JP2709351B2 - 非接触ｃ−ｖ測定装置におけるｃ−ｖ特性変換方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、非接触Ｃ−Ｖ測定装
置で得られたＣ−Ｖ特性を変換する方法に関し、特に、
接触型Ｃ−Ｖ測定装置で得られるＣ−Ｖ特性と同等な特
性を求める方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエハの表面状態を評価する方法
の１つとして、Ｃ−Ｖ測定が用いられている。従来のＣ
−Ｖ測定では、半導体ウエハの表面上に測定用の電極を
形成していたが、その電極を形成するプロセスにおい
て、半導体ウエハの絶縁膜中に可動イオンが混入してし
まう可能性があった。従って、Ｃ−Ｖ測定の結果、絶縁
膜中の可動イオン量が多いと評価された場合に、従来の
方法では、絶縁膜形成のプロセスに原因があるのか、電
極形成のプロセスに原因があるのかを区別できなかっ
た。

【０００３】そこで、本出願人らは、絶縁膜上に電極を
形成せずに非接触でＣ−Ｖ測定を行なう装置を開発し、
特開平４−１３２２３６号公報にその装置を開示してい
る。図５は、この非接触Ｃ−Ｖ測定装置の概念図であ
る。この装置では、測定用電極２０１が半導体ウエハ１
００の表面から約１μｍ以下のギャップ△Ｇを介して保
持されており、この測定用電極２０１と半導体ウエハ１
００との間に交流電圧を印加することによってＣ−Ｖ特
性を測定する。なお、上記のような電極／空気層／絶縁
膜／半導体基板の構造を以下ではＭＡＩＳ（Metal/Air/
Insulator/Semiconductor ）構造と呼ぶ。これは、空気
層（ギャップ）の無い構造をＭＩＳ構造（Metal/Insula
tor/Semiconductor ）と呼ぶのと同様である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図６（Ａ）は非接触Ｃ
−Ｖ測定装置で得られるＭＡＩＳ構造のＣ−Ｖ特性の一
例を示すグラフであり、図６（Ｂ）は接触型Ｃ−Ｖ測定
装置で得られるＭＩＳ構造のＣ−Ｖ特性の一例を示すグ
ラフである。これらのグラフから解るように、ＭＡＩＳ
構造のＣ−Ｖ特性とＭＩＳ構造のＣ−Ｖ特性とはそのＣ
−Ｖ曲線の形状がかなり異なる。また、Ｃ−Ｖ曲線から
得られるフラットバンド電圧Ｖfbの値もかなりの差があ
る。

【０００５】半導体ウエハのプロセスは、従来からＭＩ
Ｓ構造のＣ−Ｖ特性に基づいて行なわれていたので、非
接触Ｃ−Ｖ測定装置を用いた場合にもＭＩＳ構造のＣ−
Ｖ特性と同等の特性が得られることが好ましい。

【０００６】この発明は、従来技術における上述の課題
を解決するためになされたものであり、非接触Ｃ−Ｖ測
定装置で得られたＭＡＩＳ構造のＣ−Ｖ特性を変換する
ことによって、ＭＩＳ構造のＣ−Ｖ特性と同等な特性を
得ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、この発明による方法は、絶縁膜を有する半導体ウエ
ハに対してギャップを隔てて保持される測定用電極を備
えた非接触Ｃ−Ｖ測定装置を用い、前記半導体ウエハに
ついて得られたＣ−Ｖ特性を変換する方法であって、前
記非接触Ｃ−Ｖ測定装置によって第１のＣ−Ｖ特性を得
る工程と、前記半導体ウエハの絶縁膜内電荷に起因する
電圧と、前記半導体ウエハの基板物質と前記測定用電極
の物質との間の仕事関数の差と、前記ギャップの容量
と、前記絶縁膜の容量と、前記半導体ウエハの空乏層の
容量とを含む等価回路を想定し、該等価回路に従って前
記第１のＣ−Ｖ特性を変換することにより、前記ギャッ
プが無く前記測定用電極が前記半導体ウエハに接した仮
想的な状態における第２のＣ−Ｖ特性を求める工程と、
を備える。なお、この発明における「Ｃ−Ｖ特性」は、
Ｃ−Ｖ曲線そのものを指すのみでなく、フラットバンド
電圧などのようにＣ−Ｖ曲線から得られる特性値として
も解釈し得る用語である。

