(57)【要約】【課題】多層膜構造を有する計測対象物に対し、インラインでの膜厚の計測を迅速かつ精度良く実施できる膜厚計測装置、膜厚計測方法、膜厚計測プログラム、及び記録媒体を提供する。【解決手段】膜厚計測装置１は、計測光Ｌ１を出力する光出力部１２と、被検出光Ｌ２を分光検出する分光検出部１３と、分光検出部１３による検出結果から得られる計測対象物Ｓの波長毎の実測反射率を理論反射率と比較し、第１の膜４の膜厚及び第２の膜５の膜厚を解析する解析部１５と、を備え、解析部１５は、第１の波長範囲における計測対象物Ｓの波長毎の実測反射率と理論反射率との比較結果を用いて膜厚の最適解の候補を求め、第１の波長範囲とは異なる第２の波長範囲における計測対象物Ｓの波長毎の実測反射率と理論反射率との比較結果を用いて最適解の候補の中から膜厚の最適解を決定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１の膜と第２の膜とが交互に複数積層された計測対象物について、前記第１の膜の膜厚及び前記第２の膜の膜厚を計測する膜厚計測装置であって、
前記計測対象物に対して計測光を出力する光出力部と、
前記計測対象物からの被検出光を分光検出する分光検出部と、
前記分光検出部による検出結果から得られる前記計測対象物の波長毎の実測反射率を理論反射率と比較し、前記第１の膜の膜厚及び前記第２の膜の膜厚を解析する解析部と、を備え、
前記解析部は、
第１の波長範囲における前記計測対象物の波長毎の実測反射率と理論反射率との比較結果を用いて前記第１の膜の膜厚及び前記第２の膜の膜厚の最適解の候補を求め、
前記第１の波長範囲とは異なる第２の波長範囲における前記計測対象物の波長毎の実測反射率と理論反射率との比較結果を用いて前記最適解の候補の中から前記第１の膜の膜厚及び前記第２の膜の膜厚の最適解を決定する膜厚計測装置。
【請求項２】
前記解析部における前記実測反射率と前記理論反射率との比較は、前記第１の膜の膜厚及び前記第２の膜の膜厚が各層で同一であると仮定した超格子モデルに基づいて行われる請求項１記載の膜厚計測装置。
【請求項３】
前記解析部で用いられる前記第２の波長範囲は、前記第１の波長範囲よりも短波長側の範囲を含む請求項１又は２記載の膜厚計測装置。
【請求項４】
前記解析部で用いられる前記第２の波長範囲は、紫外域を含む請求項１〜３のいずれか一項記載の膜厚計測装置。
【請求項５】
前記解析部で用いられる前記第２の波長範囲は、２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲を含む請求項１〜４のいずれか一項記載の膜厚計測装置。
【請求項６】
前記解析部で用いられる前記第１の波長範囲は、３００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲を含む請求項１〜５のいずれか一項記載の膜厚計測装置。
【請求項７】
前記被検出光は、前記計測対象物を透過した前記計測光の透過光又は前記計測対象物で反射した前記計測光の反射光である請求項１〜６のいずれか一項記載の膜厚計測装置。
【請求項８】
前記第１の膜は、シリコン酸化膜であり、前記第２の膜は、シリコン窒化膜である請求項１〜７のいずれか一項記載の膜厚計測装置。
【請求項９】
基板上に第１の膜と第２の膜とが交互に複数積層された計測対象物について、前記第１の膜の膜厚及び前記第２の膜の膜厚を計測する膜厚計測方法であって、
前記計測対象物に対して計測光を出力する光出力ステップと、
前記計測対象物からの被検出光を分光検出する分光検出ステップと、
分光検出結果から得られる前記計測対象物の波長毎の実測反射率を理論反射率と比較し、前記第１の膜の膜厚及び前記第２の膜の膜厚を解析する解析ステップと、を備え、
前記解析ステップは、第１の波長範囲における前記計測対象物の波長毎の実測反射率と理論反射率との比較結果を用いて前記第１の膜の膜厚及び前記第２の膜の膜厚の最適解の候補を求める候補決定ステップと、
前記第１の波長範囲とは異なる第２の波長範囲における前記計測対象物の波長毎の実測反射率と理論反射率との比較結果を用いて前記最適解の候補の中から前記第１の膜の膜厚及び前記第２の膜の膜厚の最適解を決定する最適解決定ステップと、を有する膜厚計測方法。
【請求項１０】
前記解析ステップにおける前記実測反射率と前記理論反射率との比較は、前記第１の膜の膜厚及び前記第２の膜の膜厚が各層で同一であると仮定した超格子モデルに基づいて行う請求項９記載の膜厚計測方法。
【請求項１１】
前記解析ステップで用いられる前記第２の波長範囲は、前記第１の波長範囲よりも短波長側の範囲を含む請求項９又は１０記載の膜厚計測方法。
【請求項１２】
前記解析ステップで用いられる前記第２の波長範囲は、紫外域を含む請求項９〜１１のいずれか一項記載の膜厚計測方法。
【請求項１３】
前記解析ステップで用いられる前記第２の波長範囲は、２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲を含む請求項９〜１２のいずれか一項記載の膜厚計測方法。
【請求項１４】
前記解析ステップで用いられる前記第１の波長範囲は、３００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲を含む請求項９〜１２のいずれか一項記載の膜厚計測方法。
【請求項１５】
前記被検出光として、前記計測対象物を透過した前記計測光の透過光又は前記計測対象物で反射した前記計測光の反射光を用いる請求項９〜１４のいずれか一項記載の膜厚計測方法。
【請求項１６】
前記第１の膜は、シリコン酸化膜であり、前記第２の膜は、シリコン窒化膜である請求項９〜１５のいずれか一項記載の膜厚計測方法。
【請求項１７】
基板上に第１の膜と第２の膜とが交互に複数積層された計測対象物について、前記第１の膜の膜厚及び前記第２の膜の膜厚を計測する膜厚計測プログラムであって、
