(57)【要約】【課題】ゲート絶縁膜など絶縁薄膜を形成するのみで、その膜特性やＳｉ基板／絶縁膜界面の構造を測定できるようにし、短期間で絶縁薄膜の成膜条件に対するフィードバックをかけることができるようにする。【解決手段】Ｓｉウエハ２１及びＳｉウエハ２１上に形成された絶縁薄膜２２のみを試料２３とし、赤外分光法（図１（Ｂ）参照）を適用して絶縁薄膜２２の膜質を測定し評価する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウエハ及び該ウエハ上に形成された絶縁薄膜のみを試料とし、赤外分光法を適用して該絶縁薄膜の膜質を測定し評価すること
を特徴とする薄膜評価方法。
【請求項２】
ウエハ及び該ウエハ上に形成された絶縁薄膜のみを試料とし、赤外分光法を適用して該絶縁薄膜に於ける物質結合の伸縮振動領域に観測されるＬＯフォノンの波数、スペクトル・ピークの半値幅、吸収面積から絶縁薄膜の密度、組成、膜厚を相対的に比較して評価すること
を特徴とする薄膜評価方法。
【請求項３】
両面研磨したウエハ、或いは、裏面に厚い絶縁膜が形成されたウエハの表面に絶縁薄膜を形成してから剥離したものを試料とし、赤外分光法を適用してウエハ／絶縁薄膜界面のラフネスを評価すること
を特徴とする薄膜評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばＭＯＳＦＥＴに於けるゲート絶縁膜など薄膜化された絶縁膜に於ける膜質や下地と絶縁膜との界面に於けるラフネスを短時間で評価するのに好適な薄膜評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、ＵＬＳＩデバイスの高集積化、高速動作化が希求され、その為、デバイスの構成要素であるＭＯＳＦＥＴの微細化が要求されている。
【０００３】
通常、ＭＯＳＦＥＴを微細化する為には、当然、ゲート絶縁膜の薄膜化が必要であって、現在、開発段階にある０．１〔μｍ〕プロセス世代に於いては２〔ｎｍ〕以下の極薄膜が要求されている。
【０００４】
然しながら、前記のような薄膜になると、従来から多用されてきたＳｉＯ２　膜のみでは、直接トンネル電流の増大、或いは、ｐチャネル・トランジスタに於いて発生する多結晶シリコン・ゲートからのボロンの突き抜けなどの問題を発生する。
【０００５】
前記した問題を解消する為、ＳｉＯ２　膜中にＮ（窒素）原子を導入し、電気的特性を劣化することなく、ボロンの突き抜けを抑止できることが判り、Ｎを混入したＳｉＯ２　からなるゲート絶縁膜が実用化されつつある。
【０００６】
このように、ゲート絶縁膜の薄膜化に伴って、その成膜工程は複雑化し、そして、成膜するまでに通常のゲート絶縁膜に比較すると時間が必要であり、また、ゲート絶縁膜のみでなく、ＭＯＳＦＥＴ全体の構造が複雑化しているので、その製造工程も複雑になっている。
【０００７】
一般に、ＭＯＳＦＥＴの信頼性は、ゲート絶縁膜の膜特性、及び、Ｓｉ基板／絶縁膜界面のラフネスに大きく影響されるので、ゲート絶縁膜自体の特性やゲート絶縁膜近傍の特性を知得することは、信頼性の向上に不可欠である。
【０００８】
ところが、そのゲート絶縁膜の膜特性、及び、Ｓｉ基板／絶縁膜界面ラフネスなどを測定するには、従来の技術では、略完全なＭＯＳＦＥＴを作製しなければ測定は不可能である。
【０００９】
図５は標準的なＭＯＳＦＥＴの概略を説明する為の要部切断側面図であり、図に於いて、１は基板、２はチャネル・ドーピング領域、３はゲート絶縁膜、４はゲート電極、５は低濃度ソース領域、６は低濃度ドレイン領域、７はサイド・ウォール、８は高濃度ソース領域、９は高濃度ドレイン領域、１０はソース電極、１１はドレイン電極をそれぞれ示している。
【００１０】
