特許 6867627 界面準位密度測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6867627

(24)【登録日】2021年4月13日

(45)【発行日】2021年4月28日

(54)【発明の名称】界面準位密度測定装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/66 20060101AFI20210419BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/66 Q

【請求項の数】3

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2017-215346(P2017-215346)

(22)【出願日】2017年11月8日

(65)【公開番号】特開2019-87654(P2019-87654A)

(43)【公開日】2019年6月6日

【審査請求日】2020年6月10日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２８年度国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業研究成果最適展開支援プログラム 産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】312007423

【氏名又は名称】グローバルウェーハズ・ジャパン株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504159235

【氏名又は名称】国立大学法人 熊本大学

(74)【代理人】

【識別番号】100101878

【弁理士】

【氏名又は名称】木下 茂

(74)【代理人】

【識別番号】100187506

【弁理士】

【氏名又は名称】澤田 優子

(72)【発明者】

【氏名】宮下 守也

(72)【発明者】

【氏名】前田 貴弘

(72)【発明者】

【氏名】久保田 弘

(72)【発明者】

【氏名】橋新 剛

(72)【発明者】

【氏名】小林 一博

(72)【発明者】

【氏名】小野 貴寛

(72)【発明者】

【氏名】川野 達郎

(72)【発明者】

【氏名】松山 浩輝

(72)【発明者】

【氏名】古田 正昭

(72)【発明者】

【氏名】長野 聖央

【審査官】 古川 哲也

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０３−１３２０５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−１９９７７５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／６６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体基板上に形成された誘電体膜と前記半導体基板との界面準位の密度を測定する装置であって、
前記半導体基板を保持する基板保持部と、
前記基板保持部に保持された半導体基板の誘電体膜に対し所定の間隙をもって配置されるプローブ電極と、
前記プローブ電極を電極として前記半導体基板に電圧印加する電圧印加部と、
前記プローブ電極からパルス発光させ、前記電圧印加部により電圧印加された前記半導体基板に光照射する光照射部と、
照射光の波長を測定するスペクトル検出器と、
前記界面準位に捕獲されていたキャリアの移動に伴う電圧の変化を測定する測定部と、
前記測定部により測定された信号のピーク電圧に基づき界面準位密度を算出するコンピュータと、
を備えることを特徴とする界面準位密度測定装置。

【請求項2】

前記光照射部は、
パルス光源と、
前記パルス光源から発生させたパルス光を所望の波長に分光する分光光学系と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載された界面準位密度測定装置。

【請求項3】

前記分光光学系は、パルス光の波長を２２０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲内で任意の波長幅で分光することを特徴とする請求項２に記載された界面準位密度測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体と誘電体膜との界面におけるエネルギー準位（界面準位）の密度を測定する界面準位密度測定装置に関し、例えば、ＭＯＳ構造を有するメモリ、ロジック、イメージセンサにおいて、前記界面準位密度を非破壊、非接触に、迅速かつ精度良く測定可能な界面準位密度測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイス、特にＭＯＳ構造を有するメモリ、ロジック、イメージセンサなどにおいて、半導体と誘電体膜との界面に存在するエネルギー準位（界面準位）は、トランジスタ、キャパシタ、フォトダイオードの動作性能、品質に大きな影響を及ぼす。
そのため、半導体装置の製造にあっては、界面準位を測定することが非常に重要な要素となっている。
従来の界面準位測定法として、チャージポンピング法（例えば、特許文献１、２）、或いはＣ−Ｖ法（例えば特許文献３）などが行われている。

【0003】

特許文献１，２に開示されるチャージポンピング法とは、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）のゲート電極にパルス電圧を印加した際、界面トラップによるキャリアの捕獲・放出に起因した基板電流より界面準位密度を導出する方法である。
この方法によれば、界面準位密度のバンドギャップ内エネルギー分布、及びチャネル方向の分布を算出することができる。
また、特許文献３に開示されるＣ−Ｖ法とは、ＭＩＳ型半導体素子におけるＣ−Ｖ特性の周波数依存性から界面準位を求める原理に基づくものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平７−１５３８１１号公報

