KR0128993B1 - 다층막시료의 막두께를 측정하는 방법 - Google Patents

다층막시료의 막두께를 측정하는 방법

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KR0128993B1
KR0128993B1 KR1019940019994A KR19940019994A KR0128993B1 KR 0128993 B1 KR0128993 B1 KR 0128993B1 KR 1019940019994 A KR1019940019994 A KR 1019940019994A KR 19940019994 A KR19940019994 A KR 19940019994A KR 0128993 B1 KR0128993 B1 KR 0128993B1
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이시다 아키라
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Abstract

제2파장역에 대한 분관반사율비가 얻어지고 퓨리에 변환은 주파수 변환 스펙트럼을 형성한다. 파워스펙트럼이 실리콘막에 의해 간섭으로 나타내는 피크와 같게 주파수 변환 스펙트럼으로 부터 얻어진다. 실리콘막의 막두께의 개산치(d2')는 피크위치에 의거해서 구해진다. 로패스휠터링된 후, 주파수 변환 스펙트럼읕 분광반사율을 구하는 역퓨리어 변환된다. 분광반사율에서, 실리콘층 상에 형성된 두께(d3)에 단하나의 투광막이 형성된 이론 분광반사율을 뺀다. 그후, 실리콘 산화막의 두께의 개산치(d1')가 빼어져 얻어진 분광반사율로 부터 구해진다.

Description

다층막시료의 막두께를 측정하는 방법
제1도는 본 발명에 관한 다층막시료의 막두께 측정방법이 적용된 막두께 측정장치를 나타내는 도면.
제2도는 본 발명에 관한 다층막시료의 막두께 측정방법의 일실시예를 나타내는 플로워차트.
제3도는 다층막시료의 분광반사 비율을 실측하는 공정을 나타내는 플로워 차트.
제4도는 제3도에 나타난 스텝에서 분광반사비율을 나타내는 도면.
제5도는 실리콘 산화막의 막두께(d3)을 구하는 계산 스텝을 나타내는 플로워 차트.
제6도는 실측 반사율에 의거해서 실리콘막의 막두께의 개산치(槪算値)(d2')를 구하는 계산 스텝을 나타내는 플로워 차트.
제7도는 파워 스펙트럼의 일실시예를 나타내는 도면.
제8도는 로패스휠터를 이용해서 실리콘 산화막의 막두께의 개산치(d1')를 구하는 계산스텝을 나타내는 플로워 차트.
제9도는 로패스휠터 처리를 설명하기 위한 도면.
제10도는 실리콘 산화막의 막두께의 개산치(d1')를 구하는 방법을 설명하기 위한 도면.
제11도는 편차량이 최소로 되는 막두께의 조합(d1,d2)을 구하기 위한 계산 스텝을 나타내는 플로워 차트.
제12도는 최소 2승법에 의해 2차 곡면근사를 이용한 막두께를 (d1,d2)를 구하는 계산 스텝을 나타내는 플로워 차트.
제13도와 제14도는 본 발명에 관한 막두께 측정방법의 다른 실시예를 나타내는 플로워 차트.
제15도와 제16도는 본 발명의 배경으로 되는 다층막시료를 나타내는 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 실리콘 산화막(투광 절연막) 2 : 실리콘막
3 : 실리콘 산화막(제1의 투광막) 4 : 실리콘 질화막(제2의 투광막)
10 : SOI기판 B : 실리콘 기체
E : 편차량 OB : 다층막시료.
본 발명은 기체와, 투광절연막과 단결정 또는 다결정 실리콘으로 되는 실리콘막으로 구성된 SOI기판상에, 1 또는 2의 투광막의 형성된 다층막시료의 상기 투광절연막, 상기 실리콘막 및 상기 투광막의 막두께를 각각 비접촉, 비파괴로 측정하는 다층막시료의 막두께 측정방법에 관한 것이다.
근년, SOI기판상에 LSI를 제조하는 것이 유행되어 있다. 제 15도 및 제16도는 본 발명의 배경으로 되는 SOI기판을 나타내는 단면도이 있다. 이들 도면에서, 실리콘 기체(B)상에 실리콘 산화막(1)(투명절연막)이 형성되며, 또 실리콘 산화막(1)상에 단결정 실리콘막(2)이 형성되어 있고 이들 실리콘 기체(B), 실리콘 산화막(1) 및 실리콘막(2)에 의해 SOI기판(10)이 구성되어 있다. 종래의 LSI(벌크 반도체 기판상에 LSI를 형성한 것)와 비교해서, SOI기판(10)을 이용한 LSI는 여러 가지의 디바이스 특성상, 탁월한 이점을 가지고 있다.
그러나, SOI기판(10)상에 LSI를 형성하는 경우, 제조공정이 번잡하게 되어 있고 지금까지 정확한 막두께 관리가 요구되지 않었다. 특히, 실리콘기체(B)상에 형성된 실리콘 산화막(1) 및 실리콘막(2)의 막두께(d1, d2)의 측정이 필요로 되고, LSI의 제조공정 도중에서 SOI기판(10)상에 형성된 1 또는 2의 투광막(예를들면, 제15도와 같은 실리콘산화막(3)과, 제16도와 같은 실리콘 산화막(3) 및 실리콘 질화막(4)이 형성되는 것이 있고, 투광막(3,4)의 막두께(d1, d4)를 거의 동시에 측정하고 싶다는 요구가 많아져왔다. 물론, 이들의 막두께(d1- d4)측정은 제조도중에서 행하기 위해, 비접촉, 비파괴로 행할 필요가 있다. 이러한 요구에 불구하고, 종래, 제15도와 제16도에 나타나는 다층막시료의 각 막두께를 비접촉, 비파괴로 측정하는 것이 곤란하고, 실제로 전자현미경 등을 이용해서 파괴검사를 행하고 있는 것이 현상이다. 이러한 상태를 개선하기 위해서, 복수의 층으로 되는 다층막시료의 각층의 막두께를 측정하는 기술이 미특허 4,999,5 09호 공보에 개시되어 있다. 이 개시된 기술에 따르면, 각층에서의 막두께 범위를 미리 입력해 놓고, 대역 최적화 수단과 국소 최적화 수단에 의해 각층의 박막을 측정하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 미특허 4,999,509호 공보에 기재된 막두께 측정방법을 이용한 경우, 대역 최적화를 위한 각층의 막두께의 범위를 미리 입력해 놀 필요가 있고, 입력 조작이 필요한 점으로, 이용자에게는 불편하게 되어 있다. 그 문제점을 해결하기 위하여, 예를들면, 넓게 지정된 막두께 범위를 입력해 놓는 것이 고려되었으나, 범위의 확대에 의해 계산 스텝이 증대하여, 그것에 따른 계산시간이 현저히 길게 된다. 또한, 최적화로 구해진 값이, 최적화의 개시점(각 층의 막두께치)과 다른 최적화 파라메터를 어느 만큼 설정하는가에 의해, 크게 다르기 때문에, 설정조건에 의해서는 측정 재현정도가 대폭으로 저하한다는 문제가 있다.
