｒ１である。次に、補正処理部５８は、補正式ｆ（ｒ）に各ホール径を代入した補正データを算出する。補正処理部５８は、基板電流値から補正データを減じて各基板電流値の補正を行う。例えば、電子ビームの照射位置（ｘ１,ｙ１）における補正済の基板電流値はａ'＝ａ−ｆ（ｒ２）、電子ビームの照射位置（ｘ２,ｙ１）における補正済の基板電流値はｂ'＝ｂ−ｆ（ｒ３）電子ビームの照射位置（ｘ３,ｙ１）における補正済の基板電流値はｃ'＝ｃ−ｆ（ｒ１）となる。
【００９３】
演算処理部６６は、参照データ記憶部６８から参照データを読出し、補正済の測定データと比較することにより、各照射位置における薄膜３４の膜厚を算出する。
【００９４】
これら一連の動作は、ＣＰＵ７２およびそれを動かすための制御プログラムによって行われ、算出結果がディスプレイ７４に示される。また、測定データ記録部５６は、算出された膜厚を照射位置データに対応づけて記録してもよい。
【００９５】
図１４は、照射位置と基板電流値との関係を示すグラフである。この図は、シリコンの基板３２上に堆積された酸化シリコンの堆積膜８０に形成されたホール８２の底部に設けられた酸化シリコンの薄膜３４を測定対象として、この薄膜３４を横切る方向に電子ビームを走査させたときの照射位置と基板電流値との関係を示す。
【００９６】
このように、基板電流値を照射位置に対応づけて取得することにより、ホール８２の形状を検出することもできる。膜厚測定装置１８は、このようにして得られたデータをレイアウトデータとして用いてもよい。例えば、膜厚測定装置１８は、レイアウトデータの取得を目的とする際には、電子ビームの走査速度を速くするなどして迅速にレイアウトデータを得て、そのレイアウトデータに基づいて基板電流値の測定を目的とする電子ビームの照射処理を行ってもよい。
【００９７】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００９８】
【発明の効果】
本発明に係る膜厚測定装置または膜厚測定方法によれば、アスペクト比の高いホールの底部や凹凸表面を有する基板上に形成された薄膜であっても膜厚を精度よく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の膜厚測定装置を示すブロック図である。
【図２】基板上の薄膜に電子ビームを照射したときに基板に基板電流が流れる原理を示す模式図である。
【図３】ホールの底部に形成された薄膜に電子ビームが照射されたときに、ホールの側壁に二次電子が堆積する様子を模式的に示す図である。
【図４】本実施の形態において、基板上の薄膜に電子ビームを照射することにより、基板に流れる基板電流値を測定する手順を示すフローチャートである。
【図５】参照データを考慮して測定データに基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する手順を示すフローチャートである。
【図６】図５のステップ３０の測定データの補正処理の詳細なフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態に係る膜厚測定装置を示すブロック図である。
【図８】本実施の形態における膜厚測定装置の測定対象となる試料の断面図を示す。
【図９】試料上で電子ビームを走査する様子を示す模式図である。
【図１０】本実施の形態における膜厚測定装置の測定対象となる試料の断面図を示す。
【図１１】補正処理部により利用されるテーブルを示す図である。
【図１２】補正式を算出するための基板電流値とホール径との相関を示すグラフである。
【図１３】補正を行った測定データを参照データと比較することにより、各薄膜の膜厚を算出した結果を示すグラフである。
【図１４】照射位置と基板電流値との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１８ 膜厚測定装置
２０ 電子ビーム処理部
２２ 電子銃
２４ 偏向部
２６ ウェハステージ
２８ ウェハステージ駆動部
３０ 電極
３２ 基板
３４ 薄膜
４０ 電子ビーム制御部
４２ 偏向制御部
４４ ウェハステージ制御部
４６ 照射位置制御部
４８ 電流測定部
５０ 電流増幅器
５２ 差動増幅器
５４ Ａ／Ｄ変換器
５６ 測定データ記録部
５８ 補正処理部
６０ レイアウトデータ記憶部
６２ 補正式記憶部
６６ 演算処理部
６８ 参照データ記憶部
７０ デジタルマルチメータ
７２ ＣＰＵ
７４ ディスプレイ
８０ 堆積膜
８２ ホール
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビームを用いた薄膜の膜厚測定装置および膜厚測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開平６−２７３２９７号公報には、イオンビームを照射して試料を薄膜化する際に、イオンビームの照射と同時に試料に電子ビームを照射し、試料を透過した電子ビームをファラデーカップで検出することにより過度のエッチングを防止する方法が開示されている。
また、特開平８−５５２８号公報には、透過電子顕微鏡用の試料を作るために、イオンビーム加工機を用い、その加工部分に電子ビームを照射して加工部分を透過した電子ビームの電流量を検出することによりイオンビーム加工量を制御する方法が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平６−２７３２９７号公報および特開平８−５５２８号公報に記載の方法では、試料を透過した電子ビーム量を測定するものであるため、測定される試料は電子ビームが透過できるように薄く削られている必要があり、通常の半導体デバイスのように支持基板上に形成された薄膜の膜厚を測定するのは困難であった。
【０００４】
また、例えば特開昭６３−９８０７号公報に開示されているように、薄膜に電子ビームを照射して薄膜内から放出される二次電子を捕集し、捕集された二次電子量と薄膜の膜厚との相関関係から基板上の薄膜の厚みを測定する手法が知られている。しかし、この手法においては、アスペクト比の高いホールの底部に形成された薄膜から放出される二次電子を正確に捕集することは困難であった。
【０００５】
本発明者は、従来技術の有する上記課題を解決すべく、支持基板上に形成された薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を測定し、参照データをもとに薄膜の膜厚を算出する技術の開発に成功し、すでに特許出願している（特開２０００−１８０１４３号公報）。この方法においては、試料を透過した電子ビーム量を測定するのではなく、基板から基板電流値を直接測定するので、支持基板上に形成された薄膜の膜厚をも測定可能である。
【０００６】
図１は、特開２０００−１８０１４３号公報に開示された膜厚測定装置を示すブロック図である。この装置は、基板１上の薄膜２に電子ビームを照射する電子銃３、基板１の下部に接触配置された電極４および電極４に集められた基板電流値を測定する電流測定部５を有する。電流測定部５に測定された電流は、電流増幅器６および差動増幅器７により調整され、Ａ／Ｄ変換器９によりデジタル信号に変換される。膜厚測定装置はさらに、デジタル信号に変換された測定電流値を記憶する測定電流記憶部１０、既存の標準試料を用いて測定した検量線データを記憶する検量線データ記憶部１１、および検量線データと測定電流値とを比較する検量線データ比較部１２を有する。
【０００７】
