带薄膜晶圆的膜厚分布的测量方法与流程

1.本发明涉及带薄膜晶圆的膜厚分布的测量方法。


背景技术：

2.作为带薄膜晶圆，已知例如soi晶圆，其在基板上具有作为box层的氧化膜、作为soi层的单晶硅膜。一般而言，在soi晶圆的制造过程中，所制造的soi晶圆的soi层膜厚、box层膜厚根据使用者的规格(膜厚规格)而设定，在以该膜厚设定值作为目标值而制造soi晶圆后，会在检查工序等中评价soi层膜厚的面内分布。
3.特别是在设计规格28nm以下的fd-soi元件中，要求soi层的严格的膜厚均匀性。不仅要求直径300mm的soi晶圆整体的膜厚均匀性，在微区域内也要求soi层的膜厚均匀性。
4.因此，不仅要评价晶圆整体的soi膜厚均匀性，也有必要评价微区域内的soi层膜厚均匀性，以改善质量、保证质量。目前进行的测量区域大的测量点的膜厚测量并不充分，需要进行显微镜水平的微区域内的soi层的膜厚评价。
5.本案发明人提出了以下的带薄膜晶圆的评价方法：对晶圆表面的部分区域照射单一波长λ的光，检测来自所述区域的反射光并测量将所述区域分割为多个所得的每个像素的反射光强度，从而求出该区域内的反射光强度分布，根据该反射光强度分布计算所述区域内的薄膜的膜厚分布(例如专利文献1～3)。另外，在专利文献4中，还公开了用于测量多层半导体构造的层的厚度偏差的方法。现有技术文献专利文献
6.专利文献1：日本特开2011-249621号公报(专利第5365581号公报)专利文献2：日本特开2016-114506号公报专利文献3：日本特开2017-125782号公报专利文献4：日本特开2016-504566号公报


技术实现要素：

(一)要解决的技术问题
7.然而，即使通过专利文献1～4所记载的方法进行测量，也仍然存在soi晶圆的soi层的微区域内的膜厚分布的测量精度低、偏差大且不稳定等问题。因此，本案发明人研究了影响测量的各种因素，发现采用专利文献1～3所记载的方法时存在以下问题：由于测量波长因各soi晶圆的膜厚规格(膜厚规格)而不同，因此测量的精度、稳定性会有差异，需要对于各soi晶圆的膜厚规格分别研究测量方法等。
8.本发明为了解决上述问题而做出，其目的在于提供一种带薄膜晶圆的膜厚分布的测量方法，该方法能够高精度且稳定地进行薄膜的微区域的膜厚分布的测量。(二)技术方案
9.本发明为了实现上述目的而做出，提供一种带薄膜晶圆的膜厚分布的测量方法，
所述带薄膜晶圆至少具有形成在基板的表面上的第一薄膜、以及形成在该第一薄膜的表面上的第二薄膜，所述方法测量所述带薄膜晶圆的所述第二薄膜的膜厚分布，并包括以下工序：使用所述带薄膜晶圆，通过光学显微镜进行对焦求而求出焦点的高度z1，所述光学显微镜具有使用了波长λ0的照射光的自动对焦功能；确定在获取所述带薄膜晶圆的所述第二薄膜的观察图像时所使用的照射光的波长λ1；一边以所述z1为基准使焦点的高度变化，一边使用所述波长λ1的照射光，通过所述光学显微镜获得所述带薄膜晶圆的所述第二薄膜的观察图像；计算所述观察图像内的反射光强度分布的标准偏差，获得与所述反射光强度分布的标准偏差为最大的峰值位置对应的焦点的高度z2，并计算所述z1与所述z2的差δz；以所述δz为修正值进行所述光学显微镜的所述自动对焦功能的修正；以及使用经过所述修正的自动对焦功能进行对焦，通过所述光学显微镜获得所述带薄膜晶圆的所述第二薄膜的观察图像，根据所述观察图像内的反射光强度分布计算膜厚分布。
10.如果采用这样的带薄膜晶圆的膜厚分布的测量方法，则能够高精度地、稳定地、简便地进行薄膜的微区域的膜厚分布的测量。
11.此时，可以是如下这样的带薄膜晶圆的膜厚分布的测量方法，确定波长λ1的工序包括以下工序：通过模拟来计算曲线p1，曲线p1表示带薄膜晶圆对于可见光的波长以上的波长区域的光的反射率的波长依存性；通过模拟来计算曲线p22，曲线p22表示具有比带薄膜晶圆的第一薄膜的设定膜厚t1薄t[nm]或厚t[nm]的第一薄膜的带薄膜晶圆对于可见光以上的波长区域的光的反射率的波长依存性；以及计算所算出的曲线p1与曲线p22的差的曲线p32(＝p22-p1)，将该算出的差的曲线p32为0时的波长确定为波长λ1。
[0012]
