JPH07169809A - 表面計測装置 - Google Patents

表面計測装置

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JPH07169809A
JPH07169809A JP22922394A JP22922394A JPH07169809A JP H07169809 A JPH07169809 A JP H07169809A JP 22922394 A JP22922394 A JP 22922394A JP 22922394 A JP22922394 A JP 22922394A JP H07169809 A JPH07169809 A JP H07169809A
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Shigeru Nishimatsu
茂 西松
Tatsumi Mizutani
巽 水谷
Kanji Tsujii
完次 辻井
Akira Haruta
亮 春田
Tadasuke Munakata
忠輔 棟方
Shigeyuki Hosoki
茂行 細木
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、半導体表面計測に関し、界
面や膜中の電荷分布を測定するのに好適な装置を提供す
ることにある。 【構成】 平面電極と被計測物とを平行に保ち、非接触
の状態で平面電極と被計測物との間に電圧を印加する。 【効果】 本発明によれば、被計測物の表面計測を効率
良く、かつ高精度に行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体表面計測に係り、
特に半導体と絶縁物界面の界面準位密度や、絶縁膜中の
電荷およびその分布等を測定するに好適な計測方法およ
び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の半導体表面測定法として代表的な
ものに容量−電圧(C−V)特性を求める方法がある。
C−V測定には高周波(1MHz)法、低周波法、ケイ
サイスタティック(quasi-static)法等がある。これは
通常は図2に示したように、半導体基板1の上に絶縁物
2を形成し、その上に蒸着や化学気相成長(CVD)法
で金属や多結晶シリコン等の電極3を形成し、いわゆる
金属−酸化物−半導体のMOS構造としてC−V特性を
求めた。また簡便な方法として、図3に示したように絶
縁物上に水銀やインジウム・ガリウム合金を乗せてMO
S構成としていた。
【0003】また表面光起電圧測定は、ジャパニーズ・
アプライド・フィジックス,23(1984年)第14
51頁から第1461頁(Japanese Journal of Applie
d Physics, 23 (1984) PP1451-1461)に示される。これ
を図4に示す。すなわち、透明電極3”と半導体の間に
マイラーなどの透明絶縁物6を入れて、光8を照射して
行っていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術のC−V
測定法では、電極が絶縁物と接触する場合には、絶縁物
の表面近くの情報、すなわち電荷分布を得ることが難し
かった。絶縁膜を少しずつ化学エッチ法等で除去してC
−V測定を行うことを繰り返して表面近くの情報を得て
いた。逆に図4のような形では、薄いスペーサーは得ら
れず、せいぜい数10μmの厚さのもので、後述するよ
うにシリコン酸化膜の厚さに換算して2μm以下になら
ないと、正確な表面計測はできない。
【0005】また半導体表面の絶縁膜が非常に薄い場合
には、電極を付けるとリーク電流が流れて、C−V特性
が正確に測定できないなどの問題があった。
【0006】本発明の目的はこれらの問題点を解決する
ことにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記問題点は、半導体表
面とのエアギャップ可変の電極を設けることにより解決
される。すなわち絶縁物と空気のコンデンサーを直列に
した形で計測を行うことになる。空気の代りに乾燥した
窒素等の不活性ガス中あるいは真空であっても良い。
【0008】半導体のドーピング量にもよるが、通常M
OS構造ではSiO2膜厚が1μm以下でC−V測定が
行われる。2μm以上になると電圧に対して容量がほと
んど変化しないためである。従って比誘電率(SiO2
で3.9)を考慮すると、エアギャップは0.5μm以下
にすることが望ましいことになる。
【0009】本発明の要旨は、被計測物と第一の電極と
の間に電圧を印加する表面計測装置において、前記第一
の電極の前記被計測物と対向する面が平面であり、前記
被計測物表面と前記第一の電極の前記被計測物との対向
面との平行度を検出する手段と、前記被計測物と前記第
一の電極とが非接触の状態で前記被計測物と前記第一の
