(57)【要約】【課題】ＳＯＩ基板表面上の薄膜の厚さを、分子汚染に伴う問題を回避するとともにシステムの複雑性を伴うことなく高精度で測定する方法およびシステムを提供する。【解決手段】シリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）基板などの多層構造基板の上の薄膜について単一波長偏光解析（ＳＷＥ）を行うこのシステムは、上記多層構造基板の表面層の厚さ以下の吸収距離を有する測定用ビームを用いる。例えば、ＳＯＩ基板の場合は、上記表面シリコン層の厚さ以下の吸収距離をもたらす波長をもつように測定用ビームを選ぶ。このシステムには、スループットを損なうことなく測定の精度を高めるように同時並行クリーニング動作を行うクリーニング用レーザを備えることができる。測定用ビーム源は、測定用ビームの吸収距離が前記表面層の厚さ以下になりクリーニング用ビームの吸収距離がその表面層の厚さ以上になるように、測定用ビームを一つの波長で、クリーニング用ビームをそれよりも大きいもう一つの波長でそれぞれ生ずるように構成する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層構造基板、すなわち第１の厚さを有し第１の材料を含み少なくとも一つの埋込み層に形成された表面層を含む多層構造基板の上の薄膜の厚さを測定する方法であって、
前記薄膜上の分析位置に第１の測定用ビーム、すなわち前記第１の材料の中で前記第１の厚さよりも小さい第１の吸収距離を有する第１の測定用ビームを向けることによって前記薄膜に対して単一波長偏光解析（ＳＷＥ）を行う過程
を含む方法。
【請求項２】
前記多層構造基板がシリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）基板であって、前記表面層がシリコン層を含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第１の厚さが５００Å以下であり、前記第１の測定用ビームの波長が３９０ｎｍ以下である請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記分析位置における汚染物質の除去のための第１のクリーニング動作を前記薄膜に対して行う過程であって、前記第１の材料の中で前記第１の厚さよりも大きい第２の吸収距離を有する第１のクリーニング用ビームを前記分析位置に向ける過程を含む第１のクリーニング動作を行う過程をさらに含む請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記第１のクリーニング動作を行う過程を前記ＳＷＥ動作を行う過程の前に行う請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記第１のクリーニング動作を行う過程と前記ＳＷＥ動作を行う過程とを同時並行的に行う請求項４記載の方法。
【請求項７】
前記第１の材料の中で前記第１の厚さよりも大きい第３の吸収距離を有する第２のクリーニング用ビームを前記分析位置に向けることによって第２のクリーニング動作を前記ＳＷＥ動作を行う過程の前に行う過程をさらに含む請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記第１のクリーニング用ビームが、第１の幅および第１の強度を各々が有する第１の繰返し周期の一連の第１のクリーニング用パルスから成り、
前記第２のクリーニング用ビームが、第２の幅および第２の強度を各々が有する第２の繰返し周期の一連の第２のクリーニング用パルスから成り、前記第２の周期、第２の幅および第２の強度の少なくとも一つが前記第１の周期、前記第１の幅および前記第１の強度とそれぞれ異なっている請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記第１のクリーニング用ビームが一連の第１のクリーニング用パルスから成り、前記ＳＷＥ動作を行う過程が、前記第１のクリーニングパルスの間で各々が生ずる一連のサンプリングパルスを用いて、前記第１の測定用ビームに応答して前記分析位置から生ずる出力ビームをサンプリングする過程をさらに含む請求項６記載の方法。
【請求項１０】
前記第１のクリーニング用パルスの各々が前記サンプリングパルスの一つの直後に生ずる請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記第１のクリーニング用ビームが一連の第１のクリーニング用パルスから成り、前記ＳＷＥ動作を行う過程が、前記第１の測定用ビームに応答して前記分析位置から生ずる出力ビームをサンプリング速度でサンプリングする過程をさらに含み、前記クリーニング用ビームが前記サンプリング速度の約数に等しいクリーニング用パルス速度を有する請求項６記載の方法。
【請求項１２】
前記第１のクリーニング用ビームが一連の第１のクリーニング用パルスから成り、
前記ＳＷＥ動作を行う過程が、前記第１の測定用ビームに応答して前記分析位置から発生する出力ビームを一連のサンプリングパルスを用いてサンプリング速度でサンプリングする過程をさらに含み、
前記第１の測定用ビームを前記分析位置に向ける過程が、
前記第１の測定用ビームを前記サンプリング速度に等しい測定用パルス速度を有する一連の測定用パルスの形に変調する過程と、
前記第１の測定用ビームを前記第１のクリーニング用パルスの各々の期間にわたり阻止する過程と
を含む請求項６記載の方法。
【請求項１３】
前記第１のクリーニング用パルスの各々が前記分析位置をベースライン温度以上の温度まで加熱し、その分析位置が前記第１のクリーニングパルスの各々に引き続く冷却期間のあと前記ベースライン温度に戻り、前記第１の測定用ビームを前記分析位置に向ける過程が前記第１のクリーニングパルスの各々に引き続く前記冷却期間にわたり前記第１の測定用ビームを阻止する過程をさらに含む請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の測定用ビームを前記分析位置に向ける過程が前記第１の測定用ビームを前記サンプリングパルスの間の期間にわたり阻止する過程をさらに含む請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記第１のクリーニング用ビームが一連の第１のクリーニング用パルスから成り、
被験試料の前記分析を行う過程が、
前記測定用ビームに応答して前記分析位置から発生する出力ビームについてビーム特性のデータサンプルを集める過程と、
前記データサンプルを前記クリーニング用パルスの各々の期間中にわたり第１のレベル、すなわち前記第１のクリーニング用パルスの各々の直前の前記出力ビームについての前記ビーム特性を含む第１のレベルでクランプする過程と
を含む請求項１記載の方法。
【請求項１６】
前記第１のクリーニング用パルスの各々が前記分析位置にベースライン状態からの擾乱を生じ、前記分析位置が前記第１のクリーニングパルスの各々に引き続く復旧期間のあと前記ベースライン状態に戻り、前記被験試料の前記分析を行う過程が前記第１のクリーニング用パルスの各々のあとの前記復旧期間の期間中にわたり前記データサンプルを前記第１のレベルにクランプする過程をさらに含む請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記第１のクリーニング用ビームが一連の第１のクリーニング用パルスから成り、被験試料の前記分析を行う過程が、
前記第１の測定用ビームに応答して前記分析位置から発生する出力ビームからデータサンプルを集める過程と、
