JPH09266237A - 半導体ウェハの電気特性測定方法および装置 - Google Patents
半導体ウェハの電気特性測定方法および装置Info
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Abstract
近傍に存在する少数キャリアの影響を低減する。 【解決手段】 半導体ウェハのC−V測定において、前
記半導体ウェハの表面近傍における少数キャリアを消滅
させる第1の値にバイアス電圧を印加した後に、前記バ
イアス電圧を、第2の値をほぼ中心として上下に交互に
切り替えつつ、ほぼステップ状に変化させる。
Description
電気特性測定方法および装置に関し、特に、C−V測定
によって半導体ウェハの電気特性を測定する方法および
装置に関する。
の1つとして、いわゆるC−V測定が用いられている。
C−V測定は、良く知られているように、高周波を重畳
したバイアス電圧を半導体ウェハに印加しつつ、半導体
ウェハの容量を測定する方法である。C−V測定の結果
を用いると、半導体ウェハの種々の電気特性を解析する
ことが可能である。
報において、改良されたC−V測定方法及び可動イオン
測定方法を開示している。図11は、そのC−V測定方
法におけるバイアス電圧波形の一例を示すグラフであ
る。なお、以下では、バイアス電圧の変化の方法を「電
圧掃引法」とも呼ぶ。このC−V測定方法では、バイア
ス電圧を、0Vを中心として正負交互にステップ状に変
化させながら測定を行なっていた。この方法は、フラッ
トバンド電圧の測定や、絶縁膜内の可動イオン量を精度
良く測定できるという利点を有している。
半導体ウェハの深さ方向に沿った多数キャリア濃度プロ
ファイルを決定することも可能である。図12は、C−
V測定のために、半導体ウェハ100の上方にギャップ
を隔てて測定用電極201を配置し、この測定用電極に
バイアス電圧を印加した状態を示す説明図である。例え
ばp型半導体に正のバイアス電圧が印加されると、図1
2に示すように、空乏層102が形成される。
合成容量Ctは、空乏層102の静電容量Csと、ギャ
ップdair の静電容量Cgとの直列接続で表わされる。
C−V測定では、この合成容量Ctの電圧依存性が測定
される。ギャップdair の値は正確に測定できるので、
このギャップdair の値からギャップの静電容量Cgが
計算される。従って、合成容量Ctからギャップの静電
容量Cgを減算すれば、空乏層102の容量Csを求め
ることができる。
れた容量Csの電圧依存性に基づいて、次の式で与えら
れることが知られている。
率、εSiは半導体基板の比誘電率である。
102の容量Csの逆数の2乗を電圧Vで微分した微係
数に反比例する。
導体ウェハ部分の深さは、次の数式2によって与えられ
る空乏層102の深さWに相当することが知られてい
る。
る。すなわち、C−V測定の結果から、数式1,数式2
に従って、多数キャリア濃度Nslp の深さ方向の分布
(プロファイル)を求めることができる。
の電圧掃引法では、半導体ウェハの深さ方向に沿った多
数キャリア濃度Nslp のプロファイルを必ずしも正確に
測定できない場合がある。図13は、従来の電圧掃引法
で得られたC−V特性の一例を示すグラフであり、図1
4は、これから得られたキャリア濃度プロファイルを示
すグラフである。図13、図14の測定では、ベアウェ
ハ(表面に絶縁膜等が形成されておらず、半導体基板が
露出している半導体ウェハ)を測定対象として使用し
た。
い部分ではキャリア濃度Nslp が比較的高濃度であり、
深い部分では比較的低濃度であることが示されている。
ところが、この半導体ウェハは、深さ方向にほぼ均一な
キャリア濃度プロファイルを有しているはずであった。
すなわち、図14に示すキャリア濃度プロファイルは、
単に見かけ上のものであり、真のプロファイルを示して
いない。
ア濃度Nslp の値は容量Csの電圧依存性(すなわち図
13に示されるC−V特性)によって決定される。従っ
て、図14のようなキャリア濃度プロファイルの予想さ
れたプロファイル(すなわち均一値)からのズレは、C
−V特性の測定結果に起因する。ここで問題となるの
は、どのような現象がC−V特性の測定に影響を与えて
