JPH07260437A - 多層の薄膜積層における膜厚の測定方法およびその装置 - Google Patents

多層の薄膜積層における膜厚の測定方法およびその装置

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JPH07260437A
JPH07260437A JP6305092A JP30509294A JPH07260437A JP H07260437 A JPH07260437 A JP H07260437A JP 6305092 A JP6305092 A JP 6305092A JP 30509294 A JP30509294 A JP 30509294A JP H07260437 A JPH07260437 A JP H07260437A
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layer
thickness
reflectance
correlation
measuring
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JP6305092A
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Paul J Clapis
ポール・ジェイ・クラピス
Keith E Daniell
ケイス・イー・ダニエル
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Raytheon Co
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Hughes Aircraft Co
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、１つの層が実質的に均一の厚みを
有する２つの層の厚みを測定するシステムおよび方法を
提供することを目的とする。 【構成】 第１層40の厚み範囲に対する波長関数として
反射率理論識別特性の基準ライブラリを生成する第１手
段、各測定点の波長関数として反射率測定値を表す複数
の識別特性を生成のために第１層40表面上の複数点で第
１層40に対する波長関数として反射率を測定する第２手
段、各測定識別特性に対して最適相関を識別するために
各理論識別特性と各測定識別特性を比較する第３手段、
理論識別特性の一つと各識別特性の各最適相関に関係し
た誤差値を計算する第４手段、第２層42の実際の厚みと
仮定厚み間の相関品質尺度を生成するために理論識別特
性の一つと各識別特性の各最適相関に関係した誤差を解
析する第５手段で構成され、一層42が実質的に均一厚で
ある材料中の第１層40と第２層42の厚みを測定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、薄膜を製造するための
方法および装置に関する。特に、本発明は、薄膜の厚み
を測定するための方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】本発明は特定の適用に対する図示された
具体例に関してここに記載されているが、本発明はこれ
に限定されないことを理解すべきである。当該技術分野
における通常の技術を有し、ここに提供されている教示
を受ける者は、本発明の技術範囲内または本発明が重要
な用途を有する付加的な分野における付加的な変更、応
用、および具体例を認識するであろう。
【０００３】絶縁体上のシリコン（ＳＯＩ）半導体ウエ
ハは典型的に、２つのシリコンウエハのそれぞれ一つの
表面にシリコン二酸化膜成長させ、高い温度で２つのシ
リコン二酸化膜の表面を互いに結合させることにより製
造されたサンドイッチ構造を含んでいる。例えばシリコ
ン窒化物のような他の材料を絶縁材料に用いることがで
き、他の材料をウエハ材料に用いることができる。サン
ドイッチ構造の２つの外部シリコン表面の一つは、典型
的には機械的に削られ平均数ミクロンに研磨される。こ
の機械的な処理は残念ながら、ウエハの表面に渡ってこ
の外部シリコン層の厚みに大きな空間的変化をもたら
す。これらの空間的な変化を減らすために、ウエハ表面
全体に渡ってこの外部シリコン層厚の不均一を示す厚み
誤差マップが、引き続く製造作業すなわちマイクロ研磨
に典型的に要求される。マイクロ研磨によって表面を薄
くなめらかにすることがその後に引き続いて行われる外
部シリコン層の厚みにおける空間的な変化を測定するス
テップは、外部シリコン層全体が所望する厚みになるま
で、数回実行される必要がある。費用を低減し、生産量
を増加させるためには、６０秒でウエハ表面上の少なく
