(57)【要約】【課題】半導体製造プロセスにおいて、ゲート酸窒化膜膜質のｉｎ−ｓｉｔｕインライン評価が行える絶縁膜の評価方法を提供する。【解決手段】半導体基板１上に形成された絶縁膜の評価方法であって、絶縁膜２上の所定の位置に、電荷発生器４によって正または負の一定電荷量を付与する工程と、容量結合測定器３によって絶縁膜２表面の電位を非接触で測定する工程とを含み、付与電荷に対する測定電位の相関曲線の半導体蓄積領域の傾きから、絶縁膜２の電気的膜厚を算出する。これにより、ｉｎ−ｓｉｔｕインラインモニタリングができ、絶縁膜の評価によりデバイスの品質向上に寄与する。【選択図】  図１
2004281628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された絶縁膜の評価方法であって、前記絶縁膜上の所定の位置に、正または負の一定電荷量を付与する工程と、容量結合によって前記絶縁膜表面の電位を非接触で測定する工程とを含み、前記工程による付与電荷に対する測定電位の相関曲線の半導体蓄積領域の傾きから、前記絶縁膜の電気的膜厚を算出することを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項２】
半導体基板上に形成された絶縁膜の評価方法であって、前記絶縁膜上の所定の位置に、正または負の一定電荷量を付与する工程と、容量結合によって前記絶縁膜表面の電位を非接触で測定する工程とを含み、前記工程による付与電荷に対する測定電位の相関曲線の変曲点の傾きから、前記絶縁膜の界面準位密度を算出することを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項３】
半導体基板上に形成された絶縁膜の評価方法であって、前記絶縁膜上の所定の位置に、前記絶縁膜にトンネル電流が流れるのに十分な正または負の一定電荷量を付与する工程と、容量結合によって前記絶縁膜表面の電位を非接触で測定する工程とを含み、前記工程による付与電荷に対する測定電位から、前記絶縁膜の絶縁破壊耐圧を算出することを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項４】
半導体基板上に形成された絶縁膜の評価方法であって、前記絶縁膜上の所定の位置に、前記絶縁膜にトンネル電流が流れる野に十分な正または負の一定電荷量を付与する工程と、容量結合によって前記絶縁膜表面の電位を非接触で測定する工程とを含み、前記工程による付与電荷に対する測定電位から、前記絶縁膜の絶縁破壊耐圧を算出し、前記絶縁破壊耐圧に対応する絶縁膜漏洩電流の換算から、前記絶縁膜の漏洩電流を算出することを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項５】
半導体基板上に形成された絶縁膜の評価方法であって、前記絶縁膜上の所定の位置に、正または負の一定電荷量を付与する工程と、容量結合によって前記絶縁膜表面の電位を非接触で測定する工程と、前記工程による付与電荷に対する測定電位の相関曲線を光照射時と非照射時とで各々測定する工程とを含み、前記光照射時の相関曲線と前記非照射時の相関曲線との交点から、前記絶縁膜のフラットバンド電圧を算出することを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項６】
半導体基板上に形成された絶縁膜の評価方法であって、前記絶縁膜上の所定の位置に、正または負の一定電荷量を付与する工程と、容量結合によって前記絶縁膜表面の電位を非接触で測定する工程と、前記工程による付与電荷に対する測定電位の相関曲線を光照射時と非照射時とで各々測定する工程とを含み、前記光照射時の相関曲線と前記非照射時の相関曲線との交点から、前記絶縁膜の総電荷量を算出することを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項７】
前記絶縁膜が酸窒化膜である請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５または請求項６記載の絶縁膜の評価方法。
【請求項８】
半導体基板上に形成された酸窒化膜からなる絶縁膜の評価方法であって、前記酸窒化膜上の所定の位置に、正または負の一定電荷量を付与する工程と、容量結合によって前記酸窒化膜表面の電位を非接触で測定する工程と、前記工程による付与電荷に対する測定電位の相関曲線を光照射時と非照射時とで各々測定する工程とを含み、
前記光照射時の相関曲線と前記非照射時の相関曲線との交点から、前記酸窒化膜のフラットバンド電圧を算出し、前記酸窒化膜中の窒素の深さ分布に対する前記フラットバンド電圧の換算から前記酸窒化膜中の窒素の深さ分布を算出することを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項９】
半導体基板上に形成された酸窒化膜からなる絶縁膜の評価方法であって、前記酸窒化膜上の所定の位置に、正または負の一定電荷量を付与する工程と、容量結合によって前記酸窒化膜表面の電位を非接触で測定する工程とを含み、
前記工程による付与電荷に対する測定電位の相関曲線の変曲点の傾きから、前記酸窒化膜の界面準位密度を算出し、前記界面準位密度に対する前記酸窒化膜と前記半導体基板との界面の窒素濃度の換算から、前記界面の窒素濃度を算出することを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項１０】
