(57)【要約】【課題】高スループットかつ高精度な膜測定を安価で容易に行なう膜測定方法を得ること。【解決手段】第１の基板上に形成されたサンプル膜Ａに光を照射して膜質測定した場合の膜質情報３Ａと、第２の基板上に形成されサンプル膜Ａと同じ種類の膜材であるサンプル膜Ｂに光を照射して膜質測定した場合の膜質情報３Ｂと、を比較し、膜質測定結果の差が所定値よりも小さくなる波長の光を、膜厚測定に用いる波長領域の光として選択し、サンプル膜Ａ，Ｂと同じ種類の膜材である測定対象膜に、選択した波長領域の光を照射して、測定対象膜の膜厚を測定する。【選択図】図７
2011017675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板上に形成された第１のサンプル膜に光を照射して膜質測定した場合の第１の膜質と、第２の基板上に形成され前記第１のサンプル膜と同じ種類の膜材である第２のサンプル膜に前記光を照射して膜質測定した場合の第２の膜質と、で膜質測定結果の差が所定値よりも小さくなる波長の光を、膜厚測定に用いる波長領域の光として選択する波長選択ステップと、
前記第１および前記第２のサンプル膜と同じ種類の膜材である測定対象膜に、選択した前記波長領域の光を照射して、前記測定対象膜の膜厚を測定する膜厚測定ステップと、
を含むことを特徴とする膜測定方法。
【請求項２】
測定された前記測定対象膜の膜厚を用いて、選択した前記波長領域以外の波長領域における前記測定対象膜の膜質を算出することを特徴とする請求項１に記載の膜測定方法。
【請求項３】
前記第１のサンプル膜、前記第２のサンプル膜および前記測定対象膜の膜材は、シリコン窒化膜であり、選択する前記波長領域は、５００ｎｍから６００ｎｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の膜測定方法。
【請求項４】
前記測定対象膜の膜厚は分光反射率計測装置によって測定し、前記測定対象膜の膜質は分光反射率計測装置によって算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の膜測定方法。
【請求項５】
前記第１のサンプル膜の第１の膜質および前記第２のサンプル膜の第２の膜質は、それぞれ分光反射率計測装置によって測定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の膜測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板上に半導体装置を形成する際の検査工程の１つとして、基板上に成膜した材料の膜質、膜厚等を光学的手法によって膜測定する工程がある。この光学的手法は、大きく分けて２つの方法に分類される。光学的手法による膜測定の１つは、分光反射率計測と呼ばれる方法であり、この方法では単純にサンプルからの反射強度のみを計測して膜測定している。光学的手法による膜測定のもう一方は、分光エリプソメトリと呼ばれる方法であり、この方法では光を偏光させ、厳密に光の変化の様子を捉えて膜測定している（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
分光エリプソメトリは、膜測定の精度面では非常に優れており、特に膜質等の解析には必須な技術といえる。一方、分光反射率計測は、装置構成が簡易で安価であるが、膜測定の精度は分光エリプソメトリよりも劣るので、単純な膜測定にのみ使用されることが一般的である。このため、高精度な膜測定が要求される場合には、分光エリプソメトリが用いられる。
【０００４】
しかしながら、分光エリプソメトリは、光を偏光させる必要があるので装置構成が複雑になり、その結果、装置コストが高くなる。また、偏光子を回転させる必要などがあるので、分光反射率計測よりも膜測定に長時間を要し、スループットが低くなる。さらには、膜に照射する光を斜めに照射する必要があるので、膜へ照射する光のスポットサイズを小さくすることが困難である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Nadine BLAYO, PhD Jobin Yvon S. A.著，「技術情報誌”Readout”」,'分光エリプソメトリによる屈折率計測'（Full Automatic Spectroscopic Ellipsometer UT-300  Part 2 Basic Principles of Ellipsometry and PEM）,Readout No.21 September 2000,HORIBA Technical Reports
