(57)【要約】【課題】基板上に形成された元素の量を全反射蛍光Ｘ線で測定するときの位置による誤差を低減すること。【解決手段】基準元素を含有する非晶質層１５を表面に成膜した測定用ウェハ１０を作製するステップと、測定用ウェハ１０に励起光８が照射されたときに、その基準元素から発せられる基準蛍光Ｘ線の強度と非晶質層１５）の表面に存在する被測定元素１６から発せられる被測定蛍光Ｘ線の強度とに基づいて被測定元素１６の量を算出するステップとを備えている。このような元素量測定方法によれば、励起光８が非晶質層１５で回折して被測定元素１６に照射される程度の位置によるばらつきを低減し、さらに、その被測定蛍光Ｘ線の強度の入射角によるばらつきをその基準蛍光Ｘ線の強度に基づいて補正することができる。このため、このような元素量測定方法は、被測定元素１６の量の測定誤差を低減することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準元素を構成元素に含む非晶質層を表面に成膜した測定用基板を作製するステップと、
前記測定用基板の表面に被測定元素を導入するステップと、
前記測定用基板に励起光を入射させ、前記基準元素から励起された基準蛍光Ｘ線の強度と、前記被測定元素から励起された被測定蛍光Ｘ線の強度とを測定するステップと、
前記基準蛍光Ｘ線の強度と、前記被測定蛍光Ｘ線の強度とに基づいて前記被測定元素の量を算出するステップと、
を具備する元素量測定方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記励起光は、前記非晶質層に対し、全反射入射条件で入射される元素量測定方法。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかにおいて、
前記被測定元素の量を算出するステップは、前記被測定蛍光Ｘ線の強度を前記基準蛍光Ｘ線の強度により除算した比に基づいて前記被測定元素の量を算出する元素量測定方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかにおいて、
前記被測定元素の量を校正するステップを更に具備し、
前記校正するステップは、
前記基準元素を構成元素に含む非晶質層を表面に成膜した校正用基板を作成するステップと、
前記校正用基板の表面に校正用被測定元素を導入するステップと、
前記校正用基板に励起光を入射させ、前記基準元素から励起された校正用基準蛍光Ｘ線の強度と、前記校正用被測定元素から励起された校正用被測定蛍光Ｘ線の強度とを測定する校正用蛍光Ｘ線強度測定ステップと、
前記校正用被測定元素の量を、定量分析可能な測定方法で測定する校正用定量分析ステップと、
前記校正用定量分析ステップの測定結果と、前記校正用蛍光Ｘ線強度測定ステップの測定結果とから補正値を算出するステップとを有し、
前記被測定元素の量を算出するステップでは、更に、前記補正値により前記被測定元素の量が補正される
元素量測定方法。
【請求項５】
請求項４において、
前記補正値は、前記校正用定量分析ステップで測定された前記校正用被測定元素の量を、前記校正用被測定蛍光Ｘ線の強度を前記校正用基準蛍光Ｘ線の強度により除算した比により除算することで算出され、
前記被測定元素の量は、前記被測定蛍光Ｘ線の強度を前記基準蛍光Ｘ線の強度により除算した比に前記補正値を乗算することにより算出される、元素量測定方法。
【請求項６】
請求項５において、
前記測定用基板は、結晶から形成される結晶層を更に備え、
前記非晶質層は、前記結晶層に積層される
元素量測定方法。
【請求項７】
請求項６において、
前記結晶は、シリコンから形成される
元素量測定方法。
【請求項８】
請求項７において、
前記非晶質層は、シリコン酸化物から形成される
元素量測定方法。
【請求項９】
請求項８において、
前記非晶質層の厚さは、１００Å以上である
元素量測定方法。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９のいずれかにおいて、
前記非晶質層を成膜した後に、前記非晶質層を被覆するように、前記被測定元素を含有する層を形成するステップを更に具備し、
前記励起光は、前記層が形成された後に前記測定用基板に照射される
元素量測定方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載される元素量測定方法と、
前記層を形成した条件と前記前記被測定元素の量とに基づいて算出された条件で、前記被測定元素を含有する層をゲート絶縁膜上に形成するステップと、
を具備する半導体装置製造方法。
【請求項１２】
基準元素を構成元素に含む非晶質層を表面に成膜した測定用基板に励起光を照射したときに前記基準元素から発せられる基準蛍光Ｘ線の強度と前記非晶質層の表面に存在する被測定元素から発せられる被測定蛍光Ｘ線の強度とを検出する検出器と、
