(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層上のゲート絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜上のゲート電極と、上記ゲート電極の側面上のオフセットスペーサ層と、上記半導体層内において上記ゲート電極および上記オフセットスペーサ層をマスクとして形成された不純物拡散層とを有する半導体装置の評価方法であって、
オフセットスペーサ層の膜厚が異なる複数の半導体装置を用いて複数のリーク電流を測定するステップ（ａ）と、
上記複数のリーク電流に基づいて、リーク電流−オフセットスペーサ層膜厚間の相関関係を算出するステップ（ｂ）とを備え、
上記ステップ（ｂ）では、上記相関関係に基づいて、リーク電流値が０になるときのオフセットスペーサ層の膜厚値をさらに算出し、上記膜厚値を、上記半導体層のうち上記オフセットスペーサ層の外端から上記不純物拡散層の先端までの横方向の長さとみなすことを特徴とする半導体装置の評価方法。
【請求項２】
半導体層，ゲート電極および両者間に介在するゲート絶縁膜を有する実トランジスタ領域と、モニタ用電極および上記半導体層−上記モニタ用電極間に設けられ，上記ゲート絶縁膜と同時に形成されて，上記ゲート絶縁膜より大きな面積を有するモニタ用絶縁膜を有するモニタ用領域とを備えている半導体装置の評価方法であって、
上記モニタ用領域のリーク電流を測定するステップ（ａ）と、
あらかじめ求められたリーク電流−絶縁膜膜厚間の相関関係に基づいて、上記リーク電流から上記モニタ用絶縁膜の膜厚を算出するステップ（ｂ）と、
上記モニタ用絶縁膜の膜厚を上記ゲート絶縁膜の膜厚とみなすステップ（ｃ）と
を備えることを特徴とする半導体装置の評価方法。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置の評価方法であって、
上記ステップ（ｂ）の前に、
膜厚の異なる絶縁膜と電極とを有する複数の領域を用いて複数のリーク電流を測定するステップ（ｄ）と、
上記複数のリーク電流に基づいて上記リーク電流−絶縁膜膜厚間の相関関係を算出するステップ（ｅ）と
をさらに備えることを特徴とする半導体装置の評価方法。
【請求項４】
半導体層，ゲート電極および両者間に介在するゲート絶縁膜を有する実トランジスタ領域と、モニタ用電極および上記半導体層−上記モニタ用電極間に設けられ，上記ゲート絶縁膜と同時に形成されて，上記ゲート絶縁膜より大きな面積を有するモニタ用絶縁膜を有するモニタ用領域とを備える半導体装置の評価方法であって、
上記モニタ用領域のリーク電流を測定するステップ（ａ）と、
上記実トランジスタ領域のリーク電流を測定するステップ（ｂ）と、
上記ステップ（ａ），（ｂ）で求めた上記各リーク電流を比較して、上記実トランジスタ領域の上記ゲート電極の寸法を算出するステップ（ｃ）と
を備えることを特徴とする半導体装置の評価方法。
【請求項５】
請求項２〜４のうちいずれか１つに記載の半導体装置の評価方法であって、
上記モニタ用絶縁膜の面積は、上記ゲート絶縁膜の面積の１００倍以上であることを特徴とする半導体装置の評価方法。
【請求項６】
半導体層のうち実トランジスタ領域の上には、ゲート絶縁膜とゲート電極とを形成し、上記半導体層のうちモニタ用領域の上には、上記ゲート絶縁膜と同時に形成され，上記ゲート絶縁膜より大きな面積を有するモニタ用絶縁膜と、モニタ用電極とを形成する工程（ａ）と、
上記モニタ用領域においてリーク電流を測定する工程（ｂ）と、
上記工程（ｂ）で求めた上記リーク電流を、リーク電流−絶縁膜膜厚間の相関関係に基づく規格値と比較することにより、上記工程（ａ）において形成された上記ゲート絶縁膜の良否を判定する工程（ｃ）と
を備える半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体装置の製造方法であって、
上記リーク電流−絶縁膜間の相関関係は、半導体層と、電極と、上記半導体層−上記電極間に介在する膜厚が既知である絶縁膜とを有する複数の領域を用いて、複数のリーク電流を測定することにより得られることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
半導体層のうち実トランジスタ領域の上には、ゲート絶縁膜とゲート電極とを形成し、上記半導体層のうちモニタ用領域の上には、上記ゲート絶縁膜と同時に形成され，上記ゲート絶縁膜より大きな面積を有するモニタ用絶縁膜と、モニタ用電極とを形成する工程（ａ）と、
上記モニタ用領域においてリーク電流を測定する工程（ｂ）と、
上記実トランジスタ領域リーク電流を測定する工程（ｃ）と、
上記工程（ｂ），（ｃ）において求めた上記各リーク電流を比較することにより、上記ゲート電極の寸法の良否を判定する工程（ｄ）と
