(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と分光反射率計とを含む光学系と、
前記光源からの光を試料上へ透過させる光学窓を有するノズルと、
前記ノズルに接続され、２以上の分岐管を有して、それぞれ異なる媒質を供給する供給管と、
前記分岐管の各々に設けられる流量調整手段と
を備え、前記ノズルは、前記試料と対向する位置に設定され、前記光学窓と前記試料表面の間を異なる媒質で満たすことにより、互いに異なる測定環境を形成する光学測定装置。
【請求項２】
前記光学系は、前記試料で反射された反射干渉光を、前記分光反射率計に導く光学手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の光学測定装置。
【請求項３】
前記流量調整手段は、バルブであることを特徴とする請求項１に記載の光学測定装置。
【請求項４】
前記流量調整手段は、マスフローコントローラであることを特徴とする請求項１に記載の光学測定装置。
【請求項５】
前記供給管上に設けられる屈折率計をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の光学測定装置。
【請求項６】
前記光学手段は、ハーフミラーであることを特徴とする請求項２に記載の光学測定装置。
【請求項７】
前記光学手段は、光ファイバであることを特徴とする請求項２に記載の光学測定装置。
【請求項８】
試料と対向するように光学窓を配置するステップと、
前記光学窓と前記試料表面との間の空間を、第１の媒質で満たすステップと、
前記光学窓と前記第１の媒質を介して、前記試料上に測定光を照射し、前記試料からの反射干渉光を測定するステップと、
前記空間を、前記第１の媒質とは異なる第２の媒質で満たすステップと、
前記光学窓と前記第２の媒質を介して、前記試料上に測定光を照射し、前記試料からの反射干渉光を測定するステップと
を含む光学測定方法。
【請求項９】
前記空間を第２の媒質で満たすステップは、前記空間に連通するノズルに接続された管上に設けられたバルブを切り替えることによって、第２の媒質を供給することを特徴とする請求項８に記載の光学測定方法。
【請求項１０】
前記空間を第２の媒質で満たすステップは、前記空間に供給される２種以上の物質の混合比を変えることによって、第２の媒質を供給することを特徴とする請求項８に記載の光学測定方法。
【請求項１１】
前記第１の媒質と第２の媒質の屈折率を測定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の光学測定方法。
【請求項１２】
基板上に第１の薄膜が形成された試料と対向するように、光学窓を配置するステップと、
前記光学窓と前記第１の薄膜との間の空間を、第１の媒質で満たすステップと、
前記光学窓と前記第１の媒質を介して、前記試料に測定光を照射し、前記試料からの第１の反射干渉光を測定するステップと、
前記空間を、前記第１の媒質とは異なる第２の媒質で満たすステップと、
前記光学窓と前記第２の媒質を介して、前記試料上に測定光を照射し、前記試料からの第２の反射干渉光を測定するステップと前記第１および第２の反射干渉光に基づいて、前記第１の薄膜の膜厚を検出するステップと
を含む光学的膜厚検出方法。
【請求項１３】
前記膜厚検出ステップは、前記測定した第１および第２の反射干渉光の反射率と、計算により求めた反射率とをフィッティングすることによって膜厚を求めることを特徴とする請求項１２に記載の光学的膜厚検出方法。
【請求項１４】
ウエハ上に第１の薄膜を形成するステップと、
前記第１の薄膜と対向するように、光学窓を配置するステップと、
前記光学窓と前記第１の薄膜との間の空間を第１の媒質で満たし、前記光学窓と前記第１の媒質を介して前記ウエハ上に測定光を照射し、前記ウエハからの第１の反射干渉光を測定するステップと、
