JP2008004794A - イオン注入量モニタ法 - Google Patents

Abstract

【課題】広範囲のドーズ量について安定したモニタを低費用で行なえるイオン注入量モニタ法を提供する。
【解決手段】１又は複数の基準シリコン基板にドーズ量を異にしてフッ素イオンＦ^＋を注入した後、イオン注入部毎に熱酸化処理によりシリコン酸化膜を形成し、その酸化膜厚を測定して図４に示すようにドーズ量と酸化膜厚との関係を示す基準データを作成する。ＬＳＩ製造プロセス等においてシリコン基板にフッ素イオンＦ^＋を注入した後、イオン注入部に熱酸化処理によりシリコン酸化膜を形成し、その酸化膜厚を測定する。この測定に係る酸化膜厚に対応するフッ素イオンのドーズ量を基準データを参照して求める。基板を覆うシリコン窒化膜又はシリコン酸化窒化膜についても上記したと同様にしてアルゴンイオンＡｒ^＋等のドーズ量をモニタできる。
【選択図】図４

Description

この発明は、半導体基板、シリコン窒化膜又はシリコン酸化窒化膜に酸化速度変更用の不純物イオンを注入する際に用いるに好適なイオン注入量モニタ法に関するものである。

従来、イオン注入量をモニタする方法としては、イオン注入ダメージを介してイオン注入量を決定する方法が知られている。この種のイオン注入量モニタ法としては、二重イオン注入法、サーマルウェーブ法等が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

一方、シリコン酸化膜形成法としては、シリコン基板の表面に酸化速度増大用の不純物イオンとしてアルゴンイオンＡｒ^＋又はフッ素イオンＦ^＋等を注入して希釈酸化等の酸化処理によりシリコン基板の表面にシリコン酸化膜を形成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、シリコン基板の表面において、酸化速度を減少すべき部分には窒素イオンＮ^＋を、酸化速度を増大すべき部分にはアルゴンイオンＡｒ^＋をそれぞれ注入した後、熱酸化処理によりシリコン基板の表面に薄いシリコン酸化膜と厚いシリコン酸化膜とを同時的に形成する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。さらに、炭化珪素結晶表面に酸化速度増大用の不純物イオンとしてリン、窒素、アルゴン、ヒ素、フッ素、アルミニウムのいずれかのイオンを注入した後、熱酸化処理により炭化珪素結晶表面にシリコン酸化膜を形成する方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。
"Solid State Technology"日本版，May，１９９２，ｐ.３８−４２ 特開２００１−２３７３２４ 特開平７−９４５０３ 特開平７−２４０４０９

上記した従来のイオン注入量モニタ法によると、１×１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以上の高ドーズ量については、結晶ダメージの飽和によりモニタが困難になるという問題点がある。例えば、二重注入法では、モニタ最適範囲が１×１０^１０〜１×１０^１４ｉｏｎｓ／ｃｍ^２の範囲とされ、サーマルウェーブ法では、モニタ最適範囲が１×１０^１１〜３×１０^１４ｉｏｎｓ／ｃｍ^２の範囲とされ、いずれもモニタ範囲が狭い。また、サーマルウェーブ法では、測定機器が非常に高価であること、加速電圧の変化（差）をモニタできないことなどの問題点もある。

なお、特許文献１〜３には、不純物イオンの注入により酸化速度が変化する現象を利用して種々の厚さのシリコン酸化膜を形成することが示されるものの、かかる現象をイオン注入のモニタに積極的に利用することについては記載がない。

この発明の目的は、広範囲のドーズ量について安定したモニタを低費用で行なえる新規なイオン注入量モニタ法を提供することにある。

この発明に係る第１のイオン注入量モニタ法は、
１つの半導体基板の複数個所又は複数の半導体基板に互いにドーズ量を異にして酸化速度変更用の不純物イオンをそれぞれ注入するステップと、
前記不純物イオンが注入されたイオン注入部毎に熱酸化処理により第１の酸化膜を形成するステップと、
前記イオン注入部毎に前記第１の酸化膜の厚さを測定して第１の厚さ測定値を求めるステップと、
前記イオン注入部毎のドーズ量及び第１の厚さ測定値に基づいてドーズ量と酸化膜厚との関係を示す基準データを作成するステップと、
所定の半導体基板に前記不純物イオンを注入するステップと、
前記所定の半導体基板において前記不純物イオンが注入されたイオン注入部に熱酸化処理により第２の酸化膜を形成するステップと、
前記第２の酸化膜の厚さを測定して第２の厚さ測定値を求めるステップと、
前記基準データを参照して前記第２の厚さ測定値に対応するドーズ量を決定するステップと
を含むものである。

第１のイオン注入量モニタ法によれば、１又は複数の半導体基板においてイオン注入処理及び熱酸化処理によりイオン注入部毎に第１の酸化膜を形成した後、イオン注入部毎に第１の酸化膜の厚さを測定して第１の厚さ測定値を求め、イオン注入部毎のドーズ量及び第１の厚さ測定値に基づいてドーズ量と酸化膜厚との関係を示す基準データを作成する。また、ＬＳＩ等の製造プロセスでは、所定の半導体基板にイオン注入処理及び熱酸化処理を施してイオン注入部に第２の酸化膜を形成した後、第２の酸化膜の厚さを測定して第２の測定値を求め、基準データを参照して第２の厚さ測定値に対応するドーズ量を決定する。ドーズ量が多くなると、酸化膜厚が飽和状態となるが、酸化膜厚が飽和状態となるドーズ量は、イオン注入により結晶ダメージが飽和状態となるドーズ量より高い。また、酸化膜厚の測定には、高価な測定装置を用いる必要がない。従って、広い範囲のドーズ量について安定したモニタを少ない費用で行なうことができる。

