(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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状態で、所定の非接触測定手法に従って前記半導体ウエハの第１の電気的特性値を求める工程と、
（ｂ）前記絶縁膜中の前記膜内イオンを前記絶縁膜の表面側に順次移動させるための所定のイオン移動処理を行いつつ、前記半導体ウエハに所定の波長範囲の光を照射することによって、前記絶縁膜の表面付近に存在する前記膜内イオンを順次中和する中和処理を実行する工程と、
（ｃ）前記膜内イオンが中和された状態で、前記所定の非接触測定手法によって得られる前記半導体ウエハの第２の電気的特性値を求める工程と、
（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膜内イオン量測定方法。
【請求項２】
請求項１記載の膜内イオン量測定方法であって、
前記イオン移動処理は、前記半導体ウエハを加熱する処理を含む、膜内イオン量測定方法。
【請求項３】
請求項２記載の膜内イオン量測定方法であって、
前記イオン移動処理において、前記加熱は前記半導体ウエハの温度が、１５０℃ないし２３０℃の範囲に達するように行われる、膜内イオン量測定方法。
【請求項４】
請求項２または３記載の膜内イオン量測定方法であって、
前記イオン移動処理において、前記半導体ウエハは、不活性ガス雰囲気中で加熱される、膜内イオン量測定方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の膜内イオン量測定方法であって、
前記イオン移動処理は、前記半導体ウエハに電圧を印加する処理を含み、
前記工程（ｂ）は、前記中和処理と前記イオン移動処理とを繰り返し行う工程を含む、膜内イオン量測定方法。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれかに記載の膜内イオン量測定方法であって、
前記イオン移動処理は、前記半導体ウエハに対して前記所定の非接触測定手法を実行する処理を含み、
前記工程（ｂ）は、前記中和処理と前記イオン移動処理とを繰り返し行う工程を含んでおり、
前記工程（ｃ）は、前記工程（ｂ）において繰り返し行われた前記イオン移動処理によって得られた複数の電気的特性値のうち、収束した値を前記第２の電気的特性値として求める工程を含む、膜内イオン量測定方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の膜内イオン量測定方法であって、
前記所定の波長範囲は、２３０ｎｍないし３００ｎｍの範囲のうちの少なくとも一部を含む範囲である、膜内イオン量測定方法。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の膜内イオン量測定方法であって、
前記所定の非接触測定手法は、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、
所定の非接触測定手法に従って前記半導体ウエハの電気的特性値を求めるための電気特性測定部と、
前記絶縁膜中の前記膜内イオンを前記絶縁膜の表面側に順次移動させるための所定のイオン移動処理を行いつつ、前記半導体ウエハに所定の波長範囲の光を照射することによって、前記絶縁膜の表面付近に存在する前記膜内イオンを順次中和する中和処理を実行す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状態で前記所定の非接触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、前記膜内イオン中和部によって前記膜内イオンが中和された状態で前記所定の非接触測定手法によって求めら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号公報に詳述されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、絶縁膜の表面付近に存在する膜内イオンは、光照射によってほぼ中和されるが、絶縁膜と半導体基板との界面付近に存在する膜内イオンは、あまり中和されていない。このため、絶縁膜中に存在する全膜内イオンの量を正確に求めることが困難であった。
