JPH04132236A - 半導体ウエハの電気測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野） この発明は、Ｃ−７曲線などの半導体ウェハの電気特性
の測定を行なう装置に関する。 【従来の技術） ＭＩＳ構造の半導体のプロセスを評価する方法の１つと
して、Ｃ−■測定による評価方法が用いられている。 第２０図は、従来のＣ−■測定方法を示す説明図である
０図の（ａ）は、ＭＩＳ構造を示しており、半導体基板
１０１の表面上に酸化膜１０２が形成され、さらにその
上部に電極２０１が形成されている。また、半導体基板
ｌｏｔの裏面にも電極２０２が形成されている。２つの
電極２０１．２０２の間の全容量Ｃｔは、図の（ｂ）に
示すように、半導体基板１０１の容量Ｃｓと酸化膜１゜
２の容量Ｃｉとの直列接続で表わされる。 図の（Ｃ）には、理想的なＣ−７曲線を実線で、Ｃ−■
測定で得られる現実のＣ−７曲線を破線で、示している
。この評価方法では、よく知られているように、理想的
な曲線と現実の曲線とのずれ量を測定してフラットバン
ド電圧Ｖｆｂが決定され、フラットバンド電圧Ｖｆｂの
値に基づいて、酸化膜１０２の品質やその形成プロセス
が評価される。 従来のＣ−Ｖ測定では、このように酸化膜１０２の表面
上に電極２０１を形成する必要があった。 【発明が解決しようとする課題１ ところが、酸化膜１０２上に電極２０１を形成すると、
電極形成のプロセスにおいて、酸化膜１０２中にＮａ（
ナトリウム）等のイオンが混入してしまう場合がある。 よく知られているように、Ｃ−Ｖ特性は酸化膜１０２中
のＮａ等のイオンに依存する。従って、Ｃ−■特性で酸
化［１０２の品質が不良であると評価された場合に、従
来の方法では、酸化膜形成のプロセスに原因があるのか
、電極形成のプロセスに原因があるのかを区別できない
という問題があった。 酸化膜形成のプロセスは、半導体基板の洗浄処理、熱酸
化処理、酸化膜の安定化熱処理等の処理に細分化される
が、これらの各処理の間にｃ−■特性評価を行なえば、
それぞれの処理の良否を判定することができる０例えば
、半導体基板の洗浄処理の良否を評価する場合には、洗
浄された半導体基板上に電極を形成してＣ−■測定を行
なう。 このように、従来は半導体ウェハの電気特性評価を行な
うたびに半導体ウェハの表面に測定用の電極を形成しな
ければならなかった。このような電極形成のプロセスは
、半導体ウェハの電気特性自体に影響を与えるばかりで
なく、電極形成そのものに手間と時間がかかるという問
題があった。 さらに、半導体ウェハの表面近傍の特性を評価するため
に、いわゆるゼルブスト法（Ｃ−を法）による評価がし
ばしば行なわれている。この方法は、静電容量の時間依
存性を測定する方法なので、Ｃ−■測定と同様に、半導
体の表面上に電極を形成する必要があり、上記と同様の
問題があった。 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上に電極
を形成することな（、Ｃ−■測定やＣ−を法などの電気
特性評価を行なうことのできる半導体ウェハの電気測定
装置を提供することを目的とする。 【課題を解決するための手段］ 上述の課題を解決するため、この発明による半導体ウェ
ハの電気測定装置は、 測定用電極と、半導体ウニへの表面の上方にギャップを
隔てて前記測定用電極を保持するとともに、前記ギャッ
プを測定する電極保持手段と、前記測定用電極と前記半
導体ウェハの半導体基板との間の電気特性を測定する測
定手段と、を備える。 上記の電極保持手段は、レーザ光を発振するレーザ発振
器と、測定１ｔ８ｉｉが設置される面として前記半導体
ウェハの表面とほぼ平行に位置決めされる電極保持面を
有し、前記レーザ光を当該電極保持面によって幾何光学
的な全反射条件で反射する透光性の反射部と、前記反射
部によって反射されたレーザ光の強度を測定する受光セ
ンサと、前記レーザ発振器と反射部と受光センサとが設
置された架台と、当該架台と半導体ウェハとを、当該半
導体ウェハと測定用電極との間のギャップの増減方向に
沿って相対的に移動させる駆動部と、前記反射部の電極
保持面で反射されるレーザ光の強度に基づいて前記ギャ
ップを算出する算出部と、を備えていることが好ましい
。 さらに、測定用電極が設置される電極保持面に設けられ
た複数の平行度調整用電極と、当該複数の平行度調整用
電極のそれぞれと半導体ウェハとの間の静電容量をそれ
ぞれ測定するとともに、当該静電容量の比較結果に基づ
いて、前記電極保持面と前記半導体ウェハの表面との平
行度を調整する平行度調整手段と、を備えていてもよい
。 また、平行度調整用電極のかわりに、複数の平行度調整
用単色光を発生して、幾何学的な全反射条件で電極保持
面に当該複数の平行度測定用単色光を入射させる平行度
調整用光発生手段と、前記電極保持面で反射された複数
の平行度調整用単色光の強度をそれぞれ測定する複数の
平行度調整用受光センサと、前記複数の平行度１１！！
用受光センサで受光された複数の単色光の強度の比較結
果に基づいて、前記電極保持面と前記半導体ウェハの表
面との平行度を調整する平行度調整手段と、を備えるよ
うにしてもよい。 【作用】 測定用電極と半導体ウェハとの間のギャップは、電気的
