JP3688467B2

JP3688467B2 - 不純物量測定方法および装置

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Publication number: JP3688467B2
Application number: JP13458798A
Authority: JP
Inventors: 博至岡田; 元宏河野; 貞雄平得
Original assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1997-08-20
Filing date: 1998-04-27
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2018-04-27
Also published as: US6278267B1; JPH11126811A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、基板表面に形成された絶縁膜近傍に存在する不純物量を測定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェハ等の基板の表面近傍に形成された絶縁膜には、ウェハプロセスの際にアルカリ金属イオンなどの可動イオン（以下、「膜内不純物イオン」と呼ぶ）が混入する。これらの膜内不純物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。
【０００３】
絶縁膜中の膜内不純物イオン量の評価は、いわゆるＢＴ処理（Bias Temperature処理）と、Ｃ−Ｖ特性評価とによって行なうのが一般的である。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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＢＴ処理では半導体ウェハを高温状態に加熱する必要があり、また、このためにかなりの処理時間を要するという問題があった。
【０００５】
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、半導体ウェハ等の基板を加熱すること無く、絶縁膜近傍に存在する不純物イオンの量を測定することができる技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の方法は、基板表面に形成された絶縁膜近傍に存在する不純物量を測定する不純物量測定方法であって、（ａ）前記絶縁膜中に含まれる膜内不純物イオンの量に関連した所定の電気特性の第１の測定値を求める工程と、（ｂ）前記基板表面に第１の波長範囲の光を照射することによって、前記膜内不純物イオンを電気的に中和させる工程と、（ｃ）前記膜内不純物イオンが中和された状態において、前記所定の電気特性の第２の測定値を求める工程と、（ｄ）前記第１と第２の測定値から、前記第１の波長範囲の光を照射する前の状態における前記膜内不純物イオンの量を決定する工程と、
を備えることを特徴とする。
【０００７】
基板表面に特定の第１の波長範囲の光を照射すると、絶縁膜中の膜内不純物イオンが電気的に中和される。従って、この光の照射前と照射後において絶縁膜中の膜内不純物イオン量に関連した電気特性の測定値を求めれば、これらの測定値から、光の照射前の状態における膜内不純物イオン量を決定することができる。
【０００８】
上記の不純物量測定方法において、前記第１の波長範囲は、前記絶縁膜表面に付着した付着不純物をイオン化させない特定範囲であることが好ましい。
【０００９】
絶縁膜表面に付着不純物が存在すると、不適当な光照射によって絶縁膜中の膜内不純物イオンが中和されるとともに付着不純物がイオン化されてしまい、工程（ｄ）において正確な膜内不純物イオン量を決定するのが困難な場合がある。このような場合に、膜内不純物イオンのみが中和され、付着不純物はイオン化されない特定の波長範囲の光を用いれば、正確な膜内不純物イオン量を決定することができる。
【００１０】
さらに、上記の不純物量測定方法において、（ｅ）前記基板表面に、前記第１の波長範囲とは異なる範囲を含む第２の波長範囲の光を照射することによって、前記付着不純物をイオン化させる工程と、（ｆ）前記付着不純物がイオン化された状態において、前記所定の電気特性の第３の測定値を求める工程と、（ｇ）前記第２と第３の測定値から、前記第２の波長範囲の光を照射する前の状態における前記付着不純物の量を決定する工程と、を備えることが好ましい。
【００１１】
こうすれば、工程（ｂ）において膜内不純物イオンが中和された状態で、工程（ｅ）において絶縁膜表面の付着不純物をイオン化させることができるので、工程（ｇ）において付着不純物量を決定することができる。
【００１２】
上記の不純物量測定方法において、前記第１の波長範囲は、約１００ｎｍから約５００ｎｍの範囲の少なくとも一部であることが好ましい。
【００１３】
この波長範囲の光を照射すれば、工程（ｂ）において膜内不純物イオンを効果的に中和することが可能である。
【００１４】