본 발명의 제1의 특성은, 기체와, 투광절연막과, 실리콘막들로 구성된 SOI기판상에, 투광막이 형성된 다층막 시료의 상기 투광절연막, 상기 실리콘막 및 상기 투광막의 막두께 (d1, d2, d3)를 각각 측정하는 방법에 있어서, 상기 다층막시료에, 자외선 파장역으로 된 제1파장역 및 자외선보다 긴 파장측의 제2파장역의 광을 조사해서, 분광반사율을 실측하는 제1의 스켑과, 상기 실측분광반사율 중 상기 제1파장역의 분광반사율에서, 상기 투광막의 막두께(d3)를 계산하는 제2스텝과, 상기 실측분광반사율 중 상기 제2파장역의 분광반사율에서, 같은 파수간격에서 각 파수에 대한 반사율을 연산하고, 주파수 변환을 행하는 것에 의해, 주파수변환 스팩트럼을 계산하는 제3스텝과, 상기 주파수 변환스펙트럼의 파워 스펙트럼에서 상기 실리콘막의 간섭에 의해 피크를 발견하고, 그 피크위치와 그 주파수공간에서의 실리콘의 평균 굴절율들에 의거해서 상기 실리콘막의 막두께의 개산치(槪算値)를 계산하는 제4스텝과, 상기 주파수 변환 스팩트럼 중 일정의 실효 광로길이 이상의 주파수 성분을 제거한 로패스 휠터링을 행하여 휠터된 주파수 또한 스펙트럼을 얻고, 휠터된 주파수변환 스팩트럼에서 같읕 파장간격에서 각 파장에 대한 중간 반사율을 연산한 후, 두께(d3)의 투광막이 실리콘층에만 형성 될 때 제2스텝에서 구해진 값인 두께(d3)의 이론적인 분광 반사율을 이론적으로 형성한 후, 중간 분광반사율에서 이론 분광반사율을 빼어서, 제2파장역에서 마지막 분광반사율을 얻은후, 마지막 분광반사율에서 투광절연막의 두께의 개산치(d')를 계산하는 제5스텝과, 상기 투광절연막 및 상기 실리콘막의 막두께(d1,d2)를 각각 개산치(d1'd2')를 중심치로 해서 일정의 비율로 변화시키면서, 막두께(d1,d2,d3)를 가정할 때의 이론 분광반사율과 상기 실측분광반사율과의 편차량을 연산하여, 제2스텝에서 구해진 값의 두께(d3)가, 그 편차량이 취소로 되는 막두께의 조합(d1,d2)를 계선하는 제6의 스텝과, 상기 제6의 스텝에서 구해진 조합(d1,d2)에 대해서, 비선형 최적화법을 적용해서 상기 투광절연막 및 상기 실리콘막의 상기 막두께 (d1,d2)를 각각 구하는 제7스텝으로 구성되어 있다.
본 발명의 제2특성은 바람직하기로는 상기 투광절연막의 막두께(d1) 및 상기 실리콘막의 막두께(d2)의 양방을 소정량 만큼 증감시키는 것에 의해, 서로 다른 6점 이상의 막두께의 조합(d1,d2,d3 )을 설정함과 동시에, 각 설정 막두께에서 이론 분광반사율과 상기 실측분광반사율과의 편차량을 각각 계산한 후, 이들 편차량에 대해서 최소 2승법에 의해 2차 곡면 근사를 행하고, 얻어진 2차 곡면 함수에서 편차량이 최소로 되는 막두께(d1,d2)를 결정하고, 이들의 막두께(d1,d2)를 각각 상기 투광절연막 및 상기 실리콘막의 막두께로 하는 제8의 스텝을 더 구비하여, 상기 제8의 스텝에서 계산된 막두께(d1,d2) 및 상기 제2스텝에서 구해진 막두께(d3)에서의 이론 분광 반사율과, 상기 제1의 스텝에서 실측된 상기 실측 분광반사율과 편차량이 일정이 이상인 사이, 상기 제8의 스텝을 반복한다.
본 발명의 제3특성은, 기체와, 투광절연막과, 실리콘막으로 구성된 SOI기판상에 제1 및 2의 투광막이 이 순서로 형성된 다층막 시료의 상기 투광절연막, 상기 실리콘막, 상기 제1의 투광막 및 상기 제2의 투광막의 막두께(d1,d2,d3,d4)를 각각 측정하는 다층막시료의 막두께 측정방법에 있어서, 상기 다층막시료에 자외선 파장역으로 되는 제1파장역 및 자외선보다 장파장축의 제2파장역의 광을 조사해서, 분광반사율을 실측하는 제1의 스텝과 상기 실측 분광반사율 중 상기 제1파장역의 분광 반사율에서, 상기 제1 및 제2의 투광막이 막두께(d3,d4)의 실효 광로 길이의 총화를 구하고, 막두께(d3,d4)의 최대치(d3MAX, d4MAX)를 각각 구한 후, 막두께(d1,d2)를 동시에 0으로 가정함과 동시, 상기 막두께( d3,d4)를 각각 0에서 상기 최대치(d3MAX, d4MAX)까지의 사이에서 일정의 비율로 변화시키면서 막두께(d1,d2,d3,d4)에서의 이론 분광반사율과 상기 실측 분광반사율과의 편차량을 연산하여, 그 편차량이 최소로 되는 막두께의 조합(d3,d4)을 구하며, 또 그 조합에 대해서, 비선형 최적화법을 적용해서 상기 제1 및 제2의 투광막의 상기 막두께(d3,d4)를 각각 구하는 제2의 스텝과, 상기 실측 분광반사율 증 상기 제2파장역의 분광반사율에서, 같은 주파수간격으로 각 주파수에 대한 반사율을 각각 연산하고, 주파수 변환을 행하는 것에 의해 주파수 변환 스펙트럼을 구하는 제3의 스텝과, 상기 주파수 변환 스펙트럼에서의 파워 스펙트럼은 상기 실리콘막의 간섭에 의한 피크를 발견하고, 그 피크위치와 그 주파수 공간에서의 실리콘 평균굴절율들에 의거해서 상기 실리콘막의 막두께의 개산치(d2')를 구하는 제4의 스텝과 상기 주파수 변환스펙트럼 중 일정의 실효광로 길이 이상의 주기성분을 제거하는 로패스 휠터링을 행하여 휠터링 주파수 변환 스펙트럼을 얻은후, 휠터 주파수 변환 스펙트럼에서 같은 파장간격에서 파장에 대한 중간 분광반사율을 연산한 후, 두께 (d3)의 상기 투명막만이 실리콘층상에 형성될 때 상기 제2스텝에서 구해진 값인 두께(d3)의 이론적인 분광반사율을 형성한 후, 중간 분광반사율에서 이론적인 분광반사율을 뺀후, 제2파장에서 마지막 분광반사율을 얻은 후, 마지막 분광반사율에서 상기 투명절연막의 두께 개산치(d')을 구하는 제5스텝과, 상기 투광 절연막 및 상기 실리콘막의 막두께(d1,d2)를 각각 상기 개산치(d1',d2')에서 일정의 비율로 변화시키면서, 막두께(d1,d2,d3,d4)에 대한 이론 분광 반사율과 상기 실측 분광 반사율과의 편차량을 연산하고, 그 편차량이 최소로 되는 막두께의 조합(d1,d2)을 구하는 제6의 스텝과, 상기 제6의 스텝에서 구해진 막두께의 조합(d1,d2)에 대해서, 비선형 최적화법을 적용해서, 마지막으로 상기 투광절연막 및 상기 실리콘막의 상기 막두께(d1,d2)를 각각 구하는 제7스텝들로 구성 된다.
본 발명의 제4의 특성은, 상기 막두께(d1,d2)를 모두 0으로 가정함과 동시에, 상기 막두께(d3,d4)의 양방을 소정량만 증감시키는 것에 의해, 다른 6점 이상의 막두께의 조합(d1,d2,d3,d4)을 설정함과 동시에, 6점 이상의 조합에 대해서 이론 분광반사율과 상기 실측분광반사율과의 편차량을 각각 구한 후, 이들의 편차량에 대해서 최소 2승법을 이용해서 2차 곡면근사에 의해, 얻어진 2차 곡면 함수에서, 편차량이 최소로 되는 막두께(d3,d4)를 구하여, 이들의 막두께( d3,d4)를 각각 상기 제1 및 제2의 투광막의 막두께로 하는 제8의 스텝을 더 구비하여, 상기 막두께(d1,d2)가 모두 0으로, 또 막두께(d3,d4)가 상기 제8의 스텝으로 구해진 값일 때의 이론 분광 반사율과 상기 제1의 스텝으로 실측된 상기 실측 분광반사율과의 편차량이 일정보다 적을 때까지, 제4스텝전과 제2스텝후를 상기 제8의 스텝이 반복하게 하고 있다. 본 발명의 제5의 특성은 상기 투광 절연막의 막두께(d1) 및 상기 실리콘막의 막두께(d2)를 최소량만 증감시키는 것에 의해, 서로 다른 6점 이상의 막두께의 조합( d1,d2,d3,d4)을 설정함과 동시에, 각 설정 막두께에서 이론 분광 반사율과 상기 실측 분광 반사율과의 편차량을 각각 구한 후, 이들의 펀차량에 대해서 최소 2승법에 의해 2차 곡면근사를 행하고, 얻어진 2차 곡면함수에서 편차량이 최소로 되는 막두께(d1,d2)를 구하여, 이들의 막두께(d1,d2)를 각각 상기 투광절연막 및 상기 실리콘막의 막두께로 하는 제9의 스텝을 더 구비하고, 상기 제9의 스텝에서 구해진 막두께(d1,d2) 및 상기 제2의 스텝으로 구해진 막두께(d3,d4)에서의 이론 분광 반사율과, 상기 제1의 스텝에서 실측된 상기 실측 분광 반사율과의 편차량이 일정치 보다 적게 될 때까지, 상기 제9의 스텝을 반복하게 하고 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 제1의 특성은 제1파장역 및 제2파장역의 광이 다층 막시료에 조사되어 분광 반사율이 실측된다. 그리고, 그 실측 분광 반사율 중 제1파장역의 분광반사율에서 투광막의 막두께(d3)가 구해진다. 여기에서, 제1파장역의 광의 대부분은 투광막바로 아래에 위치하는 실리콘 막으로 흡수되기 때문에, 제1파장역의 분광 반사율에는 막두께(d3)의 영향만이 반영되며, 실리콘막 이하의 층구조의 영향은 미치지 않는다. 따라서, 정확하게 투광막의 막두께(d3)을 구할 수 있다. 또, 투광절연막 및 실리콘막의 막두께(d1,d2)에 대해서는 주파수 해석을 행하는 것에 의해 이들의 개산치(d1',d2')가 구해진다. 이를 위해 막두께 측정에 있어서, 막두께 범위를 입력할 필요가 없고, 또 전체의 계산 스텝이 적게되어, 계산시간이 대폭으로 단축된다.
