酸化膜厚の測定方法

【課題】基板上に形成された薄い酸化膜の膜厚を、二次イオン質量分析法により、より簡便且つ正確に測定する。
【解決手段】既知の膜厚を有する酸化膜に一次イオンを照射することでスパッタリングしつつ放射される二次イオンの検出強度の最大値を取得して膜厚と二次イオンの検出最大値との関係を示す検量線を作製し、次いで、未知の膜厚を有する同一酸化膜に対して同様に二次イオンの検出最大値を取得し、その値を先の検量線に外挿することによって膜厚に換算することにより未知の膜厚を得る。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に形成された酸化膜の膜厚の測定方法に関し、特に微細な半導体装置を形成するためなどに用いられる薄い酸化膜の膜厚を測定するための方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
基板上に形成されている薄膜の膜厚を測定する手段として、従来より、用途に応じて幾つかの方法が用いられてきた。例えば、ｐ−偏光とｓ−偏光の光に対する反射率の絶対値の比と位相変化の比から薄膜の膜厚と屈折率を評価する方法であるエリプソメトリ、膜の断面を直接的に観察する透過型電子顕微鏡観察、平行化された高速Heイオンを試料に照射して後方に散乱されるHeのエネルギ及び強度を測定することによって試料表面の構成元素・組成・結晶性などの情報を得るラザフォード後方散乱分析法、固体表面に電子線を照射しオージェ遷移により放出される電子の運動エネルギを測定して試料を構成する元素の同定・定量を行うオージェ電子分光分析法、また試料表面に一次イオンを照射した際に生じるスパッタリング現象により発生する二次イオンを質量分析計により質量分離を行い試料の構成元素の定性・定量を行う二次イオン質量分析法などといった測定法が用いられてきた。
【０００３】
上記のオージェ電子分光分析法と二次イオン質量分析法では、測定対象の膜をスパッタリングしながら新たに表出した表面の構成元素からの信号を取り込み、これらの信号強度が半分となるスパッタ時間において界面に達したと判断する。測定対象の膜と同一組成で、膜厚が既知である膜を測定してスパッタリングレートを求めておけば、測定対象の膜のスパッタ時間から膜厚を算出できる。
【０００４】
二次イオン質量分析法を用いる場合は、この分析法自体が試料表面に励起用の一次イオンビームを照射し、表面からスパッタされる二次イオンを質量分離してその組成を分析するという手法であるため、二次イオン質量分析装置自体で、スパッタリングを実施しつつ、スパッタ後の表出表面の組成評価を一連の測定で行うことができる。この一連の測定のなかで、例えば、基板上に形成された測定対象の膜の構成元素から発生する二次イオンの強度が検出されなくなり（あるいは、例えば相対的に減少し）、下地基板のそれが現れてくるといった組成検出変化点で、測定（スパッタリング）を止め、例えば、試料を装置外部にとり出し、試料表面に形成されたクレータの深さを測定して膜の膜厚を知ることができる。
【０００５】
またこの測定手法を、同一測定（スパッタリング）条件下で、同一組成で厚さが既知の膜を標準試料として測定し、この膜のスパッタリングレートを調査しておけば、組成検出変化点までのスパッタリング時間から同じ組成膜の未知の試料の膜厚が求められる。
【０００６】
さらに、一次のイオンビームによりスパッタされた粒子を検出する手段と二次イオンを検出する手段をそれぞれ設け、二次イオン検出手段から組成検出変化点を検出し、スパッタ粒子検出手段からの値から予め求めておいたスパッタリングレートを認知し、これからクレータの深さ（すなわち膜厚）を求めるといった方法も提案されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開平６−６１１８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、半導体装置の形成プロセスなどにおいて、薄い酸化膜が多層に形成されたとき、その各膜厚を評価する場合などを考えると、上記の現在広く使われている手法にはそれぞれ以下に述べるような課題がある。
【０００８】