を備える半導体装置の製造方法。
【請求項９】
請求項６〜８のうちいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法であって、
上記モニタ用絶縁膜の面積は、上記ゲート絶縁膜の面積の１００倍以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
半導体層の上に、ゲート絶縁膜とゲート電極とを形成する工程（ａ）と、
上記ゲート電極の側面上にオフセットスペーサ層を形成する工程（ｂ）と、
上記工程（ｂ）の後に、上記ゲート電極および上記オフセットスペーサ層をマスクとして、上記半導体層の一部に不純物をイオン注入する工程（ｃ）と、
上記工程（ｃ）の後に、上記ゲート電極と上記半導体層との間のリーク電流を測定する工程（ｄ）と、
上記リーク電流を規格値と比較することにより、上記半導体層のうち上記オフセットスペーサ層の外端から、上記工程（ｃ）で注入した不純物が拡散している領域の先端までの横方向の長さの良否を判定する工程（ｅ）と
を備えている半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置とその評価方法に関するものであり、また、その評価方法を用いて半導体装置を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、不純物プロファイルの評価は、分析イオン（一次イオン）を照射することで試料から放出される二次電子を分析するＳＩＭＳ法を用いることにより行われてきた。
【０００３】
また、半導体装置のゲート電極寸法は、ゲート電極パターニング後、測長ＳＥＭと呼ばれる装置で測定されてきた。
【０００４】
一方、従来の半導体装置の製造方法では、ゲート絶縁膜形成や、ゲート電極と不純物拡散層とのオーバーラップ量を調節することができるオフセットスペーサ層の膜厚管理は、モニタウエハを形成して膜厚測定を行うことにより行われてきた。一般に、他の成膜工程においても、モニタウエハの膜厚測定を行うことによって膜厚管理が行われてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体装置の評価方法および製造方法においては、以下のような不具合が生じていた。
【０００６】
まず、不純物プロファイルの評価方法にＳＩＭＳ法を用いた場合には、ＳＩＭＳ法は試料を削りながら評価する方法であるため、不純物プロファイルの横方向拡がり量の評価を行うことが困難である。
【０００７】
また、ゲート電極の評価方法に測長ＳＥＭを用いた場合には、一つ一つのゲート電極の寸法を測定する必要があるので非常に時間がかかってしまう。そのため、半導体装置の製造工程の途中でゲート電極を評価するときには、十分なサンプル数を評価することが難しい。また、測定時時間短縮のためにゲート電極の一部分の領域の測定によって全体の評価を行うと、ゲート電極の仕上がり形状のバラツキによる誤差が生じるおそれがある。
【０００８】
一方、ゲート絶縁膜やオフセットスペーサ層を形成する工程において、膜厚管理をモニタウエハの膜厚測定のみで行うと、半導体装置自体での測定を行わないため、予期せぬ不純物汚染や製造工程のバラツキなどの事態を見過ごしてしまい、半導体装置に不良が発生するおそれが生じる。
【０００９】
本発明の目的は、上記のような不具合を解決する手段を講ずることにより、信頼性の高い半導体装置とその評価方法およびその製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、半導体層と、上記半導体層上に設けられたゲート絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、上記半導体層上に設けられ，上記ゲート絶縁膜と同時に形成され，上記ゲート絶縁膜より大きな面積を有するモニタ用絶縁膜と、上記モニタ用絶縁膜の上に設けられたモニタ用電極とを備える。
【００１１】
これにより、モニタ用絶縁膜とモニタ用電極とからなるモニタ用領域において測定したリーク電流から、リーク電流−絶縁膜膜厚の相関関係に基づいて、より誤差の少ないゲート絶縁膜膜厚を得ることができる。さらに、ゲート電極とゲート絶縁膜とにおいて測定したリーク電流を、モニタ用領域のリーク電流と比較することにより、より誤差の少ないゲート電極の寸法を得ることができる。
【００１２】
上記モニタ用絶縁膜の面積は、上記ゲート絶縁膜の面積の１００倍以上であることが好ましい。
【００１３】
