(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の測定領域内において複数の膜厚を有する膜体に対し、該測定領域内に測定光を照射してその反射光又は透過光の測定スペクトルを取得し、該測定スペクトルに基づいて前記測定領域内の各膜厚を求める膜厚測定方法であって、
a) 既知の単一膜厚値d1,d2,...,dm(m≧2)を有する膜体の各々について取得される基準スペクトルS1,S2,...,Smを計算又は測定により作成し、
b) 前記測定領域内のn個(n≧2)の照射領域に測定光を照射することにより測定スペクトルV1,V2,...,Vnを取得し、
c) 前記基準スペクトルS1,S2,...,Smと前記測定スペクトルV1,V2,...,Vnを、所定の複数の波長に基づきそれぞれ基準ベクトルs1,s2,...,smと測定ベクトルv1,v2,...,vnに変換し、
d) 前記測定ベクトルv1,v2,...,vnで張られるベクトル空間{v1,v2,...,vn}と各基準ベクトルsjの距離を算出し、
e) 各基準ベクトルsjに対応する膜厚値と前記算出された距離との関係において距離が極小となる膜厚値を探索して測定値とする、
ことを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項２】
前記距離が、前記ベクトル空間{v1,v2,...,vn}に対する正規直交化ベクトル空間{w1,w2,...,wn}を用いて、
【数４】
0005471367.tif 000005
により算出されること特徴とする請求項１に記載の膜厚測定方法。
【請求項３】
前記正規直交化ベクトル空間{w1,w2,...,wn}が、ベクトル空間{v1,v2,...,vn}にグラムシュミットの正規直交化法を用いることにより得られていることを特徴とする請求項２に記載の膜厚測定方法。
【請求項４】
所定の測定領域内において複数の膜厚を有する膜体に対し、該測定領域内に測定光を照射してその反射光又は透過光の測定スペクトルを取得し、該測定スペクトルに基づいて前記測定領域内の各膜厚を求める膜厚測定装置であって、
a) 既知の単一膜厚値d1,d2,...,dm(m≧2)を有する膜体の各々について取得される基準スペクトルS1,S2,...,Smを計算又は測定により作成する基準スペクトル作成手段と、
b) 前記測定領域内のn個(n≧2)の照射領域に測定光を照射することにより測定スペクトルV1,V2,...,Vnを取得する測定スペクトル取得手段と、
c) 前記基準スペクトルS1,S2,...,Smと前記測定スペクトルV1,V2,...,Vnを、所定の複数の波長に基づきそれぞれ基準ベクトルs1,s2,...,smと測定ベクトルv1,v2,...,vnに変換するベクトル化手段と、
d) 前記測定ベクトルv1,v2,...,vnで張られるベクトル空間{v1,v2,...,vn}と各基準ベクトルsjの距離を算出する距離算出手段と、
e) 各基準ベクトルsjに対応する膜厚値と前記算出された距離との関係において距離が極小となる膜厚値を探索して測定値とする膜厚取得手段と、
を有することを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項５】
前記距離が、前記ベクトル空間{v1,v2,...,vn}に対する正規直交化ベクトル空間{w1,w2,...,wn}を用いて、
【数５】
0005471367.tif 000006
により算出されること特徴とする請求項４に記載の膜厚測定装置。
【請求項６】
前記正規直交化ベクトル空間{w1,w2,...,wn}が、ベクトル空間{v1,v2,...,vn}にグラムシュミットの正規直交化法を用いることにより得られていることを特徴とする請求項５に記載の膜厚測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光測定を利用して膜体の膜厚を測定するための膜厚測定方法及び膜厚測定装置に関する。本発明に係る膜厚測定方法及び膜厚測定装置は、例えば、ウエハ研磨装置に組み込む研磨終点検出装置など、半導体製造における各種分野で利用することができる。
【背景技術】