半導体基板上に形成された酸窒化膜からなる絶縁膜の評価方法であって、前記酸窒化膜上の所定の位置に、正または負の一定電荷量を付与する工程と、容量結合によって前記酸窒化膜表面の電位を非接触で測定する工程と、前記工程による付与電荷に対する測定電位の相関曲線を光照射時と非照射時とで各々測定する工程とを含み、
前記光照射時の相関曲線と前記非照射時の相関曲線との交点から、前記酸窒化膜の総電荷量を算出し、前記総電荷量に対応する前記酸窒化膜中の窒素量の換算から、前記酸窒化膜中の窒素量を算出することを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【請求項１１】
容量結合による電位測定が機械的振動子により行われる請求項１〜請求項１０の何れか１項記載の絶縁膜の評価方法。
【請求項１２】
機械的振動子が、絶縁膜に対して平行方向の面積変動として振動する請求項１１記載の絶縁膜の評価方法。
【請求項１３】
機械的振動子が、絶縁膜に対して垂直方向に振動する請求項１１記載の絶縁膜の評価方法。
【請求項１４】
絶縁膜への一定電荷の付与に大気の放電を利用する請求項１〜請求項１３の何れか１項記載の絶縁膜の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁膜の評価方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子の微細化・高集積化が急速に進み、ＣＭＯＳデバイスのゲート絶縁膜は３ｎｍ以下に薄膜化している。また、Ｐ＋電極からゲート絶縁膜を通して基板へ不純物がしみ出し閾値電圧を変動させることを防ぐために、ゲート絶縁膜に不純物拡散抑制効果のある酸窒化膜が用いられてきている。一方、酸窒化膜は窒素を含むことでゲート絶縁膜の誘電率を上げるため、物理的膜厚を薄膜化することなく電気的膜厚を薄膜化する効果にも寄与している。そこで酸窒化膜の膜質をｉｎ−ｓｉｔｕ（インシチュー：その場）インライン管理する必要が生じてきている。これまでｉｎ−ｓｉｔｕインライン管理としてはエリプソメータによる光学的な膜厚の管理が実施されてきた。
【０００３】
ところが、酸窒化膜の膜質（電気的膜厚、膜中電荷量、絶縁破壊耐圧、リーク電流など）は現状では、インライン評価することが難しく、図１５に示すように電極１０を形成して、半導体基板１と絶縁膜２と電極１０とでＭＯＳキャパシタを形成し評価する方法が一般的に用いられている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１８４８２９号公報（第１５頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方法では、成膜から評価に至るまでに長時間を要し、ｉｎ−ｓｉｔｕのインライン評価とはなりえない。このように酸窒化膜の膜質まで含めたインラインモニタリング手法がないという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、酸窒化膜の膜質まで含めたｉｎ−ｓｉｔｕインラインモニタリングができ、極薄ゲート絶縁膜の評価によりデバイスの品質を飛躍的に向上できる優れた絶縁膜の評価方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の絶縁膜の評価方法は、半導体基板上に形成された絶縁膜の評価方法にあって、絶縁膜上の所定の位置に、正または負の一定電荷量を付与する工程と、容量結合によって絶縁膜表面の電位を非接触で測定する工程とを含み、工程による付与電荷に対する測定電位の相関曲線の半導体蓄積領域の傾きから、絶縁膜の電気的膜厚を算出することを特徴とするものである。
【０００８】
請求項１記載の絶縁膜の評価方法によれば、酸窒化膜などからなる絶縁膜の膜質まで含めたｉｎ−ｓｉｔｕインラインモニタリングができ、極薄ゲート絶縁膜の評価によりデバイスの品質を飛躍的に向上できる。
【０００９】
請求項２記載の絶縁膜の評価方法は、半導体基板上に形成された絶縁膜の評価方法であって、絶縁膜上の所定の位置に、正または負の一定電荷量を付与する工程と、容量結合によって絶縁膜表面の電位を非接触で測定する工程とを含み、工程による付与電荷に対する測定電位の相関曲線の変曲点の傾きから、絶縁膜の界面準位密度を算出することを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２記載の絶縁膜の評価方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００１１】
請求項３記載の絶縁膜の評価方法は、半導体基板上に形成された絶縁膜の評価方法であって、絶縁膜上の所定の位置に、絶縁膜にトンネル電流が流れるのに十分な正または負の一定電荷量を付与する工程と、容量結合によって絶縁膜表面の電位を非接触で測定する工程とを含み、工程による付与電荷に対する測定電位から、絶縁膜の絶縁破壊耐圧を算出することを特徴とするものである。
【００１２】
請求項３記載の絶縁膜の評価方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００１３】
