不純物量予測方法及び不純物量予測装置
【課題】製品ウェハにおけるトランジスタ寸法での、金属不純物量を予測可能とする不純物量予測方法を提供する。
【解決手段】不純物量予測方法は、半導体基板上に設けられたトランジスタのパターンを用いてＴＤＤＢ寿命及び反転膜厚として第１寿命及び第１膜厚を測定するステップ（Ｓ１）と、予め求められたゲート絶縁膜中の不純物量とＴＤＤＢ寿命及び反転膜厚との関係と、測定された前記第１寿命及び前記第１膜厚とに基づいて、前記半導体基板内のゲート絶縁膜中の不純物量を予測するステップ（Ｓ２）とを具備する。
【解決手段】不純物量予測方法は、半導体基板上に設けられたトランジスタのパターンを用いてＴＤＤＢ寿命及び反転膜厚として第１寿命及び第１膜厚を測定するステップ（Ｓ１）と、予め求められたゲート絶縁膜中の不純物量とＴＤＤＢ寿命及び反転膜厚との関係と、測定された前記第１寿命及び前記第１膜厚とに基づいて、前記半導体基板内のゲート絶縁膜中の不純物量を予測するステップ（Ｓ２）とを具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不純物量予測方法及び不純物量予測装置に関し、特に半導体装置のトランジスタにおける不純物量予測方法及び不純物量予測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
トランジスタのゲート絶縁膜又はその近傍に不純物を導入して、トランジスタ特性を調整する技術が知られている。例えば、Ｈｆ等の金属元素をゲート絶縁膜中又はゲート絶縁膜上に含まれるようにして、ゲート絶縁膜をｈｉｇｈ−ｋ膜とし、閾値電圧の制御や、オフリーク電流の低減等を図る技術が知られている。
【０００３】
例えば、特開２００７−３１８０１２号公報（特許文献１：ＵＳ２００７２８４６７５（Ａ１））に半導体装置およびその製造方法が開示されている。この半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の上部に接して設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜の上部に接して設けられたゲート電極とを含むＰ型電界効果型トランジスタを備えている。ゲート絶縁膜（ＳｉＯ２）中またはゲート絶縁膜とゲート電極（多結晶シリコン）との界面に、ＨｆおよびＺｒのうち少なくとも一種の金属が、１．３×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下の面密度で含まれる領域を有する。この半導体装置では、このような構成により、ＮＢＴＩ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｂｉａｓ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）耐性の改善が図られている。これは、Ｈｆ又はＺｒあるいはこれらの化合物に電子がトラップされ、トラップされた電子によりゲート電極に負のバイアスを印加した際にゲート絶縁膜中に発生する正の固定電荷が打ち消され、ＮＢＴＩによる閾値電圧の上昇を効果的に抑制するためである。
【０００４】
特開２００６−９３６７０号公報（特許文献２：ＵＳ２００６０４３４９７（Ａ１））に半導体装置およびその製造方法が開示されている。この半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の上に設けられたＳｉ含有ゲート電極と、半導体基板とＳｉ含有ゲート電極との間に設けられＳｉ含有ゲート電極と接するゲート絶縁膜とを含む複数の電界効果型トランジスタを備えている。複数の電界効果型トランジスタにおいては、Ｓｉ含有ゲート電極（多結晶シリコン）とゲート絶縁膜（ＳｉＯＮ）との界面に、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｙ、Ｔｉ、ＴａおよびＷからなる群から選択される一または二以上の金属が存在している。界面における金属の濃度が５×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上１．４×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２未満である。少なくとも１つの電界効果トランジスタのチャネル領域中の不純物濃度は、他の電界効果トランジスタのチャネル領域中の不純物濃度と異なる。この半導体装置では、このような構成により、チャネル領域に不純物を注入することによる閾値電圧調整よりも少ない不純物量で電界効果型トランジスタの閾値電圧を調整する。
【０００５】
再表ＷＯ２００７／０４００５７号公報（特許文献３：ＵＳ２００９２６７１６３（Ａ１））には、半導体装置が開示されている。この半導体装置は、電界効果型トランジスタを有する。その電界効果型トランジスタは、半導体層上に形成されたゲート絶縁膜と、そのゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを備えている。そのゲート絶縁膜は、金属元素と窒素とを含有するシリコン酸化膜である。そのゲート絶縁膜におけるその金属元素とその窒素の分布は、そのゲート絶縁膜とそのゲート電極との界面側で最大となる。その金属元素としては、ＨｆやＡｌ、Ｚｒが例示される。
【０００６】
上記技術に関連して、Ｈｆ等の金属元素の量を直接測定する手法としては、全反射蛍光Ｘ線分析やＸ線光電子分光分析などが知られている（以降、まとめてＸ線分析評価手法ともいう）。高性能半導体プロセス用分析・評価技術（半導体基盤技術研究会、リアライズ理工センター（１９９２）：非特許文献１）には、それら全反射蛍光Ｘ線分析やＸ線光電子分光分析が記載されている。Ｈｆの量を測定する場合、全反射蛍光Ｘ線分析は、Ｈｆを成膜したウェハにＸ線を入射させ、Ｈｆからの蛍光Ｘ線を検出器により検出し、Ｈｆの量を検出する。一方、Ｘ線光電子分光分析は、Ｘ線を試料に照射し、各元素から放出された光電子を検出する。これらの装置によるＨｆ量の検出は、試料サイズとして数μｍφ以上必要とする。この試料サイズは、製品ウェハ上のチップ内のトランジスタ寸法と比較して非常に大きい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３１８０１２号公報
【特許文献２】特開２００６−９３６７０号公報
【特許文献３】再表ＷＯ２００７／０４００５７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】高性能半導体プロセス用分析・評価技術、半導体基盤技術研究会、リアライズ理工センター（１９９２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献１〜３は、Ｈｆ等の金属不純物をゲート絶縁膜又はその近傍に配することで、特性及び信頼性に対する課題を解決しようとしている。このとき、ゲート絶縁膜又はその近傍におけるＨｆ等の金属不純物量を適切な範囲に制御することが重要である。その金属不純物量をモニタするためには、既述のように、上記非特許文献１で紹介された物理分析である全反射蛍光Ｘ線分析やＸ線光電子分光分析を行う必要がある。
【００１０】
これら全反射蛍光Ｘ線分析やＸ線光電子分光分析によるＨｆ等の金属不純物量の検出は、試料サイズとして数μｍφ以上を要する。この試料サイズは、製品ウェハ上のチップ内のトランジスタ寸法と比較して非常に大きい。そのため、実際に製品ウェハ上に形成されたトランジスタと同じ寸法における金属不純物量の測定を行うことはできない。加えて、Ｘ線によりウェハがダメージを受ける可能性が有るため、製品ウェハにモニタパターン（例示：ＴＥＧパターン）を設置し、金属不純物量を確認することも不可能である。そのため、金属不純物量をモニタするためには、専用のウェハを使用する必要がある。また、試料サイズの問題から、トランジスタパターンの存在しないウェハを使う必要があるため、特性、信頼性との相関を確認することもできない。製品ウェハにおけるトランジスタ寸法での、不純物量を予測可能とする技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１２】
本発明の不純物量予測方法は、測定するステップと、予測するステップとを具備する。測定するステップは、半導体基板上に設けられたトランジスタのパターンを用いてＴＤＤＢ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）として第１寿命及び第１膜厚を測定する。予測するステップは、予め求められたゲート絶縁膜中の不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）との関係（式（１０）；係数を含む）と、測定された第１寿命及び第１膜厚とに基づいて、半導体基板内のゲート絶縁膜中の不純物量を予測する。
【００１３】
本発明では、半導体基板（例示：製品ウェハ）上のトランジスタレベルのパターン（例示：ＴＥＧパターン）を使用し、電気的な測定手法を用いて求めた反転膜厚（Ｔｉｎｖ）及びＴＤＤＢ寿命（η）と、予め求められた不純物量（Ｘ）と反転膜厚（Ｔｉｎｖ）及びＴＤＤＢ寿命（η）との関係（例示：式（１０）及び係数α１〜α４）とに基づいて、不純物量（例示：ＸＨｆ）を予測する。すなわち、製品ウェハにおいて、簡便な電気的手法により、製品ウェハにおけるトランジスタ寸法での測定を行うことができる。それにより、製品ウェハにおける測定値を用いることができ、現実の不純物量に極めて近い不純物量を予測することができる。加えて、Ｘ線分析評価専用のウェハを用い、Ｘ線分析評価手法（全反射蛍光Ｘ線分析やＸ線光電子分光分析など）を使用して不純物量を求める必要がなくなる。
【００１４】
本発明の不純物量予測装置は、測定部（１１）と、記憶部（１４）と、予測部（１２）とを具備する。測定部（１１）は、半導体基板上に設けられたトランジスタのパターンを用いてＴＤＤＢ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）として第１寿命及び第１膜厚を測定する。記憶部（１４）は、予め求められたゲート絶縁膜中の不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）との関係（式（１０）を格納する。予測部（１２）は、記憶部（１４）に格納された関係（式（１０）；係数を含む）と、測定された第１寿命及び第１膜厚とに基づいて、半導体基板内のゲート絶縁膜中の不純物量を予測する。
【００１５】
