JP2003090710A

JP2003090710A - 多層膜の評価方法および記録媒体

Info

Publication number: JP2003090710A
Application number: JP2001283269A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Nozawa; 克弥能澤; Teruto Onishi; 照人大西; Toru Saito; 徹齋藤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-09-18
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2003-03-28

Abstract

(57)【要約】【課題】サンプル構造が複雑であっても、簡便な方法
により、表面側の膜の評価を、従来の測定器を用いて行
うことを可能とする。【解決手段】少なくとも1層からなる層A上に、層Aを
構成する物質とは異なる光学定数をもつ物質ｂからなる
層Bが存在し、かつ層B上に、少なくとも1層からなる層C
が存在しているサンプルを、反射率測定もしくはエリプ
ソメトリー等の光学的評価手法により測定し物理量の実
測値の組を得た後、層Aを無視した先述の物質ｂを基板
とするモデルにより解析しても、層Cの評価結果として
層Aの存在を考慮に入れたモデルを用いた場合と実質的
に同一の結果が得られる波長範囲に限定して物理量の実
測値を解析し層Cを評価する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は薄膜プロセスの管理
に用いる膜厚測定に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】酸化膜、窒化膜、poly-Si膜等の極薄膜
を形成し、加工するプロセスは、半導体デバイスの製造
において頻繁に用いられている。これらの薄膜を利用し
たデバイスを作成し、所望の特性を得るためには、薄膜
の膜厚および物性が所定の範囲内に収まっている必要が
ある。したがって、薄膜プロセスを行った後、形成もし
くは加工した薄膜が所定の膜厚や物性を持っているか評
価し、その評価結果をもとに必要であればプロセス条件
を変更することがデバイスの量産のためには必須であ
る。

【０００３】これら、半導体デバイス製造中の薄膜の膜
厚・物性評価は、評価により被測定物を破壊してはなら
ないため、光学的な評価技術を用いる場合がほとんどで
ある。

【０００４】光学的評価技術の中でも、反射率測定およ
びエリプソメトリーが、精度や測定速度、取扱の容易さ
などから一般的に用いられている。

【０００５】反射率測定は、サンプルに光を照射し、サ
ンプルから反射されて帰ってくる光の強度が、照射した
光の強度からどの程度変化しているかによってサンプル
の薄膜の膜厚や組成比を調べる技術である。

【０００６】エリプソメトリーは、サンプルに直線偏光
した光を照射し、サンプルから反射されて帰ってくる光
の偏光状態からサンプルの薄膜の膜厚や組成比を調べる
技術である。その原理については、Azzamら著、Ellipso
metry and Polarized Light（Elsevier Science Ltd Pu
blished 1987）に詳述されている。

【０００７】どちらの評価技術でも、多層膜サンプルを
測定したり、測定精度を高めるために、複数の波長にお
いて測定を行う、分光反射率測定法および分光エリプソ
メトリー法が用いられることも多い。

【０００８】これら、光学的評価により薄膜の膜厚や組
成比等が測定できるのは、薄膜の上側の界面で反射した
光と、下側の界面で反射した光が重なり合い干渉するす
ることにより、測定する物理量（反射率測定の場合は反
射率、エリプソメトリーの場合はΨ,Δもしくはそれに
類する偏光状態を規定する量）が変化するためである。

【０００９】この干渉効果は、重なり合う光が干渉する
際の、それぞれの光の位相状態および、それぞれの強度
により結果が変化する。これら位相状態および強度が、
薄膜の膜厚および光学定数に依存するために、薄膜の膜
厚や光学定数と関連をもつ組成比の測定に光学的評価が
利用できるのである。

【００１０】ただし、反射率やエリプソメトリーにおけ
るΨ,Δのような物理量から直接的に薄膜の膜厚や光学
定数を算出することはできない。これは、これら物理量
が光が通過した経路のすべての光学定数の影響をうける
ためである。

【００１１】したがって、分光反射率測定法や分光エリ
プソメトリー法によって薄膜の膜厚や光学定数を測定す
るためには、理論モデルとの比較という手順を踏む必要
がある。すなわち、まず測定により、反射率スペクトル
もしくはΨΔスペクトルおよびそれに類する物理量を光
学的評価手法により実測しておき、その一方、サンプル
の構造を推定し、そのモデルを光学的評価手法により評
価した際に得られるであろう物理量の理論値を計算し、
この物理量の理論値と、さきに測定で求めた物理量の実
測値を比較する。この両者の差が十分小さくなるまで、
あらたなサンプル構造をモデルとしてたて直し、十分に
差が小さくなった時点でのサンプル推定構造を実測値と
して採用するのである。この実測値と理論値の差の評価
方法としては、各波長における物理量の差分の２乗をと
り、それを各波長にわたり足しあげた量（MSE）が良く
用いられる。このMSEを極小とするまで推定構造の建て
直しをする。

