JPS6144438A - 半導体特性測定装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、半導体、特に、ウェハ状半導体の表面電位の
測定装置に関する。

〔発明の背景〕

半導体の表面電位は、ウェハ表面処理（例えば、酸化膜
形成、化学洗浄処理、ガス吸着処理）に大きく依存し、
表面処理を評価する大きな因子である。従って、大規模
集積回路（ＬＳＩ）工程の初期段階で重要となる。また
、近年、特殊な（ｐ　−ｎ接合を有しない）太陽電池の
分野でも重要視されている。

一般に、物質の表面の電位を測定する手段として振動容
量法が知られている０例えば、ベルシステムテクニカル
ジャーナル第３２巻第１号１９５３年第１頁（Ｂ　ａｌ
ｌ　Ｓ　ｙｓｔｅｎ　Ｔ　ｅｃｈ７ｉｃａｌＪｏｕｒｎ
ａｌ　Ｖｏｌ、３２．Ｎｃｌ　１９５３　ＰＩ〜）を参
照。

半導体、特に、表面に酸化膜が存在しているような場合
は、振動容量法では半導体表面（酸化膜によっては蔽わ
れている）の電位を測定することは事実上不可能である
。その他に、真空中で光電子放射を用いる手法があるが
実用的ではない。

実用的な観点から知られている唯一の方法は、酸化膜上
に金属電極を形成し、いわゆる、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ　
−０ｘｉｄｅ　−Ｓ　ｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造
となし。

バイアス電圧と容量変化との関係から５いわゆる、フラ
ットバンド電圧を求める方法である。フラットバンド電
位は、表面電位によって形成される、いわゆる、エネル
ギバンドの傾斜を平坦（フラット）にするために外部か
ら印加する電圧のことであり、この値は、直接表面電位
を示すものではないが、フラットバンド電圧から、ある
種の仮定を用いて表面電位を求めることができる。

しかし、上に述べたフラットバンド電圧測定法では、電
極となる金属を５ｉ０２Ｌｉｉに直接接続させるため、
膜の表面を汚染および損傷してしまう欠点がある。さら
に、容ｉ１測定に際して、酸化膜の厚膜をあらかじめ知
っておく必要があり、その分だけ、測定に要する時間が
増大する。金属電極は蒸着などで形成することが多いが
ら、結局、フラットバンド電圧測定法は、測定用の試料
が与えられてから、結果かえられる迄の要求される労力
、時間は甚大である。しかも、測定は破かい検査に該当
するから、試料を、再びプロセスラインに戻すごとは不
可能であり、オンライン検査を指向する昨今の傾向から
みると大きな欠点を有する手段であると云わざるをえな
いゆ 〔発明の目的〕 したがって、本発明は、従来、表面電位測定の唯一の方
法と考えられているフラットバンド電圧測定法に代って
、非接触、非破かいで短時間に半導体の表面電位を測定
できる半導体特性測定装置を提供することを目的とする
。その結果として、オンライン（もしくは、インライン
）で半導体デバイス製造工程に適用可能な半導体特性測
定装置を提供するものである。尚、対象とする半導体は
、酸化膜を有するｐ型Ｓｉウェハが主対象であるが。

ＧｅやＧ　ａ　Ａ　ｓなとの他の半導体材料にも適用可
能であることは云う迄もない。

〔発明の概要〕

本発明は光起電力効果を応用してなされている。

表面電位が存在する（つまり、エネルギバンドが傾斜し
ている）と、半導体の表面に比較的高い電界が存在する
。従って、この状態で光子ビームを半導体に照射すると
、半導体の内部で発生した電子−正孔対が、表面の高電
界領域で分離し、これがため、ウェハの表裏面間に、い
わゆる、光電圧が発生する。この現象は、ｐ型Ｓｉウェ
ハに酸化膜を形成した場合に顕著にあられれ、特性的に
は、ｐ−ｎ接合に光を照射した場合に光電圧が発生する
状態に酷似している。そのため、近年、ｐ型Ｓｉに酸化
膜を形成するだけの太陽電池が報告されている程である
。

そこで、以下の説明では、酸化膜を有するｐ型Ｓ１ウェ
ハを例にとる。本発明では、パルス化した光子ビームを
半導体に照射し、そのときに生じる交流状の光電圧を検
出する１本発明の特徴の一つは、太陽電池の場合と違っ
て、照射光がパルス化されている点にある。その結果、
交流状の光電圧を電気的容量を介して検出することが可
能となり、これにより非接触測定が実現される。

パルス光を使用する他の重要な理由は、光電圧のパルス
光周波数依存性を知ることが可能となる点にある。換言
すると、光電圧の位相変化（光子ビームが連続的に変調
される場合）が利用できるのみならず、光電圧の減衰時
間（光子ビームが単パルス光の場合）が有効なパラメー
タとして利用できるからである。

