JP3774354B2 - Intramembrane ion content measuring method and apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体ウエハの絶縁膜中に含まれる膜内イオンの量を測定する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体ウエハの製造工程においては、半導体ウエハ表面に形成された絶縁膜中に、アルカリ金属イオン(Na+ ,K+ ,Li+ )などの不純物イオン(以下、「膜内イオン」と呼ぶ)が混入する。これらの膜内イオンは、半導体ウエハの安定性を劣化させるので、膜内イオンの量を測定したいという要望がある。
【0003】
絶縁膜中に存在する膜内イオンの量は、絶縁膜中に膜内イオンが存在する状態での第1の電気的特性値と、絶縁膜中に膜内イオンが存在しない状態での第2の電気的特性値とを測定することによって、求めることができる。従来では、絶縁膜中に膜内イオンが存在しない状態は、半導体ウエハに光を照射することによって、膜内イオンを中和して実現されていた。なお、このような膜内イオン量の測定方法は、例えば、本願出願人によって開示された特開平11−126811号公報に詳述されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、絶縁膜の表面付近に存在する膜内イオンは、光照射によってほぼ中和されるが、絶縁膜と半導体基板との界面付近に存在する膜内イオンは、あまり中和されていない。このため、絶縁膜中に存在する全膜内イオンの量を正確に求めることが困難であった。
【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、半導体ウエハの絶縁膜中に存在する膜内イオンの量をより正確に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、半導体ウエハの表面に形成された絶縁膜中に存在する膜内イオンの量を測定する方法であって、(a)前記絶縁膜中に前記膜内イオンが含まれる状態で、所定の非接触測定手法に従って前記半導体ウエハの第1の電気的特性値を求める工程と、(b)前記絶縁膜中の前記膜内イオンを前記絶縁膜の表面側に順次移動させるための所定のイオン移動処理を行いつつ、前記半導体ウエハに所定の波長範囲の光を照射することによって、前記絶縁膜の表面付近に存在する前記膜内イオンを順次中和する中和処理を実行する工程と、(c)前記膜内イオンが中和された状態で、前記所定の非接触測定手法によって得られる前記半導体ウエハの第2の電気的特性値を求める工程と、(d)前記第1および第2の電気的特性値から、前記絶縁膜中に存在していた前記膜内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】
本発明の方法では、絶縁膜中の膜内イオンを中和させる際に、膜内イオンを絶縁膜の表面側に順次移動させ、半導体ウエハに光を照射することによって、絶縁膜の表面付近に存在する膜内イオンを順次中和している。この結果、絶縁膜中の膜内イオンをほぼ全て中和することができるので、絶縁膜中の膜内イオンの量をより正確に測定することが可能となる。なお、上記のイオン移動処理と中和処理とは、同時に実行されてもよいし、別々に実行されてもよい。
【0008】
上記の方法において、前記イオン移動処理は、前記半導体ウエハを加熱する処理を含むようにしてもよい。
【0009】
こうすれば、絶縁膜中の膜内イオンを、うまく絶縁膜の表面側に順次移動させることができる。
【0010】
上記の方法において、前記イオン移動処理において、前記加熱は前記半導体ウエハの温度が、約150℃ないし約230℃の範囲に達するように行われることが好ましい。
【0011】
こうすれば、比較的短時間で膜内イオンを絶縁膜の表面付近に移動させることができるとともに、半導体ウエハに有機物等が混入することによる汚染を低減させることができる。
【0012】
上記の方法において、前記イオン移動処理において、前記半導体ウエハは、不活性ガス雰囲気中で加熱されることが好ましい。
【0013】
こうすれば、半導体ウエハの汚染をさらに低減させることが可能となる。
【0014】
また、上記の方法において、前記イオン移動処理は、前記半導体ウエハに電圧を印加する処理を含み、前記工程(b)は、前記中和処理と前記イオン移動処理とを繰り返し行う工程を含むようにしてもよい。
【0015】
このようにしても、絶縁膜中の膜内イオンを、うまく絶縁膜の表面側に順次移動させることができ、また、絶縁膜の表面付近に存在する膜内イオンを順次中和することができる。
【0016】
また、上記の方法において、前記イオン移動処理は、前記半導体ウエハに対して前記所定の非接触測定手法を実行する処理を含み、前記工程(b)は、前記中和処理と前記イオン移動処理とを繰り返し行う工程を含んでおり、前記工程(c)は、前記工程(b)において繰り返し行われた前記イオン移動処理によって得られた複数の電気的特性値のうち、収束した値を前記第2の電気的特性値として求める工程を含むようにしてもよい。
【0017】
このようにしても、絶縁膜中の膜内イオンを、うまく絶縁膜の表面側に順次移動させることができる。また、非接触測定が繰り返し行われるので、絶縁膜中に残存する膜内イオンの量を確認しながら、膜内イオンを中和させることが可能となる。
【0018】
上記の方法において、前記所定の波長範囲は、約230nmないし約300nmの範囲のうちの少なくとも一部を含む範囲であることが好ましい。
【0019】
このような光を用いれば、絶縁膜の表面付近に存在する膜内イオンをうまく中和することができる。
【0020】
上記の方法において、前記所定の非接触測定手法は、C−V測定であるようにしてもよい。
【0021】
本発明の装置は、半導体ウエハの表面に形成された絶縁膜中に存在する膜内イオンの量を測定する膜内イオン量測定装置であって、所定の非接触測定手法に従って前記半導体ウエハの電気的特性値を求めるための電気特性測定部と、前記絶縁膜中の前記膜内イオンを前記絶縁膜の表面側に順次移動させるための所定のイオン移動処理を行いつつ、前記半導体ウエハに所定の波長範囲の光を照射することによって、前記絶縁膜の表面付近に存在する前記膜内イオンを順次中和する中和処理を実行する膜内イオン中和部と、を備え、前記電気特性測定部は、前記絶縁膜中に前記膜内イオンが含まれる状態で前記所定の非接触測定手法に従って測定された前記半導体ウエハの第1の前記電気的特性値と、前記膜内イオン中和部によって前記膜内イオンが中和された状態で前記所定の非接触測定手法によって求められた前記半導体ウエハの第2の前記電気的特性値とから、前記絶縁膜中に存在していた前記膜内イオンの量を決定する膜内イオン量決定部を備えることを特徴とする。
【0022】
本発明の装置を用いる場合にも、上記の方法と同様の作用・効果を奏し、絶縁膜中の膜内イオンの量をより正確に測定することが可能となる。
【0023】
【発明の実施の形態】
A.第1実施例:
図1は、本発明の第1実施例としての膜内イオン量測定装置MD1を示す説明図である。この測定装置MD1は、半導体ウエハ100のC−V特性を非接触で測定する機能を有しているとともに、半導体ウエハ100の絶縁膜中の膜内イオンを光照射によって中和する機能を有している。
【0024】
測定装置MD1は、ステッピングモータ110と、ステッピングモータ110の下部に設置された圧電アクチュエータ120と、圧電アクチュエータ120のさらに下部に設置された架台130とを備えている。架台130の底面にはプリズム140が設置されている。架台130の一方の斜面にはGaAlAsレーザなどの発光素子150が固定され、他方の斜面には受光素子160が固定されている。
【0025】
プリズム140の底面140aは、半導体ウエハ100を載置する試料台170の表面(XY平面と平行な平面)と平行に設けられている。プリズムの底面140aには、透明電極である測定用電極201が形成されている。プリズム140の下方には、ギャップGを介して半導体ウエハ100が金属製の試料台170上に保持されており、半導体ウエハ100の表面100aがプリズムの底面140aとほぼ平行になるように設定されている。この測定装置MD1では、特開平4−132236号公報に詳述されているように、プリズムの底面140a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、非接触C−V測定時のギャップGの値を測定している。なお、半導体ウエハ100は、試料台170において、図示しない真空ポンプにより吸着されて保持されている。また、試料台170は、移動ステージ190上に固定されている。
【0026】
