JP3556183B2 - Method for determining composition of compound semiconductor layer on substrate - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分光エリプソメータを用いた薄膜計測方法、さらに詳しく言えば基板上に形成された化合物半導体層の組成決定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
分光エ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＝ｎ−ｉｋ）を算出することができる。偏光変化量（ρ）はρ＝ｔａｎψｅｘｐ（ｉΔ）で表され、波長（λ）、入射角度（φ）、膜厚、複素屈折率等のパラメータに依存するので、その関係は次のようになる。
（ｄ，ｎ，ｋ）＝ｆ（Ψ，Δ，λ，φ）
【０００３】
入射角度を固定した場合、単一波長エリプソメータでは、（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１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（φ）の違いによる（Ψφ_１ ，Δφ_１ ）と（Ψφ_２ ，Δφ_２ ）には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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
分光エリプソメータを用いて測定された基板上に形成された多層薄膜の偏光変化量の情報（Ψ_Ｅ ，Δ_Ｅ ）スペクトルは、前記基板のｎ，ｋ情報、各層のｎ，ｋ，ｄの情報の全てを含んでいる。しかしながら、薄膜解析は次の理由により、不可能である。
【０００５】
偏光変化量は、光が通る体積、（位相角（β）×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。

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）×複素屈折率Ｎ×φ
ここにおいて、φは入射角である。したがって、入射角の正しさによって、偏光変化量の値も変わる。入射角を正しく求め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。
【０００６】
前述したように、測定された多層薄膜の偏光変化量の情報（Ψ_Ｅ ，Δ_Ｅ ）スペクトルは、前記基板のｎ，ｋ情報、各層のｎ，ｋ，ｄの情報の全てを含んでいるが、これから、前記基板のｎ，ｋ情報、各層のｎ，ｋ，ｄの情報の唯一の組み合わせを算出することはできない。そこで、既知誘電率を用いて、最適なモデルを決定する。
【０００７】
次に基板上に形成された層は、モデルを設定して、そのモデルのシュミレーションモデルとのフィッティングにより、多層構造を決定することができる。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。本件発明者等は物質Ａと物質Ｂの化合物半導体Ａ_(1-x) Ｂ_x 層が基板Ａ上に形成されている場合において、その半導体層の複素屈折率Ｎは、ｘの値にしたがって決まる。また極めて組成比ｘが低い場合には、基板のｎ₀ ，ｋ₀ と化合物半導体層のｎ_j ，ｋ_j の違いがほとんどなくなり、偏光変化量が小さくなることから、入射角度を正確に求めることが重要である（図１０，１１参照）。
【０００８】
本発明の目的は、化合物半導体層の膜厚や複素屈折率、組成比等の組み合わせモデルを設定し、そのシュミレーションスペクトルを算出して、そのシュミレーションスペクトルと測定スペクトルとのフィッ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。
【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、本発明による請求項１記載の方法は、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、
計測対象の基板表面の薄膜を、入射光の波長を変えて各波長λ_i 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_E ( λ_i ) とΔ_E ( λ_i ) を得るΨ_E ，Δ_E スペクトル測定ステップと、
前記基板の（Ｎ₀ （ｎ_0,ｋ₀ ））、前記基板上の化合物半導体層の、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、前記Ψ _E ，Δ _E スペクトル測定ステップの公称入射角をφ ₀ とするときに、前記公称入射角φ ₀ の近傍のφ _k を関数とするシュミレーションスペクトルΨ _Mk ( λ _i ) とΔ _Mk ( λ _i ) を算出し、モデリングスペクトルΨ _Mk とΔ _Mk を得るΨ _Mk ，Δ _Mk モデリングスペクトル算出ステップと、
前記Ψ_E ，Δ_E スペクトルと前記Ψ _Mk ，Δ _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Ψ _Mk ，Δ _Mk 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 _Mk ，Δ _Mk モデリングスペ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、を含んでいる。
【００１０】
本発明による請求項２記載の方法は、請求項１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_E ( λ_i ) 、Δ_E ( λ_i ) と有限組の中のΨ _Mk ( λ_i ) 、Δ _Mk ( λ_i ) 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。
【００１１】
本発明による請求項３記載の方法は、請求項１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, AlGaInP, AlGaInAs, AlGaAsSb, InAsSb, HgCdTe, ZnMgSSe, ZnSSe, ZnCdSe, ZnMnSe, ZnFeSe, ZnCoSe のいずれかとしたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下図面等を参照して本発明による方法の実施の形態を説明する。
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。このブロック図に示されている分光エリプソメータにより、後述する方法の分光測定データの獲得ステップ１０が実行される。
