JPH06349920A - 半導体ウェハの電荷量測定方法 - Google Patents
半導体ウェハの電荷量測定方法Info
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- JPH06349920A JPH06349920A JP5164144A JP16414493A JPH06349920A JP H06349920 A JPH06349920 A JP H06349920A JP 5164144 A JP5164144 A JP 5164144A JP 16414493 A JP16414493 A JP 16414493A JP H06349920 A JPH06349920 A JP H06349920A
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- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 半導体ウェハの表面付近に蓄積される電荷量
を測定する。 【構成】 非接触C−V測定装置を用いて、チャージア
ップ前後のフラットバンドを測定する。この際、非接触
C−V測定装置の測定用電極と、半導体ウェハの表面と
の間のギャップも測定する。蓄積された電荷量は、チャ
ージアップ前後のフラットバンド電圧の測定値と、ギャ
ップの測定値とに基づいて算出される。
を測定する。 【構成】 非接触C−V測定装置を用いて、チャージア
ップ前後のフラットバンドを測定する。この際、非接触
C−V測定装置の測定用電極と、半導体ウェハの表面と
の間のギャップも測定する。蓄積された電荷量は、チャ
ージアップ前後のフラットバンド電圧の測定値と、ギャ
ップの測定値とに基づいて算出される。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体ウェハの電荷
量を測定する方法に関し、特に、処理工程において絶縁
膜中に蓄積された電荷量を測定する方法に関する。
量を測定する方法に関し、特に、処理工程において絶縁
膜中に蓄積された電荷量を測定する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体の製造工程の中で、イオン注入、
薄膜堆積(プラズマCVD)などの不純物導入工程や、
エッチングやレジストの除去等に用いられるプラズマ処
理工程においては、半導体ウェハが荷電粒子に曝されて
ウェハの表面付近、特に、その絶縁膜中に電荷が蓄積さ
れることが知られている。また、洗浄工程においては、
半導体ウェハの表面と気体や液体との摩擦によってウェ
ハの表面が帯電する。
薄膜堆積(プラズマCVD)などの不純物導入工程や、
エッチングやレジストの除去等に用いられるプラズマ処
理工程においては、半導体ウェハが荷電粒子に曝されて
ウェハの表面付近、特に、その絶縁膜中に電荷が蓄積さ
れることが知られている。また、洗浄工程においては、
半導体ウェハの表面と気体や液体との摩擦によってウェ
ハの表面が帯電する。
【0003】半導体ウェハの表面付近における過剰な電
荷の蓄積は高電界をもたらすので、半導体素子の構造を
破壊したり素子特性を悪化させたりする原因となり、ひ
いては半導体製造の歩留まりを低下させる原因となって
いる。しかし、同じ処理工程であっても、個々の処理装
置によってウェハ中に蓄積される電荷量(以下、「チャ
ージアップ量」と呼ぶ)がかなり異なる。すなわち、調
整の良い装置ではチャージアップ量が少なく、調整の悪
い装置ではチャージアップ量が多い。そこで、処理装置
の調整の良否を判定するために、半導体ウェハに蓄積さ
れた電荷量を評価したいという要望がある。
荷の蓄積は高電界をもたらすので、半導体素子の構造を
破壊したり素子特性を悪化させたりする原因となり、ひ
いては半導体製造の歩留まりを低下させる原因となって
いる。しかし、同じ処理工程であっても、個々の処理装
置によってウェハ中に蓄積される電荷量(以下、「チャ
ージアップ量」と呼ぶ)がかなり異なる。すなわち、調
整の良い装置ではチャージアップ量が少なく、調整の悪
い装置ではチャージアップ量が多い。そこで、処理装置
の調整の良否を判定するために、半導体ウェハに蓄積さ
れた電荷量を評価したいという要望がある。
【0004】従来は、専用のプローブを被測定ウェハに
接触させ、あるいは近接させてウェハの表面電位を計測
し、表面電位の大小によってチャージアップ量を評価し
ていた。
接触させ、あるいは近接させてウェハの表面電位を計測
し、表面電位の大小によってチャージアップ量を評価し
ていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、表面電位から
は単位面積当たりのチャージアップ量を算出することが
できず、表面電位はチャージアップ量の目安を示す単な
る指標に過ぎないものであった。すなわち、従来は、半
導体ウェハのチャージアップ量そのものを測定できる方
法が知られていなかった。
は単位面積当たりのチャージアップ量を算出することが
できず、表面電位はチャージアップ量の目安を示す単な
る指標に過ぎないものであった。すなわち、従来は、半
導体ウェハのチャージアップ量そのものを測定できる方
法が知られていなかった。
【0006】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、半導体ウェハの
表面付近に蓄積される電荷量を測定することのできる方
法を提供することを目的とする。
を解決するためになされたものであり、半導体ウェハの
表面付近に蓄積される電荷量を測定することのできる方
法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段および作用】この発明によ
る方法は、半導体ウェハに対する所定の処理において、
半導体ウェハ表面の絶縁膜に蓄積される電荷量を測定す
る方法であって、(A)前記所定の処理前の半導体ウェ
ハについてC−V測定を行なうことによって、第1のフ
ラットバンド電圧を求める工程と、(B)前記半導体ウ
ェハに前記所定の処理を行なう工程と、(C)前記所定
の処理後の前記半導体ウェハについてC−V測定を行な
うことによって、第2のフラットバンド電圧を求める工
程と、(D)前記第1と第2のフラットバンド電圧に基
