JP2904697B2 - 半導体ウェハのｃ−ｖ測定方法および可動イオン量測定方法 - 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、半導体ウェハのＣ−
Ｖ測定方法、および、半導体ウェハの可動イオン量測定
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウェハの表面状態を評価する方法
の１つとして、いわゆるＣ−Ｖ測定が用いられている。
Ｃ−Ｖ測定は、良く知られているように、高周波を重畳
したバイアス電圧を半導体ウェハに印加しつつ、半導体
ウェハの容量を測定する方法である。

【０００３】図１２は、従来のＣ−Ｖ測定方法における
バイアス電圧波形の一例を示すグラフである。従来のＣ
−Ｖ測定方法では、図１２に示すように、バイアス電圧
を階段状に変化させながら測定を行なっていた。図１２
において、１つのバイアス電圧値の保持時間をＴ秒、バ
イアス電圧の測定点数をＮ個とすると、全体でＴ×Ｎ秒
の測定時間が必要である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】バイアス電圧の最小の
ステップは約１ボルトであって±１００Ｖ程度の範囲に
設定されるのに対して、バイアス電圧に重畳される高周
波電圧の振幅は数十ｍＶ程度である。従って、図１２の
例では測定の前半のＴ×Ｎ／２秒の期間は半導体ウェハ
に対して負の電圧が継続的に印加され、後半のＴ×Ｎ／
２秒の期間は正の電圧が継続的に印加されることにな
る。

【０００５】表面における電気的状態が不安定な半導体
ウェハに一定の符号の電圧を印加し続けると、半導体ウ
ェハの表面付近の可動イオンがクーロン力を受けて移動
し、表面における電荷分布が変化する。特に、表面に絶
縁膜などが形成されておらず半導体層が直接表面に現わ
れているような半導体ウェハ（ベアウェハ）を測定試料
とした場合には、半導体表面に吸着した物質や半導体界
面に本来存在する界面準位と半導体基板との間で電子の
交換が容易に起こるので、半導体ウェハの表面がチャー
ジアップされやすい。

【０００６】表面がチャージアップした半導体ウェハに
対してＣ−Ｖ測定を行なうと、チャージアップ量に応じ
て真のＣ−Ｖ曲線からシフトしたＣ−Ｖ曲線が得られ
る。図１３は、図１２に示すようにバイアス電圧を変化
させた場合に得られるＣ−Ｖ曲線の例を示すグラフであ
る。図１２における１ステップの保持時間Ｔを増加させ
ると、Ｃ−Ｖ曲線はＧ１，Ｇ２，Ｇ３のように左側にシ
フトしていき、破線で示す真のＣ−Ｖ曲線から離れてい
く傾向がある。

【０００７】１ステップの保持時間Ｔを短縮すれば、測
定されるＣ−Ｖ曲線を真のＣ−Ｖ曲線に近づけることが
理論的には可能である。しかし、測定器の最小測定時間
の制約から、各ステップの保持時間Ｔを大幅に短縮する
ことは実際には不可能である。

【０００８】このように、従来のＣ−Ｖ測定では、ベア
ウェハなどのように表面の電気的状態が不安定な半導体
ウェハを測定試料とした場合に、真のＣ−Ｖ曲線に近い
Ｃ−Ｖ曲線を測定で求めることが困難であるという問題
があった。

【０００９】ところで、ウェハ製造プロセスの良否を判
断するために、半導体ウェハ表面の絶縁膜に含まれる可
動イオン量が測定されている。可動イオン量の測定方法
としては、半導体ウェハに対していわゆるＢＴ処理（Bi
as Temperature処理）を行ない、ＢＴ処理前後の２回の
Ｃ−Ｖ測定でそれぞれ得られた表面電荷量の差を可動イ
オン量として求める方法が一般的である。従って、可動
イオン量の測定においても正確なＣ−Ｖ測定を行なう必
要があるが、これには上述と同じ問題が存在していた。

【００１０】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、半導体ウェハ表
面が電気的に不安定な状態でも、真のＣ−Ｖ曲線に近い
Ｃ−Ｖ曲線を求めることができるＣ−Ｖ測定方法を提供
することを第１の目的とする。

【００１１】また、半導体ウェハ表面が電気的に不安定
な状態でも、絶縁膜中の可動イオン量を定量的に評価す
ることのできる可動イオン量測定方法を提供することを
第２の目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段および作用】上述の課題を
解決するため、この発明によるＣ−Ｖ測定方法は、半導
体ウェハに印加するバイアス電圧を、正負交互のステッ
プ状に変化させることを特徴とする。

【００１３】バイアス電圧を正負交互にステップ状に変
化させるようにすれば、正または負の一方の符号の電圧
が長時間に亘って半導体ウェハに印加されることがな
い。

【００１４】なお、バイアス電圧のステップ状の変化に
おける各ステップの保持時間は約１秒以下とすることが
好ましい。

【００１５】また、この発明による可動イオン量を測定
する方法は、（Ａ）前記半導体ウェハに対してＣ−Ｖ測
定を行なうことによって前記絶縁膜の第１の表面電荷量
を求める工程と、（Ｂ）前記半導体ウェハに対して、前
記絶縁膜中の可動イオンを前記絶縁膜の表面付近に移動
させる可動イオン移動処理を施す工程と、（Ｃ）前記可
動イオン移動処理後の前記半導体ウェハの前記絶縁膜の
表面をエッチングにより除去する工程と、（Ｄ）前記エ
ッチング処理後の前記半導体ウェハに対して、正負交互
のステップ状に変化するバイアス電圧を印加してＣ−Ｖ
測定を行なうことによって前記絶縁膜の第２の表面電荷
量を求める工程と、（Ｅ）前記第１の表面電荷量と前記
第２の表面電荷量の差分を取ることによって前記絶縁膜
中の可動イオン量を求める工程と、を備える。

