JPH04120404A - 半導体多層薄膜の膜厚評価装置及び膜厚評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、半導体多層薄膜の膜厚を評価する装置及び
方法、特に、半導体結晶のエピタキシャル成長による多
層薄膜構造の各層の膜厚を、非破壊・非接触で測定する
評価装置及び評価方法に関するものである。

［従来の技術］ 従来のフーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ法）による膜
厚測定法についで、第３図を用いてその概念を簡単に説
明する。第３図は従来のＦＴＩＲ法による膜厚評価装置
の光学系の概念図てあり、第４図はその全体構成図であ
る。これらの図において、光源（１）を射出し非球面鏡
く２）て平行にされた光束は、マイケルソン干渉計く３
）に導入される。マイケルソン干渉計（３）内では、入
射してきた光束はビーム・スプリッター（４）で三光束
に分割され、固定鏡（５）と移動鏡（６）とで各々反射
されたあと合成され干渉する。この時間的に変調された
波数の異なる干渉光束がミラー（７）により試料（８）
に照射され、検知器（９）で検出される。以上の光源（
１）〜検出器（９）によって膜厚評価装置の光学系（１
０）が構成される。

検出器（９）によって測定されたインターフェログラム
（すなわち空間干渉強度波形であってノイズを含むもの
）は、フーリエ変換手段（１１）によりフーリエ変換さ
れ反射スペクトルを得る。この反射スペクトルから、測
光感度のない波数領域を取り除くフィルタリング処理を
フィルタリング手段（１２）により行った後、逆フーリ
エ変換を行うことによってノイズか除去された空間干渉
強度波形（Ｓｐａｔｉａｌｇｒａｍ　）を得る。従来、
逆フーリエ変換はコサイン（ｃｏｓｉｎｅ）逆フーリエ
変換手段（１３）により行われていた。このようにして
得られた空間干渉強度波形の一例を第５図に示す。図に
示す空間干渉強度波形における各バースト・ピーク間の
距離から、試料を構成する各層の膜厚を測定することが
できる。

特ニ、半導体エピタキシャル層のような多層薄膜の膜厚
を精度よく測定するためには、特願平１２４８８５０号
に示したように、測定試料の反射測光を平行光束系とし
、データ・サンプリング間隔の短縮を行うことが必要で
ある。

従来の半導体多層薄膜の膜厚評価装置は上述したように
構成され、その評価方法を第６図を用いてさらに詳細に
説明する。第６図は半導体薄膜（１４〉、（１５）、（
１６）が半導体基板（１７）上に形成された試料（６）
を概略的に示しており、試料（６）に入射した光束のう
ち各層での一次元反射光のみの反射光路を模式的に示し
ている。半導体重１Ｂ！（１，４）、（１ら）、（１６
）の各層の膜厚及び屈折率は各々＜ｄｉ、　ｎｌ）　、
（ｄ２．　ｎ２）　、（ｄ３．　ｎ３）であり、半導体
基板（１７）の屈折率はｎｓとした。各層での反射光は
各々の光路長による位相差を生じ、試料（６）表面で合
成され干渉する。試料（６）表面ての反射光成分に対す
る第ｉ層−第ｉ＋１層界面ての反射光成分の光路差δｉ
は、次に示す（１）式で与えられる。

空間干渉強度波形上にはこのｄｉに対応する位置にバー
スト・ピークが現れ、このピーク間の距離を測定して（
１）式より各膜厚ｄｉを得る。

ここで、従来技術では反射スペクトルの空間干渉強度波
形への変換には次の（２）式に示すコサイン（ｃｏｓｉ
ｎｅ）項によるコサイン逆フーリエ変換を行っていた。

Ｒ（σ）二叉射光強度　　巨σ）：フィルタリング関数
σ：波数（１／Ｃ…）Ｘ：距離（Ｃ−）σＳ／σｅ、測
光波数端 第５図にこの空間干渉強度波形の一例を示す。

各層の界面に対応した位置にバースト、ピークが見られ
る。このように、多層薄膜の反射スペクトルの逆フーリ
エ変換処理による空間干渉強度波形の波形分析から、多
層薄膜の各膜厚を測定することができる。

