(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜の上面に形成される不純物を含む半導体からなる第１導電性膜と、前記絶縁膜の下面に形成される不純物を含む半導体からなる第２導電性膜と、を有する半導体装置の電気的特性をシミュレータにより評価する半導体評価方法であって、
前記第１および第２導電性膜間に、フラットバンド条件を満たす電圧を含む電圧区間内の電圧を印加し、各電圧ごとに前記絶縁膜を介して前記第１および第２導電性膜間を流れる電流、または前記第１および第２導電性膜間の容量を測定するステップと、
前記測定された前記第１および第２の導電性膜間を流れる電流と、前記第１および第２導電性膜間の容量と、に基づいて、前記絶縁膜の厚さ、前記第１導電性膜の不純物濃度、前記第２導電性膜の基板不純物濃度、前記第２導電性膜の表面不純物濃度、および前記絶縁膜中の不純物濃度を計算するステップと、を備えることを特徴とする半導体評価方法。
【請求項２】
絶縁膜の上面に形成される不純物を含む半導体からなる第１導電性膜と、前記絶縁膜の下面に形成されるｐ型不純物を含む半導体からなる第２導電性膜と、を有する半導体装置の電気的特性をシミュレータにより評価する半導体評価方法であって、
前記第２導電性膜の表面が蓄積層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記シミュレータにより計算された前記第１および第２導電性膜間の容量が前記容量の測定値に一致するように前記絶縁膜の膜厚を調整して、前記絶縁膜の膜厚を逆抽出するステップと、
前記第２導電性膜の表面が反転層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚を用いて前記シミュレータで計算された前記容量が前記容量の測定値に一致するように前記第１導電性膜の不純物濃度を調整して、前記第１導電性膜の不純物濃度を逆抽出するステップと、
前記第２導電性膜の表面が空乏層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚および前記逆抽出された第１導電性膜の不純物濃度を用いて前記シミュレータで計算された前記容量の傾きが測定された前記容量の傾きに一致するように前記第２導電性膜の基板不純物濃度を調整して、前記第２導電性膜の基板不純物濃度を逆抽出するステップと、
前記第２導電性膜の表面が空乏層になる電圧領域の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚、前記逆抽出された第１導電性膜の不純物濃度および前記逆抽出された第２導電性膜の基板不純物濃度を用いて前記シミュレータで計算された前記容量が前記容量の測定値に一致するように前記第２導電性膜の表面不純物濃度を調整して、前記第２導電性膜の表面不純物濃度を逆抽出するステップと、
前記第２導電性膜の表面が空乏層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚、前記逆抽出された第１導電性膜の不純物濃度、前記逆抽出された第２導電性膜の基板不純物濃度および前記逆抽出された第２導電性膜の表面不純物濃度を用いて前記シミュレータで計算された前記電流が前記電流の測定値に一致するように前記絶縁膜の膜中不純物濃度を調整して、前記絶縁膜の膜中不純物濃度を逆抽出するステップと、を備えることを特徴とする半導体評価方法。
【請求項３】
絶縁膜の上面に形成される不純物を含む半導体からなる第１導電性膜と、前記絶縁膜の下面に形成されるｎ型不純物を含む半導体からなる第２導電性膜と、を有する半導体装置の電気的特性をシミュレータにより評価する半導体評価方法であって、
前記第２導電性膜の表面が反転層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記シミュレータにより計算された前記第１および第２導電性膜間の容量が前記容量の測定値に一致するように前記絶縁膜の膜厚を調整して、前記絶縁膜の膜厚を逆抽出するステップと、
前記第２導電性膜の表面が蓄積層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚を用いて前記シミュレータで計算された前記容量が前記容量の測定値に一致するように前記第１導電性膜の不純物濃度を調整して、前記第１導電性膜の不純物濃度を逆抽出するステップと、
前記第２導電性膜の表面が空乏層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚および前記逆抽出された第１導電性膜の不純物濃度を用いて前記シミュレータで計算された前記容量の傾きが測定された前記容量の傾きに一致するように前記第２導電性膜の基板不純物濃度を調整して、前記第２導電性膜の基板不純物濃度を逆抽出するステップと、