【００１６】工程（Ｃ）においてエッチングを行なえ
ば、工程（Ｂ）における可動イオン移動処理によって絶
縁膜の表面に集められた可動イオンが除去される。エッ
チング処理を行なうと、半導体ウェハの表面が電気的に
不安定な状態となるが、正負交互のステップ状に変化す
るバイアス電圧を印加してＣ−Ｖ測定を行なえば、半導
体ウェハに正または負の一方の電圧が長時間に亘って半
導体ウェハに印加されることがないので、正確なＣ−Ｖ
測定が可能となる。第１の表面電荷量は可動イオンを含
む電荷量を示し、第２の表面電荷量は可動イオンを含ま
ない電荷量を示すので、これらの差から可動イオン量を
測定することができる。

【００１７】

【実施例】Ａ．装置の構成：図１は、本発明の実施例を
適用する半導体ウェハの非接触電気測定装置ＭＤの概要
を示す概念図である。図１（ａ）において、表面に半導
体基板が露出している半導体ウェハ（ベアウェハ）１０
０が測定試料とされており、半導体ウェハ１００の裏面
には電極２０２が密着されている。半導体ウェハ１００
の上方には、ギャップｄair を隔てて測定用電極２０１
が電極保持ユニットによって保持されている。半導体ウ
ェハ１００と測定用電極２０１とのギャップｄair は、
約１μｍ以下になるように電極保持ユニットによって制
御される。

【００１８】２つの電極２０１、２０２の間の静電容量
Ｃｔは、図１の（ｂ）に示すように、半導体ウェハ１０
０の静電容量Ｃｓと、ギャップｄair の静電容量Ｃｇと
の直列接続で表わされる。このような場合のＣ−Ｖ曲線
は、図１（ｃ）に示すように半導体ウェハ１００の容量
Ｃｓの電圧依存性を示すものである。ギャップｄairの
値は、電極保持ユニットによって正確に測定され、この
ギャップｄair の値に基づいてギャップの静電容量Ｃｇ
が計算により求められる。合成容量Ｃｔは測定部で測定
されるので、この合成容量Ｃｔからギャップの静電容量
Ｃｇを減算して容量Ｃｓを求めることによりＣ−Ｖ曲線
が決定される。

【００１９】このような非接触電気測定装置ＭＤを用い
ることにより、Ｃ−Ｖ測定用の電極を半導体ウェハ１０
０の表面に形成することなくＣ−Ｖ測定を行なうことが
できうる。

【００２０】図２は、非接触電気測定装置ＭＤの具体的
な構成例を示す概念図である。この測定装置ＭＤは、半
導体ウェハ１００を収納する測定部２０と、光量測定器
２２と、インピーダンスメータ２４と、位置制御装置２
６と、マスターコントローラ２８とを備えている。光量
測定器２２とインピーダンスメータ２４と位置制御装置
２６とは、マスターコントローラ２８に接続されてお
り、このマスターコントローラ２８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、マスターコントローラ２８としては、例えばパーソ
ナルコンピュータが用いられる。

【００２１】測定部２０は、ベース３２と、ベース３２
上に設けられた駆動装置３４と、駆動装置のボールネジ
部３４ａに連結された架台３６と、架台３６の上に載置
された試料テーブル３８とを備えている。試料テーブル
３８は、測定試料としての半導体ウェハ１００を載置す
るテーブルであり、図示しないモータに駆動されてＸ−
Ｙ平面内で回転する。

【００２２】測定部２０の筺体４０の上部の開口にはフ
ランジ４２がボルトで固定されており、フランジ４２か
ら下方にはピエゾ素子を利用した３つの圧電アクチュエ
ータ部４４、４５、４６が設けられている。さらに、圧
電アクチュエータ部４４、４５、４６の下方には支持板
４８が設けられ、さらに、支持板４８の下側に伸びる支
持筒５０の先にはセンサヘッド６０が固定されている。
支持板４８は、図示しない複数のスプリングでフランジ
４２に連結されており、圧電アクチュエータ部４４、４
５、４６をフランジ４２側に押上げている。センサヘッ
ド６０は、レーザ光導入用の直角プリズム６２と、直角
プリズム６２の底面に光学接着剤によって接着された透
光性の電極形成部６４とで構成されている。

【００２３】支持筒５０にはＧａＡｌＡｓレーザなどの
レーザ発振器７０とフォトダイオードなどの受光センサ
７２とが固定されている。レーザ発振器７０から出射さ
れたレーザ光は直角プリズム６２を通って電極形成部６
４に導入され、電極形成部６４の底面において幾何光学
的な全反射条件で反射される。そして、反射したレーザ
光は直角プリズム６２から出射されて受光センサ７２で
受光される。

【００２４】半導体ウェハ１００の電気測定を行なう際
には、センサヘッド６０の底面と半導体ウェハ１００の
表面とのギャップが約１μｍ以下に保たれる。レーザ発
振器７０とセンサヘッド６０と受光センサ７２とで構成
される光学系は、このギャップを精密に測定するための
光学測定系である。この光学測定系は、レーザ発振器７
０から発振されたレーザ光がセンサヘッド６０の底面で
幾何光学的な全反射条件で反射する際のレーザ光のトン
ネリング現象を利用しており、受光センサ７２と光量測
定器２２で測定される光量に基づいてギャップの値を測
定している。このギャップの測定方法については、本出
願人により開示された特開平４−３２７０４号公報に詳
述されているので、ここではその詳細は省略する。