【特許文献2】特許第５８５７９０１号公報

【特許文献3】特開平８−１０２４８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１乃至特許文献３に開示された従来の測定方法にあっては、いずれも半導体基板に誘電体膜、電極からなるＭＯＳ構造、或いはＭＩＳ構造の評価サンプルを形成した後に測定を行う必要があり、評価サンプルを準備するために時間を要する上、破壊検査を行う必要があった。

【0006】

即ち、評価サンプルを形成するには、シリコン基板の酸化、多結晶シリコンの堆積、パターンニング、エッチング、イオン注入による不純物導入、アニール、といった時間的に長い工程が必要であり、合計で１週間以上の時間が必要とされる。

【0007】

半導体デバイスの製造現場においては、プロセスで形成した誘電体膜と半導体との界面の質を評価して、プロセス装置の状態などに迅速にフィードバックすることが求められており、測定に長い時間がかかっていては実用に適さない。

【0008】

本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、例えばＭＯＳ構造を有する半導体デバイスにおいて、半導体と誘電体膜との界面に存在するエネルギー準位の密度を迅速に非破壊かつ高精度に測定することのできる界面準位密度測定装置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】

【0009】

前記課題を解決するためになされた、本発明に係る界面準位密度測定装置は、半導体基板上に形成された誘電体膜と前記半導体基板との界面準位の密度を測定する装置であって、前記半導体基板を保持する基板保持部と、前記基板保持部に保持された半導体基板の誘電体膜に対し所定の間隙をもって配置されるプローブ電極と、前記プローブ電極を電極として前記半導体基板に電圧印加する電圧印加部と、前記プローブ電極からパルス発光させ、前記電圧印加部により電圧印加された前記半導体基板に光照射する光照射部と、照射光の波長を測定するスペクトル検出器と、前記界面準位に捕獲されていたキャリアの移動に伴う電圧の変化を測定する測定部と、前記測定部により測定された信号のピーク電圧に基づき界面準位密度を算出するコンピュータと、を備えることに特徴を有する。
なお、前記光照射部は、パルス光源と、前記パルス光源から発生させたパルス光を所望の波長に分光する分光光学系と、を備えることが望ましい。
また、前記分光光学系は、パルス光の波長を２２０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲内で任意の波長幅で分光することが望ましい。

【0010】

このような構成によれば、シリコンウェーハを酸化しただけの基板であっても、ウェーハと誘電体膜との界面準位密度を非接触かつ迅速に測定することが可能である。従って、例えば、製造工程途中のシリコンウェーハを迅速に評価し、プロセス改善に迅速にフィードバックすることができる。

【発明の効果】

【0011】

本発明に係る誘電体膜の電気伝導率測定装置によれば、例えばＭＩＳ構造を有する半導体デバイスにおいて、誘電体膜の電気伝導率を迅速に非破壊かつ高精度に測定することのできる誘電体膜の電気伝導率測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、本発明に係る界面準位密度測定装置の構成を模式的に示すブロック図である。

【図2】図２は、パルス光を照射するための光学系の構成を示すブロック図である。

【図3】図３は、本発明に適用可能な光学系の構成を示すブロック図である。

【図4】図４は、本発明にかかる実施形態で照射する光のスペクトルを示すグラフである。

【図5】図５は、本発明にかかる実施形態で照射する光のスペクトルを示すグラフである。

【図6】図６は、本発明にかかる実施形態で照射する光のスペクトルを示すグラフである。

【図7】図７は、本発明にかかる実施形態で照射する光のスペクトルを示すグラフである。

【図8】図８は、本発明にかかる実施形態で照射する光のスペクトルを示すグラフである。

【図9】図９は、図１の界面準位密度測定装置における測定の流れを示すフローである。

【図10】図１０は、測定した光信号の一例を示すグラフである。

【図11】図１１は、界面準位密度の計算結果を示す表である。

【図12】図１２は、補正係数を求めた結果を示す表である。

【図13】図１３は、求めた補正係数を界面準位密度計算結果に乗算した結果を示す表である。

【図14】図１４は、界面準位密度の結果を示すグラフである。

【図15】図１５は、図１４のグラフにおいて印加電圧が０Ｖの際の結果であって、バンドギャップ中の各エネルギー領域における界面準位密度を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明に係る界面準位密度測定装置について図面を用いながら説明する。
図１は、本発明に係る界面準位密度測定装置（以下、単に測定装置ともいう）の構成を模式的に示すブロック図である。

