JP4474795B2 - Film thickness measuring method, measuring apparatus and semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定膜の測定部位に光ビームを照射してその膜厚を測定するようにした膜厚測定方法、膜厚測定装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体素子の表面部分に機械的構造を一体に形成した構成の半導体装置が開発されつつある。そして、このような半導体装置は、半導体集積技術を転用することで集積度の高い半導体機構素子として提案されているが、これらの半導体素子は、微細な構造を形成する必要があることから、半導体材料に対する加工精度をさらに高めて制御することができるようにすることが要求されている。
【0003】
例えば、シリコンダイヤフラムをエッチングにより形成する場合に、通常はエッチング時間を管理することでダイヤフラム厚の制御を行っているが、これはエッチング条件を支配する温度や濃度などの種々のパラメータのばらつきなどによって影響を受けてしまうことがあり、結果としてダイヤフラム厚がばらついてしまうことがあり、加工精度の点で再現性の良好なプロセス技術として確立するためには課題が残っていた。このような点から、エッチング中にリアルタイムでシリコン厚をモニタできるようにして、エッチング量の制御性を向上できるようにすることが望まれていた。
【0004】
このような要望に対して、最近では、例えば特開平2−307003号公報に示されるように、レーザ光を半導体に照射して半導体層から得られる反射光あるいは透過光などの干渉光の強度変化を観測することにより、半導体層の厚さを非接触状態でしかもリアルタイムで検出してエッチング厚さをモニタする技術が提案されている。
【0005】
また、別の方法としては、ハロゲン光をシリコンに照射してこれを分光分析することによりシリコン厚を計測する方法も提案されている(MEMS/94 Proceedings pp.217-pp.222 )。さらには、特開平7−306018号公報に示されるようにレーザ光の波長を変化させ、その反射波の波形から膜厚を計測するという方法も検討されつつある。
【0006】
ところで、上述の特開平7−306018号公報に開示された方法では、測定対象としてシリコン層のみである場合の膜厚を計測するときには有効な方法であるが、積層構造となる場合例えば絶縁膜をシリコンで挟んだ構造のいわゆるSOI(Silicon On Insulator)構造を有するシリコンウエハなどのシリコン層の厚さを測定する場合においては、内部に埋め込まれている絶縁膜の影響を受けるので、この方法をそのまま適用して測定することができない場合がある。
【0007】
したがって、例えば、SOI基板のシリコン層をエッチング加工して所望の膜厚を残して圧力センサなどのダイヤフラムなどを形成したり、あるいは特開平2000−31502に示されるような加速度センサの構造体を形成する場合の途中工程などにおいてには、依然として正確な膜厚を測定することができないことがあり、技術的課題として解決すべきものであった。これは、シリコン膜厚の測定時に、照射した測定用の光ビームがSOI基板中に埋め込まれた絶縁膜(一般的にはSiO2)の界面で反射することによる影響で、これが絶縁膜上のシリコン膜厚(SOI厚)に依存して干渉強度が変化して高くなる場合には、シリコンダイヤフラム全体の膜厚の検出感度が鈍くなるからである。
【0008】
この場合、ダイヤフラム厚さがSOI膜の厚さに比べ、十分に厚い場合には、計測される複数の膜厚のピークからSOI厚さ付近の膜厚のピークを除外することで、ダイヤフラム厚さに相当するピークを特定してその厚さ寸法を測定することができるようになる。しかしながら、エッチングが進行してダイヤフラム厚さがSOI層の厚さに近付いてくると、ピークが重なってくるため、この方法で判定することができなくなり、結果として、正確にエッチング終点を検出できなくなってしまうというものであった。
【0009】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、測定対象となる膜の内部に異なる材質の層が積層されている場合でも、対象とする層の膜厚を正確に検出することができるようにした膜厚測定方法、膜厚測定装置及び半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明によれば、測定光源から被測定膜に対して照射する測定光を、その被測定膜の透過光波長領域で波長を変化させるようにし、その反射光もしくは透過光を検出してその強度の変化状態から前記被測定膜の膜厚を検出するようにした膜厚測定方法において、被測定膜が屈折率が異なる材質からなる異質層が内部に積層された構造である場合には、その被測定膜の膜厚を測定する際に、測定光源から照射する測定光の波長を、透過光波長領域の波長のうちの異質層の上下界面で反射する光成分が干渉して互いに弱め合う範囲で変化させるので、異質層による反射成分を抑制することで、被測定膜の異質層で分けられた部分の各膜の膜厚に起因した反射光もしくは透過光の干渉成分も抑制することができるようになり、結果として被測定膜の上面と下面との両者で反射もしくは透過する光の成分に基づいて膜厚測定を行うことができるようになり、全体の膜厚を非接触で且つリアルタイムで正確に測定することができるようになる。これにより、例えば、エッチング処理などを実施している状態で直接エッチング量をモニタすることができるようになり、エッチングの制御を高精度で行うことができるようになる。
また、測定光の波長範囲を、計測波長範囲を一定幅としたときの中心波長に対して得られる被測定膜の膜厚に対応したピーク値の強度と異質層で分けられた被測定膜の部分層の膜厚に対応したピーク値の強度との比の値が1以上となる波長の範囲に設定しているので、測定に十分使用可能な測定光の波長範囲を具体的に設定することができ、また、その場合に、被測定膜のピーク値の強度が他の部分膜のピーク値に対して1以上の比率で出現させることができるので、他のピーク値に埋没することなく確実に被測定膜の膜厚を測定することができるようになる。
【0011】
請求項2の発明によれば、上記発明において、測定光が被測定膜に照射されたときの反射光を測定してその膜厚を検出する場合に、異質層の屈折率をn0、膜厚をdとすると、互いに弱め合う範囲として、
2・n0・d=m・λ …(a)
(ただし、mは自然数)
を満たす波長λを中心とした波長領域で波長を変化させて照射することで、被測定膜中において異質層の上面と下面とで反射する成分が双方で干渉し合う条件となり、この反射光成分による影響を低減できる。このことは、異質層の上面(一方側)と下面(他方側)の双方に位置している被測定膜の分割された部分層についての膜厚に依存した干渉の成分を抑制することができることを意味し、これによって、相対的に被測定膜の全体の膜厚に関する反射光の成分を大きくした状態で測定することができるようになり、被測定膜の正確な膜厚を測定することができるようになる。
【0013】
請求項3の発明によれば、上記各発明において、被測定膜として絶縁膜が異質層として内部に介在されたシリコン層である場合に、前述した測定波長範囲として、
2・n0・d/(m+0.2 )≦λ≦2・n0・d/(m−0.2 ) …(b)
(ただし、n0は絶縁膜の屈折率、dは絶縁膜の膜厚、mは自然数)
という条件式(b)を満たす範囲に設定するので、シリコン層の内部に介在されている異質層としての絶縁膜の屈折率n及び膜厚dの値からこの条件式(b)を満たす波長範囲λを設定することができる。
【0014】
なお、この場合において、条件式の上限値及び下限値を設定する左辺及び右辺の分数の分母に設定している「0.2 」という数値は、計測波長範囲を一定幅としたときの中心波長に対して得られる被測定膜の膜厚に対応したピーク値の強度と異質膜で分けられた被測定膜の部分層の膜厚に対応したピーク値の強度との比の値が1以上となる波長の範囲と略一致するような波長範囲λの条件を満たす値である。
【0015】
請求項4の発明によれば、上記各発明において、測定光源の測定光として、連続または特定間隔で発振中心波長を変化可能なレーザ光源を用いているので、測定光を適当な光学手段により案内することで、被測定膜の表面の限られた領域のみに照射することができ、これによって被測定膜の局所的な膜厚を測定する用途においても正確な膜厚測定を行うことができる。例えば、部分的なエッチング加工をおこなって膜厚を測定するような場合に有効な手段となる。
【0016】
請求項5の発明によれば、上記各発明において、測定光源の測定光を被測定膜と同じ構造で膜厚が既知の参照用測定膜に照射し、その反射光もしくは透過光の強度を測定してその波長依存性と被測定膜の反射光もしくは透過光の強度の波長依存性とからその被測定膜の膜厚を検出するので、測定光源の測定光の波長を正確に測定しなくとも既知の膜厚の参照用測定膜との対比により被測定膜の膜厚を精度良く測定することができる。
【0017】
