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JPH11211655A - Ellipsometry and measurement equipment - Google Patents

Ellipsometry and measurement equipment

Info

Publication number
JPH11211655A
JPH11211655A JP2262398A JP2262398A JPH11211655A JP H11211655 A JPH11211655 A JP H11211655A JP 2262398 A JP2262398 A JP 2262398A JP 2262398 A JP2262398 A JP 2262398A JP H11211655 A JPH11211655 A JP H11211655A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
refractive index
liquid
ellipsometry
film
ellipsometric
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2262398A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shunpei Miyajima
俊平 宮嶋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Steel Corp filed Critical Nippon Steel Corp
Priority to JP2262398A priority Critical patent/JPH11211655A/en
Publication of JPH11211655A publication Critical patent/JPH11211655A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 偏光解析法による薄膜の膜厚と屈折率の独立
決定の曖昧さを克服し、高い信頼性で膜構造を解析する
ことを可能にする。 【解決手段】 基板上に薄膜を堆積させた膜構造の膜厚
および屈折率あるいは組成を解析する偏光解析法におい
て、液体に測定試料全体を浸し、この液体の屈折率を連
続的に変化させながら偏光解析測定を行い、基板と入射
角度によって決まるブルースターエネルギー付近におけ
る液体中での偏光解析測定データのうちの偏光光波の位
相ずれの差異(Δ)の不連続的な変化を検知することに
よって薄膜の屈折率を決定する。
(57) [Summary] [PROBLEMS] To overcome the ambiguity of independent determination of the thickness and refractive index of a thin film by ellipsometry and to analyze a film structure with high reliability. SOLUTION: In the ellipsometry for analyzing the film thickness and the refractive index or composition of a film structure in which a thin film is deposited on a substrate, the entire measurement sample is immersed in a liquid, and the refractive index of the liquid is continuously changed. Performs ellipsometry measurements and detects discontinuous changes in the phase shift difference (Δ) of polarized light waves in the ellipsometry measurement data in liquid near the Brewster energy determined by the substrate and the incident angle. Is determined.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体、金属およ
びそれらの化合物の表面、極薄膜界面の解析において、
感度に優れた薄膜構造の評価方法およびその装置に関す
るものである。
The present invention relates to the analysis of surfaces of semiconductors, metals and their compounds, and interfaces of ultra-thin films.
The present invention relates to a method and apparatus for evaluating a thin film structure having excellent sensitivity.

【0002】[0002]

【従来の技術】基板上に極薄の絶縁膜を一層以上堆積さ
せた構造は、エレクトロニクスデバイス、装飾製品、金
属の表面処理等多くの分野で利用されている。各種金
属、半導体、絶縁体薄膜の成膜技術はこれらの製品の作
製上のキーテクノロジーである。とりわけ構造に関し
て、さらなる極薄膜化、微細化が求められる近年では、
極薄膜の厚さや屈折率、あるいは各薄膜間の界面が特性
に及ぼす影響がますます大きくなってきた。従って、よ
り緻密で欠陥の少ない界面を実現する技術、界面の電子
物性を制御する技術、そしてそのために界面の幾何学的
構造および電子構造をナノメートルレベルで調べる新し
い解析技術の確立が必須であることは広く認識されてい
る。
2. Description of the Related Art Structures in which one or more ultra-thin insulating films are deposited on a substrate are used in many fields such as electronic devices, decorative products, and metal surface treatments. The deposition technology of various metals, semiconductors and insulator thin films is a key technology in the production of these products. Especially in recent years, especially regarding the structure, further thinning and miniaturization are required,
The influence of the thickness and refractive index of the ultra-thin film, or the interface between the thin films on the characteristics has been increasing. Therefore, it is essential to establish a technology to realize a denser interface with less defects, a technology to control the electronic properties of the interface, and a new analysis technology to examine the geometrical and electronic structure of the interface at the nanometer level. That is widely recognized.

【0003】薄膜構造の厚さと屈折率、また混合状態や
界面での遷移層の状態の解析法として、従来から偏光解
析法(エリプソメトリー)が広く用いられてきた。これ
は、同方法が非接触で、光を用いるため試料へのダメー
ジがなく、また分析が迅速であるなどの他の手法にない
長所を備えているためである。また近年は入射光のエネ
ルギーを連続的に変えて測定できるいわゆる分光エリプ
ソメータが市販され、偏光解析法の精度は大幅に向上し
ている。
Ellipsometry (ellipsometry) has been widely used as a method for analyzing the thickness and refractive index of a thin film structure, as well as the state of a mixed layer and the state of a transition layer at an interface. This is because the method is non-contact, uses light, does not damage the sample, and has advantages such as rapid analysis that are not found in other methods. In recent years, a so-called spectroscopic ellipsometer capable of continuously changing the energy of incident light has been marketed, and the accuracy of the ellipsometry has been greatly improved.

【0004】しかし、通常の偏光解析法で膜の屈折率と
膜厚を解析する場合は膜厚が大きいほど精度が高く、逆
に言えば極薄膜構造の解析においてはしばしば、精度が
十分に得られない欠点があった。同様に通常の偏光解析
法では多層膜構造における各層間の光学定数の差異およ
び膜厚が大きいほど精度が高く、逆に言えば光学定数の
類似した極薄膜多層構造の解析においてはしばしば、精
度が十分に得られない欠点があった。
However, when analyzing the refractive index and the film thickness of a film by ordinary ellipsometry, the larger the film thickness, the higher the accuracy, and conversely, in the analysis of an ultra-thin film structure, sufficient accuracy is often obtained. There was an unfortunate disadvantage. Similarly, in the ordinary ellipsometry, the accuracy is higher as the difference in optical constant between the layers in the multilayer structure and the film thickness are larger, and conversely, the accuracy is often higher in the analysis of an ultrathin multilayer structure having similar optical constants. There was a disadvantage that it could not be obtained sufficiently.

【0005】より具体的に従来の欠点を説明すると、た
とえば珪素基板上に数十Å以下の膜厚の極薄の酸化珪素
膜が堆積した構造の場合、従来の偏光解析法では空気中
からこの膜構造中に入射した光が膜層を通過して基板上
で反射する。そして出射光が検知部に到達した際のp偏
光およびs偏光の光の量および光波の位相の変化を計測
し、その後計算によって膜厚と屈折率を知るものである
が、これでは正確な解析が困難であった。
More specifically, the conventional drawbacks will be described. For example, in the case of a structure in which an extremely thin silicon oxide film having a thickness of several tens of mm or less is deposited on a silicon substrate, the conventional ellipsometry uses this structure from the air. Light incident into the film structure passes through the film layer and is reflected on the substrate. Then, the amount of p-polarized light and s-polarized light when the emitted light reaches the detection unit and the change in the phase of the light wave are measured, and then the film thickness and the refractive index are known by calculation. Was difficult.

【0006】なぜならば、実測の偏光解析データに影響
する主な因子は、各層の物理的膜厚と屈折率との積(こ
の積はしばしば、光学的膜厚と呼ばれる)であり、膜厚
と屈折率を分離して測定することが難しいからである。
この困難を克服する手法として、近年開発された分光エ
リプソメータでは多くの波長での偏光解析データを測定
してパラメータの数を増やし、膜厚と屈折率の積でなく
両者それぞれの絶対値を決定することが原理的に可能と
なった。絶対膜厚か屈折率のいずれか一方を求めること
ができれば他方は容易に求まる。実際、分光エリプソメ
ータを用いれば数百Å程度以上の膜厚の膜については膜
厚と屈折率の両方を決定することは困難ではない。しか
し、数十Å以下の極薄膜については、膜を有する試料の
偏光解析データと基板の偏光解析データとの差が小さす
ぎるため、分光エリプソメータを用いても通常の解析法
では膜厚あるいは屈折率の絶対値を求めることは依然と
して困難である。
The main factor affecting the measured ellipsometric data is the product of the physical thickness of each layer and the refractive index (this product is often called the optical thickness). This is because it is difficult to separate and measure the refractive index.
To overcome this difficulty, recently developed spectroscopic ellipsometers measure ellipsometric data at many wavelengths, increase the number of parameters, and determine the absolute value of each, rather than the product of film thickness and refractive index. This became possible in principle. If one of the absolute film thickness and the refractive index can be obtained, the other can be easily obtained. Actually, it is not difficult to determine both the film thickness and the refractive index of a film having a film thickness of about several hundreds of mm or more using a spectroscopic ellipsometer. However, the difference between the ellipsometric data of the sample having the film and the ellipsometric data of the substrate is too small for an ultra-thin film of several tens of mm or less. It is still difficult to find the absolute value of.

【0007】この困難が現実に生じていることの裏付け
として、酸化珪素膜や窒化珪素膜の極薄膜を用いるDR
AM等のエレクトロニクスデバイスの研究開発において
は、膜厚を規定するのに物理的な厚さ(絶対的な長さの
次元)ではなく、電気容量の値を測定した後に膜の屈折
率を仮定して換算した膜厚(いわゆる換算膜厚)が共通
して用いられている実態があげられる。これは、このよ
うな極薄膜の絶対的膜厚あるいは屈折率が信頼性高く測
定し難いことの現れである。
[0007] In support of the fact that this difficulty actually occurs, a DR using an extremely thin silicon oxide film or silicon nitride film is used.
In the research and development of electronic devices such as AM, the refractive index of a film is assumed after measuring the value of the capacitance, not the physical thickness (dimension of the absolute length), to determine the film thickness. There is an actual situation in which the film thickness converted by the calculation (so-called converted film thickness) is commonly used. This indicates that it is difficult to measure the absolute film thickness or the refractive index of such an extremely thin film with high reliability.