第１のイオン注入量モニタ法において、前記１又は複数の半導体基板に前記不純物イオンを注入するステップでは、前記１又は複数の半導体基板において前記不純物イオンを注入すべき部分をそれぞれ覆って１又は複数のチャンネリング防止膜を形成した後、該１又は複数のチャンネリング防止膜をそれぞれ介して前記不純物イオンの注入を行ない、前記１又は複数の半導体基板のイオン注入部毎に前記第１の酸化膜を形成するステップでは、前記１又は複数のチャンネリング防止膜を除去した後、前記第１の酸化膜の形成を行ない、前記所定の半導体基板に前記不純物イオンを注入するステップでは、前記所定の半導体基板において前記不純物イオンを注入すべき部分を覆って所定のチャンネリング防止膜を形成した後、該所定のチャンネリング防止膜を介して前記不純物イオンの注入を行ない、前記所定の半導体基板のイオン注入部に前記第２の酸化膜を形成するステップでは、前記所定のチャンネリング防止膜を除去した後、前記第２の酸化膜の形成を行なうようにしてもよい。このようにすると、イオン注入処理の際にチャンネリング現象を抑制することができる。その上、第１の酸化膜を形成する前に１又は複数のチャンネリング防止膜を除去すると共に、第２の酸化膜を形成する前に所定のチャンネリング防止膜を除去するので、１又は複数のチャンネリング防止膜と所定のチャンネリング防止膜とに影響されずに第１及び第２の酸化膜を形成し、第１及び第２の厚さ測定値を求めることができる。従って、モニタ精度が向上する。

第１のイオン注入量モニタ法において、前記１又は複数の半導体基板に前記不純物イオンを注入するステップでは、前記１又は複数の半導体基板において前記不純物イオンを注入すべき部分をそれぞれ覆ってチャンネリング防止用の１又は複数の酸化膜を形成した後、該１又は複数の酸化膜をそれぞれ介して前記不純物イオンの注入を行ない、前記１又は複数の半導体基板のイオン注入部毎に前記第１の酸化膜を形成するステップでは、前記１又は複数の酸化膜のいずれの下にも前記第１の酸化膜を形成し、前記第１の厚さ測定値を求めるステップでは、前記１又は複数の酸化膜のいずれかとその下の前記第１の酸化膜との積層膜の厚さを測定してその測定値から前記１又は複数の酸化膜のいずれかの厚さを差引いた値を前記第１の厚さ測定値とし、前記所定の半導体基板に前記不純物イオンを注入するステップでは、前記所定の半導体基板において前記不純物イオンを注入すべき部分を覆ってチャンネリング防止用の所定の酸化膜を形成した後、該所定の酸化膜を介して前記不純物イオンの注入を行ない、前記所定の半導体基板のイオン注入部に前記第２の酸化膜を形成するステップでは、前記所定の酸化膜の下に前記第２の酸化膜を形成し、前記第２の厚さ測定値を求めるステップでは、前記所定の酸化膜と前記第２の酸化膜との積層膜の厚さを測定してその測定値から前記所定の酸化膜の厚さを差引いた値を前記第２の厚さ測定値とするようにしてもよい。このようにすると、イオン注入処理の際にチャンネリング現象を抑制することができる。その上、１又は複数の酸化膜のいずれかとその下の第１の酸化膜との積層膜の厚さの測定値から１又は複数の酸化膜のいずれかの厚さを差引くと共に、所定の酸化膜と第２の酸化膜との積層膜の厚さの測定値から所定の酸化膜の厚さを差引くので、１又は複数の酸化膜のいずれかと所定の酸化膜とに厚さの差があっても、その差が第２の厚さ測定値に対応するドーズ量の決定に影響を及ぼさない。従って、モニタ精度が向上する。

この発明に係る第２のイオン注入量モニタ法は、
１つの基板を覆うシリコン窒化膜又はシリコン酸化窒化膜からなる１つの基準膜の複数個所あるいは複数の基板をそれぞれ覆う複数のシリコン窒化膜又はシリコン酸化窒化膜からなる複数の基準膜に互いにドーズ量を異にして酸化速度変更用の不純物イオンをそれぞれ注入するステップと、
前記１又は複数の基準膜において前記不純物イオンが注入されたイオン注入部毎に熱酸化処理により第１のシリコン酸化膜を形成するステップと、
前記イオン注入部毎に前記第１のシリコン酸化膜の厚さを測定して第１の厚さ測定値を求めるステップと、
前記イオン注入部毎のドーズ量及び第１の厚さ測定値に基づいてドーズ量と酸化膜厚との関係を示す基準データを作成するステップと、
所定の基板を覆うシリコン窒化膜又はシリコン酸化窒化膜に前記不純物イオンを注入するステップと、
前記所定の基板を覆うシリコン窒化膜又はシリコン酸化窒化膜において前記不純物イオンが注入されたイオン注入部に熱酸化処理により第２のシリコン酸化膜を形成するステップと、
前記第２のシリコン酸化膜の厚さを測定して第２の厚さ測定値を求めるステップと、
前記基準データを参照して前記第２の厚さ測定値に対応するドーズ量を決定するステップと
を含むものである。