請求項４記載の絶縁膜の評価方法は、半導体基板上に形成された絶縁膜の評価方法であって、絶縁膜上の所定の位置に、絶縁膜にトンネル電流が流れる野に十分な正または負の一定電荷量を付与する工程と、容量結合によって絶縁膜表面の電位を非接触で測定する工程とを含み、工程による付与電荷に対する測定電位から、絶縁膜の絶縁破壊耐圧を算出し、絶縁破壊耐圧に対応する絶縁膜漏洩電流の換算から、絶縁膜の漏洩電流を算出することを特徴とするものである。
【００１４】
請求項４記載の絶縁膜の評価方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００１５】
請求項５記載の絶縁膜の評価方法は、半導体基板上に形成された絶縁膜の評価方法であって、絶縁膜上の所定の位置に、正または負の一定電荷量を付与する工程と、容量結合によって絶縁膜表面の電位を非接触で測定する工程と、工程による付与電荷に対する測定電位の相関曲線を光照射時と非照射時とで各々測定する工程とを含み、光照射時の相関曲線と非照射時の相関曲線との交点から、絶縁膜のフラットバンド電圧を算出することを特徴とするものである。
【００１６】
請求項５記載の絶縁膜の評価方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００１７】
請求項６記載の絶縁膜の評価方法は、半導体基板上に形成された絶縁膜の評価方法であって、絶縁膜上の所定の位置に、正または負の一定電荷量を付与する工程と、容量結合によって絶縁膜表面の電位を非接触で測定する工程と、工程による付与電荷に対する測定電位の相関曲線を光照射時と非照射時とで各々測定する工程とを含み、光照射時の相関曲線と非照射時の相関曲線との交点から、絶縁膜の総電荷量を算出することを特徴とするものである。
【００１８】
請求項６記載の絶縁膜の評価方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００１９】
請求項７記載の絶縁膜の評価方法は、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５または請求項６において、絶縁膜が酸窒化膜である。
【００２０】
請求項７記載の絶縁膜の評価方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００２１】
請求項８記載の絶縁膜の評価方法は、半導体基板上に形成された酸窒化膜からなる絶縁膜の評価方法であって、酸窒化膜上の所定の位置に、正または負の一定電荷量を付与する工程と、容量結合によって酸窒化膜表面の電位を非接触で測定する工程と、工程による付与電荷に対する測定電位の相関曲線を光照射時と非照射時とで各々測定する工程とを含み、
光照射時の相関曲線と非照射時の相関曲線との交点から、酸窒化膜のフラットバンド電圧を算出し、酸窒化膜中の窒素の深さ分布に対するフラットバンド電圧の換算から酸窒化膜中の窒素の深さ分布を算出することを特徴とするものである。
【００２２】
請求項８記載の絶縁膜の評価方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００２３】
請求項９記載の絶縁膜の評価方法は、半導体基板上に形成された酸窒化膜からなる絶縁膜の評価方法であって、酸窒化膜上の所定の位置に、正または負の一定電荷量を付与する工程と、容量結合によって酸窒化膜表面の電位を非接触で測定する工程とを含み、
工程による付与電荷に対する測定電位の相関曲線の変曲点の傾きから、酸窒化膜の界面準位密度を算出し、界面準位密度に対する酸窒化膜と半導体基板との界面の窒素濃度の換算から、界面の窒素濃度を算出することを特徴とするものである。
【００２４】
請求項９記載の絶縁膜の評価方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００２５】
請求項１０記載の絶縁膜の評価方法は、半導体基板上に形成された酸窒化膜からなる絶縁膜の評価方法であって、酸窒化膜上の所定の位置に、正または負の一定電荷量を付与する工程と、容量結合によって酸窒化膜表面の電位を非接触で測定する工程と、工程による付与電荷に対する測定電位の相関曲線を光照射時と非照射時とで各々測定する工程とを含み、
光照射時の相関曲線と非照射時の相関曲線との交点から、酸窒化膜の総電荷量を算出し、総電荷量に対応する酸窒化膜中の窒素量の換算から、酸窒化膜中の窒素量を算出することを特徴とするものである。
【００２６】
請求項１０記載の絶縁膜の評価方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００２７】
請求項１１記載の絶縁膜の評価方法は、請求項１〜請求項１０の何れか１項において、容量結合による電位測定が機械的振動子により行われるものである。
【００２８】
請求項１１記載の絶縁膜の評価方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００２９】
請求項１２記載の絶縁膜の評価方法は、請求項１１において、機械的振動子が、絶縁膜に対して平行方向の面積変動として振動するものである。
【００３０】
請求項１２記載の絶縁膜の評価方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００３１】
