JPH074922A - 半導体多層薄膜膜厚測定装置およびその測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 サブミクロンの膜厚の多層薄膜の膜厚の各層
の膜厚を、正確かつ安定に、非破壊・非接触で測定でき
る半導体多層薄膜測定装置およびその測定方法を得る。 【構成】 空間干渉波形の波形解析から得られた半導体
装置の各膜厚測定値を初期値として、理論的干渉スペク
トル計算手段１００８により反射光の波数分散（波長分
散）スペクトルの膜干渉波形を光学的特性マトリックス
を用いた数値計算により求め、再計算手段１００９によ
りこれを実測値と波形フィッティングし、その際膜厚の
概算値を故意に変化させながら理論的干渉スペクトルを
再計算させることにより、さらに高精度な各膜厚を得る
ようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体多層薄膜膜厚測
定装置およびその測定方法に関し、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・非接触で測定することのできる評価装置の改良
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、極めて薄い薄膜技術が進歩してき
ており、例えば半導体デバイスでは半導体レーザやＧａ
ＡｓＨＥＭＴ(High Electron Mobility Transistor) ，
ＨＢＴ(Heterojunction Bipolar Transistor) 等、その
機能に応じてサブミクロンレベルでの様々な微細構造を
有するものが出現している。このような半導体デバイス
を再現性よく生産しようとすれば、特に化合物半導体デ
バイスにおいては、エピタキシャル結晶成長により多層
薄膜の膜厚制御をうまく行なうことが重要な制御因子の
１つとなっている。

【０００３】従来はこのような薄膜の膜厚制御のための
膜厚測定方法として、試料の劈開断面をＳＥＭ（Scanni
ng Electron Microscope）等により観察する方法が一般
的に用いられている。しかしながら、この方法は試料に
エッチングを要する破壊測定であることから測定を行な
った試料はもはや製造ラインを流せないものであり、サ
ンプルは大きな制約を受けてしまう。そこで、最近膜干
渉法を用いて非破壊で測定を行なえる膜厚測定方法が注
目を集めている。

【０００４】この膜干渉法を用いた膜厚測定方法は、フ
ーリエ変換演算処理機能をもったフーリエ変換赤外分光
（Fourier Transform Infrared Spectroscopy:以下、Ｆ
ＴＩＲと称す）装置や分散型分光装置を用いて膜厚測定
を行なうものであり、この膜厚測定方法は、例えば、０
〜３２，０００cm^-1にスペクトル波数変調帯域を有する
遠赤外域から近赤外域までに至る比較的広い波数領域の
赤外線を試料に照射し、試料の多層膜からの干渉スペク
トルをＦＴＩＲ装置等によってフーリエ変換することに
よって得られる空間干渉波形（Spatialgram:以下、スパ
ーシャルグラムと呼ぶ）から多層膜の膜厚を評価すると
いうものである。

【０００５】図４はＦＴＩＲ装置の全体的な構成を示す
ブロック図である。図４(a) において、１３は時間的に
変調された干渉光束を出射するマイケルソン干渉計、２
６はこの干渉計１３からの測定光を試料に照射して測光
する測光系、１５０はこのマイケルソン干渉計１３およ
び測光系２６から構成され、多層膜からの反射光を可視
光から遠赤外光にわたって連続的に分光測定する分光装
置である。また、２００はこの分光装置１５０の測光系
２６により測光され測光系２６に属する光検知器によっ
て光電変換された電気信号をフーリエ変換してその分析
処理を行なうデータ処理装置である。

【０００６】図４(b) はこのＦＴＩＲ装置により実行さ
れるデータ処理の概略を示すフローチャートである。図
において、２００ａは干渉光強度波形を測定するステッ
プ、２００ｂはこのステップ２００ａにより測定された
干渉光強度波形をフーリエ変換するステップ、２００ｃ
はこのステップ２００ｂによりフーリエ変換された結果
を逆フーリエ変換するステップである。

【０００７】また、図５はこのデータ処理装置の構成を
示すブロック図である。図５において、２００１は測光
系に含まれる検出器の出力により干渉光強度波形を測定
する干渉光強度波形測定部、２００２はこの干渉光強度
波形測定部２００１の測定結果を記憶するメモリ、２０
０３はこの干渉光強度波形測定部２００１の出力または
メモリ２００２からのデータをフーリエ変換するフーリ
エ変換部、２００４，２００５はこのフーリエ変換部２
００３のフーリエ変換結果を記憶するメモリ、２００６
はこの２つのメモリ２００４，２００５の出力の差を求
める減算器、２００７はこの減算器２００６の出力をフ
ィルタリングするフィルタリング部、２００８はこのフ
ィルタリング部２００７の出力を逆フーリエ変換する逆
フーリエ変換部、２００９はこの逆フーリエ変換部２０
０８の出力からバースト間隔を測定するバースト間隔測
定部である。

【０００８】次に動作について図４および図５を用いて
説明する。まず、マイケルソン干渉計１３により試料に
照射した干渉光束を反射測光系２６に属する光検知器で
受光し、これを電気信号に変換して干渉光強度波形を測
定する（ステップ２００ａ）。

【０００９】この干渉光強度波形はフーリエ変換される
（ステップ２００ｂ）とともに、所定のフィルタリング
処理が実行され、そのフィルタリング処理結果が逆フー
リエ変換されてスパーシャルグラムが求められる（ステ
ップ２００ｃ）。そしてこのスパーシャルグラムにおけ
るバーストピークの間隔より、得ようとする薄膜の膜厚
を検出する。

【００１０】以下、このデータ処理装置の処理をより詳
しく説明する。即ち、まず測光系の検出器から送られて
くる電気信号に基づき、試料の多層薄膜の情報を含む干
渉光強度波形を干渉光強度波形測定部２００１において
測定し、フーリエ変換部２００３にてこの干渉光強度波
形をフーリエ変換して分光スペクトルを求める。また、
この試料の干渉光強度波形の測定に先立ち、例えば半導
体基板上に金を蒸着して作成した標準試料を用いて上記
と同様の方法で干渉光強度波形データを測定しておき、
これをメモリ２００２に記憶させておく。そして、必要
に応じて標準試料の干渉光強度波形データをメモリ２０
０２から読み出し、これをフーリエ変換してその分光ス
ペクトルを求める。こうして求めた多層薄膜試料の分光
スペクトルから標準試料の分光スペクトルをそれぞれメ
モリ２００４，２００５に記憶し、減算器２００６によ
りその出力を差し引いて差スペクトルを求め、フィルタ
リング部２００７においてこの差スペクトルのノイズ波
数域をデータ数値上でフィルタリングしてノイズ処理を
行なう。さらにノイズ処理した差スペクトルを逆フーリ
エ変換部２００８にて逆フーリエ変換してケプストラム
と呼ばれるスパーシャルグラムを作成する。ケプストラ
ムには試料からの各反射光成分の光路差に対し移動鏡の
走行位置による光路差が一致するところで全光が干渉に
より強め合うことによるバーストが現れる。このバース
ト間の距離が各反射光成分の光路差に対応する。従っ
て、バースト間隔測定部２００９において、そのバース
ト間の距離を測定することにより、光路差を求めること
ができ、これにより各層毎の膜厚を求めることができ
る。こうしてフーリエ解析を利用したケプストラムの波
形分析から、多層薄膜の各層の膜厚を測定することがで
きる。

【００１１】次にこの従来のＦＴＩＲ法による膜厚測定
法について、図１０にその光学系の概念図を示してこれ
を説明する。図１０において、１０は試料を照明する照
明光を発生する光源、１２はこの光源１０からの照明光
を平行光線に変換する非球面鏡、１４はこの非球面鏡１
２から入射してきた平行光線を二分割するビーム・スプ
リッタ、１５はこのビーム・スプリッタ１４の透過光を
反射する固定鏡、１６はこのビーム・スプリッタ１４に
よる反射光を反射する移動鏡、１７はこの移動鏡１６を
定速走査するドライバであり、１３は以上のビーム・ス
プリッタ１４，固定鏡１５，移動鏡１６およびドライバ
１７から構成され干渉光束を生成するマイケルソン干渉
計である。

【００１２】また、２７はこのマイケルソン干渉計１３
のビーム・スプリッタ１４から出射する干渉光の光束の
大きさを制限するアパチャ、２８はこのアパチャ２７か
ら出射する平行光束を反射しその向きを変える平面鏡、
１１はこの平面鏡２８から出射する平行光束が照射され
る試料、２９はこの試料１１にて反射した平行光束を反
射しその向きを変える平面鏡、３０はこの平面鏡２９か
らの平行光束が入射する非球面鏡、２１はこの非球面鏡
３０により集光された光を検出する検出器であり、２６
は以上のアパチャ２７，平面鏡２８，試料１１，平面鏡
２９および非球面鏡３０から構成され試料の測光を行な
う反射測光系である。

【００１３】次にその動作について説明する。光源１０
を出射した光束を非球面鏡１２で平行光束に変換して、
マイケルソン干渉計１３に導入する。マイケルソン干渉
計１３は、入射してきた平行光束を二分割するビーム・
スプリッタ１４と、該ビーム・スプリッタ１４の透過光
を反射する固定鏡１５と、該ビーム・スプリッタ１４の
反射光を反射する、ドライバ１７で定速走査された移動
鏡１６とから構成されており、該ビーム・スプリッタ１
４の透過光と反射光は該固定鏡１５と該移動鏡１６で各
々反射された後、再び該ビーム・スプリッタ１４に戻
り、その面上で合成され互いに干渉する。この干渉光は
移動鏡１６の定速走査により時間的に変調された干渉光
束であり、反射測光のためにアパチャ２７側へ取り出さ
れる。マイケルソン干渉計１３から取り出された平行光
束は、アパチャ２７で任意の大きさに整形された後平面
鏡２８で向きを変え、試料１１面上に平行光束の状態で
照射される。その反射光束は試料１１の膜構成による干
渉を受けており、平面鏡２９で向きを変えた後、非球面
鏡３０で検出器２１の受光面上に集光される。

【００１４】図６に、図１０に示すマイケルソン干渉計
の反射測光系により試料に入射した光束の各層での一次
元反射光のみの反射光路を示す。図６において、１は半
導体基板、２，３，４はそれぞれこの順で半導体基板１
上に順次積層された半導体薄膜である。５はマイケルソ
ン干渉計より試料に入射する入射光、６はこの試料の最
上層である半導体薄膜４の表面で反射した反射光、７は
半導体薄膜４と半導体薄膜３との界面で反射した反射
光、８は半導体薄膜３と半導体薄膜２との界面で反射し
た反射光、９は半導体薄膜２と半導体基板１との界面で
反射した反射光である。

【００１５】ここで、半導体薄膜２，３，４各層の膜厚
および屈折率を各々（d1，n1），（d2，n2），（d3，n
3）とし、基板１の屈折率はnsとする。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１１表面で合
成され相互に干渉する。試料１１表面での反射光成分５
に対する第ｉ層−第(i＋1)層界面での反射光成分の光路
差δi は次に示す式(1) で与えられる。

【００１６】

【数１】

【００１７】このδi に基づく位相差による反射光の干
渉強度波形の解析から各層の膜厚情報が得られる。

【００１８】一般に、薄膜の反射干渉スペクトルの干渉
フリンジ（干渉縞）の分析から膜厚を評価する方法は従
来より採られている。しかしながら、この方法は膜構成
が単層の場合には有用であるが、層構造が複数の場合に
は、各フリンジを分離・分析することは極めて困難であ
り実用に適さない。そこで、フーリエ解析を活用する。
即ち、膜反射干渉スペクトルを、ノイズ波数域をデータ
数値上でフィルタリングし、そのフィルタリング結果を
逆フーリエ変換して移動鏡１６の移動距離に対応したス
パーシャルグラムを得る。スパーシャルグラムには、式
(1) で示した各反射光成分の光路差に対し、移動鏡１６
の走査位置による光路差が一致するところで全光が干渉
により強めあうことにより、各バーストが現れるが、こ
の各バースト間の距離が各反射光の光路差に対応する。