前記基準蛍光Ｘ線の強度と、前記被測定蛍光Ｘ線の強度とに基づいて前記被測定元素の量を算出する元素量測定装置本体と、を具備する元素量測定装置。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記元素量測定装置本体は、前記被測定蛍光Ｘ線の強度を前記基準蛍光Ｘ線の強度により除算した比に基づいて前記被測定元素の量を算出する
元素量測定装置。
【請求項１４】
請求項１３において、
前記測定用基板を分析して分析結果を生成する分析装置を更に具備し、
前記元素量測定装置本体は、前記分析結果に更に基づいて前記被測定元素の量を算出する
元素量測定装置。
【請求項１５】
請求項１４において、
前記測定用基板は、結晶から形成される結晶層を更に備え、
前記非晶質層は、前記結晶層に積層される
元素量測定装置。
【請求項１６】
請求項１５において、
前記結晶は、シリコンから形成される
元素量測定装置。
【請求項１７】
請求項１６において、
前記非晶質層は、シリコン酸化物から形成される
元素量測定装置。
【請求項１８】
請求項１７において、
前記非晶質層の厚さは、１００Å以上である
元素量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、元素量測定方法に関し、とくに、全反射蛍光Ｘ線分析を用いて基板表面に形成された元素の量を測定する元素量測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ウェハ上に形成される半導体素子のＭＯＳトランジスタを構成するゲート絶縁膜として、ＳｉＯ２膜やＳｉＯＮ膜が用いられている。近年、半導体素子の微細化、高速化の要求に伴い、このゲート絶縁膜の表面上に、微量の金属、たとえばＨｆの極薄膜を形成することが行われている。このＨｆ量は、ＭＯＳトランジスタの特性に大きく影響するため、半導体製造プロセスラインにおいて、ウェハ上面に導入されるＨｆの量を正確に測定することが必要とされる。
【０００３】
シリコンウェハなど基板の表面上あるいは表面近傍に導入された元素の量を測定する手段として、全反射蛍光Ｘ線分析（ＴＸＲＦ：Ｔｏｔａｌ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  Ｘ−Ｒａｙ  Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ  ａｎａｌｙｓｉｓ）がある。これは、比較的安価で、微量元素を高感度に検出でき、測定対象を非破壊で簡便に測定できる利点があるため、多くの半導体製造プロセスライン内で用いられている。
【０００４】
ＴＸＲＦの測定原理を、簡単に、図１を用いて説明する。表面に被測定元素（図示せず）が形成された測定用基板１１０の表面に対して臨界角以下の入射角θで入射Ｘ線１０８を入射させると全反射して反射波１１７が発生する。これとともに、測定対象の元素からの蛍光Ｘ線１１１が発生し、その強度を検出器１０７でカウントすることにより検出する。この蛍光Ｘ線は、元素によって固有のエネルギーを有しているので元素の同定が可能である。またその元素の蛍光Ｘ線の信号強度（通常、ｃｐｓで表される）から、あらかじめ他の定量分析方法（たとえばＩＣＰ−ＭＳ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）によって求められている換算係数を乗じることによって、その元素の量を求めることができる。
【０００５】
ＴＸＲＦの測定用基板１１０がシリコンウェハである場合には、一般に、表面にパターンの形成されたシリコンウェハではなく、測定用のパターンの形成されていないシリコンウェハが用いられる。つまり、一般には、測定用のシリコンウェハ上に、製品と同じ条件で被測定元素を導入することによって、測定される。
【０００６】
このような測定用基板上、たとえばシリコンウェハ上の元素をＴＸＲＦで測定するに際し、以下の問題点がある。そのシリコンウェハが反っていた場合、入射Ｘ線１０６の入射角θが変化し、それによって、検出される蛍光Ｘ線強度が大きく変化してしまう。
【０００７】
このようなウェハの反りによる影響を補正するため、特許文献１では、ウェハ面内位置による測定対象元素の蛍光Ｘ線の変動を、基準のシリコンウェハのＳｉ強度と測定対象のウェハのＳｉ強度との比を用いて補正することが開示されている。また、特許文献２では、Ｓｉ基板を用いた場合、ＳｉＯ２基板を用いた場合のそれぞれにおいて、入射Ｘ線角と蛍光Ｘ線強度を散乱Ｘ線強度で規格化することが開示されている。特許文献３では、ＳｉのＸ線強度で規格化することが開示されている。
【０００８】
また、蛍光Ｘ線強度を検出する際、入射角によってはＸ線の回折線により蛍光Ｘ線強度に影響をおよぼすことがある。この回折線による影響を抑制するために、特許文献４では、シリコンウェハからの回折線強度を減衰させるために、シリコンウェハ表面に少なくとも１００Åの非晶質層を形成することが開示されている。
【０００９】
【特許文献１】特開平６−１０９６７０号公報