前記第２導電性膜の表面が空乏層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚、前記逆抽出された第１導電性膜の不純物濃度および前記逆抽出された第２導電性膜の表面不純物濃度を用いて前記シミュレータで計算された前記容量が前記容量の測定値に一致するように前記第２導電性膜の表面不純物濃度を調整して、前記第２導電性膜の表面不純物濃度を逆抽出するステップと、
前記第２導電性膜の表面が空乏層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚、前記逆抽出された第１導電性膜の不純物濃度、前記逆抽出された第２導電性膜の基板不純物濃度および前記逆抽出された第２導電性膜の表面不純物濃度を用いて前記シミュレータで計算された前記電流が前記電流の測定値に一致するように前記絶縁膜の膜中不純物濃度を調整して、前記絶縁膜の膜中不純物濃度を逆抽出するステップと、を備えることを特徴とする半導体評価方法。
【請求項４】
前記第２導電性膜は、半導体基板そのものか、あるいは半導体基板内にウェル領域として形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体評価方法。
【請求項５】
前記半導体装置は、ＭＯＳトランジスタまたはＭＯＳキャパシタの少なくとも一方であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体評価方法。
【請求項６】
前記各ステップの処理は、ウエハ上に形成された複数のＭＯＳトランジスタまたはＭＯＳキャパシタのうち、任意に選択された各デバイスごとに行われ、選択された各デバイスごとにそれぞれ個別に前記容量と前記第１および第２導電性膜間を流れる電流とを検出可能であることを特徴とする請求項５に記載の半導体評価方法。
【請求項７】
前記半導体装置の電気的特性を評価する際に前記第２導電性膜に印加される電圧は、前記絶縁膜を破壊しない程度の電圧であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体評価方法。
【請求項８】
絶縁膜の上面に形成される不純物を含む半導体からなる第１導電性膜と、前記絶縁膜の下面に形成されるｐ型不純物を含む半導体からなる第２導電性膜と、を有する半導体装置の電気的特性をシミュレータにより評価する半導体評価装置であって、
前記第２導電性膜の表面が蓄積層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記シミュレータにより計算された前記第１および第２導電性膜間の容量が前記容量の測定値に一致するように前記絶縁膜の膜厚を調整して、前記絶縁膜の膜厚を逆抽出する絶縁膜厚逆抽出部と、
前記第２導電性膜の表面が反転層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚を用いて前記シミュレータで計算された前記容量が前記容量の測定値に一致するように前記第１導電性膜の不純物濃度を調整して、前記第１導電性膜の不純物濃度を逆抽出する不純物濃度逆抽出部と、
前記第２導電性膜の表面が空乏層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚および前記逆抽出された第１導電性膜の不純物濃度を用いて前記シミュレータで計算された前記容量の傾きが測定された前記容量の傾きに一致するように前記第２導電性膜の基板不純物濃度を調整して、前記第２導電性膜の基板不純物濃度を逆抽出する基板濃度逆抽出部と、
前記第２導電性膜の表面が空乏層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚、前記逆抽出された第１導電性膜の不純物濃度および前記逆抽出された第２導電性膜の表面不純物濃度を用いて前記シミュレータで計算された前記容量が前記容量の測定値に一致するように前記第２導電性膜の表面不純物濃度を調整して、前記第２導電性膜の表面不純物濃度を逆抽出する表面濃度逆抽出部と、
前記第２導電性膜の表面が空乏層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚、前記逆抽出された第１導電性膜の不純物濃度、前記逆抽出された第２導電性膜の基板不純物濃度および前記逆抽出された第２導電性膜の表面不純物濃度を用いて前記シミュレータで計算された前記電流が前記電流の測定値に一致するように前記絶縁膜の膜中不純物濃度を調整して、前記絶縁膜の膜中不純物濃度を逆抽出する絶縁膜中濃度逆抽出部と、を備えることを特徴とする半導体評価装置。
【請求項９】