づいて前記所定の処理により前記絶縁膜に蓄積された電
荷量を算出する工程と、を備える。
る方法は、半導体ウェハに対する所定の処理において、
半導体ウェハ表面の絶縁膜に蓄積される電荷量を測定す
る方法であって、(A)前記所定の処理前の半導体ウェ
ハについてC−V測定を行なうことによって、第1のフ
ラットバンド電圧を求める工程と、(B)前記半導体ウ
ェハに前記所定の処理を行なう工程と、(C)前記所定
の処理後の前記半導体ウェハについてC−V測定を行な
うことによって、第2のフラットバンド電圧を求める工
程と、(D)前記第1と第2のフラットバンド電圧に基
づいて前記所定の処理により前記絶縁膜に蓄積された電
荷量を算出する工程と、を備える。
【0008】フラットバンド電圧は半導体ウェハの表面
付近における電荷量の分布を積分した成分を含むので、
所定の処理前後の第1と第2のフラットバンド電圧を分
析すれば、所定の処理によって半導体ウェハの表面付近
に蓄積された電荷量を求めることができる。
付近における電荷量の分布を積分した成分を含むので、
所定の処理前後の第1と第2のフラットバンド電圧を分
析すれば、所定の処理によって半導体ウェハの表面付近
に蓄積された電荷量を求めることができる。
【0009】なお、C−V測定を行なうための測定用電
極と、該測定用電極を半導体ウェハの表面の上方にギャ
ップを隔てて保持する透光性の電極保持部材と、該電極
保持部材の所定の反射面に対して所定の単色光を幾何学
的な全反射条件で入射させる単色光発生器と、前記反射
面によって反射された単色光の強度を測定するセンサ
と、該センサで測定された前記単色光の強度に基づいて
前記ギャップを測定するギャップ測定器と、前記測定用
電極を用いて半導体ウェハのC−V曲線を測定するC−
V測定器と、前記電極保持部材と前記単色光発生器と前
記センサとを前記ギャップの増減方向に沿って前記半導
体ウェハと相対的に移動させる駆動部と、を備えた非接
触C−V測定装置を、工程(A)および工程(C)にお
いて用いることが好ましい。この際、前記工程(A)
は、前記ギャップ測定器で前記半導体ウェハの表面と前
記測定用電極との間の第1のギャップを測定する工程
と、前記C−V測定器でC−V測定を行なうことによっ
て第1のフラットバンド電圧を測定する工程とを含み、
前記工程(C)は、前記ギャップ測定器で前記半導体ウ
ェハの表面と前記測定用電極との間の第2のギャップを
測定する工程と、前記C−V測定器でC−V測定を行な
うことによって第2のフラットバンド電圧を測定する工
程とを含み、工程(D)は、前記第1および第2のギャ
ップと前記第1および第2のフラットバンド電圧とに基
づいて絶縁膜に蓄積された電荷量を算出する工程を含
む。
極と、該測定用電極を半導体ウェハの表面の上方にギャ
ップを隔てて保持する透光性の電極保持部材と、該電極
保持部材の所定の反射面に対して所定の単色光を幾何学
的な全反射条件で入射させる単色光発生器と、前記反射
面によって反射された単色光の強度を測定するセンサ
と、該センサで測定された前記単色光の強度に基づいて
前記ギャップを測定するギャップ測定器と、前記測定用
電極を用いて半導体ウェハのC−V曲線を測定するC−
V測定器と、前記電極保持部材と前記単色光発生器と前
記センサとを前記ギャップの増減方向に沿って前記半導
体ウェハと相対的に移動させる駆動部と、を備えた非接
触C−V測定装置を、工程(A)および工程(C)にお
いて用いることが好ましい。この際、前記工程(A)
は、前記ギャップ測定器で前記半導体ウェハの表面と前
記測定用電極との間の第1のギャップを測定する工程
と、前記C−V測定器でC−V測定を行なうことによっ
て第1のフラットバンド電圧を測定する工程とを含み、
前記工程(C)は、前記ギャップ測定器で前記半導体ウ
ェハの表面と前記測定用電極との間の第2のギャップを
測定する工程と、前記C−V測定器でC−V測定を行な
うことによって第2のフラットバンド電圧を測定する工
程とを含み、工程(D)は、前記第1および第2のギャ
ップと前記第1および第2のフラットバンド電圧とに基
づいて絶縁膜に蓄積された電荷量を算出する工程を含
む。
【0010】非接触C−V測定装置を用いれば、ウェハ
表面に電極を形成する必要が無いのでC−V測定を容易
に行なうことができる。なお、半導体ウェハの表面と測
定用電極との間のギャップによるフラットバンド電圧へ
の寄与分を算出できるので、所定の処理前後における第
1と第2のギャップの値が互いに等しい場合にも、ま
た、互いに異なる場合にも、前記第1および第2のギャ
ップと前記第1および第2のフラットバンド電圧とに基
づいて絶縁膜に蓄積された電荷量を算出することができ
る。
表面に電極を形成する必要が無いのでC−V測定を容易
に行なうことができる。なお、半導体ウェハの表面と測
定用電極との間のギャップによるフラットバンド電圧へ
の寄与分を算出できるので、所定の処理前後における第
1と第2のギャップの値が互いに等しい場合にも、ま
た、互いに異なる場合にも、前記第1および第2のギャ
ップと前記第1および第2のフラットバンド電圧とに基
づいて絶縁膜に蓄積された電荷量を算出することができ
る。
【0011】
【実施例】A.装置の構成:図1は、非接触C−V測定
装置の構成を示す概念図である。この非接触C−V測定
装置は、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
部に設置された架台3とを備えている。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
斜面にはGaAlAsレーザなどのレーザ発振器5が固
定され、他方の斜面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。
装置の構成を示す概念図である。この非接触C−V測定
装置は、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
部に設置された架台3とを備えている。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
斜面にはGaAlAsレーザなどのレーザ発振器5が固
定され、他方の斜面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。