【0014】

図１の測定装置１は、測定検体である半導体基板（以下、単に基板Ｗと呼ぶ）を吸着保持するための金属製のチャック２（基板保持部）を備える。このチャック２には、測定電圧増幅器３を介して基板Ｗ側からの信号を取得するためのオシロスコープ４（測定部）が接続されている。なお、基板Ｗは、シリコンウェーハ上に誘電体膜が形成されており、測定装置１はその誘電体膜とウェーハとの界面におけるエネルギー準位の密度を測定するものである。

【0015】

また、測定装置１は、基板Ｗの上方に配置される上下移動可能なプローブ電極５と、光導波路（光ファイバ１１）を介して前記プローブ電極５と接続されるモノクロメータ６と、前記モノクロメータ６に対しパルス光を照射するための光を発生する光源部７（例えばキセノンフラッシュランプを光源に含む構成）とを備える。
さらに測定装置１は、プローブ電極５に電力供給する印加電圧増幅器８と、任意の波形を発生し光源部７及び印加電圧増幅器８に供給する任意波形発生器９とを備える。

【0016】

プローブ電極５は、例えば直径１．６１ｍｍのアルミ製中空円筒構造の電極である。その中空部分にコア径１ｍｍの光ファイバ１１を通し、光源部７からモノクロメータ６を通した光を光ファイバへ導入し、基板Ｗ上にＵＶ光照射がなされる。プローブ電極５の先端と基板Ｗとの間のギャップ幅は、数μｍ程度とされる。このプローブ電極５は、前記のように印加電圧増幅器８に接続されており、基板Ｗに対し電圧印加するとともに、光ファイバからのパルス光を基板Ｗに照射する。

【0017】

さらに、測定装置１は、界面準位密度計算用の演算処理を行うコンピュータ（図示せず）を備えている。任意波形発生器９（例えばＴｅｋｔｒｏｎｉｘ社製ＡＷＧ２００５）は、光源部７へのトリガ信号、基板Ｗへの印加電圧のタイミング同期に用いられる。

【0018】

ここで測定原理を説明する。
まず、基板Ｗのシリコンウェーハに対してプローブ電極５により非接触でパルス電圧を印加する。
次いでパルス電圧が印加されている状態でパルス光照射することにより、バンドギャップ中の界面準位に捕獲されていたキャリアが励起して酸化膜中へ移動する。
このときのキャリア移動に伴う信号をオシロスコープ４で観測する。
そして、観測した信号のピーク電圧ΔＶを用いて以下の式（１）により界面準位密度を計算する。

【0019】

【数1】

【0020】

なお、式（１）中、Ｑ_itは移動したキャリアの電荷［Ｃ］、Ｄ_itは界面準位密度［ｃｍ^-2ｅＶ^-1］、Ｃ_fはケーブルの容量［Ｆ］、ΔＶはピーク電圧［Ｖ］、Ｓは電極面積 ［ｃｍ²］、ｑは素電荷［Ｃ］、ｌはキャリアが酸化膜を移動する距離［ｍ］、Ｗ_oxideは酸化膜厚［ｍ］、ΔＥは測定のエネルギー分解能［ｅＶ］である。

【0021】

また、界面準位密度のエネルギー分布を求めるためにバンドギャップ中の特定のエネルギー領域の界面準位密度を測定する場合は、照射するパルス光のエネルギーを調整する。その際に照射する光のエネルギーは、酸化膜伝導帯下端とシリコン伝導帯下端のエネルギー差３．１ｅＶと、強反転状態になる電圧を印加した際のシリコンのバンド曲がり分に相当するエネルギーψｓ(inv)と、さらにシリコン伝導帯下端から測定したいエネルギー領域のエネルギー差の合計であることが望ましい。
ψｓは次の式（２）で表すことができる。