上記の不純物量測定方法において、前記絶縁膜は、複数種類の膜内不純物イオンを含みうる絶縁膜であり、前記第１の波長範囲は、前記複数種類の膜内不純物イオンの中の特定種類の膜内不純物イオンを電気的に中和させ易く、かつ、他の特定種類の膜内不純物イオンを電気的に中和させにくいような特定の波長範囲であることが好ましい。
【００１５】
こうすれば、絶縁膜中の特定種類の膜内不純物イオンの量を他の種類の膜内不純物イオンから分離して決定することができる。
【００１６】
上記の不純物量測定方法において、前記第１の波長範囲は、約２７０ｎｍから約３００ｎｍの範囲の少なくとも一部であり、前記第２の波長範囲は、約２５０ｎｍから約２７０ｎｍの範囲の少なくとも一部であることが好ましい。
【００１７】
工程（ｂ）において、上記の第１の波長範囲の光を照射すれば、絶縁膜表面に付着不純物が存在する場合に膜内不純物イオンのみを効果的に中和することができるので、工程（ｄ）において正確な膜内不純物イオン量を決定することができる。また、工程（ｅ）において上記の第２の波長範囲の光を照射すれば、付着不純物を効果的にイオン化することができるので、工程（ｇ）において正確な付着不純物量を決定することができる。
【００１８】
本発明の装置は、基板表面に形成された絶縁膜近傍に存在する不純物量を測定する不純物量測定装置であって、
前記絶縁膜近傍に存在する不純物量に関連した所定の電気特性の測定値を求める電気特性測定部と、
前記絶縁膜中に含まれる膜内不純物イオンを電気的に中和させる第１の波長範囲の光を前記基板表面に照射する第１の光照射部と、
前記第１の波長範囲の光を照射する前の状態における前記所定の電気特性の第１の測定値と、前記第１の波長範囲の光を照射した後の状態における前記所定の電気特性の第２の測定値とから、前記第１の波長範囲の光を照射する前の状態における前記膜内不純物イオンの量を決定する膜内不純物イオン量決定部と、
を備えることを特徴とする。
【００１９】
第１の光照射部が基板表面に特定の第１の波長範囲の光を照射すると、絶縁膜中の膜内不純物イオンが電気的に中和される。従って、電気特性測定部が光の照射前と照射後において絶縁膜中の膜内不純物イオン量に関連した電気特性の測定値を求めれば、これらの測定値から膜内不純物イオン量決定部が光照射前の状態における膜内不純物イオン量を決定することができる。
【００２０】
上記不純物量測定装置において、前記第１の波長範囲は、前記絶縁膜表面に付着した付着不純物をイオン化させない特定範囲であることが望ましい。
【００２１】
絶縁膜表面に付着不純物が存在すると、不適当な光照射によって絶縁膜中の膜内不純物イオンが中和されるとともに付着不純物がイオン化されてしまい、正確な膜内不純物イオン量を決定するのが困難な場合がある。このような場合に、膜内不純物イオンのみ中和され、付着不純物はイオン化されない特定の波長範囲の光を用いれば、正確な膜内不純物イオン量を決定することができる。
【００２２】
さらに、上記不純物量測定装置において、
前記付着不純物をイオン化させるために、前記第１の波長範囲とは異なる範囲を含む第２の波長範囲の光を前記基板表面に照射する第２の光照射部と、
前記第２の波長範囲の光を照射する前の状態における前記所定の電気特性の第２の測定値と、前記第２の波長範囲の光を照射した後の状態における前記所定の電気特性の第３の測定値とから、前記第２の波長範囲の光を照射する前の状態における前記付着不純物の量を決定する付着不純物量決定部と、
を備えることが好ましい。
【００２３】
こうすれば、膜内不純物イオンが中和された状態で、第２の光照射部が第１の波長範囲とは異なる第２の波長範囲の光を基板表面に照射して絶縁膜表面の付着不純物をイオン化させることができるので、付着不純物量決定部が第２の波長範囲の光を照射する前の状態における付着不純物の量を決定することができる。
【００２４】
上記の不純物量測定装置において、前記第１の波長範囲は、約１００ｎｍから約５００ｎｍの範囲の少なくとも一部であることが好ましい。
【００２５】
この波長範囲の光を照射すれば、膜内不純物イオンを効果的に中和することが可能である。
【００２６】
上記の不純物量測定装置において、前記絶縁膜は、複数種類の膜内不純物イオンを含みうる絶縁膜であり、前記第１の波長範囲は、前記複数種類の膜内不純物イオンの中の特定種類の膜内不純物イオンを電気的に中和させ易く、かつ、他の特定種類の膜内不純物イオンを電気的に中和させにくいような特定の波長範囲であることが好ましい。
【００２７】
こうすれば、絶縁膜中の特定種類の膜内不純物イオンの量を他の種類の膜内不純物イオンから分離して決定することができる。
【００２８】
上記の不純物量測定装置において、前記第１の波長範囲は、約２７０ｎｍから約３００ｎｍの範囲の少なくとも一部であり、前記第２の波長範囲は、約２５０ｎｍから約２７０ｎｍの範囲の少なくとも一部であることが好ましい。
【００２９】
第１の光照射部が上記第１の波長範囲の光を照射すれば、絶縁膜表面に付着不純物が存在する場合に膜内不純物イオンのみを効果的に中和することができるので、膜内不純物イオン量決定部において正確な膜内不純物イオン量を決定することができる。また、第２の光照射部が上記第２の波長範囲の光を照射すれば、付着不純物イオンのみを効果的に中和することができるので、付着不純物量決定部において正確な付着不純物量を決定することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