前記第１のクリーニング用パルスの各々の期間中に得られたデータサンプルを消去する過程と
をさらに含む請求項６記載の方法。
【請求項１８】
前記第１のクリーニング用パルスの各々が前記分析位置にベースライン状態からの擾乱を生じ、前記分析位置が前記第１のクリーニングパルスの各々に引き続く復旧期間のあと前記ベースライン状態に戻り、前記被験試料の前記分析を行う過程が前記第１のクリーニング用パルスの各々のあとの前記復旧期間の期間中に得られたデータサンプルを消去する過程をさらに含む請求項１５記載の方法。
【請求項１９】
前記薄膜上の前記分析位置に第２の測定用ビーム、すなわち前記第１の材料の中で前記第１の厚さよりも小さい第２の吸収距離を有する第２の測定用ビームを向けることによって前記薄膜について第２のＳＷＥ動作を行う過程をさらに含む請求項１記載の方法。
【請求項２０】
多層構造基板、すなわち第１の材料を含み第１の厚さを有し少なくとも一つの埋込み層に形成された表面層を含む多層構造基板の上の薄膜について単一波長偏光解析（ＳＷＥ）を行うシステムであって、
前記薄膜上の分析位置に第１の波長の測定用ビーム、すなわち前記第１の材料の中で前記第１の厚さよりも小さい第１の吸収距離を有する測定用ビームを向ける測定用ビームジェネレータと、
前記測定用ビームに応答して前記分析位置から発生する出力ビームのビーム特性の測定値サンプルをとる測定値レシーバと
を含むシステム。
【請求項２１】
前記多層構造基板がシリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）基板から成り、前記表面層がシリコン層を含む請求項２０記載のシステム。
【請求項２２】
前記第１の厚さが５００Å以下であり前記第１の波長が３９０ｎｍ以下である請求項２１記載のシステム。
【請求項２３】
前記分析位置から汚染物質を除去するようにクリーニング動作の期間中にクリーニング用ビームを前記分析位置に向けるクリーニング用ビームジェネレータをさらに含む請求項２０記載のシステム。
【請求項２４】
前記クリーニング用ビームジェネレータが、パルス動作レーザ、外部変調器付き連続波レーザ、集束光学系付きフラッシュランプ、パルス動作マイクロ波源、パルス動作ガスジェット源、パルス動作音響波源、パルス動作ドライアイスジェット源、およびパルス動作イオンビーム源の一つから成る請求項２３記載のシステム。
【請求項２５】
前記測定用ビームジェネレータが前記クリーニング用ビームジェネレータであり、前記クリーニング用ビームが前記第１の材料の中で前記第１の厚さよりも大きい第２の吸収距離を有する請求項２３記載のシステム。
【請求項２６】
前記測定用ビームジェネレータが、
出力ビームを生ずるレーザ光源と、
前記測定用ビームを生ずるように前記出力ビームを前記第１の波長に設定するとともに、前記クリーニング用パルスを生ずるように前記出力ビームを前記第１の波長よりも大きい第２の波長に設定する変調器と
を含む請求項２５記載のシステム。
【請求項２７】
前記レーザ光源がイットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）レーザであって、
前記第１の波長が２６６ｎｍに等しく、前記第２の波長が１０３２ｎｍまたは５３２ｎｍである請求項２６記載のシステム。
【請求項２８】
前記測定用ビームジェネレータが、
出力ビームを生ずるレーザ光源と、
前記測定用ビームおよび前記クリーニング用ビームを生ずるように前記出力ビームの周波数を調節する少なくとも一つのビーム調節器と
を含む請求項２５記載のシステム。
【請求項２９】
前記レーザ光源がＹＡＧレーザから成り、前記少なくとも一つのビーム調節器が第１の光ビーム周波数２倍器および第２の光ビーム周波数２倍器を含み、前記第１の光ビーム周波数２倍器が前記クリーニング用ビームを生ずるように前記出力ビームの第２高調波を生じ、前記第２の光ビーム周波数２倍器が前記測定用ビームを生ずるように前記第１の光ビーム周波数２倍器と協働して前記出力ビームの第４高調波を生ずる請求項２８記載のシステム。
【請求項３０】
前記測定用ビームジェネレータおよび前記クリーニング用ビームジェネレータが前記測定用ビームおよび前記クリーニング用ビームを前記分析位置にそれぞれ同時に向ける請求項２３記載のシステム。
【請求項３１】
前記クリーニング用ビームが一連のクリーニング用パルスから成り、前記測定用ビームジェネレータが前記クリーニング用パルスの期間中前記測定用ビームを阻止する変調器を含む請求項３０記載のシステム。
【請求項３２】
前記クリーニング用パルスの各々がそのクリーニングパルスのあとの第１の期間にわたり前記分析位置にベースラインからの擾乱を生じ、前記変調器が前記クリーニング用パルスの各々のあとの前記第１の期間にわたり前記測定用ビームをさらに阻止する請求項３１記載のシステム。
【請求項３３】
前記クリーニング用ビームが一連のクリーニング用パルスから成り、前記システムが前記クリーニング用パルスの期間中にわたり前記測定値サンプルを予め定めたレベルにクランプするデータ処理ロジックをさらに含む請求項３０記載のシステム。
【請求項３４】
前記クリーニング用パルスの各々がそのクリーニングパルスのあとの第１の期間にわたり前記分析位置にベースライン状態からの擾乱を生じ、前記データ処理ロジックが前記クリーニング用パルスの各々のあとの前記第１期間にわたり前記測定値サンプルを前記予め定めたレベルにさらにクランプする請求項３３記載のシステム。
【請求項３５】
前記クリーニング用ビームが一連のクリーニング用パルスから成り、前記システムがそれらクリーニングパルスの期間中にわたり測定値サンプルを消去するデータ処理ロジックをさらに含む請求項３０記載のシステム。
【請求項３６】
前記クリーニング用パルスの各々がそのクリーニングパルスのあとの第１の期間にわたり前記分析位置にベースライン状態からの擾乱を生じ、前記データ処理ロジックが前記クリーニング用パルスの各々のあとの前記第１の期間に得られた測定値サンプルをさらに消去する請求項３５記載のシステム。
【請求項３７】
多層構造基板、すなわち第１の材料を含み第１の厚さを有し少なくとも一つの埋込み層に形成された表面層を含む多層構造基板の上の薄膜から成る被験試料を分析する単一波長偏光解析（ＳＷＥ）システムであって、
前記薄膜上の分析位置にＳＷＥを行うように第１の波長の測定用ビーム、すなわち前記第１の材料の中で前記第１の厚さよりも小さい第１の吸収距離を有する測定用ビームを向ける手段と、
前記測定用ビームに応答して前記分析位置から発生する出力ビームのビーム特性の測定値サンプルをとる手段と
を含むＳＷＥシステム。
【請求項３８】
前記多層構造基板がシリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）基板から成り、前記表面層がシリコン層を含む請求項３７記載のＳＷＥシステム。
【請求項３９】
前記第１の厚さが５００Å以下であり前記第１の波長が３９０ｎｍ以下である請求項３８記載のＳＷＥシステム。
【請求項４０】
前記分析位置から汚染物質を除去するようにクリーニング動作の期間中にクリーニング用ビームを前記分析位置に向ける手段をさらに含む請求項３７記載のシステム。
【請求項４１】
クリーニング用ビームを向ける手段が前記測定用ビームを向ける手段を含み前記クリーニング用ビームが前記第１の材料の中で前記第１の厚さよりも大きい第２の吸収距離を有する請求項４０記載のＳＷＥシステム。
【請求項４２】
前記測定用ビームジェネレータが、
出力ビームを生ずるレーザ手段と、
