TW201740079A - 膜厚度分布檢測方法 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種膜厚度分布測定方法，係藉由使用線光源的反射光譜法測定具有形成於基板表面上的至少一層薄膜的帶薄膜晶圓的薄膜的膜厚度分布，膜厚度分布測定方法包含下列步驟：使用具有較帶薄膜晶圓的直徑為長的光源的線光源，作為該線光源，於以自線光源所照射出的線狀的光掃描帶薄膜晶圓的表面而對反射光進行檢測之際，同時將線狀的光的一部分照射於參考件而檢測出反射光，使用來自參考件的反射光強度，而對來自帶薄膜晶圓的反射光強度進行修正，根據經修正的帶薄膜晶圓的反射光強度，而計算出膜厚度分布。

Description

膜厚度分布檢測方法

本發明關於一種膜厚度分布測定方法，該膜厚度分布測定方法係測定具有至少一層薄膜的帶薄膜晶圓的薄膜之膜厚度分布。

近年來，伴隨設計規則的微型化，全空乏絕緣層上覆矽（Fully Depleted SOI, FD-SOI）裝置、FinFET裝置、矽奈米線電晶體等的SOI裝置係被使用，特別是被要求高膜厚度均一性的具有極薄膜的SOI層的SOI晶圓已開始被使用。此些裝置中，其SOI層的膜厚度及埋入式氧化膜（以下稱為BOX膜）的膜厚度的均一性，在決定晶體的特性上係為重要的項目。

作為對SOI晶圓這一類帶薄膜晶圓的薄膜的膜厚度的測定方法，有反射光譜法。習知的反射光譜法，係對於帶薄膜晶圓的薄膜予以照射光，以光譜儀對其反射光進行分光而求出反射光的光譜。接下來，來自薄膜的表面與內面的反射光的干涉情形，係利用依存於由波長與薄膜的厚度所致的光程差（optical path difference，OPD）的變化，並使用光譜內的峰波長或薄膜的折射率的值等，而計算出此薄膜的厚度。然而，此種的反射光譜法，由於在對晶圓全表面進行高精度的測定時，會使測定點數極端地增加，而需要巨大的計算量與時間，因此現實上不可能為全表面測定。

相對於此，作為對表面具有披膜（薄膜）的測定對象物的披膜膜厚度以更高處理量而二維測定的方法，係有專利文獻1所記載的方法。此方法中，於測定對象物的表面照射線狀的光，且將來自其線狀的光的照射區域的反射光，藉由使用能持續保持位置資訊進行分光的光譜儀（成像光譜儀）進行分光，而一起計算出其線狀的光的照射區域內的披膜膜厚度。並且，藉由重複進行在與線狀的光的照射區域相垂直的方向持續移動其照射區域，並一起計算出其照射區域內的披膜膜厚度，而對測定對象物上的披膜膜厚度進行二次元的測定。

並且，作為能以高精度且高處理量而測定SOI晶圓之類帶薄膜晶圓的全表面的膜厚度分布的膜厚度分布測定方法，係提案有藉由使用線光源的反射光譜法測定晶圓全表面的膜厚度分布的膜厚度分布測定方法（專利文獻2）。

藉由專利文獻2的方法，於第8圖所顯示的膜厚度分布測定裝置10中，能藉由對來自線光源11的入射光以薄膜反射且以檢測器13所檢出時的入射角的幾何學偏差進行修正，而以高精度且高處理量而測定帶薄膜晶圓3的全面的膜厚度分布。 〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕

［專利文獻1］日本特開2000-314612號公報 ［專利文獻2］日本特開2015-17804號公報

然而，即使是在使用了專利文獻2之類的使用線光源的反射光譜法之膜厚度分布測定方法的狀況下，也會有因光源、檢測系、光學系等（以下係將此些合稱為測定系）所引起的整體的反射光強度的時間變動，而使其膜厚度測定的穩定性、再現性、重複測定精度不夠充足。特別是關於製作最高端的裝置所用的極薄膜的SOI晶圓的SOI層、BOX層，所要求的是比習知更高的膜厚度測定精度，因此習知的膜厚度分布測定方法並不能充分滿足此些要求。

