(57)【要約】【課題】  半導体素子などに於ける膜の化学的組成、屈折率、厚さ、体積空隙率を試料に非接触且つ非破壊で簡便且つ正確に、しかも、高速に測定できるようにする。【解決手段】  赤外光源１と、赤外光の波長を選択する光学系２と、波長選択した赤外光の試料３への入射角を変化させるために照射点を中心にして試料３を第１のステージ６と、試料３からの反射光を観測するために試料の回動に連動して照射点を中心にして試料回動角の２倍分の円運動を行う第２のステージ７をもち且つＳ偏光成分とＰ偏光成分とを区別して検出するために赤外光路中に１直角の回動が可能な偏光子をもつ赤外光検出系５とを備えてなる装置で膜の分析を行う。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外光源と、赤外光の波長を選択する光学系と、波長選択した赤外光の試料への入射角を変化させるために照射点を中心にして試料を回動する機構と、試料からの反射光を観測するために試料の回動に連動して照射点を中心にして試料回動角の２倍分の円運動を行う機構をもち且つＳ偏光成分とＰ偏光成分とを区別して検出するために赤外光路中に１直角の回動が可能な偏光子をもつ赤外光検出系と
を備えてなることを特徴とする膜の分析装置。
【請求項２】
赤外光検出系が１次元アレイ赤外光検出器を備えると共に偏光子と１次元アレイ赤外光検出器との間に介挿された赤外光用材料を用いた拡大光学系
を備えてなることを特徴とする請求項１記載の膜の分析装置。
【請求項３】
請求項１或いは請求項２記載の膜の分析装置を用いて分析を行う際、
試料に於ける被測定膜にランダム偏光の赤外光を照射し、
Ｓ偏光成分のみを検出できるように偏光子の角度を合わせた状態で反射光強度を測定しながら入射角を掃引し、
反射光強度が最小になる角度を検出することにより被測定膜の絶対屈折率を測定すること
を特徴とする膜の分析方法。
【請求項４】
赤外光の入射角度を反射光強度が最小になる角度に固定し、先ずＳ偏光成分を検出するように偏光子の角度を合わせた状態でアレイ赤外光検出器上の反射光像を測定し、
次いで、Ｐ偏光成分を検出できるように偏光子の角度を合わせた状態でアレイ赤外光検出器上の反射光像を測定し、
次いで、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との反射光像の位置差を計測することで被測定膜の厚さを測定すること
を特徴とする請求項３記載の膜の分析方法。
【請求項５】
請求項１或いは請求項２記載の膜の分析装置を用いて分析を行う際、
赤外光の入射角度を固定し、赤外光の波長を掃引しながら反射光強度を測定することによって膜の化学組成を知ること
を特徴とする膜の分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜の化学的組成、屈折率、厚さ、体積空隙率を試料に非接触で且つ非破壊で簡便に測定できる装置および方法を提供する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子などを構成する膜の性質は、素子の性能を決定する重要なキーポイントになっていて、膜の試作から量産過程に至るどのステージにおいても、形成した薄膜の化学的組成、屈折率、厚さ、体積空隙率といったパラメータを知る必要がある。しかし、それらを同時に試料を非破壊で簡便且つ正確に測定する方法はなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明では、半導体素子などに於ける膜の化学的組成、屈折率、厚さ、体積空隙率を試料に非接触且つ非破壊で簡便且つ正確に、しかも、高速に測定できるようにする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に依る膜の分析装置及び膜の分析方法に於いては、赤外光源と、赤外光の波長を選択する光学系と、波長選択した赤外光の試料への入射角を変化させるために照射点を中心にして試料を回動する機構と、試料からの反射光を観測するために試料の回動に連動して照射点を中心にして試料回動角の２倍分の円運動を行う機構をもち且つＳ偏光成分とＰ偏光成分とを区別して検出するために赤外光路中に１直角の回動が可能な偏光子をもつ赤外光検出系とを備えてなる装置で膜の分析を行うことが基本になっている。
【発明の効果】
【０００５】
前記手段を採ることに依り、試料に非接触、且つ、非破壊で測定することができる為、膜の試作段階に於いて勿論のこと、製造ライン中に於いても素子に依っては分析を行うことができ、また、従来の技術に比較して実施が簡単で、短時間で測定を行うことができ、更にまた、自動化が可能であるから、膜の試作及び量産過程に於ける分析の情報量の向上や検査のスループットの向上を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は本発明に依る分析装置を表す要部説明図を表している。図に於いて、１は赤外光源、２は波長選択光学系、３は被測定試料を構成するウェーハ、５は赤外光検出系をそれぞれ示している。
