(57)【要約】【課題】半導体基板の表面に形成された絶縁膜の膜厚または比誘電率を正確に測定できる膜厚測定装置または比誘電率測定装置を提供する。【解決手段】この膜厚／比誘電率測定装置２０は、ウエハＷの表面に形成された絶縁膜の膜厚または比誘電率を測定するためのもので、直線状に順に配された帯電処理部１、電荷量測定部２、および表面電位測定部３を備えている。帯電処理部１は、コロナ放電によりウエハＷの表面に形成された絶縁膜を帯電させることができる。電荷量測定部２は、絶縁膜に非接触でウエハＷのＣ−Ｖ測定を行うことができ、帯電処理部１による帯電処理の前後のフラットバンド電圧差を求めることにより、帯電処理により絶縁膜に与えられた電荷量を求めることができる。表面電位測定部３は、ケルビンプローブ３１を備えており、非接触で絶縁膜表面の表面電位を測定できる。【選択図】　　　　図１
2004111911.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の一方表面に形成された絶縁膜の膜厚を、この絶縁膜に関して非接触で測定する方法であって、
絶縁膜の表面を非接触で帯電させる帯電処理工程と、
この帯電処理工程の前に、絶縁膜に関して非接触で半導体基板のＣ−Ｖ測定を行うことによって、第１のフラットバンド電圧を求める工程と、上記帯電処理工程の後に、絶縁膜に関して非接触で半導体基板のＣ−Ｖ測定を行うことによって、第２のフラットバンド電圧を求める工程と、上記第１および第２のフラットバンド電圧の差から、上記帯電処理工程により絶縁膜表面に付与された電荷量を算出する工程とを含む電荷量測定工程と、
上記帯電処理工程の後、絶縁膜の表面電位を絶縁膜に関して非接触で測定する表面電位測定工程と、
上記電荷量測定工程で測定された電荷量および上記表面電位測定工程で測定された表面電位から、絶縁膜の膜厚を算出する工程とを含むことを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項２】
上記帯電処理工程がコロナ放電によって絶縁膜表面を帯電させる工程を含むことを特徴とする請求項１記載の膜厚測定方法。
【請求項３】
上記帯電処理工程が２２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長を有する紫外線を半導体基板に照射する工程を含むことを特徴とする請求項１または２記載の膜厚測定方法。
【請求項４】
半導体基板の一方表面に形成された絶縁膜の比誘電率を、この絶縁膜に関して非接触で測定する方法であって、
絶縁膜の表面を非接触で帯電させる帯電処理工程と、
この帯電処理工程の前に、絶縁膜に関して非接触で半導体基板のＣ−Ｖ測定を行うことによって、第１のフラットバンド電圧を求める工程と、上記帯電処理工程の後に、絶縁膜に関して非接触で半導体基板のＣ−Ｖ測定を行うことによって、第２のフラットバンド電圧を求める工程と、上記第１および第２のフラットバンド電圧の差から、上記帯電処理工程により絶縁膜表面に付与された電荷量を算出する工程とを含む電荷量測定工程と、
上記帯電処理工程後に、絶縁膜の表面電位を絶縁膜に関して非接触で測定する表面電位測定工程と、
上記電荷量測定工程で測定された電荷量および上記表面電位測定工程で測定された表面電位から、絶縁膜の比誘電率を算出する工程とを含むことを特徴とする比誘電率測定方法。
【請求項５】
上記帯電処理工程がコロナ放電によって絶縁膜表面を帯電させる工程を含むことを特徴とする請求項４記載の比誘電率測定方法。
【請求項６】
上記帯電処理工程が２２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長を有する紫外線を半導体基板に照射する工程を含むことを特徴とする請求項４または５記載の比誘電率測定方法。
【請求項７】
半導体基板の一方表面に形成された絶縁膜の膜厚を、この絶縁膜に関して非接触で測定する膜厚測定装置であって、
絶縁膜の表面を非接触で帯電させる帯電処理部と、
この帯電処理部によって絶縁膜表面に付与された電荷量を、絶縁膜に関して非接触で測定する電荷量測定部であって、半導体基板の他方表面に接触する接触電極と、
上記他方表面に上記接触電極が接触している半導体基板の上記一方表面に離間して対向配置可能な測定電極と、
半導体基板と上記測定電極との間隔を測定するギャップ測定手段と、
半導体基板と上記測定電極との間隔を変更するギャップ変更機構と、
上記接触電極と上記測定電極との間にバイアス電圧を印加可能で、印加するバイアス電圧の大きさを変化させることが可能なバイアス電圧印加手段と、
上記接触電極と上記測定電極との間の電気容量を測定する容量測定手段とを有する電荷量測定部と、
絶縁膜の表面電位を、絶縁膜に関して非接触で測定する表面電位測定部とを備えたことを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項８】
上記帯電処理部が、絶縁膜の表面でコロナ放電を生じさせるコロナ放電部を含むことを特徴とする請求項７記載の膜厚測定装置。
【請求項９】
上記帯電処理部が、絶縁膜の表面に紫外線を照射する紫外線照射部を含むことを特徴とする請求項７または８記載の膜厚測定装置。
【請求項１０】
半導体基板の一方表面に形成された絶縁膜の比誘電率を、この絶縁膜に関して非接触で測定する比誘電率測定装置であって、
絶縁膜の表面を非接触で帯電させる帯電処理部と、
この帯電処理部によって絶縁膜表面に付与された電荷量を、絶縁膜に関して非接触で測定する電荷量測定部であって、半導体基板の他方表面に接触する接触電極と、
上記他方表面に上記接触電極が接触している半導体基板の上記一方表面に離間して対向配置可能な測定電極と、
半導体基板と上記測定電極との間隔を測定するギャップ測定手段と、
半導体基板と上記測定電極との間隔を変更するギャップ変更機構と、
