JP3672226B2 - Intramembrane ion content measuring method and apparatus - Google Patents
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Description
【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、従来の技術では、膜内イオンを中和するのに比較的時間がかかり、膜内イオンの量を効率よく測定することができないという問題があった。
【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効率よく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、測定用電極を用いて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初期状態で、前記測定用電極を用いた所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの第1の電気的特性値を測定する工程と、(b)前記半導体ウエハに電界を与えた状態で第1の波長範囲の光を照射することによって、前記絶縁膜中の前記膜内イオンを中和させる工程と、(c)前記膜内イオンが中和された状態で、前記所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの第2の電気的特性値を測定する工程と、(d)前記第1および第2の電気的特性値から、前記初期状態において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、半導体ウエハに第1の波長範囲の光が照射されるとともに電界が与えられるので、膜内イオンの中和を比較的短時間に行うことが可能となり、この結果、初期状態の絶縁膜中に存在していた膜内イオンの量を効率よく測定することが可能となる。
【0008】
上記の方法において、前記絶縁膜は、複数種類の膜内イオンを含んでおり、前記複数種類の膜内イオンは、前記工程(b)において中和され、前記方法は、さらに、(e)前記半導体ウエハに前記工程(b)で与えた電界と逆方向の電界を与えた状態で第2の波長範囲の光を照射することによって、前記工程(b)において中和された前記複数種類の膜内イオンのうち、特定種類の膜内イオンを、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記特定種類の膜内イオンの量とほぼ同じ量だけイオン化する工程と、(f)前記特定種類の膜内イオンが、前記工程(e)においてイオン化された状態で、前記所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの第3の電気的特性値を測定する工程と、(g)前記第2および第3の電気的特性値から、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記特定種類の膜内イオンの量を決定する工程と、を備えることが好ましい。
【0009】
このように、工程(e)において、中和された膜内イオンをイオン化する際に、半導体ウエハに第2の波長範囲の光を照射するとともに逆方向の電界を与えることにより、特定種類の膜内イオンのイオン化を比較的短時間で行うことができる。この結果、初期状態の絶縁膜中に複数種類の膜内イオンが含まれている場合にも、特定種類の膜内イオンの量を効率よく測定することが可能となる。
【0010】
さらに、上記の方法において、前記工程(e)において照射する光の前記第2の波長範囲を短波長に変更しながら前記工程(e)ないし(g)を繰り返し行い、前記複数種類の膜内イオンから他の特定種類の膜内イオンの量を分離して決定する工程を備えることが好ましい。
【0011】
こうすれば、初期状態の絶縁膜中に含まれている他の特定種類の膜内イオンの量についてもうまく決定することが可能である。
【0012】
上記の方法において、前記第1の波長範囲の光は、前記絶縁膜がシリコン酸化膜である場合に、約220nm〜約295nmの少なくとも一部の範囲の光であることが望ましい。
【0013】
こうすれば、シリコン酸化膜中の膜内イオンをうまく中和することが可能である。
【0014】
上記の方法において、前記所定の測定手法は、C−V測定であるようにしてもよい。
【0015】
また、上記の方法において、前記C−V測定は、前記測定用電極を前記絶縁膜に接触させない非接触測定であることが好ましい。
【0016】
あるいは、上記の方法において、前記所定の測定手法は、前記半導体ウエハに断続光を照射することにより発生する前記半導体ウエハの表面光電圧を測定する表面光電圧測定を利用するようにしてもよい。
【0017】
あるいは、上記の方法において、前記所定の測定手法は、前記測定用電極と前記半導体ウエハとのギャップを時間的に変化させつつ前記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利用するようにしてもよい。
【0018】
このように種々の測定手法を用いて、膜内イオンの量を決定することが可能である。
【0019】
上記の方法において、前記工程(b)は、前記絶縁膜表面を帯電させることによって前記半導体ウエハに電界を与える工程を含むようにしてもよい。
【0020】
このようにしても、工程(b)において半導体ウエハに電界を与えることができる。
【0021】
本発明の装置は、測定用電極を用いて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、前記測定用電極を用いた所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの電気的特性値を測定するための電気特性測定部と、前記半導体ウエハに電界を与えた状態で第1の波長範囲の光を照射することによって、前記絶縁膜中の前記膜内イオンを電気的に中和させ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初期状態で前記所定の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、前記膜内イオンが中和された状態で前記所定の測定手法に従って測定さ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、前記初期状態において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れば、上記の方法と同様の作用・効果を奏し、初期状態の絶縁膜中に存在していた膜内イオンの量を効率よく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。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。
【0024】
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、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。
【0025】
ステッピングモータ110、圧電アクチュエータ120および架台130の内部中央には、光源装置300から射出される光を半導体ウエハ100に導くための光ファイバ302と、レンズ304とが備えられている。レンズ304から射出された光は、プリズム140および測定用電極201を透過して半導体ウエハ100を照射する。ここで、測定用電極201は、透明電極であり、ITO膜(In−Sn酸化膜)などが用いられる。なお、光源装置300には、光源と、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が含まれている。
【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によって測定装置MD1全体の制御が行われる。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】
図2は、半導体ウエハの絶縁膜中に存在する膜内イオンの量の決定手順を示すフローチャートである。ステップS1においては、半導体ウエハ100について1回目のC−V測定を行い、第1のC−V曲線を得る。
【0029】
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の処理を開始する前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が形成されている。図3(A−1)に示す絶縁膜102中には、1種類の不純物元素M1が含まれており、その一部はイオン化して膜内イオンM1+ となっている。なお、図3の半導体ウエハ100は、例えば、半導体基板101としてn型のシリコン基板、絶縁膜102としてシリコン酸化膜、膜内イオンM1+ としてナトリウムイオンNa+ 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。
【0030】
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。
【0031】
ステップS1(図2)において第1のC−V曲線F1が得られると、ステップS2においては、半導体ウエハ100に電界を与えた状態で第1の波長範囲の光を照射する。これにより、絶縁膜102中に含まれる膜内イオンM1+ は中和される。図3(B−1)は、図3(A−1)の膜内イオンM1+ が中和された様子を示している。なお、本実施例においては、膜内イオンM1+ を中和する際に与えられる電界は、C−V測定に用いられる測定用電極201に電圧を印加することによって与えられる。具体的には、測定用電極201に試料台170(図1)に対して正の電圧を印加して、半導体ウエハ100に電界を与える。また、電圧印加時に照射する第1の波長範囲の光L1(図3(B−1))は、前述したように、透明電極である測定用電極201を介して半導体ウエハ100に照射される。