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高スループットかつ高精度な膜測定を安価で容易に行なうことができる膜測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願発明の一態様によれば、第１の基板上に形成された第１のサンプル膜に光を照射して膜質測定した場合の第１の膜質と、第２の基板上に形成され前記第１のサンプル膜と同じ種類の膜材である第２のサンプル膜に前記光を照射して膜質測定した場合の第２の膜質と、で膜質測定結果の差が所定値よりも小さくなる波長の光を、膜厚測定に用いる波長領域の光として選択する波長選択ステップと、前記第１および前記第２のサンプル膜と同じ種類の膜材である測定対象膜に、選択した前記波長領域の光を照射して、前記測定対象膜の膜厚を測定する膜厚測定ステップと、を含むことを特徴とする膜測定方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高スループットかつ高精度な膜測定を安価で容易に行なうことが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１の実施の形態に係る分光反射率計測装置の構成を示す図である。
【図２】図２は、分光エリプソメトリの構成を示す図である。
【図３】図３は、分光反射率計測装置や分光エリプソメトリが測定する膜を説明するための図である。
【図４】図４は、第１の実施の形態に係る膜厚測定方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】図５は、サンプル膜から得られる反射光の特性例を示す図である。
【図６】図６は、反射光の特性から算出された膜質を示す図である。
【図７】図７は、サンプル膜の比較処理を説明するための図である。
【図８】図８は、従来の方法でサンプル膜の膜厚を測定した場合の膜厚測定結果を示す図である。
【図９】図９は、第１の実施の形態に係る膜厚測定方法でサンプル膜を測定した場合の膜厚測定結果を示す図である。
【図１０】図１０は、第２の実施の形態に係る膜厚測定方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、分光反射率計測で得られる光強度を示す図である。
【図１２】図１２は、分光反射率計測装置で測定した膜厚の測定結果を示す図である。
【図１３】図１３は、既知の膜厚を用いて算出した屈折率の算出結果を示す図である。
【図１４】図１４は、従来の分光反射率計測方法で測定した膜厚と屈折率の測定結果を示す図である。
【図１５】図１５は、分光エリプソメトリのみを用いて測定した膜質の測定結果を示す図である。
【図１６】図１６は、分光エリプソメトリのみを用いて測定した膜厚と屈折率の測定結果を示す図である。
【図１７】図１７は、第１の実施の形態に係る分光反射率計測装置が備える情報処理装置のハードウェア構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る膜厚測定方法を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１１】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る分光反射率計測装置の構成を示す図である。本実施の形態では、後述する分光エリプソメトリ２を用いて、測定対象となる膜材（後述するサンプル膜Ａ，Ｂ）の膜質を測定しておく。そして、分光反射率計測装置１は、分光エリプソメトリ２が測定した膜質を用いて、製品となる基板上などに形成された測定対象膜（被測定膜Ｃ）の膜厚を測定する際に用いる光の波長（以下、製品測定用波長という）を決定する。そして、分光反射率計測装置１は、決定した製品測定用波長を用いて、被測定膜Ｃの膜厚を測定する。分光エリプソメトリ２が測定する膜質は、光学定数であり、例えば屈折率や消衰係数などである。また、サンプル膜Ａ，Ｂや被測定膜Ｃは、同一種類の膜材（例えばシリコン窒化膜）である。したがって、分光反射率計測装置１は、分光エリプソメトリ２が膜質を測定した膜材と同じ種類の膜材の膜厚を測定する。
【００１２】
分光反射率計測装置１は、光学系１０と情報処理装置２０を備えている。光学系１０は、被測定膜Ｃに光を照射して、被測定膜Ｃからの反射光を検出する機能を有している。被測定膜Ｃは、例えばウエハなどの半導体基板上に積層（成膜）された膜である。
【００１３】
光学系１０は、光源１１、分光器１５、検出器１６を含んで構成されている。光源１１は、白色光などの光を発する。光源１１が発した白色光は、入射光１２として被測定膜Ｃに送られ、被測定膜Ｃ上で反射される。被測定膜Ｃで反射した反射光１４は、分光器１５に送られる。
【００１４】
分光器１５は、反射光１４を分光させて検出器１６に送る。検出器１６は、分光器１５から送られてくる分光光を検出する装置である。検出器１６は、検出した分光光に応じた検出信号を情報処理装置２０に送る。
【００１５】
情報処理装置２０は、検出器１６からの検出信号を用いて被測定膜Ｃの膜厚や膜質を算出するコンピュータなどの装置である。情報処理装置２０は、制御部２１、記憶部２２、計算部２３、入力部２４、出力部２５を備えている。
【００１６】
入力部２４は、分光エリプソメトリ２が測定したサンプル膜Ａ，Ｂの膜質に関する情報（サンプル膜情報）、分光反射率計測装置１が測定する膜の種類に関する情報（被測定膜Ｃの膜材を指定する情報）などを入力し、計算部２３に送る。記憶部２２は、検出器１６からの検出信号や計算部２３の計算結果（被測定膜Ｃの膜厚）などを記憶するメモリなどである。
【００１７】
