(57)【要約】【課題】金属酸化物絶縁膜の膜厚や膜質を評価して膜質劣化の程度や高誘電率の大きさ等を確認できる金属酸化物絶縁膜の膜厚および／または膜質評価装置を提供すること。【解決手段】半導体基板１３上に形成された金属酸化物絶縁膜表面１１ａへのグロー放電によるスパッタリングにより金属酸化物絶縁膜１１の深さ方向の成分分析を行なうグロー放電分析手段１を用いて金属酸化物絶縁膜１１の膜厚ｄを評価する装置３９であって、金属酸化物絶縁膜１１の膜厚ｄを計測する手段４０と、計測された膜厚ｄが予め設定されている所定の閾値Ｓ又は範囲を越えたかどうかを判定する手段４１とを有する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された金属酸化物絶縁膜表面へのグロー放電によるスパッタリングにより金属酸化物絶縁膜の深さ方向の成分分析を行なうグロー放電分析手段を用いて金属酸化物絶縁膜の膜厚を評価する装置であって、金属酸化物絶縁膜の膜厚を計測する手段と、計測された膜厚が予め設定されている所定の閾値又は範囲を越えたかどうかを判定する手段とを有することを特徴とする金属酸化物絶縁膜の膜厚評価装置。
【請求項２】
前記計測された膜厚が前記閾値を越える場合に信号を出力する手段を備えている請求項１に記載の金属酸化物絶縁膜の膜厚評価装置。
【請求項３】
金属酸化物絶縁膜の膜厚が、グロー放電分析手段にて得られた前記半導体基板の構成成分特性曲線を微分して得られた変曲点の位置を基に計測される請求項１または請求項２に記載の金属酸化物絶縁膜の膜厚評価装置。
【請求項４】
半導体基板上に形成された金属酸化物絶縁膜表面へのグロー放電によるスパッタリングにより金属酸化物絶縁膜の深さ方向の成分分析を行なうグロー放電分析手段を用いて金属酸化物絶縁膜の膜質を評価する装置であって、グロー放電分析手段にて得られた成分濃度の値が予め設定されている所定の閾値又は範囲を越えたかどうかを判定する手段を有することを特徴とする金属酸化物絶縁膜の膜質評価装置。
【請求項５】
成分濃度が前記閾値を越える場合に信号を出力する手段を備えている請求項４に記載の金属酸化物絶縁膜の膜質評価装置。
【請求項６】
半導体基板上に形成された金属酸化物絶縁膜表面へのグロー放電によるスパッタリングにより金属酸化物絶縁膜の深さ方向の成分分析を行なうグロー放電分析手段を用いて金属酸化物絶縁膜の膜質を評価する装置であって、グロー放電分析手段にて得られた成分濃度特性曲線の傾きが予め設定されている所定の閾値又は範囲を越えたかどうかを判定する手段を有することを特徴とする金属酸化物絶縁膜の膜質評価装置。
【請求項７】
前記傾きが所定の閾値を越える場合に信号を出力する手段を備えている請求項６に記載の金属酸化物絶縁膜の膜質評価装置。
【請求項８】
前記半導体基板および金属酸化物絶縁膜間における成分元素の相互拡散の度合いを判断する手段を有する請求項４ないし請求項７のいずれかに記載の金属酸化物絶縁膜の膜質評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属酸化物絶縁膜の膜厚および／または膜質評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【非特許文献１】日立国際電気  第４９回春季応用物理学関係連合講演会予稿集  ２８ｐ−Ａ−１１−１４）
近年、半導体の高集積化に伴い、その絶縁膜には、誘電率の大きな金属酸化物等が用いられている。そして、この金属酸化物絶縁膜として例えば、Ａｌ２  Ｏ３  やＨｆＯ２  等が公知であり、このような金属酸化物絶縁膜を成膜する技術として、例えばＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；原子層成膜）法やＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）がある。例えば前記ＡＬＤ法（前記非特許文献１参照）は、原料として、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：Ａｌ（ＣＨ３  ）３  ）と水蒸気（Ｈ２  Ｏ）を用い、これらの原料を交互にＳｉ基板に吹き付けることにより、Ａｌ２  Ｏ３  の成膜を行うものである。このとき、原料を構成するＣＨ３  基（メチル基）が膜中に取り込まれ、これが不純物（ＣＸ  Ｈｙ  ）として振る舞うことにより、膜質を劣化させる原因となっている。