【０００２】
紫外光、可視光又は赤外光を利用した分光光度計の応用分野の一つとして、基板などの上に形成された薄膜に対する膜厚の測定がある。この膜厚測定は、例えば半導体製造工程における基板上への薄膜形成プロセスにおいて、薄膜を形成途中の層が目的とする膜厚で蒸着や研磨を終了できるよう、該層の厚さをリアルタイムで監視（測定）するなどの用途で用いられる。このような用途において、膜体（薄膜）に照射した光（測定光）の反射光や透過光の分光測定を行い、その測定結果から膜厚値を算出するということが行われている。
【０００３】
特許文献１には、反射光の干渉スペクトルを測定し、この測定されたスペクトル（以下、「測定スペクトル」と称す）から得られる波数間隔情報と膜体に対する既知の屈折率とを用いて、膜厚値を算出する膜厚測定装置が記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、測定スペクトルに対して、予め理論や実験等により得られた膜厚が既知のスペクトル（以下、「基準スペクトル」と称す）との残差（偏差）を計算し、残差が最小となる膜厚を測定値として算出する膜厚測定装置が記載されている。
【０００５】
特許文献１及び２の装置は、測定領域において膜体の膜厚が均一である場合を対象としている。しかしながら、膜体の膜厚が均一でない場合、測定される反射スペクトル又は透過スペクトルは、各膜厚に対応するスペクトルの線形和となるため、これらの装置では膜厚を適切に算出することができなくなる。
【０００６】
これに対し、特許文献３に記載のウエハ研磨装置では、構造が既知のウエハ（膜体）に対し、照射した測定光の反射（又は透過）スペクトルの極大極小位置と、数値計算等により算出されたスペクトルの極大極小位置との一致度を求めることにより、不均一な膜厚の測定を行っている。
【０００７】
また、特許文献４に記載の膜厚測定装置では、膜体の膜厚が部位によって異なる場合に、複数の膜厚（例えばM個）を想定した基底スペクトルの線形和で近似スペクトルを導出している。そして、部位毎の膜厚パラメータを軸とするM次元空間上で、測定スペクトルとこの近似スペクトルとの二乗誤差が最小となる点を探索することにより、各膜厚値を算出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平5-107034号公報
【特許文献２】特開平9-033222号公報
【特許文献３】特開平11-33901号公報
【特許文献４】特開2003-344024号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献３のウエハ研磨装置では、予め研磨対象である膜体の構造を知っておく必要がある。さらに、膜体の構造が複雑である場合、スペクトルを計算するための時間が長くなり、リアルタイムでの測定が困難となる。また、特許文献４の装置においても、膜厚の種類が多くなるほど探索する空間の次元数が増え、リアルタイムでの測定が困難となる。
【００１０】
これに対し、計算を行う演算部（例えばコンピュータなど）の処理速度等を向上させることで、リアルタイムでの膜厚測定を行えるようにすることも可能であるが、この場合、装置の製造コストが高くなるという問題が生じる。
【００１１】
本発明が解決しようとする課題は、構造が未知の膜体に対し、比較的短い計算時間で複数の膜厚を測定することができる方法及び装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために成された本発明に係る薄膜測定方法は、
所定の測定領域内において複数の膜厚を有する膜体に対し、該測定領域内に測定光を照射してその反射光又は透過光の測定スペクトルを取得し、該測定スペクトルに基づいて前記測定領域内の各膜厚を求める膜厚測定方法であって、
a) 既知の単一膜厚値d1,d2,...,dm(m≧2)を有する膜体の各々について取得される基準スペクトルS1,S2,...,Smを計算又は測定により作成し、
b) 前記測定領域内のn個(n≧2)の照射領域に測定光を照射することにより測定スペクトルV1,V2,...,Vnを取得し、
