JP2015179015A

JP2015179015A - 薄膜中の不純物濃度の測定方法及びその測定装置

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Publication number: JP2015179015A
Application number: JP2014056448A
Authority: JP
Inventors: 哲也佐久間; Tetsuya Sakuma
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2015-10-08
Anticipated expiration: 2034-03-19
Also published as: JP6340223B2

Abstract

【課題】蛍光Ｘ線分析装置によるＢＰＳＧ膜中の不純物濃度の測定信頼性を向上させる。
【解決手段】蛍光Ｘ線分析装置と光学膜厚計を用いて、ＢＰＳＧ膜試料の膜厚を測定し、基準膜厚比を算出する。次いで、日々の分析試料の膜厚を蛍光Ｘ線分析装置と光学膜厚計を用いて測定し、サンプル膜厚比を算出する。基準膜厚比とサンプル膜厚比が近いものであれば、蛍光Ｘ線分析装置で得られたＢ．Ｐ濃度を正しいものと判断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として半導体ウェハ上に設けられた薄膜中の不純物濃度の測定方法及びその測定装置に関する。

蛍光Ｘ線分析装置は、一次Ｘ線を試料に照射することによって、当該試料から放出される蛍光Ｘ線を検出し、試料中に含まれる元素の同定分析及び定量分析を行う装置である。従来から、蛍光Ｘ線分析装置は、半導体製造分野等においてシリコン基板上の各種薄膜の組成及び膜厚の分析に用いられている。例えば、シリコン基板上に成膜した、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）を不純物として含有するシリコン酸化膜（ＢＰＳＧ膜）のボロン（Ｂ）あるいはリン（Ｐ）の濃度管理に蛍光Ｘ線分析装置は用いられている。蛍光Ｘ線分析装置の構成図を図４に示す。Ｘ線管１で発生した一次Ｘ線２は試料３に照射され、試料３から発生した蛍光Ｘ線４はスレット５を通過後、分光結晶６によって分光され、ゴニオメータなどの検出器７を用いて検出される。因みに、本構成は波長分散型の蛍光Ｘ線分析装置の概略構成である。

上記蛍光Ｘ線分析装置において定量分析を行う場合、検出器７のゲインのずれ、周囲の環境温度の変化、Ｘ線管１の劣化、分光系６のズレなどに起因する装置のＸ線強度のドリフトを補正するために、校正用の標準試料のＸ線強度を測定することによって校正（強度の補正）を行う。特にＢＰＳＧ膜の分析の場合には、ボロン（Ｂ）の蛍光Ｘ線の強度が弱いため校正は重要である。この標準試料は、あらかじめＩＣＰ発光分析等によって組成分析を行って、濃度、膜厚が既知の試料を使用する。

一方、精度の高い分析をするためには、標準試料の変質等に伴う標準試料起因のＸ線強度のドリフトを考慮し、適正に校正する必要がある。ＢＰＳＧ膜は非常に吸湿性が高いため、標準試料の保管には変質を防ぐために窒素デシケーターや真空デシケーター等の清潔で乾燥された雰囲気が用いられている。また、分析装置自体に試料を保管するための真空保管室を有する装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−３３１５７４号公報

しかしながら、上記装置では、吸湿自体は軽減できるが、他の要因、例えば、分析装置内外で試料が受けた汚染を回避するものではない。例えば、蛍光Ｘ線分析装置の校正に用いる標準試料は校正の度にＸ線照射を受けることになる。繰り返しＸ線を照射すると、試料表面に炭素を含む有機物が付着して汚染され、その付着膜の吸収により長波長スペクトルのＸ線強度が減少することになる。このような校正時の基準となるべき標準試料から得られるＸ線強度が変化することによって、日々の分析試料の測定値が信頼のおけないものとなる。

本発明は、試料が変質し易い分析方法においても信頼性の高い測定値を得ることが可能な半導体ウェハ上に設けられた薄膜中の不純物濃度の測定方法及びその測定装置を提供することを目的とする。