前記空間を、前記第１の媒質とは異なる第２の媒質で満たし、前記光学窓と前記第２の媒質を介して、前記ウエハ上に測定光を照射し、前記ウエハからの第２の反射干渉光を測定するステップと、
前記第１および第２の反射干渉光に基づいて、前記第１の薄膜の膜厚を検出するステップと、
を含む半導体製造方法。
【請求項１５】
ウエハ上に第１の層を形成するステップと、
前記第１の層上に、前記第１の層と異なる第２の層を形成するステップと、
前記第２の層を研磨するステップと、
研磨後のウエハと対向するように、光学窓を配置するステップと、
前記光学窓と前記ウエハとの間の空間を、第１の媒質で満たし、前記光学窓と前記第１の媒質を介して前記ウエハ上に測定光を照射し、前記ウエハからの第１の反射干渉光を測定するステップと、
前記空間を、前記第１の媒質とは異なる第２の媒質で満たし、前記光学窓と前記第２の媒質を介して、前記ウエハ上に測定光を照射し、前記ウエハからの第２の反射干渉光を測定するステップと前記第１および第２の反射干渉光に基づいて、  前記研磨後に残存する第２の層の膜厚を検出するステップと、
を含む半導体製造方法。
【請求項１６】
前記研磨ステップの後に、前記ウエハ表面を洗浄するステップをさらに含み、
前記第１の反射干渉光を測定するステップは、前記洗浄とともに行われることを特徴とする請求項１５に記載の半導体製造方法。
【請求項１７】
前記膜厚検出ステップは、前記残存する第２の層の膜厚とともに、前記第１の層の膜厚をも検出することを特徴とする請求項１５に記載の半導体製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学測定装置と光学測定方法に関し、特に、半導体製造プロセスにおいて必要とされる膜厚測定のための分光反射干渉測定装置および測定方法と、これを用いた半導体製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置には、多種多様の表面保護膜、電極用の金属薄膜、部品材料のめっきなどが使用されており、それらの膜厚管理は動作の信頼性を確保するうえで非常に重要である。
【０００３】
また、半導体素子の高集積化・微細化に伴い、ＣＭＰ技術を用いた絶縁膜平坦化技術が台頭し、層間絶縁膜を研磨する層間工程だけでなく、ＳＴＩ（shallow trench isolation）や埋め込みゲートなどの層にもＣＭＰが適用されつつある。ＣＭＰ工程の最終段階における終点検出として、光学的に残膜を測定することによって、研磨量の管理が行われている。
【０００４】
膜厚測定には、膜の物理的性質に応じていろいろな方法がある。Ｓｉ表面のＳｉＯ2、ＳｉＮなど、屈折率が既知の透明膜を測定する場合は、装置構成が比較的簡単な垂直入射の分光反射干渉計を用いた膜厚測定装置が一般的に使用される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、垂直入射の干渉分光測定では、実測値は反射率のみであるため、多変数の解析は困難である。サンプルの膜が多層である場合は、すべての界面で反射された多重反射干渉光を測定するので、求めなければならない変数がさらに多くなり、解析がいっそう困難になる。
【０００６】
そこで、測定対象となる薄膜や基板の光学定数、すなわち、媒質（膜）の光学的厚さ（ｎＤ；ここでｎは屈折率、Ｄは物理的膜厚）などをあらかじめ仮定（予測）し、この予測膜厚値を順次変えて求めた計算上の反射率と、実測した反射率との差が最小となるようにフィッティング計算を行い、薄膜の厚さを求める場合が多い。しかし、製造プロセスのばらつき、不安定性などの問題により、計算に用いた光学定数と測定した実際の試料の光学定数が相違する場合は、フィッティング計算がうまくいかず、正確な膜厚が求まらないことがある。
【０００７】
