KR101512783B1

KR101512783B1 - 막두께 측정방법

Info

Publication number: KR101512783B1
Application number: KR1020147010523A
Authority: KR
Inventors: 료 하또리; 켄이치 하마노
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2015-04-16
Also published as: JP5586791B2; US20140239181A1; CN103890539B; EP2772723B1; WO2013061417A1; US9400172B2; JPWO2013061417A1; EP2772723A1; CN103890539A; EP2772723A4; KR20140064989A

Abstract

본 발명은, 반도체 기판 위에 형성한 다층의 에피택셜층의 막두께 측정방법 에 관한 것으로서, 반도체 기판(21) 위에, 이 반도체 기판과 실수부의 굴절률 차이가 없는 제1 및 제2 에피택셜층(22, 23)이 이 순서로 적층된 측정 대상(20)에 대해, 푸리에 변환 적외 분광 광도계를 사용한 반사 간섭 해석을 행하고, 얻어진 반사 간섭 패턴에 있어서, 포논 흡수에 의한 굴절률의 이상 분산 영역 근방의 파수 영역에 나타나는 왜곡을 포함하는 간섭 파형과, 수치계산 반사 간섭 패턴의 동일한 파수 영역에서의 간섭 파형이 어긋나지 않도록, 제1 에피택셜층의 두께를 피팅 파라미터로서 사용하고, 수치계산 반사 간섭 패턴을 피팅했을 때에 설정한 제1 에피택셜층의 두께를 갖고, 제1 에피택셜층의 두께의 실측값으로 한다.

Description

막두께 측정방법{FILM THICKNESS MEASUREMENT METHOD}

본 발명은 막두께 측정방법에 관한 것으로서, 특히, 반도체 기판 위에 형성한 다층의 에피택셜층의 막두께 측정방법에 관한 것이다.

반도체 기판(웨이퍼) 위에 형성한 에피택셜층(에피층)의 막두께를, 비파괴, 비접촉으로 측정하는 방법으로서, 웨이퍼에 적외광을 조사하고, 기판/에피층 계면의 굴절률 차이에 기인하는 계면 반사광과 표면 반사광의 광로차에 의한 간섭 패턴을 해석하는 방법이 종래부터 알려져 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, 푸리에 변환 적외 분광 광도계(Fourier Transform Infrared Spectroscopy: FT-IR)를 사용하여, 시료의 다층막으로부터의 간섭 스펙트럼을 푸리에 변환함으로써 얻어지는 공간 간섭 파형(spatialgram: 스페셜그램)으로부터 다층막의 막두께를 평가하는 방법이 개시되어 있다.

스페셜그램에는 시료로부터의 각 반사광 성분의 광로차에 대해, FT-IR를 구성하는 이동 거울의 주행 위치에 의한 광로차가 일치하는 곳에서 전체 광이 간섭에 의해 서로 보강하는 것에 의한 버스트가 나타난다. 특허문헌 1에 있어서는, 이 버스트 사이의 거리가 각 반사광 성분의 광로차에 대응하고, 그 버스트 사이의 거리를 에피층의 굴절률로 나눔으로써 에피층의 막두께를 추정하는 기술이 개시되어 있다.

일본국 특개평 7-4922호 공보

전술한 종래의 측정방법에서는, 에피층의 굴절률이 계측 파수 영역에 있어서 일정한 값인 것을 전제로 하고 있으므로, 계측에 이용 가능한 파수 영역은, 굴절률 분산을 무시할 수 있는 영역에 한정되게 된다. 한편으로, 기판의 결정과 에피층의 결정에서 결정 조성이 동일한 소위 호모 에피택셜층(호모·에피층)과 같이, 기판과 에피층에서 실수부의 굴절률 차이가 없는 경우, 적외선 영역에 발생하는 이상 분산 영역으로부터 떨어진 근적외광으로부터 가시광 영역에서는 굴절률 차이가 없어져 간섭 파형은 계측할 수 없어, 반사 간섭 해석법에 의한 막두께 측정은 한층 더 곤란하다.

여기에서, 장래의 파워 디바이스로서 기대되는 SiC(탄화 규소)층을 반도체층으로서 사용하는 SiC 파워 디바이스에서는, SiC 웨이퍼 위에 에피택셜성장시킨 에피층을 드리프트층으로서 사용하므로, 호모·에피 구조로 되고 있다. 이 경우, 기판과 에피층은 결정 조성이 동일하여, 캐리어 농도의 차이 이외에 차이가 없다. 이와 같은 막 구조에 있어서, 반사 간섭 해석법 이외에 막 구조를 해석할 수 있는 방법으로서는, 용량-전압(CV) 특성으로부터 캐리어 농도를 측정하는 CV법이나, 불순물 프로파일을 측정하는 SIMS(Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer)을 사용해서 불순물의 깊이 프로파일을 측정하는 SIMS 깊이 프로파일법이 있다. 그러나, CV법에서는 드리프트층의 두께가 수 ㎛ 이상인 것과 같은 경우, 막 내부나 표면의 내압에 의해 역바이어스 인가에 한계가 있기 때문에, 드리프트층과 기판 사이에 형성되는 버퍼층까지 공핍층이 도달하지 않아, 버퍼층의 막두께를 측정할 수 없을 가능성이 있다.