前記測定用ビームおよびクリーニング用ビームをそれぞれ生ずるように前記出力ビームを前記第１の波長および前記第１の波長よりも大きい第２の波長に設定する手段と
を含む請求項４１記載のＳＷＥシステム。
【請求項４３】
前記出力ビームを生ずる手段がイットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）レーザであって、前記第１の波長が２６６ｎｍに等しく、前記第２の波長が１０３２ｎｍまたは５３２ｎｍである請求項４２記載のＳＷＥシステム。
【請求項４４】
前記出力ビームを調節する手段が前記出力ビームを生ずる手段を制御する周波数変調器を含む請求項４３記載のＳＷＥシステム。
【請求項４５】
前記出力ビームを調節する手段が、
前記クリーニング用ビームを生ずるように前記出力ビームの周波数を２逓倍する第１の周波数２倍器と、
前記測定用ビームを生ずるように前記クリーニング用ビームの周波数を２逓倍する第２の周波数２倍器と
を含む請求項４３記載のＳＷＥシステム。
【請求項４６】
前記クリーニング用ビームが一連のクリーニング用パルスから成り、前記測定用ビームを向ける手段が前記クリーニング用パルスの期間中前記測定用ビームを阻止する手段を含む請求項４０記載のＳＷＥシステム。
【請求項４７】
前記クリーニング用パルスの各々がそのクリーニングパルスのあとの第１の期間にわたり前記分析位置にベースラインからの擾乱を生じ、前記測定用パルスを阻止する手段が前記クリーニング用パルスの各々のあとの前記第１の期間にわたり前記測定用ビームをさらに阻止する請求項４６記載のＳＷＥシステム。
【請求項４８】
前記クリーニング用ビームが一連のクリーニング用パルスから成り、前記ＳＷＥシステムが前記クリーニング用パルスの期間中にわたり前記測定値サンプルを予め定めたレベルにクランプする手段をさらに含む請求項４０記載のＳＷＥシステム。
【請求項４９】
前記クリーニング用パルスの各々がそのクリーニングパルスのあとの第１の期間にわたり前記分析位置にベースライン状態からの擾乱を生じ、前記測定値サンプルをクランプする手段が前記クリーニング用パルスの各々のあとの前記第１期間にわたり前記測定値サンプルを前記予め定めたレベルにさらにクランプする請求項４８記載のＳＷＥシステム。
【請求項５０】
前記クリーニング用ビームが一連のクリーニング用パルスから成り、前記ＳＷＥシステムがそれらクリーニングパルスの期間中にわたり測定値サンプルを消去する手段をさらに含む請求項４０記載のＳＷＥシステム。
【請求項５１】
前記クリーニング用パルスの各々がそのクリーニングパルスのあとの第１の期間にわたり前記分析位置にベースライン状態からの擾乱を生じ、前記測定値サンプルを消去する手段が前記クリーニング用パルスの各々のあとの前記第１の期間に得られた測定値サンプルをさらに消去する請求項５０記載のＳＷＥシステム。
【請求項５２】
基板上の薄膜を含む被験試料について単一波長偏光解析（ＳＷＥ）を行うシステムであって、
前記薄膜の上の分析位置に、前記分析位置から汚染物質を除去するクリーニング用ビームと前記分析位置から出力ビームを生ずる測定用ビームとを向けるビームジェネレータと、
前記出力ビームのビーム特性の測定値サンプルを把握する測定値レシーバと
を含むシステム。
【請求項５３】
前記測定用ビームが第１の波長を有し、前記クリーニング用ビームが前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する請求項５２記載のシステム。
【請求項５４】
前記基板が表面層を含む複数の層から成り、前記表面層が第１の厚さを有し、前記薄膜が前記表面の上に形成されており、前記測定用ビームが前記表面層において前記第１の厚さ以下の第１の吸収距離を有し、前記クリーニング用ビームが前記表面層において前記第１の厚さ以上の第２の吸収距離を有する請求項５３記載のシステム。
【請求項５５】
前記基板がシリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）基板から成り、前記表面層がシリコン層を含む請求項５４記載のシステム。
【請求項５６】
前記第１の厚さが５００Å以下であり前記第１の波長が３９０ｎｍ以下である請求項５５記載のシステム。
【請求項５７】
前記ビームジェネレータが、
出力ビームを生ずるレーザ光源と、
前記測定用ビームを生ずるように前記出力ビームを前記第１の波長に設定するとともに、前記クリーニング用パルスを生ずるように前記出力ビームを第２の波長に設定する変調器と
を含む請求項５６記載のシステム。
【請求項５８】
前記レーザ光源がイットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）レーザであって、
前記第１の波長が２６６ｎｍに等しく、前記第２の波長が１０３２ｎｍまたは５３２ｎｍである請求項５７記載のシステム。
【請求項５９】
前記ビームジェネレータが、
出力ビームを生ずるレーザ光源と、
前記測定用ビームおよび前記クリーニング用ビームを生ずるように前記出力ビームの周波数を調節する少なくとも一つのビーム調節器と
を含む請求項５６記載のシステム。
【請求項６０】
前記レーザ光源がＹＡＧレーザから成り、前記少なくとも一つのビーム調節器が第１の光ビーム周波数２倍器および第２の光ビーム周波数２倍器を含み、前記第１の光ビーム周波数２倍器が前記クリーニング用ビームを生ずるように前記出力ビームの第２高調波を生じ、前記第２の光ビーム周波数２倍器が前記測定用ビームを生ずるように前記第１の光ビーム周波数２倍器と協働して前記出力ビームの第４高調波を生ずる請求項５９記載のシステム。
【請求項６１】
前記ビームジェネレータが前記測定用ビームおよび前記クリーニング用ビームを前記分析位置に同時に向ける請求項５３記載のシステム。
【請求項６２】
前記クリーニング用ビームが一連のクリーニング用パルスから成り、前記ビームジェネレータが前記クリーニング用パルスの各々の期間中前記測定用ビームを阻止する変調器を含む請求項６１記載のシステム。
【請求項６３】
前記クリーニング用パルスの各々がそのクリーニングパルスのあとの第１の期間にわたり前記分析位置にベースラインからの擾乱を生じ、前記変調器が前記クリーニング用パルスの各々のあとの前記第１の期間にわたり前記測定用ビームをさらに阻止する請求項６２記載のシステム。
【請求項６４】
前記クリーニング用ビームが一連のクリーニング用パルスから成り、前記システムが前記クリーニング用パルスの期間中にわたり前記測定値サンプルを予め定めたレベルにクランプするデータ処理ロジックをさらに含む請求項６１記載のシステム。
【請求項６５】
前記クリーニング用パルスの各々がそのクリーニングパルスのあとの第１の期間にわたり前記分析位置にベースライン状態からの擾乱を生じ、前記データ処理ロジックが前記クリーニング用パルスの各々のあとの前記第１期間にわたり前記測定値サンプルを前記予め定めたレベルにさらにクランプする請求項６４記載のシステム。
【請求項６６】
前記クリーニング用ビームが一連のクリーニング用パルスから成り、前記システムがそれらクリーニングパルスの期間中にわたり測定値サンプルを消去するデータ処理ロジックをさらに含む請求項６１記載のシステム。
【請求項６７】