【００１９】図１１に、図６の反射光から得られるスパ
ーシャルグラムを示した。横軸は移動鏡１６の走査距
離、縦軸は反射光の干渉強度を表している。図中、試料
１１表面での反射光成分６に対応するセンター・バース
ト３１を原点として、左右対称に各層反射光成分７，
８，９に対応する各サイド・バースト３２，３３，３４
が現れており、センター・バースト３１からの各サイド
・バーストまでの距離をＬi （i ＝１，２，３）とする
と、各反射光成分の光路差δi は、移動鏡１６への往路
と復路の距離の和である２Ｌi に一致する。従って、式
(1) より次の関係式が得られる。

【００２０】

【数２】

【００２１】このように、多層膜の反射干渉光を逆フー
リエ変換処理して得られるケプストラムの波形分析を行
なうことにより、多層膜の各膜厚情報を得ることが可能
である。しかしながら、この従来の技術によれば、薄膜
厚測定限界ｄ1imit は測定光波数範囲△によって式(3)
で決定されてしまう。

【００２２】ｄ limit ＝１／（２・△・ｎ） …(3)

【００２３】これは、膜厚ｄ，屈折率ｎの単層膜の波数
（あるいは波長）空間での干渉波数におけるフリンジ間
隔が、１／（２・ｄ・ｎ）に対応することと等価であ
り、多層膜のスパーシャルグラムにおける膜厚分離限界
が各膜の干渉成分の情報が波数空間における１干渉フリ
ンジ分必要であることを示している。従って、薄膜の膜
厚測定限界は測光系および被測定多層膜の材料吸収で決
まる測光波数域△で４定されてしまう。

【００２４】ところで、従来より、測光系の光の透過特
性に関しては、例えば特願平４−１０９７９８号に示さ
れているように光学部材の改善や光源，光学系，受光部
のそれぞれにその波数特性範囲が相互に重複するものを
併用する、といった透過波数域の異なる部材の複合化に
より広波数域に対応するものが実現されている。

【００２５】図１２(a) はこのような波数特性範囲が相
互に重複するものを併用した半導体多層薄膜膜厚測定装
置の光検知器の構成を示す。図において、２１ａは集光
鏡で集められた光束を分配するビーム・スプリッタ、２
１ｂおよび２１ｃはこのビーム・スプリッタ２１ａで分
配された光を電気信号に変換するＭＣＴ検知器およびＳ
ｉ検知器、２１ｄはこのＭＣＴ検知器２１ｂおよびＳｉ
検知器２１ｃにより得られた電気信号を合成する電気信
号合成回路である。

【００２６】光検知器をこのように構成することによ
り、その検知器の検出感度はＭＣＴ検知器の感度特性お
よびＳｉ検知器の感度特性を加え合わせたものとなり、
単独の光検知器では得られない感度特性の拡大が可能と
なる。

【００２７】また、図１２(b) に示すように、ＭＣＴ検
知器２１ｂを安価なトリプシン・サルファイト（ＴＧ
Ｓ）検知器に代えてもよく、この場合にはＭＣＴ検知器
を冷却する機構等の部材が不要であるため、装置の簡素
化および製造コストの低減を図ることができる。

【００２８】図１３は図１２(a) の光検知器の改良を図
ったもので、ＭＣＴ検知器２１ｂおよびＳｉ検知器２１
ｃを、ＭＣＴ検知器２１ｂを冷却するための液体窒素冷
却器５０にエポキシ樹脂等を用いて固着されて同一平面
上に並べられており、測光光束は集光鏡で集光され、直
接ＭＣＴ検知器２１ｂおよびＳｉ検知器２１ｃに入射し
て同時に検知され、その電気信号が信号合成回路２１ｄ
で合成されるようになっている。

【００２９】このような構成を用いることで、ビームス
プリッタの透過特性による影響等がなくなり、両検知器
２１ｂおよび２１ｃの測光波数域がより直接的に得ら
れ、測光精度を高めることができる。

【００３０】また、図１４は複合型の光検知器として３
種類の光検知器を用いるようにしたものである。すなわ
ち、ゲルマニウム検知器４４をＭＣＴ検知器２１ｂおよ
びＳｉ検知器２１ｃと同一平面上に配置することで、Ｍ
ＣＴ検知器２１ｂおよびＳｉ検知器２１ｃとの総合的な
感度特性の感度の谷間を補間するようにしたものであ
る。このとき、ＭＣＴ検知器２１ｂは他の検知器に比し
やや感度が悪いため、他の検知器よりも面積の大きいも
のとすることが好ましい。このようにすることで、高感
度かつ広い測光波数範囲を有する光検知器を得ることが
できる。

【００３１】図１５は各種の光源，ビーム・スプリッ
タ，光検知器の有特性波数範囲を示すテーブルチャート
であり、光検知器の欄において、ＭＣＴ検知器とＳｉ検
知器の両有特性波数範囲の和によると、２５０００cm^-1
から５００cm^-1付近までの広範囲にわたる可能性が示さ
れている。これは光学系の最適化による（ＭＣＴ＋Ｓ
ｉ）複合型の光検知器により、可視光（青色）から遠赤
外光までの領域を検知できることを示唆している。な
お、この図１５において、括弧内のＡ，Ｂ，Ｃ等の添字
は、同一材料でもその粗成比が異なる光検知器であるこ
とを示す記号である。

【００３２】また、図１６はビーム・スプリッタの改良
を図ったものであり、図１６(a) ，図１６(b) はビーム
・スプリッタに相当する光透過部材を示し、図中、５４
はフッ化カルシウム（ＣａＦ2 ）、５５は石英（Ｓｉ）
による領域を示している。このように、ビーム・スプリ
ッタの光透過面積の半分にそれぞれ光通過帯域の異なる
２種類の部材を用いることで、ビーム・スプリッタとし
ての特性波数範囲は単一部材を用いた場合の和に相当す
る特性波数範囲に拡大され、具体的に上記構成では、図
１５のテーブルチャートにおけるビーム・スプリッタの
欄によれば、フッ化カルシウム（ＣａＦ2 ）と石英（Ｓ
ｉ）の組合せによるビーム・スプリッタの総有特性波数
範囲は約２５０００cm^-1から２０００cm^-1となることが
わかる。また、図１６(a) に示すように単に半円ずつに
異なる部材を用いて面積を分割するよりも、図１６(b)
に示すように各領域が交互に複数現れるように配置した
方が透過光のビームの波面の崩れが少なくなり、ビーム
の面内強度をより均一にすることができる。

【００３３】また、図１６(c) に示すように、１つのビ
ーム・スプリッタを３つの部材を用いて構成してもよ
く、ここではフッ化カルシウム（ＣａＦ2 ）の領域５
４、石英（Ｓｉ）の領域５５、臭化カリウム（ＫＢｒ）
の領域５２が光透過領域の面積を３等分するようにして
配置されており、図１５のビーム・スプリッタの欄によ
ると、フッ化カルシウムと石英と臭化カリウムの３部材
を複合的に用いたビーム・スプリッタでは約２５０００
cm^-1から４００cm^-1までの波数範囲において測光が可能
となり、図１６(a) ，図１６(b) の２部材を用いた場合
よりも長波長帯域が拡張されることとなる。

【００３４】また、図１７に示すように、光源を改良し
たものを用いるようにしてもよい。これは図１７に示す
ように、タングステン・ハロゲン灯１０ａとニクロム発
光灯１０ｃとが出射した光はそれぞれ集光鏡１０ｂ，１
０ｄで集められ、ビーム・スプリッタ１０ｅを介して合
成された後、アパーチャ１０ｆにより集光源に近づける
ための波面調整が行なわれ、コリメータ鏡１２に導かれ
る。ここで、アパーチャ１０ｆから各灯１０ａ，１０ｃ
までの距離は等しくなるように設定されているので、ビ
ーム・スプリッタ１０ｅでの合成光はアパーチャ１０ｆ
において同一の波面を有し、コリメータ鏡１２で同一の
平行光束となる。

【００３５】このように、タングステン・ハロゲン灯１
０ａとニクロム発光灯１０ｃとを組合せてその出射光を
合成することで、図１５の光源の欄に示されているよう
に、約２５０００cm^-1から２００cm^-1までの波数範囲の
光放射が可能となることがわかる。

【００３６】また、測光光線に関しては、例えば特開平
３−１１０４０５号公報に示されているように、測定光
を基板に集光するのではなく平行光として照射すること
により試料に対する入射角のばらつきや入射面のばらつ
きを軽減し、得られるケプストラムに多層薄膜の正確な
情報が載せられるようにする、といった改良もなされて
おり、これは図１０に示す通りである。

【００３７】また、受光部により電気信号に変換された
信号を処理するデータ処理装置に関しては、例えば特開
平４−６６８０６号公報に示されているように、測光ス
ペクトルの測定値を高域側および低域側に越えた波数域
に一定値のデータを補ってフーリエ変換を行なうことに
より、疑似ピークの発生を抑えるようにしたものがあ
る。

【００３８】図１８はこのようなフーリエ変換に先立っ
て一定値のデータを補うことによりその処理を行なうデ
ータ処理装置の処理の内容を示すフローチャートであ
る。図１８において、まずＦＴＩＲ装置によって膜干渉
スペクトルを常用の方法により測定する（ステップ１０
０ａ）。そして得られたスペクトル中に含まれる低周波
成分を除去（ステップ１０１ａ）すると図１９に示すよ
うな膜干渉スペクトルを得ることができる。

【００３９】ここで、本実施例では波形データを処理し
てスペクトルデータの追加を行なう（ステップ１０１
ｂ）。すなわち、図２０に示すように、干渉スペクトル
の図中左側端部（波数σ1 ＝２０００cm^-1）の反射干渉
スペクトル強度データを０からσ1 cm^-1までの干渉スペ
クトル強度データとして補い、また図中右側端部（波数
σ2 ＝１２０００cm^-1）のスペクトル強度データを波数
σ2 からσmaxcm ^-1までの反射干渉スペクトル強度デー
タとして補う。

【００４０】次に、図２０に示す波形データ波形データ
処理後の反射干渉スペクトルデータをフーリエ変換する
（ステップ１０１ｃ）と、図２１に示すようなスパーシ
ャルグラムを得ることができる（ステップ１０１ｄ）。
このスパーシャルグラムのピークをサーチ（ステップ１
０１ｅ）し、そのピークの距離間隔より膜厚を算出する
ことができる（ステップ１０１ｆ）ものである。

【００４１】図２１に示すスパーシャルグラムをこのよ
うなデータ補間を行なわないで得られたスパーシャルグ
ラムと比較すると、同一の半導体三層膜から同一波数範
囲の反射干渉スペクトルを得たにもかかわらず、各膜厚
に対応するサイドバーストが図２１においては極めて明
確化され、疑似ピークは大幅に抑制される。

【００４２】なお、図２２は図２１に示したスパーシャ
ルグラムに対応するパワースペクトルを示す。もちろ
ん、図２２よっても、各膜厚を示すピーク値Ｉ，II，II
I は極めて明瞭であり、膜厚演算の自動化にも何ら支障
はない。

【００４３】また、図２１に示すスパーシャルグラムを
このようなデータ補間を行なわないで得られたスパーシ
ャルグラムと比較しても、サイドバーストの横軸に対す
る位置は全く変わらないことから、比較的狭い波数範囲
の反射干渉スペクトルを用いた場合にも正確な膜厚測定
を行なうことが理解できる。