いるか、ということである。
ス電圧が0Vの時に、p型半導体ウェハの表面上のプラ
ス電荷によって、半導体ウェハが強反転状態にあり、そ
の表面付近に反転少数キャリア(電子)が集まっている
のではないかと考えた。表面上のプラス電荷は、半導体
ウェハの製造工程(例えば洗浄工程)で生起されたもの
である。このことは、図13に示すC−V特性におい
て、フラットバンド電圧Vfbが予想された値からかなり
シフトしていたことからも裏付けられた。
な電圧掃引を高速に行なうと、表面近傍の少数キャリア
がなかなか消滅しない。このため、C−V特性に少数キ
ャリアの影響が含まれてしまうことになる。このような
仮定を基に発明者らがキャリア濃度Nslp のプロファイ
ルを理論解析した結果、図14に示す測定値と極めて良
く一致することが解った。
圧掃引法では、半導体ウェハの表面近傍に存在する少数
キャリアの影響のために、必ずしも正確な電気特性を得
られない場合があるという問題があった。
を解決するためになされたものであり、半導体ウェハの
電気特性において、その表面近傍に存在する少数キャリ
アの影響を低減することを目的とする。
述の課題の少なくとも一部を解決するため、第1の発明
は、半導体ウェハの電気特性測定方法であって、半導体
ウェハのC−V測定において、前記半導体ウェハの表面
近傍における少数キャリアを消滅させる第1の値にバイ
アス電圧を印加した後に、前記バイアス電圧を、第2の
値をほぼ中心として上下に交互に切り替えつつ、ほぼス
テップ状に変化させることを特徴とする。
滅させるようにバイアス電圧を印加した後にバイアス電
圧をステップ状に変化させるので、C−V測定における
半導体ウェハの表面近傍における少数キャリアの影響を
低減することができる。
圧の前記第1の値は、前記半導体ウェハの表面近傍を蓄
積状態とする値であることが好ましい。
在する少数キャリアを消滅させることができる。
アス電圧の前記第1の値は、前記C−V測定において前
記半導体ウェハに印加するバイアス電圧の値の中で、絶
対値が最大で前記半導体ウェハを蓄積状態にする値であ
り、前記バイアス電圧のステップ状の切替えは、前記バ
イアス電圧の絶対値が単調に減少するように行なわれ
る、ようにすることが好ましい。
半導体ウェハの表面近傍における少数キャリアの影響を
低減することができる。
定装置であって、半導体ウェハのC−V測定において、
前記半導体ウェハの表面近傍における少数キャリアを消
滅させる第1の値にバイアス電圧を印加した後に、前記
バイアス電圧を、第2の値をほぼ中心として上下に交互
に切り替えつつ、ほぼステップ状に変化させる手段と、
前記バイアス電圧が印加された状態において、前記半導
体ウェハのC−V測定を実行する手段と、を備えること
を特徴とする。
に、C−V測定における半導体ウェハの表面近傍におけ
る少数キャリアの影響を低減することができる。
も含んでいる。第1の態様は、上記第2の発明におい
て、前記バイアス電圧の前記第1の値は、前記半導体ウ
ェハの表面近傍を蓄積状態とする値である。
前記バイアス電圧の前記第1の値は、前記C−V測定に
おいて前記半導体ウェハに印加するバイアス電圧の値の
中で、絶対値が最大で前記半導体ウェハを蓄積状態にす
る値であり、前記バイアス電圧のステップ状の切替え
は、前記バイアス電圧の絶対値が単調に減少するように
行なわれる。
イクロプロセッサによって実行されることによって上記
第1の発明または第2の発明の各工程や各手段を実現す
るソフトウェアプログラムを格納した記憶媒体(特に携
帯型記憶媒体)である。
基づき説明する。図1は、この発明の実施例を適用する
非接触電気特性測定装置MDの構成を示す概念図であ
る。この測定装置MDは、半導体ウェハ100を収納す
る測定部20と、光量測定器22と、インピーダンスメ
ータ24と、位置制御装置26と、マスターコントロー
ラ28とを備えている。光量測定器22とインピーダン
スメータ24と位置制御装置26とは、マスターコント
ローラ28に接続されており、このマスターコントロー
ラ28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、マスターコントローラ28
としては、例えばパーソナルコンピュータが用いられ
る。
