(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェハを保持するテーブルと、ウェハとエアギャップをおいて配設された電圧測定用の電極と、ウェハをこの電極に対して相対的に移動させる移動手段と、前記テーブルを接地状態と電圧印加状態に選択的に切り換える電圧印加状態切り換え手段と、接地状態での測定電圧と電圧印加状態での測定電圧の差を演算し、この差の比を求めることで測定電圧を補正する制御部とを備えたことを特徴とするウェハの電位分布測定装置。
【請求項２】
テーブル上に保持された絶縁膜でコーティングされたウェハを電圧測定用の電極とエアギャップをおいてこの電極に対して相対的に移動させ、この移動時に前記テーブルを接地状態と電圧印加状態に選択的に切り換え、接地状態での測定電圧と電圧印加状態での測定電圧との差を制御部で演算し、この差の比を求めることにより、ウェハの反りに起因する測定電圧の狂いを補正することを特徴とするウェハの電位分布測定方法。
【請求項３】
前記ウェハが前記電極に対して往動・復動し、往動時と復動時で接地状態と電圧印加状態を選択的に切り換えるようにしたことを特徴とする請求項２記載のウェハの電位分布測定方法。
【請求項４】
前記絶縁膜の厚さを４０００〜５０００オングストロームとすることを特徴とする請求項２記載のウェハの電位分布測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウェハ表面の絶縁膜に蓄積された電荷による電位分布を測定するウェハの電位分布測定装置及び電位分布測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程の中で、エッチングやアッシング等に用いられているプラズマ処理工程、イオン注入、プラズマＣＶＤ等の不純物導入工程、洗浄工程などにおいて、半導体ウェハの表面の絶縁膜に電荷が蓄積されることが知られている。この電荷の蓄積状態は、個々の処理装置によって異なっており、またこれらの装置の調整状態によっても変動することから、これらの装置の状態を監視、管理するために、半導体ウェハの表面全面の絶縁膜の電荷分布を測定することが行われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
半導体製造工程現場の装置管理において、従来は、表面電位プローブを被測定ウェハに近接させて半導体ウェハ表面の絶縁膜中の電荷による表面電位分布を測定していたが、従来の方法では半導体ウェハ自体の反り、処理前後、あるいは測定のためにウェハを保持するテーブルの状態による反りなどのウェハの反りのために精度よく正確に表面電位分布を測定することができなかった。
【０００４】
したがって本発明は、ウェハに反りがあっても、その絶縁膜の電荷による電位分布を簡単且つ正確に測定することができるウェハの電位分布測定装置及び電位分布測定方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ウェハを保持するテーブルと、ウェハとエアギャップをおいて配設された電圧測定用の電極と、ウェハをこの電極に対して相対的に移動させる移動手段と、前記テーブルを接地状態と電圧印加状態に選択的に切り換える電圧印加状態切り換え手段と、接地状態での測定電圧と電圧印加状態での測定電圧の差を演算し、この差の比を求めることで測定電圧を補正する制御部とを備えたことを特徴とするウェハの電位分布測定装置である。
【０００６】
また本発明は、テーブル上に保持された絶縁膜でコーティングされたウェハを電圧測定用の電極とエアギャップをおいてこの電極に対して相対的に移動させ、この移動時に前記テーブルを接地状態と電圧印加状態に選択的に切り換え、接地状態での測定電圧と電圧印加状態での測定電圧との差を制御部で演算し、この差の比を求めることにより、ウェハの反りに起因する測定電圧の狂いを補正することを特徴とするウェハの電位分布測定方法である。
【０００７】
また好ましくは、前記ウェハが前記電極に対して往動・復動し、往動時と復動時で接地状態と電圧印加状態を選択的に切り換えるようにした。