とも４００点を測定することが望ましい。
【０００４】しかしながら、現在の商業ベースによる装
置は、典型的に表面上のただ一つの点において膜厚の測
定を行う。これらの装置は単色光のビームで膜表面を局
所的に照射するために、焦点レンズまたはファイバ束を
使用する。格子またはプリズム分光が、各点における表
面スペクトル反射率を測定するために典型的に使用され
る。この表面スペクトル反射率データは、照射ビームｆ
ナンバーにより生ずる入射角の変化のために数値的に訂
正しなければならない。
【０００５】これらの商業ベースの装置は、測定装置あ
るいはウエハを制御された方法で移動させることにより
ウエハ表面全体をカバーするために拡張できる。しかし
ながら、単一の点で薄膜層の厚みを決定するためにこれ
らの装置に要求される時間は１分のオーダーである。さ
らに、少なくとも４００の測定点で膜表面全体を特徴づ
けると、効率的なウエハ生産量に典型的に許される時間
をはるかに越える。
【０００６】薄膜の厚みを測定するより早いシステムと
技術に対する技術要請が、本願の出願人に譲渡された、
アンソニー・Ｍ・レジャーによる薄膜の厚みを測定する
装置および方法と題する２つの出願中の米国特許出願、
１９９１年６月１２日出願の出願番号０７／８０４，８
７２号および１９９２年１０月１２日出願の出願番号０
７／９８７，９２６号によって扱われている。この出願
は、例えば全開口に渡ってウエハの薄膜層の厚みを効率
的に決定するための電気−光画像システムを開示してい
る。この層の厚みにおける不均一さは、ウエハ表面の全
開口に対する反射率特性を測定し、そして数値反復また
は層厚が既知である校正ウエハを使用して、この測定さ
れた反射率データを基準反射率データと比較することに
より得られる。
【０００７】ウエハ層の反射率特性を効率的に測定する
ために、フィルタされた白色光源が使用され、いくつか
の異なる波長における平行単色光ビームのシーケンスが
生成される。これらの平行単色光ビームはウエハの表面
全体上に個々に投射され、この投射された光はウエハ構
造の物理的な境界から反射されるので、この光に干渉性
の相互作用が生じる。これらの相互作用の結果として、
各投射ビームに対して、したがって各波長に対して、ウ
エハ表面上に干渉縞パターンが形成される。各干渉縞パ
ターンの反射された画像は、例えば荷電結合素子（ＣＣ
Ｄ）カメラのようなこの画像の全開口が捕らえられる検
出器アレイ上に投射される。干渉縞パターン画像は、画
像の存在に対応しているＣＣＤカメラ検出器アレイ中の
デジタル化画素により捕獲される。ウエハ表面全体の反
射率マップは、この捕獲された干渉縞パターン画像から
生成される。２πより大きい位相厚を有する外部層から
生じる厚みのあいまいさをなくすために、いくつかの反
射率マップが測定されたウエハのそれぞれから生成され
る。
【０００８】ウエハに対する基準反射率データは、理論
計算または校正ウエハを使用することにより得られる。
理論的な方法は、ウエハ材料の固有の光特性に対して仮
定された値に基づいて基準反射率特性を数値的に計算す
ることからなる。代わりに、厚みが既知の校正ウエハ
が、測定されるべきウエハを構成するために使用される
同じ材料バッチから構成される。この校正ウエハを本発
明の測定方法に用いると、基準反射率データが既知のウ
エハから得られる。測定された反射率データと基準反射
率データとの比較はコンピュータにより実行される。そ
してコンピュータはウエハの全開口に渡って、層厚のマ
ッピングあるいは層厚の不均一さのマッピングを生成す
る。
【０００９】この技術は技術水準に対して実質的な進歩
を示すが、多積層膜の測定に限定される。多積層膜に対
して、積層膜反射率はかなりの数の物理位置に対する入
射波長の関数として測定される。反射率対波長の「識別
特性」は、それぞれが積層中の一層のわずかに異なる厚
みに対する理論予測から生成されている識別特性の「ラ
イブラリ」と比較される。ライブラリは本質的に一層の
厚みの理論予測に基づいたデータ列である。ライブラリ
は通常、積層中の他のすべての膜に対して固定された厚
みで生成される。このライブラリに対して最もよく一致
するものは、最小二乗誤差を最小にすることによって決
定される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】この技術を使用する
と、薄膜の２つの層の厚み測定には反射屈折率ｎに対す
る１つの層の厚みと２つの層に対する虚数反射屈折率ｋ
とが既知であることが要求される。残念ながら、多くの
適応において、両方の層の厚みが分からない多積層膜中
の２つの隣接した薄膜層の厚みを測定するシステムおよ