ステッピングモータ110および圧電アクチュエータ120には、Z位置制御装置310が接続されている。ステッピングモータ110と圧電アクチュエータ120は、Z位置制御装置310から入力される信号に応じて架台130をz方向(鉛直方向)に移動させ、これにより、測定用電極201と半導体ウエハ100の表面100aとのギャップGを調整する。ステッピングモータ110は比較的大きな距離の移動(粗動)に用いられ、圧電アクチュエータ120は、比較的小さな距離の移動(微動)に用いられる。受光素子160には光量測定器320が接続されている。光量測定器320は、受光素子160から供給される信号値に基づいて、ギャップGの値を測定する。また、測定用電極201と金属製の試料台170には容量測定器330が接続されている。容量測定器330は、測定用電極201と試料台170との間に電圧を印加しつつ、測定用電極201と試料台170との間の合成容量Cを測定する。移動ステージ190には、ステージ制御装置380が接続されている。移動ステージ190は、ステージ制御装置380から入力される信号に応じてXY平面内で移動する。Z位置制御装置310、光量測定器320、容量測定器330およびステージ制御装置380は、ホストコントローラ390に接続されており、このホストコントローラ390によって制御される。ホストコントローラ390内に含まれる膜内イオン量決定部392は、得られたデータを処理することにより半導体ウエハ100の絶縁膜に含まれる膜内イオンの量を決定する。ホストコントローラ390としては、例えばパーソナルコンピュータが用いられる。
【0027】
非接触C−V測定を行う際には、Z位置制御装置310がステッピングモータ110および圧電アクチュエータ120を制御して、測定用電極201と半導体ウエハの表面100aとのギャップGが所定の大きさとなるように、測定用電極201を位置決めする。
【0028】
この測定装置MD1は、さらに、半導体ウエハ100に光を照射するための光源装置350と、半導体ウエハ100を加熱するためのホットプレート360とを備えている。光源装置350とホットプレート360とは、後述するように、半導体ウエハ100の表面に形成された絶縁膜中の膜内イオンを、絶縁膜の表面側に移動させて、光照射によって中和する機能を有している。なお、光源装置350は、光源から射出される光の波長範囲を限定するためのフィルタや回折格子などを含んでいる。本実施例では、光源として、キセノンフラッシュランプが使用されている。
【0029】
半導体ウエハ100は、図示しない搬送装置によって搬送され、試料台170およびホットプレート360の上に載置される。
【0030】
図2は、第1実施例における半導体ウエハの絶縁膜中に存在する膜内イオン量の決定手順を示すフローチャートである。ステップS101においては、半導体ウエハ100について1回目の非接触C−V測定を行い、第1のC−V曲線を得る。
【0031】
図3は、半導体ウエハの絶縁膜中に存在する膜内イオンの量を測定する際の処理を示す説明図である。図3(A−1)は、図2のステップS101における半導体ウエハ100の表面近傍を示している。図示するように、半導体基板101の上には絶縁膜102が形成されており、絶縁膜102中には不純物膜内イオン(膜内イオン)M+ が含まれている。なお、膜内イオンM+ としては、ナトリウムイオンNa+ やカリウムイオンK+ 、リチウムイオンLi+ などを想定することができる。半導体ウエハ100上には、ギャップGを介して測定用電極201が配置される。
【0032】
図3(A−2)は、図3(A−1)に示す半導体ウエハ100について1回目の非接触C−V測定を行ったときの第1のC−V曲線F1を示している。図中、フラットバンド電圧Vfbは、C−V曲線から求められる絶縁膜102の膜厚doxから計算されたフラットバンド容量Cfbに対応する電圧である。フラットバンド電圧Vfbは、半導体ウエハ100の表面近傍に存在する電荷量によりシフトする。
【0033】
図2のステップS101において第1のC−V曲線F1が得られると、ステップS102において、半導体ウエハ100を加熱するとともに、所定の波長範囲の光を照射する。これにより、絶縁膜102中の膜内イオンM+ は絶縁膜102の表面側に移動し、絶縁膜102の表面付近において中和される。
【0034】
図4は、ステップS102(図2)において絶縁膜102中の膜内イオンM+ が中和される様子を示す説明図である。図4(A−1)は、ステップS101における絶縁膜102中の膜内イオンM+ の空間分布を模式的に示している。図4(A−2)は、図4(A−1)に示す膜内イオンM+ の絶縁膜の厚み方向における密度分布を示している。図示するように、絶縁膜102中の膜内イオンM+ は、絶縁膜102の表面付近、および、絶縁膜102と半導体基板101との界面付近に多く存在しており、その間にはあまり存在していない。このような膜内イオンM+ の分布は、半導体基板を汚染酸化しながら絶縁膜102を形成した場合や、絶縁膜102上に形成されたレジストをアッシング(ashing)した場合などに生じやすい。
【0035】
なお、図4(A−2)に示すような密度分布は、エッチオフ(etch-off)法によって確認することができる。すなわち、絶縁膜102をその表面から複数回に分けて徐々にエッチングし、各回のエッチング後に絶縁膜102中の膜内イオンM+ の量を測定する。これにより、絶縁膜102中の膜内イオンM+ の分布を知ることができる。
【0036】
図4(B−1),(B−2)および図4(C−1),(C−2)は、図4(A−1),(A−2)と同様に、ステップS102における絶縁膜102中の膜内イオンM+ の分布を示している。上記のように、ステップS102では、半導体ウエハ100を加熱するとともに、光を照射する。図4(B−1)に示すように、半導体ウエハ100に光を照射すると、半導体基板101中の電子が励起される。励起された電子は、絶縁膜102の表面付近に存在する膜内イオンM+ を中和する。このとき、図4(B−2)に示すように、絶縁膜102の表面付近における膜内イオンM+ の密度が小さくなる。絶縁膜102の表面付近の膜内イオンM+ の密度が小さくなると、図4(C−1)に示すように、絶縁膜102と半導体基板101との界面付近に存在する膜内イオンM+ が、平衡条件を満たすように、絶縁膜102の表面側に向かって移動する。このように半導体ウエハ100を加熱することにより、膜内イオンM+ を移動しやすくすることができる。このとき、図4(C−2)に示すように、絶縁膜102と半導体基板101との界面付近に残存する膜内イオンM+ の密度が小さくなり、逆に、絶縁膜102の表面付近に存在する膜内イオンM+ の密度が大きくなる。
【0037】
図4(B−1),(B−2)および図4(C−1),(C−2)に示すような中和が連続して行われることにより、絶縁膜102中のほぼ全ての膜内イオンM+ は、絶縁膜102の表面付近で中和される。
【0038】
ところで、ステップS102(図2)において、絶縁膜102中に含まれる膜内イオンM+ を絶縁膜102の表面に移動させているのは、膜内イオンM+ は、絶縁膜102の表面付近に存在するときに中和されやすいためである。この現象も、上記と同様に、エッチオフ法によって確かめることができる。すなわち、光照射後の半導体ウエハにおける絶縁膜中の膜内イオンM+ の分布を調べ、上記の光照射していない半導体ウエハにおける絶縁膜中の膜内イオンM+ の分布と比較すれば、絶縁膜の表面付近に存在する膜内イオンM+ が光照射により中和されやすいことを知ることができる。
【0039】
ここで、ステップS102における加熱は、図1のホットプレート360によって実行される。本実施例においては、半導体ウエハ100の温度が約180℃となるように加熱されており、加熱時間は約1分〜約10分である。なお、加熱は、半導体ウエハ100の温度が、約150℃〜約230℃の範囲に達するように行われることが好ましい。このような温度で加熱すれば、比較的短時間で膜内イオンM+ を絶縁膜102の表面付近に移動させることができるとともに、半導体ウエハ100に有機物等が混入することによる汚染を低減させることができる。また、光源装置350とホットプレート360とを筐体内に備えるようにして、筐体内を窒素ガスなどの不活性ガスで置換するようにしてもよい。半導体ウエハ100を不活性ガス雰囲気中で加熱すれば、半導体ウエハ100の汚染をさらに低減させることができる。
【0040】
一方、ステップS102における光照射は、図1の光源装置350によって実行される。本実施例において、約230nm〜約300nmの波長範囲を有する光が用いられており、半導体ウエハの表面100aでの光強度は、約4mW/cm2 に設定されている。また、半導体ウエハ100への光照射は、加熱中、連続して行われている。なお、半導体ウエハ100を照射する光の波長範囲は、約230nm〜約300nmの範囲のうちの少なくとも一部を含む範囲であることが好ましい。このような波長範囲を有する光を用いれば、うまく半導体基板101内の電子を励起して、絶縁膜102の表面付近に存在する膜内イオンM+ を中和することができる。
【0041】
図2のステップS103では、半導体ウエハ100について2回目の非接触C−V測定を行い、第2のC−V曲線を得る。
【0042】
図3(B−1)は、ステップS102を経て図3(A−1)に示す膜内イオンM+ が中和された様子を示している。図示するように、膜内イオンM+ は、絶縁膜102の表面付近に移動した後に中和されている。図3(B−2)は、図3(B−1)に示す半導体ウエハ100について2回目の非接触C−V測定を行ったときの第2のC−V曲線F2を示している。なお、図3(B−2)には、ステップS101で得られた第1のC−V曲線F1も示されている。
【0043】
