JP3420801B2 - 薄膜評価方法および評価装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は薄膜評価方法および評価
装置、特に薄膜からの反射光の干渉により薄膜状態を評
価する方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄膜構造を有する機能性材料が広く利用
されており、例えばバイポーラトランジスタあるいはバ
イポーラＩＣの分野では、シリコーンエピタキシャル成
長技術が利用され、その薄膜の形成状態が品質に重大な
影響を与える。ところで、この薄膜の膜厚は、巨視的に
はもちろん、微視的にも厳密には一定でなく、バラツキ
をもっている。そして、従来は巨視的なバラツキに対し
てのみ品質のバラツキに関わるものとして感心がはらわ
れ、マッピング測定などによって面内分布が測定・評価
されてきた。

【０００３】従来、一般的な薄膜の膜厚測定方法として
は、該薄膜を破壊して断面を走査型顕微鏡で観察する方
法、あるいは電気抵抗値を測定し、膜厚を推定する方法
などがあった。これらの手法は、比較的直接に膜厚を測
定し得るものではあるが、いずれにしろ薄膜の破壊を伴
い、単に研究目的であるならばともかく、実際の製品管
理などには用いにくいものであった。一方、フーリエ変
換分光光度計を用い、薄膜の表面および裏面から反射さ
れる光の干渉光を得、インターフェログラム上で膜厚に
依存して生じるサイドバースト情報より、膜厚の評価を
行なう手法も開発されている。

【０００４】これは、薄膜の破壊を伴わないという点で
優れたものであるが、一方で薄膜の測定精度が低く、薄
膜の膜厚測定として一般的なＳＲ値との相関が低いとい
う問題点があった。さらに、微視的なバラツキについて
は関心を持たれることさえ少なく、前記いずれの手法に
おいても、測定対象とされていなかった。ところが、最
近になって薄膜材料の品質のさらに厳密な管理の必要か
ら、平均の膜厚に加え、その微視的なバラツキ（分布）
にも関心が持たれ、その測定方法が模索されている。

【０００５】また、前記ＩＣ等の半導体デバイスの分野
では、基板に対して熱拡散によりドープすることなどに
よりその機能を作り出しているが、これが膜構造を有す
ることからその膜厚を測定することが不可欠となってい
る。ところが、ドープによって膜構造を形成した場合、
厳密な境界面が形成されるわけではなく、ドープ種があ
る連続的な濃度勾配を持つ境界層が形成される。このよ
うな構造に対して、測定が要求される「膜厚」は、境界
層の厚さや、不純物濃度が１／１０００レベルというよ
うな形で定義される境界層までの厚さなどであり、その
測定は平均膜厚の分布という捉え方と実質的に変らな
い。

【０００６】以上のような状況から、これまで測定され
ていた膜厚に加え、その分布も測定することが要求され
るようになってきたが、従来の膜厚測定法では、平均値
が得られるのみであり、その分布を求めることは不可能
であった。また、薄膜の微小領域範囲における膜厚の局
所的バラツキがあった場合、その測定の重要性も高まっ
てきている。

【０００７】そこで、従来よりエピタキシャルウエハー
の遷移領域の評価が行なわれている（特開平２−１４３
５４３）。すなわち、薄膜試料に光を反射・透過させる
と、膜の表面と裏面での反射光が干渉して干渉波形が観
察される。そこで、走査型インターフェログラムを得、
その一方のサイドバースト波形のピークとピークまたは
ピークとボトム間の距離を測定することにより、エピタ
キシャルウエハーの遷移領域の評価を行なうのである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の膜厚評価方法では必ずしも満足のいく結果が得られ
ておらず、より的確な薄膜評価方法が求められていた。
本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであ
り、その目的はエピタキシャル成長あるいは熱拡散によ
りドープされた膜厚などの適正な評価を行ない得る膜厚
評価方法および評価装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明にかかる薄膜評価方法は、薄膜試料に光を照射
し、該薄膜の表面および裏面において反射又は透過され
る各反射又は透過光の干渉光のスペクトルのピークの包
絡線における光の反射面深さの分布に起因した特性より
薄膜の膜厚を評価することを特徴とする。ここで、前記
包絡線の減衰項より膜厚の分布を求めることが好適であ
る。また、前記包絡線特性により振幅がゼロとなる波数
より、該波数の逆数に比例する薄膜厚を算出することが
好適である。