【0008】ここで、実際の膜構造の屈折率が膜厚に関
わらず一定であれば問題は生じないが、最近の研究によ
れば膜厚が数十Å以下になると膜の屈折率は膜厚が厚い
場合やバルクの値と比べて時には数十%も大きくなるこ
とが報告されている。たとえば、K. J. Hebert, T. Lab
ayenおよびE. A. Irene(The Physics and Chemistryof
Si-SiO2 Interface-3, H. Z. Massoud, E. H. Poindext
er and C. R. Helms,Editors, Proc. Vol. 96-1, p. 81
-96, The Electrochemical Society,Pennington, NJ, 1
996) は、熱酸化法によって珪素基板上に作成した種々
の膜厚の酸化珪素膜の膜厚と屈折率をエリプソメトリー
とトンネル電流測定を組み合わせて解析した。光の波長
6328Åに対する屈折率が、膜厚300Åおよびそれ
以上では一定の1.465であるのに対して、膜厚50
Åでは1.865とおよそ27%も増加していることを
報告している。
[0008] Here, if the refractive index of the actual film structure is constant irrespective of the film thickness, no problem occurs, but according to recent research, when the film thickness becomes several tens of mm or less, the refractive index of the film becomes smaller. It has been reported that when the thickness is large or sometimes as large as several tens of percent compared to the bulk value. For example, KJ Hebert, T. Lab
ayen and EA Irene (The Physics and Chemistryof
Si-SiO2 Interface-3, HZ Massoud, EH Poindext
er and CR Helms, Editors, Proc.Vol. 96-1, p. 81
-96, The Electrochemical Society, Pennington, NJ, 1
996) analyzed the film thickness and refractive index of silicon oxide films of various thicknesses formed on a silicon substrate by a thermal oxidation method by combining ellipsometry and tunnel current measurement. The refractive index with respect to the wavelength of light 6328 ° is a constant 1.465 at a film thickness of 300 ° and above, while the film has a refractive index of 50 °.
Å reported 1.865, an increase of about 27%.

【0009】このように数十Å以下の膜厚の極薄膜では
実際に屈折率の大幅な変化が起こっており、これを無視
して屈折率を一定と仮定した換算膜厚では正しい膜厚が
得られないことがわかってきた。けれども従来の偏光解
析法では極薄膜の解析においては常に、膜厚と屈折率の
決定において曖昧さが生じていたのは前述した通りであ
り、従って極薄膜の膜厚と屈折率の絶対値のエリプソメ
トリーによる決定は困難であった。この困難は、酸化珪
素系のみならず、他の膜においても原理的に同様に問題
となるものである。
As described above, in the case of an extremely thin film having a thickness of several tens of mm or less, a significant change in the refractive index actually occurs. I know that I can't get it. However, as described above, in the conventional ellipsometry, ambiguity has always occurred in the determination of the film thickness and the refractive index in the analysis of the ultrathin film, as described above. Ellipsometric decisions were difficult. This difficulty is similar in principle to other films as well as silicon oxide.

【0010】また、たとえば珪素基板上に第1層として
窒化珪素膜が、さらにそのうえに第2層として酸化珪素
膜が堆積した構造の場合、従来の偏光解析法は空気中か
らこの多層膜構造中に入射した光が両層を通過して基板
上で反射する。出射光が検知部に到達した際のp偏光お
よびs偏光の光の量および光波の位相の変化を計測し、
その後計算によって各層の膜厚や屈折率を知るものであ
るが、これでは正確な解析が困難であった。
For example, in the case of a structure in which a silicon nitride film is deposited as a first layer on a silicon substrate and a silicon oxide film is further deposited as a second layer on the silicon substrate, the conventional ellipsometry analyzes the multilayer film structure from the air. The incident light passes through both layers and is reflected on the substrate. The amount of p-polarized light and s-polarized light when the emitted light reaches the detection unit and the change in the phase of the light wave are measured,
Thereafter, the thickness and the refractive index of each layer are known by calculation, but accurate analysis was difficult with this.

【0011】なぜならば、実測の偏光解析データに影響
する主な因子は各層の物理的膜厚と屈折率との積(この
積はしばしば、光学的膜厚と呼ばれる)であるが、酸化
珪素と窒化珪素の光学的性質が類似しているために、偏
光解析データには厚めの酸化珪素膜と薄めの窒化珪素膜
がほとんど同じく寄与して区別がつかない。従って各層
の膜厚が未知の場合には酸化珪素膜と窒化珪素膜を分離
して解析することが極めて困難だからである。
The main factor affecting the measured ellipsometric data is the product of the physical thickness of each layer and the refractive index (this product is often called the optical thickness). Since the optical properties of silicon nitride are similar, the thicker silicon oxide film and the thinner silicon nitride film contribute almost equally to the ellipsometric data and cannot be distinguished. Therefore, when the thickness of each layer is unknown, it is extremely difficult to separate and analyze the silicon oxide film and the silicon nitride film.

【0012】この困難が実際に生じていることの裏付け
として、酸化珪素膜と窒化珪素膜の積層構造を用いるD
RAM等のエレクトロニクスデバイスの研究開発におい
て、同積層構造の全体の膜厚を規定するのに物理的な厚
さ(絶対的な長さの次元)ではなく、積層構造の電気容
量の値を測定した後に積層構造全体が酸化珪素膜である
と仮定して換算した膜厚(いわゆる換算膜厚)が共通し
て用いられている実態があげられる。これは、このよう
な積層構造における各層の絶対的膜厚が信頼性高く測定
し難いことの現れである。
In support of the fact that this difficulty has actually occurred, the D using a stacked structure of a silicon oxide film and a silicon nitride film
In the research and development of electronic devices such as RAM, the value of the capacitance of the laminated structure was measured instead of the physical thickness (dimension of the absolute length) to determine the overall film thickness of the laminated structure. Later, there is an actual situation in which a film thickness converted assuming that the entire laminated structure is a silicon oxide film (so-called converted film thickness) is commonly used. This indicates that it is difficult to measure the absolute film thickness of each layer in such a laminated structure with high reliability.

【0013】このように従来の偏光解析法では酸化珪素
膜/窒化珪素膜の積層構造の解析においては常に各層の
膜厚と屈折率の絶対値の決定において曖昧さが生じてい
た。同様の困難さは、窒化珪素/酸化珪素系のみなら
ず、他の無機透明膜の積層構造においても原理的に同様
に問題となるものである。
As described above, in the conventional ellipsometry, in the analysis of the stacked structure of the silicon oxide film / silicon nitride film, ambiguity always arises in the determination of the film thickness of each layer and the absolute value of the refractive index. The same difficulty is also a problem in principle not only in the silicon nitride / silicon oxide system but also in the laminated structure of another inorganic transparent film.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な偏光解析法による薄膜の膜厚と屈折率の独立決定の曖
昧さを克服し、高い信頼性で膜構造を解析することを可
能にするものである。また本発明は、上記のような偏光
解析法による無機透明膜の積層構造の各層の膜厚と屈折
率の独立決定の曖昧さを克服し、各層を高い信頼性で分
離解析することを可能にするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention overcomes the ambiguity of the independent determination of the thickness and refractive index of a thin film by the above-mentioned ellipsometry, and makes it possible to analyze the film structure with high reliability. It is to be. Also, the present invention overcomes the ambiguity of independent determination of the thickness and refractive index of each layer of the laminated structure of the inorganic transparent film by the above-mentioned ellipsometry, and makes it possible to separate and analyze each layer with high reliability. Is what you do.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に薄膜
を堆積させた膜構造の膜厚および屈折率あるいは組成を
解析する偏光解析法において、液体に測定試料全体を浸
し、この液体の屈折率を連続的に変化させながら偏光解
析測定を行い、基板と入射角度によって決まるブルース
ターエネルギー付近における液体中での偏光解析測定デ
ータのうちの偏光光波の位相ずれの差異(Δ)の不連続
的な変化を検知することによって薄膜の屈折率を決定す
ることを特徴とする解析法である。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to an ellipsometry for analyzing the thickness, refractive index or composition of a thin film structure formed by depositing a thin film on a substrate. Ellipsometric measurement is performed while the refractive index is continuously changed, and the discontinuity of the difference (Δ) in the phase shift of the polarized light wave in the ellipsometric measurement data in the liquid near the Brewster energy determined by the substrate and the incident angle This is an analysis method characterized in that the refractive index of a thin film is determined by detecting a temporal change.

【0016】また本発明は、この新しい解析法におい
て、測定試料を浸す液体として二種類あるいはそれ以上
の液体の混合液を用い、その混合比を連続的に調節する
ことによって液体の屈折率を調節しながら偏光解析測定
を行うことを特徴とする解析法である。
Further, according to the present invention, in this new analysis method, a liquid mixture of two or more liquids is used as a liquid for immersing a measurement sample, and the refractive index of the liquid is adjusted by continuously adjusting the mixing ratio. This is an analysis method characterized by performing an ellipsometric measurement while performing.

【0017】また本発明は、基板上に極薄膜を一層以上
堆積させた膜構造の各層の膜厚および屈折率あるいは組
成を解析する偏光解析法において、まず空気中での偏光
解析測定データを該当薄膜構造部分が最上部層の成分で
構成されるものと仮定して解析して換算膜厚を求め、次
いで最表層膜下部に界面遷移層を含む可能性のある薄膜
構造部分の合計換算膜厚が空気中で求めた換算膜厚であ
る時に界面遷移層の有無によって液体中での偏光解析デ
ータのうちのΔが不連続に変化するような入射角および
エネルギー条件をシミュレーション計算によって求め、
最後に最表層膜の屈折率と同じかあるいはそれより大き
い屈折率をもつ液体に測定試料全体を浸し、シミュレー
ションによって求めた条件で偏光解析測定を行い、測定
データのうちΔの不連続的な変化を検知することによっ
て界面における微小な遷移層の組成比を高感度で決定す
ること特徴とする解析法である。
The present invention also relates to an ellipsometric method for analyzing the film thickness and the refractive index or composition of each layer of a film structure in which one or more ultra-thin films are deposited on a substrate. Analysis is performed assuming that the thin film structure portion is composed of the components of the uppermost layer, and the reduced film thickness is obtained. Then, the total reduced film thickness of the thin film structure portion that may include an interface transition layer below the outermost layer film When is the reduced film thickness obtained in the air, the incident angle and the energy condition such that Δ in the ellipsometric data in the liquid changes discontinuously depending on the presence or absence of the interface transition layer by simulation calculation,
Finally, the entire measurement sample is immersed in a liquid having a refractive index equal to or higher than the refractive index of the outermost layer film, and ellipsometric measurement is performed under the conditions determined by simulation. This is an analysis method characterized by determining the composition ratio of a small transition layer at an interface with high sensitivity by detecting the composition ratio.

【0018】また本発明は、この新しい解析法におい
て、測定試料を浸す液体として二種類あるいはそれ以上
の液体の混合液を用い、その混合比を連続的に調節する
ことによって屈折率を調節しながら偏光解析測定を行う
ことを特徴とする解析法である。
Further, according to the present invention, in this new analysis method, a mixture of two or more liquids is used as a liquid for immersing a measurement sample, and the refractive index is adjusted by continuously adjusting the mixing ratio. This is an analysis method characterized by performing ellipsometric measurement.

