(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜の膜質を評価するシリコン酸化膜の評価方法において、
波数１１００〜１２３０cm-1の範囲の入射光に対する吸収率又は反射率のスペクトルに基づいて、前記シリコン酸化膜の前記シリコン基板との界面における前記シリコン酸化膜が前記シリコン基板に入り込んだ凹凸構造を評価することを特徴とするシリコン酸化膜の評価方法。
【請求項２】
請求項１記載のシリコン酸化膜の評価方法において、
前記入射光が、入射面に対して偏光されていることを特徴とするシリコン酸化膜の評価方法。
【請求項３】
請求項１記載のシリコン酸化膜の評価方法において、
前記入射光が、前記シリコン酸化膜表面に対して斜めに入射していることを特徴とするシリコン酸化膜の評価方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシリコン酸化膜の評価方法において、
前記シリコン基板の、評価される前記シリコン酸化膜が形成された面と反対側の面に形成されたシリコン酸化膜を予め除去しておくことを特徴とするシリコン酸化膜の評価方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシリコン酸化膜の評価方法において、
前記シリコン酸化膜が、自然酸化膜であることを特徴とするシリコン酸化膜の評価方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシリコン酸化膜の評価方法において、
前記シリコン基板中に、赤外光を吸収する赤外光吸収領域を設けたことを特徴とするシリコン酸化膜の評価方法。
【請求項７】
請求項６記載のシリコン酸化膜の評価方法において、
前記赤外光吸収領域の吸光度が２以上であることを特徴とするシリコン酸化膜の評価方法。
【請求項８】
請求項６又は７記載のシリコン酸化膜の評価方法において、
前記シリコン基板中に不純物を導入することにより前記赤外光吸収領域を形成することを特徴とするシリコン酸化膜の評価方法。
【請求項９】
請求項８記載のシリコン酸化膜の評価方法において、
イオン注入又は熱拡散により、前記シリコン基板中に不純物を導入することを特徴とするシリコン酸化膜の評価方法。
【請求項１０】
請求項８又は９記載のシリコン酸化膜の評価方法において、
前記シリコン基板中に前記不純物としてボロンを導入することを特徴とするシリコン酸化膜の評価方法。
【請求項１１】
請求項１０記載のシリコン酸化膜の評価方法において、
前記赤外光吸収領域におけるボロンの濃度が、厚さ１ｃｍ当たり約１×１０16原子／ｃｍ2 以上であることを特徴とするシリコン酸化膜の評価方法。
【請求項１２】
請求項６乃至１１のいずれか１項に記載のシリコン酸化膜の評価方法において、
評価される前記シリコン酸化膜が形成された面と反対側の面での反射光の影響がほとんどなくなるように、前記シリコン基板が所定厚さ以上であることを特徴とするシリコン酸化膜の評価方法。
【請求項１３】
請求項１２記載のシリコン酸化膜の評価方法において、
前記シリコン基板の厚さが１ｃｍ以上であることを特徴とするシリコン酸化膜の評価方法。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のシリコン酸化膜の評価方法を用いて評価する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、シリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜を評価するシリコン酸化膜の評価方法、並びに、その評価方法を用いる半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、メモリー素子等のシリコン半導体素子では、その絶縁膜としてシリコン基板を熱酸化することにより形成したシリコン酸化膜を用いている。熱酸化によるシリコン酸化膜のうちでも、素子分離用のフィールド絶縁膜は厚いが、ゲート絶縁膜やトレンチキャパシタの誘電体膜として用いられるシリコン酸化膜は非常に薄い。しかし、半導体装置の高密度化と共にこれら薄い絶縁膜は更なる薄膜化が求められている。
【０００３】
熱酸化法で形成された約１０ｎｍ以下の薄い酸化膜の場合、この膜厚は原子層に換算すると数１０原子層に相当する。そのため、シリコン酸化膜の膜質の評価としては、原子、分子レベルで行う、物理化学的構造解析によることが望まれている。
しかし、従来の評価方法においては、シリコン酸化膜の評価を非破壊で行なう手段がなく、形成された半導体素子の電気的特性から評価しなければならなかった。半導体素子の電気的特性には、熱酸化工程だけではなく、その後の電極形成工程や、熱処理工程等の製造工程からの影響も大きい。このため、半導体素子の電気的特性から熱酸化条件を明確に定めることができず、適切な熱酸化条件を定めるためには試行錯誤を重ねなければならず、非効率的であるという問題があった。
【０００４】
例として、半導体装置の表面や界面の状態を直接観察する方法には、原子吸光分析法や、オージェ電子分光分析法や、赤外反射吸収分光分析法等の方法や、断面透過電子顕微鏡や、走査トンネル電子顕微鏡や、走査原子間力顕微鏡等による方法が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、原子吸光分析法やオージェ電子分光分析法、断面透過電子顕微鏡、走査トンネル電子顕微鏡、走査原子間力顕微鏡等の方法は、観察に当たり試料が破壊されてしまうと共に、真空中に試料を置く必要がある。このため、製造中の半導体基板を直接観測することができない。したがって、観測用のダミー試料を半導体試料とは別個に用意して観測する必要がある。
【０００６】
しかし、ダミー試料の表面状態は、実際に半導体回路が製作される半導体基板の表面状態と必ずしも一致しておらず、その結果、誤差が生ずる。また、半導体製造装置内にダミー試料用のスペースを確保する必要があるため、製造効率が低下し、時間や労力を必要とするという問題があった。
これに対して、赤外吸収分析法は、非接触、非破壊の観測法であると共に、通常の大気圧下で観測できることから、半導体装置の製造工程中の半導体基板を直接観測できる。
【０００７】
