(57)【要約】【課題】メモリを含む半導体装置に稀に存在する異常特性を解析する。【解決手段】ラマン分光装置２１は、半導体装置における５ビット分以上かつ１００ビット分以下のメモリに相当する領域のそれぞれに対して、ラマン散乱分光法による分析を行う。そして、信号強度の波数依存性を表す分析データにおけるピーク波数または波数幅を求める。統計処理部２９は、求めたピーク波数または波数幅に関する累積分布を算出する。データ取得部３２は、算出した累積分布における主分布と主分布から外れる裾分布とを求め、それぞれの分布を正規分布曲線で近似して表した場合の正規分布曲線同士の交点座標を求める。データ表示部３３は、交点座標が所定の条件を満たすか否かを判定して判定結果を表示する。【選択図】図１
2008016665.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置に対してラマン散乱分光法あるいはフォトルミネッセンス法による分析を実行し、分析結果から半導体装置の特性を解析する方法であって、
前記半導体装置の領域毎の分析データを得るステップと、
前記領域毎の分析データから累積分布を算出するステップと、
前記算出した累積分布における主分布と該主分布から外れる裾分布とを求めるステップと、
少なくとも前記裾分布に係る情報の表示を行うステップと、
を含むことを特徴とする半導体装置の特性解析方法。
【請求項２】
前記半導体装置の領域は、半導体装置に含まれるメモリを構成する複数個の記憶単位からなる領域であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の特性解析方法。
【請求項３】
前記複数個の記憶単位からなる領域は、５ビット分以上かつ１００ビット分以下のメモリに相当する領域であることを特徴とする請求項２記載の半導体装置の特性解析方法。
【請求項４】
前記少なくとも裾分布に係る情報の表示を行うステップにおいて、前記主分布と前記裾分布とをそれぞれ正規分布曲線で近似して表した場合の該正規分布曲線同士の交点座標を求めて、該交点座標に係る情報の表示を行うことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の特性解析方法。
【請求項５】
前記交点座標が所定の条件を満たすか否かを判定して判定結果を表示することを特徴とする請求項４記載の半導体装置の特性解析方法。
【請求項６】
前記分析データを得るステップにおいて、ラマン散乱分光法による分析の結果得られる信号強度の波数依存性を表す分析データにおけるピーク波数または波数幅をカーブフィッティングによって求め、
前記累積分布を算出するステップにおいて、求めたピーク波数または波数幅に関する累積分布を算出することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の特性解析方法。
【請求項７】
前記分析データを得るステップにおいて、フォトルミネッセンス法による分析の結果得られるバンド端ピークのピーク値とピークエネルギーとに基づいて接合リーク電流値をカーブフィッティングによって求め、
前記累積分布を算出するステップにおいて、求めた接合リーク電流値に関する累積分布を算出することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の特性解析方法。
【請求項８】
前記カーブフィッティングは、ローレンツ関数、正規分布関数、複数個の正規分布関数のいずれかを用いることを特徴とする請求項６または７記載の半導体装置の特性解析方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一に記載の半導体装置の特性解析方法を、半導体装置の製造プロセス毎に実行することを特徴とする半導体装置の特性解析方法。
【請求項１０】
請求項４に記載の半導体装置の特性解析方法を、半導体装置の製造プロセス毎に実行して前記交点座標が所定の条件となる製造プロセスを特定することを特徴とする半導体装置の特性解析方法。
【請求項１１】
半導体装置に対してラマン散乱分光法あるいはフォトルミネッセンス法による分析を実行し、分析結果から半導体装置の特性を解析する装置であって、
前記半導体装置の領域毎の分析データを得る分析装置と、
前記領域毎の分析データから累積分布を算出する統計処理部と、
前記算出した累積分布における主分布と該主分布から外れる裾分布とを求める統計解析部と、
少なくとも前記裾分布に係る情報の表示を行う表示部と、
を備えることを特徴とする半導体装置の特性解析装置。
【請求項１２】
前記分析装置は、前記半導体装置に含まれるメモリを構成する複数個の記憶単位からなる領域毎の分析データを得ることを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の特性解析装置。
【請求項１３】
前記複数個の記憶単位からなる領域は、５ビット分以上かつ１００ビット分以下のメモリに相当する領域であることを特徴とする請求項１２記載の半導体装置の特性解析装置。
【請求項１４】
前記分析装置は、ラマン散乱分光法による分析の結果得られる信号強度の波数依存性を表す分析データにおけるピーク波数または波数幅をカーブフィッティングによって求め、
前記統計処理部は、求めたピーク波数または波数幅に関する累積分布を算出することを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の特性解析装置。
【請求項１５】