ステップS104(図2)では、ステップS101で得られた第1のC−V曲線F1と、ステップS102で得られた第2のC−V曲線F2とから、図3(A−1)に示す初期状態の絶縁膜102中に存在した膜内イオンM+ の量を求める。具体的には、膜内イオンM+ の量は、第1および第2のC−V曲線F1,F2のフラットバンド電圧Vfbのシフト量ΔVF1から、次の式(1)を用いて決定することができる。
【0044】
【数1】
【0045】
ここで、ε0 は真空の誘電率、εoxは絶縁膜102の比誘電率、ρ0 は膜内イオンの密度(個/cm3 )、Gは絶縁膜102と測定用電極201とのギャップ、doxは絶縁膜102の厚みである。
【0046】
上記の式(1)において、膜内イオンの密度ρ0 以外の値は既知なので、電圧のシフト量ΔVF1からρ0 の値を決定することができる。なお、式(1)を用いた膜内イオン量の算出は、ホストコントローラ390(図1)内部の膜内イオン量決定部392によって実行される。
【0047】
以上のようにして、図3(A−1)に示す初期状態の絶縁膜102中に存在していた膜内イオンM+ の量を決定することができる。
【0048】
なお、実際には、絶縁膜は、膜内イオンの他に固定電荷等も含んでいる。例えば、光照射を約10分間行った場合に得られたシリコン酸化膜内の全電荷量は約5.6×1010(個/cm2 )となっており、ナトリウムイオンNa+ が含まれていない場合のシリコン酸化膜中の全電荷量3×1010(個/cm2 )とほぼ同等の値が得られる。このことから、絶縁膜中の膜内イオンは、ほぼ全て中和されていることが分かる。なお、光照射をさらに長時間行えば、さらに近似した値を得ることができる。
【0049】
以上説明したように、本実施例においては、半導体ウエハを加熱することによって、絶縁膜中に存在する膜内イオンを絶縁膜の表面側に順次移動させるためのイオン移動処理を行いつつ、所定の波長範囲の光を照射することによって、絶縁膜の表面付近に存在する膜内イオンを順次中和する中和処理を実行している。これにより、絶縁膜中に存在する膜内イオンをほぼ全て中和することができるので、第1および第2のC−V曲線から、絶縁膜中の膜内イオンの量をより正確に求めることが可能となる。
【0050】
なお、以上の説明からも分かるように、本実施例の膜内イオン量測定装置MD1(図1)における測定用電極201と金属製の試料台170と容量測定器330とホストコントローラ390との測定系が、本発明における電気特性測定部に相当する。また、光源装置350とホットプレート360とが、本発明における膜内イオン中和部に相当する。
【0051】
B.第2実施例:
図5は、本発明の第2実施例としての膜内イオン量測定装置MD2を示す説明図である。この測定装置MD2も、図1に示す測定装置MD1と同様に、半導体ウエハ100のC−V特性を非接触で測定する機能を有しているとともに、半導体ウエハ100の絶縁膜中の膜内イオンを光照射によって中和する機能を有している。
【0052】
測定装置MD2は、図1の測定装置MD1とほぼ同様の構成を有しているが、ホットプレート360(図1)が省略されている。本実施例においては、移動ステージ190が、試料台170に載置された半導体ウエハ100を光源装置350の下部に搬送する。
【0053】
図6は、第2実施例における半導体ウエハの絶縁膜中に存在する膜内イオン量の決定手順を示すフローチャートである。ステップS201においては、図2のステップS101と同様、半導体ウエハ100について1回目の非接触C−V測定を行い、第1のC−V曲線を得る。
【0054】
ステップS202aでは、半導体ウエハ100に所定の波長範囲の光を照射する。また、ステップS202bでは、半導体ウエハ100に電圧を印加する。このステップS202a,S202bの処理を繰り返し行うことにより、絶縁膜102中の膜内イオンM+ は絶縁膜102の表面側に移動し、絶縁膜102の表面付近において中和される。この説明からも分かるように、このステップS202a,S202bが、図2のステップS102に対応する。
【0055】
図7は、ステップS202a,S202b(図6)において絶縁膜102中の膜内イオンM+ が中和される様子を示す説明図である。図7(A−1),(A−2)は、それぞれ、ステップS201における絶縁膜102中の膜内イオンM+ の分布を示しており、図4(A−1),(A−2)と同じである。
【0056】
図7(B−1),(B−2)は、ステップS202aにおける絶縁膜102中の膜内イオンM+ の分布を示している。ステップS202aにおいて、図7(B−1)に示すように、半導体ウエハ100に光を照射すると、半導体基板101中の電子が励起され、この結果、絶縁膜102の表面付近に存在する膜内イオンM+ が中和される。このとき、図7(B−2)に示すように、絶縁膜102の表面付近の膜内イオンM+ の密度が小さくなる。
【0057】
図7(C−1),(C−2)は、ステップS202bにおける絶縁膜102中の膜内イオンM+ の分布を示している。ステップS202bにおいては、半導体ウエハ100に電圧が印加される。具体的には、図7(C−1)に示すように、絶縁膜102と半導体基板101との界面付近に存在する膜内イオンM+ が、絶縁膜102の表面側に移動するように、絶縁膜102表面を負にバイアスする。このとき、図7(C−2)に示すように、絶縁膜102と半導体基板101との界面付近に残存する膜内イオンM+ の密度が小さくなり、逆に、絶縁膜102の表面付近に存在する膜内イオンM+ の密度が大きくなる。
【0058】
ここで、ステップS202aにおける光照射は、図5の光源装置350によって実行される。本実施例においても、約230nm〜約300nmの波長範囲を有する光が用いられている。半導体ウエハの表面100aでの光強度は約9mW/cm2 に設定されており、照射時間は約20秒間に設定されている。
【0059】
一方、ステップS202bにおける電圧印加は、測定用電極201を用いて実行される。本実施例において、絶縁膜102に印加される電圧は、最大約4Vに設定されている。
【0060】
ステップS202a,S202bの中和処理を繰り返し行うことにより、絶縁膜102中のほぼ全ての膜内イオンM+ は、絶縁膜102の表面付近で中和される。
【0061】
ところで、本実施例において、ステップS202aおよびステップS202bからなる一連の中和処理を繰り返し行っているのは、1回の中和処理だけでは、絶縁膜102中の膜内イオンM+ をほぼ全て中和することが困難なためである。
【0062】
図8は、中和処理の回数と絶縁膜中に残存する膜内イオン量との関係を示す説明図である。図8の横軸は、処理回数を示しており、ステップS202aとステップS202aとの一連の処理が1回の処理を意味している。また、縦軸は、各回の処理が終了したときの絶縁膜102中の膜内イオン量N(個/cm2 )を示している。図示するように、各回の処理毎に、絶縁膜102中に残存する膜内イオンM+ の量Nは、徐々に減少している。仮に、40回の処理で照射される光の照射量を、1回の処理で長時間照射した場合には、図8に示す1回処理後の膜内イオンM+ の量Nとほぼ同じ値しか得られない。このことから、光照射後に電圧を印加することによって、絶縁膜102と半導体基板101との界面付近に存在する膜内イオンM+ が絶縁膜102の表面側に移動すると考えられる。なお、図8において、処理回数を増加させれば、絶縁膜中に残存する膜内イオンの量Nをさらに減少させることができる。
【0063】
上記のように、ステップS202aおよびステップS202bの一連の中和処理を繰り返し実行することによって、絶縁膜102中の膜内イオンM+ が順次中和されることとなる。
【0064】
図6のステップS203では、図2のステップS103と同様、2回目のC−V測定を行い、第2のC−V曲線を得る。
【0065】
ステップS204では、図2のステップS104と同様、第1のC−V曲線と第2のC−V曲線とから、初期状態の絶縁膜102中に存在した膜内イオンM+ の量を求める。
【0066】
以上説明したように、本実施例においては、半導体ウエハに所定の波長範囲の光を照射することによって絶縁膜の表面付近に存在する膜内イオンを順次中和する中和処理と、半導体ウエハに電圧を印加することによって絶縁膜中に存在する膜内イオンを絶縁膜の表面側に順次移動させるイオン移動処理とを、繰り返し行っている。これにより、絶縁膜中に存在する膜内イオンをほぼ全て中和することができるので、第1および第2のC−V曲線から、絶縁膜中の膜内イオンの量をより正確に求めることが可能となる。
【0067】
C.第3実施例:
ところで、第2実施例では、図6に示したように、ステップS202bで電圧を繰り返し印加し、ステップS203で非接触C−V測定を行っている。非接触C−V測定では、半導体ウエハ100に電圧が印加される。したがって、ステップS202bにおける電圧印加は、非接触C−V測定を実行することによって実現することができる。第3実施例では、非接触C−V測定を実行することによって、半導体ウエハに電圧を印加し、絶縁膜中の膜内イオンを絶縁膜の表面側に順次移動させている。なお、第3実施例においても、第2実施例と同じ膜内イオン量測定装置MD2(図5)が用いられる。
【0068】
図9は、第3実施例における半導体ウエハの絶縁膜中に存在する膜内イオン量の測定手順を示すフローチャートである。なお、ステップS301,S302a,S304については、第2実施例(図6)のステップS201,S202a,S204と同じである。
【0069】