【０００８】

【作用】絶縁膜内電荷に起因する電圧と、電極と半導体
基板の仕事関数差とを含む等価回路を想定するので、Ｍ
ＩＳ構造のＣ−Ｖ特性と同等な第２のＣ−Ｖ特性を求め
ることができる。

【０００９】

【実施例】Ａ．Ｃ−Ｖ特性の変換の考え方 図１は、ＭＡＩＳ構造の容量に関する等価回路を示す説
明図である。半導体基板の空乏層および酸化膜にかかる
バイアス電圧ＶMIS と、ＭＡＩＳ構造全体にかかるバイ
アス電圧ＶMAISとの関係は、電圧分配の法則に従って次
のように表わされる。 ＶMIS ＝ＶMAIS×ＣMAIS／ＣMIS …（１） ここで、ＣMAISはＭＡＩＳ構造の合成容量、ＣMISはＭ
ＩＳ構造の合成容量であり、それぞれ次式で表わされ
る。 １／ＣMIS ＝１／Ｃd ＋１／Ｃox …（２） １／ＣMAIS＝１／ＣMIS ＋１／Ｃair …（３） Ｃd は半導体基板１００に形成される空乏層の容量、Ｃ
oxは酸化膜１０２の容量、Ｃair はギャップの容量であ
る。

【００１０】非接触Ｃ−Ｖ測定装置で得られるＣ−Ｖ曲
線は、ＭＡＩＳ構造のバイアス電圧ＶMAISと合成容量Ｃ
MAISとの関係を示す曲線である。ところで、上記（１）
式の右辺の合成容量ＣMIS は（３）式を用いて求められ
る。すなわち、ギャップの容量Ｃair はギャップ△Ｇの
大きさを非接触Ｃ−Ｖ測定装置で測定することによって
算出でき、このギャップの容量Ｃair とＭＡＩＳ構造の
合成容量ＣMAISから、（３）式に従ってＭＩＳ構造の合
成容量ＣMIS が算出できる。

【００１１】このようにして得られたＭＩＳ構造の合成
容量ＣMIS を用いると、（１）式に従って、ＭＡＩＳ構
造のバイアス電圧ＶMAISをＭＩＳ構造のバイアス電圧Ｖ
MISに変換することができる。このバイアス電圧ＶMIS
と合成容量ＣMIS との関係は、ＭＩＳ構造のＣ−Ｖ曲線
である。

【００１２】ところが、（１）式に従ってＭＩＳ構造の
Ｃ−Ｖ特性を求めた場合には、次のような問題が発生す
ることが判明した。すなわち、実際にＭＡＩＳ構造やＭ
ＩＳ構造に印加される電圧には、酸化膜内の電荷に起因
する電圧ＶQ や、電極物質と半導体基板物質との間の仕
事関数の差φmsが含まれている。しかし、図１の等価回
路ではこれらの電圧寄与分ＶQ ，φmsを無視しているの
で、（１）式によって変換して得られるＣ−Ｖ特性は、
これらの電圧寄与分ＶQ ，φmsが共に０の時にのみ正し
い結果を与えるのである。

【００１３】酸化膜内電荷による電圧ＶQ と、仕事関数
の差φmsとを考慮すると、ＭＡＩＳ構造の等価回路は図
２に示すものになる。図２の等価回路では、（１）式の
代わりに次式が成立する。 ＶMIS ＝（ＶMAIS−ＶfbMAIS）×ＣMAIS／ＣMIS …（４） ＶfbMAIS＝φms−Ｑfb／ＣO ＝φms＋ＶQ …（５） １／ＣO ＝１／Ｃair ＋１／Ｃox …（６） ここで、ＶfbMAISはＭＡＩＳ構造のＣ−Ｖ曲線から得ら
れるフラットバンド電圧、Ｑfbは酸化膜内電荷量、ＣO
は酸化膜とギャップの合成容量である。

【００１４】ただし、（４）式で与えられるバイアス電
圧ＶMIS はフラットバンド電圧がゼロ（すなわち、φms
＝０，Ｑfb＝０）の理想状態のものである。ＭＩＳ構造
のバイアス電圧ＶMIS*は、（４）式の右辺にＭＩＳ構造
のフラットバンド電圧ＶfbMIS を加えた次式によって与
えられる。 ＶMIS*＝（ＶMAIS−ＶfbMAIS）×ＣMAIS／ＣMIS＋ＶfbMIS …（７） ここで、ＭＩＳ構造のフラットバンド電圧ＶfbMIS は次
式で示される。 ＶfbMIS ＝φms−Ｑfb／Ｃox＝φms＋ＶQ ×ＣO ／Ｃox …（８）

