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(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】
(24)【登録日】2022-09-15
(45)【発行日】2022-09-27
(54)【発明の名称】ギャップ制御方法及び電気特性測定方法
(51)【国際特許分類】
H01L 21/66 20060101AFI20220916BHJP
G01R 27/26 20060101ALI20220916BHJP
【ＦＩ】
H01L21/66 Q
H01L21/66 L
G01R27/26 C
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2019056967
(22)【出願日】2019-03-25
(65)【公開番号】P2020161557
(43)【公開日】2020-10-01
【審査請求日】2021-10-08
【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「パルス光伝導法による半導体シリコンの超高感度不純物分析手法の開発」、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】鈴木 裕巳
(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】葛川 翔太郎
(72)【発明者】
【氏名】松山 浩輝
(72)【発明者】
【氏名】熊谷 祐希
(72)【発明者】
【氏名】古田 正昭
【審査官】小池 英敏
(56)【参考文献】
【文献】特開平４－１３２２３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－１４４１５４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－１２６８１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６４－８２５４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】Masaaki Furuta，Noncontact evaluation for interface states by photocarrier counting，Japanese Journal of Applied Physics，日本，2018年，57, 031301，p1-6
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ２１／６６
Ｇ０１Ｒ ２７／２６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
誘電体膜が形成された半導体の試料に対し所定のギャップ幅を空けてプローブ電極を配置する工程と、パルス光伝導法による前記プローブ電極から前記試料への印加電圧Ｖ（ｔ）と、前記試料の充電電圧ｖ（ｔ）と、の充電電圧比ｖ（ｔ）／Ｖ（ｔ）を実測する工程と、
電極全体と試料表面間の傾きθを考慮したギャップ幅Ｗに対する充電電圧比ｖ（ｔ）／Ｖ（ｔ）の理想曲線を求める工程と、
前記充電電圧比ｖ（ｔ）／Ｖ（ｔ）の実測値と理想曲線とが一致する傾きθを特定する工程と、
前記傾きθを考慮したギャップ容量Ｃｇａｐを求める工程と、を備え、
電極の直径をΦ、電極先端面を径方向にｋ個（ｋは２以上の整数）に等分割し、電極全表面積に占める領域の割合をαｋとしたとき、電極全体と試料表面間の傾きθを考慮したギャップ幅Ｗｋは、下記式により求められ、
【数3】
【数4】
【請求項2】
誘電体膜が形成された半導体の試料に対し所定のギャップ幅を空けてプローブ電極を配置する工程において、管状の絶縁性の合成樹脂材を前記プローブ電極の先端部に組込み、前記絶縁性の合成樹脂材の管先端と電極先端とのギャップを予め調整する工程と、
前記プローブ電極を上下方向に揺動可能に保持し、前記絶縁性の合成樹脂材の管先端を試料表面に当接させてギャップ調整する工程と、を備えることを特徴とする請求項１に記載されたギャップ制御方法。
【請求項3】
誘電体膜が形成された半導体の試料に対し所定のギャップ幅を空けてプローブ電極を配置する工程において、ジンバル機構にプローブ電極を取り付けることで傾き調整し、且つ、静電容量変位計を前記プローブ電極に隣設して、ギャップ幅の測定を行うことを特徴とする請求項１に記載されたギャップ制御方法。
