【手続補正書】
【提出日】平成17年1月31日(2005.1.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】  光学的評価方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】  チャンバー内で半導体領域を有する基板に加工処理を施す際に加工処理の状態を評価するための光学的評価方法であって、
上記チャンバー内の上記基板の半導体領域に測定光を照射するステップと、
上記半導体領域に励起光を間欠的に照射するステップと、
上記半導体領域に励起光が照射されているときと励起光が照射されていないときとの測定光の反射率の差を上記励起光が照射されていないときの測定光の反射率で除した値を反射率の変化割合として演算するステップと
を備えており、
上記加工処理は、上記半導体領域に不純物を導入する処理であって、
上記反射率の変化割合を演算するステップでは、測定光の反射率の変化割合のスペクトルのほぼ極値を与える測定光の特定エネルギー値における測定光の反射率の変化割合を演算し、
上記測定光の特定エネルギー値は、２．９〜３．７ｅＶの範囲に含まれるいずれかの値であり、
上記半導体領域は、シリコンを含む、光学的評価方法。
【請求項２】 請求項１に記載の光学的評価方法であって、
上記反射率の変化割合を演算するステップでは、３００〜６００ｎｍの波長範囲の測定光の反射率の変化割合を演算する、光学的評価方法。
【請求項３】請求項１に記載の光学的評価方法であって、
上記励起光を照射するステップでは、上記励起光を１ｋＨｚ以下の周波数で間欠的に照射する、光学的評価方法。
【請求項４】 請求項１に記載の光学的評価方法において、
上記半導体領域は、ｎ型シリコンにより構成されている、光学的評価方法。
【請求項５】  チャンバー内で半導体領域を有する基板に加工処理を施す際に加工処理の状態を評価するための光学的評価方法であって、
上記チャンバー内の上記基板の半導体領域に測定光を照射するステップと、
上記半導体領域に励起光を間欠的に照射するステップと、
上記半導体領域に励起光が照射されているときと励起光が照射されていないときとの測定光の反射率の差を上記励起光が照射されていないときの測定光の反射率で除した値を反射率の変化割合として演算するステップと
を備えており、
上記加工処理は、上記半導体領域に不純物イオンを注入した後のアニールであって、
上記反射率の変化割合を演算するステップでは、測定光の反射率の変化割合のスペクトルのほぼ極値を与える測定光の特定エネルギー値における測定光の反射率の変化割合を演算し、
上記測定光の特定エネルギー値は、２．９〜３．７ｅＶの範囲に含まれるいずれかの値であり、
上記半導体領域は、シリコンを含む、光学的評価方法。
【請求項６】 請求項５に記載の光学的評価方法であって、
上記反射率の変化割合を演算するステップでは、３００〜６００ｎｍの波長範囲の測定光の反射率の変化割合を演算する、光学的評価方法。
【請求項７】請求項５に記載の光学的評価方法であって、
上記励起光を照射するステップでは、上記励起光を１ｋＨｚ以下の周波数で間欠的に照射する、光学的評価方法。
【請求項８】 請求項５に記載の光学的評価方法において、
上記半導体領域は、ｎ型シリコンにより構成されている、光学的評価方法。
【請求項９】 請求項５に記載の光学的評価方法において、
上記反射率の変化割合を演算するステップでは、上記反射率の変化割合を一定時間ごとに演算し、上記変化割合が一定の値になったときに上記アニール処理を終了する、光学的評価方法。
【請求項１０】 請求項５に記載の光学的評価方法において、
上記測定光の特定エネルギー値は、３．３ｅＶである、光学的評価方法。
【請求項１１】 請求項５に記載の光学的評価方法において、
上記一定の値は、−１２．０である、光学的評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造工程におけるインラインでの特性の評価に適した光学的評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路の高集積化が大きく進展してきており、ＭＯＳ型半導体装置においても、トランジスタ素子の微細化・高性能化が図られているが、特にトランジスタ素子の微細化に伴って、信頼性の高いＭＯＳデバイスの実現が必要となってきた。ＭＯＳデバイスの信頼性の向上のためには、ＭＯＳデバイスを構成する各部が高い信頼性を有することが必要である。
【０００３】
かかるＭＯＳデバイスの信頼性を左右する重要な部分として、例えばコンタクト窓の形成方法によって影響を受けるコンタクト部の信頼性が挙げられる。コンタクト窓の形成に使用されるドライエッチングによって生じる半導体基板のダメージ層は、ドライエッチング後のウエットエッチングによって除去されるが、その除去量を適正に判断するために、従来は、製品にはならないモニターウエハ等を用いてその電気的特性を測定することにより、当該ドライエッチング条件下で生じるダメージ層の深さ等を把握したり、この電気的特性の測定結果からダメージ層を除去するためのウエットエッチングの時間や温度等の条件を設定している。このようにして、従来の半導体装置の製造方法では、モニターウエハを用いて得られた電気的特性に基づいて、半導体装置の製造工程中の加工条件が適正になるように制御している。
【０００４】
また、半導体デバイスの各要素を形成するためのプロセスの中でも、例えば不純物導入技術は半導体デバイスの動作特性を決定する重要な工程である。不純物導入は、イオン注入法つまりイオンを電界により加速して半導体基板や電極等の中に不純物イオンを入り込ませる方法が主流である。その際、通常、数１０ｋｅＶのエネルギーで不純物イオンを加速して半導体基板等の中にイオンを注入する。しかし、この不純物イオンの注入の結果、半導体基板等の表面層には結晶性の崩れたダメージ層が生じており、また、不純物がキャリアとして活性化されておらず、かつ不純物の濃度分布も所望の分布状態にはなっていない。そこで、不純物の活性化，ダメージの回復，プロファイルの最適化のために、イオン注入後に熱処理（アニール）を行っている。従来、このアニールプロセス時間、温度などは、設計（デバイスシミュレーション）や条件の最適化により決定されており、基本的には、経験に基づいたアニール条件設定がなされていた。特に、半導体基板の表面欠陥層の回復のためのアニール処理は、経験に基づいていた。
【０００５】
次に、ＭＯＳデバイスに用いられるゲート絶縁膜に関しては、その薄膜化が急速に進み、２１世紀には４ｎｍ以下の非常に薄い絶縁膜が用いられることが予想されている。このような極薄の絶縁膜を有するＭＯＳデバイスにおいては、絶縁膜の特性がＭＯＳデバイス全体の特性さらには半導体集積回路全体の電気特性を決定するといわれるほどであり、絶縁膜の特性がとりわけ重要視されている。
【０００６】
かかるゲート絶縁膜の特性は、従来、ＭＯＳキャパシタあるいはＭＯＳトランジスタを形成し、電気的特性の評価により管理されていた。かかる電気的特性の評価は、ＭＯＳデバイスの製造途中あるいはＭＯＳデバイスの製造後に、ＭＯＳデバイスを搭載したウエハをチャンバから取り出して行われる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のようなＭＯＳデバイスの微細化等に伴い、以上のエッチング工程，不純物導入工程、ゲート絶縁膜形成工程において、上記従来のような評価方法では、以下のような問題があった。
【０００８】
まず、エッチング工程においては、以下の問題がある。コンタクト窓の平面サイズ（横方向のサイズ）が縮小する一方、コンタクト窓の深さは浅くはならず、結果として、アスペクト比（＝深さ／横方向のサイズ）は増大している。そして、このような高いアスペクト比を有するコンタクト窓を形成するために、例えばドライエッチング工程では、高真空・高密度プラズマが利用されている。高真空・高密度プラズマプロセスでは、高いエネルギーを有し方向性の揃ったイオンを利用して、深いコンタクト窓の形成を実現している。しかるに、高いエネルギーを有するイオンの衝撃により、従来のような比較的低真空・低密度プラズマによるドライエッチングによって生じる欠陥のレベルとは異なり、コンタクトの底において半導体結晶に生じるダメージ層の深さやダメージの度合いが大きくなってきている。また、マイクロ波領域の光（赤外線等）を使いダメージ層を評価する場合には、光自身がＳｉ基板から１μｍ以上の深さまで進入するため、実際のプラズマによる数１０ｎｍレベルのＳｉ基板へのダメージを正確に評価することはできなかった。すなわち、今後のＬＳＩの微細化に伴い薄く表層付近に形成されるダメージ層や極微小化された領域の評価に対して、正確な結果を与えることができなくなってきている。
【０００９】
したがって、従来の評価方法を用いるだけでは、ダメージ層を確実に除去したり、ダメージ層を制御よく除去することが困難となっている。
【００１０】
次に、不純物導入工程やアニール工程においては、以下の問題がある。半導体デバイス中の各要素が微細化され、微少領域での不純物導入とプロファイル制御の重要性が増す中で、上記従来のような経験に基づいたアニール条件設定では、しばしば、最適なプロファイルが得られない結果や、半導体基板内に欠陥が残留した状態で処理を終えるトラブルが発生していた。また、所望の半導体デバイス開発期間の短縮が切望される中で、従来のような処理→解析→処理→解析の手順によるアニール条件の最適化を行っているのでは、開発効率が著しく低下してしまう。そこで、最近になって、アニール処理プロセスのその場観察技術によるプロセス制御技術が切望されてきた。また、枚葉式の熱処理装置を用いて熱処理を行う際には、従来のバッチ式とは異なり、熱処理装置の特性のバラツキや経時変化により、ウエハ間における熱処理量の微妙なバラツキが発生してきた。さらに、不純物導入時の実際のドーズ量と、熱処理後に基板内に導入されている実効的な不純物濃度を正確に把握することが困難であった。
【００１１】
ゲート絶縁膜の形成工程においては、以下の問題がある。上記従来のような電気的特性の評価によってゲート絶縁膜の特性を管理する場合、ＭＯＳデバイスの製造中に、かりに絶縁膜形成プロセスでなんらかの不具合が発生した場合であっても、プロセスが終了してからウエハをチャンバから取りだし、電気的特性の評価を行って初めて不具合が発見されるだけである。したがって、それまでの間、不具合のあるゲート絶縁膜が形成され続けることになり、生産性（効率）の低下を招いていた。
【００１２】
本発明の目的は、以上のような製造工程中における半導体装置の特性に影響与える要因をインラインで確実に把握し、良好かつ均一な特性を実現しうる光学的評価方法を提供することにある。
【００１３】
なお、本願に関連する先行文献としては、米国特許第５３６５３３４号明細書、米国特許第５３７９１０９号明細書、米国特許第５３１３０４４号明細書及び特開昭６０−０１０６２６号公報を挙げることができる。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明では、請求項１〜１１に記載されている光学的評価方法に関する手段とを講じている。
【００１５】
本発明の第１の光学的評価方法は、請求項１に記載されているように、チャンバー内で半導体領域を有する基板に加工処理を施す際に加工処理の状態を評価するための光学的評価方法であって、上記チャンバー内の上記基板の半導体領域に測定光を照射するステップと、上記半導体領域に励起光を間欠的に照射するステップと、上記半導体領域に励起光が照射されているときと励起光が照射されていないときとの測定光の反射率の差を上記励起光が照射されていないときの測定光の反射率で除した値を反射率の変化割合として演算するステップとを備えており、上記加工処理は、上記半導体領域に不純物を導入する処理であって、上記反射率の変化割合を演算するステップでは、測定光の反射率の変化割合のスペクトルのほぼ極値を与える測定光の特定エネルギー値における測定光の反射率の変化割合を演算し、上記測定光の特定エネルギー値は、２．９〜３．７ｅＶの範囲に含まれるいずれかの値であり、上記半導体領域は、シリコンを含む。