前記クリーニング用パルスの各々がそのクリーニングパルスのあとの第１の期間にわたり前記分析位置にベースライン状態からの擾乱を生じ、前記データ処理ロジックが前記クリーニング用パルスの各々のあとの前記第１の期間に得られた測定値サンプルをさらに消去する請求項６６記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は概括的には測定システムに関し、より詳しくいうとシリコン−オン−シリコン（ＳＯＳ）構造について諸測定を行うシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの寸法の微細化の継続に伴って、それらデバイスを構成する各部分の特性を正確に効率的に把握することがより重要になってくる。代表例を挙げると、最新の半導体デバイスの製造プロセスはシリコンウェーハ表面上に多数の層または「薄膜」を形成する過程を含んでいる。この薄膜には、酸化膜や窒化膜や金属膜などが含まれる。完成後の半導体デバイス本来の性能を確保するためには、製造プロセスの進行中に形成される薄膜の各々の厚さおよび組成を厳密に制御しなければならない。
【０００３】
単一波長偏光解析（ＳＷＥ）は、単一波長偏光ビームを薄膜にあて反射ビームの偏光状態の変化を測定することによって、薄膜を測定する手法であって、この出願の出願人の所有する出願中のWangほか名義の米国出願第０９／２９８，００７号「自己較正機能つきの表面特性分析システム」に記載してあるとおりであり、その出願をここに参照してその明細書の記載内容をこの明細書に組み入れる。ＳＷＥは薄膜の膜圧の測定の手法として最も安定した再現性の高い手法であり、したがってゲート酸化物膜など重要な構成部分の測定のための優れた手法である。
【０００４】
しかし、残念ながら特定の最新プロセス技術は慣用のＳＷＥに問題を惹起する。例えば、ＩＣの中の金属−酸化物−半導体（ＭＯＳ）トランジスタの動作速度の改善に用いられる基本的シリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハ１００を図１に示す。ＳＯＩウェーハ１００は、ＳＯＩ基板１１０の表面上に形成したゲート酸化物層１２０を含む。ＳＯＩはシリコンウェーハ１１１と、そのシリコンウェーハ１１１の表面上に形成した埋込み絶縁物層１１２と、その埋込み絶縁物層１１２の表面上に形成した表面シリコン層１１３とを含む。埋込み絶縁物層１１２は、表面シリコン層１１３の中に形成したデバイスをシリコンウェーハ１１１からアイソレートし、それによって接合容量を除き、それらのデバイスがより高い動作速度で動作できるようにする。
【０００５】
最新のＳＯＩプロセスでは、通常、厚さ５００Å乃至２０００Åの埋込み絶縁物層と、厚さ５００Å以下の表面シリコン層とを用いる。デバイスの動作速度は表面シリコン層の寸法を縮小することによってさらに改善でき、より高度のプロセスでは表面シリコン層の厚さを約２００Åまで小さくすることができる。これらＳＯＩ寸法を縮小するに伴って、ＳＯＩ基板１１０の表面上に形成した薄膜層も、性能の改善を十分に発揮できるように寸法縮小しなければならない。
【０００６】
ＳＯＩ基板寸法の縮小に伴って、ＳＯＩ基板表面に形成する薄膜層（ゲート酸化物層１２０など）の形成精度がより重要になる。しかし、測定用ビームの発生のための慣用のＳＷＥシステムに用いられているレーザはＳＯＩ構造には不向きである。ＳＷＥシステムにおけるこの測定用ビームはその一部が薄膜で反射され、また他の一部がその薄膜を透過する。測定用ビームの透過部分はその薄膜の下にある基板でその一部が反射され他の一部は透過する。薄膜および基板で反射されたビームは互いに強めあったり弱めあったりして干渉し、薄膜厚の算定に用いられる特徴的出力（反射）ビームを生ずる。
【０００７】
慣用のシリコン基板の表面上に形成した薄膜では、測定用ビームの基板透過成分はそのシリコン基板に結局は吸収され、したがってＳＷＥ測定には影響しない。しかし、ＳＯＩ基板を透過した測定用ビーム透過成分は多層構造ＳＯＩ基板の種々の層界面で反射され得る。それらスプリアスな反射が上記の特徴的出力ビームを変化させＳＷＥ測定の精度を低下させる。
【０００８】
慣用のＳＷＥシステムは、可視光領域または赤外線領域でビームを主ずるレーザを用いる。その種のレーザは容易に入手でき、ゲート酸化物膜の測定（モノリシックシリコン基板についての）に好適に動作するからである。慣用のＳＷＥシステムにおけるレーザを、波長６３２．８ｎｍで動作するヘリウム−ネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レーザ、または波長５３２ｎｍで動作するイットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）レーザで構成することもしばしばある。しかし、これらの波長のビームについてのシリコン内の吸収距離（すなわち、入射ビームの強度がもとのレベルの１／ｅ（ここで“ｅ”は自然対数の底であり２．７１８にほぼ等しい）に低下するまでに媒体内を透過する深さ）は６００乃至１０００Åの範囲にある。ＳＯＩ基板上の薄膜の測定にはそのような測定用ビームは受容できない。すなわち、測定用ビームが厚さ２００乃至５００Åの表面シリコン層を完全に透過し、したがってスプリアス反射を生じ、不正確な測定を招来するからである。
【０００９】
したがって、ＳＯＩ基板上の薄膜の測定にはＳＷＥではなく分光偏光解析（ＳＥ）を用いる。この出願の出願人の所有する米国特許第５，６０８，５２６号（Piwonka-Corleほか名義１９９７年３月４日登録「集束ビーム分光偏光解析方法およびシステム」）に記載してあるようなＳＥは広範囲にわたる波長を同時に走査する過程を伴う。したがって、反射成分が複数の周波数成分を含む結果になり、複数種類の測定データの読出しをもたらす。これら複数種類のデータから材料スタックの複数層の厚さを算定できる。ＳＯＩ基板表面上の薄膜の測定にはＳＥを行ってＳＯＩ層関連のデータを捨て、薄膜関連のデータだけを残す。
【００１０】
ＳＥデータのこの「選択的」利用によりＳＯＩ表面上の薄膜の測定は可能になるが、単一の薄膜（ゲート酸化物層など）の測定にはＳＥは理想的な手法ではない。ＳＥに用いられる複数の測定用ビームの周波数のために処理時間が長くなり（したがってスループットが低下し）、また実際の測定の精度が低下する。すなわち、複数の波長のビーム相互間の相互作用の影響を完全に除去することはできないからである。また、ＳＥが複雑であるために、ＳＥシステムで用いる波長の範囲を正確に制限することは難しく、したがってシステム相互間の整合の障害になるからである。
【００１１】
ＳＯＩ表面上の薄膜の正確な測定を妨げるもう一つの問題は汚染物質層の成長である。最新の薄膜は、薄膜測定の精度および再現性がその薄膜の表面上の汚染によって制限され得るところまで達している。例えば、水蒸気ほかの蒸気などの分子汚染（ＡＭＣ）は薄膜に吸収されて、偏光解析（ＳＥおよびＳＷＥの両方）に悪影響を及ぼす汚染物質層を形成することがあり得る。
【００１２】
薄膜クリーニングのための慣用の方法としては、米国特許第６，３２５，０７８号（Kamieniecki名義２００１年１２月４日登録「高速光−熱表面処理の装置および方法」）に記載されているとおり汚染物質層を蒸発させるように恒温槽で約３００℃までウェーハ全体を加熱する方法や、米国特許第６，２６１，８５３号（Howellほか名義２００１年７月１７登録「測定のための半導体ウェーハ前処理方法および装置」）に記載されているとおり加熱ステージ上にウェーハを配置する方法などがある。しかし、これらのバルク加熱システムでは大きい加熱制御部品（例えばランプ、加熱ステージ、熱交換機など）を必要とし、それら部品のために慣用のクリーニング機器に必要なクリーンルーム空間が大きくなり望ましくない。また、バルク加熱機器の予熱時間および冷却時間が長いために（クリーニング機器にウェーハを出し入れするための所要時間の影響と同様に）スループットが大幅に低下する。さらに、クリーニングずみのウェーハをクリーニング機器から薄膜分析機器に移す際にそのウェーハに汚染物質が再堆積することもあり得る。