本発明の目的は、シリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜を、非接触、非破壊で観測し、その膜質を評価することができるシリコン酸化膜の評価方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、シリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜をインラインで評価することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、シリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜の膜質を評価するシリコン酸化膜の評価方法において、波数１１００〜１２３０cm-1の範囲の入射光に対する吸収率又は反射率のスペクトルに基づいて、前記シリコン酸化膜の前記シリコン基板との界面における前記シリコン酸化膜が前記シリコン基板に入り込んだ凹凸構造を評価することを特徴とするシリコン酸化膜の評価方法によって達成される。
上述したシリコン酸化膜の評価方法において、前記シリコン基板の、評価される前記シリコン酸化膜が形成された面と反対側の面に形成されたシリコン酸化膜を予め除去しておくことが望ましい。
【００１２】
上述したシリコン酸化膜の評価方法において、前記シリコン基板中に、赤外光を吸収する赤外光吸収領域を設けることが望ましい。また、前記赤外光吸収領域の吸光度が２以上であることが望ましい。更に、前記シリコン基板中に不純物を導入することにより前記赤外光吸収領域を形成することが望ましい。
上述したシリコン酸化膜の評価方法において、評価される前記シリコン酸化膜が形成された面と反対側の面での反射光の影響がほとんどなくなるように、前記シリコン基板が所定厚さ以上であることが望ましい。
【００１５】
上記他の目的は、上述したシリコン酸化膜の評価方法を用いて評価する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法によって達成される。
【００１７】
【作用】
本発明によれば、シリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜の膜質を評価するシリコン酸化膜の評価方法において、波数１１００〜１２３０cm-1の範囲の入射光に対する吸収率又は反射率のスペクトルに基づいて、シリコン酸化膜のシリコン基板との界面におけるシリコン酸化膜がシリコン基板に入り込んだ凹凸構造を評価するようにしたので、シリコン酸化膜の界面を正確に評価することができる。
また、本発明によれば、シリコン基板中に、赤外光を吸収する赤外光吸収領域を設けたので、シリコン基板の裏面からの反射による影響をなくすことができる。
【００２２】
【実施例】
［第１の実施例］
本発明の第１の実施例によるシリコン酸化膜の評価方法について図１乃至図３を用いて説明する。
シリコン酸化膜の評価装置
本実施例によるシリコン酸化膜の評価装置を図１に示す（田隅三生著：「ＦＴ＝ＩＲの基礎と実際」第１０９頁参照）。図１に示す評価装置は、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ：Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）による外部反射方式の赤外吸収スペクトル測定装置である。
【００２３】
評価されるべき試料８として、シリコン酸化膜が形成されたシリコン基板が中央に載置されている。試料８の右側の照明系から入射された赤外光が試料８の表面で反射され、その反射光が左側の測定系により測定、解析される。
試料８の右側の照明系には、赤外光を発光する光源１が設けられ、光源１の出射側に干渉計２と偏光子３が設けられている。光源１からの赤外光は干渉計２及び偏光子３を介して平行光線束となって出射される。偏光子３を設けることにより、入射面（光路面）に電場が平行であるＰ波の赤外光が出射される。
【００２４】
出射された赤外光はミラー４ａにより反射され、凹面鏡４ｂにより集光されて試料８の表面に斜めに入射する。凹面鏡４ｂ及び４ｃを回転し、試料８の高さを所定の位置にすることにより、試料８への入射角を変えることができる。
試料８からの反射光は凹面鏡４ｃにより平行光線束となり、ミラー４ｄにより反射され、ＭＣＴ（Ｍｅｒｃｕｒｙ  Ｃａｄｍｉｕｍ  Ｔｅｌｌｕｒｉｄｅ）検出器５に入射される。ＭＣＴ検出器５は試料８からの反射光を検出する。ＭＣＴ検出器５からの検出信号はプリアンプ６により増幅され、演算部７に出力される。演算部７はプリアンプ６からの検出信号により、試料８表面の反射率を演算し、後述するようにシリコン酸化膜の誘電関数を求める。
【００２５】
本実施例では、凹面鏡４ｂ及び４ｃを回転することにより、試料８に対して異なる角度で入射する複数の入射光を照射するようにし、複数の入射光に対する試料８からの反射光をそれぞれ測定する。複数の入射光と複数の反射光から異なる角度に対する反射率をそれぞれ演算し、異なる角度に対する反射率に基づいて、シリコン酸化膜の誘電関数を求める。このようにして求めた誘電関数に基づいてシリコン酸化膜の膜質を評価する。
【００２６】
なお、本実施例のシリコン酸化膜の評価方法では、誘電体表面で反射する光に関し、電気ベクトルの入射面内にある光の反射率がゼロになる入射角であるブルースター角よりも大きい角度で入射する入射光と、ブルースター角よりも小さい角度で入射する入射光による反射率は、シリコンの反射率に対しての酸化シリコンの反射率が大きく変化し、シリコン酸化膜の誘電関数をより正確に求めることができる。
【００２７】
シリコン酸化膜の評価方法の原理
次に、本実施例のシリコン酸化膜の評価方法の原理について説明する。
一般に、赤外分光測定によって得られるスペクトルは、物質、ここではシリコン酸化膜の電磁波に対する応答、つまり誘電率によって支配されている。誘電率は、物質の原子・分子レベルでは構造を反映するため、赤外スペクトルの吸収反射ピークに着目すると物質構造が評価できる。しかし、実測されるスペクトルは、それ以外に基板や光学系、そして膜の場合には、その厚さの情報が混在したものとして検出される。
【００２８】
そのため、従来の評価方法ではシリコン酸化膜の構造の違いを解析する場合には、膜厚の情報を差し引くために、膜厚が同程度の参照試料を用意する必要がある。すなわち、光学系としては全く同じものを使用し、シリコン基板の情報は測定後に差し引き、更に、シリコン酸化膜の膜厚がほぼ同じ程度（５％以内）である必要があった。
【００２９】
したがって、従来の赤外分光測定による評価方法ではシリコン酸化膜の構造を比較することは同程度の膜厚の膜同士でしか行えなかったのである。
本実施例によるシリコン酸化膜の評価方法は、そのような従来の不都合を解消し、異なる膜厚のシリコン酸化膜同志であっても、膜質を比較することができるようにしている。
【００３０】
一般に、シリコン酸化膜の誘電率は、
ε＝ε′＋ｉε″
と複素表記される。赤外光のような電磁場は、シリコン酸化膜のような物質中に入ることにより位相変化を伴うからである。また、誘電率は、波長（波数）によって異なるため、波数の関数（誘電関数）として表記する必要がある。
【００３１】