【００１６】
この方法により、励起光が半導体領域に照射されると半導体領域のキャリアが励起され、キャリアによって電界が生じる。この電界のために、半導体領域に導かれる測定光の反射率は、励起光の照射があるときとないときとでは変化し、この変化割合は電界強度の大小及び測定光の波長に依存して変化する。一方、半導体領域にキャリアの再結合中心となる欠陥などがあると、励起されたキャリアの寿命が短くなるので、キャリアが形成する電界強度が小さくなる。つまり、励起光の照射があるときとないときにおける反射率の変化割合が半導体領域内の欠陥などの数に依存して変化するので、半導体領域における測定光の反射率の変化割合が演算されると、この反射率の変化割合は、半導体領域の結晶状態などを反映したものとなる。したがって、チャンバー内で行われる加工処理の条件をインラインでの光変調反射率測定に基づいて制御することが可能になる。
【００１７】
また、この光学的評価方法における加工処理では、上記半導体領域に不純物を導入するため、不純物の導入によって生じる欠陥の数や欠陥の程度などを制御することが可能になる。
【００１８】
請求項２に記載されているように、請求項１において、上記反射率の変化割合を演算するステップでは、３００〜６００ｎｍの波長範囲の測定光の反射率の変化割合を演算することが好ましい。
【００１９】
請求項２の方法により、可視光領域の測定光が半導体の数１００ｎｍの深さまで侵入する性質を有する点を利用して、半導体デバイスで問題となる領域の情報に基づいて、半導体領域のダメージ層を除去することができる。
【００２０】
請求項３に記載されているように、請求項１において、上記励起光を照射するステップでは、上記励起光を１ｋＨｚ以下の周波数で間欠的に照射することが好ましい。
【００２１】
請求項４に記載されているように、 請求項１において、上記半導体領域は、ｎ型シリコンにより構成されていることが好ましい。
【００２２】
本発明の第２の光学的評価方法は、請求項５に記載されているように、チャンバー内で半導体領域を有する基板に加工処理を施す際に加工処理の状態を評価するための光学的評価方法であって、上記チャンバー内の上記基板の半導体領域に測定光を照射するステップと、上記半導体領域に励起光を間欠的に照射するステップと、上記半導体領域に励起光が照射されているときと励起光が照射されていないときとの測定光の反射率の差を上記励起光が照射されていないときの測定光の反射率で除した値を反射率の変化割合として演算するステップとを備えており、上記加工処理は、上記半導体領域に不純物イオンを注入した後のアニールであって、上記反射率の変化割合を演算するステップでは、測定光の反射率の変化割合のスペクトルのほぼ極値を与える測定光の特定エネルギー値における測定光の反射率の変化割合を演算し、上記測定光の特定エネルギー値は、２．９〜３．７ｅＶの範囲に含まれるいずれかの値であり、上記半導体領域は、シリコンを含む。
【００２３】
この方法により、励起光が半導体領域に照射されると半導体領域のキャリアが励起され、キャリアによって電界が生じる。この電界のために、半導体領域に導かれる測定光の反射率は、励起光の照射があるときとないときとでは変化し、この変化割合は電界強度の大小及び測定光の波長に依存して変化する。一方、半導体領域にキャリアの再結合中心となる欠陥などがあると、励起されたキャリアの寿命が短くなるので、キャリアが形成する電界強度が小さくなる。つまり、励起光の照射があるときとないときにおける反射率の変化割合が半導体領域内の欠陥などの数に依存して変化するので、半導体領域における測定光の反射率の変化割合が演算されると、この反射率の変化割合は、半導体領域の結晶状態などを反映したものとなる。したがって、チャンバー内で行われる加工処理の条件をインラインでの光変調反射率測定に基づいて制御することが可能になる。
【００２４】
また、この光学的評価方法における加工処理では、半導体領域に不純物イオンを注入した後のアニールとすることができるため、不純物のイオン注入によって生じた構造の乱れを効率よくかつ確実に解消するためのアニールを行うことが可能になる。
【００２５】
請求項６に記載されているように、 請求項５において、上記反射率の変化割合を演算するステップでは、３００〜６００ｎｍの波長範囲の測定光の反射率の変化割合を演算することが好ましい。
【００２６】
請求項６の方法により、可視光領域の測定光が半導体の数１００ｎｍの深さまで侵入する性質を有する点を利用して、半導体デバイスで問題となる領域の情報に基づいて、半導体領域のダメージ層を除去することができる。
【００２７】
請求項７に記載されているように、請求項５において、上記励起光を照射するステップでは、上記励起光を１ｋＨｚ以下の周波数で間欠的に照射することが好ましい。
【００２８】
請求項８に記載されているように、請求項５において、上記半導体領域は、ｎ型シリコンにより構成されていることが好ましい。
【００２９】
請求項９に記載されているように、請求項５において、上記反射率の変化割合を演算するステップでは、上記反射率の変化割合を一定時間ごとに演算し、上記変化割合が一定の値になったときに上記アニール処理を終了することが好ましい。
【００３０】
請求項１０に記載されているように、請求項５において、上記測定光の特定エネルギー値は、３．３ｅＶであることが好ましい。
【００３１】
請求項１１に記載されているように、請求項５において、上記一定の値は、−１２．０であることが好ましい。
【００３２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００３３】
図４は、第１の実施形態に係る反射強度Ｒの観測手段を備えたエッチング装置の構成を概略的に示す断面図である。同図に示すように、反応処理室２００内には、下部電極であるアノード電極２１３と、上部電極であるカソード電極２１４とが配設されていて、アノード電極２１３の上に被加工物であるｐ型シリコンからなるウエハ１０３が設置されている。そして、高周波電源２１１からカップリングコンデンサ２１２を介して高周波電力が各電極２１３，２１４間に供給されると、反応処理室２００内にプラズマ４０１が生成されるように構成されている。また、反応処理室２００の壁面には、終点検出用窓２１５と、プローブ光入射用窓２１８と、反射光観測用窓２１９とが設けられている。
【００３４】
一方、反応処理室２００の外部には、終点検出システム２１６が設けられているとともに、反射強度Ｒの観測のための部材が配設されている。まず、ｎ型半導体領域１０１に照射するプローブ光を発生するＸｅランプ３０２が設けられており、Ｘｅランプ３０２で生成されたプローブ光４０３はミラー２１７により反射された後、プローブ光入射用窓２１８を介して反応処理室２００内に設置されたウエハ１０３のｎ型半導体領域１０１に送られる。そして、ｎ型半導体領域１０１で反射された反射プローブ光４０４は、反射光観測用窓２１９から反応処理室２００の外に取り出され、反射強度観測システム２２０によりその強度（特に、波長３７６ｎｍ，エネルギー３．３ｅＶの付近）が検出される。そして、反射強度観測システム２２０で計測された反射強度に関するデータは、信号経路２２１を経てエッチング制御システム２２２に送られる。また、ｎ型半導体領域１０１に照射する励起光を発生するＡｒイオンレーザー３０１が設けられており、このＡｒイオンレーザー３０１で発生された励起光４０２はチョッパ２２３によって周波数２００Ｈｚでチョッピングされて、間欠的に送られる。この励起光４０２は、終点検出用窓２１５を介して反応処理室２００内に送られ、ｎ型半導体領域１０１に間欠的に照射される。そして、上述のように、励起光４０２が照射されているときと照射されていないときのプローブ光４０３の反射強度（つまり反射プローブ光４０４の強度）の差ΔＲを励起光４０２の照射がないときの反射強度Ｒで割った値（ΔＲ／Ｒ）が反射強度の変化割合として反射強度観測システム２２０で検知される。以上の構成により、反射強度の変化割合の変動がモニターされる。  なお、一般的には、本実施形態及び後述の各実施形態における光学システムにおいて、プローブ光の入射側には偏光子を反射側には検光子が配置されることが多い。
【００３５】
ここで、このような反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）は、以下の作用によって生じると考えられる。一般的に、半導体に光を照射すると、光によって励起されてキャリア数が増大し、その後、キャリアが元のエネルギー準位に戻る際には光を放出して消滅する。このキャリア数の変化に伴い電界強度が変化する。したがって、励起光が照射されているときと、励起光が照射されていないときとでは、反射強度が異なる。ところが、半導体内に欠陥が多く存在すると、その欠陥によってエネルギー準位の低い界面準位が存在することになる。そして、このような界面準位を有する欠陥がキャリアの捕獲層として機能するために、光が照射されてもキャリアが欠陥に捕獲されて十分に高いエネルギー準位まで励起されなかったり、高いエネルギー準位まで励起されたキャリアが欠陥に捕獲されたりすると、励起されてキャリアが低いエネルギー準位に戻る際に発生する光の強度が低下し、電界強度も変化することになる。したがって、ダメージ層の深さやダメージの程度が大きいほど反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）が小さくなる。したがって、この反射強度の変化割合をモニターすることにより、ダメージ層に関する情報が得られる。
【００３６】
なお、上記チョッピングの周波数は、キャリアが再結合して電界強度が変化する時間と関係があるものと思われ、実験から１ｋＨｚ以下が好ましく、より好ましくは５００Ｈｚ以下が好ましいことがわかっている。また、励起光のフォトンのエネルギーが半導体領域のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。シリコン基板を使用する場合には、フォトンのエネルギーが１．１ｅＶ以上の波長の励起光を使用することが好ましい。以上のことは、後述の各実施形態においても同様である。
【００３７】
本実施形態では、測定光の照射強度（各波長域における）を一定と仮定しているので、反射強度を検出することで反射率の検出に置き換えている。すなわち、反射強度の変化割合の測定は、ｎ型半導体領域１０１にＡｒイオンレーザー光である励起光４０２を間欠的に照射しながら、別の方向からＸｅランプ光であるプローブ光４０３を連続的に照射して、このプローブ光４０３の反射強度の変化の検出により行われる。つまり、ｎ型半導体領域１０１に励起光４０２が照射されているときの反射強度と励起光４０２が照射されていないときの反射強度との差ΔＲを、ｎ型半導体領域１０１に励起光４０２が照射されていないときの反射強度Ｒで割った値（ΔＲ／Ｒ）を反射強度の差つまり反射率としている。
【００３８】
ここで、励起光の照射・非照射を繰り返しながらプローブ光の波長を変化させて、その波長（光のエネルギー値）ごとに反射率の変化割合を測定して、そのスペクトル形状を調べることは光変調反射率分光と呼ばれている。例えば図２２は、半導体領域である単結晶シリコン層に入射したプローブ光の波長λの逆数に比例するエネルギーの値と反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すスペクトル線図である。ただし、同図の反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）の値は、初期の状態を０とする相対値である。本実施形態では、反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）が変動する感度のもっとも高いエネルギー値３．３０ｅＶ（ほぼ極値を示すエネルギー値）に相当するプローブ光の波長３７６ｎｍを使用するようにしている。
【００３９】