또한, SIMS 깊이 프로파일법에서는, 에피택셜 결정의 일부에 이온 조사로 크레이터(crater)를 뚫어서 계측하는 파괴 검사이므로, 디바이스의 제조에는 지장이 있다. 또한, 이온 조사로 크레이터를 뚫으면서 2차 이온을 계측하지만, 계측중인 크레이터 저부의 형상 제어는 곤란하여, 두께의 측정 정밀도는 크게 제한된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것으로서, 종래의 비파괴, 비접촉의 반사 간섭 해석법을 발전시켜, 호모·에피 구조의 다층막에 있어서, 드리프트층과 기판 사이에 형성되는 버퍼층 등의, 얇은 층의 막두께를 측정하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관한 막두께 측정방법은, 푸리에 변환 적외 분광 광도계를 사용한 반사 간섭 해석에 의한 막두께 측정방법으로서, 반도체 기판 위에, 상기 반도체 기판과 실수부의 굴절률 차이가 없는 제1 및 제2 에피택셜층이 이 순서로 적층된 측정 대상을 준비하고, 상기 푸리에 변환 적외 분광 광도계를 사용하여, 상기 측정 대상의 인터페로그램(interferogram)과, 상기 반도체 기판의 인터페로그램을 계측하여 레퍼런스의 인터페로그램을 얻는 스텝 (a)와, 상기 측정 대상의 인터페로그램과, 상기 레퍼런스의 인터페로그램에 대해, 각각 푸리에 변환을 실시함으로써, 측정 대상의 반사 스펙트럼 및 레퍼런스의 반사 스펙트럼을 산출하는 스텝 (b)와, 상기 측정 대상의 반사 스펙트럼의 강도를, 상기 레퍼런스의 반사 스펙트럼의 강도로 나눔으로써, 반사 간섭 패턴을 산출하는 스텝 (c)와, 상기 측정 대상의 구조에 근거한 수치계산에 의해 얻어진 수치계산 반사 간섭 패턴을 상기 반사 간섭 패턴에 피팅(fitting)하는 스텝 (d)를 구비하고, 상기 스텝 (d)는, 상기 반사 간섭 패턴에 있어서, 포논(phonon) 흡수에 의한 굴절률의 이상 분산 영역 근방의 파수 영역에 나타나는 왜곡을 포함하는 간섭 파형과, 상기 수치계산 반사 간섭 패턴의 동일한 파수 영역에서의 간섭 파형이 어긋나지 않도록, 상기 제1 에피택셜층의 두께를 피팅 파라미터로서 사용하고, 상기 수치계산 반사 간섭 패턴을 피팅했을 때에 설정한 상기 제1 에피택셜층의 두께를 가지고, 상기 제1 에피택셜층의 두께의 실측값으로 한다.

본 발명에 관한 막두께 측정방법에 따르면, 포논 흡수에 의한 굴절률의 이상 분산 영역 근방에서의 간섭 파형과, 수치계산 반사 간섭 패턴의 동일한 파수 영역에서의 간섭 파형이 어긋나지 않도록, 제1 에피택셜층의 두께를 피팅 파라미터로서 사용하고, 수치계산 반사 간섭 패턴을 피팅했을 때에 설정한 제1 에피택셜층의 두께를 가지고, 제1 에피택셜층의 두께의 실측값으로 하므로, 호모·에피 구조의 다층막에 있어서, 막두께 측정이 가능해진다.

도 1은 FT-IR의 광학계의 구성을 설명하는 개략도이다.
도 2는 스페셜그램에 대해 설명하는 도면이다.
도 3은 샘플에서의 빛의 반사를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 4는 막두께의 측정 대상의 단면 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 FT-IR를 사용하여 얻어진 인터페로그램을 도시한 도면이다.
도 6은 인터페로그램으로부터 얻어진 반사 간섭 패턴을 도시한 도면이다.
도 7은 반사 간섭 패턴으로부터 얻어진 스페셜그램을 도시한 도면이다.
도 8은 수치계산에 의해 얻어진 단층의 에피층에 의한 반사 간섭 패턴을 도시한 도면이다.
도 9는 FT-IR에 의해 얻어진 다층의 에피층에 의한 반사 간섭 패턴과 종래의 수치계산에 의해 얻어진 반사 간섭 패턴을 도시한 도면이다.
도 10은 FT-IR에 의해 얻어진 다층의 에피층에 의한 반사 간섭 패턴과 본 발명에 관한 수치계산에 의해 얻어진 반사 간섭 패턴을 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명에 관한 막두께 측정방법을 설명하는 흐름도이다.
도 12는 버퍼층의 겉보기 두께와 파수의 관계를 도시한 도면이다.

