JPH0346501A - 膜厚測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、基板上に透明薄膜が形成された被測定試料に
おける透明薄膜の膜厚を測定する方法に係り、特に膜厚
を光学的に高精度に測定する技術に関する。

〈従来の技術〉 従来、半導体製造プロセスにおける検査工程などにおい
て、例えばシリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜
の膜厚を光学的に測定するには、反射光の偏光状態の変
化を測定することにより膜厚を知る方法（以下、偏光解
析方式と称する）と、反射光のエネルギーを測定するこ
とにより膜厚を知る方法（以下、反射光エネルギー測定
方式と称する）が行われ、また、反射率を測定すること
により膜厚を知る方法（以下、反射率測定方式と称する
）が提案されている。

前記偏光解析方式は、被測定試料の斜め上方から光を照
射し、その反射光の偏光状態の変化、すなわち入射面に
平行な振動成分Ｐ波と入射面に垂直な成分Ｓ波との相対
的な位相ずれの変化と、両波の振幅比の変化とから、被
測定試料における透明薄膜の膜厚を求める方法である。

この偏光解析方式は、いわゆるエリプソメータを使用し
た膜厚測定方法のことであり、１０ｎｍ以下の膜厚でも
精度良く測定できる優れた手法であるが、しかし、被測
定試料における膜厚測定対象域として微細な領域を指定
して膜厚測定するのは困難であるから、そのような膜厚
測定に対しては、反射光エネルギー測定方式が採用され
ている。

この反射光エネルギー測定方式の膜厚測定方法は、被測
定試料からの反射光のうち、透明薄膜の表面からの反射
光と、透明薄膜と基板との界面からの反射光とが干渉す
るために、被測定試料からの反射光のエネルギーが透明
薄膜の膜厚に応じて変化する性質を利用して膜厚を測定
する方法である。

具体的には、透明薄膜や基板の光学定数が、被測定試料
の透明薄膜や基板の光学定数と同一である試料における
反射光エネルギーと透明薄膜の膜厚との相関データを入
手しておいて、次いで被測定試料の反射光エネルギーを
測定し、前記相関デ後者の反射光エネルギー測定方式が
採用されている。

この反射光エネルギー測定方式の膜厚測定方法は、被測
定試料からの反射光のうち、透明薄膜の表面からの反射
光と、透明薄膜と基板との界面からの反射光とが干渉す
るために、被測定試料からの反射光のエネルギーが透明
薄膜の膜厚に応して変化する性質を利用して膜厚を測定
する方法である。

具体的には、透明薄膜や基板の光学定数が、被測定試料
の透明薄膜や基板の光学定数と同一である試料における
反射光エネルギーと透明薄膜の膜厚との相関データを入
手しておいて、次いで被測定試料の反射光エネルギーを
測定し、前記相関データのなかから反射光エネルギーが
近似するのは、との膜厚であるかを捜し出し、その膜厚
が被測定試料における透明薄膜の膜厚であるとしている
。

また、反射率測定方式は、次に述べる原理に基づく方式
である。

被測定試料の反射率をＲｓとすると、反耶１率Ｒ波長λ
や入射角φと同一であるように設定した条件下で被測定
試料の反射率Ｒｓを測定し、前記相関データのなかから
反射率Ｒｓが近似するのは、との膜厚ｄ×であるのかを
捜し出し、その膜厚ｄにが被測定試料における透明薄膜
の膜厚ｄｘであるとすることを、膜厚測定の基本原理と
する。

〈発明が解決しようとする課題〉 上記のように反射光のエネルギー測定方式は、反射光の
エネルギーと膜厚との相関データをよりどころにして、
膜厚を測定する方式であるため、相関データを前もって
入手しておくことが必須であるが、それを入手すること
は、次に述べるように容易ではない。

反射光のエネルギーの測定値は、その測定に使用した装
置に固有の特性（例えば、光源のエネルギーや、反射光
エネルギー検出用光電交換手段の光電変換効率等の各種
特性）の影響を含有した値であるから、次に述べるよう
にして、経験的に人手することになる。

まず初めに、それぞれの透明薄膜の膜厚が既知であって
、それぞれの゛透明薄膜や基板の光学定数が、被測定試
料の透明薄膜や基板の光学定数と同一である試料Ｃ以下
、標準試料と称する）を用意する。ただし、透明薄膜の
膜厚を違えて幾つも用意する。そして、これら標準試料
の反射光のエネルギーを、被測定試料の反射光のエネル
ギーを測定するのと同一の装置で測定し、かかる測定結
果をもってして、反射光のエネルギーと膜厚との相関デ
ータとする。