前記分析装置は、フォトルミネッセンス法による分析の結果得られるバンド端ピークのピーク値とピークエネルギーとに基づいて接合リーク電流値をカーブフィッティングによって求め、
前記統計処理部は、求めた接合リーク電流値に関する累積分布を算出することを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の特性解析装置。
【請求項１６】
前記カーブフィッティングは、ローレンツ関数、正規分布関数、複数個の正規分布関数のいずれかを用いることを特徴とする請求項１４または１５記載の半導体装置の特性解析装置。
【請求項１７】
前記統計解析部は、前記主分布と前記裾分布とをそれぞれ正規分布曲線で近似して表した場合の該正規分布曲線同士の交点座標を求め、
前記表示部は、少なくとも前記交点座標に係る情報の表示を行うことを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の特性解析装置。
【請求項１８】
前記表示部は、前記交点座標が所定の条件を満たすか否かを判定して判定結果を表示することを特徴とする請求項１７記載の半導体装置の特性解析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の特性解析装置および特性解析方法に係り、特に、半導体装置に稀に存在する異常特性を解析する装置および方法に係る。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体装置の製造プロセスを改善する場合、種々のプロセスを経た後の半導体装置の特性を評価してその改善効果を確認していた。しかし、評価する特性は、種々のプロセスの影響を受けるために、特定のプロセスに注目して改善対策を実施しても、その効果を確認できない場合があった。そこで、種々のプロセスにおいて特性に影響する結晶歪や結晶性を把握することが重要になってきた。
【０００３】
このような結晶歪や結晶性を把握するためにラマン散乱分光法あるいはフォトルミネッセンス法が知られている。図２６は、一般的なラマン散乱分光法による半導体装置の特性解析装置の構成を示す図である。図２６において、レーザー発生器１０１から出力されるレーザー光は、反射鏡１０２で反射され、試料室１０３内に配置された解析対象となるシリコン基板１０４の表面に入射される。シリコン基板１０４の表面から散乱されるラマン散乱光は、レンズ１０５およびモノクロメーター１０６で集光され、検出系１０７に入力される。検出系１０７の出力信号は、増幅系１０８で増幅され、記録系１０９に入力される。記録系１０９では、図２７に示すような散乱光強度の波数依存性に整理して表示し、シリコン表面の結晶歪や結晶性を評価する。
【０００４】
例えば、シリコン基板１０４の表面にイオン注入して、図２７に示すように、イオン注入していないシリコン表面から得られた基準スペクトルに対して、イオン注入によってどのような分析スペクトルになるかを解析していた。すなわち、基準スペクトルに対して分析スペクトルにおける最大値の波数のズレから結晶歪を解析したり、分析スペクトルの半値幅を基準スペクトルのものに比べて結晶性を解析したりしていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の特性解析では、イオン注入のような処理をしたときの代表的な特性の分析しか行っていないか、あるいは数点の分析をしても、その特性の平均値やバラツキを表示する程度であった。したがって、従来の特性解析および表示においては、特性バラツキの程度しか解析できず、半導体装置に稀に存在するような異常特性を解析することは困難であった。例えば、メモリを有する半導体装置のような場合、半導体装置の特性は、メモリ中の最も特性の悪いビットに支配されてしまうために、平均的な結晶歪や結晶性を評価しても意味が無かった。
【０００６】
本発明の目的は、半導体装置に稀に存在する異常特性を解析する装置および方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、メモリを有する半導体装置の場合、ラマン散乱分光法あるいはフォトルミネッセンス法による分析の結果において最も特性の悪いビットが平均的な分布特性から外れることに着目し、異常分布（大多数の特性を示す主分布に対する裾分布）の特性を把握することで半導体装置を評価することができると考えた。そして、それぞれのプロセスにおいて異常分布がどのような変化をするか、プロセスを変更することでどのように変化するかを評価することで、プロセスの改善を効率的に行うことができると考え、本発明を創案するに至った。
【０００８】
本発明の１つのアスペクトに係る半導体装置の特性解析方法は、半導体装置に対してラマン散乱分光法あるいはフォトルミネッセンス法による分析を実行し、分析結果から半導体装置の特性を解析する方法である。この方法は、半導体装置の領域毎の分析データを得るステップと、領域毎の分析データから累積分布を算出するステップと、算出した累積分布における主分布と主分布から外れる裾分布とを求めるステップと、少なくとも裾分布に係る情報の表示を行うステップと、を含む。
【０００９】
本発明の第１の展開形態に係る半導体装置の特性解析方法において、半導体装置の領域は、半導体装置に含まれるメモリを構成する複数個の記憶単位からなる領域であることが好ましい。
【００１０】
本発明の第２の展開形態に係る半導体装置の特性解析方法において、複数個の記憶単位からなる領域は、５ビット分以上かつ１００ビット分以下のメモリに相当する領域であることが好ましい。
【００１１】