Ａ．第１実施例：
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、第１実施例において測定対象となる半導体ウェハの表面近傍の様子を示す説明図である。半導体ウェハ１００の半導体基板１０１の上には、絶縁膜１０２が形成されている。絶縁膜１０２と半導体基板１０１との界面近傍には固定電荷ＦＣが存在しており、絶縁膜１０２中には膜内不純物イオンＭ⁺が存在している。なお、絶縁膜１０２中に記されている文字「Ｍ」は不純物元素を示しており、「Ｍ⁺ 」はそのプラスイオンを示している。
【００３１】
図１に示す膜内不純物イオンＭ⁺は、主として半導体基板１０１に絶縁膜１０２を形成する際に絶縁膜１０２内に混入する。絶縁膜１０２には、各種の膜内不純物イオン（Ｎａ，Ｈ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ等のイオン）が含まれている可能性がある。
【００３２】
半導体ウェハ１００上に所定の光を照射すると、光は絶縁膜１０２を透過して半導体基板１０１に達する。基板１０１内部に存在する電子は、基板１０１を照射した光からエネルギを得て、絶縁膜１０２中に飛び出す。この電子は、絶縁膜１０２中に存在する膜内不純物イオンＭ⁺（図１）を中和する。
【００３３】
本実施例においては、膜内不純物イオンＭ⁺が光照射によって中和されることを利用して、膜内不純物イオンの量を求める。なお、図１に示す固定電荷ＦＣは、後述するように光の影響を受けない。
【００３４】
図２は、この発明の第１実施例に使用される光照射装置の構成を示す概念図である。この光照射装置は、直流電源１２および光源１４を含む光源部１５と、光学フィルタ２０と、半導体ウェハ１００を載置するためのステージ３０とを備えている。光源１４は、例えば出力が３〜４Ｗの高圧水銀ランプであり、約２００〜６００ｎｍの波長範囲の光を出射する。出射された光の中で、特定の波長範囲の光のみが光学フィルタ２０を透過して半導体ウェハ１００の表面を照射する。
【００３５】
半導体ウェハ１００の絶縁膜１０２中には、前述のように各種の膜内不純物イオン（Ｎａ，Ｈ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ等のイオン）が含まれている可能性がある。半導体ウェハ１００を照射する光の波長範囲（すなわち光学フィルタ２０の透過特性）は、中和したい膜内不純物イオンの種類に応じて決定される。膜内不純物イオンの種類とその中和に適した光の波長範囲との関係は、実験的に決定することができる。例えば、絶縁膜１０２に単一波長の光を照射し、特定の膜内不純物イオンが中和されたか否かを調べることによって、各膜内不純物イオンの中和に適した光の波長範囲を決定することができる。発明者らの実験によれば、シリコン基板に形成されたＳｉＯ₂膜中のＮａ⁺の中和には、約１５５ｎｍ〜約３８４ｎｍの波長範囲のＵＶ光（紫外光）が適しており、特に約２００ｎｍ〜約３００ｎｍの波長範囲のＵＶ光が適していることが見いだされた。なお、各種の膜内不純物イオンを中和するためには、約１００ｎｍ〜約５００ｎｍの範囲の光が適している。
【００３６】
図３は、第１実施例における膜内不純物イオン量の測定方法を示す説明図である。また、図４は、本実施例における測定手順を示すフローチャートである。ステップＳ１ａでは、光を照射する前に、半導体ウェハ１００を対象として非接触Ｃ−Ｖ測定を実行し、第１のＣ−Ｖ曲線を求める。ここで使用される非接触Ｃ−Ｖ測定装置は、半導体ウェハ１００の上方にギャップを隔てて測定電極を位置決めし、この状態でＣ−Ｖ測定を行う装置である。このような非接触Ｃ−Ｖ測定装置の構成およびその測定原理については、本出願人により開示された特開平４−３２７０４号公報および特開平４−３２８８４２号公報に記載されているので、ここではその詳細は省略する。なお、この非接触Ｃ−Ｖ測定装置が本発明における電気特性測定部に相当する。
【００３７】
図３（Ａ−１）は、非接触Ｃ−Ｖ測定装置において、測定電極２０１を半導体ウェハ１００の表面の上方に約３５０オングストロームのギャップＧを隔てて位置決めした状態を示している。常温の熱平衡状態では、絶縁膜１０２中の不純物元素の一部のみがイオン化されていると考えられている。基板１０１と絶縁膜１０２との界面近傍には、固定電荷ＦＣが存在する。
【００３８】
図３（Ａ−２）はステップＳ１ａで得られた第１のＣ−Ｖ曲線Ｆ１を示すグラフである。なお、このＣ−Ｖ測定では、測定電極２０１と半導体ウェハ１００の表面とのギャップＧ（図３（Ａ−１））も測定される。また、絶縁膜１０２の厚みｄoxは、絶縁膜１０２の形成プロセスの設定値によって決定される。
【００３９】