以上のように構成された膜厚測定装置によれば、薄膜、特に極薄薄膜の膜厚を正確に測定することができるという効果がある。
【０００８】
特開２０００−１８０１４３号公報に記載の発明は、以下の原理を利用している。試料に数百ｅＶから数ｋｅＶ程度の低エネルギーの電子ビームを照射すると、試料の表面近傍から二次電子が放出される。一般に、導体または半導体の二次電子放出能力は小さく、絶縁体の二次電子放出能力は大きいという性質がある。例えば半導体であるシリコンの二次電子放出能力は０．９程度なのに対し、絶縁体であるシリコン酸化膜の二次電子放出能力は２程度である。
【０００９】
したがって、シリコン基板表面にシリコン酸化膜の薄膜が形成された半導体デバイスに電子ビームを照射すると、シリコン酸化膜からより多くの二次電子が放出される。このときシリコン酸化膜から放出された二次電子を補償するためにシリコン基板からシリコン酸化膜に電子が流出する。つまり、シリコン基板には照射された電子ビームにより生じる電流と、その電流と逆方向の補償電流との和である基板電流が流れる。
【００１０】
図２は、この原理を示す模式図である。図２（ａ）に示すように、シリコン基板上にシリコン酸化膜の薄膜が形成されている場合、電子ビームによる１つの電子が照射されると、シリコン酸化膜から二次電子として２つの電子が放出される。シリコン酸化膜から電子が１つ放出されたことになるので、シリコン酸化膜から放出された電子を補償するために、シリコン基板からシリコン酸化膜に電子が１つ流出する。この場合、シリコン基板には、電子ビームにより生じる電流と逆方向の基板電流が流れる。
【００１１】
一方、図２（ｂ）に示すように、シリコン基板上にシリコン酸化膜が形成されていない場合、電子ビームによる１つの電子が照射されると、シリコン基板から二次電子として０．９の電子が放出される。そのため、シリコン基板には電子ビームにより生じる電流の方向に、照射された電子量から放出された電子量を引いた量の基板電流が流れる。
【００１２】
以上のように、シリコン基板上にシリコン酸化膜がないときには二次電子の放出量が少ないので、電子ビームにより生じる電流が支配的であるが、シリコン酸化膜の膜厚が厚くなるに従い、補償電流が増加していく。したがって、予め基準試料の基板電流と膜厚との相関を示す参照データを求めておき、測定された基板電流を参照データと比較することにより、薄膜の膜厚を算出することができる。
【００１３】
しかし、特開２０００−１８０１４３号公報に開示された膜厚測定方法を、アスペクト比の高いホールの底部に形成された薄膜の膜厚の測定に適用すると、図３に示すように、薄膜から放出された二次電子の一部がホールの側壁に堆積する。そのため、ホール内には側壁に堆積した二次電子による電界が生じる。この電界の影響を受けて薄膜表面の二次電子のさらなる放出が抑制され、同じ膜厚であっても平面部に形成された薄膜とホールの底部における薄膜とでは基板電流値が異なるということが判明した。つまり、ホールの底部に形成された薄膜から放出される二次電子の量が減少し、結果として補償電流が減少するので、電子ビームにより生じる電流の向きを正とすると、基板電流値が平面部に比べて正方向にずれてしまうという問題が生じる。
【００１４】
このような問題は、特開２０００−１８０１４３号公報で開示された方法を、平坦に形成された薄膜だけでなく、アスペクト比の高いホールの底部や凹凸な基板上に形成された薄膜の測定に採用する場合に生じる特有の課題である。本発明は、上記課題を解決すべく特開２０００−１８０１４３号公報で開示された技術を改良したものである。
【００１５】
本発明はこうした背景のもとになされたものであり、基板上に形成された薄膜の膜厚を測定する技術を提供すること、特にアスペクト比の高いホールの底部や凹凸な基板上に形成された薄膜であっても膜厚を正確に測定する技術を提供することを課題とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を利用して薄膜の膜厚を測定する方法が提供される。この方法は、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する工程と、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を取得する工程と、電子ビームの照射により薄膜近傍に発生した電荷分布の影響を考慮して基板電流値を補正する工程と、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する工程とを含む。
【００１７】
この方法によれば、二次電子の電荷分布の影響を考慮して基板電流値を補正するので、薄膜に電子ビームを照射した際に薄膜から放出された二次電子が薄膜近傍に堆積していても、その影響を取り除いて参照データと比較することができる。そのため、例えばアスペクト比の高いホールの底部に形成された薄膜の膜厚も正確に測定することができる。
【００１８】
基板電流とは、基板に照射された電子ビームにより生じる電流と薄膜に電子ビームを照射することにより薄膜から放出される二次電子を補償するために基板から薄膜に流出した電子量を示す補償電流との和である。
【００１９】
基板電流値とは、測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を測定した生データであってもよく、このデータを増幅などにより調整したデータであってもよく、またこれらのデータをデジタル信号に変換したデータであってもよく、測定した基板電流値に由来すればどのようなデータであってもよい。
【００２０】
この方法で用いられる電子ビームのエネルギー（加速電圧）は、電子ビームが基板を貫通しない程度であるのが好ましく、例えば１０ｋｅＶくらいまでである。
【００２１】
参照データは、所定の膜厚の薄膜に電子ビームを照射したときに基板に流れるべき参照用の基板電流と所定の膜厚との相関を示すものであってよい。
【００２２】
また本発明によれば、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を利用して薄膜の膜厚を測定する方法が提供される。この方法は、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する工程と、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を取得する工程と、薄膜近傍の基板表面形状の影響を考慮して基板電流値を補正する工程と、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する工程とを含む。
【００２３】
この方法によれば、薄膜近傍の基板表面形状に応じた二次電子の堆積量を考慮して基板電流値を補正するので、薄膜に電子ビームを照射した際に薄膜から放出された二次電子が薄膜近傍に堆積していても、その影響を取り除いて参照データと比較することができる。そのため、例えばアスペクト比の高いホールの底部に形成された薄膜の膜厚も正確に測定することができる。
【００２４】
ここで、基板表面形状の影響とは、前記薄膜が形成された領域とその周囲との段差による影響や、薄膜が形成された領域とその周囲との凹凸による影響であってよい。
【００２５】
薄膜は、基板上の堆積層に形成された凹部の底部に設けられていてよく、補正する工程は、薄膜が設けられた凹部の形状に応じて電荷分布の影響を算出してよい。
【００２６】