［発明が解決しようとする課題］ 上述したような半導体多層薄膜の膜厚評価装置及び方法
では、反射スペクトルをコサイン環のみのコサイン逆フ
ーリエ変換により行っていたので、空間干渉強度波形上
に現れるバースト波形は、フィルタリング条件（フィル
タリング関数「（σ）の形やフィルタリング波数領域等
）により、バーストピークが上向き／下向きの逆位相を
取り得る。従って、被測定膜の膜厚が薄くなると、例え
ば第７図に示す空間干渉強度波形に見られるように、上
向き、下向きピークを持つバースト波形が重なり合うと
、各ピークが合成波形の中に呑み込まれる形になり、ピ
ーク位置を判読することか困難になる。

ＦＴＩＲ法による膜厚の測定方法において、薄膜測定限
界を決定する要因の主要なものとしては、測光波数範囲
（σＳ〜σｅ）がある。その内主に測光光学系から決ま
る測光波数範囲の枠組みの中では、空間干渉強度波形上
でのバースト波形からのピーク位置の判読が重要となる
。しかし、上述のように従来技術では、バースト波形そ
のものに上向き／下向き位相の不安定要因があり、これ
も薄膜の膜厚測定に限界をもたらす要因であった。

特願平１−２４８８５０号に示した平行光束反射測光と
データ・サンプリング間隔の短縮化を用いても、従来の
コサイン逆フーリエ変換法では、化合物半導体エピタキ
シャル層の膜厚測定は、約Ｑ、Ｊ＋ｓが限界であるとい
う問題点があった。

この発明は、このような問題点を解決するためになされ
たもので、定められた測光波数範囲において、より薄い
多層薄膜の各層の膜厚を、より正確かつ安定に測定でき
る、ＦＴＩＲ法を応用した半導体多層薄膜の膜厚評価装
置及び膜厚評価方法を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る半導体多層薄膜の膜厚評価装置及び膜厚
評価方法は、従来のコサイン逆フーリエ変換手段の代わ
りに、複素パワー逆フーリエ変換手段を用いて空間干渉
強度波形を得るものである。

［作　用］ この発明においては、複素変換により反射スペクトルの
限られた波数範囲内に現れる干渉波形中の偶及び奇関数
成分の両方が正しく変換され、また、パワー変換により
空間干渉強度波形上のバースト波形も全て同位相となる
ため、コサイン逆フーリエ変換手段を用いる場合に比べ
同じ測光波数範囲でも多くの情報が取り込まれ、バース
ト波形位相の不安定要因が無くなるので、バースト波形
の分離精度が向上し、薄膜測定限界が向上する。

Ｕ実施例］ 第１図はこの発明の一実施例による薄膜評価装置の全体
構成図であり、（１０）〜（１２）は上述した従来の薄
膜評価装置におけるものと全く同一である。また、光学
系（１０）は第３図に示した従来のものと全く同一であ
り、同様な操作により半導体多層薄膜の膜厚測定が行わ
れる。

この発明では、フィルタリング処理が行われた反射スペ
クトルを、複素パワー逆フーリエ変換手段（１３Ａ）を
用いることによって、空間干渉強度波形を得るものであ
る。フーリエ分光法において複素変換は一般的な基礎技
術であるが、半導体多層薄膜の膜厚測定を目的として、
反射スペクトルを空間干渉強度波形に逆フーリエ変換す
る場合には、複素パワー変換を応用した例は今まで全く
なかった。

この発明による複素パワー逆フーリエ変換手段＜１３Ａ
）では、反射スペクトルを逆フーリエ変換して空間干渉
強度波形を得る場合に、次の（３）式に示すようなコサ
イン（ｃｏｓｉｎｅ）項及びサイン（ｓｉｎｅ）項を含
むｅ（ｊ２πσＸ）による複素パワー変換により行うも
のである。