【０００３】
また、ＨｆＯ２  薄膜は、分子構造中に酸素を含まないＨｆ［Ｎ（Ｃ２  Ｈ５  ）２  ］４  とＯ２  ガスを原料としてＭＯＣＶＤ法にてＳｉ基板上に形成される。図７は、成膜温度に対するＨｆＯ２  薄膜の比誘電率を測定した実験データＤを示している。図７から、成膜温度が１９０〜２８０℃の範囲では、比誘電率が増加していることが分かる。これは、成膜温度の上昇に伴うＨｆＯ２  薄膜の密度の増加によるものと考えられる。また、図７から、成膜温度が４００℃では比誘電率が減少していることが分かる。これは、Ｓｉ基板およびＨｆＯ２  薄膜間における成分元素の相互拡散が顕著になり、ＨｆＯ２  薄膜にＳｉ元素が混入したためであると考えられる。そして、成膜温度４５０℃で更に比誘電率が増加しているのは、ＨｆＯ２  薄膜の密度の増加によるものと考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来より、成膜直後やアニール後等の前記金属酸化物絶縁膜の膜厚および／または膜質を評価するための簡便な装置が望まれている。特に、金属酸化物絶縁膜ではその成膜時の温度やアニール時の温度・時間などの諸条件により、不純物の混入や膜と基板間で各成分元素の相互拡散が起こることによる膜の劣化が発生する。
【０００５】
この発明は上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、金属酸化物絶縁膜の膜厚や膜質を評価して膜質劣化の程度や高誘電率の大きさ等を確認できる金属酸化物絶縁膜の膜厚および／または膜質評価装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明の金属酸化物絶縁膜の膜厚および／または膜質評価装置は、半導体基板上に形成された金属酸化物絶縁膜表面へのグロー放電によるスパッタリングにより金属酸化物絶縁膜の深さ方向の成分分析を行なうグロー放電分析手段を用いて金属酸化物絶縁膜の膜厚を評価する装置であって、金属酸化物絶縁膜の膜厚を計測する手段と、計測された膜厚が予め設定されている所定の閾値又は範囲を越えたかどうかを判定する手段とを有することを特徴とする。
【０００７】
また、この発明は別の観点から、半導体基板上に形成された金属酸化物絶縁膜表面へのグロー放電によるスパッタリングにより金属酸化物絶縁膜の深さ方向の成分分析を行なうグロー放電分析手段を用いて金属酸化物絶縁膜の膜質を評価する装置であって、グロー放電分析手段にて得られた成分濃度の値が予め設定されている所定の閾値又は範囲を越えたかどうかを判定する手段を有することを特徴とする金属酸化物絶縁膜の膜質評価装置を提供する。
【０００８】
また、この発明は更に別の観点から、半導体基板上に形成された金属酸化物絶縁膜表面へのグロー放電によるスパッタリングにより金属酸化物絶縁膜の深さ方向の成分分析を行なうグロー放電分析手段を用いて金属酸化物絶縁膜の膜質を評価する装置であって、グロー放電分析手段にて得られた成分濃度特性曲線の傾きが予め設定されている所定の閾値又は範囲を越えたかどうかを判定する手段を有することを特徴とする金属酸化物絶縁膜の膜質評価装置を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を、図を参照しながら説明するが、それによってこの発明は限定されるものではない。
【００１０】
図１〜図６は、この発明の一実施形態を示す。なお、この実施形態では、金属酸化物絶縁膜としてＨｆＯ２  薄膜を採用している。すなわち、図２に示すように、このＨｆＯ２  薄膜１１は、原料にＨｆ［Ｎ（Ｃ２  Ｈ５  ）２  ］４  及びＯ２  ガスを用い、ＭＯＣＶＤ法により自然酸化膜（ＳｉＯ２  ）１２付きのｐ型Ｓｉ（１００）基板１３形成される。なお、５９は、ＨｆＯ２  薄膜１１、自然酸化膜（ＳｉＯ２  ）１２およびＳｉ基板１３を有する半導体チップの基盤部分である。