図３は、本実施形態に係るウエハの構造を概略的に示す上面図である。図３に示すように、ｐ型シリコンからなるウエハ１０３の上に、最終的にウエハから切り出されて半導体チップとなるチップ領域Ｒｔｐと、光学的評価のためのモニター領域Ｒｍｎとが設けられている。
【００４０】
次に、本実施形態におけるエッチング処理の進行と反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）の測定との関係を、ウエハの断面構造を参照しながら説明する。図２（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係る半導体装置の製造工程を示すウエハの断面図である。
【００４１】
図２（ａ）に示す工程の前に、ウエハ１０３上のモニター領域Ｒｍｎにおいて、広さが例えば１３×１３μｍ2 のｎ型半導体領域（比抵抗値が約０．０２Ωｃｍ）１０１が形成されている。一方、チップ領域Ｒｔｐには各種の半導体素子が形成されており、図２（ａ）には、その例として、ポリシリコンからなるゲート電極１０６と、厚みが例えば６ｎｍのゲート酸化膜１０７と、ｎ型ソース領域１０８及びｎ型ドレイン領域１０９とを有するＭＯＳトランジスタが示されている。そして、ウエハの全面上に層間絶縁膜１０４が堆積されている。なお、本実施形態では、ｎ型半導体領域１０１は、ｎ型ソース領域１０８及びｎ型ドレイン領域１０９と同じ導電型かつ同じ濃度の不純物がドープされているが、後述のように、モニター用領域Ｒｍｎ内の半導体領域には、モニターされる半導体素子内のソース・ドレイン領域とは異なる導電型，異なる濃度を有する不純物をドープしておいてもよい。特に、モニター領域Ｒｍｎ内における不純物濃度を高くすることで、エッチングダメージの除去状態の検出感度をより高めることができる。
【００４２】
次に、図２（ｂ）に示す工程において、層間絶縁膜１０４上にコンタクトホール形成用フォトレジストマスク１０５が形成され、このフォトレジストマスク１０５を用いて、層間絶縁膜１０４を選択的に除去するためのドライエッチングが行われる。このドライエッチングは、後述するようにプラズマを利用した加工であり、エッチング条件は、例えば以下の通りである。Ａｒガス、ＣＨＦ3 ガス及びＣＦ4 ガスの混合ガスを用い、ガス流量は、Ａｒガスが８０ｓｃｃｍ、ＣＨＦ3 ガスが４５ｓｃｃｍ、ＣＦ4 ガスが２０ｓｃｃｍで、全体のガス圧力を８０ｍＴｏｒｒとして、パワー４００Ｗで高周波放電させる。このドライエッチング工程により、ＭＯＳトランジスタのｎ型ソース領域１０８，ｎ型ドレイン領域１０９にそれぞれ到達するコンタクトホールである開口１１０ａ，１１０ｂが形成されると同時に、ｎ型半導体領域１０１に到達するモニター用の開口１１０ｃが形成される。そして、プラズマ発光法による各開口１１０ａ〜１１０ｃの形成の完了が検知された時点では、ウエハ上のｎ型ソース領域１０８，ｎ型ドレイン領域１０９，ｎ型半導体領域１０１には、ダメージ層Ｒｄｍ１，Ｒｄｍ２，Ｒｄｍ３がそれぞれ形成されている。
【００４３】
次に、図２（ｃ）に示す工程で、ドライエッチングにより生じたダメージ層Ｒｄｍ１〜Ｒｄｍ３を取り除くためのライトエッチング（ドライエッチング）を行う。このとき、本実施形態では、ガス流量・圧力は変化させず、パワーを２００Ｗに下げた条件を適用している。
【００４４】
図１は、プラズマ処理の際の光学的モニターの一般的な手順を示すフローチャートである。
【００４５】
まず、ステップＳＴ１００でメインエッチングを行い、メインエッチングが終了すると、ステップＳＴ１０１で、ｎ型半導体領域１０１の初期の反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）を測定する。本実施形態では、メインエッチング終了後におけるｎ型半導体領域１０１についての測定値を初期の反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）とする。
【００４６】
次に、ステップＳＴ１０２でプラズマ処理を行い、ステップＳＴ１０３で、プラズマ処理中における反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）をモニターする。本実施形態では、プラズマ処理としてライトエッチングを行い、ライトエッチング中における反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）をモニターする。
【００４７】
さらに、ステップＳＴ１０４で、プラズマ処理（本実施形態ではライトエッチング）中における反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）を初期の反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）と比較し、予め実験により得られたプラズマ処理が完了したことを判定する基準値に達したと判定されるまでは、ステップＳＴ１０２〜ＳＴ１０４の処理を行い、プラズマ処理が終了したと判定すると、ステップＳＴ１０５でプラズマ処理を終了する。本実施形態では、ダメージ層の除去が完了したと判定すると、ステップＳＴ１０５でライトエッチングを終了することになる。
【００４８】
ここで、本実施形態における反射強度の変化割合とダメージ層の状態との関係について説明する。図５は、波長３７６ｎｍ（エネルギー３．３ｅＶ）における反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）の初期値に対する比の時間的変化を示す図である。図５に示すように、ライトエッチングの開始直後（０〜２０ｓｅｃ間での間）は、メインステップのドライエッチングが終了したときよりも反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）が大きくなって初期値に近づいており、ダメージ層が除去されていることがわかる。しかし、ライトエッチング時間の増大とともに（２０ｓｅｃ経過後）、反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）の初期値に対する比がライトエッチング開始時の値（図５に示す例では約０．６）よりも小さくなり、過度のライトエッチングによってＳｉ結晶（基板）への損傷が大きくなることが分かる。
【００４９】
一方、図６に示すように、ライトエッチング時間とコンタクト部の抵抗値（コンタクト抵抗）との相関は、あらかじめ実験を行うことにより得ておくことができる。図６に示すように、ライトエッチング初期の段階では、コンタクト抵抗が大きいが、これは、メインエッチング発生した有機系のポリマーがコンタクトホールの底面付近に堆積しているためであり、その後のライトエッチングによりしだいに除去されているのがわかる。そして、図６と図５とを比べるとわかるように、コンタクト抵抗と反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）との間には相関がある。そして、この相関関係から、コンタクト抵抗の規格値（コンタクト窓の断面寸法が０．６μｍのときに５０±５Ω）にするためには、反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）が初期値より６０％の値以上でなければならないことがわかる。したがって、反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）が６０％になった時点でライトエッチングステップを終了することで、メインエッチングで生じたダメージ層をほぼ除去しながらその後ライトエッチングにより生じる新たなダメージの発生を抑制することができ、良好な接合を有する半導体デバイスを実現することができる。
【００５０】
図７は、ダメージ層に関する情報を得るための光学的監視を伴って行われる本実施形態のライトエッチングによって形成されたＭＯＳトランジスタのコンタクト抵抗と、そのような光学的監視を伴わない従来のライトエッチングによって形成されたＭＯＳトランジスタのコンタクト抵抗とを比較するデータである。同図に示されるように、本実施形態の半導体製造装置の製造方法を用いることで、従来方法にくらべ、コンタクト抵抗バラツキを抑えることができ、品質・信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【００５１】
次に、本実施形態のごとく光変調反射率分光によりダメージ層をモニターすることにより得られる利点について説明する。一般に、プラズマ処理を行った際のイオンの進入深さは数１０ｎｍ程度である。ここで、赤外線等のマイクロ波の半導体基板内への進入深さは１μｍ以上であるので、反射率から得られる情報にはダメージ層からの情報だけでなくダメージ層以外の領域からの情報が多量に混在していて、ダメージ層のみに関する情報を正確に取り出すことは困難である。したがって、これらの方法はエッチングダメージのような微少な領域に対する検知方法としては適当でない。それに対し、可視光以下の領域の光を利用した光学的モニターを行う場合、半導体基板内への進入深さはたかだか数１００ｎｍ程度であるので、深さが数１０ｎｍのダメージ層に関する検知感度が極めて高くなる。しかも、エッチングされている半導体ウエハの表面に光を照射することにより、直接ダメージ層に関する情報を得ることができるので、このような可視光以下の領域の光を利用した光学的モニターを行うことにより、インラインでの評価及びプロセス制御に極めて有用な情報を提供することができる。かかる観点から、本実施形態及び後述の各実施形態における光変調反射率測定法においては、測定光の光源の選定により、あるいはフィルターの取り付けにより、６００ｎｍ以下の波長範囲の測定光を検出することが好ましく、３００〜６００ｎｍの波長範囲の測定光を検出することがより好ましい。
【００５２】
なお、本実施形態では、ウエハ１０３内に、チップ領域Ｒｔｐとは別にモニター用領域Ｒｍｎを設けたが、本発明は、斯かる実施形態に限定されるものではなく、チップ領域Ｒｔｐ内に光学的評価パターンを設けても本実施形態と同様の効果が得られる。
【００５３】
さらに、一定時間内のライトエッチング処理による反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）の変動量を管理することで、装置の異常を迅速に把握し、装置トラブルが防止できる。
【００５４】
上記実施形態では、エッチング加工をプラズマを用いたドライエッチングとしたが、本発明は斯かる実施形態に限定されるものではなく、例えばスパッタリング等によるプラズマを利用しないドライエッチングや、ウエットエッチング等に対しても適用することができる。
【００５５】
また、当初に大きなダメージ層がある半導体領域に対してそのダメージ層を除去するためのエッチングだけでなく、ダメージ層がほとんどない半導体領域をエッチングしていく際のエッチングに対しても適用できる。
【００５６】
さらに、上記実施形態では、チップ領域Ｒｔｐ内の第１の半導体領域であるソース・ドレイン領域１０８，１０９と第２の半導体領域であるモニター用領域Ｒｍｎ内のｎ型半導体領域１０１との不純物濃度や深さを同じとしているが、本発明は斯かる実施形態に限定されるものではなく、第１の半導体領域と第２の半導体領域の不純物濃度や不純物の導電型が異なっていてもよいものとする。あらかじめ実験を行っておけば、第１の半導体領域における適正なコンタクト抵抗を得るための第２の半導体領域における光学的特性（上記実施形態ではコンタクト抵抗）がわかるからである。たとえば、モニター領域Ｒｍｎにおける不純物濃度を特別に濃くしておいて、反射強度の変化割合の検知感度を高くしておくことも可能である。
【００５７】
また、本実施形態では、図４に示すように、基板表面に対するプローブ光４０３の角度が励起光４０２の角度よりも小さくなっているが、反射強度の測定が必要なプローブ光４０３の角度を大きくすることが、モニターされる第２の半導体領域の面積を低減するためには好ましい。
【００５８】
（第２の実施形態）
