JP2904751B2 - 半導体ウエハの電気特性測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、Ｃ−Ｖ曲線など
の半導体ウエハの電気特性の測定を行なう装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ＭＩＳ構造の半導体のプロセスを評価す
る方法の１つとして、Ｃ−Ｖ測定による評価方法が用い
られている。

【０００３】図２０は、従来のＣ−Ｖ測定方法を示す説
明図である。図２０の（ａ）は、ＭＩＳ構造を示してお
り、半導体ウエハ１０１の表面上に酸化膜１０２が形成
され、さらにその上部に電極２０１が形成されている。
また、半導体ウエハ１０１の裏面にも電極２０２が形成
されている。２つの電極２０１、２０２の間の全容量Ｃ
ｔは、図の（ｂ）に示すように、半導体ウエハ１０１の
容量Ｃｓと酸化膜１０２の容量Ｃｉとの直列接続で表わ
される。

【０００４】図の（ｃ）には、理想的なＣ−Ｖ曲線を実
線で、Ｃ−Ｖ測定で得られる現実のＣ−Ｖ曲線を破線
で、示している。この評価方法では、よく知られている
ように、理想的な曲線と現実の曲線とのずれ量を測定し
てフラットバンド電圧Ｖｆｂが決定され、フラットバン
ド電圧Ｖｆｂの値に基づいて、酸化膜１０２の品質やそ
の形成プロセスが評価される。

【０００５】従来のＣ−Ｖ測定では、このように酸化膜
１０２の表面上に電極２０１を形成する必要があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、酸化膜１０
２上に電極２０１を形成すると、電極形成のプロセスに
おいて、酸化膜１０２中にＮａ（ナトリウム）等のイオ
ンが混入してしまう場合がある。よく知られているよう
に、Ｃ−Ｖ特性は酸化膜１０２中のＮａ等のイオンに依
存する。従って、Ｃ−Ｖ特性で酸化膜１０２の品質が不
良であると評価された場合に、従来の方法では、酸化膜
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いという問題があった。

【０００７】酸化膜形成のプロセスは、半導体ウエハの
洗浄処理、熱酸化処理、酸化膜の安定化熱処理等の処理
に細分化されるが、これらの各処理の間にＣ−Ｖ特性評
価を行なえば、それぞれの処理の良否を判定することが
できる。例えば、半導体ウエハの洗浄処理の良否を評価
する場合には、洗浄された半導体ウエハ上に電極を形成
してＣ−Ｖ測定を行なう。このように、従来は半導体ウ
エハの電気特性評価を行なうたびに半導体ウエハの表面
に測定用の電極を形成しなければならなかった。このよ
うな電極形成のプロセスは、半導体ウエハの電気特性自
体に影響を与えるばかりでなく、電極形成そのものに手
間と時間がかかるという問題があった。

【０００８】さらに、半導体ウエハの表面近傍の特性を
評価するために、いわゆるゼルブスト法（Ｃ−ｔ法）に
よる評価がしばしば行なわれている。この方法は、静電
容量の時間依存性を測定する方法なので、Ｃ−Ｖ測定と
同様に、半導体ウエハの表面上に電極を形成する必要が
あり、上記と同様の問題があった。

【０００９】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、半導体ウエハの
表面上に電極を形成することなく、Ｃ−Ｖ測定やＣ−ｔ
法などの電気特性の測定を高精度に行なうことのできる
半導体ウエハの電気特性測定装置を提供することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
述の課題を解決するため、この発明による半導体ウエハ
の電気特性測定装置は、半導体ウエハの電気特性を測定
する装置であって、半導体ウエハと非接触の状態で保持
される測定用電極と、前記測定用電極の周囲をほぼ取り
囲むように配置されたリング状導体と、前記測定用電極
と前記半導体ウエハとの間の電気特性を測定する測定手
段と、を備えることを特徴とする。

【００１１】この電気特性測定装置の測定用電極は、半
導体ウエハと非接触の状態で保持されるので、半導体ウ
エハの表面上に電極を形成する必要がない。測定用電極
の周囲をほぼ取り囲むように配置されたリング状導体
は、測定用電極の周囲における電界が、測定用電極に与
える影響を低減する機能を有している。従って、測定用
電極を用いた電気特性測定を高精度に行うことができ
る。

【００１２】上記第１の発明において、さらに、前記リ
ング状導体の外周側に配置され、前記測定用電極と前記
半導体ウエハとの平行度を調整するために使用される複
数の平行度調整電極と、前記複数の平行度調整用電極に
おける容量の測定値に従って、前記測定用電極と前記半
導体ウエハとの傾きを変化させることによって前記平行
度を調整する駆動手段と、を備えることが好ましい。

【００１３】複数の平行度調整用電極のそれぞれと半導
体ウエハとの間の静電容量を測定して互いに比較すれ
ば、電極保持面と半導体ウエハの表面との平行度を調整
できるので、ギャップの静電容量をさらに精度よく算出
することができる。従って、半導体ウエハの電気特性を
さらに高精度で測定できる。特に、測定用電極と複数の
平行度調整用電極との間にリング状導体が設けられてい
るので、測定用電極と、複数の平行度調整用電極との間
の影響を低減することができる。この結果、高精度な電
気特性測定と平行度調整とを達成することができる。

