(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスの要素を含む複数のウェハのうち１つの評価用ウェハについて、光学的評価方法により、上記要素の物理量の複数の実測値を得るステップ（ａ）と、
上記評価用ウェハの上記要素を形成するためのプロセス条件を仮定し、この仮定されたプロセス条件を用いたプロセスを経て形成される上記要素の構造を計算により求めるステップ（ｂ）と、
上記ステップ（ｂ）で求められた上記要素の構造を上記光学的評価方法により評価したときに得られる物理量の複数の測定値の予想値を計算するステップ（ｃ）と、
上記評価用ウェハの上記要素の物理量の上記複数の実測値と上記複数の測定値の予想値とに基づいて、上記要素の構造を推定するステップ（ｄ）と、
上記評価用ウェハの上記要素の推定された構造と上記複数のウェハの設計構造との相違が許容範囲外である場合には、上記複数のウェハのうち少なくとも上記評価用ウェハ以外のウェハについて、上記プロセスのプロセス条件を補正するステップ（ｅ）と
を含み、
上記プロセスは、パターンが形成された基板上における結晶膜のエピタキシャル成長プロセスであり、
上記結晶膜は、Ｓｉ及びＧｅを含みバンドギャップが傾斜して変化する構造を含む結晶膜であり、
上記プロセス条件は、上記基板の温度であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
光学的評価法により半導体デバイスの要素の特性評価を行なうために使用されるコンピュータに組み込み可能な記録媒体であって、
上記半導体デバイスの要素の物理量の複数の実測値を取り込む手順（ａ）と、
上記要素を形成するためのプロセス条件を仮定し、この仮定されたプロセス条件を用いたプロセスを経て形成される上記要素の構造を計算により求める手順（ｂ）と、
上記手順（ｂ）で求められた上記要素の構造を上記光学的評価方法により評価したときに得られる物理量の複数の測定値の予想値を計算する手順（ｃ）と、
上記要素の物理量の上記複数の実測値と上記複数の測定値の予想値とに基づいて、上記要素の構造を推定する手順（ｄ）と
をコンピュータに実行させるプログラムを記録しており、
上記プロセスは、パターンが形成された基板上における結晶膜のエピタキシャル成長プロセスであり、
上記結晶膜は、Ｓｉ及びＧｅを含みバンドギャップが傾斜して変化する構造を含む結晶膜であり、
上記プロセス条件は、上記基板の温度であるコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスの要素の製造プロセスの管理に用いる構造評価方法，半導体装置の製造方法及び記録媒体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、酸化膜、窒化膜，ポリシリコン膜等の薄膜を基板上に形成するプロセスは、半導体デバイスの製造において頻繁に用いられている。これらの薄膜を要素として利用したデバイスを作成し、所望の特性を得るためには、薄膜の膜厚および物性が所定の範囲内に収まっている必要がある。一般に、薄膜の物性や膜厚は、その薄膜を形成するプロセス（以下、薄膜プロセス）の条件とプロセスを行う時間により変化するため、薄膜プロセスを行った後、形成された薄膜が所定の膜厚や物性を持っているか評価する。そして、デバイスの量産工程においては、その評価結果から、形成された薄膜が所望の膜厚や物性を持っていないことがわかれば、プロセス条件を変更する必要がある。
【０００３】
ここで、従来の薄膜プロセスの場合、一回のプロセスで形成される薄膜は、基本的に深さ方向で組成やその他の物性が大きく変化しないほぼ均質な膜である。一方、Ｓｉ−ＭＯＳトランジスタのゲート部分のように、ゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜上に、ゲート電極となるポリシリコン膜を積層する例も少なくないが、これらの場合でも、各層内では組成がほぼ均一で、各層間の界面が明瞭である場合がほとんどである。
【０００４】
また、基板上の単層膜および多層膜の各層の膜厚および組成の評価技術として光学的評価方法があり、光学的評価方法の例として、分光エリプソメトリ法および分光反射率測定法が広く用いられている。
【０００５】
分光反射率測定法とは、サンプルに光を照射し、サンプルに照射した光の強度とサンプルから反射される光の強度との比（反射率）を分光された各波長域において求める評価方法である。
【０００６】
分光エリプソメトリ法は、サンプルに直線偏光した光を照射し、反射光の偏光状態の変化からサンプルに関する情報を得る評価技術である。直線偏光した光のうち、電場ベクトルが入射面に平行となっているものをｐ偏光成分、垂直となっているものをｓ偏光成分とし、それぞれの複素反射率をＲｐ, Ｒｓとした場合、ρ≡Ｒｐ／Ｒｓはやはり複素数となる。従って、ρは二つの実数Ψ，Δを用いてρ≡tan ΨeiΔと表現することができる。このΨ，Δの二物理量を各波長の光について測定してスペクトルを得るのが分光エリプソメトリ法である。
【０００７】
これらの光学評価法の共通の特徴として、光が通過する物質の光学定数（屈折率ｎ，消光係数ｋ）の組み合わせにより光の位相や反射率が変化するため、測定結果に物質の光学定数の情報が含まれることがあげられる。また、被測定対象から取り出される光情報には、光の干渉効果が顕著に現れているため、薄膜の膜厚等により測定結果が大きく変化することが多く、上記のいずれの評価方法によっても、薄膜の膜厚等の情報を得ることもできる。
【０００８】
しかしながら、反射率測定法又は分光エリプソメトリ法において、測定された物理量（反射率測定法の場合は反射率、分光エリプソメトリ法の場合はΨ，Δ）には、光が通過した経路上のすべての物質の影響が含まれており、それらの影響を個別に分離された情報として直接取り出すことはできない。
【０００９】
従って、分光反射率測定法もしくは分光エリプソメトリ法を用いてサンプルを測定し、薄膜の膜厚や特性の評価を行う場合には、以下のような実測値と測定値の予想値の比較という手順を踏む必要がある。
【００１０】
図１０は、従来のサンプル評価及び薄膜の製造プロセスにおける管理の手順を示すフローチャートである。
【００１１】
まず、ステップＳＴ２０１で、あるプロセスＰにより作成されたサンプルＡを、評価方法Ｍにより測定し、物理量の実測値（例えばΔ，Ψ）を得る。
【００１２】
一方、ステップＳＴ２０２で、サンプル構造の幾何学的モデルを設定し、ステップＳＴ２０３で、サンプル構造を規定する初期推定値を設定した後、ステップＳＴ２０４で、物理量測定値の理論予想値を計算する。つまり、光学的評価を用いる場合には、測定サンプルの構造（ｎ，ｋプロファイル）を仮定し、このｎ，ｋプロファイルを評価方法Ｍで評価した際に得られるであろう物理量測定値の理論予想値を計算する。
【００１３】
そして、ステップＳＴ２０５で、物理量の実測値と理論予想値とを互いに比較する。このときに、実測値と理論予想値との差の程度を評価するための評価値を定義する。
【００１４】
次に、ステップＳＴ２０６で、評価値が極小値か否かを判別し、評価値が極小でなければ、ステップＳＴ２０７で新しい推定値の設定を行なってから、ステップＳＴ２０４の処理に戻って、ステップＳＴ２０４〜ＳＴ２０６の処理を繰り返す。