マスターコントローラ28の図示しないCPUがソフト
ウェアプログラムを実行することによって行なわれる。
すなわち、本発明の各工程や各手段は、このマスターコ
ントローラ28によって実現される。
上に設けられた駆動装置34と、駆動装置34のボール
ネジ部34aに連結された架台36と、架台36の上に
載置された試料テーブル38とを備えている。試料テー
ブル38は、測定試料としての半導体ウェハ100を載
置するテーブルであり、図示しないモータに駆動されて
X−Y平面内で回転する。
ランジ42がボルトで固定されており、フランジ42か
ら下方にはピエゾ素子を利用した3つの圧電アクチュエ
ータ部44、45、46が設けられている。さらに、圧
電アクチュエータ部44、45、46の下方には支持板
48が設けられ、さらに、支持板48の下側に伸びる支
持筒50の先にはセンサヘッド60が固定されている。
支持板48は、図示しない複数のスプリングでフランジ
42に連結されており、圧電アクチュエータ部44、4
5、46をフランジ42側に押上げている。センサヘッ
ド60は、レーザ光導入用の直角プリズム62と、直角
プリズム62の底面に光学接着剤によって接着された透
光性の電極形成部64とで構成されている。
レーザ発振器70とフォトダイオードなどの受光センサ
72とが固定されている。レーザ発振器70から出射さ
れたレーザ光は直角プリズム62を通って電極形成部6
4に導入され、電極形成部64の底面において幾何光学
的な全反射条件で反射される。そして、反射したレーザ
光は直角プリズム62から出射されて受光センサ72で
受光される。
には、センサヘッド60の底面と半導体ウェハ100の
表面とのギャップが約1μm以下に保たれる。レーザ発
振器70とセンサヘッド60と受光センサ72とで構成
される光学系は、このギャップを精密に測定するための
光学測定系である。この光学測定系は、レーザ発振器7
0から発振されたレーザ光がセンサヘッド60の底面で
幾何光学的な全反射条件で反射する際のレーザ光のトン
ネリング現象を利用しており、受光センサ72と光量測
定器22で測定される光量に基づいてギャップの値を測
定している。このギャップの測定方法については、本出
願人により開示された特開平4−32704号公報に詳
述されているので、ここではその詳細は省略する。
位置制御装置26と電気的に接続されており、また、受
光センサ72は光量測定器22と接続され、センサヘッ
ド60の底面に形成された電極と金属製の試料テーブル
38にはインピーダンスメータ24が接続されている。
インピーダンスメータ24は、各電極と試料テーブル3
8との間の容量やコンダクタンスを測定する機器であ
る。
2(B)はそのB−B断面図である。電極形成部64
は、光学ガラスで形成されたコーンガラス66と、コー
ンガラス66の底面66a上に形成された電極パターン
200と、コーンガラス66の底面66aおよび斜面6
6bを被覆する絶縁膜68とで構成されている。電極パ
ターン200は、電気測定用電極201と、3つの平行
度調整用電極111〜113と、ガードリング120と
を含んでおり、また、電極201、111〜113、1
20にそれぞれ接続された配線201a、111a〜1
13a、120aを含んでいる。これらの配線は、コー
ンガラス66の底面66aから側斜面66bに渡って形
成されている。
あり、その中央部に露出するコーンガラス表面は、レー
ザ光Lが幾何光学的に全反射する反射面66cとなって
いる。
ンガラス66の底面66aと半導体ウェハ100の表面
との平行度を調整する際に利用される電極である。すな
わち、圧電アクチュエータ部44、45、46のピエゾ
素子の伸び量を調整してコーンガラス66の底面66a
の傾きを調整し、各電極111〜113の容量値を互い
に等しくするようにすれば、コーンガラス66の底面6
6aと半導体ウェハ100の表面とを平行にすることが
できる。
ン酸化膜(Si02 )を約50nmの厚みに形成したも
のである。絶縁膜68の材質としては、シリコン酸化膜
の他に、シリコン窒化膜(Si3N4)や種々のプラスチ
ックを用いることができる。これらの材質の絶縁膜68
は、CVD(Chemical Vapor Deposition ,熱CVDや