【0032】
図4は、絶縁膜中の膜内イオンM1+ が中和されるときの様子を示す説明図である。図4では、半導体基板101と絶縁膜102との界面近傍におけるエネルギバンド図の概略が示されている。図中、符号「ECB」はシリコン基板101の伝導帯の底のエネルギを示しており、符号「EVB」は価電子帯の上端のエネルギを示している。また、符号「Ei 」は絶縁膜であるシリコン酸化膜102の伝導帯の底のエネルギを示している。
【0033】
図4に示すように、第1の光L1を半導体ウエハ100に照射すると、第1の光L1はシリコン酸化膜102を透過してシリコン基板101を照射する。シリコン基板101中の電子e- は、第1の光L1からエネルギを受け取り励起される。第1の光L1が4.25eV以上の光である場合には、励起された電子e- は、シリコン酸化膜102のエネルギ障壁(シリコン酸化膜102の伝導帯の底のエネルギEi とシリコン基板101の価電子帯の上端のエネルギEVBとの差)を越えることができる。シリコン酸化膜102のエネルギ障壁を越えた電子e- は、シリコン酸化膜102中のトラップに捕獲される。図4のシリコン酸化膜102中のトラップは、Naに関係したトラップ(sodium related trap )であり、クーロン誘引型トラップと呼ばれている。このトラップ準位ET1は、シリコン酸化膜102の伝導帯の底のエネルギEi より約2.4eV下に形成されている。クーロン引力によりトラップに捕獲された電子e- は、ナトリウムイオンNa+ を中和させる。
【0034】
なお、本実施例において、第1の光L1の波長範囲は、約220nm〜約295nmの少なくとも一部であることが好ましく、特に、221nm〜292nmが適している。このような波長範囲の光を用いれば、シリコン基板101中の電子がシリコン酸化膜102のエネルギ障壁を越えることができるとともに、シリコン基板101中の正孔がシリコン酸化膜障壁(5.6eV)を越えることがなく、また、光照射に起因する半導体と絶縁膜との界面における損傷を低減させることが可能である。なお、このような波長範囲の光を出力する光源装置300としては、例えば、約231nmの光を射出するキセノンランプを利用することができる。
【0035】
また、本実施例では、半導体ウエハ100への光照射とともに、半導体ウエハ100に電界が与えられているので、シリコン酸化膜102の伝導帯の底のエネルギEi は、図中左下がりに傾斜している。このため、半導体基板101から励起された電子e- は、シリコン酸化膜102表面まで容易に到達することができる。
【0036】
ところで、従来の技術では、光照射のみによってナトリウムイオンNa+ を中和させる。しかし、この場合には、光照射の初期では、シリコン酸化膜102中のナトリウムイオンNa+ が、電子e- を酸化膜側にうまく引き寄せ中和されるが、光照射の後期では、中和が進み電子e- が酸化膜側にうまく引き寄せられなくなり、全てのナトリウムイオンNa+ が中和されるのにかなり時間がかかるという問題があった。本実施例では、上記のように、光照射とともに電界が与えられているので、シリコン酸化膜102中のナトリウムイオンNa+ の中和を比較的短時間で行うことが可能となる。
【0037】
なお、半導体ウエハ100に与える電界は、絶縁膜が絶縁破壊を起こさない数MV/cm以下であることが好ましい。本実施例においては、約0.1MV/cmの電界が与えられている。この電界は、例えば、シリコン酸化膜102の膜厚doxが100nm、ギャップGが350nmのときには、測定用電極201に約15Vの正電圧を印加することによって与えられる。
【0038】
ステップS3(図2)では、2回目のC−V測定を行い、第2のC−V曲線を得る。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S1で得られた第1のC−V曲線F1も示されている。
【0039】
ステップS4では、ステップS1で得られた第1のC−V曲線F1と、ステップS2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M1+ の量を求める。具体的には、膜内イオンM1+ 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。
【0040】
【数1】
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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M1+ の量を決定することができる。
【0044】
ところで、図2〜図4においては、絶縁膜102中に1種類の元素M1が含まれており、その一部がイオン化している場合の膜内イオンM1+ の量の決定方法について説明したが、実際には、絶縁膜102中に複数種類の元素が含まれており、各元素の一部がイオン化している場合がある。
【0045】
図5は、絶縁膜中に複数種類の膜内イオンが含まれている場合の膜内イオン量の決定手順を示すフローチャートである。また、図6は、半導体ウエハの絶縁膜中に存在する複数種類の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。
【0046】
図5のステップT1〜ステップT4の処理については、図2のステップS1〜S4とほぼ同じである。図6(A−1)は、図5の処理を開始する前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、絶縁膜102には、2種類の不純物元素M1,M2が含まれており、それぞれの一部はイオン化して膜内イオンM1+ ,M2+ となっている。なお、第1の膜内イオンM1+ としては、ナトリウムイオンNa+ を想定できる。また、第2の膜内イオンM2+ としては、カリウムイオンK+ やリチウムイオンLi+ などを想定できると考えられている。図6(A−2)は、ステップT1において、図6(A−1)に示す半導体ウエハ100について1回目のC−V測定を行ったときの第1のC−V曲線G1を示している。
【0047】
ステップT2において、半導体ウエハ100に電界を与えた状態で、第1の波長範囲の光L1を照射すると、図6(B−1)に示すように、絶縁膜102中に含まれる膜内イオンM1+ ,M2+ が双方とも中和される。
【0048】
図7は、絶縁膜中に含まれる膜内イオンM1+ ,M2+ が双方とも中和されるときの様子を示す説明図である。図7に示すように、シリコン酸化膜102中には、Naに関係した第1のトラップ準位ET1とともに、さらに深い準位に第2のトラップ準位ET2が存在している。これは、上記のLiやKに関係したトラップ準位と考えられている。図4で説明したように、半導体ウエハ100に照射する第1の光L1が4.25eV以上の光である場合には、励起された電子e- はシリコン酸化膜102のエネルギ障壁(4.25eV)を越え、シリコン酸化膜102中の第1および第2のトラップに捕獲される。トラップに捕獲された電子は、ナトリウムイオンNa+ や他のイオン(Li+ ,K+ )を中和させる。
【0049】
ステップT3(図5)では、2回目のC−V測定を行い、第2のC−V曲線を得る。図6(B−2)は、図6(B−1)に示す半導体ウエハ100について2回目のC−V測定を行ったときの第2のC−V曲線G2を示している。なお、図6(B−2)には、ステップT1で得られた第1のC−V曲線G1も示されている。
【0050】
ステップT4では、第1のC−V曲線G1と第2のC−V曲線G2とから、図6(A−1)に示す初期状態の絶縁膜102中に存在した全膜内イオンM1+ ,M2+ の総量を求める。具体的には、第1および第2のC−V曲線G1,G2のフラットバンド電圧のシフト量ΔVG1から、式(1)と同様の式を用いて決定することができる。
【0051】
次に、ステップT5では、ステップT2において与えた電界と逆方向の電界を半導体ウエハ100に与えた状態で、第2の波長範囲の光L2を照射する。この第2の波長範囲の光L2を照射することにより、図7の第1のトラップ準位ET1に捕獲されていた電子が励起され、再放出される。これにより、中和された膜内イオンが再度イオン化される。
【0052】
図8は、中和された膜内イオンが再度イオン化されるときの様子を示す説明図である。ステップT5において照射する第2の波長範囲の光L2は、中和された膜内イオンM1+ ,M2+ のうち、中和された第1の膜内イオンM1+ のみをイオン化させるような波長を有している。第1の膜内イオンM1+ がナトリウムイオンNa+ である場合には、図8に示す約2.4eVのエネルギを有する光、すなわち、約517nmの光を照射する。このような光を照射すると、第1のトラップ準位ET1に捕獲された電子e- が励起される。このとき、中和された第1の膜内イオンM1+ がイオン化され、電子e- が再放出される。すなわち、中和されたナトリウムイオンは、再度イオン化される。ところで、ステップT5においては、測定用電極201(図1)に試料台170に対して負の電圧を印加して、半導体ウエハ100にステップT2と逆方向の電界が与えられている。このとき、シリコン酸化膜102の伝導帯の底のエネルギEi は、図示するように右下がりに傾斜する。放出された電子e- は、この電界によって半導体基板101側に容易に移動するため、中和された膜内イオンのイオン化を比較的短時間で行うことが可能となる。
【0053】