【００１５】
そして、ステップＳＴ２０６の判別において評価値が極小であると判別されると、ステップＳＴ２０８に進んでサンプル構造の推定値を決定した後、ステップＳＴ２０９で、サンプル構造が適正範囲か否かを判別する。この判別の結果、サンプル構造が適正範囲内にあれば、ステップＳＴ２１０に進んで、設定したプロセス条件のままで、次の処理を行なう。
【００１６】
一方、ステップＳＴ２０９における判別の結果、サンプル構造が適正範囲内にない場合には、ステップＳＴ２１１に移行して、サンプル構造の幾何学モデルが適切であるか否かを判別する。そして、サンプル構想の幾何学的モデルが適切であれば、ステップＳＴ２１２に進んで、構造が異常となった原因を推定し、例えば温度，時間，ガス流量などを変更するなどの対策を講ずる。
【００１７】
また、ステップＳＴ２１１における判別の結果、サンプル構造の幾何学モデルが適切でないと判断したときは、ステップＳＴ２１３に移行して、新しい幾何学モデルを設定してから、ステップＳＴ２０３に戻り、ステップＳＴ２０３以下の処理を再び行なう。
【００１８】
ここで、ステップＳＴ２０５で用いられる評価値としては、通常、正の実数で、実測値と理論予想値との差が小さいほど小さくなり、両者が完全に一致したときに０となるような関数が用いられる。一般的には、評価値として、下記式（１）で表される，各波長における実測値と理論予想値の差の二乗を全波長にわたり加算した分散値σ
σ＝Σ｛aj（Ｓj −Ｓmodj）2 ｝                          （１）
を用いることが多い。ただし、Ｓj は物理量の実測値で、Ｓmodjは物理量の理論予想値である。また、ajは重み付け係数であり、重み付け係数ajがすべて１の時には各波長の情報がすべて同等に評価に用いられるが、サンプルの構造の特徴の現れやすい波長の寄与が大きくなるように、重み付け係数ajの値を１としない場合もある。
【００１９】
そして、最小自乗法では、この評価値が最小となる仮定したサンプル構造を測定値とする。つまり、実測と同じΨ，Δを与えるサンプルの構造（ｎ，ｋの深さ方向プロファイル）を探しだし、最も近いΨ，Δを与えたサンプルの構造を測定値として用いるのである。しかしながら、分光エリプソメトリ法の場合、サンプルの微妙な変化、たとえば表面の原子層レベルの光学定数変化でもΨΔの測定結果が変化するため、ありとあらゆるサンプル構造での理論予想値を計算し、実測値と比較することはできない。
【００２０】
従って、実際の評価においては、サンプルの構造を少数のパラメータで表現し、評価値が極小となるパラメータ値の組み合わせを、想定した値の範囲内で求めるという作業を行う。また、評価値はこれらのパラメータの関数となるのであるが、一般にこの関数は複雑なものとなるので、最小値を求めることは実際上極めて困難である。そこで、最小値の代わりに極小値を利用する。極小値であれば、最速降下法等のアルゴリズムで求めることができる。これらのアルゴリズムでは、パラメーターに対し適当な初期値を与え、評価値が小さくなる方向にパラメーター値に微小変化を与え、どのような微小変化でも評価値が増大するような点、すなわち極小点を求める。ただし、この極小点を用いる方法の場合、求まった極小点が最小値を与える点であるとは限らない。
【００２１】
従来の薄膜プロセスで形成される，界面が明瞭な単一組成の膜同士の積層構造であれば、上記の方法でも比較的再現性よく薄膜の評価を行うことができる。これは、プロセス上できうる構造が単純であるため、薄膜の構造を比較的少ないパラメーター数で表現できること、実際の薄膜の構造に最も近い薄膜のモデル構造を与えるパラメーター値の組み合わせ以外に評価値の極小点が発生しにくいことがその理由である。
【００２２】
次に、上記従来の光学的評価方法を複数の元素を含む結晶膜の膜厚や特性の評価に利用することについて考察する。
【００２３】
近年、結晶層のエピタキシャル成長技術という従来の薄膜プロセスとは異なる性質を持つ技術がＨＢＴ（ヘテロバイポーラトランジスタ）等の作成を中心に利用され始めている。エピタキシャル成長技術とは、基板等の下地となる結晶の上に、下地の結晶を構成する原子の構造に倣った構造を有する新たな結晶を成長させる技術である。この技術の場合、膜厚を非常に高い精度（一般には、１ｎｍ程度、特殊な条件下では一原子層まで）で制御が可能である。また、成長させる結晶が、広い組成率の範囲で混晶を形成するＳｉＧｅ等の材料により構成されている場合、組成率を制御することが可能である。したがって、これらの特性を利用すれば、任意のプロファイルで深さ方向に近似的に連続的に組成が変化した状態を作り込むことができる。この特性を利用するデバイスの一例が傾斜組成ＳｉＧｅ−ＨＢＴである。傾斜組成ＳｉＧｅ−ＨＢＴの場合、Ｇｅ組成をエミッタ領域で０とし、ベース領域内でＧｅ組成を徐々に増大させるのである。このとき、Ｇｅ組成率が高まるとバンドギャップが狭くなることから、内部のキャリアを加速する方向に電界が発生する。その結果、キャリアのベース走行時間が短縮され、トランジスタの高速動作が可能となる。
【００２４】
このようなＳｉＧｅ傾斜組成ＨＢＴの場合、ベース領域内で組成を変えつづけ、三角形のプロファイルを持たせる場合もあるが、一般には、Ｇｅ組成率が均一なバッファ層を付加した台形プロファイルを採用する場合が多い。
【００２５】
図１１（ａ）は、均一組成のＳｉＧｅバッファ層の上にＳｉＧｅ傾斜組成層と、Ｓｉキャップ層とを堆積して構成される積層構造の深さ方向におけるＧｅ組成率のプロファイルを示す図である。
【００２６】
このように、エピタキシャル成長技術を利用し、近似的に連続的に組成が変化するような構造を作成することが行われだしたため、近似的に連続的に変化するプロファイルを評価するとともに、そのプロファイルが所定の範囲から逸脱していた場合、補正を行う方法が必要とされるようになった。
【００２７】
そこで、このように深さ方向に近似的に連続的に組成が変化するようなサンプルも、分光エリプソメトリ法で評価する試みがなされている。分光エリプソメトリ法による評価過程において、任意の組成プロファイルをもつサンプルでもΨ，Δの測定は可能である。また、近似的に連続的に変化する組成のプロファイルを、十分薄い薄膜の積層として近似すれば、Ψ， Δの理論予想値の計算も可能である。
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＳｉＧｅ膜等の複数の元素を含む混晶のエピタキシャル成長においては、以下のような不具合があった。
【００２９】
均一組成を有する薄膜とは異なり、Ｇｅ組成率を深さ方向に向かって原子層レベルで変化させることができるＳｉＧｅエピタキシャル成長膜では、とり得るサンプル構造が極端に多くなるものの、設定したプロセス条件が正確に実現していれば、できあがった薄膜の構造は意図した薄膜の構造にほぼ一致するはずである。
【００３０】
しかし、たとえば図１１（ａ）に示すような台形の傾斜組成プロファイルを有する薄膜の作成を意図して結晶成長をしたところ、設定した温度とは異なる温度で結晶が成長されたとすると、できあがった薄膜の組成のプロファイルは正確な台形のプロファイルとならないことがわかった。
【００３１】
