(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面に形成された絶縁膜の比誘電率を測定する比誘電率測定方法であって、
前記絶縁膜の膜厚を非接触で測定する膜厚測定工程と、
前記絶縁膜と、前記絶縁膜と空間を隔てて対向配置された電極とのギャップを測定するギャップ測定工程と、
前記半導体基板と前記電極との間の蓄積容量を測定する蓄積容量測定工程と、
前記膜厚測定工程において測定された膜厚と、前記ギャップ測定工程において測定されたギャップと、前記蓄積容量測定工程において測定された蓄積容量とを、前記半導体基板と前記電極との間の蓄積容量が絶縁膜の電気容量と空気層の電気容量との合成容量に等しいことを示す数式に代入して、前記絶縁膜の比誘電率を算出する演算工程と、
を含み、
前記蓄積容量測定工程では、前記半導体基板と前記電極との間にバイアス電圧を印加するとともにそのバイアス電圧を変化させ、得られたＣ−Ｖ曲線の電気容量の最大値を蓄積容量とすることを特徴とする比誘電率測定方法。
【請求項２】
請求項１記載の比誘電率測定方法であって、
前記絶縁膜の光学定数を非接触で測定する光学定数測定工程をさらに含み、
前記ギャップ測定工程においては、前記光学定数測定工程において測定された光学定数に基づいて、ギャップを測定することを特徴とする比誘電率測定方法。
【請求項３】
請求項２記載の比誘電率測定方法であって、
前記光学定数測定工程は、エリプソメトリ法により前記絶縁膜の光学定数を測定する工程であることを特徴とする比誘電率測定方法。
【請求項４】
請求項３記載の比誘電率測定方法であって、
前記ギャップ測定工程は、前記電極が固着された光学部材において全反射するレーザ光の光量に基づいて、ギャップを測定する工程であり、
前記光学定数測定工程のエリプソメトリ法においては、前記レーザ光と同一波長の測定光を用いることを特徴とする比誘電率測定方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれかに記載の比誘電率測定方法であって、
前記膜厚測定工程は、エリプソメトリ法により前記絶縁膜の膜厚を測定する工程であることを特徴とする比誘電率測定方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれかに記載の比誘電率測定方法であって、
前記ギャップを調整するギャップ調整工程をさらに備え、
前記ギャップ調整工程と、前記ギャップ測定工程と、前記蓄積容量測定工程とを複数回繰り返して実行することにより、ギャップｄａｉｒと蓄積容量Ｃａｃｃとの測定結果を複数組取得し、
前記演算工程は、複数組の前記測定結果を数式（１）に外挿することによって切片Ｂを算出するとともに、数式（２）に従って、前記絶縁膜の比誘電率εｉｎｓを算出することを特徴とする比誘電率測定方法。
ただし、
εｏは、真空の誘電率を示し、
ｄｉｎｓは、前記絶縁膜の膜厚を示し、
Ｓは、前記測定電極の面積を示し、
Ａは、蓄積容量Ｃａｃｃの逆数とギャップｄａｉｒとの間の比例関係を示す。
【数１】
0004786140.tif 000007
【数２】
0004786140.tif 000008
【請求項７】
半導体基板の一方の面に形成された絶縁膜の比誘電率を測定する比誘電率測定装置であって、
前記絶縁膜の膜厚を非接触で測定する膜厚測定部と、
前記絶縁膜と、前記絶縁膜と空間を隔てて対向配置された測定電極とのギャップを測定するとともに、前記半導体基板と前記測定電極との間の蓄積容量を測定する電気容量測定部と、
前記膜厚測定部において測定された膜厚と、前記電気容量測定部において測定されたギャップおよび蓄積容量とを、前記半導体基板と前記測定電極との間の蓄積容量が絶縁膜の電気容量と空気層の電気容量との合成容量に等しいことを示す数式に代入して、前記絶縁膜の比誘電率を算出する演算部と、
を備え、
前記電気容量測定部は、前記半導体基板と前記測定電極との間にバイアス電圧を印加するとともにそのバイアス電圧を変化させ、得られたＣ−Ｖ曲線の電気容量の最大値を蓄積容量とすることを特徴とする比誘電率測定装置。
【請求項８】
請求項７記載の比誘電率測定装置であって、
前記電気容量測定部は、
前記半導体基板の他方の面に接触する接触電極と、
前記接触電極に接触した前記半導体基板の前記絶縁膜と空間を隔てて対向配置された前記測定電極と、
前記接触電極と前記測定電極との間にバイアス電圧を印加するとともにそのバイアス電圧を変化させるバイアス電圧印加手段と、
前記接触電極と前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、
を有し、
前記バイアス電圧印加手段により前記半導体基板と前記測定電極との間にバイアス電圧を印加するとともにそのバイアス電圧を変化させ、得られたＣ−Ｖ曲線の電気容量の最大値である蓄積容量を、前記容量測定手段により測定することを特徴とする比誘電率測定装置。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の比誘電率測定装置であって、
前記絶縁膜の光学定数を求める光学定数測定部をさらに備えたことを特徴とする比誘電率測定装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の比誘電率測定装置であって、