由此，能够容易地得到用于获得图像的照射光的波长λ1，其能够不受第一薄膜的膜厚分布的影响，而以更高的空间分辨率、更高的精度计算照射区域内的第二薄膜的膜厚分布。
[0013]
此时，可以是如下这样的带薄膜晶圆的膜厚分布的测量方法，带薄膜晶圆是soi晶圆，第一薄膜是埋入式氧化膜层，第二薄膜是由单晶硅构成的soi层。
[0014]
这样，在测量对象即带薄膜晶圆是soi晶圆的情况下，能够高精度地计算照射区域内的soi层的膜厚分布。
[0015]
此时，可以是如下这样的带薄膜晶圆的膜厚分布的测量方法，波长λ0的照射光的波长比波长λ1更长，波长λ1是选自可见光波长的单一波长。
[0016]
由此，能够使用通常的光学显微镜(测量系统)以可见光进行测量，因此能够低成本而简便地实施。(三)有益效果
[0017]
如上所述，如果采用本发明的带薄膜晶圆的膜厚分布的测量方法，则能准确地、稳定地、简便地进行带薄膜上的薄膜的微区域的膜厚分布的测量。
附图说明
[0018]
图1是表示本发明的带薄膜晶圆的膜厚分布的测量方法的工序的流程图。图2是表示在本发明的带薄膜晶圆的膜厚分布的测量方法中能够使用的光学显微镜的示意图。图3是表示实施例所使用的soi晶圆的、在计算z2时得到的反射强度分布的标准偏
差与高度z的关系。图4是表示实施例所使用的soi晶圆的、在计算z2时得到的反射强度分布的标准偏差与高度z的关系。图5表示实施例与比较例的soi层的膜厚分布(标准偏差)评价结果。
具体实施方式
[0019]
以下对本发明进行详细说明，但是本发明不限于此。
[0020]
如上所述，需要一种带薄膜晶圆的膜厚分布的测量方法，其能够高精度且稳定地进行薄膜的微区域的膜厚分布的测量。
[0021]
本案发明人针对上述课题反复深入研究，结果发现一种带薄膜晶圆的膜厚分布的测量方法，使用该方法能够准确且稳定地进行带薄膜上的薄膜的微区域的膜厚分布的测量，从而完成了本发明，其中，上述带薄膜晶圆至少具有形成在基板的表面上的第一薄膜、以及形成在该第一薄膜的表面上的第二薄膜，上述方法测量带薄膜晶圆的所述第二薄膜的膜厚分布，并包括以下工序：使用所述带薄膜晶圆，通过具有使用了波长λ0的照射光的自动对焦功能的光学显微镜进行对焦，求出焦点的高度z1；确定在获取所述带薄膜晶圆的所述第二薄膜的观察图像时所使用的照射光的波长λ1；一边以所述z1为基准使焦点的高度变化，一边使用所述波长λ1的照射光，通过所述光学显微镜获得所述带薄膜晶圆的所述第二薄膜的观察图像；计算所述观察图像内的反射光强度分布的标准偏差，获得与所述反射光强度分布的标准偏差为最大的峰值位置对应的焦点的高度z2，并计算所述z1与所述z2的差δz；以所述δz为修正值进行所述光学显微镜的所述自动对焦功能的修正；以及使用经过所述修正的自动对焦功能进行对焦，通过所述光学显微镜获得所述带薄膜晶圆的所述第二薄膜的观察图像，根据所述观察图像内的反射光强度分布计算膜厚分布。
[0022]
以下参照附图进行说明。
[0023]
在本发明的带薄膜晶圆的膜厚分布的测量方法中，例如能够使用图2所示的光学显微镜2。能够使从安装有用于波长选择的带通滤波器4的普通的光学显微镜2的光源3发出的照射光照射于进行评价的带薄膜晶圆1的部分区域。光学显微镜2具有自动对焦(以下，有时也简称为“af”)功能，能够自动地进行对焦。对于af功能所使用的照射光而言，使用波长比膜厚测量的测量波长更长、且对测量波长不造成影响的能量较低的长波长的光，且优选为750nm以上的长波长。另外，光学显微镜2具备控制部，控制部能够进行：测量数据的获取、所获取的数据的分析处理、根据所输入的测量条件进行测量的控制、以及基于所输入的数据进行的动作条件修正等。
[0024]
另外，在本发明的带薄膜晶圆的膜厚分布的测量方法中，作为对象的带薄膜晶圆至少具有：形成在基板的表面上的第一薄膜、以及形成在该第一薄膜的表面上的第二薄膜。作为这样的带薄膜晶圆，优选使用例如具有与第一薄膜对应的埋入式氧化膜层(box层)、以及与第二薄膜对应的soi层的soi晶圆。特别是在以这样的soi晶圆为测量对象时，能够高精度地计算soi层的膜厚分布。
[0025]
图1示出本发明的带薄膜晶圆的膜厚分布的测量方法的流程图。
[0026]