なお、本明細書においては、誘電率及び屈折率を複素数として取扱い、それぞれε、ｎと表記することとする。
このように、誘電関数は、波数の関数として複素表記される。したがって、誘電関数としては、実部と虚部という未知数が２つとなり、単に赤外光によるシリコン酸化膜の反射率を測定するだけでは誘電関数を求めることができない。
【００３２】
本願発明者等は、異なる入射角の２つ以上の赤外光による反射光を測定することにより、シリコン酸化膜の２つ以上の反射率を用いれば、実部と虚部という２つの未知数を有する誘電関数を求めることができる点に着想した。
すなわち、異なる入射角の赤外光によるシリコン酸化膜の２つ以上の反射率に基づいて、数値計算により、実部と虚部という２つの未知数を有する誘電関数を解くことができる点に着目し、シリコン酸化膜の評価方法に適用することとした。
【００３３】
そのようにして求めた誘電関数に基づいて、比較するシリコン酸化膜の膜厚から計算して予測反射率を求め、比較するシリコン酸化膜の実際に測定された反射率と比較することにより、シリコン酸化膜の膜質を評価する。
シリコン酸化膜による反射光は、表面垂直（入射面平行）であるＰ偏光となっている。シリコン酸化膜の場合、膜厚方向に構造が遷移していると予想されるため、透過光やＳ偏光（入射面に垂直な偏光）を用いるより、本実施例のように入射光としてＰ偏光を用いることが望ましい。
【００３４】
なお、誘電関数を求める従来の方法として、クラマース・クロニッヒの関係式を用いた方法がある。全波数領域について反射率の測定が行えれば、次に示すクラマース・クロニッヒの関係式によって誘電関数が求められる。
【００３５】
【数１】
0003816440.tif 000002
しかしながら、基板内等の複雑な多重反射による反射光がある場合には、クラマース・クロニッヒの関係式による方法を用いることができない。このため、シリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜のように多重反射される評価対象に対しては用いることができない。
【００３６】
本実施例によるシリコン酸化膜の評価方法において、シリコン酸化膜である膜が１層の場合における反射率ｒは、次のように表される。
【００３７】
【数２】
0003816440.tif 000003
入射電磁場と反射電磁場と屈折電磁場とを古典的に解いていくと、フレネルの式で知られている次の式で表される。
Ｙj ＝（ｃｏｓθj ）／ｎj 
ｒ＝（Ｙ1 −Ｙ2 ）／（Ｙ1 ＋Ｙ2 ）
基板上の膜のような複数の界面を有する場合には、入射光に対する出射光の強度比は、膜中を流れるエネルギ−との干渉を考慮して次式になる。
【００３８】
【数３】
0003816440.tif 000004
この式は、振幅反射率であるため、実測されるエネルギ反射率を表す式をもとに、外面での外部反射と内部反射を計算する。シリコン基板中での多重反射は、干渉せず、ただ、足し合わされると仮定し、級数表現すると、次式が得られる。
0003816440.tif 000005
上式により、検出される反射率Ｒを求めることができる。
【００３９】
なお、上記式におけるＡ2 Ｒ0 なる項は、シリコン基板による反射率とシリコン基板の裏面による反射率を表している。この項は、実際の半導体装置を形成するシリコン基板の場合、不純物が添加されていることによりシリコン基板の反射率に相違があること、シリコン基板の裏面はミラー研磨されていないため散乱が生じることを考慮した値である。
【００４０】
この値は、実際の測定値と適合させることにより求めることとする。シリコン酸化膜が形成されていないシリコン基板のみの絶対反射率は金ミラーを用いて校正する。金ミラーは反射率の基準として用いられるミラーであって、全ての波長領域に亘って反射率が１であると仮定できるものである。この金ミラーの反射率を１として、シリコン基板のみの絶対反射率を求める。このようにして測定した測定値に基づいて、Ａ2 Ｒ0 項の値を求めておく。
【００４１】
その後は、誘電関数が与えられれば、実測されるスペクトルのシミュレーションを行うことができる。
シリコン酸化膜の評価方法
図２に、２つ以上の角度の入射角による反射率から誘電関数を求める方法の手順を示す。
【００４２】
まず、初期値として、入射角θと、膜厚ｔと、屈折率ｎとを設定する（ステップＳ１）。入射角θは測定条件から知ることができ、膜厚ｔは別の測定方法により測定する。屈折率ｎとしては、シリコン酸化膜として取り得る誘電率ε（＝ｎ2 ）の範囲内にある複数の値を設定する。
次に、上述した式から、設定された複数の屈折率ｎに対する反射率Ｒをそれぞれ求める（ステップＳ２）。これにより、屈折率ｎと反射率Ｒの計算値の関係を示すグラフが求まる。
【００４３】
次に、屈折率ｎと反射率Ｒの計算値との関係を示すグラフを用いて、反射率Ｒの実測値から逆にシリコン酸化膜の屈折率ｎを求める（ステップＳ３）。求めた屈折率ｎから、誘電率ε（＝ｎ2 ）を求めることができる。
上述したステップＳ１〜Ｓ３による誘電率ε（＝ｎ2 ）の演算を、必要な波数領域に亘って行うことにより、誘電関数を求めることができる。
【００４４】
このようにして求めた誘電関数を用いて、本実施例では、シリコン酸化膜の膜質について評価を行う。その一般的方法について説明する。
まず、評価の基準となるように厳格に制御された製造条件でシリコン基板上にシリコン酸化膜を形成する。そのようにして形成された基準シリコン酸化膜について上述した方法により誘電関数を求める。
【００４５】
続いて、評価対象であるシリコン酸化膜が形成されたシリコン基板に対して、シリコン酸化膜が基準シリコン酸化膜と同じ膜質であるとして、同一の誘電関数を仮定し、疑似的に評価対象のシリコン酸化膜の反射率のスペクトルを演算する。
続いて、評価対象のシリコン酸化膜の反射率のスペクトルの実測値と、疑似的に求めた反射率のスペクトルとを比較する。比較の結果、実測されたスペクトルと疑似的に求めたスペクトルとで差があれば、その差が、評価対象であるシリコン酸化膜と基準シリコン酸化膜との膜構造の相違を反映していることとなり、基準シリコン酸化膜に対する膜質を評価することができる。
【００４６】
次に、シリコン酸化膜の膜質を評価する具体的方法として、膜厚が異なるシリコン酸化膜の評価方法の手順について説明する。
まず、基準シリコン酸化膜として、シリコン基板上に１００ｎｍ厚のシリコン酸化膜を熱酸化により形成する。そのようにして形成された基準シリコン酸化膜について上述した方法により誘電関数を求める。１００ｎｍ厚のシリコン酸化膜を評価基準としたのは、この程度の厚さのシリコン酸化膜では膜厚方向に対して膜厚の変化が少ないと考えらる領域が支配的であると考えられるからだある。
【００４７】