有鑑於上述問題點，本發明的目的為提供一種膜厚度分布測定方法，而可於藉由使用線光源的反射光譜法對帶薄膜晶圓的膜厚度分布進行測定之時，進行穩定且高精度的膜厚度分布測定。

為達成上述的目的，本發明提供一種膜厚度分布測定方法，係藉由使用線光源的反射光譜法測定具有形成於基板表面上的至少一層薄膜的帶薄膜晶圓的該薄膜的膜厚度分布，該膜厚度分布測定方法包含下列步驟：使用具有較該帶薄膜晶圓的直徑為長的光源的線光源，作為該線光源；於以自該線光源所照射出的線狀的光掃描該帶薄膜晶圓的表面而對反射光進行檢測之際，同時將該線狀的光的一部分照射於參考件而檢測出反射光；使用來自該參考件的反射光強度，而對來自該帶薄膜晶圓的反射光強度進行修正；根據該經修正的帶薄膜晶圓的反射光強度，而計算出該膜厚度分布。

依此方式，使用具有較帶薄膜晶圓的直徑為長的光源的線光源，而同時檢測出來自帶薄膜晶圓與參考件的反射光，並藉由對由測定裝置的測定系所引起的整體的反射光強度的變動予以修正而計算出薄膜的膜厚度分布，而能以穩定且高精度地進行帶薄膜晶圓的膜厚度分布測定。

此時，較佳地，作為該參考件，係使用經鏡面研磨的單晶矽晶圓。

藉由此種經鏡面研磨的單晶矽晶圓，由於其具有極為平坦的表面，且其表面內的反射率的均一性極高，因此能適合用於作為參考件。

此時，較佳地，係於該線光源的線狀的照射區域內的兩側，相分離而固定配置各一個該參考件，使該帶薄膜晶圓移動而通過相分離的兩個參考件之間，而以該線狀的光掃描該帶薄膜晶圓的表面。

如此，於帶薄膜晶圓的兩側配置參考件，使用來自兩側的參考件的反射光強度，並藉由對來自帶薄膜晶圓的反射光強度進行修正，而可更確實地抑制因測定裝置的測定系所引起的整體的反射光強度的變動的影響。藉此而能更穩定且更高精度地進行帶薄膜晶圓的膜厚度分布測定。

此時，較佳地，係於該線光源的線狀的照射區域內的兩側，相分離而固定配置各一個該參考件，並於相分離的兩個該參考件之間，使該帶薄膜晶圓配置於該線狀的光與該帶薄膜晶圓的直徑所重疊的位置，藉由使該帶薄膜晶圓以中心為軸心進行旋轉，而以該線狀的光掃描該帶薄膜晶圓的表面。

如此，將經配置於相分離的兩個參考件之間的帶薄膜晶圓藉由以其中心為軸心進行旋轉而掃描該帶薄膜晶圓的表面，則在維持與通過相分離的兩個參考件之間而移動的狀況相同的測定精度的同時，能使用於進行膜厚度分布測定的占有面積縮小將近一半。另外，藉由如此的採用使用晶圓旋轉機構的掃描方式，能容易地將使用了線光源的膜厚度分布測定功能併入到具有對準儀等的晶圓旋轉機構的其他裝置中。藉此，能降低無塵室內的裝置的設置面積，而能有效使用無塵室。

此時，較佳地，該反射光強度的修正，係對於計算該膜厚度分布之際所使用的每個反射光的波長進行。

如此，藉由對於計算膜厚度分布之際所使用的每個反射光的波長進行反射光強度的修正，而能進行精度更高的膜厚度分布測定。

如上所述，藉由本發明的膜厚度分布測定方法，能以參考件檢測來自具有較帶薄膜晶圓的直徑為長的光源的線光源的反射光強度，並以使用來自參考件的反射光強度修正來自帶薄膜晶圓的反射光強度，而能穩定且高精度地進行帶薄膜晶圓的薄膜的膜厚度分布測定。