図示のＭＯＳＦＥＴを作製するには、通常、２〜３週間の時間が必要なのであるが、電気特性や寿命特性は勿論のこと、前記したゲート絶縁膜の膜特性やＳｉ基板／絶縁膜界面ラフネスなどを測定する場合にも図に表されている程度の構成をもつＭＯＳＦＥＴを作製しなければならない。
【００１１】
このように、多くの時間を掛けて試料となるＭＯＳＦＥＴを作製し、その調査を行って得られる電気特性などから様々な条件を変えて更に調査し、その結果はＭＯＳＦＥＴの製造にフィードバックして最適なデバイス製造プロセス条件を設定しようとすると多大な時間が必要となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、ゲート絶縁膜など絶縁薄膜を形成するのみで、その膜特性やＳｉ基板／絶縁膜界面の構造を測定できるようにし、短期間で絶縁薄膜の成膜条件に対するフィードバックをかけることができるようにする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
従来、有機物膜に於ける組成や膜厚を測定する為、ＦＴ−ＩＲ（Ｆｏｕｒｉｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ
ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いることが知られている。
【００１４】
本発明者等は、ＦＴ−ＩＲを用いて絶縁薄膜の測定を行ったところ、その絶縁薄膜について得られる伸縮振動スペクトルから、組成や膜厚は勿論のこと、密度までも知得することができ、それ等の膜質に関する情報を成膜条件に容易にフィードバックすることが可能であることを見出し、そして、試料の作製から測定を経て結果を成膜条件にフィードバックするまで、従来と比較すると瞠目すべきような短時間、即ち、成膜から評価終了までを僅かに２〜３日で実施できる。
【００１５】
そこで、本発明に依る薄膜評価方法に於いては、ウエハ及び該ウエハ上に形成された絶縁薄膜のみを試料とし、赤外分光法を適用して該絶縁薄膜の膜質を測定し評価することを基本とする。
【００１６】
前記手段を採ることに依り、絶縁薄膜の膜特性、及び、基板／絶縁薄膜界面のラフネスを簡便、且つ、短時間で知得することが可能となり、その結果を直ちにデバイスの製造プロセスへフィードバックすることができるので、品質の向上、及び、製造歩留りの向上（コスト低下）に大きく寄与することができ、そして、測定に於いては、１〔ｎｍ〕程度の極薄膜についても高感度で膜質変化を観測することができる。
【００１７】
本発明に依って成し得ることを具体的に列挙すると次の通りである。
▲１▼　ゲート絶縁膜などの絶縁薄膜を基板上に作製した試料を分光学的に測定することで、膜特性を容易に評価できる。
▲２▼　絶縁薄膜のみを測定であって、試料作製に時間がかからない。
▲３▼　試料に光を透過させるだけの簡便な方法で絶縁薄膜の評価でき、測定に時間がかからない。
▲４▼　絶縁薄膜が１〔ｎｍ〕程度の極薄なものでも高感度に評価すること可能である。
▲５▼　現在のプロセスで多用されている直径約２０〔ｃｍ〕（８〔インチ〕）、片面研磨のウエハのままで評価することが可能である。
▲６▼　ＳｉＯ結合の伸縮振動領域に観測される、ＬＯフォノンの波数、半値幅、吸収面積から絶縁膜の密度、組成、膜厚などを相対的に比較して知得できる。
▲７▼　ＳｉＯ結合をもつ絶縁膜に限らず、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜、Ａｌ２　Ｏ３　膜、ＡｌＨｆＯ膜、ＨｆＯ２　膜、ＺｒＯ２　膜などの評価も実施できる。