【００１３】
Ｘｅ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°）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５０ｋＨｚ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，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１０を終了する。なお、ＰＥＭ５の位置は偏光子３の後か検光子６の前のどちらも可能とする。
【００１４】
図２は、本発明による分光エリプソメータを用いた基板上の化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ータ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ータの獲得ステップ１０で獲得した分光測定データをΨ_Ｅ （ λ） とΔ_Ｅ （ λ） の形で比較データ化する。
図３は、ステップ２０の分光測定データ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_Ｅ （ λ_ｉ ） Ｐｓｉ、とΔ_Ｅ （ λ_ｉ ） Ｄｅｌｔａを示している。
【００１５】
（ステップ２１）このステップ２１は分光測定対象のモデル化ステップである。図４はステップ２１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２０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Ｓｉ 基板上に第１層Ｓｉ Ｇｅ（ｘ＝０．１５）の化合物半導体層、ｄ＝８００Å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＝２０Åとし、基板と第１、２層の光学定数（ｎ，ｋまたはε_ｒ，ε_ｉ ）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。
【００１６】
（ステップ２２）このステップ２２では、前記ステップ２１で設定したシュミレーショ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５は、ステップ２２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２１で採用したモデルからモデリングスペクトルを作製する。各波長におけるｎ，ｋまたはε_ｒ，ε_ｉ は既知として、これらと前記第１および第２層の厚さｄから、Ψ_Ｍ （ λ） とΔ_Ｍ （ λ） を算出してモデリングスペクトルを作製する。
【００１７】
（ステップ２３）このステップは分光測定比較データとモデル比較データを比較するステップである。図６は、ステップ２３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２２で算出したモデリングスペクトルΨ_Ｍ （ λ） ，Δ_Ｍ （ λ） と、ステップ２０で供給されたΨ_Ｅ （ λ） ， Δ_Ｅ （ λ） を比較する。
【００１８】
（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、ステップ２４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_Ｅ （ λ） ，Δ_Ｅ （ λ） ）と（Ψ_Ｍ （ λ） ， Δ_Ｍ （ λ） ）の違いが最小になるようにパラメータをフィッティングするその結果、測定データとモデルが合うか合わないかの判断をする。
ここで、Ｎ個の測定データ対Ｅｘｐ（ｉ＝１，２．．．，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Ｍｏｄ（ｉ＝１，２．．．，Ｎ）とし、測定誤差は、正規分布をするとし、標準偏差をσ_ｉ とすると、平均二乗誤差（χ^２ ）は、次のようにして与えられる。

ここでＰは、パラメータの数である。
【００１９】
評価は前記平均二乗誤差（χ^２ ）が一定の範囲内にあるもの、または後述するステップ２５を含めたループ（ステップ２２→ステップ２３→ステップ２４→ステップ２５→ステップ２２）の有限繰り返し中のステップ２４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。
【００２０】
（ステップ２５）図８は、ステップ２５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２４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２１で設定した第１層であるＳｉ Ｇｅの膜厚８００Åを２０００Åに変更し、組成比をｘ＝０．１５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。
【００２１】
（ステップ２２）ステップ２２は、ステップ２５で設定されたモデルから、理論的に次のΨ_Ｍ （ λ） ，Δ_Ｍ （ λ） を求める。ステップ２３→ステップ２４→ステップ２６→ステップ２２の繰り返し実行が行われる。
【００２２】
（ステップ２６）図９は、ステップ２６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２４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１８０８．４Å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_１，ｋ_１ ）、第２層である自然酸化層の膜厚を２０．８Åおよび自然酸化膜層の（ｎ_２，ｋ_２ ）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。
【００２３】
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。
【００２４】
次に、公称入射角φ_０ の近傍の入射角をパラメータ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（ρ）は、ρ＝ｔａｎψｅｘｐ（ｉΔ）で表され、波長（λ）、入射角度（φ）、膜厚、複素屈折率等のパラメータに依存し、その関係は次のようになる。（ｄ，ｎ，ｋ， 組成比）＝Ｆ（Ψ，Δ，λ，φ）
【００２５】
図１に示す公称入射角φ_０ 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φ_０ 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_Ｅ ，Δ_Ｅ も、φ_０ 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。
