JP5343693B2

JP5343693B2 - ドーパント濃度測定方法

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Description

本発明は、Ｃ−Ｖ法によりウェーハのＣ−Ｖ特性を測定することによりドーパント濃度を算出するドーパント濃度測定方法に関する。

半導体ウェーハの重要特性の一つに表層の抵抗率がある。
特にＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ−ＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造のデバイスにおいては、表面の抵抗率はＭＯＳトランジスターの閾値電圧Ｖｔｈ（ＴｈｒｅｓｈｏｌｄＶｏｌｔａｇｅ）を決定するため重要であり、できる限り表面近傍の抵抗率を測定・保証する必要がある。抵抗率評価の一つとして半導体の表層部に空乏層を形成し、この空乏層の静電容量（以下、空乏層容量という）を測定することが一般的に行われている。

具体的には、半導体ウェーハのドーパント濃度の深さ方向における分布を求めるための方法として、空乏層容量の印加電圧依存性（以下、Ｃ−Ｖ（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ−Ｖｏｌｔａｇｅ）特性という）を測定する方法が知られている（非特許文献１参照）。
以下、ショットキー接合のＣ−Ｖ特性の測定結果に基づき、半導体ウェーハとして例示するシリコンウェーハの深さ方向におけるドーパント濃度の分布を求める場合について具体的に説明する。

まず、ウェーハにはショットキー電極を形成し、そのショットキー電極に測定装置のプローブを接触させて階段状に変化する電圧を印加し、空乏層容量を測定する。
一般に、印加電圧、空乏層の容量変化量、ドーパント濃度には以下の関係式（１）及び（２）が成り立つ（非特許文献２参照）。

上記の（１）式及び（２）式において、Ｎ（Ｗ）は深さＷにおけるシリコンウェーハ中のドーパント濃度、ｑは電荷素量、ε_Ｓｉはシリコンの誘電率、Ｖは印加電圧、Ｃは空乏層容量、Ａはショットキー電極面積である。
すなわち、印加電圧Ｖに対してｄ（Ｃ^−２）／ｄＶをプロットすることにより、シリコンウェーハのドーパント濃度の深さ方向プロファイルを測定することができる。その際、印加する電圧はショットキー接合に対して逆バイアス電圧になるようにする。すなわち、ｎ型シリコンウェーハの場合は負の電圧を印加することによりシリコン内部に空乏層が拡がる。空乏層の深さ方向の幅は印加電圧に比例して大きくなるため、印加電圧を変化させることで、深さ方向の情報を得ることができる。

なお、この測定はウェーハ表面に酸化膜を形成し、その上に電極を形成した、いわゆるＭＯＳ構造やｐｎ接合を形成した構造のウェーハにも適用可能である。このようにして得られたドーパント濃度の深さ方向プロファイルから、なるべく浅い位置のドーパント濃度を求め、抵抗率に換算する方法が広く利用されている。

宇佐美晶編集「半導体デバイス工程評価技術」株式会社リアライズ社、平成２年９月１１日、ｐ３８−４４Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅ著「ＰｈｙｓｉｃｓｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＤｅｖｉｃｅｓ」ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ社（１９６９年発行）Ｐ３７２和田著半導体工学朝倉書店１９９２年１０月２０日ｐ７０

しかしながら本発明者らは、上記Ｃ−Ｖ特性を測定して、ドーパント濃度の深さ方向プロファイルを算出すると、表面近傍でドーパント濃度が実際より低く測定されたり、また繰返し測定精度が悪くなる場合があることを見出した。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、ウェーハのＣ−Ｖ特性を測定することによりドーパント濃度を算出する測定方法において、特にウェーハ表面近傍のドーパント濃度を繰返し測定精度が高くかつ正確に算出することができるドーパント濃度測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、Ｃ−Ｖ法によりウェーハのＣ−Ｖ特性を測定することによりドーパント濃度を算出するドーパント濃度測定方法であって、少なくとも、ウェーハ主表面の空乏層容量リアクタンスＸｃが直列抵抗Ｒｓの１５倍以上になる条件に調整して、該調整した条件でウェーハのＣ−Ｖ特性を測定することを特徴とするドーパント濃度測定方法を提供する。

このように、ウェーハ主表面の空乏層容量リアクタンスＸｃを直列抵抗Ｒｓの１５倍以上になる条件に調整して、その調節した条件でＣ−Ｖ特性を測定することにより、測定誤差として出現してしまう直列抵抗Ｒｓの測定される空乏層容量への影響を無視できるほど小さくすることができるため、特に影響の出やすいウェーハ表面近傍の空乏層容量の測定を正確に行うことができる。さらに、直列抵抗Ｒｓによる測定結果への影響をほとんど無くすことことができるため、繰り返し測定において、ウェーハとプローブや背面電極等との接触状態が測定毎に変化して直列抵抗Ｒｓが変化した場合でも、空乏層容量の測定結果のバラツキはほとんど生じない。
従って、本発明の測定方法であれば、上記のように正確にかつ繰り返し測定の精度高く測定したＣ−Ｖ特性に基づいて、特にウェーハ表面近傍のドーパント濃度を、バラツキ無く正確に算出し、その測定されたドーパント濃度から抵抗率を導き出すことができるため、低抵抗であっても特に表層の抵抗率が保証された半導体ウェーハとすることができる。

