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ケーススタディ

マスクとしてのSiO2薄膜の高精度膜厚測定

ケーススタディ, 半導体, 消費者エレクトロニクス
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EPFL Laboratory for Physics of Nanostructures (LPN)はスイスを代表する大学のひとつであるスイス連邦工科大学ローザンヌ校(EPFL)のInstitute of Physics (IPYS)に所属しています。位置制御およびエネルギー制御される半導体量子ドットの光学特性と、フォトニック結晶(PhC)光学キャビティおよび導波路(WG)の結合に基づくフォトニックナノデバイスを主に研究しています。

現在は、要求される1 nmの精度を得るために、3D光学形状測定装置S neoxの分光反射モードを使用してSiO2 層の厚さをすばやく簡単に測定できます。

私たちは、増強放出(パーセル効果)をもたらすフォトニック(PhC)結晶のキャビティ(図1のa)または光子多重化デバイスを形成する導波路(WG)(図1のb)に埋め込まれた量子ドット(QD)の光学特性を研究しています。代表的なデバイスは、エピタキシャル成長させたGaAs/Al0.7Ga0.3As/GaAsの多層スタックから製作され、厚さ250 nmの最上層GaAsにはデバイスの能動パーツが含まれ、1 µmの犠牲層Al0.7Ga0.3Asは浮遊薄膜デバイスを形成するために最終的にエッチング除去されます。この薄膜は、特定の位置にある1つ以上の20 nmのIn0.3Ga0.7As量子ドット(QD)と、このQDに沿って正確に並んだエッチングされたPhC構造(100 nmの穴の大規模アレイ、複数の穴が特定の形で欠落している)を含んでいます。これらのデバイスは、複数の加工ステップで1~20 nmの精度を要求するため、これらすべてに高性能電子線リソグラフィが使用されます。GaAsのウェットエッチングまたはプラズマ(ICP)エッチングに対応するために、ハードマスクSiO2を使用する必要があり、これにリソグラフィのパターンがドライエッチング(RIE)によって転写されます。この転写の精度は、マスク層の正確な厚さの把握に依存します。SiO2層の厚さは40-80 nmであるため、この測定では1 nmの精度が必要です。この研究の目的は、ハードマスクとして使用するSiO2薄膜(40-80 nm)の高精度(1 nm)測定を行うことです。

cs16 EPFL - mask films 1
図1.a) 連結されたL3PhCキャビティに埋め込まれたQD(黒い点)のネットワークのSEM画像 b) 上部にアウトカプラを使用した6つのQD(赤色三角)を含むPhC導波路のSEM画像

これまで、日常的なSiO2マスクの厚さ測定は、スタイラス式の形状測定装置を使用して実施するしかありませんでした。これは校正標準と別のラボの分光エリプソメーターSopra GES 5Eを使用して総合的な校正を実施した後に行っていました。しかし、形状測定ではSiO2層の「段差」のウェットエッチングが要求され、これには時間がかかり、ウエハー全部を処理する場合には実用的ではありません。さらに、形状測定における通常のノイズがRMS 5 nmであるため、要求される1 nmの精度を得るには多くの平均化が必要です(図2のa)。


現在は、3D光学形状測定装置S neoxの分光反射モードを使用してSiO2層の厚さをすばやく簡単に測定できます。この方法では、簡易なGaAsを基準に使用して、数秒で1 nmの精度を得ることができます。

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図2. a) SiO<sub>2</sub>薄膜の段差のスタイラス式形状測定装置によるトレース b) 同じ薄膜の反射スペクトル、厚さ(84±1 nm)を示すモデル適合

基準としてGaAs生基材を使用し、まずGaAs上のSiO2層の反射スペクトルをビルトイン単層モデルで測定しました。図2のbを見ると、反射スペクトルの結果は非常に平坦で、厚い膜(d>λ)で通常見られる揺れは示されていません。モデル適合度は非常に高く、膜厚84 nmで1 nmの精度が得られています。

図3は同じ種類の測定で38 nmの膜を測定したものです。 GaAs薄膜の構造は、GaAs基板上に3層(SiO2/GaAs/Al0.7Ga0.3As)の構造があります。このような場合でも、GaAsを基準に使用して全体の構造をモデルに入力します。

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図3. SiO<sub>2</sub>薄膜の反射スペクトル、厚さ(38±1 nm)を示すモデル適合

最初のテストでは、SiO2なしの生半導体の多層構造の反射を測定しました。スペクトルの結果(図4のa)は高い適合度を示し、モデルでは正しい厚さ(X線回折で確認)のGaAsとAl0.7Ga0.3As層が形成され、SiO2の最上部層の厚さはゼロを示しました。ここでは、反射曲線が厚い(d>λ)膜で通常見られる揺れを示しています。

この生半導体を検証した後、SiO2でコーティングされた別のサンプルを測定しました(図4のb)。スペクトル適合の結果は、半導体層の厚さだけでなく、正しいSiO2層の厚さ(79 nm)も示しました。

最後のテストでは、SiO2層とPMMA層でコーティングされたサンプルの測定を試みました(図4のc)。ここでは、スペクトルがより複雑な揺れを示し、モデル適合度は前のケースほど高くありませんでした。それでも適合値は正しく、この方法の効果と速度を示しました。

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図4. a) GaAs/Al<sub>0.7</sub>Ga<sub>0.3</sub>As/GaAsサンプルの反射スペクトル、半導体の厚さ(255および994 nm)を示すモデル適合この適合は最上層のSiO<sub>2</sub>なしを示す。b) SiO<sub>2</sub>でコーティングされたGaAs/Al<sub>0.7</sub>Ga<sub>0.3</sub>As/GaAsサンプルの反射スペクトル、半導体の厚さ(269および953 nm)とSiO<sub>2</sub>層の厚さ(79 nm)を示すモデル適合。c) SiO<sub>2</sub>とPMMAでコーティングされたGaAs/Al<sub>0.7</sub>Ga<sub>0.3</sub>As/GaAsサンプルの反射スペクトル、半導体の厚さ(255および1022 nm)とSiO<sub>2</sub>層 (276 nm)とPMMA層(1044 nm)の厚さを示すモデル適合

管理的にスタイラス式形状測定装置と分光エリプソメーターSopra GES 5Eの両方と、市販の校正標準(MicromaschのSi上のSiO2層)を使用してこの方法で取得した値を確認し、Sensofarのシステムが要求される1 nmの精度を実現することを確認しました。

複雑なフォトニックナノ構造デバイスの加工では、GaAsまたは多層半導体上の(通常<100 nm)の薄いSiO2層の厚さを高精度(1 nm)かつ高速で測定する必要があります。この目的において、Sensofarの3D光学式形状測定装置S neoxが提供する反射分光法が、必要とされた高い精度と速度、そして使いやすさを提供するツールとして最適でした。

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