本発明のプログラムは、測定部（１１）と記憶部（１４）と予測部（１２）とを備える不純物量予測装置としてのコンピュータに不純物量予測方法を実行させる。すなわち、プログラムは、測定するステップと、予測するステップとを具備する不純物量予測方法をコンピュータに実行させる。測定するステップは、測定部（１１）が、半導体基板上に設けられたトランジスタのパターンを用いてＴＤＤＢ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）として第１寿命及び第１膜厚を測定する。予測するステップは、予測部（１２）が、記憶部（１４）に格納された、予め求められたゲート絶縁膜中の不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）との関係（式（１０）；係数を含む）と、測定された第１寿命及び第１膜厚とに基づいて、半導体基板内のゲート絶縁膜中の不純物量を予測する。
【００１６】
上記の不純物量予測装置及びプログラムにおいても不純物量予測方法と同様の効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、製品ウェハにおけるトランジスタ寸法での、不純物量を予測可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る不純物量予測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る不純物量予測装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図３】図３は、モニタパターンの一例を示す模式図である。
【図４】図４は、ゲート絶縁膜の膜厚とＴＤＤＢ寿命との関係の一例を示すグラフである。
【図５】図５は、ゲート絶縁膜中のＨｆ量とＴＤＤＢ寿命との関係の一例を示すグラフである。
【図６】図６は、ゲート絶縁膜の膜厚と反転膜厚との関係の一例を示すグラフである。
【図７】図７は、ゲート絶縁膜中のＨｆ量と反転膜厚との関係の一例を示すグラフである。
【図８】図８は、本発明の実施の形態に係る不純物量予測装置の動作（不純物量予測方法）を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の不純物量の予測方法及び不純物量予測装置の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
【００２０】
まず、本発明の実施の形態に係る不純物量の予測方法に関する概念について説明する。本実施の形態に係る不純物量の予測方法では、製品ウェハのモニタパターンとしても搭載可能なサイズのトランジスタパターンにおける特性（ゲート絶縁膜の反転膜厚：Ｔｉｎｖ）及び信頼性（ゲート絶縁膜のＴＤＤＢ寿命：η）の評価結果を、予め求めていた反転膜厚（Ｔｉｎｖ）及びＴＤＤＢ寿命（η）と不純物量（Ｘ）との関係に基づいて、不純物量に換算し、当該トランジスタパターンの位置・構造（寸法を含む）での不純物量をモニタする。更に、複数のトランジスタパターンでの評価結果から、ウェハ単位での不純物量に換算し、ウェハ単位での不純物量のモニタやウェハ面内の不純物量の傾向をモニタする。それにより、全反射蛍光Ｘ線分析やＸ線光電子分光分析などのＸ線分析評価手を行うことなく、短時間での電気的な測定で不純物量を予測することができる。加えて、このＸ線分析評価手法に用いるモニタ専用ウェハを使用することなく、又は数μｍφ以上の大きなＸ線分析評価用ＴＥＧをウェハに搭載することなく、製品ウェハそのものにおいて不純物量をモニタすることができる。更に、製品のトランジスタパターンと同じ構造のトランジスタにおける不純物量をモニタすることが出来る。例えば、製品に用いているトランジスタのＴＤＤＢ寿命及び反転膜厚の電気評価ができれば、その製品における不純物量を直接評価することも可能である。
【００２１】
ここで、ＴＤＤＢ寿命ηは、電圧一定印加により、ゲート絶縁膜が破壊するまでの時間である。反転膜厚Ｔｉｎｖは、一般的に電気的に測定した膜厚を表し、ゲート絶縁膜の容量を測定し、ゲート絶縁膜がＳｉＯ２であると仮定した場合の膜厚を換算式により求めるものである。換算式（式（０））を以下に示す。
Ｔｉｎｖ＝εｒ［ＳｉＯ２］・ε０／Ｃｇａｔｅ …（０）
（εｒ［ＳｉＯ２］：ＳｉＯ２の比誘電率３．９、ε０：真空の誘電率８．８５４［Ｆ／ｍ］、Ｃｇａｔｅ：測定したゲート容量［ｆＦ／μｍ２］）
【００２２】
以下、本実施の形態に係る不純物量の予測方法及び不純物量予測装置について詳細に説明する。
【００２３】
本発明の実施の形態に係る不純物量予測装置について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る不純物量予測装置の構成を示すブロック図である。この不純物量予測装置１は、評価対象２０（例示：ウェハ）の評価を行う。この不純物量予測装置１は、コンピュータに例示される情報処理装置であり、図示されていないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、記憶装置と、入力装置と、出力装置と、インターフェースとを備えている。ＣＰＵ、記憶装置、入力装置、出力装置、及びインターフェースは、バスやケーブルにより互いに情報の送受信が可能に接続されている。記憶装置は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）ドライブ、及びＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）ドライブに例示される。入力装置は、キーボード、及びマウスに例示される。出力装置は、ディスプレイやプリンタに例示される。インターフェースは、評価対象２０としてのウェハと電気的に接続可能である。ここでは、インターフェースは、評価対象２０のウェハ（の素子）をテストするためのテスタやプローバを含んでいる。例えば、評価対象２０のウェハが複数のチップを備え、各チップ又は各チップ間に測定対象のトランジスタパターンを含んでいる場合、インターフェースは、ＬＳＩテスタ及びそのプローバに例示される。
【００２４】
ＣＰＵは、例えばＣＤ−ＲＯＭのような記憶媒体やネットワークを介して記憶装置（例示：ＨＤＤ）にインストールされたコンピュータプログラムをＲＡＭに展開する。そのコンピュータプログラムは、評価対象２０を評価（不純物量予測）するためのコンピュータプログラムを含んでいる。ＣＰＵは、展開されたコンピュータプログラムを実行して、必要に応じて記憶装置や入力装置や出力装置のようなハードウエアを制御しながら、当該コンピュータプログラムの情報処理を実現する。すなわち、ＣＰＵは、テスタやプローバを制御しながら、評価対象２０に対する測定を実施し、測定結果を評価し、評価結果から評価対象２０の不純物量を予測する。なお、ＣＰＵは、テスタ内のＣＰＵに、当該情報処理を実施させても良い。記憶装置は、コンピュータプログラムを記録し、ＣＰＵが利用する情報や生成する情報を記録する。入力装置は、ユーザに操作されることにより生成される情報をＣＰＵや記憶装置に出力する。出力装置は、ＣＰＵにより生成された情報や記憶装置の情報をユーザに認識可能に出力する。
【００２５】
図２は、本発明の実施の形態に係る不純物量予測装置１の構成を示す機能ブロック図である。不純物量予測装置１は、評価対象２０であるウェハについて、そのウェハ内のトランジスタの特性を評価して不純物量の予測を実行する。不純物量予測装置１は、コンピュータに例示される情報処理装置に、本発明の実施の形態に係る不純物量予測プログラム（不純物量予測方法）をインストールすることでその機能を実現している。不純物量予測装置１は、その機能として、測定部１１、予測部１２、特定部１３、及び記憶部１４を備えている。
【００２６】
測定部１１は、ウェハ（半導体基板）上に設けられたトランジスタのパターンを用いてＴＤＤＢ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）を測定する。不純物の種類、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、及びゲート絶縁膜の種類などのデータについては、例えば、ユーザにより入力装置から入力される。
【００２７】
ここで、トランジスタは、ウェハ（半導体基板）上に設けられた複数のチップの各々の有する論理回路や周辺回路などで用いられるトランジスタであり、ウェハ上に製造されたチップの機能を実現するためのトランジスタである。本実施の形態では、このようなトランジスタを対象とし、これら対象トランジスタにおけるゲート絶縁膜中の不純物量を予測する。
【００２８】
また、そのトランジスタのパターンとは、その対象トランジスタと同じ構造（構成、形状、大きさなど）を有するパターンであり、不純物量をモニタするモニタパターンであり、ＴＥＧパターンに例示される。図３は、モニタパターンの一例を示す模式図である。このモニタパターンは、ＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）の測定用のパターンであり、ゲート絶縁膜の上下に対して測定端子が出ている。このモニタパターンは、対象トランジスタと同様の構成（図３）や形状（図示されず）や大きさ（図示されず）を有し、計測用の配線及びパッドが追加されている。この図の例では、対象トランジスタと同様の構成や形状や大きさを有し、ソース、ドレイン、及び基板を一つのパッドに、ゲートを他のパッドにそれぞれ接続した、２端子のＴＥＧパターンを示している。ただし、本実施の形態はこの例に限定されるものではなく、例えば、ソース、ドレイン、基板、及びゲートをそれぞれ別のパッドに接続した４端子のＴＥＧパターンとしても良い。そのＴＥＧパターンは、各チップ上に設けられていてもよいし、複数のチップ間のスクライブ線上に設けられていてもよい。
【００２９】
記憶部１４は、予め求められたゲート絶縁膜の膜厚（Ｔｏｘ）及びゲート絶縁膜中の不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）との関係（例示：図４〜図７で表される関係など；後述）を格納している。これらの関係（関係式）は、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、ゲート絶縁膜の種類、及び、不純物の種類によって、異なる係数を示す。従って、ある特定の不純物について、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、及びゲート絶縁膜の種類の各々について、条件を変化させて関係式（係数）を予め求めておく。記憶部１４は、予測方法を実行して不純物量を予測するときの各条件に対応して、適切な関係式（係数）を選択できるように、その予め求めたデータを格納している。
【００３０】