【0019】また本発明は、上記の新しい解析法に関し
て、測定試料全体を液体に浸して偏光解析測定を行う装
置において、屈折率の異なる二種以上の液体の混合比を
連続的に調節し、屈折率を調整するための機構を有する
偏光解析測定装置である。
Further, according to the present invention, there is provided an apparatus for performing an ellipsometric measurement by immersing an entire measurement sample in a liquid, wherein the mixing ratio of two or more liquids having different refractive indices is continuously adjusted. This is an ellipsometric analyzer having a mechanism for adjusting the refractive index.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】(本発明の原理の説明)本発明者
は、まず、基板上に一層の膜が堆積した構造の測定試料
に対して、膜の屈折率と同じか、あるいはそれより大き
い屈折率を持つ液体に測定試料を浸して偏光解析を行っ
た場合の測定値のシミュレーション計算を行った。この
ような測定法を液浸法と呼ぶ。偏光解析測定データは通
常s偏光とp偏光の反射率比に相当するψと、両偏光が
反射する際の光波の位相のずれの差異に相当するΔの二
つのパラメータで表され、これをモデル構造によるψ、
Δの計算値でフィッティングすることによって膜厚と屈
折率が決定される。前述の「従来の技術」で述べたよう
に、従来の偏光解析法の通常の解析フローでは光学的性
質の似ている層から構成される多層膜の解析は精度が劣
ることがわかっていた。この従来法では解析が困難と思
われるモデルケースの極薄膜構造を定め、この構造で本
発明のアイディアとなる手法によって観測される(ψ,
Δ)データをシミュレーション計算した。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (Explanation of the Principle of the Present Invention) The present inventor first gave a measurement sample having a structure in which a single layer of film was deposited on a substrate to have a refractive index equal to or lower than that of the film. The simulation calculation of the measured value when the measurement sample was immersed in the liquid having a large refractive index and the polarization analysis was performed was performed. Such a measuring method is called a liquid immersion method. The ellipsometric data is usually represented by two parameters, ψ, which corresponds to the reflectance ratio of s-polarized light and p-polarized light, and Δ, which corresponds to the difference in the phase shift of the light wave when both polarized lights are reflected. Depending on the structure,
The film thickness and the refractive index are determined by fitting with the calculated value of Δ. As described in the above-mentioned "Prior Art", it has been found that in the usual analysis flow of the conventional ellipsometry, the analysis of a multilayer film composed of layers having similar optical properties is inferior in accuracy. The conventional method determines the ultrathin film structure of the model case that is considered to be difficult to analyze, and this structure is observed by the method of the present invention (本,
Δ) Data was calculated by simulation.

【0021】すなわち、モデル構造としては、珪素単結
晶(100面)上に酸化珪素が50Å堆積している構造
とし、液体の屈折率を連続的に変化させながら液浸法で
測定した(ψ,Δ)データをシミュレーションした。こ
のような構造は、液体を用いない従来の偏光解析法では
膜厚と屈折率を分離して解析することが極めて困難だっ
た。
That is, the model structure was a structure in which silicon oxide was deposited at 50 ° on a silicon single crystal (100 plane), and the measurement was performed by the liquid immersion method while continuously changing the refractive index of the liquid (ψ, Δ) The data was simulated. In such a structure, it has been extremely difficult to separate and analyze the film thickness and the refractive index by the conventional ellipsometry using no liquid.

【0022】このシミュレーションの結果、基板と入射
角度によって決まるブルースターエネルギー付近で偏光
解析測定データのうちΔに大きな不連続的な変化が現れ
ることがあることを見いだした。図1は用いたモデル構
造の模式図を、図2は液浸法のシミュレーション結果を
示す。
As a result of this simulation, it has been found that a large discontinuous change may appear in Δ in the ellipsometric data near the Brewster energy determined by the substrate and the incident angle. FIG. 1 shows a schematic diagram of the model structure used, and FIG. 2 shows a simulation result of the liquid immersion method.

【0023】図1によって本モデル構造を説明する。こ
の構造ではシリコンウェハ上に膜厚50Åの酸化珪素薄
膜層が堆積している。酸化珪素の屈折率は極薄膜のため
不明であり、このような構造の詳細解析は通常は極めて
困難であり誤差が大きい。この困難は、近年発達した、
測定波長を走査できるいわゆる分光偏光解析法でも本質
的に同じである。なぜならば屈折率の相対的な波長依存
性は膜厚によらず同程度と考えられるため、分光偏光解
析法で多数の波長について測定・解析しても、どの波長
についても同様の(膜厚×屈折率)の傾向が見られるの
みで屈折率の変化を特徴づけるデータの変化が起こらな
いからである。
The model structure will be described with reference to FIG. In this structure, a silicon oxide thin film layer having a thickness of 50 ° is deposited on a silicon wafer. The refractive index of silicon oxide is unknown because it is an extremely thin film, and detailed analysis of such a structure is usually extremely difficult and has a large error. This difficulty has evolved in recent years,
The so-called spectroscopic ellipsometry capable of scanning the measurement wavelength is essentially the same. This is because the relative wavelength dependence of the refractive index is considered to be the same regardless of the film thickness. This is because there is no change in the data characterizing the change in the refractive index, although only the tendency of the refractive index is observed.

【0024】そこで、通常は屈折率の解析まで行わず、
膜は屈折率既知の酸化珪素であると仮定した膜厚(「換
算膜厚」と呼ばれる)を求めて製品の品質管理等に用い
ている。実際には極薄膜では屈折率が変化していること
は上述した通りであり、真の屈折率と膜厚の決定を非破
壊、非接触で迅速な解析手段である偏光解析法で行うの
が本発明の目的である。
Therefore, the analysis of the refractive index is not usually performed.
The thickness of the film is assumed to be silicon oxide with a known refractive index (referred to as “converted film thickness”), and is used for quality control of products. Actually, as described above, the refractive index of an ultra-thin film changes, and the determination of the true refractive index and the film thickness is performed by ellipsometry, which is a non-destructive, non-contact, rapid analysis means. It is an object of the present invention.

【0025】一般に偏光解析法においては実測データで
ある(ψ,Δ)から各層の屈折率と膜厚を直接計算する
ことが数学的に不可能なので、モデル構造をたてる。そ
のモデル構造からシミュレーション計算によって得られ
る(ψ,Δ)を実測値にフィッティングさせることによ
って屈折率と膜厚を求める。図1のモデル構造は膜厚5
0Åの酸化珪素系についてのものである。
In general, in the ellipsometry, since it is mathematically impossible to directly calculate the refractive index and the film thickness of each layer from the measured data (), Δ), a model structure is formed. The refractive index and the film thickness are obtained by fitting (ψ, Δ) obtained by simulation calculation from the model structure to the actually measured values. The model structure in FIG.
This is for a silicon oxide system of 0 °.

【0026】液浸法によって測定した場合のシミュレー
ションの一例を図2に示す。このシミュレーションでは
エネルギーの変化範囲が狭いので液体の屈折率の分散を
無視し、この範囲でエネルギーによらず屈折率が一定と
した。このシミュレーションでは誘電率(屈折率の2
乗)を2.1から2.2まで変化させた時の図1のモデ
ル構造の入射角度69°でのエリプソメトリー測定デー
タを計算した。その結果、液体の誘電率が上昇してゆく
とエネルギー1.8から1.9eVの範囲で特徴的なΔ
のジャンプが起こることが示された。図2では液体の誘
電率は0.01刻みに示し、2.12と2.13の間で
ジャンプが起こることがみられるが、より正確な計算で
はこのジャンプは液体の誘電率が2.127の時に起こ
ることがわかった。この「Δのジャンプ」が起こる入射
角度およびエネルギーは互いに関係があり、そのエネル
ギーでの基板(この場合、珪素単結晶)のブルースター
角付近に現れるので、薄膜の種類が変わっても同じ基板
に対しては同様の領域にジャンプが現れる。
FIG. 2 shows an example of a simulation when the measurement is performed by the liquid immersion method. In this simulation, since the change range of the energy was narrow, the dispersion of the refractive index of the liquid was ignored, and the refractive index was constant in this range regardless of the energy. In this simulation, the dielectric constant (refractive index 2)
1 was changed from 2.1 to 2.2, ellipsometry measurement data at an incident angle of 69 ° of the model structure of FIG. 1 was calculated. As a result, as the dielectric constant of the liquid increases, the characteristic Δ in the energy range of 1.8 to 1.9 eV is obtained.
The jump was shown to happen. In FIG. 2, the dielectric constant of the liquid is shown in increments of 0.01, and it can be seen that a jump occurs between 2.12 and 2.13. It turned out to happen at the time. The incident angle and energy at which this “jump of Δ” occurs are related to each other and appear near the Brewster's angle of the substrate (in this case, silicon single crystal) at that energy. On the other hand, a jump appears in a similar area.

【0027】この現象を利用して薄膜の屈折率を正確に
求める解析法が本発明である。図2からわかるようにこ
の条件で1.6〜2.2eV付近のエネルギー領域で測
定をすると、液体の屈折率が薄膜とマッチした点が検出
できるので、その点での溶液の屈折率を実測して薄膜の
屈折率が知られる。
An analysis method for accurately determining the refractive index of a thin film utilizing this phenomenon is the present invention. As can be seen from FIG. 2, when measurement is performed in this condition in an energy region around 1.6 to 2.2 eV, a point where the refractive index of the liquid matches the thin film can be detected, and the refractive index of the solution at that point is measured. Then, the refractive index of the thin film is known.

【0028】図3は液体の誘電率を順次上昇させたとき
のΔ(光のエネルギーは1.8eVに固定)の値であ
り、誘電率2.12と2.13の間でΔがジャンプする
様子を示す。実際、このシミュレーションに用いたモデ
ル構造の酸化珪素薄膜はエネルギー1.8eVでの屈折
率が1.457であるのに対し、同エネルギーで起こる
Δのジャンプは液体の誘電率が2.127(すなわち屈
折率が1.458)に達したときに起こっており、この
手法が小数点以下3桁までの屈折率の絶対値の精密決定
法となることがわかる。
FIG. 3 shows the value of Δ (light energy is fixed at 1.8 eV) when the dielectric constant of the liquid is gradually increased. Δ jumps between the dielectric constants of 2.12 and 2.13. Show the situation. In fact, while the silicon oxide thin film of the model structure used in this simulation has a refractive index of 1.457 at an energy of 1.8 eV, a jump of Δ occurring at the same energy causes a dielectric constant of the liquid of 2.127 (that is, 2.127). This occurs when the refractive index reaches 1.458), and it can be seen that this method is a precise method for determining the absolute value of the refractive index up to three decimal places.