【００２６】
すなわち、前記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Ψ_Ｅ ，Δ_Ｅ スペクトル測定ステップの公称入射角をφ_０ とし、前記Ψ_Ｍ，Δ_Ｍ モデルシュミレーションスペクトル算出ステップでは、前記φ_０ を関数とするシュミレーションスペクトルΨ_Ｍ０ （λ_ｉ ） 、Δ_Ｍ０ （λ_ｉ ） とさらに前記公称入射角をφ_０ の近傍のφ_ｋ を関数とするシュミレーションスペクトルΨ_Ｍｋ （λ_ｉ ） とΔ_Ｍｋ （λ_ｉ ） を得る。このモデルシュミレーションスペクトルをステップと２１で算出してΨ_Ｅ （ λ_ｉ ） 、Δ_Ｅ （ λ_ｉ ） と比較する。
【００２７】
ここで例として図１０，１１を挙げる。前記公称入射角をφ_０ の近傍の角度φ_ｋｍｉｎ＝７４．８５°から、Δφ_ｋ ＝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、χ^２ を示す。この例ではφ_ｋＭａｘ＝７５．００°としている。これは、前述した２１ステップに相当するステップで入射角φ_ｋ 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１０において、最上段はφ_ｋｍｉｎ＝７４．８５°においては、膜厚ｄ_ｋｍｉｎ ＝１１００．４Åと組成比ｘ_ｋｍｉｎ＝７．７８７６（ａｔｏｍ％）が最適な組み合わせでそのときのχ^２ の値は０．６２９２である。図１１は、各入射角度における組成比ｘとχ^２ を示すグラフである。
図１０を検討すると、φ_{ｋｂｅｓｔ} ＝７４．９７における、膜厚ｄ_{ｋｂｅｓｔ} ＝１１００．３Åと組成比ｘ_{ｋｂｅｓｔ} ＝８．９２７７（ａｔｏｍ％）が最も小さいχ^２ 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１１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（ａｔｏｍ％）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示している。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように本発明によれば、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。
【００２９】
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、データの取得、モデルの設定に関連して一貫してΨ，Δ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ータ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_ｒ ）、（ ｔａｎ Ψ，ｃｏｓ Δ） 、 （Ｉ_ｓ，Ｉ_ｃ ）
【００３０】
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， ＩｎＧａＡｓＰ， ＩｎＧａＡｓ， ＩｎＡｌＡｓ， ＩｎＧａＰ， ＡｌＧａＩｎＰ， ＡｌＧａＩｎＡｓ， ＡｌＧａＡｓＳｂ， ＩｎＡｓＳｂ， ＨｇＣｄＴｅ，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ＳｉＧｅ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、化合物半導体など）も同様に利用できる。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法の分光測定データの取得のステップ１０で使用する分光エリプソメータの構成を示すブロック図である。
【図２】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】ステップ２０の分光測定データを示すグラフである。
【図４】ステップ２１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】ステップ２２のモデルのデータを示すグラフである。
【図６】ステップ２３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。
【図７】ステップ２４のフィッティングを説明するための図表である。
【図８】ステップ２５のモデルの変更を説明するための図表である。
【図９】ステップ２６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１０】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１１】前記フィッティングにより得られたデータのグラフである。
【符号の説明】
１ Ｘｅランプ
２ 光ファイバ
３ 偏光子
４ サンプル
５ 光弾性変調器（ＰＥＭ）
６ 検光子
７ 光ファイバ
８ 分光器
９ データ取込部
１０ 分光測定ステップ
２０ 分光測定比較データ化ステップ
２１ モデル設定ステップ
２２ モデル比較データ化ステップ
２３ 比較ステップ
２４ 評価ステップ
２５ データ再設定ステップ
２６ 終了（適合モデル選択）ステップ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for measuring a thin film using a spectroscopic ellipsometer, and more particularly to a method for determining the composition of a compound semiconductor layer formed on a substrate.
[0002]
[Prior art]
The amount of polarization change between incident light and reflected light is measured using a spectroscopic ellipsometer, and the film thickness (d) and the complex refractive index N (N = n−ik) can be calculated from the results. The polarization change amount (ρ) is represented by ρ = tanｔexp (iΔ) and depends on parameters such as the wavelength (λ), the incident angle (φ), the film thickness, and the complex refractive index. .