絶縁膜の上面に形成される不純物を含む半導体からなる第１導電性膜と、前記絶縁膜の下面に形成されるｎ型不純物を含む半導体からなる第２導電性膜と、を有する半導体装置の電気的特性をシミュレータにより評価する半導体評価装置であって、
前記第２導電性膜の表面が反転層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記シミュレータにより計算された前記第１および第２導電性膜間の容量が前記容量の測定値に一致するように前記絶縁膜の膜厚を調整して、前記絶縁膜の膜厚を逆抽出する絶縁膜厚逆抽出部と、
前記第２導電性膜の表面が蓄積層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚を用いて前記シミュレータで計算された前記容量が前記容量の測定値に一致するように前記第１導電性膜の不純物濃度を調整して、前記第１導電性膜の不純物濃度を逆抽出する不純物濃度逆抽出部と、
前記第２導電性膜の表面が空乏層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚および前記逆抽出された第１導電性膜の不純物濃度を用いて前記シミュレータで計算された前記容量の傾きが測定された前記容量の傾きに一致するように前記第２導電性膜の基板不純物濃度を調整して、前記第２導電性膜の基板不純物濃度を逆抽出する基板濃度逆抽出部と、
前記第２導電性膜の表面が空乏層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚、前記逆抽出された第１導電性膜の不純物濃度および前記逆抽出された第２導電性膜の表面不純物濃度を用いて前記シミュレータで計算された前記容量が前記容量の測定値に一致するように前記第２導電性膜の表面不純物濃度を調整して、前記第２導電性膜の表面不純物濃度を逆抽出する表面濃度逆抽出部と、
前記第２導電性膜の表面が空乏層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚、前記逆抽出された第１導電性膜の不純物濃度、前記逆抽出された第２導電性膜の基板不純物濃度および前記逆抽出された第２導電性膜の表面不純物濃度を用いて前記シミュレータで計算された前記電流が前記電流の測定値に一致するように前記絶縁膜の膜中不純物濃度を調整して、前記絶縁膜の膜中不純物濃度を逆抽出する絶縁膜中濃度逆抽出部と、を備えることを特徴とする半導体評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＯＳトランジスタやＭＯＳキャパシタ等における絶縁膜の下部に位置する半導体表面の不純物濃度を評価する半導体評価方法および半導体評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板中の不純物濃度は深さ方向に分布しているが、半導体装置の電気特性は表面近傍での不純物濃度に敏感である。このため、表面不純物濃度を正確に測定する技術が半導体装置の設計および製造の面から不可欠である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来は、基板深さ方向の不純物濃度を測定する際、半導体装置を削り取りながらSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)という手法を使って測定するのが一般的であった。この手法では測定後の半導体装置を破壊してしまう上に、削り取る深さを非常に薄くし、しかもその幅を正確にしなければ十分な測定精度が得られないという問題がある。
【０００４】
また、ウエハ表面を部分的に削り取るのは技術的に難しい上に、部分的に削り取るだけでは、ウエハ上の表面不純物濃度の全体的な分布を評価することはできない。さらに、ウエハ表面を削り取った個所では、不純物濃度が変化するおそれもある。
【０００５】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、半導体基板上に形成された半導体装置を破壊することなく、基板表面の不純物濃度の分布を精度よく測定可能な半導体評価方法および半導体評価装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明は、絶縁膜の上面に形成される不純物を含む半導体からなる第１導電性膜と、前記絶縁膜の下面に形成される不純物を含む半導体からなる第２導電性膜と、を有する半導体装置の電気的特性をシミュレータにより評価する半導体評価方法であって、前記第１および第２導電性膜間に、フラットバンド条件を満たす電圧を含む電圧区間内の電圧を印加し、各電圧ごとに前記絶縁膜を介して前記第１および第２導電性膜間を流れる電流、または前記第１および第２導電性膜間の容量を測定するステップと、前記測定された前記第１および第２の導電性膜間を流れる電流と、前記第１および第２導電性膜間の容量と、に基づいて、前記絶縁膜の厚さ、前記第１導電性膜の不純物濃度、前記第２導電性膜の基板不純物濃度、前記第２導電性膜の表面不純物濃度、および前記絶縁膜中の不純物濃度を計算するステップと、を備える。