図6(C−1)は、ステップT5(図5)において、図6(B−1)に示す中和された膜内イオンM1+ ,M2+ のうち、第1の膜内イオンM1+ のみがイオン化された様子を示している。このとき、イオン化される第1の膜内イオンM1+ の量は、図6(A−1)に示す初期状態の絶縁膜102中に含まれていた第1の膜内イオンM1+ の量とほぼ同じである。なお、ステップT5においてイオン化される元素は、初期状態において既にイオン化していた元素と同じであると考えられている。
【0054】
ステップT6では、3回目のC−V測定を行う。図6(C−2)は、図6(C−1)に示す半導体ウエハ100について3回目のC−V測定を行ったときの第3のC−V曲線G3を示している。なお、図6(C−2)には、ステップT1,T3で得られた第1,第2のC−V曲線G1,G2も示されている。
【0055】
ステップT7では、第2のC−V曲線G2と第3のC−V曲線G3とから、再度イオン化された第1の膜内イオンM1+ の量を決定する。具体的には、第2および第3のC−V曲線G2,G3のフラットバンド電圧のシフト量ΔVG2から式(1)と同様の式を用いて決定する。
【0056】
ステップT8〜T10では、ステップT5〜T7の処理と同様の処理を繰り返す。ステップT8では、ステップT5と同様に、半導体ウエハ100にステップT2と逆方向の電界を与えた状態で、第3の波長範囲の光L3を照射する。図8に示すように、ステップT5において照射する第3の波長範囲の光L3は、中和された第2の膜内イオンM2+ のみを再度イオン化させるような波長を有している。第3の光L3を照射すると、第2のトラップ準位ET2に捕獲された電子e- が励起され、この結果、中和された第2の膜内イオンM2+ がイオン化され、電子e- が再放出される。ここで、第3の波長範囲の光L3は、第2の波長範囲の光L2より短波長の光である。このように、照射する光を次第に短波長の光に変更することにより、各トラップ準位に捕獲された電子e- を順次再放出させ、中和された膜内イオンを順次イオン化させることができる。
【0057】
図6(D−1)は、ステップT8(図5)において、図6(C−1)に示す中和された第2の膜内イオンM2+ がイオン化された様子を示している。なお、イオン化された膜内イオンM2+ の量は、図6(A−1)に示す初期状態の絶縁膜102中に含まれていた第2の膜内イオンM2+ の量とほぼ同じである。
【0058】
ステップT9では、4回目のC−V測定を行う。図6(D−2)は、図6(D−1)に示す半導体ウエハ100について4回目のC−V測定を行ったときの第4のC−V曲線G4を示している。なお、図6(B−2)には、ステップT1,T3,T6で得られた第1〜第3のC−V曲線G1〜G3も示されている。ただし、図6(D−1)と図6(A−1)とを比較して分かるように、絶縁膜102中に存在する膜内イオンM1+ ,M2+ の量はそれぞれの状態で同じであるので、第1のC−V曲線G1と第4のC−V曲線G4とは重なっている。
【0059】
ステップT10では、第3のC−V曲線G3と第4のC−V曲線G4とから、イオン化された第2の膜内イオンM2+ の量を決定する。具体的には、第3および第4のC−V曲線G3,G4のフラットバンド電圧のシフト量ΔVG3から式(1)と同様の式を用いて決定する。
【0060】
なお、図5では、第2の膜内イオンM2+ の量は、第3および第4のC−V曲線G3,G4から決定しているが、図6に示すように、絶縁膜102中に2種類の膜内イオンM1+ ,M2+ のみが存在している場合には、第1および第3のC−V曲線G1,G3から求めることも可能である。
【0061】
また、図5では、絶縁膜102中に2種類の膜内イオンのみが存在している場合について説明しているが、絶縁膜中に3種類以上の膜内イオンを含む場合にも、特定種類の膜内イオンの量を分離して決定することが可能である。この場合には、ステップT5〜T7,ステップT8〜T10と同様の処理を繰り返し行えばよい。ただし、中和された特定種類の膜内イオンを再度イオン化する際には、照射する光を次第に短波長に変更しながら行う必要がある。このようにすれば、絶縁膜中に複数種類の膜内イオンが含まれている場合においても、特定種類の膜内イオンの量を分離して決定することが可能である。
【0062】
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、本発明の電気特性測定部に相当する。また、光源装置300と光ファイバ302とレンズ304との照射光学系、および、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との電界付与系が、本発明の膜内イオン中和部に相当する。
【0063】
B.第2実施例:
図9は、本発明の第2実施例としての膜内イオン量測定装置の構成を示す説明図である。図9に示す測定装置MD2は、半導体ウエハ100の表面光電圧(SPV:Surface Photo Voltage)を非接触で測定する機能を有している。
【0064】
本実施例の光源装置300aは、膜内イオンを中和させたりイオン化させたりするための光源に加え、SPV測定用の光源を備えている。SPV測定用の光源としては、約450nm〜1200nmの光を射出する光源が利用される。また、光ファイバ302の経路の途中には、光源装置300aから射出されるSPV測定用の連続光を断続光に変換するためのチョッパ306が追加されている。チョッパ306は、内部に遮光板を備えており、遮光板を軸306aを中心として回転させることにより断続光を生成する。
【0065】
本実施例の測定装置MD2では、図1の容量測定器330に代えて、SPV測定器340が用いられている。SPV測定器340は、半導体ウエハ100に電圧を印加する機能を有するとともに、断続光の照射にともない発生するSPV信号(後述する)を測定する機能を有している。このため、SPV測定器340には、チョッパ306から同期信号SYNCが供給されている。
【0066】
また、測定装置MD2では、図1の測定装置MD1に備えられていた発光素子150、受光素子160、光量測定器320が省略されている。これは、SPV測定においては、測定用電極201と半導体ウエハ100とのギャップGは、0.2mm程度と比較的大きいからである。なお、本実施例では、測定用電極201と半導体ウエハ100との間をエアギャップとしているが、これに代えて、マイラーフィルムなどの透光性の絶縁膜を用いるようにしてもよい。
【0067】
図9の測定装置MD2を用いる場合にも、図1の測定装置MD1と同様の手順、すなわち、図2の手順に従って絶縁膜中の膜内イオン量を測定することが可能である。ただし、第1実施例においては、ステップS1,S3の測定として非接触C−V測定を行っているが、本実施例においては、電圧を挿引しながらSPV測定を行う。
【0068】
ところで、SPV測定は、以下のような現象を利用したものである。半導体ウエハに断続光を照射すると、半導体ウエハの表面付近に電子正孔対が発生する。このとき、半導体ウエハの内部に空乏層が形成されていると、光の照射によって発生した電子正孔対が、空乏層内の電界により移動して半導体ウエハの表面の電圧を変化させる。この電圧変化がSPV信号としてSPV測定器340によって測定される。
【0069】
このSPV信号値は、基板中の空乏層幅が大きいほど大きくなる。換言すれば、SPV信号値は、空乏層の容量が小さいほど大きくなる。したがって、印加電圧を挿引しながらSPV信号を測定すれば、C−V測定と同じように、印加電圧Vと合成容量Cとの関係を得ることが可能である。
【0070】
このようにしても、図2のステップS4において膜内イオン量を決定することが可能である。また、絶縁膜中に複数種類の膜内イオンが含まれている場合についても、図5の手順に従って絶縁膜中に存在するそれぞれの膜内イオン量を分離して決定することが可能である。
【0071】
なお、本実施例の膜内イオン量測定装置MD2(図9)における測定用電極201と金属製の試料台170とSPV測定器340とホストコントローラ390との測定系、および、SPV信号を発生させるための光源を含む光源装置300aと光ファイバ302とレンズ304との照射光学系が、本発明の電気特性測定部に相当する。また、中和およびイオン化のための光源を含む光源装置300aと光ファイバ302とレンズ304との照射光学系、および、測定用電極201と金属製の試料台170とSPV測定器340とホストコントローラ390との電界付与系が、本発明の膜内イオン中和部に相当する。
【0072】
C.第3実施例:
図10は、本発明の第3実施例としての膜内イオン量測定装置の構成を示す説明図である。図10に示す測定装置MD3は、半導体ウエハ100の表面電位を非接触で測定する機能を有している。
【0073】
測定装置MD3は、図1の測定装置MD1における容量測定器330に代えて、振動容量電位測定器350が備えられている。振動容量電位測定器350は、半導体ウエハ100に電圧を印加する機能を有するとともに、周知のケルビン法(後述する)を用いた振動容量電位を測定する機能を有している。
【0074】
また、この測定装置MD3では、図9と同様に、図1の測定装置MD1に備えられていた発光素子150、受光素子160、光量測定器320が省略されている。これは、ケルビン法を用いた測定においても、半導体ウエハ100の表面100aと、測定用電極201とのギャップGは、2mm程度と比較的大きいからである。
【0075】
本実施例の測定装置MD3では、半導体ウエハ100上にコロナ電荷を付加するためのコロナ電荷生成部400が追加されている。なお、半導体ウエハ100は、移動ステージ190を−Y方向に移動させることによってコロナ電荷生成部400に搬送される。
【0076】