本発明の第３の展開形態に係る半導体装置の特性解析方法において、少なくとも裾分布に係る情報の表示を行うステップにおいて、主分布と裾分布とをそれぞれ正規分布曲線で近似して表した場合の正規分布曲線同士の交点座標を求めて、交点座標に係る情報の表示を行うことが好ましい。
【００１２】
本発明の第４の展開形態に係る半導体装置の特性解析方法において、交点座標が所定の条件を満たすか否かを判定して判定結果を表示することが好ましい。
【００１３】
本発明の第５の展開形態に係る半導体装置の特性解析方法において、分析データを得るステップにおいて、ラマン散乱分光法による分析の結果得られる信号強度の波数依存性を表す分析データにおけるピーク波数または波数幅をカーブフィッティングによって求め、累積分布を算出するステップにおいて、求めたピーク波数または波数幅に関する累積分布を算出することが好ましい。
【００１４】
本発明の第６の展開形態に係る半導体装置の特性解析方法において、分析データを得るステップにおいて、フォトルミネッセンス法による分析の結果得られるバンド端ピークのピーク値とピークエネルギーとに基づいて接合リーク電流値をカーブフィッティングによって求め、累積分布を算出するステップにおいて、求めた接合リーク電流値に関する累積分布を算出することが好ましい。
【００１５】
本発明の第７の展開形態に係る半導体装置の特性解析方法において、カーブフィッティングは、ローレンツ関数、正規分布関数、複数個の正規分布関数のいずれかを用いることが好ましい。
【００１６】
本発明の第８の展開形態に係る半導体装置の特性解析方法において、半導体装置の特性解析方法を、半導体装置の製造プロセス毎に実行することが好ましい。
【００１７】
本発明の第９の展開形態に係る半導体装置の特性解析方法において、半導体装置の製造プロセス毎に実行して交点座標が所定の条件となる製造プロセスを特定することが好ましい。
【００１８】
本発明の１つのアスペクトに係る半導体装置の特性解析装置は、半導体装置に対してラマン散乱分光法あるいはフォトルミネッセンス法による分析を実行し、分析結果から半導体装置の特性を解析する装置である。この装置は、半導体装置の領域毎の分析データを得る分析装置と、領域毎の分析データから累積分布を算出する統計処理部と、算出した累積分布における主分布と主分布から外れる裾分布とを求める統計解析部と、少なくとも裾分布に係る情報の表示を行う表示部と、を備える。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ラマン散乱分光法あるいはフォトルミネッセンス法の分析結果において、大多数の特性を示す主分布と、主分布から外れる裾分布とを分離し、裾分布から半導体装置に稀に存在する異常特性を把握することができる。したがって、特に、メモリを有する半導体装置の場合のような、メモリ中の最も特性の悪いビットに支配されるような場合における半導体装置の特性の監視に効果的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置の特性解析装置の構成を示すブロック図である。図１において、特性解析装置は、ラマン分光装置２１と制御・解析システム２２とで構成される。ラマン分光装置２１は、制御・解析システム２２の制御の元に評価対象とされる半導体装置に対しラマン散乱分光法による分析を行って、分析結果データを制御・解析システム２２に出力する。制御・解析システム２２は、制御部２３、画像データ表示部２６、メモリ部２７、統計処理部２９、データ取得部３２、データ表示部３３、および異常表示部３４を備え、分析結果データから評価の対象となる半導体装置の特性を解析する。
【００２１】
制御部２３は、ライン２４を介して、ラマン分光装置２１内に配置された半導体装置における測定箇所などの位置決めやレーザー光の照射を制御する。また、制御部２３は、試料の情報や測定日時などの設定情報を管理し、メモリ部２７、統計処理部２９、データ取得部３２に出力する。さらに、データ表示部３３に対して取得データの入力を指示する。
【００２２】
画像データ表示部２６は、ラマン分光装置２１から測定箇所の画像データをライン２５を介して受け取って表示する。メモリ部２７は、ラマン分光装置２１から出力されるラマン分光データ（信号強度の波数依存性を表すデータ）を、ライン２８を介して受け取り、制御部２３からライン３１ａを介して送られる試料の情報や測定日時などの設定情報と共に記憶する。この場合、１つのラマン分光データ毎にデータの記憶を行う。
【００２３】
統計処理部２９は、ライン３０ａを介してメモリ部２７から受け取ったデータに対して、制御部２３からライン３１ｂを介して受け取った試料の情報や測定日時などの設定情報と共に後述のデータ処理および統計処理を行う。
【００２４】
データ取得部３２は、統計処理部２９で処理されたデータを、ライン３０ｂを介して入力し、後述の統計解析を行って所定のデータを得る。また、これらの取得データを、制御部２３からライン３１ｃを介して入力した試料の情報や測定日時などの設定情報と共に管理し、メモリ部２７にライン３０ｃを介して出力する。メモリ部２７は、これらのデータを記憶する。
【００２５】
データ表示部３３は、制御部２３からのライン３１ｄを介した指示によって、メモリ部２７に記憶されている取得データをライン３０ｄを介して入力し、所定の表示方法でデータを表示する。そして、取得データが予め設定した条件となった場合には、異常を示す情報をライン３０ｅを介して異常表示部３４に送る。異常表示部３４は、異常である情報内容を表示する。
【００２６】