第２のイオン注入量モニタ法によれば、シリコン窒化膜又はシリコン酸化窒化膜からなる１又は複数の基準膜においてイオン注入処理及び熱酸化処理によりイオン注入部毎に第１のシリコン酸化膜を形成した後、イオン注入部毎に第１のシリコン酸化膜の厚さを測定して第１の厚さ測定値を求め、イオン注入部毎のドーズ量及び第１の厚さ測定値に基づいてドーズ量と酸化膜厚との関係を示す基準データを作成する。また、ＬＳＩ等の製造プロセスでは、所定の基板を覆うシリコン窒化膜又はシリコン酸化窒化膜にイオン注入処理及び熱酸化処理を施してイオン注入部に第２のシリコン酸化膜を形成した後、第２のシリコン酸化膜の厚さを測定して第２の厚さ測定値を求め、基準データを参照して第２の厚さ測定値に対応するドーズ量を決定する。従って、第１のイオン注入量モニタ法に関して前述したと同様に広い範囲のドーズ量について安定したモニタを少ない費用で行なうことができる。

第２のイオン注入量モニタ法において、前記酸化速度変更用の不純物イオンとしては不活性元素又は窒素のイオンを用い、前記１又は複数の基準膜において前記イオン注入部毎に前記第１のシリコン酸化膜を形成するステップでは、前記不純物イオンのドーズ量が多いほど前記第１のシリコン酸化膜を薄く形成し、前記所定の基板を覆うシリコン窒化膜又はシリコン酸化窒化膜のイオン注入部に前記第２のシリコン酸化膜を形成するステップでは、前記不純物イオンのドーズ量が多いほど前記第２のシリコン酸化膜を薄く形成するようにしてもよい。このようにすると、ドーズ量の増大に伴ってシリコン酸化膜の厚さが減少する現象を利用してイオン注入量のモニタを行なうことができる。

この発明によれば、不純物イオンの注入により半導体基板、シリコン窒化膜又はシリコン酸化窒化膜の酸化速度が変化する現象を利用してイオン注入量をモニタするようにしたので、広い範囲のドーズ量について安定したモニタを低費用で行なえる効果が得られる。また、チャンネリング防止膜を用いることで、モニタ精度が向上する効果も得られる。

図１〜３は、この発明の一実施形態に係るイオン注入量モニタ法を示すもので、各々の図に対応する工程（１）〜（３）を順次に説明する。

（１）例えば単結晶シリコンからなる半導体基板１０を用意する。半導体基板１０は、予め導電型決定不純物がドープされてＰ型又はＮ型を有するもので、一例として、ＣＺ法（回転引上法）により育成された抵抗率１０〜１４Ω・ｃｍ程度のＰ型シリコン基板を用いることができる。

半導体基板１０の一方の主面を純水、有機溶媒、フッ酸、強酸等を用いて清浄化した後、半導体基板１０の一方の主面には、チャンネリング防止膜１２としてのシリコン酸化膜を熱酸化処理により形成する。このときの熱酸化処理は、例えば横型熱酸化装置を用いて行なうことができ、熱酸化条件は、一例として、
酸化雰囲気：ドライＯ_２（ドライエア又はウェットＯ_２でも可）
温度：８５０〜１０５０℃（好ましくは９００〜９５０℃）
酸化膜厚：５０〜５００Å（好ましくは１００〜３００Å、
より好ましくは１５０Å）
とすることができる。酸化雰囲気としては、Ｏ_２＋Ｎ_２を用いてもよく、熱酸化法としては、パイロジェット法を用いてもよい。

チャンネリング防止膜１２としてのシリコン酸化膜が厚いと、酸化膜厚のばらつきによりイオン注入時にドーズ量がばらつく。また、シリコン酸化膜が薄いと、チャンネリング防止効果が低下する。従って、チャンネリング防止用のシリコン酸化膜の厚さは、予め最適化しておくのが望ましい。

チャンネリング防止膜１２としては、熱酸化処理により形成したシリコン酸化膜と、このシリコン酸化膜の上にＣＶＤ（ケミカル・ベーパー・デポジション）法により形成した誘電体膜との積層膜を用いてもよい。この場合、誘電体膜としては、ＴＥＯＳ（テトラエチルオルソシリケート）と酸素（Ｏ_２）又はオゾン（Ｏ_３）とを含む混合ガスを原料ガスとして用いるプラズマ励起ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を形成してもよく、あるいはＥＣＲ（エレクトロンサイクロトロン共鳴）プラズマＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を形成してもよい。なお、チャンネル防止膜１２の形成は、省略することもできる。

この発明では、後述のように基準データを作成するためにドーズ量を異にして複数回のイオン注入処理を行なう必要がある。このため、図１に関して上記したような半導体基板１０は、所要のイオン注入回数に対応して複数枚用意する。