請求項１３記載の絶縁膜の評価方法は、請求項１１において、機械的振動子が、絶縁膜に対して垂直方向に振動するものである。
【００３２】
請求項１３記載の絶縁膜の評価方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００３３】
請求項１４記載の絶縁膜の評価方法は、請求項１〜請求項１３の何れか１項において、絶縁膜への一定電荷の付与に大気の放電を利用するものである。
【００３４】
請求項１４記載の絶縁膜の評価方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【００３５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下本発明の第１の実施の形態について、図１を参照しながら説明する。図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態における絶縁膜の評価方法を示すものである。図１（ａ）において１は半導体基板、２は絶縁膜、３は容量結合測定器、４は電荷発生器である。
【００３６】
まず、絶縁膜２上に一定量の電荷Ｑが電荷発生器４によって付与される。例えば−１Ｅ−７（−１×１０−７  を表す。以下同様とする。）Ｃ／ｃｍ２の電荷を絶縁膜２上の所望の位置に例えば直径５ｍｍ程度のスポット状に付与する。電荷の下は絶縁膜であるから絶縁膜表面から付与した電荷が逃げることはなく安定して電荷を付与できる。この状態で容量結合測定器３によって非接触で絶縁膜表面電位Ｖを測定する。この一連の作業を数十回繰り返し、例えば−１Ｅ−５Ｃ／  ｃｍ２まで電荷を付与し続けそのたびに表面電位を測定する。
【００３７】
半導体基板が例えばＰ型の場合、マイナス電荷を付与していくと蓄積状態となる。この状態で求めたＱ−Ｖカーブ（図１（ｂ））の傾きから電気的膜厚を算出することができる。すなわち、絶縁膜の電気的膜厚＝誘電率×ｄＶ／ｄＱで求められる。測定の一例を図１（ｃ）に示す。薄い二酸化シリコン膜とこれを窒化した酸窒化膜との結果で、グラフ１０からグラフ１３になるほど、すなわち丸の色が濃くなるほど窒化の度合いが強いことを示す。これにより絶縁膜上に電極を形成してＭＯＳキャパシタを作成することなく電気的膜厚をｉｎ−ｓｉｔｕインラインで評価することができる。
【００３８】
（第２の実施の形態）
以下本発明の第２の実施の形態について、図２を参照しながら説明する。図２（ａ）は本発明の第２の実施の形態における絶縁膜の評価方法を示すものである。図２（ａ）において絶縁膜評価方法の構成は第１の実施の形態と同様である。
【００３９】
まず、絶縁膜２上に一定量の電荷Ｑが電荷発生器４によって付与される。例えば５Ｅ−７Ｃ／  ｃｍ２の電荷を絶縁膜２上の所望の位置に例えば直径５ｍｍ程度のスポット状に付与する。電荷の下は絶縁膜であるから絶縁膜表面から付与した電荷が逃げることはなく安定して電荷を付与できる。この状態で容量結合測定器３によって非接触で絶縁膜表面電位Ｖを測定する。次に例えば−１Ｅ−７Ｃ／  ｃｍ２の電荷を付与し、容量結合測定器３によって非接触で絶縁膜表面電位Ｖを測定する。この作業を数十回繰り返し、例えば−１Ｅ−５Ｃ／  ｃｍ２まで電荷を付与し続けそのたびに表面電位を測定する。
【００４０】
半導体基板１が例えばＰ型の場合、５Ｅ−７Ｃ／  ｃｍ２からマイナス電荷を付与していくと半導体基板１は反転状態から空乏状態を経て蓄積状態となる。各状態で求めたＱ−Ｖカーブ（図２（ｂ））の変曲点の傾きから界面準位密度を算出することができる。すなわち、界面準位密度＝（ｄＱ／ｄＶ測定値−ｄＱ／ｄＶ理論値）／電荷素量で求められる。測定の一例を図２（ｃ）に示す。横軸は光学的酸化膜厚（ｎｍ）、縦軸はＤｉｔ（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  ｔｒａｐ  ｄｅｎｓｉｔｙ）すなわち界面準位密度（×１０１０  ／ｅＶ・ｃｍ２  ）である。薄い二酸化シリコン膜とこれを窒化した酸窒化膜との結果で、丸の色が濃くなるほど窒化の度合いが強いことを示す。これにより絶縁膜２上に電極を形成してＭＯＳキャパシタを作成することなく界面準位密度をｉｎ−ｓｉｔｕインラインで評価することができる。
【００４１】
（第３の実施の形態）
以下本発明の第３の実施の形態について、図３を参照しながら説明する。図３（ａ）は本発明の第３の実施の形態における絶縁膜の評価方法を示すものである。図３（ａ）においてその構成は第１の実施の形態と同等である。
【００４２】
まず、絶縁膜２上に一定量の電荷Ｑが電荷発生器４によって付与される。例えば−１Ｅ−５Ｃ／  ｃｍ２の電荷を絶縁膜２上の所望の位置に例えば直径５ｍｍ程度のスポット状に付与する。電荷の下は絶縁膜であるから絶縁膜表面から付与した電荷が逃げることはなく安定して電荷を付与できる。この状態で容量結合測定器３によって非接触で絶縁膜表面電位Ｖを測定する。
【００４３】
半導体基板１が例えばＰ型の場合で、絶縁膜厚が５ｎｍ以下であれば−１Ｅ−５Ｃ／  ｃｍ２の電荷を付与するとトンネル電流が流れる状態になる（図３（ｂ））。この状態で求めた表面電位が絶縁膜耐圧に相当する。もちろん、トンネル電流が流れるに十分な正の電荷を付与し、同様の測定を行えば逆バイアスでの絶縁耐圧も測定することができる。測定の一例を図３（ｃ）に示す。薄い二酸化シリコン膜とこれを窒化した酸窒化膜との結果で、丸の色が濃くなるほど窒化の度合いが強いことを示す。これにより絶縁膜上に電極を形成してＭＯＳキャパシタを作成することなく絶縁耐圧をｉｎ−ｓｉｔｕインラインで評価することができる。