【０００７】
本発明では、第１および第２導電性膜間に絶縁破壊を起こさないほど低い電圧を印加して、第１および第２導電性膜間を流れる電流、または第１および第２導電性膜間の容量を測定するため、半導体装置を破壊することなく、半導体装置の絶縁膜の厚さ、第１導電性膜の不純物濃度、第２導電性膜の基板不純物濃度、第２導電性膜の表面不純物濃度、および絶縁膜中の不純物濃度を、種々に電圧を変化させながら精度よく評価できる。
【０００８】
また、本発明は、絶縁膜の上面に形成される不純物を含む半導体からなる第１導電性膜と、前記絶縁膜の下面に形成されるｐ型不純物を含む半導体からなる第２導電性膜と、を有する半導体装置の電気的特性をシミュレータにより評価する半導体評価方法であって、前記第２導電性膜の表面が蓄積層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記シミュレータにより計算された前記第１および第２導電性膜間の容量が前記容量の測定値に一致するように前記絶縁膜の膜厚を調整して、前記絶縁膜の膜厚を逆抽出するステップと、前記第２導電性膜の表面が反転層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚を用いて前記シミュレータで計算された前記容量が前記容量の測定値に一致するように前記第１導電性膜の不純物濃度を調整して、前記第１導電性膜の不純物濃度を逆抽出するステップと、前記第２導電性膜の表面が空乏層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚および前記逆抽出された第１導電性膜の不純物濃度を用いて前記シミュレータで計算された前記容量の傾きが測定された前記容量の傾きに一致するように前記第２導電性膜の基板不純物濃度を調整して、前記第２導電性膜の基板不純物濃度を逆抽出するステップと、前記第２導電性膜の表面が空乏層になる電圧領域の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚、前記逆抽出された第１導電性膜の不純物濃度および前記逆抽出された第２導電性膜の基板不純物濃度を用いて前記シミュレータで計算された前記容量が前記容量の測定値に一致するように前記第２導電性膜の表面不純物濃度を調整して、前記第２導電性膜の表面不純物濃度を逆抽出するステップと、前記第２導電性膜の表面が空乏層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚、前記逆抽出された第１導電性膜の不純物濃度、前記逆抽出された第２導電性膜の基板不純物濃度および前記逆抽出された第２導電性膜の表面不純物濃度を用いて前記シミュレータで計算された前記電流が前記電流の測定値に一致するように前記絶縁膜の膜中不純物濃度を調整して、前記絶縁膜の膜中不純物濃度を逆抽出するステップと、を備える。
【０００９】
また、本発明は、絶縁膜の上面に形成される不純物を含む半導体からなる第１導電性膜と、前記絶縁膜の下面に形成されるｎ型不純物を含む半導体からなる第２導電性膜と、を有する半導体装置の電気的特性をシミュレータにより評価する半導体評価方法であって、前記第２導電性膜の表面が反転層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記シミュレータにより計算された前記第１および第２導電性膜間の容量が前記容量の測定値に一致するように前記絶縁膜の膜厚を調整して、前記絶縁膜の膜厚を逆抽出するステップと、前記第２導電性膜の表面が蓄積層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚を用いて前記シミュレータで計算された前記容量が前記容量の測定値に一致するように前記第１導電性膜の不純物濃度を調整して、前記第１導電性膜の不純物濃度を逆抽出するステップと、前記第２導電性膜の表面が空乏層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚および前記逆抽出された第１導電性膜の不純物濃度を用いて前記シミュレータで計算された前記容量の傾きが測定された前記容量の傾きに一致するように前記第２導電性膜の基板不純物濃度を調整して、前記第２導電性膜の基板不純物濃度を逆抽出するステップと、前記第２導電性膜の表面が空乏層