【００１２】たとえば、薄膜の膜厚を測定する場合、薄
膜および基板の光学定数を固定し、薄膜の膜厚のみをパ
ラメータとして、MSEを計算し、これが極小となる膜厚
を測定値として採用する。また、薄膜の膜質を測定する
場合には、薄膜の膜厚を既知として固定し、薄膜の光学
定数をパラメーターとしてMSEを計算する。なお、膜厚
および膜質共にパラメータとしてMSEの極小値をさが
し、同時に測定値を決定する場合もある。多層膜であれ
ば、複数の膜厚や膜質をパラメータとして極小値を探
す。この手順は通常コンピュータプログラムとして膜厚
測定器に組み込まれているか、もしくはCD-ROM、フロッ
ピー（登録商標）ディスク等コンピューターに読み取り
可能な記録媒体に記録され提供されている。

【００１３】ここで重要となるのは、このような実測値
と理論値の比較をおこなうことにより膜厚や膜質の値を
求める手順を用いる方法の場合、理論値を適切に計算で
きなければ膜厚や膜質を決定できない点である。

【００１４】半導体製造ラインで工程管理に用いられる
分光反射率測定器や分光エリプソメーターの場合、シリ
コンやシリコン酸化膜、窒化膜、TEOS等の半導体プロセ
スで利用されてきた薄膜の光学定数が記録されており、
レシピと呼ばれる測定したい膜の種類と構成が登録され
たものを選択するだけで測定装置内に自動的に測定物理
量（反射率やΨ,Δ）から膜厚や膜質を計算し、出力す
るプログラムが内蔵されている。この過程が自動化され
ているために、使用者は測定物理量から膜厚等を計算す
る複雑な過程を意識する必要は無い。逆に、装置内に光
学定数が記録されていない膜を含むサンプルを測定した
場合、反射率やΨ,Δ等の物理量を測定することは可能
であるが、これらの値から膜厚等を計算することは不可
能である。

【００１５】一方、近年、高周波向け回路を中心に、Si
とGeの混晶であるSiGeからなる薄膜のデバイス作成への
利用が行われ始めている。このSiGe膜は、Siとは光学定
数が異なるため、このSiGe膜の膜厚測定および、SiGe膜
が含まれる多層膜の膜厚等の測定（たとえば、SiGe HBT
構造上の酸化膜厚み測定）には、SiGe膜の光学定数が測
定装置に記録されている必要がある。しかしながら、酸
化膜や窒化膜のようにほぼ光学定数が定まっている膜と
はことなり、SiGe膜の場合、Ge組成比によって光学定数
が変化する。したがって、測定装置ではサンプルのGe組
成比に応じて光学定数を計算する能力が必要になる。

【００１６】しかしながら、SiGeの光学定数のGe組成比
依存性は非常に複雑な関数である。これは、SiGeの光学
定数が価電子帯から伝導電子帯へのキャリアの遷移をと
もなうインターバンド吸収過程により決定されており、
バンド構造を反映して光学定数の波長依存性が大きいこ
と、また、バンド構造がGe組成比に依存するため、ある
Ge組成比の光学定数を求めるには、まずバンド構造を計
算した後、そのバンド構造により決まる光学定数を計算
しなければならないためである。

【００１７】これら、バンド構造の組成比依存性を考慮
した混晶の光学定数アルゴリズムはSnyder, Woollamら
により提唱されており、J.Appl.Phys.誌1990年68巻11号
5925~26頁等に記載されている。これらアルゴリズムを
内蔵した分光反射率測定器もしくは分光エリプソメータ
ーも近年入手可能になっている。これらの装置であれ
ば、SiGeを含む多層膜の測定も可能である。SiGeエピタ
キシャル成長工程で成膜された層の測定には、通常この
ような測定器を用いている。

【００１８】なお、SiGeエピタキシャル成長工程を行っ
た直後の基板の裏面にはGeが付着しているので、測定器
のステージを介して他の基板がGeに汚染されるのを防ぐ
ためにも、通常の工程の膜厚測定器とは別に、エピ成長
直後の膜厚を測定するための装置を用意する必要があ
る。

