JP3720007B2 - Film evaluation method, temperature measurement method, and semiconductor device manufacturing method - Google Patents

Film evaluation method, temperature measurement method, and semiconductor device manufacturing method Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器に搭載される各種のトランジスタや半導体メモリ等の半導体装置を製造するために利用することができる、膜の評価方法,温度測定方法及び半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高集積化及び高性能化に伴い、多層配線の層間絶縁膜には比誘電率の低いフッ素添加シリコン酸化膜(以下、FSG膜と称する)が用いられている。このFSG膜の形成は、微細な配線間の埋め込みに適しているHDP−CVD(High Density Plasma-Chemical Vapor Deposition)装置で成膜されることが一般的である。
【0003】
しかしながら、HDP−CVD装置は、静電チャックによりウエハを保持する構造となっていることから、成膜温度のモニタリングが不可能であるという不具合がある。さらに、HDP−CVD装置の成膜温度は成膜時のRFパワー等により決定されるが、熱電対付きシリコン基板等による実温度の測定が困難であるため、HDP−CVD装置の成膜温度は正確には分からない。
【0004】
そこで、本出願人は、国際公開WO99/57146号公報に記載されたシリコン基板上のアモルファスシリコン層の回復レートによる温度測定技術を用いて、HDP−CVD装置の成膜温度を測定していた。
【0005】
なお、エリプソメトリ分光法に関連する文献としては、上記国際公開公報の他に、
▲1▼ Nuclear Insruments and Methods in Physics Research B19/20(1987)p.577-581
▲2▼ 特開平06−077301号公報
▲3▼ Siemens Forsch.-u.Entwickl.-Ber.Bd.10(1981)Nr.1,p.48-52
▲4▼ 特開平05−249031号公報
などがある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のアモルファスシリコン層の回復レートによる成膜温度の測定方法では、予めシリコン基板上にアモルファスシリコン層を形成する工程が必要なことなど、事前準備が必要であった。また、HDP−CVD装置の成膜温度を測定するには、HDP−CVD装置のプロセスでの稼働を停止させて、温度測定専用の条件で膜の形成を行なう必要があった。つまり、CVD装置をオフラインにする必要があった。
【0007】
本発明の目的は、成膜装置をオフラインにすることなく、つまり、成膜装置の生産性を劣化させることなく、容易に成膜装置によって形成された膜の特性や成膜温度を測定することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の膜の評価方法は、膜が形成された基板に電磁波を入射して上記電磁波の吸収スペクトルを測定するステップ(a)と、上記吸収スペクトルの形状から上記膜の膜質に対応する特定の値を算出するステップ(b)とを備えている。
【0009】
この方法により、電磁波の吸収スペクトルを利用して、膜の特性を検知することができるので、成膜装置の制御や半導体装置などの膜の良否の判定に利用しうる資料が得られる。
【0010】
上記ステップ(a)では、上記電磁波として赤外線を入射し、上記ステップ(b)では、上記赤外線の吸収スペクトルの形状から上記特定の値を算出することができる。
【0011】
その場合には、予め、膜の膜質のレベルに対応させて参照用赤外線吸収スペクトルを複数個準備しておき、上記ステップ(b)では、上記参照用赤外線吸収スペクトルと、上記膜の上記赤外線吸収スペクトルとを比較して、上記特定の値を算出することにより、簡便に特定の値を得ることができる。
【0012】
上記ステップ(b)では、上記参照用赤外線吸収スペクトルと上記赤外線吸収スペクトルの形状に基づいて多変量解析を行なって、上記特定の値を算出することにより、PLS法(Partial Least Squres Regression )などの手法を利用して、高精度で特定の値を算出することが可能になる。
【0013】
上記ステップ(a)では、上記膜及び基板の赤外線吸収スペクトルから予め測定しておいた上記基板の赤外線吸収スペクトルを差し引くことにより、上記膜のみの赤外線吸収スペクトルを求めることが好ましい。
【0014】
本発明の温度測定方法は、膜が形成された基板に電磁波を入射して上記電磁波の吸収スペクトルを測定するステップ(a)と、上記吸収スペクトルの形状から上記膜の成膜温度を算出するステップ(b)とを備えている。
【0015】
この方法により、電磁波の吸収スペクトルを利用して、膜の成膜温度を検知することができるので、成膜装置の制御や半導体装置などの膜の良否の判定に利用しうる資料が得られる。
【0016】
上記ステップ(a)では、上記電磁波として赤外線を入射し、上記ステップ(b)では、上記赤外線の吸収スペクトルの形状から上記成膜温度を算出することができる。
【0017】
予め、膜の成膜温度に対応させて参照用赤外線吸収スペクトルを複数個準備しておき、上記ステップ(b)では、上記参照用赤外線吸収スペクトルと、上記膜の上記赤外線吸収スペクトルとを比較して、上記成膜温度を算出することにより、簡便に成膜温度を算出することができる。
【0018】
上記ステップ(b)では、上記参照用赤外線吸収スペクトルと上記赤外線吸収スペクトルとの形状に基づいて多変量解析を行なって、上記成膜温度を算出することにより、PLS法などの手法を利用して、高精度で成膜温度を算出することが可能になる。
【0019】
上記ステップ(a)では、上記膜及び基板の赤外線吸収スペクトルから予め測定しておいた上記基板の赤外線吸収スペクトルを差し引くことにより、上記膜のみの赤外線吸収スペクトルを求めることが好ましい。
【0020】
上記ステップ(a)では、予め、上記基板を成膜装置内に配置して、上記基板上に上記膜を形成し、上記ステップ(b)では、上記膜の成膜温度を上記成膜装置内の温度として算出することにより、ウエハにセンサを貼り付ける等の手段を講じることなく、インラインで流れているウエハや、管理用ウエハを利用して迅速に成膜装置(チャンバ)内の温度を測定することができる。
【0021】
本発明の第1の半導体装置の製造方法は、膜を構成要素として有する半導体装置の製造方法であって、成膜装置内に配置された下地ウエハ上に上記膜を形成するステップ(a)と、上記膜が形成されたウエハに赤外線を入射して赤外線吸収スペクトルを測定するステップ(b)と、上記赤外線吸収スペクトルの形状から上記膜の膜質に対応する特定の値を算出するステップ(c)と、上記ステップ(c)で算出された上記特定の値に応じて上記成膜装置の設定条件を制御するステップ(d)とを備えている。
【0022】
この方法により、電磁波の吸収スペクトルを利用して、インラインで非破壊的に膜の特性を検知し、その結果を成膜装置の制御に利用することができるので、生産性を低下させることなく、全ての成膜処理に対して特定の値の測定を行なって、成膜装置の条件を制御することが可能になる。
【0023】
予め、膜の膜質のレベルに対応させて参照用赤外線吸収スペクトルを複数個準備しておき、上記ステップ(c)では、上記参照用赤外線吸収スペクトルと、上記ステップ(b)で測定された上記膜の上記赤外線吸収スペクトルとを比較して、上記特定の値を算出することにより、簡便にプロセス制御を行なうことができる。
【0024】
上記ステップ(c)では、上記参照用赤外線吸収スペクトルと上記赤外線吸収スペクトルとの形状に基づいて多変量解析を行なって、上記特定の値を算出することにより、正確にプロセス制御を行なうことができる。
【0025】
本発明の第2の半導体装置の製造方法は、膜を構成要素として有する半導体装置の製造方法であって、成膜装置内に配置された下地ウエハ上に上記膜を形成するステップ(a)と、上記膜が形成されたウエハに赤外線を入射して赤外線吸収スペクトルを測定するステップ(b)と、上記赤外線吸収スペクトルの形状から上記膜の成膜温度を算出するステップ(c)と、上記ステップ(c)で算出された上記成膜温度に応じて上記成膜装置の設定条件を制御するステップ(d)とを備えている。
【0026】
この方法により、電磁波の吸収スペクトルを利用して、インラインで非破壊的に膜の成膜温度を検知し、その結果を成膜装置の制御に利用することができるので、生産性を低下させることなく、全ての成膜処理に対して成膜温度の測定を行なって、成膜装置の温度制御が可能になる。
【0027】
予め、膜の成膜温度に対応させて参照用赤外線吸収スペクトルを複数個準備しておき、上記ステップ(c)では、上記参照用赤外線吸収スペクトルと、上記ステップ(b)で測定された上記膜の上記赤外線吸収スペクトルとを比較して、上記成膜温度を算出することにより、簡便にプロセス制御を行なうことができる。
【0028】
上記ステップ(c)では、上記参照用赤外線吸収スペクトルと上記赤外線吸収スペクトルとの形状に基づいて多変量解析を行なって、上記成膜温度を算出することにより、正確にプロセス制御を行なうことができる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下の実施形態においては、FT−IR法(Fourier-transform Infrared Spectroscopy)により膜が形成された基板の赤外線吸収スペクトルを測定し、PLS法(Partial Least Squares Regression)により上記赤外線吸収スペクトルにパターン認識を基にした多変量解析を行なう手法を用いる。
【0030】
−第1の実施形態−
図1(a),(b)は、それぞれ順に、HDP−CVD装置による成膜温度をパラメータとして、FT−IR法によるFSG膜(フッ素含有シリコン酸化膜)の赤外線吸収スペクトル図及びそのピーク部付近を拡大して示す図である。
【0031】
図1(a),(b)に示すFSG膜の赤外線吸収スペクトルは、シリコン基板上に成膜されたFSG膜の赤外線吸収スペクトルであり、以下の手順で測定される。
【0032】
一般に、シリコン基板は赤外線を透過させる性質があるので、シリコン基板の一方の面に赤外線を入射すると、赤外線はシリコン基板によってある割合だけ吸収された後、シリコン基板を透過した赤外線がシリコン基板の他方の面から出力される。そこで、FT−IR法により、例えば直径5mm程度の赤外線干渉光をウエハの裏面又は表面に垂直方向から入射し、ウエハを透過した赤外線の強度と入射した赤外線の強度との干渉光を検知し、その強度の光路差に対する関数をフーリエ変換することにより、波数に対する関数を計算し、これを第1の赤外線吸収スペクトルとする。
【0033】
次に、HDP−CVD装置内にシリコン基板を設置して、シリコン基板上に、所定厚みのFSG膜を成膜する。その後、FT−IR法により、上述とほぼ同じ条件でウエハの同じ箇所に赤外線を入射し、FSG膜及びシリコン基板に入射した赤外線の強度と、両者を透過させた赤外線の強度との比を各波長ごとに測定して、これを第2の赤外線吸収スペクトルとする。そして、第2の赤外線吸収スペクトルから第1の赤外線吸収スペクトルを差し引いて、FSG膜のみの赤外線吸収スペクトルを算出する。このようにして、FSG膜とシリコン基板とが合成された赤外線吸収スペクトルからシリコン基板の赤外線吸収スペクトルの差分を計算することにより、所望とするFSG膜のみの赤外線吸収スペクトルを求めることができる。
【0034】
以下の説明においても、特に断りがない限り、FSG膜の赤外線吸収スペクトルは同様の手順で測定する。ただし、本発明における赤外線吸収スペクトルの測定対象となる薄膜は、FSG膜に限定されるものではなく、薄半導体装置の製造方法もHDP−CVD装置に限定されるものではない。また、薄膜の下地となる基板は、シリコン基板に限定されるものではない。さらに、赤外線吸収スペクトルの測定方法は、FT−IR法に限定されるものではない。
【0035】
さらに、シリコン基板の厚み,リン濃度,酸素濃度を同一にすれば、第2の赤外線吸収スペクトルのみの測定でも、第2の赤外線吸収スペクトルから第1の赤外線吸収スペクトルを差し引いたときと同様の結果が得られる。
【0036】
また、本発明の赤外線吸収スペクトルの測定は、FT−IR装置として、ニューリーインスツルメンツ(株)製の半導体用赤外分光解析装置(IR−EPOCH 2000)を用いて行なっている。
【0037】
ここで、図1(a),(b)からわかるように、FSG膜の成膜温度が異なると、赤外線吸収スペクトルの形状が異なっており、特に、ピーク部の最大吸収及び最大吸収を示す波長が異なっている。本発明者は、上述の従来のアモルファスシリコン膜の回復レートによる温度測定技術以外に、HDP−CVD装置の成膜温度をモニタリングする方法がないか種々の検討を重ねた結果、薄膜の成膜温度(この実施形態では、HDP−CVD装置の成膜温度)によって、赤外線吸収スペクトル(この実施形態では、FT−IR法による赤外線吸収スペクトル)が異なることを見いだした。
【0038】
以下、HDP−CVD装置の成膜温度によってFT−IR法の赤外線吸収スペクトルが異なる理由について説明する。
【0039】
HDP−CVD装置により形成されたFSG膜は、成膜温度を高くすると、より完全なシリコン酸化膜になると推定される。つまり、同一膜厚で異なった成膜温度のFSG膜をFT−IR法で分析すると、完全なシリコン酸化膜によるSi−Oボンド等の吸収総量を示すピーク高さの変化(αa)(図1(a)参照)と、成膜温度の相違に基づく膜質の相違によるSi−Oボンド等のピーク位置のシフト(αb)(図1(b)参照)とが存在することを突き止めた。
【0040】
図2は、図1(a),(b)に示す赤外線吸収スペクトルにおけるピーク部の最大吸収を示す波長と、最大吸収値とを表にして示す図である。同図に示す範囲では、成膜温度が高くなるほど最大吸収が大きくなり、成膜温度が高くなるほど最大吸収を示す波数が大きくなる。
【0041】
すなわち、本発明者は、異なる成膜温度でFSG膜を成膜すると、Si−Oボンド等のピーク高さとピーク位置、即ち吸収ピークの形状が異なるポイントに着目し、従来にないFT−IR法を用いた新たな手法でHDP−CVD装置の成膜温度を検出できることを導きだした。異なる成膜温度で吸収スペクトルの形状が異なる理由は、酸化シリコン中のSi−O,Si=O,Si≡O等の結合の存在割合が成膜温度によって異なるためと推定される。
【0042】