図８は、本実施形態における光学的モニターシステムを示したものである。同図に示すように、ｎ型半導体領域１０１に照射する測定光であるプローブ光を発生するＸｅランプ５０２が設けられており、Ｘｅランプ５０２で生成されたプローブ光５０７はミラー５０６により反射された後、ウエハステージ５０４上に設置されたウエハ１０３上のｎ型半導体領域１０１に送られる。そして、ｎ型半導体領域１０１で反射された反射プローブ光５０８は、ミラー５０６を通過して顕微鏡システム５０５に送られ、観測システム兼解析システム５０９によりその強度（特に、波長３７６ｎｍの付近）が検出される。本実施形態では、プローブ光５０７の観測領域への照射及びその反射プローブ光５０８の取り出しは、顕微鏡システム５０５とミラー５０６との併用により、試料の表面に対して垂直な方向から行うことができる。この点が上記第１の実施形態と異なる主要な点である。また、プローブ光５０７の径は、レンズ５１０により１０μｍφまで絞ることができる。なお、この観測システム兼解析システム５０９で計測された反射強度に関するデータは、信号線を介してエッチング制御システム（図示せず）に送られる。
【００５９】
また、ｎ型半導体領域１０１に照射する励起光を発生する強度５ＷのＡｒイオンレーザー５０３が設けられており、このＡｒイオンレーザー５０３で生成された励起光５１１はチョッパ５１０によって周波数１００Ｈｚでチョッピングされて、ｎ型半導体領域１０１に間欠的に照射される。そして、上述のように、励起光５１１が照射されているときと照射されていないときのプローブ光５０７の反射強度（つまり反射プローブ光５０８の強度）の差ΔＲを励起光５１１の照射がないときの反射強度Ｒで割った値（ΔＲ／Ｒ）が反射強度の変化割合として観測システム兼解析システム５０９で検知される。以上の構成により、プローブ光の反射強度の変化割合の変動がモニターされる。なお、半導体領域１０１からの反射励起光５１２の強度を検出する反射励起光観測システム５１３も設けられており、この反射励起光５１２の強度に関する情報は、信号線を介して観測システム兼解析システム５０９に送られる。なお、チョッパ５１０と、反射光の強度を検出する検出器とは同期して動作するように構成されている。
【００６０】
そして、本実施形態においても、上記第１の実施形態と同様に、図３に示すように、ｐ型シリコンからなるウエハ１０３の上に、最終的にウエハから切り出されて半導体チップとなるチップ領域Ｒｔｐと、光学的評価のためのモニター領域Ｒｍｎとが設けられている。
【００６１】
次に、本実施形態におけるプラズマエッチング方法について、図９（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。
【００６２】
図９（ａ）に示す工程の前に、ウエハ１０３上のモニター領域Ｒｍｎにおいて、広さが例えば１３×１３μｍ2 のｎ型半導体領域（比抵抗値が約０．０２Ωｃｍ）１０１が形成されている。一方、チップ領域Ｒｔｐには各種の半導体素子が形成されており、図９（ａ）には、その例として、ポリシリコンからなるゲート電極１０６と、厚みが例えば６ｎｍのゲート酸化膜１０７と、ｎ型ソース領域１０８及びｎ型ドレイン領域１０９とを有するＭＯＳトランジスタが示されている。そして、ウエハのほぼ全面上に層間絶縁膜１０４が堆積されている。なお、本実施形態では、ｎ型半導体領域１０１は、ｎ型ソース領域１０８及びｎ型ドレイン領域１０９と同じ導電型かつ同じ濃度の不純物がドープされているが、後述のように、モニター用領域Ｒｍｎ内の半導体領域には、モニターされる半導体素子内のソース・ドレイン領域とは異なる導電型，異なる濃度を有する不純物をドープしておいてもよい。
【００６３】
次に、図９（ｂ）に示す工程において、層間絶縁膜１０４上にコンタクトホール形成用フォトレジストマスク１０５が形成され、このフォトレジストマスク１０５を用いて、層間絶縁膜１０４を選択的に除去するためのドライエッチングが行われる。このドライエッチングは、プラズマを利用したエッチングであり、エッチング条件は、例えば、チャンバ（図示せず）内に、Ａｒガス、ＣＨＦ3 ガス及びＣＦ4 ガスの混合ガスを、Ａｒガスの流量が８０ｓｃｃｍ、ＣＨＦ3 ガスの流量が４５ｓｃｃｍ、ＣＦ4 ガスの流量が２０ｓｃｃｍで、全体のガス圧力を８０ｍＴｏｒｒとして、パワー４００Ｗで高周波放電させる。このドライエッチング工程により、ＭＯＳトランジスタのｎ型ソース領域１０８，ｎ型ドレイン領域１０９にそれぞれ到達するコンタクトホールである開口１１０ａ，１１０ｂが形成されると同時に、ｎ型半導体領域１０１に到達するモニター用の開口１１０ｃが形成される。そして、プラズマ発光法による各開口１１０ａ〜１１０ｃの形成の完了が検知された時点では、ウエハ１０３上のｎ型ソース領域１０８，ｎ型ドレイン領域１０９，ｎ型半導体領域１０１には、ダメージ層Ｒｄｍ１，Ｒｄｍ２，Ｒｄｍ３がそれぞれ形成されている。
【００６４】
次に、図９（ｃ）に示す工程で、ドライエッチングにより生じたダメージ層Ｒｄｍ１〜Ｒｄｍ３を取り除くためのライトエッチング（ドライエッチング）を行う。このとき、本実施形態では、ガス流量・圧力は変化させず、パワーを２００Ｗに下げた条件を適用している。
【００６５】
図１０は、プラズマ処理を行ったサンプルとプラズマ処理を行っていないサンプルとについて、照射励起光の強度を変えたときのプローブ光の反射強度の変化割合を測定したデータである。同図に示されるデータからわかるように、プラズマ処理を行ったサンプルのプローブ光の反射強度の変化（ΔＲ／Ｒ）の値は、プラズマ処理を行わないサンプルに比較して小さくなっている。
【００６６】
したがって、本実施形態においても、上記第１の実施形態と同様に、光変調反射率分光を利用して、所望の量だけライトエッチングを行い、低抵抗の半導体領域からなるソース・ドレイン領域の形成などを行うことができる。
【００６７】
特に、本実施形態のごとく、プローブ光５０７をウエハの表面に対して垂直方向から入射させてその反射強度を検出するようにした場合、プローブ光を基板の表面に対して傾いた方向から入射させるのに比べて、微小領域でのＳｉダメージ層の評価が容易に行うことができるので、モニター領域Ｒｍｎという無駄なスペースを低減できる利点がある。
【００６８】
また、プローブ光５０７を垂直方向から入射させた場合には、反射強度も大きくなるつまり検知感度が高くなる。つまり、現実に高精度の測定を行うためには、Ｓ／Ｎ比を上げるために１カ所の測定点について何回もチョッピングを行って得たデータを積算する必要がある。ところが、プローブ光５０７を垂直方向から入射させた場合には、１回のチョッピングあたりの測定で高いＳ／Ｎ比が得られるので、チョッピング回数が低減され評価時間が短縮される。具体的には、例えばウエハの表面に対して垂直方向から入射させた場合には、４５°傾いた方向から入射させた場合に比べ、評価時間が１枚あたり、１５分から３分で済み評価時間を大幅に低減することができる。インラインでエッチングのダメージ層を評価する際には、この評価時間の短縮によるメリットは極めて大きいといえる。
【００６９】
なお、本実施形態では、ウエハ１０３内に、チップ領域Ｒｔｐとは別にモニター用領域Ｒｍｎを設けたが、本発明は、斯かる実施形態に限定されるものではなく、チップ領域Ｒｔｐ内に光学的評価パターンを設けても本実施形態と同様の効果が得られる。さらに、基板の表面に対して垂直方向からプローブ光を照射する場合、光学的評価パターンを別途設けなくても、コンタクト窓を直接観察することも可能である。
【００７０】
また、一定時間内のライトエッチング処理による反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）の変動量を管理することで、装置の異常を迅速に把握し、装置トラブルが防止できる。
【００７１】
上記第１，第２の実施形態では、エッチング加工をプラズマを用いたドライエッチングとしたが、本発明は斯かる実施形態に限定されるものではなく、例えばスパッタリング等によるプラズマを利用しないドライエッチングや、ウエットエッチング等に対しても適用することができる。
【００７２】
また、第１，第２の実施形態は、当初に大きなダメージ層がある半導体領域に対してそのダメージ層を除去するためのエッチングだけでなく、ダメージ層がほとんどない半導体領域をエッチングしていく際のエッチングに対しても適用できる。さらに、シリコン酸化膜の形成あるは除去時における膜厚の検出や、半導体基板のアニール処理の際の結晶性の回復程度の検出など、広く半導体領域の構造に関する情報を得るために本発明の光学的評価方法を利用することもできる。
【００７３】
さらに、第１，第２の実施形態では、チップ領域Ｒｔｐ内の第１の半導体領域であるソース・ドレイン領域１０８，１０９と第２の半導体領域であるモニター用領域Ｒｍｎ内のｎ型半導体領域１０１との不純物濃度や深さを同じとしているが、本発明は斯かる実施形態に限定されるものではなく、第１の半導体領域と第２の半導体領域の不純物濃度や不純物の導電型が異なっていてもよいものとする。あらかじめ実験を行っておけば、第１の半導体領域における適正なコンタクト抵抗を得るための第２の半導体領域における光学的特性（上記実施形態ではコンタクト抵抗）がわかるからである。たとえば、モニター領域Ｒｍｎにおける不純物濃度を特別に濃くしておいて、反射強度の変化割合の検知感度を高くしておくことも可能である。
【００７４】
（第３の実施形態）
本実施形態では、光学的モニターシステムの実施形態について説明する。なお、半導体装置の加工方法は、上記第１，第２の実施形態や注記した変形可能な形態と同様に行うことができる。
【００７５】
図１１は、本実施形態における光学的評価装置を示す斜視図である。同図において、図８に示す構成部品と同じ構成部品には同じ符号を付している。すなわち、上記第２の実施形態と同様に、ウエハステージ５０４と、Ｘｅランプ５０２と、ミラー５０６と、Ａｒイオンレーザー５０３と、チョッパ５１０と、観測システム兼解析システム５０９とが設けられている。そして、本実施形態の特徴は、励起光５１１とプローブ光５０７とを同軸上に誘導するためのミラー５２３と、ウエハ１０３のｎ型半導体領域から反射される励起光及びプローブ光が混在した反射光５１８を分光するための分光器５２１と、該分光器５２１で分光された各波長における光の強度を検出するための検出器５２２とを備えている点である。上記Ｘｅランプ５０２、ミラー５０６及び５２３、Ａｒイオンレーザー５０３、チョッパ５１０、及び分光器５２１により光学システム５３０が構成されている。
【００７６】
本実施形態の光学的評価装置においては、Ｘｅランプ５０２で生成されたプローブ光５０７と、Ａｒイオンレーザー５０３で生成された励起光５１１とは、ミラー５２３により同軸上に誘導され、ミラー５０６によって共に反射された後、ウエハステージ５０４上に設置されたウエハ１０３上のｎ型半導体領域１０１に送られる。そして、ｎ型半導体領域で反射された反射プローブ光と反射励起光とが混在した反射光５１８は、ミラー５０６を通過して分光器５２１に送られ、検出器５２２によりその強度が検出された後、観測システム兼解析システム５０９によりその強度の変化が解析される。
【００７７】
したがって、本実施形態の光学的評価装置を利用して、第２の実施形態で示した方法と同様の方法により、プラズマ処理を施したサンプルを評価することができる。加えて、本実施形態では、プローブ光と励起光とを共通の光軸に誘導してから、観測点であるウエハ１０３上のｎ型半導体領域に入射させるように構成されているので、観測点へのアライメントが非常に簡便に行うことができ、また、装置の構成が簡素になる。
【００７８】
さらに、本実施形態の構成により、第２の実施形態で示している方法に比べて、より微小な半導体領域でのＳｉダメージ層の評価が容易に行うことができる。また、励起光も鉛直方向から入射するため、ビーム径を約３０μｍまで絞ることができ、４５°傾いた方向から励起光を入射させる場合に比べ、さらに微少な観測点でのサンプル評価を行うことができる。また、評価時間も、第２の実施形態の約２０％まで短縮することができる。
【００７９】