【特許文献２】特開平７−１０３９１９号公報
【特許文献３】特開２００１−６６２７０号公報
【特許文献４】特開平３−８１６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１では、シリコンウェハの反りの影響をシリコンウェハからのＳｉの蛍光Ｘ線強度で補正している。一方、特許文献４では、シリコンウェハの表面に形成された非晶質層によりＸ線の回折線を減衰させているが、同時にシリコンウェハからのＳｉの蛍光Ｘ線も減衰・吸収されてしまう。
【００１１】
そのため、シリコンウェハの反りと、Ｘ線の回折線とが、蛍光Ｘ線強度に及ぼす影響を抑制することができないという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
以下に、発明を実施するための最良の形態・実施例で使用される符号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を記載する。この符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための最良の形態・実施例の記載との対応を明らかにするために付加されたものであり、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１３】
本発明による元素量測定方法は、基準元素を含有する非晶質層（１５）を表面に成膜した測定用基板（１０）を作製するステップと、測定用基板（１０）に励起光（８）が照射されたときにその基準元素から発せられる基準蛍光Ｘ線の強度と非晶質層（１５）の表面に存在する被測定元素（１６）から発せられる被測定蛍光Ｘ線の強度とに基づいて被測定元素（１６）の量を算出するステップとを備えている。このような元素量測定方法によれば、被測定元素（１６）に照射される励起光（８）の強度は、測定用基板（１０）のうちの位置によるばらつきが低減される。さらに、被測定元素（１６）から発せられる被測定蛍光Ｘ線の強度は、励起光（８）が測定用基板（１０）に入射する入射角（θ）により変動し、すなわち、測定用基板（１０）のうちの励起光（８）が照射される位置により変動し、測定用基板（１０）の反りにより変動する。このような元素量測定方法によれば、被測定蛍光Ｘ線の強度に基づいて算出された被測定元素（１６）の量を、基準蛍光Ｘ線の強度に基づいて補正することができる。このため、このような元素量測定方法は、測定用基板（１０）上に配置された被測定元素（１６）の量を蛍光Ｘ線分析で測定するときの位置による誤差を低減することができる。
【００１４】
本発明による元素量測定装置（１）は、検出器（２）と元素量測定装置本体（５）とを備えている。検出器（２）は、基準元素を含有する非晶質層（１５）を表面に成膜した測定用基板（１０）に励起光（８）が照射されたときにその基準元素から発せられる基準蛍光Ｘ線の強度と非晶質層（１５）の表面に存在する被測定元素（１６）から発せられる被測定蛍光Ｘ線の強度とを検出する。元素量測定装置本体（５）は、その基準蛍光Ｘ線の強度とその被測定蛍光Ｘ線の強度とに基づいて被測定元素（１６）の量を算出する。このような測定用基板（１０）によれば、被測定元素（１６）に照射される励起光（８）の強度は、測定用基板（１０）のうちの位置によるばらつきが低減される。さらに、被測定元素（１６）から発せられる被測定蛍光Ｘ線の強度は、励起光（８）が測定用基板（１０）に入射する入射角（θ）により変動し、すなわち、測定用基板（１０）のうちの励起光（８）が照射される位置により変動し、測定用基板（１０）の反りにより変動する。このような元素量測定装置本体（５）によれば、被測定蛍光Ｘ線の強度に基づいて算出された被測定元素（１６）の量を、基準蛍光Ｘ線の強度に基づいて補正することができる。このため、このような元素量測定装置（１）は、測定用基板（１０）上に形成された被測定元素（１６）の量を蛍光Ｘ線Ｘ線分析で測定するときの位置による誤差を低減することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明による元素量測定方法および元素量測定装置によれば、測定用基板上に形成された被測定元素の量を蛍光Ｘ線分析で測定するときの位置による誤差を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図面を参照して、本発明による元素量測定装置の実施例を説明する。その元素量測定装置１は、図２に示されているように、全反射蛍光Ｘ線分析装置２とＩＣＰ−ＭＳ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）装置３と元素量測定装置本体５とを備えている。全反射蛍光Ｘ線分析装置２とＩＣＰ−ＭＳ装置３とは、双方向に情報を伝送することができるように、元素量測定装置本体５に接続されている。なお、定量分析可能なＩＣＰ−ＭＳ装置３は、全反射蛍光Ｘ線分析装置２による測定値を、元素量に換算する補正値を算出するために用いられる。そのため、ＩＣＰ−ＭＳ装置３は必ずしも同一装置内にある必要はない。