【００４４】また、例えば特開平４−１２０４０４号公
報に示されているように、フーリエ変換した反射スペク
トルを複素パワー逆フーリエ変換を行なうことによりバ
ースト波形を全て同位相としてピークを明確化し膜厚測
定精度を向上するようにしたものも開発されている。

【００４５】図２３はこのように逆フーリエ変換として
複素パワー逆フーリエ変換を行なうデータ処理装置の処
理の内容を示すフローチャートである。図において、１
５０は半導体多層薄膜が形成された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、
１１０は光学系１５０に含まれる光検知器により光電変
換された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、１２０はこのフー
リエ変換手段１１０によりフーリエ変換された信号をフ
ィルタリング処理するフィルタリング手段、１３０はこ
のフィルタリング手段１２０により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
間干渉波形を得る複素パワー逆フーリエ変換手段であ
る。

【００４６】この実施例では、フィルタリング処理が行
な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１３０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。この複素パワー逆フーリエ変換手段１３
０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、次の式(8) に示すようなコサイン
項およびサイン項を含む複素パワー変換によりこれを行
なうものである。

【００４７】

【数３】

【００４８】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、その評価を行なった。試
料は半導体基板としＧａＡｓ基板上に半導体薄膜とし
て、それぞれＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ＝０．５、厚さ
０．８５μｍ），Ａｌx Ｇａ1-xＡｓ（ｘ＝０．１、厚
さ０．１μｍ）およびＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ＝０．
５、厚さ１．４μｍ）を形成した試料を用い、この複素
パワー逆フーリエ変換手段１３０を用いて得た空間干渉
強度波形を図２４に示す。通常の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
となっているため、ピーク位置を解読することは困難で
あり、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。

【００４９】一方、図２４に示した空間干渉波形では、
ピーク位置間隔が０．１μｍに相当するものであるにも
かかわらず、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のに足る安定した空間干渉強度波
形となる。

【００５０】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、膜厚測定精度
が向上し、例えば０．２μｍの測定が限界であった測光
条件において、０．１μｍの厚さの薄膜までの膜厚測定
を行なうことが可能となっている。

【００５１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような様々な努力にもかかわらず、既に述べたように、
被測定物である半導体結晶においては光透過の高周波限
界νh はバンド端吸収で決まり、定波数限界ν1 は結晶
中の格子振動吸収で決まるため、測光波数範囲△＝νh
−ν1 が制限されてしまい、d 1imit の高精度化には物
理的限界があった。

【００５２】例えば、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ結晶（x ＝
０．４５）のバンド端吸収波数は１６５００cm^-1であ
り、格子振動吸収は約１５００cm^-1であるので、△＝１
５０００cm^-1となり、これを式(3) に当てはめるとd 1i
mit は約０．１μｍである。つまり、従来の技術では、
薄膜測定限界は半導体の材料吸収で決定されてしまい、
約０．１μｍの膜厚が膜厚測定の限界であった。

【００５３】本発明は、このような従来のものの問題に
鑑みてなされたもので、サブミクロンの膜厚の多層薄膜
の膜厚の各層の膜厚を、より正確かつ安定に、非破壊・
非接触で測定できる赤外光干渉法を応用した半導体多層
薄膜測定装置およびその測定方法を得ることを目的とす
る。

【００５４】

【課題を解決するための手段】この発明に係る半導体多
層薄膜膜厚測定装置は、可視光から赤外域の波数域の光
を半導体多層膜に照射し、その反射光中の膜干渉成分を
フーリエ変換して得られる空間干渉波形の波形解析から
各膜厚を測定するフーリエ変換多層膜厚測定方法を用い
て半導体装置の多層膜厚を測定する装置において、空間
干渉波形の波形解析から得られた各膜厚測定値を初期値
として、反射光の波数分散スペクトルまたは波長分散ス
ペクトルの膜干渉波形を光学的特性マトリクスを用いた
数値計算により求め、これを実測値と波形フィッティン
グしてさらに高精度の各膜厚を得るデータ処理装置を設
けるようにしたものである。

【００５５】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置は、多層膜の各層の屈折率分布および波数分散
データを記憶する第１の記憶手段と、下層膜からの反射
光を可視光から遠赤外光にわたって連続的に分光測定す
る分光装置と、この分光装置により測定された分光スペ
クトルから当該分光装置の光学的透過特性を除去して多
層膜干渉成分のみを取り出された干渉スペクトルを作成
する膜干渉スペクトル演算手段と、この膜干渉スペクト
ル演算手段により作成された多層膜干渉成分のみを取り
出された干渉スペクトルを記憶する第２の記憶手段と、
上記分光装置の光学的透過特性が除去された干渉スペク
トルの有感度波数域だけを逆フーリエ変換してスパーシ
ャルグラムを計算するスパーシャルグラム計算手段と、
このスパーシャルグラム計算手段により計算されたスパ
ーシャルグラムを記憶する第３の記憶手段と、上記スパ
ーシャルグラムのサイド・バースト・ピーク位置および
上記第１の記憶手段の各層の屈折率分布を読み出して各
膜厚の概算値を計算する膜厚概算値計算手段と、この膜
厚概算値計算手段により計算された各膜厚の概算値を記
憶する第４の記憶手段と、この膜厚概算値および上記第
１の記憶手段の各層の屈折率分布，波数分散データに基
づいて特性マトリクス計算により理論的干渉スペクトル
を計算する理論的干渉スペクトル計算手段と、上記干渉
スペクトルと上記理論的干渉スペクトルとを比較してそ
の差を小さくするように各層の膜厚設定値を変更し、上
記理論的干渉スペクトルを再計算することにより膜厚を
高精度で推定する再計算手段とを設けるようにしたもの
である。

【００５６】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置は、上記分光装置として測定光を出射する光源
と、この光源からの出射光を時間的に変調された干渉光
として出射する干渉計と、基板上に多層に積層された薄
膜を有する被測定試料に導くための光透過部材料を含む
光学系と、試料の積層膜からの反射干渉光を受光する受
光部とを有するものを用いるようにしたものである。

【００５７】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置は、上記受光部を、互いに測光波数帯域の一部
が重複する複数の光検知器を用いて構成したものを用い
るようにしたものである。

【００５８】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置は、光学系の光透過部材として、互いの透過波
数帯域の一部が重複する複数の単位部材を組合せて構成
したものを用いるようにしたものを用いたものである。

【００５９】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置は、上記光源として、異なる波長の光を出射す
る複数の単位光源を有し、各出射光を光学的に合成して
上記測定光として出射するものである。

【００６０】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置は、光学系として、干渉光を所定のビーム幅を
有する平行ビームとして上記試料に照射するものであ
る。

【００６１】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置は、膜干渉スペクトル演算手段として、干渉ス
ペクトルを作成する際に、測光スペクトル波数領域を越
えた波数領域に定数値を補って干渉スペクトルを求める
演算処理を行なうものを用いるようにしたものである。

【００６２】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置は、上記スパーシャルグラム計算手段として、
複素パワー逆フーリエ変換を実行するものを用いるよう
にしたものである。

【００６３】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置の測定方法は、可視光から赤外域の波数域の光
を半導体多層膜に照射し、その反射光中の膜干渉成分を
フーリエ変換して得られる空間干渉波形の波形解析から
各膜厚を測定するフーリエ変換多層膜厚測定方法を用い
て半導体装置の多層膜厚を測定する装置の膜厚測定方法
において、上記空間干渉波形の波形解析から得られた各
膜厚測定値を初期値として、反射光の波数分散スペクト
ルまたは波長分散スペクトルの膜干渉波形を光学的特性
マトリクスを用いた数値計算により求め、これを実測値
と波形フィッティングしてさらに高精度の各膜厚を得る
ようにしたものである。

【００６４】この発明に係る半導体多層薄膜膜厚測定装
置の測定方法は、多層膜の各層の屈折率分布および波数
分散データを記憶し、分光測定装置により上記下層膜か
らの反射光を可視光から遠赤外光にわたって連続的に分
光測定し、この分光測定された分光スペクトルから上記
分光装置の光学的透過特性を除去して多層膜干渉成分の
みを取り出された干渉スペクトルを作成し、この多層膜
干渉成分のみを取り出された干渉スペクトルを記憶し、
上記分光装置の光学的透過特性が除去された干渉スペク
トルの有感度波数域だけを逆フーリエ変換してスパーシ
ャルグラムを計算し、このスパーシャルグラムを記憶
し、上記スパーシャルグラムのサイド・バースト・ピー
ク位置を読み出して各膜厚の概算値を計算して、この計
算された各膜厚の概算値を記憶し、この膜厚概算値のデ
ータおよび各層の屈折率分布，波数分散データに基づい
て特性マトリクス計算により理論的干渉スペクトルを計
算し、上記干渉スペクトルと上記理論的干渉スペクトル
とを比較してその差を小さくするように各層の膜厚設定
値を変更し、上記理論的干渉スペクトルを再計算するこ
とにより膜厚を高精度で推定するようにしたものであ
る。

【００６５】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置の測定方法は、上記分光装置として、測定光を
出射する光源と、この光源からの出射光を時間的に変調
された干渉光として出射する干渉計と、基板上に多層に
積層された薄膜を有する被測定試料に導くための光透過
部材料を含む光学系と、試料の積層膜からの反射干渉光
を受光する受光部とを有するものを用いるようにしたも
のである。また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚測
定装置の測定方法は、上記受光部として、互いに測光波
数帯域の一部が重複する複数の光検知器を用いて構成し
たものを用いるようにしたものである。

【００６６】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置の測定方法は、上記光学系の光透過部材とし
て、互いの透過波数帯域の一部が重複する複数の単位部
材を組合せて構成されているものを用いるようにしたも
のである。

【００６７】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置の測定方法は、上記光源として、異なる波長の
光を出射する複数の単位光源を有し、各出射光を光学的
に合成して上記測定光として出射するものを用いるよう
にしたものである。

【００６８】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置の測定方法は、上記光学系として、上記干渉光
を所定のビーム幅を有する平行ビームとして上記試料に
照射するものを用いるようにしたものである。

【００６９】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置の測定方法は、上記膜干渉スペクトル演算手段
として、干渉スペクトルを作成する際に、測光スペクト
ル波数領域を越えた波数領域に定数値を補って干渉スペ
クトルを求める演算処理を行なうものを用いるようにし
たものである。

【００７０】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置の測定方法は、上記スパーシャルグラム計算手
段として、複素パワー逆フーリエ変換を実行するものを
用いるようにしたものである。

【００７１】

【作用】この発明における半導体多層薄膜膜厚測定装置
においては、上述のように、光学的特性マトリックスを
用いた数値計算により得られたパワー反射率を、実測定
の干渉波形と合致させる波形フィッティングにおいて、
薄膜と不確定であるその上層あるいは下層の膜厚の測定
値を故意に変化させて最適フィッティング波形を検出す
るようにしたので、その測定波数範囲内に薄膜分の干渉
フリンジが２分の１以下しか含まれていなくても、多層
膜分全体の干渉波形の波形フィッティングが可能とな
り、測定波数範囲内に制限されない薄膜の測定が可能と
なった。