プラズマCVDを含む)やPVD(Physical Vapor Dep
osition )などの方法で形成することが可能である。ま
た、ポリシリコンをコーンガラス66に堆積しておき、
これを熱酸化することによってシリコン酸化膜を形成す
ることも可能である。さらに、Cr2O3,Al2O3,T
a2O3などの金属酸化物を熱酸化や陽極酸化によって形
成することにより、絶縁膜68を形成することも可能で
ある。以上の方法は、絶縁膜68の厚みを精度よく制御
することができるという利点がある。絶縁膜68を形成
するもう1つの方法としては、SOG(Spin On Glass
)用のSiO2 ガラスやテフロン(ポリテトラフルオ
ロエチレンの商品名)を塗布する方法も使用できる。
れば、ベアウェハや、表面の絶縁膜に欠陥の多い半導体
ウェハのC−V特性を測定することが可能である。ま
た、絶縁膜68で被覆された電極は半導体ウェハに直接
接触しないので、電極と半導体ウェハ間の短絡を防止す
ることができるという利点もある。
施例によるバイアス電圧の掃引法を示すグラフである。
バイアス電圧は、0Vから、半導体ウェハの表面を蓄積
状態にする電圧値V0 (「オフセット電圧」と呼ぶ)ま
でランプ状に変化し、オフセット電圧V0 で一定時間T
0 保持される。但し、0Vからオフセット電圧V0 まで
ランプ状に変化させる必要はなく、ステップ状に変化さ
せるようにすることもできる。図3は、p型半導体ウェ
ハに対する電圧掃引法を示しており、従って、蓄積状態
にするためのオフセット電圧V0 は負の値である。
決定できる。第1の方法は、前述した図13に示すよう
な従来の測定で得られたC−V特性を用いる方法であ
る。図13に示すように、蓄積状態は、C−V特性にお
いて容量値がほぼ最大となるフラットな部分に相当す
る。オフセット電圧V0 としては、フラットバンド電圧
Vfbよりも蓄積状態に近い側の電圧値に設定することが
好ましい。例えば、十分に蓄積状態になっていると考え
られる電圧値(例えば−40V)を図3におけるオフセ
ット電圧V0 として使用することができる。
は、測定対象である半導体ウェハに対して予想される蓄
積状態の電圧値を使用する方法である。半導体ウェハの
製造工程においては、一定の規格の半導体ウェハが使用
されるのが普通である。この場合には、半導体ウェハの
特性もほぼ一定しているので、蓄積状態の電圧値の予想
値も知ることができる。従って、C−V測定を行なう際
に、蓄積状態の電圧値の予想値を、図3の電圧掃引法に
おけるオフセット電圧V0 として設定することができ
る。
する時間T0 は、半導体表面近傍の少数キャリアを消滅
させるような十分な長さに設定される。例えば、この保
持時間T0 は約500ms以上に設定される。この後、
オフセット電圧V0 を中心として、交互にステップ状に
変化するようにバイアス電圧の掃引が行なわれる。
である合成容量Ct(図12)を充電するための時間で
ある。この充電時間は、合成容量Ctに接続されている
抵抗やインダクタンスに依存する。図2に示す測定装置
MDでは充電時間は約250msecである。各ステップの
保持時間Tの後半は、合成容量Ctをインピーダンスメ
ータ24(容量計)で測定するための時間である。この
測定時間はインピーダンスメータ24の測定速度に依存
するが、例えば1回の測定時間としては約15msec必要
である。測定誤差を小さくするためには、1ステップ中
に容量測定を複数回繰り返すことが望ましい。各ステッ
プの前半の充電時間と後半の測定時間をそれぞれ約25
0msecに設定した場合には、各ステップの保持時間Tは
約500msとなる。
T0 と、各ステップにおけるバイアス電圧の保持時間T
とは、独立に設定することができる。例えば、半導体表
面付近の少数キャリアを確実に消滅させるために、最初
の保持時間T0 を500ms以上の比較的長い時間に設
定するようにしてもよい。なお、最初の保持時間T0の
最後に、そのバイアス電圧V0 におけるC−V測定を実
行するようにしてもよい。
(1h−V0 ),(−2h−V0 ),(3h−V0 ),
(−4h−V0 )…と変化している。すなわち、隣接す
るステップの高さは、オフセット電圧V0 を中心として
上下に交互に切り替わっている。また、各ステップにお