フィッティングをより正確に行い、正確な膜厚を求めるために、実測パラメータを増やすことが考えられる。たとえば、入射角を様々に変えて測定する多入射角測定方法や、偏光状態のわかっている完全偏光を、平坦な表面をもつ試料に入射させ、反射光の偏光状態の変化を捕らえて試料の光学定数を求めるエリプソメトリーがある。しかし、これらの方法は、一般に用いられている垂直入射の反射率測定に比べ複雑な光学系が必要となる。
【０００８】
そこで、本発明では、光学系が簡単な垂直入射の分光反射干渉計をそのまま利用しつつ、測定環境を変化させることにより、複数の反射率測定値を得ることで、解析用のパラメータを増やし、解析を容易にするとともに、正確な膜厚フィッティングを可能にする光学測定装置および光学測定方法を提供する。
【０００９】
また、このような測定方法を利用した光学的膜厚検出方法と、これを半導体製造工程の検査プロセスに適用した半導体製造方法を提供する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のひとつの側面では、光学測定装置は、光源および分光反射率計を含む光学系、光源からの光を試料上へ透過させる光学窓を有するノズル、ノズルに接続され、２以上の分岐管を介してそれぞれ異なる媒質を提供する供給管、および分岐管の各々に設けられる流量調整手段とを備え、ノズルは、試料と対向する位置に設定され、光学窓と試料表面の間を異なる媒質で満たすことにより、互いに異なる測定環境を形成する。
【００１１】
流量調整手段は、バルブ、マスフローコントローラなど、光学窓と試料表面との間の空間に、ノズルを介して異なる媒質を供給することの出来る任意の手段である。
【００１２】
この装置は、従来の垂直入射型の光学系をそのまま利用しつつ、測定光が通過する空間を連続して異なる媒質で満たすことができる。光学測定に必要なパラメータの種類を簡単な構成で容易に増やすことができるので、測定の精度を向上することができる。
【００１３】
本発明の別の側面では、光学測定方法を提供する。この光学測定方法は、以下のステップを含む。
【００１４】
(イ)  試料と対向するように光学窓を配置するステップ、
(ロ)  光学窓と試料表面との間の空間を、第１の媒質で満たすステップ、
(ハ)  光学窓と前記空間内の第１の媒質を介して、試料上に測定光を照射し、前記試料からの反射干渉光を測定するステップ、
(ニ)  前記空間を、第１の媒質とは異なる第２の媒質で満たすステップ、
(ホ)   光学窓と前記空間内の第２の媒質を介して、試料上に測定光を照射し、試料からの反射干渉光を測定するステップ。
【００１５】
この光学測定方法によれば、異なる測定環境を創出して、それぞれの環境で反射環境光を測定する。したがって、測定に必要なパラメータの種類を増やすことにより、正確な測定を行うことができる。
【００１６】
本発明のさらに別の側面では、光学的膜厚検出方法を提供する。この膜厚検出方法は、以下のステップを含む。
【００１７】
(イ)   基板上に第１の薄膜が形成された試料と対向するように、光学窓を配置するステップ、
(ロ)   光学窓と第１の薄膜との間の空間を、第１の媒質で満たすステップ、
(ハ)   光学窓と前記空間を満たす第１の媒質とを介して、試料上に測定光を照射し、前記試料からの第１の反射干渉光を測定するステップ、
(ニ)   前記空間を、第１の媒質とは異なる第２の媒質で満たすステップ、
(ホ)   光学窓と前記空間を満たす第２の媒質を介して、試料上に測定光を照射し、試料からの第２の反射干渉光を測定するステップ、および
(ヘ)   第１および第２の反射干渉光に基づいて、第１の薄膜の膜厚を検出するステップ。
【００１８】
この膜厚検出方法は、測定環境を変化させ、計算に必要なパラメータを増やすことができるので、膜厚がきわめて薄い場合や、検出対象である膜の屈折率と、下層（あるいは基板）の屈折率が近い場合であっても、精度よく膜厚を検出することができる。