にコンデンサとして機能する。電極保持手段でギャップ
を測定すれば、ギャップの静電容量を算出することがで
きる。また、測定用電極と半導体基板との間の電気特性
を測定手段で測定すれば、このコンデンサの電気特性と
半導体ウェハの電気特性とを含めた電気特性を測定でき
る。 電極保持手段におけるギャップの測定は、光のトンネリ
ング現象を利用した測定方法を利用できる。レーザ光を
反射部によって幾何光学的な全反射条件で反射させる場
合に、その反射面（電極保持面）と半導体ウェハの表面
との間のギャップがレーザ光の波長と同程度以下の大き
さになると、レーザ光の一部が反射面から半導体ウェハ
の内部に浸出す「トンネリング現象」　（その詳細はさ
らに後述する。）が現われる。この時、半導体ウェハ側
に浸出す透過光の強度は、ギャップの大きさに依存する
。同様に、反射部の反射面で反射されるレーザ光の強度
もギャップの大きさに依存するので、反射光の強度を測
定することにより、ギャップの大きさを求めることがで
きる。 複数の平行度調整用電極のそれぞれと半導体ウェハとの
間の静電容量は、各平行度調整用電極と半導体ウェハと
の間のギャップに反比例する。従って、各平行度調整用
電極で測定された静電容量を互いに比較すれば、電極保
持面と半導体ウェハの表面との平行度を調整できる。 一般に、電極保持面で反射される光の強度は、電極保持
面と半導体ウェハの表面との間のギャップに依存するの
で、複数の平行度調整用単色光を用いて、複数の平行度
調整用受光センサで受光された単色光の強度を互いに比
較すれば、電極保持面と半導体ウェハの表面との平行度
を調整できる。

【実施例】

Ａ、電気測定法の概要 第１図は、この発明における半導体の電気測定法の概要
を示す概念図である０図の（ａ）において、半導体基板
１０１の表面上には酸化膜１０２が形成されており、裏
面上には電極２０２が形成されている。酸化膜１０２の
上方には、ギャップＧｅを隔てて測定用電極２０１が１
を極保持ユニット３００によって保持されている。酸化
Ｍ１０２と測定用電極２０１とのギャップＧ、ｅは、後
述するように、１μｍ以下になるように電極保持ユニッ
ト３００によって制御されている。 ２つの電極２０１．２０２の間の静電容量Ｃｔは、図の
（ｂ）に示すように、半導体基板１０１の静電容量Ｃｓ
と、酸化膜１０２の静電容量Ｃｉと、ギャップＧｅの静
電容量Ｃｇとの直列接続で表わされ、次式で与えられる
。 １　／　Ｃｔ　＝　１　／　Ｃｓ　＋１　／　Ｃｉ　＋
　１　／　Ｃｇ・・・（１） 測定部４００では、この合成容量Ｃｔを測定する。 Ｃ−■測定で求めたいのは、半導体基板１０１の容量Ｃ
ｓと、酸化膜１０２の容量ＣＬとの合成容量Ｃｔａの電
圧依存性である。 １／Ｃｔａ＝１／Ｃｓ＋ｌ／Ｃｉ　　　・＝　（２）全
体の合成容量Ｃｔを測定して、（２）式の合成容量Ｃｔ
ａを精度よ（求めるには、（１）式かられかるように、
ギャップＧｅの容量Ｃｇが過度に小さくならないように
する必要がある。一般に、ギャップＧｅの容量Ｃｇは、
次式で与えられる。 Ｃｇ＝εＯ−８／Ｇｅ　　　　　　　　−（３）ここで
、εＯ：真空誘電率 Ｓ：電極２０１の下面の面積。 容量Ｃｇは、ギャップＧｅの大きさに反比例し、ギャッ
プＧｅが大きいほど容量Ｃｇが小さくなる。 後で詳しく説明するように、ギャップＧｅが１μｍより
も大きいと、その容量Ｃｇが、他の容量Ｃｓ、Ｃｉに比
べて十分小さ（なり、下記のように合成容量Ｃｔがギャ
ップの容量Ｃｇとほぼ等しくなってしまうという問題が
生じる。 Ｃｇ　＜＜Ｃｓ、　　Ｃｉのとき（１）式からＣｔ＝Ｃ
ｇ　　　　　　　　　　　　　・・・（４）この発明で
は、ギャップＧｅの大きさを電極保持ユニット３００で
制御している。こうして、ギャップＧｅの容量Ｃｇをあ
まり小さくすることな（Ｃ−Ｖ測定を行なうので、第１
図（Ｃ）に示す破線のようなＣ−７曲線を測定すること
ができ、半導体装置の電気特性評価を行なうことができ
る。 Ｂ、ギャップ測定の原理 ギャップＧｅの測定には、媒質の界面で光が全反射する
際のトンネリング現象を利用している。 トンネリング現象は、光に限らず、波動関数で表現され
る物理現象において一般的に観察される。 すなわち、やや専門的に言えば、物質の境界面で境界条
件を規定すると、その境界面の外側において波動関数が
指数関数的に減衰するような解が得られる。このような
解は、境界面の外側に波動が浸出していることを表わし
ており、その浸出しはその波動の波長の程度の長さにま
で及んでいる。 例えば、光が光学的に密な物質（ガラス）から疎な物質
（空気）に入射する場合、入射角が臨界角以上になると
幾何光学的には全反射となる。ところが、この時の光の
伝播状態を波動関数（電界）で表わすと、幾何光学的に
は全反射であるにもかかわらず疎な物質（空気）中に光
（電界）が浸出している解が得られる。 第２図は、密な物質Ｍｌから疎な物質Ｍ２に光が浸出す
場合を示す光路図である０図において、入射光Ｌｉはｘ
ｙ平面内に偏光方向を有する直線偏光（１ｉ界ベクトル
がｘｙ平面に平行）であり、入射角θ１で物質Ｍｌと物
質Ｍ２との界面に入射している。物質Ｍ１の屈折率はｎ
ｌ、物質Ｍ２の屈折率はｎ２である。この図は幾何光学
的な全反射条件を満たす場合を示しているが、反射光Ｌ