【００２５】圧電アクチュエータ部４４、４５、４６は
位置制御装置２６と電気的に接続されており、また、受
光センサ７２は光量測定器２２と接続され、センサヘッ
ド６０の底面に形成された電極と金属製の試料テーブル
３８にはインピーダンスメータ２４が接続されている。
インピーダンスメータ２４は、各電極と試料テーブル３
８との間の容量やコンダクタンスを測定する機器であ
る。

【００２６】図３（Ａ）は電極形成部６４の底面図、図
３（Ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。電極形成部６４
は、光学ガラスで形成されたコーンガラス６６と、コー
ンガラス６６の底面６６ａ上に形成された電極パターン
２００と、コーンガラス６６の底面６６ａおよび斜面６
６ｂを被覆する絶縁膜６８とで構成されている。電極パ
ターン２００は、電気測定用電極２０１と、３つの平行
度調整用電極１１１〜１１３と、ガードリング１２０と
を含んでおり、また、電極２０１、１１１〜１１３、１
２０にそれぞれ接続された配線２０１ａ、１１１ａ〜１
１３ａ、１２０ａを含んでいる。これらの配線は、コー
ンガラス６６の底面６６ａから側斜面６６ｂに渡って形
成されている。

【００２７】電気測定用電極２０１はリング状の電極で
あり、その中央部に露出するコーンガラス表面は、レー
ザ光Ｌが幾何光学的に全反射する反射面６６ｃとなって
いる。

【００２８】平行度調整用電極１１１〜１１３は、コー
ンガラス６６の底面６６ａと半導体ウェハ１００の表面
との平行度を調整する際に利用される電極である。すな
わち、圧電アクチュエータ部４４、４５、４６のピエゾ
素子の伸び量を調整してコーンガラス６６の底面６６ａ
の傾きを調整し、各電極１１１〜１１３の容量値を互い
に等しくするようにすれば、コーンガラス６６の底面６
６ａと半導体ウェハ１００の表面とを平行にすることが
できる。

【００２９】絶縁膜６８は、高周波スパッタ法でシリコ
ン酸化膜（Ｓｉ０2 ）を約５０ｎｍの厚みに形成したも
のである。絶縁膜６８の材質としては、シリコン酸化膜
の他に、シリコン窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4）や種々のプラスチ
ックを用いることができる。これらの材質の絶縁膜６８
は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ，熱ＣＶＤや
プラズマＣＶＤを含む）やＰＶＤ（Physical Vapor Dep
osition ）などの方法で形成することが可能である。ま
た、ポリシリコンをコーンガラス６６に堆積しておき、
これを熱酸化することによってシリコン酸化膜を形成す
ることも可能である。さらに、Ｃｒ2Ｏ3，Ａｌ2Ｏ3，Ｔ
ａ2Ｏ3などの金属酸化物を熱酸化や陽極酸化によって形
成することにより、絶縁膜６８を形成することも可能で
ある。以上の方法は、絶縁膜６８の厚みを精度よく制御
することができるという利点がある。絶縁膜６８を形成
するもう１つの方法としては、ＳＯＧ（Spin On Glass
）用のＳｉＯ2 ガラスやテフロン（ポリテトラフルオ
ロエチレンの商品名）を塗布する方法も使用できる。

【００３０】図３に示すようなセンサヘッド６０を用い
れば、ベアウェハや、表面の絶縁膜に欠陥の多い半導体
ウェハのＣ−Ｖ特性を測定することが可能である。ま
た、絶縁膜６８で被覆された電極は半導体ウェハに直接
接触しないので、電極と半導体ウェハ間の短絡を防止す
ることができるという利点もある。

【００３１】Ｂ．Ｃ−Ｖ測定方法：図４は、本発明によ
るバイアス電圧波形を示すグラフである。バイアス電圧
は、正負交互のステップ状に変化しており、全体でＮ個
のステップを有している。各ステップの保持時間Ｔの前
半（Ｔ−ｔ）は測定対象である容量Ｃｔ（図１（ｂ））
を充電するための時間である。この時間（Ｔ−ｔ）に必
要な長さは、容量Ｃｔに接続されている抵抗やインダク
タンスに依存する。図２に示す測定装置ＭＤでは（Ｔ−
ｔ）は約２５０msecである。各ステップの後半の時間ｔ
は、容量Ｃｔをインピーダンスメータ２４（容量計）で
測定するための時間である。この時間ｔはインピーダン
スメータ２４の測定速度に依存するが、例えば１回の測
定時間としては約１５msec必要である。測定誤差を小さ
くするためには、１ステップ中に容量測定を複数回繰り
返すことが望ましく、この場合には、各ステップの後半
の時間ｔは、１回の測定時間に測定回数を乗じた時間と
なる。図２に示す測定装置ＭＤに対する時間ｔは約２５
０msecである。各ステップの前半の時間（Ｔ−ｔ）と後
半の時間ｔをそれぞれ約２５０msecに設定した場合に
は、各ステップの保持時間Ｔは約０．５秒となる。

【００３２】図４の波形では、ステップの高さが１ｈ，
−２ｈ，３ｈ，−４ｈ…と変化している。すなわち、隣
接するステップの高さの絶対値は互いに差分ｈだけ異な
っており、また、ステップの高さの絶対値は直線的に増
加している。差分ｈとしては例えば最大印加電圧を１０
０等分した程度の値で充分である。なお、「バイアス電
圧が正」とは、図１において測定用電極２０１の電位が
電極２０２の電位よりも高いことを意味している。Ｃ−
Ｖ測定では高周波電圧がバイアス電圧に重畳されるが、
高周波電圧の振幅は数十ｍＶ程度であるので便宜上図示
を省略している。