コンピュータを、
分光検出部による検出結果から得られる前記計測対象物の波長毎の実測反射率を理論反射率と比較し、前記第１の膜の膜厚及び前記第２の膜の膜厚を解析する解析部として機能させ、
前記解析部により、
第１の波長範囲における前記計測対象物の波長毎の実測反射率と理論反射率との比較結果を用いて前記第１の膜の膜厚及び前記第２の膜の膜厚の最適解の候補を求める処理と、
前記第１の波長範囲とは異なる第２の波長範囲における前記計測対象物の波長毎の実測反射率と理論反射率との比較結果を用いて前記最適解の候補の中から前記第１の膜の膜厚及び前記第２の膜の膜厚の最適解を決定する処理とを実行させる膜厚計測プログラム。
【請求項１８】
請求項１７に記載の膜厚計測プログラムを記録するコンピュータ読取可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜厚計測装置、膜厚計測方法、膜厚計測プログラム、及び膜厚計測プログラムを記録する記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、従来の２次元メモリに比べて高密度のストレージを実現できるデバイスとして、３Ｄ−ＮＡＮＤメモリが注目を集めている。３Ｄ−ＮＡＮＤメモリは、データストレージセルのレイヤーを垂直に積層することによって構成されている。各データストレージセルは、シリコン基板上にシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを繰り返し積層した多層膜構造となっており、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜の１つのペアが１つのデータストレージセルを形成している。当該デバイスのメモリ容量は、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜のペア数に比例するため、デバイスの多層化及び薄膜化が進んできている。膜厚の不均一性は、デバイスの電気的特性に影響し、成膜レートの不均一性は、クリーニングの増加による生産性の低下を招く。したがって、デバイスを製造する際の膜厚の品質管理や成膜のプロセスコントロールの重要性が増してきている。
【０００３】
プロセスコントロールをより正確に実施する観点からは、成膜される各膜の膜厚を別個に計測することが好ましい。膜厚の計測技術としては、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）といった断面観察技術が知られているが、これらの手法では実施形態上の制約が多く、プロセスコントロールを目的としたインライン膜厚モニタへの適用には不向きであると言える。
【０００４】
インライン膜厚モニタへの適用を考えた場合、分光を利用した手法（分光法）が挙げられる。分光法を用いた場合、成膜装置への測定ヘッドの組み込みも簡便で、実施形態上の制約も少ないため、断面観察技術に比べてインライン膜厚モニタへの適用が容易である。分光法を用いた膜厚測定法としては、例えば特許文献１に記載の薄膜測定方法がある。この従来の薄膜測定方法では、計測対象物における波長毎の実測反射率と理論反射率とを比較し、カーブフィッティング法を用いて薄膜の膜厚を解析している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１４０７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
カーブフィッティングを用いた膜厚の解析では、解析変数（ここでは膜厚）を変化させながら実測反射率と理論反射率との間のフィッティング残差が最小値となる最適解を探索する。しかしながら、フィッティング残差の解には、最適解のほかに極小値となる解（以下、局所解と称す）が存在する場合がある。かかる局所解は、解析変数或いは探索範囲が広くなるほど多数存在する可能性が高くなる。このため、多層膜構造を有する計測対象物に対してカーブフィッティングを用いた膜厚の解析を単純に適用した場合、実測反射率と理論反射率との比較演算回数が膨大となることや、局所解の増加により最適解の探索が困難となることが問題となり得る。
【０００７】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、多層膜構造を有する計測対象物に対し、インラインでの膜厚の計測を迅速かつ精度良く実施できる膜厚計測装置、膜厚計測方法、膜厚計測プログラム、及び膜厚計測プログラムを記録する記録媒体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】
【０００８】
本発明の一側面に係る膜厚計測装置は、基板上に第１の膜と第２の膜とが交互に複数積層された計測対象物について、第１の膜の膜厚及び第２の膜の膜厚を計測する膜厚計測装置であって、計測対象物に対して計測光を出力する光出力部と、計測対象物からの被検出光を分光検出する分光検出部と、分光検出部による検出結果から得られる計測対象物の波長毎の実測反射率を理論反射率と比較し、第１の膜の膜厚及び第２の膜の膜厚を解析する解析部と、を備え、解析部は、第１の波長範囲における計測対象物の波長毎の実測反射率と理論反射率との比較結果を用いて第１の膜の膜厚及び第２の膜の膜厚の最適解の候補を求め、第１の波長範囲とは異なる第２の波長範囲における計測対象物の波長毎の実測反射率と理論反射率との比較結果を用いて最適解の候補の中から第１の膜の膜厚及び第２の膜の膜厚の最適解を決定する。
【０００９】