本発明の半導体装置の第１の評価方法は、半導体層上のゲート絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜上のゲート電極と、上記ゲート電極の側面上のオフセットスペーサ層と、上記半導体層内において上記ゲート電極および上記オフセットスペーサ層をマスクの少なくとも一部として形成された不純物拡散層とを有する半導体装置の評価方法であって、オフセットスペーサ層の膜厚が異なる複数の半導体装置を用いて複数のリーク電流を測定するステップ（ａ）と、上記複数のリーク電流に基づいて、リーク電流−オフセットスペーサ層厚間の相関関係を算出するステップ（ｂ）とを備える。
【００１４】
これにより、上記リーク電流−オフセットスペーサ層膜厚間の相関関係を用いて、不純物拡散層における横方向の不純物の分布の状態を知ることができる。
【００１５】
上記ステップ（ｂ）では、上記相関関係に基づいて、リーク電流値が０になるときのオフセットスペーサ層の膜厚値をさらに算出し、上記膜厚値を、上記半導体層のうち上記オフセットスペーサ層の外端から上記不純物拡散層の先端までの横方向の長さとみなすことができる。
【００１６】
本発明の半導体装置の第２の評価方法は、半導体層，ゲート電極および両者間に介在するゲート絶縁膜を有する実トランジスタ領域と、モニタ用電極および上記半導体層−モニタ用電極間に設けられ，上記ゲート絶縁膜と同時に形成されて，上記ゲート絶縁膜より大きな面積を有するモニタ用絶縁膜を有するモニタ用領域とを備えている半導体装置の評価方法であって、上記モニタ用領域のリーク電流を測定するステップ（ａ）と、あらかじめ求められたリーク電流−絶縁膜膜厚間の相関関係に基づいて、上記リーク電流から上記モニタ用絶縁膜の膜厚を算出するステップ（ｂ）と、上記モニタ用絶縁膜の膜厚を上記ゲート絶縁膜の膜厚とみなすステップ（ｃ）とを備える。
【００１７】
これにより、ゲート絶縁膜より面積の大きなモニタ用絶縁膜を用いてリーク電流を測定することから、算出されるゲート絶縁膜膜厚値のばらつきを低減することができる。
【００１８】
上記ステップ（ｂ）の前に、膜厚の異なる絶縁膜と電極とを有する複数の領域を用いて複数のリーク電流を測定するステップ（ｄ）と、上記複数のリーク電流に基づいて上記リーク電流−絶縁膜膜厚間の相関関係を算出するステップ（ｅ）とをさらに備えていてもよい。
【００１９】
本発明の半導体装置の第３の評価方法は、半導体層，ゲート電極および両者間に介在するゲート絶縁膜を有する実トランジスタ領域と、モニタ用電極および上記半導体層−モニタ用電極間に設けられ，上記ゲート絶縁膜と同時に形成されて，上記ゲート絶縁膜より大きな面積を有するモニタ用絶縁膜を有するモニタ用領域とを備える半導体装置の評価方法であって、上記モニタ用領域のリーク電流を測定するステップ（ａ）と、上記実トランジスタ領域のリーク電流を測定するステップ（ｂ）と、上記ステップ（ａ），（ｂ）で求めた上記各リーク電流を比較して、上記実トランジスタ領域の上記ゲート電極の寸法を算出するステップ（ｃ）とを備える。
【００２０】
これにより、面積誤差を無視することができる大面積のモニタ用領域で測定したリーク電流に基づいて、誤差の少ないゲート電極の寸法を算出することができる。
【００２１】
上記モニタ用絶縁膜の面積は、上記ゲート絶縁膜の面積の１００倍以上であることが好ましい。
【００２２】
本発明の半導体装置の第１の製造方法は、半導体層のうち実トランジスタ領域の上には、ゲート絶縁膜とゲート電極とを形成し、上記半導体層のうちモニタ用領域の上には、上記ゲート絶縁膜と同時に形成され，上記ゲート絶縁膜より大きな面積を有するモニタ用絶縁膜と、モニタ用電極とを形成する工程（ａ）と、上記モニタ用領域においてリーク電流を測定する工程（ｂ）と、上記工程（ｂ）で求めた上記リーク電流を、リーク電流−絶縁膜膜厚間の相関関係に基づく規格値と比較することにより、上記工程（ａ）において形成された上記ゲート絶縁膜の良否を判定する工程（ｃ）とを備える。
【００２３】
これにより、ゲート絶縁膜より面積の大きなモニタ用絶縁膜を用いて測定したリーク電流を判定の対象とするので、より正確に判定を行うことができる。さらに、工程の途中で処理の良否を判定することができるので、コストの削減が可能となる。
【００２４】
上記リーク電流−絶縁膜間の相関関係は、半導体層と、電極と、上記半導体層−電極間に介在する膜厚が既知である絶縁膜とを有する複数の領域を用いて、複数のリーク電流を測定することにより得てもよい。
【００２５】
本発明の半導体装置の第２の製造方法は、半導体層のうち実トランジスタ領域の上には、ゲート絶縁膜とゲート電極とを形成し、上記半導体層のうちモニタ用領域の上には、上記ゲート絶縁膜と同時に形成され，上記ゲート絶縁膜より大きな面積を有するモニタ用絶縁膜と、モニタ用電極とを形成する工程（ａ）と、上記モニタ用領域においてリーク電流を測定する工程（ｂ）と、上記実トランジスタ領域リーク電流を測定する工程（ｃ）と、上記工程（ａ），（ｂ）において求めた上記各リーク電流を比較することにより、上記ゲート電極の寸法の良否を判定する工程（ｄ）とを備える。
