(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単波長エリプソメトリー、分光エリプソメトリーまたは単波長あるいは複数波長の反射・干渉の光学的手法によりウェーハ上に形成した単層あるいは多層の極薄絶縁膜を測定する膜厚測定装置であって、光学的手法により絶縁膜厚測定を行う直前に被測定ウェーハを空気中あるいは酸素および窒素を含む雰囲気中でコロナ放電ワイヤの直下を通過させることによりコロナ放電に暴露する前処理機構を有することを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項２】
被測定ウェーハをステージ上に保持した状態で、減圧雰囲気中で１５℃から５００℃に加熱する機構を有する請求項１記載の膜厚測定装置。
【請求項３】
被測定ウェーハをコロナ放電ワイヤの直下を通過させる際に、被測定ウェーハの表面に波長１５０〜３５０ｎｍの紫外光を全面に照射する機構を有する請求項１記載の膜厚測定装置。
【請求項４】
光学的手法により絶縁膜厚測定を行うためのウェーハを保持するステージと、前処理機構でウェーハを保持するステージとが独立している請求項１，２または３記載の膜厚測定装置。
【請求項５】
極薄絶縁膜を有するウェーハをステージ上に保持する工程と、空気中あるいは酸素と窒素雰囲気中でウェーハの温度を１５℃から５００℃の範囲に保持した状態でコロナ放電ワイヤの直下を前記ステージを通過させることによりウェーハ全面にコロナ放電を暴露させる工程と、前記各工程の後で前記ウェーハおよびステージを所定の位置に移動させ、光学的手法により絶縁膜の膜厚測定を行う工程とを含む膜厚測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体集積回路において使用される極薄絶縁膜の膜厚測定装置および膜厚測定方法に関する。
【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、それにともなってトランジスタのゲート絶縁膜厚は５ｎｍ以下に薄膜化されてきている。ゲート絶縁膜はトランジスタ性能・信頼性を決定する重要な膜であり、膜厚およびその均一性・再現性を適正に管理することが必須である。以下に従来の膜厚測定器管理方法について説明する。
【０００３】
図１４において、１は半導体基板、２は半導体基板の主面上に形成された絶縁膜である。絶縁膜膜厚のインラインモニタリングには従来よりエリプソメータによる光学的膜厚測定法が用いられてきた。一般にエリプソメータの如き光学的な膜厚測定装置としては、レーザ（ガスまたは半導体）の安定性や経時変化、光学ミラーや、レンズ、位相補償板やディテクタなどの経時変化や劣化などを補償するため、一般に基準ウェーハと呼ばれる膜厚が既知、かつその材質および光学特性が既知の薄膜を半導体、主としてシリコン基板上に形成したウェーハにより校正が行われる。すなわち、光学特性および膜厚が既知の基準ウェーハの膜厚を一定時間ごとに定期的に測定し、その測定値が既知の基準ウェーハの膜厚に対し、ある一定の範囲内であれば、膜厚測定装置による測定結果は、ある一定の範囲の中で確かであるといえるのである。一般にこの作業は膜厚校正と呼ばれ、１日に１回もしくは１週間に１回の頻度で行われる。
【０００４】
元来、エリプソメトリーによる膜厚測定は第１原理に基づく測定方法であり、その光源となる波長や強度、種々の光学部品の光学特性や位置が安定しておれば基準となるウェーハは必要としない絶対測定の一つである。しかし、実際には光源の不安定性や、光学部品の光学特性、位置精度は絶対的なものではないため、精密な膜厚測定を必要とする場合には前記のごとく膜厚、光学特性が既知の基準ウェーハによりその測定の確かさを確認するのが通常である。一般に、従来使用されてきた１００ｎｍ程度の膜厚測定であれば、その測定精度を１％としても１ｎｍの偏差が許容されることになる。この１ｎｍという偏差はエリプソメーターにとっては十分達成可能な精度であり、この程度の膜厚の測定においては特に光学系や光学部品に著しい支障がないかぎりこのような基準ウェーハを用いての膜厚校正は必要ない。
【０００５】
しかし、装置の状態を把握するため膜厚１００ｎｍ程度の基準ウェーハを用いて膜厚測定装置の精度確認が行われているのが通常である。また近年では膜厚１０ｎｍ程度の極薄膜も測定することがあるため膜厚１０ｎｍ程度の膜厚基準ウェーハが用いられることもあるが、その場合、膜厚の確かさを補償する範囲としては±０．３〜０．５ｎｍが採用される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年の半導体デバイスとりわけＭＯＳトランジスタの微細化によりゲート絶縁膜の膜厚は薄膜化し、膜厚として３〜１ｎｍといった極薄絶縁膜が利用されるようになってきた。このような膜厚レンジのゲート絶縁膜に対してはその膜厚の管理値としては±０．２〜０．１ｎｍが要求される。すなわち、シリコン原子の原子ステップが０．３１４ｎｍであるのに対しても管理すべき膜厚レンジは±０．１ｎｍと十分小さい。このような薄膜を精度よく測定するためにエリプソメータでは光源であるレーザに安定性を高めるとともに、光学部品の環境制御（湿度、温度）を行いその測定精度を繰り返し精度で±０．０００３ｎｍ程度まで高めている。従って、その精度は管理をしようとする膜厚精度に比べ数十分の１であり測定装置としての安定性や精度には問題はない。