【0022】

【数2】

【0023】

式（２）において、Ｋはボルツマン定数、ｑは素電荷、ＮＡはアクセプタ不純物濃度（シリコンがｐ型の場合）、ｎｉは真性キャリア濃度である。

【0024】

照射する光で必要とされる最大のエネルギーは、ψｓ(inv)が最大になる場合、即ち、シリコンの不純物濃度が最大になるときである。シリコンの場合、ｐ型、ｎ型共に不純物濃度は、１０²¹ｃｍ^-3以下の範囲であり、ＮＡ＝１０²¹ｃｍ^-3ではψｓ(inv)は１．２９ｅＶとなる。これに酸化膜伝導帯下端とシリコン伝導帯下端のエネルギー差３．１ｅＶとシリコンのバンドギャップ１．１２ｅＶを加えたものの和は、５．５１ｅＶとなる。これが必要とされる最大のエネルギーであり、そのエネルギーに相当する光の波長は、２２５ｎｍである。

【0025】

照射する光で必要とされる最小のエネルギーは、酸化膜伝導帯下端とシリコン伝導帯下端のエネルギー差３．１ｅＶである。これは光の波長にして４００ｎｍに相当する。
照射する光の波長の範囲は、２２５ｎｍから４００ｎｍであれば、シリコンと酸化膜間の界面準位エネルギーの全ての範囲をカバーすることができる。

【0026】

続いて、図１の測定装置１を用いた、より具体的な測定方法について説明する。
なお、本実施の形態にあっては、シリコンバンドギャップ中の界面準位のエネルギー分布を５分割し、エネルギー分解能０．２２４ｅＶで測定するものとする。測定に使用する基板Ｗを構成するシリコンウェーハは酸化膜厚８２．９ｎｍ、面方位（１００）のｎ型抵抗率０．１Ωｃｍの３ｉｎｃｈウェーハである。抵抗率０．１Ωｃｍの場合、アクセプタ不純物濃度は、２．７７×１０¹⁷ｃｍ^-3であるので、ψｓ＝０．８７ｅＶ分バンドが曲がることになる。シリコンのバンド曲がりが０．８７ｅＶの場合、照射する光の波長は２４４ｎｍ〜３１３ｎｍである。界面準位をエネルギー分解能０．２２４ｅＶで測定する為には、光の波長を、それぞれ２４４ｎｍ〜２５５ｎｍ、２５５ｎｍ〜２６８ｎｍ、２６８ｎｍ〜２８１ｎｍ、２８１ｎｍ〜２９６ｎｍ、２９６ｎｍ〜３１３ｎｍの波長幅に分光して照射する。

【0027】

測定を行うには、先ずプローブ電極５からのパルス照射光を形成する必要がある。そのためには、例えば図２に示す光学系（光源部７）を用い、界面準位密度のエネルギー分布測定のために、照射する光のエネルギーを制限する。光のエネルギーは以下の式（３）で求めることが出来る。

【0028】

【数3】

【0029】

なお、式３において、Ｅは光のエネルギー［ｅＶ］、ｈはプランク乗数［ｊ・ｓ］、ｃは光速［ｍ・ｓ^-1］、ｅは素電荷［ｃ］、λは光の波長［ｍ］である。

【0030】

照射光のエネルギーを調整するためには光の波長を制限すれば良い。そこで図３に示すようにスペクトル検出器１２を用い、照射光のスペクトルを確認しながら目的の波長になるように照射光の波長を変えることが出来るモノクロメータ６を調整し、モノクロメータ６の設定をコンピュータの記憶部（図示せず）に記録する。またその際に調整したそれぞれの照射光のスペクトルを前記コンピュータの記憶部に保存する。

【0031】

ここで、図４乃至図８のグラフは本実施形態で照射する光のスペクトルの例である。各グラフにおいて、縦軸であるcountは光量［Ｗ・ｎｍ^-1］を相対値として表した値である。本実施形態では、図４乃至図８に示すスペクトルの光を基板Ｗに照射することにより、シリコンバンドギャップ中の界面準位密度をシリコン伝導帯下端から分解能０．２２４ｅＶで測定することができる。