上記接触電極と上記測定電極との間にバイアス電圧を印加可能で、印加するバイアス電圧の大きさを変化させることが可能なバイアス電圧印加手段と、
上記接触電極と上記測定電極との間の電気容量を測定する容量測定手段とを有する電荷量測定部と、
絶縁膜の表面電位を、絶縁膜に関して非接触で測定する表面電位測定部とを備えたことを特徴とする比誘電率測定装置。
【請求項１１】
上記帯電処理部が、絶縁膜の表面でコロナ放電を生じさせるコロナ放電部を含むことを特徴とする請求項１０記載の比誘電率測定装置。
【請求項１２】
上記帯電処理部が、半導体基板に紫外線を照射する紫外線照射部を含むことを特徴とする請求項１０または１１記載の比誘電率測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板の表面に形成された絶縁膜を測定対象とする膜厚測定方法、比誘電率測定方法、膜厚測定装置、および比誘電率測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスは、半導体基板の上に絶縁膜を含む種々の膜が形成されて製造される。絶縁膜の特性は、半導体デバイスの特性に大きな影響を与えるので、半導体デバイスの製造工程において、絶縁膜の特性を評価することは不可欠である。
半導体デバイスの集積技術の進歩によって、絶縁膜の種類や膜厚が変わってきており、それにともなって、絶縁膜の評価方法も変わってきている。たとえば、絶縁膜の膜厚の測定方法として、従来は、光学的な方法（たとえば、エリプソメトリ）が用いられることがあった。しかし、このような光学的な方法では、絶縁膜表面に付着した有機物の影響を受けるため、必ずしも正確な測定ができなかった。そこで、デバイスの動作に直結した電気的な膜厚測定方法が注目されている。
【０００３】
また、層間絶縁膜を挟んで配線を形成する多層化技術の進歩に伴い、絶縁膜の比誘電率が重要なパラメータとなってきており、絶縁膜の比誘電率をより正確に測定することが求められている。
絶縁膜において、膜厚は、表面の電荷量、表面電位、および比誘電率がわかれば求めることができ、比誘電率は、表面の電荷量、表面電位、および膜厚がわかれば求めることができる。したがって、表面の電荷量および表面電位に加えて、膜厚および比誘電率の一方を知ることができれば、他方を求めることができる。
【０００４】
絶縁膜の膜厚または比誘電率の測定において、絶縁膜の表面に電極を形成して測定を行う方法がある。この方法は、破壊試験であり、工程が多くなるので望ましくない。水銀を電極として測定する方法もあるが、水銀は人体に有害であるため取り扱いが煩雑になる。また、電極を絶縁膜の表面に形成した場合は、測定の際に絶縁膜をリークする電流が発生して測定が不正確になるおそれがある。
このため、絶縁膜の膜厚や比誘電率を非接触で測定する方法が求められている。このような測定方法として、絶縁膜の表面をコロナ放電により帯電させたときの絶縁膜表面の電荷量と表面電位とを測定し、これらの測定値から絶縁膜の膜厚または比誘電率を求めるものがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来は、絶縁膜表面の電荷量を直接測定することができず、コロナ放電時に絶縁膜に与えられる電荷をクーロンメータで測定したり、半導体基板へ流れる電流を測定したりして、これらの測定値から間接的に絶縁膜表面の電荷量を求めていた。
半導体技術の進歩により、パターンの微細化が進むにしたがって、ゲート酸化膜の薄型化および層間絶縁膜の低誘電率化が進んでいる。このため、これらの絶縁膜中をリークする電流も存在するので、上述の間接的な測定方法では絶縁膜表面の電荷量を正確に求めることができなかった。したがって、絶縁膜の膜厚または比誘電率を正確に測定することができなかった。
【０００６】
そこで、この発明の目的は、半導体基板の表面に形成された絶縁膜の膜厚を正確に測定できる膜厚測定方法を提供することである。
この発明の他の目的は、半導体基板の表面に形成された絶縁膜の比誘電率を正確に測定できる比誘電率測定方法を提供することである。
この発明のさらに他の目的は、半導体基板の表面に形成された絶縁膜の膜厚を正確に測定できる膜厚測定装置を提供することである。
【０００７】
この発明のさらに他の目的は、半導体基板の表面に形成された絶縁膜の比誘電率を正確に測定できる比誘電率測定装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記の課題を解決するための請求項１記載の発明は、半導体基板（Ｗ）の一方表面に形成された絶縁膜の膜厚を、この絶縁膜に関して非接触で測定する方法であって、絶縁膜の表面を非接触で帯電させる帯電処理工程（Ｓ２）と、この帯電処理工程の前に、絶縁膜に関して非接触で半導体基板のＣ−Ｖ測定を行うことによって、第１のフラットバンド電圧を求める工程（Ｓ１）と、上記帯電処理工程の後に、絶縁膜に関して非接触で半導体基板のＣ−Ｖ測定を行うことによって、第２のフラットバンド電圧を求める工程（Ｓ３）と、上記第１および第２のフラットバンド電圧の差から、上記帯電処理工程により絶縁膜表面に付与された電荷量を算出する工程（Ｓ４）とを含む電荷量測定工程と、上記帯電処理工程の後、絶縁膜の表面電位を絶縁膜に関して非接触で測定する表面電位測定工程（Ｓ５）と、上記電荷量測定工程で測定された電荷量および上記表面電位測定工程で測定された表面電位から、絶縁膜の膜厚を算出する工程（Ｓ８）とを含むことを特徴とする膜厚測定方法である。
【０００９】
なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。
絶縁膜の膜厚は、絶縁膜に関して、表面の電荷量、面積、表面電位、および比誘電率がわかれば求まる。そこで、この発明によれば、電荷量測定工程によって帯電処理工程で絶縁膜表面に付与された電荷量が得られる。帯電処理工程の前に絶縁膜表面が帯電していなければ、この電荷量は、絶縁膜表面の全電荷量に等しい。絶縁膜の面積は、パターン設計上既知である。また、表面電位測定工程により、絶縁膜の表面電位が得られる。したがって、絶縁膜の比誘電率がわかれば、絶縁膜の膜厚を算出することができる。