予測部１２は、記憶部１４に格納されたゲート絶縁膜中の不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）との関係と、測定部１１により測定されたＴＤＤＢ寿命及び反転膜厚とに基づいて、モニタパターンのゲート絶縁膜中の不純物量（Ｘ）を、対象トランジスタのゲート絶縁膜中の不純物量（Ｘ）として予測する。予測方法の詳細については後述される。
【００３１】
特定部１３は、測定部１１及び予測部１２がＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）の測定及び不純物量（Ｘ）の予測を、ウェハ上の複数の点で実施した結果に基づいて、ウェハ上の不純物量の分布を特定する。この場合、上記モニタパターン（ＴＥＧパターン）がウェハ上の各チップごと又はショットごとに少なくとも一つ設けられているか、あるいは複数のモニタパターン（ＴＥＧパターン）がチップ間のスクライブ線上に分散して設けられていることが好ましい。
【００３２】
次に、本発明の実施の形態に係る不純物量の予測方法に関する原理について説明する。ここでは、トランジスタのゲート絶縁膜をＳｉＯｘ膜、ゲート絶縁膜又はその近傍に導入される不純物を金属元素の一つであるＨｆ（ハフニウム）とした場合を例に挙げて説明する。このような金属元素は、ゲート絶縁膜をｈｉｇｈ−ｋ膜にすることが出来、閾値電圧の制御や、オフリークの低減等を図ることができる。そのような金属元素としては、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｙ、Ｔｉ、ＴａおよびＷが例示される。また、その他のゲート絶縁膜としてはＳｉＯｘやＳｉＯｘＮｙ膜が例示される。
【００３３】
ゲート絶縁膜の膜厚（Ｔｏｘ）及び不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）との関係については、予め実験により求められ、記憶部１４に格納されている。
求める方法としては、ウェハ上に、Ｘ線分析評価等用の不純物量評価用の数μｍφ以上のＸ線分析評価ＴＥＧパターンと、製品ウェハ上に設けるモニタパターンと同じモニタパターンとを設け、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、ゲート絶縁膜の種類、及び、不純物の種類などの各条件を個別に変化させた上で、ゲート絶縁膜の膜厚（Ｔｏｘ）及び不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）とを計測する。そして、ゲート絶縁膜の膜厚（Ｔｏｘ）及び不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）との関係を求める。例えば、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、ゲート絶縁膜の種類、及び、不純物の種類を一定とし、測定時の温度を変化させて、各温度において、ゲート絶縁膜の膜厚（Ｔｏｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）とを計測する。不純物量（Ｘ）は、Ｘ線分析評価ＴＥＧパターンにてＸ線分析評価手法により計測する。それにより、各温度での、ゲート絶縁膜の膜厚（Ｔｏｘ）及び不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）との関係を求める。
【００３４】
なお、ゲート絶縁膜中の不純物量（Ｘ）については、Ｘ線分析評価手法以外に、ゲート絶縁膜の破壊検査（例示：飛行時間型二次イオン質量分析（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）、レーザーアブレーションＩＣＰ質量分析法（Ｌａｓｅｒ Ａｂｌａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＬＡ−ＩＣＰ−ＭＳ））により計測することもできる。また、ＴＤＤＢ寿命（η）については、使用時の電圧よりも高い電圧を印加して加速試験的に求める。
【００３５】
これらの計測により、不純物ごとに、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、及びゲート絶縁膜の種類の各々について、条件を変化させたときのゲート絶縁膜の膜厚（Ｔｏｘ）及び不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）関係式（係数）を求めておく。
【００３６】
図４〜図７は、そのような計測結果の例を示している。
図４は、ゲート絶縁膜の膜厚ＴｏｘとＴＤＤＢ寿命（η）との関係の一例を示すグラフである。縦軸はＴＤＤＢ寿命ｌｎ（η）（任意単位）、横軸はゲート絶縁膜の膜厚Ｔｏｘ［ｎｍ］である。図４の直線Ａで示されるように、ゲート絶縁膜の膜厚Ｔｏｘが厚いほど、ＴＤＤＢ寿命ηは長いという直線的な傾向である。この場合、Ｔｏｘとηとの関係は、
η＝ａ１・ｅｘｐ（ｂ１・Ｔｏｘ） …（１）
のように表現できる。ここで、ａ１、ｂ１は、その測定条件（不純物の種類、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、及びゲート絶縁膜の種類）で定まる係数である。
【００３７】
図５は、ゲート絶縁膜中のＨｆ量ＸＨｆとＴＤＤＢ寿命ｌｎ（η）との関係の一例を示すグラフである。縦軸はＴＤＤＢ寿命ｌｎ（η）（任意単位）、横軸はゲート絶縁膜中のＨｆ量ＸＨｆ［ａｔｏｍｓ／ｃｍ２］である。図５の直線Ｂで示されるように、Ｈｆ量ＸＨｆが多いほど、ＴＤＤＢ寿命ηは短いという直線的な傾向である。これは、Ｈｆによりトラップサイトが増加することによるものとされている。この場合、ＸＨｆとηとの関係は、
η＝ａ２・ｅｘｐ（−ｂ２・ＸＨｆ） …（２）
のように表現できる。ここで、ａ２、ｂ２は、その測定条件（不純物の種類、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、及びゲート絶縁膜の種類）で定まる係数である。
【００３８】
図６は、ゲート絶縁膜の膜厚Ｔｏｘと反転膜厚Ｔｉｎｖとの関係の一例を示すグラフである。縦軸は反転膜厚Ｔｉｎｖ［ｎｍ］、横軸はゲート絶縁膜の膜厚Ｔｏｘ［ｎｍ］である。図６の直線Ｃで示されるように、ゲート絶縁膜の膜厚Ｔｏｘが厚いほど、反転膜厚Ｔｉｎｖが厚いという直線的な傾向である。この場合、ＴｏｘとＴｉｎｖとの関係は、
Ｔｉｎｖ＝ｃ１・Ｔｏｘ＋ｄ１ …（３）
のように表現できる。ここで、ｃ１、ｄ１は、その測定条件（不純物の種類、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、及びゲート絶縁膜の種類）で定まる係数である。
【００３９】
図７は、ゲート絶縁膜中のＨｆ量ＸＨｆと反転膜厚Ｔｉｎｖとの関係の一例を示すグラフである。縦軸は反転膜厚Ｔｉｎｖ［ｎｍ］、横軸はゲート絶縁膜中のＨｆ量ＸＨｆ［ａｔｏｍｓ／ｃｍ２］である。図７の直線Ｄで示されるように、Ｈｆ量が多いほど、反転膜厚Ｔｉｎｖが厚いという直線的な傾向である。この場合、ＸＨｆとＴｉｎｖとの関係は、
Ｔｉｎｖ＝ｃ２・ＸＨｆ＋ｄ２ …（４）
のように表現できる。ここで、ｃ２、ｄ２は、その測定条件（不純物の種類、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、及びゲート絶縁膜の種類）で定まる係数である。
【００４０】
以上のような関係を利用して、反転膜厚ＴｉｎｖとＴＤＤＢ寿命ηとからＨｆ量ＸＨｆを特定する。ただし、反転膜厚ＴｉｎｖとＴＤＤＢ寿命ηを測定するためには、各ショットもしくはチップ毎に１個以上の反転膜厚Ｔｉｎｖ及びＴＤＤＢ寿命ηを測定可能なモニタパターンが必要である。また、ウェハ上の分Ｈｆ量ＸＨｆの布を測定するためには、ウェハ上にそのモニタパターンを分布させる必要がある。
【００４１】
反転膜厚ＴｉｎｖとＴＤＤＢ寿命ηとによりＨｆ量ＸＨｆを特定するためには、図４〜図７に例示されるような、Ｈｆ量ＸＨｆとＴＤＤＢ寿命η及び反転膜厚Ｔｉｎｖとの関係、ゲート絶縁膜の膜厚ＴｏｘとＴＤＤＢ寿命η及び反転膜厚Ｔｉｎｖとの関係が事前に判明していることが前提となる。本実施の形態では、上述のようにそれは予め求められ、記憶部１４に格納されている。
それぞれの関係式は、上述のように式（１）〜（４）のようなる。
η＝ａ１・ｅｘｐ（ｂ１・Ｔｏｘ） …（１）：再掲
η＝ａ２・ｅｘｐ（−ｂ２・ＸＨｆ） …（２）：再掲
Ｔｉｎｖ＝ｃ１・Ｔｏｘ＋ｄ１ …（３）：再掲
Ｔｉｎｖ＝ｃ２・ＸＨｆ＋ｄ２ …（４）：再掲
【００４２】
式（１）、（２）の関係から、ηとＴｏｘ及びＸＨｆとの関係は、式（５）のように書くことができる。
η＝ａ・ｅｘｐ（ｂ１・Ｔｏｘ）・ｅｘｐ（−ｂ２・ＸＨｆ） …（５）
ここで、ａ、ｂ１、ｂ２は、図４〜図７に例示されるようなグラフを求める元となった実際のデータより計算することができる。これら、ａ、ｂ１、ｂ２は、その測定条件（不純物の種類、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、及びゲート絶縁膜の種類）で定まる係数である。
【００４３】
また、式（３）、（４）の関係から、ＴｉｎｖとＴｏｘ及びＸＨｆとの関係は、式（６）のように書く事ができる。
Ｔｉｎｖ＝ｃ１・Ｔｏｘ＋ｃ２・ＸＨｆ＋ｄ …（６）
ここで、ｃ１、ｃ２、ｄは、図４〜図７に例示されるようなグラフを求める元となった実際のデータより計算することができる。これら、ｃ１、ｃ２、ｄは、その測定条件（不純物の種類、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、及びゲート絶縁膜の種類）で定まる係数である。
【００４４】
このとき、評価対象のＴｏｘが分からなくても、ＸＨｆを求められるようにするため、式（６）を式（７）のように変形し、式（５）に代入すると式（８）となる。
Ｔｏｘ＝（Ｔｉｎｖ−ｄ−ｃ２・ＸＨｆ）／ｃ１ …（７）
η＝ａ・ｅｘｐ（ｂ１・（Ｔｉｎｖ−ｄ−ｃ２・ＸＨｆ）／ｃ１）・ｅｘｐ（−ｂ２・ＸＨｆ） …（８）
【００４５】
式（８）よりＸＨｆについて求める形とすると、式（９）を経て式（１０）となり、ηとＴｉｎｖによりＸＨｆを特定することができる。
ｌｎ（η）＝ｌｎ（ａ）＋ｂ１・（Ｔｉｎｖ−ｄ−ｃ２・ＸＨｆ）／ｃ１−ｂ２・ＸＨｆ …（９）
ＸＨｆ＝（ｃ１・ｌｎ（ａ）＋ｂ１・（ｄ−Ｔｉｎｖ）−ｃ１・ｌｎ（η））／（ｂ１・ｃ２＋ｃ１・ｂ２）
＝α１＋α２・（α３−Ｔｉｎｖ）−α４・ｌｎ（η） …（１０）
ただし、α１、α２、α３、α４は、以下の式で表される係数である。
α１＝ｃ１・ｌｎ（ａ）／（ｂ１・ｃ２＋ｃ１・ｂ２）
α２＝ｂ１／（ｂ１・ｃ２＋ｃ１・ｂ２）
α３＝ｄ
α４＝ｃ１／（ｂ１・ｃ２＋ｃ１・ｂ２）