【請求項4】
前記請求項１乃至請求項３のいずれかに記載されたギャップ制御方法によりギャップ容量Ｃｇａｐを求め、パルス光伝導法により電気特性を測定することを特徴とする電気特性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ギャップ制御方法及び電気特性測定方法に関し、半導体ウェーハの電気特性、例えば半導体ウェーハに形成された誘電体膜の静電容量、或いは誘電体膜と半導体の界面準位を非破壊で測定する際、プローブ電極と半導体ウェーハ間のギャップ（空間）を精密に制御するギャップ制御方法及び電気特性測定方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体ウェーハの試料に電極を近づけて、試料の静電容量を測定する装置においては、試料の静電容量とプローブ電極－試料間のギャップ（空間）で生じる静電容量とが直列に配置される。従って、試料の静電容量を正しく計測する為には、ギャップの静電容量を正確に制御、把握することが求められる。
【0003】
ギャップの静電容量Ｃｇａｐは、式１で表される。ギャップは空気で満たされているので誘電率ε０、電極面積Ｓは既知であるため、ギャップの静電容量を正しく求めるには、電極と試料間のギャップ幅Ｗｇａｐを正確に計測することが求められる。
【0004】
【数1】
【0005】
特許文献１においては、試料（半導体ウェーハ）のＣ－Ｖ特性などの電気特性を非破壊で測定する装置が開示されている。電気特性を測定する為には、測定用電極を試料に近づけて、測定用電極と試料表面間のギャップ幅を正しく計測する必要があり、その為の手段として、光のトンネリング現象を利用した測定方法を採用している。
【0006】
この光のトンネリング現象について説明すると、レーザ光を反射部によって幾何光学的な全反射条件で反射させる場合に、その反射面（電極保持面）と試料表面との間のギャップがレーザ光の波長と同程度以下の大きさになると、レーザ光の一部が反射面から試料の内部に浸出する。これがトンネリング現象といわれ、試料側に浸出す透過光の強度は、ギャップの幅に依存する。
【0007】
同様に、反射部の反射面で反射されるレーザ光の強度もギャップの幅に依存する。この反射光の強度とギャップとの関係は、マックスウェルの方程式を基礎とする計算で予め求めておくことができる。この関係を利用すれば、反射光の強度を測定することにより、ギャップの幅を求めることができる。
【0008】
また、非特許文献１には、パルス光伝導法（pulsephotoconductivity method : ＰＰＣＭ）により非破壊で界面準位密度を求める方法が開示され、そこで電極と試料との間のギャップ幅を測定値から求める方法が述べられている。
【0009】
非特許文献１に開示されるパルス光伝導法を実施する測定装置の等価回路を図１４に示す。図１４の等価回路では、シリコンウェーハの試料（酸化膜抵抗Ｒｏｘと酸化膜容量Ｃｏｘ）１２の上面（酸化膜側）に対し所定のギャップ（容量Ｃｇａｐ）を空けてプローブ電極（図示せず）が設置され、このプローブ電極からパルス電圧印加部１１より試料１２に対し矩形波状のパルス電圧が印加される。
尚、前記プローブ電極内には、光ファイバ（図示せず）が通され、前記パルス電圧の印加と同時に、試料１２に対し紫外線（ＵＶ）のパルス光を照射できるように構成されている。
尚、前記プローブ電極内には、光ファイバ（図示せず）が通され、前記パルス電圧の印加と同時に、試料１２に対し紫外線（ＵＶ）のパルス光を照射できるように構成されている。
【0010】
また、試料１２の下面側（シリコン基板側）には、試料中のフォトキャリアの移動に伴う過渡的な信号応答を拾うための同軸ケーブル（寄生容量Ｃｆ）１３が設けられ、同軸ケーブルの他端の測定部１５はプリアンプ（内部抵抗Ｒｉｎ）１４を介してオシロスコープ（図示せず）に接続されている。
【0011】
また、前記寄生容量Ｃｆと並列に充電抵抗Ｒｃが接続され、それにより試料１２を充電可能となされている。
また、測定部１５には、負荷抵抗ＲＬが接続されている。測定時においては、前記充電抵抗Ｒｃを測定回路から除くと同時に負荷抵抗ＲＬに切り替えることで、試料１２の内部電界を緩和し、測定可能な状態を作るように構成されている。
