JP2000031226A - Manufacturing device and method of semiconductor device - Google Patents

Manufacturing device and method of semiconductor device

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JP2000031226A
JP2000031226A JP37215398A JP37215398A JP2000031226A JP 2000031226 A JP2000031226 A JP 2000031226A JP 37215398 A JP37215398 A JP 37215398A JP 37215398 A JP37215398 A JP 37215398A JP 2000031226 A JP2000031226 A JP 2000031226A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make it possible to measuring the thickness of a film on a semiconductor region by optical evaluation in a clustered manufacturing device. SOLUTION: A cleaning chamber 1, a rapid oxidizing chamber 2, an optical measuring chamber 5, etc., are arranged centered on a load lock chamber 3 for providing the manufacturing device of clustered semiconductor device. An optical measuring system is arranged with a light source 7 for exciting light, a light source for measuring light, a photodetector 9, a control analysis system 13. For example, in the formation time of an oxide film, after cleaning up a wafer in the cleaning chamber 1, the remaining extent, etc., of a natural oxide film is measured by photomodulation reflecting power spectroscope in the optical measuring chamber 5 to be oxidized later in the rapid oxidizing chamber 2. In such a constitution, the wafer surface is not oxidized by atmospheric exposure so that the wafer surface status on the way of a series of processing may be monitored thereby making it possible to control the manufacturing steps using the clustered device.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
装置及びその製造方法に係り、特に大気とは絶縁された
雰囲気下でクラスタリングされた製造装置を用いた製造
工程中における半導体層の表面及びその上に形成された
膜の特性の管理に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for manufacturing a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to the surface of a semiconductor layer during a manufacturing process using a manufacturing apparatus clustered in an atmosphere insulated from the atmosphere. The present invention relates to management of characteristics of a film formed thereon.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、半導体集積回路の高集積化の進展
に伴い、MOSデバイスにおいても構成要素であるトラ
ンジスタ等の素子の微細化,高性能化が要求されてい
る。ただし、トランジスタ等の素子の微細化によってデ
バイス全体の信頼性が損なわれてはならない。そこで、
トランジスタ等の素子を構成する各要素の微細化と信頼
性の向上とが併せて求められている。
2. Description of the Related Art In recent years, with the progress of high integration of semiconductor integrated circuits, there is a demand for miniaturization and high performance of elements such as transistors, which are constituent elements of MOS devices. However, miniaturization of elements such as transistors must not impair the reliability of the entire device. Therefore,
There is a demand for miniaturization and reliability improvement of each element constituting an element such as a transistor.

【0003】特に、MOSデバイスの重要な構成要素で
あるゲート絶縁膜(ゲート酸化膜)については、その薄
膜化が急激に進行中であり、21世紀には4nm以下の
非常に薄い絶縁膜が用いられると予想されている。ここ
で、ゲート絶縁膜の特性がMOSトランジスタの特性、
ひいては半導体集積回路の電気的な特性を決定するとい
われており、良好な特性を有する絶縁膜の実現が切望さ
れている。
In particular, the thickness of a gate insulating film (gate oxide film), which is an important component of a MOS device, is being rapidly reduced. In the 21st century, a very thin insulating film of 4 nm or less is used. It is expected to be. Here, the characteristics of the gate insulating film are the characteristics of the MOS transistor,
Further, it is said that the electrical characteristics of the semiconductor integrated circuit are determined, and realization of an insulating film having good characteristics is strongly desired.

【0004】ここで、絶縁膜の特性は、絶縁膜が形成さ
れる前における半導体層の表面状態に大きく左右される
ことがわかっており、そのために、半導体層の特性を改
善するための洗浄方法等が検討されている。例えば,S
i基板表面の凹凸を極力小さくできる洗浄方法(プリゲ
ート洗浄処理)を採用することにより、研究レベルで
は、厚みが1.2nm程度と極めて薄く、かつ品質のよ
いゲート酸化膜を形成できることが報告されている。
Here, it has been known that the characteristics of the insulating film largely depend on the surface state of the semiconductor layer before the insulating film is formed. Therefore, a cleaning method for improving the characteristics of the semiconductor layer is known. Etc. are being studied. For example, S
At the research level, it has been reported that a very thin gate oxide film with a thickness as low as about 1.2 nm and high quality can be formed by employing a cleaning method (pre-gate cleaning treatment) that can minimize irregularities on the i-substrate surface. I have.

【0005】さらに、このようなプリゲート洗浄処理−
ゲート絶縁膜形成という一連の手順を大気に暴露するこ
となく実現し、大気暴露に起因する自然酸化膜の形成や
汚染物質の付着を防止しようとするクラスタリングされ
た製造装置も報告されている(文献1:Schuegrafら,I
EEE/International Reliability and Physics Symposiu
m 97,p.7)。このクラスタリングされた製造装置を用い
た製造プロセスによって高品質のゲート絶縁膜が得られ
ることが検証されており、特に、厚みが4nm以下にま
で薄膜化されたゲート絶縁膜の形成工程では、クラスタ
リングされた製造装置を使用することが望ましい。
Further, such a pre-gate cleaning process
A clustered manufacturing device that realizes a series of steps of forming a gate insulating film without exposing it to the atmosphere and prevents the formation of a natural oxide film and the attachment of contaminants due to the exposure to the air has also been reported. 1: Schuegraf et al., I
EEE / International Reliability and Physics Symposiu
m 97, p. 7). It has been verified that a high-quality gate insulating film can be obtained by a manufacturing process using this clustered manufacturing apparatus. In particular, in the step of forming a gate insulating film having a thickness reduced to 4 nm or less, clustering is performed. It is desirable to use production equipment that has been developed.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】一方、MOSデバイス
中のゲート絶縁膜の特性の管理は、従来、MOSキャパ
シタあるいはMOSトランジスタ等の素子を形成し、こ
の素子の電気的な特性を解析することにより行なわれて
いる。したがって、ゲート絶縁膜の形成工程で何らかの
トラブルが発生した場合には、MOSキャパシタ等を形
成した後に、その電気的特性を評価することによりその
トラブルの存在を発見し、その後、原因の究明及びトラ
ブルの解消策を講ずるという手順に従っている。そのた
めに、トラブルが発見されるまでの間に電気的特性のよ
くないゲート絶縁膜が多量に形成され続けることになる
ので、生産効率の低下を招いている。
On the other hand, the characteristics of a gate insulating film in a MOS device are conventionally managed by forming a device such as a MOS capacitor or a MOS transistor and analyzing the electrical characteristics of the device. Is being done. Therefore, if any trouble occurs in the process of forming the gate insulating film, the existence of the trouble is discovered by evaluating the electrical characteristics after forming the MOS capacitor and the like. Follow the steps to take measures to resolve the problem. For this reason, a large amount of gate insulating film having poor electric characteristics is continuously formed until a trouble is discovered, which causes a decrease in production efficiency.

【0007】ところが、従来、製造工程中における膜厚
の測定に用いられているエリプソメータを薄膜の測定に
使用すれば、一応の測定値は示されるものの、その測定
値の信頼性は10nm程度が限界で、それよりも薄い膜
の厚みについては測定値の精度が十分補償されていると
は言い難い。特に、厚みが4nm程度以下の極薄膜につ
いては、製造工程中で行なうことができる確実な評価方
法が未だ確立されていないないのが現状である。
However, if an ellipsometer conventionally used for measuring a film thickness in a manufacturing process is used for measuring a thin film, a measured value is shown, but the reliability of the measured value is limited to about 10 nm. However, it is difficult to say that the accuracy of the measured value is sufficiently compensated for a thinner film thickness. In particular, for ultra-thin films having a thickness of about 4 nm or less, a reliable evaluation method that can be performed during the manufacturing process has not yet been established.

【0008】また、上述のようなクラスタリングされた
製造装置を用いたプロセスでは、ウエハに対して多くの
一連の処理を行なった後に、ウエハ上に形成されたMO
Sキャパシタ等の電気的特性を測定することになるが、
その一連の処理の途中工程におけるウエハの状態を管理
する方法がなかった。そのため、研究室レベルではとも
かく、MOSデバイスの量産工程においては、せっかく
クラスタリングされた製造装置を用いても、高品質のゲ
ート絶縁膜を形成できるという保証がないのが現状であ
る。
In a process using a clustered manufacturing apparatus as described above, after a series of many processes are performed on a wafer, an MO formed on the wafer is processed.
The electrical characteristics of the S capacitor etc. will be measured,
There is no method for managing the state of the wafer in the middle of the series of processes. Therefore, at the laboratory level, in the mass production process of MOS devices, there is no guarantee that a high-quality gate insulating film can be formed even by using a clustered manufacturing apparatus.

【0009】本発明の第1の目的は、極薄膜についても
十分な信頼性と精度を補償しうる工学的評価方法を組み
込んだ半導体装置の製造方法を提供することにある。
A first object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device incorporating an engineering evaluation method capable of compensating for sufficient reliability and accuracy even for an extremely thin film.

【0010】本発明の第2の目的は、クラスタリングさ
れた製造装置を用いたプリゲート処理→絶縁膜形成工程
において、絶縁膜の特性,特に膜厚を光学的に計測し、
その特性管理手法を実現する半導体装置の製造方法及び
製造装置を提供することにある。
A second object of the present invention is to optically measure the characteristics of an insulating film, particularly the thickness, in a pre-gate process → insulating film forming process using a clustered manufacturing apparatus.
An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for manufacturing a semiconductor device which realizes the characteristic management method.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造装置は、半導体領域を有するウエハに処理を施すため
の複数の処理室と、上記複数の処理室を含む空間を大気
から遮断した雰囲気に維持するように取り囲む共通容器
と、上記共通容器内でウエハを搬送するための搬送手段
と、上記共通容器内のいずれかの部位にウエハを設置し
た状態で上記ウエハの表面状態を光学的に評価するため
の光学的測定手段とを備え、クラスタリングされた装置
である。
According to the present invention, there is provided an apparatus for manufacturing a semiconductor device, comprising: a plurality of processing chambers for processing a wafer having a semiconductor region; and an atmosphere in which a space including the plurality of processing chambers is shielded from the atmosphere. A common container surrounding the common container, a transfer means for transferring the wafer in the common container, and optically changing the surface state of the wafer in a state where the wafer is installed in any part of the common container. And an optical measuring means for evaluation.

【0012】これにより、ウエハを大気にさらすことに
より形成される自然酸化膜や付着する汚れなどの影響の
ない状態でウエハの表面状態を光学的に評価することが
できる。すなわち、膜を除去した後のウエハの表面状態
や、膜を形成した後のウエハの表面状態を光学的に評価
することで、例えば酸化膜の膜厚などを高精度で測定す
ることが可能となる。そして、光学的測定のためにウエ
ハを共通容器外に取り出す必要がないので、インライン
での評価を利用して製造工程中のウエハに悪影響を与え
ることなく半導体装置の製造工程を適正に管理すること
ができる。
Thus, it is possible to optically evaluate the surface state of the wafer without being affected by a natural oxide film formed by exposing the wafer to the atmosphere or the attached dirt. That is, by optically evaluating the surface state of the wafer after removing the film and the surface state of the wafer after forming the film, it is possible to measure, for example, the thickness of the oxide film with high accuracy. Become. In addition, since it is not necessary to take the wafer out of the common container for optical measurement, the in-line evaluation should be used to properly manage the semiconductor device manufacturing process without adversely affecting the wafer during the manufacturing process. Can be.

【0013】上記半導体装置の製造装置において、上記
光学的測定手段を、励起光を生成する第1の光源と、測
定光を生成する第2の光源と、上記第1の光源で生成さ
れた励起光を上記共通容器内のウエハの半導体領域に間
欠的に照射させるための第1の光案内部材と、上記第2
の光源で生成された測定光を上記半導体領域に照射させ
るための第2の光案内部材と、上記半導体領域に照射さ
れた測定光の反射率を検出するための反射率検出手段
と、上記半導体領域から反射された測定光を上記反射率
検出手段に入射させるための第3の光案内部材と、上記
反射率検出手段の出力を受け、上記半導体領域に励起光
が照射されているときと励起光が照射されていないとき
との測定光の反射率の差を上記励起光が照射されていな
いときの測定光の反射率で除した値を測定光の反射率の
変化割合として演算する変化演算手段とにより構成する
ことができる。
In the semiconductor device manufacturing apparatus, the optical measuring means may include a first light source for generating excitation light, a second light source for generating measurement light, and an excitation light generated by the first light source. A first light guide member for intermittently irradiating light to a semiconductor region of a wafer in the common container;
A second light guide member for irradiating the semiconductor region with the measurement light generated by the light source, a reflectance detection unit for detecting a reflectance of the measurement light radiated to the semiconductor region, and the semiconductor A third light guide member for causing the measurement light reflected from the region to enter the reflectance detection means, and receiving an output of the reflectance detection means and irradiating the semiconductor region with excitation light when excitation light is irradiated. A change calculation that calculates a value obtained by dividing a difference between the reflectance of the measurement light when the light is not irradiated and the reflectance of the measurement light when the excitation light is not irradiated as a change ratio of the reflectance of the measurement light. Means.

【0014】これにより、以下の作用が得られる。第1
の光案内部材により導かれる励起光が半導体領域に照射
されると半導体領域のキャリアが励起され、キャリアに
よって電界が生じる。この電界のために、第2の光案内
部材によって半導体領域に導かれる測定光の反射率は、
励起光の照射があるときとないときとでは変化し、この
変化割合は電界強度の大小及び測定光の波長に依存して
変化する。一方、半導体領域の表面付近にキャリアの再
結合中心となる欠陥などがあると、励起されたキャリア
の寿命が短くなるので、キャリアが形成する電界強度が
小さくなる。つまり、励起光の照射があるときとないと
きにおける反射率の変化割合が半導体領域の表面付近の
欠陥などの数に依存して変化する。また、半導体領域の
上に膜があると膜の厚みの増大とともに電子の付着過程
が生じて、反射率の変化割合が大きくなる。従って、変
化演算手段により、反射率検出手段の検出値から半導体
領域における測定光の反射率の変化割合が演算される
と、この反射率の変化割合は、半導体領域の結晶状態や
膜の有無あるいは厚みなどに関する情報を含んでいる。
そこで、この反射率の変化割合に基づいて、ウエハの表
面状態を高い感度で評価することができる。
As a result, the following effects can be obtained. First
When the semiconductor region is irradiated with the excitation light guided by the light guide member, carriers in the semiconductor region are excited, and an electric field is generated by the carriers. Due to this electric field, the reflectivity of the measuring light guided to the semiconductor region by the second light guide member is:
The ratio changes depending on whether the excitation light is irradiated or not, and the rate of change changes depending on the magnitude of the electric field intensity and the wavelength of the measurement light. On the other hand, if there is a defect serving as a recombination center of carriers near the surface of the semiconductor region, the life of the excited carriers is shortened, and the electric field intensity formed by the carriers is reduced. That is, the rate of change of the reflectance with and without the excitation light irradiation changes depending on the number of defects and the like near the surface of the semiconductor region. In addition, if a film is present on the semiconductor region, the thickness of the film increases and the process of attaching electrons occurs, and the rate of change in reflectance increases. Therefore, when the change calculation means calculates the change rate of the reflectance of the measurement light in the semiconductor region from the detection value of the reflectance detection means, the change rate of the reflectance is determined by the crystal state of the semiconductor region, the presence or absence of a film, or It contains information about the thickness and the like.
Therefore, the surface state of the wafer can be evaluated with high sensitivity based on the change ratio of the reflectance.

【0015】上記半導体装置の製造装置において、上記
複数の処理室が、ウエハに対しエッチング作用を含む洗
浄処理を施すための処理室と、ウエハの半導体領域上に
膜を形成するための処理室とを含むことにより、ウエハ
上の膜が除去された状態で光学的評価を行うか、その後
ウエハ上に膜が形成された状態で光学的評価を行うこと
が可能になり、自然酸化膜のない清浄なウエハ表面の光
学的評価が可能になる。
In the apparatus for manufacturing a semiconductor device, the plurality of processing chambers may include a processing chamber for performing a cleaning process including an etching action on the wafer, and a processing chamber for forming a film on a semiconductor region of the wafer. The optical evaluation can be performed with the film on the wafer removed, or the optical evaluation can be performed after the film has been formed on the wafer. Optical evaluation of the wafer surface becomes possible.

【0016】上記半導体装置の製造装置において、上記
共通容器内に設けられた光学的測定室をさらに備え、上
記光学的測定手段を上記光学的測定室に配設することが
できる。
In the apparatus for manufacturing a semiconductor device, an optical measurement chamber provided in the common container may be further provided, and the optical measurement means may be provided in the optical measurement chamber.

【0017】さらに、上記光学的測定室をウエハを冷却
するための冷却室としても機能させることにより、クラ
スタリングされた製造装置内に設けられていることが多
い冷却室を利用して光学的評価を行うことができる。
Further, by making the above-mentioned optical measurement chamber also function as a cooling chamber for cooling a wafer, optical evaluation can be performed using a cooling chamber which is often provided in a clustered manufacturing apparatus. It can be carried out.

【0018】上記半導体装置の製造装置において、上記
ウエハ上に膜を形成するための処理室を、ウエハの半導
体領域に熱酸化処理を施すことにより酸化膜を形成する
ように構成し、上記共通容器内に設けられ、上記酸化膜
の上に導体膜を形成するための処理室をさらに備えるこ
とにより、熱酸化膜が形成されたウエハを大気にさらす
ことなくその上に導体膜を形成することが可能になる。
したがって、厚みが薄くかつその値が精度よく制御され
た酸化膜を有するMOSトランジスタなどの半導体装置
を形成することが可能となる。
In the above-described apparatus for manufacturing a semiconductor device, a processing chamber for forming a film on the wafer is configured to form an oxide film by performing a thermal oxidation process on a semiconductor region of the wafer. And a processing chamber for forming a conductive film on the oxide film is further provided in the inside, so that the conductive film can be formed thereon without exposing the wafer on which the thermal oxide film is formed to the atmosphere. Will be possible.
Therefore, it is possible to form a semiconductor device such as a MOS transistor having an oxide film whose thickness is thin and whose value is accurately controlled.