続いて、評価対象であるシリコン酸化膜に対して、その概算膜厚を別の手段により測定する。評価対象であるシリコン酸化膜が、基準シリコン酸化膜と同一の膜質であり、膜厚だけが異なると仮定して、評価対象のシリコン酸化膜の反射率のスペクトルを疑似的に演算する。
続いて、評価対象のシリコン酸化膜の反射率のスペクトルを実測し、その実測値と、疑似的に求めた反射率のスペクトルとを比較する。比較の結果、実測されたスペクトルと疑似的に求めたスペクトルとで差があれば、その差が、評価対象であるシリコン酸化膜と基準シリコン酸化膜との膜構造の相違を反映していることとなり、基準シリコン酸化膜に対する膜質を評価することができる。
【００４８】
次に、シリコン酸化膜の膜質を評価する他の具体的方法として、酸化温度が異なるシリコン酸化膜の評価方法の手順について説明する。
まず、基準シリコン酸化膜として、正確に温度測定しながらシリコン基板上にシリコン酸化膜を形成する。そのようにして形成された基準シリコン酸化膜について上述した方法により誘電関数を求める。
【００４９】
続いて、酸化温度だけが異なり、他の条件を同じにして製造したシリコン酸化膜について上述した方法により誘電関数を求める。
このようにして求めた基準シリコン酸化膜の誘電関数と、評価対象であるシリコン酸化膜の誘電関数とを比較すれば、その差が膜質の差を反映していることとなり、基準シリコン酸化膜に対する膜質を評価することができる。
【００５０】
実施例１−１
熱酸化によりシリコン基板上に約９ｎｍ厚のシリコン酸化膜を形成したものを評価対象として、２つ以上の異なる角度（４０°、８０°）で入射する入射光に対する反射率を測定する。測定結果を図３に示す。入射光の角度を４０°と８０°にしたのは、シリコン酸化膜のブルースター角（約７４°）の前後の角度を選ぶことにより、図３に示すように、異なる角度の入射光に対する反射率に大きな相違を生じるようにするためである。図３に示す反射率の２つの測定値を用いて誘電関数を計算により求める。
【００５１】
シリコン酸化膜をフッ酸で除去し、表面に実質的に何も形成されていないシリコン基板を用意し、そのシリコン基板の反射率を基準として評価対象の反射率を相対値として定める。
表面に何も形成されていないシリコン基板の反射率の測定値は、反射率を１と仮定する金ミラーの反射率を基準として定められる。この測定値よりシリコン基板自体の吸収とシリコン基板の裏面の反射によるＡ2 Ｒ0 項の値を求める。入射角度により裏面反射率、透過光の光路長が異なるので、測定する角度毎にＡ2 Ｒ0 項の値を求める。
【００５２】
誘電関数を設定し、求めたＡ2 Ｒ0 項の値を用いて、反射率Ｒを次に示す式を用いて計算する。
【００５３】
【数４】
0003816440.tif 000006
0003816440.tif 000007
計算された反射率Ｒを実際に測定した測定値と比較し、測定値と最も近い誘電率の値を必要な波数領域にわたって求める。このようにして求めた誘電関数をもとにして、例えば、膜厚を変更して計算を行ない、実測値と比較して、膜厚が異なるシリコン酸化膜の膜質を評価する。
【００５４】
本実施例によるシリコン酸化膜の評価方法は、膜厚が異なるシリコン酸化膜の他にも、酸化温度や、酸化前処理、酸化雰囲気、酸化炉への導出入温度、酸化後熱処理等の酸化条件が異なる膜に対しても有効である。
シリコン酸化膜を形成する条件を変えた場合には、その酸化条件によってシリコン酸化膜の膜構造が異なるため、本実施例の方法により誘電関数を求めて膜構造を比較する。
【００５５】
その比較結果と、半導体素子を形成した後の電気特性との相関関係を求めることにより、シリコン酸化膜の製造工程の製造条件を最適化することができる。
［第２の実施例］
本発明の第２の実施例によるシリコン酸化膜の評価方法を図４乃至図１３を用いて説明する。
【００５６】
本実施例では、反射赤外分光法（ＩＲ−ＲＡＳ：ＩｎｆｒａＲｅｄ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて、シリコン酸化膜の界面を評価する。
シリコン酸化膜の界面の評価方法の原理
本願発明者等は、シリコン酸化膜の構造を評価するのに、反射赤外分光法（ＩＲ−ＲＡＳ）を用いて、赤外吸収スペクトルでの波数が１２５０ｃｍ-1付近及び１０６０ｃｍ-1付近の信号を測定することが有効であることを提案している。
【００５７】
しかしながら、波数が１２５０ｃｍ-1付近及び１０６０ｃｍ-1付近の信号は、シリコン酸化膜の膜構造に関する情報を示すものではあるが、半導体素子の特性を決定するとされている、シリコン基板とシリコン酸化膜の界面の構造を表すものではない。
波数が１０６０ｃｍ-1付近の信号は、シリコン原子と酸素原子の結合（Ｓｉ−Ｏ）の伸縮振動の横光学的（ＴＯ：Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ）フォノンによる吸収を表し、波数が１２５０ｃｍ-1付近の信号は、シリコン原子と酸素原子の結合（Ｓｉ−Ｏ）の伸縮振動の縦光学的（ＬＯ：Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  Ｏｐｔｉｃａｌ）フォノンによる吸収を表している。このように、これらの信号は共にシリコン酸化膜バルク（全体）としての性質を示すものであり、シリコン基板とシリコン酸化膜の界面の構造を表すものではない。
【００５８】
このため、実際の半導体素子の特性に大きな影響を与えるシリコン基板とシリコン酸化膜の界面の構造を表す信号が、赤外吸収スペクトルのどの波数範囲に有効に現れるかが不明であった。
本願発明者等は、反射赤外分光法（ＩＲ−ＲＡＳ）による反射率又は吸収率のスペクトルのどの波数範囲に注目すればよいかについて、鋭意研究した結果、反射赤外分光法で測定したシリコン酸化膜の反射率又は吸収率のスペクトルのうち、波数が約１１００〜１２３０ｃｍ-1の範囲の信号を着目すればよいことがわかった。
【００５９】
シリコン基板とシリコン酸化膜の界面を考えた場合、この界面は必ずしも平坦ではなく、図４に模式的に示したように、シリコン基板１０中にシリコン酸化膜１２が所々入り混んだような構造をしていると考えられる。このとき、シリコン酸化膜１２は、図４に示すように、シリコン酸化膜１２の膜部分１２ａと、シリコン基板１０中に杭のように食い込んだ杭部分１２ｂとに分けて考えることができる。
【００６０】
このうち、シリコン酸化膜１２の膜部分１２ａは、波数が１２５０ｃｍ-1付近及び１０６０ｃｍ-1付近の信号を測定することで評価できる。一方、シリコン酸化膜１２の杭部分１２ｂは、周囲及び下部がシリコンのバルクであることから、熱処理工程等でシリコン結晶中に析出する酸化シリコンと似たような環境下にあるものと考えられる。
【００６１】