또, 투광절연막의 막두께 개산치(d1')을 구할 때에, 로패스 휠터링을 행하고, 또 막두께 (d3)의 투광막의 영향을 제거하므로서 가령 투광막과 투광 절연막이 동일재료로, 거의 동일 막두께로 해서도 투광절연막을 정확하게 분리할 수 있고 상기 가정 조건(동일재료, 동일막두께)하에 있어서도 투광절연막의 막두께 개산치(d1')를 정확하게 구할 수 있다. 또한, 투광 절연막 및 실리콘막의 막두께(d1,d2)를 각각 상기와 같이해서 구해진 개산치 (d1',d2')를 중심치로해서 일정의 비율로 변화시키면서, 막두께 (d1,d2,d3)로 가정된 때의 이론 분광 반사율과 상기 실측 분광 반사율과의 편차량이 연산되어, 그 편차량이 최소로 되는 막두께의 조합( d1,d2)이 구해진 후, 그조합(d1,d2)에 대해, 비선형의 최적화법이 적용되어서, 투광절연막 및 실리콘막의 상기 막두께(d1,d2)가 각각 구해져 있다. 그 때문에, 막두께(d1,d2)가 정확하게 구해진다.
본 발명의 제2의 특성에서는, 최소 2승법에 의한 2차 곡면근사를 이용해서, 투광절연막 및 실리콘막의 막두께의 조합(d1,d2)이 구해져 있다. 따라서, 투광절연막 및 실리콘막의 막두께(d1,d2)가 보다 높은 정도로 구해진다. 본 발명의 제3의 특성에서는, 제1파장역 및 제2파장역의 광이 다층막 시료에 조사되어, 분광 반사율이 실측된다. 그리고, 그 실측 분광 반사율 중 제1파장역의 분광반사율에서, 제1 및 제2의 투광막의 막두께(d3,d4)의 실효 광로 길이의 총화가 구하여져, 막두께(d3,d4)의 실효 광로 길이의 총화가 구하여져, 막두께(d3,d4)의 최대치(d3MAX, d4MAX)가 각각 구해진다. 그후, 막두께(d1,d2)를 모두 0으로 가정함과 동시에, 막두께(d3,d4)를 각각 0에서 최대치 (d3 MAX, d4MAX)까지의 사이에서 일정의 반사율로 변화 시키면서, 막두께(d1,d2,d3,d4)에서의 이론 분광 반사율과 실측 분광 반사율과의 편차량이 연산하여, 그 편차량이 최소로 되는 막두께의 조합(d3,d4)이 구해진다. 또한, 그 조합(d3,d4)에 대해서 비선형 최적화법이 적용되어서, 제1 및 제2의 투광막의 상기 막두께(d3,d4)가 각각 구해진다.
본 발명의 제3특성에서는, 투광절연막 및 실리콘막의 막두께(d1,d2)에 대해서는 본 발명의 제1특성의 발명과 거의 같게 구해진다.
본 발명의 제4의 특성에서는, 상기 제2스텝에 의해 제1 및 제2의 투광막의 막두께(d3,d4)를 구한 후, 최소 2승법에 의한 2차곡면근사를 이용해서, 제1 및 제2의 투광막 막두께이 조합(d3,d4)이 구해진다. 그러므로 제1 및 제2의 투광막(d3,d4)의 연산이 매우 정확해진다.
본 발명의 제5의 특성에서는, 제2특성의 발명과 같이 최소 2승법에 의한 2차 곡면근사를 이용해서, 투광절연막 및 실리콘막의 막두께의 조합(d1,d2)이 구해진다. 따라서 투광절연막 및 실리콘막의 막두께(d1,d2)가 보다 높은 정도로 구해진다.
상술한바 대로, 본 발명에 따르면, 투명절연막과 실리콘막의 두께(d1,d2)는 주파수 분석에 의해 구해지는 개산치(d1',d2')로부터 구해진다. 이것이 두께의 측정이전에 막두께역을 입력할 필요를 없애고, 필요 계산 스텝수를 감소시켜서 계산시간을 크게 짧게 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 데이터를 입력하는 전 측정과 계산스텝수의 증가없이 SOI기판상에 배열된 하나 또는 둘의 투명막 내의 다층시료의 두께를 측정하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 상술한 이외의 목적, 특징, 형태와 이점은 첨부도면과 연관하여 행하여지는 본 발명의 다음의 상세한 설명으로 부터 더 명확해진다.
[A. 막두께 측정 장치의 구성]
제1도는 본 발명에 관한 막두께 측정방법을 적용 가능한 막두께 측정장치를 나타내는 도면이다. 이 막두께 측정장치는 조명광학계(20)와 결상 광학계(30)를 구비하고 있다. 이 조명광학계(20)에는 할로겐 램프와 중수소램프로 되는 광원(21)이 설치되어 있고, 자외선 파장역(이하 '제1파장역'이라 한다)과 자외선보다 장파장측의 가시에서 근적외선까지의 파장역 (이하 '제2파장역'이라 한다)의 광이 출사되도록 되어 있다. 이 광원(21)에서의 광은 콘텐샤렌즈(22), 시야 조리개(23) 및 콘덴샤렌즈(24)를 통해서 결상광학계(30)로 입사된다. 결상광학계(30)는 대물렌즈(31), 빔스프릿터(32) 및 튜브렌즈(33)로 되며, 조명광학계(20)에서의 조명광을 빔스프릿터(32)에 의해 반사되어, 대물렌즈(31)를 통해서 소정의 조명위치(IL)로 조사된다. 그 조명위치(IL)의 근방에는 XY스테이지(40)가 배치되어 있다. 이 XY 스테이지(40)는 제15도와 제16도에 나타난 SOI기판(10)상에 투광막(3,4)이 형성된 다층막시료(OB)를 탑재하면서, XY스테이지 구동회로(도시생략)에서의 제어신호에 응해서 X,Y방향으로 이동하여, 다층막시료(OB)표면의 임의의 영역을 조명위치(IL)로 위치시킨다. 또한, 도면에의 도시를 생략하였으나, 이XY스테이지(40)에는 그 위치(X,Y좌표)를 검출해서, 그 위치정보를 장치 전체를 제어하는 제어유니트(50)로 공급하도록 되어 있다. 이 조명위치(IL)에 위치하는 다층막시료(OB)의 영역(막두께 측정영역)에서 반사된 광은 대물렌즈(31), 빔스프릿터(32) 및 튜브렌즈(33)를 통해서 광축상의 소정위치로 집광된다. 이 집광위치의 근방에는 중심부에 핀홀(61)을 가지는 프레이트(62)가 배치되어 있고, 반사광중 핀홀(61)을 통과한 광이 분광 유니트(70)로 입사되게 되어 있다.
