JPH10270515A - 電気特性測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体ウェハの被測定領域の表面状態に応じ
て、そのＣ−ｔ特性を容易に得ることのできる技術を提
供する。 【解決手段】 まず、半導体ウェハ上の被測定領域上に
位置決めされた測定電極を用いて、被測定領域に関する
Ｃ−Ｖ測定を実行する。このＣ−Ｖ測定で得られたＣ−
Ｖ特性から、被測定領域に対するＣ−ｔ測定に使用され
るパラメータ（印加電圧Ｖacc ，Ｖmeasやリカバリータ
イムＴｒ）を決定する。そして、これらのパラメータを
用いて、被測定領域に対するＣ−ｔ測定を実行する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体ウェハの
電気特性を測定する技術に関し、特に、Ｃ−Ｖ測定やＣ
−ｔ測定を行う技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウェハの評価法の一つとして、Ｃ
−ｔ（Capacitance-time）測定が用いられる。Ｃ−ｔ測
定は、半導体ウェハの結晶性等を評価する上で重要な測
定方法である。図１は、一般的なＣ−ｔ測定の方法を示
すグラフである。Ｃ−ｔ測定を行う際には、まず、半導
体ウェハ上に絶縁膜（あるいはエアギャップ）を介して
測定電極を位置決めして、いわゆるＭＩＳ（Metal-Insu
lator-Silicon ）構造を構成する。図１（Ａ）に示すよ
うに、Ｃ−ｔ測定の開始時には、この測定電極に対し
て、半導体ウェハ表面の被測定領域を蓄積状態にする電
圧（以下、「蓄積電圧」と呼ぶ）Ｖacc を印加する。な
お、この時に測定電極で測定される静電容量は「蓄積容
量Ｃacc 」と呼ばれる。その後、測定電極に対して、被
測定領域を反転状態にする電圧（以下、「測定電圧」ま
たは「反転電圧」と呼ぶ）Ｖmeasをステップ状に印加す
る。Ｃ−ｔ特性は、このステップ状の印加電圧の後に現
れる測定容量の過渡的な変化を意味している。Ｃ−ｔ測
定結果の記録は、測定容量が被測定領域の反転容量Ｃin
v に達するまで（すなわち、測定容量の時間変化がほぼ
平坦になるまで）継続される。印加電圧をステップ状に
測定電圧Ｖmeasまで変化させた時刻から、測定容量が反
転容量Ｃinv に達するまでの時間Ｔｒ（以下、「リカバ
リータイム」と呼ぶ）は、主として半導体ウェハの結晶
性に依存するが、測定電圧Ｖmeasにも依存する。

【０００３】図１（Ｂ）に示すようなＣ−ｔ特性曲線が
得られると、図２に示す周知のゼルブスト（Zerbst ）
プロットが作成される。このプロットの傾きから、半導
体ウェハの被測定領域における少数キャリアのライフタ
イムや表面発生速度のような種々の物理パラメータが得
られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】Ｃ−ｔ測定で得られる
Ｃ−ｔ特性曲線の形状は、測定電極への印加電圧Ｖac
c，Ｖmeasにかなり依存する。被測定領域に対して印加
すべき印加電圧のレベルは、被測定領域の表面状態（例
えば表面付近の可動イオン量）に依存する。具体的に
は、例えば、被測定領域の表面の絶縁膜中にＮａ⁺ 等の
可動イオンが含まれている場合には、被測定領域におけ
るフラットバンド電圧がシフトし、この結果、Ｃ−ｔ測
定時の印加電圧Ｖacc ，Ｖmeasのレベルもこれに応じて
シフトする。このため、従来は、予め決定された一定の
印加電圧Ｖacc ，Ｖmeasを用いてＣ−ｔ測定を行って
も、所望のＣ−ｔ特性が得られない場合があった。所望
のＣ−ｔ特性が得られない場合には、オペレータが印加
電圧を調整して、再度Ｃ−ｔ測定を実行する必要があっ
た。

【０００５】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
被測定領域の表面状態に応じて、そのＣ−ｔ特性を容易
に得ることのできる技術を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明によ
る半導体ウェハの電気特性測定装置は、半導体ウェハ上
の被測定領域上に位置決めされた測定電極を用いて前記
被測定領域に関するＣ−Ｖ測定を実行するＣ−Ｖ測定実
行手段と、前記Ｃ−Ｖ測定で得られたＣ−Ｖ特性から、
前記被測定領域に対するＣ−ｔ測定に使用されるパラメ
ータを決定するパラメータ決定手段と、前記パラメータ
決定手段で決定された前記パラメータを用いて、前記被
測定領域に対するＣ−ｔ測定を実行するＣ−ｔ測定実行
手段と、を備えることを特徴とする。

