JP2008160078A - 樹脂膜の評価方法および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡便にかつかなりの確度を持って注入イオンなど荷電エネルギー粒子によってフォトレジストのような樹脂膜表面に形成される変質層を評価することができる樹脂膜の評価方法および当該評価方法を適用した半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】絶縁膜２上に、絶縁膜２の表面を露出する開口部４を有する樹脂膜３が形成された基板に荷電エネルギー粒子６が照射される。次いで、荷電エネルギー粒子６が照射された基板表面の表面電位が測定される。当該測定結果に基づいて、上記樹脂膜３の表面電位と開口部に露出した絶縁膜２の表面電位との電位差が求められる。当該表面電位の電位差から、荷電エネルギー粒子６を照射した樹脂膜３に、樹脂膜除去などの所定の処理を行った際に得られる樹脂膜残渣数などの物理量が予測される。
【選択図】図１
【解決手段】絶縁膜２上に、絶縁膜２の表面を露出する開口部４を有する樹脂膜３が形成された基板に荷電エネルギー粒子６が照射される。次いで、荷電エネルギー粒子６が照射された基板表面の表面電位が測定される。当該測定結果に基づいて、上記樹脂膜３の表面電位と開口部に露出した絶縁膜２の表面電位との電位差が求められる。当該表面電位の電位差から、荷電エネルギー粒子６を照射した樹脂膜３に、樹脂膜除去などの所定の処理を行った際に得られる樹脂膜残渣数などの物理量が予測される。
【選択図】図１
Description
本発明は、例えば半導体集積回路装置等の製造工程のうち、フォトレジスト膜などの感光性樹脂膜を含む樹脂膜をマスクとして荷電エネルギー粒子を用いて半導体基板に処理を加える工程において、処理後の樹脂膜の変質の程度や除去特性などを効率的に評価することができる樹脂膜の評価方法および当該評価方法を適用した半導体装置の製造方法に関する。
半導体集積回路装置等の半導体装置の製造工程では、半導体基板上にフォトレジスト膜のような感光性樹脂膜のパターンを形成し、当該パターンをマスクとして使用する処理が多用されている。例えば、イオン注入処理では、そのパターンをマスクとして、リン、ボロン、砒素などのような不純物が半導体基板に導入される。これにより、例えば、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタのソース・ドレイン領域、ドレインエクステンション領域などが形成される。また、ドライエッチング処理では、そのパターンをマスクとして、下地膜や半導体基板がエッチングガスのプラズマに曝される。これにより、下地膜や半導体基板が、そのパターンに対応する形状に加工される。
こうしたイオン注入処理やドライエッチング処理のマスクとして使用されるフォトレジスト膜は、イオン注入のイオンやドライエッチングのプラズマによるイオン衝撃を受ける。このとき、フォトレジストの表面には硬化や変質が生じる。また、イオン衝撃を多く受けるほど、硬化や変質の程度が進むことになる（例えば、特許文献１、２等参照。）。
このような硬化や変質が発生した層（以下、変質層）がフォトレジスト膜の表面に形成されると、例えば、注入ドーズ量が大きい場合には、フォトレジスト膜の除去が困難になる。フォトレジスト膜の除去（半導体基板の洗浄）には、１４０℃程度の硫酸と過酸化水素混合液（ＳＰＭ：Sulfuric acid-hydrogen Peroxide Mixture）が広く用いられているが、ＳＰＭのみでは、フォトレジスト膜を完全に除去することができなくなる。このため、イオン注入のマスクとして使用されたフォトレジスト膜を除去する場合、まず、ダウンフロー方式のような等方性の酸素プラズマによりフォトレジスト膜が除去される。その後、半導体基板にＳＰＭを用いた十分な洗浄が行われる。このようにして、半導体基板上にフォトレジスト膜の残渣が存在しない状態を実現した後、半導体基板は次の工程処理に進められる。
通常の半導体デバイスの製造工程ではフォトレジスト膜の除去工程およびその具体的条件が設定されると変更されることはない。しかしながら、フォトレジスト膜の除去条件を設定するなどの目的のためにフォトレジスト膜を含む樹脂膜の硬化、変質の程度に関する評価が行われている。このような樹脂膜の評価は次のようにして行われている。
図１４は、広く使用されている従来の樹脂膜の評価方法を説明する工程断面図である。図１４（ａ）に示すように、シリコン基板１０１上には、例えばシリコン酸化膜などの所望膜１０２、およびフォトレジスト膜１０３が下層から順に形成されている。次いで、図１４（ｂ）に示すように、所望のパターンを有するレチクル１０４を通して紫外線、電子線、Ｘ線などの露光光１０５をフォトレジスト膜１０３に照射することにより、フォトレジスト膜１０３が露光される。露光されたフォトレジスト膜１０３に対し、現像、純水リンス、ポストベーキングなどの処理を施すことで、図１４（ｃ）に示すように、フォトレジスト膜１０３のパターンが形成される。続いて、図１４（ｄ）に示すように、当該パターンをマスクとして、リン、ホウ素、砒素などのイオン１０６がイオン注入により半導体基板１０１に導入される。このとき、フォトレジスト膜１０３の表層部ではイオン１０６が打ち込まれ、フォトレジスト膜１０３の深部とは分子構造が異なる変質層１１２が形成される。そして、図１４（ｅ）に示すように、上記したような酸素プラズマ処理とＳＰＭ洗浄などにより、フォトレジスト膜１０３が除去される。
洗浄後のレジスト残渣１１１は、例えば、レーザ光１１０をフォトレジスト除去面に照射し、レジスト残渣１１１からの反射光（あるいは、レジスト残渣１１１による散乱光）を検出することにより、パーティクル数として計数される。このようにして計数されるパーティクル数は、フォトレジスト膜１０３の除去条件が一定である場合、フォトレジスト膜１０３の表面に形成された変質層１１２の硬化や変質の程度を示すことになる。また、イオン注入条件が一定である場合、変質層１１２を含むフォトレジスト膜１０３に対して適用した除去条件が有するレジスト除去能力を示すことになる。以上のようにして、樹脂膜の硬化や変質の程度、除去特性などを評価することができる。
以上の評価方法は、図１４（ｄ）に示したイオン注入処理に代えて、プラズマエッチング処理などのドライエッチング処理が実施された場合であっても同様に適用することができる。この場合、エッチングガスプラズマに曝されることによって、フォトレジスト膜１０３の表層部に形成された変質層の硬化や変質の程度、プラズマエッチング後のフォトレジスト膜１０３の除去特性をパーティクル数により評価することができる。
半導体集積回路装置の製造工程では、上述の評価方法を用いたフォトレジスト膜など樹脂膜の除去工程の検査は、行うとしても非定期的にしか行わないのが普通である。また、場合によってはドライエッチングによる変質の程度の評価は、レジストの収縮具合をＳＥＭ（Scanning Electron Microscopy）画像による寸法測定にて判断するという方法を用いて行われることもある。
特開平６−２５２０４２号公報
特開２００４−１９１８３３号公報
最近の半導体集積回路装置において、パターン寸法が微細化された半導体素子では、ますますシリコン基板に形成される不純物領域のｐｎ接合深さが浅くなり、また多層配線の層間絶縁膜も低誘電率化（Ｌｏｗ−ｋ化）が進んでいる。このため、上述のような、従来の酸素プラズマ処理とＳＰＭ洗浄によるフォトレジスト膜の除去を適用した場合に、以下のような問題が顕在化している。
例えば、浅い接合深さを有する不純物領域を形成するイオン注入マスクとして使用されたフォトレジスト膜の除去に酸素プラズマ処理を適用した場合、シリコン基板のイオン注入領域の表面が酸素プラズマに曝される。図１５は、酸素プラズマ処理がＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）プロセスにおいて形成されるＮチャネルトランジスタとＰチャネルトランジスタに及ぼす影響を説明する断面図である。図１５では、右方にＮチャネルトランジスタを示すとともに左方にＰチャネルトランジスタを示している。また、図１５は、Ｐチャネルトランジスタのエクステンション領域を形成する過程を示している。
図１５（ａ）に示すように、ＰチャネルトランジスタおよびＮチャネルトランジスタは、素子分離絶縁膜１５１により区分された半導体基板１０１の表面部に形成される。Ｐチャネルトランジスタは、Ｎ型のウェル層１５２ａ上にゲート絶縁膜１５３ａを介して形成されたゲート電極１５４ａを備える。また、Ｎチャネルトランジスタは、Ｐ型のウェル層１５２ｂ上にゲート絶縁膜１５３ｂを介して形成されたゲート電極１５４ｂを備える。
Ｐチャネルトランジスタのエクステンション領域を形成する場合、半導体基板１０１上には、Ｎチャネルトランジスタの形成領域を被覆するレジストパターン１５９ｂが形成される。当該状態で、Ｐ型の不純物イオンがイオン注入され、ゲート電極１５４ａ両側の半導体基板表面にＰ型のエクステンション領域１５６ａが形成される。
次いで、レジストパターン１５９ｂが除去される。この場合、レジストパターン１５９ｂの表面部には変質層が形成されているため、酸素プラズマ処理が適用される。当該酸素プラズマ処理が実施される間、Ｐ型エクステンション領域１５６ａは酸素プラズマに曝される。このため、Ｐ型エクステンション領域１５６ａの表面には、図１５（ｂ）に示すように、厚さ数ｎｍの極薄シリコン酸化膜１６０ａが形成される。この結果、Ｐ型エクステンション領域１５６ａの厚さが減少し、シート抵抗が増大することになる。また、酸素プラズマ処理の過程で、レジストパターン１５９ｂが除去されると、Ｎチャネルトランジスタのゲート電極１５４ｂ両側の半導体基板表面が酸素プラズマに曝される。したがって、ゲート電極１５４ｂの両側の半導体基板表面にもシリコン酸化膜１６０ｂが形成される。シリコン酸化膜１６０ｂは、以降で実施される、Ｎチャネルトランジスタのエクステンション領域形成等のイオン注入の際に、半導体基板１０１への注入イオンの進入を阻害する。この結果、半導体基板１０１中に所望の不純物領域が形成できなくなる。
Ｎチャネルトランジスタのエクステンション領域を形成する場合も、同様に、Ｐチャネルトランジスタ形成領域を被覆するレジストパターンが形成される。当該レジストパターンを除去するために酸素プラズマ処理を適用した場合にも、半導体基板１０１の表面にシリコン酸化膜が形成される。この場合、注入イオン種が異なるため、レジストパターンの表面部に形成される変質層の状態は、レジストパターン１５９ｂの表面部に形成された変質層と異なる。したがって、エクステンション領域上に形成されるシリコン酸化膜の膜厚は、ＰチャネルトランジスタとＮチャネルトランジスタとで異なることになる。この結果、ＰチャネルトランジスタとＮチャネルトランジスタとの特性バランスが悪くなるという不具合も発生する。
