JP4729246B2 - 閾値電圧及びドーパント濃度の高速測定方法 - Google Patents

閾値電圧及びドーパント濃度の高速測定方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体ウェハの電気特性測定方法に関し、詳しくは閾値電圧及びドーパント濃度の高速測定方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
半導体ウェハのシリコン表面上に形成された誘電体の性質を特定するための方法として静電容量−電圧（Ｃ−Ｖ）測定方法がある。閾値電圧及びドーパント濃度はこの方法を用いて測定される。Ｃ−Ｖ測定方法においては、まず半導体ウェハのシリコン表面上及びその近傍の被測定領域を大きく空乏状態にバイアスさせる、つまり非平衡状態とすることが求められる。そして、閾値電圧及びドーパント濃度を測定する前に、被測定領域を熱力学的平衡状態にしなければならない。平衡状態にするためには、被測定領域を強空乏状態にした後、被測定領域を露光する。
【０００３】
図１において、従来方法により得られるＣ−Ｖ曲線８は、交流信号に重畳させて被測定領域に印加される直流信号を、第１の極性を示す初期電圧からこの第1の極性と反対の第２の極性を示す最終電圧へと変化させ、ここで得られる静電容量を測定することにより得られるものである。初期電圧が印加されると、略一定の静電容量を示す蓄積領域が計測される（参照番号１０）。電圧がゼロに達した後、極性が変化すると、被測定領域が空乏領域へとバイアスされるのに伴って静電容量は減少し（１２）、最終的に静電容量は最も強い空乏状態１４に至る。最も強い空乏状態１４では、被測定領域が露光されるとともに被測定領域が平衡状態１８に至るまで一定の電圧が保持される（１６）。被測定領域が平衡状態１８に至ると、露光が停止され、電圧がゼロに向かって下げられる（２０）。電圧を下げる間、静電容量は一定である。このようにして得られたＣ−Ｖ曲線に基づき、当該技術分野において公知の方法を用いて閾値電圧及びドーパント濃度が判定される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記方法は測定速度が遅く、平衡状態に到達するまでにおよそ０．５分の測定時間を要する。製造工程に用いるためには、高速、即ち、数秒間で閾値電圧及びドーパント濃度を測定する必要がある。このため、閾値電圧及びドーパント濃度をより高速に測定する方法が求められていた。
【０００５】
本発明の目的は、より速く平衡状態に到達させることで、閾値電圧及びドーパント濃度を従来方法よりも高速に（即ち、数秒間で）演算可能な方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電気特性測定方法は、測定動作の開始直前に高輝度光により被測定領域を露光する露光工程を備える。ゼロボルトから正または負の最大値まで電圧を変化させながらＣ−Ｖ測定を行う。ここで、正の最大値はｐ型半導体に用いられ、負の最大値はｎ型半導体に用いられる。電圧が最大値に達すると露光が停止され、静電容量が平衡状態になるまで露光停止に伴う被測定領域の反応が測定される。
【０００７】
前記電気特性測定方法によれば、Ｃ−Ｖ測定における熱力学的平衡状態へと非常に速く到達するため、閾値電圧及びドーパント濃度を高速に測定可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
参照番号を対応付けた添付の図面とともに以下の説明を読めば本発明を完全に理解できるであろう。
【０００９】
図２において、本発明に係る電気特性測定方法を実行する装置は、半導体ウェハ１００を保持するチャック１０２と、半導体ウェハ１００のシリコン表面１０８における被測定領域１０６と接触または近接する測定プローブ１０４と、半導体ウェハ１００の被測定領域１０６に光１１２を照射するよう配置されたキセノンランプなどの光源１１０とを備える。プローブ１０４とチャック１０２との間には、Ｃ−Ｖの刺激を半導体ウェハ１００に付与し、この刺激に対する半導体ウェハ１００の反応を測定する測定手段１１４が接続される。
【００１０】
図３において、本発明に基づくＣ−Ｖ曲線２８は以下の方法により得られる。即ち、半導体ウェハ１００のシリコン表面１０８における被測定領域１０６を露光させた状態で、Ｃ−Ｖの刺激を被測定領域１０６に付与する（参照番号３２）。半導体ウェハ１００がｎ型シリコンから形成されている場合、電圧をゼロボルト（３０）から負の最大電圧へと変化させ、ｐ型シリコンから形成されている場合、ゼロボルトから正の最大電圧へと変化させる。この変化の間、静電容量は一定である。最大電圧に達したら光源１１０の電源を切り（３４）、電圧を一定に維持する（３６）。平衡状態３８に達するまで被測定領域１０６の静電容量を測定する。ここで得られたＣ−Ｖ曲線に基づいて閾値電圧及びドーパント濃度を判定する。この方法によれば、空乏領域に大きく入り込むことがなくなる。
【００１１】
図４には、本発明により得られるＣ−Ｖ曲線２８と従来方法により得られるＣ−Ｖ曲線８とが合わせて表示される。半導体ウェハのシリコン表面の平衡状態は参照番号４４として示される。
【００１２】
当業者であれば、本発明の好適な実施形態に関する上記説明から、本発明の精神及び範囲から離れない変形、追加、変更が可能であることを理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体ウェハの閾値電圧及びドーパント濃度に関する従来の電気特性測定方法に基づくＣ−Ｖ曲線を示すグラフである。
【図２】本発明に係る測定方法を実行する装置の概略正面図である。
【図３】半導体ウェハの閾値電圧及びドーパント濃度に関する本発明の電気特性測定方法に基づくＣ−Ｖ曲線を示すグラフである。
【図４】図１及び図３に示されたＣ−Ｖ曲線を重ね合わせたグラフである。
【符号の説明】
８ 従来方法により得られるＣ−Ｖ曲線
２８ 本発明により得られるＣ−Ｖ曲線
１００ 半導体ウェハ
１０２ チャック
１０４ 測定プローブ
１０６ 被測定領域
１０８ シリコン表面
１１０ 光源
１１２ 光
１１４ 測定手段

Claims (3)

  1. 半導体ウェハの電気特性測定方法であって、
    ａ）半導体ウェハのシリコン表面における被測定領域を露光する露光工程と、
    ｂ）交流電圧に重畳させた直流電圧を第1の電圧から第2の電圧まで変化させる電圧変化工程と、
    ｃ）前記第2の電圧に達したとき、前記シリコン表面への露光を停止させる露光停止工程と、
    ｄ）前記被測定領域が平衡状態になるまで前記第２の電圧を一定に維持する電圧維持工程と、
    ｅ）前記半導体ウェハの静電容量を前記電圧維持工程で印加される前記第２の電圧の関数として測定する測定工程と、
    ｆ）前記測定工程における測定結果に基づいて前記半導体ウェハの電気特性を演算する演算工程と、を備えることを特徴とする電気特性測定方法。
  2. 請求項１に記載の電気特性測定方法において、前記電気特性は閾値電圧及びドーパント濃度であることを特徴とする電気特性測定方法。
  3. 請求項１に記載の電気特性測定方法において、前記第２の電圧は、前記半導体ウェハがｎ型シリコンから形成される場合、負の最大電圧であり、前記半導体ウェハがｐ型シリコンから形成される場合、正の最大電圧であることを特徴とする電気特性測定方法。
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