JPH04361105A - シリコン・オン・インシュレータの膜厚測定方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置用基板である
シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）の膜厚測定
方法に関する。

【０００２】ＳＯＩは、半導体素子特性や半導体素子分
離の点でバルク基板より優れている。その中でも、バル
クＳｉの結晶性が活かせる張り合わせＳＯＩが注目され
ている。

【０００３】張り合わせＳＯＩ１は、図９に示すように
、Ｓｉ基板２の表面に、ＳｉＯ２　膜３を有し、更にこ
の表面にＳｉ膜４を有する構成である。

【０００４】半導体素子の特性は、下層膜であるＳｉＯ
２　膜３の厚さｌ２　及び表面層膜であるＳｉ膜４の厚
さｌ１　により影響されるため、半導体素子の歩留りを
向上させる点からＳｉＯ２　膜３及びＳｉ膜４の膜厚を
、非接触，非破壊で測定する技術の開発が望まれていた
。

【０００５】

【従来の技術】図１０は、図１１に示す二層膜構造の膜
厚を測定する一般的な膜厚測定方法を示す。

【０００６】膜構造は、基板１０上に下層膜１１と表面
層膜１２とを有する二層構造である。１３は空気層であ
る。

【０００７】空気層１３が「０」，表面層膜１２が「１
」，下層膜１１が「２」，基板１０が「３」とする。

【０００８】また、表面層膜１２の屈折率はｎ１　，下
層膜１１の屈折率はｎ２　，基板１０の屈折率はｎ３　
であり、夫々既知である。

【０００９】まず、工程２０を行い、図１１中の表面層
膜１２を形成する前の段階で、下層膜１１の膜厚ｌ２　
を測定する。

【００１０】基板１０上には、下層膜１１がただ一層形
成されているだけであり、下層膜１１の測定では、例え
ば下層膜１１中の多重反射による干渉を利用して行う。

【００１１】即ち、基板１０の表面に下層膜１１を形成
した段階で、下層膜１１の膜厚ｌ２　を予め測定してお
く。

【００１２】この後、工程２１を行って、表面層膜１２
を形成する。

【００１３】次いで、工程２２を行い、反射スペクトル
を測定する。

【００１４】この工程は、上記の下層膜１１上に表面層
膜１２を形成した後に行う。

【００１５】これは、図１２に示す装置を使用して行う
。

【００１６】光源３０よりの可視光線３１を、表面層膜
１２に照射，表面層膜１２及び下層膜１１内で多重反射
させる。

【００１７】多重反射した光線３２は、ハーフミラー３
３で反射され、回折格子３４で回折され、ホトダイオー
ドアレイ３５を照射する。

【００１８】ホトダイオードアレイ３５から、図１３中
、線４０で示す測定反射スペクトルが得られる。

【００１９】次に、図１０中、反射スペクトル計算工程
２３を行う。

【００２０】図１１の二層膜構造の反射率Ｒ１　は、次
式で表わされる。

【００２１】

【数１】

【００２２】ここで、ｒｉ　ｉ＋１　は複素反射率であ
り、（ｋｉ−ｋｉ−１　）／（ｋｉ　＋ｋｉ−１　）で
表される。

【００２３】ｋｉ　は伝播ベクトルであり、２πｎｉ　
／λで表される。

【００２４】ここで、ｎｉ　はｉ層の複素屈折率、λは
波長である。

【００２５】具体的には、ｒ０１は光が層「０」から層
「１」へ入るときの複素反射率、ｒ１２は光が層「１」
から層「２」へ入るときの複素反射率、ｒ２３は光が層
「２」から「３」へ入るときの複素反射率である。

【００２６】 また、Ｐ≡ｅｘｐ（−ｊｋ１　ｌ１　）　　　　　　　
　　　　　…■Ｑ≡ｅｘｐ（−ｊｋ２　ｌ２　）　　　
　　　　　　　　　…■である。

【００２７】こゝで、ｌ１　は層「１」の膜厚、ｌ２　
は層「２」の膜厚、ｊは虚数単位である。

【００２８】こゝで、複素屈折率ｎ１　，ｎ２　，ｎ３
　は既知であり、またｌ２　も既知であり、ｌ１　に任
意の値を代入して前記式■を計算することにより、当該
任意の値ｌ１　対する計算反射スペクトルが求まる。