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚、前記逆抽出された第１導電性膜の不純物濃度および前記逆抽出された第２導電性膜の表面不純物濃度を用いて前記シミュレータで計算された前記容量が前記容量の測定値に一致するように前記第２導電性膜の表面不純物濃度を調整して、前記第２導電性膜の表面不純物濃度を逆抽出するステップと、前記第２導電性膜の表面が空乏層になる程度の電圧を前記第１導電性膜に印加した状態で、前記逆抽出された絶縁膜の膜厚、前記逆抽出された第１導電性膜の不純物濃度、前記逆抽出された第２導電性膜の基板不純物濃度および前記逆抽出された第２導電性膜の表面不純物濃度を用いて前記シミュレータで計算された前記電流が前記電流の測定値に一致するように前記絶縁膜の膜中不純物濃度を調整して、前記絶縁膜の膜中不純物濃度を逆抽出するステップと、を備える。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体評価方法および半導体評価装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１１】
図１は本発明に係る半導体評価装置の一実施形態の概略構成を示すブロック図である。図１の半導体評価装置は、ＭＯＳトランジスタやＭＯＳキャパシタ内の絶縁膜とこの上部に形成される半導体の表面不純物濃度を決定するものである。以下では、ｎ+／SiＯ2／p-Si構造のnMOSキャパシタを例に取って説明するが、pMOSキャパシタ、ｎＭＯＳトランジスタおよびｐＭＯＳトランジスタでも同様の処理手順で電気的特性を評価できる。
【００１２】
本明細書では、nMOSキャパシタ内の絶縁膜の上部に形成される導電膜を第１導電性膜、絶縁膜の下部の半導体を第２導電性膜と呼ぶ。第１導電性膜は例えばポリシリコンを材料として形成され、第２導電性膜は半導体基板上または半導体基板内の所望の領域に不純物イオンを注入して形成されるウェルである。
【００１３】
図１の半導体評価装置は、絶縁膜厚逆抽出部１と、不純物濃度逆抽出部２と、基板濃度逆抽出部３と、表面濃度逆抽出部４と、絶縁膜中濃度逆抽出部５と、シミュレータ６とを備えている。
【００１４】
絶縁膜厚逆抽出部１は、第２導電性膜の表面が蓄積層（pMOSキャパシタの場合は反転層）になるような電圧を第１導電性膜に印加した状態で、シミュレータ６により第１および第２導電性膜間の容量Ｃを計算し、その計算結果が容量Ｃの測定値に一致するように絶縁膜の膜厚を調整して、絶縁膜厚ｔoxを逆抽出する。
【００１５】
不純物濃度逆抽出部２は、第２導電性膜の表面が反転層（pMOSキャパシタの場合は蓄積層）になるような電圧を第１導電性膜に印加した状態で、逆抽出された絶縁膜厚ｔoxを用いてシミュレータ６により容量Ｃを計算し、その計算結果が容量Ｃの測定値に一致するように第１導電性膜としてのポリシリコン中の不純物濃度（以下、ポリ濃度と呼ぶ）Ｎpolyを調整して、ポリ濃度Ｎpolyを逆抽出する。
【００１６】
基板濃度逆抽出部３は、第２導電性膜の表面が反転層（pMOSキャパシタの場合は蓄積層）から空乏層になるような電圧と、空乏層から蓄積層（pMOSキャパシタの場合は反転層）になるような電圧と、をそれぞれ第１導電性膜に印加した状態で、逆抽出された絶縁膜厚ｔoxと第１導電性膜のポリ濃度Ｎpolyを用いてシミュレータ６により容量Ｃを計算し、その計算結果の傾きが容量Ｃの測定値の傾きに一致するように第２導電性膜の基板不純物濃度Ｎsubを調整して、第２導電性膜の基板不純物濃度Ｎsubを逆抽出する。
【００１７】
表面濃度逆抽出部４は、第２導電性膜の表面が空乏層になるような電圧を第１導電性膜に印加した状態で、逆抽出された絶縁膜厚ｔox、第１導電性膜のポリ濃度Ｎpolyおよび第２導電性膜の基板不純物濃度Ｎsubを用いてシミュレータ６により容量Ｃを計算し、その計算結果が容量Ｃの測定値に一致するように第２導電性膜の表面不純物濃度Ｎsrfを調整して、表面不純物濃度Ｎsrfを逆抽出する。
【００１８】
絶縁膜中濃度逆抽出部５は、第２導電性膜の表面が空乏層になるような電圧を第１導電性膜に印加した状態で、逆抽出された絶縁膜厚ｔox、第１導電性膜のポリ濃度Ｎpoly、第２導電性膜の基板不純物濃度Ｎsubおよび第２導電性膜の表面不純物濃度Ｎsrfを用いてシミュレータ６により容量Ｃを計算し、その計算結果が容量Ｃの測定値に一致するように絶縁膜の膜中不純物濃度を調整して、絶縁膜の膜中不純物濃度を逆抽出する。
【００１９】
図２は図１の半導体評価装置の処理手順を示すフローチャートである。まず、準備段階として、nMOSキャパシタの電流J−電圧特性（ＪＶ特性）と容量Ｃ−電圧特性（ＣＶ特性）とを測定する（ステップＳ１）。
【００２０】