前記光学定数測定部は、エリプソメータであることを特徴とする比誘電率測定装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の比誘電率測定装置であって、
前記電気容量測定部は、前記測定電極が固着された光学部材において全反射するレーザ光の光量に基づいて、ギャップを測定するギャップ測定手段をさらに備え、
前記エリプソメータは、前記レーザ光と同一波長の測定光を用いることを特徴とする比誘電率測定装置。
【請求項１２】
請求項７から請求項１１までのいずれかに記載の比誘電率測定装置であって、
前記膜厚測定部は、エリプソメータであることを特徴とする比誘電率測定装置。
【請求項１３】
請求項７から請求項１２までのいずれかに記載の比誘電率測定装置であって、
前記電気容量測定部は、前記絶縁膜と前記測定電極とのギャップを調整するギャップ調整手段を有することを特徴とする比誘電率測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の表面に形成された絶縁膜の比誘電率を測定する比誘電率測定方法および比誘電率測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの微細化に伴う最も困難な課題の一つに、電子回路の配線工程がある。半導体デバイスの微細化においては、配線に起因する遅延などの問題に対応するため、近年では配線を多層化する技術が進歩している。
【０００３】
多層配線においては、配線と配線の間を層間絶縁膜（以下、単に絶縁膜という。）で埋める必要がある。絶縁膜は、絶縁性、機械強度、熱耐性などの様々な物性により評価されるが、その中でも特に重要な物性が比誘電率である。絶縁膜の比誘電率は、デバイスの動作上は低い方が望ましいが、エッチングなどの加工によって絶縁膜にダメージが入ると、その絶縁膜の比誘電率が増大することも知られている。このため、加工容易性やリーク特性の観点からも絶縁膜の材料が選択されるが、その一方で絶縁膜の比誘電率を実測する技術が重要となる。
【０００４】
絶縁膜の比誘電率を測定する技術は、たとえば特許文献１〜３に開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−０９８０７３号公報
【特許文献２】特開２００１−３３２５９６号公報
【特許文献３】特公平０６−０５２７５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
絶縁膜の比誘電率を測定する技術として、たとえば、絶縁膜の表面に金属電極を形成して比誘電率を測定する技術や、絶縁膜の表面に金属プローブを接触させて比誘電率を測定する技術が、従来より知られている。
【０００７】
しかしながら、絶縁膜の表面に金属電極を形成する場合には、電極形成時の熱などにより絶縁膜の性質が変化してしまう恐れがある。また、絶縁膜の表面に金属電極を形成する場合には破壊測定となり、また、測定に時間がかかるという問題もある。
【０００８】
一方、絶縁膜の表面に金属プローブを接触させる場合には、水銀などの液体金属を介して、金属プローブと絶縁膜の表面とを接触させることになる。このため、絶縁膜の表面に金属電極を形成する必要がなくなり、手軽に測定ができる反面、水銀の接触面積が安定しないため精度の良い測定が困難であるという問題がある。また、人体に有害な水銀を使用することも問題である。
【０００９】
以上の問題を解決するためには、絶縁膜の比誘電率を非接触で測定することが望ましい。非接触で絶縁膜の比誘電率を測定する技術としては、絶縁膜表面にコロナ帯電により電荷を与え、そのときの表面電荷と表面電位を求めることにより、絶縁膜の比誘電率を求める技術が知られている。しかしながら、絶縁膜は、一般的に比誘電率を低くするためにポーラス状の構成となっているので、絶縁膜表面に与えた電荷の多くは膜内へリークしてしまう。このため、絶縁膜表面のみに電荷が存在する状態を想定した解析測定では、絶縁膜の比誘電率を正確に測定することができないという問題がある。
【００１０】
すなわち、以上のいずれの測定技術を用いても、絶縁膜の比誘電率を非接触かつ正確に測定することは困難となる。本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、絶縁膜の比誘電率を、非接触かつ正確に測定できる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、半導体基板の表面に形成された絶縁膜の比誘電率を測定する比誘電率測定方法であって、前記絶縁膜の膜厚を非接触で測定する膜厚測定工程と、前記絶縁膜と、前記絶縁膜と空間を隔てて対向配置された電極とのギャップを測定するギャップ測定工程と、前記半導体基板と前記電極との間の蓄積容量を測定する蓄積容量測定工程と、前記膜厚測定工程において測定された膜厚と、前記ギャップ測定工程において測定されたギャップと、前記蓄積容量測定工程において測定された蓄積容量とを、前記半導体基板と前記電極との間の蓄積容量が絶縁膜の電気容量と空気層の電気容量との合成容量に等しいことを示す数式に代入して、前記絶縁膜の比誘電率を算出する演算工程と、を含み、前記蓄積容量測定工程では、前記半導体基板と前記電極との間にバイアス電圧を印加するとともにそのバイアス電圧を変化させ、得られたＣ−Ｖ曲線の電気容量の最大値を蓄積容量とすることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の比誘電率測定方法であって、前記絶縁膜の光学定数を非接触で測定する光学定数測定工程をさらに含み、前記ギャップ測定工程においては、前記光学定数測定工程において測定された光学定数に基づいて、ギャップを測定することを特徴とする。