(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定用電極を用いて半導体ウエハの表面に形成された絶縁膜中に存在する膜内イオンの量を測定する方法であって、
（ａ）前記絶縁膜中に第１種および第２種の膜内イオンを含む複数種類の膜内イオンが含まれる初期状態で、前記測定用電極を用いた所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの第１の電気的特性値を測定する工程と、
（ｂ）前記半導体ウエハに第１の方向の電界を与えつつ第１の波長範囲の光を照射することによって、前記絶縁膜中の前記複数種類の膜内イオンを中和させる工程と、
（ｃ）前記複数種類の膜内イオンが中和された状態で、前記所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの第２の電気的特性値を測定する工程と、
（ｄ）前記第１および第２の電気的特性値から、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記複数種類の膜内イオンの量を決定する工程と、
（ｅ）前記半導体ウエハに前記第１の方向と逆向きの第２の方向の電界を与えつつ第２の波長範囲の光を照射することによって、中和された前記第１種の膜内イオンを前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第１種の膜内イオンの量とほぼ同じ量だけイオン化する工程と、
（ｆ）中和された前記第１種の膜内イオンが前記工程（ｅ）においてイオン化された状態で、前記所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの第３の電気的特性値を測定する工程と、
（ｇ）前記第２および第３の電気的特性値から、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第１種の膜内イオンの量を決定する工程と、
（ｈ）前記半導体ウエハに前記第２の方向の電界を与えつつ前記第２の波長範囲よりも短波長の第３の波長範囲の光を照射することによって、中和された前記第２種の膜内イオンを前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第２種の膜内イオンの量とほぼ同じ量だけ更にイオン化する工程と、
（ｉ）中和された前記第２種の膜内イオンが前記工程（ｈ）において更にイオン化された状態で、前記所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの第４の電気的特性値を測定する工程と、
（ｊ）前記第１および前記第４の電気的特性値または前記第３および第４の電気的特性値から、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第２種の膜内イオンの量を決定する工程と、
を備えることを特徴とする膜内イオン量測定方法。
【請求項２】
測定用電極を用いて半導体ウエハの表面に形成された絶縁膜中に存在する膜内イオンの量を測定する方法であって、
（Ａ）前記絶縁膜中に第１種および第２種の膜内イオンを含む複数種類の膜内イオンが含まれる初期状態で、前記半導体ウエハに第１の方向の電界を与えつつ第１の波長範囲の光を照射することによって、前記絶縁膜中の前記複数種類の膜内イオンを中和させる工程と、
（Ｂ）前記複数種類の膜内イオンが中和された状態で、前記測定用電極を用いた所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの第１の電気的特性値を測定する工程と、
（Ｃ）前記半導体ウエハに前記第１の方向と逆向きの第２の方向の電界を与えつつ第２の波長範囲の光を照射することによって、中和された前記第１種の膜内イオンを前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第１種の膜内イオンの量とほぼ同じ量だけイオン化する工程と、
（Ｄ）中和された前記第１種の膜内イオンが前記工程（Ｃ）においてイオン化された状態で、前記所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの第２の電気的特性値を測定する工程と、
（Ｅ）前記第１および第２の電気的特性値から、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第１種の膜内イオンの量を決定する工程と、
（Ｆ）前記半導体ウエハに前記第２の方向の電界を与えつつ前記第２の波長範囲よりも短波長の第３の波長範囲の光を照射することによって、中和された前記第２種の膜内イオンを前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第２種の膜内イオンの量とほぼ同じ量だけ更にイオン化する工程と、
（Ｇ）中和された前記第２種の膜内イオンが前記工程（Ｆ）において更にイオン化された状態で、前記所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの第３の電気的特性値を測定する工程と、
（Ｈ）前記第２および第３の電気的特性値から、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第２種の膜内イオンの量を決定する工程と、
を備えることを特徴とする膜内イオン量測定方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の膜内イオン量測定方法であって、
前記第１の波長範囲の光は、
前記絶縁膜がシリコン酸化膜である場合に、約２２０ｎｍ〜約２９５ｎｍの少なくとも一部の範囲の光である、膜内イオン量測定方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の膜内イオン量測定方法であって、
前記所定の測定手法は、Ｃ−Ｖ測定である、膜内イオン量測定方法。
【請求項５】
請求項４記載の膜内イオン量測定方法であって、
前記Ｃ−Ｖ測定は、前記測定用電極を前記絶縁膜に接触させない非接触測定である、膜内イオン量測定方法。
【請求項６】
請求項１ないし３のいずれかに記載の膜内イオン量測定方法であって、
前記所定の測定手法は、前記半導体ウエハに断続光を照射することにより発生する前記半導体ウエハの表面光電圧を測定する表面光電圧測定を利用する、膜内イオン量測定方法。
【請求項７】
請求項１ないし３のいずれかに記載の膜内イオン量測定方法であって、
前記所定の測定手法は、前記測定用電極と前記半導体ウエハとのギャップを時間的に変化させつつ前記半導体ウエハの表面電位を測定する振動容量電位測定を利用する、膜内イオン量測定方法。
【請求項８】
請求項７記載の膜内イオン量測定方法であって、
前記中和工程は、前記絶縁膜表面を帯電させることによって前記半導体ウエハに電界を与える工程を含む、膜内イオン量測定方法。
【請求項９】