また、測定部１５には、負荷抵抗ＲＬが接続されている。測定時においては、前記充電抵抗Ｒｃを測定回路から除くと同時に負荷抵抗ＲＬに切り替えることで、試料１２の内部電界を緩和し、測定可能な状態を作るように構成されている。
【0012】
印加電圧は、プローブ電極と試料１２の間のギャップ（容量Ｃｇａｐ）および酸化膜（酸化膜抵抗Ｒｏｘと酸化膜容量Ｃｏｘ）、ケーブル寄生容量Ｃｆに分配される。ギャップ幅に応じてギャップ部での印加電圧消費量が変わる為、酸化膜の電界強度が変化する。出力信号は、酸化膜の電界強度に依存する為、ギャップ幅を一定にすることが必要である。
【0013】
測定は、測定回路の回路方程式のパラメータを確定させるため、シリコン基板を強反転状態にし、酸化膜容量を固定値として取り扱う。
このため、測定シーケンスは、まず試料１２の酸化膜を充電させ、その後に紫外線のパルス光を照射し、その時の過渡的な信号応答を観測するという流れになる。
このため、測定シーケンスは、まず試料１２の酸化膜を充電させ、その後に紫外線のパルス光を照射し、その時の過渡的な信号応答を観測するという流れになる。
【0014】
図１５のグラフに充電電圧ｖ（ｔ）と印加電圧Ｖ（ｔ）、光信号ΔＶ（ｔｄ）を示す。矩形波パルス電圧を試料に印加して酸化膜容量を充電完了した後、試料に紫外線のパルス光を照射し過渡的な信号変化を観測する。その際の印加電圧Ｖ（ｔ）と充電電圧ｖ（ｔ）の比は、図１４の等価回路より次式２となる。
【0015】
【数2】
【0016】
Ｃｇａｐはギャップ容量、Ｃｏｘｉｄｅは酸化膜容量、Ｃｆは測定回路内ケーブルの浮遊容量である。この式中で、ＣｏｘｉｄｅおよびＣｆは既知の定数である。
ギャップ幅Ｗｇａｐを変数とし、それに対応する充電圧比ｖ（ｔ）／Ｖ（ｔ）の理論曲線を予め作成し、この理論曲線と実測充電圧比ｖ（ｔ）／Ｖ（ｔ）を比較することでギャップ幅を得ることができる。
ギャップ幅Ｗｇａｐを変数とし、それに対応する充電圧比ｖ（ｔ）／Ｖ（ｔ）の理論曲線を予め作成し、この理論曲線と実測充電圧比ｖ（ｔ）／Ｖ（ｔ）を比較することでギャップ幅を得ることができる。
【0017】
非特許文献１に開示される測定方法では、上記のように求めたギャップ幅に基づき酸化膜への電界強度を一定とし、光信号ΔＶ（ｔｄ）から励起キャリア密度を算出し、キャリア密度の電圧依存グラフから印加電圧Ｖ（ｔ）＝０の時のキャリア密度を外挿で求めることで、界面準位密度が算出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0018】
【文献】特許第２８０２８２５号公報
【非特許文献】
【0019】
【文献】Masaaki Furuta, Kojiro Shimizu, Takahiro Maeta, Moriya Miyashita,Koji Izunome, and Hiroshi Kubota: Japanese Journal of Applied Physics, Vol.57,031301 (2018)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0020】
しかしながら、非特許文献１に開示される電極と試料間のギャップ制御方法においては、試料のウェーハや試料ホルダーのうねり、電極の傾きなどにより、電極が試料表面に対して傾いている場合に、正確なギャップの静電容量が得られなくなるという課題があった。
精密な測定の為には、このギャップと試料の傾きを極小にすること、或いは傾きを測定の際の演算において補正し、ギャップ幅を正しく計測することが求められる。特にパルス光伝導法においては、正確な界面準位密度を求める為に、ギャップの精密な制御が求められる。
精密な測定の為には、このギャップと試料の傾きを極小にすること、或いは傾きを測定の際の演算において補正し、ギャップ幅を正しく計測することが求められる。特にパルス光伝導法においては、正確な界面準位密度を求める為に、ギャップの精密な制御が求められる。
【0021】
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、誘電体膜が形成された半導体の試料に対し所定のギャップ幅を空けてプローブ電極を配置する電気特性測定において、前記プローブ電極と試料表面間のギャップ幅を正しく計測し、それにより試料の電気特性の測定精度を向上することのできるギャップ制御方法及び電気特性測定方法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】