【0012】プリズム4の底面4aは、半導体ウェハ1
00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。プリズム4の底面4aに
は、リング状の測定用電極201が形成されている。プ
リズム4の下方には、ギャップGを介して半導体ウェハ
100が試料台7上に保持されており、半導体ウェハ1
00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。なお、試料台7は、図示
しないモータで駆動されて水平面内で回転し、また、図
示しない移動テーブル上に載置されて移動する。
00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。プリズム4の底面4aに
は、リング状の測定用電極201が形成されている。プ
リズム4の下方には、ギャップGを介して半導体ウェハ
100が試料台7上に保持されており、半導体ウェハ1
00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。なお、試料台7は、図示
しないモータで駆動されて水平面内で回転し、また、図
示しない移動テーブル上に載置されて移動する。
【0013】この非接触C−V測定装置では、特開平4
−132236号公報に詳述されているように、プリズ
ム4の底面4a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、ギャップGおよびdair の値
が測定される。
−132236号公報に詳述されているように、プリズ
ム4の底面4a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、ギャップGおよびdair の値
が測定される。
【0014】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、位置制御装置11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。受光センサ
6には光量測定器12が接続され、測定用電極201と
金属製の試料台7にはインピーダンスメータ13がそれ
ぞれ接続されている。インピーダンスメータ13は、測
定用電極201と試料台7との間の合成容量を測定する
機器である。位置制御装置11と光量測定器12とイン
ピーダンスメータ13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。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。
1が接続されており、位置制御装置11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。受光センサ
6には光量測定器12が接続され、測定用電極201と
金属製の試料台7にはインピーダンスメータ13がそれ
ぞれ接続されている。インピーダンスメータ13は、測
定用電極201と試料台7との間の合成容量を測定する
機器である。位置制御装置11と光量測定器12とイン
ピーダンスメータ13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。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。
【0015】B.半導体の電荷分布とフラットバンド電
圧との関係:図2は、半導体表面の酸化膜付近における
電荷分布を示すグラフである。図2(A)は、基板10
1と、厚みdoxの酸化膜102とを有する半導体ウェハ
100の表面から、ギャップdair を隔てて測定用電極
201が保持されている様子を示している。また、図2
(B)において、水平軸は半導体基板101と酸化膜1
02の界面からの距離を示しており、垂直軸は電荷密度
を示している。ρ(x)は所定の処理前の電荷密度分布
の一例であり、Niは所定の処理によって蓄積された電
荷密度分布の一例である。
圧との関係:図2は、半導体表面の酸化膜付近における
電荷分布を示すグラフである。図2(A)は、基板10
1と、厚みdoxの酸化膜102とを有する半導体ウェハ
100の表面から、ギャップdair を隔てて測定用電極
201が保持されている様子を示している。また、図2
(B)において、水平軸は半導体基板101と酸化膜1
02の界面からの距離を示しており、垂直軸は電荷密度
を示している。ρ(x)は所定の処理前の電荷密度分布
の一例であり、Niは所定の処理によって蓄積された電
荷密度分布の一例である。
【0016】図2において、ギャップdair はεox×d
air の厚みの酸化膜と見なすことができるので、図2
(A)の構造は(εox×dair +dox)の厚みの酸化膜
を有したMOSキャパシタと考えることができる。図3
に示すC−V曲線CV1は、チャージアップ前後(すな
わち、所定の処理前後)のC−V曲線を示すグラフであ
る。C−V曲線CV1に対するVfbは、次の数式1で
表わされる。
air の厚みの酸化膜と見なすことができるので、図2
(A)の構造は(εox×dair +dox)の厚みの酸化膜
を有したMOSキャパシタと考えることができる。図3
に示すC−V曲線CV1は、チャージアップ前後(すな
わち、所定の処理前後)のC−V曲線を示すグラフであ
る。C−V曲線CV1に対するVfbは、次の数式1で
表わされる。
【数1】 ここでΦmsは測定用電極201と半導体基板101の仕
事関数差、ε0 は真空中の誘電率、εoxは絶縁膜の比誘
電率、doxは絶縁膜の厚さ、dair はギャップ、ρ
(x)は絶縁膜中の電荷密度分布を表す。
事関数差、ε0 は真空中の誘電率、εoxは絶縁膜の比誘
電率、doxは絶縁膜の厚さ、dair はギャップ、ρ
(x)は絶縁膜中の電荷密度分布を表す。
【0017】所定の処理工程において荷電粒子が半導体
ウェハに照射されてチャージアップすると、図2(B)
において電荷分布Niとして示されるように、半導体基
板/酸化膜界面から距離(dox−Rp)の位置を中心と
して電荷が蓄積される。ここで、Rpは投影飛程と呼ば
れる値であり、酸化膜中に導入される電荷の侵入深さ
(正確には表面から電荷中心までの距離)を示してい
