JP4421054B2 - 半導体薄膜の表面形状測定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体薄膜の表面形状を測定する方法に関し，特に半導体基板上に形成されるキャパシタ電極としてのポリシリコン膜の表面形状を測定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば，ＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメモリ）のようなメモリ素子は，多数のキャパシタを備えている。このようなメモリ素子に形成されるキャパシタは，半導体基板上に下方電極，誘電体膜及び上方電極を積層して構成されている。また近年，メモリ素子に形成されるキャパシタの容量の増大をはかるべく，ポリシリコン膜からなるキャパシタ電極の誘電体膜に対向する面を凹凸に形成して誘電体膜の表面積を増やすことが行われている。
【０００３】
ここで，キャパシタの蓄積電荷容量はキャパシタ電極の表面に形成される凹凸の程度によって左右されるため，キャパシタの蓄積電荷容量を一定にするためには，このようにキャパシタ電極の表面に形成される凹凸の程度を一定にしなければならない。このため，キャパシタ電極の表面形状を測定することが必要となる。
【０００４】
従来，このキャパシタ電極の表面形状を直接的に測定する代わりに，ポリシリコン膜の膜厚を測定する方法が採られている。一方，キャパシタ電極の表面形状を直接観察する場合は，ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）では観察が不可能であり，専らＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を使用して観察している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，ポリシリコン膜の膜厚を測定する方法では，キャパシタ容量と密接な関係にあるキャパシタ電極の表面形状を正確に知ることができない。このため，半導体素子の製造において極めて重要なキャパシタ電極の表面形状を管理する上で，例えばポリシリコン膜の膜厚に異常値が生じたような場合には，ポリシリコン膜の生成条件をどのように制御すれば良いか瞬時に判断できなくなってしまう。
【０００６】
一方，キャパシタ電極の表面形状をＳＥＭを使用して観察する方法は，非常に多くの時間と労力が必要であり，半導体素子の製造において生産性の低下を招く原因となっている。
【０００７】
本発明の目的は，ポリシリコン膜の如き半導体薄膜の表面形状を容易かつ短時間に測定できる方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために，請求項１の発明は，半導体基板の表面に形成された半導体薄膜の表面形状を測定する方法であって，半導体薄膜について、基板表面に平行な振動成分であるＳ偏光成分及び光の進行方向および当該Ｓ偏光成分に垂直な振動成分であるＰ偏光成分を所定の振幅比で含む光の入射に対する反射光のＳ偏光成分とＰ偏光成分との振幅の大きさの比を示すＴａｎ（ＰＳＩ）及び当該反射光のＳ偏光成分とＰ偏光成分との位相差を示すＤｅｌｔａに関し，分光エリプソメトリを用いてＴａｎ（ＰＳＩ）と測定波長の関係を示す第１のグラフと，Ｃｏｓ（Ｄｅｌｔａ）と測定波長の関係を示す第２のグラフと、を測定結果から作成する第１工程と，半導体基板の表面にそれぞれ所定の光学定数を有する薄膜材料がそれぞれ所定の膜厚で５層積層されているものと仮定し，Ｃａｕｃｈｙ Ｍｏｄｅｌのモデル関数に含まれる各係数を実測値から決定する第２工程と，第２工程で決定された各係数を有するＣａｕｃｈｙ Ｍｏｄｅｌのモデル関数の波長依存性を考慮し，各層の膜厚及び各層のＶｏｉｄ率をパラメータとして含むＴａｎ（ＰＳＩ），Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）のモデル関数を利用し，当該モデル関数によって波長毎に得られるＴａｎ（ＰＳＩ），Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）の値が，第１のグラフ及び第２のグラフに最も近くなるようにグラフフィッティングにより各層の膜厚及び各層のＶｏｉｄ率を決定する第３工程と，第３工程で決定された第ｋ層の膜厚Ｔ ｋ 及びＶｏｉｄ率Ｖ ｋ （ｋ＝１〜３）を下記の式（１）に代入してＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘを算出する第４工程と，を含み，
Ｘ＝（Ｔ１×Ｖ１＋Ｔ２×Ｖ２＋Ｔ３×Ｖ３）／（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３） ・・・ （１）
Ｔｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘとポリシリコン膜の表面形状との相関関係を表したグラフを利用して，第４工程で算出されたＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘから，５層で仮定した薄膜材料の層にできた凹凸の度合いを推定することを特徴としている。
この請求項１の発明において，半導体薄膜の表面形状とは，例えば半導体薄膜の表面積を示し，ＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメモリ）のような多数のキャパシタを備えたメモリ素子について言えば，キャパシタ容量，即ち実効膜厚の指標となるものを指す。
【０００９】
また，請求項２の発明は，半導体基板の表面に形成された半導体薄膜の表面にイソプロピルアルコールを一様に付着させ，半導体薄膜の表面から放出されるイソプロピルアルコールを定量分析し，当該定量分析によって得られたイソプロピルアルコールの検出量と，予め実験で得られた半導体薄膜の実効膜厚とイソプロピルアルコールの検出量との関係を表したグラフとを利用して，半導体薄膜の表面形状を測定することを特徴とする，半導体薄膜の表面形状測定方法である。
この請求項２の発明においても同様に，半導体薄膜の表面形状とは，例えば半導体薄膜の表面積を示し，ＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメモリ）のような多数のキャパシタを備えたメモリ素子について言えば，キャパシタ容量，即ち実効膜厚の指標となるものを指す。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の好ましい実施の形態を図面を用いて説明する。図１は，本発明の実施の形態に用いる半導体素子１の断面図である。半導体基板１１の表面（図１では上面）に熱酸化膜１２が例えば５０ｎｍ程度の厚さに成長され，その上に半導体薄膜としてのポリシリコン膜１３が成膜されている。
【００１１】
本発明の第１の実施の形態では，このような半導体素子１において，分光エリプソメトリを用いて，波長０．２５〜０．８５ｎｍの領域で測定することにより，Ｔａｎ（ＰＳＩ）と測定波長の関係を示すグラフ及びＣｏｓ（ＤＥＬＴＡ）と測定波長の関係を示すグラフを求める。エリプソメトリとは，物体の表面に楕円偏光であるレーザ光を入射し，その反射光である楕円偏光の状態変化（Ｔａｎ（ＰＳＩ），Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ））を求め，Ｔａｎ（ＰＳＩ），Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）によって物体表面の性質（膜厚，屈折率）を知る解析法である。分光エリプソメトリは０．２５〜０．８５ｕｍまでの波長領域で波長を任意に分割してＴａｎ（ＰＳＩ），Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）を求める点で，０．６３３ｕｍの波長にて測定を行うと単波長エリプソメトリとは異なる。分光エリプソメトリでは，試料となる半導体素子１を試料台に載置し，光を例えば偏光子及び１／４波長板を通過させた後に半導体素子１に入射させる。半導体素子１からの反射光を，例えば検光子を通過させた後に検出器に入射させる。
【００１２】
分光エリプソメトリ（エリプソメトリ膜厚計）において，半導体素子１の表面に入射した光は入射面に対して平行な反射係数と垂直な反射係数が存在し，測定値はこの係数比で表される。Ｔａｎ（ＰＳＩ）とＣｏｓ（ＤＥＬＴＡ）はこの係数比を指し，分光エリプソメトリでは全波長域での係数比が求められることから，Ｔａｎ（ＰＳＩ）とＣｏｓ（ＤＥＬＴＡ）は，後に説明する図３，４のような曲線であらわされる。即ち，物体の表面（試料面）に平行な振動成分であるＳ偏光成分と，光の進行方向およびＳ偏光成分に垂直な振動成分のＰ偏光成分との振幅比が等しい光を入射し，その後に，反射光の偏光状態を検出する。測定結果である振幅反射率比ρの大きさはＴａｎ（ＰＳＩ）で得られ，その位相はＣｏｓ（ＤＥＬＴＡ）で得られる。Ｔａｎ（ＰＳＩ）は，Ｐ偏光成分に対するＳ偏光成分の振幅の反射の比（振幅反射比）を示し，Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）は，Ｐ偏光成分とＳ偏光成分の位相差を示す。