【００１４】また、前記測定用電極は、中央部が中空の
略リング状であり、前記電気特性測定装置は、さらに、
前記測定用電極が形成された光学素子であって、外部か
ら与えられた単色光を反射するための反射領域を、前記
測定用電極の中央部に相当する位置に有する光学素子
と、前記反射領域で反射される前記単色光を発生する単
色光発生手段と、前記反射領域で反射された単色光を受
光する受光手段と、前記受光手段で受光された単色光の
強度に基づいて、前記測定用電極と前記半導体ウェハと
の間のギャップを算出する算出手段と、を備えることが
好ましい。

【００１５】測定用電極の中央部において単色光が反射
し、この反射光の強度に基づいて、測定用電極と半導体
ウェハとの間のギャップが算出される。従って、測定用
電極の位置におけるギャップ、および、その静電容量を
正確に求めることができる。従って、半導体ウエハの電
気特性をさらに高精度で測定できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】

Ａ．電気特性測定法の概要 図１は、この発明における半導体の電気特性測定法の概
要を示す概念図である。図の（ａ）において、半導体ウ
エハ１０１の表面上には酸化膜１０２が形成されてお
り、裏面上には電極２０２が形成されている。酸化膜１
０２の上方には、ギャップＧｅを隔てて測定用電極２０
１が電極保持ユニット３００によって保持されている。
酸化膜１０２と測定用電極２０１とのギャップＧｅは、
後述するように、１μｍ以下になるように電極保持ユニ
ット３００によって制御されている。

【００１７】２つの電極２０１、２０２の間の静電容量
Ｃｔは、図の（ｂ）に示すように、半導体ウエハ１０１
の静電容量Ｃｓと、酸化膜１０２の静電容量Ｃｉと、ギ
ャップＧｅの静電容量Ｃｇとの直列接続で表わされ、次
式で与えられる。

【００１８】 １／Ｃｔ＝１／Ｃｓ＋１／Ｃｉ＋１／Ｃｇ …（１）

【００１９】測定部４００では、この合成容量Ｃｔを測
定する。Ｃ−Ｖ測定で求めたいのは、半導体ウエハ１０
１の容量Ｃｓと、酸化膜１０２の容量Ｃｉとの合成容量
Ｃｔａの電圧依存性である。

【００２０】 １／Ｃｔａ＝１／Ｃｓ＋１／Ｃｉ …（２）

【００２１】全体の合成容量Ｃｔを測定して、（２）式
の合成容量Ｃｔａを精度よく求めるには、（１）式から
わかるように、ギャップＧｅの容量Ｃｇが過度に小さく
ならないようにする必要がある。一般に、ギャップＧｅ
の容量Ｃｇは、次式で与えられる。

【００２２】 Ｃｇ＝ε０・Ｓ／Ｇｅ …（３）

【００２３】ここで、ε０：真空誘電率； Ｓ：電極２０１の下面の面積。

【００２４】容量Ｃｇは、ギャップＧｅの大きさに反比
例し、ギャップＧｅが大きいほど容量Ｃｇが小さくな
る。後で詳しく説明するように、ギャップＧｅが１μｍ
よりも大きいと、その容量Ｃｇが、他の容量Ｃｓ，Ｃｉ
に比べて十分小さくなり、下記のように合成容量Ｃｔが
ギャップの容量Ｃｇとほぼ等しくなってしまうという問
題が生じる。

【００２５】Ｃｇ＜＜Ｃｓ，Ｃｉのとき（１）式から： Ｃｔ≒Ｃｇ …（４）

【００２６】この発明では、ギャップＧｅの大きさを電
極保持ユニット３００で制御している。こうして、ギャ
ップＧｅの容量Ｃｇをあまり小さくすることなくＣ−Ｖ
測定を行なうので、図１（ｃ）に示す破線のようなＣ−
Ｖ曲線を測定することができ、半導体装置の電気特性評
価を行なうことができる。

【００２７】Ｂ．ギャップ測定の原理：ギャップＧｅの
測定には、媒質の界面で光が全反射する際のトンネリン
グ現象を利用している。

【００２８】トンネリング現象は、光に限らず、波動関
数で表現される物理現象において一般的に観察される。
すなわち、やや専門的に言えば、物質の境界面で境界条
件を規定すると、その境界面の外側において波動関数が
指数関数的に減衰するような解が得られる。このような
解は、境界面の外側に波動が浸出していることを表わし
ており、その浸出しはその波動の波長の程度の長さにま
で及んでいる。

【００２９】例えば、光が光学的に密な物質（ガラス）
から疎な物質（空気）に入射する場合、入射角が臨界角
以上になると幾何光学的には全反射となる。ところが、
この時の光の伝播状態を波動関数（電界）で表わすと、
幾何光学的には全反射であるにもかかわらず疎な物質
（空気）中に光（電界）が浸出している解が得られる。

【００３０】図２は、密な物質Ｍ１から疎な物質Ｍ２に
光が浸出す場合を示す光路図である。図において、入射
光Ｌｉはｘｙ平面内に偏光方向を有する直線偏光（電界
ベクトルがｘｙ平面に平行）であり、入射角θ１で物質
Ｍ１と物質Ｍ２との界面に入射している。物質Ｍ１の屈
折率はｎ１、物質Ｍ２の屈折率はｎ２である。この図は
幾何光学的な全反射条件を満たす場合を示しているが、
反射光Ｌｒとともに、透過角θ２で物質Ｍ２へ浸出して
いる透過光Ｌｔも描かれている。この透過光Ｌｔの電界
Ｅｔは、次式のような波動関数で表わされる。