シリコン結晶中に固溶する酸化シリコンによる赤外吸収信号が、１１００ｃｍ-1から１２３０ｃｍ-1の波数範囲に現れることが指摘されている（Ｓ．Ｍ．Ｈｕ、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，ｖｏｌ  ５１，ｐａｇｅ  ５９４５、（１９８０））。したがって、シリコン酸化膜１２の杭部分１２ｂによる赤外吸収信号も、１１００ｃｍ-1から１２３０ｃｍ-1の波数範囲に現れると思われる。
【００６２】
図５は、シリコン基板を純水中にある時間だけ放置したときの酸化シリコンの赤外吸収スペクトルを示すグラフである。シリコン基板を放置すると、シリコン基板表面に島状に自然酸化膜が形成されていくことが知られている。放置時間が長くなると酸化が進み、島状の自然酸化膜が大きくなる。放置時間が長くなると、図５に示すように、１１００ｃｍ-1から１２３０ｃｍ-1の波数範囲での吸収が多くなり徐々に変化している。
【００６３】
シリコン基板とシリコン酸化膜との界面では、自然酸化膜と同様に、シリコン中にシリコン酸化膜が入り込んだ構造をしているので、シリコン基板とシリコン酸化膜との界面の構造を知るためには、１１００ｃｍ-1から１２３０ｃｍ-1の波数範囲の信号をモニタすればよいことがわかる。
実施例２−１
図６は、シリコン基板の（１００）面を硫酸と過酸化水素の混合液に浸して形成した自然酸化膜のＩＲ−ＲＡＳスペクトル（ａ）と、硝酸溶液に浸して形成した自然酸化膜のＩＲ−ＲＡＳスペクトル（ｂ）である。図７はスペクトル（ａ）とスペクトル（ｂ）の差スペクトルである。
【００６４】
波数１２３０−１２５０ｃｍ-1付近のＬＯフォノンによる吸収ピークと、波数１０６０ｃｍ-1付近のＴＯフォノンによる吸収ピークとで、その大きさと位置が違っているので、図７に示すように、差スペクトルにもその違いが表れている。しかし、図７に示すように、ａで示される波数１１００−１２００ｃｍ-1の範囲にもスペクトル差があることがわかる。
【００６５】
図８は、図６及び図７におけるシリコン基板を１気圧の酸素雰囲気中で８００℃に加熱し、３ｎｍ程度の熱酸化膜を形成した後のＩＲ−ＲＡＳスペクトルである。スペクトル（ａ）は、硫酸と過酸化水素の混合液により自然酸化膜を形成した後に熱酸化したもの（膜厚２．９ｎｍ）であり、スペクトル（ｂ）は、硝酸溶液による自然酸化膜を形成した後に熱酸化したもの（膜厚３．２ｎｍ）である。図９はスペクトル（ａ）とスペクトル（ｂ）の差スペクトルである。
【００６６】
図８に示すように、ＬＯフォノン、ＴＯフォノンによる吸収ピークは、その後の熱酸化により、ほぼ同程度のものとなっており、両者にはわずかな膜厚の差による違いしかみられない。そして、硝酸溶液処理によるものの方がわずかに膜厚が厚いことがわかる。
実際に、両方の熱酸化膜をエリプソメトリーで測定したところ、硫酸と過酸化水素の混合液による自然酸化膜（スペクトル（ａ））の膜厚は２．９ｎｍであり、硝酸溶液による自然酸化膜（スペクトル（ｂ））の膜厚は３．２ｎｍであり、硝酸溶液処理によるものの方がわずかに厚い。
【００６７】
しかし、１１００−１２００ｃｍ-1の波数領域においては、スペクトル（ａ）の方が大きく、これは図６及び図７に現れている傾向と一致する。すなわち、熱酸化後でも、その前処理の影響が１１００−１２００ｃｍ-1の波数領域にかけて現れており、ＩＲ−ＲＡＳスペクトルのこの波数領域に注目することで熱酸化膜の組成の違いが分かることになる。
【００６８】
実施例２−２
図１０は、約９５０℃で熱酸化し、約９００℃で炉から引き出したシリコン基板のＩＲ−ＲＡＳスペクトルである。図１１は、室温付近まで炉内で冷却してから引き出したシリコン基板のＩＲ−ＲＡＳスペクトルである。図１２は、図１０のスペクトルと図１１のスペクトルの差スペクトルである。
【００６９】
図１２に示すように、この実施例でも、ＬＯフォノン、ＴＯフォノンによる吸収ピークが膜厚に応じて現れている。
ところで、注目すべきことに、図１２では、図１０、図１１において見られなかったピークが波数１１１４ｃｍ-1付近に現れている。引き出し温度の差によってシリコン酸化膜中の固定電荷量が異なることが知られており、この波数１１１４ｃｍ-1付近のピークは、固定電荷量の差に対応したものと考えられる。シリコン酸化膜中の固定電荷量は、界面の凹凸形状に依存することが知られている。
【００７０】
しかも、図１０におけるシリコン基板と、図１１におけるシリコン基板の差は最後の酸化雰囲気の差によるものであるから、シリコン基板とシリコン酸化膜の界面の構造が異なると考えられる。したがって、波数１１１４ｃｍ-1付近のピークは、シリコン基板とシリコン酸化膜の界面の構造の差を表すものと考えられる。
【００７１】
実施例２−３
図１３は、熱酸化前の前処理が異なる膜のＩＲ−ＲＡＳスペクトルである。
スペクトル（ａ）は、シリコン基板の（１００）面を５％のフッ酸で１分間だけ前処理した後、過酸化水素と水の１対１の混合溶液に２０分間浸漬し、その後、１００℃で熱処理することにより、シリコン基板上に形成したシリコン酸化膜のスペクトルである。このシリコン酸化膜の膜厚をエリプソメトリーで測定したところ１．５４ｎｍであった。
【００７２】
スペクトル（ｂ）は、シリコン基板の（１００）面をフッ酸とフッ化アンモニウムの７対１の混合溶液（ＢＨＦ：Ｂｕｆｆｅｒｅｄ  Ｈｙｄｒａｇｅｎ  Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）で５分間だけ前処理した後、過酸化水素と水の１対１の混合溶液に２０分間浸漬し、その後、１００℃で熱処理することにより、シリコン基板上に形成したシリコン酸化膜のスペクトルである。このシリコン酸化膜の膜厚をエリプソメトリーで測定したところ２．１８ｎｍであった。
【００７３】
図１３に示すように、両方のシリコン酸化膜とも、波数１２３０−１２５０ｃｍ-1付近のＬＯフォノンによる吸収ピークと、波数１０６０ｃｍ-1付近のＴＯフォノンによる吸収ピークは同じであり、両方のシリコン酸化膜の膜質がほぼ同じである。
しかし、図１３に示すように、１１００−１２００ｃｍ-1の波数領域においては、スペクトル（ａ）の方がスペクトル（ｂ）よりも大きい。したがって。熱酸化後でも、その前処理の影響が１１００−１２００ｃｍ-1の波数領域にかけて現れている。図１３から、スペクトル（ａ）の界面の方が、スペクトル（ｂ）の界面よりも凹凸が小さいことがわかる。
［第３の実施例］
本発明の第３の実施例によるシリコン酸化膜の評価方法を図１４乃至図１６を用いて説明する。
【００７４】
上述した第１及び第２の実施例では、シリコン基板上のシリコン酸化膜での反射光を測定してシリコン酸化膜を評価するようにしている。しかしながら、図１４に示すように、本来、入射光ａがシリコン酸化膜２２で反射する反射光ｂのみを測定したいにもかかわらず、シリコン基板２０の裏面で反射してシリコン酸化膜２２を透過した光ｃも同時に測定されてしまう。このため、シリコン基板２０上に形成されたシリコン酸化膜２２の構造解析や、シリコン基板２０とシリコン酸化膜２２の界面近傍の観察が、不正確になると共に、解析や評価に時間と労力が必要であるとう問題があった。