【００２６】
これにより、面積誤差を無視することができる大面積のモニタ用領域で測定したリーク電流に基づいて判定を行うため、より正確に判定を行うことができる。さらに、製造工程の途中で処理の良否を判定することができるので、コストの削減が可能となる。
【００２７】
上記モニタ用絶縁膜の面積は、上記ゲート絶縁膜の面積の１００倍以上であることが好ましい。
【００２８】
本発明の半導体装置の第３の製造方法は、半導体層の上に、ゲート絶縁膜とゲート電極とを形成する工程（ａ）と、上記ゲート電極の側面上にオフセットスペーサ層を形成する工程（ｂ）と、上記工程（ｂ）の後に、上記ゲート電極および上記オフセットスペーサ層をマスクとして、上記半導体層の一部に不純物をイオン注入する工程（ｃ）と、上記工程（ｃ）の後に、上記ゲート電極と上記半導体層との間のリーク電流を測定する工程（ｄ）と、上記リーク電流を規格値と比較することにより、上記半導体層のうち上記オフセットスペーサ層の外端から、上記工程（ｃ）で注入した不純物が拡散している領域の先端までの横方向の長さの良否を判定する工程（ｅ）とを備えている。
【００２９】
これにより、製造工程の途中で横方向の不純物分布の良否の判定を行うことができるので、より製造工程の信頼性を高めることができると共に、コストの削減が可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態における半導体装置の構造を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の半導体装置は、半導体層１と、ゲート絶縁膜２と、ゲート電極３と、ゲート絶縁膜２およびゲート電極３の側面上に形成されたオフセットスペーサ層４と、オフセットスペーサ層４の側面上から半導体層１の一部の上に亘って形成され，ＴＥＯＳ膜７とＳｉＮ膜８とからなるサイドウォール９と、半導体層１のうちゲート電極３の側方に位置する部分に形成されたソース・ドレイン拡散層５およびＳＤエクステンション拡散層６とから構成されている。
【００３１】
図２（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態における半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【００３２】
まず、図２（ａ）に示す工程で、ｐ型の半導体層１の上に、厚さ２．２ｎｍの酸化膜と厚さ１６０ｎｍのポリシリコン膜とを形成してパターニングを行うことにより、ゲート長０．１μｍのゲート絶縁膜２およびゲート電極３を形成する。その後、基板上に厚さ１４ｎｍのＨＴＯ膜を堆積し、異方性ドライエッチングを用いてＨＴＯ膜の全面エッチを行うことにより、ゲート絶縁膜２およびゲート電極３の側面上のみに、ＨＴＯ膜からなるオフセットスペーサ層４を形成する。
【００３３】
次に、図２（ｂ）に示す工程で、ゲート電極３およびオフセットスペーサ層４をマスクとしてｎ型不純物であるＡｓのイオン注入を行うことにより、半導体層１の一部にＳＤエクステンション拡散層６を形成する。このときの注入条件は、注入エネルギー３ＫｅＶ、ドーズ量１．５×１０15ｃｍ-2である。
【００３４】
次に、図２（ｃ）に示す工程で、基板上に、厚さ１０ｎｍのＴＥＯＳ膜と厚さ６０ｎｍのＳｉＮ膜とを形成した後、異方性ドライエッチングを用いてＴＥＯＳ膜およびＳｉＮ膜の全面エッチを行なう。これにより、オフセットスペーサ層４の側面上から半導体層１の一部の上に亘って、ＴＥＯＳ膜７とＳｉＮ膜８とからなるサイドウォール９を形成する。
【００３５】
その後、ゲート絶縁膜２，ゲート電極３，オフセットスペーサ層４およびサイドウォール９をマスクとしてＡｓのイオン注入を行うことにより、半導体層１の一部に、ソース・ドレイン拡散層５を形成する。このときの注入条件は、注入エネルギー５０ＫｅＶ，ドーズ量４×１０15ｃｍ-2，注入角度０度である。
【００３６】
そして、９７５℃，３０秒の熱処理を行うことにより、ＳＤエクステンション拡散層６およびソース・ドレイン拡散層５に含まれる不純物を活性化する。以上の工程により、本実施形態の半導体装置が形成される。
【００３７】
以下に、本実施形態の半導体装置の評価方法について、図１，図３および図４を参照しながら説明する。図３は、第１の実施形態の半導体装置における評価方法を示したフローチャート図である。この測定は、図２（ｃ）に示す工程でソース・ドレイン拡散層５を形成した後の半導体装置において行う。
【００３８】