(D, n, k) = f (Ψ, Δ, λ, φ)
[0003]
When the incident angle is fixed, the single-wavelength ellipsometer can measure only two independent variables for three unknowns of (d, n, k), and therefore, any one of d, n, and k is known. Need to be fixed as Changing the angle of incidence, even at a single wavelength, increases the measured variables. However, since there is a strong correlation between (Ψφ ₁ , Δφ ₁ ) and (Ψφ ₂ , Δφ ₂ ) due to the difference in the incident angle (φ), it is difficult to obtain d, n, k with high accuracy.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The information (Ψ _E , Δ _E ) spectrum of the amount of polarization change of the multilayer thin film formed on the substrate, which is measured using a spectroscopic ellipsometer, is the n, k information of the substrate and the n, k, d information of each layer. Includes everything. However, thin film analysis is not possible for the following reasons.
[0005]
The polarization change amount can be represented by a volume through which light passes ((phase angle (β) × area of beam diameter)). The phase angle (β) is represented by the following equation.

If the beam diameter is constant, the amount of polarization change is as follows.
Polarization change / thickness (d) × complex refractive index N × φ
Here, φ is the angle of incidence. Therefore, the value of the amount of polarization change also changes depending on the correctness of the incident angle. By correctly obtaining the incident angle, the value of the polarization change amount can be also correctly obtained.
[0006]
As described above, the measured information (Ψ _E , Δ _E ) of the polarization change amount of the multilayer thin film includes all of n, k information of the substrate and n, k, d information of each layer. From this, it is impossible to calculate a unique combination of n, k information of the substrate and n, k, d information of each layer. Therefore, an optimal model is determined using the known permittivity.
[0007]
Next, a layer is formed on the substrate, and a multilayer structure can be determined by setting a model and fitting the model to a simulation model. Furthermore, in the case of a compound semiconductor layer, there is a strong demand to know the composition ratio accurately or to keep it within a certain range. When the compound semiconductor A _(1-x) B _x layer of the substance A and the substance B is formed on the substrate A, the present inventors determine the complex refractive index N of the semiconductor layer according to the value of x. . When the composition ratio x is extremely low, there is almost no difference between n ₀ and k ₀ of the substrate and n _j and k _j of the compound semiconductor layer, and the amount of change in polarization becomes small. Is important (see FIGS. 10 and 11).
[0008]
An object of the present invention is to set a combination model such as a compound semiconductor layer thickness, a complex refractive index, and a composition ratio, calculate a simulation spectrum thereof, and change a fitting angle between the simulation spectrum and the measurement spectrum by changing an incident angle. It is an object of the present invention to provide a method for determining the composition of a compound semiconductor layer on a substrate, which determines a thin film structure and a composition ratio by performing the method.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a method according to claim 1 of the present invention comprises measuring a surface of a compound semiconductor layer formed on a substrate using a spectroscopic ellipsometer, and measuring a composition of the compound semiconductor layer formed on the substrate. A method for determining a composition of a compound semiconductor layer for determining a ratio ,
By changing the wavelength of the incident light, the measurement spectrum 基板_E (λ _i ) and Δ _E (λ _i ), which are the changes in the polarization of the incident light and the reflected light, for each wavelength λ _i are obtained by changing the wavelength of the incident light. Ψ _E and _ΔE spectrum measurement steps;
The model is determined by assuming (N ₀ (n _0, k ₀ )) of the substrate and ( _dj , N _j (n _j, k _j )) of the _j- th layer of the compound semiconductor layer on the substrate. Ψ _E , Δ _E The nominal angle of incidence for the spectrum measurement step is φ ₀ When the nominal incident angle φ ₀ Φ _k near Calculating a simulation spectrum Ψ _Mk ( λ _i ) and Δ _Mk ( λ _i ) as a function to obtain modeling spectra Ψ _Mk and Δ _Mk Ψ _Mk , Δ _Mk modeling spectrum calculation step,
Wherein [psi _E, delta _E spectrum with the [psi _Mk, compares the delta _Mk modeling spectrum, the [psi _Mk reaching criteria, a comparison evaluation step Ru measurement results and determine Teisu the structure of delta _Mk,
When the model does not match the criteria is to select the next correction model, the [psi _Mk, performs delta _Mk modeling spectrum calculation step includes a modification step of performing the comparison evaluation step.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for determining the composition of a compound semiconductor layer on a substrate according to the first aspect,
Evaluation criteria of the model, the _{Ψ E (λ i), Δ} E (λ i) and Ψ _Mk (λ _i) in a finite set, determine the mean square error between the Δ _{Mk (λ i),} most It is determined to have a small mean square error.
