JPH10122824A - 膜厚測定方法 - Google Patents
膜厚測定方法Info
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Abstract
化等する場合であっても、変化に対応させた補正光学定
数に基づいて膜厚を正確に測定できる。 【解決手段】 複数に分割された部分波長領域ごとに実
測反射比率と理論反射比率とが一致するように光学定数
を増減し(ステップS503)、これに基づいて波長と
ともに連続的に変化する補正光学定数を定め(ステップ
S506)、この補正光学定数に基づいて透光膜の理論
反射比率が実測反射比率に一致するように透光膜の膜厚
を再度決定するので、被測定試料に形成された薄膜の光
学定数が変化した場合であっても、変化に対応させた補
正光学定数に基づいて膜厚を正確に測定できる。
Description
膜厚や光学定数を反射光の分光特性に基づいて測定する
膜厚測定方法に関する。
光学定数を非接触、非破壊で測定する方法として、従来
からエリプソメトリーが知られている。
る方法として、例えば薄膜を設けた被測定試料によって
反射された光を分光して実測反射率を求めるとともに、
この薄膜の理論反射率の分布が実測反射率の分布に一致
するように、薄膜の膜厚を決定する方法が知られている
(特開平7−91921号公報参照)。この膜厚測定方
法をより具体的に説明すると、透光性の薄膜を形成した
被測定試料を照明してその反射光を検出する。そして、
被測定試料からの反射光を分光し、分光したスペクトル
信号に基づいて被測定試料の相対的な分光反射率である
実測反射比率を算出する。その後、この実測反射比率に
ついて、予め適当な膜厚ピッチごとに理論的に算出して
おいた理論反射比率との偏差量を演算し、偏差量が最小
となる最適な膜厚値を求める。
エリプソメトリーでは、その測定に複雑で大がかりな装
置を必要とし、さらに微小領域における膜厚を測定する
ことができなかった。
る方法では、薄膜の光学定数を測定することができな
い。例えば、半導体ウェハー上に形成される薄膜におい
ては、不純物の注入量や熱処理によって表面状態が荒れ
ることもあり、従来のように既知の光学定数を前提とし
て膜厚を計算する膜厚計算方法では、正確な膜厚値を求
めることが困難となる。
れた薄膜の光学定数が変化した場合であっても、膜厚を
正確に測定できる膜厚測定方法を提供することを目的と
する。
め、請求項1の膜厚測定方法は、基板上に透光膜が形成
された被測定試料の透光膜の膜厚を求める膜厚測定方法
であって、被測定試料で反射された光を分光して実測反
射率を求める工程と、予め準備した基準光学定数に基づ
いて、透光膜の理論反射率が実測反射率に一致するよう
に、透光膜の膜厚を決定する工程と、基準光学定数に基
づいて決定した膜厚に対し、複数に分割された部分波長
領域ごとに実測反射率と理論反射率とが一致するように
光学定数を増減する工程と、部分波長領域ごとの光学定
数の増減に基づいて、波長とともに連続的に変化する補
正光学定数を定める工程と、補正光学定数に基づいて、
透光膜の理論反射率が実測反射率に一致するように、透
光膜の膜厚を再度決定する工程とを備えることを特徴と
する。
分波長領域の波長幅が、実測反射率中の隣接するピーク
及びヴァレイ間の波長幅程度であることを特徴とする。
学定数が、部分波長領域ごとに増減された後の光学定数
にコーシーの多項式を近似させたものとして算出される
ことを特徴とする。
の膜厚を決定する際に理論反射率を実測反射率に一致さ
せた場合において、各波長における理論反射率と実測反
射率との差が所定値の絶対値の積算値を超えたときの
み、得られた膜厚に基づいて補正光学定数を定めること
を特徴とする。
方法を実施するための装置の構造を説明する図である。
明するための照明光を発生する照明光学系20と、照明
光学系20からの照明光を被測定試料SP上に照射する
とともに被測定試料SPから反射された反射光を集束さ
せる結像光学系30と、結像光学系30で集束された反
射光を分光する分光ユニット50と、分光ユニット50
の分光検出出力に基づいて被測定試料SPの表面に形成
された透光性薄膜の膜厚を算出する制御ユニット60と
から構成される。
ゲンランプ21を備えており、一定の観察波長域(例え
ば400nm〜800nm)をカバーする光を発生す
る。ハロゲンランプ21より出射された光束は、コンデ
ンサーレンズ22を介して視野絞り23の開口部に一旦
集光された後、コリメーターレンズ24で平行光束に変
換される。
ンズ31と落射照明用のハーフミラー32とコンデンサ
ーレンズ33とからなり、照明光学系20からの照明光