まず、図３に示すステップＳＴ１で、オフセットスペーサ層４の膜厚の異なる複数の半導体装置を用いて、ゲート電極３からＳＤエクステンション拡散層６へ流れるリーク電流値Ｉｇを測定する（Ｖｇ＝０Ｖ，Ｖｄ＝１．２Ｖ）。このような条件でリーク電流値Ｉｇを測定した場合には、例えば、オフセットスペーサ層４の膜厚値Ｌｏｓ＝１０ｎｍである場合には、リーク電流値Ｉｇ＝２．７×１０-11Ａ／μｍであった。
【００３９】
次に、ステップＳＴ２で、図４に示すようなリーク電流値Ｉｇとオフセットスペーサ層４の膜厚値Ｌｏｓの相関関係を算出する。図４は、第１の実施形態において、リーク電流値Ｉｇとオフセットスペーサ層４の膜厚値Ｌｏｓとの値を示すグラフ図である。
【００４０】
図４に示すように、本実施形態の半導体装置の評価方法では、オフセットスペーサ層４の膜厚値Ｌｏｓとリーク電流値Ｉｇとの間には相関関係（リーク電流−オフセットスペーサ層厚の相関関係）があり、オフセットスペーサ層４の膜厚値Ｌｏｓが増加するとリーク電流値Ｉｇは線形的に減少することがわかる。
【００４１】
次に、ステップＳＴ３で、図４に示すデータにより、半導体層１における不純物の横方向拡がり分布を解析する。以下に、具体的な解析について述べる。
【００４２】
図４に示すように、オフセットスペーサ層４の膜厚値Ｌｏｓが１６ｎｍ程度になると、リーク電流値Ｉｇ＝０になると考えられる。一方、リーク電流値Ｉｇ＝０になったときは、ゲート電極３とＳＤエクステンション拡散層６とのオーバーラップ量Ｌｏｖが０となったときと考えられる。
【００４３】
これらのことから、オフセットスペーサ層４の膜厚値Ｌｏｓが１６ｎｍ程度のときにオーバーラップ量Ｌｏｖが０になるといえるので、ＳＤエクステンション拡散層６を上記のような条件で形成した場合には、半導体層１のうちオフセットスペーサ層４の外端と接する部分から不純物拡散層の先端までの長さはおよそ１６ｎｍであると見積もることができる。以上の評価方法により、不純物の横方向の分布を知ることができる。
【００４４】
本実施形態の半導体装置における不純物プロファイルの評価方法では、従来のＳＩＭＳ法を用いた評価方法では困難であった横方向の不純物プロファイルを評価することができる。また、オフセットスペーサ層４の膜厚は、ｎｍ単位で制御可能であるため、高い精度で評価を行うことができる。
【００４５】
なお、上記実施形態では、ソース・ドレイン拡散層５を形成した後に、リーク電流値Ｉｇを測定することにより評価を行ったが、本発明においては、ＳＤエクステンション拡散層６を形成した後，ソース・ドレイン拡散層５を形成する前にリーク電流値Ｉｇを測定してもよい。
【００４６】
（第２の実施形態）
本実施形態の半導体装置の評価方法においては、評価対象のウエハ（半導体層）と、評価対象のウエハの外部に設けられた基準領域とを用いる。まず、評価対象のウエハと基準領域との構造について、図５（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。図５（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施形態における評価対象の半導体装置および基準領域の構造を示した平面図である。
【００４７】
図５（ａ）に示すように、本実施形態で評価の対象となるウエハは、複数の評価対象チップ１１から構成されている。そして、図５（ｂ）に示すように、評価対象チップ１１は、実トランジスタ領域１２とモニタ用領域１３とに分かれている。実トランジスタ領域１２には、基板１０の上にゲート絶縁膜（図示せず）を挟んで形成されたゲート電極１５と、ソース・ドレイン拡散層１４とを有するトランジスタ１７が形成されている。そして、モニタ用領域１３には、基板１０の上に形成され，トランジスタ１７のゲート絶縁膜と同時に形成されたモニタ用絶縁膜（図示せず）と、トランジスタ１７のゲート電極１５と同時に同一の導電体膜から形成され，面積が１００μｍ×１００μｍであるモニタ用電極１６とが形成されている。
【００４８】
なお、モニタ用絶縁膜の面積がトランジスタ１７のゲート絶縁膜の面積の１００倍以上になるようにモニタ用電極１６を形成することが好ましい。
【００４９】
一方、図５（ｃ）に示すように、基準領域１８は、半導体層１９と、半導体層１９上に設けられ，膜厚が既知である基準用絶縁膜（図示せず）と、基準用絶縁膜の上に設けられ，面積が１００μｍ×１００μｍである基準用電極２０とから構成されている。基準用絶縁膜および基準用電極２０は、それぞれトランジスタ１７のゲート絶縁膜およびゲート電極１５と同様の条件で形成された膜からなる。
【００５０】