一方、Ｌｏｗ−ｋ膜上にエッチングマスクとして形成されたフォトレジスト膜の除去に酸素プラズマ処理を適用した場合、酸素プラズマダメージにより、密度の低いＬｏｗ−ｋ膜がエッチングされる現象が発生する。フォトレジスト膜をマスクとしたエッチングが行われた領域に露出しているＬｏｗ−ｋ膜側面に対してこのような現象が発生すると、当該エッチング領域のパターン形状が変化してしまう。また、フォトレジスト膜に被覆されていたＬｏｗ−ｋ膜にこのような現象が発生すると、層間膜であるＬｏｗ−ｋ膜の膜厚が減少することになる。
以上のような問題は、パターン寸法の微細化に伴って、半導体集積回路装置の電気的特性および特性のバラツキに無視できない影響を与えるようになっている。
また、酸素プラズマ処理が行われるアッシング装置のチャンバーやチャンバー内部の部材は、Ａｌ、Ｆｅのような金属により構成されている。このため、酸素プラズマ処理を実施した場合、半導体基板への金属汚染が発生する。将来、さらにパターン寸法の微細化が進行した場合、半導体装置の製造工程では、このような半導体基板への金属汚染をより厳しく低減することが求められる。
このような問題の発生を軽減する方策として、レジスト残渣が発生しない範囲でできうる限り酸素プラズマ処理時間を低減させることが考えられる。上述のように、酸素プラズマ処理は、硬化や変質が発生したフォトレジスト膜の表層部（以下、変質層という。）を効率よく除去する目的で使用されている。このため、現状では、酸素プラズマ処理は、変質層の除去に十分な条件で実施されており、過剰な除去がなされない条件に最適化されていない。したがって、上記問題の発生を軽減するために、酸素プラズマ処理時間を低減させる余地は十分にある。このような、酸素プラズマ処理の最適化を実施するためには、変質層の形成状態（硬化や変質の程度）を定量的に評価する必要がある。
しかしながら、従来の変質層の評価は、上述したように、レジスト残渣の発生数を計数することにより行われている。このため、変質層内部の硬化、変質の状態を正確に把握することは困難である。また、レジストパターンの収縮の程度を測定することで、変質層を評価する方法でも、変質層内部の硬化、変質の状態を正確に把握することは困難である。これは、レジストパターンの収縮が、変質層の発生のみに起因して発生するのではなく、エッチング前にレジストパターンを硬化させるためのレジストパターンへの紫外線照射等によっても発生するからである。加えて、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサなどでマスクとして使用されるフォトレジスト膜等の、膜厚が厚いフォトレジスト膜では、収縮による形状変化量を薄膜レジストに比べ判断しにくいという問題もある。
さらに、これらの方法では、半導体基板の処理結果を示す指標となるパーティクル数等を観察することで変質層を評価するため、時間やコストを要するという欠点がある。また、フォトレジスト膜の変質層の形成しやすさは、イオン注入処理やドライエッチング処理の処理条件だけでなく、フォトレジスト膜の種類によっても異なるので、評価のための実験が煩雑になるという欠点もある。
すなわち、変質層の形成状態に応じて酸素プラズマ処理の条件を最適化しようとしても、有効な変質層の評価方法が存在しないのである。
今後、パターン寸法の微細化がさらに進行した半導体集積回路装置の製造工程では、フォトレジスト膜を除去する際に、レジスト残渣（パーティクル）の発生を防止することができ、かつ半導体基板表面でのフォトレジスト膜の酸素プラズマ処理に伴うシリコン酸化膜の形成、半導体基板への金属汚染、Ｌｏｗ−ｋ膜のエッチング等を防止することができなければ、製造歩留りを著しく低下させることになる。このため、インラインで変質層を短時間で容易に評価でき、当該評価結果によりパーティクル発生の有無等の半導体基板に対して実施された処理の達成度を判定できる技術が望まれている。
前記に鑑み本発明は、簡便にかつかなりの確度を持って注入イオンなど荷電エネルギー粒子によってフォトレジストのような樹脂膜表面に形成される変質層を評価することができる樹脂膜の評価方法および当該評価方法を適用した半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明は以下の技術的手段を採用している。すなわち、本発明に係る樹脂膜の評価方法では、まず、絶縁膜上に、該絶縁膜の表面を露出する開口部を有する樹脂膜が形成された評価基板に対して、荷電エネルギー粒子が照射される。次いで、上記荷電エネルギー粒子が照射された評価基板表面の表面電位が測定される。当該測定結果に基づいて、上記樹脂膜の表面電位と上記開口部に露出した絶縁膜の表面電位との電位差が求められる。そして、当該表面電位の電位差に基づいて、上記荷電エネルギー粒子を照射した樹脂膜に所定の処理を行った際の、当該処理の達成度に応じて変動する物理量が予測される。ここで、所定の処理とは、荷電エネルギー粒子が照射された後に実施される、樹脂膜除去などの任意の処理である。例えば、所定の処理が樹脂膜除去である場合、樹脂膜残渣数などが物理量になる。
上記構成に加えて、予測された物理量が、あらかじめ設定された許容範囲に属するか否かを判定することにより、上記樹脂膜の材料、上記荷電粒子エネルギーの照射条件、または上記樹脂膜に対する上記所定処理の処理条件の適否が判定される構成であってもよい。あるいは、上記表面電位の電位差が、上記許容範囲に対応する電位差の範囲に属するか否かを判定することにより、上記樹脂膜の材料、上記荷電粒子エネルギーの照射条件、または上記樹脂膜に対する上記所定処理の処理条件の適否が判定される構成であってもよい。
また、本発明に係る他の樹脂膜の評価方法では、まず、所定の膜厚を有する絶縁膜上に、該絶縁膜の表面を露出するとともに一定面積の開口部を有する樹脂膜が形成された複数の基板に、それぞれ異なる照射量で荷電エネルギー粒子が照射される。次いで、荷電エネルギー粒子が照射されたそれぞれの上記開口部に露出した絶縁膜の表面電位を測定することにより、上記表面電位と荷電エネルギー粒子照射量との対応関係が求められる。当該対応関係に基づいて、上記開口部に露出した絶縁膜の表面電位の最大値である限界電位となる荷電エネルギー粒子照射量が求められる。上記限界電位または上記限界電位に対応する荷電エネルギー粒子照射量に基づいて、特定の荷電エネルギー粒子の照射量で、上記荷電エネルギー粒子に起因して上記絶縁膜に蓄積した電荷が上記絶縁膜中を流れるか否かが判定される。
さらに、本発明に係るさらに他の樹脂膜の評価方法では、絶縁膜上に、該絶縁膜の表面を露出する開口部を有し、互いに構成成分が異なる複数の樹脂膜のそれぞれが形成された複数の基板に、荷電エネルギー粒子が一定条件で照射される。次いで、上記荷電エネルギー粒子が照射された上記複数の基板表面の表面電位が測定される。当該測定結果に基づいて、上記複数の基板上における上記樹脂膜の表面電位と上記開口部に露出した絶縁膜の表面電位との電位差がそれぞれ求められる。当該それぞれの表面電位の電位差を比較することにより、上記荷電エネルギー粒子の照射で上記それぞれの樹脂膜に生じる変質層の変質の進行度が比較される。
以上の構成において、上記表面電位の電位差は、上記樹脂膜の開口部端を含む領域における上記樹脂膜の表面電位と上記開口部に露出した絶縁膜の表面電位との電位差であることが好ましい。また、上記所定の処理は上記樹脂膜の除去処理であり、上記物理量は上記樹脂膜の除去後の樹脂膜の残渣数または残渣密度であってもよい。この場合、上記樹脂膜の除去処理を、薬液による除去処理とすることができる。
また、以上の構成において、例えば、上記荷電エネルギー粒子を注入イオンとし、上記樹脂膜をフォトレジストとすることができる。あるいは、上記荷電エネルギー粒子をプラズマ粒子とし、上記樹脂膜をフォトレジストとすることができる。この場合、上記絶縁膜としてシリコン酸化膜を採用することができる。
さらに、上記荷電エネルギー粒子が注入イオンである場合、上記絶縁膜は、少なくとも上記注入イオンの上記絶縁膜に対する投影飛程をＲｐ１、当該投影飛程の標準偏差をΔＲｐ１として、Ｒｐ１＋３ΔＲｐ１以上の膜厚を有することが好ましい。また、上記フォトレジストは、少なくとも上記注入イオンの上記フォトレジストに対する投影飛程をＲｐ２、当該影飛程の標準偏差をΔＲｐ２として、Ｒｐ２＋３ΔＲｐ２以上の膜厚を有することが好ましい。
加えて、上記基板の面積に対する上記樹脂膜の面積の比は９０％以上であることが好ましい。上記荷電エネルギー粒子が注入イオンであり、上記樹脂膜がフォトレジストである場合、注入イオンの注入ドーズ量は１×１０10／ｃｍ2〜１×１０14／ｃｍ2の範囲であることが好ましい。
一方、他の観点では、本発明は、イオン注入により形成された不純物領域を有する半導体装置の製造方法を提供することができる。すなわち、本発明に係る半導体装置の製造方法では、まず、半導体基板上に第１のレジストパターンが形成される。次いで、当該第１のレジストパターンをマスクとしたイオン注入により、半導体基板に不純物領域が形成される。続いて、基板に形成された絶縁膜上に、当該絶縁膜が露出する開口を有し、上記第１のレジストパターンと同一の材料からなる第２のレジストパターンが形成された評価基板に、上記イオン注入と同一条件のイオン注入が行われる。そして、当該評価基板上の第２のレジストパターン上および絶縁膜上の表面電位が測定される。測定された第２のレジストパターン上の表面電位および測定された絶縁膜上の表面電位の差に基づいて、あらかじめ設定されているレジスト除去条件により上記第１のレジストパターンが除去可能であるか否かが判定される。判定の結果が除去不能であった場合、上記測定された第２のレジストパターン上の表面電位および上記測定された絶縁膜上の表面電位の差であっても除去可能とするレジスト除去条件に変更し、当該変更されたレジスト除去条件により上記第１のレジストパターンが除去される。なお、判定の結果が除去可能であった場合には、上記第１のレジストパターンは、あらかじめ設定されているレジスト除去条件により除去される。