すなわち、α１、α２、α３、α４は、図４〜図７に例示されるようなグラフを求める元となった実際のデータより計算することができ、その測定条件（不純物の種類、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、及びゲート絶縁膜の種類）で定まる係数である。その係数又は係数を含む式（１０）は、既述のように測定条件ごとに記憶部１４に格納されている。
【００４６】
このように、トランジスタレベルのモニタパターンを使用し、反転膜厚ＴｉｎｖやＴＤＤＢ寿命ηを測定し、測定条件に対応した式（１０）に代入することで、Ｈｆ量ＸＨｆを予測することができる。
【００４７】
次に、本発明の実施の形態に係る不純物量予測装置の動作（不純物量予測方法）について説明する。
図８は、本発明の実施の形態に係る不純物量予測装置の動作（不純物量予測方法）を示すフロー図である。ここでは、製品ウェハ面内での不純物量（例示：Ｈｆ量ＸＨｆ）のばらつきを見るために、各チップや各ショット、あるいは各スクライブ線上などに少なくとも一つのモニタパターンが搭載され、製品ウェハ全体にモニタパターンが分布して配置されているとする。
【００４８】
また、予め以下の測定が行われ、上述の所定のデータが記憶部１４に格納されている。すなわち、ウェハ上に、製品ウェハ上に設けるモニタパターンと同じモニタパターンを設け、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、ゲート絶縁膜の種類、及び、不純物の種類などの各条件を個別に変化させた上で、ゲート絶縁膜の膜厚（Ｔｏｘ）及び不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）とを計測する。そして、ゲート絶縁膜の膜厚（Ｔｏｘ）及び不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）との関係を求める。それらの結果が、記憶部１４に格納される。
【００４９】
不純物量予測装置１の測定部１１は、テスタを用いて、各チップもしくはショットに搭載された測定用のモニタパターンにおいて、ＴＤＤＢ寿命ηと反転膜厚Ｔｉｎｖを測定する（ステップＳ１）。
具体的には、まず、測定部１１は、ユーザ入力により、不純物の種類、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、及びゲート絶縁膜の種類などの測定条件を取得する。次に、測定部１１は、その測定条件の下、製品ウェハ内の図３のモニタパターンにおいて、二つのパッドを用いて、ゲート絶縁膜の容量Ｃｇａｔｅを測定する。そして、そのＣｇａｔｅを用いて、ゲート絶縁膜がＳｉＯ２であると仮定した場合の反転膜厚Ｔｉｎｖを上記換算式（０）を用いてを算出する。続いて、測定部１１は、同じモニタパターンにおいて、測定時に印加する電圧の一定印加により、ゲート絶縁膜が破壊するまでの時間を計測し、その時間をＴＤＤＢ寿命ηとする。
【００５０】
予測部１２は、記憶部１４に格納されたゲート絶縁膜中の不純物量ＸＨｆとＴＤＤＢ寿命η及び反転膜厚Ｔｉｎｖとの関係と、測定されたＴＤＤＢ寿命ηと反転膜厚Ｔｉｎｖ及びに基づいて、モニタパターンのゲート絶縁膜中の不純物量ＸＨｆを、対象トランジスタのゲート絶縁膜中の不純物量ＸＨｆとして予測する（ステップＳ２）。
具体的には、予測部１２は、測定条件に対応した上記式（１０）の係数α１〜α４を記憶部１４から取得して、測定条件に対応した上記式（１０）を完成させる。そして、その式（１０）に、測定されたＴＤＤＢ寿命ηと反転膜厚Ｔｉｎｖを代入して、その測定条件における不純物量ＸＨｆを算出する。ただし、予測部１２は、測定条件に対応した係数α１〜α４を含む上記式（１０）を記憶部１４から取得しても良い。
【００５１】
予測部１２は、製品ウェハ面内の全点（全てのモニタパターン）について、ＴＤＤＢ寿命ηと反転膜厚Ｔｉｎｖを測定し（Ｓ１）、不純物量ＸＨｆを算出したか（Ｓ２）を判定する（ステップＳ３）。製品ウェハのどの位置にモニタパターンがあるかは、測定開始前に予め設定されている。製品ウェハ面内全点について測定及び算出が終了していない場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、プロセスはステップＳ１へ戻る。製品ウェハ面内全点について測定及び算出が終了している場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、プロセスはステップＳ４へ進む。
【００５２】
特定部１３は、測定部１１及び予測部１２がＴＤＤＢ寿命η及び反転膜厚Ｔｉｎｖの測定（Ｓ１）及び不純物量ＸＨｆの予測（Ｓ２）を、製品ウェハ上の全点（全てのモニタパターン）で実施した結果に基づいて、ウェハ面内での不純物量ＸＨｆの分布を特定する（ステップＳ４）。
【００５３】
以上のようにして、本発明の実施の形態に係る不純物量予測装置の動作（不純物量予測方法）が実施される。
【００５４】
本実施の形態により、物理分析手法（全反射蛍光Ｘ線分析やＸ線光電子分光分析など）を使用することなく、トランジスタレベルのモニタパターンを使用し、反転膜厚Ｔｉｎｖの測定やＴＤＤＢ寿命ηの測定などの電気的な測定手法を用いるだけで不純物量（例示：ＸＨｆ）のモニタが可能となる。それにより、専用のウェハを使用することなく、製品ウェハにおいて、製品ウェハにおけるトランジスタ寸法での、Ｈｆ等の不純物量を予測することができる。
【００５５】
本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。
【符号の説明】
【００５６】
１ 不純物量予測装置
１１ 測定部
１２ 予測部
１３ 特定部
１４ 記憶部
２０ 評価対象
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不純物量予測方法及び不純物量予測装置に関し、特に半導体装置のトランジスタにおける不純物量予測方法及び不純物量予測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
トランジスタのゲート絶縁膜又はその近傍に不純物を導入して、トランジスタ特性を調整する技術が知られている。例えば、Ｈｆ等の金属元素をゲート絶縁膜中又はゲート絶縁膜上に含まれるようにして、ゲート絶縁膜をｈｉｇｈ−ｋ膜とし、閾値電圧の制御や、オフリーク電流の低減等を図る技術が知られている。
【０００３】
例えば、特開２００７−３１８０１２号公報（特許文献１：ＵＳ２００７２８４６７５（Ａ１））に半導体装置およびその製造方法が開示されている。この半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の上部に接して設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜の上部に接して設けられたゲート電極とを含むＰ型電界効果型トランジスタを備えている。ゲート絶縁膜（ＳｉＯ２）中またはゲート絶縁膜とゲート電極（多結晶シリコン）との界面に、ＨｆおよびＺｒのうち少なくとも一種の金属が、１．３×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下の面密度で含まれる領域を有する。この半導体装置では、このような構成により、ＮＢＴＩ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｂｉａｓ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）耐性の改善が図られている。これは、Ｈｆ又はＺｒあるいはこれらの化合物に電子がトラップされ、トラップされた電子によりゲート電極に負のバイアスを印加した際にゲート絶縁膜中に発生する正の固定電荷が打ち消され、ＮＢＴＩによる閾値電圧の上昇を効果的に抑制するためである。
【０００４】
特開２００６−９３６７０号公報（特許文献２：ＵＳ２００６０４３４９７（Ａ１））に半導体装置およびその製造方法が開示されている。この半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の上に設けられたＳｉ含有ゲート電極と、半導体基板とＳｉ含有ゲート電極との間に設けられＳｉ含有ゲート電極と接するゲート絶縁膜とを含む複数の電界効果型トランジスタを備えている。複数の電界効果型トランジスタにおいては、Ｓｉ含有ゲート電極（多結晶シリコン）とゲート絶縁膜（ＳｉＯＮ）との界面に、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｙ、Ｔｉ、ＴａおよびＷからなる群から選択される一または二以上の金属が存在している。界面における金属の濃度が５×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上１．４×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２未満である。少なくとも１つの電界効果トランジスタのチャネル領域中の不純物濃度は、他の電界効果トランジスタのチャネル領域中の不純物濃度と異なる。この半導体装置では、このような構成により、チャネル領域に不純物を注入することによる閾値電圧調整よりも少ない不純物量で電界効果型トランジスタの閾値電圧を調整する。
【０００５】
再表ＷＯ２００７／０４００５７号公報（特許文献３：ＵＳ２００９２６７１６３（Ａ１））には、半導体装置が開示されている。この半導体装置は、電界効果型トランジスタを有する。その電界効果型トランジスタは、半導体層上に形成されたゲート絶縁膜と、そのゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを備えている。そのゲート絶縁膜は、金属元素と窒素とを含有するシリコン酸化膜である。そのゲート絶縁膜におけるその金属元素とその窒素の分布は、そのゲート絶縁膜とそのゲート電極との界面側で最大となる。その金属元素としては、ＨｆやＡｌ、Ｚｒが例示される。
【０００６】
上記技術に関連して、Ｈｆ等の金属元素の量を直接測定する手法としては、全反射蛍光Ｘ線分析やＸ線光電子分光分析などが知られている（以降、まとめてＸ線分析評価手法ともいう）。高性能半導体プロセス用分析・評価技術（半導体基盤技術研究会、リアライズ理工センター（１９９２）：非特許文献１）には、それら全反射蛍光Ｘ線分析やＸ線光電子分光分析が記載されている。Ｈｆの量を測定する場合、全反射蛍光Ｘ線分析は、Ｈｆを成膜したウェハにＸ線を入射させ、Ｈｆからの蛍光Ｘ線を検出器により検出し、Ｈｆの量を検出する。一方、Ｘ線光電子分光分析は、Ｘ線を試料に照射し、各元素から放出された光電子を検出する。これらの装置によるＨｆ量の検出は、試料サイズとして数μｍφ以上必要とする。この試料サイズは、製品ウェハ上のチップ内のトランジスタ寸法と比較して非常に大きい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３１８０１２号公報
