JP5365581B2 - 薄膜付ウェーハの評価方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体デバイスの作製に使われる薄膜付ウェーハの膜厚分布を算出する薄膜付ウェーハの評価方法に関し、特に、ＳＯＩ層膜厚分布を算出する評価方法に関する。
近年、デザインルールの微細化に伴って、ＳＯＩデバイス作製、特にＦＤ−ＳＯＩ（Ｆｕｌｌｙ Ｄｅｐｌｅｔｅｄ ＳＯＩ）デバイス作製に用いるＳＯＩウェーハのＳＯＩ層膜厚分布が、デバイス製造プロセス、ひいては、トランジスタ特性に影響を与えるようになってきている。集積回路においては、回路を構成するトランジスタの特性を均一にすることが重要である。
基板の表面に薄膜を有する薄膜付ウェーハの薄膜の膜厚分布を算出する現有の膜厚測定方法は、分光エリプソ法、反射分光法によるポイント毎の膜厚測定が一般的であるが、１μｍ程度の分解能で、広範囲の面内を膜厚分布測定できる膜厚分布測定装置は市販されていない。
分光エリプソ法、反射分光法によるポイント測定においては、各測定点毎に、ある波長範囲（一般的には、可視光域）のスペクトルを取り、そのスペクトルに対してモデル膜構造にフィティングすることで各測定点の膜厚を求めている。従って、１μｍ程度の分解能で測定を行おうとすると、測定点数が極端に増えるため、計算量と時間の制約から現実的に測定不可能である。
またスペクトル測定を行うためには、広い波長範囲の波長領域が必要なため、空間分解能を高くして多点膜厚測定を行うことが事実上不可能である。よって、これらの方法でウェーハ全面を一括して測定可能な装置としては、現状では数１００μｍ程度の空間分解能の装置しか存在しない。
またスペクトル測定を行うためには、広い波長範囲の波長領域が必要なため、空間分解能を高くして多点膜厚測定を行うことが事実上不可能である。よって、これらの方法でウェーハ全面を一括して測定可能な装置としては、現状では数１００μｍ程度の空間分解能の装置しか存在しない。
このように、薄膜、特にはＳＯＩ層の膜厚分布のウェーハ全面に渡る測定を、高精度で低コストかつ簡便に行うことができる薄膜付ウェーハの評価方法が求められている。
尚、特許文献１には、ＳＯＩに白色光を照射し、反射光を各波長別に分光し、波長別の干渉情報からＳＯＩ層膜厚を算出する技術が開示されており、特許文献２には、１μｍ未満のＳＯＩ層に４８８ｎｍのレーザー光を照射し、その正反射光を検出し、照射光との干渉縞によって面内の膜厚バラツキを検査することが記載されている。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、デバイスに影響するミクロな薄膜（ＳＯＩ層）膜厚分布のウェーハ全面に渡る測定を、高精度で低コストかつ簡便に行うことができる薄膜付ウェーハの評価方法を提供する。
上記課題を解決するため、本発明では、基板の表面上に薄膜を有する薄膜付ウェーハの前記薄膜の膜厚分布を算出する薄膜付ウェーハの評価方法であって、前記薄膜付ウェーハ表面の一部領域に単一波長λの光を照射し、前記領域からの反射光を検出して前記領域を多数に分割したピクセル毎の反射光強度を測定することによって、前記領域内の反射光強度分布を求め、該反射光強度分布から前記領域内における薄膜の膜厚分布を算出することを特徴とする薄膜付ウェーハの評価方法を提供する。
このように、適当な単一波長λの光を選び、薄膜付ウェーハ表面の一部領域に該単一波長λの光を照射し、該領域からの反射光を検出して該領域を多数に分割したピクセル毎の反射光強度を測定することによって、前記領域内の反射光強度分布を求め、該反射光強度分布から前記領域内における薄膜の膜厚分布を算出する評価方法を用いることで、照射する光の波長を一波長に限定しているため計算量が少なくすみ、薄膜の膜厚分布のウェーハ全面に渡る測定を、十分な空間分解能で低コストかつ簡便に行うことができる。
またこのとき、前記波長λとして、前記薄膜付ウェーハの薄膜の膜厚設定値から算出される照射光の反射率（Ｒ）が０．２以上、かつ、前記薄膜膜厚に対する反射率変動率（ΔＲ／Ｒ）の絶対値が０．０２／ｎｍ以上となるように前記波長λを選択することが好ましい。
本発明における薄膜付ウェーハの評価方法では、照射する光の波長λとして、薄膜の膜厚設定値に対して反射率の変動が大きい波長を選択することによって、正確な評価を行うことができる。そして、薄膜付ウェーハの薄膜の膜厚設定値から算出される照射光の反射率（Ｒ）が０．２以上であれば、反射光強度が十分であり、正確な評価を行うことができる。また、薄膜膜厚に対する反射率変動率が絶対値で０．０２／ｎｍ以上であれば、薄膜の膜厚変動に対する感度が十分なものとなり、正確な評価を行うことができる。
またこのとき、前記反射率変動率（ΔＲ／Ｒ）の絶対値が０．０５／ｎｍ以上となるように前記波長λを選択することが好ましい。
このように、反射率変動率が絶対値で０．０５／ｎｍ以上となる波長を選択すれば、膜厚変動に対する感度が高く、より正確な評価が可能となる。
またこのとき、前記波長λは、可視光波長から選択された単一の波長であることが好ましい。
本発明の薄膜付ウェーハの評価方法は、一般的な光学顕微鏡装置を用いることができ、また、可視光波長から選択された単一の波長で行うことができるため低コストな評価方法である。