この方法は、基板の表面に形成された凹部の配置を示すレイアウトデータを取得する工程をさらに備えてよく、基板電流値を取得する工程は、薄膜上において、電子ビームが照射された位置を基板電流値に対応づけて取得してよく、補正する工程は、電子ビームが照射された位置のレイアウトデータに基づき、基板電流値を補正してもよい。
【００２７】
本発明における基板とは、膜厚測定対象となる薄膜の形成される下地となる基材をいい、半導体基板、絶縁基板およびこれらの上に堆積膜が形成されたもの等をいう。たとえば、シリコン基板上に絶縁膜等が形成されたもの等をいう。
【００２８】
レイアウトデータを取得する工程は、薄膜の膜厚を算出するために薄膜に電子ビームを照射するのに先立ち、レイアウトデータの取得のために薄膜に電子ビームを照射する工程と、そのときに基板に流れる基板電流を電子ビームの照射位置に対応づけて取得する工程と、基板電流と照射位置とに基づき基板の表面に形成された凹部の配置を検出する工程とを含んでよい。
【００２９】
レイアウトデータを取得する工程は、設計データに基づきレイアウトデータを取得してよい。
【００３０】
凹部はホールであってよく、補正する工程は、ホールのホール径を変数とする補正式により基板電流値を補正してよい。
【００３１】
基板の表面には複数の凹部が形成されていてよく、基板電流値を取得する工程は、各凹部の位置に対応づけて基板電流値を取得してよく、レイアウトデータを取得する工程は、各凹部の位置に対応づけてその凹部の形状を検出する工程を含んでよく、補正する工程は、各凹部の形状に応じて基板電流値を補正してよい。
【００３２】
また本発明によれば、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を利用して薄膜の膜厚を測定する装置が提供される。この装置は、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する参照データ取得部と、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を取得する測定データ取得部と、電子ビームの照射により薄膜近傍に発生した電荷分布の影響を考慮して基板電流値を補正する補正処理部と、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する演算処理部とを含む。
【００３３】
この装置によれば、補正処理部が二次電子の電荷分布の影響を考慮して基板電流値を補正するので、薄膜に電子ビームを照射した際に薄膜から放出された二次電子が薄膜近傍に堆積していても、演算処理部は、その影響を取り除いて参照データと比較することができる。そのため、例えばアスペクト比の高いホールの底部に形成された薄膜の膜厚も正確に測定することができる。
【００３４】
薄膜は、基板の表面に形成された凹部の底部に設けられていてよく、補正処理部は、薄膜が設けられた凹部の形状に応じて電荷分布の影響を算出してよい。
【００３５】
また本発明によれば、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を利用して薄膜の膜厚を測定する装置が提供される。この装置は、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する参照データ取得部と、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を取得する測定データ取得部と、薄膜近傍の基板表面形状の影響を考慮して基板電流値を補正する補正処理部と、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する演算処理部とを含む。
【００３６】
この装置によれば、補正処理部が薄膜近傍の基板表面形状に応じた二次電子の堆積量を考慮して基板電流値を補正するので、演算処理部は、薄膜に電子ビームを照射した際に薄膜から放出された二次電子が薄膜近傍に堆積していても、その影響を取り除いて参照データと比較することができる。そのため、例えばアスペクト比の高いホールの底部に形成された薄膜の膜厚も正確に測定することができる。
【００３７】
この装置は、測定対象の薄膜に電子ビームを照射する電子ビーム照射部と、薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を測定する電流測定部とをさらに備えてよく、測定データ取得部は、電流測定部から基板電流値を取得してよい。
【００３８】
電流測定部は、基板に接触して設けられた電極を有してよく、その電極に流れる電流を基板電流値として測定してもよい。
【００３９】
この装置は、基板の表面に形成された凹部の配置を示すレイアウトデータを記憶するレイアウトデータ記憶部をさらに備えてもよく、電流測定部は、薄膜上において、電子ビームが照射された位置を基板電流値に対応づけて取得してもよく、補正処理部は、電子ビームが照射された位置のレイアウトデータに基づき、基板電流値を補正してよい。
【００４０】
凹部はホールであってもよく、補正処理部は、ホールのホール径を変数とする補正式により基板電流値を補正してよい。
【００４１】
基板の表面には複数の凹部が形成されていてもよく、測定データ記録部は、各凹部の位置に対応づけて基板電流値を記録してよく、レイアウトデータ記憶部は、各凹部の位置に対応づけてその凹部の形状を記憶してよく、補正処理部は、各凹部の形状に応じて基板電流値を補正してもよい。
【００４２】
また本発明によれば、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を利用して薄膜の膜厚を測定する処理をコンピュータに実行させるためのプログラムが提供される。このプログラムは、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する処理と、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を取得する処理と、電子ビームの照射により薄膜近傍に発生した電荷分布の影響を考慮して基板電流値を補正する処理と、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する処理とをコンピュータに実行させる。
【００４３】
また本発明によれば、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を利用して薄膜の膜厚を測定する処理をコンピュータに実行させるためのプログラムが提供される。このプログラムは、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する参照データ取得手段と、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を取得する測定データ取得手段と、基板電流値を補正する補正処理手段と、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する演算処理手段と、を備えてなる情報処理装置を制御し、参照データ取得手段に、参照データを取得させる処理と、測定データ取得手段に、基板電流値を取得させる処理と、補正処理手段に、電子ビームの照射により薄膜近傍に発生した電荷分布の影響を考慮して基板電流値を補正させる処理と、演算処理手段に、参照データ記憶手段から参照データを読み出させ、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出させる処理とをコンピュータに実行させる。