したがって、ウエハ内にモニター領域を別途設けなくても、ウエハのＬＳＩ内に広めの半導体領域があればそれを利用してプラズマ加工のダメージ等を測定することが可能になる。
【００８０】
（第４の実施形態）
図１２は、第４の実施形態における光学的評価装置を示す斜視図である。同図において、図１１に示す構成部品と同じ構成部品には同じ符号を付している。すなわち、上記第３の実施形態と同様に、ウエハステージ５０４と、Ｘｅランプ５０２と、ミラー５０６及び５２３と、Ａｒイオンレーザー５０３と、チョッパ５１０と、観測システム兼解析システム５０９とが設けられている。そして、本実施形態の特徴は、ウエハ１０３のｎ型半導体領域から反射されるプローブ光と励起光とが混在した反射光５１８のうち特定の波長範囲の光を通過させるためのフィルター５２５（ピーク波長が３５０ｎｍ）と、このフィルター５２５を通過した光の強度を検出するための検出器５２４とを備えている点である。上記Ｘｅランプ５０２、ミラー５０６及び５２３、Ａｒイオンレーザー５０３、チョッパ５１０、及びフィルター５２５により光学システム５３０が構成されている。
【００８１】
本実施形態の光学的評価装置では、上記各実施形態の方法とは異なり、プローブ光の特定の波長範囲における反射強度の変化割合を分光せずに観測することができる。この方法により、評価に要する時間を数秒のオーダにまで短縮することができる。
【００８２】
図１３は、本実施形態の光学的評価装置を用いて、ライトエッチングを２０秒間行った後におけるプローブ光の反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）を、ＲＦバイアスパワーを変化させて、測定した結果を示す図である。この場合、反射プローブ光を分光してスペクトル解析するのではなく、検出器５２４によりフィルター５２５を透過した光を観測しているので、同図に示す結果は、フィルター特性から波長範囲３５０ｎｍから３９０ｎｍの光の強度を積分して検出していることと考えられる。図１３をみると、プラズマ強度を大きくするほどプローブ光の反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）が低下しているので、加工領域におけるダメージが大きくなっていることがわかる。すなわち、本実施形態の方法においても、プラズマ処理の加工程度の相違による測定光の反射率の変化割合の相違を明確に検出することができた。本実施形態では、前述したように、スペクトル解析が必要でないため、評価時間は、数秒のオーダまで短縮することができた。
【００８３】
（第５の実施形態）
図１４は、第５の実施形態における光学的評価装置を示す斜視図である。同図において、図１１と同じ構成部品には同じ符号を記している。すなわち、上記第３の実施形態と同様に、ウエハステージ５０４と、Ｘｅランプ５０２と、チョッパ５１０と、分光器５２１と、検出器５２２とが設けられている。そして、本実施形態の特徴は、光学システム５３０内に、Ｘｅランプ５０２で生成された光をプローブ５０７と励起光５１１とに分離するビームスプリッター５２６と、励起光５１１を反射させるためのミラー５２７と、プローブ光５０７を反射させ、ウエハ１０３からの反射光５１８を透過させるミラー５２８と、プローブ光５０７を透過させかつ励起光５１１を反射させて両者を共にウエハに導くとともに、反射光を透過させる組合せミラー５２９とを備えている点である。上記Ｘｅランプ５０２、チョッパ５２１、ビームスプリッター５２６、ミラー５２７及び５２８、組合せミラー５２９、及び分光器５２１により光学システム５３０が構成されている。
【００８４】
すなわち、本実施形態では、上記各実施形態とは異なり、１つの光源であるＸｅランプ５０２からの光をプローブ光５０７と励起光５１１とに分離させてから、上記各実施形態におけると同様の光変調反射率分光測定を行う。したがって、本実施形態によれば、光源が１つで済むことから光学システム５３０が図１４に示すようにコンパクト化することができ、またレーザを用いる必要がないために低コスト、メンテナンス効率の向上を図ることができる。
【００８５】
図１５は、本実施形態の光学的評価装置を用いて、ライトエッチングを２０秒間行った後におけるプローブ光の反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）を、ＲＦバイアスパワーを変化させて、測定した結果を示す図である。図１５をみると、プラズマ強度を大きくするほどプローブ光の反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）が低下しているので、加工領域におけるダメージが大きくなっていることがわかる。すなわち、本実施形態の方法においても、プラズマ処理の加工程度の相違による測定光の反射率の変化の相違を明確に検出することができる。
【００８６】
図１６は、本実施形態の光学的評価装置を用いて、波長３７６ｎｍ（エネルギー３．３ｅＶ）におけるプローブ光の反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）の初期値に対する比の時間的変化を測定した結果を示す図である。同図に示すように、ライトエッチングの進行に伴うプローブ光の反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）の変化は、基本的に図５に示す変化とほとんど同じである。ただし、本実施形態では、反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）の値そのものが図５に示す値よりも大きい。これは、励起光も上方から入力させたことで、感度が高くなったことを意味している。
【００８７】
（第２〜第５の実施形態に共通のプラズマ処理装置）
図１７は、上記第２〜第５の実施形態において共通に使用されるプラズマ処理装置の構造を概略的に示す断面図である。同図に示すように、プラズマ処理装置は、チャンバ２００と、プラズマ発生用の高周波電力を供給するためのＲＦ電源２１１と、カップリングコンデンサ２１２と、チャンバ２００内の底部に設置された下部電極２１３と、チャンバ２００内の天井部に設置された上部電極２１４と、チャンバ２００の側壁に設けられた覗き窓２１８，２１９と、チャンバ２００の天井部中央付近に設けられた観測用窓２２０とを備えている。ただし、同図においてウエハステージは図示を省略されている。そして、ＲＦ電源２１１から供給される高周波電力により上部電極２１４と下部電極２１３との間にプラズマ領域４０１を生ぜしめて、下部電極２１３の上に設置されたウエハ１０３内のｎ型半導体領域１０１を加工するように構成されている。
【００８８】
そして、上記第３〜第５の実施形態においては、図１７に示すように、光学システム５３０をチャンバ２００の観測用窓２２０の上方にまとめて配置することができる。ただし、第２の実施形態では、プローブ光用の光学システムのみを観測用窓２２０の上方に配置し、励起光用の光学的システムは覗き窓２１８，２１９の側方に配置することになる。
【００８９】
このようなプラズマ処理装置の構造により、ウエハ面に垂直な方向から少なくともプローブ光を入射することが可能になり、プローブ光の反射率の変化を観測することで、リアルタイムにプロセス観測を実現することができるのである。また、光学的システムからの信号５３１を利用して、加工条件へのフィードバック等を行うことができる。
【００９０】
（第６の実施形態）
図１８は、第６の実施形態における半導体装置の熱処理装置（アニール処理装置）の構成を概略的に示す断面図である。図１８示すように、反応容器６０７内には、石英チューブ６０３が取り付けられており、石英チューブ６０３の内側面上にはウエハサセプタ６０２を介してウエハ１０３が設置されている。石英チューブ６０３の外側面の上には赤外線を用いたヒーター６０４が取り付けられており、このヒーター６０４によって石英チューブ６０３内のウエハ１０３を加熱するようにしている。また、反応容器６０７には反応ガスの導入口６０９と、反応ガスの排出口６１０とが設けられており、反応ガスの流量は流量制御計６０８によって適宜調整できるようになされている。また、反応容器６０７の側部には、２つの観測用石英窓６０５，６０６が互いに相対向して設けられている。ウエハ１０３の一部にはｎ型半導体領域１０１（比抵抗値約０．０２Ωｃｍ）が設けられており、一方の観測用石英窓６０５からウエハ１０３上のｎ型半導体領域１０１に入射させた光を他方の観測用石英窓６０６から取り出せるように構成されている。このウエハ１０３のｎ型半導体領域１０１には図示しないが、光学的評価のためのパターン（大きさは１３×１３μｍ2 ）が設けられている。
【００９１】
また、反応容器６０７の外には、反応容器６０７内に入射する測定光であるプローブ光６１８を発生するＸｅランプ６１１と、反応容器６０７内に励起光６２０を発生するＡｒイオンレーザー６１２（出力１Ｗ）と、この励起光６２０を周波数２００Ｈｚでチョッピングするチョッパー６１４と、ウエハ１０３上のｎ型半導体領域１０１から反射される反射プローブ光６１９を受けてその強度を検出する検出器６１３とが配設されている。すなわち、Ｘｅランプ６１１で発生したプローブ光６１８を評価パターンであるウエハ１０３上のｎ型半導体領域１０１に照射する一方、Ａｒイオンレーザー６１２で発生した励起光６２０も周波数２００Ｈｚでチョッパー６１４によりチョッピングしながらウエハ１０３上のｎ型半導体領域１０１に照射し、励起光６２０の照射・非照射によるｎ型半導体領域１０１からの反射プローブ光６１９の強度の変化から、反射率の変動をモニターするように構成されている。そして、制御系コンピュータ６１５により、ヒーター６０４，チョッパー６１４及び流量制御計６０８の動作を制御する一方、検出器６１３の検出信号を取り込んでｎ型半導体領域１０１の光学的特性を監視するように構成されている。なお、チョッパ６１４と、反射光の強度を検出する検出器６１３とは同期して動作するように構成されている。
【００９２】
次に、反射率の変化を利用した光学的評価方法の原理について説明する。
【００９３】
測定光の反射率の変化割合とは、評価対象である半導体領域に励起光が照射されているときの測定光の反射率と励起光が照射されていないときの反射率との差ΔＲを、半導体領域に励起光が照射されていないときの反射率Ｒで割った値（ΔＲ／Ｒ）である。このような測定光の反射率の変化は、以下の作用によって生じると考えられる。一般的に、半導体に光を照射すると、光によって励起されてキャリア数が増大し、その後、キャリアが元のエネルギー準位に戻る際には光を放出して消滅する。このキャリア数の変化に伴い電界強度が強くなったり弱くなったり変化する。したがって、励起光が照射されているときと、励起光が照射されていないときとでは、測定光の反射強度が異なる。そして、半導体領域の構造が完全な結晶状態である場合には、反射率の変化割合は、測定光の波長に依存して変化する。つまり、測定光の反射率の変化割合を測定光の各波長についてプロットしたスペクトルは、半導体領域を構成する半導体の伝導帯の底と価電子帯の頂上との差であるエネルギーギャップに応じた特徴的な変化特性を示す。
【００９４】
図２２は、その一例を示す。つまり、エネルギーが約３．３ｅＶに相当する波長の領域では反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）が極小値（極値）を示し、エネルギーが３．５ｅＶに相当する波長の領域では反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）が極大値（極値）を示す。反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）の極値のうち極小値の方が極大値よりも絶対値が大きい。
【００９５】