請求項6の発明によれば、被測定膜に対して測定光を照射してその反射光もしくは透過光の強度を検出して被測定膜の膜厚を検出する構成において、測定光源から被測定膜の透過光波長領域内で波長を変化させて測定光を照射させ、この測定光を光学手段により被測定膜の測定部位に導き、測定手段により被測定膜に照射された測定光の反射光もしくは透過光の強度を測定し、演算手段により測定手段により測定された反射光もしくは透過光の強度の結果に基づいて被測定膜の膜厚を演算により検出する構成を前提としており、この場合において、被測定膜として対象となる膜の材質とは屈折率が異なる材質からなる異質層が内部に介在されるものを対象とする場合には、制御手段により、測定光源に対して異質層で反射する光成分に起因して発生する干渉の条件を満たす範囲の波長領域内で測定光の波長を変化させるようにして測定を行わせる。これにより、被測定膜に照射された測定光が内部に介在している異質層の表裏面で反射する成分が互いに干渉し合い、被測定膜の異質層により分けられた部分層の膜厚に起因した成分の強度を抑制することができるようになり、結果的に被測定膜の膜厚に関する光の成分が主体となり、被測定膜の膜厚を正確に測定することができるようになる。
また、制御手段により、測定光源に対して、測定光の波長範囲を、計測波長範囲を一定幅としたときの中心波長に対して得られる被測定膜の膜厚に対応したピーク値の強度と異質層で分けられた被測定膜の部分層の膜厚に対応したピーク値の強度との比の値が1以上となる波長の範囲に設定するようにして制御する構成としたので、異質層の表裏面による反射光の成分を干渉させる条件として、他の部分層の膜厚に起因したピーク値が抑制されるようになり、相対的に被測定膜の膜厚に起因した光の情報が他のピーク値に対して区別可能な範囲の条件とすることができ、測定光の波長変化範囲を最大限に広げて測定精度の向上を図ることができるようになる。
【0018】
請求項7の発明によれば、上記発明において、測定手段を、測定光の反射光を検出するように設け、制御手段により、異質層の屈折率をn0、膜厚をdとしたときの測定光が互いに弱め合う範囲として、
2・n0・d=m・λ …(a)
(ただし、mは自然数)
を満たす波長λを中心とした波長領域で波長を変化させて測定光を照射させるように測定光源を制御するように構成したので、異質層の表裏面による反射光の成分を干渉させることができ、これによって、被測定膜の膜厚に関する光の強度を相対的に高めることができるようになる。
【0020】
請求項8の発明によれば、請求項6または7の発明において、被測定膜が異質層として絶縁膜が内部に介在されたシリコン層である場合に、制御手段により、測定光源に対して条件式(b)を満たす範囲の測定波長範囲に設定して測定光の波長を変化させて出力させるように制御するように構成したので、シリコン層の内部に介在されている異質層としての絶縁膜の屈折率n及び膜厚dの値からこの条件式(b)を満たす波長範囲λを設定することができる。
【0021】
請求項9の発明によれば、請求項6ないし9の発明において、測定光源を、測定光を連続または特定間隔で発振中心波長を変化可能なレーザ光源を用いて構成しているので、測定光を光学系により案内することで、被測定膜の表面の限られた領域のみに照射することができ、これによって被測定膜の局所的な膜厚を測定する用途においても正確な膜厚測定を行うことができる。例えば、部分的なエッチング加工をおこなって膜厚を測定するような場合に有効な手段となる。
【0022】
請求項10の発明によれば、請求項6ないし9の各発明において、被測定膜と同じ構造で且つ膜厚が既知の参照用測定膜を備え、参照用光学系により測定光源からの測定光を参照用測定膜に導いて照射し、その反射光もしくは透過光の強度を参照用測定手段により測定し、演算手段により、前記測定手段により測定された反射光もしくは透過光の強度の結果に加えて、参照用測定手段により測定された反射光もしくは透過光の強度の結果も参照して被測定膜の膜厚を演算により検出するので、測定光源の測定光の波長を正確に測定しなくとも既知の膜厚の参照用測定膜との対比により被測定膜の膜厚を精度良く測定することができる。
【0023】
請求項11の発明によれば、エッチング処理などで形成するダイヤフラム等の被測定膜を有する半導体装置に対して、測定光源から半導体装置の被測定膜に対して照射する測定光を、その被測定膜の透過光波長領域で波長を変化させるようにし、その反射光もしくは透過光を検出してその強度の変化状態から前記被測定膜の膜厚を検出するようにした半導体装置の製造方法において、被測定膜が屈折率が異なる材質からなる異質層が内部に積層された構造である場合には、その被測定膜の膜厚を測定する際に、測定光源から照射する測定光の波長を、透過光波長領域の波長のうちの異質層の上下界面で反射する光成分が干渉して互いに弱め合う範囲、且つ、測定波長範囲を一定幅としたときの中心波長に対して得られる前記被測定膜の膜厚に対応したピーク値の強度と前記異質層で分けられた前記被測定膜の部分層の膜厚に対応したピーク値の強度との比の値が1以上となる波長の範囲で変化させるので、異質層による反射成分を抑制することで、被測定膜の異質層で分けられた部分の各膜の膜厚に起因した反射光もしくは透過光の干渉成分も抑制することができるようになり、結果として被測定膜の上面と下面との両者で反射もしくは透過する光の成分に基づいて膜厚測定を行うことができるようになり、全体の膜厚を非接触で且つリアルタイムで正確に測定することができるようになる。
【0024】
これにより、例えば、半導体装置に形成するダイヤフラムなどの被測定膜の膜厚を精度良く形成する必要がある場合において、ダイヤフラム形成のためのエッチング処理を実施している状態で非接触且つリアルタイムで、しかも精度良く被測定膜の膜厚を検出することができる。したがって、ダイヤフラムなどを用いて圧力や加速度などを検出するセンサとしての半導体装置を製造する場合の品質の向上を図り、しかも製造工程においても時間短縮を図りコストの低減を図ることができるようになる。
【0025】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態について図1ないし図11を参照しながら説明する。
この実施形態においては、測定対象物はSOI(Silicon On Insulator)基板1を用いている。例えば、SOI基板1を利用して形成する半導体装置である圧力センサや加速度センサなどの半導体力学量センサのダイヤフラム部分を加工する場合のエッチング処理過程でエッチング量を測定する場合に適用したものである。図2は、SOI基板1をエッチング加工してダイヤフラム2を形成している状態を断面で示した模式図である。
【0026】
SOI基板1は、単結晶シリコン(Si)基板1a上に異質膜としての絶縁膜である二酸化シリコン(SiO2)からなる埋込酸化膜1bが積層され、その上に単結晶シリコン(Si)からなるSOI層1cが積層された3層(SOI/SiO2/Si)の構成である。この場合、埋込酸化膜1bは膜厚d(μm)が例えば2μmに形成されたものであり、SOI層1cの膜厚D1が15μm程度に形成されている。また、埋込酸化膜1bの屈折率n0は1.45(二酸化シリコンの屈折率)であり、SOI層1c及び単結晶シリコン基板1aを形成しているシリコンの屈折率n1は3.44である。
【0027】
このSOI基板1にダイヤフラム2を形成するために、単結晶シリコン基板1a側からパターニングで開口した部分をウェットエッチング処理を行って凹部2aを形成し、単結晶シリコン基板1aの厚さ寸法D2を調整する。エッチング処理を適切な時点で停止させることにより、所望厚さ寸法D(μm)のダイヤフラム2を形成する。ここで、本発明でいうところの被測定膜はダイヤフラム2の部分に相当しており、このダイヤフラム2の厚さ寸法Dは、上記した各膜の厚さ寸法の和すなわちD=D1+d+D2となる。
【0028】
次に、図1を参照して測定系の概略的な構成について説明する。測定光源としてのレーザ光源3は、シリコンを透過する近赤外の波長領域のレーザ光L0を測定光として出射するもので、そのレーザ光L0の発振中心波長λを連続的にもしくは一定間隔毎に変化可能に構成されている。レーザ光源3から出射されるレーザ光L0は、光学系として設けられた反射鏡4、ハーフミラー5及びレンズ6によりSOI基板1に導かれる。
【0029】
すなわち、レーザ光L0は、反射鏡4で直角方向に曲げられた後、ハーフミラー5を透過し、レンズ6により絞られた状態でSOI基板1の被測定膜であるダイヤフラム2部分に照射される。このとき、SOI基板1は、上述したようにエッチング処理を実施している状態であり、図示しないエッチング処理装置のエッチング槽に浸漬されている状態のダイヤフラム2部分にレーザ光L0を照射するように設定されている。
【0030】
SOI基板1に照射されたレーザ光L0は、上述した積層構造の各膜の表裏面部で反射し、各層及び全体の膜厚に依存した干渉光となってレンズ6側に戻るようになる。この反射光の光成分が検出すべき光としてレンズ6を透過した後ハーフミラー5を通じて直交する方向に偏向され、測定手段としての光検出器7に入射するように構成されている。光検出器7は、受光した反射光の強度を示す電気的な検出信号に変換して受光回路8に出力する。受光回路8は、光検出器7から与えられた検出信号に対してノイズ処理などの各種処理を行うと共にデジタル変換処理を行って制御回路9に出力する。
【0031】
演算手段及び制御手段としての制御回路9は、マイクロコンピュータなどを主体として構成されるもので、レーザ光源3から出射するレーザ光L0の波長λを設定して制御すると共に、その波長λの情報と受光回路8からの検出信号とから後述するようにして演算処理を行ってSOI基板1のダイヤフラム2の厚さ寸法を求めるようにプログラムがあらかじめ記憶されている。