【００７２】また、この発明における半導体多層薄膜膜
厚測定装置においては、上述のように、多層膜の各層の
屈折率分布および波数分散データを記憶する第１の記憶
手段と、下層膜からの反射光を可視光から遠赤外光にわ
たって連続的に分光測定する分光装置と、この分光装置
により測定された分光スペクトルから当該分光装置の光
学的透過特性を除去して多層膜干渉成分のみを取り出さ
れた干渉スペクトルを作成する膜干渉スペクトル演算手
段と、この膜干渉スペクトル演算手段により作成された
多層膜干渉成分のみを取り出された干渉スペクトルを記
憶する第２の記憶手段と、上記分光装置の光学的透過特
性が除去された干渉スペクトルの有感度波数域だけを逆
フーリエ変換してスパーシャルグラムを計算するスパー
シャルグラム計算手段と、このスパーシャルグラム計算
手段により計算されたスパーシャルグラムを記憶する第
３の記憶手段と、上記スパーシャルグラムのサイド・バ
ースト・ピーク位置および上記第１の記憶手段の各層の
屈折率分布を読み出して各膜厚の概算値を計算する膜厚
概算値計算手段と、この膜厚概算値計算手段により計算
された各膜厚の概算値を記憶する第４の記憶手段と、こ
の膜厚概算値のデータおよび上記各層の屈折率分布，波
数分散データに基づいて特性マトリクス計算により理論
的干渉スペクトルを計算する理論的干渉スペクトル計算
手段と、上記干渉スペクトルと上記理論的干渉スペクト
ルとを比較してその差を小さくするように各層の膜厚設
定値を変更し、上記理論的干渉スペクトルを再計算する
ことにより真の膜厚を推定する再計算手段とを設けるよ
うにしたので、上述のような、膜厚の概算値を求め、光
学的特性マトリクスの数値計算により理論的干渉スペク
トル波形を作成し、これを膜厚を変化させながら元の干
渉スペクトル波形と波形フィンティングを行なうことに
より膜厚の測定精度を向上できる装置が実際に得られ
る。

【００７３】また、この発明における半導体多層薄膜膜
厚測定装置においては、上述のように、分光装置とし
て、測定光を出射する光源と、この光源からの出射光を
時間的に変調された干渉光として出射する干渉計と、基
板上に多層に積層された薄膜を有する被測定試料に導く
ための光透過部材料を含む光学系と、試料の積層膜から
の反射干渉光を受光する受光部とを有するマイケルソン
干渉計を用いるようにしたので、データ処理により膜厚
を演算するのに適した装置の構成が得られる。

【００７４】また、この発明における半導体多層薄膜膜
厚測定装置においては、上述のように、上記受光部とし
て、互いに測光波数帯域の一部が重複する複数の光検知
器を用いて構成したものを用いるようにしたので、試料
からの反射光の受光感度が向上し、より正確な膜厚計算
が可能となる。

【００７５】また、この発明における半導体多層薄膜膜
厚測定装置においては、光学系の光透過部材として、互
いの透過波数帯域の一部が重複する複数の単位部材を組
合せて構成されているものを用いるようにしたので、試
料への測定光の面内強度が均一化し、試料のより正確な
測光が可能となり、より正確な膜厚計算が可能となる。

【００７６】また、この発明における半導体多層薄膜膜
厚測定装置においては、光源として、異なる波長の光を
出射する複数の単位光源を有し、各出射光を光学的に合
成して上記測定光として出射するものを用いるようにし
たので、広波数範囲にわたる測光が可能となり、より正
確な膜厚計算が可能となる。

【００７７】また、この発明における半導体多層薄膜膜
厚測定装置においては、光学系として、上記干渉光を所
定のビーム幅を有する平行ビームとして上記試料に照射
するものを用いるようにしたので、試料表面に入射され
る試験光の入射角や入射面のばらつきが軽減されるの
で、精度の高いケプストラムが得られ、ひいてはより正
確な膜厚計算が可能となる。

【００７８】また、この発明における半導体多層薄膜膜
厚測定装置においては、上記膜干渉スペクトル演算手段
として、干渉スペクトルを作成する際に、測光スペクト
ル波数領域を越えた波数領域に定数値を補って干渉スペ
クトルを求める演算処理を行なうものを用いるようにし
たので、比較的狭い波数領域の反射干渉スペクトルから
膜厚情報を得ることができ、これに基づいてより正確な
膜厚計算が可能となる。

【００７９】また、この発明における半導体多層薄膜膜
厚測定装置においては、スパーシャルグラム計算手段と
して、複素パワー逆フーリエ変換を実効するものを用い
るようにしたので、定められた測光波数範囲において、
多層膜厚の角層の膜厚をより正確かつ安定に測定でき、
これに基づいてより正確な膜厚計算が可能となる。

【００８０】この発明における半導体多層薄膜膜厚測定
装置の膜厚測定方法においては、上述のように、光学的
特性マトリックスを用いた数値計算により得られたパワ
ー反射率を、実測定の干渉波形と合致させる波形フィッ
ティングにおいて、薄膜と不確定であるその上層あるい
は下層の膜厚の測定値を故意に変化させて最適フィッテ
ィング波形を検出するようにしたので、その測定波数範
囲内に薄膜分の干渉フリンジが２分の１以下しか含まれ
ていなくても、多層膜分全体の干渉波形の波形フィッテ
イングが可能となり、測定波数範囲内に制限されない薄
膜の測定が可能となった。

【００８１】また、この発明における半導体多層薄膜膜
厚測定装置の膜厚測定方法においては、上述のように、
第１の記憶手段により多層膜の各層の屈折率分布および
波数分散データを記憶し、分光装置により下層膜からの
反射光を可視光から遠赤外光にわたって連続的に分光測
定し、膜干渉スペクトル演算手段により上記分光装置に
より測定された分光スペクトルから当該分光装置の光学
的透過特性を除去して多層膜干渉成分のみを取り出され
た干渉スペクトルを作成し、第２の記憶手段によりこの
多層膜干渉成分のみを取り出された干渉スペクトルを記
憶し、スパーシャルグラム計算手段により上記分光装置
の光学的透過特性が除去された干渉スペクトルの有感度
波数域だけを逆フーリエ変換してスパーシャルグラムを
計算し、この計算されたスパーシャルグラムを記憶し、
膜厚概算値計算手段により上記スパーシャルグラムのサ
イド・バースト・ピーク位置および各層の屈折率分布を
読み出して各膜厚の概算値を計算し、第４の記憶手段に
よりこの計算された各膜厚の概算値を記憶し、理論的干
渉スペクトル計算手段によりこの膜厚概算値のデータお
よび上記各層の屈折率分布，波数分散データに基づいて
特性マトリクス計算を行なって理論的干渉スペクトルを
計算し、再計算手段により上記干渉スペクトルと上記理
論的干渉スペクトルとを比較してその差を小さくするよ
うに各層の膜厚設定値を変更し、上記理論的干渉スペク
トルを再計算することにより真の膜厚を推定するように
したので、上述のような、膜厚の概算値を求め、光学的
特性マトリクスの数値計算により理論的干渉スペクトル
波形を作成し、これを膜厚を変化させながら元の干渉ス
ペクトル波形と波形フィッティングを行なうことにより
膜厚の測定精度を向上できる装置が実際に得られる。

【００８２】また、この発明における半導体多層薄膜膜
厚測定装置の膜厚測定方法においては、上述のように、
分光装置として、測定光を出射する光源と、この光源か
らの出射光を時間的に変調された干渉光として出射する
干渉計と、基板上に多層に積層された薄膜を有する被測
定試料に導くための光透過部材料を含む光学系と、試料
の積層膜からの反射干渉光を受光する受光部とを有する
マイケルソン干渉計を用いるようにしたので、データ処
理により膜厚を演算するのに適した装置の構成が得られ
る。

【００８３】また、この発明における半導体多層薄膜膜
厚測定装置の膜厚測定方法においては、上述のように、
上記受光部として、互いに測光波数帯域の一部が重複す
る複数の光検知器を用いて構成したものを用いるように
したので、試料からの反射光の受光感度が向上し、より
正確な膜厚計算が可能となる。

【００８４】また、この発明における半導体多層薄膜膜
厚測定装置の膜厚測定方法においては、光学系の光透過
部材として、互いの透過波数帯域の一部が重複する複数
の単位部材を組合せて構成されているものを用いるよう
にしたので、試料への測定光の面内強度が均一化し、試
料のより正確な測光が可能となり、より正確な膜厚計算
が可能となる。

【００８５】また、この発明における半導体多層薄膜膜
厚測定装置の膜厚測定方法においては、光源として、異
なる波長の光を出射する複数の単位光源を有し、各出射
光を光学的に合成して上記測定光として出射するものを
用いるようにしたので、広波数範囲にわたる測光が可能
となり、より正確な膜厚計算が可能となる。

【００８６】また、この発明における半導体多層薄膜膜
厚測定装置の膜厚測定方法においては、光学系として、
上記干渉光を所定のビーム幅を有する平行ビームとして
上記試料に照射するものを用いるようにしたので、試料
表面に入射される試験光の入射角や入射面のばらつきが
軽減されるので、精度の高いケプストラムが得られ、よ
り正確な膜厚計算が可能となる。

【００８７】また、この発明における半導体多層薄膜膜
厚測定装置の膜厚測定方法においては、上記膜干渉スペ
クトル演算手段として、干渉スペクトルを作成する際
に、測光スペクトル波数領域を越えた波数領域に定数値
を補って干渉スペクトルを求める演算処理を行なうもの
を用いるようにしたので、比較的狭い波数領域の反射干
渉スペクトルから膜厚情報を得ることができ、これに基
づいてより正確な膜厚計算が可能となる。

【００８８】また、この発明における半導体多層薄膜膜
厚測定装置の膜厚測定方法においては、スパーシャルグ
ラム計算手段として、複素パワー逆フーリエ変換を実行
するものを用いるようにしたので、定められた測光波数
範囲において、多層薄膜の角層の膜厚をより正確かつ安
定に測定でき、これに基づいてより正確な膜厚計算が可
能となる。

【００８９】

【実施例】

実施例１．以下、本発明の一実施例を図について説明す
る。図１はこの発明の一実施例による半導体多層薄膜膜
厚測定装置を示す。図１(a) において、１３は干渉光束
を生成するマイケルソン干渉計、２６はこの干渉計１３
からの測定光を試料に照射して測光する測光系、１５０
はこのマイケルソン干渉計１３および測光系２６から構
成され、多層膜からの反射光を可視光から遠赤外光にわ
たり連続的に分光測定する分光装置である。また、１０
０はこの分光装置１５０の測光系２６により測光され測
光系２６に属する光検知器によって光電変換された電気
信号をフーリエ変換してその分析処理を行なうデータ処
理装置である。なお、この実施例ではマイケルソン干渉
計として図１０に示すような平行光束を試料に入射する
タイプのものを用いている。

【００９０】図１(b) はこのデータ処理装置１００によ
り行なわれるデータ処理を示すフローチャートである。
図において、１００ａは膜干渉スペクトルを測定するス
テップ、１００ｂはこのステップ１００ａにより測定さ
れた膜干渉スペクトルをフーリエ変換するステップ、１
００ｃはこのステップ１００ｂによりフーリエ変換され
た結果を逆フーリエ変換するステップ、１００ｄはこの
ステップ１００ｃにより逆フーリエ変換された結果を実
測値による干渉スペクトル波形と波形の形状を合わせる
ことにより波形フィッティングを行なうステップであ
る。

【００９１】また、図２はこのデータ処理装置の構成を
示すブロック図である。図において、１００１は分光ス
ペクトルから分光装置の光学的透過特性を除き、多層膜
干渉成分だけを取り出す膜干渉スペクトル演算手段、１
００２は膜干渉スペクトル演算手段により取り出された
多層膜干渉成分の干渉スペクトルを記憶する第２の記憶
手段、１００３はこの干渉スペクトルの有感度波数域だ
けを逆フーリエ変換してスパーシャルグラムを計算によ
り得るスパーシャルグラム計算手段、１００４は多層膜
の各層の屈折率，波数分散データを記憶する第１の記憶
手段、１００５はこのスパーシャルグラム計算手段１０
０３により計算されたデータを記憶する第３の記憶手
段、１００６は第１の記憶手段１００４により記憶され
た多層膜の各層の屈折率，波数分散データおよび第３の
記憶手段１００５により記憶されたスパーシャルグラム
のサイドバーストピーク位置を読み出して各膜厚の概算
値を求め膜厚の概算値を計算する膜厚概算値計算手段、
１００７はこの膜厚概算値計算手段１００６により計算
された膜厚の概算値を記憶する第４の記憶手段、１００
８はこの膜厚概算データを基に特性マトリクス計算によ
り理論的干渉スペクトルを算出する理論的干渉スペクト
ル計算手段、１００９は干渉スペクトルの実測値と理論
的干渉スペクトルとを比較し、その差を小さくするよう
に各層の膜厚設定値を変更し、上記理論的干渉スペクト
ルを再計算させる再計算手段である。