またこのとき、前記ピクセルの一辺のサイズを、前記波長λの１／２以上１００μｍ以下とすることが好ましい。
このように、ピクセルの一辺のサイズが波長λの１／２以上１００μｍ以下であれば、焦点が結びにくくなる恐れがなく、より正確に薄膜付ウェーハの薄膜の膜厚分布を算出することができる。
またこのとき、前記領域をデバイス製造工程のリソグラフィー露光サイトに一致させることができる。
本発明の薄膜付ウェーハの評価方法で光を照射する領域を、用いる顕微鏡の倍率や視野範囲を調整することによって、デバイス製造工程のリソグラフィー露光サイトに一致させることができる。
またこのとき、前記領域内における薄膜の膜厚分布の算出を、複数箇所で行うことにより、前記薄膜付ウェーハ全面の膜厚分布を求めることができる。
このように、一部領域内における薄膜の膜厚分布の算出を、複数個所で行うことで、ウェーハ全面の評価が可能である。本発明の薄膜付ウェーハの評価方法によれば、このようなウェーハ全面における評価であっても、波長を一波長に限定しているため、計算量が少なく低コストで薄膜付ウェーハの評価を行うことができる。
またこのとき、前記評価する薄膜付ウェーハとして、前記基板と前記薄膜との間、又は前記薄膜上に、第二薄膜が形成された薄膜付ウェーハを用いることができる。
このように、本発明では、評価する薄膜付ウェーハとして、基板と薄膜との間、又は薄膜上に、第二薄膜が形成された、即ち２層の薄膜を有する薄膜付ウェーハを用いることができる。
またこのとき、前記基板及び前記薄膜をシリコン単結晶とし、前記基板と前記薄膜との間に形成された前記第二薄膜をシリコン酸化膜とすることができる。
このように、評価する薄膜付ウェーハとして、基板及び薄膜がシリコン単結晶であり、第二薄膜がシリコン酸化膜である、ＳＯＩウェーハを用いることができる。ＳＯＩ層膜厚とＢＯＸ層（シリコン酸化膜層）厚の組み合わせに応じて適切な波長λを選ぶことによって、１μｍ以下の分解能でＳＯＩ層膜厚の膜厚分布、均一性を定量的に評価することが可能になる。
以上説明したように、本発明によれば、デバイスに影響するミクロな薄膜膜厚分布のウェーハ全面に渡る測定を、低コストかつ簡便に十分な空間分解能で行うことができる、薄膜の膜厚分布測定、膜厚均一性評価方法を提供することができる。また、薄膜の膜厚設定値に対して反射率の変動が大きい波長を選択することによって、より正確な評価を行うことができる。特に、ＳＯＩウェーハの評価を行う場合に、ＳＯＩ層膜厚とＢＯＸ層（シリコン酸化膜層）厚の組み合わせに応じて適切な波長を選ぶことによって、１μｍ以下の分解能でＳＯＩ層膜厚の膜厚分布、均一性を定量的に評価することが可能になる。
以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、従来、薄膜（ＳＯＩ層）付ウェーハの薄膜（ＳＯＩ層）膜厚測定、均一性評価を、ウェーハ全面に渡って、低コストかつ簡便に行うことができる薄膜付ウェーハの評価方法が求められていた。
前述のように、従来、薄膜（ＳＯＩ層）付ウェーハの薄膜（ＳＯＩ層）膜厚測定、均一性評価を、ウェーハ全面に渡って、低コストかつ簡便に行うことができる薄膜付ウェーハの評価方法が求められていた。
そこで、本発明者が種々検討した結果、基板の表面上に薄膜を有する薄膜付ウェーハの前記薄膜の膜厚分布を算出する薄膜付ウェーハの評価方法であって、前記薄膜付ウェーハ表面の一部領域に単一波長λの光を照射し、前記領域からの反射光を検出して前記領域を多数に分割したピクセル毎の反射光強度を測定することによって、前記領域内の反射光強度分布を求め、該反射光強度分布から前記領域内における薄膜の膜厚分布を算出することを特徴とする薄膜付ウェーハの評価方法であれば、照射する光を一波長に限定しているため、デバイスに影響するミクロな薄膜の膜厚分布のウェーハ全面に渡る測定を、低コストかつ簡便に、十分な空間分解能で行うことができることを見出した。
更に、本発明者は薄膜（ＳＯＩ層）の膜厚に対する反射率の変動に着目し、以下のような実験を行った。
図１は、ＳＯＩウェーハ（ＳＯＩ層／ＢＯＸ層／Ｓｉ基板）のＢＯＸ（シリコン酸化膜：埋め込み酸化膜）層厚が１４５ｎｍの場合、３つの代表的な波長（４８８ｎｍ、５３２ｎｍ、６３３ｎｍ）のＳＯＩ層膜厚に対する反射率の変動を計算により算出した図である。
この図１の算出結果によれば、これら３つの波長を用いた場合の反射率はＳＯＩ層膜厚に強い依存性が見られる。すなわち、適当な波長を用いて反射率（反射光強度）を測定すれば、それをＳＯＩ層膜厚に換算することが可能であることが判った。すなわち、適当な波長を用いれば、反射率の変動が大きいＳＯＩ層膜厚領域では反射率のＳＯＩ層膜厚への換算が容易かつ正確に行うことができることが判った。
この図１の算出結果によれば、これら３つの波長を用いた場合の反射率はＳＯＩ層膜厚に強い依存性が見られる。すなわち、適当な波長を用いて反射率（反射光強度）を測定すれば、それをＳＯＩ層膜厚に換算することが可能であることが判った。すなわち、適当な波長を用いれば、反射率の変動が大きいＳＯＩ層膜厚領域では反射率のＳＯＩ層膜厚への換算が容易かつ正確に行うことができることが判った。
例えば、ＳＯＩ層の膜厚が９０ｎｍ程度の場合、波長が４８８ｎｍ、６３３ｎｍの照射光を用いると反射率の変動が大きい為、反射率がほぼ一定となっている波長５３２ｎｍの照射光を用いる場合に比べ、ＳＯＩ層膜厚への換算を容易かつ正確に行うことが可能となることが判った。