▲８▼　両面研磨、或いは、裏面に厚い絶縁膜（酸化膜）が形成された試料を用いることで、絶縁薄膜形成後のＳｉウエハ／絶縁薄膜界面のラフネス評価が可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図５について説明したＭＯＳＦＥＴに於けるゲート絶縁膜３を介するリーク電流は、膜厚及び膜質に依って決まり、また、電荷の移動度はＳｉ基板／絶縁膜の界面ラフネスに影響され、粗い場合には移動度が低下するので、トランジスタの動作速度も遅くなる。
【００１９】
従って、高性能のＭＯＳＦＥＴを実現するには、膜質が良好な極薄のゲート絶縁膜を形成できるようにすることが必須である。
【００２０】
図１は本発明に於けるゲート絶縁膜などの絶縁薄膜評価に用いる試料並びに測定方法の説明図を表し、（Ａ）は試料の要部切断側面、また、（Ｂ）は試料を透過するＩＲビームの経路を表す要部側面であり、図に於いて、２１は直径約２０〔ｃｍ〕（８〔インチ〕）のＳｉウエハ、２２はゲート絶縁膜などの絶縁薄膜、２３はＳｉウエハ及び絶縁薄膜からなる試料をそれぞれ示している。
【００２１】
図１（Ａ）に見られるように、本発明で用いる試料２３は、ウエハ２１上に絶縁薄膜２２を形成しただけの極めて簡単な構造であり、図２は試料２３の表面からＩＲ光を入射し、絶縁薄膜２２及びＳｉウエハ２１を透過し、試料２３の裏面から出射されてＦＴ−ＩＲの検出器に向かうようになっている。
【００２２】
ＩＲ光が試料２３中を広い面積で透過するように、そして、ＬＯ（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｏｐｔｉｃａｌ）フォノンの観測が可能となるように試料２３を入射角７５°に傾ける。
【００２３】
絶縁薄膜２２の材料は、ＳｉＯ２　に２〜３〔容量％〕のＮを混入したものである為、観測されるのは、主としてＳｉ−Ｏ結合である。
【００２４】
図２はＦＴ−ＩＲ測定に依って得られたＳｉ−Ｏ伸縮振動のスペクトルを表す線図である。
【００２５】
絶縁薄膜２２が１〔ｎｍ〕の極薄膜である為、ＴＯフォノンは殆ど観測されないが、ＬＯフォノンは充分に観測可能である。
【００２６】
図２に見られるスペクトルは、良質な酸化膜に関するスペクトルＡと低質な酸化膜（酸窒化膜）に関するスペクトルＢとを比較したものであり、スペクトルＡは熱酸化に依って成膜された酸化膜に関するもの、スペクトルＢはＮを混入して成膜された酸窒化膜に関するものである。
【００２７】
ＬＯフォノンのピークが低波数側にシフトすることは、Ｓｉ−Ｏ結合のエネルギが低くなっていることを示すもので、Ｓｉ−Ｏ結合の結合長が延びている、即ち、膜の密度が低下していることを示唆している。
【００２８】
また、フォノンのピークに於ける幅が広いことは、ＳｉＯの構造が不均質であることを示し、更にまた、吸収面積は膜厚を反映し、面積が小さいほど膜厚が薄いことを表す。
【００２９】
膜質が良好な酸化膜が形成できたかどうかは、ＦＴ−ＩＲスペクトルからＬＯフォノンのピーク波数が熱酸化膜に於けるピーク波数（１２５６〔ｃｍ−１〕）に近く、且つ、半値幅が狭いかどうかを確認すれば良い。
【００３０】
Ｓｉ−Ｏ結合を主な成分としてもつ膜、例えばＳｉＯ膜、ＢＰＳＧ（ｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ　ｇｌａｓｓ）膜、ＨＳＱ（水素シルセスキオキサン）膜、ＴＥＯＳ（テトラエチルオキシシラン：（Ｓｉ（ＯＣ２　Ｈ５　）４　）膜、ＳＯＧ（ｓｐｉｎ　ｏｎ　ｇｌａｓｓ）膜、ＨＤＰ（ｈｉｇｈ−ｄｅｎｓｉｔｙ　ｐｌａｓｍａ）膜などに限られず、その他の結合をもつ絶縁薄膜、例えばＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜、Ａｌ２　Ｏ３　膜、ＡｌＨｆＯ膜、ＨｆＯ２　膜、ＺｒＯ２　膜などについても同様に伸縮振動を観測することができる。
【００３１】
図３はＳｉＯ以外の絶縁膜に於ける伸縮振動スペクトルを表す線図であり、この伸縮振動のスペクトル・ピーク・シフトやスペクトルの半値幅の変化からＳｉＯ膜と同様に膜質の評価を行うことができる。