ところで、反射光のエネルギーと膜厚との相関データは
、ある程度細かくデータ取りしておかないと、十分な膜
厚測定精度を得られないので、標準試料を多く用意する
ことになる。このため、標準試料の反射光のエネルギー
の測定には、多大な作業を要することになる。また、多
くの標準試料を用意することも簡単なことではなく、そ
れ自体も多大な作業である。

このように、従来の反射光エネルギー測定方式に係る膜
厚測定方法は、反射光のエネルギーと膜厚との相関デー
タを、予め経験的に入手しておかねばならないので、前
準備に多大な作業を要するという問題がある。

そのようなエネルギー測定方式に対して、反射率測定方
式は、反射率Ｒｓと膜厚ｄｘとの相関データに基づく方
式であるため、−Ｆ記のような問題は無い。すなわち、
反射率Ｒｓは、測定に使用した装置に固有の特性の影響
を含有した値では無いから、反射率Ｒｓ　と膜厚ｄｘと
の相関データは、各種文献に発表されている反射率Ｒｓ
と膜厚ｄｘとの相関データを利用すればよく、反射光エ
ネルギー測定方式における反射光のエネルギーＥｓと膜
厚ｄｘとの相関データのように、経験的に求める必要が
無いからである。

しかし、被測定試料の反射率Ｒｓを測定することは、容
易ではない。それは反射率Ｒｓと膜厚ｄχとの相関デー
タを人手した文献における反射率の測定と、被測定試料
の反射率の測定とで、各種測定条件、即ち、透明薄膜の
入射側媒質の屈折率ｎｏと吸収率ｋｏ、更に測定光の波
長λや入射角φ等を、厳密に一致させておかねばならな
いからである。

本発明の目的は、被測定試料の反射光のエネルギーを測
定することで膜厚測定ができる前記反則光エネルギー測
定方式の長所と、必ずしも経験的乙こ人手することを要
しない反射率Ｒｓと膜厚ｄｘとの相関データを利用する
ために前準備に多大な作業を要しない前記反射率測定方
式の長所を兼ね備えた膜厚測定方法を提供することであ
る。すなわち、被測定試料に対する測定が簡単であるに
もかかわらず、前準備に多大な作業を要することを解消
した膜厚測定方法を提供することである。

〈課題を解決するための手段〉 本発明は、基板と、基板上の透明薄膜からなる被測定試
料における透明薄膜の膜厚ｄｘを測定する方法であって
、反射率Ｒｓと透明薄膜の膜厚ｄＸとの既知の相関デー
タを利用してかかる測定をする方法であり、前記相関デ
ータを利用するに際して、予め、少なくとも反射率が既
知である任意の試料における反射光のエネルギーＥｐを
測定しておいてから、被測定試料における反射光のエネ
ルギーＥｓを測定し、（Ｒｐ　／Ｅｐ　）　　・Ｅｓな
る計算値を、被測定試料の反射率とみなし、被測定試料
と同種の試料における反射率Ｒｓと透明薄膜の膜厚ｄｘ
との既知の相関データの中から、前記計算値（Ｒｐ／Ｅ
ｐ）　　・Ｅｓと近似する反射率を検索し、検索された
反射率に相関している膜厚の値を、被測定試料の透明薄
膜の膜厚とすることを特徴とする膜厚測定方法である。

く作用〉 被測定試料の反射率をＲｓとすると、反射率Ｒ３は、透
明薄膜の入射側媒質（通常、大気中で膜厚測定するので
空気）の屈折率ｎｏおよび吸収率ｋｏと、透明薄膜の屈
折率ｎ１および吸収率に１と、基板の屈折率ｎ２および
吸収率に２と、測定光の波長λおよび入射角φと、透明
薄膜の膜厚ｄＸが与えられると、一義的に定まる。

したがって、ｎｏ、、ｎｌ、ｎ２、ｋＯｌｋｌ、ｋ２、
λ、φが特定された条件のもとでは、反射率Ｒｓが明か
になると膜厚ｄｘが求まる。

そこで、透明薄膜や基板の光学定数が、被測定試料の透
明薄膜や基板の光学定数と同一である条件下での反射率
Ｒｓと膜厚ｄ×との相関データを入手しておいてから、
被測定試料の反射光のエネルギーＥｓを測定し、次に説
明する（Ｒｐ／Ｅｐ）・Ｅｓなる計算値を被測定試料の
反射率とみなし、前記相関データのなかから（Ｒｐ　／
Ｅｐ　）　　・Ｅｓなる計算値と一致ないし近似する反
射率Ｒｓに相関しているのは、どの膜厚であるのかを捜
し出し、その膜厚が被測定試料における透明薄膜の膜厚
であるとしている。