【００３３】ステップ数Ｎを１００とすると、ｈ＝１Ｖ
のバイアス電圧を印加する。

【００３４】図５は、図４に示す本発明によるバイアス
電圧波形を用いたＣ−Ｖ測定で得られたＣ−Ｖ曲線（実
施例ＥＸ１）と、図１２に示す従来のバイアス電圧の変
化を用いたＣ−Ｖ測定で得られたＣ−Ｖ曲線（比較例Ｃ
Ｎ１）とを比較して示すグラフである。ここで、各ステ
ップの保持時間Ｔは実施例ＥＸ１も比較例ＣＮ１も共に
０．５秒に設定した。また、隣接するステップの絶対値
の差分ｈは、実施例ＥＸ１も比較例ＣＮ１も共に０．５
Ｖに設定した。

【００３５】測定試料は（１００）面を主面とするＰ型
シリコンのベアウェハであり、その抵抗率は１０〜１５
Ω・ｃｍの範囲の値である。なお、実施例ＥＸ１と比較
例ＣＮ１とは同一の半導体ウェハを用いた結果である。
ベアウェハの表面は非常に活性であり、汚染物質を容易
に吸着するので、測定中にウェハ表面が新たに汚染され
ないようにするために高純度の窒素ガスで測定室内をパ
ージした。

【００３６】図５において破線で示す比較例ＣＮ１で
は、±８０Ｖの範囲でバイアス電圧を変化させても容量
Ｃｔの変化が少なく、フラットバンド電圧Ｖfbを決定す
ることができなかった。

【００３７】一方、図５において実線で示す実施例ＥＸ
１では、バイアス電圧が０Ｖの付近において容量Ｃｔが
変化するＣ−Ｖ曲線が得られた。また、このＣ−Ｖ曲線
からフラットバンド電圧Ｖfbを求めることができた。

【００３８】図６は、図４に示すバイアス電圧の変化を
用いてＣ−Ｖ測定を２０回繰り返して行なった結果から
それぞれ求められた表面電荷密度Ｎfbを示すグラフであ
る。表面電荷密度Ｎfbは、フラットバンド電圧Ｖfbと次
の（１）式の関係を有している。 Ｖfb＝φms−ｑ・Ｎfb・ｄair／ε0 …（１） ここで、φmsは電極２０１と半導体の仕事関数差、ｑは
電子の電荷量、ｄair は電極２０１と半導体ウェハ１０
０との間のギャップ、ε0 は真空の誘電率である。

【００３９】図６の例では、表面電荷密度Ｎfbの測定に
関して±５％程度の良好な再現性が得られている。これ
は、半導体ウェハの表面における電気的状態が安定に保
たれていることを意味している。

【００４０】図７は、表面に厚さ５００ｎｍの酸化膜を
有するＮ型シリコンウェハを測定試料として、フッ酸に
よるライトエッチングの前後においてＣ−Ｖ測定を行な
った実験結果を示すグラフである。バイアス電圧として
は、図５の場合と同様に、図４と図１２のバイアス電圧
の変化を用いている。以下に説明するように、酸化膜が
形成されている半導体ウェハは表面における電気的状態
が安定であるが、ライトエッチングによって酸化膜をご
く僅かに除去すると酸化膜表面の電気的状態が不安定に
なることが、非接触Ｃ−Ｖ測定により本発明者によって
確認された。

【００４１】エッチング前における測定では、実施例Ｅ
Ｘ２においても比較例ＣＮ２においても図７で実線で示
すＣ−Ｖ曲線が得られた。これは、酸化膜の表面が電気
的に安定であり、バイアス電圧の変化によって表面の電
気的状態がほとんど変化しないことを示している。言い
換えれば、図７における実線のＣ−Ｖ曲線は真のＣ−Ｖ
曲線に近いものである。

【００４２】エッチング後の測定では、実施例ＥＸ２で
はエッチング前とほぼ同じＣ−Ｖ曲線が得られた。一
方、比較例ＣＮ２では、図７において破線で示されるよ
うにエッチング前のＣ−Ｖ曲線に比べて、かなりなだら
かなＣ−Ｖ曲線が得られた。このことはライトエッチン
グによって酸化膜表面の電気的状態が不安定になってい
ることを示しており、エッチングした直後の半導体ウェ
ハに対してＣ−Ｖ測定を行なう場合には、本発明の方法
によって、すなわち図４に示す波形でバイアス電圧を変
化させることによって、真のＣ−Ｖ曲線に近いＣ−Ｖ曲
線を求めることが可能である。

【００４３】なお、以上の実施例ＥＸ１，ＥＸ２を含む
種々の実験の過程において、図４の各ステップの保持時
間Ｔとしては約１秒以下が好ましく、実用的には、約
０．５秒程度で充分であるが短いほど好ましい。

【００４４】なお、図２に示す非接触電気測定装置ＭＤ
を用い、図４に示すバイアス電圧波形を使用してＣ−Ｖ
測定を行なえば、表面電荷密度Ｎfbを約±１×１０¹⁰io
ns／ｃｍ² の精度で測定することも可能である。

【００４５】図４に示すバイアス電圧波形は、ゼロボル
トを中心にした正負交互のステップ状の波形を有してい
るが、中心となる基準電圧はゼロボルトから多少ずれて
いてもよい。また、図４の変化では、正負交互のステッ
プが連続しているが、正のステップと負のステップとの
間に基準電圧（例えばゼロボルト）の休止期間を設ける
ようにしてもよい。ただし、図４のように、正負交互の
ステップを連続させるようにすれば、全体の測定時間を
短くすることができる。