(실시형태 1)

<서론>

실시형태의 설명에 앞서서, 푸리에 변환 적외 분광 광도계(FT-IR)를 사용한 반사 간섭 해석법에 의한 막두께 측정에 대해 설명한다.

도 1은, FT-IR의 광학계의 구성을 설명하는 개략도이다. FT-IR의 광학계에는, 도 1에 도시되는 마이켈슨 간섭계가 일반적으로 사용된다. 도 1에 나타낸 것과 같이, 마이켈슨 간섭계는, 광원(1), 하프미러(2), 고정 미러(3), 가동 미러(4), 반사 미러(5) 및 검지기(7)를 갖고, 샘플(6)은, 기판(6a) 위에 박막(6b)이 형성된 것이다.

FT-IR를 사용한 막두께 측정의 원리에 대해, 도 1을 사용하여 설명한다. 도 1에 있어서, 광원(1)으로부터 발생한 연속 광을 하프미러(2)로 분리하여, 한쪽은 고정 미러(3)에 입사되고, 다른쪽은 가동 미러(4)에 입사된다. 각각의 미러에서 반사한 빛은, 하프미러(2)로 다시 되돌아가, 반사 미러(5)에서 반사된 후, 샘플(6)을 향한다. 샘플(6)에서 반사한 빛은 반사 미러(5)를 거쳐 검지기(7)에서 강도가 계측된다.

가동 미러(4)를 도 1 중의 화살표 방향으로 이동시켜, 검출기(7)에서 검출되는 광강도의 가동 미러(4)의 이동 거리 의존성을 측정한다. 이와 같이 하여 얻어지는 막 간섭 스펙트럼은, 인터페로그램으로 불린다. 가동 미러(4)의 이동 거리는, 광학 거리에 대응하고 있고, 인터페로그램은, 광학 거리 함수의 막 간섭 스펙트럼이라고 할 수 있다. 이와 같은 막 간섭 스펙트럼을, FT-IR에 있어서 푸리에 변환함으로써 공간 간섭 파형(spatialgram: 스페셜그램)을 얻는다.

도 2는, 스페셜그램에 대해 설명하는 도면이다. 도 2에 나타낸 것과 같이, 스페셜그램은, 횡축이 광로차(단위 생략), 종축이 광강도(단위 생략)이고, 센터 버스트(8), 사이드 버스트(9)로 불리는 복수의 피크를 갖고 있다. 사이드 버스트(9)는, 센터 버스트(8)를 중심으로 하여 대칭의 위치에 보여진다.

도 3은, 샘플(6)에서의 빛의 반사를 모식적으로 도시한 도면이다. 도 3에 있어서, 샘플(6)에 입사하는 빛에는, 광원(1)으로부터, 가동 미러(4), 반사 미러(5)를 거쳐 샘플(6)에 입사하는 경로(이하 경로 A라고 한다)와, 광원(1)으로부터, 고정 미러(3), 반사 미러(5)를 거쳐 샘플(6)에 입사하는 경로(이하 경로 B라고 한다)가 있다.

도 3에 나타낸 것과 같이, 경로 A에서 입사한 빛이 샘플(6)에서 반사하는 빛 10과, 경로 B에서 입사한 빛이 샘플(6)에서 반사하는 빛 11이 있고, 각각 박막(6b)의 표면에서의 반사광 10a, 11a와, 박막(6b)과 기판(6a)의 계면에서의 반사광 10b, 11b를 포함하고 있다.

경로 A의 빛이 샘플(6)에서 반사 후 검지기(7)에 이르는 광학 거리와, 경로 B의 빛이 샘플(6)에서 반사 후 검지기(7)에 이르는 광학 거리가 일치한 경우에는, 모든 파수의 빛에 대해, 위상이 일치하여 빛이 보강하기 때문에, 신호 강도가 강해진다. 이 광강도가 강해진 피크가 센터 버스트(8)이다. 또한, 가동 미러(4)의 위치를 어긋나게 함으로써, 상기 2개의 광학 거리에 차이가 생기면, 파수에 의해 보강하는 것이나 서로 상쇄되는 것이 있기 때문에, 상기 2개의 광학 거리가 일치한 경우에 비해 신호 강도가 작아진다.

그러나, 경로 A의 빛이 박막(6b)의 표면에서의 반사를 거쳐 검지기(7)에 이르는 광학 거리와, 경로 B의 빛이 박막(6b)과 기판(6a)의 계면에서의 반사를 거쳐 검지기(7)에 이르는 광학 거리가 일치한 경우에는, 모든 파수의 빛에 대해 위상이 일치하여 빛이 보강하기 때문에, 신호 강도가 강해진다. 마찬가지로, 경로 A의 빛이 박막(6b)과 기판(6a)의 계면에서의 반사를 거쳐 검지기(7)에 이르는 광학 거리와, 경로 B의 빛이 박막(6b)의 표면에서의 반사를 거쳐 검지기(7)에 이르는 광학 거리가 일치한 경우에도, 모든 파수의 빛에 대해 위상이 일치하여 빛이 보강하기 때문에, 신호 강도가 강해진다. 이들 피크가 사이드 버스트(9)이다.