コロナ電荷生成部400は、直流電源410と、略中空円筒状のイオン噴出ノズル420と、イオン噴出ノズル420にガスGsを供給するためのガスボンベ422と、ガスGsの流量を調整するための流量調節器424とを備えている。イオン噴出ノズル420の中央には、針状のイオン発生用電極426が設けられている。このイオン発生用電極426は、直流電源410に接続されている。イオン発生用電極426に高電圧が印加されて放電(コロナ放電)が発生すると、イオン噴出ノズル420内に供給されたガスGsがイオン化される。イオン化した帯電分子は、イオン噴出ノズル420の先端の開口部から噴出し、半導体ウエハ100上に堆積することによって半導体ウエハ100の表面を帯電させる。なお、半導体ウエハ100の表面を正帯電させる帯電分子としては、ヒドロニウムイオンH3O+を用いることができ、また、負帯電させる帯電分子としては、炭酸イオンCO3 2-を用いることができる。
【0077】
この測定装置MD3を用いる場合にも、図1の測定装置MD1と同様の手順、すなわち、図2の手順に従って絶縁膜中の膜内イオン量を測定することが可能である。ただし、第1実施例においては、ステップS1,S3の測定として非接触C−V測定を行っているが、本実施例においては、C−V測定における電圧挿引に代えて、半導体ウエハ100の絶縁膜102上に付加する電荷量を変更させつつ、振動容量電位計法(ケルビン法)によるウエハの表面電位測定を行う。
【0078】
図11は、ケルビン法を用いた表面電位測定の概略を示す説明図である。半導体ウエハ100と測定用電極201とをエアーギャップを介して対向させた際に、半導体ウエハ100の表面100aでの電位をVとすると、測定用電極201には半導体ウエハ100と測定用電極201との間の容量Ckに応じた電荷Q’(=Ck・V)が誘導される。このとき圧電アクチュエータ120(図10)により測定用電極201を上下に振動させると、容量Ckが変化するため、測定用電極201に誘導される電荷量Q’も時間的に変化する。この結果、測定用電極201に出入りする電流iが発生し、電流iは、振動容量電位測定器350の内部に備えられた電流計により検出される。このとき、振動容量電位測定器350の内部に備えられた電圧発生器により、測定用電極201にバイアス電圧Vを加えて、測定用電極201と半導体ウエハの表面100aとの電位差を0となるようにすれば電極201を振動させても電流iは発生しなくなる。そのときのバイアス電圧Vから半導体ウエハの表面電位を知ることができる。なお、ケルビン法は、周知のものであり、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。
【0079】
半導体ウエハ100の表面電位は、半導体基板101内に形成される空乏層の幅に応じて変化する。したがって、絶縁膜102上の電荷量を変化させることによって空乏層幅を変化させれば、空乏層幅に応じた表面電位を知ることができる。すなわち、電荷量に応じた表面電位を測定することによって、C−V測定と同様に、電荷量と合成容量Cとの関係を得ることができる。
【0080】
このようにしても、図2のステップS4において膜内イオン量を決定することが可能である。また、絶縁膜中に複数種類の膜内イオンが含まれている場合についても、図5の手順に従って絶縁膜中に存在するそれぞれの膜内イオン量を分離して決定することが可能である。
【0081】
ところで、本実施例では、図2のステップS2において、第1および第2実施例の正の電圧印加に代えて、正のコロナ帯電分子が付加された状態で、第1の波長範囲の光を照射する。半導体ウエハ100の絶縁膜102上に正電荷を付加すると、正電圧を印加するのと同様に、半導体ウエハ100には電界が与えられる。ところが、図4に示すように、励起された電子e- は、絶縁膜102表面にも到達するので、絶縁膜102表面に蓄積された正電荷を中和する。このため、絶縁膜102表面の正電荷量が減少し、第1の波長範囲の光L1を照射するのに伴い、半導体ウエハ100に与えられる電界が次第に小さくなってしまう。このような場合には、膜内イオンの中和に要する時間が長くなるという問題が生じ得る。このため、ステップS2(図2)においては、絶縁膜102表面に、膜内イオンの中和に十分な量のコロナ帯電分子を付加しておくことが好ましい。
【0082】
また、図2のステップS2において、膜内イオンを中和した後には、絶縁膜102表面に残存する電荷量を正確に把握することができないので、一旦、絶縁膜102表面の電荷を除去する必要がある。本実施例では、第1の波長範囲の光L1を十分に長い時間照射することによって、半導体基板101から電子を供給し続け、絶縁膜102表面の帯電分子を中和するようにしている。ただし、この場合にも、絶縁膜102表面の帯電分子が完全に中和されているか否かは不明であるので、光照射による電荷除去に代えて、純粋リンスを行うことによって除去するようにしてもよい。
【0083】
なお、本実施例の膜内イオン量測定装置MD3(図10)における測定用電極201と金属製の試料台170と振動容量電位測定器350とホストコントローラ390との測定系が、本発明の電気特性測定部に相当する。また、光源装置300と光ファイバ302とレンズ304との照射光学系、および、コロナ電荷生成部400による電界付与系が、本発明の膜内イオン中和部に相当する。
【0084】
以上説明したように、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、半導体ウエハに第1の波長範囲の光が照射されるとともに電界が与えられる。したがって、膜内イオンの中和を比較的短時間に行うことが可能となり、この結果、初期状態の絶縁膜中に存在していた膜内イオンの量を効率よく測定することが可能となる。
【0085】
また、絶縁膜中に複数種類の膜内イオンが含まれている場合には、半導体ウエハに第2の波長範囲の光を照射するとともに、逆方向の電界を与えている。これにより、中和された複数種類の膜内イオンのうち、特定種類の膜内イオンのみを比較的短時間でイオン化させることが可能となる。この結果、初期状態の絶縁膜中に存在していた特定膜内イオンの量を効率よく測定することが可能となる。
【0086】
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。
【0087】
(1)第1実施例では、C−V測定は、測定用電極201を半導体ウエハ100に接触させない非接触測定で行われているが、測定用電極201を半導体ウエハ100の絶縁膜表面に押しつけることにより接触測定で行ってもよい。また、接触C−V測定としては、測定用電極201に代えて、液体金属(例えば、HgやInGa)と液体金属に接触させる測定プローブとを用いてもよい。この液体金属と測定プローブとの組み合わせも本発明の測定用電極としての機能を有する。なお、非接触C−V測定を行えば、接触C−V測定の場合と比べ、半導体ウエハ100の表面の損傷を低減することができるという利点がある。
【0088】
(2)第1,第2実施例では、膜内イオンを中和させる工程(図2のステップS2,図5のステップT2)および中和した膜内イオンを再度イオン化させる工程(図5のステップT5,T8)において、測定用電極201に電圧を印加することにより半導体ウエハ100に電界を与えている。しかし、第3実施例のように、半導体ウエハ100の表面を帯電させることにより電界を与えるようにしてもよい。
【0089】
(3)第1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。
【0090】
(4)上記実施例では、本発明の測定手法として、C−V測定や、表面光電圧測定を利用する測定や、振動容量電位測定を利用する測定などを用いているが、他の測定手法を用いてもよい。一般に、本発明における測定手法としては、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を示す説明図である。
【図2】半導体ウエハの絶縁膜中に存在する膜内イオンの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】絶縁膜中の膜内イオンM1+ が中和されるときの様子を示す説明図である。
【図5】絶縁膜中に複数種類の膜内イオンが含まれている場合の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6】半導体ウエハの絶縁膜中に存在する複数種類の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7】絶縁膜中に含まれる膜内イオンM1+ ,M2+ が双方とも中和されるときの様子を示す説明図である。
【図8】中和された膜内イオンが再度イオン化されるときの様子を示す説明図である。
【図9】本発明の第2実施例としての膜内イオン量測定装置の構成を示す説明図である。
【図10】本発明の第3実施例としての膜内イオン量測定装置の構成を示す説明図である。
【図11】ケルビン法を用いた表面電位測定の概略を示す説明図である。
【符号の説明】
100…半導体ウエハ
100a…表面
101…半導体基板(シリコン基板)
102…絶縁膜(シリコン酸化膜)
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…ステージ
190…移動ステージ
201…測定用電極
300,300a…光源装置
302…光ファイバ
304…レンズ
306…チョッパ
306a…軸
310…Z位置制御装置
320…光量測定器
330…容量測定器
340…SPV測定器
350…振動容量電位測定器
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
400…コロナ電荷生成部
410…直流電源
420…イオン噴出ノズル
422…ガスボンベ
424…流量調節器
426…イオン発生用電極
MD1,MD2,MD3…膜内イオン量測定装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for measuring the amount of ions in a film contained in an insulating film of a semiconductor wafer.