【００４６】図８は、本発明によるバイアス電圧波形の
他の実施例を示すグラフである。図８の波形では、バイ
アス電圧が正負交互のステップ状に変化しており、全体
で２Ｎ個のステップを有している。また、ステップの高
さは１ｈ，−１ｈ，２ｈ，−２ｈ…と変化している。す
なわち、絶対値が等しい正と負の一対のステップ状のバ
イアス電圧が印加された後に、ステップの高さの絶対値
が差分ｈだけ異なる次の一対のステップ状のバイアス電
圧が印加される。また、正バイアスのステップの高さは
直線的に増加しており、負バイアスのステップの高さも
直線的に増加している。このように、同じ絶対値の正負
のバイアス電圧を交互に印加するようにしても良い。図
８の波形は、図４の波形において差分ｈを１／２にした
場合の波形とステップの高さの変化率はほぼ等価である
が、測定に要する時間は図４の２倍となる。

【００４７】Ｃ．絶縁膜中の可動イオン量の測定：半導
体ウェハ表面の絶縁膜には、ウェハプロセスの際にナト
リウムイオンなどの可動イオンが混入する。これらの可
動イオンは電界によって容易に移動するので、半導体表
面の安定性を劣化させる。以下に示すように、本発明に
よるＣ−Ｖ測定方法は絶縁膜中の可動イオン量の測定に
利用することができ、これによって可動イオン量の測定
精度を向上させることができる。

【００４８】絶縁膜中の可動イオン量の測定は、いわゆ
るＢＴ処理と、Ｃ−Ｖ測定とによって行なうのが一般的
である。従来のＢＴ処理は、高温状態で絶縁膜上のゲー
ト電極に直流バイアスを印加する処理である。従来のＢ
Ｔ処理では、半導体ウェハの絶縁膜上に電極を形成し、
その電極と半導体基板の裏面との間に直流バイアスを印
加していた。

【００４９】ところで、図２に示す非接触電気測定装置
ＭＤでは、半導体ウェハ１００の上に直接電極を形成せ
ず、電極２０１を有するセンサヘッド６０が半導体ウェ
ハ１００の上方に離間して保持される。一方、従来のＢ
Ｔ処理方法ではＣ−Ｖ測定のために絶縁膜の上に形成さ
れた電極を利用して直流バイアスを印加していたので、
図２のような非接触電気測定装置ＭＤを利用する場合に
は、従来のＢＴ処理方法を適用することはできない。

【００５０】そこで、出願人は半導体ウェハ上に電極を
形成せずにＢＴ処理を行なうことのできるＢＴ処理装置
を開発した。図９は、このようなＢＴ処理装置ＢＴ１の
一例を示す断面図である。このＢＴ処理装置ＢＴ１は、
ベース３１０と、ベース３１０上に載置されたカバー３
１２とで構成される筺体の中に収納されている。

【００５１】ベース３１０の上には第１の加熱板３１４
が設置されており、さらに第１の加熱板３１４の上には
第１の吸着板３１６が設置されている。第１の吸着板３
１６の上には第１の半導体ウェハ１００ａが載置され
る。第１の吸着板３１６の上表面には溝３１６ａが形成
されている。この溝３１６ａは、吸着板３１６と加熱板
３１４とベース３１０とを貫通する貫通孔３２０に連通
しており、貫通孔３２０はパイプによって真空ポンプ３
２２に接続されている。半導体ウェハ１００ａを吸着板
３１６上に載置し、真空ポンプ３２２を運転すると、半
導体ウェハ１００ａが吸着板３１６に吸着される。

【００５２】ベース３１０には、また、リニアガイド３
２４が垂直方向に立設されている。リニアガイド３２４
には、第２の加熱板３２６が垂直方向に移動可能に連結
されている。第２の加熱板３２６は、パルスモータ３２
８によって駆動され、リニアガイド３２４に沿って垂直
方向に移動する。第２の加熱板３２６の下面には第２の
吸着板３３０が固定されている。第２の吸着板３３０
は、第１の吸着板３１６と同様に、第２の半導体ウェハ
１００ｂを吸着する。

【００５３】なお、第１と第２の加熱板３１４，３２６
にはそれぞれヒータ３１４ａ，３２６ａが内蔵されてい
る。また、第１と第２の吸着板３１６，３３０はアルミ
ニウムや銅などの金属製であり、配線３４０を介して直
流電源３４２の両極に吸着板３１６，３３０がそれぞれ
電気的に接続される。

【００５４】第１と第２の半導体ウェハ１００ａ，１０
０ｂをＢＴ処理装置ＢＴ１にセットする際には、カバー
３１２を外し、パルスモータ３２８を駆動して第２の加
熱板３２６と第２の吸着板３３０とを上方に退避させ
る。次に、第１と第２の半導体ウェハ１００ａ，１００
ｂを吸着板３１６，３３０にそれぞれ吸着させる。半導
体ウェハ１００ａ，１００ｂの表面には、全面に渡って
絶縁膜が形成されている。そして、絶縁膜が形成された
主面が互いに向き合うように設置される。つぎに、パル
スモータ３２８を駆動して、２枚の半導体ウェハ１００
ａ，１００ｂのギャップ△Ｇを所定の値（約５μｍ〜約
３０μｍ）に設定する。このギャップの値は、直流電源
３４２の電圧と、ＢＴ処理において必要とされる半導体
ウェハ内の電界強度とに応じて予め決定される。