이와 같이, 스페셜그램에는, 샘플(6)의 최표면끼리 및 박막(6b)와 기판(6a)의 계면끼리로부터의 반사한 빛의 간섭에 의한 센터 버스트(8)와, 샘플(6)의 최표면에서 반사한 빛과 박막(6b)과 기판(6a)의 계면으로부터 반사한 빛의 간섭에 의한 사이드 버스트(9)가 나타난다.

이들 사이드 버스트(9)는, 센터 버스트(8)를 중심으로 하여 대칭의 위치에 나타난다. 또한, 센터 버스트(8)와 사이드 버스트(9)의 거리가, 빛이 박막(6b)을 왕복 통과하는 광학 거리에 대응하고 있기 때문에, 이 광학 거리에 박막(6b)의 굴절률을 곱하는 것에 의해 막두께를 구할 수 있다.

이와 같이, FT-IR를 사용한 반사 간섭 해석법에 의한 막두께 측정에서는, 스페셜그램의 사이드 버스트와 센터 버스트의 거리에 의해 막두께를 측정하지만, 앞서 설명한 것과 같이, 측정 대상이 되는 층의 굴절률이, 계측 파수 영역에 있어서 일정한 값인 것을 전제로 하고 있으므로, 계측에 이용 가능한 파수 영역은, 굴절률 분산을 무시할 수 있는 영역에 한정되게 된다. 한편, 기판과 에피층에서 실수부의 굴절률 차이가 없는 호모·에피층 등에서는, 적외선 영역에 발생하는 이상 분산 영역으로부터 벗어난 근적외광으로부터 가시광 영역에서는 굴절률 차이가 없어져 간섭 파형은 계측할 수 없다.

이 때문에, 종래에는, 측정 대상이 되는 층의 굴절률이 거의 일정하다고 생각되는 파수 영역에서의 굴절률을 이용하여 막두께를 구하고 있었다.

그러나, SiC 파워 디바이스에서는 드리프트층과 기판 사이에, 캐리어 농도가 드리프트층과 기판의 중간의 값을 갖는 버퍼층으로 호칭되는 두께 0.5∼1㎛(500nm∼1000nm) 정도의 얇은 층이 일반적으로 형성된다. 이 층은, 3자리 내지 4자리나 캐리어 농도가 다른 드리프트층과 기판과의 사이에서의 캐리어 농도의 차이에 기인하는 결정 변형을 완화하여 드리프트층의 결정성을 향상시키는 것을 목적으로 하고 있다.

버퍼층과 에피층인 드리프트층은, 통상 연속하여 에피택셜성장에 의해 적층되고, 이 버퍼층의 품질은 드리프트층의 결정 품질에 크게 영향을 미친다.

그 때문에, 버퍼층의 두께, 캐리어 농도의 정량적 관리는, 드리프트층의 결정성 제어에 있어서도 중요한 과제이다. 그러나, 종래의 반사 간섭 파형의 푸리에 해석법에서는, 0.5㎛ 전후의 막두께를 계측하기 위해서는, 5000cm^-1이상의 광범위한 연속 파수 계측 영역에 있어서의 간섭 파형이 필요하지만, 굴절률 분산을 무시할 수 있는 1500cm^-1∼4000cm^-1 정도, 예를 들면, 2500cm^-1전후의 연속 파수 계측 영역밖에 얻어지지 않기 때문에 버퍼층의 계측은 불가능하였다.

따라서, 발명자들은, 종래의 반사 간섭 해석법을 검증하고, 그것을 발전시켜, 드리프트층과 기판 사이에 형성되는 버퍼층 등의, 얇은 층의 막두께를 측정하는 방법을 개발하였다.

<반사 간섭 해석법의 검증>

이하, 도 4∼도 10을 사용하여, 종래의 반사 간섭 해석법의 검증에 대해 설명한다. 도 4는, 막두께의 측정 대상이 되는 샘플(20)의 단면 구성을 도시한 도면이다. 도 4에 나타낸 샘플(20)은, 일반적인 SiC 파워 디바이스의 에피택셜 구조를 나타내고 있고, n형의 SiC 기판(21) 위에 버퍼층(22)(에피층)이 형성되고, 버퍼층(22) 위에 드리프트층(23)(에피층)이 형성되어 있다. 샘플(20)은 대기(24) 중에 있고, 조사 광속(25), 드리프트층(23) 표면에서의 반사 광속(26), 버퍼층(22)과 SiC 기판(21)의 계면(에피·기판 계면)에서의 반사 광속(27), 버퍼층(22)과 드리프트층(23)의 계면에서의 반사 광속(28)이 표시되어 있다.