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項２記載の比誘電率測定方法であって、前記光学定数測定工程は、エリプソメトリ法により前記絶縁膜の光学定数を測定する工程であることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項３記載の比誘電率測定方法であって、前記ギャップ測定工程は、前記電極が固着された光学部材において全反射するレーザ光の光量に基づいて、ギャップを測定する工程であり、前記光学定数測定工程のエリプソメトリ法においては、前記レーザ光と同一波長の測定光を用いることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の比誘電率測定方法であって、前記膜厚測定工程は、エリプソメトリ法により前記絶縁膜の膜厚を測定する工程であることを特徴とする。
【００１６】
請求項６に係る発明は、請求項１から請求項５までのいずれかに記載の比誘電率測定方法であって、前記ギャップを調整するギャップ調整工程をさらに備え、前記ギャップ調整工程と、前記ギャップ測定工程と、前記蓄積容量測定工程とを複数回繰り返して実行することにより、ギャップｄａｉｒと蓄積容量Ｃａｃｃとの測定結果を複数組取得し、前記演算工程は、複数組の前記測定結果を数式（４）に外挿することによって切片Ｂを算出するとともに、数式（５）に従って、前記絶縁膜の比誘電率εｉｎｓを算出することを特徴とする。ただし、εｏは、真空の誘電率を示し、ｄｉｎｓは、前記絶縁膜の膜厚を示し、Ｓは、前記測定電極の面積を示し、Ａは、蓄積容量Ｃａｃｃの逆数とギャップｄａｉｒとの間の比例関係を示す。
【数１】
0004786140.tif 000002
【数２】
0004786140.tif 000003
【００１７】
請求項７に係る発明は、半導体基板の一方の面に形成された絶縁膜の比誘電率を測定する比誘電率測定装置であって、前記絶縁膜の膜厚を非接触で測定する膜厚測定部と、前記絶縁膜と、前記絶縁膜と空間を隔てて対向配置された測定電極とのギャップを測定するとともに、前記半導体基板と前記測定電極との間の蓄積容量を測定する電気容量測定部と、前記膜厚測定部において測定された膜厚と、前記電気容量測定部において測定されたギャップおよび蓄積容量とを、前記半導体基板と前記測定電極との間の蓄積容量が絶縁膜の電気容量と空気層の電気容量との合成容量に等しいことを示す数式に代入して、前記絶縁膜の比誘電率を算出する演算部と、を備え、前記電気容量測定部は、前記半導体基板と前記測定電極との間にバイアス電圧を印加するとともにそのバイアス電圧を変化させ、得られたＣ−Ｖ曲線の電気容量の最大値を蓄積容量とすることを特徴とする。
【００１８】
請求項８に係る発明は、請求項７記載の比誘電率測定装置であって、前記電気容量測定部は、前記半導体基板の他方の面に接触する接触電極と、前記接触電極に接触した前記半導体基板の前記絶縁膜と空間を隔てて対向配置された前記測定電極と、前記接触電極と前記測定電極との間にバイアス電圧を印加するとともにそのバイアス電圧を変化させるバイアス電圧印加手段と、前記接触電極と前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、を有し、前記バイアス電圧印加手段により前記半導体基板と前記測定電極との間にバイアス電圧を印加するとともにそのバイアス電圧を変化させ、得られたＣ−Ｖ曲線の電気容量の最大値である蓄積容量を、前記容量測定手段により測定することを特徴とする。
【００１９】
請求項９に係る発明は、請求項７または請求項８に記載の比誘電率測定装置であって、前記絶縁膜の光学定数を求める光学定数測定部をさらに備えたことを特徴とする。
【００２０】
請求項１０に係る発明は、請求項９に記載の比誘電率測定装置であって、前記光学定数測定部は、エリプソメータであることを特徴とする。
【００２１】
請求項１１に係る発明は、請求項１０に記載の比誘電率測定装置であって、前記電気容量測定部は、前記測定電極が固着された光学部材において全反射するレーザ光の光量に基づいて、ギャップを測定するギャップ測定手段をさらに備え、前記エリプソメータは、前記レーザ光と同一波長の測定光を用いることを特徴とする。
【００２２】
請求項１２に係る発明は、請求項７から請求項１１までのいずれかに記載の比誘電率測定装置であって、前記膜厚測定部は、エリプソメータであることを特徴とする。
【００２３】