続いて、合わせ込みの第１段階として、絶縁膜厚ｔoxの合わせ込みを行う（ステップＳ２）。図３（ａ）はＣＶ曲線の絶縁膜依存性を示し、図３（ｂ）はＪＶ曲線の絶縁膜依存性を示している。これらの図からわかるように、絶縁膜厚ｔoxを変化させると、ＪＶ曲線とＣＶ曲線がいずれも変化するのがわかる。特に、ゲート電圧VGが(-2)Ｖ付近で、ＣＶ曲線の変化の割合が大きい。このため、上述したステップＳ２では、ゲート電圧VGを例えば(-2)Ｖに設定した状態で、絶縁膜厚ｔoxを調整しながらシミュレータ６により容量Ｃを計算し、容量Ｃの計算値を測定値に一致させる。これにより、絶縁膜厚ｔoxが逆抽出される。
【００２１】
ここで、ＣＶ曲線の一般式は、（１）式で表される。
Ｃ(ＶG)＝ｆ(ＶG，ｔox，Ｎpoly，Ｎsrf，Ｎsub，Ｎins）    …（１）
（１）式の具体例として、例えば（２）式が考えられる。
【数１】
0003906091.tif 000002
（２）式において、Qsは表面電荷密度、VGは第１導電性膜に印加される電圧である。
（２）式中のＱsは（３）式で表される。
【数２】
0003906091.tif 000003
正孔濃度、nは電子濃度である。
【００２２】
ND+とNA−は、それぞれ（４）式および（５）式で表される。
ND+＝ｒD×ND    …（４）
NA−＝ｒA×ＮA    …（５）
（４）式および（５）式において、ｒDはドナーイオン化率、ｒAはアクセプターイオン化率、NDはドナー濃度、NAはアクセプタ濃度である。
【００２３】
シミュレータ６は、（２）式に基づいてシミュレーションを行い、絶縁膜厚ｔoxを逆抽出する。
【００２４】
続いて、合わせ込みの第２段階として、第１導電性膜のポリ濃度Ｎpolyの合わせ込みを行う（ステップＳ３）。図４（ａ）はＣＶ曲線のポリ濃度Ｎpolyの依存性を示し、図４（ｂ）はＪＶ曲線のポリ濃度Ｎpolyの依存性を示している。これらの図からわかるように、ＣＶ曲線はＶG＞０Ｖの範囲（半導体基板がｐ型であれば反転層領域、ｎ型であれば蓄積層領域）でポリ濃度Ｎpolyに依存して大きく変化し、ＪＶ曲線は-1＜ＶG＜０Ｖの範囲（空乏層領域）でポリ濃度Ｎpolyに依存して大きく変化する。
【００２５】
このため、上述したステップＳ３では、半導体基板がｐ型であれば基板表面が反転層になるような電圧（例えば、ＶG＝１Ｖ）を第１導電性膜に印加した状態で、ステップＳ２で逆抽出した絶縁膜厚ｔoxを用いてシミュレータ６により容量Ｃを計算し、その計算結果が容量Ｃの測定値に一致するように第１導電性膜のポリ濃度Ｎpolyを調整して、ポリ濃度Ｎpolyを逆抽出する。
【００２６】
続いて、合わせ込みの第３段階として、第２導電性膜の基板不純物濃度Ｎsubの合わせ込みを行う（ステップＳ４）。図５（ａ）はＣＶ曲線の基板濃度依存性を示し、図５（ｂ）はＪＶ曲線の基板濃度依存性を示している。これらの図からわかるように、ＣＶ曲線は、-1Ｖ＜ＶG＜０Ｖの範囲（空乏領域）で表面濃度に依存して大きく変化する。また、ＪＶ曲線は、-1＜ＶG＜０Ｖの範囲（空乏領域）で表面濃度に依存して大きく変化する。
【００２７】
このため、上述したステップＳ４では、例えば、ＶG＝-0.5Ｖを第１導電性膜に印加した状態で、ステップＳ２で逆抽出した絶縁膜厚ｔoxとステップＳ３で逆抽出したポリ濃度Ｎpolyとを用いてシミュレータ６により容量Ｃを計算し、その計算結果の傾きが容量Ｃの測定値の傾きに一致するように第２導電性膜の基板不純物濃度Ｎsubを調整して、基板不純物濃度Ｎsubを逆抽出する。
【００２８】
続いて、合わせ込みの第４段階として、第２導電性膜の膜中不純物濃度（すなわち、表面不純物濃度Ｎsrf）の合わせ込みを行う（ステップＳ５）。図６（ａ）はＣＶ曲線の表面不純物濃度Ｎsrf依存性を示し、図６（ｂ）はＪＶ曲線の表面不純物濃度依存性を示している。これらの図からわかるように、ＣＶ曲線もＪＶ曲線も、-1Ｖ＜ＶG＜０Ｖの範囲（空乏層領域）で、表面不純物濃度Ｎsrfに依存して変化し、それ以外の電圧範囲ではほとんど変化しない。
【００２９】
このため、上述したステップＳ５では、第１導電性膜に-1Ｖ＜ＶG＜０Ｖの範囲内の電圧（例えば、ＶG＝-0.5Ｖ）を印加した状態で、ステップＳ２で逆抽出した絶縁膜厚ｔoxと、ステップＳ３で逆抽出したポリ濃度Ｎpolyと、ステップＳ４で逆抽出した基板不純物濃度Ｎsrfとを用いてシミュレータ６により第１および第２導電性膜間の容量Ｃを計算し、その計算結果がこの容量Ｃの測定値に一致するように表面不純物濃度Ｎsrfを調整して、表面不純物濃度Ｎsrfを逆抽出する。
【００３０】