【００５５】その後、カバー３１２をベース３１０上に
設置し、ＢＴ処理を開始する。すなわち、加熱板３１
４，３２６のヒータ３１４ａ，３２６ａを発熱させて半
導体ウェハ１００ａ，１００ｂを加熱しつつ、直流電源
３４２によって半導体ウェハ１００ａ，１００ｂに直流
バイアスを印加する。なお、この際、カバー３１２の左
右に設けられている開口部３１２ａ，３１２ｂを通して
窒素ガスが導入され、ＢＴ処理装置ＢＴ１内がパージさ
れる。これにより、半導体ウェハ表面の加熱中の汚染が
防止される。

【００５６】このＢＴ処理装置ＢＴ１を利用すれば、半
導体ウェハの表面上に電極を形成することなくＢＴ処理
を行なうことができるので、電極形成のプロセスにおい
て絶縁膜中に可動イオンが混入するという従来の方法の
問題点を解決でき、また、電極形成プロセスに要する時
間と手間を省くことができる。また、このＢＴ処理装置
ＢＴ１は、２枚の半導体ウェハに対して逆のバイアスを
掛けつつ同時にＢＴ処理を行なうことができるという利
点も有する。さらに、半導体ウェハの全面に形成された
絶縁層（例えば酸化層）の全体に対してＢＴ処理を同時
に行なうことができる。従って、ＢＴ処理の前後におい
て、半導体ウェハの複数の位置においてＣ−Ｖ測定を実
施すれば、絶縁膜形成の良否を、半導体ウェハの複数位
置において評価することができるという利点がある。

【００５７】図１０は、図９に示すＢＴ処理装置ＢＴ１
と図２に示す非接触電気測定装置ＭＤとを利用して半導
体ウェハの絶縁膜の可動イオン量の測定を行なった実験
の手順を示すフローチャートである。また、図１１は、
その実験結果を示すグラフである。この測定では、表面
に５０ｎｍの厚みの酸化膜を有する半導体ウェハＷ１
と、表面に５００ｎｍの厚みの酸化膜を有する半導体ウ
ェハＷ２とを測定試料とした。２枚の半導体ウェハＷ
１，Ｗ２は、いずれも（１００）面を主面とするＮ型シ
リコンウェハである。また、図１０の手順に先立ち、２
枚の半導体ウェハＷ１，Ｗ２に対して、同一の条件で故
意に表面をイオン汚染させた。

【００５８】ステップＳ１では、ＢＴ処理前の２枚の半
導体ウェハＷ１，Ｗ２に対してＣ−Ｖ測定を行なうこと
によってそれぞれの表面電荷密度Ｎfbを求めた。この結
果は、図１１において斜線の棒グラフで示されている。
Ｃ−Ｖ測定の際のバイアス電圧波形としては、図４にお
いてｈ＝１Ｖ，Ｔ＝０．５秒としたものを用いた。な
お、以下のステップＳ３，Ｓ５におけるＣ−Ｖ測定にお
いても同じ直流バイアス波形を使用した。また、表面電
荷密度Ｎfbは、フラットバンド電圧Ｖfbの測定値を前述
した式（１）に代入することによって求めた。表面電荷
量はｑＮfb（ｑは電子の電荷量）で与えられる。ステッ
プＳ１で得られる表面電荷密度Ｎfbには、イオン汚染に
よる可動イオンと、酸化膜固有の固定電荷との双方の寄
与が含まれている。

【００５９】半導体ウェハＷ１，Ｗ２の表面にはそれぞ
れ酸化膜が形成されているので、表面の電気的特性は比
較的安定である。従って、ＢＴ処理前のＣ−Ｖ測定を行
なう際に、仮に図１２に示す従来のバイアス電圧波形を
利用したとしても、得られる表面電荷密度Ｎfbの値はほ
とんど同じであると考えられる。

【００６０】ステップＳ２では、図９に示すＢＴ処理装
置ＢＴ１を用いて２枚の半導体ウェハＷ１，Ｗ２に対す
るＢＴ処理をそれぞれ個別に実行した。この際、ＢＴ処
理装置ＢＴ１でＢＴ処理を実行するには半導体ウェハが
２枚必要なので、ダミーウェハを一枚使用した。ＢＴ処
理の条件は、酸化膜に対する電界を約３ＭＶ／ｃｍ、温
度を約３００℃とした。ＢＴ処理を行なうと、酸化膜中
の可動イオンを酸化膜の表面に移動させることができ
る。

【００６１】ステップＳ３では、ＢＴ処理後にＣ−Ｖ測
定を行なって表面電荷密度Ｎfb’を求めた。この結果
は、図１１において比較例ＣＮ３，ＣＮ４として示され
ている。比較例ＣＮ３，ＣＮ４の結果の意味については
後述する。

【００６２】ステップＳ４では、半導体ウェハＷ１，Ｗ
２をエッチングすることによって表面の酸化膜を約１０
ｎｍの厚みだけ除去した。このエッチングによって、Ｂ
Ｔ処理（ステップＳ２）によって酸化膜の表面に移動し
た可動イオンが酸化膜とともに除去される。

【００６３】ステップＳ５では、エッチング後の半導体
ウェハＷ１，Ｗ２に対してＣ−Ｖ測定を行なうことによ
って表面電荷密度Ｎfb’を求めた。この結果は、図１１
において実施例ＥＸ３，ＥＸ４として示されている。

【００６４】ステップＳ６では、比較例ＣＮ３，ＣＮ４
および実施例ＥＸ３，ＥＸ４のそれぞれについて、イオ
ン汚染量△Ｎfb＝（Ｎfb−Ｎfb’）を算出した。ここ
で、ＮfbはステップＳ１において測定した表面電荷密度
であり、Ｎfb’はステップＳ３またはＳ５で測定した表
面電荷密度である。なお、厳密にはイオン汚染量はｑ△
Ｎfbで与えられる。