る。投影飛程Rpは、荷電粒子の種類と加速電圧とから
理論的に算出することができる。例えばAs+ イオンを
50KeVで加速してシリコン酸化膜に打ち込む場合に
は、投影飛程Rpは26nmとなることが知られてい
る。また、電荷分布Niは投影飛程Rpを電荷中心とし
て、標準偏差△Rpを有するガウス分布となることがL
SS理論として知られている。
ウェハに照射されてチャージアップすると、図2(B)
において電荷分布Niとして示されるように、半導体基
板/酸化膜界面から距離(dox−Rp)の位置を中心と
して電荷が蓄積される。ここで、Rpは投影飛程と呼ば
れる値であり、酸化膜中に導入される電荷の侵入深さ
(正確には表面から電荷中心までの距離)を示してい
る。投影飛程Rpは、荷電粒子の種類と加速電圧とから
理論的に算出することができる。例えばAs+ イオンを
50KeVで加速してシリコン酸化膜に打ち込む場合に
は、投影飛程Rpは26nmとなることが知られてい
る。また、電荷分布Niは投影飛程Rpを電荷中心とし
て、標準偏差△Rpを有するガウス分布となることがL
SS理論として知られている。
【0018】図3に示すC−V曲線CV2は、酸化膜が
負に帯電した場合のチャージアップ後のC−V曲線であ
る。このC−V曲線CV2から得られるフラットバンド
電圧V'fbは、次の数式2で与えられる。
負に帯電した場合のチャージアップ後のC−V曲線であ
る。このC−V曲線CV2から得られるフラットバンド
電圧V'fbは、次の数式2で与えられる。
【数2】 ここでqは電気素量である。また、Niはイオン注入に
より蓄積した電荷の分布であり、その関数形Ni(y)
は次の数式3に示すようにガウス分布で与えられる。
より蓄積した電荷の分布であり、その関数形Ni(y)
は次の数式3に示すようにガウス分布で与えられる。
【数3】 なお、数式2では、y=x+Rp−doxである。
【0019】投影飛程の標準偏差△Rpが数nm程度で
あれば、ギャップdair や絶縁膜厚doxと比べて△Rp
を無視できるので、酸化膜表面から投影飛程Rpの位置
(x=dox−Rp)に電荷が局在していると見なすこと
ができる。この時の電荷量を以下では単にNiとする。
あれば、ギャップdair や絶縁膜厚doxと比べて△Rp
を無視できるので、酸化膜表面から投影飛程Rpの位置
(x=dox−Rp)に電荷が局在していると見なすこと
ができる。この時の電荷量を以下では単にNiとする。
【0020】C.ギャップが一定の場合の測定方法:チ
ャージアップの前後のC−V測定におけるギャップdai
r が一定の場合には、数式1,2よりフラットバンド電
圧のシフト量△Vfb=V'fb −Vfbは、次の数式4で与
えられる。
ャージアップの前後のC−V測定におけるギャップdai
r が一定の場合には、数式1,2よりフラットバンド電
圧のシフト量△Vfb=V'fb −Vfbは、次の数式4で与
えられる。
【数4】
【0021】数式4において、Rp,ε0 ,εoxは既知
なので、測定されたフラットバンド電圧のシフト量ΔV
fbとギャップdair から、数式4を用いてチャージアッ
プ量qNiを求めることができる。
なので、測定されたフラットバンド電圧のシフト量ΔV
fbとギャップdair から、数式4を用いてチャージアッ
プ量qNiを求めることができる。
【0022】なお、数式4によれば、フラットバンド電
圧のシフト量ΔVfbがギャップdair に対して直線的に
変化する。従って、同じチャージアップ量qNiでも、
ギャップdair を小さくするとフラットバンド電圧のシ
フト量△Vfbの絶対値は小さくなる。反対に、ギャップ
dair を大きくするとシフト量△Vfbの絶対値は大きく
なり、測定精度が向上する。
圧のシフト量ΔVfbがギャップdair に対して直線的に
変化する。従って、同じチャージアップ量qNiでも、
ギャップdair を小さくするとフラットバンド電圧のシ
フト量△Vfbの絶対値は小さくなる。反対に、ギャップ
dair を大きくするとシフト量△Vfbの絶対値は大きく
なり、測定精度が向上する。
【0023】なお、計測できるフラットバンド電圧Vfb
のシフト量△Vfbの大きさは、外部電源の最大電圧また
は電圧測定器の最大電圧以上にはできないので、チャー
ジアップ量qNiが多くなるとチャージアップ後のフラ
ットバンド電圧を測定できない場合もある。従って、チ
ャージアップ量qNiが多い場合には、測定用電極20
1をウェハに十分近づけてC−V測定を行なえばよい。
例えば、酸化膜102が、Ni=1013cm-2、Rp=
0の状態で負に帯電したと仮定し、また、外部電源の最
大電圧レンジを100Vと仮定した場合に、ギャップd
air を250nmに設定すると、フラットバンド電圧の
シフト量ΔVfbは約452Vとなる。しかし、ギャップ
dair を50nmに設定すれば、シフト量ΔVfbは9
0.4V程度となる。測定レンジの最大電圧が例えば1
00Vの場合にも、ギャップdairを50nmに設定す
れば測定可能となる。このように、この発明では、ギャ
ップdair を調整することによって測定できるフラット
バンド電圧のレンジを変えることが可能であるという利
点がある。なお、数式4を用いてチャージアップ量を測
定する場合には、チャージアップ前後の計測におけるギ
ャップdair が一定になるように調整する必要がある。
のシフト量△Vfbの大きさは、外部電源の最大電圧また
は電圧測定器の最大電圧以上にはできないので、チャー
ジアップ量qNiが多くなるとチャージアップ後のフラ
ットバンド電圧を測定できない場合もある。従って、チ
ャージアップ量qNiが多い場合には、測定用電極20
1をウェハに十分近づけてC−V測定を行なえばよい。
例えば、酸化膜102が、Ni=1013cm-2、Rp=
0の状態で負に帯電したと仮定し、また、外部電源の最
大電圧レンジを100Vと仮定した場合に、ギャップd
air を250nmに設定すると、フラットバンド電圧の
シフト量ΔVfbは約452Vとなる。しかし、ギャップ
dair を50nmに設定すれば、シフト量ΔVfbは9
0.4V程度となる。測定レンジの最大電圧が例えば1
00Vの場合にも、ギャップdairを50nmに設定す
れば測定可能となる。このように、この発明では、ギャ
ップdair を調整することによって測定できるフラット