【０００７】この装置によれば、Ｃ−Ｖ特性からＣ−ｔ
測定に使用されるパラメータを決定し、このパラメータ
を用いてＣ−ｔ測定を実行するので、半導体ウェハの被
測定領域の表面状態に応じて、そのＣ−ｔ特性を容易に
得ることができる。

【０００８】前記パラメータ決定手段で決定されるパラ
メータは、Ｃ−ｔ測定を実行する際の測定条件として、
Ｃ−ｔ測定の開始時に前記測定電極に印加すべき蓄積電
圧と、前記蓄積電圧の印加後に前記測定電極に印加すべ
き測定電圧と、前記蓄積電圧から前記測定電圧に印加電
圧を変化させた後にＣ−ｔ特性を記録すべき測定時間
と、の中の少なくも一つを含むようにすることが好まし
い。

【０００９】こうすれば、Ｃ−ｔ測定の主要なパラメー
タである蓄積電圧と測定電圧とを決定することができる
ので、被測定領域の表面状態に応じたＣ−ｔ測定を実行
することができる。

【００１０】前記パラメータ決定手段は、前記Ｃ−Ｖ特
性からフラットバンド電圧を求める手段と、前記フラッ
トバンド電圧にそれぞれ所定の差分を加算することによ
って前記蓄積電圧と前記測定電圧とを決定する手段と、
を備えることが好ましい。

【００１１】こうすることによって、Ｃ−ｔ測定におい
て測定電極に印加すべき蓄積電圧と測定電圧とを適切な
値に設定することができる。

【００１２】あるいは、前記パラメータ決定手段は、前
記Ｃ−Ｖ特性の曲線形状から前記蓄積電圧と前記測定電
圧とを決定する手段を備えるようにしてもよい。

【００１３】このようにすれば、Ｃ−Ｖ特性からフラッ
トバンド電圧を求めることなく、Ｃ−ｔ測定において測
定電極に印加すべき蓄積電圧と測定電圧とを適切な値に
設定することができる。

【００１４】なお、前記パラメータ決定手段で決定され
るパラメータは、さらに、前記蓄積電圧から前記測定電
圧に印加電圧を変化させた後にＣ−ｔ特性を記録すべき
測定時間を含むことが好ましい。

【００１５】こうすれば、被測定領域の表面状態に応じ
たＣ−ｔ特性が得られるような測定時間を求めることが
できるので、測定時間を節約することができる。

【００１６】前記Ｃ−ｔ測定実行手段は、前記Ｃ−Ｖ特
性の中に強空乏領域が出現していない場合に前記Ｃ−ｔ
測定の実行を停止することが好ましい。

【００１７】Ｃ−Ｖ特性に強空乏領域が出現しない場合
には、Ｃ−ｔ測定を行っても有意義な結果が得られない
ことが多い。従って、この場合にＣ−ｔ測定を行わない
ことによって、無駄なＣ−ｔ測定を行うための測定時間
を節約することができる。

【００１８】

【発明の他の態様】この発明は、以下のような他の態様
も含んでいる。第１の態様は、半導体ウェハの電気特性
測定方法であって、半導体ウェハ上の被測定領域上に位
置決めされた測定電極を用いて前記被測定領域に関する
Ｃ−Ｖ測定を実行する工程と、前記Ｃ−Ｖ測定で得られ
たＣ−Ｖ特性から、前記被測定領域に対するＣ−ｔ測定
に使用されるパラメータを決定する工程と、前記パラメ
ータ決定手段で決定された前記パラメータを用いて、前
記被測定領域に対するＣ−ｔ測定を実行する工程と、を
備えることを特徴とする。

【００１９】第２の態様は、コンピュータに上記の発明
の各工程または各手段の機能を実行させるコンピュータ
プログラムを記録した記録媒体である。記録媒体として
は、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭなどのコンピ
ュータが読取り可能な記録媒体や、コンピュータシステ
ムの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）およ
び外部記憶装置、あるいは、これ以外のコンピュータプ
ログラムが記録された媒体であってコンピュータシステ
ムが読取り可能な種々の媒体を利用できる。

【００２０】第３の態様は、コンピュータに上記の発明
の各工程または各手段の機能を実行させるコンピュータ
プログラムを通信経路を介して供給するプログラム供給
装置である。

【００２１】

【発明の実施の形態】

Ａ．装置の構成：次に、本発明の実施の形態を実施例に
基づき説明する。図３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。後述する電気特性測定（Ｃ−Ｖ測定とＣ−ｔ測定）
は、マスターコントローラ２８がコンピュータプログラ
ムを実行することによって行なわれる。

【００２２】測定部２０は、ベース３２と、ベース３２
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。

【００２３】測定部２０の筺体４０の上部の開口にはフ
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。

【００２４】支持筒５０にはＧａＡｌＡｓレーザなどの
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。

【００２５】半導体ウェハ１００の電気特性測定を行な
う際には、センサヘッド６０の底面と半導体ウェハ１０
０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７０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。