なお、（Ｒｐ／Ｅｐ）　　・Ｅｓなる計算値を被測定試
料の反射率とみなせるのは、次の理由による。

少なくとも反射率が既知である任意の試料の反射光のエ
ネルギーＥｐと、その反射率Ｒｐの間には、Ｅｐ＝に−
Ｒｐなる関係が成立する。なお、Ｋは反射光のエネルギ
ーＥｐを測定する装置に固有の値であって、装置に固有
の特性によって定まる。しからば、同一の装置を使用し
て測定した被測定試料の反射光のエネルギーＥｓは、Ｅ
ｓ−Ｋ・Ｒｓなる関係が成立する。

故に、Ｒｓ　＝　（Ｒｐ　／Ｅｐ　）　　・Ｅｓ　とな
る。

よって、（Ｒｐ／Ｅｐ）　　・Ｅｓを被測定試料の反射
率Ｒｓとみなすことができるのであり、本発明に係る方
法では、被測定試料に対する測定が、反射率のエネルギ
ーＥｓの測定であるにもかかわらず、反射率Ｒｓと膜厚
ｄｘの相関データを利用して、被測定試料の透明薄膜の
膜厚ｄにを測定できるのである。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

図面は、本発明の一実施例に係る膜厚測定方法を使用し
た装置の概略図である。

図面において、Ｓは、例えばシリコン基板上にシリコン
酸化膜などの透明薄膜が形成された被測定試料である。

光源１０から照射された光は、集光素子１２、ハーフミ
ラ−１６および結像素子１８を介して、被測定試料Ｓ面
に照射される。

被測定試料Ｓ面で反射された光は、結像素子１８で集光
された後、ハーフミラ−１６を透過し、ピンホールミラ
ー２０およびごラー２２で反射され、さらに、結像レン
ズ２４を介してカメラユニット２６に入射する。

オペレータは、カメラユニット２６によって撮像されて
ＣＲＴ　（図示せず）に映し出された被測定試料Ｓ面の
パターンを見ながら、被測定試料Ｓが載置された図示し
ない試料台を操作して、前記結像素子１８による被測定
試料ＳにおＬＪる反射光のエネルギー測定領域を所要の
膜厚測定個所に合致させる。

光源１０としては、例えば可視白色光を照射するハロゲ
ンランプが使用される。

被測定試料Ｓに照射された光は、被測定試料Ｓの薄膜表
面で反射されるとともに、前記薄膜と基板表面との界面
で反射される。これらの光は、結像素子１８で集束され
た後、ハーフミラ−１６およびピンホールミラー２０を
通過して分光器３２に入射される。

分光器３２で検出された信号は、被測定試料Ｓの膜厚を
算出するためのマイクｌ：１コンピユータ３４に？ 与えられる。マイクロコンピュータ３４は、膜厚データ
メモリ３５と膜厚算出手段３６とを備え、後述のように
、膜厚データメモリ３５は膜厚を算出するのに使用する
膜厚算出用データを記憶させてあり、膜厚算出手段３６
は、膜厚算出用データを参照することによって、分光器
３２で検出された特定波長のエネルギーから、被測定試
料Ｓにおける透明薄膜の膜厚を算出する。

次に、上記膜厚測定装置を使用して、実施例に係る方法
を説明する。

まず、被測定試料Ｓにおける透明薄膜の膜厚測定にかか
る前準備として、透明薄膜や基板の光学定数が被測定試
料における透明薄膜や基板と同一であると設定した条件
下での反射率と膜厚とのデータを各種文献（例えば、１
ｌａｎｄｂｏｏｋ　ｏｆ　０ｐｔｉｃａｌＣｏｎｓｔａ
ｎｓ　ｏｆ　５ｏｌｉｄｓ　、　Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｐ
ｒｅｓｓ　）等で３周べておいて、被測定試料Ｓの反射
率Ｒｓを測定し、膜厚データメモリ３５に記憶しておく
。なお、反射率Ｒｓでアドレスすると膜厚が出力される
ように記憶しておく。

さらに、前準備として、透明薄膜や基板の光学定数が被
測定試料における透明薄膜や基板の光学定数と一致して
いようが、一致してまいがどうでもよく、また、透明薄
膜が形成されていても、形成されていなくてもよいが、
ただし、少なくとも反射率が既知である試料（以下、反
射率既知試料Ｐという）を１個用意する。なお、反射率
既知試料Ｐとしては、反射率が明らかなものであれば何
でもよいが、望ましくは被測定試料と反射率が極端に違
わないものがよく、例えば被測定試料Ｓにおける基板と
同一の材質からなり、透明薄膜が形成されていなくて、
その表面が露出した試料等を用意すればよい。そして、
反射率既知試料Ｐからの反射光の特定波長のエネルギー
を測定する。この際、分光器３２で検出されたこのエネ
ルギーの値（以下、Ｅｐという）は、膜厚算出手段３６
内のメモリ部に記憶される。また、図示しないキーボー
ド等の入力手段を介して、反射率既知試料Ｐの反射率（
以下、Ｒｐという）を、膜厚算出手段３６に記憶してお
く。