バンド電圧のレンジを変えることが可能であるという利
点がある。なお、数式4を用いてチャージアップ量を測
定する場合には、チャージアップ前後の計測におけるギ
ャップdair が一定になるように調整する必要がある。
【0024】D.ギャップが異なる場合の測定方法:チ
ャージアップの前後の計測におけるギャップdair が異
なる場合にも、以下のようにすればチャージアップ量q
Niを求めることができる。
ャージアップの前後の計測におけるギャップdair が異
なる場合にも、以下のようにすればチャージアップ量q
Niを求めることができる。
【0025】酸化膜中の電荷がすべて半導体基板/酸化
膜界面に集中していると見なしてその見かけの電荷量q
Nfbを用いると、チャージアップ前のフラットバンド電
圧Vfbを与える数式1は、次の数式5のように書き換え
ることができる。
膜界面に集中していると見なしてその見かけの電荷量q
Nfbを用いると、チャージアップ前のフラットバンド電
圧Vfbを与える数式1は、次の数式5のように書き換え
ることができる。
【数5】
【0026】同様に、半導体基板/酸化膜界面の見かけ
の電荷量qN'fb を用いると、チャージアップ後のフラ
ットバンド電圧V'fb を与える数式2は、次の数式6の
ように書き換えることができる。
の電荷量qN'fb を用いると、チャージアップ後のフラ
ットバンド電圧V'fb を与える数式2は、次の数式6の
ように書き換えることができる。
【数6】
【0027】数式6における見かけの電荷量qN'fb
は、数式5における見かけの電荷量qNfbとチャージア
ップされた電荷量qNiとが加算されたものである。従
って、数式6はさらに次の数式7のように書き換えられ
る。
は、数式5における見かけの電荷量qNfbとチャージア
ップされた電荷量qNiとが加算されたものである。従
って、数式6はさらに次の数式7のように書き換えられ
る。
【数7】 ここで、(Rp+εoxd'air)は、チャージアップされ
た電荷の中心位置から測定用電極201までの距離を、
酸化膜の厚さに換算した値である(図2(B)参照)。
ただし、投影飛程の標準偏差△Rpは0としている。
た電荷の中心位置から測定用電極201までの距離を、
酸化膜の厚さに換算した値である(図2(B)参照)。
ただし、投影飛程の標準偏差△Rpは0としている。
【0028】数式6、7からフラットバンド電圧V'fb
を消去すると、チャージアップ量qNiが次の数式8で
与えられる。
を消去すると、チャージアップ量qNiが次の数式8で
与えられる。
【数8】
【0029】チャージアップ前後のフラットバンド電圧
Vfb,V'fb とギャップdair ,d'airを測定すれば、
数式5および6から、見かけの電荷量qNfb,qN'fb
をそれぞれ算出できる。そして、Nfb,N'fb の値を数
式8に代入すればチャージアップ量qNiを求めること
ができる。数式5、6におけるギャップdair,d'air
は等しくなくてもよいので、チャージアップ前後におけ
るギャップが異なる場合には、数式8を用いてチャージ
アップ量qNiを求めることが可能である。
Vfb,V'fb とギャップdair ,d'airを測定すれば、
数式5および6から、見かけの電荷量qNfb,qN'fb
をそれぞれ算出できる。そして、Nfb,N'fb の値を数
式8に代入すればチャージアップ量qNiを求めること
ができる。数式5、6におけるギャップdair,d'air
は等しくなくてもよいので、チャージアップ前後におけ
るギャップが異なる場合には、数式8を用いてチャージ
アップ量qNiを求めることが可能である。
【0030】E.測定方法と測定例:図4は、本発明の
実施例における測定方法を示すフローチャートである。
ステップS1では、熱酸化、化学気相成長(CVD)法
等によって電気的、化学的に安定な絶縁膜を半導体ウェ
ハ上に形成する。ステップS2では、この半導体ウェハ
を、図1に示す非接触C−V測定装置にセットしてC−
V測定を実施し、チャージアップ前のフラットバンド電
圧Vfbを求める。この時、測定用電極201と酸化膜1
02のギャップdair は所定の値に設定される。ただ
し、ギャップdair の正確な値は、プリズム4の底面4
aで全反射されるレーザ光のトンネル効果を利用して測
定される。ステップS3では、ホストコントローラ14
がC−V曲線を解析してフラットバンド電圧Vfbを求め
る。フラットバンド電圧Vfbの値は、ホストコントロー
ラ14内のメモリに記憶される。
実施例における測定方法を示すフローチャートである。
ステップS1では、熱酸化、化学気相成長(CVD)法
等によって電気的、化学的に安定な絶縁膜を半導体ウェ
ハ上に形成する。ステップS2では、この半導体ウェハ
を、図1に示す非接触C−V測定装置にセットしてC−
V測定を実施し、チャージアップ前のフラットバンド電
圧Vfbを求める。この時、測定用電極201と酸化膜1
02のギャップdair は所定の値に設定される。ただ
し、ギャップdair の正確な値は、プリズム4の底面4
aで全反射されるレーザ光のトンネル効果を利用して測
定される。ステップS3では、ホストコントローラ14
がC−V曲線を解析してフラットバンド電圧Vfbを求め
る。フラットバンド電圧Vfbの値は、ホストコントロー
ラ14内のメモリに記憶される。
【0031】ステップS4では、非接触C−V測定装置
から半導体ウェハを取り外して、評価対象とする処理
(イオン注入処理やプラズマ処理)をその半導体ウェハ
に施すことにより、絶縁膜102をチャージアップさせ
る。ステップS5では、チャージアップ後の半導体ウェ
ハに対してC−V測定を実施する。ステップS6では、
ホストコントローラ14がC−V曲線を解析してチャー
ジアップ後のフラットバンド電圧V'fb を求める。
から半導体ウェハを取り外して、評価対象とする処理
(イオン注入処理やプラズマ処理)をその半導体ウェハ
に施すことにより、絶縁膜102をチャージアップさせ
る。ステップS5では、チャージアップ後の半導体ウェ
ハに対してC−V測定を実施する。ステップS6では、
ホストコントローラ14がC−V曲線を解析してチャー
ジアップ後のフラットバンド電圧V'fb を求める。
【0032】ステップS7では、チャージアップ前後の
フラットバンド電圧Vfb,V'fb とギャップdair ,