【００１０】また、前記薄膜の分布をガウス特性として
扱うことが好適である。一方、本発明にかかる薄膜評価
装置は、光束照射手段と、検出手段と、包絡線演算手段
と、評価手段を備える。そして、前記光束照射手段は、
薄膜試料に、スペクトルを得るための光束を照射する。

【００１１】また、検出手段は、前記薄膜試料からの透
過又は反射光による干渉光を検出する。包絡線演算手段
は、前記検出手段から得られるスペクトル情報より、干
渉光のスペクトルのピークの包絡線特性を得る。評価手
段は、前記包絡線演算手段から出力される包絡線の光の
反射面深さの分布に起因した特性より、前記薄膜の膜厚
の評価を行なう。

【００１２】

【作用】本発明者らは、干渉法による膜厚評価手法につ
いて検討を進めるにあたり、干渉スペクトルの減衰に着
目した。すなわち、膜厚評価に用いられる干渉波形は短
波長にいくほど、その振幅が小さくなるのが一般的であ
る。これは、多くの物質では短波長領域で光吸収を示す
傾向にあり、光吸収が生じると、裏面での反射光が減衰
して干渉波形の振幅の減衰の原因となり得ることによ
る。事実、吸収のある膜ではその吸収によって減衰した
干渉波形が観測される。

【００１３】しかし、吸収が無いと思われる膜でも短波
長になるにしたがって振幅は減衰する。そして、本発明
者らは、この減衰特性、特に波数と振幅により表現され
る干渉スペクトル波形の包絡線特性が薄膜特性を示唆す
ることを見出し、該包絡線特性より膜厚あるいは微小領
域における膜厚分布を求めることとしたのである。

【００１４】

【実施例】以下、図面に基づき本発明の好適な 図１に
は本発明の一実施例にかかる薄膜評価装置の概略図が示
されている。同図に示す膜厚評価装置１０は、光束照射
手段としての分光器１２と、該分光手段１２より出射さ
れる光束を被測定物（ウエハー）１４上に導光する反射
鏡１６と、被測定物１４からの反射光を検出手段１８に
導光する反射鏡２０と、を含む。

【００１５】そして、前記分光器１２は本実施例におい
てフーリエ変換型分光器よりなり、光源２１、ビームス
プリッタ２２、固定鏡２４、移動鏡２６を含む。そし
て、光源２０からの光束はビームスプリッタ２２により
二分割され、一方は固定鏡２４により反射されてビーム
スプリッタ２２に返光され、他方は移動鏡２６により反
射され同じくビームスプリッタ２２に返光される。そし
て、ビームスプリッタ２２では両反射鏡２４，２６から
の反射光を合成し、干渉光束を前記反射鏡１６に向けて
出射している。

【００１６】検出手段１８の出力するインターフェログ
ラム信号（図２）はフーリエ変換手段３０によりフーリ
エ変換され、スペクトラム信号（図３）を得る。そし
て、包絡線演算手段３２は、このスペクトラム上に表現
される干渉スペクトル波形の包絡線３３ａ，３３ｂを求
める。そして、本実施例においては、エピタキシャル成
長あるいは熱拡散によりドープさせて得られたウエハー
を被測定物とし、評価手段３４は包絡線情報より薄膜評
価を行なう。該評価結果はディスプレイ３６に表示さ
れ、ウエハーの製造状態の適否等が示される。

【００１７】次に、本発明にかかる膜厚評価装置を用
い、エピタキシャル成長あるいは熱拡散によりドープさ
せたウエハーの膜厚分布測定を行なう例について、さら
に詳細に説明する。膜厚分布 まず、前記図１に示した装置による膜厚分布の評価につ
いて説明する。また、図４に示すように特定基板５０上
に膜成分５２がエピタキシャル成長により形成され、比
較的明確な境界面５４を示して存在する場合にも、微視
的に見れば境界面の凹凸が存在し、この凹凸による反射
面深さのバラツキが生じる。

【００１８】したがって、前記図４の場合にも、境界面
の凹凸を膜厚分布として把握する必要がある。この場合
に、本発明者らは前記包絡線がこの膜厚分布に極めて密
接に関係していることを見出した。すなわち、膜厚分布
の評価においては前記評価手段２４は、以下のような演
算を行なう。簡略化のため図６に示すように、光束を垂
直に入射させた場合を考える。