조사 광속(25)의 입사각은 θi이고, SiC 기판(21), 버퍼층(22), 드리프트층(23)의, 두께/n형 캐리어 농도/실수부 굴절률/소멸계수(extinction coefficient)는, 각각, d_sub/N_sub/n_sub/k_sub, d_b/N_b/n_b/k_b, d_epi/N_epi/n_epi/k_epi로 표시하고, 대기의 굴절률은 n₀에서 표시한다.

또한, SiC 기판(21)의 캐리어 농도 N_sub은 8×10¹⁸cm^-3, 버퍼층(22)의 캐리어 농도 N_b은 1×10¹⁸cm^-3, 드리프트층(23)의 캐리어 농도 N_epi는 1×10¹⁶cm^-3이고, 버퍼층(22)의 두께 d_b은 0.5㎛, 드리프트층(23)의 두께 d_epi는 12㎛으로 한다.

도 1을 사용하여 설명한 광학계를 갖는 FT-IR를 사용하여, 조사 광속(25)에 대한 반사 광속 26∼28을 측정하여 도 5에 나타낸 것과 같은 인터페로그램을 얻는다. 이때, FT-IR에는, 도 1에 나타낸 마이켈슨 간섭계와 같은 광학계 이외에, 검지기(7)에서 계측한 광강도의 데이터를 처리하는 데이터 처리장치를 구비하고 있는데, 해당 데이터 처리장치는, 퍼스널컴퓨터 등으로 구성되고, 데이터 처리는 소정의 소프트웨어를 CPU에서 실행함으로써 실현된다.

도 5에 나타낸 인터페로그램은, 횡축이 광로차(cm), 종축이 검출기에서의 검출 전압으로 표시되는 광강도(V)를 나타내고 있고, FT-IR의 측정 결과 그 자체를 나타내고 있다.

이때, 도 5에 나타낸 인터페로그램은 샘플(20)(도 4)의 측정 결과이지만, 이것과는 별도로, 레퍼런스로서, SiC 기판(21)만의 인터페로그램도 측정한다.

그리고, 샘플(20)의 인터페로그램과, 레퍼런스의 인터페로그램에 대해, 각각 푸리에 변환을 실시함으로써, 샘플(20)의 반사 스펙트럼 및 레퍼런스의 반사 스펙트럼을 산출한다.

얻어진 샘플(20)의 반사 스펙트럼의 강도를, 레퍼런스의 반사 스펙트럼의 강도로 나눔으로써, 도 6에 나타낸 반사 간섭 패턴을 얻는다.

도 6에 나타낸 반사 간섭 패턴은, 횡축이 파수(cm-1), 종축이 반사율을 나타내고 있고, 파수 1000(카이저)의 근방에서 반사율이 급증하고 있는 영역 34가 관찰된다. 이 영역 34는, 포논 흡수에 근거한 굴절률의 이상 분산에 의한 반사 영역(이상 분산 영역)이고, 이것보다도 고파수측에는, 캐리어 흡수에 근거하여 굴절률이 변화하는 반사 간섭 파형 35가 나타난다. 이 중에서, 굴절률 분산이 비교적 적은 영역 36을 선택하여 배경 반사율을 보정하고, 얻어진 반사 간섭 파형을 역푸리에 변환함으로써, 도 7에 나타낸 것과 같은 스페셜그램을 얻는다.

도 7에 도시되는 스페셜그램은, 횡축이 광로차(㎛), 종축이 광강도(임의 단위)이고, 센터 버스트(41) 및 사이드 버스트(42)가 나타난다.

종래의 반사 간섭 해석법에서는, 이 센터 버스트(41)와 사이드 버스트(42)의 거리 D에 측정 대상의 층의 굴절률을 곱함으로써, 측정 대상의 층의 두께를 추정하고 있었다.

그러나, 도 4에 나타낸 버퍼층(22)과 드리프트층(23)에서는 굴절률 차이가 작고, 또한, 버퍼층(22)의 두께가 얇기 때문에, 버퍼층(22)과 드리프트층(23)의 계면 반사는, SiC 기판(21)과 버퍼층(22)의 계면 반사로부터 분리하는 것이 현실적으로 불가능하기 때문에, 도 7에 표시되는 스페셜그램에 보여지는 것 같이, 사이드 버스트(42)는 한 개의 피크밖에 나타나지 않고, 버퍼층(22)과 드리프트층(23)의 두께의 합(d=d_b+d_epi)으로서 계측된다.

발명자들은, 도 6에 나타낸 반사 간섭 패턴 중에서, 굴절률의 이상 분산에 의한 반사 영역 34의 근방의, 굴절률 분산이 비교적 큰 영역 37에 나타나는 반사 간섭 파형에 착안하였다. 영역 37은 영역 36에 비해 파형의 변화가 커서, 종래에서는 사용되어지지 않는 영역이었지만, 발명자들은, 이하의 이유로 이 영역에 착안하였다.