【００１９】しかし、SiGeの光学定数を計算可能なアル
ゴリズムを内蔵した測定器は少数派であり、現時点で半
導体製造ラインで使用されている大多数の測定器ではSi
Geを含む膜を測定することが出来ない。装置内部のコン
ピューターの解析アルゴリズムを変更し、SiGeの光学定
数を計算できるようにすることも場合によっては可能で
あるが、複雑な計算を行わなければならなくなるため
に、計算機の処理能力によってはこのような方法を用い
ることは困難である。

【００２０】SiGe膜の光学定数を計算できない限り、光
学的評価手法によりSiGe膜の膜厚を決定できないのは当
然である。しかし先に示したように、酸化膜や窒化膜の
ような光学定数が既知の膜であっても、下層にSiGe膜が
存在している場合、このSiGe膜の上側界面で反射された
光および、SiGe膜を通過した光が測定に影響をあたえる
ために、やはり膜厚を決定できない。また、SiGe膜は測
定したい膜の直下でなくとも、たとえば測定したい層と
SiGe層の間に別の光学定数が既知の層が存在する場合に
おいても影響を与える可能性がある。図5はSi上にSi酸
化膜１０nmが形成されたサンプルと、Si基板上にGe１５
%を含むSiGe層４０nmが形成されており、その上に５０n
mのSiがあり、最上層にSi酸化膜１０nmが形成されたサ
ンプルの２種類の分光エリプソの理論スペクトルを示し
たものである。波長38０nmから８００nmにかけて、下層
に存在するSiGe層の影響によりスペクトルが両者で異な
っている。このスペクトルを、Si基板上のSiO2膜という
モデルで解析した場合、当然SiGe膜が存在する方のサン
プルでは実際とは異なった結果が得られることになる。

【００２１】図6は、Si基板上にGe１５%を含むSiGe層４
０nmが形成されており、その上に５０nmのSiがあり、最
上層に１０から50nmのSiO2層があるサンプルの分光エリ
プソスペクトルを、単純なSi基板上のSiO2膜として解析
し、SiO2の膜厚を求めた結果ともともとのSiO2膜厚との
差を示したものである。なお、この図6において、400-8
00nmの波長域を使用したもの（603）、および、250-800
nmの波長域を使用したもの（602）が従来の測定方法に
対応する。これら従来の測定方法の場合、SiO2の膜厚が
薄くなるに従って、実際の膜厚との誤差が大きくなって
いるのがわかる。この例では誤差は-5%までの例しか示
していないが、実際のプロセスではこの誤差が許容でき
ない場合も存在するし、またこれ以上の誤差がSiGe層を
単純に無視することにより発生する可能性もある。した
がって、SiGe層を含むサンプルの膜厚解析にはSiGe層の
光学定数を考慮に入れた解析を行う必要があり、SiGeの
光学定数の計算アルゴリズムを内蔵した装置を用いる必
要がある。なお、SiGeの光学定数計算過程は複雑である
ため、その計算時間が膜厚の決定等を遅らせる原因とな
る。

【００２２】このように、SiGe層上の既知の光学定数の
膜を測る工程は、SiGeを利用したデバイス作成において
は複数回行う必要がある。

【００２３】例えば、SiGe HBTの製造のためには、SiGe
エピタキシャル成長工程の後、そのエピ層の上にTEOS
酸化膜（以下TEOS）を堆積し、エッチングする工程を繰
り返す必要があり、TEOSの堆積、エッチングの各プロセ
スごとにTEOSの膜厚を測定する必要がある。通常のSiGe
HBT製造プロセスでは、５回程度、このようなSiGeを含
むエピ層上にある酸化膜や窒化膜、poly-Si等の光学定
数が既知の膜の膜厚もしくは膜質測定を行う必要があ
る。しかしながら、上記理由により、これら酸化膜や窒
化膜の評価にも、SiGeの光学定数を計算可能なアルゴリ
ズムを内蔵した測定器を用いる必要がある。

【００２４】この目的に使用する測定器としては、SiGe
を含むエピ層の測定に用いる装置と性能的には同じ物を
用いる事ができる。しかし、SiGeエピ成長後の基板は、
裏面のGeを除去した後、TEOS等の別の膜を堆積してしま
えば、SiGe層は基板内部にのみしか存在しなくなり、エ
ッチング工程を除けば通常の基板と同様に扱ってもGe汚
染源となる心配はないのであるが、エピ成長直後の膜厚
を測定する装置を用いると、基板が再度ステージにより
Ge汚染される可能性がある。

【００２５】したがって、このような測定器を介したGe
汚染を防ぐために、エピ直後の膜厚測定器とは別の膜厚
測定器を用意するか、もしくは、装置を共用した場合、
膜厚測定する毎に基板裏面のGeを除去する工程を実施し
なければならない。