【特許文献２】特開２００６−９３６７０号公報
【特許文献３】再表ＷＯ２００７／０４００５７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】高性能半導体プロセス用分析・評価技術、半導体基盤技術研究会、リアライズ理工センター（１９９２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献１〜３は、Ｈｆ等の金属不純物をゲート絶縁膜又はその近傍に配することで、特性及び信頼性に対する課題を解決しようとしている。このとき、ゲート絶縁膜又はその近傍におけるＨｆ等の金属不純物量を適切な範囲に制御することが重要である。その金属不純物量をモニタするためには、既述のように、上記非特許文献１で紹介された物理分析である全反射蛍光Ｘ線分析やＸ線光電子分光分析を行う必要がある。
【００１０】
これら全反射蛍光Ｘ線分析やＸ線光電子分光分析によるＨｆ等の金属不純物量の検出は、試料サイズとして数μｍφ以上を要する。この試料サイズは、製品ウェハ上のチップ内のトランジスタ寸法と比較して非常に大きい。そのため、実際に製品ウェハ上に形成されたトランジスタと同じ寸法における金属不純物量の測定を行うことはできない。加えて、Ｘ線によりウェハがダメージを受ける可能性が有るため、製品ウェハにモニタパターン（例示：ＴＥＧパターン）を設置し、金属不純物量を確認することも不可能である。そのため、金属不純物量をモニタするためには、専用のウェハを使用する必要がある。また、試料サイズの問題から、トランジスタパターンの存在しないウェハを使う必要があるため、特性、信頼性との相関を確認することもできない。製品ウェハにおけるトランジスタ寸法での、不純物量を予測可能とする技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１２】
本発明の不純物量予測方法は、測定するステップと、予測するステップとを具備する。測定するステップは、半導体基板上に設けられたトランジスタのパターンを用いてＴＤＤＢ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）として第１寿命及び第１膜厚を測定する。予測するステップは、予め求められたゲート絶縁膜中の不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）との関係（式（１０）；係数を含む）と、測定された第１寿命及び第１膜厚とに基づいて、半導体基板内のゲート絶縁膜中の不純物量を予測する。
【００１３】
本発明では、半導体基板（例示：製品ウェハ）上のトランジスタレベルのパターン（例示：ＴＥＧパターン）を使用し、電気的な測定手法を用いて求めた反転膜厚（Ｔｉｎｖ）及びＴＤＤＢ寿命（η）と、予め求められた不純物量（Ｘ）と反転膜厚（Ｔｉｎｖ）及びＴＤＤＢ寿命（η）との関係（例示：式（１０）及び係数α１〜α４）とに基づいて、不純物量（例示：ＸＨｆ）を予測する。すなわち、製品ウェハにおいて、簡便な電気的手法により、製品ウェハにおけるトランジスタ寸法での測定を行うことができる。それにより、製品ウェハにおける測定値を用いることができ、現実の不純物量に極めて近い不純物量を予測することができる。加えて、Ｘ線分析評価専用のウェハを用い、Ｘ線分析評価手法（全反射蛍光Ｘ線分析やＸ線光電子分光分析など）を使用して不純物量を求める必要がなくなる。
【００１４】
本発明の不純物量予測装置は、測定部（１１）と、記憶部（１４）と、予測部（１２）とを具備する。測定部（１１）は、半導体基板上に設けられたトランジスタのパターンを用いてＴＤＤＢ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）として第１寿命及び第１膜厚を測定する。記憶部（１４）は、予め求められたゲート絶縁膜中の不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）との関係（式（１０）を格納する。予測部（１２）は、記憶部（１４）に格納された関係（式（１０）；係数を含む）と、測定された第１寿命及び第１膜厚とに基づいて、半導体基板内のゲート絶縁膜中の不純物量を予測する。
【００１５】
本発明のプログラムは、測定部（１１）と記憶部（１４）と予測部（１２）とを備える不純物量予測装置としてのコンピュータに不純物量予測方法を実行させる。すなわち、プログラムは、測定するステップと、予測するステップとを具備する不純物量予測方法をコンピュータに実行させる。測定するステップは、測定部（１１）が、半導体基板上に設けられたトランジスタのパターンを用いてＴＤＤＢ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）として第１寿命及び第１膜厚を測定する。予測するステップは、予測部（１２）が、記憶部（１４）に格納された、予め求められたゲート絶縁膜中の不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）との関係（式（１０）；係数を含む）と、測定された第１寿命及び第１膜厚とに基づいて、半導体基板内のゲート絶縁膜中の不純物量を予測する。
【００１６】
上記の不純物量予測装置及びプログラムにおいても不純物量予測方法と同様の効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、製品ウェハにおけるトランジスタ寸法での、不純物量を予測可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る不純物量予測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る不純物量予測装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図３】図３は、モニタパターンの一例を示す模式図である。
【図４】図４は、ゲート絶縁膜の膜厚とＴＤＤＢ寿命との関係の一例を示すグラフである。
【図５】図５は、ゲート絶縁膜中のＨｆ量とＴＤＤＢ寿命との関係の一例を示すグラフである。
【図６】図６は、ゲート絶縁膜の膜厚と反転膜厚との関係の一例を示すグラフである。
【図７】図７は、ゲート絶縁膜中のＨｆ量と反転膜厚との関係の一例を示すグラフである。
【図８】図８は、本発明の実施の形態に係る不純物量予測装置の動作（不純物量予測方法）を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の不純物量の予測方法及び不純物量予測装置の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
【００２０】
まず、本発明の実施の形態に係る不純物量の予測方法に関する概念について説明する。本実施の形態に係る不純物量の予測方法では、製品ウェハのモニタパターンとしても搭載可能なサイズのトランジスタパターンにおける特性（ゲート絶縁膜の反転膜厚：Ｔｉｎｖ）及び信頼性（ゲート絶縁膜のＴＤＤＢ寿命：η）の評価結果を、予め求めていた反転膜厚（Ｔｉｎｖ）及びＴＤＤＢ寿命（η）と不純物量（Ｘ）との関係に基づいて、不純物量に換算し、当該トランジスタパターンの位置・構造（寸法を含む）での不純物量をモニタする。更に、複数のトランジスタパターンでの評価結果から、ウェハ単位での不純物量に換算し、ウェハ単位での不純物量のモニタやウェハ面内の不純物量の傾向をモニタする。それにより、全反射蛍光Ｘ線分析やＸ線光電子分光分析などのＸ線分析評価手を行うことなく、短時間での電気的な測定で不純物量を予測することができる。加えて、このＸ線分析評価手法に用いるモニタ専用ウェハを使用することなく、又は数μｍφ以上の大きなＸ線分析評価用ＴＥＧをウェハに搭載することなく、製品ウェハそのものにおいて不純物量をモニタすることができる。更に、製品のトランジスタパターンと同じ構造のトランジスタにおける不純物量をモニタすることが出来る。例えば、製品に用いているトランジスタのＴＤＤＢ寿命及び反転膜厚の電気評価ができれば、その製品における不純物量を直接評価することも可能である。
【００２１】
ここで、ＴＤＤＢ寿命ηは、電圧一定印加により、ゲート絶縁膜が破壊するまでの時間である。反転膜厚Ｔｉｎｖは、一般的に電気的に測定した膜厚を表し、ゲート絶縁膜の容量を測定し、ゲート絶縁膜がＳｉＯ２であると仮定した場合の膜厚を換算式により求めるものである。換算式（式（０））を以下に示す。
Ｔｉｎｖ＝εｒ［ＳｉＯ２］・ε０／Ｃｇａｔｅ …（０）
（εｒ［ＳｉＯ２］：ＳｉＯ２の比誘電率３．９、ε０：真空の誘電率８．８５４［Ｆ／ｍ］、Ｃｇａｔｅ：測定したゲート容量［ｆＦ／μｍ２］）
【００２２】
以下、本実施の形態に係る不純物量の予測方法及び不純物量予測装置について詳細に説明する。
【００２３】
本発明の実施の形態に係る不純物量予測装置について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る不純物量予測装置の構成を示すブロック図である。この不純物量予測装置１は、評価対象２０（例示：ウェハ）の評価を行う。この不純物量予測装置１は、コンピュータに例示される情報処理装置であり、図示されていないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、記憶装置と、入力装置と、出力装置と、インターフェースとを備えている。ＣＰＵ、記憶装置、入力装置、出力装置、及びインターフェースは、バスやケーブルにより互いに情報の送受信が可能に接続されている。記憶装置は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）ドライブ、及びＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）ドライブに例示される。入力装置は、キーボード、及びマウスに例示される。出力装置は、ディスプレイやプリンタに例示される。インターフェースは、評価対象２０としてのウェハと電気的に接続可能である。ここでは、インターフェースは、評価対象２０のウェハ（の素子）をテストするためのテスタやプローバを含んでいる。例えば、評価対象２０のウェハが複数のチップを備え、各チップ又は各チップ間に測定対象のトランジスタパターンを含んでいる場合、インターフェースは、ＬＳＩテスタ及びそのプローバに例示される。
【００２４】