【００１０】
絶縁膜の比誘電率は、たとえば、絶縁膜が酸化シリコンからなるゲート酸化膜である場合、測定対象の半導体基板によらず一定の値とみなすことができ、かつ、既知である。したがって、この比誘電率の値（文献値等）を用いて、絶縁膜の膜厚を求めることができる。
また、絶縁膜表面の電荷量および絶縁膜の表面電位の代わりに、絶縁膜の表面電位に対する電荷量の変化率がわかる場合でも、同様にして、絶縁膜の膜厚を算出できる。帯電処理工程、電荷量測定工程、および表面電位測定工程を複数回繰り返すことにより、絶縁膜に関して表面の電荷量および表面電位について複数組のデータが得られる。これにより、絶縁膜の表面電位に対する電荷量の変化率が求まる。この場合、絶縁膜表面の電荷量の絶対値（全電荷量）を正確に知ることができなくても、正確に絶縁膜の膜厚を求めることができる。
【００１１】
この発明では、帯電処理工程、電荷量測定工程、および表面電位測定工程は、すべて、非接触で行われる。したがって、この発明によれば、非接触で絶縁膜の膜厚を測定できる。すなわち、半導体基板を非破壊で測定できる。また、絶縁膜の表面に電極を形成する工程が不要であり、このような電極を形成して測定した場合に絶縁膜に生ずるリーク電流もないので、正確な測定を行うことができる。絶縁膜の表面電位の測定は、たとえば、公知のケルビンプローブを用いることにより、非接触で行うことができる。
【００１２】
電荷量の測定に適用されるＣ−Ｖ測定は、絶縁膜の表面と間隔をあけて配された測定電極を用いて行うことができる。第１および第２のフラットバンド電圧、ならびに絶縁膜と測定電極とのギャップ（間隔）がわかれば、帯電処理により絶縁膜表面に付与された電荷量を算出することができる。このように、非接触で絶縁膜に付与された電荷量を求めることができる。また、この方法は、電荷量を、一定の仮定の下に間接的に求めるものではなく、直接求めるものである。したがって、得られた電荷量は正確である。
【００１３】
請求項２記載の発明は、上記帯電処理工程がコロナ放電によって絶縁膜表面を帯電させる工程（Ｓ２）を含むことを特徴とする請求項１記載の膜厚測定方法である。
この発明によれば、コロナ放電により、非接触で絶縁膜表面を一様に帯電させることができる。これにより、絶縁膜表面の電荷量や絶縁膜の表面電位を精度よく求めることができる。
【００１４】
絶縁膜の膜厚を測定するためには、半導体基板がＰ型半導体である場合は絶縁膜表面を負に帯電させ、半導体基板がＮ型半導体である場合は絶縁膜表面を正に帯電させる必要があるが、この発明によれば、放電時の極性を選択することにより、絶縁膜表面を正に帯電させることも負に帯電させることもできる。
請求項３記載の発明は、上記帯電処理工程が２２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長を有する紫外線を半導体基板に照射する工程を含むことを特徴とする請求項１または２記載の膜厚測定方法である。
【００１５】
この発明によれば、紫外線を半導体基板に照射することにより、絶縁膜を帯電させることができる。紫外線の波長が２２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である場合、半導体基板にダメージを与えることなく、半導体基板中の電子を励起できる。それらの電子の一部が絶縁膜へと移動し絶縁膜表面が負に帯電する。すなわち、この方法により、絶縁膜表面を負に帯電させることができる。
帯電処理工程は、コロナ放電と紫外線照射とを併用して行ってもよい。
【００１６】
請求項４記載の発明は、半導体基板（Ｗ）の一方表面に形成された絶縁膜の比誘電率を、この絶縁膜に関して非接触で測定する方法であって、絶縁膜の表面を非接触で帯電させる帯電処理工程（Ｓ２）と、この帯電処理工程の前に、絶縁膜に関して非接触で半導体基板のＣ−Ｖ測定を行うことによって、第１のフラットバンド電圧を求める工程（Ｓ１）と、上記帯電処理工程の後に、絶縁膜に関して非接触で半導体基板のＣ−Ｖ測定を行うことによって、第２のフラットバンド電圧を求める工程（Ｓ３）と、上記第１および第２のフラットバンド電圧の差から、上記帯電処理工程により絶縁膜表面に付与された電荷量を算出する工程（Ｓ４）とを含む電荷量測定工程と、上記帯電処理工程後に、絶縁膜の表面電位を絶縁膜に関して非接触で測定する表面電位測定工程（Ｓ５）と、上記電荷量測定工程で測定された電荷量および上記表面電位測定工程で測定された表面電位から、絶縁膜の比誘電率を算出する工程（Ｓ８）とを含むことを特徴とする比誘電率測定方法である。
【００１７】
絶縁膜の比誘電率は、絶縁膜に関して、表面の電荷量、面積、表面電位、および膜厚がわかれば求まる。そこで、この発明によれば、電荷量測定工程によって帯電処理工程で絶縁膜表面に付与された電荷量が得られる。帯電処理工程の前に絶縁膜表面が帯電していなければ、この電荷量は、絶縁膜表面の全電荷量に等しい。絶縁膜の面積は、パターン設計上既知である。また、表面電位測定工程により、絶縁膜の表面電位が得られる。したがって、絶縁膜の膜厚がわかれば、絶縁膜の比誘電率を算出することができる。
【００１８】
絶縁膜の膜厚は、予め他の方法により測定しておくことができる。たとえば、絶縁膜が一般的な層間絶縁膜である場合、絶縁膜の膜厚は厚く比誘電率は低くされている。絶縁膜の膜厚が厚い場合、光学的な方法により膜厚を測定しても正確な測定値が得られる。したがって、測定対象の絶縁膜について、別途光学的な原理による膜厚測定装置で膜厚を予め測定しておけば、その値を用いて絶縁膜の比誘電率を算出することができる。
【００１９】