d'airから、上記の数式4または数式8を用いてチャー
ジアップ量qNiを求める。
フラットバンド電圧Vfb,V'fb とギャップdair ,
d'airから、上記の数式4または数式8を用いてチャー
ジアップ量qNiを求める。
【0033】F.実験例1,2:実験例1,2として、
レジスト除去工程で使用されるプラズマチャンバにおい
て、プラズマを半導体ウェハに照射した場合のチャージ
アップ量の測定結果について説明する。図5は、プラズ
マチャンバ20内に収納された半導体ウェハを示す概念
図である。図5(A)に示す実験例では複数枚の半導体
ウェハ100を4.8mm間隔でボート22上に収納し
ており、図5(B)に示す実験例では複数枚の半導体ウ
ェハ110を14.3mm間隔で収納している。半導体
ウェハ100,110は、それぞれ約110nmの酸化
膜で被覆されている。なお、以下では、図5(A),
(B)の配置でプラズマを照射した実験例をそれぞれ実
験例1,実験例2と呼ぶ。
レジスト除去工程で使用されるプラズマチャンバにおい
て、プラズマを半導体ウェハに照射した場合のチャージ
アップ量の測定結果について説明する。図5は、プラズ
マチャンバ20内に収納された半導体ウェハを示す概念
図である。図5(A)に示す実験例では複数枚の半導体
ウェハ100を4.8mm間隔でボート22上に収納し
ており、図5(B)に示す実験例では複数枚の半導体ウ
ェハ110を14.3mm間隔で収納している。半導体
ウェハ100,110は、それぞれ約110nmの酸化
膜で被覆されている。なお、以下では、図5(A),
(B)の配置でプラズマを照射した実験例をそれぞれ実
験例1,実験例2と呼ぶ。
【0034】プラズマの照射前に、供試体となる半導体
ウェハ100,110を1枚ずつ選んでC−V測定を行
ない、見かけの表面電荷量Nfbをそれぞれ測定した。こ
の際、ギャップdair はいずれも334nmに設定し
た。実験例1におけるウェハ100の見かけの表面電荷
量Nfbの平均値は2.9×1010cm-2、分散σは1.
9×109 cm-2であった。実験例2におけるウェハの
見かけの表面電荷量Nfbの平均値は3.8×1010cm
-2、分散σは1×1010cm-2であった。
ウェハ100,110を1枚ずつ選んでC−V測定を行
ない、見かけの表面電荷量Nfbをそれぞれ測定した。こ
の際、ギャップdair はいずれも334nmに設定し
た。実験例1におけるウェハ100の見かけの表面電荷
量Nfbの平均値は2.9×1010cm-2、分散σは1.
9×109 cm-2であった。実験例2におけるウェハの
見かけの表面電荷量Nfbの平均値は3.8×1010cm
-2、分散σは1×1010cm-2であった。
【0035】次に、図5(A),(B)に示すように、
半導体ウェハ100,110をそれぞれプラズマチャン
バ20内に収納し、13.56MHzの高周波電力60
0Wと、2.45GHzのマイクロ波電力300Wを印
加して、酸素プラズマを10分間照射した。その後、供
試体である半導体ウェハ100,110をプラズマチャ
ンバ20から取り出して、再びC−V測定を行なった。
なお、実験例1ではギャップd'airを348nmに設定
し、実験例2ではギャップd'airを342nmに設定し
た。実験例1,2では、チャージアップ前後のギャップ
dair ,d'airの値が異なるので、前述した数式8を用
いてチャージアップ量qNiを算出した。なお、この
際、プラズマチャンバ20における高周波プラズマ条件
から、投影飛程Rpを5nmとした。
半導体ウェハ100,110をそれぞれプラズマチャン
バ20内に収納し、13.56MHzの高周波電力60
0Wと、2.45GHzのマイクロ波電力300Wを印
加して、酸素プラズマを10分間照射した。その後、供
試体である半導体ウェハ100,110をプラズマチャ
ンバ20から取り出して、再びC−V測定を行なった。
なお、実験例1ではギャップd'airを348nmに設定
し、実験例2ではギャップd'airを342nmに設定し
た。実験例1,2では、チャージアップ前後のギャップ
dair ,d'airの値が異なるので、前述した数式8を用
いてチャージアップ量qNiを算出した。なお、この
際、プラズマチャンバ20における高周波プラズマ条件
から、投影飛程Rpを5nmとした。
【0036】図6は、実験例1,2において測定された
半導体ウェハ上のチャージアップ量の分布を示すグラフ
である。実験例1の結果ではほぼ均一にわずかに負にチ
ャージアップしており、実験例2の結果ではウェハの中
央では負にチャージアップし、ウェハの端で正にチャー
ジアップしている。この実施例では非接触C−V測定装
置を用いて測定を行なっているので、ウェハ上の測定位
置を移動させることによって、チャージアップ量の分布
を容易に求めることができるという利点がある。
半導体ウェハ上のチャージアップ量の分布を示すグラフ
である。実験例1の結果ではほぼ均一にわずかに負にチ
ャージアップしており、実験例2の結果ではウェハの中
央では負にチャージアップし、ウェハの端で正にチャー
ジアップしている。この実施例では非接触C−V測定装
置を用いて測定を行なっているので、ウェハ上の測定位
置を移動させることによって、チャージアップ量の分布
を容易に求めることができるという利点がある。
【0037】G.実験例3:実験例3として、ウェハの
洗浄及び乾燥工程におけるシリコンウェハ表面のチャー
ジアップ量を測定した。図7は、実験例3におけるチャ
ージアップ量を示すグラフである。シリコン酸化膜の表
面は親水性なので、比抵抗が18MΩcm以上の超純水
を散布するとその表面が簡単に負にチャージアップす
る。また、気体との摩擦によってもシリコン酸化膜表面
がチャージアップする。そこで、実験例3では、図7に
示すように、スピン乾燥、純水フローリンス、純水ノズ
ル洗浄、の3つの工程におけるそれぞれのチャージアッ
プ量を測定した。スピン乾燥では、高純度に濾過された
空気中でウェハを5分間、高速回転(750rpm)し
て乾燥させた。純水フロー洗浄工程では純水流量を1リ
ットル/分、純水ノズル洗浄工程においては純水流量を
5リットル/分とした。これらの3つの場合には、酸化
膜表面のみがチャージアップされると考えられるので投
影飛程Rpはいずれも0としている。このように、この
発明によれば、酸化膜の表面におけるチャージアップ量