また、上記第２のレジストパターンが除去可能であるか否かの判定は、上記測定された第２のレジストパターン上の表面電位および上記測定された絶縁膜上の表面電位の差に対応する、レジストパターン除去後のレジスト膜の残渣数または残渣密度が、半導体装置の製造工程における許容範囲内であるか否かによって行うことができる。
この半導体装置の製造方法において、イオン注入された注入イオンのドーズ量は、１×１０10／ｃｍ2〜３×１０14／ｃｍ2とすることができる。また、上記レジストパターンは、酸素プラズマ処理を用いることなく薬液のみで除去されることが好ましい。
本発明に係る樹脂膜の評価方法によれば、イオン注入処理やドライエッチング処理を実施したときの、樹脂膜表面での変質層の形成しやすさを、定量的に評価することができる。このため、荷電エネルギー粒子による樹脂膜のチャージアップの程度、樹脂膜のエッチング耐性、およびイオン注入処理やドライエッチング処理後のレジスト除去性を推定することができる。この結果、イオン注入処理やドライエッチング処理における樹脂膜表層部の硬化や変質の程度を容易に把握することができる。また、イオン注入処理やドライエッチング処理などにおいて、チャージアップ現象が発生しにくい樹脂膜の選定や、処理後に除去が容易な樹脂膜の選定を容易に行うことができる。したがって、処理後の樹脂膜の除去を、酸素プラズマ処理を使用することなく薬液のみで実施できる樹脂膜を選定することも可能である。また、酸素プラズマ処理を使用する場合であっても、その処理時間を必要最小限の時間に設定することができる。
また、本発明によれば、例えば、デバイス構造およびイオン注入条件やプラズマエッチング条件などが決定している場合、当該条件下での処理により絶縁膜の絶縁破壊などが発生する可能性の程度を評価することも可能となる。
さらに、本発明の評価方法は、樹脂膜の膜厚に関わらず適用することが可能であり、ＣＣＤイメージセンサなどの、従来、評価が困難であった構造に対しても容易に適用することができる。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、イオン注入により表面に変質層が形成されたレジストパターンが、あらかじめ設定されているレジスト除去条件で除去可能であるか否かを容易にかつ短時間で判定することができる。また、レジストパターンを、パーティクルを発生させることなく、確実に除去することができる。
以下に図面と共に本発明による樹脂膜の評価方法について説明する。本発明の樹脂膜の評価方法では、基板上に絶縁膜が形成され、その絶縁膜上に、当該絶縁膜の領域の一部が露出する開口部を有する樹脂膜が形成された評価基板を使用する。当該評価基板にイオン注入、プラズマ照射など荷電エネルギー粒子を一定の条件で照射して樹脂膜表面を含む領域に上記照射による変質層を形成する。こうして得られた評価基板における樹脂膜領域および絶縁膜露出領域の表面電位を測定し、表面電位測定結果から樹脂膜の変質層を評価するものである。
図１は、本発明に係る樹脂膜の評価方法の一実施形態における、評価基板の作製から表面電位測定に至るまでのフローを示す断面図である。ここでは、イオン注入により荷電エネルギー粒子を樹脂膜に照射する事例について説明する。
図１（ａ）に示すように、まず、シリコン基板１上に、絶縁膜として、例えば、熱酸化法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、シリコン酸化膜２が形成される。なお、絶縁膜として、シリコン窒化膜、あるいは、酸化アルミニウム膜、酸化タンタル膜、酸化ハフニウム膜のような金属酸化物誘電体膜を使用してもよい。また、絶縁膜は、上述の膜を適宜組み合わせた積層膜であってもよい。シリコン酸化膜２上には、評価対象となる樹脂膜として、フォトレジスト膜３が約１μｍの厚さで塗布されている。
次いで、図１（ｂ）に示すように、フォトレジスト膜３に、所望のパターンを有するレチクル（図示せず）を通してフォトレジスト膜３が感光性を有する波長の露光光（紫外線、電子線、Ｘ線など）を照射する露光が行われる。露光されたフォトレジスト膜３に対して、現像、純水リンス、ポストベーキング等の処理を施すことにより、開口部４が形成される。この開口部４は、半導体集積回路装置において通常使用される素子パターンのような微細な開口ではない。例えば、シリコン基板１の径が２００ｍｍであるとき、開口部４は、一辺が５ｍｍ〜２０ｍｍの正方形、あるいはこれと同等の面積を有する開口である。なお、開口部４は、シリコン基板１の面積に対するフォトレジスト膜３の面積占有率が約９０％以上となる条件下で形成されることが望ましい。また、上述したように、寸法精度を必要としないため、開口部４の形成はレチクルを用いない露光で行うことも可能である。
続いて、図１（ｃ）に示すように、シリコン基板１をイオン注入装置内に設置し、リン、ホウ素、砒素等の不純物のイオン注入が実施される。これにより、フォトレジスト膜３の表層部に注入イオン６が直接打ち込まれる、あるいはイオン衝撃によって変質層１２が形成される。また、このとき、フォトレジスト膜３の表面、および開口部４の底部に露出したシリコン酸化膜２の表面には、注入イオン６により電荷９が蓄積される。
イオン注入処理が完了すると、イオン注入装置から処理済みの評価基板が取り出される。処理済の評価基板は、表面電位測定器の、金属などの導電性材料からなる接地電位が付与された基板支持部（ステージ）に設置され、評価基板上に蓄積されている電荷９に対応する表面電位の測定が行われる。図１（ｄ）に示すように、表面電位測定は、表面電位測定器９１の電位測定用のセンサー部８先端をフォトレジスト膜３の表面から例えば０．５ｍｍ〜３ｍｍ程度、より好ましくは１ｍｍ〜１．５ｍｍ程度に近づけた状態で行われる。センサー部８は、評価基板の表面とほぼ平行に配設された、シリコン基板１の一端から、開口部４上を経てシリコン基板１の他端に至るガイド７に沿って移動可能に設けられている。そして、センサー部８は、評価基板の表面電位を、ガイド７に沿って水平方向に１ｍｍ〜２ｍｍの間隔で測定する。ガイド７は、例えば、評価基板の中心を通過する一直径方向に沿って配置することができる。
なお、以上の表面電位測定は、シリコン酸化膜２、フォトレジスト膜３上に蓄積した電荷が、流出あるいは中和などにより低減することなく、イオン注入処理後の表面電荷分布を維持した状態で行う必要がある。このため、イオン注入装置から評価基板を搬出した後、２４時間以内に表面電位測定することが必要である。特に、イオン注入装置から搬出した後、２時間以内に測定することが望ましい。この場合、電荷低減率は１％以下であり、表面電位測定結果にほとんど影響を及ぼさない。また、イオン注入装置から評価基板を搬出する際には、電荷が蓄積されている評価基板表面に接触しないように、評価基板の裏面を搬送装置のアームや真空ピンセットで保持することが望ましい。
次に、図１に示した評価方法でフォトレジスト膜３の表面に形成された変質層１２がどのようにして評価できるかを、具体的に例を挙げて説明する。
図２は、イオン注入により、フォトレジスト膜３の表面に変質層１２が形成されるメカニズムを示す模式図である。図２では、ノボラック系樹脂２１をベースとしてナフトキノンジアジドからなる感光剤２２を含有するｉ線フォトリソグラフィ用のフォトレジスト膜３に、リンイオン（Ｐ+）２３がイオン注入された状態を示している。
図２に示すように、イオン注入が行われた場合、注入されたリンイオン２３のイオン衝撃により、フォトレジスト膜３を構成する高分子（ノボラック樹脂２１）内部の結合が切断され、カーボン（Ｃ）のラジカルが生成される。ラジカルの状態は不安定であるため、生成されたカーボンのラジカルは、周辺の不純物やカーボンと再結合する。このとき、注入されたリンイオン２３はノボラック樹脂２１を構成する酸素と反応（脱酸素反応）し、Ｐ−Ｏなどガス２４として揮発する。このような架橋反応と脱酸素反応により、カーボンリッチな変質層１２が形成される。なお、架橋反応の発生頻度が小さく、イオン注入後の分子構造がイオン注入されていないフォトレジストと大きく相違しない状態が、硬化状態に相当する。
また、図３は、イオン注入により、フォトレジスト膜３の表面に変質層１２が形成される他のメカニズムを説明する模式図である。図３では、アセタール系ＫｒＦエキシマリソグラフィー用フォトレジストの保護基周辺の分子構造を例示している。当該事例では、図３に示すように、図の中央部に示す酸素原子３１の結合エネルギーが、３４３ｋＪ／ｍｏｌ（Ｏ−ＣbＣ）、および３４９ｋＪ／ｍｏｌ（Ｏ−Ｃ2）であり、フォトレジスト材料に含まれる他部の結合エネルギーに比べて、特に小さくなっている。このため、注入イオンに起因するイオン衝撃により容易に結合が切断される。この事例では、酸素との結合が切断された炭素が架橋反応を生じる。このように、高分子構造の変質は樹脂材料によっても異なると考えられる。
変質層１２では、カーボン結合が多数形成されるにつれて、絶縁物である初期の状態に比べて電気抵抗が低下していると推定できる。さらにカーボンに関わる反応が進むと、ほとんどのレジスト内部の結合が切れた炭化と呼ばれる状態になり、変質層１２は、かなりの電気導電性を有する状態に変化する。このような状態になると、図１（ｄ）に示した評価基板において、フォトレジスト膜３および開口部４に露出したシリコン酸化膜２との間でイオン注入中に蓄積された電荷の移動が発生する。この結果、評価基板上の表面電位分布（フォトレジスト膜３の表面電位とシリコン酸化膜２の表面電位）が変化する。このように、評価基板上の表面電位分布は、変質層１２の電気伝導度（電気抵抗値）に依存して変化するので、評価基板上の表面電位分布を評価することによって、変質層１２の硬化、変質の程度を把握することが可能となる。
図４は、イオン注入を行った評価基板の表面電位測定結果の一例を示す図である。また、図５は、図４に示すデータを取得した評価基板を示す断面図である。さらに、図６は、評価基板を示す平面図であり、図７は、図６に示す直線Ｌに沿った表面電位分布の一例を示す模式図である。
図５に示すように、当該評価基板は、シリコン基板１上に、膜厚ｄ1が４００ｎｍのシリコン酸化膜２と、膜厚ｄ2が１．０２μｍのフォトレジスト膜３とが形成されている。ここで、シリコン酸化膜２の膜厚ｄ1は、シリコン酸化膜２にイオン注入されるイオンの投影飛程Ｒｐ１と投影飛程の標準偏差ΔＲｐ１との間で、ｄ1＞Ｒｐ１＋３ΔＲｐ１の関係を満足する膜厚である。また、フォトレジスト膜３の膜厚ｄ2は、フォトレジスト膜３にイオン注入されるイオンの投影飛程Ｒｐ２と投影飛程の標準偏差ΔＲｐ２との間で、ｄ2＞Ｒｐ２＋３ΔＲｐ２の関係を満足する膜厚である。なお、イオン注入処理では、リンイオンを評価基板の全面に注入している。イオン注入処理の過程では、フォトレジスト膜３の表層部に変質層１２が形成され始めると同時に、注入イオン６による電荷９が蓄積され始める。