【００１９】
本発明のさらに別の側面では、膜厚検査工程に光学的膜厚測定を適用した半導体製造方法を提供する。半導体製造方法は、以下のステップを含む。
【００２０】
(イ)   ウエハ上に第１の薄膜を形成するステップ、
(ロ)   第１の薄膜と対向するように、光学窓を配置するステップ、
(ハ)   光学窓と第１の薄膜との間の空間を第１の媒質で満たし、光学窓と前記空間を満たす第１の媒質を介してウエハ上に測定光を照射し、ウエハからの第１の反射干渉光を測定するステップ、
(ニ)   前記空間を、前記第１の媒質とは異なる第２の媒質で満たし、光学窓と前記空間を満たす第２の媒質を介して、ウエハ上に測定光を照射し、ウエハからの第２の反射干渉光を測定するステップ、および
(ホ)   第１および第２の反射干渉光に基づいて、第１の薄膜の膜厚を検出するステップ。
【００２１】
この半導体製造方法によれば、同一ウエハで測定環境を変えることによって、測定に必要なパラメータを複数得ることができるので、製造プロセスのばらつきや薄膜、基板等における光学定数の変動も考慮して、精密な膜厚検査が可能になる。
【００２２】
本発明のさらに別の側面では、研磨最終工程に光学的膜厚測定を適用した半導体製造方法を提供する。この半導体製造方法は、以下のステップを含む。
【００２３】
(イ)   ウエハ上に第１の層を形成するステップ、
(ロ)   第１の層上に、第１の層とは異なる第２の層を形成するステップ、
(ハ)   第２の層を研磨するステップ、
(ニ)   研磨後のウエハと対向するように、光学窓を配置するステップ、
(ホ)   光学窓とウエハとの間の空間を第１の媒質で満たし、光学窓と前記空間を満たす第１の媒質を介してウエハ上に測定光を照射し、ウエハからの第１の反射干渉光を測定するステップ、
(ヘ)   前記空間を、前記第１の媒質とは異なる第２の媒質で満たし、光学窓と前記空間を満たす第２の媒質を介して、ウエハ上に測定光を照射して、ウエハからの第２の反射干渉光を測定するステップ、および
(ト)   第１および第２の反射干渉光に基づいて、前記研磨後に残存する第２の層の膜膜を検出するステップ。
【００２４】
この半導体製造方法によれば、半導体装置の高集積化に対応した平坦化プロセスにおける膜厚検査を、研磨の最終段階で連続的かつ正確に行うことができる。
【００２５】
本発明のその他の特徴、効果は、以下で図面を参照して述べる詳細な説明により、いっそう明確になるものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態にかかる光学測定装置である。第１実施形態では、Ｓｉ基板１０１上に形成されたＳｉＮ薄膜１０２の膜厚を測定する例について説明する。
【００２７】
第１実施形態に係る光学測定装置は、光源１０５と、光源側に光学窓１０３を有するノズル１０４と、光源１０５と光学窓１０３の間の光軸上に位置するハーフミラー１０６と、ハーフミラーの光軸上に位置する分光反射率計１０７と、ノズル１０４に接続され、２つに分岐する供給管１１０と、供給管１１０の分岐点近傍に位置するバルブ１１１、１１２を含む。
【００２８】
光源１０５、ハーフミラー１０６、分光反射率計１０７で分光光学系１３０を構成する。この光学系は、光源１０５から試料であるＳｉＮ薄膜１０２に光を垂直入射させ、各層の表面で反射された反射干渉光をハーフミラー１０６によって分光反射率計１０７に導いて反射率を測定する、垂直入射型分光反射光学系である。
【００２９】
ノズル１０４の先端は、ＳｉＮ薄膜１０２の表面から２ｍｍ離れた位置に設定され、光学窓１０３とＳｉＮ薄膜１０２の間に、光軸を含む測定環境１１４が形成される。実測パラメータを増やすために、測定環境１１４を満たす媒質を異ならせて反射光を測定する。第１実施形態では、測定環境を満たす媒質として、空気と純水を用いる。したがって、供給管１１０は、空気を導入するための第１分岐管１２１と、純水を導入するための第２分岐管１２２を有する。