このとき、前記ウェーハ主表面の空乏層容量リアクタンスＸｃが直列抵抗Ｒｓの１５倍以上になる条件を、印加電圧、電極面積及び容量測定周波数の内の少なくとも一つを調節することにより調整することが好ましい。
このように、印加電圧、電極面積及び容量測定周波数のいずれかを調節することで、容易に本発明の条件に調整することができる。

以上のように、本発明のドーパント濃度測定方法によれば、正確に繰り返し測定の精度高く測定したＣ−Ｖ特性に基づいて、特にウェーハ表面近傍のドーパント濃度を、バラツキ無く正確に算出し、その測定されたドーパント濃度から抵抗率を導き出すことができるため、低抵抗であっても特に表層の抵抗率が保証された半導体ウェーハとすることができる。

実際の空乏層容量Ｃに対する測定される容量ＣｍのズレのＸｃ／Ｒｓ依存性を示すグラフである。Ｃ−Ｖ特性測定装置の一例を示す模式図である。ドーパント濃度の深さ方向プロファイルを示すグラフである。空乏層容量Ｃｍの繰返し測定精度の印加電圧依存性を示すグラフである。ドーパント濃度の繰返し測定精度の深さ方向依存性を示すグラフである。深さ方向のドーパント（リン）濃度分布をＳＩＭＳで測定した結果を示すグラフである。空乏層容量Ｃｍの平均値からのズレ量の印加電圧依存性を示すグラフである。Ｃ−Ｖ特性に及ぼす直列抵抗の影響を説明するための説明図である。直列抵抗Ｒｓの空乏層容量測定に及ぼす影響を示すグラフである。実施例、比較例における空乏層容量の繰返し測定精度の印加電圧依存性を示すグラフである。実施例、比較例におけるドーパント濃度プロファイルを示すグラフである。

以下、本発明のドーパント濃度の測定方法について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図２は、Ｃ−Ｖ特性測定装置の一例を示す模式図である。
まずは、測定対象のウェーハ１１を測定装置１０の裏面電極となる金属製ステージ１３に載置する。
ステージ１３には、真空ポンプ１９に接続された真空吸着穴２０が形成されており、ウェーハ１１は真空吸着穴２０に真空吸着されることにより固定される。測定対象ウェーハ１１としては鏡面ウェーハ、エピタキシャルウェーハなどいずれであってもよく、ここでは通常の鏡面ウェーハを測定対象ウェーハとした場合を示している。ウェーハ１１の表面には、例えばショットキー電極１２が形成されている。
ショットキー電極１２は、ウェーハ１１がｎ型シリコンウェーハの場合には、一般に市販されている真空蒸着装置を用いて、例えば金を真空蒸着することにより形成できる。尚、測定装置１０は、測定中における電気的ノイズの発生を防止するために、被測定物がグランド電位になるように設定したシールドボックス１８内に、測定対象ウェーハ１１や金属製ステージ１３を設置する。

次に、ウェーハ１１の主表面に形成されたショットキー電極１２に測定用プローブ１４を接触させる。
プローブ１４にはキャパシタンスメータ１５とパルス電圧発生器１６が接続されており、キャパシタンスメータ１５とパルス電圧発生器１６は制御用コンピュータ１７に接続されている。Ｃ−Ｖ特性はパルス電圧発生器１６で階段状に変化する電圧を発生させて、電圧をショットキー電極１２に接触するプローブ１４を通してウェーハ１１に印加することによりキャパシタンスメータ１５で空乏層容量（キャパシタンス）を測定できる。

このように測定された空乏層容量等のＣ−Ｖ特性を用いて、ドーパント濃度の深さプロファイルを算出することができる。しかし、本発明者らは、実際のウェーハのドーパント濃度の深さ方向分布がフラットであるにも拘わらず、上記Ｃ−Ｖ特性からドーパント濃度の深さ方向プロファイルを測定すると、表面近傍でドーパント濃度が低下し、また、繰返し測定精度が悪くなる場合があることを見出した。
以下、その一例を実験として示すが、実際の空乏層容量Ｃと、測定された測定誤差を含む空乏層容量Ｃｍを区別して論じる。