【００３１】 Ｅｔ＝Ｅ0 ＊ｅｘｐ（−ｋｔ＊α＊ｙ）ｅｘｐ［ｉ＊｛ｋｔ（ｎ１／ｎ２）ｓ ｉｎθ１＊ｘ−ω＊ｔ｝］ …（５）

【００３２】ここで、Ｅ0 は定数、ｋｔおよびαは各々
次の（６）式および（７）式で表わされる定数、ωは光
の角周波数である。また、演算子＊は乗算を表わす。

【００３３】 ｋｔ＝ｎ２＊（２＊π）／λ …（６） α＝［（ｎ１＾２／ｎ２＾２）＊ｓｉｎθ１＾２−１］＾０．５ …（７）

【００３４】ここで、λは光の波長であり、演算子＾は
べき乗を表わす。

【００３５】上記（５）式において、ｅｘｐ（−ｋｔ＊
α＊ｙ）の項は、光波の電界が物質Ｍ２内に浸出してお
り、電界の振幅｜Ｅｔ｜が波長λのオーダの長さにわた
って指数関数的に単調減少することを示している。な
お、これらの式は、例えばファインマン，レイトン，サ
ンズ著「ファインマン物理学ＩＶ，電磁波と物性」（１
９８６年３月、岩波書店）第１９６頁第２０行目の式と
等価である。

【００３６】物質Ｍ２が空気であればｎ２＝１．０であ
り、（５）式、（６）式、（７）式はそれぞれ次のよう
に書換られる。

【００３７】 Ｅｔ＝Ｅ0 ＊ｅｘｐ（−ｋｔ＊α＊ｙ）ｅｘｐ［ｉ＊｛ｋｔ＊ｎ１＊ｓｉｎθ １＊ｘ−ω＊ｔ｝］ …（５ａ） ｋｔ＝（２＊π）／λ …（６ａ） α＝［（ｎ１＊ｓｉｎθ１）＾２−１］＾０．５ …（７ａ）

【００３８】この時、図３に示すように第３の密な物質
Ｍ３を用意し、物質Ｍ３を空気Ｍ２側から物質Ｍ１側に
近づけていくと、物質Ｍ１とのギャップＧが波長λ程度
になったときに第３の物質Ｍ３の双極子モーメントが励
起されて第３の物質Ｍ３中に光波が透過し始めるように
なる。第３の物質Ｍ３に透過していく透過光Ｌｔの電界
は、近似的に上記（５ａ）〜（７ａ）式で表わすことが
できる。なお、透過光Ｌｔの強度がその電界の振幅｜Ｅ
ｔ｜の２乗に比例することは、周知のとうりである。

【００３９】透過光Ｌｔの強度とギャップＧとの関係
が、例えば（５ａ）〜（７ａ）式のような計算式によっ
て求められることを利用すれば、ギャップＧを測定する
ことができる。すなわち、透過光Ｌｔの強度とギャップ
Ｇとの関係を予め計算で求めておき、透過光の強度を実
測すれば、ギャップＧの大きさを測定できる。もちろ
ん、透過光Ｌｔの電界Ｅｔを計算で正確に求めるために
は、（５ａ）〜（７ａ）式のかわりに、物質Ｍ１，Ｍ
２，Ｍ３で構成される３層構造を境界条件としてマック
スウェルの方程式を解く必要がある。通常、このような
計算はコンピュータを使用して行なわれており、そのた
めのプログラムは、例えば、草川徹著「レンズ光学」
（１９８８年、東海大学出版会）第２９５頁〜第３１０
頁に示されている。

【００４０】なお、密な物質Ｍ３への透過光Ｌｔの強度
を測定するのは難しいので、そのかわりに、反射光Ｌｒ
の強度を測定するのが実際的である。入射光Ｌｉ，反射
光Ｌｒ，透過光Ｌｔの強度をそれぞれＰｉ，Ｐｒ，Ｐｔ
とすれば、これらには次の関係がある。

【００４１】 Ｐｔ／Ｐｉ＝１−Ｐｒ／Ｐｉ …（８）

【００４２】表１は、３層構造を伝播する光波の電界に
ついて、正確な計算を行なって得られた反射光Ｌｒの反
射率Ｒｒ（＝Ｐｒ／Ｐｉ）を示す。なお、ここでは、入
射光Ｌｉがｓ偏光の場合、ｐ偏光の場合、および、これ
らと偏光方向が４５゜異なる直線偏光（以下、ｓ＋ｐ偏
光と記す）の場合についての計算結果を示している。

【００４３】

【表１】

【００４４】表１の計算条件は、以下のとうりである。 ｎ１＝１．５１０３，ｋ１＝０．０ （ほうけい酸塩ガ
ラス，ＢＫ７）； ｎ２＝１．０，ｋ２＝０．０ （空気）； ｎ３＝３．６７３，ｋ３＝０．００５ （シリコン）； λ ＝０．８２７μｍ （ＧａＡｌＡｓレーザ）； θ１＝４５゜

【００４５】ここで、ｋ１，ｋ２，ｋ３はそれぞれ物質
Ｍ１（ＢＫ７），Ｍ２（空気），Ｍ３（シリコン）の消
衰係数である。

【００４６】なお、周知のように、任意の直線偏光はｓ
偏光成分とｐ偏光成分とに分けられる。そして、ある直
線偏光の偏光方向がｓ偏光の偏光方向からθ゜傾いてい
るとき、その反射率Ｒｒａはｓ偏光の反射率Ｒｒｓとｐ
偏光の反射率Ｒｒｐとによって、次のように表わすこと
ができる。