【００１３】
また半導体素子１において，半導体基板１１の表面に５層の膜が積層されているとみなし，Ｃａｕｃｈｙ ｍｏｄｅｌのモデル関数において係数を最適化してポリシリコン膜１３の最適化を行い，前記Ｔａｎ（ＰＳＩ）と測定波長の関係を示すグラフ及びＣｏｓ（ＤＥＬＴＡ）と測定波長の関係を示すグラフにグラフフィッティングすることにより，前記５層の内の半導体薄膜の表面側から数えて第１層，第２層，第３層及び第４層までの各膜厚Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３及びＴ４と各Ｖｏｉｄ率Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３及びＶ４を求める。Ｃａｕｃｈｙ ｍｏｄｅｌのモデル関数は，Δｎ（λ）＝Ａ＋Ｂ／λ２（Δｎ：複屈折異方性，Ａ，Ｂ：定数，λ：測定光の波長）で与えられる。
【００１４】
図２に半導体基板１１の表面に積層された５層の膜の定義を示す。図２に示すように，半導体基板１１の表面において熱酸化膜１２の上に形成されたポリシリコン膜１３を４つの層に分け，熱酸化膜１２を第５層とする。ポリシリコン膜１３の表面側から数えて，第１層，第２層，第３層まではポリシリコンの粒（粗面粒）１４の部分であり，第４層は熱酸化膜１２とポリシリコン膜１３の遷移領域（ａ−Ｓｉ）である。ポリシリコン膜１３において第１層から第３層までは凹凸な構造であり，ポリシリコンの粒１４の周りの斜線部分１５は大気が存在し，Ｖｏｉｄを形成している。
【００１５】
Ｃａｕｃｈｙ ｍｏｄｅｌのように多項式近似を用いるモデルはこの他に，Ｓｅｌｌｍｅｉｅｒ ｍｏｄｅｌ，Ｌｏｒｅｎｔｚ ｍｏｄｅｌ，Ｄｒｕｄｅ ｍｏｄｅｌなどがあるが，本発明のように半導体基板１１の表面に積層された膜の光学定数が予め分かっている場合は，Ｃａｕｃｈｙ ｍｏｄｅｌを使用するのがよい。
【００１６】
係数の最適化とはグラフフィッティングと同義であり，グラフフィッティングとは，光学定数が分かっている既知の膜について，理論的に求めた（あるいは設定した）膜の光学定数を，実際に測定した結果にあてはめ，全波長域での光学定数を実測値に合せ込んだときの膜厚を求めることを意味する。具体的には，グラフフィッティングとは，ポリシリコン膜１３の標準モデルにおけるＴａｎ（ＰＳＩ）とＣｏｓ（ＤＥＬＴＡ）曲線が測定した膜の曲線により近づくように，標準モデルの各層の膜厚とＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎを変更して合せ込むことを意味する。このようにグラフフィッティングを行う場合，ポリシリコン膜１３の標準モデルが必要となるが，熱酸化膜１２上に標準条件で成膜したときのポリシリコン膜１３を標準モデルとする。標準モデルを設定する理由は，ポリシリコン膜１３を４分割させており，各層の膜厚とＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎに本来とかけ離れた数値を用いると，グラフフィッティングの際に変化させる因子が多くなるため，良好なグラフフィッティングが得られないからである。標準モデルとなるポリシリコン膜１３は，ある決められた平面のなかで最も高い表面積を有し，標準モデルとならないポリシリコン膜１３は，成膜を行い際にパラメータ変動（圧力，ガス流量，温度）が起き，低い表面積（キャパシタとして容量を低下させてしまう）を有している。
【００１７】
なお図２に示すようにポリシリコンの粒１４を第１〜３層までに分割したのは次の理由による。即ち，予めポリシリコンの粒１４を２層，３層，４層のそれぞれに分割した場合を仮定してそれぞれ標準モデルを求め，ポリシリコン膜１３の表面形状を測定したところ，ポリシリコンの粒１４を３層に分割して考えたときが最も信頼性の高い値を示した。この信頼性の確認は次のように行った。先ず，ポリシリコン膜１３の成膜条件を意図的に変化させて，最適なポリシリコン膜１３とは異なる膜を成膜した。次に，ポリシリコン膜１３を下地である熱酸化膜１２（ＳｉＯ２１０００Ａ）に成膜してモニタとデバイスを作成した。そして，作成したモニタについてポリシリコンの粒１４を２層，３層，４層のそれぞれに分割してＶｏｉｄ率を測定した。また一方で，作成したデバイスについてキャパシタ容量を測定し，モニタから得られるＶｏｉｄ率とデバイスから得られるキャパシタ容量との関係の規則性を調べた。その結果，ポリシリコンの粒１４を３層に分割したモデルが，Ｖｏｉｄ率とデバイスから得られるキャパシタ容量との関係について最も規則性が高かった。
【００１８】
そして，標準となる設定値を分光エリプソメトリに入力し，グラフフィッティングを行う。その結果，第１層，第２層，第３層及び第４層までの各膜厚Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３及びＴ４を求め，第１層，第２層，第３層及び第４層までの各Ｖｏｉｄ率Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３及びＶ４を求める。
【００１９】
次に，これらの値を次式（１）に代入し，Ｔｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘを求める。
Ｘ ＝ （Ｔ１×Ｖ１＋Ｔ２×Ｖ２＋Ｔ３×Ｖ３）／（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３） ・・・ （１）
【００２０】
こうして求めたＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘとポリシリコン膜１３の表面形状との相関関係に基づいて，ポリシリコン膜１３の表面形状を測定することが可能となる。
【００２１】
次に，本発明の第２の実施の形態では，先ず，先に図１に示した半導体素子１の表面にＩＰＡを一様に付着させる。この場合，ＩＰＡの付着が一様でないと，後に行うＩＰＡを定量分析の再現性が低下するので，半導体素子１の表面にＩＰＡを一様に付着させるのが良い。ＩＰＡを一様に付着させるには，例えばＩＰＡ（イソプロピルアルコール）Ｖａｐｏｒに半導体素子１の表面をさらして乾燥させると良い。
【００２２】
その後，ＧＣ．Ｍａｓｓ（ガスクロマトグラフィー）により，ポリシリコン膜１３の表面から放出されるＩＰＡを定量分析する。そして，ＩＰＡ検出量とポリシリコン膜１３の表面形状との相関関係に基づいて，ポリシリコン膜１３の表面形状を測定することが可能となる。
【００２３】
これら本発明の第１，２の実施の形態によれば，図１に示した半導体素子１などにおいて，半導体基板１１の表面に成膜されたポリシリコン膜１３の如き半導体薄膜の表面形状を，容易かつ短時間に測定できる。これら第１，２の実施の形態で求めたポリシリコン膜１３の表面形状は，ポリシリコン膜１３の表面積を示し，これはＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメモリ）のような多数のキャパシタを備えたメモリ素子について言えば，キャパシタ容量，即ち実効膜厚の指標となるものである。このため第１，２の実施の形態によれば，ＤＲＡＭなどにおいてキャパシタ電極の表面に形成される凹凸の程度を正確に把握でき，例えば蓄積電荷容量を一定にすることもできるようになる。
【００２４】
なお，これら本発明の第１，２の実施の形態においては，ポリシリコン膜の表面形状を測定する場合について説明したが，例えば半導体素子を構成する部位の１つである層間絶縁膜の表面形状の測定など，ポリシリコン膜以外の他の半導体薄膜の表面形状の測定に適用して，膜中の異常なＶｏｉｄなどを測定することも可能である。特に，第２の実施の形態によれば，半導体素子の層間絶縁膜を間においた２つの配線層を接続するためのコンタクトホール形状の定量化による測定も行えるようになる。
【００２５】
【実施例】
次に，先に図１に示した半導体素子１について実施例を行い，本発明の効果を調べた。
（実施例１）
先ず，半導体薄膜としてのポリシリコン膜について表面形状を測定した。先に図１で説明したように，半導体基板１１の表面に熱酸化膜１２を５０ｎｍの厚さに成長させ，その上に半導体薄膜としてのポリシリコン膜１３を成膜した。このポリシリコン膜１３について，分光エリプソメトリを使用して，波長０．２５〜０．８５ｎｍの領域で測定することにより，図３のようにＴａｎ（ＰＳＩ）を求め，図４のようにＣｏｓ（ＤＥＬＴＡ）を求た。図３中，縦軸はＴａｎ（ＰＳＩ），横軸は分光エリプソメトリの測定波長であり，図４中の縦軸はＣｏｓ（ＤＥＬＴＡ），横軸は分光エリプソメトリの測定波長である。これら図３，４は，グラフフィッティングを行った後のＴａｎ（ＰＳＩ），Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）と測定波長の関係を示している。図３，４では，理論曲線とそれにグラフフィッティングされた曲線の２本が示されている（但し，理論曲線とそれにグラフフィッティングされた曲線とは，精度の高いグラフフィッティングがなされているために，図３，４において両者はほとんど重なって示されている）。