[0002]
[Prior art]
In the manufacturing process of a semiconductor wafer, an alkali metal ion (Na) is contained in an insulating film formed on the surface of the semiconductor wafer.+, K+, Li+) Or the like (hereinafter referred to as “in-film ions”). Since these in-film ions deteriorate the stability of the semiconductor wafer, there is a demand for measuring the amount of in-film ions.
[0003]
The amount of in-film ions present in the insulating film is the first electrical characteristic value in the state where the in-film ions are present in the insulating film and the second value in the state where the in-film ions are not present in the insulating film. It can obtain | require by measuring the electrical property value. Conventionally, the state in which no in-film ions exist in the insulating film has been realized by irradiating the semiconductor wafer with light to neutralize the in-film ions. Such a method for measuring the amount of ions in the membrane is described in detail in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-126811 disclosed by the applicant of the present application.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional technique has a problem that it takes a relatively long time to neutralize ions in the membrane, and the amount of ions in the membrane cannot be measured efficiently.
[0005]
The present invention has been made to solve the above-described problems in the prior art, and an object thereof is to provide a technique capable of efficiently measuring the amount of in-film ions present in an insulating film of a semiconductor wafer. And
[0006]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
In order to solve at least a part of the above-described problems, the method of the present invention is a method for measuring the amount of ions in a film existing in an insulating film formed on the surface of a semiconductor wafer using a measurement electrode. (A) measuring a first electrical characteristic value of the semiconductor wafer according to a predetermined measurement technique using the measurement electrode in an initial state in which the in-film ions are included in the insulating film; b) irradiating light in a first wavelength range with an electric field applied to the semiconductor wafer to neutralize the in-film ions in the insulating film; and (c) in-film ions are in the middle. A step of measuring a second electrical characteristic value of the semiconductor wafer in accordance with the predetermined measurement method in a summed state; and (d) from the first and second electrical characteristic values in the initial state, In the film that was present in the insulating film Characterized in that it comprises the steps of determining the amount of on and.
[0007]
In the method of the present invention, when neutralizing ions in the insulating film, the semiconductor wafer is irradiated with light in the first wavelength range and an electric field is applied. As a result, the amount of ions in the film existing in the insulating film in the initial state can be efficiently measured.
[0008]
In the above method, the insulating film includes a plurality of types of in-film ions, the plurality of types of in-film ions are neutralized in the step (b), and the method further includes: The plurality of types of films neutralized in the step (b) by irradiating the semiconductor wafer with light in the second wavelength range while applying an electric field in a direction opposite to the electric field applied in the step (b). A step of ionizing specific types of in-film ions among the internal ions by an amount substantially equal to the amount of the specific type of in-film ions present in the insulating film in the initial state; and (f) the specific Measuring a third electrical property value of the semiconductor wafer according to the predetermined measurement method in a state where ions of a kind in the film are ionized in the step (e), and (g) the second and second From the electrical characteristics of 3 It is preferable and a step of determining the amount of the insulating layer the particular type of film in the ion that was present in the in the initial state.
[0009]
Thus, in the step (e), when ionizing the neutralized in-film ions, the semiconductor wafer is irradiated with light in the second wavelength range and given an electric field in the opposite direction, whereby a specific kind of film is obtained. Inner ions can be ionized in a relatively short time. As a result, even when a plurality of types of in-film ions are included in the insulating film in the initial state, it is possible to efficiently measure the amount of specific types of in-film ions.
[0010]
Further, in the above method, the steps (e) to (g) are repeated while changing the second wavelength range of the light irradiated in the step (e) to a short wavelength, and the plurality of types of in-film ions It is preferable to provide a step of separating and determining the amount of other specific types of intramembranous ions.
[0011]
By doing this, it is possible to successfully determine the amount of ions of other specific types of ions contained in the insulating film in the initial state.
[0012]
In the above method, the light in the first wavelength range is desirably light in at least a part of a range from about 220 nm to about 295 nm when the insulating film is a silicon oxide film.
[0013]
By doing so, it is possible to neutralize the ions in the silicon oxide film well.
[0014]
In the above method, the predetermined measurement technique may be CV measurement.
[0015]
In the above method, the CV measurement is preferably a non-contact measurement in which the measurement electrode is not brought into contact with the insulating film.
[0016]
Alternatively, in the above method, the predetermined measurement method may use surface photovoltage measurement that measures a surface photovoltage of the semiconductor wafer generated by irradiating the semiconductor wafer with intermittent light.
[0017]
Alternatively, in the above method, the predetermined measurement method uses vibration capacitance potential measurement that measures the surface potential of the semiconductor wafer while temporally changing a gap between the measurement electrode and the semiconductor wafer. May be.
[0018]
As described above, the amount of ions in the membrane can be determined by using various measurement techniques.
[0019]
In the above method, the step (b) may include a step of applying an electric field to the semiconductor wafer by charging the surface of the insulating film.
[0020]
Even in this case, an electric field can be applied to the semiconductor wafer in the step (b).
[0021]
The apparatus of the present invention is an in-film ion amount measuring apparatus for measuring the amount of in-film ions present in an insulating film formed on the surface of a semiconductor wafer using the measuring electrode, and uses the measuring electrode. An electrical property measuring unit for measuring electrical property values of the semiconductor wafer according to a predetermined measurement method, and irradiating the semiconductor wafer with light in a first wavelength range while applying an electric field to the semiconductor wafer. An in-film ion neutralization unit that electrically neutralizes the in-film ions in the film, and the electrical property measurement unit is configured to perform the predetermined operation in an initial state in which the in-film ions are included in the insulating film. The first electrical characteristic value of the semiconductor wafer measured according to the measurement technique and the second electrical characteristic value of the semiconductor wafer measured according to the predetermined measurement technique in a state where the ions in the film are neutralized From the characteristic value, before Characterized in that it comprises a membrane in ion quantity determining section for determining the amount of the film within the ion that was present in the insulating layer in the initial state.