ステップS302bにおいては、非接触C−V測定が実行されることにより、半導体ウエハ100に電圧が印加される。C−V測定時の電圧印加によって、図7(C−1),(C−2)と同様に、絶縁膜102と半導体基板101との界面付近に存在する膜内イオンM+ が絶縁膜102の表面側に移動する。ところで、C−V測定においては、図3(A−1),(A−2)に示すように、電圧は挿引される。したがって、絶縁膜102表面が負にバイアスされる場合もあるが、正にバイアスされる場合もある。しかしながら、電圧を挿引した場合にも、絶縁膜102中の膜内イオンM+ は、全体として絶縁膜102の表面側に移動する。これは、絶縁膜102中の膜内イオンM+ に、動きやすい方向(すなわち、絶縁膜102の表面側に向かう方向)があるためであると考えられている。なお、ステップS302bを繰り返し実行することによって複数のC−V曲線が得られるが、これらの測定結果から得られる絶縁膜中の膜内イオンの量は、図8と同じ傾向を示す。すなわち、ステップS302aとステップS302bとの一連の処理回数が増加するにつれ、絶縁膜中の膜内イオン量は徐々に減少する。
【0070】
ステップS303では、ステップS302bにおいて得られた複数のC−V曲線の中から、測定結果が収束したC−V曲線を第2のC−V曲線として求める。収束したC−V曲線とは、具体的には、絶縁膜中の膜内イオンの中和が進行し、フラットバンド電圧Vfbの値がほぼ一定の値に収束したC−V曲線を意味している。そして、ステップS304において、ステップS301で得られた第1のC−V曲線と、ステップS303で得られた第2のC−V曲線とから、膜内イオンの量が決定される。
【0071】
図10は、第3実施例の非接触C−V測定で得られた膜内イオン量の測定結果と、BT測定で得られた膜内イオン量の測定結果とを比較したグラフである。なお、BT(Bias Temperature)測定は、周知の接触測定であり、絶縁膜上に接触状態で設けられた電極が用いられる。BT測定では、高温状態の半導体ウエハに正電圧および負電圧を印加することにより、絶縁膜中に存在する膜内イオンを測定する。このBT測定を用いれば、半導体ウエハが損傷してしまうが、かなり正確に膜内イオンの量を測定することが可能である。図10では、膜内イオンの量が異なる4種類の半導体ウエハW1〜W4について、本実施例の非接触C−V測定とBT測定とが実施されている。横軸は、BT測定で得られた膜内イオン量を示しており、縦軸は、本実施例の非接触C−V測定で得られた膜内イオン量を示している。そして、図中破線で示す直線上に各半導体ウエハW1〜W4がプロットされるときに、BT測定で得られた膜内イオン量と、本実施例の非接触C−V測定で得られた膜内イオン量とが一致することとなる。例えば、第2の半導体ウエハW2については、本実施例の非接触C−V測定およびBT測定の双方において、膜内イオン量は約1.7×1011(個/cm2 )となっているので、破線で示す直線上にプロットされている。図10に示すように、本実施例の非接触C−V測定の測定結果は、BT測定の測定結果と、かなり一致していることが分かる。
【0072】
以上説明したように、本実施例においては、半導体ウエハに所定の波長範囲の光を照射することによって絶縁膜の表面付近に存在する膜内イオンを順次中和する中和処理と、半導体ウエハに対して非接触C−V測定を行うことによって絶縁膜中に存在する膜内イオンを絶縁膜の表面側に順次移動させるイオン移動処理とを、繰り返し行っている。また、繰り返し行われたイオン移動処理において得られた複数のC−V曲線のうち、収束したC−V曲線を第2のC−V曲線として求めている。これにより、絶縁膜中に存在する膜内イオンをほぼ全て中和することができ、第1および第2のC−V曲線から、絶縁膜中の膜内イオンの量をより正確に求めることが可能となる。
【0073】
なお、第3実施例のようにすれば、絶縁膜102中に残存する膜内イオンM+ の量を確認しながら、膜内イオンM+ を中和することができるという利点がある。ただし、第2実施例のようにすれば、ステップS202bにおいて電圧を挿引しなくて済むので、膜内イオンの量の測定時間を短くすることができる。
【0074】
第1ないし第3実施例から分かるように、本発明においては、絶縁膜中の膜内イオンを中和させる際に、絶縁膜中の膜内イオンを絶縁膜の表面側に順次移動させるための所定のイオン移動処理を行いつつ、半導体ウエハに所定の波長範囲の光を照射することによって、絶縁膜の表面付近に存在する膜内イオンを順次中和する中和処理を実行している。これにより、絶縁膜中に存在する膜内イオンをほぼ全て中和することができるので、この結果、絶縁膜中に存在していた膜内イオンの量をより正確に測定することが可能となる。
【0075】
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、例えば次のような変形も可能である。
【0076】
(1)上記実施例では、半導体ウエハ100に光を照射する際に、半導体ウエハ100を光源装置350の下部に搬送しているが、搬送しないようにしてもよい。すなわち、光源装置350から射出される光が、プリズム140および透明電極である測定用電極201を通過して、半導体ウエハ100を照射するようにしてもよい。この場合には、ステッピングモータ110と圧電アクチュエータ120と架台130の内側に光ファイバなどの導光路を設け、光源装置350から射出される光を半導体ウエハ100上に導くようにすればよい。
【0077】
(2)第2実施例では、測定用電極201を用いて半導体ウエハ100に電圧を印加しているが、半導体ウエハ100を帯電させるようにしてもよい。例えば、半導体ウエハ100上にコロナ電荷を付加するようにすればよい。半導体ウエハ100の表面を負電荷で帯電させれば、絶縁膜102中の膜内イオンM+ を絶縁膜102の表面側にうまく移動させることが可能である。半導体ウエハ100の表面を負帯電させる帯電分子としては、炭酸イオンCO3 2-を用いることができる。
【0078】
また、第2および第3実施例では、独立して、あるいは、非接触C−V測定の際に、半導体ウエハに電圧を印加し、所定の波長範囲の光を照射することによって、膜内イオンを中和しているが、これに加えて、半導体ウエハを加熱するようにしてもよい。この場合には、イオン移動処理は、加熱する処理と電圧を印加する処理とを含むこととなる。
【0079】
一般に、絶縁膜中の膜内イオンを中和する工程は、絶縁膜中の膜内イオンを絶縁膜の表面側に順次移動させるための所定のイオン移動処理を行いつつ、半導体ウエハに所定の波長範囲の光を照射することによって、絶縁膜の表面付近に存在する膜内イオンを順次中和する中和処理を実行するような工程であればよい。
【0080】
(3)上記実施例では、電気的特性値として、C−V曲線から得られるフラットバンド電圧Vfbを用いているが、他の測定値を利用してもよい。例えば、半導体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。
【0081】
(4)上記実施例では、本発明の非接触測定手法として、C−V測定を用いているが、他の非接触測定手法を用いるようにしてもよい。例えば、半導体ウエハに断続光を照射することにより発生する半導体ウエハの表面光電圧(SPV:Surface Photo Voltage)を非接触で測定する表面光電圧測定を用いることができる。また、測定用電極と半導体ウエハとのギャップを時間的に変化させつつ半導体ウエハの表面電位を測定する振動容量電位測定を用いてもよい。なお、この測定手法は、ケルビン法として周知であり、例えば、Z.Physin,115,296(1940年)に所載のB.ギゼ(Gysae)及びS.ワーゲナー(Wagener)の論文に詳細に開示されている。
【0082】
一般に、本発明における非接触測定手法としては、半導体ウエハの絶縁膜中に含まれる膜内イオンに関連する半導体ウエハの電気的特性値を測定できるようなものであればよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例としての膜内イオン量測定装置MD1を示す説明図である。
【図2】第1実施例における半導体ウエハの絶縁膜中に存在する膜内イオン量の決定手順を示すフローチャートである。
【図3】半導体ウエハの絶縁膜中に存在する膜内イオンの量を測定する際の処理を示す説明図である。
【図4】ステップS102(図2)において絶縁膜102中の膜内イオンM+ が中和される様子を示す説明図である。
【図5】本発明の第2実施例としての膜内イオン量測定装置MD2を示す説明図である。
【図6】第2実施例における半導体ウエハの絶縁膜中に存在する膜内イオン量の決定手順を示すフローチャートである。
【図7】ステップS202a,S202b(図6)において絶縁膜102中の膜内イオンM+ が中和される様子を示す説明図である。
【図8】中和処理の回数と絶縁膜中に残存する膜内イオン量との関係を示す説明図である。
【図9】第3実施例における半導体ウエハの絶縁膜中に存在する膜内イオン量の測定手順を示すフローチャートである。
【図10】第3実施例の非接触C−V測定で得られた膜内イオン量の測定結果と、BT測定で得られた膜内イオン量の測定結果とを比較したグラフである。
【符号の説明】
100…半導体ウエハ
100a…半導体ウエハの表面
101…半導体基板
102…絶縁膜
110…ステッピングモータ
120…圧電アクチュエータ
130…架台