その理由は、結晶成長速度が基板温度に依存し、かつ、その依存の仕方がＧｅ組成率により変化することによると考えられる。ＳｉＧｅ膜の成長段階で、成長中のＳｉＧｅ結晶のＧｅ組成率が増大すると、結晶成長における活性化エネルギーが小さくなるため、基板温度の変化に対する成長速度の変化がＳｉに比べ小さくなる。その結果、基準温度でＧｅ組成率が台形プロファイルとなる条件で結晶成長を行なった場合、基準温度よりも高い温度で成長された傾斜組成ＳｉＧｅ結晶のＧｅ組成率は下に凸のプロファイルをもち、基準温度よりも低い温度で成長された傾斜組成ＳｉＧｅ結晶のＧｅ組成率は上に凸のプロファイルをもつ。
【００３２】
図１１（ｂ）は、基準温度よりも高い温度で成長された傾斜組成ＳｉＧｅ膜を有する積層構造の深さ方向におけるＧｅ組成率のプロファイルを示す図である。
【００３３】
図１１（ｃ）は、図１１（ｂ）に示すＧｅ組成率のプロファイルを有する積層膜であるにも拘わらず、台形近似を行なったときのＧｅ組成率のプロファイルを示す図である。すなわち、図１１（ｂ）に示すＧｅ組成率のプロファイルを有する積層膜の構造を、分光エリプソメトリ法を用い、パラメータとして各層の膜厚とＧｅ組成率とを採用した台形モデルでフィットさせた場合、実際のプロファイルの曲線部分を表現することができないため、トータル膜厚は実際のプロファイルとほぼ同一となるが、傾斜部分の形状が実際とは異なるプロファイルを有する構造が、推定値として得られることになる。その結果、ＳｉキャップとＳｉＧｅバッファ層との厚みを実際よりも薄いと判断し、ＳｉＧｅ傾斜組成層の厚みを実際よりも非常に厚いと判断して、成長時間を実際より長いと評価してしまう。
【００３４】
ここで、図１１（ｂ）に示すようなＧｅ組成率のプロファイルを簡便に記述する幾何学モデルはないので、従来のプロセス条件の補正方法では、積層膜の各層の成長時間を単純に補正する方法が用いられることになる。
【００３５】
図１１（ｄ）は、台形近似した結果をもとに、積層膜の各層の厚みを成長時間を短縮することにより補正して形成される積層膜の深さ方向におけるＧｅ組成率のプロファイルを示す図である。同図に示すように、図１１（ｃ）に示す台形近似により得られた積層膜のプロファイルを推定値として、プロセス条件を補正すると、ＳｉＧｅ傾斜組成層を実際よりも厚いと評価し、これを補正することから、設計値よりも薄いＳｉＧｅ傾斜組成層を有する積層膜が形成されることになる。
【００３６】
つまり、従来用いられている補正方法では、幾何学モデルによりＧｅプロファイルを適切に表現できないために、正しく評価することができず、誤った補正を行ってしまう結果となる。
【００３７】
以上のように、Ｇｅ組成率のプロファイルの構造を、図１１（ａ）に示すように、Ｓｉキャップ層，傾斜組成層，ＳｉＧｅバッファ層の各層の厚みと、各層におけるＧｅ組成率との４つで定まる台形で表現しうるのは、基準温度で成長された膜のみである。したがって、成長されたＳｉＧｅ膜等の厚みの実測値をもとに、成長条件の補正を行なっても、Ｇｅ組成率のプロファイルが常に台形であることを前提としている限り、正確な補正を行なうことは困難である。
【００３８】
そこで、膜のＧｅ組成率のプロファイルを規定するパラメータ数を増やし、台形よりも頂点の多い多角形でＧｅ組成率のプロファイルを表現すれば、任意の温度におけるＧｅ組成率のプロファイルを表現することができる。しかしながら、Ｇｅ組成率をプロファイルを規定するパラメータ数を増やしてしまうと、上述の分散値ｘの極小値を与えるパラメータの組み合わせが極めて多くなるので、現実的な計算量で正しい推定値を得ることが困難になる。理論的には、Ｇｅ組成率のプロファイルのような幾何学モデルの構造を規定するパラメータの数を増やせば当然ながら、より実際に近いサンプル構造を表現し得るはずである。しかしながら、パラメータ数を増やすと、評価値の極小値を与えるパラメータ値の組み合わせが、一つに限らなくなってしまう。その結果、サンプル構造はほとんど同じなのに、分光エリプソメトリ法による測定時のノイズなどによるΨ，Δ測定の微妙なばらつきや、構造モデルに含まれていない構造，たとえば界面の組成ゆらぎなどの微妙なサンプル構造の違いにより、測定結果が大きく変化してしまうという不具合が発生する。
【００３９】
本発明の目的は、サンプルの測定値からサンプル構造を介してプロセス条件を把握し、その結果を利用してプロセス条件の補正を行なうことにより、ほぼ設計通りの構造を得るための構造評価方法，半導体装置の製造方法及び記録媒体の提供を図ることにある。
【００４０】
【課題を解決するための手段】
本発明の構造評価方法は、光学的評価方法により、半導体デバイスの要素の物理量の複数の実測値を得るステップ（ａ）と、上記要素を形成するためのプロセス条件を仮定し、この仮定されたプロセス条件を用いたプロセスを経て形成される上記要素の構造を計算により求めるステップ（ｂ）と、上記ステップ（ｂ）で求められた上記要素の構造を上記光学的評価方法により評価したときに得られる物理量の複数の測定値の予想値を計算するステップ（ｃ）と、上記要素の物理量の上記複数の実測値と上記複数の測定値の予想値とに基づいて、上記要素の構造を推定するステップ（ｄ）とを含んでいる。
【００４１】
この方法により、ステップ（ｄ）では、ステップ（ｂ）で得られた現実に採りうる要素の構造に基づく要素の物理量の測定値の予想値と、物理量の実測値とに基づいて、要素のもっとも確からしい構造が推定される。つまり、従来のような一律の構造を前提とした構造評価とは異なり、プロセス条件の変化に応じて変化する物理量の構造を反映した正確な構造評価を行なうことができる。
【００４２】
上記ステップ（ｄ）では、上記複数の物理量の実測値と上記複数の測定値の予想値との差を評価する数値を計算し、その値がしきい値以下となるまで、上記ステップ（ｂ），（ｃ）を経て上記要素の構造を推定することにより、例えば最小自乗法を利用した急速降下法などのアルゴリズムを利用して、構造評価が容易になる。
【００４３】
上記ステップ（ｂ）では、プロセスシミュレータを用いて上記計算を行なうことにより、簡便かつ迅速に構造評価を行なうことができる。
【００４４】
予め複数のプロセス条件を用いたプロセスにより要素を形成して、上記光学的評価方法により、この要素の構造を求めておき、上記複数のプロセス条件とこのプロセス条件により形成された要素の構造との相関関係をデータベース化しておいて、上記ステップ（ｂ）では、上記相関関係に基づいて上記要素の構造を計算により求めることにより、構造評価をより簡便かつ迅速に行なうことが可能になる。
【００４５】
上記プロセスが結晶膜のエピタキシャル成長プロセスである場合、特に、上記結晶膜が複数の元素を含む結晶膜である場合に、本発明の構造評価方法を適用することにより、著効を発揮することができる。
【００４６】
上記結晶膜は、Ｓｉ及びＧｅを含みバンドギャップが傾斜して変化する構造を含む結晶膜である場合に、Ｇｅ組成率のプロファイルの制御に供しうる構造評価を行うことができる。すなわち、Ｇｅ組成率に応じて結晶成長速度が変化することから、Ｇｅ組成率のプロファイルが設計通りの傾斜構造にならない場合にも、実際に起こりうるＧｅ組成率のプロファイルが物理量の測定値の予想値として演算されるので、この物理量の測定値の予想値を利用して、実測値が得られた結晶膜における正確なＧｅ組成率のプロファイルが得られることになる。