も測定することが可能である。
洗浄及び乾燥工程におけるシリコンウェハ表面のチャー
ジアップ量を測定した。図7は、実験例3におけるチャ
ージアップ量を示すグラフである。シリコン酸化膜の表
面は親水性なので、比抵抗が18MΩcm以上の超純水
を散布するとその表面が簡単に負にチャージアップす
る。また、気体との摩擦によってもシリコン酸化膜表面
がチャージアップする。そこで、実験例3では、図7に
示すように、スピン乾燥、純水フローリンス、純水ノズ
ル洗浄、の3つの工程におけるそれぞれのチャージアッ
プ量を測定した。スピン乾燥では、高純度に濾過された
空気中でウェハを5分間、高速回転(750rpm)し
て乾燥させた。純水フロー洗浄工程では純水流量を1リ
ットル/分、純水ノズル洗浄工程においては純水流量を
5リットル/分とした。これらの3つの場合には、酸化
膜表面のみがチャージアップされると考えられるので投
影飛程Rpはいずれも0としている。このように、この
発明によれば、酸化膜の表面におけるチャージアップ量
も測定することが可能である。
【0038】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。
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。
【0039】(1)図8(A)に示すように、電極20
1の下表面に絶縁膜230を形成したものを準備し、こ
れを図8(B)に示すように半導体の絶縁膜102の上
に押しつけた状態でC−V測定を行なっても良い。この
場合には、数式4におけるギャップの項εoxdair の代
わりに、電極201下の絶縁膜230の厚みdinを半導
体ウェハの絶縁膜102の厚みに換算した値を代入すれ
ばよい。特に、2つの絶縁膜230,102が同じ材質
の場合には、数式4におけるεoxdair の代わりにdin
を代入すればよい。このようにすれば、絶縁膜230付
きの電極201を半導体表面に押しつけるだけでよいの
で測定の準備が簡単であり、従って、全体としてより短
時間で測定することができるという利点がある。
1の下表面に絶縁膜230を形成したものを準備し、こ
れを図8(B)に示すように半導体の絶縁膜102の上
に押しつけた状態でC−V測定を行なっても良い。この
場合には、数式4におけるギャップの項εoxdair の代
わりに、電極201下の絶縁膜230の厚みdinを半導
体ウェハの絶縁膜102の厚みに換算した値を代入すれ
ばよい。特に、2つの絶縁膜230,102が同じ材質
の場合には、数式4におけるεoxdair の代わりにdin
を代入すればよい。このようにすれば、絶縁膜230付
きの電極201を半導体表面に押しつけるだけでよいの
で測定の準備が簡単であり、従って、全体としてより短
時間で測定することができるという利点がある。
【0040】(2)この発明は、基板表面に形成された
絶縁膜中のチャージアップ量を測定する場合に限らず、
一般に、半導体の導電層の表面に形成された絶縁膜中の
チャージアップ量を測定する場合に適用できる。例え
ば、SOI構造を有する半導体ウェハに対しても適用可
能である。
絶縁膜中のチャージアップ量を測定する場合に限らず、
一般に、半導体の導電層の表面に形成された絶縁膜中の
チャージアップ量を測定する場合に適用できる。例え
ば、SOI構造を有する半導体ウェハに対しても適用可
能である。
【0041】(3)上記実施例では、半導体ウェハ表面
の酸化膜102と測定用電極201との間にギャップを
設けてC−V測定を行なっていたが、チャージされた電
荷が酸化膜102中に存在する場合(上記の実験例1,
2の場合)には、測定用電極201を酸化膜102の表
面に接触させてもよい。すなわち、非接触C−V測定装
置を用いる必要はないが、測定用電極201を酸化膜1
02の表面に接触させることは、上述した非接触C−V
測定装置によっても容易に実行することができる。
の酸化膜102と測定用電極201との間にギャップを
設けてC−V測定を行なっていたが、チャージされた電
荷が酸化膜102中に存在する場合(上記の実験例1,
2の場合)には、測定用電極201を酸化膜102の表
面に接触させてもよい。すなわち、非接触C−V測定装
置を用いる必要はないが、測定用電極201を酸化膜1
02の表面に接触させることは、上述した非接触C−V
測定装置によっても容易に実行することができる。
【0042】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項1
に記載した測定方法によれば、所定の処理前後の第1と
第2のフラットバンド電圧に基づいて半導体ウェハの表
面付近に蓄積された電荷量を求めることができるという
効果がある。
に記載した測定方法によれば、所定の処理前後の第1と
第2のフラットバンド電圧に基づいて半導体ウェハの表
面付近に蓄積された電荷量を求めることができるという
効果がある。
【0043】また、請求項2に記載した測定方法によれ
ば、非接触C−V測定装置を用いており、ウェハ表面に
電極を形成する必要が無いのでC−V測定を容易に行な
うことができる。また、半導体ウェハの表面と測定用電
極との間のギャップによるフラットバンド電圧への寄与
分を算出できるので、所定の処理前後における第1と第
2のギャップの値が互いに等しい場合にも、また、互い
に異なる場合にも、前記第1および第2のギャップと前
記第1および第2のフラットバンド電圧とに基づいて絶
縁膜に蓄積された電荷量を算出することができるという
効果がある。
ば、非接触C−V測定装置を用いており、ウェハ表面に
電極を形成する必要が無いのでC−V測定を容易に行な
うことができる。また、半導体ウェハの表面と測定用電
極との間のギャップによるフラットバンド電圧への寄与
分を算出できるので、所定の処理前後における第1と第
2のギャップの値が互いに等しい場合にも、また、互い
に異なる場合にも、前記第1および第2のギャップと前
記第1および第2のフラットバンド電圧とに基づいて絶
縁膜に蓄積された電荷量を算出することができるという
効果がある。
【図1】非接触C−V測定装置の構成を示す概念図。
【図2】半導体表面の酸化膜付近における電荷分布を示
すグラフ。
すグラフ。
【図3】チャージアップ前後のC−V曲線を示すグラ
フ。
フ。