【0022】
前記課題を解決するためになされた、本発明に係るギャップ制御方法は、誘電体膜が形成された半導体の試料に対し所定のギャップ幅を空けてプローブ電極を配置する工程と、パルス光伝導法による前記プローブ電極から前記試料への印加電圧Ｖ（ｔ）と、前記試料の充電電圧ｖ（ｔ）と、の充電電圧比ｖ（ｔ）／Ｖ（ｔ）を実測する工程と、電極全体と試料表面間の傾きθを考慮したギャップ幅Ｗに対する充電電圧比ｖ（ｔ）／Ｖ（ｔ）の理想曲線を求める工程と、前記充電電圧比ｖ（ｔ）／Ｖ（ｔ）の実測値と理想曲線とが一致する傾きθを特定する工程と、前記傾きθを考慮したギャップ容量Ｃｇａｐを求める工程と、を備え、電極の直径をΦ、電極先端面を径方向にｋ個（ｋは２以上の整数）に等分割し、電極全表面積に占める領域の割合をαｋとしたとき、電極全体と試料表面間の傾きθを考慮したギャップ幅Ｗｋは、下記式により求められ、
凹凸と傾きを考慮しないギャップ幅をＷｇａｐとし、空気の誘電率をε０とし、φ／ｋの領域を更にｎ個に分割して最も突起が大きいところからの変位をＷｃｎとし、ｎ個に分割された各領域の面積をＳ１～Ｓｎとすると、前記傾きθを考慮したギャップ容量Ｃｇａｐは、下記式により求められることに特徴を有する。
【数3】
【数4】
【0023】
尚、誘電体膜が形成された半導体の試料に対し所定のギャップ幅を空けてプローブ電極を配置する工程において、管状の絶縁性の合成樹脂材を前記プローブ電極の先端部に組込み、前記絶縁性の合成樹脂材の管先端と電極先端とのギャップを予め調整する工程と、前記プローブ電極を上下方向に揺動可能に保持し、前記絶縁性の合成樹脂材の管先端を試料表面に当接させてギャップ調整する工程と、を備えることが望ましい。
【0024】
或いは、誘電体膜が形成された半導体の試料に対し所定のギャップ幅を空けてプローブ電極を配置する工程において、独立する２つの軸を中心に回転するジンバル機構にプローブ電極を取り付けることで傾き調整し、且つ、静電容量変位計を前記プローブ電極に隣設して、ギャップ幅の測定を行うようにしてもよい。
【0025】
このような方法によれば、パルス光伝導法により充電電圧比ｖ（ｔ）／Ｖ（ｔ）を実測するとともに、電極の傾きを考慮したギャップ幅に対する充電電圧比ｖ（ｔ）／Ｖ（ｔ）の理想曲線を求め、電極の傾きθを特定する。これにより電極全体と試料表面間の傾きθを考慮したギャップ容量Ｃｇａｐを求めることができ、それに基づき試料の電気特性を高精度に測定することができる。
【0026】
また、前記課題を解決するためになされた、本発明に係る電気特性測定方法は、前記ギャップ制御方法によりギャップ容量Ｃｇａｐを求め、パルス光伝導法により電気特性を測定することに特徴を有する。
【発明の効果】
【0027】
本発明によれば、誘電体膜が形成された半導体の試料に対し所定のギャップ幅を空けてプローブ電極を配置する電気特性測定において、前記プローブ電極と試料表面間のギャップ幅を正しく計測し、それにより試料の電気特性の測定精度を向上することのできるギャップ制御方法及び電気特性測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【発明を実施するための形態】
【0029】
以下、本発明に係るギャップ制御方法の実施の形態について図面を用いて説明する。
本実施形態に係るギャップ制御方法は、誘電体膜が形成された半導体の試料に対し所定のギャップ幅を空けてプローブ電極を配置する電気特性測定において、ギャップ容量の誤差要因となる電極表面の凹凸、及び電極表面と試料表面間との傾きを補正する方法である。
本実施形態に係るギャップ制御方法は、誘電体膜が形成された半導体の試料に対し所定のギャップ幅を空けてプローブ電極を配置する電気特性測定において、ギャップ容量の誤差要因となる電極表面の凹凸、及び電極表面と試料表面間との傾きを補正する方法である。
【0030】
図１は、本発明のギャップ制御方法を適用する測定用電極（以下、単に電極とも称する）において、電極をその径方向に沿って等間隔に分割した場合の複数の領域を示す電極先端の平面図である。
図１において、電極１の直径（φとする）が数ｍｍであるのに対し、電極表面の凹凸の周期は数μｍであるので、電極の大きさに比べれば電極表面の凹凸の周期は非常に小さい。従って、図１のように、電極径に沿ってｋ等分した領域の任意の一つの領域を触針式の粗さ計測器で計測することで、電極全領域の粗さを知ることができ、図１の各領域１、２、・・・ｋの電極表面の凹凸は、各領域間で等しいものと近似される。
