JPH09321107A

JPH09321107A - 半導体の層厚測定装置

Info

Publication number: JPH09321107A
Application number: JP13833196A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Shirai; 良史白井; Masahiko Suzumura; 正彦鈴村; Mitsuhide Maeda; 光英前田; Yuji Suzuki; 裕二鈴木; Yoshiki Hayazaki; 嘉城早崎; Takashi Kishida; 貴司岸田; Hitomichi Takano; 仁路高野; Takeshi Yoshida; 岳司吉田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1996-05-31
Filing date: 1996-05-31
Publication date: 1997-12-12

Abstract

(57)【要約】【課題】積層型ウェハを対象として、絶縁層の層厚に
影響されることなく、層厚さの厚い半導体層の層厚を精
度よく測定することができる半導体の層厚測定装置を提
供する。【解決手段】絶縁層１１とその絶縁層１１につづいて
積層されて所定値の不純物濃度を有した半導体層１２と
導電性で絶縁層１１と接続されて半導体層１２を支持す
る支持基板１３と、で形成される積層型ウェハ１を対象
として、半導体層１２の層厚を測定する半導体の層厚測
定装置において、前記支持基板１３を接地した状態で、
導電型がＮ型又はＰ型のときそれぞれ正又は負の電圧を
前記半導体層１２の表面に印加する電源部１と、電圧が
印加された前記半導体層１２の静電容量を測定する静電
容量測定部２と、を備え、静電容量が一定になるときの
電圧を検知電圧として、その検知電圧と前記不純物濃度
の所定値に基づいて前記半導体層１２の層厚を測定する
構成にしてある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、積層型ウェハを対
象として半導体層の層厚を測定する半導体の層厚測定装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の半導体の層厚測定装置と
して、図２に示す構成のものが存在する。このものは、
光源Ａ１からの光を波長掃引して照射光Ａ２を発光する
光源部Ａと、照射光Ａ２が反射した反射光Ｂの強度を検
知する光強度検知部Ｃと、照射光Ａ２の波長を制御し光
強度検知部Ｃからの光の強度データを解析する制御解析
部Ｄと、を備えている。

【０００３】さらに詳しくは、酸化シリコン絶縁層Ｅ１
と、その酸化シリコン絶縁層Ｅ１につづいて積層されて
導電型がＮ型又はＰ型で所定値の不純物濃度を有したシ
リコン半導体層Ｅ２と、導電性で絶縁層と接続されて半
導体層を支持する支持基板Ｅ３と、で形成される積層型
ウェハＥを対象として、シリコン半導体層Ｅ２の層厚を
測定する。

【０００４】照射光Ａ２を積層型ウェハＥ表面へ照射す
ると、３種類の反射光が反射される。つまり、第１反射
光Ｂ１がシリコン半導体層Ｅ２表面から、第２反射光Ｂ
２がシリコン半導体層Ｅ２と酸化シリコン絶縁層Ｅ１と
の界面から、第３反射光Ｂ３は酸化シリコン絶縁層Ｅ１
と支持基板Ｅ３との界面から、それぞれ反射される。光
強度検知部Ｃは、これらの３種類の反射光Ｂ１，Ｂ２，
Ｂ３が干渉して合成されたものを検知する。

【０００５】そして、位相差が反射光の光路差に対応し
てそれぞれの反射光間で生じるため、光源Ａ１からの光
を各波長に対して連続して出力する波長掃引した照射光
Ａ２が照射されると、反射光Ｂは波長に対して干渉現象
を生じる。したがって、制御解析部Ｄにて光強度の波長
依存性特性を求めると、山と谷が観測される。光路差は
層厚と屈折率で決まるため、シリコン半導体層Ｅ２及び
酸化シリコン絶縁層Ｅ１の屈折率を制御解析部Ｄに入力
すると、シリコン半導体層Ｅ２の層厚を山と谷からなる
光強度の波長依存性特性でもって求めることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の半導体
の層厚測定装置では、波長掃引した照射光Ａ２を積層型
ウェハＥへ照射して、反射光Ｂの光強度に対する波長依
存性特性でもってシリコン半導体層Ｅ２の層厚を測定で
きる。非接触のため、ウェハ表面を汚染することなく、
シリコン半導体層Ｅ２に素子を形成する素子形成工程中
にて層厚を測定できる。しかも、照射光Ａ２のスポット
径を数１０ミクロンメートル程度に設定できるので、微
小な領域を測定できるという利点も有する。