【００２９】計算反射スペクトルを、ｌ１　がとりうる
と考えられる範囲内で、異なる膜厚ｌ１　毎に求める。

【００３０】簡単のために図１３に測定スペクトル４０
と形状が似ている３本の計算反射スペクトルを示す。

【００３１】図１３中、線４１は、膜厚ｌ１　が２００
ｎｍの場合の計算反射スペクトル，線４２は、膜厚ｌ１
　が２０５ｎｍの場合の計算反射スペクトル，線４３は
、膜厚ｌ１　が２１０ｎｍの場合の計算反射スペクトル
を示す。

【００３２】計算反射スペクトルは波長依存性を有する
。

【００３３】次にフィッティング工程２４を行い、測定
反射スペクトル４０を上記の計算反射スペクトル４１，
４２，４３と比較する。

【００３４】図１３より分かるように、測定反射スペク
トル４０は複数の計算反射スペクトルのうち、計算反射
スペクトル４１と最も近似していることが分かる。この
ことから、表面層膜１２の膜厚ｌ１　は、２００ｎｍで
あると求められる。従来は、上記の膜厚測定をそのまま
適用して図９に示す張り合わせシリコン・オン・インシ
ュレータの膜厚を測定していた。

【００３５】膜厚測定の手順を示すと、図１４に示す如
くになる。

【００３６】まず、工程５０を行い、Ｓｉ基板２の表面
にＳｉＯ２　膜３を形成した段階、即ちＳｉ膜４を形成
する前の段階で、ＳｉＯ２　膜３の膜厚を測定する。測
定値は例えば１μｍであった。

【００３７】次いで、工程５１を行い、表面層膜である
Ｓｉ膜４を形成する。

【００３８】次いで、工程５２を行い、図１５に示すよ
うにしてＳｉ膜４とＳｉＯ２　膜３の両方に対する反射
スペクトルを測定して、図１６中、線６０で示すように
求める。

【００３９】次いで、工程５３を行い、ＳｉＯ２　膜の
厚さを１μｍとし、Ｓｉ膜の厚さを段階的に変えてシリ
コン・オン・インシュレータ１に対する反射スペクトル
を計算で求める。測定反射スペクトルは、図１６中、線
６１，６２，６３で示すように求まる。次に、フィッテ
ィング工程５４を行い、測定反射スペクトル６０を計算
反射スペクトル６１，６２，６３と比較し、最も近い計
算反射スペクトル６１を特定し、これよりＳｉ膜４の膜
厚ｌ１　を求める。

【００４０】

【発明が解決しようとする課題】ＳｉＯ２　膜３を形成
した段階で、全試料について予めこの膜厚を測定してお
く必要があり、作業が煩雑となる。

【００４１】本発明は上記の課題を解決したシリコン・
オン・インシュレータの膜厚測定方法を提供することを
目的とする。

【００４２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、Ｓｉ
基板上にＳｉＯ２　膜を有し、該ＳｉＯ２　膜上にＳｉ
膜を有するシリコン・オン・インシュレータの複数の点
で反射スペクトルを測定する工程と、該反射スペクトル
測定工程によって得た測定反射スペクトルの交点の波長
をλ１　，λ２　，ＳｉＯ２　の屈折率をｎ２　とした
場合に、λ１　λ２　／２ｎ２　（λ１　−λ２）より
、該ＳｉＯ２　膜の膜厚を計算する工程と、該ＳｉＯ２
　膜膜厚計算工程によって算出したＳｉＯ２　膜の膜厚
に対応した反射スペクトルを計算して計算反射スペクト
ルを得る反射スペクトル計算工程と、前記測定反射スペ
クトルと該計算反射スペクトルとをフィッティングして
前記Ｓｉ膜の膜厚を求めるフィッティング工程とよりな
る構成である。