【０００７】
図２は被測定試料を回動する装置を表す要部説明図を表し、図１に於いて用いた記号と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つものとする。図に於いて、４は被測定試料３を支持するＹ−Ｚステージ、６は第１の回転ステージ、７は第２の回転ステージ、Ｌ１は入射赤外光、Ｌ２は反射赤外光をそれぞれ示している。
【０００８】
図２に見られる被測定試料の回動装置に於いて、第１の回転ステージ６と第２の回転ステージ７とは同一の回転中心を持つが、それぞれ独立して回転可能になっている。第１の回転ステージ６上には、被測定試料を支持する為のＹ−Ｚステージ３が取り付けられ、Ｙ−Ｚステージ３は被測定試料を紙面に水平な方向及び紙面に垂直な方向に動かせるようになっている。従って、Ｙ−Ｚステージ３を動作させることで、被測定試料上の任意の位置について分析を行うことができる。また、第２の回転ステージ７上には赤外光検出系５が取り付けられている。そして、第１の回転ステージ６、第２の回転ステージ７、Ｙ−Ｚステージ３は、それぞれステッピングモーターを用いて駆動するようになっている。
【０００９】
図３は赤外光検出器を説明する為の要部説明図を表し、図１及び図２に於いて用いた記号と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つものとする。図に於いて、３Ａはウェーハ３に於ける金属膜、３Ｂはウェーハ３に於ける被測定膜、Ｌはランダム偏光である入射光、ＬＰはＰ偏光成分である反射光、ＬＳはＳ偏光成分である反射光、５Ａは偏光子、５Ｂは拡大光学系、５Ｃは１次元アレイ赤外光検出器をそれぞれ示している。
【００１０】
本発明に依る分析装置を用いて行う測定について説明する。被測定試料は図３に見られるように、ウェーハ３上に金属膜３Ａを成膜し、その上に測定すべき被測定膜３Ｂを成膜したものを用いる。
【００１１】
被測定試料をＹ−Ｚステージ４に取付け、被測定膜３Ｂにランダム偏光の赤外光からなる入射光Ｌを照射し、被測定膜３Ｂに入射して金属膜３Ａで反射された反射光のＳ偏光成分ＬＳのみを検出しながら反射光強度の測定を行う。
【００１２】
このとき、入射光Ｌの入射角度を掃引すると、Ｓ偏光成分ＬＳの反射光強度が最小となる角度が存在する。この角度をθとすると、θは下記式で求められる。
【数１】
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ここで、ｎ1 及びｎ2 は空気及び被測定膜３Ｂの絶対屈折率であり、そして、空気の絶対屈折率は既知であるから、被測定膜３Ｂの絶対屈折率は容易に求めることができる（（付記１）及び（付記６）に対応。）。
【００１３】
次に、入射光Ｌの入射角度をθに固定して、Ｓ偏光成分ＬＳ（被測定膜３Ｂ表面で反射したもの）とＰ偏光成分ＬＰ（被測定膜３Ｂと金属膜３Ａとの界面で反射したもの）の空間分布を１次元アレイ赤外光検出器５Ｃで測定する。
【００１４】
Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との空間分布の違い、即ち、１次元アレイ赤外光検出器５Ｃ上での位置ずれは、入射光Ｌの入射角度、被測定膜３Ｂの屈折率ｎ2 、被測定膜３Ｂの膜厚との関数であるから、さきに求めた被測定膜３Ｂの絶対屈折率ｎ2 をもとにして膜厚を算出することができる（（付記２）、（付記３）、（付記７）に対応。）。
【００１５】
入射光Ｌの入射角度を約７５度付近に固定し、Ｐ偏光成分を検出すれば、高感度反射分光が可能となる。したがって、赤外光の波長掃引を行えば、被測定膜３Ｂの赤外吸収スペクトルに相当するものを測定できるので、その化学的組成を知ることができる。また、被測定膜３Ｂが多孔質低誘電体材料からなる場合には、その膜厚と吸光度（赤外吸収強度）Ａから、体積空隙率を計算することができる（（付記１）乃至（付記３）、（付記８）、（付記９）に対応。）。
【００１６】
上記吸光度Ａは、光の振動数ωの関数であるからＡ（ω）で表すと下記数２の式から求めることができる。
【数２】
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【００１７】
数２の式で、Ｉ（ω）及びＩ（ω0 ）は、反射光強度を測定した場合、被測定膜があるとき、及び、ないとき（金属膜のみの場合）の反射光強度である。金属膜のみの場合の反射光強度は、予め測定しておいたものを用いれば良く、毎回測定し直す必要はない。