図４のステップＳ２ａでは、図２に示す光照射装置を用いて、半導体ウェハ１００の表面に紫外領域近傍の光を照射する。なお、絶縁膜１０２の厚みは約１００〜１０００オングストロームと極めて薄く、紫外領域近傍の光に対してはほぼ透明であると考えることができる。従って、絶縁膜１０２中に含まれている膜内不純物イオンＭ⁺は光によって十分照射される。図３（Ｂ−１）は、光の照射によって絶縁膜１０２中の膜内不純物イオンＭ⁺がほとんどすべて中和された状態を示している。
【００４０】
光を照射したのち、ステップＳ３ａにおいて第２回目のＣ−Ｖ測定を実施する。図３（Ｂ−２）はこうして得られた第２のＣ−Ｖ曲線Ｆ２を第１のＣ−Ｖ曲線Ｆ１とともに示している。第１のＣ−Ｖ曲線Ｆ１は絶縁膜１０２中に膜内不純物イオンＭ⁺ が含まれる状態における測定結果であり、また、第２のＣ−Ｖ曲線Ｆ２は絶縁膜１０２の膜内不純物イオンＭ⁺ がほぼすべて中和された状態における測定結果である。膜内不純物イオンＭ⁺ が絶縁膜１０２中に任意に分布しているとき、第１と第２のＣ−Ｖ曲線におけるフラットバンド電圧のシフト量ΔＶfb1は次の式（１）で与えられる。
【００４１】
【数１】

【００４２】
ここで、ε₀ は真空の誘電率、ε_oxは絶縁膜１０２の比誘電率、Ｐ₀（ｘ）は空気と絶縁膜１０２の界面を原点として基板側を正軸（ｘ軸）としたときの膜内不純物イオンの空間密度分布（個／ｃｍ³）、Ｇは絶縁膜１０２と測定電極２０１のギャップ、ｄoxは絶縁膜１０２の厚みである。
【００４３】
上記の式（１）において、膜内不純物イオンの密度分布Ｐ₀（ｘ）以外は既知なので、フラットバンド電圧のシフト量ΔＶfb1からＰ₀（ｘ）を数値解析で決定することができ、この分布Ｐ₀（ｘ）から膜内不純物イオン量Ｎ₀ を決定できる。式（１）に従った計算は、図示しないコンピュータに備えられた膜内不純物イオン量決定部によって実行され、ステップＳ４ａの膜内不純物イオン量Ｎ₀ が算出される。
【００４４】
図５は、光の照射によって膜内不純物イオンを中和させた実験結果を示すグラフである。この実験では、まず、代表的な膜内不純物イオンであるＮａイオン（Ｎａ⁺ ）を絶縁膜中に６０×１０¹⁰／ｃｍ² 注入した。そして、約３〜４Ｗの出力の高圧水銀ランプを用いて、２００〜６００ｎｍの波長範囲の光を半導体ウェハに約４秒照射した後に、絶縁膜中のＮａイオン量を測定した。この測定では、Ｎａイオンを含まない半導体ウェハのＣ−Ｖ曲線と、Ｎａイオンを注入して光を４秒照射した後の半導体ウェハのＣ−Ｖ曲線との間のフラットバンド電圧差ΔＶfb1を使用した。この後、さらに光を約５秒照射し、絶縁膜中のＮａイオン量を再度測定した。この測定結果は、図５において「９ｓｅｃ後」と記されているものである。この実験結果から解るように、光を約９秒照射することによって、絶縁膜中のＮａイオンがほとんどすべて中和されることが確認された。
【００４５】
ところで、当初の予想では、基板１０１の背面（すなわち図２のステージ３０）にプラスのバイアス電圧を印加した状態で光を照射すると不純物元素Ｍがイオン化し、マイナスのバイアス電圧を印加した状態で光を照射すると膜内不純物イオンＭ⁺が中和する、と予想されていた。しかし、発明者らの実験によれば、予想とは異なり、多少のバイアス電圧の存在の有無に係わらず、光を照射することによって絶縁膜１０２中の膜内不純物イオンＭ⁺が中和することが見いだされた。
【００４６】
なお、図３（Ａ−１）に示すように、絶縁膜１０２と基板１０１との界面近傍には、固定電荷ＦＣが存在する。この固定電荷ＦＣは、光の照射によってほとんど変化しないことが実験的に確かめられた。発明者らは、まず、膜内不純物イオンを含まない絶縁膜１０２と基板１０１との界面近傍に固定電荷を６８．５×１０¹⁰／ｃｍ² 注入し、このウェハに光を約６０秒間照射した。この時の光は、上述したＮａイオンの中和に使用した光（３〜４Ｗの出力の高圧水銀ランプを用いて出射した２００〜６００ｎｍの波長範囲の光）である。光の照射後の固定電荷量の測定結果は６９．０×１０¹⁰／ｃｍ² であり、光の照射前とほとんど等しい値であった。この結果から、光の照射は、絶縁膜１０２の界面近傍に存在する固定電荷量を変化させずに、絶縁膜１０２中の膜内不純物イオンを中和させる作用があることが確認できた。
【００４７】
このように、半導体ウェハに特定の波長範囲の光を照射することによって、絶縁膜界面近傍の固定電荷ＦＣに影響を与えることなく、絶縁膜中の膜内不純物イオンを中和することができる。従って、光の照射前後でＣ−Ｖ曲線を測定すれば、それらのＣ−Ｖ曲線から絶縁膜中の膜内不純物イオン量Ｎ₀を精度良く決定することができる。また、図４の測定手順はすべて室温で行なえるので、ＢＴ処理のように半導体ウェハ１００を加熱する必要がない。また、光の照射は、数秒から数十秒の範囲の比較的短い時間で済むので、膜内不純物イオン量測定の全体の処理時間も従来の方法に比べて短縮できる。
【００４８】
なお、光の波長範囲を、特定種類の膜内不純物イオンのみを中和するのに適した波長範囲に設定すれば、その特定種類の膜内不純物イオンの量のみを他の種類の膜内不純物イオンから分離して測定することができる。特に、上述した第１実施例では、光学フィルタ２０を交換するだけで特定の波長範囲を選択することができるので、比較的安価に特定の波長範囲の光を得ることができるという利点がある。
【００４９】