【００１９】薄膜表面の反射光Ａ₁と、薄膜裏面での反
射光Ａ₂は屈折率ｎの膜５２の膜厚分の光路差２ｎｄの
ため、位相差４πｎｄ／λを持つ。ｎｄ＝Ｄとすると、

【数１】Ａ₁＝ａ₁expｉωｔ Ａ₂＝ａ₂expｉ（ωｔ＋４πＤ／λ） 干渉光の強度Ｉ（λ，Ｄ）は、

【数２】Ｉ(λ,D)＝（Ａ₁＋Ａ₂）・（Ａ₁＋Ａ₂）^* ＝ａ₁ ²＋ａ₂ ²＋２ａ₁ａ₂cos４πＤ／λ 一方、ＤがΡ_(D)ｄ_Dの分布を有するとすると、

【数３】 なお、前記Ρ_(D)は数４に示すガウス分布とする。

【００２０】

【数４】 この場合、実際に観測される干渉光強度は、

【数５】 で表される。膜厚にバラツキが無い場合、すなわちσ_p
＝０とすると、前記干渉光強度は、

【数６】 となり、減衰項は、

【数７】ｑ（λ）＝ｅｘｐ−８π²（σ_D／λ）² となる。

【００２１】次に、実測干渉波形から膜厚分布を求める
場合には、前記減衰項は前記図３に示すように干渉波形
の包絡線３３ａ，３３ｂとして得ることができる。この
減衰項の値を適当な波長λ_i，ｉ＝１〜ｎで得て、これ
がｑ（λ_i）であるとする。この場合、λ_i，ｑ（λ_i）
は、

【数８】ｑ（λ_i）＝exp−８π²（σ_D ²／λ_i）² を満たすため、

【数９】lnｑ（λ_i）＝−８π²σ_D ²（１／λ_i）² となり、測定値（λ_i，ｑ（λ_i））を、横軸（１／
λ_i）²、縦軸lnｑ（λ_i）としてプロットすると、図７
に示すように負の傾きを持った直線上に並ぶことにな
る。

【００２２】この傾きをＧとすると、

【数１０】Ｇ＝−８π²σ_D ² となり、標準偏差σ_Dは、

【数１１】σ_D＝｛−Ｇ／８π²）^1/2 となる。

【００２３】このσ_Dは、光路差Ｄ＝ｎｄの標準偏差で
あり、膜厚ｄの標準偏差σ_dとするには、σ_Dを屈折率ｎ
で除算する必要がある。

【数１２】σ_d＝σ_D／ｎ 以上のようにして本実施例によれば、干渉光スペクトル
の包絡線より膜厚分布を求めることができる。

【００２４】なお、干渉波形には、干渉による強度変化
の他、試料の吸収、反射率の波長依存性にともなう変化
が重なる。これらは試料個々に依存するため、一般的に
扱うことは困難で、ｑ（λ_i）を見積もる際、これが除
外されることが必要となる場合がある。このため、ある
波長λ_iにおいて上下の包絡線から、ｑ（λ_i）と−ｑ
（λ_i）を見積もり、その差をとって

【数１３】ｑ（λ_i）−［−ｑ（λ_i）］＝２ｑ（λ_i） として求めることがもっとも容易である。

【００２５】また、｛（１／λ_i）²,lnｑ（λ_i）｝のプ
ロットの傾きを求める場合には、最小二乗法による直線
の適用を行なうのが一般的である。この場合、誤差［ln
ｑ（λ_i）−｛ｋ₁（１／λ_i）²＋ｋ₂］の平方和が最小
となるように定式化される。しかし、実際にはｑ
（λ_i）が小さくなるほど、相対的な信頼性が低下する
と考えられ、包絡線として直線の適用は妥当でない場合
もある。

【００２６】このようなときには、非線形の包絡線的用
も考えられる。すなわち、σ_D ²＝Ｓとおくと、

【数１４】ｑ（λ_i）＝exp−８π²／λ_i ²・Ｓ Ｓはその初期値Ｓ₀と変化量ΔＳで改善されるとする
と、

【数１５】ｆ_(s)＝ｅｘｐ−８π²／λ_i ²・Ｓ

【数１６】 ｆ(S₀+ΔS)＝ｆ(S₀)＋（df/dS）₀・ΔＳ＋Φ ＝｛１−（８π²／λ_i ²）・ΔＳ）ｅｘｐ−８π²／λ_i ²・Ｓ₀ そして、残差平方和Ｒは、