【００１８】
前記説明した測定を被測定被膜３Ｂ上の測定位置を移動させながら実施すれば、それぞれのパラメターの面分布を知ることができる（（付記４）、（付記５）、（付記１０）に対応。）。
【００１９】
本発明に於いては、前記説明した実施の形態を含め、多くの形態で実施することができので、以下、それを付記として例示する。
【００２０】
（付記１）
赤外光源と、赤外光の波長を選択する光学系と、波長選択した赤外光の試料への入射角を変化させるために照射点を中心にして試料を回動する機構と、試料からの反射光を観測するために試料の回動に連動して照射点を中心にして試料回動角の２倍分の円運動を行う機構をもち且つＳ偏光成分とＰ偏光成分とを区別して検出するために赤外光路中に１直角の回動が可能な偏光子をもつ赤外光検出系と
を備えてなることを特徴とする膜の分析装置。
【００２１】
（付記２）
赤外光検出系が１次元アレイ赤外光検出器を備えると共に偏光子と１次元アレイ赤外光検出器との間に介挿された赤外光用材料を用いた拡大光学系
を備えてなることを特徴とする（付記１）記載の膜の分析装置。
【００２２】
（付記３）
試料が膜を形成したウェーハである場合、ウェーハを割断することなく支持可能なステージ
を備えてなることを特徴とする（付記１）或いは（付記２）記載の膜の分析装置。
【００２３】
（付記４）
ステージは支持した試料上の全ての任意の場所を分析するため、入射する赤外光に対して試料の位置を移動できる機構
を備えてなることを特徴とする（付記３）記載の膜の分析装置。
【００２４】
（付記５）
（付記１）乃至（付記４）の何れか１記載の膜の分析装置を用いて分析を行う際、
試料に於ける被測定膜にランダム偏光の赤外光を照射し、
Ｓ偏光成分のみを検出できるように偏光子の角度を合わせた状態で反射光強度を測定しながら入射角を掃引し、
反射光強度が最小になる角度を検出することにより被測定膜の絶対屈折率を測定すること
を特徴とする膜の分析方法。
【００２５】
（付記６）
赤外光の入射角度を反射光強度が最小になる角度に固定し、先ずＳ偏光成分を検出するように偏光子の角度を合わせた状態でアレイ赤外光検出器上の反射光像を測定し、
次いで、Ｐ偏光成分を検出できるように偏光子の角度を合わせた状態でアレイ赤外光検出器上の反射光像を測定し、
次いで、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との反射光像の位置差を計測することで被測定膜の厚さを測定すること
を特徴とする（付記５）記載の膜の分析方法。
【００２６】
（付記７）
（付記１）乃至（付記４）の何れか１記載の膜の分析装置を用いて分析を行う際、
赤外光の入射角度を固定し、赤外光の波長を掃引しながら反射光強度を測定することによって膜の化学組成を知ること
を特徴とする膜の分析方法。
【００２７】
（付記８）
（付記１）乃至（付記４）の何れか１記載の膜の分析装置を用いて分析を行う際、（付記６）に示した方法で得た膜厚と、下記式で得られる吸光度Ａとから、膜の体積空隙率を算出することを特徴とする膜分析方法。
【数３】
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【００２８】
（付記９）
（付記１）乃至（付記４）の何れか１記載の膜の分析装置を用い、且つ、（付記５）乃至（付記８）の何れか１記載の膜の分析方法を適用して分析を行う際、
試料を動かして、膜上の任意の位置の分析を行い、且つ、分析位置を連続的に掃引して膜のパラメターの位置分布を知ること
を特徴とする膜の分析方法。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に依る分析装置を表す要部説明図を表している。
【図２】被測定試料を回動する装置を表す要部説明図を表している。
【図３】赤外光検出器を説明する為の要部説明図を表している。
【符号の説明】
【００３０】
１  赤外光源
２  波長選択光学系
３  被測定試料を構成するウェーハ
３Ａ  金属膜
３Ｂ  被測定膜
４    Ｙ−Ｚステージ
５    赤外光検出系
５Ａ  偏光子
５Ｂ  拡大光学系
５Ｃ  １次元アレイ赤外光検出器
６    第１の回転ステージ
７    第２の回転ステージ
Ｌ  ランダム偏光である入射光
Ｌ１  入射赤外光
Ｌ２  反射赤外光
ＬＰ  Ｐ偏光成分である反射光
ＬＳ  Ｓ偏光成分である反射光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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