【００４４】
また本発明によれば、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を利用して薄膜の膜厚を測定する処理をコンピュータに実行させるためのプログラムが提供される。このプログラムは、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する処理と、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を取得する処理と、薄膜近傍の基板表面形状の影響を考慮して基板電流値を補正する処理と、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する処理とをコンピュータに実行させる。
【００４５】
また本発明によれば、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を利用して薄膜の膜厚を測定する処理をコンピュータに実行させるためのプログラムが提供される。このプログラムは、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する参照データ取得手段と、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を取得する測定データ取得手段と、基板電流値を補正する補正処理手段と、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する演算処理手段と、を備えてなる情報処理装置を制御し、参照データ取得手段に、参照データを取得させる処理と、測定データ取得手段に、基板電流値を取得させる処理と、補正処理手段に、薄膜近傍の基板表面形状の影響を考慮して基板電流値を補正させる処理と、演算処理手段に、参照データ記憶手段から参照データを読み出させ、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出させる処理とをコンピュータに実行させる。
【００４６】
また本発明によれば、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を利用して薄膜の膜厚を測定する処理をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータに読取可能な記録媒体が提供される。この記録媒体は、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する処理と、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を取得する処理と、電子ビームの照射により薄膜近傍に発生した電荷分布の影響を考慮して基板電流値を補正する処理と、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する処理と、をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録する。
【００４７】
また本発明によれば、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を利用して薄膜の膜厚を測定する処理をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータに読取可能な記録媒体が提供される。この記録媒体は、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する処理と、基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に基板に流れる基板電流値を取得する処理と、薄膜近傍の基板表面形状の影響を考慮して基板電流値を補正する処理と、参照データを考慮して、補正された基板電流値に基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する処理と、をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録する。
【００４８】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【００４９】
【発明の実施の形態】
図４は、本実施の形態において、基板上の薄膜に電子ビームを照射することにより、基板に流れる基板電流値を測定する手順を示すフローチャートである。まず、薄膜上における電子ビームの照射位置を設定する（Ｓ１０）。設定された照射位置の薄膜に電子ビームを照射する（Ｓ１２）。続いて、薄膜に電子ビームが照射された際に基板に流れる基板電流値を測定する（Ｓ１４）。測定された基板電流値を、増幅等により調整し（Ｓ１６）、調整した基板電流値を照射位置に対応づけて測定データとして記録する（Ｓ１８）。その後、全ての必要な領域での測定が終了したかを判断し（Ｓ２０）、測定が終了していなければ（Ｓ２０のＮｏ）ステップ１０に戻り、新たな照射位置を設定する。全ての必要な領域での測定が終了していれば（Ｓ２０のＹｅｓ）測定を終了する。
【００５０】
図５は、参照データを考慮して測定データに基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する手順を示すフローチャートである。ここで、参照データは、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示すものである。
【００５１】
まず、測定された基板電流値を補正する（Ｓ３０）。次に参照データを読出し（Ｓ３２）、補正済の基板電流値と参照データを比較する（Ｓ３４）。補正済の基板電流値に対応する基板電流と相関関係にある膜厚が算出される（Ｓ３６）算出された膜厚は、照射位置に対応づけて出力される（Ｓ３８）。
【００５２】
図６は、図５のステップ３０で説明した測定データ補正処理の詳細なフローチャートである。まず、電子ビームの照射により薄膜近傍に発生した電荷分布の影響または薄膜近傍の基板表面形状の影響を考慮した補正式を取得する（Ｓ４０）。次に、薄膜が形成された領域における試料のレイアウトデータを取得する（Ｓ４２）。取得した補正式とレイアウトデータに基づいて、試料上の各位置における補正データを算出する（Ｓ４４）。続いて図４のステップ１８で記録された測定データを読出し（Ｓ４６）、補正データを考慮して補正処理を行う（Ｓ４８）。
【００５３】
次に、以上の膜厚測定方法を実現する膜厚測定装置の構成を説明する。図７は、本発明の実施の形態に係る膜厚測定装置を示すブロック図である。
【００５４】
膜厚測定装置１８は、電子ビーム処理部２０、電子ビーム制御部４０、偏向制御部４２、ウェハステージ制御部４４、照射位置制御部４６、電流測定部４８、電流増幅器５０、差動増幅器５２、Ａ／Ｄ変換器５４、測定データ記録部５６、補正処理部５８、レイアウトデータ記憶部６０、補正式記憶部６２、演算処理部６６、参照データ記憶部６８、デジタルマルチメータ７０、ＣＰＵ７２およびディスプレイ７４を有する。
【００５５】
電子ビーム処理部２０は、電子ビームを発生させる電子銃２２、試料上の所定の領域に電子ビームが照射されるように電子ビームを偏向する偏向部２４、試料を保持するウェハステージ２６およびウェハステージ２６を駆動するウェハステージ駆動部２８を有する。本実施の形態において、電子ビーム処理部２０はウェハステージ２６に配置された電極３０を含む。測定対象となる試料は電極３０上に載置され、電極３０は、測定対象となる試料に流れる電流を検出する。