次に、異なった赤外線吸収スペクトルで薄膜の成膜温度を解析する手順について説明する。ここでは、異なった赤外線吸収スペクトルから成膜温度を解析するために、PLS法によるパターン認識を基にした解析技術を用いる。
【0043】
図3(a)〜(c)は、それぞれ順に、パターン認識を基にした多変量解析技術の解法モデルにおける参照用赤外線吸収スペクトル図、被測定膜の赤外線吸収スペクトル図(以下、被測定膜の赤外線吸収スペクトル図という)、及びPLS法による成膜温度決定方法を示す図である。図3(a),(b)において、ピークOはSiO2 等の吸収によるピークを示し、ピークFはSiFの吸収によるピークを示している。同図に示すように、ピークO,F同士の間隔は、成膜温度に応じて変化している。
【0044】
まず、図3(a)に示すように、予め、FT−IR法により、互いに異なる成膜温度(T1<T2<T3)で形成された複数(本実施形態では3つ)のFSG膜の参照用赤外線吸収スペクトルパターンSPT1 ,SPT2 ,SPT3 を測定し、これをデータベースとして記憶装置に格納しておく。
【0045】
次に、図3(b)に示すように、被測定膜の赤外線吸収スペクトルパターンSPTA を測定する。
【0046】
図4(a)〜(d)は、それぞれ順に、380℃,430℃,480℃で成膜されたFSG膜の赤外線吸収スペクトル図、及び測定対象のFSG膜の赤外線吸収スペクトル図である。すなわち、図4(a)〜(c)は、図3(a)に示す成膜温度が互いに異なる3つのFSG膜の赤外線吸収スペクトルパターンSPT1 ,SPT2 ,SPT3 の具体例であり、図4(d)は、図3(b)に示す被測定膜の赤外線吸収スペクトルパターンSPTA の具体例である。
【0047】
次に、パターン解析により、3つの参照用赤外線吸収スペクトルパターンSPT1 ,SPT2 ,SPT3 と、被測定膜の赤外線吸収スペクトルパターンSPTA との偏差の自乗和Χi 2を下記式(1)
Χi 2=Σ(SPTi −SPTA2 (1)
から求める。式(1)の右辺のΣ(SPTi −SPTA2 は、参照用赤外線吸収スペクトルパターン及び被測定膜の赤外線吸収スペクトルパターン間の各波長における吸収の差を2乗したものを、各波長について積算したもの,つめり、偏差の自乗和である。そして、式(1)のΧi 2には、参照用赤外線吸収スペクトルパターン及び被測定膜の赤外線吸収スペクトルパターン間のピーク部の最大吸収値の差や、最大吸収値を示す波長の差と、図3(a)に示すピークO,Fの間隔の差などに起因するパターンのずれが含まれている。
【0048】
その結果、図3(c)に示すように、偏差の自乗和を示す3つの点Χ1 2,Χ2 2,Χ3 2が求められるので、この3点Χ1 2,Χ2 2,Χ3 2を通る曲線LA (この例では、簡単のために二次曲線としている)が定まる。そこで、この曲線LA から偏差の自乗和Χ2 が最小になる温度TA を求めて、この温度をFSG膜の成膜温度として推定する。以下、この手順について、例示しながら具体的に説明する。
【0049】
図12(a),(b)は、それぞれ順に、構築したデータベースの設定内容の例を表で示す図、及び計算結果を示す図である。PLS法における解法は、コンピュータを用いた数値計算法により解を得て、PLS法による重回帰分析を行なった特のデータベース内温度とデータベースのPLSモデルとの正確度が1.0に近づくよう各パラメータを調整する方法である。今回、発明者が行なった数値計算の結果によると、最大波数1600cm-1から最小波数700cm-1の赤外線吸収スペクトルを用い、赤外線吸収スペクトルの分割点数を467点に設定したとき、正確度(Correct Coefficient )が最も高くなり、正確度0.98を得ることができた。
【0050】
図13は、構築したデータベース内の温度と分析温度との検証結果を表にして示す図である。同図には、それぞれ、データベース内温度(図3(a)に示すスペクトルパターンSPTi に対応する成膜温度Ti に相当),分析温度(図3(c)に示す成膜温度TA に相当),差異(データベース内温度と分析温度との差分),エラー率(差分をデータベース内温度で割り算して得られた商に100を乗じたもの),スペクトル残差(図3(c)内のΧ2 に相当)及び分析値の信頼性が表示されている。
【0051】
同図において、スペクトル残差及び分析値の信頼性が小さな値ほど好ましく、分析温度の信頼性は高くなる。そして、同図に示されるように、スペクトル残差及び分析温度の信頼性を示す数値は、データベース内の設定温度に対して十分に小さいので、実用上、問題はないと判断することができる。さらに、今回作成されたデータベースを用いて検証した結果では、FSG膜の成膜温度のエラー率が±1.0%以下という結果が得られている。すなわち、今回の計算結果から384.2℃から504.5℃の温度領域において、±1.0%以下の精度で温度の推定ができるPLSモデルを得ることができた。
【0052】
−第2の実施形態−
上述の例では、理解を容易にするために、成膜温度のみをパラメータとして推定する方法について説明した。しかし、現実のプロセスでは、形成される薄膜の膜厚,不純物濃度(例えばフッ素濃度)などが一定ではなく、ウエハ間及びウエハ内でこれらのパラメータのばらつきが存在している。そして、膜厚や不純物濃度などのばらつきによって、成膜温度の推定精度が悪化するおそれがある。したがって、現実のプロセスにおいては、目的が成膜温度の推定であっても、膜厚,不純物濃度などのパラメータを含めた多変量解析を行なう必要がある。
【0053】
次に、薄膜の成膜温度だけでなく、膜質や膜厚をも含めた多次元のパラメータの推定を行なう方法について説明する。ここでは、HDP−CVD装置で成膜したFSG膜の赤外線吸収スペクトルパターンを例にとって説明する。
【0054】
図5は、FSG膜の赤外線吸収スペクトルパターンからなるデータベースの構築方法を示す図である。まず、FSG膜の膜質を決定する成膜条件として、HDP−CVD装置の成膜温度、FSG膜に含まれるフッ素濃度及びFSG膜の膜厚について、それぞれが複数の条件(例えば、3通り)を設定した成膜条件のマトリックスを作成する。そのマトリックスの全条件でFSG膜を成膜し、FT−IR法により赤外線吸収スペクトルを測定して、赤外線吸収スペクトルパターンのデータベースを構築する。
【0055】
図5に示す例では、3種類の膜厚300nm,600nm,900nmと、3種類の成膜温度370℃,430℃,490℃と、3種類のフッ素濃度0.4%,1.4%,2.4%とについて、合計27個の赤外線吸収スペクトルパターンがデータベース化されている。また、同図には、膜厚が600nm,成膜温度が約370℃で、フッ素濃度がそれぞれ約1.4%,2.4%である条件k2,k3についての赤外線吸収スペクトルパターンが例示されている。
【0056】
次に、図5に示すような多数のデータベースを用いて、被測定膜が示す赤外線吸収パターンから被測定膜の膜厚,成膜温度,フッ素濃度を算出する。その際、図3(a),(b)に示す手順と同様の手順で多変量解析を行なうことにより、最終的に、多次元空間において図3(c)に示すような偏差の自乗和を示す多数の点Χi 2が得られる。この場合には、多次元空間での解析を行なう必要があるので、図3(c)に示すようなグラフ表示はできない。そして、これらの多数の点Χi 2を通ることが最も確からしい多次元図形を求め、この多次元図形中の最小値を示す点における膜厚,成膜温度,フッ素濃度を、被測定膜の膜厚,成膜温度,フッ素濃度と算出することになる。
【0057】
なお、上述の推定方法の変わりに、横軸が成膜温度,膜厚,フッ素濃度である3つのグラフを作成し、各グラフにおいて、多数の点Χi 2を通る二次曲線の最小値を示す横軸Χ位置を、被測定膜の成膜温度,膜厚,フッ素濃度と近似することも可能である。
【0058】
以上のように、パターン認識を基にした多変量解析技術の解法モデルを用いて、被測定膜の赤外線吸収スペクトルパターンが、構築したデータベースのどの赤外線吸収スペクトルパターンに近いか推定し、多変量解析技術により成膜温度、フッ素濃度及び膜厚を求めることができる。
【0059】
図6は、多変量解析による被測定膜(FSG膜)の成膜温度を推定する手順を示すフローチャート図である。
【0060】
まず、ステップST11で、参照用赤外線吸収スペクトルパターン(例えば図6に示す27個の条件についてのパターン)を作成し、これをデータベースとして記憶装置に格納しておく。
【0061】
次に、ステップST12で、FT−IR法により、被測定膜の赤外線吸収パターンを測定する。ただし、本発明における赤外線吸収パターンの測定には、FT−IR法以外の方法を用いることができる。
【0062】
次に、ステップST13で、多変量解析を行なう。図2(a)〜(c)に示す例では、3つの参照用赤外線吸収スペクトルパターンSPT1 ,SPT2 ,SPT3 と、被測定膜の赤外線吸収スペクトルパターンSPTA との偏差の自乗和に相当するΧi 2を求めているが、本実施形態においては、27個の参照用赤外線吸収スペクトルパターンと、被測定膜の赤外線スペクトルパターンとの各波長における吸収値の偏差の自乗を各波長について積算した解析(多変量解析)を行なう。
【0063】
次に、ステップST14で、パターン解析の結果に基づいて、成膜温度などを算出する。第1の実施形態では、図3(c)に示す3つの点Χ1 2,Χ2 2,Χ3 2を通る曲線LA から偏差の自乗和Χ2 が最小になる温度TA を求めて、この温度をFSG膜の成膜温度として算出しているが、本実施形態では、多次元空間において図3(c)に示すような偏差の自乗和を示す27個の点Χi 2が得られるので、各点Χi 2を通ることが最も確からしい多次元図形を求め、その多次元図形の最小値を示す点の成膜温度を被測定膜の成膜温度と算出する。
【0064】
図7は、本実施形態の方法で推定したHDP−CVD装置の成膜温度と、上記国際公開WO99/57146号公報に記載された方法を応用した方法で測定した成膜温度との相関関係を示す図である。ここで、上記WO99/57146号公報に記載された方法を用いると、500℃以下においてはアモルファス層の回復レートの把握が困難となるので、それを応用した別の方法を用いている。図7に示すように、本発明の成膜温度と従来の方法を応用して得られた成膜温度とは、ほぼ1:1の相関関係が得られており、FT−IR法によるHDP−CVD装置の成膜温度の測定結果は良好であることが分かる。
【0065】
本実施形態によると、FT−IR法による薄膜の膜厚,不純物濃度,成膜温度などをパラメータとする多変量解析を行なうことにより、薄膜の成膜温度を精度よく測定することが可能となる。特に、上述のように、国際公開WO99/57146号公報に記載された方法では、500℃以下の範囲での成膜温度の測定は困難となるが、本発明の方法では、500℃以下の範囲での成膜温度を測定でき、しかも、容易かつ迅速(具体的には、2〜3分程度)に測定することができるという利点がある。
【0066】
ただし、本発明による温度測定によって測定可能な成膜温度の範囲は、500℃以下に限定されるものではない。国際公開WO99/57146号公報に記載された方法とほぼ同じ温度範囲を含め、さらに、より低温の範囲においても成膜温度を測定しうる。本発明は、最近のように、半導体プロセスの低温化が進む中で、特に半導体装置の配線工程で実施されるプロセス温度350℃〜500℃の範囲で温度測定をすることができるという著効を発揮することができる。
【0067】
また、この方法では、成膜装置をプロセスと同じ条件で使用しながら、赤外線吸収スペクトルのインラインでの条件からモニターから容易に成膜温度が測定できるため、生産性を低下させることなく、全ての成膜処理に対して成膜温度を測定することが可能となる。
【0068】
−第3の実施形態−
次に、本発明による薄膜の評価方法の応用例として、生産ラインでの薄半導体装置の製造方法について説明する。
【0069】
図8は、第3の実施形態において形成した半導体装置の構造を示す断面図である。シリコン基板11には、活性領域を区画するトレンチ分離領域12が設けられており、トレンチ分離領域12で囲まれる活性領域には、多数のMISFET13が設けられている。各MISFET13のソース・ドレイン領域(図示せず)及びゲート電極の各上部には、サリサイドプロセスによって形成されたシリサイド層14a,14bがそれぞれ設けられている。
【0070】
本実施形態の製造方法においては、まず、多数のMISFET13が設けられているシリコン基板11の上に、BPSG膜からなる第1の層間絶縁膜20を堆積する。この第1の層間絶縁膜20の厚みは約800nmである。
【0071】
次に、第1の層間絶縁膜20を貫通して、各ソース・ドレイン領域や各ゲート電極のシリサイド層14a,14bに到達するコンタクトホールを形成し、コンタクトホールをタングステン(W)で埋めてプラグ24を形成する。図8にはゲート電極上のプラグは図示されていないが、図8に示す断面とは異なる断面に、ゲート電極に接続されるプラグが設けられている。各プラグ24の径は、約0.25μmである。
【0072】
次に、第1の層間絶縁膜20の上にAl膜を堆積した後、Al膜をパターニングすることにより、各プラグに接続されるAl配線33(1層目配線)を形成する。Al配線33の厚みは、約400nmである。その後、第1の層間絶縁膜20及びAl配線33の上に、第2の層間絶縁膜30を堆積する。第2の層間絶縁膜30は、FSG膜からなる下部膜31と、P−TEOS膜(プラズマTEOS膜)からなる上部膜32とによって構成されている。下部膜31の厚みは、約500nmであり、上部膜32の厚みは、約300nmである。
【0073】
ここで、本発明では、第2の層間絶縁膜30の下部膜31を堆積する前に、ウエハの測定したい領域(測定領域)に赤外線ビームを入射して、下部膜31の下地となる基板全体の赤外線吸収スペクトルを測定しておく。そして、HDP−CVD法により下部膜31を堆積する。このとき、FSG膜からなる下部膜31の成膜条件は、成膜装置のチャンバ内圧力が6mTorr(約0.8Pa)、プラズマCVD装置のRFパワーが900W/2300W、バイアスパワーが2350W、ウエハ裏面のHe圧力がIN側で2mTorr(約0.27Pa)、アルゴンガスのTOP流量が9(ml/min)、アルゴンガスのSIDE流量が46(ml/min)、酸素のTOP流量が53(ml/min)、酸素のSIDE流量が73(ml/min)、シランのTOP流量が4(ml/min)、シランのSIDE流量が40(ml/min)、4フッ化シランの流量が28ml/min)である。
【0074】
そして、下部膜31を堆積した後に、ウエハの測定領域に赤外線を入射して、赤外線吸収スペクトルを測定する。そして、両赤外線吸収スペクトルの差分から下部膜31単独の赤外線吸収スペクトルを測定する。さらに、第2の実施形態で説明した参照用赤外線吸収スペクトルパターン(図5参照)を用いて、成膜温度,膜厚,フッ素濃度をパラメータとして、下部膜31の赤外線吸収スペクトルパターンの多変量解析を行なう。これにより、下部膜31の成膜温度,膜厚,フッ素濃度を測定し、下部膜31の堆積条件が適正であるか否かを判定することができる。