以上のような構成の制御・解析システム２２において、異常特性の監視は、データ表示部３３および異常表示部３４における表示を監視することで行われる。異常特性が出現した場合には、評価対象である半導体装置、例えば半導体メモリ作製中の試料の処分を決定する。異常特性が出現しない場合には、次の作製プロセスでの作業を行う。また、異常特性が出現した場合あるいは異常特性の許容値に近づいた場合には、その原因や対象装置などを明確にして、正常なプロセスに戻すようにする。
【００２７】
次に、制御・解析システム２２におけるラマン分光データの処理方法について説明する。図２は、制御・解析システム２２におけるラマン分光データの処理方法を示すフローチャートである。ステップＳ１１において、ラマン分光装置２１から出力されたラマン分光データを取得する。統計処理部２９は、ステップＳ１２において、取得されたラマン分光データを、必要なデータ値に変換するためにデータ処理を行う。また、ステップＳ１３において、変換されたデータに対して統計処理を行う。そして、データ取得部３２は、ステップＳ１４において、統計処理されたデータを、管理するための指標となるデータに変換するため、統計解析を行う。さらに、ステップＳ１５において、得られた統計解析データを管理する。データ表示部３３および異常表示部３４は、ステップＳ１６において、管理されているデータの表示を行う。以下、各ステップについてより詳細に説明する。
【００２８】
始めにデータ処理について説明する。図３は、データ処理における処理手順を表すフローチャートである。ステップＳ２１において、各情報にリンクしたｎ個のラマン分光データが用意される。ここで、各情報とは、試料の情報や測定日時などの設定情報である。また、ラマン分光データは、図２７に示したような信号強度（ラマン散乱光強度）の波数依存性を表すデータである。
【００２９】
ここで、通常のカーブフィッティングによってラマン分光データを解析する場合、ローレンツ関数分布を用いるが、正規確率分布を用いることも可能であり、いずれかを選択する（ステップＳ２２）。
【００３０】
ローレンツ関数分布を用いる場合、ｎ個のラマン分光データのそれぞれをローレンツ関数分布にカーブフィッティングさせ（ステップＳ２３）、複数のピーク波数Ｐｉ（ｉ＝１〜ｎ）と、複数のピーク強度の１／ｅの波数の幅（半値幅という）Ｗｉとを得る（ステップＳ２４）。これらのデータ（Ｐｉ、Ｗｉ）に対して統計処理を実行する。
【００３１】
また、正規確率分布を選ぶ場合、ノイズを除いた信号強度の波数依存性について低波数側からの累積強度を正規確率分布にする（ステップＳ２５）。この正規確率分布は、縦軸が低波数側からの累積強度であり、横軸が波数である。
【００３２】
この正規確率分布を１種類の分布として取り扱う場合、ステップＳ２６のＮｏを選択してデータを正規確率分布にフィッティングする（ステップＳ２７）。この場合、１本の直線近似で表される。そこで得られた平均値μｉと標準偏差σｉとをそれぞれピーク波数Ｐｉと波数の幅（半値幅）Ｗｉとする（ステップＳ２８）。そして、これらのデータＰｉ、Ｗｉ（ｉ＝１〜ｎ）に対して統計処理を実行する。
【００３３】
一方、ｍ個の正規分布として取り扱う場合、ステップＳ２６のＹｅｓを選択してデータをｍ個の正規確率分布にフィッティングする（ステップＳ２９）。この場合、ｍ本の直線で近似される。そこで得られた複数の平均値μｉ（ｍ）と複数の標準偏差σｉ（ｍ）をそれぞれ複数のピーク波数Ｐｉ（ｍ）と複数の波数の幅（半値幅）Ｗｉ（ｍ）とし（ステップＳ３０）、統計処理を実行する。なお、以下では、ｍ個の正規分布として取り扱う場合の統計処理、統計解析についての説明を省略するが、最終的には、後述する図６に示す取得データがｍ組得られることとなる。
【００３４】
次に統計処理について説明する。図４は、統計処理における処理手順を表すフローチャートである。図４において、各情報にリンクしたｎ個のＰｉ（ｉ＝１〜ｎ）を用いて、複数のピークシフトＰｓｉを求める（ステップＳ３１）。ピークシフトＰｓｉは、それぞれのピーク波数からシリコンのラマン振動数に相当する５２０．３ｃｍ−１を差し引いた値である。通常、ピークシフトＰｓｉが正である場合には、圧縮歪を表し、ピークシフトＰｓｉが負である場合には、引張歪を表している。
【００３５】
次に、複数のピークシフトＰｓｉを大きい順から（正側から）並び替え（ステップＳ３２）、その並べ替え順に正規確率分布の累積度数が何σか（％でも良い）を求める（ステップＳ３３）。
【００３６】
その後、横軸をピークシフトＰｓ、縦軸を累積度数で表す正規確率分布にする（ステップＳ３４）。具体的な例としては、後に説明する図２０に示すような分布にする。以降、図５の統計解析１に進む。
【００３７】
また、各情報にリンクしたｎ個の半値幅Ｗｉについても上記と同様に、大きい順から並び替え（ステップＳ３５）、その並べ替え順に正規確率分布の累積度数が何σか（％でも良い）を求める（ステップＳ３６）。その後、後に説明する例えば図１７に示すように、横軸を半値幅Ｗで表し、縦軸を累積度数で表す正規確率分布にする（ステップＳ３７）。以降、図５の統計解析２に進む。
【００３８】
次に統計解析について説明する。図５は、統計解析における処理手順を表すフローチャートである。図５（ａ）の統計解析１処理では、各情報にリンクしたピークシフトＰｓの正規確率分布を解析する。それぞれの正規確率分布を複数Ｎの正規分布にフィッティングする（ステップＳ４１）。得られた正規分布ｆ（Ｐｓ）＝（１／σ√（２Π））ｅｘｐ｛−（Ｐｓ−μ）２／２σ２から、平均値μｊ（ｊ＝１〜Ｎ）と標準偏差σｊを求める（ステップＳ４２）。ここでは、３つの正規分布（Ｎ＝３）として説明し、ラマンシフト量が少ない方の分布から数えて、Ｐｓ（μ１、σ１）を主分布とし、Ｐｓ（μ２、σ２）を裾分布１、Ｐｓ（μ３、σ３）を裾分布２とする（ステップＳ４３）。なお、２つの分布の場合（Ｎ＝２）には、後述の例えば図２０で示すようになる。