【００１３】
スループットを改善しシステムフットプリントを減らすために、この出願の出願人が所有する出願中の米国特許仮出願第６０／４２６，１３８号(Janik名義の２００２年１１月１３日出願「インタリーブ式レーザクリーニング付きの薄膜測定」)に記載したように（ここに参照してその記載内容をこの明細書に組み入れる）、レーザクリーニングシステムを計測機器に含めることができる。測定用ビーム源およびクリーニング用ビーム源レーザの両方を単一の測定機器に含めることによって、局部クリーニングおよび局部測定を同時並行的に、または高速順次的に行ってスループットを改善することができる。さらに個別の加熱チェンバを必要としないので、全体としてのシステムフットプリントを減らすことができる。しかし、複数のビーム源を用いるので複数のアラインメント機構が必要になり、システムの複雑性がそれだけ高まる。
【００１４】
【特許文献１】ＵＳＰ  ６  ２７８  ５１９
【非特許文献１】Deumie C. et al "Ellipsometry of Light Scatteringfrom Multiplayer Coating," Applied Optics, Optical Society of America, vol.35,no.28, 1 October 1996, pp.5600-5608
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
したがって、ＡＭＣ汚染および再成長に伴う上述の問題を回避したＳＯＩ基板表面上の薄膜の高精度測定方法およびシステムを提供することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この発明はＳＯＩなどの多層構造基板について高精度のＳＷＥ測定を行うシステムおよび方法を提供する。その多層構造基板の表面層の厚さ以下の吸収距離を有する測定用ビームを用いることによって、その表面層の下の層におけるスプリアス反射を除去できる。
【００１７】
この発明の一つの実施例によると、多層構造基板の表面層の厚さ以下の吸収距離を有する測定用ビームを発生するように構成したＳＷＥシステムには、測定精度を高めるためにＳＷＥ測定実施前および実施中に局部クリーニングを行うクリーニング用ビームジェネレータを併せ備えることができる。クリーニング動作および測定動作を同時に行うことによって、測定スループットに目立った影響を及ぼすことなくＳＷＥ精度を上げることができる。
【００１８】
この発明の一つの実施例によると、多層構造基板用の測定用ビームおよびクリーニング用ビームを発生するためのＳＷＥシステムのビーム源を単一のビーム源とすることができる。このビーム源には、ビーム光周波数基本波の高調波を生ずるように周波数変調器または周波数調整器を備えることができる。例えば、ＳＯＩ基板については、ＹＡＧレーザを用い、その出力の基本波成分または第２高調波成分をクリーニング用ビームとし、第４高調波を測定用ビームとすることができる。
【００１９】
この発明の一つの実施例によると、クリーニング用ビームを一連のクリーニング用パルス、すなわち一連のオン／オフ状態のパルスで構成することができる。パルス状のクリーニング用ビームの特性に応じて、パルス（オン）部分で局部効果、すなわち分析サブシステムにより抽出中の測定値に影響を及ぼし得る局部効果をもたらすこともできる（パルス状クリーニング用ビームの非パルス（オフ）部分が上記測定値に何ら影響しないのはもちろんである）。例えば、クリーニング用レーザビームの各パルスが被験試料を局部的に加熱し、その加熱により上昇した温度で測定値を抽出するために測定値が影響を受けることはあり得る。
【００２０】
特定のクリーニング効果およびそれら効果に対する分析サブシステムの感度に応じて、それらの影響を最小にするのに多様な手法を用いることができる。この発明の一つの実施例によると、クリーニング効果が十分に小さい場合はその効果は無視するだけで済むであろう。この発明のもう一つの実施例によると、パルス状クリーニング用パルスのパルス幅（すなわちパルスの持続時間）および繰返し周期（すなわち、一つのパルスの始点と次のパルスの始点との間の時間）が測定サブシステムの抽出する測定サンプルの間に入るように時間調整する。この発明のさらにもう一つの実施例によると、分析サブシステムにクランプ回路、すなわちクリーニング用パルスの各々の期間中（および各クリーニング用パルスのあとのクールダウン期間の期間中）に抽出した測定値サンプルをそのクリーニング用パルスの直前のパルスに対する測定サンプルのレベルにクランプするクランプ回路を備えることもできる。この発明のさらにもう一つの実施例によると、上記クリーニング用パルスの各々の期間中およびそれに伴うクールダウン期間の期間中に抽出した測定値サンプルを消去または置換するようにそれらサンプル抽出データに後処理を施すことも可能である。
【発明の効果】
【００２１】
この発明は、ＳＯＩ基板など多層構造基板の表面薄膜層の厚さを、分子汚染の影響を回避するとともにシステムの複雑性を伴うことなく、高精度で測定する方法およびシステムを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
ＳＷＥシステムにおける測定用ビームの波長をＳＯＩ基板の表面シリコン層の厚さと一致させることによって、この発明はＳＯＩ基板上の薄膜の厚さの測定にＳＷＥを使用することを可能にする。測定用ビームの波長を、測定用ビームの吸収距離がＳＯＩ基板の表面シリコン層の厚さ以下になるように選ぶことによって、その表面シリコン層と埋込み絶縁物層との間の界面におけるスプリアス反射を除くことができる。
【００２３】
特定の材料（シリコンなど）における吸収距離は次式、すなわち
［式１］  Ｄ＝λ／４πｋ
で与えられる。ここでＤは吸収距離、λはその材料の中における測定用ビームの波長、ｋはその材料の消光係数である。種々の材料の消光係数ｋの値は諸刊行物から容易に得られる。なお、不純物拡散ずみのシリコンなどの材料では、消光係数ｋの値はそのシリコンの中の特定のドーパントレベルに影響される。
【００２４】
図２はシリコン内吸収距離対波長特性を表す吸収曲線のグラフを示す。波長約３９０ｎｍにおいて吸収距離は約５００Åである。したがって、この発明の一つの実施例によると、ＳＯＩ基板表面上の薄膜について、測定用ビームの波長を約３９０ｎｍ以下にすることによって、ＳＷＥを行うことができる（波長閾値の正確な算定は実際の吸収曲線データから行う）。
【００２５】
波長３９０ｎｍ近傍の曲線の急峻な勾配は、実際の吸収距離が測定用ビームの正確な波長に大きく左右されることを表している。測定用ビームの波長の精度が少しでも低い場合は、ＳＯＩ基板へのビーム透過距離が大きくなりすぎてスプリアスな反射を生ずる結果になる。しかし、グラフにも示されるとおり、波長約３６５ｎｍ以下の領域、すなわち吸収距離約１００Åに対応する波長以下の領域では吸収曲線の勾配はずっと小さくなり、波長２９０ｎｍ以下では約５０Åで曲線は一定値になる。したがって、この発明のもう一つの実施例によると、測定用ビームの波長を３６５ｎｍの「膝」以下になるように選ぶことによって、ＳＷＥシステムが測定用ビームの波長の微小な変動にあまり左右されないようにすることができる。
【００２６】
