WO2012153462A1 - Ｓｏｉウェーハのｓｏｉ層の膜厚測定方法 - Google Patents

Ｓｏｉウェーハのｓｏｉ層の膜厚測定方法 Download PDF

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    • G01N2223/6116—Specific applications or type of materials patterned objects; electronic devices semiconductor wafer

Definitions

  • the present invention relates to a method for measuring the thickness of an SOI layer of an SOI wafer, in which the thickness of the SOI layer of an SOI wafer used for manufacturing a semiconductor device is measured with high spatial resolution.
  • the film thickness of an SOI layer of an SOI wafer is generally measured at each point by spectroscopic ellipsometry or reflection spectroscopy.
  • the spatial resolution of about several hundred nm is the limit due to the influence of the wavelength of light used for measurement.
  • the thickness of the SOI layer In order to fully evaluate the influence of the thickness of the SOI layer on the SOI device characteristics, it is necessary to measure the thickness of the SOI layer with a spatial resolution of several nanometers which is smaller than the channel size of the transistor.
  • Patent Document 1 As a method for measuring the film thickness of a conventional thin film, for example, in Patent Document 1, X-rays are irradiated to a two-layer film, and characteristic X-rays generated from each film are measured to measure the film thickness. Is described.
  • Patent Document 2 describes that a measurement method using fluorescent X-rays is known as a method for measuring the thickness of a thin film in a structure in which a thin film is formed on a substrate. Further, it is described that the intensity of the first fluorescent X-ray emitted from the thin film and the intensity of the second fluorescent X-ray emitted from the substrate and attenuated through the thin film are simultaneously measured.
  • Patent Document 3 as an explanation of a fluorescent X-ray film thickness analyzer, primary X-rays are irradiated on a thin film on a base substrate (standard sample substrate), and fluorescent X-rays generated from the thin film and the base substrate are detected. It is described that the composition and film thickness of a thin film can be known.
  • An object of the present invention is to provide a method for measuring the thickness of an SOI layer of an SOI wafer.
  • the present invention is a method for measuring the thickness of an SOI layer in an SOI wafer having at least an insulating layer and an SOI layer made of a silicon single crystal formed on the insulating layer.
  • the surface of the SOI layer is irradiated with an electron beam, and the characteristic X-rays generated when the specific element in the insulating layer is excited by the electron beam attenuated and transmitted by the SOI layer are converted into the SOI layer. Detecting from the surface side of the layer irradiated with the electron beam, and calculating the thickness of the SOI layer based on the intensity of the detected characteristic X-ray Provide a method.
  • the measurement is performed by irradiating the surface of the SOI layer with an electron beam, it can be surely attenuated when the irradiated electron beam is transmitted through the SOI layer. Furthermore, characteristic X-rays generated when a specific element in the insulating layer is excited are hardly attenuated in the thin SOI layer, whereby the film thickness of the SOI layer can be accurately measured.
  • the electron beam has a short wavelength and is less affected by diffraction and has a good light collecting property, it can irradiate a very small region, and thereby the thickness of the SOI layer can be measured with high spatial resolution. Furthermore, the film thickness of the SOI layer is measured by exciting a specific element in the insulating layer formed immediately below the SOI layer with an electron beam and generating characteristic X-rays. be able to.
  • the insulating layer is a silicon oxide film
  • the SOI wafer is formed on a base wafer made of silicon single crystal, the silicon oxide film formed on the base wafer, and the silicon oxide film. It can consist of said SOI layer.
  • the present invention is particularly effective in measuring the thickness of the SOI layer in an SOI wafer having such a general configuration.
  • the specific element is an oxygen atom in the silicon oxide film.
  • the thickness of the SOI layer can be set to 200 nm or less.
  • an SOI layer having a thin film thickness of 200 nm or less is sufficiently attenuated when the electron beam passes through the SOI layer by irradiating the surface with the electron beam.
  • the film thickness can be measured accurately.
  • the beam diameter of the electron beam applied to the surface of the SOI layer can be 400 nm or less.
  • the measurement region of the SOI layer thickness can be a minute region having a diameter of 400 nm or less, and the SOI layer thickness can be accurately measured with higher spatial resolution.
  • the thickness of the SOI layer can be measured with a scanning electron microscope, and the irradiated electron beam can be used as the electron beam of the scanning electron microscope.
  • the measurement method of the present invention can be performed using a scanning electron microscope, and it is not necessary to manufacture a new device, and the thickness of the SOI layer can be measured efficiently at a lower cost.
  • the film thickness can be accurately measured, and further, the electron beam is irradiated to a very small region. Therefore, the thickness of the SOI layer can be measured with high spatial resolution. Thereby, the influence of the SOI film thickness on the device characteristics can be sufficiently evaluated.