【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より正確に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、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状態で、所定の非接触測定手法に従って前記半導体ウエハの第１の電気的特性値を求める工程と、（ｂ）前記絶縁膜中の前記膜内イオンを前記絶縁膜の表面側に順次移動させるための所定のイオン移動処理を行いつつ、前記半導体ウエハに所定の波長範囲の光を照射することによって、前記絶縁膜の表面付近に存在する前記膜内イオンを順次中和する中和処理を実行する工程と、（ｃ）前記膜内イオンが中和された状態で、前記所定の非接触測定手法によって得られる前記半導体ウエハの第２の電気的特性値を求める工程と、（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、膜内イオンを絶縁膜の表面側に順次移動させ、半導体ウエハに光を照射することによって、絶縁膜の表面付近に存在する膜内イオンを順次中和している。この結果、絶縁膜中の膜内イオンをほぼ全て中和することができるので、絶縁膜中の膜内イオンの量をより正確に測定することが可能となる。なお、上記のイオン移動処理と中和処理とは、同時に実行されてもよいし、別々に実行されてもよい。
【０００８】
上記の方法において、前記イオン移動処理は、前記半導体ウエハを加熱する処理を含むようにしてもよい。
【０００９】
こうすれば、絶縁膜中の膜内イオンを、うまく絶縁膜の表面側に順次移動させることができる。
【００１０】
上記の方法において、前記イオン移動処理において、前記加熱は前記半導体ウエハの温度が、約１５０℃ないし約２３０℃の範囲に達するように行われることが好ましい。
【００１１】
こうすれば、比較的短時間で膜内イオンを絶縁膜の表面付近に移動させることができるとともに、半導体ウエハに有機物等が混入することによる汚染を低減させることができる。
【００１２】
上記の方法において、前記イオン移動処理において、前記半導体ウエハは、不活性ガス雰囲気中で加熱されることが好ましい。
【００１３】
こうすれば、半導体ウエハの汚染をさらに低減させることが可能となる。
【００１４】
また、上記の方法において、前記イオン移動処理は、前記半導体ウエハに電圧を印加する処理を含み、前記工程（ｂ）は、前記中和処理と前記イオン移動処理とを繰り返し行う工程を含むようにしてもよい。
【００１５】
このようにしても、絶縁膜中の膜内イオンを、うまく絶縁膜の表面側に順次移動させることができ、また、絶縁膜の表面付近に存在する膜内イオンを順次中和することができる。
【００１６】
また、上記の方法において、前記イオン移動処理は、前記半導体ウエハに対して前記所定の非接触測定手法を実行する処理を含み、前記工程（ｂ）は、前記中和処理と前記イオン移動処理とを繰り返し行う工程を含んでおり、前記工程（ｃ）は、前記工程（ｂ）において繰り返し行われた前記イオン移動処理によって得られた複数の電気的特性値のうち、収束した値を前記第２の電気的特性値として求める工程を含むようにしてもよい。
【００１７】
このようにしても、絶縁膜中の膜内イオンを、うまく絶縁膜の表面側に順次移動させることができる。また、非接触測定が繰り返し行われるので、絶縁膜中に残存する膜内イオンの量を確認しながら、膜内イオンを中和させることが可能となる。
【００１８】
上記の方法において、前記所定の波長範囲は、約２３０ｎｍないし約３００ｎｍの範囲のうちの少なくとも一部を含む範囲であることが好ましい。
【００１９】
このような光を用いれば、絶縁膜の表面付近に存在する膜内イオンをうまく中和することができる。
【００２０】
上記の方法において、前記所定の非接触測定手法は、Ｃ−Ｖ測定であるようにしてもよい。
【００２１】
本発明の装置は、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、所定の非接触測定手法に従って前記半導体ウエハの電気的特性値を求めるための電気特性測定部と、前記絶縁膜中の前記膜内イオンを前記絶縁膜の表面側に順次移動させるための所定のイオン移動処理を行いつつ、前記半導体ウエハに所定の波長範囲の光を照射することによって、前記絶縁膜の表面付近に存在する前記膜内イオンを順次中和する中和処理を実行す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状態で前記所定の非接触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、前記膜内イオン中和部によって前記膜内イオンが中和された状態で前記所定の非接触測定手法によって求めら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る場合にも、上記の方法と同様の作用・効果を奏し、絶縁膜中の膜内イオンの量をより正確に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ＭＤ１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とともに、半導体ウエハ１００の絶縁膜中の膜内イオンを光照射によって中和する機能を有している。