この実験で測定されるウェーハは、ｎ型のシリコン単結晶ウェーハ（抵抗率０．００３Ωｃｍ）上に、抵抗率約０．３Ωｃｍのｎ型（ドーパントはリン）のシリコンエピタキシャル層を４μｍ形成させたウェーハである。
その測定用ウェーハに、市販の真空蒸着器を用いて金を蒸着し、直径２ｍｍで円形のショットキー電極を形成し、測定試料とした。この測定試料をＣ−Ｖ特性測定装置を用いてショットキー電極に−１Ｖ〜−２０Ｖまで１Ｖステップで電圧を階段状に変化させながら、空乏層容量Ｃｍを測定して、空乏層容量Ｃｍの印加電圧依存性（Ｃ−Ｖ特性）を測定した。空乏層容量測定に用いた周波数は１ＭＨｚである。表１に上記Ｃ−Ｖ特性の測定結果を示す。

表１からわかるように、ショットキー電極に印加する逆バイアス電圧が大きくなると、ウェーハ内部の空乏層の拡がりが大きくなるため、空乏層容量は減少している。
測定された空乏層容量Ｃｍは、逆バイアス電圧を変化させると８９５ｐＦ〜２７７ｐＦの範囲で変化している。

図３は、上記の測定したＣ−Ｖ特性より算出したドーパント濃度の深さ方向プロファイルである。
通常は、なるべくウェーハ表面近傍の抵抗率を保証する必要があるために、得られたドーパント濃度プロファイルの最も浅い位置である０．４μｍの位置のドーパント濃度から、例えばＩｒｖｉｎの換算式を用いて、抵抗率を算出し保証している。しかし、図３に示すように、ドーパント濃度は表面から０．６μｍ未満の領域では、表面（Ｄｅｐｔｈ＝０．０）に向かってドーパント濃度が大きく低下している。

なお、図３に示すように、０．９μｍより深い位置でドーパント濃度が再度低下しているが、これはショットキー電極に印加した逆バイアス電圧が大きすぎるため、ショットキー接合のリーク電流が増加したことが原因である。通常このように大きな逆バイアス電圧の範囲での測定は行わず、ウェーハ表層のドーパント濃度を正確に測定できれば、このような深い位置のドーパント濃度は抵抗率の保証に用いられない。

図６は、同一試料の深さ方向のドーパント（リン）濃度分布をＳＩＭＳ（ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎ−ｍｉｃｒｏｐｒｏｂｅＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）で測定した結果である。
試料のドーパント濃度は、表面から０．３μｍより深い領域ではドーパント濃度は表面に向かって低下する傾向が見られない。一方、表面から０．３μｍ以下の表面近傍ではドーパント濃度が上昇しているが、これはＳＩＭＳ特有の誤差に起因したものである。このように試料のドーパント濃度は表面で低下する傾向が見られないのに対して、Ｃ−Ｖ測定で求めたドーパント濃度は図３に示すように、表面付近で大きく低下しており、特に表面から０．６μｍまでの深さのドーパント濃度が正確に測定できていないことが、図６と比べても明確に分かる。

図４は、同一試料を繰返し５回測定した際の空乏層容量Ｃｍの繰返し測定精度の印加電圧依存性を示す。図４の縦軸は、５回の繰返し測定結果より印加電圧毎に算出した空乏層容量標準偏差σ_Ｃｍと、平均値ＡＶＧ_Ｃｍより算出したσ_Ｃｍ／ＡＶＧ_Ｃｍであり、空乏層容量Ｃｍの繰返し測定精度を示している。

図５は、同一試料を繰返し５回測定した結果から算出したドーパント濃度の繰返し測定精度の深さ方向依存性を示す。図５の縦軸は、５回測定のドーパント濃度の標準偏差σ_ｄを５回測定の平均値ＡＶＧ_ｄで割った値であり、ドーパント濃度の繰返し測定精度を示している。
図４、５からわかるように、表面から０．６μｍ未満の領域では、測定された空乏層容量Ｃｍ及びドーパント濃度の繰返し測定精度は、表面に向かって低下していることが分かる。

これらのことから、Ｃ−Ｖ法を通常のように行った場合では、表面から０．６μｍまでの表層の抵抗率の保証には不適切であることが分かる。
ただし、図３に示すように、表面から０．６μｍ〜０．９μｍの深さの領域ではＣ−Ｖ特性より算出したドーパント濃度プロファイルは平坦であり、問題がないことが判る。さらに、この深さの範囲では、図４、５に示すように、空乏層容量及びドーパント濃度の繰返し測定精度も良好であることが分かる。

このような知見より、本発明者らは、正確に測定できていない表面から０．６μｍ未満の領域のドーパント濃度を採用せずに、表面から０．６〜０．９μｍの深さのドーパント濃度を採用すべきであることを見出した。
この場合、できる限り表層の抵抗率を測定したいという要求は満足できないように思われるが、ウェーハにおいては深さ方向のドーパント濃度プロファイルは通常は平坦であるため、極浅い位置のドーパント濃度と深い位置のドーパント濃度はほぼ一致している。このため深い位置で測定した値で、極浅い位置のドーパント濃度を保証できる場合もある。しかしながら、ドーパント濃度の深さ方向の分布が平坦でなく傾きを有しているプロファイルの場合には問題となる。