び技術に対する技術的要請がある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】この技術的要請は、層の
一つが実質的に均一な厚みを有していると仮定されてい
る材料の２つの層の厚みを測定するための本発明のシス
テムおよび技術によって解決される。新たな方法はつぎ
のステップを含む。 ａ）第２層の第１の仮定された厚みに基づいて、第１層
の厚みの範囲に対する波長の関数として反射率の理論識
別特性の第１の基準ライブラリを生成する。 ｂ）各測定された点における波長の関数として反射率の
測定された値を表わす複数の識別特性を生成するため
に、第１層の表面上の複数の点において第１層表面の関
数として反射率を測定する。 ｃ）各測定された識別特性に対して関連した最適相関を
識別するために、測定された識別特性のそれぞれと第１
の基準ライブラリ中の理論識別特性のそれぞれとを比較
する。 ｄ）基準ライブラリ中の理論識別特性の一つと各識別特
性との各最適相関に関係する誤差を計算する。 ｅ）第２層の実際の厚みと第２層の第１の仮定された厚
みとの間の相関品質の第１の尺度を生成するために、基
準ライブラリ中の理論識別特性の一つと各識別特性との
各最適相関に関係する誤差を分析する。 ｆ）第２層の複数の関係した仮定された厚みに基づい
て、第１層の厚みの範囲に対する波長の関数として反射
率の理論識別特性の複数の基準ライブラリを生成する。 ｇ）各基準ライブラリに関連してそれぞれの測定された
識別特性に対する関係した最適相関を識別するために、
第２層の各仮定された厚みに関係した基準ライブラリ中
の各理論識別特性と測定された各識別特性とを比較す
る。 ｈ）各基準ライブラリ中の理論識別特性の一つと各識別
特性との各最適相関に関係した誤差を計算する。 ｉ）第２層実際の厚みと第２層の各仮定された厚みとの
間の相関品質の尺度を生成するために、各基準ライブラ
リ中の理論識別特性の一つと各識別特性との各最適相関
に関係した誤差を分析する。 ｊ）第２層の厚みに最も近い推定値を表わす最適基準ラ
イブラリを識別するために、第２層の実際の厚みと第２
層の各仮定された厚みとの間の相関品質の尺度を比較す
る。 ｋ）最適基準ライブラリの識別特性に対する各測定され
た識別特性の最適相関に基づいて、第１層の厚みを決定
する。
【００１２】図示されている具体例では、基準ライブラ
リ中の理論識別特性の一つと各識別特性との各最適相関
に関係した誤差を計算するステップは、最小二乗誤差の
計算ステップを含む。さらに図示されている具体例で
は、第２層の実際の厚みと第２層の仮定された厚みとの
間の相関品質の尺度を生成するために基準ライブラリ中
の理論識別特性の一つと各識別特性との各最適相関に関
係した誤差を解析するステップは、最小二乗誤差の平均
を計算するステップを含む。さらに図示された具体例で
は、第２層の厚みに最も近い推定値を表わす最適基準ラ
イブラリを識別するために第２層の実際の厚みと第２層
の仮定された厚みのそれぞれとの間の相関品質の評価を
比較するステップは、第２層の複数の関係する仮定され
た厚みに基づいて第１層の厚みの範囲に対する波長の関
数として反射率の理論識別特性の複数の基準ライブラリ
に関係した値の範囲でいつ平均最小二乗誤差が最小にな
るかを決定するステップを含む。
【００１３】
【実施例】ウエハ24の層の厚みを測定するための電気−
光システムが図１に示されている。この記載をするため
に、ＳＯＩ半導体ウエハ24の外部シリコン層の測定が示
されている。
【００１４】白色光源が、ハロゲンランプ10と集光レン
ズ12とによって照明された円形開口14に存在するように
供給されている。開口14を通過する光は、平行光のビー
ム15を形成するためにコリメータレンズ16に入射する。
開口14の大きさは光学システムの平行光部分の画角を定
め、その方向は開口画像がＳＯＩウエハ24に投射される
ように選択される。集光レンズ12は光ファイバによる光
誘導に置き換えることができる。
【００１５】白色光源は、狭いバンドフィルタ17の系に
よってスペクトル的にフィルタされ、通常３０ないし５
０オングストロームのハーフバンド幅の平行ビーム15と
される。フィルタ17の系は回転するフィルタ回転組部品
18の表面周辺に配置される。これにより平行単色光の対
応する系が形成される。これらの平行単色光ビーム19の
波長は、典型的には５５０ｎｍないし９５０ｎｍの範囲
である。平行光15の部分におけるフィルタ回転組部品18
の位置決めは、開口14の大きさによって定められる画角
により生じたフィルタされたビーム19のスペクトルの広
がりを最小にする。一組の電気信号32がデジタル化回路