（２）各半導体基板１０の一方の主面に対してチャンネリング防止膜１２を介して酸化速度変更用の不純物イオンを注入する。この場合、半導体基板１０毎にドーズ量を異にしてイオン注入を行なう。不純物イオンとしては、導電型決定に寄与しない不純物を用いるものとし、例えばフッ素イオンＦ^＋又はアルゴンイオンＡｒ^＋等を用いることができる。イオン注入条件としては、ドーズ量の他に、加速電圧を変化させてもよい。例えばフッ素イオンＦ^＋又はアルゴンイオンＡｒ^＋を注入する場合、イオン注入条件は、
加速電圧：５〜１００ｋｅＶ（好ましくは１５〜８０ｋｅＶ）
ドーズ量：１×１０^１０〜５×１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２（好ましくは１×
１０^１１〜１×１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２）
とすることができる。

この発明をＬＳＩ製造プロセスで利用する場合、イオン注入条件は、ＬＳＩ製造プロセスで必要とされる範囲内に設定すればよい。また、実際のＬＳＩ製造プロセスでは、酸化速度変更用の不純物イオンの注入に続いて導電型決定不純物（Ｐ型又はＮ型決定不純物）をイオン注入することがあるので、このような状況に対応した基準データを得るため、上記のようなフッ素イオン又はアルゴンイオン等の注入に続いてＰ型またはＮ型決定不純物をイオン注入してもよい。

（３）上記のようにしてイオン注入処理を受けた各半導体基板１０に熱酸化処理を施して基板１０の一方の主面にシリコン酸化膜１４を形成する。このときの熱酸化処理は、図１に関して前述したと同様の熱酸化装置を用いて前述したと同様の条件で行なうことができる。熱酸化装置では、図２に関して前述したように異なる条件で不純物イオンを注入した複数の半導体基板を一括して同一条件で熱酸化するのが望ましい。

図３の熱酸化処理は、各半導体基板１０からチャンネリング防止膜１２を除去した状態で行なってもよい。チャンネリング防止膜１２としてのシリコン酸化膜は、希フッ酸又はＢＨＦ（バッファード・フッ酸）等を用いるウェットエッチング処理により簡単に除去することができる。チャンネリング防止膜１２を除去した状態で図３の熱酸化処理を行なったときは、シリコン酸化膜１４は、図３の熱酸化処理によって成長したシリコン酸化膜のみからなる。

図３の熱酸化処理は、チャンネリング防止膜１２を付けた状態で行なってもよい。この場合、シリコン酸化膜１４は、図１の熱酸化処理により形成されたシリコン酸化膜（チャンネリング防止膜１２）と、このシリコン酸化膜の下に図３の熱酸化処理によって成長したシリコン酸化膜との積層膜からなる。

図３の熱酸化処理の後、各半導体基板１０毎にシリコン酸化膜１４の厚さを測定して厚さ測定値を求める。シリコン酸化膜１４の厚さ測定は、エリプソメータ（原理：入射光と反射光を比較することにより膜と基板の物質的（光学的）特性を得る）等のレーザーによる光屈折法を用いて簡単に行なうことができ、高価な測定装置は不要である。

チャンネリング防止膜１２を除去した状態で図３の熱酸化処理を行なった場合、酸化膜厚の測定では、シリコン酸化膜１４の厚さを測定し、その測定値を厚さ測定値とする。チャンネリング防止膜１２を付けた状態で図３の熱酸化処理を行なった場合、酸化膜厚の測定では、シリコン酸化膜１４の厚さを測定し、その測定値からチャンネリング防止膜１２の厚さを差引いた値を厚さ測定値とする。このようにすると、厚さ測定値としては、図３の熱酸化処理によるシリコン酸化膜の成長厚さに相当するものが得られる。

各半導体基板１０毎にシリコン酸化膜について厚さ測定値を求めた後は、各半導体基板１０毎のドーズ量及び厚さ測定値に基づいてドーズ量と酸化膜厚との関係を示す基準データを作成する。基準データは、表又はグラフの形式でコンピュータ画面又は紙面等に表示可能である。

次の表１は、基準データの一例を示すものである。この例では、いずれもＰ型シリコン基板からなるＮｏ．１〜４のウエハを用意した後、図１に関して前述したチャンネル防止膜１２の形成を省略し、図２のイオン注入処理によりＮｏ．１のウエハ以外のＮｏ．２〜４のウエハに対して加速電圧３０ｋｅＶで表１に示すように互いにドーズ量を異にしてフッ素イオンＦ^＋をそれぞれ注入した。そして、Ｎｏ．１〜４のウエハに図３の熱酸化処理を施した後、各ウエハ毎にシリコン酸化膜の厚さを測定した。表１には、Ｎｏ．１〜４の各ウエハ毎にフッ素イオンＦ^＋のドーズ量と、シリコン酸化膜厚とが示されている。

図４は、表１に示すドーズ量と酸化膜厚との関係をグラフとして示すものである。表１及び図４によれば、フッ素イオンＦ^＋の注入により酸化膜厚（酸化速度）が増大すると共にドーズ量の増大に伴って酸化膜厚（酸化速度）が増大することがわかる。

表１又は図４に示したような基準データを用いると、例えばＬＳＩ製造プロセスにおいてイオン注入量を簡単に且つ精度良くモニタすることができる。基準データを利用するイオン注入量モニタ法の一例を次に説明する。

