JPH04137644A - 膜厚測定方法及び膜厚測定装置 - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭと略記する）
を利用して、基板上の薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方
法及び膜厚測定装置に関する。

（従来の技術） マイクロエレクトロニクスの分野において、絶縁性の薄
膜の果たす役割は極めて大きく、またその膜厚は益々薄
くなっている。特に、メモリに応用される絶縁膜は、メ
モリの高集積化に伴いその膜厚が非常に薄くなっており
、数ｎｒｉ程度の酸化膜も実用化されている。

このような絶縁性薄膜の実用上の大きな問題点の１つは
、膜厚の不均一性である。局所的に膜厚が薄くなってい
ると、絶縁膜に電圧を印加した際にその箇所でリーク電
流が流れ、絶縁膜として実用的には役立たなくなる。従
って、絶縁性薄膜の実用化には、その薄膜の膜厚の均一
性の評価が不可欠である。もしも、下地の表面の平坦性
が予め保障されていれば、その上に付けた絶縁膜の厚さ
の不均一性は、膜の表面の凹凸となって表われる。この
ような場合には、電子顕微鏡法による表面観察により膜
厚の均一性を評価することができる。

しかし、ナノメートル領域の薄膜の評価においては、下
地の表面の平坦性として数ｎＩＩ＋以下が要求されるこ
とになり、このような下地の作製は必ずしも容易なこと
ではない。実用に供されている下地は、ｎｓの凹凸を有
していることが多く、このような下地の場合には、下地
表面の凹凸によっても膜厚が不均一となる。つまり、薄
膜の表面が平坦であっても、下地の凸の部分では膜厚は
薄くなっている。このような絶縁膜と下地との界面の凹
凸による膜厚の不均一性を、膜表面の観察によって評価
することは極めて困難である。

膜厚の不均一性の評価のもう１つの難点は、局所的な不
均一性を評価しなければならないことにある。膜厚か薄
くなるに従って、電流リークの起きる領域の大きさも小
さくなってきており、ナノメートル領域の絶縁膜の場合
には、膜厚の不均一性についても数ｎ■の空間分解能で
評価することが要求されている。エリプソメトリ−を始
めとする既存の膜厚測定手段は、膜厚について数人の精
度を存しているが、空間的な分解能については上記の要
求を満たすことができない。

ところで、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ　Ｆｏｒｃｅ
Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　：　Ａ　Ｆ　Ｍ　）は、最近開
発された新型の走査顕微鏡で、物質量に働く力により表
面の二次元的な観察像を形成する。走査型トンネル顕微
鏡（ＳＴＭ）と異なり、電気伝導性のない材料表面や有
機分子が六ツメートルスケールで観察できることから、
広範な応用が期待されている。

ＡＦＭは第５図に示すように、先端曲率半径の小さな探
針をもつ板バネ状のカンチレバ一部（カー変位トランス
デユーサ系）と、このレバーの曲がりを測定する系（変
位測定系）から構成される。一般に、無極性の物質表面
間には、遠距離で分散力による微弱な引力（〜１Ｏ−９
Ｎ中性原子間に働く引力の典型的な大きさ）が働き、近
距離では斥力か働く。レバーの曲かりは作用する力に比
例するため、この曲がりを測定することによって、探針
先端とこれに数ｎ１１以内に近接する試料表面間に働く
この微弱で局所的な力を検出することが可能となる。さ
らに、試料を走査することにより、試料表面の力の二次
元的情報が得られる。ＳＴＭと同様にして、この力（即
ちレバーの曲がり）を一定にするように試料の位置を制
御しながら、試料を走査することで、表面の微視的形状
もまた知ることができる。

