膜厚測定装置及び膜厚測定方法
【課題】積層型３次元半導体装置の貫通電極の製造工程において、貫通穴底に形成した薄膜の厚さを非破壊で測定する。
【解決手段】本発明の一態様に係る膜厚測定装置１００は、第１波長の照明光と第２波長の照明光とを切替可能な光源部と、試料３０で反射した反射光を検出して、試料３０の所定の領域における画像を取得する光検出器１９と、光源部からの照明光を試料３０まで導くとともに、試料３０からの反射光を光検出器１９まで導く共焦点光学系と、薄膜の膜厚を算出するために、第１波長の光による第１画像と、第２波長の光による第２画像とに基づいて、第１波長及び第２波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求める処理部２０とを備え、処理部２０は、波長と反射率との関係が前記薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、測定データから薄膜の膜厚を近似して算出する。
【解決手段】本発明の一態様に係る膜厚測定装置１００は、第１波長の照明光と第２波長の照明光とを切替可能な光源部と、試料３０で反射した反射光を検出して、試料３０の所定の領域における画像を取得する光検出器１９と、光源部からの照明光を試料３０まで導くとともに、試料３０からの反射光を光検出器１９まで導く共焦点光学系と、薄膜の膜厚を算出するために、第１波長の光による第１画像と、第２波長の光による第２画像とに基づいて、第１波長及び第２波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求める処理部２０とを備え、処理部２０は、波長と反射率との関係が前記薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、測定データから薄膜の膜厚を近似して算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜厚測定装置及び膜厚測定方法に関し、特に、積層型３次元半導体装置の貫通電極の製造工程において、貫通穴底に形成した薄膜の厚さを非破壊で計測する膜厚測定装置及び膜厚測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
デバイスを縦方向に積層した半導体装置を製造する場合、すでにトランジスタ構造や多層配線、電極等を形成したウエハに対し、貫通電極（ＴＳＶ：Through Silicon Via）を形成し、３次元構造を完成させなければならない。貫通電極は、トランジスタ構造・多層配線・電極等を完成させた後、通常裏面を削ってＳｉ基板を薄くし、裏面より貫通穴を形成して電極パッドまで電極を通すことにより形成される。
【０００３】
この製造過程を図８に示す。図８に示すように、この製造過程は大きく分けて、（ａ）Ｓｉ基板１のエッチング、（ｂ）貫通穴の形成、（ｃ）側面絶縁のためのＳｉＯ２膜７形成、（ｄ）貫通穴底面のＳｉＯ２膜７のエッチング、（ｅ）バリアメタル８形成、（ｄ）電極材料９の形成の流れとなる。
【０００４】
このような製造工程の中で、貫通穴底面のＳｉＯ２膜７のエッチングを行う際、ＳｉＯ２膜７が適切にエッチングされ、電極パッド２が露出しているかどうかが非常に重要となる。電極パッド２が露出していない場合は、電気的にショートとなってしまうからである。一方、エッチングを必要以上に行うと、下層の電極パッド２へのダメージや、横方向にエッチングが進み、構造に不具合が生じるおそれがある。このため、エッチングを行う前に、貫通穴底面のＳｉＯ２膜７の正確な厚さを把握することが望ましい。エッチング深さを測定する方法は、例えば特許文献１に記載されている。
【０００５】
また、ＳｉＯ２膜が残存している場合には、再度エッチングを行う必要がある。このようなやり直しの作業を避けるために、実際どのようにエッチングが行われているかの基礎実験が必要となり、そのときに貫通電極の穴底のＳｉＯ２膜の厚さを非破壊で正しく測定しておく計測する技術が必要となる。
【０００６】
従来、膜厚の測定方法として、（１）反射分光による方法、（２）偏光解析による方法、（３）白色光を用いた光干渉法、（４）共焦点顕微鏡による方法が挙げられる。膜厚を測定する方法は、例えば特許文献２に記載されている。しかしながら、これらの方法にはそれぞれ以下に示すような問題がある。
【０００７】
（１）反射分光による方法では、白色光により試料を照明して、その反射光を分光することで、分布スペクトルを測定する。分光スペクトルは、光の波長、膜厚、膜と基板の屈折率、減衰係数で決定される条件により、干渉強度の波長依存性という形で計算される。計測データを理論値に対して、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膜厚を決定することができる。しかしながら、膜厚の空間分布を高分解に測定することができず、膜厚は光が照明されるエリアの平均的な値となる。また、貫通穴底からの反射光と基板面からの反射光を分離するのは困難である。
【０００８】
（２）偏光解析による方法では、偏光解析法（エリプソメトリー）により反射光を計算することで膜厚を求めることができる。しかしながら、この方法では、試料に対して照明光を射入射させる必要がある。このため、ウエハに形成された貫通穴低に光を照射し、反射光を受光することが難しい。また、膜厚の空間分布を高分解に測定することができず、膜厚は光が照明するエリアの平均的な値となる。
【０００９】
（３）白色光を用いた光干渉法は、試料あるいは対物レンズをｚ方向にスキャンすることにより、白色光の干渉縞の最大強度位置を計算することで高さを求めることができる。膜厚を測定するために、基板と膜表面からの干渉強度信号をそれぞれ分離して測定することが必要である。しかし、膜厚が１μｍ以下となると、それらの強度信号を分離することが難しくなる。さらに、反射率の高い基板上に、反射率の低い透明膜が存在する場合には、透明膜からの干渉強度を精密に測定することができず、膜厚測定は一層困難なものとなる。また、深い貫通穴の底から反射する光が、貫通穴内部で一点に収束するような場合には、それが擬似焦点として認識されるため、正確な焦点位置を計測することができない。
【００１０】
（４）共焦点顕微鏡では、対物レンズとの距離を試料間の距離をｚ方向にスキャンすることにより変化させ、合焦点位置を検出することにより膜厚が求められる。合焦点位置を精密に測定するには、対物レンズの開口数を大きくする必要がある。しかし、対物レンズの開口数が大きいほど、穴底に対する照明光が光軸に対して射入射することになる。このため、照明光が貫通穴の底まで届かなくなり、測定が困難となる。また、深い貫通穴の底から反射する光が、貫通穴内部で一点に収束するような場合には、それが擬似焦点として認識されるため、正確な焦点位置を計測することができない。
【特許文献１】特開２０００−２９２１２９号公報
【特許文献２】特開平９−２９２２０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、このような事情を背景としてなされたものであり、本発明の目的は、積層型３次元半導体装置の貫通電極の製造工程において、貫通穴底に形成した薄膜の厚さを非破壊で測定することができる膜厚測定装置及び膜厚測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様に係る膜厚測定装置は、試料上に設けられている薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、第１波長の照明光と第２波長の照明光とを切替可能な光源部と、前記試料で反射した反射光を検出して、前記試料の所定の領域における画像を取得する光検出器と、前記光源部からの照明光を前記試料まで導くとともに、前記試料からの前記反射光を前記光検出器まで導く共焦点光学系と、前記薄膜の膜厚を算出するために、前記第１波長の光による第１画像と、前記第２波長の光による第２画像とに基づいて、前記第１波長及び第２波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求める処理部とを備え、前記処理部は、波長と反射率との関係が前記薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記薄膜の膜厚を近似して算出するものである。これにより、薄膜の膜厚を非接触・非破壊で算出することができる。