  • the present inventor By irradiating with an electron beam, when it passes through the SOI layer, it attenuates sufficiently according to its film thickness and reaches the base. By measuring the intensity of characteristic X-rays (fluorescent X-rays) generated from the base, I thought that it could be converted into the thickness of the SOI layer.
  • characteristic X-rays fluorescent X-rays
  • the SOI layer is very thin, when the electron beam passes through it, it is sufficiently attenuated in proportion to the film thickness of the SOI layer, whereas characteristic X-rays generated from the base pass through the SOI layer.
  • the attenuation is extremely small.
  • the beam diameter can be reduced to a few nanometers. Accordingly, the present invention has been completed because it is considered that the use of these properties enables accurate measurement of the thickness of an extremely thin SOI layer with high spatial resolution.
  • SEM irradiates a part of an object with an electron beam emitted from a probe, thereby secondary electrons, reflected electrons, transmitted electrons, X-rays, cathodoluminescence (fluorescence), internal electromotive force, etc. emitted from the object.
  • Information on the object is obtained by detection, and this electron beam is scanned over the entire sample, whereby an image of the object is constructed and displayed from the obtained information.
  • a general SEM has a function of analyzing a component element of a minute observation object by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) (this function is attached).
  • the scanning electron microscope may be called SEM-EDX).
  • EDX is a technique for performing elemental analysis and composition analysis by detecting characteristic X-rays generated by electron beam irradiation and performing spectral analysis with energy.
  • the characteristic X-ray intensity Io from oxygen atoms has the relationship of the formula (1) with the film thickness D (nm) of the SOI layer and the electron beam penetration length L (nm).
  • a numerical value of L is obtained from the acceleration voltage of the electron beam set at this time, a numerical value of D is calculated from each measured numerical value of Io, and approximate lines of Io and D are obtained from these data.
  • Formula (1): Io A ⁇ exp ( ⁇ D / L) (A is a constant)
  • the characteristic X-ray intensity from other specific elements in the portion where the SOI layer thickness is a predetermined constant value is also measured, and the characteristic X-ray intensity ratio is obtained from these two characteristic X-ray intensities
  • the relationship between the characteristic X-ray intensity ratio and the film thickness of the SOI layer can also be obtained.
  • the characteristic X-ray intensity ratio characteristic X-ray intensity ratio I in the above formula (1).
  • the defects are known due to variations in SOI layer film thickness (defects with film thickness variations).
  • the characteristic X-ray intensity (ratio) is measured at each known measurement target position with a different thickness on the SOI layer surface of the SOI wafer.
  • the characteristic X-ray intensity of the specific element obtained by irradiating the SOI layer of the SOI wafer whose SOI layer whose thickness is unknown to be measured is irradiated with an electron beam is measured. Based on the obtained relationship, the film thickness of the unknown SOI layer is calculated. At that time, the characteristic X-ray intensity ratio may be obtained in the same manner as the above method, and the film thickness of the SOI layer may be calculated.
  • the present invention is particularly effective if the SOI layer of the SOI wafer to be measured is thin such that the film thickness is 200 nm or less.
  • the electrons constituting the electron beam used in the measurement method of the present invention have a large interaction with other substances because they have charges unlike photons. Therefore, even in such a thin SOI layer, the electron beam is surely attenuated when passing through the SOI layer, reaches a specific element of the insulating layer, and depends on the intensity of the reached electron beam. Since characteristic X-rays having intensity are generated, the film thickness of the SOI layer can be accurately measured.
  • the beam diameter of the electron beam irradiated on the surface of the SOI layer is 400 nm or less, preferably 100 nm or less, more preferably 50 nm or less. Can do.
  • the measurement region of the SOI layer thickness can be made extremely small, and the SOI layer thickness can be measured with high spatial resolution.
  • the lower limit value of the beam diameter is not particularly limited, and it can be sufficiently reduced to about 1 nm in practice, and theoretically, it may be set to 0.1 nm or less.
  • an SOI having a base wafer made of a silicon single crystal, a silicon oxide film formed on the base wafer, and an SOI layer made of a silicon single crystal formed on the silicon oxide film. Wafers are widely used. For this reason, it is more efficient to use the specific element as an oxygen atom in the silicon oxide film.
  • the acceleration energy of the irradiated electron beam is equal to or higher than the binding energy of the K nuclear electrons of each specific element.
  • the specific element is oxygen, boron, or nitrogen, they are set to 532 eV, 188 eV, 399 eV or more, respectively.
  • the acceleration energy of the electron beam to be irradiated is a value as low as possible that is equal to or higher than the binding energy of the K nucleus electrons, but if the acceleration energy is too low, However, it is necessary to set the acceleration energy appropriately in consideration of the film thickness of the SOI layer to be measured.