以下雖作為實施例之一例，參考圖式以詳細說明本發明，但本發明並不限定於此。

首先，參考第1圖及第2圖而說明本發明的膜厚度分布測定方法。

第1圖係顯示本發明的膜厚度分布測定方法的實施態樣之一例的示意圖（自實質上方所見到的圖），第2圖係顯示本發明的膜厚度分布測定方法的步驟流程圖。本發明的膜厚度分布測定方法，係藉由使用線光源的反射光譜法測定具有形成於基板表面上的至少一層薄膜的帶薄膜晶圓的薄膜的膜厚度分布。作為線光源，只要是能照射出直線狀光者，各種的發光物皆可使用。

本發明的膜厚度分布測定方法中，如第1圖所示，作為線光源，係使用具有較帶薄膜晶圓3的直徑為長的光源的線光源1（第2圖的A）。並且，本發明的膜厚度分布測定方法包含下列步驟：於以自線光源1所照射出的線狀的光4掃描帶薄膜晶圓3的表面而對反射光進行檢測之際，同時將線狀的光4的一部分照射於參考件2而檢測出其反射光（第2圖的B）；使用來自該參考件2的反射光強度，而對來自帶薄膜晶圓3的反射光強度進行修正（第2圖的C）；根據該經修正的帶薄膜晶圓3的反射光強度，而計算出膜厚度分布（第2圖的D）。

在此，於以來自線光源1所照射出的線狀的光4掃描帶薄膜晶圓3的表面的狀況下，第1圖中係將線光源1與參考件2予以固定，而以使帶薄膜晶圓3相對於線光源1與參考件2移動而進行線狀的光4的掃描。但亦可固定帶薄膜晶圓3，而使線光源1與參考件2相對於帶薄膜晶圓3而移動，而掃描線狀的光。

如此，使用具有較帶薄膜晶圓3的直徑為長的光源的線光源1，而同時檢測出來自帶薄膜晶圓3與參考件2的反射光，並藉由對來自帶薄膜晶圓3的反射光強度的變動予以修正而計算出薄膜的膜厚度分布，而能以穩定且高精度進行帶薄膜晶圓3的膜厚度分布測定。另外，本發明的方法能測定帶薄膜晶圓3的晶圓全表面的膜厚度分布。

另外，較佳地，作為參考件2係使用經鏡面研磨的單晶矽晶圓。用於製造半導體裝置所製作出的經鏡面研磨的單晶矽晶圓係具有極平坦的表面，由於其表面內的反射率的均一性極高，因此適合作為參考件2。具體來說，例如能使用直徑125mm的經鏡面研磨的單晶矽晶圓來作為參考件2使用。

另外，作為參考件2，以表面的反射率為均一者為較佳，表面內的反射率的參差量在1%以內者為更佳。表面的反射率若為均一，則即便在參考件2與線光源1的位置關係產生了些微的偏差之類的狀況下，亦由於來自參考件2的反射光強度幾乎不會變化的緣故，因此能總是極為正確地進行帶薄膜晶圓3的反射光強度的修正。並且，作為參考件2，表面的反射率若為適當者，則並不限於單晶矽晶圓，亦能使用其他半導體晶圓或其他的材料。

另外，較佳地，如第1圖所示，係於線光源1的線狀的照射區域4內的兩側，相分離而固定配置各一個參考件2，使帶薄膜晶圓3移動而通過相分離的兩個參考件2之間，而以線狀的光4掃描帶薄膜晶圓3的表面。

如此，以於係為測定對象的帶薄膜晶圓3的兩側配置有參考件2的狀態下，而使同時檢測來自帶薄膜晶圓3與參考件2的反射光，例如求出來自兩側的參考件2的反射光強度的平均值，藉由以此為基準而對來自帶薄膜晶圓3的反射光強度進行修正，而能充分地抑制對於來自帶薄膜晶圓3的反射光強度的時間之變動的影響。