【0029】なお、偏光解析法のもうひとつの実測デー
タであるψについては、液体の屈折率および入射角を調
整しても図3のような大きな変化が現れる現象は起こら
ない。
Regarding ψ, which is another actually measured data of the ellipsometry, even if the refractive index and the incident angle of the liquid are adjusted, the phenomenon of a large change as shown in FIG. 3 does not occur.

【0030】また本発明者は、基板上に一層以上の膜が
堆積し、最上層の膜の下部に極く薄い組成変化層がある
構造の測定試料について、最上層の膜の屈折率と同じか
あるいはそれより大きい屈折率を持つ液体に測定試料を
浸して偏光解析を行った場合の測定値のシミュレーショ
ン計算を行った。偏光解析測定データは通常s偏光とp
偏光の反射率比に相当するψと、両偏光が反射する際の
光波の位相のずれの差異に相当するΔの二つのパラメー
タで表され、これをモデル構造によるψ、Δの計算値で
フィッティングすることによって多層膜構造の膜厚と屈
折率が決定される。前述の「従来の技術」で述べたよう
に、従来の偏光解析法の通常の解析フローでは光学的性
質の似ている多層膜の解析は精度が劣ることがわかって
いた。まずこの点を定量的に明らかにするため、従来法
では解析が困難と思われるモデルケースの多層膜構造を
定め、この構造で観測される(ψ,Δ)データをシミュ
レーション計算した。
Further, the present inventor has determined that, for a measurement sample having a structure in which one or more films are deposited on a substrate and an extremely thin composition change layer is provided below the uppermost film, the refractive index of the uppermost film is the same as that of the uppermost film. A simulation calculation of measured values was performed when the sample was immersed in a liquid having a refractive index that was greater than or equal to or greater than that, and the polarization analysis was performed. Ellipsometric data is usually s-polarized and p-polarized
It is represented by two parameters, ψ, which corresponds to the reflectance ratio of polarized light, and す る, which corresponds to the difference between the phase shifts of light waves when both polarized lights are reflected. This is fitted with the calculated values of ψ and Δ by the model structure. By doing so, the thickness and the refractive index of the multilayer structure are determined. As described in the above-mentioned “Prior Art”, it has been found that in the usual analysis flow of the conventional ellipsometry, analysis of a multilayer film having similar optical properties is inferior in accuracy. First, in order to clarify this point quantitatively, the multilayer structure of the model case, which seems to be difficult to analyze with the conventional method, was determined, and the (ψ, Δ) data observed with this structure was calculated by simulation.

【0031】モデル構造としては、珪素単結晶(100
面)上に第1層として酸化珪素、第2層として窒化珪素
が堆積している構造を基本形とし、酸化珪素層と窒化珪
素層の界面に両層の混合によって極く薄い界面酸窒化層
が形成されている場合とされていない場合の液浸法での
(ψ,Δ)データの差異をシミュレーションした。この
ような系は、液体を用いない従来の偏光解析法では酸化
珪素と窒化珪素の光学的性質が類似しているために偏光
解析データには厚めの酸化珪素膜と薄めの窒化珪素膜が
ほとんど同じく寄与して区別がつかない。従って各層の
膜厚が未知の場合には酸化珪素膜と窒化珪素膜および両
膜の混合による界面遷移層を分離して解析することが極
めて困難だった。
As a model structure, a silicon single crystal (100
Basically, silicon oxide is deposited as the first layer and silicon nitride is deposited as the second layer on the surface, and an extremely thin interfacial oxynitride layer is formed at the interface between the silicon oxide layer and the silicon nitride layer by mixing both layers. The difference between the (ψ, Δ) data in the liquid immersion method in the case where it was formed and in the case where it was not formed was simulated. In such a system, the optical characteristics of silicon oxide and silicon nitride are similar in the conventional ellipsometry using no liquid, so the ellipsometry data shows that the thicker silicon oxide film and the thinner silicon nitride film are almost the same. It also contributes and is indistinguishable. Therefore, when the film thickness of each layer is unknown, it has been extremely difficult to separate and analyze the interface transition layer formed by mixing the silicon oxide film, the silicon nitride film, and both films.

【0032】このシミュレーションの結果、基板と入射
角度によって決まるブルースターエネルギー付近で偏光
解析データのうちΔに大きな不連続的な変化が現れるこ
とがあることを見いだした。図4は用いたモデル構造の
模式図を、図5は通常の空気中での測定のシミュレーシ
ョン結果を、図6は液浸法によるシミュレーション結果
を示す。
As a result of this simulation, it has been found that a large discontinuous change may appear in Δ in the ellipsometric data around Brewster energy determined by the substrate and the incident angle. 4 shows a schematic diagram of the model structure used, FIG. 5 shows a simulation result of measurement in normal air, and FIG. 6 shows a simulation result by an immersion method.

【0033】図4によって本モデル構造を説明する。こ
の構造ではシリコンウェハ上にまず薄い窒化珪素薄膜層
があり、その上に酸化珪素薄膜層が重ねられて堆積して
いる。窒化珪素の屈折率はエネルギーによらず酸化珪素
のそれの定数倍とほぼ見なせるので、このような構造の
詳細解析は通常は極めて困難であり誤差が大きい。この
困難は、近年発達した測定波長を走査できるいわゆる分
光偏光解析法でも本質的に同じである。なぜならば窒化
珪素の屈折率の波長依存性は酸化珪素のそれと類似して
いるために、分光偏光解析法で多数の波長について測定
・解析しても、どの波長についても同様の傾向が見られ
るのみで多層構造を特徴づけるデータの変化が起こらな
いからである。
The model structure will be described with reference to FIG. In this structure, first, a thin silicon nitride thin film layer is provided on a silicon wafer, and a silicon oxide thin film layer is stacked thereon. Since the refractive index of silicon nitride can be almost regarded as a constant multiple of that of silicon oxide regardless of energy, detailed analysis of such a structure is usually extremely difficult and has a large error. This difficulty is essentially the same in so-called spectroscopic ellipsometry, which can scan the measurement wavelength developed in recent years. Because the wavelength dependence of the refractive index of silicon nitride is similar to that of silicon oxide, the same tendency can be seen at any wavelength even if measurement and analysis are performed at many wavelengths by spectroscopic ellipsometry. This does not cause a change in data characterizing the multilayer structure.

【0034】そこで、通常は各層についての詳細解析ま
で行わず、すべての層が酸化珪素であると仮定した際の
膜厚(「換算膜厚」と呼ばれる)を求めて製品の品質管
理等に用いている。実際には両層の間には酸窒化物の界
面遷移層が存在することがあることが知られており、界
面遷移層の有無を非破壊、非接触で迅速な解析手段であ
る偏光解析法で行うのが本発明の狙いである。
Therefore, the detailed analysis of each layer is not usually performed, and the film thickness (referred to as “converted film thickness”) assuming that all the layers are made of silicon oxide is obtained and used for quality control of products. ing. In fact, it is known that an oxynitride interfacial transition layer may exist between both layers. This is the aim of the present invention.

【0035】一般に偏光解析法においては実測データで
ある(ψ,Δ)から各層の屈折率と膜厚を直接計算する
ことが数学的に不可能なので、モデル構造をたてる。そ
のモデル構造からシミュレーション計算によって得られ
る(ψ,Δ)を実測値にフィッティングさせることによ
って屈折率と膜厚を求める。図4のモデル構造には合計
換算膜厚120Åの窒化珪素/酸化珪素系について、両
層の間に酸窒化物の界面遷移層が存在する場合(3層モ
デル)と、存在しない場合(2層モデル)の両方が示し
てある。この両モデルの差が従来の空気中での偏光解析
法では検知が困難であったことを図5で説明する。
In general, in the ellipsometry, since it is mathematically impossible to directly calculate the refractive index and the film thickness of each layer from the measured data (ψ, Δ), a model structure is formed. The refractive index and the film thickness are obtained by fitting (ψ, Δ) obtained by simulation calculation from the model structure to the actually measured values. In the model structure of FIG. 4, a silicon nitride / silicon oxide system having a total equivalent film thickness of 120 ° has an oxynitride interfacial transition layer between both layers (three-layer model) and does not exist (two-layer model). Model) are shown. FIG. 5 explains that the difference between the two models was difficult to detect by the conventional ellipsometry in air.

【0036】図5には、図4の3層モデル、2層モデル
両方の構造に対するΔのデータをシミュレーションした
ものをプロットしてある。ここで光の入射角は空気中
(屈折率1.0)でシリコンウェハに対して最も感度が
良くなる75°を選んである。図から明らかなように、
どちらのモデルに対しても値はほとんど同じになり、こ
の従来方法では界面遷移層の解析が困難であることがわ
かる。
FIG. 5 is a plot of simulated Δ data for the structure of both the three-layer model and the two-layer model of FIG. Here, the incident angle of light is selected to be 75 °, which is the most sensitive to a silicon wafer in air (refractive index: 1.0). As is clear from the figure,
The values are almost the same for both models, indicating that it is difficult to analyze the interface transition layer with this conventional method.

【0037】これに対し、液浸法によって測定した場合
のシミュレーションの一例を図6に示す。液体の屈折率
と入射角を種々変化させた計算の結果、屈折率1.50
3、入射角70°の時に図6に示すような大きな不連続
な変化が起こることがわかった。このようなΔの大きな
不連続な変化を以下「Δのジャンプ」と呼ぶ。この屈折
率はこのエネルギー領域における上部薄膜(この例では
酸化珪素)の屈折率にマッチするように選んだものであ
る。図からわかるように、この条件で2.3〜2.4e
V付近のエネルギー領域で測定をすると、界面遷移層の
存在を明らかにすることができる。
On the other hand, FIG. 6 shows an example of a simulation when the measurement is performed by the liquid immersion method. As a result of various changes in the refractive index and the incident angle of the liquid, the refractive index was 1.50.
3. It was found that a large discontinuous change as shown in FIG. 6 occurred at an incident angle of 70 °. Such a large discontinuous change of Δ is hereinafter referred to as “jump of Δ”. The refractive index was chosen to match the refractive index of the upper thin film (in this example, silicon oxide) in this energy region. As can be seen from the figure, 2.3 to 2.4 e under this condition.
Measurement in the energy region near V can clarify the existence of the interface transition layer.