【数１７】 またｄＲ／ｄΔＳ＝０より、

【数１８】 が得られる。

【００２７】そして、図８に示す計算フローチャートに
基づき、ΔＳが略ゼロとなるまで演算を行なうことによ
り、非線形の包絡線減衰特性を得ることができる。次
に、本実施例にかかる膜厚分布評価手法を実際に用いた
例について説明する。図９に示すように、薄膜試料につ
いて透過スペクトルを測定すると、図１０に示すような
スペクトルが得られる。同図において１０００〜２５０
０nmの領域に見られる波形が干渉波形であり、短波長に
なるほどその振幅が小さくなる。

【００２８】この干渉波形は、図９に示す直接透過した
透過光Ａ₁’と、表面および裏面で各１回反射した透過
光Ａ₂’が干渉した光の強度分布を表している。ここ
で、膜厚Ｄ＝ｎｄが前記ガウス分布を有しているとする
と、この強度は前記数５に示され、さらに減衰項は前記
数７に示される通りである。各波長での減衰項ｑ（λ）
を見積もるために、まず干渉波長のピークおよび谷の位
置の波長とその強度を求めた（図１１参照）。なお、波
長は谷の位置を用いることとする（λ_i：ｉ＝１〜
ｎ）。

【００２９】この波長における下側の包絡線の値は、Ｉ
（λ_i）となる。これに対して、上側の包絡線の値Ｘを
直接求めることはできないので、図１１に示すように、
その波長の両隣のピークの値から比例配分で求める。各
値が図１１の通りとすると、

【数１９】 したがって、波長λ_iにおける減衰項ｑ（λ_i）は、

【数２０】２ｑ（λ_i）＝Ｘ−Ｉ（λ_i） と求められる。

【００３０】ここからln（２ｑ（λ_i）），（１０００
／λ_i）²を演算し、包絡線を得ると、図１２のようにな
り、その傾きは−２．７２９１となる。 −８π²σ_D ²＝−２．７２９１ よって、σ_D＝０．１８６（μm） σ_D＝０．１８６／ｎ（μm） と求められる。以上のように、本実施例にかかる膜厚分
布評価方法によれば、微小領域における膜厚のバラツキ
をたとえば標準偏差として求めることが可能となる。

【００３１】膜厚測定 本実施例において測定対象とした拡散ウエハー１４は、
図５に示すようにシリコーン単結晶基板よりなるＩ層
（非拡散層）５０と、熱拡散により形成した拡散層５２
からなる。そして、拡散工程の性格上、拡散層５２と非
拡散層５０の界面は、拡散不純物の濃度プロファイルを
反映し、深さ方向に広がりを持ったものとなる。この拡
散ウエハーに光を照射した場合、前述したようにある不
純物濃度（５×１０¹⁷atom/cm³程度）の深さを光学的な
界面として、多重反射を起こす。したがって、この光学
的な境界面までの深さを測定することにより、膜厚の評
価が可能である。

【００３２】しかしながら、この光学的界面５４は、Ｓ
Ｒ法により定義された拡散層厚Ｘ_iより深い位置にある
ので、干渉法による拡散層厚Ｘ_i’は厚いものとなって
しまう。図１３にはＳＲ法により定義された拡散層厚Ｘ
_iと干渉法により測定された拡散層厚Ｘ_i’の関係を示
す。

【００３３】同図より、干渉法による拡散層厚Ｘ_i’は
ＳＲ法により定義された拡散層厚Ｘ_iより厚く測定され
てしまうばかりでなく、両者の相関性にも問題がある。
ここで、前記ウエハーの全厚Ｘ₀は不明である。そこで
本発明者らは前記包絡線に着目し、前記図３における包
絡線３３ａ，３３ｂの交点における波数値の逆数と、Ｓ
Ｒ法による層厚Ｘ_iとの相関が極めて高いことを見出し
た（図１４参照）。

【００３４】一方、本発明者らは前記拡散ウエハーの不
純物濃度分布が、一般にガウス分布を示すことを見出し
た。そして、図５に示すように、 ウエハーの最大不純物濃度：Ｎ₀＝１０²⁰atoms／cm³ 干渉法による光学的界面５４における不純物濃度：Ｎ₁
＝５×１０¹⁷atoms/cm³ 拡散層における不純物濃度：Ｎ₂＝１０¹⁴atoms／cm³ であるから、ガウス曲線のＰ₁点がＸ＝０，Ｎ₀＝１０²⁰
atoms/cm³としてまず特定され、さらに前記図１４に示
す関係式より包絡線交点の波長σからＸ_jを求めること
で、Ｐ₂点が特定される。この結果、ガウス曲線Ｌが特
定され、さらに光学的界面５４のＸ座標位置Ｘ_j’が算
出され得る。