この発明では、帯電処理工程、電荷量測定工程、および表面電位測定工程は、すべて、非接触で行われる。したがって、この発明によれば、非接触で絶縁膜の比誘電率を測定できる。すなわち、半導体基板を非破壊で測定できる。また、絶縁膜の表面に電極を形成する工程が不要であり、このような電極を形成して測定した場合に絶縁膜に生ずるリーク電流もないので、正確な測定を行うことができる。
【００２０】
請求項５記載の発明は、上記帯電処理工程がコロナ放電によって絶縁膜表面を帯電させる工程（Ｓ２）を含むことを特徴とする請求項４記載の比誘電率測定方法である。
この比誘電率測定方法は、請求項２記載の膜厚測定方法と同様の効果を奏することができる。
請求項６記載の発明は、上記帯電処理工程が２２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長を有する紫外線を半導体基板に照射する工程を含むことを特徴とする請求項４または５記載の比誘電率測定方法である。
【００２１】
この比誘電率測定方法は、請求項３記載の膜厚測定方法と同様の効果を奏することができる。
請求項７記載の発明は、半導体基板（Ｗ）の一方表面に形成された絶縁膜の膜厚を、この絶縁膜に関して非接触で測定する膜厚測定装置であって、絶縁膜の表面を非接触で帯電させる帯電処理部（１，４１）と、この帯電処理部によって絶縁膜表面に付与された電荷量を、絶縁膜に関して非接触で測定する電荷量測定部（２）であって、半導体基板の他方表面に接触する接触電極（５）と、上記他方表面に上記接触電極が接触している半導体基板の上記一方表面に離間して対向配置可能な測定電極（２１）と、半導体基板と上記測定電極との間隔を測定するギャップ測定手段（２７，２８，２９）と、半導体基板と上記測定電極との間隔を変更するギャップ変更機構（２２，２３）と、上記接触電極と上記測定電極との間にバイアス電圧を印加可能で、印加するバイアス電圧の大きさを変化させることが可能なバイアス電圧印加手段（２６）と、上記接触電極と上記測定電極との間の電気容量を測定する容量測定手段（２６）とを有する電荷量測定部と、絶縁膜の表面電位を、絶縁膜に関して非接触で測定する表面電位測定部（３）とを備えたことを特徴とする膜厚測定装置（２０，５０）である。
【００２２】
この発明によれば、帯電処理部により請求項１記載の膜厚測定方法の帯電処理工程を実施できる。また、表面電位測定部により請求項１記載の膜厚測定方法の表面電位測定工程を実施できる。
接触電極を半導体基板の他方表面に接触させ、測定電極を半導体基板の一方表面に形成された絶縁膜に離間して対向させ、この状態でバイアス電圧印加手段により接触電極と測定電極との間にバイアス電圧を印加しながら、容量測定手段により容量を測定することにより、請求項１記載の膜厚測定方法のＣ−Ｖ測定を行うことができる。
【００２３】
ギャップ測定手段で半導体基板と測定電極との間隔（ギャップ）を測定しながら、ギャップ変更機構で半導体基板と測定電極との間の間隔を変更することにより、半導体基板と測定電極との間を所定の間隔にすることができる。これにより、帯電処理工程の前後で、半導体基板と測定電極との間隔をほぼ同じにしてＣ−Ｖ測定を行うことができる。この場合、簡単な計算により、帯電処理工程で絶縁膜表面に付与された電荷量を算出できる。
【００２４】
以上のことから、この膜厚測定装置により、請求項１記載の膜厚測定方法を実施することができ、請求項１記載の膜厚測定方法と同様の効果を奏することができる。
この膜厚測定装置は、測定対象の絶縁膜が形成された半導体基板を、帯電処理部、電荷量測定部、および表面電位測定部に対して相対的に移動させるローダを備えたものとすることができる。ローダは、半導体基板を保持する保持台を備えたものであってもよく、保持台は接触電極を備えたものであってもよい。
【００２５】
請求項８記載の発明は、上記帯電処理部が、絶縁膜の表面でコロナ放電を生じさせるコロナ放電部（５，１１）を含むことを特徴とする請求項７記載の膜厚測定装置（２０）である。
この膜厚測定装置により、請求項２記載の膜厚測定方法を実施することができ、請求項２記載の膜厚測定方法と同様の効果を奏することができる。
請求項９記載の発明は、上記帯電処理部が、絶縁膜の表面に紫外線を照射する紫外線照射部（４１）を含むことを特徴とする請求項７または８記載の膜厚測定装置（５０）である。
【００２６】
この膜厚測定装置により、請求項３記載の膜厚測定方法を実施することができ、請求項３記載の膜厚測定方法と同様の効果を奏することができる。
請求項１０記載の発明は、半導体基板（Ｗ）の一方表面に形成された絶縁膜の比誘電率を、この絶縁膜に関して非接触で測定する比誘電率測定装置であって、絶縁膜の表面を非接触で帯電させる帯電処理部（１）と、この帯電処理部によって絶縁膜表面に付与された電荷量を、絶縁膜に関して非接触で測定する電荷量測定部（２）であって、半導体基板の他方表面に接触する接触電極（５）と、上記他方表面に上記接触電極が接触している半導体基板の上記一方表面に離間して対向配置可能な測定電極（２１）と、半導体基板と上記測定電極との間隔を測定するギャップ測定手段（２７，２８，２９）と、半導体基板と上記測定電極との間隔を変更するギャップ変更機構（２２，２３）と、上記接触電極と上記測定電極との間にバイアス電圧を印加可能で、印加するバイアス電圧の大きさを変化させることが可能なバイアス電圧印加手段（２６）と、上記接触電極と上記測定電極との間の電気容量を測定する容量測定手段（２６）とを有する電荷量測定部と、絶縁膜の表面電位を、絶縁膜に関して非接触で測定する表面電位測定部（３）とを備えたことを特徴とする比誘電率測定装置（２０，５０）である。
【００２７】
この比誘電率測定装置により、請求項４記載の比誘電率測定方法を実施することができ、請求項４記載の比誘電率測定方法と同様の効果を奏することができる。