ｒとともに、透過角θ２で物質Ｍ２へ浸出している透過
光Ｌｔも描かれている。この透過光Ｌｔの電界Ｅｔは、
次式のような波動間数で表わされる。 Ｅｔ＝ＥＯ＊ｅｘｐ　（−ｋｔ＊ａ＊ｙ）ｅｘｐ［ｉ＊
　（ｋｔ　　（ｎｌ／ｎ２）ｓｉｎθ１＊Ｘ−ω＊ｔ）
］　　　　　　　・・・（５）ここで、ＥＯは定数、ｋ
ｔおよびαは各々次の（６）式および（７）式で表わさ
れる定数、ωは光の角周波数である。また、演算千木は
乗算を表わす。 ｋｔ＝ｎ２＊　　（２＊７Ｃ）／λ　　　　　・　（６
）ａ＝［（ｎｌ＝２／ｎ２’２）＊ｓｉｎθ１−２−１
］　“０．　５　　　　　　　　　　　・・・（７）二
こで、λは光の波長であり、演算子“はべき乗を表わす
。 上記（５）式において、ｅｘｐ（−ｋｔ本α＊ｙ）の項
は、光波の電界が物質Ｍ２内に浸出しており、電界の振
幅　Ｅｔ　　が波長λのオーダの長さにわたって指数関
数的に単調減少することを示している。なお、これらの
式は、例えばファインマン、レイトン、サンズ著「ファ
インマン物理学■、電磁波と物性Ｊ　　（１９８６年３
月、岩波書店）第１９６頁第２０行目の式と等価である
。 物質Ｍ２が空気であればｎ２＝１．、ｏであり、（５）
式、（６）式、（７）式はそれぞれ次のように書換られ
る。 Ｅｔ＝ＥＯ＊ｅｘｐ　（−ｋｔ＊ａ＊ｙ）ｅｘｐ［ｉ＊
　（ｋｔ＊ｎｌ＊ｓｉｎθ１ ＊Ｘ−ω木１）］　　　　　　・・・（５ａ）ｋｔ＝　
（２＊π）／λ　　　　　　・・・（６ａ）α　＝［（
ｎｌ＊ｓｉｎ　　θ　１）”２−１　　コ　　“　０　
、　５・・・（７ａ） この時、第３図に示すように第３の密な物質Ｍ３を用意
し、物質Ｍ３を空気Ｍ２側から物質Ｍｌ側に近づけてい
くと、物質ＭｌとのギャップＧが波長λ程度になったと
きに第３の物質Ｍ３の双極子モーメントが励起されて第
３の物質Ｍ３中に光波が透過し始めるようになる。第３
の物質Ｍ３に透過していく透過光Ｌｔの電界は、近似的
に上記（５ａ）〜（７ａ）式で表わすことができる。な
お、透過光Ｌｔの強度がその電界の振幅１Ｅｔｌの２乗
に比例することは、周知のとうりである。 透過光Ｌｔの強度とギャップＧとの関係が、例えば（５
ａ）〜（７ａ）式のような計算式によって求められるこ
とを利用すれば、ギャップＧを測定することができる。 すなわち、透過光Ｌｔの強度とギャップＧとの関係を予
め計算で求めておき、透過光の強度を実測すれば、ギャ
ップＧの大きさを測定できる。もちろん、透過光Ｌｔの
電界Ｅｔを計算で正確に求めるためには、　（５ａ）〜
（７ａ）式のかわりに、物質Ｍｌ、Ｍ２．Ｍ３で構成さ
れる３層構造を境界条件としてマックスウェルの方程式
を解く必要がある０通常、このような計算はコンピュー
タを使用して行なわれており、そのためのプログラムは
、例えば、革用徹著「レンズ光学Ｊ　　（１９８８年、
東海大学出版会）第２９５頁〜第３１０頁に示されてい
る。 なお、密な特質Ｍ３への透過光Ｌｔの強度を測定するの
は難しいので、そのかわりに、反射光Ｌｒの強度を測定
するのが実際的である。入射光Ｌｉ９反射光Ｌｒ、透過
光Ｌｔの強度をそれぞれＰｉ、Ｐｒ、Ｐｔとすれば、こ
れらには次の関係がある。 Ｐ　ｔ　／　Ｐ　ｉ　＝　ｌ　−Ｐ　ｒ　／　Ｐ　ｉ　
　　　　　　−（８）第１表は、３層構造を伝播する光
波の電界について、正確な計算を行なって得られた反射
光Ｌｒの反射率Ｒｒ（＝Ｐｒ／Ｐｉ）を示す、なお、こ
こでは、入射光ＬｉがＳ偏光の場合、ｐ偏光の場合、お
よび、これらと偏光方向が４５°異なる直線偏光（以下
、ｓ＋ｐ偏光と記す）の場合についての計算結果を示し
ている。 （以下余白） 第１表 第１表の計算条件は、以下のとうりである。 ｎ１＝１．５１０３．ｋｌ＝０．０　　（はうけい酸塩
ガラス、ＢＫ７） ｎ２＝１．０．に２＝０．０　　　（空気）ｎ３＝３．
６７３．に３＝０．００５　　　（シ！、１コン） λ　＝０．８２７μｍ　　（ＧａＡｌＡｓレーザ）θ　
１＝４５゜ ここで、ｋｌ、に２．に３はそれぞれ物質Ｍｌ（ＢＫ７
）、Ｍ２　（空気）、Ｍ３（シリコン）の消衰係数であ
る。 なお、周知のように、任意の直線偏光はＳ偏光成分とｐ
偏光成分とに分けられる。そして、ある直線偏光の偏光
方向がＳ偏光の偏光方向からθ。 傾いているとき、その反射率ＲｒａはＳ偏光の反射率Ｒ
ｒｓとｐ偏光の反射率Ｒｒｐとによって、次のように表
わすことができる。 Ｒｒａ＝ｃｏｓθＡ２＊Ｒｒｓ ＋ｓｉｎθ“２本Ｒｒｐ　　　・・　（９）第４Ａ図な
いし第４Ｃ図は、第１表の結果をグラフにしたものであ
る。これらの図で、横軸はギャップＧの大きさ、縦軸は
反射率Ｒｒを示す、ギャップＧが波長λに比べて十分に
大きい時にはほぼ１００％反射（全反射）になっており
、一方、ギャップＧがゼロの時には反射率もゼロに近く
、はとんどの光が透過していることが分かる。 ところで、（８）式からも明らかなように、透過率Ｒｔ
（＝Ｐｔ／Ｐｉ）は、　（１−Ｒｒ）と等しい、第５Ａ
図ないし第５Ｃ図は、透過率ＲｔをギャップＧにたいし
てプロットしたグラフである。 ただし、縦軸の透過率Ｒｔは対数で表示している。 これらの図では、ギャップＧがゼロに近いところを除い
て、透過率Ｒｔの対数１ｏｇＲｔを直線で近似すること
ができる。第５Ａ図〜第５Ｃ図に破線で示す近似直線は