즉, SiC 기판(21) 위에 두께 0.5㎛의 버퍼층(22)만을 형성한 경우와, SiC 기판(21) 위에 두께 12㎛의 드리프트층(23)만을 형성한 경우에 대해, 도 6에 나타낸 것과 같은 반사 간섭 패턴을 수치계산에 의해 구하였다. 이 수치계산에서는, 계측 광의 파장을 λ로 하고, 광로차에 의한 위상차 Δθ을 구하는 이하의 수식(1)을 사용하였다.

[수학식 1]

이 수치계산 결과(정현파 해석 결과)를 도 8에 나타낸다. 도 8에서는, 횡축을 파수(cm^-1)로 하고, 종축을 반사율(%)로 하고, 두께 12㎛의 드리프트층(23)에 대한 반사 간섭 패턴 51과, 두께 0.5㎛의 버퍼층(22)에 대한 반사 간섭 패턴 52를 중첩하여 나타내고 있다.

도 8에서, 버퍼층(22)에 대한 반사 간섭 패턴 52는, 주기가 긴 감쇠 파형으로 되고 있어, 드리프트층(23)에 대한 반사 간섭 패턴 51과 합성하면, 반사 간섭 패턴 51에 파묻혀 버리는 것을 알 수 있다. 특히, 파수 4000cm^-1(λ=2.5㎛)∼7000cm^-1(λ=1.429㎛)의 근적외선 영역에서는 반사 간섭 패턴 52가 반사 간섭 패턴 51에 미치는 영향은 작아져 버리는 것을 알 수 있다.

그 때문에, 버퍼층(22)의 정보를 얻기 위해서는, 파수 3000cm^-1(λ=3.333㎛)∼1000cm^-1(λ=1.0㎛)의 적외선 영역에 착안해야 한다는 결론에 이르렀다.

따라서 발명자들은, 적외선 영역에 포함되는 버퍼층(22)의 정보를 얻기 위해, 박막 측정장치가 아니라, 보다 정밀도가 높은 분석용의 FT-IR를 사용하여 정밀한 측정을 행하였다. 이 측정에서는, 도 4에 나타낸 버퍼층(22)과 드리프트층(23)을 형성한 샘플(20)에 대해 측정을 행하였다.

이 측정 결과를 도 9에 나타낸다. 도 9에 있어서는, 횡축을 파수(cm^-1)로 하고, 종축을 반사율(%)로 하여, 실제로 측정에 의해 얻어진 반사 간섭 패턴 61과, 전술한 수식(1)을 사용한 수치계산에 의해 얻어진 반사 간섭 패턴 62를 중첩하여 나타내고 있다.

도 9에 있어서, 파수 4000cm^-1(λ=2.5㎛)∼7000cm^-1(λ=1.429㎛)의 근적외선 영역에서는, 간섭 파형은 실측값과 계산 값에서 좋은 일치를 나타내고 있다. 그러나, 파수 3000cm^-1보다 저파수측의 적외선 영역에서는, 저파수로 될수록 실측값과 계산값의 어긋남(시프트량)이 커지고 있는 것을 알 수 있다.

또한, 여기에 보여지는 것과 같은 굴절률의 이상 분산 영역의 근방에 나타나는 간섭 파형의 왜곡은, 버퍼층이 없는 드리프트층만의 경우에는 나타나지 않고, 또한 버퍼층의 구조에 대응하여 변화하는 것도 확인되고 있다.

이상을 감안하면, 적외선 영역에는 버퍼층(22)의 정보가 포함되어 있지만, 전술한 수학식 (1)을 사용한 종래의 수치계산에서는, 버퍼층(22)을 갖는 2층 에피 구조에 있어서의 간섭 파형의 재현은 불가능하다고 하는 결론에 이르렀다.

따라서, 적외선 영역의 간섭 파형의 왜곡을, 버퍼층(22)의 삽입의 효과로서 파악하여, 버퍼층(22)의 광학적 모델을 받아들인 반사 간섭 파형 해석을 행하였다.

더욱 구체적으로는, 빛의 흡수가 없는 경우, 즉 실수부의 굴절률만으로 반사하는 경우에는 반사했을 때의 위상은 180도 어긋나는 것 뿐이지만, 흡수가 있는 경우에는 위상이 회전한다. 드리프트층(23)에 입사한 빛은, 흡수가 없는 드리프트층(23)을 통해 흡수가 있는 SiC 기판(21)에 들어가므로, 그것에어의 흡수에 의한 위상 회전에 의해 간섭 파형에 왜곡이 발생하는 것이라고 추정했지만, 그것만으로는 피팅할 수 없었기 때문에, 실제로는 그것으로는 설명할 수 없을 만큼의 위상 회전이 생기고 있다는 것이라는 결론에 이르렀다.

따라서, 굴절률의 이상 분산 영역을 포함하는 파수 3000cm^-1보다 저파수측의 적외선 영역에서는, 파수가 짧아질수록 위상이 회전하고, 두께가 얇은 버퍼층(22)이라도 입사한 빛이 출사될 때까지 시간이 걸려, 결과적으로 겉보기 두께가 두꺼워지고 있는 것이라고 추측하였다.