上記課題解決のために、本発明では以下の手段を用いた。
まず、半導体基板上に形成した薄膜中の不純物濃度の測定方法において、第１の分析試料の薄膜の膜厚を蛍光Ｘ線分析装置で測定して第１の膜厚値を得るステップと、前記第１の分析試料の薄膜の膜厚を光学式膜厚計で測定して第２の膜厚値を得るステップと、前記第２の膜厚値に対する前記第１の膜厚値の比からなる基準膜厚比を算出し、前記膜厚比の管理幅を決定するステップと、第２の分析試料を蛍光Ｘ線分析装置で測定して第３の膜厚値及び前記薄膜中の前記不純物濃度を得るステップと、前記第２の分析試料を光学式膜厚計で測定して第４の膜厚値を得るステップと、前記第４の膜厚値に対する前記第３の膜厚値の比からなるサンプル膜厚比を算出するステップと、前記サンプル膜厚比が前記管理幅内かを判断するステップと、前記サンプル膜厚比が前記管理幅内であれば、前記不純物濃度を正しいと判断するステップと、からなることを特徴とする薄膜中の不純物濃度の測定方法を用いた。

また、前記サンプル膜厚比が前記管理幅外であれば、前記分析試料の再測定または、同一ロットの他の分析試料を測定することを特徴とする薄膜中の不純物濃度の測定方法を用いた。
また、前記サンプル膜厚比が前記管理幅外であれば、蛍光Ｘ線分析装置及び光学干渉式膜厚計を再校正することを特徴とする薄膜中の不純物濃度の測定方法を用いた。

また、薄膜中の不純物濃度の測定装置を、蛍光Ｘ線分析装置に光学膜厚計が内蔵されているものとした。

上記手段を用いることで、薄膜中の不純物濃度の測定信頼性を向上させることができる。

本発明の分析装置の管理方法を示す図本発明の管理方法を説明する管理図本発明の管理方法を説明する例図蛍光Ｘ線分析装置の構成図

以下、本発明の実施例を説明する。
図１は、本発明の実施例に係る半導体基板上に形成した薄膜中の不純物濃度の測定方法を示す図である。

本実施例の測定方法では、まず、シリコン基板にＢＰＳＧ膜を成膜した標準試料を用いて校正された蛍光Ｘ線分析装置、光学干渉式膜厚計を準備する。そして、シリコン基板上に薄膜、例えばＢＰＳＧ膜を成膜した第１の分析試料のＢＰＳＧ膜の膜厚を蛍光Ｘ線分析装置で測定し、膜厚値Ａを得る（Ｓｔｅｐ１）。

次に、同一の第１の分析試料のＢＰＳＧ膜の膜厚を光学干渉式膜厚計で測定し、膜厚値Ｂを得る（Ｓｔｅｐ２）。なお、第１の分析試料は成膜直後に直ちに膜厚測定することで大気暴露時間を少なくし、表面汚染が極力少ないものとした。また、ここで光学干渉式膜厚計に代えて分光式エリプソメーターなどを用いても構わない、さらに、蛍光Ｘ線分析装置に光学干渉式膜厚計を内蔵させてＳｔｅｐ１およびＳｔｅｐ２の測定を連続して自動で行う構成としても良い。

次に、Ｓｔｅｐ３に示すように、得られた膜厚値ＡおよびＢより、基準膜厚比（膜厚値Ａ／膜厚値Ｂ）を算出する。蛍光Ｘ線分析装置及び光学干渉式膜厚計が正常に校正されていれば、膜厚値Ａ、Ｂは近い値を示すが、ＢＰＳＧ膜の膜厚域やボロン（Ｂ），リン（Ｐ）の濃度域によっては多少異なることもあり、各膜厚域、各濃度域における基準膜厚比を膜種毎（膜厚、濃度）に算出・記録しておくことが重要である。測定された基準膜厚比に基づいて、サンプル膜厚比の管理幅を設定する。