また、本実施例では、非接触Ｃ−Ｖ測定装置を用いてＣ−Ｖ測定を行うので、接触式の測定装置を用いる場合に問題となるウェハ表面の汚染の心配が無いという利点もある。
【００５０】
Ｂ．第２実施例：
図６は、第２実施例において測定対象となる半導体ウェハの表面近傍の様子を示す説明図である。半導体ウェハ１００の半導体基板１０１の上には、絶縁膜１０２が形成されている。図１と同様に、絶縁膜１０２と半導体基板１０１との界面近傍には固定電荷ＦＣが存在しており、また、絶縁膜１０２中には、膜内不純物イオンＭ⁺が存在している。図６に示す半導体ウェハ１００の絶縁膜１０２表面には、さらに付着不純物ＳＭが存在している。付着不純物ＳＭは、主として有機物であり、半導体ウェハ１００の保管の際などに絶縁膜１０２表面に付着する場合がある。
【００５１】
半導体ウェハ１００上に所定の光を照射すると、前述したように半導体基板１０１内部に存在する電子は、絶縁膜１０２中に飛び出し絶縁膜１０２中に存在する膜内不純物イオンＭ⁺（図６）を中和する。
【００５２】
半導体基板１０１中の電子は、光からさらに高いエネルギを得ると、絶縁膜１０２表面に達する。このとき図６に示すように絶縁膜１０２表面に付着不純物ＳＭが存在すると、電子は付着不純物ＳＭを負イオン化する。
【００５３】
本発明においては、膜内不純物イオンＭ⁺が光によって中和され、また付着不純物ＳＭが光により負イオン化することを利用して、これらの不純物量を求める。なお、図６に示す固定電荷ＦＣは、前述したように光の影響を受けない。
【００５４】
図７は、膜内不純物イオン量および付着不純物量の測定手順を示すフローチャートである。ステップＳ１ｂからステップＳ４ｂまでの測定手順は図４に示すステップＳ１ａからステップＳ４ａまでの手順と同じなので詳細な説明は省略する。ただし、本実施例においては、図６に示すように絶縁膜１０２表面に付着不純物ＳＭが存在するため、図２に示す光照射装置を用いて、ステップＳ２ｂで使用される光の波長範囲は特定の範囲に限定される。すなわち、ステップＳ２ｂにおいて不適当な波長範囲の光を照射した場合には、絶縁膜１０２中の膜内不純物イオンＭ⁺が中和するのみでなく、絶縁膜１０２表面に存在する付着不純物ＳＭがイオン化されてしまうため、膜内不純物イオンＭ⁺のイオン量をうまく測定できない可能性がある。したがって、付着不純物ＳＭをイオン化しないような適当な波長範囲の光を照射する必要がある。
【００５５】
シリコン基板に形成されたＳｉＯ₂膜上の付着不純物ＳＭは、約２７０ｎｍ以下のＵＶ光でイオン化することが発明者らによって確認されている。したがって、ステップＳ２ｂにおいて照射する光の波長範囲（「第１の波長範囲」と呼ぶ）は約２７０ｎｍ以上が適しており、この波長範囲の光を用いれば付着不純物ＳＭをイオン化させずに、各種の膜内不純物イオンのみを中和させることができる。なお、第１の波長範囲としては、特に、全ての膜内不純物イオンを短時間で中和できる約２７０ｎｍ〜約３００ｎｍが好ましい。
【００５６】
上記のような特定の波長範囲の光を用いれば、絶縁膜１０２表面に付着不純物が存在する場合にも、ステップＳ４ｂにおいて絶縁膜１０２中に存在する膜内不純物イオンのイオン量Ｎ₀のみを算出することができる。
【００５７】
ステップＳ５ｂ（図７）においては、図２に示す光照射装置を用いて、膜内不純物イオンＭ⁺が全て中和された状態で、第２の波長範囲の光を照射する。第２の波長範囲は、絶縁膜表面に存在する付着不純物をイオン化することができる約２７０ｎｍ以下が適している。すなわち、約２７０ｎｍ以下のＵＶ光を照射すると、半導体基板１０１に存在する電子が絶縁膜１０２の表面に達して、絶縁膜１０２表面に付着する付着不純物ＳＭをイオン化する。なお、第２の波長範囲としては、特に、基板への損傷が少ない約２５０ｎｍ〜約２７０ｎｍが好ましい。
【００５８】
図８は、第２実施例における付着不純物量の測定方法を示す説明図である。図８（Ａ）は、光の照射によって絶縁膜１０２表面に付着した付着不純物ＳＭがほとんどすべて負イオン化された状態を示している。
【００５９】
光を照射したのち、ステップＳ６ｂにおいて第３回目のＣ−Ｖ測定を実施する。図８（Ｂ）は、第３のＣ−Ｖ曲線Ｆ３をステップＳ１ｂ、Ｓ３ｂで得られる第１および第２のＣ−Ｖ曲線Ｆ１，Ｆ２とともに示している。第１および第２のＣ−Ｖ曲線Ｆ１，Ｆ２は絶縁膜１０２表面の付着不純物ＳＭがイオン化していない状態における測定結果であり、また、第３のＣ−Ｖ曲線Ｆ３は付着不純物ＳＭがほぼすべて負イオン化された状態における測定結果である。このとき、負イオン化された付着不純物ＳＭ^-は、絶縁膜１０２表面に局在しているため、第２と第３のＣ−Ｖ曲線Ｆ２，Ｆ３におけるフラットバンド電圧のシフト量ΔＶfb2は次の式（２）で与えられる。
【００６０】
【数２】

【００６１】
ここで、Ｎ_Sは付着不純物量である。シフト量ΔＶfb2は、ステップＳ４ｂ、Ｓ６ｂにおける測定結果から既知であるため、式（２）に従って絶縁膜１０２表面に付着した付着不純物量Ｎ_Sを求めることができる。なお、付着不純物量Ｎ_Sは、ステップＳ７ｂ（図７）において、図示しないコンピュータに備えられた付着不純物量決定部によって算出される。
【００６２】