は、ハーフミラー32によって下向に反射され、対物レ
ンズ31を経て被測定試料SP上の所定の照明領域IA
に入射する。ここで、被測定試料SP表面上の照明領域
IAと、視野絞り23の開口とは共役な配置となってお
り、視野絞り23によって照明領域IAが画定される。
ージ40が配置されている。このXYステージ40は、
被測定試料SPを搭載しながらX、Y方向に移動し、被
測定試料SP表面の任意の領域を照明領域IAに位置さ
せる。また、このXYステージ40には、その位置
(X、Y座標)を検出してその位置情報を制御ユニット
60に与える機構が設けられている。
P表面で反射された光は、対物レンズ31、ハーフミラ
ー32およびコンデンサーレンズ33を介して光軸上の
所定位置に集束する。この集光位置には、中心部にピン
ホール51を有するプレート52が配置されており、被
測定試料SPからの反射光のうちピンホール51を通過
した光のみを分光ユニット50内に選択的に入射させ
る。
と、反射光を分光する凹面回折格子53と、凹面回折格
子53により回折された回折光の分光スペクトルを電気
信号として検出する光検出器54とにより構成されてい
る。光検出器54は、例えばフォトダイオードアレイや
CCD等からなるリニアイメージセンサであり、ピンホ
ール51と共役な関係に配置される。このため、分光ユ
ニット50に取り込まれた光は凹面回折格子53により
分光されて光検出器54に入射し、各分光スペクトルの
エネルギーに対応したスペクトル信号が光検出器54か
ら制御ユニット60側に与えられる。
周知な構造のCPU61を備えており、図示を省略する
入出力ポートを介してCRT62およびキーボード63
との間で信号の授受を行う。CPU61は、光検出器5
4からのスペクトル信号に基づき、後述する方法により
被測定試料SPに形成された薄膜の膜厚を求め、その結
果をCRT62に出力する。
す膜厚測定装置を用いた膜厚測定方法の詳細を説明す
る。なお、以下の実施形態では、基板上に単層の薄膜が
形成されている被測定試料SPの膜厚dを測定する場合
について説明する。また、反射率としては、相対的な反
射率を示す「反射比率」を用いているが、これは「薄膜
が形成されていない基準試料から得られる基準スペクト
ル信号に対する被測定試料SPから得られる対象スペク
トル信号の割合」と定義される。さらに、実際の測定に
基づいて算出した被測定試料SPの反射比率を実測反射
比率、理論的に算出した被測定試料SPの反射比率を理
論反射比率(検量線反射比率)という。
1で、オペレータが制御ユニット60のキーボード63
を介して、被測定試料SPを構成する基板(例えばシリ
コン基板)と、この基板上に形成された透光膜である薄
膜(例えばシリコン酸化膜)との波長ごとの屈折率n
(λ)及び吸収係数k(λ)を当初設定の光学定数(基
準光学定数)として入力する。これらの入力データは、
制御ユニット60のメモリ(図示省略)にテーブルとし
て格納され、後で説明する計算処理において必要に応じ
て適宜読み出される。なお、光学定数の入力データは、
例えばコーシーの多項式等によって近似した係数として
入力することもできる。
(例えば、下限波長λs=400nmから上限波長λe=
800nmまでの範囲)内において、基準となるキャリ
ブレーション試料(シリコン基板の単体)のスペクトル
信号に対する被測定試料SPのスペクトル信号の比とし
て与えられる実測反射比率Rmeas(λ)を実測する。具
体的には、図3に示すような手順で計算を行う。
プ21を点灯する。そして、ステップS202で、オペ
レータがキャリブレーション試料をXYステージ40に
セットすると、キャリブレーション試料で反射された光
が、対物レンズ31およびハーフミラー32を介して光
軸上の所定位置に集光され、さらにプレート52のピン
ホール51を通過した光が分光ユニット50に入射し
て、波長400nm〜800nmの範囲で分光される
(ステップS203)。そして、ステップS204で、
光検出器54に入射された光は光電変換され、各スペク
トル信号が制御ユニット60に与えられ、分光データC
(λ)として制御ユニット60のメモリに格納される。
40からキャリブレーション試料を取り除いた後、測定
対象である被測定試料SPをXYステージ40に載置す
る(ステップS205)と、上記と同様にして、被測定
試料SPで反射された光が、分光ユニット50に入射し
て、波長400nm〜800nmの範囲で分光された
(ステップS206)後、分光データM(λ)として制
御ユニット60のメモリに格納される(ステップS20
7)。
り返して、波長400nm〜800nmの範囲におい
て、適当なピッチ、例えば1nmピッチでメモリから分