【００２６】また、SiGeのような新材料を用いる場合以
外にも、SOI基板を用いたプロセスを行う場合にも、よ
く似た問題が発生する。SOI基板を用いた標準的なCMOS
プロセスの場合、従来のCMOSプロセスと異なる材質の膜
を用いなくても良い。しかしながら、従来のCMOSプロセ
スでは十分に厚いSiで形成されていた部分が、厚いSi基
板＋SiO2膜＋薄いSi層の3層となる。したがって、たと
えばゲート酸化膜の膜厚測定の場合、従来のシリコン基
板のCMOSプロセスではシリコン基板上の酸化膜という構
造で測定結果の解析を行えばよかったものが、SOI基板
を用いた場合は、SiO2/Si/SiO2/Si基板という多層膜構
造として解析をする必要がある。

【００２７】この場合は、SiGe膜とは異なり、新しい光
学定数を取り扱う必要があるわけではないが、従来基板
＋1層のモデルでよかったものが、基板＋3層のモデルが
必要になり、同一のレシピでは解析できない。また、層
の数が増加することにより計算しなければならない量が
増大するために、計算機の処理能力によってはSOIを用
いた場合の多層膜の解析が不可能となる。したがって、
従来のレシピしか使用できない測定器ではSOI基板上の
膜厚管理は不可能で、あらたにSOI用のレシピに対応し
た測定器を導入する必要がある。

【００２８】

【発明が解決しようとする課題】SiGeのように、従来の
半導体工程で使用されていなかった膜を含む多層膜を光
学的手法により評価する場合、評価したい層がシリコン
酸化膜やシリコン窒化膜のように従来から使用されてお
り、光学定数が既知の場合でも、SiGe等の光学定数を取
り扱える測定器でない限り評価できない。

【００２９】SiGeの光学定数を計算するアルゴリズムを
内蔵した測定器であれば、測定が可能であるが、これら
は現時点であまり普及していない。したがって、既存の
半導体工場にSiGeプロセスを導入する場合、SiGe層の膜
厚を測定するため以外に、SiGe膜を含む層上に形成され
た酸化膜や窒化膜、poly-Siといった、それ自体は従来
から膜厚を測定してきた膜の厚みを測るためにも、SiGe
の光学定数計算能力を有する新しい測定装置を用いる必
要がある。

【００３０】この酸化膜等用の測定器としては、SiGeエ
ピ膜用測定器を共用する事も可能であるが、その場合
は、ステージを介したGe汚染を防ぐために裏面洗浄工程
等の追加が測定ごとに必要になる。

【００３１】また、エピ膜の測定とは別の測定器を用い
る場合、工場に新たに導入しなければならない装置の台
数が増加する。これらはともに、製造コスト上昇の原因
となる。

【００３２】また、SOI基板を用いた半導体プロセスの
場合でも、従来のバルクシリコン基板を用いたプロセス
に比べ、2層多い膜構成の評価を行う必要があり、従来
のバルクシリコン基板と同一のレシピを用いることは出
来ない。もし、装置能力上、従来の半導体プロセスで扱
っていた層よりも、多い層の解析が出来ない装置の場
合、装置改造をおこなうか、新たに装置を導入しなけれ
ばSOI基板を用いたプロセスにおける薄膜の工程管理が
出来なくなる。こちらも製造コスト上昇の原因となる。

【００３３】本発明では、上記問題点をかんがみ、多層
膜からなるサンプルの表面に近い側の層の膜厚・膜質
を、従来の測定器により測定する手段を提供する。

【００３４】

【課題を解決するための手段】本発明では、ある層Aよ
りも表面側に、物質ｂからなる層Bが形成されており、
その層B上に形成された少なくとも1層からなる測定対象
となる層Cの膜厚もしくは物性測定を、分光反射率測定
法もしくは分光エリプソメトリー法等の光学的評価手法
で行う際に、表面側からサンプルに照射した光が層B中
を伝播し、層Aの上側界面まで伝播した後、反射され、
再び層B中を伝播し、層Cに達するまでに光が十分に減衰
する波長域に限定し、物質ｂを基板として層Aの存在を
無視したモデルで測定結果の解析をおこなうことにより
上記課題を解決する。

【００３５】

【発明の実施の形態】（原理）（分光）反射率測定や、（分光）エリプソメトリーによ
り、多層膜の膜厚や組成比等を測定する場合、測定対象
となる層以外の層の光学定数も既知もしくは計算により
導出可能でなければ、求める膜厚や組成比を反射率や
Ψ,Δ等の測定値から導き出すことは出来ない。これ
は、測定対象以外の層を通過してきた光が測定結果に影
響を与えるためである。