ＣＰＵは、例えばＣＤ−ＲＯＭのような記憶媒体やネットワークを介して記憶装置（例示：ＨＤＤ）にインストールされたコンピュータプログラムをＲＡＭに展開する。そのコンピュータプログラムは、評価対象２０を評価（不純物量予測）するためのコンピュータプログラムを含んでいる。ＣＰＵは、展開されたコンピュータプログラムを実行して、必要に応じて記憶装置や入力装置や出力装置のようなハードウエアを制御しながら、当該コンピュータプログラムの情報処理を実現する。すなわち、ＣＰＵは、テスタやプローバを制御しながら、評価対象２０に対する測定を実施し、測定結果を評価し、評価結果から評価対象２０の不純物量を予測する。なお、ＣＰＵは、テスタ内のＣＰＵに、当該情報処理を実施させても良い。記憶装置は、コンピュータプログラムを記録し、ＣＰＵが利用する情報や生成する情報を記録する。入力装置は、ユーザに操作されることにより生成される情報をＣＰＵや記憶装置に出力する。出力装置は、ＣＰＵにより生成された情報や記憶装置の情報をユーザに認識可能に出力する。
【００２５】
図２は、本発明の実施の形態に係る不純物量予測装置１の構成を示す機能ブロック図である。不純物量予測装置１は、評価対象２０であるウェハについて、そのウェハ内のトランジスタの特性を評価して不純物量の予測を実行する。不純物量予測装置１は、コンピュータに例示される情報処理装置に、本発明の実施の形態に係る不純物量予測プログラム（不純物量予測方法）をインストールすることでその機能を実現している。不純物量予測装置１は、その機能として、測定部１１、予測部１２、特定部１３、及び記憶部１４を備えている。
【００２６】
測定部１１は、ウェハ（半導体基板）上に設けられたトランジスタのパターンを用いてＴＤＤＢ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）を測定する。不純物の種類、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、及びゲート絶縁膜の種類などのデータについては、例えば、ユーザにより入力装置から入力される。
【００２７】
ここで、トランジスタは、ウェハ（半導体基板）上に設けられた複数のチップの各々の有する論理回路や周辺回路などで用いられるトランジスタであり、ウェハ上に製造されたチップの機能を実現するためのトランジスタである。本実施の形態では、このようなトランジスタを対象とし、これら対象トランジスタにおけるゲート絶縁膜中の不純物量を予測する。
【００２８】
また、そのトランジスタのパターンとは、その対象トランジスタと同じ構造（構成、形状、大きさなど）を有するパターンであり、不純物量をモニタするモニタパターンであり、ＴＥＧパターンに例示される。図３は、モニタパターンの一例を示す模式図である。このモニタパターンは、ＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）の測定用のパターンであり、ゲート絶縁膜の上下に対して測定端子が出ている。このモニタパターンは、対象トランジスタと同様の構成（図３）や形状（図示されず）や大きさ（図示されず）を有し、計測用の配線及びパッドが追加されている。この図の例では、対象トランジスタと同様の構成や形状や大きさを有し、ソース、ドレイン、及び基板を一つのパッドに、ゲートを他のパッドにそれぞれ接続した、２端子のＴＥＧパターンを示している。ただし、本実施の形態はこの例に限定されるものではなく、例えば、ソース、ドレイン、基板、及びゲートをそれぞれ別のパッドに接続した４端子のＴＥＧパターンとしても良い。そのＴＥＧパターンは、各チップ上に設けられていてもよいし、複数のチップ間のスクライブ線上に設けられていてもよい。
【００２９】
記憶部１４は、予め求められたゲート絶縁膜の膜厚（Ｔｏｘ）及びゲート絶縁膜中の不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）との関係（例示：図４〜図７で表される関係など；後述）を格納している。これらの関係（関係式）は、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、ゲート絶縁膜の種類、及び、不純物の種類によって、異なる係数を示す。従って、ある特定の不純物について、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、及びゲート絶縁膜の種類の各々について、条件を変化させて関係式（係数）を予め求めておく。記憶部１４は、予測方法を実行して不純物量を予測するときの各条件に対応して、適切な関係式（係数）を選択できるように、その予め求めたデータを格納している。
【００３０】
予測部１２は、記憶部１４に格納されたゲート絶縁膜中の不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）との関係と、測定部１１により測定されたＴＤＤＢ寿命及び反転膜厚とに基づいて、モニタパターンのゲート絶縁膜中の不純物量（Ｘ）を、対象トランジスタのゲート絶縁膜中の不純物量（Ｘ）として予測する。予測方法の詳細については後述される。
【００３１】
特定部１３は、測定部１１及び予測部１２がＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）の測定及び不純物量（Ｘ）の予測を、ウェハ上の複数の点で実施した結果に基づいて、ウェハ上の不純物量の分布を特定する。この場合、上記モニタパターン（ＴＥＧパターン）がウェハ上の各チップごと又はショットごとに少なくとも一つ設けられているか、あるいは複数のモニタパターン（ＴＥＧパターン）がチップ間のスクライブ線上に分散して設けられていることが好ましい。
【００３２】
次に、本発明の実施の形態に係る不純物量の予測方法に関する原理について説明する。ここでは、トランジスタのゲート絶縁膜をＳｉＯｘ膜、ゲート絶縁膜又はその近傍に導入される不純物を金属元素の一つであるＨｆ（ハフニウム）とした場合を例に挙げて説明する。このような金属元素は、ゲート絶縁膜をｈｉｇｈ−ｋ膜にすることが出来、閾値電圧の制御や、オフリークの低減等を図ることができる。そのような金属元素としては、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｙ、Ｔｉ、ＴａおよびＷが例示される。また、その他のゲート絶縁膜としてはＳｉＯｘやＳｉＯｘＮｙ膜が例示される。
【００３３】
ゲート絶縁膜の膜厚（Ｔｏｘ）及び不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）との関係については、予め実験により求められ、記憶部１４に格納されている。
求める方法としては、ウェハ上に、Ｘ線分析評価等用の不純物量評価用の数μｍφ以上のＸ線分析評価ＴＥＧパターンと、製品ウェハ上に設けるモニタパターンと同じモニタパターンとを設け、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、ゲート絶縁膜の種類、及び、不純物の種類などの各条件を個別に変化させた上で、ゲート絶縁膜の膜厚（Ｔｏｘ）及び不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）とを計測する。そして、ゲート絶縁膜の膜厚（Ｔｏｘ）及び不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）との関係を求める。例えば、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、ゲート絶縁膜の種類、及び、不純物の種類を一定とし、測定時の温度を変化させて、各温度において、ゲート絶縁膜の膜厚（Ｔｏｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）とを計測する。不純物量（Ｘ）は、Ｘ線分析評価ＴＥＧパターンにてＸ線分析評価手法により計測する。それにより、各温度での、ゲート絶縁膜の膜厚（Ｔｏｘ）及び不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）との関係を求める。
【００３４】
なお、ゲート絶縁膜中の不純物量（Ｘ）については、Ｘ線分析評価手法以外に、ゲート絶縁膜の破壊検査（例示：飛行時間型二次イオン質量分析（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）、レーザーアブレーションＩＣＰ質量分析法（Ｌａｓｅｒ Ａｂｌａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＬＡ−ＩＣＰ−ＭＳ））により計測することもできる。また、ＴＤＤＢ寿命（η）については、使用時の電圧よりも高い電圧を印加して加速試験的に求める。
【００３５】
これらの計測により、不純物ごとに、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、及びゲート絶縁膜の種類の各々について、条件を変化させたときのゲート絶縁膜の膜厚（Ｔｏｘ）及び不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）関係式（係数）を求めておく。
【００３６】
図４〜図７は、そのような計測結果の例を示している。
図４は、ゲート絶縁膜の膜厚ＴｏｘとＴＤＤＢ寿命（η）との関係の一例を示すグラフである。縦軸はＴＤＤＢ寿命ｌｎ（η）（任意単位）、横軸はゲート絶縁膜の膜厚Ｔｏｘ［ｎｍ］である。図４の直線Ａで示されるように、ゲート絶縁膜の膜厚Ｔｏｘが厚いほど、ＴＤＤＢ寿命ηは長いという直線的な傾向である。この場合、Ｔｏｘとηとの関係は、
η＝ａ１・ｅｘｐ（ｂ１・Ｔｏｘ） …（１）
のように表現できる。ここで、ａ１、ｂ１は、その測定条件（不純物の種類、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、及びゲート絶縁膜の種類）で定まる係数である。
【００３７】
図５は、ゲート絶縁膜中のＨｆ量ＸＨｆとＴＤＤＢ寿命ｌｎ（η）との関係の一例を示すグラフである。縦軸はＴＤＤＢ寿命ｌｎ（η）（任意単位）、横軸はゲート絶縁膜中のＨｆ量ＸＨｆ［ａｔｏｍｓ／ｃｍ２］である。図５の直線Ｂで示されるように、Ｈｆ量ＸＨｆが多いほど、ＴＤＤＢ寿命ηは短いという直線的な傾向である。これは、Ｈｆによりトラップサイトが増加することによるものとされている。この場合、ＸＨｆとηとの関係は、
η＝ａ２・ｅｘｐ（−ｂ２・ＸＨｆ） …（２）
のように表現できる。ここで、ａ２、ｂ２は、その測定条件（不純物の種類、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、及びゲート絶縁膜の種類）で定まる係数である。