【０００７】しかしながら、単純な単層構造のとき２種
類の反射光Ｂの干渉であるため独立した干渉波形は１つ
であるのに対して、積層型ウェハの如き３層構造のと
き、３種類の反射光Ｂの干渉のため２つの独立した干渉
波形の重ね合わせになって、それだけ解析が困難にな
る。さらに、装置の簡便さから通常用いられる照射光Ａ
２は可視光であって、その波長が１ミクロンメートル以
下から始まるシリコンの光吸収領域に位置するため、第
２反射光Ｂ２及び第３反射光Ｂ３の強度が弱く、干渉波
形が検知しにくく、測定精度に問題が有る。

【０００８】シリコン半導体層Ｅ２の屈折率が３．５以
上、酸化シリコン絶縁層Ｅ１は１．４６である。ここ
で、光路差は屈折率に比例する関係があり、シリコン半
導体層Ｅ２中の光路差は酸化シリコン絶縁層Ｅ１中の光
路差の２．４倍以上となり、シリコン半導体層Ｅ２の層
厚が比較的薄くても全体の光路差が大きい。光路差が大
きくなるほど干渉波形の山と谷との間隔は小さくなるか
ら、シリコン半導体層Ｅ２及び酸化シリコン絶縁層Ｅ１
それぞれの層厚が厚いとき、干渉波形の山と谷との間隔
が狭くなって、データを取りこぼし及びその解析が困難
となるという問題がある。

【０００９】本発明は、上記事由に鑑みてなしたもの
で、その目的とするところは、積層型ウェハを対象とし
て、絶縁層の層厚に影響されることなく、層厚さの厚い
半導体層の層厚を精度よく測定することができる半導体
の層厚測定装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ために、請求項１記載のものは、絶縁層と、その絶縁層
につづいて積層されて導電型がＮ型又はＰ型で所定値の
不純物濃度を有した半導体層と、導電性で絶縁層と接続
されて半導体層を支持する支持基板と、で形成される積
層型ウェハを対象として、半導体層の層厚を測定する半
導体の層厚測定装置において、前記支持基板を接地した
状態で、前記導電型がＮ型又はＰ型のときそれぞれ正又
は負の電圧を前記半導体層の表面に印加する電源部と、
電圧が印加された前記半導体層の静電容量を測定する静
電容量測定部と、を備え、静電容量が一定になるときの
電圧を検知電圧として、その検知電圧と前記不純物濃度
の所定値に基づいて前記半導体層の層厚を測定する構成
にしてある。

【００１１】請求項２記載のものは、請求項１記載のも
のにおいて、前記半導体層の表面に電圧を印加する複数
の検査針が設けられた構成にしてある。

【００１２】請求項３記載のものは、請求項２記載のも
のにおいて、前記検査針は、水銀が半導体層の表面に接
触する水銀プローブでもって形成された構成にしてあ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態を図１に基づ
いて以下に説明する。先ず、測定対象である積層型ウェ
ハ１について説明する。積層型ウェハ１は、板状で４イ
ンチのウェハ状に形成され、絶縁層１１と半導体層１２
と支持基板１３とでＳｉｌｉｋｏｎｏｎＩｎｓｕｌａ
ｔｏｒ、いわゆるＳＯＩ基板を形成している。

【００１４】絶縁層１１は、酸化シリコンにより、層厚
が略２ミクロンメートルである。半導体層１２は、導電
型がＮ型のシリコン半導体で、層厚が略１ミクロンメー
トルで、不純物濃度の所定値が略１Ｅ１４／立方ｃｍ
で、絶縁層１１につづいて積層されて、後工程にてＩＣ
等の半導体素子が形成される。

【００１５】支持基板１３は、導電型がＮ型のシリコン
半導体で、層厚が５２５ミクロンメートルで、不純物濃
度が略３Ｅ１８／立方ｃｍであって高濃度不純物濃度を
有しているため導電性で、絶縁層１１と接続されて半導
体層１２を支持している。

【００１６】次いで、この半導体の層厚測定装置につい
て説明する。２は電源部で、一端が接地されて正又は負
の電圧を発生する。３は静電容量測定部で、複数個の並
設された各スイッチ３１ａを有する半導体スイッチ群３
１が設けられ、一端が電源部２に、他端が各スイッチ３
１ａに接続されてそれぞれを並列接続して、静電容量を
測定する。

【００１７】４は検査針で、水銀プローブであり、複数
個が半導体層１２の表面に並設されて、一端が各スイッ
チ３１ａに接続されて、水銀で構成された他端が半導体
層１２の表面に接触して、半導体層１２の表面における
測定したい箇所の全てにわたって配置されている。

【００１８】５は制御解析部で、半導体スイッチ群３
１、静電容量測定部３及び電源部２のそれぞれを並列接
続して、半導体スイッチ群３１、静電容量測定部３及び
電源部２のそれぞれのシーケンス制御とタイミング制御
を行って、静電容量測定部３で測定した静電容量データ
の解析を行う。