このように、半導体ウェハに第１の波長範囲の光を照射することによって、絶縁膜中の膜内不純物イオンのみを中和することができる。また、第２の波長範囲の光を照射することによって、絶縁膜中の付着不純物をイオン化することができる。従って、第１および第２の波長範囲の光の照射前後でそれぞれＣ−Ｖ曲線を測定すれば、それらのＣ−Ｖ曲線から絶縁膜中の膜内不純物イオン量および絶縁膜表面の付着不純物量を精度良く決定することができる。
【００６３】
以上の説明から分かるように、図２に示す光源部１５と、光学フィルタ２０とが本発明における第１および第２の光照射部に相当する。
【００６４】
Ｃ．第３実施例：
図９は、この発明の第３実施例としての不純物量測定装置の構成を示す概念図である。この不純物量測定装置の測定部は、筐体４０の内部に収納されている。筐体４０内には、光源部１５と、光学フィルタ２０と、ステージ３０と、測定電極２０１を有する非接触Ｃ−Ｖ測定部５０と、ステージ３０を水平方向に移動させるためのレール６２と、レール６２に沿ってステージ３０を移動させるモータ６４とが設けられている。
【００６５】
非接触Ｃ−Ｖ測定部５０は、前述した特開平４−３２８８４２号公報に記載されている非接触Ｃ−Ｖ測定装置とほぼ同様な基本構成を有する装置である。非接触Ｃ−Ｖ測定部５０にはコンピュータ３００が接続されている。コンピュータ３００の内部には、膜内不純物イオン量決定部３１０および付着不純物量決定部３２０が備えられており、膜内不純物イオン量決定部３１０により膜内不純物イオン量Ｎ₀が決定され、付着不純物量決定部３２０により付着不純物量Ｎ_Sが決定される。
【００６６】
筐体４０は密閉された防塵構造を有しており、ゴミが半導体ウェハ１００の表面に付着しないようにされている。このような防塵構造については、本出願人により開示された特開平５−３３５３９３号公報に例示されているので、ここではその詳細は省略する。なお、真空ポンプを用いて筐体４０の内部を真空にするようにしてもよい。筐体４０内部を密閉構造（防塵構造や真空構造）にすれば、測定中に半導体ウェハ１００の表面がゴミなどで汚染されることを防止する上で大きな効果がある。なお、筐体４０の内部に不活性ガス（例えばＮ₂ ）を供給する不活性ガス供給部を設けておき、筐体４０内を不活性ガス雰囲気にするようにしてもよい。筐体４０内の雰囲気（気体の種類）を選択することによって、膜内不純物イオンの電気的中和処理を、より効率的に行える可能性がある。
【００６７】
第３実施例においても、前述した図４あるいは図７に示す手順で絶縁膜内の膜内不純物イオン量Ｎ₀および絶縁膜表面の付着不純物量Ｎ_Sの測定が実行される。第３実施例の装置では、レール６２上を移動させるだけで、光照射の位置とＣ−Ｖ測定の位置とを交換することができるので、全体の処理時間を、第１および第２実施例よりもさらに短縮することができる。
【００６８】
なお、光の光束の幅を比較的小さく絞るための開口部を光源部１５の出射口以下の位置に設けるようにすれば、半導体ウェハ１００上の特定の位置にのみ光を照射することも可能である。こうすれば、ウェハ１００上の複数の位置において膜内不純物イオン量Ｎ₀および付着不純物量Ｎ_Sを測定することができるので、ウェハ表面近傍における膜内不純物イオン量および付着不純物量の分布を測定することが可能である。なお、膜内不純物イオン量および付着不純物量の分布測定を行う場合には、ウェハ表面上の測定位置を移動させるために、ステージ３０に２次元的な移動機構を設けておくことが好ましい。
【００６９】
Ｄ．第４実施例：
図１０は、この発明の第４実施例としての不純物量測定装置の構成を示す概念図である。この不純物量測定装置は、図９に示す第３実施例の装置における光学フィルタ２０を分光器７０に置き換え、また、光源部１５と分光器７０との間、および、分光器７０の下側に光伝送管７２，７４を設けた構成を有している。光源部１５と第１の光伝送管７２と分光器７０とは筐体４０の外側に設けられており、第２の光伝送管７４は筐体４０を貫通している。なお、本実施例においては、光源部１５と分光器７０と光伝送管７２，７４とが本発明の第１および第２の光照射部に相当する。
【００７０】
光源部１５から出射された光は、第１の光伝送管７２を介して分光器７０に供給される。分光器７０は、所望の単一波長の光を選択的に出射することができる。分光器７０としては、例えば回折格子を用いた回折格子分光器を用いることが可能である。分光器７０から出射された光は、第２の光伝送管７４によって伝送される。
【００７１】
第２の光伝送管７４の下部の出射口７６から出射された光は、半導体ウェハ１００上の特定の位置を照射する。この時、ステージ３０の図示しない２次元移動機構を用いれば、半導体ウェハ１００表面の任意の位置を測定位置に設定することが可能である。
【００７２】
第４実施例においても、前述した図４あるいは図７に示す手順に従って絶縁膜内の膜内不純物イオン量Ｎ₀および絶縁膜表面の付着不純物量Ｎ_Sの測定が実行される。第４実施例の装置によれば、分光器７０の設定を変更することによって、特定種類の膜内不純物イオンを電気的に中和させるのに適した単一波長の照射光で半導体ウェハ１００を照射することができる。特に、絶縁膜中に複数の膜内不純物イオンが含まれている場合に、照射光の波長を変える毎に膜内不純物イオン量の測定を実行すれば、各種の膜内不純物イオンの量を分離して測定することが可能である。なお、第４実施例では、第３実施例と同様に、ウェハ表面における膜内不純物イオン量Ｎ₀および付着不純物量Ｎ_Sの分布を測定することも可能である。