34に対する時間基準33として役立つようにフィルタ回転
組部品18により発生される。これらの信号の一つはフィ
ルタ回転運動の始まりを示し、一方他の信号は各フィル
タ期間の始まりを示す。
【００１６】第２のコリメータレンズ20は、第３のコリ
メータレンズ22の焦点面上の点21あたりに開口14の単色
画像を形成する。この第３のコリメータレンズ22は１０
０ミリメータの直径を有するＳＯＩウエハ24の全開口を
照射する平行ビーム23を生成する。また、このウエハ照
射技術を直径１５０ミリメータのウエハないし直径２０
０ミリメータのウエハへ拡張する場合は、第３のコリメ
ータレンズ22の大きさがウエハの大きさに一致すること
が必要である。異なる波長間のモノクロメータの回転速
度が、２０までの異なる波長に対して波長当たり１秒以
下であるくらい十分高いならば、モノクロメータを、ハ
ロゲンランプ10、集光レンズ12、第１と第２の２つのコ
リメータレンズ16、20、および狭いバンド幅のフィルタ
回転組部品18の代わりに置き換えることができる。
【００１７】図２を参照すると、ＳＯＩ半導体ウエハ24
の断面図が示されている。ウエハ24は、機械的に研磨さ
れている外部シリコン層40、内部シリコン酸化膜42およ
びシリコンウエハ基板44から構成されているサンドイッ
チ構造に形成されている。このサンドイッチ構造は、外
部シリコン層40に入射する光が反射する３つの境界面4
6、48、50を形成する。これらの境界面46、48、50の反
射率特性は、ＳＯＩウエハ24のそれぞれの層40、42、44
における半導体材料の固有の光学および物理特性に基づ
いている。これらの特性は、材料層40、42、44の吸収係
数α、反射屈折率ｎ、および厚みｔからなる。ＳＯＩウ
エハに対して、ＳｉＯ2 層42の吸収係数αはゼロである
と仮定される。しかしながら、もし吸収係数が既知であ
れば、一般的に吸収係数はゼロでないとしてもよい。
【００１８】ＳＯＩウエハの表面46がビーム23からの平
行単色光で照射された場合、この光がＳＯＩ構造24の３
つの材料境界面46、48、50の間で反射するので、干渉性
の相互作用の系が発生する。これらの相互作用は、ウエ
ハ表面上に観察できる波長に従属した干渉パターンを生
成する。ウエハ上の任意の点における反射率は３つの表
面間の多重反射によって、またαを各層の吸収係数を表
わすとして、基板の特性ｎs 、αs はもちろん、それら
の物理特性の大きさｎ1 、α1 、ｔ1 、およびｎ2 、α
2 、ｔ2 によって定まる。ＳＯＩウエハ構造の場合、両
方とも単一の結晶シリコンから製造されるため、基板の
屈折率は外部膜の屈折率と一致する（ｎs ＝ｎ2 、αs
＝α2 ）。任意の波長におけるウエハ反射率は、他のす
べてのパラメータが既知である場合、外部膜の厚みの関
数として明確に計算することができる。しかしながら、
単一の測定された反射率から厚みを計算する反対の問題
はあいまいである。このあいまいさは、外部膜の厚みが
増加するにしたがって、位相厚み（ｎ2 ｔ2 ）として最
大と最小の間で測定された反射率サイクルがπ／４の倍
数で増加するという事実によって生じる。この倍数値問
題は明らかに、単一屈折率の測定からｔ2 の値を計算す
ることを不可能にする。倍数波長の測定を使用すると、
原理的には倍数値問題は解決するが、材料特性の波長従
属特性は非常が正確に知られていなければならず、そう
でなければ厚みの計算に大きな誤差が生じる。
【００１９】別の方法は統計的なものであり、いくつか
の波長において測定された反射率データが、最小二乗誤
差の大きさの程度に基づいて、同じ波長において計算さ
れたスペクトルデータのライブラリと比較される。ＳＯ
Ｉウエハの場合、スペクトルのライブラリは外部膜厚の
すべての値に対して計算され、最小二乗誤差を最小にす
る外部膜厚を選択することにより選択が行われる。これ
は一つの層、典型的に最上層を除くすべての層の厚みが
既知である場合に対してである。
【００２０】図１に戻って参照すると、干渉縞パターン
の平行光画像はＳＯＩウエハ24の表面で反射され、第３
のコリメータレンズ22を通過して戻る。この第３のコリ
メータレンズ22は偏軸している鏡26上に反射縞パターン
の集光画像を投射する。この鏡26は焦点21における開口
画像の位置に並んで、第３のコリメータレンズ22の焦点
面上の点25に配置される。これらの２つの焦点21、25の
分離は、焦点レンズ12および第１と第２の２つのコリメ
ータレンズ16、20の光軸に関して第３のコリメータレン
ズ22の光軸をわずかに横方向にシフトさせることによっ
て制御できる。同様に、ウエハ24を１度以下のわずかな