【００３９】
その後、各正規分布曲線の交点の波数と確率（何σか）を求める（ステップＳ４４）。すなわち、主分布と裾分布１との交点の波数であるＰ１−２、裾分布１と裾分布２との交点の波数であるＰ２−３とを求める。また、主分布と裾分布１との交点の確率であるＣＰ１−２、裾分布１と裾分布２との交点の確率であるＣＰ２−３とを求める。
【００４０】
また、図５（ｂ）の統計解析２処理では、各情報にリンクした半値幅Ｗの正規確率分布を解析する。それぞれの正規確率分布を複数Ｎの正規分布にフィッティングする（ステップＳ４５）。得られた正規分布ｆ（Ｗ）＝（１／σ√（２Π））ｅｘｐ｛−（Ｗ−μ）２／２σ２から、複数の平均値μｊ（ｊ＝１〜Ｎ）と複数の標準偏差σｊを求める（ステップＳ４６）。ここでは、３つの正規分布（Ｎ＝３）として説明し、ラマンシフト量が少ない方の分布から数えて、Ｗ（μ１、σ１）を主分布とし、Ｗ（μ２、σ２）を裾分布１、Ｗ（μ３、σ３）を裾分布２とする（ステップＳ４７）。なお、２つの分布の場合（Ｎ＝２）には、後述の例えば図１７で示すようになる。
【００４１】
その後、各正規分布曲線の交点の波数と確率（何σか）を求める（ステップＳ４８）。すなわち、主分布と裾分布１との交点の波数であるＷ１−２、裾分布１と裾分布２との交点の波数であるＷ２−３とを求める。また、主分布と裾分布１との交点の確率であるＣＷ１−２、裾分布１と裾分布２との交点の確率であるＣＷ２−３とを求める。
【００４２】
図６は、以上のようにして求めた取得データの一覧を示す図である。図６に示されるデータが表示の対象として管理される。歪基本データとしては、主分布としてＰｓ（μ１、σ１）、裾分布１としてＰｓ（μ２、σ２）、裾分布２としてＰｓ（μ３、σ３）を管理する。歪異常データとしては、一次異常歪としてＰ１−２、一次異常歪発生率としてＣＰ１−２、二次異常歪としてＰ２−３、二次異常歪発生率としてＣＰ２−３を管理する。さらに、結晶性基本データとしては、主分布としてＷ（μ１、σ１）、裾分布１としてＷ（μ２、σ２）、裾分布２としてＷ（μ３、σ３）を管理する。結晶性異常データとしては、一次異常結晶性としてＷ１−２、一次異常結晶性発生率としてＣＷ１−２、二次異常結晶性としてＷ２−３、二次異常結晶性発生率としてＣＷ２−３を管理する。
【００４３】
最後に、データ表示部３３は、上記の管理データを用いて、図７ないし図１２に示すようなステップ毎の表示を行う。図７、８は、半導体メモリの作製プロセスにおけるステップ毎の管理データの推移の例を表す図である。図７（ａ）は、歪情報を表す歪基本データの内、主分布と裾分布におけるピークシフトの平均値の推移を表し、図７（ｂ）は、主分布と裾分布におけるピークシフトの標準偏差の推移を表す。また、図８（ａ）は、結晶性情報を表す結晶性基本データの内、主分布と裾分布における半値幅の平均値の推移を表し、図８（ｂ）は、主分布と裾分布における半値幅の標準偏差の推移を表す。
【００４４】
このような分布の推移を表示することで、歪情報であるピークシフト情報の変化から歪発生プロセスを把握することができる。例えば、図７を参照するならば、プロセスステップ１から４までは、徐々にプラス側にシフトしていることから、これらのプロセスステップは、圧縮歪発生要因を抱えていることがわかる。また、プロセスステップ４、５では、圧縮歪を緩和するプロセス、あるいは、引張歪の発生プロセスであることがわかる。さらに、プロセスステップが進む毎に標準偏差が大きくなり、歪ばらつきも大きくなっていくことがわかる。
【００４５】
また、結晶性情報である半値幅情報の変化を観測することで、結晶性悪化の要因となるプロセスを発見することができる。例えば、図８を参照するならば、プロセスステップ１から３までは、徐々に半値幅が大きくなっていることから、結晶性が徐々に悪化していることがわかる。そして、プロセスステップ４以降では、徐々に結晶性が回復していく傾向がみられる。
【００４６】
以上のようにして、半導体メモリにおける、注目すべき、あるいは、対策を行うべき作製プロセスを抽出することができる。
【００４７】
次に、注目すべき、あるいは、対策すべき半導体メモリの作製プロセスにおいて、プロセス条件を変えた場合の管理データの例を図９および図１０に示す。図９（ａ）は、歪情報を表す歪基本データの内、主分布と裾分布におけるピークシフトの平均値のプロセス条件による変化を表し、図９（ｂ）は、主分布と裾分布におけるピークシフトの標準偏差のプロセス条件による変化を表す。また、図１０（ａ）は、結晶性情報を表す結晶性基本データの内、主分布と裾分布における半値幅の平均値のプロセス条件による変化を表し、図１０（ｂ）は、主分布と裾分布における半値幅の標準偏差のプロセス条件による変化を表す。このようにデータを表示することで、歪低減のプロセス条件や、結晶性回復に効果があるプロセス条件を見出すことができる。図９および図１０に示すデータの表示例を参照するならば、プロセス条件４がベストな条件であると言える。
【００４８】