【０００７】
しかしながら、絶対測定ということを考えると繰り返し精度は十分あるものの、その測定が絶対値測定であるかどうかというと疑問である。従って、膜厚３〜１ｎｍの膜厚測定には既知の膜厚、光学特性を持った基準ウェーハによる膜厚校正が必須であることはいうまでもない。しかしながら膜厚基準ウェーハにおいてかくのごとく薄膜に対しては従来では無視できた問題が無視できなくなってきた。
【０００８】
５ｎｍ以下の絶縁膜を形成しエリプソメータで測定すると、時間とともに膜厚が増加する現象が確認される。これは極めて安定した測定系をもつ光学式膜厚測定装置にしてはじめて観察可能なものであって、従来の±０．３ｎｍ程度の精度をもつ膜厚測定装置においてはその現象を観察するのは難しくこの現象は一般的な観察とはいえない。これは、絶縁膜の表面に時間の経過とともに大気中の物質、とりわけ有機物を中心とした物質が付着するなどして、それまで絶縁膜単膜であったものが有機物層＋絶縁膜の２層膜になったため、光学的性質が変化し、光学的膜厚増加として観察されるためと考えられる。５ｎｍより厚い膜厚であればこのような膜厚の増加は全体の膜厚に比べて十分小さいものであったため、膜厚測定上大きな問題ではなかった。しかし全体の膜厚が５ｎｍ以下になると膜厚増加分が無視できなくなってくる。したがって、極薄絶縁膜の膜厚を再現性よく測定するためには上記膜厚増加現象を克服しなければならないという問題点があった。
【０００９】
ここでまず考えられるのが洗浄により絶縁膜表面の付着物を除去することである。一般に半導体ウェーハの洗浄に使用されるのは公知のＲＣＡ洗浄などによる洗浄である。ＲＣＡ洗浄は硫酸、過酸化水素水洗浄後、アンモニア、過酸化水素水洗浄、希ふっ酸エッチング、そして塩酸、過酸化水素水洗浄の組み合わせから構成される。このとき、アンモニア、過酸化水素水、水の混合比は１：１：５、またその温度は８０℃程度である。このような洗浄においては、そもそもその目的はパーティクルや、有機物、重金属の除去を目的としているがその達成のために下地の被洗浄物をエッチングすることによりその目的を達成するものである。
【００１０】
ＲＣＡ洗浄の変形として一般に用いられるアンモニア、過酸化水素水、水（以下ＡＰＭ洗浄と呼ぶ）洗浄においてはたとえば混合比１：１：５、８０℃においては、この洗浄を極薄絶縁膜膜厚基準ウェーハに使用した場合、仮に基準ウェーハを二酸化シリコン膜、膜厚３ｎｍとすれば、前記ＡＰＭ洗浄では１０分間の洗浄後には膜厚は１．２ｎｍまで減少する。これはＡＰＭ洗浄の二酸化シリコン膜のエッチングレートが０．１８ｎｍ／ｍｉｎであるためである。従って、この場合、膜厚の管理範囲がたとえば３．０±０．１ｎｍに対し、ＡＰＭ洗浄を行えば表面の付着有機物は除去できるかもしれないが、同時に絶縁膜自身もエッチングをしてしまいもはや膜厚基準としては役にたたなくなってしまう。すなわち、表面の付着物を除去しつつ膜厚３ｎｍ以下の絶縁膜の膜厚を変化させないためには単に汚れたら洗浄するという発想ではもはや対応できるものではない。このため、現状、膜厚５ｎｍ以下でトレーサブルな膜厚基準ウェーハというものは市場には流通していない。成膜後の膜厚の増加を防止できない上、その増加量を把握できないためである。
【００１１】
したがって、この発明の目的は、上記従来の問題点を解決するもので、極薄絶縁膜の膜厚を膜厚測定器にて再現性よく測定・管理できる膜厚測定装置および膜厚測定方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためにこの発明の請求項１記載の膜厚測定装置は、単波長エリプソメトリー、分光エリプソメトリーまたは単波長あるいは複数波長の反射・干渉の光学的手法によりウェーハ上に形成した単層あるいは多層の極薄絶縁膜を測定する膜厚測定装置であって、光学的手法により絶縁膜厚測定を行う直前に被測定ウェーハを空気中あるいは酸素および窒素を含む雰囲気中でコロナ放電ワイヤの直下を通過させることによりコロナ放電に暴露する前処理機構を有する。
【００１３】
このように、光学的手法により絶縁膜厚測定を行う直前に被測定ウェーハを空気中あるいは酸素および窒素を含む雰囲気中でコロナ放電ワイヤの直下を通過させることによりコロナ放電に暴露する前処理機構を有するので、コロナ放電は大気中の酸素を電離しオゾンや酸素イオンを発生させ、発生したオゾンや酸素イオンは活性であり、ウェーハ表面に付着している有機物を除去することができる。これにより、光学的特性を変化させる有機物が除去されているため、光学的手法により絶縁膜の膜厚を測定した場合、ウェーハ表面に形成されている絶縁膜本来の膜厚を正確に再現性よく測定、管理できる。
【００１６】