【００２４】
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。
【００２５】
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、透明電極である測定用電極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。
【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との間に電圧を印加しつつ、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によって制御される。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】
この測定装置ＭＤ１は、さらに、半導体ウエハ１００に光を照射するための光源装置３５０と、半導体ウエハ１００を加熱するためのホットプレート３６０とを備えている。光源装置３５０とホットプレート３６０とは、後述するように、半導体ウエハ１００の表面に形成された絶縁膜中の膜内イオンを、絶縁膜の表面側に移動させて、光照射によって中和する機能を有している。なお、光源装置３５０は、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を含んでいる。本実施例では、光源として、キセノンフラッシュランプが使用されている。
【００２９】
半導体ウエハ１００は、図示しない搬送装置によって搬送され、試料台１７０およびホットプレート３６０の上に載置される。
【００３０】
図２は、第１実施例における半導体ウエハの絶縁膜中に存在する膜内イオン量の決定手順を示すフローチャートである。ステップＳ１０１においては、半導体ウエハ１００について１回目の非接触Ｃ−Ｖ測定を行い、第１のＣ−Ｖ曲線を得る。
【００３１】
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のステップＳ１０１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が形成されており、絶縁膜１０２中には不純物膜内イオン（膜内イオン）Ｍ+ が含まれている。なお、膜内イオンＭ+ としては、ナトリウムイオンＮａ+ やカリウムイオンＫ+ 、リチウムイオンＬｉ+ など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。
【００３２】
図３（Ａ−２）は、図３（Ａ−１）に示す半導体ウエハ１００について１回目の非接触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。
【００３３】
図２のステップＳ１０１において第１のＣ−Ｖ曲線Ｆ１が得られると、ステップＳ１０２において、半導体ウエハ１００を加熱するとともに、所定の波長範囲の光を照射する。これにより、絶縁膜１０２中の膜内イオンＭ+ は絶縁膜１０２の表面側に移動し、絶縁膜１０２の表面付近において中和される。
【００３４】
図４は、ステップＳ１０２（図２）において絶縁膜１０２中の膜内イオンＭ+ が中和される様子を示す説明図である。図４（Ａ−１）は、ステップＳ１０１における絶縁膜１０２中の膜内イオンＭ+ の空間分布を模式的に示している。図４（Ａ−２）は、図４（Ａ−１）に示す膜内イオンＭ+ の絶縁膜の厚み方向における密度分布を示している。図示するように、絶縁膜１０２中の膜内イオンＭ+ は、絶縁膜１０２の表面付近、および、絶縁膜１０２と半導体基板１０１との界面付近に多く存在しており、その間にはあまり存在していない。このような膜内イオンＭ+ の分布は、半導体基板を汚染酸化しながら絶縁膜１０２を形成した場合や、絶縁膜１０２上に形成されたレジストをアッシング（ashing）した場合などに生じやすい。
【００３５】
なお、図４（Ａ−２）に示すような密度分布は、エッチオフ（etch-off）法によって確認することができる。すなわち、絶縁膜１０２をその表面から複数回に分けて徐々にエッチングし、各回のエッチング後に絶縁膜１０２中の膜内イオンＭ+ の量を測定する。これにより、絶縁膜１０２中の膜内イオンＭ+ の分布を知ることができる。
【００３６】