[0011]
The method of claim 3, wherein according to the invention, the composition determination method of a compound semiconductor layer on a substrate according to claim 1, wherein, before the title compound semiconductor layer, SiGe, AlGaAs, InGaAsP, InGaAs , InAlAs, InGaP, AlGaInP, AlGaInAs , AlGaAsSb, InAsSb, HgCdTe, ZnMgSSe, ZnSSe, ZnCdSe, ZnMnSe, ZnFeSe, ZnCoSe.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the method according to the present invention will be described with reference to the drawings and the like.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an ellipsometer used in the method of the present invention. The spectroscopic ellipsometer shown in this block diagram executes the spectroscopic data acquisition step 10 of the method described below.
[0013]
The Xe lamp 1 is a so-called white light source including many wavelength components. Light emitted from the Xe lamp 1 is guided to the polarizer 3 via the optical fiber 2. The light polarized by the polarizer 3 is made incident on the surface of the sample 4 to be measured at a specific incident angle (for example, φ = 75 °). The reflection from the sample 4 is guided to an analyzer 6 via a photoelastic modulator (PEM) 5. The phase is modulated by a photoelastic modulator (PEM) 5 to a frequency of 50 kHz to produce linear to elliptically polarized light. Therefore, Ψ and Δ can be determined with a resolution of several milliseconds. The output of the analyzer 6 is connected to a spectroscope 8 via an optical fiber 7. The output data of the spectroscope 8 is taken into the data acquisition unit 9, and the step 10 of acquiring the spectroscopic measurement data ends. The position of the PEM 5 can be either after the polarizer 3 or before the analyzer 6.
[0014]
FIG. 2 is a flowchart of a method for determining the composition of a compound semiconductor layer on a substrate using a spectroscopic ellipsometer according to the present invention. (Step 20) This step is for converting the spectroscopic measurement data into comparison data. Comparing data in the form of spectral measurement data acquired in acquisition step 10 spectrometric data described above Ψ _E (λ) and Δ _{E (λ).}
FIG. 3 is a graph showing the spectroscopic measurement data of Step 20. The vertical axis indicates the measured spectrum Ψ _E (λ _i ) Psi and Δ _E (λ _i ) Delta, which are changes in the polarization of the reflected light.
[0015]
(Step 21) This step 21 is a modeling step of a spectroscopic measurement object. FIG. 4 is a chart for explaining the model data set in step 21. A model is created in consideration of the manufacturing process and the like of the measurement object converted into the comparison data in step 20. The optical constant and composition of the substrate and each layer, and the thickness (d) of each layer are set.
In this embodiment, it is assumed that the first layer is a compound semiconductor layer of SiGe (x = 0.15) on a Si substrate, and d = 800 °. It is assumed that a second layer which is a natural oxide layer of the compound semiconductor layer is present thereon. The thickness d of the second layer is set to 20 °, and the optical constants (n, k or ε _r, ε _i ) and the composition ratio of the substrate and the first and second layers are set. A known numerical value is used for the optical constant, and the numerical value is sequentially corrected as needed using the past accumulated data to prepare a database.
[0016]
(Step 22) In this step 22, a modeling spectrum is created from the simulation model set in the step 21 and converted into comparison data. FIG. 5 is a graph showing data of the model in step 22. The vertical and horizontal axes are as described in FIG. A modeling spectrum is created from the model adopted in step 21. _{Assuming that} n, k or ε _r, ε _{i at} each wavelength is known, Ψ _M (λ) and Δ _M (λ) are calculated from these and the thickness d of the first and second layers to produce a modeling spectrum. I do.
[0017]
(Step 23) This step is a step of comparing the spectrometry comparison data with the model comparison data. FIG. 6 is a graph in which the spectral measurement data compared in step 23 and the model data are superimposed. Modeling spectrum [psi _M calculated in step 22 (lambda), and Δ _M (λ), supplied [psi _E in step 20 (lambda), compares delta _E the (lambda).
