JPS6237532B2 - - Google Patents

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、ウエハ状半導体の表
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、ウエハ表面処理（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。従つて、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）太陽電地の分野でも重要視
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。例えば、ベルシス
テムテクニカルジヤーナル第32巻第１号1953年第
１項（Bell System Technical Journal Vol.32.
No.１ 1953 P1〜）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
によつて蔽われている）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−Oxide−Semiconductor）構造となし、
バイアス電圧と容量変化との関係から、いわゆ
る、フラツトバンド電圧を求める方法である。フ
ラツトバンド電位は、表面電位によつて形成され
る、いわゆる、エネルギバンドの傾斜を平坦（フ
ラツト）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、フラツトバン電圧から、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、上に述べたフラツトバンド電圧測定法
では、電極となる金属をSiO₂膜に直接接続させ
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、容量測定に際して、酸化膜の
厚膜をあらかじめ知つておく必要があり、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から、結局、フラ
ツトバンド電圧測定法は、測定用の試料が与えら
れてから、結果が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
すことは不可能であり、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。

〔発明の目的〕

したがつて、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ツトバンド電圧
測定法に代つて、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ウエハが主対象であるが、
GeやGaAsなど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。従つて、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
た電子一正孔対が、表面の高電界領域で分離し、
これがため、ウエハの表裏面間に、いわゆる、光
電圧が発生する。この現象は、ｐ型Siウエハに酸
化膜を形成した場合に顕著にあらわれ、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
Siウエハを例にとる。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。本発明の特徴の一つ
は、太陽電池の場合と違つて、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。

まず、本発明の基本的な原理について述べる。
発明者の実験的、理論的検討からえられた知見に
よれば、表面電位Ｖ_Sは次式で与えられる。

但し、上式は、Ｖ_S／２が半導体内部のフエル
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、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 ｋ：ボルツマン定数 Ｔ：温度 μ：多数キヤリアの移動度 p₀：多数キヤリアのウエハ深部での密度 ε_S：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Ｔ_jである。これは、時間のデイメンジ
ヨンを有し、表面電位Ｖ_Sによつて半導体の内部
に生じる、いわゆる空乏層によつて決定され、次
式で表わされる。

Ｔ_j＝ｒ_jＣ_j ……(2) 既に述べたように、表面電位の存在によつて光
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
Ｒ_j、容量Ｃ_jの並列結合によつて表わされる。式
(2)に示すｒ_jは、ｐ−ｎ接合して模して今回発明
者によつて導入された一種の接合抵抗（単位面積
当り）であり、Ｃ_j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。

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

次にＴ_jの測定方法について述べる。

Ｔ_j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、一般性が高い。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から、光
信号が小さい場合（μＶ以下）にはSN比の観点
から適用困難となる。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Ｔ_j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Ｖ_P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Ｖ_P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Ｖ_Pが45
゜の傾斜をもつて、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Ｖ_P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Ｔ_jを与える変調周
波数ｆをｆ_jで示してあるが、これは、光電圧Ｖ_P
が、平坦な最大値から１／√２に低下した点の変
調周波数ｆで与えられる。発明者の実験結果によ
ると、この変調周波数ｆ_jはＴ_jに対応しており、 Ｔ_j＝１／２πｆ_ｊ ……(3) で与えられる。

第１図での第２の曲折点τは、ウエハ内の少数
キヤリアの寿命時間によつて与えられ、寿命時間
が小さい（数10μｓ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ｆ_j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τは
事実上、第１の曲折点Ｔ_jを探すのに支障とはな
らない。因みに、変調周波数ｆ_jは殆んど1KHz以
下である。これに対し、第２の曲折点τは
10KHz以上に存在する。

第１図に示す光電圧Ｖ_Pの振幅（絶対値）変化
に伴つて、交流信号である光電圧Ｖ_Pの位相φ_P
も、変調周波数ｆに依存して変化する。このφ_P
−ｆ特性を第２図に示す。即ち、位相φ_Pが45゜
の時間の周波数がｆ_jを与えることになる。

光電圧Ｖ_Pの振幅変化から周波数ｆ_jを求める方
法と、位相φ_Pの変化から周波数ｆ_jを求める方法
とは、同一現象の表裏を観察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）変化を調べ
る方が信頼度が高い。

次に、単パルス光を用いて、Ｔ_jを測定する方
法を説明する。第３図に、単パルス光の波形と、
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、既に述べたＣ_j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。したがつ
て、単パルス光のパルス幅は、Ｔ_jに比して充分
長い方が、有利であり、Ｔ_jが数ｍｓ以下である
点を考えれば、パルス幅は数10ｍｓが適当であ
る。

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

〔発明の実施例〕

以下、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Ｖ_Pの振幅もしくは位相か
らＴ_jを求め、かつ、表面電位Ｖ_Sを求めるように
した本発明による半導体特性測定装置の基本構成
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。透明電極
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、マイラ膜やマイカ膜のような透明な絶縁膜
をそう入してもよい。光子ビーム１０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から出た光子
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。発生した光電圧は透明電
極３と試料台を兼ねる電極１とによつて検出さ
れ、位相検波増幅処理装置９で、その振幅、位相
が見いだされる。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Ｔ_j
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Ｔ_jを求めることができる。従つて、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、ガス雰囲気に依つて変化するため
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
料面上の研究の測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、本発明によれば、従来、
事実上不可能であつた表面電位の非破かい装定装
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、フラツトバンド電圧測定法に
比べると、測定労力が大幅に節約できる。

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。

従つて、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、光電圧の幅幅あるいは
位相からＴ_j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Ｔ_j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……ビームスプリツタ、８……光
検知器、９……位相検波増幅処理装置、１０，１
０′……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。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 周波数が可変のパルス化された光ビームを発
   生する手段と、導電性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明電極と、上記透明電極を
   通過して上記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上
   記透明電極と上記導電性試料台とによつて電気信
   号として取り出し、上記電気信号と上記光ビーム
   信号との間の位相差がほぼ45゜あるいは上記電気
   信号の振幅が最大値からほぼ１／√２の低下を与
   える上記光ビーム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。