【００４３】

【作用】反射スペクトル測定工程及びＳｉＯ２　膜膜厚
計算工程は、上記ＳｉＯ２　膜とＳｉ膜の両方が形成さ
れている状態で、下側層であるＳｉＯ２　膜の膜厚の測
定を可能とする。

【００４４】

【実施例】図１は本発明の張り合わせシリコン・オン・
インシュレータの膜厚測定方法の一実施例を示す。

【００４５】まず、本発明の膜厚測定方法の前提となる
図９のＳＯＩの１の特徴について説明する。

【００４６】■　　Ｓｉ膜４とＳｉ膜２とは、共にＳｉ
であり、同一物質である。■　　ＳｉＯ２　膜３の膜厚
ｌ２　は、ロット内，ロット間で２〜３％ばらつくけれ
ども、作製プロセスからして一つのＳｉ基板２上の面内
においては均一である。　　　　■　　ＳｉＯ２　膜３
は、光を吸収しない。

【００４７】■　　Ｓｉ膜４の膜厚ｌ１　は面内で不均
一である。■　　Ｓｉの屈折率ｎ１　，ＳｉＯ２　の屈
折率ｎ２　は既知である。

【００４８】本発明の膜厚測定方法は、上記の特徴を利
用したものである。

【００４９】図１中、まず第１の反射スペクトル測定工
程７０を行う。

【００５０】この工程７０においては、図２に示すよう
に、Ｓｉ基板２上にＳｉＯ２　膜３とＳｉ膜４との両方
が形成されたＳＯＩ１の第１の点Ｐ１　に光を照射させ
て、反射スペクトルを測定し、図５中、線８０で示す測
定反射スペクトルを得る。

【００５１】次に、第２の点の反射スペクトル測定工程
７１を行うこの工程７１においては、図３に示すように
、ＳＯＩ１を移動させて、第２の点Ｐ２　に光を照射さ
せて、反射スペクトルを測定し、図５中、線８１で示す
測定反射スペクトルを得る。

【００５２】次に、第３の点の反射スペクトル測定工程
７２を行う。

【００５３】この工程７２においては、図４に示すよう
に、ＳＯＩ１を移動させて、第３の点Ｐ３　に光を照射
させて、反射スペクトルを測定し、図５中線８２で示す
測定反射スペクトルを得る。

【００５４】こゝで、第１の至る第３の点Ｐ１　，Ｐ２
　，Ｐ３　についてみると、ＳｉＯ２　膜３の厚さｌ２
　は等しく、Ｓｉ膜４の厚さｌ１　は相違している。

【００５５】次に交点捜し工程７３を行う。

【００５６】この工程７３においては、線８１，８２，
８３が一緒に交わる交点（多重反射による干渉の効果が
見かけ上表われず全てのＳｉ膜４の膜厚の反射率が等し
くなる点）のうち長波長側の二点８３，８４を求める。 交点８３の波長λ２　は５８０ｎｍ，交点８４の波長λ
１　は７３０ｎｍである。次に、ＳｉＯ２　膜膜厚計算
工程７４を行う。

【００５７】こゝでは、前記の値を次式

【００５８】

【数２】

【００５９】に代入して計算し、ＳｉＯ２　膜３の膜厚
ｌ２　を求める。実際に代入して計算すると、ＳｉＯ２
　膜３の膜厚ｌ２は１．０μｍと求まる。

【００６０】次に、反射スペクトル計算工程７５を行う
。

【００６１】ＳｉＯ２　膜３の膜厚ｌ２　が求まると、
前記■式において、未知数がＳｉ膜４の厚さｌ１　のみ
になるので、段階的に定めた仮の膜厚ｌ１　毎に反射ス
ペクトルを計算して、計算反射スペクトルを求める。