Ｓｔｅｐ４は、標準試料を用いて蛍光Ｘ線分析装置や光学干渉式膜厚計を定期的に校正するステップである。光学干渉式膜厚計用の標準試料が劣化することはあまりないが、蛍光Ｘ線分析装置用の標準試料はＸ線の長時間照射によって試料から発せられる蛍光Ｘ線の強度が低下することになる。よって、ここで用いる標準試料の管理は重要であり、汚染されていると判断すれば交換する必要がある。

次に、日々の半導体装置の生産活動において行われる第２の分析試料の濃度測定は以下の手順で実施される。なお、第２の分析試料は第１の分析試料と同じ条件で成膜したものである。

まず、ｓｔｅｐ５に示すように、シリコン基板上に薄膜、例えば、ＢＰＳＧ膜を成膜した第２の分析試料を蛍光Ｘ線分析装置で測定し、ＢＰＳＧ膜の膜厚値Ｃ及び膜中のボロン（Ｂ）濃度，リン（Ｐ）濃度を得る。

次に、同一のＢＰＳＧ膜サンプルの膜厚を光学干渉式膜厚計で測定し、ＢＰＳＧ膜の膜厚値Ｄを得る（Ｓｔｅｐ６）。そして、膜厚値Ｃ／膜厚値Ｄからなるサンプル膜厚比を算出し、それが、先に決めた管理幅内であるか否かを判断する（Ｓｔｅｐ７）。管理幅内であれば、Ｓｔｅｐ４で得たボロン（Ｂ）濃度，リン（Ｐ）濃度が正しいものと判断し、その濃度値を記録する（Ｓｔｅｐ８）。

図２は、本発明の半導体基板上に形成した薄膜中の不純物濃度の測定方法を正しく実施するための管理図を示した。（ａ）は管理上限（ＵＣＬ）および管理下限（ＬＣＬ）を用いた図である。本例では、標準試料から得られた基準膜厚比は９８％、ＵＣＬは１００％、ＬＣＬは９６％であり、ＵＣＬやＬＣＬを越えた場合や連の数などカウントして修正の要否が判断される。

図のポイント１〜７は管理幅内であり、連の数も所定の数を越えないことから正常であると判断できる。ポイント８及び１２では管理幅を越えて異常点８となっており、第２の分析試料や標準試料、または、蛍光Ｘ線分析装置や光学干渉式膜厚計に異常があったと判断できる。

このような管理幅外の場合は、まず、図１のＳｔｅｐ９のルートに従い、同一ウェハの再測定または、同一ロットの他ウェハを測定する。これで正常なサンプル膜厚比が得られれば、Ｓｔｅｐ８に移行するが、それでも所望のサンプル膜厚比が得られない場合はＳｔｅｐ１０のルートに従い、新たな標準試料による再校正を行い、そして、最終的にＳｔｅｐ８まで進んで測定終了となる。

もし、それでも解決しなければ、蛍光Ｘ線分析装置及び光学干渉式膜厚計に異常がないかどうかの調査と以上があった場合には異常の除去を行うことになる。ただ、第２の分析試料は成膜後に直ちに測定することから、第２の分析試料が汚染されている可能性は低く、むしろ、定期的な校正をする際に用いる標準試料が連続使用されているため、その表面が汚染されていることが多い。本発明は標準試料と日々の第２の分析試料の両方の異常を察知する上で有効な手法である。

図２（ｂ）は、ＵＣＬ／ＬＣＬに代えて上限規格値／下限規格値を用いた例である。管理上限（ＵＣＬ）および管理下限（ＬＣＬ）を用いるか、上限規格値および下限規格値を用いるかは製品や工程で要求される精度に従って使い分ければ良い。
また、以上では、ＢＰＳＧ膜を例に説明したが、ＢＳＧ膜中のボロン濃度、ＰＳＧ膜中のリン濃度の測定などにも利用できることは言うまでもない。