、ギャップＧが０．　２〜１゜０μｍの範囲において、
それぞれ次式で表わされる。 １ＣｇＲｔ＝−２，６４２Ｇ−０，１３５・・・　（１
０ａ） １ＣｇＲｔ　＝−２，２１６Ｇ＋０．　３４５・・・　
（１０ｂ） １ＣｇＲｔ＝−２，２９１Ｇ＋０．　１６５・・・　（
１０ｃ） 第６Ａ図および第６Ｂ図は、ＢＫ７／空気／シリコンの
３層構造について、他の波長のレーザ光に関する透過率
を示す図であり、第７Ａ図および第７Ｂ図は、ＢＫ７／
空気／シリコン酸化膜／シリコンの４層構造についての
透過率Ｒｔを示す図である。これらの図において、構成
される物質を物質１／物質２／物質３（／物質４）で示
している。第７Ａ図および第７Ｂ図において、シリコン
酸化膜の厚さＴｉは１０００人である。なお、（ｓ＋ｐ
）偏光の透過率は前述のようにＳ偏光の透過率とｐ偏光
の透過率とで表わすことができるので、図示を省略して
いる。 なお、第７Ａ図、第７Ｂ図のような４層構造の場合にも
、３層構造の場合と同様にマックスウェルの方程式を解
くことにより、反射率、透過率を求めることができる。 これらの図からも分かるように、レーザ光の波長や第３
の物質が変わっても、透過率Ｒｔの対数とギャップＧと
の関係は直線で近似することができる。 レーザ光の反射面と半導体ウェハの表面との間のギャッ
プＧを測定しようとするときは、上述のようにギャップ
Ｇと反射率または透過率との関係を予め計算しておき、
反射率を実測すれば、上記関係からギャップＧの大きさ
を決定できる。 Ｃ１測定装置の構成 第８図は、上記の原理を利用して測定用電極２０１と半
導体ウェハの表面との間のギャップを測定しつつ、Ｃ−
■特性等の電気特性の測定を行なう電気測定装置ＭＤＩ
の構成を表わす概念図である。 この電気測定装置ＭＤＩは、固定台１と、固定台ｌ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さらに下部に設置された断面が台形状の架台３
とを備えている。架台３の下部にある２つの斜面は、互
いになす角度が９０．’となるように形成されており、
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の一方の斜面の端部にはＧａＡｌＡｓレーザなど
のレーザ発振器５が固定され、他方の斜面の端部にはフ
ォトダイオードなどの受光センサ６が固定されている。 プリズム４は、はうけい酸塩ガラス（ＢＫ７）でつくら
れており、その底面４ａが、半導体ウェハ１００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は、その入射面４ｂと出射面４Ｃとが互いに
９０°をなすように形成されており、また、これらの面
４ｂ、４ｃが底面４ａとなす角度はそれぞれ４５°であ
る。 プリズム４の下方には、ギャップＧを介して半導ウェハ
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。 圧電アクチュエータ２には位置制御装置１１が接続され
ており、また、受光センサ６には光量測定器１２が、測
定用電極２０１と金属製の試料台７にはＬＣＲメータ１
３が接続されている。　　ＬＣＲメータ１３は、測定用
電極２０１と試料台７どの間の合成容量Ｃｔやコンダク
タンス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ＬＣＲメータ１３
とは、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。 この発明における電極保持手段は、固定台１と、圧電ア
クチュエータ２と、架台３と、プリズム４と、レーザ発
振器５と、受光センサ６と、位置制御装置１１と、光量
測定器１２と、ホストコントローラ１４とで実現されて
いる。このうち、圧電アクチュエータ２が駆動部に相当
し、ホストコントローラ１４が算出部に相当する。 また、この発明における測定手段は、ＬＣＲメータ１３
と、ホストコントローラ１４とで実現されている。 圧電アクチュエータ２はＺ方向に伸縮する圧電素子を有
しており、位置制御装置１から与えられる電圧に応じて
架台３を２方向に移動させる。 試料台７は、ＳＵＳなどの金属で作成されておす、半導
体ウェハ１００を吸着して保持する。第９図（ａ）は試
料台７の平面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図であ
る。試料台７の表面には、溝７ａが形成されている。溝
７ａは、同心円状の２つの凹部と、これらを連結する数
本の放射状の凹部とを有している。溝７ａの中心部は、
試料台７の裏面まで貫通する貫通孔７ｂと連結され、貫
通孔７ｂは真空ポンプ８に接続されている。真空ポンプ
８で溝７ａが真空に引かれると、半導体ウェハ１００　
（図中、−点鎖線で示す、）が試料台７の上に吸着され
る。この際、試料台７の側面に○リング９（図中、点線
でしめす、）を設けるとともに、試料台７の表面を鏡面
仕上げすることにより密着の程度を高めている。 半導体ウェハ１００と試料台７どの間は、電気的には静
電容量として扱われる。この静電容量Ｃｂは、ＬＣＲ、
メータ１３で測定される合成容量Ｃｔの一部に含まれる
ので、（１）式は次式に書き換えられる。 １　／　Ｃｔ　＝　１　／　Ｃｓ　＋　１　／　Ｃｉ　