【0032】
次に、本実施形態の作用について説明する。まず、測定原理について概略的に説明し、続いて、具体的な測定動作についても説明する。制御回路9は、レーザ光源3に対してレーザ光L0を出射するように駆動制御する。この場合、レーザ光源3は、測定光としてのレーザ光L0の波長λを後述する波長範囲で変化させる。この波長λの変化の速さは、SOI基板1のエッチング速度よりも十分に速いものとし、1回の掃引中にはダイヤフラム2の膜厚Dはごく僅かのエッチング量であるとする。
【0033】
次に、レーザ光L0の波長λの変化範囲である波長範囲について説明する。SOI基板1は、内部に埋込酸化膜1bが積層されているので、この上下の各面で反射する光の成分が大きくなると他の反射光に対する干渉作用が発生するので測定に影響することになる。そこで、この影響を抑制するために、二酸化シリコン膜の反射光の強度をシミュレーションにより求めると、図5に示すような結果が得られた。前述のように二酸化シリコン膜の屈折率n0を1.45とし、膜厚dを埋込酸化膜1bと同じ膜厚である2μmとしている。表面と裏面とで反射する光の干渉条件は、下記の式(a)のようになる。
2・n0・d=m・λ …(a)
【0034】
つまり、波長λが1450nmで干渉条件が成立し反射率はゼロとなり、この波長から外れるにしたがって反射率は大きい値になっていく。このことは、干渉条件を外れた波長のレーザ光L0が照射された場合に、この埋込酸化膜1bの表裏面で反射した光の成分が相対的に大きくなり、SOI層1cの表面や単結晶シリコン基板1aの表面部分で反射した光に対して干渉を起こす成分となることを意味している。
【0035】
例えば、SOI層1cについて考えると、埋込酸化膜に相当する二酸化シリコン膜を伴った複合膜構造(SOI/SiO2)では、図6にシミュレーション結果を示すように、SOI層の膜厚である15μmのピーク値を示す値の繰り返しが二酸化シリコンの膜厚である2μmの条件で示した反射光の影響を受けて反射率が大きく変動していることがわかる。そして、このSOI層に相当する部分の反射光強度の変化が被測定膜であるダイヤフラム2部分の全体の膜厚に相当するピーク値の値に大きく影響を及ぼすことになる。
【0036】
図7は、被測定膜の構造と同じ構成を想定したシミュレーション結果を示すもので、SOI層と埋込酸化膜とシリコン基板とを15μm、2μm、20μmとした場合の結果を示している。全体の膜厚Dつまり37μmに相当するピークの分布が、SOI層の膜厚のピークと、シリコン基板の膜厚のピークとが混在した状態となり、複雑なピーク値が繰り返し出現している。
【0037】
この場合、図6の波長1450nmを中心とした近傍のピーク値の変動が小さい波長領域では、図7におけるピーク値の変化が全体の膜厚である37μmの膜厚に起因したピーク値となっており、これよりも外れた波長範囲では、複合的な波形が観測される。この結果、埋込酸化膜1bの干渉条件である、波長λが1450nmの近傍でレーザ光L0の波長を変化させることで、SOI膜1cの膜厚に起因したピークの発生を抑制することができ、このときのピーク強度の繰り返し周期を測定すれば全体の膜厚の検出を精度良く行えることがわかる。
【0038】
上述の点は、図2に示した構造では、レーザ光L0がダイヤフラム2のSOI層1c側から入射すると、SOI層1cの表面での反射光成分L1と、埋込酸化膜1bの表面(上面)での反射光成分L2と、裏面(下面)での反射光成分L3と、単結晶シリコン基板1aの下面での反射光成分L4と、透過光成分とに分かれる。この測定においては反射光成分を検出するので、各反射光成分L1〜L4が光検出器7に入射することになるが、上述した条件式を満たす波長範囲のレーザ光L0を照射することで、反射光成分L2とL3とが互いに干渉し合うことになり、光検出器7においては反射光成分L1及びL4が主として入射することになる。
【0039】
また、前述の検出原理に従って、実際に膜厚Dを検出する際には、レーザ光L0の波長λを上述した条件式(a)を満たす波長範囲で変化させたときに得られる反射光の強度を示す信号を周波数解析を行うことにより求める。レーザ光L0の波長λを上述の波長範囲で一定量Δλ(ここでは50nmとする)変化させると、その反射光成分は、ダイヤフラム2の膜厚Dに依存した反射光成分L1,L4が波長の変化に伴い干渉し合うことで変化する。
【0040】
したがって、波長λを横軸にとると、中心周波数fに微小な周波数変調がかかった波形となる。その中心周波数fと被測定膜2の膜厚Dとの関係は、特開平7−306018号公報に示されているように、
D=(λ02/2・n1・Δλ)・f …(c)
(ここで、λ0はレーザ光L0の中心波長、n1は被測定膜つまりシリコンの屈折率、fはΔλを基本周期(f=1の周期)とした周波数を示す)
なる関係を満たす。この式(c)中で、右辺の中心周波数fの値を除いた他の値については既知であるから、この中心周波数fを検出することにより被測定膜2の膜厚Dを求めることができる。
【0041】
さて、上記のようにして膜厚Dを検出する場合の具体的な検出動作について説明する。レーザ光源3に、レーザ光L0を、中心波長λ0を1450nmとしてその前後25nmの範囲(Δλ=50nm)を波長範囲(1425nm〜1475nm)として変化させながら出射させる。この波長範囲は、埋込酸化膜1bの膜厚dが2μmの場合に前述の式(a)の干渉条件を満たす波長λを中心とした近傍の範囲となっている。
【0042】
エッチング処理が進行中であるSOI基板1のダイヤフラム2の部分にレーザ光L0を照射し、その反射光を光検出器7により受ける。受光回路8においては、光検出器7から出力される反射光の強度を示す検出信号を、あらかじめ測定しておいた検出感度の波長特性の特性値で干渉信号を除算することで感度変化の影響を除去すると共に、ダイヤフラム2の膜厚の検出しようとする範囲の上限値と下限値を式(c)に代入して求めた干渉信号周波数f範囲に対して、これを外れる周波数成分をバンドパスフィルタにより除去し、これによりダイヤフラム2の膜厚に関する情報以外の不要な情報を除去することができる。
【0043】
次に、制御回路9においては、受光回路8から入力されるデジタル処理された信号から、周波数解析を行って干渉信号のスペクトラムを求める。この場合、前述したように、ダイヤフラム2の膜厚Dは37μmとなる場合を例にとっており、その内訳はSOI層1cの膜厚D1が15μm、埋込酸化膜1bの膜厚dが2μm、単結晶シリコン基板1aの膜厚D2が20μmである。
【0044】
図3はこの結果を示すもので、ダイヤフラム2の膜厚Dに対応するピーク値が最大のパワーを示す周波数成分f(図3中のピーク値では周波数fの値はほぼ6である)となって現れている。したがって、この周波数fの値を前述の式(c)に代入するとダイヤフラム2の膜厚Dに相当する膜厚の値を得ることができるようになる。
【0045】
なお、この図3では、レーザ光L0の波長範囲を1425nmから1475nmの範囲で変化させることから、埋込酸化膜1bの表裏の各面での反射光成分L2,L3が若干現れるので、この反射光成分L2,L3に起因してSOI層1c及び単結晶シリコン層1aの各膜厚D1,D2に依存したピークが現れている。しかし、反射光成分L2,L3が干渉により抑制されたレベルであるから、これらのピークについてもダイヤフラム2の膜厚Dに対するピークと比べて抑制されたレベルとなっている。
【0046】
なお、発明者らは、このようにダイヤフラム2の膜厚Dに対するピークが他のピークに対して1以上となる条件を満足すれば、ダイヤフラム2の膜厚Dを実質的に支障なく検出することができるとして、この条件を満たすレーザ光L0の波長範囲を求めた。
【0047】
図4はその結果を示すもので、上記した構造のダイヤフラム2の測定に際して、レーザ光L0の掃引範囲の幅Δλを50nmで一定とし、その中心波長λ0を1375nmから1625nmの範囲で25nm間隔で変化させたときに、ダイヤフラム2の膜厚Dに起因したピークの強度がSOI層1cの膜厚D1のに起因したピークの強度に対する比の値をプロットしている。
【0048】
上述の場合、図3に対応して、中心波長λ0が1475nm(掃引範囲は1450nm〜1500nm)の場合には、図8に示すような結果となる。同様に、中心波長λ0が1525nmの場合及び1625nmの場合には、それぞれ図9及び図10に示すような結果となる。中心波長λ0が1475nmの場合では、SOI層1cの膜厚D1に起因したピークが出ているもののあまり測定に悪影響を及ぼしていない。中心波長λ0が1500nmを超えると、図9や図10に示すように、SOI層1cの膜厚D1に起因したピークがダイヤフラム2の膜厚Dに起因したピークよりも大きくなる。
【0049】
これらの結果から、図4に示すようにピーク強度比が1以上となる範囲すなわち計測を行うのに適した波長範囲を求めると、1400nm〜1500nmの範囲であることがわかる。したがって、この波長範囲の中心波長λ0を選んで計測を行えば、ダイヤフラム2に起因した膜厚Dのピークが最大値として得られるようになる。
【0050】