次に、図５（ａ），（ｂ）に示すような半導体装置の評価方法について、図５（ａ），（ｂ）および図６を参照しながら説明する。図６は、第２の実施形態における半導体装置の評価方法を示すフローチャート図である。なお、図６におけるステップＳＴ１〜ＳＴ５は、実トランジスタ領域１２のゲート絶縁膜およびゲート電極１５と、モニタ用領域１３のモニタ用絶縁膜とモニタ用電極１６とをパターニングにより形成した後、ソース・ドレイン拡散層１４などのためのイオン注入を行う前に行う。
【００５１】
本実施形態の半導体装置の評価方法では、まず、図６に示すステップＳＴ１において、基準領域１８における基準用電極２０にバイアス電圧Ｖｇ＝１．２Ｖを印加して、リーク電流値Ｉｇ１を測定する。ここで、測定は、膜厚値Ｔｏｘ１の異なる基準用絶縁膜が形成された複数の基準領域１８で行う。
【００５２】
図７（ａ），（ｂ）は、図６のステップＳＴ１において測定したリーク電流値Ｉｇ１と、基準用絶縁膜の膜厚値Ｔｏｘ１との関係を表にして示す図およびグラフ図である。これにより、基準用絶縁膜が厚くなるとリーク電流値Ｉｇ１が減少し、絶縁膜の膜厚によりリーク電流値Ｉｇが一意的に決まることがわかる。
【００５３】
次に、図６のステップＳＴ２において、モニタ用電極１６にバイアス電圧Ｖｇ＝１．２Ｖを印加して、モニタ用電極１６と基板１０のチャネル領域との間に流れるリーク電流値Ｉｇ２を測定する。この測定は、図５（ａ）に示すように、複数の評価対象チップＡ〜Ｉにおいてリーク電流値Ｉｇ２を測定することにより行った。
【００５４】
ここで、モニタ用領域１３におけるモニタ用絶縁膜は面積が大きいため、面積のばらつきによるリーク電流値のばらつきは無視することができる。したがって、９箇所のリーク電流値Ｉｇ２のばらつきは、モニタ用絶縁膜の膜厚に起因するものであると考えられる。
【００５５】
次に、図６のステップＳＴ３において、モニタ用領域１３におけるリーク電流値Ｉｇ２を基準領域１８におけるリーク電流値Ｉｇ１と比較することにより、モニタ用絶縁膜の膜厚値Ｔｏｘ２を算出する。ここで、モニタ用絶縁膜とゲート絶縁膜とは近接した領域に形成されているため、ほぼ同じ膜厚を有していると考えられることから、ゲート絶縁膜の膜厚を知ることができる。
【００５６】
図８は、リーク電流値Ｉｇ２と、算出したモニタ用絶縁膜の膜厚値Ｔｏｘ２を表にして示す図である。図８に示すように、各評価対象チップＡ〜Ｉにおけるリーク電流値Ｉｇ２にはばらつきが生じた。そのばらつきは、モニタ用絶縁膜の膜厚値Ｔｏｘ２のばらつきとして表れており、これにより、評価用チップ１１ごとのモニタ用絶縁膜の膜厚のばらつきを知ることもできる。
【００５７】
次に、図６のステップＳＴ４において、トランジスタ１７のゲート電極１５にバイアス電圧Ｖｇ＝１．２Ｖを印加して、ゲート電極１５と基板１０のチャネル領域との間に流れるリーク電流値Ｉｇ３を測定する。この測定は、図５（ａ）に示すように、複数の評価対象チップＡ〜Ｉにおいてリーク電流値Ｉｇ３を測定することにより行った。
【００５８】
ここで、各評価対象チップＡ〜Ｉにおいて、モニタ用絶縁膜とゲート絶縁膜とは、同じ膜厚（設定膜厚値）となるように設定されており、誤差によるばらつきはある場合でも、同程度の膜厚値を有していると考えられる。したがって、リーク電流の大きさは絶縁膜および電極の面積と相関関係を有すると考えられるので、ステップＳＴ２で測定したリーク電流値Ｉｇ２と、ステップＳＴ４で測定したリーク電流値Ｉｇ３とを比較することにより、ゲート絶縁膜およびゲート電極１５の面積を求めることができる。
【００５９】
上記のことから、図６のステップＳＴ５において、リーク電流値Ｉｇ２（単位面積あたりのリーク電流値）と、リーク電流値Ｉｇ３とを比較することにより、ゲート電極１５の寸法を算出する。図９は、リーク電流値Ｉｇ３と、算出したゲート長の値Ｌｇとを表にして示す図である。ゲート長の値Ｌｇは、ゲート電極１５のゲート幅の値Ｌｗ＝１０μｍを用いて算出した。
【００６０】
本実施形態では、このように、面積誤差を無視することができる大面積のモニタ用電極１６を用いてゲート絶縁膜の膜厚を正確に測定することができ、さらに、ゲート電極１５の寸法を測定することができる。また、評価対象のウエハ１０内のあらゆる箇所で評価可能であるため、各部分のゲート絶縁膜の膜厚およびゲート電極１５の寸法のばらつきを知ることが容易となる。
【００６１】
なお、本実施形態では、ステップＳＴ２においてモニタ用領域１３のリーク電流値を測定して、ステップＳＴ３において基準領域１８のリーク電流値Ｉｇ１と比較することによりトランジスタ１７のゲート絶縁膜膜厚を算出して、ステップを終了してもよい。
【００６２】
（第３の実施形態）
本実施形態では、製造工程の途中に評価を行いながら半導体装置を製造する方法について、図５（ｂ）および図１０を参照しながら説明する。図１０は、第３の実施形態における半導体装置の製造方法を示すフローチャート図である。なお、本実施形態で製造する半導体装置は、第２の実施形態における図５（ｂ）に示した構造と同様の構造を有する。