분광 유니트(70)는 반사광을 분광하는 면 회절격자(71)와, 면 회절격자(71)에 의해 회절된 회절광의 분광 스펙트럼을 검출하는 광검출기(72)들로 구성되어 있다. 공검출기(72)는 예를들면 포토다이오드 어레이와 CCD 등에 의해 구성되어 있고, 핀홀(61)과 결합한 관계로 배치되어 있다.
이 때문에 분광유니트(70)에 수신된 광을 면 회절격자(71)에 의해 분광되며, 각 분광 스펙트럼의 에너지에 대응된 스펙트럼 신호가 광검출기(72)에서 제어 유니트(50)로 공급된다. 이 제어유니트(50)에서는 그 스텍트럼 신호에 의거해서 후술하는 방법에 의해 다층막시료(OB)에 형성된 복수의 박막(예를들면, 실리콘 산화막 1, 실리콘 산화막 2, 실리콘 산화막 3, 실리콘 질화막 4 등)의 막두께를 구하여, 그 결과를 CRT(51)로 출력한다.
제어유니트(50)는 제1도에 나타낸 바와 같이, 논리 연산을 실행하는 주지의 CPU(52)를 구비해 있고, 도시를 생략한 입출력 포트를 통해서 CRT(51) 및 키보드(53)와의 사이에서 신호의 전송을 행한다.
[B. 막두께 측정장치의 동작(막두께 측정처리)]
제2도는 본 발명에 관한 다층막 시료의 막두께 측정방법의 일실시예를 나타내는 플로워차트이다. 이하, 제2도를 참조하면서, SOI기판(10)에 실리콘 산화막(30이 형성된 다층막시료 OB(제5도)의 각막두께(d1,d2,d3)를 측정하는 막두께 측정방법에 대해서 설명한다.
(1) 우선, 스텝(S1)에서, 파장 200㎚에서 1000㎚까지의 범위 내에서의 캘리브레이숀 웨이퍼(실리콘 기판)에 대한 반사비율 Rm()을 실측한다. 구체적으로 제3도에 나타난 바와 같이, 이하의 순서로 행한다. 즉, 먼저 스텝(S101)에서 광원(21)을 구성하는 할로겐 램프 및 증수소 램프를 점등한다.
다음에, 스텝(S102)에서, 오퍼레이터가 캘리브레이숀 웨이퍼를 XY스테이지(40)로 셋트하면 캘리브레이숀으로 반사된 광이 대물렌즈(31), 빔 스프릿터(32) 및 튜브렌즈(33)을 통해서 광축상의 소정위치로 집광되며, 또 플레이트(62)의 핏홀(61)을 통과한 광이 분광유니트(70)로 입사되어서, 파장 200㎚-1000㎚의 범위로 분광된다(스텝 S103). 그리고, 스텝(S104)에서 광검출기(72)에 입사된 광은 광전벽화되며, 각 스펙트럼 신호가 제어유니트(50)으로 공급되어, 분광데이터C()로 해서 제어유니트(50)의 메모리(도시생략)로 격납된다.
그것에 계속해서, 오퍼레이터가 XY스테이지(40)에서 캐리브레이숀 웨이퍼를 제거한 후, 측정 대상의 다층막시료(OB)를 XY 스테이지(40)에 싣는다. (스텝 S105 ) 상기와 같게해서 다층막시료(OB)에서 반사된 광이 분광유니트(70)로 입사되어서, 파장 200㎚-1000㎚의 범위로 분광된 (스텝 S106)후, 분광 데이터 M()으로 해서 제어유니트(50)의 메모리로 격납된다(스텝 S107). 그리고, 스텝(S108-S110)을 방복해서, 파장 200㎚-1000㎚의 범위에서 1㎚ 핏치로 메모리에서 분광데이퍼C(), M()을 읽어낸다.
에 따라서, 반사비율 Rm (λ)를 구하여, 그것에 관한 데이터(이하[분광반사비율데이터]라고 한다)를 메모리에 격납한다(스텝 S109).
이상과 같이 해서, 파장 200nm-1000nm에서의 다층막시료(OB)의 반사비율을 구하고, 각 파장λ에 대해 반사비율 Rm (λ)을 플롯하면, 예를들면 제4도에 나타난 간섭파형이 얻어진다.
(2) 다음에, 스텝 S2(제2도)에서, 제1파장역의 분광반사비율에서 SOI기판(10)상의 실리콘 산화막(3)의 막두께(d3)를 종래부터 주지의 피크검출과 커브휘트(curve fit)법에 의해 구한다. 이 제1파장역에서는 실리콘산화막 (3)의 바로 아래에 위치하는 실리콘막(2)이 제1파장역의 광의 대부분을 흡수하고, 제1파장역의 분광반사비율에는 막두께(d3)의 영향만이 반영되며, 실리콘막(2) 이하의 층구조의 영향은 미치지 않는다. 따라서, 이하에 설명하는 피크 검출과 커브 휘트법에 의해 정확하게 실리콘 산화막(3)의 막두께(d3)를 구할 수 있다.
제5도는 실리콘 산화막(3)의 막두께(d3)를 구하는 계산스텝을 나타내는 플로워차트이다.
우선, 스텝(S201)에서, 제1파장역(200㎚-350㎚)에서의 반사 비율Rm()의 피크와 벨리를 구하고, 또 다음식에 의거해서 실리콘 산화막(3)의 막두께(d3)의 개산치(d3')를 구한다.
단, w1 : 단파장측의 피크(벨리)의 파장, w2 : 장파장측의 피크(벨리)의 파장
m : 그 파장역(w1∼w2)에서의 피크와 벨리의 총갯수, n1 : 파장 w1에서의 실리콘 산화막 (SiO2)의 굴절율, n2 : 파장 w2에서의 실리콘 산화막 (SiO2)의 굴절율, 만약, 피크(벨리)가 1개 이하의 경우는 d3=0으로 한다.
다음의 스텝(S202)에서 실리콘 산화막(1) 및 실리콘막(2)의 막두께(d1,d2)를 0으로 설정한다. 이것은 제1파장역의 광의 대부분은 실리콘막(2)에서 흡수되기 때문이다. 또, 상기 막두께 설정 (d1=d2=0)과 함께 실리콘 산화막(3)의 막두께(d3)를 상기 개산치(d3')를 중심치로 해서 소정의 범위(예를들면, d3'±100㎚)로, 또 일정피치(예를들면, 2nm씩 변화시키면서 편차량도(200, 350:0, 0, d3)를 구한다. 여기에서, 편차량 E와는 실측(이하, 실측반사비율 Rm ()라 한다)과 이론반사비율 Rc()과의 상대적인 차의 크기를 평가하기 위한 편차이고, 파장범위를1에서2로 하여, 실리콘 산화막(1), 실리콘막(2) 및 실리콘 산화막(3)의 막두께를 각각 d1,d2,d3로 했을 때 편차량 E는
로 나타낸다. 또한, 3식에서, w(λ)는 무게 함수이고, 예를들면, 실제의 수광량에 비례한 무게함수를 적용할 수 있다. 또, 이른 반사비율 Rc(λ)은 다층막시료(OB)를 구성하는 각층의 파장마다의 굴절율, 흡수계수 n0(λ), k0(λ), n1(λ), k1(λ), n2(λ), k2(λ), n3(λ), k3(λ)와 파장 λ와 각층의 설정막두께 d1,d2,d3이 공급되면 종래 주지의 계산식에 의거해서 얻어진다. 여기서, 이 실시예에서는, 미리 다층막시료 OB를 구성하는 기체(B), 실리콘 산화막(1), 실리콘막(2) 및 실리콘 산화막(3)의 파장마다의 굴절율, 흡수계수 n0(λ), k0(λ), n1(λ), k1(λ), n2(λ), k2(λ), n3(λ), k3(λ)를 각각 메모리로 격납해 있어, 필요에 따라서 적당히 읽어 내도록 되어 있다. 그리고, 상기와 같이해서 구해진 복수의 편차량 중 최소치로 되는 막두께(d3)를 구하고, 또 막두께(d3-2nm), d3, (d3+2nm)의 3점에서의 편차량(E)에 대해서 다음식에 나타난 2차 곡선을 구하여, 그 2차곡선의 최소치로 되는 d3을 최종적인 실리콘 산화막(3)의 막두께(d3)로 하고 있다.
(3) 다음에, 스탭(S3)(제2도)에서, 상기와 같이 해서 측정된 실측 반사비율Rm()을 주파수 변환하고, 그 피이크 위치와 굴절율에서 실리콘막(2)의 막두께의 개산치(d2')를 구한다.