【００１１】
まず、グロー放電分析手段としてのマーカス型高周波グロー放電分析装置１について簡単に説明する。
【００１２】
図１において、前記グロー放電分析装置１は、ＨｆＯ２  薄膜１１に対してグロー放電を発生させるグロー放電管２と、このグロー放電管２に高周波電力を供給する電源部３と、不活性ガスなどの測定に必要なガスを供給するガス供給部４と、グロー放電管２の放電発光部２ａから生じる光Ｌを分光してその強度を測定する分光器５と、前記光Ｌの測定値を基に、測定対象成分（Ｈｆ，Ｏの成分、Ｃ，Ｎ，Ｈ等の残留不純物）の濃度を求めて出力する演算処理部６とを主として備えている。７はこの演算処理部６のディスプレイである。
【００１３】
前記グロー放電管２は集光レンズ２ｂを有し、分光器５は集光レンズ２ｂの焦点位置において光Ｌを透過させるスリット５ａと、スリット５ａを透過した光Ｌを分光する回折格子５ｂと、各測定対象成分に相当する波長に分光された光を透過させるスリット５ｃ…と、スリット５ｃ…を透過した光の強度を検出する光電子増倍管（フォトマルチプレクサ）５ｄ…又は固体検出器とを有している。
【００１４】
前記電源部３は例えば１３ＭＨｚの高周波の交流電力を供給する。また、ガス供給部４は不活性ガスとして例えばアルゴンガスＡｒおよび酸素ガスＯ２  を供給するボンベ４ａと電磁弁４ｂとを有している。
【００１５】
そして、測定に際しては、グロー放電管２の陽極とＨｆＯ２  薄膜１１との間に予備放電が生じ、これに基づいてアルゴンイオンが生成し、このアルゴンイオンが高電界で加速され、ＨｆＯ２  薄膜１１の表面に衝突して発光する。また、アルゴンイオンの衝突により所定のスパッタリングが行われ、ＨｆＯ２  薄膜１１の表面からイオンを含む粒子（原子、分子も含まれる）が飛び出し、この粒子がプラズマ中で励起され、基底状態に戻る際に元素固有の発光が行われる。そして、これらの光Ｌはグロー放電管に連接された分光器５方向に導出され、定性分析が行われる。
【００１６】
前記演算処理部６は、例えば、所定時間連続してグロー放電を起こしたときに光電子増倍管５ｄ…によって検出された測定値と測定時間の関係をスパッタリング時間に対する測定値を示す測定値データ３０として演算処理部６の記憶部６ｍに記憶する。
【００１７】
また、演算処理部６は、測定値データ３０を用いて光電子増倍管５ｄ…又は固体検出器によって検出された各波長の光の強度を測定対象成分（Ｈｆ，Ｏの成分、Ｃ，Ｎ，Ｈ等の残留不純物）の濃度に変換して定量分析を行う。また、この測定値（強度または濃度）を、グロー放電管２に供給した電力の大きさと測定した各成分の濃度とから求められるスパッタリングの進行速度を考慮に入れて演算する。そして、演算処理部６は試料Ｓの深さ位置と各測定対象成分の濃度の関係をスパッタリング深さに対する相対強度変化比率を示す変換値データ３１として記憶部６ｍに記憶する。
【００１８】
前記測定値データ３０の蓄積はグロー放電と同時に行なう必要があるが、前記変換値データ３１の作成および記憶は測定値データ３０を基に演算によって求めることができる。したがって、前記測定値データ３０の変換は一連のグロー放電が終了した後に、使用者の操作にしたがって行うことが可能である。
【００１９】
図３は一例として前記グロー放電分析装置１を用いてＨｆＯ２  薄膜１１を分析したときに演算処理部６によって演算された結果を表示する表示画面３２の一例を示すものである。なお、ＨｆＯ２  薄膜１１（図２参照）として成膜直後のものを分析している。図３において、２０は、ＨｆＯ２  薄膜１１中のＨｆ（ハフニウム元素）特性曲線を示し、２１は、ＨｆＯ２  薄膜１１中のＣ（炭素元素）特性曲線を示し、２２は、ＨｆＯ２  薄膜１１中のＯ（酸素元素）特性曲線を示し、２３は、ＨｆＯ２  薄膜１１中のＨ（水素元素）特性曲線を示し、２４は、ＨｆＯ２  薄膜１１中のＮ（窒素元素）特性曲線を示し、更に、２５は、Ｓｉ基板の構成成分特性曲線、すなわち、Ｓｉ（シリコン）特性曲線を示す。また、横軸はスパッタリングの進行速度（Ｔ）、縦軸は光強度（Ｉ）であり、Ａは、ＨｆＯ２  薄膜領域を示し、ＢはＳｉ基板領域を示し、更に、Ｔ＝０の位置は、グロー放電によるスパッタリングの開始位置であるＨｆＯ２  薄膜１１の表面１１ａ位置に相当する。また、２５ａは、自然酸化膜（ＳｉＯ２  ）１２中のＳｉ（シリコン）特性曲線を示している。