但是，參考件2若是在配置於線光源1的線狀的照射區域4內，以來自線光源1的線狀的光掃描帶薄膜晶圓3之際，同時亦能檢測出來自參考件2的反射光者，則其配置與尺寸並無特別限制。例如測定直徑超過300mm的大直徑的帶薄膜晶圓3的薄膜的膜厚度分布的狀況等，由於在帶薄膜晶圓3的兩側配置參考件2會使線光源1的長度變得極長，因此如第3圖所示，亦可將參考件2只配置於帶薄膜晶圓3的單側，而抑制線光源1的長度。另外，參考件2的形狀亦可以是方形或是其他的形狀。另外，由於參考件2只要是能在照射線狀的光4的一部分之際測定其反射光，故亦可為如第1圖般的線狀的光4橫跨參考件2的結構，亦可為線狀的光4的末端位於參考件2的表面上。

另外，本發明的膜厚度分布測定方法，亦可如第9圖所示，係於線光源1的線狀的照射區域內的兩側，相分離而固定配置各一個參考件2，並於相分離的兩個參考件2之間，使帶薄膜晶圓3配置於線狀的光4與帶薄膜晶圓3的直徑所重疊的位置，藉由使帶薄膜晶圓3以其中心為軸心進行旋轉，而以線狀的光4掃描帶薄膜晶圓3的表面。

依此方式，使帶薄膜晶圓3以其中心為軸心進行旋轉而掃描帶薄膜晶圓3的表面，則在維持與第1圖所示的使帶薄膜晶圓3通過相分離的兩個參考件2之間而進行直線的掃描的狀況相同的測定精度的同時，能夠如以下所說明的，大幅地縮小用於測定的裝置的尺寸。

於能適用本發明的膜厚度分布測定方法的膜厚度分布測定裝置中，支承帶薄膜晶圓3而使其移動或旋轉，用於以線狀的光4掃描其全表面而進行膜厚度分布測定的部分稱之為測定部。使線狀的光4以直線式掃描的狀況下，第1圖中，為了藉由線狀的光4而自帶薄膜晶圓3的下端至上端進行掃描，必須至少要在線狀的光4的上下具有一個帶薄膜晶圓的空間的測定部。另一方面，旋轉帶薄膜晶圓3而進行掃描的狀況下，由於測定部的占有面積幾乎只需要有一個帶薄膜晶圓的空間即可，與直線式掃描的狀況相比，能使測定部的占有面積縮小將近一半。

另外，藉由採用經使用上述所形容的晶圓旋轉機構的掃描方式，而能容易地將使用了線光源的膜厚度分布測定裝置（功能）併入於具有對準儀等的晶圓旋轉機構的其他裝置（製造裝置、檢查裝置、評估裝置）中。藉此，能降低無塵室內的裝置的設置面積，而能有效使用無塵室。

另外，較佳地，本發明的膜厚度分布測定方法中，反射光強度的修正，係對於計算膜厚度分布之際所使用的每個反射光的波長進行。

反射光強度的修正係對於朝帶薄膜晶圓3照射的線狀的4的全波長一起進行最為簡便，其膜厚度測定（計算）時間也會縮短。不僅如此，藉由對計算出膜厚度分布之際所使用的每個反射光的波長進行反射光強度的修正，能對應光源的波長分布具有變動的狀況，且能更為提高薄膜的膜厚度分布測定的精度。

此狀況下，各波長的修正，例如以CCD檢測來自晶圓上的各點的反射光之際，藉由以光譜儀將來自各點的反射光進行分光而分出波長成分，藉由將其布署於CCD的例如縱向的各像素間，而使縱向的各像素構成為分別接收一定波長（範圍）的光，而能實現對每個像素進行修正。 此時，也能藉由使用對應一定波長範圍的幾個像素的平均值，而減少計算量。 〔實施例〕