c) 前記基準スペクトルS1,S2,...,Smと前記測定スペクトルV1,V2,...,Vnを、所定の複数の波長に基づきそれぞれ基準ベクトルs1,s2,...,smと測定ベクトルv1,v2,...,vnに変換し、
d) 前記測定ベクトルv1,v2,...,vnで張られるベクトル空間{v1,v2,...,vn}と各基準ベクトルsjの距離を算出し、
e) 各基準ベクトルsjに対応する膜厚値と前記算出された距離との関係において距離が極小となる膜厚値を探索して測定値とする、
ことを特徴とする。
【００１３】
また、上記課題を解決するために成された本発明に係る薄膜測定装置は、
所定の測定領域内において複数の膜厚を有する膜体に対し、該測定領域内に測定光を照射してその反射光又は透過光の測定スペクトルを取得し、該測定スペクトルに基づいて前記測定領域内の各膜厚を求める膜厚測定装置であって、
a) 既知の単一膜厚値d1,d2,...,dm(m≧2)を有する膜体の各々について取得される基準スペクトルS1,S2,...,Smを計算又は測定により作成する基準スペクトル作成手段と、
b) 前記測定領域内のn個(n≧2)の照射領域に測定光を照射することにより測定スペクトルV1,V2,...,Vnを取得する測定スペクトル取得手段と、
c) 前記基準スペクトルS1,S2,...,Smと前記測定スペクトルV1,V2,...,Vnを、所定の複数の波長に基づきそれぞれ基準ベクトルs1,s2,...,smと測定ベクトルv1,v2,...,vnに変換するベクトル化手段と、
d) 前記測定ベクトルv1,v2,...,vnで張られるベクトル空間{v1,v2,...,vn}と各基準ベクトルsjの距離を算出する距離算出手段と、
e) 各基準ベクトルsjに対応する膜厚値と前記算出された距離との関係において距離が極小となる膜厚値を探索して測定値とする膜厚取得手段と、
を有することを特徴とする。
【００１４】
なお、前記距離は、前記ベクトル空間{v1,v2,...,vn}を正規直交化ベクトル空間{w1,w2,...,wn}に変換し、
【数１】
0005471367.tif 000002
とすることにより、算出することができる。ここで、上式の(sj,wk)はベクトルsjとベクトルwkとの内積を示している。
さらに、前記ベクトル空間{v1,v2,...,vn}から前記正規直交化ベクトル空間{w1,w2,...,wn}への変換には、グラムシュミットの正規直交化法を好適に用いることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る膜厚測定方法及び膜厚測定装置は、基準スペクトルと測定スペクトルをそれぞれ基準ベクトルと測定ベクトルに変換し、測定ベクトルを基底ベクトルとするベクトル空間と基準ベクトルとの距離の極小値を探索することより、膜厚の測定値を求めるというものである。
【００１６】
この測定ベクトルから張られるベクトル空間と基準ベクトルとの距離は、後述するように、照射領域内の膜厚の比率に依存しない。そのため、膜体の構造が未知であっても複数の膜厚値を容易に求めることができる。また、距離の極小値を探索する空間の次元数は、膜厚の種類が増えても1のままであるため、計算時間を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】測定領域内で均一な膜厚を有する膜体を示す概略縦断面図。
【図２】測定領域内で複数の膜厚を有する膜体を示す概略縦断面図。
【図３】照射領域内における膜厚の存在比率の変化による反射スペクトルの波形の変化を示すグラフ。
【図４】スペクトルSa, Sbから得られるベクトルsa, sbと測定ベクトルvとの位置関係を示す図。
【図５】膜体と測定領域と照射領域の関係を示す図。
【図６】測定ベクトルv1, v2により張られる平面Pと基準ベクトルsとの関係を示す図。
【図７】本発明の一実施例である薄膜測定装置の構成を示すブロック図。
【図８】本実施例の薄膜測定装置の演算処理部の構成を示すブロック図。
【図９】本実施例の薄膜測定装置の動作の手順を示すフローチャート。
【図１０】照射領域内における膜厚20nmの部位と膜厚400nmの部位の存在比率が25:75と15:85であった場合の各々の測定スペクトル波形を示すグラフ。