이 추측에 근거하여, 간섭 파형의 왜곡에 대응하는 위상의 어긋남(시프트량)을 ΔΦ로서 표시한 것이 하기의 수학식 (2)이다.

[수학식 2]

상기 수식(2)에 있어서, 계수 k는 버퍼층(22)의 굴절률 n_b의 효과를 조정하기 위한 팩터이며, 이 값은 1000∼10000 정도로 설정된다.

도 10에는, 도 9에 나타낸 샘플(20)에 대한 실측의 반사 간섭 패턴 61과, 상기 수학식 (2)로 표시되는 간섭 파형의 왜곡에 해당하는 위상의 어긋남 ΔΦ을 수학식 (1)의 θi에 가미하여 얻어진 위상차 Δθ을 구하는 하기의 수학식 (3)을 사용하여 얻어진 반사 간섭 패턴 72(수치계산 반사 간섭 패턴)를 중첩하여 나타내고 있다.

[수학식 3]

도 10에 있어서, 반사 간섭 패턴 72는, 수학식 (2)의 버퍼층(22)의 두께 d_b을 피팅 파라미터로 하고, 반사 간섭 패턴 61과 일치하도록, 두께 d_b을 변화시킴으로써 피팅시킨 것으로, 파수 1000cm^-1의 적외선 영역으로부터 파수 7000cm^-1의 근적외선 영역까지의 파수 영역 전반에 걸쳐 간섭 파형이 재현되고 있다.

이것으로부터, 수학식 (2)로 표시되는 간섭 파형의 왜곡에 대응하는 위상의 어긋남 ΔΦ가, 2층 에피 구조에 있어서 파수 3000cm^-1보다 저파수측의 적외선 영역에서의 위상의 어긋남을 잘 재현할 수 있다고 할 수 있고, 그 경우의 피팅에 사용 한 버퍼층(22)의 두께 d_b가, 실제로 SiC 기판(21) 위에 형성된 버퍼층(22)의 두께라고 할 수 있다.

이와 같이, 호모·에피 구조의 막두께 측정에 있어서, 포논 흡수에 의한 굴절률의 이상 분산 영역 근방에서의 반사 간섭 파형의 왜곡을 해석함으로써 박막의 정보를 이끌어낼 수 있고, 그것의 막두께를 측정하는 것이 가능하게 되었다.

<막두께 측정방법>

이하, 도 9 및 도 10을 참조하면서, 도 11에 나타낸 흐름도를 사용하여 본 발명에 관한 막두께 측정방법에 대해 설명한다.

우선, 도 4에 나타낸 것과 같은 호모·에피 구조의 샘플(측정 대상)을 준비하고, FT-IR를 사용하여, 샘플의 인터페로그램과, 레퍼런스로서 기판만의 인터페로그램을 계측한다(스텝 S1).

다음에, 샘플의 인터페로그램과, 레퍼런스의 인터페로그램에 대해, 각각 푸리에 변환을 실시함으로써, 샘플의 반사 스펙트럼 및 레퍼런스의 반사 스펙트럼을 산출한다(스텝 S2).

그리고, 얻어진 샘플의 반사 스펙트럼의 강도를, 레퍼런스의 반사 스펙트럼의 강도로 나눔으로써, 반사 간섭 패턴을 산출한다(스텝 S3).

그리고, 얻어진 반사 간섭 패턴의 근적외선 영역에서의 프린지(fringe) 간격으로부터 에피층 전체의 막두께를 추정한다(스텝 S4). 이 동작을 도 9를 사용하여 설명한다. 즉, 도 9에 나타낸 실측에 의해 얻어진 반사 간섭 패턴 61에 있어서, 근적외선 영역에서의 프린지 간격(간섭파의 파두(crest) 간격)을 에피층(버퍼층(22)과 드리프트층(23)) 전체의 막두께 d로 하는 동작이다. 여기에서, 1개의 프린지 간격만으로는 부정확하므로, 근적외선 영역의 복수의 프린지에 대해 간격을 산출하고, 그것들의 평균값을 갖고 막두께 d로 한다.

다음에, 실측에 의해 얻어진 반사 간섭 패턴 61(도 9)에 대해, 수학식 (2)로 표시되는 간섭 파형의 왜곡에 대응하는 위상의 어긋남 ΔΦ을 가미하여 얻어진 위상차 Δθ을 구하는 수학식(3)을 사용하여 얻어진 반사 간섭 패턴 72를 중첩하고(스텝 S5), 그것의 저파수측에서의 시프트를 해소하도록, 수학식 (2)의 버퍼층(22)의 두께 d_b을 피팅 파라미터로 하여, 도 10에 나타낸 것과 같이 반사 간섭 패턴 61에 피팅한다(스텝 S6).

이 피팅에 사용한 버퍼층(22)의 두께 d_b을 실제의 버퍼층(22)의 두께로 하고, 스텝 S4에서 추정한 에피층 전체의 막두께 d로부터 뺀 것을, 드리프트층(23)의 두께 d_epi로 한다(스텝 S7).