【００４７】 Ｒｒａ＝ｃｏｓθ＾２＊Ｒｒｓ＋ｓｉｎθ＾２＊Ｒｒｐ …（９）

【００４８】図４（Ａ）ないし図４（Ｃ）は、表１の結
果をグラフにしたものである。これらの図で、横軸はギ
ャップＧの大きさ、縦軸は反射率Ｒｒを示す。ギャップ
Ｇが波長λに比べて十分に大きい時にはほぼ１００％反
射（全反射）になっており、一方、ギャップＧがゼロの
時には反射率もゼロに近く、ほとんどの光が透過してい
ることが分かる。

【００４９】ところで、（８）式からも明らかなよう
に、透過率Ｒｔ（＝Ｐｔ／Ｐｉ）は、（１−Ｒｒ）と等
しい。図５（Ａ）ないし図５（Ｃ）は、透過率Ｒｔをギ
ャップＧにたいしてプロットしたグラフである。ただ
し、縦軸の透過率Ｒｔは対数で表示している。これらの
図では、ギャップＧがゼロに近いところを除いて、透過
率Ｒｔの対数ｌｏｇＲｔを直線で近似することができ
る。図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に破線で示す近似直線は、
ギャップＧが０．２〜１．０μｍの範囲において、それ
ぞれ次式で表わされる。

【００５０】 ｌｏｇＲｔ＝−２．６４２Ｇ−０．１３ …（１０ａ） ｌｏｇＲｔ＝−２．２１６Ｇ＋０．３４ …（１０ｂ） ｌｏｇＲｔ＝−２．２９１Ｇ＋０．１６５ …（１０ｃ）

【００５１】図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、ＢＫ７／
空気／シリコンの３層構造について、他の波長のレーザ
光に関する透過率を示す図であり、図７（Ａ）および図
７（Ｂ）は、ＢＫ７／空気／シリコン酸化膜／シリコン
の４層構造についての透過率Ｒｔを示す図である。これ
らの図において、構成される物質を物質１／物質２／物
質３（／物質４）で示している。図７（Ａ）および図７
（Ｂ）において、シリコン酸化膜の厚さＴｉは１０００
オングストロームである。なお、（ｓ＋ｐ）偏光の透過
率は前述のようにｓ偏光の透過率とｐ偏光の透過率とで
表わすことができるので、図示を省略している。

【００５２】なお、図７（Ａ）、図７（Ｂ）のような４
層構造の場合にも、３層構造の場合と同様にマックスウ
ェルの方程式を解くことにより、反射率、透過率を求め
ることができる。

【００５３】これらの図からも分かるように、レーザ光
の波長や第３の物質が変わっても、透過率Ｒｔの対数と
ギャップＧとの関係は直線で近似することができる。

【００５４】レーザ光の反射面と半導体ウエハの表面と
の間のギャップＧを測定しようとするときは、上述のよ
うにギャップＧと反射率または透過率との関係を予め計
算しておき、反射率を実測すれば、上記関係からギャッ
プＧの大きさを決定できる。

【００５５】Ｃ．測定装置の構成：図８は、上記の原理
を利用して測定用電極２０１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特性等の電気特性の
測定を行なう電気特性測定装置ＭＤ１の構成を表わす概
念図である。

【００５６】この電気特性測定装置ＭＤ１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断
面が台形状の架台３とを備えている。架台３の下部にあ
る２つの斜面は、互いになす角度が９０゜となるように
形成されており、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の一方の斜面の端部にはＧａＡ
ｌＡｓレーザなどのレーザ発振器５が固定され、他方の
斜面の端部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。

【００５７】プリズム４は、ほうけい酸塩ガラス（ＢＫ
７）でつくられており、その底面４ａには、後に説明す
る測定用電極２０１が形成されている。底面４ａは、半
導体ウエハ１００を載置する試料台７の表面と平行な平
面（ｘｙ平面）に平行に設置されている。

【００５８】プリズム４は、その入射面４ｂと出射面４
ｃとが互いに９０゜をなすように形成されており、ま
た、これらの面４ｂ，４ｃが底面４ａとなす角度はそれ
ぞれ４５゜である。

【００５９】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。

【００６０】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、また、受光センサ６には光量測定
器１２が、測定用電極２０１と金属製の試料台７にはＬ
ＣＲメータ１３が接続されている。ＬＣＲメータ１３
は、測定用電極２０１と試料台７との間の合成容量Ｃｔ
やコンダクタンスを測定する機器である。

【００６１】位置制御装置１１と光量測定器１２とＬＣ
Ｒメータ１３とは、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。こ
の発明における測定手段は、ＬＣＲメータ１３と、ホス
トコントローラ１４とで実現されている。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。

【００６２】圧電アクチュエータ２はｚ方向に伸縮する
圧電素子を有しており、位置制御装置１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。

【００６３】試料台７は、ＳＵＳなどの金属で作成され
ており、半導体ウエハ１００を吸着して保持する。図９
（ａ）は試料台７の平面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ
断面図である。試料台７の表面には、溝７ａが形成され
ている。溝７ａは、同心円状の２つの凹部と、これらを
連結する数本の放射状の凹部とを有している。溝７ａの
中心部は、試料台７の裏面まで貫通する貫通孔７ｂと連
結され、貫通孔７ｂは真空ポンプ８に接続されている。
真空ポンプ８で溝７ａが真空に引かれると、半導体ウエ
ハ１００（図中、一点鎖線で示す。）が試料台７の上に
吸着される。この際、試料台７の側面にＯリング９（図
中、点線でしめす。）を設けるとともに、試料台７の表
面を鏡面仕上げすることにより密着の程度を高めてい
る。