【００２６】圧電アクチュエータ部４４、４５、４６は
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。

【００２７】図４（Ａ）は電極形成部６４の底面図、図
４（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、電気特性測定用の測定電極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、１２０にそれぞれ接続された配線２０１ａ、１
１１ａ〜１１３ａ、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。

【００２８】電気測定用電極２０１はリング状の電極で
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。

【００２９】平行度調整用電極１１１〜１１３は、コー
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。

【００３０】絶縁膜６８は、高周波スパッタ法でシリコ
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。

【００３１】図４に示すようなセンサヘッド６０を用い
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。

【００３２】図５は、電気特性測定に用いられる電極と
インピーダンスメータ２４との接続状態を示す説明図で
ある。前述したように、電極形成部６４に設けられた測
定電極２０１（図４（Ａ））は、半導体ウェハ１００の
上方に約０．３μｍ程度のギャップを隔てて保持され
る。なお、図５の例では、半導体ウェハ１００の基板１
０１の表面に絶縁膜１０２が形成されている。前述した
ように、半導体ウェハ１００は、導電性の試料テーブル
３８（図３）上に載置されている。この試料テーブル３
８は、半導体ウェハの裏面に接触する電極として使用さ
れる。測定電極２０１と、この試料テーブル３８とは、
インピーダンスメータ２４の端子に電気的に接続されて
いる。従って、インピーダンスメータ２４は、これらの
２つの電極２０１，３８の間の電気特性を測定する。マ
スターコントローラ２８は、このインピーダンスメータ
２４で得られた測定結果を解析して、半導体ウェハの被
測定領域に関する種々の電気特性を求める。

【００３３】図６は、マスターコントローラ２８の内部
構成を示すブロック図である。マスターコントローラ２
８は、ＣＰＵ３０２と、メインメモリとしてのＲＯＭ３
０４およびＲＡＭ３０６と、キーボード３０８と、マウ
ス３１０と、ハードディスク３１２と、フレキシブルデ
ィスク３１４と、ディスプレイ３１６とを備えている。
なお、図６においては種々のインターフェイス回路は省
略されている。

【００３４】ＲＡＭ３０６には、この実施例における種
々の処理を実行するためのコンピュータプログラムが記
憶されている。このコンピュータプログラムは、Ｃ−Ｖ
測定実行手段３２０と、パラメータ決定手段３２２と、
Ｃ−ｔ測定実行手段３２４と、解析手段３２６との機能
を実現する。

【００３５】なお、これらの各部の機能を実現するコン
ピュータプログラム（アプリケーションプログラム）
は、フレキシブルディスク３１４やＣＤ−ＲＯＭ等の携
帯型の記録媒体に格納された形態で提供され、その記録
媒体からコンピュータシステムの外部記憶装置であるハ
ードディスク３１２やＲＡＭ３０６に転送される。ある
いは、通信経路を介してプログラム供給装置からコンピ
ュータシステムにコンピュータプログラムを供給するこ
とも可能である。そして、プログラムの実行時には、Ｒ
ＡＭ３０６にコンピュータプログラムが転送されて記憶
される。なお、この明細書において、コンピュータシス
テムとは、ハードウェアとオペレーションシステムとを
含み、オペレーションシステムの制御の下で動作する装
置を意味している。アプリケーションプログラムは、こ
のようなコンピュータシステムに、上述の各部の機能を
実現させるように機能する。なお、上述の機能の一部
は、アプリケーションプログラムでなく、オペレーショ
ンシステムによって実現されていても良い。

【００３６】なお、この発明において、「記録媒体」と
は、上述した携帯型の記録媒体に限らず、各種のＲＡＭ
やＲＯＭ等のコンピュータ内の内部記憶装置や、ハード
ディスク等のコンピュータに固定されている外部記憶装
置も含んでいる。すなわち、この発明の「記録媒体」
は、コンピュータが読取り可能な種々の媒体を含んでい
る。

【００３７】Ｂ．第１実施例：以下ではまず、本発明の
第１実施例において、Ｃ−Ｖ特性からＣ−ｔ測定の印加
電圧Ｖacc ，Ｖmeasを決定する方法について説明する。
図７は、ｐ型ウェハの理想的なＣ−Ｖ特性の一例を示す
グラフである。ここで、「理想的なＣ−Ｖ特性」とは、
フラットバンド電圧Ｖfbが０ボルトであるようなＣ−Ｖ
特性を言う。周知のように、フラットバンド電圧Ｖfb
は、被測定領域に関して予め算出されるフラットバンド
容量Ｃfbを示す電圧である。