【００７５】
本実施例は、このような問題を解決して、シリコン酸化膜で反射する反射光ｂのみを測定することを可能にするものである。
本実施例の原理
本実施例の原理を図１５に示す。
図１５に示す原理によれば、シリコン基板２０中に赤外光を吸収する赤外光吸収領域２４を設けることにより、シリコン基板の被測定側ではない界面からの反射成分を無視できるようにしている。
【００７６】
赤外光を吸収する赤外光吸収領域２４はシリコン基板２０中の全領域に形成してもよいし、シリコン基板２０内に所定の評価領域を設け、その評価領域のシリコン基板２０内に設けるようにしてもよい。
また、シリコン基板２０上に形成された半導体素子下の領域に赤外光吸収領域２４を設けるようにしてもよい。半導体素子に用いられる予定のゲート酸化膜を直接的に評価することができ、最終的に形成された半導体素子の電気的特性と比較する場合に有効である。
【００７７】
なお、吸光度が大きくなっても、シリコン基板２０が薄いと屈折光を吸収し切れずに基板表面から再び出射してしまう。そこで、シリコン基板２０を厚くすることにより光路長を長くし、シリコン基板内を透過するあいだに透過成分を吸収することが望ましい。
実施例３−１
０．５ｍｍ厚のシリコン基板中に、ホウ素を１×１０15原子／ｃｍ3 の濃度で添加した場合について検討する。入射角が８０度の赤外光を照射した場合の絶対反射率は８〜１０％程度となる。
【００７８】
一方、シリコン基板の表面からの理論的な反射率は次のフレネルの式により求めることができる。
【００７９】
【数５】
0003816440.tif 000008
シリコンの誘電率を１１．７とすると、上記フレネルの式から、シリコン基板の表面からの理論的な反射率は５．５％となるので、上述した濃度をホウ素を添加したシリコン基板からの反射光には、シリコン基板内部からの多重反射成分がかなり含まれていることがわかる。
【００８０】
ここで、シリコン基板の厚さを１ｃｍで規格化した場合の内部吸収成分は、次に示すランバート則
【００８１】
【数６】
0003816440.tif 000009
に従うとして吸光度を求めると、０．１〜０．３程度となり屈折率の吸収には不十分である。シリコン基板内に屈折する光を、基板内部でほぼ吸収するには吸光度が２以上（吸収率が９９％以上）であればよいので、シリコン基板の厚さが１０ｍｍ以上であることが望ましい。
【００８２】
シリコン基板内における赤外光の吸収は、シリコンの格子振動による吸収と、自由キャリアによる吸収と、波数１１００ｃｍ-1では格子間酸素による吸収と、３つの態様が考えられる。シリコンの格子振動による吸収は弱く、格子間酸素による吸収は熱処理により変化して特定領域のみに吸収をもたらす。このため、自由キャリアによる吸収を利用することが有効であると考えられる。そこで、シリコン基板の測定領域に自由キャリアの濃度を増加させ、基板中の透過成分を減衰させればよい。
【００８３】
図１６は、５ｍｍ厚のシリコン基板中に添加されたホウ素の濃度と、吸光度との関係を示すグラフである。図１６から明らかなように、５ｍｍ厚のシリコン基板の場合、吸光度が２以上となる自由キャリア濃度（ホウ素濃度）は１×１０18／ｃｍ3 以上となる。１ｃｍ厚のシリコン基板の場合は、自由キャリア濃度（ホウ素濃度）は１×１０16／ｃｍ3 以上となる。
【００８４】
なお、シリコン基板中にこのような高濃度の不純物を添加すると、シリコン基板の酸化のメカニズムが変化して、半導体素子の特性に影響を与える虞れがある。
このため、赤外光吸収領域を形成する場合には、不純物の導入方法を工夫することが望ましい。
【００８５】
例えば、シリコン基板の裏面からイオン打ち込みにより不純物を添加するようにする。シリコン基板の表面がイオン打ち込みにより劣化するのを防止することができる。また、シリコン基板の表面に保護膜を形成し、熱拡散により裏面から不純物を添加するようにしてもよい。
また、シリコン基板に不純物をイオン注入等により赤外光吸収領域を形成する場合、不純物濃度のプロファイルを急峻にしないようにすることが望ましい。あまり、不純物濃度のプロファイルを急峻にすると、赤外光吸収領域により赤外光が著しく反射する虞れがあるからである。
【００８６】
なお、以上の説明ではシリコン基板にホウ素を導入して自由キャリアとしてホールの濃度を高くするようにしたが、ヒ素を導入して自由キャリアとして電子の濃度を高くするようにしてもよい。
［第４の実施例］
本発明の第４の実施例によるシリコン酸化膜の評価方法を図１７乃至図２２を用いて説明する。
【００８７】
本実施例は、赤外反射吸収分光法によるシリコン酸化膜の界面の凹凸構造について新たなモデルを設定し、そのモデルに適合するように誘電関数を定めることにより、界面の凹凸構造を定量化しようとするものである。
シリコン酸化膜の反射率の計算は、次のような手順で行なうようにしている（（ボルン著「光学の原理１，２，３」参照）。
【００８８】
まず、図１７に示すように、シリコン基板３０上に複数の層３２０、３２１、…、３２ｍが積層されていると仮定する。特性行列を用いた次式から反射率Ｒを求める。
【００８９】
【数７】
0003816440.tif 000010
【００９０】
【数８】
0003816440.tif 000011
上記式における未知数は、入射角度θと、入射光波数νと、各層３２０、３２１、…、３２ｍでの誘電関数ε０、ε１、…、εｍ、各層の厚さｄ０、ｄ１、…、ｄｍである。
本実施例の原理
本実施例では、図１８に示すように、シリコン基板３０上にシリコン酸化膜３２が形成されている場合に、シリコン酸化膜３２が、酸化シリコンからなる層３２ａと、界面にシリコン粒と酸化シリコン粒が混在する混在層３２ｂとにより構成されているというモデルを設定し、有効媒質理論により混在層３２ｂの誘電関数を求めるようにしている。
【００９１】
シリコン基板中に波長に対して十分小さい酸化シリコン粒が存在する系における入射電場に対する反射などの応答は有効媒質理論によって説明される（キッテル著「固体物理学入門」上・下参照）。有効媒質理論とは、基板（媒質）中の酸化物は外部電場に対して分極するので、外部電場と酸化物による分極電場の和に対して媒質は応答すると考えるものである。
【００９２】
有効媒質理論によれば、シリコン酸化物の形状、電場に対する配置、大きさ、密度によってスペクトルが変化する。図１９に示すように、シリコン酸化粒の形状を各主軸長をａ１，ａ２，ａ３とする楕円体とし、その密度をｆとしたときには次式のようになる。
【００９３】
【数９】
0003816440.tif 000012