【００４７】
上記光学的評価方法は、分光エリプソメトリ法及び分光反射率測定法のうちいずれか一方であることが好ましい。
【００４８】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体デバイスの要素を含む複数のウェハのうち１つの評価用ウェハについて、光学的評価方法により、上記要素の物理量の複数の実測値を得るステップ（ａ）と、上記評価用ウェハの上記要素を形成するためのプロセス条件を仮定し、この仮定されたプロセス条件を用いたプロセスを経て形成される上記要素の構造を計算により求めるステップ（ｂ）と、上記ステップ（ｂ）で求められた上記要素の構造を上記光学的評価方法により評価したときに得られる物理量の複数の測定値の予想値を計算するステップ（ｃ）と、上記評価用ウェハの上記要素の物理量の上記複数の実測値と上記複数の測定値の予想値とに基づいて、上記要素の構造を推定するステップ（ｄ）と、上記評価用ウェハの上記要素の推定された構造と上記複数のウェハの設計構造との相違に基づいて、上記複数のウェハのうち少なくとも上記評価用ウェハ以外のウェハについて、上記プロセスのプロセス条件を修正するか否かを決定するステップ（ｅ）とを含んでいる。
【００４９】
この方法により、上述の構造評価法を用いて、評価用ウェハの要素の構造を正確に把握した上で、他のウェハについてのプロセス条件の変更・設定が可能になるので、半導体デバイスの特性の向上及び特性バラツキの低減を図ることができる。
【００５０】
上記プロセスは、結晶膜のエピタキシャル成長プロセスである場合、特に、複数の元素を含む結晶膜である場合に、本発明の半導体装置の製造方法を適用することにより、著効を発揮することができる。
【００５１】
上記結晶膜は、Ｓｉ及びＧｅを含みバンドギャップが傾斜して変化する構造を含む結晶膜である場合に、Ｇｅ組成率のプロファイルの制御を正確に行なうことができる。すなわち、Ｇｅ組成率に応じて結晶成長速度が変化することから、Ｇｅ組成率のプロファイルが設計通りの傾斜構造にならない場合にも、実際に起こりうるＧｅ組成率のプロファイルが物理量の測定値の予想値として演算されるので、この物理量の測定値の予想値を利用して、実測値が得られた結晶膜における正確なＧｅ組成率のプロファイルが得られることになる。
【００５２】
本発明の記録媒体は、光学的評価法により半導体デバイスの要素の特性評価を行なうために使用されるコンピュータに組み込み可能な記録媒体であって、上記半導体デバイスの要素の物理量の複数の実測値を取り込む手順（ａ）と、上記要素を形成するためのプロセス条件を仮定し、この仮定されたプロセス条件を用いたプロセスを経て形成される上記要素の構造を計算により求める手順（ｂ）と、上記手順（ｂ）で求められた上記要素の構造を上記光学的評価方法により評価したときに得られる物理量の複数の測定値の予想値を計算する手順（ｃ）と、上記要素の物理量の上記複数の実測値と上記複数の測定値の予想値とに基づいて、上記要素の構造を推定する手順（ｄ）とをコンピュータに実行させるプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。
【００５３】
これにより、上述の構造評価をコンピュータを用いて自動的に行なうことが可能になる。
【００５４】
上記手順（ｄ）では、上記複数の物理量の実測値と上記複数の測定値の予想値との差を評価する数値を計算し、その値がしきい値以下となるまで、上記手順（ｂ），（ｃ）を経て上記要素の構造を推定することが好ましい。
【００５５】
【発明の実施の形態】
−本発明の構造評価方法の基本的な考え方−
本実施形態では、プロセス条件から実際に作り込まれるＧｅ組成率のプロファイルを計算するプロセスシミュレータを利用するので、プロセス条件と成長速度と、ＳｉＧｅ層中のＧｅ組成率との関係を明らかにしておく必要がある。ここでは、ＵＨＶ−ＣＶＤ法（超高真空気相化学堆積法）による結晶のエピタキシャル成長プロセスの場合を例にとり説明する。
【００５６】
エピタキシャル成長技術とは、既存の結晶体の面上に新たな結晶を成長させていく技術である。特に、本実施形態で用いるＵＨＶ−ＣＶＤ法は、エピタキシャル成長プロセスの一種で、結晶成長装置内の真空度を１０-6Ｐａ〜１０-7Ｐａ程度まで向上させた後、結晶成長装置内に原料ガスを導入し、加熱した基板表面と原料ガスとの化学反応で結晶を成長させる技術である。
【００５７】
この結晶成長時に、シリコンを含むシラン（ＳｉＨ4 ）やジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）などのガスを原料ガスとして用いるとシリコンを成長させることができる。また、このシリコンを含むガスと共に、ゲルマニウムを含むゲルマン（ＧｅＨ4 ）などのガスを結晶成長装置内に導入すると、シリコンとゲルマニウムとの混晶であるＳｉＧｅ結晶を成長させることができる。さらに、シリコンを含むガスとゲルマニウムを含むガスとに加えて、ＳｉＨ3 ＣＨ3 などの炭素を含むガスを結晶成長装置内に導入すると、ＳｉＧｅＣ結晶を成長させることができる。
【００５８】
ＳｉＧｅ結晶の場合、原理的には混晶に含まれる各元素の割合（組成率）は任意の値をとることができる。このＳｉＧｅ結晶の各元素の組成率は、結晶を成長させたときのプロセス条件によって定まる。ＵＨＶ−ＣＶＤ法の場合には、組成率は基板温度や結晶成長装置内の圧力（全圧）にほとんど依存せず、結晶成長装置内のシリコンのソースガスの分圧と、ゲルマニウムのソースガスの分圧比だけによって定まる。
【００５９】
通常、一度成長させた結晶部分は、その後に高温熱処理等の結晶成長以外のプロセスを行なうまでは変化しない。例えば、最初結晶成長装置内にジシランとゲルマンとを同時に導入してＳｉＧｅ層を成長させた後、ジシランのみを導入してＳｉ層を成長させれば、基板表面上にＳｉＧｅ層とＳｉ層との二重構造を有する膜を形成することができる。ジシランとゲルマンとの流量比を時間的に近似的に連続的に変化させれば、深さ方向にＧｅ組成率が近似的に連続的に変化するＳｉＧｅ層を作り込むことができる。つまり、エピタキシャル成長プロセスにより成長された膜のＧｅ組成率のプロファイルは、あたかも年輪のように、各層を成長させたときのプロセス条件の履歴により定まる。したがって、希望する組成率のプロファイルを得るためには、結晶成長の開始から終了までの成長条件を近似的に連続的に変化させる必要がある。
【００６０】
エピタキシャル成長させた膜のある深さ位置における組成率は、その膜のその深さ位置の部分が成長しているときのソースガス分圧比で定まるが、どの時刻のガス流量比がその膜のその深さ位置の部分に対応するかは、その深さ位置の部分を成長させるまでにどれだけの厚みの膜を成長させたかがわからないと把握することができない。
【００６１】
つまり、ＳｉＧｅ膜においては、元の基板表面を原点にとり、膜の原点から距離ｄにある部分のＧｅ組成比ｘ（ｄ）は、当該部分の結晶を成長させたときの時刻をｔ（ｄ）とすると、下記式（２）
0004642276.tif 000002
によって表される。ただし、Ｃｍは、ジシラン分圧ＰSi，ゲルマン分圧ＰGe及び基板温度Ｔと、組成比との関係を表す関数である。