【００１７】
元素量測定装置本体５は、コンピュータであり、図示されていないＣＰＵと記憶装置と入力装置と出力装置とインターフェースとを備えている。そのＣＰＵは、元素量測定装置本体５にインストールされるコンピュータプログラムを実行して、その記憶装置と入力装置と出力装置とインターフェースとを制御する。その記憶装置は、そのコンピュータプログラムを記録し、そのＣＰＵにより生成される情報を一時的に記録する。その入力装置は、ユーザに操作されることにより情報を生成し、その情報をそのＣＰＵに出力する。その出力装置は、そのＣＰＵにより生成される情報をユーザに認識可能に出力する。そのインターフェースは、元素量測定装置本体５に接続される外部機器により生成される情報をそのＣＰＵに出力し、そのＣＰＵにより生成された情報をその外部機器に出力する。その外部機器は、全反射蛍光Ｘ線分析装置２とＩＣＰ−ＭＳ装置３とを含んでいる。
【００１８】
全反射蛍光Ｘ線分析装置２は、導入される半導体基板を蛍光Ｘ線分析して、その分析結果を元素量測定装置本体５に出力する。
【００１９】
ＩＣＰ−ＭＳ装置３は、元素量測定装置本体５に制御されて、導入される試料をＩＣＰ−ＭＳ分析する。すなわち、ＩＣＰ−ＭＳ装置３は、イオン源と質量分析計とを備えている。そのイオン源は、導入された試料に高電圧をかけることにより、誘導結合プラズマを生成する。その質量分析計は、その高周波プラズマを質量分析することにより、その導入された試料の元素の同定・定量を行い、その分析結果を元素量測定装置本体５に出力する。このようなＩＣＰ−ＭＳ装置３は、周知である。
【００２０】
図３は、全反射蛍光Ｘ線分析装置２を示している。全反射蛍光Ｘ線分析装置２は、Ｘ線源６と検出器７とを備えている。Ｘ線源６は、測定用ウェハ１０のうちの元素量測定装置本体５により指定された位置にＸ線８を全反射入射条件で照射する。すなわち、Ｘ線８は、臨界角以下の入射角θ（たとえば、θ≦０．１ｄｅｇ）で、測定用ウェハ１０の表面に入射される。検出器７は、測定用ウェハ１０の表面に対向するように配置されている。検出器７は、Ｘ線８が測定用ウェハ１０に照射されるときに測定用ウェハ１０から発せられる蛍光Ｘ線１１のスペクトルを測定し、その測定結果を元素量測定装置本体５に出力する。
【００２１】
Ｘ線８は、比較的浅い入射角θで測定用ウェハ１０の表面に入射されたときに、測定用ウェハ１０の内部にほとんど侵入することなく、その表面を全反射する。このとき、蛍光Ｘ線１１は、測定用ウェハ１０の表面の近傍に配置される原子からのみ発せられ、全反射蛍光Ｘ線分析装置２は、測定用ウェハ１０の表面近傍の元素の量をより高感度で測定することができる。さらに、Ｘ線８が測定用ウェハ１０の表面を反射して生成される反射波１７は、検出器７に入射されにくい。このため、検出器７は、反射波１７をノイズとして検出することが防止され、蛍光Ｘ線１１をより高感度で検出することができ、全反射蛍光Ｘ線分析装置２は、測定用ウェハ１０の表面の微量元素の量を極めて高感度で測定することができる。
【００２２】
測定用ウェハ１０は、円盤状に形成され、図３に示されているように、シリコン基板１４とシリコン酸化膜１５とハフニウム層１６とが積層されて形成されている。シリコン基板１４は、シリコン（Ｓｉ）の単結晶から形成されている。シリコン酸化膜１５は、シリコン基板１４を被覆するように成膜され、厚さが１００Å以上（たとえば、２００Å）になるように形成されたものである。シリコン酸化膜１５は、非晶質（アモルファス）である材料から形成され、たとえば、非晶質である二酸化シリコン（ＳｉＯ２）から形成されている。ハフニウム層１６は、シリコン酸化膜１５を被覆するように、極薄膜として形成されている。ハフニウム層１６は、ハフニウム（Ｈｆ）から形成されている。
【００２３】
図４は、元素量測定装置本体５を示している。元素量測定装置本体５は、コンピュータプログラムである第１検出結果収集部２１と第２検出結果収集部２２と元素量算出部２３とがインストールされている。
【００２４】
第１検出結果収集部２１は、全反射蛍光Ｘ線分析装置２を制御して、測定用ウェハ１０の表面のうちのユーザにより指定された位置にＸ線８を照射し、測定用ウェハ１０から発せられる蛍光Ｘ線１１のスペクトルを全反射蛍光Ｘ線分析装置２から収集する。第１検出結果収集部２１は、そのスペクトルに基づいて、シリコン（Ｓｉ）から発せられる蛍光Ｘ線の強度を算出し、ハフニウム（Ｈｆ）から発せられる蛍光Ｘ線の強度を算出する。
【００２５】