【0019】本発明の第1の半導体装置の製造方法は、
ウエハの半導体領域上への膜の形成又はウエハの半導体
領域上の膜の除去を行なう処理を含む半導体装置の製造
方法であって、上記ウエハの半導体領域に測定光を照射
するステップ(a)と、上記ウエハの半導体領域に励起
光を間欠的に照射するステップ(b)と、上記ウエハの
半導体領域に励起光が照射されているときと励起光が照
射されていないときとの測定光の反射率の差を上記励起
光が照射されていないときの測定光の反射率で除した値
を反射率の変化割合として演算するステップ(c)とを
含み、上記反射率の変化割合に基づいて上記膜の厚みを
求める方法である。
The first method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention comprises:
A method of manufacturing a semiconductor device including a process of forming a film on a semiconductor region of a wafer or removing a film on a semiconductor region of the wafer, the method comprising: irradiating the semiconductor region of the wafer with measurement light; (B) intermittently irradiating the semiconductor region of the wafer with the excitation light, and reflecting the measurement light when the semiconductor region of the wafer is irradiated with the excitation light and when the excitation light is not irradiated. (C) calculating a value obtained by dividing the difference in the reflectance by the reflectance of the measurement light when the excitation light is not irradiated as a reflectance change rate, and based on the reflectance change rate. This is a method for determining the thickness of the film.

【0020】この方法により、上述のように、光変調反
射率分光を行なっている半導体領域の上に膜があると、
膜の厚みの増大とともに電子の付着過程が生じて反射率
の変化割合が大きくなることを利用して、膜の厚みに関
する情報が光変調反射率分光法による評価によって得ら
れる。現在汎用されているエリプソメトリ法による膜厚
の測定では、膜厚が4nm以下程度に薄くなると測定誤
差が非常に大きいか測定感度が得られないかのいずれか
である。それに対し、光変調反射率分光法によると、こ
のような薄膜についても正確に膜厚を測定することが可
能となる。
According to this method, as described above, when a film is present on a semiconductor region where light modulation reflectance spectroscopy is performed,
Using the fact that the rate of change in reflectance increases due to the process of electron attachment occurring with the increase in film thickness, information on the film thickness can be obtained by light modulation reflectance spectroscopy. In the measurement of the film thickness by the ellipsometry method which is currently widely used, when the film thickness is reduced to about 4 nm or less, either the measurement error is extremely large or the measurement sensitivity cannot be obtained. On the other hand, according to the light modulation reflectance spectroscopy, it is possible to accurately measure the film thickness of such a thin film.

【0021】上記第1の半導体装置の製造方法におい
て、上記ステップ(c)では、上記測定光の波長を変化
させたときの反射率の変化割合のスペクトルを作成して
おき、上記反射率の変化割合の絶対値の最大値であるピ
ーク値に基づいて上記膜の厚みを求めることにより、高
い感度で膜厚を測定することができる。
In the first method of manufacturing a semiconductor device, in the step (c), a spectrum of a change ratio of the reflectance when the wavelength of the measurement light is changed is prepared, and the change of the reflectance is calculated. By determining the thickness of the film based on the peak value that is the maximum value of the absolute value of the ratio, the film thickness can be measured with high sensitivity.

【0022】また、上記ステップ(c)では、上記測定
光の波長を変化させたときの反射率の変化割合のスペク
トルを作成しておき、上記反射率の変化割合の正側の最
大値と負側の最大値との差である谷からのピーク値に基
づいて上記膜の厚みを求めることにより、もっとも高い
感度で膜厚を測定することができる。
In the step (c), a spectrum of the rate of change of the reflectance when the wavelength of the measurement light is changed is prepared in advance, and the maximum value on the positive side of the rate of change of the reflectance and the negative value are prepared. By determining the thickness of the film based on the peak value from the valley, which is the difference from the maximum value on the side, the film thickness can be measured with the highest sensitivity.

【0023】上記第1の半導体装置の製造方法におい
て、上記ステップ(c)では、上記反射率の変化割合の
絶対値の最大値であるピーク値を示す測定光の波長に近
い一定の波長における反射率の変化割合に基づいて上記
膜の厚みを求めることにより、膜厚の測定に要する時間
の短縮を図ることができる。
In the first method of manufacturing a semiconductor device, in the step (c), the reflection at a certain wavelength close to the wavelength of the measuring light having a peak value which is the maximum value of the absolute value of the change rate of the reflectance. By determining the thickness of the film based on the rate of change of the ratio, the time required for measuring the film thickness can be reduced.

【0024】上記第1の半導体装置の製造方法は、従来
の光学的測定方法では測定できない上記膜の厚みが2n
m以下の場合にも、高い精度で膜厚を測定することが可
能となる。
In the first method for manufacturing a semiconductor device, the thickness of the film which cannot be measured by the conventional optical measurement method is 2n.
m or less, the film thickness can be measured with high accuracy.

【0025】特に、上記膜の厚みが1nm以下の場合に
は、上記半導体領域としてp型半導体領域について上記
光学的評価を行なうことにより、高い測定感度と測定精
度とを得ることができる。
In particular, when the thickness of the film is 1 nm or less, a high measurement sensitivity and high measurement accuracy can be obtained by performing the above-described optical evaluation on the p-type semiconductor region as the semiconductor region.

【0026】上記第1の半導体装置の製造方法におい
て、上記半導体領域として、p型半導体領域とn型半導
体領域との双方について上記膜の厚みを測定し、上記膜
の厚みが1nm以下と判定される測定値については上記
p型半導体領域における測定値を上記膜の厚みとして採
用し、上記膜の厚み1nmを越えると判定される測定値
については上記n型半導体領域における測定値を上記膜
の厚みとして採用することにより、半導体領域の導電型
によって反射率の変化割合と膜厚との関係を示す特性が
異なることを利用して、もっとも高い感度で極薄膜の膜
厚を測定することができる。
In the first method for manufacturing a semiconductor device, the thickness of the film is measured for both the p-type semiconductor region and the n-type semiconductor region as the semiconductor region, and it is determined that the thickness of the film is 1 nm or less. For the measured value, the measured value in the p-type semiconductor region is adopted as the thickness of the film. For the measured value determined to exceed 1 nm in the film thickness, the measured value in the n-type semiconductor region is calculated as the thickness of the film. By using the fact that the characteristic indicating the relationship between the reflectance change rate and the film thickness differs depending on the conductivity type of the semiconductor region, the film thickness of the ultrathin film can be measured with the highest sensitivity.

【0027】上記第1の半導体装置の製造方法におい
て、上記半導体領域の抵抗率が0.1Ωcm-1以下であ
ることが好ましい。
In the first method for fabricating a semiconductor device, the semiconductor region preferably has a resistivity of 0.1 Ωcm −1 or less.

【0028】本発明の第2の半導体装置の製造方法は、
複数の処理室と、上記複数の処理室を含む空間を大気か
ら遮断した雰囲気に維持するように取り囲む共通容器
と、上記共通容器内でウエハを搬送するための搬送手段
とを備え、クラスタリングされた半導体装置の製造装置
を用いた半導体装置の製造方法であって、上記複数の処
理室のうちの1つの処理室でウエハ上への膜の形成又は
ウエハ上の膜の除去を行なうステップ(a)と、上記共
通容器内のいずれかの部位で、上記ウエハの表面状態を
光学的に評価することにより、上記膜の厚みを求めるス
テップ(b)とを備えている。
According to a second method of manufacturing a semiconductor device of the present invention,
A plurality of processing chambers, a common container surrounding the space including the plurality of processing chambers so as to maintain an atmosphere shielded from the atmosphere, and a transfer unit for transferring a wafer in the common container, and are clustered. A method for manufacturing a semiconductor device using a semiconductor device manufacturing apparatus, wherein a film is formed on a wafer or a film on a wafer is removed in one of the plurality of processing chambers (a). And (b) obtaining the thickness of the film by optically evaluating the surface state of the wafer at any site in the common container.

【0029】この方法により、一連の処理が連続して行
なわれる途中、あるいは一連の処理が終了して大気雰囲
気に戻される前におけるウエハ上の膜の厚みを光学的評
価から求めることが可能になる。したがって、クラスタ
リングされた製造装置内における一連の処理のうちの途
中工程あるいは全体工程の条件の適否やウエハ上に形成
された膜の合否の判定が可能になる。
According to this method, the thickness of the film on the wafer before the series of processing is continuously performed or before the series of processing is completed and returned to the atmosphere can be obtained from the optical evaluation. . Therefore, it is possible to determine whether or not the conditions of the intermediate process or the entire process in the series of processes in the clustered manufacturing apparatus are appropriate and whether or not the film formed on the wafer is acceptable.

【0030】上記第2の半導体装置の製造方法におい
て、上記ステップ(b)を、上記ウエハの半導体領域に
測定光を照射するサブステップ(x)と、上記ウエハの
半導体領域に励起光を間欠的に照射するサブステップ
(y)と、上記ウエハの半導体領域に励起光が照射され
ているときと励起光が照射されていないときとの測定光
の反射率の差を上記励起光が照射されていないときの測
定光の反射率で除した値を反射率の変化割合として演算
するサブステップ(z)とにより構成し、上記反射率の
変化割合に基づいて上記膜の厚みを求めることができ
る。
In the second method of manufacturing a semiconductor device, the step (b) may include the sub-step (x) of irradiating the semiconductor region of the wafer with measurement light, and the step of intermittently applying excitation light to the semiconductor region of the wafer. (Y) irradiating the semiconductor light-emitting device with the excitation light, and determining a difference in reflectance of the measurement light between when the semiconductor region of the wafer is irradiated with the excitation light and when the excitation light is not irradiated. A sub-step (z) of calculating a value obtained by dividing the reflectance of the measurement light when there is no change as a reflectance change rate, and obtaining the thickness of the film based on the reflectance change rate.

【0031】この方法により、上述のように、光変調反
射率分光によりきわめて薄い膜の膜厚に関する情報が得
られることを利用して、クラスタリングされた装置内で
の膜の厚みや膜の有無を把握することが可能になる。
By utilizing the fact that information on the thickness of an extremely thin film is obtained by light modulation reflectance spectroscopy as described above by this method, the thickness of the film and the presence or absence of the film in the clustered apparatus are determined. It becomes possible to grasp.

【0032】上記第2の半導体装置の製造方法におい
て、上記ステップ(a)をウエハ上の自然酸化膜を除去
する処理を含むものとし、上記ステップ(b)では上記
自然酸化膜の厚みを求めることにより、厚みが数nmで
あるきわめて薄い自然酸化膜を過不足なく除去すること
が可能になる。
In the second method for fabricating a semiconductor device, the step (a) includes a process of removing a natural oxide film on the wafer, and the step (b) includes determining a thickness of the natural oxide film. In addition, an extremely thin natural oxide film having a thickness of several nm can be removed without excess or deficiency.

【0033】上記第2の半導体装置の製造方法におい
て、上記自然酸化膜の残存厚みが所定値以下になるよう
に上記処理の時間を管理するステップ(c)をさらに備
えることにより、自然酸化膜の厚みをもっとも好ましい
値に保っておくことが可能になる。
In the second method for manufacturing a semiconductor device, the method further comprises the step (c) of managing the processing time so that the remaining thickness of the natural oxide film becomes a predetermined value or less. It is possible to keep the thickness at the most preferable value.

【0034】上記第2の半導体装置の製造方法におい
て、上記ステップ(a)をウエハ上にゲート絶縁膜を形
成する処理を含むものとし、上記ステップ(b)では上
記ゲート絶縁膜の厚みを求めることができる。
In the second method of manufacturing a semiconductor device, the step (a) includes a process of forming a gate insulating film on a wafer, and the thickness of the gate insulating film is determined in the step (b). it can.

【0035】上記第2の半導体装置の製造方法におい
て、上記ステップ(a)を上記ゲート絶縁膜の上にゲー
ト電極用導体膜を形成する処理をさらに含むものとし、
上記ステップ(b)の後、上記ゲート電極用導体膜の形
成前に上記ステップ(b)で求められた反射率の変化割
合に基づいて、上記ゲート絶縁膜の厚みを管理するステ
ップ(c)をさらに備えることができる。
In the second method of manufacturing a semiconductor device, the step (a) may further include a step of forming a conductor film for a gate electrode on the gate insulating film,
After the step (b), before forming the gate electrode conductor film, a step (c) of managing the thickness of the gate insulating film based on the change rate of the reflectance obtained in the step (b). Further provisions may be made.

【0036】上記第2の半導体装置の製造方法におい
て、上記ステップ(b)では、上記p型半導体領域とn
型半導体領域との双方について上記反射率の変化割合を
測定して、上記p型半導体領域とn型半導体領域とにつ
いての反射率の変化割合のうち大きい値を示す方の依存
特性に基づいて自然酸化膜の残存厚みを判断することが
好ましい。
In the second method of manufacturing a semiconductor device, in the step (b), the p-type semiconductor region and n
The rate of change of the reflectance is measured for both the p-type semiconductor region and the n-type semiconductor region. It is preferable to determine the remaining thickness of the oxide film.

【0037】[0037]

【発明の実施の形態】−クラスタリングされた製造装置
によるプロセス−本発明の実施形態に係る半導体装置の
製造装置について説明する前に、洗浄−ゲート絶縁膜形
成という一連のプロセスを行なうに際し、クラスタリン
グされた製造装置を用いない方法と、クラスタリングさ
れた製造装置を用いる方法とについて説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Processes by Clustered Manufacturing Apparatus Prior to describing a semiconductor device manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention, clustering is performed in a series of processes of cleaning and gate insulating film formation. A method using no manufacturing apparatus and a method using a clustered manufacturing apparatus will be described.

【0038】図18a〜図18cは、クラスタリングさ
れた製造装置を用いない方法を示す断面図である。ま
ず、図18aは、洗浄前のウエハの状態を示す図であ
る。図18aに示すように、半導体領域上には自然酸化
膜が形成されている。次に、図18bに示す工程で、酸
化膜を除去するための洗浄,つまり酸処理等が行なわれ
る。このとき、わざと、アンモニア洗浄を行なって半導
体領域の上にケミカル酸化膜を形成しておく。次に、図
18cに示す工程で、例えば熱酸化処理が行なわれ、半
導体領域の上にはケミカル酸化膜を介して酸化膜が形成
される。
FIGS. 18a to 18c are sectional views showing a method without using a clustered manufacturing apparatus. First, FIG. 18A is a diagram showing a state of a wafer before cleaning. As shown in FIG. 18A, a natural oxide film is formed on the semiconductor region. Next, in the step shown in FIG. 18B, cleaning for removing the oxide film, that is, acid treatment or the like is performed. At this time, a chemical oxide film is formed on the semiconductor region by performing ammonia cleaning on purpose. Next, in a step shown in FIG. 18C, for example, a thermal oxidation process is performed, and an oxide film is formed on the semiconductor region via a chemical oxide film.

【0039】一方、図19a〜図19dは、クラスタリ
ングされた半導体装置の製造装置を用いた方法を示す断
面図である。まず、図19aは、クラスタリングされた
半導体装置の製造装置内に搬入されたときのウエハの状
態を示す図である。第1の方法と同様に、半導体領域上
には自然酸化膜が形成されている。次に、図19bに示
す工程で、酸化膜を除去するための洗浄,つまり酸処理
等が行なわれ、このとき、自然酸化膜をいったん完全に
除去して、半導体領域の表面を露出させる。ただし、図
19cに示すように、半導体領域の上に極めて薄い自然
酸化膜が残る場合もある。さらに、図19dに示す工程
で、例えば熱酸化処理が行なわれ、半導体領域の上に酸
化膜が形成される。
On the other hand, FIGS. 19A to 19D are cross-sectional views showing a method using an apparatus for manufacturing a clustered semiconductor device. First, FIG. 19A is a diagram illustrating a state of a wafer when it is carried into a manufacturing apparatus of a clustered semiconductor device. As in the first method, a natural oxide film is formed on the semiconductor region. Next, in the step shown in FIG. 19B, cleaning for removing the oxide film, that is, an acid treatment is performed. At this time, the natural oxide film is once completely removed to expose the surface of the semiconductor region. However, as shown in FIG. 19c, an extremely thin native oxide film may remain on the semiconductor region. Further, in a step shown in FIG. 19D, for example, a thermal oxidation process is performed to form an oxide film on the semiconductor region.

【0040】以下の第1〜第3の実施形態では、図19
a−図19dに示す方法に沿って、洗浄−酸化膜の形成
という一連の処理を行なっている。
In the following first to third embodiments, FIG.
a- A series of processes of cleaning and forming an oxide film are performed according to the method shown in FIG. 19D.

【0041】(第1の実施形態) −クラスタリングチャンバの構成− 図1は、本実施形態に係るクラスタリングされた半導体
装置の製造装置の構成を模式的に示すブロック図であ
る。
(First Embodiment) -Configuration of Clustering Chamber- FIG. 1 is a block diagram schematically showing a configuration of an apparatus for manufacturing a clustered semiconductor device according to the present embodiment.