【００６５】ステップＳ１において求められたＢＴ処理
前の表面電荷密度Ｎfbには、前述したように、イオン汚
染による可動イオンと、酸化膜固有の固定電荷との双方
の寄与が含まれている。一方、エッチング後のステップ
Ｓ５において求められた実施例ＥＸ３，ＥＸ４の表面電
荷密度Ｎfb’は、可動イオンの寄与を含まないと考えら
れる。従って、実施例ＥＸ３，ＥＸ４の表面電荷密度Ｎ
fb’は、酸化膜固有の固定電荷の電荷量を示している。
すなわち、実施例ＥＸ３，ＥＸ４について得られるイオ
ン汚染量△Ｎfbは、イオン汚染による電荷量を示してい
る。図１１に示されているように、２つの実施例ＥＸ
３，ＥＸ４におけるイオン汚染量△Ｎfbはほぼ等しい値
を示している。これは、２枚の半導体ウェハＷ１，Ｗ２
に予め同一のイオン汚染を与えたこととも整合性のある
結果である。このことからも、実施例ＥＸ３，ＥＸ４に
対するイオン汚染量△Ｎfbの値が、酸化膜中の可動イオ
ン量をかなり正確に示していることが解る。

【００６６】このように、ＢＴ処理前のＣ−Ｖ測定で得
られる表面電荷密度と、ＢＴ処理およびエッチング処理
の後のＣ−Ｖ測定で得られる表面電荷密度との差を取る
ことによって、絶縁膜中の可動イオン量をかなり正確に
測定することができる。また、エッチング後に行なうＣ
−Ｖ測定において、図４や図８に示す本発明による直流
バイアス波形を使用することによって、正確なＣ−Ｖ測
定を行なうことが可能である。エッチングは半導体ウェ
ハの表面を電気的に不安定な状態にするので、従来のＣ
−Ｖ測定に使用されていた直流バイアス波形を用いた場
合には、正確なＣ−Ｖ曲線を求めることは不可能であ
る。換言すれば、図１０に示すステップＳ１〜Ｓ６（ス
テップＳ３は除く）による可動イオンの測定方法は、本
発明による直流バイアス波形を利用することによって、
初めて可能となったものであると言える。なお、ステッ
プＳ１のＣ−Ｖ測定では、本発明によるバイアス電圧波
形を必ずしも使用する必要はなく、図１２に示すような
従来のバイアス電圧波形を用いてもよい。

【００６７】比較例ＣＮ３，ＣＮ４に対するイオン汚染
量△Ｎfbの値は、図１１から解るように、実施例ＥＸ
３，ＥＸ４におけるイオン汚染量△Ｎfbとはかなり異な
る値を示している。これは、比較例ＣＮ３，ＣＮ４で得
られる表面電荷密度Ｎfb’が、イオン汚染による可動イ
オンと、酸化膜固有の固定電荷との双方の寄与が含まれ
ているからである。ただし、比較例ＣＮ３，ＣＮ４で
は、ＢＴ処理によって酸化膜中の可動イオンが酸化膜表
面付近に移動しているので、ＢＴ処理前とは異なる表面
電荷密度の値が得られている。図２のような非接触測定
装置ＭＤを用いてＣ−Ｖ測定を行なった場合には、得ら
れる表面電荷密度の値が酸化膜中の電荷の位置にあまり
影響されないという特徴がある。従って、比較例ＣＮ３
のように酸化膜の厚みが小さい場合には、ＢＴ処理前後
の表面電荷密度の差△Ｎfbがあまり大きくならない。比
較例ＣＮ４におけるＢＴ処理前後の表面電荷密度の差△
Ｎfbも同様な傾向にあるが、第２のウェハＷ２の酸化膜
の厚みが第１のウェハＷ１に比べて厚いので、比較例Ｃ
Ｎ３に比べて△Ｎfbの値は大きくなっている。

【００６８】上記の比較例ＣＮ３，ＣＮ４のように、Ｂ
Ｔ処理後にエッチングを行なわずにＣ−Ｖ測定を実施し
て表面電荷密度を測定した場合には、特に絶縁膜の厚み
が小さな場合に絶縁膜中の可動イオン量を定量的に評価
するのが困難である。一方、実施例ＥＸ３，ＥＸ４のよ
うに、ＢＴ処理後にエッチングを行なってＣ−Ｖ測定を
実施すれば、絶縁膜の厚みに係わらず、絶縁膜中の可動
イオン量を比較的正確に測定することが可能である。前
述したように、エッチングは半導体ウェハ表面の電気的
特性を不安定にするが、本発明による直流バイアス波形
を利用すれば、エッチング直後であってもＣ−Ｖ測定を
再現性良く実行することができる。

【００６９】なお、上記の実施例ＥＸ３，ＥＸ４では、
非接触のＢＴ処理装置ＢＴ１と非接触の電気測定装置Ｍ
Ｄとを用いているので、半導体ウェハの表面に電極を形
成するプロセスで半導体ウェハを汚染させることがない
という利点がある。

【００７０】ＢＴ処理は、図９に示すＢＴ処理装置ＢＴ
１を用いて行なう必要はなく、半導体ウェハの表面に電
極を形成せずに行なう非接触の他のＢＴ処理装置を用い
てもよい。なお、ＢＴ処理の目的は、絶縁膜の表面付近
に可動イオンを移動させることにある。従って、ＢＴ処
理以外の他の可動イオン移動処理によって、絶縁膜の表
面に可動イオンを移動させるようにしてもよい。例え
ば、アーク放電等の放電現象を利用して絶縁膜の表面を
正または負に帯電させる処理（以下、「帯電処理」と呼
ぶ）を利用することによって、可動イオンを移動させる
ことも可能である。