図４（Ｂ−１），（Ｂ−２）および図４（Ｃ−１），（Ｃ−２）は、図４（Ａ−１），（Ａ−２）と同様に、ステップＳ１０２における絶縁膜１０２中の膜内イオンＭ+ の分布を示している。上記のように、ステップＳ１０２では、半導体ウエハ１００を加熱するとともに、光を照射する。図４（Ｂ−１）に示すように、半導体ウエハ１００に光を照射すると、半導体基板１０１中の電子が励起される。励起された電子は、絶縁膜１０２の表面付近に存在する膜内イオンＭ+ を中和する。このとき、図４（Ｂ−２）に示すように、絶縁膜１０２の表面付近における膜内イオンＭ+ の密度が小さくなる。絶縁膜１０２の表面付近の膜内イオンＭ+ の密度が小さくなると、図４（Ｃ−１）に示すように、絶縁膜１０２と半導体基板１０１との界面付近に存在する膜内イオンＭ+ が、平衡条件を満たすように、絶縁膜１０２の表面側に向かって移動する。このように半導体ウエハ１００を加熱することにより、膜内イオンＭ+ を移動しやすくすることができる。このとき、図４（Ｃ−２）に示すように、絶縁膜１０２と半導体基板１０１との界面付近に残存する膜内イオンＭ+ の密度が小さくなり、逆に、絶縁膜１０２の表面付近に存在する膜内イオンＭ+ の密度が大きくなる。
【００３７】
図４（Ｂ−１），（Ｂ−２）および図４（Ｃ−１），（Ｃ−２）に示すような中和が連続して行われることにより、絶縁膜１０２中のほぼ全ての膜内イオンＭ+ は、絶縁膜１０２の表面付近で中和される。
【００３８】
ところで、ステップＳ１０２（図２）において、絶縁膜１０２中に含まれる膜内イオンＭ+ を絶縁膜１０２の表面に移動させているのは、膜内イオンＭ+ は、絶縁膜１０２の表面付近に存在するときに中和されやすいためである。この現象も、上記と同様に、エッチオフ法によって確かめることができる。すなわち、光照射後の半導体ウエハにおける絶縁膜中の膜内イオンＭ+ の分布を調べ、上記の光照射していない半導体ウエハにおける絶縁膜中の膜内イオンＭ+ の分布と比較すれば、絶縁膜の表面付近に存在する膜内イオンＭ+ が光照射により中和されやすいことを知ることができる。
【００３９】
ここで、ステップＳ１０２における加熱は、図１のホットプレート３６０によって実行される。本実施例においては、半導体ウエハ１００の温度が約１８０℃となるように加熱されており、加熱時間は約１分〜約１０分である。なお、加熱は、半導体ウエハ１００の温度が、約１５０℃〜約２３０℃の範囲に達するように行われることが好ましい。このような温度で加熱すれば、比較的短時間で膜内イオンＭ+ を絶縁膜１０２の表面付近に移動させることができるとともに、半導体ウエハ１００に有機物等が混入することによる汚染を低減させることができる。また、光源装置３５０とホットプレート３６０とを筐体内に備えるようにして、筐体内を窒素ガスなどの不活性ガスで置換するようにしてもよい。半導体ウエハ１００を不活性ガス雰囲気中で加熱すれば、半導体ウエハ１００の汚染をさらに低減させることができる。
【００４０】
一方、ステップＳ１０２における光照射は、図１の光源装置３５０によって実行される。本実施例において、約２３０ｎｍ〜約３００ｎｍの波長範囲を有する光が用いられており、半導体ウエハの表面１００ａでの光強度は、約４ｍＷ／ｃｍ2 に設定されている。また、半導体ウエハ１００への光照射は、加熱中、連続して行われている。なお、半導体ウエハ１００を照射する光の波長範囲は、約２３０ｎｍ〜約３００ｎｍの範囲のうちの少なくとも一部を含む範囲であることが好ましい。このような波長範囲を有する光を用いれば、うまく半導体基板１０１内の電子を励起して、絶縁膜１０２の表面付近に存在する膜内イオンＭ+ を中和することができる。
【００４１】
図２のステップＳ１０３では、半導体ウエハ１００について２回目の非接触Ｃ−Ｖ測定を行い、第２のＣ−Ｖ曲線を得る。
【００４２】
図３（Ｂ−１）は、ステップＳ１０２を経て図３（Ａ−１）に示す膜内イオンＭ+ が中和された様子を示している。図示するように、膜内イオンＭ+ は、絶縁膜１０２の表面付近に移動した後に中和されている。図３（Ｂ−２）は、図３（Ｂ−１）に示す半導体ウエハ１００について２回目の非接触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Ｓ１０１で得られた第１のＣ−Ｖ曲線Ｆ１も示されている。
【００４３】
ステップＳ１０４（図２）では、ステップＳ１０１で得られた第１のＣ−Ｖ曲線Ｆ１と、ステップＳ１０２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Ｍ+ の量を求める。具体的には、膜内イオンＭ+ 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Ｖｆｂ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。
