JPH04236306A - 膜厚測定装置、膜厚測定方法および膜厚測定手段を備えた半導体装置の製造装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はフーリエ変換型の分光器
を用いる膜厚測定装置に関わり、特に半導体装置を構成
する薄膜の厚さが包含される範囲の膜厚を測定し得る測
定装置に関わる。

【０００２】半導体装置の製造工程に於いて、厚さが数
十ｎｍから１μｍ程度の誘電体皮膜や半導体皮膜を形成
する処理がしばしば行われ、その膜厚を測定することも
行われている。

【０００３】二酸化珪素（ＳｉＯ２）やシリコン（Ｓｉ
）のような薄膜の厚さを、光の干渉を利用して測定する
方式の一つにファブリペロ干渉を利用するものがある。 これは被測定膜を透過する波長域の光を用い、分散型の
分光器によって測定した干渉波長から膜厚を求めるもの
であるが、分光出力のスペクトルを得るのに比較的長時
間を要し、測定作業のスループットが低いという難点が
ある。

【０００４】近年に至って、この点を補った測定法とし
てフーリエ変換型の分光器を用いた膜厚測定が広く利用
されるようになった。この方式の測定装置では、１回の
測定は　０．１秒程度で完了するが、上記の如き被測定
材料を透過する光の波長は１μｍ程度であるため、０．
１μｍ以下の膜厚の測定は原理的に困難である。

【０００５】このような超薄膜は、例えばＩＧＦＥＴの
ゲート絶縁膜のように、その厚さが素子の特性を直接決
定する場合が多く、正確な厚さを速やかに測定し得る膜
厚測定法が強く望まれている。

【０００６】

【従来の技術】公知のフーリエ変換型膜厚測定方式の一
つであるマイケルソン干渉計を用いた膜厚測定装置の光
学系は、図４に示される構成である。以下、同図を参照
しながらこの光学系を説明する。

【０００７】ランプ光源３から放射された光ビームはハ
ーフミラー４によって２分され、一方は固定ミラー５で
反射し、他方は可動ミラー６で反射して該ハーフミラー
に戻り、合成された光ビームが被測定体である薄膜７に
照射される。薄膜内の繰り返し反射により生じた干渉光
は検出器８によって、その強度が測定される。

【０００８】ここで、可動ミラーを−Ｘ／Ｘ方向に移動
させると固定ミラー側と可動ミラー側の光路差が変化し
、干渉計出力光のスペクトルも経時的に変化することに
なるが、光路長が固定ミラー側と同じになるＸ＝０の時
に両光路の位相が一致し、検出器出力は一つの極大値を
示す。

【０００９】一方測定光が薄膜を透過する際にも多重反
射による干渉が生じる。マイケルソン干渉計では、可動
ミラーの移動によって出力光のスペクトルが経時的に変
化しているので、これ等２つの干渉に於ける強調波長が
一致した時にも検出器出力は極大を示すことになる。

【００１０】被検体の膜厚は検出器出力を演算処理する
ことにより求められるが、概念的にはＸ＝０に相当する
ピークと多重反射のピークの出現する時間差が膜厚に相
当すると考えてよい。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】半導体装置の製造工程
に於ける膜厚測定では、上記の如く０．１μｍ以下の膜
厚の測定は困難であるが、その困難さを増加させている
ものに、測定光源のスペクトル分布がある。

【００１２】その詳細は作用の項で説明するが、光源と
して通常用いられるハロゲンランプ、重水素ランプ、グ
ローバランプ等から放出される光のスペクトルは、一定
帯域に山なりに分布するブロードな形状であり、そのフ
ーリエ変換もまたブロードなものであるため、検出器出
力から干渉光のピーク位置を判定する際の誤差が大とな
り、超薄膜の膜厚測定を不正確なものとしているのであ
る。

【００１３】本発明の課題は、このような検出器出力の
あいまいさを排除し、より明確な出力形状を実現するこ
とによって、より薄い皮膜の膜厚測定を可能にした膜厚
測定装置を提供することであり、本発明の他の課題は、
半導体装置の製造に用いられる処理装置であって、経時
的に変化する皮膜の厚さを実時間測定しながら該皮膜の
成長或いは薄化を行い得る処理装置を提供することであ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
、本発明のフーリエ変換型膜厚測定装置では、通常使用
されるランプ光源に代えてシンクロトロン放射光（ＳＯ
Ｒ光）が用いられる。

【００１５】また、被測定皮膜の屈折率が波長依存性を
示す場合には、測定信号をフーリエ変換して波長帯域を
限定したのち逆フーリエ変換を行うことにより、屈折率
分布の影響を排除する。