【００６４】半導体ウエハ１００と試料台７との間は、
電気的には静電容量として扱われる。この静電容量Ｃｂ
は、ＬＣＲメータ１３で測定される合成容量Ｃｔの一部
に含まれるので、（１）式は次式に書き換えられる。

【００６５】 １／Ｃｔ＝１／Ｃｓ＋１／Ｃｉ＋１／Ｃｇ＋１／Ｃｂ …（１１）

【００６６】Ｃ−Ｖ測定によって図１（ｃ）のような曲
線を得るためには、半導体ウエハ１００と試料台７との
間の容量Ｃｂが、他の３つの容量Ｃｓ，Ｃｉ，Ｃｇに比
べて十分大きく、合成容量Ｃｔが（１）式で近似できる
ようにする必要がある。そこで、この実施例では、上述
のように半導体ウエハ１００を試料台７に密着させて、
その間の容量Ｃｂの値を大きく保っている。

【００６７】Ｃ−Ｖ測定を行なう際には、半導体ウエハ
１００の裏面と試料台７の表面とをオーミック接触させ
ることが好ましい。これは、オーミック接触させれば半
導体ウエハ１００の裏面と試料台７の表面との間の容量
Ｃｂを考慮する必要がないためである。しかし、オーミ
ック接触を実現するためには、半導体ウエハ１００の裏
面にオーミック電極を形成しなければならないため、オ
ーミック電極形成のプロセスが必要になる。一方、上記
のように、半導体ウエハ１００を試料台７に密着させれ
ば、その間の容量Ｃｂは、全体の合成容量Ｃｔに対して
無視でき、しかもオーミック電極を形成するプロセスも
必要ないので、半導体ウエハの電気特性の測定をより早
く、かつ容易に行なうことができるという利点がある。

【００６８】図１０（ａ）は、プリズム４を拡大して示
す正面図、（ｂ）は、その底面図である。プリズム４の
下面４ａには、リング状の測定用電極２０１が形成され
ている。リング状の測定用電極２０１で囲まれた反射領
域ＲＡは底面４ａの一部であり、レーザ発振器５から射
出されたレーザ光がこの反射領域ＲＡで反射される。

【００６９】電極２０１はクロム（Ｃｒ）と金（Ａｕ）
との２層構造を有しており、プリズム４の底面４ａ上に
真空蒸着によって形成される。この際、まず、底面４ａ
上にレジストを塗布し、電極が形成される部分に窓を開
けたレジストパターンを形成する。次に、ＣｒとＡｕと
を順次真空蒸着して２層構造を形成する。そして、レジ
ストパターンを剥離すると、２層構造の電極２０１が完
成する。

【００７０】電極２０１の厚さＴｅは、例えば１０００
〜２０００オングストローム程度が好ましい。この厚さ
Ｔｅは、架台３に設置される前に干渉顕微鏡を用いて予
め測定される。

【００７１】図８において、レーザ発振器５から発振さ
れたレーザ光Ｌｉは、プリズム４の入射面４ｂに垂直に
入射し、その底面４ａの反射領域ＲＡ（図１０参照）に
４５゜の入射角で入射する。例えば前記表１の計算条件
における臨界角は４１．５゜なので、幾何光学的な全反
射条件が満たされている。反射光Ｌｒは、出射面４ｃか
ら垂直に出射した後、受光センサ６で受光される。受光
センサ６の出力は、光量測定器１２に与えられて反射光
Ｌｒの光量がここで測定される。

【００７２】ホストコントローラ１４は、光量測定器１
２から与えられた反射光Ｌｒの光量に基づいて透過率Ｒ
ｔ、ギャップＧ，Ｇｅ、および静電容量Ｃｅを算出する
役割を有する。

【００７３】Ｄ．ギャップの測定と半導体ウエハの電気
特性測定の詳細：プリズムの底面４ａと半導体ウエハ１
００の表面とのギャップＧの測定は、次のような手順で
行なう。

【００７４】まず、ギャップＧをレーザ光の波長λの数
倍以上の大きさに保つ。この状態でレーザ光Ｌｉを出射
し、受光センサ３で受光された反射光Ｌｒの強度を光量
測定器１２で測定する。ギャップＧを波長λの数倍以上
に保った状態では、前述のような光波の浸出しが無いの
で、レーザ光Ｌｉはプリズム４の底面４ａで全反射され
る。従って、この時に受光センサ６で検出される反射光
Ｌｒの強度は、入射光Ｌｉの強度Ｐｉと等しい。すなわ
ち、このようにすれば入射光Ｌｉの強度Ｐｉを測定でき
る。

【００７５】次に、位置制御装置１１により圧電アクチ
ュエータ２を駆動させて、架台３を（−ｚ）方向に移動
させ、ギャップＧを波長λの程度にまで小さくする。こ
の状態で再びレーザ光Ｌｉを出射し、受光センサ６で反
射光Ｌｒの強度Ｐｒを測定する。なお、この時は前述の
ように光波の一部が半導体ウエハ１００に浸出してい
る。

【００７６】ホストコントローラ１４は、反射光強度Ｐ
ｒを前のステップで求めた入射光強度Ｐｉで除算して、
反射率Ｒｔを求める。さらに、透過率Ｒｔ（＝１−Ｒ
ｒ）も算出する。

【００７７】入射光Ｌｉがｓ偏光である場合には、図６
（Ａ）や図７（Ａ）のグラフ上で、上記のように得られ
た透過率Ｒｔに対応するギャップＧを参照すれば、ギャ
ップＧの大きさを求めることができる。