この膜厚計測装置では、異なる二つの波長範囲を用いて実測反射率と理論反射率とを比較することにより、最適解の候補の中から第１の膜の膜厚及び第２の膜の膜厚の最適解を決定する。第１の膜及び第２の膜の膜厚の和が同一であっても、第１の膜の膜厚及び第２の膜の膜厚が異なる場合、第１の波長範囲に対する理論反射率と第２の波長範囲に対する理論反射率に差異が生じ得る。したがって、第１の波長範囲によって最適解の候補を求め、第２の波長範囲によって最適解の候補の中から最適解を決定することにより、多層膜構造を有する計測対象物に対する膜厚の計測を迅速かつ精度良く実施できる。また、この膜厚計測装置では、分光法を用いているので、実施形態上の制約も少なく、断面観察技術に比べてインライン膜厚モニタへの適用が容易となる。
【００１０】
解析部における実測反射率と理論反射率との比較は、第１の膜の膜厚及び第２の膜の膜厚が各層で同一であると仮定した超格子モデルに基づいて行われてもよい。超格子モデルを用いることにより、最適解の候補及び最適解の決定に用いる解析変数を大幅に減らすことが可能となり、解析負荷を低減できる。また、超格子モデルを用いた場合であっても局所解が多数存在してしまう問題は、上述した異なる二つの波長範囲を用いた実測反射率と理論反射率との比較によって解消し得る。
【００１１】
解析部で用いられる第２の波長範囲は、第１の波長範囲よりも短波長側の範囲を含んでいてもよい。第１の波長範囲に対する理論反射率と第２の波長範囲に対する理論反射率との間の差異は、短波長側で生じ易い。したがって、第２の波長範囲に第１の波長範囲よりも短波長側の範囲を含めることで、最適解の候補の中から最適解をより確実に決定することが可能となる。
【００１２】
解析部で用いられる第２の波長範囲は、紫外域を含んでいてもよい。第１の波長範囲に対する理論反射率と第２の波長範囲に対する理論反射率との間の差異は、紫外域で生じ易い。したがって、第２の波長範囲に紫外域を含めることで、最適解の候補の中から最適解をより確実に決定することが可能となる。
【００１３】
解析部で用いられる第２の波長範囲は、２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲を含んでいてもよい。第１の波長範囲に対する理論反射率と第２の波長範囲に対する理論反射率との間の差異は、２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲で生じ易い。したがって、第２の波長範囲に２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲を含めることで、最適解の候補の中から最適解をより確実に決定することが可能となる。
【００１４】
解析部で用いられる第１の波長範囲は、３００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲を含んでいてもよい。第１の波長範囲に３００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲を含めることで、第１の波長範囲に対する理論反射率と第２の波長範囲に対する理論反射率との間の差異をより確実に生じさせることができる。したがって、第１の波長範囲に３００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲を含めることで、最適解の候補の中から最適解をより確実に決定することが可能となる。
【００１５】
被検出光は、計測対象物を透過した計測光の透過光又は計測対象物で反射した計測光の反射光であってもよい。この場合、被検出光の分光を好適に実施できる。
【００１６】
第１の膜は、シリコン酸化膜であり、第２の膜は、シリコン窒化膜であってもよい。この場合、３Ｄ−ＮＡＮＤメモリなどの多層膜構造を有するデバイスに対するインライン膜厚モニタを好適に実現できる。
【００１７】
本発明の一側面に係る膜厚計測方法は、基板上に第１の膜と第２の膜とが交互に複数積層された計測対象物について、第１の膜の膜厚及び第２の膜の膜厚を計測する膜厚計測方法であって、計測対象物に対して計測光を出力する光出力ステップと、計測対象物からの被検出光を分光検出する分光検出ステップと、分光検出結果から得られる計測対象物の波長毎の実測反射率を理論反射率と比較し、第１の膜の膜厚及び第２の膜の膜厚を解析する解析ステップと、を備え、解析ステップは、第１の波長範囲における計測対象物の波長毎の実測反射率と理論反射率との比較結果を用いて第１の膜の膜厚及び第２の膜の膜厚の最適解の候補を求める候補決定ステップと、第１の波長範囲とは異なる第２の波長範囲における計測対象物の波長毎の実測反射率と理論反射率との比較結果を用いて最適解の候補の中から第１の膜の膜厚及び第２の膜の膜厚の最適解を決定する最適解決定ステップと、を有する。
【００１８】
この膜厚計測方法では、異なる二つの波長範囲を用いて実測反射率と理論反射率とを比較することにより、最適解の候補の中から第１の膜の膜厚及び第２の膜の膜厚の最適解を決定する。第１の膜及び第２の膜の膜厚の和が同一であっても、第１の膜の膜厚及び第２の膜の膜厚が異なる場合、第１の波長範囲に対する理論反射率と第２の波長範囲に対する理論反射率に差異が生じ得る。したがって、第１の波長範囲によって最適解の候補を求め、第２の波長範囲によって最適解の候補の中から最適解を決定することにより、多層膜構造を有する計測対象物に対する膜厚の計測を迅速かつ精度良く実施できる。また、この膜厚計測方法では、分光法を用いているので、実施形態上の制約も少なく、断面観察技術に比べてインライン膜厚モニタへの適用が容易となる。
【００１９】
解析ステップにおける実測反射率と理論反射率との比較は、第１の膜の膜厚及び第２の膜の膜厚が各層で同一であると仮定した超格子モデルに基づいて行ってもよい。超格子モデルを用いることにより、最適解の候補及び最適解の決定に用いる解析変数を大幅に減らすことが可能となり、解析負荷を低減できる。また、超格子モデルを用いた場合であっても局所解が多数存在してしまう問題は、上述した異なる二つの波長範囲を用いた実測反射率と理論反射率との比較によって解消し得る。