実際の力の検出部は、微細な金属箔（線）や５ｉｎ２膜
やＳｉ、Ｎ４膜を用いた薄膜状のカンチレバーが使用さ
れている。変位の検出感度を０．ｌｒｖとすると、１Ｏ
−９Ｎの力の検出が可能なためには弾性定数は１０　Ｎ
／ｍ以下の柔らかいバネでなければならない。しかしな
がら同時に、走査系の掃引周波数と防振の点からレバー
の共振周波数を低くすることはできない。この−見相反
する条件を満足させるにはレバーを極力小さく作る必要
がある。−例として、第６図に示すように、Ｖ型のＡＦ
Ｍ用レバーが開発されている。

変位測定系はサブナノメートルの分解能をもつ必要があ
り、第７図に示すように、カンチレバーの探針取付は側
と反対面に斜め方向から光を照射し、その反射光を光検
出器により検出する、いわゆる光てこ法が良く用いられ
ている。

上述したＡＦＭであれば、基板上に形成された絶縁膜の
表面形状を水平及び垂直測定分解能とも堆積度で求める
ことができる。しかしながら、ＡＦＭを用いても、基板
上に形成された絶縁薄膜の厚さを直接求めることはでき
ない。

（発明が解決しようとする課題） このように従来、基板上に形成された薄膜の膜厚分布を
高分解能で測定することは困難であった。また、ＡＦＭ
を用いると、薄膜の表面形状を水平及び垂直測定分解能
とも入程度で求めることができるが、この場合も基板上
に形成された薄膜の厚さを直接求めることはできない。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、探針を用いて基板上の薄膜の厚さを
直接求めることができ、薄膜の厚さを高分解能で測定す
ることのできる膜厚測定方法及びこれを実施するための
薄膜測定装置を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、ＡＦＭやＳＴＭ等の探針を基板表面に
近接させて基板表面の凹凸を測定すると共に、薄膜を一
部除去してその段差を測定することにある。

即ち本発明は、基板表面に形成された薄膜の膜厚を測定
する膜厚測定方法において、基板上の薄膜を選択的に除
去したのち、薄膜の除去された領域と該薄膜の除去され
ていない領域との境界をＡＦＭやＳＴＭの探針の走査領
域内にセットし、次いで探針を基板表面に近接させた状
態で該探針を走査して、境界における段差を計測するよ
うにした方法である。

また本発明は、上記方法を実施するための膜厚測定装置
において、基板表面に探針を近接させ、これらの間に働
く原子間力を利用して基板表面の凹凸を検出するＡＦＭ
と、基板上に形成された薄膜を選択的に除去するマイク
ロインジェクタ等の手段とを具備したものであり、薄膜
の除去された領域と該薄膜の除去されていない領域との
段差を検出して前記薄膜の膜厚を測定することを特徴と
している。

（作用） 本発明によれば、基板上の薄膜のみを選択的に取り除き
、例えば顕微鏡を用いて薄膜の取り除かれた領域と薄膜
の残る領域との境界付近にＡＦＭカンチレバーの探針を
位置決めすることにより、境界における段差の高さを測
定することができる。ここで、段差は薄膜の膜厚に等し
いものであるから、結果として基板上の薄膜の厚さを求
めることが可能となる。また、基板を切断してその断面
を観察する破壊検査とは異なり、薄膜の一部を除去する
だけで膜厚測定ができるので、薄膜を除去する部分を素
子に影響を及ぼさない領域とすれば非破壊検査が可能と
なる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、本発明の第１の実施例に係わる膜厚測定装置
を示す概略構成図である。試料らは、例えばシリコン基
板等の下地２と、この上に形成され５ｉｎ２等の絶縁膜
３からなる。試料５は、試料５の表面に平行な方向（Ｘ
、Ｙ方向）及び試料５の表面に垂直な方向（Ｚ方向）に
変位する微動用の圧電アクチュエータ１０上に載置され
、このアクチュエータ１０はｘ、ｙ、ｚ方向に変位する
粗動用の圧電アクチュエータｌｌ上に固定され、さらに
アクチュエータ１１は基台２８上に設置されている。そ
して、これらのアクチュエータ１０．１１は、アクチュ
エータ制御回路１２により駆動される。制御回路１２に
は、コンピュータ１６からＤＡ変換器１７を介して制御
信号Ｘ、Ｙが入力されると共に、後述するフィードバッ
クコントローラ１８から制御信号Ｚが入力される。