れば、表面電位ｖ８は次式で与えられる。

但し、上式は、ｖ８／２が半導体内部のフェルミ電位（
半導体の教科書に示す式から容易に求めることができる
）より小さい場合に成り立つ、然らざる場合は４上式は
若干の修正を要するが、複雑さをさけるため、ここでは
省略する。

なお、上式において、 ｑ：素電荷 に：ボルツマン定数 Ｔ：温度 μ：多数キャリアの移動度 ｐｏ：多数キャリアのウェハ深部での密度εＳ二半導体
の誘電率 であり、いずれも過去の知見から容易に求めることがで
きる。

問題はＴｉである。これは、時間のディメンジョンを有
し、表面電位ｖＳによって半導体の内部に生じる、いわ
ゆる空乏層によって決定され、次式で表わされる。

Ｔｊ＝ｒｊｃｊ　　　　　　・・・・（２）既に述べた
ように、表面電位の存在によって光電圧が発生するのは
、ｐ−ｎ接合に酷似しているが、ｐ−ｎ接合は、電気的
等価回路として、抵抗Ｒｊ、容量Ｃｊの並列結合によっ
て表わされる。

式（２）に示すｒｊは、ｐ−ｎ接合に接して、今回発明
者によって導入された一種の接合抵抗（単位、面積当り
）であり、ｃｊは既に教科書に記述されている空乏層容
量（単位面積当り）である。

従って、本発明において、表面電位を測定することは、
即ち、Ｔｊを求めることに帰着する。

次にＴｊの測定方法について述べる。

Ｔｊの測定方法は、大別すると次の２種類になる。第１
の方法は、所定の周波数で連続的に変調された光子ビー
ムを用いる方法である。第２の方法は、単パルス光を用
いる方法である。第１の方法は、実効的に周波数帯域の
狭い増幅器が適用できるから、信号としての光電圧が小
さい場合でも適用でき、−膜性が高い、これに対して、
第２の方法は、帯域の広い増幅器を必要とするがら、光
信号が小さい場合（μＶ以下）にはＳＮ比の観点から適
用困鑑となる。しかし、光電圧が比較的大きい試料につ
いては、構成が単純になるから、第２の方法は、単能機
的簡便性が要求される場合に有効である。

始めに、第１図を用いて、連続的に変調された光子ビー
ムを用いる場合についてのＴｊの測定方法を説明する。

光子ビームの変調周波数ｆを変えて光電圧ｖＰを測定す
ると、その振幅（絶対値）は第１図に示すような周波数
依存性を示す、この曲線は三つの領域に分けて考えるこ
とができる。

第１の領域は、光電圧ｖＰが変調周波数ｆに依存しない
領域であり、第２の領域は光電圧ｖＰが４５°の傾斜を
もって、変調周波数ｆの増加と共に減少する領域であり
、次いで、４５°以上の急な傾斜で光電圧ｖＰが変調周
波数ｆの増加と共に減少する第３の領域が続く。

第１図では、第１の曲折点Ｔｊを与える変調周波数ｆを
ｆｊで示しであるが、これは、光電圧■２が、平坦な最
大値から１／ｆｌに低下した点の変調周波数ｆで与えら
れる０発明者の実験結果によると、この変調周波数ｆｊ
はＴｊに対応しており。

で与えられる。

第１図での第２の曲折点ては、ウェア内の少数キャリア
の寿命時間によって与えられ、寿命時間が小さい（数１
０μＳ以下）場合はその曲折点は高周波領域に移動し、
変調周波数ｆｊと容易に分離できる。さらに、用いる光
子ビームの波長を短かく（例えば５００ｎｍ）すると、
この曲折点を事実上無視できるようになるから、第２の
曲折点ては事実上、第１の曲折点Ｔｊを撰すのに支障と
はならない、因みに、変調周波数ｆｊは殆んどＩＫ　Ｈ
ｚ以下である。これに対し、第２の曲折点ては１０ＫＨ
ｚ以上に存在する。

第１図に示す光電圧ｖＰの振幅（絶対値）変化に伴って
、交流信号である光電圧ｖＰの位相φ２も、変調周波数
ｆに依存して変化する。このφ２−ｆ特性を第２図に示
す。即ち５位相φ２が４．５’の時の周波数がｆｊ？ｒ
与えること−こなΦ。

光電圧ｖＰの振幅変化から周波数ｆ、を求める方法と１
位相φ２の変化から周波数ｆｊを求める方法とは、同一
現象の表裏をＲｒＸしていることに相当するから、いず
れか一方を用いることで充分であるが、現状技術では、
振幅（絶対値）変化を調へる方が信頼度が高い。

次に、単パルス光を用いて、Ｔｊを測定する方法を説明
する。第３図に、第パルス光の波形と、そのパルス光に
対応した光電圧の波形を示す。この波形は、既に述へた
ｃＪを光照射で充電し、その放電波形を観測しているこ
とになる。したがって、単パルス光のパルス幅は、ＴＪ
に比して充分長い方が、有利であり、Ｔｊが数ｍｓ以下
である点を考えれば、パルス幅は数１０ｍ５が適当であ
る。