請求項２記載の膜厚測定装置は、請求項１記載の膜厚測定装置において、被測定ウェーハをステージ上に保持した状態で、減圧雰囲気中で１５℃から５００℃に加熱する機構を有する。このように、被測定ウェーハをステージ上に保持した状態で、減圧雰囲気中で１５℃から５００℃に加熱する機構を有するので、加熱されたウェーハ表面の有機物および水分は蒸気圧により蒸発するなどして除去される。また、減圧状態にすることによりウェーハ表面の有機物はより脱離しやすくなる。
【００１７】
請求項３記載の膜厚測定装置は、請求項１記載の膜厚測定装置において、被測定ウェーハをコロナ放電ワイヤの直下を通過させる際に、被測定ウェーハの表面に波長１５０〜３５０ｎｍの紫外光を全面に照射する機構を有する。このように、被測定ウェーハをコロナ放電ワイヤの直下を通過させる際に、被測定ウェーハの表面に波長１５０〜３５０ｎｍの紫外光を全面に照射する機構を有するので、コロナ放電とＵＶ照射によるオゾン発生を組み合わせることにより、より高濃度のオゾンを発生させ効率的に表面の有機物を除去することができる。
【００１８】
請求項４記載の膜厚測定装置は、請求項１，２または３記載の膜厚測定装置において、光学的手法により絶縁膜厚測定を行うためのウェーハを保持するステージと、前処理機構でウェーハを保持するステージとが独立している。このように、光学的手法により絶縁膜厚測定を行うためのウェーハを保持するステージと、前処理機構でウェーハを保持するステージとが独立しているので、極薄絶縁膜であっても再現性よく膜厚を測定することができる。
【００１９】
請求項５記載の膜厚測定方法は、極薄絶縁膜を有するウェーハをステージ上に保持する工程と、空気中あるいは酸素と窒素雰囲気中でウェーハの温度を１５℃から５００℃の範囲に保持した状態でコロナ放電ワイヤの直下を前記ステージを通過させることによりウェーハ全面にコロナ放電を暴露させる工程と、前記各工程の後で前記ウェーハおよびステージを所定の位置に移動させ、光学的手法により絶縁膜の膜厚測定を行う工程とを含む。
【００２０】
このように、極薄絶縁膜を有するウェーハをステージ上に保持する工程と、空気中あるいは酸素と窒素雰囲気中でウェーハの温度を１５℃から５００℃の範囲に保持した状態でコロナ放電ワイヤの直下をステージを通過させることによりウェーハ全面にコロナ放電を暴露させる工程と、各工程の後でウェーハおよびステージを所定の位置に移動させ、光学的手法により絶縁膜の膜厚測定を行う工程とを含むので、コロナ放電により発生したオゾンや酸素イオンにより、ウェーハ表面に付着している有機物を除去することができるとともに、加熱されたウェーハ表面の有機物および水分は蒸気圧により蒸発するなどして除去される。このため、前処理によって絶縁膜表面の有機物を除去し極薄絶縁膜自身の膜厚を正確に再現性よく測定することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施の形態を図１に基づいて説明する。図１はこの発明の第１の実施の形態における膜厚測定装置を示す概念図であり、（ａ）は前処理位置、（ｂ）は膜厚測定位置を示す。
【００２６】
この膜厚測定装置は、光学的手法によりウェーハ上に形成した単層あるいは多層の極薄絶縁膜を測定する構成において、光学的手法により絶縁膜厚測定を行う直前に被測定ウェーハを空気中あるいは酸素および窒素を含む雰囲気中でコロナ放電ワイヤの直下を通過させることによりコロナ放電に暴露する前処理機構を有する。
【００２７】
図１において、１１はシリコンからなる半導体基板（ウェーハ）で、表面に膜厚５ｎｍ以下の絶縁膜が形成されている。ここでは一酸化窒素と酸素の混合ガス雰囲気中で１０００℃で形成した膜厚２．８ｎｍの酸窒化膜を用いている。１２はコロナ放電ワイヤ、１３は単波長エリプソメータであり、その使用波長は６３２．８ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザで、レーザのウェーハへの入射角度は７０度である。本実施の形態ではこの光学的膜厚測定装置である単波長エリプソメータについてはこれ以上深くはふれない。この光学的膜厚測定装置は、単波長エリプソメトリーの他、分光エリプソメトリーまたは単波長あるいは複数波長の反射・干渉の光学的手法など、他の原理のものであっても同様であるためである。
【００２８】
図１（ａ）に示すように、ウェーハ１１は搬送系によりステージ１５上に設置される。本実施の形態ではステージ１５は常温に保持されており加熱装置はもっていない。ステージ１５上におかれたウェーハ１１は前処理位置まで移動する。このとき、前処理位置にはウェーハ１１の上方約２ｃｍの位置にコロナ放電線１２が設置されており、このコロナ放電ワイヤ１２には約２０００Ｖの電圧が印加されている。前処理位置で、ステージ１５上に置かれたウェーハ１１はコロナ放電ワイヤ１２で生成されるコロナ放電に暴露されながら、コロナ放電ワイヤ１２の直下を通過する。
【００２９】
