WO2002095372A1

WO2002095372A1 - Thin-film characteristic measuring method using spectroellipsometer

Info

Publication number: WO2002095372A1
Application number: PCT/JP2002/004932
Authority: WO
Inventors: Nataliya Nabatova-Gabain; Yoko Wasai
Original assignee: Horiba, Ltd.; Horiba Jobin Yvon Co., Ltd.
Priority date: 2001-05-22
Filing date: 2002-05-22
Publication date: 2002-11-28
Also published as: EP1406080A1; US20040207844A1; US7271901B2; EP1406080A4

Description

明細書分光ェリプソメータを用いた薄膜特性計測方法技術分野

本発明は、分光ェリプソメータを用いた薄膜特性計測方法、さらに詳しく言えば、分光ェリプソメータを用いて様々な基板上に形成された薄膜の膜厚や光学定数を決定する方法、結晶化合物半導体層の組成決定方法、および多結晶化合物半導体の組成決定方法に関する。背景技術

(分光ェリプソメータにおける一般的な背景技術）

分光ェリプソメータを用いて入射光と反射光の偏光変化量を測定し、その結果から膜厚 (d) 、複素屈折率（N = n— i k) を算出することができる。偏光変化量 (p) は /0 = t an() exp ( i Δ) で表され、波長 (λ) 、入射角度 φ ) 、膜厚、複素屈折率等のパラメ一夕に依存するので、その関係は次のようになる。

(d, n， k) =F (Ψ， Δ， λ, φ) 入射角度を固定した場合、単一波長エリプソメ一夕では、（d, n， k) の 3 つの未知数に対し、 2つの独立変数しか測定できないので、 d， n, kの内のいずれか一つを既知として固定する必要がある。単一波長でも入射角度を変えると測定変数は増加する。しかしながら、入射角度の違いによる（Ψΰ^ ， Δ )対の中に強い相関関係があるため、 d, n, kを精度良く求めることは難しい。

分光ェリプソメータを用いて測定された基板上に形成された単層および多層薄膜の偏光変化を表している測定スぺクトル（Ψ_Ε ( ) , Δ_Ε ( ) ) は、前記基板の n， k情報、各層の d， n, kの情報のすべてを含んでいるが、これから、前記基板の n， k情報、各層の d， n， kの情報の唯一の組み合わせを算出することはできない（基板のみの場合を除く）。この前記唯一の組み合わせを探す方法は、分光エリプソメータデータの解析と呼ばれる。解析を行うときは、前記基板の n, k情報、各層の d, n, kの情報を利用してモデルをたてる。この中の基板や各層の n， k情報には、リファレンス（既知のテ一ブルデータ）や分散式、または似たような材質の単層薄膜の光学定数を使用する。

分散式とは、物質の誘電率の波長依存性を示す式であり、近赤外から紫外線領域では、この誘電率 ε (λ) は材料の構成原子の結合様式から決定される。分散式として、調和振動子をもとにした計算式、量子力学をもとにした計算式、経験式等が知られており、通常 2つ以上のパラメータを含んでいる。前述したモデルに含まれているすべての未知数（各層の厚さや、分散式パラメータ、混合比など ) を変化させながら、測定データにあわせていく。これをフイツティングといい、このフィッティングの結果、各層の膜厚や混合比などが求まり、分散式パラメ —夕からは、材料の誘電率 ε (λ) を計算することができる。材料の誘電率と屈折率は下記の関係にある。

ε=Ν²

なお、ここで、本発明方法で頻繁に使用するフィッティングについて簡単に説明しておく。

(フイツティングの結果の τ ² の意味）

Ν個の測定デ一夕対 Exp (i = l, 2. . . , N) と前記モデルの対応する N個のモデルの計算データ対 Mo d (i = l, 2. . . ， N) とし、測定誤差は正規分布をするとし、標準偏差をび i とすると、平均二乗誤差 (%² ) は、次のようにして与えられる。 χ² = 〔 1/ (2Ν-Ρ) 〕 ∑ (Exp— Mod) σ ここで、 Ρは、パラメ一夕の数である。 χ² が小さいということは測定結果とモデルの一致度が大きいということに他ならないから、複数のモデルについて比較するときに、 χ² の最も低いものがベストモデルということになる。

前述した偏光変化量は、光が通る体積、（位相角 (β) Xビーム径の面積）で表すことができる。位相角 (β) は次の式で表される。 β= 2 π (ά/λ) (Ν。²— N。²s i η² 。） ^1/2 ビーム径が一定とすると偏光変化量は次のようになる。偏光変化量∞膜厚 (d) X複素屈折率 (N) xf ( ) ここにおいて、は入射角である。膜厚（d) が薄く、複素屈折率 (N) が低ければ、位相角（の変化が小さくなり、測定が困難になる可能性が出てくる。また、前述した式のとおり、入射角の正しさによって、偏光変化量の値も変わる。したがって、何らかの方法で、入射角を正しく求める必要がある。正しい入射角度が決定できることにより偏光変化量の値も正しく求めることが可能となるさらに化合物半導体層の場合はその組成比を正確に知りたい、または一定の範囲内に保ちたいという強い要請がある。化合物半導体 (A(,-_x, Bx)層の複素屈折率 Nは、 Xの値にしたがって決まる。例えば、原子 Aと原子 Bの化合物半導体 A₍₁— Bx 層が基板 A上に形成されており、さらに、組成比 Xが低い場合には、基板の n。， k。と化合物半導体層の η』， kj の違いがほとんどなくなり、偏光変化量が小さくなる。ここから、本件発明者等は、入射角度を正確に求めることが重要であると考える（図 1 8， 1 9参照）。

最近、多結晶化合物半導体などで、その中の特定の層の原子（注目原子）の濃度等について測定したいという強い要請がある。

本発明では、様々な理由により、 1つの分散式では膜の誘電率の波長依存性を特定できないかまたは困難な場合についても問題にして、有効媒質論 (Effect iv e Medium Theory)を利用して、有効誘電率 (Effective Dielectric Function) を計算する。

一般的に、例えばホスト材料中に様々な誘電率を持つ N個の物質（ゲスト）が混ざり合っている場合、有効誘電率 (ε) は、下記の様に表される。 ( ε— ε _h ) / ( ε + k ε _h ) =∑ f j ( ε j ― ε _h ) / ( ε j + k ε _h ) この時、 £_h はホストの誘電率を、 ε」は j個目の誘電率を、 kはスクリ一ニングファクタ一を示している。ここで、ホストの材料と、中に入っている材料がほぼ同じ量で混ざり合っているか、またはどちらがホストかゲストか分からない場合、ホストの材料自身が有効媒質材料と同じ ε = ε _h になる。この条件の有効媒質論をブラッグマンの有効媒質近似 (Bruggeman Effective Medium Approximati _on以下本願において単に EM A) と呼ばれている。 3つの球状物質 a, b，。が対照的に混在しているときの誘電率 εは次の式で与えられる。 f a ε _a ― ε ) / (e_a + 2 ε) + f b 、 ε b - ε ) / ( ε _b + 2 ε )

+ f ο ( ε c - ε ) / (ε ₀ + 2 ε) = 0 、

ε ：求めようとする有効誘電率

ε _a , £_b , S o ：球状物質 a b , cの誘電率

f _a , f _b , f c ：各物質の混合比（Volume Fraction 以下 Vf) で、

f a + f b + f c = 1

基板上の膜が不均一または不連続や、いくつかの材料が混ざり合っている場合、波長オーダ一より十分小さく、物理的に混合している複数の物質から成る媒質については、有効媒質近似 (EMA) を利用してモデルをたてる。

物質 aと物質 bと物質 cが混合している場合について説明する。このときの有効媒質近似 (EMA) は、物質 aの混合比、物質 bの混合比、物質 cの混合比、 aと bと cの混合層の膜厚、誘電率には分散式やリファレンスデ一夕などを推定してフイツティングを ί亍ぃ、評価する。