[0022]
By using the apparatus of the present invention, it is possible to efficiently measure the amount of ions in the film existing in the insulating film in the initial state, with the same operations and effects as the above method.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A. First embodiment:
FIG. 1 is an explanatory view showing an in-membrane ion content measuring apparatus as a first embodiment of the present invention. This measuring device MD1 has a function of measuring the CV characteristics of the
[0024]
The
[0025]
An
[0026]
A Z
[0027]
When performing non-contact CV measurement, the Z
[0028]
FIG. 2 is a flowchart showing a procedure for determining the amount of in-film ions present in the insulating film of the semiconductor wafer. In step S1, the first CV measurement is performed on the
[0029]
FIG. 3 is an explanatory diagram showing processing when measuring the amount of ions in the film existing in the insulating film of the semiconductor wafer. FIG. 3A-1 shows the vicinity of the surface of the
[0030]
FIG. 3 (A-2) shows a first CV curve F1 when the first CV measurement is performed on the
[0031]
When the first CV curve F1 is obtained in step S1 (FIG. 2), in step S2, light in the first wavelength range is irradiated with an electric field applied to the
[0032]
FIG. 4 shows in-film ions M1 in the insulating film.+It is explanatory drawing which shows a mode when is neutralized. FIG. 4 schematically shows an energy band diagram in the vicinity of the interface between the
[0033]
As shown in FIG. 4, when the
[0034]
In the present embodiment, the wavelength range of the first light L1 is preferably at least part of about 220 nm to about 295 nm, and particularly 221 nm to 292 nm is suitable. When light having such a wavelength range is used, electrons in the
[0035]
Further, in this embodiment, since the electric field is applied to the
[0036]
By the way, in the conventional technique, sodium ion Na is obtained only by light irradiation.+To neutralize. However, in this case, at the initial stage of light irradiation, sodium ions Na in the silicon oxide film 102+E-Is successfully attracted to the oxide film side and neutralized, but in the latter stage of light irradiation, neutralization proceeds and electrons e-Is not attracted to the oxide film side, and all sodium ions Na+There was a problem that it took quite a while to neutralize. In this embodiment, as described above, since an electric field is applied along with light irradiation, sodium ions Na in the
[0037]
The electric field applied to the
[0038]
In step S3 (FIG. 2), a second CV measurement is performed to obtain a second CV curve. FIG. 3B-2 shows a second CV curve F2 when the second CV measurement is performed on the
[0039]
In step S4, the initial insulation shown in FIG. 3A-1 is obtained from the first CV curve F1 obtained in step S1 and the second CV curve F2 obtained in step S2. Intramembrane ion M1 present in
[0040]
[Expression 1]
[0041]
Where ε0Is the dielectric constant of vacuum, εox is the relative dielectric constant of the insulating
[0042]
In the above equation (1), the density ρ of ions in the membrane0Since values other than are known, the voltage shift amount ΔVF1To ρ0The value of can be determined. The calculation of the in-film ion amount using the equation (1) is executed by the in-film ion
[0043]
As described above, in-film ions M1 existing in the insulating
[0044]
In FIGS. 2 to 4, in-film ions M <b> 1 in the case where one kind of element M <b> 1 is contained in the insulating
[0045]
FIG. 5 is a flowchart showing a procedure for determining the in-film ion amount when a plurality of types of in-film ions are included in the insulating film. FIG. 6 is an explanatory diagram showing a process when measuring the amounts of plural types of in-film ions present in the insulating film of the semiconductor wafer.
[0046]
The processing in steps T1 to T4 in FIG. 5 is almost the same as steps S1 to S4 in FIG. FIG. 6A-1 shows the vicinity of the surface of the
[0047]
In step T2, when the
[0048]
FIG. 7 shows in-film ions M1 contained in the insulating film.+, M2+It is explanatory drawing which shows a mode when both are neutralized. As shown in FIG. 7, in the
[0049]
In step T3 (FIG. 5), a second CV measurement is performed to obtain a second CV curve. FIG. 6B-2 shows a second CV curve G2 when the second CV measurement is performed on the
[0050]
In Step T4, all the in-film ions M1 present in the insulating
[0051]
Next, in step T5, the
[0052]
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a state when neutralized in-film ions are ionized again. The light L2 in the second wavelength range irradiated in step T5 is neutralized in-film ions M1.+, M2+Of these, the neutralized first in-membrane ion M1+The wavelength is such that only the ions are ionized. First membrane ion M1+Is sodium ion Na+, The light having the energy of about 2.4 eV shown in FIG. 8, that is, the light of about 517 nm is irradiated. When such light is irradiated, the first trap level ET1E captured in-Is excited. At this time, the neutralized first in-film ion M1+Is ionized and electrons e-Is re-released. That is, the neutralized sodium ion is ionized again. Incidentally, in step T5, a negative voltage is applied to the measurement electrode 201 (FIG. 1) with respect to the
[0053]
FIG. 6C-1 shows the neutralized intramembranous ion M1 shown in FIG. 6B-1 in step T5 (FIG. 5).+, M2+Of these, the first in-film ion M1+Only the ionized state is shown. At this time, the first in-film ion M1 to be ionized+Of the first in-film ion M1 contained in the insulating
[0054]
In step T6, the third CV measurement is performed. FIG. 6C-2 shows a third CV curve G3 when the third CV measurement is performed on the
[0055]
In Step T7, the first in-film ion M1 ionized again from the second CV curve G2 and the third CV curve G3.+Determine the amount of. Specifically, the flat band voltage shift amount ΔV of the second and third CV curves G2, G3.G2Is determined using the same formula as formula (1).
[0056]
In steps T8 to T10, processing similar to that in steps T5 to T7 is repeated. In step T8, as in step T5, the
[0057]
FIG. 6D-1 shows the second neutralized ion M2 neutralized in step T8 (FIG. 5) shown in FIG. 6C-1.+Shows the state of being ionized. The ionized in-film ion M2+Of the second in-film ion M2 contained in the insulating
[0058]
In step T9, the fourth CV measurement is performed. FIG. 6D-2 shows a fourth CV curve G4 when the fourth CV measurement is performed on the
[0059]
In Step T10, ionized second in-film ions M2 are obtained from the third CV curve G3 and the fourth CV curve G4.+Determine the amount of. Specifically, the shift amount ΔV of the flat band voltage of the third and fourth CV curves G3 and G4.G3Is determined using the same formula as formula (1).
[0060]
In FIG. 5, the second in-film ion M2+Is determined from the third and fourth CV curves G3 and G4. As shown in FIG. 6, two types of in-film ions M1 are included in the insulating film 102.+, M2+Can be obtained from the first and third CV curves G1 and G3.
[0061]
FIG. 5 illustrates the case where only two types of in-film ions are present in the insulating
[0062]
As can be understood from the above description, the measurement system of the
[0063]
B. Second embodiment:
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the configuration of an in-membrane ion content measuring apparatus as a second embodiment of the present invention. The measuring apparatus MD2 shown in FIG. 9 has a function of measuring a surface photovoltage (SPV) of the
[0064]
The
[0065]
In the measuring apparatus MD2 of the present embodiment, an
[0066]
Further, in the measuring apparatus MD2, the
[0067]
Even when the measuring device MD2 of FIG. 9 is used, it is possible to measure the amount of ions in the insulating film in accordance with the same procedure as the measuring device MD1 of FIG. 1, that is, the procedure of FIG. However, in the first embodiment, the non-contact CV measurement is performed as the measurement in steps S1 and S3. However, in the present embodiment, the SPV measurement is performed while the voltage is subtracted.
[0068]
By the way, the SPV measurement utilizes the following phenomenon. When the semiconductor wafer is irradiated with intermittent light, electron-hole pairs are generated near the surface of the semiconductor wafer. At this time, if a depletion layer is formed inside the semiconductor wafer, electron-hole pairs generated by light irradiation move due to an electric field in the depletion layer and change the voltage on the surface of the semiconductor wafer. This voltage change is measured by the
[0069]
The SPV signal value increases as the depletion layer width in the substrate increases. In other words, the SPV signal value increases as the depletion layer capacity decreases. Therefore, if the SPV signal is measured while the applied voltage is being subtracted, the relationship between the applied voltage V and the combined capacitance C can be obtained in the same manner as the CV measurement.
[0070]
Even in this way, it is possible to determine the amount of ions in the membrane in step S4 of FIG. Further, even in the case where a plurality of types of in-film ions are included in the insulating film, it is possible to separately determine the amounts of ions in the film existing in the insulating film according to the procedure of FIG.