試料５の表面を走査する電解研磨されたタングステン探
針１は、カンチレバー６の先に取付けられており、カン
チレバー６の背面にはミラー７が取付けられている。半
導体レーザ８からのレーザ光はミラー７によって反射さ
れ、位置敏感検出器（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　５ｅｎｓ１ｔ
ｉｖｅ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ）　９によって検知される。

ここで、レーザ８．ミラー７及び検出器９は光でこを形
成しており、カンチレバー６の変位は、この先てこによ
って測定される。そして、光てこによって測定された信
号は、フィードバックコントローラ１８に供給され、前
記アクチュエータ制御回路１２に供給されると共に、Ａ
Ｄ変換器１５を介してコンピユータ１６に供給されてい
る。

カンチレバー６は移動台２０に載置されている。さらに
、カンチレバー６は調整ねじ２１によって、探針１と試
料５が接近又は離散する方向に移動可能（傾けられるよ
うに）なっている。

移動台２０は基台２８に対して、例えばころかり軸受３
３で移動可能に支持されている。移動台２０の移動は基
台２８に固定された、例えばマイクロメータヘッド２２
によって行われる。

この場合、マイクロメータヘッド２２と移動台２０との
間でのガダをなくすため、移動台はバネ２３によって基
台方向に引張力が加えられている。

一方、前記移動台２０と対向する側には第２の移動台２
０′が設けられている。移動台２゜の駆動方法は第１の
移動台２０と同様のため、同一箇所には同一番号を付し
てその説明は省略する。第２の移動台２０′上にはマイ
クロインジェクタ２４が取付けられている。マイクロイ
ンジェクタ２４も同様に調整ねし２１′によって上下方
向に移動可能に取付けられている。マイクロインジェク
タ２４は、容器２６とピストン２７からなる本体、及び
注入針２５からなる。

容器２６には、基板２上の絶縁膜３のみを溶解させる液
体（絶縁膜がＳｉＯ２であればＨＦ溶液）が注入されて
いる。

なお、基台２８の上方には例えば実体顕微鏡２９が設け
られ、この顕微鏡２９により試料５の表面が高倍率で観
察できるようになっている。

次に、上記構成された本装置の作用について説明する。

まず、カンチレバー６の探針１と試料５とが十分に離れ
た状態で、カンチレバー６を第１の移動台２０を使って
後退させる。第２の移動台２０’をマイクロメータヘッ
ド２２′を回転させて前進させ、注入針２５を顕微鏡２
９の視野のほぼ中心まで運ぶ。調整ねし２１′を使って
注入針２５の先端を試料５の表面に近づける。

この操作は、試料表面に焦点を合せた顕微鏡２９で観察
することによって、注入針２５を接触させることなく容
易に行える。ピストン２７を押し先端から溶液を試料５
の表面上に垂らし絶縁膜３の一部を取り除く。この溶液
によって絶縁膜３が溶解する様子は、顕微鏡観察で容易
に知ることができる。従って、滴下する溶液の量は顕微
鏡観察によって適当に決めればよい。この様子を、第２
図（ａ）〜（ｃ）に示す。

次いで、注入針２５の先端を試料５から十分離した後、
マイクロメータヘッド２２′を逆回転させ第２の移動台
２０′を後退させる。マイクロメータヘッド２２を回転
させて第１の移動台２０を前進させ、カンチレバー探針
１を絶縁膜３が取り除かれた領域の縁の真上に位置決め
する。即ち、試料５を走査した時に絶縁膜３が取り除か
れた領域と絶縁膜３との両者が観察できるような位置に
探針１を位置決めする（試料５の走査範囲内に探針１を
位置決めする）。調整ねじ２１を使って、探針１の先端
を試料５の表面に近づける。さらに、粗動用圧電アクチ
ュエータ〕１を動かして、試料５を探針１に接近させる
。