結晶材料とは、実際は単結晶であり、 1つの無限大のグレイン（グレインバウンダリーなし）からなつている。それに対し実際の多結晶材料は「たくさんの小さな単結晶（グレイン）」または「たくさんのグレインとアモルファス成分」からなっている（作り方によっては空間が入る可能性あり）。見方を容易にすると一般的に、多結晶材料は「結晶の成分とアモルファス成分」または「結晶の成分とアモルファス成分、空間（Void) 」の混ぜ合わせとして見ることができる。ここから、前述した有効媒質近似 ( E MA) を利用して、多結晶の誘電率を計算することができる。

様々な結晶の物質の誘電率は良く知られており、 g知のデータ（リファレンス ) を利用することが一般的である。それに対し、アモルファス物質の誘電率は作製方法によって非常に変化するため、既知のデータは限られている材料および作製方法にしか存在していない。

多結晶材料のグレインの大きさゃグレインバウンダリー（Grain boundary) の大きさ、アモルファス成分の有無、結晶化率によって、多結晶材料の誘電率は非常に変わる。そのため、リファレンスは限られている材料および作製方法にしか存在しない。

シリコンなど半導体業界で一番よく使われている材料では、結晶シリコン（c- Si ) のみでなく、アモルファスシリコン（a-Si ) やポリシリコン（p- Si ) にも、リファレンスが存在する。

最近、非常に需要が多くなつた結晶 SiGe ( c-Si .-xGex ) の様々な Ge濃度 ( x ) の誘電率リファレンスは存在している。結晶 SiGe ( c-Si ,-xGe_x ) の誘電率は Ge濃度に依存しているため、分光ェリプソメータのデ一夕から C- S i Geの誘電率を求めることで、 Ge濃度を計算することが可能となる。

それに対し、多結晶 SiGe ( p-Si i -xGex ) では、前述した通り、 Ge濃度だけでなく、結晶化率も変わるため、各結晶化率の各 Ge濃度によって誘電率が変化する。よって、これにあわせたリファレンスを作製することは困難である。

前述した通り、 P- SiGeの場合、前記した SiGeのように、リファレンスを用いて、分光エリプソメ一夕のデータの誘電率から、 Ge濃度を計算することができない本発明の第 1の目的は、膜厚ゃ複素屈折率等の組み合わせモデルを設定し、そのシユミレーションスぺクトルを算出して、そのシユミレーションスぺクトルと測定スぺクトルとのフイツティグを行うことにより薄膜構造を決定する分光ェリプソメータを用いた薄膜計測方法を提供することにある。

本発明の第 2の目的は、化合物半導体層の膜厚ゃ複素屈折率、組成比等の組み合わせモデルを設定し、そのシユミレーションスぺクトルを算出して、そのシュミレーシヨンスぺクトルと測定スぺクトルとのフイツティングを入射角度を変えて行うことにより薄膜構造および組成比を決定する基板上の化合物半導体層の組成決定方法を提供することにある。

本発明の第 3の目的は、エリプソメータを用いて得たデータから、新しい近似計算方法を用いることで、最終的に多結晶化合物半導体中の注目原子の濃度を算出する測定方法を提供することにある。発明の開示

前記第 1の目的を達成するために、本発明による請求項 1記載の方法は、分光ェリプソメ一夕を用いた計測対象の基板上の薄膜計測方法において、計測対象の基板上の薄膜を、入射光の波長を変えて各波長ごとの入射光と反射光の偏光の変ィ匕である測定スぺクトル Ψ_Ε ( ； ) と Δ_Ε ( ) を得る Ψ_Ε ， Δ_Ε スぺクトル測定ステップと、前記基板の（N _D ( n ₀. k。））、第 1層目の（d , . N , ( n k , ) ) 、第 j層目の（d j . N j ( n j . k j ) ) を仮定してモデルを決定し、リファレンスデータや分散式を用いてモデリングスペクトル Ψ_Μ ( A i ) と Δ_Μ ( ) を得る Ψ_Μ, Δ_Μ モデリングスぺクトル算出ステップと、前記 Ψ_Ε ， Δ _Ε スぺクトルと前記 ΨΜ. ΔΜ モデリングスぺクトルを比較し、評価基準に達した前記 Ψ_Μ, ΔΜ.の構造を測定結果と決定する比較評価ステップと、前記モデルが前記評価基準に合致しないときは、次の修正モデルを選定し、前記 Ψ_Μ. Δ_Μ モデリングスぺクトル算出ステップを行い、前記比較評価ステップを行う修正ステップとを含んで構成されている。

本発明による請求項 2記載の方法は、請求項 1記載の分光ェリプソメ一夕を用いた薄膜計測方法において、前記モデルの評価基準は、前記 Ψ_Ε ( ； ) 、 Δ_Ε ( λ _; ) と有限組の中の Ψ_Μ ( A i ) . Δ_Μ ( A i ) 間の平均二乗誤差を求め、最も小さい平均二乗誤差のものに決定することとしている。

本発明による請求項 3記載の方法は、請求項 1記載の分光ェリプソメ一夕を用いた薄膜計測方法において、前記 ΨΜ. AM モデルシユミレ一ションスぺクトル算出ステップは、前記 Ψ_Ε ， Δ_Ε スペクトル測定ステップの公称入射角を。とするときに、前記公称入射角を。の近傍の k を関数とするシュミレーシヨンスベクトル Ψ« ( ) と A_Mk (λι ) を算出し、前記比較評価ステップは、前記 Ψ_Ε ， Δ_Ε スぺクトルと Ψ«と Δ«モデリングスぺクトルを j:匕較し、評価基準に達した前記 Ψ_Μ¾と△ «の構造を測定結果と決定する比較評価ステツプとしたものである。

前記第 2の目的を達成するために、本発明による請求項 4記載の方法は、分光ェリプソメータを用いて基板上に形成された化合物半導体層の表面を測定し前記基板上に形成された化合物半導体層の組成比、 x， yを決定する化合物半導体層の組成決定方法であって、計測対象の基板上の薄膜を、入射光の波長を変えて各波長; 1; ごとの入射光と反射光の偏光の変化である測定スペクトル Ψ_Ε ( λ_; ) と Δ_Ε ( Xi ) を得る Ψ_Ε ， Δ_Ε スペクトル測定ステップと、前記基板の（No (n_Q. k。））、前記基板上の化合物半導体層の、第 j層目の（dj. Nj (η,. kj ) ) を仮定してモデルを決定し、モデリングスペクトル Ψ_Μ ( Ai ) と Δ_Μ ( え i ) を得る Ψ_Μ, Δ_Μ モデリングスペクトル算出ステップと、前記 Ψ_Ε , Δ_Ε スぺクトルと前記 Ψ_Μ. ΔΜ モデリングスぺクトルを比較し、評価基準に達した前記 Ψ_Μ, Δ_Μ の構造を測定結果と決定（d， n, kおよび組成比が求まる）する比較評価ステップと、前記モデルが前記評価基準に合致しないときは、次の修正モデルを選定し、前記 Ψ_Μ. Δ_μ モデリングスぺクトル算出ステップを行い、前記比較評価ステップを行う修正ステツプとを含んでいる。

本発明による請求項 5記載の方法は、請求項 4記載の基板上の化合物半導体層の組成決定方法において、前記モデルの評価基準は、前記 Ψ_Ε ( え i ) 、 Δ_Ε ( λι ) と有限組の中の Ψ_Μ ( Ai ) . Δ_Μ ( A; ) の間の平均二乗誤差を求め、最も小さい平均二乗誤差のものに決定する。

本発明による請求項 6記載の方法は、請求項 4記載の基板上の化合物半導体層の組成決定方法において、前記 Ψ_Μ. ΔΜ モデルシユミレーシヨンスぺクトル算出ステップは、前記 Ψ_Ε ， Δ_Ε スペクトル測定ステップの公称入射角を。とするときに、前記公称入射角を。の近傍の _k を関数とするシユミレ一シヨンスぺクトル Ψ_Μ1ί (λ _; ) と A_Mk (え i ) を算出し、前記比較評価ステップは、前記 Ψ

E ， Δ_Ε スペクトルと Ψ_Μ15と A_Mkモデリングスペクトルを比較し、評価基準に達した前記 W_Mkと A_Mkの構造を測定結果と決定する比較評価ステップとから構成されている。

本発明による請求項 7記載の方法は、請求項 4記載の基板上の化合物半導体層の組成決定方法において、前記化合物半導体層は、 S iGe, AlGaAs, InGaAsP, InG aAs, InAlAs, InGaP, AlGalnP, AlGalnAs, AlGaAsSb, InAsSb, HgCdTe, ZnMgSSe