【００１６】更に、膜厚が経時的に変化する処理装置内
に置かれた皮膜の膜厚を測定するために、２光路干渉計
の出力光が該処理装置内の皮膜を通過した後、検出器に
入射するように、該処理装置は膜厚測定装置に光学的に
係合されている。

【００１７】

【作用】ＳＯＲ光は遠赤外線から極短波長のＸ線までを
幅広く含むが、遠赤外域ではそのスペクトルはほぼ完全
に平坦である。本発明の膜厚測定装置ではこの帯域のＳ
ＯＲ光を測定光の光源に利用する。図３は光源のスペク
トルの違いが膜厚測定に及ぼす作用効果を説明するため
の図であり、同図（ａ）にＳＯＲ光と通常のランプ光の
スペクトルが示されている。

【００１８】平坦なスペクトルをフーリエ変換するとδ
関数になり、鋭いピークが１つ存在するだけであるが、
薄膜を透過する際に多重反射による干渉が生じていると
、それによるピークが別に発生する。この関係が図３の
（ｂ−１）と（ｂ−２）に示されている。（ｂ−１）の
横軸はエネルギ値で、縦軸はその強度であるが、多重反
射による干渉の結果、強度分布はエネルギ値すなわち波
長に対して周期的に変化するものとなっている。これを
フーリエ変換したものが（ｂ−２）に示されているが、
横軸は時間軸となって、Ｐ０　が２光線干渉計のＸ＝０
に相当するピーク、Ｐ１　が多重反射の干渉に相当する
ピークである。

【００１９】ここでは図に明示されているようにピーク
の形状が明確であり、その位置は正確に読み取れる。従
って、Ｐ０　とＰ１　の間隔に対応する膜厚も精度良く
測定されることになる。これは光源が平坦なスペクトル
を持つことによる効果である。なお、実際の測定では（
ｂ−２）の曲線が先ず読み取られ、そのピーク位置の時
間データから膜厚が算出されるので、（ｂ−１）の線図
は描かれることなく処理が進められる。

【００２０】一方、（ａ）図に示された山形のスペクト
ルを持つランプ光の場合には、多重反射による干渉の結
果、図３の（ｃ−１）のようなエネルギ分布となり、そ
れをフーリエ変換したものは（ｃ−２）のようになる。 即ち（ｂ−２）とは異なり、Ｐ０，Ｐ１　はいずれもブ
ロードな形状であって、そのピーク位置は甚だ定め難い
ものとなっている。 そのためピーク間隔の読み取りの誤差が増し、測定精度
が低下する。

【００２１】膜厚が大の場合にはピーク間隔が広くなり
、相対誤差は減少するので、ランプ光源を用いても測定
可能であるが、０．１μｍ以下の超薄膜の膜厚測定はＳ
ＯＲ光を使用することにより初めて可能となる。

【００２２】

【実施例】図１は請求項１に対応する本発明の実施例の
構成を模式的に示す図である。以下、同図を参照しなが
ら説明する。

【００２３】１はＳＯＲリングであり、それから放射さ
れた光はカットミラー２によって高エネルギ域の電磁波
が除かれ２光線干渉計に入射する。２光線干渉計の構造
は図４に示された公知の干渉計と同一であって、４がハ
ーフミラー、５が固定ミラー、６が可動ミラーである。

【００２４】被測定体である薄膜７に照射され、薄膜内
の多重反射により干渉を生じた透過光は検出器８によっ
て、その強度が測定される。通常の半導体装置の製造工
程で膜厚が測定される材料は、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、Ｔ
ａ２Ｏ５、Ｓｉ等である。なお、皮膜が多層構造であっ
ても、屈折率や膜厚が異なる結果ピークどうしの区別が
可能である場合には、各層の厚さを一回の測定で求める
ことも出来る。

【００２５】上述の作用効果の説明や実施例の説明では
、利用する赤外光の全帯域にわたって皮膜の屈折率は一
定であることを前提としており、屈折率の波長依存性が
無視できない場合には、図３の（ｂ−２）のような明瞭
なピークにはならず、膜厚測定精度が低下することにな
る。

【００２６】その場合、光源側にフィルタを設けて狭い
帯域の光だけを使用することは出来るが、測定データを
処理して不要な部分を除くことも可能であり、その方が
簡易である。以下、そのためのデータ処理について説明
する。