제6도는 실측반사비율 Rm()에 의거해서 실리콘막(2)의 막두께의 개산치(d2')를 구하는 계산 스텝을 나타내는 프로워차트이다. 이하, 동도면 및 제7도를 참조하면서 설명한다.
우선, 제2파장역(예를들면, 400nm-1000nm)에서 분광반사비율 데이터를 메모리에서 판독하여, 등파수간격(파수는 파장의 역수)으로 파수데이터로 변환한다(스텝 S301). 이 실시예에서는 변환 데이터의 개수는 2048점으로 하고 있다. 또한, 해당하는 분광반사비율데이터가 존재하지 않는 경우, 인접하는 데이터를 삽입해서 구하고 있다. 그것에 이어서, 상기와 같이 해서 구해진 파수공간에서의 간섭파형을 퓨리에 번환(FFT)하여, 퓨리에 변환 스팩트럼을 구한다. 그후, 예를들면 제7도에 타나난 바와 같은 퓨리에 변환 스팩트럼의 절대치인 파워 스팩트럼을 구한다(스텝 S302).
이 스팩트럼 파형의 횡축은 실호광로길이(=굴절율× 막두께)를 나타내고, 종축은 스팩트럼 성분의 강도를 나타내고 있다. 여기서, 동도면에서 알 수 있는 바와 같이 파워 스팩트럼에는 복수의 피크가 나타나 있어, 각층의 굴절율과 막두께의 관계에서, 실리콘 산화막(3,1)에 연관하는 피크(p3,p1)가 실효광로길이가 짧은 영역(동도면의 좌측)에 나타나 그 영역에서도 실효광로길이가 긴 영역으로 실리콘 막(2)에 관련하는 피크(p2)가 나타난다. 여기서, 이 실시예에서는 일정의 실효광로길이(예를들면 5000nm )이상의 실효광로길이로 나타난 충분한 크기를 가진 피크 중 가장 실효광로길이가 짧은 피크를 실리콘막(2)에 연관하는 피크(p2)로해서 특정되어 있다(스텝 S303).
상기와 같이해서 피크(p2)를 특정하면, 스텝(S304)에서, 그 피크위치의 실효광로길이 (=n2×d2)를 제2파장역에서의 실리콘막(2)의 평균굴절율＜n2＞로 나누어서 실리콘막(2)의 막두께의 개산치(d2')를 구한다.
(4) 다음에, 스텝 S4(제2도)에서, 로패스휠터링을 이용해서, 실리콘 산화막(1)의 막두께의 개산치(d1')를 구한다. 구체적으로는 제8도에 나타난 계산스텝에 따라서 행한다. 우선, 상기와 같은 방법으로해서, 제2파장역(400nm-1000nm)에서 분광 반사 비율 데이터를 등파수 간격으로 파수 데이터를 변환하고(스텝 S401), 퓨리에 변환해서 퓨리에 스펙트럼을 구한다(스텝 S402). 그리고, 다음의 스텝(S403)에서, 로패스휠터링을 실행해서, 스텝(S402)으로 얻어진 퓨리에 변환 스펙트럼 데이터 중 일정의 실효광로길이(예를들면, 2000nm)이상의 데이터(실수부, 허수부)를 전부 0으로 한다. 이겻에 의해, 실효광로 길이가 짧은 영역, 결국 실리콘 산화막(1,3)에 관한 성분만이 남겨지고, 그 외의 성분이 제거되어, 예를들면 제9도에 나타난 파형(편의상 파워스펙트럼으로 변환하고 있다)로 된다. 또한, 상기에서는 새롭게 퓨리에 변환 스펙트럼 데이터를 구했으나. 스텝(S402)에서 구해진 퓨리에 변환 스펙트럼 데이터를 메모리에 기억해 놓고, 이것을 판독해서, 이용해도 좋다. 그것에 이어서, 스텝(S404)에서, 상기 로패스휠터링에 의해 얻어진 데이터를 역퓨리에 변환(역 FFT)해서, 등파수 데이터를 얻는다.
그리고 스텝(S405)에서, 그 등파수 데이터를 등파길이 핏치의 데이터로 변환해서, 제2파장역(400nm-1000nm)에서 분광 반사 비율데이터를 구한다. 이렇게 해서 구해진 분광 반사 비율 데이터에는 실리콘막(2)에 의한 간섭성분이 제거되어 있다. 결국, 간섭파형(W13)(제10도의 1점 쇄선)은 SOI기판(10)상의 실리콘 산화막(3)(막두께 d3)에 의한 간섭파형과 SOI기판(10)을 구성하는 실리콘 산화막(막두께 d1)에 의한 간섭파형이 포개져 있다는 것으로 되어 있다. 다음의 스텝(S406)에서 실리콘 기체상에 막두께(d3)의 실리콘 산화막(3)이 형성된 시료에 제2파장역(400-1000㎚)의 광을 조사했을 때에 얻어지는 이론 간섭파형(WT3)(제10도의 2점 쇄선)을 연산처리에 의해 구한다. 또한, 이 이론계산을 종래부터 주지의 것이기 때문에 여기서는 그 설명을 생략한다. 상기와 같이 해서 실리콘 산화막(1,3)에 의한 간섭파형(W13)과 실리콘 산화막(3)에 의한 이론간섭파형(WT3)이 구해지면, 스텝(S407)에서, 간섭파형(W13)에서 이론간섭파형(WT3)의 차를 뺀다. 이것에 의해, SOI기판(10)을 구성하는 실리콘 산화막(1)(막두께 d1)만에 의한 간섭을 반영한 간섭파령(W1) 간섭파형(W1)(제10도의 실선)이 얻어진다.
그후, 그 파형(W1)에 대해서, 상기 피크검출법에 의해, 실리콘 산화막(1)의 막두께의 개산치(d1')를 구한다(스텝 S407).
(5) 다음에, 스텝 S5(제2도)에서, 실리콘 산화막(1) 및 실리콘막(2)의 막두께(d1,d2)를 상기와 같이해서 구해진 개산치(d1',d2')를 중심치로해서 일정의 비율(막두께 핏치) (d1,d2)로 변화시키면서, 막두께 d1,d2,d3로 가정될 때의 이론 분광 반사 비율과 실측 분광반사 비율과의 편차량(E)을 연산하여, 그 편차량(E)이 최소로 되는 막두께의 조합(d1,d2)을 구한다.
제11도는 편차량(E)이 최소로 되는 막두께의 조합(d1,d2)을 구하기 위한 계산 스텝을 나타내는 플로워 차트이다. 이하, 이 계산스텝에 대해 설명한다. 우선, 스텝(S501)에서 편차량(Emin)을 설정함과 동시에 스텝(S502)에서 막두께 핏치(d1,d2)를 설정한다. 여기서, 편차량(Emin)에 대해서는 여러 가지의 다층막시료(OB)에 대해서 실측을 행하고, 적당한 값을 설정하는 것이 바람직하다. 충분히 큰 값을 설정하는 것만으로도 실용상 문제는 없다. 한편, 막두께 핏치(d1,d2)에 대해서는 계산시간 등을 고려해서 결정하는 것이 바람직하고, 이 실시에에서는 다음의 이유에서 막두께 핏치(d1)를 24nm함과 동시에 막두께 핏치(92)를 9nm로 하고 있다.
막두께 핏치(d1,d2)를 가늘게하면, 많은 계산시간이 걸리므로서, 악영향이 아닐 정도로 크게하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 실리콘기판상에 실리콘산화막(SiO2)만이 형성된 시료에 파장550nm-900nm의 광을 조사했을 때에 얻어지는 간섭 파형에서는 피크(또는 벨리)의 총수(m)은, 다음식
단, n : 550㎚에서 900㎚까지의 실리콘 산화막의 평균굴절율.
d : 실리콘 산화막의 막두께에서 개산치로 해서 구할 수 있다.
식(5)에서 알 수 있는 바와 같이, 총수(m)는 막두께(d)에 응해서 변화하므로서, 막두께 핏치(d1)를 크게 설정하여, 총수(m)가 변화하면, 편차량(E)의 최소점을 발견할 수 있게 되는 것이다. 그 때문에, 총수(m)가 1개 변하는데 요하는 막두께 변화량을 10등분한 막두께를 실리콘 산화막의 막두께 핏치(d1)로 하고 있다. 결국, 막두께 핏치(d1)를
로 설정했다. 또 같은 방법으로해서, 실리콘막의 막두께 핏치(d2)를
로 설정했다.