この比誘電率装置は、測定対象の絶縁膜が形成された半導体基板を、帯電処理部、電荷量測定部、および表面電位測定部に対して相対的に移動させるローダを備えたものとすることができる。ローダは、半導体基板を保持する保持台を備えたものであってもよく、保持台は接触電極を備えたものであってもよい。
【００２８】
請求項１１記載の発明は、上記帯電処理部が、絶縁膜の表面でコロナ放電を生じさせるコロナ放電部（５，１１）を含むことを特徴とする請求項１０記載の比誘電率測定装置（２０）である。
この比誘電率測定装置により、請求項５記載の比誘電率測定方法を実施することができ、請求項５記載の比誘電率測定方法と同様の効果を奏することができる。
【００２９】
請求項１２記載の発明は、上記帯電処理部が、半導体基板に紫外線を照射する紫外線照射部（４１）を含むことを特徴とする請求項１０または１１記載の比誘電率測定装置（５０）である。
この比誘電率測定装置により、請求項６記載の比誘電率測定方法を実施することができ、請求項６記載の比誘電率測定方法と同様の効果を奏することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下では、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る膜厚／比誘電率測定装置の図解的な正面図である。
この膜厚／比誘電率測定装置２０は、半導体基板の一例であるウエハＷの表面に形成された絶縁膜の膜厚または比誘電率を測定するためのもので、チャンバ９、およびチャンバ９内で処理または測定を行うための帯電処理部１、電荷量測定部２、および表面電位測定部３を備えている。帯電処理部１、電荷量測定部２、および表面電位測定部３は、直線状に順に配されており、ウエハＷは、帯電処理部１における帯電処理位置、電荷量測定部２におけるＣ−Ｖ測定位置、および表面電位測定部３における表面電位測定位置の間を、ローダ４により移動されるようになっている。
【００３１】
チャンバ９内には、チャンバ９内の雰囲気温度を測定するための温度センサ１０が取り付けられている。温度センサ１０の出力は、制御部４０に入力されるようになっている。
ローダ４は、ウエハＷをほぼ水平に保持するための保持台５と、この保持台５を支持してほぼ水平方向に直線的に案内するレール６と、保持台５をレール６に沿って移動させる移動機構７とを備えている。保持台５は、たとえば、ウエハＷの下面を真空吸着することにより、ウエハＷを保持するものとすることができる。保持台５のウエハＷに接する部分は、電気的導体で形成されており、接触電極として機能する。
【００３２】
帯電処理部１は、コロナ放電によりウエハＷを帯電させるためのもので、電圧を印加するためのニードル１１を備えている。ニードル１１および保持台５は、それぞれ直流電源８に接続されている。帯電処理位置では、ウエハＷはニードル１１に対向するようになっている。
ウエハＷが帯電処理位置にあるとき、直流電源８によりニードル１１と保持台５との間に直流電圧を印加することにより、ニードル１１とウエハＷとの間でコロナ放電を生じさせ、これによってウエハＷ表面に形成された絶縁膜を帯電させることができるようになっている。直流電源８は、印加する電圧の極性を反転可能であり、ウエハＷを正に帯電させることも負に帯電させることも可能である。
【００３３】
電荷量測定部２では、ウエハＷのＣ−Ｖ測定（容量・電圧測定）を行うことができる。電荷量測定部２は、ベース２４、ベース２４の下部に取り付けられた三角柱状のプリズム２５、およびプリズム２５の底面２５ａに取り付けられた測定電極２１を備えている。プリズム２５は、側面を構成する一面が下方に向けられほぼ水平になるように配されている。以下、この面を、「底面２５ａ」という。測定電極２１および保持台５は、それぞれインピーダンスメータ２６に接続されており、測定電極２１と保持台５との間にバイアス電圧をかけながらこれらの間の合成容量を測定できるようになっている。インピーダンスメータ２６は、バイアス電圧の大きさを変化させることができるようになっている。これにより、Ｃ−Ｖ測定ができる。
【００３４】
ベース２４は、圧電アクチュエータ２３を介してステッピングモータ２２に結合されており、ステッピングモータ２２および圧電アクチュエータ２３により、上下動されるようになっている。Ｃ−Ｖ測定位置では、ウエハＷは、測定電極２１に対向するようになっている。ウエハＷがＣ−Ｖ測定位置にあるとき、ウエハＷと測定電極２１との間隔を、ステッピングモータ２２により粗調整し、圧電アクチュエータ２３により微調整可能である。圧電アクチュエータ２３は、たとえば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる圧電素子を備えたものとすることができる。
【００３５】
ベース２４にはレーザ光を出射するレーザ発振器２７および受光センサ２８が取り付けられている。レーザ発振器２７から出射されたレーザ光は、プリズム２５の底面２５ａで全反射されて、受光センサ２８で受光されるようになっている。受光センサ２８は、光量測定器２９に接続されており、受光センサ２８で受光されるレーザ光の光量を測定できるようになっている。
光量測定器２９で測定される光量は、プリズム２５の底面２５ａで反射されるレーザ光のトンネル効果が反映されたものとなり、これにより、ウエハＷと測定電極２１との間のギャップｄａｉｒを測定できるようになっている。このギャップ測定方法の原理については、特開平４−１３２２３６号公報に詳述されているが、一定の場合には、レーザ光の底面２５ａにおける透過率Ｒｔの対数ｌｏｇＲｔとギャップｄａｉｒとは、比例関係にあるとみなすことができる。透過率Ｒｔは、反射率がわかれば求めることができるので、光量測定器２９で測定されるレーザ光の光量から反射率が求まれば、ギャップｄａｉｒを求めることができる。
【００３６】