まず、図１に関して前述した半導体基板１０と同様のシリコンからなる半導体基板（以下、「所定の半導体基板」と称する）を用意する。所定の半導体基板には、図１の工程でチャンネリング防止膜１２を形成しなかったときは、チャンネリング防止膜を形成せず、図１の工程でチャンネリング防止膜を形成したときは、チャンネリング防止膜を形成する。所定の半導体基板に形成するチャンネリング防止膜としてのシリコン酸化膜の厚さは、図１に示したチャネリング防止膜１２としてのシリコン酸化膜の厚さと等しくするのが望ましいが、若干異なっていても問題はない。これは、後述のように熱酸化処理の前にチャンネリング防止膜を除去したり、熱酸化処理の後シリコン酸化膜厚の測定時にその測定値からチャンネリング防止膜の厚さを差引いたりしているため、チャネリング防止膜１２と所定の半導体基板上のチャンネリング防止膜とに差があっても、その差によってモニタ結果が影響を受けないからである。

次に、所定の半導体基板の一方の主面には、図２に関して前述したと同様にイオン注入処理を施す。このとき注入する不純物イオンとしては、フッ素イオンＦ^＋又はアルゴンイオンＡｒ^＋等を用いることができる。

フッ素イオンＦ^＋を注入する場合、イオン注入条件は、
加速電圧：３０ｋｅＶ
ガスソース：ＢＦ_３又はＰＦ_３
ドーズ量：５×１０^１４〜４×１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２
ビーム電流：１〜３ｍＡ
チャンネル防止酸化膜厚：１５０Å
とすることができる。また、アルゴンイオンＡｒ^＋を注入する場合、イオン注入条件は、
加速電圧：３０ｋｅＶ
ドーズ量：５×１０^１４〜４×１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２
ビーム電流：１〜３ｍＡ
チャンネル防止酸化膜厚：１５０Å
とすることができる。フッ素イオンＦ^＋及びアルゴンイオンＡｒ^＋に関して上記したイオン注入条件は、いずれも後述の熱酸化処理による酸化膜の成長厚さを１６０〜２８０Å程度とするのに好適なものである。

次に、所定の半導体基板には、図３に関して前述したと同様に熱酸化処理を施して基板表面にシリコン酸化膜（シリコン酸化膜１４に対応）を形成する。このシリコン酸化膜の厚さは、５０〜５００Å（好ましくは１００〜３００Å、より好ましくは１５０Å）とすることができる。

図３の工程において熱酸化処理の前にチャネリング防止膜１２を除去したときは、所定の半導体基板からも熱酸化処理の前にチャネリング防止膜を除去する。この場合、所定の半導体基板上のシリコン酸化膜は、熱酸化処理によって成長したシリコン酸化膜のみからなる。

図３の工程においてチャネリング防止膜１２を付けた状態で熱酸化処理を行なったときは、所定の半導体基板にもチャネリング防止膜を付けた状態で熱酸化処理を施す。この場合、所定の半導体基板上のシリコン酸化膜は、チャネリング防止膜としてのシリコン酸化膜と、このシリコン酸化膜の下に熱酸化処理によって成長したシリコン酸化膜との積層膜からなる。

熱酸化処理の後、所定の半導体基板上のシリコン酸化膜の厚さをシリコン酸化膜１４に関して前述したと同様に測定して厚さ測定値を求める。

チャンネリング防止膜を除去した状態で熱酸化処理を行なった場合、酸化膜厚の測定では、所定の半導体基板上のシリコン酸化膜の厚さを測定し、その測定値を厚さ測定値とする。チャンネリング防止膜を付けた状態で熱酸化処理を行なった場合、酸化膜厚の測定では、所定の半導体基板上のシリコン酸化膜の厚さを測定し、その測定値からチャンネリング防止膜の厚さを差引いた値を厚さ測定値とする。このようにすると、厚さ測定値としては、熱酸化処理によるシリコン酸化膜の成長厚さに相当するものが得られる。

所定の半導体基板上のシリコン酸化膜について厚さ測定値を求めた後は、先に作成した基準データを参照して厚さ測定値に対応するドーズ量を決定する。一例として、フッ素イオンＦ^＋を注入した場合、シリコン酸化膜の厚さ測定値が１６１Åであれば、表１又は図４を参照してドーズ量を５×１０^１４ｉｏｎｓ／ｃｍ^２と決定する。

上記した実施形態では、基準データを作成する際に複数枚の半導体基板を用いたが、１つの半導体基板を用いるようにしてもよい。この場合、１つの半導体基板の一方の主面に必要に応じて図１に関して前述したと同様にチャンネリング防止膜を形成した後、一方の主面の第１の個所に対して所定のドーズ量で不純物イオンをレジスト層をマスクとして選択的に注入する。そして、このような選択的イオン注入処理をドーズ量を変えて一方の主面の第２，第３，第４…の個所にそれぞれ施す。この後は、図３以降の処理や測定を前述したと同様に実行して基準データを作成する。

図５〜７は、この発明の他の実施形態に係るイオン注入量モニタ法を示すものである。この実施形態は、シリコン窒化膜上にシリコン酸化膜を形成する点を１つの特徴としている。

図５の工程では、例えば単結晶シリコンからなる半導体基板２０の一方の主面にシリコン酸化膜２２を熱酸化処理により形成する。シリコン酸化膜２２は、応力緩和用のパッド酸化膜として用いられるもので、例えば３０〜５０ｎｍ程度の厚さとすることができる。