【００３２】
さて、図１について説明した試料２３に於いて、例えば希ＨＦ水溶液を用いて絶縁薄膜２２を除去したＳｉウエハ２１の表面は、絶縁薄膜２２を除去する前のＳｉウエハ２１と絶縁薄膜２２との界面の状態を反映している（Ｐ．Ｙａｋｏｂａｎｄ　Ｙ．Ｊ．Ｃｈａｂａｌ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５９（１９９１）２９６８、及び、Ｓ．Ｗａｔａｎａｂｅ，Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．１１３（２０００）２４２３などを参照）。
【００３３】
ＨＦ処理後のＳｉウエハ表面は水素で終端される為、界面構造の評価には、Ｓｉ−Ｈ伸縮振動の吸収を測定する。
【００３４】
図４はＨＦ処理で絶縁薄膜を剥離したＳｉウエハ表面のＦＴ−ＩＲに依るＳｉＨ伸縮振動スペクトルを表す線図であり、Ｓｉ−Ｈの構造が不均質であるほどピークの位置は低波数側にシフトして幅は広くなる。
【００３５】
ここで、ＨＦ処理したＳｉウエハは、表裏両面の絶縁薄膜が除去されることになる為、界面状態の測定には、さきに絶縁薄膜の評価に用いたＳｉウエハを使用することはできない。
【００３６】
その理由は、絶縁薄膜の評価に用いたＳｉウエハは片面研磨である為、前記したように表裏両面の絶縁薄膜が除去された場合、裏面の荒れがスペクトルに反映されて、実際のＳｉウエハ／絶縁薄膜界面のスペクトルと重なってしまう為である。
【００３７】
前記したところから、Ｓｉウエハ／絶縁薄膜界面の評価には、両面研磨のウエハ、若しくは、表面の絶縁薄膜を除去するＨＦ処理を行っても、裏面が水素終端されないほどに厚い絶縁膜が形成されているウエハを用いることが必要である。
【００３８】
前記ＨＦ処理で水素終端されない厚い絶縁膜としては、Ｓｉウエハ表面から厚さ２〔ｎｍ〕程度の絶縁薄膜を剥離する場合に於いて３０〔ｎｍ〕以上が必要であり、その理由は、表面側の絶縁薄膜にはＮ原子が混入されている為、ＨＦ水溶液に依る表面側絶縁薄膜のエッチング速度が裏面側絶縁膜に比較して遅くなることに依る。
【００３９】
【発明の効果】
本発明に依る薄膜評価方法に於いては、ウエハ及び該ウエハ上に形成された絶縁薄膜のみを試料とし、赤外分光法を適用して該絶縁薄膜の膜質を測定し評価することを基本とする。
【００４０】
前記構成を採ることに依り、絶縁薄膜の膜特性、及び、基板／絶縁薄膜界面のラフネスを簡便、且つ、短時間で知得することが可能となり、その結果を直ちにデバイスの製造プロセスへフィードバックすることができるので、品質の向上、及び、製造歩留りの向上（コスト低下）に大きく寄与することができ、そして、測定に於いては、１〔ｎｍ〕程度の極薄膜についても高感度で膜質変化を観測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に於けるゲート絶縁膜などの絶縁薄膜評価に用いる試料及び測定方法の説明図である。
【図２】ＦＴ−ＩＲ測定に依って得られたＳｉ−Ｏ伸縮振動のスペクトルを表す線図である。
【図３】ＳｉＯ以外の絶縁膜に於ける伸縮振動スペクトルを表す線図である。
【図４】ＨＦ処理で絶縁薄膜を剥離したＳｉウエハ表面のＦＴ−ＩＲに依るＳｉＨ伸縮振動スペクトルを表す線図である。
【図５】標準的なＭＯＳＦＥＴの概略を説明する為の要部切断側面図である。
【符号の説明】
２１　Ｓｉウエハ
２２　ゲート絶縁膜などの絶縁薄膜
２３　Ｓｉウエハ及び絶縁薄膜からなる試料
【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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