【００２０】
以下、この発明の特徴的構成について説明する。
【００２１】
金属酸化物絶縁膜（ＨｆＯ２  薄膜）１１の膜厚および／または膜質評価装置  ３９は、前記Ｓｉ（シリコン）特性曲線２５、もしくは、ＨｆＯ２  薄膜１１中の各成分元素の特性曲線２０〜２４に基づいてＨｆＯ２  薄膜の膜厚ｄを計測する手段４０と、計測された膜厚ｄが予め設定されている所定の閾値Ｓ又は所定の範囲を越えたかどうかを判定する手段４１とを主として有し、更に、前記計測された膜厚ｄが前記閾値Ｓ（Ｓ１  ，Ｓ２  ，Ｓ  ３，Ｓ４  およびＳ  ５）又は所定の範囲を越える場合にアラーム信号を出力する手段４２を備えている。４１ａは、ＨｆＯ２  薄膜１１中の各成分元素に対応する所定の閾値Ｓ（Ｓ１  ，Ｓ２  ，Ｓ  ３，Ｓ４  およびＳ  ５）又は所定の範囲が記憶されている記憶部である。また、４１ｂは、ＨｆＯ２  薄膜１１中の各成分元素に対応する所定の閾値Ｓ又は所定の範囲を入力する入力部である。
【００２２】
そして、前記膜厚ｄは、前記グロー放電分析装置１にて得られた前記Ｓｉ（シリコン）特性曲線２５又はＨｆＯ２  薄膜１１中の各成分元素の特性曲線２０〜２４を２次微分して得られた変曲点の位置を基に計測されうる。図４において、例えば、６０は、Ｓｉ基板の１３中のＳｉ（シリコン）特性曲線２５を２次微分して得られた変曲点を示す。また、６１は、ＨｆＯ２  薄膜１１中のＨｆ（ハフニウム元素）特性曲線２０を２次微分して得られた変曲点を示す。
【００２３】
また、前記膜質評価装置３９は、前記グロー放電分析装置１にて得られたＨｆＯ２  薄膜１１中の、残留不純物も含めた各成分（Ｈｆ，Ｏ、Ｃ，ＮおよびＨ等）の濃度の値がそれぞれ予め設定されている所定の閾値Ｓ（Ｓ１  ，Ｓ２  ，Ｓ  ３，Ｓ４  およびＳ  ５）又は所定の範囲を越えたかどうかを判定する手段４４を有し、更に、前記各成分濃度が前記閾値Ｓ（Ｓ１  ，Ｓ２  ，Ｓ  ３，Ｓ４  およびＳ  ５）又は所定の範囲をそれぞれ越える場合にアラーム信号を出力する手段４５を備えている。
【００２４】
例えば、図５（Ａ）は、ＨｆＯ２  薄膜１１中の残留Ｃ量を成膜温度毎にプロットしたものである。図５（Ａ）から、成膜温度が高くなるほど残留Ｃ量が減少することが分かる。すなわち、ＨｆＯ２  薄膜１１を成膜する際の原料であるＨｆ［Ｎ（Ｃ２  Ｈ５  ）２  ］４  中のＨｆＯ２  薄膜成分以外である残留不純物の残留量より、成膜時の温度を判断することができる。すなわち、残留不純物の濃度を監視することにより、成膜時の評価を行うことができる。
なお、この実施形態では成膜時の評価を残留不純物の濃度を用いて監視する例を示したが、当然、監視する値としては各成分元素の濃度を意味し、各濃度値に変換する前の各強度値であってもよい。
【００２５】
また、図５（Ｂ）および図５（Ｃ）は、それぞれ、ＨｆＯ２  薄膜１１中の残留Ｎ量および残留Ｈ量を成膜温度毎にプロットしたものである。
【００２６】
これらは前記グロー放電分析装置１にて分析されるが、この分析結果を前記膜質評価装置３９で評価でき、膜質劣化の程度を確認できる。
【００２７】