ドーパント濃度の深さ方向の分布が平坦でなく傾きを有しているプロファイルとしては、例えばエピタキシャルウェーハにおいて、厚さが薄くなる程あるいは基板とエピタキシャル層のドーパント濃度差が大きくなる程、エピタキシャル層形成時に発生するオートドーピングにより、上記のような傾きを有する濃度プロファイルが生じやすくなることが知られている。

本発明者が鋭意検討した結果、Ｃ−Ｖ法において、表層でドーパント濃度が低下してしまう現象は、被測定試料の抵抗率が小さい場合、具体的に言えば抵抗率０．５Ωｃｍ以下の場合に特に発生しやすいことが判明した。

これは、空乏層容量Ｃや印加電圧Ｖを正確に測定できていないことを意味しており、本発明者らが、この原因を鋭意検討した結果、表面近傍でドーパント濃度、つまり空乏層容量Ｃを正確に測定できないことにあり、その原因が、直列抵抗の影響であることを見出した。
ここで、空乏層容量Ｃが正確に測定できない原因が、直列抵抗の影響であることを見出すに至った解析結果について説明する。

ウェーハのＣ−Ｖ特性の測定に及ぼす影響の要因としては、直列抵抗Ｒｓと並列容量Ｃｐが考えられる。
まず、並列容量Ｃｐについて考える。Ｃｐは空乏層容量測定の際にプローブや配線により生じる浮遊容量であり、空乏層容量Ｃと並列に発生するキャパシタンス成分である。
この場合、測定される容量をＣｍとすると、以下の（３）式で与えられる。
Ｃｍ＝Ｃ＋Ｃｐ・・・（３）
したがって測定値Ｃｍは、実際の空乏層容量Ｃに対してＣｐだけ平行移動した値となるはずである。

図７は図４で測定した結果を用いて、各印加電圧毎に５回測定した際の空乏層容量の平均値ＡＶＧ_Ｃｍに対して、１回目〜５回目の測定した各空乏層容量（Ｃｍ１〜Ｃｍ５）が、どの程度のズレがあるかを算出した結果である。横軸は印加電圧であり、縦軸はＣｍｘ−ＡＶＧ_Ｃｍ（ｘ＝１〜５）である。
図７から明らかなように、空乏層容量Ｃｍｘの平均値からのズレは、ショットキー電極に印加する逆バイアス電圧が大きくなると減少し、−６Ｖ以上（ここで、以上とは逆バイアス電圧が大きくなることを意味する）になるとほぼ一定値になる。逆バイアス電圧が大きくなると空乏層はウェーハ深さ方向に拡がるため、空乏層容量Ｃは小さくなる。しかしながら、プローブや配線により生じる浮遊容量であって、空乏層容量Ｃと並列に発生するキャパシタンス成分であるＣｐは、逆バイアス電圧とは無関係に一定である。

１回目〜５回目の測定で発生するＣｐ成分（誤差成分）がそれぞれＣｐ１〜Ｃｐ５とすると、Ｃｍ１−ＡＶＧ_Ｃｍは、以下の（４）式となる。
Ｃｍ１−ＡＶＧ_Ｃｍ＝
Ｃｐ１−（Ｃｐ１＋Ｃｐ２＋Ｃｐ３＋Ｃｐ４＋Ｃｐ５）／５・・・（４）
これは１回目に発生した浮遊容量Ｃｐ１から測定毎に発生した浮遊容量の平均値を差し引いた値である。この値は、上述したＣｐの特性を考慮すると、逆バイアス電圧によらず一定値（≒０）とならなければならないはずである。しかしながら、図７に示すように、Ｃｍｘ−ＡＶＧ_Ｃｍは逆バイアス電圧依存性を有していることから、測定されたキャパシタンスのバラツキ原因は並列容量Ｃｐでないと推定される。

次に、ウェーハのＣ−Ｖ特性に及ぼす直列抵抗の影響について図８を用いて説明する。図８（ａ）において、図２と同一部材は同一の符号で示される。図８（ａ）において、ステージ１３上のウェーハ１１の主表面には、ショットキー電極１２が形成されている。この電極１２に逆バイアス電圧を印加するとウェーハ１１内部に向かって空乏層２２が形成される。図８（ａ）で表されるウェーハ構造のＣ−Ｖ特性測定に関する等価回路は図８（ｂ）のように示すことができる。ここで、Ｃはウェーハの空乏層２２の静電容量であり、Ｇは空乏層２２のコンダクタンスである。Ｒｓは直列抵抗である。理想的なＣ−Ｖ測定の場合はＲｓは零になるが、実際の測定においては測定誤差として出現してしまう。