【００３８】図７のＣ−Ｖ特性において、マイナス側の
バイアス電圧における平坦な部分では、半導体ウェハの
被測定領域の表面付近が蓄積状態になっている。そこ
で、この曲線部分は蓄積領域と呼ばれている。一方、プ
ラス側のバイアス電圧における平坦な部分では、半導体
ウェハの被測定領域の表面付近が反転状態になってい
る。そこで、この曲線部分は反転領域と呼ばれている。
Ｃ−ｔ測定時の蓄積電圧Ｖacc （図１）は、この蓄積領
域の範囲の電圧から選択され、また、測定電圧Ｖmeasは
反転領域の範囲の電圧から選ばれる。例えば、蓄積電圧
Ｖacc をマイナス２０ボルトに設定し、測定電圧Ｖmeas
をプラス２０ボルトに設定することができる。

【００３９】しかし、現実のＣ−Ｖ特性は、理想的なＣ
−Ｖ特性から左右のいずれかにシフトしているのが普通
である。図８は、現実的なＣ−Ｖ特性の例を示すグラフ
である。図８の左側に示されている第１のＣ−Ｖ特性Ｆ
１は、フラットバンド電圧Ｖfb1 がマイナス側に大きく
シフトしている。このような特性Ｆ１は、例えば絶縁膜
１０２（図５）内にかなり大量のプラスの電荷（例えば
Ｎａ⁺ ）が存在する場合に得られる。一方、図８の右側
に示されている第２のＣ−Ｖ特性Ｆ２は、フラットバン
ド電圧Ｖfb2 がプラス側に大きくシフトしている。これ
らの例のように、フラットバンド電圧が０ボルトからか
なり大幅にシフトしている場合には、それらの蓄積領域
と反転領域も、図７に示す理想的な特性の位置から大幅
にずれている。従って、このようなＣ−Ｖ特性のシフト
を考慮すると、Ｃ−ｔ測定における印加電圧（蓄積電圧
Ｖacc と測定電圧Ｖmeas）を一定に設定することはでき
ず、被測定領域の表面状態に応じて印加電圧を決定する
必要がある。

【００４０】ところで、図８の２つの特性Ｆ１，Ｆ２か
らも解るように、Ｃ−Ｖ特性がシフトしている場合に
も、その蓄積領域と反転領域は、フラットバンド電圧Ｖ
fbの両側の所定の範囲に存在する。この関係を利用すれ
ば、Ｃ−Ｖ特性から、Ｃ−ｔ測定に使用すべき印加電圧
Ｖacc ，Ｖmeasを決定することができる。

【００４１】図９は、第１実施例におけるＣ−ｔ測定の
印加電圧の具体的な決定方法を示す説明図である。第１
実施例では、まず、被測定領域に関するＣ−Ｖ測定を行
って、Ｃ−Ｖ特性を取得する。図９のＣ−Ｖ特性は、被
測定領域の表面付近の導電タイプがｐ型の場合の例であ
る。このＣ−Ｖ特性を解析することによってフラットバ
ンド電圧Ｖfbを決定する。なお、Ｃ−Ｖ測定の手順や、
Ｃ−Ｖ特性からフラットバンド電圧Ｖfbを決定する方法
は、半導体ウェハの電気特性測定の分野において周知な
ので、その説明は省略する。

【００４２】被測定領域の表面付近の導電タイプがｐ型
である場合には、Ｃ−ｔ測定の初期の印加電圧である蓄
積電圧Ｖacc は、このフラットバンド電圧Ｖfbから所定
の第１の差分ΔＶ１を減算することによって決定され
る。一方、測定電圧Ｖmeasは、フラットバンド電圧Ｖfb
から所定の第２の差分ΔＶ２を加算することによって決
定される。なお、第１の差分ΔＶ１をマイナスの値とし
て定義しておけば、蓄積電圧Ｖacc と測定電圧Ｖmeas
は、フラットバンド電圧Ｖfbからそれぞれ所定の差分Δ
Ｖ１，ΔＶ２を加算することによって得られることにな
る。これらの差分ΔＶ１，ΔＶ２の絶対値としては、約
２０ボルト〜約３０ボルトの値が好ましい。第１と第２
の差分ΔＶ１，ΔＶ２の絶対値は互いに等しくても良
く、また、異なっていても良い。

【００４３】なお、これらの差分ΔＶ１，ΔＶ２の値
は、測定電極２０１と被測定領域表面との間のエアーギ
ャップと、被測定領域表面の絶縁膜１０２の厚みとに依
存する。上記の約２０ボルト〜約３０ボルトという値
は、エアーギャップが約０．３μｍ〜約０．４μｍで、
絶縁膜厚が約０．１μｍである場合の好ましい値であ
る。エアーギャップは常に所定の値に設定することがで
き、また、各被測定領域の表面における絶縁膜厚の有無
およびその膜厚の概略値は既知である。従って、測定時
のエアーギャップと各被測定領域表面の絶縁膜厚とに応
じて、各被測定領域毎に適した差分ΔＶ１，ΔＶ２の値
を予め設定しておくことが可能である。