【００１３】
本発明の第２の態様に係る膜厚測定装置は、上記の膜厚測定装置において、前記処理部は、前記測定データと前記計算データから、最小二乗法により前記薄膜の膜厚を算出するものである。本発明では、このような場合により正確に薄膜の膜厚を算出することができる。
【００１４】
本発明の第３の態様に係る膜厚測定装置は、上記の膜厚測定装置において、前記試料は、前記薄膜が底面に形成された貫通穴を備え、前記処理部は、前記第１画像及び前記第２画像の前記貫通穴に対応する領域の反射率の測定データを求めるものである。これにより、貫通穴底に形成した薄膜の厚さを非破壊・非接触で測定することができる。
【００１５】
本発明の第４の態様に係る膜厚測定装置は、上記の膜厚測定装置において、前記光源部は、水銀キセノンランプを含み、前記水銀キセノンランプの輝線に対応する波長の光を出射するものである。本発明は、このような場合に特に有効である。
【００１６】
本発明の第５の態様に係る膜厚測定装置は、上記の膜厚測定装置において、前記光源部は、連続光を出射するものである。連続波長の光源を用いることにより、測定する波長を多数選択することができる。この場合、計算した反射データと測定データを完全に一致させる近似を使わずとも、連続したカーブが得られる場合は、反射率の極大や極小の位置を合わせる近似を行う一般的な方法で膜厚を算出できる。
【００１７】
本発明の第６の態様に係る膜厚測定装置は、上記の膜厚測定装置において、前記第１波長の照明光から前記第２波長第２波長の照明光へと切替える際に、前記試料上における焦点高さを調整する焦点高さ調整手段をさらに備えるものである。これにより、観察波長の変化による合焦点位置のズレをキャンセルすることができる。
【００１８】
本発明の第７の態様に係る膜厚測定方法は、試料上に設けられている薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、共焦点光学系を介して、前記試料に第１波長の照明光と第２波長の照明光とを切替えて照射し、前記試料で反射した反射光を共焦点光学系を介して検出して、前記第１波長の光による第１画像と、前記第２波長の光による第２画像とを取得し、前記薄膜の膜厚を算出するために、前記第１画像と前記第２画像とに基づいて、前記第１波長及び第２波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求め、波長と反射率との関係が前記薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記薄膜の膜厚を近似して算出する。これにより、薄膜の膜厚を非接触・非破壊で算出することができる。
【００１９】
本発明の第８の態様に係る膜厚測定方法は、上記の膜厚測定方法において、前記測定データと前記計算データから、最小二乗法により前記薄膜の膜厚を算出する。本発明では、このような場合により正確に薄膜の膜厚を算出することができる。
【００２０】
本発明の第９の態様に係る膜厚測定方法は、上記の膜厚測定方法において、前記試料は、前記薄膜が底面に形成された貫通穴を備え、前記第１画像及び前記第２画像の前記貫通穴に対応する領域の反射率の測定データを求める。これにより、貫通穴底に形成した薄膜の厚さを非破壊・非接触で測定することができる。
【００２１】
本発明の第１０の態様に係る膜厚測定方法は、上記の膜厚測定方法において、前記第１波長の照明光から前記第２波長の照明光へと切替える際に、前記試料上における焦点高さを調整する。これにより、観察波長の変化による合焦点位置のズレをキャンセルすることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、積層型３次元半導体装置の貫通電極の製造工程において、貫通穴底に形成した薄膜の厚さを非破壊で測定することができる膜厚測定装置及び膜厚測定方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は、測定の基本的な原理として、反射分光式の膜厚測定法を利用する。貫通穴底の膜厚を測定するという目的のため、以下の２点を利用した反射分光膜厚測定を考えた。
（１）共焦点光学系を用いて、貫通穴のエッジからの散乱光や基板上面からの反射光を除去する。
（２）従来の反射分光法のように反射光を分光する代わりに、照明光を単色光として試料の反射強度を測定する。そして、照明光の波長を変える度に、反射強度を同一視野に対して測定する。これにより、反射率の波長依存性、すなわち、反射スペクトルを得る。
【００２４】
（１）、（２）から、観察画像の各画素に対して、分光スペクトルを得ることができるので、膜厚をパラメータとするフィッティングを行うことにより、１μｍ以下の膜厚を求めることができる。なお、面の粗度や形状の影響が顕著な場合には、反射率を補正（バイアス）するパラメータを含めてもよい。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものを実質的に同様の内容を示している。
【００２６】
本発明の実施の形態に係る膜厚測定装置１００の構成について、図１を参照して説明する。図１は、本実施の液体に係る膜厚測定装置１００の構成を示す図である。本発明では、共焦点光学系を備える顕微鏡を用いる。図１に示すように、本実施の形態に係る膜厚測定装置１００は、光源１１、干渉フィルター１２、レンズ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、スリット１４、ビームスプリッタ１５、振動ミラー１６、対物レンズ１７、ステージ１８、光検出器１９、処理装置２０を備えている。
【００２７】
本発明に係る膜厚測定装置１００では、積層型３次元半導体装置の貫通電極の製造工程において、貫通穴底に形成された薄膜を測定対象とする。図２に、このような試料３０の構成を示す。図２に示すように、試料３０は、Ｓｉ基板３１、Ａｌ層３２、ＳｉＯ２層３３を備えている。Ｓｉ基板３１には、貫通穴３４が形成されている。Ｓｉ基板３１の下面には、Ａｌ層３２が形成されている。Ａｌ層３２は、Ｓｉ基板３１に貫通穴３４が形成されることにより露出されている。Ａｌ層３２が、電極パッドとなる。Ｓｉ基板３１上には、ＳｉＯ２層３３が形成されている。ＳｉＯ２層３３は、Ｓｉ基板３１上、貫通穴３４の内部の側面、及び、貫通穴３４の底面のＡｌ層３２上を覆うように形成されている。本発明では、この貫通穴３４の底面のＳｉＯ２層３３の膜厚を測定する。
【００２８】
なお、図２において、空気の屈折率をＮ０＝ｎ０、ＳｉＯ２層３３の屈折率をＮ１＝ｎ１−ｉｋ１、Ａｌ層３２の屈折率をＮ２＝ｎ２−ｉｋ２とする。また、ＳｉＯ２層３３の厚みは未知であるものとし、その膜厚をｄ１とする。なお、本実施の形態においては、媒質の一例として空気とした場合について説明するが、これに限定されるものではなく、アルゴンガス等他の気体中で測定してもよい。
【００２９】
本実施の形態に係る膜厚測定装置１００は、波長選択が可能な共焦点光学系を有する。光源１１としては、水銀キセノンランプのような連続スペクトルに複数の輝線を含む白色光源が用いられる。なお、例えば、紫外から赤外域（１８５ｎｍ〜２０００ｎｍ）に幅広い連続スペクトルを有するキセノンランプを用いてもよい。もちろん、光源１１としては、キセノンランプに限らず、白色ダイオード、白色レーザ等を用いてもよい。後述するように、波長が選択できればどのような光源を用いてもよい。
【００３０】
光源１１からの光によって、試料３０を観察するための光学系について説明する。光源１１から出射した光は、干渉フィルター１２を通過し、特定の波長の光に変換される。干渉フィルター１２としては、例えば、特定波長の光を選択的に透過させる複数のバンドパスフィルタを用いることができる。これにより、複数の単一波長の照明光を選択的に透過させる。例えば、照明光の波長として、水銀キセノンランプの輝線に対応する波長の４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、４８８ｎｍ、５１５ｎｍ、５４６ｎｍ、５７７ｎｍ、及び水銀キセノンランプの輝線ではない６３０ｎｍを選択することができる。水銀キセノンランプを用いる場合、輝線に対応する波長以外の波長の光をフィルターで選択することも可能である。輝線の波長以外の光は強度が小さいため、干渉フィルターの半値幅を広くすることによりバランスを取ることができる。なお、波長の切替は連続的でもよいし、断続的でもよく、例えば、４００ｎｍ〜６５０ｎｍの間で５〜７波長を選択してもよい。