【0042】図1において、1は洗浄用チャンバ、2は
高速酸化用(Rapid Thermal Processing)チャンバ、3
はロードロック室、4はウエハ冷却用チャンバ、5は光
学的測定用チャンバ、6はウエハロード・アンロード部
をそれぞれ示す。すなわち、ロードロック室3及びこれ
に房のように取り付けられた各チャンバ1,2,4,5
が、大気から遮断された減圧雰囲気下の空間を取り囲む
共通容器として機能しており、いわゆるクラスタリング
された製造装置となっている。例えば、酸化膜の形成工
程においては、ウエハは洗浄用チャンバ1で洗浄された
後、引き続いて高速酸化用チャンバ2で酸化されること
になる。その際、ウエハの洗浄工程で、ウエハ上の自然
酸化膜は除去される。また、ロードロック室3はウエハ
の搬送を最適化して処理するように構成されており、内
部は減圧されている。そのため、洗浄工程を終了した後
にも、ウエハ表面が大気暴露などにより酸化されること
はない。
In FIG. 1, 1 is a cleaning chamber, 2 is a rapid oxidation (Rapid Thermal Processing) chamber,
Denotes a load lock chamber, 4 denotes a wafer cooling chamber, 5 denotes an optical measurement chamber, and 6 denotes a wafer load / unload unit. That is, the load lock chamber 3 and each of the chambers 1, 2, 4, 5, and 5 attached thereto like a tuft.
Function as a common container that surrounds a space under a reduced-pressure atmosphere shielded from the atmosphere, and is a so-called clustered manufacturing apparatus. For example, in the process of forming an oxide film, the wafer is cleaned in the cleaning chamber 1 and subsequently oxidized in the high-speed oxidation chamber 2. At that time, the natural oxide film on the wafer is removed in the wafer cleaning step. Further, the load lock chamber 3 is configured to optimize and process the transfer of the wafer, and the inside thereof is reduced in pressure. Therefore, even after the completion of the cleaning step, the wafer surface is not oxidized due to exposure to the atmosphere.

【0043】ここで、本実施形態の特徴は、光学的測定
用チャンバ5がクラスタリングされた製造装置の共通空
間内に配置されていて、この光学的測定用チャンバ5に
は、励起光用光源7(Arイオンレーザ)と、測定光用
光源8(150WのXeランプ)と、測定光の反射光の
強度を検出するための光検出器9と、各々励起光用光源
7,測定光用光源8および光検出器9と光学的測定用チ
ャンバ5との間における光の誘導路となる光ファイバー
10,11,12と、光変調反射率分光による測定の際
の機器の制御やデータの算出,解析などを行なうための
制御・解析システム13とが配設されている点である。
The feature of the present embodiment is that the optical measurement chamber 5 is arranged in a common space of the clustered manufacturing apparatus, and the optical measurement chamber 5 is provided with the excitation light source 7. (Ar ion laser), light source 8 for measuring light (Xe lamp of 150 W), photodetector 9 for detecting the intensity of reflected light of measuring light, light source 7 for excitation light, light source 8 for measuring light, respectively. And optical fibers 10, 11, and 12 that serve as light guide paths between the photodetector 9 and the optical measurement chamber 5, and control of equipment and calculation and analysis of data during measurement by light modulation reflectance spectroscopy. And a control / analysis system 13 for performing the control.

【0044】−光学的測定システム− 図2は、上記半導体装置の製造装置内に配設された光学
的測定システムを概略的に示す斜視図である。
-Optical Measurement System- FIG. 2 is a perspective view schematically showing an optical measurement system provided in the semiconductor device manufacturing apparatus.

【0045】図2において、21はウエハステージ、2
2はウエハ、23は石英窓、24は入射測定光導入部、
25は反射測定光導出部、26は励起光導入部、27は
入射された励起光がウエハ22で反射して戻ってくる光
である迷光を遮るための遮光板、30は励起光導入部2
7と制御・解析システム13との間を接続する信号線を
それぞれ示す。ここで、入射測定光導入部24,反射測
定光導出部25および励起光導入部26は、それぞれ光
ファイバー支持装置としての機能を有している。さら
に、図示されていないが、励起光導入部26には、50
0Hzの周波数で被測定物に励起光を間欠的に照射させ
る(変調)ためのチョッパーが付設されており、このチ
ョッパーは、制御・解析システムにより光検出器9と同
期して動作するように制御されている。すなわち、本実
施形態における半導体装置の製造装置は、洗浄−ゲート
絶縁膜の形成という一連のプロセス中におけるウエハの
状態を光学的にモニターしながら製造工程を管理するこ
とにより、高品質のゲート絶縁膜をトラブルなく形成で
きるように構成されている。
In FIG. 2, reference numeral 21 denotes a wafer stage, 2
2 is a wafer, 23 is a quartz window, 24 is an incident measuring light introducing section,
25 is a reflection measuring light deriving unit, 26 is an excitation light introducing unit, 27 is a light shielding plate for blocking stray light which is light which is reflected by the wafer 22 and returns, and 30 is an excitation light introducing unit 2
7 shows signal lines connecting between the control system 7 and the control / analysis system 13, respectively. Here, each of the incident measurement light introducing unit 24, the reflection measurement light deriving unit 25, and the excitation light introducing unit 26 has a function as an optical fiber supporting device. Further, although not shown, the excitation light introducing unit 26 has 50
A chopper for intermittently irradiating (modulating) the DUT with excitation light at a frequency of 0 Hz is provided. The chopper is controlled by a control / analysis system so as to operate in synchronization with the photodetector 9. Have been. That is, the semiconductor device manufacturing apparatus according to the present embodiment controls the manufacturing process while optically monitoring the state of the wafer during a series of processes of cleaning and forming the gate insulating film, thereby providing a high-quality gate insulating film. Is configured to be able to be formed without trouble.

【0046】−光変調反射率測定の原理− ここで、光変調反射率分光の測定原理について、図2に
示す本実施形態の測定装置の構造を参照しながら説明す
る。励起光用光源7で生成された励起光は励起光導入部
26に付設されたチョッパーを介して光学的測定用チャ
ンバ5内に送られ、ウエハ22内の半導体領域に間欠的
に照射される。本実施形態においては、半導体領域はn
型拡散層である。そして、ウエハ22内の半導体領域に
励起光が照射されているときと照射されていないときの
反射測定光の強度の差ΔRを、励起光の照射がないとき
の反射測定光の強度Rで割った値(ΔR/R)が反射強
度の変化割合として制御・解析システム13で検知され
る。以上の構成により、反射強度の変化割合の変動がモ
ニターされる。なお、エリプソメータによる測定とは異
なり、測定光の入射側には偏光子を反射側には検光子を
それぞれ配置する必要はない。ただし、偏光子および検
光子を配置してエリプソメトリ機能を付加することは可
能である。
-Principle of Light Modulation Reflectance Measurement- Here, the measurement principle of light modulation reflectance spectroscopy will be described with reference to the structure of the measuring apparatus of the present embodiment shown in FIG. The excitation light generated by the excitation light source 7 is sent into the optical measurement chamber 5 via a chopper attached to the excitation light introduction unit 26, and is applied intermittently to the semiconductor region in the wafer 22. In the present embodiment, the semiconductor region is n
Type diffusion layer. Then, the difference ΔR between the intensity of the reflection measurement light when the semiconductor region in the wafer 22 is irradiated with the excitation light and the intensity when the excitation light is not irradiated is divided by the intensity R of the reflection measurement light when the excitation light is not irradiated. The value (ΔR / R) is detected by the control / analysis system 13 as a change ratio of the reflection intensity. With the above configuration, the change in the change rate of the reflection intensity is monitored. Unlike the measurement using an ellipsometer, it is not necessary to dispose a polarizer on the measurement light incident side and an analyzer on the reflection side. However, it is possible to arrange a polarizer and an analyzer to add an ellipsometry function.

【0047】上述のような反射強度の変化割合(ΔR/
R)は、以下の作用によって生じると考えられる。一般
的に、半導体領域に光を照射すると、光によって励起さ
れるキャリア数が増大し、その後、キャリアが元のエネ
ルギー準位に戻る際には光を放出して消滅する。このキ
ャリア数の変化に伴い半導体領域の励起光が照射された
領域における電界強度が変化する。したがって、励起光
が照射されているときと、励起光が照射されていないと
きとでは、測定光の反射強度が異なる。ところが、半導
体領域の表面付近に欠陥が多く存在すると、その欠陥に
よってエネルギー準位の低い界面準位が存在することに
なる。そして、このような界面準位を有する欠陥がキャ
リアの捕獲層として機能するために、光が照射されても
キャリアが欠陥に捕獲されて十分に高いエネルギー準位
まで励起されなかったり、高いエネルギー準位まで励起
されたキャリアが欠陥に捕獲されたりすると、励起され
たキャリアが低いエネルギー準位に戻る際に発生する光
の強度が低下する。その結果、半導体領域の励起光照射
領域における電界強度も変化することになる。したがっ
て、半導体領域の表面付近の捕獲準位の数に依存して測
定光の反射強度の変化割合(ΔR/R)が変化する。ま
た、半導体領域上に膜が存在して半導体領域の表面付近
における電子付着が顕著な場合は反射率の変化割合(Δ
R/R)の変化量が増大する。したがって、この測定光
の反射強度の変化割合をモニターすることにより、半導
体領域の表面付近の領域の物理的状態に関する情報が得
られる。
The change rate of the reflection intensity (ΔR /
R) is considered to be caused by the following actions. In general, when light is irradiated to a semiconductor region, the number of carriers excited by light increases, and thereafter, when the carriers return to the original energy level, the carriers emit light and disappear. The electric field intensity in the region of the semiconductor region irradiated with the excitation light changes with the change in the number of carriers. Therefore, the reflection intensity of the measurement light differs between when the excitation light is irradiated and when the excitation light is not irradiated. However, if there are many defects near the surface of the semiconductor region, the defects cause interface states having low energy levels. Since defects having such an interface level function as a carrier trapping layer, even when irradiated with light, carriers are trapped by the defects and are not excited to a sufficiently high energy level, or a high energy level is not excited. If the excited carriers are trapped by defects, the intensity of light generated when the excited carriers return to a low energy level decreases. As a result, the electric field intensity in the excitation light irradiation region of the semiconductor region also changes. Therefore, the change rate (ΔR / R) of the reflection intensity of the measurement light changes depending on the number of trap levels near the surface of the semiconductor region. When a film exists on the semiconductor region and electron attachment near the surface of the semiconductor region is remarkable, the change rate of the reflectance (Δ
R / R) increases. Therefore, by monitoring the rate of change of the reflection intensity of the measurement light, information on the physical state of the region near the surface of the semiconductor region can be obtained.

【0048】なお、上記チョッピングの周波数は、キャ
リアが再結合して半導体領域の電界強度が変化する時間
と関係があるものと思われ、実験から1kHz以下が好
ましく、より好ましくは500Hz以下が好ましいこと
がわかっている。また、励起光のフォトンエネルギーが
半導体領域のバンドギャップよりも大きいことが好まし
い。シリコン基板を使用する場合には、フォトンエネル
ギーが1.1eV以上の波長の励起光を使用することが
好ましい。以上のことは、後述の各実施形態においても
同様である。
The frequency of the chopping is considered to be related to the time when the electric field strength in the semiconductor region changes due to the recombination of the carriers. According to experiments, the frequency is preferably 1 kHz or less, more preferably 500 Hz or less. I know. Further, it is preferable that the photon energy of the excitation light be larger than the band gap of the semiconductor region. When a silicon substrate is used, it is preferable to use excitation light having a wavelength of photon energy of 1.1 eV or more. The above is the same in each embodiment described later.

【0049】本実施形態では、測定光の照射強度(各波
長域における)を一定と仮定しているので、反射強度を
検出することで反射率の検出に置き換えている。すなわ
ち、反射強度の変化割合の測定は、ウエハ22の半導体
領域にArイオンレーザー光である励起光を間欠的に照
射しながら、別の方向からXeランプ光である測定光を
連続的に照射して、この測定光の反射強度の変化の検出
により行われる。つまり、半導体領域に励起光が照射さ
れているときの反射強度と励起光が照射されていないと
きの反射強度との差ΔRを、半導体領域に励起光が照射
されていないときの反射強度Rで割った値(ΔR/R)
を反射率の変化割合としている。すなわち、光変調反射
率分光とは、励起光の照射・非照射を繰り返しながらプ
ローブ光の波長を変化させて、その波長(光のエネルギ
ー値)ごとに反射率の変化割合を測定して、そのスペク
トル形状を調べる方法である。
In the present embodiment, since the irradiation intensity (in each wavelength range) of the measurement light is assumed to be constant, the detection of the reflection intensity is replaced by the detection of the reflectance. That is, the measurement of the change ratio of the reflection intensity is performed by irradiating the semiconductor region of the wafer 22 intermittently with the excitation light as the Ar ion laser light and continuously irradiating the measurement light as the Xe lamp light from another direction. This is performed by detecting a change in the reflection intensity of the measurement light. That is, the difference ΔR between the reflection intensity when the semiconductor region is irradiated with the excitation light and the reflection intensity when the excitation light is not irradiated is represented by the reflection intensity R when the semiconductor region is not irradiated with the excitation light. Divided value (ΔR / R)
Is the rate of change of the reflectance. In other words, light modulation reflectance spectroscopy is a technique that changes the wavelength of the probe light while repeatedly irradiating and not irradiating the excitation light, and measures the rate of change of the reflectance for each wavelength (light energy value). This is a method for examining the spectrum shape.

【0050】図9は、半導体領域である単結晶シリコン
層に入射したプローブ光の波長λの逆数に比例するフォ
トンエネルギーの値と反射率の変化割合(ΔR/R)と
の関係を示す基本的なパターンのスペクトル線図であ
る。同図に示す反射率の変化割合(ΔR/R)の値は、
初期の状態を0とする相対値である。反射率の変化割合
(ΔR/R)が変動する感度のもっとも高い箇所は、同
図に示す負側のピーク値付近である。そこで、本実施形
態においては、ピーク値とは負側のピーク値を意味する
こととし、そのときのプローブ光の波長として、負側の
ピーク値を示すエネルギー値にほぼ等しい約3.30e
Vに相当する波長376nmを使用するようにしてい
る。また、以下の説明において、負側のピーク値から正
側のピーク値までの高さを「谷からのピーク値」と呼
ぶ。
FIG. 9 shows the relationship between the value of photon energy proportional to the reciprocal of the wavelength λ of the probe light incident on the single-crystal silicon layer as the semiconductor region and the rate of change of the reflectance (ΔR / R). FIG. 4 is a spectrum diagram of a simple pattern. The value of the change rate of the reflectance (ΔR / R) shown in FIG.
This is a relative value with the initial state being 0. The position where the change rate of the reflectance (ΔR / R) fluctuates is the highest in the vicinity of the negative peak value shown in FIG. Therefore, in the present embodiment, the peak value means the negative peak value, and the wavelength of the probe light at that time is about 3.30 e, which is almost equal to the energy value indicating the negative peak value.
A wavelength of 376 nm corresponding to V is used. In the following description, the height from the negative peak value to the positive peak value is referred to as “peak value from valley”.

【0051】このスペクトル形状を求めるに際しては、
200〜500nmの波長範囲におけるプローブ光のス
ペクトルを検出して解析することが好ましい。
When obtaining this spectrum shape,
It is preferable to detect and analyze the spectrum of the probe light in the wavelength range of 200 to 500 nm.

【0052】−洗浄工程の管理と光学的測定− 次に、以上の半導体装置の製造装置と光学的測定システ
ムとを用いた洗浄−ゲート絶縁膜形成という一連のプロ
セスについて説明する。
-Management of Cleaning Step and Optical Measurement- Next, a series of processes of cleaning and forming a gate insulating film using the above-described semiconductor device manufacturing apparatus and optical measurement system will be described.

【0053】まず、ウエハ上の自然酸化膜を除去するた
めに、先行ウエハ(モニターウエハ)を含めた製品用ウ
エハをウエハロード・アンロード部6からロードロック
室3に搬入する。なお、高感度の測定を行なうために、
ウエハ内には抵抗率が0.02Ωcm-1のn型半導体領
域が形成されている。ロードロック室3は約50mTo
rrに減圧されている。まず、先行ウエハをロードロッ
ク室3から洗浄用チャンバ1に誘導し,HF蒸気による
洗浄と、UV照射によってCl2 ガスを解離して生じた
ラジカルによるウエハ表面のエッチングとを行なって、
自然酸化膜を除去して平坦な界面を形成する。そのため
に、洗浄用チャンバ1は、腐食防止処理等が施されてい
る。
First, in order to remove a natural oxide film on a wafer, a product wafer including a preceding wafer (monitor wafer) is carried into the load lock chamber 3 from the wafer loading / unloading section 6. In order to perform high-sensitivity measurement,
An n-type semiconductor region having a resistivity of 0.02 Ωcm −1 is formed in the wafer. Load lock room 3 is about 50mTo
The pressure has been reduced to rr. First, the preceding wafer is guided from the load lock chamber 3 to the cleaning chamber 1, and cleaning with HF vapor and etching of the wafer surface with radicals generated by dissociation of Cl 2 gas by UV irradiation are performed.
The natural oxide film is removed to form a flat interface. For this purpose, the cleaning chamber 1 is subjected to a corrosion prevention treatment or the like.

【0054】ここで、ウエハをいったん光学的測定用チ
ャンバ5に搬入し、上述の光変調反射率分光を行なって
半導体領域の状態を測定する。
Here, the wafer is once carried into the optical measurement chamber 5, and the above-mentioned light modulation reflectance spectroscopy is performed to measure the state of the semiconductor region.