【００２６】
また，先に図２で説明したように，半導体基板１１の表面において熱酸化膜１２の上に形成されたポリシリコン膜１３を，ポリシリコンの粒の部分である第１層，第２層，第３層と，熱酸化膜１２とポリシリコン膜１３の遷移領域である第４層に分け，熱酸化膜１２を第５層として，半導体基板１１の表面に５層の膜が積層されているとみなし，Ｃａｕｃｈｙ ｍｏｄｅｌをモデル関数において係数を最適化し，同時にポリシリコン膜の膜厚の最適化を行い，グラフフィッティングした。分光エリプソメトリに入力してフィッティングを行うための標準となる設定値を図５に示した。図５中において，「Ｃｏｍｐ．１」は，各層の成分を示し，ｒ−ｐｏｌｙは粗面ポリシリコン膜，ＳｉＯ２はシリコン酸化膜，ｓｉｃｒはＳｉ−Ｓｕｂ（シリコン基板）である。「Ｃｏｍｐ．２」は，「Ｃｏｍｐ．１」で定義した各層の膜質を示しており，ｖｏｉｄは膜中に空孔をもつもの，ｓｉａｍ２はアモルファス状態を示す。各層のＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ（濃度）とＴｈｉｃｋｎｅｓｓ（膜厚）は，標準的な粗面ポリシリコンを測定したときに得られたＴａｎ（ＰＳＩ）とＣｏｓ（ＤＥＬＴＡ）に対して最も良好なグラフフィッティングが得られるような標準値を模索した。その結果，図６に示す第１層，第２層，第３層及び第４層までの各膜厚Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３及びＴ４と，第１層，第２層，第３層及び第４層までの各Ｖｏｉｄ率Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３及びＶ４を求めた。これらの値を次の（１）式に代入し，Ｔｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘを求めた。
Ｘ ＝ （Ｔ１×Ｖ１＋Ｔ２×Ｖ２＋Ｔ３×Ｖ３）／（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３） ・・・ （１）
即ち，層の膜厚は，光の反射に影響を与える。層中の空孔は光を吸収することがあるので，層のＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎは，光の反射に影響を与える。反射光の偏光状態を示す振幅反射率比ρは，各膜厚Ｔ１〜Ｔ４と，各Ｖｏｉｄ率Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３及びＶ４の関数として捉えることができる。
ρ ＝ ｆ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，）・・・ （２）
また振幅反射率比ρは，Ｔａｎ（ＰＳＩ）ａ，Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）ａから得ることができる。ポリシリコン膜１３について，分光エリプソメトリにより測定値Ｔａｎ（ＰＳＩ）ａ，Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）ａを検出する。各膜厚Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４と各Ｖｏｉｄ率Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３及びＶ４の適当な値を，係数が最適化された所定のモデル関数式に代入し，その結果得られる計算値Ｔａｎ（ＰＳＩ）ｂ，Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）ｂを算出する。測定値であるＴａｎ（ＰＳＩ）ａ，Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）ａと計算値であるＴａｎ（ＰＳＩ）ｂ，Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）ｂがほぼ一致すれば，そのときの各膜厚Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４と各Ｖｏｉｄ率Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３及びＶ４を，第１層，第２層，第３層及び第４層の膜厚，Ｖｏｉｄ率の測定値であると推定する。一方，測定値であるＴａｎ（ＰＳＩ）ａ，Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）ａと計算値であるＴａｎ（ＰＳＩ）ｂ，Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）ｂに誤差があれば，モデル関数式に代入する各値を適宜変え，その誤差を小さくなるようにグラフフィッティングを繰り返す。こうして，図６に示すようにグラフフィッティングから得た各膜厚Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４と各Ｖｏｉｄ率Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３及びＶ４を，上記（１）の式に代入して，Ｔｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘを求める。
【００２７】
このＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘとポリシリコン膜の表面形状との相関関係に基づいて，ポリシリコン膜の表面形状を測定することが可能となる。図７は，分光エリプソメトリで測定して求めたＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘと，それぞれの条件を用いてポリシリコン膜を成膜したときの酸化膜厚換算の実効膜厚Ｔｏｘとの関係を示すグラフである。この図７中に示した（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）のポリシリコン膜の各ＳＥＭ観察写真を図８（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）にそれぞれ示した。実効膜厚Ｔｏｘは，Ｔｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘが４５〜５０％の範囲で最も薄く（つまり，最も容量が高く），その時のポリシリコン膜のＳＥＭ観察写真は図８（ｃ）のようになった。Ｔｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘの変化にともない，ポリシリコン膜の形状も変化していることがわかる。ＤＲＡＭなどのキャパシタを有する半導体装置において，キャパシタの容量を増加させることはデータ保持時間を長くすることができ，デバイスそのものの性能向上となる。容量を増加させる方法としては，キャパシタに使用する膜（電荷を蓄積する膜，ここではＳｉ窒化膜）により誘電率の高い膜にするか，面積を増加させることが一般的にである。微細化技術が進みにつれてキャパシタの面積を広く確保することが難しくなる一方，電極に表面積を広く確保できるポリシリコン膜を用いることで，その上に堆積させるＳｉ窒化膜の表面積を広く確保し，容量増加を図るようにしている。Ｔｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘが４５〜５０％であれば，容量増加が最も高いポリシリコン膜を実現することができる。このようなポリシリコン膜がキャパシタの下部電極として最適である。
【００２８】
ポリシリコン膜の成膜条件において温度を変化させたときの，Ｔｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘと実効膜厚Ｔｏｘの変化を図９に示し，各温度におけるポリシリコン膜のＳＥＭ観察写真を図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）にそれぞれ示した。また，ポリシリコン膜の成膜条件において圧力を変化させたときのＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘと実効膜厚Ｔｏｘの変化を図１１に示し，各圧力におけるポリシリコン膜のＳＥＭ観察写真を図１２（ａ），（ｂ），（ｃ）にそれぞれ示した。また，ポリシリコン膜の成膜条件において時間を変化させたときのＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘと実効膜厚Ｔｏｘの変化を図１３に示し，各時間におけるポリシリコン膜のＳＥＭ観察写真を図１４（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）にそれぞれ示した。このように，Ｔｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘの管理を行うことで，ポリシリコン膜を適正な表面形状にすることができるようになる。