第２検出結果収集部２２は、ＩＣＰ−ＭＳ装置３を制御して、測定用ウェハ１０から作製された試料に高電圧をかけることにより生成される高周波プラズマを質量分析し、その分析結果をＩＣＰ−ＭＳ装置３から収集する。第１検出結果収集部２１は、その分析結果に基づいて、その測定用ウェハ１０の表面のハフニウムの量を算出する。その算出されるハフニウムの量は、測定用ウェハの表面のうちの所定の領域の単位面積当たりに存在するハフニウムの原子数を示している。なお、その算出されるハフニウムの量は、他の単位で表現されることもできる。その単位としては、測定用ウェハの表面のうちの所定の領域の単位面積当たりに存在するハフニウムの質量が例示される。
【００２６】
元素量算出部２３は、キャリブレーション用に作製された校正用ウェハから発せられる蛍光Ｘ線に基づいて第１検出結果収集部２１により算出されたシリコンの蛍光Ｘ線の強度とハフニウムの蛍光Ｘ線の強度と、その校正用ウェハをＩＣＰ−ＭＳ分析した分析結果に基づいて第２検出結果収集部２２により算出されたハフニウムの量とに基づいて、換算係数（補正値）Ｃ＊を算出する。
【００２７】
元素量算出部２３は、換算係数Ｃ＊と第１検出結果収集部２１により算出されたシリコンの蛍光Ｘ線の強度とハフニウムの蛍光Ｘ線の強度とからハフニウムの量を算出する。すなわち、そのハフニウムの元素量は、強度Ｈｆと強度Ｓｉとを用いて、次式：
Ｃ＊×Ｈｆ÷Ｓｉ
により表現される。ここで、強度Ｈｆは、第１検出結果収集部２１により算出されるハフニウムの蛍光Ｘ線の強度（ｃｐｓ）を示している。強度Ｓｉは、第１検出結果収集部２１により算出されるシリコンの蛍光Ｘ線の強度（ｃｐｓ）を示している。すなわち、換算係数Ｃ＊は、その式が示す値がハフニウムの元素量に一致するように、算出される。
【００２８】
本発明による元素量測定方法の実施の形態は、全反射蛍光Ｘ線分析を校正する動作と全反射蛍光Ｘ線分析によりハフニウムの元素量を測定する動作とを備えている。
【００２９】
その全反射蛍光Ｘ線分析を校正する動作は、校正用ウェハを作製する動作とその校正用ウェハを全反射蛍光Ｘ線分析する動作とその校正用ウェハをＩＣＰ−ＭＳ分析する動作と換算係数Ｃ＊とを算出する動作とを備えている。
【００３０】
その校正用ウェハを作製する動作では、ユーザは、校正用ウェハを作製する。その校正用ウェハは、シリコンウェハに厚さが１００Å以上であるシリコン酸化膜が積層され、そのシリコン酸化膜の上にハフニウム層が積層されて生成される。
【００３１】
その校正用ウェハを全反射蛍光Ｘ線分析する動作は、元素量測定装置１により実行される。元素量測定装置本体５は、全反射蛍光Ｘ線分析装置２を用いて、その校正用ウェハの表面のうちのユーザにより指定された位置にＸ線８を照射し、その校正用ウェハから発せられる蛍光Ｘ線１１のスペクトルに基づいて、シリコンから発せられる蛍光Ｘ線の強度とハフニウムから発せられる蛍光Ｘ線の強度とを算出する。
【００３２】
その校正用ウェハをＩＣＰ−ＭＳ分析する動作は、元素量測定装置１により実行される。元素量測定装置本体５は、ＩＣＰ−ＭＳ装置３を用いて、その校正用ウェハのうちのユーザにより指定された部分から作製された試料に高電圧をかけることにより生成される高周波プラズマを質量分析し、その分析結果に基づいて、その校正用ウェハの表面のハフニウムの量を算出する。
【００３３】
換算係数Ｃ＊を算出する動作は、元素量測定装置１により実行される。元素量測定装置本体５は、その校正用ウェハから発せられる蛍光Ｘ線に基づいて算出されたシリコンの蛍光Ｘ線の強度とハフニウムの蛍光Ｘ線の強度とその校正用ウェハをＩＣＰ−ＭＳ分析することにより算出されたハフニウムの量とに基づいて、換算係数Ｃ＊を算出する。すなわち、換算係数Ｃ＊は、強度Ｈｆと強度Ｓｉとを用いて、次式：
Ｃ＊×Ｈｆ÷Ｓｉ
により表現される値がそのハフニウムの量に一致するように、算出される。ここで、強度Ｈｆは、その校正用ウェハから発せられる蛍光Ｘ線に基づいて算出されたハフニウムの蛍光Ｘ線の強度（ｃｐｓ）を示している。強度Ｓｉは、その校正用ウェハから発せられるシリコンの蛍光Ｘ線の強度（ｃｐｓ）を示している。
【００３４】
このような全反射蛍光Ｘ線分析を校正する動作は、本発明による元素量測定方法を用いてハフニウムの元素量を測定するときに、少なくとも１回する必要があるが、全反射蛍光Ｘ線分析によりハフニウムの元素量を測定する動作を実行するごとに実行する必要はない。
【００３５】
全反射蛍光Ｘ線分析によりハフニウムの元素量を測定する動作は、元素量測定装置１により実行される。元素量測定装置本体５は、全反射蛍光Ｘ線分析装置２を用いて、測定対象である測定用ウェハ１０の表面のうちのユーザにより指定された位置にＸ線８を全反射入射条件で照射し、測定用ウェハ１０から発せられる蛍光Ｘ線１１のスペクトルに基づいて、シリコンから発せられる蛍光Ｘ線の強度とハフニウムから発せられる蛍光Ｘ線の強度とを算出する。元素量測定装置本体５は、そのシリコンから発せられる蛍光Ｘ線の強度Ｓｉとハフニウムから発せられる蛍光Ｘ線の強度Ｈｆとに基づいて、測定用ウェハ１０の表面のハフニウムの元素量を算出する。そのハフニウムの元素量は、次式：
Ｃ＊×Ｈｆ÷Ｓｉ
により表現される。
【００３６】