最後に、主要なプロセスにおいて、管理データの日毎などの経時変化の例を図１１および図１２に示す。図１１（ａ）は、一次異常歪Ｐ１−２の経時変化を表し、図１１（ｂ）は、一次異常歪発生率ＣＰ１−２の経時変化を表す。また、図１２（ａ）は、一次異常結晶性Ｗ１−２の経時変化を表し、図１２（ｂ）は、一次異常結晶性発生率ＣＷ１−２の経時変化を表す。この場合、許容歪上限や許容発生率上限等を設定しておき、上限を超えた場合には、異常表示するようにする。異常表示は、いずれか１つのデータが上限を超えた場合でも、複数のデータが上限を超えた場合でもどちらでもよく、必要に応じて選ぶことができる。このような表示を行うことで異常発生時における対処ができるようになる。
【００４９】
以上のように、どのプロセスで異常特性が顕在化するかを明確にして、異常特性が無くなるように（または、異常特性の量が減少するように）プロセスを最適化することができる。特にメモリを有した半導体装置では、平均的な特性よりも稀に存在する異常特性の方が半導体装置の性能を決定する場合があるため、本発明の解析表示技術を用いることで稀に存在する異常特性を解析することができる。そして、稀に存在する異常特性が何に起因して発生しているかを調べて、対策を講じることで異常特性の発生を低減させることができる。その結果、メモリ特性で稀に存在する異常特性を効果的に無くして（または、減少させて）、良好なメモリ特性を有する半導体装置を製造することができる。以下、実施例に即し、具体的な半導体装置の解析方法について詳しく説明する。
【実施例１】
【００５０】
本発明の第１の実施例に係る半導体装置の特性解析方法は、半導体メモリが形成される部分において、メモリを構成する各ビットを複数含む領域の平均的なラマン分析結果（あるいはフォトルミネッセンス分析結果）を多数得た上で、極稀に存在する異常特性を監視する。また、この方法を用いて、半導体メモリ製造プロセス毎に多数の結果を得ることで、異常特性の発生プロセスを特定し、プロセス改善に運用することが可能である。
【００５１】
浅溝素子分離用の浅い溝が形成されたプロセス、浅溝素子分離が形成されたプロセス、各種熱酸化膜が形成されたプロセス、ゲート電極が形成されたプロセス、各種イオン注入されたプロセス、および、各種熱処理が行われたプロセスなどにおいて、半導体メモリが形成される部分でメモリを構成する各ビットを複数含む領域の平均的なラマン分析結果（あるいはフォトルミネッセンス分析結果）を多数得る。そして先に実施形態で説明したような解析表示を行うことで、極稀に存在する異常特性を監視することができる。ここで、メモリを構成する各ビットを複数含む領域とは、望ましくは５〜１００ビット分の領域である。
【００５２】
図１３〜図１５は、先の実施形態で説明した特性解析法によって得られる、横軸を半値幅、縦軸を累積度数とした場合の主分布と裾分布とを表す図である。各分析点、すなわち５〜１００ビット分の領域を分析した場合、１ビットだけに異常特性が現れても１００ビット分の平均結果に異常特性変動を検知することができる。一方、１００ビット以上の平均結果になると、図１４に示すように、裾分布が不明瞭となり、１ビットだけの異常特性が検知できなくなってしまい、稀に存在する異常特性分布が得られなくなる。
【００５３】
他方、５ビット未満の平均結果は、１ビットだけの異常特性を検知しやすくなるが、評価しているビット数が少ない分測定点を非常に多くしなければならない。現状のメモリでの異常特性が概ね１万ビットに１ビットの割合であるので、５ビット未満の平均結果で評価する場合、図１５に示すように裾分布が明瞭に表示される。しかし、稀に存在する異常特性分布を得るためには、最低でも２万点の分析結果が必要となる。このように多くの分析結果が必要になると、分析時間もさることながら分析結果の解析時間もまた膨大となってしまう。
【００５４】
以上のような理由から、メモリを構成する各ビットを複数含む領域とは、５〜１００ビット分の領域であることが好ましい。このような領域に対応して分析を行うことで、図１３に示したように、大多数の特性を示す主分布と、稀に存在する異常特性を示す裾分布とを分離し、裾分布から稀に存在する異常特性を監視することができる。
【００５５】
また、上記に説明した方法を、半導体メモリ製造のプロセス毎に運用することで、浅い溝形成方法と異常特性との関係、浅溝素子分離形成方法と異常特性との関係、各種熱酸化方法と異常特性との関係、ゲート電極形成方法と異常特性との関係、各種イオン注入条件と異常特性との関係、および、各種熱処理条件と異常特性との関係等を得ることができる。これらの関係の解析結果において、どのプロセスで異常特性が顕在化するかを明確にして、異常特性が無くなるように（または、異常特性の量が減少するように）プロセスを最適化することができるようになる。
【００５６】
メモリを有する半導体装置等では、平均的な特性よりも稀に存在する異常特性の方が半導体装置の性能を決定する場合がある。そこで、本発明の解析方法を用いることで稀に存在する異常特性を解析することができる。そして、その稀に存在する異常特性が何に依存して発生したかを調べて対策を講じることで異常特性の発生を低減することができる。
【００５７】
なお、図１３では、２つの分布の例について示したが、複数の分布が存在している場合であっても、同様に特性の種類とその発生頻度を解析することができる。その結果、メモリ特性で稀に存在する異常特性を効果的に無くす（または、減少する）ことができるので、良好なメモリ特性を有する半導体メモリを製造することができる。
【実施例２】
【００５８】