図３は多層構造基板３１０の表面上に形成した薄膜層３００を含む被験試料３０１の測定のためのこの発明の一つの実施例によるＳＷＥシステム３００を示す。多層構造基板３１０は厚さＴｓｕｐの表面（上面）層３１３を含む。表面層３１３は埋込み層３１２および３１１の上に形成してある。この発明の一つの実施例によると、基板３１０はＳＯＩ基板を含み、表面層３１３は表面シリコン層を含み、埋込み層３１２および３１１は埋込み絶縁物層およびシリコン基板をそれぞれ含む。なお、説明のために多層構造基板３１０は三層構造としてあるが、表面層３１３並びに埋込み層３１２および３１１を画定する点線で示すとおり、任意の多層構造基板にこの発明は適用できる。
【００２７】
ＳＷＥシステム３００は、測定用ビームジェネレータ３３０および測定値レシーバ３４０を含む。測定用ビームジェネレータ３３０は単一波長の測定用ビーム３３１で薄膜層３２０を照射し、測定値レシーバ３４０がその反射成分を所望の偏光解析計算ができるように測定する。なお、追加の測定用ビームジェネレータ３３５の周囲および追加の測定値レシーバ３４５の周囲に点線で示すとおり、このＳＷＥシステム３００には任意の数の追加のビームジェネレータおよび対応の測定値レシーバを備えることができる。
【００２８】
測定用ビームジェネレータ３３０は、測定用ビーム３３１の吸収距離が多層構造基板３１０の表面層３１３の厚さＴｓｕｐよりも小さくそれによって測定用ビーム３３１の表面層３１３透過およびスプリアス反射発生を防ぐように構成してある。
【００２９】
例えば、基板３１０が表面シリコン層の膜厚５００ÅのＳＯＩ基板から成る場合は、測定用ビームジェネレータ３３０は波長３９０ｎｍ以下の測定用ビームを発生するように構成することができる。その場合は、測定用ビームジェネレータ３３０は、波長２６６ｎｍの測定用ビームを生ずる周波数４逓倍ＹＡＧレーザで構成できる。
【００３０】
図４ａは多層構造基板４１０の表面上に形成した薄膜層４２０を含む被験試料４０１の測定のためのこの発明のもう一つの実施例によるＳＷＥシステム４００を示す。多層構造基板４１０は図３に示した多層構造基板３１０をほぼ同様であり、厚さＴｓｕｐで埋込み層４１２および４１１の上に形成した表面（上面）層４１３を備える。この発明の一つの実施例によると、基板４１０はＳＯＩ基板から成り、表面層４１３は表面シリコン層を含み、埋込み層４１２および４１１は埋込み絶縁層およびシリコン基板をそれぞれ含む。なお、多層構造基板４１０は表面層４１３の下に任意の数の層を備え得る。
【００３１】
汚染物質層４２１が薄膜層４２０の表面を覆っている。汚染物質層４２１は薄膜層４２０の表面上のＡＭＣなどの任意の不要物質で構成され得る。なお、汚染物質層は説明の便宜のために薄膜層４２０の表面全体を覆った形で図示してあるが、この汚染物質層４２１が薄膜層４２０の一部だけを覆うこともあり得る。汚染物質層４２１は薄膜層４２０のＳＷＥ測定の精度に影響するので不都合である。
【００３２】
ＳＷＥシステム４００は測定用ビームジェネレータ４３０と、測定値レシーバ４４０と、クリーニング用ビームジェネレータ４５０と、オプションのデータ処理ロジック４９０とを含む。なお、ＳＷＥシステム４００は、追加の測定用ビームジェネレータ３３５および３４５のまわりに点線で示すとおり、任意の数の追加の測定用ビームジェネレータおよびその対応のレシーバを備え得る。
【００３３】
クリーニング動作を行うために、クリーニング用ビーム発生器４５０はクリーニング用ビーム４５１を汚染物質４２１に向ける。クリーニング用ビーム４５１は薄膜層３１２の部分を露出させるに十分な程度に汚染物質層を除去するように構成されている。この除去工程は、汚染物質層４２１との相互作用、または薄膜層４２０の下部層や基板４１０などとの相互作用を含む。汚染物質層除去のメカニズムは使用したクリーニング用ビームの種類によって定まる。
【００３４】
この発明の一つの実施例によると、クリーニング用ビームジェネレータ４３０はクリーニング用ビーム４３１をパルス状のビームとして発生し得る。例えば、クリーニング用ビーム源４３０はパルス動作のレーザで構成できる。汚染物質層４２１が厚さ５Åの水および有機物質の層（薄膜層上に製造中に頻繁に生ずるＡＭＣ層と類似）から成る場合であって基板４１０がＳＯＩ基板で構成される場合は、５−１００マイクロジュール（波長５３２ｎｍ）で動作するＱ−スイッチ付き周波数２逓倍ＹＡＧレーザをクリーニング用ビームジェネレータ４５０として用いることができる。多数の１乃至１００ｎｓパルスまたは単一のパルスを生ずるこの種のレーザでシリコン基板（層５１１）を加熱し、汚染物質層５２１の上側部分をその部分の汚染物質の蒸発に十分な温度範囲３００℃乃至１０００℃まで温度上昇させる。
【００３５】
この発明の上記以外の実施例によると、上記以外の波長で動作する上記以外のタイプのパルス動作レーザ、すなわちパルス動作ダイオードレーザまたはアレキサンドライトレーザを用いることもできる。この発明のさらに他の実施例によると、光パルスの発生に外部変調（音響光学変調素子または電気光学変調素子などによる）をかけたアルゴンイオンレーザなどの連続波レーザを用いることもできる。この発明のさらに他の実施例によると、クリーニング用ビーム源４５０を、汚染物質層４２１表面上の所望の領域に高強度の光を導く集束光学系と結合したフラッシュランプで構成することもできる。この発明のさらに他の実施例によると、クリーニング用ビーム源４５０をパルス動作のマイクロ波源、ガスジェット源、音響波源、ドライアイスジェット源、またはイオンビーム源などで構成することもできる。
【００３６】
図４ｂは、図４ａを参照して説明したクリーニング動作により汚染物質層４２１から露出させた薄膜層４２０の測定位置４２２でＳＷＥ動作を行うＳＷＥシステム４００を示す。測定用ビーム発生器４３０は薄膜層４２０の測定位置４２２に単一波長の測定用ビーム４３１を導き、測定用レシーバ４４０は所望の偏光解析計算が可能になるように反射光を測定する。次に、オプションのデータ処理ロジック４９０で所望の偏光解析データ処理を行う。測定用ビームジェネレータ４３０は、図３を参照して説明したのとほぼ同様に多層構造基板４１０の表面層４１３の厚さＴｓｕｐ以下に測定用ビーム４３１の吸収距離がなるように構成してある。この構成によって、測定用ビーム４３１が表面層４１３を透過することを防止し、測定精度を損なうスプリアス反射の発生を防止する。
【００３７】
なお、この発明の一つの実施例によると、測定用ビーム発生器４３０および被験試料４０１の相対的位置はクリーニング動作と測定（ＳＷＥ）動作との間の期間に移動させて、測定用ビーム４３１を上記露出させた測定位置４２２の薄膜層４２０に確実に導くようにすることができる。この発明のもう一つの実施例によると、クリーニング動作と測定動作との間の被験試料の位置再設定を不要にするように、測定用ビームジェネレータ４３０およびクリーニング用ビームジェネレータ４５０を同じ位置に集束させることもできる。
【００３８】
図５は多層構造基板５１０の表面上に形成した薄膜層５２０を含む被験試料５０１の測定のためのこの発明のもう一つの実施例によるＳＷＥシステム５００を示す。多層構造基板５１０は図３に示した多層構造基板３１０とほぼ同様であり、厚さＴｓｕｐで埋込み層５１２および５１１の上に形成した表面（上面）層５１３を備える。この発明の一つの実施例によると、基板５１０はＳＯＩ基板から成り、表面層５１３は表面シリコン層を含み、埋込み層５１２および５１１は埋込み絶縁層およびシリコン基板をそれぞれ含む。なお、多層構造基板５１０は表面層５１３の下に任意の数の層を備え得る。
【００３９】
汚染物質層５２１が薄膜層５２０の表面を覆っている。汚染物質層５２１は薄膜層５２０の表面上のＡＭＣなどの任意の不要物質で構成されうる。なお、汚染物質層は説明の便宜のために薄膜層５２０の表面全体を覆った形で図示してあるが、この汚染物質層５２１が薄膜層５２０の一部だけを覆うこともあり得る。汚染物質層５２１は薄膜層５２０のＳＷＥ測定の精度に影響するので不都合である。