【００２０】
解析ステップで用いられる第２の波長範囲は、第１の波長範囲よりも短波長側の範囲を含んでいてもよい。第１の波長範囲に対する理論反射率と第２の波長範囲に対する理論反射率との間の差異は、短波長側で生じ易い。したがって、第２の波長範囲に第１の波長範囲よりも短波長側の範囲を含めることで、最適解の候補の中から最適解をより確実に決定することが可能となる。
【００２１】
解析ステップで用いられる第２の波長範囲は、紫外域を含んでいてもよい。第１の波長範囲に対する理論反射率と第２の波長範囲に対する理論反射率との間の差異は、紫外域で生じ易い。したがって、第２の波長範囲に紫外域を含めることで、最適解の候補の中から最適解をより確実に決定することが可能となる。
【００２２】
解析ステップで用いられる第２の波長範囲は、２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲を含んでいてもよい。第１の波長範囲に対する理論反射率と第２の波長範囲に対する理論反射率との間の差異は、２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲で生じ易い。したがって、第２の波長範囲に２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲を含めることで、最適解の候補の中から最適解をより確実に決定することが可能となる。
【００２３】
解析ステップで用いられる第１の波長範囲は、３００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲を含んでいてもよい。第１の波長範囲に３００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲を含めることで、第１の波長範囲に対する理論反射率と第２の波長範囲に対する理論反射率との間の差異をより確実に生じさせることができる。したがって、第１の波長範囲に３００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲を含めることで、最適解の候補の中から最適解をより確実に決定することが可能となる。
【００２４】
被検出光として、計測対象物を透過した計測光の透過光又は計測対象物で反射した計測光の反射光を用いてもよい。この場合、被検出光の分光を好適に実施できる。
【００２５】
第１の膜は、シリコン酸化膜であり、第２の膜は、シリコン窒化膜であってもよい。この場合、３Ｄ−ＮＡＮＤメモリなどの多層膜構造を有するデバイスに対するインライン膜厚モニタを好適に実現できる。
【００２６】
また、本発明の一側面に係る膜厚計測プログラムは、基板上に第１の膜と第２の膜とが交互に複数積層された計測対象物について、第１の膜の膜厚及び第２の膜の膜厚を計測する膜厚計測プログラムであって、コンピュータを、分光検出部による検出結果から得られる計測対象物の波長毎の実測反射率を理論反射率と比較し、第１の膜の膜厚及び第２の膜の膜厚を解析する解析部として機能させ、解析部により、第１の波長範囲における計測対象物の波長毎の実測反射率と理論反射率との比較結果を用いて第１の膜の膜厚及び第２の膜の膜厚の最適解の候補を求める処理と、第１の波長範囲とは異なる第２の波長範囲における計測対象物の波長毎の実測反射率と理論反射率との比較結果を用いて最適解の候補の中から第１の膜の膜厚及び第２の膜の膜厚の最適解を決定する処理とを実行させる。
【００２７】
また、本発明の一側面に係る膜厚計測プログラムを記録する記録媒体は、上記膜厚計測プログラムを記録するコンピュータ読取可能な記録媒体である。
【００２８】
これらの膜厚計測プログラム及び記録媒体を適用したコンピュータでは、異なる二つの波長範囲を用いて実測反射率と理論反射率とを比較することにより、最適解の候補の中から第１の膜の膜厚及び第２の膜の膜厚の最適解を決定する。第１の膜及び第２の膜の膜厚の和が同一であっても、第１の膜の膜厚及び第２の膜の膜厚が異なる場合、第１の波長範囲に対する理論反射率と第２の波長範囲に対する理論反射率に差異が生じ得る。したがって、第１の波長範囲によって最適解の候補を求め、第２の波長範囲によって最適解の候補の中から最適解を決定することにより、多層膜構造を有する計測対象物に対する膜厚の計測を迅速かつ精度良く実施できる。また、この膜厚計測方法では、分光法を用いているので、実施形態上の制約も少なく、断面観察技術に比べてインライン膜厚モニタへの適用が容易となる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、多層膜構造を有する計測対象物に対し、インラインでの膜厚の計測を迅速かつ精度良く実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】膜厚計測装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】カーブフィッティングにおける問題点を示す図である。
【図３】計測対象物の層構成を示す概略図である。
【図４】計測対象物における実測反射率と理論反射率との比較結果の一例を示す図である。
【図５】図４におけるＸＹ平面を示す図である。
【図６】図４におけるＸＺ平面を示す図である。
【図７】第１の膜及び第２の膜の膜厚の和が同一となる組み合わせについての第１の波長範囲における理論反射率を示した図である。
【図８】第１の膜及び第２の膜の膜厚の和が同一となる組み合わせについての第２の波長範囲における理論反射率を示した図である。
【図９】第１の膜の膜厚の最適解の候補と第２の膜の膜厚の最適解の候補との組み合わせを示す図である。
【図１０】図９に示した最適解の候補から最適解を決定する様子を示す図である。