[0071]
Note that the
[0072]
C. Third embodiment:
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the configuration of an in-membrane ion content measuring apparatus as a third embodiment of the present invention. A measuring apparatus MD3 shown in FIG. 10 has a function of measuring the surface potential of the
[0073]
The measuring device MD3 is provided with a vibration capacitance
[0074]
Further, in this measuring apparatus MD3, as in FIG. 9, the
[0075]
In the measuring apparatus MD3 of the present embodiment, a
[0076]
The corona
[0077]
Even when this measuring apparatus MD3 is used, it is possible to measure the amount of ions in the insulating film in accordance with the same procedure as the measuring apparatus MD1 of FIG. 1, that is, the procedure of FIG. However, in the first embodiment, the non-contact CV measurement is performed as the measurement in steps S1 and S3. However, in this embodiment, instead of the voltage insertion in the CV measurement, the
[0078]
FIG. 11 is an explanatory diagram showing an outline of surface potential measurement using the Kelvin method. When the potential at the
[0079]
The surface potential of the
[0080]
Even in this way, it is possible to determine the amount of ions in the membrane in step S4 of FIG. Further, even in the case where a plurality of types of in-film ions are included in the insulating film, it is possible to separately determine the amounts of ions in the film existing in the insulating film according to the procedure of FIG.
[0081]
By the way, in this embodiment, in step S2 of FIG. 2, instead of applying the positive voltage in the first and second embodiments, the light in the first wavelength range is emitted with the positive corona charged molecules added. Irradiate. When a positive charge is applied on the insulating
[0082]
Further, since the amount of charge remaining on the surface of the insulating
[0083]
Note that the measurement system of the
[0084]
As described above, in the present invention, when neutralizing ions in the insulating film, the semiconductor wafer is irradiated with light in the first wavelength range and an electric field is applied. Therefore, the neutralization of ions in the film can be performed in a relatively short time, and as a result, the amount of ions in the film existing in the insulating film in the initial state can be efficiently measured.
[0085]
Further, when a plurality of types of in-film ions are included in the insulating film, the semiconductor wafer is irradiated with light in the second wavelength range and an electric field in the opposite direction is applied. Thereby, it becomes possible to ionize only a specific type of in-film ions among a plurality of types of neutralized in-film ions in a relatively short time. As a result, it is possible to efficiently measure the amount of specific intramural ions present in the insulating film in the initial state.
[0086]
The present invention is not limited to the above examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
[0087]
(1) In the first embodiment, the CV measurement is performed by non-contact measurement in which the
[0088]
(2) In the first and second embodiments, the step of neutralizing the ions in the membrane (step S2 in FIG. 2 and step T2 in FIG. 5) and the step of ionizing the neutralized ions in the membrane again (step in FIG. 5) In T5 and T8), an electric field is applied to the
[0089]
(3) In the first embodiment, the flat band voltage Vfb obtained from the CV curve is used as the electrical characteristic value, but other measured values may be used. For example, a measurement value called “mid gap voltage” in which the Fermi level and the intrinsic Fermi level coincide with each other at the interface between the semiconductor substrate and the insulating film may be used.
[0090]
(4) In the above embodiment, C-V measurement, measurement using surface photovoltage measurement, measurement using vibration capacitance potential measurement, etc. are used as the measurement method of the present invention. It may be used. In general, any measurement technique in the present invention may be used as long as it can measure the electrical characteristic value of the semiconductor wafer related to ions in the film contained in the insulating film of the semiconductor wafer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing an in-membrane ion content measuring apparatus as a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing a procedure for determining the amount of ions in a film existing in an insulating film of a semiconductor wafer.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a process when measuring the amount of ions in a film existing in an insulating film of a semiconductor wafer.
FIG. 4 In-film ion M1 in an insulating film+It is explanatory drawing which shows a mode when is neutralized.
FIG. 5 is a flowchart showing a procedure for determining the amount of ions in a film when a plurality of types of ions in the film are included in the insulating film.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing processing when measuring the amounts of a plurality of types of in-film ions existing in an insulating film of a semiconductor wafer.
FIG. 7 shows in-film ions M1 contained in the insulating film.+, M2+It is explanatory drawing which shows a mode when both are neutralized.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a state when neutralized in-film ions are ionized again.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a configuration of an in-membrane ion content measuring apparatus as a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the configuration of an in-membrane ion content measuring apparatus as a third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing an outline of surface potential measurement using the Kelvin method.
[Explanation of symbols]
100: Semiconductor wafer
100a ... surface
101 ... Semiconductor substrate (silicon substrate)
102 ... Insulating film (silicon oxide film)
110 ... Stepping motor
120: Piezoelectric actuator
130: Stand
140 ... Prism
140a ... bottom surface
150 ... Light emitting device
160. Light receiving element
170 ... Sample stage
190 ... Stage
190 ... Movement stage
201: Measuring electrode
300, 300a ... Light source device
302 ... Optical fiber
304 ... Lens
306 ... Chopper
306a ... axis
310 ... Z position control device
320: Light quantity measuring device
330 ... Capacity measuring instrument
340 ... SPV measuring instrument
350: Vibration capacitance potential measuring device
380 ... Stage control device
390 ... Host controller
392: In-membrane ion content determination unit
400: Corona charge generator
410: DC power supply
420 ... Ion ejection nozzle
422 ... Gas cylinder
424 ... Flow controller
426 ... Electrode for generating ions
MD1, MD2, MD3 ... Intramembrane ion content measuring device
Claims (10)
(a)前記絶縁膜中に第1種および第2種の膜内イオンを含む複数種類の膜内イオンが含まれる初期状態で、前記測定用電極を用いた所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの第1の電気的特性値を測定する工程と、
(b)前記半導体ウエハに第1の方向の電界を与えつつ第1の波長範囲の光を照射することによって、前記絶縁膜中の前記複数種類の膜内イオンを中和させる工程と、
(c)前記複数種類の膜内イオンが中和された状態で、前記所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの第2の電気的特性値を測定する工程と、
(d)前記第1および第2の電気的特性値から、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記複数種類の膜内イオンの量を決定する工程と、
(e)前記半導体ウエハに前記第1の方向と逆向きの第2の方向の電界を与えつつ第2の波長範囲の光を照射することによって、中和された前記第1種の膜内イオンを前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第1種の膜内イオンの量とほぼ同じ量だけイオン化する工程と、
(f)中和された前記第1種の膜内イオンが前記工程(e)においてイオン化された状態で、前記所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの第3の電気的特性値を測定する工程と、
(g)前記第2および第3の電気的特性値から、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第1種の膜内イオンの量を決定する工程と、
(h)前記半導体ウエハに前記第2の方向の電界を与えつつ前記第2の波長範囲よりも短波長の第3の波長範囲の光を照射することによって、中和された前記第2種の膜内イオンを前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第2種の膜内イオンの量とほぼ同じ量だけ更にイオン化する工程と、
(i)中和された前記第2種の膜内イオンが前記工程(h)において更にイオン化された状態で、前記所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの第4の電気的特性値を測定する工程と、
(j)前記第1および前記第4の電気的特性値または前記第3および第4の電気的特性値から、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第2種の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。A method for measuring the amount of ions in a film existing in an insulating film formed on the surface of a semiconductor wafer using a measurement electrode,
(A) In an initial state in which the insulating film includes a plurality of types of in-film ions including first-type and second-type in-film ions, the semiconductor wafer is manufactured according to a predetermined measurement method using the measurement electrode. Measuring a first electrical characteristic value;
(B) by irradiation with light of the first Etsutsu given the electric field in the direction of the first wavelength range in said semiconductor wafer, a step of neutralizing the previous SL plurality of types of films in ions in the insulating film ,
(C) before SL state where a plurality of types of film within the ion is neutralized, measuring a second electrical characteristic value of the semiconductor wafer according to the predetermined measurement method,
; (D) from the first and second electrical characteristic values, and determining the amount of the initial state the insulating film layer before Symbol plurality of types that were present in the ions in,
(E) The first type of intra-film ions neutralized by irradiating the semiconductor wafer with light in a second wavelength range while applying an electric field in a second direction opposite to the first direction. Ionizing the same amount as the amount of ions in the first type of film that were present in the insulating film in the initial state;
(F) a step of measuring a third electrical characteristic value of the semiconductor wafer according to the predetermined measurement method in a state where the neutralized first type in-film ions are ionized in the step (e); ,
(G) determining the amount of the first type of in-film ions present in the insulating film in the initial state from the second and third electrical characteristic values;
(H) The second type neutralized by irradiating light in a third wavelength range having a shorter wavelength than the second wavelength range while applying an electric field in the second direction to the semiconductor wafer. Further ionizing in-film ions by an amount substantially equal to the amount of the second type of in-film ions present in the insulating film in the initial state;
(I) a step of measuring a fourth electrical characteristic value of the semiconductor wafer in accordance with the predetermined measurement method in a state where the neutralized second type in-film ions are further ionized in the step (h). When,
(J) From the first and fourth electrical characteristic values or the third and fourth electrical characteristic values, the second type of intra-film ions existing in the insulating film in the initial state Determining the amount of
A method for measuring the amount of ions in a membrane.