【００６２】計算反射スペクトルは、例えば図６中線８
５，８６，８７で示すように求まる。

【００６３】次にフィッティング工程７６を行う。

【００６４】なお、実際にフィッティングする場合は１
０本以上必要である。こゝでは説明の便宜上簡単化して
３本について説明する。

【００６５】第１の点Ｐ１　で測定した測定反射スペク
トル８０を計算スペクトル８５，８６，８７とフィッテ
ィングする。即ち、

【００６６】

【数３】

【００６７】が最小となる計算反射スペクトル８５を求
める。

【００６８】これにより、第１の点Ｐ１　の個所のＳｉ
膜４の膜厚ｌ１−１　が求まる。

【００６９】また、図７に示すように、第２の点Ｐ２　
で測定した反射スペクトル８１を計算反射スペクトル８
８，８９，９０とフィッティングする。

【００７０】これにより計算反射スペクトル８８が求ま
り、これより第２の点Ｐ２　の個所の膜厚ｌ１−２　が
求まる。

【００７１】更には、図８に示すように、第３の点Ｐ３
　で測定した反射スペクトル８２を計算反射スペクトル
９１，９２，９３とフィッティングする。

【００７２】これにより、計算反射スペクトル９１が求
まり、これよりＳｉ膜４のうち第３の点Ｐ３　の個所の
膜厚ｌ１−３　が求まる。

【００７３】上記より分かるように、Ｓｉ膜４の形成に
先行して、ＳＩＯ２膜３を形成した段階でこのＳｉＯ２
　膜３の膜厚ｌ２　を予め測定しておく面倒がない。

【００７４】次に、上記のＳｉＯ２　膜厚計算工程７４
が上記■式に係数を代入する計算で可能となる理由につ
いて説明する。

【００７５】Ｓｉ膜４とＳｉ基板２は同一物質であり、
ｒ１２＝ｒ３２＝−ｒ２３ である。

【００７６】よって前記■式は、

【００７７】

【数４】

【００７８】となる。

【００７９】こゝで、Ｑ２　＝１となる波長では、上記
式■は Ｒ＝ｒ０１ となる。即ち、反射率ＲはＳｉＯ２　膜３の膜厚ｌ２　
及びＳｉ膜４の膜厚ｌ１　と無関係となる。

【００８０】こゝで、Ｑ２　＝１となる波長を求めてみ
る。

【００８１】まず、Ｑは次のように表わされる。

【００８２】

【数５】

【００８３】こゝで、ＳｉＯ２　膜３は光を吸収しない
ため、ｎの虚数部分は無い。

【００８４】こゝで、

【００８５】

【数６】

【００８６】となるような、波長λを考えてみる。

【００８７】この波長λでは、

【００８８】

【数７】

【００８９】以上のように、ＳｉＯ２　膜４のある膜厚
ｌ２　に対して、

【００９０】

【数８】

【００９１】が整数となる波長λで、反射率Ｒは、Ｓｉ
膜４の反射率と等価となる。

【００９２】つまり、この波長でλでは、Ｓｉ膜４の膜
厚の如何によらず、反射率は一定となり、Ｒ＝ｒ０１と
なっている。

【００９３】即ち、図５中に、Ｓｉ基板２上にＳｉＯ２
　膜３だけを形成した状態のものの測定反射スペクトル
を示すと、線１００に示すようになり、交点８３，８４
は線１００の隣り合うピークと一致する。

【００９４】このことから、ＳｉＯ２　膜３の膜厚計算
は上記式■によって可能となる。

【００９５】次に、上記の膜厚測定方法により得た膜厚
値と実際の測定した値との比較について説明する。

【００９６】実際に第１の膜のＳｉ膜が約０．３μｍ，
第２の膜ＳｉＯ２　の膜厚が約１μｍ（但し、面内では
均一）のＳＯＩを測定した。その結果、６インチウェハ
面内で９点でＳｉの膜厚が０．３１μｍ±０．０２５μ
ｍ，ＳｉＯ２　の膜厚が１．０４μｍであることがわか
った。

【００９７】後に比較のために測定したポイントの１０
０μｍ×１００μｍの領域のＳｉのみをエッチングで除
去した。そして、触針式の表面粗さ計でＳｉの膜厚を測
定した結果、各ポイントでの両者の違いは２％以内であ
った。また、エッチングしたＳｉの窓からエリプソメー
タでＳｉＯ２　膜厚を測定した結果、ＳｉＯ２　膜厚は
１０３７０Åであった。