半導体ウエハの表面に形成された絶縁膜中に存在する膜内イオンの量を測定する膜内イオン量測定装置であって、
測定用電極を用いた所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの電気的特性値を測定する電気特性測定部と、
前記半導体ウエハに電界を与えつつ光を照射する電界印加・光照射部であって、前記絶縁膜中に第１種および第２種の膜内イオンを含む複数種類の膜内イオンが含まれる初期状態で前記半導体ウエハに第１の方向の電界を与えつつ第１の波長範囲の光を照射することによって、前記絶縁膜中の前記複数種類の膜内イオンが中和された第１の状態を形成し、前記半導体ウエハに前記第１の方向と逆向きの第２の方向の電界を与えつつ第２の波長範囲の光を照射することによって、中和された前記第１種の膜内イオンが前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第１種の膜内イオンの量とほぼ同じ量だけイオン化された第２の状態を形成し、前記半導体ウエハに前記第２の電界を与えつつ前記第２の波長範囲よりも短波長側の第３の波長範囲の光を照射することによって、中和された前記第２種の膜内イオンが前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第２種の膜内イオンの量とほぼ同じ量だけ更にイオン化された第３の状態を形成する、前記電界印加・光照射部と、
を備え、
前記電気特性測定部は、
前記初期状態で測定された前記半導体ウエハの第１の電気的特性値と前記第１の状態で測定された前記半導体ウエハの第２の電気的特性値とから、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記複数種類の膜内イオンの量を決定し、前記第２の電気的特性値と前記第２の状態で測定された前記半導体ウエハの第３の電気的特性値とから、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第１種の膜内イオンの量を決定し、前記第１の電気的特性値および前記第３の状態で測定された前記半導体ウエハの第４の電気的特性値または前記第３の電気的特性値および前記第４の電気的特性値から、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第２種の膜内イオンの量を決定する膜内イオン量決定部を備えることを特徴とする膜内イオン量測定装置。
【請求項１０】
半導体ウエハの表面に形成された絶縁膜中に存在する膜内イオンの量を測定する膜内イオン量測定装置であって、
測定用電極を用いた所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの電気的特性値を測定する電気特性測定部と、
前記半導体ウエハに電界を与えつつ光を照射する電界印加・光照射部であって、前記絶縁膜中に第１種および第２種の膜内イオンを含む複数種類の膜内イオンが含まれる初期状態で前記半導体ウエハに第１の方向の電界を与えつつ第１の波長範囲の光を照射することによって、前記絶縁膜中の前記複数種類の膜内イオンが中和された第１の状態を形成し、前記半導体ウエハに前記第１の方向と逆向きの第２の方向の電界を与えつつ第２の波長範囲の光を照射することによって、中和された前記第１種の膜内イオンが前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第１種の膜内イオンの量とほぼ同じ量だけイオン化された第２の状態を形成し、前記半導体ウエハに前記第２の電界を与えつつ前記第２の波長範囲よりも短波長側の第３の波長範囲の光を照射することによって、中和された前記第２種の膜内イオンが前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第２種の膜内イオンの量とほぼ同じ量だけ更にイオン化された第３の状態を形成する、前記電界印加・光照射部と、
を備え、
前記電気特性測定部は、
前記第１の状態で測定された前記半導体ウエハの第１の電気的特性値と前記第２の状態で測定された前記半導体ウエハの第２の電気的特性値とから、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第１種の膜内イオンの量を決定し、前記第２の電気的特性値と前記第３の状態で測定された前記半導体ウエハの第３の電気的特性値とから、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第２種の膜内イオンの量を決定する膜内イオン量決定部を備えることを特徴とする膜内イオン量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体ウエハの絶縁膜中に含まれる膜内イオンの量を測定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウエハの製造工程においては、半導体ウエハ表面に形成された絶縁膜中に、アルカリ金属イオン（Ｎａ+ ，Ｋ+ ，Ｌｉ+ ）などの不純物イオン（以下、「膜内イオン」と呼ぶ）が混入する。これらの膜内イオンは、半導体ウエハの安定性を劣化させるので、膜内イオンの量を測定したいという要望がある。
【０００３】
絶縁膜中に存在する膜内イオンの量は、絶縁膜中に膜内イオンが存在する状態での第１の電気的特性値と、絶縁膜中に膜内イオンが存在しない状態での第２の電気的特性値とを測定することによって求めることができる。従来では、絶縁膜中に膜内イオンが存在しない状態は、半導体ウエハに光を照射することによって、膜内イオンを中和して実現されていた。なお、このような膜内イオン量の測定方法は、例えば、本願出願人によって開示された特開平１１−１２６８１１に詳述されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の技術では、膜内イオンを中和するのに比較的時間がかかり、膜内イオンの量を効率よく測定することができないという問題があった。
【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、半導体ウエハの絶縁膜中に存在する膜内イオンの量を効率よく測定することが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、本発明の方法は、測定用電極を用いて半導体ウエハの表面に形成された絶縁膜中に存在する膜内イオンの量を測定する方法であって、（ａ）前記絶縁膜中に前記膜内イオンが含まれる初期状態で、前記測定用電極を用いた所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの第１の電気的特性値を測定する工程と、（ｂ）前記半導体ウエハに電界を与えた状態で第１の波長範囲の光を照射することによって、前記絶縁膜中の前記膜内イオンを中和させる工程と、（ｃ）前記膜内イオンが中和された状態で、前記所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの第２の電気的特性値を測定する工程と、（ｄ）前記第１および第２の電気的特性値から、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記膜内イオンの量を決定する工程と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明の方法では、絶縁膜中の膜内イオンを中和させる際に、半導体ウエハに第１の波長範囲の光が照射されるとともに電界が与えられるので、膜内イオンの中和を比較的短時間に行うことが可能となり、この結果、初期状態の絶縁膜中に存在していた膜内イオンの量を効率よく測定することが可能となる。