【0075】
次に、第2の層間絶縁膜30の上部膜32を堆積した後、第2の層間絶縁膜30に第1の層間絶縁膜20上のAl配線33に到達するビアホールを形成し、ビアホールをタングステン(W)で埋めて、プラグ34を形成する。第2の層間絶縁膜30の上部膜32の厚みは約300nmであり、プラグ34の径は約0.3μmである。
【0076】
その後、第2の層間絶縁膜30の上に、上述と同様の手順により、Al配線43(2層目配線)と、第3の層間絶縁膜40とを形成する。第3の層間絶縁膜40は、FSG膜からなる下部膜41と、P−TEOS膜からなる上部膜42とを有しており、下部膜41を形成する際に、赤外線吸収スペクトルを利用した多変量解析を行なって、成膜温度,膜厚,フッ素濃度などの管理を行なう。
【0077】
その後、第3の層間絶縁膜40の上に、上述と同様の手順により、Al配線53(3層目配線)と、第4の層間絶縁膜50とを形成する。第4の層間絶縁膜50は、FSG膜からなる下部膜51と、P−TEOS膜からなる上部膜52とを有しており、下部膜51を形成する際に、赤外線吸収スペクトルを利用した多変量解析を行なって、成膜温度,膜厚,フッ素濃度などの管理を行なう。
【0078】
その後、第4の層間絶縁膜50の上に、Al配線63(4層目配線)と、P−SiN膜からなるパッシベーション膜60とを形成する。
【0079】
この実施形態においては、BPSG膜からなる第1の層間絶縁膜20や、P−TEOS膜からなる第2〜第4の層間絶縁膜の各上部膜32,42,52や、P−SiN膜からなるパッシベーション膜60の成膜温度の測定の際には、赤外線吸収スペクトルを利用した多変量解析を行なってはいない。その理由は、BPSG膜,P−TEOS膜,P−SiN膜は、高密度プラズマを利用するHDP−CVD装置ではなく、通常のプラズマもしくは熱反応を利用するCVD装置を用いているので、HDP−CVD装置のようにいぇはを静電チャックし、ウエハ裏面のHeでクリーニングする機構がないので、例えば通常のプラズマCVD装置の下部電極に熱電対を埋め込み、下部電極の温度を測定することにより、ウエハ温度を間接的に測定することができるからである。ただし、BPSG膜,P−TEOS膜,P−SiN膜などを形成する際にも、赤外線吸収スペクトルを利用した多変量解析を行なうことにより、不純物濃度(BPSG膜におけるボロン,リンなど)や、膜厚の測定も可能になるので、工程管理を厳密に行なうことが可能になる。
【0080】
また、トレンチ分離領域12も、HDP−CVD装置を用いて堆積されたUSG(Undoped Silicate Glass)によって構成されることがあるので、赤外線吸収スペクトルを利用した多変量解析を行なうことができる。
【0081】
図9は、本実施形態の製造工程のうち、FSG膜の形成前後の処理手順を示すフローチャート図である。
【0082】
まず、ステップST21で、下地ウエハの赤外線吸収スペクトルを測定する。この下地ウエハとは、第2の層間絶縁膜30の下部膜31を形成する際には、第1の層間絶縁膜20やプラグ24が既に形成されたウエハであり、第3の層間絶縁膜40の下部膜41を形成する際には、第2の層間絶縁膜30やプラグ34が既に形成されたウエハであり、第4の層間絶縁膜50の下部膜51を形成する際には、第3の層間絶縁膜40やプラグ44が既に形成されたウエハである。
【0083】
次に、ステップST22で、上述の条件でHDP−CVD装置を用いて、FSG膜(この例では、各下部膜31,41,51)を堆積する。
【0084】
次に、ステップST23で、FSG膜を堆積した後のウエハの赤外線吸収スペクトルを測定する。つまり、FSG膜と下地ウエハとを通過した赤外線の吸収スペクトルを測定する。
【0085】
次に、ステップST24で、ステップST23で測定された赤外線吸収スペクトルと、ステップST21で測定された赤外線吸収スペクトルとの差を各波長ごとに算出して、FSG膜単独の赤外線吸収スペクトルパターンを作成する。
【0086】
次に、ステップST25で、予めデータベースに格納されている参照用赤外線吸収スペクトルパターン(例えば図5に示すような成膜温度,膜厚,フッ素濃度をパラメータとする多数のスペクトルパターン)を用いて、第2の実施形態で説明した方法により、多変量解析を行なう。その結果、図3(c)に示す曲線を多次元図形ないし多次元関数に置き換えたグラフ又は関数が得られる。
【0087】
次に、ステップST26で、ステップST25で得られた多次元関数又は多次元図形から、その最小値を与えるFSG膜の成膜温度,膜厚,フッ素濃度などを推定する。
【0088】
次に、ステップST27で、ステップST26で推定された成膜温度,膜厚,フッ素濃度が適正範囲内あるか否かを判別する。成膜温度が低すぎると、そのFSG膜の下方にある層間絶縁膜に形成されたプラグとそのプラグに接触する下方の導体層との接触状態(具体的にはコンタクト抵抗)が悪化するおそれがある。また、成膜温度が低すぎると、以下のような不具合もある。
【0089】
図10は、FSG膜のエッチングレートの成膜温度依存性を示す図である。同図において、縦軸は熱酸化膜とのエッチングレート比としてエッチングレートを現している。同図に示すように、成膜温度が低すぎると、エッチングレートが高くなるので、工程上、エッチング時間等の管理が困難になる。つまり、薄膜のエッチングレートが大きくなると、オーバーエッチングを生じるなどの不具合が生じるからである。
【0090】
言い換えると、FSG膜等の膜質として、エッチングレートを多変量解析のパラメータに組み入れることもできることになる。
【0091】
一方、成膜温度が高すぎると、FSG膜の下方で既に形成されているAl膜の特性が劣化するおそれがある。したがって、FSG膜の成膜温度には適正範囲があり、この例では、380℃以上で480℃以下の範囲に入っていることが好ましい。また、膜厚が大きすぎるとビアホールの形成やプラグの埋込が困難になり、膜厚が薄すぎると、層間絶縁膜を挟む配線間の容量が増大したり層間絶縁膜の絶縁性が劣化するおそれがあるので、膜厚にも適正範囲がある。さらに、フッ素濃度が低すぎると層間絶縁膜の比誘電率を十分小さくすることができず、フッ素濃度が高すぎるとFの拡散によるAl膜の剥がれが生じるおそれがあるので、フッ素濃度にも適正範囲がある。
【0092】
その結果、成膜温度,膜厚,フッ素濃度などが適正範囲にあれば、そのままで次工程に進む一方、成膜温度,膜厚,フッ素濃度などが適正範囲になければ、ステップST27に移行して、HDP−CVDにおける条件を変更してから、FSG膜をエッチングにより除去して、再度FSG膜の堆積を行なう。
【0093】
なお、ステップST27の条件変更の後で、そのまま次工程に進んでもよい。その場合にも、第2の層間絶縁膜30の下部膜31を形成した後に、第3の層間絶縁膜40の下部膜41を形成する際には、適正な条件でFSG膜の堆積を行なうことができる。
【0094】
このように、半導体装置のプロセスにおいて、FSG膜の成膜温度,膜厚,フッ素濃度などのパラメータを適正範囲に維持することが容易となるので、半導体装置の製造工程の管理を厳密かつ容易に行なうことができる。しかも、薄膜の形成をやり直すことにより、歩留まりの向上を図ることもできる。
【0095】
なお、図1に示すFT−IR法の赤外線吸収スペクトルは、HDP−CVD装置で成膜したFSG膜のみの赤外線吸収スペクトルのデータを示したが、FSG膜とシリコン基板とが合成された赤外線吸収スペクトルの場合でも、図7と同様に、HDP−CVD装置の成膜温度を測定できることが確認されている。
【0096】
さらに、本方法によると、差分を算出することにより、薄膜の赤外線吸収スペクトル成分のみを検出することができるため、インラインモニターだけでなく、基板の裏面構造が複雑な実デバイスの成膜温度も的確に測定することができる。
【0097】
また、上記各実施形態においては、HDP−CVD装置で成膜したFSG膜を用いて説明したが、他のシリコン酸化膜、例えばリン添加シリコン酸化膜(PSG膜)やボロン・リン添加シリコン酸化膜(BPSG膜),シリコン窒化膜等を成膜する場合にも適用できる。さらに、FSG膜等のシリコン酸化膜の成膜にはHDP−CVD装置を用いて説明したが、他の成膜装置、例えば通常のプラズマCVD装置(P−CVD)や減圧CVD装置(LP−CVD)等を用いて成膜する場合にも適用できる。
【0098】
−第4の実施形態−
本実施形態では、成膜温度の測定を利用してチャンバー内の温度を測定する方法について説明する。
【0099】
上述のように、FSG膜等の赤外線吸収スペクトルを利用して、成膜温度を測定することができるので、チャンバーの温度を測定することができる。そして、チャンバーの温度がわかると、CVDだけでなく、半導体装置の製造工程における各種処理のために利用することが可能になる。
【0100】
従来のチャンバー内における温度測定は、熱電対付きウエハの裏面に取り付けた温度センサにより行なわれてきた。しかし、熱電対付きウエハを用いても、ウエハの裏面の温度はわかるものの、ウエハの表面の温度、つまりアモルファス領域が熱処理を受けている実際の温度を測定することはできなかった。また、温度の測定範囲にも限界があり、ある程度高温になると測定が困難になる。
【0101】
また、上記従来の国際公開WO99/57146号公報に記載されている技術の場合、500℃以下になると、アモルファス状態からの回復レートが不明となる。それは、低温では、アモルファス状態からの回復は極めて初期の段階で終了し、それ以上時間を費やしても回復が進まないからである。
【0102】
それに対し、本発明の赤外線吸収スペクトルを利用する方法の場合には、CVDが可能な温度範囲であれば、どの温度でも測定することができる利点がある。特に、国際公開WO99/57146号公報に記載されている技術では測定が困難な500℃以下の範囲において効果が大きいといえる。
【0103】
図11は、HDP−CVD装置を用いて形成されたFSG膜について得られたウエハ面内の温度分布を示すデータである。赤外線ビームは径が5mm程度であるので、ウエハ内の多数の箇所について赤外線吸収スペクトルを測定することができる。その場合、膜を形成する前のウエハについて赤外線吸収スペクトルを測定した個所と、膜を形成した後の上について赤外線吸収スペクトルを測定した個所とがほぼ一致している必要があるが、現在の赤外線測定装置の位置決め精度は非常に向上しているので、実用上の不具合はなかった。
【0104】
同図に示すように、本発明の赤外線吸収スペクトルを利用した多変量解析を行なうことにより、ウエハ面内の温度分布を測定することができることから、これを利用して、CVD装置のチャンバ内の温度分布を測定することができる。この温度の測定に用いられるウエハは、製造ラインを流れている製品用ウエハでもよいし、工程管理のために用いる管理用ウエハでもよい。
【0105】
−その他の実施形態−
上記各実施形態においては、被測定膜に赤外線を入射して、FT−IR法により、赤外線吸収スペクトルを測定することにより、被測定膜の評価を行なったが、多の分光法、例えば分散型赤外分光法,レーザーラマン分光法,X線光電子分光法などを用いて、薄膜を構成する原子間の結合状態を観測する吸収スペクトルを測定する場合にも、本発明を適用することができる。
【0106】
【発明の効果】
本発明によると、成膜装置のインラインモニターから成膜温度や膜の特性が測定できるため、生産性を低下させることなく、全ての成膜処理に対して成膜温度を測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a),(b)は、それぞれ順に、FT−IR法によるFSG膜の赤外線吸収スペクトル図及びそのピーク部付近を拡大して示す図である。
【図2】図1(a),(b)に示す赤外線吸収スペクトルにおけるピーク部の最大吸収を示す波長と、最大吸収値とを表にして示す図である。
【図3】(a)〜(c)は、それぞれ順に、参照用赤外線吸収スペクトル図、被測定膜の赤外線吸収スペクトル図、及びPLS法による成膜温度決定方法を示す図である。
【図4】(a)〜(d)は、それぞれ順に、380℃,430℃,480℃で成膜されたFSG膜の赤外線吸収スペクトル図、及び測定対象のFSG膜の赤外線吸収スペクトル図である。
【図5】FSG膜の赤外線吸収スペクトルパターンからなるデータベースの構築方法を示す図である。
【図6】多変量解析による被測定膜(FSG膜)の成膜温度を推定する手順を示すフローチャート図である。
【図7】第2の実施形態の方法で推定したHDP−CVD装置の成膜温度と、従来の方法を応用した方法で測定した成膜温度との相関関係を示す図である。
【図8】第3の実施形態において形成した半導体装置の構造を示す断面図である。
【図9】第3の実施形態の製造工程のうち、FSG膜の形成前後の処理手順を示すフローチャート図である。
【図10】FSG膜のエッチングレートの成膜温度依存性を示す図である。
【図11】HDP−CVD装置を用いて形成されたFSG膜について得られたウエハ面内の温度分布を示すデータである。
【図12】(a),(b)は、それぞれ順に、構築したデータベースの設定内容の例を表で示す図、及び計算結果を示す図である。
【図13】構築したデータベース内の温度と分析温度との検証結果を表にして示す図である。
【符号の説明】
11 シリコン基板
12 トレンチ分離領域
13 MISFET
14 シリサイド層
20 第1の層間絶縁膜
24 プラグ
30 第2の層間絶縁膜
31 下部膜
32 上部膜
33 Al配線
34 プラグ
40 第3の層間絶縁膜
41 下部膜
42 上部膜
43 Al配線
44 プラグ
50 第4の層間絶縁膜
51 下部膜
52 上部膜
53 Al配線
54 プラグ
60 パッシベーション膜
63 Al配線
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a film evaluation method, a temperature measurement method, and a semiconductor device manufacturing method that can be used to manufacture semiconductor devices such as various types of transistors and semiconductor memories mounted on electronic devices.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, with the increase in integration and performance of semiconductor devices, fluorine-added silicon oxide films (hereinafter referred to as FSG films) having a low relative dielectric constant are used as interlayer insulating films for multilayer wiring. The FSG film is generally formed by an HDP-CVD (High Density Plasma-Chemical Vapor Deposition) apparatus suitable for embedding between fine wirings.
