JPS61111407A - 付着層の厚さ測定法 - 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】 この発明はフーリエ分光法における干渉信号ｅ−−−゛
　　　を利用したエピタキシャル成長層のような付着層
の厚さ測定法に関する。

フーリエ分光法は、例えばシリコン単結晶基板上のエピ
タキシャル成長層の厚さ測定やシリコン単結晶基板中の
炭素濃度測定などに利用される。

この場合、被測定物からの透過光又は反射光は、マイケ
ルソン干渉計の固定鏡と駆動鏡とに導びかれ、干渉光と
される。

エピタキシャル成長層の厚さは、このエピタキシャル成
長層を透過した光とそうでない光とに光路差ができ、こ
の２つの光の干渉光強度にピークを生じる駆動鏡の位置
が上記光路差に対応して変化するので、駆動鏡の位置を
変化させたときの干ｌ　　　　　渉光強度の変化特性に
基づ“て測定することができる。

上記のような測定において、干渉光強度は光電変換手段
によシミ気信号として検出される。また駆動鏡の位置は
電気的に検出される。

この場合、干渉光強度を示す電気信号には、種々の外乱
によって生ずるノイズが加わる。また、温度変動等が起
ると、干渉計を構成する材料の熱膨張等により機械的歪
が生じ、駆動鏡の位置に応じて光電変換手段の受光量が
不所望に変化する。

その結果、干渉光強度を示す電気信号が歪む。上記のノ
イズや歪によって測定誤差が生じることになる。

上記の外乱等によって生ずるノイズは、干渉光強度の変
化特性に対し相関性が無いので、検出を複数回繰り返え
し、その複数回の信号を加算して行く積算回路を使用し
て実質的に除去することができる。

しかしながら、上記の歪は、上記のような加算を行なっ
ても実質的に除去することができない。

また上記のように加算によシノイズを除去する場合、そ
の回数を多くすると、潰１ｉ定のために長時この発明の
給寺目的は、エピタキシャル成長層のような付着層の厚
さ測定に好適な方法を提供するにある。

この発明においては、干渉光の相対強度が最大となる駆
動鏡の位置を規準位置とし、この規準位置から等距離の
前後の位置における電気信号レベルを相互に加算するこ
とによって補正された電気信号を得る。

光！変換手段によって電圧信号に変換された干渉光の相
対強度は例えば第１図Ａの実線のように変化する。なお
、同図で横軸はマイケルソン干渉計の、駆動鏡の位置に
対応し、縦軸は電圧信号レベルに対応する。干渉計に温
度変動等による歪のない場合の望ましい信号レベルを破
線で示している。

上記電圧信号の規準位ｌは、そのレベルが最大を以下余
白 示す位置に設定される。この電圧信号の規準位置は駆動
鏡の規準位置と対応する。

マイケルソン干渉計の機械歪によって生ずる歪は、規準
位置の前方と後方で実質的に逆となる。

例えば第１図Ａにおいて前方の歪Ｓ０と後方の歪Ｓ、′
の相互、歪Ｓ、と歪３．／の相互等は逆である。

そのため、第１図Ａにおいて規準位置（ｘ＝Ｏ）から互
いに等、しい距離の前方の信号と後方の信号とを互いに
加算することにより得る信号は、第１図Ｂに示すように
実質的に歪の除去されたものとなる。

第２図Ａに示すように、信号にノイズが含まれている場
合、このノイズが前記のように信号に対し相関性を示さ
ないので、上記のような加算によって得られる信号にお
けるノイズの相対レベルは第２図Ｂに示すように実質的
に半減する。

上記のように、加算により補正された電気信号を得るた
めに、マイケルノン干渉計の駆動鏡のそれぞれの位置に
おける干渉光強度を記憶手段に記憶させ、この記憶手段
に記憶された記憶値と新らたな測定によシ得られる測定
値とを使用し、例えば規準位置よシ前方の記憶値と規準
位置より後方の測定値とを加算することができる。

また、記憶手段に記憶された１種類の記憶値を使用し、
規準位置の前方と後方の記憶値の相互を加算することが
できる。このように１種類の記憶値を利用する場合は、
測定のために要する時間が短くて良い。

上記の補正された電気信号が上記のように実質的に歪を
含まずしかも小さいノイズしか含まないので、この補正
された電気信号と他の電気信号とを使用して特定部分を
強調するような演算処理が充分にできるようになる。こ
のような演算処理は、例えば次に実施例で示すような薄
いエピタキシャル成長層の厚さ測定のために使用される
。