ける保持電圧とオフセット電圧V0 との差分の絶対値
は、h,2h,3h,4h…であり、隣接するステップ
で互いに一定の差分hだけ異なっている。すなわち、そ
の差分の絶対値は直線的に単調増加している。差分hと
しては例えば最大印加電圧を100等分した程度の値で
充分である。ステップ数Nを100、最大印加電圧を1
00Vとすると、差分hは1Vとなる。
された後の2つのステップにおいて、バイアス電圧が負
に保たれていることが解る。従って、半導体ウェハの表
面付近における少数キャリアが十分に消滅した状態にお
いてC−V測定を行なうことができる。
において測定用電極201の電位が半導体ウェハ100
の電位よりも高いことを意味している。C−V測定では
高周波電圧がバイアス電圧に重畳されるが、高周波電圧
の振幅は数十mV程度であるので便宜上図示を省略して
いる。
本発明における第1の値(少数キャリアを消滅させるた
めの電圧値)および第2の値(ステップ状の切替の中心
となる電圧値)に相当する。このように、バイアス電圧
の第1の値と第2の値が互いに等しくてもよい。
電圧波形を用いたC−V測定で得られたC−V特性を示
すグラフである。また、図5は、このC−V特性から得
られたキャリア濃度プロファイルを示すグラフである。
測定試料はp型シリコンのベアウェハである。なお、図
4,図5に示す実施例の測定と、従来技術において説明
した図13、図14の測定には、同一の半導体ウェハを
用いた。ベアウェハの表面は非常に活性であり、汚染物
質を容易に吸着するので、測定中にウェハ表面が新たに
汚染されないようにするために高純度の窒素ガスで測定
室内をパージした。
キャリア濃度プロファイルが得られている。これは、測
定対象とした半導体ウェハについて期待されていた特性
である。また、そのキャリア濃度の絶対値も半導体ウェ
ハの所定の規格値とよく一致していることが確かめられ
た。
図13に示す従来技術のC−V特性では、特にバイアス
電圧が0V付近におけるC−V曲線の傾きがかなり異な
ることが解る。実施例におけるキャリア濃度プロファイ
ルが正しく得られていることから、C−V特性も、図4
に示される実施例の結果の方が、より正しいと考えられ
る。このように、この実施例では、キャリア濃度プロフ
ァイルのみでなく、C−V特性そのものも従来より高精
度で求めることができる。
さの酸化膜が表面に形成されたp型シリコンウェハにつ
いて、図3に示す実施例によるバイアス電圧波形を用い
たC−V測定で得られたC−V特性を示すグラフであ
る。また、図7は、図6のC−V特性から得られたキャ
リア濃度プロファイルを示すグラフである。図8は、同
じシリコンウェハを用いて図11に示す従来のバイアス
電圧波形を用いて得られたC−V測定を示すフラグであ
る。また、図9は、図8のC−V特性から得られたキャ
リア濃度プロファイルを示すグラフである。
濃度プロファイルにかなりの変化が見られる。一方、図
7に示す実施例の結果では、ほぼ一様なキャリア濃度プ
ロファイルが得られていることが解る。このように、表
面に絶縁膜が形成されている場合にも、実施例によるC
−V測定によって、キャリア濃度を精度良く測定でき
る。また、C−V特性そのものも従来より高精度で求め
ることが可能である。
の他の実施例を示すグラフである。図10の波形では、
半導体ウェハの表面近傍を蓄積状態とするためのオフセ
ット電圧V1 の絶対値が、図3に示すオフセット電圧V
0 よりも大きな側に(すなわち、より蓄積側に)、か
つ、バイアス電圧のほぼ最大値に等しい値に設定されて
いる。そして、保持時間T0 の経過後に、バイアス電圧
が正負交互のステップ状に変化しており、その絶対値が
ほぼ単調に減少している。また、バイアス電圧は、ほぼ
0Vを中心として交互に切り替えられている。
は、本発明における第1の値(少数キャリアを消滅させ
るための電圧値)に相当する。また、第2の値(ステッ
プ状の切替の中心となる電圧値)は約0Vである。
−V測定の初期に半導体ウェハの表面近傍を十分に蓄積
状態にして少数キャリアを消滅させることができるの
で、C−V特性およびキャリア濃度プロファイルを精度
良く測定することが可能である。
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。