【００４４】
【数１】
0003774354.tif 000002
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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Ｍ+ の量を決定することができる。
【００４８】
なお、実際には、絶縁膜は、膜内イオンの他に固定電荷等も含んでいる。例えば、光照射を約１０分間行った場合に得られたシリコン酸化膜内の全電荷量は約５．６×１０10（個／ｃｍ2 ）となっており、ナトリウムイオンＮａ+ が含まれていない場合のシリコン酸化膜中の全電荷量３×１０10（個／ｃｍ2 ）とほぼ同等の値が得られる。このことから、絶縁膜中の膜内イオンは、ほぼ全て中和されていることが分かる。なお、光照射をさらに長時間行えば、さらに近似した値を得ることができる。
【００４９】
以上説明したように、本実施例においては、半導体ウエハを加熱することによって、絶縁膜中に存在する膜内イオンを絶縁膜の表面側に順次移動させるためのイオン移動処理を行いつつ、所定の波長範囲の光を照射することによって、絶縁膜の表面付近に存在する膜内イオンを順次中和する中和処理を実行している。これにより、絶縁膜中に存在する膜内イオンをほぼ全て中和することができるので、第１および第２のＣ−Ｖ曲線から、絶縁膜中の膜内イオンの量をより正確に求めることが可能となる。
【００５０】
なお、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、本発明における電気特性測定部に相当する。また、光源装置３５０とホットプレート３６０とが、本発明における膜内イオン中和部に相当する。
【００５１】
Ｂ．第２実施例：
図５は、本発明の第２実施例としての膜内イオン量測定装置ＭＤ２を示す説明図である。この測定装置ＭＤ２も、図１に示す測定装置ＭＤ１と同様に、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とともに、半導体ウエハ１００の絶縁膜中の膜内イオンを光照射によって中和する機能を有している。
【００５２】
測定装置ＭＤ２は、図１の測定装置ＭＤ１とほぼ同様の構成を有しているが、ホットプレート３６０（図１）が省略されている。本実施例においては、移動ステージ１９０が、試料台１７０に載置された半導体ウエハ１００を光源装置３５０の下部に搬送する。
【００５３】
図６は、第２実施例における半導体ウエハの絶縁膜中に存在する膜内イオン量の決定手順を示すフローチャートである。ステップＳ２０１においては、図２のステップＳ１０１と同様、半導体ウエハ１００について１回目の非接触Ｃ−Ｖ測定を行い、第１のＣ−Ｖ曲線を得る。
【００５４】
ステップＳ２０２ａでは、半導体ウエハ１００に所定の波長範囲の光を照射する。また、ステップＳ２０２ｂでは、半導体ウエハ１００に電圧を印加する。このステップＳ２０２ａ，Ｓ２０２ｂの処理を繰り返し行うことにより、絶縁膜１０２中の膜内イオンＭ+ は絶縁膜１０２の表面側に移動し、絶縁膜１０２の表面付近において中和される。この説明からも分かるように、このステップＳ２０２ａ，Ｓ２０２ｂが、図２のステップＳ１０２に対応する。
【００５５】
図７は、ステップＳ２０２ａ，Ｓ２０２ｂ（図６）において絶縁膜１０２中の膜内イオンＭ+ が中和される様子を示す説明図である。図７（Ａ−１），（Ａ−２）は、それぞれ、ステップＳ２０１における絶縁膜１０２中の膜内イオンＭ+ の分布を示しており、図４（Ａ−１），（Ａ−２）と同じである。
【００５６】
図７（Ｂ−１），（Ｂ−２）は、ステップＳ２０２ａにおける絶縁膜１０２中の膜内イオンＭ+ の分布を示している。ステップＳ２０２ａにおいて、図７（Ｂ−１）に示すように、半導体ウエハ１００に光を照射すると、半導体基板１０１中の電子が励起され、この結果、絶縁膜１０２の表面付近に存在する膜内イオンＭ+ が中和される。このとき、図７（Ｂ−２）に示すように、絶縁膜１０２の表面付近の膜内イオンＭ+ の密度が小さくなる。
【００５７】
図７（Ｃ−１），（Ｃ−２）は、ステップＳ２０２ｂにおける絶縁膜１０２中の膜内イオンＭ+ の分布を示している。ステップＳ２０２ｂにおいては、半導体ウエハ１００に電圧が印加される。具体的には、図７（Ｃ−１）に示すように、絶縁膜１０２と半導体基板１０１との界面付近に存在する膜内イオンＭ+ が、絶縁膜１０２の表面側に移動するように、絶縁膜１０２表面を負にバイアスする。このとき、図７（Ｃ−２）に示すように、絶縁膜１０２と半導体基板１０１との界面付近に残存する膜内イオンＭ+ の密度が小さくなり、逆に、絶縁膜１０２の表面付近に存在する膜内イオンＭ+ の密度が大きくなる。