また、図６に示すように、評価基板は、シリコン基板１の全面にシリコン酸化膜２が設けられており、外縁部（５ｍｍ）を除くシリコン酸化膜２上にフォトレジスト膜３が設けられている。また、フォトレジスト膜３に設けられた一辺が１０ｍｍの開口からシリコン酸化膜２が露出している。なお、図４に示す表面電位分布および図５に示す断面図は、図６に示す直線Ｌ上の領域Ａ内に対応する。
さて、図４では、異なるイオン注入条件により、リンイオン（Ｐ+）をイオン注入した評価基板の表面電位測定結果を示している。図４において、横軸は表面電位測定位置に対応し、縦軸は表面電位に対応する。横軸の１０から２０までの範囲がシリコン酸化膜２上の表面電位を示しており、横軸の０から１０まで、および２０以上の範囲がフォトレジスト膜３上の表面電位を示している。ここでは、底部にシリコン酸化膜が露出した開口部は、フォトレジスト膜に被覆された領域の面積の０．４％程度になっている。
また、各評価基板へのイオン注入条件は、注入ドーズ量と、ビーム（イオン電流値あるいはドーズレート）が異なっている。図４において白三角で示すデータ４１、白四角で示すデータ４２、白菱形で示すデータ４３が、同一条件のビーム（ＢｅａｍＸ）でイオン注入を行っている。また、データ４１（注入ドーズ量Ｂ：約５×１０12／ｃｍ2）、データ４２（注入ドーズ量Ｃ）、およびデータ４３（注入ドーズ量Ｄ）のイオン注入時の注入ドーズ量はＢ＜Ｃ＜Ｄの関係にある。
図４から理解できるように、注入ドーズ量が比較的小さいデータ４１の評価基板上の表面電位分布は、全体として電位勾配が生じているが、フォトレジスト膜３上の表面電位とシリコン酸化膜２上の表面電位とがほぼ連続しており、大きな差は生じていない。この条件では、フォトレジスト膜３の表層部では、架橋反応がそれほど進行しておらず、表層部（変質層１２）の電気抵抗がほとんど低減していない状態にある。この場合、フォトレジスト膜３およびシリコン酸化膜２をキャパシタの容量絶縁膜とみなすことができる。
フォトレジスト膜３が存在している領域（以下、フォトレジスト膜領域という。）の膜厚は、シリコン酸化膜２が露出している領域（以下、シリコン酸化膜領域という。）よりも厚い。したがって、フォトレジスト膜領域の単位面積当たりの静電容量は、シリコン酸化膜領域の単位面積当たりの静電容量よりも小さくなる。このため、蓄積電荷量が両領域で同等であると仮定すると、電位はフォトレジスト膜領域の方が高くなるはずである。しかし、実際にはイオン注入中にシリコン酸化膜２から放出されたマイナスの２次電子がフォトレジスト膜３上のプラス電荷に引き寄せられて表面電位を下げる方向に作用し、電位平衡を保とうとする。このため、フォトレジスト膜領域の表面電位は、シリコン酸化膜領域の表面電位とほぼ同等になる状態が生じていると考えられる。なお、図７に示すように、フォトレジスト膜３の開口から、ある程度距離が離れたフォトレジスト膜３上の表面電位は、シリコン酸化膜領域の表面電位に比べて高くなっている。
また、図４のデータ４２から理解できるように、注入ドーズ量が増すと、シリコン酸化膜２上の表面電位、およびフォトレジスト膜３上の表面電位が上昇する。このとき、フォトレジスト膜領域の表面電位の上昇量は、シリコン酸化膜領域の表面電位の上昇量より大きくなっている。さらに、注入ドーズ量が増すと（データ４３）、フォトレジスト膜領域上の表面電位はさらに上昇するが、シリコン酸化膜領域の表面電位は下降している。
上述したように、フォトレジスト膜３の変質層１２では、打ち込まれた注入イオン６によりフォトレジスト膜３に含まれる酸素が脱離され、残された炭素同士が架橋反応を生じて導電性を帯び始める。この変化はフォトレジスト膜３の表層部のみで起こり、その下のフォトレジスト膜３のバルク部は絶縁状態を維持している。このため、フォトレジスト膜領域では、導電性を帯びた変質層１２に電荷９が蓄積していることになる。このような電荷９は、イオン注入されることで変質層１２の膜質劣化が進行し、導電性が増加すると、図５に示すように、変質層１２の側壁部を通ってシリコン酸化膜２上に流れ込み始めると推定される。したがって、図４に示すデータ４２、およびデータ４３の電位分布は、フォトレジスト膜領域の電荷９がシリコン酸化膜２に流入している状態を意味していると考えられる。
一方、シリコン酸化膜領域では、表面電位は限界電位（図４では、約１５０Ｖ）に達した後、下降している。これは、シリコン酸化膜２の表面電位によりシリコン酸化膜２中に生じた大きい電位勾配のために、シリコン酸化膜２を通じて電荷９の一部がシリコン基板１の方向へ流れるようになり、電荷９をある一定量以上蓄積できなくなるためであると考えられる。また、フォトレジスト膜３上の電荷９はシリコン酸化膜領域に向かって流れ続けているため、シリコン酸化膜２中をリークする電荷量と、フォトレジスト膜３から流れ込む電荷量との大小関係によってシリコン酸化膜２上の表面電位が決定されていると考えられる。このため、図４のデータ４２、およびデータ４３のように、限界電位に達した注入ドーズ量においてシリコン酸化膜２上の表面電位が最大となり、さらに注入ドーズ量が増加すると表面電位が減少する現象が発生すると考えられる。
また、図４に、黒三角で示すデータ４４は、白三角で示したデータ４１と同一の注入ドーズ量Ｂで、ビームを小さく（イオン電流値あるいはドーズレートが小さい、ＢｅａｍＹ）したイオン注入条件における表面電位分布を示している。さらに、図４に黒丸で示すデータ４５は、データ４４と同一のビーム（ＢｅａｍＹ）で、注入ドーズ量をデータ４４よりも小さい注入ドーズ量Ａとしたイオン注入条件における表面電位分布を示している。
データ４１とデータ４４とから理解できるように、小さいビームの方が、全体的に表面電位が大きく、またフォトレジスト膜領域よりシリコン酸化膜領域の方が、電位が高くなっている。これは、小さいビーム（ＢｅａｍＹ）の場合、シリコン基板周辺に露出しているプラテンや搬送系等にイオンが衝突した際に放出される２次電子の供給量が、大きいビーム（ＢｅａｍＸ）に比べて少なくなることに起因すると考えられる。すなわち、フォトレジスト膜３上の電荷が２次電子によって中和され難くなり、表面電位が全体的に上昇するのである。また、データ４４とデータ４５とから理解できるように、ビームが小さい場合であっても、注入ドーズ量が減少すると、表面電位が全体的に小さくなる。
また、この注入ドーズ量では、上述のように、フォトレジスト膜３の表層部（変質層１２）の電気抵抗がほとんど低減していない状態ではあるが、シリコン酸化膜領域近傍のフォトレジスト膜領域からシリコン酸化膜領域への電荷９の流れ込みがわずかに生じている。この場合、小さいビーム（データ４４）においてフォトレジスト膜領域からシリコン酸化膜領域へ流入する電荷の量は、大きいビーム（データ４１）においてフォトレジスト膜領域からシリコン酸化膜領域へ流入する電荷の量より相対的に大きくなるという結果になった。したがって、小さいビームの場合（データ４４）は、フォトレジスト膜領域上に比べてシリコン酸化膜領域上の方が、表面電位が高くなっていると考えられる。
以上の結果を全体的にみればドーズレート（ビーム）一定の条件下では、注入ドーズ量が増すに連れてシリコン酸化膜２上においてもフォトレジスト膜３上においても表面電位は上昇することがわかる。また、注入ドーズ量が一定の条件下では、ドーズレート（ビーム）が増大するにつれて、表面電位の上昇の程度が小さくなることがわかる。
一方、図８は、異なるイオン注入条件でイオン注入した評価基板における、レジスト開口率に対するシリコン酸化膜２上の表面電位の依存性を示す図である。図８において、横軸がレジスト開口率に対応し、縦軸が表面電位に対応する。ここでは、フォトレジスト膜３に１つの開口部４を設けた評価基板を用いて表面電位測定を行っている。なお、評価基板に形成したシリコン酸化膜２の膜厚は約４００ｎｍである。また、レジスト開口率は、フォトレジスト膜３の開口部４の面積を、シリコン基板１の表面積で除した値として定義される量である。すなわち、レジスト開口率１００％は、シリコン基板１上に、フォトレジスト膜３がない状態を意味する。
図８において、点線で示すデータ６１、破線で示すデータ６２、および実線で示すデータ６３は、砒素イオン（Ａｓ+）を同一注入エネルギー（３０ｋｅＶ）でイオン注入した場合の表面電位を示している。また、各データ６１、６２、６３の注入ドーズ量は、順に、４×１０13／ｃｍ2、２×１０13／ｃｍ2、１×１０13／ｃｍ2である。また、一点鎖線で示すデータ６４は、砒素イオン（Ａｓ+）を、注入エネルギー５５ｋｅＶ、注入ドーズ量２．１×１０12／ｃｍ2でイオン注入した場合の表面電位である。さらに、二点鎖線で示すデータ６５は、リンイオン（Ｐ+）を、注入エネルギー５０ｋｅＶ、注入ドーズ量７×１０12／ｃｍ2でイオン注入した場合の表面電位である。
図８（ａ）から理解できるように、表面電位は、注入イオン種によって異なっている。また、表面電位は、注入ドーズ量の増加に伴って増加している。さらに、表面電位は、レジスト開口率を１００％から減少させていくにつれて大きな値を示し、レジスト開口率が約１０％以下（フォトレジスト膜の面積占有率が約９０％以上）の範囲において、特に大きな値を示している。したがって、この領域のレジスト開口率で表面電位測定を行えば、例えばイオン注入条件による表面電位差変化の感度が向上し、変質層１２の変質の程度を容易に評価することができる（特に、データ６３、６４、６５）。
表面電位がレジスト開口率に対して図８のような振る舞いを示す理由は、以下のように考えられる。注入イオンのような荷電エネルギー粒子によって変質層１２の炭素架橋あるいは炭化が進行し、電気抵抗が徐々に低下する。しかしながら、その抵抗値の絶対値はシリコン基板１に形成されている不純物領域などの抵抗値と比較すれば１０桁前後は高い。したがって、開口部４に流れ込む電荷９は、開口部４の端部からある程度一定の距離範囲にあるフォトレジスト膜３に蓄積した電荷９であると考えられる。このため、開口部４の面積が減少すれば、そこに蓄積される電荷９の密度が、開口部４の面積が低下した分だけ相対的に大きくなって、表面電位が増大するのである。
ところで、図８（ａ）に示す注入ドーズ量の大きいイオン注入条件（データ６１、データ６２）では、レジスト開口率の小さい範囲において、特定のレジスト開口率のときに表面電位が最大になっている。これは、この表面電位が最大となる付近が、上述した限界電位に到達した点であると考えられる。したがって、表面電位が最大となった点より小さいレジスト開口率の範囲では、シリコン酸化膜２中をシリコン基板１に向けて、電荷９が流れている状態であると考えられる。