상기와 같이 해서 편차량(Emin) 및 막두께 핏치(d1,d2)의 설정이 완료하면, 스텝(S503)에서 막두께(d1)를 값(1-α)×d1'에서 값((1+α)×d1'까지의 범위로 막두께 핏치(d1)씩 변화시킴과 동시에, 스텝(S504)에서 막두께 핏치(d2)를 값 (1-β)×d2'에서값 (1+β)×d2'까지의 범위에서 막두께 핏치(d2)씩 변화시킨다.
또한, 이 실시예에서는 정수α,β를 0.25로 하고 있다. 그리고, 막두께 d1,d2,d3로 가정했을 때의 이론분광반사비율과 실측 분광반사비율과의 편차량(E)을 연산한 후, 그 편차량(E)이 편차량(Emin)보다도 적은가 어떤가를 스텝(S505)으로 판별한다. 여기서 YES라고 판별된 때에는 스텝(S506)을 실행해서, 이 편차량(E)를 편차량(Emin)에 또 가정된 막두께(d1, d2)를 각각 막두께 핏치(d1', d2')로 치환한다. 즉, 편차량이 전회의 것보다 적은 경우에, 편차량(E) 및 가정된 막두께 핏치(d1, d2)를 남긴다. 이 처리스텝(S505,S506)를 스텝(S507, S508)으로 계산 루프 완료라고 판별되기까지 반복을 행한다. 이렇게 해서, 편차량(E)가 최소로 되는 막두께의 조합(d1min, d2min)을 구한다. 이것에 계속해서, 스텝(S509)에서, 막두께(d1min, d2min)를 각각 막두께(d1,d2)로 치환한다.
(6) 다음에, 스텝(S6)(제2도)에서 상기와 같이 해서 구해진 막두께의 조합(d1,d2)에 대해서, 비선형 최적화법(예를들면, 가우스ㆍ뉴톤법)을 이용해서 보다 정확한 실리콘 산화막(1) 및 실리콘막(2)의 막두께의 조합(d1,d2)을 구한다. 또한, 가우스ㆍ뉴튼법에 대해서는 종래부터 공지하고 있기 때문에 여기서는 그 설명을 생략한다.
또, 최적화의 파장범위는 예를들면 파장 550mn에서 900mn사이로 할 수 있다.
(7) 다음에, 스텝(S7)(제2도)에서 최소 2승법에 의한 2차 곡면근사를 행하여, 얻어진 2차 곡면 함수에서 편차량(E)이 최소로 되는 막두께(d1,d2)를 구한다. 제12도는 최소 2승법에 의한 2차 곡면근사를 이용해서 막두께(d1,d2)를 구하는 계산 스텝을 나타내는 플로워 차트이다. 여기에서는 우선, 스텝(S701)으로, 실리콘 산화막(1)의 막두께(d1) 및 시리콘막(2)의 막두께(d2)를 미소량(예를들면, 1nm)만 증감시키는 것에 의해, d1,d2 각각에 대해 서로 다른 9점을 막두께의 조합(d1,d2,d3)을 설정함과 동시에, 각 설정막 두께에서 이론 분광 반사비율과 실측 분광 반사비율의 편차량(E)를 각각 구한다. (제1표 참조)
그리고, 스탭(S702)에서 이들의 편차량(E)에 대해서 최소 2승법에 의해 2차 곡면근사를 행하고, 다음식
단 A-F는 정수의 2차 곡면함수를 구한다.
이어서, 스텝(S703)에서 얻어진 2차 곡면함수에서, 편차량(E)이 최소로 되는 막두께의 조합(d1,d2)을 구한다.
구체적으로는 편차량(E)의 극소치를 구하는 것으로 되므로서, 편차량(E)을 마두께(d1) 또는 막두께(d2)에서 편미분한 것이 0으로 되는 막두께(d1,d2)가 극소치를 얻는 답으로 된다. 그래서,
그러므로 (9) 및 (10)식으로 부터
을 얻는다. 그리고, 이들 식(11) 및 (12)에서 된는 연립방정식을 풀면, 최소의 편차량(E)을 가진 막두께(d1,d2)의 값을 구할 수 있다. 이것에 의해 막두께의 측정정도를 향상시킬 수 있다.
(8) 다음에, 스텝 S8(제2도)에서, 상기와 같이해서 구해진 막두께(d1,d2,d3)를 식(3)에 대입해서 편차량(E)을 구하여, 그 편차량(E)이 허용치 보다 작은지 어떤가를 판별하여 NO로 판별하면 스텝(S7)로 돌아가서, 막두께의 조합(d1,d3)를 재차구한다.
(9) 상기스텝(S8)에서 YES로 판정하면, 실리콘 산화막(1)의 막두께(d1), 실리콘막(2)의 막두께(d2) 및 실리콘 산화막(3)의 막두께(d3)를 CRT(51)상에 표시하고 (스텝S9) 일련의 처리를 종료한다. 이상과 같이, 이 실시예에 의하면, 스텝(S3)에 의해 실리콘 막(2)의 개산 막두께(d2')를 또 스텝(S4)에 의해 실리콘 산화막(1)의 개산 막두께(d1')를 구한 후, 이들의 개산 막두께(d1'd2')를 이용해서 막두께(d1, d2)를 구하도록 하고 있으므로서, 막두께 측정에 있어서, 막두께 범위를 입력할 필요가 없고, 또 전체의 계산스텝이 적게 되며 그 결과, 계산시간을 대폭으로 단축할 수 있다. 그런데, 상기 실시예에서는 SOI기판(10)상에 실리콘 산화막(3)만이 형성된 다층막 시료 OB(제15도)에서 막두께 d1,d2,d3를 측정하는 막두께 측정방법에 대해서 설명했으나. SOI기판(10)상에 형성된 막(상기 실시예에서는 실리콘 산화막 3)의 막두께 계산스텝을 제외하고, 상기 실시예와 같은 방법으로 해서, SOI기판(10)상에 실리콘 산화막(3)과 실리콘 질화막(4)이 형성된 다층막시료(제16도)의 막두께 측정에도 적용할 수 있다.
이하, SOI기판(10)상에 형성된 시리콘 산화막(3) 및 실리콘 질화막(4)의 막두께 계산스텝을 중심으로 제16도의 다층맛시료(OB)의 막두께 (d1,d2,d3,d4)의 측정 방법에 대해 설명한다. 우선, 상기 실시예와 같은 모양으로, 파장 200nm,에서 1000nm까지의 범위 내에서의 실리콘기판에 대한 분광 반사비율 Rm(λ)를 실측한다. 이어서, 제1파장역(자외선 파장역)의 분광 반사 비율에서SOI기판(10)상의 실리콘 산화막(3)의 막두께(D3) 및 실리콘 질화막(4)의 막두께(d4)를 구한다.
제13도 및 제14도는 SOI기판(10)상의 실리콘 산화막(3) 및 실리콘 질화막(4)이 형성된 다층막시료(OB)에서, 막두께(d3, d4)를 구하는 계산스텝을 나타내는 플로워차트이다. 동도면에 나타난 바와 같이, 스텝(S210)에서, 제1파장역(200㎚-350㎚)에서의 분광반사비율Rm(λ)의 피크와 벨리를 구하여, 다음식에 따라서 막두께(d3)의 실효광로 길이와 막두께(d4)의 실효광로길이와의 총화(od)를 구한다.
이것에 이어서, 스텝(S211)에서, 다음식에서 실리콘산화막(3)의 막두께(d3)가 얻을수 있는 최대치(d3max)는
단,n3 : 제1파장역에서의 실리콘 산화막(3)의 평균 굴절율
: 안전계수 (후술한다)를 얻는다.
따라서 실리콘 산화막(4)의 막두께(d4)가 얻을 수 있는 최대치(d4max)는, 또 다음식으로 구한다.