【００４４】被測定領域の表面付近の導電タイプがｎ型
である場合には、これらの差分ΔＶ１，ΔＶ２のプラス
／マイナスの符号が反対になるだけであり、その他は上
述したｐ型の場合と同じである。

【００４５】このように、第１実施例では、Ｃ−Ｖ特性
を解析することによってフラットバンド電圧Ｖfbを決定
し、このフラットバンド電圧Ｖfbにそれぞれ所定の差分
ΔＶ１，ΔＶ２を加算することによって、Ｃ−ｔ測定時
の印加電圧Ｖacc ，Ｖmeasを適切な値に調整することが
できる。図１０は、このようにして決定された印加電圧
Ｖacc ，Ｖmeas）を用いたＣ−ｔ測定における印加電圧
の変化を示している。

【００４６】図１１は、本発明の第１実施例における測
定手順を示すフローチャートである。なお、図１１で
は、半導体ウェハ１００上に予め複数の被測定領域が指
定されているものと仮定している。ステップＳ１では、
測定電極２０１が、最初の被測定領域の上方に近づけら
れる。測定電極２０１と半導体ウェハ１００とのギャッ
プは、例えば約０．３μｍ程度に保持される。ステップ
Ｓ２では、Ｃ−Ｖ測定実行手段３２０（図６）が、この
被測定領域に関するＣ−Ｖ測定を実行する。ステップＳ
３では、パラメータ決定手段３２２がＣ−Ｖ測定の結果
を解析して、Ｃ−ｔ測定の際に印加すべき印加電圧Ｖac
c ，Ｖmeasを決定する。なお、実際の測定結果の解析は
解析手段３２６によって実行され、この解析結果に基づ
いてパラメータ決定手段３２２が印加電圧Ｖacc ，Ｖme
asを決定する。

【００４７】ステップＳ４では、Ｃ−ｔ測定実行手段３
２４が、ステップＳ３で決定された印加電圧Ｖacc ，Ｖ
measを用いてＣ−ｔ測定を実行する。ステップＳ５では
測定電極２０１を上方に引き上げて被測定領域から遠ざ
け、ステップＳ６において、さらに測定を続けるか否か
を判断し、続けない場合は終了する。一方、測定を続け
る場合は、ステップＳ７においてステージ（試料テーブ
ル３８）を駆動して、次の被測定領域の上方の位置に測
定電極２０１を移動させる。その後、上記と同様な手順
に従って、次の被測定領域におけるＣ−Ｖ測定とＣ−ｔ
測定とが実行される。なお、図１１に示す手順は、ＲＡ
Ｍ３０６に格納されたコンピュータプログラムによって
自動的に実行され、オペレータが途中で指示を行う必要
はない。

【００４８】以上のように、上記第１実施例では、各被
測定領域に関するＣ−Ｖ特性からフラットバンド電圧Ｖ
fbを求め、このフラットバンド電圧Ｖfbに所定の差分Δ
Ｖ１，ΔＶ２を加算することによってＣ−ｔ測定時の印
加電圧Ｖacc ，Ｖmeasを求めるようにしたので、各被測
定領域の表面状態に応じてオペレータがＣ−ｔ測定の印
加電圧Ｖacc ，Ｖmeasを指定せずに、自動的に適切な印
加電圧Ｖacc ，Ｖmeasを決定することができる。また、
Ｃ−ｔ測定前にその適切な印加電圧Ｖacc ，Ｖmeasを得
ることができるので、各被測定領域において一度Ｃ−ｔ
測定を行うだけで所望のＣ−ｔ特性が得られる。従っ
て、同じ被測定領域に対して測定条件を変更しながらＣ
−ｔ測定を繰り返し行う必要がないという利点もある。
特に、多数の被測定領域に関してＣ−ｔ測定を行う場合
にも、各被測定領域の表面状態に応じた適切なＣ−ｔ測
定をそれぞれ実行することが可能である。

【００４９】Ｃ．第２実施例：図１２は、本発明の第２
実施例におけるＣ−ｔ測定の印加電圧の具体的な決定方
法を示す説明図である。図１２に示すように、Ｃ−Ｖ特
性曲線には、蓄積領域と反転領域とが現れる。Ｃ−ｔ測
定時の蓄積電圧Ｖacc はこの蓄積領域の範囲の電圧に設
定し、また、測定電圧Ｖmeasは反転領域の範囲の電圧に
設定すればよい。従って、Ｃ−Ｖ特性からフラットバン
ド電圧を求めなくても、Ｃ−Ｖ特性曲線の形状自体から
Ｃ−ｔ測定の印加電圧Ｖacc ，Ｖmeasを決定することが
できる。