請求項１３に係る発明は、請求項７から請求項１２までのいずれかに記載の比誘電率測定装置であって、前記電気容量測定部は、前記絶縁膜と前記測定電極とのギャップを調整するギャップ調整手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１から請求項１３に記載の発明によれば、絶縁膜の膜厚を非接触で測定することができる。また、絶縁膜と空間を隔てて対向配置された電極との間でギャップおよび蓄積容量を測定するため、これらのギャップと蓄積容量も非接触で測定することができる。そして、測定された膜厚、ギャップ、および蓄積容量に基づいて、絶縁膜の比誘電率を算出することができる。したがって、絶縁膜の比誘電率を非接触かつ正確に測定することができる。
【００２５】
特に、請求項２または請求項９に記載の発明によれば、光学定数が未知の絶縁膜についても、光学定数を非接触で測定し、測定された光学定数を用いてギャップを正確に測定することができる。
【００２６】
特に、請求項３または請求項１０に記載の発明によれば、エリプソメトリ法により、絶縁膜の光学定数を適切に測定することができる。
【００２７】
特に、請求項４または請求項１１に記載の発明によれば、レーザ光の波長に対応した光学定数を用いてギャップを測定することができる。したがって、より正確なギャップを測定することができる。
【００２８】
特に、請求項５または請求項１２に記載の発明によれば、エリプソメトリ法により、絶縁膜の膜厚を適切に測定することができる。
【００２９】
特に、請求項６または請求項１３に記載の発明によれば、ギャップを調整しつつギャップと蓄積容量の測定結果を複数組取得し、その複数組の測定結果に基づいて絶縁膜の比誘電率を算出することができる。したがって、より正確な絶縁膜の比誘電率を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００３１】
＜１．比誘電率測定装置１の概略構成について＞
図１は、本発明に係る比誘電率測定装置１の構成を示した図である。比誘電率測定装置１は、ウエハ（半導体基板）９の上面に形成された絶縁膜９ａの比誘電率εｉｎｓを測定するための装置である。比誘電率測定装置１はチャンバ１０を備え、その内部にエリプソメータ３０と、電気容量測定部４０とを並設して備えている。エリプソメータ３０は、絶縁膜９ａの膜厚を測定する膜厚測定部としての機能と、絶縁膜９ａの光学定数を測定する光学定数測定部としての機能とを併有するものである。また、比誘電率測定装置１は、エリプソメータ３０と電気容量測定部４０の間でウエハ９の搬送を行うローダ２０を備えている。
【００３２】
この比誘電率測定装置１は、ウエハ９上面に形成された絶縁膜９ａの膜厚ｄｉｎｓおよび光学定数（屈折率，消衰係数）ｎ，ｋを、エリプソメータ３０において測定することができる一方、電気容量測定部４０に設けられた測定電極４７と絶縁膜９ａとのギャップ（間隔）ｄａｉｒおよび所定の蓄積容量Ｃａｃｃを、電気容量測定部４０において測定することができる。そして、測定された膜厚ｄｉｎｓ、ギャップｄａｉｒ、および蓄積容量Ｃａｃｃから、絶縁膜９ａの比誘電率εｉｎｓを算出できるように構成されたものである。
【００３３】
以下では、まず、この比誘電率測定装置１が備えるローダ２０、エリプソメータ３０、電気容量測定部４０の構成についてそれぞれ説明し、その後、この比誘電率測定装置１における測定手順について説明する。
【００３４】
＜２．ローダ２０について＞
ローダ２０は、エリプソメータ３０の測定位置Ｐ１と電気容量測定部４０の測定位置Ｐ２の間でウエハ９の搬送を行う。ローダ２０は、ウエハ９をほぼ水平に保持するための保持台２１と、保持台２１を支持してほぼ水平方向に直線的に案内するレール２２と、保持台２１をレール２２に沿って移動させる移動機構２３とを備えている。
【００３５】
保持台２１は、たとえば、ウエハ９の下面を真空吸着することによりウエハ９を保持するものとすることができる。保持台２１は、ウエハ９の下面に接する部分が電気的導体で形成されており、後述する電気容量Ｃの測定時に、接触電極として機能することになる。移動機構２３は、制御部５０と電気的に接続されており、制御部からの電気的信号に基づいて、保持台２１を移動させる。
【００３６】
＜３．エリプソメータ３０について＞
エリプソメータ３０は、絶縁膜９ａの表面で反射する測定光の偏光状態の変化（ｓ偏光とｐ偏光の位相差および反射振幅比角の変化）を観測することによって、絶縁膜９ａの膜厚ｄｉｎｓおよび光学定数ｎ，ｋを測定する機能を有する。エリプソメータ３０は、主として、測定光出射部３１と、反射光受光部３２と、制御部５０とを備えて構成される。
【００３７】
測定光出射部３１は、測定位置Ｐ１にあるウエハ９（図１において破線で示したウエハ９）の表面に向けて、所定の偏光状態にある測定光を出射する部位である。この測定光の出射は、制御部５０からの駆動信号に基づいて行われる。測定光出射部３１は、たとえば、測定光の光源となるキセノンランプ、光の導波路となる光ファイバ、測定光を偏光させるための偏光子などからなる。
【００３８】
反射光受光部３２は、絶縁膜９ａの表面で反射した測定光を受光して、その光情報を電気信号に変換する部位である。反射光受光部３２は、たとえば、検光子、受光した光を分光するための分光器、光を電気信号に変換するための受光器などからなる。
【００３９】