【００２９】
（実施例２）
次に，半導体薄膜としてのポリシリコン膜をＩＰＡ（イソプロピルアルコール）Ｖａｐｏｒにさらして乾燥させた後，ＧＣ．Ｍａｓｓ（ガスクロマトグラフィー）により，ポリシリコン膜から放出されるＩＰＡを定量分析し，ポリシリコン膜の表面形状を間接的に測定した。実施例１と同様に，半導体基板の表面に熱酸化膜を５０ｎｍの厚さに成長させ，その上に半導体薄膜としてのポリシリコン膜を成膜した。このポリシリコン膜について，ＧＣ．Ｍａｓｓ測定を行った。実施例１と同様に，種々の条件で半導体基板上にポリシリコン膜を形成させ，測定を行った。
【００３０】
ＧＣ．Ｍａｓｓで測定して求めたＩＰＡ検出量（Ａｒｅａ Ｃｏｕｎｔ）と，各条件下において形成させたポリシリコン膜の酸化膜厚換算の実効膜厚Ｔｏｘとの関係を図１５に示す。ＩＰＡ検出量の増加に従い，実効膜厚Ｔｏｘが増加することが確認された。ＩＰＡ検出量によって，ポリシリコン膜の表面形状を間接的に測定することが可能になる。
【００３１】
（実施例３）
次に，半導体薄膜としてのポリシリコン膜について膜厚値，反射率及びＧ．Ｏ．Ｆ（Ｇｏｏｄ ｏｆ ｆｉｔ：測定結果の信頼性数値）を，ＵＶ光を利用した膜厚測定器として例えばプロメトリックス社製「ＵＶ−１０５０」を用いて測定した。実施例１，２と同様に，半導体基板の表面に熱酸化膜を５０ｎｍの厚さに成長させ，その上に半導体薄膜としてのポリシリコン膜を成膜した。ＵＶ光の反射率からポリシリコン膜の表面形状を測定した。実施例１，２と同様に，種々の条件で半導体基板上にポリシリコン膜を形成させ，測定を行った。
【００３２】
図１６は，各ポリシリコン膜についてＵＶ−１０５０で測定して求めた反射率Ｒｅｆと，酸化膜厚換算の実効膜厚Ｔｏｘの関係を示すグラフである。この図１６中に示した（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）のポリシリコン膜の各ＳＥＭ観察写真を図１７（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）にそれぞれ示した。図１６から分かるように，反射率Ｒｅｆが３０％前後で最も実効膜厚Ｔｏｘは薄く（つまり，最も容量が高く），その時のポリシリコン膜の表面形状は図１７（ｂ）のようになる。反射率Ｒｅｆの上昇に従い，ポリシリコンの粒は小さくなっていることがわかる。
【００３３】
ポリシリコン膜の成膜条件において温度を変化させたときの，反射率Ｒｅｆと実効膜厚Ｔｏｘの変化を図１８に示し，各温度におけるポリシリコン膜のＳＥＭ観察写真を図１９（ａ），（ｂ），（ｃ）にそれぞれ示した。また，ポリシリコン膜の成膜条件において圧力を変化させたときの反射率Ｒｅｆと実効膜厚Ｔｏｘの変化を図２０に示し，各圧力におけるポリシリコン膜のＳＥＭ観察写真を図２１（ａ），（ｂ），（ｃ）にそれぞれ示した。また，ポリシリコン膜の成膜条件において時間を変化させたときの反射率Ｒｅｆと実効膜厚Ｔｏｘの変化を図２２に示し，各時間におけるポリシリコン膜のＳＥＭ観察写真を図２３（ａ），（ｂ），（ｃ）にそれぞれ示した。このように，反射率の管理を行うことで，ポリシリコン膜を適正な表面形状にすることができるようになる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明によれば，半導体基板の表面に成膜された半導体薄膜のＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率や，半導体薄膜から放出されるＩＰＡ検出量によって半導体薄膜の表面形状を，容易かつ短時間に測定でき，半導体薄膜の表面形状を管理することが可能である。このため，ＤＲＡＭなどにおいてキャパシタ電極の表面に形成される凹凸の程度を一定にでき，蓄積電荷容量を一定にすることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体素子の断面図である。
【図２】分光エリプソメトリにおける５層の膜の定義の説明図である。
【図３】実施例１で求めたＴａｎ（ＰＳＩ）のグラフである。
【図４】実施例１で求めたＣｏｓ（ＤＥＬＴＡ）のグラフである。
【図５】実施例１において分光エリプソメトリに入力してフィッティングを行うための標準となる設定値を示す表である。
【図６】実施例１において求めた第１層，第２層，第３層及び第４層までの各膜厚と各Ｖｏｉｄ率を示す表である。
【図７】実施例１において分光エリプソメトリで測定して求めたＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘと，それぞれの条件を用いてポリシリコン膜を成膜したときの酸化膜厚換算の実効膜厚Ｔｏｘとの関係を示すグラフである。
【図８】図７中に示した（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）のポリシリコン膜の各ＳＥＭ観察写真である。
【図９】実施例１においてポリシリコン膜の成膜条件において温度を変化させたときの，Ｔｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘと実効膜厚Ｔｏｘの変化を示すグラフである。
【図１０】図９中に示した（ａ），（ｂ）及び（ｃ）のポリシリコン膜の各ＳＥＭ観察写真である。
【図１１】実施例１においてポリシリコン膜の成膜条件において圧力を変化させたときのＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘと実効膜厚Ｔｏｘの変化を示すグラフである。
【図１２】図１１中に示した（ａ），（ｂ）及び（ｃ）のポリシリコン膜の各ＳＥＭ観察写真である。
【図１３】実施例１においてポリシリコン膜の成膜条件において時間を変化させたときのＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘと実効膜厚Ｔｏｘの変化を示すグラフである。
【図１４】図１３中に示した（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）のポリシリコン膜の各ＳＥＭ観察写真である。
【図１５】実施例２において求めたＩＰＡ検出量と各条件下において形成させたポリシリコン膜の酸化膜厚換算の実効膜厚Ｔｏｘとの関係を示すグラフである。
【図１６】実施例３において求めた反射率Ｒｅｆと酸化膜厚換算の実効膜厚Ｔｏｘの関係を示すグラフである。
【図１７】図１６中に示した（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）のポリシリコン膜の各ＳＥＭ観察写真である。
【図１８】実施例３においてポリシリコン膜の成膜条件において温度を変化させたときの，反射率Ｒｅｆと実効膜厚Ｔｏｘの変化を示すグラフである。
【図１９】図１８中に示した（ａ），（ｂ）及び（ｃ）のポリシリコン膜の各ＳＥＭ観察写真である。
【図２０】実施例３においてポリシリコン膜の成膜条件において圧力を変化させたときの，反射率Ｒｅｆと実効膜厚Ｔｏｘの変化を示すグラフである。
【図２１】図２０中に示した（ａ），（ｂ）及び（ｃ）のポリシリコン膜の各ＳＥＭ観察写真である。
【図２２】実施例３においてポリシリコン膜の成膜条件において時間を変化させたときの，反射率Ｒｅｆと実効膜厚Ｔｏｘの変化を示すグラフである。
【図２３】図２２中に示した（ａ），（ｂ）及び（ｃ）のポリシリコン膜の各ＳＥＭ観察写真である。
【符号の説明】
１ 半導体素子
１１ 半導体基板
１２ 熱酸化膜
１３ ポリシリコン膜
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体薄膜の表面形状を測定する方法に関し，特に半導体基板上に形成されるキャパシタ電極としてのポリシリコン膜の表面形状を測定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば，ＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメモリ）のようなメモリ素子は，多数のキャパシタを備えている。このようなメモリ素子に形成されるキャパシタは，半導体基板上に下方電極，誘電体膜及び上方電極を積層して構成されている。また近年，メモリ素子に形成されるキャパシタの容量の増大をはかるべく，ポリシリコン膜からなるキャパシタ電極の誘電体膜に対向する面を凹凸に形成して誘電体膜の表面積を増やすことが行われている。
【０００３】
ここで，キャパシタの蓄積電荷容量はキャパシタ電極の表面に形成される凹凸の程度によって左右されるため，キャパシタの蓄積電荷容量を一定にするためには，このようにキャパシタ電極の表面に形成される凹凸の程度を一定にしなければならない。このため，キャパシタ電極の表面形状を測定することが必要となる。
【０００４】