【0038】図6のような界面層の存在の有無によるΔ
のジャンプはたとえ液浸法を用いていても常に観測され
るものではなく、ある最適の液体の屈折率と入射角の組
み合わせで起こる。たとえば入射角が同じ70°でも液
体の屈折率が少し低い1.483の場合にはこのような
現象は起こらず、液浸法でも図5の空気中の場合と同様
Δのデータの差異はわずかで従って界面遷移層の識別は
困難である。
Δ depending on the presence or absence of the interface layer as shown in FIG.
Jump is not always observed even when using the immersion method, and occurs at a certain optimum combination of the refractive index of the liquid and the incident angle. For example, even when the incident angle is the same of 70 °, such a phenomenon does not occur when the refractive index of the liquid is 1.483, which is slightly low, and the difference in the Δ data is slight even in the immersion method as in the case of the air in FIG. Therefore, it is difficult to identify the interface transition layer.

【0039】なお、偏光解析法のもうひとつの実測デー
タであるψについては、液体の屈折率および入射角を調
整しても図6のような大きな変化が現れる現象は起こら
ない。
Regarding ψ, which is another actually measured data of the ellipsometry, the phenomenon that a large change as shown in FIG. 6 does not occur even if the refractive index and the incident angle of the liquid are adjusted.

【0040】以下に、本発明をさらに説明する。まず、
本発明は基板の上に堆積された薄膜を偏光解析法で特徴
づけるための解析法である。基本的に本発明の方法は、
液体中でその液体の屈折率を変えながら試料を偏光測定
し、液体と薄膜の屈折率のマッチング点を求め、そのと
きの液体の屈折率から薄膜の屈折率を知る解析法であ
る。
Hereinafter, the present invention will be further described. First,
The present invention is an analysis method for characterizing a thin film deposited on a substrate by ellipsometry. Basically, the method of the present invention
This is an analysis method that measures the polarization of a sample in a liquid while changing the refractive index of the liquid, finds a matching point between the refractive index of the liquid and the thin film, and obtains the refractive index of the thin film from the refractive index of the liquid at that time.

【0041】より具体的には、試料をその薄膜部分の屈
折率よりも小さいと思われる液体に浸し、この液体の屈
折率を順次上昇させながら基板に対してブルースターの
条件を満たす入射角度と光のエネルギーで偏光解析測定
を行う。図2に例を示すようにある程度の範囲を走査し
てもよく、またすでに最適なエネルギー点が既知である
場合には、ただ1点での測定で連続的に溶液の屈折率を
上昇させてゆくと、さらに測定の効率がよい。
More specifically, the sample is immersed in a liquid that is considered to be smaller than the refractive index of the thin film portion, and while gradually increasing the refractive index of the liquid, the incident angle and the angle satisfying the Brewster condition with respect to the substrate are determined. Perform ellipsometric measurements with light energy. As shown in FIG. 2, for example, a certain range may be scanned. If the optimum energy point is already known, the refractive index of the solution is continuously increased by measuring only one point. The efficiency of the measurement will be further improved.

【0042】ここで、溶液としては少なくとも予想され
る薄膜の屈折率よりも小さな屈折率を持つ液体を一種類
と大きな屈折率を持つ液体を一種類の合計二種類以上を
用意し、小屈折率液体に大屈折率液体を混合していくこ
とによって調整する。これらの液体は薄膜あるいは基板
と化学的に反応を起こさないことが必要である。図2に
示すように液体と薄膜の屈折率のマッチング点(等しく
なる点)付近のΔのジャンプは大変顕著な現象であり、
変化の大きいエネルギー点に注目してその点でのΔが1
80°未満から180°以上へ急激にジャンプする点を
簡単に見つけることができる。ここがマッチング点であ
るので、ここで測定を終了し、混合された液体を採取し
てアッベ屈折計等の機器を用いて液体の屈折率を測定す
る。これが求めたい薄膜の屈折率となる。屈折率が正確
に求まると、極薄薄膜の膜厚の絶対値を精密に求めるこ
とは通常のエリプソメトリー測定により簡単に行える。
Here, as a solution, at least two kinds of liquids having at least one kind of liquid having a refractive index smaller than the expected refractive index of the thin film and one kind of liquid having a large refractive index are prepared. It is adjusted by mixing a high refractive index liquid with the liquid. It is necessary that these liquids do not chemically react with the thin film or the substrate. As shown in FIG. 2, the jump of Δ near the matching point (point of equality) between the refractive index of the liquid and the thin film is a very remarkable phenomenon.
Focusing on the energy point where the change is large, Δ at that point is 1
It is easy to find a point that jumps from less than 80 ° to more than 180 °. Since this is the matching point, the measurement is ended here, the mixed liquid is collected, and the refractive index of the liquid is measured using an apparatus such as an Abbe refractometer. This is the refractive index of the desired thin film. Once the refractive index is accurately determined, it is easy to accurately determine the absolute value of the thickness of the ultrathin thin film by ordinary ellipsometry measurement.

【0043】なお、偏光解析測定においては、Δは角度
(単位:度)で表されることが多いが、角度は周期的な
量であり、360°と0°は物理的意味が同じであるの
で、このジャンプが本当に不連続なものか、それとも3
60°(0°)の境界を超えたために見かけ上ジャンプ
に見えるが実質は連続的な変化であるのか、注意する必
要がある。けれども、本発明の手法の場合はこれは真に
不連続な変化であることが図2からわかる。
In the ellipsometric measurement, Δ is often represented by an angle (unit: degree), but the angle is a periodic quantity, and 360 ° and 0 ° have the same physical meaning. So is this jump really discontinuous or 3
Although it looks like a jump because it has crossed the boundary of 60 ° (0 °), it is necessary to pay attention to whether the substance is a continuous change. However, it can be seen from FIG. 2 that this is a truly discontinuous change for our approach.

【0044】すなわち、図2において変化の起こる付近
の液体の誘電率に対応する曲線(たとえば誘電率2.1
2の曲線と2.13の曲線)を高エネルギー側(図の右
側)からたどってみると、エネルギー1.82から1.
84eV付近で高角度側あるいは低角度側にΔの値が急
に変化する。これは決して一測定点でのジャンプではな
くて、0.01eV程度の幅を持ったあるエネルギー領
域での変化である。従ってこのジャンプは360°(0
°)の境界を超えることによる見かけ上のものではな
く、実際にΔの急激な(しかし瞬間的ではない)増加あ
るいは減少によるものであることがわかる。
That is, in FIG. 2, a curve (for example, a dielectric constant of 2.1) corresponding to the dielectric constant of the liquid in the vicinity of where the change occurs.
2 and the curve of 2.13) from the high energy side (the right side of the figure), the energies from 1.82 to 1.8.
At around 84 eV, the value of Δ suddenly changes to the high angle side or the low angle side. This is not a jump at one measurement point but a change in an energy region having a width of about 0.01 eV. Therefore, this jump is 360 ° (0
It can be seen that this is not apparently due to crossing the (°) boundary, but is actually due to a sudden (but not instantaneous) increase or decrease of Δ.

【0045】用いる液体の一例として酸化珪素の屈折率
に近い屈折率を持つ四塩化炭素とベンゼンをあげること
ができる。この二つのうちベンゼンの方が屈折率が高
く、両液体の混合によって屈折率を調整することができ
る。酸化珪素の液浸法によって偏光解析で四塩化炭素と
ベンゼンの混合液体を用いるアイディアは文献(E. A.I
rene and V. A. Yakovlev, "A New Ellipsometry Techn
ique for InterfaceAnalysis: Application to SiO2",
p. 81 in "The Physics and Chemistry ofSiO2 and the
Si-SiO2 Interface 2", ed. by C. R. Helms and B.
E. Deal,Plenum 1993) によって公知であるが、この文
献および他の文献では本発明にいう「Δのジャンプ」を
見いだしておらず、従って混合溶媒を用いる際にも連続
的に組成を変化させて最適ポイントを求めるという思想
はない。
Examples of the liquid used include carbon tetrachloride and benzene having a refractive index close to that of silicon oxide. Of these two, benzene has a higher refractive index, and the refractive index can be adjusted by mixing both liquids. The idea of using a mixed liquid of carbon tetrachloride and benzene in ellipsometry by silicon oxide immersion method is described in the literature (EAI
rene and VA Yakovlev, "A New Ellipsometry Techn
ique for InterfaceAnalysis: Application to SiO2 ",
p. 81 in "The Physics and Chemistry of SiO2 and the
Si-SiO2 Interface 2 ", ed. By CR Helms and B.
E. Deal, Plenum 1993), this document and other documents do not find the “jump of Δ” referred to in the present invention, and therefore, the composition changes continuously even when a mixed solvent is used. There is no idea to seek the optimal point.

【0046】また、本発明は前記のΔのジャンプを利用
した解析法において、測定試料を浸す液体の屈折率を連
続的に変化させながら偏光解析測定を行って薄膜の屈折
率を決定するために、液体の混合比を連続的に調節する
ことによって液体の屈折率を調節することを特徴とする
解析法である。
Further, the present invention provides an analysis method using the jump of Δ for determining the refractive index of a thin film by performing an ellipsometric measurement while continuously changing the refractive index of a liquid in which a measurement sample is immersed. This is an analysis method characterized by adjusting the refractive index of the liquid by continuously adjusting the mixing ratio of the liquid.

【0047】また、本発明は多層膜構造において、酸化
珪素と窒化珪素のように光学的性質が類似している物質
から構成される界面遷移層を偏光解析法で特徴づけるた
めの解析法である。基本的に本発明の方法では空気中と
液体中で同一試料を二度偏光測定し、数値シミュレーシ
ョンを組み合わせて極薄界面遷移層の解析を行うもので
ある。
Further, the present invention is an analysis method for characterizing an interface transition layer composed of substances having similar optical properties such as silicon oxide and silicon nitride in a multilayer film structure by ellipsometry. . Basically, in the method of the present invention, the same sample is subjected to polarization measurement twice in air and liquid, and the analysis of the ultra-thin interface transition layer is performed by combining numerical simulations.

【0048】より具体的には、はじめに空気中で偏光解
析を行い、その実測データを、注目する界面遷移層を含
む可能性のある薄膜構造部分が最上部層の成分のみで構
成されているものと仮定して膜厚の解析を行う。このよ
うにして得られる膜厚が「換算膜厚」である。換算膜厚
は実際の物理的膜厚とは一般に一致しないが、偏光解析
法では一つの試料について非常に再現性よく求めること
ができる。
More specifically, first, an ellipsometry is performed in air, and the measured data is used to determine that the thin film structure portion that may include the interface transition layer of interest is composed of only the top layer component. Analysis of the film thickness is performed assuming that. The film thickness obtained in this way is the “converted film thickness”. Although the reduced film thickness generally does not match the actual physical film thickness, it can be obtained with very high reproducibility for one sample by ellipsometry.