【００３６】しかしながら、光は物質中を伝播するうち
に、物質に吸収され、次第にその強度を弱めてゆく。光
の強度が弱まるにつれ、その光が測定結果に与える影響
は減少していき、最終的にはその存在を無視できるよう
になる。

【００３７】図２のように、基板204上に、層203、層20
2、層201が形成されているサンプルを測定する場合を例
にとり説明する。このサンプルの光学測定の際、雰囲気
側からサンプルに照射した光210は、ある部分が雰囲気
と層201の界面で反射され（光211）、残りの部分が層20
1中を伝播し（光212）、層201と層202の界面に到達す
る。ここで界面に到達した光のうち一部分は再び雰囲気
側へと向かい伝播し（光213）、残りは層202中に侵入す
る（光215）。この光が層203の上側界面で反射され、再
び層202中を伝播し（光216）、層201を通過し（光21
7）、測定器側に伝播する（光218）。

【００３８】この図２においては、各層で多重反射する
成分は省略したが、実際には多重反射成分も測定に影響
を与える。

【００３９】このように、実際に測定器に入る光は、さ
まざまな経路をへた光が交じり合っており、特に層203
を通過したり、層203の界面で反射した光（光218および
光223）が測定に影響を与える場合、層203の光学定数が
既知もしくは計算可能でなければ測定結果の解析ができ
なくなる。

【００４０】本発明では、層202において光の吸収が大
きくなる波長域に限定して、測定もしくは測定結果の解
析を行う。この時、層202での光の減衰が十分大きけれ
ば、図2の光218および223成分を、光211および214成分
にくらべ十分小さく出来るため、無視できるようになる
（図１）。

【００４１】このような状況では、図１の構造と図３の
構造は、光学的評価にとって等価なものとなる（ただ
し、層101と301は同じ物質で同じ膜厚、層102と基板302
とは同一物質）。したがって、層102の光学定数が既知
であれば、層103の光学定数が未知であっても、層101の
評価を行えるようになる。

【００４２】波長域を限定するだけであれば、複雑な光
学定数の計算アルゴリズムを追加する場合とは異なり、
従来の測定器に大幅な変更を加える必要は無い。もとも
と計算していたデータの一部のみを用いて解析するだけ
であるので、従来の測定器が有する計算能力があれば実
施可能である。

【００４３】上記解析手順をコンピュータに読み取り可
能な状態として、CD-ROMもしくはフロッピィ―ディスク
等の記録媒体に記録し、従来の膜厚測定器に内蔵されて
いるコンピューターに読み込ませても良いし、まったく
新しい膜厚測定器に読み込ませても良い。

【００４４】（測定に用いる波長域）本発明では、多層
膜から構成されるサンプルのうち、ある特定の層で光が
吸収されるようにして測定・評価を行うことにより、そ
の層より下層にある層の光学定数を意識せずに、その層
よりも上にある層の膜厚や物性測定を可能にする。した
がって、本発明の実施には、測定を希望する層には十分
な強度の光が通過するが、光を吸収させたい層で確実に
光が減衰するようにしなければならない。このような状
況は、測定もしくは評価に用いる光の波長を適切に選択
することにより可能になる。

【００４５】物質中での光の減衰は、物質と光の相互作
用により定まり、その相互作用のしかたは物質の物性に
より定まる。半導体においては、光の減衰は、価電子帯
から伝導電子帯への電子の遷移をともなうインターバン
ド吸収により支配されている。このインターバンド吸収
は、半導体のバンド構造に起因し、吸収強度の波長依存
性が大きいことが特徴である。なぜならば、インターバ
ンド吸収において電子の運動量が保存されるため、運動
量空間において価電子帯から同じ運動量を持つ伝導電子
帯までのエネルギー差に対応する光の波長でしかほとん
ど吸収が起こらないためである。

【００４６】この半導体のインターバンド吸収は、紫外
線から可視光領域にかけて行われるため、この波長域で
光の吸収が特異的に大きくなる。

【００４７】これに対し、シリコン酸化膜や窒化膜のよ
うな絶縁体の場合、価電子帯から伝導電子帯までのエネ
ルギー差が大きいため、半導体が強い吸収をしめす紫外
から可視光領域にかけては、ほとんど吸収を示さない。