【００１９】このものの動作を説明する。先ず、支持基
板１３が半導体層１２の反対側面にて接地された状態
で、電源部２が静電容量測定部３と半導体スイッチ群３
１と検査針４を介して、半導体層１２の導電型がＮ型で
あるので、正電圧を半導体層１２の表面に印加する。静
電容量測定部３は、正電圧が印加された状態の半導体層
１２の静電容量を測定する。また、半導体スイッチ群３
１は各スイッチ３１ａがいずれか一つから始めて、検査
針４を介して半導体層１２の表面における測定したい箇
所の全てにわたって順次導通される。

【００２０】ここで、支持基板１３から絶縁層１１を通
して半導体層１２に至るまでの構造は、支持基板１３
が、３Ｅ１８／立方ｃｍもの高濃度不純物濃度を有する
ため電気的に金属とみなせるので、ＭｅｔａｌＯｘｉ
ｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ、いわゆるＭＯＳ構
造となっている。支持基板１３を接地し電源部２を正電
位にとれば半導体層１２がＮ型なので、半導体層１２中
の電子が検査針４側に移動して、空乏層（図示せず）が
絶縁層１１と半導体層１２の界面から半導体層１２内部
へ形成される。この空乏層の静電容量Ｚ及び空乏層幅Ｗ
は、Ｚ＊Ｚ＝（ｑ＊ｋｓ＊ｅ＊Ｎ）／２＊Ｖ（ａ）、Ｗ＊Ｗ＝（２＊ｋｓ＊ｅ＊Ｖ）／ｑ＊Ｎ（ｂ）で表され
る。ここで、ｑは素電荷で、ｋｓはシリコンの比誘電率
で、ｅは真空誘電率で、Ｎは半導体層１２の不純物濃度
所定値であり、Ｖは半導体層１２の表面に印加した印加
電圧である。ｑ、ｋｓ及びｅは定数であるから、ＮとＶ
を与えれば静電容量Ｚ及び空乏層幅Ｗが決定される。

【００２１】先ず、半導体層１２の不純物濃度の所定値
を制御解析部５に入力しておく。そして半導体層１２表
面の測定したい点に水銀プローブを接触させた状態で、
電源部２が正電圧を徐々に印加する。静電容量測定部３
が、（ａ）式に従った空乏層の静電容量Ｚと、絶縁層１
１の静電容量とが合成された静電容量を測定する。

【００２２】そして、徐々に電圧を昇圧すると空乏層
が、絶縁層１１と半導体層１２の界面から半導体層１２
の表面側へ成長して、空乏層幅Ｗが半導体層１２の層厚
に等しくなると静電容量が一定になって、この静電容量
が一定になるときの電圧を検知電圧として求める。
（ｂ）式を用いて、この検知電圧と既に入力している不
純物濃度の所定値とに基づいて、空乏層幅Ｗすなわち層
厚が求められる。いま、Ｎ＝１Ｅ１４／立方ｃｍの所定
値を制御解析部５に入力しておき、静電容量が一定にな
るときの電圧、すなわち検知電圧が７７ｍＶであると、
半導体層１２の層厚が１ミクロンメートルと計算され
る。

【００２３】ここで、７７ｍＶ以下では、測定された静
電容量は（ａ）式で表される空乏層と絶縁層１１の静電
容量との合成容量であるので、制御解析部５に絶縁層１
１の層厚を入力しておけば、静電容量の容量データ解析
でもって不純物濃度を算出できる。したがって、不純物
濃度を正確に知り得ていないときは、絶縁層１１のシリ
コン酸化層厚を入力しておくことにより、半導体層１２
の不純物濃度と層厚との両者を同時に測定することもで
きる。

【００２４】波長掃引した照射光Ａ２を積層型ウェハＥ
へ照射して半導体層Ｅ２の層厚を測定した従来と異なっ
て、半導体層１２に形成される空乏層は静電的に形成さ
れるので、半導体層１２の層厚が厚くなっても、その層
厚に関係なく、測定できる。また、空乏層は（ｂ）式に
見られるように絶縁層１１の厚みに依存せず、従来と異
なって、絶縁層１１の厚みが厚くなると測定精度が劣化
することもない。

【００２５】かかる一実施形態の半導体の層厚測定装置
にあっては、上記したように、支持基板１３を接地した
状態で、電源部２が、半導体層１２の導電型がＮ型であ
るので正の電圧を半導体層１２の表面に印加すると、絶
縁層１１と半導体層１２との界面にキャリアが存在しな
い空乏層が形成されて、静電容量測定部３がその空乏層
の静電容量を測定するから、印加電圧を徐々に上昇する
と、半導体層１２と空乏層との層厚が一致したとき静電
容量が一定になって、そのときの電圧である検知電圧と
不純物濃度の所定値に基づいて、絶縁層１１の層厚に影
響されることなく、層厚さの厚い半導体層１２の層厚
を、従来と比較して精度よく測定することができる。