【００４０】
ＳＷＥシステム５００はクリーニング用／測定用ビームジェネレータ５３０と、測定値レシーバ５４０とを含む。クリーニング用／測定用ビームジェネレータ５３０はクリーニング動作のためのクリーニング用ビームと測定動作のための測定用ビームとを次に詳述するとおり発生する。なお、ＳＷＥシステム５００は任意の数の追加のクリーニング用／測定用ビームジェネレータおよび対応の測定値レシーバを、追加のジェネレータ５３５およびレシーバ５４５の周囲に点線で示したとおり、備えることができる。
【００４１】
クリーニング動作を行うには、クリーニング用／測定用ビームジェネレータ５３０がクリーニング用ビーム５３１を汚染物質層５２１に向ける。クリーニング用ビーム５３１の波長はそのビーム５３１の吸収距離が表面層５１３の厚さＴｓｕｐよりも大きくなる値に選んである。例えば、基板５１０が表面シリコン層の厚さ５００ÅのＳＯＩ基板である場合は、クリーニング用／測定用ビームジェネレータ５３０をＹＡＧレーザで構成し、クリーニング用ビーム５３１をそのレーザの基本波成分（すなわち波長１０６４ｎｍ）または第２高潮波成分（すなわち波長５３２ｎｍ）とすることができる。いずれの場合も、クリーニング用ビーム５３１の吸収距離は図２の吸収曲線に示すとおり５００Åを実質的に上回る。したがって、クリーニング用ビーム５３１は基板５１０を深く浸透して、汚染物質層５２１の上側部分の除去に十分な局部加熱を生ずることができる。
【００４２】
図５ｂは図５ａを参照して説明したクリーニング動作により汚染物質層５２１から露出させた薄膜層５２０上の測定位置でＳＷＥ動作を行っているＳＷＥシステム５００を示す。クリーニング用／測定用ビームジェネレータ５３０は薄膜層５２０上の測定位置５２２に単一波長の測定用ビーム５３２を向け、測定値レシーバ５４０が所望の偏光解析計算をできるように反射光を測定する。次に、オプションのデータ処理ロジック５９０で所望の偏光解析データ処理を行う。図５ａを参照して説明したクリーニング用ビームと対照的に、測定用ビーム５３２はそのビーム５３２の吸収距離が表面層５１３の厚さＴｓｕｐ以下になる波長をもつように構成してある。したがって、図３について述べたのとほぼ同じ理由で測定用ビーム５３２は表面層５１３の透過を妨げられ、測定精度を損ない得るスプリアス反射の発生が防止される。
【００４３】
クリーニング用／測定用ビームジェネレータ５３０はクリーニング用ビームおよび測定用ビームの両方を生ずるので、別々のビームジェネレータを用いたＳＷＥシステムに比べてＳＷＥシステム５００のコストおよび大きさは減らすことができる。例えば、クリーニング用ビーム５３１を図５ａについて上に述べたＹＡＧレーザの基本波（１０６４ｎｍ）または第２高調波（５３２ｎｍ）成分で構成する場合は、図５ｂにおける測定用ビーム５３２は同じＹＡＧレーザの第４高調波（２６６ｎｍ）で構成できる。
【００４４】
図６ａはこの発明によるクリーニング用／測定用ビームジェネレータ６００ａの詳細を示す。クリーニング用／測定用ビーム発生器６００ａは図５ａおよび５ｂにおけるクリーニング用／測定用ビームジェネレータ５３０に対応する。クリーニング用／測定用ビームジェネレータ６００ａはビーム源６１０と、変調器６２１と、オプションの制御光学系６３０とを含む。変調器６２１はビーム源６１０の出力を制御して出力ビーム６０１が所望の波長特性を備えるようにする。例えば、ビーム源６１０はＹＡＧマトリクスで構成し、変調器６２１で出力ビーム６０１の周波数変調を制御し、例えば、クリーニング動作の期間中は基本波または第２高調波で出力ビームを維持し、測定動作の期間中は出力ビーム６０１を第４高調波に上げるようにする。制御光学系６３０は偏光板、波長板、集束光学系ほかＳＷＥ動作に必要な光学素子を含む。
【００４５】
図６ｂはこの発明によるクリーニング用／測定用ビームジェネレータ６００ｂの詳細を示す。クリーニング用／測定用ビーム発生器６００ｂも図５ａおよび図５ｂにおけるクリーニング用／測定用ビームジェネレータ５３０に対応する。クリーニング用／測定用ビームジェネレータ６００ｂはビーム源６１０と、周波数調節器６２２ａおよび６２２ｂと、オプションの制御光学系６３０とを含む。周波数調節器６２２ａおよび６２２ｂは所望のクリーニング用ビームおよび測定用ビームを生ずるようにビーム源６１０の出力を調節する。制御光学系６３０は偏光板、波長板、集束光学系ほかＳＷＥ動作に必要な光学素子を含む。
【００４６】
なお、説明の便宜のために図６ｂでは二つのビーム調節器を示したが、クリーニング用／測定用ビームジェネレータ６００ｂには所望の出力ビーム特性に応じて任意の数のビーム調節器を備えることができる。例えば、ビーム源６１０をＹＡＧマトリクスで構成し、周波数調節器６２２ａおよび６２２ｂを周波数２倍器で構成することができる。周波数調節器６２２ａはもとのビームの基本波成分を２逓倍して、クリーニング用ビームとして用い得る波長５３２ｎｍの出力ビーム６０１ａを生ずる。一方、周波数調節器６２２ｂはその出力ビームの周波数を２逓倍して測定用ビームとして用い得る波長２６６ｎｍの出力ビーム６０１ｂを生ずる。なお、これら出力ビーム６０１ａおよび６０１ｂは説明の便宜のために別々の経路を通るように図示してあるが、これら出力ビーム６０１ａおよび６０１ｂ（それぞれクリーニング用ビームおよび測定用ビーム）はコーリニア（collinear）にすることもできる。また、二つの周波数調節器は個別に同時並行的に動作させて出力ビーム６０１ａおよび６０１ｂを個別に同時に発生するようにすることもできる。
【００４７】
この発明の一つの実施例によると、ＳＷＥシステム４００（図４ａおよび４ｂに示してある）およびＳＷＥシステム５００（図５ａおよび図５ｂに示してある）によるクリーニング動作および測定動作を順次的に行うこともできる。この発明のもう一つの実施例によると、クリーニング動作および測定動作を同時並行にまたは交互に行うことによって薄膜層表面上の汚染の再発を防止し、両動作を時間的空間的に分けて実施した場合（クリーニングに要する時間が長くなる）に比べてクリーニング動作用のビームの電力の低下を可能にし、被験試料への損傷のリスクを低減できる。被験試料の非機能領域（例えば最終製品の機能領域でないスクライブ線などの領域）にクリーニング動作を行うことによって、上記損傷のリスクをさらに低減できる。
【００４８】
この発明のもう一つの実施例によると、薄膜層の初期露出領域の形成のためにクリーニングおよび測定の並行動作の前に初期クリーニング動作を行うことができる。所望の程度の初期クリーニングを行うために図４のクリーニング用ビームジェネレータ４５０または図５のクリーニング用／測定用ビーム発生器５３０から汚染物質層４２１または５２１に予め画定した個数のクリーニング用パルスをそれぞれ加える。なお、これら初期クリーニング用パルスの持続時間や繰返し周期は、並行クリーニング動作（測定動作と並行して行うクリーニング動作）のためのクリーニング用パルスの持続時間や繰返し周期と等しいとは限らない。
【００４９】
図４におけるクリーニング用ビームまたは図５におけるクリーニング用ビーム５３１の特性によっては、ビームの中の個々のクリーニング用パルスが並行実施のＳＷＥ測定の精度を損なうことがあるかもしれない。例えば、汚染物質層の部分の除去に使われる熱が薄膜層および基板の一時的な歪を生じさせ、それが出力光に影響を及ぼし得る。この発明の一つの実施例によると、そのような「クリーニング効果」に起因する擾乱からの回復時間は有意なＡＭＣ再成長に要する時間よりも通常はずっと短いので、クリーニング効果は無視することができ、クリーニング用ビームによる測定精度低下は許容できる。