  • the measurement method of the present invention it is preferable to remove a natural oxide film on the surface of the SOI layer that causes measurement errors before irradiating the SOI layer with an electron beam. Further, even when the natural oxide film is not removed, for example, a specific element from the surface natural oxide film is used by using a mirror-polished wafer that has been subjected to the same processing (RCA cleaning or the like) as the SOI wafer to be measured in advance. It is also possible to measure the characteristic X-rays of (oxygen) and subtract the numerical value of the characteristic X-ray intensity from the numerical value of the measurement result to remove the error due to the surface natural oxide film.
  • a specific element from the surface natural oxide film is used by using a mirror-polished wafer that has been subjected to the same processing (RCA cleaning or the like) as the SOI wafer to be measured in advance. It is also possible to measure the characteristic X-rays of (oxygen) and subtract the numerical value of the characteristic X-ray intensity from the numerical value of the measurement result
  • the present invention is a method for detecting characteristic X-rays generated from the base after passing an electron beam through the SOI layer to be measured, an SOI layer with a thin electron beam irradiated by focusing the beam is formed.
  • the spatial resolution of the SOI layer film thickness measurement is determined by the beam diameter when passing through. Therefore, even if the characteristic X-ray is excited in a state where the beam that has passed through the SOI layer and incident on the base is spread on the base, the spread does not affect the spatial resolution of the SOI layer thickness measurement. It has the feature that it can be maintained.
  • SEM-EDX (Applied Materials SEM Vision G3) was used at four locations (measurement target positions) on the SOI layer surface where the film thicknesses measured by the spectroscopic ellipso method were 30, 70, 120, and 200 nm, respectively.
  • X is generated by irradiating an electron beam (beam diameter 30 nm, acceleration voltage 5 kV), the electron beam passes through the SOI layer and reaches the silicon oxide film, and excites oxygen atoms in the silicon oxide film.
  • the line intensity Io was measured from the surface side of the SOI layer irradiated with the electron beam. Note that the natural oxide film on the surface of the SOI layer before irradiation with the electron beam was removed by HF treatment.
  • a base wafer made of a silicon single crystal manufactured by an ion implantation separation method, a silicon oxide film formed on the base wafer, and an SOI formed on the silicon oxide film and having an unknown film thickness The SOI wafer which consists of a layer and has a defect with a film thickness fluctuation
  • the characteristic X-ray intensity Io generated by exciting the oxygen atoms in the silicon oxide film after reaching the silicon oxide film was measured from the surface side of the SOI layer irradiated with the electron beam. Note that the natural oxide film on the surface of the SOI layer before the electron beam irradiation was removed by HF treatment.
  • the electron beam is used, even when the SOI layer is thin, the film thickness of an extremely minute region of the SOI layer can be accurately measured. It becomes possible to accurately evaluate the film thickness variation. It is also possible to produce a film thickness map of the SOI layer by increasing the number of measurement points.
  • the characteristic X-ray intensity from silicon atoms was also measured as a reference, and the characteristic X-ray intensity ratio was determined from these two characteristic X-ray intensities.
  • the relationship between the characteristic X-ray intensity of oxygen atoms and the film thickness of the SOI layer may be obtained directly.
  • several types of SOI wafers with known film thicknesses may be prepared and measured. Further, when the insulating layer contains a large amount of boron, nitrogen, or the like, these may be used as specific elements.