すなわち、エリプソメトリでは、基本的に、最表面に位置する膜の測定に限られること、透過型電子顕微鏡観察では、観察試料の作製に高度な技術と時間を要すること、またラザフォード後方散乱分析法では、比較的長い解析時間を要する。オージェ電子分光分析法と二次イオン質量分析法では、先に述べたように、スパッタ時間を膜厚に換算するため、別試料で調査しておいた目的の膜のスパッタレートを未知試料の膜厚に換算する際、未知試料とそれに接する他の膜との境界の決め方がその膜厚の精度に影響を与えるため、対象膜の構成によっては、高精度な膜厚値を得ることが困難となる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、たとえ多層に形成された膜構成の内層にある薄膜であっても、それが酸化膜である場合には、その酸化膜の膜厚を比較的容易かつ精度良く測定することができる新たな酸化膜厚の測定法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の目的は、基板上に形成された酸化膜の表面にイオンビーム照射をしてスパッタエッチングを行い、該表面から放出される二次イオンの強度計測の結果をもとに、前記酸化膜の膜厚を求めることを特徴とする、酸化膜厚の測定方法を提供することにある。
【００１１】
また、前記の酸化膜厚の測定方法は、前記イオンビームはアルカリ金属イオンからなる単原子イオンビームあるいはアルカリ金属イオンからなる分子イオンビームであり、前記二次イオンは前記イオンビームの成分をなすアルカリ金属と前記酸化膜の成分をなす酸素との複合分子イオンであり、前記強度計測には質量分析器を用いることを特徴とする。
【００１２】
また、前記の酸化膜厚の測定方法は、前記二次イオンの前記強度計測値に関し、前記酸化膜の表面からの厚さ方向依存特性を取得し、該特性における最大強度計測値をもとに、前記酸化膜の膜厚を求めることを特徴とする。
【００１３】
さらに、前記の酸化膜厚の測定方法は、既知膜厚を有する標準酸化膜試料により、該既知膜厚と該標準酸化膜試料の前記最大強度計測値との相関を示す検量線を取得し、該検量線を用いて、測定対象酸化膜の前記最大強度計測値から該測定対象酸化膜の膜厚への数値換算を行うことを特徴とする。
【００１４】
そして、前記の酸化膜厚の測定方法は、前記酸化膜は、前記基板上に形成された多層薄膜を構成する任意の酸化膜であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の酸化膜厚の測定方法は、通常用いられる二次イオン質量分析装置をそのまま適用することが可能で、特別な装置構成を必要としないといった特徴がある。これによって、予め膜厚がわかっている幾つかの酸化膜試料を用いて、一次イオンと酸化膜の酸素と結合した二次イオンのスパッタリング時間、すなわち深さ（厚さ）方向に対する二次イオン強度のプロファイルを取得し、プロファイル中の最大強度値を取得し、取得した最大強度値と既知膜厚との検量線を作製する。その後、未知の膜厚の試料を用いて同様に一次イオンと酸化膜の酸素と結合した二次イオンのピーク強度値を求め、この値を先に求めておいた検量線に外挿して未知の膜厚を求めるといった、比較的簡単な方法で、かつ酸化膜の正確な膜厚を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施の形態を、添付図を参照しつつ説明する。
【００１７】
図１に本願発明の測定装置の模式的な構成図を示す。本測定装置は、基本的に、通常用いられる二次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ、Secondary Ion Mass Spectrometer)を用いる。試料１は、Ｓｉ基板からなる基板２の表面に、測定対象である、ＣＭＯＳデバイスのゲート絶縁膜として用いられる酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）からなる酸化膜３を形成したものを用いた。本装置の真空度は、例えば６×１０-11Ｔｏｒｒとし、一次イオンを発生するイオンガン４からＣｓ（セシウム）の一次イオン５を、例えば、加速エネルギ５００ｋｅＶ、入射角７５度（法線からの角度）、電流量２０ｎＡ、照射面積５００μｍ□にて、試料１表面に照射する。この一次のＣｓイオン４のスパッタリング効果により試料１の酸化膜３（ＳｉＯＮ膜）から放出される二次イオン７をアナライザ（質量分析器）８で質量分析を行って、二次イオンとして放射される各単原子イオンや分子イオンを検出する。アナライザ（質量分析器）８は四重収束型を用いたが、セクタ型、あるいは飛行時間型を用いることも可能である。
【００１８】
検出した二次イオンの強度は、通常スパッタリング時間に対応した変化としてプロファイルに表現される。図２に、酸化膜（ＳｉＯＮ膜）３のそれぞれ膜厚を変えて測定したプロファイルを示す。縦軸は、図中のＯで示したものがＯＣｓ⁺イオンの二次イオン強度を、図中のＳｉで示したものがＳｉＣｓ⁺イオンの二次イオン強度であって、Ｎ濃度を図中のＮで示す。横軸は、別途、エリプソメトリで取得した膜厚を用いてスパッタ時間を深さに換算して表記している。