制御部２１は、光源１１を制御するとともに、計算部２３を制御する。制御部２１は、膜厚測定に用いる膜厚測定レシピを記憶する。計算部２３は、入力部２４から送られてくるサンプル膜情報、記憶部２２が記憶する検出信号、制御部２１が記憶している膜厚測定レシピを用いて、被測定膜Ｃの膜厚を算出する。出力部２５は、計算部２３が算出した被測定膜Ｃの膜厚を、膜厚の測定結果として出力する。
【００１８】
つぎに、サンプル膜Ａ，Ｂの膜質を測定する分光エリプソメトリ２の構成について説明する。図２は、分光エリプソメトリの構成を示す図である。分光エリプソメトリ２は、光学系４０と情報処理装置５０を備えている。光学系４０は、サンプル膜Ａ，Ｂに光を照射して、サンプル膜Ａ，Ｂからの反射光を検出する機能を有している。サンプル膜Ａ，Ｂは、例えばウエハなどの半導体基板上に成膜された膜である。
【００１９】
光学系４０は、光源４１、偏光子４２、検光子４５、検出器４６を含んで構成されている。光源４１は、白色光などの光を発する。偏光子４２は、光源４１が発した白色光を例えば直交する２方向に偏光し、振幅や波長を揃える。偏光子４２を出た光は、入射光４３として入射角度θでサンプル膜Ａやサンプル膜Ｂに送られ、サンプル膜Ａ，Ｂ上で反射される。サンプル膜Ａ，Ｂで反射した反射光４４は、検光子４５に送られる。
【００２０】
検光子４５は、直交する２方向に偏光されてサンプル膜Ａ，Ｂで反射された光の中から検光子４５の配置方向に応じた振動成分を取り出して検出器４６に送る。検出器４６は、検光子４５から送られてくる光の振動成分を検出する装置である。検出器４６は、検出した振動成分に応じた検出信号を情報処理装置５０に送る。
【００２１】
情報処理装置５０は、検出器４６からの検出信号を用いてサンプル膜Ａ，Ｂの膜質を算出するコンピュータなどの装置である。情報処理装置５０は、制御部５１、記憶部５２、計算部５３、入力部５４、出力部５５を備えている。
【００２２】
入力部５４は、分光エリプソメトリ２が測定する膜の種類に関する情報（サンプル膜Ａ，Ｂの膜材を指定する情報）などを入力し、計算部５３に送る。記憶部５２は、検出器４６からの検出信号や計算部５３の計算結果（サンプル膜Ａ，Ｂの膜質）などを記憶するメモリなどである。
【００２３】
制御部５１は、光源４１を制御するとともに、計算部５３を制御する。制御部５１は、膜質測定に用いる膜質測定レシピを記憶する。計算部５３は、入力部５４から送られてくるサンプル膜Ａ，Ｂの膜材を指定する情報、記憶部５２が記憶する検出信号、制御部５１が記憶している膜質測定レシピを用いて、サンプル膜Ａ，Ｂの膜質を算出する。出力部５５は、計算部５３が算出したサンプル膜Ａ，Ｂの膜質を、膜質の測定結果として出力する。
【００２４】
ここで、分光反射率計測装置１や分光エリプソメトリ２が測定する膜（サンプル膜Ａ，Ｂや被測定膜Ｃ）について説明する。図３は、分光反射率計測装置や分光エリプソメトリが測定する膜を説明するための図である。図３では、分光反射率計測装置１や分光エリプソメトリ２によって測定される膜の断面構成を示している。分光反射率計測装置１や分光エリプソメトリ２が測定する膜は、サンプル膜Ａ，Ｂや被測定膜Ｃであり、例えばシリコン３１上に形成された膜（図３では測定膜３２として図示）である。例えば、サンプル膜Ａは第１の基板上に成膜され、サンプル膜Ｂは第２の基板上に成膜され、被測定膜Ｃは、製品基板（第３の基板）上に成膜される。
【００２５】
サンプル膜Ａ，Ｂや被測定膜Ｃは、例えばシリコン窒化膜（ＳｉＮ）などの同一の膜材で成膜されている。サンプル膜Ａは、例えばプロセス条件の許容上限値で作製された膜であり、サンプル膜Ｂは、例えばプロセス条件の許容下限値で作製された膜である。これにより、プロセス条件の許容上限値から許容下限値で形成された膜の膜質（サンプル膜情報）を用いて、被測定膜Ｃの膜厚が測定されることとなる。なお、本実施の形態では、膜質の測定に用いるサンプル膜がサンプル膜Ａ，Ｂの２種類である場合について説明するが、サンプル膜は３種類以上であってもよい。また、サンプル膜Ａ，Ｂは、異なるプロセス条件で成膜させる場合に限らず、異なる装置で成膜させてもよい。
【００２６】
つぎに、第１の実施の形態に係る膜厚測定方法の処理手順について説明する。図４は、第１の実施の形態に係る膜厚測定方法の処理手順を示すフローチャートである。まず、分光エリプソメトリ２によってサンプル膜Ａ，Ｂの膜質を測定する。具体的には、まず分光エリプソメトリ２にサンプル膜Ａ，Ｂをセットし、サンプル膜Ａ，Ｂからの反射光４４の特性を測定する。
【００２７】
図５は、サンプル膜から得られる反射光の特性例を示す図である。サンプル膜Ａ，Ｂに入射光４３を照射すると、情報処理装置５０へは、反射光４４に応じた検出信号が送られる。この検出信号は、計算部５３によって反射光４４の特性を示す情報に変換される。図５の（ａ）は、入射光４３の波長と、反射光４４の直交する光の強度比を示す情報（強度比情報）と、の対応関係（特性情報１０１）を示している。また、図５の（ｂ）は、入射光４３の波長と、反射光４４の直交する光の位相差と、の対応関係（特性情報１０２）を示している。
【００２８】
図５の（ａ）に示す特性情報１０１は、横軸が入射光４３の波長であり、縦軸が強度比情報である。また、図５の（ｂ）に示す特性情報１０２は、横軸が入射光４３の波長であり、縦軸が位相差である。特性情報１０１の強度比情報や特性情報１０２の位相差は、偏光された後の入射光４３がサンプル膜Ａ，Ｂへの照射前後でどのように変化したかを規格化したものである。