【００４８】物質中の光の減衰を表す量として、消光係
数ｋがある。この値が大きいほど、物質中での光の減衰
は強くなる。

【００４９】この消光係数ｋの波長依存性を図4に示
す。半導体であるSiおよびGaAsが短波長領域でｋが大き
いのに対し、絶縁膜であるSiO2およびSi3N4はほとんど
の波長域で吸収を示さない。この消光係数の差は、本発
明の実施にはきわめて好都合である。層101としてSiO2
もしくはSi3N4をとり、層102としてSiをとる場合、波長
380nm以下の領域ではSiにおける光の吸収が大きいた
め、それより下層の状態を考慮する必要が無いが、この
波長域でもSiO2やSi3N4は、ほとんど吸収を示さないた
めに層101を十分な光が通過するために、層101の膜厚測
定精度が他の波長域にくらべて低くなるようなことが起
こらないからである。なお、同じ半導体でもSiとGaAsで
はｋの波長依存性が異なる。どの程度のｋがあれば良い
かは測定方法や、層の厚み等により異なるので一概には
いえないが、たとえばｋが１．５以上であればその層以
下を無視できるような場合、Siでは約380nm以下の波長
に制限しなければならないが、GaAsでは約４２０nmまで
の波長を使用する事ができる。

【００５０】図5のSi基板上の酸化膜のサンプルのスペ
クトルと、SiGe層を含むサンプルのスペクトルとでは、
波長380nm以上の領域では両者の差が大きいのに対し、3
80nm以下ではほとんど差が無い。これは上記理由により
SiGe層の上の50nmのSi層が光を吸収するため、この層を
基板とみなしても良くなったためである。従って、図6
に示すように、このSiGe層を含むサンプルのスペクトル
の、例えば250-350nmの部分だけを用い、Si基板上のSiO
２膜モデルで解析しても、本来の膜厚と全く同じ結果が
得られる（図6の601）。

【００５１】本発明は、ある単一の波長における測定だ
けをおこなっても実施する事が可能である。しかし、実
際には複数の波長で測定を行った方が、測定精度を高め
られるため、無視したい下層の影響が現れない波長範囲
で複数の波長で測定を行う事が好ましい。

【００５２】（波長の選択方法）本発明の実施に用いる
波長域は、波長域を変えながら解析を何度か行い、他の
信頼できる測定方法、例えば透過型電子顕微鏡や、多層
膜の各層を適切にモデル化することにより解析した分光
反射率測定法や分光エリプソメトリで求めた膜厚と同一
結果が得られる範囲をあらかじめ求めておき、それをも
ちいればよい。

【００５３】また、下記のような方法により、解析時に
自動で本発明の実施に適した波長域をもとめることも可
能である。

【００５４】本発明では、実際のサンプルに存在する層
を無視して簡略化したサンプル構造モデルを用いるの
で、たとえ簡略化していない層のモデルの構造が実際の
値と一致していても、無視した層の影響が強く現れてい
る波長域ではモデルから導かれたスペクトルと、実測の
スペクトルはかならず異なることになる。結果として、
このようにスペクトルが異なる波長域が含まれている場
合には、MSE等のモデルと実測の差を表現する値はある
限界から小さくならない。そこで、評価値の下限の波長
依存性を調べ、その下限があらかじめ定めた値よりも小
さくなる範囲を本発明の実施に用いれば、モデルの簡略
化の影響が大きい波長域を排除することができる。

【００５５】たとえば、図6の例にしめしたサンプル構
造のうちSiO2膜厚が10nmのものの場合、250-800nmの場
合にはSiO2膜厚を10nmとして計算してもMSEは２４なの
に対し、波長域を250-350nmに限定した場合にはMSEは0.
06まで減少する。

【００５６】（膜厚構成と入射角）本発明の実施には、
特定層において光の吸収を十分大きくしなければならな
い。このためには、波長の選択も重要であるが、層の厚
みも重要な要素である。この層の厚みが十分でないと、
光がこの層を通過し、それよりも下の層の光学定数を考
慮しなければならなくなるためである。

【００５７】どの程度厚みが必要であるかは、測定手法
や下層の膜の光学定数に依存するが、測定をおこなう角
度も厚みをきめる重要な要素である。本発明では、サン
プルに光を照射し、サンプルから反射されてかえってく
る光を測定する評価手法で実施可能である。この時、光
のサンプルに対する入射角が大きければ、サンプルの各
層を通過する距離が長くなり、入射角が小さい場合より
もより薄い膜厚で本発明の実施効果を得ることが出来
る。ただし、入射角度が大きいと、測定に必要な領域が
より広く必要となるデメリットも生じる。