本発明者は、このような特性を利用し、薄膜の膜厚の設定値に対して反射率の変動が大きい単一の波長を選択することによって、反射率の薄膜膜厚への換算がより正確に可能となることを見出した。
即ち、本発明においては、薄膜付ウェーハの薄膜の厚さに応じて、適当な波長λを選び、波長λの光を薄膜付ウェーハ表面に照射し、ＳＯＩ表面からの反射率を、多数に分割した領域（ピクセル）毎に、高空間分解で測定することでＳＯＩ層膜厚分布、均一性評価をより正確に行うことができる。
即ち、本発明においては、薄膜付ウェーハの薄膜の厚さに応じて、適当な波長λを選び、波長λの光を薄膜付ウェーハ表面に照射し、ＳＯＩ表面からの反射率を、多数に分割した領域（ピクセル）毎に、高空間分解で測定することでＳＯＩ層膜厚分布、均一性評価をより正確に行うことができる。
一般に、ＳＯＩウェーハの製造工程において、製造するＳＯＩウェーハのＳＯＩ層膜厚、ＢＯＸ層膜厚はユーザーの仕様により設定されており、その膜厚設定値を狙い値としてＳＯＩウェーハを製造した後に、検査工程などでＳＯＩ層膜厚の面内分布が評価される。
本発明は、このＳＯＩ層膜厚とＢＯＸ層膜厚の設定値を使用して、照射光の波長と反射光の反射率等との関係をシミュレーションにより算出し、その結果から、測定を行う照射光として適切な波長λを選択してＳＯＩウェーハに照射し、その反射光を検出することによってＳＯＩ層膜厚分布を評価するものである。
本発明は、このＳＯＩ層膜厚とＢＯＸ層膜厚の設定値を使用して、照射光の波長と反射光の反射率等との関係をシミュレーションにより算出し、その結果から、測定を行う照射光として適切な波長λを選択してＳＯＩウェーハに照射し、その反射光を検出することによってＳＯＩ層膜厚分布を評価するものである。
波長λの選択方法としては、予め、評価対象のＳＯＩウェーハの製造において設定されたＳＯＩ層膜厚、ＢＯＸ層膜厚（すなわち、ＳＯＩウェーハ製造上の狙い値）において、ＳＯＩ層膜厚変動に伴う反射率差及び反射率変動率の照射波長依存性を算出しておき、反射率変動の大きくなる波長から単一波長λを選択する。そして、選択した波長λの光をＳＯＩ表面の一部領域に照射し、該領域からの反射光を検出し、該領域を多数に分割したピクセル毎の反射光強度を測定することによって、該領域内の反射光強度分布を求め、該反射光強度分布から前記領域内におけるＳＯＩ層の膜厚分布を算出する。
以下、本発明の実施の形態を更に具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明の評価方法を適用することができる薄膜付ウェーハとしては、ＳＯＩウェーハが挙げられ、ＳＯＩ層膜厚、ＢＯＸ層膜厚のどんな組み合わせのＳＯＩウェーハに対しても評価が可能である。また、ＳＯＩウェーハ以外でも、単層膜、ＳＯＩ／ＢＯＸ以外の２層膜を有する薄膜付ウェーハに対しても評価が可能であり、その薄膜材料としては、例えば、ＳｉＧｅ、Ｇｅ、ＩＩＩ−Ｖ、ＩＩ−ＶＩ化合物半導体等他の半導体材料、Ａｌ２Ｏ３，クォーツ、ＨｆＯ２、等高誘電率絶縁材料、Ｇｒａｐｈｅｎｅ等が挙げられる。また、２層以上であっても、膜厚分布測定を行いたい層よりも他の層の厚さが均一であるか、あるいは、他の層の屈折率の方が小さい場合は、充分に適用できる評価方法である。
本発明の評価方法を適用することができる薄膜付ウェーハとしては、ＳＯＩウェーハが挙げられ、ＳＯＩ層膜厚、ＢＯＸ層膜厚のどんな組み合わせのＳＯＩウェーハに対しても評価が可能である。また、ＳＯＩウェーハ以外でも、単層膜、ＳＯＩ／ＢＯＸ以外の２層膜を有する薄膜付ウェーハに対しても評価が可能であり、その薄膜材料としては、例えば、ＳｉＧｅ、Ｇｅ、ＩＩＩ−Ｖ、ＩＩ−ＶＩ化合物半導体等他の半導体材料、Ａｌ２Ｏ３，クォーツ、ＨｆＯ２、等高誘電率絶縁材料、Ｇｒａｐｈｅｎｅ等が挙げられる。また、２層以上であっても、膜厚分布測定を行いたい層よりも他の層の厚さが均一であるか、あるいは、他の層の屈折率の方が小さい場合は、充分に適用できる評価方法である。
以下では、ＳＯＩウェーハを評価する場合について説明する。
本発明の評価方法では、予めシュミレーションにより、評価するＳＯＩウェーハの製造段階で設定されたＳＯＩ層膜厚、ＢＯＸ層膜厚（即ち、ＳＯＩウェーハ製造上の狙い値）において、ＳＯＩ層膜厚変動に伴う反射率差及び反射率変動率の照射波長依存性を算出しておき、反射率、反射率変動の大きくなる波長から単一波長λを選択する。
本発明の評価方法では、予めシュミレーションにより、評価するＳＯＩウェーハの製造段階で設定されたＳＯＩ層膜厚、ＢＯＸ層膜厚（即ち、ＳＯＩウェーハ製造上の狙い値）において、ＳＯＩ層膜厚変動に伴う反射率差及び反射率変動率の照射波長依存性を算出しておき、反射率、反射率変動の大きくなる波長から単一波長λを選択する。
具体的には、ＢＯＸ層膜厚を設定値に固定し、ＳＯＩ層膜厚の設定値Ｌ（ｎｍ）と、例えばこの設定値Ｌ（ｎｍ）より１ｎｍだけ増加したＬ＋１（ｎｍ）の両者について、反射率Ｒの波長依存性を算出する。更に、これらの反射率の差（ΔＲ＝ＲＬ＋１−ＲＬ）を反射率で割った反射変動率（ΔＲ／ＲＬ）も算出する。そして、照射光の反射率（Ｒ）、及び、反射率変動率（ΔＲ／ＲＬ）が十分な波長λを選択する。