光量測定器２９およびインピーダンスメータ２６の出力信号は、制御部４０に入力されるようになっている。制御部４０は、Ｃ−Ｖ測定の結果からフラットバンド電圧を求めることができ、さらに、帯電処理前後のフラットバンド電圧およびギャップｄａｉｒから、帯電処理によって絶縁膜表面に付与された電荷量Ｑを求めることができる。制御部４０としては、パーソナルコンピュータを用いることができる。
【００３７】
表面電位測定部３は、電極３２を有するケルビンプローブ３１を備えている。表面電位測定位置では、ウエハＷは、ケルビンプローブ３１に対向するようになってる。
ケルビンプローブ３１は、電極３２を上下に振動させ、電極３２に電圧をかけることができるようになっている。絶縁膜表面が帯電したウエハＷが表面電位測定位置にあるときに、電極３２を振動させることにより、電極３２にはその振動数で変化する電荷が誘導される。電極３２に適当な電圧をかけることにより、この電荷を打ち消すことができる。このときの電圧から、ウエハＷの表面電位を求めることができる。ケルビンプローブ３１の出力信号は、制御部４０に入力されるようになっている。
【００３８】
移動機構７、直流電源８、インピーダンスメータ２６、レーザ発信器２７、およびケルビンプローブ３１の動作は、制御部４０により制御されるようになっている。
次に、この膜厚／比誘電率測定装置２０により、ウエハＷの表面に形成された絶縁膜の膜厚または比誘電率を測定する手順について説明する。
図２は、図１の膜厚／比誘電率測定装置２０により、ウエハＷの表面に形成された絶縁膜の膜厚または比誘電率を測定する手順を示すフローチャートである。この手順に基づいて測定を実行するためのプログラムは、制御部４０に格納されている。
【００３９】
先ず、保持台５の上に、絶縁膜が形成された面を上にしてウエハＷが保持され、制御部４０により移動機構７が制御されて、ウエハＷがＣ−Ｖ測定位置に移動される。そして、制御部４０により、光量測定器２９の出力信号に基づくギャップｄａｉｒがモニタされながら、ステッピングモータ２２および圧電アクチュエータ２３が制御されて、ギャップｄａｉｒが所定の値になるように調整される。
その後、制御部４０の制御によりインピーダンスメータ２６が制御されて、Ｃ−Ｖ測定、すなわち、各バイアス電圧ごとの保持台５と測定電極２１との間の合成容量が測定される（ステップＳ１）。その際、ウエハＷと測定電極２１とはギャップを有して配されているので、Ｃ−Ｖ測定はウエハＷに対して非接触で行われる。このようにして、バイアス電圧と合成容量との関係、すなわち、Ｃ−Ｖ曲線ＣＶ１が得られる。
【００４０】
図３に、Ｃ−Ｖ曲線の一例を示す。
横軸がバイアス電圧であり、縦軸が合成容量Ｃを合成容量の最大値ＣＭＡＸで標準化したもの（以下、「標準化容量」という。）である。標準化容量Ｃ／ＣＭＡＸは、バイアス電圧の負側で１に収束し、バイアス電圧の増加とともに、あるバイアス電圧で大きく減少する。制御部４０の演算により、Ｃ−Ｖ曲線から第１のフラットバンド電圧Ｖｆｂ１が求められる。
【００４１】
この演算の詳細については、ＭＯＳ（Ｍｅａｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　（１９８２年、ＷＩＬＥＹ−ＩＮＴＥＲＳＣＩＥＮＣＥ社発行）ｐ．４８７に詳述されているが、先ず、第１のフラットバンド電圧Ｖｆｂ１に対応するフラットバンド容量Ｃｆｂが、以下の数式１より求められる。
【００４２】
【数１】
2004111911.tif 000003
ここで、Ｃｆｂｓはシリコン（ウエハＷ）のフラットバンド容量であり、以下の数式２で表される。
【００４３】
【数２】
2004111911.tif 000004
ここで、εｓはウエハＷの誘電率であり、真空中の誘電率ε０とウエハＷの比誘電率εＳｉとの積に等しい。ウエハＷの比誘電率εＳｉは文献値等を用いることができる。λｐはデバイ長であり、以下の数式３で表される。
【００４４】
【数３】
2004111911.tif 000005
ここで、ｋはボルツマン定数であり、ｑ０は電気素量である。Ｔは半導体ウエハＷの温度であるが、温度センサ１０で測定されたチャンバ９内の温度で代用することができる。ＮｄはウエハＷのキャリア濃度であり、別途測定することにより求めることができる。キャリア濃度Ｎｄは、通常、ウエハＷ購入時に測定されるので、その値を用いることができる。また、キャリア濃度Ｎｄは、Ｃ−Ｖ曲線の傾きから求めることもできる。
【００４５】
このようにしてフラットバンド容量Ｃｆｂが求まると、第１のフラットバンド電圧Ｖｆｂ１は、Ｃ−Ｖ曲線ＣＶ１において、標準化容量Ｃ／ＣＭＡＸがＣｆｂ／ＣＭＡＸであるときのバイアス電圧の値として求まる（図３参照）。
続いて、制御部４０により移動機構７が制御されて、ウエハＷが帯電処理位置に移動される。そして、制御部４０により直流電源８が制御されて、ニードル１１と保持台５との間に所定の電圧が印加さる。これにより、ニードル１１とウエハＷとの間にコロナ放電が生じ、ウエハＷ表面に形成された絶縁膜が均一に帯電される（ステップＳ２）。
【００４６】
この際、予め制御部４０に与えられたウエハＷの導電型に関する情報に基づいて、制御部４０により直流電源８の極性が制御される。これにより、ウエハＷがＰ型半導体である場合は絶縁膜表面が負に帯電され、ウエハＷがＮ型半導体である場合は絶縁膜表面が正に帯電される。
その後、制御部４０により移動機構７が制御されて、ウエハＷがＣ−Ｖ測定位置に移動され、Ｃ−Ｖ測定が実施される（ステップＳ３）。このとき、ギャップｄａｉｒの大きさは、ステップＳ１におけるＣ−Ｖ測定時とほぼ同じにされる。これにより、帯電処理後のＣ−Ｖ曲線ＣＶ２（図３参照。）が得られる。帯電処理後のＣ−Ｖ曲線ＣＶ２は、帯電処理前のＣ−Ｖ曲線ＣＶ１をバイアス電圧が正の側にシフトさせたような形を有している。
【００４７】
続いて、制御部４０の演算により、Ｃ−Ｖ曲線ＣＶ２から帯電処理後のフラットバンド電圧（第２のフラットバンド電圧）Ｖｆｂ２が求められる。