【００５６】
図示していないが、電子ビーム処理部２０は加速電圧発生部を有し、電子ビーム制御部４０は、電子銃２２から所定の加速電圧の電子ビームが照射されるように加速電圧発生部を制御する。また、電子ビーム処理部２０は、ウェハステージ２６など測定対象となる試料の近傍に電圧を印加する手段を有してもよい。試料近傍に電圧を印加することにより、電子ビームの加速速度を実質的に下げることができ、精度よく測定結果を得ることができる。なお、ウェハステージ２６などへの電圧の印加に起因する信号は後述する差動増幅器５２により除去するようにしてよい。これにより、さらに精度よく測定結果を得ることができる。
【００５７】
偏向制御部４２は、偏向部２４を制御する。ウェハステージ制御部４４は、ウェハステージ駆動部２８を制御し、ウェハステージ２６を所定の位置に移動させる。照射位置制御部４６は、試料の所定の位置に電子ビームが照射されるように偏向制御部４２およびウェハステージ制御部４４を制御する。なお、図示していないが、膜厚測定装置１８は電子銃移動手段を有してもよく、照射位置制御部４６は試料の所定の位置に電子ビームが照射されるように電子銃移動手段を制御して電子銃２２を移動させてもよい。
【００５８】
電流測定部４８は電極３０に接続され、電極３０が検出した基板電流値を測定する。電流増幅器５０は、測定された基板電流値を増幅する。差動増幅器５２は、オフセット調整機能を有し、膜厚測定装置１８の漏れ電流からなるオフセット電圧を取り除くとともに基板電流値をさらに増幅する。差動増幅器５２は、電子ビームを照射していないときの電流値と電子ビームを照射しているときの電流値との差を利用してオフセット電圧の補正を行ってよい。デジタルマルチメータ７０は、調整された基板電流値を表示する。
【００５９】
Ａ／Ｄ変換器５４は、差動増幅器５２により調整された基板電流値をデジタル変換する。測定データ記録部５６は、デジタル変換された基板電流値を記録する。また、測定データ記録部５６は、照射位置制御部４６から電子ビームの照射位置データを取得する。測定データ記録部５６は、照射位置データを測定された基板電流値に対応づけて記録する。
【００６０】
レイアウトデータ記億部６０は、薄膜３４が形成された領域のレイアウトデータを記憶する。ここで、レイアウトデータ記億部６０は、例えば基板３２上に、複数のホールが形成された堆積層が形成されている場合、各ホールのホール径をそのホールの位置に対応づけたものをレイアウトデータとして記憶する。レイアウトデータは、膜厚の測定対象となる試料を測定することにより得られる測定値であってもよく、またその試料の設計データであってもいずれでもよい。レイアウトデータは、ＣＤ−ＳＥＭ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）装置や、後述するように、膜厚測定装置１８自体を用いて測定により得られてよい。
【００６１】
補正式記憶部６２は、レイアウトデータに基づいて測定データを補正するための補正式を記憶する。具体例については後述するが、補正式は、例えばホール径を変数とする関数であってよい。
【００６２】
補正処理部５８は、測定データ記録部５６から測定データを読出し、電子ビームが照射により薄膜３４近傍に発生した電荷分布の影響を考慮して測定データの補正を行う。このとき、補正処理部５８は、薄膜３４近傍の基板表面形状の影響を考慮して測定データの補正を行ってもよい。
【００６３】
参照データ記憶部６８は、標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを記憶する。ここで、参照データは、膜厚が既知の薄膜を含む標準試料を用いて膜厚測定装置１８により電子ビームを照射したときに得られた測定値を膜厚に対応づけることにより取得されてよい。標準試料に含まれる薄膜は、薄膜３４と同一材料により形成されるのが好ましいが、薄膜３４と同じ二次電子放出能力を有する材料により形成されていれば他の材料により形成されてもよい。参照データは、例えば平坦な基板上に形成された薄膜を用いて取得されるのが好ましい。補正処理部５８は、参照データが取得されたときの薄膜近傍の基板表面形状と測定データを取得するときの薄膜３４近傍の基板表面形状との差異を考慮して測定データの補正を行ってもよい。
【００６４】
また、他の例において、参照データは測定対象の薄膜３４および基板３２の二次電子放出能力を考慮した理論計算により求められてもよい。また、例えば薄膜３４がＳｉＯＮにより形成されている場合、ＳｉＯ２とＳｉＮについてそれぞれ測定した基板電流値から比率計算により求めてもよい。
【００６５】
演算処理部６６は、参照データ記憶部６８に記憶された参照データを考慮して、測定された基板電流値から測定対象の薄膜３４の膜厚を算出する。ＣＰＵ７２は、膜厚測定装置１８全体の制御を行う。ディスプレイ７４は、算出結果を表示する。
【００６６】
図８は、本実施の形態における膜厚測定装置１８の測定対象となる試料の一例を示す断面図である。薄膜測定装置１８は、基板３２上に堆積された堆積膜８０に形成されたホール８２の底部に設けられた薄膜３４の膜厚を測定する。このホール８２の具体例としては、例えばエッチングにより形成されたコンタクトホールがある。このとき、測定対象となる薄膜３４は、基板上の層間絶縁膜をエッチングした際の層間絶縁膜の残膜であってもよく、基板と層間絶縁膜との間に設けられたエッチングストッパ層であってもよい。ここで、基板３２は導体または半導体であるのが好ましい。本実施の形態において、基板３２はシリコンにより形成される。
【００６７】
薄膜３４は、例えばＳｉＯ2 （Ｐ、Ｂを含有するものを含む）（シリコン酸化膜）、ＳｉＮ（シリコン窒化膜）、ＳｉＯＮ（シリコン酸化窒化膜）、ＳｉＯＦ（シリコンフッ素添加酸化膜）、ＳｉＯＮＦ（シリコンフッ素添加酸化窒化膜）、ＵＳＧ(ｕｎｄｏｐｅｄ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ)、ＢＰＳＧ(ｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ)、ＰＳＧ(ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ)、有機高分子などのポリマー、無機系酸化膜、シリサイド、窒化膜、強誘電体、ポリイミド、レジスト、フルオロカーボン、炭素、蛋白質、ＤＮＡ、または、ＳＯＧ(ｓｐｉｎ ｏｎ ｇｌａｓｓ)、ＦＯＸ(ｆｌｏｗａｂｌｅ ｏｘｉｄｅ)、パリレン、サイトップ、ＢＣＢ（Ｂｅｎｓｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ）、ＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｎｘａｎｅ）、ＭＳＱ（Ｍｅｔｈｙｌ Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｎｘａｎｅ）あるいはＳｉｌｋ（ダウ・ケミカル社登録商標）などの低誘電率材（ｌｏｗ−ｋ膜）などにより形成されてよい。薄膜３４は、さらに、例えばＡｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃｏ合金等の金属により形成されてもよい。本実施の形態において、堆積層８０および薄膜３４はシリコン酸化膜により形成される。
【００６８】