以下，顯示實施例及比較例而更為具體的說明本發明，但本發明並未被限定於此些實施例。

（實施例） 將藉由離子注入剝離法所製作出的薄膜SOI晶圓（直徑300mm、SOI層膜厚度：88nm、BOX層膜厚度：145nm，兩膜厚度為SOI晶圓製造時的設定膜厚度）作為膜厚度測定用帶薄膜晶圓3，藉由本發明的膜厚度分布測定方法而測定出SOI層的膜厚度分布與BOX層的膜厚度分布。對同一個薄膜SOI晶圓進行重複30次膜厚度分布測定。

此時，作為參考件2，係將經鏡面研磨的單晶矽晶圓（直徑125mm）以相分離地配置於如第1圖的線狀的照射區域4內的兩側。接下來，以將線光源1的線狀的照射區域4與兩參考件晶圓予以固定的狀態，使薄膜SOI晶圓相對於兩參考件晶圓之間的照射區域的線狀的方向而垂直地掃描（移動）。

作為線光源1，係使用波長450~750nm的波長帶的可視光光源，以1mm間距進行薄膜SOI晶圓表面全面的膜厚度測定而計算出表面內平均值。此時，對於以薄膜SOI晶圓上的線狀的光4所照射的區域的各測定點的反射光強度，而檢測其450~750nm的波長帶全體的反射光強度，對此反射光強度使用在同一的線（line）上所同時被照射的二片參考件晶圓的反射光強度的平均值而進行修正，並使用修正後的反射光強度而計算出薄膜的膜厚度分布。

根據以此計算出的SOI層及BOX層的膜厚度（膜厚度分布），而將所求得的晶圓表面內膜厚度定為各個的膜厚度。重複30次的膜厚度分布測定中的測定次數（第1次~第30次）與各次的膜厚度的關係顯示於第4圖（SOI層）及第5圖（BOX層）。

於第4圖所顯示的SOI層的膜厚度的重複30次的測定中，並無平均膜厚度朝某一方向變動的傾向，其重複測定的最大值與最小值的差僅約0.07nm，通過30次的測定而得到極為穩定的SOI層的膜厚度的值。根據此情形亦可稱之為各次膜厚度的測定精度為高。

另外，於第5圖所顯示的BOX層的膜厚度的重複30次的測定中，也是並無膜厚度朝某一方向變動的傾向，其重複測定的最大值與最小值的差係為十分小的約0.46nm的值，通過30次的測定而得到穩定的BOX層的膜厚度的值。因此亦可稱之為各次膜厚度的測定精度為高。

（比較例） 使用與實施例所使用的相同的薄膜SOI晶圓對SOI層的膜厚度與BOX層的膜厚度進行重複30次的測定。此時，並不配置與實施例所使用的參考件晶圓，因此，並無進行來自參考件的反射光的檢測以及薄膜SOI晶圓的反射光強度的修正。

進行與實施例相同的步驟，而求出測定次數與各次的SOI層以及BOX層的膜厚度的關係，並於第6圖及第7圖分別顯示其關係。

於第6圖所顯示的SOI層的膜厚度的重複30次的測定中，SOI層的膜厚度係隨著測定次數的前進而朝著增加的方向變動，其重複測定的最大值與最小值的差為約0.47nm。此值與實施例相比差距非常大，因此難以進行穩定的膜厚度測定。

另外，於第7圖所顯示的BOX層的膜厚度的重複30次的測定中，BOX層的膜厚度係隨著測定次數的前進而朝著減少的方向變動，其重複測定的最大值與最小值的差達到為約2.9nm。此值與實施例相比也差距非常大，因此難以進行穩定的膜厚度測定。

由此可證，與習知相比，藉由本發明的膜厚度分布測定方法，能提升膜厚度分布測定的穩定性、再現性以及重複測定精度。

另外，本發明並不為前述實施例所限制。前述實施例為例示，具有與本發明的申請專利範圍所記載的技術思想為實質相同的構成，且達成同樣作用效果者，皆包含於本發明的技術範圍。