【００９２】この実施例による半導体多層薄膜測定装置
は、スパーシャルグラム上でのバースト・ピーク解析法
と、波数（波長）空間での干渉波形のフリンジ波形解析
法の各々の長所を組み合わせ、かつその欠点を補い合う
ものであり、第一に、スパーシャルグラムにおけるバー
スト・ピーク解析により、この方法で測定できる層の膜
厚と、この方法では測定できない薄い層とその薄層を挟
む上または下の層の合計の膜厚を計測する。第二に、第
一のステップで得た膜厚情報を初期値として、以下に示
した一連の光学的特性マトリックス法を活用した多層膜
反射解析法を応用した、波数（波長）空間における干渉
波形を計算により求め、測定によって得られた干渉波形
に、薄層と不確定であるその上層あるいは下層の膜厚を
パラメータとしてフィッティングすることにより第１の
ステップでは測定できない薄層の膜厚を求めようとする
ものである。

【００９３】この実施例は、上述のように、光学的特性
マトリックスを用いた数値計算により得られたパワー反
射率を、実測定の干渉波形と合致させる波形フィッティ
ングを行ない、その際、薄膜と不確定であるその上層あ
るいは下層の膜厚の測定値を故意に変化させて最適フィ
ッティング波形を検出することにより、その膜厚の高精
度化を行なうことにより、その測定波数範囲内に薄膜分
の干渉フリンジが２分の１以下しか含まれていなくて
も、多層膜分全体の干渉波形の波形フィッティングが可
能となり、測定波数範囲内に制限されない薄膜の測定を
可能としたものである。

【００９４】次に動作について図１および図２を用いて
説明する。まず、マイケルソン干渉計１３により試料に
照射した干渉光束を反射測光系２６に属する光検知器で
受光し、これを電気信号に変換する。

【００９５】この光検知器により変換された電気信号は
データ処理装置１００に入力され、ここで、膜干渉スペ
クトルが測定され（ステップ１００ａ）、その測定結果
がフーリエ変換される（ステップ１００ｂ）とともに、
所定のフィルタリング処理が実行され、そのフィルタリ
ング処理結果が逆フーリエ変換されてスパーシャルグラ
ムが求められる（ステップ１００ｃ）。そしてこのスパ
ーシャルグラムにおけるバーストピークの間隔より得よ
うとする薄膜の膜厚を検出する。そしてこの膜厚の概算
値に基づいて光学的特性マトリクス演算を行なうことに
より、理論的干渉スペクトルを求め、膜厚を所定きざみ
で変化させながら理論的干渉スペクトルと実測値との波
形フィッティングを行ない、理論的干渉スペクトルがよ
り実測値に近い波形形状となるような膜厚を求める（ス
テップ１００ｄ）。

【００９６】以下、このデータ処理装置の処理の概要を
より詳しく説明する。すなわち、まず、分光装置により
試料上に形成された多層膜からの反射光を可視光から遠
赤外光に亘り連続的に分光測定し、膜干渉スペクトル演
算手段１００１により上記分光スペクトルから上記分光
装置の光学的透過特性を除き、多層膜干渉成分だけを取
り出す。この膜干渉スペクトル演算手段１００１により
取り出された多層膜干渉成分の干渉スペクトルを第２の
記憶手段１００２に記憶し、スパーシャルグラム計算手
段１００３によりこの干渉スペクトルの有感度波数域だ
けを逆フーリエ変換してスパーシャルグラムを計算によ
り得る。そしてこのスパーシャルグラム計算手段１００
３により計算されたデータを第３の記憶手段１００５に
記憶する。

【００９７】そして膜厚概算値計算手段１００６により
このスパーシャルグラムのサイドバーストピーク位置を
読み出すとともに第１の記憶手段１００４から多層膜の
各層の屈折率，波数分散データを読出して各膜厚の概算
値を求め第４の記憶手段１００７に記憶し、理論的干渉
スペクトル計算手段１００８によりこの膜厚概算データ
を基に特性マトリクス計算により理論的干渉スペクトル
を算出する。そして、再計算手段１００９により上記干
渉スペクトルと理論的干渉スペクトルとを比較し、その
差を小さくするように各層の膜厚設定値を変更し、上記
理論的干渉スペクトルを上記理論的干渉スペクトル計算
手段１００８に再計算させる。

【００９８】図３はこの再計算手段の再計算手順を示す
フローチャートである。図において、１００９ａは波数
を設定するステップ、１００９ｂは各波数における膜干
渉波形の実測値と計算値との差の２乗を求めるステッ
プ、１００９ｃはその各波数における膜干渉波形の実測
値と計算値との差の２乗の和を求めるステップ、１００
９ｄはその２乗和を求めるステップ、１００９ｅはこの
２乗和の最小値が求まったか否かを判定するステップ、
１００９ｆはこの２乗和の最小値が求まらない場合、膜
厚を所定のきざみで増加および減少させてステップ１０
０９ａへ戻すステップ、１００９ｇはステップ１００９
ｅで最小値が求まった場合、これに相当する膜厚を求め
るステップである。

【００９９】図９(a) ，(b) ，(c) に、図６に示したＧ
ａＡｓ基板上に順次積層されたＡｌx Ｇａ1-x Ａｓから
なる層２ないし４の３層構造（x は混晶比で、層２では
０．４５，層３では０．１５，層４では０．４５とす
る）を図４に示した従来技術によるＦＴＩＲ装置により
測定した波数空間での膜干渉波形を図７に示す。この図
７では波数１５５００cm^-1〜２３００cm^-1にわたってそ
の干渉波形が測定されている。この干渉波形のＡないし
Ｂまでの領域をフーリエ逆変換して得たスパーシャルグ
ラムを図８に示す。図中、第１層２ないし第３層４の混
晶比がそれぞれ0.45，0.15，0.45、屈折率がそれぞれ3.
27，3.44，3.27であり、膜厚の計算値がそれぞれ0.484
μｍ，0.069 μｍ，1.282 μｍであることが示されてい
る。そして、この図７には各層の界面反射に対応したバ
ースト・ピークが見られる。しかし、第２層（x ＝０．
１５）３の膜厚（d2＝０．５５μｍ）に対応したピーク
は第１層（x ＝０．４５，d2＝０．４３μｍ）２に対応
したピークと重なり合い、正確なピーク分離はなされて
いない。

【０１００】そこで、本実施例では、上述のような従来
のＦＴＩＲ装置による処理と同様の処理により、図８に
示すような膜厚情報を得るとともに、これに加えてさら
に、以上の処理で得られた膜厚情報を初期値として、式
(4) ないし式(7) を用いて光学的特性マトリックスによ
る数値計算を行なうことにより理論的干渉スペクトルの
波形形状を求め、この理論的干渉スペクトルの波形形状
と干渉スペクトルの実測値の波形形状との波形のフィッ
ティングを行ない、より正確な薄膜の膜厚を得ようとす
るものである。

【０１０１】ここで、ｎ層構造の多層膜を光学的特性マ
トリックスを用いて表現すると、第ｎ層の光学的特性マ
トリックスＭn ，ｎ層総合の光学的特性マトリックスを
Ｍⁿ とすれば、

【０１０２】

【数４】

【０１０３】

【数５】

【０１０４】

【数６】

【０１０５】

【数７】

【０１０６】の関係が成立する。この式(5) ないし式
(8) に対し、式(9) に示すパラメータ数値を用いてｎ＝
３として干渉波形のフィッティングを行なった結果を図
９(a) ないし図９(c) に示す。

【０１０７】

【数８】

【０１０８】この波形フィッティングは例えば、図３に
示すような手法で行なうことができる。即ち、ある波数
を設定し（ステップ１００９ａ）、この波数における膜
干渉波形の実測値と計算値との差の２乗を求め（ステッ
プ１００９ｂ）、各波数におけるその２乗値の和を求め
る（ステップ１００９ｃ）。そしてその２乗和を記憶し
（ステップ１００９ｄ）、２乗和の最小値が求まったか
否かを判定する（ステップ１００９ｅ）。そして所定き
ざみで膜厚を増加あるいは減少して（ステップ１００９
ｆ）、以上の処理を繰り返し最小の２乗和を求める。そ
して、この２乗和の最小値に該当する膜厚を求める（ス
テップ１００９ｇ）。これが、本実施例により推定され
た三層薄膜の膜厚である。

【０１０９】この波形フィッティングが進行する様子を
図９を用いて説明する。この図９中、太線で示された波
形が実測定の膜干渉波形であり、細線で示された波形が
式(4) ないし式(7) から計算された膜干渉波形である。
この図９によれば、第２層の膜厚を図９(a) に示す０．
１μｍから同図(b) に示す０．０７０μｍに、さらに、
同図(c) に示す０．０５３μｍというように順次減少さ
せて真の膜厚の値に合わせ込むことにより、３層膜全体
の干渉波形をより忠実に再現できるようになることが示
されている。

【０１１０】従って、上述の図３に示すように、各波数
における計算値と実測スペクトルとの値の差の２乗の和
が最小値となるように、膜厚を所定きざみで順次減少あ
るいは増加させて、計算により得られた膜干渉波形と実
測値による膜干渉波形の形状が最も近くなる値の膜厚を
求める膜厚とすることにより、従来の方法では測定不可
能であった第２層の膜厚、ひいては第１層および第３層
の各膜厚を正確に推定することができる。

【０１１１】なお、この図９(c) の理論計算波形と実測
値の波形とは若干のずれが認められるが、材料定数であ
る各半導体結晶の複素屈折率の波形分散特性やフリー・
キャリア吸収等のデータをより現実のものに近づける等
の努力を行なうことにより、さらに精度の高い波形フィ
ッティングを実現することが可能になる。

【０１１２】このように、上記実施例によれば、フーリ
エ変換赤外分光法を基本として、可視から赤外域の波数
域の光を半導体多層膜に照射し、その反射光中の膜干渉
成分をフーリエ変換して得られる空間干渉波形の波形解
析から各膜厚を測定するフーリエ変換多層膜厚測定方法
を用いて半導体装置の多層薄膜の膜厚を測定する際に、
空間干渉波形の波形解析から得られた各膜厚測定値を初
期値として、反射光の波数分散（波長分散）スペクトル
の膜干渉波形を光学的特性マトリックスを用いた数値計
算により求め、これを実測値と波形フィッティングして
さらに高精度な各膜厚を得るようにしたので、測定波数
範囲内に薄膜分の干渉フリンジが２分の１位しか含まれ
ていなくても、多層膜分全体の干渉波形の波形フィッテ
ィングにおいて充分に薄膜の膜厚分解が可能となる、従
来の方法では全く不可能であった測定が可能となる効果
がある。

【０１１３】即ち、上述のようにスパーシャルグラム上
のバースト・ピークの分離限界は、測光光学系の透過特
性や被測定物である多層膜の材料吸収で決まる連続測光
波数範囲△で決まり、これはつまり薄膜を透過する赤外
光の膜中１往路分の光路長（ｎ・ｄ）の逆数に対応した
波数と等価であり、また薄層単層分の波数（波長）空間
干渉波形の１フリンジ分以上が測定波数範囲内に含まれ
ることが必要であることを意味するものであるが、上記
実施例によれは、（波長）空間干渉波形の波形フィッテ
ィング方法によれば、フーリエ変換を行なうことにより
膜厚の概算値を測定し、光学的特性マトリクスで元の干
渉フリンジを正確に再現し、これにより膜厚測定の精度
を向上するようにしたので、測定波数範囲内に薄膜分の
干渉フリンジが２分の１位しか含まれていなくても、多
層膜分全体の干渉波形の波形フィッティングにおいて充
分に薄膜の膜厚分解が可能となる、従来の方法では全く
不可能であった測定が可能となる効果がある。