探針１と絶縁膜３とが十分に（２〜３人）接近すると、
両者の間に働く斥力のためにカンチレバー６は変位し、
その変位は検出器９によって検出される。検出器９から
の信号はフィードバックコントローラ１８に入り、フィ
ードバックコントローラ１８はカンチレバー６の変位が
常に一定となるように圧電アクチュエータ１゜のＺ方向
の動きを制御する。この状態で、コンピュータ１６は、
圧電アクチュエータ１ｏを駆動して、試料５をＸ、Ｙ方
向に走査させる。この時、探針１は絶縁膜３から一定斥
力を受けるような軌跡に沿って、基板２と絶縁膜３に接
触（厳密には接触ではなく一定距離（数人）を維持）し
ながら動いてゆく。

従って、第３図に示すようなステップを境にして基板２
の表面と絶縁膜３の表面の形状を知ることができる。さ
らに、ステップ高さを求めれば平均的な絶縁膜３の厚さ
も知ることができる。

このように本実施例によれば、マイクロインジェクタ２
４により基板２上に形成された絶縁膜３を一部取り除き
、顕微鏡２９を用いて絶縁膜３の取り除かれた領域と絶
縁膜３の残る領域との境界付近にカンチレバー６の探針
１を位置決めし、圧電アクチュエータ１０により試料５
をＸ、Ｙ方向に走査させることにより、境界における段
差の高さを測定することができる。ここで、段差は薄膜
の膜厚に等しいものであるから、結果として基板２上の
絶縁膜３の厚さを求めることが可能となる。即ち、ＡＦ
Ｍを用いて基板２上の絶縁膜３の厚さを直接求めること
ができ、絶縁膜３の厚さを高分解能で測定することがで
きる。また、基板を切断する必要はなく、測定すべき部
分の絶縁膜３を一部を除去するだけでよいので、テスト
用の試料だけでなく実際の試料にも適用することができ
る。

第４図は本発明の第２の実施例を示す概略構成図である
。なお、第１図と同一部分には同一符号を付して、その
詳しい説明は省略する。この実施例が先に説明した第１
の実施例と異なる点は、カンチレバー６及びマイクロイ
ンジェクタ２４を移動する代わりに、試料５を移動する
構成としたことにある。

即ち、カンチレバー６とマイクロインジェクタ２４は、
各々調整ねし２１．２１’　によって上下動可能になっ
ているが、移動台ではなく基台２８に直接固定される。

なお、カンチレバー６の先端とマイクロインジェクタ２
４の先端は、顕微鏡２９の視野内に入るように近接して
いる。

一方、微動用及び粗動用圧電アクチュエータ１０．１１
は、駆動回路３２により駆動されるＸＹ子テーブル１上
に載置されており、これにより試料５は探針１に対して
直交する平面内を自由に移動することが可能となってい
る。

このように構成された本装置においては、まずＸＹ子テ
ーブル１を駆動回路３２で動かし、顕微鏡２９で膜厚を
観察したい場所を捜す。測定場所が決まったらＸＹ子テ
ーブル１を移動させ、マイクロインジェクタ２４の注入
針２５の先端下に観察場所を移動させる。そして、マイ
クロインジェクタ２４の注入針２５を下降させ、容器２
６内の液を滴下させ基板２上の絶縁膜３を一部溶解させ
る。次いで、ＸＹ子テーブル１を移動させ、探針１を絶
縁膜３が取り除かれた領域の縁の真上に位置決めする。