140…プリズム
140a…底面
150…発光素子
160…受光素子
170…試料台
190…移動ステージ
201…測定用電極
310…Z位置制御装置
320…光量測定器
330…容量測定器
350…光源装置
360…ホットプレート
380…ステージ制御装置
390…ホストコントローラ
392…膜内イオン量決定部
Cfb…フラットバンド容量
Vfb…フラットバンド電圧
G…ギャップ
MD1,MD2…膜内イオン量測定装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for measuring the amount of ions in a film contained in an insulating film of a semiconductor wafer.
[0002]
[Prior art]
In the manufacturing process of a semiconductor wafer, alkali metal ions (Na+, K+, Li+) Or the like (hereinafter referred to as “in-film ions”). Since these in-film ions deteriorate the stability of the semiconductor wafer, there is a demand for measuring the amount of in-film ions.
[0003]
The amount of in-film ions present in the insulating film is the first electrical characteristic value in the state where the in-film ions are present in the insulating film and the second value in the state where the in-film ions are not present in the insulating film. It can be obtained by measuring the electrical characteristic value. Conventionally, the state in which no in-film ions exist in the insulating film has been realized by irradiating the semiconductor wafer with light to neutralize the in-film ions. Such a method for measuring the amount of ions in the membrane is described in detail in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-126811 disclosed by the applicant of the present application.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in-film ions existing near the surface of the insulating film are almost neutralized by light irradiation, but in-film ions existing near the interface between the insulating film and the semiconductor substrate are not so neutralized. For this reason, it has been difficult to accurately determine the total amount of ions in the film existing in the insulating film.
[0005]
The present invention has been made to solve the above-described problems in the prior art, and provides a technique capable of more accurately measuring the amount of ions in a film existing in an insulating film of a semiconductor wafer. Objective.
[0006]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
In order to solve at least a part of the problems described above, a method of the present invention is a method for measuring the amount of ions in a film existing in an insulating film formed on a surface of a semiconductor wafer, the method comprising: Obtaining a first electrical characteristic value of the semiconductor wafer according to a predetermined non-contact measurement method in a state where the in-film ions are included in the film, and (b) the in-film ions in the insulating film By irradiating the semiconductor wafer with light in a predetermined wavelength range while performing a predetermined ion movement process for sequentially moving to the surface side of the insulating film, the in-film ions existing near the surface of the insulating film are (C) a second electrical characteristic value of the semiconductor wafer obtained by the predetermined non-contact measurement method in a state in which the in-film ions are neutralized; A process to obtain; (d) Serial from the first and second electrical characteristic values, characterized in that it comprises the steps of determining the amount of the film within the ion that was present in the insulating film.
[0007]
In the method of the present invention, when the in-film ions in the insulating film are neutralized, the in-film ions are sequentially moved to the surface side of the insulating film, and the semiconductor wafer is irradiated with light, so that the vicinity of the surface of the insulating film is obtained. The existing membrane ions are sequentially neutralized. As a result, almost all the ions in the insulating film can be neutralized, so that the amount of ions in the insulating film can be measured more accurately. In addition, said ion movement process and neutralization process may be performed simultaneously, and may be performed separately.
[0008]
In the above method, the ion movement process may include a process of heating the semiconductor wafer.