， ZnSSe, ZnCdSe, ZnMnSe, ZnFeSe, ZnCoSe のいずれかとしたものである。

前記第 3の目的を達成するために、本発明による請求項 8記載の分光ェリプソメータを用いた多結晶化合物半導体の組成決定方法は、計測対象の基板上の前記多結晶化合物半導体層を、入射光の波長を変えて各波長; ごとの入射光と反射光の偏光の変ィ匕である測定スぺクトル Ψ_Ε ( A i ) と Δ_Ε ( λ ,- ) を得る Ψ_Ε ， Δ_Ε スぺクトル測定段階と、基板の複素屈折率 (N o. ( n o. k o) ) および各層の考えられる複素屈折率 (Ν ,. ( _{n i}. k ,)、 N ₂, ( n ₂. k ₂) · · · ) 、各層の膜厚を設定する。

ここで、多結晶化合物半導体層の複素屈折率には、注目原子が入っている結晶化合物半導体リファレンスと注目原子が入っているァモルファス化合物半導体とさらに注目原子が入っていない結晶化合物半導体リファレンスなどを混ぜ合わせて使用する。これらいくつかのモデルをたてる第 1ステップ、前記各モデルについて、膜厚や混合比を変数として、未知のアモルファス化合物半導体の分散式パラメ一夕をフイツティングする第 2ステツプ、前記フイツティングの結果から平均二乗誤差が最も低く、さらにァモルファス化合物半導体の混合比が最小の結果を選択する第 3ステップ、およぴ前記複数のモデルごとに得られた最良の結果の中から、平均二乗誤差が最も低く、さらにアモルファス化合物半導体の混合比が最小の結果を選択する第 4ステップからなる解析第 1段階を含んで構成されている。

本発明による請求項 9記載の方法は、請求項 8記載の分光ェリプソメータを用いた多結晶化合物半導体の組成決定方法において、前記解析段階は、前記第 1段階と、前記第 1段階のステップ 4で得られた最良のモデルから、さらに多結晶化合物半導体層の膜厚、混合比、または他の層の膜厚や混合比についてフイツティングを行う第 1ステツプ、前記フイツティングの結果を確認する第 2ステップ、および確認の結果を保存する第 3ステップからなる解析第 2段階と、前記得られた結果のうち、多結晶化合物半導体の混合比と前記多結晶化合物半導体中の注目原子の組成比に基づいて注目原子の組成を算出する計算段階から構成されている本発明による請求項 1 0記載の方法は、請求項 8または 9記載の分光エリプソメータを用いた多結晶化合物半導体の組成決定方法において、多結晶化合物半導体層は、結晶成分（既知のリファレンスデ一夕）とアモルファス成分の混ぜ合わせとして設定し、関係する結晶成分の組成比とその混合比から、多結晶化合物半導体の組成比を求める。

さらに詳しくいえば、多結晶化合物半導体層は原子 P， Qを含み、注目原子 Q の組成比率 (X) の異なる結晶化合物半導体 2種類（a 1， a 2) 、注目原子を含むァモルファス化合物半導体 bを含むものであり、解析段階で得られた各化合物半導体は、以下の組成比率 (X) と混合比（VO を持つものであり、

a 1 ： P (i-x,)Qx. 混合比が

a 2 ： P ₍₁-x₂,Q_x2 混合比が W₂

b ： R 混合比が V

濃度算出段階は、多結晶化合物半導体注目原子濃度を次のアルゴリズムで算出するように構成されている。

多結晶化合物半導体注目原子濃度

=( XI■ Vfi +X2 - Vf ₂) - 100/(Vf,+Vf₂)atom%

本発明による請求項 1 1記載の方法は、請求項 8〜 1 0記載の多結晶化合物半導体の組成比を求める方法において、多結晶化合物半導体の組成比はァモルフ了ス部分の組成比と結晶部分の有効な組成比が同じであると仮定して計算を行う、新しい近似方法を用いている。

本発明による請求項 1 2記載の方法は、請求項 8〜1 0記載の分光エリプソメ一夕を用いた多結晶化合物半導体の組成決定方法において、 a 1は結晶 SiGeであり、 Ge濃度が xl (Si(i-xnGe_xl) 、混合比で表される。 a 2は結晶 SiGeであり、 Ge濃度が x2 (Si _{( 1} -_{x 2}) Ge_{x 2} ) 、混合比 Vf₂ で表される。 bはアモルファス Si Geであり、混合比 Vf₃ で表される。

本発明による請求項 1 3記載の方法は、請求項 8〜 1 0記載の分光ェリプソメ一夕を用いた多結晶化合物半導体の組成決定方法において、計測対象の基板上の前記多結晶化合物半導体層を、入射光の波長を変えて各波長 λ _: ごとの入射光と反射光の偏光の変化である測定スペクトル Ψ_Ε ( ； ) と Λ_Ε ( ) を得る Ψ

Ε ， Δ Ε スぺクトル測定段階と、予想される範囲内にある複数の測定条件 (Zi ) ごとに、請求項 9の解析第 2段階第 1ステップまでを行い、各測定条件ごとに得られた結果の中から、最低平均二乗誤差の値またはあらかじめ設定した膜厚や分散式パラメ一夕、混合比、入射角度などのそれぞれ最大、最小値の中に入っている平均二乗誤差の最も低いモデルを選択する第 1ステップが加わって構成されている。

本発明による請求項 1 4記載の方法は、請求項 8〜 1 0または 1 3記載の分光エリプソメータを用いた多結晶化合物半導体の組成決定方法において、前記解析第 1，第 2段階における前記差の最も少ないものを選択するステップは、フイツティングしたものと、測定値の平均二乗誤差を求め、最も小さい平均二乗誤差のものまたは、あらかじめ設定した膜厚、分散式パラメ一夕、混合比、入射角度などの変量、それぞれの最大、最小値の中に入っている最も小さい平均二乗誤差のものに決定することである。図面の簡単な説明

図 1は、本発明方法で使用するエリプソメ一夕の構成を示すプロック図である図 2は、本発明による薄膜計測方法を説明するための流れ図である。

図 3は、前記薄膜計測方法のステップ 2 0の分光測定デ一夕を示すグラフである。

図 4は、前記薄膜計測方法のステップ 2 1で設定されるモデルのデータを説明するための図表である。

図 5は、前記薄膜計測方法のステップ 2 2のモデルのデータを示すグラフである。

図 6は、前記薄膜計測方法のステップ 2 3で比較される分光測定データと、モデルのデー夕を重ねて示したグラフである。

図 7は、前記薄膜計測方法のステップ 2 4のフイツティングを説明するための図表である。

図 8は、前記薄膜計測方法のステップ 2 5のモデルの変更を説明するための図表である。

図 9は、前記薄膜計測方法のステップ 2 6を説明するために確定されたモデルのグラフと決定された構造を示す図表である。

図 1 0は、本発明による化合物半導体の組成決定方法を説明するための流れ図である。

図 1 1は、前記組成決定方法のステップ 2 0の分光測定データを示すグラフである。

図 1 2は、前記組成決定方法のステップ 2 1で設定されるモデルのデータを説明するための図表である。

図 1 3は、前記組成決定方法のステップ 2 2のモデルのデータを示すグラフである。

図 1 4は、前記組成決定方法のステップ 2 3で比較される分光測定データと、モデルのデ一夕を重ねて示したグラフである。

図 1 5は、前記組成決定方法のステップ 2 4のフィッティングを説明するための図表である。

図 1 6は、前記組成決定方法のステップ 2 5のモデルの変更を説明するための図表である。

図 1 7は、前記組成決定方法のステップ 2 6を説明するために確定されたモデルのグラフと決定された構造を示す図表である。

図 1 8は、前記組成決定方法において、入射角度を振って、各角度におけるフィッティングを行い膜厚と組成比の最適モデルを決定するためのグラフである。図 1 9は、前記組成決定方法において、前記フィッティングにより得られたデ一夕のグラフである。図 2 0は、前記組成決定方法において、測定の対象となる層の構造の概念を示す略図である。