【０００８】
上記の方法において、前記絶縁膜は、複数種類の膜内イオンを含んでおり、前記複数種類の膜内イオンは、前記工程（ｂ）において中和され、前記方法は、さらに、（ｅ）前記半導体ウエハに前記工程（ｂ）で与えた電界と逆方向の電界を与えた状態で第２の波長範囲の光を照射することによって、前記工程（ｂ）において中和された前記複数種類の膜内イオンのうち、特定種類の膜内イオンを、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記特定種類の膜内イオンの量とほぼ同じ量だけイオン化する工程と、（ｆ）前記特定種類の膜内イオンが、前記工程（ｅ）においてイオン化された状態で、前記所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの第３の電気的特性値を測定する工程と、（ｇ）前記第２および第３の電気的特性値から、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記特定種類の膜内イオンの量を決定する工程と、を備えることが好ましい。
【０００９】
このように、工程（ｅ）において、中和された膜内イオンをイオン化する際に、半導体ウエハに第２の波長範囲の光を照射するとともに逆方向の電界を与えることにより、特定種類の膜内イオンのイオン化を比較的短時間で行うことができる。この結果、初期状態の絶縁膜中に複数種類の膜内イオンが含まれている場合にも、特定種類の膜内イオンの量を効率よく測定することが可能となる。
【００１０】
さらに、上記の方法において、前記工程（ｅ）において照射する光の前記第２の波長範囲を短波長に変更しながら前記工程（ｅ）ないし（ｇ）を繰り返し行い、前記複数種類の膜内イオンから他の特定種類の膜内イオンの量を分離して決定する工程を備えることが好ましい。
【００１１】
こうすれば、初期状態の絶縁膜中に含まれている他の特定種類の膜内イオンの量についてもうまく決定することが可能である。
【００１２】
上記の方法において、前記第１の波長範囲の光は、前記絶縁膜がシリコン酸化膜である場合に、約２２０ｎｍ〜約２９５ｎｍの少なくとも一部の範囲の光であることが望ましい。
【００１３】
こうすれば、シリコン酸化膜中の膜内イオンをうまく中和することが可能である。
【００１４】
上記の方法において、前記所定の測定手法は、Ｃ−Ｖ測定であるようにしてもよい。
【００１５】
また、上記の方法において、前記Ｃ−Ｖ測定は、前記測定用電極を前記絶縁膜に接触させない非接触測定であることが好ましい。
【００１６】
あるいは、上記の方法において、前記所定の測定手法は、前記半導体ウエハに断続光を照射することにより発生する前記半導体ウエハの表面光電圧を測定する表面光電圧測定を利用するようにしてもよい。
【００１７】
あるいは、上記の方法において、前記所定の測定手法は、前記測定用電極と前記半導体ウエハとのギャップを時間的に変化させつつ前記半導体ウエハの表面電位を測定する振動容量電位測定を利用するようにしてもよい。
【００１８】
このように種々の測定手法を用いて、膜内イオンの量を決定することが可能である。
【００１９】
上記の方法において、前記工程（ｂ）は、前記絶縁膜表面を帯電させることによって前記半導体ウエハに電界を与える工程を含むようにしてもよい。
【００２０】
このようにしても、工程（ｂ）において半導体ウエハに電界を与えることができる。
【００２１】
本発明の装置は、測定用電極を用いて半導体ウエハの表面に形成された絶縁膜中に存在する膜内イオンの量を測定する膜内イオン量測定装置であって、前記測定用電極を用いた所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの電気的特性値を測定するための電気特性測定部と、前記半導体ウエハに電界を与えた状態で第１の波長範囲の光を照射することによって、前記絶縁膜中の前記膜内イオンを電気的に中和させる膜内イオン中和部と、を備え、前記電気特性測定部は、前記絶縁膜中に前記膜内イオンが含まれる初期状態で前記所定の測定手法に従って測定された前記半導体ウエハの第１の前記電気的特性値と、前記膜内イオンが中和された状態で前記所定の測定手法に従って測定された前記半導体ウエハの第２の前記電気的特性値とから、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記膜内イオンの量を決定する膜内イオン量決定部を備えることを特徴とする。
【００２２】
本発明の装置を用いれば、上記の方法と同様の作用・効果を奏し、初期状態の絶縁膜中に存在していた膜内イオンの量を効率よく測定することが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての膜内イオン量測定装置を示す説明図である。この測定装置ＭＤ１は、半導体ウエハ１００のＣ−Ｖ特性を非接触で測定する機能を有している。測定装置ＭＤ１は、ステッピングモータ１１０と、ステッピングモータ１１０の下部に設置された圧電アクチュエータ１２０と、圧電アクチュエータ１２０のさらに下部に設置された架台１３０とを備えている。架台１３０の底面にはプリズム１４０が設置されている。架台１３０の一方の斜面にはＧａＡｌＡｓレーザなどの発光素子１５０が固定され、他方の斜面には受光素子１６０が固定されている。
【００２４】
プリズム１４０の底面１４０ａは、半導体ウエハ１００を載置する試料台１７０の表面（ＸＹ平面と平行な平面）と平行に設けられている。プリズムの底面１４０ａには、測定用電極２０１が形成されている。プリズム１４０の下方には、ギャップＧを介して半導体ウエハ１００が金属製の試料台１７０上に保持されており、半導体ウエハ１００の表面１００ａがプリズムの底面１４０ａとほぼ平行になるように設定されている。この測定装置ＭＤ１では、特開平４−１３２２３６号公報に詳述されているように、プリズムの底面１４０ａで全反射されるレーザ光のトンネル効果を利用することによって、非接触Ｃ−Ｖ測定時のギャップＧの値を測定している。なお、半導体ウエハ１００は、試料台１７０において、図示しない真空ポンプにより吸着されて保持されている。また、試料台１７０は、移動ステージ１９０上に固定されている。