従来，このキャパシタ電極の表面形状を直接的に測定する代わりに，ポリシリコン膜の膜厚を測定する方法が採られている。一方，キャパシタ電極の表面形状を直接観察する場合は，ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）では観察が不可能であり，専らＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を使用して観察している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，ポリシリコン膜の膜厚を測定する方法では，キャパシタ容量と密接な関係にあるキャパシタ電極の表面形状を正確に知ることができない。このため，半導体素子の製造において極めて重要なキャパシタ電極の表面形状を管理する上で，例えばポリシリコン膜の膜厚に異常値が生じたような場合には，ポリシリコン膜の生成条件をどのように制御すれば良いか瞬時に判断できなくなってしまう。
【０００６】
一方，キャパシタ電極の表面形状をＳＥＭを使用して観察する方法は，非常に多くの時間と労力が必要であり，半導体素子の製造において生産性の低下を招く原因となっている。
【０００７】
本発明の目的は，ポリシリコン膜の如き半導体薄膜の表面形状を容易かつ短時間に測定できる方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために，請求項１の発明は，半導体基板の表面に形成された半導体薄膜の表面形状を測定する方法であって，半導体薄膜について、基板表面に平行な振動成分であるＳ偏光成分及び光の進行方向および当該Ｓ偏光成分に垂直な振動成分であるＰ偏光成分を所定の振幅比で含む光の入射に対する反射光のＳ偏光成分とＰ偏光成分との振幅の大きさの比を示すＴａｎ（ＰＳＩ）及び当該反射光のＳ偏光成分とＰ偏光成分との位相差を示すＤｅｌｔａに関し，分光エリプソメトリを用いてＴａｎ（ＰＳＩ）と測定波長の関係を示す第１のグラフと，Ｃｏｓ（Ｄｅｌｔａ）と測定波長の関係を示す第２のグラフと、を測定結果から作成する第１工程と，半導体基板の表面にそれぞれ所定の光学定数を有する薄膜材料がそれぞれ所定の膜厚で５層積層されているものと仮定し，Ｃａｕｃｈｙ Ｍｏｄｅｌのモデル関数に含まれる各係数を実測値から決定する第２工程と，第２工程で決定された各係数を有するＣａｕｃｈｙ Ｍｏｄｅｌのモデル関数の波長依存性を考慮し，各層の膜厚及び各層のＶｏｉｄ率をパラメータとして含むＴａｎ（ＰＳＩ），Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）のモデル関数を利用し，当該モデル関数によって波長毎に得られるＴａｎ（ＰＳＩ），Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）の値が，第１のグラフ及び第２のグラフに最も近くなるようにグラフフィッティングにより各層の膜厚及び各層のＶｏｉｄ率を決定する第３工程と，第３工程で決定された第ｋ層の膜厚Ｔ ｋ 及びＶｏｉｄ率Ｖ ｋ （ｋ＝１〜３）を下記の式（１）に代入してＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘを算出する第４工程と，を含み，
Ｘ＝（Ｔ１×Ｖ１＋Ｔ２×Ｖ２＋Ｔ３×Ｖ３）／（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３） ・・・ （１）
Ｔｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘとポリシリコン膜の表面形状との相関関係を表したグラフを利用して，第４工程で算出されたＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘから，５層で仮定した薄膜材料の層にできた凹凸の度合いを推定することを特徴としている。
この請求項１の発明において，半導体薄膜の表面形状とは，例えば半導体薄膜の表面積を示し，ＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメモリ）のような多数のキャパシタを備えたメモリ素子について言えば，キャパシタ容量，即ち実効膜厚の指標となるものを指す。
【０００９】
また，請求項２の発明は，半導体基板の表面に形成された半導体薄膜の表面にイソプロピルアルコールを一様に付着させ，半導体薄膜の表面から放出されるイソプロピルアルコールを定量分析し，当該定量分析によって得られたイソプロピルアルコールの検出量と，予め実験で得られた半導体薄膜の実効膜厚とイソプロピルアルコールの検出量との関係を表したグラフとを利用して，半導体薄膜の表面形状を測定することを特徴とする，半導体薄膜の表面形状測定方法である。
この請求項２の発明においても同様に，半導体薄膜の表面形状とは，例えば半導体薄膜の表面積を示し，ＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメモリ）のような多数のキャパシタを備えたメモリ素子について言えば，キャパシタ容量，即ち実効膜厚の指標となるものを指す。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の好ましい実施の形態を図面を用いて説明する。図１は，本発明の実施の形態に用いる半導体素子１の断面図である。半導体基板１１の表面（図１では上面）に熱酸化膜１２が例えば５０ｎｍ程度の厚さに成長され，その上に半導体薄膜としてのポリシリコン膜１３が成膜されている。
【００１１】
本発明の第１の実施の形態では，このような半導体素子１において，分光エリプソメトリを用いて，波長０．２５〜０．８５ｎｍの領域で測定することにより，Ｔａｎ（ＰＳＩ）と測定波長の関係を示すグラフ及びＣｏｓ（ＤＥＬＴＡ）と測定波長の関係を示すグラフを求める。エリプソメトリとは，物体の表面に楕円偏光であるレーザ光を入射し，その反射光である楕円偏光の状態変化（Ｔａｎ（ＰＳＩ），Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ））を求め，Ｔａｎ（ＰＳＩ），Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）によって物体表面の性質（膜厚，屈折率）を知る解析法である。分光エリプソメトリは０．２５〜０．８５ｕｍまでの波長領域で波長を任意に分割してＴａｎ（ＰＳＩ），Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）を求める点で，０．６３３ｕｍの波長にて測定を行うと単波長エリプソメトリとは異なる。分光エリプソメトリでは，試料となる半導体素子１を試料台に載置し，光を例えば偏光子及び１／４波長板を通過させた後に半導体素子１に入射させる。半導体素子１からの反射光を，例えば検光子を通過させた後に検出器に入射させる。
【００１２】
分光エリプソメトリ（エリプソメトリ膜厚計）において，半導体素子１の表面に入射した光は入射面に対して平行な反射係数と垂直な反射係数が存在し，測定値はこの係数比で表される。Ｔａｎ（ＰＳＩ）とＣｏｓ（ＤＥＬＴＡ）はこの係数比を指し，分光エリプソメトリでは全波長域での係数比が求められることから，Ｔａｎ（ＰＳＩ）とＣｏｓ（ＤＥＬＴＡ）は，後に説明する図３，４のような曲線であらわされる。即ち，物体の表面（試料面）に平行な振動成分であるＳ偏光成分と，光の進行方向およびＳ偏光成分に垂直な振動成分のＰ偏光成分との振幅比が等しい光を入射し，その後に，反射光の偏光状態を検出する。測定結果である振幅反射率比ρの大きさはＴａｎ（ＰＳＩ）で得られ，その位相はＣｏｓ（ＤＥＬＴＡ）で得られる。Ｔａｎ（ＰＳＩ）は，Ｐ偏光成分に対するＳ偏光成分の振幅の反射の比（振幅反射比）を示し，Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）は，Ｐ偏光成分とＳ偏光成分の位相差を示す。
【００１３】
また半導体素子１において，半導体基板１１の表面に５層の膜が積層されているとみなし，Ｃａｕｃｈｙ ｍｏｄｅｌのモデル関数において係数を最適化してポリシリコン膜１３の最適化を行い，前記Ｔａｎ（ＰＳＩ）と測定波長の関係を示すグラフ及びＣｏｓ（ＤＥＬＴＡ）と測定波長の関係を示すグラフにグラフフィッティングすることにより，前記５層の内の半導体薄膜の表面側から数えて第１層，第２層，第３層及び第４層までの各膜厚Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３及びＴ４と各Ｖｏｉｄ率Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３及びＶ４を求める。Ｃａｕｃｈｙ ｍｏｄｅｌのモデル関数は，Δｎ（λ）＝Ａ＋Ｂ／λ２（Δｎ：複屈折異方性，Ａ，Ｂ：定数，λ：測定光の波長）で与えられる。
【００１４】
図２に半導体基板１１の表面に積層された５層の膜の定義を示す。図２に示すように，半導体基板１１の表面において熱酸化膜１２の上に形成されたポリシリコン膜１３を４つの層に分け，熱酸化膜１２を第５層とする。ポリシリコン膜１３の表面側から数えて，第１層，第２層，第３層まではポリシリコンの粒（粗面粒）１４の部分であり，第４層は熱酸化膜１２とポリシリコン膜１３の遷移領域（ａ−Ｓｉ）である。ポリシリコン膜１３において第１層から第３層までは凹凸な構造であり，ポリシリコンの粒１４の周りの斜線部分１５は大気が存在し，Ｖｏｉｄを形成している。