図 2 1は、本発明による多結晶化合物半導体の組成決定方法の基本的な流れ図である。

図 2 2は、前記組成決定方法における解析第 1段階を詳細に示す流れ図である図 2 3は、前記組成決定方法における解析第 2段階と計算段階を詳細に示す流れ図である。発明を実施するための最良の形態

以下図面等を参照して本発明による方法の形態を説明する。

図 1は、本発明方法で使用するエリプソメータの構成を示すブロック図である。このプロック図に示されている分光エリプソメ一夕により、後述する方法の分光測定デー夕の獲得ステツプ 1 0が実行される。

X eランプ 1は、多数の波長成分を含む、いわゆる白色光源である。この X e ランプ 1の発光は光ファイバ 2を介して偏光子 3に導かれる。偏光子 3により偏向された光は、測定対象であるサンプル 4の表面に特定の入射角（例えば = 7 5 ° ) で入射させられる。サンプル 4からの反射は、光弾性変調器（P E M) 5 を介して検光子 6に導かれる。光弾性変調器（P E M) 5により 5 0 k H zの周波数に位相変調されて、直線〜楕円偏光までが作られる。そのため、数 m秒の分解能で Ψ，厶を決定することができる。検光子 6の出力は光ファイバ 7を介して分光器 8に接続される。分光器 8の出力デー夕がデ一夕取込部 9に取り込まれ、分光測定データの獲得ステップ 1 0を終了する。なお、 Ρ Ε Μ 5の位置は偏光子 3の後か検光子 6の前どちらでも可能とする。

(薄膜計測方法における実施の形態の説明）

図は、本発明による分光ェリプソメータを用いた薄膜計測方法の流れ図である。

(ステップ 2 0 ).

このステップとは分光測定デ一タを比較デ一タ化するステップである。前述した分光測定デ一夕の獲得ステップ 1 0で獲得した分光測定デ一夕を Ψ_Ε ( λ) と

Δ_Ε ( λ) の形で比較データ化する。

図 3は、ステップ 2 0の分光測定データを示すグラフの例である。縦軸は測定スぺクトル Ψ_Ε ( ； ) P s i、と Δ_Ε ( ； ) De i t aを示している。 (ステップ 2 1 )

このステツプ 1 1は分光測定対象のモデル化ステツプである。図 4はステツプ 1で設定されるモデルのデータを説明するための図表である。前記ステップ 2 0で比較データ化された測定対象の製造プロセス等を考慮してモデルを作る。基板と各層の光学定数、組成および各層の膜厚 (d) を設定する。この実施例では基板は Si 、基板上に第 1層 Si 0₂ が形成されているものとし、第 1層の厚さ d= 1 0 0 0人とし、基板と第 1層の光学定数（n, kまたは ε-, _{£ i} ) を設定する。なお、光学定数は既知の数値を用い、必要に応じて過去の蓄積データを用いて数値を順次修正して用いる。

(ステップ 2 2)

このステップ 2 2では、前記ステップ 2 1で設定したシュミレーシヨンモデルから分散式を用いてモデリングスぺクトルを作製して比較データ化する。図 5は、ステップ 2 2のモデルのデータを示すグラフである。縦軸、横軸は図 3で説明したとおりである。ステップ 2 1で採用したモデルを分散式を使ってモデリングスぺクトルを作製する。分散式は、物質の波長依存性を示す式であり、各波長における n， kまたは £_r. を算出できるから、これらと前記第 1層の厚さ dから、 Ψ_Μ ( λ) と Δ_Μ ( λ) を算出してモデリングスペクトルを作製する。 (ステップ 2 3)

このステツプは分光測定比較デー夕とモデル比較デ一タを比較するステツプである。図 6は、ステップ 2 3で比較される分光測定データと、モデルのデータを重ねて示したグラフである。ステップ 2 2で算出したモデリングスぺクトル Ψ_Μ ( λ) , Δ_Μ ( λ) と、ステップ 2 0で供給された Ψ_Ε ( λ) , Δ_Ε ( λ) を比較する。

(ステップ 24)

このステップは、前記比較の結果を評価するステップである。図 7は、ステツプ 2 4で行われるフィッティングを説明するための図表である。最小二乗法を用いて（Ψ_Ε ( 义）， Δ_Ε ( え））と（Ψ_Μ ( λ) ， Δ_Μ ( λ) ) の違いが最小になるようにパラメ一夕をフィッティングするその糸吉果、測定デー夕とモデルが合うか合わないかの判断をする。

評価は前記平均二乗誤差 ( % ² ) が一定の範囲内にあるもの、または後述するステップ 2 5を含めたループ（ステップ 2 2→ステップ 2 3—ステップ 2 4→ステツプ 2 5→ステップ 2 2 ) の有限繰り返し中のステップ 2 4で得られる有限の χ ² の値の内最小の χ ² を与えるモデルを測定データとモデルが合ったとして選択する。

(ステップ 2 5 )

図 8は、ステップ 2 5のモデルの変更を説明するための図表である。このステップは、ステップ 2 4でモデルと分光測定データが合わないと判断されたときに、モデルを変更し、次のモデルを設定するステップである。ステップと 2 1で設定した S i 〇₂ の膜厚 1 0 0 0人を 2 0 0 0人に変更する。必要に応じて、各層の光学定数、各層の組成等に適宜の変更を行い次のモデルを決定する。

(ステップ 2 2 )

ステップ 2 2は、ステップ 2 5で設定されたモデルから、理論的に次の Ψ_Μ ( A) , Δ_Μ ( λ) を求める。ステップ 2 3→ステップ 2 4—ステップ 2 5→ステ、ソフ ° 2 2の繰り返し実行が行われる ο

(ステップ 2 6 )

図 9は、ステップ 2 6を説明するために確定されたモデルのグラフと決定された構造を示す図表である。

前記ステップ 2 4の評価ステップで合うと判断されたモデルのデ一夕を測定結果として採択して、測定を終了するステップである。この実施例では、前記繰り返しの実行の過程で設定されたモデルから、 S i 0₂ の膜厚 1 8 2 0 . 4人としたものが、最小の z ² を与えたものとして採択してある。

次に、公称入射角。の近傍の入射角をパラメ一夕として測定する場合について説明する。前述したように、偏光変化量（p ) は、 ) = t a n ^ e x p ( i Δ ) で表され、波長（λ ) 、入射角度（）、膜厚、複素屈折率等のパラメ一タに依存し、その関係は次のようになる。（d, n， k) =F (Ψ, Δ, λ, Φ) 図 1に示す公称入射角。により、モデルを設定しても、サンプルの表面の微妙な形状等により、入射角。を僅かに増減した方が良いことが予想され、前述した Ψ_Ε ， Δ_Ε も、。を修正した角度による測定データであったとする方が妥当だと考える方が良い。

すなわち、前記分光エリプソメ一夕を用いた薄膜計測方法において、前記 Ψ_Ε ， Δ_Ε スペクトル測定ステップの公称入射角を。とし、前記 Ψ_Μ. Δ_Μ モデルシユミレーシヨンスぺクトル算出ステップでは、前記 ø。を関数とするシユミレ一シヨンスペクトル ψ_Μ0 (Ai ) 、 A_M。 (λι ) とさらに前記公称入射角を。の近傍の _k を関数とするシュミレーシヨンスペクトル Ψ« (λ; ) と Δ« (λ_; ) を得る。このモデルシユミレーションスぺクトルをステップと 2 1で算出して Ψ_Ε ( Ai ) Δ_Ε ( Ai ) と比較する。

そこで前記公称入射角 φ_ϋ を 7 5. 00 ° を中心として、前記ステツプ 2 1で、一組の d， n， kに対して、 …ァ 4. 8° ·'·7 5. 0° ·'·7 5. 2° …と、わずかに入射角度をかえて複数組のモデルを立て，他の d, n, kの組に対しても、一74. 8° 〜7 5. 0° 〜7 5. 2° …と、わずかに入射角度をかえて複数組のモデルを立てる。このような組み合わせの内から最小の χ ² を与えるものをステップ 24を経て適合モデルとして選択する。

以上詳しく説明したように、本発明による分光ェリプソメータを用いた薄膜計測方法によれば、以前は困難であった薄膜構造をモデルを使用し、さらに入射角をフイツティングすることにより精度よく正確に測定することができる。