また、この結果から、ピーク強度比が1以上を含んで、1375nm〜1525nmの波長範囲で計測を行えば、ダイヤフラム2に起因した膜厚Dのピークを確実に捉えることができるので、正確な膜厚測定を行うことができるようになる。そして、このような波長λの範囲を示す条件は、
2・n0・d/(m+0.2 )≦λ≦2・n0・d/(m−0.2 ) …(b)
(ここで、n0は埋込酸化膜1bの屈折率、dは埋込酸化膜1bの膜厚、mは自然数)
という関係式(b)を満たすことと略等価であり、この条件式(b)を満たすように波長範囲を選べば良いことになる。
【0051】
また、計測に適した波長範囲は、埋込酸化膜1bの膜厚dに依存しているので、この膜厚dが変化すればその範囲も変化することになる。例えば、図9に示した場合では、埋込酸化膜1bの膜厚dが2μmであったから、その掃引範囲においてSOI層1cのピークが大きく出てしまっているが、埋込酸化膜1bの膜厚dが2.1μmになると、図11に示すようにSOI層1bの膜厚D1に起因したピークはかなり抑制されるようになる。
【0052】
換言すれば、計測に用いる波長範囲を大きく変化させることができない場合でも、埋込酸化膜1bの膜厚を少し変えることによりダイヤフラム2の膜厚Dに起因したピークを最大となるように調整することができるのである。埋込酸化膜1bの膜厚dを変えても素子特性に影響を及ぼさない場合には、この点を利用して測定に適した条件の埋込酸化膜1bの膜厚dを選ぶようにすることもできる。
【0053】
このような第1の実施形態によれば、SOI基板1のように内部に埋込酸化膜1bを介在した構造のダイヤフラム2の膜厚Dを計測する場合には、この埋込酸化膜1bの屈折率n0と膜厚dとからその干渉条件となる式(a)の、
2・n0・d=m・λ …(a)
を満たす波長λを中心としてその近傍の波長範囲で計測することにより、埋込酸化膜1bの表裏面での反射光成分L2,L3を互いに干渉させた状態とすることができるようになり、ダイヤフラム2の膜厚Dに起因したピーク値を精度良く検出することができるようになる。また、上記干渉条件を満たす波長範囲として、式(b)に示す範囲を選ぶことにより、ダイヤフラム2の膜厚Dに起因したピーク値を他のピーク値に対して1以上の比となるようにして計測することができるようになる。
【0054】
この結果、SOI基板1にダイヤフラム2を形成するためのエッチング処理を実施中にリアルタイムで且つ非接触状態でダイヤフラム2の膜厚Dすなわちエッチング量を精度良く検出することができるようになり、エッチング処理の停止タイミングを正確に検出でき、エッチング処理の加工精度を向上させることができるようになる。
【0055】
(第2の実施形態)
図12は本発明の第2の実施形態を示すもので、第1の実施形態と異なるところは、参照用のサンプルの測定信号を利用してダイヤフラム2の膜厚Dを精度良く検出する構成としたところである。すなわち、第1の実施形態においては、レーザ光源3から出射するレーザ光L0の波長λを変化させて測定することから、波長λやその変化量の絶対値を精度良く測定する構成が必要となる。これに対して、この実施形態においては、測定精度の向上を図るための構成として、被測定膜であるダイヤフラム2と同じ構成でその膜厚Dref があらかじめ正確に測定された参照用サンプル10を利用する構成を採用している。
【0056】
図12において、参照用測定膜としての参照用サンプル10は、図2に示したSOI基板1のダイヤフラム2部分と同じ材質及び構成で、各膜厚D1,D2,d及び全体の膜厚Dをあらかじめ正確に測定したものである。この参照用サンプル10に対して、レーザ光源3から出射されるレーザ光L0を同時に照射する構成としている。参照用光学手段としては、反射鏡4に代えてハーフミラー11を設けると共に、このハーフミラーを透過するレーザ光L0を、反射鏡12で直交方向に偏向させ、ハーフミラー13及びレンズ14を介して参照用サンプル10に照射させるように構成している。
【0057】
参照用サンプル10に照射されたレーザ光L0の反射光をレンズ14及びハーフミラー13を介して参照用測定手段である光検出器15で受け、受光回路16で信号処理を行う構成である。光検出器15及び受光回路16は、光検出器7及び受光回路8と同等のものにより構成されている。
【0058】
制御回路9は、SOI基板1のダイヤフラム2の膜厚Dを測定する際に、レーザ光源3から出射するレーザ光L0を同時に参照用サンプル10にも照射してそのときの反射光を光検出器15で受光し、受光回路16により信号処理を行わせる。受光回路16における信号処理は受光回路8における信号処理と同じ処理を行うように設定されている。このとき、レーザ光L0の波長範囲は、第1の実施形態において述べた波長範囲と同じであり、埋込酸化膜1bの表裏面での反射光成分が互いに干渉し合う条件である。
【0059】
そして、前述同様にして、受光信号を周波数解析することにより、参照用サンプル10からの検出結果と対比することでダイヤフラム2の膜厚Dを求める。受光回路16の出力信号から得た周波数をfref とし、前述のようにして受光回路8の出力信号から得た周波数をfとすると、両者の膜厚DとDref との間には、次の関係が成り立つ。
【0060】
D=(f/fref )・Dref …(d)
したがって、レーザ光源3のレーザ光L0の波長を正確に測定することなくダイヤフラム2の膜厚Dを正確に測定することができるようになる。
【0061】
(他の実施形態)
本発明は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形また拡張できる。
上記各実施形態においては、反射光を測定してダイヤフラム2の膜厚を検出する方法及び構成を採用しているが、これに限らず、ダイヤフラム2に照射されたレーザ光L0の透過光を測定して検出する方法あるいは構成を採用することもできる。この場合には、埋込酸化膜1bの干渉条件が異なるので、レーザ光L0の適切な波長範囲も異なる条件となるが、干渉条件が成立すれば原理的に全く同様にしてダイヤフラム2の膜厚を精度良く検出することができるものである。
【0062】
上記各実施形態においては、異質膜としてシリコン中に介在させた二酸化シリコン膜を例として述べたが、これに限らず、測定対象となる膜に対して異なる材質、屈折率の層が介在する構成のものに適用することができる。また、被測定膜としては、複数種類の膜が複合的に積層された構成のものにも適用することができる。
【0063】
この点は、換言すれば、複数種類の膜が複合的に積層された構成の被測定膜に対して、特定の層の膜厚を選択的に測定することにも応用できることを意味している。すなわち、積層膜のうちの該当する膜の膜厚を測定するのに必要な反射光や透過光の条件を設定するために、不要となる反射光の干渉条件を膜厚及び屈折率から式(a)の条件となるように設定してその条件が成立する範囲の波長領域を求め、その範囲で波長を掃引して測定を行うことにより測定することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を示す測定系の概略的な構成図
【図2】測定対象となる膜の模式的断面図
【図3】ダイヤフラム部分を最適な波長範囲のレーザ光を掃引して測定したときの周波数解析結果を示す図
【図4】ダイヤフラムの膜厚とSOI層の膜厚の各ピークレベルの比の値を中心周波数に対してプロットした特性図
【図5】酸化膜にレーザ光の波長を変化させて照射したときの反射率をシミュレーションにより計算した特性図
【図6】酸化膜とSOI層との構造をモデルとしてレーザ光の波長を変化させて照射したときの反射率をシミュレーションにより計算した特性図
【図7】被測定膜の構造をモデルとしてレーザ光の波長を変化させて照射したときの反射率をシミュレーションにより計算した特性図
【図8】ダイヤフラム部分を異なる波長範囲のレーザ光を掃引して測定したときの周波数解析結果を示す図(その1)
【図9】ダイヤフラム部分を異なる波長範囲のレーザ光を掃引して測定したときの周波数解析結果を示す図(その2)
【図10】ダイヤフラム部分を異なる波長範囲のレーザ光を掃引して測定したときの周波数解析結果を示す図(その3)
【図11】被測定膜の構造中酸化膜の膜厚を変えた場合の図9相当図
【図12】本発明の第2の実施形態を示す図1相当図
【符号の説明】
1はSOI基板、1aは単結晶シリコン基板、1bは埋込酸化膜(異質膜)、1cはSOI層、2はダイヤフラム(被測定膜)、3はレーザ光源(測定光源)、4は反射鏡、5はハーフミラー、6はレンズ(光学手段)、7は光検出器(測定手段)、8は受光回路、9は制御回路(演算手段、制御手段)、10は参照用サンプル(参照用測定膜)、11はハーフミラー、12は反射鏡、13はハーフミラー、14はレンズ、15は光検出器(参照用測定手段)、16は受光回路である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a film thickness measuring method, a film thickness measuring apparatus, and a method for manufacturing a semiconductor device, which measure a film thickness by irradiating a measurement site of a film to be measured with a light beam.