【００２９】
計算部５３は、図５に示した特性情報１０１の波形や特性情報１０２の波形を解析し、サンプル膜Ａ，Ｂの膜質が算出される。図６は、反射光の特性から算出された膜質を示す図である。計算部５３は、サンプル膜Ａ，Ｂの膜質を定義するためのモデルとして、例えばハーモニックオシレータを用いる。なお、計算部５３は、サンプル膜Ａ，Ｂの膜質を定義するためのモデルとして、ハーモニックオシレータ以外の他のモデルを用いてもよい。このように、計算部５３は、ハーモニックオシレータを用いてサンプル膜Ａ，Ｂの特性を解析し、サンプル膜Ａ，Ｂの膜質を算出（定義）する。
【００３０】
図６の（ａ）は、入射光４３の波長と屈折率との対応関係（屈折率情報２０１）を示している。また、図６の（ｂ）は、入射光４３の波長と消衰係数との対応関係（屈折率情報２０１）を示している。なお、本実施の形態では、膜質が屈折率と消衰係数である場合について説明するが、膜質は屈折率だけで定義してもよいし、屈折率や消衰係数以外の要素を用いて定義してもよい。
【００３１】
図６の（ａ）に示す屈折率情報２０１は、横軸が入射光４３の波長であり、縦軸が屈折率である。また、図６の（ｂ）に示す消衰係数情報２０２は、横軸が入射光４３の波長であり、縦軸が消衰係数である。計算部５３は、特性情報１０１の波形や特性情報１０２を用い、制御部５１内の膜質測定レシピにリンクすることによって、屈折率情報２０１、消衰係数情報２０２を算出する。計算部５３は、サンプル膜Ａ，Ｂの膜質として、サンプル膜Ａ，Ｂ毎に屈折率情報２０１、消衰係数情報２０２を算出する（ステップＳ１０）。
【００３２】
本実施の形態では、算出したサンプル膜Ａの膜質とサンプル膜Ｂの膜質を比較することによって、被測定膜Ｃの膜厚を測定する際に用いる製品測定用波長を算出する。製品測定用波長は、分光エリプソメトリ２、分光反射率計測装置１、これら以外の他の装置の何れが算出してもよい。本実施の形態では、分光反射率計測装置１が製品測定用波長を算出する場合について説明する。計算部５３が算出したサンプル膜Ａ，Ｂ毎の屈折率情報２０１、消衰係数情報２０２は、出力部５５から出力され、分光反射率計測装置１の入力部２４に入力される。
【００３３】
サンプル膜Ａ，Ｂ毎の屈折率情報２０１、消衰係数情報２０２は、記憶部２２によって記憶される。計算部２３は、サンプル膜Ａの膜質とサンプル膜Ｂの膜質を比較する。図７は、サンプル膜の比較処理を説明するための図である。図７の（ａ）では、サンプル膜Ａの膜質を膜質情報３Ａで示し、図７の（ｂ）では、サンプル膜Ｂの膜質を膜質情報３Ｂで示している。また、図７の（ｃ）では、サンプル膜Ａ，Ｂの比較結果（波形の重ね合わせ）を比較情報３Ｘで示している。
【００３４】
膜質情報３Ａは、サンプル膜Ａの屈折率情報３０１Ａと消衰係数情報３０２Ａを有している。膜質情報３Ｂは、サンプル膜Ｂの屈折率情報３０１Ｂと消衰係数情報３０２Ｂを有している。また、比較情報３Ｘは、屈折率情報３０１Ａと屈折率情報３０１Ｂとの比較結果を示す屈折率比較情報３０１Ｘと、消衰係数情報３０２Ａと消衰係数情報３０２Ｂとの比較結果を示す消衰係数比較情報３０２Ｘと、を有している。
【００３５】
屈折率情報３０１Ａ，３０１Ｂは、屈折率情報２０１と同様に、入射光４３の波長と屈折率との対応関係を示す情報であり、横軸が入射光４３の波長で縦軸が屈折率である。消衰係数情報３０２Ａ，３０２Ｂは、消衰係数情報２０２と同様に、入射光４３の波長と消衰係数との対応関係を示す情報であり、横軸が入射光４３の波長で縦軸が消衰係数である。
【００３６】
計算部５３は、サンプル膜Ａとサンプル膜Ｂの屈折率の比較処理として、屈折率情報３０１Ａと屈折率情報３０１Ｂとを用いて屈折率比較情報３０１Ｘを算出する（ステップＳ２０）。また、計算部５３は、サンプル膜Ａとサンプル膜Ｂの消衰係数の比較処理として、消衰係数情報３０２Ａと消衰係数情報３０２Ｂを用いて消衰係数比較情報３０２Ｘを算出する（ステップＳ３０）。
【００３７】
屈折率比較情報３０１Ｘに示すように、屈折率情報３０１Ａの波形と屈折率情報３０１Ｂの波形を重ね合わせると、同一の波長で同一の屈折率を示す箇所（クロスポイントＰ１など）がある。また、消衰係数比較情報３０２Ｘに示すように、消衰係数情報３０２Ａの波形と消衰係数情報３０２Ｂの波形を重ね合わせると、同一の波長で同一の消衰係数を示す箇所（クロスポイントＰ２など）がある。
【００３８】
略同一の波長で略同一の屈折率を示す波長帯であって、且つ略同一の波長で略同一の消衰係数を示す波長帯で、サンプル膜Ａ，Ｂの膜質を測定した場合、サンプル膜Ａ，Ｂの膜質に光学的な違いは存在していないこととなる。従って、この波長帯の光学定数を用いて被測定膜Ｃの膜厚を測定すれば、被測定膜Ｃは膜質の変化の影響を受けることなく正確に膜厚が測定される。
【００３９】
本実施の形態では、略同一の波長で略同一の屈折率を示す波長であって、且つ略同一の波長で略同一の消衰係数を示す波長が、被測定膜Ｃの測定波長である製品測定用波長に決定される。換言すると、屈折率比較情報３０１Ｘ内の測定波長のうちサンプル膜Ａを測定した場合の屈折率とサンプル膜Ｂを測定した場合の屈折率との差が所定値よりも小さくなる測定波長であって、且つ、消衰係数比較情報３０２Ｘ内の測定波長のうちサンプル膜Ａを測定した場合の消衰係数とサンプル膜Ｂを測定した場合の消衰係数との差が所定値よりも小さくなる測定波長を、製品測定用波長とする。