【００９８】従って、本発明の膜厚測定方法により得た
測定値１．０４μｍとエリプソメータで測定した膜厚１
０３７０Åとの差は極く僅かであり、測定結果は高い信
頼性を有する。

【００９９】

【発明の効果】以上説明した様に、請求項１の発明によ
れば、ＳｉＯ２　膜だけを形成した段階でこの膜厚を測
定しておかなくても、ＳｉＯ２　膜とＳｉ膜の両方を形
成した状態で、ＳｉＯ２　膜の膜厚とＳｉ膜の膜厚とを
非接触，非破壊で精度良く測定することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシリコン・オン・インシュレータの膜
厚測定方法の一実施例を示す図である。

【図２】第１の点の反射スペクトル測定工程を説明する
図である。

【図３】第２の点の反射スペクトル測定工程を説明する
図である。

【図４】第３の点の反射スペクトル測定工程を説明する
図である。

【図５】第１乃至第３の点における測定反射スペクトル
を示す図である。

【図６】測定反射スペクトル８０の計算反射スペクトル
とのフィッティングを説明する図である。

【図７】測定反射スペクトル８１の計算反射スペクトル
とのフィッティングを説明する図である。

【図８】測定反射スペクトル８２の計算反射スペクトル
とのフィッティングを説明する図である。

【図９】張り合せシリコン・オン・インシュレータの構
造を示す図である。

【図１０】二層膜の膜厚測定方法を示す図である。

【図１１】一般的な二層構造を示す図である。

【図１２】反射スペクトルとの測定を説明する図である
。

【図１３】測定反射スペクトルと計算反射スペクトルと
のフィッティングを説明する図である。

【図１４】従来のシリコン・オン・インシュレータの膜
厚測定方法を示す図である。

【図１５】反射スペクトルの測定を説明する図である。

【図１６】測定反射スペクトルと計算反射スペクトルと
のフィッティングを説明する図である。

【符号の説明】

１　　張り合せシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯ
Ｉ） ２　　Ｓｉ基板 ３　　ＳｉＯ２　膜 ４　　Ｓｉ膜 ３０　　光源 ３１　　可視光線 ３２　　多重反射した光線 ３３　　ハーフミラー ３４　　回折格子 ３５　　ホトダイオードアレイ ７０　　第１の点の反射スペクトル測定工程７１　　第
２の点の反射スペクトル測定工程７２　　第３の点の反
射スペクトル測定工程７３　　交点捜し工程 ７４　　ＳｉＯ２　膜膜厚計算工程 ７５　　反射スペクトル計算工程 ７６　　フィッティング工程 ８０　　第１の点の測定反射スペクトル８１　　第２の
点の測定反射スペクトル８２　　第３の点の測定反射ス
ペクトル８３，８４　　交点 ８５〜９３　　計算反射スペクトル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　Ｓｉ基板（２）上にＳｉＯ２　膜（３
   ）を有し、該ＳｉＯ２　膜（３）上にＳｉ膜（４）を有
   するシリコン・オン・インシュレータ（１）の複数の点
   （Ｐ１　，Ｐ２　，Ｐ３　）で反射スペクトルを測定す
   る工程（７０，７１，７２）と、該反射スペクトル測定
   工程によって得た測定反射スペクトル（８０，８１，８
   ２）の交点（８３，８４）の波長をλ１　，λ２　，Ｓ
   ｉＯ２　の屈折率をｎ２　とした場合に、 λ１　λ２　／２ｎ２　（λ１　−λ２）より、該Ｓｉ
   Ｏ２　膜の膜厚を計算する工程（７３，７４）と、該Ｓ
   ｉＯ２　膜膜厚計算工程によって算出したＳｉＯ２　膜
   の膜厚に対応した反射スペクトルを計算して計算反射ス
   ペクトル（８５〜９３）を得る反射スペクトル計算工程
   （７５）と、前記測定反射スペクトル（８０〜８２）と
   該計算反射スペクトル（８５〜９３）とをフィッティン
   グして前記Ｓｉ膜（４）の膜厚を求めるフィッティング
   工程（２６）とよりなることを特徴とするシリコン・オ
   ン・インシュレータの膜厚測定方法。