ところが、半導体内に結晶学的な欠陥や電子構造の正常状態からのずれなどの構造的な乱れが多く存在すると、その領域にはエネルギー準位の低い捕獲準位が存在することになる。そして、このような構造の乱れによって生じたエネルギー準位の低い領域がキャリアの捕獲層として機能するために、キャリア数の増加量が減少し、電界強度の差が少なくなる。したがって、不純物イオンの注入によって生じた半導体領域内の構造が乱れた領域の深さや乱れの程度が大きいほど測定光の反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）が小さくなり、構造の乱れが大きい場合には励起光の照射による測定光の反射率の変化がほとんどなくなる。つまり、このような場合には、測定光の反射率の変化割合を測定光の各波長についてプロットしたスペクトルは、ほぼ一定の小さな値を示すだけとなる。
【００９６】
以上のことから、この測定光の反射率の変化割合をモニターすることにより、不純物イオンの注入後のアニールプロセスにおける半導体領域の回復の程度に関する情報を得ることができるのである。
【００９７】
次に、図１９及び図２０を参照しながら、イオン注入後のアニールプロセスにおけるプローブ光の反射率の変化割合のスペクトルの経時変化について説明する。
【００９８】
図１９は、プローブ光の波長λの逆数に比例するエネルギーの値と反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すスペクトル線図である。ただし、図１９の横軸は実質的には測定光の波長を連続的に変化させたものにほかならないので、結局、図１９は波長の変化に対する反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）のスペクトルを示している。また、本実施形態では、照射するプローブ光６１８の強度は一定であるので、励起光６２０の照射・非照射時における反射プローブ光６１９の強度差ΔＲを励起光６２０の非照射時における強度Ｒで割ることで、反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）を算出している。なお、図１９の反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）の値は、初期の状態を０とする相対値である。
【００９９】
熱処理工程を開始する前の状態では、反応容器６０７内に収納されているウエハ１０３上のｎ型半導体領域１０１には、すでに不純物イオン注入プロセスにおいて、ドーズ量が約１×１０15ｃｍ-2、注入エネルギーが約３５ｋｅＶの条件で、ヒ素（Ａｓ）が導入されている。図１９中のスペクトル線Ｓ0 は、不純物イオンの注入直後における反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）のスペクトルである。
【０１００】
また、図１９中のスペクトル線Ｓ10は、このウエハ１０３を図１８で示す装置によりＮ2 ガス雰囲気中で９００℃、１０秒間アニール処理したときの反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）のスペクトルであり、図１９中のスペクトル線Ｓ25は同じ条件で２５秒間アニールしたときの反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）のスペクトルである。同図に示すように、アニール処理が進行するにつれて、反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）のスペクトルの形状が大きく変化していることがわかる。つまり、このスペクトル形状は、アニール処理によるＳｉ結晶性の回復を示すものであり、回復が進むにつれて反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）のスペクトル線の極大側のピーク値が上方に、極小側のピーク値が下方に移動していることがわかる。
【０１０１】
そこで、本実施形態では、スペクトル線中でより変化幅の大きい極小ピーク値に着目し、不純物イオンの注入後のアニールプロセスにおける回復程度をスペクトル線の極小ピーク値によって監視するようにしている。ただし、図１９に示すように、スペクトル線にはエネルギーが約３．３ｅＶ（波長３７６ｎｍ）の点で極小ピーク値があるので、反射プローブ光６１９のエネルギー３．３ｅＶに相当する波長における反射率の変化割合をスペクトル線の極小ピーク値と仮定する。
【０１０２】
図２０は、図１８で示す装置を用い、反射プローブ光６１９のエネルギー３．３ｅＶに相当する波長における反射率の変化割合をスペクトル線の極小ピーク値と仮定して、ウエハ１０３のアニールプロセスにおけるスペクトル線の極小ピーク値の経時変化を示す図である。同図に示すように、アニールプロセスの時間の経過とともに半導体領域の結晶性の回復が進行するので、極小ピーク値は時間とともに増大する。極小ピーク値が−１２．０になった時点（３５秒）でアニール処理を終了しても、半導体領域（本実施形態ではＳｉ結晶）の結晶性が十分回復していることがラマン分光により確認できた。
【０１０３】
したがって、本実施形態では、ある程度の余裕をもって定められたアニール処理の時間ではなく、あらかじめモニターウエハーについて行った実験等より、現実のアニールプロセスにおけるスペクトル線中の極小ピーク値の変化によりアニール処理プロセスを制御することで、安定した結晶性とともに安定した不純物プロファイルを有したデバイス製造が実現できる。すなわち、アニール処理中において、特定波長（エネルギー領域）での反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）をモニターすることにより、安定したアニール処理プロセス及び良好な特性を有するデバイス製造を実現できる。
【０１０４】
さらに、本実施形態では、極小ピーク値が−１２．０になるまでに要する時間を管理し、その時間が、４０秒を超えた時点で、本熱処理装置の定期メンテナンスを行った。図２３は、ウエハの処理枚数に対するスペクトル線の極小ピーク値が−１２．０になるまでのアニール時間の変化を示す。このように、ウエハの処理枚数に応じて極小ピーク値が−１２．０に達するまでの時間が長くなるのは、装置構成部品の劣化によるものと考えられる。従来の管理方法では、４０秒を越えるアニールを行った場合には、半導体領域におけるコンタクト抵抗不良などのトラブルが発生していたが、本発明の管理手法によれば、そのようなトラブルの発生を抑制することができる。すなわち、本実施形態の光学的な管理手法とプロセス時間管理手法の融合により、従来の方法では困難であった熱処理工程のプロセス管理をも実現することができ、よって、安定した稼動を達成することができる。
【０１０５】
なお、第６の実施形態において、図１８に示す光学的モニターシステムに代えて、第２の実施形態における図８に示す光学的モニターシステムや、第３の実施形態における図９に示す光学的モニターシステム、第４の実施形態における図１２に示す光学的モニターシステム、第５の実施形態における図１４に示す光学的モニターシステムなどを使用することができる。
【０１０６】
（第７の実施形態）
次に、不純物濃度の計測方法に関する第２の実施形態について説明する。
【０１０７】
本実施形態では、上記第２の実施形態で使用した図８に示す光学的モニターシステムを用いる。
【０１０８】
ただし、本実施形態では、励起光５１１はチョッパ５１０によって周波数１００Ｈｚでチョッピングされて、ウエハ１０３のｎ型半導体領域１０３ａに間欠的に照射される。そして、この観測システム兼解析システム５０９で計測された反射強度に関するデータは、信号線を介して熱処理制御システム（図示せず）に送られる。また、チョッパ５１０と、反射プローブ光の強度を検出する検出器とは同期して動作するように構成されている。
【０１０９】
図２１は、実際に観測して得られた反射率の変化割合のスペクトル線における極小ピーク値と不純物導入の際の不純物のドーズ量との関係を示す。不純物はヒ素（Ａｓ）であり、実験を行ったドーズ量は１．０×１０15ｃｍ-2、５．０×１０15ｃｍ-2、５．０×１０14ｃｍ-2、１．０×１０14ｃｍ-2であり、いずれの場合にもイオンの加速エネルギーは１５０ｋｅＶである。また、熱処理は、Ｎ2 ガス雰囲気中で、８５０Ｃ、１時間行っている。図２２には、ドーズ量が１．０×１０15ｃｍ-2の場合の反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）のスペクトルを示す。
【０１１０】
図２１からわかるように、不純物が導入されたサンプルの反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）の極小ピーク値は、ドーズ量の増加とともに負の側に大きくなっていくことがわかる。すなわち、反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）が不純物濃度を反映したものであり、反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）をモニターすることにより、熱処理後の最終的な基板内の不純物濃度を知ることができることを意味している。したがって、この極小ピーク値がある値になるまで不純物のイオン注入と拡散用の熱処理とを行うことにより、ｎ型半導体領域１０１における所望の不純物濃度に正確に制御することが可能になる。
【０１１１】
なお、上記第６，第７の実施形態では、不純物イオンの注入により生じた欠陥等に起因する構造の乱れを回復させるための熱処理工程について説明したが、本発明の熱処理はかかる実施形態に限定されるものではなく、エッチングによって生じた欠陥などに起因する構造の乱れを回復させるための熱処理工程についても適用されるものである。
【０１１２】
なお、第７の実施形態において、図８に示す光学的モニターシステムに代えて、第３の実施形態における図９に示す光学的モニターシステムや、第４の実施形態における図１２に示す光学的モニターシステム、第５の実施形態における図１４に示す光学的モニターシステムなどを使用することができる。
【０１１３】
（第８の実施形態）
以下、図２４〜図２９を参照しながら、第８の実施形態に係る半導体装置（絶縁膜）の光学的評価装置及び評価方法について説明する。
【０１１４】
図２４は、本実施形態に係る絶縁膜の光学的モニターシステムの構成を概略的に示す斜視図である。図２４において、７０１はシリコン酸化膜が形成されたウエハ状態の半導体基板、７０２はウエハステージ、７０３は出力１５０Ｗの第２の光源であるＸｅランプ、７０４は偏光子、７０５は検光子を備えた検出器、７０６はＸｅランプ光であるプローブ光（測定光）、７０７は反射プローブ光、７０８は検出器７０５からの信号を伝達するための信号線、７０９は出力が５Ｗの第１の光源であるＡｒイオンレーザ、７１０は励起光を変調するためのチョッパー、７１１はチョッパー７１０により変調された励起光である励起光、７１２は励起光の変調との同期信号を伝達するための信号線、７１３は制御システムをそれぞれ示す。そして、検出器７０５は、反射プローブ光７０７の強度を各波長について連続的なスペクトルを測定するように構成されている。また、励起光７１１は、チョッパー７１０によって周波数５００Ｈｚでチョッピングされて、半導体基板７０１の表面に対して垂直な方向から半導体基板７０１の被測定領域に間欠的に照射されるように構成されている。さらに、チョッパ７１０と、反射光の強度を検出する検出器７０５とは同期して動作するように構成されている。
【０１１５】
一方、図２５に示すように、被測定領域である半導体基板７０１のｎ型半導体領域７０１ｂ上には、たとえば温度８５０℃下の熱酸化法によりシリコン酸化膜７０１ｃが形成されている。プローブ光７０６はこのシリコン酸化膜７０１ｃを通過してその直下のｎ型半導体領域７０１ｂに入射され、ｎ形半導体領域７０１ｂの表面で反射される。そして、この反射プローブ光７０７は、シリコン酸化膜７０１ｃを通過して外方に出射される。
【０１１６】
ただし、図２４において図示されていないが、例えば図１８に示すような構造と類似した熱酸化を行うためのチャンバーが配置されており、ウエハステージ７０２はこのチャンバー内に設置され、チャンバーにはプローブ光７０６、反射プローブ光７０７及び励起光７１１を通過させるための窓が設けられている。