制御部５０は、反射光受光部３２で得られた信号を、光学モデルに基づく所定の計算式を用いて解析（フィッティング）することにより、絶縁膜９ａの膜厚ｄｉｎｓと光学定数ｎ，ｋとを計算する部位である。制御部５０は、たとえばパーソナルコンピュータからなる。
【００４０】
エリプソメータ３０においては、測定光出射部３１から出射された測定光が、測定位置Ｐ１にあるウエハ９の絶縁膜９ａの表面に一定の入射角（たとえば７５度）で入射する。そして、反射した光が反射光受光部３２で受光されて電気信号に変換され、制御部５０で膜厚ｄｉｎｓと光学定数ｎ，ｋの算出が行われる。
【００４１】
エリプソメータ３０には、複数波長の測定光を用いて測定を行う、いわゆる分光エリプソメータを使用することができる。分光エリプソメータを使用すれば、絶縁膜９ａの膜厚ｄｉｎｓおよび光学定数ｎ，ｋを、より正確に算出することができる。
【００４２】
＜４．電気容量測定部４０について＞
電気容量測定部４０は、測定位置Ｐ２にあるウエハ９（図１において実線で示したウエハ９）と測定電極４７との間のギャップ（間隔）ｄａｉｒを測定するとともに、そのギャップｄａｉｒにおけるウエハ９と測定電極４７の間の電気容量を測定する機能を有する。電気容量測定部４０は、主として、ベース４１と、ベース駆動部４２と、プリズム４３と、レーザ発振器４４と、受光センサ４５と、光量測定器４６と、測定電極４７と、インピーダンスメータ４８と、制御部５０とを備えて構成される。また、ローダ２０の保持台２１も、測定位置Ｐ１においては、接触電極として電気容量測定部４０の構成要素となる。
【００４３】
電気容量測定部４０の構成要素のうち、プリズム４３、レーザ発振器４４、受光センサ４５、光量測定器４６、および制御部５０が、ギャップｄａｉｒを測定するギャップ測定手段として機能する。一方、保持台２１、測定電極４７、インピーダンスメータ４８、および制御部５０が、後述する蓄積容量Ｃａｃｃを測定する蓄積容量測定手段として機能する。以下に、各構成要素について説明する。
【００４４】
ベース４１は、プリズム４３、レーザ発振器４４、および受光センサ４５を固定的に取り付けて、これらの相対的位置関係を一定に保持するための部材である。ベース４１の上面はベース駆動部４２と連結されており、ベース駆動部４２を動作させることにより、ベース４１とともにベース４１に固着されたプリズム４３、レーザ発振器４４、受光センサ４５、および測定電極４７を、上下に一体的に変位させることができる。ベース駆動部４２は、ステッピングモータ４２ａと圧電アクチュエータ４２ｂを備えて構成されている。このため、ベース４１の変位を調整する際には、ステッピングモータ４２ａによる粗調整の後、圧電アクチュエータ４２ｂによる微調整を行うことができ、変位の調整を高速かつ精密に行い得るようになっている。圧電アクチュエータ４２ｂは、たとえば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる圧電素子により構成することができる。
【００４５】
プリズム４３は、レーザ発振器４４から出射されたレーザ光を全反射させ、受光センサ４５へ導くための光学部材である。プリズム４３は、側面を構成する一面４３ａが下方に向いてほぼ水平となるような姿勢（面４３ａが絶縁膜９ａの上面と平行になるような姿勢）でベース４１に固着されており、この面４３ａがレーザ光の反射面となる。以下では、この面４３ａを底面４３ａという。
【００４６】
レーザ発振器４４は、制御部５０からの駆動信号に基づき、プリズム４３の底面４３ａへ向けてＧａＡｌＡｓレーザなどのレーザ光を出射する。そして、そのレーザ光は、プリズム４３の底面４３ａで全反射され、受光センサ４５で受光される。受光センサ４５は、フォトダイオード等の受光素子であり、光量測定器４６と接続されている。したがって、受光センサ４５で受けたレーザ光の光量を、光量測定器４６で測定できるようになっている。
【００４７】
レーザ発振器４４から出射されたレーザ光がプリズム４３の底面４３ａで全反射するとき、ごくわずかな量の光が、エバネッセント波として底面４３ａの下方へ透過（トンネル）する。したがって、光量測定器４６で測定される光量は、このレーザ光のトンネル効果が反映されたものとなる。このため、光量測定器４６で測定した光量から、ウエハ９と測定電極４７とのギャップｄａｉｒを知ることが可能となっている。
【００４８】
光量測定器４６で測定された光量からギャップｄａｉｒを求める原理の詳細については、たとえば特開平４−１３２２３６号公報に開示されている。すなわち、一定の場合には、レーザ光の底面４３ａにおける透過率Ｒｔの対数ｌｏｇＲｔとギャップｄａｉｒとが比例関係にあるとみなすことができる。このため、レーザ発振器４４から出射した光量と光量測定器４６で測定された光量を比較して底面４３ａにおけるレーザ光の反射率を求め、その反射率から透過率Ｒｔを求めて、比例計算によりギャップｄａｉｒを特定することが可能になる。このように比例計算によりギャップｄａｉｒを求める場合には、比較的簡易な計算で済むため制御部５０の計算負担が軽減し、測定速度を向上できるという利点がある。
【００４９】
一方、透過率Ｒｔの対数ｌｏｇＲｔとギャップｄａｉｒとの関係をより正確に求めたい場合には、プリズム４３、プリズム４３と絶縁膜９ａの間に存在する空気層、絶縁膜９ａ、ウエハ９からなる４層構造を境界条件としてマックスウェル方程式を解くことにより、正確なギャップｄａｉｒを求めることができる。