【００２７】図２は請求項２に対応する該データ処理の
フロー図である。検出データは図３の（ｂ−２）に示さ
れたものに相当するが、ピークの形状は若干変形したも
のである。これをフーリエ変換して図３の（ｂ−１）に
相当するスペクトルデータを得る。

【００２８】ここで得たスペクトルデータは広い帯域に
関わるものであるから、当該材料の膜厚測定に適した波
長域だけを残すように、信号処理によって帯域を狭める
。これが図２に波長限定と記された処理である。

【００２９】以上の処理を施したデータを再びフーリエ
変換して、図３の（ｂ−２）に相当するものに戻す。こ
こで行われる処理は初めに行ったフーリエ変換とは逆方
向の処理であるから、フロー図ではこの処理を逆フーリ
エ変換と表現している。このように処理されたデータは
、屈折率一定の波長域の光だけを使用して得たデータと
等価であり、ピークの形状はシャープなものとなってい
るので、精密な膜厚値を得ることができる。

【００３０】信号処理によって波長限定と同等の効果を
示す上記の処理が、請求項２の発明に対応するものであ
る。請求項３の発明は、誘電体皮膜や半導体皮膜を基板
上に堆積し或いはこれをエッチングする処理装置に上記
の膜厚測定手段を組み入れたものである。ＣＶＤ法によ
ってＳｉＯ２やＳｉＮｘを基板上に堆積する場合、或い
はＳｉ，ＧａＡｓなどをエピタキシャル成長させる場合
、その膜厚を実時間で知ることが出来れば半導体装置の
製造工程を制御する上で有利なことは言うまでもない。

【００３１】そこで、上記本発明の膜厚測定装置の光路
を上記処理装置に係合させ、２光線干渉計の出力光を該
処理装置内の被測定膜を透過するように導き、その透過
光の強度を測定して膜厚を求める。本発明の如きフーリ
エ変換型の分光器を用いる膜厚測定では１回の測定は極
短時間で完了するから、成長途中の皮膜の厚さを常に知
りつつ適切な制御を行うことが可能となる。

【００３２】測定光の光路を処理装置内に設定すること
は、基板の加熱方法が高周波誘導加熱である場合は反応
管の管壁を通過させることで容易に行い得ることである
。また、処理空間を構成する材料が遠赤外光に対し不透
明であっても、反射鏡等を利用して処理室内に光路を設
定することは可能な場合が多い。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の膜厚測定
装置では平坦な波長分布を持つＳＯＲ光を測定光源とし
て用いることにより、フーリエ変換型の分光器を用いる
膜厚測定の精度を向上させている。

【００３４】また、被測定皮膜の屈折率が波長依存性を
持つ場合にも、測定データをフーリエ変換し、濾波処理
を行ったのち逆フーリエ変換することにより、屈折率の
波長依存性に影響されない膜厚測定が可能である。

【００３５】更に、上記膜厚測定装置の測定光の光路を
ＣＶＤ等の処理室内に設定することによって、成長しつ
つある皮膜の厚さを実時間に知ることが出来る半導体装
置の製造装置が実現する。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　請求項１の発明の構成を模式的に示す図

【
図２】　　請求項２の発明のデータ処理フローを示す図

【図３】　　測定光源のスペクトルと観測データの関係
を説明する図

【図４】　　公知の膜厚測定装置の構成を模式的に示す
図

【符号の説明】

１　　ＳＯＲリング ２　　カットミラー ３　　ランプ光源 ４　　ハーフミラー ５　　固定ミラー ６　　可動ミラー ７　　薄膜 ８　　検出器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　測定光を、光路差が経時変化する型の
   ２光線干渉計を経由して被測定皮膜に照射し、該被測定
   皮膜の透過光強度の測定信号から演算によって該皮膜の
   厚さを求める膜厚測定装置であって、該測定光がシンク
   ロトロン放射光であることを特徴とする膜厚測定装置。
2. 【請求項２】　　請求項１の膜厚測定装置による膜厚測
   定に於いて、前記測定値をフーリエ変換して得た信号に
   波長帯域を限定する処理を施し、該波長帯域限定処理が
   施された信号を再度フーリエ変換し、該２回目の変換を
   行って得た信号から該被測定皮膜の厚さを算定すること
   を特徴とする膜厚測定方法。
3. 【請求項３】　　基板上に皮膜を堆積成長し若しくは基
   板上の皮膜の厚さを減ずる処理装置であって、前記膜厚
   測定装置の前記２光線干渉計の出力光が該皮膜を透過し
   たのち検出器に入射するように、請求項１の膜厚測定装
   置と光学的に係合されていることを特徴とする半導体装
   置の製造装置。