【0049】次に、界面遷移層の解析のためのモデル構
造を作り、液浸法のシミュレーション計算を行う。ここ
でいうモデル構造とは、基板および各層の膜厚と屈折率
を規定するものである。このシミュレーションでは、注
目する界面遷移層を含む可能性のある薄膜構造部分の合
計換算膜厚が、空気中で求めた換算膜厚になるように
し、その条件下で界面遷移層のあるモデルおよびないモ
デルを構成して比較するものとする。入射角および液体
の屈折率を変化させると上記「本発明の原理の説明」で
述べたようなΔのジャンプが界面遷移層によって現れる
条件を求めることができる。この際には液体の屈折率は
薄膜最上層の物質の屈折率とほぼ同じか少し大きめで、
入射角は液浸状態での基板のブルースター角付近のとき
に現れるので、容易にこのジャンプの条件を求めること
ができる。
Next, a model structure for analyzing the interface transition layer is created, and a simulation calculation of the liquid immersion method is performed. Here, the model structure defines the thickness and refractive index of the substrate and each layer. In this simulation, the total equivalent film thickness of the thin film structure part that may include the interface transition layer of interest is set to the equivalent film thickness obtained in the air, and under that condition, the model with the interface transition layer and the model without the interface transition layer are used. Assume that models are constructed and compared. If the incident angle and the refractive index of the liquid are changed, the condition under which the jump of Δ as described in the above “Explanation of the principle of the present invention” appears in the interface transition layer can be obtained. In this case, the refractive index of the liquid is almost the same as or slightly larger than the refractive index of the substance in the uppermost layer of the thin film.
Since the incident angle appears near the Brewster's angle of the substrate in the liquid immersion state, the jump condition can be easily obtained.

【0050】次にこの条件のもとで液浸法によって試料
の偏光解析を行い、Δのジャンプが起こるかどうかを観
測することによって極薄界面遷移層の有無をまず知るこ
とができる。さらに、この実測データは界面遷移層の屈
折率や厚さに対して高感度な状態なっているので、通常
のフィッティングプログラムを用いてそれらを高精度に
決定することができる。
Next, under these conditions, the polarization analysis of the sample is carried out by the liquid immersion method, and by observing whether or not a jump of Δ occurs, the presence or absence of the ultra-thin interface transition layer can be first known. Furthermore, since the measured data is in a state of being highly sensitive to the refractive index and the thickness of the interface transition layer, they can be determined with high accuracy using a normal fitting program.

【0051】また、本発明は上記のΔのジャンプを利用
した解析法において、液体として二種類あるいはそれ以
上の液体の混合液を用い、その混合比を連続的に調節し
ながら偏光解析測定を行い界面における微小な組成の変
化を高感度で検知することを特徴とする解析法である。
すなわち、上述の説明では全解析のプロセスの途中段階
でシミュレーション計算により液浸法の最適な液体の屈
折率および入射角を求めた。逆に液浸法の偏光解析の実
測によってΔのジャンプ条件を直接見いだすこともでき
る。この場合にはたとえば入射角をブルースター角度に
設定し、液浸法によってブルースターエネルギー付近の
Δを測定しながら液体の屈折率を連続的に変化させ、Δ
のジャンプが起こる点を検知する。
Further, in the present invention, in the above-mentioned analysis method using the jump of Δ, a mixture of two or more liquids is used as the liquid, and the ellipsometry is performed while continuously adjusting the mixing ratio. This is an analysis method characterized by detecting a minute change in composition at an interface with high sensitivity.
That is, in the above description, the optimum refractive index and incident angle of the liquid for the liquid immersion method were obtained by simulation calculation in the middle of the entire analysis process. Conversely, the jump condition of Δ can be found directly by the actual measurement of the polarization analysis of the liquid immersion method. In this case, for example, the incident angle is set to the Brewster angle, and the refractive index of the liquid is continuously changed while measuring Δ near the Brewster energy by the liquid immersion method.
To detect the point where the jump occurs.

【0052】より具体的には、液浸法の測定セルを一部
開放型にし、ビュレット等の化学器具を用いて第二の液
体を混合しながら測定する。また必要があれば三種類以
上の液体を混合することもできる。用いる液体の一例と
して酸化珪素の屈折率に近い屈折率を持つ四塩化炭素と
ベンゼンをあげることができる。この二つのうちベンゼ
ンの方が屈折率が高く、両液体の混合によって屈折率を
調整することができる。なお、このように液浸法の偏光
解析の実測によってΔのジャンプ条件を求めた場合に
は、その後シミュレーション計算によって界面遷移層の
解析を行う手順となる。
More specifically, the measurement cell of the liquid immersion method is partly opened, and the measurement is performed while mixing the second liquid using a chemical instrument such as a burette. If necessary, three or more kinds of liquids can be mixed. As an example of the liquid used, carbon tetrachloride and benzene having a refractive index close to that of silicon oxide can be given. Of these two, benzene has a higher refractive index, and the refractive index can be adjusted by mixing both liquids. When the jump condition of Δ is obtained by the actual measurement of the polarization analysis by the liquid immersion method, the procedure for analyzing the interface transition layer by a simulation calculation is performed.

【0053】また、本発明は上記の液浸法の偏光解析の
実測によってΔのジャンプ条件を求める解析法におい
て、液体の混合比を連続的に調節するための連続調節機
構を有する偏光解析測定装置である。図7にその構成を
示す。セル本体はガラスあるいはテフロン等の化学的に
安定な材質でできており、光の入射および出射窓は種々
の波長の光に対応できるよう光学用石英ガラス製が望ま
しい。セルの内部は混合液体で満たされており、その上
部には化学実験用ビュレット等を活用した液体注入部分
がある。また下部には液体排出用のドレイン管がある。
このビュレットおよびドレイン管を用いて液体を出し入
れすることによってΔのジャンプが起こるような屈折率
をもつ混合液体を調整するものである。
Further, the present invention relates to an analysis method for determining the jump condition of Δ by the actual measurement of the ellipsometry of the immersion method, wherein an ellipsometric analyzer having a continuous adjusting mechanism for continuously adjusting the mixing ratio of the liquid. It is. FIG. 7 shows the configuration. The cell body is made of a chemically stable material such as glass or Teflon, and the light entrance and exit windows are desirably made of quartz glass for optics so that they can respond to light of various wavelengths. The inside of the cell is filled with a mixed liquid, and a liquid injection part utilizing a burette for a chemical experiment or the like is provided above the cell. There is also a drain tube at the bottom for draining liquid.
A liquid mixture having a refractive index such that a jump of Δ occurs by taking in and out of the liquid using the burette and the drain tube is adjusted.

【0054】この装置を用いて液体の屈折率(誘電率)
を連続的に変化させながら偏光解析を行う場合には、液
浸法の測定セルを一部開放型にし、ビュレット等の化学
器具を用いて第二の液体を混合しながら測定する。また
必要があれば三種類以上の液体を混合することもでき
る。
Using this apparatus, the refractive index (dielectric constant) of the liquid
When the ellipsometry is performed while continuously changing, the measurement cell of the immersion method is partly opened, and the measurement is performed while mixing the second liquid using a chemical instrument such as a burette. If necessary, three or more kinds of liquids can be mixed.

【0055】[0055]

【実施例】以下に実施例により本発明をさらに詳述す
る。 (実施例1)酸化珪素の極薄膜の屈折率を本発明の方法
で正確に求めることを目的として、珪素単結晶上に酸化
膜を堆積した試料を作成した。試料は、フッ化水素水溶
液(1%)に1分間浸して表面自然酸化膜を除去したシ
リコンウェハ(100面)をドライ酸素中900℃で1
0分間酸化させて作成した。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. (Example 1) For the purpose of accurately determining the refractive index of an ultra-thin silicon oxide film by the method of the present invention, a sample was prepared in which an oxide film was deposited on a silicon single crystal. The sample was immersed in a hydrogen fluoride aqueous solution (1%) for 1 minute to remove the surface natural oxide film from the silicon wafer (100 surfaces) in dry oxygen at 900 ° C. for 1 minute.
Oxidized for 0 minutes.

【0056】まず、この試料について従来の分光偏光解
析測定を空気中で行い、薄膜の屈折率をバルクのSiO
2の代表的な値である1.465と仮定して通常法によ
って膜厚を解析すると78Åであった。以上は本発明の
手法ではなく、参考として従来法による結果を比較のた
め求めたものである。
First, a conventional spectroscopic ellipsometry measurement was performed on this sample in air, and the refractive index of the thin film was measured using bulk SiO 2.
Assuming a typical value of 1.465 of 1.465, the film thickness was analyzed by the ordinary method and found to be 78 °. The above is not a method according to the present invention, but results obtained by a conventional method for comparison are obtained for reference.

【0057】次に本発明の手順に従いこの試料を解析し
た。まず使用する液体を選択した。液浸法の液体として
本発明の手法では薄膜の屈折率より低い屈折率を持つ液
体と高い屈折率を持つ液体の両方を用いる必要がある。
アモルファスの酸化珪素に近い屈折率を持つ液体として
は四塩化炭素が用いられることもあるが、本試料では薄
膜の膜厚が薄いため屈折率が上昇していることが予想さ
れたので、ベンゼン(ナトリウムD線波長での屈折率
1.498)およびジヨードメタン(沃化メチレン、同
波長での屈折率1.749)を選んだ。これらの液体は
酸化珪素と反応しないため、測定に際して表面の状態が
変化するような不都合は起こらない。またジヨードメタ
ンは黄色く着色した液体である。これは高エネルギー側
に吸収帯があるためで、本実施例で測定する低エネルギ
ー領域では透明である。
Next, this sample was analyzed according to the procedure of the present invention. First, the liquid to be used was selected. In the method of the present invention, it is necessary to use both a liquid having a refractive index lower than the refractive index of the thin film and a liquid having a high refractive index as the liquid for the immersion method.
Carbon tetrachloride may be used as a liquid having a refractive index close to that of amorphous silicon oxide. However, in this sample, since the refractive index was expected to increase due to the thin film thickness, benzene ( Refractive index at the sodium D line wavelength 1.498) and diiodomethane (methylene iodide, refractive index 1.749 at the same wavelength) were selected. Since these liquids do not react with silicon oxide, no inconvenience such as a change in the surface state during measurement occurs. Diiodomethane is a yellow colored liquid. This is because there is an absorption band on the high energy side, and it is transparent in the low energy region measured in this embodiment.

