JPH04223202A - 半導体ウェハ上の絶縁膜の膜厚測定方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体大規模集積回路
（ＬＳＩ）等の半導体装置を製造する際に基板として用
いられる半導体ウェハ上の絶縁膜の膜厚を測定する方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ＬＳＩ等の半導体装置の製造に際
して、半導体ウェハ面上に生成される絶縁膜の膜厚は、
半導体装置の重要な品質管理項目の１つである。

【０００３】従って、前記膜厚は、正確に測定されるこ
とが要請される。

【０００４】一般に、前記絶縁膜の膜厚測定技術には、
薄膜の膜厚測定方法が採用されている。この種の薄膜測
定方法には、微量天秤により測定対象物の重さの変化を
測定し、その増加量から測定対象物の膜厚を測定する方
法（以下、微量天秤法という）や、光学的に膜厚を測定
する方法、あるいは、機械的に膜厚を測定する方法（文
献；麻蒔立男著「薄膜作成の基礎」日刊工業新聞社発行
）が知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の薄膜測定方法は、ウェハ面上に生成される絶縁膜測
定に採用されると次のような問題点が生じる。

【０００６】即ち、前記微量天秤法は、半導体ウェハ面
全面の平均膜厚を測定することについては、ウェハに加
工を加える必要がないため便利な方法である。しかしな
がら、前記微量天秤法は、ウェハ面内の膜厚分布を測定
することについては、該ウェハを破壊して小片に加工し
た後に測定しなければならないという問題点がある。

【０００７】又、前記光学的測定方法や機械的測定方法
は、ウェハ面が鏡面状態の場合、当該ウェハ面上の絶縁
膜の膜厚を精度上問題なく測定できるものである。しか
しながら、前記光学的測定方法や機械的方法は、エッチ
ングされたウェハ面のような凹凸の激しいウェハ面上の
絶縁膜の膜厚を精度良く測定することが困難なものであ
る。

【０００８】本発明は、前記従来の問題点を解消するべ
くなされたものであって、鏡面又は凹凸面のいずれの状
態のウェハ面においても、当該ウェハを破壊することな
くウェハ上に生成された絶縁膜の膜厚及びその分布を測
定することができる、半導体ウェハ上の絶縁膜の膜厚測
定方法を提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体ウェハ
面上に生成される絶縁膜の膜厚を測定する方法において
、前記ウェハ面に静電容量検出センサの検出端面を対向
させ、ウェハ面上に絶縁膜のある状態と該絶縁膜のない
状態との２つの状態について、前記静電容量検出センサ
により、前記センサの検出端面及びウェハ面間の静電容
量を検出し、前記各状態で検出された各静電容量と、前
記絶縁膜の誘電率とに基づき、前記絶縁膜の膜厚を求め
ることにより、前記課題を解決するものである。

【００１０】

【作用】発明者は、ウェハ上に生成される絶縁膜の膜厚
を、そのウェハ面の状態が鏡面あるいは凹凸面のいずれ
の状態でも前記膜厚を測定し得る技術について種々の検
討を行った。

【００１１】その結果、絶縁膜がウェハ面上にある状態
と、当該絶縁膜がウェハ面上にない状態とでは、静電容
量検出センサの検出端面及びウェハ面間の静電容量に差
が生じることに着目した。この各検出静電容量は、例え
ば前記センサの検出端面及びウェハ面間の距離を一定と
すれば、絶縁膜の膜厚と、絶縁膜の誘電率とに従って変
化する。

【００１２】又、周知のように平行面間の静電容量Ｃは
、面の面積Ｓ、面間の誘電率ε、面間の距離ｄ　と、Ｃ
＝εＳ／ｄ　という関係を有する。又、検出面に多少の
凹凸があるとしても、その凹凸の各部に対応させて静電
容量検出センサの検出端面を対向させれば精度良く前記
静電容量を検出できる。

【００１３】従って、前記検出される静電容量に基づき
、鏡面あるいは凹凸面のいずれの絶縁膜の膜厚をも測定
することができる。

【００１４】本発明は、前記の知見に基づき創案された
ものである。

【００１５】従って、半導体ウェハ面上の絶縁膜の膜厚
を、当該面が鏡面あるいは凹凸面のいずれであっても精
度良く検出することができる。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００１７】この実施例は、図１に示すように、半導体
ウェハ３面上の絶縁膜２の膜厚ｄ２を測定する装置であ
る。