[0018]
(Step 24) This step is a step of evaluating the result of the comparison. FIG. 7 is a chart for explaining the fitting performed in step 24. Using the least squares method _{(Ψ E (λ), Δ} E (λ)) and _{(Ψ M (λ), Δ} M (λ)) As a result, the measurement data a difference of fitting the parameters so as to minimize And whether the model fits or not.
Here, N measurement data pairs Exp (i = 1, 2,..., N) and calculation data pairs Mod (i = 1, 2,. Assuming that the measurement error has a normal distribution and the standard deviation is σ _i , the mean square error (χ ² ) is given as follows.

Here, P is the number of parameters.
[0019]
The evaluation is performed when the mean square error (χ ² ) is within a certain range, or during a finite repetition of a loop (step 22 → step 23 → step 24 → step 25 → step 22) including step 25 described later. It is selected as the model which gives the inner minimum chi ² finite chi ² values obtained in 24 matches measured data and model.
[0020]
(Step 25) FIG. 8 is a chart for explaining the change of the model in step 25. In this step, when it is determined in step 24 that the model does not match the spectroscopic data, the model is changed and the next model is set.
The thickness of 800 Å of the first layer of SiGe set in step 21 is changed to 2000 Å, and the composition ratio is changed from x = 0.15 to x = 0.2. If necessary, the following model is determined by appropriately changing the optical constants of each layer, the composition of each layer, and the like.
[0021]
(Step 22) Step 22 is a model that has been set in step 25, theoretically follows [psi _M (lambda), obtains the delta _M (lambda). Step 23 → step 24 → step 26 → step 22 is repeatedly executed.
[0022]
(Step 26) FIG. 9 is a chart showing a graph of a model determined for explaining step 26 and a determined structure. This is a step in which the data of the model determined to be suitable in the evaluation step of step 24 is adopted as a measured value, and the measurement is terminated. In this embodiment, the thickness of the first layer, SiGe (x = 0.18), is set to 1808.4 ° and the composition ratio (x = 0.18) from the model set in the process of the repetitive execution. of the corresponding compound semiconductor layer _{(n 1, k 1),} is that the thickness of the native oxide layer is the second layer of 20.8Å and the natural oxide film layer _{(n 2, k} 2), the minimum χ Adopted as giving ² .
[0023]
There are two methods for determining the composition ratio. The inventor of the present invention has determined that the composition ratio is determined at the same time as the film thickness and the optical constant as in step 26 in the example, but the dielectric constant (optical constant) is obtained from the film thickness and the optical constant obtained as the measurement result. There is also a method of determining the composition based on a functional relationship established between the (constant) and the composition. As the optical constant, in addition to a known numerical value (reference), a dispersion equation (an equation indicating the wavelength dependence of the dielectric constant of a substance) or the like can be used.
[0024]
Next, the case of measuring the angle of incidence in the vicinity of the nominal angle of incidence phi ₀ as a parameter. As described above, the polarization change amount (ρ) is represented by ρ = tanψexp (iΔ), and depends on parameters such as the wavelength (λ), the incident angle (φ), the film thickness, and the complex refractive index. become that way. (D, n, k, composition ratio) = F (Ψ, Δ, λ, φ)
[0025]
The nominal angle of incidence phi ₀ shown in FIG. 1, setting a model, by delicate shape of the surface of the sample, the incident angle phi ₀ is anticipated that it is better to slightly increase or decrease, the above-mentioned [psi _E, delta _E is also better to think of reasonable is better that it was a measurement data depending on the angle you modify the φ ₀ is good.
[0026]
That is, in the thin film measurement method using the spectroscopic ellipsometer, the nominal incident angle in the Ψ _E , _ΔE spectrum measurement step is φ _0, and in the Ψ _M, Δ _M model simulation spectrum calculation step, the φ ₀ is a function. The simulation spectra Ψ _M0 (λ _i ) and Δ _M0 (λ _i ) and the simulation spectra Ψ _Mk (λ _i ) and Δ _Mk (λ _i ) having the nominal angle of incidence as a function of φ _k near φ ₀ are described below. obtain. The model simulation spectrum calculated in the step and 21 Ψ _{E (λ i),} is compared with Δ _E (λ _i).