次に、ラマン分析を用いた半導体装置の具体的な解析方法について詳細に説明する。図１６は、解析対象とされる半導体装置の構造を示す断面図である。このような構造を持つシリコン基板１に浅溝素子分離用の浅い溝２が形成されたプロセスにおいて、先に説明した解析方法により図１７に示すように上記ラマン分光の分析スペクトルの半値幅の大きい方から順番に累積度数分布を得た。ここで、ラマン分析用のレーザーは、波長が４８８ｎｍのものであり、図１６に示すような構造において、おおよそ表面から２５０ｎｍの深さまでの情報を得ることができる。また、図１８に示すように、１ポイントのラマン分析用のレーザービーム５の径を３μｍとし、メモリが完成した時点における約３０ビット分の領域に一致させた。図１８において、島状の活性領域６は、素子分離領域に囲まれており、１つの島が２ビット分の活性領域となる。なお、１ビット分の領域を四角の破線で示している。これを３３０ポイント分測定し、おおよそ１０万ビット分の情報を得た。
【００５９】
図１７において、分析スペクトルの半値幅が大きい事は、結晶性が悪い事を表しているので、大多数の結晶性を示す主分布と、稀に存在する異常な結晶性を示す裾分布とを分離することができる。図１６で示した構造は、薄いシリコン酸化膜３と厚いシリコン窒化膜４とから成るシリコンエッチングマスクを用いて、シリコン基板１をドライエッチングして浅い溝２を形成したものである。ドライエッチング直後の結晶性分布（図１７の実線）では、分布全体が半値幅の広い方にシフトしており、結晶性が悪くなっていることがわかる。また、その裾分布が顕在化する度数が高く、結晶性の悪いビットが多くなっていることがわかる。
【００６０】
一方、上記ドライエッチング後にエッチング損傷を除去する工程を行った場合の結晶性分布（図１７破線）では、分布全体が半値幅の狭い方にシフトしており、結晶性が基（プロセス前）のシリコン基板に近づいている。また、裾分布が顕在化する度数も減少している。これらのことから結晶性の悪いビットが減少していることがわかる。
【００６１】
このように、上記ドライエッチング後にエッチング損傷を除去する工程を種々変化させ、結晶性分布がどのように変化するかを検討することで、有効なエッチング損傷除去方法を見出すことができる。
【００６２】
次に、図１９に示すように、浅溝素子分離７が形成された半導体装置のプロセスにおいて、先に説明した解析方法により図２０に示すように上記ラマン分光の分析スペクトルピークシフト波数の大きい方から順番に累積度数分布を得た。ピークシフトは、基（プロセス前）のシリコン基板でのスペクトルピーク（５２０．３ｃｍ−１）からのシフトを示しており、高い波数側へのシフトは、圧縮歪を示し、低い波数側へのシフトは、引張歪を示している。このことから、図２０に示した結果から結晶歪を評価することができる。なお、ラマン分析用のレーザーの波長および分析領域は、上記と同じである。
【００６３】
浅溝素子分離７にはシリコン酸化膜が埋め込まれているが、シリコン酸化膜の埋め込み後に、図２１に示すように、次いで行われるイオン注入時の表面保護膜としてシリコン酸化膜８を熱酸化により形成している。その時の結晶歪分布では、図２０の実線に示すように、分布全体が高い波数側に大きくシフトしており、強い圧縮歪が発生していることがわかる。また、分布全体のバラツキが大きく、圧縮歪が大きくばらついていることがわかる。この時、裾分布が顕在化する度数は非常に少ない。これは、異常歪を発生していても、あるいは、歪軽減が異常部で発生していたと仮定しても、その異常歪分布より大きな歪バラツキがあったため、異常歪分布を検出できなかったものと考えられる。
【００６４】
また、熱酸化後に高温の熱処理を行った時の結晶歪分布（図２０の破線）では、分布全体が基（プロセス前）のシリコン基板に近づき、そのバラツキが小さくなることがわかる。このことから、高温の熱処理を行うと、圧縮歪が小さくなることがわかる。しかし、圧縮歪の大きい裾分布が顕在化し、全体として圧縮歪は小さくなるものの、一部の部分では圧縮歪が小さくならないという異常が見られる。高温の熱処理は、歪が緩和されるということから、応力緩和熱処理となっている。しかし、完全には応力緩和がなされておらず裾分布の異常が見られる。このように、高温の熱処理条件を種々変化させることによって結晶歪分布がどのように変化するかを検討することで、有効な応力緩和熱処理方法を見出すことができるようになる。
【実施例３】
【００６５】
以上、ラマン分析の結果を用いてプロセス評価を行った実施例を述べたが、以下では、フォトルミネッセンス法による分析結果を用いた例について述べる。フォトルミネッセンス分析の場合には、図２２に示すような結果が得られる。この結果は、分析サンプルを４．２Ｋまで低温化して、波長が４８８ｎｍのレーザーを用いて励起したものである。
【００６６】
ここで、バンド端ピークのピーク値とピークエネルギーをそれぞれＩｏとＥｏとする。また、それ以外のピークのピーク値とピークエネルギーをそれぞれＩとＥとし、ＥｏからのズレをΔＥとする。なお、接合リーク電流に比例する式は、Ｉ／Ｉｏ／ｅｘｐ（ΔＥ／ｋＴ）で与えられる。図２２において、バンド端以外のピークは、１つしか示されないが、複数ある場合（ｉ＝１〜Ｌ）には、それぞれＩｉとＥｉ、すなわちΔＥｉとし、接合リーク電流に比例する式は、ΣＩｉ／Ｉｏ／ｅｘｐ（ΔＥｉ／ｋＴ）として求める。このように変換したリーク電流の大小を、先に説明したラマン分析の場合と同じように、リーク電流の多い方から累積した度数分布を図２３のようにまとめる。これにより、平均的なリーク電流分布を主分布から求めることができ、裾分布から異常リーク発生状態を把握することができる。
【００６７】