図８（ｃ）は図８（ｂ）の等価回路であり、Ｃｍが測定される容量であり、Ｇｍは測定されるコンダクタンスである。
この等価回路よりＣｍとＧｍを計算すると、それぞれ以下の（５）、（６）式で与えられる。

ここでω＝２πｆであり、ｆは測定周波数である。通常Ｇは極めて小さい値であり、Ｒｓ・Ｇは無視できるので（５）式は以下の（７）式のように近似することができる。

この結果より、（７）式に示すように、測定される容量ＣｍはＲｓ・ωが大きくなると小さくなり、また空乏層容量Ｃが大きくなると、Ｒｓの測定値Ｃｍへの影響が大きくなるため、さらに小さなＲｓによってもＣｍが小さくなることがわかる
図９は、（７）式を用いて算出したＣｍとＣ及びＲｓの関係を示す。実際の空乏層容量Ｃを２００−１０００ｐＦと振った場合に、直列抵抗Ｒｓと測定される空乏層容量Ｃｍの関係を示している。測定周波数は１ＭＨｚとした。

図９から明らかなように、空乏層容量Ｃが１０００ｐＦの場合には、直列抵抗Ｒｓが３Ω以下であれば、測定される空乏層容量Ｃｍも１０００ｐＦであり、問題ない。他方Ｒｓが３Ωを超えると、Ｒｓの増加とともにＣｍは小さくなり、例えばＲｓが１００Ωの場合は、測定される空乏層容量Ｃｍは７１７ｐＦとなってしまい、実際の空乏層容量Ｃより測定値Ｃｍは大幅に小さくなってしまうことを示している。
このことは仮に空乏層容量Ｃが１０００ｐＦの場合、直列抵抗Ｒｓが３〜１００Ωの範囲で変化すれば、測定される空乏層容量Ｃｍが１０００〜７１７ｐＦの範囲で変化、すなわち測定バラツキを生じることを意味している。しかしながら、実際の空乏層容量Ｃが２００ｐＦ以下の場合にはＲｓを０から１５０Ωまで変化させても、測定値Ｃｍは殆ど低下することなく、正確に空乏層容量Ｃが測定できることが分かる。この場合には、直列抵抗Ｒｓが０〜１５０Ωの範囲で変化（バラツキ）を生じても、空乏層容量Ｃｍの測定バラツキの原因にはならないことを意味している。

この解析結果と表１および図７の結果を対比して測定バラツキの原因について考えてみる。
本実験に用いたウェーハの場合、ショットキー電極への印加電圧が−１Ｖの場合、測定された空乏層容量Ｃｍは８９５ｐＦであり、−５Ｖの場合は５１８ｐＦである。さらに逆バイアス電圧が大きくなると、測定される空乏層容量Ｃｍはさらに小さくなる。
測定方法としては、１回目の測定後に、プローブを上げて、Ｃ−Ｖ測定装置の背面電極から試料をいったん取り外し、再度、試料を背面電極にセットして、プローブをショットキー電極に接触させて２回目の測定を行う。同様な手順で、３〜５回目の測定を行う。

この繰り返し測定において、試料のショットキー電極とプローブの接触状態や、試料と背面電極の接触状態は微妙に変化することにより、直列抵抗が変化すると考えられる。
前述したように、実際の空乏層容量Ｃが大きい程、すなわち逆バイアス電圧が小さい程、この直列抵抗Ｒｓの変化の影響を大きく受けて、測定される容量Ｃｍのバラツキが大きくなる。逆に、実際の空乏層容量Ｃが小さい程、すなわち逆バイアス電圧が大きい程、この直列抵抗Ｒｓの変化の影響は小さくなり、測定される容量Ｃｍのバラツキが小さくなると考えると、図７の結果を説明することができる。

次に、（７）式よりω・Ｃ・Ｒｓと実際の空乏層容量Ｃ及び測定される空乏層容量Ｃｍの関係を求める。
まず、空乏層容量リアクタンスＸｃ（Ω）を導入する。空乏層容量リアクタンスＸｃは以下の（８）式で与えられる。

ここでωは測定の角周波数、ｆは測定周波数、Ｃは実際の空乏層容量である。

図１は、（７）、（８）式より算出した（Ｃ−Ｃｍ）／Ｃ＊１００（％）のＸｃ／Ｒｓ依存性を示している。縦軸は実際の空乏層容量Ｃに対する測定される容量Ｃｍのズレがどの程度かを示している。
図１から明らかなように、Ｘｃ／Ｒｓが１５以下になると、空乏層容量Ｃと測定される容量Ｃｍのズレの割合が大きくなり、その傾きも著しく急峻になることが分かる。
このことは空乏層容量リアクタンスＸｃが直列抵抗Ｒｓの１５倍未満になる条件でＣ−Ｖ特性を測定すると、直列抵抗Ｒｓの測定される空乏層容量への影響が大きく、さらにはＸｃ／Ｒｓが変化した場合、すなわち、直列抵抗Ｒｓがバラついた場合に、測定される容量Ｃｍのバラツキが大きくなることを意味している。

