JP5227721B2

JP5227721B2 - Ｍｏｓキャパシターの容量測定方法

Info

Publication number: JP5227721B2
Application number: JP2008254268A
Authority: JP
Inventors: 保森本
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2028-09-30
Also published as: JP2010087214A

Description

本発明は、ＭＯＳキャパシターの容量測定方法係り、特に半導体ウエハ上に形成された極薄膜のＭＯＳキャパシターの容量測定に好適なＭＯＳキャパシターの容量測定方法に関する。

半導体装置の製造分野等では、種々のキャパシターの容量を測定することが行われており、例えば、半導体の空乏層の容量を、発振周波数の変化から測定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、他の容量測定方法としては、例えば、高周波側と低周波側の２つの周波数を用いて測定を行う二周波法等が知られている。

ところで、ＭＯＳキャパシターの容量を測定する場合、近年においては、ゲート絶縁膜が極薄膜化される傾向が高まっており、５ｎｍから、３ｎｍ、さらには、２ｎｍ以下等と極薄膜化されることが考えられている。このため、次第にＭＯＳキャパシターの容量測定が困難になりつつあるという問題がある。すなわち、ゲート絶縁膜が薄膜化されると、ゲート絶縁膜の抵抗が下がり、電極、寄生抵抗並みになってしまい、周辺の寄生抵抗の影響が表れてＭＯＳキャパシターの容量を精度良く測定することが困難になる。

また、例えば上記した二周波法では、ゲート絶縁膜が薄膜化されると、高周波側の周波数を例えば１０ＭＨｚ以上に高周波化しなければならないが、このような高周波を用いると、測定系の寄生成分をひろってしまうため、ゲート絶縁膜が極薄膜化されたＭＯＳキャパシターの容量測定に適用することは難しい。なお、一般的な測定系では、周波数が５ＭＨｚ程度までは、測定が可能であるが、周波数が５ＭＨｚ以上となると、精度の良い測定が困難になる。

また、上記のようなゲート絶縁膜の極薄膜化に対応するため、測定を行うＭＯＳキャパシターと並列にインダクターを挿入して測定を行うＬＣ共振法も知られている（例えば、非特許文献１参照。）。しかしながら、このＬＣ共振法では、例えば、半導体ウエハ上に形成されたＭＯＳキャパシターの容量を測定するような場合、物理的にＭＯＳキャパシターと並列にインダクターを挿入することが困難になるとともに、配線が非常に長くなって寄生成分が多くなり、測定精度も下がり、インピーダンスから容量を抽出することも困難になるという課題があった。
２００２−１６４３９８号公報電子情報通信学会技術研究報告，ＳＤＭ，Ｖｏｌ．１０５，Ｎｏ３１８，ｐｐ．２１−２６

上記のとおり、ＭＯＳキャパシターにおける容量測定においては、ゲート絶縁膜の極薄膜化により、高精度で容量を測定することが困難になりつつある。特に、半導体ウエハ上に形成されたＭＯＳキャパシターにおける容量測定では、ＭＯＳキャパシターに並列にインダクターを挿入することが困難であり、その精度良い測定が困難であるという課題があった。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、半導体ウエハ上に形成されたＭＯＳキャパシターであっても、その容量を精度良く、容易に測定することのできるＭＯＳキャパシターの容量測定方法を提供しようとするものである。

請求項１記載のＭＯＳキャパシターの容量測定方法は、ローブに接続された測定回路にインダクターを直列に挿入すると共に、インピーダンス計測器から前記プローブを介して半導体ウエハ上に形成された被測定ＭＯＳキャパシターに周波数を掃引しながら交流を印加して当該被測定回路の共振周波数を求め、この共振周波数から前記被測定ＭＯＳキャパシターの容量を求めることを特徴とする。