【００３０】
第１分岐管１２１に、空気導入用の第１バルブ１１１が設けられ、第２分岐管１２２に純水を導入するための第２バルブ１１２が設置される。さらに、供給管１１０に第３バルブ（供給管バルブ）１１３が設けられる。これらのバルブを切り替えることにより、測定環境１１４を満たす媒質が連続的に切り替えられ、測定装置自体の配置を変えることなく、連続して２つの反射率（実測パラメータ）を得ることができる。
【００３１】
反射率測定手順は、まず、純水用の第２バルブ１１２を閉じ、空気用の第１バルブ１１１と供給管の第３バルブ１１３を開にする。測定環境１１４を空気で満たし、空気中で反射光のスペクトルを測定する。このとき、光源１０５からの光は、ハーフミラー１０６と光学窓１０３を透過し、測定環境１１４を満たす空気を通過して、ＳｉＮ薄膜１０２に垂直に入射する。
【００３２】
入射光の一部は、ＳｉＮ薄膜１０２表面で反射され、一部は透過する。透過した光の一部はさらに、Ｓｉ基板１０１の表面で反射される。Ｓｉ基板１０１を透過した光の一部は、さらに、基板裏面で反射されるが、説明の便宜上、Ｓｉ基板１０１の裏面での反射は考慮しないものとする。したがって、戻り光は、ＳｉＮ薄膜１０２と空気との界面、およびＳｉＮ薄膜１０２とＳｉ基板１０１との界面での反射光の干渉光である。戻り光はハーフミラー１０６で反射され、分光反射率計１０７に導かれる。
【００３３】
続いて、空気用のバルブ１１１を閉じ、純水用のバルブ１１２と供給管バルブ１１３を開にして、光学窓１０３と試料（ＳｉＮ膜１０２）の間の測定環境１１４に純水を流量１．０リットル／分で供給し、光路を純水で満たす。光路中に気泡がなくなったら、純水中での反射率を測定する。
【００３４】
図２は、薄膜測定理論を説明するための図である。屈折率Ｎ2＝ｎ2−iｋ2
のＳｉ基板１０１上に、厚さＤ1、屈折率Ｎ1＝ｎ1−iｋ1 の均質なＳｉＮ膜１０２があり、これに入射角０°で光が入射するものとする。ここで、ｋ1、ｋ2は、ＳｉＮ膜１０２およびＳｉ基板１０１の消衰係数である。図１の分光反射率計１０７で測定される反射率Ｒmeasは、ＳｉＮ膜１０２表面での反射光ｒ１と、Ｓｉ基板１０１表面での反射光ｒ２との干渉光の反射率である。
【００３５】
第１実施形態の構成でＳｉＮ膜１０２の反射率を計算するには、Ｓｉ基板１０１、ＳｉＮ膜１０２、空気、および純水の、それぞれの屈折率ｎと消衰係数ｋに加え、ＳｉＮ膜１０２の膜厚Ｄ1が必要である。今、Ｓｉ基板１０１、空気、純水のそれぞれの屈折率および消衰係数と、ＳｉＮ膜１０２の消衰係数ｋ1は既知であるとして、計算式に代入できる。一方、ＳｉＮ膜１０２の膜厚Ｄ1と屈折率ｎ1を未知のパラメータとして回帰計算を行う。
【００３６】
測定によって得られた反射率Ｒmeasと、予測上の膜厚値から得られる計算上の反射率Ｒcalとを比較し、両者が一致するまでＳｉＮ膜１０２の予測膜厚値を変えながら、計算およびカーブフィッティングを繰り返す。測定値と計算値のフィッティングは、以下の不偏推定量を最小にすることで行う。
【００３７】
【数１】
0003936159.tif 000002
ここで、Ｎはデータ総数、Ｐは未知のパラメータ数（上述した例では、未知のパラメータをＳｉＮ膜の光学的膜厚ｎＤとしてＰ＝２）である。
【００３８】
第１実施形態では、簡単な構成で、空気中での実測反射率の他に、連続して純水中での実測反射率も得ることができ、各測定環境の間でフィッティングすることになる。したがって、空気中での実測反射率のみで膜厚計算を行うよりも、容易に高い精度での解析が実現される。
【００３９】
＜第２実施形態＞
第２実施形態では、半導体製造プロセスにおいて、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）直後にロールスポンジ洗浄を行う面上に膜厚測定装置を取り付けて、残膜の厚さを求めるとともに、下層の膜厚も測定する適用例を説明する。