第２のフラットバンド電圧Ｖｆｂ２は、Ｃ−Ｖ曲線ＣＶ２において、標準化容量Ｃ／ＣＭＡＸがＣｆｂ／ＣＭＡＸであるときのバイアス電圧の値として求まる（図３参照）。
そして、制御部４０の演算により、次の数式４に基づいて、第２のフラットバンド電圧Ｖｆｂ２と第１のフラットバンド電圧Ｖｆｂ１との差ΔＶｆｂ、およびギャップｄａｉｒから、帯電処理によってウエハＷ表面に与えられた電荷量Ｑが求められる（ステップＳ４）。
【００４８】
【数４】
2004111911.tif 000006
次に、制御部４０により移動機構７が制御されて、ウエハＷが表面電位測定位置に移動され、ウエハＷの表面電位Ｖｓｕｒｆが測定される（ステップＳ５）。これにより、電荷量Ｑとそのときの表面電位Ｖｓｕｒｆとからなる一組のデータが得られる。Ｃ−Ｖ測定（ステップＳ３）および表面電位Ｖｓｕｒｆの測定（ステップＳ５）は、絶縁膜表面の電荷量Ｑが変化していないとみなせる時間内に行われる。
【００４９】
その後、制御部４０により、ウエハＷが蓄積状態であるか否か、すなわち、Ｃ−Ｖ曲線においてゼロバイアス近傍の合成容量Ｃの変化がほとんどないか否かが判断される（ステップＳ６）。たとえば、図３において、Ｃ−Ｖ曲線ＣＶ１に係るウエハＷは蓄積状態ではなく、Ｃ−Ｖ曲線ＣＶ２に係るウエハＷは蓄積状態である。
ウエハＷが蓄積状態ではない場合（ステップＳ６のＮＯ）は、再びステップＳ２に戻り、帯電処理（ステップＳ２）、Ｃ−Ｖ測定（ステップＳ３）、電荷量Ｑの計算（ステップＳ４）、および表面電位Ｖｓｕｒｆの測定（ステップＳ５）が行われる。二度目以降の帯電処理により、ウエハＷがＰ型半導体である場合は、絶縁膜表面が順次負側に大きく帯電されていき、ウエハＷがＮ型半導体である場合は、絶縁膜表面が順次正側に大きく帯電されていく。
【００５０】
電荷量Ｑの計算（ステップＳ４）にあたって、第１のフラットバンド電圧Ｖｆｂ１は最初の帯電処理前のＣ−Ｖ測定（ステップＳ１）によるものとされ、第２のフラットバンド電圧Ｖｆｂ２は、直前のＣ−Ｖ測定（直前の帯電処理後）によるものとされる（以下、同じ）。
このようにして、ステップＳ２からステップＳ５が実行されるたびに、電荷量Ｑとそのときの表面電位Ｖｓｕｒｆとの組からなるデータが増えていく。
【００５１】
ウエハＷが蓄積状態の場合（ステップＳ６のＹＥＳ）は、電荷量Ｑが所定の値以上であるか否かが判断される（ステップＳ７）。電荷量Ｑが極端に大きいと、インピーダンスメータ２６が印加可能なバイアス電圧の範囲では、ウエハＷは蓄積状態しか示さないよう（図３において、Ｃ−Ｖ曲線ＣＶ１，ＣＶ２をバイアス電圧が正の側に極端にシフトさせた状態）になり、フラットバンド電圧を求めることができなくなる。電荷Ｑの所定の値は、Ｃ−Ｖ測定によりウエハＷのフラットバンド電圧を求めることが可能であるか否かを判断できるように設定されている。
【００５２】
電荷量Ｑが所定の値より小さい場合（ステップＳ７のＮＯ）、さらにＣ−Ｖ測定をしてフラットバンド電圧が得られる可能性があるので、ステップＳ２へと戻り、帯電処理（ステップＳ２）、Ｃ−Ｖ測定（ステップＳ３）、電荷量Ｑの計算（ステップＳ４）、表面電位Ｖｓｕｒｆの測定（ステップＳ４）、およびウエハＷが蓄積状態か否かの判断（ステップＳ６）が行われる。
電荷量Ｑが所定の値以上である場合（ステップＳ７のＹＥＳ）、制御部４０により、絶縁膜の膜厚ｔｉｎｓまたは比誘電率εｉｎｓが計算される（ステップＳ８）。絶縁膜の膜厚ｔｉｎｓおよび比誘電率εｉｎｓは次の数式５で表される。
【００５３】
【数５】
2004111911.tif 000007
ここで、ｑｕは絶縁膜表面の単位面積あたりの電荷量であり、ε０は真空の誘電率（定数）であり、εｉｎｓは絶縁膜の比誘電率である。絶縁膜の面積は、パターン設計上既知であり、電荷量Ｑを絶縁膜の面積で割ることにより、単位面積あたりの電荷量ｑｕが求まる。ｄｑｕ／ｄＶｓｕｒｆは、表面電位Ｖｓｕｒｆに対する単位面積あたりの電荷量ｑｕの変化率であり、単位面積あたりの絶縁膜の容量ｃｉｎｓに等しい。
【００５４】
ここまでの工程で、電荷量Ｑとそのときの表面電位Ｖｓｕｒｆとからなる複数組のデータが得られている。
図４は、表面電位Ｖｓｕｒｆと電荷量Ｑとの関係を示す図である。図４では、４組のデータが得られている場合について示している。縦軸を単位面積あたりの電荷量ｑｕに置き換えると、たとえば、これらのデータを表す点の回帰直線の傾きがｄｑｕ／ｄＶｓｕｒｆとなる。
【００５５】
したがって、上記数式５により、絶縁膜の膜厚ｔｉｎｓおよび比誘電率εｉｎｓのうちの一方がわかれば、他方を求めることができる。たとえば、絶縁膜が、酸化シリコンからなるゲート酸化膜である場合、比誘電率εｉｎｓは測定対象のウエハＷによらず一定の値とみなすことができ、かつ、既知であるので、その値（たとえば、文献値）を用いて数式５から絶縁膜の膜厚ｔｉｎｓを求めることができる。
また、たとえば、絶縁膜が一般的な層間絶縁膜である場合、絶縁膜の膜厚ｔｉｎｓは厚く比誘電率εｉｎｓは低い。絶縁膜の膜厚ｔｉｎｓが厚い場合、膜厚ｔｉｎｓは光学的な方法により測定しても正確な測定値が得られる。したがって、測定対象のウエハＷについて、予め別の光学的な原理による膜厚測定装置で膜厚ｔｉｎｓを測定しておけば、その値を用いて数式５から比誘電率εｉｎｓを求めることができる。
【００５６】
ｄｑｕ／ｄＶｓｕｒｆは、ウエハＷが蓄積状態にあるときのデータのみに基づいて求めることが好ましい。ウエハＷが蓄積状態を維持するような表面電位の範囲では、ウエハＷ内部に空乏層が発生しないため、絶縁膜表面に存在する電荷Ｑと表面電位Ｖｓｕｒｆとは比例関係にある。このときの比例係数は、絶縁膜の容量に対応しているので、絶縁膜の比誘電率εｉｎｓに比例し、膜厚ｔｉｎｓに反比例する。したがって、ウエハＷが蓄積状態にあるときのデータのみに基づいて求められたｄｑｕ／ｄＶｓｕｒｆを用いることにより、比誘電率εｉｎｓまたは膜厚ｔｉｎｓを正確に求めることができる。