そこで、図１７の混在層３２ｂで示したように、界面の凹凸構造を有効媒質理論を近似的に適用できるように解釈する。その結果、界面凹凸部分の形状と密度と厚さから界面凹凸が定量できる。
シリコン酸化膜の界面構造の定量評価の手順は次の通りである。
【００９４】
まず、シリコン基板３０上のシリコン酸化膜３２に赤外光を入射し、反射光のスペクトルを測定する。
次に、前述した第１の実施例の方法により、シリコン基板３０とシリコン酸化膜３２の誘電関数を求める。
次に、最小２乗法などの最適化アルゴリズムにより、実測された赤外光スペクトルから界面凹凸の形状、大きさの未知数を決定する。
【００９５】
実施例４−１
図２０に赤外反射スペクトルの実測値を示す。スペクトルａは、シリコン基板上に約５ｎｍ厚の厚いシリコン酸化膜を形成した場合の赤外反射スペクトルであり、スペクトルｂは、シリコン基板上に約２ｎｍ厚の薄いシリコン酸化膜を形成した場合の赤外反射スペクトルである。両方のシリコン酸化膜は、膜厚以外は同一の熱酸化条件により製造した。
【００９６】
厚いシリコン酸化膜の場合（スペクトルａ）は、全体の膜厚に比べて、界面凹凸である混在層３２ｂの厚さの比率が低いので、混在層３２ｂの影響が少なく、界面凹凸がないものとみなすことが可能である。
一方、薄いシリコン酸化膜の場合（スペクトルｂ）は、界面凹凸である混在層３２ｂに影響されることになる。
【００９７】
したがって、スペクトルａとスペクトルｂとの比較した場合、その相違する点は、主として界面の凹凸構造を表していると考えられる。
図２０において、スペクトルａとスペクトルｂを比較した場合、次のような相違が観測される。
第１に、波数１２５５ｃｍ-1のＬＯフォノンのピークが、スペクトルａに比べてスペクトルｂの方が低波数側にシフトしている点である。
【００９８】
第２に、１１００−１２００ｃｍ-1の波数領域において、スペクトルａに比べてスペクトルｂの方が大きい点である。
これらの特徴は、界面凹凸形状である酸化シリコン粒の形状と大きさのファクターにより変化する。図２０の実測値から、最適化方法により界面凹凸のファクターの値を導くと、凹凸形状因子Ｌ＝０．３、表面密度ｆ＝０．９となる。
【００９９】
凹凸形状因子Ｌが０．３であるということは、酸化シリコン粒の厚さ方向と表面方向がほぼ同じであるということを示し、表面密度ｆが０．９であるということは膜全体の９割がシリコン酸化膜であることを示している、したがって、薄いシリコン酸化膜の場合、膜の半分が界面凹凸領域と評価できる。
そのような評価結果に基づいてモデルを設定し、そのモデルから計算により求めた赤外反射スペクトルを図２１に示す。スペクトルａが厚いシリコン酸化膜に対する赤外反射スペクトルであり、スペクトルｂが薄いシリコン酸化膜に対する赤外反射スペクトルである。
【０１００】
図２０の実測値のスペクトルと図２１の計算値のスペクトルとは概ね一致しており、上述した定量的評価が適切であることがわかる。
実施例４−２
図２２に赤外反射スペクトルの実装値を示す。スペクトルａは、シリコン基板上に約５ｎｍ厚の厚いシリコン酸化膜を形成した場合の赤外反射スペクトルであり、スペクトルｂは、シリコン基板上に約１ｎｍ厚の薄いシリコン酸化膜を形成した場合の赤外反射スペクトルである。両方のシリコン酸化膜は、膜厚以外は同一の熱酸化条件により製造した。
【０１０１】
この実施例２は、実施例１の場合よりも、スペクトルｂのＬＯフォノンのピークが大きく、低波数側にシフトしている。
実施例１の場合と同様にして、界面凹凸のファクターの値を導くと、凹凸形状因子Ｌ＝０．７、表面密度ｆ＝０．９となる。
凹凸形状因子Ｌが０．７であるということは、酸化シリコン粒が、厚さ方向を１とすると表面方向がおよそ５である平べったいものであることを示し、表面密度ｆが０．９であるということは膜全体の９割がシリコン酸化膜であることを示している、したがって、シリコン酸化膜のほぼ全体が界面凹凸領域であると評価できる。
【０１０２】
なお、シリコン酸化膜に対する赤外吸収スペクトルは、酸化温度、酸化雰囲気、酸化後熱処理、酸化前処理等の酸化条件の影響を受けて変化する。これらのスペクトルに対して同様の方法により界面凹凸構造のファクターを求めることができ、界面界面の凹凸構造を定量化することができる。
また、赤外吸収スペクトル同士を比較する場合には、上述したように、スペクトルのピークの波数の相違や、ピークの相対的高さの差、ピークとバレー間の盛り上がり等の点に着目することが望ましい。
［第５の実施例］
本発明の第５の実施例による半導体装置の製造装置を図２３を用いて説明する。
【０１０３】
上述した第１乃至第４の実施例によるシリコン酸化膜の評価方法は、いずれの場合も、非接触、非破壊の観測法であると共に、通常の大気圧下で観測できる。したがって、半導体装置の製造工程として、上述した第１乃至第４の実施例によるシリコン酸化膜の評価方法を実行する工程を設け、製造中の半導体基板を直接観測して評価することができる。
【０１０４】
本実施例による半導体装置の製造装置を図２３に示す。この半導体装置の製造装置は、評価工程を含む半導体装置の製造方法を実施することができる。
最も上流側に熱処理炉４０が設けられている。熱処理炉４０では、シリコン基板上に熱酸化膜を形成するための熱処理を行なう。
熱処理炉４０の下流側には、熱処理炉４０と連続的な処理が可能なようにＩＲ−ＲＡＳ測定装置４２が配置されている。ＩＲ−ＲＡＳ測定装置４２では、上述した第１乃至第３の実施例によるシリコン酸化膜の評価方法が実行される。
【０１０５】
ＩＲ−ＲＡＳ測定装置４２の下流側には、ＩＲ−ＲＡＳ測定装置４２と連続的な処理が可能なようにＣＶＤ装置４４が配置されている。ＣＶＤ装置４４では、シリコン酸化膜上に多結晶シリコン層等を堆積する。
次に、本実施例による半導体装置の製造装置の動作について、シリコン基板上にトランジスタを形成する場合を例として説明する。
【０１０６】
まず、シリコン基板であるウエーハを熱処理炉４０に導入し、シリコン基板表面に薄いシリコン酸化膜であるゲート酸化膜を形成する。
次に、ゲート酸化膜が形成されたウエーハをＩＲ−ＲＡＳ測定装置４２に搬送し、上述した第１乃至第３の実施例による方法によりゲート酸化膜の膜構造を評価する。評価の結果、不良であると判断されたウエーハは、この段階でリジェクトされる。したがって、その後の無駄な製造プロセスを行なう必要がなくなり、製造効率が向上する。
【０１０７】
評価の結果、良品であると判断されたウエーハは、ＣＶＤ装置４４に搬送され、ゲート酸化膜上にゲート電極となる多結晶シリコンが堆積される。
このように本実施例によれば、ゲート酸化膜の評価を、シリコン基板上に形成された直後にインラインで行なうことができ、その評価結果に基づいて、熱処理条件等の最適化を効率的に行なうことができる。