電気特性測定について説明したが、この発明はn型半導
体についても同様に適用することが可能である。
定について説明したが、この発明は接触型の電気特性測
定(すなわち、測定用電極201を半導体ウェハの表面
に接触させる方法)についても同様に適用することが可
能である。
MDの構成を示す図。
図。
示すグラフ。
性を示すグラフ。
ロファイルを示すグラフ。
V特性を示すグラフ。
ロファイルを示すグラフ。
−V特性を示すグラフ。
ロファイルを示すグラフ。
フ。
波形の一例を示すグラフ。
て配置された測定用電極201にバイアス電圧を印加し
た状態を示す説明図。
するC−V特性の一例を示すグラフ。
度プロファイルを示すグラフ。
(電子)が集まっている状態を示す説明図。
Claims (4)
- 【請求項1】 半導体ウェハの電気特性測定方法であっ
て、 半導体ウェハのC−V測定において、前記半導体ウェハ
の表面近傍における少数キャリアを消滅させる第1の値
にバイアス電圧を印加した後に、前記バイアス電圧を、
第2の値をほぼ中心として上下に交互に切り替えつつ、
ほぼステップ状に変化させることを特徴とする半導体ウ
ェハの電気特性測定方法。 - 【請求項2】 請求項1記載の半導体ウェハの電気特性
測定方法であって、 前記バイアス電圧の前記第1の値は、前記半導体ウェハ
の表面近傍を蓄積状態とする値である、半導体ウェハの
電気特性測定方法。 - 【請求項3】 請求項1記載の半導体ウェハの電気特性
測定方法であって、 前記バイアス電圧の前記第1の値は、前記C−V測定に
おいて前記半導体ウェハに印加するバイアス電圧の値の
中で、絶対値が最大で前記半導体ウェハを蓄積状態にす
る値であり、 前記バイアス電圧のステップ状の切替えは、前記バイア
ス電圧の絶対値が単調に減少するように行なわれる、半
導体ウェハの電気特性測定方法。 - 【請求項4】 半導体ウェハの電気特性測定装置であっ
て、 半導体ウェハのC−V測定において、前記半導体ウェハ
の表面近傍における少数キャリアを消滅させる第1の値
にバイアス電圧を印加した後に、前記バイアス電圧を、
第2の値をほぼ中心として上下に交互に切り替えつつ、
ほぼステップ状に変化させる手段と、 前記バイアス電圧が印加された状態において、前記半導
体ウェハのC−V測定を実行する手段と、を備えること
を特徴とする半導体ウェハの電気特性測定装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10431496A JP3504804B2 (ja) | 1996-03-28 | 1996-03-28 | 半導体ウェハの電気特性測定方法および装置 |
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JP10431496A JP3504804B2 (ja) | 1996-03-28 | 1996-03-28 | 半導体ウェハの電気特性測定方法および装置 |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH09266237A true JPH09266237A (ja) | 1997-10-07 |
JP3504804B2 JP3504804B2 (ja) | 2004-03-08 |
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US6756607B2 (en) | 2002-06-27 | 2004-06-29 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Method and device for determining backgate characteristics |
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1996
- 1996-03-28 JP JP10431496A patent/JP3504804B2/ja not_active Expired - Fee Related
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