【図１１】膜厚計測プログラム及び記録媒体の一例を示すブロック図である。
【図１２】計測対象物の層構成の他の例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る膜厚計測装置及び膜厚計測方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
［膜厚計測装置の構成］
【００３２】
図１は、膜厚計測装置の一実施形態を示す概略構成図である。この膜厚計測装置１は、計測対象物Ｓを構成する膜の膜厚を計測する装置である。本実施形態では、膜厚計測装置１は、成膜装置２におけるインライン膜厚モニタとして構成されている。計測対象物Ｓは、例えば基板３上に第１の膜４及び第２の膜５（図３参照）が交互に複数積層された多層膜構造６を有するデバイスである。計測対象物Ｓは、成膜装置２のチャンバ７内に設けられたステージ８上に配置されている。
【００３３】
図１に示すように、膜厚計測装置１には、制御装置９が接続されている。制御装置９は、膜厚計測装置１の動作を制御する装置であり、例えばコンピュータによって構成されている。コンピュータは、例えばＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ、及びＣＰＵ等のプロセッサ（演算回路）、通信インターフェイス、ハードディスク等の格納部を備えて構成されている。かかるコンピュータとしては、例えばパーソナルコンピュータ、マイクロコンピュータ、クラウドサーバ、スマートデバイス（スマートフォン、タブレット端末など）などが挙げられる。
【００３４】
制御装置９には、モニタ等の表示装置１０及びキーボード、マウス等の入力装置１１が接続されている。表示装置１０には、例えば膜厚計測装置１によって計測された膜厚、設定された計測条件等が表示される。また、入力装置１１は、ユーザの操作に基づいて、計測の開始の入力、計測条件の入力といった各種入力を制御装置９に対して実行する。なお、制御装置９、表示装置１０、及び入力装置１１は、膜厚計測装置１の構成として組み込まれていてもよい。
【００３５】
膜厚計測装置１は、図１に示すように、光出力部１２と、分光検出部１３と、計測ヘッド１４と、解析部１５とを備えて構成されている。光出力部１２は、計測対象物Ｓに対して計測光Ｌ１を出力する。光出力部１２は、例えば紫外域の波長を含む白色光を出力する光源装置によって構成されている。かかる光源装置としては、例えばキセノンランプ、重水素ランプとハロゲンランプとを組み合わせたランプなどがあげられる。
【００３６】
分光検出部１３は、計測対象物Ｓからの被検出光Ｌ２を分光検出する。分光検出部１３は、いわゆるマルチチャンネル型の分光検出器である。分光検出部１３は、例えばグレーティングやプリズムなどの分光素子によって被検出光Ｌ２を各波長成分に分光し、分光した各波長の光の強度を光センサ群により検出する。光センサ群は、例えば複数の受光部が１次元配列されることによって構成されている。光センサ群は、各波長に対応する受光部によって被検出光Ｌ２における各波長成分の光の強度を検出し、検出結果を解析部１５に出力する。
【００３７】
計測ヘッド１４は、成膜装置２のチャンバ７内に配置された計測対象物Ｓに対し、計測光Ｌ１の照射及び被検出光Ｌ２の受光を行う。計測ヘッド１４は、例えば光ファイバなどの導光部材１６，１７によって光出力部１２及び分光検出部１３とそれぞれ光学的に接続され、成膜装置２のチャンバ７に設けられたビューポート１８の近傍に配置されている。光出力部１２からの計測光Ｌ１は、導光部材１６によって導光され、計測ヘッド１４からビューポート１８を通じて計測対象物Ｓに入射する。また、計測対象物Ｓからの被検出光Ｌ２は、ビューポート１８を通じて計測ヘッド１４に入射する。計測ヘッド１４に入射した被検出光Ｌ２は、導光部材１７によって導光され、分光検出部１３に入射する。なお、図１の例では、計測対象物Ｓで反射した計測光Ｌ１の反射光を被検出光Ｌ２として用いているが、被検出光Ｌ２は、計測対象物Ｓを透過した計測光Ｌ１の透過光であってもよい。
【００３８】
解析部１５は、計測対象物Ｓを構成する膜の膜厚を解析する。解析部１５は、例えば制御装置９と同様にコンピュータによって構成されていてもよく、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）といった集積回路によって構成されていてもよい。解析部１５は、分光検出部１３から被検出光Ｌ２の各波長成分の光の強度の検出結果を受け取ると、当該検出結果に基づいて計測対象物Ｓの波長毎の実測反射率を理論反射率と比較し、第１の膜４の膜厚及び第２の膜５の膜厚を解析する。
【００３９】
より具体的には、解析部１５は、第１の波長範囲における計測対象物Ｓの波長毎の実測反射率と理論反射率との比較結果を用いて第１の膜４の膜厚及び第２の膜５の膜厚の最適解の候補を求める。また、解析部１５は、第１の波長範囲とは異なる第２の波長範囲における計測対象物Ｓの波長毎の実測反射率と理論反射率との比較結果を用いて最適解の候補の中から第１の膜４の膜厚及び第２の膜の膜厚の最適解を決定する。
［解析部による膜厚の解析原理］
【００４０】
計測対象物Ｓの基板３上に形成された多層膜構造６に白色光が入射すると、基板３の表面で反射した光と膜の表面で反射した光とによって干渉光が生じる。この干渉光の強度に基づいて算出された反射率の波長分布は、膜の厚さに応じた分布となる。膜の厚さが大きいほど、反射率の波長分布において、山谷の数が増加すると共に、短波長側の山谷の間隔が長波長側の山谷の間隔に比べて短くなる傾向がある。
【００４１】