角度傾けると、これと同じ効果が達成される。この画像
分離は光損失を伴う金属被覆を含むビームスプリッタの
使用を避ける。
【００２１】偏軸した鏡26は、ウエハ24から反射された
縞パターン画像を最後のコリメータレンズ28に向けるた
めに使用される。この最後のコリメータレンズ28は、縞
パターンの画像を含んでいる平行ビーム29をＣＣＤカメ
ラ検出器アレイ31に投射する。ウエハ24を照射している
平行ビーム23における画角よりも約１５倍大きい画角が
狭いバンドフィルタによって許容されるとすれば、フィ
ルタ回転組部品18はまたこの平行ビーム29に配置するこ
とができる。
【００２２】反射された縞パターン画像をＣＣＤカメラ
検出器アレイ31に供給する別の方法が、図１の点線ブロ
ック61に示されている。同軸ビームスプリッタ60はフィ
ルタ回転組部品18が位置している平行光ビーム部分19に
配置されている。ビームスプリッタ60は第２のコリメー
タレンズ20から平行縞パターン画像を受け、この平行ビ
ームの部分62を最後のコリメータレンズ64に反射する。
この最後のコリメータレンズ64は縞パターン画像をＣＣ
Ｄカメラ検出器アレイ31上に集める。この別の方法は、
ビームスプリッタに固有の光損失を生じるが、偏軸して
いるＳＯＩウエハ24から反射された平行光ビーム23にお
いて画角誤差を生じる画像分離を必要としない。画角が
狭いバンドフィルタ17によって許容されるならば、前の
方法によって、フィルタ回転組部品18はビームスプリッ
タ60によって反射された平行ビーム62中に配置される。
【００２３】ＣＣＤカメラ30に反射された縞パターン画
像を供給するのに使用される方法は、第３のコリメータ
レンズ22の光学性能にかなり依存して決定される。偏軸
している鏡を使用する方法の場合、第３のコリメータレ
ンズ22の光学設計は、光学的に偏軸している性能品質を
有し、最小の輻射色歪み効果を奏しなけらばならない。
光学的偏軸している性能は、平行光ビーム23がＳＯＩウ
エハ24の偏軸している不均一表面から反射されている時
に生じる画角に関係した歪み効果を最小にする。また、
ＣＣＤカメラ検出器アレイ31における一定した縞パター
ン画像の大きさに対する必要性は、入射単色光の波長領
域に渡って輻射色歪みの補正を要求する。しかしなが
ら、同軸ビームスプリッタ方法を使用する場合、同軸Ｓ
ＯＩウエハ表面46から反射された平行光ビーム23内に生
じた画角が無視できるので、輻射色歪みの補正の必要性
だけが適用される。したがって、戻ってきた縞パターン
の画像が第３のコリメータレンズ22による最適下限の偏
軸性能のために歪んだ場合、偏軸している鏡の方法は適
切でなく、同軸ビームスプリッタ60が使用されるべきで
ある。
【００２４】図３を参照すると、ＣＣＤカメラ検出器ア
レイ31が、その表面に投射された、縮小されたＳＯＩウ
エハの輪郭52、一組の基準調整画像54、および一組の基
準反射画像56とともに示されている。これらの基準画像
は、ＳＯＩウエハ24の表面と同じ平面に沿って基準調整
マークおよび基準反射表面を配置することにより形成さ
れる。第３のコリメータレンズ22からの平行光ビーム23
で照射される場合、これらの基準はそれらの表面から反
射をもたらす。ＳＯＩウエハ縞パターンと同様に、これ
らの反射された基準の画像は第３のコリメータレンズ22
を通って戻り、ＣＣＤカメラ検出器アレイ31上に等しく
投射される。基準調整マークはウエハの位置調整の助け
となり、基準反射表面は実際のウエハ反射率が計算でき
る場合ＣＣＤ信号を標準化するのに役立つ。他のウエハ
位置調整技術が、この技術の範囲から逸脱することなく
使用できる。
【００２５】図１に戻って参照すると、最後のコリメー
タレンズ28によって形成された平行ビーム29は反射され
た縞パターンの画像を含む。この画像はＣＣＤカメラ検
出器アレイ31に投射され、ＣＣＤカメラ30によって捕獲
される。反射率マップは、投射された縞パターン画像に
対応しているデジタル化されているＣＣＤ画素信号によ
って、デジタル化回路で生成される。この生の反射率デ
ータは、画素の感度変化を除くため標準化され、また引
き続いて行われる化学的なマイクロ研磨処理の空間的な
制限に一致させるために、画素のブロックに渡って信号
を平均することによって大きさが減らされる。ＳＯＩウ
エハ24の外部シリコン層の厚みｔ2 を定める場合、数値
計算方法もしくはＳＯＩ校正ウエハが使用される。これ
らの方法の両方ともコンピュータ36の使用を必要とす
る。
【００２６】外部シリコン層の厚みｔ2 を定める数値的
な方法は、薄膜定数ｎ1 、α1 、ｔ1 、ｎ2 、α2 、ｎ
3 およびα3 に対する値の仮定と、フィルタされた白色