ここでは、薄膜３４がホールの底部に設けられると説明したが、薄膜３４は、ホールに限らず、例えば溝などの凹部の底部や、凸部の上面に設けられもよい。この場合、凹部は、電子ビームを薄膜３４に照射できればどのような開口形状を有したものであってもよい。
【００６９】
図９は、試料上で電子ビームを走査する様子を示す模式図である。照射位置制御部４６は、ウェハステージ制御部４４および偏向制御部４２などを制御することにより、電子ビームを試料上でｘ方向およびｙ方向に二次元的に走査する。
【００７０】
本実施の形態において、膜厚測定装置１８は、ホール８２の底部に設けられた薄膜３４を測定対象とするので、底部の薄膜３４に電子ビームが十分に直接届くように、電子ビームを垂直に保つのが好ましい。このようにホール８２の底部や溝などの凹部の底部に設けられた薄膜の膜厚を測定する場合は、電子ビームを偏向するよりも、電子ビームが試料表面に垂直に照射されるようにウェハステージ２６または電子銃２２を移動させて電子ビームを走査させる方が好ましい。さらに、ホール８２内の薄膜３４に電子ビームを垂直に照射することにより、薄膜３４に照射される前に酸化シリコンの堆積膜８０に当たって吸収されてしまう二次電子の量を減らすこともできるので、より正確に薄膜３４の膜厚を算出することができる。
【００７１】
また、電子ビームは、測定範囲において、試料のどの部分にも同じ角度で照射されるのが好ましい。これにより、二次電子の放出量を定量的に保つことができるので、測定した基板電流値から正確に膜厚を算出することができるという効果がある。膜厚測定装置１８は、このように電子ビームを試料上で走査しながら基板電流値を測定し、測定された基板電流値を電子ビームの照射位置に対応づけて測定データ記録部５６に記録させる。
【００７２】
図１０は、本実施の形態における膜厚測定装置１８の測定対象となる試料の他の例を示す断面図である。膜厚測定装置１８は、シリコンの基板３２上に堆積された酸化シリコンの堆積膜８０に複数のホール８２ａ、８２ｂ、８２ｃが形成され、各ホールの底部に薄膜３４が設けられた試料を測定対象とする。ここで、複数のホール８２ａ、８２ｂ、８２ｃのホール径はそれぞれｒ１、ｒ２、ｒ３のように異なる。また、この試料に電子ビームが照射された際の照射位置は、ホール８２ａ、８２ｂ、８２ｃの中心部において、（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ１）、（ｘ３，ｙ１）である。
【００７３】
次に、図７〜図１０を参照して、本実施の形態における膜厚測定装置１８の動作を説明する。
【００７４】
図７において、ウェハステージ２６上に配置された電極３０上に、測定対象の試料が載置される。ここでは、図１０に示した試料を測定対象とする。電子ビーム制御部４０は、電子銃２２から所定のエネルギーの電子ビームが照射されるように加速電圧発生部を制御する。まず、照射位置制御部４６は、試料上の所定の位置（ｘ１,ｙ１）に電子ビームが照射されるようにウェハステージ制御部４４および偏向制御部４２を制御する。照射位置制御部４６は、この照射位置（ｘ１,ｙ１）を測定データ記録部５６に出力する。
【００７５】
電子銃２２から電子ビームが試料に照射されると、試料から二次電子が放出される。そのため、薄膜３４から放出された二次電子を補償するために基板３２から薄膜３４に電子が流出し、基板３２に補償電流が流れる。また、基板３２には電子銃２２から発生された電子ビームのうち、試料に衝突しなかった電子ビームにより生じる電流が流れる。基板３２には、これらの電流の和である基板電流が流れる。電極３０は基板電流を検出し、電流測定部４８は基板電流値を測定する。
【００７６】
測定された基板電流値は電流増幅器５０、差動増幅器５２、およびＡ／Ｄ変換器５４により調整される。デジタル変換された基板電流値をａとすると、測定データ記録部５６は、基板電流値ａを照射位置（ｘ１,ｙ１）に対応づけて記録する。
【００７７】
照射位置制御部４６は、試料上の電子ビームの照射位置を制御し、位置（ｘ２，ｙ１）および（ｘ３，ｙ１）においても同様に基板電流値の測定を繰り返す。測定データ記録部５６は、各位置での基板電流値ｂおよびｃを照射位置（ｘ２，ｙ１）および（ｘ３，ｙ１）にそれぞれ対応づけて記録していく。
【００７８】
図１１は、補正処理部５８により利用されるテーブルを示す図である。この図を参照して以下に補正処理部５８の処理を説明する。補正処理部５８は、測定データ記録部５６から、電子ビームの照射位置（ｘ１,ｙ１）、（ｘ１,ｙ２）、（ｘ１,ｙ３）にそれぞれ対応づけられた基板電流値ａ、ｂ、ｃを読出す。
【００７９】
補正処理部５８は、補正式記憶部６２からホール径ｒに基づき基板電流値を補正する補正式ｆ（ｒ）を取得する。以下に、補正式の算出方法の一例を説明する。
【００８０】
２次電子の放出エネルギーＥは、仕事関数をΦ、入射電子のエネルギーをＥ０、外部からの電位をＶとすると以下のように表される。ここで、Φは薄膜３４の膜厚に応じて変化する値である。
【００８１】
【数１】
Ｅ＝Ｅ０−（Φ＋Ｖ）
また、ある電子が距離ｒの点に生じさせる電位Ｖ'は、以下のように表される。ここで、ＡおよびＢは正の定数である。
【００８２】
【数２】
Ｖ'＝Ａ×ｅｘｐ（−Ｂ×ｒ）
外部からの電位Ｖは数２のＶ'で表され、ホール径をｒとし、ホール８２の側壁に電子が飽和した状態でｎ個の電子が堆積されていると仮定すると、数１は、以下のように変形できる。
【００８３】
【数３】
Ｅ＝Ｅ０−Φ−ｎ×Ａ×ｅｘｐ（−Ｂ×ｒ）
基板の裏面で検出されるエネルギーは、入射電子のエネルギーＥ０と２次電子の放出エネルギーＥの差に相当するため、数３を変形すると、以下のようになる。
【００８４】
【数４】
Ｅ０−Ｅ＝Φ＋ｎ×Ａ×ｅｘｐ（−Ｂ×ｒ）
これにより、検出される基板電流Ｉは以下のように表される。ａは定数、ｂおよびｃは正の定数である。
【００８５】
【数５】
Ｉ＝ａ＋ｎ×ｂ×ｅｘｐ（−ｃ×ｒ）
このとき堆積膜８０の膜厚が規定値だとすると、側壁に付着する電子数ｎはホール径ｒに比例すると考えられるので、数５を変形すると以下のようになる。αは薄膜３４の膜厚に応じて定められる定数、βおよびγは正の定数である。
【００８６】
【数６】
Ｉ＝α＋β×ｒ×ｅｘｐ（−γ×ｒ）
したがって、ホール径に依存する効果がない場合に期待される出力をＩ'とすると、実測値Ｉからホール径に依存する効果を差し引いた以下のように表される。
【００８７】
【数７】
Ｉ'＝Ｉ−β×ｒ×ｅｘｐ（−γ×ｒ）
次に、数６のα、β、γの値を算出する。まず、シリコン基板上の堆積層に複数のホールをエッチングにより形成する際に、オーバーエッチングされた試料を用いて基板電流値を測定する。ここで、オーバーエッチングされた試料では、ホールの底部にはシリコン基板に付着した自然酸化膜のみが設けられているとして、残膜の膜厚はホール径によらず一定であると仮定する。
図１２は、得られた基板電流値と、ＣＤ−ＳＥＭ装置により求めたホール径との相関を示すグラフである。ホール径は、０．１５ｎｍ〜０．４５ｎｍμｍの間である。図１２（ａ）のグラフを用いて、オーバーエッチングされた試料につき、基板電流の測定値と数６で求められる理論値との差が最も小さくなるα、β、γを算出した。その結果、図１２（ｂ）に示すように、β＝５６．４２８、γ＝８．３９４７が得られた。
【００８８】
ここで得られたβおよびγの値を数７に代入し、基板電流の測定値を補正した。また、アンダーエッチングおよびジャストエッチングされた試料についても基板電流値を測定し、同様に補正を行った。ここで、ジャストエッチングとは、オーバーエッチングとアンダーエッチングとの平均時間においてエッチングすることをいう。