図８（ｂ）は、図８（ａ）の点線で囲まれた部分６６を拡大した図である。図８（ｂ）に示すように、注入ドーズ量が小さいデータ６３では、蓄積される電荷量が小さく、フォトレジスト膜３の変質もそれほど進んでいないため、レジスト開口率が５％以下の範囲でも、表面電位は、レジスト開口率の減少に伴って、単調に増加する依存性を示している。これに対し注入ドーズ量が大きいデータ６１、６２では、限界電位に達した後、レジスト開口率の減少に伴って表面電位が減少する範囲になっている。また、注入ドーズ量がより大きいデータ６１の方が、データ６２に比べてより大きいレジスト開口率で限界電位に到達している。すなわち、同一のレジスト開口率であっても、注入ドーズ量の小さいデータ６３では、シリコン酸化膜２中を電荷９が流れていない状態であるのに対し、データ６１、６２では電荷９がシリコン酸化膜２中を流れる。このことは、図４を用いて説明した、電荷９の評価基板上での振る舞いの機構と矛盾していない。
（表面電位測定による評価方法１）
以上図４、図８を用いて説明したことから、フォトレジスト膜のような樹脂膜の表面電位と、シリコン酸化膜のような絶縁膜の表面電位の差を計測することにより、樹脂膜および絶縁膜において生じる帯電に起因する現象の評価が可能となる。また、樹脂膜の表面電位と、絶縁膜の表面電位の差を計測することにより、樹脂膜に対する荷電エネルギー粒子照射による表層部の変質の程度を評価することができる。
以上図４、図８を用いて説明したことから、フォトレジスト膜のような樹脂膜の表面電位と、シリコン酸化膜のような絶縁膜の表面電位の差を計測することにより、樹脂膜および絶縁膜において生じる帯電に起因する現象の評価が可能となる。また、樹脂膜の表面電位と、絶縁膜の表面電位の差を計測することにより、樹脂膜に対する荷電エネルギー粒子照射による表層部の変質の程度を評価することができる。
図９は、構成材料が異なる樹脂膜が形成された評価基板にイオン注入を行った場合の表面電位測定結果を示す図である。図９に併記するように、評価基板は、シリコン基板１上に、膜厚が４００ｎｍのシリコン酸化膜２、膜厚が約１μｍの各種フォトレジスト膜３が積層された構造を有している。また、評価基板の全面に、リンイオン（Ｐ+）を注入エネルギー４０ｋｅＶ、注入ドーズ量６×１０12／ｃｍ2でイオン注入している。
図９に菱形で示すデータ７１は、フォトレジスト膜３として比較的薄い膜厚で使用するＫｒＦ用化学増幅型レジスト（以下、ＫｒＦ用薄膜レジストという。）を使用している。また、図９に三角で示すデータ７２は、フォトレジスト膜３として比較的厚い膜厚で使用するＫｒＦ用化学増幅型レジスト（以下、ＫｒＦ用厚膜レジストという。）を使用している。なお、ＫｒＦ用厚膜レジストは、ＫｒＦ用薄膜レジストと異なる材質により構成されている。さらに、図９にアスタリスクで示すデータ７３は、フォトレジスト膜３としてｉ線フォトリソグラフィ用のフォトレジスト（以下、ｉ線用レジストという。）を使用している。なお、図９において、横軸が表面電位の測定位置に対応し、縦軸が表面電位に対応している。また、横軸の１０から２０の範囲がシリコン酸化膜領域であり、０から１０および２０以上の範囲がフォトレジスト膜領域である。
図９から、フォトレジスト膜領域とシリコン酸化膜領域の表面電位差はレジスト膜種によって異なることが理解できる。すなわち、ｉ線用レジスト（データ７３）、ＫｒＦ用薄膜レジスト（データ７１）、ＫｒＦ用厚膜レジスト（データ７２）の順に、両領域の電位差が大きくなっている。
上述したレジスト変質過程から、各レジスト材料は、この順で同一イオン注入量に対して変質層１２の変質、高分子の架橋反応の程度が大きくなっていることが容易に推定できる。この結果から、いずれのＫｒＦ用化学増幅型レジストも、ｉ線用レジストより荷電粒子ビーム照射に対する耐性が小さいことが理解できる。これは、ｉ線用レジストに比べＫｒＦ用レジストはパターン解像度が要求されるため、露光工程における反応性が高くなっているためである。さらに、比較的厚い膜厚での使用を目的としているＫｒＦ用厚膜レジストは、厚膜であっても微細パターンの形成を可能とするために、ＫｒＦ用薄膜レジストに比べてさらに露光工程における反応性が高くなっている。このため、変質層１２の変質の程度も高くなる。図９の結果は、以上のことが反映されている。
また、図９のデータ７１およびデータ７３から理解できるように、シリコン酸化膜領域の表面電位とフォトレジスト膜領域の表面電位との電位差は、必ずしも一定値にはならない。このため、両領域の表面電位の電位差を定量的に求める場合は、電位差が急峻に変化するフォトレジスト膜３とシリコン酸化膜２との境界部において電位差を求めることが望ましい。さらに、図９のデータ７１のように、左右の境界部での電位差が異なる場合は、電位差が大きい方の値を採用するのが望ましい。しかしながら、表面電位の電位差として、左右の境界部における両方の電位差の平均値や、左右の境界部における両方の電位差の総和値を採用することも可能である。
図１０は、図９に示したｉ線用レジストを形成した評価基板、およびＫｒＦ用薄膜レジストを形成した評価基板について、イオン注入後にフォトレジスト膜３を除去した場合の、微小パーティクル欠陥数（レジスト残渣数）の注入ドーズ量に対する依存性を示す図である。図１０において、菱形および実線で示すデータ８１がＫｒＦ用薄膜レジストであり、アスタリスクおよび点線で示すデータ８２がｉ線用レジストである。ここでは、注入イオンとしてリンイオン（Ｐ+）を使用している。また、フォトレジスト膜３の除去は、アンモニア＋過酸化水素（ＡＰＭ：Ammonium hydroxide-hydrogen Peroxide Mixture）洗浄を６０℃で５分、硫酸＋過酸化水素（ＳＰＭ）洗浄を、約１４０℃で７分の条件で行っている。なお、図１０において、横軸が注入ドーズ量に対応し、縦軸がレジスト残渣数に対応する。
図１０より、フォトレジスト膜３の種類によって、洗浄薬液に対するレジスト除去性に差があることが理解できる。すなわち、ＫｒＦ用薄膜レジストは、ｉ線用レジストと比較して、１×１０14／ｃｍ2程度の注入ドーズ量で急激にレジスト残渣数が増加している。ここで計数されたレジスト残渣数は、イオン注入により生成された変質層１２に起因するものである。図１０の結果は、ＫｒＦ薄膜レジストの方が、ｉ線用レジストに比べて、硬化、変質の程度が大きいことを示している。
また、レジスト材料ごとに、図９に示したようなデータに基づく、表面電位差と注入ドーズ量の対応関係、および図１０に示したような注入ドーズ量とレジスト残渣数の対応関係をあらかじめ求めておくことで、表面電位差から、特定のフォトレジスト膜の除去性を予測することができる。すなわち、特定のフォトレジスト膜に、特定の注入ドーズ量でイオン注入を行ったとき、特定の除去方法（図１０では、ＡＰＭ洗浄とＳＰＭ洗浄）でどの程度レジスト残渣が発生するかを、表面電位差から予測することができる。
図１１は、イオン注入されたフォトレジスト膜に対して特定の除去方法を適用した場合の表面電位差とレジスト残渣数との関係を示す図である。図１１に示すデータは、限界電位を超えることのない比較的低い異なる注入ドーズ量（ドーズレートは同一）で同一種のイオンを注入したそれぞれのフォトレジスト膜を用いて取得している。図１１に実線で示すデータ８５は、評価対象の製造工程で使用されている標準的な処理条件（除去条件ａ）を適用した場合の表面電位差とレジスト残渣数との関係である。また、図１１に破線で示すデータ８６は、当該標準的な除去条件の処理温度や処理時間等を変更して除去能力を強化した処理条件（除去条件ｂ）を適用した場合の表面電位差とレジスト残渣数との関係である。なお、図１１に点線示す閾値８７は、評価対象の製造工程において許容されるパーティクル数の上限値である。
図１１に示すように、表面電位差の増大に伴ってレジスト残渣数が増大する。例えば、データ８５では、表面電位差がＶ１である場合、標準除去条件を適用することにより許容上限値以下のレジスト残渣数を実現することができる。しかしながら、表面電位差がＶ２である場合、標準除去条件を適用した場合には、許容上限値を超えるレジスト残渣が発生することが予想される。この場合、表面電位差が、許容数と一致するレジスト残渣数に対応するＶ３以下であれば、許容上限値以下のレジスト残渣数を実現することができる。また、表面電位差がＶ２である場合であっても、レジスト除去能力を強化した除去条件（データ８６）に変更することで、許容数内のレジスト残渣数を実現することができる。すなわち、表面電位差を測定することにより、レジスト残渣数の程度を判定できるとともに、レジスト残渣数を上限値以下にするために最適であり、また製造中の半導体装置にダメージを与えることを最小に抑制した条件の除去方法を選択することができる。図１１に示した例は比較的低ドーズ量領域でのレジスト残渣数−表面電位差曲線であるが、中ドーズ量領域、高ドーズ量領域においてもそれぞれのドーズ領域およびレジスト除去条件に対応したレジスト残渣数−表面電位差曲線を作成し、それに基づいて表面電位差測定結果からレジスト残渣数の予測や、半導体装置の製造における許容レジスト残渣数範囲内に入る最適な除去条件が決定できる。
このように、半導体集積回路装置の製造工程におけるレジスト残渣数（処理の達成度に応じて変動する物理量）の許容値の範囲に基づいて、当該許容値の範囲に対応する基準表面電位差範囲（判定条件）をあらかじめ決定する。そして、計測された表面電位差が、基準表面電位差範囲内に属するか否かにより、イオン注入ドーズ量あるいはレジスト除去方法、レジスト除去条件のようなプロセス条件の適否などを評価することができる。なお、当該評価は、表面電位差と注入ドーズ量の対応関係、および注入ドーズ量とレジスト残渣数の対応関係に基づいて、表面電位差から予測されるレジスト残渣数が、許容範囲に属するか否かによっても行うことができる。
上述の図９、および図１０はイオン注入処理に関する対応関係であるが、ドライエッチング処理でも同様の評価を行うことが可能である。この場合、イオン種をエッチングガス種、注入ドーズ量をエッチングにおけるプラズマ高周波電力またはエッチング時間に置き換えればよい。なお、除去性の指標となる物理量は、図１０と同様にレジスト残渣数とすればよい。
以上述べたように、本発明によれば樹脂膜の変質層形成に関わる評価を、実際に樹脂膜を除去してその残渣数などを計数することなく、表面電位差の値を求めることにより、容易に行うことができる。