図５は、Ｘ線が測定用ウェハの表面に入射する入射角とその表面に配置されるハフニウムから発せられる蛍光Ｘ線の強度との関係を示している。その関係２５は、その入射角が大きくなるほどその強度が大きくなることを示し、その入射角が変化することによりその強度が大きく変化することを示している。たとえば、関係２５は、その入射角θがわずかに０．０１ｄｅｇ変化しただけでその強度が約２００〜３００ｃｐｓ変化することを示している。
【００３７】
図６は、反りがある測定用ウェハとＸ線との位置関係を示している。その位置関係は、その測定用ウェハ３１のうちの位置３２−１に入射されるＸ線３３−１が入射角θ１で測定用ウェハ３１に入射されることを示している。その位置関係は、さらに、測定用ウェハ３１のうちの位置３２−２に入射されるＸ線３３−２が入射角θ２で測定用ウェハ３１に入射されることを示している。その位置関係は、さらに、入射角θ１と入射角θ２とが異なっていることを示している。すなわち、その位置関係は、その測定用ウェハ３１に反りが形成されているときに、そのＸ線が測定用ウェハ３１に入射される位置により、そのＸ線が測定用ウェハの表面に入射する入射角が変動することを示している。
【００３８】
関係２５と図６の位置関係とは、さらに、測定用ウェハに反りがあるときに、そのＸ線が測定用ウェハに入射される位置により、その表面に配置されるハフニウムから発せられる蛍光Ｘ線の強度が変動することを示している。したがって、関係２５と図６の位置関係とは、測定用ウェハの反りを考慮すると、検出されたＨｆ強度をそのままＨｆ量に換算することが好ましくないことを示している。
【００３９】
図７は、反りがある測定用ウェハの表面の複数の領域に配置されるハフニウムから発せられた蛍光Ｘ線の強度の分布を示している。その分布３５は、その領域の位置に応じてその強度が変動することを示し、その強度のばらつきが比較的大きいことを示している。すなわち、分布３５は、測定用ウェハに反りがあるときに、Ｘ線の入射角のばらつきのためにそのハフニウムの強度のばらつきが比較的大きくなっていることを示している。
【００４０】
図８は、反りがある測定用ウェハの表面の複数の領域に対応する比の分布を示している。その比は、その対応する領域に配置されるハフニウムから発せられた蛍光Ｘ線の強度をその対応する領域に配置されるシリコンから発せられた蛍光Ｘ線の強度で除算した商を示している。その分布３６は、その領域の位置に応じてその比が変動することを示し、分布３５における強度のばらつきに比較してその比のばらつきが小さいことを示している。すなわち、分布３６は、その比に及ばされるＸ線の入射角のばらつきの影響が低減されていることを示し、その比がハフニウムの量に対応することを示している。
【００４１】
図９は、半導体素子に製造されるウェハを示している。そのウェハ４１は、円盤状に形成され、その円盤の縁にノッチ４２が形成されている。ノッチ４２は、ウェハ４１の結晶方位によって切り欠く位置が決まっている。すなわち、ウェハ４１は、特定の結晶方位に沿って円盤状にスライスされ、ノッチ４２は、半導体素子の製造工程中で結晶方位の向きを合わせるために利用される。ウェハ４１は、所定の測定点４３が全反射蛍光Ｘ線分析されるときに、所定の結晶方位に対して入射方向φでＸ線４４が入射される。入射方向φは、測定点４３の位置により変化する。
【００４２】
図１０は、ウェハにＸ線が入射される入射方向とシリコンから発せられる蛍光Ｘ線の強度との関係を示している。その関係４６は、ある入射方向で蛍光Ｘ線の強度が低下していることを示している。すなわち、関係４６は、そのＸ線がそのウェハの結晶の影響で回折して蛍光Ｘ線を検出するときのノイズとなることを示している。
【００４３】
図１１は、測定用ウェハ１０の実施例を示している。その測定用ウェハ５１は、シリコン基板５２とシリコン酸化膜５３とが積層されて形成されている。シリコン基板５２は、シリコン（Ｓｉ）の単結晶から形成され、円盤状に形成されている。シリコン酸化膜５３は、非晶質（アモルファス）である材料から形成され、たとえば、非晶質である二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から形成されている。シリコン酸化膜５３は、シリコン基板５２を被覆するように成膜され、厚さが２００Åになるように形成されている。このとき、測定用ウェハ５１に非常に浅い入射角で入射されたＸ線５４は、シリコン酸化膜５３で減衰し、シリコン基板５２に到達するＸ線５４は、強度が極めて小さい。このため、測定用ウェハ５１は、シリコン基板５２で回折したＸ線の強度が極めて小さく、その回折したＸ線により、全反射蛍光Ｘ線分析に及ぼす影響が極めて小さい。
【００４４】