【００５０】
このときの計算条件として、各層の光学定数が必要となるが、絶縁膜９ａの光学定数ｎ，ｋについては、エリプソメータ３０において測定された値を使用することができる。プリズム４３、空気層およびウエハ９の光学定数は、いずれも一般に既知の値を使用することができ、絶縁膜９ａの光学定数ｎ，ｋについても既知である場合にはその値を使用してもよい。
【００５１】
なお、エリプソメータ３０において測定された絶縁膜９ａの光学定数ｎ，ｋを使用してギャップｄａｉｒを計算する場合には、レーザ発振器４４のレーザ光と同一波長の測定光により測定した光学定数ｎ，ｋを採用することが望ましい。これは、光学定数ｎ，ｋは光の波長に依存するため、エリプソメータ３０の測定光に対する光学定数ｎ，ｋと、電気容量測定部４０のレーザ光に対する光学定数ｎ，ｋとを揃えて、より正確なギャップｄａｉｒを計算するためである。絶縁膜９ａの光学定数ｎ，ｋとして既知の値を使用する場合であっても、同じ理由により、レーザ発振器４４から出射されるレーザ光の波長に対応した光学定数を用いることが望ましい。
【００５２】
以上のギャップｄａｉｒを求めるための計算は、制御部５０が、光量測定器４６から受けた測定信号に基づいて行う。すなわち、このとき制御部５０は、光量測定器４６で測定される光量に基づいてギャップｄａｉｒを算出する手段として機能する。
【００５３】
測定電極４７は、プリズム４３の底面４３ａに固着され、測定位置Ｐ２にあるウエハ９の絶縁膜９ａと空間を隔てて対向するように、配置されている。ただし、測定電極４７は、プリズム４３の底面４３ａのうち、レーザ光の反射点付近を避けた領域に固着される。これは、上記したレーザ光のエバネッセント波を遮らないようにするためである。
【００５４】
測定電極４７と、ローダ２０の保持台２１とは、いずれもインピーダンスメータ４８と電気的に接続されている。インピーダンスメータ４８は、測定電極４７と保持台２１との間にバイアス電圧Ｖを与えることができ、そのバイアス電圧Ｖを変化させつつ、測定電極４７と保持台２１との間の電気容量Ｃを測定する、いわゆるＣ−Ｖ測定を行うことができる。Ｃ−Ｖ測定により得られたバイアス電圧Ｖと電気容量Ｃとの関係は、インピーダンスメータ４８から制御部５０へ電気的信号として送信される。
【００５５】
制御部５０では、インピーダンスメータ４８から受信したバイアス電圧Ｖと電気容量Ｃのデータを受信し、それらのデータから保持台２１と測定電極４７の間の蓄積容量Ｃａｃｃを求める（算出過程の詳細は、測定手順の説明において行う。）。そして、制御部５０は、この蓄積容量Ｃａｃｃと、上記のギャップｄａｉｒと、エリプソメータ３０において測定された絶縁膜９の膜厚ｄｉｎｓとに基づいて、絶縁膜９の比誘電率εｉｎｓを算出する演算手段としての役割も果たす。
【００５６】
＜５．測定手順について＞
次に、この比誘電率測定装置１を用いて、ウエハ９上面に形成された絶縁膜９ａの比誘電率εｉｎｓを測定する手順について説明する。
【００５７】
図２は、比誘電率測定装置１における比誘電率εｉｎｓの測定手順を示したフローチャートである。なお、制御部５０には、この測定手順を実行するためのプログラム５１が格納されており、制御部５０がプログラム５１に基づいて装置各部の動作を制御することにより、測定動作が進行する。
【００５８】
ウエハ９について絶縁膜９ａの比誘電率εｉｎｓを測定するときには、まず、ローダ２０の保持台２１の上に、絶縁膜９ａが形成された面を上にしてウエハ９を保持する。そして、移動機構２３により、保持台２１とともにウエハ９をエリプソメータ３０の測定位置Ｐ１まで移動させる。
【００５９】
ウエハ９が測定位置Ｐ１に着くと、測定光出射部３１より測定光が出射される。出射された測定光は、一定の角度で絶縁膜９ａ表面に入射し、その反射光が反射光受光部３２に受光される。反射光受光部３２で受光された光の光強度は電気信号に変換されて制御部５０へ送信される。そして、制御部５０では、受信した電気信号の情報に基づくエリプソメトリにより、絶縁膜９ａの膜厚ｄｉｎｓと光学定数ｎ，ｋとを算出する（ステップＳ１，Ｓ２）。
【００６０】
次に、移動機構２３により、保持台２１とともにウエハ９を電気容量測定部４０の測定位置Ｐ２まで移動させる。
【００６１】
電気容量測定部４０では、まずベース駆動部４２によりベース４１、プリズム４３、測定電極４７等を一体的に変位させ、その上下位置を調整する。すなわち、測定位置Ｐ２にあるウエハ９の絶縁膜９ａと測定電極４７とのギャップｄａｉｒを調整する（ステップＳ３）。
【００６２】
続いて、レーザ発振器４４からレーザ光を出射する。出射されたレーザ光はプリズム４３の底面４３ａで反射されて受光センサ４５で受光され、その光量が光量測定器４６において測定される。光量測定器４６で測定された光量は、電気的信号として制御部５０へ送信される。制御部５０では、受信した光量に基づいて、測定電極４７と絶縁膜９ａとの間のギャップｄａｉｒを測定する（ステップＳ４）。
【００６３】
なお、ステップＳ３およびＳ４では、上記したようにギャップｄａｉｒの調整が完了した後にギャップｄａｉｒの測定を行ってもよいが、ギャップｄａｉｒを測定（モニタ）しつつギャップｄａｉｒの調整を行うようにしてもよい。