光源によって生成された単色光に対応している一組の波
長に対するスペクトル反射率の計算とからなる。この計
算は多くの異なる外部層の厚みｔ2 に対してなされ、最
初の薄膜定数の仮定が正しいのであれば、一度だけ計算
すればよいだけである。この計算は、外部シリコン層の
最も薄いものから最も厚いものまでの推定値の範囲の厚
みに対して一組の反射率の値Ｒc （λ1 、λ2 、………
λn 、ｔ 2）を生じる。これらの計算されたスペクトル
反射率は基準ライブラリに記憶され、そしてつぎの式で
表わされる平均二乗の評価関数を使用して、ウエハ上の
特定点において測定された反射率データＲm （λ1 、λ
2 、………λn 、ｔ 2）と比較される。
【００２７】
【数１】 この評価関数は、最小値または最も近い厚みを示すもの
である最もよく一致するものが見つかるまでｔ2 の異な
る値に対して評価される。もし望まれるのであれば、他
のパターン一致評価関数を用いることができる。
【００２８】仮定された薄膜定数のいずれかにおける未
知の変化により、外部層の厚み誤差として誤差が計算処
理中において伝達される。このような第１次の誤差源
は、ウエハ開口に渡ってＳｉＯ2 の内部膜厚ｔ1 および
シリコンの反射屈折率ｎ1 の分散効果の情報がないこと
を含む。もし評価関数の値が非常に大きい場合、あまり
一致していないことを示し、外部シリコン層40およびシ
リコン基板44それぞれの吸収係数α2 、α3 および反射
屈折率ｎ2 、ｎ3 、ないしＳｉＯ2 層42の反射屈折率ｎ
1 および厚みｔ1 について反復されて、新たに計算され
たスペクトル反射率が厚みｔ2 に対するさらに近い一組
として生成される。
【００２９】簡単にいえば、他の層の厚みが既知である
積層中の材料の層厚を決定するための上述した技術はつ
ぎの通りである。第１に積層膜の反射率が、非常に多く
の物理的な位置に対して入射波長の関数として測定され
る。そして反射率対波長の「識別特性」が、それぞれが
積層中の一つの層のわずかに異なる厚みに対する理論的
な予測から生成された識別特性のライブラリと比較され
る。「識別特性」は、単に、入射光の複数の離散波長に
対するウエハ上の一つの物理点の反射率を表わす一組の
数である。ライブラリは通常、積層中の他のすべての膜
に対して固定された厚みで生成される。このライブラリ
に最も一致するものは、それらの最小二乗誤差を最小に
することにより決定される。ライブラリは、端から端ま
で、すなわち最も小さいものから最も長いものまでの、
記憶された膜厚を表わす識別特性のシーケンスとして構
成される。図示されている具体例では、各識別特性は同
じ長さであり、したがって、膜内の位置もしくは変位を
計算することにより、ファイル中の任意の識別特性を得
ることができる。しかしながら、この教示によると、識
別特性は異なる長さでもよい。
【００３０】いずれにしても、本発明は薄膜材料の２つ
の層の厚みを同時に決定するための方法を提供すること
によりこの技術を拡張する。本発明によると、層の一つ
は他のものに比較して実質的に均一の厚みであると仮定
される。他の層は厚みがかなり変化してもよい。
【００３１】したがって、本発明の技術はつぎの通りで
ある。第１に反射率対波長の基準ライブラリが積層中の
１層の膜の例えば１０００の厚みの範囲に対して生成さ
れる。第２層42の厚みが均一であるとして仮定され、ま
た積層の反射率を理論的に計算するために任意の値であ
るがもっともらしい値に固定される。そして、反射率対
波長の実験データが積層上の非常に多くの点（例えば、
１０００）において獲得され、各識別特性がライブラリ
と一致させられる。ライブラリ中の各記憶値と測定され
た識別特性との間の最小二乗誤差が生成される。そし
て、各識別特性のライブラリに最も一致するものから平
均最小二乗誤差が計算される（当業者は平均最小二乗誤
差以外の技術が識別特性とライブラリの一致を推定する
のに使用できることを認識するだろう。例えば、ｋ番目
に近い値と最尤推定技術がこの目的のために使用でき
る。）。この平均最小二乗誤差は、第２層42の実際の厚
みがどの程度基準ライブラリを生成するために選択され
た任意の値に一致するかを知る固有の尺度である。
【００３２】わずかに異なる厚みが第２層42に対して選
択され（例えば、Δｔ＝０．０１μｍ）、新しい理論的
なライブラリが生成される。平均最小二乗誤差が再度決
定される。第２層42の推定された厚みが積層膜中の第２
層42の実際の厚みに近づくと、平均最小二乗誤差は最小
値に近づく。反復により最小値が見つけられると、最適
ライブラリが第２層42の厚みに最も近い推定値を表わ
す。その後、各実験識別特性の最もよく一致するもの