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Abstract

　本発明は、少なくとも、絶縁層と、該絶縁層上に形成されたシリコン単結晶からなるＳＯＩ層とを有するＳＯＩウェーハにおける、前記ＳＯＩ層の膜厚測定方法であって、前記ＳＯＩ層の表面に電子線を照射し、前記ＳＯＩ層で減衰されて透過した前記電子線によって、前記絶縁層中の特定元素が励起されることによって発生する特性Ｘ線を、前記ＳＯＩ層の、前記電子線を照射した表面側から検出し、前記検出された特性Ｘ線の強度に基づいて前記ＳＯＩ層の膜厚を算出することを特徴とするＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の膜厚測定方法である。これによって、ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の膜厚が薄い場合であっても、ＳＯＩ層における微小領域において、高い空間分解能でその膜厚を正確に測定することができるＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の膜厚測定方法が提供される。

Description

ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の膜厚測定方法
　本発明は、半導体デバイスの作製に使われるＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の膜厚を、高い空間分解能で測定するＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の膜厚測定方法に関する。
　近年、デザインルールの微細化に伴って、ＳＯＩデバイス作製、特にＦＤ－ＳＯＩ（Ｆｕｌｌｙ　Ｄｅｐｌｅｔｅｄ　ＳＯＩ）デバイス作製に用いるＳＯＩウェーハのＳＯＩ層膜厚分布が、デバイス製造プロセス、ひいては、トランジスタ特性に影響を与えるようになってきている。また、集積回路においては、回路を構成するトランジスタの特性を均一にすることが重要である。
　従って、ＦＤ－ＳＯＩデバイスにおいては、ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の膜厚を正確に測定することが重要である。デバイスの微細化が進み、数十ｎｍサイズのトランジスタが作られている一方で、ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の膜厚の測定は、分光エリプソ法、反射分光法等によるポイント毎の膜厚測定が一般的であるが、測定に使用する光の波長の影響により、数百ｎｍ程度の空間分解能が限界である。
　ＳＯＩデバイス特性へのＳＯＩ層の膜厚の影響を十分に評価するためには、トランジスタのチャネルサイズ以下である数ｎｍの空間分解能で、ＳＯＩ層の膜厚を測定することが必要である。
　ここで、従来の薄膜の膜厚を測定する方法として、例えば特許文献１には、２層膜にＸ線を照射し、各膜から発生する特性Ｘ線を測定して膜厚を測定することが記載されている。
　特許文献２では、基板上に薄膜が形成されている構造体における薄膜の厚みを測定する方法として、蛍光Ｘ線を用いた測定方法が知られていることが記載されている。更に、薄膜から発した第１の蛍光Ｘ線の強度と、基板から発し、薄膜を通過して減衰された第２の蛍光Ｘ線の強度を同時に測定することが記載されている。
　また、特許文献３には、蛍光Ｘ線膜厚分析装置の説明として、一次Ｘ線を下地基板（標準試料基板）上の薄膜に照射し、薄膜及び下地基板から発生する蛍光Ｘ線を検出し、薄膜の組成や膜厚を知ることができることが記載されている。
特開平０５－４５１４７号公報 特開２００２－２１３９３５号公報 特開平１０－２２１０４７号公報
　しかし、特許文献１、２及び３に記載された従来技術においてはＸ線を薄膜に照射しているため、照射したＸ線自身の減衰と、発生した蛍光Ｘ線の減衰の両方の効果が重なるため、正確な膜厚測定が困難である。また、ＦＤ－ＳＯＩデバイス作製に用いるＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の様に、薄膜の膜厚が極めて薄い場合等においては、下地から発生した蛍光Ｘ線が薄膜を通過しても十分に減衰されず、膜厚への換算を正確に行うことができないという問題がある。更に、現在のＸ線光学系においては、Ｘ線の照射径は１０μｍ程度までしか絞れないため、目的とする数百～数ｎｍの微小領域の空間分解能が得られないという問題もある。
　また、一般的なＳＯＩ層の膜厚測定法である分光エリプソ法や反射分光法では、前述の通り、光の波長である数百ｎｍ程度の空間分解能が限界であるという問題がある。