【0055】図3は、この光変調反射率分光の結果を示
す反射率変化のスペクトル図である。同図において、横
軸は波長に反比例するフォトンエネルギーであり、縦軸
はΔR/Rを表している。同図中の“洗浄前”に示すよ
うに、洗浄前の半導体領域上には厚い自然酸化膜が形成
されているために、光変調反射率分光のスペクトルのピ
ーク値が大きいことがわかる。また、同図中の“ケミカ
ル酸化膜”に示すように、従来の方法で形成されるケミ
カル酸化膜が形成されている場合にも、当初の厚い自然
酸化膜が形成されているものよりはピーク値が小さくな
るものの、かなりの厚みの酸化膜が存在していることが
わかる。一方、洗浄が十分でない場合には、同図中の
“洗浄後−2”に示すように、かすかではあるがピーク
が存在する。この状態で、酸化工程を実施した場合に
は、その後の信頼性評価試験において若干の不良が発生
している。
FIG. 3 is a spectrum diagram of the reflectance change showing the result of the light modulation reflectance spectrum. In the figure, the horizontal axis represents the photon energy inversely proportional to the wavelength, and the vertical axis represents ΔR / R. As shown in "Before cleaning" in the figure, it can be seen that the peak value of the spectrum of light modulation reflectance spectroscopy is large because a thick native oxide film is formed on the semiconductor region before cleaning. Also, as shown in the "chemical oxide film" in the figure, even when the chemical oxide film formed by the conventional method is formed, the peak is larger than that in the case where the thick native oxide film is initially formed. Although the value is small, it can be seen that an oxide film having a considerable thickness exists. On the other hand, when the washing is not sufficient, there is a slight but peak as shown in "After washing-2" in FIG. When the oxidation step is performed in this state, a slight defect has occurred in a subsequent reliability evaluation test.

【0056】一方、適正な洗浄を行なうと、同図中の
“洗浄後−1”に示すように、光変調反射率分光のスペ
クトル中のピークはほとんど見られない状態となった。
この状態で酸化工程を行なった場合には、その後の信頼
性試験において、ほとんど不良が発生しないことがわか
った。このように、反射率分光の測定データを、エッチ
ング作用を含む洗浄処理が適正か否かの判断に利用する
ことがわかる。
On the other hand, after proper cleaning, almost no peak was observed in the spectrum of light modulation reflectance spectroscopy, as indicated by "after cleaning-1" in FIG.
When the oxidation step was performed in this state, it was found in the subsequent reliability test that almost no defects occurred. As described above, it can be understood that the measurement data of the reflectance spectrum is used for determining whether the cleaning process including the etching action is appropriate.

【0057】図4は、洗浄時間と光変調反射率分光のス
ペクトル中のピーク値との関係を示すデータである。同
図に示すように、洗浄時間が長くなるにつれてピーク値
が小さくなり、自然酸化膜が完全に除去される様子がわ
かる。
FIG. 4 is data showing the relationship between the cleaning time and the peak value in the spectrum of light modulation reflectance spectroscopy. As shown in the figure, it can be seen that the peak value decreases as the cleaning time becomes longer, and the natural oxide film is completely removed.

【0058】すなわち、従来のクラスタリングされてい
ない製造装置を用いた場合はむろんのこと、クラスタリ
ングされた製造装置を用いた場合であっても、経験的に
設定された時間だけ洗浄を行なった後酸化工程を行なっ
たのでは、わずかに残る自然酸化膜のためにゲート絶縁
膜の品質が低下するおそれがあった。それに対し、本実
施形態の製造装置を用いたプロセスによると、洗浄後の
洗浄後、酸化前における半導体領域上のごく薄い酸化膜
の有無を検知できるので、ゲート絶縁膜の不良などのト
ラブルの発生を確実に防止することができる。
That is, needless to say, in the case of using the conventional non-clustered manufacturing apparatus, even in the case of using the clustered manufacturing apparatus, the cleaning is performed only for an empirically set time, and then the oxidation is performed. When the process is performed, the quality of the gate insulating film may be deteriorated due to a slight remaining natural oxide film. On the other hand, according to the process using the manufacturing apparatus of the present embodiment, it is possible to detect the presence or absence of a very thin oxide film on the semiconductor region before cleaning and after cleaning after cleaning, thereby causing troubles such as defective gate insulating film. Can be reliably prevented.

【0059】また、光学的測定用チャンバ5において、
洗浄後のウエハ上に酸化膜が残っていることがわかった
場合には、ウエハを洗浄用チャンバ1に再度戻し、残存
している酸化膜の膜厚を除去するのに必要な時間だけ洗
浄を行なえばよい。すなわち、そのまま次工程に進めた
のでは不良となるウエハを救済できるので、ウエハを有
効に活用できる。
In the optical measurement chamber 5,
If it is found that an oxide film remains on the cleaned wafer, the wafer is returned to the cleaning chamber 1 again, and the cleaning is performed for a time necessary to remove the remaining oxide film thickness. Just do it. That is, if the process proceeds to the next step as it is, a defective wafer can be relieved, and the wafer can be used effectively.

【0060】なお、本実施形態では、酸化前における合
否の判定基準として、光変調反射率分光のスペクトルの
ピーク値を0.1としているが、この判定基準は測定系
のSN比に依存しているので、必ずしも0.1である必
要はない。すなわち、各製造工程に適した判定基準を採
用することができる。
In this embodiment, the peak value of the spectrum of light modulation reflectance spectroscopy is set to 0.1 as a criterion of pass / fail before oxidation, but this criterion depends on the S / N ratio of the measurement system. Therefore, it is not necessarily required to be 0.1. That is, it is possible to adopt a judgment criterion suitable for each manufacturing process.

【0061】また、洗浄後に、意図的にケミカル酸化膜
を形成するようにしてもよく、その場合には、光変調反
射率分光のスペクトルのピーク値の適正範囲を予め把握
しておくことで、製造工程の適正条件からのずれの発生
を検知したり、製造条件を調整するなどの製造工程の管
理を行なうことができる。すなわち、本発明の半導体装
置の製造方法は、クラスタリングされた製造装置に限定
されるものではない。ただし、クラスタリングされた製
造装置を用いた場合には、特に、一連のプロセスが終了
するまでウエハを装置外に取り出すことがないので、本
実施形態のごとく、クラスタリングされた製造装置内で
光学的評価を行うことで、一連のプロセスの途中での各
プロセスの適否を判定できるという著効を発揮すること
ができる。また、ウエハ表面の状態が装置外部の環境条
件(酸素、湿気などの存在)に影響されないので、10
nm以下の薄い厚みを有する酸化膜の厚みを、自然酸化
膜の影響等を除去しながら把握することができ、より高
い測定精度が得られるという利点がある。
After the cleaning, a chemical oxide film may be formed intentionally. In such a case, the appropriate range of the peak value of the spectrum of light modulation reflectance spectroscopy may be grasped in advance. It is possible to perform management of the manufacturing process, such as detecting the occurrence of deviation from the appropriate condition of the manufacturing process and adjusting the manufacturing condition. That is, the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is not limited to the clustered manufacturing apparatus. However, when a clustered manufacturing apparatus is used, the wafer is not taken out of the apparatus until a series of processes is completed. Therefore, as in the present embodiment, the optical evaluation is performed within the clustered manufacturing apparatus. Is performed, a remarkable effect that the suitability of each process in a series of processes can be determined. Further, since the state of the wafer surface is not affected by environmental conditions (existence of oxygen, moisture, etc.) outside the apparatus, the wafer surface is
The thickness of the oxide film having a small thickness of nm or less can be grasped while removing the influence of the natural oxide film and the like, and there is an advantage that higher measurement accuracy can be obtained.

【0062】さらに、本実施形態では、高速酸化用チャ
ンバ2を配置してウエハに酸化工程を施すようにしてい
るが、酸化と共に窒化を行なって窒化酸化膜を形成する
プロセスや、窒化のみを行なって窒化膜を形成するプロ
セスについても本発明を適用することができる。
Further, in the present embodiment, the wafer is subjected to the oxidation step by arranging the high-speed oxidation chamber 2; The present invention can also be applied to a process of forming a nitride film by using the method.

【0063】なお、本実施形態では、膜厚が2nm以下
の場合に限って説明したが、本発明はかかる実施形態に
限定されるものではなく、膜厚が2nm以上の場合で
も、寝具強度と膜厚の関係が予め求められていれば、本
実施形態と同様の効果が得られることはいうまでもな
い。
Although the present embodiment has been described only for the case where the film thickness is 2 nm or less, the present invention is not limited to this embodiment. If the relationship between the film thicknesses is determined in advance, it goes without saying that the same effect as in the present embodiment can be obtained.

【0064】また、本実施形態で説明した光変調反射率
分光ではなく、従来用いられているエリプソメトリ法に
よる膜厚の測定をクラスタリングされた製造装置内で行
なうことも原理的には可能である。しかし、エリプソメ
トリ法による膜の測定では、上述のように偏光子,検光
子などを観測部に設置する必要があるのに対し、本発明
の光変調反射率分光法の場合には、偏光子や検光子を配
備する必要はない。よって、光変調反射率分光法を採用
することは、1.5nm以下の厚みを有する薄膜の測定
が高精度で行えるという点に加え、省スペースという観
点からも、限られたスペースしか確保できないクラスタ
リングされた製造装置においてはエリプソメトリ法より
も有利である。
It is also possible in principle to measure the film thickness by a conventionally used ellipsometry method in a clustered manufacturing apparatus instead of the light modulation reflectance spectrum described in this embodiment. . However, in the measurement of a film by the ellipsometry method, it is necessary to install a polarizer and an analyzer in the observation unit as described above, whereas in the case of the light modulation reflectance spectroscopy of the present invention, the polarizer and the analyzer There is no need to deploy an analyzer or analyzer. Therefore, the adoption of the light modulation reflectance spectroscopy means that the measurement of a thin film having a thickness of 1.5 nm or less can be performed with high accuracy, and from the viewpoint of space saving, clustering that can secure only a limited space. In the manufacturing apparatus described above, it is more advantageous than the ellipsometry method.

【0065】(第2の実施形態)次に、酸化膜の形成時
における酸化膜の厚みの制御に関する第2の実施形態に
ついて説明する。本実施形態においても、上記第1の実
施形態における図1,図2に示すクラスタリングされた
製造装置を用いることが前提である。
(Second Embodiment) Next, a second embodiment relating to the control of the thickness of the oxide film when forming the oxide film will be described. Also in this embodiment, it is assumed that the clustered manufacturing apparatus shown in FIGS. 1 and 2 in the first embodiment is used.

【0066】まず、先行ウエハ(モニターウエハ)を含
む処理ウエハをロード・アンロード部6からロードロッ
ク室3に搬入した後、洗浄用チャンバ1内で、図3に示
す“洗浄後−1”のスペクトルが得られるような条件の
洗浄を行ない、これを光学的測定用チャンバ5に移動さ
せて、光学的測定用チャンバ5内において光変調反射率
分光による測定を行なう。
First, a processed wafer including a preceding wafer (monitor wafer) is loaded from the load / unload section 6 into the load lock chamber 3, and then, in the cleaning chamber 1, "after cleaning-1" shown in FIG. Washing is performed under such conditions that a spectrum can be obtained, and this is moved to the optical measurement chamber 5 to perform measurement by light modulation reflectance spectroscopy in the optical measurement chamber 5.

【0067】さらに、いったん自然酸化膜が完全に除去
されたウエハを酸化するとともに、この酸化の方法や時
間を変えて、各酸化処理ごとに光変調反射率分光による
測定を行なう。
Further, the wafer from which the natural oxide film has been completely removed is oxidized, and at the same time, measurement by light modulation reflectance spectroscopy is performed for each oxidation process by changing the oxidation method and time.

【0068】図5は、本実施形態における光変調反射率
分光のスペクトル図である。同図に示されている膜厚値
は、TEM観察によって確認された膜厚値である。ただ
し、同図中のピーク値は、既に述べように、測定系のS
N比によって変化するので、膜厚に対する相対的な値を
示すにすぎない。同図に示すように、洗浄を行なった直
後のウエハについて測定されたスペクトル中にはピーク
はほとんど見られず、TEM観察の結果、酸化膜の膜厚
はほぼ0nmと測定された。
FIG. 5 is a spectrum diagram of light modulation reflectance spectroscopy in this embodiment. The film thickness values shown in the figure are the film thickness values confirmed by TEM observation. However, the peak value in FIG.
Since it changes depending on the N ratio, it merely indicates a value relative to the film thickness. As shown in the figure, almost no peak was observed in the spectrum measured for the wafer immediately after cleaning, and as a result of TEM observation, the thickness of the oxide film was measured to be almost 0 nm.

【0069】一方、図6は、TEM観察による膜厚と光
変調反射率分光のスペクトル中のピーク値との関係を示
すデータである。同図に示すように、酸化膜の膜厚が
2.0nm付近の値に達するまでは、膜厚の増大につれ
てスペクトル中のピーク値も大きくなっている。ただ
し、酸化膜の厚みが2.0nmを越えると、逆にスペク
トル中のピーク値が減少することもわかった。
FIG. 6 shows data indicating the relationship between the film thickness observed by TEM and the peak value in the spectrum of light modulation reflectance spectroscopy. As shown in the figure, the peak value in the spectrum increases as the film thickness increases until the film thickness of the oxide film reaches a value near 2.0 nm. However, it was also found that when the thickness of the oxide film exceeded 2.0 nm, the peak value in the spectrum decreased.

【0070】また、図7は、シリコン基板上に厚みが
2.4nmの酸化膜とポリシリコン膜とが堆積されたも
のの断面構造をTEMで撮影したものの複写図である。
同図に示すように、本願では、シリコン酸化膜の網目構
造が観察されるような分解能を有するTEM観察の結果
を用いて、酸化膜の厚みが確認されている。
FIG. 7 is a copy of a TEM photograph of a cross-sectional structure of a 2.4-nm-thick oxide film and a polysilicon film deposited on a silicon substrate.
As shown in the figure, in the present application, the thickness of the oxide film is confirmed using the result of TEM observation having a resolution such that the network structure of the silicon oxide film is observed.

【0071】次に、このデータに基づいて、1.5nm
の厚みの酸化膜を形成するためのプロセスについて説明
する。まず、ウエハが高速酸化炉2に誘導され、高速酸
化炉2内でO2 ガスが流量500sccmで導入され、
1000℃まで約1分間で昇温される。そして、その後
の保持時間を適宜設定することにより、所望の厚みの酸
化膜を形成することができる。本実施形態における実験
では、約10secの保持時間により、約1.5nmの
厚みを有する酸化膜が得られた。なお、本実施形態の光
学的測定システムを使用する場合には、このときの光変
調反射率分光のスペクトル中のピーク値を図6に示す
1.8付近に設定して製造工程の管理を行なった。その
結果、クラスタリングされた製造装置を用いながら光学
的測定を利用した管理を行なわない従来の方法によると
1.5nm±0.2nmのばらつきを有する酸化膜しか
形成できなかった。それに対し、本実施形態における実
験では、厚みが1.5nm±0.1nmの範囲の酸化膜
を形成することができ、酸化膜の厚みのばらつきを±
0.1nmの範囲に収めることができた。
Next, based on this data, 1.5 nm
A process for forming an oxide film having a thickness of will be described. First, the wafer is guided to the high-speed oxidation furnace 2, and O 2 gas is introduced at a flow rate of 500 sccm in the high-speed oxidation furnace 2.
The temperature is raised to 1000 ° C. in about 1 minute. Then, by appropriately setting the subsequent holding time, an oxide film having a desired thickness can be formed. In the experiment in this embodiment, an oxide film having a thickness of about 1.5 nm was obtained with a holding time of about 10 sec. When the optical measurement system of this embodiment is used, the peak value in the spectrum of the light modulation reflectance spectrum at this time is set near 1.8 shown in FIG. 6 to manage the manufacturing process. Was. As a result, according to the conventional method without using the optical measurement while using the clustered manufacturing apparatus, only an oxide film having a variation of 1.5 nm ± 0.2 nm could be formed. On the other hand, in the experiment in the present embodiment, an oxide film having a thickness in the range of 1.5 nm ± 0.1 nm can be formed, and the variation in the thickness of the oxide film
It was able to fall within the range of 0.1 nm.

【0072】また、光学的測定用チャンバ5において、
洗浄後のウエハ上に酸化膜が残っていることがわかった
場合には、ウエハを再度洗浄用チャンバ1に戻し、残存
している酸化膜の膜厚を除去するのに必要な時間だけ洗
浄を行なえばよい。すなわち、そのまま次工程に進めた
のでは不良となるウエハを救済できるので、ウエハを有
効に活用できる。
In the optical measurement chamber 5,
If it is found that an oxide film remains on the cleaned wafer, the wafer is returned to the cleaning chamber 1 again, and the cleaning is performed for a time necessary to remove the remaining oxide film thickness. Just do it. That is, if the process proceeds to the next step as it is, a defective wafer can be relieved, and the wafer can be used effectively.

【0073】以上のように、酸化膜の合否を判定して、
“次の処理に進行させる”、“追加酸化処理を行な
う”、“酸化膜を除去して最初の酸化処理からやり直
す”、などの適切な措置を行なうことが可能になる。
As described above, the pass / fail of the oxide film is determined and
Appropriate measures such as "proceed to the next process", "perform additional oxidation process", and "remove the first oxidation process after removing the oxide film" can be performed.

【0074】なお、製造工程の管理を行なうための規格
値が適正かどうかは、様々な要因によって変わるので、
そのプロセス・測定システムの状況に適した値を採用す
ることが好ましい。
Whether the standard value for controlling the manufacturing process is appropriate depends on various factors.
It is preferable to adopt a value suitable for the situation of the process / measurement system.

【0075】さらに、本実施形態の測定手法は、クラス
タリングされた製造装置・方法のみに適合するものでは
なく、従来の酸化工程後の膜厚管理にも適用することが
できる。すなわち、このような光学的測定方法を絶縁膜
の形成工程に組み込むことにより、製造工程途中におい
て膜厚を正確な把握することができるので、ゲート絶縁
膜等の絶縁膜の製造工程をより適正に管理することがで
きる。
Further, the measuring method according to the present embodiment is not only applicable to the clustered manufacturing apparatuses and methods, but can also be applied to the conventional film thickness control after the oxidation step. That is, by incorporating such an optical measurement method into the process of forming the insulating film, the film thickness can be accurately grasped during the manufacturing process, so that the process of manufacturing the insulating film such as the gate insulating film can be more appropriately performed. Can be managed.