如图1的s1所示，首先进行以下工序：使用光学显微镜，并使用评价用的带薄膜晶圆，通过使用了波长λ0的照射光的af功能进行对焦，求出焦点的高度z1。评价用的带薄膜晶
圆是作为实际进行测量的对象的带薄膜晶圆。
[0027]
图1的s2表示的工序是确定在获取带薄膜晶圆的第二薄膜的观察图像时所使用的照射光的波长λ1的工序。首先，使用该第二薄膜与第一薄膜的膜厚的设定值(规格)，通过模拟来计算照射光的波长与反射光的反射率等的关系，根据其结果，选择作为进行测量的照射光最佳的波长λ1。对于第二薄膜与第一薄膜的膜厚的设定值(规格)所对应的最佳波长λ1而言，选择了如下这样的波长，即：在使第二薄膜的膜厚固定于设定值(规格)的膜厚、且使第一薄膜的膜厚变动时，反射率不变的波长。通过选择这样的最佳波长λ1，消除了第一薄膜的膜厚变动所引起的反射率变动，仅有第二薄膜的膜厚变动的影响反映于反射率变动。
[0028]
具体而言，该工序例如能够如专利文献2所记载的那样进行。首先，通过模拟来计算曲线p1，曲线p1表示评价对象即带薄膜晶圆对于可见光的波长以上的波长区域的光的反射率的波长依存性。接着，通过模拟来计算曲线p22，曲线p22表示具有比评价对象即带薄膜晶圆的第一薄膜的设定膜厚t1薄t[nm]或厚t[nm]的第一薄膜的带薄膜晶圆对于可见光以上的波长区域的光的反射率的波长依存性。接着，计算通过模拟而算出的两个曲线p1、p22的差的曲线p32(＝p22-p1)，将该算出的差的曲线p32为0时、即反射率差为0时的波长确定为波长λ1。
[0029]
例如，对于soi晶圆而言，在上述说明中，第一薄膜相当于box层，第二薄膜相当于soi层。在soi晶圆的膜厚规格是soi层：12nm、box层：20nm的情况下，使用492nm(最佳波长为λ1)作为测量波长λ1最佳，在soi晶圆的膜厚规格是soi层：12nm、box层：25nm的情况下，使用520nm作为测量波长λ1最佳。
[0030]
另外，s2的工序是进行模拟的工序，与上述s1的工序的顺序没有限定。可以是在s1之前实施s2，也可以同时进行s1和s2的工序，即并行地进行。
[0031]
图1的s3表示的工序是一边以通过s1获得的z1为基准使焦点的高度变化，一边使用通过s2确定的波长λ1的照射光，并通过光学显微镜获得带薄膜晶圆的第二薄膜的观察图像的工序。获得观察图像的焦点高度位置的间距优选为0.5μm以下，更优选为0.2μm以下。如果是这样的范围，则能够以更高的精度进行测量。
[0032]
图1的s4表示的工序是计算通过s3获得的第二薄膜的观察图像内的反射光强度分布的标准偏差，获得与反射光强度分布的标准偏差为最大的峰值位置对应的焦点的高度z2，并算出z1与z2的差δz(＝z1-z2)的工序。对于δz的计算而言，也可以通过向光学显微镜的控制部输入z2，从而在控制部内进行δz(＝z1-z2)的计算。能够将通过s3获得的第二薄膜的观察图像的反射光强度分布的标准偏差为最大的位置z2看作使用了波长λ1的照射光时的焦点位置。使用该z2能够得到δz＝z1-z2。这样，δz是通过使用了波长λ0的照射光的af功能而获得的焦点位置z1、与使用了在获取第二薄膜的观察图像时所使用的波长λ1的照射光时的焦点位置z2之差，作为在下一工序(s5)即af功能的修正中使用的修正值。
[0033]
图1的s5表示的工序是以通过s4求出的δz为修正值进行光学显微镜的af功能修正的工序。可以将算出的δz作为校正值输入至光学显微镜的控制部，也可以将从输入的z2起始在控制部内进行计算而得到的δz作为修正值读取。
[0034]
图1的s6表示的工序是使用经过修正的af功能进行对焦，通过光学显微镜获得带薄膜晶圆的第二薄膜的观察图像，根据该观察图像内的反射光强度分布计算膜厚分布的工序。当使用经过修正的af功能时，对利用af功能而得到的焦点位置进行修正值δz的修正，
因此是在使用了波长λ1的照射光时的精度较高的焦点位置获得第二薄膜的观察图像。基于这样获得的观察图像的反射强度分布来求出膜厚分布，从而能够进行高精度的膜厚分布评价。膜厚分布的评价例如优选按照膜厚分布的标准偏差来进行。实施例
[0035]
以下举出实施例对本发明进行详细说明，但是本发明不限于此。
[0036]