[0003]
However, since the HDP-CVD apparatus has a structure in which the wafer is held by an electrostatic chuck, there is a problem that it is impossible to monitor the film formation temperature. Furthermore, although the film formation temperature of the HDP-CVD apparatus is determined by the RF power at the time of film formation, it is difficult to measure the actual temperature using a silicon substrate with a thermocouple, etc., so the film formation temperature of the HDP-CVD apparatus is I don't know exactly.
[0004]
Therefore, the present applicant has measured the film formation temperature of the HDP-CVD apparatus using the temperature measurement technique based on the recovery rate of the amorphous silicon layer on the silicon substrate described in International Publication WO99 / 57146.
[0005]
In addition to the above international publications, the literature related to ellipsometry spectroscopy,
▲ 1 ▼ Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B19 / 20 (1987) p.577-581
(2) Japanese Patent Application Laid-Open No. 06-077301
(3) Siemens Forsch.-u.Entwickl.-Ber.Bd.10 (1981) Nr.1, p.48-52
(4) Japanese Patent Laid-Open No. 05-249031
and so on.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional method for measuring the film formation temperature based on the recovery rate of the amorphous silicon layer, advance preparation is necessary, for example, a step of forming the amorphous silicon layer on the silicon substrate in advance is necessary. Further, in order to measure the film formation temperature of the HDP-CVD apparatus, it is necessary to stop the operation of the HDP-CVD apparatus in the process and form the film under conditions dedicated to temperature measurement. That is, it is necessary to take the CVD apparatus offline.
[0007]
An object of the present invention is to easily measure the characteristics and temperature of a film formed by a film forming apparatus without taking the film forming apparatus offline, that is, without deteriorating the productivity of the film forming apparatus. It is in.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The film evaluation method of the present invention includes a step (a) of measuring an absorption spectrum of the electromagnetic wave by making an electromagnetic wave incident on the substrate on which the film is formed, and a specific shape corresponding to the film quality of the film from the shape of the absorption spectrum. And (b) calculating a value.
[0009]
By this method, the characteristics of the film can be detected using the absorption spectrum of electromagnetic waves, so that materials that can be used for controlling the film forming apparatus and determining the quality of a film such as a semiconductor device can be obtained.
[0010]
In the step (a), infrared light is incident as the electromagnetic wave, and in the step (b), the specific value can be calculated from the shape of the absorption spectrum of the infrared light.
[0011]
In that case, a plurality of reference infrared absorption spectra are prepared in advance corresponding to the film quality level of the film, and in the step (b), the reference infrared absorption spectrum and the infrared absorption of the film are prepared. The specific value can be easily obtained by comparing the spectrum and calculating the specific value.
[0012]
In the step (b), a multivariate analysis is performed on the basis of the infrared absorption spectrum for reference and the shape of the infrared absorption spectrum, and the specific value is calculated to obtain a PLS method (Partial Least Squres Regression) or the like. It is possible to calculate a specific value with high accuracy by using the method.
[0013]
In the step (a), it is preferable to obtain the infrared absorption spectrum of only the film by subtracting the infrared absorption spectrum of the substrate measured in advance from the infrared absorption spectrum of the film and the substrate.
[0014]
The temperature measurement method of the present invention includes a step (a) of measuring an absorption spectrum of the electromagnetic wave by making an electromagnetic wave incident on the substrate on which the film is formed, and a step of calculating a film formation temperature of the film from the shape of the absorption spectrum. (B).
[0015]
By this method, the film formation temperature of the film can be detected using the absorption spectrum of electromagnetic waves, so that materials that can be used for controlling the film formation apparatus and determining the quality of the film such as a semiconductor device can be obtained.
[0016]
In the step (a), infrared rays are incident as the electromagnetic wave, and in the step (b), the film formation temperature can be calculated from the shape of the absorption spectrum of the infrared rays.
[0017]
A plurality of reference infrared absorption spectra are prepared in advance corresponding to the film formation temperature, and in step (b), the reference infrared absorption spectrum is compared with the infrared absorption spectrum of the film. By calculating the film formation temperature, the film formation temperature can be calculated easily.
[0018]
In the step (b), a multivariate analysis is performed based on the shapes of the reference infrared absorption spectrum and the infrared absorption spectrum, and the film formation temperature is calculated by using a technique such as a PLS method. It becomes possible to calculate the deposition temperature with high accuracy.
[0019]
In the step (a), it is preferable to obtain the infrared absorption spectrum of only the film by subtracting the infrared absorption spectrum of the substrate measured in advance from the infrared absorption spectrum of the film and the substrate.
[0020]
In the step (a), the substrate is placed in the film forming apparatus in advance to form the film on the substrate. In the step (b), the film forming temperature of the film is set in the film forming apparatus. By calculating the temperature of the film, the temperature inside the film deposition system (chamber) can be measured quickly using a wafer flowing inline or a management wafer without taking steps such as attaching a sensor to the wafer. can do.