続いて、合わせ込みの第５段階として、絶縁膜の膜中不純物濃度Ｎinsの合わせ込みを行う（ステップＳ６）。図７（ａ）はＣＶ曲線の絶縁膜中不純物濃度依存性を示し、図７（ｂ）はＪＶ曲線の絶縁膜中不純物濃度依存性を示している。これらの図からわかるように、ＣＶ曲線は第１導電性膜に印加する電圧を変えても変化せず、ＪＶ曲線は-1Ｖ＜ＶG＜０Ｖの範囲（空乏層領域）で、絶縁膜の膜中不純物濃度Ｎinsに依存して大きく変化し、それ以外の電圧範囲ではほとんど変化しない。
【００３１】
このため、上述したステップＳ６では、第１導電性膜に-1＜ＶG＜０Ｖの範囲内の電圧（例えば、ＶG＝-0.5Ｖ）を印加した状態で、ステップＳ２で逆抽出した絶縁膜厚ｔoxと、ステップＳ３で逆抽出したポリ濃度Ｎpolyと、ステップＳ４で逆抽出した基板不純物濃度Ｎsubと、ステップＳ５で逆抽出した表面不純物濃度Ｎsrfとを用いてシミュレータ６によりゲート電流を計算し、その計算結果がゲート電流の測定値に一致するように絶縁膜の膜中不純物濃度Ｎinsを調整して、膜中不純物濃度Ｎinsを逆抽出する。
【００３２】
ここで、ＪＶ曲線の一般式は、（６）式で表される。
Ｊ(ＶG)＝ｇ(ＶG，ｔox，Ｎpoly，Ｎsrf，Ｎsub，Ｎins）    …（６）
（６）式の具体例として、例えば（７）式が考えられる。
【数３】
0003906091.tif 000004
（７）式において、mdeは有効状態密度電子質量、ECpolyはポリシリコンの伝導帯端、ECsubは基板シリコンの伝導帯端、ｔoxは絶縁膜厚ｔox、ｑ＝1.6×10-19[C]、Ｍc＝６である。
【００３３】
（７）式中の関数ｆは、（８）式で表される。
【数４】
0003906091.tif 000005
（８）式において、ＥFはフェルミ準位、kB＝1.38×10-23[J/K]、Ｔは絶対温度[K]である。
【００３４】
（７）式中のκは、（９）式で表される。
【数５】
0003906091.tif 000006
（９）式において、ECoxは絶縁膜の伝導帯端である。
【００３５】
（９）式中のｍoxは、（１０）式で表される。
【数６】
0003906091.tif 000007
（１０）式において,EGoxは絶縁膜のエネルギーバンドギャップ、ｍpはパラボリック・トンネルマス、ｍFはフランツのトンネルマス、ｍcは伝導帯トンネルマス、ｍvは価電子帯トンネルマスである。
【００３６】
（７）式中のΨspolyとΨssubとの間には、以下の関係が成り立つ。
【数７】
0003906091.tif 000008
（１１）式中の関数Ｆは、（１２）式で表される。
【数８】
0003906091.tif 000009
（１２）式中のβとＬDはそれぞれ（１３）式および（１４）式で表される。
【数９】
0003906091.tif 000010
【数１０】
0003906091.tif 000011
（１４）式において、εs＝11.9×ε0で、ε0＝8.85×10-12[F/m]である。
【００３７】
図８および図９は上述した五段階逆抽出法をまとめた図であり、図８はＣＶ曲線、図９はＪＶ曲線を表している。図８において、ＶG＝-2Ｖ近傍では、ＣＶ曲線は絶縁膜厚ｔoxの変化にのみ依存する。ＣＶ曲線とＪＶ曲線の全領域の中で、絶縁膜厚ｔoxの変化のみに依存する領域は他には存在しない。このため、図２のステップＳ２では、合わせ込みの第１段階として、ＶG＝-2Ｖ近傍で絶縁膜厚ｔoxの逆抽出を行う。
【００３８】
続いて、ＶG＝１Ｖ近傍では、ＣＶ曲線は絶縁膜厚ｔoxと第１導電性膜のポリ濃度Ｎpolyの変化のみに依存している。絶縁膜厚ｔoxはすでに逆抽出されているので、図２のステップＳ３では、合わせ込みの第2段階として、ＶG＝１Ｖ近傍で第１導電性膜のポリ濃度Ｎpolyの逆抽出を行う。
【００３９】
続いて、-1Ｖ＜ＶG＜０Ｖ近傍では、ＣＶ曲線は絶縁膜厚ｔox、ポリ濃度Ｎpoly、基板濃度Ｎsub、および表面不純物濃度Ｎsrfのみに依存している。このうち、絶縁膜厚ｔoxとポリ濃度Ｎpolyはすでに逆抽出されている。また、この領域でのNsub依存性は、ＣＶ曲線の傾きに表れるので、図２のステップＳ４では、合わせ込みの第３段階として、基板不純物濃度Ｎsubの逆抽出を行う。
【００４０】
図２のステップＳ５では、合わせ込みの第４段階として、-1Ｖ＜ＶG＜０Ｖの電圧範囲で表面不純物濃度Ｎsrfの逆抽出を行う。
【００４１】
続いて、-1Ｖ＜ＶG＜０Ｖでは、ＪＶ曲線は絶縁膜の膜中不純物濃度Ｎinsに依存している。そこで、図２のステップＳ６では、合わせ込みの第５段階として、-1Ｖ＜ＶG＜０Ｖの電圧範囲で絶縁膜の膜中不純物濃度Ｎinsの逆抽出を行う。
【００４２】
このように、本実施形態では、第１導電性膜に印加する電圧を複数通りに切り替え、各電圧ごとに、ＣＶ曲線やＪＶ曲線の変化に対して支配的な電気的特性因子ｔox，Ｎpoly，Ｎsub，Ｎsrf，Ｎinsの逆抽出を行うため、各電気的特性因子を精度よく評価できる。