【００７３】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態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、例えば以下のような変形も可能である。
【００７４】
（１）上記実施例では非接触Ｃ−Ｖ測定装置を用いてＣ−Ｖ測定を行っていたが、接触型のＣ−Ｖ測定装置を用いてＣ−Ｖ測定を行うようにしてもよい。但し、測定電極パターンを半導体ウェハ表面に形成するタイプのＣ−Ｖ測定装置では、測定電極パターンの形成工程において絶縁膜中の膜内不純物イオンが増加する可能性がある。この意味では、非接触Ｃ−Ｖ測定装置を用いる方が好ましい。但し、接触型のＣ−Ｖ測定装置の中でも、測定電極の下側に絶縁フィルムが形成された電極構造を用いて、この絶縁フィルムを半導体ウェハ上に押しつけることによって測定電極を位置決めするＳＣＡ（Surface Charge Analizer ）と呼ばれるタイプの測定装置を用いれば、汚染の心配は少ない。
【００７５】
（２）上記実施例ではＣ−Ｖ曲線の測定値としてフラットバンド電圧を利用して膜内不純物イオン量および付着不純物量を決定したが、Ｃ−Ｖ曲線を用いる場合には他の測定値を利用してもよい。すなわち、Ｃ−Ｖ曲線は、絶縁膜に存在する膜内不純物イオンおよびイオン化した付着不純物の影響を受けて変化（シフト）するので、例えば、基板と絶縁膜との界面においてフェルミ準位と真性フェルミ準位とが一致する「ミッドギャップ電圧」と呼ばれる測定値を用いてもよい。
【００７６】
（３）上記実施例ではＣ−Ｖ曲線を用いて膜内不純物イオン量および付着不純物量を決定したが、Ｃ−Ｖ曲線に限らず、膜内不純物イオン量およびイオン化した付着不純物量に関連した他の電気特性測定法を用いて決定することも可能である。例えば、ＳＰＶ（Surface Photo Voltage ）法や、表面電位測定法、マイクロ波光減衰法等を用いることもできる。一般には、絶縁膜中に含まれる膜内不純物イオン量および絶縁膜表面のイオン化した付着不純物量に関連した所定の電気特性を用いて膜内不純物イオン量および付着不純物量を決定するようにすればよい。但し、光の照射中に、半導体ウェハの測定対象位置に光を遮蔽する遮蔽物（測定電極など）が存在しないような測定方法が好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例において測定対象となる半導体ウェハの表面近傍の様子を示す説明図。
【図２】この発明の第１実施例に使用される光照射装置の構成を示す概念図。
【図３】第１実施例における膜内不純物イオン量の測定方法を示す説明図。
【図４】第１実施例における測定手順を示すフローチャート。
【図５】光の照射によって膜内不純物イオンを中和させた実験結果を示すグラフ。
【図６】第２実施例において測定対象となる半導体ウェハの表面近傍の様子を示す説明図。
【図７】膜内不純物イオン量および付着不純物量の測定手順を示すフローチャート。
【図８】第２実施例における付着不純物量の測定方法を示す説明図。
【図９】この発明の第３実施例としての不純物量測定装置の構成を示す概念図。
【図１０】この発明の第４実施例としての不純物量測定装置の構成を示す概念図。
【符号の説明】
１２…直流電源
１４…光源
１５…光源部
２０…光学フィルタ
３０…ステージ
４０…筐体
５０…Ｃ−Ｖ測定部
６２…レール
６４…モータ
７０…分光器
７２，７４…光伝送管
７６…出射口
１００…半導体ウェハ
１０１…半導体基板
１０２…絶縁膜
２０１…測定電極
３００…コンピュータ
３１０…膜内不純物イオン量決定部
３２０…付着不純物量決定部
Ｇ…ギャップ

Claims

基板表面に形成された絶縁膜近傍に存在する不純物量を測定する不純物量測定方法であって、
（ａ）前記絶縁膜中に含まれる膜内不純物イオンの量に関連した所定の電気特性の第１の測定値を求める工程と、
（ｂ）前記基板表面に、前記絶縁膜表面に付着した付着不純物をイオン化させない第１の波長範囲の光を照射することによって、前記膜内不純物イオンを電気的に中和させる工程と、
（ｃ）前記膜内不純物イオンが中和された状態において、前記所定の電気特性の第２の測定値を求める工程と、
（ｄ）前記第１と第２の測定値から、前記第１の波長範囲の光を照射する前の状態における前記膜内不純物イオンの量を決定する工程と、
（ｅ）前記基板表面に、前記第１の波長範囲とは異なる範囲を含む第２の波長範囲の光を照射することによって、前記付着不純物をイオン化させる工程と、
（ｆ）前記付着不純物がイオン化された状態において、前記所定の電気特性の第３の測定値を求める工程と、
（ｇ）前記第２と第３の測定値から、前記第２の波長範囲の光を照射する前の状態における前記付着不純物の量を決定する工程と、
を備えることを特徴とする不純物量測定方法。