　本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の膜厚が薄い場合であっても、ＳＯＩ層における微小領域において、高い空間分解能でその膜厚を正確に測定することができるＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の膜厚測定方法を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも、絶縁層と、該絶縁層上に形成されたシリコン単結晶からなるＳＯＩ層とを有するＳＯＩウェーハにおける、前記ＳＯＩ層の膜厚測定方法であって、前記ＳＯＩ層の表面に電子線を照射し、前記ＳＯＩ層で減衰されて透過した前記電子線によって、前記絶縁層中の特定元素が励起されることによって発生する特性Ｘ線を、前記ＳＯＩ層の、前記電子線を照射した表面側から検出し、前記検出された特性Ｘ線の強度に基づいて前記ＳＯＩ層の膜厚を算出することを特徴とするＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の膜厚測定方法を提供する。
　このような方法であれば、ＳＯＩ層の表面に電子線を照射して測定を行うため、前記ＳＯＩ層に、前記照射された電子線を透過させる際に確実に減衰させることができる。さらに絶縁層中の特定元素が励起されることによって発生する特性Ｘ線は、薄いＳＯＩ層中ではほとんど減衰されないため、これによって正確にＳＯＩ層の膜厚を測定することができる。
　また、電子線は波長が短く回折による影響が小さく集光性が良いため、極めて微小な領域に照射することができ、これによって高い空間分解能でＳＯＩ層の膜厚を測定することができる。
　さらに、電子線によって、ＳＯＩ層の直下に形成された絶縁層中の特定元素を励起し、特性Ｘ線を発生させることによってＳＯＩ層の膜厚を測定するので、簡単且つ効率的に測定を行うことができる。
　またこのとき、前記絶縁層をシリコン酸化膜とし、前記ＳＯＩウェーハを、シリコン単結晶からなるベースウェーハと、該ベースウェーハ上に形成された前記シリコン酸化膜と、該シリコン酸化膜上に形成された前記ＳＯＩ層からなるものとすることができる。
　このような一般的な構成のＳＯＩウェーハにおけるＳＯＩ層の膜厚測定において、本発明が特に有効である。
　またこのとき、前記特定元素を、前記シリコン酸化膜中の酸素原子とすることが好ましい。
　このようにすれば、酸素原子はシリコン酸化膜中に多量に含まれているため、新たに他の特定元素を準備する必要もなく、より効率的にＳＯＩ層の膜厚を測定できる。
　またこのとき、前記ＳＯＩ層の膜厚を、２００ｎｍ以下とすることができる。
　このように、本発明においては、２００ｎｍ以下といった膜厚の薄いＳＯＩ層であっても、その表面に電子線を照射することによって、該電子線がＳＯＩ層を透過した際に十分に減衰され、正確にその膜厚を測定することができる。
　またこのとき、前記ＳＯＩ層の表面に照射する電子線のビーム径を、４００ｎｍ以下とすることができる。
　このようにすることによって、ＳＯＩ層の膜厚の測定領域を直径４００ｎｍ以下のような微小な領域とすることができ、より高い空間分解能でＳＯＩ層の膜厚を正確に測定することができる。
　またこのとき、前記ＳＯＩ層の膜厚測定を走査型電子顕微鏡によって行い、前記照射する電子線を、前記走査型電子顕微鏡の電子ビームとすることができる。
　このように、本発明の測定方法は走査型電子顕微鏡を用いて行うことができ、改めて装置を製作する必要はなく、より低コストで効率的にＳＯＩ層の膜厚を測定することができる。
　以上説明したように、本発明によれば、ＳＯＩ層の表面に電子線を照射して測定を行うため、正確にその膜厚を測定することができ、さらに極めて微小な領域に電子線を照射できるため、これによって高い空間分解能でＳＯＩ層の膜厚を測定することができる。これによって、デバイス特性へのＳＯＩ膜厚の影響を十分に評価することができる。
実施例における、特性Ｘ線強度比ＩとＳＯＩ層の膜厚Ｄとの関係を示した図である。
　本発明者は、ＦＤ－ＳＯＩデバイス作製に用いるＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の様に、極めて薄いＳＯＩ層の膜厚を高い空間分解能で正確に測定できる方法を鋭意研究した結果、ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層に電子線を照射すれば、ＳＯＩ層を通過する際にその膜厚に応じて十分に減衰して下地に達するので、下地から発生する特性Ｘ線（蛍光Ｘ線）の強度を測定することによって、ＳＯＩ層の膜厚に換算することができるのではないかと発想した。
　すなわち、ＳＯＩ層が極めて薄くても、電子線がそれを通過する際にはＳＯＩ層の膜厚に比例して十分に減衰するのに対し、下地から発生した特性Ｘ線がＳＯＩ層を通過する際の減衰は桁違いに小さい。これに加えて、電子線であればビーム径を数ｎｍ程度まで小さく絞ることができる。従って、これらの性質を利用すれば、極めて薄いＳＯＩ層の膜厚を高い空間分解能で正確に測定できると考え、本発明を完成させた。