なお、膜質を評価するのに、グロー放電分析装置１にて得られた各成分濃度特性曲線のそれぞれ傾きを計測し、これら傾きが予め設定されている所定の閾値又は所定の範囲を越えたかどうかを判定し、各傾きが所定の閾値又は範囲を越える場合にアラーム信号を出力するように構成してもよい。すなわち、グロー放電分析装置１にて得られたＨｆＯ２  薄膜１１中のＨｆ濃度特性曲線、ＨｆＯ２  薄膜１１中のＣ（炭素元素）濃度特性曲線、ＨｆＯ２  薄膜１１中のＯ（酸素元素）濃度特性曲線、ＨｆＯ２  薄膜１１中のＨ（水素元素）濃度特性曲線、ＨｆＯ２  薄膜１１中のＮ（窒素元素）濃度特性曲線、Ｓｉ基板の１３中のＳｉ（シリコン）濃度特性曲線に基づいて各濃度特性曲線の傾きが予め設定されている所定の閾値又は範囲を越えたかどうかを判定することにより膜質を評価できる。例えば図６において、２０’は、グロー放電分析装置１にて得られたＨｆＯ２  薄膜１１中のＨｆ濃度特性曲線を示し、２５’は、グロー放電分析装置１にて得られた、Ｓｉ基板の１３中のＳｉ（シリコン）濃度特性曲線を示す。この各傾きは、それぞれの拡散度合いを示す指数になるためである。そして、得られる他の成分元素の各濃度特性曲線における各傾きも他の成分元素それぞれの拡散度合いを示す指数になる。
【００２８】
そして、ＨｆＯ２  薄膜１１の成膜直後は勿論のこと、アニール後等にも前記膜質評価装置３９で評価を行うことにより、Ｓｉ基板１３およびＨｆＯ２  薄膜１１間における成分元素の相互拡散の度合いを判断できる。すなわち、アニールによって、図３に示した成膜直後における前記各特性曲線２０〜２４と、アニール後に変動した、前記各特性曲線２０〜２４に対応する各特性曲線との膜厚および膜質を比較でき、アニール時の相互拡散の程度も評価できる。この評価は、アニール条件（温度と時間）を見つけるために非常に有用である。
【００２９】
このように、ＨｆＯ２  薄膜１１の膜厚ｄや膜質を評価により、膜質劣化の程度や高誘電率の大きさ等を確認でき、信頼性があり、品質のよい半導体チップを供給できる。
また、この実施形態ではＨｆＯ２  薄膜１１の場合について説明したが、この発明はこれに限るものではなく、金属酸化物絶縁膜であれば全てに適用できる。ＨｆＯ２  薄膜１１以外の前記金属酸化物絶縁膜としては、例えば、ＺｒＳｉＯ４  ，ＨｆＳｉＯ４  ，ＺｒＯ２  ，Ｔａ２  Ｏ５  等を挙げることができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明では、金属酸化物絶縁膜の膜厚や膜質を評価して膜質劣化の程度や高誘電率の大きさ等を確認できる金属酸化物絶縁膜の膜厚および／または膜質評価装置を提供することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態を示す全体構成説明図である。
【図２】上記実施形態で使用したＨｆＯ２  薄膜を含む半導体を示す構成説明図である。
【図３】上記実施形態で使用したＨｆＯ２  薄膜の分析結果を示す図である。
【図４】上記実施形態で使用したＨｆＯ２  薄膜の膜厚を計測する手法を説明するための図である。
【図５】（Ａ）は、上記実施形態で使用したＨｆＯ２  薄膜の膜質を評価するために用いられる、ＨｆＯ２  薄膜中の残留Ｃ量を示すプロット図である。
（Ｂ）は、上記実施形態で使用したＨｆＯ２  薄膜の膜質を評価するために用いられる、ＨｆＯ２  薄膜中の残留Ｎ量を示すプロット図である。
（Ｃ）は、上記実施形態で使用したＨｆＯ２  薄膜の膜質を評価するために用いられる、ＨｆＯ２  薄膜中の残留Ｈ量を示すプロット図である。
【図６】上記実施形態で使用したＨｆＯ２  薄膜の別の膜質評価方法に用いた成分元素（Ｈｆ，Ｓｉ）濃度特性曲線を示す図である。
【図７】成膜温度に対するＨｆＯ２  薄膜の比誘電率を測定した実験データを示す図である。
【符号の説明】
１…高周波グロー放電分析装置、１１…金属酸化物絶縁膜、１１ａ…金属酸化物絶縁膜表面、１３…半導体基板、３９…金属酸化物絶縁膜の膜厚および／または膜質評価装置、４０…金属酸化物絶縁膜の膜厚を計測する手段、４１…計測された膜厚が予め設定されている所定の閾値を越えたかどうかを判定する手段、ｄ…膜厚。
【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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