[0021]
A first method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device having a film as a constituent element, the step (a) of forming the film on a base wafer disposed in the film forming apparatus; (B) measuring infrared absorption spectrum by making infrared rays incident on the wafer on which the film is formed, and (c) calculating a specific value corresponding to the film quality of the film from the shape of the infrared absorption spectrum And a step (d) for controlling the setting conditions of the film forming apparatus according to the specific value calculated in the step (c).
[0022]
By this method, using the absorption spectrum of electromagnetic waves, the characteristics of the film can be detected non-destructively in-line, and the result can be used for controlling the film forming apparatus, so that the productivity is not reduced. It is possible to control the conditions of the film forming apparatus by measuring specific values for all the film forming processes.
[0023]
A plurality of reference infrared absorption spectra are prepared in advance corresponding to the film quality level of the film, and in the step (c), the reference infrared absorption spectrum and the film measured in the step (b) are prepared. By comparing the above infrared absorption spectrum with the above and calculating the specific value, process control can be easily performed.
[0024]
In the step (c), the multivariate analysis is performed based on the shapes of the reference infrared absorption spectrum and the infrared absorption spectrum, and the specific value is calculated, whereby the process control can be performed accurately. .
[0025]
A second method for manufacturing a semiconductor device of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device having a film as a component, and the step (a) of forming the film on a base wafer arranged in the film forming apparatus; (B) measuring infrared absorption spectrum by making infrared rays incident on the wafer on which the film is formed; (c) calculating the film formation temperature of the film from the shape of the infrared absorption spectrum; And (d) controlling the set conditions of the film forming apparatus in accordance with the film forming temperature calculated in (c).
[0026]
By this method, the film formation temperature can be detected in-line in a non-destructive manner using the absorption spectrum of electromagnetic waves, and the result can be used to control the film formation apparatus, thereby reducing productivity. In addition, the temperature of the film forming apparatus can be controlled by measuring the film forming temperature for all the film forming processes.
[0027]
A plurality of reference infrared absorption spectra are prepared in advance corresponding to the film forming temperature, and in the step (c), the reference infrared absorption spectrum and the film measured in the step (b) are prepared. By comparing the above infrared absorption spectrum and calculating the film forming temperature, process control can be easily performed.
[0028]
In the step (c), the multivariate analysis is performed based on the shapes of the reference infrared absorption spectrum and the infrared absorption spectrum, and the film formation temperature is calculated, thereby enabling accurate process control. .
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the following embodiments, an infrared absorption spectrum of a substrate on which a film is formed is measured by an FT-IR method (Fourier-transform Infrared Spectroscopy), and pattern recognition is performed on the infrared absorption spectrum by a PLS method (Partial Least Squares Regression). Use a multivariate analysis based technique.
[0030]
-First embodiment-
1 (a) and 1 (b) show, in order, the infrared absorption spectrum of an FSG film (fluorine-containing silicon oxide film) by the FT-IR method and the vicinity of its peak, using the film formation temperature by the HDP-CVD apparatus as a parameter, respectively. It is a figure which expands and shows.
[0031]
The infrared absorption spectrum of the FSG film shown in FIGS. 1A and 1B is an infrared absorption spectrum of the FSG film formed on the silicon substrate, and is measured by the following procedure.
[0032]
In general, a silicon substrate has a property of transmitting infrared rays. Therefore, when infrared rays are incident on one surface of the silicon substrate, the infrared rays are absorbed by the silicon substrate in a certain proportion, and then the infrared rays that have passed through the silicon substrate are transmitted to the other side of the silicon substrate. Is output from the surface. Therefore, by the FT-IR method, for example, infrared interference light having a diameter of about 5 mm is incident on the back surface or front surface of the wafer from the vertical direction, and the interference light between the intensity of the infrared light transmitted through the wafer and the intensity of the incident infrared light is detected. A function for the wave number is calculated by Fourier transforming the function for the optical path difference of the intensity, and this is used as the first infrared absorption spectrum.
[0033]
Next, a silicon substrate is installed in the HDP-CVD apparatus, and an FSG film having a predetermined thickness is formed on the silicon substrate. Thereafter, by the FT-IR method, infrared rays are incident on the same part of the wafer under substantially the same conditions as described above, and the ratio of the intensity of the infrared rays incident on the FSG film and the silicon substrate and the intensity of the infrared rays transmitted through both are respectively It measures for every wavelength and makes this a 2nd infrared absorption spectrum. Then, the first infrared absorption spectrum is subtracted from the second infrared absorption spectrum to calculate the infrared absorption spectrum of only the FSG film. Thus, the infrared absorption spectrum of only the desired FSG film can be obtained by calculating the difference of the infrared absorption spectrum of the silicon substrate from the infrared absorption spectrum obtained by synthesizing the FSG film and the silicon substrate.
[0034]
Also in the following description, the infrared absorption spectrum of the FSG film is measured by the same procedure unless otherwise specified. However, the thin film to be measured for the infrared absorption spectrum in the present invention is not limited to the FSG film, and the manufacturing method of the thin semiconductor device is not limited to the HDP-CVD apparatus. Further, the substrate serving as the base of the thin film is not limited to the silicon substrate. Furthermore, the infrared absorption spectrum measurement method is not limited to the FT-IR method.
[0035]
Furthermore, if the thickness, phosphorus concentration, and oxygen concentration of the silicon substrate are the same, even when only the second infrared absorption spectrum is measured, the same result as when the first infrared absorption spectrum is subtracted from the second infrared absorption spectrum. Is obtained.
[0036]
In addition, the infrared absorption spectrum of the present invention is measured using a semiconductor infrared spectroscopic analyzer (IR-EPOCH 2000) manufactured by Newly Instruments Co., Ltd. as an FT-IR apparatus.
[0037]
Here, as can be seen from FIGS. 1A and 1B, when the film formation temperature of the FSG film is different, the shape of the infrared absorption spectrum is different, and in particular, the wavelength exhibiting the maximum absorption and the maximum absorption at the peak portion. Is different. The present inventor conducted various studies on whether there is a method for monitoring the film formation temperature of the HDP-CVD apparatus in addition to the conventional temperature measurement technique based on the recovery rate of the amorphous silicon film. It was found that in this embodiment, the infrared absorption spectrum (in this embodiment, the infrared absorption spectrum by the FT-IR method) differs depending on the film formation temperature of the HDP-CVD apparatus.
[0038]
Hereinafter, the reason why the infrared absorption spectrum of the FT-IR method differs depending on the film forming temperature of the HDP-CVD apparatus will be described.
[0039]
It is estimated that the FSG film formed by the HDP-CVD apparatus becomes a more complete silicon oxide film when the deposition temperature is increased. That is, when FSG films having the same film thickness and different film formation temperatures are analyzed by the FT-IR method, a change in peak height (αa) indicating the total absorption amount of Si—O bonds and the like by a complete silicon oxide film (FIG. 1). (A)) and a shift (αb) of the peak position of an Si—O bond or the like (see FIG. 1B) due to the difference in film quality based on the difference in film formation temperature.
[0040]
FIG. 2 is a table showing the wavelength indicating the maximum absorption at the peak portion and the maximum absorption value in the infrared absorption spectrum shown in FIGS. In the range shown in the figure, the maximum absorption increases as the film forming temperature increases, and the wave number indicating the maximum absorption increases as the film forming temperature increases.
[0041]
That is, when the present inventor forms an FSG film at different film formation temperatures, the present inventor pays attention to a point where the peak height and peak position of the Si—O bond or the like, that is, the shape of the absorption peak is different, and an FT-IR method that has not been conventionally used. It was found that the film formation temperature of the HDP-CVD apparatus can be detected by a new method using the above. The reason why the shape of the absorption spectrum is different at different film forming temperatures is presumed to be because the existence ratio of bonds such as Si—O, Si═O, and Si≡O in silicon oxide differs depending on the film forming temperature.
[0042]
Next, a procedure for analyzing the film forming temperature of the thin film with different infrared absorption spectra will be described. Here, in order to analyze the film formation temperature from different infrared absorption spectra, an analysis technique based on pattern recognition by the PLS method is used.
[0043]
3 (a) to 3 (c) are respectively an infrared absorption spectrum diagram for reference in a solution model of a multivariate analysis technique based on pattern recognition, and an infrared absorption spectrum diagram of a film to be measured (hereinafter referred to as the film to be measured). It is a figure which shows the film-forming temperature determination method by PLS method, and an infrared absorption spectrum figure. 3A and 3B, the peak O is SiO.2 Etc., and peak F shows a peak due to absorption of SiF. As shown in the figure, the interval between the peaks O and F changes according to the film forming temperature.
[0044]
First, as shown in FIG. 3A, reference is made to a plurality of (three in this embodiment) FSG films formed in advance at different film formation temperatures (T1 <T2 <T3) by the FT-IR method. Infrared absorption spectrum pattern SPT1 , SPT2 , SPTThree Is measured and stored in a storage device as a database.
[0045]
Next, as shown in FIG. 3B, the infrared absorption spectrum pattern SPT of the film to be measured.A Measure.
[0046]
4A to 4D are an infrared absorption spectrum diagram of an FSG film formed at 380 ° C., 430 ° C., and 480 ° C., respectively, and an infrared absorption spectrum diagram of an FSG film to be measured. That is, FIGS. 4A to 4C show infrared absorption spectrum patterns SPT of three FSG films having different film formation temperatures shown in FIG.1 , SPT2 , SPTThree FIG. 4 (d) shows an infrared absorption spectrum pattern SPT of the film to be measured shown in FIG. 3 (b).A This is a specific example.
[0047]
Next, three reference infrared absorption spectrum patterns SPT are obtained by pattern analysis.1 , SPT2 , SPTThree And infrared absorption spectrum pattern SPT of the film to be measuredA The sum of squares of deviation fromi 2(1)
Χi 2= Σ (SPTi -SPTA )2                           (1)
Ask from. Σ (SPT on the right side of equation (1)i -SPTA )2 Is the sum of squares of the difference in absorption at each wavelength between the infrared absorption spectrum pattern for reference and the infrared absorption spectrum pattern of the film to be measured, and is the sum of squares of each wavelength, the sum of the squares of the deviations. And Χ of formula (1)i 2The difference between the maximum absorption value of the peak portion between the infrared absorption spectrum pattern for reference and the infrared absorption spectrum pattern of the film to be measured, the difference in wavelength indicating the maximum absorption value, and the peak O, A pattern shift caused by a difference in the F interval is included.
[0048]
As a result, as shown in FIG.1 2, Χ2 2, ΧThree 23 points are required.1 2, Χ2 2, ΧThree 2Curve L passing throughA (In this example, a quadratic curve is used for simplicity). Therefore, this curve LA The square sum of the deviation from2 Temperature T that minimizesA And this temperature is estimated as the film formation temperature of the FSG film. Hereinafter, this procedure will be specifically described with reference to examples.
[0049]
FIGS. 12A and 12B are a table showing an example of the setting contents of the constructed database and a diagram showing the calculation results, respectively. The solution in the PLS method is obtained by a numerical calculation method using a computer, and the accuracy of the temperature in a special database obtained by performing multiple regression analysis by the PLS method and the accuracy of the PLS model of the database approaches 1.0. This is a method of adjusting parameters. According to the result of numerical calculation performed by the inventor this time, the maximum wave number is 1600 cm.-1Minimum wave number from 700cm-1When the number of division points of the infrared absorption spectrum was set to 467 points, the accuracy (Correct Coefficient) was the highest, and an accuracy of 0.98 could be obtained.
[0050]
FIG. 13 is a table showing the verification results of the temperature in the constructed database and the analysis temperature. The figure shows the temperature in the database (spectrum pattern SPT shown in FIG. 3 (a)).i Deposition temperature T corresponding toi Analysis temperature (deposition temperature T shown in FIG. 3C)A ), Difference (difference between database temperature and analysis temperature), error rate (quotient obtained by dividing difference by database temperature, multiplied by 100), spectral residual (FIG. 3 (c)) Inner pot2 And the reliability of the analysis value is displayed.