＋　ｌ　／　Ｃｇ＋１／Ｃｂ　　　　　　　　　　・・
・　（１１）Ｃ−■測定によって第１図（Ｃ）のような
曲線を得るためには、半導体ウェハ１００と試料台７ど
の間の容量ｃｂが、他の３つの容量Ｃｓ、Ｃｉ。 Ｃｇに比べて十分大きく、合成容量Ｃｔが（１）式で近
似できるようにする必要がある。そこで、この実施例で
は、上述のように半導体ウェハ１００を試料台７に密着
させて、その間の容量ｃｂＯ値を大きく保っている。 Ｃ−■測定を行なう際には、半導体ウエノ＼１００の裏
面と試料台７の表面とをオーミック接触させることが好
ましい、これは、オーミック接触させれば半導体ウェハ
１００の裏面と駁料台７の表面との間の容量ｃｂを考慮
する必要がないためである。しかし、オーミック接触を
実現するためには、半導体ウェハ１００の裏面にオーミ
ック電極を形成しなければならないため、オーミック電
極形成のプロセスが必要になる。一方、上記のように、
半導体ウェハ１００を試料台７に密着させれば、その間
の容量ｃｂは、全体の合成容量Ｃｔに対して無視でき、
しかもオーミック電極を形成するプロセスも必要ないの
で、半導体ウェハの電気測定をより早く、かつ容易に行
なうことができるという利点がある。 第１０図（ａ）は、プリズム４を拡大して示す正面図、
（ｂ）は、その底面図である。プリズム４の下面４ａに
は、リング状の測定用電極２０１が形成されている。リ
ング状の測定用電極２０１で囲まれた反射領域ＲＡは底
面４ａの一部であり、レーザ発振器５から射出されたレ
ーザ光がこの反射領域ＲＡで反射される。 電極２０１はクロム（Ｃｒ）と金（Ａｕ）との２層構造
を有しており、プリズム４の底面４ａ上に真空蒸着によ
って形成される。この際、まず、底面４ａ上にレジスト
を塗布し、電極が形成される部分に窓を開けたレジスト
パターンを形成する。 次に、ＣｒとＡｕとを順次真空蒸着して２層構造を形成
する。そして、レジストパターンを剥離すると、２層構
造の電極２０１が完成する。 電極２０１の厚さＴｅは、例えば１０００〜２ＯＯＯ人
程度が好ましい、この厚さＴｅは、架台３に設置される
前に干渉顕微鏡を用いて予め測定される。 第８図において、レーザ発振器５から発振されたレーザ
光Ｌｉは、プリズム４の入射面４ｂに垂直に入射し、そ
の底面４ａの反射領域ＲＡ（第１０図参照）に４５゛の
入射角で入射する０例えば前記第１表の条件における臨
界角は４１．５°なので、幾何光学的な全反射条件が満
たされている。 反射光Ｌｒは、出射面４Ｃから垂直に出射した後、受光
センサ６で受光される。受光センサ６の出力は、光量測
定器１２に与えられて反射光Ｌｒの光量がここで測定さ
れる。 ホストコントローラ１４は、光量測定器１２から与えら
れた反射光Ｌｒの光量に基づいて透過率Ｒｔ、ギャップ
Ｇ、Ｇｅ、　および静電容量Ｃｅを算出する役割を有す
る。 Ｄ、ギャップの測定と半導体の電気測定の詳細プリズム
の底面４ａと半導体ウェハ１００の表面とのギャップＧ
の測定は、次のような手順で行なう。 まず、ギャップＧをレーザ光の波長λの数倍以上の大き
さに保つ、この状態でレーザ光Ｌ１を出射し、受光セン
サ３で受光された反射光Ｌｒの強度を光量測定器１２で
測定する。ギャップＧを波長λの数倍以上に保った状態
では、前述のような光波の浸出しが無いので、レーザ光
Ｌ１はプリズム４の底面４ａで全反射される。従って、
この時に受光センサ６で検出される反射光Ｌｒの強度は
、入射光Ｌｉの強度Ｐｉと等しい、すなわち、このよう
にすれば入射光Ｌｉの強度Ｐｉを測定できる。 次に、位置制御装置１１により圧電アクチュエータ２を
駆動させて、架台３を（−Ｚ）方向に移動させ、ギャッ
プＧを波長λの程度にまで小さくする。この状態で再び
レーザ光Ｌｉを出射し、受光センサ６で反射光Ｌｒの強
度Ｐｒを測定する。 なお、この時は前述のように光波の一部が半導体ウェハ
１００に浸出している。 ホストコントローラ１４は、反射光強度Ｐｒを前のステ
ップで求めた入射光強度Ｐｉで除算して、反射率Ｒしを
求める。さらに、透過率Ｒｔ（＝１−Ｒｒ）も算出する
。 入射光ＬｉがＳ偏光である場合には、第６Ａ図や第７Ａ
図のグラフ上で、上記のように得られた透過率Ｒｔに対
応するギャップＧを参照すれば、ギャップＧの大きさを
求めることができる。 なお、このようにギャップＧを求めるのに際しては、第
６Ａ図ないし第７Ｂ図のような関係をホストコントロー
ラ１４がルックアップテーブルなどの形で記憶しておき
、これを参照するとともに、必要に応じ補間を行なって
ギャップＧの大きさを求めるようにしてもよい。また、
前記（１０ａ）〜（１ｏＣ）式のような式を記憶してお
き、この式にしたがって透過率Ｒｔに対するギャップＧ
の大きさを求めるようにしてもよい、さらに、　（１０
ａ）〜（１０ｃ）式のような１次関数でなく、より高次
の関数や対数関数、指数関数などの所定の関数を用いて
透過率（または反射率）とギャップＧとの関係を表わし
、これを利用するようにしてもよい。 ホストコントローラ１４は、次のような手順でＣ−Ｖ特
性を算出する。 まず、電極２０１の下表面と半導体ウェハ１゜Ｏの表面
とのギャップＧｅを次式で算出する。 Ｇ　ｅ　−Ｇ　−Ｔ　ｅ　　　　　　　　　　＝−（１