【００５８】
ここで、ステップＳ２０２ａにおける光照射は、図５の光源装置３５０によって実行される。本実施例においても、約２３０ｎｍ〜約３００ｎｍの波長範囲を有する光が用いられている。半導体ウエハの表面１００ａでの光強度は約９ｍＷ／ｃｍ2 に設定されており、照射時間は約２０秒間に設定されている。
【００５９】
一方、ステップＳ２０２ｂにおける電圧印加は、測定用電極２０１を用いて実行される。本実施例において、絶縁膜１０２に印加される電圧は、最大約４Ｖに設定されている。
【００６０】
ステップＳ２０２ａ，Ｓ２０２ｂの中和処理を繰り返し行うことにより、絶縁膜１０２中のほぼ全ての膜内イオンＭ+ は、絶縁膜１０２の表面付近で中和される。
【００６１】
ところで、本実施例において、ステップＳ２０２ａおよびステップＳ２０２ｂからなる一連の中和処理を繰り返し行っているのは、１回の中和処理だけでは、絶縁膜１０２中の膜内イオンＭ+ をほぼ全て中和することが困難なためである。
【００６２】
図８は、中和処理の回数と絶縁膜中に残存する膜内イオン量との関係を示す説明図である。図８の横軸は、処理回数を示しており、ステップＳ２０２ａとステップＳ２０２ａとの一連の処理が１回の処理を意味している。また、縦軸は、各回の処理が終了したときの絶縁膜１０２中の膜内イオン量Ｎ（個／ｃｍ2 ）を示している。図示するように、各回の処理毎に、絶縁膜１０２中に残存する膜内イオンＭ+ の量Ｎは、徐々に減少している。仮に、４０回の処理で照射される光の照射量を、１回の処理で長時間照射した場合には、図８に示す１回処理後の膜内イオンＭ+ の量Ｎとほぼ同じ値しか得られない。このことから、光照射後に電圧を印加することによって、絶縁膜１０２と半導体基板１０１との界面付近に存在する膜内イオンＭ+ が絶縁膜１０２の表面側に移動すると考えられる。なお、図８において、処理回数を増加させれば、絶縁膜中に残存する膜内イオンの量Ｎをさらに減少させることができる。
【００６３】
上記のように、ステップＳ２０２ａおよびステップＳ２０２ｂの一連の中和処理を繰り返し実行することによって、絶縁膜１０２中の膜内イオンＭ+ が順次中和されることとなる。
【００６４】
図６のステップＳ２０３では、図２のステップＳ１０３と同様、２回目のＣ−Ｖ測定を行い、第２のＣ−Ｖ曲線を得る。
【００６５】
ステップＳ２０４では、図２のステップＳ１０４と同様、第１のＣ−Ｖ曲線と第２のＣ−Ｖ曲線とから、初期状態の絶縁膜１０２中に存在した膜内イオンＭ+ の量を求める。
【００６６】
以上説明したように、本実施例においては、半導体ウエハに所定の波長範囲の光を照射することによって絶縁膜の表面付近に存在する膜内イオンを順次中和する中和処理と、半導体ウエハに電圧を印加することによって絶縁膜中に存在する膜内イオンを絶縁膜の表面側に順次移動させるイオン移動処理とを、繰り返し行っている。これにより、絶縁膜中に存在する膜内イオンをほぼ全て中和することができるので、第１および第２のＣ−Ｖ曲線から、絶縁膜中の膜内イオンの量をより正確に求めることが可能となる。
【００６７】
Ｃ．第３実施例：
ところで、第２実施例では、図６に示したように、ステップＳ２０２ｂで電圧を繰り返し印加し、ステップＳ２０３で非接触Ｃ−Ｖ測定を行っている。非接触Ｃ−Ｖ測定では、半導体ウエハ１００に電圧が印加される。したがって、ステップＳ２０２ｂにおける電圧印加は、非接触Ｃ−Ｖ測定を実行することによって実現することができる。第３実施例では、非接触Ｃ−Ｖ測定を実行することによって、半導体ウエハに電圧を印加し、絶縁膜中の膜内イオンを絶縁膜の表面側に順次移動させている。なお、第３実施例においても、第２実施例と同じ膜内イオン量測定装置ＭＤ２（図５）が用いられる。
【００６８】
図９は、第３実施例における半導体ウエハの絶縁膜中に存在する膜内イオン量の測定手順を示すフローチャートである。なお、ステップＳ３０１，Ｓ３０２ａ，Ｓ３０４については、第２実施例（図６）のステップＳ２０１，Ｓ２０２ａ，Ｓ２０４と同じである。
【００６９】