　以下、本発明の実施形態の一例として、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いたＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の膜厚測定方法について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
　ここで、まずＳＥＭについて簡単に説明する。ＳＥＭとは、プローブから発する電子ビームを対象の一部に照射し、これによって対象物から放出される二次電子、反射電子、透過電子、Ｘ線、カソードルミネッセンス（蛍光）、内部起電力等を検出することで対象物の情報を得て、この電子ビームを試料全体に走査させることによって、得られた各情報から対象の像を構築し表示するものである。
　尚、一般的なＳＥＭには、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ：Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　Ｘ－ｒａｙ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）によって微小な観察対象物の成分元素を分析する機能が付属している（この機能が付属している走査型電子顕微鏡をＳＥＭ－ＥＤＸと呼ぶことがある）。
　ＥＤＸとは、電子線照射により発生する特性Ｘ線を検出し、エネルギーで分光することによって、元素分析や組成分析を行う手法である。
　このＳＥＭ－ＥＤＸを用いて、まず、ＳＯＩ層の膜厚が既知であるＳＯＩウェーハを数種類用意し、それらのＳＯＩ層の表面からプローブにより電子ビームを照射して、該電子ビームがＳＯＩ層を透過して絶縁膜（例えば、シリコン酸化膜等）に到達し、該絶縁膜中の特定元素（例えば、酸素等）を励起することによって放出される特性Ｘ線の強度を、電子線を照射した表面側から測定する。このようにして各膜厚のＳＯＩ層を有するＳＯＩウェーハについて特性Ｘ線強度を測定し、ＳＯＩ層の膜厚と特性Ｘ線強度との関係を予め求めておく。
　ここで、例えば、酸素原子からの特性Ｘ線強度Ｉｏは、ＳＯＩ層の膜厚Ｄ（ｎｍ）、及び、電子線侵入長Ｌ（ｎｍ）と、式（１）の関係を有する。このとき設定した電子ビームの加速電圧からＬの数値を求め、測定したＩｏの各数値からＤの数値をそれぞれ算出し、これらのデータからＩｏとＤの近似線を求める。
 
　　　式（１）：Ｉｏ　＝　Ａ・ｅｘｐ（－Ｄ／Ｌ）　（Ａは定数）
 
　この際、照射する電子ビームの強度が測定毎に多少ばらつくことを想定し、それを補正することを目的として、前記特定元素の特性Ｘ線強度に加え、リファレンスとして、測定対象位置の近傍で、且つＳＯＩ層膜厚が所定の一定値の部分における他の特定元素（例えば、シリコン等）からの特性Ｘ線強度も合わせて測定し、これら二つの特性Ｘ線強度から特性Ｘ線強度比を求め、該特性Ｘ線強度比とＳＯＩ層の膜厚との関係を求めることもできる。電子ビームの強度が極めて安定している場合には、特定元素の特性Ｘ線強度とＳＯＩ層の膜厚との関係を直接求めればよい。
　尚、特性Ｘ線強度比を用いる場合、上記式（１）においては、特性Ｘ線強度Ｉｏ＝特性Ｘ線強度比Ｉとなる。
　尚、上記のような、膜厚が既知であるＳＯＩウェーハを数種類用意し測定を行う以外にも、膜厚が既知であり、ＳＯＩ層膜厚の変動に起因する欠陥（膜厚変動を伴う欠陥）等を有し、ＳＯＩ層の膜厚バラツキの大きいＳＯＩウェーハを１枚用意し、該ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層表面上の、既知である膜厚の異なる各測定対象位置において特性Ｘ線強度（比）を求め、ＳＯＩ層の膜厚と特性Ｘ線強度（比）との関係を求めても良い。
　そして、上記測定手順と同様に、測定対象である、ＳＯＩ層の膜厚が未知のＳＯＩウェーハのＳＯＩ層に電子ビームを照射して得られる特定元素の特性Ｘ線強度を測定し、前記の予め求めた関係に基づいて未知のＳＯＩ層の膜厚を算出する。その際、上記方法と同様に特性Ｘ線強度比を求め、ＳＯＩ層の膜厚を算出しても良い。
　このとき、測定対象であるＳＯＩウェーハのＳＯＩ層としては、膜厚が２００ｎｍ以下のような薄いものであれば、本発明が特に有効である。
　本発明の測定方法において用いられる電子ビームを構成する電子は、光子とは異なり電荷を有するため、他の物質との相互作用が大きい。
　このため、このように膜厚が薄いＳＯＩ層であっても、電子ビームがＳＯＩ層を透過する際に確実に減衰され、絶縁層の特定元素に到達し、到達した電子ビームの強度に応じた強度を有する特性Ｘ線を発生させるため、正確にＳＯＩ層の膜厚を測定することができる。
　また、本発明の測定方法においては、集光性の良い電子ビームを用いるため、ＳＯＩ層の表面に照射する電子線のビーム径を４００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以下とすることができる。これによってＳＯＩ層の膜厚の測定領域を極めて微小なものとし、高い空間分解能でＳＯＩ層の膜厚を測定することができる。尚、ビーム径の下限値は特に限定されず、実際に１ｎｍ程度まで絞ることは十分に可能であり、理論的には０．１ｎｍ以下にできる可能性もある。