【００２５】
ステッピングモータ１１０、圧電アクチュエータ１２０および架台１３０の内部中央には、光源装置３００から射出される光を半導体ウエハ１００に導くための光ファイバ３０２と、レンズ３０４とが備えられている。レンズ３０４から射出された光は、プリズム１４０および測定用電極２０１を透過して半導体ウエハ１００を照射する。ここで、測定用電極２０１は、透明電極であり、ＩＴＯ膜（Ｉｎ−Ｓｎ酸化膜）などが用いられる。なお、光源装置３００には、光源と、光源から射出される光の波長範囲を限定するためのフィルタや回折格子などが含まれている。
【００２６】
ステッピングモータ１１０および圧電アクチュエータ１２０には、Ｚ位置制御装置３１０が接続されている。ステッピングモータ１１０と圧電アクチュエータ１２０は、Ｚ位置制御装置３１０から入力される信号に応じて架台１３０をｚ方向（鉛直方向）に移動させ、これにより、測定用電極２０１と半導体ウエハ１００の表面１００ａとのギャップＧを調整する。ステッピングモータ１１０は比較的大きな距離の移動（粗動）に用いられ、圧電アクチュエータ１２０は、比較的小さな距離の移動（微動）に用いられる。受光素子１６０には光量測定器３２０が接続されている。光量測定器３２０は、受光素子１６０から供給される信号値に基づいて、ギャップＧの値を測定する。また、測定用電極２０１と金属製の試料台１７０には容量測定器３３０が接続されている。容量測定器３３０は、測定用電極２０１と試料台１７０との間の合成容量Ｃを測定する。移動ステージ１９０には、ステージ制御装置３８０が接続されている。移動ステージ１９０は、ステージ制御装置３８０から入力される信号に応じてＸＹ平面内で移動する。Ｚ位置制御装置３１０、光量測定器３２０、容量測定器３３０およびステージ制御装置３８０は、ホストコントローラ３９０に接続されており、このホストコントローラ３９０によって測定装置ＭＤ１全体の制御が行われる。ホストコントローラ３９０内に含まれる膜内イオン量決定部３９２は、得られたデータを処理することにより半導体ウエハ１００の絶縁膜に含まれる膜内イオンの量を決定する。ホストコントローラ３９０としては、例えばパーソナルコンピュータが用いられる。
【００２７】
非接触Ｃ−Ｖ測定を行う際には、Ｚ位置制御装置３１０がステッピングモータ１１０および圧電アクチュエータ１２０を制御して、測定用電極２０１と半導体ウエハの表面１００ａとのギャップＧが所定の大きさとなるように、測定用電極２０１を位置決めする。
【００２８】
図２は、半導体ウエハの絶縁膜中に存在する膜内イオンの量の決定手順を示すフローチャートである。ステップＳ１においては、半導体ウエハ１００について１回目のＣ−Ｖ測定を行い、第１のＣ−Ｖ曲線を得る。
【００２９】
図３は、半導体ウエハの絶縁膜中に存在する膜内イオンの量を測定する際の処理を示す説明図である。図３（Ａ−１）は、図２の処理を開始する前における半導体ウエハ１００の表面近傍を示している。図示するように、半導体基板１０１の上には、絶縁膜１０２が形成されている。図３（Ａ−１）に示す絶縁膜１０２中には、１種類の不純物元素Ｍ１が含まれており、その一部はイオン化して膜内イオンＭ１+ となっている。なお、図３の半導体ウエハ１００は、例えば、半導体基板１０１としてｎ型のシリコン基板、絶縁膜１０２としてシリコン酸化膜、膜内イオンＭ１+ としてナトリウムイオンＮａ+ を想定することができる。半導体ウエハ１００上には、ギャップＧを介して測定用電極２０１が配置される。
【００３０】
図３（Ａ−２）は、図３（Ａ−１）に示す半導体ウエハ１００について１回目のＣ−Ｖ測定を行ったときの第１のＣ−Ｖ曲線Ｆ１を示している。図中、フラットバンド電圧Ｖｆｂは、Ｃ−Ｖ曲線から求められる絶縁膜１０２の膜厚ｄoxから計算されたフラットバンド容量Ｃｆｂに対応する電圧である。フラットバンド電圧Ｖｆｂは、半導体ウエハ１００の表面近傍に存在する電荷量によりシフトする。
【００３１】
ステップＳ１（図２）において第１のＣ−Ｖ曲線Ｆ１が得られると、ステップＳ２においては、半導体ウエハ１００に電界を与えた状態で第１の波長範囲の光を照射する。これにより、絶縁膜１０２中に含まれる膜内イオンＭ１+ は中和される。図３（Ｂ−１）は、図３（Ａ−１）の膜内イオンＭ１+ が中和された様子を示している。なお、本実施例においては、膜内イオンＭ１+ を中和する際に与えられる電界は、Ｃ−Ｖ測定に用いられる測定用電極２０１に電圧を印加することによって与えられる。具体的には、測定用電極２０１に試料台１７０（図１）に対して正の電圧を印加して、半導体ウエハ１００に電界を与える。また、電圧印加時に照射する第１の波長範囲の光Ｌ１（図３（Ｂ−１））は、前述したように、透明電極である測定用電極２０１を介して半導体ウエハ１００に照射される。
【００３２】
図４は、絶縁膜中の膜内イオンＭ１+ が中和されるときの様子を示す説明図である。図４では、半導体基板１０１と絶縁膜１０２との界面近傍におけるエネルギバンド図の概略が示されている。図中、符号「ＥCB」はシリコン基板１０１の伝導帯の底のエネルギを示しており、符号「ＥVB」は価電子帯の上端のエネルギを示している。また、符号「Ｅi 」は絶縁膜であるシリコン酸化膜１０２の伝導帯の底のエネルギを示している。
【００３３】
図４に示すように、第１の光Ｌ１を半導体ウエハ１００に照射すると、第１の光Ｌ１はシリコン酸化膜１０２を透過してシリコン基板１０１を照射する。シリコン基板１０１中の電子ｅ- は、第１の光Ｌ１からエネルギを受け取り励起される。第１の光Ｌ１が４．２５ｅＶ以上の光である場合には、励起された電子ｅ- は、シリコン酸化膜１０２のエネルギ障壁（シリコン酸化膜１０２の伝導帯の底のエネルギＥi とシリコン基板１０１の価電子帯の上端のエネルギＥVBとの差）を越えることができる。シリコン酸化膜１０２のエネルギ障壁を越えた電子ｅ- は、シリコン酸化膜１０２中のトラップに捕獲される。図４のシリコン酸化膜１０２中のトラップは、Ｎａに関係したトラップ（sodium related trap ）であり、クーロン誘引型トラップと呼ばれている。このトラップ準位ＥT1は、シリコン酸化膜１０２の伝導帯の底のエネルギＥi より約２．４ｅＶ下に形成されている。クーロン引力によりトラップに捕獲された電子ｅ- は、ナトリウムイオンＮａ+ を中和させる。
【００３４】
なお、本実施例において、第１の光Ｌ１の波長範囲は、約２２０ｎｍ〜約２９５ｎｍの少なくとも一部であることが好ましく、特に、２２１ｎｍ〜２９２ｎｍが適している。このような波長範囲の光を用いれば、シリコン基板１０１中の電子がシリコン酸化膜１０２のエネルギ障壁を越えることができるとともに、シリコン基板１０１中の正孔がシリコン酸化膜障壁（５．６ｅＶ）を越えることがなく、また、光照射に起因する半導体と絶縁膜との界面における損傷を低減させることが可能である。なお、このような波長範囲の光を出力する光源装置３００としては、例えば、約２３１ｎｍの光を射出するキセノンランプを利用することができる。
【００３５】