【００５７】
以上で、１枚のウエハＷについて、絶縁膜の膜厚ｔｉｎｓまたは比誘電率εｉｎｓの測定が終了する。
このような絶縁膜の膜厚ｔｉｎｓまたは比誘電率εｉｎｓの測定において、Ｃ−Ｖ測定（ステップＳ１，Ｓ３）、帯電処理（ステップＳ２）、表面電位測定（ステップＳ５）などはすべて、測定対象の絶縁膜に対して非接触で行われる。すなわち、ウエハＷを非破壊で測定できる。また、絶縁膜の表面に電極を形成する工程が不要であり、このような電極を形成した場合に生ずる絶縁膜のリーク電流もないので、正確な測定を行うことができる。
【００５８】
さらに、絶縁膜表面の電荷量Ｑそのものを直接求めることができるので、電荷量Ｑを正確に求めることができ、このため、絶縁膜の膜厚ｔｉｎｓまたは比誘電率εｉｎｓを正確に求めることができ、半導体デバイスのプロセス管理を正確に行うことができる。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る膜厚／比誘電率測定装置の図解的な正面図である。この図５において、図１に示す構成要素等に対応する構成要素等は、同一符号を付して説明を省略する。
【００５９】
この膜厚／比誘電率測定装置５０は、帯電処理部として、図１の膜厚／比誘電率測定装置２０のニードル１１を備えた帯電処理部１の代わりに、紫外線（ＵＶ）照射ユニット４１を備えている。紫外線照射ユニット４１は、紫外線ランプ４２および光学系４３を備えている。紫外線ランプ４２は、ランプ電源４８から電力を供給されて、たとえば、２２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長を有する紫外線を発生させることができる。ランプ電源４８の動作は、制御部４０により制御される。
【００６０】
光学系４３は、ミラー４４およびレンズ体４５を含んでおり、紫外線ランプ４２で発生した紫外線の進行方向を、保持台５に保持されて光学系４３の下方（帯電処理位置）にあるウエハＷに向けることができるとともに、紫外線がウエハＷ表面上の所定の領域に照射されるようにすることができる。紫外線がウエハＷに照射されることにより、ウエハＷはダメージを受けずに、ウエハＷ中の電子が励起され、それらの電子の一部が絶縁膜へと移動し絶縁膜表面が負に帯電する。
【００６１】
２２０ｎｍないし３００ｎｍの波長域では、ウエハＷ中の正孔は励起されないので、絶縁膜表面は正には帯電しない。すなわち、このような紫外線照射ユニット４１による帯電処理は、絶縁膜表面を負に帯電させる場合に適用できる。また、紫外線照射ユニット４１による帯電処理は、絶縁膜の膜厚が十分薄い（たとえば、１００ｎｍ以下）場合に好適に適用できる。
この膜厚／比誘電率測定装置５０を用いて、図１の膜厚／比誘電率測定装置２０を用いた場合と同様の手順により、ウエハＷの表面に形成された絶縁膜の膜厚または比誘電率を測定できる。ただし、帯電処理（図２のステップＳ２）は、紫外線照射ユニット４１により、ウエハＷの表面に紫外線が照射されることにより実施される。
【００６２】
この際、ウエハＷの表面において、紫外線が照射される所定の領域（たとえば、直径が２０ｍｍ程度の円形領域）のみが均一に帯電する。このため、Ｃ−Ｖ測定（図２のステップＳ３）や表面電位測定（図２のステップＳ５）も当該帯電領域に対して行うようにする必要がある。
以上のように、この膜厚／比誘電率測定装置５０を用いる場合、ウエハＷ表面のうち、測定対象の所定の領域のみを帯電させて、膜厚または比誘電率を測定できる。
【００６３】
ウエハＷ表面における任意の領域に対して、膜厚または比誘電率の測定を行う必要がある場合は、保持台５に保持されたウエハＷにおける任意の位置に紫外線照射領域を調整可能なように、紫外線照射ユニット４１および保持台５の少なくとも一方を、当該ウエハＷの面内方向に相対的に移動させる移動機構を設ければよい。この場合、ウエハＷ表面における紫外線照射領域を移動させながらウエハＷに紫外線を照射して、ウエハＷの全面を帯電させて膜厚または比誘電率を測定を行うこともできる。
【００６４】
本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、たとえば、第２の実施形態の膜厚／比誘電率測定装置５０において、光学系４３を変更することにより、ウエハＷ表面の全面に紫外線が同時に照射されるようにすることができる。これにより、ウエハＷ表面の全面を均一に負に帯電させることができる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る膜厚／比誘電率測定装置の図解的な正面図である。
【図２】図１の膜厚／比誘電率測定装置により、ウエハの表面に形成された絶縁膜の膜厚または比誘電率を測定する手順を示すフローチャートである。
【図３】Ｃ−Ｖ曲線の一例を示す図である。
【図４】表面電位Ｖｓｕｒｆと電荷量Ｑとの関係を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る膜厚／比誘電率測定装置の図解的な正面図である。
【符号の説明】
１　　帯電処理部
２　　電荷量測定部
３　　表面電位測定部
５　　保持台
８　　直流電源
１１　　ニードル
２０，５０　　膜厚／比誘電率測定装置
２１　　測定電極
２２　　ステッピングモータ
２３　　圧電アクチュエータ
２５　　プリズム
２６　　インピーダンスメータ
２７　　レーザ発振器
２８　　受光センサ
２９　　光量測定器
４０　　制御部
４１　　紫外線照射ユニット
【図１】
2004111911.tif 000008
【図２】
2004111911.tif 000009
【図３】
2004111911.tif 000010
【図４】
2004111911.tif 000011
【図５】
2004111911.tif 000012