【０１０８】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、シリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜の膜質を評価するシリコン酸化膜の評価方法において、波数１１００〜１２３０cm-1の範囲の入射光に対する吸収率又は反射率のスペクトルに基づいて、シリコン酸化膜のシリコン基板との界面におけるシリコン酸化膜がシリコン基板に入り込んだ凹凸構造を評価するようにしたので、シリコン酸化膜の界面を正確に評価することができる。
また、本発明によれば、シリコン基板中に、赤外光を吸収する赤外光吸収領域を設けたので、シリコン基板の裏面からの反射による影響をなくすことができる。
【０１１１】
また、本発明によれば、シリコン基板とシリコン酸化膜の界面に、シリコン粒と酸化シリコン粒が混在する混在層が存在し、有効媒質理論により混在層の誘電関数を求めるモデルを設定し、反射率から演算されたシリコン酸化膜の誘電関数をモデルに適合させるようにしたので、シリコン酸化膜の界面を正確に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例によるシリコン酸化膜の評価装置を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施例によるシリコン酸化膜の評価方法の手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第１の実施例によるシリコン酸化膜の評価方法による測定結果を示すグラフである。
【図４】シリコン基板とシリコン酸化膜の界面を模式的に示す図である。
【図５】シリコン基板を純水中に放置したときの赤外吸収スペクトルを示すグラフである。
【図６】シリコン基板の（１００）面を硫酸と過酸化水素の混合液に浸して形成した自然酸化膜のＩＲ−ＲＡＳスペクトル（ａ）と、硝酸溶液に浸して形成した自然酸化膜のＩＲ−ＲＡＳスペクトル（ｂ）を示すグラフである。
【図７】図６のスペクトル（ａ）とスペクトル（ｂ）の差スペクトルを示すグラフである。
【図８】図６及び図７におけるシリコン基板に引き続き熱酸化膜を形成した後のＩＲ−ＲＡＳスペクトルを示すグラフである。スペクトル（ａ）は、硫酸と過酸化水素の混合液により自然酸化膜を形成した後に熱酸化したものであり、スペクトル（ｂ）は、硝酸溶液による自然酸化膜を形成した後に熱酸化したものである。
【図９】図８のスペクトル（ａ）とスペクトル（ｂ）の差スペクトルを示すグラフである。
【図１０】約９５０℃で熱酸化した後に約９００℃で炉から引き出したシリコン基板のＩＲ−ＲＡＳスペクトルを示すグラフである。
【図１１】約９５０℃で熱酸化した後に室温付近まで炉内で冷却してから引き出したシリコン基板のＩＲ−ＲＡＳスペクトルを示すグラフである。
【図１２】図１０のスペクトルと図１１のスペクトルの差スペクトルを示すグラフである。
【図１３】熱酸化前の前処理が異なる膜のＩＲ−ＲＡＳスペクトルを示すグラフである。スペクトル（ａ）は、シリコン基板の（１００）面を５％のフッ酸で前処理した場合のシリコン基板のスペクトルであり、スペクトル（ｂ）は、シリコン基板の（１００）面をフッ酸とフッ化アンモニウムの７対１の混合溶液で前処理した場合のシリコン基板のスペクトルである。
【図１４】ＩＲ−ＲＡＳ測定における、シリコン酸化膜が形成されたシリコン基板への入射光、屈折光、反射光の光路を示す図である。
【図１５】本発明の第３の実施例によるシリコン酸化膜の評価方法の原理を示す図である。
【図１６】シリコン基板中に添加されたホウ素の濃度と、吸光度との関係を示すグラフである。
【図１７】本発明の第４の実施例におけるシリコン酸化膜のモデルを説明するための図である。
【図１８】本発明の第４の実施例におけるシリコン酸化膜のモデルを説明するための図である。
【図１９】本発明の第４の実施例におけるシリコン酸化膜のモデルを説明するための図である。
【図２０】シリコン基板上にシリコン酸化膜を形成した場合の赤外反射スペクトルの実測値を示すグラフである。スペクトル（ａ）は、シリコン基板上に厚いシリコン酸化膜を形成した場合であり、スペクトル（ｂ）は、シリコン基板上に薄いシリコン酸化膜を形成した場合である。
【図２１】シリコン基板上にシリコン酸化膜を形成した場合の赤外反射スペクトルの計算値を示すグラフである。スペクトル（ａ）は、シリコン基板上に厚いシリコン酸化膜を形成した場合であり、スペクトル（ｂ）は、シリコン基板上に薄いシリコン酸化膜を形成した場合である。
【図２２】シリコン基板上にシリコン酸化膜を形成した場合の赤外反射スペクトルの実測値を示すグラフである。スペクトル（ａ）は、シリコン基板上に厚いシリコン酸化膜を形成した場合であり、スペクトル（ｂ）は、シリコン基板上に薄いシリコン酸化膜を形成した場合である。
【図２３】本発明の第５の実施例による半導体装置の製造装置を示す図である。
【符号の説明】
１…光源
２…干渉計
３…偏光子
４ａ、４ｄ…ミラー
４ｂ、４ｃ…凹面鏡
５…ＭＣＴ検知器
６…プリアンプ
７…演算部
９…試料
１０…シリコン基板
１２…シリコン酸化膜
１２ａ…膜部分
１２ｂ…杭部分
２０…シリコン基板
２２…シリコン酸化膜
２４…赤外光吸収領域
３０…シリコン基板
３２ａ…酸化シリコン層
３２ｂ…混在層
４０…熱処理炉
４２…ＩＲ−ＲＡＳ測定装置
４４…ＣＶＤ装置
【図１】
0003816440.tif 000013
【図２】
0003816440.tif 000014
【図３】
0003816440.tif 000015
【図４】
0003816440.tif 000016
【図５】
0003816440.tif 000017
【図６】
0003816440.tif 000018
【図７】
0003816440.tif 000019
【図８】
0003816440.tif 000020
【図９】
0003816440.tif 000021
【図１０】
0003816440.tif 000022
【図１１】
0003816440.tif 000023
【図１２】
0003816440.tif 000024
【図１３】
0003816440.tif 000025
【図１４】
0003816440.tif 000026
【図１５】
0003816440.tif 000027
【図１６】
0003816440.tif 000028
【図１７】
0003816440.tif 000029
【図１８】
0003816440.tif 000030
【図１９】
0003816440.tif 000031
【図２０】
0003816440.tif 000032
【図２１】
0003816440.tif 000033
【図２２】
0003816440.tif 000034
【図２３】
0003816440.tif 000035