前述した表層でドーパント濃度が低下してしまう現象は、被測定試料の抵抗率が小さい場合、具体的に言えば抵抗率０．５Ωｃｍ以下の場合に特に発生しやすいが、これは以下のように考えられる。

ショットキー接合における空乏層幅Ｗと逆バイアス電圧Ｖとの間には、以下の関係があることが知られている（非特許文献３参照）。

ここで、ε_Ｓｉはシリコンの誘電率、Ｖ_ｄはショットキー接合の拡散電位、Ｖは印加電圧、ｑは電荷素量、Ｎはドーパント濃度である。

Ｖ_ｄは、ショットキー接合を作製する際に蒸着する金属で決まる値である。したがって、印加電圧が同一の場合に、ドーパント濃度Ｎが高くなる、すなわち抵抗率が小さくなると空乏層幅Ｗが小さくなる。
この結果、（２）式に示すように、空乏層幅Ｗが小さくなると、実際の空乏層容量Ｃが大きくなる。実際の空乏層容量Ｃが大きくなると、（８）式に示すように空乏層容量リアクタンスＸｃが小さくなるため、Ｘｃ／Ｒｓが小さくなり、直列抵抗Ｒｓのバラツキが空乏層容量Ｃｍの測定により影響を与えることになる。従って、抵抗率０．５Ωｃｍ以下と、抵抗率が低いウェーハの測定の場合には、表層の空乏層容量が正確に測定できないようになると考えることができる。

また、図１から分かるように、実際の空乏層容量Ｃが２００、５００、１０００（ｐＦ）のいずれの場合にも重なり、同じ線上に有るため、測定される空乏層容量Ｃｍの実際の空乏層容量Ｃに対するズレは、実際の空乏層容量ＣによらずＸｃ／Ｒｓで一意的に決まることが分かる。
図１より、（Ｃ−Ｃｍ）／Ｃ＊１００（％）を、すなわち実際の空乏層容量Ｃと測定値Ｃｍのズレを０．５％以下で測定したい場合には、Ｘｃ／Ｒｓが１５以上、すなわち空乏層容量リアクタンスＸｃが直列抵抗Ｒｓの１５倍以上になる条件でＣ−Ｖ特性を測定すればよいことを見出して、本発明を完成させた。。

以下、Ｘｃ／Ｒｓが１５以上（空乏層容量リアクタンスＸｃが直列抵抗Ｒｓの１５倍以上）になる条件を見出す方法について述べる。
上記の条件に調整するために、空乏層容量リアクタンスＸｃを変化させるには、角周波数ω（＝２πｆ）と実際の空乏層容量Ｃを変化させればよく、以下の方法（Ａ）、（Ｂ）で変化させることができる。
（Ａ）測定の周波数ｆを変化させる。
（Ｂ）実際の空乏層容量Ｃを変化させる。
実際の空乏層容量Ｃを変化させるには、（２）式から明確なように、ショットキー電極面積Ａあるいは空乏層幅Ｗを変化させればよい。空乏層幅Ｗを変化させるにはショットキー電極に印加する逆バイアス電圧を変化させればよい。

直列抵抗Ｒｓが逆バイアス電圧とは無関係に一定であるため、逆バイアス電圧とＸｃ／Ｒｓは比例関係になる。また、Ｘｃ／Ｒｓが大きくなるほど、直列抵抗Ｒｓの容量測定に及ぼす影響が小さくなる。
本実験結果によると、図７に示すように、逆バイアス電圧が−６Ｖ以上で、測定される空乏層容量Ｃｍの平均値からのズレがほぼ一定値になっている。このことは−６Ｖを印加して形成された空乏層容量においてＸｃ／Ｒｓが１５以上になったと判断することができる。
したがって、−６Ｖ以上の印加電圧を印加した場合に、測定された空乏層容量Ｃｍは実際の空乏層容量Ｃと等しいと考えることができる。

表１に示すように、ショットキー電極への印加電圧が−６Ｖの場合は、測定された空乏層容量Ｃｍは４８０ｐＦである。よって、実際の空乏層容量Ｃも４８０ｐＦであると判断できる。
この測定の測定周波数は１ＭＨｚであるので、空乏層容量Ｃ＝４８０ｐＦの空乏層容量リアクタンスＸｃは、（８）式より３３１Ωである。
直列抵抗Ｒｓは逆バイアス電圧とは無関係に一定であると考えられるので、今回の場合は空乏層容量リアクタンスＸｃが３３１Ω以上であれば、必ずＸｃ／Ｒｓが１５以上になっており、直列抵抗Ｒｓの影響を排除することができる。この結果、空乏層容量Ｃを正確にかつ繰返し精度よく測定できる。