図１において、電極１の直径（φとする）が数ｍｍであるのに対し、電極表面の凹凸の周期は数μｍであるので、電極の大きさに比べれば電極表面の凹凸の周期は非常に小さい。従って、図１のように、電極径に沿ってｋ等分した領域の任意の一つの領域を触針式の粗さ計測器で計測することで、電極全領域の粗さを知ることができ、図１の各領域１、２、・・・ｋの電極表面の凹凸は、各領域間で等しいものと近似される。
【0031】
粗さ測定の結果から、図２の電極先端の断面図に示すように、φ／ｋの領域内で最も突起している点を基準とし、φ／ｋの領域を更にｎ個に分割して最も突起が大きいところからの変位をＷｃ２、Ｗｃ３、・・・Ｗｃｎとし、ｎ個に分割された各領域の面積をＳ１、Ｓ２、Ｓ３、・・・Ｓｎとする。
電極が試料表面に対して図３のように平行に設置されている場合、φ／ｋの領域の電極と試料間のギャップ容量Ｃｋは、静電容量計で計測されたギャップ距離Ｗｇａｐから、式３で表すことができる。
電極が試料表面に対して図３のように平行に設置されている場合、φ／ｋの領域の電極と試料間のギャップ容量Ｃｋは、静電容量計で計測されたギャップ距離Ｗｇａｐから、式３で表すことができる。
【0032】
【数5】
【0033】
また、電極全体と試料表面間のギャップ容量Ｃｇａｐは式４で表わされる。α１、α２、α３、・・・αｋは、電極全表面積に占める領域１、２、３、・・・ｋの面積の割合である。
【0034】
【数6】
【0035】
また、電極１表面と試料１２の表面間で図４に示すように傾きθがある場合は、電極の各領域２、３、・・・ｋにおける電極１と試料１２表面間の距離Ｗ２、Ｗ３、・・・、Ｗｋは式５で表され、電極１全体と試料１２表面間のギャップ容量Ｃｇａｐは式６で表わされる。
【0036】
【数7】
【0037】
【数8】
【0038】
即ち、傾きθを求めることができれば、式６によりプローブ電極１全体と試料１２表面間の傾きθを考慮したギャップ容量Ｃｇａｐを求めることができ、それに基づき試料の電気特性を高精度に測定することが可能となる。
【0039】
本発明に係るギャップ制御方法においては、プローブ電極１全体と試料表面間の傾きθは、次のようにして求める。
（１）矩形波パルス電圧を試料に印加して酸化膜容量を充電完了した後、試料に紫外線のパルス光を照射し過渡的な信号変化を観測する。その際の充電電圧ｖ（ｔ）と印加電圧Ｖ（ｔ）とを測定し、充電電圧比ｖ（ｔ）／Ｖ（ｔ）の実測プロットを取得する。
（１）矩形波パルス電圧を試料に印加して酸化膜容量を充電完了した後、試料に紫外線のパルス光を照射し過渡的な信号変化を観測する。その際の充電電圧ｖ（ｔ）と印加電圧Ｖ（ｔ）とを測定し、充電電圧比ｖ（ｔ）／Ｖ（ｔ）の実測プロットを取得する。
【0040】
（２）充電電圧比を算出するマクロ（式（２）に基づきＣｇａｐ、Ｃｏｘｉｄｅ、Ｃｆ値を設定すると各ギャップ幅におけるｖ（ｔ）／Ｖ（ｔ）値が算出されて理論曲線を表示するプログラム）を用い、ギャップ幅に対するｖ（ｔ）／Ｖ（ｔ）の理論曲線を求める。
この理論曲線を求めるにあたり、Ｃｇａｐは、式（５）、（６）に示したように傾きθを含むため、Ｃｇａｐを求めるためのθ値を適当に振り、実測プロットに重なる曲線を求めることにより傾き角度θを特定することができる。
この理論曲線を求めるにあたり、Ｃｇａｐは、式（５）、（６）に示したように傾きθを含むため、Ｃｇａｐを求めるためのθ値を適当に振り、実測プロットに重なる曲線を求めることにより傾き角度θを特定することができる。
【0041】
また、本実施形態においては、プローブ電極１と試料１２間の傾きを最小とするために、絶縁性の合成樹脂材、例えばＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）管を用いたプローブ電極構造を採用している。
プローブ電極１の材質は金属である為、電極１の試料ウェーハ１２への接触は、金属汚染の懸念から避けなければならない。試料１２に対する電極１からの金属汚染防止と物理的ストレス軽減とのため、本実施形態においては、図５に示すようなプローブ電極構造を採用している。
プローブ電極１の材質は金属である為、電極１の試料ウェーハ１２への接触は、金属汚染の懸念から避けなければならない。試料１２に対する電極１からの金属汚染防止と物理的ストレス軽減とのため、本実施形態においては、図５に示すようなプローブ電極構造を採用している。