【００３１】
なお、光源１１として単波長のレーザ光を出射するレーザ光源を用い、波長変換素子を設けてもよい。例えば、第二高調波発生により、波長変換素子に入射する単波長の光の波長変換を行うことができる。また、光源１１として、可変波長レーザを用いることも可能である。さらに、異なる波長のレーザ光を出射する複数のレーザ光源を設けて、複数のレーザ光源のうちの所望の波長の光を選択するようにしてもよい。
【００３２】
そして、干渉フィルター１２を透過した単一波長の照明光はレンズ１３ａを透過して、スリット１４に入射する。照明光は、スリット１４を通してＸ方向のライン状に整形される。そして、ライン状の照明光は、ビームスプリッタ１５に入射する。ビームスプリッタ１５は、偏光状態によらずに、反射光と透過光の光量が略１：１になるように、光を分岐する。従って、照明光の略半分がビームスプリッタ１５を透過する。
【００３３】
その後、図１中右方向に進む光は、振動ミラー１６に入射する。振動ミラー１６により、Ｘ方向のライン状の照明光で試料３０上をＹ方向に走査する。これにより、試料３０面上をＸＹに走査することができる。振動ミラー１６としては、例えばガルバノミラー、ポリゴンミラー等を用いることができる。
【００３４】
振動ミラー１６により、下方に反射された照明光は、対物レンズ１７により集光され、試料３０に照射される。試料３０は、ステージ１８上に載置されている。そして、試料３０からの反射光は、再度対物レンズ１７を通過し、振動ミラー１６により再び反射され、ビームスプリッタ１５へ入射する。その後、入射した光の略半分がビームスプリッタ１５で反射され、レンズ１３ｃに入射する。レンズ１３ｃは、光検出器１９の受光面に合成光を結像させる。レンズ１３ｃを透過した光は、光検出器１９で受光される。
【００３５】
本実施の形態では、光検出器１９は、試料３０のコンフォーカル画像を撮像するＣＣＤラインセンサである。光源１１からスリット１４を透過した照明光が、試料３０で反射して、ＣＣＤラインセンサにより検出される。振動ミラー１６により、試料３０上を走査することにより、スリットコンフォーカル画像が撮像される。なお、共焦点光学系の方式が用いられていれば、走査方法等は異なってもよく、スリットや光検出器は方式に適応したものを適宜用いることができる。例えば、Ｘ方向とＹ方向にスキャンするための振動ミラーを用いてもよく、Ｘ方向に音響光学素子であるＡＯＤを用いることも可能である。
【００３６】
ステージ１８は、図示しないＺ軸駆動モータを有しており、試料３０を図１の上下方向に移動させることができる。このステージ１８は、Ｚ軸方向に移動することにより、試料面が焦点位置にくるように制御される。なお、ステージ１８がＺ方向に移動するかわりに、対物レンズ１７を移動させて焦点位置調整を行うこともできる。
【００３７】
共焦点光学系において、観察波長を変えると合焦点位置が変化することが考えられ、これによる輝度の変化が予想される。これは、各波長の合焦点位置のズレ分を予め測定してＰＣに記憶しておき、波長切り替えの際に、ズレ分だけ自動的に試料３０あるいは対物レンズ１７のＺ位置を微調整することでキャンセルすることができる。あるいは、それぞれの波長において、全焦点画像をＺスキャンにより作製してもよい。なお、観察光学系自身の波長依存性は、シリコンや石英ガラスなどの、反射スペクトルが既知のサンプルを予め測定しておくことで、計算により補正できる。
【００３８】
処理装置２０は、複数の異なる波長の照明光を照射したときのそれぞれの光検出器１９で得られた画像から反射率を測定し、貫通穴３４の底面に形成されたＳｉＯ２層３３の膜厚を算出する。すなわち、処理装置２０は、ＳｉＯ２層３３の膜厚を算出するために、ある波長の照明光による画像と、それと異なる波長の照明光による画像とに基づいて、それぞれの波長に対する反射率の測定データを求める。そして、処理装置２０は、波長と反射率との関係がＳｉＯ２層３３の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、測定データからＳｉＯ２層３３の膜厚を近似して算出する。この膜厚の測定方法については、後に詳述する。
【００３９】
本発明では、共焦点顕微鏡を用いて、照明波長を切り替えながら、反射率を測定する。これにより、貫通穴３４のエッジからの散乱光やＳｉ基板３１上面からの反射光を除去し、穴底のＳｉＯ２層３３の膜厚測定ができる。このように、貫通穴３４底のＳｉＯ２層３３の膜厚を非接触・非破壊で短時間に測定することができる。なお、条件によっては、高アスペクト比の貫通穴３４底の膜厚測定の可能性もある。波長による反射強度の相対変化による計測であるため、反射光焦点位置の検出による膜厚測定では問題となっていた擬似焦点にも影響されない。また、光学顕微鏡の焦点深度より大きな段差のある表面の膜厚測定にも対応できる。
【００４０】
ここで、上述した膜厚測定装置１００を用いて、本実施の形態に係る膜厚測定方法について詳細に説明する。上述したように、本実施の形態に係る膜厚測定装置１００は、波長を選択することが可能な共焦点顕微鏡を用いたものである。また、ここでは、図２に示したような、貫通穴３４の底面に形成されたＳｉＯ２層３３の膜厚を求める。なお、求めたいＳｉＯ２層３３の膜厚をｄ１とする（なお、ｄ１は１μｍ以下であるものとする）。
【００４１】
貫通穴３４の底の構造は上から、空気／ＳｉＯ２／Ａｌとなる。それぞれの層の波長λに対する複素屈折率をそれぞれＮ０、Ｎ１、Ｎ２とし、屈折率をｎ０＝１、ｎ１、ｎ２、消衰係数をｋ０＝０、ｋ１、ｋ２とする。それぞれの層の波長λに対する複素屈折率をそれぞれＮ０、Ｎ１、Ｎ２は、以下の式（１）、（２）、（３）で表される。
【数１】
【数２】
【数３】
【００４２】
まず、膜厚ｄ１に対する反射率の波長依存性を計算する。すなわち、膜厚ｄ１を算出する際に参照される波長と反射率との関係がＳｉＯ２層３３の膜厚毎にそれぞれ示される計算データを求める。Ａｌ層３２上のＳｉＯ２層３３による薄膜干渉強度について図３を参照して考える。なお、図３では、模式的に照明光が斜め入射にしているように図示しているが、波長λの光が膜に対して垂直に入射するものとする。
【００４３】
入射した光の一部は、空気／ＳｉＯ２層３３界面で反射し、残りの一部は透過しＳｉＯ２層３３／Ａｌ層３２界面で反射する。ＳｉＯ２層３３／Ａｌ層３２界面からの反射光は空気／ＳｉＯ２層３３界面を透過するが、さらに一部は反射され再びＳｉＯ２層３３／Ａｌ層３２界面で反射する。一般的に薄膜ではこのような多重反射が起こる。これらの反射光が全て干渉し合計されたものから、反射率（Ｒ）が得られる。複素屈折率が既知であるならば、反射率（Ｒ）は波長λと膜厚ｄ１だけで決まる。
【００４４】
界面０（空気／ＳｉＯ２界面）と界面１（ＳｉＯ２／Ａｌ界面）での振幅反射率は、それぞれ、式（４）（５）で表される。
【数４】
【数５】
【００４５】
このとき、ＳｉＯ２層３３を１回透過する光の位相変化δは式（６）、振幅変化γは式７のように表される。
【数６】
【数７】
【００４６】
多重反射を考慮した膜構造全体の振幅反射率は、式（８）となる。
【数８】
反射率Ｒは振幅反射率の絶対値の自乗となるので、式（９）となる。
【数９】
【００４７】
従って、複素屈折率が既知であれば、反射率は波長λと膜厚ｄ１から計算することができる。可視光領域の４００〜６５０ｎｍにおける反射率を、ＳｉＯ２層３３の膜厚を変えて計算したものを図４に示す。図４においては、ＳｉＯ２層３３の膜厚を１００ｎｍ、３００ｎｍ、５００ｎｍ、７００ｎｍ、１０００ｎｍと変化させた場合のそれぞれの反射率の波長依存性について図示している。
【００４８】
そして、試料の測定反射率（測定データ）を求める。ここで、照明光の波長として、４０５ｎｍ、４８８ｎｍ、５１５ｎｍ、５４６ｎｍ、５７７ｎｍ、６３０ｎｍを選択したとする。干渉フィルター１２で、照明光の波長を切替え、それぞれの波長の照明光での同一視野の画像を取得する。そして、各波長での反射率を求める。反射率は、キャプチャーした画像の輝度値：Ｉｓａｍｐｌｅから求められる。なお、取得した画像の所定のエリアに関する輝度値の平均値を用いて反射率を求めてもよく、１画素のみの輝度値を用いて反射率を求めてもよい。
【００４９】