このときコロナ放電は大気中の酸素を電離しオゾンや酸素イオンを発生させる。発生したオゾンや酸素イオンは活性であり、ウェーハ表面に付着している有機物を除去することができる。しかしながら、ステージ１５は常温に保たれている上、このコロナ放電ワイヤ１２直下で発生するオゾンはその濃度としては低くまた、オゾンの消滅寿命も短い。コロナ放電ワイヤ１２で発生したオゾンはそのほとんどがウェーハ表面で消滅するがそのときウェーハ表面の有機物を分解するのである。ここでオゾンガスなどを用いると逆に測定装置の光学系や駆動系の酸化による劣化をまねくとともに、未反応のオゾンは有害であるため無害化のためオゾンデストロイヤなどの処理装置も必要になる。このとき、コロナ放電ワイヤ１２を固定しステージ１５を一定水平方向に移動する、もしくはステージ１５を固定しコロナ放電ワイヤ１２を一定水平方向に走査することによりウェーハ全面をコロナ放電に暴露することができ、結果としてウェーハ全面に付着している有機物を除去できる。
【００３０】
前処理位置での処理が終了したら、図１（ｂ）に示すように、膜厚測定位置にステージ１５を移動し単波長エリプソメータ１３で膜厚を測定する。前処理によって光学的特性を変化させる有機物が除去されているため、エリプソメータなどで膜厚を測定した場合、ウェーハ表面に形成されている絶縁膜本来の膜厚を正確に再現性よく測定できる。
【００３１】
この発明の参考例１を図２に基づいて説明する。図２はこの発明の参考例１における膜厚測定装置を示す概念図であり、（ａ）は前処理位置、（ｂ）は膜厚測定位置を示す。
【００３２】
この膜厚測定装置は、光学的手法によりウェーハ上に形成した単層あるいは多層の極薄絶縁膜を測定する構成において、光学的手法により絶縁膜厚測定を行う直前に被測定ウェーハの表面に波長１５０〜３５０ｎｍの紫外光を全面に照射する前処理機構を有する。
【００３３】
図２において、１１はシリコンからなる半導体基板（ウェーハ）で、表面に膜厚５ｎｍ以下の絶縁膜が形成されている。本参考例においては酸素雰囲気中で１０００℃で２．６ｎｍの二酸化シリコン膜を形成した。１３は単波長エリプソメータ、１４はＵＶランプである。
【００３４】
図２（ａ）に示すように、ウェーハ１１はまず、ステージ１５上に搬送された後、前処理位置まで搬送される。前処理位置ではウェーハ１１の上方約５ｃｍの位置に、Ｘｅアークランプ１４が設置されている。このランプ１４は波長として１５０〜３５０ｎｍの紫外光を放射することができる。ランプ１４のパワーについては大きな制限はないが、ウェーハ１１への暴露によりウェーハ１１に吸収され、ウェーハ１１の温度を著しく上昇させない程度にとどめるべきである。具体的にはウェーハ１１の温度は３００℃以下に保てる程度のパワーにすべきである。ステージ１５上に置かれたウェーハ１１はＵＶランプ１４で生成される紫外光に暴露される。紫外光は大気中の酸素を電離しオゾンや酸素イオンを発生させる。発生したオゾンや酸素イオンはウェーハ表面に付着している有機物を除去することができる。このとき、ＵＶランプ１４を固定しステージ１５を一定水平方向に移動する、もしくはステージ１５を固定しＵＶランプ１４を一定水平方向に走査することによりウェーハ全面を紫外光に暴露することができ、結果としてウェーハ全面に付着している有機物を除去できる。本参考例の場合はオゾンを発生させるソースとしてＵＶランプ１４を用いたがこの場合も、ウェーハ自体を酸化させずに表面の有機物のみを除去できる程度のオゾン発生を目的としている。
【００３５】
前処理位置での処理が終了したら、図２（ｂ）に示すように、膜厚測定位置にステージ１５を移動し単波長エリプソメータ１３で膜厚を測定する。前処理によって光学的特性を変化させる有機物が除去されているため、エリプソメータなどで膜厚を測定した場合、ウェーハ表面に形成されている絶縁膜本来の膜厚を正確に再現性よく測定できる。
【００３６】
以上、第１の実施の形態および参考例１の如き構成においては一般にウェーハ表面に付着した有機物の除去には効果がある。しかもウェーハローディング中に前記有機物の除去ができるために膜厚測定のスループットを犠牲にすることなしに表面の有機付着物を除去することが可能である。しかし、有機物の付着形態によってはこれらのコロナ放電ワイヤやＵＶ光照射のみによっては除去できない場合もある。なぜなら、これらの手法によって発生させたオゾンはその濃度が必ずしも高くないからである。しかし、一般の有機物付着に関しては十分に有効な除去方法となりうるものである。
【００３７】
この発明の第２の実施の形態を図３に基づいて説明する。図３はこの発明の第２の実施の形態における膜厚測定装置を示す概念図であり、（ａ）は前処理位置、（ｂ）は膜厚測定位置を示す。
【００３８】
この膜厚測定装置は、第１の実施の形態の膜厚測定装置において、被測定ウェーハをステージ上に保持した状態で、減圧雰囲気中で室温から５００℃に加熱する機構を有する。図３において、１１はシリコンからなる半導体基板（ウェーハ）で、表面に膜厚５ｎｍ以下の絶縁膜が形成されている。１３はエリプソメータ、１５は加熱ステージ、１６は真空ポンプへつながる排気配管、１７は空気あるいは酸素およびあるいは窒素を含む雰囲気の導入配管である。前処理位置で、ステージ１５上に置かれたウェーハ１１は加熱ステージ１５で室温から５００℃程度まで加熱可能である。１８は測定用ステージ、１９はウェーハ１１を出し入れするゲートバルブである。