光データC(λ)、M(λ)を読み出し、
Rmeas(λ)を求め、それに関するデータ(以下「実測
反射比率データ」という)をメモリに格納する(ステッ
プS209)。
0nmで被測定試料SPの実測反射比率データを求め、
各波長λに対する実測反射比率Rmeas(λ)をプロット
することにより、干渉波形が得られる。
で、薄膜の膜厚dを指定膜厚範囲内において膜厚ピッチ
Δdで変化させながら、各膜厚d(=ds+m・Δd;
mは正の整数)における理論反射比率データと実測反射
比率データとの偏差量(すなわちエラー値)を演算し、
その偏差量が最小となる膜厚dを求める。具体的には、
図4に示すような手順で計算を行う。
Pの薄膜のとりうる膜厚の範囲ds〜deを指定する。
この指定膜厚範囲ds〜deは、理論反射比率を算出する
範囲を一定の範囲内に限定するために必要となるもので
ある。さらに、このステップS301では、理論反射比
率を求める際の膜厚ピッチΔdも指定する。この膜厚ピ
ッチΔdは、仮想的な理論上の膜厚を漸次変化させて理
論反射比率を求める際に必要となるもので、例えば1n
mとする。なお、後に詳細に説明するが、得られた理論
反射比率は、実測反射比率と逐次比較されて膜厚の最適
値を求めるために利用される。
d(=ds+m・Δd)における理論反射比率Rstd
(λ)を求める。なお、理論反射比率Rstd(λ)は、
演算の対象とする波長範囲λs〜λe(400nm〜80
0nm)における任意の波長λと、被測定試料SPを構
成する薄膜等の波長ごとの光学定数及び薄膜の膜厚が与
えられた場合、従来より周知の計算式に基づいて得られ
る。さらに、
測反射比率Rmeas(λ)との偏差量、すなわち各波長に
おける論理反射比率と実測反射比率との差の2乗の積算
値であるエラー値E(d)を各膜厚dごとに計算し、指
定膜厚範囲ds〜deにおける最小値Eminを求め、この
最小値Eminに対応するdの値を膜厚値の計算結果とす
る。なお、差を2乗するのは正の値を得るためであり、
絶対値をとるのと等価である。
で、エラー値E(d)の最小値Eminが許容値以下かど
うかを判断する。この許容値は、膜厚の測定精度と測定
時間との関係で予め適当な値に設定しておく。最小値E
minが許容値以上の場合、ステップS3における膜厚値
の計算が十分な測定精度を有しないものと判断して次の
ステップS5に進む。
定数を実測反射比率と理論反射比率とがより一致するよ
うな光学定数に補正する。具体的には、図5に示すよう
な手順で補正光学定数の計算を行う。
Rmeas(λ)のスペクトル波形(干渉波形)中のピーク
・ヴァレイを検出し、その波長位置を、短波長側から順
に、p1,p2,p3,…,pn(nは、ピークまたはヴァ
レイの個数)とする。参考のため、図6に、ピーク・ヴ
ァレイ検出の具体例を示す。この図6は、理論反射比率
Rstd(λ)と実測反射比率Rmeas(λ)のスペクトル
波形を示したものであり、2つのピークと1つのヴァレ
イとに対応する波長p1,p2,p3が求まる。
レイの波長p1,p2,p3,…,pnに基づいて、膜厚計
算に利用した当初の光学定数を一様にシフトさせる単位
とする部分波長領域を決定する。この部分波長領域R
1,R2,R3,…,Rnは、ほぼ中央にピークまたはヴァ
レイを含むように、例えば R1:400〜(p1+p2)/2, R2:(p1+p2)/2〜(p2+p3)/2, R3:(p2+p3)/2〜(p3+p4)/2, …, Rn:(pn-1+pn)/2〜800 で与えられる。図6に、光学定数をシフトさせる部分波
長領域の具体例を示す。この場合、図からも明らかなよ
うに、ピーク又はヴァレイをそれぞれほぼ中央に含む3
つの部分波長領域R1,R2,R3が求まる。
R1,R2,R3,…,Rnごとの単位で光学定数(n,
k)をシフトさせる。すなわち、まず第1部分波長領域
R1で、理論反射比率Rstd(λ)と実測反射比率Rmeas
(λ)とがより一致するように、現在の膜厚を計算する
基礎として用いた光学定数に対し適当な数値を加算す
る。そして、ステップS504で全波長領域での処理が
完了したと判断されるまで、残りの部分波長領域R2,
R3,…,Rnでも、理論反射比率Rstd(λ)と実測反
射比率Rmeas(λ)とがより一致するように、膜厚計算
の基礎として用いた光学定数に対し適当な数値を加算す
る。
3,…,Rnごとに、非線形最適化アルゴリズムを用い
て、屈折率及び吸収係数を1次近似で漸次増減させつつ
理論反射比率Rstd(λ)と実測反射比率Rmeas(λ)
との偏差量が最小になるように屈折率及び吸収係数のシ
フト量を決定する。図7及び図8は、光学定数のシフト