２）ここで、Ｔｅ二電極２０１の厚さ また、前記（２）式にしたがってギャップＧｅの静電容
量Ｃｇを計算する。 さらに、ＬＣＲメータ１３を使用して合成容量Ｃｔにつ
いてのＣ−７曲線を測定する。得られた合成容量Ｃｔか
ら、ギャップＧｅの容量Ｃｇの成分を差し引くことによ
り、求めたいＣ−７曲線、すなわち、半導体基板１０１
の容量Ｃｓと酸化膜１０１の容量Ｃｉとの合成容量Ｃｔ
ａの電圧依存性を算出する。 第１１図は、こうして得られたＣ−７曲線の一例を示す
グラフである。このグラフは、ｐ型の半導体基板１０１
の上に厚さ１４０人の酸化［１０１を形成した試料を用
い１、ギャップＧｅを１４００人、印加する電圧の周波
数を１００ＫＨｚとした条件で高周波Ｃ−■測定を行な
って得られた結果である。こうして得られたＣ−■特性
から、従来と同じ評価方法を用いて、酸化膜ｌｏｔおよ
びその製造プロセスの良否を判定することができる。 第１２Ａ図および第１２Ｂ図は、ギャップＧｅを１００
０人から２μｍまで変えたときに得られるＣ−Ｖ特性を
示すグラフである。第１２Ａ図は、酸化膜１０２が無い
場合、第１２Ｂ図は、酸化膜１０２の厚さＴｉが１ｏｏ
ｏ人の場合を示しており、いずれもｎ型基板を使用した
場合の結果である。これらの図において、電圧を上昇さ
せげたときに容量が一定値に保たれる部分が見られる。 この部分における容量値は、いわゆる反転容量であるこ
とが知られている。 ギャップを１μｍよりも大きくすると、この反転容量が
Ｃ−■曲線上で観察できず、また、曲線も直線に近くな
って、フラットバンド電圧を測定するのが困難になる。 従って、電極２０１と半導体ウェハの表面との間のギャ
ップＧｅは、１μｍ以下とするのが好ましい。 Ｅ、他の実施例 第１３図は、この発明の他の実施例における電気測定装
置ＭＤ２を示す図である。 この電気測定装置ＭＤ２では、プリズム４１と、レーザ
発振器５と、受光センサ６とが架台３に固定されている
。試料台７は、ｘｙ子テーブル１の上に立設された３台
の圧電アクチュエータ２１〜２３に支持されている＋＋
Ｘ３’テーブル３１は、Ｘ軸駆動モータ３２ｘとｙ軸駆
動モータ３２ｙとにそれぞれ駆動されてｘｙ平面上を移
動する。また、ｘｙ子テーブル１は、基台３３の上に立
設された垂直コラム３４によって支持されており、Ｚ軸
駆動モータ３１ｚによって駆動されてＺ軸方向に移動す
る。 試料台７をプリズム４１に近づける場合には、まず２軸
駆動モータ３１ｚによって試料台７を上昇させ、試料台
７の表面が初期位置センサ３Ｓの高さにきたところでい
ったん停止する。その後は、圧電アクチュエータ２１〜
２３を用いて試料台７の高さを微調節する。なお、圧電
アクチュエータ２１〜２３とモータ３２　ｚ、　　３２
　ｙ、　　３２　ｚとは、いずれも位置制御装置１１に
よって制御される。 第１４図は、この電気測定装置ＭＤ２のプリズム４１の
底面を示す図である。プリズム４１の底面には、電気測
定用の電極２０１と、平行度調整用の３つの電極１１１
〜１１３が形成されている。 また、電極２０１，１１１〜１１３にはそれぞれ導線２
０１ａ、１ｌｌａ〜１１３ａが接続されている。 圧電アクチュエータ２１〜２３は、第１４図に破線で示
すように、各電極１１１〜１１３の中心部の外側の位置
にそれぞれ設置されている。これらの圧電アクチュエー
タ２１〜２３は、位置制御装置１１によって互いに独立
に駆動され、これによって、試料台７の上に載置された
半導体ウェハ１００の表面と測定用電極２０１の表面と
の平行度が調整される。 なお、この発明における平行度調整手段は、３つの圧電
アクチュエータ２１〜２３と、位置制御装置１１と、Ｌ
ＣＲメータ１３と、ホストコントローラ１４とで実現さ
れている。 平行度調整用電極１１１−１１３は、等分割されたリン
グ状の形状をそれぞれ有している。これらの電極の形状
としては、第１５図に示すように、それぞれを円形とし
てもよいが、それぞれを分割したリング状にすれば、よ
り小さな領域内に、より面積の大きな電極を形成するこ
とができるという利点がある。 第１６図は、プリズム４１の底面の傾きと各平行度調整
用電極１１１〜１１３の容量Ｃｅとの関係を示すグラフ
である６図の（ａ）に示す平行度調整用電極１１１〜１
１３の寸法は、以下の通りである。 内径ｒＯ＝０．０８ｃｍ 外径ｒｌ＝０．１２ｃｍ 電極間の隙間Δｇ＝０．０７ｃｍ 第１６図（ｂ）の結果は、図の（ａ）および（Ｃ）に示
すように、軸αを中心にしてプリズムの底面を傾けた条
件で各電極の容量を算出したものである。軸αは、電極
１１２と１１３との鏡面対称の軸である。 プリズム４１を角度θだけ傾いているとき、図の（Ｃ）
に示すように、電極１１１〜１１３の表面が半導体ウェ
ハｌＯＯの表面と平行になる位置（図中の破線の位置）
からはずれる、この時、電極１１１〜１１３の端部がそ
の平行位置からずれる距離△ｄを第１６図の（Ｃ）の横
軸としている。 平行度調整用電極１１１〜１１３の容量ＣｅはＬＣＲメ
ータ１３を用いて測定する。ＬＣＲメータ１３やホスト
コントローラ１４を含めた容量測定系の精度をＯ，ｌｐ
Ｆ程度にすることは、比較的容易である。容量測定系の
精度を０．１ｐＦとすると、第１６図（ｂ）から、距離
△ｄが０．０１μｍ以下となるように平行度を調節でき
ることがわかる。なお、距離Δｄが０．０１μｍの時、