【００１８】図１に示すように、実施例装置は、ウェハ
３面上に距離ｄ３を置いて対向された、静電容量検出セ
ンサ１検出端面及びウェハ３面間の静電容量を検出する
ための静電容量検出センサ１と、前記絶縁膜２のない状
態で検出された静電容量Ｃ１　を記憶するための静電容
量記憶部４と、前記ウェハ３面上に絶縁膜２のある状態
と絶縁膜２のない状態との２つの状態においてそれぞれ
検出された各静電容量Ｃ２　及びＣ１　と前記絶縁膜２
の誘電率ε２　とに基づき絶縁膜２の膜厚ｄ２を求める
ための膜厚演算部５と、前記ウェハ３面上に絶縁膜のな
い状態で検出される静電容量Ｃ１　を前記記憶部４に伝
達し、前記絶縁膜のある状態で検出される静電容量Ｃ２
　を膜厚演算部５に伝達するための切換スイッチ６とを
備える。

【００１９】次に、実施例の作用を説明する。

【００２０】図２は、前記図１に示したウェハ３面上に
絶縁膜２がない状態を示すものである。

【００２１】実施例の膜厚測定装置で絶縁膜２の膜厚を
測定する際には、まず図２に示すように、絶縁膜２のな
い状態において、静電容量検出センサ１により当該セン
サ１の検出端面及び半導体ウェハ３面間の静電容量Ｃ１
　を検出する。次いで、検出された静電容量Ｃ１　をス
イッチ６を介して静電容量記憶部４に記憶させる。

【００２２】図１は、ウェハ３面上に絶縁膜２がある状
態を示すものである。

【００２３】次いで、図１に示すように、絶縁膜２のあ
るウェハ３面上に静電容量検出センサ１を対向させる。 この場合、ウェハ３面と前記センサ１検出端面間との距
離ｄ３は図２の場合と同じになるようにする。

【００２４】次いで、前記図２の場合と同条件で、前記
センサ１の検出端面及びウェハ３間の静電容量Ｃ２　を
検出する。この場合、スイッチ６は膜厚演算部５側へ切
換えており、当該スイッチ６を介して検出静電容量Ｃ２
　を膜厚演算部５へ伝達する。

【００２５】図１のように、ウェハ３面上に絶縁膜２が
存在する場合と、図２のように、該絶縁膜が存在しない
場合とでは各検出静電容量Ｃ２　及びＣ１が異なる。

【００２６】前記各検出静電容量Ｃ２　及びＣ１　に基
づき、次の演算式により絶縁膜２の膜厚ｄ２を求める。

【００２７】まず、前記各検出静電容量Ｃ１　及びＣ２
　は次の（１）及び（２）式で表わされる。

【００２８】 　　Ｃ１　＝ε１　・Ｓ／ｄ３　　　　　　　　　　　
　…（１）　　１／Ｃ２　＝（１／Ｓ）（ｄ１／ε１　
＋ｄ２／ε２　）　　…（２）但し、Ｓはセンサ検出端
面の面積、ε１　は空気の誘電率、ε２　は絶縁膜２の
誘電率である。又、ｄ１は絶縁膜２のあるときの該絶縁
膜２上面と前記センサ１検出端面間の距離であり、ｄ１
＋ｄ２＝ｄ３が成立する。

【００２９】従って、この（１）及び（２）式を膜厚ｄ
２について整理すれば、次の（３）の式となる。

【００３０】 　　ｄ２＝Ｓ（１／Ｃ１　−１／Ｃ２　）／（１／ε１
　−１／ε２　）　　　　　　…（３）即ち、各検出静
電容量Ｃ１　及びＣ２　をこの（３）の式に代入すれば
、絶縁膜２の膜厚ｄ２が演算により求められる。この（
３）の式において、空気の誘電率ε１　は既知のもので
あり、絶縁膜２の誘電率ε２　は生成される絶縁膜２の
材質等から予め測定しておくことができたものである。 又、センサ面積Ｓは予め測定しておくことができるもの
である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、ウ
ェハ面が鏡面あるい凹凸のいずれの面であっても、当該
面上の絶縁膜の膜厚を精度良く測定できるという優れた
効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の実施例に係る膜厚測定装置の
測定状態例を示す、一部断面図を含むブロック図である
。

【図２】図２は、同じく、測定状態例を示す、一部断面
図を含むブロック図である。

【符号の説明】

１…静電容量検出センサ、 ２…絶縁膜、 ３…半導体ウェハ、 ４…静電容量記憶部、 ５…膜厚演算部、 ６…切換スイッチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体ウェハ面上に生成される絶縁膜の膜
   厚を測定する方法において、前記ウェハ面に静電容量検
   出センサの検出端面を対向させ、ウェハ面上に絶縁膜の
   ある状態と該絶縁膜のない状態との２つの状態について
   、前記静電容量検出センサにより、前記センサの検出端
   面及びウェハ面間の静電容量を検出し、前記各状態で検
   出された各静電容量と、前記絶縁膜の誘電率とに基づき
   、前記絶縁膜の膜厚を求めることを特徴とする半導体ウ
   ェハ上の絶縁膜の膜厚測定方法。