各波長の反射率を求めることにより、反射率の波長依存性が得られる。そして、各波長の測定反射率を、式（９）で求められる計算反射率に対して最小自乗法でｄ１をパラメータとして最小二乗法によりフィッティングさせることで、膜厚ｄ１を求めることができる。
【００５０】
なお、反射率を測定する場合は、測定に使用している光学系の特性や光源の特性を補正するために、反射率が既知である基準試料の反射率測定を行ってもよい。例えば、Ｓｉを基準とする場合は、各波長でＳｉの反射画像をキャプチャーする（カラーバランス、ゲインコントロール等は一定にする）。このＳｉの輝度値：ＩＳｉに対する相対値として、試料の反射率を計算し、さらに、Ｓｉの既知の反射率の波長依存性のデータ：ＲＳｉで補正を行う。従って、試料の反射率は式（１０）のように求められる。
【数１０】
【００５１】
ここで、具体的な膜厚の測定例について説明する。図５に示すように、石英基板上にアモルファスシリコン薄膜（ａ−Ｓｉ薄膜）を約２００ｎｍ形成した試料の、ａ−Ｓｉ薄膜の膜厚を測定する例について説明する。照明光の波長は、４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、５４６ｎｍ、５７７ｎｍ、６３０ｎｍの５種類の波長による測定を行った。基準試料にはＳｉウエハを用いた。
【００５２】
共焦点顕微鏡のゲイン調整を固定した状態で、Ｓｉウエハと試料について、同一の視野の画像を、波長を変えて取得した。その結果得られた画像を、図６に示す。図６中四角で囲んだエリアに関する輝度値の平均値を使い、式（１０）から反射率を求めた。
【００５３】
式（１０）から求めた測定反射率と、式（９）から求めた計算反射率をプロットしたものを図７に示す。図７に示す曲線は、膜厚ｄ１を１７０ｎｍ、１８０ｎｍ、１８３ｎｍ、１９０ｎｍと変化させた場合の、波長と反射率との関係をそれぞれ示す計算データである。また、図７中、黒四角が各波長での測定反射率を示している。
【００５４】
そして、最小二乗法により以下の式（１１）を用いて、測定値（Ｒｍ）と計算値（Ｒｃ）の残差（Σ）を各膜厚に対して計算した。
【数１１】
【００５５】
表１に、この各膜厚における残差の結果示す。
【表１】
【００５６】
残差Σが最小になる場合のｄ１をこの試料の測定エリアの膜厚とすることができる。従って、ここではｄ１＝１８３ｎｍと決定できる。５波長の測定でも±５ｎｍ程度で膜厚測定できると推定される。同様の方法で、画像の各画素に対して膜厚を求めることができるので、膜厚分布を表示することも原理的に可能である。
【００５７】
このように、共焦点顕微鏡を用いることにより、貫通穴３４のエッジからの散乱光やＳｉ基板３１上面からの反射光を除去し、穴底のＳｉＯ２層３３の膜厚を非接触・非破壊で短時間に測定できる。また、波長による反射強度の相対変化による計測であるため、反射光焦点位置の検出による膜厚測定では問題となっていた擬似焦点にも影響されない。
【００５８】
なお、共焦点顕微鏡を用いることにより、試料３０の表面で反射し、内部への透過率の低い照明波長を選択することにより、表面形状も独立に測定することができる。膜厚分布と表面形状分布を独立に測定することにより、基板表面形状（基板と膜の界面）を求めることができる。
【００５９】
また、膜厚が数μｍ以上あるような場合は、共焦点顕微鏡で合焦点位置の違いを検出できるので、焦点位置の読みとりにより従来どおり膜厚測定ができる。すなわち、本発明によれば、膜厚が１μｍ以下の場合には上述のように照明光の波長を切替えながら反射強度を測定することができ、膜厚が厚い場合には従来どおりの膜厚測定を切替えて行うことができる。さらに、表面に焦点深度を超える起伏がある場合でも、共焦点顕微鏡により全焦点画像を作成することにより、全表面の反射率を測定することができる。
【００６０】
なお、上述の例では、断続的に複数の波長について反射率を測定したが、連続的に波長を切替えるようにしてもよい。連続波長の光源を用いることにより、測定する波長を多数選択することができる。この場合、計算した反射データと測定データを完全に一致させる近似を使わずとも、連続したカーブが得られる場合は、反射率の極大や極小の位置を合わせる近似を行う一般的な方法で膜厚を算出できる。すなわち、連続波長による方法を使う場合は、ピーク波長だけを使って膜厚計算できるので、反射率既知の基準試料で正確に補正する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】実施の形態に係る膜厚測定装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】実施の形態に係る試料の構成を模式的に示す図である。
【図３】試料に光が入射したときの、各界面での光の反射及び透過の状態を示す図である。
【図４】ＳｉＯ２層の膜厚を変えて、可視光領域の４００〜６５０ｎｍにおける反射率を計算した結果を示す図である。
【図５】実施例に係る試料の構成を模式的に示す図である。
【図６】実施例に係る試料について、波長を変えて取得した同一の視野の画像を示す図である。
【図７】測定反射率と、計算反射率をプロットしたグラフである。
【図８】積層型３次元半導体装置の貫通電極の製造工程を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６２】
１１ 光源
１２ 干渉フィルター
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ レンズ
１４ スリット
１５ ビームスプリッタ
１６ 振動ミラー
１７ 対物レンズ
１８ ステージ
１９ 光検出器
２０ 処理装置
３０ 試料
３１ Ｓｉ基板
３２ Ａｌ層
３３ ＳｉＯ２層
３４ 貫通穴
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜厚測定装置及び膜厚測定方法に関し、特に、積層型３次元半導体装置の貫通電極の製造工程において、貫通穴底に形成した薄膜の厚さを非破壊で計測する膜厚測定装置及び膜厚測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
デバイスを縦方向に積層した半導体装置を製造する場合、すでにトランジスタ構造や多層配線、電極等を形成したウエハに対し、貫通電極（ＴＳＶ：Through Silicon Via）を形成し、３次元構造を完成させなければならない。貫通電極は、トランジスタ構造・多層配線・電極等を完成させた後、通常裏面を削ってＳｉ基板を薄くし、裏面より貫通穴を形成して電極パッドまで電極を通すことにより形成される。
【０００３】
この製造過程を図８に示す。図８に示すように、この製造過程は大きく分けて、（ａ）Ｓｉ基板１のエッチング、（ｂ）貫通穴の形成、（ｃ）側面絶縁のためのＳｉＯ２膜７形成、（ｄ）貫通穴底面のＳｉＯ２膜７のエッチング、（ｅ）バリアメタル８形成、（ｄ）電極材料９の形成の流れとなる。
【０００４】
このような製造工程の中で、貫通穴底面のＳｉＯ２膜７のエッチングを行う際、ＳｉＯ２膜７が適切にエッチングされ、電極パッド２が露出しているかどうかが非常に重要となる。電極パッド２が露出していない場合は、電気的にショートとなってしまうからである。一方、エッチングを必要以上に行うと、下層の電極パッド２へのダメージや、横方向にエッチングが進み、構造に不具合が生じるおそれがある。このため、エッチングを行う前に、貫通穴底面のＳｉＯ２膜７の正確な厚さを把握することが望ましい。エッチング深さを測定する方法は、例えば特許文献１に記載されている。
【０００５】
また、ＳｉＯ２膜が残存している場合には、再度エッチングを行う必要がある。このようなやり直しの作業を避けるために、実際どのようにエッチングが行われているかの基礎実験が必要となり、そのときに貫通電極の穴底のＳｉＯ２膜の厚さを非破壊で正しく測定しておく計測する技術が必要となる。
【０００６】
従来、膜厚の測定方法として、（１）反射分光による方法、（２）偏光解析による方法、（３）白色光を用いた光干渉法、（４）共焦点顕微鏡による方法が挙げられる。膜厚を測定する方法は、例えば特許文献２に記載されている。しかしながら、これらの方法にはそれぞれ以下に示すような問題がある。
【０００７】