[0002]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, semiconductor devices having a structure in which a mechanical structure is integrally formed on a surface portion of a semiconductor element are being developed. Such a semiconductor device has been proposed as a semiconductor mechanism element having a high degree of integration by diverting semiconductor integration technology. However, since these semiconductor elements need to form a fine structure, It is required to further increase the processing accuracy of the material so that it can be controlled.
[0003]
For example, when a silicon diaphragm is formed by etching, the thickness of the diaphragm is usually controlled by managing the etching time. This is due to variations in various parameters such as temperature and concentration that govern the etching conditions. As a result, the diaphragm thickness may vary, and problems remain to be established as a process technology with good reproducibility in terms of processing accuracy. From such a point, it has been desired to be able to monitor the silicon thickness in real time during etching and to improve the controllability of the etching amount.
[0004]
In response to such a demand, recently, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-330703, the intensity of interference light such as reflected light or transmitted light obtained from a semiconductor layer by irradiating a semiconductor with laser light is changed. A technique for monitoring the etching thickness by detecting the thickness of the semiconductor layer in a non-contact state and in real time by observing the above has been proposed.
[0005]
As another method, a method of measuring silicon thickness by irradiating silicon with halogen light and spectroscopically analyzing it is proposed (MEMS / 94 Proceedings pp.217-222). Furthermore, as shown in Japanese Patent Laid-Open No. 7-306018, a method of changing the wavelength of laser light and measuring the film thickness from the waveform of the reflected wave is being studied.
[0006]
By the way, the method disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-306018 is an effective method when measuring the film thickness when only the silicon layer is the object to be measured. When measuring the thickness of a silicon layer such as a silicon wafer having a so-called SOI (Silicon On Insulator) structure sandwiched between silicon, this method is used as it is because it is affected by an insulating film embedded therein. It may not be possible to apply and measure.
[0007]
Therefore, for example, a silicon layer of an SOI substrate is etched to form a diaphragm such as a pressure sensor while leaving a desired film thickness, or a structure of an acceleration sensor as disclosed in JP-A-2000-31502. In the middle of the process, the accurate film thickness may still not be able to be measured and should be solved as a technical problem. This is due to the influence of the reflected measurement light beam reflected at the interface of the insulating film (generally SiO2) embedded in the SOI substrate during the measurement of the silicon film thickness. This is because when the interference intensity changes and increases depending on the film thickness (SOI thickness), the detection sensitivity of the film thickness of the entire silicon diaphragm becomes dull.
[0008]
In this case, when the diaphragm thickness is sufficiently larger than the thickness of the SOI film, the diaphragm thickness is excluded by excluding the peak of the film thickness in the vicinity of the SOI thickness from the plurality of measured film thickness peaks. The peak corresponding to is specified, and the thickness dimension can be measured. However, when the etching progresses and the diaphragm thickness approaches the SOI layer thickness, the peaks overlap, so that this method cannot be determined, and as a result, the etching end point cannot be detected accurately. It was something that would end up.
[0009]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to accurately detect the film thickness of a target layer even when layers of different materials are laminated inside the film to be measured. Another object of the present invention is to provide a film thickness measuring method, a film thickness measuring apparatus, and a semiconductor device manufacturing method that can be used.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, the measurement light emitted from the measurement light source to the film to be measured is changed in wavelength in the transmitted light wavelength region of the film to be measured, and the reflected light or transmitted light is detected. In the film thickness measurement method in which the film thickness of the film to be measured is detected from the change in strength of the film, the film to be measured has a structure in which different layers made of materials having different refractive indexes are laminated inside. When measuring the film thickness of the film to be measured, the wavelength of the measurement light emitted from the measurement light source is set to a heterogeneous layer out of the wavelengths in the transmitted light wavelength region.Upper and lower interfaceLight component reflected byInterfere and weaken each otherrangesoSince the reflection component is changed, the interference component of reflected light or transmitted light caused by the film thickness of each film in the portion divided by the different layer of the film to be measured can be suppressed by suppressing the reflection component due to the different layer. As a result, the film thickness can be measured based on light components reflected or transmitted by both the upper and lower surfaces of the film to be measured, and the entire film thickness can be accurately measured in a non-contact manner in real time. Will be able to measure. Thereby, for example, the etching amount can be directly monitored in a state where the etching process or the like is being performed, and the etching can be controlled with high accuracy.
In addition, the wavelength range of the measurement light, the intensity of the peak value corresponding to the film thickness of the film to be measured obtained with respect to the center wavelength when the measurement wavelength range is a constant width, Since the value of the ratio with the intensity of the peak value corresponding to the thickness of the partial layer is set to a wavelength range that is 1 or more, the wavelength range of the measurement light that can be used sufficiently for measurement should be specifically set. In that case, since the intensity of the peak value of the film to be measured can appear at a ratio of 1 or more with respect to the peak value of the other partial film, it is ensured without being buried in the other peak values. Thus, the film thickness of the film to be measured can be measured.
[0011]
According to the invention of
2 · n0 · d = m · λ (a)
(Where m is a natural number)
By changing the wavelength in the wavelength region centered on the wavelength λ that satisfies the condition, the components reflected on the upper and lower surfaces of the heterogeneous layer in the film to be measured interfere with each other, and this reflected light component Can reduce the effects of This can suppress the interference component depending on the film thickness for the divided partial layer of the film to be measured located on both the upper surface (one side) and the lower surface (the other side) of the heterogeneous layer. As a result, it becomes possible to measure in a state where the component of the reflected light relative to the entire film thickness of the film to be measured is relatively large, and to measure the accurate film thickness of the film to be measured. become able to.
[0013]
Claim3According to the invention, in each of the above inventions, when the insulating film is a silicon layer interposed inside as a heterogeneous layer as the film to be measured,
2 · n0 · d / (m + 0.2) ≦ λ ≦ 2 · n0 · d / (m−0.2) (b)
(Where n0 is the refractive index of the insulating film, d is the thickness of the insulating film, and m is a natural number)
Is set to a range satisfying the conditional expression (b), and therefore, a wavelength range satisfying the conditional expression (b) from the values of the refractive index n and the film thickness d of the insulating film as a heterogeneous layer interposed inside the silicon layer. λ can be set.
[0014]
In this case, the numerical value of “0.2” set in the fractional denominator of the left and right sides for setting the upper and lower limits of the conditional expression is relative to the center wavelength when the measurement wavelength range is a constant width. The wavelength at which the ratio between the intensity of the peak value corresponding to the film thickness of the film to be measured obtained and the intensity of the peak value corresponding to the film thickness of the partial layer of the film to be measured divided by the heterogeneous film is 1 or more It is a value that satisfies the condition of the wavelength range λ that substantially matches the above range.
[0015]
Claim4According to the invention, in each of the above-described inventions, a laser light source capable of changing the oscillation center wavelength continuously or at a specific interval is used as the measurement light of the measurement light source, so that the measurement light can be guided by appropriate optical means. Therefore, it is possible to irradiate only a limited area on the surface of the film to be measured, and thus it is possible to perform accurate film thickness measurement even in an application for measuring the local film thickness of the film to be measured. For example, this is an effective means for measuring the film thickness by performing a partial etching process.
[0016]
Claim5According to the invention, in each of the above inventions, the measurement light of the measurement light source is irradiated to the reference measurement film having the same structure as the film to be measured and the film thickness is known, and the intensity of the reflected light or the transmitted light is measured.Wavelength dependenceAnd the intensity of the reflected or transmitted light of the film to be measuredWavelength dependenceTherefore, the film thickness of the film to be measured can be accurately compared with the reference measurement film having a known film thickness without accurately measuring the wavelength of the measurement light from the measurement light source. Can be measured.