【００６４】
その後、そのギャップｄａｉｒにおけるＣ−Ｖ測定を行う。すなわち、インピーダンスメータ４８により保持台２１と測定電極４７の間にバイアス電圧Ｖを与え、その電圧値を変化させつつ、各バイアス電圧Ｖにおける保持台２１と測定電極４７の間の電気容量Ｃを測定する（ステップＳ５）。このＣ−Ｖ測定は、測定電極４７を絶縁膜９ａから離間させたまま、電荷の移動を観測することにより行うことができる。したがって、絶縁膜９ａに対して非接触で行うことができる。
【００６５】
Ｃ−Ｖ測定により、１つのギャップｄａｉｒにおけるバイアス電圧Ｖと電気容量Ｃとの関係を示すＣ−Ｖ曲線が得られる。図３は、このようにして得られたＣ−Ｖ曲線の例を示したグラフである。以下の計算では、このＣ−Ｖ曲線における電気容量Ｃの最大値（以下、蓄積容量Ｃａｃｃという。）を使用する。これは、電気容量Ｃの最大値が、以下の計算で用いる平行平板近似式Ｃ＝εＳ／ｄに最も近似した値となるからである。
【００６６】
制御部５０は、インピーダンスメータ４８からバイアス電圧Ｖと電気容量Ｃのデータを電気的信号として受信し、上記したＣ−Ｖ曲線に基づいて蓄積容量Ｃａｃｃを算出する。
【００６７】
Ｃ−Ｖ測定（ステップＳ５）の後、制御部５０は、ステップＳ３からＳ５までの工程を所定回数行ったか否かの判断を行う（ステップＳ６）。そして、所定回数に満たない場合には、ステップＳ３に戻ってギャップｄａｉｒを変更し、ステップＳ５までの工程を再度実行する。所定回数に至った場合には、次のステップＳ７へ進む。このようにして、この比誘電率測定装置１では、ギャップｄａｉｒを変更しつつステップＳ３からＳ５までの工程を、複数回繰り返す。そして、ギャップｄａｉｒの測定結果と、そのギャップｄａｉｒにおける蓄積容量Ｃａｃｃの測定結果とを、複数組取得する。
【００６８】
なお、後述するように、ギャップｄａｉｒと蓄積容量Ｃａｃｃとの測定結果は、少なくとも１組取得できれば、絶縁膜９ａの比誘電率εｉｎｓは一意に算出することができる。したがって、ステップＳ３からＳ５までの工程は、少なくとも１回実行すれば、本発明の目的は達成される。この比誘電率測定装置１においてこれらの工程を繰り返すのは、より正確な比誘電率εｉｎｓを算出するためである。
【００６９】
ステップＳ６においてステップＳ３へ戻るか否かの判断は、上記のように測定回数をカウントして既定の回数と比較して行ってもよいが、後記のステップＳ７の計算を先行して行い、得られた比誘電率εｉｎｓが所定の誤差範囲内に入ったか否かを基準として行ってもよい。
【００７０】
最後に、制御部５０は、以上の測定により得られた絶縁膜９ａの膜厚ｄｉｎｓ、ギャップｄａｉｒ、および蓄積容量Ｃａｃｃに基づいて、絶縁膜９ａの比誘電率εｉｎｓを計算する（ステップＳ７）。以下には、ステップＳ７における計算の詳細について説明する。
【００７１】
図４に示すように、保持台２１に導通するウエハ９と、測定電極４７との間には、絶縁膜９ａと空気層８とが存在する。したがって、Ｃ−Ｖ測定（ステップＳ５）において求められた蓄積容量Ｃａｃｃは、この絶縁膜９ａの電気容量（以下、絶縁膜容量という。）Ｃｉｎｓと、空気層８の電気容量（以下、ギャップ容量という。）Ｃａｉｒとの合成容量を示している。つまり、蓄積容量Ｃａｃｃ、絶縁膜容量Ｃｉｎｓ、およびギャップ容量Ｃａｉｒとの関係は、次の数式（１）で表すことができる。
【００７２】
【数３】
0004786140.tif 000004
【００７３】
この数式（１）において、絶縁膜容量Ｃｉｎｓおよびギャップ容量Ｃａｉｒを平行平板近似により書き直すと、次の数式（２）を得ることができる。ただし、εｏは真空の誘電率、Ｓは測定電極４７の面積である。
【００７４】
【数４】
0004786140.tif 000005
【００７５】
この数式（２）において、真空の誘電率εｏ、測定電極４７の面積Ｓは既知の値である。また、絶縁膜９ａの膜厚ｄｉｎｓ、ギャップｄａｉｒ、および蓄積容量Ｃａｃｃの値は、それぞれ上記ステップＳ１，Ｓ３，Ｓ５の測定により取得している。つまり、絶縁膜９ａの比誘電率εｉｎｓ以外の値を全て代入することができるので、比誘電率εｉｎｓは一意に算出することができる。
【００７６】
ただし、この比誘電率測定装置１では、ステップＳ３からＳ５までの工程を繰り返すことにより、ギャップｄａｉｒと蓄積容量Ｃａｃｃの測定値を複数組取得しているため、より正確な絶縁膜９ａの比誘電率εｉｎｓを算出することができる。より正確な比誘電率εｉｎｓは、以下のように算出する。
【００７７】
上記の数式（２）において、εｏ，εｉｎｓ，ｄｉｎｓ，Ｓが一定の下では、１／Ｃａｃｃとｄａｉｒは比例関係にある。したがって、ステップＳ３からＳ５において取得した蓄積容量Ｃａｃｃの逆数１／Ｃａｃｃとギャップｄａｉｒとをプロットすれば、図５に示したようなグラフを得ることができる。このプロットを外挿して得られる縦軸の切片を１／Ｃａｃｃｏとすすると、これは上記の数式（２）においてｄａｉｒ＝０としたときの１／Ｃａｃｃに相当する。したがって、この切片の値１／Ｃａｃｃｏを次の数式（３）に代入すれば、絶縁膜９ａの比誘電率εｉｎｓを求めることができる。
【００７８】
【数５】