この際、薄膜付ウェーハの薄膜の膜厚設定値から算出される照射光の反射率（Ｒ）が０．２以上、かつ、薄膜膜厚に対する反射率変動率（ΔＲ／Ｒ）の絶対値が０．０２／ｎｍ以上となるように波長λを選択することが好ましい。
反射率が０．２以上であれば、反射光強度が十分であり、正確な評価を行うことができる。また、反射率変動率が０．０２／ｎｍ以上であれば、膜厚変動に対する感度が十分なものとなり、正確な評価を行うことができる。従って、反射率が０．２以上、反射率変動率が０．０２／ｎｍ以上となる波長を選択することが好ましい。また、反射率変動率が０．０５／ｎｍ以上となる波長を選択すれば、膜厚変動に対する感度が高く、より正確な評価が可能となる。
反射率が０．２以上であれば、反射光強度が十分であり、正確な評価を行うことができる。また、反射率変動率が０．０２／ｎｍ以上であれば、膜厚変動に対する感度が十分なものとなり、正確な評価を行うことができる。従って、反射率が０．２以上、反射率変動率が０．０２／ｎｍ以上となる波長を選択することが好ましい。また、反射率変動率が０．０５／ｎｍ以上となる波長を選択すれば、膜厚変動に対する感度が高く、より正確な評価が可能となる。
次いで、評価するＳＯＩウェーハ表面の一部領域に、上記のように予め選択した単一波長λの光を照射し、照射した領域から反射光を検出して該領域を多数に分割したピクセル毎の反射光強度を測定することによって、領域内の反射光強度分布を求め、反射光強度分布から領域内における薄膜の膜厚分布を算出する。
選択した単一波長λの光を照射する具体的な方法としては、図２に示すように、例えば波長選択のためのバンドパスフィルター１を取り付けた一般的な光学顕微鏡装置２の光源３からの照射光を、評価する薄膜付ウェーハ４の一部領域に照射することで行うことができる。
即ち、単一波長λの光を照射する光学顕微鏡装置２を用い、評価する薄膜付ウェーハ４の一部領域の顕微鏡反射像を測定し、得られた画像を解析してピクセル毎の反射光強度を測定することによって、前記領域内の反射光強度分布を求め、この反射光強度分布から前記領域内における薄膜の膜厚分布を算出することができる。
即ち、単一波長λの光を照射する光学顕微鏡装置２を用い、評価する薄膜付ウェーハ４の一部領域の顕微鏡反射像を測定し、得られた画像を解析してピクセル毎の反射光強度を測定することによって、前記領域内の反射光強度分布を求め、この反射光強度分布から前記領域内における薄膜の膜厚分布を算出することができる。
波長選択にはＯＡフィルター、液晶波長フィルター等を用いることもできる。また、観察視野内の光照射強度が一定になる照射系、及び視野内の感度が一定になる光学検出系を使うことが好ましい。光照射強度が一定とならない照射系においても、参照サンプル面（例えば、シリコン単結晶ウェーハの鏡面研磨面）を基準として、光照射強度を更正することができる。
このように、本発明の薄膜付ウェーハの評価方法は、通常の顕微鏡光学系を用いて可視光で行えるため低コストである。また、空間分解能は、顕微鏡の倍率を変えることで、照射光の波長程度から１００μｍ程度まで自由に選ぶことが可能である。
また、ピクセルの一辺のサイズを、選択した波長λの１／２以上１００μｍ以下とすることが好ましく、このようなピクセルサイズであれば、焦点が結びにくくなる恐れがなく、より正確に薄膜付ウェーハの薄膜の膜厚分布を算出することができる。
また、一部領域の測定を複数箇所で行うことで、ウェーハ全面の評価も可能である。ウェーハ全面の評価であっても、波長を一波長に限定しているため計算量が少なく低コストですばやく評価が可能である。
また、ピクセルの一辺のサイズを、選択した波長λの１／２以上１００μｍ以下とすることが好ましく、このようなピクセルサイズであれば、焦点が結びにくくなる恐れがなく、より正確に薄膜付ウェーハの薄膜の膜厚分布を算出することができる。
また、一部領域の測定を複数箇所で行うことで、ウェーハ全面の評価も可能である。ウェーハ全面の評価であっても、波長を一波長に限定しているため計算量が少なく低コストですばやく評価が可能である。
尚、より正確な膜厚分布評価のため、ＳＯＩウェーハを製造した後に、設定値に近い膜厚が得られているかについて、一旦、従来の膜厚測定方法（分光エリプソ法、反射分光法など）によって大まかに膜厚を確認した後、本発明による詳細な膜厚分布（ミクロな膜厚分布）の測定を行うこともできる。
尚、本発明の薄膜付ウェーハの評価方法で光を照射する領域を、顕微鏡の倍率や視野範囲を調整することによって、デバイス製造工程のリソグラフィー露光サイトに一致させることもできる。デバイス製造工程のリソグラフィー露光時にステッパーで使用されるサイトは、例えば、２６×８ｍｍ程度のサイズであるため、顕微鏡の倍率や視野範囲を調整することによってリソグラフィー露光サイトに一致させることができる。
尚、本発明において薄膜とは、基板上に形成された膜であって、その膜を透過した照射光が下地（基板表面又は他の膜）との界面で反射し、その反射光を薄膜の表面側から検出することのできる膜厚を有する膜をいう。
以下、実施態様、実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
（実施態様１）
＜膜厚設定値：ＳＯＩ／ＢＯＸ／（Ｓｉ基板）＝８８ｎｍ／１４５ｎｍ／（Ｓｉ基板）＞