第３図は実施例のブロック図を示している。同図におい
て、Ｌは４００〜４０００　ｏｎ−’の赤外光を１　　
　　　　出力する光源でおる。光源りからの赤外線は反
射鏡Ｍ１ないしＭ３を介してシリコンウェハ１０に照射
され、このシリコンウェハｌＯからの反射光は反射鏡Ｍ
４ないしＭ６を介してマイケルノン干渉計１に導かれる
。

マイケルソン干渉計１は半透鏡ＨＭ、固定鏡ＦＭ及び制
御装置４によって駆動される駆動鏡ＤＭから成る。

上記マイケルノン干渉計１からの干渉光は光電変換装置
ＤＥＴに導かれ、アナログ量としての電気信号に変換さ
れる。

上記光電変換装置ＤＥＴのアナログ電気信号は、後述す
る演算処理を容易にするだめにアナログ・ディジタル変
換回路２によってディジタル信号に変換され、インター
フェース回路８を介して計算機５に人力する。

計算機５は、演算及び制御装置５１と記憶装置５２とを
含み、上記インターフェース回路３からのディジタル信
号を記憶装置５２に記憶させる。

また上記制御装置４を制御し、演算結果を表示装置６に
表示させる。

シリコンウェハ１０の表面には第４図に示すように厚さ
ｄのエピタキシャル成長層１１が形成されている。

エピタキシャル成長層１１に対し、シリコンウェハ１０
の不純物濃度が高いと、エピタキシャル成長層１１を透
過した光を、シリコン９エノ−１０の表面で反射させる
ことができる。使用されるシリコンウェハ１０は例えば
アンチモンを１０１８個／ｃｃ以上含むＮ型とされる。

エピタキシャル成長層１１はＮ型でもＰ型でも良いが例
えばリンを１０１′〜１０１６個／ｃｃ含むＮ型とされ
る＝反射鏡、６１ａ（第８図）からの赤外線２０は、第
４図に示すように、−万ではエピタキシャル成長層１１
０表面で反射した反射光２１となり、他方ではエピタキ
シャル成長層１１とシリコンクエバｌＯとの界面で反射
した反射光２２となる。

マイケルソン干渉計１において、駆動鏡ＤＭの位置に応
じて反射光２１と２２のそれぞれの干渉と反射光２１と
２２の相互の干渉とによって決まる強度の干渉光が得ら
れる。

光電変換装置ＤＥＴから得られる電圧信号の相対レベル
は、駆動鏡ＤＭの位置を変化させることによって第５図
Ａのように変化する。

半透鏡ＨＭから固定鏡までの光路を１２、距離をＪ工と
し、半透鏡ＨＭから駆動鏡Ｄ　Ｍまでの光路を１３、距
離を！２とした場合、−ｅｘ　＝−ｅｘのとき光路１２
と１３を通る反射光２１．２２の干渉による干渉光の強
度は最大となる。

光路１２を往復する距離と光路１３を往復する距離との
差によって決まる光路差２１４．　　Ａ２１が使用する
赤外線の半波長に等しくなるように駆動鏡ＤＭの位置が
上記の最大の位置からずれると、得られる干渉光の強度
は極小となる。光路差２１２□−Ｊ２１が使用赤外線の
１波長ずれると干渉光強度は極大となる。

マイケルソン干渉計１における反射光２１と２２の相互
の干渉によって干渉光強度の極太、極小レベルは上記光
路差２１４．　４．ｌの増加に伴って減小し、再び増加
する。

シリコンの屈折率をｎ、屈折角をｒ、エピタキシャル成
長層１１の厚さをｄとすると、上記反射光２１と２２と
の光路差は、２ｎｄｃｏｓｒとなる。

マイケルノン干渉計１の光路差２　ｌ　４．−４□１が
反射光２１と２２の光路差２ｎｄｃｏｓｒに等しくなる
と干渉光強度の極太もしくは極小レベルは第２の最大値
となる。

すなわち、石、＝２□−ｎｄｃｏｓｒのとき遅れている
反射光２２が光路１３を通シ、進んでいる反射光２１が
光路１２を通ることによシ、干渉光強度の極大もしくは
極小レベルが再び最大となる。

また！□＝　４　、−）−ｎ　ｄ　ｃ　ｏ　ｓ　ｒ　の
とき遅れている反射光２２が光路１２を通り、進んでい
る反射光２１が光路１８を通ることにより同様に極大も
しくは極小レベルが再び最大となる。

エピタキシャル成長層１１の厚さ測定においては、先ず
、計算機５によって制御装置４が動作させられ、この制
御装置４によって駆動鏡ＤＭが駆動される。本質的では
無いが、制御装置４は、駆動鏡Ｄ　Ｍの位置変位の１ス
テツプ毎に計算機５に１　　　カ５．．イ、７ケ／＜　
Ａ／　ｙ、ｆ　＠カケ。工ようゎ、。