【0058】図7に示すような液体の混合比を連続的に
調節するための連続調節機構を有する偏光解析測定装置
を作成し、試料セル部分にベンゼンをセルの高さの3/
4ほど満たし、試料をセル中に浸して入射角69°、エ
ネルギー1.80eVで偏光解析測定を行った。この入
射角およびエネルギーはシミュレーション計算によって
Δのジャンプが起こるブルースター条件を求め、その近
傍で測定の可能な点として選んだ。測定の結果はΔの値
が169.2°であった。Δが180°よりも小さいの
で、本発明の原理の説明で述べたようにこの時点では液
体の屈折率は予想通り薄膜よりも小さいことが確認され
た。
As shown in FIG. 7, an ellipsometric analyzer having a continuous adjustment mechanism for continuously adjusting the mixing ratio of the liquid was prepared, and benzene was added to the sample cell portion at 3/3 of the cell height.
The sample was immersed in the cell for about 4 times, and an ellipsometric measurement was performed at an incident angle of 69 ° and an energy of 1.80 eV. These incident angles and energies were determined by simulation calculation to find the Brewster condition under which the jump of Δ occurs, and as points near the Brewster condition that can be measured. As a result of the measurement, the value of Δ was 169.2 °. Since Δ is smaller than 180 °, as described in the description of the principle of the present invention, it was confirmed at this point that the refractive index of the liquid was smaller than that of the thin film as expected.

【0059】続いて図7に示す装置の混合用ビュレット
からジヨードメタンを滴下し、撹拌を十分に行いながら
同エネルギーでのΔの測定を続けると、Δは減少した。
やがてセル中の混合液体が一杯になったので、ドレイン
管から適量の液体を排出し、再びジヨードメタンをビュ
レットから滴下して測定を続けた。すると、ある時点で
Δが約5°から355°付近へ突然ジャンプしたのでジ
ヨードメタンの滴下を直ちに終了し、セル中の混合液体
の屈折率をアッベ型の屈折率計によって求めた。その結
果、屈折率は1.688となった。前述したようにこの
試料については通常の偏光解析測定で屈折率を1.46
5と仮定した膜厚78Åが得られていたが、偏光解析の
結果は(屈折率×物理的膜厚)で決まるため、逆に本発
明の手法によって得られた屈折率1.688を用いて真
の膜厚を求めると68Åと求められた。
Subsequently, when diiodomethane was dropped from the burette for mixing of the apparatus shown in FIG. 7 and the measurement of Δ was continued at the same energy while sufficiently stirring, Δ decreased.
Eventually, the liquid mixture in the cell became full, so an appropriate amount of liquid was discharged from the drain tube, and diiodomethane was dropped again from the burette to continue the measurement. Then, at a certain point, Δ suddenly jumped from about 5 ° to about 355 °, so the dropping of diiodomethane was immediately terminated, and the refractive index of the mixed liquid in the cell was determined by an Abbe-type refractometer. As a result, the refractive index was 1.688. As described above, the refractive index of this sample was determined to be 1.46 by ordinary ellipsometry.
Although a film thickness of 78 ° assumed to be 5 was obtained, since the result of the ellipsometry is determined by (refractive index × physical film thickness), conversely, a refractive index of 1.688 obtained by the method of the present invention was used. The true film thickness was determined to be 68 °.

【0060】膜厚を他の手法によってクロスチェックす
る目的で、本試料を劈開し、断面を注意深く研磨して透
過型電子顕微鏡で酸化膜付近の構造を観察した。その結
果平均膜厚は65Åプラスマイナス6Åと求められた。
極薄膜のため試料の研磨段階での変質等、電子顕微鏡に
よる膜厚測定も10%程度の誤差があると考えられる
が、本発明の手法による値68Åはその誤差内で一致し
た。屈折率として厚い酸化珪素膜の1.465を用いた
場合の膜厚78Åはこれらから大きく外れるものとなっ
た。本実施例によって本発明の手法が非破壊、非接触で
迅速な手段で極薄薄膜の屈折率の絶対値の解析を可能に
するものであることが明らかになった。
For the purpose of cross-checking the film thickness by another method, the sample was cleaved, the cross section was carefully polished, and the structure near the oxide film was observed with a transmission electron microscope. As a result, the average film thickness was determined to be 65 ° ± 6 °.
It is considered that there is also an error of about 10% in the film thickness measurement by an electron microscope such as deterioration of the sample at the polishing stage due to the extremely thin film, but the value of 68 ° according to the method of the present invention coincided within the error. The film thickness 78 ° when using a thick silicon oxide film of 1.465 as the refractive index greatly deviates therefrom. This example has revealed that the method of the present invention makes it possible to analyze the absolute value of the refractive index of an ultrathin thin film by a nondestructive, noncontact and quick means.

【0061】(実施例2)窒化珪素と酸化珪素の薄膜層
の界面に存在するごく薄い組成変化層を本発明の方法で
解析する目的で、遷移層が生成する可能性のある積層試
料を作成した。試料は、シリコンウェハ(100面)上
に窒化珪素、その上に酸化珪素をいずれもLPCVD法
で堆積させ、その後亜酸化窒素ガス雰囲気下で熱処理を
して作成した。LPCVDの材料ガスとしては窒化珪素
膜にはジクロロシランとアンモニアを用い、酸化珪素膜
にはジクロロシランと亜酸化窒素を用いた。その後の亜
酸化窒素による熱処理は800℃で20分間行った。ま
た別途、同一条件で窒化珪素単独、あるいは酸化珪素単
独の薄膜堆積を行い、偏光解析法によってそれぞれの膜
厚を測定するとそれぞれ21Å、78Åであった。
(Example 2) For the purpose of analyzing a very thin composition change layer existing at the interface between the thin film layers of silicon nitride and silicon oxide by the method of the present invention, a laminated sample in which a transition layer may be formed was prepared. did. The sample was prepared by depositing silicon nitride on a silicon wafer (100 surface) and silicon oxide thereon by LPCVD, and then performing heat treatment in a nitrous oxide gas atmosphere. As a material gas for LPCVD, dichlorosilane and ammonia were used for a silicon nitride film, and dichlorosilane and nitrous oxide were used for a silicon oxide film. The subsequent heat treatment with nitrous oxide was performed at 800 ° C. for 20 minutes. Separately, a thin film of silicon nitride alone or silicon oxide alone was deposited under the same conditions, and the respective film thicknesses were measured by ellipsometry to be 21 ° and 78 °, respectively.

【0062】次に本発明の手順に従いこの試料を解析し
た。まず、空気中で入射角75°で通常の偏光解析を行
い、この試料の薄膜部分全体を酸化珪素と仮定したとき
の膜厚(換算膜厚)を求めると118Åであった。これ
に基づき、窒化珪素と酸化珪素の界面に遷移層がある場
合(3層モデル)とない場合(2層モデル)のモデル構
造をたて、液体中での偏光解析データを種々シミュレー
ションした。モデル構造はまず2層モデルでは第1層で
ある窒化珪素層の膜厚は約21Åと考えられるので、こ
れと全体の換算膜厚118Åから、(第2層)78ÅS
iO2/(第1層)21ÅSiN/シリコンウェハ基板
(いずれも実膜厚)とした。
Next, this sample was analyzed according to the procedure of the present invention. First, ordinary polarization analysis was performed in air at an incident angle of 75 °, and the film thickness (converted film thickness) assuming that the entire thin film portion of the sample was silicon oxide was 118 °. Based on this, various simulations of ellipsometric data in a liquid were made based on model structures with and without a transition layer (three-layer model) at the interface between silicon nitride and silicon oxide. In the two-layer model, the thickness of the silicon nitride layer, which is the first layer, is considered to be about 21 °. Therefore, from this and the total reduced film thickness of 118 °, the (second layer) 78 ° S
iO2 / (first layer) 21 @ SiN / silicon wafer substrate (all of which have actual film thickness).

【0063】ここでは窒化珪素の実膜厚が換算膜厚の7
0%となる事実を利用している。つぎに3層モデルで
は、窒化珪素、酸化珪素の両層から換算膜厚で5Åずつ
寄与して両者の間に界面遷移層が形成されたものとし
て、(第3層)73ÅSiO2/(第2層)8.5ÅS
iON/(第1層)17.5ÅSiN/シリコンウェハ
基板(いずれも実膜厚)とした。
Here, the actual film thickness of silicon nitride is 7
It uses the fact that it becomes 0%. Next, in the three-layer model, it is assumed that an interface transition layer is formed between the two layers of silicon nitride and silicon oxide by a contribution of 5 ° in terms of a converted film thickness (third layer) 73 {SiO 2 / (second layer). ) 8.5ÅS
iON / (first layer) 17.5 ° SiN / silicon wafer substrate (all of which have actual film thickness).

【0064】これらのモデルを用いたシミュレーション
の結果、液体の屈折率1.503、入射角70°とした
時に2層および3層モデルでデルタの値にジャンプが起
こることを見いだした。シミュレーションは1.5eV
から4.0eVまで0.05eV間隔で行った。図8に
そのシミュレーション結果を示す。また、参考までに図
9に同条件でのψの結果を示す。ψにはジャンプが起こ
らないことが示されている。
As a result of a simulation using these models, it was found that a jump occurs in the delta value in the two-layer and three-layer models when the refractive index of the liquid is 1.503 and the incident angle is 70 °. Simulation is 1.5 eV
To 4.0 eV at 0.05 eV intervals. FIG. 8 shows the simulation result. FIG. 9 shows the result of Δ under the same conditions for reference. ψ indicates that no jump occurs.