【０１１４】これは、従来技術の組み合わせではある
が、各々単独の技術では全く実現不可能な技術である。
即ち、 (1) 波数（波長）空間干渉波形のフリンジ・ピーク解析
法のみでは２層以上の多層膜の膜厚測定は不可能であ
る。 (2) 光学的特性マトリックス解析による波数（波長）空
間干渉波形のフィッティングを第一のステップから始め
ようとしても、多層膜の膜構成順序やフィッティング開
始時の全層膜厚の初期値が不確定であるため、解析が困
難であり、実用化は不可能である。 (3) スパーシャルグラム上のバースト・ピークの分離限
界は、上述のように物理的限界により、約０．１μｍが
限界である。

【０１１５】また、上記実施例では、上述のように、平
行光束を試料に入射するようにしたので、測定光を基板
に集光するのではなく平行光として照射することにより
試料に対する入射角のばらつきや入射面のばらつきを軽
減し、得られるケプストラムに多層薄膜の正確な情報が
載せられるようにすることができ、データ処理装置で処
理すべき情報として正確なものが得られ、これによって
膜厚の測定精度の向上を行なうことができる。

【０１１６】実施例２．ところで、上記実施例１では、
ＦＴＩＲ法に光学的特性マトリクス解析による干渉波形
解析を組合せることにより、膜厚測定の精度を向上する
ようにしたが、これに上述の特願平４−１０９７９８号
から転載した図１２ないし図１７に示されているよう
な、改良された光学部材や光源，光学系，受光部のそれ
ぞれにその波数特性範囲が相互に重複するものを使用す
ることにより、そのＦＴＩＲ法の光学的検出感度を向上
させ、これによって膜厚測定をより正確に行なうことが
できる。

【０１１７】実施例３．また、上記実施例２では、ＦＴ
ＩＲ法に光学的特性マトリクス解析による干渉波形解析
を組合せることにより、膜厚測定の精度を向上するよう
にしたが、測光光線に関しては例えば上述の特開平３−
１１０４０５号公報から転載した図１０に示されている
ように、測定光を基板に集光するのではなく平行光とし
て照射することにより試料に対する入射角のばらつきや
入射面のばらつきを軽減し、得られるケプストラムに多
層薄膜の正確な情報が載せられるようにしたものを使用
することにより、ＦＴＩＲ法の光学的検出感度を向上さ
せ、これによって膜厚測定をより正確に行なうこともで
きる。

【０１１８】実施例４．また、上記実施例２および実施
例３では、その分光装置の側の改良を行なうことによ
り、膜厚測定精度を向上するようにしたが、上述の特開
平４−６６８０６号公報から転載した図１８ないし図２
２に示されているように、フーリエ変換に先立って定常
値のデータを追加してからこれを行なうことにより、比
較的狭い波数領域の反射干渉スペクトルから膜厚情報を
効率良く引き出すことによりその測定精度を上げるよう
に改良したデータ処理装置を使用することにより、その
測定精度を上げることもできる。

【０１１９】実施例５．また、上記実施例４ではデータ
処理装置におけるフーリエ変換の処理を改良することに
より膜厚測定精度を向上するようにしたが、上述の特開
平４−１２０４０４号公報から転載した図２３および図
２４に示されているように、逆フーリエ変換として複素
パワー逆フーリエ変換を行なうことにより、定められた
測光波数領域において、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ようにしたものを使用
することにより、その測定精度を上げることができる。

【０１２０】実施例６．さらにこの実施例５のフーリエ
逆変換処理の改良に、実施例４のデータの補間や実施例
２および３の光学系の改良を施したものを組合せ、これ
にさらに上述のような光学的特性マトリクスによる干渉
波形解析を行なうことにより、従来０．１μｍの膜厚が
測定限界であったものが、確実にその半分の０．０５±
０．０１μｍの膜厚測定が可能となる。従って、この測
定範囲内に薄膜分の干渉フリンジが２分の１位しか含ま
れていなくても、充分に薄膜の膜厚を測定できるという
効果がある。

【０１２１】

【発明の効果】以上のように、この発明に係る半導体多
層薄膜膜厚測定装置によれば、上述のように、光学的特
性マトリックスを用いた数値計算により得られたパワー
反射率を、実測定の干渉波形と合致させる波形フィッテ
ィングにおいて、薄膜と不確定であるその上層あるいは
下層の膜厚の測定値を故意に変化させて最適フィッティ
ング波形を検出するようにしたので、その測定波数範囲
内に薄膜分の干渉フリンジが２分の１以下しか含まれて
いなくても、多層膜分全体の干渉波形の波形フィッティ
ングが可能となり、測定波数範囲内に制限されない薄膜
の測定が可能となる効果がある。

【０１２２】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置によれば、上述のように、多層膜の各層の屈折
率分布および波数分散データを記憶する第１の記憶手段
と、下層膜からの反射光を可視光から遠赤外光にわたっ
て連続的に分光測定する分光装置と、この分光装置によ
り測定された分光スペクトルから当該分光装置の光学的
透過特性を除去して多層膜干渉成分のみを取り出された
干渉スペクトルを作成する膜干渉スペクトル演算手段
と、この膜干渉スペクトル演算手段により作成された多
層膜干渉成分のみを取り出された干渉スペクトルを記憶
する第２の記憶手段と、上記分光装置の光学的透過特性
が除去された干渉スペクトルの有感度波数域だけを逆フ
ーリエ変換してスパーシャルグラムを計算するスパーシ
ャルグラム計算手段と、このスパーシャルグラム計算手
段により計算されたスパーシャルグラムを記憶する第３
の記憶手段と、上記スパーシャルグラムのサイド・バー
スト・ピーク位置および上記第１の記憶手段から各層の
屈折率分布を読み出して各膜厚の概算値を計算する膜厚
概算値計算手段と、この膜厚概算値計算手段により計算
された各膜厚の概算値を記憶する第４の記憶手段と、こ
の膜厚概算値のデータおよび上記第１の記憶手段から
各層の屈折率分布，波数分散データに基づいて特性マト
リクス計算により理論的干渉スペクトルを計算する理論
的干渉スペクトル計算手段と、上記干渉スペクトルと上
記理論的干渉スペクトルとを比較してその差を小さくす
るように各層の膜厚設定値を変更し、上記理論的干渉ス
ペクトルを再計算することにより真の膜厚を推定する再
計算手段とを設けるようにしたので、上述のような、膜
厚の概算値を求め、光学的特性マトリクスの数値計算に
より理論的干渉スペクトル波形を作成し、これを膜厚を
変化させながら元の干渉スペクトル波形と波形フィンテ
ィングを行なうことにより膜厚の測定精度を向上できる
装置が実際に得られるという効果がある。

【０１２３】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置によれば、上述のように、分光装置として、測
定光を出射する光源と、この光源からの出射光を時間的
に変調された干渉光として出射する干渉計と、基板上に
多層に積層された薄膜を有する被測定試料に導くための
光透過部材料を含む光学系と、試料の積層膜からの反射
干渉光を受光する受光部とを有するマイケルソン干渉計
を用いるようにしたので、データ処理により膜厚を演算
するのに適した装置の構成が得られる効果がある。

【０１２４】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置によれば、上述のように、上記受光部として、
互いに測光波数帯域の一部が重複する複数の光検知器を
用いて構成したものを用いるようにしたので、試料から
の反射光の受光感度が向上し、より正確な膜厚計算が可
能となる効果がある。

【０１２５】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置によれば、光学系の光透過部材として、互いの
透過波数帯域の一部が重複する複数の単位部材を組合せ
て構成されているものを用いるようにしたので、試料へ
の測定光の面内強度が均一化し、試料のより正確な測光
が可能となり、より正確な膜厚計算が可能となる効果が
ある。

【０１２６】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置によれば、光源として、異なる波長の光を出射
する複数の単位光源を有し、各出射光を光学的に合成し
て上記測定光として出射するものを用いるようにしたの
で、広波数範囲にわたる測光が可能となり、ひいてはよ
り正確な膜厚計算が可能となる効果がある。

【０１２７】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置によれば、光学系として、上記干渉光を所定の
ビーム幅を有する平行ビームとして上記試料に照射する
ものを用いるようにしたので、試料表面に入射される試
験光の入射角や入射面のばらつきが軽減されるので、精
度の高いケプストラムが得られ、より正確な膜厚計算が
可能となる効果がある。

【０１２８】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置によれば、上記膜干渉スペクトル演算手段とし
て、干渉スペクトルを作成する際に、測光スペクトル波
数領域を越えた波数領域に定数値を補って干渉スペクト
ルを求める演算処理を行なうものを用いるようにしたの
で、比較的狭い波数領域の反射干渉スペクトルから膜厚
情報を得ることができ、これに基づいてより正確な膜厚
計算が可能となる効果がある。

【０１２９】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置によれば、スパーシャルグラム計算手段とし
て、複素パワー逆フーリエ変換を実行するものを用いる
ようにしたので、定められた測光波数範囲において、多
層薄膜の角層の膜厚をより正確かつ安定に測定でき、こ
れに基づいてより正確な膜厚計算が可能となる効果があ
る。

【０１３０】この発明に係る半導体多層薄膜膜厚測定装
置の膜厚測定方法によれば、上述のように、光学的特性
マトリックスを用いた数値計算により得られたパワー反
射率を、実測定の干渉波形と合致させる波形フィッティ
ングにおいて、薄膜と不確定であるその上層あるいは下
層の膜厚の測定値を故意に変化させて最適フィッティン
グ波形を検出するようにしたので、その測定波数範囲内
に薄膜分の干渉フリンジが２分の１以下しか含まれてい
なくても、多層膜分全体の干渉波形の波形フィッティン
グが可能となり、測定波数範囲内に制限されない薄膜の
測定が可能となる効果がある。

【０１３１】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置の膜厚測定方法によれば、上述のように、多層
膜の各層の屈折率分布および波数分散データを記憶し、
分光測定装置により上記下層膜からの反射光を可視光か
ら遠赤外光にわたって連続的に分光測定し、この分光測
定された分光スペクトルから上記分光装置の光学的透過
特性を除去して多層膜干渉成分のみを取り出された干渉
スペクトルを作成し、この多層膜干渉成分のみを取り出
された干渉スペクトルを記憶し、上記分光装置の光学的
透過特性が除去された干渉スペクトルの有感度波数域だ
けを逆フーリエ変換してスパーシャルグラムを計算し、
このスパーシャルグラムを記憶し、上記スパーシャルグ
ラムのサイド・バースト・ピーク位置を読み出して各膜
厚の概算値を計算して、この計算された各膜厚の概算値
を記憶し、この膜厚概算値のデータおよび各層の屈折率
分布，波数分散データに基づいて特性マトリクス計算に
より理論的干渉スペクトルを計算し、上記干渉スペクト
ルと上記理論的干渉スペクトルとを比較してその差を小
さくするように各層の膜厚設定値を変更し、上記理論的
干渉スペクトルを再計算することにより膜厚を高精度で
推定するようにしたので、上述のような、膜厚の概算値
を求め、光学的特性マトリクスの数値計算により理論的
干渉スペクトル波形を作成し、これを膜厚を変化させな
がら元の干渉スペクトル波形と波形フィンティングを行
なうことにより膜厚の測定精度を向上できる装置が実際
に得られるという効果がある。