が、各点における第１層40の厚みをもたらす。
【００３３】図４はＳＯＩウエハ中の推定された酸化物
の厚みの関数として平均最小二乗誤差をグラフ化したも
のである。最小値は、酸化物（第２層）の０．１μｍ厚
に対して生じている。
【００３４】手順は２次元最適化として考えることがで
きる。これは、各パラメータ（例えば、２つの層の膜
厚）は基準ライブラリ中で独立に変化するという事実に
基づいている。光学的に透過性の積層膜の場合、所定の
実験識別特性に対して一致する最もよいライブラリの決
定にあいまいさがある。このあいまいさは、一部には層
の一つ（例えば、第１層40）の厚みが変化するときの多
層膜積層からの正味の反射率の周期特性から生じる。第
１層40の変化する厚み（および所定の波長に対する反射
率の付随的な変化）は、あいまいさを「排除する」傾向
があるが、本発明は、第２層42の一定した均一性が積層
上の各位置の識別特性に対して同じ寄与を生じるので、
このあいまいさにかかわらず動作することは明らかであ
る。結論は、個々の実験識別特性は基準ライブラリ中の
候補値に正確に一致しないけれども、統計的には第２層
42の厚みの評価が実際の厚みに近づくにしたがって、平
均最小二乗誤差は最小値に向かう傾向がある。
【００３５】このように、本発明は特定の適用に対して
特定の具体例を参照してここに記述されている。当該技
術分野で通常の知識を有し、本発明の技術の教示を受け
る当業者は、発明の技術範囲を逸脱することなく付加的
な変更、応用および具体例を認識するであろう。例え
ば、本発明は厚み測定に使用することに限定されない。
本発明の技術は、厚みが基準ライブラリ中一定に保たれ
ている場合に狭い範囲の屈折率に渡って反復をすること
により膜の反射屈折率の決定に拡張し、使用することが
できる。
【００３６】したがって、添付された請求の範囲によっ
て、本発明の技術的範囲を逸脱することなくそのような
応用、変更および具体例の任意のまたはすべてを包含す
るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ウエハ層の厚みを測定する装置の概略図。
【図２】ＳＯＩ半導体ウエハの断面図。
【図３】ウエハ画像の輪郭といくつかの基準表面画像の
輪郭とを示すＣＣＤカメラ検出器アレイの平面図。
【図４】ＳＯＩウエハにおける推定された酸化物の厚み
の関数として平均最小二乗誤差をグラフにした図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ケイス・イー・ダニエル アメリカ合衆国、コネチカット州 06850、 ノーウォーク、ベイル・ストリート ９

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 一つの層が実質的に均一の厚みを有して
    いる材料中の第１および第２層の厚みを測定するシステ
    ムにおいて、 前記第２層の第１の仮定された厚みに基づいて、前記第
    １層の厚みの範囲に対する波長の関数として反射率の理
    論識別特性の第１の基準ライブラリを生成する第１の手
    段と、 測定された各点における波長の関数として反射率の測定
    された値を表わす複数の識別特性を生成するために、前
    記第１層の表面上の複数の点において前記第１層に対す
    る波長の関数として反射率を測定する第２の手段と、 各測定された識別特性に対して関連した最適相関を識別
    するために、前記第１の基準ライブラリ中の前記理論識
    別特性のそれぞれと前記測定された識別特性のそれぞれ
    とを比較する第３の手段と、 前記基準ライブラリ中の前記理論識別特性の一つと各識
    別特性との各最適相関に関係した誤差値を計算する第４
    の手段と、 前記第２層の実際の厚みと前記第２層の第１の仮定され
    た厚みとの間の相関品質の第１の尺度を生成するため
    に、前記基準ライブラリ中の前記理論識別特性の一つと
    各識別特性との各最適相関に関係した誤差値を解析する
    第５の手段とを具備する厚みを測定するシステム。
  2. 【請求項２】 前記第２層の複数の関係した仮定された
    厚みに基づいて、前記第１層の厚みの範囲に対する波長
    の関数として反射率の理論識別特性の複数の基準ライブ
    ラリを生成する第６の手段をさらに具備する請求項１記
    載の厚みを測定するシステム。
  3. 【請求項３】 前記第２層の各関係した仮定された厚み
    に基づいて、測定された各点における波長の関数として
    反射率の測定された値を表わす複数の識別特性を生成す
    るために、前記第１層の表面上の複数の点において前記