　尚、一般的には、シリコン単結晶からなるベースウェーハと、該ベースウェーハ上に形成されたシリコン酸化膜と、該シリコン酸化膜上に形成されたシリコン単結晶からなるＳＯＩ層からなる構成のＳＯＩウェーハが広く用いられている。このため、前記特定元素をシリコン酸化膜中の酸素原子とするのがより効率的である。
　また、例えば、ボロンが高濃度に含まれているシリコン単結晶ウェーハを熱酸化して得られた酸化膜を絶縁層としたＳＯＩウェーハを用いて測定を行った場合や、シリコン窒化膜を絶縁層としたＳＯＩウェーハを用いて測定を行った場合であれば、前記絶縁層中のボロンや窒素を特定元素とすることもできる。
　ここで、照射する電子線の加速エネルギーは、各特定元素のＫ核電子のバインディングエネルギー以上であるものとする。例えば、特定元素が酸素、ボロンまたは窒素であった場合、それぞれ５３２ｅＶ、１８８ｅＶ、３９９ｅＶ以上とする。
　加速エネルギーは、小さいほど電子線侵入長が短くなるため、膜厚測定感度が高くなる。従って、膜厚測定精度を高めるためには、照射する電子線の加速エネルギーとしては、Ｋ核電子のバインディングエネルギー以上で、できるだけ低い数値とすることが好ましいが、加速エネルギーが低すぎると、電子線が十分に絶縁層まで到達しない可能性が出てくるので、測定するＳＯＩ層の膜厚を考慮して加速エネルギーを適宜設定する必要がある。
　尚、本発明の測定方法においては、ＳＯＩ層に電子ビームを照射する前に、測定の誤差の原因となるＳＯＩ層表面の自然酸化膜を取り除いておくことが好ましい。また、自然酸化膜を取り除かない場合であっても、例えば、予め測定対象のＳＯＩウェーハと同一の処理（ＲＣＡ洗浄等）を施した鏡面研磨ウェーハを用いて、表面自然酸化膜からの特定元素（酸素）の特性Ｘ線を測定しておき、その特性Ｘ線強度の数値を測定結果の数値から引き算して、表面自然酸化膜による誤差を取り除くこともできる。
　また、本発明は、測定対象であるＳＯＩ層に電子線を通過させた後、下地から発生する特性Ｘ線を検出する方法であるので、ビームを絞って照射された電子線が薄いＳＯＩ層を通過する際のビーム径によって、ＳＯＩ層膜厚測定の空間分解能が決まることになる。従って、ＳＯＩ層を通過して下地に入射したビームが下地で広がった状態で特性Ｘ線を励起したとしても、その広がりはＳＯＩ層膜厚測定の空間分解能に影響を及ぼさないため、高い空間分解能を維持することができるという特徴がある。
　以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
　まず、イオン注入剥離法で作製された、シリコン単結晶からなるベースウェーハと、該ベースウェーハ上に形成されたシリコン酸化膜と、該シリコン酸化膜上に形成されたＳＯＩ層からなるＳＯＩウェーハであって、ＳＯＩ層膜厚の変動に起因する欠陥を有するものを用意した。
　そして、前記ＳＯＩ層表面上の、分光エリプソ法で測定した膜厚がそれぞれ３０、７０、１２０、２００ｎｍである４箇所（測定対象位置）に、ＳＥＭ－ＥＤＸ（アプライドマテリアル製ＳＥＭ　Ｖｉｓｉｏｎ　Ｇ３）を用いて電子ビーム（ビーム径３０ｎｍ、加速電圧５ｋＶ）を照射し、該電子ビームがＳＯＩ層を透過して前記シリコン酸化膜に到達し、該シリコン酸化膜中の酸素原子を励起して発生する特性Ｘ線強度Ｉｏを、ＳＯＩ層の前記電子ビームを照射した表面側から測定した。尚、電子ビームを照射する前のＳＯＩ層表面の自然酸化膜は、ＨＦ処理により除去しておいた。
　その際、リファレンスとして、各測定対象位置の近傍でＳＯＩ層膜厚が７０ｎｍの部分におけるシリコン原子からの特性Ｘ線強度Ｉｓも合わせて測定し、特性Ｘ線強度比Ｉ（＝Ｉｏ／Ｉｓ）を求めた。
　電子ビームの加速電圧を５ｋＶとした場合では電子線侵入長Ｌは約１３０ｎｍであるので、１／Ｌ＝０．００７７となる。これを前記式（１）に代入し、得られた式に前記特性Ｘ線強度比の測定結果を代入してＳＯＩ層の膜厚を求め、これら測定結果及び算出結果から近似線を求めると、式（２）が得られた。このときの結果を下記表１及び図１に示す。
 
　　　式（２）：Ｉ　　＝　０．６６ｅｘｐ（－０．００７７Ｄ）
 
　次に、イオン注入剥離法で作製された、シリコン単結晶からなるベースウェーハと、該ベースウェーハ上に形成されたシリコン酸化膜と、該シリコン酸化膜上に形成され、膜厚が未知であるＳＯＩ層からなり、膜厚変動を伴う欠陥を有するＳＯＩウェーハを用意した。
　そして、前記ＳＯＩ層表面上の、膜厚変動を伴う欠陥が存在する位置において測定対象位置を１０μｍ間隔で３点取り、ＳＥＭ－ＥＤＸを用いて電子ビームを照射し、該電子ビームがＳＯＩ層を透過して前記シリコン酸化膜に到達し、該シリコン酸化膜中の酸素原子を励起して発生する特性Ｘ線強度Ｉｏを、ＳＯＩ層の前記電子ビームを照射した表面側から測定した。尚、電子ビームを照射する前のＳＯＩ層表面の自然酸化膜は、ＨＦ処理により除去しておいた。