(基板上の化合物半導体層の組成決定方法における実施の形態の説明）図 1 0は、本発明による分光エリプソメ一夕を用いた基板上のィ匕合物半導体層の組成決定方法の流れ図である。（ステップ 20) このステップとは分光測定デ ―夕を比較データ化するステップである。前述した分光測定デ一夕のステップ 1 0で獲得した分光測定データを Ψ_Ε ( λ) と Δ_Ε ( λ) の形で比較デ一夕化する図 1 1は、ステップ 2 0の分光測定デー夕を示すグラフである。縦軸は反射光の偏光の変化である測定スペクトル Ψ_Ε ( λι ) P s i、と Δ_Ε ( λ,- ) D e l t aを示している。

(ステップ 2 1 )

このステップ 2 1は分光測定対象のモデル化ステップである。図 1 2はステツプ 2 1で設定されるモデルのデータを説明するための図表である。前記ステップ

2 0で比較データ化された測定対象の製造プロセス等を考慮してモデルを作る。基板と各層の光学定数、組成、各層の膜厚 ( d ) を設定する。

この実施例では S i 基板上に第 1層 S i G e ( x = 0 . 1 5 ) の化合物半導体層、 d = 8 0 0 Aを想定する。その上層に化合物半導体層の自然酸化層である第

2層が存在しているものとする。第 2層の厚さ d = 2 O Aとし、基板と第 1、 2 層の光学定数（n , kまたは _{£ r}, ε _; ) および組成比を設定する。なお、光学定数は既知の数値を用い、必要に応じて過去の蓄積データを用いて数値を順次修正してデータベースを準備しておく。

(ステップ 2 2 )

このステップ 2 2では、前記ステップ 2 1で設定したシュミレーシヨンモデルからモデリングスペクトルを作製して比較データ化する。図 1 3は、ステップ 2 2のモデルのデータを示すグラフである。縦軸、横軸は図 1 1で説明したとおりである。ステップ 2 1で採用したモデルから乇デリングスぺクトルを作製する。各波長における n， kまたは £ _r, 'は既知として、これらと前記第 1および第 2層の厚さから、 Ψ_Μ ( λ) と Δ_Μ ( λ) を算出してモデリングスペクトルを作製する。

(ステップ 2 3 )

このステツプは分光測定比較デ一夕とモデル比較データを比較するステツプである。図 1 4は、ステップ 2 3で比較される分光測定デ一夕と、モデルのデ一夕を重ねて示したグラフである。ステップ 2 2で算出したモデリングスペクトル Ψ Μ ( λ) , Δ_Μ ( λ) と、ステップ 2 0で供給された Ψ_Ε ( λ) , Δ_Ε ( λ) を比較する。

(ステップ 2 4 )

このステヅプは、前記比較の結果を評価するステップである。図 1 5は、ステップ 2 4で行われるフイツティングを説明するための図表である。最小二乗法を用いて（Ψ_Ε ( ス）， Δ_Ε ( え））と（Ψ_Μ ( λ) ， Δ_Μ ( λ) ) の違いが最小になるようにパラメ一夕をフィッティングするその糸吉果、沏 J定データとモデルが合うか合わないかの判断をする。

評価は ft記平均二乗誤差（χ² ) が一定の範囲内にあるもの、または後述するステップ 2 5を含めたループ（ステップ 2 2→ステップ 2 3—ステップ 24—ステツプ 2 5→ステップ 2 2) の有限繰り返し中のステップ 24で得られる有限の χ² の値の内最小の χ ² を与えるモデルを測定データとモデルが合ったとして選択する。

(ステップ 2 5 )

図 1 6は、ステップ 2 5のモデルの変更を説明するための図表である。このステツプは、ステップ 2 4でモデルと分光測定データが合わないと判断されたときに、モデルを変更し、次のモデルを設定するステップである。

ステップ 2 1で設定した第 1層である Si Geの膜厚 80 0人を 2000人に変更し、組成比を x = 0. 1 5から x = 0. 2に変更する。必要に応じて、各層の光学定数、各層の組成等に適宜の変更を行い次のモデルを決定する。

(ステップ 2 2)

ステップ 2 2は、ステップ 2 5で設定されたモデルから、理論的に次の Ψ_Μ ( λ) , Δ_Μ ( λ) を求める。ステップ 2 3—ステップ 24→ステップ 2 5—ステつ。 1 1の繰り返し実行が行われる。

(ステップ 26 )

図 1 7は、ステップ 2 6を説明するために確定されたモデルのグラフと決定された構造を示す図表である。前記ステップ 2 4の評価ステップで合うと判断されたモデルのデータを測定値として採択して、測定を終了するステップである。この実施例では、前記繰り返しの実行の過程で設定されたモデルから、第 1層である Si Ge (x=0.18) の膜厚を 1 80 8. 4人および前記組成比率 (x=0.18 ) に対応する化合物半導体層の（nし k, ) 、第 2層である自然酸化層の膜厚を 20. 8 Aおよび自然酸化膜層の（n₂. k₂ ) としたものが、最小の χ ² を与えたものとして採択してある。

前記組成比決定の方法は 2通りある。本件発明者は、組成決定方法として、例ではステップ 26のように、膜厚と光学定数と同時に組成比が求まるとしたが、測定結果として得られた膜厚と光学定数から、誘電率（光学定数）と組成間に成立する関数関係にもとづいて、組成を決定する方法もある。また、光学定数には

、既知の数値（リファレンス）の他、分散式（物質の誘電率の波長依存性を示す式）なども使用可能である。

次に、公称入射角の近傍の入射角をパラメ一夕として測定する場合について説明する。前述したように、偏光変化量（0) は、 /0 = t an^exp ( i Δ ) で表され、波長（え）、入射角度（、膜厚、複素屈折率等のパラメ一夕に依存し、その関係は次のようになる。

(d， n， k, 組成比） =F (Ψ, Δ， λ, φ) 図 1に示す公称入射角。により、モデルを設定しても、サンプルの表面の微妙な形状等により、入射角。を僅かに増減したほうが良いことが予想され、前述した Ψ_Ε ，厶 Ε も、 φ₀ を修正した角度による測定データであったとするほうが妥当だと考えるほうが良い。

すなわち、前記分光エリプソメ一夕を用いた薄膜計測方法において、前記 Ψ_Ε , Δ_Ε スぺクトル測定ステップの公称入射角を。とし、前記 Ψ_Μ, Δ_Μ モデルシユミレーシヨンスぺクトル算出ステップでは、前記 ø。を関数とするシュミレーシヨンスペクトル Ψ_Μ0 (Ai ) . ΔΜΟ (Ai ) とさらに前記公称入射角を。の近傍の _k を関数とするシユミレ一シヨンスペクトル (Ai ) と A_Mk (Ai ) を得る。このモデルシユミレ一シヨンスペクトルをステップと 21で算出して Ψ_Ε ( ) . Δ_Ε ( λ_; ) と比較する。

ここで、例として図 18, 19を挙げる。前記公称入射角を。の近傍の角度 <^_kmin= 74. 85 ° から、 =0. 01° ずつ増加させてゆき各角度において、膜厚と組成比の最高の組み合わせとその根拠となった、を示す。この例では ¾6_kMax= 75. 00° としている。これは、前述した 2 1ステップに相当するステップで入射角に対応して、 d，組成比 Xに対応するモデルを順次作成してフィッティングを行うことを意味する。図 18において、最上段は km ] = 74. 85 ° においては、膜厚 d_kmin =1 100. 4人と組成比 x_kmi 7. 7876 (a t om ) が最適な組み合わせでそのときの χ ² の値は 0. 6 29 2である。図 1 9は、各入射角度における組成比 Xと ¾; ² を示すグラフである。

図 1 8を検討すると、 _kbest = 74. 97における、

膜厚 d_kbe" = 1 1 00. 3 Aと組成比 x_kbe" = 8. 9277 (a t om%) が最も小さい χ² の値 0. 4406を示し、このモデルをもって、最適な膜厚と組成比を決定する。