ステップＳ３０２ｂにおいては、非接触Ｃ−Ｖ測定が実行されることにより、半導体ウエハ１００に電圧が印加される。Ｃ−Ｖ測定時の電圧印加によって、図７（Ｃ−１），（Ｃ−２）と同様に、絶縁膜１０２と半導体基板１０１との界面付近に存在する膜内イオンＭ+ が絶縁膜１０２の表面側に移動する。ところで、Ｃ−Ｖ測定においては、図３（Ａ−１），（Ａ−２）に示すように、電圧は挿引される。したがって、絶縁膜１０２表面が負にバイアスされる場合もあるが、正にバイアスされる場合もある。しかしながら、電圧を挿引した場合にも、絶縁膜１０２中の膜内イオンＭ+ は、全体として絶縁膜１０２の表面側に移動する。これは、絶縁膜１０２中の膜内イオンＭ+ に、動きやすい方向（すなわち、絶縁膜１０２の表面側に向かう方向）があるためであると考えられている。なお、ステップＳ３０２ｂを繰り返し実行することによって複数のＣ−Ｖ曲線が得られるが、これらの測定結果から得られる絶縁膜中の膜内イオンの量は、図８と同じ傾向を示す。すなわち、ステップＳ３０２ａとステップＳ３０２ｂとの一連の処理回数が増加するにつれ、絶縁膜中の膜内イオン量は徐々に減少する。
【００７０】
ステップＳ３０３では、ステップＳ３０２ｂにおいて得られた複数のＣ−Ｖ曲線の中から、測定結果が収束したＣ−Ｖ曲線を第２のＣ−Ｖ曲線として求める。収束したＣ−Ｖ曲線とは、具体的には、絶縁膜中の膜内イオンの中和が進行し、フラットバンド電圧Ｖｆｂの値がほぼ一定の値に収束したＣ−Ｖ曲線を意味している。そして、ステップＳ３０４において、ステップＳ３０１で得られた第１のＣ−Ｖ曲線と、ステップＳ３０３で得られた第２のＣ−Ｖ曲線とから、膜内イオンの量が決定される。
【００７１】
図１０は、第３実施例の非接触Ｃ−Ｖ測定で得られた膜内イオン量の測定結果と、ＢＴ測定で得られた膜内イオン量の測定結果とを比較したグラフである。なお、ＢＴ（Bias Temperature）測定は、周知の接触測定であり、絶縁膜上に接触状態で設けられた電極が用いられる。ＢＴ測定では、高温状態の半導体ウエハに正電圧および負電圧を印加することにより、絶縁膜中に存在する膜内イオンを測定する。このＢＴ測定を用いれば、半導体ウエハが損傷してしまうが、かなり正確に膜内イオンの量を測定することが可能である。図１０では、膜内イオンの量が異なる４種類の半導体ウエハＷ１〜Ｗ４について、本実施例の非接触Ｃ−Ｖ測定とＢＴ測定とが実施されている。横軸は、ＢＴ測定で得られた膜内イオン量を示しており、縦軸は、本実施例の非接触Ｃ−Ｖ測定で得られた膜内イオン量を示している。そして、図中破線で示す直線上に各半導体ウエハＷ１〜Ｗ４がプロットされるときに、ＢＴ測定で得られた膜内イオン量と、本実施例の非接触Ｃ−Ｖ測定で得られた膜内イオン量とが一致することとなる。例えば、第２の半導体ウエハＷ２については、本実施例の非接触Ｃ−Ｖ測定およびＢＴ測定の双方において、膜内イオン量は約１．７×１０11（個／ｃｍ2 ）となっているので、破線で示す直線上にプロットされている。図１０に示すように、本実施例の非接触Ｃ−Ｖ測定の測定結果は、ＢＴ測定の測定結果と、かなり一致していることが分かる。
【００７２】
以上説明したように、本実施例においては、半導体ウエハに所定の波長範囲の光を照射することによって絶縁膜の表面付近に存在する膜内イオンを順次中和する中和処理と、半導体ウエハに対して非接触Ｃ−Ｖ測定を行うことによって絶縁膜中に存在する膜内イオンを絶縁膜の表面側に順次移動させるイオン移動処理とを、繰り返し行っている。また、繰り返し行われたイオン移動処理において得られた複数のＣ−Ｖ曲線のうち、収束したＣ−Ｖ曲線を第２のＣ−Ｖ曲線として求めている。これにより、絶縁膜中に存在する膜内イオンをほぼ全て中和することができ、第１および第２のＣ−Ｖ曲線から、絶縁膜中の膜内イオンの量をより正確に求めることが可能となる。
【００７３】
なお、第３実施例のようにすれば、絶縁膜１０２中に残存する膜内イオンＭ+ の量を確認しながら、膜内イオンＭ+ を中和することができるという利点がある。ただし、第２実施例のようにすれば、ステップＳ２０２ｂにおいて電圧を挿引しなくて済むので、膜内イオンの量の測定時間を短くすることができる。
【００７４】
第１ないし第３実施例から分かるように、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、絶縁膜中の膜内イオンを絶縁膜の表面側に順次移動させるための所定のイオン移動処理を行いつつ、半導体ウエハに所定の波長範囲の光を照射することによって、絶縁膜の表面付近に存在する膜内イオンを順次中和する中和処理を実行している。これにより、絶縁膜中に存在する膜内イオンをほぼ全て中和することができるので、この結果、絶縁膜中に存在していた膜内イオンの量をより正確に測定することが可能となる。
【００７５】
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。
【００７６】
（１）上記実施例では、半導体ウエハ１００に光を照射する際に、半導体ウエハ１００を光源装置３５０の下部に搬送しているが、搬送しないようにしてもよい。すなわち、光源装置３５０から射出される光が、プリズム１４０および透明電極である測定用電極２０１を通過して、半導体ウエハ１００を照射するようにしてもよい。この場合には、ステッピングモータ１１０と圧電アクチュエータ１２０と架台１３０の内側に光ファイバなどの導光路を設け、光源装置３５０から射出される光を半導体ウエハ１００上に導くようにすればよい。