【０００８】
また好ましくは、前記絶縁膜の厚さを４０００〜５０００オングストロームとする。
【０００９】
【作用】
上記構成において、ウェハをエアギャップをおいて電圧測定用の電極に対して相対的に移動させながら、テーブルを接地状態と電圧印加状態に切り換え、それぞれの場合の電圧を測定する。そして接地状態での測定電圧と電圧印加状態での測定電圧との差を制御部で演算し、この差の比を求めることにより、ウェハの反りに起因する測定電圧の狂いを補正する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態のウェハの電位分布測定装置の構成図、図２はウェハの部分拡大断面図、図３はウェハに反りがない場合の電圧波形図、図４はウェハに反りがある場合の電圧波形図、図５はウェハに反りがある場合と反りがない場合の電位差波形図、図６は電位差の比として求められる補正係数図、図７は一般的なウェハの電位分布測定装置の構成図、図８はウェハと電極の等価回路図、図９（ａ）は電圧測定の模型図、図９（ｂ）は電荷分布図である。
【００１１】
まず、図７〜図１０を参照して、一般的なウェハの電位分布の測定原理を説明する。図７において、ウェハ１は半導体ウェハ２の表面全面に絶縁膜（酸化膜）３をコーティングして成っている（図２を参照）。ウェハ１はテーブル４上に水平な姿勢で保持されている。テーブル４は導電性のプレートから成り、接地１６されている。
【００１２】
ウェハ１の上方にはエアギャップ（距離）Ｇをおいて電圧測定用の素子である電極５が設けられている。電極５は制御部６に接続されている。制御部６は必要な演算などを行う。テーブル４の下面にはナット７が装着されており、ナット７には送りねじ８が水平に螺入されている。モータ９を駆動して送りねじ８を回転させると、テーブル４は送りねじ８に沿って水平移動し、ウェハ１は電極５に対して水平移動する。すなわちナット７、送りねじ８、モータ９はウェハ１を電極５に対して相対的に移動させる移動手段になっている。１７は校正用の電極、１８は校正電源である。
【００１３】
図７の装置ウェハ１と電極５は、図８の等価回路であらわされる。図中、Ｃ１はウェハ１の裏面酸化膜（絶縁膜）の静電容量、Ｃ０はウェハ１の静電容量、Ｃ２は表面酸化膜（絶縁膜）の静電容量、Ｃ３はエアギャップＧの静電容量、Ｃ４は電極５の静電容量である。
【００１４】
絶縁膜中の電荷は界面と最表面に多く、絶縁膜中には少なくほぼ均一に分布しているので、被測定物のウェハ１と電位測定用の電極５とをエアギャップＧを介した場合は、図９（ａ）のような構成となり、図９（ｂ）に示す様に静電荷を仮定すると絶縁膜表面に誘起される電荷Ｑは（数１）となる。
【００１５】
【数１】
0004064533.tif 000002
【００１６】
（数１）より、絶縁膜中の電荷分布をｑ０で一定とすると（数２）、（数３）となる。
【００１７】
【数２】
0004064533.tif 000003
【００１８】
【数３】
0004064533.tif 000004
【００１９】
（数２）、（数３）においてエアギャップＧは絶縁膜３の厚さよりもはるかに大きく、ｔ０＜＜ｔ１であるから、（数４）、（数５）となる。
【００２０】
【数４】
0004064533.tif 000005
【００２１】
【数５】
0004064533.tif 000006
【００２２】
よって（数３）は近似式（数６）となる。
【００２３】
【数６】
0004064533.tif 000007
【００２４】
（数６）から、エアギャップＧが絶縁膜３の厚さよりかなり大きい場合、Ｑはｔ１（エアギャップ）には依存しないことになる。また、絶縁膜３の膜厚の変動がエアギャップＧを介して静電的に結合している電極５に検出される電圧に対しての影響を考えると、表裏両面に絶縁膜が付いている場合の図８の等価回路において、絶縁膜表面に誘起される電圧Ｖは（数７）となる。
【００２５】
【数７】
0004064533.tif 000008
【００２６】
そして電極５に検出される電圧（測定電圧）Ｖ１は（数８）になる。