なお、図 1 9において、 XRDの示す線は X線を用いる他の測定機を用いて測定した結果を参考までに記入したものである。この測定によれば、 Ge濃度は x=9. 00 (a t om ) と本発明による場合とほぼ同じ値になり、入射角度を合わせることによって、より真値に近い値を求めることができるということを以上詳しく説明したように、本発明による基板上の化合物半導体の組成決定方法によれば、以前は困難であった薄膜の組成を様々なモデルを使用し、さらに入射角をフィッティングすることにより精度よく正確に測定することができる。

(多結晶化合物半導体の組成決定方法における実施の説明）

ここで例として多結晶 S i Geをあげる。図 20は、測定対象の構成を説明するための略図である。図 2 1は本発明方法の流れ図である。図 2 2に解析第 1段階、図 23に解析第 2段階、と濃度計算段階を示している。

本発明方法の流れを図 2 1で説明する。まず、図 1に示す装置で測定を行う。計測対象の前記多結晶化合物半導体層を、入射光の波長を変えて各波長; ごとの入射光と反射光の偏光の変化である測定スペクトル Ψ_Ε ( ； ) と Δ_Ε ( ) を得る Ψ_Ε ， Δ_Ε スぺクトル測定段階 1 0と、解析第 1段階 2 0と解析第 2段階 30を含む解析段階と、解析の結果から Geの濃度を演算する計算段階 40を含んでいる。

〔測定段階〕

測定段階で使用される分光ェリプソメータを簡単に説明する。 X eランプ 1は、多数の波長成分を含む、いわゆる白色光源である。この Xeランプ 1の発光は光ファイバ 2を介して偏光子 3に導かれる。偏光子 3により偏光された光は、測定対象であるサンプル 4の表面に特定の入射角 (例えば φ = 75. 00 ° ) で入射させられる。

サンプル 4からの反射は、光弾性変調器 (PEM) 5を介して検光子 6に導かれる。光弾'性変調器（PEM) 5により 5 0 kHzの周波数に位相変調されて、直線から楕円偏光までが作られる。そのため、数 m秒の分解能で Ψ, Δを決定することができる。検光子 6の出力は光ファイバ 7を介して分光器 8に接続される。分光器 8の出力データがデータ取込部 9に取り込まれ、分光測定データの獲得ステップを終了する。なお、 PEM 5の位置は偏光子 3の後か検光子 6の前どちらでも可能とする。

〔解析第 1段階〕

この実施例の測定の対象となる層は、第 1物質（a 1 ) 第 2物質（a 2 ) および第 3物質（b) (それぞれ異なる光学定数をもつ）を含んでいる。そして、それらが混合比 νίΜ₂:νί"₃ (Vf, +Vf₂ +Vf₃ = 100%) で混合されているとする。

a 1 c-SiGeの組成が Si __xl)Ge_xl で混合比が Vf,

a 2 c- SiGeの組成が Si ₍₁- _x2)Ge_x2 で混合比が Vf₂

b a- SiGe アモルファス SiGe で混合比が Vf₃

(ステップ 1 )

この実施例の測定の対象である試料は、 Ge濃度が 10〜30%と予想されるものであるからこの点を考慮してモデル（1) (2)をたてる。なお、ここで使用した S i ₉₈ Ge。₂, S i ₈₅Ge i s , S i ₆₅ G e ₃₅はリファレンス名であり、実際にはそれぞれ x = 0. 0 2 , x = 0. 1 5， x = 0. 3 5を示している。

モデル（1)

第 3層自然酸化層 (Native Oxide) d ₃1

第 2層

+Si₈₅Gei₅(Vf_{2 I})+ a-SiGe(Vf₃.) d₂₁

第 1層 Si02 d

基板（Sub) Si バルクモデル（2)

第 3層自然酸化層 (Native Oxide) d ₃₂

Si₈₅Ge₁₅(Vf,₂) +Si₆₅Ge₃₅(Vf₂₂)+ a— SiGe(Vf₃₂) d₂₂ 第 1層 Si02 d₁₂ 基板（S ub) Si ノルク

(ステップ 2 ) 図 2 2

1層目と 3層目についてはリファレンスが存在するが、 2層目に付いては a 1 の c- SiGeの Si ₍₁- _xl)Ge_xlの組成比率が既知で、 a 2の c- SiGeの Si (い _x2)Ge_x2の組成比率が既知で、それぞれリファレンスが存在するが、 a-SiGeについては、リフアレンスが存在しないので、 2層目の混合比 (Vf)をそれぞれ変えながら下記をフイツティングをする。

モデル（1) について

2層目の混合比 (Vf)をそれぞれ変えながら下記をフイツティングをする。

2層目の膜厚 (d₂ i )

3層目の膜厚 (d₃.)

2層目の a-S i Geの分散式パラメ一夕（DSP , )

モデル（について

2層目の膜厚（d₂₂)

3層目の膜厚（d₃₂)

2層目の a- SiGeの分散式パラメータ（DSP₂)

(ステップ 3 ) 図 2 2

モデル（1) について

各混合比の結果の中から以下にあてはまる結果を選択する。

X ² が最小

a - SiGeの混合比が最小

Q 21 (b e s t) . d 3 I (b e s t) , Vl 1 1 (b es t) , Vl 2 ί (b es t) , DSPi (b e s t) , X I (b e s t) モデル（について

X ² が最小

a-SiGeの混合比が最小

d 22 (b e s t) , d 32 Cb e s t) , Vf 12 (b e s t) , Vf 22 (b es ) , DSr 2 (b e s t) , X 2 (be s ) この例では、 p-SiGe層に既知の c- SiGeリフアレンスと未知の a- SiGeを混ぜ合わせて設定している。既知の c-SiGeリファレンスは、 Geの濃度が分かっているのに対し、未知 a- SiGe中の正確な Ge濃度が分からない。そのため、この a- SiGeの混合比が少ないほど、 c-SiGeリファレンスからより正確に P- SiGeの Ge濃度を計算することが可能となる。よって、 a- SiGeの混合比が最小の結果を選択するように説明している。

(ステップ 4) 図 22

モデルごとの最良な結果の中から、さらに X ² が最小で a-SiGeの混合比が最小のモデルおよび結果を選択する。

〔解析第 2段階〕

解析第 2段階では、先の段階で選択した最良のモデルについて最終フイツティングをする。

第 3層（d₃ ) 自然酸化層

第 2層 (d₂ )

+ a-SiGe(Vf₃) 第 1層（ ) Si02

基板（Sub) Si

(ステップ 1 )

上記の最良のモデルについて下記のフイツティングを行う。

第 1層目の膜厚 (d, )

第 2層目の膜厚 (d₂ )

第 3層目の膜厚 (d₃ )

第 2層目のそれぞれの混合比（Vf)

(ステップ 2)

前記フイツティングの結果を確認する。

(ステップ 3)

確認されたものを保存する。

〔計算段階〕

前記解析段階で第 2層目に含まれる各物質の組成比率と混合比率が下記のとおり特定されたとすると、計算段階では以下のアルゴリズムで Ge濃度を計算する。なお、ここで使用した S i ₈₅Ge ₁₅や S i ₆₅ G e ₃₅はリファレンス名であり、実際は x = 0. 1 5と =0. 3 5を示している。

Si (i-xnGexi (Vf i)

a-SiGe(Vf₃)

に実例をあてはめると、

Si₈₅Ge,₅ (72.2 %)

Si₆₅Ge₃₅ ( 9.23%)

a - SiGe (18.57 )

になるので、これを下記式にあてはめる。

Ge濃度 =( XI · Vf, +X2 · Vf₂) · 100/(Vf i+Vf ₂) atom %

= (0.15 X72.2+0.35X9.23) x 100/(72.2+9.23)

= 17.27 atom%

以上詳しく説明したように、本発明による分光ェリプソメ一夕を用いた多結晶化合物半導体の組成決定方法によれば、基板上に形成された多結晶 S i Geの Ge濃度を、分光ェリプソメータを用いて得たデータを新しい近似計算方法を用いることにより、求めることができる。

本発明方法によれば、

1. 各結晶化率、各 Ge濃度の正確な多結晶 SiGeリファレンスがなくても、簡単に早く多結晶 S i Geの Ge濃度を計算することができる。

2. 前述したように、この手順は多結晶の SiGeだけでなく、様々な多結晶の材料の組成をほぼ決定することができる。

3. アモルファス部分の混合比が小さければ、この方法の精度は良い。経験上、アモルファス部分が約 2 0%程度であっても、正確に近い注目原子濃度を求めることが可能である。