計算を具体的に説明する図である。図7は、現在の膜厚
を計算するために用いた当初の光学定数(屈折率)を示
す。また、図8は、各部分波長領域R1,R2,R3ごと
の単位で最適な数値を加算して、理論反射比率Rstd
(λ)と実測反射比率Rmeas(λ)との偏差量を最小に
するシフト計算を行った後の状態を説明する図である。
域の中点となる波長 λm1=(800+p1+p2)/4, λm2=(p1+2p2+p3)/4, λm3=(p2+2p3+p4)/4, …, λmn=(pn-1+pn+1600)/4 におけるシフト後の光学定数を代表点として、これらの
代表点を通るような曲線に光学定数を補正する。すなわ
ち、各部分波長領域R1,R2,R3,…,Rnの中点とな
る上記波長λm1,λm2,λm3,…,λmnにおけるシフト
後の光学定数を用いて、コーシーの多項式
る。図9は、コーシーの多項式による近似によって補正
光学定数を求める工程を説明する図である。同図のよう
に、部分波長領域R1,R2,R3ごとの中点の波長λm
1,λm2,λm3における光学定数(ここでは屈折率)を
代表点として、コーシーの多項式の係数を求める。この
場合、3点のデータが得られているので、第1項から第
3項のまでのa1,b1,c1を求める近似とする。な
お、4点以上のデータが得られる場合、コーシーの多項
式における第4項以上の係数を求める近似とすることも
できるが、第3項までの係数を最小2乗法等を用いた近
似によって統計的に算出することも可能である。
多項式の係数から、全測定波長にわたる補正後の光学定
数(n(λ),k(λ))を算出する。
で、ステップS5で求めた補正後の光学定数(n
(λ),k(λ))に基づいて、薄膜の膜厚dを変化さ
せながら、理論反射比率と実測反射比率との偏差量が最
小となる最適な膜厚dを決定する。
(d)の最小値Eminが許容値以下かどうかを判断し、
この最小値Eminが許容値以下と判断された場合、次の
ステップS6に進む。
算結果を出力し、ステップS7では、光学定数を補正し
た場合に限り、補正後の光学定数すなわち補正光学定数
を出力する。なお、図10は、補正光学定数に基づいて
計算した理論反射比率のスペクトル波形と、実測反射比
率のスペクトル波形とを示したものであり、図6のよう
に補正前の光学定数に基づいて計算した理論反射比率に
比較して実測反射比率との一致性が高まっている。
料SP表面の荒れ係数を算出する。ステップS1〜S5
までで求めた膜厚値及び光学定数に基づいて最終的に得
られた理論反射比率のスペクトル波形が実測反射比率の
スペクトル波形と一致しない場合、その不一致の原因
は、例えば表面状態の荒れにあると考えられる。特に、
短波長側で理論反射比率が実測反射比率より相対的に小
さくなっている場合、サンプル表面での荒れが大きな原
因となって光が散乱され、短波長側での反射率の低下が
生じているものと考えられる。従って、このような場
合、400nm近傍での反射率の低下比率を算出し、表面
の荒れ具合を表す係数ρを算出する。この表面荒れ係数
ρは、
形態の膜厚測定方法では、複数に区分された部分波長領
域ごとの単位で実測反射比率と理論反射比率とが一致す
るように光学定数を増減し(ステップS503)、これ
に基づいて波長とともに連続的に変化する補正光学定数
を定め(ステップS506)、この補正光学定数に基づ
いて透光膜の理論反射比率が実測反射比率に一致するよ
うに透光膜の膜厚を再度決定するので(ステップS
3)、被測定試料に形成された薄膜の光学定数が変化し
た場合であっても、変化に対応させた補正光学定数に基
づいて膜厚を正確に測定できる。さらに、補正光学定数
に基づいて膜厚を算出する工程(ステップS3)と、得
られた膜厚に基づいて光学定数を補正する工程(ステッ
プS5)とを交互に繰り返すことにより、膜厚と光学定
数をそれぞれ精度良く求めることができる。
が、この発明は、上記実施形態に限定されるものではな
い。例えば、光学定数の補正にあたり、ピーク・ヴァレ
イの波長p1,p2,p3,…,pnの中間値を各部分波長
領域R1,R2,R3,…,Rnの境界に設定しているが、
この発明はこれに限るものではない。ただし、各部分波
長領域の有する波長幅が実測反射比率の増減変化の半周
期程度をカバーしていないと、複数に分割された部分波
長領域単位での理論反射比率によるフィッティングが不
適切となる場合も生じ易く、得られる補正光学定数が結
果的に不正確なものとなる可能性がある。
と理論反射比率とが一致するように光学定数を増減する
際に、当初の光学定数に最適値を加算することとしてい
るが、当初の光学定数に最適値を積算することもでき
る。
めるため、コーシーの多項式を用いた近似を行っている