[0009]
In this way, the ions in the film in the insulating film can be successfully moved sequentially to the surface side of the insulating film.
[0010]
In the above method, in the ion transfer treatment, the heating is preferably performed so that the temperature of the semiconductor wafer reaches a range of about 150 ° C. to about 230 ° C.
[0011]
In this way, the ions in the film can be moved to the vicinity of the surface of the insulating film in a relatively short time, and contamination due to organic substances or the like mixed into the semiconductor wafer can be reduced.
[0012]
In the above method, the semiconductor wafer is preferably heated in an inert gas atmosphere in the ion transfer treatment.
[0013]
In this way, contamination of the semiconductor wafer can be further reduced.
[0014]
In the above method, the ion movement treatment includes a process of applying a voltage to the semiconductor wafer, and the step (b) includes a step of repeatedly performing the neutralization treatment and the ion movement treatment. Good.
[0015]
Even in this case, the in-film ions in the insulating film can be successfully moved sequentially toward the surface side of the insulating film, and the in-film ions existing near the surface of the insulating film can be neutralized sequentially. .
[0016]
In the above method, the ion migration process includes a process of executing the predetermined non-contact measurement method on the semiconductor wafer, and the step (b) includes the neutralization process, the ion migration process, In the step (c), a converged value is selected from the plurality of electrical characteristic values obtained by the ion migration process repeatedly performed in the step (b). The step of obtaining the electrical characteristic value may be included.
[0017]
Even in such a case, the ions in the film in the insulating film can be sequentially moved to the surface side of the insulating film. In addition, since non-contact measurement is repeatedly performed, it is possible to neutralize the in-film ions while confirming the amount of in-film ions remaining in the insulating film.
[0018]
In the above method, the predetermined wavelength range is preferably a range including at least a part of a range of about 230 nm to about 300 nm.
[0019]
By using such light, in-film ions existing near the surface of the insulating film can be neutralized well.
[0020]
In the above method, the predetermined non-contact measurement method may be CV measurement.
[0021]
The apparatus of the present invention is an in-film ion amount measuring apparatus for measuring the amount of in-film ions present in an insulating film formed on the surface of a semiconductor wafer, and the electric power of the semiconductor wafer is measured according to a predetermined non-contact measurement method. An electrical property measurement unit for obtaining a physical property value, and a predetermined ion movement process for sequentially moving the in-film ions in the insulating film to the surface side of the insulating film. An in-film ion neutralization unit that performs neutralization treatment to sequentially neutralize the in-film ions existing near the surface of the insulating film by irradiating light in a wavelength range, and the electrical characteristic measurement unit The first electrical characteristic value of the semiconductor wafer measured according to the predetermined non-contact measurement method in a state where the in-film ions are included in the insulating film, and the in-film ion neutralization unit Io in the membrane The amount of ions in the film existing in the insulating film is determined from the second electrical characteristic value of the semiconductor wafer obtained by the predetermined non-contact measurement method in a state in which is neutralized. An in-film ion content determination unit is provided.
[0022]
Even when the apparatus of the present invention is used, the same operation and effect as the above method can be obtained, and the amount of ions in the insulating film can be measured more accurately.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A. First embodiment:
FIG. 1 is an explanatory view showing an in-membrane ion amount measuring device MD1 as a first embodiment of the present invention. The measuring device MD1 has a function of measuring the CV characteristics of the
[0024]
The measuring device MD1 includes a stepping
[0025]
The
[0026]
A Z
[0027]
When performing non-contact CV measurement, the Z
[0028]
The measuring device MD1 further includes a
[0029]
The
[0030]
FIG. 2 is a flowchart showing a procedure for determining the ion amount in the film existing in the insulating film of the semiconductor wafer in the first embodiment. In step S101, the first non-contact CV measurement is performed on the
[0031]
FIG. 3 is an explanatory diagram showing processing when measuring the amount of ions in the film existing in the insulating film of the semiconductor wafer. FIG. 3A-1 shows the vicinity of the surface of the
[0032]
FIG. 3A-2 shows a first CV curve F1 when the first non-contact CV measurement is performed on the
[0033]
When the first CV curve F1 is obtained in step S101 of FIG. 2, the
[0034]
FIG. 4 shows in-film ions M in the insulating
[0035]
Note that the density distribution as shown in FIG. 4A-2 can be confirmed by an etch-off method. That is, the insulating
[0036]
4 (B-1), (B-2) and FIGS. 4 (C-1), (C-2) are similar to FIGS. 4 (A-1), (A-2) in the insulation in step S102. Intramembrane ion M in
[0037]
By performing neutralization continuously as shown in FIGS. 4B-1 and 4B-2 and FIGS. 4C-1 and 4C-2, almost all of the insulating
[0038]
Incidentally, in step S102 (FIG. 2), in-film ions M included in the insulating
[0039]
Here, the heating in step S102 is performed by the
[0040]
On the other hand, the light irradiation in step S102 is executed by the
[0041]
In step S103 of FIG. 2, the second non-contact CV measurement is performed on the
[0042]
FIG. 3 (B-1) shows the intramembrane ion M shown in FIG. 3 (A-1) after step S102.+Shows a neutralized state. As shown in FIG.+Is neutralized after moving to the vicinity of the surface of the insulating
[0043]
In step S104 (FIG. 2), the first CV curve F1 obtained in step S101 and the second CV curve F2 obtained in step S102 are shown in FIG. 3 (A-1). In-film ions M present in the insulating
[0044]
[Expression 1]
[0045]
Where ε0Is the dielectric constant of vacuum, εox is the relative dielectric constant of the insulating
[0046]
In the above equation (1), the density ρ of ions in the membrane0Since values other than are known, the voltage shift amount ΔVF1To ρ0The value of can be determined. The calculation of the in-film ion amount using the equation (1) is executed by the in-film ion
[0047]
As described above, the in-film ions M present in the insulating
[0048]
In practice, the insulating film contains fixed charges and the like in addition to ions in the film. For example, the total charge amount in the silicon oxide film obtained when light irradiation is performed for about 10 minutes is about 5.6 × 10 6.Ten(Pieces / cm2) And sodium ion Na+The total amount of charges in the silicon oxide film when it is not included is 3 × 10Ten(Pieces / cm2) Is almost the same value. From this, it is understood that almost all ions in the insulating film are neutralized. If light irradiation is performed for a longer time, a more approximate value can be obtained.
[0049]
As described above, in this embodiment, the semiconductor wafer is heated to perform predetermined ion movement processing for sequentially moving ions in the insulating film to the surface side of the insulating film. By irradiating light in the wavelength range, a neutralization process is performed to sequentially neutralize ions in the film existing near the surface of the insulating film. As a result, almost all the ions in the film existing in the insulating film can be neutralized, so that the amount of ions in the film in the insulating film can be obtained more accurately from the first and second CV curves. Is possible.
[0050]
As can be seen from the above description, measurement with the
[0051]
B. Second embodiment:
FIG. 5 is an explanatory view showing an in-membrane ion content measuring device MD2 as a second embodiment of the present invention. Similar to the measurement apparatus MD1 shown in FIG. 1, the measurement apparatus MD2 also has a function of measuring the CV characteristics of the
[0052]
The measuring device MD2 has substantially the same configuration as the measuring device MD1 of FIG. 1, but the hot plate 360 (FIG. 1) is omitted. In this embodiment, the moving
[0053]
FIG. 6 is a flowchart showing a procedure for determining the ion amount in the film existing in the insulating film of the semiconductor wafer in the second embodiment. In step S201, as in step S101 of FIG. 2, the first non-contact CV measurement is performed on the
[0054]
In step S202a, the
[0055]
FIG. 7 shows in-film ions M in the insulating
[0056]
7B-1 and 7B-2 show in-film ions M in the insulating
[0057]
7C-1 and 7C-2 illustrate the in-film ions M in the insulating
[0058]
Here, the light irradiation in step S202a is performed by the
[0059]
On the other hand, the voltage application in step S202b is executed using the
[0060]
By repeatedly performing the neutralization process in steps S202a and S202b, almost all the in-film ions M in the insulating
[0061]
By the way, in the present embodiment, the series of neutralization processes consisting of step S202a and step S202b are repeated, and the in-film ions M in the insulating
[0062]
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the relationship between the number of neutralization treatments and the amount of in-film ions remaining in the insulating film. The horizontal axis in FIG. 8 indicates the number of processes, and a series of processes in step S202a and step S202a means one process. Also, the vertical axis represents the in-film ion amount N (number / cm / cm) in the insulating
[0063]
As described above, the in-film ions M in the insulating
[0064]
In step S203 of FIG. 6, the second CV measurement is performed similarly to step S103 of FIG. 2 to obtain a second CV curve.