【0076】特に、クラスタリングされた製造装置を用
いた場合には、一連のプロセスが終了するまでウエハを
製造装置外に取り出すことがないので、クラスタリング
された製造装置内で光学的評価を行うことで、一連のプ
ロセスの途中での各プロセスの適否を判定できるという
著効を発揮することができる。また、ウエハ表面の状態
が装置外部の環境条件(酸素、湿気などの存在)に影響
されないので、2nm以下の厚みを有するような薄い酸
化膜の厚みを、自然酸化膜の影響等を除去しながら把握
することができ、より高い測定精度が得られるという利
点がある。
In particular, when a clustered manufacturing apparatus is used, a wafer is not taken out of the manufacturing apparatus until a series of processes is completed. Therefore, an optical evaluation is performed in the clustered manufacturing apparatus. In addition, it is possible to determine the suitability of each process during a series of processes. Further, since the state of the wafer surface is not affected by environmental conditions (existence of oxygen, moisture, etc.) outside the apparatus, the thickness of the thin oxide film having a thickness of 2 nm or less is removed while removing the influence of the natural oxide film. There is an advantage that higher measurement accuracy can be obtained.

【0077】なお、本実施形態では、膜厚が2nm以下
の場合に限って説明したが、本発明はかかる実施形態に
限定されるものではなく、膜厚が2nm以上の場合で
も、信号強度と膜厚の関係が予め求められていれば、本
実施形態と同様の効果が得られることはいうまでもな
い。
Although the present embodiment has been described only for the case where the film thickness is 2 nm or less, the present invention is not limited to such an embodiment. If the relationship between the film thicknesses is determined in advance, it goes without saying that the same effect as in the present embodiment can be obtained.

【0078】また、本実施形態で説明した光変調反射率
分光ではなく、従来用いられているエリプソメトリ法に
よる膜厚の測定をクラスタリングされた製造装置内で行
なうことも原理的には可能である。しかし、第1の実施
形態において説明したと同様に、光変調反射率分光法の
方がエリプソメトリ法よりも有利である。
Instead of the light modulation reflectance spectroscopy described in this embodiment, it is possible in principle to measure the film thickness by a conventional ellipsometry method in a clustered manufacturing apparatus. . However, as described in the first embodiment, light modulation reflectance spectroscopy is more advantageous than ellipsometry.

【0079】さらに、本実施形態では、高速酸化用チャ
ンバ2を配置してウエハに酸化工程を施すようにしてい
るが、酸化と共に窒化を行なって窒化酸化膜を形成する
プロセスや、窒化のみを行なって窒化膜を形成するプロ
セスについても、その膜厚と光変調反射率分光のスペク
トル中のピーク値との関係を把握しておくことで、本発
明を適用することができる。
Further, in this embodiment, the wafer is subjected to the oxidation step by arranging the high-speed oxidation chamber 2; however, the process of forming the nitrided oxide film by performing the nitridation together with the oxidation, or only the nitriding The present invention can also be applied to the process of forming a nitride film by grasping the relationship between the film thickness and the peak value in the spectrum of light modulation reflectance spectroscopy.

【0080】(第3の実施形態)次に、第3の実施形態
について説明する。本実施形態においても、上記第1の
実施形態における図1,図2に示すクラスタリングされ
た製造装置を用いる。
(Third Embodiment) Next, a third embodiment will be described. Also in this embodiment, the clustered manufacturing apparatus shown in FIGS. 1 and 2 in the first embodiment is used.

【0081】まず、先行ウエハ(モニターウエハ)を含
む処理ウエハをロード・アンロード部6からロードロッ
ク室3に搬入した後、洗浄用チャンバ1内で、図3に示
す“洗浄後−1”のスペクトルが得られるような条件の
洗浄を行ない、これを光学的測定用チャンバ5に移動さ
せて、光学的測定用チャンバ5内において光変調反射率
分光による測定を行なう。このときのウエハから得られ
る分光スペクトルの形状は、図5に示す“〜0nm”の
スペクトル形状に相当する。つまり、自然酸化膜がほと
んど除去され、清浄なウエハの表面が露出しているの
で、ほとんどピークが現れていない。
First, after a processed wafer including a preceding wafer (monitor wafer) is loaded from the load / unload section 6 into the load lock chamber 3, the "after cleaning-1" shown in FIG. Washing is performed under such conditions that a spectrum can be obtained, and this is moved to the optical measurement chamber 5 to perform measurement by light modulation reflectance spectroscopy in the optical measurement chamber 5. The shape of the spectral spectrum obtained from the wafer at this time corresponds to the spectral shape of “00 nm” shown in FIG. That is, the natural oxide film is almost completely removed, and the surface of the clean wafer is exposed, so that almost no peak appears.

【0082】次に、ウエハを高速酸化用チャンバ2内に
移動させ、第2の実施形態で説明したガス種,ガスの流
量及び昇温条件を用い、約30secの間酸化を行うこ
とで、厚みが3.5nmの酸化膜を形成する。
Next, the wafer is moved into the high-speed oxidation chamber 2 and oxidized for about 30 seconds using the gas type, gas flow rate, and temperature rising conditions described in the second embodiment, thereby obtaining a thickness. Forms an oxide film of 3.5 nm.

【0083】次に、高速酸化用チャンバ2内に窒素混合
ガスを導入し、ウエハ表面の酸化膜の熱処理(窒化処
理)を行なった。
Next, a nitrogen mixed gas was introduced into the high-speed oxidation chamber 2 to perform a heat treatment (nitriding treatment) on the oxide film on the wafer surface.

【0084】図8は、この窒化処理の前後における光変
調反射率分光の測定結果である反射率の変化割合のスペ
クトルを示す図である。同図に示すように、熱処理前と
熱処理後とで、スペクトル形状、特にピーク値が変化す
る理由はまだ解明できていないが、熱処理によるSiO
2 /Si界面準位の発生数の低減、界面付近の歪の低減
などが考えられる。
FIG. 8 is a diagram showing a spectrum of a change ratio of the reflectance as a measurement result of the light modulation reflectance spectrum before and after the nitriding treatment. As shown in the figure, the reason why the spectral shape, especially the peak value, changes before and after the heat treatment has not been elucidated yet,
It is conceivable to reduce the number of 2 / Si interface states generated, to reduce strain near the interface, and the like.

【0085】従来、高速酸化法により厚みが3.5nm
程度の酸化膜を形成した場合には、SiO2 /Si界面
準位の発生があるなどの諸要因から酸化膜の窒化処理が
行なわれているが、そのときの窒化処理を適正に行なう
ための管理手法がなかった。それに対し、本実施形態の
方法によると、窒化処理前後の光変調スペクトルとを比
較することで、窒化された酸化膜の品質の判断基準を設
けることが可能となる。そして、窒化処理条件と窒化処
理後の酸化膜の品質とを比較することで、窒化処理工程
の管理を行なうことが可能となる。例えば、図8に示す
スペクトルのピーク値の適正範囲を定めて製造工程の管
理を行なうことで、窒化処理に伴う種々のトラブルを解
決することができるとともに、窒化された酸化膜の合否
を判定して、次の処理に進行させる、追加窒化処理を行
なう、酸化膜を除去する洗浄工程からやり直す、などの
適切な措置を行なうことが可能になる。
Conventionally, the thickness is 3.5 nm by a high-speed oxidation method.
In the case where an oxide film of a degree is formed, nitriding of the oxide film is performed due to various factors such as generation of an interface state of SiO 2 / Si. There was no management method. On the other hand, according to the method of the present embodiment, it is possible to provide a criterion for determining the quality of the nitrided oxide film by comparing the light modulation spectrum before and after the nitriding treatment. By comparing the conditions of the nitriding treatment with the quality of the oxide film after the nitriding treatment, it is possible to manage the nitriding treatment process. For example, by determining the appropriate range of the peak value of the spectrum shown in FIG. 8 and controlling the manufacturing process, it is possible to solve various troubles associated with the nitriding process and determine whether or not the nitrided oxide film is acceptable. Thus, it is possible to take appropriate measures such as proceeding to the next processing, performing additional nitridation processing, and starting again from the cleaning step for removing the oxide film.

【0086】なお、製造工程の管理を行なうための規格
値が適正かどうかは、様々な要因によって変わるので、
そのプロセス・測定システムの状況に適した値を採用す
ることが好ましい。
Whether the standard value for managing the manufacturing process is appropriate depends on various factors.
It is preferable to adopt a value suitable for the situation of the process / measurement system.

【0087】さらに、本実施形態の測定手法は、クラス
タリングされた製造装置・方法のみに適合するものでは
なく、従来の酸化膜形成後の窒化処理工程の管理にも適
用することができる。すなわち、このような光学的測定
方法を酸化膜の形成後の窒化処理工程に組み込むことに
より、製造工程途中において膜厚を正確な把握すること
ができるので、酸化膜の窒化処理工程をより適正に管理
することができる。ただし、クラスタリングされた製造
装置を用いた場合には、特に、一連のプロセスが終了す
るまでウエハを装置外に取り出すことがないので、本実
施形態のごとく、クラスタリングされた製造装置内で光
学的評価を行うことで、一連のプロセスの途中での各プ
ロセスの適否を判定できるという著効を発揮することが
できる。また、ウエハ表面の状態が装置外部の環境条件
(酸素、湿気などの存在)に影響されないので、2nm
以下の厚みを有するような薄い酸化膜の厚みを、自然酸
化膜の影響等を除去しながら把握することができ、より
高い測定精度が得られるという利点がある。
Further, the measuring method according to the present embodiment is not only applicable to the clustered manufacturing apparatuses and methods, but can also be applied to the conventional management of the nitriding process after forming an oxide film. That is, by incorporating such an optical measurement method into the nitriding process after the formation of the oxide film, the film thickness can be accurately grasped during the manufacturing process, so that the nitriding process of the oxide film can be performed more appropriately. Can be managed. However, when a clustered manufacturing apparatus is used, the wafer is not taken out of the apparatus until a series of processes is completed. Therefore, as in the present embodiment, the optical evaluation is performed within the clustered manufacturing apparatus. Is performed, a remarkable effect that the suitability of each process in a series of processes can be determined. Further, since the state of the wafer surface is not affected by environmental conditions (existence of oxygen, moisture, etc.) outside the apparatus, 2 nm
The thickness of the thin oxide film having the following thickness can be grasped while removing the influence of the natural oxide film and the like, and there is an advantage that higher measurement accuracy can be obtained.

【0088】本実施形態では、酸化膜の熱処理として窒
化処理を行なう場合について説明したが、本発明はこの
実施形態に限定されるものではない。例えば、シリコン
層の上にタンタルオキサイド膜を形成し、その後、熱処
理を行なうことにより、シリコン層とタンタルオキサイ
ド層との間に薄い酸化膜を形成することがあり、かかる
熱処理についても、本実施形態の方法を適用することが
できる。
In this embodiment, the case where the nitriding treatment is performed as the heat treatment of the oxide film has been described. However, the present invention is not limited to this embodiment. For example, a thin oxide film may be formed between the silicon layer and the tantalum oxide layer by forming a tantalum oxide film on the silicon layer and then performing a heat treatment. Method can be applied.

【0089】(第4の実施形態)上記第1〜第3の実施
形態では、クラスタリングされた製造装置中の光学的測
定用チャンバ5に光変調反射率分光を行なうための光学
的測定システムを取り付けたが、本発明はかかる実施形
態に限定されるものではない。例えば、以下のようなク
ラスタリングされていない製造装置にも適用が可能であ
る。
(Fourth Embodiment) In the first to third embodiments, an optical measurement system for performing light modulation reflectance spectroscopy is attached to the optical measurement chamber 5 in the clustered manufacturing apparatus. However, the present invention is not limited to such an embodiment. For example, the present invention can be applied to the following non-clustered manufacturing apparatus.

【0090】図10は、クラスタリングされた製造装置
ではない第4の実施形態に係る単独のチャンバ内、例え
ばプラズマCVDを行なう反応処理室50内で光学的測
定を行なう場合の構成を概略的に示す断面図である。同
図に示すように、反応処理室50内には、下部電極であ
るアノード電極53と、上部電極であるカソード電極5
4とが配設されていて、アノード電極53の上に、p型
シリコンからなるウエハ22が設置されている。ウエハ
22のn型半導体領域24の上にCVDによりシリコン
酸化膜(図示せず)が形成される。そして、高周波電源
51からカップリングコンデンサ52を介して高周波電
力が各電極53,54間に供給することにより、反応処
理室50内にプラズマ55を生成するように構成されて
いる。また、反応処理室50の壁面には、終点検出用窓
57と、プローブ光入射用窓58と、反射光観測用窓5
9とが設けられている。
FIG. 10 schematically shows a configuration in which optical measurement is performed in a single chamber according to the fourth embodiment, which is not a clustered manufacturing apparatus, for example, in a reaction processing chamber 50 for performing plasma CVD. It is sectional drawing. As shown in FIG. 1, an anode electrode 53 serving as a lower electrode and a cathode electrode 5 serving as an upper electrode are provided in a reaction processing chamber 50.
And a wafer 22 made of p-type silicon is placed on the anode electrode 53. A silicon oxide film (not shown) is formed on the n-type semiconductor region 24 of the wafer 22 by CVD. Then, a high-frequency power is supplied between the electrodes 53 and 54 from a high-frequency power supply 51 via a coupling capacitor 52 to generate a plasma 55 in the reaction processing chamber 50. Also, on the wall surface of the reaction processing chamber 50, an end point detection window 57, a probe light incidence window 58, and a reflected light observation window 5 are provided.
9 are provided.

【0091】一方、反応処理室50の外部には、終点検
出システム59が設けられているとともに、反射強度R
の観測のための部材が配設されている。まず、n型半導
体領域24に照射するプローブ光を発生するXeランプ
61が設けられており、Xeランプ61で生成されたプ
ローブ光71はミラー62により反射された後、プロー
ブ光入射用窓58を介して反応処理室50内に設置され
たウエハ22のシリコン酸化膜を通過してn型半導体領
域24に達する。そして、n型半導体領域24で反射さ
れた反射プローブ光72は、反射光観測用窓59から反
応処理室50の外に取り出され、反射強度観測システム
66によりその強度(特に、波長376nm,エネルギ
ー3.3eVの付近)が検出される。そして、反射強度
観測システム66で計測された反射強度に関するデータ
は、信号経路67を経てエッチング制御システム68に
送られる。また、n型半導体領域24に照射する励起光
を発生するArイオンレーザー63が設けられており、
このArイオンレーザー63で発生された励起光73は
チョッパ64によって周波数200Hzでチョッピング
されて、間欠的に送られる。この励起光73は、終点検
出用窓57を介して反応処理室50内に送られ、n型半
導体領域24に間欠的に照射される。そして、上述のよ
うに、励起光73が照射されているときと照射されてい
ないときの反射プローブ光72の反射強度(つまり反射
プローブ光72の強度)の差ΔRを、励起光73の照射
がないときの反射強度Rで割った値(ΔR/R)が反射
率の変化割合として反射強度観測システム66で検知さ
れる。なお、プローブ光の入射側には偏光子を反射側に
は検光子をそれぞれ配置してもよい。
On the other hand, an end point detection system 59 is provided outside the reaction processing chamber 50, and the reflection intensity R
A member for observation is provided. First, a Xe lamp 61 for generating a probe light for irradiating the n-type semiconductor region 24 is provided. After a probe light 71 generated by the Xe lamp 61 is reflected by a mirror 62, a probe light incident window 58 is formed. Through the silicon oxide film of the wafer 22 set in the reaction processing chamber 50 through the silicon oxide film, the n-type semiconductor region 24 is reached. Then, the reflected probe light 72 reflected by the n-type semiconductor region 24 is taken out of the reaction processing chamber 50 from the reflected light observation window 59 and is reflected by the reflection intensity observation system 66 (particularly at a wavelength of 376 nm and energy of 3). .3eV). Then, data on the reflection intensity measured by the reflection intensity observation system 66 is sent to the etching control system 68 via the signal path 67. An Ar ion laser 63 for generating excitation light for irradiating the n-type semiconductor region 24 is provided.
The excitation light 73 generated by the Ar ion laser 63 is chopped by the chopper 64 at a frequency of 200 Hz and is sent intermittently. The excitation light 73 is sent into the reaction processing chamber 50 through the end point detection window 57, and is applied to the n-type semiconductor region 24 intermittently. Then, as described above, the difference ΔR between the reflection intensity of the reflection probe light 72 (ie, the intensity of the reflection probe light 72) when the excitation light 73 is irradiated and when the excitation light 73 is not irradiated is determined by the irradiation of the excitation light 73. The value (ΔR / R) divided by the reflection intensity R when there is no reflection intensity is detected by the reflection intensity observation system 66 as the change ratio of the reflectance. Note that a polarizer may be arranged on the incident side of the probe light, and an analyzer may be arranged on the reflection side.

【0092】以上の構成により、実際にCVDなどによ
り絶縁膜を形成する反応処理室内で、反射強度の変化割
合の変動がモニターされる。したがって、クラスタリン
グされた製造装置でなくても、単独でCVD,スパッタ
リング,熱酸化等の成膜を行なう装置内においても、光
変調反射率分光のスペクトルを利用して形成される成膜
の膜厚を測定することができる。特に、上記各実施形態
で説明したように、光変調反射率分光による測定では、
現在汎用されているエリプソメトリ法では測定誤差が大
きい厚み範囲や、測定感度が得られないような検出困難
なほど薄い厚み範囲についての測定が可能であるという
利点がある。
With the above structure, the change in the rate of change of the reflection intensity is monitored in the reaction processing chamber where the insulating film is actually formed by CVD or the like. Therefore, the film thickness of the film formed by utilizing the spectrum of light modulation reflectance spectroscopy is not limited to a clustered manufacturing apparatus but also to an apparatus that independently performs film formation such as CVD, sputtering, and thermal oxidation. Can be measured. In particular, as described in the above embodiments, in the measurement by light modulation reflectance spectroscopy,
The ellipsometry method, which is currently widely used, has the advantage that measurement can be performed in a thickness range where a measurement error is large, or in a thickness range where detection is difficult to obtain and the thickness range is too thin to detect.