が、その他の多項式や折れ線を用いて概略の近似とする
こともできる。
方法によれば、基準光学定数に基づいて決定した膜厚に
対し、複数に分割された部分波長領域ごとに実測反射率
と理論反射率とが一致するように光学定数を増減する工
程と、部分波長領域ごとの光学定数の増減に基づいて、
波長とともに連続的に変化する補正光学定数を定める工
程と、補正光学定数に基づいて、透光膜の理論反射率が
実測反射率に一致するように、透光膜の膜厚を再度決定
する工程とを備えるので、被測定試料に形成された薄膜
の光学定数が変化したり正確に特定できていない場合で
あっても、変化等に対応させた補正光学定数に基づいて
膜厚を正確に測定できる。
部分波長領域の波長幅が、実測反射率中の隣接するピー
ク及びヴァレイ間の波長幅程度であるので、部分波長領
域は、実測反射率の増減変化の略半周期をカバーしてい
ることになる。よって、複数に分割された各部分波長領
域ごとにおける理論反射率によるフィッティングがより
正確となり、各部分波長領域ごとの補正光学定数の増減
がより正確なものとなり、補正光学定数をより正確なも
のとできる。
装置を示す図である。
トである。
すフローチャートである。
チャートである。
ローチャートである。
論反射比率のスペクトルと実際の測定に基づいて決定し
た実測反射比率のスペクトルとを比較するグラフであ
る。
加させた状態を示すグラフである。
に変化する補正光学定数を求めた結果を示すグラフであ
る。
た理論反射比率のスペクトルと実際の測定に基づいて決
定した実測反射比率のスペクトルとを比較するグラフで
ある。
Claims (4)
- 【請求項1】 基板上に透光膜が形成された被測定試料
の前記透光膜の膜厚を求める膜厚測定方法であって、 前記被測定試料で反射された光を分光して実測反射率を
求める工程と、 予め準備した基準光学定数に基づいて、前記透光膜の理
論反射率が前記実測反射率に一致するように、前記透光
膜の膜厚を決定する工程と、 前記基準光学定数に基づいて決定した膜厚に対し、複数
に分割された部分波長領域ごとに実測反射率と理論反射
率とが一致するように光学定数を増減する工程と、 前記部分波長領域ごとの前記光学定数の増減に基づい
て、波長とともに連続的に変化する補正光学定数を定め
る工程と、 前記補正光学定数に基づいて、前記透光膜の理論反射率
が前記実測反射率に一致するように、前記透光膜の膜厚
を再度決定する工程とを備えることを特徴とする膜厚測
定方法。 - 【請求項2】 前記部分波長領域の波長幅は、前記実測
反射率中の隣接するピーク及びヴァレイ間の波長幅程度
であることを特徴とする請求項1記載の膜厚測定方法。 - 【請求項3】 前記補正光学定数は、前記部分波長領域
ごとに増減された後の前記光学定数にコーシーの多項式
を近似させたものとして算出されることを特徴とする請
求項2記載の膜厚測定方法。 - 【請求項4】 前記透光膜の膜厚を決定する際に前記理
論反射率を前記実測反射率に一致させた場合において、
各波長における前記理論反射率と前記実測反射率との差
の絶対値の積算値が所定値を超えたときのみ、得られた
前記膜厚に基づいて前記補正光学定数を定めることを特
徴とする請求項1記載の膜厚測定方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8282188A JPH10122824A (ja) | 1996-10-24 | 1996-10-24 | 膜厚測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8282188A JPH10122824A (ja) | 1996-10-24 | 1996-10-24 | 膜厚測定方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH10122824A true JPH10122824A (ja) | 1998-05-15 |
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ID=17649228
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP8282188A Pending JPH10122824A (ja) | 1996-10-24 | 1996-10-24 | 膜厚測定方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH10122824A (ja) |
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