請求項２記載のＭＯＳキャパシターの容量測定方法は、抵抗Ｒｐと容量Ｃｐとが並列に接続され、これらの抵抗Ｒｐ及び容量Ｃｐと直列に接続された抵抗Ｒｓとからなる等価回路で表わされる被測定ＭＯＳキャパシターの容量Ｃｐを測定する方法であって、前記被測定ＭＯＳキャパシターの電流・電圧測定により、各電圧における前記被測定ＭＯＳキャパシターの等価回路の抵抗Ｒｐ＋抵抗Ｒｓを測定する抵抗測定工程と、インピーダンス計測器により、直列にインダクターＬを挿入した前記被測定ＭＯＳキャパシターのインピーダンスの周波数特性を測定する工程と、前記インピーダンスの周波数特性の測定結果における共振点から共振周波数ｆｒを求める工程と、
共振周波数を表す式（１）
ｆr＝（１／２πＣpＲp）［（ＣpＲp²／Ｌ）−１］^1/2 式（１）
の抵抗Ｒｐに、前記抵抗測定工程で測定した抵抗Ｒｐ＋抵抗Ｒｓの値を初期値として代入し、さらに前記共振周波数ｆｒを求める工程で求めた共振周波数ｆｒを代入して容量Ｃｐを求める工程と、前記等価回路より求めた論理的なインピーダンスの周波数特性と、前記インピーダンスの周波数特性の測定結果とがほぼ一致するまで抵抗Ｒｐ, 抵抗Ｒｓを調整して、最終的な容量Ｃｐを求める工程とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、半導体ウエハ上に形成されたＭＯＳキャパシターであっても、その容量を精度良く、容易に測定することのできるＭＯＳキャパシターの容量測定方法を提供することができる。

以下、本発明の詳細を図面を参照して実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るＭＯＳキャパシターの容量測定方法を説明するための図であり、同図に示すように、容量を測定する測定対象となるＭＯＳキャパシター１０は、容量Ｃpと、抵抗Ｒpと、抵抗Ｒsとからなる等価回路で表わされる。なお、容量Ｃp、抵抗Ｒpは、ＭＯＳキャパシター１０のゲート絶縁膜部分の容量及び抵抗であり、抵抗Ｒsは、電極または測定系の寄生抵抗である。そして、本実施形態では、このような等価回路で表わされるＭＯＳキャパシター１０に対して、直列にインダクターＬを挿入して測定を行う。

上記のようにインダクターＬを直列に挿入する場合、図２に示すように、先端部に測定用プローブ２０有する測定用のケーブル（セミリジッドケーブル等）２１の途中に、チップインダクタ挿入用の同軸構造ケース２２を挿入すること等によって、容易にインダクターＬを直列に挿入することができる。なお、同図において２３は、ＳＭＡコネクタを示している。

このような構成とすることにより、半導体ウエハ上に形成されたＭＯＳキャパシター１０の容量を測定する場合であって、一方のプローブを半導体ウエハの表面側に接触させ、他方のプローブを半導体ウエハの裏面側に接触させるような場合であっても、インダクターＬを、容量の測定を行うＭＯＳキャパシター１０の近くに挿入することができ、寄生の成分が増大することを抑制することができ、測定精度が低下することを抑制することができる。なお、上記のように、一方のプローブを半導体ウエハの表面側に接触させ、他方のプローブを半導体ウエハの裏面側に接触させるような場合、容量の測定を行うＭＯＳキャパシター１０に対して並列にインダクターを挿入しようとすると、配線の長さが非常に長くなり、寄生の成分が増大して測定精度が低下するとともに、インダクターを並列に挿入することが、物理的に難しくなる。

図３は、本実施形態に係るＭＯＳキャパシターの容量測定方法の工程を示すフローチャートである。以下、図３を参照して、本実施形態のＭＯＳキャパシターの容量測定方法の各工程を説明する。

まず、被測定ＭＯＳキャパシター１０にプローブを接触させて、直流での電流・電圧測定により、各電圧における図１に示した被測定ＭＯＳキャパシター１０の抵抗Ｒp＋抵抗Ｒsを測定する抵抗測定工程を行う（ステップ１）。

次に、被測定ＭＯＳキャパシター１０に直列にインダクターＬを挿入したプローブを接触させて、インピーダンス計測器により、被測定ＭＯＳキャパシター１０のインピーダンスの周波数特性を測定する（ステップ２）。