0004786140.tif 000006
【００７９】
この数式（３）においても、切片の値１／Ｃａｃｃｏはギャップｄａｉｒと蓄積容量Ｃａｃｃの組データから導かれた値であり、ステップＳ１で求めた膜厚ｄｉｎｓを代入するので、やはり膜厚ｄｉｎｓ、ギャップｄａｉｒ、および蓄積容量Ｃａｃｃに基づいて比誘電率εｉｎｓを求めたことになる。なお、真空の誘電率εｏと測定電極４７の面積Ｓは既知の値を代入すればよい。
【００８０】
上記の切片の値１／Ｃａｃｃｏは、複数のプロットデータ（１／Ｃａｃｃｏとｄａｉｒの組データ）を外挿して得られた値であるため、この切片の値１／Ｃａｃｃｏに基づいて算出した比誘電率εｉｎｓは、１つの組データから算出した比誘電率εｉｎｓよりも、正確な値となる。
【００８１】
この比誘電率測定装置１では、上記の膜厚ｄｉｎｓ、光学定数ｎ，ｋ、ギャップｄａｉｒ、および蓄積容量Ｃａｃｃは、全て絶縁膜９ａに対して非接触の測定により求めることができる。すなわち、ウエハ９を非破壊で測定することができる。また、この比誘電率測定装置１では、絶縁膜９ａの表面に電極を形成する工程が不要であるため絶縁膜９ａの性質が変化することもなく、正確な測定を行うことができる。また、絶縁膜９ａ表面に電荷を与える必要もないため、絶縁膜９ａをリークする電流によって測定値に誤差が生じるということもない。
【００８２】
＜６．実施例＞
この比誘電率測定装置１において、実際に絶縁膜９ａの比誘電率εｉｎｓを測定した。測定対象とする絶縁膜９ａには、光学定数ｎ，ｋが既知のシリコン酸化膜を使用した。
【００８３】
まず、エリプソメータ３０において絶縁膜９ａの膜厚ｄｉｎｓを測定したところ、膜厚ｄｉｎｓ＝１１１．５ｎｍであった。
【００８４】
次に、電気容量測定部４０においてギャップｄａｉｒと蓄積容量Ｃａｃｃの逆数１／Ｃａｃｃの組データを求め、それらをプロットすると、図６に示したようなグラフを得ることができた。
【００８５】
図６のグラフより得られる切片の値１／Ｃａｃｃｏと、上記膜厚ｄｉｎｓ＝１１１．５ｎｍと、真空の誘電率εｏ＝８．８５４ｅ−１４Ｆ／ｍと、測定電極４７の面積Ｓ＝７．４９ｅ−７ｍ2とを、上記の数式（３）に代入すると、絶縁膜９ａの比誘電率εｉｎｓ＝３．９６となった。
【００８６】
これは、シリコン酸化膜の比誘電率の文献値３．９と極めて近い値であり、この比誘電率測定装置１において絶縁膜９ａの比誘電率εｉｎｓを正確に求めることができることが確認できた。
【００８７】
＜７．その他＞
上の説明では、エリプソメータ３０と電気容量測定部４０は、比誘電率測定装置１内に並設されていたため、これらの測定位置Ｐ１，Ｐ２の間でウエハ９を搬送する必要があった。この点について、図７に示したように、同一位置のウエハ９に対して測定を行いうるように、エリプソメータ３０と電気容量測定部４０とを配置してもよい。このようにすれば、ローダ２０によるウエハ９の搬送が不要となるため、装置構成が簡易かつ小型化することができる。また、搬送誤差に起因する測定のばらつきが生じることもなくなる。
【００８８】
逆に、エリプソメータ３０と電気容量測定部が別体の装置であっても、それらの装置を組み合わせた測定システムにより本願の比誘電率測定方法を実現することができる。
【００８９】
また、上の説明では、膜厚ｄｉｎｓと光学定数ｎ，ｋの測定をエリプソメトリにより行っている。しかしながら、これらの測定は、非接触であれば他の手段により行ってもよい。たとえば、光干渉式の測定装置などを使用してもよい。
【００９０】
その他、本発明は、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】
【００９１】
【図１】本発明に係る比誘電率測定装置の構成を示した図である。
【図２】本発明に係る比誘電率の測定手順を示したフローチャートである。
【図３】Ｃ−Ｖ曲線の例を示したグラフである。
【図４】測定電極から保持台までの構成を図解的に示した図である。
【図５】蓄積容量の逆数とギャップとをプロットしたグラフである。
【図６】実際に蓄積容量の逆数とギャップとを測定し、プロットしたグラフである。
【図７】ローダ２０を排除した比誘電率測定装置の構成を示した図である。
【符号の説明】
【００９２】
１    比誘電率測定装置
９    ウエハ
９ａ    絶縁膜
２０    ローダ
３０    エリプソメータ
３１    測定光出射部
３２    反射光受光部
４０    電気容量測定部
４１    ベース
４２    ベース駆動部
４３    プリズム
４４    レーザ発振器
４５    受光センサ
４６    光量測定器
４７    測定電極
４８    インピーダンスメータ
５０    制御部
ｄｉｎｓ    絶縁膜の膜厚
ｎ，ｋ    絶縁膜の光学定数
ｄａｉｒ    ギャップ
Ｃａｃｃ    蓄積容量
εｉｎｓ    比誘電率
【図１】
0004786140.tif 000009
【図２】
0004786140.tif 000010
【図３】
0004786140.tif 000011
【図４】
0004786140.tif 000012
【図５】
0004786140.tif 000013
【図６】
0004786140.tif 000014
【図７】
0004786140.tif 000015