【００４４】
（第４の実施の形態）
以下本発明の第４の実施の形態について、図４を参照しながら説明する。図４（ａ）は本発明の第４の実施の形態における絶縁膜の評価方法を示すものである。図４（ａ）においてその構成は第１の実施の形態と同等である。
【００４５】
まず、絶縁膜２上に一定量の電荷Ｑが電荷発生器４によって付与される。例えば−１Ｅ−５Ｃ／  ｃｍ２の電荷を絶縁膜２上の所望の位置に例えば直径５ｍｍ程度のスポット状に付与する。電荷の下は絶縁膜であるから絶縁膜表面から付与した電荷が逃げることはなく安定して電荷を付与できる。この状態で容量結合測定器３によって非接触で絶縁膜表面電位Ｖを測定する。
【００４６】
半導体基板が例えばＰ型の場合で、絶縁膜厚が５ｎｍ以下であれば−１Ｅ−５Ｃ／  ｃｍ２の電荷を付与するとトンネル電流が流れる状態になる。この状態で求めた表面電位が絶縁膜耐圧に相当する。もちろん、トンネル電流が流れるに十分な正の電荷を付与し、同様の測定を行えば逆バイアスでの絶縁耐圧も測定することができる。ここで、プラス電荷を付与した場合の絶縁耐圧からマイナス電荷を付与した場合の絶縁耐圧を差し引いたものは、絶縁膜の表面電位によらず絶縁膜固有の値となる。これを、同等の絶縁膜を用いて作成したＭＯＳキャパシタにより測定した一定電圧でのリーク電流とあらかじめ対応付けておけば（図４（ｂ））、本測定から絶縁膜のリーク電流をｉｎ−ｓｉｔｕインラインで評価することが可能となる。測定の一例を図４（ｃ）に示す。薄い二酸化シリコン膜とこれを窒化した酸窒化膜との結果で、丸の色が濃くなるほど窒化の度合いが強いことを示す。
【００４７】
（第５の実施の形態）
以下本発明の第５の実施の形態について、図５を参照しながら説明する。図５（ａ）は本発明の第５の実施の形態における絶縁膜の評価方法を示すものである。図５（ａ）において１は半導体基板、２は絶縁膜、３は容量結合測定器、４は電荷発生器、５は光照射設備である。
【００４８】
まず、絶縁膜２上に一定量の電荷Ｑが電荷発生器４によって付与される。例えば−１Ｅ−７Ｃ／  ｃｍ２の電荷を絶縁膜２上の所望の位置に例えば直径５ｍｍ程度のスポット状に付与する。電荷の下は絶縁膜２であるから絶縁膜表面から付与した電荷が逃げることはなく安定して電荷を付与できる。この状態で容量結合測定器３によって非接触で絶縁膜表面電位Ｖを測定する。この一連の作業を数十回繰り返し、例えば−１Ｅ−５Ｃ／  ｃｍ２まで電荷を付与し続けそのたびに表面電位を測定する。次に、光照射設備５により光照射を行いながら、上記と同様に例えば−１Ｅ−７Ｃ／  ｃｍ２の電荷を絶縁膜２上の所望の位置に例えば直径５ｍｍ程度のスポット状に付与する。この状態で容量結合測定器３によって非接触で絶縁膜表面電位Ｖを測定する。この一連の作業を数十回繰り返し、例えば−１Ｅ−５Ｃ／ｃｍ２まで電荷を付与し続けそのたびに表面電位を測定する。光を照射しない場合の電位と光を照射した場合の電位との差がゼロになるところは半導体基板のバンドの曲がりがなくなったフラットバンド状態を与えるため、この電位がフラットバンド電圧と定義される（図５（ｂ））。
【００４９】
半導体基板が例えばＰ型の場合、マイナス電荷を付与していくと空乏状態からフラットバンド状態を通過し、蓄積状態に至る。測定の一例を図５（ｃ）に示す。横軸は光学的酸化膜厚（ｎｍ）、縦軸はＶＦＢ（ｆｌａｔ  ｂａｎｄ  ｖｏｌｔａｇｅ：フラットバンド電圧）（Ｖ）である。
【００５０】
薄い二酸化シリコン膜とこれを窒化した酸窒化膜との結果で、丸の色が濃くなるほど窒化の度合いが強いことを示す。これにより絶縁膜上に電極を形成してＭＯＳキャパシタを作成することなくフラットバンド電圧をｉｎ−ｓｉｔｕインラインで評価することができる。
【００５１】
（第６の実施の形態）
以下本発明の第６の実施の形態について、図６を参照しながら説明する。図６（ａ）は本発明の第６の実施の形態における絶縁膜の評価方法を示すものである。図６（ａ）においてその構成は第５の実施の形態と同様である。
【００５２】
まず、絶縁膜２上に一定量の電荷Ｑが電荷発生器４によって付与される。例えば−１Ｅ−７Ｃ／  ｃｍ２の電荷を絶縁膜２上の所望の位置に例えば直径５ｍｍ程度のスポット状に付与する。電荷の下は絶縁膜２であるから絶縁膜表面から付与した電荷が逃げることはなく安定して電荷を付与できる。この状態で容量結合測定器３によって非接触で絶縁膜表面電位Ｖを測定する。この一連の作業を数十回繰り返し、例えば−１Ｅ−５Ｃ／  ｃｍ２まで電荷を付与し続けそのたびに表面電位を測定する。次に、光照射設備５により光照射を行いながら、上記と同様に例えば−１Ｅ−７Ｃ／  ｃｍ２の電荷を絶縁膜２上の所望の位置に例えば直径５ｍｍ程度のスポット状に付与する。この状態で容量結合測定器３によって非接触で絶縁膜表面電位Ｖを測定する。この一連の作業を数十回繰り返し、例えば−１Ｅ−５Ｃ／  ｃｍ２まで電荷を付与し続けそのたびに表面電位を測定する。光を照射しない場合の電位と光を照射した場合の電位との差がゼロになるところは半導体基板のバンドの曲がりがなくなったフラットバンド状態を与えるため、この電位がフラットバンド電圧と定義される。