[0065]
In step S204, as in step S104 of FIG. 2, the in-film ions M existing in the insulating
[0066]
As described above, in this embodiment, the semiconductor wafer is neutralized by sequentially irradiating the semiconductor wafer with light in a predetermined wavelength range to neutralize ions in the vicinity of the surface of the insulating film. Ion transfer treatment in which ions in the insulating film existing in the insulating film are sequentially moved to the surface side of the insulating film by applying a voltage is repeatedly performed. As a result, almost all the ions in the film existing in the insulating film can be neutralized, so that the amount of ions in the film in the insulating film can be obtained more accurately from the first and second CV curves. Is possible.
[0067]
C. Third embodiment:
By the way, in 2nd Example, as shown in FIG. 6, the voltage is repeatedly applied by step S202b, and the non-contact CV measurement is performed by step S203. In the non-contact CV measurement, a voltage is applied to the
[0068]
FIG. 9 is a flowchart showing a procedure for measuring the amount of ions in the film existing in the insulating film of the semiconductor wafer in the third embodiment. Steps S301, S302a, and S304 are the same as steps S201, S202a, and S204 in the second embodiment (FIG. 6).
[0069]
In step S302b, a voltage is applied to the
[0070]
In step S303, a CV curve in which the measurement results converge is obtained as a second CV curve from the plurality of CV curves obtained in step S302b. Specifically, the converged CV curve means a CV curve in which neutralization of ions in the insulating film proceeds and the flat band voltage Vfb converges to a substantially constant value. Yes. In step S304, the amount of ions in the membrane is determined from the first CV curve obtained in step S301 and the second CV curve obtained in step S303.
[0071]
FIG. 10 is a graph comparing the measurement result of the in-film ion amount obtained by the non-contact CV measurement of the third example and the measurement result of the in-film ion amount obtained by the BT measurement. The BT (Bias Temperature) measurement is a well-known contact measurement, and an electrode provided in a contact state on the insulating film is used. In the BT measurement, in-film ions existing in the insulating film are measured by applying a positive voltage and a negative voltage to a semiconductor wafer in a high temperature state. If this BT measurement is used, the semiconductor wafer is damaged, but the amount of ions in the film can be measured fairly accurately. In FIG. 10, the non-contact CV measurement and the BT measurement of the present embodiment are performed on four types of semiconductor wafers W1 to W4 having different amounts of ions in the film. The horizontal axis shows the amount of ions in the membrane obtained by BT measurement, and the vertical axis shows the amount of ions in the membrane obtained by non-contact CV measurement of this example. And when each semiconductor wafer W1-W4 is plotted on the straight line shown with a broken line in a figure, the film | membrane obtained by the amount of ion in a film | membrane obtained by BT measurement, and the non-contact CV measurement of a present Example The amount of ions inside will match. For example, for the second semiconductor wafer W2, the amount of ions in the film is about 1.7 × 10 in both the non-contact CV measurement and the BT measurement of this example.11(Pieces / cm2Is plotted on a straight line indicated by a broken line. As shown in FIG. 10, it can be seen that the measurement result of the non-contact CV measurement of this example is quite consistent with the measurement result of the BT measurement.
[0072]
As described above, in this embodiment, the semiconductor wafer is neutralized by sequentially neutralizing the ions in the vicinity of the surface of the insulating film by irradiating the semiconductor wafer with light in a predetermined wavelength range. On the other hand, by performing non-contact CV measurement, ion migration treatment is sequentially performed in which ions in the film existing in the insulating film are sequentially moved to the surface side of the insulating film. Moreover, the converged CV curve is calculated | required as a 2nd CV curve among the several CV curves obtained in the ion migration process performed repeatedly. Thereby, almost all the ions in the film existing in the insulating film can be neutralized, and the amount of ions in the film in the insulating film can be obtained more accurately from the first and second CV curves. It becomes possible.
[0073]
If the third embodiment is used, the in-film ions M remaining in the insulating
[0074]
As can be seen from the first to third embodiments, in the present invention, when the ions in the insulating film are neutralized, the ions in the insulating film are sequentially moved to the surface side of the insulating film. While performing a predetermined ion migration process, the semiconductor wafer is irradiated with light in a predetermined wavelength range, thereby performing neutralization processing for sequentially neutralizing in-film ions existing near the surface of the insulating film. As a result, almost all ions in the film existing in the insulating film can be neutralized. As a result, the amount of ions in the film existing in the insulating film can be measured more accurately. .
[0075]
The present invention is not limited to the above examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
[0076]
(1) In the above embodiment, when the
[0077]
(2) In the second embodiment, a voltage is applied to the
[0078]
In the second and third embodiments, in-film ions are applied by applying a voltage to a semiconductor wafer and irradiating light in a predetermined wavelength range independently or in non-contact CV measurement. In addition to this, the semiconductor wafer may be heated. In this case, the ion migration process includes a heating process and a voltage application process.
[0079]
In general, in the process of neutralizing ions in the insulating film, a predetermined wavelength is applied to the semiconductor wafer while performing a predetermined ion migration process for sequentially moving the ions in the insulating film to the surface side of the insulating film. Any process may be used as long as a neutralization process for sequentially neutralizing in-film ions existing near the surface of the insulating film by irradiating light in a range.
[0080]
(3) In the above embodiment, the flat band voltage Vfb obtained from the CV curve is used as the electrical characteristic value, but other measured values may be used. For example, a measurement value called “mid gap voltage” in which the Fermi level and the intrinsic Fermi level coincide with each other at the interface between the semiconductor substrate and the insulating film may be used.
[0081]
(4) In the above embodiment, CV measurement is used as the non-contact measurement method of the present invention, but other non-contact measurement methods may be used. For example, the surface photovoltage measurement which measures the surface photovoltage (SPV: Surface Photo Voltage) of the semiconductor wafer generated by irradiating the semiconductor wafer with intermittent light can be used. Further, vibration capacitance potential measurement may be used in which the surface potential of the semiconductor wafer is measured while changing the gap between the measurement electrode and the semiconductor wafer over time. This measurement method is known as the Kelvin method, and is disclosed in detail in, for example, the papers of B. Gysae and S. Wagener described in Z. Physin, 115, 296 (1940). Yes.
[0082]
In general, any non-contact measurement method in the present invention may be any method that can measure electrical characteristic values of a semiconductor wafer related to ions in the film contained in the insulating film of the semiconductor wafer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing an in-membrane ion amount measuring device MD1 as a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing a procedure for determining the amount of ions in the film existing in the insulating film of the semiconductor wafer in the first embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a process when measuring the amount of ions in a film existing in an insulating film of a semiconductor wafer.
FIG. 4 shows in-film ions M in the insulating
FIG. 5 is an explanatory view showing an in-membrane ion amount measuring device MD2 as a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a flowchart showing a procedure for determining the amount of ions in a film existing in an insulating film of a semiconductor wafer in a second embodiment.