【００３９】
図３（ａ）に示すように、ウェーハ１１は搬送系により大気圧の前処理室のステージ１５上におかれる。このときステージ１５は抵抗加熱されており約３００℃に保持されている。ステージ自体は５００℃まで加熱可能であるが、ウェーハ１１の温度を加熱しすぎるとオゾンによるシリコン基板の酸化が進むことと、次工程の膜厚測定に影響を及ぼすためである。このウェーハ１１の加熱についてはその方法に制限はない。たとえば前処理チャンバの上方に石英ガラス窓を取り付け、上部から赤外線ランプ（ハロゲンランプなど）によりウェーハ１１を直接加熱することも可能である。加熱されたウェーハ表面の有機物および水分は蒸気圧により蒸発するなどして除去される。また、このとき前処理室を１ｔｏｒｒ程度の減圧状態にすることによりウェーハ表面の有機物はより脱離しやすくなる。圧力については制限はないため常圧から１ｔｏｒｒ程度の範囲で、スループットも加味して決定すればよい。このとき、前処理室のウェーハ上方２ｃｍ付近に設置されたコロナ放電ワイヤ１２によるコロナ放電によりオゾンを発生させても有機物の除去にはよりいっそう効果的である。このときコロナ放電と併用する場合は、ステージの温度については２００℃程度の低めにしたほうが良い結果が得られることがある。またこのときウェーハ１１をステージ１５ごと回転させることができればコロナー放電による有機物の除去均一性は向上することはいうまでもない。
【００４０】
前処理位置での処理が終了したら、常圧に復圧し、ゲートバルブ１９からウェーハ１１を取り出し、図３（ｂ）に示すように、別の測定用のステージ１８にウェーハ１１を置き、測定位置までウェーハ１１を移動させて単波長エリプソメータ１３にて膜圧を測定する。前処理によって光学的特性を変化させる有機物が除去されているため、エリプソメータなどで膜厚を測定した場合、ウェーハ表面に形成されている絶縁膜本来の膜厚を正確に再現性よく測定できる。
【００４１】
なお、本実施の形態の如き膜厚測定装置の場合、通常の膜厚測定は成膜してから測定までの時間は比較的短時間（長くとも数時間）であるため、コロナ放電と、常圧、常温での前処理とし、膜厚基準サンプルなど長期間保管しているウェーハの測定の場合にのみ、コロナ放電、減圧、基板加熱を行ってやれば効率がよいことはいうまでもない。成膜直後のウェーハの表面には有機物の付着量が少ないため、大がかりな有機物除去は効果がないばかりではなく、かえってスループットの低下を招くからである。
【００４２】
この発明の第３の実施の形態を図４に基づいて説明する。図４はこの発明の第３の実施の形態における膜厚測定装置を示す概念図であり、（ａ）は前処理位置、（ｂ）は膜厚測定位置を示す。
【００４３】
この膜厚測定装置は、第１の実施の形態の膜厚測定装置において、被測定ウェーハをコロナ放電ワイヤの直下を通過させる際に、被測定ウェーハの表面に波長１５０〜３５０ｎｍの紫外光を全面に照射する機構を有する。図４において１１はシリコンからなる半導体基板（ウェーハ）で、表面に膜厚５ｎｍ以下の絶縁膜が形成されている。絶縁膜はシリコン基板を２０６℃過塩素酸溶液中に３０分間処理して形成した膜厚３．５ｎｍの化学酸化膜を用いた。１２はコロナ放電ワイヤ、１３はエリプソメータ、１４はＵＶランプである。
【００４４】
図４（ａ）に示すように、ウェーハ１１は搬送機構によりステージ１５に置かれる。前処理位置で、ステージ１５上に置かれたウェーハ１１はＵＶランプ１４からの紫外光と同時にコロナ放電ワイヤ１２で生成されるコロナ放電とに暴露される。紫外光およびコロナ放電は大気中の酸素を電離しオゾンや酸素イオンを発生させる。発生したオゾンや酸素イオンはウェーハ表面に付着している有機物を除去することができる。
【００４５】
前処理位置での処理が終了したら、図４（ｂ）に示すように、膜厚測定位置にステージ１５を移動しエリプソメータ１３で膜厚を測定する。前処理によって光学的特性を変化させる有機物が除去されているため、エリプソメータなどで膜厚を測定した場合、ウェーハ表面に形成されている絶縁膜本来の膜厚を正確に再現性よく測定できる。本実施の形態はコロナ放電とＵＶ照射によるオゾン発生を組み合わせることにより、より高濃度のオゾンを発生させ効率的に表面の有機物を除去するものである。
【００４６】
この発明の第４の実施の形態を図５に基づいて説明する。図５はこの発明の第４の実施の形態における膜厚測定装置を示す概念図であり、（ａ）は前処理位置、（ｂ）は膜厚測定位置を示す。
【００４７】
この膜厚測定装置は、第１〜３の実施の形態の膜厚測定装置において、光学的手法により絶縁膜厚測定を行うためのウェーハを保持するステージと、前処理機構でウェーハを保持するステージとが独立している。図５において、１１はシリコンからなる半導体基板（ウェーハ）で、表面に膜厚５ｎｍ以下の絶縁膜が形成されている。１２はコロナ放電ワイヤ、１３はエリプソメータ、１４はＵＶランプ、１５は加熱ステージ、１６は真空ポンプへつながる排気配管、１７は空気あるいは酸素およびあるいは窒素を含む雰囲気の導入配管である。１８は測定用ステージ、１９はウェーハ１１を出し入れするゲートバルブである。