【００６３】
本実施形態の半導体装置の製造方法では、まず、図１０に示すステップＳＴ１で、図５（ｂ）に示すような半導体装置を得るために、基板１０の上に、設定膜厚２．２ｎｍのシリコン酸化膜と、厚さ１６０ｎｍのポリシリコン膜とを形成してパターニングを行う。これにより、実トランジスタ領域１２には、ゲート絶縁膜（図示せず）およびゲート電極１５を形成し、モニタ用領域１３には、モニタ用絶縁膜（図示せず）およびモニタ用電極１６を形成する。
【００６４】
次に、ステップＳＴ２で、図５（ｂ）に示すモニタ用電極１６にバイアス電圧Ｖｇ＝１．２Ｖを印加して、リーク電流値Ｉｇ４を測定する。
【００６５】
次に、ステップＳＴ３で、リーク電流値Ｉｇ４を用いて、ゲート絶縁膜の膜厚が正常な範囲であるかどうかを判定する。それは、実際に形成されるゲート絶縁膜の膜厚は設定値からずれてしまうため、そのばらつきが許容範囲内であるかどうかを判定する必要があるからである。以下に、具体的な方法について述べる。
【００６６】
あらかじめ、ステップＳＴ２におけるモニタ用領域１３と同様の状態にある基準領域を用いてリーク電流値と基準用絶縁膜との相関関係を算出しておく。図１１は、基準領域の基準絶縁膜の膜厚値Ｔｏｘおよびリーク電流値Ｉｇ４の値を表にして示す図である。図１１から、ゲート絶縁膜の設定膜厚２．２ｎｍに対応するリーク電流値は４×１０-10Ａ／μｍ2であることがわかる。例えば、ゲート絶縁膜の実測膜厚の規格値を２．２±０．０５ｎｍとすると、リーク電流の規格値は、２．４×１０-10〜６．７×１０-10Ａ／μｍ2となる。
【００６７】
そして、ステップＳＴ２で測定したリーク電流値Ｉｇ４がリーク電流の規格値の範囲内であるかどうかにより、モニタ用絶縁膜の膜厚が許容範囲内であるかどうかがわかる。このとき、モニタ用絶縁膜は面積誤差が無視できるほどの大面積を有しているので、膜厚とリーク電流値との正確な対応関係を得ることができる。そして、モニタ用絶縁膜とゲート絶縁膜とは膜厚値がほぼ同一であるので、ゲート絶縁膜の膜厚値の判定を行うことができる。ここで、判定結果がＯＫであればステップＳＴ４に進み、ＮＧであれば工程がストップする。
【００６８】
次に、ステップＳＴ４で、ゲート電極１５にバイアス電圧Ｖｇ＝１．２Ｖを印加して、リーク電流値Ｉｇ５を算出する。
【００６９】
次に、ステップＳＴ５で、リーク電流値Ｉｇ５と、ステップＳＴ２で求めたリーク電流値Ｉｇ４とを比較することにより、ゲート電極１５の寸法が正常であるかどうかを判定する。以下に、具体的な方法について示す。
【００７０】
リーク電流値と電極面積の値とは相関関係を有する。このことから、モニタ用電極１６の面積とゲート電極１５の設定面積とを比較して、モニタ用電極１６のリーク電流値Ｉｇ４から、ゲート電極１５のリーク電流値Ｉｇ５を予想することができる。そして、ゲート電極１５の設定面積からのばらつきを考慮した許容範囲内にある面積範囲を設定し、その面積範囲に対応するリーク電流値Ｉｇ５の規格値を得る。
【００７１】
そして、ステップＳＴ４で測定したリーク電流値Ｉｇ５が規格値の範囲内であるかどうかにより、ゲート電極１５の寸法が許容範囲内であるかどうかがわかる。ここで、判定結果がＯＫであればステップＳＴ６に進み、ＮＧであれば工程がストップする。
【００７２】
次に、ステップＳＴ６で、ゲート電極１５およびゲート絶縁膜の側面上に、厚さ１４ｎｍのＨＴＯ膜を形成してドライエッチングを行うことにより、厚さ１０ｎｍ程度のオフセットスペーサ層を形成する。ここで、第１の実施形態で述べたように、オフセットスペーサ層の膜厚を調整することにより、ゲート電極１５と後に形成する不純物拡散層とのオーバーラップ量を調整することができる。このとき、オーバーラップ量により、短チャネル効果，ゲートオーバーラップ容量および駆動力などの種々の特性が変化するため、これらを考慮してオーバーラップ量を調整する。
【００７３】
次に、ステップＳＴ７で、ウエハ１０に不純物のイオン注入を行う。例えば、ウエハ１０のうちゲート電極１５の側方部分に、注入エネルギー３ＫｅＶ，ドーズ量１．５×１０15ｃｍ-2の条件でＡｓを注入することにより、ＳＤエクステンション拡散層を形成する。その後、オフセットスペーサ層の側面にサイドウォールを形成し、ソース・ドレイン拡散層を形成して活性化を行う工程などを行い、トランジスタ１７を形成する。
【００７４】
次に、ステップＳＴ８で、図５（ｂ）に示すようなトランジスタ１７におけるリーク電流値Ｉｇ６を測定する。
【００７５】
次に、ステップＳＴ９で、リーク電流値Ｉｇ６を用いて、オーバーラップ量が適当な範囲内であるかどうかを判定する。この判定は、ステップＳＴ７でオフセットスペーサ層の膜厚の調整により行ったオーバーラップ量の制御が正常に行われているかを調べるために行う。以下に、具体的な方法について述べる。