【００３８】
図６は、ゲート絶縁膜の膜厚Ｔｏｘと反転膜厚Ｔｉｎｖとの関係の一例を示すグラフである。縦軸は反転膜厚Ｔｉｎｖ［ｎｍ］、横軸はゲート絶縁膜の膜厚Ｔｏｘ［ｎｍ］である。図６の直線Ｃで示されるように、ゲート絶縁膜の膜厚Ｔｏｘが厚いほど、反転膜厚Ｔｉｎｖが厚いという直線的な傾向である。この場合、ＴｏｘとＴｉｎｖとの関係は、
Ｔｉｎｖ＝ｃ１・Ｔｏｘ＋ｄ１ …（３）
のように表現できる。ここで、ｃ１、ｄ１は、その測定条件（不純物の種類、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、及びゲート絶縁膜の種類）で定まる係数である。
【００３９】
図７は、ゲート絶縁膜中のＨｆ量ＸＨｆと反転膜厚Ｔｉｎｖとの関係の一例を示すグラフである。縦軸は反転膜厚Ｔｉｎｖ［ｎｍ］、横軸はゲート絶縁膜中のＨｆ量ＸＨｆ［ａｔｏｍｓ／ｃｍ２］である。図７の直線Ｄで示されるように、Ｈｆ量が多いほど、反転膜厚Ｔｉｎｖが厚いという直線的な傾向である。この場合、ＸＨｆとＴｉｎｖとの関係は、
Ｔｉｎｖ＝ｃ２・ＸＨｆ＋ｄ２ …（４）
のように表現できる。ここで、ｃ２、ｄ２は、その測定条件（不純物の種類、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、及びゲート絶縁膜の種類）で定まる係数である。
【００４０】
以上のような関係を利用して、反転膜厚ＴｉｎｖとＴＤＤＢ寿命ηとからＨｆ量ＸＨｆを特定する。ただし、反転膜厚ＴｉｎｖとＴＤＤＢ寿命ηを測定するためには、各ショットもしくはチップ毎に１個以上の反転膜厚Ｔｉｎｖ及びＴＤＤＢ寿命ηを測定可能なモニタパターンが必要である。また、ウェハ上の分Ｈｆ量ＸＨｆの布を測定するためには、ウェハ上にそのモニタパターンを分布させる必要がある。
【００４１】
反転膜厚ＴｉｎｖとＴＤＤＢ寿命ηとによりＨｆ量ＸＨｆを特定するためには、図４〜図７に例示されるような、Ｈｆ量ＸＨｆとＴＤＤＢ寿命η及び反転膜厚Ｔｉｎｖとの関係、ゲート絶縁膜の膜厚ＴｏｘとＴＤＤＢ寿命η及び反転膜厚Ｔｉｎｖとの関係が事前に判明していることが前提となる。本実施の形態では、上述のようにそれは予め求められ、記憶部１４に格納されている。
それぞれの関係式は、上述のように式（１）〜（４）のようなる。
η＝ａ１・ｅｘｐ（ｂ１・Ｔｏｘ） …（１）：再掲
η＝ａ２・ｅｘｐ（−ｂ２・ＸＨｆ） …（２）：再掲
Ｔｉｎｖ＝ｃ１・Ｔｏｘ＋ｄ１ …（３）：再掲
Ｔｉｎｖ＝ｃ２・ＸＨｆ＋ｄ２ …（４）：再掲
【００４２】
式（１）、（２）の関係から、ηとＴｏｘ及びＸＨｆとの関係は、式（５）のように書くことができる。
η＝ａ・ｅｘｐ（ｂ１・Ｔｏｘ）・ｅｘｐ（−ｂ２・ＸＨｆ） …（５）
ここで、ａ、ｂ１、ｂ２は、図４〜図７に例示されるようなグラフを求める元となった実際のデータより計算することができる。これら、ａ、ｂ１、ｂ２は、その測定条件（不純物の種類、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、及びゲート絶縁膜の種類）で定まる係数である。
【００４３】
また、式（３）、（４）の関係から、ＴｉｎｖとＴｏｘ及びＸＨｆとの関係は、式（６）のように書く事ができる。
Ｔｉｎｖ＝ｃ１・Ｔｏｘ＋ｃ２・ＸＨｆ＋ｄ …（６）
ここで、ｃ１、ｃ２、ｄは、図４〜図７に例示されるようなグラフを求める元となった実際のデータより計算することができる。これら、ｃ１、ｃ２、ｄは、その測定条件（不純物の種類、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、及びゲート絶縁膜の種類）で定まる係数である。
【００４４】
このとき、評価対象のＴｏｘが分からなくても、ＸＨｆを求められるようにするため、式（６）を式（７）のように変形し、式（５）に代入すると式（８）となる。
Ｔｏｘ＝（Ｔｉｎｖ−ｄ−ｃ２・ＸＨｆ）／ｃ１ …（７）
η＝ａ・ｅｘｐ（ｂ１・（Ｔｉｎｖ−ｄ−ｃ２・ＸＨｆ）／ｃ１）・ｅｘｐ（−ｂ２・ＸＨｆ） …（８）
【００４５】
式（８）よりＸＨｆについて求める形とすると、式（９）を経て式（１０）となり、ηとＴｉｎｖによりＸＨｆを特定することができる。
ｌｎ（η）＝ｌｎ（ａ）＋ｂ１・（Ｔｉｎｖ−ｄ−ｃ２・ＸＨｆ）／ｃ１−ｂ２・ＸＨｆ …（９）
ＸＨｆ＝（ｃ１・ｌｎ（ａ）＋ｂ１・（ｄ−Ｔｉｎｖ）−ｃ１・ｌｎ（η））／（ｂ１・ｃ２＋ｃ１・ｂ２）
＝α１＋α２・（α３−Ｔｉｎｖ）−α４・ｌｎ（η） …（１０）
ただし、α１、α２、α３、α４は、以下の式で表される係数である。
α１＝ｃ１・ｌｎ（ａ）／（ｂ１・ｃ２＋ｃ１・ｂ２）
α２＝ｂ１／（ｂ１・ｃ２＋ｃ１・ｂ２）
α３＝ｄ
α４＝ｃ１／（ｂ１・ｃ２＋ｃ１・ｂ２）
すなわち、α１、α２、α３、α４は、図４〜図７に例示されるようなグラフを求める元となった実際のデータより計算することができ、その測定条件（不純物の種類、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、及びゲート絶縁膜の種類）で定まる係数である。その係数又は係数を含む式（１０）は、既述のように測定条件ごとに記憶部１４に格納されている。
【００４６】
このように、トランジスタレベルのモニタパターンを使用し、反転膜厚ＴｉｎｖやＴＤＤＢ寿命ηを測定し、測定条件に対応した式（１０）に代入することで、Ｈｆ量ＸＨｆを予測することができる。
【００４７】
次に、本発明の実施の形態に係る不純物量予測装置の動作（不純物量予測方法）について説明する。
図８は、本発明の実施の形態に係る不純物量予測装置の動作（不純物量予測方法）を示すフロー図である。ここでは、製品ウェハ面内での不純物量（例示：Ｈｆ量ＸＨｆ）のばらつきを見るために、各チップや各ショット、あるいは各スクライブ線上などに少なくとも一つのモニタパターンが搭載され、製品ウェハ全体にモニタパターンが分布して配置されているとする。
【００４８】
また、予め以下の測定が行われ、上述の所定のデータが記憶部１４に格納されている。すなわち、ウェハ上に、製品ウェハ上に設けるモニタパターンと同じモニタパターンを設け、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、ゲート絶縁膜の種類、及び、不純物の種類などの各条件を個別に変化させた上で、ゲート絶縁膜の膜厚（Ｔｏｘ）及び不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）とを計測する。そして、ゲート絶縁膜の膜厚（Ｔｏｘ）及び不純物量（Ｘ）とＴＤＤＢ寿命（η）及び反転膜厚（Ｔｉｎｖ）との関係を求める。それらの結果が、記憶部１４に格納される。
【００４９】
不純物量予測装置１の測定部１１は、テスタを用いて、各チップもしくはショットに搭載された測定用のモニタパターンにおいて、ＴＤＤＢ寿命ηと反転膜厚Ｔｉｎｖを測定する（ステップＳ１）。
具体的には、まず、測定部１１は、ユーザ入力により、不純物の種類、ゲート絶縁膜の面積、測定時に印加する電圧、測定時の温度、及びゲート絶縁膜の種類などの測定条件を取得する。次に、測定部１１は、その測定条件の下、製品ウェハ内の図３のモニタパターンにおいて、二つのパッドを用いて、ゲート絶縁膜の容量Ｃｇａｔｅを測定する。そして、そのＣｇａｔｅを用いて、ゲート絶縁膜がＳｉＯ２であると仮定した場合の反転膜厚Ｔｉｎｖを上記換算式（０）を用いてを算出する。続いて、測定部１１は、同じモニタパターンにおいて、測定時に印加する電圧の一定印加により、ゲート絶縁膜が破壊するまでの時間を計測し、その時間をＴＤＤＢ寿命ηとする。
【００５０】
予測部１２は、記憶部１４に格納されたゲート絶縁膜中の不純物量ＸＨｆとＴＤＤＢ寿命η及び反転膜厚Ｔｉｎｖとの関係と、測定されたＴＤＤＢ寿命ηと反転膜厚Ｔｉｎｖ及びに基づいて、モニタパターンのゲート絶縁膜中の不純物量ＸＨｆを、対象トランジスタのゲート絶縁膜中の不純物量ＸＨｆとして予測する（ステップＳ２）。
具体的には、予測部１２は、測定条件に対応した上記式（１０）の係数α１〜α４を記憶部１４から取得して、測定条件に対応した上記式（１０）を完成させる。そして、その式（１０）に、測定されたＴＤＤＢ寿命ηと反転膜厚Ｔｉｎｖを代入して、その測定条件における不純物量ＸＨｆを算出する。ただし、予測部１２は、測定条件に対応した係数α１〜α４を含む上記式（１０）を記憶部１４から取得しても良い。
【００５１】
予測部１２は、製品ウェハ面内の全点（全てのモニタパターン）について、ＴＤＤＢ寿命ηと反転膜厚Ｔｉｎｖを測定し（Ｓ１）、不純物量ＸＨｆを算出したか（Ｓ２）を判定する（ステップＳ３）。製品ウェハのどの位置にモニタパターンがあるかは、測定開始前に予め設定されている。製品ウェハ面内全点について測定及び算出が終了していない場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、プロセスはステップＳ１へ戻る。製品ウェハ面内全点について測定及び算出が終了している場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、プロセスはステップＳ４へ進む。
【００５２】
特定部１３は、測定部１１及び予測部１２がＴＤＤＢ寿命η及び反転膜厚Ｔｉｎｖの測定（Ｓ１）及び不純物量ＸＨｆの予測（Ｓ２）を、製品ウェハ上の全点（全てのモニタパターン）で実施した結果に基づいて、ウェハ面内での不純物量ＸＨｆの分布を特定する（ステップＳ４）。
【００５３】
以上のようにして、本発明の実施の形態に係る不純物量予測装置の動作（不純物量予測方法）が実施される。
【００５４】
本実施の形態により、物理分析手法（全反射蛍光Ｘ線分析やＸ線光電子分光分析など）を使用することなく、トランジスタレベルのモニタパターンを使用し、反転膜厚Ｔｉｎｖの測定やＴＤＤＢ寿命ηの測定などの電気的な測定手法を用いるだけで不純物量（例示：ＸＨｆ）のモニタが可能となる。それにより、専用のウェハを使用することなく、製品ウェハにおいて、製品ウェハにおけるトランジスタ寸法での、Ｈｆ等の不純物量を予測することができる。
【００５５】
本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。
【符号の説明】
【００５６】
１ 不純物量予測装置
１１ 測定部
１２ 予測部
１３ 特定部
１４ 記憶部
２０ 評価対象
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に設けられたトランジスタのパターンを用いてＴＤＤＢ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）寿命及び反転膜厚として第１寿命及び第１膜厚を測定するステップと、