【００５０】蓄積電圧Ｖacc は、Ｃ−Ｖ特性曲線の蓄積
側の平坦な部分から決定することができる。図１２の例
では、Ｃ−Ｖ特性曲線の蓄積側の平坦な部分の中で最も
反転領域側に近い電圧をＣ−ｔ測定における蓄積電圧Ｖ
acc として採用している。図１２の例のように、被測定
領域の導電タイプがｐ型の場合には、蓄積電圧Ｖaccと
して過度に負電圧側の値を設定すると、被測定領域に電
気的なストレスを生じる可能性がある。同様に、被測定
領域の導電タイプがｎ型の場合には、蓄積電圧Ｖacc と
して過度に正電圧側の値を設定すると、被測定領域に電
気的なストレスを生じる可能性がある。従って、Ｃ−ｔ
測定時の蓄積電圧Ｖacc としては、蓄積領域の範囲（平
坦な部分）内で、かつ、なるべく反転領域に近い電圧を
設定することが好ましい。

【００５１】なお、Ｃ−Ｖ特性曲線の蓄積側は、被測定
領域表面の導電タイプがｐ型の場合には負電圧側であ
り、ｎ型の場合には正電圧側である。被測定領域表面の
導電タイプが予め解っているときには、蓄積側の平坦な
部分のみを解析して、Ｃ−ｔ測定に使用する蓄積電圧Ｖ
acc を決定することができる。一方、導電タイプがｐ型
かｎ型かが不明な場合にも、Ｃ−Ｖ特性曲線において測
定容量の最も高い部分を蓄積側と判定することができ
る。従って、測定容量の最も高い平坦な部分から、蓄積
電圧Ｖacc を決定することができる。

【００５２】Ｃ−ｔ測定時の測定電圧（反転電圧）Ｖme
asは、蓄積電圧Ｖacc に所定の差分ΔＶ３を加算するこ
とによって決定することができる。この差分ΔＶ３は、
第１実施例における差分ΔＶ１，ΔＶ２と同様に、測定
電極２０１と被測定領域表面との間のエアーギャップ
と、被測定領域表面の絶縁膜厚に応じて、予め適切な値
を設定される。例えば、エアーギャップが約０．３μｍ
〜約０．４μｍで、絶縁膜厚が約０．１μｍである場合
には、差分ΔＶ３としては約４０ボルトが好ましい。

【００５３】なお、Ｃ−Ｖ特性曲線の形状自体からＣ−
ｔ測定の印加電圧Ｖacc ，Ｖmeasを決定する方法として
は、図１２に示す方法以外にも、種々の方法が考えられ
る。例えば、図１２から解るように、反転領域側にも平
坦な部分が現れるので、この平坦な部分から反転領域を
決定し、この反転領域内の電圧をＣ−ｔ測定時の測定電
圧Ｖmeasとして採用することも可能である。

【００５４】Ｄ．その他のＣ−ｔ測定パラメータの決
定：上述した第１と第２の実施例では、Ｃ−Ｖ特性から
Ｃ−ｔ測定時の印加電圧Ｖacc ，Ｖmeasを決定したが、
Ｃ−ｔ測定に用いる他のパラメータをＣ−Ｖ特性から得
ることも可能である。以下ではまず、Ｃ−ｔ測定時のリ
カバリータイムＴｒ（図１（Ｂ））をＣ−Ｖ特性から決
定する方法について説明する。

【００５５】Ｃ−ｔ測定のリカバリータイムＴｒは、以
下の数式１で与えられることが知られている。

【００５６】

【数１】

【００５７】ここで、Ｎｄは多数キャリア濃度、Ｃacc
は蓄積容量、ｎi は半導体基板の真性キャリア濃度、Ｃ
inv は反転容量、τg は被測定領域の少数キャリアのラ
イフタイムである。

【００５８】多数キャリア濃度Ｎｄは被測定領域の表面
付近における不純物のドープ量から決定される。また、
真性キャリア濃度ｎi は既知である。以下に説明するよ
うに、少数キャリアのライフタイムτg の概略値と、蓄
積容量Ｃacc と、反転容量Ｃinv とは、Ｃ−Ｖ特性から
求めることができる。

【００５９】図１３は、Ｃ−Ｖ特性から少数キャリアの
ライフタイムτg の概略値と、蓄積容量Ｃacc と、反転
容量Ｃinv とを求める方法を示している。図１３に示さ
れているように、Ｃ−Ｖ特性には、蓄積領域と、反転領
域と、強空乏領域とが現れるのが普通である。強空乏領
域とは、被測定領域の表面付近が強空乏状態になってい
る領域を意味している。このような３つの領域は、いわ
ゆる高周波Ｃ−Ｖ測定の結果に一般的に見られる領域で
ある。ここで、「高周波Ｃ−Ｖ測定」とは、高周波信号
に重畳された直流電圧を、測定電極２０１に多段のステ
ップ状に印加する測定方法を意味している。