請求項１記載の不純物量測定方法であって、
前記絶縁膜は、複数種類の膜内不純物イオンを含みうる絶縁膜であり、
前記第１の波長範囲は、前記複数種類の膜内不純物イオンの中の特定種類の膜内不純物イオンを電気的に中和させ易く、かつ、他の特定種類の膜内不純物イオンを電気的に中和させにくいような特定の波長範囲である、不純物量測定方法。
基板表面に形成された絶縁膜近傍に存在する不純物量を測定する不純物量測定方法であって、
（ａ）前記絶縁膜中に含まれる膜内不純物イオンの量に関連した所定の電気特性の第１の測定値を求める工程と、
（ｂ）前記基板表面に第１の波長範囲の光を照射することによって、前記膜内不純物イオンを電気的に中和させる工程と、
（ｃ）前記膜内不純物イオンが中和された状態において、前記所定の電気特性の第２の測定値を求める工程と、
（ｄ）前記第１と第２の測定値から、前記第１の波長範囲の光を照射する前の状態における前記膜内不純物イオンの量を決定する工程と、
を備え、
前記絶縁膜は、複数種類の膜内不純物イオンを含みうる絶縁膜であり、
前記第１の波長範囲は、前記複数種類の膜内不純物イオンの中の特定種類の膜内不純物イオンを電気的に中和させ易く、かつ、他の特定種類の膜内不純物イオンを電気的に中和させにくいような特定の波長範囲であることを特徴とする不純物量測定方法。
請求項３記載の不純物量測定方法であって、
前記第１の波長範囲は、前記絶縁膜表面に付着した付着不純物をイオン化させない特定範囲である、不純物量測定方法。
請求項１ないし４のいずれかに記載の不純物量測定方法であって、
前記第１の波長範囲は、１００ｎｍから５００ｎｍの範囲の少なくとも一部である、不純物量測定方法。
請求項１または２記載の不純物量測定方法であって、
前記第１の波長範囲は、２７０ｎｍから３００ｎｍの範囲の少なくとも一部であり、
前記第２の波長範囲は、２５０ｎｍから２７０ｎｍの範囲の少なくとも一部である、不純物量測定方法。
基板表面に形成された絶縁膜近傍に存在する不純物量を測定する不純物量測定装置であって、
前記絶縁膜近傍に存在する不純物量に関連した所定の電気特性の測定値を求める電気特性測定部と、
前記絶縁膜中に含まれる膜内不純物イオンを電気的に中和させ、前記絶縁膜表面に付着した付着不純物をイオン化させない第１の波長範囲の光を前記基板表面に照射する第１の光照射部と、
前記第１の波長範囲の光を照射する前の状態における前記所定の電気特性の第１の測定値と、前記第１の波長範囲の光を照射した後の状態における前記所定の電気特性の第２の測定値とから、前記第１の波長範囲の光を照射する前の状態における前記膜内不純物イオンの量を決定する膜内不純物イオン量決定部と、
前記付着不純物をイオン化させるために、前記第１の波長範囲とは異なる範囲を含む第２の波長範囲の光を前記基板表面に照射する第２の光照射部と、
前記第２の波長範囲の光を照射する前の状態における前記所定の電気特性の第２の測定値と、前記第２の波長範囲の光を照射した後の状態における前記所定の電気特性の第３の測定値とから、前記第２の波長範囲の光を照射する前の状態における前記付着不純物の量を決定する付着不純物量決定部と、
を備えることを特徴とする不純物量測定装置。
請求項７記載の不純物量測定装置であって、
前記絶縁膜は、複数種類の膜内不純物イオンを含みうる絶縁膜であり、
前記第１の波長範囲は、前記複数種類の膜内不純物イオンの中の特定種類の膜内不純物イオンを電気的に中和させ易く、かつ、他の特定種類の膜内不純物イオンを電気的に中和させにくいような特定の波長範囲である、不純物量測定装置。
基板表面に形成された絶縁膜近傍に存在する不純物量を測定する不純物量測定装置であって、
前記絶縁膜近傍に存在する不純物量に関連した所定の電気特性の測定値を求める電気特性測定部と、
前記絶縁膜中に含まれる膜内不純物イオンを電気的に中和させる第１の波長範囲の光を前記基板表面に照射する第１の光照射部と、
前記第１の波長範囲の光を照射する前の状態における前記所定の電気特性の第１の測定値と、前記第１の波長範囲の光を照射した後の状態における前記所定の電気特性の第２の測定値とから、前記第１の波長範囲の光を照射する前の状態における前記膜内不純物イオンの量を決定する膜内不純物イオン量決定部と、
を備え、
前記絶縁膜は、複数種類の膜内不純物イオンを含みうる絶縁膜であり、
前記第１の波長範囲は、前記複数種類の膜内不純物イオンの中の特定種類の膜内不純物イオンを電気的に中和させ易く、かつ、他の特定種類の膜内不純物イオンを電気的に中和させにくいような特定の波長範囲であることを特徴とする不純物量測定装置。
請求項９記載の不純物量測定装置であって、
前記第１の波長範囲は、前記絶縁膜表面に付着した付着不純物をイオン化させない特定範囲である、不純物量測定装置。
請求項７ないし１０のいずれかに記載の不純物量測定装置であって、
前記第１の波長範囲は、１００ｎｍから５００ｎｍの範囲の少なくとも一部である、不純物量測定装置。
請求項７または８記載の不純物量測定装置であって、
前記第１の波長範囲は、２７０ｎｍから３００ｎｍの範囲の少なくとも一部であり、
前記第２の波長範囲は、２５０ｎｍから２７０ｎｍの範囲の少なくとも一部である、不純物量測定装置。