[0051]
In the figure, smaller values of spectral residuals and analysis values are preferable, and the reliability of analysis temperature is higher. As shown in the figure, since the numerical values indicating the reliability of the spectral residual and the analysis temperature are sufficiently small with respect to the set temperature in the database, it can be determined that there is no problem in practice. Furthermore, as a result of verification using the database created this time, an error rate of the film formation temperature of the FSG film is ± 1.0% or less. That is, a PLS model capable of estimating the temperature with an accuracy of ± 1.0% or less in the temperature range of 384.2 ° C. to 504.5 ° C. can be obtained from the present calculation result.
[0052]
-Second Embodiment-
In the above-described example, in order to facilitate understanding, the method for estimating only the film formation temperature as a parameter has been described. However, in the actual process, the film thickness and impurity concentration (for example, fluorine concentration) of the thin film to be formed are not constant, and there are variations in these parameters between wafers and within wafers. Then, the estimation accuracy of the film formation temperature may be deteriorated due to variations in film thickness, impurity concentration, and the like. Therefore, in an actual process, it is necessary to perform multivariate analysis including parameters such as film thickness and impurity concentration even if the purpose is to estimate the film formation temperature.
[0053]
Next, a method for estimating multidimensional parameters including not only the film forming temperature of the thin film but also the film quality and film thickness will be described. Here, an infrared absorption spectrum pattern of an FSG film formed by an HDP-CVD apparatus will be described as an example.
[0054]
FIG. 5 is a diagram showing a database construction method comprising infrared absorption spectrum patterns of FSG films. First, as film formation conditions for determining the film quality of the FSG film, the film formation temperature of the HDP-CVD apparatus, the fluorine concentration contained in the FSG film, and the film thickness of the FSG film each have a plurality of conditions (for example, three types). Create a matrix of the set deposition conditions. An FSG film is formed under all conditions of the matrix, an infrared absorption spectrum is measured by the FT-IR method, and a database of infrared absorption spectrum patterns is constructed.
[0055]
In the example shown in FIG. 5, three types of film thicknesses of 300 nm, 600 nm, and 900 nm, three types of film forming temperatures of 370 ° C., 430 ° C., and 490 ° C., and three types of fluorine concentrations of 0.4%, 1.4%, A total of 27 infrared absorption spectrum patterns are stored in a database for 2.4%. Also, the figure shows an infrared absorption spectrum pattern for conditions k2 and k3 where the film thickness is 600 nm, the film formation temperature is about 370 ° C., and the fluorine concentrations are about 1.4% and 2.4%, respectively. ing.
[0056]
Next, the film thickness, film formation temperature, and fluorine concentration of the film to be measured are calculated from the infrared absorption pattern indicated by the film to be measured using a large number of databases as shown in FIG. At that time, by performing multivariate analysis in the same procedure as shown in FIGS. 3A and 3B, the sum of squares of the deviation as shown in FIG. 3C is finally obtained in the multidimensional space. Numerous dots to showi 2Is obtained. In this case, since it is necessary to perform analysis in a multidimensional space, a graph display as shown in FIG. And these many pointsi 2The film thickness, film formation temperature, and fluorine concentration at the point showing the minimum value in this multidimensional figure are determined as the film thickness, film formation temperature, and fluorine concentration of the film to be measured. Will be calculated.
[0057]
Instead of the above estimation method, three graphs are created with the horizontal axis representing the film formation temperature, film thickness, and fluorine concentration.i 2It is also possible to approximate the horizontal axis position indicating the minimum value of the quadratic curve passing through the film formation temperature, film thickness, and fluorine concentration of the film to be measured.
[0058]
As described above, using the solution model of multivariate analysis technology based on pattern recognition, the infrared absorption spectrum pattern of the film to be measured is estimated to be close to which infrared absorption spectrum pattern of the constructed database, and multivariate analysis is performed. The film formation temperature, fluorine concentration, and film thickness can be determined by technology.
[0059]
FIG. 6 is a flowchart showing a procedure for estimating the film formation temperature of the film to be measured (FSG film) by multivariate analysis.
[0060]
First, in step ST11, a reference infrared absorption spectrum pattern (for example, patterns for 27 conditions shown in FIG. 6) is created and stored in a storage device as a database.
[0061]
Next, in step ST12, the infrared absorption pattern of the film to be measured is measured by the FT-IR method. However, methods other than the FT-IR method can be used to measure the infrared absorption pattern in the present invention.
[0062]
Next, multivariate analysis is performed in step ST13. In the example shown in FIGS. 2A to 2C, three reference infrared absorption spectrum patterns SPT are used.1 , SPT2 , SPTThree And infrared absorption spectrum pattern SPT of the film to be measuredA Χ equivalent to the sum of squared deviationsi 2However, in the present embodiment, an analysis is performed in which the squares of the deviations of the absorption values at the respective wavelengths of the 27 reference infrared absorption spectrum patterns and the infrared spectrum pattern of the film to be measured are integrated for each wavelength (multiple Variable analysis).
[0063]
Next, in step ST14, the film formation temperature and the like are calculated based on the pattern analysis result. In the first embodiment, the three dots shown in FIG.1 2, Χ2 2, ΧThree 2Curve L passing throughA The square sum of the deviation from2 Temperature T that minimizesA This temperature is calculated as the film formation temperature of the FSG film. In this embodiment, in the multi-dimensional space, 27 dots indicating the sum of squares of deviation as shown in FIG.i 2Each pointi 2A multidimensional figure that is most likely to pass through is obtained, and the film formation temperature at the point indicating the minimum value of the multidimensional figure is calculated as the film formation temperature of the film to be measured.
[0064]
FIG. 7 shows the correlation between the film formation temperature of the HDP-CVD apparatus estimated by the method of the present embodiment and the film formation temperature measured by a method applying the method described in the above-mentioned International Publication WO99 / 57146. FIG. Here, when the method described in the above-mentioned WO99 / 57146 is used, it is difficult to grasp the recovery rate of the amorphous layer at 500 ° C. or lower, so another method using this method is used. As shown in FIG. 7, the film forming temperature of the present invention and the film forming temperature obtained by applying the conventional method have a substantially 1: 1 correlation, and the HDP-IR method by the FT-IR method is obtained. It can be seen that the measurement result of the film forming temperature of the CVD apparatus is good.
[0065]
According to the present embodiment, it is possible to accurately measure the film forming temperature of the thin film by performing multivariate analysis using the FT-IR method with the film thickness, impurity concentration, film forming temperature and the like as parameters. . In particular, as described above, in the method described in International Publication No. WO99 / 57146, it is difficult to measure the film forming temperature in the range of 500 ° C. or lower, but in the method of the present invention, the range of 500 ° C. or lower. In addition, there is an advantage that the film forming temperature can be measured easily and quickly (specifically, about 2 to 3 minutes).
[0066]
However, the range of the film formation temperature that can be measured by the temperature measurement according to the present invention is not limited to 500 ° C. or less. The film formation temperature can be measured even in a lower temperature range including the temperature range almost the same as the method described in International Publication WO99 / 57146. The present invention has a remarkable effect that temperature measurement can be performed in a process temperature range of 350 ° C. to 500 ° C., which is performed in a wiring process of a semiconductor device, in recent years, as the temperature of a semiconductor process is decreasing. It can be demonstrated.
[0067]
In this method, the deposition temperature can be easily measured from the in-line conditions of the infrared absorption spectrum while using the deposition apparatus under the same conditions as the process. The film forming temperature can be measured for the film forming process.
[0068]
-Third embodiment-
Next, as an application example of the thin film evaluation method according to the present invention, a method for manufacturing a thin semiconductor device on a production line will be described.
[0069]
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device formed in the third embodiment. The silicon substrate 11 is provided with a trench isolation region 12 for partitioning the active region, and a large number of MISFETs 13 are provided in the active region surrounded by the trench isolation region 12. Silicide layers 14a and 14b formed by a salicide process are respectively provided on source / drain regions (not shown) and gate electrodes of each MISFET 13.
[0070]
In the manufacturing method of this embodiment, first, a first interlayer insulating film 20 made of a BPSG film is deposited on a silicon substrate 11 on which a large number of MISFETs 13 are provided. The thickness of the first interlayer insulating film 20 is about 800 nm.
[0071]
Next, contact holes that penetrate through the first interlayer insulating film 20 and reach the silicide layers 14a and 14b of the source / drain regions and the gate electrodes are formed, and the contact holes are filled with tungsten (W) and plugged. 24 is formed. Although the plug on the gate electrode is not shown in FIG. 8, the plug connected to the gate electrode is provided on a cross section different from the cross section shown in FIG. Each plug 24 has a diameter of about 0.25 μm.
[0072]
Next, after depositing an Al film on the first interlayer insulating film 20, the Al film is patterned to form Al wirings 33 (first-layer wirings) connected to the plugs. The thickness of the Al wiring 33 is about 400 nm. Thereafter, a second interlayer insulating film 30 is deposited on the first interlayer insulating film 20 and the Al wiring 33. The second interlayer insulating film 30 includes a lower film 31 made of an FSG film and an upper film 32 made of a P-TEOS film (plasma TEOS film). The thickness of the lower film 31 is about 500 nm, and the thickness of the upper film 32 is about 300 nm.
[0073]
Here, in the present invention, before the lower film 31 of the second interlayer insulating film 30 is deposited, an infrared beam is incident on a region (measurement region) to be measured on the wafer, and the entire substrate serving as a base of the lower film 31 is formed. The infrared absorption spectrum of is measured. Then, the lower film 31 is deposited by HDP-CVD. At this time, the film forming conditions of the lower film 31 made of the FSG film are as follows: the chamber internal pressure of the film forming apparatus is 6 mTorr (about 0.8 Pa), the RF power of the plasma CVD apparatus is 900 W / 2300 W, the bias power is 2350 W, He pressure is 2 mTorr (about 0.27 Pa) on the IN side, the argon gas TOP flow rate is 9 (ml / min), the argon gas SIDE flow rate is 46 (ml / min), and the oxygen TOP flow rate is 53 (ml / min). min), SIDE flow rate of oxygen is 73 (ml / min), TOP flow rate of silane is 4 (ml / min), SIDE flow rate of silane is 40 (ml / min), and flow rate of tetrafluorosilane is 28 ml / min) It is.
[0074]
Then, after depositing the lower film 31, infrared rays are incident on the measurement area of the wafer, and the infrared absorption spectrum is measured. Then, the infrared absorption spectrum of the lower film 31 alone is measured from the difference between both infrared absorption spectra. Furthermore, using the infrared absorption spectrum pattern for reference (see FIG. 5) described in the second embodiment, multivariate analysis of the infrared absorption spectrum pattern of the lower film 31 using the film formation temperature, the film thickness, and the fluorine concentration as parameters. To do. As a result, the film formation temperature, film thickness, and fluorine concentration of the lower film 31 can be measured to determine whether or not the deposition conditions of the lower film 31 are appropriate.
[0075]
Next, after depositing the upper film 32 of the second interlayer insulating film 30, a via hole reaching the Al wiring 33 on the first interlayer insulating film 20 is formed in the second interlayer insulating film 30, and the via hole is made of tungsten. Filled with (W), the plug 34 is formed. The thickness of the upper film 32 of the second interlayer insulating film 30 is about 300 nm, and the diameter of the plug 34 is about 0.3 μm.
[0076]
Thereafter, an Al wiring 43 (second-layer wiring) and a third interlayer insulating film 40 are formed on the second interlayer insulating film 30 by the same procedure as described above. The third interlayer insulating film 40 includes a lower film 41 made of an FSG film and an upper film 42 made of a P-TEOS film. When the lower film 41 is formed, the third interlayer insulating film 40 uses multiple infrared absorption spectra. Perform variable analysis to manage film formation temperature, film thickness, fluorine concentration, etc.
[0077]
Thereafter, an Al wiring 53 (third layer wiring) and a fourth interlayer insulating film 50 are formed on the third interlayer insulating film 40 by the same procedure as described above. The fourth interlayer insulating film 50 has a lower film 51 made of an FSG film and an upper film 52 made of a P-TEOS film. When the lower film 51 is formed, the fourth interlayer insulating film 50 uses multiple infrared absorption spectra. Perform variable analysis to manage film formation temperature, film thickness, fluorine concentration, etc.