以上の本発明者らの知見により見出された本発明のドーパント濃度測定方法は、Ｃ−Ｖ法によりウェーハのＣ−Ｖ特性を測定することによりドーパント濃度を算出するドーパント濃度測定方法であって、少なくとも、ウェーハ主表面の空乏層容量リアクタンスＸｃが直列抵抗Ｒｓの１５倍以上になる条件に調整して、該調整した条件でウェーハのＣ−Ｖ特性を測定することを特徴とするドーパント濃度測定方法である。

このように、ウェーハ主表面の空乏層容量リアクタンスＸｃが直列抵抗Ｒｓの１５倍以上になる条件に調整して、その調節した条件でＣ−Ｖ特性を測定することにより、測定誤差として出現してしまう直列抵抗Ｒｓの測定される空乏層容量への影響を無視できるほど小さくすることができるため、特に影響の出やすいウェーハ表面近傍の空乏層容量の測定を正確に行うことができる。さらに、直列抵抗Ｒｓによる測定結果への影響をほとんど無くすことことができるため、繰り返し測定において、ウェーハとプローブや背面電極等との接触状態が測定毎に変化して直列抵抗Ｒｓが変化した場合でも、空乏層容量の測定結果のバラツキはほとんど生じない。
従って、本発明の測定方法であれば、上記のように正確にかつ繰り返し測定の精度高く測定したＣ−Ｖ特性に基づいて、特にウェーハ表面近傍のドーパント濃度を、バラツキ無く正確に算出し、その測定されたドーパント濃度から抵抗率を導き出すことができるため、低抵抗であっても特に表層の抵抗率が保証された高品質の半導体ウェーハとすることができる。

本発明に用いることができる装置としては、特に限定されず、図２に示すような通常のものを用いることができ、またＣ−Ｖ法による測定方法も上述した方法で実施できる。

ウェーハ主表面の空乏層容量リアクタンスＸｃが直列抵抗Ｒｓの１５倍以上になる条件を、予め上記のような実験を行って求めておくことが好ましく、また、上記条件に調整する方法としては、特に限定されないが、印加電圧、電極面積及び容量測定周波数の内の少なくとも一つを調節することにより調整することが好ましい。
このように、印加電圧、電極面積及び容量測定周波数のいずれかを調節することで、容易に本発明の条件に調整することができる。

また、上記実験ではショットキー接合のウェーハを測定対象としたが、本発明の測定方法は、ＭＯＳ構造やｐｎ接合を形成した構造のウェーハにも適用可能であり、測定されるウェーハの種類や、電極の種類は特に限定されない。また、本発明の測定方法は、上述したように、従来の方法では正確な測定が困難であった抵抗率０．５Ωｃｍ以下のウェーハに適用するのが好ましい。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例、比較例）
測定するウェーハとして、ｎ型のシリコン単結晶ウェーハ（抵抗率０．００３Ωｃｍ）上に抵抗率、約０．３Ωｃｍのｎ型（ドーパントはリン）のシリコンエピタキシャル層を４μｍ形成させたウェーハを準備した。
その測定用ウェーハに、真空蒸着器を用いて金を蒸着し、直径２ｍｍで円形のショットキー電極を形成し、上記実験と同じ条件の測定試料とした。

次に、測定試料を、図２に示すようなＣ−Ｖ特性測定装置のシールドボックス内の背面電極に載置し、その後真空吸着し固定させた。その後、プローブを測定試料の表面に形成したショットキー電極に接触させた後、ボックスの蓋を閉じて、外光を遮断した。
その後、ＬＣＲメータ（アジレント社製４２８４Ａ）によりショットキー電極に−１Ｖ〜−２０Ｖまで１Ｖステップで電圧を階段状に変化させながら、空乏層容量Ｃｍを測定して、１回目の空乏層容量の印加電圧依存性を測定した。
１回目の測定後に、シールドボックスの蓋をあけ、プローブを上げて、背面電極から試料をいったん取り外し、再度、試料を背面電極にセットして、プローブをショットキー電極に接触させて２回目の測定を行う。同様な手順で、合計５回の測定を行った。

予め行った上記の実験の結果より、ウェーハ主表面の空乏層容量リアクタンスＸｃが直列抵抗Ｒｓの１５倍以上になる条件に調整するために、実施例は空乏層容量測定に用いた周波数を１００ＫＨｚに調節して、比較例は実験と同じ１ＭＨに設定して、測定を行った。
図１０は、各印加電圧毎に５回測定した際の空乏層容量Ｃｍの標準偏差σを平均値ＡＶＧで割った繰返し測定精度の印加電圧依存性を示す。
図１０から明らかなように、比較例の場合は印加電圧が−１〜−６Ｖ未満の範囲で空乏層容量Ｃｍの繰返し測定精度が低下しているが、実施例では繰返し精度は低下せずに良好な結果である。