【００７８】なお、このようにギャップＧを求めるのに
際しては、図６（Ａ）ないし図７（Ｂ）のような関係を
ホストコントローラ１４がルックアップテーブルなどの
形で記憶しておき、これを参照するとともに、必要に応
じ補間を行なってギャップＧの大きさを求めるようにし
てもよい。また、前記（１０ａ）〜（１０ｃ）式のよう
な式を記憶しておき、この式にしたがって透過率Ｒｔに
対するギャップＧの大きさを求めるようにしてもよい。
さらに、（１０ａ）〜（１０ｃ）式のような１次関数で
なく、より高次の関数や対数関数、指数関数などの所定
の関数を用いて透過率（または反射率）とギャップＧと
の関係を表わし、これを利用するようにしてもよい。

【００７９】ホストコントローラ１４は、次のような手
順でＣ−Ｖ特性を算出する。まず、電極２０１の下表面
と半導体ウエハ１００の表面とのギャップＧｅを次式で
算出する。

【００８０】 Ｇｅ＝Ｇ−Ｔｅ …（１２） ここで、Ｔｅ：電極２０１の厚さ

【００８１】また、前記（３）式にしたがってギャップ
Ｇｅの静電容量Ｃｇを計算する。さらに、ＬＣＲメータ
１３を使用して合成容量ＣｔについてのＣ−Ｖ曲線を測
定する。得られた合成容量Ｃｔから、ギャップＧｅの容
量Ｃｇの成分を差し引くことにより、求めたいＣ−Ｖ曲
線、すなわち、半導体ウエハ１０１の容量Ｃｓと酸化膜
１０２の容量Ｃｉとの合成容量Ｃｔａの電圧依存性を算
出する。

【００８２】図１１は、こうして得られたＣ−Ｖ曲線の
一例を示すグラフである。このグラフは、ｐ型の半導体
ウエハ１０１の上に厚さ１４０オングストロームの酸化
膜１０２を形成した試料を用い、ギャップＧｅを１４０
０オングストローム、印加する電圧の周波数を１００Ｋ
Ｈｚとした条件で高周波Ｃ−Ｖ測定を行なって得られた
結果である。こうして得られたＣ−Ｖ特性から、従来と
同じ評価方法を用いて、酸化膜１０２およびその製造プ
ロセスの良否を判定することができる。

【００８３】図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）は、ギャ
ップＧｅを１０００オングストロームから２μｍまで変
えたときに得られるＣ−Ｖ特性を示すグラフである。図
１２（Ａ）は、酸化膜１０２が無い場合、図１２（Ｂ）
は、酸化膜１０２の厚さＴｉが１０００オングストロー
ムの場合を示しており、いずれもｎ型基板を使用した場
合の結果である。これらの図において、電圧を上昇させ
けたときに容量が一定値に保たれる部分が見られる。こ
の部分における容量値は、いわゆる反転容量であること
が知られている。

【００８４】ギャップを１μｍよりも大きくすると、こ
の反転容量がＣ−Ｖ曲線上で観察できず、また、曲線も
直線に近くなって、フラットバンド電圧を測定するのが
困難になる。従って、電極２０１と半導体ウエハの表面
との間のギャップＧｅは、１μｍ以下とするのが好まし
い。

【００８５】Ｅ．他の実施例：図１３は、この発明の他
の実施例における電気特性測定装置ＭＤ２を示す図であ
る。

【００８６】この電気特性測定装置ＭＤ２では、プリズ
ム４１と、レーザ発振器５と、受光センサ６とが架台３
に固定されている。試料台７は、ｘｙテーブル３１の上
に立設された３台の圧電アクチュエータ２１〜２３に支
持されている。ｘｙテーブル３１は、ｘ軸駆動モータ３
２ｘとｙ軸駆動モータ３２ｙとにそれぞれ駆動されてｘ
ｙ平面上を移動する。また、ｘｙテーブル３１は、基台
３３の上に立設された垂直コラム３４によって支持され
ており、ｚ軸駆動モータ３１ｚによって駆動されてｚ軸
方向に移動する。

【００８７】試料台７をプリズム４１に近づける場合に
は、まずｚ軸駆動モータ３１ｚによって試料台７を上昇
させ、試料台７の表面が初期位置センサ３５の高さにき
たところでいったん停止する。その後は、圧電アクチュ
エータ２１〜２３を用いて試料台７の高さを微調節す
る。なお、圧電アクチュエータ２１〜２３とモータ３２
ｚ，３２ｙ，３２ｚとは、いずれも位置制御装置１１に
よって制御される。

【００８８】図１４は、この電気特性測定装置ＭＤ２の
プリズム４１の底面を示す図である。プリズム４１の底
面には、電気特性測定用の電極２０１と、平行度調整用
の３つの電極１１１〜１１３が形成されている。また、
電極２０１，１１１〜１１３にはそれぞれ導線２０１
ａ，１１１ａ〜１１３ａが接続されている。

【００８９】圧電アクチュエータ２１〜２３は、図１４
に破線で示すように、各電極１１１〜１１３の中心部の
外側の位置にそれぞれ設置されている。これらの圧電ア
クチュエータ２１〜２３は、位置制御装置１１によって
互いに独立に駆動され、これによって、試料台７の上に
載置された半導体ウエハ１００の表面と測定用電極２０
１の表面との平行度が調整される。

【００９０】なお、この発明における平行度調整手段
は、３つの圧電アクチュエータ２１〜２３と、位置制御
装置１１と、ＬＣＲメータ１３と、ホストコントローラ
１４とで実現されている。