【００８９】
以上の補正を行った測定データを参照データと比較することにより、各薄膜の膜厚を算出した。算出結果を図１３に示す。ここで、参考として、ホールのない平坦なシリコン基板上に形成された薄膜に電子ビームを照射した際に得られた基板電流値と膜厚との関係も示す。
【００９０】
なお、以上の説明ではホール径ｒを用いて説明したが、数７は、堆積層の膜厚をｄ、アスペクト比ｘ'として、以下のように表されてもよい。
【００９１】
【数８】
Ｉ'＝Ｉ−β×ｄ／ｘ'×ｅｘｐ（−γ×ｄ／ｘ'）
補正式記憶部６０は、以上のようにして求められた補正式ｆ（ｒ）＝５６．４２８×ｒ×ｅｘｐ（−８．３９４７×ｒ）を記憶する。補正式ｆ（ｒ）は、このようにして数７におけるβおよびγの値を材料ごとに求められる。補正式は外部から入力されてもよく、膜厚測定装置１８に補正式算出機能を持たせてもよい。なお、ここで用いた補正式は例示であり、凹凸部の形状に応じて種々の補正式が考えられる。
【００９２】
図１１に戻り、補正処理部５８は、レイアウトデータ記憶部６０から堆積膜８０におけるホール８２の配置を示すレイアウトデータを取得する。補正処理部５８は、レイアウトデータから各ホール８２のホール径ｒおよび位置を検出する。補正処理部５８は、照射位置に対応する位置に形成されたホールのホール径ｒを各照射位置に対応付ける。ここでは、電子ビームの照射位置（ｘ１,ｙ１）、（ｘ１,ｙ２）、（ｘ１,ｙ３）におけるホール径はそれぞれｒ２、ｒ３、ｒ１である。次に、補正処理部５８は、補正式ｆ（ｒ）に各ホール径を代入した補正データを算出する。補正処理部５８は、基板電流値から補正データを減じて各基板電流値の補正を行う。例えば、電子ビームの照射位置（ｘ１,ｙ１）における補正済の基板電流値はａ'＝ａ−ｆ（ｒ２）、電子ビームの照射位置（ｘ２,ｙ１）における補正済の基板電流値はｂ'＝ｂ−ｆ（ｒ３）電子ビームの照射位置（ｘ３,ｙ１）における補正済の基板電流値はｃ'＝ｃ−ｆ（ｒ１）となる。
【００９３】
演算処理部６６は、参照データ記憶部６８から参照データを読出し、補正済の測定データと比較することにより、各照射位置における薄膜３４の膜厚を算出する。
【００９４】
これら一連の動作は、ＣＰＵ７２およびそれを動かすための制御プログラムによって行われ、算出結果がディスプレイ７４に示される。また、測定データ記録部５６は、算出された膜厚を照射位置データに対応づけて記録してもよい。
【００９５】
図１４は、照射位置と基板電流値との関係を示すグラフである。この図は、シリコンの基板３２上に堆積された酸化シリコンの堆積膜８０に形成されたホール８２の底部に設けられた酸化シリコンの薄膜３４を測定対象として、この薄膜３４を横切る方向に電子ビームを走査させたときの照射位置と基板電流値との関係を示す。
【００９６】
このように、基板電流値を照射位置に対応づけて取得することにより、ホール８２の形状を検出することもできる。膜厚測定装置１８は、このようにして得られたデータをレイアウトデータとして用いてもよい。例えば、膜厚測定装置１８は、レイアウトデータの取得を目的とする際には、電子ビームの走査速度を速くするなどして迅速にレイアウトデータを得て、そのレイアウトデータに基づいて基板電流値の測定を目的とする電子ビームの照射処理を行ってもよい。
【００９７】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００９８】
【発明の効果】
本発明に係る膜厚測定装置または膜厚測定方法によれば、アスペクト比の高いホールの底部や凹凸表面を有する基板上に形成された薄膜であっても膜厚を精度よく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の膜厚測定装置を示すブロック図である。
【図２】基板上の薄膜に電子ビームを照射したときに基板に基板電流が流れる原理を示す模式図である。
【図３】ホールの底部に形成された薄膜に電子ビームが照射されたときに、ホールの側壁に二次電子が堆積する様子を模式的に示す図である。
【図４】本実施の形態において、基板上の薄膜に電子ビームを照射することにより、基板に流れる基板電流値を測定する手順を示すフローチャートである。
【図５】参照データを考慮して測定データに基づき測定対象の薄膜の膜厚を算出する手順を示すフローチャートである。
【図６】図５のステップ３０の測定データの補正処理の詳細なフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態に係る膜厚測定装置を示すブロック図である。
【図８】本実施の形態における膜厚測定装置の測定対象となる試料の断面図を示す。
【図９】試料上で電子ビームを走査する様子を示す模式図である。
【図１０】本実施の形態における膜厚測定装置の測定対象となる試料の断面図を示す。
【図１１】補正処理部により利用されるテーブルを示す図である。
【図１２】補正式を算出するための基板電流値とホール径との相関を示すグラフである。
【図１３】補正を行った測定データを参照データと比較することにより、各薄膜の膜厚を算出した結果を示すグラフである。
【図１４】照射位置と基板電流値との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１８ 膜厚測定装置
２０ 電子ビーム処理部
２２ 電子銃
２４ 偏向部
２６ ウェハステージ
２８ ウェハステージ駆動部
３０ 電極
３２ 基板
３４ 薄膜
４０ 電子ビーム制御部
４２ 偏向制御部
４４ ウェハステージ制御部
４６ 照射位置制御部
４８ 電流測定部
５０ 電流増幅器
５２ 差動増幅器
５４ Ａ／Ｄ変換器
５６ 測定データ記録部
５８ 補正処理部
６０ レイアウトデータ記憶部
６２ 補正式記憶部
６６ 演算処理部
６８ 参照データ記憶部
７０ デジタルマルチメータ
７２ ＣＰＵ
７４ ディスプレイ
８０ 堆積膜
８２ ホール
Claims (18)
- 基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に前記基板に流れる基板電流値を利用して前記薄膜の膜厚を測定する方法であって、
標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する工程と、
基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に前記基板に流れる基板電流値を取得する工程と、
前記電子ビームの照射により前記薄膜近傍に発生した電荷分布の影響を考慮して前記基板電流値を補正する工程と、
前記参照データを考慮して、補正された前記基板電流値に基づき前記測定対象の薄膜の膜厚を算出する工程と、
を含むことを特徴とする膜厚測定方法。 - 基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に前記基板に流れる基板電流値を利用して前記薄膜の膜厚を測定する方法であって、
標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する工程と、
基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に前記基板に流れる基板電流値を取得する工程と、
前記薄膜近傍の基板表面形状の影響を考慮して前記基板電流値を補正する工程と、