【００４０】
これにより、計算部５３は、クロスポイントＰ１とクロスポイントＰ２の両方に近い波長（波長領域）を製品測定用波長に決定する（ステップＳ４０）。例えば、被測定膜Ｃがシリコン窒化膜である場合、計算部５３は、製品測定用波長を５００ｎｍ〜６００ｎｍに決定する。なお、計算部５３は、製品測定用波長を５００ｎｍ〜６００ｎｍを含む波長領域としてもよい。
【００４１】
この後、分光反射率計測装置１には、サンプル膜Ａ，Ｂの膜質、シリコン３１の膜質が入力される。分光反射率計測装置１は、製品測定用波長（膜厚測定用の波長領域）、サンプル膜Ａ，Ｂの膜質、シリコン３１の膜質を用いて、被測定膜Ｃの膜厚を測定する（ステップＳ５０）。なお、サンプル膜Ａ，Ｂの膜質やシリコン３１の膜質は、分光エリプソメトリ２が測定した値を用いてもよいし、文献値などであってもよい。
【００４２】
つぎに、計算部５３が決定した製品測定用波長の光を用いてサンプル膜Ａ，Ｂの膜厚を測定した場合の膜厚測定結果と、従来の方法でサンプル膜Ａ，Ｂの膜厚を測定した場合の膜厚測定結果との違いについて説明する。図８は、従来の方法でサンプル膜の膜厚を測定した場合の膜厚測定結果を示す図であり、図９は、第１の実施の形態に係る膜厚測定方法でサンプル膜を測定した場合の膜厚測定結果を示す図である。図８および図９では、サンプル膜Ａ，Ｂがシリコン窒化膜である場合の膜厚測定結果を示している。
【００４３】
まず、サンプル膜Ａ，Ｂをウエハ上に成膜し、成膜したサンプル膜Ａ，Ｂの断面をＳＥＭ（Scanning  Electron  Microscope）などで観察する。例えば、サンプル膜Ａ，Ｂのウエハ断面をそれぞれ面内で４箇所ずつ観察して、サンプル膜Ａ，Ｂの膜厚を測定する。また、従来方法での膜厚測定として、サンプル膜Ａ，Ｂをウエハ面内で４箇所ずつ、分光反射率計測装置１を用いて種々の波長で測定する。また、第１の実施の形態に係る膜厚測定方法として、サンプル膜Ａ，Ｂをウエハ面内で４箇所ずつ、分光反射率計測装置１を用いて製品測定用波長（５２０ｎｍ〜５２５ｎｍ）で測定する。
【００４４】
図８に示すように、従来の方法でサンプル膜Ａ，Ｂの膜厚を測定した場合、断面観察から求めた膜厚と、分光反射率計測装置１を用いて測定した膜厚と、の膜厚差（△）は、サンプル膜Ａとサンプル膜Ｂとで、大きな違いが生じている。具体的には、サンプル膜Ｂでは△は約１０Ａであり、この値は膜厚の約３％であるので膜厚の管理としては許容することはできない。このような膜厚のばらつきは、例えば図７の（ｃ）に示したように、サンプル膜Ａとサンプル膜Ｂとで、膜厚を測定する波長によって測定される膜質間に変化が生じるからである。換言すると、膜厚を測定する波長によっては、サンプル膜Ａとサンプル膜Ｂとで、異なる膜質が測定されてしまう。この膜質の違いは、プロセスの安定性等によるものと推測される。
【００４５】
一方、第１の実施の形態に係る膜厚測定方法でサンプル膜Ａ，Ｂの膜厚を測定した場合、断面観察から求めた膜厚と、分光反射率計測装置１を用いて測定した膜厚と、の膜厚差（△）は、サンプル膜Ａとサンプル膜Ｂとで、小さな違いしか生じていない。具体的には、第１の実施の形態に係る膜厚測定方法でサンプル膜Ａ，Ｂの膜厚を測定した場合、サンプル膜Ａ，Ｂの全ての測定点において△は膜厚の１％以下となっている。このように、第１の実施の形態に係る膜厚測定方法でサンプル膜Ａ，Ｂを測定した膜厚と、断面観察から求めた実際の膜厚との差が小さくなっており、膜厚の計測が正確に実行されていることが確認できた。
【００４６】
このように、簡易な分光反射率計測手法においても高精度な膜厚測定を実現できるよう、膜質と光の波長との関係を予め調べ、膜厚測定の際の波長領域を適切に選択することによって高精度な膜厚測定を行なっている。すなわち、被測定膜Ｃの膜質に着目し、膜質を測定した場合に光学的に変化の少ない波長領域を選択して膜厚測定を実行している。これにより、安価な分光反射率計測装置１であっても、膜質変化の影響を受けること無く高精度な膜厚測定を実現することが可能となる。
【００４７】
第１の実施の形態に係る膜厚測定方法で測定された被測定膜Ｃの膜厚値は、予め設定しておいた膜厚許容値と比較される。そして、被測定膜Ｃの膜厚値が膜厚許容値の範囲内であれば、被測定膜Ｃが成膜されているウエハは次の工程での処理が行なわれる。これにより、被測定膜Ｃを用いて半導体デバイスなどの半導体装置（半導体集積回路）が製造される。具体的には、露光装置がウエハの露光処理を行い、その後、ウエハの現像処理、エッチング処理を行う。換言すると、リソグラフィ工程で転写により形成したレジストパターンでマスク材を加工し、さらにパターンニングされたマスク材を使用して被加工膜（被測定膜Ｃなど）をエッチングによりパターンニングする。半導体装置を製造する際には、上述した被測定膜Ｃの成膜処理、被測定膜Ｃの膜厚測定処理、露光処理、現像処理、エッチング処理などがレイヤ毎に繰り返される。
【００４８】