【００５３】
半導体基板が例えばＰ型の場合、マイナス電荷を付与していくと空乏状態からフラットバンド状態を通過し、蓄積状態に至る。フラットバンド電圧を得るまでに絶縁膜表面に付与された総電荷量の逆符号が絶縁膜中および絶縁膜／基板界面および絶縁膜表面の電荷などの総量の指標となる（図６（ｂ））。測定の一例を図６（ｃ）に示す。横軸は光学的酸化膜厚（ｎｍ）、縦軸は電荷総量（×１０１０／ｃｍ２  ）である。なお、電荷総量は単位面積あたりの電荷素量の個数（カウント）、すなわち電荷総数である。薄い二酸化シリコン膜とこれを窒化した酸窒化膜との結果で、丸の色が濃くなるほど窒化の度合いが強いことを示す。これにより絶縁膜２上に電極を形成してＭＯＳキャパシタを作成することなく絶縁膜の総電荷量をｉｎ−ｓｉｔｕインラインで評価することができる。
【００５４】
（第７の実施の形態）
以下本発明の第７の実施の形態について、図７を参照しながら説明する。図７は本発明の第７の実施の形態における絶縁膜の評価方法を示すものである。図７においてその構成は第５の実施の形態と同様である。ここで、６は酸窒化膜である。
【００５５】
絶縁膜として酸窒化膜を用いた場合、上述した評価方法はいずれも大きな効果を発揮する。すなわち、酸窒化膜６では膜中の深さ方向の窒素分布の制御が極めて重要である。したがって、上記第１の実施の形態から第６の実施の形態に示したパラメータの算出はいずれも酸窒化膜の評価を飛躍的に向上させるものであり、とくに、ゲート絶縁膜として用いられる酸窒化膜の場合、膜厚が３ｎｍ以下と薄くなっていることから、これらのパラメータをＭＯＳキャパシタを作成することなくｉｎ−ｓｉｔｕインラインで評価することができることは極めて重要である。
【００５６】
（第８の実施の形態）
以下本発明の第８の実施の形態について、図８を参照しながら説明する。図８（ａ）は本発明の第８の実施の形態における絶縁膜の評価方法を示すものである。図８（ａ）において１は半導体基板、６は酸窒化膜、３は容量結合測定器、４は電荷発生器、５は光照射設備である。
【００５７】
まず、酸窒化膜上に一定量の電荷Ｑが電荷発生器４によって付与される。例えば−１Ｅ−７Ｃ／  ｃｍ２の電荷を酸窒化膜６上の所望の位置に例えば直径５ｍｍ程度のスポット状に付与する。電荷の下は絶縁膜であるから絶縁膜表面から付与した電荷が逃げることはなく安定して電荷を付与できる。この状態で容量結合測定器３によって非接触で絶縁膜表面電位Ｖを測定する。この一連の作業を数十回繰り返し、例えば−１Ｅ−５Ｃ／  ｃｍ２まで電荷を付与し続けそのたびに表面電位を測定する。
【００５８】
次に、光照射設備５により光照射を行いながら、上記と同様に例えば−１Ｅ−７Ｃ／  ｃｍ２の電荷を絶縁膜２上の所望の位置に例えば直径５ｍｍ程度のスポット状に付与する。この状態で容量結合測定器３によって非接触で絶縁膜表面電位Ｖを測定する。この一連の作業を数十回繰り返し、例えば−１Ｅ−５Ｃ／  ｃｍ２まで電荷を付与し続けそのたびに表面電位を測定する。光を照射しない場合の電位と光を照射した場合の電位との差がゼロになるところは半導体基板のバンドの曲がりがなくなったフラットバンド状態を与えるため、この電位がフラットバンド電圧と定義される。半導体基板１が例えばＰ型の場合、マイナス電荷を付与していくと空乏状態からフラットバンド状態を通過し、蓄積状態に至る。
【００５９】
一方、フラットバンド電圧は酸窒化膜６中のどこに電荷があるかによって大きく変化する。フラットバンド電圧は酸窒化膜６中の深さ方向の電荷分布と深さとの積を酸窒化膜の表面から界面に渡って積分したものに比例する。酸窒化膜中の窒素はプラス電荷として振舞うため、例えば、同一の窒素量が酸窒化膜表面にある場合（１）と酸窒化膜／基板界面にある場合（２）とではフラットバンド電圧の値は変化する（図８（ｂ））。測定の一例を図８（ｃ）に示す。これによりＶＦＢすなわちフラットバンド電圧をｉｎ−ｓｉｔｕインラインで評価することにより酸窒化膜中の深さ方向の窒素分布を算出できる。
【００６０】
（第９の実施の形態）
以下本発明の第９の実施の形態について、図９を参照しながら説明する。図９（ａ）は本発明の第９の実施の形態における絶縁膜の評価方法を示すものである。図９（ａ）において１は半導体基板、６は酸窒化膜、３は容量結合測定器、４は電荷発生器である。
【００６１】
まず、酸窒化膜６上に一定量の電荷Ｑが電荷発生器４によって付与される。例えば５Ｅ−７Ｃ／  ｃｍ２の電荷を酸窒化膜６上の所望の位置に例えば直径５ｍｍ程度のスポット状に付与する。電荷の下は絶縁膜であるから絶縁膜表面から付与した電荷が逃げることはなく安定して電荷を付与できる。この状態で容量結合測定器３によって非接触で絶縁膜表面電位Ｖを測定する。次に例えば−１Ｅ−７Ｃ／  ｃｍ２の電荷を付与し、容量結合測定器３によって非接触で絶縁膜表面電位Ｖを測定する。この作業を数十回繰り返し、例えば−１Ｅ−５Ｃ／  ｃｍ２まで電荷を付与し続けそのたびに表面電位を測定する。
【００６２】