また、本実施例では、半導体ウエハ１００への光照射とともに、半導体ウエハ１００に電界が与えられているので、シリコン酸化膜１０２の伝導帯の底のエネルギＥi は、図中左下がりに傾斜している。このため、半導体基板１０１から励起された電子ｅ- は、シリコン酸化膜１０２表面まで容易に到達することができる。
【００３６】
ところで、従来の技術では、光照射のみによってナトリウムイオンＮａ+ を中和させる。しかし、この場合には、光照射の初期では、シリコン酸化膜１０２中のナトリウムイオンＮａ+ が、電子ｅ- を酸化膜側にうまく引き寄せ中和されるが、光照射の後期では、中和が進み電子ｅ- が酸化膜側にうまく引き寄せられなくなり、全てのナトリウムイオンＮａ+ が中和されるのにかなり時間がかかるという問題があった。本実施例では、上記のように、光照射とともに電界が与えられているので、シリコン酸化膜１０２中のナトリウムイオンＮａ+ の中和を比較的短時間で行うことが可能となる。
【００３７】
なお、半導体ウエハ１００に与える電界は、絶縁膜が絶縁破壊を起こさない数ＭＶ／ｃｍ以下であることが好ましい。本実施例においては、約０．１ＭＶ／ｃｍの電界が与えられている。この電界は、例えば、シリコン酸化膜１０２の膜厚ｄoxが１００ｎｍ、ギャップＧが３５０ｎｍのときには、測定用電極２０１に約１５Ｖの正電圧を印加することによって与えられる。
【００３８】
ステップＳ３（図２）では、２回目のＣ−Ｖ測定を行い、第２のＣ−Ｖ曲線を得る。図３（Ｂ−２）は、図３（Ｂ−１）に示す半導体ウエハ１００について２回目のＣ−Ｖ測定を行ったときの第２のＣ−Ｖ曲線Ｆ２を示している。なお、図３（Ｂ−２）には、ステップＳ１で得られた第１のＣ−Ｖ曲線Ｆ１も示されている。
【００３９】
ステップＳ４では、ステップＳ１で得られた第１のＣ−Ｖ曲線Ｆ１と、ステップＳ２で得られた第２のＣ−Ｖ曲線Ｆ２とから、図３（Ａ−１）に示す初期状態の絶縁膜１０２中に存在した膜内イオンＭ１+ の量を求める。具体的には、膜内イオンＭ１+ の量は、第１および第２のＣ−Ｖ曲線Ｆ１，Ｆ２のフラットバンド電圧のシフト量ΔＶF1から、次の式（１）を用いて決定することができる。
【００４０】
【数１】
0003672226.tif 000002
【００４１】
ここで、ε0 は真空の誘電率、εoxは絶縁膜１０２の比誘電率、ρ0 は膜内イオンの密度（個／ｃｍ3 ）、Ｇは絶縁膜１０２と測定用電極２０１とのギャップ、ｄoxは絶縁膜１０２の厚みである。
【００４２】
上記の式（１）において、膜内イオンの密度ρ0 以外の値は既知なので、電圧のシフト量ΔＶF1からρ0 の値を決定することができる。なお、式（１）を用いた膜内イオン量の算出は、ホストコントローラ３９０（図１）内部の膜内イオン量決定部３９２によって実行される。
【００４３】
以上のようにして、図３（Ａ−１）に示す初期状態の絶縁膜１０２中に存在していた膜内イオンＭ１+ の量を決定することができる。
【００４４】
ところで、図２〜図４においては、絶縁膜１０２中に１種類の元素Ｍ１が含まれており、その一部がイオン化している場合の膜内イオンＭ１+ の量の決定方法について説明したが、実際には、絶縁膜１０２中に複数種類の元素が含まれており、各元素の一部がイオン化している場合がある。
【００４５】
図５は、絶縁膜中に複数種類の膜内イオンが含まれている場合の膜内イオン量の決定手順を示すフローチャートである。また、図６は、半導体ウエハの絶縁膜中に存在する複数種類の膜内イオンの量を測定する際の処理を示す説明図である。
【００４６】
図５のステップＴ１〜ステップＴ４の処理については、図２のステップＳ１〜Ｓ４とほぼ同じである。図６（Ａ−１）は、図５の処理を開始する前における半導体ウエハ１００の表面近傍を示している。図示するように、絶縁膜１０２には、２種類の不純物元素Ｍ１，Ｍ２が含まれており、それぞれの一部はイオン化して膜内イオンＭ１+ ，Ｍ２+ となっている。なお、第１の膜内イオンＭ１+ としては、ナトリウムイオンＮａ+ を想定できる。また、第２の膜内イオンＭ２+ としては、カリウムイオンＫ+ やリチウムイオンＬｉ+ などを想定できると考えられている。図６（Ａ−２）は、ステップＴ１において、図６（Ａ−１）に示す半導体ウエハ１００について１回目のＣ−Ｖ測定を行ったときの第１のＣ−Ｖ曲線Ｇ１を示している。
【００４７】
ステップＴ２において、半導体ウエハ１００に電界を与えた状態で、第１の波長範囲の光Ｌ１を照射すると、図６（Ｂ−１）に示すように、絶縁膜１０２中に含まれる膜内イオンＭ１+ ，Ｍ２+ が双方とも中和される。
【００４８】
図７は、絶縁膜中に含まれる膜内イオンＭ１+ ，Ｍ２+ が双方とも中和されるときの様子を示す説明図である。図７に示すように、シリコン酸化膜１０２中には、Ｎａに関係した第１のトラップ準位ＥT1とともに、さらに深い準位に第２のトラップ準位ＥT2が存在している。これは、上記のＬｉやＫに関係したトラップ準位と考えられている。図４で説明したように、半導体ウエハ１００に照射する第１の光Ｌ１が４．２５ｅＶ以上の光である場合には、励起された電子ｅ- はシリコン酸化膜１０２のエネルギ障壁（４．２５ｅＶ）を越え、シリコン酸化膜１０２中の第１および第２のトラップに捕獲される。トラップに捕獲された電子は、ナトリウムイオンＮａ+ や他のイオン（Ｌｉ+ ，Ｋ+ ）を中和させる。
【００４９】
ステップＴ３（図５）では、２回目のＣ−Ｖ測定を行い、第２のＣ−Ｖ曲線を得る。図６（Ｂ−２）は、図６（Ｂ−１）に示す半導体ウエハ１００について２回目のＣ−Ｖ測定を行ったときの第２のＣ−Ｖ曲線Ｇ２を示している。なお、図６（Ｂ−２）には、ステップＴ１で得られた第１のＣ−Ｖ曲線Ｇ１も示されている。
【００５０】
ステップＴ４では、第１のＣ−Ｖ曲線Ｇ１と第２のＣ−Ｖ曲線Ｇ２とから、図６（Ａ−１）に示す初期状態の絶縁膜１０２中に存在した全膜内イオンＭ１+ ，Ｍ２+ の総量を求める。具体的には、第１および第２のＣ−Ｖ曲線Ｇ１，Ｇ２のフラットバンド電圧のシフト量ΔＶG1から、式（１）と同様の式を用いて決定することができる。
【００５１】
次に、ステップＴ５では、ステップＴ２において与えた電界と逆方向の電界を半導体ウエハ１００に与えた状態で、第２の波長範囲の光Ｌ２を照射する。この第２の波長範囲の光Ｌ２を照射することにより、図７の第１のトラップ準位ＥT1に捕獲されていた電子が励起され、再放出される。これにより、中和された膜内イオンが再度イオン化される。
【００５２】