図１２は、測定用ウェハ１０の比較例を示している。その測定用ウェハ６１は、シリコン基板６２とシリコン酸化膜６３とが積層されて形成されている。シリコン基板６２は、シリコン（Ｓｉ）の単結晶から形成され、円盤状に形成されている。シリコン酸化膜６３は、非晶質（アモルファス）である二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から形成されている。シリコン酸化膜６３は、シリコン基板６２を被覆するように成膜され、厚さが２０Åになるように形成されている。このとき、測定用ウェハ６１に非常に浅い入射角で入射されたＸ線６４は、シリコン酸化膜６３で減衰するが、シリコン基板６２に到達するＸ線６４は、測定用ウェハ５１に比較して、強度がより大きい。このため、測定用ウェハ６１は、入射されるＸ線６４の入射方向によっては、Ｘ線の回折線６５が発生してしまい、それがノイズとなって、検出される蛍光Ｘ線の強度に影響してしまうことがある。
【００４５】
図１３は、本発明の実施例による測定用ウェハ５１の表面の複数の領域に対応する比の分布を示している。その比は、その対応する領域に配置されるハフニウムから発せられた蛍光Ｘ線の強度をその対応する領域に配置されるシリコンから発せられた蛍光Ｘ線の強度で除算した商を示している。その分布７１は、その比のばらつきが比較的小さいことを示している。
【００４６】
図１３は、さらに、本発明の比較例による測定用ウェハ６１の表面の複数の領域に対応する比の分布を示している。その分布７２は、分布７１に比較して、その比のばらつきがより大きいことを示している。分布７２は、さらに、ある面内位置で比が増加していることを示している。すなわち、分布７２は、測定用ウェハ６１に入射されるＸ線６４の回折線６５が表面のハフニウムに照射されてその比が増加することを示し、２０Åのシリコン酸化膜６３によりシリコン基板６２の結晶の回折線６５のノイズの影響を防ぐことができないことを示している。すなわち、分布７１と分布７２とは、厚さが１００Å以上であるシリコン酸化膜がシリコン基板の結晶の回折線のノイズの影響を防ぐことを示している。なお、特開平７−１０３９１９号公報には、測定試料にシリコン酸化膜基板を用いることは記載されているものの、その膜厚についてはなんら記載されていない。
【００４７】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。たとえば、非晶質層として、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を例示したが、他の材料に置換されることができる。その材料としては、ＳｉＯＮ、Ｓｉ３Ｎ４が例示される。また、反りを補正する元素も、Ｓｉに限定されず、非晶質層を構成する元素であればよい。非晶質層の膜厚は、１００Å以上であればとくに上限は限定されないが、生産性やコストを加味すれば、膜厚の上限はたとえば２０００Åである。また、結晶基板としてシリコン基板を例示したが、これに限定されるものではない。ＴＸＲＦの測定基板は、ＴＸＲＦで測定可能な基板であれば、ウェハに限定されない。
【００４８】
測定対象の元素として、高融点金属であるＨｆを例示したが、これに限定されるものではなく、他の高融点金属元素であってもよい。その高融点金属元素としては、Ｚｒ、Ｔｉなどが例示される。また、その量は、ＴＸＲＦで測定でき、かつ下地の非晶質層からのＳｉ強度の検出を阻害しない範囲であればよい。ＴＸＲＦでの検出に好ましい高融点金属元素の量として、たとえば１×１０９〜１×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ２である。また、これら高融点金属は、酸化物として存在してもよく、シリコン酸化膜などの非晶質層中に導入されてもよい。また、被測定元素は、高融点金属に限らず、ＴＸＲＦで検出可能な元素であればよい。
【００４９】
なお、本発明による元素量測定装置は、ＩＣＰ−ＭＳ装置３に置換して、その校正用ウェハ上のハフニウムの量を測定する他の分析装置を備えることができる。本発明による元素量測定装置は、ＩＣＰ−ＭＳ装置と異なる分析装置が適用されたときでも、既述の元素量測定装置１と同様にして、測定用ウェハ上に形成されたハフニウムの量を蛍光Ｘ線分析で測定するときの位置による誤差を低減することができる。
【００５０】
なお、ユーザは、元素量測定装置１と別個のＩＣＰ−ＭＳ装置を用いて、その校正用ウェハのハフニウムの量を測定し、元素量測定装置１を用いてそのハフニウムの量に基づいて換算係数Ｃ＊を算出し、全反射蛍光Ｘ線分析を校正することもできる。すなわち、本発明による元素量測定装置は、ＩＣＰ−ＭＳ装置を省略し、全反射蛍光Ｘ線分析装置２と元素量測定装置本体５とから形成されることもできる。
【００５１】
なお、ＩＣＰ−ＭＳ装置３による測定結果を用いないで全反射蛍光Ｘ線分析を校正することもできる。その校正方法としては、ハフニウムの量が既知である測定用ウェハを作製することによる方法が例示される。このとき、元素量測定装置１は、ＩＣＰ−ＭＳ装置３を省略することができる。
【００５２】
本発明による半導体装置製造方法の実施の形態は、ハフニウム層を形成する条件を算出する動作とハフニウム層を含む半導体装置を作製するステップとを備えている。
【００５３】