<환산 막두께>

앞서 설명한 것과 같이, 파수 3000cm^-1보다 저파수측의 적외선 영역에서는, 파수가 짧아질수록 위상이 회전하고, 두께가 얇은 버퍼층(22)이라도 입사한 빛이 출사될 때까지 시간이 걸려, 결과적으로 겉보기 두께가 두꺼워져 있는 것으로 추측하고, 간섭 파형의 왜곡에 대응하는 위상의 어긋남(시프트량) ΔΦ을 수학식 (2)로 표시하였는데, 이 위상의 어긋남의 원인이 되는 버퍼층(22)의 겉보기 두께와 파수의 관계를 나타낸 것이 도 12이다.

즉, 간섭 파형의 왜곡에 대응하는 위상의 어긋남(시프트량) ΔΦ은 버퍼층(22)에 있어서의 광로차로 할 수 있고, 파수 3000cm^-1보다 저파수측의 적외선 영역에서는, 파수가 짧아질수록 위상이 회전하고, 겉보기 두께가 두꺼워져 광로차가 커지는 것으로 생각된다. 따라서, 이 겉보기 두께를 실측값의 시프트량으로부터 파수마다에 산출한 것이 도 12이다.

도 12는, 횡축을 파수(cm^-1)로 하고, 종축을 환산 막두께(㎛), 즉 겉보기 두께로 하여 나타내고 있다. 도 12에 따르면, 예를 들면, 파수 3000의 경우, 약 0.16㎛이 겉보기 두께가 되고, 파수 2000의 경우, 약 0.32㎛이 겉보기 두께가 된다.

20 샘플, 21 SiC 기판, 22 버퍼층, 23 드리프트층.

Claims

푸리에 변환 적외 분광 광도계를 사용한 반사 간섭 해석에 의한 막두께 측정방법으로서,
(a) 반도체 기판 위에, 상기 반도체 기판과 실수부의 굴절률 차이가 없는 제1 및 제2 에피택셜층이 이 순서로 적층된 측정 대상을 준비하고, 상기 푸리에 변환 적외 분광 광도계를 사용하여, 상기 측정 대상의 인터페로그램과, 상기 반도체 기판의 인터페로그램을 계측하여 레퍼런스의 인터페로그램을 얻는 스텝과,
(b) 상기 측정 대상의 인터페로그램과, 상기 레퍼런스의 인터페로그램에 대해, 각각 푸리에 변환을 실시함으로써, 측정 대상의 반사 스펙트럼 및 레퍼런스의 반사 스펙트럼을 산출하는 스텝과,
(c) 상기 측정 대상의 반사 스펙트럼의 강도를, 상기 레퍼런스의 반사 스펙트럼의 강도로 나눔으로써, 반사 간섭 패턴을 산출하는 스텝과,
(d) 상기 측정 대상의 구조에 근거한 수치계산에 의해 얻어진 수치계산 반사 간섭 패턴을 상기 반사 간섭 패턴에 피팅하는 스텝을 구비하고,
상기 스텝 (d)는,
상기 반사 간섭 패턴에 있어서, 포논 흡수에 의한 굴절률의 이상 분산 영역 근방의 파수 영역에 나타나는 왜곡을 포함하는 간섭 파형과, 상기 수치계산 반사 간섭 패턴의 동일한 파수 영역에서의 간섭 파형이 어긋나지 않도록, 상기 제1 에피택셜층의 두께를 피팅 파라미터로서 사용하고,
상기 수치계산 반사 간섭 패턴을 피팅했을 때에 설정한 상기 제1 에피택셜층의 두께를 가지고, 상기 제1 에피택셜층의 두께의 실측값으로 하는, 막두께 측정방법.
제 1항에 있어서,
상기 스텝 (d)은,
상기 수치계산 반사 간섭 패턴의 산출에 있어서,
상기 제2 에피택셜층의 표면에서의 적외광의 반사광로와,
상기 제1 에피택셜층과 상기 반도체 기판의 계면에서의 적외광의 반사광로의 광로차에 의한 위상차를 표시하는 수학식에, 상기 왜곡을 포함하는 간섭 파형의 왜곡에 해당하는 위상의 어긋남 ΔΦ을 가미한 수학식을 사용하는, 막두께 측정방법.
제 2항에 있어서,
상기 위상의 어긋남 ΔΦ은, 이하의 수학식 (1)로 규정되고,
[수학식 1]

상기 수학식 (1)에 있어서,

n_b: 상기 제1 에피택셜층의 실수부 굴절률,
k_b: 상기 제1 에피택셜층의 소멸계수,
d_b: 상기 제1 에피택셜층의 두께,
n_epi: 상기 제2 에피택셜층의 실수부 굴절률,
n_sub: 상기 반도체 기판의 실수부 굴절률,
k_sub: 상기 반도체 기판의 소멸계수,
k: 상기 제1 에피택셜층의 실수부 굴절률의 효과를 조정하는 계수,
λ: 입사 광속의 파장인, 막두께 측정방법.