電極との間に前記電圧を印加する手段とを有することを
特徴とする表面計測装置にある。
【0010】
【作用】エアギャップ電極では、容量を測定することで
半導体表面からの距離を求めることができる。多くのS
iO2の中の電界は半導体(Si)との界面と最表面に
多く、膜中には少なくほぼ均一に分布する。従って、界
面と最表面にデルタ関数的に電荷があり、膜中には均一
分布と仮定すると、エアギャップ電極のギャップを変え
て3点でC−V測定することによりそれぞれの電荷を求
めることができる。また適当に電荷が分布している場合
でもギャップを変えて多くのC−V測定を行い、コンピ
ューターによるデータ解析で、非破壊で膜中の電荷分布
を求める(推測)することができる。
【0011】ケイサイスタテック(quasi-static)法で
C−V特性を求める場合等で絶縁膜にリークがあると正
確な測定ができないが、本法では必ずギャップがあるか
ら、トンネル電流や放電が起らない限り、非常に薄い絶
縁物の場合でもC−V測定を行うことができる。
【0012】通常の交流表面光電圧測定では、半導体表
面が反転していないと測定できない。従ってSiウエハ
評価はN形Siしかできなかった。これに対して本ギャ
ップ電極を用いると、透明電極に直流バイアスを印加す
ることによりP形Si表面を反転することができ、N形
半導体でも評価できるようになる。
【0013】
【実施例】以下、本発明を実施例により説明する。
【0014】(実施例1)図1に示したように、シリコ
ン1上にシリコン酸化膜2を厚さ100nm形成し、こ
のウエハを試料台上に設置し、電極3を可動機構4によ
りシリコン酸化膜表面から約100nmの距離と約15
0nmの距離に近づけてC−V特性を測定することがで
きた。この場合の電極可動機構4はマイクロメータによ
る粗動調整部と圧電アクチュエータによる微動調整の組
合せで行った。
【0015】通常の図3に示した水銀プローブでは図5
(イ)の構成で、図下に示した正電荷分布を仮定する
と、半導体表面に誘起される電荷Qは、
【0016】
【数1】
【0017】で示される。ここでeは電子電荷、t0
絶縁膜の厚さ、ρ(χ)は絶縁膜中の電荷分布である。
(1)式は膜内電荷がq0で一定なら次式となる。
【0018】
【数2】
【0019】これに対して上述のエアギャップ電極の場
合には、図5(ロ)のようになり、
【0020】
【数3】
【0021】となる。ここでεは絶縁物の比誘電率であ
る。ここでt1を変えてt2にすれば未知数Qi,q0,Q
3を求めることができる。このような正電荷分布は、S
iO2付Siをプラズマ照射した場合等には非常に良く
当てはまる。即ち、SiO2をステップエッチして求め
た正電荷分布はまさに図5(イ)のようになっている場
合が多い。
【0022】図5(イ)の正電荷分布でない場合でも、
1を変えて多くのC−V特性から、誘起電荷量を測定
して、コンピュータ処理等により電荷分布を推定するこ
とが可能である。
【0023】(実施例2)本発明実施に於いて重要な点
はエアギャップ電極を試料の半導体と平行度を保つこと
である。図6に示したように、主電極3に対してその両
側に副電極10と10’を設け、それぞれの容量のバラ
ンス具合をフィールドバックし、試料台9の傾きを調整
する可動機構4’を動かして平行度補正をすることによ
り平行度を保つことができた。実際には副電極は図7に
示したように4つの副電極10,10’,10”,1
0'''を用い、可動機構も2つ用いた。副電極は3つ以
上あれば平行度補正が可能である。
【0024】なお、この他コンパクトディスクプレイヤ
ーで用いられているスプリット光ビームを用いて平行度
を検出する等、光応用による平行度検出も考えられる。
【0025】図6に示したように平行度検出を電極によ
り行うことにより、光応用による平行度検出に比べて安
価な装置で簡便に平行度を検出することができる。ま
た、容量バランスのフィードバックおよび平行度補正も
容易である。さらに、主電極と副電極とを一体部材に支
持することにより、両電極の相対的な位置関係が一定と
なるため、平行度検出の精度が向上する。
【0026】(実施例3)上記実施例では、電極として
金の蒸着膜を使用した。蒸着膜の表面は、凹凸がはげし
いことがあり、平面電極といえない場合もある。そこ
で、砒素(As)を大量ドープした鏡面研摩したSiウ
エハを加工して電極とした所、良好な測定結果を得るこ
とができた。
【0027】(実施例4)シリコンウエハは通常20Å
程度の自然酸化膜が表面に形成されている。これに電極
を付けてC−V特性を測定しようとしてもリーク電流が
大きいため実際上測定不可能である。図1に示した構成
でエアギャップ電極を用いたところ約500Å(50n
m)でC−V特性を得ることができた。すなわちSiの
表面処理等の効果も本発明を用いて評価することが可能
と言える。100-cmのN型Siではエアギャップ0.