【００１５】ＭＩＳ構造のフラットバンド電圧ＶfbMIS
は、次のような手順で算出される。まず、上記（５）式
と（６）式を変形すると、酸化膜内電荷量Ｑfbが次式で
与えられる。 Ｑfb＝（φms−ＶfbMAIS）／（１／Ｃair ＋１／Ｃox） …（９） そして、（９）式で算出された酸化膜内電荷量Ｑfbを上
記（８）式に代入することにより、ＭＩＳ構造における
フラットバンド電圧ＶfbMIS が算出される。なお、この
際、酸化膜１０２の容量Ｃoxは酸化膜の比誘電率と酸化
膜の厚みとから算出される。

【００１６】前述したように、非接触Ｃ−Ｖ測定装置で
得られるＣ−Ｖ曲線は、ＭＡＩＳ構造のバイアス電圧Ｖ
MAISとその合成容量ＣMAISとの関係を示す曲線である。
そこで、ＭＩＳ構造に換算したバイアス電圧ＶMIS*を上
記（７）式に従って算出し、その合成容量ＣMIS を上記
（３）式に従って算出することによってＭＩＳ構造にお
けるＣ−Ｖ曲線を得ることができる。また、ＭＩＳ構造
のフラットバンド電圧ＶfbMIS は、上記（８）式および
（９）式に従って算出することができる。

【００１７】Ｂ．装置の構成と測定例 図３は、測定用電極と半導体ウエハの表面との間のギャ
ップを測定しつつ、Ｃ−Ｖ特性の測定を行なう非接触Ｃ
−Ｖ測定装置の構成を表わす概念図である。この非接触
Ｃ−Ｖ測定装置は、固定台１と、固定台１の下部に設置
された圧電アクチュエータ２と、圧電アクチュエータ２
のさらに下部に設置された架台３とを備えている。架台
３の底面にはプリズム４が設置されている。また、架台
３の一方の斜面にはＧａＡｌＡｓレーザなどのレーザ発
振器５が固定され、他方の斜面にはフォトダイオードな
どの受光センサ６が固定されている。

【００１８】プリズム４の底面４ａは、半導体ウエハ１
００を載置する試料台７の表面（平行なｘｙ平面）と平
行に設置されている。プリズム４の底面４ａには、リン
グ状の測定用電極２０１が形成されている。プリズム４
の下方には、ギャップＧを介して半導体ウエハ１００が
試料台７上に保持されており、半導体ウエハ１００の表
面１００ａがプリズム４の底面４ａとほぼ平行になるよ
うに設定されている。この非接触Ｃ−Ｖ測定装置では、
特開平４−１３２２３６号公報に詳述されているよう
に、プリズム４の底面４ａで全反射されるレーザ光のト
ンネル効果を利用することによって、ギャップＧおよび
ｄair の値を測定している。

【００１９】圧電アクチュエータ２には位置制御装置１
１が接続されており、位置制御装置１１から与えられる
電圧に応じて架台３をｚ方向に移動させる。受光センサ
６には光量測定器１２が接続され、測定用電極２０１と
金属製の試料台７にはインピーダンスメータ１３がそれ
ぞれ接続されている。インピーダンスメータ１３は、測
定用電極２０１と試料台７との間の合成容量を測定する
機器である。位置制御装置１１と光量測定器１２とイン
ピーダンスメータ１３は、ホストコントローラ１４に接
続されており、このホストコントローラ１４によって測
定装置全体の制御や、得られたデータの処理が行なわれ
る。なお、ホストコントローラ１４としては、例えばパ
ーソナルコンピュータが用いられる。

【００２０】図４（Ａ）は非接触Ｃ−Ｖ測定装置を用い
て測定されたＭＡＩＳ構造のＣ−Ｖ特性を示すグラフで
ある。また、図４（Ｂ）は上述の変換方法に従って図４
（Ａ）のＣ−Ｖ特性を変換することによって得られたＭ
ＩＳ構造のＣ−Ｖ特性を示すグラフである。図４（Ａ）
には、実験条件として、酸化膜の厚みｄoxと、ギャップ
ｄair と、半導体基板（シリコン）のドーパント濃度Ｎ
d とが記載されている。