【００６２】
また、式（２）における変数ｔ（ｄ）は、結晶成長の開始時刻ｔを０として、下記式（３）
0004642276.tif 000003
により求めることができる。ただし、ｇｒは、ガス分圧及び基板温度と成長速度との関係を表す関数である。
【００６３】
したがって、関数Ｃｍ及びｇｒが既知で、結晶成長の開始から終了までの任意の時刻のジシラン及びゲルマンの分圧及び基板温度がわかれば、Ｇｅ組成比（組成率）の深さ方向のプロファイルを規定する値ｘ（ｄ）を求めることができる。つまり、プロセス条件からサンプル構造を推定することができる。なお、具体的に、これらの関係式（２），（３）は、成長条件を変えてサンプルを作成することによって求めることができる。
【００６４】
また、関係式（２），（３）は、成長機構等の情報の蓄積によって、より高精度のものに置き換えることができる。また、構造に関しても、対象となる要素の構造すべてではなく、例えばＧｅ組成率のプロファイルなどの特定の構造の評価に必要な程度の精度さえ得られればよいので、式（２），（３）よりも簡単化された近似式を用いることもできる。
【００６５】
なお、上記式（２），（３）を用いて連立方程式を解いて、解析的にＰSi（τ），ＰGe（τ），Ｔ（τ）からｘ（ｄ）を求めてもよいが、式（２），（３）自体が複雑なために、解が求められない場合もあり得る。
【００６６】
そこで、関係式（２），（３）から各変数の値を求めて行く数値計算的取り扱いを行なうことも可能であり、この数値計算的取り扱いを行なった方が簡便ではある。つまり、解析的取り扱いをすれば、任意の深さにおける膜の組成比（組成率）を計算することができるが、実用上は、組成の深さ方向におけるプロファイルから分光エリプソメトリ法を用いて得られるΔ，Ψのスペクトルの理論予想値を計算する過程において、信頼しうる予想値を得るために必要な程度の精度で、組成の深さ方向におけるプロファイルが求まればよい。
【００６７】
そこで、計算を簡略化するために、結晶成長プロセスの開始から完了までを、ステップ内では成長条件が変化しないとみなせる基本ステップの連続とみなし、各ステップにおけるガス圧力と基板温度と各ステップの時間長さとを与えれば、関数Ｃｍ及びｇｒの関係式から各ステップで成長された膜の組成と厚み（この場合は、ステップを行なう時間と成長速度との単純な積になる）とが求まり、組成のプロファイルを求めることができる。
【００６８】
実際、ＳｉＧｅ傾斜組成層を有するＨＢＴ構造のように、近似的に連続的に組成が変化するプロファイルを有する膜をエピタキシャル成長させる場合にも、現実にソースガスの分圧を近似的に連続的に変化させるのは困難であるために、短いステップごとにガス分圧を変化させる方法を採用することがほとんどである。その場合、各ステップ内では、プロセス条件は通常一定とみなすことができるので、各ステップごとの組成と成長速度・膜厚を計算する方法の方が実用的である。
【００６９】
上述のように、結晶層の成長開始から成長終了までのプロセス条件（ガス分圧，基板温度）がわかれば、サンプル構造を推定することができる。このように、プロセス条件からサンプル構造を推定するプログラムは、一般にはプロセスシミュレータと呼ばれている。したがって、本明細書においても、プロセスシミュレータをこのプログラムの意味で用いることにする。
【００７０】
−製造プロセスの基本手順−
図１は、本発明の実施形態におけるサンプル評価及び薄膜の製造プロセスにおける管理の手順を示すフローチャートである。
【００７１】
まず、ステップＳＴ１０１で、１ロット５０枚のウェハの製造プロセス（プロセスＰ）を行なうことを想定した場合に、最初の１枚のウェハ（評価用ウェハ）を、評価方法Ｍ（例えば分光エリプソメトリ法）により測定し、物理量の実測値（例えばΔ，Ψスペクトル）を得る。
【００７２】
一方、ステップＳＴ１０２で、プロセス条件の初期推定値を設定し、ステップＳＴ１０３で、プロセスシミュレータによるサンプル構造の推定を行なった後、ステップＳＴ１０４で、物理量測定値の理論予想値を計算する。
【００７３】
そして、ステップＳＴ１０５で、物理量の実測値と理論計算値とを互いに比較する。このときに、実測値と理論予想値との差の程度を評価するための評価値を計算する。
【００７４】
次に、ステップＳＴ１０６で、評価値が極小値か否かを判別し、評価値が極小でなければステップＳＴ１０７で新しい推定値の設定を行なってからステップＳＴ１０３の処理に戻って、ステップＳＴ１０４〜ＳＴ１０６の処理を繰り返す。
【００７５】
そして、ステップＳＴ１０６の判別において評価値が極小であると判別されると、ステップＳＴ１０８に進んでサンプル構造の推定値を決定した後、ステップＳＴ１０９で、サンプル構造が適正範囲か否かを判別する。この判別の結果、サンプル構造が適正範囲内にあれば、ステップＳＴ１１０に進んで、設定したプロセス条件のままで、次の処理を行なう。
【００７６】
一方、ステップＳＴ１０９における判別の結果、サンプル構造が適正範囲内にない場合には、ステップＳＴ１１１に移行して、ステップＳＴ１０８で推定したプロセス条件のうち，適正範囲からはずれているものを補正して、評価用ウェハ以外の他のウェハのプロセスを行なう。ただし、評価用ウェハについても再度プロセスを行なってもよい。
【００７７】
−フローチャートの各ステップの説明−
以下、以上の処理の具体的な内容を、傾斜組成ＳｉＧｅ−ＨＢＴ構造の評価を行う場合を例にとって説明する。
【００７８】
ステップＳＴ１０１の物理量の実測値は、光学的評価方法を用いるものとし、本実施形態においては、分光エリプソメトリ法を用いる。本発明は、例えば分光反射率測定法などの他の光学的評価方法を用いても実施が可能である。特に、物理量としては、光の波長を変数としたときに変数が複数の実数を採りうるものであることが好ましい。複数の実測値が得られないと、最小自乗法などを用いた実測値と推定値とのフィッティング処理を高い精度で行なうことができないからである。
【００７９】
本実施形態においては、エピタキシャル成長されたＳｉＧｅ膜を有するサンプルを、分光エリプソメータ法により測定し、複数の波長でのΨ，Δのスペクトルを得ておく。ＳｉＧｅ膜の光学的定数のＧｅ組成率依存性は、短波長領域で顕著であるが、波長の短い光はＳｉに吸収されやすいので、Ｇｅ組成率のプロファイル評価を行うには紫外から可視光領域にわたって測定を行っておくことが好ましい。
【００８０】
図２は、分光エリプソメトリ法による測定の結果、得られるΔ，Ψスペクトルの例を示す図である。上述のように、スペクトルのサンプルに直線偏光した光を照射して、得られた反射光において、電場ベクトルが入射面に平行となっているものをｐ偏光成分、垂直となっているものをｓ偏光成分とし、それぞれの複素反射率をＲｐ, Ｒｓとした場合、ρ≡Ｒｐ／Ｒｓはやはり複素数となる。従って、ρは二つの実数Ψ，Δを用いてρ≡tan ΨeiΔと表現することができる。図２は、このΨ，Δの二物理量を各波長の光について測定して得られたスペクトルである。
【００８１】