[0078]
Thereafter, an Al wiring 63 (fourth layer wiring) and a passivation film 60 made of a P-SiN film are formed on the fourth interlayer insulating film 50.
[0079]
In this embodiment, the first interlayer insulating film 20 made of a BPSG film, the upper films 32, 42, 52 of the second to fourth interlayer insulating films made of a P-TEOS film, and the P-SiN film When measuring the deposition temperature of the passivation film 60, the multivariate analysis using the infrared absorption spectrum is not performed. The reason is that the BPSG film, the P-TEOS film, and the P-SiN film use not a HDP-CVD apparatus that uses high-density plasma but a CVD apparatus that uses normal plasma or thermal reaction. Since there is no mechanism for electrostatic chucking and cleaning with He on the backside of the wafer like a CVD device, for example, by embedding a thermocouple in the lower electrode of a normal plasma CVD device and measuring the temperature of the lower electrode This is because the wafer temperature can be indirectly measured. However, when forming a BPSG film, a P-TEOS film, a P-SiN film, etc., by performing multivariate analysis using an infrared absorption spectrum, the impurity concentration (boron, phosphorus, etc. in the BPSG film) Since thickness can also be measured, process control can be performed strictly.
[0080]
Moreover, since the trench isolation region 12 may also be configured by USG (Undoped Silicate Glass) deposited using an HDP-CVD apparatus, multivariate analysis using an infrared absorption spectrum can be performed.
[0081]
FIG. 9 is a flowchart showing a processing procedure before and after the formation of the FSG film in the manufacturing process of the present embodiment.
[0082]
First, in step ST21, the infrared absorption spectrum of the base wafer is measured. This base wafer is a wafer in which the first interlayer insulating film 20 and the plug 24 are already formed when the lower film 31 of the second interlayer insulating film 30 is formed. When the lower film 41 is formed, the second interlayer insulating film 30 and the plug 34 are already formed on the wafer, and when the lower film 51 of the fourth interlayer insulating film 50 is formed, the third interlayer insulating film 30 and the plug 34 are formed. The interlayer insulating film 40 and the plug 44 are already formed on the wafer.
[0083]
Next, in step ST22, an FSG film (in this example, the lower films 31, 41, and 51) is deposited using the HDP-CVD apparatus under the above-described conditions.
[0084]
Next, in step ST23, the infrared absorption spectrum of the wafer after the FSG film is deposited is measured. That is, the absorption spectrum of infrared rays that have passed through the FSG film and the underlying wafer is measured.
[0085]
Next, in step ST24, the difference between the infrared absorption spectrum measured in step ST23 and the infrared absorption spectrum measured in step ST21 is calculated for each wavelength to create an infrared absorption spectrum pattern of the FSG film alone. .
[0086]
Next, in step ST25, by using a reference infrared absorption spectrum pattern (for example, a number of spectrum patterns having parameters such as film formation temperature, film thickness, and fluorine concentration as shown in FIG. 5) stored in the database in advance, Multivariate analysis is performed by the method described in the second embodiment. As a result, a graph or function in which the curve shown in FIG. 3C is replaced with a multidimensional figure or a multidimensional function is obtained.
[0087]
Next, in step ST26, from the multidimensional function or multidimensional figure obtained in step ST25, the film formation temperature, film thickness, fluorine concentration, etc. of the FSG film giving the minimum value are estimated.
[0088]
Next, in step ST27, it is determined whether or not the film formation temperature, film thickness, and fluorine concentration estimated in step ST26 are within appropriate ranges. If the deposition temperature is too low, the contact state (specifically, contact resistance) between the plug formed in the interlayer insulating film below the FSG film and the lower conductor layer in contact with the plug may be deteriorated. is there. Further, when the film forming temperature is too low, there are the following problems.
[0089]
FIG. 10 is a diagram showing the deposition temperature dependence of the etching rate of the FSG film. In the figure, the vertical axis represents the etching rate as the etching rate ratio with the thermal oxide film. As shown in the figure, if the film formation temperature is too low, the etching rate becomes high, so that it is difficult to manage the etching time and the like in the process. That is, when the etching rate of the thin film is increased, problems such as over-etching occur.
[0090]
In other words, the etching rate can be incorporated into the parameters of the multivariate analysis as the film quality of the FSG film or the like.
[0091]
On the other hand, if the deposition temperature is too high, the characteristics of the Al film already formed below the FSG film may be deteriorated. Therefore, there is an appropriate range for the film formation temperature of the FSG film. In this example, it is preferable that the FSG film is in the range of 380 ° C. to 480 ° C. If the film thickness is too large, it becomes difficult to form via holes and plugs. If the film thickness is too thin, the capacitance between the wirings sandwiching the interlayer insulating film increases or the insulating properties of the interlayer insulating film deteriorate. Since there is a possibility, there is an appropriate range for the film thickness. Furthermore, if the fluorine concentration is too low, the relative dielectric constant of the interlayer insulating film cannot be made sufficiently small, and if the fluorine concentration is too high, the Al film may peel off due to diffusion of F. There is a range.
[0092]
As a result, if the film formation temperature, film thickness, fluorine concentration, etc. are in the proper range, the process proceeds to the next step as it is, while if the film formation temperature, film thickness, fluorine concentration, etc. are not in the appropriate range, the process proceeds to step ST27. Then, after changing the conditions in HDP-CVD, the FSG film is removed by etching, and the FSG film is deposited again.
[0093]
In addition, after the condition change in step ST27, the process may proceed to the next process as it is. Even in this case, when the lower film 41 of the third interlayer insulating film 40 is formed after the lower film 31 of the second interlayer insulating film 30 is formed, the FSG film is deposited under appropriate conditions. Can do.
[0094]
As described above, in the process of the semiconductor device, it becomes easy to maintain parameters such as the film formation temperature, the film thickness, and the fluorine concentration of the FSG film within an appropriate range, so that the management of the manufacturing process of the semiconductor device can be strictly and easily performed. Can be done. In addition, the yield can be improved by re-forming the thin film.
[0095]
In addition, although the infrared absorption spectrum of the FT-IR method shown in FIG. 1 showed the data of the infrared absorption spectrum of only the FSG film formed with the HDP-CVD apparatus, the infrared absorption obtained by synthesizing the FSG film and the silicon substrate. Even in the case of the spectrum, it has been confirmed that the film formation temperature of the HDP-CVD apparatus can be measured as in FIG.
[0096]
Furthermore, according to this method, only the infrared absorption spectrum component of the thin film can be detected by calculating the difference, so that not only the in-line monitor but also the deposition temperature of an actual device having a complicated back surface structure of the substrate can be accurately determined. Can be measured.
[0097]
In each of the above embodiments, the FSG film formed by the HDP-CVD apparatus has been described. However, other silicon oxide films such as a phosphorus-added silicon oxide film (PSG film) or a boron / phosphorus-added silicon oxide film are used. (BPSG film), silicon nitride film, etc. can also be applied. Further, although the HDP-CVD apparatus has been described for forming the silicon oxide film such as the FSG film, other film forming apparatuses such as a normal plasma CVD apparatus (P-CVD) and a low pressure CVD apparatus (LP-CVD) are used. It can also be applied to the case where a film is formed using the above.
[0098]
-Fourth Embodiment-
In the present embodiment, a method for measuring the temperature in the chamber using measurement of the film formation temperature will be described.
[0099]
As described above, since the film formation temperature can be measured using an infrared absorption spectrum of an FSG film or the like, the temperature of the chamber can be measured. If the temperature of the chamber is known, it can be used not only for CVD but also for various processes in the manufacturing process of the semiconductor device.
[0100]
Conventional temperature measurement in a chamber has been performed by a temperature sensor attached to the back surface of a wafer with a thermocouple. However, even if a wafer with a thermocouple is used, the temperature on the back surface of the wafer can be determined, but the temperature on the surface of the wafer, that is, the actual temperature at which the amorphous region is subjected to heat treatment cannot be measured. Also, there is a limit to the temperature measurement range, and it becomes difficult to measure at a certain high temperature.
[0101]
Moreover, in the case of the technique described in the above-mentioned conventional international publication WO99 / 57146, when it becomes 500 degrees C or less, the recovery rate from an amorphous state will become unknown. This is because at a low temperature, recovery from the amorphous state ends at an extremely early stage, and recovery does not proceed even if more time is spent.
[0102]
On the other hand, in the case of the method using the infrared absorption spectrum of the present invention, there is an advantage that measurement can be performed at any temperature within the temperature range where CVD is possible. In particular, it can be said that the effect is large in the range of 500 ° C. or less, which is difficult to measure with the technique described in International Publication WO99 / 57146.
[0103]
FIG. 11 is data showing the temperature distribution in the wafer surface obtained for the FSG film formed using the HDP-CVD apparatus. Since the infrared beam has a diameter of about 5 mm, infrared absorption spectra can be measured at a number of locations in the wafer. In that case, it is necessary that the location where the infrared absorption spectrum is measured for the wafer before forming the film and the location where the infrared absorption spectrum is measured after forming the film are almost the same, but the current infrared The positioning accuracy of the measuring device has been greatly improved, so there were no practical problems.
[0104]
As shown in the figure, the temperature distribution in the wafer surface can be measured by performing multivariate analysis using the infrared absorption spectrum of the present invention. Temperature distribution can be measured. The wafer used for this temperature measurement may be a product wafer flowing in a production line or a management wafer used for process management.
[0105]
-Other embodiments-
In each of the above embodiments, the film to be measured was evaluated by injecting infrared light into the film to be measured and measuring the infrared absorption spectrum by the FT-IR method. The present invention can also be applied when measuring an absorption spectrum for observing a bonding state between atoms constituting a thin film by using infrared spectroscopy, laser Raman spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, or the like.
[0106]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the film formation temperature and film characteristics can be measured from the in-line monitor of the film formation apparatus, the film formation temperature can be measured for all film formation processes without reducing productivity. Become.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are an infrared absorption spectrum diagram of an FSG film by an FT-IR method and an enlarged view of the vicinity of a peak portion, respectively.
FIG. 2 is a table showing the wavelength and the maximum absorption value showing the maximum absorption at the peak in the infrared absorption spectrum shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b).
FIGS. 3A to 3C are diagrams showing a reference infrared absorption spectrum diagram, an infrared absorption spectrum diagram of a film to be measured, and a film formation temperature determination method by a PLS method, respectively.
FIGS. 4A to 4D are an infrared absorption spectrum diagram of an FSG film formed at 380 ° C., 430 ° C., and 480 ° C., respectively, and an infrared absorption spectrum diagram of an FSG film to be measured. .
FIG. 5 is a diagram showing a database construction method composed of infrared absorption spectrum patterns of FSG films.
FIG. 6 is a flowchart showing a procedure for estimating a film formation temperature of a film to be measured (FSG film) by multivariate analysis.
FIG. 7 is a diagram showing a correlation between the film formation temperature of the HDP-CVD apparatus estimated by the method of the second embodiment and the film formation temperature measured by a method using a conventional method.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a structure of a semiconductor device formed in a third embodiment.
FIG. 9 is a flowchart showing a processing procedure before and after forming an FSG film in the manufacturing process of the third embodiment.
FIG. 10 is a diagram showing the dependence of the etching rate of the FSG film on the deposition temperature.
FIG. 11 is data showing a temperature distribution in a wafer surface obtained for an FSG film formed using an HDP-CVD apparatus.
FIGS. 12A and 12B are a diagram illustrating an example of setting contents of a constructed database in a table and a diagram illustrating calculation results, respectively.
FIG. 13 is a table showing the verification results of the temperature in the constructed database and the analysis temperature.