【0042】
図５に示すようにＰＴＦＥ管４（管状のＰＴＦＥ材）をプローブ電極１の先端部に履かせるように組込んでいる。ＰＴＦＥ管４先端とプローブ電極１先端のギャップをあらかじめ調整しておき、ＰＴＦＥ管４先端が試料１２の表面に軽く接触することで、調整したギャップの状態で測定を行う。ＰＴＦＥ管４を組込んだプローブ電極１が試料表面に接触するため、その凹凸に応じて鉛直方向に自動で調整される必要がある。そのため、図示するように、プローブ電極１が取り付けられたメタルガイド６に対してスプリング７により上下方向に揺動可能な構造となっている。
【0043】
この機構により、図６に示すように試料１２の凹凸に追従してギャップ機構を一定にすることができる。尚、絶縁性の合成樹脂材としてＰＴＦＥ材を選択した理由は、絶縁性の高さ、耐熱性の高さ、加工の容易性、等が挙げられる。
【0044】
また、本発明にあっては、ジンバル光学マウントを用いたギャップ幅の調整機構（ジンバル機構と称する）を採用してもよい。この機構により、プローブ電極１を試料面に対し平行となるように調整することができる。
即ち、図７に示すようにジンバル機構２１にプローブ電極１を取り付けることで傾き調整機構としている。また、この場合、静電容量変位計９をプローブ電極１の隣に取り付けることで、プローブ電極１と試料１２面とのギャップ幅の測定を行うことが望ましい。
即ち、図７に示すようにジンバル機構２１にプローブ電極１を取り付けることで傾き調整機構としている。また、この場合、静電容量変位計９をプローブ電極１の隣に取り付けることで、プローブ電極１と試料１２面とのギャップ幅の測定を行うことが望ましい。
【0045】
以上のように本発明に係る実施の形態によれば、パルス光伝導法により充電電圧比ｖ（ｔ）／Ｖ（ｔ）を実測するとともに、電極の傾きを考慮したギャップ幅に対する充電電圧比ｖ（ｔ）／Ｖ（ｔ）の理想曲線を求め、電極の傾きθを特定した。これにより電極全体と試料表面間の傾きθを考慮したギャップ容量Ｃｇａｐを求めることができ、それに基づき試料の電気特性を高精度に測定することができる。
【実施例】
【0046】
本発明に係るギャップ制御方法について、実施例に基づきさらに説明する。本実施例では、前記実施の形態に基づき以下の実験を行った。
【0047】
（実施例１）
実施例１では、充電電圧比法を用いた傾き補正について検証した。
直径３００ｍｍのシリコンウェーハに厚さ８２．９ｎｍの酸化膜を形成した試料を準備した。測定に使用する電極の横断面は円形状であって、その直径は３．１５ｍｍであり、中央に直径１ｍｍの中空が形成されたものとした。
実施例１では、充電電圧比法を用いた傾き補正について検証した。
直径３００ｍｍのシリコンウェーハに厚さ８２．９ｎｍの酸化膜を形成した試料を準備した。測定に使用する電極の横断面は円形状であって、その直径は３．１５ｍｍであり、中央に直径１ｍｍの中空が形成されたものとした。
【0048】
電極表面の表面粗さを触針式の粗さ計測器で測定した結果を図８のグラフに示す。図８のグラフにおいて横軸は移動距離（μｍ）、縦軸は基準点との差（μｍ）である。
図８のグラフに示すように電極表面の凹凸の最大高低差は２．４μｍ程度であった。最大高さから、０．１μｍ間隔で全測定領域中の占有率を算出したものを表１に示す。
図８のグラフに示すように電極表面の凹凸の最大高低差は２．４μｍ程度であった。最大高さから、０．１μｍ間隔で全測定領域中の占有率を算出したものを表１に示す。
【0049】
【表1】
【0050】
表１における基準からの距離が、式３におけるＷＣ２、・・・ＷＣｎに相当し、電極面積×占有率が式３におけるＳ１、Ｓ２、・・・Ｓｎに相当する。
電極表面を径方向に例えば１０等分すると、全電極面積に占める領域の占有率は、表２のようになる。
電極表面を径方向に例えば１０等分すると、全電極面積に占める領域の占有率は、表２のようになる。
【0051】
【表2】
【0052】
表２における占有率が、式４におけるα１、α２、・・・αｋに相当する。
次いで、パルス光伝導法に従い、矩形波パルス電圧を試料に印加して酸化膜容量を充電完了した後、試料に紫外線のパルス光を照射し過渡的な信号変化を観測した。その際のギャップ幅と充電電圧比ｖ（ｔ）／Ｖ（ｔ）の実測プロットを取得するとともに、式２、及び式６において前記実測との誤差が小さくなるような角度θを与えたときの理論曲線を計算した。