【００９１】平行度調整用電極１１１〜１１３は、等分
割されたリング状の形状をそれぞれ有している。これら
の電極の形状としては、図１５に示すように、それぞれ
を円形としてもよいが、それぞれを分割したリング状に
すれば、より小さな領域内に、より面積の大きな電極を
形成することができるという利点がある。

【００９２】図１６は、プリズム４１の底面の傾きと各
平行度調整用電極１１１〜１１３の容量Ｃｅとの関係を
示すグラフである。図の（ａ）に示す平行度調整用電極
１１１〜１１３の寸法は、以下の通りである。

【００９３】内径ｒ０＝０．０８ｃｍ； 外径ｒ１＝０．１２ｃｍ； 電極間の隙間△ｇ＝０．０７ｃｍ

【００９４】図１６（ｂ）の結果は、図の（ａ）および
（ｃ）に示すように、軸αを中心にしてプリズムの底面
を傾けた条件で各電極の容量を算出したものである。軸
αは、電極１１２と１１３との鏡面対称の軸である。

【００９５】プリズム４１が角度θだけ傾いていると
き、図の（ｃ）に示すように、電極１１１〜１１３の表
面が半導体ウエハ１００の表面と平行になる位置（図中
の破線の位置）からはずれる。この時、電極１１１〜１
１３の端部がその平行位置からずれる距離△ｄを図１６
の（ｃ）の横軸としている。

【００９６】平行度調整用電極１１１〜１１３の容量Ｃ
ｅはＬＣＲメータ１３を用いて測定する。ＬＣＲメータ
１３やホストコントローラ１４を含めた容量測定系の精
度を０．１ｐＦ程度にすることは、比較的容易である。
容量測定系の精度を０．１ｐＦとすると、図１６（ｂ）
から、距離△ｄが０．０１μｍ以下となるように平行度
を調節できることがわかる。なお、距離△ｄが０．０１
μｍの時、プリズム表面の傾き角θは約０．０００５゜
であり、無視できる程度である。

【００９７】図１７は、軸αと直角な軸βを中心にして
プリズム４１が傾いている場合における距離△ｄと各平
行度調整用電極の容量Ｃｅとの関係を示すグラフであ
る。この場合にも、図１６の場合と同様に、容量測定系
の精度を０．１μＦとすれば、距離△ｄが０．０１μｍ
以下となるように平行度を調節することができる。

【００９８】このように、プリズムの底面に平行度調整
用の電極を３つ設けてそれらの容量を測定し、容量値が
互いにほぼ等しくなるように３台の圧電アクチュエータ
２１〜２３を駆動すれば、プリズムの底面（すなわち、
測定用電極２０１の表面）と半導体ウエハ１００の表面
との平行度を精度よく調節することが可能である。

【００９９】なお、平行度調整用電極は３つ以上設けれ
ばよい。また、測定用電極と平行度調整用電極の形状を
等しくすれば、測定用電極を平行度調整用の電極として
も利用できるので、この場合は、平行度調整専用の電極
を少なくとも２つ設ければよい。

【０１００】また、図１８に示すように、プリズムの底
面にガードリング１２０を設けてもよい。ガードリング
１２０は、平行度調整用電極１１１〜１１３と測定用電
極２０１との間、および、各平行度調整用電極１１１〜
１１３の間に配置され、一定の電位（例えば接地電位）
に保たれた配線である。ガードリング１２０を設けれ
ば、各平行度調整用電極１１１〜１１３の容量値を互い
に影響されずに測定でき、平行度をより高精度で調整で
きるようになるという利点がある。また、ガードリング
１２０は、測定用電極２０１の周辺の電界が測定用電極
２０１に与える影響を低減する機能も有しているので、
測定用電極２０１による測定の精度も向上させる。な
お、ガードリングは、本発明におけるリング状導体に対
応する。

【０１０１】上記実施例では、３つの平行度調整用電極
を用い、それらの容量値に基づいて平行度の調整を行な
ったが、光のトンネリング現象を利用したギャップ測定
方法を用いて平行度の調整を行なうこともできる。図１
９は、このような電気特性測定装置におけるプリズム４
１の周囲の部分を、底面から見た図である。この電気特
性測定装置では、図１３に示す構成に加えて、平行度測
定用のレーザ発振器５１〜５３および受光センサ６１〜
６３を備えている。

【０１０２】３台のレーザ発振器５１〜５３から出射さ
れたレーザ光Ｌ１〜Ｌ３は、それぞれプリズム４１の底
面の反射点Ｐ１〜Ｐ３で反射され、受光センサ６１〜６
３によってそれぞれ受光される。反射点Ｐ１〜Ｐ３は、
測定用電極２０１の円弧の中心と各圧電アクチュエータ
２１〜２３とを結ぶ直線上にそれぞれ位置している。

【０１０３】各反射点Ｐ１〜Ｐ３におけるプリズム４１
の底面と半導体ウエハ１００の表面とのギャップＧの測
定の手順は、前述の通りである。各反射点Ｐ１〜Ｐ３に
おけるギャップＧが互いに等しくなるように圧電アクチ
ュエータ２１〜２３を調節すれば、平行度の調節を行な
うことができる。この際、各反射点Ｐ１〜Ｐ３における
ギャップＧの絶対値を求める必要はなく、各受光センサ
６１〜６３で受光されるレーザ光の強度が互いに等しく
なるようにすれば、平行度を調節できる。

【０１０４】なお、平行度調整用のレーザ発振器５１〜
５３を設ける代わりに、ギャップ測定用のレーザ発振器
５から出射されるレーザ光をビームスプリッタを用いて
分割するようにしてもよい。