【００４０】
図３は、第２実施形態にかかる光学測定装置を示す。第２実施形態の光学測定装置は、光源（不図示）および分光反射率計（不図示）を含む分光光学系２３０と、光学窓２０３を有するノズル２０４と、ノズル２０４に接続され、３つに分岐する供給管２１０と、供給管２１０の分岐点近傍に位置する３つのバルブ２１１、２１２、２１４を含む。分光光学系２３０と光学窓２０３とは、光ファイバ２０６で接続されている。各分岐管２２１、２２２、２２３からは、対応するバルブ２１１、２１２、２１４を介して、それぞれ、空気、純水、イソプロピルアルコールが供給されるようになっている。
【００４１】
第２実施形態では、測定するサンプルは、Ｓｉ基板２０１上に約１５０ｎｍのＳｉＮ薄膜２０２を成膜し、溝２１６を設けた後、この溝２１６をＳｉＯ2膜２１５で埋め込んだものをＣＭＰ研磨し、ＳｉＮ薄膜２０２上のＳｉＯ2膜２１５を除去したものである。すなわち、ＳｉＯ2膜２１５の研磨が適正に行われているかどうかを検査、確認するために、ＳｉＮ薄膜２０２上に残存するＳｉＯ2膜２１５の膜厚を測定する必要がある。
【００４２】
しかしこの場合、ＳｉＮ薄膜２０２上に残存するＳｉＯ2膜２１５の膜厚は１０ｎｍ以下の極薄膜であるうえに、ＳｉＮ膜２０２とＳｉＯ2膜２１５の屈折率は近いため、通常の垂直入射分光反射率測定では、正確な膜厚測定は困難であった。
【００４３】
そこで、本実施形態では、ＣＭＰ研磨後の純水での研磨面のロールスポンジ洗浄と同時に、純水中で膜厚測定を行い、その後連続して測定環境を変えることにより精密な残膜測定を行う。
【００４４】
図４に示すように、ＳｉＯ2膜２１５が研磨されたウエハ２２０上に洗浄用の純水（不図示）が供給され、ロールスポンジ２３２が回転しながら、研磨面２１７を洗浄する。このとき、ウエハ２２０も、ウエハ回転コロ２３３で回転され、全体にわたって均一に洗浄が行われる。
【００４５】
この洗浄工程において、まず、第２バルブ２１２と第３バルブ２１３を開にし、第１バルブ２１１と第４バルブ２１４と閉にして、純水を供給し、光学窓２０３とＣＭＰ研磨面２１７との間の測定環境２１８を、洗浄環境と同様の純水で満たす。ノズル２０４はＣＭＰ研磨面２１７から約２ｍｍのところに配置し、第１実施形態と同様に、純水環境中で、ウエハ表面からの反射干渉光を測定する。測定光は、光ファイバ２０６を伝播し、光学窓２０３からウエハ表面に垂直入射する。第２実施形態では、測定光は、ＣＭＰ研磨面２１７、ＳｉＮ膜２０２とＳｉＯ2膜２１５との界面、ＳｉＮ膜２０２とＳｉ基板２０１との界面などで反射し、それぞれ干渉して分光光学系に導かれる。
【００４６】
次に、ウエハ洗浄終了後に、第２バルブ２１２を閉じ、第３バルブ２１４を開にしてイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を供給し、測定環境２１８を異なる媒質で満たす。上述したのと同様の手順で、イソプロピルアルコール中で反射率を測定する。この測定が終了したら、第４バルブ２１４を閉じてイソプロピルプロピルアルコールの供給を止め、ウエア上のイソプロピルアルコールを蒸発、乾燥させる。乾燥を促進するために、第１バルブ２１１を開にして、ノズル２０４から高圧空気を吹き付ける。ウエハが十分に乾燥した後、空気で満たされた測定環境２１８中で、再度反射干渉光を測定する。この方法によれば、純水、イソプロピルアルコール、空気中のそれぞれで測定した反射率スペクトルが得られる。
【００４７】