【０１３２】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置の膜厚測定方法によれば、上述のように、分光
装置として、測定光を出射する光源と、この光源からの
出射光を時間的に変調された干渉光として出射する干渉
計と、基板上に多層に積層された薄膜を有する被測定試
料に導くための光透過部材料を含む光学系と、試料の積
層膜からの反射干渉光を受光する受光部とを有するマイ
ケルソン干渉計を用いるようにしたので、データ処理に
より膜厚を演算するのに適した装置の構成が得られると
いう効果がある。

【０１３３】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置の膜厚測定方法によれば、上述のように、上記
受光部として、互いに測光波数帯域の一部が重複する複
数の光検知器を用いて構成したものを用いるようにした
ので、試料からの反射光の受光感度が向上し、ひいては
より正確な膜厚計算が可能となる効果がある。

【０１３４】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置の膜厚測定方法によれば、光学系の光透過部材
として、互いの透過波数帯域の一部が重複する複数の単
位部材を組合せて構成されているものを用いるようにし
たので、試料への測定光の面内強度が均一化し、試料の
より正確な測光が可能となり、より正確な膜厚計算が可
能となる効果がある。

【０１３５】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置の膜厚測定方法によれば、光源として、異なる
波長の光を出射する複数の単位光源を有し、各出射光を
光学的に合成して上記測定光として出射するものを用い
るようにしたので、広波数範囲にわたる測光が可能とな
り、より正確な膜厚計算が可能となる効果がある。

【０１３６】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置の膜厚測定方法によれば、光学系として、上記
干渉光を所定のビーム幅を有する平行ビームとして上記
試料に照射するものを用いるようにしたので、試料表面
に入射される試験光の入射角や入射面のばらつきが軽減
されるので、精度の高いケプストラムが得られ、より正
確な膜厚計算が可能となる効果がある。

【０１３７】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置の膜厚測定方法によれば、上記膜干渉スペクト
ル演算手段として、干渉スペクトルを作成する際に、測
光スペクトル波数領域を越えた波数領域に定数値を補っ
て干渉スペクトルを求める演算処理を行なうものを用い
るようにしたので、比較的狭い波数領域の反射干渉スペ
クトルから膜厚情報を得ることができ、これに基づいて
より正確な膜厚計算が可能となる効果がある。

【０１３８】また、この発明に係る半導体多層薄膜膜厚
測定装置の膜厚測定方法によれば、スパーシャルグラム
計算手段として、複素パワー逆フーリエ変換を実行する
ものを用いるようにしたので、定められた測光波数範囲
において、多層薄膜の角層の膜厚をより正確かつ安定に
測定でき、これに基づいてより正確な膜厚計算が可能と
なる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の一実施例による半導体多層薄膜
膜厚測定装置を示す図であり、図１(a) はその概略構成
を示すブロック図、図１(b) はその処理の概略を示すフ
ローチャート図である。

【図２】図２は図１の半導体多層薄膜膜厚測定装置のよ
り詳細な構成を示すブロック図である。

【図３】図３は図２の再計算手段の処理の流れを示すフ
ローチャート図である。

【図４】図４は従来の半導体多層薄膜膜厚測定装置を示
す図であり、図４(a) はその概略構成を示すブロック
図、図４(b) はその処理の概略を示すフローチャート図
である。

【図５】図５は図４の半導体多層薄膜膜厚測定装置のよ
り詳細な構成を示すブロック図である。

【図６】図６はマイケルソン干渉計の反射測光系により
試料に入射した光束の各層での一次反射光のみの反射光
路を示す図である。

【図７】図７は本発明の一実施例による膜厚測定例によ
る波数空間における膜干渉波形を示す図である。

【図８】図８は本発明による膜厚測定例による図７の干
渉波形を逆フーリエ変換して得たスパーシャルグラムを
示す図である。

【図９】図９(a) ，図９(b) ，図９(c) は本発明の一実
施例による、膜厚測定例による実測定干渉波形への数値
計算による波形フィッティングを示す図である。

【図１０】図１０は特開平３−１１０４０５号公報に示
された集光光束型ＦＴＩＲ膜厚評価装置を示す図であ
る。

【図１１】図１１はスパーシャルグラムを示す図であ
る。

【図１２】図１２は特願平４−１０９７９８号に示され
た複合型の光検知器の構成を示す図である。

【図１３】図１３は特願平４−１０９７９８号に示され
た他の複合型の光検知器の構成を示す図である。

【図１４】図１４は特願平４−１０９７９８号に示され
たさらに他の複合型の光検知器の構成を示す図である。

【図１５】図１５は特願平４−１０９７９８号に示され
た種々の光源，検知器，ビーム・スプリッタの有特性波
数範囲の一覧表を示す図である。

【図１６】図１６は特願平４−１０９７９８号に示され
た半導体膜厚測定装置の光透過部材である複合型のビー
ム・スプリッタの構成を示す図である。

【図１７】図１７は特願平４−１０９７９８号に示され
た半導体膜厚測定装置の光源の構成を示す図である。

【図１８】図１８は特開平４−６６８０６号公報に示さ
れた半導体膜厚測定装置のデータ処理装置の処理の内容
を示すフローチャートである。

【図１９】図１９は図１８の処理を行なうべき膜干渉ス
ペクトルを示す図である。

【図２０】図２０は図１９に示す膜干渉スペクトルに対
し図１８に示す処理を行なった結果を示す図である。

【図２１】図２１は図１８の処理によりデータ補間を行
なって得たスパーシャルグラムを示す図である。

【図２２】図２２は図２１に示したスパーシャルグラム
に対応するパワースペクトルを示す図である。

【図２３】図２３は特開平４−１２０４０４号公報に示
された半導体膜厚測定装置のデータ処理装置の処理の内
容を示すフローチャートである。

【図２４】図２４は図２３による処理を行なった空間干
渉波形を示す図である。

【符号の説明】

１ 半導体基板 ２ 第３半導体層 ３ 第２半導体層 ４ 第１半導体層 ５ 試料照射光 ６ 試料表面反射光 ７ 第１層反射光 ８ 第２層反射光 ９ 第３層反射光 １０ 光源 １０ａ タングステン・ハロゲン灯 １０ｂ，１０ｃ 集光鏡 １０ｃ ニクロム発光灯 １０ｅ ビーム・スプリッタ １０ｆ アパーチャ １２ 非球面鏡 １４ ビーム・スプリッタ １５ 固定鏡 １６ 移動鏡 １７ ドライバ １３ マイケルソン干渉計 １１ 試料 ２６ 反射測光系 ２１ 検知器 ２１ａ ビームスプリッタ ２１ｂ 光検知器 ２１ｃ 光検知器 ２１ｄ 電気信号合成回路 ２７ アパチャー・マスク ２８ 平面鏡 ２９ 平面鏡 ３０ 非球面鏡 ３１ センター・バースト ３２ 第１サイド・バースト ３３ 第２サイド・バースト ３４ 第３サイド・バースト ５０ 液体窒素冷却器 ５２ ＫＢｒビームスプリッタ ５４ ＣａＦ2 ビームスプリッタ ５５ Ｓｉビームスプリッタ １００ データ処理装置 １５０ 分光装置 １００ａ 干渉光強度波形を測定するステップ １００ｂ フーリエ変換を行なうステップ １００ｃ 逆フーリエ変換を行なうステップ １００ｄ 波形フィッティングを行なうステップ １０１ｂ 定常値データの追加を行なうステップ １３０ 複素パワー逆フーリエ変換手段 １００１ 膜干渉スペクトル演算手段 １００２ 第２の記憶手段 １００３ スパーシャルグラム計算手段 １００４ 第１の記憶手段 １００５ 第３の記憶手段 １００６ 膜厚概算値計算手段 １００７ 第４の記憶手段 １００８ 理論的干渉スペクトル計算手段 １００９ 再計算手段

【手続補正書】

【提出日】平成６年９月２１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１４】図６に、図１０に示すマイケルソン干渉計
の反射測光系により試料に入射した光束の各層での一次
元反射光のみの反射光路を示す。図６において、４は半
導体基板、３，２，１はそれぞれこの順で半導体基板１
上に順次積層された半導体薄膜である。５はマイケルソ
ン干渉計より試料に入射角θ₀ で入射する入射光、６は
この試料の最上層である半導体薄膜１の表面で反射した
反射光、７は半導体薄膜１と半導体薄膜２との界面で反
射した反射光、８は半導体薄膜２と半導体薄膜３との界
面で反射した反射光、９は半導体薄膜３と半導体基板４
との界面で反射した反射光である。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１５】ここで、半導体薄膜１，２，３各層の膜厚
および屈折率を各々（d1，n1），（d2，n2），（d3，n
3）とし、基板４の屈折率はnsとする。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１１表面で合
成され相互に干渉する。試料１１表面での反射光成分６
に対する第ｉ層−第(i＋1)層界面での反射光成分の光路
差δi は次に示す式(1) で与えられる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】

【数１】

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２０】

【数２】

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２３】これは、膜厚ｄ，屈折率ｎの単層膜の波数
（あるいは波長）空間での干渉波数におけるフリンジ間
隔が、１／（２・ｄ・ｎ）に対応することと等価であ
り、多層膜のスパーシャルグラムにおける膜厚分離限界
が各膜の干渉成分の情報が波数空間における１干渉フリ
ンジ分必要であることを示している。従って、薄膜の膜
厚測定限界は測光系および被測定多層膜の材料吸収で決
まる測光波数域△で決定されてしまう。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２５】図１２(a) はこのような波数特性範囲が相
互に重複するものを併用した半導体多層薄膜膜厚測定装
置の光検知器の構成を示す。図において、２１ａは集光
鏡で集められた光束を分配するビーム・スプリッタ、２
１ｂおよび２１ｃはこのビーム・スプリッタ２１ａで分
配された光を電気信号に変換する水銀・カドミウム・テ
ルル（ＭＣＴ）検知器およびＳｉ検知器、２１ｄはこの
ＭＣＴ検知器２１ｂおよびＳｉ検知器２１ｃにより得ら
れた電気信号を合成する電気信号合成回路である。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２７】また、図１２(b) に示すように、ＭＣＴ検
知器２１ｂを安価なトリグリシン・サルファイト（ＴＧ
Ｓ）検知器に代えてもよく、この場合にはＭＣＴ検知器
を冷却する機構等の部材が不要であるため、装置の簡素
化および製造コストの低減を図ることができる。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３２】また、図１６はビーム・スプリッタの改良
を図ったものであり、図１６(a) ，図１６(b) はビーム
・スプリッタに相当する光透過部材を示し、図中、５４
はフッ化カルシウム（ＣａＦ2 ）、５５は石英（ＳｉＯ
₂ ）による領域を示している。このように、ビーム・ス
プリッタの光透過面積の半分にそれぞれ光通過帯域の異
なる２種類の部材を用いることで、ビーム・スプリッタ
としての特性波数範囲は単一部材を用いた場合の和に相
当する特性波数範囲に拡大され、具体的に上記構成で
は、図１５のテーブルチャートにおけるビーム・スプリ
ッタの欄によれば、フッ化カルシウム（ＣａＦ2 ）と石
英（ＳｉＯ₂ ）の組合せによるビーム・スプリッタの総
合特性波数範囲は約２５０００cm^-1から２０００cm^-1と
なることがわかる。また、図１６(a) に示すように単に
半円ずつに異なる部材を用いて面積を分割するよりも、
図１６(b) に示すように各領域が交互に複数現れるよう
に配置した方が透過光のビームの波面の崩れが少なくな
り、ビームの面内強度をより均一にすることができる。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３３】また、図１６(c) に示すように、１つのビ
ーム・スプリッタを３つの部材を用いて構成してもよ
く、ここではフッ化カルシウム（ＣａＦ2 ）の領域５
４、石英（ＳｉＯ₂ ）の領域５５、臭化カリウム（ＫＢ
ｒ）の領域５２が光透過領域の面積を３等分するように
して配置されており、図１５のビーム・スプリッタの欄
によると、フッ化カルシウムと石英と臭化カリウムの３
部材を複合的に用いたビーム・スプリッタでは約２５０
００cm^-1から４００cm^-1までの波数範囲において測光が
可能となり、図１６(a) ，図１６(b) の２部材を用いた
場合よりも長波長帯域が拡張されることとなる。