まず、図３（ａ）に示すように、ＢＯＸ層膜厚を設定値である１４５ｎｍに固定し、ＳＯＩ層膜厚の設定値である８８ｎｍと、それより１ｎｍだけ増加した８９ｎｍの両者について、反射率Ｒの波長依存性を算出する。算出に際しては、波長４００〜８００ｎｍの範囲において、ＳＯＩ層とＳｉ基板の屈折率として３．６８〜５．５９、ＢＯＸ層の屈折率として１．４５〜１．４７を使用した。（屈折率は文献値で、波長依存性あり。）
その反射率の差（ΔＲ＝Ｒ８９−Ｒ８８）を取ったものが図４（ａ）であり、更に、反射率の差を反射率で割ったもの（ΔＲ／Ｒ８８）を図５（ａ）に示す。図３（ａ）、５（ａ）より、例えば６００〜６５０ｎｍ付近の波長は、反射率（Ｒ８８）、及び、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ８８）のいずれも十分な値であるため、ＳＯＩ層膜厚の変動に感度が高いことがわかる。そこで、照射波長として例えば６３０ｎｍを選択する。波長６３０ｎｍの場合、反射率（Ｒ８８）は０．４７、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ８８）は０．０７８３／ｎｍである。
＜膜厚設定値：ＳＯＩ／ＢＯＸ／（Ｓｉ基板）＝８８ｎｍ／１４５ｎｍ／（Ｓｉ基板）＞
まず、図３（ａ）に示すように、ＢＯＸ層膜厚を設定値である１４５ｎｍに固定し、ＳＯＩ層膜厚の設定値である８８ｎｍと、それより１ｎｍだけ増加した８９ｎｍの両者について、反射率Ｒの波長依存性を算出する。算出に際しては、波長４００〜８００ｎｍの範囲において、ＳＯＩ層とＳｉ基板の屈折率として３．６８〜５．５９、ＢＯＸ層の屈折率として１．４５〜１．４７を使用した。（屈折率は文献値で、波長依存性あり。）
その反射率の差（ΔＲ＝Ｒ８９−Ｒ８８）を取ったものが図４（ａ）であり、更に、反射率の差を反射率で割ったもの（ΔＲ／Ｒ８８）を図５（ａ）に示す。図３（ａ）、５（ａ）より、例えば６００〜６５０ｎｍ付近の波長は、反射率（Ｒ８８）、及び、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ８８）のいずれも十分な値であるため、ＳＯＩ層膜厚の変動に感度が高いことがわかる。そこで、照射波長として例えば６３０ｎｍを選択する。波長６３０ｎｍの場合、反射率（Ｒ８８）は０．４７、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ８８）は０．０７８３／ｎｍである。
（実施例１）
上記実施態様１におけるシュミレーション結果に基づき、図６に６３０ｎｍの波長の光を使って取った２箇所の測定領域（測定領域１、測定領域２）におけるＳＯＩ層の顕微鏡像を示す。（ピクセルサイズ１μｍ、測定領域０．５ｍｍ×０．５ｍｍ（５００×５００ピクセル））。
図７は、図６の各ピクセルの光強度（相対強度）のヒストグラムを示しており、表１に、光強度の広がり（ヒストグラム）から求めた測定領域のＳＯＩ層膜厚分布（Ｐ−Ｖ値）を示す。
上記実施態様１におけるシュミレーション結果に基づき、図６に６３０ｎｍの波長の光を使って取った２箇所の測定領域（測定領域１、測定領域２）におけるＳＯＩ層の顕微鏡像を示す。（ピクセルサイズ１μｍ、測定領域０．５ｍｍ×０．５ｍｍ（５００×５００ピクセル））。
図７は、図６の各ピクセルの光強度（相対強度）のヒストグラムを示しており、表１に、光強度の広がり（ヒストグラム）から求めた測定領域のＳＯＩ層膜厚分布（Ｐ−Ｖ値）を示す。
表１より、測定領域１、測定領域２のＳＯＩ層膜厚分布（Ｐ−Ｖ値）はそれぞれ２．４６ｎｍ、１．４０ｎｍであることがわかる。
尚、表１中の反射強度バラツキ（Ａ）は、最大反射強度（Ｍａｘ）、最小反射強度（Ｍｉｎ）、平均反射強度（Ｍ）により算出された値（Ａ＝（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）／Ｍ）であり、ΔＲ／Ｒ８８（反射率変動率）は、図５（ａ）から求められたＳＯＩ層膜厚１ｎｍ当たりの反射率変動率である。従って、測定領域内におけるＳＯＩ層膜厚分布（Ｐ−Ｖ値）をΔｔとすると、Ａ＝Δｔ×（ΔＲ／Ｒ８８）の関係からＳＯＩ層膜厚分布Δｔを算出することができる。
尚、表１中の反射強度バラツキ（Ａ）は、最大反射強度（Ｍａｘ）、最小反射強度（Ｍｉｎ）、平均反射強度（Ｍ）により算出された値（Ａ＝（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）／Ｍ）であり、ΔＲ／Ｒ８８（反射率変動率）は、図５（ａ）から求められたＳＯＩ層膜厚１ｎｍ当たりの反射率変動率である。従って、測定領域内におけるＳＯＩ層膜厚分布（Ｐ−Ｖ値）をΔｔとすると、Ａ＝Δｔ×（ΔＲ／Ｒ８８）の関係からＳＯＩ層膜厚分布Δｔを算出することができる。
（実施態様２）
＜膜厚設定値：ＳＯＩ／ＢＯＸ／（Ｓｉ基板）＝６１ｎｍ／１４５ｎｍ／（Ｓｉ基板）＞
まず、図３（ｂ）に示すように、ＢＯＸ層膜厚を設定値である１４５ｎｍに固定し、ＳＯＩ層膜厚の設定値である６１ｎｍと、それより１ｎｍだけ増加した６２ｎｍの両者について、反射率Ｒの波長依存性を算出する。