[0027]
Here, FIGS. 10 and 11 are given as examples. From the angle φ _kmin = 74.85 ° near φ _0, the nominal incidence angle is increased by Δφ _k = 0.01 ° at each angle, and at each angle, the highest combination of film thickness and composition ratio and the basis thereof was, it shows the χ ^2. In this example, φ _kMax = 75.00 °. This means that fitting is performed by sequentially creating models corresponding to d and the composition ratio x in correspondence with the incident angle φ _k in steps corresponding to the above-described 21 steps. 10, in the top row phi _kmin = 74.85 °, the film thickness _d kmin = _1100.4Å composition ratio _x kmin = 7.7876 (atom%) is the time of the chi ² values at optimal combination Is 0.6292. Figure 11 is a graph showing a composition ratio x and chi ² at each incident angle.
A review of FIG. 10, phi in _kbest = 74.97, shows the film thickness _{d kbest} = _1100.3Å composition ratio _x kbest = 8.9277 (atom%) is the smallest chi ² value 0.4406, this model The optimum film thickness and composition ratio are determined by the above.
Note that, in FIG. 11, the line indicated by XRD is a result of measurement using another measuring device using X-rays, which is entered for reference. According to this measurement, the Ge concentration is x = 9.00 (atom%), which is almost the same value as in the case of the present invention, and a value closer to the true value can be obtained by adjusting the incident angle. Is shown.
[0028]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the composition of a thin film, which has been difficult before, can be accurately and accurately measured by using various models and fitting the incident angle.
[0029]
Various modifications can be made to the embodiment described above in detail within the scope of the present invention. To facilitate understanding, explanations have been consistently made using Ψ and Δ in relation to data acquisition and model setting. Similar measurements and fittings are possible using the following pairs of data that are well known to those skilled in the art and are within the scope of the present invention.
(N, k), (ε _i , ε _r ), (tan Ψ, cos Δ), (I _s, I _c )
[0030]
In the method for determining the composition of a compound semiconductor layer on a substrate, SiGe has been described as an example of the compound semiconductor layer, and other compound semiconductor layers AlGaAs, InGaAsP, InGaAs, InAlAs, InGaP, AlGaInP, AlGaInAs , AlGaAsSb, InAsSb, HgCdTe, ZnMgSSe, ZnSSe, ZnCdSe, ZnMnSe, ZnFeSe, ZnCoSe. Also, an example in which one SiGe layer is formed on a substrate has been described, but the present invention can be similarly used for measurement of a different multilayer structure and measurement of a wide range of film thickness. Although the substrate is shown as an example of Si, other materials (glass, quartz, compound semiconductor, etc.) can be used as well.
[0031]
The inventor of the present invention has determined that the composition ratio of the compound semiconductor is determined simultaneously with the film thickness and the optical constant as in step 26 in the example, but the dielectric constant is determined from the film thickness and the optical constant obtained as the measurement result. There is also a method of determining the composition based on a functional relationship established between (optical constant) and the composition, which is also included in the technical scope of the present invention.
[0032]
Although a known numerical value (reference) is used as the optical constant, a dispersion formula or the like showing the wavelength dependence of the dielectric constant of a substance can be used, and is included in the technical scope of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a spectroscopic ellipsometer used in step 10 of acquiring spectroscopic measurement data according to the method of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart for explaining a thin film measurement method according to the present invention.
FIG. 3 is a graph showing spectroscopic measurement data in step 20;
FIG. 4 is a table for explaining model data set in step 21;
FIG. 5 is a graph showing model data in step 22;
FIG. 6 is a graph in which spectral measurement data compared in step 23 and model data are superimposed.
FIG. 7 is a table for explaining fitting in step S24.
FIG. 8 is a chart for explaining a model change in step 25;
FIG. 9 is a chart showing a graph of a determined model and a determined structure for explaining step 26;
FIG. 10 is a graph for determining an optimal model of a film thickness and a composition ratio by performing fitting at each angle while changing an incident angle.
FIG. 11 is a graph of data obtained by the fitting.