次に、ステップＳＴ１０２では、プロセス条件の初期値を推定する。ここで、プロセス条件の設定時には、基板温度と、ジシランおよびゲルマンの流量の３つの値を指定すれば、成長速度とＧｅ組成率が求まるので、傾斜組成を有するＳｉＧｅ膜を有する積層膜のような希望するＧｅ組成率の台形プロファイルが得られるように、基板温度およびガスの流し方が決定されている。したがって、まず、所望のＧｅ組成率のプロファイル構造を設定し、このプロファイル構造が得られるプロセス条件を定めておく必要がある。
【００８２】
図３（ａ）〜（ｄ）は、それそれ順に、傾斜組成ＳｉＧｅ−ＨＢＴの積層膜における設計されたＧｅ組成率のプロファイル，条件がはずれた場合のプロファイル，プロセスシミュレータを用いた条件の推定用プロファイル，補正後のサンプル構造のプロファイルを示す図である。
【００８３】
図３（ａ）に示すように、傾斜組成ＳｉＧｅ−ＨＢＴの場合、すでに説明したように、ベース層にキャリアを加速するための内部電界を発生させるために、台形のＧｅ組成率のプロファイルを設計する。本実施形態では、ＳｉＧｅバッファ層の厚みを４０ｎｍとし、ＳｉＧｅ傾斜組成層の厚みを４０ｎｍとし、Ｓｉキャップ層の厚みを５０ｎｍとして、合計１３０ｎｍの積層膜をＳｉ基板上にエピタキシャル成長させるものとする。そして、ＳｉＧｅバッファ層のＧｅ組成率を均一な１５％とする。ＳｉＧｅ傾斜組成層のＧｅ組成率を、ＳｉＧｅバッファ層に隣接する部分では１５％とし、Ｓｉキャップ層に隣接する部分では０％として、ＳｉＧｅ傾斜組成層中では、Ｇｅ組成率を近似的に直線的（正確には段階的）に変化させる。
【００８４】
図４は、図３（ａ）に示す台形プロファイル構造を得るためのプロセス条件を示す図である。通常、制御を容易にするために、成長中は基板温度Ｔを一定とし、ジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）の流量を一定とし、ゲルマン（ＧｅＨ4 ）の流量のみ変調をかけることにより、流量比を制御している。つまり、ゲルマンの流量を段階的に減少させることにより、ＳｉＧｅ膜のＧｅ組成率を段階的に変化させるのである。この時、ゲルマン流量を減らしていけばＧｅ組成率を下げることができるが、同時に成長速度が低下してくるので、求めるプロファイルとなるようにゲルマンの流量変調をおこなう。
【００８５】
図５は、ステップＳＴ１０３におけるプロセスシミュレータによるサンプル構造の推定手順を示すフローチャートである。
【００８６】
まず、ステップＳＴ１５０で、エピタキシャル成長プロセスの開始から終了までを、各ステップ内ではプロセス条件が一定とみなせる基本ステップの流れとして表し、ステップＳＴ１５１で、各ステップにおけるガス圧力（もしくは流量），基板温度及びステップの時間長さを与える。具体的には、図４に示すようなプロセス条件の流れに沿って、プロセス条件を構成するパラメータ（この例では、ゲルマンの流量だけ）が変化する時刻ｔ０，ｔ１，ｔ２，ｔ３，…を境界として、複数の基本ステップを定める。
【００８７】
次に、ステップＳＴ１５２で、原料ガスの圧力比（又は流量比）から、そのステップで成長する結晶層の組成（Ｇｅ組成率）を計算する。組成が基板温度依存性を持つ場合には、それも考慮して計算する。つまり、上述の式（２）に基づいて各ステップにおけるＧｅ組成率ｄ（ｔ）を求めることに対応する。
【００８８】
そして、ステップＳＴ１５２で、原料ガスの圧力及び基板温度から、そのステップで成長する結晶層の厚み（成長速度と時間の積）を計算し、ステップＳＴ１５４で、すべてのステップにおける層の組成，厚みの計算結果から最終的にできあがる構造を計算する。
【００８９】
図６は、プロセスシミュレータによって推定されたＧｅ組成率のエピタキシャル層厚み方向におけるプロファイルを示す図である。同図に示すプロファイルは、輪郭をみるとやや上に凸の形状を有していることがわかる。
【００９０】
図７は、ＳｉＧｅ層におけるＧｅ組成率のゲルマン流量比依存性を示す図である。Ｇｅ流量比とは、ジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）とゲルマン（ＧｅＨ4 ）との合計流量に対するゲルマンの流量比である。ただし、ＳｉＧｅ層の成長速度は、基板温度およびガス流量に依存する。ＵＨＶ−ＣＶＤ法の場合、基板温度が比較的低温であるために、ある一定量以上の原料ガスを流しても、基板表面での反応が追いつかず成長速度がガス流量に依存しなくなる反応律速領域に容易に突入する。
通常のプロセスはこの反応律速領域でのみ行っている。
【００９１】
反応律速領域では、成長速度の温度依存性はいわゆる熱励起過程型となり、成長速度をｇ、基板温度をＴ，活性化エネルギーをＥａとした場合、反応速度ｇと温度Ｔとの間には下記
ｇ∝ exp（−Ｅａ／Ｔ＊ｋ）
の関係がある。ただし、ｋはボルツマン定数である。
【００９２】
ここで、ＳｉＧｅ層のエピタキシャル成長においては、活性化エネルギーＥａがＧｅ組成率依存性をもつという特徴があり、Ｇｅ組成率が高くなるほど活性化エネルギーＥａの値が小さくなる。その結果、同一の温度ではＧｅ組成率が高くなるほどＳｉＧｅ層の成長速度が増大し、成長速度の基板温度依存性が小さくなる。
【００９３】
図８は、ＳｉＧｅ層の成長速度（ｎｍ／ｍｉｎ）のゲルマン流量比依存性を示す図である。図８においては、基板温度５８７℃の時の成長速度とゲルマンの流量比との関係が示されている。同図に示されるように、ゲルマン（ＧｅＨ4 ）の流量比が高くなるほど成長速度が大きくなっている。なお、６００℃近傍においては、基板温度が１℃（１degree）変化すると、Ｓｉ層（Ｇｅ流量比が０の点）の場合には３％程度の成長速度の変化が起こるのに対し、Ｇｅ組成率１５％のＳｉＧｅ層では成長速度変化は約２％程度にとどまることがわかっている。
【００９４】
以上のように、プロセス条件として、基板温度、ジシラン流量、ゲルマン流量の３つを設定し、これらの３つの量の成膜プロセス中の任意の時間における値を指定すればできあがる構造を計算することができる。ただし、実際のプロセスにおいて、プロセス条件が設定条件からずれているとき、ガス流量が設定値からずれていることはまれで、ほとんどの場合、基板温度が設定値からずれている。また、基板温度は時間とともに変化することはほとんどないので、構造推定のパラメータとしては、基板温度を一定の値の変数とする１つの変数を設定するだけで十分なことが多い。  もちろん、状況によっては、ガス流量がずれる場合や、基板温度が時間とともに変化するような場合もあるので、かかる場合には、それらの値もフィッティングパラメータとすることができる。このように、プロセス条件から構造を推定する方法を用いれば、実際に作成され得る構造をすべてパラメータで表現することが可能になる。
【００９５】
なお、プロセス条件から構造を推定する方法としては、先に述べたような一定の成長温度と、一定のガス流量比と、成長速度と、Ｇｅ組成率との関係を明らかにしておき、任意の成長条件における構造を計算する方法をとることができるが、この方法とは別に、あらかじめプロセス条件を幾通りかに分けてサンプルを作成しておき、その時にできあがる構造とプロセス条件値の関係を求めておいて、サンプルを作成した以外の条件におけるサンプル構造を補間により求める方法をとることもできる。プロセスパラメータの数が少ない場合にはこの方法が簡便である。
【００９６】