[0017]
Claim6According to the invention, in the configuration in which the film to be measured is irradiated with the measurement light and the intensity of the reflected or transmitted light is detected to detect the film thickness of the film to be measured, the measurement film is transmitted from the measurement light source. Irradiate the measurement light by changing the wavelength within the optical wavelength region, guide the measurement light to the measurement site of the film to be measured by optical means, and reflect or transmit the measurement light irradiated to the film to be measured by the measurement means. It is assumed that the film thickness of the film to be measured is detected by calculation based on the result of the intensity of the reflected light or transmitted light measured by the measurement means by the calculation means. When the target film is a material with a different layer of refractive index different from that of the target film, the light component reflected by the different layer from the measurement light source is controlled by the control means. Caused by In the wavelength range of satisfying the range of the interference so as to change the wavelength of the measuring light to perform a measurement. As a result, the components reflected by the front and back surfaces of the heterogeneous layer in which the measurement light irradiated to the film to be measured interferes with each other, and the film thickness of the partial layer divided by the heterogeneous layer of the film to be measured is reduced. As a result, the intensity of the component caused can be suppressed, and as a result, the light component relating to the film thickness of the film to be measured is mainly used, and the film thickness of the film to be measured can be accurately measured.
Further, the control means allows the measurement light source to have a wavelength range of the measurement light, a peak value intensity corresponding to the film thickness of the film to be measured obtained with respect to the center wavelength when the measurement wavelength range is a constant width, and Since the structure is controlled so that the ratio value with the intensity of the peak value corresponding to the film thickness of the partial layer of the film to be measured divided by the heterogeneous layer is set to a wavelength range that is 1 or more, the heterogeneous layer As a condition for interfering with the component of the reflected light from the front and back surfaces, the peak value due to the film thickness of the other partial layer is suppressed, and the light information due to the film thickness of the film to be measured is relatively It is possible to make the conditions in a range distinguishable from other peak values, and it is possible to maximize the wavelength change range of the measurement light and improve the measurement accuracy.
[0018]
Claim7According to the invention, in the above invention, the measurement means is provided so as to detect the reflected light of the measurement light, and the control light is measured by the control means when the refractive index of the heterogeneous layer is n0 and the film thickness is d.Range of weakening each otherAs
2 · n0 · d = m · λ (a)
(Where m is a natural number)
Since the measurement light source is controlled to irradiate the measurement light by changing the wavelength in the wavelength region centering on the wavelength λ that satisfies the condition, the reflected light components from the front and back surfaces of the heterogeneous layer can interfere. This makes it possible to relatively increase the light intensity related to the film thickness of the film to be measured.
[0020]
Claim8According to the invention of claim6 or 7In this invention, when the film to be measured is a silicon layer having a heterogeneous layer and an insulating film interposed therein, the control means sets the measurement wavelength range within the range satisfying the conditional expression (b) for the measurement light source. Therefore, the conditional expression is calculated from the values of the refractive index n and the film thickness d of the insulating film as a heterogeneous layer interposed inside the silicon layer. A wavelength range λ satisfying (b) can be set.
[0021]
Claim9According to the invention of claim6Or9In this invention, the measurement light source is configured by using a laser light source capable of changing the oscillation center wavelength continuously or at a specific interval. Therefore, by guiding the measurement light by the optical system, the surface of the film to be measured Therefore, it is possible to irradiate only a limited area, and it is possible to perform accurate film thickness measurement even in an application for measuring the local film thickness of the film to be measured. For example, this is an effective means for measuring the film thickness by performing a partial etching process.
[0022]
Claim 10According to the invention of claim6Or9In each of the inventions, a reference measurement film having the same structure as the film to be measured and a known film thickness is provided, and the reference optical system guides and irradiates the measurement light from the measurement light source to the reference measurement film, and the reflected light. Alternatively, the intensity of the transmitted light is measured by the reference measuring means, and the reflected light or transmitted light measured by the reference measuring means is added to the result of the reflected light or transmitted light intensity measured by the measuring means by the calculating means. Since the film thickness of the film to be measured is also detected by referring to the result of the light intensity, the film thickness is measured by comparison with a reference measurement film having a known film thickness without accurately measuring the wavelength of the measurement light of the measurement light source. The film thickness of the measurement film can be measured with high accuracy.
[0023]
Claim 11According to the invention, the measurement light irradiated from the measurement light source to the measured film of the semiconductor device is transmitted through the measured film to the semiconductor device having the measured film such as a diaphragm formed by an etching process or the like. In a method for manufacturing a semiconductor device, the wavelength of the film to be measured is changed in the light wavelength region, the reflected light or transmitted light is detected, and the film thickness of the film to be measured is detected from the intensity change state. When measuring the film thickness of the film to be measured, the wavelength of the measurement light emitted from the measurement light source is the transmitted light wavelength. Heterogeneous layer of wavelength in the regionUpper and lower interfaceLight component reflected byInterfere and weaken each otherrange,And the intensity | strength of the peak value corresponding to the film thickness of the said to-be-measured film obtained with respect to the center wavelength when a measurement wavelength range is made into fixed width, and the film | membrane of the partial layer of the to-be-measured film divided by the said heterogeneous layer In the wavelength range where the ratio of the peak value intensity corresponding to the thickness is 1 or moreSince the reflection component is changed, the interference component of reflected light or transmitted light caused by the film thickness of each film in the portion divided by the different layer of the film to be measured can be suppressed by suppressing the reflection component due to the different layer. As a result, the film thickness can be measured based on light components reflected or transmitted by both the upper and lower surfaces of the film to be measured, and the entire film thickness can be accurately measured in a non-contact manner in real time. Will be able to measure.
[0024]
Thereby, for example, when it is necessary to accurately form a film thickness of a film to be measured such as a diaphragm formed on a semiconductor device, in a state of performing non-contact and real-time etching processing for forming the diaphragm, In addition, the film thickness of the film to be measured can be detected with high accuracy. Therefore, it is possible to improve the quality when manufacturing a semiconductor device as a sensor for detecting pressure, acceleration, etc. using a diaphragm or the like, and also to reduce the cost by reducing the time in the manufacturing process. .
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In this embodiment, an SOI (Silicon On Insulator)
[0026]
In the
[0027]
In order to form the
[0028]
Next, a schematic configuration of the measurement system will be described with reference to FIG. The
[0029]
That is, the laser beam L0 is bent in a right angle direction by the reflecting
[0030]
The laser beam L0 irradiated to the
[0031]
The
[0032]
Next, the operation of this embodiment will be described. First, the measurement principle is schematically described, and then a specific measurement operation is also described. The
[0033]
Next, the wavelength range that is the change range of the wavelength λ of the laser light L0 will be described. Since the
2 · n0 · d = m · λ (a)
[0034]
That is, the interference condition is satisfied when the wavelength λ is 1450 nm, the reflectance becomes zero, and the reflectance increases as the wavelength deviates from this wavelength. This is because when the laser beam L0 having a wavelength outside the interference condition is irradiated, the light component reflected on the front and back surfaces of the buried oxide film 1b becomes relatively large, and the surface of the
[0035]
For example, when considering the
[0036]
FIG. 7 shows simulation results assuming the same configuration as the structure of the film to be measured, and shows results when the SOI layer, the buried oxide film, and the silicon substrate are 15 μm, 2 μm, and 20 μm. The total film thickness D, that is, the distribution of peaks corresponding to 37 μm, is a state where the SOI layer film thickness peak and the silicon substrate film thickness peak coexist, and complex peak values repeatedly appear.
[0037]
In this case, in the wavelength region where the fluctuation of the peak value near the wavelength of 1450 nm in FIG. 6 is small, the change in the peak value in FIG. 7 becomes the peak value due to the film thickness of 37 μm, which is the entire film thickness. In a wavelength range outside this range, a complex waveform is observed. As a result, by changing the wavelength of the laser beam L0 in the vicinity of the wavelength λ of 1450 nm, which is an interference condition for the buried oxide film 1b, it is possible to suppress the occurrence of peaks due to the film thickness of the
[0038]
In the structure shown in FIG. 2, when the laser beam L0 is incident from the
[0039]
Further, when the film thickness D is actually detected according to the detection principle described above, the intensity of the reflected light obtained when the wavelength λ of the laser light L0 is changed within the wavelength range satisfying the conditional expression (a) described above. Is obtained by performing frequency analysis. When the wavelength λ of the laser beam L0 is changed by a certain amount Δλ (here, 50 nm) in the above-described wavelength range, the reflected light components have the reflected light components L1 and L4 depending on the film thickness D of the
[0040]
Therefore, when the wavelength λ is taken on the horizontal axis, a waveform in which minute frequency modulation is applied to the center frequency f is obtained. The relationship between the center frequency f and the film thickness D of the film to be measured 2 is as shown in JP-A-7-306018,
D = (λ02/ 2 · n1 · Δλ) · f (c)
(Here, λ0 is the center wavelength of the laser beam L0, n1 is the refractive index of the film to be measured, that is, silicon, and f is a frequency with Δλ as a basic period (f = 1 period)).