　その際、リファレンスとして、各測定対象位置の近傍でＳＯＩ層膜厚が７０ｎｍの部分におけるシリコン原子からの特性Ｘ線強度Ｉｓも合わせて測定し、特性Ｘ線強度比Ｉ（＝Ｉｏ／Ｉｓ）を求めた。そして、前記式（２）にこの数値を代入し、ＳＯＩの膜厚Ｄを求めた。このときの結果を下記表２に示す。
　表２に示した結果の通り、本発明によれば、電子ビームを用いるため、ＳＯＩ層の膜厚が薄い場合であっても、ＳＯＩ層の極めて微小な領域の膜厚を正確に測定でき、膜厚バラツキを精密に評価することが可能となる。また、測定点を増やすことによってＳＯＩ層の膜厚マップを作製することも可能である。
（比較例１）
　分光エリプソメトリを用いた膜厚測定装置（ＫＬＡ－Ｔｅｎｃｏｒ社製ＡＳＥＴ－Ｆ５ｘ）を使用し、膜厚変動を伴う欠陥を有するＳＯＩウェーハの、実施例において測定した３点を含む領域についてＳＯＩ層の膜厚測定を行った。この結果、７０ｎｍの測定結果が得られた。
　ただし、この測定にはビーム径約３０μｍの測定光を使用しているため、測定値は直径約３０μｍの領域の平均膜厚を示しているにすぎず、これ以上の微小領域の膜厚測定を行うことはできなかった。
（比較例２）
　特許文献３に記載されている蛍光Ｘ線膜厚分析装置を使用したこと以外は実施例と同様に、膜厚変動を伴う欠陥を有するＳＯＩウェーハの、実施例において測定した３点を含む領域についてＳＯＩ層の膜厚測定を行った。この結果、照射したＸ線がＳＯＩ層でほとんど減衰されず、正確な測定結果を得ることができなかった。
　また、測定結果を得ることができていたとしても、この測定にはビーム径約１０μｍのＸ線を使用しているため、測定値は直径約１０μｍの領域の平均膜厚を示しているにすぎず、これ以上の微小領域の膜厚測定を行うことはできなかったものと予測される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　尚、実施例においては、酸素原子の特性Ｘ線強度に加え、リファレンスとして、シリコン原子からの特性Ｘ線強度も合わせて測定し、これら二つの特性Ｘ線強度から特性Ｘ線強度比を求めたが、電子ビームの強度が極めて安定している場合には、酸素原子の特性Ｘ線強度とＳＯＩ層の膜厚との関係を直接求めても良い。
　また、ＳＯＩ層の膜厚の変動に起因する欠陥等を有するＳＯＩウェーハを用意し測定を行う方法以外にも、膜厚が既知であるＳＯＩウェーハを数種類用意し測定を行っても良い。また、絶縁層中にボロンや窒素等が多量に含まれている場合には、これらを特定元素としても良い。
　なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載した技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

Claims (6)

  1. 　少なくとも、絶縁層と、該絶縁層上に形成されたシリコン単結晶からなるＳＯＩ層とを有するＳＯＩウェーハにおける、前記ＳＯＩ層の膜厚測定方法であって、
    　前記ＳＯＩ層の表面に電子線を照射し、前記ＳＯＩ層で減衰されて透過した前記電子線によって、前記絶縁層中の特定元素が励起されることによって発生する特性Ｘ線を、前記ＳＯＩ層の、前記電子線を照射した表面側から検出し、前記検出された特性Ｘ線の強度に基づいて前記ＳＯＩ層の膜厚を算出することを特徴とするＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の膜厚測定方法。
  2. 　前記絶縁層をシリコン酸化膜とし、前記ＳＯＩウェーハを、シリコン単結晶からなるベースウェーハと、該ベースウェーハ上に形成された前記シリコン酸化膜と、該シリコン酸化膜上に形成された前記ＳＯＩ層からなるものとすることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の膜厚測定方法。
  3. 　前記特定元素を、前記シリコン酸化膜中の酸素原子とすることを特徴とする請求項２に記載のＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の膜厚測定方法。
  4. 　前記ＳＯＩ層の膜厚を、２００ｎｍ以下とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の膜厚測定方法。
  5. 　前記ＳＯＩ層の表面に照射する電子線のビーム径を、４００ｎｍ以下とすることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の膜厚測定方法。
  6. 　前記ＳＯＩ層の膜厚測定を走査型電子顕微鏡によって行い、前記照射する電子線を、前記走査型電子顕微鏡の電子ビームとすることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のＳＯＩウェーハのＳＯＩ層の膜厚測定方法。
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