【図１１】膜厚が20nm近傍の距離Lの変化を示すグラフ(a)、及び膜厚が400nm近傍の距離Lの変化を示すグラフ(b)。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００１８】
本発明に係る膜厚測定方法の一実施例について、図面を参照して説明する。
図１に示すような均一な膜厚を有する膜体に測定光を照射して、その反射光又は透過光を分光測定した場合、その膜厚の推定は、得られた測定スペクトルVと、所定の膜厚値d1,d2,...,dmに対して理論的膜厚計算又は実サンプル測定により作成された基準スペクトルS1,S2,...,Smとの一致度を比較することにより行うことができる。
【００１９】
しかしながら、半導体ウエハのような微細構造を有する膜体を測定した場合、照射した測定光のスポット径（照射領域）内に膜厚が異なる部位が複数存在するため、得られる測定スペクトルは各膜厚に対応するスペクトルの線形和となる。その一例として、図２のように、異なる2種類の膜厚（20nmと400nm）を有する膜体に測定光を照射した場合を考える。
【００２０】
図２の膜体に測定光を照射することにより得られる反射光又は透過光の測定スペクトルVは、膜厚が20nmで均一な膜体に対するスペクトルSaと膜厚が400nmで均一な膜体に対するスペクトルSbの線形和となる（図３）。スペクトルV, Sa, Sbを関数g(λ), fa(λ), fb(λ)で表した場合、これらの関係は次式で表されることになる。
g(λ) = K×fa(λ)＋(1-K)×fb(λ)  0≦K≦1    …(1)
ここで、K及び(1-K)は照射領域内に存在する膜厚が20nmの部位と膜厚が400nmの部位の存在比率を示している。
【００２１】
図３及び式(1)に示すように、測定スペクトルVは照射領域内の各膜厚の存在比率の変化により大きなばらつきを示す。従って、測定スペクトルVをスペクトルSaやSbと比較しても、正しい膜厚値を算出することはできない。これに対し、本願発明者はスペクトルをベクトルで表し、各ベクトルの幾何学的な関係から膜厚値を求めることを考えた。これを図２の膜体を例に説明する。
【００２２】
本発明の膜厚測定方法では、まず、スペクトルV, Sa, Sbのベクトル化を行う。これらのスペクトルのベクトル化は、スペクトルの特徴を良く捉えることができるものであれば、どのような方法を用いても良いが、本実施例では、スペクトルV, Sa, Sbの相対強度g(λ), fa(λ), fb(λ)が、所定の波長λ1,λ2,...,λNに対してそれぞれ得られているものとし、
v=(g(λ1),g(λ2),...,g(λN))    …(2)
sa=(fa(λ1),fa(λ2),...,fa(λN))  …(3)
sb=(fb(λ1),fb(λ2),...,fb(λN))  …(4)
で与えることにする。このとき、測定スペクトルVに対応する測定ベクトルvとスペクトルSa, Sbに対応するベクトルsa, sbとの関係は、式(1)と同様、
v = K×sa＋(1-K)×sb    …(5)
で表されることが、式(1)〜(4)より分かる。
【００２３】
式(5)は、測定ベクトルvがベクトルsa, sbを含む平面上に存在していることを示している（図４）。一方、図４の平面Pは、互いに独立な2個の測定ベクトルを用いても表すことができる。図５に示すように、膜体表面の所定の測定領域内で、膜厚の存在比率が異なる2個の照射領域に測定光を照射した場合を考える。ここで、一方の照射領域に対する測定スペクトル及び測定ベクトルをV1及びv1で表し、もう一方の照射領域に対する測定スペクトル及び測定ベクトルをV2及びv2で表すと、平面Pは測定ベクトルv1及びv2を基底ベクトルとするベクトル空間{v1,v2}で表すことができる。
【００２４】
上記のように膜厚20nmと膜厚400nmに対応するベクトルsa, sbは平面P内に存在するため、これらの膜厚の存在比率がどのような値であったとしても、ベクトルsa, sbと平面P、すなわちベクトル空間{v1,v2}との距離は0となる。これは、測定領域内における膜体の構造が未知であっても、ベクトル空間{v1,v2}との距離が0又は極小となる膜厚既知のベクトルを探索すれば、正しい膜厚値が算出できることを示している。