予め求められたゲート絶縁膜中の不純物量とＴＤＤＢ寿命及び反転膜厚との関と、測定された前記第１寿命及び前記第１膜厚とに基づいて、前記半導体基板内のゲート絶縁膜中の不純物量を予測するステップと
を具備する
不純物量予測方法。
【請求項２】
請求項１に記載の不純物量予測方法において、
前記測定するステップと、前記予測するステップとは、前記半導体基板上における前記パターンを含む複数のパターンで実施され、
前記複数のパターンにおける前記予測された不純物量に基づいて、前記半導体基板上での前記不純物量の分布を特定するステップを更に具備する
不純物量予測方法。
【請求項３】
請求項１に記載の不純物量予測方法において、
前記関係は、不純物量をＸ、ＴＤＤＢ寿命をη、及び反転膜厚をＴｉｎｖとし、α１、α２、α３、α４を係数としたとき、
Ｘ＝α１＋α２・（α３−Ｔｉｎｖ）−α４・ｌｎ（η）
である
不純物量予測方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の不純物量予測方法において、
前記測定するステップと、前記予測するステップとは、論理回路又は周辺回路のトランジスタと同じ構造である前記パターンに対して行われる
不純物量予測方法。
【請求項５】
半導体基板上に設けられたトランジスタのパターンを用いてＴＤＤＢ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）寿命及び反転膜厚として第１寿命及び第１膜厚を測定する測定部と、
予め求められたゲート絶縁膜中の不純物量とＴＤＤＢ寿命及び反転膜厚との関係（式を格納する記憶部と、
前記記憶部に格納された前記関係と、測定された前記第１寿命及び前記第１膜厚とに基づいて、前記半導体基板内のゲート絶縁膜中の不純物量を予測する予測部と
を具備する
不純物量予測装置。
【請求項６】
請求項５に記載の不純物量予測装置において、
特定部を更に具備し、
前記測定部及び前記予測部は、前記第１寿命及び前記第１膜厚の測定及び前記不純物量の予測を、前記半導体基板上における前記パターンを含む複数のパターンで実施し、
前記特定部は、前記複数のパターンにおける前記予測された不純物量に基づいて、前記半導体基板上での前記不純物量の分布を特定する
不純物量予測装置。
【請求項７】
請求項５に記載の不純物量予測装置において、
前記関係は、不純物量をＸ、ＴＤＤＢ寿命をη、及び反転膜厚をＴｉｎｖとし、α１、α２、α３、α４を係数としたとき、
Ｘ＝α１＋α２・（α３−Ｔｉｎｖ）−α４・ｌｎ（η）
である
不純物量予測装置。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか一項に記載の不純物量予測装置において、
前記測定部及び前記予測部は、論理回路又は周辺回路のトランジスタと同じ構造である前記パターンに対して測定及び予測を行う
不純物量予測装置。
【請求項９】
測定部と記憶部と予測部とを備える不純物量予測装置としてのコンピュータに不純物量予測方法を実行させるプログラムであって、
前記測定部が、半導体基板上に設けられたトランジスタのパターンを用いてＴＤＤＢ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）寿命及び反転膜厚として第１寿命及び第１膜厚を測定するステップと、
前記予測部が、前記記憶部に格納された、予め求められたゲート絶縁膜中の不純物量とＴＤＤＢ寿命及び反転膜厚との関係と、測定された前記第１寿命及び前記第１膜厚とに基づいて、前記半導体基板内のゲート絶縁膜中の不純物量を予測するステップと
を具備する前記不純物量予測方法をコンピュータに実行させるプログラム。
【請求項１０】
請求項９に記載のプログラムにおいて、
前記不純物量予測装置は、特定部を更に具備し、
前記測定するステップ及び前記予測するステップは、
前記測定部及び前記予測部が、前記第１寿命及び前記第１膜厚の測定及び前記不純物量の予測を、前記半導体基板上における前記パターンを含む複数のパターンで実施し、
前記プログラムは、
前記特定部が、前記複数のパターンにおける前記予測された不純物量に基づいて、前記半導体基板上での前記不純物量の分布を特定するステップを更に具備する
プログラム。
【請求項１１】
請求項９に記載のプログラムにおいて、
前記関係は、不純物量をＸ、ＴＤＤＢ寿命をη、及び反転膜厚をＴｉｎｖとし、α１、α２、α３、α４を係数としたとき、
Ｘ＝α１＋α２・（α３−Ｔｉｎｖ）−α４・ｌｎ（η）
である
プログラム。
【請求項１２】
請求項９乃至１１のいずれか一項に記載のプログラムにおいて、
前記測定するステップ及び前記予測するステップは、
前記測定部及び前記予測部が、論理回路又は周辺回路のトランジスタと同じ構造である前記パターンに対して測定及び予測を行う
プログラム。
【請求項１】
半導体基板上に設けられたトランジスタのパターンを用いてＴＤＤＢ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）寿命及び反転膜厚として第１寿命及び第１膜厚を測定するステップと、
予め求められたゲート絶縁膜中の不純物量とＴＤＤＢ寿命及び反転膜厚との関と、測定された前記第１寿命及び前記第１膜厚とに基づいて、前記半導体基板内のゲート絶縁膜中の不純物量を予測するステップと
を具備する
不純物量予測方法。
【請求項２】
請求項１に記載の不純物量予測方法において、
前記測定するステップと、前記予測するステップとは、前記半導体基板上における前記パターンを含む複数のパターンで実施され、
前記複数のパターンにおける前記予測された不純物量に基づいて、前記半導体基板上での前記不純物量の分布を特定するステップを更に具備する
不純物量予測方法。
【請求項３】
請求項１に記載の不純物量予測方法において、
前記関係は、不純物量をＸ、ＴＤＤＢ寿命をη、及び反転膜厚をＴｉｎｖとし、α１、α２、α３、α４を係数としたとき、
Ｘ＝α１＋α２・（α３−Ｔｉｎｖ）−α４・ｌｎ（η）
である
不純物量予測方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の不純物量予測方法において、
前記測定するステップと、前記予測するステップとは、論理回路又は周辺回路のトランジスタと同じ構造である前記パターンに対して行われる
不純物量予測方法。
【請求項５】
半導体基板上に設けられたトランジスタのパターンを用いてＴＤＤＢ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）寿命及び反転膜厚として第１寿命及び第１膜厚を測定する測定部と、
予め求められたゲート絶縁膜中の不純物量とＴＤＤＢ寿命及び反転膜厚との関係（式を格納する記憶部と、
前記記憶部に格納された前記関係と、測定された前記第１寿命及び前記第１膜厚とに基づいて、前記半導体基板内のゲート絶縁膜中の不純物量を予測する予測部と
を具備する
不純物量予測装置。
【請求項６】
請求項５に記載の不純物量予測装置において、
特定部を更に具備し、
前記測定部及び前記予測部は、前記第１寿命及び前記第１膜厚の測定及び前記不純物量の予測を、前記半導体基板上における前記パターンを含む複数のパターンで実施し、
前記特定部は、前記複数のパターンにおける前記予測された不純物量に基づいて、前記半導体基板上での前記不純物量の分布を特定する
不純物量予測装置。
【請求項７】
請求項５に記載の不純物量予測装置において、
前記関係は、不純物量をＸ、ＴＤＤＢ寿命をη、及び反転膜厚をＴｉｎｖとし、α１、α２、α３、α４を係数としたとき、
Ｘ＝α１＋α２・（α３−Ｔｉｎｖ）−α４・ｌｎ（η）
である
不純物量予測装置。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか一項に記載の不純物量予測装置において、
前記測定部及び前記予測部は、論理回路又は周辺回路のトランジスタと同じ構造である前記パターンに対して測定及び予測を行う
不純物量予測装置。
【請求項９】
測定部と記憶部と予測部とを備える不純物量予測装置としてのコンピュータに不純物量予測方法を実行させるプログラムであって、
前記測定部が、半導体基板上に設けられたトランジスタのパターンを用いてＴＤＤＢ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）寿命及び反転膜厚として第１寿命及び第１膜厚を測定するステップと、
前記予測部が、前記記憶部に格納された、予め求められたゲート絶縁膜中の不純物量とＴＤＤＢ寿命及び反転膜厚との関係と、測定された前記第１寿命及び前記第１膜厚とに基づいて、前記半導体基板内のゲート絶縁膜中の不純物量を予測するステップと
を具備する前記不純物量予測方法をコンピュータに実行させるプログラム。
【請求項１０】
請求項９に記載のプログラムにおいて、
前記不純物量予測装置は、特定部を更に具備し、
前記測定するステップ及び前記予測するステップは、
前記測定部及び前記予測部が、前記第１寿命及び前記第１膜厚の測定及び前記不純物量の予測を、前記半導体基板上における前記パターンを含む複数のパターンで実施し、
前記プログラムは、
前記特定部が、前記複数のパターンにおける前記予測された不純物量に基づいて、前記半導体基板上での前記不純物量の分布を特定するステップを更に具備する
プログラム。
【請求項１１】
請求項９に記載のプログラムにおいて、
前記関係は、不純物量をＸ、ＴＤＤＢ寿命をη、及び反転膜厚をＴｉｎｖとし、α１、α２、α３、α４を係数としたとき、
Ｘ＝α１＋α２・（α３−Ｔｉｎｖ）−α４・ｌｎ（η）
である
プログラム。
【請求項１２】
請求項９乃至１１のいずれか一項に記載のプログラムにおいて、
前記測定するステップ及び前記予測するステップは、
前記測定部及び前記予測部が、論理回路又は周辺回路のトランジスタと同じ構造である前記パターンに対して測定及び予測を行う
プログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２４９３５３（Ｐ２０１１−２４９３５３Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１７５００（Ｐ２０１０−１１７５００）
【出願日】平成２２年５月２１日（２０１０．５．２１）
【出願人】（３０２０６２９３１）ルネサスエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２１日（２０１０．５．２１）
【出願人】（３０２０６２９３１）ルネサスエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
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