以上詳しく説明した実施例について、本発明の範囲内で種々の変形を施すことができる。理解を容易にするために、デ一夕の取得、モデルの設定に関連して、一貫して Ψ， △を用いて説明した。当業者には良く知られている以下のデ一夕対を用いても同様な、測定およびフィッティングが可能であり、本発明の技術的範囲に含まれるものである。

( n， k ) 、（ ε i , ε - ) 、（ tan Ψ, cos 厶）、 ( I _{s >} I ₀ ) また、基板上に S i 0 ₂ 層を 1層形成する例を示したが、様々な材料の単層 - 多層構造の測定や広い範囲の膜厚の測定にも同様に利用できる。基板も S iの例を示したが、他の材料（ガラスや石英、その他異なる透明基板、化合物半導体など）も同様に利用できる。

また、基板上の化合物半導体層の組成決定方法において、前記化合物半導体層の例として SiGeの例を示して詳細に説明したが、他の化合物半導体層 AlGaAs, In GaAsP, InGaAs, InAlAs, InGaP, AlGalnP, AlGalnAs, AlGaAsSb, InAsSb, HgCdT e， ZnMgSSe, ZnSSe, ZnCdSe, ZnMnSe, ZnFeSe, ZnCoSe のいずれかの組成の決定にも同様に利用できる。また、基板上に S iGe層を 1層形成する例を示したが、異なる多層構造の測定や広い範囲の膜厚の測定にも同様に利用できる。基板も Siの例を示したが、他の材料（ガラスや石英、その他異なる透明基板、化合物半導体など）も同様に利用できる。

本件発明者は、化合物半導体の組成決定方法として、例ではステップ 2 6のように膜厚と光学定数と同時に組成比が求まるとしたが、測定結果として得られた膜厚と光学定数から、誘電率（光学定数）と組成間に成立する関数関係に基づいて、組成を決定する方法もあり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。

光学定数には、既知の数値 (リファレンス) を用いたが、物質の誘電率の波長依存性を示す分散式なども使用可能であり、本発明の技術的範囲に含まれるものとする。また、分散式を使用する例では、既知の数値を光学定数に使用する場合もあり、これも本発明の技^?的範囲に含まれるものとする。

例では、基板上に S i0₂と多結晶 SiGeとして説明したが、この構造、この材料だけでなく、様々な厚さや構造、材料など、幅広いアプリケーションにも使用することができる。また、実施例として光弾性変調器（P E M) の例を示したが、 P E M以外のェリプソメータを使用することもできる。基板も Siの他、ガラスや石英、その他透明基板や化合物半導体なども同様に利用できる。また、基板の種類によらず、どんな平坦な基板でも、あれている基板でも使用することができる。

分散式には、古典力学理論から作成された式や量子力学理論から作成された式、経験式の他、様々な式'パラメ一夕も使用可能であり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。

例では、あらゆる全てのパラメ一夕を同時にフイツティングすると説明したが、別々にフィッティングする場合もあり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。

例では、 E M Aを使用すると説明したが、他の有効媒質近似論の使用も可能であり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。

多結晶化合物半導体層には、注目原子が入っている結晶化合物半導体リファレンスと注目原子が入っているァモルファス化合物半導体を混ぜ合わせると説明したが、注目原子を含まない結晶化合物半導体リファレンスを使用する場合もあり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。

組成を求める層を 1層として説明したが、 2層以上になる場合もあり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。

組成を求める層には結晶化合物半導体 2つとァモルファス化合物半導体 1つの混ぜ合わせで説明したが、結晶化合物半導体を 1つまたは 3つ以上混ぜ合わ^る場合もあり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。

全ての例の 1部または全部は、手動や自動（コンピュータや Dボットなど）で行うことができ、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。

例では入射角度を 7 5度として説明したが、これ以外の角度でも使用可能であり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。

請求項 3および 6で、公称入射角度（7 5度）近傍で動かしながら解析すると説明したが、その他、物理的に決定した入射角度の近傍で変化させながら解析する場合もあり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。

入射角度を自動でいくつか変化させながら測定（Variable Angle Measurement ) を行い、これら全体のデータ、またはこの中の特定角度のデ一夕を用いて解析する場合もあり、これらも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。さらに、前記測定で得られた全体のデータ、またはこの中の特定角度のデ一タ解析におしヽて、各入射角度近傍を変化させながらフィッティングする場合もあり、これも本発明の技術的範囲に含まれるものとする。産業上の利用可能性

以上詳しく説明したように、本発明による分光ェリプソメ一タを用いた薄膜特性計測方法を用いることにより半導体製造分野などで薄膜の厚さ、組成、光学定数の特性を正確に計測することができる。

Claims

請求の範囲

1. 分光エリプソメ一夕を用いた計測対象の基板上の薄膜計測方法において計測対象の基板上の薄膜を、入射光の波長を変えて各波長ごとの入射光と反射光の偏光の変化である測定スペクトル Ψ_Ε ( Ai ) と Δ_Ε ( Ai ) を得る Ψ

Ε , Δ_Ε スペクトル測定ステップと、

前記基板の（N。（n₀, k。））、第 1層目の（c . (riL k, ) ) 、第 j層目の（dj.Nj (nj. kj ) ) を仮定してモデルを決定し、リファレンスデ一夕や分散式を用いてモデリングスペクトル Ψ_Μ ( Ai ) と Δ_Μ ( Ai ) を得る Ψ_Μ. Δ_μ モデリングスぺクトル算出ステップと、

前記 Ψ_Ε ， ΔΕ スぺクトルと前記 ΨΜ. ΔΜ モデリングスぺクトルを比較し、評価基準に達した前記 ΨΜ. ΔΜ の構造を測定結果と決定する比較評価ステップと、前記モデルが前記評価基準に合致しないときは、次の修正モデルを選定し、前記 Ψ_Μ. ΔΜ モデリングスぺクトル算出ステップを行い、前記比較評価ステップを行う修正ステップと、

を含む分光ェリプソメータを用いた薄膜計測方法。

2. 請求項 1記載の分光エリプソメータを用いた薄膜計測方法において、前記モデルの評価基準は、前記 Ψ_Ε ( λ> ) , Δ_Ε ( λ_; ) と有限組の中の Ψ_Μ (

； ) 、 Δ_Μ ( ； ) の間の平均二乗誤差を求め、最も小さい平均二乗誤差のものに決定することである分光ェリブソメ一夕を用いた薄膜計測方法。

3. 請求項 1記載の分光ェリプソメータを用いた薄膜計測方法において、前記 ΨΜ. ΔΜ モデルシユミレーシヨンスぺクトル算出ステップは、前記 Ψ_Ε ， Δ_Ε スペクトル測定ステップの公称入射角をとするときに、前記公称入射角を ¾。の近傍のを関数とするシュミレーシヨンスペクトル Ψ« (λί ) と△

_Mk (λι ) を算出し、

前記比較評価ステップは、前記 Ψ_Ε ， Δ_Ε スぺクトルと ^Mkと A_Mkモデリングスぺクトルを比較し、評価基準に達した前記 Ψ«と A_Mkの構造を測定結果と決定する比較評価ステツプとする分光ェリプソメータを用いた薄膜計測方法。

4. 分光エリプソメータを用いて基板上に形成された化合物半導体層の表面を測定し前記基板上に形成された化合物半導体層の組成比 X， yを決定する化合物半導体層の組成決定方法であつて、

計測対象の基板上の薄膜を、入射光の波長を変えて各波長ごとの入射光と反射光の偏光の変化である測定スペクトル Ψ_Ε ( λ ι ) と Δ_Ε ( Ai ) を得る Ψ _Ε ， Δ_Ε スぺクトル測定ステップと、

前記基板の（N。（n。. k。））、前記基板上の化合物半導体層の、第 j層目の（dj. Nj (ru. kj ) ) を仮定してモデルを決定し、モデリングスペクトル Ψ_Μ ( λ_; ) と Δ_Μ ( A. ) を得る Ψ_Μ, Δ_Μ モデリングスペクトル算出ステップと、