【００２５】
以上から、測定領域内の膜厚情報は、基準ベクトルs1,s2,...,smとベクトル空間{v1,v2}との距離をそれぞれ計算し、各基準ベクトルに対応する既知の膜厚値d1,d2,...,dmと前記距離との関係において、該距離が極小となる膜厚値をそれぞれ探索することにより得ることができる。ここで、基準ベクトルsjとベクトル空間{v1,v2}との距離は、ベクトル空間{v1, v2}に対する正規直交化ベクトル空間{w1, w2}を用いて
Lj = | sj - (sj,w1)w1 ＋ (sj,w2)w2 |
により求めることができる。なお、正規直交化ベクトルw1, w2は、次のグラムシュミットの直交化法により求めることができる。
w1=w1'/|w1'|     w1'=v1
w2=w2'/|w2'|     w2'=v2 - (v2,w1)w1
【００２６】
上記の例では簡単のために膜厚が2種類である場合について説明したが、この方法は、n種類の膜厚に対して一般化することができる。すなわち、膜厚の存在比率が異なるn個の照射領域に測定光を照射し、n個の測定スペクトルVj(j=1,2,...,n)を取得する。次に各測定スペクトルVjを測定ベクトルvjに変換して、ベクトル空間{v1,v2,...,vn}を生成する。そして、ベクトル空間{v1,v2,...,vn}をn個の正規直交基底ベクトルw1,w2,...,wnから成る正規直交化ベクトル空間{w1,w2,...,wn}に変換し、該正規直交化ベクトル空間{w1,w2,...,wn}と基準スペクトルSjに対応する基準ベクトルsjとの距離Ljを、
【数２】
0005471367.tif 000003
により算出する。このようにして得られた距離と既知の膜厚値との関係から、該距離が極小となる膜厚値を探索して測定値とすることにより、測定領域内の各膜厚値を取得することができる。
また、ベクトル空間{v1,v2,...,vn}から正規直交化ベクトル空間{w1,w2,...,wn}への変換には、上記の2種類の例と同様、次のグラムシュミットの直交化法により求めることができる。
【数３】
0005471367.tif 000004
【００２７】
なお、測定領域内の照射領域は、図５に示すように各々の照射領域の一部が重なっていても良く、完全に分離されていても良い。また、測定領域内の膜厚の種類数nが未知である場合には、照射領域の数を十分大きく取り、得られた測定ベクトルの中から必要なベクトルだけを選択するようにしても良い。この選択には様々な方法が考えられるが、例えば所定の閾値αを設定し、上記のグラムシュミットの直交化法で測定ベクトルを順に直交化していく過程で
|vk'| ＜ α
となるベクトルvkを直交化から排除するという方法もある。これにより、互いに独立な測定ベクトルのみを直交化することができる。
【００２８】
図２に示したSi上に20nmと400nmの2種類のSiO2膜を有する膜体に対し、図１０の2個の測定スペクトルから、ベクトル空間と各基準ベクトルとの距離を算出した結果を図１１に示す。
なお、図１０の測定スペクトルは、膜厚が20nmの部位と400nmの部位の存在比率が25:75と15:85に対して得られたスペクトルである。また、各基準スペクトルは、各膜厚値を0nmから450nmまで10nm間隔で与えたものに対してそれぞれ作成した。
【００２９】
図１１の(a)及び(b)に示すように、横軸を膜厚、縦軸を距離としてグラフを作成すると、膜厚が20nmの点と400nmの点で距離が極小となっている。従って、これら2つの膜厚値が測定領域内に存在する各膜厚の測定値となる。以上のように、既知の単一膜厚値に対する基準ベクトルと測定ベクトルから張られるベクトル空間との距離の極小値を探索することにより、測定領域内の複数の膜厚値を求めることができる。
【００３０】
なお、予め作成する基準スペクトルの数mが多いほど、膜厚値の推定精度は向上するが、その一方で計算時間も長くなってしまう。従って、作成する基準スペクトルの数mは、要求精度と計算時間との兼ね合いで適宜決めると良い。なお、おおよその膜厚値が既知である場合には、その近傍の基準スペクトルだけを作成すれば、計算時間を短縮することができる。