【００７１】絶縁膜中の可動イオンとしては、正イオン
と負イオンの両方が存在する。正の可動イオン量を測定
する場合には、ＢＴ処理において半導体ウェハの表面に
負の電圧を印加するか、または、帯電処理において半導
体ウェハの表面を負に帯電させればよい。これとは逆
に、負の可動イオン量を測定する場合には、ＢＴ処理に
おいて半導体ウェハの表面に正の電圧を印加するか、ま
たは、帯電処理において半導体ウェハの表面を正に帯電
させればよい。なお、同一の半導体ウェハに関して、正
の可動イオン量と負の可動イオン量とをそれぞれ測定す
れば、絶縁膜中の正の可動イオン、負の可動イオン、及
び固定電荷をそれぞれ分離独立して測定することが可能
である。

【００７２】なお、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。

【００７３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のＣ−Ｖ測
定方法によれば、正または負の一方の電圧が長時間に亘
って半導体ウェハに印加されることがなく、従って、半
導体ウェハの表面が電気的に不安定な状態でも、真のＣ
−Ｖ曲線に近いＣ−Ｖ曲線を求めることができるという
効果がある。

【００７４】また、本発明の可動イオン量測定方法によ
れば、絶縁膜中の可動イオン量を定量的に評価すること
ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を適用する半導体ウェハの非接
触電気測定装置ＭＤの概要を示す概念図。

【図２】非接触電気測定装置ＭＤの具体的な構成例を示
す図。

【図３】電極形成部６４の底面とそのＢ−Ｂ断面を示す
図。

【図４】本発明によるバイアス電圧波形を示すグラフ。

【図５】Ｃ−Ｖ測定の実験結果をグラフ。

【図６】複数回のＣ−Ｖ測定で得られた表面電荷密度を
示すグラフ。

【図７】半導体ウェハをライトエッチングした実施例の
実験結果を示すグラフ。

【図８】本発明による他のバイアス電圧波形を示すグラ
フ。

【図９】ＢＴ処理装置を示す断面図。

【図１０】絶縁膜中の可動イオン量測定の実験手順を示
すフローチャート。

【図１１】可動イオン量測定の実験結果を示すグラフ。

【図１２】従来のＣ−Ｖ測定方法におけるバイアス電圧
波形を示すグラフ。

【図１３】従来のＣ−Ｖ曲線の例を示すグラフ。

【符号の説明】

２０…測定部 ２２…光量測定器 ２４…インピーダンスメータ ２６…位置制御装置 ２８…マスターコントローラ ３２…ベース ３４…駆動装置 ３６…架台 ３８…試料テーブル ４０…筺体 ４２…フランジ ４４…圧電アクチュエータ部 ４８…支持板 ５０…支持筒 ６０…センサヘッド ６２…直角プリズム ６４…電極形成部 ６６…コーンガラス ６８…絶縁膜 ７０…レーザ発振器 ７２…受光センサ １００…半導体ウェハ １０１…半導体基板 １１１〜１１３…各電極 １１１〜１１３…平行度調整用電極 １２０…ガードリング ２００…電極パターン ２０１…測定用電極 ２０２…電極 ３１０…ベース ３１２…カバー ３１２ａ，３１２ｂ…開口部 ３１４，３２６…加熱板 ３１４ａ，３２６ａ…ヒータ ３１６，３３０…吸着板 ３１６ａ…溝 ３２０…貫通孔 ３２２…真空ポンプ ３２４…リニアガイド ３２６…加熱板 ３２８…パルスモータ ３３０…吸着板 ３４０…配線 ３４２…直流電源 ＢＴ１…ＢＴ処理装置 ＣＮ１〜ＣＮ４…比較例 ＥＸ１〜ＥＸ４…実施例 ＭＤ…非接触電気測定装置 Ｎfb…表面電荷密度 Ｗ１，Ｗ２…半導体ウェハ ｄair…ギャップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松原 英明 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 特許2802825（ＪＰ，Ｂ２) 特許2813755（ＪＰ，Ｂ２) 特許2802868（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/66 G01R 27/26

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体ウェハのＣ−Ｖ測定方法であっ
   て、 半導体ウェハに印加するバイアス電圧を、正負交互のス
   テップ状に変化させることを特徴とする半導体ウェハの
   Ｃ−Ｖ測定方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体ウェハのＣ−Ｖ測
   定方法であって、 バイアス電圧のステップ状の変化における各ステップの
   保持時間は約１秒以下である半導体ウェハのＣ−Ｖ測定
   方法。
3. 【請求項３】 半導体ウェハの表面に形成された絶縁膜
   中の可動イオン量を測定する方法であって、 （Ａ）前記半導体ウェハに対してＣ−Ｖ測定を行なうこ
   とによって前記絶縁膜の第１の表面電荷量を求める工程
   と、 （Ｂ）前記半導体ウェハに対して、前記絶縁膜中の可動
   イオンを前記絶縁膜の表面付近に移動させる可動イオン
   移動処理を施す工程と、 （Ｃ）前記可動イオン移動処理後の前記半導体ウェハの
   前記絶縁膜の表面をエッチングにより除去する工程と、 （Ｄ）前記エッチング処理後の前記半導体ウェハに対し
   て、正負交互のステップ状に変化するバイアス電圧を印
   加してＣ−Ｖ測定を行なうことによって、前記絶縁膜の
   第２の表面電荷量を求める工程と、 （Ｅ）前記第１の表面電荷量と前記第２の表面電荷量の
   差分を取ることによって前記絶縁膜中の可動イオン量を
   求める工程と、 を備えることを特徴とする半導体ウェハの可動イオン量
   測定方法。