【００５８】したがって、入射角度可変型の測定器の場
合、測定対象の膜構成に応じ、通常の測定では入射角度
を小さ目にしておき測定領域を小さくし、本発明の実施
の場合のみ入射角度を大きくするといった方法を用いて
も良い。

【００５９】（実施例）SiGe HBT製造工程における、エ
ピタキシャル成長膜上のTEOS膜厚の測定を例にとり本発
明の実施形態を説明する。

【００６０】この実施例のSiGe HBTの場合、すでに素子
分離領域やコレクタ等が形成されている状態で、エピタ
キシャル成長プロセスにより、SiGeを含む膜を成長させ
る。このエピタキシャル成長膜の構成は、基板側から順
に、Ge組成比15％のSiGeバッファ層40nm, Ge組成比が下
側界面で14%、上側界面で0％となるように連続的に組成
比を変化させた傾斜SiGeベース層40nm, アンドープシリ
コンからなるキャップ層50nmを形成する。エピタキシャ
ル成長が完了した後、SiGe層の光学定数を適切にモデリ
ングできる分光エリプソメーター等の膜厚測定器によ
り、このエピタキシャル成長層の膜厚を測定する。

【００６１】膜厚測定後、基板の裏面をエッチングしゲ
ルマニウムを除去した状態でTEOS堆積炉に基板を移し,
TEOS膜を40nm堆積させる。この段階でゲルマニウムを含
む層は基板内部に限定されており、この基板を通常のゲ
ルマニウムを含まないCMOSデバイスを作成する工程用の
測定器に持ち込んでもゲルマニウム汚染を引き起こすこ
とは無い。

【００６２】シリコン基板上のTEOS膜厚であれば、従来
から半導体工程で測定が行われていたので、標準的な工
場ラインの分光反射率測定器もしくは分光エリプソメー
ターには、そのTEOS膜厚を測定するモードが準備されて
いる。ただし、従来の測定装置では可視光領域も用いて
測定を行っているため、本発明の実施のため、測定波長
域もしくは膜厚解析に用いる波長域を250-350nmに限定
した測定モードを組み込んだ分光反射率測定器もしくは
分光エリプソメーターで、このTEOSの膜厚をSi基板上の
SiO2膜というモデルを用いてTEOS膜厚を測定する。この
ように本発明を実施すれば、TEOS膜厚を従来の測定器を
用いて測定することが可能になり、SiGe層の光学定数を
計算可能な特殊な測定器の数を減ずることができ、また
ゲルマニウム汚染の危険性を減らすことができる。

【００６３】このエピタキシャル成長層堆積直後のTEOS
堆積以外にも、そのTEOS上へのpoly-Si堆積、poly-Si上
へのTEOS堆積、TEOSおよびpoly-Siのドライエッチ、TEO
Sのウェットエッチ等、SiGeエピタキシャル成長層上へ
の薄膜プロセスを多数回おこなう必要があり、各薄膜プ
ロセスごとにプロセス対象となる膜の厚みを測定する必
要があるが、これらをすべて本発明の評価手法により測
定することが出来る。

【００６４】なお、上記実施例においては、SiGe層を含
む多層膜の場合を説明したが、本発明の実施はこれに限
定されるものではない。SOIを用いたCMOSプロセスのよ
うに、基板以外は従来のプロセスと同様の薄膜プロセス
を行う場合には、測定器の共用化を行うことが可能にな
り製造コストを低減することができる。また、シリコン
系以外でも本発明は実施可能であり、GaAsやGaNといっ
た化合物半導体のHBTやレーザーデバイス、LEDといった
多層膜を用いるプロセスで実施することができる。

【００６５】また、評価すべき膜は単層膜である必要は
無く、たとえば酸化膜上に形成されたpoly-Siのよう
に、従来から評価を行ってきた多層膜構造であれば本発
明の実施は容易である。

【００６６】

【発明の効果】本発明の薄膜評価手法を用いれば、サン
プル構造が従来よりも複雑であったり、光学定数のモデ
リングが困難な層を含むサンプルにおいても、測定もし
くは解析する波長範囲を限定するという簡便な方法によ
り、表面側の膜の評価が従来の測定器を用いて行うこと
が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施状態における光の伝播経路を示す
図

【図２】従来の評価手法における光の伝播経路を示す図

【図３】本発明の実施状態における等価なサンプル構造
を示す図

【図４】代表的な物質の吸収係数ｋの波長依存性を示す
図

【図５】Si上のSiO2サンプルと、SiGeを含む層上のSiO2
サンプルを分光エリプソで測定した場合の理論スペクト
ルを示す図

【図６】SiGeを含む層上のSiO2サンプルを分光エリプソ
で測定した場合の理論スペクトルを、Si基板上のSiO2モ
デルで解析した場合の測定結果の解析に用いる波長依存
性を示す図