    第１層に対する波長の関数として反射率を測定する第７
    の手段をさらに具備する請求項２記載の厚みを測定する
    システム。
  4. 【請求項４】 各基準ライブラリに関係してそれぞれ測
    定された識別特性に対する関係した最適相関を識別する
    ために、前記第２層の各仮定された厚みに関係した前記
    基準ライブラリ中の前記理論識別特性のそれぞれと前記
    測定された識別特性のそれぞれとを比較する第８の手段
    をさらに具備する請求項３記載の厚みを測定するシステ
    ム。
  5. 【請求項５】 前記各基準ライブラリ中の前記理論識別
    特性の一つと各識別特性との各最適相関に関係した誤差
    値を計算する第９の手段をさらに具備する請求項４記載
    の厚みを測定するシステム。
  6. 【請求項６】 前記第２層の実際の厚みと前記第２層の
    各仮定された厚みとの間の相関品質の尺度を生成するた
    めに、前記各基準ライブラリ中の前記理論識別特性の一
    つと各識別特性との各最適相関に関係した誤差値を解析
    する第１０の手段をさらに具備する請求項５記載の厚み
    を測定するシステム。
  7. 【請求項７】 前記第２層の厚みの最も近い推定値を表
    わす最適基準ライブラリを識別するために、前記第２層
    の実際の厚みと前記第２層の各仮定された厚みとの間の
    相関品質の尺度を比較する第１１の手段をさらに具備す
    る請求項６記載の厚みを測定するシステム。
  8. 【請求項８】 前記最適基準ライブラリの識別特性に対
    する各測定された識別特性の最適相関に基づいて、前記
    第１層の厚みを決定する第１２の手段をさらに具備する
    請求項７記載の厚みを測定するシステム。
  9. 【請求項９】 前記基準ライブラリ中の前記理論識別特
    性の一つと各識別特性との各最適相関に関係した誤差値
    を計算する前記第４および前記第９の手段は、最小二乗
    誤差を計算する手段を含んでいる請求項８記載の厚みを
    測定するシステム。
  10. 【請求項１０】 前記第２層の実際の厚みと前記第２層
    の仮定された厚みとの間の相関品質の尺度を生成するた
    めに、前記基準ライブラリ中の前記理論識別特性の一つ
    と各識別特性との各最適相関に関係した誤差値を解析す
    る前記第５および前記第１０の手段は、前記最小二乗誤
    差の平均を計算するための手段を含んでいる請求項９記
    載の厚みを測定するシステム。
  11. 【請求項１１】 前記第２層の厚みの最も近い推定値を
    表わす最適基準ライブラリを識別するために、前記第２
    層の実際の厚みと前記第２層の各仮定された厚みとの間
    の相関品質の尺度を比較する前記第１１の手段は、前記
    第２層の複数の関係した仮定された厚みに基づいて、前
    記第１層の厚みの範囲に対する波長の関数として反射率
    の理論識別特性の前記複数の基準ライブラリに関係した
    前記平均最小二乗誤差の値に渡って前記平均最小二乗誤
    差がいつ最小に近づくかを決定する手段を含んでいる請
    求項８記載の厚みを測定するシステム。
  12. 【請求項１２】 一つの層が実質的に均一の厚みを有し
    ている材料の第１および第２層の厚みを測定する方法に
    おいて、 前記第２層の第１の仮定された厚みに基づいて、前記第
    １層の厚みの範囲に対する波長の関数として反射率の理
    論識別特性の第１の基準ライブラリを生成し、 前記第２層の仮定された厚みに基づいて測定された各点
    における波長の関数として反射率の測定された値を表わ
    す複数の識別特性を生成するために、前記第１層の表面
    上の複数の点において前記第１層に対する波長の関数と
    して反射率を測定し、 各測定された識別特性に対して関連した最適相関を識別
    するために、前記第１の基準ライブラリ中の前記理論識
    別特性のそれぞれと前記測定された識別特性のそれぞれ
    とを比較し、 前記基準ライブラリ中の前記理論識別特性の一つと各識
    別特性との各最適相関に関係した誤差値を計算し、 前記第２層の実際の厚みと前記第２層の第１の仮定され
    た厚みとの間の相関品質の第１の尺度を生成するため
    に、前記基準ライブラリ中の前記理論識別特性の一つと
    各識別特性との各最適相関に関係した誤差値を解析する
    ステップを含む厚みを測定する方法。
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