解析部１５では、この傾向を利用したカーブフィッティングにより、第１の膜４の膜厚及び第２の膜５の膜厚を解析する。すなわち、解析部１５は、実測定による反射率の波長分布（実測反射率）と、膜の厚さを所定の値とした場合の理論的な反射率（理論反射率）とのフィッティング度合いに基づいて、計測対象物Ｓにおける第１の膜４の膜厚及び第２の膜５の膜厚を求める。カーブフィッティングでは、第１の膜４の膜厚及び第２の膜５の膜厚をそれぞれ解析変数として変化させていき、フィッティング残差（例えば実測反射率と理論反射率との差の二乗和）が最も小さくなる膜厚を探索し、第１の膜４の膜厚及び第２の膜５の膜厚として決定する。
【００４２】
カーブフィッティングは、従来から知られた手法であるが、図２に示すように、求めるべき最適解のほかにフィッティング残差が極小値となる解（以下、局所解と称す）が存在する場合がある。かかる局所解は、解析変数或いは探索範囲が広くなるほど多数存在する可能性が高くなる。初期値設定等の解析条件によっては局所解が探索され、最適解を正しく探索できないおそれがある。このため、多層膜構造６を有する計測対象物Ｓに対してカーブフィッティングを用いた膜厚の解析を単純に適用した場合、実測反射率と理論反射率との比較演算回数が膨大となることや、局所解の増加により最適解の探索が困難となることが問題となり得る。
【００４３】
本実施形態では、計測対象物Ｓにおける第１の膜４の膜厚及び第２の膜５の膜厚を解析するにあたり、解析部１５における実測反射率と理論反射率との比較は、第１の膜４の膜厚及び第２の膜５の膜厚が各層で同一であると仮定した超格子モデルに基づいて行われる。図３に示す計測対象物Ｓは、基板３上に拡散層である１層の第１の膜４と３２ペア（６４層）の第１の膜４及び第２の膜５とを計６５層積層してなる多層膜構造を有している。かかる計測対象物Ｓとしては、３Ｄ−ＮＡＮＤメモリ等が挙げられる。この場合、例えば、基板３は、シリコン基板、第１の膜４は、シリコン酸化膜（ＳｉＯＸ）、第２の膜５は、シリコン窒化膜（ＳｉＮＸ）である。
【００４４】
このような計測対象物Ｓに対して通常のカーブフィッティングでは、６５個の解析変数が用いられることとなる。しかしながら、超格子モデルを用いた場合には、第１の膜４の各層の膜厚が互いに同一であり、第２の膜５の各層の膜厚が互いに同一であると仮定されるため、第１の膜４及び第２の膜５のペア数に依らず、解析変数は２個のみとなる。この場合、第１の膜４の膜厚が第１の解析変数となり、第２の膜５の膜厚が第２の解析変数となる。
【００４５】
図４は、図３に示した計測対象物Ｓにおける実測反射率と理論反射率との比較結果の一例を示す図である。同図では、Ｘ軸にＳｉＯ膜厚（第１の膜４の膜厚）、Ｙ軸にＳｉＮ膜厚（第２の膜５の膜厚）、Ｚ軸に実測反射率と理論反射率との間のフィッティング残差（残差マップ）を示している。また、図５は、図４におけるＸＹ平面を示したものであり、図６は、図４におけるＸＺ平面を示したものである。これらの結果から、超格子モデルを用いた場合であっても、第１の膜４の膜厚及び第２の膜５の膜厚に対する局所解が多数存在することが分かる。また、図５の結果から、第１の膜４及び第２の膜５の膜厚（光学厚さ）の和が同一となる全ての組み合わせにおいてフィッティング残差が他の組み合わせに比べて小さいことが分かる。さらに、図６の結果から、第１の膜４及び第２の膜５の膜厚（光学厚さ）の和が同一となる全ての組み合わせの中で局所解が周期的に多数存在しており、かつ局所解と最適解との間でフィッティング残差の数値差が僅かであることが分かる。
【００４６】
図７は、第１の膜４及び第２の膜５の膜厚（光学厚さ）の和が同一となる組み合わせについての第１の波長範囲における理論反射率を示した図である。同図では、横軸に波長を示し、縦軸に反射率を示している。第１の波長範囲としては、３００ｎｍ〜８００ｎｍが例示されている。第１の膜４及び第２の膜５の膜厚（光学厚さ）の和が同一となる組み合わせとしては、１）ＳｉＯ：２６．３ｎｍ／ＳｉＮ：３４．０ｎｍ、２）ＳｉＯ：２５．０ｎｍ／ＳｉＮ：３５．０ｎｍ、３）ＳｉＯ：２３．７ｎｍ／ＳｉＮ：３６．０ｎｍの３つが示されている。これらの厚さに膜の屈折率を乗じた光学厚さが互いに同一となっている。図７の結果から、第１の膜４及び第２の膜５の膜厚（光学厚さ）の和が同一となる組み合わせについて、第１の波長範囲では理論反射率に殆ど差がないことが分かる。
【００４７】
一方、図８は、第１の膜４及び第２の膜５の膜厚（光学厚さ）の和が同一となる組み合わせについての第２の波長範囲における理論反射率を示した図である。同図では、横軸に波長を示し、縦軸に反射率を示している。第２の波長範囲は、第１の波長範囲よりも短波長側の範囲を含み、紫外域を含む。ここでは、第２の波長範囲として、２００ｎｍ〜３００ｎｍが例示されている。第１の膜４及び第２の膜５の膜厚（光学厚さ）の和が同一となる組み合わせは、図７と同じである。図８の例では、第１の膜４及び第２の膜５の膜厚（光学厚さ）の和が同一であったとしても、第１の膜４の膜厚が薄くなるほど（第２の膜５の膜厚が厚くなるほど）、２２０ｎｍ付近に表れている反射率の立ち上がり部分Ｋが長波長側にシフトしていることが分かる。したがって、この特徴を利用して解析部１５で実測反射率と理論反射率との比較を行うことにより、局所解の増加により最適解の探索が困難となる問題をクリアし得る。
［膜厚計測装置の動作］
【００４８】
上記原理に基づき、膜厚計測装置１では、光出力ステップと、分光検出ステップと、解析ステップとが実行される。光出力ステップでは、計測対象物Ｓに対して計測光Ｌ１が出力される。光出力ステップでは、光出力部１２から出力された白色光が導光部材１６によって導光されて計測ヘッド１４から出射され、ビューポート１８を通じて成膜装置２のチャンバ７内の計測対象物Ｓに入射される。分光検出ステップでは、計測対象物Ｓからの被検出光Ｌ２の分光検出が行われる。分光検出ステップでは、計測対象物Ｓからの被検出光Ｌ２がビューポート１８を通じて計測ヘッド１４に入射され、導光部材１７によって導光されて分光検出部１３に入射される。
【００４９】