【００１５】
Ｃａｕｃｈｙ ｍｏｄｅｌのように多項式近似を用いるモデルはこの他に，Ｓｅｌｌｍｅｉｅｒ ｍｏｄｅｌ，Ｌｏｒｅｎｔｚ ｍｏｄｅｌ，Ｄｒｕｄｅ ｍｏｄｅｌなどがあるが，本発明のように半導体基板１１の表面に積層された膜の光学定数が予め分かっている場合は，Ｃａｕｃｈｙ ｍｏｄｅｌを使用するのがよい。
【００１６】
係数の最適化とはグラフフィッティングと同義であり，グラフフィッティングとは，光学定数が分かっている既知の膜について，理論的に求めた（あるいは設定した）膜の光学定数を，実際に測定した結果にあてはめ，全波長域での光学定数を実測値に合せ込んだときの膜厚を求めることを意味する。具体的には，グラフフィッティングとは，ポリシリコン膜１３の標準モデルにおけるＴａｎ（ＰＳＩ）とＣｏｓ（ＤＥＬＴＡ）曲線が測定した膜の曲線により近づくように，標準モデルの各層の膜厚とＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎを変更して合せ込むことを意味する。このようにグラフフィッティングを行う場合，ポリシリコン膜１３の標準モデルが必要となるが，熱酸化膜１２上に標準条件で成膜したときのポリシリコン膜１３を標準モデルとする。標準モデルを設定する理由は，ポリシリコン膜１３を４分割させており，各層の膜厚とＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎに本来とかけ離れた数値を用いると，グラフフィッティングの際に変化させる因子が多くなるため，良好なグラフフィッティングが得られないからである。標準モデルとなるポリシリコン膜１３は，ある決められた平面のなかで最も高い表面積を有し，標準モデルとならないポリシリコン膜１３は，成膜を行い際にパラメータ変動（圧力，ガス流量，温度）が起き，低い表面積（キャパシタとして容量を低下させてしまう）を有している。
【００１７】
なお図２に示すようにポリシリコンの粒１４を第１〜３層までに分割したのは次の理由による。即ち，予めポリシリコンの粒１４を２層，３層，４層のそれぞれに分割した場合を仮定してそれぞれ標準モデルを求め，ポリシリコン膜１３の表面形状を測定したところ，ポリシリコンの粒１４を３層に分割して考えたときが最も信頼性の高い値を示した。この信頼性の確認は次のように行った。先ず，ポリシリコン膜１３の成膜条件を意図的に変化させて，最適なポリシリコン膜１３とは異なる膜を成膜した。次に，ポリシリコン膜１３を下地である熱酸化膜１２（ＳｉＯ２１０００Ａ）に成膜してモニタとデバイスを作成した。そして，作成したモニタについてポリシリコンの粒１４を２層，３層，４層のそれぞれに分割してＶｏｉｄ率を測定した。また一方で，作成したデバイスについてキャパシタ容量を測定し，モニタから得られるＶｏｉｄ率とデバイスから得られるキャパシタ容量との関係の規則性を調べた。その結果，ポリシリコンの粒１４を３層に分割したモデルが，Ｖｏｉｄ率とデバイスから得られるキャパシタ容量との関係について最も規則性が高かった。
【００１８】
そして，標準となる設定値を分光エリプソメトリに入力し，グラフフィッティングを行う。その結果，第１層，第２層，第３層及び第４層までの各膜厚Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３及びＴ４を求め，第１層，第２層，第３層及び第４層までの各Ｖｏｉｄ率Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３及びＶ４を求める。
【００１９】
次に，これらの値を次式（１）に代入し，Ｔｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘを求める。
Ｘ ＝ （Ｔ１×Ｖ１＋Ｔ２×Ｖ２＋Ｔ３×Ｖ３）／（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３） ・・・ （１）
【００２０】
こうして求めたＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘとポリシリコン膜１３の表面形状との相関関係に基づいて，ポリシリコン膜１３の表面形状を測定することが可能となる。
【００２１】
次に，本発明の第２の実施の形態では，先ず，先に図１に示した半導体素子１の表面にＩＰＡを一様に付着させる。この場合，ＩＰＡの付着が一様でないと，後に行うＩＰＡを定量分析の再現性が低下するので，半導体素子１の表面にＩＰＡを一様に付着させるのが良い。ＩＰＡを一様に付着させるには，例えばＩＰＡ（イソプロピルアルコール）Ｖａｐｏｒに半導体素子１の表面をさらして乾燥させると良い。
【００２２】
その後，ＧＣ．Ｍａｓｓ（ガスクロマトグラフィー）により，ポリシリコン膜１３の表面から放出されるＩＰＡを定量分析する。そして，ＩＰＡ検出量とポリシリコン膜１３の表面形状との相関関係に基づいて，ポリシリコン膜１３の表面形状を測定することが可能となる。
【００２３】
これら本発明の第１，２の実施の形態によれば，図１に示した半導体素子１などにおいて，半導体基板１１の表面に成膜されたポリシリコン膜１３の如き半導体薄膜の表面形状を，容易かつ短時間に測定できる。これら第１，２の実施の形態で求めたポリシリコン膜１３の表面形状は，ポリシリコン膜１３の表面積を示し，これはＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメモリ）のような多数のキャパシタを備えたメモリ素子について言えば，キャパシタ容量，即ち実効膜厚の指標となるものである。このため第１，２の実施の形態によれば，ＤＲＡＭなどにおいてキャパシタ電極の表面に形成される凹凸の程度を正確に把握でき，例えば蓄積電荷容量を一定にすることもできるようになる。
【００２４】
なお，これら本発明の第１，２の実施の形態においては，ポリシリコン膜の表面形状を測定する場合について説明したが，例えば半導体素子を構成する部位の１つである層間絶縁膜の表面形状の測定など，ポリシリコン膜以外の他の半導体薄膜の表面形状の測定に適用して，膜中の異常なＶｏｉｄなどを測定することも可能である。特に，第２の実施の形態によれば，半導体素子の層間絶縁膜を間においた２つの配線層を接続するためのコンタクトホール形状の定量化による測定も行えるようになる。
【００２５】
【実施例】
次に，先に図１に示した半導体素子１について実施例を行い，本発明の効果を調べた。
（実施例１）
先ず，半導体薄膜としてのポリシリコン膜について表面形状を測定した。先に図１で説明したように，半導体基板１１の表面に熱酸化膜１２を５０ｎｍの厚さに成長させ，その上に半導体薄膜としてのポリシリコン膜１３を成膜した。このポリシリコン膜１３について，分光エリプソメトリを使用して，波長０．２５〜０．８５ｎｍの領域で測定することにより，図３のようにＴａｎ（ＰＳＩ）を求め，図４のようにＣｏｓ（ＤＥＬＴＡ）を求た。図３中，縦軸はＴａｎ（ＰＳＩ），横軸は分光エリプソメトリの測定波長であり，図４中の縦軸はＣｏｓ（ＤＥＬＴＡ），横軸は分光エリプソメトリの測定波長である。これら図３，４は，グラフフィッティングを行った後のＴａｎ（ＰＳＩ），Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）と測定波長の関係を示している。図３，４では，理論曲線とそれにグラフフィッティングされた曲線の２本が示されている（但し，理論曲線とそれにグラフフィッティングされた曲線とは，精度の高いグラフフィッティングがなされているために，図３，４において両者はほとんど重なって示されている）。
【００２６】
また，先に図２で説明したように，半導体基板１１の表面において熱酸化膜１２の上に形成されたポリシリコン膜１３を，ポリシリコンの粒の部分である第１層，第２層，第３層と，熱酸化膜１２とポリシリコン膜１３の遷移領域である第４層に分け，熱酸化膜１２を第５層として，半導体基板１１の表面に５層の膜が積層されているとみなし，Ｃａｕｃｈｙ ｍｏｄｅｌをモデル関数において係数を最適化し，同時にポリシリコン膜の膜厚の最適化を行い，グラフフィッティングした。分光エリプソメトリに入力してフィッティングを行うための標準となる設定値を図５に示した。図５中において，「Ｃｏｍｐ．１」は，各層の成分を示し，ｒ−ｐｏｌｙは粗面ポリシリコン膜，ＳｉＯ２はシリコン酸化膜，ｓｉｃｒはＳｉ−Ｓｕｂ（シリコン基板）である。「Ｃｏｍｐ．２」は，「Ｃｏｍｐ．１」で定義した各層の膜質を示しており，ｖｏｉｄは膜中に空孔をもつもの，ｓｉａｍ２はアモルファス状態を示す。各層のＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ（濃度）とＴｈｉｃｋｎｅｓｓ（膜厚）は，標準的な粗面ポリシリコンを測定したときに得られたＴａｎ（ＰＳＩ）とＣｏｓ（ＤＥＬＴＡ）に対して最も良好なグラフフィッティングが得られるような標準値を模索した。その結果，図６に示す第１層，第２層，第３層及び第４層までの各膜厚Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３及びＴ４と，第１層，第２層，第３層及び第４層までの各Ｖｏｉｄ率Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３及びＶ４を求めた。これらの値を次の（１）式に代入し，Ｔｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘを求めた。