シリコン酸化膜２２の上には、シリコン窒化膜２４をＣＶＤ法により形成する。シリコン窒化膜２４の堆積条件は、一例として、
供給ガス：ＮＨ_３（９００ｓｌｍ）及びＳｉＨ_２Ｃｌ_２（９０ｓｃｃｍ）
温度：７７０℃
時間：３５分
厚さ：１００ｎｍ
とすることができる。シリコン窒化膜２４は、スパッタ法等により形成することもできる。なお、応力緩和の必要性が低い基板上にシリコン窒化膜２４を形成するときは、シリコン酸化膜２２等の応力緩和膜を省略してもよい。

この発明では、後述のように基準データを作成するためにドーズ量を異にして複数回のイオン注入処理を行なう必要がある。このため、図５に関して上記したような半導体基板２０は、所要のイオン注入回数に対応して複数枚用意する。

図６の工程では、各半導体基板２０を覆うシリコン窒化膜２４に対して酸化速度変更用の不純物イオンを注入する。この場合、半導体基板２０毎にドーズ量を異にしてシリコン窒化膜２４に不純物イオンを注入する。このときのイオン注入処理では、一例として、アルゴンイオンＡｒ^＋を加速電圧１００ｋｅＶ、ドーズ量１×１０^１４〜５×１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２の条件で注入することができる。

図７の工程では、各半導体基板２０を覆うシリコン窒化膜２４に熱酸化処理を施してシリコン窒化膜２４上にシリコン酸化膜２６を形成する。熱酸化装置では、複数の半導体基板をそれぞれ覆う複数のシリコン窒化膜を一括して同一条件で熱酸化するのが望ましい。

図７の熱酸化処理の後、シリコン酸化膜１４について前述したと同様に各半導体基板２０毎にシリコン酸化膜２６の厚さを測定して厚さ測定値を求める。この後は、各半導体基板２０毎のシリコン窒化膜２４のドーズ量及びシリコン酸化膜２６の厚さ測定値に基づいてドーズ量と酸化膜厚との関係を示す基準データを作成する。基準データは、表又はグラフの形式でコンピュータ画面又は紙面等に表示可能である。

次の表２は、基準データの一例を示すものである。表２のデータを得るために、図５に示すように表面にシリコン酸化膜２２を介してシリコン窒化膜２４を形成したシリコンウエハ（基板２０）が６枚用意された。これらのウエハをＮｏ．１１〜１６のウエハとし、Ｎｏ．１１，１２のウエハのシリコン窒化膜にはアルゴンイオンＡｒ^＋を注入せず、Ｎｏ．１３〜１６のウエハのシリコン窒化膜には加速電圧１００ｋｅＶとして表２に示すようにドーズ量を変えてアルゴンイオンＡｒ^＋を注入した。そして、Ｎｏ．１〜６のウエハのシリコン窒化膜に熱酸化処理を施した。この後、各ウエハ毎にシリコン酸化膜の厚さを測定した。

表２において、「酸化膜厚」は、各ウエハ毎に表面上に分布する９個所の測定点で測定したシリコン酸化膜厚を平均した値である。図８は、表２に示すドーズ量と酸化膜厚との関係をグラフとして示すものである。表２及び図８によれば、アルゴンイオンＡｒ^＋の注入により酸化膜厚（酸化速度）が減少すると共にドーズ量の増大に伴って酸化膜厚（酸化速度）が減少することがわかる。

表２又は図８に示したような基準データを用いると、例えばＬＳＩ製造プロセスにおいてシリコン窒化膜のイオン注入量を簡単に且つ精度良くモニタすることができる。基準データを利用するイオン注入量モニタ法の一例を次に説明する。

まず、図５に関して前述した半導体基板２０と同様のシリコンからなる半導体基板（以下、「所定の基板」と称する）を用意する。所定の基板の一方の主面を覆うシリコン窒化膜には、図６に関して前述したと同様にイオン注入処理を施す。このときのイオン注入処理では、例えばアルゴンイオンＡｒ^＋を加速電圧１００ｋｅＶ、ドーズ量１×１０^１４〜５×１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２の条件で注入することができる。

次に、所定の基板を覆うシリコン窒化膜には、図７に関して前述したと同様に熱酸化処理を施してシリコン窒化膜上にシリコン酸化膜（シリコン酸化膜２６に対応）を形成する。そして、所定の基板を覆うシリコン窒化膜上に形成されたシリコン酸化膜の厚さをシリコン酸化膜２６に関して前述したと同様に測定して厚さ測定値を求める。

この後は、先に作成した基準データを参照して厚さ測定値に対応するドーズ量を決定する。一例として、アルゴンイオンＡｒ^＋を注入した場合、シリコン酸化膜の厚さ測定値が３３．８Åであれば、表２又は図８を参照してドーズ量１×１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２と決定する。

図９〜１１は、図５〜７の実施形態の第１〜第３の変形例をそれぞれ示すもので、図５〜７と同様の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