前記 Ψ_Ε , Δ_Ε スぺクトルと前記 Ψ_Μ, Δ_μ モデリングスぺクトルを比較し、評価基準に達した前記 Ψ_Μ. Δ_Μ の構造を測定結果と決定（d, n, kおよび組成比が求まる）する比較評価ステップと、

前記モデルが前記評価基準に合致しないときは、次の修正モデルを選定し、前記 Ψ_Μ. Δ_μ モデリングスぺクトル算出ステップを行い、前記比較評価ステップを行う修正ステップと、

を含む基板上の化合物半導体層の組成決定方法。

5. 請求項 4記載の基板上の化合物半導体層の組成決定方法において、前記モデルの評価基準は、前記 Ψ_Ε ( ； ) 、 Δ_Ε ( U ) と有限組の中の Ψ_Μ ( λ i ) 、 Δ_Μ ( ； ) の間の平均二乗誤差を求め、最も小さい平均二乗誤差のものに決定することである基板上の化合物半導体層の組成決定方法。

6. 請求項 4記載の基板上の化合物半導体層の組成決定方法において、前記 Ψ_Μ, ΔΜ モデルシユミレ一シヨンスぺクトル算出ステップは、前記 Ψ_Ε ，

ΔΕ スぺクトル測定ステップの公称入射角を。とするときに、前記公称入射角を^ ο の近傍の _k を関数とするシュミレーシヨンスペクトル (Ai ) と Δ (Ai ) を算出し、

前記比較評価ステップは、前記 Ψ_Ε ， Δ_Ε スペクトルとと Δ«モデリングスぺクトルを比較し、評価基準に達した前記 Ψ_ΜΙΊと A_MKの構造を測定結果と決定する比較評価ステップとする基板上の化合物半導体層の組成決定方法。

7 · 請求項 4記載の基板上の化合物半導体層の組成決定方法において、前記化合物半導体層は、 SiGe, AlGaAs, InGaAsP, InGaAs, InAlAs, InGaP, AlGalnP,

AlGalnAs, AlGaAsSb, InAsSb, HgCdTe, ZnMgSSe, ZnSSe, ZnCdSe, ZnMnSe, ZnF eSe, ZnCoSe のいずれかである化合物半導体層の組成決定方法。

8 . 分光ェリプソメータを用いた多結晶化合物半導体の組成決定方法であつて、

計測対象の基板上の前記多結晶化合物半導体層を、入射光の波長を変えて各波長; ごとの入射光と反射光の偏光の変化である測定スペクトル Ψ_Ε ( ) と Δ_Ε ( λ ι ) を得る Ψ_Ε , Δ_Ε スペクトル測定段階と、

基板の複素屈折率 ( N o, ( n o. k ₀) ) および各層の考えられる複素屈折率 (N 1 , ( n , . k ,) . N ₂. ( n ₂. k ₂) · · · ) 、各層の膜厚を設定し、多結晶化合物半導体層の複素屈折率には、注目原子が入っている結晶化合物半導体リファレンスと注目原子が入っているアモルファス化合物半導体とさらに注目原子が入っていなし、結晶化合物半導体リファレンスなどを混ぜ合わせて使用し、いくつかのモデルをたてる第 1ステップ、

前記各モデルについて、膜厚や混合比を変数として、未知のアモルファス化合物半導体の分散式パラメータをフィッティングする第 2ステップ、

前記フイツティングの結果から平均二乗誤差が最も低く、さらにアモルファスィ匕合物半導体の混合比が最小の結果を選択する第 3ステップ、および

前記複数のモデルごとに得られた最良の結果の中から、平均二乗誤差が最も低く、さらにアモルファス化合物半導体の混合比が最小の結果を選択する第 4ステップからなる解析第 1段階を含む、

分光ェリプソメータを用いた多結晶化合物半導体の組成決定方法。

9 . 請求項 8記載の分光エリプソメ一夕を用いた多結晶化合物半導体の組成決定方法において、

前記解析段階は、前記第 1段階と、

前記第 1段階のステップ 4で得られた最良のモデルから、さらに多結晶化合物半導体層の膜厚、混合比、または他の層の膜厚や混合比についてフィッティングを ^亍う第 1ステップ、前記フイツティングの結果を確認する第 2ステツプ、および確認の結果を保存する第 3ステップからなる解析第 2段階と、

前記得られた結果のうち、多結晶化合物半導体の混合比と前記多結晶化合物半導体中の注目原子の組成比に基づいて注目原子の組成を算出する計算段階から構成した、分光ェリブソメ一夕を用いた多結晶化合物半導体の組成決定方法。

1 0. 請求項 8または 9記載の分光エリプソメ一夕を用いた多結晶化合物半導体の組成決定方法において、

多結晶化合物半導体層は、結晶成分（既知のリファレンスデータ）とァモルファス成分の混ぜ合わせとして設定し、関係する結晶成分の組成比とその混合比から、多結晶化合物半導体の組成比を求めるものであり、

多結晶化合物半導体層は原子 P， Q'を含み、注目原子 Qの組成比率 (X) の異なる結晶化合物半導体 2種類（a 1， a 2) . 注目原子を含むアモルファス化合物半導体 bを含むものであり、解析段階で得られた各化合物半導体は、以下の組成比率 (X) と混合比（Vf) を持つものであり、

a 1 ： P ₍,-_xi) Qxi 混合比が Vf,

a 2 ： P _{( 1} -x 2) Qx 2 混合比が Vf₂

b ： R 混合比が W₃

濃度算出段階は、多結晶化合物半導体注目原子濃度を次のアルゴリズム多結晶化合物半導体注目原子濃度

= (XI · Vf! +X2 - Vf ₂) · 100/(Vf,+Vf₂) atom %

で算出するように構成されている分光ェリプソメータを用いた多結晶化合物半導体の組成決定方法。

1 1. 請求項 8〜 1 0記載の多結晶化合物半導体の組成比を求める方法において、

多結晶化合物半導体の組成比はァモルファス部分の組成比と結晶部分の有効な組成比が同じであると仮定して計算を行う近似方法を用いる多結晶化合物半導体の組成比を求める方法。

1 2. 請求項 8〜1 0記載の分光エリプソメータを用いた多結晶化合物半導体の組成決定方法において、 a 1は結晶 SiGeであり、 Ge濃度が xl (Si _{( 1}— _{x l}) Ge_{x l} ) 、混合比 VI で表され、 a 2は結晶 SiGeであり、 Ge濃度が x2 (Si _{( 1}— _{x 2}) Ge_{x 2} ) 、混合比 Vf₂ で表され、 bはアモルファス SiGeであり、混合比 Vf₃ で表される分光エリプソメータを用いた多結晶化合物半導体の組成決定方法。

1 3 . 請求項 8〜 1 0記載の分光エリプソメータを用いた多結晶化合物半導体の組成決定方法において、

計測対象の基板上の前記多結晶化合物半導体層を、入射光の波長を変えて各波長；ごとの入射光と反射光の偏光の変化である測定スペクトル Ψ_Ε ( ； ) と

△ _E ( ； ) を得る Ψ_Ε , Δ_Ε スペクトル測定段階と、

予想される範囲内にある複数の測定条件 (Zi ) ごとに、請求項 9の解析第 2段階第 1ステップまでを行い、

各測定条件ごとに得られた結果の中から、最低平均二乗誤差の値またはあらかじめ設定した膜厚や分散式パラメ一夕、混合比、入射角度のいずれかについて、それぞれ最大、最小値の中に入っている平均二乗誤差の最も低いモデルを選択する第 2ステツプが加わつた、分光ェリプソメータを用いた多結晶化合物半導体の組成決定方法。

1 . 請求項 8〜 1 0または 1 3記載の分光エリプソメ一夕を用いた多結晶化合物半導体の組成決定方法において、

前記解析第 1，'第 2段階における前記差の最も少ないものを選択するステップは、フィッティングしたものと、測定値の平均二乗誤差を求め、最も小さい平均二乗誤差のものまたは、あらかじめ設定した膜厚、分散式パラメ一夕、混合比、入射角度などの変量、それぞれの最大、最小値の中に入っている最も小さい平均二乗誤差のものに決定することである分光ェリブソメ一夕を用いた多結晶化合物半導体の組成決定方法。