図８は、中和された膜内イオンが再度イオン化されるときの様子を示す説明図である。ステップＴ５において照射する第２の波長範囲の光Ｌ２は、中和された膜内イオンＭ１+ ，Ｍ２+ のうち、中和された第１の膜内イオンＭ１+ のみをイオン化させるような波長を有している。第１の膜内イオンＭ１+ がナトリウムイオンＮａ+ である場合には、図８に示す約２．４ｅＶのエネルギを有する光、すなわち、約５１７ｎｍの光を照射する。このような光を照射すると、第１のトラップ準位ＥT1に捕獲された電子ｅ- が励起される。このとき、中和された第１の膜内イオンＭ１+ がイオン化され、電子ｅ- が再放出される。すなわち、中和されたナトリウムイオンは、再度イオン化される。ところで、ステップＴ５においては、測定用電極２０１（図１）に試料台１７０に対して負の電圧を印加して、半導体ウエハ１００にステップＴ２と逆方向の電界が与えられている。このとき、シリコン酸化膜１０２の伝導帯の底のエネルギＥi は、図示するように右下がりに傾斜する。放出された電子ｅ- は、この電界によって半導体基板１０１側に容易に移動するため、中和された膜内イオンのイオン化を比較的短時間で行うことが可能となる。
【００５３】
図６（Ｃ−１）は、ステップＴ５（図５）において、図６（Ｂ−１）に示す中和された膜内イオンＭ１+ ，Ｍ２+ のうち、第１の膜内イオンＭ１+ のみがイオン化された様子を示している。このとき、イオン化される第１の膜内イオンＭ１+ の量は、図６（Ａ−１）に示す初期状態の絶縁膜１０２中に含まれていた第１の膜内イオンＭ１+ の量とほぼ同じである。なお、ステップＴ５においてイオン化される元素は、初期状態において既にイオン化していた元素と同じであると考えられている。
【００５４】
ステップＴ６では、３回目のＣ−Ｖ測定を行う。図６（Ｃ−２）は、図６（Ｃ−１）に示す半導体ウエハ１００について３回目のＣ−Ｖ測定を行ったときの第３のＣ−Ｖ曲線Ｇ３を示している。なお、図６（Ｃ−２）には、ステップＴ１，Ｔ３で得られた第１，第２のＣ−Ｖ曲線Ｇ１，Ｇ２も示されている。
【００５５】
ステップＴ７では、第２のＣ−Ｖ曲線Ｇ２と第３のＣ−Ｖ曲線Ｇ３とから、再度イオン化された第１の膜内イオンＭ１+ の量を決定する。具体的には、第２および第３のＣ−Ｖ曲線Ｇ２，Ｇ３のフラットバンド電圧のシフト量ΔＶG2から式（１）と同様の式を用いて決定する。
【００５６】
ステップＴ８〜Ｔ１０では、ステップＴ５〜Ｔ７の処理と同様の処理を繰り返す。ステップＴ８では、ステップＴ５と同様に、半導体ウエハ１００にステップＴ２と逆方向の電界を与えた状態で、第３の波長範囲の光Ｌ３を照射する。図８に示すように、ステップＴ５において照射する第３の波長範囲の光Ｌ３は、中和された第２の膜内イオンＭ２+ のみを再度イオン化させるような波長を有している。第３の光Ｌ３を照射すると、第２のトラップ準位ＥT2に捕獲された電子ｅ- が励起され、この結果、中和された第２の膜内イオンＭ２+ がイオン化され、電子ｅ- が再放出される。ここで、第３の波長範囲の光Ｌ３は、第２の波長範囲の光Ｌ２より短波長の光である。このように、照射する光を次第に短波長の光に変更することにより、各トラップ準位に捕獲された電子ｅ- を順次再放出させ、中和された膜内イオンを順次イオン化させることができる。
【００５７】
図６（Ｄ−１）は、ステップＴ８（図５）において、図６（Ｃ−１）に示す中和された第２の膜内イオンＭ２+ がイオン化された様子を示している。なお、イオン化された膜内イオンＭ２+ の量は、図６（Ａ−１）に示す初期状態の絶縁膜１０２中に含まれていた第２の膜内イオンＭ２+ の量とほぼ同じである。
【００５８】
ステップＴ９では、４回目のＣ−Ｖ測定を行う。図６（Ｄ−２）は、図６（Ｄ−１）に示す半導体ウエハ１００について４回目のＣ−Ｖ測定を行ったときの第４のＣ−Ｖ曲線Ｇ４を示している。なお、図６（Ｂ−２）には、ステップＴ１，Ｔ３，Ｔ６で得られた第１〜第３のＣ−Ｖ曲線Ｇ１〜Ｇ３も示されている。ただし、図６（Ｄ−１）と図６（Ａ−１）とを比較して分かるように、絶縁膜１０２中に存在する膜内イオンＭ１+ ，Ｍ２+ の量はそれぞれの状態で同じであるので、第１のＣ−Ｖ曲線Ｇ１と第４のＣ−Ｖ曲線Ｇ４とは重なっている。
【００５９】
ステップＴ１０では、第３のＣ−Ｖ曲線Ｇ３と第４のＣ−Ｖ曲線Ｇ４とから、イオン化された第２の膜内イオンＭ２+ の量を決定する。具体的には、第３および第４のＣ−Ｖ曲線Ｇ３，Ｇ４のフラットバンド電圧のシフト量ΔＶG3から式（１）と同様の式を用いて決定する。
【００６０】
なお、図５では、第２の膜内イオンＭ２+ の量は、第３および第４のＣ−Ｖ曲線Ｇ３，Ｇ４から決定しているが、図６に示すように、絶縁膜１０２中に２種類の膜内イオンＭ１+ ，Ｍ２+ のみが存在している場合には、第１および第３のＣ−Ｖ曲線Ｇ１，Ｇ３から求めることも可能である。
【００６１】
また、図５では、絶縁膜１０２中に２種類の膜内イオンのみが存在している場合について説明しているが、絶縁膜中に３種類以上の膜内イオンを含む場合にも、特定種類の膜内イオンの量を分離して決定することが可能である。この場合には、ステップＴ５〜Ｔ７，ステップＴ８〜Ｔ１０と同様の処理を繰り返し行えばよい。ただし、中和された特定種類の膜内イオンを再度イオン化する際には、照射する光を次第に短波長に変更しながら行う必要がある。このようにすれば、絶縁膜中に複数種類の膜内イオンが含まれている場合においても、特定種類の膜内イオンの量を分離して決定することが可能である。
【００６２】
以上の説明からも分かるように、本実施例の膜内イオン量測定装置ＭＤ１（図１）における測定用電極２０１と金属製の試料台１７０と容量測定器３３０とホストコントローラ３９０との測定系が、本発明の電気特性測定部に相当する。また、光源装置３００と光ファイバ３０２とレンズ３０４との照射光学系、および、測定用電極２０１と金属製の試料台１７０と容量測定器３３０とホストコントローラ３９０との電界付与系が、本発明の膜内イオン中和部に相当する。
【００６３】
Ｂ．第２実施例：
図９は、本発明の第２実施例としての膜内イオン量測定装置の構成を示す説明図である。図９に示す測定装置ＭＤ２は、半導体ウエハ１００の表面光電圧（ＳＰＶ：Surface Photo Voltage）を非接触で測定する機能を有している。
【００６４】
本実施例の光源装置３００ａは、膜内イオンを中和させたりイオン化させたりするための光源に加え、ＳＰＶ測定用の光源を備えている。ＳＰＶ測定用の光源としては、約４５０ｎｍ〜１２００ｎｍの光を射出する光源が利用される。また、光ファイバ３０２の経路の途中には、光源装置３００ａから射出されるＳＰＶ測定用の連続光を断続光に変換するためのチョッパ３０６が追加されている。チョッパ３０６は、内部に遮光板を備えており、遮光板を軸３０６ａを中心として回転させることにより断続光を生成する。
【００６５】
本実施例の測定装置ＭＤ２では、図１の容量測定器３３０に代えて、ＳＰＶ測定器３４０が用いられている。ＳＰＶ測定器３４０は、半導体ウエハ１００に電圧を印加する機能を有するとともに、断続光の照射にともない発生するＳＰＶ信号（後述する）を測定する機能を有している。このため、ＳＰＶ測定器３４０には、チョッパ３０６から同期信号ＳＹＮＣが供給されている。
【００６６】
また、測定装置ＭＤ２では、図１の測定装置ＭＤ１に備えられていた発光素子１５０、受光素子１６０、光量測定器３２０が省略されている。これは、ＳＰＶ測定においては、測定用電極２０１と半導体ウエハ１００とのギャップＧは、０．２ｍｍ程度と比較的大きいからである。なお、本実施例では、測定用電極２０１と半導体ウエハ１００との間をエアギャップとしているが、これに代えて、マイラーフィルムなどの透光性の絶縁膜を用いるようにしてもよい。