（１）反射分光による方法では、白色光により試料を照明して、その反射光を分光することで、分布スペクトルを測定する。分光スペクトルは、光の波長、膜厚、膜と基板の屈折率、減衰係数で決定される条件により、干渉強度の波長依存性という形で計算される。計測データを理論値に対して、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膜厚を決定することができる。しかしながら、膜厚の空間分布を高分解に測定することができず、膜厚は光が照明されるエリアの平均的な値となる。また、貫通穴底からの反射光と基板面からの反射光を分離するのは困難である。
【０００８】
（２）偏光解析による方法では、偏光解析法（エリプソメトリー）により反射光を計算することで膜厚を求めることができる。しかしながら、この方法では、試料に対して照明光を射入射させる必要がある。このため、ウエハに形成された貫通穴低に光を照射し、反射光を受光することが難しい。また、膜厚の空間分布を高分解に測定することができず、膜厚は光が照明するエリアの平均的な値となる。
【０００９】
（３）白色光を用いた光干渉法は、試料あるいは対物レンズをｚ方向にスキャンすることにより、白色光の干渉縞の最大強度位置を計算することで高さを求めることができる。膜厚を測定するために、基板と膜表面からの干渉強度信号をそれぞれ分離して測定することが必要である。しかし、膜厚が１μｍ以下となると、それらの強度信号を分離することが難しくなる。さらに、反射率の高い基板上に、反射率の低い透明膜が存在する場合には、透明膜からの干渉強度を精密に測定することができず、膜厚測定は一層困難なものとなる。また、深い貫通穴の底から反射する光が、貫通穴内部で一点に収束するような場合には、それが擬似焦点として認識されるため、正確な焦点位置を計測することができない。
【００１０】
（４）共焦点顕微鏡では、対物レンズとの距離を試料間の距離をｚ方向にスキャンすることにより変化させ、合焦点位置を検出することにより膜厚が求められる。合焦点位置を精密に測定するには、対物レンズの開口数を大きくする必要がある。しかし、対物レンズの開口数が大きいほど、穴底に対する照明光が光軸に対して射入射することになる。このため、照明光が貫通穴の底まで届かなくなり、測定が困難となる。また、深い貫通穴の底から反射する光が、貫通穴内部で一点に収束するような場合には、それが擬似焦点として認識されるため、正確な焦点位置を計測することができない。
【特許文献１】特開２０００−２９２１２９号公報
【特許文献２】特開平９−２９２２０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、このような事情を背景としてなされたものであり、本発明の目的は、積層型３次元半導体装置の貫通電極の製造工程において、貫通穴底に形成した薄膜の厚さを非破壊で測定することができる膜厚測定装置及び膜厚測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様に係る膜厚測定装置は、試料上に設けられている薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、第１波長の照明光と第２波長の照明光とを切替可能な光源部と、前記試料で反射した反射光を検出して、前記試料の所定の領域における画像を取得する光検出器と、前記光源部からの照明光を前記試料まで導くとともに、前記試料からの前記反射光を前記光検出器まで導く共焦点光学系と、前記薄膜の膜厚を算出するために、前記第１波長の光による第１画像と、前記第２波長の光による第２画像とに基づいて、前記第１波長及び第２波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求める処理部とを備え、前記処理部は、波長と反射率との関係が前記薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記薄膜の膜厚を近似して算出するものである。これにより、薄膜の膜厚を非接触・非破壊で算出することができる。
【００１３】
本発明の第２の態様に係る膜厚測定装置は、上記の膜厚測定装置において、前記処理部は、前記測定データと前記計算データから、最小二乗法により前記薄膜の膜厚を算出するものである。本発明では、このような場合により正確に薄膜の膜厚を算出することができる。
【００１４】
本発明の第３の態様に係る膜厚測定装置は、上記の膜厚測定装置において、前記試料は、前記薄膜が底面に形成された貫通穴を備え、前記処理部は、前記第１画像及び前記第２画像の前記貫通穴に対応する領域の反射率の測定データを求めるものである。これにより、貫通穴底に形成した薄膜の厚さを非破壊・非接触で測定することができる。
【００１５】
本発明の第４の態様に係る膜厚測定装置は、上記の膜厚測定装置において、前記光源部は、水銀キセノンランプを含み、前記水銀キセノンランプの輝線に対応する波長の光を出射するものである。本発明は、このような場合に特に有効である。
【００１６】
本発明の第５の態様に係る膜厚測定装置は、上記の膜厚測定装置において、前記光源部は、連続光を出射するものである。連続波長の光源を用いることにより、測定する波長を多数選択することができる。この場合、計算した反射データと測定データを完全に一致させる近似を使わずとも、連続したカーブが得られる場合は、反射率の極大や極小の位置を合わせる近似を行う一般的な方法で膜厚を算出できる。
【００１７】
本発明の第６の態様に係る膜厚測定装置は、上記の膜厚測定装置において、前記第１波長の照明光から前記第２波長第２波長の照明光へと切替える際に、前記試料上における焦点高さを調整する焦点高さ調整手段をさらに備えるものである。これにより、観察波長の変化による合焦点位置のズレをキャンセルすることができる。
【００１８】
本発明の第７の態様に係る膜厚測定方法は、試料上に設けられている薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、共焦点光学系を介して、前記試料に第１波長の照明光と第２波長の照明光とを切替えて照射し、前記試料で反射した反射光を共焦点光学系を介して検出して、前記第１波長の光による第１画像と、前記第２波長の光による第２画像とを取得し、前記薄膜の膜厚を算出するために、前記第１画像と前記第２画像とに基づいて、前記第１波長及び第２波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求め、波長と反射率との関係が前記薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記薄膜の膜厚を近似して算出する。これにより、薄膜の膜厚を非接触・非破壊で算出することができる。
【００１９】
本発明の第８の態様に係る膜厚測定方法は、上記の膜厚測定方法において、前記測定データと前記計算データから、最小二乗法により前記薄膜の膜厚を算出する。本発明では、このような場合により正確に薄膜の膜厚を算出することができる。
【００２０】
本発明の第９の態様に係る膜厚測定方法は、上記の膜厚測定方法において、前記試料は、前記薄膜が底面に形成された貫通穴を備え、前記第１画像及び前記第２画像の前記貫通穴に対応する領域の反射率の測定データを求める。これにより、貫通穴底に形成した薄膜の厚さを非破壊・非接触で測定することができる。
【００２１】
本発明の第１０の態様に係る膜厚測定方法は、上記の膜厚測定方法において、前記第１波長の照明光から前記第２波長の照明光へと切替える際に、前記試料上における焦点高さを調整する。これにより、観察波長の変化による合焦点位置のズレをキャンセルすることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、積層型３次元半導体装置の貫通電極の製造工程において、貫通穴底に形成した薄膜の厚さを非破壊で測定することができる膜厚測定装置及び膜厚測定方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は、測定の基本的な原理として、反射分光式の膜厚測定法を利用する。貫通穴底の膜厚を測定するという目的のため、以下の２点を利用した反射分光膜厚測定を考えた。
（１）共焦点光学系を用いて、貫通穴のエッジからの散乱光や基板上面からの反射光を除去する。
（２）従来の反射分光法のように反射光を分光する代わりに、照明光を単色光として試料の反射強度を測定する。そして、照明光の波長を変える度に、反射強度を同一視野に対して測定する。これにより、反射率の波長依存性、すなわち、反射スペクトルを得る。
【００２４】