【0093】(第5の実施形態)次に、n型半導体領域
およびp型半導体領域についての光変調反射率測定に関
する第5の実施形態について説明する。本実施形態にお
ける製造装置や光学的測定システムの図示は省略する
が、第1又は第4の実施形態におけるものを使用するこ
とができる。すなわち、以下の説明では便宜上図1およ
び図2に示すクラスタリングされた製造装置および光学
的測定システムを用いたときの測定手順について説明す
るが、図10に示すクラスタリングされていないCVD
装置および光学的測定システムを用いてもよい。
(Fifth Embodiment) Next, a description will be given of a fifth embodiment relating to the measurement of light modulation reflectance for an n-type semiconductor region and a p-type semiconductor region. Although illustration of the manufacturing apparatus and the optical measurement system in the present embodiment is omitted, those in the first or fourth embodiment can be used. That is, in the following description, a measurement procedure using the clustered manufacturing apparatus and the optical measurement system shown in FIGS. 1 and 2 will be described for convenience, but the non-clustered CVD shown in FIG.
Apparatus and optical measurement systems may be used.

【0094】−酸化膜の膜厚と光変調反射率分光測定デ
ータとの関係− まず、各々n型半導体領域およびp型半導体領域を有す
る先行ウエハを含めた処理ウエハをロード室6より導入
し、第2の実施形態において説明した方法でウエハの洗
浄を行う。
-Relationship Between Oxide Film Thickness and Optical Modulation Reflectance Spectroscopic Measurement Data- First, a processing wafer including a preceding wafer having an n-type semiconductor region and a p-type semiconductor region is introduced from the load chamber 6, The wafer is cleaned by the method described in the second embodiment.

【0095】次に、このウエハの表面を酸化して、n型
半導体領域およびp型半導体領域の上に酸化膜を形成す
る。そして、酸化時間を種々変更して異なる膜厚を有す
る測定用サンプルを形成し、各サンプルについて光変調
反射率分光による膜厚の測定を行なった。
Next, the surface of the wafer is oxidized to form an oxide film on the n-type semiconductor region and the p-type semiconductor region. Then, measurement samples having different film thicknesses were formed by variously changing the oxidation time, and the film thickness of each sample was measured by light modulation reflectance spectroscopy.

【0096】図11は、TEM観察による膜厚と、光変
調反射率分光のスペクトル中の“谷からのピーク値”と
の関係を示すデータである。同図において、■はp型半
導体領域上の酸化膜についての測定値データを示し、▲
はn型半導体領域上の酸化膜についてのデータを示す。
図11における“谷からのピーク値”は、スペクトルの
最大値(正側のピーク値)と最小値(負側のピーク値)
の差を示している。
FIG. 11 is data showing the relationship between the film thickness obtained by TEM observation and the “peak value from the valley” in the spectrum of light modulation reflectance spectroscopy. In the same figure, ■ indicates measured value data for the oxide film on the p-type semiconductor region,
Indicates data on the oxide film on the n-type semiconductor region.
The “peak value from the valley” in FIG. 11 indicates the maximum value (positive peak value) and the minimum value (negative peak value) of the spectrum.
Shows the difference between

【0097】また、図12は、n型半導体領域における
光変調反射率分光の雑音除去処理を行なう前の実測スペ
クトルを示す図である。
FIG. 12 is a view showing an actually measured spectrum before performing noise removal processing of light modulation reflectance spectrum in the n-type semiconductor region.

【0098】図11に示されるように、酸化膜の厚みが
約1.0nm以下においては、n型半導体領域における
よりもp型半導体領域における反射率の変化割合(ΔR
/R)の“谷からのピーク値”が大きくなっている,つ
まり測定感度が高くなっている。一方、酸化膜の厚みが
約1.0nmを越えると、n型半導体領域における“谷
からのピーク値”の方が高くなっている。そして、p型
半導体領域においては、酸化膜の厚みが1.0nmを越
えると“谷からのピーク値”が減小する傾向がある。
As shown in FIG. 11, when the thickness of the oxide film is about 1.0 nm or less, the change rate (ΔR) of the reflectance in the p-type semiconductor region is larger than that in the n-type semiconductor region.
/ R) "peak value from valley" is large, that is, the measurement sensitivity is high. On the other hand, when the thickness of the oxide film exceeds about 1.0 nm, the “peak value from the valley” in the n-type semiconductor region is higher. In the p-type semiconductor region, when the thickness of the oxide film exceeds 1.0 nm, the “peak value from the valley” tends to decrease.

【0099】一方、図12に示されるように、n型半導
体領域におけるスペクトルは、酸化膜の厚みが0.2n
m付近になると、雑音による凹凸のためにピーク部を見
つけること自体が手間を要するようになる。
On the other hand, as shown in FIG. 12, the spectrum in the n-type semiconductor region has an oxide film thickness of 0.2 n
In the vicinity of m, finding the peak portion itself due to the unevenness due to noise becomes troublesome.

【0100】以上のデータを整理すると、以下のように
なる。ゲート絶縁膜の膜厚の増大とともに、電子付着過
程の増大が生じ、この効果は膜厚が0〜2nmの範囲で
得られる。特に、n型半導体領域の表面では図11に示
すように、1nm以上の厚み範囲で電子付着の増大に起
因する反射率の変化割合の増大が顕著なのに対して、p
型半導体領域の表面では0.5〜1.5nmの厚み範囲
で電子付着の増大に起因する反射率の変化割合の変化が
顕著となる。この時、信号強度の変化特性は膜形成工程
条件にも依存するが、信号強度の変化特性から膜厚の情
報を得ることができる。
The following is a summary of the above data. As the thickness of the gate insulating film increases, the electron attachment process increases, and this effect is obtained when the thickness is in the range of 0 to 2 nm. In particular, on the surface of the n-type semiconductor region, as shown in FIG. 11, the rate of change of the reflectance due to the increase in electron attachment is remarkable in the thickness range of 1 nm or more, whereas p
On the surface of the type semiconductor region, the change in the change rate of the reflectance caused by the increase in electron attachment becomes remarkable in the thickness range of 0.5 to 1.5 nm. At this time, although the signal intensity change characteristic also depends on the film forming process conditions, information on the film thickness can be obtained from the signal intensity change characteristic.

【0101】特に、酸化膜の厚みが1.0nm以下の範
囲においてはp型半導体領域における測定データを採用
し、酸化膜の厚みが1.0nmを越える範囲においては
n型半導体領域における測定データを採用することによ
り、従来困難であった厚みが1.5nm以下のほぼ全て
の範囲における酸化膜の膜厚を正確に測定することが可
能になった。この効果は、クラスタリングされた製造装
置を用いるか否かとは無関係に得られる効果である。
In particular, the measurement data in the p-type semiconductor region is adopted when the thickness of the oxide film is 1.0 nm or less, and the measurement data in the n-type semiconductor region is adopted when the thickness of the oxide film exceeds 1.0 nm. By adopting it, it has become possible to accurately measure the thickness of the oxide film in almost the entire range where the thickness is 1.5 nm or less, which has been difficult in the past. This effect is obtained irrespective of whether the clustered manufacturing apparatus is used.

【0102】−酸化膜の膜厚の管理− 次に、図11に示されるデータを用いて、酸化膜の膜厚
の管理を行なった結果について説明する。
—Management of Oxide Film Thickness— Next, a result of managing the oxide film thickness using the data shown in FIG. 11 will be described.

【0103】各ウエハ上のゲート酸化膜について光変調
反射率分光の測定を行ない、各ウエハにおける分光スペ
クトル中の谷からのピーク値が、図11に示す1.5n
mの厚み位置に相当する値になるように、製造工程を管
理した。
The light modulation reflectance spectrum of the gate oxide film on each wafer was measured, and the peak value from the valley in the spectrum of each wafer was 1.5 n as shown in FIG.
The manufacturing process was controlled so as to obtain a value corresponding to the thickness position of m.

【0104】図13は、本実施形態におけるゲート酸化
膜の膜厚管理方法で管理されたゲート酸化膜のリーク電
流値の変動を示すデータである。同図において、横軸は
ウエハ番号を表し、縦軸はゲートリーク電流の規格値に
対する実測値の比として表される変動量(%)を表して
いる。また、○は本実施形態の管理方法を組み込んだ製
造プロセスで形成された素子のゲートリーク電流の測定
データであり、●は本実施形態の管理方法を組み込んで
いない従来の製造プロセスで形成された素子のゲートリ
ーク電流を示す。同図に示されるように、本実施形態の
管理方法を用いて製造されたゲート酸化膜の厚みのばら
つきは小さいので、ゲートリーク電流の変動量も小さく
抑制されていることがわかる。
FIG. 13 is data showing the fluctuation of the leakage current value of the gate oxide film managed by the method of controlling the thickness of the gate oxide film in this embodiment. In the figure, the horizontal axis represents the wafer number, and the vertical axis represents the variation (%) expressed as the ratio of the measured value to the standard value of the gate leak current. In addition, ○ indicates measurement data of the gate leak current of the device formed by the manufacturing process incorporating the management method of the present embodiment, and ● indicates the data formed by the conventional manufacturing process not incorporating the management method of the present embodiment. 4 shows a gate leak current of the device. As shown in the figure, since the variation in the thickness of the gate oxide film manufactured by using the management method of the present embodiment is small, it can be seen that the fluctuation amount of the gate leak current is also small.

【0105】すなわち、従来の経験的な管理方法では、
1.5nmレベルのゲート酸化膜を形成する工程におい
て、製造装置の稼働時間の経過につれてゲート酸化膜の
膜厚のバラツキが大きくなっていたために、しばしばゲ
ート酸化膜の不良が発生していた。それに対し、本実施
形態のゲート酸化膜の膜厚管理方法によれば、図13に
示されるように、ゲートリーク電流の変動量が小さく抑
制でき、その結果、ゲート酸化膜の不良の発生を低減す
ることができた。すなわち、本実施形態の膜厚評価方法
及び半導体装置の製造方法により、厚みが1.5nmレ
ベルのゲート絶縁膜を有する高機能のデバイスが実現で
きる。
That is, in the conventional empirical management method,
In the process of forming the gate oxide film at the 1.5 nm level, the variation in the thickness of the gate oxide film has increased with the elapse of the operation time of the manufacturing apparatus, and thus the gate oxide film has often failed. On the other hand, according to the method for controlling the thickness of the gate oxide film of the present embodiment, as shown in FIG. 13, the amount of change in the gate leak current can be suppressed small, and as a result, the occurrence of defects in the gate oxide film is reduced. We were able to. That is, a high-performance device having a gate insulating film having a thickness of 1.5 nm can be realized by the method for evaluating the film thickness and the method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment.

【0106】−洗浄工程の管理− 次に、第1の実施形態に相当する洗浄工程(酸化膜の除
去作用も含む)において、p型半導体領域およびn型半
導体領域双方における光学的測定を利用して酸化膜の膜
厚を測定した結果について説明する。
-Management of Cleaning Step- Next, in the cleaning step (including the action of removing the oxide film) corresponding to the first embodiment, optical measurement is performed on both the p-type semiconductor region and the n-type semiconductor region. The result of measuring the thickness of the oxide film will be described.

【0107】その場合、上記第1の実施形態における洗
浄処理と同様に、先行ウエハ(モニターウエハ)を含む
処理ウエハをロード・アンロード部6からロードロック
室3に搬入した後、洗浄用チャンバ1内で種々の時間だ
け洗浄を行なう。このとき、光照射によってCl2 ガス
を解離されできたラジカルによりウエハ表面をエッチン
グし平坦な界面を形成する。このために洗浄用チャンバ
1の表面には、腐食などを防止するための処理が施され
ている。
In this case, similarly to the cleaning processing in the first embodiment, after the processing wafer including the preceding wafer (monitor wafer) is loaded from the load / unload section 6 into the load lock chamber 3, the cleaning chamber 1 Cleaning is performed for various times in the apparatus. At this time, the wafer surface is etched by radicals that have been able to dissociate the Cl 2 gas by light irradiation to form a flat interface. For this reason, the surface of the cleaning chamber 1 is subjected to a treatment for preventing corrosion and the like.

【0108】次に、ウエハの洗浄後にウエハを光学的測
定用チャンバ5に搬送し、図2に示す光学的測定システ
ムを用いて、光変反射率分光による光学測定を行なう。
Next, after the cleaning of the wafer, the wafer is transferred to the optical measurement chamber 5, and the optical measurement is performed by means of optical variable reflectance spectroscopy using the optical measurement system shown in FIG.

【0109】図14は、図1および図2に示すクラスタ
リング装置を用いてウエハの洗浄を行ったときの洗浄時
間に対する光変調反射率分光のスペクトル中の“谷から
のピーク値”の変化を示すデータである。同図におい
て、■はp型半導体領域における測定値を、●はn型半
導体領域における測定値である。n型半導体領域につい
てのデータは、見かけ上図4に示すデータと異なってい
るように見えるが、これはデータの処理方法が図4と図
14とでは異なっているからであり、基本的には両デー
タは同じ傾向を示している。そして、いずれの領域にお
いても、洗浄時間が不足していて酸化膜が十分除去でき
ていない間は膜厚が大きく、十分洗浄を行なうと酸化膜
の膜厚が減小していることを示している。
FIG. 14 shows the change of the “peak value from the valley” in the spectrum of the light modulation reflectance spectrum with respect to the cleaning time when the wafer is cleaned using the clustering apparatus shown in FIGS. Data. In the figure, ■ indicates a measured value in the p-type semiconductor region, and ● indicates a measured value in the n-type semiconductor region. The data for the n-type semiconductor region apparently differs from the data shown in FIG. 4 because the data processing method is different between FIG. 4 and FIG. Both data show the same trend. In any of the regions, the film thickness is large while the cleaning time is insufficient and the oxide film cannot be sufficiently removed, and the film thickness of the oxide film decreases when the cleaning is sufficiently performed. I have.

【0110】ここで、同図におけるn型半導体領域とp
型半導体領域とについてのデータを比べると、洗浄時間
が3.0〜4.0×102 secに達するまではn型半
導体領域の方が谷からのピーク値が高いが、洗浄時間が
3.0〜4.0×102 secを越えるとp型半導体領
域の方が谷からのピーク値が高くなっている。これは、
洗浄時間が不足していて酸化膜がそれほど薄くなってい
ない間はn型半導体領域のデータを採用した方が高い測
定感度および測定精度が得られるが、洗浄時間が長くな
って酸化膜の除去が進むとp型半導体領域における測定
データを採用した方が高い測定感度および測定精度が得
られることを示している。この傾向は、図11のデータ
が示す傾向と合致している。
Here, the n-type semiconductor region and p in FIG.
Comparing the data for the n-type semiconductor region, the peak value from the valley is higher in the n-type semiconductor region until the cleaning time reaches 3.0 to 4.0 × 10 2 sec. If it exceeds 0 to 4.0 × 10 2 sec, the peak value from the valley is higher in the p-type semiconductor region. this is,
As long as the cleaning time is insufficient and the oxide film is not so thin, higher measurement sensitivity and measurement accuracy can be obtained by using data of the n-type semiconductor region, but the cleaning time is longer and the oxide film is removed. It indicates that higher measurement sensitivity and higher measurement accuracy can be obtained by using the measurement data in the p-type semiconductor region. This tendency is consistent with the tendency shown by the data in FIG.

【0111】したがって、洗浄工程において、n型半導
体領域とp型半導体領域とについて光変調反射率分光を
行なって、より高い感度を示す方のデータ(ΔR/R)
を利用して酸化膜の厚みをモニターしながら、洗浄条件
や洗浄時間の管理を行なうことにより、酸化膜の除去を
伴う洗浄を必要かつ十分に行なうことができる。
Therefore, in the cleaning step, light modulation reflectance spectroscopy is performed on the n-type semiconductor region and the p-type semiconductor region to obtain data (ΔR / R) showing higher sensitivity.
By controlling the cleaning conditions and the cleaning time while monitoring the thickness of the oxide film by utilizing the method, the cleaning accompanied by the removal of the oxide film can be necessary and sufficiently performed.

【0112】また、図14のデータから熱酸化やCVD
による酸化膜の形成を行なう際には、処理時間の経過に
対して、図14に示す各特性線とは傾きが逆の測定値が
得られるとがわかる。すなわち、図14に示すデータを
利用して、p型半導体領域及びn型半導体領域上に熱酸
化膜やCVD酸化膜を形成する際の膜厚の管理をも行な
うことができる。
Also, from the data of FIG.
It can be seen that, when the oxide film is formed by the method described above, a measurement value having a slope opposite to each characteristic line shown in FIG. That is, using the data shown in FIG. 14, it is also possible to control the film thickness when forming a thermal oxide film or a CVD oxide film on the p-type semiconductor region and the n-type semiconductor region.

【0113】(その他の実施形態)上記第1〜第3の実
施形態では、クラスタリングされた製造装置において、
図1に示すように、ロードロック室3の周囲に、洗浄用
チャンバ1と、酸化膜を形成するための高速酸化用チャ
ンバ2と、冷却用チャンバ4と、光学的測定用チャンバ
5とを配設して、各チャンバ間で大気にさらされること
なく減圧下でウエハを搬送できるようにしたが、本発明
はかかる実施形態に限定されるものではない。例えば、
図1に示す装置に代えて、以下のようなクラスタリング
された製造装置の構成が可能である。
(Other Embodiments) In the first to third embodiments, in the clustered manufacturing apparatus,
As shown in FIG. 1, a cleaning chamber 1, a high-speed oxidation chamber 2 for forming an oxide film, a cooling chamber 4, and an optical measurement chamber 5 are arranged around a load lock chamber 3. The wafers can be transferred under reduced pressure without being exposed to the atmosphere between the chambers, but the present invention is not limited to such an embodiment. For example,
Instead of the apparatus shown in FIG. 1, the following clustered manufacturing apparatus configuration is possible.