半導体基板１が例えばＰ型の場合、５Ｅ−７Ｃ／  ｃｍ２からマイナス電荷を付与していくと半導体基板１は反転状態から空乏状態を経て蓄積状態となる。各状態で求めたＱ−Ｖカーブの変曲点の傾きから界面準位密度を算出することができる。すなわち、界面準位密度＝（ｄＱ／ｄＶ測定値−ｄＱ／ｄＶ理論値）／電荷素量で求められる。酸窒化膜の場合、界面準位密度の値は酸窒化膜／基板界面付近の窒素量と密接な関係がある。そこで、界面準位密度に対応する酸窒化膜／基板界面付近の窒素量を例えばＳＩＭＳ分析などであらかじめ特定すれば、界面準位密度の測定により酸窒化膜／基板界面付近の窒素量を算出できる（図９（ｂ））。測定の一例を図９（ｃ）に示す。これによりＳＩＭＳなどで破壊分析することなく酸窒化膜／基板界面付近の窒素量を算出できる。
【００６３】
（第１０の実施の形態）
以下本発明の第１０の実施の形態について、図１０を参照しながら説明する。図１０（ａ）は本発明の第１０の実施の形態における絶縁膜の評価方法を示すものである。図１０（ａ）においてその構成は第９の実施の形態と同様である。５は光照射設備である。
【００６４】
まず、絶縁膜２上に一定量の電荷Ｑが電荷発生器４によって付与される。例えば−１Ｅ−７Ｃ／  ｃｍ２の電荷を絶縁膜２上の所望の位置に例えば直径５ｍｍ程度のスポット状に付与する。電荷の下は絶縁膜であるから絶縁膜表面から付与した電荷が逃げることはなく安定して電荷を付与できる。この状態で容量結合測定器３によって非接触で絶縁膜表面電位Ｖを測定する。この一連の作業を数十回繰り返し、例えば−１Ｅ−５Ｃ／  ｃｍ２まで電荷を付与し続けそのたびに表面電位を測定する。
【００６５】
次に、光照射設備５により光照射を行いながら、上記と同様に例えば−１Ｅ−７Ｃ／  ｃｍ２の電荷を絶縁膜２上の所望の位置に例えば直径５ｍｍ程度のスポット状に付与する。この状態で容量結合測定器３によって非接触で絶縁膜表面電位Ｖを測定する。この一連の作業を数十回繰り返し、例えば−１Ｅ−５Ｃ／  ｃｍ２まで電荷を付与し続けそのたびに表面電位を測定する。光を照射しない場合の電位と光を照射した場合の電位との差がゼロになるところは半導体基板１のバンドの曲がりがなくなったフラットバンド状態を与えるため、この電位がフラットバンド電圧と定義される。
【００６６】
半導体基板１が例えばＰ型の場合、マイナス電荷を付与していくと空乏状態からフラットバンド状態を通過し、蓄積状態に至る。フラットバンド電圧を得るまでに絶縁膜表面に付与された総電荷量の逆符号が絶縁膜中および絶縁膜／基板界面および絶縁膜表面の電荷などの総量の指標となる。酸窒化膜の場合、電荷の総量は膜中の窒素濃度と密接な関係がある。そこで、ここで求まる電荷総量に対応する窒素量を例えばＳＩＭＳ分析などであらかじめ特定すれば、電荷総量を求めることで膜中の窒素総量を算出することができる（図１０（ｂ））。測定の一例を図１０（ｃ）に示す。これによりＳＩＭＳなどで破壊分析することなく膜中の窒素総量を算出できる。
【００６７】
（第１１の実施の形態）
以下本発明の第１１の実施の形態について、図１１を参照しながら説明する。図１１は本発明の第１１の実施の形態における絶縁膜の評価方法を示すものである。図１１において１は半導体基板、２は絶縁膜、７は機械的振動子、４は電荷発生器である。
【００６８】
各パラメータの測定方法は上記第１の実施の形態〜１０の実施の形態と同様である。容量結合測定器として機械的振動子７を用いることを特徴としている。これにより高精度に電圧を測定できる。
【００６９】
（第１２の実施の形態）
以下本発明の第１２の実施の形態について、図１２を参照しながら説明する。図１２は本発明の第１２の実施の形態における絶縁膜の評価方法を示すものである。図１２において１は半導体基板、２は絶縁膜、７は機械的振動子、４は電荷発生器である。
【００７０】
各パラメータの測定方法は上記１〜１１の実施の形態と同様である。容量結合測定器として機械的振動子を用い、かつその振動が水平方向の面積変動であることを特徴としている。これにより高精度に電圧を測定できる。
【００７１】
（第１３の実施の形態）
以下本発明の第１３の実施の形態について、図１３を参照しながら説明する。図１３は本発明の第１３の実施の形態における絶縁膜の評価方法を示すものである。図１３において１は半導体基板、２は絶縁膜、７は機械的振動子、４は電荷発生器である。
【００７２】
各パラメータの測定方法は上記第１の実施の形態〜第１１の実施の形態と同様である。容量結合測定器として機械的振動子７を用い、かつその振動方向が垂直方向であることを特徴としている。これにより高精度に電圧を測定できる。
【００７３】
（第１４の実施の形態）
以下本発明の第１４の実施の形態について、図１４を参照しながら説明する。図１４は本発明の第１４の実施の形態における絶縁膜の評価方法を示すものである。図１３において１は半導体基板、２は絶縁膜、３は容量結合測定器、４は電荷発生器である。
【００７４】
各パラメータの測定方法は上記第１の実施の形態〜第１３の実施の形態と同様である。電荷発生器として放電による大気の電離を利用することを特徴とする。例えばコロナ放電を利用し大気中の水分や二酸化炭素からマイナス電荷やプラス電荷を発生し、絶縁膜２上に付与する。これらは絶縁膜２にダメージを与えないため絶縁膜２の評価として適している。これによりダメージレスで高精度に電荷を付与でき、各パラメータを測定できる。
【００７５】
【発明の効果】
請求項１記載の絶縁膜の評価方法によれば、酸窒化膜などからなる絶縁膜の膜質まで含めたｉｎ−ｓｉｔｕインラインモニタリングができ、例えば極薄ゲート絶縁膜の評価によりデバイスの品質を飛躍的に向上できる。
【００７６】