【００１９】
図２（ａ）は、エリプソメトリで測定した酸化膜（ＳｉＯＮ膜）の膜厚が１．７０２８ｎｍの、図２（ｂ）は膜厚が２．０５９４ｎｍ、図２（ｃ）は膜厚が３．０００ｎｍの試料の測定プロファイルを示す。
【００２０】
各酸化膜厚におけるＯＣｓ⁺二次イオン強度プロファイルを比較すると、酸窒化膜の膜厚の増加に伴って増加している。図３に、エリプソメトリで決定しておいた各試料の膜厚とそれぞれのＯＣｓ⁺二次イオン強度の最大値との関係を図中の○で示し、その測定値から得られる、検量線となる回帰曲線（直線）を同時に示す。本図から明らかのように、各測定値は良い直線関係にあることがわかり、この測定結果の場合、回帰曲線（直線）は、ｙ＝２１４７７+４８１２．７ｘとすることができ、ｙはＯＣｓ^＋二次イオン強度（counts/sec）、ｘは未知の酸化膜の膜厚（ｎｍ）を示す。このときの線形相関係数Ｒ＝０．９９１３４であって、本回帰曲線（直線）は、実験結果と良い相関を示している。この結果、未知膜厚を有する試料のＯＣｓ⁺二次イオン強度の最大値を求め、その最大値を先に取得した回帰直線に外挿することにより、その未知膜厚を知ることが可能となる。
【００２１】
上記の実験結果で示した二次イオンの強度は、一次イオンの電流量や一次イオンビームの集束程度などによって変化する。測定条件を変えた場合には、改めて膜厚がエリプソメトリなどの方法によって得られた既知の酸化膜試料を数種類用意して同様の測定をし、個々の試料のＯＣｓ⁺二次イオン強度の最大値を求めて、酸化膜厚とＯＣｓ⁺二次イオン強度の最大値との検量線を作製し、この検量線を用いて、同様測定条件下で得た未知試料の酸化膜の膜厚を求めることができる。
【００２２】
以上の実験結果は、酸化膜中の酸素とアルカリ金属のスパッタイオンとが複合分子二次イオンとして放出され、この二次イオン強度プロファイルのピーク値はその酸化膜の膜厚とリニアな相関を有していることを示している。このような関係が生じる理由に関しては、通常二次イオンの発生強度は表面の仕事関数によって決定されるが、薄い酸化膜の場合、膜厚によって表面の仕事関数が異なると考えられることから、発生する二次イオン強度が膜厚依存するものと思われる。酸化膜が厚くなるに従い表面の仕事関数が膜厚に左右されず一定になり、更に絶縁物であるため帯電が起こって酸化膜表面の二次イオン発生のバランスが崩れるために、上記のような関係を維持できなくなる。このため本方法で測定できる酸化膜の膜厚は、およそ１０ｎｍ程度以下であると考えられる。
【００２３】
上記の実施例では、一次イオンビームとしてＣｓイオンを用いたが、同様な事象は、Ｌｉ（リチウム）をはじめとする他のアルカリ金属イオン、例えばＮａ（ナトリウム）、Ｋ（カリウム）、Ｒｂ（ルビジウム）、Ｆｒ（フランシウム）などのイオンを用いた場合でも、酸化膜中の酸素との二次分子イオンの発生が見込まれ、上記の本発明の測定方法を適用することが可能である。
【００２４】
また、上記の実施例では、Ｓｉ基板上の酸窒化膜を用いて行ったが、基板、酸化膜ともにこれに限られるものではない。
【００２５】
さらに、上記の実施例では、基板の表面に形成された酸化膜に関してその膜厚を測定する例について説明したが、基板上に形成された異なる組成を有する多層薄膜中にある酸化膜の膜厚測定についても適用可能である。この場合、予め表面層として形成された既知膜厚の酸化膜を用いて検量線を取得し、本測定装置（二次イオン質量分析装置）でスパッタリングを行って他の組成の上層膜を除去して未知の膜厚を有する対象酸化膜を露出することは一連の測定手順で容易に行える。このように対象酸化膜表面の露出後、本発明の方法で、この膜厚を取得済みの検量線を用いて測定することができる。
【００２６】
また、組成や構成元素が異なる酸化膜が積層している場合（例えば、組成が異なる積層例としてはＳｉＯとＳｉＯ2、また構成元素が異なる積層例としてはＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3などが挙げられる。）では、予め各組成の酸化膜の検量線を取得しておけば、スパッタリングを行いながら、順次、各膜での二次イオンの最大値を求めることで、連続的な一連の測定手順によって各膜の膜厚に換算することが可能となる。このときは、それぞれの酸化膜の境界位置を決定するための深さ測定分解能の考慮やスパッタリングの停止位置などの問題の考慮は不要となる。
【００２７】