プリズム表面の傾き角θは約０．０００５°であり、無
視できる程度である。 第１７図は、軸αと直角な軸βを中心にしてプリズム４
１が傾いている場合における距離△ｄと各平行度調整用
電極の容量Ｃｅとの関係を示すグラフである。この場合
にも、第１６図の場合と同様に、容量測定系の精度をＯ
，ｌμＦとすれば、距離Δｄが０．０１μｍ以下となる
ように平行度を調節することができる。 このように、プリズムの底面に平行度調整用の電極を３
つ設けてそれらの容量を測定し、容量値が互いにほぼ等
しくなるように３台の圧電アクチュエータ２１〜２３を
駆動すれば、プリズムの底面（すなわち、測定用電極２
０１の表面）と半導体ウェハ１００の表面との平行度を
精度よく調節することが可能である。 なお、平行度調整用電極は３つ以上膜ければよい、また
、測定用電極と平行度調整用電極の形状を等しくすれば
、測定用電極を平行度調整用の電極としても利用できる
ので、この場合は、平行度調整専用の電極を少な（とも
２つ設ければよい。 また、第１８図に示すように、プリズムの底面にガード
リング１２０を設けてもよい、ガードリング１２０は、
平行度調整用電極１１１〜１１３とギャップ測定用電極
２０１との間、および、各平行度調整用電極１１１〜１
１３の間に配置され、接地電位に保たれた配線である。 ガードリング１２０を設ければ、各平行度調整用電極ｉ
ｔｔ〜１１３の容量値を互いに影響されずに測定でき、
平行度をより高精度で調整できるようになるという利点
がある。 上記実施例では、３つの平行度調整用電極を用い、それ
らの容量値に基づいて平行度の調整を行なったが、光の
トンネリング現象を利用したギャップ測定方法を用いて
平行度の調整を行なうこともできる。第１９図は、この
ような電気測定装置におけるプリズム４１の周囲の部分
を、底面から見た図である。この電気測定装置では、第
１３図に示す構成に加えて、平行度測定用のレーザ発振
器５１〜５３および受光センサ６１〜６３を備えている
。 ３台のレーザ発振器５１〜５３から出射されたレーザ光
Ｌ１〜Ｌ３は、それぞれプリズム４１の底面の反射点Ｐ
１〜Ｐ３で反射され、受光センサ６ｌ−Ｌ６３によって
それぞれ受光される。反射点ＰＩ−Ｐ３は、測定用電極
２０１の円弧の中心と各圧電アクチュエータ２１〜２３
とを結ぶ直線上にそれぞれ位置している。 各反射点Ｐ１〜Ｐ３におけるプリズム４１の底面と半導
体ウェハの表面とのギャップＧの測定の手順は、前述の
通りである。各反射点Ｐ１〜Ｐ３におけるギャップＧが
互いに等しくなるように圧電アクチュエータ２１〜２３
を調節すれば、平行度の調節を行なうことができる。こ
の際、各反射点Ｐ１〜Ｐ３におけるギャップＧの絶対値
を求める必要はなく、各受光センサ６１〜６３で受光さ
れるレーザ光の強度が互いに等しくなるようにすれば、
平行度を調節できる。 なお、平行度調整用のレーザ発振器５１〜５３を設ける
代わりに、ギャップ測定用のレーザ発振器５から出射さ
れるレーザ光をビームスプリッタを用いて分割するよう
にしてもよい。 また、平行度の調整に用いるレーザ光は全部で３本あれ
ばよく、その内の１本は、ギヤツブＧ測定用のレーザ光
を利用してもよい、この場合には、受光センサを全部で
３つ用意すればよし）。 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。 ■　この発明は、Ｃ−■測定に限らず、一般に、測定用
電極と半導体基板との間の電気特性を測定する場合に適
用できる。 例えば、ゼルブスト法によって合成容量Ｃｔａの時間依
存性を調べることにより、半導体表面近傍の特性を評価
することが可能である。 また、ＬＣＲメータ１３によってコンダクタンスを測定
すれば、半導体基板１０１と酸化膜１０２との界面にお
ける界面準位などを評価することも可能である。 さらに、半導体基板の洗浄処理、熱酸化処理、酸化膜の
安定化熱処理等の各処理の間に、半導体ウェハに酸化膜
が形成されていない状態でＣ−■測定を実行すれば、こ
れらの各処理の良否を判定することができる。 ■　上記実施例では、ギャップの測定や平行度の調整に
レーザ光を用いたが、レーザ光に限らず、一般に単色光
を用いればよい、これは、単色光を用いれば、各物質の
光学定数（屈折率と吸収率）が一定値となるので、上述
の透過率や反射率の計算を容易におこなえるからである
６例えば１μｍ以上のギャップの測定には、レーザ光に
限らず他の長波長の単色光を用いても精度良く測定でき
る。 他の長波長の単色光としては、例えば、グローバー光源
（棒状のＳｉＣ（炭化珪素）の光源）を用い、グローバ
ー光源から出射される遠赤外線をバンドパスフィルター
に通すことによって得ることができる。さらに、偏光板
を通せば上記実施例と同様に直線偏光にすることができ
る。

【ｇ＠明の効果】

以上説明したように、この発明によれば、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し、
測定用電極と半導体基板との間の電気特性を測定手段で
測定するので、半導体ウェハの表面上に電極を形成する
ことなく、半導体ウェハの電気特性を測定できるという
効果がある。 また、電極保持手段におけるギャップを、光のトンネリ
ング現象を利用した測定方法を利用して行なえば、ギャ