解析ステップでは、分光検出結果から得られる計測対象物Ｓの波長毎の実測反射率を理論反射率と比較し、第１の膜４の膜厚及び第２の膜５の膜厚の解析がなされる。分光検出によって得られた計測対象物Ｓの反射スペクトルをＲＳＩＧ、反射率が既知である標準計測物の反射スペクトルをＲＲＥＦ、当該標準計測物の反射率をＲＳＴＤとすると、実測反射率Ｒは、Ｒ＝ＲＳＩＧ×ＲＳＴＤ／ＲＲＥＦの式によって算出される。理論反射率は、基板３の光学定数（屈折率、消衰係数）、基板３の厚さ、第１の膜４及び第２の膜５の光学定数、膜厚、ペア数に基づき、フレネルの原理に基づいて算出される。
【００５０】
解析ステップでは、候補決定ステップと、最適解決定ステップとが順に実行される。候補決定ステップでは、第１の波長範囲における計測対象物Ｓの波長毎の実測反射率と理論反射率との比較結果を用いて第１の膜４の膜厚及び第２の膜５の膜厚の最適解の候補を求める。第１の波長範囲は、第１の膜４及び第２の膜５の膜厚（光学厚さ）の和が同一となる組み合わせにおいて、理論反射率が近似し且つ反射プロファイルの山谷が十分に含まれる範囲から設定すればよい。図７を例にとれば、第１の波長範囲は、３００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲を含んでいてもよく、４００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲を含んでいてもよい。
【００５１】
候補決定ステップでは、例えば第１の膜４の膜厚の探索範囲を基準探索範囲とし、基準探索範囲における第１の膜４の膜厚の最適解の候補をＤＯ［ｉ］（ｉ＝１、２、…ｎ）とする。そして、解析変数を第２の膜５の膜厚のみとし、第１の波長範囲において、各ＤＯ［ｉ］について実測反射率と理論反射率とを超格子モデルを用いたカーブフィッティングを行い、各ＤＯ［ｉ］に対応する第２の膜５の膜厚の最適解の候補ＤＮ［ｉ］（ｉ＝１、２、…ｎ）を求める。
【００５２】
図９は、第１の膜４の膜厚の最適解の候補と第２の膜５の膜厚の最適解の候補との組み合わせを示す図である。同図の例は、３２ペアのＯＮＯ構造（シリコン酸化膜：２５ｎｍ／シリコン窒化膜：３５ｎｍ／全６５層）を有する計測対象物Ｓにおいて、基準探索範囲を３２．５ｎｍ〜３７．５ｎｍとした場合の最適解の候補の組み合わせを０．１ｎｍ刻みでプロットしたものである。解析精度の向上の観点から最適解の候補の組み合わせの刻みをより小さくしてもよく、解析速度の向上の観点から最適解の候補の組み合わせの刻みをより大きくしてもよい。また、最適解の候補は、第１の膜４及び第２の膜５の膜厚（光学厚さ）の和が同一である条件下では、直線的に存在するため、直線近似などの手法によって他の候補を推定することもできる。図９の例では、第１の膜４の膜厚の探索範囲を基準探索範囲としたが、第２の膜５の膜厚の探索範囲を基準探索範囲としてもよい。
【００５３】
最適解決定ステップでは、第１の波長範囲とは異なる第２の波長範囲における計測対象物Ｓの波長毎の実測反射率と理論反射率との比較結果を用いて最適解の候補の中から第１の膜４の膜厚及び第２の膜５の膜厚の最適解を決定する。第２の波長範囲は、第１の膜４及び第２の膜５の膜厚（光学厚さ）の和が同一となる組み合わせにおいて、理論反射率に差異が生じる範囲を含んで設定すればよい。第２の波長範囲は、第１の波長範囲よりも短波長側の範囲を含んでいてもよく、紫外域を含んでいてもよい。図８を例にとれば、第２の波長範囲は、２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲を含んでいてもよく、２２０ｎｍ〜２４０ｎｍの範囲を含んでいてもよい。
【００５４】
図１０は、図９に示した最適解の候補から最適解を決定する様子を示す図である。同図では、第２の波長範囲において、ＤＯ［ｉ］及びＤＮ［ｉ］について実測反射率と理論反射率とを超格子モデルを用いたカーブフィッティングを行うことによって得られた第２の膜５の膜厚とフィッティング残差との関係を示している。図１０の例では、フィッティング残差の極小値は１点のみとなっており、図４〜図６に示したフィッティング残差と比較すると、明らかに最適解の探索が安定的に実行できることが分かる。
【００５５】
図１１は、コンピュータを膜厚計測装置１の解析部１５として機能させるための膜厚計測プログラム及び記録媒体の一例を示すブロック図である。同図の例では、膜厚計測プログラム３１は、メインモジュールＰ１と、解析モジュールＰ２とを備えている。メインモジュールＰ１は、膜厚計測の動作を統括的に制御するモジュールである。解析モジュールＰ２を実行することによってコンピュータで実現される機能は、上述した膜厚計測装置１の解析部１５の機能と同様である。膜厚計測プログラム３１は、例えばＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤもしくはＲＯＭ等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体３２又は半導体メモリによって提供される。膜厚計測プログラム３１は、ネットワークを介し、搬送波に重畳されたコンピュータデータ信号として提供されてもよい。
【００５６】
以上説明したように、膜厚計測装置１では、異なる二つの波長範囲を用いて実測反射率と理論反射率とを比較することにより、最適解の候補の中から第１の膜４の膜厚及び第２の膜５の膜厚の最適解を決定する。第１の膜４及び第２の膜５の膜厚の和が同一であっても、第１の膜４の膜厚及び第２の膜５の膜厚が異なる場合、第１の波長範囲に対する理論反射率と第２の波長範囲に対する理論反射率に差異が生じ得る。したがって、第１の波長範囲によって最適解の候補を求め、第２の波長範囲によって最適解の候補の中から最適解を決定することにより、多層膜構造を有する計測対象物Ｓに対する膜厚の計測を迅速かつ精度良く実施できる。また、膜厚計測装置１では、分光法を用いているので、実施形態上の制約も少なく、断面観察技術に比べてインライン膜厚モニタへの適用が容易となる。