【0032】

次に、装置１における界面準位密度の測定について図９のフローに沿って説明する。なお、本実施形態においては、光信号の測定において５種類の照射光ごとに４種類の印加電圧で測定するため計２０回の光信号測定を行う。
先ず、前記したように測定に必要な波長の光（２９６ｎｍ〜３１３ｎｍ）になるように光学系（モノクロメータ６）を設定し、設定値をコンピュータの記憶部に記憶させる（ステップＳ１）。
次いで、光源７内のフラッシュランプを点灯させ（ステップＳ２）、基板Ｗからプローブ電極５を接触しないように離した状態とし、任意波形発生器９により所定の電圧（２６．９４Ｖ）を生成し基板Ｗに印加する（ステップＳ３）。

【0033】

さらにプローブ電極５を基板Ｗから光信号が出るまで基板Ｗに近づけ、オシロスコープ４により光信号が測定されると光信号を（表計算ソフトにより編集可能な形式として）コンピュータの記憶部に保存する（ステップＳ４）。
また、他の条件でさらに測定する場合には（ステップＳ５）、印加電圧を再設定し、照射光波長を再設定し、再度、電圧印加とパルス光照射を行う。

【0034】

コンピュータにおいては、測定された光信号に基づき、界面準位密度計算を行う（ステップＳ６）。
具体的には、図１０に一例を示す測定信号のピーク電圧を求め、式（１）を用いて界面準位密度を計算する。

【0035】

【数4】

【0036】

なお、式（１）において、Ｑ_itは移動したキャリアの電荷［Ｃ］、Ｄ_itは界面準位密度［ｃｍ^-2ｅＶ^-1］、Ｃ_fはケーブルの容量［Ｆ］、ΔＶはピーク電圧［Ｖ］、Ｓは電極面積 ［ｃｍ²］、ｑは素電荷［Ｃ］、ｌはキャリアが酸化膜を移動する距離［ｍ］、Ｗ_oxideは酸化膜厚［ｍ］、ΔＥは測定のエネルギー分解能［ｅＶ］である。

【0037】

ここで前記界面準位密度の計算において、Ｃ_f＝４．０×１０^-12［Ｆ］、Ｓ＝４．７６×１０^-4 ［ｃｍ²］、ｑ＝−１．６×１０^-19［Ｃ］、ΔＥ＝０．２２４［ｅＶ］、Ｗ_oxide／１＝１０と仮定すると、界面準位密度の計算結果は図１１に示す表に示すようになる。

【0038】

次いで、照射光の種類によって異なるフォトン数に関する補正を行う。
具体的には、図４乃至図８のスペクトルは光量換算［Ｗ・ｎｍ^-1］であるため、フォトン換算［ｓ^-1・ｎｍ^-1］に変換して積分フォトン数を表計算ソフトで計算し、フォトン数を補正するための補正係数を求める。補正係数は積分フォトン数の逆数である。
図１２の表に補正係数を求めた結果を示す。また、図１３の表に求めた補正係数を界面準位密度計算結果に乗算した結果を示す。

【0039】

次に、印加電圧が０Ｖの場合の界面準位密度を求め、界面準位密度のエネルギー分布を導出する。即ち、図１４のように界面準位密度の結果をグラフ化し、近似直線によって、励起したキャリアが加速されない印加電圧０Ｖのときの正味の界面準位密度を求める。
そして、前記印加電圧が０Ｖの際の結果が、バンドギャップ中の各エネルギー領域における界面準位密度となり、その結果をグラフ化したものが図１５である。

【0040】

以上のように、本実施の形態によれば、シリコンウェーハを酸化しただけの基板であっても、ウェーハと誘電体膜との界面準位密度を非接触かつ迅速に測定することが可能である。従って、例えば、製造工程途中のシリコンウェーハを迅速に評価し、プロセス改善に迅速にフィードバックすることができる。

【符号の説明】

【0041】

１ 界面準位密度測定装置
２ チャック（基板保持部）
３ 測定電圧増幅器
４ オシロスコープ（測定部）
５ プローブ電極
６ モノクロメータ（分光光学系、照射部）
７ 光源部（照射部）
８ 印加電圧増幅器（電圧印加部）
９ 任意波形発生器
１１ 光ファイバ
１２ スペクトル検出器
Ｗ 半導体基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】