参考に、図３に、標準試料の汚染有無での膜厚比（蛍光Ｘ線／光学膜厚計）の違いを示す。表面汚染の無い通常標準試料の場合は９８％前後の値であるのに対し、汚染のある劣化標準試料の場合は８６％程度に低下している。もし、劣化標準試料で校正したとすると、第２の分析試料の測定値が本来の値から大きくずれることが容易に理解できる。この場合、第２の分析試料のＢ、Ｐ濃度は本来より高めに、膜厚値は薄い方向にシフトする。膜厚値が薄い方向にシフトするのは、膜厚値はＳｉの蛍光Ｘ線であるＳｉ−Ｋα線と負の相関があるからである。

なお、通常標準試料は、成膜後に直ちに測定を行った試料で汚染の無い状態のものである。また、劣化標準試料は、その表面にＸ線を長時間照射し、目視にて表面に付着物の色ムラが確認できる状態になった試料を用いている。

以上説明したように、上記手順に従って工程管理することで、ＢＰＳＧ膜のＢ、Ｐ濃度を正しく測定することができる。
また、膜厚比を管理することにより、標準試料起因の校正ずれの他に、突発的に装置の励起Ｘ線の強度が変動した場合も検知できるので、分析全般の信頼性の指標として使用することが可能である。

本発明は、半導体ウェハ上の薄膜等に限らず、他の薄膜の分析に用いられる蛍光Ｘ線分析装置の分析精度の管理に利用することが可能である。

１Ｘ線管
２一次Ｘ線
３試料
４蛍光Ｘ線
５スリット
６分光結晶
７検出器
８異常点

Claims

半導体基板上に形成した薄膜中の不純物濃度の測定方法において、
第１の分析試料の薄膜の膜厚を蛍光Ｘ線分析装置で測定して第１の膜厚値を得るステップと、
前記第１の分析試料の薄膜の膜厚を光学式膜厚計で測定して第２の膜厚値を得るステップと、
前記第２の膜厚値に対する前記第１の膜厚値の比からなる基準膜厚比を算出し、前記基準膜厚比に基づいてサンプル膜厚比の管理幅を決定するステップと、
第２の分析試料を蛍光Ｘ線分析装置で測定して第３の膜厚値及び前記薄膜中の前記不純物濃度を得るステップと、
前記第２の分析試料を光学式膜厚計で測定して第４の膜厚値を得るステップと、
前記第４の膜厚値に対する前記第３の膜厚値の比からなる前記サンプル膜厚比を算出するステップと、
前記サンプル膜厚比が前記管理幅内かを判断するステップと、
前記サンプル膜厚比が前記管理幅内であれば、前記不純物濃度を正しいと判断するステップと、
を備えた薄膜中の不純物濃度の測定方法。
前記サンプル膜厚比が前記管理幅外であれば、前記第２の分析試料の再測定または、同一ロットの他の第２の分析試料を測定することを特徴とする請求項１記載の薄膜中の不純物濃度の測定方法。
前記サンプル膜厚比が前記管理幅外であれば、前記蛍光Ｘ線分析装置を新たな標準試料で再校正することを特徴とする請求項１または請求項２記載の薄膜中の不純物濃度の測定方法。
前記サンプル膜厚比の管理幅を決定するステップにおいて、前記管理幅を上限規格値と下限規格値で決めることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の薄膜中の不純物濃度の測定方法。
薄膜中の不純物濃度の測定装置であって、蛍光Ｘ線分析装置に光学膜厚計が内蔵されていることを特徴とする薄膜中の不純物濃度の測定装置。
前記光学膜厚計は光学干渉式膜厚計であることを特徴とする請求項５記載の薄膜中の不純物濃度の測定装置。