なお、本実施の形態では、サンプル膜Ａ，Ｂの膜質を分光エリプソメトリ２によって測定したが、サンプル膜Ａ，Ｂの膜質は分光エリプソメトリ２以外の装置によって測定してもよい。また、被測定膜Ｃの膜厚は、分光反射率計測装置１以外の装置によって測定してもよい。また、製品測定用波長によって測定する膜は被測定膜Ｃに限らず、サンプル膜Ａ，Ｂと同種の膜材であれば何れの膜を測定してもよい。また、分光エリプソメトリ２によって測定したサンプル膜Ａ，Ｂの膜質を用いて製品測定用波長を算出したが、サンプル膜Ａ，Ｂの膜質として文献値を用いて製品測定用波長を算出してもよい。
【００４９】
このように第１の実施の形態によれば、サンプル膜Ａ，Ｂで膜質測定を行なった場合に、サンプル膜Ａ，Ｂで膜質の測定結果に差が生じにくい製品測定用波長を選択し、この製品測定用波長で被測定膜Ｃの膜厚を測定するので、分光反射率計測装置１を用いて高精度に被測定膜Ｃの膜厚を測定することが可能となる。また、分光反射率計測装置１を用いて被測定膜Ｃの膜厚を測定できるので、高スループットな膜厚測定を安価で容易に行なうことができる。
【００５０】
また、被測定膜Ｃがシリコン窒化膜である場合に、被測定膜Ｃを５００ｎｍ〜６００ｎｍの製品測定用波長で膜厚測定するので、被測定膜Ｃの膜厚を精度良く測定することが可能となる。
【００５１】
また、分光エリプソメトリ２を用いてサンプル膜Ａ，Ｂの膜質を測定しておくので、サンプル膜Ａ，Ｂの膜質を正確に測定することが可能となる。したがって、被測定膜Ｃの膜厚を精度良く測定できる製品測定用波長を正確に決定することが可能となる。
【００５２】
（第２の実施の形態）
つぎに、図１０〜図１７を用いてこの発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態では、第１の実施の形態で算出した膜厚を用いて、分光反射率計測装置１が被測定膜Ｃの膜質を算出する。
【００５３】
図１０は、第２の実施の形態に係る膜厚測定方法の処理手順を示すフローチャートである。本実施の形態でも、第１の実施の形態と同様に、分光反射率計測装置１内に被測定膜Ｃと同じ材質で作製されたサンプル膜Ａ，Ｂの膜質（サンプル膜情報）を入力しておく。なお、分光反射率計測装置１内に入力しておくサンプル膜Ａ，Ｂの膜質は、暫定的なものであり、最終的には膜質そのものがパラメータ化されて変化することになる。この点が膜厚のみを測定する場合との大きな違いである。本実施の形態では、安価な分光反射率計測装置１を用いて高精度な膜厚測定と高精度な膜質測定を同時に行なう。
【００５４】
まず、第１の実施の形態の膜厚測定方法と同じ方法で被測定膜Ｃの膜厚を測定する。具体的には、分光エリプソメトリ２が、サンプル膜Ａ，Ｂの膜質を算出し、この膜質を用いて製品測定用波長を決定する。そして、分光反射率計測装置１が製品測定用波長で被測定膜Ｃの膜厚を測定する（ステップＳ１１０）。例えば、本実施の形態では、５４５ｎｍ〜５５５ｎｍの波長帯を選択して被測定膜Ｃの膜厚を測定する。具体的には、５４５ｎｍ〜５５５ｎｍの波長を有した光を被測定膜Ｃに照射し、図１１に示す反射信号の情報（光の強度比）を取得する。
【００５５】
図１１は、分光反射率計測で得られる光強度を示す図である。図１１では、横軸が測定波長を示し、縦軸がサンプル膜Ａ，Ｂと基準サンプルとの光の強度比を示している。基準サンプルは、例えば分光反射率計測装置１にセットされているベアシリコンなどである。サンプル膜Ａ，Ｂを測定する際には、基準サンプルの光強度を測定しておき、基準サンプルの光強度をベースとしてサンプル膜Ａ，Ｂと基準サンプルとの強度比が測定される。図１１に示すように、分光反射率計測で得られる情報は、測定波長と光の強度比との対応関係（以下、強度比波形という）である。計算部２３は、５４５ｎｍ〜５５５ｎｍの波長帯で測定した被測定膜Ｃの強度比波形を、シミュレーション生成された他の強度比波形とフィッテングさせる。具体的には、５４５ｎｍ〜５５５ｎｍの波長帯で測定した場合の膜質を用いて、種々の膜厚毎に５４５ｎｍ〜５５５ｎｍの波長帯での強度比波形をシミュレーション予測しておく。これにより、種々の強度比波形は、それぞれ膜厚に対応付けされる。そして、種々の膜厚毎にシミュレーション予測された強度比波形の中から、被測定膜Ｃを用いて測定した強度比波形と略同じ波形を有する強度比波形を抽出する。抽出した強度比波形に対応する膜厚が、被測定膜Ｃの膜厚となる。
【００５６】
そして、分光反射率計測装置１は、測定した膜厚を用いて被測定膜Ｃの膜質を算出する（ステップＳ１２０）。図１２は、分光反射率計測装置で測定した膜厚の測定結果を示す図である。図１２では、選択した製品測定用波長で膜厚のみを測定した場合の測定結果を示している。図１２の横軸は被測定膜Ｃのウエハ面内での膜厚測定ポイントであり、縦軸は被測定膜Ｃの膜厚測定結果である。この膜厚測定結果（膜厚Ｔ１の波形）は、後述する従来の膜厚測定結果（従来の分光反射率計測方法での測定結果）と比べて各膜厚測定ポイントで安定した値を示している。
【００５７】
次いで、分光反射率計測装置１の計算部２３は、測定した膜厚を既知の値に設定し、この膜厚の値を用いて、被測定膜Ｃの全波長帯（本実施の形態のでは２００ｎｍ〜８４０ｎｍ）での膜質（屈折率などの光学定数）を算出（定義）する。図１３は、既知の膜厚を用いて算出した屈折率の算出結果を示す図である。図１３では、６３３ｎｍの製品測定用波長で被測定膜Ｃの膜質を測定（算出）した場合の屈折率を示している。図１３の横軸は被測定膜Ｃのウエハ面内での膜質測定ポイントであり、縦軸は被測定膜Ｃの屈折率算出結果である。この膜質測定結果（膜質Ｎ１の波形）は、後述する分光エリプソメトリ２のみを用いた膜質測定結果と同様に各膜質測定ポイントで安定した値を示している。