また、上述した変質層形成の機構からサンプル（評価基板）の構成が同じであれば、表面電位差は、樹脂膜を構成する炭素を含む高分子構造の炭素架橋、炭化の程度を示す電気抵抗値と対応する。また、樹脂膜材料は絶縁体であるため、炭素架橋、炭化の程度が同程度であれば、樹脂膜材料が異なっていても電気抵抗値は同程度になると考えられる。したがって、表面電位差が同程度であれば、樹脂膜材料が異なっていても表面層の変質の程度は同じであると考えられる。このため、例えば、ベーキング条件等の変動により、フォトレジスト膜の構成成分が変動した場合であっても、表面電位を評価することにより、変質層の変質の程度や除去処理後のレジスト残渣数を把握することができる。このことも本発明が樹脂膜の評価を容易にしている一因である。
なお、注入イオン、エッチングガスプラズマのような荷電エネルギー粒子の照射による樹脂膜の変質の程度を評価する場合、荷電エネルギー粒子の照射量の大きい領域でも評価が可能であることが望ましい。このため、サンプル（図１に示す評価基板など）となる基板上に形成される絶縁膜は、図４の限界電位に到達してリークが発生し、表面電位が減少することがないように十分な膜厚を有することが望ましい。これは、上述したように、絶縁膜中を流れるリークが発生すると、絶縁膜領域（シリコン酸化膜領域）の表面電位と、樹脂膜領域（フォトレジスト膜領域）の表面電位との電位差が、絶縁膜にリークがない状態の両領域の電位差と異なる機構により決定されるためである。
特に、イオン注入に対する樹脂膜の評価を行う場合には、絶縁膜の膜厚は、少なくともＲｐ１＋３ΔＲｐ１（Ｒｐ１：注入イオンの絶縁膜中の投影飛程、ΔＲｐ１：投影飛程Ｒｐ１の標準偏差）より厚いことが必要である。また、樹脂膜の膜厚も、少なくともＲｐ２＋３ΔＲｐ２（Ｒｐ２：注入イオンの樹脂膜中の投影飛程、ΔＲｐ２：投影飛程Ｒｐ２の標準偏差）より厚いことが必要である。なお、絶縁膜および樹脂膜が堆積される基板は、その全体が絶縁体であってもよい。
（表面電位測定による評価方法２）
本発明による表面電位測定方法を利用すれば、上に述べた樹脂膜の変質層に関連する評価とは別に、以下のような、荷電エネルギー粒子の照射に起因するチャージアップに対する耐性を評価することも可能である。この評価は、図５において、評価基板の絶縁膜、例えばシリコン酸化膜の厚さが１００ｎｍ以下と薄い場合等に特に有効である。
本発明による表面電位測定方法を利用すれば、上に述べた樹脂膜の変質層に関連する評価とは別に、以下のような、荷電エネルギー粒子の照射に起因するチャージアップに対する耐性を評価することも可能である。この評価は、図５において、評価基板の絶縁膜、例えばシリコン酸化膜の厚さが１００ｎｍ以下と薄い場合等に特に有効である。
この場合、まず、例えばリンなどのイオン種を用い、例えば１×１０11／ｃｍ2〜５×１０14／ｃｍ2の範囲にある数種の注入ドーズ量で、一定面積の開口部を有するフォトレジスト膜が形成された複数の評価基板のそれぞれに異なるイオン注入を行う。そして、各注入条件に対応するシリコン酸化膜領域の表面電位を測定し、表面電位と注入ドーズ量（荷電エネルギー粒子照射量）との対応関係を取得する。
上述したように、注入ドーズ量が増加するにしたがってフォトレジスト膜３の表層部の変質が始まると、フォトレジスト膜領域にチャージアップした電荷９がシリコン酸化膜領域に流入する。その結果、図４に示したように、シリコン酸化膜２上の表面電位が増加する。そして、シリコン酸化膜２上の表面電位がある程度大きくなると、シリコン酸化膜２上の表面電位が減少傾向に転ずる。このような現象、すなわち、注入ドーズ量の変動に対して、シリコン酸化膜領域の表面電位が最大（極大）値を有する対応関係が、上記評価基板に対する表面電位測定結果において確認される。このため、シリコン酸化膜領域の表面電位と注入ドーズ量との対応関係から、シリコン酸化膜２上で注入ドーズ量が増加しても、表面電位が減少する傾向に転ずる直前の、ほぼ最大表面電位時の限界電位とそれに対応する注入ドーズ量を求めることができる。
当該注入ドーズ量は、当該シリコン酸化膜２とフォトレジスト膜３が形成されている場合に、シリコン酸化膜２中をリークする電流が発生する注入ドーズ量を示している。この結果より、例えば、フォトレジスト膜３のパターン端部のシリコン酸化膜あるいはその下のシリコン基板領域で、イオン注入処理中に絶縁破壊やダメージ形成が発生する可能性があるか否かを評価することができる。
近年、ＣＣＤイメージセンサや超微細システムＬＳＩなどさまざまなデバイスの生産が行われる中、レジスト開口率の小さいフォトレジスト膜を使用したイオン注入処理や、エッチング処理も増加する傾向にある。レジスト開口率が小さいフォトレジスト膜をマスクとした、中電流領域（注入ドーズ量が１×１０10〜１×１０14／ｃｍ2程度）のイオン注入処理では、変質層１２がフォトレジスト膜の表面の極浅くに形成された場合、変質層１２の単位体積あたりの蓄積電荷量が大きいために、薄いシリコン酸化膜が存在している領域では基板への電荷９のリークが発生している。このため、特にレジスト開口部の、例えばＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）端と位置がほぼ一致し、シリコン酸化膜の膜厚が急激に変化している箇所では基板に流れ込む電荷が集中し静電破壊が起こる等、荷電エネルギー粒子照射によるチャージアップ現象に起因する不良が多数発生していることが本願発明者らの研究の中で明らかになっている。従来、行われていたようなＳＥＭ画像による樹脂膜の評価では、チャージアップ現象のようなデバイス特性に及ぼす影響がほとんど判断することができない。
しかしながら、本評価方法によれば、例えばデバイス構造およびイオン注入条件が決定している場合に、デバイス構造を模した評価基板上に形成する種々のレジスト材料について、当該イオン注入条件に対して限界電位に達するかどうかを調べることができる。この結果、注入工程におけるチャージアップ現象に伴う、レジスト膜下のシリコン酸化膜のような絶縁膜の静電破壊等のトラブルを未然に防ぐことが可能なレジストを容易に選択することが可能になる。
なお、当該評価方法は、ドライエッチング処理に対しても適用することが可能である。この場合、注入ドーズ量に代えて、エッチングにおけるプラズマ高周波電力またはエッチング時間を荷電エネルギー粒子の照射量として使用することができる。
（表面電位測定による評価方法３）
上記評価方法１では、絶縁膜の表面電位が限界電位に到達しない十分な膜厚を有する絶縁膜を堆積した評価基板を用いて、荷電エネルギー粒子の照射に起因する樹脂膜の変質度合いを評価した。図４あるいは図８に示したように、照射する荷電エネルギー粒子の照射量に対して、絶縁膜（シリコン酸化膜）が限界電位に到達しない十分な膜厚を有していない場合、すなわち、イオン注入では注入ドーズ量が多い場合は、絶縁膜上の表面電位が限界電位に達しその後は減少に転じる。このような状態になった場合、上述したように、表面電位による樹脂膜の正確な評価が困難となるからである。
上記評価方法１では、絶縁膜の表面電位が限界電位に到達しない十分な膜厚を有する絶縁膜を堆積した評価基板を用いて、荷電エネルギー粒子の照射に起因する樹脂膜の変質度合いを評価した。図４あるいは図８に示したように、照射する荷電エネルギー粒子の照射量に対して、絶縁膜（シリコン酸化膜）が限界電位に到達しない十分な膜厚を有していない場合、すなわち、イオン注入では注入ドーズ量が多い場合は、絶縁膜上の表面電位が限界電位に達しその後は減少に転じる。このような状態になった場合、上述したように、表面電位による樹脂膜の正確な評価が困難となるからである。
絶縁膜の表面電位が、限界電位に到達しているか否かの判断は、図８に示した表面電位のレジスト開口率（樹脂膜開口率）に対する依存性を利用して行うこともできる。すなわち、まず、評価を行う所望の荷電エネルギー粒子照射条件（イオン注入条件やドライエッチング条件）において、樹脂膜開口率が異なる複数の評価基板を用いて、開口部に露出した絶縁膜上の表面電位を計測する。これにより、図８に示したような、絶縁膜上の表面電位の樹脂膜開口率との対応関係を取得する。そして、当該対応関係から、限界電位に到達しない樹脂膜開口率を有する評価基板のうち最小の樹脂膜開口率を決定する。このようにして決定された評価基板を使用して、当該荷電エネルギー粒子照射条件におけるレジスト膜の変質の進行度合いを評価する。すなわち、当該評価基板における、樹脂膜上の表面電位と絶縁膜上の表面電位との電位差と、樹脂膜除去処理（例えば、ＳＰＭ、ＡＰＭ洗浄）を行った際の当該処理の達成度に応じて変動する物理量（樹脂膜残渣数など）との対応関係（図９、図１０）を取得する。そして、当該対応関係に基づいて、半導体集積回路装置の製造工程において、許容される樹脂膜残渣数に対応する基準表面電位差範囲を決定する。
以上のようにして決定された樹脂膜開口率は、限界電位に到達していない条件下で、最も小さい樹脂膜開口率となる。このため、当該樹脂膜開口率を有する評価基板の表面電位を測定し、以上のようにして決定された基準表面電位差範囲に属するか否かを判定することにより、感度よくかつ正確に樹脂膜の評価を行うことが可能となる。
なお、以上に述べた表面電位による評価方法１〜３では、単に互いに異なる樹脂材料間、同一材料樹脂膜形成条件間、イオン注入条件間（イオン種、注入エネルギー、注入ドーズ量、ドーズレートなど）、ドライエッチング条件間（エッチングガス種、プラズマ励起電力など）などにおける、変質層形成進行程度の相対比較を目的とする場合は、表面電位、表面電位変化、あるいは表面電位差の測定結果を相互に比較することのみで評価することが可能である。特に、イオン注入処理に対する評価を行う場合、注入ドーズ量は１×１０10／ｃｍ2〜１×１０14／ｃｍ2の範囲であることが望ましく、さらに１×１０12／ｃｍ2〜５×１０13／ｃｍ2の範囲であることがより望ましい。
（表面電位測定システム）
図１２は、以上述べた評価方法１〜３を実施することができる本発明による表面電位測定システム９０を示す概略構成図である。このシステムの一部は図１に示したセンサー部８とガイド７とを備える表面電位測定器９１を含み、図１などに示した評価基板を載置するステージ９２を備える。
図１２は、以上述べた評価方法１〜３を実施することができる本発明による表面電位測定システム９０を示す概略構成図である。このシステムの一部は図１に示したセンサー部８とガイド７とを備える表面電位測定器９１を含み、図１などに示した評価基板を載置するステージ９２を備える。