請求項２〜請求項１４記載の絶縁膜の評価方法によれば、請求項１と同様な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における絶縁膜の評価方法の説明図であり、（ａ）は構成図、（ｂ）はＱ−Ｖ特性図、（ｃ）は光学的酸化膜厚に対する電気的膜厚の関係図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態における絶縁膜の評価方法の説明図であり、（ａ）は構成図、（ｂ）はＱ−Ｖ特性図、（ｃ）は光学的酸化膜厚に対する界面準位密度の関係図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態における絶縁膜の評価方法の説明図であり、（ａ）は構成図、（ｂ）はＱ−Ｖ特性図、（ｃ）は光学的酸化膜厚に対する絶縁耐圧の関係図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態における絶縁膜の評価方法の説明図であり、（ａ）は構成図、（ｂ）は絶縁耐圧（＋）−絶縁耐圧（−）に対する漏洩電流の関係図、（ｃ）は光学的酸化膜厚に対する絶縁耐圧（＋）−絶縁耐圧（−）の関係図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態における絶縁膜の評価方法の説明図であり、（ａ）は構成図、（ｂ）はＱ−Ｖ特性図、（ｃ）は光学的酸化膜厚に対するフラットバンド電圧の関係図である。
【図６】本発明の第６の実施の形態における絶縁膜の評価方法の説明図であり、（ａ）は構成図、（ｂ）はＱ−Ｖ特性図、（ｃ）は光学的酸化膜厚に対する電荷総量の関係図である。
【図７】本発明の第７の実施の形態における絶縁膜の評価方法の説明図である。
【図８】本発明の第８の実施の形態における絶縁膜の評価方法の説明図であり、（ａ）は構成図、（ｂ）は窒素のＮ濃度の深さとフラットバンド電圧との関係図、（ｃ）は窒化の度合いとフラットバンド電圧との関係図である。
【図９】本発明の第９の実施の形態における絶縁膜の評価方法の説明図であり、（ａ）は構成図、（ｂ）は界面準位密度に対する酸窒化膜／基板界面Ｎ濃度の関係図、（ｃ）は窒化の度合いに対する界面準位密度の関係図である。
【図１０】本発明の第１０の実施の形態における絶縁膜の評価方法の説明図であり、（ａ）は構成図、（ｂ）は電荷総量に対する酸窒化膜中窒素濃度の関係図、（ｃ）は窒化の度合いに対する電荷総量の関係図である。
【図１１】本発明の第１１の実施の形態における絶縁膜の評価方法の説明図である。
【図１２】本発明の第１２の実施の形態における絶縁膜の評価方法の説明図である。
【図１３】本発明の第１３の実施の形態における絶縁膜の評価方法の説明図である。
【図１４】本発明の第１４の実施の形態における絶縁膜の評価方法の説明図である。
【図１５】従来の絶縁膜の評価方法の説明図である。
【符号の説明】
１  半導体基板
２  絶縁膜
３  容量結合測定器
４  電荷発生器
５  光照射設備
６  酸窒化膜
７  機械的振動子
【図１】
2004281628.tif 000003
【図２】
2004281628.tif 000004
【図３】
2004281628.tif 000005
【図４】
2004281628.tif 000006
【図５】
2004281628.tif 000007
【図６】
2004281628.tif 000008
【図７】
2004281628.tif 000009
【図８】
2004281628.tif 000010
【図９】
2004281628.tif 000011
【図１０】
2004281628.tif 000012
【図１１】
2004281628.tif 000013
【図１２】
2004281628.tif 000014
【図１３】
2004281628.tif 000015
【図１４】
2004281628.tif 000016
【図１５】
2004281628.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成16年4月7日(2004.4.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項４】
半導体基板上に形成された絶縁膜の評価方法であって、前記絶縁膜上の所定の位置に、前記絶縁膜にトンネル電流が流れるのに十分な正または負の一定電荷量を付与する工程と、容量結合によって前記絶縁膜表面の電位を非接触で測定する工程とを含み、前記工程による付与電荷に対する測定電位から、前記絶縁膜の絶縁破壊耐圧を算出し、前記絶縁破壊耐圧に対応する絶縁膜漏洩電流の換算から、前記絶縁膜の漏洩電流を算出することを特徴とする絶縁膜の評価方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
請求項４記載の絶縁膜の評価方法は、半導体基板上に形成された絶縁膜の評価方法であって、絶縁膜上の所定の位置に、絶縁膜にトンネル電流が流れるのに十分な正または負の一定電荷量を付与する工程と、容量結合によって絶縁膜表面の電位を非接触で測定する工程とを含み、工程による付与電荷に対する測定電位から、絶縁膜の絶縁破壊耐圧を算出し、絶縁破壊耐圧に対応する絶縁膜漏洩電流の換算から、絶縁膜の漏洩電流を算出することを特徴とするものである。