【0114】第1に、光学的測定用チャンバ5を別途設
けることなく、ウエハ冷却用チャンバ4に光学的測定シ
ステムを配設してもよい。
First, an optical measurement system may be provided in the wafer cooling chamber 4 without separately providing the optical measurement chamber 5.

【0115】第2に、高速酸化用チャンバ2の代わり
に、スパッタリング又はCVDにより酸化膜,窒化膜,
ポリシリコン膜を形成するためのチャンバを設けてもよ
い。
Second, instead of the high-speed oxidation chamber 2, an oxide film, a nitride film,
A chamber for forming a polysilicon film may be provided.

【0116】第3に、高速酸化用チャンバ2に加えて、
スパッタリングやCVDにより酸化膜,窒化膜,ポリシ
リコン膜を形成するためのチャンバを設けてもよい。特
に、ゲート酸化膜を形成した後に、ポリシリコン膜をこ
の製造装置内で形成することができれば、ゲート酸化膜
が形成されたウエハ上に自然酸化膜が形成されないうち
にゲート電極用を構成するポリシリコン膜を形成できる
という利点がある。
Third, in addition to the high-speed oxidation chamber 2,
A chamber for forming an oxide film, a nitride film, and a polysilicon film by sputtering or CVD may be provided. In particular, if a polysilicon film can be formed in this manufacturing apparatus after forming a gate oxide film, a polysilicon film for forming a gate electrode can be formed before a natural oxide film is formed on a wafer on which the gate oxide film is formed. There is an advantage that a silicon film can be formed.

【0117】なお、ウエハの一部に製品となる半導体装
置を形成しないモニター領域を設けておいて、このモニ
ター領域内の半導体領域について上述の光学的測定を行
なうようにしてもよい。その場合、モニター領域内の半
導体領域における不純物濃度を製品となる半導体装置内
の半導体領域における不純物濃度よりも高くして、測定
感度を高めることができる。また、モニター領域は面積
的にも広く確保できるので、光学的測定を容易に行なう
ことができる利点がある。
It is also possible to provide a monitor area where a semiconductor device to be a product is not formed on a part of the wafer, and perform the above-described optical measurement on the semiconductor area in the monitor area. In that case, the measurement sensitivity can be increased by setting the impurity concentration in the semiconductor region in the monitor region higher than the impurity concentration in the semiconductor region in the semiconductor device to be a product. In addition, since the monitor area can be secured in a large area, there is an advantage that optical measurement can be easily performed.

【0118】なお、本発明の光変調反射率分光により厚
みを測定できる膜は、光(紫外線を含む)を通過する性
質を有する材質のものであればよい。したがって、酸化
膜などの絶縁膜に限定されるものではなく、透明な導電
性材料や、薄い金属膜で光を透過できるものでもよい。
とくに、同じ材質の膜でも薄膜になるにしたがって光を
透過しやすくなるので、発明の適用が可能な材質の制限
が緩和されることになる。
The film whose thickness can be measured by light modulation reflectance spectroscopy of the present invention may be made of a material having a property of transmitting light (including ultraviolet rays). Therefore, it is not limited to an insulating film such as an oxide film, but may be a transparent conductive material or a thin metal film capable of transmitting light.
In particular, even if the film is made of the same material, the light is easily transmitted as the film becomes thinner, so that the limitation of the material to which the invention can be applied is eased.

【0119】また、クラスタリングされた製造装置に適
した光学的測定システムの構造として、以下のような形
態も採ることができる。
Further, the structure of the optical measurement system suitable for the clustered manufacturing apparatus can also take the following forms.

【0120】図15は、チャンバの天井面上に光学的測
定システムを集約して配置したときの構造例を示す断面
図である。同図に示すように、クラスタリングされた製
造装置内のロードロック室3につながる光学的測定用チ
ャンバ5の天井面側に全ての光学的システムが配置され
ている。すなわち、光学的測定用チャンバ5の天井面に
測定光および励起光を通過させるための石英窓23が取
り付けられている。そして、石英窓23の上に入射測定
光導入部24と反射測定光導出部25とが取り付けられ
ている。また、励起光用光源7(Arイオンレーザ)
と、測定光用光源8(150WのXeランプ)と、測定
光の反射光の強度を検出するための光検出器9と、測定
光用光源8からの光を測定光導入部24まで案内する光
ファイバー11と、測定光導出部25からの光を光検出
器9まで案内する光ファイバー12と、励起光用光源7
で生成された励起光を500Hzの周波数で被測定物に
間欠的に照射させる(変調)ためのチョッパー28と、
モニターやCPUを有し、光変調反射率分光による測定
の際の機器の制御やデータの算出,解析などを行なうた
めの制御・解析システム13と、チョッパー28と制御
・解析システム13内のCPUとの間を接続する信号線
30とが配設されている。ここで、入射測定光導入部2
4および反射測定光導出部25は、それぞれ光ファイバ
ー支持装置としての機能をも有している。そして、光学
的測定用チャンバ5内に配置されたウエハステージ21
上にウエハ22を設置して、上述のような光変調反射率
分光測定を行なうように構成されている。
FIG. 15 is a cross-sectional view showing an example of a structure when optical measurement systems are collectively arranged on the ceiling surface of a chamber. As shown in the figure, all the optical systems are arranged on the ceiling side of the optical measurement chamber 5 connected to the load lock chamber 3 in the clustered manufacturing apparatus. That is, a quartz window 23 for passing measurement light and excitation light is attached to the ceiling surface of the optical measurement chamber 5. Then, an incident measuring light introducing unit 24 and a reflected measuring light deriving unit 25 are mounted on the quartz window 23. Further, a light source 7 for excitation light (Ar ion laser)
A light source 8 for measuring light (150 W Xe lamp), a photodetector 9 for detecting the intensity of reflected light of the measuring light, and a light from the light source 8 for measuring light guided to the measuring light introducing unit 24. An optical fiber 11, an optical fiber 12 for guiding the light from the measuring light guide 25 to the photodetector 9, and a light source 7 for the excitation light.
A chopper 28 for intermittently irradiating (modulating) the device under test with the excitation light generated at the frequency of 500 Hz,
A control / analysis system 13 having a monitor and a CPU for controlling equipment and calculating and analyzing data during measurement by light modulation reflectance spectroscopy; a chopper 28 and a CPU in the control / analysis system 13; And a signal line 30 connecting between the two. Here, the incident measurement light introducing unit 2
4 and the reflection measurement light deriving unit 25 also have a function as an optical fiber support device, respectively. Then, the wafer stage 21 placed in the optical measurement chamber 5
The wafer 22 is placed on the upper surface, and the light modulation reflectance spectral measurement as described above is performed.

【0121】図16は、被測定物に対する測定光の入射
角が大きい場合の構造例を示す断面図である。同図に示
すように、光学的測定用チャンバ5の天井面に測定光お
よび励起光を通過させるための石英窓23が取り付けら
れている。そして、石英窓23の上に励起光導入用光フ
ァイバー支持装置44が取り付けられている。また、光
学的測定用チャンバ5の側方に、測定光導入用光ファイ
バー支持装置40及び測定光導入部41と、測定光導出
部42及び測定光導出用光ファイバー支持装置43とが
取り付けられている。さらに、図示されていないが、ク
ラスタリングされた製造装置の外側に、励起光用光源
(Arイオンレーザ)と、測定光用光源(150WのX
eランプ)と、測定光の反射光の強度を検出するための
光検出器とが設けられている。そして、励起光用光源か
らの光を励起光導入用光ファイバー支持装置44まで案
内する光ファイバー10と、測定光用光源からの光を測
定光導入用光ファイバー支持装置40まで案内する光フ
ァイバー11と、測定光導出用光ファイバー支持装置2
5からの光を光検出器まで案内する光ファイバー12と
が設けられている。なお、励起光は、図示しない位置に
設けられたチョッパーにより、500Hzの周波数で被
測定物に間欠的に照射されるように構成されている。ま
た、モニターやCPUを有し、光変調反射率分光による
測定の際の機器の制御やデータの算出,解析などを行な
うための制御・解析システムとが配設されている。
FIG. 16 is a cross-sectional view showing an example of a structure in the case where the angle of incidence of the measuring light on the object to be measured is large. As shown in the figure, a quartz window 23 for passing measurement light and excitation light is attached to the ceiling surface of the optical measurement chamber 5. Then, an optical fiber support device 44 for introducing excitation light is mounted on the quartz window 23. A measuring light introducing optical fiber support device 40 and a measuring light introducing unit 41, and a measuring light deriving unit 42 and a measuring light deriving optical fiber supporting device 43 are attached to the side of the optical measuring chamber 5. Further, although not shown, a light source for excitation light (Ar ion laser) and a light source for measurement light (X of 150 W) are provided outside the clustered manufacturing apparatus.
e-lamp) and a photodetector for detecting the intensity of the reflected light of the measurement light. An optical fiber 10 for guiding light from the excitation light source to the optical fiber support device 44 for introducing excitation light, an optical fiber 11 for guiding light from the light source for measurement light to the optical fiber support device 40 for introducing measurement light, Lead-out optical fiber support device 2
And an optical fiber 12 for guiding light from 5 to a photodetector. The excitation light is configured to be intermittently applied to the device under test at a frequency of 500 Hz by a chopper provided at a position (not shown). Further, a control / analysis system having a monitor and a CPU for controlling equipment and calculating and analyzing data at the time of measurement by light modulation reflectance spectroscopy is provided.

【0122】図17は、光学的測定用チャンバー5の天
井面に光学的測定システムをさらに集約化して取り付け
た場合の構造例を示す断面図である。光学的測定用チャ
ンバ5の天井面に石英窓23が取り付けられ、石英窓2
3の上に球面部材45が取り付けられている。球面部材
45の表面形状は、ウエハ22の被測定部を中心とする
球面にほぼ一致している。この球面部材45に、光ファ
イバー11を支持する測定光導入用光ファイバー支持装
置40と、光ファイバー12を支持する測定光導出用光
ファイバー支持装置41と、光ファイバー10を支持す
る励起光導入用光ファイバー支持装置44とが取り付け
られている。さらに、測定光導入用光ファイバー支持装
置40と測定光導出用光ファイバー支持装置41とは、
ラック&ピニオン機構などによって互いに垂線からの傾
き角を常に同じ値としながら球面部材45の斜面に沿っ
て移動可能に構成されている。そして、クラスタリング
された製造装置の外側からラック&ピニオン機構を遠隔
制御により作動させて、測定光導入用光ファイバー支持
装置40および測定光導出用光ファイバー支持装置41
の垂線からの傾き角を調整できるように構成されてい
る。すなわち、光学的測定用チャンバ5内に設置された
ウエハステージ21上のウエハ22に対する測定光の入
射角を調整できるように構成されている。このような構
造により、きわめて狭いスペースに光学的測定システム
のうちの光の導入・導出部を集約することができ、特に
クラスタリングされた製造装置に取り付けるのに適した
ものとなっている。
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a structural example in which an optical measurement system is further integrated and mounted on the ceiling surface of the optical measurement chamber 5. A quartz window 23 is attached to the ceiling surface of the optical measurement chamber 5,
The spherical member 45 is mounted on the third member 3. The surface shape of the spherical member 45 substantially matches the spherical surface of the wafer 22 centered on the measured portion. The spherical member 45 includes a measuring light introducing optical fiber supporting device 40 supporting the optical fiber 11, a measuring light guiding optical fiber supporting device 41 supporting the optical fiber 12, and an excitation light introducing optical fiber supporting device 44 supporting the optical fiber 10. Is attached. Further, the measuring light introducing optical fiber support device 40 and the measuring light deriving optical fiber supporting device 41
The rack and pinion mechanism and the like are configured to be movable along the slope of the spherical member 45 while always keeping the same inclination angle from the perpendicular to each other. Then, the rack and pinion mechanism is operated by remote control from the outside of the clustered manufacturing apparatus, so that the measuring light introducing optical fiber supporting device 40 and the measuring light guiding optical fiber supporting device 41 are operated.
Is configured to be able to adjust the angle of inclination from the perpendicular. That is, the angle of incidence of the measurement light on the wafer 22 on the wafer stage 21 installed in the optical measurement chamber 5 can be adjusted. With such a structure, the light introduction / departure portion of the optical measurement system can be concentrated in a very small space, and is particularly suitable for mounting on a clustered manufacturing apparatus.

【0123】[0123]

【発明の効果】本発明の半導体装置の製造装置によれ
ば、大気と遮断された共通容器内にウエハに各種処理を
施すための複数の処理室をクラスタリングした状態で配
設するとともに、共通容器内のいずれかの部位にウエハ
を設置した状態でウエハの表面状態を光学的に評価する
ための光学的測定手段を設けたので、自然酸化膜などの
影響のない状態でウエハ上の酸化膜の有無や酸化膜の膜
厚などを高精度で測定することが可能となり、微細化さ
れた半導体装置の製造工程を適正に管理する機能を有す
る半導体装置の製造装置が得られる。
According to the semiconductor device manufacturing apparatus of the present invention, a plurality of processing chambers for performing various kinds of processing on wafers are arranged in a clustered state in a common container which is isolated from the atmosphere. The optical measurement means for optically evaluating the surface state of the wafer with the wafer installed in any part of the wafer is provided, so that the oxide film on the wafer is not affected by the natural oxide film etc. The presence or absence, the thickness of an oxide film, and the like can be measured with high precision, and a semiconductor device manufacturing apparatus having a function of appropriately managing the manufacturing process of a miniaturized semiconductor device can be obtained.

【0124】本発明の第1の半導体装置の製造方法によ
れば、膜の形成や膜の除去を行なう際の膜の厚みを光変
調反射率分光法により測定するようにしたので、エリプ
ソメトリ法による膜厚の測定では得られない高い感度,
精度で膜厚を測定することができる。
According to the first method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, the thickness of the film when forming or removing the film is measured by light modulation reflectance spectroscopy. Sensitivity that cannot be obtained by film thickness measurement
The film thickness can be measured with high accuracy.

【0125】本発明の第2の半導体装置の製造方法によ
れば、大気とは遮断された雰囲気で行なうための共通容
器内で半導体領域上への膜の形成又は膜の除去を行なう
とともに、半導体領域に対する光学的評価から膜の厚み
を測定するようにしたので、クラスタリングされた装置
内でインラインでの光学的評価を利用して半導体装置の
製造を行なうことができる。
According to the second method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a film is formed on a semiconductor region or a film is removed from a semiconductor region in a common container which is operated in an atmosphere shielded from the atmosphere. Since the thickness of the film is measured from the optical evaluation of the region, the semiconductor device can be manufactured using the in-line optical evaluation in the clustered device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1〜第3の実施形態において使用さ
れるクラスタリングされた半導体装置の製造装置の構成
を模式的に示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram schematically showing a configuration of an apparatus for manufacturing a clustered semiconductor device used in first to third embodiments of the present invention.

【図2】本発明の第1〜第3の実施形態において使用さ
れる光学的測定機構の構成を概略的に示す断面図であ
る。
FIG. 2 is a sectional view schematically showing a configuration of an optical measuring mechanism used in the first to third embodiments of the present invention.

【図3】第1の実施形態における光変調反射率分光の結
果を示す反射率のスペクトル図である。
FIG. 3 is a reflectance spectrum diagram showing a result of light modulation reflectance spectroscopy in the first embodiment.

【図4】第1の実施形態における洗浄時間と光変調反射
率分光のスペクトル中のピーク値との関係を示すデータ
である。
FIG. 4 is data showing a relationship between a cleaning time and a peak value in a spectrum of light modulation reflectance spectroscopy in the first embodiment.

【図5】第2の実施形態における各種酸化膜の光変調反
射率分光の結果を示す反射率のスペクトル図である。
FIG. 5 is a reflectance spectrum diagram showing a result of light modulation reflectance spectroscopy of various oxide films in the second embodiment.

【図6】第2の実施形態におけるTEM観察による膜厚
と光変調反射率分光のスペクトル中のピーク値との関係
を示すデータである。
FIG. 6 is data showing a relationship between a film thickness obtained by TEM observation and a peak value in a spectrum of light modulation reflectance spectroscopy in the second embodiment.

【図7】シリコン基板上に酸化膜とポリシリコン膜とが
堆積されたものの断面構造をTEMで撮影したものの複
写図である。
FIG. 7 is a copy of a TEM image of a cross-sectional structure of an oxide film and a polysilicon film deposited on a silicon substrate.

【図8】第3の実施形態における厚み3.5nmの酸化
膜に対する熱処理を行なう前と行なった後における光変
調反射率分光のスペクトルを示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a spectrum of light modulation reflectance spectroscopy before and after performing a heat treatment on a 3.5-nm-thick oxide film in a third embodiment.

【図9】本発明で得られる光変調反射率分光の基本的な
形状を示すスペクトル線図である。
FIG. 9 is a spectral diagram showing a basic shape of light modulation reflectance spectrum obtained by the present invention.

【図10】第4の実施形態における単独のチャンバ内で
光学的測定を行なう場合の構成を概略的に示す断面図で
ある。
FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing a configuration for performing optical measurement in a single chamber in a fourth embodiment.

【図11】第5の実施形態におけるTEM観察による膜
厚と光変調反射率分光のスペクトル中の谷からのピーク
値との関係を示すデータである。
FIG. 11 is data showing a relationship between a film thickness by TEM observation and a peak value from a valley in a spectrum of light modulation reflectance spectroscopy in the fifth embodiment.

【図12】第5の実施形態におけるn型半導体領域での
光変調反射率分光の雑音除去処理を行なう前の実測スペ
クトルを示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing an actually measured spectrum before performing noise removal processing of light modulation reflectance spectrum in an n-type semiconductor region in a fifth embodiment.