Ｘ ＝ （Ｔ１×Ｖ１＋Ｔ２×Ｖ２＋Ｔ３×Ｖ３）／（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３） ・・・ （１）
即ち，層の膜厚は，光の反射に影響を与える。層中の空孔は光を吸収することがあるので，層のＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎは，光の反射に影響を与える。反射光の偏光状態を示す振幅反射率比ρは，各膜厚Ｔ１〜Ｔ４と，各Ｖｏｉｄ率Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３及びＶ４の関数として捉えることができる。
ρ ＝ ｆ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，）・・・ （２）
また振幅反射率比ρは，Ｔａｎ（ＰＳＩ）ａ，Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）ａから得ることができる。ポリシリコン膜１３について，分光エリプソメトリにより測定値Ｔａｎ（ＰＳＩ）ａ，Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）ａを検出する。各膜厚Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４と各Ｖｏｉｄ率Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３及びＶ４の適当な値を，係数が最適化された所定のモデル関数式に代入し，その結果得られる計算値Ｔａｎ（ＰＳＩ）ｂ，Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）ｂを算出する。測定値であるＴａｎ（ＰＳＩ）ａ，Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）ａと計算値であるＴａｎ（ＰＳＩ）ｂ，Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）ｂがほぼ一致すれば，そのときの各膜厚Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４と各Ｖｏｉｄ率Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３及びＶ４を，第１層，第２層，第３層及び第４層の膜厚，Ｖｏｉｄ率の測定値であると推定する。一方，測定値であるＴａｎ（ＰＳＩ）ａ，Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）ａと計算値であるＴａｎ（ＰＳＩ）ｂ，Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）ｂに誤差があれば，モデル関数式に代入する各値を適宜変え，その誤差を小さくなるようにグラフフィッティングを繰り返す。こうして，図６に示すようにグラフフィッティングから得た各膜厚Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４と各Ｖｏｉｄ率Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３及びＶ４を，上記（１）の式に代入して，Ｔｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘを求める。
【００２７】
このＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘとポリシリコン膜の表面形状との相関関係に基づいて，ポリシリコン膜の表面形状を測定することが可能となる。図７は，分光エリプソメトリで測定して求めたＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘと，それぞれの条件を用いてポリシリコン膜を成膜したときの酸化膜厚換算の実効膜厚Ｔｏｘとの関係を示すグラフである。この図７中に示した（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）のポリシリコン膜の各ＳＥＭ観察写真を図８（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）にそれぞれ示した。実効膜厚Ｔｏｘは，Ｔｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘが４５〜５０％の範囲で最も薄く（つまり，最も容量が高く），その時のポリシリコン膜のＳＥＭ観察写真は図８（ｃ）のようになった。Ｔｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘの変化にともない，ポリシリコン膜の形状も変化していることがわかる。ＤＲＡＭなどのキャパシタを有する半導体装置において，キャパシタの容量を増加させることはデータ保持時間を長くすることができ，デバイスそのものの性能向上となる。容量を増加させる方法としては，キャパシタに使用する膜（電荷を蓄積する膜，ここではＳｉ窒化膜）により誘電率の高い膜にするか，面積を増加させることが一般的にである。微細化技術が進みにつれてキャパシタの面積を広く確保することが難しくなる一方，電極に表面積を広く確保できるポリシリコン膜を用いることで，その上に堆積させるＳｉ窒化膜の表面積を広く確保し，容量増加を図るようにしている。Ｔｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘが４５〜５０％であれば，容量増加が最も高いポリシリコン膜を実現することができる。このようなポリシリコン膜がキャパシタの下部電極として最適である。
【００２８】
ポリシリコン膜の成膜条件において温度を変化させたときの，Ｔｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘと実効膜厚Ｔｏｘの変化を図９に示し，各温度におけるポリシリコン膜のＳＥＭ観察写真を図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）にそれぞれ示した。また，ポリシリコン膜の成膜条件において圧力を変化させたときのＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘと実効膜厚Ｔｏｘの変化を図１１に示し，各圧力におけるポリシリコン膜のＳＥＭ観察写真を図１２（ａ），（ｂ），（ｃ）にそれぞれ示した。また，ポリシリコン膜の成膜条件において時間を変化させたときのＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘと実効膜厚Ｔｏｘの変化を図１３に示し，各時間におけるポリシリコン膜のＳＥＭ観察写真を図１４（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）にそれぞれ示した。このように，Ｔｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘの管理を行うことで，ポリシリコン膜を適正な表面形状にすることができるようになる。
【００２９】
（実施例２）
次に，半導体薄膜としてのポリシリコン膜をＩＰＡ（イソプロピルアルコール）Ｖａｐｏｒにさらして乾燥させた後，ＧＣ．Ｍａｓｓ（ガスクロマトグラフィー）により，ポリシリコン膜から放出されるＩＰＡを定量分析し，ポリシリコン膜の表面形状を間接的に測定した。実施例１と同様に，半導体基板の表面に熱酸化膜を５０ｎｍの厚さに成長させ，その上に半導体薄膜としてのポリシリコン膜を成膜した。このポリシリコン膜について，ＧＣ．Ｍａｓｓ測定を行った。実施例１と同様に，種々の条件で半導体基板上にポリシリコン膜を形成させ，測定を行った。
【００３０】
ＧＣ．Ｍａｓｓで測定して求めたＩＰＡ検出量（Ａｒｅａ Ｃｏｕｎｔ）と，各条件下において形成させたポリシリコン膜の酸化膜厚換算の実効膜厚Ｔｏｘとの関係を図１５に示す。ＩＰＡ検出量の増加に従い，実効膜厚Ｔｏｘが増加することが確認された。ＩＰＡ検出量によって，ポリシリコン膜の表面形状を間接的に測定することが可能になる。
【００３１】
（実施例３）
次に，半導体薄膜としてのポリシリコン膜について膜厚値，反射率及びＧ．Ｏ．Ｆ（Ｇｏｏｄ ｏｆ ｆｉｔ：測定結果の信頼性数値）を，ＵＶ光を利用した膜厚測定器として例えばプロメトリックス社製「ＵＶ−１０５０」を用いて測定した。実施例１，２と同様に，半導体基板の表面に熱酸化膜を５０ｎｍの厚さに成長させ，その上に半導体薄膜としてのポリシリコン膜を成膜した。ＵＶ光の反射率からポリシリコン膜の表面形状を測定した。実施例１，２と同様に，種々の条件で半導体基板上にポリシリコン膜を形成させ，測定を行った。