次に、ステップＳＴ１０４では、図８に示すＧｅ組成率のプロファイル構造に基づいて、分光エリプソメトリ法により、このような構造を有する積層膜の光学的評価を行うと得られるであろうΔ，Ψのスペクトル（物理量の理論予想値）を計算する。つまり、Ｇｅ組成率のプロファイルに応じて光学定数の深さ方向におけるプロファイルが計算でき、その光学定数のプロファイルに応じて、この積層膜の分光エリプソメトリ法又は分光反射率測定法による測定値の理論予想値を計算することができる。
【００９７】
この理論予想値の具体的な計算方法については、Azzam et. al. による“Ellipsometry and Polarized Light (Elsevier Science Ltd Published 1987 ）”に詳述されている。その計算原理は、サンプルを、層内では光学定数が一定である多数の層からなる積層膜であるとして、各層における光の伝播及び各界面での反射率及び透過率を各層の光学定数から求めることにある。つまり、各層の組成と光学定数（屈折率ｎ，消光係数ｋ）との関係が既知であれば、プロセスシミュレータで推定した積層膜の構造を光学的に評価したときの物理量の測定値を予想することができる。
【００９８】
ＳｉＧｅ又はＳｉＧｅＣの組成と光学定数との関係は、例えば論文“R.T.Carline et.al. Appl.Phys.Lett. 64 No.9 p.1114-1116,1994 ”に記載されており、任意の組成から光学定数を計算するアルゴリズムについては、例えば論文“Snyder et.al. Appl.Phys. 68 No.11 p.5925-5926,1990 ”に記載されている。
【００９９】
したがって、プロセスシミュレータにプロセス条件値を入力すれば、サンプル構造を計算することができ、そのサンプル構造から得られる分光エリプソメトリ法による測定値の理論予想値を計算することができる。
【０１００】
図９は、本発明者達が図６に示すＧｅ組成率のプロファイルを有する積層膜からシミュレーションを行なったΔ，Ψのスペクトル（理論予想値）である。なお、図９に示すスペクトルのシミュレーションにおいては、用いたエリプソメトリ分光装置固有の装置定数を考慮に入れている。したがって、同じ構造の積層膜について、他のエリプソメトリ分光装置を用いて測定することを前提とする場合には、図９に示すと同じスペクトルが得られるとは限らない。
【０１０１】
次に、ステップＳＴ１０５では、図２に示す実際の測定値と図９に示す理論予想値とを比較する。そして、例えば式（１）に示す分散値σを評価値として求め、ステップＳＴ１０６で評価値が極小か否かを判別して、評価値が極小になるまではステップＳＴ１０７からステップＳＴ１０３に戻る処理を繰り返す。このとき、ステップＳＴ１０７の処理では、新しい推定値として、基板温度Ｔのみを図４に示す６００℃から例えば１℃だけ変化させたプロセス条件を設定し、このプロセス条件に基づいてステップＳＴ１０３におけるサンプル構造の推定を行なう。
【０１０２】
プロセス条件としては、基板温度，ジシラン流量，ゲルマン流量の３つを設定しているので、ステップＳＴ１０７においても、これらの３つの量の成膜プロセス中の任意の時間における値を新たに設定することもできる。ただし、上述のように、実際のプロセスにおいて、プロセス条件のうち設定からずれるのはほとんどの場合基板温度Ｔであるので、この例では、構造推定のパラメータとして、基板温度Ｔの１変数だけを用いる。
【０１０３】
そして、急速降下法を用いる場合には、ステップＳＴ１０７の処理で、基板温度Ｔを変化させたときの評価値の微分係数に基づいて、評価値が極小に達する確率がもっとも大きいであろうと思われる方向に、基板温度Ｔの値が補正され、評価値が極小に収束することになる。
【０１０４】
次に、ステップＳＴ１０８では、ステップＳＴ１０１で求められた物理量（図２に示すΔ，Ψのスペクトル）に基づいて、もっとも確からしいプロセス条件の推定値が求められる。そして、ステップＳＴ１０９の判別で、プロセス条件が適正範囲（例えば６００℃±０．５℃）からはずれている場合には、ステップＳＴ１１１で、その条件を補正する。つまり、ステップＳＴ１０９からＳＴ１１０又はＳＴ１１１に進む処理により、プロセス条件を修正するか否かを決定することになる。
【０１０５】
例えば、図２に示される物理量の実測値が、基板温度Ｔが６００℃よりも２℃低い条件でエピタキシャル成長された積層膜から得られたものであると推定された場合、基板温度Ｔを規定するパラメータを基板温度Ｔが２℃高くなるように変更して、以後のウェハについてプロセスを行なう。これにより、異常原因に対し適切な対処が行えるために、次回からは求めるプロファイルを持った構造を形成することができる。
【０１０６】
−実施形態の効果−
実際のトランジスタを作成するための結晶成長プロセスの場合、結晶成長までにすでに基板内には絶縁膜やポリシリコン層などが形成されている。このようにパターンがすでに形成された基板の場合、熱輻射率などの違いから、パターンが形成されていないＳｉ基板と同じ加熱の仕方を行っても同じ温度にはならない。また、同じ種類のパターンを有する基板でも、絶縁膜層の厚みの工程ばらつきにより成長温度は変化する。従って、実際に評価しなければならないサンプルは、温度がずれた状態で成膜された，Ｇｅ組成率のプロファイルに曲線部分をもつものとなっていることが多い。また、基板温度を面内で均一とすることは非常に困難であり、基板面内で温度がそれぞれ違った状態で成膜された部分が形成されることになる。その場合、従来の方法では、図１１（ｃ）に示すような，実際には積層膜が有しないであろうと考えられる構造を前提として、分光エリプソメトリ法などによる物理量の測定値の理論予想値を推定している。よって、図１１（ｄ）に示すように、設計からずれた物理的構造（例えば、Ｇｅ組成率のプロファイル構造）しか得られないことになる。
【０１０７】
それに対し、本実施形態によると、以下のように、実際に起こりうる構造を予想して、温度が標準条件からずれていることを把握し、それに基づく条件補正が可能になる。
【０１０８】
たとえば、図３（ａ）に示す台形プロファイル構造を設計値としてプロセス条件を設定したところ、図３（ｂ）に示すプロファイル構造が得られている場合に、ステップＳＴ１０７からステップＳＴ１０３に戻ってステップＳＴ１０３〜ＳＴ１０６の処理を繰り返す段階で、現実に積層膜が有しているであろうもっとも確からしいプロファイル構造が得られる。
【０１０９】
つまり、図３（ｃ）に示すように、基板温度Ｔが設定値よりも高いときに発生する，上に凸の形状か、基板温度Ｔが設定値よりも低いときに発生する，下に凸の形状かという情報を含め、積層膜中の各層（ＳｉＧｅバッファ層，ＳｉＧｅ傾斜組成層及びＳｉキャップ層）の組成及び膜厚に関する情報が得られる。そして、その情報に基づいてプロセス条件を補正するので、以後のプロセスにおいては、図３（ｄ）に示すようなほぼ設計通りの台形プロファイルを有する積層膜を形成することができる。
【０１１０】
言い換えると、本実施形態では、実際に積層膜が有していると推定されるプロファイル構造を前提として、分光エリプソメトリ法などによる物理量の測定値の理論予想値を推定する。その結果、設計通りの構造（ここでは、Ｇｅ組成率の台形プロファイル構造）を得ることができる。
【０１１１】
すなわち、半導体デバイスの特性の向上及び特性のバラツキの低減を図ることができる。