【００４８】
図５（ａ），（ｂ）に示すように、前処理を行うステージ１５は、膜厚測定を行うステージ１８とは独立しており、膜厚測定はまず、測定しようとするウェーハ１１を前処理ステージ１５に移載し前処理を実施する。このときの前処理条件はステージ温度３００℃、圧力１ｔｏｒｒ、コロナ放電ワイヤ１２の印加電圧２０００Ｖ、ＵＶランプ１４の発光波長帯域は１５０〜３５０ｎｍで前処理を１分間実施した。その後、チャンバ内を復圧し、前処理ステージ１５から膜厚測定ステージ１８にウェーハ１１を移載し、エリプソメータ１３で膜厚を測定する。これにより、極薄絶縁膜であっても再現性よく膜厚を測定することができる。
【００４９】
この発明の第５の実施の形態を図６に基づいて説明する。図６はこの発明の第６の実施の形態における膜厚測定方法を示す工程図である。
【００５０】
この膜厚測定方法は、極薄絶縁膜を有するウェーハをステージ上に保持する工程と、空気中あるいは酸素と窒素雰囲気中でウェーハの温度を室温から５００℃の範囲に保持した状態でコロナ放電ワイヤの直下をステージを通過させることによりウェーハ全面にコロナ放電を暴露させる工程と、各工程の後でウェーハおよびステージを所定の位置に移動させ、光学的手法により絶縁膜の膜厚測定を行う工程とを含む。また、これらの工程は第１または第２の実施の形態の膜厚測定装置を用いて行うことができる。
【００５１】
図６（ａ）に示すように、極薄絶縁膜の膜厚測定において、まず、極薄絶縁膜を有する半導体基板１１をステージ１５上に保持する。本実施の形態では絶縁膜はＲＴＰ装置により酸素中で１０００℃で形成した膜厚２．２０ｎｍの二酸化シリコン膜を用いた。このウェーハはあらかじめクリーンルーム内で３ケ月間放置することにより、エリプソメータによる膜厚値は２．５ｎｍと増加していた。図６（ｂ），（ｃ）  に示すように、保持したウェーハ１１および絶縁膜表面を、空気中あるいは酸素と窒素雰囲気中で２０００Ｖを印加したコロナ放電ワイヤ１２の直下２ｃｍをステージ１５を１ｃｍ／ｓｅｃの速度で移動させることによりウェーハ全面にコロナ放電を暴露させ、さらにコロナ放電ワイヤ１２の直下を通過させる際にウェーハ１１を３００℃のステージ１５上に載せた。ウェーハ１１の正確な温度は測定していないがステージ１５においた後、約３０秒で２８０℃以上まで昇温した。その後ウェーハ１１およびステージ１５を所定の位置に移動させ、図６（ｄ）に示すように、エリプソメータ１３を用いて光学的な手法により膜厚を測定した。波長６３２．８ｎｍの単波長エリプソメータ１３により得られた測定値は２．２３ｎｍであった
これにより、上記前処理によって絶縁膜表面の有機物を除去し極薄絶縁膜自身の膜厚を正確かつ再現性よく測定することができる。本実施の形態によれば３ケ月間にウェーハ表面に付着した０．３ｎｍ相当の有機物はほぼ除去することが可能であった。しかしながら、測定後は新たに表面への付着が始まり、測定後２時間後には膜厚は２．２８ｎｍとなった。従って、測定直前の処理が重要であることはいうまでもない。
【００５２】
この発明の参考例２を図７〜図１０に基づいて説明する。図７はこの発明の参考例２における膜厚基準ウェーハの前処理方法を示す工程図である。
【００５３】
膜厚基準ウェーハの膜厚を定期的に測定し、その測定値が既知の基準ウェーハの膜厚に対し所定範囲内にあることで測定精度を管理する際に用いる膜厚基準ウェーハの製造方法であって、所定の膜厚の絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜形成後の所定時間後に、絶縁膜に対し、硫酸と過酸化水素水あるいは硫酸とオゾン水の混合液により８０〜１５０℃で所定時間処理する工程と、温純水もしくは超純水により薬液を置換し、乾燥する工程とを含み、各処理が基準ウェーハとしての使用前少なくとも３０分以前から直前に完了する。
【００５４】
図７（ａ）に示すように、半導体基板１１上に形成された極薄絶縁膜を膜厚が既知の膜厚基準ウェーハとして使用する場合において、まず、公知の熱酸化、熱窒化、熱酸窒化などの成膜手段により所定の膜厚の絶縁膜２を形成する。絶縁膜形成後任意の時間後には雰囲気中に含まれる有機物などが絶縁膜表面に付着する。
【００５５】
図８は酸素雰囲気中１０００℃で形成した膜厚２．６ｎｍの二酸化シリコン膜の、膜厚の時間依存性で３ケ月までデータを取得した。成膜直後から膜厚は表面への有機物や水分付着により急激に増加しはじめ、２時間後には約０．５ｎｍ増加する。その後も膜厚は増加をつづけその増加量は飽和傾向にあるものの約１年までゆるやかに増加する。本参考例での試料については３ケ月で本参考例を適用しているため、その膜厚増加量は０．２ｎｍ程度である。しかし、実際にその後も放置すればその増加量は０．３〜０．５ｎｍにも達する。
【００５６】