【０１１７】
ここで、光変調反射率分光法の基本的な原理と、本実施形態に係る反射プローブ光７０７の反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）の測定方法とについて説明する。
【０１１８】
一般的に、半導体に光を照射すると、光によって励起されてキャリア数が増大し、その後、キャリアが元のエネルギー準位に戻る際には光を放出して消滅する。このキャリア数の変化に伴い半導体領域の表面電界強度が変化する。したがって、励起光が照射されているときと励起光が照射されていないときとでは、測定光が半導体領域の表面で反射される割合つまり測定光の反射率が異なる。すなわち、励起光の照射によって生じるべき電界強度の変化の大きさが被測定領域の何らかの特性に依存して変わるのであれば、測定光の反射率の変化割合を測定することにより、被測定領域の特性を評価できるはずである。本発明は、このような光変調反射率分光の技術を前提としている。
【０１１９】
そこで、本実施形態では、まず、被測定領域である半導体基板７０１のシリコン酸化膜７０１ｃを通過させてその直下のｎ型半導体領域７０１ｂに励起光７１１を間欠的に照射しながら、別の方向からプローブ光７０６を連続的にシリコン酸化膜７０１ｃを通過させてその直下のｎ型半導体領域７０１ｂに照射して、反射プローブ光７０７の反射強度の変化を検出する。そして、励起光７１１が照射されているときと照射されていないときの反射プローブ光７０７の反射強度の差ΔＲを、励起光７１１が照射されていないときの反射強度Ｒで割った値（ΔＲ／Ｒ）が反射強度の変化割合として解析システム７１３で検知される。ここで、反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）は、照射されるプローブ光７０６の強度が一定であることを前提として、反射率の代わりに使用されているものであり、技術的に意味があるのは反射率の変化割合である。以上の構成により、プローブ光の反射強度の変化割合の変動がモニターされる。そして、図２４に示す解析システム７１３のディスプレイ上には、図示するような測定光の反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）のスペクトルが表示される。
【０１２０】
図２６は、上記検出器７０５によって測定された反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）のスペクトルを示す。同図において、曲線Ｓpaは正常なシリコン酸化膜を有する半導体基板からの反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）のスペクトルを示し、曲線Ｓpb，Ｓpcは不良のシリコン酸化膜を有する半導体基板からの反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）のスペクトルを示す。これらの反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）のスペクトルの形状の相違から、良品の半導体基板の反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）はある一定の範囲（同図の斜線で示す領域）に収まるのに対し、不良のシリコン酸化膜を有する半導体基板からの反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）はこの範囲からはみ出るほど大きいということがわかった。このような相違が生じる原因については、以下の作用によるものと考えられる。
【０１２１】
図２７（ａ）に示すように、シリコン酸化膜を通過させてその直下のｎ型半導体領域に励起光７１１を照射するとｎ型半導体領域にキャリアが発生し、このキャリア数の変化に伴い表面電界強度がΔΦだけ増大する。この表面電界強度の変化ΔΦが生じることで、励起光が照射されているときと照射されていないときとで反射強度が異なることは、既に説明したとおりである。ここで、ｎ型半導体領域の上にシリコン酸化膜が形成されていると、ｎ型半導体領域の表面層にキャリアのトラップとなる欠陥サイトが発生するので、測定光の反射率の変化分は小さくなるはずである。
【０１２２】
ところが、図２７（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜中にトラップ電子が存在していると、この電子によってｎ型半導体領域にはより大きな表面電界強度の変化ΔΦ’が生じることになる。このために、トラップ電子が多く存在するシリコン酸化膜の直下のｎ型半導体領域から反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）は、トラップ電子が少ないシリコン酸化膜の直下のｎ型半導体領域からの反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）よりも大きくなると考えられる。つまり、図２６に示すような反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）の大きいスペクトルＳpb，Ｓpcを与える半導体基板のシリコン酸化膜には多くのトラップ電子が存在していることになる。このようなトラップ電子は、シリコン酸化膜の欠陥が多いほど多く存在することは知られている。なお、トラップ電子が多く存在していると、絶縁破壊によるキャリアパスが発生しやすくなり、絶縁膜の寿命が短いこともわかっている。
【０１２３】
そこで、発明者は、上記推論を裏付けるために、厚みが２〜４ｎｍ程度のシリコン酸化膜に電気的ストレスをその大きさを種々に変えて印加する実験を行って、図２８に示すデータを得た。図２８は、反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）のスペクトル中のピーク強度と、水銀プローバによる容量の測定より得られたおのおのの酸化膜中のトラップ電子密度との関係を示す図である。同図において、縦軸はトラップ電子密度（×１０11ｃｍ2 ）を示し、横軸は反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）のスペクトル中の３．３５ｅＶ付近の極小ピーク値（波長３７５ｎｍ付近に対応する）を与えるピーク信号強度の相対値をとっている。図２８に示すように、ピーク信号強度の絶対値が増大するほどトラップ電子密度も増大しているので、反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）の絶対値がある範囲よりも大きいときにはシリコン酸化膜の品質がよくない（つまりトラップ電子が多く存在している）と評価することができる。
【０１２４】
すなわち、反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）（絶対値）が所定値以上であればゲート酸化膜を不良と判定することは、上述のような推論が理論的に正しいかどうかは別にして、経験的に得られる因果関係に合致している。したがって、反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）をモニターすることにより、絶縁膜中の電子トラップ量を特定できるため、絶縁膜の電気的特性の管理を光学的に行うことができる。
【０１２５】
次に、このような光学的評価により半導体デバイスの製造における工程管理を行った実施例について説明する。
【０１２６】
図２９に示すように、反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）のスペクトル中のピーク値が−０．２５〜０．２５×１０-3の範囲に収まるのであれば良品とし、逆にこの範囲に収まらないのであれば不良と設定して、半導体基板（ウエハ）の上に熱酸化によりシリコン酸化膜を試作する際の工程管理を行った。図２９において、横軸は処理枚数を示し、縦軸は３．３５ｅＶ付近における反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）（ピーク値）である。１２５枚ごとに１回の割合でモニターした結果、７５０枚目のところで突如信号が大きく変化した。これは、突発的なトラブルであり、このときのゲート酸化膜の特性は、ゲートへの印加電圧Ｖｇが−６．６Ｖのときに、信頼性を示す破壊までの時間ｔbd（寿命値）が１００ｓｅｃ程度であった。通常の寿命値ｔbdは１０4 ｓｅｃ以上であるから、この寿命値は異常に低い値であることがわかる。この場合、迅速なトラブルへの対応によってトラブルの原因を取り除くことができ、その後の不良の発生を防止することができた。このように、本発明では、光学的な特性評価による製造工程の管理を行うことにより、従来の電気的特性の評価による管理よりも迅速な対応ができ、サンプルの試作工程や、ＭＯＳデバイスの製造工程における歩留まりの悪化を確実に防止することができる。
【０１２７】
なお、予め実験を行って、適正な電子トラップ密度に対応する容量（電気的特性）の適正範囲と、この適正範囲に相当する反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）の適正範囲との関係を求めておけば、反射強度の変化割合（ΔＲ／Ｒ）が適正範囲に入るように製造条件を制御することができる。
【０１２８】
なお、本実施形態において、図２４に示す光学的モニターシステムに代えて、第２の実施形態における図８に示す光学的モニターシステムや、第３の実施形態における図９に示す光学的モニターシステム、第４の実施形態における図１２に示す光学的モニターシステム、第５の実施形態における図１４に示す光学的モニターシステムなどを使用することができる。
【０１２９】
また、本実施形態における光学的モニターシステムにおいて、測定光の光源の選定により、あるいはフィルターの取り付けにより、６００ｎｍ以下、より好ましくは３００〜６００ｎｍの波長範囲の測定光を半導体領域に照射するようにすることが好ましい。かかる波長範囲の光は、半導体領域への侵入深さが数１０ｎｍ以上にならないので、シリコン酸化膜等の絶縁膜内のトラップ電子の影響を受けやすい表面領域からの反射光の強度の差に基づき感度の高い光学的評価を行うことができる。
【０１３０】
（第９の実施形態）
次に、第９の実施形態について説明する。図３０（ａ）〜（ｃ）は、ゲート電極及びゲート酸化膜のパターニング工程を示すウエハの断面図である。ただし、本実施形態では、第１の実施形態における図４に示すエッチング装置を使用して、ゲート電極及びゲート酸化膜のパターニングを行うものとする。
【０１３１】
まず、図３０（ａ）に示す工程の前に、ウエハ８０３上のチップ領域Ｒｔｐの基板領域には、しきい値制御用の低濃度の不純物が導入された第１半導体領域８００が設けられており、この第１半導体領域８００に半導体素子であるＭＯＳトランジスタが形成される。一方、ウエハ８０３上のモニター領域Ｒｍｎには、広さが例えば１３×１３μｍ2 のｎ型不純物が導入された第２半導体領域８０１（比抵抗値が約０．０２Ωｃｍ）が形成されている。そして、基板の全面上には、厚みが例えば６ｎｍのゲート酸化膜８０７と、ポリシリコンからなるゲート電極膜８０６とが堆積されている。さらに、ゲート電極膜８０６の上には、ゲート電極形成用のパターン形状を有するフォトレジストマスク８０９が形成されている。ただし、このフォトレジストマスク８０９は、第２半導体領域８０１の上方にも開口領域を有している。
【０１３２】
次に、図３０（ｂ）に示す工程において、フォトレジストマスク８０９を用いたドライエッチング（プラズマエッチング）により、ゲート電極膜８０６が除去され、ゲート電極８０６ａが形成される。このとき、第２半導体領域８０１のゲート電極膜が除去されて、ゲート酸化膜８０７が露出した状態となっている。
【０１３３】