ップを精度よく測定できるので、ギャップの静電容量を
精度よく算出できる。したがって、半導体ウェハの電気
測定を高精度で行なうことができるという効果がある。 さらに、複数の平行度調整用電極のそれぞれと半導体ウ
ェハとの間の静電容量を測定して互いに比較すれば、電
極保持面と半導体ウェハの表面との平行度を調整できる
ので、ギャップの静電容量をさらに精度よく算出するこ
とができる。従って、半導体ウェハの電気特性をさらに
高精度で測定できるという効果がある。 また、平行度調整用電極のかわりに複数の平行度調整用
単色光を用いた場合にも、複数の平行度調整用受光セン
サで受光された単色光の強度を互いに比較すれば、電極
保持面と半導体ウェハの表面との平行度を調整できるの
で、ギャップの静電容量を精度よく算出することができ
る。従って、半導体ウェハの電気特性を高精度で測定で
きるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明における半導体の電気測定方法の概
要を示す概念図、 第２図は、２層構造における光の浸出しを示す光路図 第３図は、３層構造における光の浸出しを示す光路図 第４Ａ図ないし第４Ｃ図は、反射率とギャップの大きさ
との関係を示すグラフ、 第５Ａ図ないし第５Ｃ図は、透過率とギャップの大きさ
との関係を示すグラフ、 第６Ａ図ないし第７Ｂ図は、他の条件における透過率と
ギャップの大きさとの関係を示すグラフ、第８図は、こ
の発明の一実施例としての電気測定装置の構成を示す概
念図、 第９図は試料台の説明図、 第１Ｏ図（ａ）はプリズムを拡大して示す正面図、第１
０図（ｂ）はその底面図、 第１１図は、Ｃ−７曲線の一例を示すグラフ、第１２Ａ
図および第１２Ｂ図は、ギャップを変えて得られたＣ−
７曲線を示すグラフ、第１３図は、この発明の他の実施
例としての電気測定装置を示す図、 第１４図は、他の実施例における電極の配置を示す図、 第１５図は、電極の他の配置を示す参考図、第１６図は
、プリズムの底面の傾きと平行度調整用電極の容量との
関係を示すグラフ、第１７図は、プリズムの傾きと各平
行度調整用電極の容量との関係を示すグラフ、 第１８図は、電極のさらに他の配置を示す図、第１９図
は、他の実施例におけるプリズムの周囲の部分の底面図
、 第２０図は、従来のＣ−■測定の方法を示す概念図であ
る。 ２．２１〜２３・・・圧電アクチュエータ３・・・架台 ４．４１・・・プリズム ５．５１〜５３・・・レーザ発振器 ６．６１〜６３・・・受光センサ ７・・・試料台 １００・・・半導体ウェハ １０１・・・半導体基板 １０２・・・酸化膜 １１１〜１１３・・・平行度調整用電極２０１・・・測
定用電極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体ウェハの電気特性を測定する装置であって
   、 測定用電極と、 半導体ウェハの表面の上方にギャップを隔てて前記測定
   用電極を保持するとともに、前記ギャップを測定する電
   極保持手段と、 前記測定用電極と前記半導体ウェハの半導体基板との間
   の電気特性を測定する測定手段と、を備えることを特徴
   とする半導体ウェハの電気測定装置。
2. （２）請求項１記載の半導体ウェハの電気測定装置であ
   って、 電極保持手段は、 単色光を発生する単色光発生器と、 測定用電極が設置される面として前記半導体ウェハの表
   面とほぼ平行に位置決めされる電極保持面を有し、前記
   単色光を当該電極保持面によって幾何光学的な全反射条
   件で反射する透光性の反射部と、 前記反射部によって反射された単色光の強度を測定する
   受光センサと、 前記単色光発生器と反射部と受光センサとが設置された
   架台と、 当該架台と半導体ウェハとを、当該半導体ウェハと測定
   用電極との間のギャップの増減方向に沿って相対的に移
   動させる駆動部と、 前記反射部の電極保持面で反射される単色光の強度に基
   づいて前記ギャップを算出する算出部と、を備える半導
   体ウェハの電気測定装置。
3. （３）請求項１または２記載の半導体ウェハの電気測定
   装置であって、 測定用電極が設置される電極保持面に設けられた複数の
   平行度調整用電極と、 当該複数の平行度調整用電極のそれぞれと半導体ウェハ
   との間の静電容量をそれぞれ測定するとともに、当該静
   電容量の比較結果に基づいて、前記電極保持面と前記半
   導体ウェハの表面との平行度を調整する平行度調整手段
   と、 を備える半導体ウェハの電気測定装置。
4. （４）請求項１または２記載の半導体ウェハの電気測定
   装置であって、 複数の平行度調整用単色光を発生して、幾何学的な全反
   射条件で電極保持面に当該複数の平行度測定用単色光を
   入射させる平行度調整用光発生手段と、 前記電極保持面で反射された複数の平行度調整用単色光
   の強度をそれぞれ測定する複数の平行度調整用受光セン
   サと、 前記複数の平行度調整用受光センサで受光された複数の
   単色光の強度の比較結果に基づいて、前記電極保持面と
   前記半導体ウェハの表面との平行度を調整する平行度調
   整手段と、を備える半導体ウェハの電気測定装置。