表面電位測定システム９０は、図１を用いて説明したように、センサー部８が評価基板の開口部４上を経て、評価基板の一端から他端にわたってセンサー部８が移動できるような機構を有していればよい。また、ステージ９２を所定の角度ステップで回転させて、それぞれの角度ステップにおいて、センサー部８を評価基板の一端から他端まで移動させて、表面電位を測定できるような構成であってもよい。この場合は、単に評価基板の一直径方向の表面電位分布だけでなく、評価基板上の表面電位の二次元分布を取得することができる。
また、図１２に示すように、表面電位測定システム９０は、入出力装置９３、演算部９４、データ記憶部９５、および判定基準記憶部９６を備えている。ここで、入出力装置９３には、イオン注入の注入エネルギーや注入ドーズ量のような実験条件データなどが直接、あるいは、表面電位測定システム９０が認識可能なデータ形式で入力される。また、入出力装置９３は、表面電位などの測定データや、判定結果など評価結果を出力する。演算部９４は、表面電位測定データに基づく種々の演算、評価判定を行うとともに、表面電位測定器９１の制御、各種データの転送制御などを行う。演算部９４は、例えば、専用の演算回路や、プロセッサとＲＡＭやＲＯＭ等のメモリとを備えたハードウェア、および当該メモリに格納され、プロセッサ上で動作するソフトウェア等として実現することができる。
また、データ記憶部９５および判定基準記憶部９６は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の記憶装置により構成されている。データ記憶部９５には、表面電位測定データや、演算部９４の各種演算結果などが格納される。また、判定基準記憶部９６には、演算部９４によって測定結果の判定を行うために必要な限界電位、各種レジスト膜に対するレジスト残渣数の表面電位差依存性データ、許容レジスト残渣数に対応する基準表面電位差範囲などの判定基準が格納されている。
本発明の表面電位測定システム９０は上述の評価方法１を実施する場合、以下のように動作する。まず、ステージ９２上に、荷電エネルギー粒子が照射された評価基板が載置される。評価基板は、例えば、図１に示したように、シリコン基板１上に、シリコン酸化膜２等の絶縁膜と、所定の開口率を有する開口部４を備えたレジスト膜などの樹脂膜が下層から順に形成された構造を有している。次に、入出力装置９３からその評価基板に関する荷電エネルギー粒子照射量、エネルギーなどと、評価基板の構造（絶縁膜および樹脂膜の膜厚や材質など）に関するデータが入力される。
入出力装置９３を介して表面電位測定開始指令を受けると、表面電位測定器部９１はステージ９２上の評価基板表面の少なくとも樹脂膜上からその開口部に露出している絶縁膜上にわたる領域における表面電位を測定する。このとき、測定結果がデータ記憶部９５に保存される。次いで、演算部９４はデータ記憶部９５に格納された表面電位測定データに基づいて、例えば樹脂膜上の表面電位と絶縁膜上の表面電位との電位差を演算する。また、演算部９４は、判定基準記憶部９６に格納されている基準表面電位差と、演算した表面電位差とを比較して、上述した手法により製造工程に対する樹脂膜の適否を判定する。
判定結果は例えば入出力装置９３が備える表示画面上に表示または、入出力装置９３を介して所定形式の電子データとして出力される。
以上の動作は本発明による評価方法１の例で説明したがその他の評価方法を実施するときも、システムの各部はそれぞれの要求に応じた動作をする。
（半導体装置の製造方法）
続いて、以上で説明した絶縁膜の評価方法を適用した半導体装置の製造方法について説明する。図１３は、本発明に係る半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図である。なお、ここでは、ＰチャネルトランジスタとＮチャネルトランジスタとを備える半導体装置を製造する事例により本発明を具体化している。また、図１３では、右方にＮチャネルトランジスタを示すとともに左方にＰチャネルトランジスタを示している。
続いて、以上で説明した絶縁膜の評価方法を適用した半導体装置の製造方法について説明する。図１３は、本発明に係る半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図である。なお、ここでは、ＰチャネルトランジスタとＮチャネルトランジスタとを備える半導体装置を製造する事例により本発明を具体化している。また、図１３では、右方にＮチャネルトランジスタを示すとともに左方にＰチャネルトランジスタを示している。
図１３（ａ）に示すように、ＰチャネルトランジスタおよびＮチャネルトランジスタは、素子分離絶縁膜５１により区分された半導体基板１の表面部に形成される。Ｐチャネルトランジスタは、Ｎ型のウェル層５２ａ上にゲート絶縁膜５３ａを介して形成されたゲート電極５４ａを備える。また、Ｎチャネルトランジスタは、Ｐ型のウェル層５２ｂ上にゲート絶縁膜５３ｂを介して形成されたゲート電極５４ｂを備える。
Ｐチャネルトランジスタのエクステンション領域を形成する場合、図１３（ｂ）に示すように、半導体基板１上に、Ｎチャネルトランジスタの形成領域を被覆するレジストパターン５９ｂがフォトリソグラフィ技術により形成される。当該状態で、Ｐ型の不純物イオンが１×１０10／ｃｍ2〜３×１０14／ｃｍ2程度の注入ドーズ量でイオン注入され、ゲート電極５４ａ両側の半導体基板表面にＰ型のエクステンション領域５６ａが形成される。このとき、レジストパターン５９ｂの表面部には変質層が形成される。この工程においては、図１に示したような、シリコン基板１上に所定の厚さの絶縁膜（シリコン酸化膜）が形成され、さらにその上に、開口パターンを有し、レジストパターン５９ｂと同一材料からなるレジストパターンが形成された表面電位測定用基板（評価基板）にも上記と同一条件でイオン注入される。
次いで、上述した表面電位測定システム９０により、イオン注入された表面電位測定用基板を用いて表面電位分布が測定され、取得された表面電位分布に基づいて、表面電位測定用基板上のレジストパターンが形成されていない領域の表面電位とレジストパターン上の表面電位との差を算出する。
表面電位測定システム９０の演算部９４は、あらかじめ取得されている表面電位差とレジスト残渣数との関係に基づいて、当該半導体装置の製造工程で採用されている除去条件でレジストパターン５９ｂが除去可能であるか否かを判定する。特に限定されないが、当該半導体装置の製造工程では、酸素プラズマ処理を使用することなく薬液のみでレジストパターン５９ｂを除去する除去条件を採用している。通常、ＡＰＭ洗浄を６０℃で５分実施した後、ＳＰＭ洗浄を１４０℃で７分実施する標準除去条件を採用している。これにより、Ｐ型のエクステンション領域５６ａ上に、Ｐ型のエクステンション領域５６ａのシート抵抗を増大させるシリコン酸化膜が形成されることを防止することができる。また、Ｎチャネルトランジスタのゲート電極５４ｂ両側の半導体基板表面に、以降で実施されるＮ型のエクステンション領域を形成するためのイオン注入において、半導体基板１への注入イオンの進入を阻害するシリコン酸化膜が形成されることを防止することができる。
本事例では、演算部９４が、許容表面電位差の上限値以下あるいは許容範囲内であれば除去可能と判定し、上限値を超えていればあるいは許容範囲外であれば当該除去条件では除去不能と判定する。この上限値や許容範囲は、図１１に示したような、表面電位差とレジスト残渣数との対応関係から、半導体装置の製造工程において許容されるレジスト残渣数となる表面電位差を求めることにより決定することができる。
判定の結果、除去可能であった場合、前記レジスト除去条件によりレジストパターン５９ｂが除去される。また、除去不能であった場合には、図１１を参照すれば理解できるように測定された表面電位差においてもレジスト残渣数が許容範囲となるようなレジスト除去条件に変更してレジスト除去を行う。例えばＡＰＭ洗浄、ＳＰＭ洗浄における薬液温度、洗浄処理時間の少なくとも１つを増加させた除去条件で除去処理を行う。
判定結果に基づいてレジストパターン５９ｂが除去されると、続いて、Ｎチャネルトランジスタのエクステンション領域が形成される。Ｎチャネルトランジスタのエクステンション領域を形成する場合、半導体基板１上には、図１３（ｃ）に示すように、Ｐチャネルトランジスタの形成領域を被覆するレジストパターン５９ａがフォトリソグラフィ技術により形成される。当該状態で、Ｎ型の不純物イオンが１×１０10／ｃｍ2〜３×１０14／ｃｍ2程度の注入ドーズ量でイオン注入され、ゲート電極５４ｂ両側の半導体基板表面にＮ型のエクステンション領域５６ｂが形成される。このとき、レジストパターン５９ａの表面部には変質層が形成される。この工程においても、開口パターンを有し、レジストパターン５９ａと同一材料からなるレジストパターンが形成された表面電位測定用基板にも上記と同一条件でイオン注入される。
次いで、上述した表面電位測定システム９０により、表面電位測定用基板の表面電位分布が測定され、取得された表面電位分布に基づいて、表面電位測定用基板上のレジストパターンが形成されていない領域の表面電位とレジストパターン上の表面電位との差を算出する。そして、Ｐチャネルトランジスタのエクステンション領域を形成する場合に適用した手法により、当該半導体装置の製造工程で採用されている除去条件でレジストパターン５９ａが除去可能であるか否かを判定する。判定の結果、除去可能であった場合、上記レジスト除去条件によりレジストパターン５９ａが除去される。また、除去不能であった場合には、同じくＰチャネルトランジスタのエクステンション領域を形成する場合と同様にしてレジスト除去条件を変更してレジストパターン５９ａを除去する。
判定結果に基づいてレジストパターン５９ａが除去されると、公知の手法により、ゲート電極５４ａの両側にサイドウォール５５ａが形成されるとともに、ゲート電極５４ｂの両側にサイドウォール５５ｂが形成される。そして、Ｎチャネルトランジスタの形成領域を被覆する図示しないレジストパターンが半導体基板１上に形成された状態でＰ型の不純物イオンを半導体基板１にイオン注入することにより、Ｐチャネルトランジスタのソース領域やドレイン領域として機能するＰ型の高濃度不純物領域５７ａが形成される。また、Ｐチャネルトランジスタの形成領域を被覆する図示しないレジストパターンが半導体基板１上に形成された状態でＮ型の不純物イオンを半導体基板１にイオン注入することにより、Ｎチャネルトランジスタのソース領域やドレイン領域として機能するＮ型の高濃度不純物領域５７ｂが形成される。これにより、図１３（ｄ）に示すように、半導体基板１上にＰチャネルトランジスタ５０ａとＮチャネルトランジスタ５０ｂとが形成される。