そこで、図７（ｂ），（ｃ）に示すように、前記絶縁膜に対し、硫酸と過酸化水素水あるいは硫酸とオゾン水の混合液（混合比４：１）により９５℃で７分間スプレイ処理し、つづいて温純水および超純水のスプレイにより薬液を置換し、乾燥した。その後、洗浄から３０分以内に測定した結果を同じく図８に示す。洗浄後測定した膜厚は２．６３ｎｍであった。ここで、有機物の再付着の影響を排除するため前記前処理が基準ウェーハとして使用する前すくなくとも３０分以前から直前に処理が完了していなければならない。これによって膜厚測定装置の管理に用いることのできる膜厚基準ウェーハを得ることができる（図７（ｄ））。膜厚基準ウェーハの如きにおいては定期的に正確な膜厚が測定できればその役目を果たすことが可能であり膜厚校正を実施する都度実施すればよい。
【００５７】
ウェーハ表面に付着した有機物等を除去するにはシリコンをエッチングせず、被付着物のみを溶解・除去すればよいのだが、実際には付着している有機物をいちいち特定することは不可能であり、また特定できたとしても複数の物質であるため、それらのみを選択的に除去できるエッチング液の発見は極めて困難である。一方、膜厚基準ウェーハの役目は膜厚校正時に膜厚が安定していることである。その膜厚はなにも成膜直後の膜厚と等しくなければならないということはない。膜厚の基準となりうる安定した膜であればよい。その点に着目すると、ウェーハ表面に付着した付着物をすべて除去する必要はない。
【００５８】
図９に示すように、付着物（表面付着層２０）のうち、除去しやすいものだけを除去して逆に、除去しにくいものを固化させてさらに強固な付着物に変質せしめれば、膜厚は常に成膜した絶縁膜２と強固な付着層（表面固化層２０ａ）の２層になる。この強固な付着層２０ａは本参考例の洗浄では除去できないので、本参考例の前処理方法によれば、新たに付着した有機物層のみを除去し、固化した強固な付着層２０ａは残した状態を常に保持することができる。この場合、成膜時の膜厚よりは厚い膜厚ではあるものの安定して膜厚基準としての役目を果たすことが可能となる。
【００５９】
図１０はこの状態を模式的に示したグラフである。成膜後の膜厚は時間の経過とともに増加するが、本参考例の洗浄により成膜時の膜厚に一定の膜厚を加えた膜厚で洗浄後の膜厚は安定する。すなわち、本参考例は付着物をすべて除去するのではなく、かえって付着物の一部を固化して残すことにより安定した膜厚基準としての役目を果たすためのものである。
【００６０】
なお本参考例では洗浄液として硫酸と過酸化水素水の混合液を用いたが、硫酸とオゾン水の混合液でもよい。
【００６１】
この発明の参考例３を図１１〜図１３に基づいて説明する。図１１はこの発明の参考例３における膜厚基準ウェーハの前処理方法を示す工程図である。
【００６２】
膜厚基準ウェーハの膜厚を定期的に測定し、その測定値が既知の基準ウェーハの膜厚に対し所定範囲内にあることで測定精度を管理する際に用いる膜厚基準ウェーハの製造方法であって、所定の膜厚の絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜形成後の所定時間後に、絶縁膜に対し、アンモニア水と過酸化水素水あるいはアンモニア水とオゾン水の混合比が１：１から１：５００である混合液により室温から４０℃で所定時間処理する工程と、温純水もしくは超純水により薬液を置換し、乾燥する工程とを含み、各処理が基準ウェーハとしての使用前少なくとも３０分以前から直前に完了する。
【００６３】
図１１（ａ）に示すように、半導体基板１１上に形成された極薄絶縁膜を膜厚が既知の膜厚基準ウェーハとして使用する場合において、まず、公知の熱酸化、熱窒化、熱酸窒化などの成膜手段により所定の膜厚の絶縁膜２を形成する。半導体基板上、とりわけＰ型（１００）１０〜１５Ωｃｍのシリコン基板上に酸素雰囲気中で９００℃で、膜厚１．８ｎｍの二酸化シリコン膜を成長させた。その後、表面に有機物などを付着させるためにクリーンルーム中で３ケ月間ウェーハを保管した。成膜直後のエリプソメータによる膜厚の測定値は１．８２ｎｍであった。その後、約２時間で膜厚は１．８８ｎｍに増加し、さらにゆるやかに増加を続け３ケ月後には２．０５ｎｍまで増加した。
【００６４】
図１１（ｂ），（ｃ）に示すように、前記３ケ月放置したウェーハに対し、アンモニア水と過酸化水素水および水（以後ＡＰＭと呼ぶ）を１：１：１００で混合した液を３０℃に保持した溶液中に１０分間浸した。つづいて超純水により薬液を置換し、乾燥した。前記前処理は基準ウェーハとしての使用前すくなくとも３０分以前から直前に処理が完了するようにした。その結果を図１２に示す。本参考例の如き希釈かつ低温のＡＰＭ洗浄をほどこすことにより、表面への有機物付着により膜厚の増加したウェーハはＡＰＭにより有機物が除去され。ほぼ成膜時の膜厚に戻ることがわかる。一方で、本参考例の如き希釈、低温ＡＰＭといえども厳密には二酸化シリコン膜のエッチングする能力は備えているがそのエッチングレートは０．０５ｎｍ／ｍｉｎ以下であり、実質上絶縁膜はほとんどエッチングされることはない。ただし厳密には本参考例の洗浄を無限回繰り返せば膜厚は成膜時より徐々に減少していくことになる（図１３）。本参考例についても洗浄後、測定までは３０分以内に実施することが必要である（図１１（ｄ））。