【００２１】図４（Ａ）のＭＡＩＳ構造のＣ−Ｖ曲線か
ら得られるフラットバンド電圧ＶfbMAISは−０．３３８
ボルトである。一方、図４（Ｂ）のＣ−Ｖ曲線から得ら
れるフラットバンド電圧ＶfbMIS は０．２０６ボルトで
あり、接触型Ｃ−Ｖ測定装置と同等の結果が得られてい
る。また、図４（Ｂ）のＣ−Ｖ曲線全体についても接触
型Ｃ−Ｖ測定装置と同等のものが得られている。

【００２２】なお、この発明は、図３の非接触Ｃ−Ｖ測
定装置で測定されたＣ−Ｖ特性を変換する場合に限ら
ず、一般に、半導体ウエハに対してギャップを隔てて保
持される測定用電極を備えた非接触Ｃ−Ｖ測定装置を用
いて得られたＣ−Ｖ特性を変換する場合に適用すること
ができる。また、この発明は上記実施例に限られるもの
ではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態
様において実施することが可能である。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のＣ−Ｖ特
性変換方法によれば、絶縁膜内電荷に起因する電圧と、
電極と半導体基板の仕事関数差とを含む等価回路を想定
するので、ＭＡＩＳ構造のＣ−Ｖ特性に基づいてＭＩＳ
構造のＣ−Ｖ特性と同等な特性を求めることができると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＭＡＩＳ構造の容量に関する等価回路を示す説
明図。

【図２】Ｃ−Ｖ特性変換用のＭＡＩＳ構造の等価回路を
示す説明図。

【図３】非接触Ｃ−Ｖ測定装置の構成を表わす概念図。

【図４】ＭＡＩＳ構造のＣ−Ｖ特性の測定結果と、これ
を変換して得られたＭＩＳ構造のＣ−Ｖ特性とを示すグ
ラフ。

【図５】非接触Ｃ−Ｖ測定装置の概念図。

【図６】ＭＡＩＳ構造とＭＩＳ構造のＣ−Ｖ特性を比較
して示すグラフ。

【符号の説明】 １…固定台 ２…圧電アクチュエータ ３…架台 ４…プリズム ５…レーザ発振器 ６…受光センサ ７…試料台 １１…位置制御装置 １２…光量測定器 １３…インピーダンスメータ １４…ホストコントローラ １００…半導体ウエハ １０１…基板 １０２…絶縁膜 ２０１…測定用電極 Ｃair …ギャップの容量 Ｃd …半導体ウエハの空乏層の容量 Ｃox …酸化膜の容量 Ｃo …酸化膜とギャップの合成容量 ＣMAIS …ＭＡＩＳ構造の容量 ＣMIS …ＭＩＳ構造の容量 ＶfbMAIS…ＭＡＩＳ構造のフラットバンド電圧 ＶfbMIS …ＭＩＳ構造のフラットバンド電圧 ＶMAIS …ＭＡＩＳ構造のバイアス電圧 ＶMIS* …ＭＩＳ構造のバイアス電圧

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中谷 郁祥 京都市伏見区羽束師古川町322番地 大 日本スクリーン製造株式会社 洛西工場 内 (56)参考文献 特開 平２−170446（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−132236（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁膜を有する半導体ウエハに対してギ
   ャップを隔てて保持される測定用電極を備えた非接触Ｃ
   −Ｖ測定装置を用い、前記半導体ウエハについて得られ
   たＣ−Ｖ特性を変換する方法であって、 前記非接触Ｃ−Ｖ測定装置によって第１のＣ−Ｖ特性を
   得る工程と、 前記半導体ウエハの絶縁膜内電荷に起因する電圧と、前
   記半導体ウエハの基板物質と前記測定用電極の物質との
   間の仕事関数の差と、前記ギャップの容量と、前記絶縁
   膜の容量と、前記半導体ウエハの空乏層の容量とを含む
   等価回路を想定し、該等価回路に従って前記第１のＣ−
   Ｖ特性を変換することにより、前記ギャップが無く前記
   測定用電極が前記半導体ウエハに接した仮想的な状態に
   おける第２のＣ−Ｖ特性を求める工程と、 を備えることを特徴とするＣ−Ｖ特性変換方法。