【００６７】
図９の測定装置ＭＤ２を用いる場合にも、図１の測定装置ＭＤ１と同様の手順、すなわち、図２の手順に従って絶縁膜中の膜内イオン量を測定することが可能である。ただし、第１実施例においては、ステップＳ１，Ｓ３の測定として非接触Ｃ−Ｖ測定を行っているが、本実施例においては、電圧を挿引しながらＳＰＶ測定を行う。
【００６８】
ところで、ＳＰＶ測定は、以下のような現象を利用したものである。半導体ウエハに断続光を照射すると、半導体ウエハの表面付近に電子正孔対が発生する。このとき、半導体ウエハの内部に空乏層が形成されていると、光の照射によって発生した電子正孔対が、空乏層内の電界により移動して半導体ウエハの表面の電圧を変化させる。この電圧変化がＳＰＶ信号としてＳＰＶ測定器３４０によって測定される。
【００６９】
このＳＰＶ信号値は、基板中の空乏層幅が大きいほど大きくなる。換言すれば、ＳＰＶ信号値は、空乏層の容量が小さいほど大きくなる。したがって、印加電圧を挿引しながらＳＰＶ信号を測定すれば、Ｃ−Ｖ測定と同じように、印加電圧Ｖと合成容量Ｃとの関係を得ることが可能である。
【００７０】
このようにしても、図２のステップＳ４において膜内イオン量を決定することが可能である。また、絶縁膜中に複数種類の膜内イオンが含まれている場合についても、図５の手順に従って絶縁膜中に存在するそれぞれの膜内イオン量を分離して決定することが可能である。
【００７１】
なお、本実施例の膜内イオン量測定装置ＭＤ２（図９）における測定用電極２０１と金属製の試料台１７０とＳＰＶ測定器３４０とホストコントローラ３９０との測定系、および、ＳＰＶ信号を発生させるための光源を含む光源装置３００ａと光ファイバ３０２とレンズ３０４との照射光学系が、本発明の電気特性測定部に相当する。また、中和およびイオン化のための光源を含む光源装置３００ａと光ファイバ３０２とレンズ３０４との照射光学系、および、測定用電極２０１と金属製の試料台１７０とＳＰＶ測定器３４０とホストコントローラ３９０との電界付与系が、本発明の膜内イオン中和部に相当する。
【００７２】
Ｃ．第３実施例：
図１０は、本発明の第３実施例としての膜内イオン量測定装置の構成を示す説明図である。図１０に示す測定装置ＭＤ３は、半導体ウエハ１００の表面電位を非接触で測定する機能を有している。
【００７３】
測定装置ＭＤ３は、図１の測定装置ＭＤ１における容量測定器３３０に代えて、振動容量電位測定器３５０が備えられている。振動容量電位測定器３５０は、半導体ウエハ１００に電圧を印加する機能を有するとともに、周知のケルビン法（後述する）を用いた振動容量電位を測定する機能を有している。
【００７４】
また、この測定装置ＭＤ３では、図９と同様に、図１の測定装置ＭＤ１に備えられていた発光素子１５０、受光素子１６０、光量測定器３２０が省略されている。これは、ケルビン法を用いた測定においても、半導体ウエハ１００の表面１００ａと、測定用電極２０１とのギャップＧは、２ｍｍ程度と比較的大きいからである。
【００７５】
本実施例の測定装置ＭＤ３では、半導体ウエハ１００上にコロナ電荷を付加するためのコロナ電荷生成部４００が追加されている。なお、半導体ウエハ１００は、移動ステージ１９０を−Ｙ方向に移動させることによってコロナ電荷生成部４００に搬送される。
【００７６】
コロナ電荷生成部４００は、直流電源４１０と、略中空円筒状のイオン噴出ノズル４２０と、イオン噴出ノズル４２０にガスＧｓを供給するためのガスボンベ４２２と、ガスＧｓの流量を調整するための流量調節器４２４とを備えている。イオン噴出ノズル４２０の中央には、針状のイオン発生用電極４２６が設けられている。このイオン発生用電極４２６は、直流電源４１０に接続されている。イオン発生用電極４２６に高電圧が印加されて放電（コロナ放電）が発生すると、イオン噴出ノズル４２０内に供給されたガスＧｓがイオン化される。イオン化した帯電分子は、イオン噴出ノズル４２０の先端の開口部から噴出し、半導体ウエハ１００上に堆積することによって半導体ウエハ１００の表面を帯電させる。なお、半導体ウエハ１００の表面を正帯電させる帯電分子としては、ヒドロニウムイオンＨ3Ｏ+を用いることができ、また、負帯電させる帯電分子としては、炭酸イオンＣＯ32-を用いることができる。
【００７７】
この測定装置ＭＤ３を用いる場合にも、図１の測定装置ＭＤ１と同様の手順、すなわち、図２の手順に従って絶縁膜中の膜内イオン量を測定することが可能である。ただし、第１実施例においては、ステップＳ１，Ｓ３の測定として非接触Ｃ−Ｖ測定を行っているが、本実施例においては、Ｃ−Ｖ測定における電圧挿引に代えて、半導体ウエハ１００の絶縁膜１０２上に付加する電荷量を変更させつつ、振動容量電位計法（ケルビン法）によるウエハの表面電位測定を行う。
【００７８】
図１１は、ケルビン法を用いた表面電位測定の概略を示す説明図である。半導体ウエハ１００と測定用電極２０１とをエアーギャップを介して対向させた際に、半導体ウエハ１００の表面１００ａでの電位をＶとすると、測定用電極２０１には半導体ウエハ１００と測定用電極２０１との間の容量Ｃｋに応じた電荷Ｑ’（＝Ｃk・Ｖ）が誘導される。このとき圧電アクチュエータ１２０（図１０）により測定用電極２０１を上下に振動させると、容量Ｃｋが変化するため、測定用電極２０１に誘導される電荷量Ｑ’も時間的に変化する。この結果、測定用電極２０１に出入りする電流ｉが発生し、電流ｉは、振動容量電位測定器３５０の内部に備えられた電流計により検出される。このとき、振動容量電位測定器３５０の内部に備えられた電圧発生器により、測定用電極２０１にバイアス電圧Ｖを加えて、測定用電極２０１と半導体ウエハの表面１００ａとの電位差を０となるようにすれば電極２０１を振動させても電流ｉは発生しなくなる。そのときのバイアス電圧Ｖから半導体ウエハの表面電位を知ることができる。なお、ケルビン法は、周知のものであり、Z.Physin,115,296(1940年)に所載のB.ギゼ(Gysae)及びS.ワーゲナー(Wagener)の論文に詳細に開示されている。
【００７９】
半導体ウエハ１００の表面電位は、半導体基板１０１内に形成される空乏層の幅に応じて変化する。したがって、絶縁膜１０２上の電荷量を変化させることによって空乏層幅を変化させれば、空乏層幅に応じた表面電位を知ることができる。すなわち、電荷量に応じた表面電位を測定することによって、Ｃ−Ｖ測定と同様に、電荷量と合成容量Ｃとの関係を得ることができる。
【００８０】
このようにしても、図２のステップＳ４において膜内イオン量を決定することが可能である。また、絶縁膜中に複数種類の膜内イオンが含まれている場合についても、図５の手順に従って絶縁膜中に存在するそれぞれの膜内イオン量を分離して決定することが可能である。
【００８１】