比較例の条件は、試料、測定条件（周波数１ＭＨｚ）ともに上記実験と同じであり、試料を１ＭＨｚの周波数（比較例）で測定した空乏層容量Ｃｍは、表１に示すように、印加電圧が−１Ｖ、−６Ｖの場合、それぞれ８９５ｐＦと４８０ｐＦであり、空乏層容量リアクタンスはそれぞれ１７８Ω、３３３Ωである。
図７に示す実験の結果より、空乏層容量リアクタンスＸｃが３３１Ω以上であれば、空乏層容量リアクタンスＸｃが直列抵抗Ｒｓの１５倍以上であり直列抵抗Ｒｓの影響を排除できるが、印加電圧が−６Ｖ未満の場合はＸｃが３３１Ω以下であるため、直列抵抗Ｒｓの影響を受けて、測定容量のバラツキが大きくなる。このバラツキはＸｃが小さい程、すなわち印加電圧が小さいほど大きくなってしまう。このため、印加電圧が−１Ｖから−６Ｖの範囲では、印加電圧の低下に伴い、測定バラツキが大きくなると解釈できる。

他方、測定周波数が１００ＫＨｚ（実施例）の場合は、測定された空乏層容量Ｃｍは印加電圧が−１Ｖ、−６Ｖの場合にそれぞれ９０５ｐＦと４８１ｐＦであった。
この結果から空乏層容量リアクタンスを計算すると、それぞれ１７６０Ω、３３３３Ωであり、いずれの場合も３３１Ωより大きい。従って、空乏層容量リアクタンスＸｃが直列抵抗Ｒｓの１５倍以上の条件で測定できている。
この結果、実施例においては直列抵抗Ｒｓの影響を排除できたために、繰返し精度が低下しなかったと考えられる。

印加電圧が−１Ｖの場合の測定された空乏層容量Ｃｍは、測定周波数が１ＭＨｚの場合（比較例）は８９５ｐＦであるが、１００ＫＨｚの場合（実施例）は９０５ｐＦと、実施例の方が１０ｐＦ大きくなっている。
実施例の方の測定値が実際の空乏層容量Ｃであると考えられるので、比較例で測定した場合は、実際の空乏層容量Ｃは９０５ｐＦであるにもかかわらず、直列抵抗Ｒｓの影響を受けて、測定された空乏層容量Ｃｍは８９５ｐＦと小さめに測定されたと考えられる。

ここでＣｍ＝８９５ｐＦ、Ｃ＝９０５ｐＦ、ω＝６．２８×１０^６ｒａｄ／ｓを（７）式に代入して直列抵抗Ｒｓを算出すると１９Ωになる。
直列抵抗Ｒｓの影響を排除するには空乏層容量リアクタンスＸｃはＲｓの１５倍以上であればよいので、計算するとＸｃが２８５Ω以上であればよいことが分かる。
この値は図７の実験データから求めた値、３３１Ω以上と良い一致をしており、解析結果と実験結果は一致したと考えてよい。

図１１は比較例と実施例の方法でＣ−Ｖ特性を測定した結果より算出したドーパント濃度の深さ方向プロファイルを示している。比較例に比べ、実施例においては深さ方向に平坦なドーパント濃度プロファイルが得られており、表層までドーパント濃度プロファイルを正確に測定できることが分かる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１０…Ｃ−Ｖ特性測定装置、１１…ウェーハ、１２…電極、
１３…ステージ、１４…プローブ、１５…キャパシタンスメータ、
１６…パルス電圧発生器、１７…制御用コンピュータ、
１８…シールドボックス、１９…真空ポンプ、２０…真空吸着穴。

Claims

Ｃ−Ｖ法によりウェーハのＣ−Ｖ特性を測定することによりドーパント濃度を算出するドーパント濃度測定方法であって、少なくとも、抵抗率が０．５Ωｃｍ以下のウェーハのＣ−Ｖ特性を繰り返し測定して空乏層容量Ｃｍの印加電圧依存性を求め、該求めた空乏層容量Ｃｍの印加電圧依存性に基づいて、ウェーハ主表面の空乏層容量リアクタンスＸｃが、前記繰り返し測定において測定誤差として求められる直列抵抗Ｒｓの１５倍以上になる条件に調整して、該調整した条件でウェーハのＣ−Ｖ特性を測定することを特徴とするドーパント濃度測定方法。
前記ウェーハ主表面の空乏層容量リアクタンスＸｃが直列抵抗Ｒｓの１５倍以上になる条件を、印加電圧、電極面積及び容量測定周波数の内の少なくとも一つを調節することにより調整することを特徴とする請求項１に記載のドーパント濃度測定方法。