３つの実測値を得た後、ＳｉＮ膜２０２と、ＳｉＯ2膜２１５のそれぞれの予測膜厚値を変化させながら３つの測定雰囲気での反射率計算式に代入し、３つの実測値と、対応する計算値が最小となるようにフィッティング計算することによって、ＳｉＮ膜２０２と、ＳｉＯ2膜２１５の双方の膜厚を解として求める。なお、第２実施形態では、空気、純水、ＩＰＡ、Ｓｉ基板の屈折率および消衰係数と、ＳｉＮ膜２０２、ＳｉＯ2膜２１５の消衰係数は既知とし、ＳｉＮ膜２０２の膜厚Ｄ1と屈折率ｎ1、ＳｉＯ2膜２１５の膜厚Ｄ3と屈折率ｎ3を未知のパラメータとして変化させる。
【００４８】
第２実施形態によれば、半導体製造プロセスで重要になりつつあるＣＭＰ研磨後の残膜を、その下層の膜厚とともに、正確かつ簡単な方法で求めることが可能になる。研磨面洗浄の雰囲気を利用しつつ、実測パラメータも増やすことができるので測定効率が良く、同時に膜厚検出精度も向上する。
【００４９】
＜第３実施形態＞
図５は、第３実施形態に係る光学測定装置を示す。第３実施形態では、第１実施形態とほぼ同様の装置を用いて、第２実施形態のサンプルを測定する例を説明する。
【００５０】
第３実施形態に係る光学側定装置は、光源３０５と、光源側に光学窓３０３を有するノズル３０４と、光源３０５と光学窓３０３の間の光軸上に位置するハーフミラー３０６と、ハーフミラー３０６の光軸上に位置する分光反射率計３０７と、ノズル３０４に接続され、２つに分岐する供給管３１０と、供給管３１０の分岐点近傍に位置するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３１１、３１２と、供給管３１０上に位置する屈折率計３０８を含む。
【００５１】
第１実施形態と同様に、光源３０５、ハーフミラー３０６、分光反射率計３０７で光学系３３０を構成する。この光学系３３０は、光源３０５から試料であるＣＭＰ研磨面３１７に光を垂直入射させ、各層の表面で反射された反射干渉光をハーフミラー３０６によって分光反射率計３０７に導いて反射率を測定する。
【００５２】
ノズル３０４の先端は、ＣＭＰ研磨面３１７の表面から約２ｍｍ離れた位置に設定され、光学窓３０３とＣＭＰ研磨面３１７の間に、光軸を含む測定環境３１４が形成される。ノズル３０４には、第１分岐管３２１を介して純水が接続され、第２分岐管３２２を介してＩＰＡが接続される。
【００５３】
第３実施形態では、ＭＦＣ３１１と３１２で純水とＩＰＡの流量を調節して混合比を変えることによって、測定環境３１４を任意の媒質で満たし、任意の数の測定環境で、連続して反射干渉光を側定することを可能にする。
【００５４】
具体的には、
(１)   純水のみを１リットル／分の流量で流して反射率の測定を行う
(２)   その後、純水を０．８リットル／分、ＩＰＡを０．２リットル／分（すなわち、純水とＩＰＡの混合比８：２）になるようにＭＦＣを調整して測定する
(３)   その後、純水を０．６リットル／分、ＩＰＡを０．４リットル／分（すなわち、純水とＩＰＡの混合比６：４）になるようにＭＦＣを調整して測定する
(４)   その後、純水を０．４リットル／分、ＩＰＡを０．６リットル／分（すなわち、純水とＩＰＡの混合比４：６）になるようにＭＦＣを調整して測定する
(５)   その後、純水を０．２リットル／分、ＩＰＡを０．８リットル／分（すなわち、純水とＩＰＡの混合比２：８）になるようにＭＦＣを調整して測定する
(６)   その後、ＩＰＡのみを１リットル／分の流量で供給して測定する
というふうに、６つの異なる測定環境を連続して作り上げる。測定環境を満たす媒質がそれぞれ異なるため、その屈折率も異なる。各測定環境３１４での屈折率は、純水とＩＰＡの混合比から計算により求めてもよいが、より正確な値をリアルタイムで求められるように、インラインの屈折率計３０８を供給管３１０上に設ける。これにより、流量比の変動による屈折率の変動の影響を排除した、より精密な膜厚検出が可能になる。
【００５５】
第３実施形態では、２つのＭＦＣを調整することによって、６つの異なる測定環境を連続して創出し、フィッティングのための実測値の数を増やしたが、混合比を６以上に変化させて測定環境を変えることももちろん可能である。