1、11‧‧‧線光源
2‧‧‧參考件
3‧‧‧帶薄膜晶圓
4‧‧‧線狀的光
10‧‧‧膜厚度分布測定裝置
13‧‧‧檢測器

［第1圖］係顯示本發明的膜厚度分布測定方法的實施態樣之一例的示意圖。 ［第2圖］係顯示本發明的膜厚度分布測定方法的步驟流程圖。 ［第3圖］係顯示本發明的膜厚度分布測定方法的實施態樣之其他例的示意圖。 ［第4圖］係顯示實施例的SOI晶圓的SOI層的膜厚度與測定次數的關係的圖表。 ［第5圖］係顯示實施例的SOI晶圓的BOX層的膜厚度與測定次數的關係的圖表。 ［第6圖］係顯示比較例的SOI晶圓的SOI層的膜厚度與測定次數的關係的圖表。 ［第7圖］係顯示比較例的SOI晶圓的BOX層的膜厚度與測定次數的關係的圖表。 ［第8圖］係顯示藉由習知的使用線光源的反射光譜法之膜厚度分布測定裝置的一例的概略圖。 ［第9圖］係顯示本發明的膜厚度分布測定方法的實施態樣之進一步的其他例的示意圖。

1‧‧‧線光源

2‧‧‧參考件

3‧‧‧帶薄膜晶圓

4‧‧‧線狀的光

Claims (7)

1. 一種膜厚度分布測定方法，係藉由使用線光源的反射光譜法測定具有形成於基板表面上的至少一層薄膜的帶薄膜晶圓的該薄膜的膜厚度分布，該膜厚度分布測定方法包含下列步驟： 使用具有較該帶薄膜晶圓的直徑為長的光源的線光源，作為該線光源； 於以自該線光源所照射出的線狀的光掃描該帶薄膜晶圓的表面而對反射光進行檢測之際，同時將該線狀的光的一部分照射於參考件而檢測出反射光； 使用來自該參考件的反射光強度，而對來自該帶薄膜晶圓的反射光強度進行修正； 根據該經修正的帶薄膜晶圓的反射光強度，而計算出該膜厚度分布。
2. 如請求項1所述之膜厚度分布測定方法，其中作為該參考件，係使用經鏡面研磨的單晶矽晶圓。
3. 如請求項1所述之膜厚度分布測定方法，其中係於該線光源的線狀的照射區域內的兩側，相分離而固定配置各一個該參考件，使該帶薄膜晶圓移動而通過相分離的兩個參考件之間，而以該線狀的光掃描該帶薄膜晶圓的表面。
4. 如請求項2所述之膜厚度分布測定方法，其中係於該線光源的線狀的照射區域內的兩側，相分離而固定配置各一個該參考件，使該帶薄膜晶圓移動而通過相分離的兩個該參考件之間，而以該線狀的光掃描該帶薄膜晶圓的表面。
5. 如請求項1所述之膜厚度分布測定方法，其中係於該線光源的線狀的照射區域內的兩側，相分離而固定配置各一個該參考件，並於相分離的兩個該參考件之間，使該帶薄膜晶圓配置於該線狀的光與該帶薄膜晶圓的直徑所重疊的位置，藉由使該帶薄膜晶圓以中心為軸心進行旋轉，而以該線狀的光掃描該帶薄膜晶圓的表面。
6. 如請求項2所述之膜厚度分布測定方法，其中係於該線光源的線狀的照射區域內的兩側，相分離而固定配置各一個該參考件，並於相分離的兩個該參考件之間，使該帶薄膜晶圓配置於該線狀的光與該帶薄膜晶圓的直徑所重疊的位置，藉由使該帶薄膜晶圓以中心為軸心進行旋轉，而以該線狀的光掃描該帶薄膜晶圓的表面。
7. 如請求項1至6中任一項所述之膜厚度分布測定方法，其中該反射光強度的修正，係對於計算該膜厚度分布之際所使用的每個反射光的波長進行。