在实施例、参考例、比较例中使用的膜厚测量系统即光学显微镜具有af功能而能够获得观察图像(显微镜图像)。af功能所使用的照射光的波长是785nm。另外，使用带通滤波器来进行针对用于获得观察图像的照射光的波长调节、选择。
[0037]
(实施例)使用了如下的soi晶圆，即，该soi晶圆的膜厚规格是soi层12nm、box层20nm。首先，将该soi晶圆设置于光学显微镜(膜厚测量系统)，并使用af功能进行对焦，从而求出焦点位置z1。z1以自动方式获得。
[0038]
另外，通过模拟来求出在获取该soi晶片的soi层的观察图像时所使用的照射光的波长λ1，结果为测量波长λ1＝492nm。
[0039]
接着，使用带通滤波器来进行针对用于获得观察图像的照射光的波长的调节，使照射光的波长为λ1＝492nm。然后，一边以z1为基准使焦点的高度上下变化，一边获得观察图像，并求出所获得的观察图像的反射强度分布的标准偏差与高度z的关系。图3示出高度z与反射强度分布的标准偏差的关系。图3所示的标准偏差为峰值的高度是z2。另外，z1的位置如图3及后述的图4所示，位于超出曲线图右侧的范围(横轴的数值范围外)。
[0040]
将这样获得的z2输入至光学显微镜，通过光学显微镜内的控制部计算修正值δz(＝z1-z2)，并且使用该修正值δz进行af功能的修正。
[0041]
然后，对通过af获得的焦点位置进行修正值δz的修正，获得soi晶圆的soi层的观察图像，并根据测量区域的观察图像内的反射光强度分布算出膜厚分布的标准偏差。具体而言，对于晶圆面内的5点(中心1点 从外周端向内侧偏移5mm的位置4点)，根据观察图像内的反射光强度分布算出soi层的膜厚分布的标准偏差。另外，测量区域是266μm
×
266μm(2048
×
2048像素)。
[0042]
(参考例)使用了如下的soi晶圆，即，该soi晶圆的膜厚规格是soi层12nm、box层25nm。获得该soi晶圆的soi层的观察图像所使用的照射光的波长λ1是520nm。与实施例同样地，求出所获得的观察图像的高度z与反射强度分布的标准偏差间的关系，得到如图4所示的关系。根据该结果可知，如果box层的厚度不同，则λ1不同，其结果为，基于焦点的峰值位置z2的修正值也会不同。
[0043]
(比较例)采用了下述的现有的膜厚分布测量方法，此外，使用与实施例相同的soi晶圆，进行了膜厚分布的测量。具体步骤如下。(1)使用带图案的样本晶圆，利用膜厚测量系统即光学显微镜的af功能求出焦点的高度z1。(2)在该位置，使用滤波器照射波长λ1的照射光，该滤波器用于获得测量波长λ1，通过目视将焦点对准于显微镜图像的图案，求出对准了焦点的位置的高度z2。
(3)将z2输入至光学显微镜，通过光学显微镜内的控制部计算修正值δz(＝z1-z2)，并且使用该修正值δz进行af功能的修正。(4)在膜厚分布测量中，对通过af功能对准的焦点位置进行δz的修正，获得观察图像，根据其反射强度分布求出膜厚分布的标准偏差。
[0044]
对于实施例及比较例的膜厚分布测量的评价通过如下方式来进行。首先，通过比较例的测量方法，在31天的期间以1天3次的频率重复进行测量。之后，切换为实施例的测量方法，再重复进行42天的测量。
[0045]
在图5中示出评价结果。各描绘点的编号表示图中的晶圆概念图所示的测量位置。另外，测量的顺序是沿着图5的横轴从右向左的顺序。如图5所示，可知：关于使用了本发明的测量方法的实施例的soi层的膜厚分布标准偏差，与使用了现有的测量方法的比较例相比而言，降低了测量之间的偏差，能够得到稳定的测量结果。
[0046]
另外，关于实施例的soi层的膜厚分布标准偏差的值，虽然与比较例相比而言较大，但是这意味着能够通过准确地调整测量波长的焦点，从而再现性良好地准确测量膜厚分布。举例而言，在利用afm(原子力显微镜)测量规定区域的表面粗糙度(rms)时，如果将前端圆化的形状的针变更为前端尖锐的形状的触针来测量同一区域的表面粗糙度(rms)，则能够更准确地测量表面粗糙度(rms)，其结果为，与表面粗糙度(rms)的数值变大是同样的现象。
[0047]
本发明不限于上述实施方式。上述实施方式是例示，凡具有与本发明的权利要求书所记载的技术思想实质上相同的结构、起到同样的作用效果的任何方案都包含在本发明的技术范围内。