Satisfy the relationship. In this equation (c), since other values excluding the value of the center frequency f on the right side are known, the film thickness D of the
[0041]
Now, a specific detection operation when the film thickness D is detected as described above will be described. The
[0042]
The portion of the
[0043]
Next, the
[0044]
FIG. 3 shows this result. The peak value corresponding to the film thickness D of the
[0045]
In FIG. 3, since the wavelength range of the laser beam L0 is changed in the range from 1425 nm to 1475 nm, reflected light components L2 and L3 appear slightly on the front and back surfaces of the buried oxide film 1b. Due to the light components L2 and L3, peaks depending on the film thicknesses D1 and D2 of the
[0046]
In addition, the inventors can detect the film thickness D of the
[0047]
FIG. 4 shows the result. When measuring the
[0048]
In the above case, corresponding to FIG. 3, when the center wavelength λ0 is 1475 nm (the sweep range is 1450 nm to 1500 nm), the result is as shown in FIG. Similarly, when the center wavelength λ0 is 1525 nm and 1625 nm, the results shown in FIGS. 9 and 10 are obtained. When the center wavelength λ0 is 1475 nm, a peak due to the film thickness D1 of the
[0049]
From these results, as shown in FIG. 4, when the range in which the peak intensity ratio is 1 or more, that is, the wavelength range suitable for measurement, is found, it is found that the range is from 1400 nm to 1500 nm. Therefore, if the measurement is performed by selecting the
[0050]
Also, from this result, if the peak intensity ratio includes 1 or more and measurement is performed in the wavelength range of 1375 nm to 1525 nm, the peak of the film thickness D caused by the
2 · n0 · d / (m + 0.2) ≦ λ ≦ 2 · n0 · d / (m−0.2) (b)
(Where n0 is the refractive index of the buried oxide film 1b, d is the thickness of the buried oxide film 1b, and m is a natural number)
This is substantially equivalent to satisfying the relational expression (b), and the wavelength range should be selected so as to satisfy the conditional expression (b).
[0051]
Further, since the wavelength range suitable for measurement depends on the film thickness d of the buried oxide film 1b, if the film thickness d changes, the range also changes. For example, in the case shown in FIG. 9, since the film thickness d of the buried oxide film 1b is 2 μm, the peak of the
[0052]
In other words, even when the wavelength range used for measurement cannot be changed greatly, the peak due to the film thickness D of the
[0053]
According to the first embodiment, when the film thickness D of the
2 · n0 · d = m · λ (a)
By measuring in the wavelength range in the vicinity of the wavelength λ that satisfies the condition, the reflected light components L2 and L3 on the front and back surfaces of the buried oxide film 1b can be made to interfere with each other. The peak value resulting from the film thickness D of 2 can be accurately detected. Further, by selecting the range shown in the equation (b) as the wavelength range satisfying the interference condition, the peak value caused by the film thickness D of the
[0054]
As a result, the film thickness D of the
[0055]
(Second Embodiment)
FIG. 12 shows the second embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that the film thickness D of the
[0056]
In FIG. 12, a
[0057]
In this configuration, the reflected light of the laser light L0 irradiated to the
[0058]
When the film thickness D of the
[0059]
In the same manner as described above, the film thickness D of the
[0060]
D = (f / fref) · Dref (d)
Therefore, the film thickness D of the
[0061]
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be modified or expanded as follows.
In each of the above embodiments, the method and configuration for measuring the reflected light and detecting the film thickness of the
[0062]
In each of the above-described embodiments, the silicon dioxide film interposed in the silicon is described as an example of the heterogeneous film. Can be applied to The film to be measured can also be applied to a structure in which a plurality of types of films are laminated in a composite manner.
[0063]
In other words, this means that the present invention can also be applied to selectively measuring the film thickness of a specific layer with respect to a film to be measured having a structure in which a plurality of types of films are laminated in a composite manner. . That is, in order to set the conditions of reflected light and transmitted light necessary for measuring the film thickness of the corresponding film in the laminated film, an unnecessary reflected light interference condition is calculated from the film thickness and the refractive index ( Measurement can be performed by setting the conditions in a) so as to obtain a wavelength region in a range where the conditions are satisfied, and performing measurement by sweeping the wavelength in the range.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a measurement system showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view of a film to be measured.
FIG. 3 is a diagram showing a frequency analysis result when a diaphragm portion is measured by sweeping a laser beam in an optimum wavelength range.
FIG. 4 is a characteristic diagram in which the ratio of each peak level of the film thickness of the diaphragm and the film thickness of the SOI layer is plotted with respect to the center frequency.
FIG. 5 is a characteristic diagram in which the reflectance is calculated by simulation when the oxide film is irradiated with a laser beam having a different wavelength.
FIG. 6 is a characteristic diagram in which the reflectance is calculated by simulation by changing the wavelength of the laser beam using the structure of the oxide film and the SOI layer as a model.
FIG. 7 is a characteristic diagram of the reflectance calculated by simulating the wavelength of the laser beam when the structure of the film to be measured is used as a model.
FIG. 8 is a diagram showing a frequency analysis result when a diaphragm portion is measured by sweeping laser beams in different wavelength ranges (part 1).
FIG. 9 is a diagram showing a frequency analysis result when the diaphragm portion is measured by sweeping laser beams in different wavelength ranges (part 2).
FIG. 10 is a diagram showing a frequency analysis result when the diaphragm portion is measured by sweeping laser beams in different wavelength ranges (part 3).
11 is a view corresponding to FIG. 9 when the thickness of the oxide film in the structure of the film to be measured is changed.
FIG. 12 is a view corresponding to FIG. 1, showing a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 is an SOI substrate, 1a is a single crystal silicon substrate, 1b is a buried oxide film (foreign film), 1c is an SOI layer, 2 is a diaphragm (film to be measured), 3 is a laser light source (measurement light source), and 4 is a reflecting
Claims (11)
前記被測定膜が、屈折率が異なる材質からなる異質層が内部に積層された構造である場合に、
前記測定光源から照射する測定光の波長を、前記透過光波長領域の波長のうちの前記異質層の上下界面で反射する光成分が干渉して互いに弱め合う範囲、且つ、測定波長範囲を一定幅としたときの中心波長に対して得られる前記被測定膜の膜厚に対応したピーク値の強度と前記異質層で分けられた前記被測定膜の部分層の膜厚に対応したピーク値の強度との比の値が1以上となる波長の範囲で変化させることにより前記被測定膜の膜厚を検出するようにしたことを特徴とする膜厚測定方法。The measurement light irradiated from the measurement light source to the film to be measured is changed in wavelength in the transmitted light wavelength region of the film to be measured, the reflected light or transmitted light is detected, and the measured light is detected from the intensity change state. In the film thickness measurement method that detects the film thickness of the measurement film,
When the film to be measured has a structure in which heterogeneous layers made of materials having different refractive indexes are laminated inside,
The wavelength of the measurement light emitted from the measurement light source is a range in which light components reflected from the upper and lower interfaces of the heterogeneous layer in the wavelength range of the transmitted light interfere with each other and weaken each other , and the measurement wavelength range has a certain width. The intensity of the peak value corresponding to the film thickness of the film to be measured obtained with respect to the center wavelength and the intensity of the peak value corresponding to the film thickness of the partial layer of the film to be measured divided by the heterogeneous layer The film thickness measuring method is characterized in that the film thickness of the film to be measured is detected by changing in a wavelength range in which the value of the ratio is 1 or more .
前記測定光が前記被測定膜に照射されたときの反射光を測定して前記被測定膜の膜厚を検出する場合に、
前記異質層の屈折率をn0、膜厚をdとすると、前記互いに弱め合う範囲として、
2・n0・d=m・λ …(a)
(ただし、mは自然数)
を満たす波長λを中心とした波長範囲で波長を変化させて照射することを特徴とする膜厚測定方法。In the film thickness measuring method according to claim 1,
When measuring the reflected light when the measurement light is applied to the film to be measured to detect the film thickness of the film to be measured,
The refractive index of the heterogeneous layer n0, and the thickness is d, a range of the weaken each other,
2 · n0 · d = m · λ (a)
(Where m is a natural number)
A method for measuring a film thickness, wherein irradiation is performed while changing the wavelength in a wavelength range centering on a wavelength λ that satisfies the above.