光電変換装置ＤＥＴからのアナログ信号は、アナログ・
ディジタル変換回路２によってディジタル信号に変換さ
れる。計算機５の演算及び制御回路５１は、上記タイミ
ングパルスに同期して、このタイミングパルスの順列に
対応した記憶装置の番地を選択し、この選択番地内にイ
ンターフェース回路８を介して人力する上記ディジタル
信号を記憶させる。

従って駆動鏡ＤＭの予め決めた距離の移動によって、記
憶装置５２のそれぞれの番地内には駆動鏡のそれぞれの
位置における第５図Ａのようなアナログ信号に対応する
ディジタル信号が記憶される。記憶装置５２の記憶番地
間の距離は、駆動鏡ＤＭの移動距離に対応する。

次に、演算及び制御装置５１によって上記記憶装置５２
の記憶番地が走査され、ディジタル化された光電変換信
号の最大値を記憶している記憶番地が検出される。

次に、上記最大値の記憶番地を規準位置として演算及び
制御装置５１により、この規準位置から等距離にある前
後の記憶番地の記憶情報が相互に加算される。それぞれ
の加算値は記憶装置５２の新らだなそれぞれの番地内に
記憶させられる。この加算によって前記のように実質的
に歪の除去された信号を得ることができる。

次に、演算及び制御装置５１により、上記の加算値を記
憶する記憶番地が走査される。この走査は、例えば、最
大値を記憶させた記憶番地から順次行なわれる。この走
査により、極大、極小レベルが減少し、次いで増加した
ときの糎犬もしくは極小レベルが最大値を示す記憶番地
、すなわち第２の最大値を示す記憶番地を検出する。

次に、演算及び制御装置５１により、上記最大値を記憶
させた記憶番地と上記の検出した第２の最大値を示す記
憶番地との距離及び予め記憶装置５２内に記憶させたシ
リコンの屈折率と屈接角とを使用し、エピタキシャル成
長層１１の厚さを演算させる。

次に演算結果を表示装置６に表示させる。

上記のエピタキシャル成長層の測定方法は、以下に述べ
る様に参照用エピタキシャル成長層を用いて更に改良す
ることが可能である。

改良した測定法では、被測定用エピタキシャル成長層と
は厚さの程度の異なる参照用エピタキシャル成長層を利
用し、被測定用エピタキシャル成長層によって得られた
信号から参照用エピタキシャル成長層によって得られた
信号を減算することによシ、厚さ測定に必要な信号だけ
を取り出す。

被測定用エピタキシャル成長層が例えば厚さ２０μｍ以
下の範囲にあるなら、参照用エピタキシャル成長層の厚
さは例えば４０μｍ以上とされる。

厚さの厚い参照用エピタキシャル成長層の場合、干渉光
強度が第２の最大値となる駆動鏡Ｄ　ＦｖＩの位置は規
準位置から大きく離れる。第５図Ｂは、参照用として使
用さｎる厚さの厚いエピタキシャル成長層における干渉
光度特性を示している。規準位置の近傍の変化は、使用
する赤外線によって決まり、同図Ａの変化とはソ同一で
ある。

この改良された測定法では、予め同一の装置を使用して
測定し、前記のような加算により補正しり参照用エピタ
キシャル成長層の測定値を計算機５の記憶装置５２内に
記憶させておく。

測定においては、先ず、前記と同様にして被測定用エピ
タキシャル成長層を測定し、加算により補正した測定値
を記憶装置５２内に記憶させる。

次に、被測定用エピタキシャル成長層の測定値を記憶す
る記憶番地と参照用エピタキシャル成長層の測定値を記
憶する記憶番地とを一対一で対応付け、被測定用エピタ
キシャル成長層の測定値かう参照用エピタキシャル成長
層の測定値を減算し、その結果を上記被測定用エピタキ
シャル層の測定値を記憶する記憶番地内もしくは他に設
定する番地内に記憶させる。

このディジタル減算によって得られるデータは、第５図
Ｃのようなアナログデータに対応する。規準位置におけ
るデータのピークは、減算によって実質的に除去される
。

！□　　　　　　　次に、上記減算データを記憶する各
記憶番地が走査され、極大もしくは極小の最大値を示す
記憶番地が検出される。

基準位置の番地と上記検出番地との距離、及び前記のよ
うに、予め設定した屈折率、油接角データとにより、被
測定用エピタキシャル成長層の厚さが演算され、次いで
この演算結果が表示装置６によって表示される。