【００６５】
【発明の効果】
この発明の請求項１記載の膜厚測定装置によれば、光学的手法により絶縁膜厚測定を行う直前に被測定ウェーハを空気中あるいは酸素および窒素を含む雰囲気中でコロナ放電ワイヤの直下を通過させることによりコロナ放電に暴露する前処理機構を有するので、コロナ放電は大気中の酸素を電離しオゾンや酸素イオンを発生させ、発生したオゾンや酸素イオンは活性であり、ウェーハ表面に付着している有機物を除去することができる。これにより、光学的特性を変化させる有機物が除去されているため、光学的手法により絶縁膜の膜厚を測定した場合、ウェーハ表面に形成されている絶縁膜本来の膜厚を正確に再現性よく測定、管理できる。
【００６７】
請求項２では、被測定ウェーハをステージ上に保持した状態で、減圧雰囲気中で１５℃から５００℃に加熱する機構を有するので、加熱されたウェーハ表面の有機物および水分は蒸気圧により蒸発するなどして除去される。また、減圧状態にすることによりウェーハ表面の有機物はより脱離しやすくなる。
【００６８】
請求項３では、被測定ウェーハをコロナ放電ワイヤの直下を通過させる際に、被測定ウェーハの表面に波長１５０〜３５０ｎｍの紫外光を全面に照射する機構を有するので、コロナ放電とＵＶ照射によるオゾン発生を組み合わせることにより、より高濃度のオゾンを発生させ効率的に表面の有機物を除去することができる。
【００６９】
請求項４では、光学的手法により絶縁膜厚測定を行うためのウェーハを保持するステージと、前処理機構でウェーハを保持するステージとが独立しているので、極薄絶縁膜であっても再現性よく膜厚を測定することができる。
【００７０】
この発明の請求項５記載の膜厚測定方法によれば、極薄絶縁膜を有するウェーハをステージ上に保持する工程と、空気中あるいは酸素と窒素雰囲気中でウェーハの温度を１５℃から５００℃の範囲に保持した状態でコロナ放電ワイヤの直下をステージを通過させることによりウェーハ全面にコロナ放電を暴露させる工程と、各工程の後でウェーハおよびステージを所定の位置に移動させ、光学的手法により絶縁膜の膜厚測定を行う工程とを含むので、コロナ放電により発生したオゾンや酸素イオンにより、ウェーハ表面に付着している有機物を除去することができるとともに、加熱されたウェーハ表面の有機物および水分は蒸気圧により蒸発するなどして除去される。このため、前処理によって絶縁膜表面の有機物を除去し極薄絶縁膜自身の膜厚を正確に再現性よく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の第１の実施の形態における膜厚測定装置を示す概念図である。
【図２】  この発明の参考例１における膜厚測定装置を示す概念図である。
【図３】  この発明の第２の実施の形態における膜厚測定装置を示す概念図である。
【図４】  この発明の第３の実施の形態における膜厚測定装置を示す概念図である。
【図５】  この発明の第４の実施の形態における膜厚測定装置を示す概念図である。
【図６】  この発明の第５の実施の形態における膜厚測定方法を示す工程図である。
【図７】  この発明の参考例２における膜厚基準ウェーハの製造方法を示す工程図である。
【図８】  この発明の参考例２における成膜直後からの膜厚の経時変化を示すグラフである。
【図９】  この発明の参考例２における表面付着と前処理後の膜厚の変化の模式図である。
【図１０】  この発明の参考例２における膜厚の経時変化と洗浄後の膜厚の推移を示すグラフである。
【図１１】  この発明の参考例３における膜厚基準ウェーハの製造方法を示す工程図である。
【図１２】  この発明の参考例３における成膜直後からの膜厚の経時変化を示すグラフである。
【図１３】  この発明の参考例３における膜厚の経時変化と洗浄後の膜厚の推移を示すグラフである。
【図１４】  従来の膜厚測定器管理方法の説明図である。
【符号の説明】
１  半導体基板
２  極薄絶縁膜
３  付着物
１１  半導体基板
１２  コロナ放電ワイヤ
１３  エリプソメータ
１４  ＵＶランプ
１５  ステージ
１６  排気配管
１７  導入配管
【図１】
0003742319.tif 000002
【図２】
0003742319.tif 000003
【図３】
0003742319.tif 000004
【図４】
0003742319.tif 000005
【図５】
0003742319.tif 000006
【図６】
0003742319.tif 000007
【図７】
0003742319.tif 000008
【図８】
0003742319.tif 000009
【図９】
0003742319.tif 000010
【図１０】
0003742319.tif 000011
【図１１】
0003742319.tif 000012
【図１２】
0003742319.tif 000013
【図１３】
0003742319.tif 000014
【図１４】
0003742319.tif 000015