そして、この状態で、励起光４０２及びプローブ光４０３がゲート酸化膜８０７を通って第２半導体領域８０１に照射される。ただし、励起光４０２は間欠的に照射される。そして、上述のように、励起光４０２が照射されているときと照射されていないときのプローブ光４０３の反射強度の差ΔＲを励起光４０２の照射がないときの反射強度Ｒで割った値（ΔＲ／Ｒ）が反射強度の変化割合として図４に示す反射強度観測システム２２０で検知される。以上の構成により、反射強度の変化割合の変動がモニターされる。
【０１３４】
次に、図３０（ｃ）に示す工程で、ゲート酸化膜８０７のパターニングが完了して、ゲート電極８０６ａの直下にゲート酸化膜８０７ａが残される状態になる。ここで、本実施形態では、このようにエッチングが完了した時点では、第２の半導体領域８０１におけるプローブ光の反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）が図３０（ｂ）に示すときの値よりも大きく変化している点に着目する。
【０１３５】
図３１は、ゲート酸化膜が除去されていくときのプローブ光の反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）を示すスペクトル線図である。図３０（ｂ）のようにゲート酸化膜が存在しているときには、ゲート酸化膜中のトラップ電子の存在によってピーク値の絶対値が大きいスペクトル線となるが、ゲート酸化膜が除去されるにつれてピーク値の絶対値が小さいスペクトル線（例えば図３１に示すスペクトル線Ｓlow ）を示すように変化する。さらにゲート酸化膜の除去が進むと、トラップ電子数が極めてわずかになり、しかもシリコン基板にはダメージ層もほとんどないことから、ピーク値の絶対値が増大するように転ずる。そして、図３０（ｃ）に示すゲート酸化膜の除去が完了した時点では、ピーク値が大きいスペクトル線Ｓhighを示す。したがって、プローブ光の反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）をモニターし続けることにより、基板内にほとんどダメージが入らずしかもゲート酸化膜の除去が完了した時点を検知することができる。すなわち、ゲート酸化膜の除去が完了して時点でエッチングを停止するようにドライエッチング工程を制御することができ、シリコン基板へのダメージをできるだけ小さくすることができる。
【０１３６】
ただし、本実施形態のエッチング工程の制御方法は、ゲート酸化膜の除去だけでなく、測定感度が有効に得られない程度に厚い絶縁膜でさえなければ、他の絶縁膜の除去のためのエッチングにも適用することができる。
【０１３７】
（第１０の実施形態）
次に、第１０の実施形態について説明する。本実施形態では、ウエハの図示は省略するが、例えば上記第９の実施形態の図３０（ｃ）に示す状態で、第１の半導体領域８００にソース・ドレイン領域を形成するための不純物導入を行う工程に適用できるものである。
【０１３８】
図３２は、ＢＦ2 とＨｅの混合ガスを用い圧力１０ｍＴｏｒｒで、プラズマドーピングを行って半導体領域内に不純物を導入していく過程において、プローブ光の反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）をモニターした結果を示す図である。同図において、横軸は処理時間を、縦軸は極小ピーク値の信号強度（相対値）の絶対値を示す。同図に示されるように、不純物の導入につれて信号強度が低下してきており、不純物の導入によって半導体領域内に欠陥が生じていることがわかる。したがって、プローブ光の反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）が初期値から所定値または所定割合だけ小さくなったときに不純物の導入を停止させたり、予め実験を行って所望の不純物濃度に対応する信号強度を求めこの信号強度に達したときに不純物の導入を停止するなどの制御を行うことにより、所望の濃度の不純物を導入することができる。
【０１３９】
さらに、上記プラズマドーピングやイオン注入などによる不純物の導入後に熱処理を行い、熱処理後に光変調反射率測定を行って測定光の反射率の変化割合（ΔＲ／Ｒ）を評価すれば、熱処理後の不純物の濃度がわかる。したがって、予め予備実験を行って適正な不純物濃度を実現するための不純物導入条件（例えばイオン注入量，イオン注入エネルギーやプラズマドーピング時の高周波電力など）を決定しておくことができる。特に、不純物導入前における半導体領域についてインラインでの光変調反射率測定を行って、その工程での半導体領域の不純物の濃度を把握しておけば、より精度のよい不純物導入を行うことができる。
【０１４０】
ただし、本実施形態においても、半導体素子が形成される領域とは別の領域に光学的評価用のモニター領域を設けておくことができる。
【０１４１】
（その他の実施形態）
なお、上記各実施形態における光学的モニターシステムのうちＸｅランプ，偏光子，検出器等は、現在酸化膜の膜厚の測定のために使用されているエリプソメトリ分光器の部材をそのまま利用することができる。その場合、Ａｒイオンレーザ，チョッパー及び制御システムを新たに設けるだけで、本発明の光学的評価を行うことができる。
【０１４２】
また、上記各実施形態では、ＭＯＳトランジスタを形成する場合を例にとって説明したが、バイポーラトランジスタや、化合物半導体基板に形成されるＭＥＳＦＥＴなどのデバイスを形成する場合にも適用することができる。
【０１４３】
【発明の効果】
請求項１から１１によれば、チャンバー内で加工処理を施す際に加工処理の状態を評価するための光学的評価方法として、光変調反射率測定により半導体領域からの測定光の反射率の変化割合を演算するようにしたので、半導体領域の結晶状態などを反映した測定光の反射率の変化割合を利用して、加工処理の条件を制御するためのインラインでの光学的評価方法の提供を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャート図である。
【図２】
実施形態に係る半導体装置の製造工程を示すウエハの断面図である。
【図３】
実施形態に係るウエハの上面図である。
【図４】
実施形態に係る半導体装置の製造装置であるプラズマ処理装置の断面図である。
【図５】
実施形態におけるエッチング時間とプローブ光の反射強度の変化割合との関係を示す特性図である。
【図６】
実施形態におけるエッチング時間とコンタクト抵抗との関係を示す特性図である。
【図７】
実施形態のライトエッチング方法と従来のライトエッチング方法とをそれぞれ用いて形成された半導体装置のコンタクト抵抗値のバラツキの相違を示す図である。
【図８】
第２の実施形態に係る半導体装置の光学的モニターシステムを概略的に示す斜視図である。
【図９】
第２の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示すウエハの断面図である。
【図１０】
第２の実施形態のプラズマ処理を行ったサンプルとプラズマ処理を行っていないサンプルとについて、励起光の強度−プローブ光の反射率変化特性の相違を示すデータである。
【図１１】
第３の実施形態に係る半導体装置の光学的モニターシステムを概略的に示す斜視図である。
【図１２】
第４の実施形態に係る半導体装置の光学的モニターシステムを概略的に示す斜視図である。
【図１３】
第４の実施形態の光学的モニターシステムを利用して、２０秒間ライトエッチングを行ったときのプローブ光の反射強度の変化割合をＲＦパワーを変化させてプロットした図である。
【図１４】
第５の実施形態に係る半導体装置の光学的モニターシステムを概略的に示す斜視図である。
【図１５】
第５の実施形態の光学的モニターシステムを利用して、２０秒間ライトエッチングを行ったときのプローブ光の反射強度の変化割合をＲＦパワーを変化させてプロットした図である。
【図１６】
第５の実施形態におけるエッチング時間とプローブ光の反射強度の変化割合との関係を示す特性図である。
【図１７】
第３〜第５の実施形態の光学的モニターシステムをプラズマ加工装置に取り付けた状態を概略的に示す断面図である。
【図１８】
第６の実施形態に係る半導体の熱処理装置の構成を概略的に示す断面図である。
【図１９】
第６の実施形態におけるアニール処理時間による反射率の変化割合のスペクトル形状の変化を示すスペクトル線図である。
【図２０】
第６の実施形態におけるアニール処理時間に対する極小ピーク値の変化を示す図である。
【図２１】
第７の実施形態におけるイオン注入時のドーズ量と極小ピーク値との関係を示す図である。
【図２２】
ヒ素イオンがドーズ量１×１０15ｃｍ-2で導入され熱処理が施された後の反射率の変化割合のスペクトル線図である。
【図２３】
第６の実施形態における熱処理中の極小ピーク値が所定値に達するまでの所要時間のウエハ処理枚数に対する変化を示す図である。
【図２４】
第８の実施形態に係る光学的評価装置の構成を部分的に斜視図で示すブロック図である。
【図２５】
第８の実施形態で光学的評価を行うために使用した被測定物の構造を示す断面図である。
【図２６】
第８の実施形態におけるプローブ光の半導体領域からの反射強度の変化割合に関する信号のスペクトル図である。
【図２７】
励起光が照射されたときのシリコン酸化膜とｎ型半導体領域におけるエネルギーバンド図と、励起光が照射されないときのシリコン酸化膜及びｎ型半導体領域におけるエネルギーバンド図である。
【図２８】
プローブ光の反射強度の変化割合のスペクトル中のピーク強度と酸化膜中のトラップ電子の密度との関係を示す図である。
【図２９】
第８の実施形態を利用して光学的評価を試作品の酸化工程の管理に使用した場合におけるウエハ処理枚数と３．３５ｅＶ付近の反射強度の変化割合との関係を示す図である。
【図３０】
第９の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示すウエハの断面図である。
【図３１】
第９の実施形態における測定光の反射率の変化割合の変化を示すスペクトル線図である。
【図３２】
第１０の実施形態におけるプラズマドーピングの処理時間と測定光の反射率の変化割合のピーク強度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１０１  ｎ型半導体領域
１０３  ウエハ
１０４  層間絶縁膜
１０５  フォトレジストマスク
１０６  ゲート電極
１０７  ゲート酸化膜
１０８  ｎ型ソース領域
１０９  ｎ型ドレイン領域
１１０ａ〜ｃ  開口
２００  反応処理室
２１１  高周波電源
２１２  カップリングコンデンサ
２１３  アノード電極
２１４  カソード電極
２１５  終点検出用窓
２１６  終点検出システム
２１７  ミラー
２１８  プローブ光入射用窓
２１９  反射光観測用窓
２２０  反射強度観測システム
２２１  信号経路
２２２  エッチング制御システム
２２３  チョッパ
３０１  Ａｒイオンレーザー（第１の光源）
３０２  Ｘｅランプ（第２の光源）
４０１  プラズマ
４０２  励起光
４０３  プローブ光
４０４  反射プローブ光
５０２  Ｘｅランプ（第２の光源）
５０３  Ａｒイオンレーザー（第１の光源）
５０４  ウエハステージ
５０５  顕微鏡システム
５０６  ミラー
５０７  プローブ光
５０８  反射プローブ光
５０９  観測システム兼解析システム
５１０  チョッパ
５１１  励起光
５１２  反射励起光
５１３  反射励起光観測システム
５２５  フィルター
５３０  光学システム
７０１  半導体基板
７０１ａ  本体部
７０１ｂ  ｎ型半導体領域
７０１ｃ  シリコン酸化膜
７０２  ウエハステージ
７０３  Ｘｅランプ（第２の光源）
７０４  偏光子
７０５  検出器
７０６  プローブ光
７０７  反射プローブ光
７０８  信号線
７０９  Ａｒイオンレーザ（第１の光源）
７１０  チョッパー
７１１  励起光
７１２  信号線
７１３  制御・解析システム
Ｒｔｐ  チップ領域
Ｒｍｎ  モニター領域
Ｒｄｍ１〜３  ダメージ層