[Explanation of symbols]
11 Silicon substrate
12 Trench isolation region
13 MISFET
14 Silicide layer
20 First interlayer insulating film
24 plug
30 Second interlayer insulating film
31 Lower membrane
32 Upper membrane
33 Al wiring
34 plug
40 Third interlayer insulating film
41 Lower membrane
42 Upper membrane
43 Al wiring
44 plug
50 Fourth interlayer insulating film
51 Lower membrane
52 Upper membrane
53 Al wiring
54 plug
60 Passivation film
63 Al wiring

Claims (15)

膜が形成された基板に電磁波を入射して上記電磁波の吸収スペクトルを測定するステップ(a)と、
上記吸収スペクトルの形状から上記膜の成膜温度を算出するステップ(b)とを備え
上記ステップ(b)では、上記吸収スペクトルにおける吸収ピークのピーク高さの変化とピーク位置のシフトとから上記成膜温度を算出することを特徴とする温度測定方法。
(A) measuring an absorption spectrum of the electromagnetic wave by making the electromagnetic wave incident on the substrate on which the film is formed;
(B) calculating a film forming temperature of the film from the shape of the absorption spectrum ,
In the step (b), the film forming temperature is calculated from the change in the peak height of the absorption peak and the shift of the peak position in the absorption spectrum .
膜が形成された基板に電磁波を入射して上記電磁波の吸収スペクトルを測定するステップ(a)と、  (A) measuring an absorption spectrum of the electromagnetic wave by making the electromagnetic wave incident on the substrate on which the film is formed;
上記吸収スペクトルの形状から上記膜の成膜温度を算出するステップ(b)とを備え、  (B) calculating a film forming temperature of the film from the shape of the absorption spectrum,
上記膜はフッ素添加シリコン酸化膜であり、  The film is a fluorine-added silicon oxide film,
上記ステップ(b)では、上記吸収スペクトルにおける酸化シリコン(SiO  In step (b), silicon oxide (SiO 22 )の吸収ピークとフッ化シリコン(SiF)の吸収ピークとの間隔の変化から上記成膜温度を算出することを特徴とする温度測定方法。The film formation temperature is calculated from the change in the interval between the absorption peak of) and the absorption peak of silicon fluoride (SiF).
請求項1又は2に記載の温度測定方法において、
上記ステップ(a)では、上記電磁波として赤外線を入射し、
上記ステップ(b)では、上記赤外線の吸収スペクトルの形状から上記成膜温度を算出することを特徴とする温度測定方法。
In the temperature measuring method according to claim 1 or 2 ,
In the step (a), infrared light is incident as the electromagnetic wave,
In the step (b), the film forming temperature is calculated from the shape of the infrared absorption spectrum.
請求項記載の温度測定方法において、
予め、膜の成膜温度に対応させて参照用赤外線吸収スペクトルを複数個準備しておき、
上記ステップ(b)では、上記参照用赤外線吸収スペクトルと、上記膜の上記赤外線吸収スペクトルとを比較して、上記成膜温度を算出することを特徴とする温度測定方法。
The temperature measuring method according to claim 3 , wherein
Prepare in advance a plurality of reference infrared absorption spectra corresponding to the film formation temperature,
In the step (b), the film forming temperature is calculated by comparing the reference infrared absorption spectrum with the infrared absorption spectrum of the film.
請求項記載の温度測定方法において、
上記ステップ(b)では、上記参照用赤外線吸収スペクトルと上記赤外線吸収スペクトルとの形状に基づいて多変量解析を行なって、上記成膜温度を算出することを特徴とする温度測定方法。
The temperature measuring method according to claim 4 , wherein
In the step (b), a multivariate analysis is performed based on the shapes of the reference infrared absorption spectrum and the infrared absorption spectrum to calculate the film formation temperature.
膜が形成された基板に赤外線を入射して上記赤外線吸収スペクトルを測定するステップ(a)と、  Step (a) of measuring the infrared absorption spectrum by making infrared rays incident on the substrate on which the film is formed;
上記赤外線吸収スペクトルの形状から上記膜の成膜温度を算出するステップ(b)とを備え、  (B) calculating a film formation temperature of the film from the shape of the infrared absorption spectrum,
上記膜はフッ素添加シリコン酸化膜であって、  The film is a fluorine-added silicon oxide film,
予め、膜の成膜温度に対応させて参照用赤外線吸収スペクトルを複数個準備しておき、  Prepare in advance a plurality of reference infrared absorption spectra corresponding to the film formation temperature,
上記ステップ(b)では、上記参照用赤外線吸収スペクトル及び上記膜の上記赤外線吸収スペクトル間のピーク部の最大吸収値の差と、最大吸収値を示す波長の差と、酸化シリコン(SiO  In the step (b), the difference in peak maximum absorption value between the reference infrared absorption spectrum and the infrared absorption spectrum of the film, the difference in wavelength indicating the maximum absorption value, and silicon oxide (SiO 2) 22 )の吸収ピークとフッ化シリコン(SiF)の吸収ピークとの間隔の差とに起因するパターンのずれを比較して、上記成膜温度を算出することを特徴とする温度測定方法。) And the difference in spacing between the absorption peak of silicon fluoride (SiF) and the difference in pattern due to the difference between the absorption peaks of silicon fluoride (SiF), the film formation temperature is calculated.
請求項6記載の温度測定方法において、  The temperature measuring method according to claim 6, wherein
上記ステップ(b)では、上記パターンのずれに基づいて多変量解析を行なって、上記成膜温度を算出することを特徴とする膜の評価方法。  In the step (b), the film evaluation method is characterized in that the film formation temperature is calculated by performing multivariate analysis based on the shift of the pattern.
請求項3〜7のうちいずれか1つに記載の温度測定方法において、
上記ステップ(a)では、上記膜及び基板の赤外線吸収スペクトルから予め測定しておいた上記基板の赤外線吸収スペクトルを差し引くことにより、上記膜のみの赤外線吸収スペクトルを求めることを特徴とする温度測定方法。
In the temperature measuring method according to any one of claims 3 to 7 ,
In the step (a), the infrared absorption spectrum of only the film is obtained by subtracting the infrared absorption spectrum of the substrate measured in advance from the infrared absorption spectrum of the film and the substrate. .
請求項1〜8のうちいずれか1つに記載の温度測定方法において、
上記ステップ(a)では、予め、上記基板を成膜装置内に配置して、上記基板上に上記膜を形成し、
上記ステップ(b)では、上記膜の成膜温度を上記成膜装置内の温度として算出することを特徴とする温度測定方法。
In the temperature measuring method according to any one of claims 1 to 8 ,
In the step (a), the substrate is previously placed in a film forming apparatus, and the film is formed on the substrate.
In the step (b), the temperature measuring method is characterized in that a film forming temperature of the film is calculated as a temperature in the film forming apparatus.
膜を構成要素として有する半導体装置の製造方法であって、
成膜装置内に配置された下地ウエハ上に上記膜を形成するステップ(a)と、
上記膜が形成されたウエハに赤外線を入射して赤外線吸収スペクトルを測定するステップ(b)と、
上記赤外線吸収スペクトルの形状から上記膜の成膜温度を算出するステップ(c)と、
上記ステップ(c)で算出された上記成膜温度に応じて上記成膜装置の設定条件を制御するステップ(d)とを備え、
上記ステップ(c)では、上記赤外線吸収スペクトルにおける吸収ピークのピーク高さの変化とピーク位置のシフトとから上記成膜温度を算出することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device having a film as a component,
A step (a) of forming the film on a base wafer disposed in a film forming apparatus;
Step (b) of measuring infrared absorption spectrum by making infrared rays incident on the wafer on which the film is formed;
Calculating the film formation temperature of the film from the shape of the infrared absorption spectrum; and
(D) controlling the setting conditions of the film forming apparatus according to the film forming temperature calculated in the step (c) ,
In the step (c), the film formation temperature is calculated from the change in the peak height of the absorption peak and the shift of the peak position in the infrared absorption spectrum .
膜を構成要素として有する半導体装置の製造方法であって、  A method of manufacturing a semiconductor device having a film as a component,
成膜装置内に配置された下地ウエハ上に上記膜を形成するステップ(a)と、  A step (a) of forming the film on a base wafer disposed in a film forming apparatus;
上記膜が形成されたウエハに赤外線を入射して赤外線吸収スペクトルを測定するステップ(b)と、  Step (b) of measuring infrared absorption spectrum by making infrared rays incident on the wafer on which the film is formed;
上記赤外線吸収スペクトルの形状から上記膜の成膜温度を算出するステップ(c)と、  Calculating the film formation temperature of the film from the shape of the infrared absorption spectrum; and
上記ステップ(c)で算出された上記成膜温度に応じて上記成膜装置の設定条件を制御するステップ(d)とを備え、  (D) controlling the setting conditions of the film forming apparatus according to the film forming temperature calculated in the step (c),
上記膜はフッ素添加シリコン酸化膜であり、  The film is a fluorine-added silicon oxide film,
上記ステップ(c)では、上記赤外線吸収スペクトルにおける酸化シリコン(SiO  In the step (c), silicon oxide (SiO2) in the infrared absorption spectrum is used. 22 )の吸収ピークとフッ化シリコン(SiF)の吸収ピークとの間隔の変化から上記成膜温度を算出することを特徴とする温度測定方法。The film formation temperature is calculated from the change in the interval between the absorption peak of) and the absorption peak of silicon fluoride (SiF).
請求項10又は11に記載の半導体装置の製造方法において、
予め、膜の成膜温度に対応させて参照用赤外線吸収スペクトルを複数個準備しておき、
上記ステップ(c)では、上記参照用赤外線吸収スペクトルと、上記ステップ(b)で測定された上記膜の上記赤外線吸収スペクトルとを比較して、上記成膜温度を算出することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 10 or 11 ,
Prepare in advance a plurality of reference infrared absorption spectra corresponding to the film formation temperature,
In the step (c), the film formation temperature is calculated by comparing the infrared absorption spectrum for reference with the infrared absorption spectrum of the film measured in the step (b). Device manufacturing method.
請求項12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、上記参照用赤外線吸収スペクトルと上記赤外線吸収スペクトルとの形状に基づいて多変量解析を行なって、上記成膜温度を算出することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 12 ,
In the step (c), a multivariate analysis is performed based on the shapes of the reference infrared absorption spectrum and the infrared absorption spectrum, and the film formation temperature is calculated.
膜を構成要素として有する半導体装置の製造方法であって、  A method of manufacturing a semiconductor device having a film as a component,
成膜装置内に配置された下地ウエハ上に上記膜を形成するステップ(a)と、  A step (a) of forming the film on a base wafer disposed in a film forming apparatus;
上記膜が形成されたウエハに赤外線を入射して赤外線吸収スペクトルを測定するステップ(b)と、  Step (b) of measuring infrared absorption spectrum by making infrared rays incident on the wafer on which the film is formed;
上記赤外線吸収スペクトルの形状から上記膜の成膜温度を算出するステップ(c)と、  Calculating the film formation temperature of the film from the shape of the infrared absorption spectrum; and
上記ステップ(c)で算出された上記成膜温度に応じて上記成膜装置の設定条件を制御するステップ(d)とを備え、  (D) controlling the setting conditions of the film forming apparatus according to the film forming temperature calculated in the step (c),
上記膜はフッ素添加シリコン酸化膜であって、  The film is a fluorine-added silicon oxide film,
予め、膜の成膜温度に対応させて参照用赤外線吸収スペクトルを複数個準備しておき、  Prepare in advance a plurality of reference infrared absorption spectra corresponding to the film formation temperature,
上記ステップ(c)では、上記参照用赤外線吸収スペクトル及び上記ステップ(b)で測定された上記膜の上記赤外線吸収スペクトル間のピーク部の最大吸収値の差と、最大吸収値を示す波長の差と、酸化シリコン(SiO  In the step (c), the difference between the maximum absorption value of the peak portion between the infrared absorption spectrum for reference and the infrared absorption spectrum of the film measured in the step (b), and the difference in wavelength indicating the maximum absorption value. And silicon oxide (SiO 22 )の吸収ピークとフッ化シリコン(SiF)の吸収ピークとの間隔の差とに起因するパターンのずれを比較して、上記成膜温度を算出することを特徴とする半導体装置の製造方法。) And the difference in spacing between the absorption peaks of silicon fluoride (SiF) and the difference in pattern caused by the difference between the patterns, the film formation temperature is calculated.
請求項14記載の半導体装置の製造方法において、  15. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 14,
上記ステップ(c)では、上記パターンのずれに基づいて多変量解析を行なって、上記成膜温度を算出することを特徴とする半導体装置の製造方法。  In the step (c), a multivariate analysis is performed based on the shift of the pattern, and the film formation temperature is calculated.
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