【００３５】この結果、求めるべき膜厚Ｘ_iを

【数２１】Ｘ_i＝Ｘ_i’−（Ｘ_j−Ｘ_j’） で算出することができる。以上の結果、ＳＲ法による拡
散層の膜厚Ｘ_iは、干渉法により求められたＸ_i’より、
算出することができる。

【００３６】以上のように、薄膜より得られる干渉光ス
ペクトルの包絡線の交点の波数σおよび前記数２１の補
正式より、ＳＲ法により定義された拡散層厚Ｘ_iを正確
に演算することができる。なお、前記図１３に示すＸ_i
とＸ_i’の相関が図１６に示すように補正され、両者が
極めて良好に一致することが理解される。なお、以上の
実施例においては、フーリエ変換型の分光手段を用いた
例について説明したが、これに限られるものではなく、
たとえば分散型分光手段を用い、直接にスペクトルを得
ることもできる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように本発明にかかる膜厚
評価法法および評価装置によれば、干渉光スペクトルの
包絡線特性より薄膜を評価することとしたので、膜厚あ
るいは膜厚分布などの薄膜情報を非破壊で正確に求める
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例にかかる薄膜評価装置の概略
構成の説明図である。

【図２】図１に示す装置で得られたインターフェログラ
ムの説明図である。

【図３】図２に示したインターフェログラムより得られ
る干渉光スペクトルおよびその包絡線の説明図である。

【図４】明確な境界面の存在する薄膜における反射状態
の説明図である。

【図５】境界層の存在する薄膜における反射状態の説明
図である。

【図６】膜厚分布の測定状態の説明図である。

【図７】波長と包絡線の相関図である。

【図８】非線形包絡線を算出する場合のフローチャート
図である。

【図９】本発明の一実施例にかかる薄膜評価状態の説明
図である。

【図１０】図９に示す薄膜の干渉スペクトル図である。

【図１１】図１０に示す干渉スペクトル図における包絡
線の求めかたの説明図である。

【図１２】図１０に示す干渉スペクトル図に基づく波長
の包絡線の相関図である。

【図１３】従来手法による干渉法に基づく膜厚とＳＲ値
との比較図である。

【図１４】包絡線交点における波数の逆数と、ＳＲ値と
の相関図である。

【図１５】薄膜内における不純物濃度の説明図である。

【図１６】本発明による膜厚補正値とＳＲ値との相関図
である。

【符号の説明】

１０ … 薄膜評価手段 １２ … 分光器（光束照射手段） １８ … 検出手段 ３２ … 包絡線演算手段 ３４ … 評価手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01N 21/00 - 21/88

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 薄膜試料に光を照射し、該薄膜の表面お
   よび裏面において反射又は透過される各反射又は透過光
   の干渉光の特性より薄膜の評価を行なう薄膜評価方法に
   おいて、 前記干渉光のスペクトルのピークの包絡線における光の
   反射面深さの分布に起因した特性より薄膜の膜厚を評価
   することを特徴とする薄膜評価方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の方法において、前記包絡
   線の減衰項より膜厚の分布を求めることを特徴とする薄
   膜評価方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の方法において、前記包絡
   線特性により振幅がゼロとなる波数より、該波数の逆数
   に比例する薄膜厚を算出することを特徴とする薄膜評価
   方法。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の方法に
   おいて、前記薄膜の分布をガウス特性として扱うことを
   特徴とする薄膜評価方法。
5. 【請求項５】 薄膜試料に、スペクトルを得るための光
   束を照射する光束照射手段と、 前記薄膜試料からの透過又は反射光による干渉光を検出
   する検出手段と、 前記検出手段から得られるスペクトル情報より、干渉光
   のスペクトルのピークの包絡線特性を得る包絡線演算手
   段と、 前記包絡線演算手段から出力される包絡線の光の反射面
   深さの分布に起因した特性より、前記薄膜の膜厚の評価
   を行なう評価手段と、 を備えたことを特徴とする薄膜評価装置。