【０１１２】
（その他の実施形態）
なお、評価値の計算のアルゴリズムとしては、基本的に従来の方法のアルゴリズムを用いることができ、た式（１）に示す分散値以外の評価値を用いることもできる。また、極小値の判定アルゴリズムとして、急速降下法に代えて、他の既存の極小値判定のためのアルゴリズムを用いることができる。
【０１１３】
また、ステップＳＴ１０９の判別処理は、デバイス構造（Ｇｅ組成率のプロファイル構造）の推定値が許容範囲内にあるかどうかの判断に代えてもかまわない。
【０１１４】
さらに、評価装置と成膜処理を行なう製造装置間に通信機能をもたせ、評価結果に基づいて、自動的に次のプロセスを補正するようにしてもよい。これは、評価装置を製造装置と共通の筐体内に収納するような構成をとった場合に、特に有効である。
【０１１５】
このようなプロセスシミュレーションによる構造推定と、物理量の理論予想値と実測値の比較をおこなうフィッティング手順は、物理量の実測値を測定する装置と別の装置でおこなうことも可能ではあるが、測定器内にこのフィッティング手順をおこなうアルゴリズムを格納したハードディスクを内蔵したコンピュータを配備しておくと、物理量の測定から最終サンプル構造の推定まで一貫しておこなえるので好ましい。
【０１１６】
また、図１に示すフローチャートに示す処理は、その手順を記録媒体に記録しておくことにより自動的に行なうことができる。例えば、ステップＳＴ１０２〜ステップＳＴ１０７の手順をコンピュータで読みとり可能な記録媒体にプログラムとして記録しておくことにより、制御対象の構造が形成されたプロセス条件を自動的に推定することができる。記録媒体としては、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ，磁性体を利用した磁気テープ，ＦＤなどの他、ＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性メモリ、ＤＶＤなどがあり、いずれを用いてもよい。
【０１１７】
なお、本発明の実施に際し、サンプル構造のすべての部分をプロセスシミュレータで行う必要は無い。例えば傾斜組成ＨＢＴ構造の場合、ＳｉＧｅバッファ層部分や、Ｓｉキャップ層のように均一組成の膜となるような部分は、従来のように膜厚や組成率を直接パラメータとして用い、ＳｉＧｅ傾斜組成層のみプロセスシミュレータを用いたほうが簡便となる場合がある。この場合でも、従来の方法に比べ、ＳｉＧｅ傾斜組成層のプロファイルを適切に表現できるようになるために、評価精度は従来の方法に比べ格段に向上する。
【０１１８】
上記実施形態では、ＵＨＶ−ＣＶＤ法によるＳｉＧｅ傾斜組成ＨＢＴ構造を作成し、分光エリプソメトリ法で評価する場合を示したが、本発明はこの組み合わせに限定されるものではない。たとえば分光反射率測定法と分光エリプソメトリ法とは共通点が多いので、図１のフローチャートに示す手順のうち、実測し理論予想値を計算する物理量を、Ψ，Δから反射率に置き換えるだけでほとんど同じように実施することができる。それ以外の評価方法でも、サンプル構造を推定し、物理量の理論予想値の計算さえできれば本発明の実施は可能である。
【０１１９】
また、ＵＨＶ−ＣＶＤ法でなくても、プロセス条件とそのプロセス条件を用いると形成されるであろう構造との関係が明らかになっており、プロセスシミュレータが開発できるようなプロセスであれば、本発明の実施が可能である。例えば、ＬＰ−ＣＶＤ法、ＭＢＥ法によるエピタキシャル成長などでは容易に実施可能である。また、不純物拡散や活性化、シリサイド形成のためのＲＴＡ処理ではプロセス条件が、温度と時間といった非常に少数のパラメータで制御されるのに対し、形成される構造は非常に複雑なプロファイルをもつので、本発明の実施に適している。
【０１２０】
また、酸化膜や窒化膜といった単純な構造をもつ膜でも、本発明の方法によって補正すべきプロセス条件値が容易に求まるので、本発明を適用することにより、プロセスの改善効果を得ることができる。
【０１２１】
ただし、本発明は、特に複数の元素によって構成され、しかもその組成が変化する構造を有するものに適用することに、特に意義がある。このような構造の場合には、組成が変化すると成長状態（例えば成長速度）もそれに応じて変化することが多いので、従来の方法では正確な構造を把握したり、正確な条件補正を行なうことが困難である。それに対し、本発明のごとく、プロセス条件を変化させたときに実際に起こりうる物理量（構造）を把握してから、これに基づいて物理量の測定値を予測することにより、複雑に変化する膜などの構造をほぼ設計通りに制御することが可能になる。かかる複数の元素によって構成される膜の例としては、ＳｉＧｅ結晶膜の他、ＳｉＧｅＣ結晶膜，ＡｌＧａＡｓ結晶膜，Ｓｉy Ｃ1-y 膜，ＩｎＰ膜などの化合物半導体膜があり、いずれの半導体膜に対しても本発明を適用することができる。
【０１２２】
【発明の効果】
本発明によると、半導体デバイスの要素の構造を現実に起こりうる構造を媒介として光学的評価法による実測値を予想し、この予想値を実測値と比較して半導体デバイスの要素の構造を評価するので、実際に起こりうる構造を反映した正確な構造評価，これを利用した半導体デバイス及びこれを自動的に行なうための記録媒体の提供を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態におけるサンプル評価及び薄膜の製造プロセスにおける管理の手順を示すフローチャートである。
【図２】分光エリプソメトリ法による測定の結果得られるΔ，Ψスペクトルの例を示す図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、それそれ順に、傾斜組成ＳｉＧｅ−ＨＢＴの積層膜における設計されたＧｅ組成率のプロファイル，条件がはずれた場合のプロファイル，プロセスシミュレータを用いた条件の推定用プロファイル，補正後のサンプル構造のプロファイルを示す図である。
【図４】図３（ａ）に示す台形プロファイル構造を得るためのプロセス条件を示す図である。
【図５】プロセスシミュレータによるサンプル構造の推定手順を示すフローチャートである。
【図６】プロセスシミュレータによって推定されたＧｅ組成率のエピタキシャル層厚み方向におけるプロファイルを示す図である。
【図７】ＳｉＧｅ層におけるＧｅ組成率のゲルマン流量比依存性を示す図である。
【図８】ＳｉＧｅ層の成長速度のゲルマン流量比依存性を示す図である。
【図９】図６に示すＧｅ組成率のプロファイルを有する積層膜からシミュレーションを行なったΔ，Ψのスペクトルである。
【図１０】従来のサンプル評価及び薄膜の製造プロセスにおける管理の手順を示すフローチャートである。
【図１１】（ａ）〜（ｄ）は、それそれ順に、傾斜組成ＳｉＧｅ−ＨＢＴの積層膜における設計されたＧｅ組成率のプロファイル，条件がはずれた場合のプロファイル，一律構造を仮定した従来の推定プロファイル，補正後のサンプル構造のプロファイルを示す図である。
【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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