【００５７】
また、膜厚計測装置１では、解析部１５における実測反射率と理論反射率との比較は、第１の膜４の膜厚及び第２の膜５の膜厚が各層で同一であると仮定した超格子モデルに基づいて行われる。超格子モデルを用いることにより、最適解の候補及び最適解の決定に用いる解析変数を大幅に減らすことが可能となり、解析負荷を低減できる。また、超格子モデルを用いた場合であっても局所解が多数存在してしまう問題は、上述した異なる二つの波長範囲を用いた実測反射率と理論反射率との比較によって解消し得る。
【００５８】
膜厚計測装置１では、解析部１５で用いられる第２の波長範囲は、第１の波長範囲よりも短波長側の範囲を含んでいる。第１の波長範囲に対する理論反射率と第２の波長範囲に対する理論反射率との間の差異は、短波長側で生じ易い。したがって、第２の波長範囲に第１の波長範囲よりも短波長側の範囲を含めることで、最適解の候補の中から最適解をより確実に決定することが可能となる。
【００５９】
膜厚計測装置１では、解析部１５で用いられる第２の波長範囲は、紫外域を含んでいる。第１の波長範囲に対する理論反射率と第２の波長範囲に対する理論反射率との間の差異は、紫外域で生じ易い。したがって、第２の波長範囲に紫外域を含めることで、最適解の候補の中から最適解をより確実に決定することが可能となる。
【００６０】
膜厚計測装置１では、解析部１５で用いられる第２の波長範囲は、２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲を含んでいる。第１の波長範囲に対する理論反射率と第２の波長範囲に対する理論反射率との間の差異は、２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲で生じ易い。したがって、第２の波長範囲に２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲を含めることで、最適解の候補の中から最適解をより確実に決定することが可能となる。
【００６１】
膜厚計測装置１では、解析部１５で用いられる第１の波長範囲は、３００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲を含んでいる。第１の波長範囲に３００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲を含めることで、第１の波長範囲に対する理論反射率と第２の波長範囲に対する理論反射率との間の差異をより確実に生じさせることができる。したがって、第１の波長範囲に３００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲を含めることで、最適解の候補の中から最適解をより確実に決定することが可能となる。
【００６２】
膜厚計測装置１では、計測対象物Ｓを透過した計測光Ｌ１の透過光又は計測対象物Ｓで反射した計測光Ｌ１の反射光が被検出光Ｌ２として用いられている。これにより、被検出光Ｌ２の分光を好適に実施できる。
【００６３】
また、膜厚計測装置１で計測される第１の膜４は、シリコン酸化膜であり、第２の膜５は、シリコン窒化膜である。この場合、３Ｄ−ＮＡＮＤメモリなどの多層膜構造６を有するデバイスに対するインライン膜厚モニタを好適に実現できる。
【００６４】
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、図３に示したように、第１の膜４及び第２の膜５が３２ペアの多層膜構造６を有する計測対象物Ｓを例示したが、本発明は、例えば図１２に示すように、ペアを構成する第１の膜４及び第２の膜５よりも厚い膜厚の第３の膜２１及び第４の膜２２（ここではいずれもシリコン酸化膜）が積層端に設けられた多層膜構造６を有する計測対象物Ｓに適用することもできる。この場合、第３の膜２１の膜厚及び第４の膜２２の膜厚をそれぞれ別の解析変数とし、計４つの解析変数を用いて上記解析を実行すればよい。
【００６５】
また、計測対象物Ｓを構成する基板３は、シリコン基板に限られず、石英ガラスなどの他の材質の基板であってもよい。また、第１の膜４及び第２の膜５についても特に制約はないが、分光検出部１３の感度や波長分解能などを考慮し、１）第１の膜４と第２の膜５との間に一定の屈折率差があること、２）第１の膜４又は第２の膜５の光吸収特性がわずかに存在しつつ光吸収特性が大きすぎないこと、が好ましい。１）により、図８に示したような短波長側での理論反射率のシフトが十分に生じる。また、２）により、第１の膜４及び第２の膜５のペア数が多い場合であっても多層膜構造６の表面付近での光の遮断が防止され、被検出光Ｌ２を十分な強度で検出することが担保される。
【００６６】
第１の膜４及び第２の膜５の組み合わせとしては、上述したシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜のほか、例えばガラス基板上の酸化膜及び酸化ニオブなどが挙げられる。この場合、第１の波長範囲は、例えば３００ｎｍ〜８００ｎｍを含む範囲であることが好ましく、第２の波長範囲は、例えば２００ｎｍ〜３００ｎｍを含む範囲であることが好ましい。
【符号の説明】
【００６７】
１…膜厚計測装置、３…基板、４…第１の膜、５…第２の膜、１２…光出力部、１３…分光検出部、１５…解析部、３１…膜厚計測プログラム、３２…記録媒体、Ｌ１…計測光、Ｌ２…被検出光、Ｓ…計測対象物。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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