【００７７】
（２）第２実施例では、測定用電極２０１を用いて半導体ウエハ１００に電圧を印加しているが、半導体ウエハ１００を帯電させるようにしてもよい。例えば、半導体ウエハ１００上にコロナ電荷を付加するようにすればよい。半導体ウエハ１００の表面を負電荷で帯電させれば、絶縁膜１０２中の膜内イオンＭ+ を絶縁膜１０２の表面側にうまく移動させることが可能である。半導体ウエハ１００の表面を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。
【００７８】
また、第２および第３実施例では、独立して、あるいは、非接触Ｃ−Ｖ測定の際に、半導体ウエハに電圧を印加し、所定の波長範囲の光を照射することによって、膜内イオンを中和しているが、これに加えて、半導体ウエハを加熱するようにしてもよい。この場合には、イオン移動処理は、加熱する処理と電圧を印加する処理とを含むこととなる。
【００７９】
一般に、絶縁膜中の膜内イオンを中和する工程は、絶縁膜中の膜内イオンを絶縁膜の表面側に順次移動させるための所定のイオン移動処理を行いつつ、半導体ウエハに所定の波長範囲の光を照射することによって、絶縁膜の表面付近に存在する膜内イオンを順次中和する中和処理を実行するような工程であればよい。
【００８０】
（３）上記実施例では、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。
【００８１】
（４）上記実施例では、本発明の非接触測定手法として、Ｃ−Ｖ測定を用いているが、他の非接触測定手法を用いるようにしてもよい。例えば、半導体ウエハに断続光を照射することにより発生する半導体ウエハの表面光電圧（ＳＰＶ：Surface Photo Voltage）を非接触で測定する表面光電圧測定を用いることができる。また、測定用電極と半導体ウエハとのギャップを時間的に変化させつつ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用いてもよい。なお、この測定手法は、ケルビン法として周知であり、例えば、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。
【００８２】
一般に、本発明における非接触測定手法としては、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ＭＤ１を示す説明図である。
【図２】第１実施例における半導体ウエハの絶縁膜中に存在する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】ステップＳ１０２（図２）において絶縁膜１０２中の膜内イオンＭ+ が中和される様子を示す説明図である。
【図５】本発明の第２実施例としての膜内イオン量測定装置ＭＤ２を示す説明図である。
【図６】第２実施例における半導体ウエハの絶縁膜中に存在する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７】ステップＳ２０２ａ，Ｓ２０２ｂ（図６）において絶縁膜１０２中の膜内イオンＭ+ が中和される様子を示す説明図である。
【図８】中和処理の回数と絶縁膜中に残存する膜内イオン量との関係を示す説明図である。
【図９】第３実施例における半導体ウエハの絶縁膜中に存在する膜内イオン量の測定手順を示すフローチャートである。
【図１０】第３実施例の非接触Ｃ−Ｖ測定で得られた膜内イオン量の測定結果と、ＢＴ測定で得られた膜内イオン量の測定結果とを比較したグラフである。
【符号の説明】
１００…半導体ウエハ
１００ａ…半導体ウエハの表面
１０１…半導体基板
１０２…絶縁膜
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…移動ステージ
２０１…測定用電極
３１０…Ｚ位置制御装置
３２０…光量測定器
３３０…容量測定器
３５０…光源装置
３６０…ホットプレート
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
Ｃｆｂ…フラットバンド容量
Ｖｆｂ…フラットバンド電圧
Ｇ…ギャップ
ＭＤ１，ＭＤ２…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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