【００３１】
次に、上記膜厚算出方法を採用した膜厚測定装置の一実施例について説明する。図７は本実施例に係る膜厚測定装置の概略構成図である。
【００３２】
本実施例の膜厚測定装置は、測定スペクトル取得部１０として、光源１１、分光部１２、測定光学系１３、光検出器１４、スペクトル作成部１５を含み、該スペクトル作成部１５により作成された複数の測定スペクトルが演算処理部２０に与えられて、後述するような所定の演算処理が実行されることにより、膜体上の所定の測定領域内における各膜厚値が算出され、出力部３０に出力される。なお、スペクトル作成部１５及び演算処理部２０の実体は、ＣＰＵを中心に構成されるパーソナルコンピュータであって、該コンピュータ上で所定のプログラムを実行することにより演算処理が達成される。
【００３３】
この装置の動作を概略的に説明すると、まず光源１１から発した白色光の中から、分光部１２により特定の波長を有する単色光が取り出され、測定光学系１３を介して膜体の所定の測定領域内に測定光として照射される。この膜体の表面や裏面などで反射した光は測定光学系１３を介して光検出器１４に導入され、これら反射光の強度に応じた電気信号がスペクトル作成部１５に送られる。スペクトル作成部１５は、測定光の波長走査に対応して光検出器１４で得られる信号に基づいて、横軸が波長、縦軸が相対強度であるスペクトルを作成する。これを照射領域を変えて複数行い、必要な数のスペクトルを作成する。
【００３４】
演算処理部２０はスペクトル作成部１５で作成されたスペクトルを受け取り、上記の膜厚算出方法に基づく演算処理を実行して、その結果を出力部３０に出力する。この演算処理の具体的な実行手順について、演算処理部２０の構成を示すブロック図（図８）とフローチャート（図９）を用いて説明する。
【００３５】
まず、ステップＳ１として、既知の単一膜厚値d1,d2,...,dmを有する膜体の各々について基準スペクトルS1,S2,...,Smを作成し、これらのデータを記憶部２２に格納する。ここで、各基準スペクトルは、実サンプル測定により取得しても良いし、演算処理部２０内に設けられた基準スペクトル作成部２１において理論的膜厚計算により算出して良い。基準スペクトルを実サンプル測定により取得する場合、測定スペクトル取得部１０が基準スペクトル作成部に対応することになる。
【００３６】
次に、照射領域を変えてn個の測定スペクトルV1,V2,..,Vnを作成し、これらのデータを記憶部２２に格納する（ステップＳ２）。記憶部２２に格納された基準スペクトルSj及び測定スペクトルVkのデータは、ベクトル化部２３により基準ベクトルsj及び測定ベクトルvkに変換され（ステップＳ３）、距離算出部２４により基準ベクトルsj毎に式(6)及び式(7)から距離Ljが算出される（ステップＳ４）。最後に膜厚取得部２５により距離Ljが極小となる膜厚値djがそれぞれ測定値として取得され（ステップＳ５）、各測定値が出力部３０に出力される（ステップＳ６）。
【００３７】
なお、上記実施例は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変更や修正を行えることは明らかである。
【符号の説明】
【００３８】
１０…測定スペクトル取得部
１１…光源
１２…分光部
１３…測定光学系
１４…光検出器
１５…スペクトル作成部
２０…演算処理部
２１…基準スペクトル作成部
２２…記憶部
２３…ベクトル化部
２４…距離算出部
２５…膜厚取得部
３０…出力部
【図１】
0005471367.tif 000007
【図２】
0005471367.tif 000008
【図３】
0005471367.tif 000009
【図４】
0005471367.tif 000010
【図５】
0005471367.tif 000011
【図６】
0005471367.tif 000012
【図７】
0005471367.tif 000013
【図８】
0005471367.tif 000014
【図９】
0005471367.tif 000015
【図１０】
0005471367.tif 000016
【図１１】
0005471367.tif 000017