前記被測定膜は、前記異質層として絶縁膜が内部に介在されたシリコン層であり、
前記測定波長範囲として下記条件式(b)を満たす範囲とすることを特徴とする膜厚測定方法。
2・n0・d/(m+0.2 )≦λ≦2・n0・d/(m−0.2 ) …(b)
(ただし、n0は絶縁膜の屈折率、dは絶縁膜の膜厚、mは自然数) In the film thickness measuring method according to claim 1 or 2,
The film to be measured is a silicon layer in which an insulating film is interposed as the heterogeneous layer,
The film thickness measurement method is characterized in that the measurement wavelength range satisfies the following conditional expression (b) .
2 · n0 · d / (m + 0.2) ≦ λ ≦ 2 · n0 · d / (m−0.2) (b)
(Where n0 is the refractive index of the insulating film, d is the thickness of the insulating film, and m is a natural number)
前記測定光源の測定光は、連続または特定間隔で発振中心波長を変化可能なレーザ光源を用いていることを特徴とする膜厚測定方法。In the film thickness measuring method according to any one of claims 1 to 3,
The measuring measurement light source, the film thickness measuring method which is characterized that you have a continuous or changeable laser light source center wavelength of oscillation at a particular interval.
前記測定光源の測定光を前記被測定膜と同じ構造で膜厚が既知の参照用測定膜に照射し、その反射光もしくは透過光の強度を測定してその波長依存性と前記被測定膜の反射光もしくは透過光の強度の波長依存性とからその被測定膜の膜厚を検出することを特徴とする膜厚測定方法。In the film thickness measuring method according to any one of claims 1 to 4,
The measurement light of the measurement light source is irradiated to a reference measurement film having the same structure as the film to be measured and the film thickness is known, the intensity of the reflected light or transmitted light is measured, and the wavelength dependence of the film to be measured is measured. film thickness measuring method which is characterized that you detect the film thickness of the measured film and a wavelength dependence of the intensity of the reflected light or transmitted light.
前記測定光として前記被測定膜の透過光波長領域内で波長を変化させて照射することができる測定光源と、
この測定光源からの前記測定光を前記被測定膜の測定部位に導く光学手段と、
前記被測定膜に照射された測定光の反射光もしくは透過光の強度を測定する測定手段と、
この測定手段により測定された反射光もしくは透過光の強度を結果に基づいて前記被測定膜の膜厚を演算により検出する演算手段と、
前記被測定膜として対象となる膜の材質とは屈折率が異なる材質からなる異質層が内部に介在されるものを対象とする場合に前記測定光源に対して前記異質層の上下界面で反射する光成分が干渉して互いに弱め合う範囲、且つ、測定波長範囲を一定幅としたときの中心波長に対して得られる前記被測定膜の膜厚に対応したピーク値の強度と前記異質層で分けられた前記被測定膜の部分層の膜厚に対応したピーク値の強度との比の値が1以上となる波長の範囲の波長領域内で前記測定光の波長を変化させるようにして測定を行わせる制御手段とを設けたことを特徴とする膜厚測定装置。 In the film thickness measuring apparatus that irradiates the film to be measured with the measurement light and detects the thickness of the film to be measured by detecting the intensity of the reflected or transmitted light,
A measurement light source capable of irradiating the measurement light with a wavelength changed within a transmitted light wavelength region of the film to be measured;
Optical means for guiding the measurement light from the measurement light source to the measurement site of the film to be measured;
Measuring means for measuring the intensity of the reflected or transmitted light of the measurement light irradiated on the film to be measured;
A calculation means for detecting the film thickness of the film to be measured by calculation based on the result of the intensity of the reflected or transmitted light measured by the measurement means;
Reflecting the measurement light source at the upper and lower interfaces of the heterogeneous layer when the heterogeneous layer made of a material having a refractive index different from that of the target film is used as the measurement target film The intensity of the peak value corresponding to the film thickness of the film to be measured obtained with respect to the center wavelength when the light components interfere with each other and weaken each other and the measurement wavelength range is a constant width, and the heterogeneous layer Measurement is performed by changing the wavelength of the measurement light within a wavelength range of a wavelength range in which the ratio of the intensity to the peak value corresponding to the thickness of the partial layer of the measured film is 1 or more. thickness measuring apparatus characterized by comprising a control means for causing.
前記測定手段は、前記測定光の反射光を検出するように設けられ、
前記制御手段は、前記異質層の屈折率をn0、膜厚をdとすると、前記互いに弱め合う範囲として、
2・n0・d=m・λ …(a)
(ただし、mは自然数)
を満たす波長λを中心とした波長範囲で波長を変化させて測定光を照射させるように前記測定光源を制御することを特徴とする膜厚測定装置。 In the film thickness measuring device according to claim 6,
The measuring means is provided to detect reflected light of the measuring light;
When the refractive index of the heterogeneous layer is n0 and the film thickness is d, the control means has a range of weakening each other,
2 · n0 · d = m · λ (a)
(Where m is a natural number)
The film thickness measuring apparatus is characterized in that the measurement light source is controlled so as to irradiate the measurement light by changing the wavelength in a wavelength range centering on the wavelength λ that satisfies the above .
前記被測定膜が前記異質層として絶縁膜が内部に介在されたシリコン層である場合に、
前記制御手段は、前記測定光源に対して下記条件式(b)を満たす範囲の測定波長範囲に設定して測定光の波長を変化させて出力させるように制御することを特徴とする膜厚測定装置。
2・n0・d/(m+0.2 )≦λ≦2・n0・d/(m−0.2 ) …(b)
(ただし、n0は絶縁膜の屈折率、dは絶縁膜の膜厚、mは自然数) In the film thickness measuring device according to claim 6 or 7,
When the film to be measured is a silicon layer having an insulating film interposed therein as the heterogeneous layer,
The control means sets the measurement light source to a measurement wavelength range that satisfies the following conditional expression (b), and controls the measurement light source to change and output the measurement light wavelength. apparatus.
2 · n0 · d / (m + 0.2) ≦ λ ≦ 2 · n0 · d / (m−0.2) (b)
(Where n0 is the refractive index of the insulating film, d is the thickness of the insulating film, and m is a natural number)
前記測定光源は、前記測定光を連続または特定間隔で発振中心波長を変化可能なレーザ光源を用いた構成とされていることを特徴とする膜厚測定装置。In the film thickness measuring device according to any one of claims 6 to 8 ,
The measurement light source, the film thickness measuring device which is characterized that you have been configured with a laser light source capable vary the oscillation center wavelength of a continuous or a specific interval the measurement light.
前記被測定膜と同じ構造で且つ膜厚が既知の参照用測定膜と、
前記測定光源を前記参照用測定膜に導く参照用光学系と、
前記参照用測定膜に照射された測定光の反射光もしくは透過光の強度を測定する参照用測定手段とを設け、
前記演算手段は、前記測定手段により測定された反射光もしくは透過光の強度の結果に加えて、前記参照用測定手段により測定された反射光もしくは透過光の強度の結果も参照して前記被測定膜の膜厚を演算により検出するように構成したことを特徴とする膜厚測定装置。In the film thickness measuring device according to any one of claims 6 to 9,
A reference measurement film having the same structure as the film to be measured and a known film thickness;
A reference optical system for guiding the measurement light source to the reference measurement film;
Providing a reference measuring means for measuring the intensity of the reflected or transmitted light of the measurement light irradiated on the reference measurement film;
The computing means refers to the result of the intensity of the reflected or transmitted light measured by the measuring means, and also refers to the result of the intensity of the reflected or transmitted light measured by the reference measuring means. A film thickness measuring apparatus configured to detect the film thickness of a film by calculation .
前記被測定膜が、屈折率が異なる材質からなる異質層が内部に積層された構造である場合に、When the film to be measured has a structure in which heterogeneous layers made of materials having different refractive indexes are laminated inside,
前記測定光源から照射する測定光の波長を、前記透過光波長領域の波長のうちの前記異質層の上下界面で反射する光成分が干渉して互いに弱め合う範囲、且つ、測定波長範囲を一定幅としたときの中心波長に対して得られる前記被測定膜の膜厚に対応したピーク値の強度と前記異質層で分けられた前記被測定膜の部分層の膜厚に対応したピーク値の強度との比の値が1以上となる波長の範囲で変化させることにより前記被測定膜の膜厚を検出するようにしたことを特徴とする半導体装置の製造方法。The wavelength of the measurement light emitted from the measurement light source is a range in which light components reflected from the upper and lower interfaces of the heterogeneous layer in the wavelength range of the transmitted light interfere with each other and weaken each other, and the measurement wavelength range has a certain width. The intensity of the peak value corresponding to the film thickness of the film to be measured obtained with respect to the center wavelength and the intensity of the peak value corresponding to the film thickness of the partial layer of the film to be measured divided by the heterogeneous layer A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the film thickness of the film to be measured is detected by changing in a wavelength range in which the value of the ratio is 1 or more.
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