（１）、（２）から、観察画像の各画素に対して、分光スペクトルを得ることができるので、膜厚をパラメータとするフィッティングを行うことにより、１μｍ以下の膜厚を求めることができる。なお、面の粗度や形状の影響が顕著な場合には、反射率を補正（バイアス）するパラメータを含めてもよい。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものを実質的に同様の内容を示している。
【００２６】
本発明の実施の形態に係る膜厚測定装置１００の構成について、図１を参照して説明する。図１は、本実施の液体に係る膜厚測定装置１００の構成を示す図である。本発明では、共焦点光学系を備える顕微鏡を用いる。図１に示すように、本実施の形態に係る膜厚測定装置１００は、光源１１、干渉フィルター１２、レンズ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、スリット１４、ビームスプリッタ１５、振動ミラー１６、対物レンズ１７、ステージ１８、光検出器１９、処理装置２０を備えている。
【００２７】
本発明に係る膜厚測定装置１００では、積層型３次元半導体装置の貫通電極の製造工程において、貫通穴底に形成された薄膜を測定対象とする。図２に、このような試料３０の構成を示す。図２に示すように、試料３０は、Ｓｉ基板３１、Ａｌ層３２、ＳｉＯ２層３３を備えている。Ｓｉ基板３１には、貫通穴３４が形成されている。Ｓｉ基板３１の下面には、Ａｌ層３２が形成されている。Ａｌ層３２は、Ｓｉ基板３１に貫通穴３４が形成されることにより露出されている。Ａｌ層３２が、電極パッドとなる。Ｓｉ基板３１上には、ＳｉＯ２層３３が形成されている。ＳｉＯ２層３３は、Ｓｉ基板３１上、貫通穴３４の内部の側面、及び、貫通穴３４の底面のＡｌ層３２上を覆うように形成されている。本発明では、この貫通穴３４の底面のＳｉＯ２層３３の膜厚を測定する。
【００２８】
なお、図２において、空気の屈折率をＮ０＝ｎ０、ＳｉＯ２層３３の屈折率をＮ１＝ｎ１−ｉｋ１、Ａｌ層３２の屈折率をＮ２＝ｎ２−ｉｋ２とする。また、ＳｉＯ２層３３の厚みは未知であるものとし、その膜厚をｄ１とする。なお、本実施の形態においては、媒質の一例として空気とした場合について説明するが、これに限定されるものではなく、アルゴンガス等他の気体中で測定してもよい。
【００２９】
本実施の形態に係る膜厚測定装置１００は、波長選択が可能な共焦点光学系を有する。光源１１としては、水銀キセノンランプのような連続スペクトルに複数の輝線を含む白色光源が用いられる。なお、例えば、紫外から赤外域（１８５ｎｍ〜２０００ｎｍ）に幅広い連続スペクトルを有するキセノンランプを用いてもよい。もちろん、光源１１としては、キセノンランプに限らず、白色ダイオード、白色レーザ等を用いてもよい。後述するように、波長が選択できればどのような光源を用いてもよい。
【００３０】
光源１１からの光によって、試料３０を観察するための光学系について説明する。光源１１から出射した光は、干渉フィルター１２を通過し、特定の波長の光に変換される。干渉フィルター１２としては、例えば、特定波長の光を選択的に透過させる複数のバンドパスフィルタを用いることができる。これにより、複数の単一波長の照明光を選択的に透過させる。例えば、照明光の波長として、水銀キセノンランプの輝線に対応する波長の４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、４８８ｎｍ、５１５ｎｍ、５４６ｎｍ、５７７ｎｍ、及び水銀キセノンランプの輝線ではない６３０ｎｍを選択することができる。水銀キセノンランプを用いる場合、輝線に対応する波長以外の波長の光をフィルターで選択することも可能である。輝線の波長以外の光は強度が小さいため、干渉フィルターの半値幅を広くすることによりバランスを取ることができる。なお、波長の切替は連続的でもよいし、断続的でもよく、例えば、４００ｎｍ〜６５０ｎｍの間で５〜７波長を選択してもよい。
【００３１】
なお、光源１１として単波長のレーザ光を出射するレーザ光源を用い、波長変換素子を設けてもよい。例えば、第二高調波発生により、波長変換素子に入射する単波長の光の波長変換を行うことができる。また、光源１１として、可変波長レーザを用いることも可能である。さらに、異なる波長のレーザ光を出射する複数のレーザ光源を設けて、複数のレーザ光源のうちの所望の波長の光を選択するようにしてもよい。
【００３２】
そして、干渉フィルター１２を透過した単一波長の照明光はレンズ１３ａを透過して、スリット１４に入射する。照明光は、スリット１４を通してＸ方向のライン状に整形される。そして、ライン状の照明光は、ビームスプリッタ１５に入射する。ビームスプリッタ１５は、偏光状態によらずに、反射光と透過光の光量が略１：１になるように、光を分岐する。従って、照明光の略半分がビームスプリッタ１５を透過する。
【００３３】
その後、図１中右方向に進む光は、振動ミラー１６に入射する。振動ミラー１６により、Ｘ方向のライン状の照明光で試料３０上をＹ方向に走査する。これにより、試料３０面上をＸＹに走査することができる。振動ミラー１６としては、例えばガルバノミラー、ポリゴンミラー等を用いることができる。
【００３４】
振動ミラー１６により、下方に反射された照明光は、対物レンズ１７により集光され、試料３０に照射される。試料３０は、ステージ１８上に載置されている。そして、試料３０からの反射光は、再度対物レンズ１７を通過し、振動ミラー１６により再び反射され、ビームスプリッタ１５へ入射する。その後、入射した光の略半分がビームスプリッタ１５で反射され、レンズ１３ｃに入射する。レンズ１３ｃは、光検出器１９の受光面に合成光を結像させる。レンズ１３ｃを透過した光は、光検出器１９で受光される。
【００３５】
本実施の形態では、光検出器１９は、試料３０のコンフォーカル画像を撮像するＣＣＤラインセンサである。光源１１からスリット１４を透過した照明光が、試料３０で反射して、ＣＣＤラインセンサにより検出される。振動ミラー１６により、試料３０上を走査することにより、スリットコンフォーカル画像が撮像される。なお、共焦点光学系の方式が用いられていれば、走査方法等は異なってもよく、スリットや光検出器は方式に適応したものを適宜用いることができる。例えば、Ｘ方向とＹ方向にスキャンするための振動ミラーを用いてもよく、Ｘ方向に音響光学素子であるＡＯＤを用いることも可能である。
【００３６】
ステージ１８は、図示しないＺ軸駆動モータを有しており、試料３０を図１の上下方向に移動させることができる。このステージ１８は、Ｚ軸方向に移動することにより、試料面が焦点位置にくるように制御される。なお、ステージ１８がＺ方向に移動するかわりに、対物レンズ１７を移動させて焦点位置調整を行うこともできる。
【００３７】
共焦点光学系において、観察波長を変えると合焦点位置が変化することが考えられ、これによる輝度の変化が予想される。これは、各波長の合焦点位置のズレ分を予め測定してＰＣに記憶しておき、波長切り替えの際に、ズレ分だけ自動的に試料３０あるいは対物レンズ１７のＺ位置を微調整することでキャンセルすることができる。あるいは、それぞれの波長において、全焦点画像をＺスキャンにより作製してもよい。なお、観察光学系自身の波長依存性は、シリコンや石英ガラスなどの、反射スペクトルが既知のサンプルを予め測定しておくことで、計算により補正できる。
【００３８】
処理装置２０は、複数の異なる波長の照明光を照射したときのそれぞれの光検出器１９で得られた画像から反射率を測定し、貫通穴３４の底面に形成されたＳｉＯ２層３３の膜厚を算出する。すなわち、処理装置２０は、ＳｉＯ２層３３の膜厚を算出するために、ある波長の照明光による画像と、それと異なる波長の照明光による画像とに基づいて、それぞれの波長に対する反射率の測定データを求める。そして、処理装置２０は、波長と反射率との関係がＳｉＯ２層３３の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、測定データからＳｉＯ２層３３の膜厚を近似して算出する。この膜厚の測定方法については、後に詳述する。
【００３９】
本発明では、共焦点顕微鏡を用いて、照明波長を切り替えながら、反射率を測定する。これにより、貫通穴３４のエッジからの散乱光やＳｉ基板３１上面からの反射光を除去し、穴底のＳｉＯ２層３３の膜厚測定ができる。このように、貫通穴３４底のＳｉＯ２層３３の膜厚を非接触・非破壊で短時間に測定することができる。なお、条件によっては、高アスペクト比の貫通穴３４底の膜厚測定の可能性もある。波長による反射強度の相対変化による計測であるため、反射光焦点位置の検出による膜厚測定では問題となっていた擬似焦点にも影響されない。また、光学顕微鏡の焦点深度より大きな段差のある表面の膜厚測定にも対応できる。