次いで、パルス光伝導法に従い、矩形波パルス電圧を試料に印加して酸化膜容量を充電完了した後、試料に紫外線のパルス光を照射し過渡的な信号変化を観測した。その際のギャップ幅と充電電圧比ｖ（ｔ）／Ｖ（ｔ）の実測プロットを取得するとともに、式２、及び式６において前記実測との誤差が小さくなるような角度θを与えたときの理論曲線を計算した。
【0053】
具体的には、式２の充電電圧比を算出するマクロ（Ｃｇａｐ、Ｃｏｘｉｄｅ、Ｃｆ値を設定すると各ギャップ幅におけるｖ（ｔ）／Ｖ（ｔ）値が算出されプロットし曲線を引くことで理論曲線を表示するプログラム）を用い、Ｃｇａｐを求めるためのθ値を適当に振り、実測プロットと重なる角度θを仮の電極傾きとした。その結果を図９のグラフに示す。
図９のグラフにおいて、横軸はギャップ幅（μｍ）であり、縦軸は充電電圧比（ｖ（ｔ）／Ｖ（ｔ））である。このとき実測プロットと一致するθは、０．９６°となった。
図９のグラフにおいて、横軸はギャップ幅（μｍ）であり、縦軸は充電電圧比（ｖ（ｔ）／Ｖ（ｔ））である。このとき実測プロットと一致するθは、０．９６°となった。
【0054】
表面凹凸、傾きを考慮した理論曲線に対する実測平均値の誤差を表３に示す。
【0055】
【表3】
【0056】
θ＝０．９６°と与えることで、表３のように、０．５～３．０μｍの範囲では５％以内の誤差で理論曲線を算出することができた。この表面凹凸、傾きを考慮した理論曲線を用いて、試料の各点で実測した充電電圧比から補正されたギャップ幅を求めることができた。
【0057】
尚、上記手順によって酸化膜内電界強度を揃えて、パルス光伝導法による測定を行うことにより、精度よく光信号ΔＶ（ｔｄ）を測定することが可能となる。
【0058】
（実施例２）
実施例２では、ＰＴＦＥ管（管状のＰＴＦＥ材）プローブ構造について検証した。
装置構成として、図１０に示すように、ＰＴＦＥ管プローブ構造を１０本のプローブに適用し、パルス光伝導法測定を行う機構を構築した。構築プロセスを以下に示す。
実施例２では、ＰＴＦＥ管（管状のＰＴＦＥ材）プローブ構造について検証した。
装置構成として、図１０に示すように、ＰＴＦＥ管プローブ構造を１０本のプローブに適用し、パルス光伝導法測定を行う機構を構築した。構築プロセスを以下に示す。
【0059】
（１）光ファイバに付属しているフェルール付ＳＭＡアダプタ（オス）とＳＭＡアダプタ（メス）を接続する。
（２）フェルール付ＳＭＡアダプタのフェルール部先端にＰＴＦＥ管を取り付け、プローブ電極（ＳＭＡアダプタのフェルール部）先端－ＰＴＦＥ管先端間のギャップを調整する。
（３）プラスチックネジを用いてＳＭＡアダプタ（メス）をメタルガイドに取り付ける。この際、メタルガイド－ＳＭＡアダプタ間の絶縁のための雲母板とプローブを安定させ且つプローブの上下位置を調整するためのバネを組み込む。
（４）上記（１）～（３）を繰り返し１０本のプローブをメタルガイドに取り付け、ウェーハ半径方向に並べる。
（５）メタルガイドをフォークリフトに取り付け、固定する。
（２）フェルール付ＳＭＡアダプタのフェルール部先端にＰＴＦＥ管を取り付け、プローブ電極（ＳＭＡアダプタのフェルール部）先端－ＰＴＦＥ管先端間のギャップを調整する。
（３）プラスチックネジを用いてＳＭＡアダプタ（メス）をメタルガイドに取り付ける。この際、メタルガイド－ＳＭＡアダプタ間の絶縁のための雲母板とプローブを安定させ且つプローブの上下位置を調整するためのバネを組み込む。
（４）上記（１）～（３）を繰り返し１０本のプローブをメタルガイドに取り付け、ウェーハ半径方向に並べる。
（５）メタルガイドをフォークリフトに取り付け、固定する。
【0060】
尚、上記プロセス（２）に関して、プローブ電極先端－ＰＴＦＥ管先端間のギャップを調整可能かつギャップの測定が可能な機構が必要となる。そこで、プローブ電極先端－ＰＴＦＥ管先端間のギャップ調整機構を構築した。具体的にはＳＭＡアダプタ（メス）をアーム付スタンドに固定し、ステージ（ウェーハチャック）をＺ軸方向に移動させ、ＰＴＦＥ管を押し込むことでギャップを調整した。ギャップ調整後、図１０の装置においてステージをＸ軸方向に移動させ、レーザ変位計でプローブ先端をスキャンすることでギャップ測定を行った。
【0061】