【0065】次に、この条件での液浸法による偏光解析
の実測を行った。液体として四塩化炭素およびベンゼン
を用い、両者を混合してエネルギー2.2eV付近での
屈折率1.503の液体を調整した。混合には発明の実
施形態の項で述べた偏光解析測定用液体連続混合セルを
用いた。混合液体の屈折率はアッベ型の屈折率計によっ
て求めた。その結果、容量でおよそ35部の四塩化炭素
と65部のベンゼンを混合したときに屈折率は1.50
3となった。測定は1.5eVから4.0eVまで0.
025eV間隔で行った。デルタの測定結果を図10に
示す。図8と図10の比較からただちに、まず定性的
に、この試料では界面遷移層が形成されていることがわ
かった。さらにフィッティングによって遷移層の膜厚を
最適化すると、この試料の構造は(第3層)72ÅSi
O2/(第2層)10.2ÅSiON/(第1層)1
6.8ÅSiN/シリコンウェハ基板(いずれも実膜
厚)と求められた。
Next, an actual measurement of an ellipsometry by a liquid immersion method under these conditions was performed. Carbon tetrachloride and benzene were used as liquids, and the two were mixed to prepare a liquid having a refractive index of 1.503 near an energy of 2.2 eV. For the mixing, a liquid continuous mixing cell for ellipsometry measurement described in the section of the embodiment of the invention was used. The refractive index of the mixed liquid was determined using an Abbe-type refractometer. As a result, when about 35 parts by volume of carbon tetrachloride and 65 parts of benzene were mixed, the refractive index was 1.50.
It was 3. The measurement was performed from 1.5 eV to 4.0 eV.
The measurement was performed at an interval of 025 eV. FIG. 10 shows the delta measurement results. Immediately from the comparison between FIG. 8 and FIG. 10, it was immediately found that an interfacial transition layer was formed in this sample. When the thickness of the transition layer was further optimized by fitting, the structure of this sample was (third layer) 72 ° Si
O2 / (second layer) 10.2ÅSiON / (first layer) 1
6.8 ° SiN / silicon wafer substrate (all in actual film thickness).

【0066】二次イオン質量分析法および光電子分光法
による破壊分析の結果、同試料は界面におよそ5〜15
Åの酸化物、窒化物混合層が観察されており、本実施例
によって本発明の手法が非破壊的な手段で極薄界面遷移
層の解析を可能にするものであることが明らかになっ
た。
As a result of destructive analysis by secondary ion mass spectrometry and photoelectron spectroscopy, the sample was found to be approximately 5 to 15
An oxide / nitride mixed layer of Å was observed, and this example revealed that the method of the present invention enables analysis of an ultra-thin interface transition layer by non-destructive means. .

【0067】[0067]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、薄
膜の膜厚と屈折率の偏光解析法による独立決定の曖昧さ
を克服し、高い信頼性で分離解析することを可能にする
ものである。また本発明は、透明膜の積層構造の各層の
膜厚と屈折率の偏光解析法による独立決定の曖昧さを克
服し、界面の極薄組成変化領域を高い信頼性で解析する
ことを可能にするものである。これによって屈折率や極
薄界面遷移層の非破壊で精密な解析が可能になり、プロ
セス条件の最適化等がスピードアップされる。
As described above, according to the present invention, it is possible to overcome the ambiguity of independent determination of the film thickness and refractive index of a thin film by an ellipsometric method and to perform separation analysis with high reliability. It is. In addition, the present invention overcomes the ambiguity of independent determination of the thickness and refractive index of each layer of the laminated structure of the transparent film by ellipsometry, and enables analysis of the ultrathin composition change region at the interface with high reliability. Is what you do. This enables nondestructive and precise analysis of the refractive index and the ultra-thin interface transition layer, and speeds up optimization of process conditions and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のうち極薄膜の屈折率を正確に求める解
析法を説明するためのモデル構造の図である。
FIG. 1 is a diagram of a model structure for describing an analysis method for accurately determining a refractive index of an extremely thin film according to the present invention.

【図2】図1のモデル構造に対して種々の誘電率の液体
中でのΔのエネルギー依存性をシミュレーション計算し
た結果を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing the results of a simulation calculation of the energy dependence of Δ in liquids having various dielectric constants with respect to the model structure of FIG. 1;

【図3】図1のモデル構造に対してエネルギー1.8e
VにおけるΔの値が液体の誘電率の上昇に伴って変化す
る様子を示し、図中のd(2.10)等は、液体の誘電
率が括弧内の数値であるときのΔの曲線を表すシミュレ
ーション結果を示す図である。
FIG. 3 shows an energy of 1.8 e for the model structure of FIG.
The value of Δ at V changes as the dielectric constant of the liquid increases, and d (2.10) and the like in the figure show the curve of Δ when the dielectric constant of the liquid is a numerical value in parentheses. It is a figure showing the simulation result shown.

【図4】本発明のうち極薄の界面組成変化領域の解析法
を説明するためのモデル構造を示す図である。
FIG. 4 is a view showing a model structure for explaining a method of analyzing an extremely thin interface composition change region in the present invention.

【図5】図4の3層モデル、2層モデル両方の構造に対
するΔのデータを空気中での測定についてシミュレーシ
ョンしたものを示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing simulated Δ data for the structure of both the three-layer model and the two-layer model of FIG. 4 for measurement in air.

【図6】図4の3層モデル、2層モデル両方の構造に対
するΔのデータを屈折率1.503の液体中での測定に
ついてシミュレーションしたものを示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing simulated Δ data for the structure of both the three-layer model and the two-layer model of FIG. 4 for measurement in a liquid having a refractive index of 1.503.

【図7】液体の混合比を連続的に調節するための連続調
節機構を有する偏光解析測定装置の構成図である。
FIG. 7 is a configuration diagram of an ellipsometric analyzer having a continuous adjustment mechanism for continuously adjusting the mixing ratio of liquids.

【図8】実施例2で用いた窒化珪素と酸化珪素の薄膜層
の界面に遷移層が生成する積層試料に対するΔのシミュ
レーション結果を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a simulation result of Δ for a laminated sample in which a transition layer is formed at an interface between a thin film layer of silicon nitride and silicon oxide used in Example 2.

【図9】実施例2で用いた窒化珪素と酸化珪素の薄膜層
の界面に遷移層が生成する積層試料に対するψのシミュ
レーション結果を示す図である。
FIG. 9 is a diagram illustrating a simulation result of Δ for a stacked sample in which a transition layer is generated at the interface between the silicon nitride and silicon oxide thin film layers used in Example 2.

【図10】実施例2で用いた窒化珪素と酸化珪素の薄膜
層の界面に遷移層が生成する積層試料に対するΔの液浸
法による実測結果を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a measurement result by a liquid immersion method of Δ for a laminated sample in which a transition layer is generated at an interface between a silicon nitride and a silicon oxide thin film layer used in Example 2.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に薄膜を堆積させた膜構造の膜厚
および屈折率あるいは組成を解析する偏光解析法におい
て、 液体に測定試料全体を浸してこの液体の屈折率を連続的
に変化させながら偏光解析測定を行い、基板と入射角度
によって決まるブルースターエネルギー付近における液
体中での偏光解析測定データのうちの偏光光波の位相ず
れの差異の不連続的な変化が起こる時点を検知し、その
時点での液体の屈折率を測定することによって薄膜の屈
折率を決定することを特徴とする偏光解析法。
In an ellipsometry for analyzing the film thickness and the refractive index or composition of a film structure in which a thin film is deposited on a substrate, the entire measurement sample is immersed in a liquid to continuously change the refractive index of the liquid. The ellipsometric measurement is performed while detecting the point in time at which the discontinuous change of the phase shift difference of the polarized light wave in the ellipsometric measurement data in the liquid near the Brewster energy determined by the substrate and the incident angle occurs. Ellipsometry characterized by determining the refractive index of a thin film by measuring the refractive index of a liquid at a point in time.
【請求項2】 請求項1に記載の偏光解析法において、 測定試料を浸す液体として二種類あるいはそれ以上の液
体の混合液を用い、その混合比を連続的に調節すること
によって屈折率を調節しながら偏光解析測定を行うこと
を特徴とする偏光解析法。
2. The ellipsometry according to claim 1, wherein a mixture of two or more liquids is used as a liquid for immersing the measurement sample, and the refractive index is adjusted by continuously adjusting the mixing ratio. Ellipsometry, characterized by performing ellipsometry measurements while performing.
【請求項3】 基板上に極薄膜を一層以上堆積させた膜
構造の各層の膜厚および屈折率あるいは組成を解析する
偏光解析法において、 まず空気中での偏光解析測定データを薄膜構造部分が最
上部層の成分で構成されるものと仮定して解析して換算
膜厚を求め、 次いで、最表層膜下部に界面遷移層を含む可能性のある
薄膜構造部分の合計換算膜厚が空気中で求めた換算膜厚
である時に界面遷移層の有無によって液体中での偏光解
析データのうちの偏光光波の位相ずれの差異が不連続に
変化するような入射角およびエネルギー条件をシミュレ
ーション計算によって求め、 最後に最表層膜の屈折率と同じかあるいはそれより大き
い屈折率をもつ液体に測定試料全体を浸し、シミュレー
ションによって求めた条件で偏光解析測定を行い、測定
データのうちの偏光光波の位相ずれの差異の不連続的な
変化を検知することによって界面における微小な遷移層
の組成比を高感度で決定すること特徴とする偏光解析
法。
3. An ellipsometric method for analyzing the thickness, refractive index, or composition of each layer of a film structure in which one or more ultra-thin films are deposited on a substrate. Analysis is performed assuming that it is composed of the components of the uppermost layer, and the reduced film thickness is obtained. Then, the total reduced film thickness of the thin film structure portion that may include the interface transition layer under the outermost layer film is calculated in air. The incident angle and energy conditions are calculated by simulation to find that the difference in the phase shift of the polarized light wave in the ellipsometric data in the liquid changes discontinuously depending on the presence or absence of the interface transition layer when the reduced film thickness is obtained in Finally, the entire measurement sample is immersed in a liquid having a refractive index equal to or higher than the refractive index of the outermost layer film, and ellipsometric measurement is performed under the conditions determined by simulation. An ellipsometric method characterized in that the composition ratio of a small transition layer at an interface is determined with high sensitivity by detecting a discontinuous change in a phase shift difference between polarized light waves.
【請求項4】 請求項3に記載の偏光解析法において、 測定試料を浸す液体として二種類あるいはそれ以上の液
体の混合液を用い、その混合比を連続的に調節すること
によって液体の屈折率を調節しながら偏光解析測定を行
うことを特徴とする偏光解析法。
4. The ellipsometric method according to claim 3, wherein a liquid mixture of two or more liquids is used as a liquid for immersing the measurement sample, and the mixture ratio is continuously adjusted to obtain a refractive index of the liquid. Ellipsometry characterized by performing an ellipsometric measurement while adjusting the temperature.
【請求項5】 測定試料全体を液体に浸して偏光解析測
定を行うための装置において、 屈折率の異なる二種以上の液体の混合比を連続的に調節
し、屈折率を調整するための機構を有する偏光解析測定
装置。
5. An apparatus for performing an ellipsometric measurement by immersing an entire measurement sample in a liquid, wherein a mechanism for continuously adjusting a mixing ratio of two or more liquids having different refractive indexes to adjust the refractive index. An ellipsometric measurement device having:
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