次に、半導体多層薄膜が半導体基板上に形成された試料
の膜厚を測定し、その評価を行った。試料は、第６図に
おける半導体基板（１７）としてＧａＡｓ基板上に、半
導体薄膜（１４）、（１５）、（１６）としてそれぞれ
Ａ　ｌ　ｙ　Ｇ　ａ　＋　−Ｘ　Ａ　ｓ　（ｘ　＝０　
、５、厚さ０．３５ｕｍ）　、Ａ　ＩｘＧ　＆＋−＊Ａ
ｓ　（ｘ＝０．１、厚さ０．１Ｈ）、Ａ　１．Ｇａ、−
、Ａｓ　（ｘ＝０．５、厚さ１．４Ｂ）を形成した試料
を用い、この発明による複素パワー逆フーリエ変換手段
（１３Ａ）を用いて得た空間干渉強度波形を第２図に、
従来のコサイン逆フーリエ変換手段（１３）を用いて得
た空間干渉強度波形を第７図にそれぞれ示した。第７図
に示したコサイン逆フーリエ変換では、２つのバースト
波形が重なり合い非対称な波形になっているため、ピー
ク位置を判読することは困難であった。また、この非対
称な波形は、逆フーリエ変換時のフィルタリング条件に
敏感であり微妙に形を変えるため、実際にはこの波形か
らピークを見つけ出し膜厚を得ることは不可能である。

一方、第２図に示したこの発明による空間干渉強度波形
では、ピーク位置間隔が約０　、１１１ｍに相当するも
のであるにもががわらず、バースト波形は明確に分離さ
れており、実際の膜厚測定に用いるに足る安定した空間
干渉強度波形である。このように、複素パワー逆フーリ
エ変換による空間干渉強度波形には、従来のコサイン逆
フーリエ変換によるものに比べより多くの情報が取り込
まれ、かつ、各バースト波形が全て同位相となるため薄
膜測定精度が向上し、例えば従来法では０．２１１−が
限界だった測光条件で約０．１１１ｍの厚さの薄膜まで
膜厚測定が可能となった。

［発明の効果］ この発明は、以上説明したとおり、従来のコサイン逆フ
ーリエ変換手段の代わりに、複素パワー逆フーリエ変換
手段を用いて空間干渉強度波形を得るので、定められた
測光波数範囲において、より薄い多層薄膜の各層の膜厚
を、より正確かつ安定に測定できるという効果を奏する
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による薄膜評価装置の全体
構成図、第２図はこの発明の一実施例により複素パワー
逆フーリエ変換を行った空間干渉強度波形を示す線図、
第３図はＦＴＩＲ法による膜厚測定に用いる光学系を示
す概念図、第４図は従来の薄膜評価装置の全体構成図、
第５図及び第７図は従来のコサイン逆フーリエ変換によ
り得た空間干渉強度波形を示す線図、第６図は半導体多
層薄膜に照射された光束の多層薄膜内での光路を示す模
式図である。 図において、（１）は光源、（２）は非球面鏡、（３）
はマイケルソン干渉計、（４）はビーム・スプリッター
、（５）は固定鏡、（６）は移動鏡、（７）はミラー、
（８）は試料、（９）は検知器、（１０）は光学系、（
１１）はフーリエ変換手段、（１２）はフィルタリング
手段、（１３Ａ）は複素パワー逆フーリエ変換手段、（
１４）、（１５）、（１６）は半導体薄膜、（１７）は
半導体基板である。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体多層薄膜試料に波数の異なる干渉光束を連
   続的に照射し上記試料によって反射した干渉光束を検出
   してインターフェログラムを得る光学系と、 上記インターフェログラムをフーリエ変換して反射スペ
   クトルを得るフーリエ変換手段と、この反射スペクトル
   をフィルタリング処理するフィルタリング手段と、 フィルタリング処理した反射スペクトルを逆フーリエ変
   換して空間干渉強度波形を得る複素パワー逆フーリエ変
   換手段とを備えたことを特徴とする半導体多層薄膜の膜
   厚評価装置。
2. （２）半導体多層薄膜試料に波数の異なる干渉光束を連
   続的に照射し、 上記試料によって反射した干渉光束を検出してインター
   フェログラムを求め、 このインターフェログラムをフーリエ変換して反射スペ
   クトルとし、 この反射スペクトルをフィルタリング処理し、ついで、 フィルタリング処理した反射スペクトルを複素パワー逆
   フーリエ変換して空間干渉強度波形とし、この空間干渉
   強度波形から上記半導体多層薄膜の各層の膜厚を非破壊
   ・非接触で評価することを特徴とする半導体多層薄膜の
   膜厚評価方法。