【図4】本発明の実施例における測定方法を示すフロー
チャート。
チャート。
【図5】プラズマチャンバ20内に収納された半導体ウ
ェハを示す概念図。
ェハを示す概念図。
【図6】実験例1,2において測定された半導体ウェハ
上のチャージアップ量の分布を示すグラフ。
上のチャージアップ量の分布を示すグラフ。
【図7】実験例3におけるチャージアップ量を示すグラ
フ。
フ。
【図8】この発明を適用した測定の他の方法を示す説明
図。
図。
1…固定台 2…圧電アクチュエータ 3…架台 4…プリズム 4a…底面 5…レーザ発振器 6…受光センサ 7…試料台 11…位置制御装置 12…光量測定器 13…インピーダンスメータ 14…ホストコントローラ 20…プラズマチャンバ 22…ボート 100,110…半導体ウェハ 101…半導体基板 102…酸化膜 201…測定用電極 230…絶縁膜 G…ギャップ Nfb…見かけの表面電荷量 Ni…蓄積電荷量 Rp…投影飛程 Vfb…フラットバンド電圧 dair…ギャップ dox…絶縁膜厚
Claims (2)
- 【請求項1】 半導体ウェハに対する所定の処理におい
て、半導体ウェハ表面の絶縁膜に蓄積される電荷量を測
定する方法であって、 (A)前記所定の処理前の半導体ウェハについてC−V
測定を行なうことによって、第1のフラットバンド電圧
を求める工程と、 (B)前記半導体ウェハに前記所定の処理を行なう工程
と、 (C)前記所定の処理後の前記半導体ウェハについてC
−V測定を行なうことによって、第2のフラットバンド
電圧を求める工程と、 (D)前記第1と第2のフラットバンド電圧に基づいて
前記所定の処理により前記絶縁膜に蓄積された電荷量を
算出する工程と、 を備える半導体ウェハの電荷量測定方法。 - 【請求項2】 請求項1記載の半導体ウェハの電荷量測
定方法であって、 C−V測定を行なうための測定用電極と、該測定用電極
を半導体ウェハの表面の上方にギャップを隔てて保持す
る透光性の電極保持部材と、該電極保持部材の所定の反
射面に対して所定の単色光を幾何学的な全反射条件で入
射させる単色光発生器と、前記反射面によって反射され
た単色光の強度を測定するセンサと、該センサで測定さ
れた前記単色光の強度に基づいて前記ギャップを測定す
るギャップ測定器と、前記測定用電極を用いて半導体ウ
ェハのC−V曲線を測定するC−V測定器と、前記電極
保持部材と前記単色光発生器と前記センサとを前記ギャ
ップの増減方向に沿って前記半導体ウェハと相対的に移
動させる駆動部と、を備えた非接触C−V測定装置を、
工程(A)および工程(C)において用い、 前記工程(A)は、前記ギャップ測定器で前記半導体ウ
ェハの表面と前記測定用電極との間の第1のギャップを
測定する工程と、前記C−V測定器でC−V測定を行な
うことによって第1のフラットバンド電圧を測定する工
程とを含み、 前記工程(C)は、前記ギャップ測定器で前記半導体ウ
ェハの表面と前記測定用電極との間の第2のギャップを
測定する工程と、前記C−V測定器でC−V測定を行な
うことによって第2のフラットバンド電圧を測定する工
程とを含み、 工程(D)は、前記第1および第2のギャップと前記第
1および第2のフラットバンド電圧とに基づいて絶縁膜
に蓄積された電荷量を算出する工程を含む、 半導体ウェハの電荷量測定方法。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5164144A JPH06349920A (ja) | 1993-06-08 | 1993-06-08 | 半導体ウェハの電荷量測定方法 |
US08/252,848 US5475319A (en) | 1993-06-08 | 1994-06-02 | Method of measuring electric charge of semiconductor wafer |
KR1019940012620A KR0150416B1 (ko) | 1993-06-08 | 1994-06-04 | 반도체 웨이퍼의 전하 측정방법 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5164144A JPH06349920A (ja) | 1993-06-08 | 1993-06-08 | 半導体ウェハの電荷量測定方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06349920A true JPH06349920A (ja) | 1994-12-22 |
Family
ID=15787589
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP5164144A Pending JPH06349920A (ja) | 1993-06-08 | 1993-06-08 | 半導体ウェハの電荷量測定方法 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5475319A (ja) |
JP (1) | JPH06349920A (ja) |
KR (1) | KR0150416B1 (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6703641B2 (en) | 2001-11-16 | 2004-03-09 | International Business Machines Corporation | Structure for detecting charging effects in device processing |
US6915232B2 (en) | 2002-07-22 | 2005-07-05 | Dainippon Screen Mfg. Co., Ltd. | Film thickness measuring method, relative dielectric constant measuring method, film thickness measuring apparatus, and relative dielectric constant measuring apparatus |
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