【００５８】
このように、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、膜質測定結果がサンプル膜Ａ，Ｂの膜質によって変化しないかまたは変化が少ない波長帯を用いて被測定膜Ｃの膜厚を測定する。そして、この膜厚を用いて、種々の波長で膜質を測定した場合の膜質を算出する。このように、被測定膜Ｃの膜厚、膜質を測定する場合に、膜厚測定と膜質測定の２段階で測定を行なっているので、装置構成が簡易な分光反射型計測装置１であっても高精度な膜厚、膜質測定が可能となる。
【００５９】
ここで、従来の分光反射率計測方法での膜厚および膜質の測定結果と、従来のように分光エリプソメトリ２のみを用いた場合の膜質測定結果について説明する。図１４は、従来の分光反射率計測方法で測定した膜厚と屈折率の測定結果を示す図である。従来の分光反射率計測方法では、例えば分光反射率計測装置１が、被測定膜Ｃの膜厚と膜質とを同時に測定する。図１４の横軸は被測定膜Ｃのウエハ面内での膜厚測定ポイントである。また、左側の縦軸は被測定膜Ｃの膜厚測定結果であり、右側の縦軸は被測定膜Ｃの膜質測定結果である。膜厚測定結果（膜厚Ｔ２の波形）は、図１２に示した本実施の形態の膜厚測定方法で測定した膜厚と比べてばらつきが大きい。また、膜質測定結果（膜質Ｎ２の波形）は、図１３に示した本実施の形態の膜質測定方法で算出した膜質と比べてばらつきが大きい。
【００６０】
このように、従来の方法で膜厚や膜質を測定した場合に測定結果がばらつく原因としては、分光反射率計測の場合、サンプル膜Ａ，Ｂに照射した光の強度比（基準サンプルから得られる強度と比べた値）のみを検出しているにすぎないからである。
【００６１】
図１５は、分光エリプソメトリのみを用いて測定した膜質の測定結果を示す図である。図１５の（ａ）では、横軸が測定波長を示し、縦軸が屈折率を示している。また、図１５の（ｂ）では、横軸が測定波長を示し、縦軸が消衰係数を示している。図１５に示すように分光エリプソメトリ２を用いた測定で得られる情報は、測定波長と屈折率の対応関係と、測定波長と消衰係数との対応関係と、の２つである。この２つの対応関係は、分光エリプソメトリ２によって測定された図５の特性情報１０１，１０２を解析することによって得ることができる。このように、分光反射率計測で得られる情報は、図１４に示した１つのグラフであるのに対し、分光エリプソメトリ２を用いた測定で得られる情報は、図５（図１５）に示した２つのグラフである。したがって、分光反射率計測で得られる情報量と分光エリプソメトリ２を用いた測定で得られる情報量とでは、２倍の情報量差があり、この情報量の差が測定精度の差としてあらわれる。
【００６２】
分光エリプソメトリ２のみを用いて被測定膜Ｃの膜厚および膜質を測定する場合には、図１５に示した膜質を記憶部５２に入力し、膜厚を制御部５１内の膜厚測定レシピ、膜質測定レシピとリンクさせて膜厚測定、膜質測定を実行する。その際、パラメータ（測定対象）には、膜厚に加えて膜質を定義している関数も加える。このようにして、被測定膜Ｃの膜厚と膜質を測定すると、図１６に示す測定結果を得ることができる。
【００６３】
本実施の形態では、製品測定用波長で測定した被測定膜Ｃの膜厚を用いて、被測定膜Ｃの全波長帯での膜質を算出することによって、図１５に示す分光エリプソメトリ２による膜質測定結果と同様の測定結果を得ることができる。
【００６４】
図１６は、分光エリプソメトリのみを用いて測定した膜厚と屈折率の測定結果を示す図である。図１６では、膜質として６３３ｎｍの波長で測定された屈折率の値を膜質の代表値として図示している。なお、他の波長を用いて測定した屈折率を算出して表示することもできる。
【００６５】
分光エリプソメトリ２を用いた膜厚や膜質の測定では、例えば分光エリプソメトリ２が、被測定膜Ｃの膜厚と膜質とを同時に測定する。図１６の横軸は被測定膜Ｃのウエハ面内での膜厚測定ポイントである。また、左側の縦軸は被測定膜Ｃの膜厚測定結果であり、右側の縦軸は被測定膜Ｃの膜質測定結果（屈折率）である。膜厚測定結果（膜厚Ｔ３の波形）は、図１２に示した本実施の形態の膜厚測定方法で測定した膜厚とほぼ同様に各膜厚測定ポイントで安定した値を示している。また、屈折率（膜質Ｎ３の波形）は、図１３に示した本実施の形態の膜質測定方法で算出した屈折率とほぼ同様に各膜質測定ポイントで安定した値を示している。
【００６６】
換言すると、本実施の形態の膜厚測定方法で測定した膜厚は、分光エリプソメトリ２のみを用いて測定した膜厚と同様に、各膜厚測定ポイントで安定した値として測定することができる。また、本実施の形態の膜質測定方法で測定した膜質は、分光エリプソメトリ２のみを用いて測定した膜質と同様に、各膜質測定ポイントで安定した値として測定することができる。このように、本実施の形態では、分光反射型計測装置１を用いて被測定膜Ｃの膜厚、膜質を測定するので、簡易な構成の装置で膜厚、膜質の同時計測を精度良く行える。したがって、装置コストの大幅削減が可能となる。