そのハフニウム層を形成する条件を算出する動作は、測定用ウェハを作製する動作と本発明による元素量測定方法用いてハフニウムの元素量を測定する動作とを備えている。
【００５４】
その測定用ウェハを作製する動作では、複数の測定用ウェハが作製される。その複数の測定用ウェハは、それぞれ、シリコンウェハの表面を熱酸化することにより、厚さが１００Å以上であるシリコン酸化膜がシリコン基板に積層された後に、そのシリコン酸化膜の上にハフニウム層が積層されて生成される。ハフニウム層を形成する方法としては、化学気相成長が例示される。その複数の測定用ウェハは、それぞれ、そのシリコン基板とシリコン酸化膜とが互いに同様に形成され、そのハフニウム層が互いに異なる条件で形成されている。その条件としては、化学気相成長させる時間が例示される。
【００５５】
その作製された複数の測定用ウェハは、本発明による元素量測定方法用いてハフニウムの元素量が測定される。ユーザは、その測定結果に基づいて、ハフニウム層を形成する条件とその複数の測定用ウェハの表面のハフニウムの元素量との対応関係を算出する。ユーザは、その対応関係に基づいて、製品に作成されるウェハにハフニウム層を形成する条件を算出する。たとえば、その条件は、その作製された複数の測定用ウェハのうち、その測定されたハフニウムの元素量が所定の値を示す測定用ウェハのハフニウム層を形成したときの条件を示している。
【００５６】
そのハフニウム層を含む半導体装置を作製するステップでは、製品に作成されるウェハにゲート酸化膜が形成された後に、そのゲート酸化膜を被覆するようにハフニウム層が形成される。そのハフニウム層を形成するときの条件は、そのハフニウム層を形成する条件を算出する動作により算出された条件に等しい。そのウェハは、そのゲート酸化膜とゲート電極との間にそのハフニウム層が配置されるようにゲート電極が形成され、製品に作成される。
【００５７】
このような半導体装置製造方法によれば、ユーザは、ゲート酸化膜とゲート電極との間に配置されるハフニウムの元素量をより高精度に制御することができ、ゲート酸化膜とゲート電極との間に配置されるハフニウム層をより高精度に形成することができる。すなわち、本発明による元素量測定方法は、このような半導体製造方法に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】図１は、公知の全反射蛍光Ｘ線分析方法を示す図である。
【図２】図２は、本発明による元素量測定装置を示すブロック図である。
【図３】図３は、全反射蛍光Ｘ線分析装置を示し、測定用ウェハを示す図である。
【図４】図４は、元素量測定装置本体を示すブロック図である。
【図５】図５は、入射角とハフニウムの蛍光Ｘ線の強度との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、反りがある測定用ウェハとＸ線との位置関係を示す断面図である。
【図７】図７は、反りがある測定用ウェハの表面のハフニウムの蛍光Ｘ線の強度の複数の領域に対する分布を示すグラフである。
【図８】図８は、反りがある測定用ウェハの表面のハフニウムの蛍光Ｘ線の強度とシリコンの蛍光Ｘ線の強度との比の分布を示すグラフである。
【図９】図９は、全反射蛍光Ｘ線分析されるウェハにＸ線が入射される入射方向を示す平面図である。
【図１０】図１０は、Ｘ線の入射方向とシリコンの蛍光Ｘ線の強度との関係を示すグラフである。
【図１１】図１１は、本発明による元素量測定方法に用いられる測定用ウェハの実施例を示す断面図である。
【図１２】図１２は、本発明による元素量測定方法に用いられる測定用ウェハの比較例を示す断面図である。
【図１３】図１３は、実施例による測定用ウェハの測定結果から算出される比の分布を示し、比較例による測定用ウェハの測定結果から算出される比の分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５９】
１  ：元素量測定装置
２  ：全反射蛍光Ｘ線分析装置
３  ：ＩＣＰ−ＭＳ装置
５  ：元素量測定装置本体
６  ：Ｘ線源
７  ：検出器
８  ：Ｘ線
１０：測定用ウェハ
１１：蛍光Ｘ線
１４：シリコン基板
１５：シリコン酸化膜
１６：ハフニウム層
１７：反射波
２１：第１検出結果収集部
２２：第２検出結果収集部
２３：元素量算出部
２５：関係
３１：測定用ウェハ
３２−１〜３２−２：位置
３３−１〜３３−２：Ｘ線
３５：分布
３６：分布
４１：ウェハ
４２：ノッチ
４３：測定点
４４：Ｘ線
４６：関係
５１：測定用ウェハ
５２：シリコン基板
５３：シリコン酸化膜
５４：Ｘ線
６１：測定用ウェハ
６２：シリコン基板
６３：シリコン酸化膜
６４：Ｘ線
６５：回折線
７１：分布
７２：分布
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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