【０１０５】また、平行度の調整に用いるレーザ光は全
部で３本あればよく、その内の１本は、ギャップＧ測定
用のレーザ光を利用してもよい。この場合には、受光セ
ンサを全部で３つ用意すればよい。

【０１０６】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り、例えば次のよ
うな変形も可能である。

【０１０７】この発明は、Ｃ−Ｖ測定に限らず、一般
に、測定用電極と半導体ウエハとの間の電気特性を測定
する場合に適用できる。例えば、ゼルブスト法によって
合成容量Ｃｔａの時間依存性を調べることにより、半導
体ウエハ表面近傍の特性を評価することが可能である。

【０１０８】また、ＬＣＲメータ１３によってコンダク
タンスを測定すれば、半導体ウエハ１０１と酸化膜１０
２との界面における界面準位などを評価することも可能
である。

【０１０９】さらに、半導体ウエハの洗浄処理、熱酸化
処理、酸化膜の安定化熱処理等の各処理の間に、半導体
ウエハに酸化膜が形成されていない状態でＣ−Ｖ測定を
実行すれば、これらの各処理の良否を判定することがで
きる。

【０１１０】上記実施例では、ギャップの測定や平行
度の調整にレーザ光を用いたが、レーザ光に限らず、一
般に単色光を用いればよい。これは、単色光を用いれ
ば、各物質の光学定数（屈折率と吸収率）が一定値とな
るので、上述の透過率や反射率の計算を容易におこなえ
るからである。例えば１μｍ以上のギャップの測定に
は、レーザ光に限らず他の長波長の単色光を用いても精
度良く測定できる。他の長波長の単色光としては、例え
ば、グローバー光源（棒状のＳｉＣ（炭化珪素）の光
源）を用い、グローバー光源から出射される遠赤外線を
バンドパスフィルターに通すことによって得ることがで
きる。さらに、偏光板を通せば上記実施例と同様に直線
偏光にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明における半導体の電気特性測定方法の
概要を示す概念図。

【図２】２層構造における光の浸出しを示す光路図。

【図３】３層構造における光の浸出しを示す光路図。

【図４】反射率とギャップの大きさとの関係を示すグラ
フ。

【図５】透過率とギャップの大きさとの関係を示すグラ
フ。

【図６】他の条件における透過率とギャップの大きさと
の関係を示すグラフ。

【図７】他の条件における透過率とギャップの大きさと
の関係を示すグラフ。

【図８】この発明の一実施例としての電気特性測定装置
の構成を示す概念図。

【図９】試料台の説明図。

【図１０】プリズムを拡大して示す正面図および底面
図。

【図１１】Ｃ−Ｖ曲線の一例を示すグラフ。

【図１２】ギャップを変えて得られたＣ−Ｖ曲線を示す
グラフ。

【図１３】この発明の他の実施例としての電気特性測定
装置を示す図。

【図１４】他の実施例における電極の配置を示す図。

【図１５】電極の他の配置を示す参考図。

【図１６】プリズムの底面の傾きと平行度調整用電極の
容量との関係を示すグラフ。

【図１７】プリズムの傾きと各平行度調整用電極の容量
との関係を示すグラフ。

【図１８】電極のさらに他の配置を示す図。

【図１９】他の実施例におけるプリズムの周囲の部分の
底面図。

【図２０】従来のＣ−Ｖ測定の方法を示す概念図。

【符号の説明】

２，２１〜２３…圧電アクチュエータ ３…架台 ４，４１…プリズム ５，５１〜５３…レーザ発振器 ６，６１〜６３…受光センサ ７…試料台 １００…半導体ウエハ １０１…半導体ウエハ １０２…酸化膜 １１１〜１１３…平行度調整用電極 ２０１…測定用電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂井 高正 京都市上京区堀川通寺之内上る４丁目天 神北町１番地の１ 大日本スクリーン製 造株式会社内 (56)参考文献 特開 昭64−82541（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−111403（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−328842（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−57542（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/66 G01B 11/00 G01B 11/14

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体ウエハの電気特性を測定する装置
   であって、 半導体ウエハと非接触の状態で保持される測定用電極
   と、 前記測定用電極の周囲をほぼ取り囲むように配置された
   リング状導体と、 前記測定用電極と前記半導体ウエハとの間の電気特性を
   測定する測定手段と、を備えることを特徴とする半導体
   ウエハの電気特性測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体ウエハの電気特性
   測定装置であって、さらに、 前記リング状導体の外周側に配置され、前記測定用電極
   と前記半導体ウエハとの平行度を調整するために使用さ
   れる複数の平行度調整電極と、 前記複数の平行度調整用電極における容量の測定値に従
   って、前記測定用電極と前記半導体ウエハとの傾きを変
   化させることによって前記平行度を調整する駆動手段
   と、を備える半導体ウエハの電気特性測定装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の半導体ウエハの
   電気特性測定装置であって、 前記測定用電極は、中央部が中空の略リング状であり、 前記電気特性測定装置は、さらに、 前記測定用電極が形成された光学素子であって、外部か
   ら与えられた単色光を反射するための反射領域を、前記
   測定用電極の中央部に相当する位置に有する光学素子
   と、 前記反射領域で反射される前記単色光を発生する単色光
   発生手段と、 前記反射領域で反射された単色光を受光する受光手段
   と、 前記受光手段で受光された単色光の強度に基づいて、前
   記測定用電極と前記半導体ウェハとの間のギャップを算
   出する算出手段と、を備える半導体ウエハの電気特性測
   定装置。