【００６７】
図１２、図１３、図１５のような膜厚測定結果、膜質測定結果を得た後、膜厚測定結果、膜質測定結果をこれまでに得た測定結果などと比較して、被測定膜Ｃの膜厚判定や膜質判定が行われる。例えば、図１２や図１３に示す測定結果や測定結果のばらつきが許容範囲内の値であるか否かなどに基づいて被測定膜Ｃの膜厚判定や膜質判定が行われる。また、図１５のような被測定膜Ｃの波形を、これまでに得た波形などと比較して、被測定膜Ｃの膜質が所望の膜質を有しているか否かが判定される。そして、被測定膜Ｃの膜厚や膜質が許容範囲内であれば、被測定膜Ｃが成膜されているウエハは次の工程での処理が行なわれる。これにより、被測定膜Ｃを用いて半導体デバイスなどの半導体装置が製造される。
【００６８】
図１７は、第１の実施の形態に係る分光反射率計測装置が備える情報処理装置のハードウェア構成を示す図である。情報処理装置２０は、被測定膜Ｃの膜厚測定に用いる製品測定用波長を算出するとともに、製品測定用波長を用いて測定した被測定膜Ｃの膜厚を用いて被測定膜Ｃの膜質を算出するコンピュータなどの装置であり、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）９１、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）９２、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）９３、表示部９４、入力部９５を有している。情報処理装置２０では、これらのＣＰＵ９１、ＲＯＭ９２、ＲＡＭ９３、表示部９４、入力部９５がバスラインを介して接続されている。
【００６９】
ＣＰＵ９１は、製品測定用波長を決定するコンピュータプログラムである測定波長算出プログラム９７Ａを用いて、被測定膜Ｃの膜厚測定に用いる製品測定用波長を算出する。また、ＣＰＵ９１は、コンピュータプログラムである膜質算出プログラム９７Ｂと、被測定膜Ｃの膜厚測定結果を用いて被測定膜Ｃの膜質を算出する。
【００７０】
表示部９４は、液晶モニタなどの表示装置であり、ＣＰＵ９１からの指示に基づいて、サンプル膜Ａ，Ｂの膜質の測定結果、サンプル膜Ａ，Ｂの比較結果、製品測定用波長（測定波長の算出結果）、被測定膜Ｃの膜厚測定結果、被測定膜Ｃの膜質測定結果などを表示する。入力部９５は、マウスやキーボードを備えて構成され、使用者から外部入力される指示情報（製品測定用波長の算出に必要なパラメータ、被測定膜Ｃの膜質の算出に必要なパラメータ等）を入力する。入力部９５へ入力された指示情報は、ＣＰＵ９１へ送られる。
【００７１】
測定波長算出プログラム９７Ａ、膜質算出プログラム９７Ｂは、ＲＯＭ９２内に格納されており、バスラインを介してＲＡＭ９３へロードされる。ＣＰＵ９１はＲＡＭ９３内にロードされた測定波長算出プログラム９７Ａ、膜質算出プログラム９７Ｂを実行する。具体的には、情報処理装置２０では、使用者による入力部９５からの指示入力に従って、ＣＰＵ９１がＲＯＭ９２内から測定波長算出プログラム９７Ａ、膜質算出プログラム９７Ｂを読み出してＲＡＭ９３内のプログラム格納領域に展開して各種処理を実行する。ＣＰＵ９１は、この各種処理に際して生じる各種データをＲＡＭ９３内に形成されるデータ格納領域に一時的に記憶させておく。
【００７２】
このように第２の実施の形態によれば、製品測定用波長で被測定膜Ｃの膜厚を測定するとともに、この測定結果である膜厚を用いて被測定膜Ｃの膜質を算出するので被測定膜Ｃの膜質を高精度に測定することが可能となる。また、分光反射率計測装置１を用いて被測定膜Ｃの膜厚を測定できるので、高スループットな膜質測定を安価で容易に行なうことができる。
【００７３】
また、被測定膜Ｃがシリコン窒化膜である場合に、被測定膜Ｃを５００ｎｍ〜６００ｎｍの製品測定用波長で膜厚測定、膜質測定するので、被測定膜Ｃの膜質を精度良く測定することが可能となる。
【符号の説明】
【００７４】
１  分光反射率計測装置、２  分光エリプソメトリ、３Ａ，３Ｂ  膜質情報、３Ｘ  比較情報、２０  情報処理装置、２３  計算部、３２  測定膜、Ａ，Ｂ  サンプル膜、Ｃ  被測定膜。
【図１】
2011017675.tif 000003
【図２】
2011017675.tif 000004
【図３】
2011017675.tif 000005
【図４】
2011017675.tif 000006
【図５】
2011017675.tif 000007
【図６】
2011017675.tif 000008
【図７】
2011017675.tif 000009
【図８】
2011017675.tif 000010
【図９】
2011017675.tif 000011
【図１０】
2011017675.tif 000012
【図１１】
2011017675.tif 000013
【図１２】
2011017675.tif 000014
【図１３】
2011017675.tif 000015
【図１４】
2011017675.tif 000016
【図１５】
2011017675.tif 000017
【図１６】
2011017675.tif 000018
【図１７】
2011017675.tif 000019