[Explanation of symbols]
1 Xe lamp 2 Optical fiber 3 Polarizer 4 Sample 5 Photoelastic modulator (PEM)
6 Analyzer 7 Optical Fiber 8 Spectrometer 9 Data Acquisition Unit 10 Spectroscopic Measurement Step 20 Spectrometry Comparison Data Conversion Step 21 Model Setting Step 22 Model Comparison Data Conversion Step 23 Comparison Step 24 Evaluation Step 25 Data Resetting Step 26 End (Applicable) Model selection) step

Claims (3)

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、
計測対象の基板表面の薄膜を、入射光の波長を変えて各波長λ_i 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_E ( λ_i ) とΔ_E ( λ_i ) を得るΨ_E ，Δ_E スペクトル測定ステップと、
前記基板の（Ｎ₀ （ｎ_0,ｋ₀ ））、前記基板上の化合物半導体層の、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、前記Ψ _E ，Δ _E スペクトル測定ステップの公称入射角をφ ₀ とするときに、前記公称入射角φ ₀ の近傍のφ _k を関数とするシュミレーションスペクトルΨ _Mk ( λ _i ) とΔ _Mk ( λ _i ) を算出し、モデリングスペクトルΨ _Mk とΔ _Mk を得るΨ _Mk ，Δ _Mk モデリングスペクトル算出ステップと、
前記Ψ_E ，Δ_E スペクトルと前記Ψ _Mk ，Δ _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Ψ _Mk ，Δ _Mk 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 _Mk ，Δ _Mk モデリングスペ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。A method for determining the composition of a compound semiconductor layer, comprising measuring the surface of a compound semiconductor layer formed on a substrate using a spectral ellipsometer and determining the composition ratio of the compound semiconductor layer formed on the substrate,
By changing the wavelength of the incident light, the measurement spectrum 基板_E (λ _i ) and Δ _E (λ _i ), which are the changes in the polarization of the incident light and the reflected light, for each wavelength λ _i are obtained by changing the wavelength of the incident light. Ψ _E and _ΔE spectrum measurement steps;
The model is determined by assuming (N ₀ (n _0, k ₀ )) of the substrate and ( _dj , N _j (n _j, k _j )) of the _j- th layer of the compound semiconductor layer on the substrate. Ψ _E , Δ _E The nominal angle of incidence for the spectrum measurement step is φ ₀ When the nominal incident angle φ ₀ Φ _k near Calculating a simulation spectrum Ψ _Mk ( λ _i ) and Δ _Mk ( λ _i ) as a function to obtain modeling spectra Ψ _Mk and Δ _Mk Ψ _Mk , Δ _Mk modeling spectrum calculation step,
Wherein [psi _E, delta _E spectrum with the [psi _Mk, compares the delta _Mk modeling spectrum, the [psi _Mk reaching criteria, a comparison evaluation step Ru measurement results and determine Teisu the structure of delta _Mk,
When the model does not match to the evaluation criteria, a modified step of selecting the next correction model, the [psi _Mk, performs delta _Mk modeling spectrum calculation step, performed the comparative evaluation step,
A method for determining the composition of a compound semiconductor layer on a substrate, comprising: 請求項１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_E ( λ_i ) 、Δ_E ( λ_i ) と有限組の中のΨ _Mk ( λ_i ) 、Δ _Mk ( λ_i ) 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。The method for determining the composition of a compound semiconductor layer on a substrate according to claim 1,
Evaluation criteria of the model, the _{Ψ E (λ i), Δ} E (λ i) and Ψ _Mk (λ _i) in a finite set, determine the mean square error between the Δ _{Mk (λ i),} most A method for determining the composition of a compound semiconductor layer on a substrate, which is to determine a composition having a small mean square error. 請求項１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、The method for determining the composition of a compound semiconductor layer on a substrate according to claim 1, wherein the compound semiconductor layer comprises: SiGeSiGe ，, AlGaAs, InGaAsP, InGaAs, InAlAs, InGaP, AlGaInP, AlGaInAs, AlGaAsSb, InAsSb, HgCdTe, ZnMgSSe, ZnSSe, ZnCdSe, ZnMnSe, ZnFeSe, ZnCoSe AlGaAs, InGaAsP, InGaAs, InAlAs, InGaP, AlGaInP, AlGaInAs, AlGaAsSb, InAsSb, HgCdTe, ZnMgSSe, ZnSSe, ZnCdSe, ZnMnSe, ZnFeSe, ZnCoSe のいずれかである化合物半導体層の組成決定方法。The method for determining the composition of a compound semiconductor layer according to any one of the above.

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