次に、図４に示すように、測定されたインピーダンスの周波数特性の共振点Ａから、共振周波数ｆｒを求める（ステップ３）。

次に、共振周波数を表す式（１）
ｆr＝（１／２πＣpＲp）［（ＣpＲp²／Ｌ）−１］^1/2 式（１）
の抵抗Ｒｐに、抵抗測定工程で測定した抵抗Ｒｐ＋抵抗Ｒｓの値を初期値として代入し、さらに測定されたインピーダンスの周波数特性の共振点Ａから求めた共振周波数ｆｒを代入して容量Ｃｐを求める（ステップ４）。

次に、等価回路より求めた論理的なインピーダンスの周波数特性と、測定されたインピーダンスの周波数特性とがほぼ一致するまで抵抗Ｒｐ, 抵抗Ｒｓを調整（フィッティング）して、最終的なＭＯＳキャパシターの容量Ｃｐを求める（ステップ５）。

以上のとおり、本実施形態のＭＯＳキャパシターの容量測定方法によれば、被測定ＭＯＳキャパシターに対して、直列にインダクターを挿入することによって、共振周波数を低減することができ、極薄膜のゲート絶縁膜を有するＭＯＳキャパシターであっても、比較的低い周波数（５ＭＨｚ未満の周波数）を用いて容量を精度良く測定することができる。

また、被測定ＭＯＳキャパシターに対して、直列にインダクターを挿入することで、例えば、半導体ウエハ上に形成されたＭＯＳキャパシターに対して、表面側と裏面側とにプローブを接触させるような場合であっても、被測定ＭＯＳキャパシターの近くに容易にインダクターを挿入することができ、寄生の成分が増大することを抑制して精度良く容量を測定することができる。

本発明の一実施形態のＭＯＳキャパシターの容量測定方法を説明するためのＭＯＳキャパシター及び測定系の等価回路。本発明の一実施形態に係るインダクターＬの挿入方法の例を示す測定用ケーブルの概略図。本発明の一実施形態の工程を説明するためのフローチャート。本発明の一実施形態におけるインピーダンスの周波数特性を示すグラフ。

符号の説明

１０……容量、Ｒp……抵抗、Ｒs……抵抗、Ｃp……容量、Ｌ……インダクター。

Claims

プローブに接続された測定回路にインダクターを直列に挿入すると共に、インピーダンス計測器から前記プローブを介して半導体ウエハ上に形成された被測定ＭＯＳキャパシターに周波数を掃引しながら交流を印加して当該被測定回路の共振周波数を求め、この共振周波数から前記被測定ＭＯＳキャパシターの容量を求めることを特徴とするＭＯＳキャパシターの容量測定方法。
抵抗Ｒｐと容量Ｃｐとが並列に接続され、これらの抵抗Ｒｐ及び容量Ｃｐと直列に接続された抵抗Ｒｓとからなる等価回路で表わされる被測定ＭＯＳキャパシターの容量Ｃｐを測定する方法であって、
前記被測定ＭＯＳキャパシターの直流における電流・電圧測定により、各電圧における前記被測定ＭＯＳキャパシターの等価回路の抵抗Ｒｐ＋抵抗Ｒｓを測定する抵抗測定工程と、
インピーダンス計測器により、直列にインダクターＬを挿入した前記被測定ＭＯＳキャパシターのインピーダンスの周波数特性を測定する工程と、
前記インピーダンスの周波数特性の測定結果における共振点から共振周波数ｆｒを求める工程と、
共振周波数を表す式（１）
ｆr＝（１／２πＣpＲp）［（ＣpＲp²／Ｌ）−１］^1/2 式（１）
の抵抗Ｒｐに、前記抵抗測定工程で測定した抵抗Ｒｐ＋抵抗Ｒｓの値を初期値として代入し、さらに前記共振周波数ｆｒを求める工程で求めた共振周波数ｆｒを代入して容量Ｃｐを求める工程と、
前記等価回路より求めた論理的なインピーダンスの周波数特性と、前記インピーダンスの周波数特性の測定結果とがほぼ一致するまで抵抗Ｒｐ, 抵抗Ｒｓを調整して、最終的な容量Ｃｐを求める工程と
を備えたことを特徴とするＭＯＳキャパシターの容量測定方法。