図２４は、解析対処となる半導体装置の構造を示す断面図である。図２４に示す半導体装置は、浅溝素子分離７が形成されたシリコン基板１にシリコン酸化膜９を形成する。その後、ゲート電極１０は、電極材料であるリン導入された多結晶シリコン膜を堆積し、さらに、電極形成用のキャップ膜１１としてシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜を堆積したのち、通常のホトリソグラフィーとドライエッチングによって加工する。ゲート電極加工後に、ゲート電極側面に熱酸化膜１２を形成し、ソース・ドレイン拡散層１３をイオン注入とその後の熱処理により形成したものである。
【００６８】
この状態における半導体装置の解析結果を図２５に示す。まず、最もリーク電流の少ない条件の結果（１点鎖線で示す）を基準とし、ゲート電極側面熱酸化後に、イオン注入を行った場合のリーク電流分布（実線で示す）から、主分布は多少リーク電流増加方向にシフトし、ΔＥが０．４ｅＶおよび０．２５ｅＶのピークから得られた裾分布１および裾分布２が顕在化する度数も増加している。これは、イオン注入によって複数の準位を発生させる結晶欠陥あるいは汚染の影響が増加したと考えることができる。そして、イオン注入後に高温の熱処理を行うと、リーク電流分布（破線で示す）において、主分布は低リーク側にシフトし、注入損傷の回復がわかる。裾分布では、ΔＥが０．４ｅＶのピークから得られた裾分布１が顕在化する度数が増え、ΔＥが０．２５ｅＶのピークから得られた裾分布２が顕在化する度数が減少している。
【００６９】
以上のことから、高温熱処理によって、特定の準位は減るものの、別の準位は増加していることがわかる。このように、イオン注入条件や高温熱処理条件を選ぶことにより、リーク電流を少なくすることが可能であり、特に異常リーク電流の発生を防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明によれば、ＤＲＡＭなどのメモリを有する半導体装置の製造プロセスの監視および製造プロセスの改善に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の特性解析装置の構成を示すブロック図である。
【図２】制御・解析システム２２におけるラマン分光データの処理方法を示すフローチャートである。
【図３】データ処理における処理手順を表すフローチャートである。
【図４】統計処理における処理手順を表すフローチャートである。
【図５】統計解析における処理手順を表すフローチャートである。
【図６】取得データの一覧を示す図である。
【図７】半導体メモリの作製プロセスにおけるステップ毎の管理データの推移の第１の例を表す図である。
【図８】半導体メモリの作製プロセスにおけるステップ毎の管理データの推移の第２の例を表す図である。
【図９】歪情報を表す歪基本データのプロセス条件による変化を表す図である。
【図１０】結晶性情報を表す結晶性基本データのプロセス条件による変化を表す図である。
【図１１】管理データの経時変化を表す第１の図である。
【図１２】管理データの経時変化を表す第２の図である。
【図１３】本発明の第１の実施例に係る半導体メモリの解析結果である主分布と裾分布とを表す第１の図である。
【図１４】本発明の第１の実施例に係る半導体メモリの解析結果である主分布と裾分布とを表す第２の図である。
【図１５】本発明の第１の実施例に係る半導体メモリの解析結果である主分布と裾分布とを表す第３の図である。
【図１６】本発明の第２の実施例に係る解析対象とされる半導体装置の構造を示す断面図である。
【図１７】本発明の第２の実施例に係る半導体装置の解析結果である主分布と裾分布とを表す第１の図である。
【図１８】本発明の第２の実施例に係る半導体装置におけるメモリ領域を示す図である。
【図１９】本発明の第２の実施例に係る半導体装置の第１の構造を表す図である。
【図２０】本発明の第２の実施例に係る半導体装置の解析結果である主分布と裾分布とを表す第２の図である。
【図２１】本発明の第２の実施例に係る半導体装置の第２の構造を表す図である。
【図２２】本発明の第３の実施例に係る半導体装置のフォトルミネッセンス分析の結果を示す図である。
【図２３】本発明の第３の実施例に係る半導体装置のフォトルミネッセンス分析の解析結果である主分布と裾分布とを表す第１の図である。
【図２４】本発明の第３の実施例に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
【図２５】本発明の第３の実施例に係る半導体装置のフォトルミネッセンス分析の解析結果である主分布と裾分布とを表す第２の図である。
【図２６】一般的なラマン散乱分光法による半導体装置の特性解析装置の構成を示す図である。
【図２７】一般的なラマン散乱分光法によって得られるスペクトルの偏移を表す図である。
【符号の説明】
【００７２】
１  シリコン基板
２  浅い溝
３  シリコン酸化膜
４  シリコン窒化膜
５  レーザービーム
６  活性領域
７  浅溝素子分離
８、９  シリコン酸化膜
１０  ゲート電極
１１  キャップ膜
１２  熱酸化膜
１３  ソース・ドレイン拡散層
２１  ラマン分光装置
２２  制御・解析システム
２３  制御部
２４、２５、２８、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ  ライン
２６  画像データ表示部
２７  メモリ部
２９  統計処理部
３２  データ取得部
３３  データ表示部
３４  異常表示部
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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