ところで、本実施例では、図２のステップＳ２において、第１および第２実施例の正の電圧印加に代えて、正のコロナ帯電分子が付加された状態で、第１の波長範囲の光を照射する。半導体ウエハ１００の絶縁膜１０２上に正電荷を付加すると、正電圧を印加するのと同様に、半導体ウエハ１００には電界が与えられる。ところが、図４に示すように、励起された電子ｅ- は、絶縁膜１０２表面にも到達するので、絶縁膜１０２表面に蓄積された正電荷を中和する。このため、絶縁膜１０２表面の正電荷量が減少し、第１の波長範囲の光Ｌ１を照射するのに伴い、半導体ウエハ１００に与えられる電界が次第に小さくなってしまう。このような場合には、膜内イオンの中和に要する時間が長くなるという問題が生じ得る。このため、ステップＳ２（図２）においては、絶縁膜１０２表面に、膜内イオンの中和に十分な量のコロナ帯電分子を付加しておくことが好ましい。
【００８２】
また、図２のステップＳ２において、膜内イオンを中和した後には、絶縁膜１０２表面に残存する電荷量を正確に把握することができないので、一旦、絶縁膜１０２表面の電荷を除去する必要がある。本実施例では、第１の波長範囲の光Ｌ１を十分に長い時間照射することによって、半導体基板１０１から電子を供給し続け、絶縁膜１０２表面の帯電分子を中和するようにしている。ただし、この場合にも、絶縁膜１０２表面の帯電分子が完全に中和されているか否かは不明であるので、光照射による電荷除去に代えて、純粋リンスを行うことによって除去するようにしてもよい。
【００８３】
なお、本実施例の膜内イオン量測定装置ＭＤ３（図１０）における測定用電極２０１と金属製の試料台１７０と振動容量電位測定器３５０とホストコントローラ３９０との測定系が、本発明の電気特性測定部に相当する。また、光源装置３００と光ファイバ３０２とレンズ３０４との照射光学系、および、コロナ電荷生成部４００による電界付与系が、本発明の膜内イオン中和部に相当する。
【００８４】
以上説明したように、本発明においては、絶縁膜中の膜内イオンを中和させる際に、半導体ウエハに第１の波長範囲の光が照射されるとともに電界が与えられる。したがって、膜内イオンの中和を比較的短時間に行うことが可能となり、この結果、初期状態の絶縁膜中に存在していた膜内イオンの量を効率よく測定することが可能となる。
【００８５】
また、絶縁膜中に複数種類の膜内イオンが含まれている場合には、半導体ウエハに第２の波長範囲の光を照射するとともに、逆方向の電界を与えている。これにより、中和された複数種類の膜内イオンのうち、特定種類の膜内イオンのみを比較的短時間でイオン化させることが可能となる。この結果、初期状態の絶縁膜中に存在していた特定膜内イオンの量を効率よく測定することが可能となる。
【００８６】
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。
【００８７】
（１）第１実施例では、Ｃ−Ｖ測定は、測定用電極２０１を半導体ウエハ１００に接触させない非接触測定で行われているが、測定用電極２０１を半導体ウエハ１００の絶縁膜表面に押しつけることにより接触測定で行ってもよい。また、接触Ｃ−Ｖ測定としては、測定用電極２０１に代えて、液体金属（例えば、ＨｇやＩｎＧａ）と液体金属に接触させる測定プローブとを用いてもよい。この液体金属と測定プローブとの組み合わせも本発明の測定用電極としての機能を有する。なお、非接触Ｃ−Ｖ測定を行えば、接触Ｃ−Ｖ測定の場合と比べ、半導体ウエハ１００の表面の損傷を低減することができるという利点がある。
【００８８】
（２）第１，第２実施例では、膜内イオンを中和させる工程（図２のステップＳ２，図５のステップＴ２）および中和した膜内イオンを再度イオン化させる工程（図５のステップＴ５，Ｔ８）において、測定用電極２０１に電圧を印加することにより半導体ウエハ１００に電界を与えている。しかし、第３実施例のように、半導体ウエハ１００の表面を帯電させることにより電界を与えるようにしてもよい。
【００８９】
（３）第１実施例では、電気的特性値として、Ｃ−Ｖ曲線から得られるフラットバンド電圧Ｖｆｂを用いているが、他の測定値を利用してもよい。例えば、半導体基板と絶縁膜との界面においてフェルミ準位と真性フェルミ準位とが一致する「ミッドギャップ電圧」と呼ばれる測定値を用いてもよい。
【００９０】
（４）上記実施例では、本発明の測定手法として、Ｃ−Ｖ測定や、表面光電圧測定を利用する測定や、振動容量電位測定を利用する測定などを用いているが、他の測定手法を用いてもよい。一般に、本発明における測定手法としては、半導体ウエハの絶縁膜中に含まれる膜内イオンに関連する半導体ウエハの電気的特性値を測定できるようなものであればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例としての膜内イオン量測定装置を示す説明図である。
【図２】半導体ウエハの絶縁膜中に存在する膜内イオンの量の決定手順を示すフローチャートである。
【図３】半導体ウエハの絶縁膜中に存在する膜内イオンの量を測定する際の処理を示す説明図である。
【図４】絶縁膜中の膜内イオンＭ１+ が中和されるときの様子を示す説明図である。
【図５】絶縁膜中に複数種類の膜内イオンが含まれている場合の膜内イオン量の決定手順を示すフローチャートである。
【図６】半導体ウエハの絶縁膜中に存在する複数種類の膜内イオンの量を測定する際の処理を示す説明図である。
【図７】絶縁膜中に含まれる膜内イオンＭ１+ ，Ｍ２+ が双方とも中和されるときの様子を示す説明図である。
【図８】中和された膜内イオンが再度イオン化されるときの様子を示す説明図である。
【図９】本発明の第２実施例としての膜内イオン量測定装置の構成を示す説明図である。
【図１０】本発明の第３実施例としての膜内イオン量測定装置の構成を示す説明図である。
【図１１】ケルビン法を用いた表面電位測定の概略を示す説明図である。
【符号の説明】
１００…半導体ウエハ
１００ａ…表面
１０１…半導体基板（シリコン基板）
１０２…絶縁膜（シリコン酸化膜）
１１０…ステッピングモータ
１２０…圧電アクチュエータ
１３０…架台
１４０…プリズム
１４０ａ…底面
１５０…発光素子
１６０…受光素子
１７０…試料台
１９０…ステージ
１９０…移動ステージ
２０１…測定用電極
３００，３００ａ…光源装置
３０２…光ファイバ
３０４…レンズ
３０６…チョッパ
３０６ａ…軸
３１０…Ｚ位置制御装置
３２０…光量測定器
３３０…容量測定器
３４０…ＳＰＶ測定器
３５０…振動容量電位測定器
３８０…ステージ制御装置
３９０…ホストコントローラ
３９２…膜内イオン量決定部
４００…コロナ電荷生成部
４１０…直流電源
４２０…イオン噴出ノズル
４２２…ガスボンベ
４２４…流量調節器
４２６…イオン発生用電極
ＭＤ１，ＭＤ２，ＭＤ３…膜内イオン量測定装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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