【００３２】
図１６は，各ポリシリコン膜についてＵＶ−１０５０で測定して求めた反射率Ｒｅｆと，酸化膜厚換算の実効膜厚Ｔｏｘの関係を示すグラフである。この図１６中に示した（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）のポリシリコン膜の各ＳＥＭ観察写真を図１７（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）にそれぞれ示した。図１６から分かるように，反射率Ｒｅｆが３０％前後で最も実効膜厚Ｔｏｘは薄く（つまり，最も容量が高く），その時のポリシリコン膜の表面形状は図１７（ｂ）のようになる。反射率Ｒｅｆの上昇に従い，ポリシリコンの粒は小さくなっていることがわかる。
【００３３】
ポリシリコン膜の成膜条件において温度を変化させたときの，反射率Ｒｅｆと実効膜厚Ｔｏｘの変化を図１８に示し，各温度におけるポリシリコン膜のＳＥＭ観察写真を図１９（ａ），（ｂ），（ｃ）にそれぞれ示した。また，ポリシリコン膜の成膜条件において圧力を変化させたときの反射率Ｒｅｆと実効膜厚Ｔｏｘの変化を図２０に示し，各圧力におけるポリシリコン膜のＳＥＭ観察写真を図２１（ａ），（ｂ），（ｃ）にそれぞれ示した。また，ポリシリコン膜の成膜条件において時間を変化させたときの反射率Ｒｅｆと実効膜厚Ｔｏｘの変化を図２２に示し，各時間におけるポリシリコン膜のＳＥＭ観察写真を図２３（ａ），（ｂ），（ｃ）にそれぞれ示した。このように，反射率の管理を行うことで，ポリシリコン膜を適正な表面形状にすることができるようになる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明によれば，半導体基板の表面に成膜された半導体薄膜のＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率や，半導体薄膜から放出されるＩＰＡ検出量によって半導体薄膜の表面形状を，容易かつ短時間に測定でき，半導体薄膜の表面形状を管理することが可能である。このため，ＤＲＡＭなどにおいてキャパシタ電極の表面に形成される凹凸の程度を一定にでき，蓄積電荷容量を一定にすることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体素子の断面図である。
【図２】分光エリプソメトリにおける５層の膜の定義の説明図である。
【図３】実施例１で求めたＴａｎ（ＰＳＩ）のグラフである。
【図４】実施例１で求めたＣｏｓ（ＤＥＬＴＡ）のグラフである。
【図５】実施例１において分光エリプソメトリに入力してフィッティングを行うための標準となる設定値を示す表である。
【図６】実施例１において求めた第１層，第２層，第３層及び第４層までの各膜厚と各Ｖｏｉｄ率を示す表である。
【図７】実施例１において分光エリプソメトリで測定して求めたＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘと，それぞれの条件を用いてポリシリコン膜を成膜したときの酸化膜厚換算の実効膜厚Ｔｏｘとの関係を示すグラフである。
【図８】図７中に示した（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）のポリシリコン膜の各ＳＥＭ観察写真である。
【図９】実施例１においてポリシリコン膜の成膜条件において温度を変化させたときの，Ｔｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘと実効膜厚Ｔｏｘの変化を示すグラフである。
【図１０】図９中に示した（ａ），（ｂ）及び（ｃ）のポリシリコン膜の各ＳＥＭ観察写真である。
【図１１】実施例１においてポリシリコン膜の成膜条件において圧力を変化させたときのＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘと実効膜厚Ｔｏｘの変化を示すグラフである。
【図１２】図１１中に示した（ａ），（ｂ）及び（ｃ）のポリシリコン膜の各ＳＥＭ観察写真である。
【図１３】実施例１においてポリシリコン膜の成膜条件において時間を変化させたときのＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘと実効膜厚Ｔｏｘの変化を示すグラフである。
【図１４】図１３中に示した（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）のポリシリコン膜の各ＳＥＭ観察写真である。
【図１５】実施例２において求めたＩＰＡ検出量と各条件下において形成させたポリシリコン膜の酸化膜厚換算の実効膜厚Ｔｏｘとの関係を示すグラフである。
【図１６】実施例３において求めた反射率Ｒｅｆと酸化膜厚換算の実効膜厚Ｔｏｘの関係を示すグラフである。
【図１７】図１６中に示した（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）のポリシリコン膜の各ＳＥＭ観察写真である。
【図１８】実施例３においてポリシリコン膜の成膜条件において温度を変化させたときの，反射率Ｒｅｆと実効膜厚Ｔｏｘの変化を示すグラフである。
【図１９】図１８中に示した（ａ），（ｂ）及び（ｃ）のポリシリコン膜の各ＳＥＭ観察写真である。
【図２０】実施例３においてポリシリコン膜の成膜条件において圧力を変化させたときの，反射率Ｒｅｆと実効膜厚Ｔｏｘの変化を示すグラフである。
【図２１】図２０中に示した（ａ），（ｂ）及び（ｃ）のポリシリコン膜の各ＳＥＭ観察写真である。
【図２２】実施例３においてポリシリコン膜の成膜条件において時間を変化させたときの，反射率Ｒｅｆと実効膜厚Ｔｏｘの変化を示すグラフである。
【図２３】図２２中に示した（ａ），（ｂ）及び（ｃ）のポリシリコン膜の各ＳＥＭ観察写真である。
【符号の説明】
１ 半導体素子
１１ 半導体基板
１２ 熱酸化膜
１３ ポリシリコン膜
Claims (2)
- 半導体基板の表面に形成された半導体薄膜の表面形状を測定する方法であって、
前記半導体薄膜について、基板表面に平行な振動成分であるＳ偏光成分及び光の進行方向および当該Ｓ偏光成分に垂直な振動成分であるＰ偏光成分を所定の振幅比で含む光の入射に対する反射光のＳ偏光成分とＰ偏光成分との振幅の大きさの比を示すＴａｎ（ＰＳＩ）及び当該反射光のＳ偏光成分とＰ偏光成分との位相差を示すＤｅｌｔａに関し、分光エリプソメトリを用いて前記Ｔａｎ（ＰＳＩ）と測定波長の関係を示す第１のグラフと、Ｃｏｓ（Ｄｅｌｔａ）と測定波長の関係を示す第２のグラフと、を測定結果から作成する第１工程と、
前記半導体基板の表面にそれぞれ所定の光学定数を有する前記薄膜材料がそれぞれ所定の膜厚で５層積層されているものと仮定し、Ｃａｕｃｈｙ Ｍｏｄｅｌのモデル関数に含まれる各係数を実測値から決定する第２工程と、
前記第２工程で決定された各係数を有する前記Ｃａｕｃｈｙ Ｍｏｄｅｌのモデル関数の波長依存性を考慮し、前記各層の膜厚及び前記各層のＶｏｉｄ率をパラメータとして含むＴａｎ（ＰＳＩ）、Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）のモデル関数を利用し、当該モデル関数によって波長毎に得られるＴａｎ（ＰＳＩ）、Ｃｏｓ（ＤＥＬＴＡ）の値が、前記第１のグラフ及び前記第２のグラフに最も近くなるようにグラフフィッティングにより前記各層の膜厚及び前記各層のＶｏｉｄ率を決定する第３工程と、
前記第３工程で決定された第ｋ層の膜厚Ｔｋ及びＶｏｉｄ率Ｖｋ（ｋ＝１〜３）を下記の式（１）に代入してＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘを算出する第４工程と、
を含み、
Ｘ＝（Ｔ１×Ｖ１＋Ｔ２×Ｖ２＋Ｔ３×Ｖ３）／（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３） ・・・（１）
Ｔｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘとポリシリコン膜の表面形状との相関関係を表したグラフを利用して、前記第４工程で算出されたＴｏｔａｌ Ｖｏｉｄ率Ｘから、前記５層で仮定した薄膜材料の層にできた凹凸の度合いを推定することを特徴とする、半導体薄膜の表面形状測定方法。 - 半導体基板の表面に形成された半導体薄膜の表面にイソプロピルアルコールを一様に付着させ、前記半導体薄膜の表面から放出されるイソプロピルアルコールを定量分析し、当該定量分析によって得られた前記イソプロピルアルコールの検出量と、予め実験で得られた半導体薄膜の実効膜厚とイソプロピルアルコールの検出量との関係を表したグラフとを利用して、半導体薄膜の表面形状を測定することを特徴とする、半導体薄膜の表面形状測定方法。
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