단,n4 : 제1파장역에서의 실리콘 질화막(4)의 평균굴절율
따라서 실리콘 질화막(4)의 막두께(d4)가 얻을 수 있는 최대치(d3max,d4max)를 식(14) 및 식(15)으로 구할 수 있는 이유는 막두께(3,4)의 실효광로 길이의 총화(od)를 구하면, 가능한 막두께(d3,d4)의 조합이 제한되기 때문이다. 결국, 그 조합((d3,d4)을 구하는데는 다음의 부등식
을 고려하여, 식(16)을 만족하는 막두께(d3, d4)의 조합을 구하면 좋기 때문이다. 또한, 식(16)에서 는 0이상 1미만의 수식에서, 실측차와 계산치의 차(대물렌즈의 NA와 굴절율, 노이즈 등에 기인한다)에 의한 안전계수이고, 이 실시예에서는= 0.2로 되어 있다.
그리고, 스텝(S212)에서, 막두께 핏치(d3,d4)를 설정한다. 이 실시에에서도 상기스텝S502와 같은 방법으로해서 최적한 막두께 핏치(d3,d4) 설정되어 있다.
다음에, 편차량(Emin)을 설정한 후(스텝 S213), 스텝(S214)에서 막두께(d3)을 0에서 d3max까지의 범위로 막두께 핏치(d3)씩 변화시킴과 동시에 스텝(S215)에서 막두께 핏치(d4)를 0에서 d4max까지의 범위로 막두께 핏치(d4)씩 변화시키면서, 스텝(S216)에서 식(16)이 만족 되어 있는가 어떤가를 판별하여, 스텝(S217)에서 막두께 d1(=0), d2(=0), d3, d4로 가정될때의 이론 분광반사비율과 실측 분광비율과의 편차량(E)을 연산하여, 편차량(Emin)보다도 작은가 어떤가를 판정한다.
그리고, 스텝(S217)에서 YES로 판별될 때에는 스텝(S218)을 실행해서, 이 편차량(E)를 편차량(Emin)으로, 또 가정된 막두께(d3,d4)를 각각 막두께(3d,4d)로 치환한 후, 상기와 같이해서 구해진 막두께(d3min, d4min)로 치환한다. 이 처리(스텝(S215, S217, S218)를 스텝(S219, S220)을 계산 루우프 완료로 판별되기 까지 반복한다.
이렇게 해서, 편차량(E)이 최소로 되는 막두께의 조합(d3min, d4min)을 구할 수 있다.
이어서, 막두께(d3min, d4min)를 각각 막두께의 조합(d3,d4)로 히환한 후, 상기와 같이해서 구해진 막두께의 조합(d3,d4)에 대해서, 비선형 최적화법(예를들면, 가우스ㆍ뉴톤법)을 이용해서, 보다 정확한 실리콘 산화막(3) 및 시리콘 질화막(4)의 조합(d3,d4)을 구한다(스텝 S221).
이에 계속해서 스텝(S222-S224)에서, 최소 2승법에 의한 2차곡면근사를 행하고, 얻어진 2차 곡면함수에서 실측 분광 반사비율과의 편차량(E)이 최소로 되는 막두께(d3,d4)를 구한다. 즉, 스텝(S222)에서, 실리콘 산화막(3)의 막두께(d3) 및 실리콘 질화막(4)의 막두께(d4)를 미소량(예를들면, 2nm)만을 증감시키는 것에 의해, d3, d4 각각에 대해서도 다른 9점의 막두께의 조합(0,0,d3,d4)을 설정함과 동시에, 각 설정 막두께에서 이론 분광 반사비율과 실측 분광반사비율과의 편차량(E)을 각각 구한다. (표 2 참조)
그리고, 이들의 편차량(E)을 이용해서, 최소 2승법에 의해 2차 곡면근사를 행하고, 2차곡면 함수를 구하며(스텝 S223), 또 그 2차 곡면 함수에서 편차량(E)이 최소로 되는 막두께의 조합(d3,d4)을 구하고, 실리콘산화막(3)의 막두께(d3) 및 실리콘 질화막(4)의 막두께( d4)를 각각 경신한다(스텝 S224). 이어서, 스텝(S225)에서 막두께 d1(=0), d2(=0), d3, d4때의 편차량(E)를 구하여, 그 편차량(E)이 허용치보다 작은가 어떤가를 판별하여 NO로 판별하면, 스텝(S222)로 돌아가서 막두께의 조합(d3,d4)을 재차 구한다. 제13도 및 제14도의 계산스텝을 실행하는 것에 의해, 실리콘 산화막(3)의 막두께(d3) 및 실리콘 질화막(4)의 막두께(d4)를 고정도로 구할 수 있다.
상기와 같이해서 막두께(d3,d4)가 구해지면, 상기 실시예와 같은 모양으로 스텝(S3-S8)을 실행해서, 실리콘 산화막(1)의 막두께(d1) 및 실리콘막(2)의 막두께(d2)를 각각 구한다. 그 후에, 다층막시료(OB)의 막두께(d1,d2,d3,d4)를 CRT(51)상에 표시한다. 이상과 같이, 본 실시예에 의하면, SOI기판(10)상에 서로 다른 2층(실리콘 산화막 3 및 실리콘 질화막 4)이 형성된 다층막시료(OB)에 대해서 이전의 실시예와 같이 막두께 측정에 앞서서, 막두께 범위를 입력해 줄 필요가 없고, 또 전체의 계산 스텝이 적게 되어, 그 결과 계산시간을 대폭으로 단축할 수 있다. 또한, 상기 실시예에서는 SOI기판(10)상에 형성된 층이 실리콘 산화막(3) 또는 실리콘 질화막(4)인 경우에 대해 설명했으나, 본 발명의 적용은 이러한 막종류에 한정되지 않고, 본 발명은 이들 이외의 투광막 전반에 적용할 수 있다. 또, SOI기판(10)의 구성은 실리콘 기체(B) - 실리콘산화막(1) - 실리콘막(2)으로 되어 있으나, 실리콘 산화막(1) 대신에 다른 투광절연막으로 바꾼 구성의 SOI기판의 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다.
또, 상기 실시예에서는, 최적화법에 의해 구해진 막두께(d1,d2)에 대해, 또한, 스텝(S7)에서 2차 곡면근사를 이용하는 것에 의해, 정도의 일층 향상을 도모하고 있으나, 이 계산스텝은 필수는 아니다.
또, 상기 실시예에서는 다층막시료(OB)에서의 분광스펙트럼의 에너지와 캘리브레이숀웨이퍼(실리콘기판)에서의 분광스펙트럼의 에너지의 비, 결국 분광반사비율을 구하고 있으나, 분광 반사율을 이용해도 좋다.
또한, 상기 실시예에서는 스텝(S7) 또는 스텝(S224)에서 2차 곡면근사를 행하기 위해, 9점의 편차량(E)을 계산하고 있으나, 6점 이상의 편차량(E)이 있으면, 2차 곡면 함수를 구할 수 있고, 막두께(d1,d2)의 경신이 가능하다.
본 발명은 자세히 기술되었으나, 본 발명의 설명일 뿐이며 제한하는 것이 아니다. 많은 변형과 변경은 본 발명의 기술사상과 격리되지 않고 시행될 수 있다.