図９に示す第１の変形例では、半導体基板２０の一方の主面にシリコン酸化膜からなる絶縁膜３０を熱酸化処理により形成した後、絶縁膜３０の上にＣＶＤ法によりポリシリコンからなる半導体層３２を形成する。そして、半導体層３２の上にＣＶＤ法によりシリコン窒化膜２４を形成した後、シリコン窒化膜２４に図６，７に関して前述したと同様にイオン注入処理及び熱酸化処理を施してシリコン窒化膜２４上にシリコン酸化膜２６を形成する。この後は、シリコン酸化膜２６の厚さを測定して厚さ測定値を求め、前述したと同様に基準データを作成する。

図１０に示す第２の変形例は、半導体層３２を形成した後、半導体層３２の上にシリコン酸化膜からなる絶縁膜３４を熱酸化法又はＣＶＤ法等により形成し、絶縁膜３４の上にシリコン窒化膜２４を形成することを特徴とするもので、その他の処理は、図９の第１の変形例に関して前述したと同様である。図９，１０の変形例は、絶縁膜３０に相当するフィールド絶縁膜の上に半導体層３２に相当する電極材層とシリコン窒化膜２４及びシリコン酸化膜２６に相当する容量絶縁膜（必要ならば絶縁膜３４に相当する絶縁膜も含む）とを用いてキャパシタを形成するプロセスにおいて利用するのに好適である。

図１１の第３の変形例では、半導体基板２０の一方の主面に孔３６ａを有するシリコン酸化膜からなる絶縁膜３６を周知の選択酸化処理により形成した後、孔３６ａ内の半導体表面に薄いシリコン酸化膜からなる絶縁膜３８を形成する。孔３６ａは、ＭＯＳ型トランジスタ等の回路素子を配置する素子孔に相当するものとし、絶縁膜３８は、ゲート絶縁膜の一部（下層膜）に相当するものとする。絶縁膜３６，３８を覆ってＣＶＤ法によりシリコン窒化膜２４を形成した後、シリコン窒化膜２４に図６，７に関して前述したと同様にイオン注入処理及び熱酸化処理を施してシリコン窒化膜２４上にシリコン酸化膜２６を形成する。この後は、絶縁膜３８の上でシリコン酸化膜２６の厚さを測定して厚さ測定値を求め、前述したと同様に基準データを作成する。図１１の変形例は、絶縁膜３８、シリコン窒化膜２４及びシリコン酸化膜２６に相当するゲート絶縁膜を有するＭＯＳ型ＩＣを形成するプロセスにおいて利用するのに好適である。

図５〜１１に関して上記した実施形態では、基準データを作成する際に各々シリコン窒化膜で一方の主面が覆われた複数枚の半導体基板を用いたが、シリコン窒化膜で一方の主面が覆われた１つの基板を用いてもよい。この場合、１つの基板を覆うシリコン窒化膜の第１の個所に対して所定のドーズ量で不純物イオンをレジスト層をマスクとして選択的に注入する。そして、このような選択的イオン注入をドーズ量を変えてシリコン窒化膜の第２，第３，第４…の個所にそれぞれ施す。この後は、図７以降の処理や測定を前述したと同様に実行して基準データを作成する。

図５〜１１に関して上記した実施形態では、シリコン窒化膜に熱酸化処理を施してシリコン酸化膜を形成したが、シリコン窒化膜の代りにシリコン酸化窒化膜に熱酸化処理を施してシリコン酸化膜を形成するようにしてもよい。また、図５〜１１に関して上記した実施形態では、酸化速度変更用の不純物イオンとしてアルゴンイオンを用いたが、これに限らず、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン、ラドンのような不活性元素又は窒素のイオンを用いてもよい。

この発明の一実施形態に係るイオン注入量モニタ法におけるシリコン酸化膜形成工程を示す断面図である。 図１の工程に続くイオン注入工程を示す断面図である。 図２の工程に続く熱酸化工程を示す断面図である。 フッ素イオンＦ^＋のドーズ量とシリコン酸化膜厚との関係を示すグラフである。 この発明の他の実施形態に係るイオン注入量モニタ法におけるシリコン窒化膜形成工程を示す断面図である。 図５の工程に続くイオン注入工程を示す断面図である。 図６の工程に続く熱酸化工程を示す断面図である。 アルゴンイオンＡｒ^＋のドーズ量とシリコン酸化膜厚との関係を示すグラフである。 図５〜７の実施形態の第１の変形例に係るイオン注入量モニタ法におけるシリコン窒化膜形成工程を示す断面図である。 図５〜７の実施形態の第２の変形例に係るイオン注入量モニタ法におけるシリコン窒化膜形成工程を示す断面図である。 図５〜７の実施形態の第３の変形例に係るイオン注入量モニタ法におけるシリコン窒化膜形成工程を示す断面図である。

符号の説明

１０，２０：半導体基板、１２：チャンネリング防止膜、１４，２２，２６：シリコン酸化膜、２４：シリコン窒化膜、３０，３４，３６，３８：絶縁膜、３２：半導体層。

Claims (5)