以トの前準備が完了したら、被測定試料Ｓからの反射光
の特定波長のエネルギーＥｓを測定する。

そうすると、分光器３２にて検出されたエネルギーＥｓ
に対し、膜厚算出手段３６は、Ｒｐ／Ｅｐを乗算し、乗
算結果（Ｒｐ／Ｅｐ）　　・Ｅｓの値をアドレスとして
、膜厚データメモリ３５へ人力して、出力された膜厚が
被測定試料Ｓにおける透明薄膜の膜厚として、図示しな
いプリンタあるいはＣＲＴ等の表示器に出力される。

なお、反射率既知試料の反射光エネルギー測定における
測定光の波長λと、被測定試料Ｓからの反射光のエネル
ギーを測定する際の特定波長とは、同一の波長に統一し
なければならないが、統一されていればどの波長でもよ
い。

また、本発明の構成にいう「被測定試料と同種の試料に
おける反射率Ｒ５（！：透明薄膜の膜厚ｄｘとの既知の
相関データの中から、前記計算値（Ｒｐ／Ｅｐ）　　・
Ｅｓと近似する反射率を検索し、検索された反射率に相
関している膜厚の値を、被測定試料の透明薄膜の膜厚と
する」とは、相関デー５ 夕の中から、計算値（Ｒｐ　／Ｅｐ　）　　・Ｅｓと完
全に一致する反射率を検索することに限定せず、最も近
似する反射率を検索することも相当する。或いは、いく
つかの近似する反射率を検索して、それら反射率に相関
している膜厚の値をもとに補間演算して得た値を、被測
定試料の透明薄膜の膜厚とすることも相当する。

〈発明の効果〉 本発明の膜厚測定方法は、被測定試料からの反射光のエ
ネルギーＥｓを測定することで膜厚ｄｘが求まり、簡単
な膜厚測定方法である。

しかも、本発明の膜厚測定方法は、従来のエネルギー測
定方式に係る膜厚測定方法のように、反射光のエネルギ
ーＥｓと膜厚ｄｘとの相関関係に基づいて膜厚を求める
のではなく、反射率Ｒｓ　と膜厚ｄｘとの相関関係に基
づいて膜厚を求めるから、次のように便利である。反射
光のエネルギーＥｓと膜厚ｄｘとの相関データは、反射
光のエネルギーＥｓが測定装置に固有の特性等を含んだ
特性であるため、経験的にしか得られない相関デー６ タであって、それを得るには多大な作業を要する。

それに対し、反射率Ｒｓ　と膜厚ｄｘとの相関データは
、測定装置に固有の特性等を含んでおらず、経験的に求
めることを要さず、各種文献から容易に得られる。

したがって、従来の反射光エネルギー測定方式に係る膜
厚測定方法は、前準備として、多くの標準試料を用意し
、各々の反射光のエネルギーを測定すると言う多大な作
業を要するのに対し、本発明の膜厚測定方法は、このよ
うな多大な作業を要しない。なお、本発明の膜厚測定方
法は、被測定試料からの反射光のエネルギーＥｓより、
被測定試料の反射率を算出するために、前準備として反
射既知試料を用意し、その反射光エネギーＥｐを測定す
ることが必要であるが、反射率既知試料は１個だけ用意
すれば事足り、その反射光エネルギー測定作業も１回だ
けであるから、本発明においても前？＄備は必要である
が、従来の反射光エネルギー測定方式に係る膜厚測定方
法と比較して、その作業は格段に少なくてすむ。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例に係る方法を使用した膜厚測定
装置の概略構成図である。 Ｓ・・・被測定試料 １０・・・光源 １８・・・結像素子 ３２・・・分光器 ３４・・・マイクロコンピュータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板と、基板上の透明薄膜からなり、反射率Ｒｓ
   と透明薄膜の膜厚ｄｘとの相関データが既知である被測
   定試料における透明薄膜の膜厚ｄｘを測定する方法であ
   って、 少なくとも反射率Ｒｐが既知である任意の試料における
   反射光のエネルギーＥｐを測定し、被測定試料における
   反射光のエネルギーＥｓを測定し、 （Ｒｐ／Ｅｐ）・Ｅｓなる計算値を、被測定試料の反射
   率とみなし、前記相関データの中から、前記計算値（Ｒ
   ｐ／Ｅｐ）・Ｅｓと近似する反射率を検索し、検索され
   た反射率に相関している膜厚の値を、被測定試料の透明
   薄膜の膜厚とすることを特徴とする膜厚測定方法。