前記参照データを考慮して、補正された前記基板電流値に基づき前記測定対象の薄膜の膜厚を算出する工程と、
を含むことを特徴とする膜厚測定方法。 - 前記薄膜は、前記基板の表面に形成された凹部の底部に設けられ、前記基板電流値を補正する工程において、前記薄膜が設けられた前記凹部の形状に応じて前記電荷分布の影響を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の膜厚測定方法。
- 前記基板の表面に複数の凹部が形成されており、
各前記凹部の位置に対応づけてその凹部の形状を検出する工程をさらに備え、
前記基板電流値を取得する工程は、各前記凹部の位置に対応づけて前記基板電流値を取得し、
前記補正する工程は、各前記凹部の形状に応じて前記基板電流値を補正することを特徴とする請求項３に記載の膜厚測定方法。 - 前記凹部はホールであって、前記補正する工程は、前記ホールのホール径を変数とする補正式により前記基板電流値を補正することを特徴とする請求項３に記載の膜厚測定方法。
- 前記基板の表面に形成された前記凹部の配置を示すレイアウトデータを取得する工程をさらに備え、
前記基板電流値を取得する工程は、前記薄膜上において、前記電子ビームが照射された位置を前記基板電流値に対応づけて取得し、
前記基板電流値を補正する工程は、前記電子ビームが照射された位置のレイアウトデータに基づき、前記基板電流値を補正することを特徴とする請求項３乃至５いずれかに記載の膜厚測定方法。 - 前記レイアウトデータを取得する工程は、
前記薄膜の膜厚を算出するために前記薄膜に前記電子ビームを照射するのに先立ち、前記レイアウトデータの取得のために前記薄膜に電子ビームを照射する工程と、
そのときに前記基板に流れる基板電流を前記電子ビームの照射位置に対応づけて取得する工程と、
前記基板電流と前記照射位置とに基づき前記基板の表面に形成された前記凹部の配置を検出する工程と、
を含むことを特徴とする請求項６に記載の膜厚測定方法。 - 前記レイアウトデータを取得する工程は、設計データに基づき前記レイアウトデータを取得する工程であることを特徴とする請求項６に記載の膜厚測定方法。
- 基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に前記基板に流れる基板電流値を利用して前記薄膜の膜厚を測定する装置であって、
標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する参照データ取得部と、
基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に前記基板に流れる基板電流値を取得する測定データ取得部と、
前記電子ビームの照射により前記薄膜近傍に発生した電荷分布の影響を考慮して前記基板電流値を補正する補正処理部と、
前記参照データを考慮して、補正された前記基板電流値に基づき前記測定対象の薄膜の膜厚を算出する演算処理部と、
を含むことを特徴とする膜厚測定装置。 - 前記薄膜は、基板の表面に形成された凹部の底部に設けられており、前記補正処理部は、前記薄膜が設けられた前記凹部の形状に応じて前記前記電荷分布の影響を算出することを特徴とする請求項９に記載の膜厚測定装置。
- 基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に前記基板に流れる基板電流値を利用して前記薄膜の膜厚を測定する装置であって、
標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する参照データ取得部と、
基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に前記基板に流れる基板電流値を取得する測定データ取得部と、
前記薄膜近傍の基板表面形状の影響を考慮して前記基板電流値を補正する補正処理部と、
前記参照データを考慮して、補正された前記基板電流値に基づき前記測定対象の薄膜の膜厚を算出する演算処理部と、
を含むことを特徴とする膜厚測定装置。 - 前記測定対象の薄膜に電子ビームを照射する電子ビーム照射部と、
前記薄膜に前記電子ビームを照射した際に前記基板に流れる基板電流値を測定する電流測定部と、
をさらに備え、
前記測定データ取得部は、前記電流測定部から前記基板電流値を取得することを特徴とする請求項９乃至１１いずれかに記載の膜厚測定装置。 - 前記電流測定部は、前記基板に接触して設けられた電極を有し、その電極に流れる電流を前記基板電流値として測定することを特徴とする請求項１２に記載の膜厚測定装置。
- 前記基板の表面に形成された凹部の配置を示すレイアウトデータを記憶するレイアウトデータ記憶部をさらに備え、
前記電流測定部は、前記薄膜上において、前記電子ビームが照射された位置を前記基板電流値に対応づけて取得し、
前記補正処理部は、前記電子ビームが照射された位置のレイアウトデータに基づき、前記基板電流値を補正することを特徴とする請求項１２または１３に記載の膜厚測定装置。 - 前記凹部はホールであって、前記補正処理部は、前記ホールのホール径を変数とする補正式により前記基板電流値を補正することを特徴とする請求項９乃至１４いずれかに記載の膜厚測定装置。
- 前記基板の表面には複数の凹部が形成されており、
前記測定データ記録部は、各前記凹部の位置に対応づけて前記基板電流値を記録し、
前記レイアウトデータ記憶部は、各前記凹部の位置に対応づけてその凹部の形状を記憶し、
前記補正処理部は、各前記凹部の形状に応じて前記基板電流値を補正することを特徴とする請求項１４に記載の膜厚測定装置。 - 基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に前記基板に流れる基板電流値を利用して前記薄膜の膜厚を測定する処理をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する処理と、
基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に前記基板に流れる基板電流値を取得する処理と、
前記電子ビームの照射により前記薄膜近傍に発生した電荷分布の影響を考慮して前記基板電流値を補正する処理と、
前記参照データを考慮して、補正された前記基板電流値に基づき前記測定対象の薄膜の膜厚を算出する処理と、
をコンピュータに実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。 - 基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に前記基板に流れる基板電流値を利用して前記薄膜の膜厚を測定する処理をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
標準試料における膜厚と基板電流との関係を示す参照データを取得する処理と、
基板上に形成された測定対象の薄膜に電子ビームを照射した際に前記基板に流れる基板電流値を取得する処理と、
前記薄膜近傍の基板表面形状の影響を考慮して前記基板電流値を補正する処理と、
前記参照データを考慮して、補正された前記基板電流値に基づき前記測定対象の薄膜の膜厚を算出する処理と、
をコンピュータに実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
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