【符号の説明】

101 最表面に形成された層 102 層101の下層に形成された層 103 層102の下層に形成された層 104 基板 110 入射光 111 最表面で反射された光 112 層101に侵入した光 113 層101と層102の界面で反射された光 114 光113のうち、ふたたび雰囲気側に出たもの 115 層102に侵入した光 116 層102に吸収される成分 201 最表面に形成された層 202 層201の下層に形成された層 203 層202の下層に形成された層 204 基板 210 入射光 211 最表面で反射された光 212 層201に侵入した光 213 層201と層202の界面で反射された光 214 光213のうち、ふたたび雰囲気側に出たもの 215 層202に侵入した光 216 層202と層203の界面で反射された光 217 光216のうち層201に再度侵入した成分 218 光217のうち再度雰囲気側に出たもの 219 層203に侵入した光 220 層203と基板204の界面で反射された光 221 光220のうち層20２に再度進入した光 222 光221のうち層201に進入した光 223 光222のうち再び雰囲気側にでた成分 224 基板204に吸収される光成分 301 層101とおなじ成分、膜厚をもつ層 302 層102と同じ成分からなる基板 310 入射光 311 層301の表面で反射される光 312 層301に侵入した光 313 層301と基板302の界面で反射された光 314 光313のうち再び雰囲気側にでたもの 315 基板302に吸収される光 601 波長域を250-350nmに限ってSiO2の膜厚を解析した
結果 602 波長域を250-800nmとしてSiO2の膜厚を解析した結
果 603 波長域を400-800nmとしてSiO2の膜厚を解析した結
果

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者齋藤徹大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 2F065 AA30 CC19 CC31 FF41 FF46 LL67 2G059 AA01 AA10 BB16 DD03 EE02 EE10 EE12 HH02 HH03 4M106 AA01 BA06 BA20 CB21 CB30 DJ18 DJ19 DJ20 DJ21

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも1層からなる層A上に、層Aを
構成する物質とは異なる光学定数をもつ物質ｂからなる
層Bが存在し、かつ層B上に、少なくとも1層からなる層C
が存在しているサンプルを、反射率測定もしくはエリプ
ソメトリー等の光学的評価手法により測定し物理量の実
測値の組を得た後、層Aを無視した先述の物質ｂを基板
とするモデルにより解析しても、層Cの評価結果として
層Aの存在を考慮に入れたモデルを用いた場合と実質的
に同一の結果が得られる波長範囲に限定して物理量の実
測値を解析し層Cを評価することを特徴とする多層膜の
評価方法。
【請求項２】層AがSiGeもしくはSiGeCもしくはSi_1-yC
_y（0<y<1)からなる層を含むことを特徴とする請求項１
に記載の多層膜の評価方法。
【請求項３】層AがSiO₂等の絶縁体を含む層であるこ
とを特徴とする請求項１に記載の多層膜の評価方法。
【請求項４】物質ｂがシリコンであり、波長範囲とし
て380nm以下の波長を用いることを特徴とする請求項１
に記載の多層膜の評価方法。
【請求項５】物質ｂがGaAsであり、波長範囲として42
0nm以下の波長を用いることを特徴とする請求項１に記
載の多層膜の評価方法。
【請求項６】 SiGeもしくはSiGeCもしくはSi_1-yC_y（0<
y<1)からなるエピタキシャル成長層を利用するデバイス
の製造工程において、前記エピタキシャル成長層を形成
した後、その上に少なくとも1層からなる酸化膜、窒化
膜、その他絶縁膜もしくはpoly-Si等のエピタキシャル
成長層とは別の層Dを堆積させた後、層Dを請求項１に記
載の評価手法により評価することを特徴とする多層膜の
評価方法。
【請求項７】少なくとも1層からなる層A上に、層Aを
構成する物質とは異なる光学定数をもつ物質ｂからなる
層Bが存在し、かつ層B上に、少なくとも1層からなる層C
が存在しているサンプルを、反射率測定もしくはエリプ
ソメトリー等の光学的評価手法により測定して得られた
物理量の組に対し、層Aを無視した先述の物質ｂを基板
とするモデルにより解析しても、層Cの評価結果として
層Aの存在を考慮に入れたモデルを用いた場合と実質的
に同一の結果が得られる波長範囲に限定して物理量の実
測値を解析し層Cを評価するアルゴリズムを記録したCD-
ROM, フロッピィ―ディスク等コンピューターに読み取
り可能な記録媒体。