その反射率の差（ΔＲ＝Ｒ６１−Ｒ６２）を取ったものが図４（ｂ）であり、更に、反射率の差を反射率で割ったもの（ΔＲ／Ｒ６１）を図５（ｂ）に示す。図３（ｂ）、５（ｂ）より、例えば６００〜６５０ｎｍ付近の波長は、反射率（Ｒ６１）、及び、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ６１）の絶対値のいずれも十分な値であるため、ＳＯＩ層膜厚の変動に感度が高いことがわかる。そこで、照射波長として例えば６３０ｎｍを選択する。波長６３０ｎｍの場合、反射率（Ｒ６１）は０．６０、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ６１）の絶対値は０．０４７５／ｎｍである。
＜膜厚設定値：ＳＯＩ／ＢＯＸ／（Ｓｉ基板）＝６１ｎｍ／１４５ｎｍ／（Ｓｉ基板）＞
まず、図３（ｂ）に示すように、ＢＯＸ層膜厚を設定値である１４５ｎｍに固定し、ＳＯＩ層膜厚の設定値である６１ｎｍと、それより１ｎｍだけ増加した６２ｎｍの両者について、反射率Ｒの波長依存性を算出する。
その反射率の差（ΔＲ＝Ｒ６１−Ｒ６２）を取ったものが図４（ｂ）であり、更に、反射率の差を反射率で割ったもの（ΔＲ／Ｒ６１）を図５（ｂ）に示す。図３（ｂ）、５（ｂ）より、例えば６００〜６５０ｎｍ付近の波長は、反射率（Ｒ６１）、及び、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ６１）の絶対値のいずれも十分な値であるため、ＳＯＩ層膜厚の変動に感度が高いことがわかる。そこで、照射波長として例えば６３０ｎｍを選択する。波長６３０ｎｍの場合、反射率（Ｒ６１）は０．６０、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ６１）の絶対値は０．０４７５／ｎｍである。
（実施例２）
図８に６３０ｎｍの波長の光を使って取った２箇所の測定領域（測定領域３、測定領域４）におけるＳＯＩ層の顕微鏡像を示す。（ピクセルサイズ１μｍ、測定領域０．５ｍｍ×０．５ｍｍ（５００×５００ピクセル））。
図９は、図８の各ピクセルの光強度（相対強度）のヒストグラムを示しており、表２に、光強度の広がり（ヒストグラム）から求めた測定領域のＳＯＩ層膜厚分布（Ｐ−Ｖ値）を示す。
表２より、測定領域３、測定領域４のＳＯＩ層膜厚分布（Ｐ−Ｖ値）はそれぞれ６．８１ｎｍ、３．２３ｎｍであることがわかる。
図８に６３０ｎｍの波長の光を使って取った２箇所の測定領域（測定領域３、測定領域４）におけるＳＯＩ層の顕微鏡像を示す。（ピクセルサイズ１μｍ、測定領域０．５ｍｍ×０．５ｍｍ（５００×５００ピクセル））。
図９は、図８の各ピクセルの光強度（相対強度）のヒストグラムを示しており、表２に、光強度の広がり（ヒストグラム）から求めた測定領域のＳＯＩ層膜厚分布（Ｐ−Ｖ値）を示す。
（実施態様３）＜膜厚設定値：ＳＯＩ／ＢＯＸ／（Ｓｉ基板）＝１２ｎｍ／１４５ｎｍ／（Ｓｉ基板）＞
まず、図３（ｃ）に示すように、ＢＯＸ層膜厚を設定値である１４５ｎｍに固定し、ＳＯＩ層膜厚の設定値である１２ｎｍと、それより１ｎｍだけ増加した１３ｎｍの両者について、反射率Ｒの波長依存性を算出する。
その反射率の差（ΔＲ＝Ｒ１２−Ｒ１３）を取ったものが図４（ｃ）であり、更に、反射率の差を反射率で割ったもの（ΔＲ／Ｒ１２）を図５（ｃ）に示す。図３（ｃ），５（ｃ）より、例えば４００〜４１０ｎｍ付近の波長は、反射率（Ｒ１２）、及び、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ１２）のいずれも十分な値であるため、ＳＯＩ層膜厚の変動に感度が高いことがわかる。そこで、照射波長として例えば４００ｎｍを選択する。波長４００ｎｍの場合、反射率（Ｒ１２）は０．４１６、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ１２）は０．０９８６／ｎｍである。
まず、図３（ｃ）に示すように、ＢＯＸ層膜厚を設定値である１４５ｎｍに固定し、ＳＯＩ層膜厚の設定値である１２ｎｍと、それより１ｎｍだけ増加した１３ｎｍの両者について、反射率Ｒの波長依存性を算出する。
その反射率の差（ΔＲ＝Ｒ１２−Ｒ１３）を取ったものが図４（ｃ）であり、更に、反射率の差を反射率で割ったもの（ΔＲ／Ｒ１２）を図５（ｃ）に示す。図３（ｃ），５（ｃ）より、例えば４００〜４１０ｎｍ付近の波長は、反射率（Ｒ１２）、及び、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ１２）のいずれも十分な値であるため、ＳＯＩ層膜厚の変動に感度が高いことがわかる。そこで、照射波長として例えば４００ｎｍを選択する。波長４００ｎｍの場合、反射率（Ｒ１２）は０．４１６、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ１２）は０．０９８６／ｎｍである。
（実施態様４）＜膜厚設定値：Ｇｅ／ＳｉＯ２／（Ｓｉ基板）＝１０ｎｍ／１４５ｎｍ／（Ｓｉ基板）＞
まず、図３（ｄ）に示すように、ＢＯＸ層膜厚を設定値である１４５ｎｍに固定し、Ｇｅ層膜厚の設定値である１０ｎｍと、それより１ｎｍだけ増加した１１ｎｍの両者について、反射率Ｒの波長依存性を算出する。算出に際しては、波長４００〜８００ｎｍの範囲において、Ｇｅ層の屈折率は４．０８〜５．７７を使用した。（屈折率は文献値で、波長依存性あり。）