【００２７】
【数８】
0004064533.tif 000009
【００２８】
ここで、（数８）よりエアギャップ、膜厚が変動した場合の変化をそれぞれの場合計算すると、仮にエアギャップを３ｍｍ、膜厚を４０００Åとして、その膜厚が１０％薄く変動した場合、電極５に検出される電圧の変化は０．０２％の減となり、また、エアーギャップが１０％近づいた場合は、電極５に検出される電圧の変化は１０％の増となる。従って、絶縁膜表面に誘起される電荷Ｑによる表面電位を所定以上のエアギャップを介して静電的に結合して測定することは、絶縁膜厚の変動による影響はほとんどなく、ウェハの反り等の影響でエアギャップの距離が変動した場合の電極に検出される電圧の変化のみが問題となり、その変動を補正しさえすれば、半導体ウェハ表面の絶縁膜がプラズマに曝される場合等により溜まった電荷に比例した電圧を正確に検出できることになる。
【００２９】
また、測定に用いる絶縁膜の厚さは、実デバイスの絶縁膜の厚さではかなり低い電圧になる為、４０００〜６０００オングストロームが好ましく、更には５０００オングストローム程度が望ましい。これは、絶縁膜表面に誘起される表面電位が最も大きくなるのは上記数値の膜厚であることが実験的に分かったことによる。
【００３０】
次に、図１〜図６を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１はウェハの電位分布測定装置の構成図であって、図７と同一要素には同一符号を付して説明は省略する。
【００３１】
テーブル３にはスイッチ部１１が接続されている。スイッチ部１１は可変接点１２と固定接点１３，１４があり、補正電圧電源１５と接地１６を選択的に切り換える。符号１１〜１６で示されるこれらの要素は、テーブル４を接地状態と電圧印加状態に選択的に切り換える電圧印加状態切り換え手段となっている。またテーブル４には校正用の電極１７が設けられている。電極１７は校正電源１８に接続されている。電極５は紙面に垂直な方向に複数個配置されている。校正電極１７はこれらの電極５のキャリブレーションを行う。
【００３２】
次に、ウェハ１の表面電位分布の測定方法を説明する。図１において、ウェハ１の表面電位の測定は、モータ９を駆動してウェハ１を電極５に対して水平方向へ往動（矢印Ａ）・復動（矢印Ｂ）させながら行う。往動時と復動時で接点を切り換える。すなわち往動時には可変接点１２を一方の固定接点１３側に投入してテーブル４を接地させ、接地状態での電圧を電極５で測定する。また復動時には可変接点１２を他方の固定接点１４側に投入し、テーブル４に電圧を印加する。この電圧の大きさはＶａであり、この電圧Ｖａを補正電圧という。勿論、往動時には固定接点１４側に投入し、復動時に固定接点１３側に投入してもよい。このように往動時と復動時で接地状態と電圧印加状態を切り換えることにより、電圧測定を作業性よく行うことができる。
【００３３】
図３は、図１において実線で示すウェハ１のように、ウェハ１に反りがない場合の電極５による電圧の測定結果を示しており、また図４は、図１において鎖線で示すウェハ１のように、ウェハ１に反りがある場合の電極５による電圧の測定結果を示している。移動距離とは電極５に対するウェハ１の相対的な移動距離である。なお本形態では、ウェハ１を電極５に対して移動させているが、電極５をウェハ１に対して移動させてもよい。
【００３４】
図３はウェハ１に反りがない場合であり、この場合接地状態の測定電圧Ｖｏ’と電圧印加状態の測定電圧Ｖａ’はウェハ１の場所的なばらつきはなく、一定である。ＶｄはＶａ’とＶｏ’の差であり、制御部６で演算して求める。
【００３５】
図４はウェハ１に反りがある場合である。この場合、図１において鎖線で示すウェハ１の端部のエアギャップＧ’は小さく、電極５との距離は小さいので、測定値は大きくなり、したがってＶｏ’とＶａ’は図４に示すカーブとなる。ＶｄはＶａ’とＶｏ’の差である。
【００３６】