調整ねじ３１を使って探針の１先端を試料５の表面に近
づけ観察を行う。さらに、他の場所を観察したい場合に
は、上述した方法で試料位置を変えて行えばよい。

このように本実施例によれば、先の第１の実施例と同様
に基板２上の絶縁膜３の膜厚を測定することができるの
は勿論のこと、試料全面にわたって必要な箇所の膜厚を
測定することが可能となる。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。実施例では、片持ち梁タイプのカンチレバーを使
用し、光てこにより変位測定を行っているが、他のタイ
プのカンチレ１＜　−（力／変位変換器）及び他の方式
の変位測定方式を採用してもよい。但し、カンチレバー
としては力に対して１Ｏ−１ＯＮ程度の分解能を有する
ことが望ましい。変位方式の他の例としては、例えばカ
ンチレバーの上面のミラーに垂直にレーザ光を照射しそ
の反射光による干渉縞を検出するレーザ干渉計、カンチ
レバーの上面に電極を対向させこれらの間の静電容量を
検出する静電容量型検出器、又はカンチレバーの上方に
ＳＴＭの探針を配置しこれらの間のトンネル電流を測定
する方式等を用いることが可能である。

また、探針としては、先端が鋭利であればタングステン
以外の金属又は非金属探針を使用することもできる。さ
らに、絶縁膜については、５ｉｎ２以外の他の絶縁膜に
ついても適用することが可能である。また、本発明は絶
縁膜に限らず導電膜についても適用することが可能であ
る。即ち、基板上の薄膜だけを選択的に溶解することが
できれば、あらゆる薄膜に対して適用可能である。導電
膜に適用する場合、ＡＦＭの代わりにＳＴＭを用いるこ
とも可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範
囲で変形して実施することができる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、ＡＦＭやＳＴＭ等
の探針を基板表面に近接させて基板表面の凹凸を測定す
ると共に、薄膜を一部除去してその段差を測定すること
により、探針を用いて基板上の薄膜の厚さを直接水める
ことができ、薄膜の厚さを高分解能で測定することが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係わる膜厚測定装置を
示す概略構成図、第２図は基板上の薄膜を取り除く工程
を示す断面図、第３図は測定結果の一例を示す模式図、
第４図は本発明の第２の実施例を示す概略構成図、第５
図乃至第７図は従来技術を説明するためのもので、第５
図はＡＦＭの原理を示す図、第６図はカンチレバーの一
例を示す図、第７図は光てこ方式のレバー変位測定を示
す図である。 １・・・探針、２・・・基板、３・・・絶縁膜（薄膜）
、５・・・試料、６・・・カンチレバー　７・・・ミラ
ー８・・・半導体レーザ、９・・・検出器、１０・・・
微動用圧電アクチュエータ、１１・・・粗動用圧電アク
チュエータ、１６・・・コンピュータ、２０．２０’・
・・移動台、ｊｌ、２１’　・・・調整ねじ、 ２２．２２’　・・・マイクロメータヘッド、２３．２
３’　・・・バネ、 ２４・・・マイクロインジェクタ、 ２５・・・注入針、２８・・・基台、２９・・顕微鏡、
３１・・・ＸＹ子テーブル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に形成された薄膜を選択的に除去する工程
   と、前記薄膜の除去された領域と該薄膜の除去されてい
   ない領域との境界を探針の走査領域内にセットする工程
   と、前記探針を基板表面に近接させた状態で、前記探針
   と基板を基板表面と平行な方向に相対的に移動し、前記
   境界における段差を計測する工程とを含むことを特徴と
   する膜厚測定方法。
2. （２）基板表面に探針を近接させ、これらの間に働く原
   子間力を利用して基板表面の凹凸を検出する原子間力顕
   微鏡と、前記基板上に形成された薄膜を選択的に除去す
   る手段とを具備してなり、前記薄膜の除去された領域と
   該薄膜の除去されていない領域との段差を検出して前記
   薄膜の膜厚を測定することを特徴とする膜厚測定装置。