本測定法は、特に二次イオン質量分析法によって膜厚を測定したい場合に効果を発揮する。先述のように、二次イオン質量分析法を用いて従来手法で膜厚を算出するためには、目的とする膜をすべてスパッタして検出される二次イオンの総量を測定するか、スパッタによって形成されるクレータの深さを測定するなどの必要があったが、本方法では、スパッタリングを行いつつ目的とする酸化膜中での二次イオン強度のプロファイルを取得し、二次イオン強度の最大値を調査しておけば、その酸化膜の膜厚に変換することが非常に容易となる。
【００２８】
以上の実施例を含む実施の形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【００２９】
（付記１）基板上に形成された酸化膜の表面にイオンビーム照射をしてスパッタエッチングを行い、該表面から放出される二次イオンの強度計測の結果をもとに、前記酸化膜の膜厚を求めることを特徴とする、酸化膜厚の測定方法。
【００３０】
（付記２）前記イオンビームはアルカリ金属イオンからなる単原子イオンビームあるいはアルカリ金属イオンからなる分子イオンビームであり、前記二次イオンは前記イオンビームの成分をなすアルカリ金属と前記酸化膜の成分をなす酸素との複合分子イオンであり、前記強度計測には質量分析器を用いることを特徴とする、付記１記載の酸化膜厚の測定方法。
【００３１】
（付記３）前記二次イオンの前記強度計測値に関し、前記酸化膜の表面からの厚さ方向依存特性を取得し、該特性における最大強度計測値をもとに、前記酸化膜の膜厚を求めることを特徴とする、付記１または２記載の酸化膜厚の測定方法。
【００３２】
（付記４）既知膜厚を有する標準酸化膜試料により、該既知膜厚と該標準酸化膜試料の前記最大強度計測値との相関を示す検量線を取得し、該検量線を用いて、測定対象酸化膜の前記最大強度計測値から該測定対象酸化膜の膜厚への数値換算を行うことを特徴とする、付記３記載の酸化膜厚の測定方法。
【００３３】
（付記５）前記酸化膜は、前記基板上に形成された多層薄膜を構成する任意の酸化膜であることを特徴とする、付記１記載の酸化膜厚の測定方法。
【００３４】
（追記６）前記イオンビームは、セシウムイオン（Ｃｓ⁺）であり、前記二次イオンは、酸素―セシウム複合分子イオン（ＯＣｓ⁺）であることを特徴とする、追記２記載の酸化膜厚の測定方法。
【００３５】
（追記７）前記酸化膜は、シリコン酸化膜またはアルミニウム酸化膜であることを特徴とする、追記６記載の酸化膜厚の測定方法。
【００３６】
（追記８）前記質量分析器は、四重収束型、セクタ型あるいは飛行時間型であることを特徴とする、追記２記載の酸化膜厚の測定方法。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の測定方法の、測定用装置構成図
【図２】本発明の測定方法を説明するための、測定結果を示す図
【図３】本発明の測定方法を説明するための、二次イオン強度と酸化膜厚の関係を示す図
【符号の説明】
【００３８】
１試料
２基板
３薄膜（酸化膜）
４イオンガン
５一次イオン
６二次イオン
７アナライザ（質量分析器）

【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された酸化膜の表面にイオンビーム照射をしてスパッタエッチングを行い、該表面から放出される二次イオンの強度計測の結果をもとに、前記酸化膜の膜厚を求めることを特徴とする、酸化膜厚の測定方法。
【請求項２】
前記イオンビームはアルカリ金属イオンからなる単原子イオンビームあるいはアルカリ金属イオンからなる分子イオンビームであり、前記二次イオンは前記イオンビームの成分をなすアルカリ金属と前記酸化膜の成分をなす酸素との複合分子イオンであり、前記強度計測には質量分析器を用いることを特徴とする、請求項１記載の酸化膜厚の測定方法。
【請求項３】
前記二次イオンの前記強度計測値に関し、前記酸化膜の表面からの厚さ方向依存特性を取得し、該特性における最大強度計測値をもとに、前記酸化膜の膜厚を求めることを特徴とする、請求項１または２記載の酸化膜厚の測定方法。
【請求項４】
既知膜厚を有する標準酸化膜試料により、該既知膜厚と該標準酸化膜試料の前記最大強度計測値との相関を示す検量線を取得し、該検量線を用いて、測定対象酸化膜の前記最大強度計測値から該測定対象酸化膜の膜厚への数値換算を行うことを特徴とする、請求項３記載の酸化膜厚の測定方法。
【請求項５】
前記酸化膜は、前記基板上に形成された多層薄膜を構成する任意の酸化膜であることを特徴とする、請求項１記載の酸化膜厚の測定方法。

【図１】