【００６０】蓄積容量Ｃacc と反転容量Ｃinv は、蓄積
領域の平坦部と反転領域の平坦部からそれぞれ決定され
る。また、少数キャリアのライフタイムτg は、反転領
域と強空乏領域におけるＣ−Ｖ特性曲線の形状から概算
することができる。このようなライフタイムτg の計算
方法については、本出願人により開示された特公平５−
７７３３６号公報に詳述されているので、ここではその
説明を省略する。

【００６１】このように、Ｃ−Ｖ特性から決定された少
数キャリアのライフタイムτg の概略値と、蓄積容量Ｃ
acc と、反転容量Ｃinv とを上記の数式１に代入すれ
ば、Ｃ−ｔ測定におけるリカバリータイムＴｒの概算値
を予め知ることができる。従って、Ｃ−ｔ測定におい
て、このリカバリータイムＴｒに多少の余裕をとった時
間だけ測定結果を記録すれば、十分なＣ−ｔ測定結果を
得ることが可能である。このように、Ｃ−ｔ測定に必要
な測定時間（リカバリータイムＴｒ）をＣ−Ｖ特性から
決定するようにすれば、各被測定領域の表面状態に合わ
せてＣ−ｔ測定の時間を設定することができるので、Ｃ
−ｔ測定に要する時間を節約することが可能である。

【００６２】なお、Ｃ−Ｖ特性からリカバリータイムＴ
ｒを算出する方法としては、本出願の発明者らによって
開示された日本応用物理学会英文誌第３５巻５５３９〜
５５４４頁（１９９６年１０月号）の「生成時間の非接
触測定」に記載された方法を用いることも可能である。

【００６３】ところで、上記の数式１における多数キャ
リア濃度Ｎｄは、Ｃ−Ｖ特性曲線の傾きから求めること
も可能である。すなわち、多数キャリア濃度Ｎｄは、以
下の数式２で与えられる。

【００６４】

【数２】

【００６５】ここで、ｑは電荷素量、ε0 は真空の誘電
率、εsiは半導体基板の比誘電率、ＣｓはＣ−Ｖ測定で
得られた測定容量である。数式２で得られた多数キャリ
ア濃度Ｎｄは、上記数式１によるリカバリータイムＴｒ
の算出に使用されるのみでなく、Ｃ−ｔ測定の測定結果
の解析にも利用することができる。

【００６６】以上のように、Ｃ−Ｖ特性からは、Ｃ−ｔ
測定の測定条件パラメータである印加電圧Ｖacc ，Ｖme
asやリカバリータイムＴｒと、Ｃ−ｔ測定結果の解析に
使用されるパラメータである多数キャリア濃度Ｎｄなど
の、Ｃ−ｔ測定のための種々のパラメータを求めること
ができる。上述した図１１に示すように、本発明の各実
施例では、各被測定領域についてＣ−Ｖ測定を行ったの
ちに、そのＣ−Ｖ特性から得られたパラメータを用いて
Ｃ−ｔ測定を行うので、各被測定領域の表面状態に応じ
た適切なＣ−ｔ測定をそれぞれ容易に実行することがで
きる。

【００６７】なお、被測定領域の表面付近にきわめて多
数の欠陥が存在し、少数キャリアのライフタイムτg が
きわめて短い場合には、図１４に示すように、Ｃ−Ｖ特
性に強空乏領域（図１３）が現れない場合がある。この
ような表面状態の被測定領域では、Ｃ−ｔ測定を行って
も、図１（Ｂ）に示すような過渡的な変化を示すＣ−ｔ
測定結果は得られず、ほぼステップ状の容量変化が得ら
れるだけである。このようなＣ−ｔ測定からは有意義な
測定結果を得ることはできない。従って、図１４の例の
ように、或る被測定領域に対するＣ−Ｖ特性において強
空乏領域が現れない場合には、その被測定領域に対する
Ｃ−ｔ測定を行わないようにすることが好ましい。この
ような判断は、パラメータ決定手段３２２（図６）によ
って行われ、パラメータ決定手段３２２から通知を受け
たＣ−ｔ測定実行手段３２４がＣ−ｔ測定の実行を停止
する。こうすれば、無駄なＣ−ｔ測定を省略することが
できるので、測定時間を節約することができるという利
点がある。

【００６８】なお、この発明は上記の実施例や実施形態
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。

【００６９】（１）上記実施例では、エアーギャップを
介して測定電極を半導体ウェハの上方に位置決めする非
接触型の測定装置を用いていたが、本発明は、測定電極
を、絶縁層を介して半導体ウェハの表面に接触させる接
触型の測定装置にも適用可能である。

【００７０】（２）上記実施例において、ハードウェア
によって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置
き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによっ
て実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換え
るようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】一般的なＣ−ｔ測定の方法を示すグラフ。