【００５６】
また、第３実施形態では、２つの異なる液体を混合させたが、同じ相の物質であれば、容易かつ均一に混合するので、２つの異なる気体、たとえば、空気とアルゴン、あるいは空気と水素など混合させることによって、異なる測定環境を連続して作り上げてもよい。
【００５７】
いずれの場合も、各測定環境における実測値と、計算による反射率とをフィッティングすることによって、ＣＭＰ研磨後の残膜（ＳｉＯ2膜３１５）の膜厚と、その下層のＳｉＮ膜３０２の膜厚の双方をきわめて高い精度で検出することができる。
【００５８】
第３実施形態では、簡単な構成で連続して任意の数の測定環境で反射率の測定ができるので、より高い精度で膜厚検出が可能になる。しかも、測定対象となる膜の屈折率以外の他の物理的性質、たとえば消衰係数等をも未知のパラメータとして、実測パラメータの数をさらに増やすこともできる。また、インラインの屈折率計を用いた場合は、測定環境を満たす媒質の屈折率変動誤差を排除し、より正確な測定が可能になる。
【００５９】
さらに、研磨後の洗浄工程と同時に膜厚検査を行うことができるので、作業効率に優れる。
以上、第１実施形態から第３実施形態を、半導体基板上に形成された膜厚の測定と関連づけて説明したが、本発明は、半導体基板上の膜厚の測定に限定されず、トレンチの深さ測定や、ピエゾ素子、超音波弾性素子、電子部品等に形成される薄膜配線、絶縁膜など、任意の膜厚測定に適用できる。
【００６０】
さらに、半導体装置の検査工程のみならず、任意の機械部品や、電気部品の膜厚検査にも適用できる。
【００６１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、複雑な光学系を必要とせず、簡単な構成で、きわめて薄い膜厚も精度よく検出することが可能になる。
【００６２】
測定環境を連続的かつ迅速に変えることが可能なため、多くの環境での反射率測定を短時間で行うことができる。
【００６３】
半導体製造工程に適用した場合は、同一試料で多数の測定パラメータが得られるため、極めて薄い膜厚の測定だけでなく、製造プロセスのばらつきや膜、基板等の光学定数の変動を考慮した精密な光学解析が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光学測定装置と、それを利用した膜厚測定の例を示す図である。
【図２】垂直入射光による反射干渉光を利用した薄膜測定の原理を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る光学測定装置と、それを利用した膜厚測定の例を示す図である。
【図４】図３の装置で、ＣＭＰ研磨後の洗浄工程で残膜を測定する例を示す図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る光学測定装置と、それを利用した膜厚測定の例を示す図である。
【符号の説明】
１０１、２０１、３０１  Ｓｉ基板
１０２、２０２、３０２  ＳｉＮ膜
１０３、２０３、３０３  光学窓
１０４、２０４、３０４  ノズル
１０５、３０５  光源
１０６、３０６  ハーフミラー
１０７、３０７  分光反射率計
１１０、２１０、３１０  供給管
１１１、１１２、１１３、２１１、２１２、２１３、２１４  バルブ
１１４、２１８、３１４  測定環境
１２１、１２２、２２１、２２２、２２３、３２１、３２２  分岐管
１３０、２３０、３３０  光学系
２１５、３１５  ＳｉＯ2膜
２１６、３１６  溝
２１７、３１７  ＣＭＰ研磨面
３０８  屈折率計
３１１、３１２  マスフローコントローラ
【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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