その反射率の差（ΔＲ＝Ｒ１１−Ｒ１０）を取ったものが図４（ｄ）であり、更に、反射率の差を反射率で割ったもの（ΔＲ／Ｒ１０）を図５（ｄ）に示す。図３（ｄ）、５（ｄ）より、例えば６００〜６５０ｎｍ付近の波長は、反射率（Ｒ１０）、及び、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ１０）のいずれも十分な値であるため、ＳＯＩ層膜厚の変動に感度が高いことがわかる。そこで、照射波長として例えば６３０ｎｍを選択する。波長６３０ｎｍの場合、反射率（Ｒ１０）は０．６７、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ１０）は０．０３１０／ｎｍである。
まず、図３（ｄ）に示すように、ＢＯＸ層膜厚を設定値である１４５ｎｍに固定し、Ｇｅ層膜厚の設定値である１０ｎｍと、それより１ｎｍだけ増加した１１ｎｍの両者について、反射率Ｒの波長依存性を算出する。算出に際しては、波長４００〜８００ｎｍの範囲において、Ｇｅ層の屈折率は４．０８〜５．７７を使用した。（屈折率は文献値で、波長依存性あり。）
その反射率の差（ΔＲ＝Ｒ１１−Ｒ１０）を取ったものが図４（ｄ）であり、更に、反射率の差を反射率で割ったもの（ΔＲ／Ｒ１０）を図５（ｄ）に示す。図３（ｄ）、５（ｄ）より、例えば６００〜６５０ｎｍ付近の波長は、反射率（Ｒ１０）、及び、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ１０）のいずれも十分な値であるため、ＳＯＩ層膜厚の変動に感度が高いことがわかる。そこで、照射波長として例えば６３０ｎｍを選択する。波長６３０ｎｍの場合、反射率（Ｒ１０）は０．６７、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ１０）は０．０３１０／ｎｍである。
（実施態様５）
＜膜厚設定値：ＩｎＧａＡｓ／ＳｉＯ２／（Ｓｉ基板）＝１０ｎｍ／１４５ｎｍ／（Ｓｉ基板）＞
まず、図３（ｅ）に示すように、ＢＯＸ層膜厚を設定値である１４５ｎｍに固定し、ＩｎＧａＡｓ層膜厚の設定値である１０ｎｍと、それより１ｎｍだけ増加した１１ｎｍの両者について、反射率Ｒの波長依存性を算出する。算出に際しては、波長４００〜８００ｎｍの範囲において、ＩｎＧａＡｓ層の屈折率は３．５１〜４．６１を使用した。（屈折率は文献値で、波長依存性あり。）
その反射率の差（ΔＲ＝Ｒ１１−Ｒ１０）を取ったものが図４（ｅ）であり、更に、反射率の差を反射率で割ったもの（ΔＲ／Ｒ１０）を図５（ｅ）に示す。図３（ｅ）、５（ｅ）より、例えば６００〜６５０ｎｍ付近の波長は、反射率（Ｒ１０）、及び、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ１０）のいずれも十分な値であるため、ＳＯＩ層膜厚の変動に感度が高いことがわかる。そこで、照射波長として例えば６３０ｎｍを選択する。波長６３０ｎｍの場合、反射率（Ｒ１０）は０．５３、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ１０）は０．０４３６／ｎｍである。
＜膜厚設定値：ＩｎＧａＡｓ／ＳｉＯ２／（Ｓｉ基板）＝１０ｎｍ／１４５ｎｍ／（Ｓｉ基板）＞
まず、図３（ｅ）に示すように、ＢＯＸ層膜厚を設定値である１４５ｎｍに固定し、ＩｎＧａＡｓ層膜厚の設定値である１０ｎｍと、それより１ｎｍだけ増加した１１ｎｍの両者について、反射率Ｒの波長依存性を算出する。算出に際しては、波長４００〜８００ｎｍの範囲において、ＩｎＧａＡｓ層の屈折率は３．５１〜４．６１を使用した。（屈折率は文献値で、波長依存性あり。）
その反射率の差（ΔＲ＝Ｒ１１−Ｒ１０）を取ったものが図４（ｅ）であり、更に、反射率の差を反射率で割ったもの（ΔＲ／Ｒ１０）を図５（ｅ）に示す。図３（ｅ）、５（ｅ）より、例えば６００〜６５０ｎｍ付近の波長は、反射率（Ｒ１０）、及び、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ１０）のいずれも十分な値であるため、ＳＯＩ層膜厚の変動に感度が高いことがわかる。そこで、照射波長として例えば６３０ｎｍを選択する。波長６３０ｎｍの場合、反射率（Ｒ１０）は０．５３、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ１０）は０．０４３６／ｎｍである。
（実施態様６）
＜膜厚設定値：Ｓｉ／（石英基板）＝６０ｎｍ／（石英基板）＞
石英基板上のＳｉ薄膜の場合、図３（ｆ）に示すように、Ｓｉ薄膜の膜厚の設定値である６０ｎｍと、それより１ｎｍだけ増加した６１ｎｍの両者について、反射率Ｒの波長依存性を算出する。算出に際しては、波長４００〜８００ｎｍの範囲において、Ｓｉ薄膜の屈折率は３．６８〜５．５９、石英基板（ＳｉＯ２）の屈折率は１．４５〜１．４７を使用した。（屈折率は文献値で、波長依存性あり。）
その反射率の差（ΔＲ＝Ｒ６１−Ｒ６０）を取ったものが図４（ｆ）であり、更に、反射率の差を反射率で割ったもの（ΔＲ／Ｒ６０）を図５（ｆ）に示す。図３（ｆ）、５（ｆ）より、例えば４６０ｎｍ付近の波長は、反射率（Ｒ６０）、及び、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ９）のいずれも十分な値であるため、ＳＯＩ層膜厚の変動に感度が高いことがわかる。そこで、照射波長として例えば４６０ｎｍを選択する。波長４６０ｎｍの場合、反射率（Ｒ６０）は０．４６、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ６０）は０．０８１３／ｎｍである。