このように、本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、あらかじめ設定されているレジスト除去条件で除去可能であるか否かを容易にかつ短時間で判定することができる。このため、半導体基板上のパーティクル数（レジスト残渣数）を計数する手法によりパーティクル異常を検出する製造工程に比べて製造スループットを向上させることができる。また、測定された表面電位差に基づきレジスト除去条件を最適条件に変更し、パーティクルを発生させることなく、確実にレジストパターンを除去することができる。
なお、以上では、同一基板上に形成されるＰチャネルトランジスタとＮチャネルトランジスタのエクステンション領域を形成するイオン注入に適用した事例について説明したが、以上の判定は、注入ドーズ量が１×１０10／ｃｍ2〜１×１０14／ｃｍ2程度でイオン注入される工程に特に好適である。このため、図１３には図示していないが、エクステンション領域と逆導電型で、ウェル層よりも高い不純物濃度を有する不純物領域（いわゆる、ポケット領域）をエクステンション領域の周囲を覆う状態で形成するためのイオン注入工程や、閾値電圧調整のためにチャネル領域に不純物イオンを導入するためのイオン注入工程で使用されるレジストパターンの除去にも適用可能である。また、トランジスタに限らず、固体撮像装置等が備えるフォトダイオードの表面に、表面リーク電流低減のために不純物イオンを導入するイオン注入工程で使用されるレジストパターンの除去にも適用可能である。
以上説明したように、本発明に係る樹脂膜の評価方法によれば、従来、有効な手法が存在しなかった、注入イオンなど荷電エネルギー粒子によってフォトレジストのような樹脂膜表面に形成される変質層の状態を、簡便にかつかなりの確度で評価することが可能となる。また、本発明は、半導体集積回路装置の製造工程に対する樹脂膜の適正を評価する上で非常に有益である。さらに、本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、イオン注入により表面に変質層が形成されたレジストパターンが、あらかじめ設定されているレジスト除去条件で除去可能であるか否かを容易にかつ短時間で判定することができる。また、レジストパターンを、パーティクルを発生させることなく、確実に除去することができる。
なお、本発明は、以上で説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において、種々の変形および応用が可能である。例えば、上述の説明では、主として、樹脂膜がフォトレジスト膜、絶縁膜がシリコン酸化膜である事例について説明したが、樹脂膜や絶縁膜は任意の材料に適用することが可能である。また、上述の説明では、樹脂膜除去処理の達成度に応じて変動する物理量をレジスト残渣数（樹脂膜残渣数）とした事例を説明したが、当該物理量は、残渣密度（単位面積当たりの樹脂膜残渣数）を採用することができる。また、その他、荷電エネルギー粒子照射後に実施される処理が、樹脂膜除去ではなく、他の処理である場合には、物理量として、当該処理の結果を定量化可能な任意の物理量を採用することができる。
本発明によれば、フォトレジスト膜などの樹脂膜の製造工程への適否を簡便に判断することができ、注入用およびエッチング用の最適なレジスト選択などのための樹脂膜の評価方法として有用である。
１ シリコン基板
２ シリコン酸化膜（絶縁膜）
３ フォトレジスト膜（樹脂膜）
６ 注入イオン
９ 電荷
１２ 変質層
５４ａ、５４ｂ ゲート電極
５６ａ、５６ｂ エクステンション領域（不純物領域）
５９ａ、５９ｂレジストパターン
２ シリコン酸化膜（絶縁膜）
３ フォトレジスト膜（樹脂膜）
６ 注入イオン
９ 電荷
１２ 変質層
５４ａ、５４ｂ ゲート電極
５６ａ、５６ｂ エクステンション領域（不純物領域）
５９ａ、５９ｂレジストパターン
Claims (18)
- 絶縁膜上に、該絶縁膜の表面を露出する開口部を有する樹脂膜が形成された基板に荷電エネルギー粒子を照射するステップと、
前記荷電エネルギー粒子が照射された基板表面の表面電位を測定するステップと、
前記樹脂膜の表面電位と前記開口部に露出した絶縁膜の表面電位との電位差を求めるステップと、
前記表面電位の電位差に基づいて、前記荷電エネルギー粒子を照射した樹脂膜に所定の処理を行った際の、当該処理の達成度に応じて変動する物理量を予測するステップと、
を含むことを特徴とする樹脂膜の評価方法。 - 前記予測された物理量が、あらかじめ設定された許容範囲に属するか否かを判定する、あるいは、前記表面電位の電位差が、前記許容範囲に対応する電位差の範囲に属するか否かを判定することにより、前記樹脂膜の材料、前記荷電粒子エネルギーの照射条件、または前記樹脂膜の処理条件の適否を判定するステップを、さらに含む請求項１に記載の樹脂膜の評価方法。
- 所定の膜厚を有する絶縁膜上に、該絶縁膜の表面を露出するとともに一定面積の開口部を有する樹脂膜が形成された複数の基板に、それぞれ異なる照射量で荷電エネルギー粒子を照射するステップと、
荷電エネルギー粒子が照射されたそれぞれの前記開口部に露出した絶縁膜の表面電位を測定し、前記表面電位と荷電エネルギー粒子照射量との対応関係を求めるステップと、
前記対応関係に基づいて、前記開口部に露出した絶縁膜の表面電位の最大値である限界電位となる荷電エネルギー粒子照射量を求めるステップと、
前記限界電位または前記限界電位に対応する荷電エネルギー粒子照射量に基づいて、特定の荷電エネルギー粒子の照射量で、前記荷電エネルギー粒子に起因して前記絶縁膜に蓄積した電荷が前記絶縁膜中を流れるか否かを判定するステップと、
を含むことを特徴とする樹脂膜の評価方法。 - 絶縁膜上に、該絶縁膜の表面を露出する開口部を有し、互いに構成成分が異なる複数の樹脂膜のそれぞれが形成された複数の基板に、荷電エネルギー粒子を一定条件で照射するステップと、
前記荷電エネルギー粒子が照射された前記複数の基板表面の表面電位を測定するステップと、
前記複数の基板上における前記樹脂膜の表面電位と前記開口部に露出した絶縁膜の表面電位との電位差をそれぞれ求めるステップと、
前記それぞれの表面電位の電位差を比較することにより、前記荷電エネルギー粒子の照射で前記それぞれの樹脂膜に生じる変質層の変質の進行度を比較するステップと、
を含むことを特徴とする樹脂膜の評価方法。 - 前記表面電位の電位差は、前記樹脂膜の開口部端を含む領域における前記樹脂膜の表面電位と前記絶縁膜の表面電位との電位差である請求項１、２または４のいずれか１項に記載の樹脂膜の評価方法。
- 前記所定の処理が前記樹脂膜の除去処理であり、前記物理量が前記樹脂膜の除去後の樹脂膜の残渣数または残渣密度である請求項１または２記載の樹脂膜の評価方法。
- 前記樹脂膜の除去処理は、薬液による除去処理である請求項６に記載の樹脂膜の評価方法。
- 前記荷電エネルギー粒子が注入イオンであり、前記樹脂膜がフォトレジストである請求項１〜７のいずれか１項に記載の樹脂膜の評価方法。
- 前記荷電エネルギー粒子がプラズマ粒子であり、前記樹脂膜がフォトレジストである請求項１〜７のいずれか１項に記載の樹脂膜の評価方法。
- 前記絶縁膜がシリコン酸化膜である請求項８または９記載の樹脂膜の評価方法。
- 前記絶縁膜が、少なくとも前記注入イオンの前記絶縁膜に対する投影飛程をＲｐ１、前記投影飛程の標準偏差をΔＲｐ１として、Ｒｐ１＋３ΔＲｐ１以上の膜厚を有する請求項８記載の樹脂膜の評価方法。
- 前記フォトレジストが、少なくとも前記注入イオンの前記フォトレジストに対する投影飛程をＲｐ２、前記投影飛程の標準偏差をΔＲｐ２として、Ｒｐ２＋３ΔＲｐ２以上の膜厚を有する請求項８記載の樹脂膜の評価方法。
- 前記基板の面積に対する前記樹脂膜の面積の比が９０％以上である請求項１、２または４に記載の樹脂膜の評価方法。
- 前記荷電エネルギー粒子が注入イオンであり、前記樹脂膜がフォトレジストであり、注入イオンの注入ドーズ量は１×１０10／ｃｍ2〜１×１０14／ｃｍ2である請求項４に記載の樹脂膜の評価方法。
- イオン注入により形成された不純物領域を有する半導体装置の製造方法であって、
半導体基板上に第１のレジストパターンを形成するステップと、
前記第１のレジストパターンをマスクとしたイオン注入により、半導体基板に不純物領域を形成するステップと、
基板に形成された絶縁膜上に、前記絶縁膜が露出する開口を有し、前記第１のレジストパターンと同一の材料からなる第２のレジストパターンが形成された評価基板に、前記イオン注入と同一条件のイオン注入を行うステップと、
前記評価基板上の前記第２のレジストパターン上および前記絶縁膜上の表面電位を測定するステップと、
前記測定された第２のレジストパターン上の表面電位および前記測定された絶縁膜上の表面電位の差に基づいて、あらかじめ設定されているレジスト除去条件により前記第１のレジストパターンが除去可能であるか否かを判定するステップと、
前記判定の結果が除去不能であった場合、前記測定された第２のレジストパターン上の表面電位および前記測定された絶縁膜上の表面電位の差であっても除去可能とするレジスト除去条件に変更して、前記変更されたレジスト除去条件により前記第１のレジストパターンを除去するステップと、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第２のレジストパターンが除去可能であるか否かの判定が、前記測定された第２のレジストパターン上の表面電位および前記測定された絶縁膜上の表面電位の差に対応する、レジストパターン除去後のレジスト残渣数またはレジスト残渣密度が、前記半導体装置の製造工程における許容範囲内であるか否かによって行われる請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記イオン注入された注入イオンのドーズ量が１×１０10／ｃｍ2〜３×１０14／ｃｍ2である請求項１５または１６に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記レジストパターンが薬液のみで除去される請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20100922 |
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