【手続補正１０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４６】この従来例では、フィルタリング処理が行
な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１３０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。この複素パワー逆フーリエ変換手段１３
０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、次の式(4) に示すようなコサイン
項およびサイン項を含む複素パワー変換によりこれを行
なうものである。

【手続補正１１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００９９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００９９】図９(a) ，(b) ，(c) に、図６に示したＧ
ａＡｓ基板上に順次積層されたＡｌx Ｇａ1-x Ａｓから
なる層２ないし４の３層構造（x は混晶比で、層１では
０．４５，層２では０．１５，層３では０．４５とす
る）を図４に示した従来技術によるＦＴＩＲ装置により
測定した波数空間での膜干渉波形を図７に示す。この図
７では波数１５５００cm^-1〜２３００cm^-1にわたってそ
の干渉波形が測定されている。この干渉波形のＡないし
Ｂまでの領域をフーリエ逆変換して得たスパーシャルグ
ラムを図８に示す。図中、第１層１ないし第３層３の混
晶比がそれぞれ0.45，0.15，0.45、屈折率がそれぞれ3.
27，3.44，3.27であり、膜厚の計算値がそれぞれ0.484
μｍ，0.069 μｍ，1.282 μｍであることが示されてい
る。そして、この図７には各層の界面反射に対応したバ
ースト・ピークが見られる。しかし、第２層（x ＝０．
１５）２の膜厚（d2＝０．５５μｍ）に対応したピーク
は第１層（x ＝０．４５，d2＝０．４３μｍ）１に対応
したピークと重なり合い、正確なピーク分離はなされて
いない。

【手続補正１２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図６】

【手続補正１３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図８】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 服部 亮 兵庫県伊丹市瑞原４丁目１番地 三菱電機 株式会社光・マイクロ波デバイス研究所内

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可視光から赤外域の波数域の光を半導体
   多層膜に照射し、その反射光中の膜干渉成分をフーリエ
   変換して得られる空間干渉波形の波形解析から各膜厚を
   測定するフーリエ変換多層膜厚測定方法を用いて半導体
   装置の多層膜厚を測定する装置において、 上記空間干渉波形の波形解析から得られた各膜厚測定値
   を初期値として、反射光の波数分散スペクトルまたは波
   長分散スペクトルの膜干渉波形を光学的特性マトリクス
   を用いた数値計算により求め、これを実測値と波形フィ
   ッティングしてさらに高精度の各膜厚を得るデータ処理
   装置を備えたことを特徴とする半導体多層薄膜膜厚測定
   装置。
2. 【請求項２】 多層膜の各層の屈折率分布および波数分
   散データを記憶する第１の記憶手段と、 上記下層膜からの反射光を可視光から遠赤外光にわたっ
   て連続的に分光測定する分光装置と、 該分光装置により測定された分光スペクトルから当該分
   光装置の光学的透過特性を除去して多層膜干渉成分のみ
   を取り出された干渉スペクトルを作成する膜干渉スペク
   トル演算手段と、 該膜干渉スペクトル演算手段により作成された多層膜干
   渉成分のみを取り出された干渉スペクトルを記憶する第
   ２の記憶手段と、 上記分光装置の光学的透過特性が除去された干渉スペク
   トルの有感度波数域だけを逆フーリエ変換してスパーシ
   ャルグラムを計算するスパーシャルグラム計算手段と、 該スパーシャルグラム計算手段により計算されたスパー
   シャルグラムを記憶する第３の記憶手段と、 上記スパーシャルグラムのサイド・バースト・ピーク位
   置および上記第１の記憶手段に記憶された各層の屈折率
   分布を読み出して各膜厚の概算値を計算する膜厚概算値
   計算手段と、 該膜厚概算値計算手段により計算された各膜厚の概算値
   を記憶する第４の記憶手段と、 該膜厚概算値のデータおよび上記第１の記憶手段に記憶
   された各層の屈折率分布，波数分散データに基づいて特
   性マトリクス計算により理論的干渉スペクトルを計算す
   る理論的干渉スペクトル計算手段と、 上記干渉スペクトルと上記理論的干渉スペクトルとを比
   較してその差を小さくするように各層の膜厚設定値を変
   更し、上記理論的干渉スペクトルを再計算することによ
   り膜厚を高精度で推定する再計算手段とを備えたことを
   特徴とする半導体多層薄膜膜厚測定装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の半導体多層薄膜膜厚測定
   装置において、 上記分光装置は測定光を出射する光源と、 該光源からの出射光を時間的に変調された干渉光として
   出射する干渉計と、 基板上に多層に積層された薄膜を有する被測定試料に導
   くための光透過部材料を含む光学系と、 上記試料の積層膜からの反射干渉光を受光する受光部と
   を有するものであることを特徴とする半導体多層薄膜膜
   厚測定装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の半導体多層薄膜膜厚測定
   装置において、 上記受光部を、互いに測光波数帯域の一部が重複する複
   数の光検知器を用いて構成したことを特徴とする半導体
   多層薄膜膜厚測定装置。
5. 【請求項５】 請求項３記載の半導体多層薄膜膜厚測定
   装置において、 上記光学系の光透過部材は、 互いの透過波数帯域の一部が重複する複数の単位部材を
   組合せて構成されていることを特徴とする半導体多層薄
   膜膜厚測定装置。
6. 【請求項６】 請求項３記載の半導体多層薄膜膜厚測定
   装置において、 上記光源は、 異なる波長の光を出射する複数の単位光源を有し、 各出射光を光学的に合成して上記測定光として出射する
   ことを特徴とする半導体多層薄膜膜厚測定装置。
7. 【請求項７】 請求項３記載の半導体多層薄膜膜厚測定
   装置において、上記光学系は、 上記干渉光を所定のビーム幅を有する平行ビームとして
   上記試料に照射するものであることを特徴とする半導体
   多層薄膜膜厚測定装置。
8. 【請求項８】 請求項２記載の半導体多層薄膜膜厚測定
   装置において、 上記膜干渉スペクトル演算手段は、 干渉スペクトルを作成する際に、測光スペクトル波数領
   域を越えた波数領域に定数値を補って干渉スペクトルを
   求める演算処理を行なうものであることを特徴とする半
   導体多層薄膜膜厚測定装置。
9. 【請求項９】 請求項２記載の半導体多層薄膜膜厚測定
   装置において、 上記スパーシャルグラム計算手段は、 上記逆フーリエ変換として複素パワー逆フーリエ変換を
   実行するものであることを特徴とする半導体多層薄膜膜
   厚測定装置。
10. 【請求項１０】 可視光から赤外域の波数域の光を半導
    体多層膜に照射し、その反射光中の膜干渉成分をフーリ
    エ変換して得られる空間干渉波形の波形解析から各膜厚
    を測定するフーリエ変換多層膜厚測定方法を用いて半導
    体装置の多層膜厚を測定する装置の膜厚測定方法におい
    て、 上記空間干渉波形の波形解析から得られた各膜厚測定値
    を初期値として、反射光の波数分散スペクトルまたは波
    長分散スペクトルの膜干渉波形を光学的特性マトリクス
    を用いた数値計算により求め、 これを実測値と波形フィッティングして高精度の各膜厚
    を得ることを特徴とする半導体多層薄膜膜厚測定装置の
    膜厚測定方法。
11. 【請求項１１】 多層膜の各層の屈折率分布および波数
    分散データを記憶する工程と、 分光測定装置により上記下層膜からの反射光を可視光か
    ら遠赤外光にわたって連続的に分光測定する工程と、 該分光測定された分光スペクトルから上記分光装置の光
    学的透過特性を除去して多層膜干渉成分のみを取り出さ
    れた干渉スペクトルを作成する工程と、 該多層膜干渉成分のみを取り出された干渉スペクトルを
    記憶する工程と、 上記分光装置の光学的透過特性が除去された干渉スペク
    トルの有感度波数域だけを逆フーリエ変換してスパーシ
    ャルグラムを計算する工程と、 該スパーシャルグラムを記憶する工程と、 上記スパーシャルグラムのサイド・バースト・ピーク位
    置および各層の屈折率分布を読み出して各膜厚の概算値
    を計算する工程と、 該計算された各膜厚の概算値を記憶する工程と、 該膜厚概算値のデータおよび各層の屈折率分布，波数分
    散データに基づいて特性マトリクス計算により理論的干
    渉スペクトルを計算する工程と、 上記干渉スペクトルと上記理論的干渉スペクトルとを比
    較してその差を小さくするように各層の膜厚設定値を変
    更し、上記理論的干渉スペクトルを再計算することによ
    り膜厚を高精度で推定する工程とを含むことを特徴とす
    る半導体多層薄膜膜厚測定装置の膜厚測定方法。
12. 【請求項１２】 請求項１１記載の半導体多層薄膜膜厚
    測定装置の膜厚測定方法において、 上記分光装置として、 測定光を出射する光源と、 該光源からの出射光を時間的に変調された干渉光として
    出射する干渉計と、 基板上に多層に積層された薄膜を有する被測定試料に導
    くための光透過部材料を含む光学系と、 上記試料の積層膜からの反射干渉光を受光する受光部と
    を有するものを用いたことを特徴とする半導体多層薄膜
    膜厚測定装置の膜厚測定方法。
13. 【請求項１３】 請求項１２記載の半導体多層薄膜膜厚
    測定装置の膜厚測定方法において、 上記受光部として、 互いに測光波数帯域の一部が重複する複数の光検知器を
    用いて構成したものを用いたことを特徴とする半導体多
    層薄膜膜厚測定装置の膜厚測定方法。
14. 【請求項１４】 請求項１２記載の半導体多層薄膜膜厚
    測定装置の膜厚測定方法において、 上記光学系の光透過部材として、 互いの透過波数帯域の一部が重複する複数の単位部材を
    組合せて構成されているものを用いたことを特徴とする
    半導体多層薄膜膜厚測定装置の膜厚測定方法。
15. 【請求項１５】 請求項１２記載の半導体多層薄膜膜厚
    測定装置の膜厚測定方法において、 上記光源として、 異なる波長の光を出射する複数の単位光源を有し、 各出射光を光学的に合成して上記測定光として出射する
    ものを用いたことを特徴とする半導体多層薄膜膜厚測定
    装置の膜厚測定方法。
16. 【請求項１６】 請求項１２記載の半導体多層薄膜膜厚
    測定装置の膜厚測定方法において、 上記光学系として、 上記干渉光を所定のビーム幅を有する平行ビームとして
    上記試料に照射するものを用いたことを特徴とする半導
    体多層薄膜膜厚測定装置の膜厚測定方法。
17. 【請求項１７】 請求項１１記載の半導体多層薄膜膜厚
    測定装置の膜厚測定方法において、 上記膜干渉スペクトル演算手段として、 干渉スペクトルを作成する際に、測光スペクトル波数領
    域を越えた波数領域に定数値を補って干渉スペクトルを
    求める演算処理を行なうものを用いたことを特徴とする
    半導体多層薄膜膜厚測定装置の膜厚測定方法。
18. 【請求項１８】 請求項１１記載の半導体多層薄膜膜厚
    測定装置の膜厚測定方法において、 上記スパーシャルグラム計算手段として、 複素パワー逆フーリエ変換を実行するものを用いたこと
    を特徴とする半導体多層薄膜膜厚測定装置の膜厚測定方
    法。