【図２】Ｃ−ｔ測定に用いられるゼルブストプロットの
一例を示すグラフ。

【図３】本発明の実施例を適用する非接触電気測定装置
ＭＤの構成を示す図。

【図４】電極形成部６４の底面とそのＢ−Ｂ断面を示す
図。

【図５】電気特性測定に用いられる電極とインピーダン
スメータ２４との接続状態を示す説明図。

【図６】マスターコントローラ２８の内部構成を示すブ
ロック図。

【図７】ｐ型ウェハの理想的なＣ−Ｖ特性の一例を示す
グラフ。

【図８】現実的なＣ−Ｖ特性の例を示すグラフ。

【図９】第１実施例におけるＣ−ｔ測定の印加電圧の具
体的な決定方法を示す説明図。

【図１０】第１実施例におけるＣ−ｔ測定の印加電圧の
変化を示すグラフ。

【図１１】本発明の第１実施例における測定手順を示す
フローチャート。

【図１２】本発明の第２実施例におけるＣ−ｔ測定の印
加電圧の具体的な決定方法を示す説明図。

【図１３】Ｃ−Ｖ特性から少数キャリアのライフタイム
τg の概略値と蓄積容量Ｃacc と反転容量Ｃinv とを求
める方法を示す説明図。

【図１４】強空乏領域が現れないＣ−Ｖ特性を示すグラ
フ。

【符号の説明】

２０…測定部 ２２…光量測定器 ２４…インピーダンスメータ ２６…位置制御装置 ２８…マスターコントローラ ３２…ベース ３４…駆動装置 ３４ａ…ボールネジ部 ３６…架台 ３８…試料テーブル ４０…筺体 ４２…フランジ ４４…圧電アクチュエータ部 ４８…支持板 ５０…支持筒 ６０…センサヘッド ６２…直角プリズム ６４…電極形成部 ６６…コーンガラス ６８…絶縁膜 ７０…レーザ発振器 ７２…受光センサ １００…半導体ウェハ １０１…基板 １０２…絶縁膜 １１１〜１１３…平行度調整用電極 １２０…ガードリング ２００…電極パターン ２０１…測定電極 ３０２…ＣＰＵ ３０４…ＲＯＭ ３０６…ＲＡＭ ３０８…キーボード ３１０…マウス ３１２…ハードディスク ３１４…フレキシブルディスク ３１６…ディスプレイ ３２０…Ｃ−Ｖ測定実行手段 ３２２…パラメータ決定手段 ３２４…Ｃ−ｔ測定実行手段 ３２６…解析手段

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体ウェハの電気特性測定装置であっ
   て、 半導体ウェハ上の被測定領域上に位置決めされた測定電
   極を用いて前記被測定領域に関するＣ−Ｖ測定を実行す
   るＣ−Ｖ測定実行手段と、 前記Ｃ−Ｖ測定で得られたＣ−Ｖ特性から、前記被測定
   領域に対するＣ−ｔ測定に使用されるパラメータを決定
   するパラメータ決定手段と、 前記パラメータ決定手段で決定された前記パラメータを
   用いて、前記被測定領域に対するＣ−ｔ測定を実行する
   Ｃ−ｔ測定実行手段と、を備えることを特徴とする半導
   体の電気特性測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の電気特性測定装置であっ
   て、 前記パラメータ決定手段で決定されるパラメータは、Ｃ
   −ｔ測定を実行する際の測定条件として、Ｃ−ｔ測定の
   開始時に前記測定電極に印加すべき蓄積電圧と、前記蓄
   積電圧の印加後に前記測定電極に印加すべき測定電圧と
   を含む、電気特性測定装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の電気特性測定装置であっ
   て、 前記パラメータ決定手段は、前記Ｃ−Ｖ特性からフラッ
   トバンド電圧を求める手段と、 前記フラットバンド電圧にそれぞれ所定の差分を加算す
   ることによって前記蓄積電圧と前記測定電圧とを決定す
   る手段と、を備える電気特性測定装置。
4. 【請求項４】 請求項２記載の電気特性測定装置であっ
   て、 前記パラメータ決定手段は、前記Ｃ−Ｖ特性の曲線形状
   から前記蓄積電圧と前記測定電圧とを決定する手段を備
   える電気特性測定装置。
5. 【請求項５】 請求項２ないし請求項４のいずれかに記
   載の電気特性測定装置であって、 前記パラメータ決定手段で決定されるパラメータは、さ
   らに、前記蓄積電圧から前記測定電圧に印加電圧を変化
   させた後にＣ−ｔ特性を記録すべき測定時間を含む、電
   気特性測定装置。
6. 【請求項６】 請求項１ないし請求項５のいずれかに記
   載の電気特性測定装置であって、 前記Ｃ−ｔ測定実行手段は、前記Ｃ−Ｖ特性の中に強空
   乏領域が出現していない場合に前記Ｃ−ｔ測定の実行を
   停止する、電気特性測定装置。