【００４３】
また、本実施形態では、ウエハ上に形成された半導体デバイスを壊さずに、各電気的特性因子を計算できるため、実際の製品の出荷前検査に適用可能である。
特に、絶縁膜厚ｔoxは酸化工程の検査に、第１導電性膜のポリ濃度ＮpolyはＣＶＤ工程の検査に、表面不純物濃度Ｎsrfや基板不純物濃度は熱工程の検査に、それぞれ適用可能である。
【００４４】
さらに、上述した５段階の逆抽出法による非破壊測定は、拡散層がチャネル電界に与える影響が小さくなるほど長いゲートをもつMOSFETを用いても可能である。また、保護素子部のライン・アンド・スペースパターンを利用してもよいし、予め選択的にウエハ上に配置されたＭＯＳキャパシタやMOSFETを用いて測定を行ってもよい。
【００４５】
上述した実施形態では、５段階の逆抽出を行って５種類の電気的特性因子ｔox，Ｎpoly，Ｎsub，Ｎsrf，Ｎinsを評価する手法を説明したが、他の電気的特性因子を併せて逆抽出してもよい。例えば、絶縁膜の膜中の不純物の位置Ｚinsを、上述した５種類のパラメータとともに逆抽出してもよい。この場合のＣＶ曲線とＪＶ曲線の一般式は、それぞれ（１５）式および（１６）式のようになる。
Ｃ(ＶG)＝ｆ(ＶG，ｔox，Ｎpoly，Ｎsrf，Ｎsub，Ｎins，Ｚins）  …（１５）
Ｊ(ＶG)＝ｇ(ＶG，ｔox，Ｎpoly，Ｎsrf，Ｎsub，Ｎins，Ｚins）  …（１６）
【００４６】
上述した実施形態で説明した半導体評価装置は、ハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。ソフトウェアで構成する場合には、半導体評価装置の機能を実現するプログラムをフロッピーディスクやＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に収納し、コンピュータに読み込ませて実行させてもよい。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の携帯可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でもよい。
【００４７】
また、半導体評価装置の機能を実現するプログラムを、インターネット等の通信回線（無線通信も含む）を介して頒布してもよい。さらに、同プログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、あるいは記録媒体に収納して頒布してもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、第１および第２導電性膜間に絶縁破壊が生じない程度の低い電圧を印加して、各電圧ごとに第１および第２導電性膜間を流れる電流、または第１および第２導電性膜間の容量を測定するため、半導体装置を破壊することなく、半導体装置の絶縁膜の厚さ、第１導電性膜の不純物濃度、第２導電性膜の表面不純物濃度、第２導電性膜の膜中不純物濃度、および絶縁膜中の不純物濃度を、精度よく評価できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体評価装置の一実施形態の概略構成を示すブロック図。
【図２】図１の半導体評価装置の処理手順を示すフローチャート。
【図３】（ａ）はＣＶ曲線の絶縁膜厚依存性を示す図、（ｂ）はＪＶ曲線の絶縁膜厚依存性を示す図。
【図４】（ａ）はＣＶ曲線のポリ濃度依存性を示す図、（ｂ）はＪＶ曲線のポリ濃度依存性を示す図。
【図５】（ａ）はＣＶ曲線の基板濃度依存性を示す図、（ｂ）はＪＶ曲線の基板濃度依存性を示す図。
【図６】（ａ）はＣＶ曲線の表面不純物濃度依存性を示す図、（ｂ）はＪＶ曲線の表面不純物濃度依存性を示す図。
【図７】（ａ）はＣＶ曲線の絶縁膜中不純物濃度依存性を示す図、（ｂ）はＪＶ曲線の絶縁膜中不純物濃度依存性を示す図。
【図８】五段階逆抽出法を説明するためのＣＶ曲線を示す図。
【図９】五段階逆抽出法を説明するためのＪＶ曲線を示す図。
【符号の説明】
１  絶縁膜厚逆抽出部
２  不純物濃度逆抽出部
３  基板濃度逆抽出部
４  表面濃度逆抽出部
５  絶縁膜中濃度逆抽出部
６  シミュレータ
【図１】
0003906091.tif 000012
【図２】
0003906091.tif 000013
【図３】
0003906091.tif 000014
【図４】
0003906091.tif 000015
【図５】
0003906091.tif 000016
【図６】
0003906091.tif 000017
【図７】
0003906091.tif 000018
【図８】
0003906091.tif 000019
【図９】
0003906091.tif 000020