【００２６】また、半導体層１２の表面に電圧を印加す
る複数の検査針４が設けられたから、積層型ウェハ１に
おける複数点に同時に検査針４を接触して、半導体層１
２の層厚のばらつきを短時間に測定することができ
る。。

【００２７】また、検査針４が水銀プローブでもって形
成されたから、水銀が半導体層１２の表面に直接接触し
て表面への汚染が少なくなって、測定時の汚染に基づく
後工程への悪影響を防止することができる。

【００２８】なお、本実施形態では、電源部２が正の電
圧を半導体層１２の表面に印加したが、半導体層１２の
導電型がＰ型のときは負の電圧を印加して、導電型がＮ
型のとき正の電圧をＰ型のとき負の電圧を印加すればよ
く、限定されない。

【００２９】また、本実施形態では、検査針４を水銀プ
ローブとして複数個設けたが、半導体層１２の表面への
汚染が問題にならないときは水銀プローブでなくてもよ
く、さらに半導体層１２の層厚のばらつきを測定しない
ときは一個でもよく、限定されない。

【００３０】また、本実施形態では、支持基板１３をＮ
型で不純物濃度が高いシリコン半導体としたが、Ｐ型で
あっても不純物濃度が高くなくてもよく、すなわち導電
性があればよく、限定されない。

【００３１】また、本実施形態では、積層型ウェハ１を
絶縁層１１と半導体層１２と支持基板１３とで形成され
る３層構造としたが、絶縁層１１と支持基板１３との間
に他の層が介在して他の層を介して支持基板１３が絶縁
層１１と接続されていてもよく、限定されない。

【００３２】

【発明の効果】請求項１記載のものは、支持基板を接地
した状態で、電源部が、導電型がＮ型又はＰ型のときそ
れぞれ正又は負の電圧を半導体層の表面に印加すると、
絶縁層と半導体層との界面にキャリアが存在しない空乏
層が形成されて、静電容量測定部がその空乏層の静電容
量を測定するから、印加電圧を徐々に上昇すると、半導
体層と空乏層との層厚が一致したとき静電容量が一定に
なって、そのときの電圧である検知電圧と不純物濃度の
所定値に基づいて、絶縁層の層厚に影響されることな
く、層厚さの厚い半導体層の層厚を、従来と比較して精
度よく測定することができる。

【００３３】請求項２記載のものは、請求項１記載のも
のの効果に加えて、半導体層の表面に電圧を印加する複
数の検査針が設けられたから、積層型ウェハにおける複
数点に同時に検査針を接触して、半導体層の層厚のばら
つきを短時間に測定することができる。。

【００３４】請求項３記載のものは、請求項２記載のも
のの効果に加えて、検査針が水銀プローブでもって形成
されたから、水銀が半導体層の表面に直接接触して表面
への汚染が少なくなって、測定時の汚染に基づく後工程
への悪影響を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す構成図である。

【図２】従来例を示す構成図である。

【符号の説明】

１積層型ウェハ１１絶縁層１２半導体層１３支持基板２電源部３静電容量測定部４検査針

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木裕二大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者早崎嘉城大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者岸田貴司大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者高野仁路大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者吉田岳司大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁層と、その絶縁層につづいて積層さ
れて導電型がＮ型又はＰ型で所定値の不純物濃度を有し
た半導体層と、導電性で絶縁層と接続されて半導体層を
支持する支持基板と、で形成される積層型ウェハを対象
として、半導体層の層厚を測定する半導体の層厚測定装
置において、前記支持基板を接地した状態で、前記導電型がＮ型又は
Ｐ型のときそれぞれ正又は負の電圧を前記半導体層の表
面に印加する電源部と、電圧が印加された前記半導体層
の静電容量を測定する静電容量測定部と、を備え、静電
容量が一定になるときの電圧を検知電圧として、その検
知電圧と前記不純物濃度の所定値に基づいて前記半導体
層の層厚を測定することを特徴とする半導体の層厚測定
装置。
【請求項２】前記半導体層の表面に電圧を印加する複
数の検査針が設けられたことを特徴とする請求項１記載
の半導体の層厚測定装置。
【請求項３】前記検査針は、水銀が半導体層の表面に
接触する水銀プローブでもって形成されてなることを特
徴とする請求項２記載の半導体の層厚測定装置。