1. １つの半導体基板の複数個所又は複数の半導体基板に互いにドーズ量を異にして酸化速度変更用の不純物イオンをそれぞれ注入するステップと、
   前記不純物イオンが注入されたイオン注入部毎に熱酸化処理により第１の酸化膜を形成するステップと、
   前記イオン注入部毎に前記第１の酸化膜の厚さを測定して第１の厚さ測定値を求めるステップと、
   前記イオン注入部毎のドーズ量及び第１の厚さ測定値に基づいてドーズ量と酸化膜厚との関係を示す基準データを作成するステップと、
   所定の半導体基板に前記不純物イオンを注入するステップと、
   前記所定の半導体基板において前記不純物イオンが注入されたイオン注入部に熱酸化処理により第２の酸化膜を形成するステップと、
   前記第２の酸化膜の厚さを測定して第２の厚さ測定値を求めるステップと、
   前記基準データを参照して前記第２の厚さ測定値に対応するドーズ量を決定するステップと
   を含むイオン注入量モニタ法。
2. 前記１又は複数の半導体基板に前記不純物イオンを注入するステップでは、前記１又は複数の半導体基板において前記不純物イオンを注入すべき部分をそれぞれ覆って１又は複数のチャンネリング防止膜を形成した後、該１又は複数のチャンネリング防止膜をそれぞれ介して前記不純物イオンの注入を行ない、前記１又は複数の半導体基板のイオン注入部毎に前記第１の酸化膜を形成するステップでは、前記１又は複数のチャンネリング防止膜を除去した後、前記第１の酸化膜の形成を行ない、前記所定の半導体基板に前記不純物イオンを注入するステップでは、前記所定の半導体基板において前記不純物イオンを注入すべき部分を覆って所定のチャンネリング防止膜を形成した後、該所定のチャンネリング防止膜を介して前記不純物イオンの注入を行ない、前記所定の半導体基板のイオン注入部に前記第２の酸化膜を形成するステップでは、前記所定のチャンネリング防止膜を除去した後、前記第２の酸化膜の形成を行なう請求項１記載のイオン注入量モニタ法。
3. 前記１又は複数の半導体基板に前記不純物イオンを注入するステップでは、前記１又は複数の半導体基板において前記不純物イオンを注入すべき部分をそれぞれ覆ってチャンネリング防止用の１又は複数の酸化膜を形成した後、該１又は複数の酸化膜をそれぞれ介して前記不純物イオンの注入を行ない、前記１又は複数の半導体基板のイオン注入部毎に前記第１の酸化膜を形成するステップでは、前記１又は複数の酸化膜のいずれの下にも前記第１の酸化膜を形成し、前記第１の厚さ測定値を求めるステップでは、前記１又は複数の酸化膜のいずれかとその下の前記第１の酸化膜との積層膜の厚さを測定してその測定値から前記１又は複数の酸化膜のいずれかの厚さを差引いた値を前記第１の厚さ測定値とし、前記所定の半導体基板に前記不純物イオンを注入するステップでは、前記所定の半導体基板において前記不純物イオンを注入すべき部分を覆ってチャンネリング防止用の所定の酸化膜を形成した後、該所定の酸化膜を介して前記不純物イオンの注入を行ない、前記所定の半導体基板のイオン注入部に前記第２の酸化膜を形成するステップでは、前記所定の酸化膜の下に前記第２の酸化膜を形成し、前記第２の厚さ測定値を求めるステップでは、前記所定の酸化膜と前記第２の酸化膜との積層膜の厚さを測定してその測定値から前記所定の酸化膜の厚さを差引いた値を前記第２の厚さ測定値とする請求項１記載のイオン注入量モニタ法。
4. １つの基板を覆うシリコン窒化膜又はシリコン酸化窒化膜からなる１つの基準膜の複数個所あるいは複数の基板をそれぞれ覆う複数のシリコン窒化膜又はシリコン酸化窒化膜からなる複数の基準膜に互いにドーズ量を異にして酸化速度変更用の不純物イオンをそれぞれ注入するステップと、
   前記１又は複数の基準膜において前記不純物イオンが注入されたイオン注入部毎に熱酸化処理により第１のシリコン酸化膜を形成するステップと、
   前記イオン注入部毎に前記第１のシリコン酸化膜の厚さを測定して第１の厚さ測定値を求めるステップと、
   前記イオン注入部毎のドーズ量及び第１の厚さ測定値に基づいてドーズ量と酸化膜厚との関係を示す基準データを作成するステップと、
   所定の基板を覆うシリコン窒化膜又はシリコン酸化窒化膜に前記不純物イオンを注入するステップと、
   前記所定の基板を覆うシリコン窒化膜又はシリコン酸化窒化膜において前記不純物イオンが注入されたイオン注入部に熱酸化処理により第２のシリコン酸化膜を形成するステップと、
   前記第２のシリコン酸化膜の厚さを測定して第２の厚さ測定値を求めるステップと、
   前記基準データを参照して前記第２の厚さ測定値に対応するドーズ量を決定するステップと
   を含むイオン注入量モニタ法。
5. 前記酸化速度変更用の不純物イオンとしては不活性元素又は窒素のイオンを用い、前記１又は複数の基準膜において前記イオン注入部毎に前記第１のシリコン酸化膜を形成するステップでは、前記不純物イオンのドーズ量が多いほど前記第１のシリコン酸化膜を薄く形成し、前記所定の基板を覆うシリコン窒化膜又はシリコン酸化窒化膜のイオン注入部に前記第２のシリコン酸化膜を形成するステップでは、前記不純物イオンのドーズ量が多いほど前記第２のシリコン酸化膜を薄く形成する請求項４記載のイオン注入量モニタ法。

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