上記で構築した機構を充電波形や光信号を取得できるパルス光伝導法測定系として構築し、パルス光伝導法測定を行った。試料ウェーハは、ｐ型シリコンウェーハ上に１０ｎｍ厚の熱酸化膜を形成したものである。印加電圧は６Ｖ、電圧印加からパルス光印加までの遅延時間ｔｄは１ｍｓｅｃとした。
その結果、図１１（ａ）～（ｊ）に示すように全てのプローブＮｏ．１～Ｎｏ．１０に対して充電波形を観測しながらギャップの状態を統一し、調整したプローブで光信号を取得できることを実際に確認した。
その結果、図１１（ａ）～（ｊ）に示すように全てのプローブＮｏ．１～Ｎｏ．１０に対して充電波形を観測しながらギャップの状態を統一し、調整したプローブで光信号を取得できることを実際に確認した。
【0062】
（実施例３）
また、実施例３では、ジンバル機構を用いたパルス光伝導法測定におけるギャップ幅の調整について検証した。
図７に示した構成のようにジンバル光学マウント（Ｔ－ＯＭＧ－ＫＴ０３Ｕ、Ｚａｂｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製）にプローブ電極を取り付けることで傾き調整機構とした。取り付け手法としては、真鋳を用いたＬ字型の治具を作成し、プローブ電極とジンバル光学マウントを接続した。また、図７に示したように静電容量変位計（ＭｉｃｒｏＳｅｎｓｅ４８３０日本レーザー社製）プローブをプローブ電極隣に取り付けることで、ギャップ幅の測定を行う機構とした。取り付け手法としては、プローブ電極取り付け位置に対し、Ｚ軸方向に５０μｍ程度高い位置にてネジ留めを行った。
具体的なギャップ幅の調整方法を図１２（ａ）～（ｃ）に示す。
また、実施例３では、ジンバル機構を用いたパルス光伝導法測定におけるギャップ幅の調整について検証した。
図７に示した構成のようにジンバル光学マウント（Ｔ－ＯＭＧ－ＫＴ０３Ｕ、Ｚａｂｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製）にプローブ電極を取り付けることで傾き調整機構とした。取り付け手法としては、真鋳を用いたＬ字型の治具を作成し、プローブ電極とジンバル光学マウントを接続した。また、図７に示したように静電容量変位計（ＭｉｃｒｏＳｅｎｓｅ４８３０日本レーザー社製）プローブをプローブ電極隣に取り付けることで、ギャップ幅の測定を行う機構とした。取り付け手法としては、プローブ電極取り付け位置に対し、Ｚ軸方向に５０μｍ程度高い位置にてネジ留めを行った。
具体的なギャップ幅の調整方法を図１２（ａ）～（ｃ）に示す。
【0063】
（１）即ち図１２（ａ）に示すようにプローブ電極と試料とのギャップ幅を１０ｍｍ程度開け、ジンバル光学マウントの初期化により（θ,Φ）＝（０，０）点出しする。
（２）次いで図１２（ｂ）に示すようにギャップ幅を静電容量変位計値で１μｍにマニュアル調整する。
（３）最後に図１２（ｃ）に示すように充電電圧値が最大となるようθ・φ軸方向に±０．００５°毎駆動させる。
（２）次いで図１２（ｂ）に示すようにギャップ幅を静電容量変位計値で１μｍにマニュアル調整する。
（３）最後に図１２（ｃ）に示すように充電電圧値が最大となるようθ・φ軸方向に±０．００５°毎駆動させる。
【0064】
この機構を組み込んでパルス光伝導法による測定を行った。試料ウェーハは、Ｎ型シリコンウェーハに厚さ９．３ｎｍの熱酸化膜を形成したものである。印加電圧は６Ｖ、ｔｄは５ｄｅｇ、ギャップ幅は、１００ｎｍである。
この測定結果を図１３に示す。図１３（ａ）は傾き調整前の波形であり、図１３（ｂ）は傾き調整後の波形である。本機構による傾き調整により、光信号が大きく増加していることを確認した。
この測定結果を図１３に示す。図１３（ａ）は傾き調整前の波形であり、図１３（ｂ）は傾き調整後の波形である。本機構による傾き調整により、光信号が大きく増加していることを確認した。
【0065】
以上の実施例の結果、電極と試料間のギャップ制御方法における、試料ウェーハや試料ホルダーのうねり、電極の傾きなどを正確に補正することができた。この結果、半導体ウェーハ上に形成された誘電体膜の電気容量測定、パルス光伝導法による誘電対膜の界面準位測定の測定精度が大幅に向上することを確認できた。
【符号の説明】
【0066】
１ プローブ電極
４ ＰＴＦＥ管
６ メタルガイド
１２ 試料
２１ ジンバル機構
４ ＰＴＦＥ管
６ メタルガイド
１２ 試料
２１ ジンバル機構
【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】