第３図に示すように、光電圧ｖＰが１　／　ｅに達する
時間を求めると、これがＴＪを与えることになり、第１
の方法の場合と違い、Ｔｊが直接求まる。

〔発明の実施例〕

以下１本発明の実施例を参照して詳細に説明する。第４
図に、光電圧ｖＰの振幅もしくは位相が成を示す、試料
２は、裏側電極を兼ねた試料台１上に配置され、透明電
極３を介して、パルス化された光子ビーム１０が試料２
を照射する。？Ｊ明電（艇３は、試料２表面を損傷させ
ないため、空隙を介して試料２に対向して配置されてい
るが、多くの場合、マイラ収やマイカ膿のような透明な
絶縁膜をそう人してもよい、光子ビーム１ｏは光源６か
ら放射され、必要に応じて、レンズ（図示せず）を用い
て収束させてもよい、光源６がら出た光子ビーム１０′
は光変調器５で所定の周波数に変調され、その一部はビ
ーム分割器７で分割され、光検知器８で電気信号に変え
られる。この信号は光電圧に対する位相基準として用い
られる。大部分の光は、反射鏡４で反射された後、透明
電極３を通過して試料２に入る１発生した光電圧は透明
電極３と試料台を兼ねる電極１とによって検出され、位
相検波増幅処理装置ｉ１９で、その振幅１位相が見いだ
される０次いで、発振器１１で、駆動周波数を走査する
ことにより、光電圧の振幅もしくは位相の周波数依存性
を求めることができる。最終的には、式（１）（もしく
は必要に応じて修正された式）を用いて、表面電位を求
めることができ、この値を表示することができる。

第５図には、光電圧の振幅の減衰特性からＴｊを求める
実施例を示す、試料２、透明電極３．試料台１、反射鏡
４、光変調器５、光源６などの配置構成は、第４図に示
した場合と同じである。パルス発生器１２で単パルスを
発生させ、この電圧をトリガ信号として入力インピーダ
ンスの高いシンクロスコープ１３で、光電圧の減衰波形
を観察することにより、既に第３図を用いて説明したよ
うにＴｊを求めることができる。従って、式（１）から
、表面電位を計算で求めることができる。

表面電位は、ガス雰囲気に依って変化するため適当なガ
ス雰囲気を試料の周辺に作る場合は、適当な容器の中に
、試料を配置すればよい、又、試料面上の所定の観定点
を選択するためには、光子ビームを偏向走査すればよい
ことは明らかで、これは従来知られている光ビーム偏向
装置を付加することにより容易に実現される。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明によれば、従来、事実上
不可能であった表面電位の非破かい測定装置が提供可能
となる。

しかも、本発明によれば、酸化膜の厚さは測定に介在し
ないから、フラットバンド電圧測定法に比べると、測定
労力が大幅に簡約できる。

さらに、本発明によれば、与えられた試料に何らの変更
を加えずに測定可能であるから、結果的に、実装プロセ
ス途上に本測定装置を導入することができる。

従って、その工業的、物理的効果は甚大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、光電圧と光の変調周波数との関係を示す図、
第２図は、光電圧の位相と変調周波数との関係を示す図
、第３図は、光パルスで試料を照射した時の、光パルス
波形と光電圧信号の時間的関係を示す図、第４図は、光
電圧の振幅あるいは位相からＴｊを測り、表面電位を求
めるための本発明による半導体特性測定装置の基本構成
、第５図は、光電圧の時間的減衰特性からＴｊを測り、
表面電位を求めるための実施例の基本構成図である。 １・・・試料台（電極）、２・・・半導体試料、３・・
・透明電極、４・・・反射鏡、５・・・光変調器、６・
・・光源。 ７・・・ビームスプリッタ、８・・・光検知器、９・・
・位相検波増幅処理装置、１０．１０’・・・光子ビー
ム、１１・・・発振器、１２・・・パルス発生器、１３
・・・シンクロスコープ。 ’１．１図 ￥Ｊ　ｚ　図 藁　３　図 ！ｆＪ４　　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、変調信号によって変調された光ビームを発生する手
   段と、試料台上に載置された半導体試料と、上記半導体
   試料に対向して容量結合するように配置された透過電極
   と、上記透明電極を通過して上記変調光ビームを上記半
   導体試料に照射する手段と、上記半導体試料に発生した
   光電圧を電気信号として取り出し、上記電気信号と上記
   変調信号との間の特定位相差あるいは上記電気信号の振
   幅の特定減衰を与える上記変調信号の特定周波数を求め
   、上記特定周波数から所定の関係式に基づいて上記半導
   体試料の表面電位を算出する手段とを備えてなることを
   特徴とする半導体特性測定装置。