【００４０】
ここで、上述した膜厚測定装置１００を用いて、本実施の形態に係る膜厚測定方法について詳細に説明する。上述したように、本実施の形態に係る膜厚測定装置１００は、波長を選択することが可能な共焦点顕微鏡を用いたものである。また、ここでは、図２に示したような、貫通穴３４の底面に形成されたＳｉＯ２層３３の膜厚を求める。なお、求めたいＳｉＯ２層３３の膜厚をｄ１とする（なお、ｄ１は１μｍ以下であるものとする）。
【００４１】
貫通穴３４の底の構造は上から、空気／ＳｉＯ２／Ａｌとなる。それぞれの層の波長λに対する複素屈折率をそれぞれＮ０、Ｎ１、Ｎ２とし、屈折率をｎ０＝１、ｎ１、ｎ２、消衰係数をｋ０＝０、ｋ１、ｋ２とする。それぞれの層の波長λに対する複素屈折率をそれぞれＮ０、Ｎ１、Ｎ２は、以下の式（１）、（２）、（３）で表される。
【数１】
【数２】
【数３】
【００４２】
まず、膜厚ｄ１に対する反射率の波長依存性を計算する。すなわち、膜厚ｄ１を算出する際に参照される波長と反射率との関係がＳｉＯ２層３３の膜厚毎にそれぞれ示される計算データを求める。Ａｌ層３２上のＳｉＯ２層３３による薄膜干渉強度について図３を参照して考える。なお、図３では、模式的に照明光が斜め入射にしているように図示しているが、波長λの光が膜に対して垂直に入射するものとする。
【００４３】
入射した光の一部は、空気／ＳｉＯ２層３３界面で反射し、残りの一部は透過しＳｉＯ２層３３／Ａｌ層３２界面で反射する。ＳｉＯ２層３３／Ａｌ層３２界面からの反射光は空気／ＳｉＯ２層３３界面を透過するが、さらに一部は反射され再びＳｉＯ２層３３／Ａｌ層３２界面で反射する。一般的に薄膜ではこのような多重反射が起こる。これらの反射光が全て干渉し合計されたものから、反射率（Ｒ）が得られる。複素屈折率が既知であるならば、反射率（Ｒ）は波長λと膜厚ｄ１だけで決まる。
【００４４】
界面０（空気／ＳｉＯ２界面）と界面１（ＳｉＯ２／Ａｌ界面）での振幅反射率は、それぞれ、式（４）（５）で表される。
【数４】
【数５】
【００４５】
このとき、ＳｉＯ２層３３を１回透過する光の位相変化δは式（６）、振幅変化γは式７のように表される。
【数６】
【数７】
【００４６】
多重反射を考慮した膜構造全体の振幅反射率は、式（８）となる。
【数８】
反射率Ｒは振幅反射率の絶対値の自乗となるので、式（９）となる。
【数９】
【００４７】
従って、複素屈折率が既知であれば、反射率は波長λと膜厚ｄ１から計算することができる。可視光領域の４００〜６５０ｎｍにおける反射率を、ＳｉＯ２層３３の膜厚を変えて計算したものを図４に示す。図４においては、ＳｉＯ２層３３の膜厚を１００ｎｍ、３００ｎｍ、５００ｎｍ、７００ｎｍ、１０００ｎｍと変化させた場合のそれぞれの反射率の波長依存性について図示している。
【００４８】
そして、試料の測定反射率（測定データ）を求める。ここで、照明光の波長として、４０５ｎｍ、４８８ｎｍ、５１５ｎｍ、５４６ｎｍ、５７７ｎｍ、６３０ｎｍを選択したとする。干渉フィルター１２で、照明光の波長を切替え、それぞれの波長の照明光での同一視野の画像を取得する。そして、各波長での反射率を求める。反射率は、キャプチャーした画像の輝度値：Ｉｓａｍｐｌｅから求められる。なお、取得した画像の所定のエリアに関する輝度値の平均値を用いて反射率を求めてもよく、１画素のみの輝度値を用いて反射率を求めてもよい。
【００４９】
各波長の反射率を求めることにより、反射率の波長依存性が得られる。そして、各波長の測定反射率を、式（９）で求められる計算反射率に対して最小自乗法でｄ１をパラメータとして最小二乗法によりフィッティングさせることで、膜厚ｄ１を求めることができる。
【００５０】
なお、反射率を測定する場合は、測定に使用している光学系の特性や光源の特性を補正するために、反射率が既知である基準試料の反射率測定を行ってもよい。例えば、Ｓｉを基準とする場合は、各波長でＳｉの反射画像をキャプチャーする（カラーバランス、ゲインコントロール等は一定にする）。このＳｉの輝度値：ＩＳｉに対する相対値として、試料の反射率を計算し、さらに、Ｓｉの既知の反射率の波長依存性のデータ：ＲＳｉで補正を行う。従って、試料の反射率は式（１０）のように求められる。
【数１０】
【００５１】
ここで、具体的な膜厚の測定例について説明する。図５に示すように、石英基板上にアモルファスシリコン薄膜（ａ−Ｓｉ薄膜）を約２００ｎｍ形成した試料の、ａ−Ｓｉ薄膜の膜厚を測定する例について説明する。照明光の波長は、４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、５４６ｎｍ、５７７ｎｍ、６３０ｎｍの５種類の波長による測定を行った。基準試料にはＳｉウエハを用いた。
【００５２】
共焦点顕微鏡のゲイン調整を固定した状態で、Ｓｉウエハと試料について、同一の視野の画像を、波長を変えて取得した。その結果得られた画像を、図６に示す。図６中四角で囲んだエリアに関する輝度値の平均値を使い、式（１０）から反射率を求めた。
【００５３】
式（１０）から求めた測定反射率と、式（９）から求めた計算反射率をプロットしたものを図７に示す。図７に示す曲線は、膜厚ｄ１を１７０ｎｍ、１８０ｎｍ、１８３ｎｍ、１９０ｎｍと変化させた場合の、波長と反射率との関係をそれぞれ示す計算データである。また、図７中、黒四角が各波長での測定反射率を示している。
【００５４】
そして、最小二乗法により以下の式（１１）を用いて、測定値（Ｒｍ）と計算値（Ｒｃ）の残差（Σ）を各膜厚に対して計算した。
【数１１】
【００５５】
表１に、この各膜厚における残差の結果示す。
【表１】
【００５６】
残差Σが最小になる場合のｄ１をこの試料の測定エリアの膜厚とすることができる。従って、ここではｄ１＝１８３ｎｍと決定できる。５波長の測定でも±５ｎｍ程度で膜厚測定できると推定される。同様の方法で、画像の各画素に対して膜厚を求めることができるので、膜厚分布を表示することも原理的に可能である。
【００５７】
このように、共焦点顕微鏡を用いることにより、貫通穴３４のエッジからの散乱光やＳｉ基板３１上面からの反射光を除去し、穴底のＳｉＯ２層３３の膜厚を非接触・非破壊で短時間に測定できる。また、波長による反射強度の相対変化による計測であるため、反射光焦点位置の検出による膜厚測定では問題となっていた擬似焦点にも影響されない。
【００５８】
なお、共焦点顕微鏡を用いることにより、試料３０の表面で反射し、内部への透過率の低い照明波長を選択することにより、表面形状も独立に測定することができる。膜厚分布と表面形状分布を独立に測定することにより、基板表面形状（基板と膜の界面）を求めることができる。
【００５９】
また、膜厚が数μｍ以上あるような場合は、共焦点顕微鏡で合焦点位置の違いを検出できるので、焦点位置の読みとりにより従来どおり膜厚測定ができる。すなわち、本発明によれば、膜厚が１μｍ以下の場合には上述のように照明光の波長を切替えながら反射強度を測定することができ、膜厚が厚い場合には従来どおりの膜厚測定を切替えて行うことができる。さらに、表面に焦点深度を超える起伏がある場合でも、共焦点顕微鏡により全焦点画像を作成することにより、全表面の反射率を測定することができる。
【００６０】
なお、上述の例では、断続的に複数の波長について反射率を測定したが、連続的に波長を切替えるようにしてもよい。連続波長の光源を用いることにより、測定する波長を多数選択することができる。この場合、計算した反射データと測定データを完全に一致させる近似を使わずとも、連続したカーブが得られる場合は、反射率の極大や極小の位置を合わせる近似を行う一般的な方法で膜厚を算出できる。すなわち、連続波長による方法を使う場合は、ピーク波長だけを使って膜厚計算できるので、反射率既知の基準試料で正確に補正する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】実施の形態に係る膜厚測定装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】実施の形態に係る試料の構成を模式的に示す図である。
【図３】試料に光が入射したときの、各界面での光の反射及び透過の状態を示す図である。