【００７６】
あらかじめ、ステップＳＴ８におけるトランジスタ１７と同様の状態にある基準領域を用いてリーク電流値とオフセットスペーサ層の膜厚との相関関係を算出しておく。図１２は、基準領域のリーク電流値Ｉｇ６およびオフセットスペーサ層膜厚Ｌｓの値を表にして示す図である。図１２から、オフセットスペーサ層の設定膜厚１０ｎｍに対応するリーク電流値は２．７×１０-11 Ａ／μｍであることがわかる。例えば、実際に形成されるオフセットスペーサ層の膜厚の規格値を１０±１ｎｍとすると、リーク電流の規格値は２．３×１０-11〜３．３×１０-11Ａ／μｍ2 となる。
【００７７】
そして、ステップＳＴ８で測定したリーク電流値Ｉｇ６がリーク電流の規格値の範囲内であるかどうかにより、オフセットスペーサ層の膜厚が許容範囲内であるかどうかがわかる。そして、オフセットスペーサ層の膜厚にオーバーラップ量が対応することから、オーバーラップ量の判定を行うことができる。ここで、判定結果がＯＫであれば次のステップに進み、ＮＧであれば工程がストップする。
【００７８】
本実施形態の半導体装置の製造方法では、工程の途中で処理の良否を判定することができる。この方法によると、工程途中で判明した不良品がそのまま工程に流れるのを阻止することができるため、コストの削減が可能となる。
【００７９】
なお、本発明においては、ＳＤエクステンション拡散層を形成した後、サイドウォールやソース・ドレイン拡散層を形成する前にステップＳＴ９を行ってもよい。その場合には、基準領域における測定を、判定対象のチップと同様の条件にして行えばよい。
【００８０】
また、上記実施形態においては、ステップＳＴ３でゲート絶縁膜膜厚判定を行い、ステップＳＴ５でゲート絶縁膜寸法判定を行い、ステップＳＴ９でオーバーラップ量判定を行ったが、本発明においては、これらの判定のうちいずれか１つまたは２つのみを行ってもよい。
【００８１】
【発明の効果】
本発明においては、不純物分布の横方向拡がり量、ゲート絶縁膜の膜厚およびゲート電極の寸法を容易に評価することができる。さらに、これらの評価を製造工程の途中で行うことにより、不良が少なく，コスト削減が可能である半導体装置とその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における半導体装置の構造を示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態における半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図３】第１の実施形態の半導体装置における評価方法を示したフローチャート図である。
【図４】第１の実施形態の半導体装置において、オフセットスペーサ層４の膜厚値Ｌｏｓと、リーク電流値Ｉｇとの関係を示したグラフ図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施形態における評価対象の半導体装置および基準領域の構造を示した平面図である。
【図６】第２の実施形態における半導体装置の評価方法を示すフローチャート図である。
【図７】（ａ），（ｂ）は、基準領域のリーク電流値Ｉｇ１と、基準用絶縁膜の膜厚値Ｔｏｘ１との関係を表にして示す図およびグラフ図である。
【図８】モニタ電極におけるリーク電流値Ｉｇ２と、算出したモニタ用絶縁膜の膜厚値Ｔｏｘ２を表にして示す図である。
【図９】実トランジスタ領域のリーク電流値Ｉｇ３と、算出したゲート長の値Ｌｇとを表にして示す図である。
【図１０】第３の実施形態における半導体装置の製造方法を示すフローチャート図である。
【図１１】基準領域の基準絶縁膜の膜厚値Ｔｏｘおよびリーク電流値Ｉｇ４の値を表にして示す図である。
【図１２】基準領域のリーク電流値Ｉｇ６およびオフセットスペーサ層膜厚Ｌｓの値を表にして示す図である。
【符号の説明】
１      半導体層
２      ゲート絶縁膜
３      ゲート電極
４      オフセットスペーサ層
５      ソース・ドレイン拡散層
６      ＳＤエクステンション拡散層
７      ＴＥＯＳ膜
８      ＳｉＮ膜
１１    評価対象チップ
１２    実トランジスタ領域
１３    モニタ用領域
１４    ソース・ドレイン拡散層
１５    ゲート電極
１６    モニタ用電極
１７    トランジスタ
１８    基準領域
１９    半導体層
２０    基準用電極
【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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