Claims (7)

  1. 기체와 투광절연막과 실리콘막으로 구성된 SOI기판상에 투광막을 배열하여 형성된 다층막시료의 상기 투광절연막, 상기 실리콘막 및 투광막의 막두께(d1,d2,d3)를 각각 측정하는 방법에 있어서, 상기 다층막시료에, 자외선 파장영역인 제2파장영역 및 자외선보다 장파장측의 제2파장 영역의 광을 조사해서, 분광반사율을 실측하는 제1스텝과, 상기 제1파장영역의 실측분광반사율에서 상기 투광막의 막두께(d3)를 연산하는 제2스텝과, 상기 제2파장영역의 실측분광반사율에서 등 파수(wave number)간격으로 각 파수에 대한 반사율을 각각 연산하고, 주파수를 연산된 반사율로 변환을 행하는 것에 의해 주파수 변환 스펙트럼을 구하는 제3스텝과, 파워 스펙트럼에서 상기 실리콘 막의 간섭에 의한 피크를 구하는 주파수 변환 스펙트럼에서 상기 파워스펙트럼을 얻고, 그 피크위치와 그 파수공간에서의 실리콘의 평균굴절율에 의거해서 상기 실리콘막의 막두께의 개산치(d2')를 연산하는 제4스텝과, 상기 주파수 변환스펙트럼 중 일정의 실효광로길이 이상의 주기성분을 로패스 휠터링을 행해서 제거함으로써 휠터된 주파수 변환스펙트럼을 얻은 후, 상기 휠터된 주파수 변환 스펙트럼에서 같은 파장간격에서 파장들에 대한 중간 분광반사율을 연산하고 이어, 막두께(d3)의 상기 투광막만이 실리콘층에 형성된 때의 이론적인 분광반사율을 형성하고, 중간 분광 반사율에서 이론 분광 반사율을 빼어서 제2파장영역의 최종 분광 반사율을 얻은 후, 최종 분광반사율에서 상기 투광절연막의 막두께의 개산치(d1')를 연산하는 제5스텝과, 상기 투광절연막 및 상기 실리콘막의 막두께(d1,d2)를 각각 상기 개산치(d1',d2')를 중심치로하여 일정의 비율로 변화시키면서, 막두께(d1,d2,d3)에 대한 이론적인 분광반사율과 실측분광반사율 사이의 편차량을 연산해서, 상기 제2스텝에서 구해진 값인 막두께(d3)를 최소편차량으로 갖도록 조합(d1,d2)를 구하는 제6스텝, 상기 제6스텝에서 구해진 상기 조합(d1,d2)의 막두께(d1,d2)에 대하여 비선형 최적화법을 적용하여, 상기 투명절연막과 상기 실리콘막의 막두께로서의 최종 막두께(d1,d2)를 판정하는 제7스텝을 구비하는 다층막시료의 막두께 측정방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 투광절연막의 막두께(d1,d2)의 각각을 소정량 만큼 증감시키는 것에 의해 임시로 다른 6점 이상의 막두께의 조합(d1,d2,d3)을 설정함과 동시에, 상기 6점 이상의 조합에 대해 이론 분광반사율과 상기 실측 분광반사율과의 편차량을 연산한 후, 이들의 편차량에 대해서 최소 2승법에 의해 2차 곡면근사를 행하고, 얻어진 2차 곡면함수에 의해서, 편차량이 최소로 되는 막두께(d1,d2)를 상기 투광절연막과 상기 실리콘막의 막두께로서 구하는 제8스텝을 더 구비하고, 상기 제1스텝에서 연산된 실측분광반사율과 상기 제2스텝에서 연산된 두께(d3)와 상기 제8스텝에서 연산된 두께(d1,d2)에 대한 이론반사율 사이에서 편차량이 일정치보다 적게 될 때까지 상기 제8스텝을 반복하는 다층막시료의 막두께 측정방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 비선형 최적화 방법은 가우스ㆍ뉴톤 방법인 다층막 시료의 막두께 측정방법.
  4. 기체와, 투광절연막과, 실리콘막을 구비하는 SOI기판상에 제1 및 제2투광막의 순서로 제1 및 제2투광막을 적층함으로서 형성된 다층막시료의 상기 투광절연막, 상기 실리콘막, 상기 제투광막 및 상기 제2투광막의 막두께(d1,d2,d3)를 각각 측정하는 방법에 있어서, 상기 다층막 시료에 제1 및 제2파장역의 광을 조사하여서 분광반사율, 자외선 영역인 상기 제1파장영역, 자외선 영역보다 긴 파장을 포함하는 상기 제2파장영역을 실측하는 제1스텝과, 상기 제1파장영역의 실측 분광 반사율에서, 상기 제1 및 제2투광막의 실효광로길이의 총화를 연산하여, 막두께(d3,d4)의 최대치 (d3MAX,d4MAX)를 각각 구한후, 막두께(d1,d2)를 모두 0으로 가정함과 동시에, 상기 막두께(d3,d4)를 각각 0에서 상기 최대치(d3MAX,d4MAX)까지의 사이에서 일정의 비율로 변화시키면서, 막두께(d1,d2,d3,d4)에서의 이론 분광반사율과 상기 실측분광반사율과의 편차량을 연산하여, 그 편차량이 최소로 되는 조합(d3,d4)을 구하고, 또 그 조합에 대해, 비선형 최적화법을 적용해서, 상기 제1 및 제2의 투광막의 두께로서 상기 막두께(d3,d4)를 최종으로 구하는 제2스텝과, 상기 제2파장영역의 실측분광반사율에서, 등파수간격에서 각 파수에 대한 반사율을 각각 연산하고, 그 연산반사율을 주파수 변환함으로써, 주파수 변환 스펙트럼을 구하는 제3스텝과, 파워 스펙트럼에서 상기 실리콘막의 간섭에 의한 피크를 구하고, 그 피크위치와 그파수공간에서의 실리콘의 평균 굴절율에 의거해서 상기 실리콘막의 막두께의 개산치(d2')를 연산하는 제4스탭과, 상기 주파수 변환 스펙트럼 중 일정의 실효광로 길이 이상의 주기 성분을 제거하는 로패스휠터링을 행해서 휠터된 주파수 변환 스펙트럼을 얻은 후, 상기 휠터된 주파수 변환 스펙트럼에서 등파장간격으로 각 파장에 대한 중간 분광반사율을 연산하여 실리콘 층상에 상기 투명 막두께(d3)만이 형성될 때 상기 제2스탭에서 계산된 값(d3)의 두께의 이론분광반사율을 형성한 후, 중간 분광반사율에서 이론 분광반사율을 빼어서, 제2파장영역의 최종 분광 반사율을 얻고, 이어 최종 분광 반사율에서 상기 투광절연막의 두께의 개산치 (d1')를 연산하는 제5스텝과, 막두께(d1,d2)를 각각 상기 개산치(d1', d2')를 중심치로 해서 일정의 비율로 변화시키면서, 막두께(d1,d2,d3,d4)에 대해 이론 분광반사율과 상기 실측 분광반사율과의 편차량을 연산하여, 그 편차량이 최소로 되는 막두께의 조합(d1,d2)을 구하는 제6스텝과, 상기 제6스텝에서 구해진 상기 조합(d1,d2)의 막두께(d1,d2)에 대해, 비선형 최적화법을 적용해서, 상기 투광절연막 및 상기 실리콘막의 상기 막두께(d1,d2)를 최종으로 구하는 제7스텝으로 구성되는 다층막시료의 막두께 측정방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 막두께(d3,d4)를 모두 0으로 가정함과 동시에, 상기 막두께(d3,d4)의 각각을 소정량만큼 증감시키는 것에 의해, 다른 6점 이상의 막두께의 조합(d1,d2,d3,d4)을 설정함과 동시에, 각 설정막두께에서 이론 분광반사율과 상기 실측 분광반사율과의 편차량을 각각 구한후, 이들의 편차량에 대해서 최소 2승법에 의해 2차 곡면근사를 행하고, 얻어진 2차 곡면함수에서 상기 제1 및 제2투광막의 두께로 하는 편차량이 최소로 되는 막두께(d3,d4)를구하는 제8스텝을 더 구비하고, 상기 제8스텝은 상기 막두께(d1,d2)가 모두 0으로, 또는 상기 제8스텝에서 연산된 상기값을 가지는 두께(d3,d4)와 상기 제1스텝에서 연산된 실효 분광반사율에 대한 이론 분광반사율 사이의 편차량이 일정값보다 적게 될 때까지 상기 제2스탭 이후 및 상기 제4스텝 이전에 반복하도록 한 다층막시료의 막두께 측정방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 막두께(d1,d2)을 소정량 만큼 증감시킴에 의해, 다른 6점 이상 막두께의 조합(d1,d2,d3)을 설정한 후, 상기 6점 이상 조합에 대한 이론 분광반사율과 실측 분광반사율 사이의 편차량에 대해서 최소 2승법에 의해 2차 곡면근사를 행하고, 얻어진 2차 곡면함수에서, 편차량이 최소로 되는 막두께(d1,d2)를 각각 상기 투광절연막 및 상기 실리콘막의 막두께로 구하는 제9스텝을 더 구비하고, 상기 제9스텝에서 구해진 막두께(d1,d2) 및 상기 제2의 공정에서 구해진 막두께(d3,d4)에서의 이론 분관반사율과 상기 제1스텝에서 실측된 상기 실측 분광반사율과의 편차량이 일정치보다 적을 때까지 상기 제9스텝을 반복하는 다층막시료의 막두께 측정방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 비선형 최적화 방법을 가우스ㆍ뉴톤방법인 다층막시료의 막두께 측정방법.
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