5μm以下でC−V測定可能で、0.1μm以下で良好
なC−V特性が得られた。
【0028】(実施例5)図8に示したように、透明電
極3'''にバイアス電圧を印加することにより、半導体
(Si)1の表面ポテンシャルを制御することができ、
任意の表面ポテンシャルで光8を照射することにより表
面光誘起電圧を測定することが可能であることを確認し
た。これは表面電荷や界面準位、さらにはバルクSiの
ライフタイム等を分離して求めることを容易ならしめる
効果がある。
【0029】また通常のSiウエハはアンモニカルバー
オキサイド(NH4OHとH22)処理を行っているた
め、表面がP型化している。このためN型Siのライフ
タイム測定は従来の図4で容易に行えたが、P型Siで
も困難であった。これに対し図8ではSi表面を透明電
極に正電圧を印加することにより表面をN型化できライ
フタイム測定も可能とすることができた。
【0030】(実施例6)LSIのSiウエハは表側か
ら基板Siを観察しようとしても通常は配線やゲート電
極等によって妨げられて困難であった。これに対し、図
9に示すようにSiウェハの裏側に穴を明けて、Siを
厚さ20μm程度とすることで交流表面光誘起電圧を観
測することにより、約1μmの分解能でSiを評価する
ことが可能となった。
【0031】(実施例7)実施例4は大気中で測定を行
った。しかし大気中の湿気等により安定な(再現性の良
い)測定が困難な場合があった。測定系に乾燥窒素を流
すことによりかなりこの問題が改善されることを確認し
た。測定系全体を真空中に設置するとさらに安定した測
定ができることも確認した。
【0032】(実施例8)図1に於いて可動機構の一つ
である積層型圧電アクチュエーターに交流電圧を印加す
ることによってギャップ電極を数100KHzで振動さ
せることができる。これにより試料表面の電位を測定す
ることができた。
【0033】(実施例9)今までの実施例ではすべてギ
ャップは空気あるいは窒素あるいは真空であったが、ギ
ャップを液体で埋めることも可能である。シリコンホイ
ルの(C26OSi)4を用いたところ、4μm程度のギ
ャップでもC−V測定が可能である。
【0034】これはシリコンオイルの比誘電率が2.4
であるためである。より比誘電率の大きな液体を用いれ
ばギャップを大きくとれるが、後で洗浄・乾燥しなけれ
ばならない場合が多いので、有効でない場合もありう
る。
【0035】以上の実施例では半導体としてSiを用い
たが、GaAs等のIII−V族やII−VI族等の化合物半
導体についても本発明が有効である。
【0036】本発明の実施例によれば、ステップエッチ
することなく半導体表面の絶縁膜中の電荷分布を求める
ことが可能という効果がある。またリーク性の絶縁膜や
極めて薄い絶縁性膜が表面にある半導体の表面計測すな
わち界面準位や表面電荷を求めることができる。
【0037】また本発明の実施例によれば、表面光誘起
電圧を用いた走査光子顕微鏡すなわちSPM(Surface
Photon Microscope,(棟方忠輔,応用物理,第53
巻,第3号(1984年)PP176)に於いて、誘明電極に
直流バイアスを印加することにより多くの情報すなわち
界面準位やライフタイムを容易に求めることができる。
またSiウエハの受入検査に於いても、N型,P型両方
の評価が可能となり応用範囲が広くなる。またLSIの
不良解析等に於いても、裏側からSiをエッチングした
数10μmから数μmのSiを残した構造で1μm前後
の分解能で、SiおよびSi表面の情報が得られるよう
になる。
【0038】
【発明の効果】本発明によれば、被計測物の表面計測を
効率良く、かつ高精度に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す断面図。
【図2】従来の半導体表面計測法を示す図。
【図3】従来の半導体表面計測法を示す図。
【図4】従来の半導体表面計測法を示す図。
【図5】本発明の一実施例の効果を示すための図で、従
来法(イ)と本発明(ロ)の場合の電荷分布を示してい
る。
【図6】本発明の一実施例を示す図。
【図7】本発明の一実施例を示す図。
【図8】本発明の一実施例を示す図。
【図9】本発明の一実施例を示す図。
【符号の説明】
1…半導体基板、2…絶縁膜、3…電極、4…可動機
構、5…電極接続棒、6…透明スペーサー、7…ガラス
板、8…光線、9…試料台、10…副(補助)電極、1
1…デバイス・配線層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 春田 亮 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 棟方 忠輔 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 細木 茂行 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被計測物と第一の電極との間に電圧を印加
    する表面計測装置において、 前記第一の電極の前記被計測物と対向する面が平面であ
    り、 前記被計測物表面と前記第一の電極の前記被計測物との
    対向面との平行度を検出する手段と、 前記被計測物と前記第一の電極とが非接触の状態で前記
    被計測物と前記第一の電極との間に前記電圧を印加する
    手段とを有することを特徴とする表面計測装置。
  2. 【請求項2】前記平行度を検出する手段は、第二の電極
    であることを特徴とする請求項1記載の表面計測装置。
  3. 【請求項3】前記第二の電極は、前記第一の電極の周辺
    に設けられていることを特徴とする請求項2記載の表面
    計測装置。
  4. 【請求項4】前記第二の電極は、前記第一の電極の周辺
    に同心円状に設けられていることを特徴とする請求項3
    記載の表面計測装置。
  5. 【請求項5】前記第一の電極および前記第二の電極は、
    一体部材に支持されていることを特徴とする請求項2、
    請求項3または請求項4記載の表面計測装置。
  6. 【請求項6】前記被計測物表面と前記第一の電極の前記
    被計測物との対向面との平行度を調節するための被計測
    物保持手段可動手段を有することを特徴とする請求項
    1、請求項2、請求項3、請求項4または請求項5記載
    の表面計測装置。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS50140067A (ja) * 1974-04-26 1975-11-10
JPS55132313A (en) * 1979-03-28 1980-10-15 Ohtsu Tire & Rubber Co Ltd Safety wheel

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS50140067A (ja) * 1974-04-26 1975-11-10
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