被測定用エピタキシャル成長層の厚さが薄い場合、基準
位置に対し、第２の最大値を生ずる位置が接近し、基準
位置において最大値を形成する信号が第２の最大値を形
成する信号に合成されてしまう。しかしながら、上記の
ような加算により信号歪が除去され、また上記のような
減算により、第２の最大値を形成する信号成分から基準
位置において最大値を形成する信号成分を除去すること
ができる。

その結果、改良された測定法では、特に薄いエピタキシ
ャル成長層を高精度でしかも再現性良く測定する。

第６図は、横軸にエピタキシャル成長層の厚さＴＨを示
し、縦軸にそれぞれ１０回の厚さ測定における最大測定
値と最小測定値との差Ｒを示している。

同図において曲線Ａは加算によシ補正した被測定用エピ
タキシャル成長層の測定値から参照用エピタキシャル成
長層の測定値を減算する前記の改良された方法による特
性を示し、曲線Ｂは、加算による補正のない被測定用エ
ピタキシャル成長層の測定値から同様な補正のない参照
用エピタキシャル成長層の測定値を減算する方法による
特性を示している。

同図より明らかなように、Ｂの場合、エピタキシャル成
長層の厚さがは９２３ｍ以下では急激に測定のばらつき
が生じ、再現性の良い測定をすることができない。また
、例え２μｍ以上であっても測定のばらつきが大きく、
測定誤差も大きい。

これに対し、Ａの改良された方法では厚さが２μｍ以下
であっても測定ばらつきが小さく、充分な再現性を発揮
する。また２μｍ以上であると、実質的に無視できる程
度の測定ばらつきしか示さなくなる。

上記の改良された測定法は、被測定用エピタキシャル成
長層の厚さが比較的厚い場合にも適用可能である。この
場合、上記と同様に、参照用エピタキシャル成長層の第
２の最大値が被測定用エピタキシャル成長層の測定しよ
うとする第２の最大値に影響を与えないように、参照用
と被測定用のエピタキシャル成長層の厚さが変えられる
。例えば、被測定用エピタキシャル成長層の厚さが２０
μｍ以上なら、参照用エピタキシャル成長層の厚さは４
μｍ以下とされる。

尚上述した改良された実施例では加算により補正した測
定値から参照用エピタキシャル成長層の測定値を減算す
るようにしたが、これに限らず参照用エピタキシャル成
長層の測定値の減算を先に行ない、その後加算による補
正を行なうようにしても良い。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ、Ｂ及び第２図Ａ、Ｂは干渉光強度特性を示す
曲線図、第３図は実施例の測定装置のブロック図、第４
図はシリコンにおける赤外線反射を説明するだめの説明
図、第５図ＡないしＣは、干渉光強度特性を示す曲線図
、第６図はエビタキシャル成長層の厚さ測定のばらつき
を示す分布図である。 Ｌ・・・赤外光源、Ｍｌ　〜Ｍ、・・・反射鏡、ＦＭ・
・・固定鏡、ＨＭ・・・半透鏡、ＤＭ・・・駆動鏡、Ｄ
ＥＴ・・・光電変換装置、ｌ・・・マイケルソン干渉計
、２・・・アナログ・ディジタル変換回路、８川インタ
一フエース回路、４・・・制御装置、５・・・計算機、
６・・・表示装置。 第１図へ　　　　　　　第２図△ 第１図Ｂ　　　　　　第２図Ｂ Ｍｊ！：Ｌ図 第６図 Ｔ）−１（μｍ＞　−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被測定用付着層の表面からの反射光と底面からの反
   射光とを駆動鏡を有する干渉計により干渉させ、干渉信
   号の強度が最大値を示す時の上記干渉計の駆動鏡の位置
   と次の最大値を示す上記駆動鏡の位置との偏位量に基づ
   いて上記被測定用付着層の厚さを測定する方法であって
   、上記干渉信号強度の最大値は、干渉計からの干渉信号
   が最大の信号強度を示す時の駆動鏡位置を基準位置とし
   てこの基準位置をはさんで等しい距離離れた２つの駆動
   鏡位置における干渉信号値又は該干渉信号値を処理して
   得られた信号値を加算することによって得られた信号値
   から判定されることを特徴とする付着層の厚さ測定法。 ２、上記干渉信号強度の最大値は、上記の加算によって
   得られた信号値の最大値から上記被測定用付着層とは異
   なる厚さの参照用付着層から得られた干渉光信号の最大
   値を減算することによって得られた信号値から判定され
   る特許請求の範囲第１項に記載の付着層の厚さ測定法。