7 shows in-film ions M in the insulating
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the relationship between the number of neutralization treatments and the amount of in-film ions remaining in the insulating film.
FIG. 9 is a flowchart showing a procedure for measuring an ion amount in a film existing in an insulating film of a semiconductor wafer in a third embodiment.
FIG. 10 is a graph comparing the measurement result of the in-film ion amount obtained by the non-contact CV measurement of the third example and the measurement result of the in-film ion amount obtained by the BT measurement.
[Explanation of symbols]
100: Semiconductor wafer
100a ... surface of semiconductor wafer
101 ... Semiconductor substrate
102: Insulating film
110 ... Stepping motor
120: Piezoelectric actuator
130: Stand
140 ... Prism
140a ... bottom surface
150: Light emitting element
160. Light receiving element
170 ... Sample stage
190 ... Movement stage
201: Measuring electrode
310 ... Z position control device
320: Light quantity measuring device
330 ... Capacity measuring instrument
350 ... Light source device
360 ... Hot plate
380 ... Stage control device
390 ... Host controller
392: In-membrane ion content determination unit
Cfb: Flat band capacity
Vfb: Flat band voltage
G ... Gap
MD1, MD2 ... Intramembrane ion content measuring device
Claims (9)
(a)前記絶縁膜中に前記膜内イオンが含まれる状態で、所定の非接触測定手法に従って前記半導体ウエハの第1の電気的特性値を求める工程と、
(b)前記絶縁膜中の前記膜内イオンを前記絶縁膜の表面側に順次移動させるための所定のイオン移動処理を行いつつ、前記半導体ウエハに所定の波長範囲の光を照射することによって、前記絶縁膜の表面付近に存在する前記膜内イオンを順次中和する中和処理を実行する工程と、
(c)前記膜内イオンが中和された状態で、前記所定の非接触測定手法によって得られる前記半導体ウエハの第2の電気的特性値を求める工程と、
(d)前記第1および第2の電気的特性値から、前記絶縁膜中に存在していた前記膜内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膜内イオン量測定方法。A method for measuring the amount of ions in a film present in an insulating film formed on a surface of a semiconductor wafer,
(A) obtaining a first electrical characteristic value of the semiconductor wafer according to a predetermined non-contact measurement method in a state where the in-film ions are included in the insulating film;
(B) irradiating the semiconductor wafer with light in a predetermined wavelength range while performing a predetermined ion movement process for sequentially moving the in-film ions in the insulating film to the surface side of the insulating film; Performing a neutralization treatment for sequentially neutralizing the ions in the film existing near the surface of the insulating film;
(C) obtaining a second electrical characteristic value of the semiconductor wafer obtained by the predetermined non-contact measurement method in a state where the ions in the film are neutralized;
(D) determining the amount of ions in the film existing in the insulating film from the first and second electrical characteristic values;
A method for measuring the amount of ions in a membrane.
前記イオン移動処理は、前記半導体ウエハを加熱する処理を含む、膜内イオン量測定方法。A method for measuring the amount of ions in a membrane according to claim 1,
The in-film ion content measurement method, wherein the ion movement process includes a process of heating the semiconductor wafer.
前記イオン移動処理において、前記加熱は前記半導体ウエハの温度が、150℃ないし230℃の範囲に達するように行われる、膜内イオン量測定方法。A method for measuring the amount of ions in a membrane according to claim 2,
In the ion moving process, the temperature of the heating the semiconductor wafer, no 1 50 ° C. to be performed to reach a range of 2 30 ° C., the film within the ion volume measurement method.
前記イオン移動処理において、前記半導体ウエハは、不活性ガス雰囲気中で加熱される、膜内イオン量測定方法。A method for measuring the amount of ions in a membrane according to claim 2 or 3,
In the ion transfer process, the semiconductor wafer is heated in an inert gas atmosphere.
前記イオン移動処理は、前記半導体ウエハに電圧を印加する処理を含み、
前記工程(b)は、前記中和処理と前記イオン移動処理とを繰り返し行う工程を含む、膜内イオン量測定方法。A method for measuring the amount of ions in a membrane according to any one of claims 1 to 4,
The ion transfer process includes a process of applying a voltage to the semiconductor wafer,
The step (b) is an in-membrane ion content measurement method including a step of repeatedly performing the neutralization treatment and the ion transfer treatment.
前記イオン移動処理は、前記半導体ウエハに対して前記所定の非接触測定手法を実行する処理を含み、
前記工程(b)は、前記中和処理と前記イオン移動処理とを繰り返し行う工程を含んでおり、
前記工程(c)は、前記工程(b)において繰り返し行われた前記イオン移動処理によって得られた複数の電気的特性値のうち、収束した値を前記第2の電気的特性値として求める工程を含む、膜内イオン量測定方法。A method for measuring the amount of ions in a membrane according to any one of claims 1 to 4,
The ion movement process includes a process of executing the predetermined non-contact measurement method on the semiconductor wafer,
The step (b) includes a step of repeatedly performing the neutralization treatment and the ion transfer treatment,
The step (c) includes a step of obtaining a converged value as the second electrical property value among the plurality of electrical property values obtained by the ion migration process repeatedly performed in the step (b). Intramembrane ion content measuring method.
前記所定の波長範囲は、230nmないし300nmの範囲のうちの少なくとも一部を含む範囲である、膜内イオン量測定方法。A method for measuring the amount of ions in a membrane according to any one of claims 1 to 6,
The predetermined wavelength range, to 2 30 nm without a range including at least a portion of the range of 3 nm, film ion amount measurement method.
前記所定の非接触測定手法は、C−V測定である、膜内イオン量測定方法。A method for measuring the amount of ions in a membrane according to any one of claims 1 to 7,
The predetermined non-contact measurement method is a method for measuring the amount of ions in a membrane, which is CV measurement.
所定の非接触測定手法に従って前記半導体ウエハの電気的特性値を求めるための電気特性測定部と、
前記絶縁膜中の前記膜内イオンを前記絶縁膜の表面側に順次移動させるための所定のイオン移動処理を行いつつ、前記半導体ウエハに所定の波長範囲の光を照射することによって、前記絶縁膜の表面付近に存在する前記膜内イオンを順次中和する中和処理を実行する膜内イオン中和部と、
を備え、
前記電気特性測定部は、
前記絶縁膜中に前記膜内イオンが含まれる状態で前記所定の非接触測定手法に従って測定された前記半導体ウエハの第1の前記電気的特性値と、前記膜内イオン中和部によって前記膜内イオンが中和された状態で前記所定の非接触測定手法によって求められた前記半導体ウエハの第2の前記電気的特性値とから、前記絶縁膜中に存在していた前記膜内イオンの量を決定する膜内イオン量決定部を備えることを特徴とする膜内イオン量測定装置。A device for measuring the amount of ions in a film that measures the amount of ions in a film existing in an insulating film formed on the surface of a semiconductor wafer,
An electrical property measurement unit for obtaining electrical property values of the semiconductor wafer according to a predetermined non-contact measurement method;
By irradiating the semiconductor wafer with light in a predetermined wavelength range while performing a predetermined ion migration process for sequentially moving the ions in the insulating film to the surface side of the insulating film, the insulating film An in-film ion neutralization section for performing neutralization treatment for sequentially neutralizing the in-film ions existing near the surface of
With
The electrical property measuring unit is
The first electrical characteristic value of the semiconductor wafer measured according to the predetermined non-contact measurement method in a state where the in-film ions are included in the insulating film, and the in-film ion neutralization unit Based on the second electrical characteristic value of the semiconductor wafer obtained by the predetermined non-contact measurement method in a state where ions are neutralized, the amount of ions in the film existing in the insulating film is determined. An in-membrane ion amount measuring apparatus comprising an in-membrane ion amount determining unit for determining.
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