【００５０】
この発明の他の実施例によると、上記クリーニング効果は、クリーニング用パルスのタイミングの適切な設定、測定用サンプリング特性の調整、またはもとのデータの測定値の選択的処理など多様な方法によって補償することができる。この発明の一つの実施例によると、これら補償手法の実行は、クリーニング用ビーム４５１または５３１のクリーニング用パルスのパルス速度（すなわち単位時間あたりのクリーニング用パルスの数）を測定値レシーバ４４０または５４０のサンプリング速度の約数に等しい値に設定することによって単純化され、その場合はクリーニング用ビームは一定間隔でほぼ一定のクリーニング効果をもたらす。
【００５１】
図７ａは図４ａおよび４ｂに示したＳＷＥシステム４００および図５ａおよび図５ｂに示したＳＷＥサンプリング速度の例を示す。データサンプリングは時点ｔ０で始まり、サンプリング周期Ｐｓ（すなわち、一つのサンプリングパルスの始点と次のサンプリングパルスの始点との間の時間、１／サンプリング速度に等しい）、およびサンプル幅Ｗｓ（すなわち、サンプリングパルスの持続時間）で行われる。時点ｔ０−ｔ８（任意の数のサンプルを抽出できるが）で抽出した９個のサンプルを図示してある。
【００５２】
図７ｂは図７ａに示したサンプリング速度プロフィルと関連づけて用い得るＳＷＥシステム４００のクリーニング用ビーム４５１またはＳＷＥシステム５００のクリーニング用ビーム５３１のクリーニングパルスの例を示す。時点ｔ０の前（すなわち、データサンプリングの開始の前）に強度ＩＮ’、幅Ｗｃ’および周期Ｐｃ’のクリーニングパルスを初期クリーニング動作のために時点ｔ０’を始点として被験試料に加える。データサンプリングが始まると（すなわち、時点ｔ０のあと）、強度ＩＮ、幅Ｗｃおよび周期Ｐｃのクリーニング用パルスを加える。
【００５３】
クリーニングパルスの強度ＩＮ、幅Ｗｃおよび周期Ｐｃは上記強度ＩＮ’、幅Ｗｃ’およびＰｃ’とそれぞれ相違し得る。例えば、初期クリーニング動作の所要時間を短くするためには、パルス幅Ｗｃ’をパルス幅Ｗｃよりも大きくし、また周期Ｐｃ’を周期Ｐｃよりも短くすることができる。
【００５４】
図７ｃは、図７ｂに示したクリーニング用パルスプロフィルを有するクリーニング用ビームで照射した場合の図４ａおよび４ｂにおける被験試料４０１および図５ａおよび図５ｂにおける被験試料５０１の温度プロフィルを示す。クリーニング用パルスの各々が対応の温度スパイクを生ずる。すなわち、図７ｂに示した時点ｔｃ１，ｔｃ２およびｔｃ３におけるクリーニング用パルスは、図７ｃに示した同じタイミングで対応の温度スパイクを生ずる。図示のとおり、被験試料の局部温度は定常状態温度Ｔｓｓから上昇温度Ｔｅｌに上がる。分析対象の部位は被験試料のごく小さい部分であるので、クリーニング用パルスからの熱は急速に消失し、図７ｃに示した幅狭の温度スパイクを生ずる。例えば、シリコンウェーハでは、波長５３２ｎｍのレーザからの幅６０ｎｓのクリーニング用パルスによる温度スパイクの幅は１μｓ程度である。
【００５５】
この発明の実施例によると、クリーニングパルスをデータサンプル相互間の間にタイミング設定することによって、クリーニング用パルスに起因する温度擾乱は消失のための時間を有することになり、したがって実際の測定値には影響を及ぼさない。クリーニング用パルスがデータサンプルの直後に生ずるようにタイミング設定することによって、そのクリーニング用パルスに許容可能な復旧時間（冷却時間）を最大にすることができる。例えば、図７ｂの時点ｔｃ１をサンプル幅Ｗｓに図７ａの時間ｔ２を加えた値に等しく設定することができる。同様に、時点ｔｃ２をサンプル幅Ｗｓに時間ｔ５を加えた値に等しく設定し、ｔｃ３をサンプル幅Ｗｓに時間ｔ８を加えた値に等しく設定することができる。
【００５６】
クリーニング動作に起因する温度効果の一部がデータサンプルの一部に「流出」しても、最終測定値の算出のために複数のサンプル値の平均をとることによって上述の過渡的加熱効果は「平滑化」される。この平滑化効果はＳＷＥシステムのサンプリング速度を上げることによって高めることができる。この発明の他の実施例によると、ビームジェネレータ内の変調器（図６ａに示した変調器６２１など）でクリーニング用パルスの期間中およびその後続の冷却期間中に測定用ビームを阻止して、クリーニング（および冷却）動作中は被験試料からの情報が受け入れられないようにする。また、上記変調器は、クリーニング用レーザパルスのパルス速度で混入する不都合な成分を回避するようにサンプリングパルス相互間の測定用ビームを阻止する。サンプリングパルス相互間における測定用ビームのパルスの阻止はそのサンプリング速度で現れる既知の一定の不都合な成分を導入するが、それらの成分は後続の段階で処理でき、クリーニング用ビームのパルスの生起の有無にかかわらず、各サンプリング間隔を実効的に等しくすることができる。この発明のもう一つの実施例によると、データ処理ロジック４９０（図４ａおよび４ｂにおける）またはデータ処理ロジック５９０（図５ａおよび５ｂにおける）はクリーニング効果回避のためにサンプルデータを所定のレベルでクランプでき、クリーニングパルスの期間中データを消去することもできる。
【００５７】
上述のこの発明の構成および方法の諸実施例はこの発明の原理の例示に過ぎず、この発明の範囲をこれら特定の実施例に限定することを意図するものではない。この発明は特許請求の範囲の記載およびそれらの均等物だけによって限定されるものである。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
ＳＯＩなど多層構造基板上への薄膜形成の厚さ制御を厳密に効率的に行うことができ、ＩＣ・ＬＳＩの製造効率化に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】ＳＯＩ基板の断面図。
【図２】シリコンの吸収曲線。
【図３】この発明の一つの実施例によるＳＷＥシステムの概略図。
【図４ａ】この発明のもう一つの実施例によるＳＷＥシステムの概略図。
【図４ｂ】この発明のもう一つの実施例によるＳＷＥシステムの概略図。
【図５ａ】この発明のもう一つの実施例によるＳＷＥシステムの概略図。
【図５ｂ】この発明のもう一つの実施例によるＳＷＥシステムの概略図。
【図６ａ】この発明の一つの実施例によるクリーニング／測定用ビームジェネレータの概略図。
【図６ｂ】この発明のもう一つの実施例によるクリーニング／測定用ビームジェネレータの概略図。
【図７ａ】この発明におけるサンプリング速度とクリーニングパルスおよびクリーニング効果とを比較したグラフ。
【図７ｂ】この発明におけるサンプリング速度とクリーニングパルスおよびクリーニング効果とを比較したグラフ。
【図７ｃ】この発明におけるサンプリング速度とクリーニングパルスおよびクリーニング効果とを比較したグラフ。
【符号の説明】
【００６０】
１００          ＳＯＩウェーハ
１１０          ＳＯＩ基板
１１１          シリコンウェーハ
１１２          埋込み絶縁層
１１３          表面シリコン層
１２０          ゲート酸化物層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【国際調査報告】
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