そこでその比α＝Ｖｄ／Ｖａ’を補正係数として制御部６で演算して求める。図５および図６において、ウェハ１に反りがなくてエアギャップＧが一定の場合は、印加された電圧に比例した電圧Ｖａ’が電極５で検出され、その差として印加電圧Ｖａと同じ電圧を測定することになるので、α＝Ｖｄ／Ｖａ’＝１となる。
【００３７】
一方、ウェハ１に反りがあるとエアギャップＧは変動し、エアギャップが小さくなると、α＞１となり、これと反対にエアギャップが大きくなるとα＜１となる。
【００３８】
ここで、（数８）をエアギャップの距離をｄとして表し、その他の条件は一定として展開すると、測定電圧は次式となる。
Ｖ１＝６３３５．６３・Ｑ／ｄ
つまり、単純にエアギャップの距離ｄに反比例することになり、電極とウェハの反り等がなく表面との間に一定の間隔を隔てて平行に保持されているエアギャップの基準距離をｄ０、そしてウェハの反り等がある場合のエアギャップの距離をｄ１とすると、
α＝Ｖｄ／Ｖａ＝ｄ０／ｄ１
となる。そして、テーブル４が接地状態のときの測定電圧をＶｉとすると、
Ｖｉ＝６３３５．６３・Ｑ／ｄ１
であるから、エアギャップの距離の変動のない基準距離をｄ０の時の正確な電圧をＶｏとすると、
Ｖｏ＝６３３５．６３・Ｑ／ｄ０
となる。ここで、ｄ０＝α・ｄ１であるから、
0004064533.tif 000010
となる。従って、印加電圧をＶａ、接地時の測定電圧と電圧印加時の測定電圧との差分の測定値をＶｄの比αを求め、移動可能なテーブル４が接地時の測定電圧をαで除する事で、エアギャップの距離の変動を補正した正確な電圧を求める事ができる。
【００３９】
以上酸化膜付きウェハについて説明したが、表面のみ酸化膜付きウェハの場合も同様に扱う事ができる。実際の測定では、エッチングやアッシング等に用いられているプラズマ処理や、イオン注入、プラズマＣＶＤ等の不純物導入、また洗浄処理を行う前に、被測定の酸化膜付きウェハの初期状態の電荷の蓄積状態を本測定装置で行った後、処理後、再び本測定装置で測定を行い、その二つの測定値の差で工程処理の際に蓄積した電荷による電位を求める様にするが、工程処理に依って、ウェハの反りの状態がたとえ変化しても、本測定装置の距離補正を用いる事で正確に工程処理の際に蓄積した電荷による電位を求める事が出来る。
【００４０】
この補正方法の特徴は、単一の電極の測定の補正であろうが、同一面に一列に配置した複数の電極での測定であろうが、補正のための機構は同一で、測定点数が増えても何ら付加する必要はなく、ただ各電極の出力毎にソフト上で補正を行うだけで良いことである。つまり、電極を複数使用した場合でも、同一条件で距離補正が出来る為、より精度向上がはかれる。以上の様に、半導体ウェハ表面の絶縁膜に蓄積した電荷による電位分布を高速に、且つ、正確に測定することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ウェハの反りに起因する表面電位分布のばらつきを検出・補正し、表面電位分布を高速度で精度良く測定することができる。また距離補正に着目することにより、ウェハの反りの状態も測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ウェハの電位分布測定装置の構成図
【図２】ウェハの部分拡大断面図
【図３】ウェハに反りがない場合の電圧波形図
【図４】ウェハに反りがある場合の電圧波形図
【図５】ウェハに反りがある場合と反りがない場合の電位差波形図
【図６】電位差の比として求められる補正係数図
【図７】一般的なウェハの電位分布測定装置の構成図
【図８】ウェハと電極の等価回路図
【図９】（ａ）電圧測定の模型図
（ｂ）電荷分布図
【符号の説明】
１  ウェハ
２  半導体ウェハ
３  絶縁膜（酸化膜）
４  テーブル
５  電極
６  制御部
７  ナット
８  送りねじ
９  モータ
１１  スイッチ部
１５  補正電圧電源
１６  接地
Ｇ，Ｇ’  エアギャップ
【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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