【図４】ＳｉＯ２層の膜厚を変えて、可視光領域の４００〜６５０ｎｍにおける反射率を計算した結果を示す図である。
【図５】実施例に係る試料の構成を模式的に示す図である。
【図６】実施例に係る試料について、波長を変えて取得した同一の視野の画像を示す図である。
【図７】測定反射率と、計算反射率をプロットしたグラフである。
【図８】積層型３次元半導体装置の貫通電極の製造工程を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６２】
１１ 光源
１２ 干渉フィルター
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ レンズ
１４ スリット
１５ ビームスプリッタ
１６ 振動ミラー
１７ 対物レンズ
１８ ステージ
１９ 光検出器
２０ 処理装置
３０ 試料
３１ Ｓｉ基板
３２ Ａｌ層
３３ ＳｉＯ２層
３４ 貫通穴
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料上に設けられている薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、
少なくとも第１波長の照明光と第２波長の照明光とを切替可能な光源部と、
前記試料で反射した反射光を検出して、前記試料の所定の領域における画像を取得する光検出器と、
前記光源部からの照明光を前記試料まで導くとともに、前記試料からの前記反射光を前記光検出器まで導く共焦点光学系と、
前記薄膜の膜厚を算出するために、前記第１波長の光による第１画像と、前記第２波長の光による第２画像とに基づいて、前記第１波長及び第２波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求める処理部と、を備え、
前記処理部は、波長と反射率との関係が前記薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記薄膜の膜厚を近似して算出する膜厚測定装置。
【請求項２】
前記処理部は、前記測定データと前記計算データから、最小二乗法により前記薄膜の膜厚を算出する請求項１に記載の膜厚測定装置。
【請求項３】
前記試料は、前記薄膜が底面に形成された貫通穴を備え、
前記処理部は、前記第１画像及び前記第２画像の前記貫通穴に対応する領域の反射率の測定データを求める請求項１又は２に記載の膜厚測定装置。
【請求項４】
前記光源部は、水銀キセノンランプを含み、前記水銀キセノンランプの輝線に対応する波長の光を出射する請求項１〜３のいずれか１項に記載の膜厚測定装置。
【請求項５】
前記光源部は、連続光を出射する請求項１〜３のいずれか１項に記載の膜厚測定装置。
【請求項６】
前記第１波長の照明光から前記第２波長第２波長の照明光へと切替える際に、前記試料上における焦点高さを調整する焦点高さ調整手段をさらに備える請求項１〜５のいずれか１項に記載の膜厚測定装置。
【請求項７】
試料上に設けられている薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
共焦点光学系を介して、前記試料に第１波長の照明光と第２波長の照明光とを切替えて照射し、
前記試料で反射した反射光を、前記共焦点光学系を介して検出して、前記第１波長の光による第１画像と、前記第２波長の光による第２画像とを取得し、
前記薄膜の膜厚を算出するために、前記第１画像と前記第２画像とに基づいて、前記第１波長及び第２波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求め、
波長と反射率との関係が前記薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記薄膜の膜厚を近似して算出する膜厚測定方法。
【請求項８】
前記測定データと前記計算データから、最小二乗法により前記薄膜の膜厚を算出する請求項７に記載の膜厚測定方法。
【請求項９】
前記試料は、前記薄膜が底面に形成された貫通穴を備え、
前記第１画像及び前記第２画像の前記貫通穴に対応する領域の反射率の測定データを求める請求項７又は８に記載の膜厚測定方法。
【請求項１０】
前記第１波長の照明光から前記第２波長の照明光へと切替える際に、前記試料上における焦点高さを調整する請求項７〜９のいずれか１項に記載の膜厚測定方法。
【請求項１】
試料上に設けられている薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、
少なくとも第１波長の照明光と第２波長の照明光とを切替可能な光源部と、
前記試料で反射した反射光を検出して、前記試料の所定の領域における画像を取得する光検出器と、
前記光源部からの照明光を前記試料まで導くとともに、前記試料からの前記反射光を前記光検出器まで導く共焦点光学系と、
前記薄膜の膜厚を算出するために、前記第１波長の光による第１画像と、前記第２波長の光による第２画像とに基づいて、前記第１波長及び第２波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求める処理部と、を備え、
前記処理部は、波長と反射率との関係が前記薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記薄膜の膜厚を近似して算出する膜厚測定装置。
【請求項２】
前記処理部は、前記測定データと前記計算データから、最小二乗法により前記薄膜の膜厚を算出する請求項１に記載の膜厚測定装置。
【請求項３】
前記試料は、前記薄膜が底面に形成された貫通穴を備え、
前記処理部は、前記第１画像及び前記第２画像の前記貫通穴に対応する領域の反射率の測定データを求める請求項１又は２に記載の膜厚測定装置。
【請求項４】
前記光源部は、水銀キセノンランプを含み、前記水銀キセノンランプの輝線に対応する波長の光を出射する請求項１〜３のいずれか１項に記載の膜厚測定装置。
【請求項５】
前記光源部は、連続光を出射する請求項１〜３のいずれか１項に記載の膜厚測定装置。
【請求項６】
前記第１波長の照明光から前記第２波長第２波長の照明光へと切替える際に、前記試料上における焦点高さを調整する焦点高さ調整手段をさらに備える請求項１〜５のいずれか１項に記載の膜厚測定装置。
【請求項７】
試料上に設けられている薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、
共焦点光学系を介して、前記試料に第１波長の照明光と第２波長の照明光とを切替えて照射し、
前記試料で反射した反射光を、前記共焦点光学系を介して検出して、前記第１波長の光による第１画像と、前記第２波長の光による第２画像とを取得し、
前記薄膜の膜厚を算出するために、前記第１画像と前記第２画像とに基づいて、前記第１波長及び第２波長に対する反射率の測定データをそれぞれ求め、
波長と反射率との関係が前記薄膜の膜厚毎にそれぞれ示されている計算データを参照して、前記測定データから前記薄膜の膜厚を近似して算出する膜厚測定方法。
【請求項８】
前記測定データと前記計算データから、最小二乗法により前記薄膜の膜厚を算出する請求項７に記載の膜厚測定方法。
【請求項９】
前記試料は、前記薄膜が底面に形成された貫通穴を備え、
前記第１画像及び前記第２画像の前記貫通穴に対応する領域の反射率の測定データを求める請求項７又は８に記載の膜厚測定方法。
【請求項１０】
前記第１波長の照明光から前記第２波長の照明光へと切替える際に、前記試料上における焦点高さを調整する請求項７〜９のいずれか１項に記載の膜厚測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−２０４３１３（Ｐ２００９−２０４３１３Ａ）
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４３９１９（Ｐ２００８−４３９１９）
【出願日】平成２０年２月２６日（２００８．２．２６）
【出願人】（０００１１５９０２）レーザーテック株式会社 (184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２６日（２００８．２．２６）
【出願人】（０００１１５９０２）レーザーテック株式会社 (184)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]