【図13】第5の実施形態におけるゲート酸化膜の膜厚
管理方法で管理されたゲート酸化膜のリーク電流値の変
動を示すデータである。
FIG. 13 is data showing a change in a leak current value of a gate oxide film managed by the gate oxide film thickness management method according to the fifth embodiment.

【図14】第5の実施形態における図1および図2に示
すクラスタリング装置を用いてウエハの洗浄を行ったと
きの洗浄時間に対する光変調反射率分光のスペクトル中
の谷からのピーク値の変化を示すデータである。
FIG. 14 shows a change in a peak value from a valley in a spectrum of light modulation reflectance spectrum with respect to a cleaning time when a wafer is cleaned using the clustering apparatus shown in FIGS. 1 and 2 in the fifth embodiment. It is the data shown.

【図15】その他の実施形態におけるチャンバの天井面
上に光学的測定システムを集約して配置したときの構造
例を示す断面図である。
FIG. 15 is a cross-sectional view showing a structural example when optical measurement systems are collectively arranged on a ceiling surface of a chamber in another embodiment.

【図16】その他の実施形態における被測定物に対する
測定光の入射角が大きい場合の構造例を示す断面図であ
る。
FIG. 16 is a cross-sectional view illustrating a structural example in a case where the angle of incidence of measurement light on an object to be measured is large in another embodiment.

【図17】その他の実施形態における光学的測定用チャ
ンバーの天井面に光学的測定システムをさらに集約化し
て取り付けた場合の構造例を示す断面図である。
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a structural example when an optical measurement system is further integrated and mounted on a ceiling surface of an optical measurement chamber in another embodiment.

【図18】ウエハに対し、洗浄−ゲート絶縁膜形成とい
う一連のプロセスをクラスタリングされた製造装置を用
いないで行なう製造工程を示す断面図である。
FIG. 18 is a cross-sectional view showing a manufacturing process in which a series of processes of cleaning and forming a gate insulating film is performed on a wafer without using a clustered manufacturing apparatus.

【図19】ウエハに対し、洗浄−ゲート絶縁膜形成とい
う一連のプロセスをクラスタリングされた製造装置を用
いて行なう製造工程を示す断面図である。
FIG. 19 is a cross-sectional view showing a manufacturing process in which a series of processes of cleaning and forming a gate insulating film is performed on a wafer using a clustered manufacturing apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 洗浄用チャンバ 2 高速酸化用チャンバ 3 ロードロック室 4 ウエハ冷却用チャンバ 5 光学的測定用チャンバ 6 ウエハロード・アンロード部 7 励起光用光源(Arイオンレーザ) 8 測定光用光源(Xeランプ) 9 光検出器 10〜12 光ファイバー 13 制御・解析システム 30 信号線 21 ウエハステージ 22 ウエハ 23 石英窓 24 入射測定光導入部 25 反射測定光導出部 26 励起光導入部 27 遮光板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cleaning chamber 2 High-speed oxidation chamber 3 Load lock chamber 4 Wafer cooling chamber 5 Optical measurement chamber 6 Wafer loading / unloading section 7 Light source for excitation light (Ar ion laser) 8 Light source for measurement light (Xe lamp) Reference Signs List 9 photodetector 10-12 optical fiber 13 control / analysis system 30 signal line 21 wafer stage 22 wafer 23 quartz window 24 incident measuring light introducing unit 25 reflection measuring light deriving unit 26 excitation light introducing unit 27 light shielding plate

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 21/304 645 H01L 21/31 B 21/31 21/302 N ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01L 21/304 645 H01L 21/31 B 21/31 21/302 N

Claims (21)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体領域を有するウエハに処理を施す
ための複数の処理室と、 上記複数の処理室を含む空間を大気から遮断した雰囲気
に維持するように取り囲む共通容器と、 上記共通容器内でウエハを搬送するための搬送手段と、 上記共通容器内のいずれかの部位にウエハを設置した状
態で上記ウエハの表面状態を光学的に評価するための光
学的測定手段とを備えてクラスタリングされていること
を特徴とする半導体装置の製造装置。
A plurality of processing chambers for performing processing on a wafer having a semiconductor region; a common container surrounding the space including the plurality of processing chambers so as to maintain an atmosphere shielded from the atmosphere; A transfer unit for transferring the wafer, and an optical measurement unit for optically evaluating the surface state of the wafer in a state where the wafer is installed in any part of the common container. An apparatus for manufacturing a semiconductor device, comprising:
【請求項2】 請求項1記載の半導体装置の製造装置に
おいて、 上記光学的測定手段は、 励起光を生成する第1の光源と、 測定光を生成する第2の光源と、 上記第1の光源で生成された励起光を上記共通容器内の
ウエハの半導体領域に間欠的に照射させるための第1の
光案内部材と、 上記第2の光源で生成された測定光を上記半導体領域に
照射させるための第2の光案内部材と、 上記半導体領域に照射された測定光の反射率を検出する
ための反射率検出手段と、 上記半導体領域から反射された測定光を上記反射率検出
手段に入射させるための第3の光案内部材と、 上記反射率検出手段の出力を受け、上記半導体領域に励
起光が照射されているときと励起光が照射されていない
ときとの測定光の反射率の差を上記励起光が照射されて
いないときの測定光の反射率で除した値を測定光の反射
率の変化割合として演算する変化演算手段とを備えてい
ること特徴とする半導体装置の製造装置。
2. The apparatus for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein said optical measuring means comprises: a first light source for generating excitation light; a second light source for generating measuring light; A first light guide member for intermittently irradiating the semiconductor region of the wafer in the common container with excitation light generated by the light source; and irradiating the semiconductor region with measurement light generated by the second light source. A second light guide member, a reflectance detecting unit for detecting a reflectance of the measuring light applied to the semiconductor region, and a measuring light reflected from the semiconductor region to the reflectance detecting unit. A third light guide member for causing the light to enter, and a reflectance of the measurement light when the semiconductor region is irradiated with the excitation light and when the excitation light is not irradiated by receiving the output of the reflectance detection means. The difference between the above is not irradiated with the excitation light Apparatus for manufacturing a semiconductor device according to claim to have a change calculation means for calculating a value obtained by dividing the reflectance of the Kino measurement light as the change rate of the reflectance of the measurement light.
【請求項3】 請求項1又は2記載の半導体装置の製造
装置において、 上記複数の処理室は、ウエハに対しエッチング作用を含
む洗浄処理を施すための処理室と、ウエハの半導体領域
上に膜を形成するための処理室とを含むことを特徴とす
る半導体装置の製造装置。
3. The semiconductor device manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the plurality of processing chambers include a processing chamber for performing a cleaning process including an etching action on the wafer, and a film formed on a semiconductor region of the wafer. And a processing chamber for forming a semiconductor device.
【請求項4】 請求項1〜3のうちいずれか1つに記載
の半導体装置の製造装置において、 上記共通容器内に設けられた光学的測定室をさらに備
え、 上記光学的測定手段は上記光学的測定室に配設されてい
ることを特徴とする半導体装置の製造装置。
4. The apparatus for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising an optical measuring chamber provided in said common container, wherein said optical measuring means is provided with said optical measuring means. An apparatus for manufacturing a semiconductor device, wherein the apparatus is provided in a physical measurement chamber.
【請求項5】 請求項4記載の半導体装置の製造装置に
おいて、 上記光学的測定室は、ウエハを冷却するための冷却室と
しても機能することを特徴とする半導体装置の製造装
置。
5. The semiconductor device manufacturing apparatus according to claim 4, wherein said optical measurement chamber also functions as a cooling chamber for cooling a wafer.
【請求項6】 請求項3記載の半導体装置の製造装置に
おいて、 上記ウエハ上に膜を形成するための処理室は、ウエハの
半導体領域に熱酸化処理を施すことにより酸化膜を形成
するように構成されており、 上記共通容器内に設けられ、上記酸化膜の上に導体膜を
形成するための処理室をさらに備えていることを特徴と
する半導体装置の製造装置。
6. The semiconductor device manufacturing apparatus according to claim 3, wherein the processing chamber for forming a film on the wafer is configured to form an oxide film by performing a thermal oxidation process on a semiconductor region of the wafer. An apparatus for manufacturing a semiconductor device, comprising: a processing chamber provided in the common container and configured to form a conductive film on the oxide film.
【請求項7】 ウエハの半導体領域上への膜の形成又は
ウエハの半導体領域上の膜の除去を行なう処理を含む半
導体装置の製造方法であって、 上記ウエハの半導体領域に測定光を照射するステップ
(a)と、 上記ウエハの半導体領域に励起光を間欠的に照射するス
テップ(b)と、 上記ウエハの半導体領域に励起光が照射されているとき
と励起光が照射されていないときとの測定光の反射率の
差を上記励起光が照射されていないときの測定光の反射
率で除した値を反射率の変化割合として演算するステッ
プ(c)とを含み、 上記反射率の変化割合に基づいて上記膜の厚みを求める
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. A method for manufacturing a semiconductor device including a process of forming a film on a semiconductor region of a wafer or removing a film on a semiconductor region of a wafer, wherein the semiconductor region of the wafer is irradiated with measurement light. Step (a), step (b) of irradiating the semiconductor region of the wafer intermittently with excitation light, and step (b) when the semiconductor region of the wafer is irradiated with excitation light and when it is not irradiated with excitation light. (C) calculating a value obtained by dividing the difference in reflectance of the measurement light by the reflectance of the measurement light when the excitation light is not irradiated, as a change ratio of the reflectance. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: determining a thickness of the film based on a ratio.
【請求項8】 請求項7記載の半導体装置の製造方法に
おいて、 上記ステップ(c)では、上記測定光の波長を変化させ
たときの反射率の変化割合のスペクトルを作成してお
き、上記反射率の変化割合の絶対値の最大値であるピー
ク値に基づいて上記膜の厚みを求めることを特徴とする
半導体装置の製造方法。
8. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein in the step (c), a spectrum of a change ratio of a reflectance when a wavelength of the measurement light is changed is created, and the reflection is performed. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: determining a thickness of the film based on a peak value that is a maximum value of an absolute value of a rate of change of a rate.
【請求項9】 請求項7記載の半導体装置の製造方法に
おいて、 上記ステップ(c)では、上記測定光の波長を変化させ
たときの反射率の変化割合のスペクトルを作成してお
き、上記反射率の変化割合の正側の最大値と負側の最大
値との差である谷からのピーク値に基づいて上記膜の厚
みを求めることを特徴とする半導体装置の製造方法。
9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein in the step (c), a spectrum of a change ratio of a reflectance when a wavelength of the measurement light is changed is created, and the reflection is performed. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: determining a thickness of a film based on a peak value from a valley, which is a difference between a positive maximum value and a negative maximum value of a rate of change of a rate.
【請求項10】 請求項7記載の半導体装置の製造方法
において、 上記ステップ(c)では、上記反射率の変化割合の絶対
値の最大値であるピーク値を示す測定光の波長に近い一
定の波長における反射率の変化割合に基づいて上記膜の
厚みを求めることを特徴とする半導体装置の製造方法。
10. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein in the step (c), the constant value close to a wavelength of the measuring light having a peak value which is a maximum value of the absolute value of the change rate of the reflectance. A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a thickness of the film is obtained based on a change ratio of a reflectance at a wavelength.
【請求項11】 請求項7〜10のうちいずれか1つに
記載の半導体装置の製造方法において、 上記膜の厚みが2nm以下であることを特徴とする半導
体装置の製造方法。
11. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein said film has a thickness of 2 nm or less.
【請求項12】 請求項11記載の半導体装置の製造方
法において、 上記膜の厚みが1nm以下の場合には、上記半導体領域
としてp型半導体領域について上記光学的評価を行なう
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
12. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11, wherein when the thickness of the film is 1 nm or less, the optical evaluation is performed on a p-type semiconductor region as the semiconductor region. Device manufacturing method.
【請求項13】 請求項7〜10のうちいずれか1つに
記載の半導体装置の製造方法において、 上記半導体領域として、p型半導体領域とn型半導体領
域との双方について上記膜の厚みを測定し、 上記p型半導体領域とn型半導体領域とにおける反射率
の変化割合のうち大きい値を示す半導体領域における測
定値を上記膜の厚みとして採用することを特徴とする半
導体装置の製造方法。
13. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein the thickness of the film is measured for both a p-type semiconductor region and an n-type semiconductor region as the semiconductor region. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a measured value in a semiconductor region exhibiting a large value in a change ratio of the reflectance between the p-type semiconductor region and the n-type semiconductor region is adopted as the thickness of the film.
【請求項14】 請求項12又は13記載の半導体装置
の製造方法において、 上記半導体領域の抵抗率が0.1Ωcm-1以下であるこ
とを特徴とする半導体装置の製造方法。
14. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 12, wherein the resistivity of the semiconductor region is 0.1 Ωcm −1 or less.
【請求項15】 複数の処理室と、上記複数の処理室を
含む空間を大気から遮断した雰囲気に維持するように取
り囲む共通容器と、上記共通容器内でウエハを搬送する
ための搬送手段とを備え、クラスタリングされた半導体
装置の製造装置を用いた半導体装置の製造方法であっ
て、 上記複数の処理室のうちの1つの処理室でウエハ上への
膜の形成又はウエハ上の膜の除去を行なうステップ
(a)と、 上記共通容器内のいずれかの部位で、上記ウエハの表面
状態を光学的に評価することにより、上記膜の厚みを求
めるステップ(b)とを備えていることを特徴とする半
導体装置の製造方法。
15. A plurality of processing chambers, a common container surrounding the space including the plurality of processing chambers so as to maintain an atmosphere shielded from the atmosphere, and a transfer unit for transferring a wafer in the common container. A method of manufacturing a semiconductor device using a clustered semiconductor device manufacturing apparatus, comprising: forming a film on a wafer or removing a film on a wafer in one of the plurality of processing chambers. (A) performing the step, and (b) determining the thickness of the film by optically evaluating the surface state of the wafer at any site in the common container. Manufacturing method of a semiconductor device.
【請求項16】 請求項15記載の半導体装置の製造方
法において、 上記ステップ(b)は、 上記ウエハの半導体領域に測定光を照射するサブステッ
プ(x)と、 上記ウエハの半導体領域に励起光を間欠的に照射するサ
ブステップ(y)と、 上記ウエハの半導体領域に励起光が照射されているとき
と励起光が照射されていないときとの測定光の反射率の
差を上記励起光が照射されていないときの測定光の反射
率で除した値を反射率の変化割合として演算するサブス
テップ(z)とを含み、 上記反射率の変化割合に基づいて上記膜の厚みを求める
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
16. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 15, wherein said step (b) comprises: a sub-step (x) of irradiating the semiconductor region of said wafer with measurement light; (Y) intermittently irradiating the excitation light; and determining the difference in the reflectance of the measurement light between when the semiconductor region of the wafer is irradiated with the excitation light and when the excitation light is not irradiated. (Z) calculating a value obtained by dividing the reflectance of the measurement light when not radiated as a reflectance change rate, and calculating the thickness of the film based on the reflectance change rate. A method for manufacturing a semiconductor device.
【請求項17】 請求項16記載の半導体装置の製造方
法において、 上記ステップ(a)は、ウエハ上の自然酸化膜を除去す
る処理を含み、 上記ステップ(b)では、上記自然酸化膜の厚みを求め
ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
17. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 16, wherein said step (a) includes a process of removing a natural oxide film on a wafer, and said step (b) includes a step of removing a thickness of said natural oxide film. And a method for manufacturing a semiconductor device.
【請求項18】 請求項16記載の半導体装置の製造方
法において、 上記ステップ(a)は、ウエハ上にゲート絶縁膜を形成
する処理を含み、 上記ステップ(b)では、上記ゲート絶縁膜の厚みを求
めることを特徴とする半導体装置の製造方法。
18. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 16, wherein said step (a) includes a process of forming a gate insulating film on a wafer, and said step (b) includes a step of forming a thickness of said gate insulating film. And a method for manufacturing a semiconductor device.
【請求項19】 請求項18記載の半導体装置の製造方
法において、 上記ステップ(a)は、上記ゲート絶縁膜の上にゲート
電極用導体膜を形成する処理をさらに含み、 上記ステップ(b)の後、上記ゲート電極用導体膜の形
成前に上記ステップ(b)で求められた反射率の変化割
合に基づいて、上記ゲート絶縁膜の厚みを管理するステ
ップ(c)をさらに備えていることを特徴とする半導体
装置の製造方法。
19. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 18, wherein said step (a) further includes a step of forming a conductor film for a gate electrode on said gate insulating film. And a step (c) of managing the thickness of the gate insulating film based on the change ratio of the reflectance obtained in the step (b) before forming the conductor film for the gate electrode. A method for manufacturing a semiconductor device.
【請求項20】 請求項16〜19のうちいずれか1つ
に記載の半導体装置の製造方法において、 上記ステップ(b)では、上記p型半導体領域とn型半
導体領域との双方について上記反射率の変化割合を測定
して、上記p型半導体領域とn型半導体領域とについて
の反射率の変化割合のうち大きい値を示す方の依存特性
に基づいて自然酸化膜の残存厚みを判断することを特徴
とする半導体装置の製造方法。
20. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 16, wherein in the step (b), the reflectance is set for both the p-type semiconductor region and the n-type semiconductor region. Measuring the rate of change of the reflectance of the p-type semiconductor region and the n-type semiconductor area, and determining the remaining thickness of the native oxide film based on the dependency characteristic indicating the larger value of the rate of change of the reflectance. A method for manufacturing a semiconductor device.
【請求項21】 請求項16〜20のうちいずれか1つ
に記載の半導体装置の製造方法において、 上記膜の厚みは2nm以下であることを特徴とする半導
体装置の製造方法。
21. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 16, wherein said film has a thickness of 2 nm or less.
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