＜膜厚設定値：Ｓｉ／（石英基板）＝６０ｎｍ／（石英基板）＞
石英基板上のＳｉ薄膜の場合、図３（ｆ）に示すように、Ｓｉ薄膜の膜厚の設定値である６０ｎｍと、それより１ｎｍだけ増加した６１ｎｍの両者について、反射率Ｒの波長依存性を算出する。算出に際しては、波長４００〜８００ｎｍの範囲において、Ｓｉ薄膜の屈折率は３．６８〜５．５９、石英基板（ＳｉＯ２）の屈折率は１．４５〜１．４７を使用した。（屈折率は文献値で、波長依存性あり。）
その反射率の差（ΔＲ＝Ｒ６１−Ｒ６０）を取ったものが図４（ｆ）であり、更に、反射率の差を反射率で割ったもの（ΔＲ／Ｒ６０）を図５（ｆ）に示す。図３（ｆ）、５（ｆ）より、例えば４６０ｎｍ付近の波長は、反射率（Ｒ６０）、及び、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ９）のいずれも十分な値であるため、ＳＯＩ層膜厚の変動に感度が高いことがわかる。そこで、照射波長として例えば４６０ｎｍを選択する。波長４６０ｎｍの場合、反射率（Ｒ６０）は０．４６、反射率変動率（ΔＲ／Ｒ６０）は０．０８１３／ｎｍである。
（実施例３〜６）
上記の実施態様３〜６において選択された波長の光を使って、それぞれ２カ所の測定領域においてピクセル毎の反射光強度を測定し、領域内の反射光強度分布を求めることで、各薄膜の膜厚分布を算出することができた。
以上により、本発明の薄膜付ウェーハの評価方法を用いれば、デバイスに影響するミクロな薄膜（ＳＯＩ層）膜厚分布のウェーハ全面に渡る測定を、高精度で低コストかつ簡便に行うことができた。
上記の実施態様３〜６において選択された波長の光を使って、それぞれ２カ所の測定領域においてピクセル毎の反射光強度を測定し、領域内の反射光強度分布を求めることで、各薄膜の膜厚分布を算出することができた。
以上により、本発明の薄膜付ウェーハの評価方法を用いれば、デバイスに影響するミクロな薄膜（ＳＯＩ層）膜厚分布のウェーハ全面に渡る測定を、高精度で低コストかつ簡便に行うことができた。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
１…バンドパスフィルター、 ２…光学顕微鏡装置、 ３…光源、 ４…薄膜付ウェーハ。
Claims (8)
- 基板の表面上に薄膜を有する薄膜付ウェーハの前記薄膜の膜厚分布を算出する薄膜付ウェーハの評価方法であって、
予め、前記薄膜付ウェーハの薄膜の膜厚設定値において、薄膜膜厚変動に伴う照射光の反射率差及び反射率変動率の照射波長依存性を算出しておき、
該算出された照射光の反射率（Ｒ）が０．２以上、かつ、前記薄膜膜厚に対する反射率変動率（ΔＲ／Ｒ）の絶対値が０．０２／ｎｍ以上となるように、単一波長λを選択し、
前記薄膜付ウェーハ表面の一部領域に前記選択した単一波長λの光を照射し、前記領域からの反射光を検出して前記領域を多数に分割したピクセル毎の反射光強度を測定することによって、前記領域内の反射光強度分布を求め、該反射光強度分布から前記領域内における薄膜の膜厚分布を算出することを特徴とする薄膜付ウェーハの評価方法。 - 前記反射率変動率（ΔＲ／Ｒ）の絶対値が０．０５／ｎｍ以上となるように前記波長λを選択することを特徴とする請求項１に記載の薄膜付ウェーハの評価方法。
- 前記波長λは、可視光波長から選択された単一の波長であることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか一項に記載の薄膜付ウェーハの評価方法。
- 前記ピクセルの一辺のサイズを、前記波長λの１／２以上１００μｍ以下とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の薄膜付ウェーハの評価方法。
- 前記領域をデバイス製造工程のリソグラフィー露光サイトに一致させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の薄膜付ウェーハの評価方法。
- 前記領域内における薄膜の膜厚分布の算出を、複数箇所で行うことにより、前記薄膜付ウェーハ全面の膜厚分布を求めることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の薄膜付ウェーハの評価方法。
- 前記評価する薄膜付ウェーハとして、前記基板と前記薄膜との間、又は前記薄膜上に、第二薄膜が形成された薄膜付ウェーハを用いることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の薄膜付ウェーハの評価方法。
- 前記基板及び前記薄膜がシリコン単結晶であり、前記基板と前記薄膜との間に形成された前記第二薄膜がシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項７に記載の薄膜付ウェーハの評価方法。
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