(A)前記絶縁膜中に第1種および第2種の膜内イオンを含む複数種類の膜内イオンが含まれる初期状態で、前記半導体ウエハに第1の方向の電界を与えつつ第1の波長範囲の光を照射することによって、前記絶縁膜中の前記複数種類の膜内イオンを中和させる工程と、(A) In an initial state in which a plurality of types of in-film ions including first-type and second-type in-film ions are included in the insulating film, the first electric field is applied to the semiconductor wafer in a first direction. A step of neutralizing the plurality of types of ions in the insulating film by irradiating light in a wavelength range; and
(B)前記複数種類の膜内イオンが中和された状態で、前記測定用電極を用いた所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの第1の電気的特性値を測定する工程と、(B) a step of measuring a first electrical characteristic value of the semiconductor wafer according to a predetermined measurement method using the measurement electrode in a state where the plurality of types of in-film ions are neutralized;
(C)前記半導体ウエハに前記第1の方向と逆向きの第2の方向の電界を与えつつ第2の波長範囲の光を照射することによって、中和された前記第1種の膜内イオンを前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第1種の膜内イオンの量とほぼ同じ量だけイオン化する工程と、(C) The first type of intra-film ions neutralized by irradiating the semiconductor wafer with light in a second wavelength range while applying an electric field in a second direction opposite to the first direction. Ionizing the same amount as the amount of ions in the first type of film existing in the insulating film in the initial state;
(D)中和された前記第1種の膜内イオンが前記工程(C)においてイオン化された状態で、前記所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの第2の電気的特性値を測定する工程と、(D) a step of measuring a second electrical characteristic value of the semiconductor wafer according to the predetermined measurement technique in a state where the neutralized first type in-film ions are ionized in the step (C); ,
(E)前記第1および第2の電気的特性値から、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第1種の膜内イオンの量を決定する工程と、(E) determining the amount of the first type of in-film ions present in the insulating film in the initial state from the first and second electrical characteristic values;
(F)前記半導体ウエハに前記第2の方向の電界を与えつつ前記第2の波長範囲よりも短(F) Shorter than the second wavelength range while applying an electric field in the second direction to the semiconductor wafer. 波長の第3の波長範囲の光を照射することによって、中和された前記第2種の膜内イオンを前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第2種の膜内イオンの量とほぼ同じ量だけ更にイオン化する工程と、By irradiating light in the third wavelength range of the wavelength, the neutralized second-type in-film ions of the second-type in-film ions present in the insulating film in the initial state Further ionizing the same amount as the amount;
(G)中和された前記第2種の膜内イオンが前記工程(F)において更にイオン化された状態で、前記所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの第3の電気的特性値を測定する工程と、(G) A step of measuring a third electrical characteristic value of the semiconductor wafer according to the predetermined measurement method in a state where the neutralized second type in-film ions are further ionized in the step (F). When,
(H)前記第2および第3の電気的特性値から、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第2種の膜内イオンの量を決定する工程と、(H) determining the amount of the second type of in-film ions present in the insulating film in the initial state from the second and third electrical characteristic values;
を備えることを特徴とする膜内イオン量測定方法。A method for measuring the amount of ions in a membrane.
前記第1の波長範囲の光は、
前記絶縁膜がシリコン酸化膜である場合に、約220nm〜約295nmの少なくとも一部の範囲の光である、膜内イオン量測定方法。A method for measuring the amount of ions in a membrane according to claim 1 or 2 ,
The light in the first wavelength range is
When the insulating film is a silicon oxide film, the in-film ion amount measuring method is light in at least a part of a range from about 220 nm to about 295 nm.
前記所定の測定手法は、C−V測定である、膜内イオン量測定方法。A method for measuring the amount of ions in a membrane according to any one of claims 1 to 3 ,
The predetermined measurement method is a method for measuring the amount of ions in a membrane, which is CV measurement.
前記C−V測定は、前記測定用電極を前記絶縁膜に接触させない非接触測定である、膜内イオン量測定方法。A method for measuring the amount of ions in a membrane according to claim 4 ,
The CV measurement is an in-film ion content measurement method, which is a non-contact measurement in which the measurement electrode is not brought into contact with the insulating film.
前記所定の測定手法は、前記半導体ウエハに断続光を照射することにより発生する前記半導体ウエハの表面光電圧を測定する表面光電圧測定を利用する、膜内イオン量測定方法。A method for measuring the amount of ions in a membrane according to any one of claims 1 to 3 ,
The predetermined measurement method is an in-film ion content measurement method using surface photovoltage measurement for measuring a surface photovoltage of the semiconductor wafer generated by irradiating the semiconductor wafer with intermittent light.
前記所定の測定手法は、前記測定用電極と前記半導体ウエハとのギャップを時間的に変化させつつ前記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利用する、膜内イオン量測定方法。A method for measuring the amount of ions in a membrane according to any one of claims 1 to 3 ,
The predetermined measurement method is an in-film ion content measurement method that uses vibration capacitance potential measurement that measures the surface potential of the semiconductor wafer while temporally changing the gap between the measurement electrode and the semiconductor wafer.
前記中和工程は、前記絶縁膜表面を帯電させることによって前記半導体ウエハに電界を与える工程を含む、膜内イオン量測定方法。A method for measuring the amount of ions in a membrane according to claim 7 ,
The in-film ion content measuring method, wherein the neutralizing step includes a step of applying an electric field to the semiconductor wafer by charging the surface of the insulating film.
測定用電極を用いた所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの電気的特性値を測定する電気特性測定部と、 An electrical property measurement unit for measuring electrical property values of the semiconductor wafer according to a predetermined measurement technique using a measurement electrode;
前記半導体ウエハに電界を与えつつ光を照射する電界印加・光照射部であって、前記絶縁膜中に第1種および第2種の膜内イオンを含む複数種類の膜内イオンが含まれる初期状態で前記半導体ウエハに第1の方向の電界を与えつつ第1の波長範囲の光を照射することによって、前記絶縁膜中の前記複数種類の膜内イオンが中和された第1の状態を形成し、前記半導体ウエハに前記第1の方向と逆向きの第2の方向の電界を与えつつ第2の波長範囲の光を照射することによって、中和された前記第1種の膜内イオンが前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第1種の膜内イオンの量とほぼ同じ量だけイオン化された第2の状態を形成し、前記半導体ウエハに前記第2の電界を与えつつ前記第2の波長範囲よりも短波長側の第3の波長範囲の光を照射することによって、中和された前記第2種の膜内イオンが前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第2種の膜内イオンの量とほぼ同じ量だけ更にイオン化された第3の状態を形成する、前記電界印加・光照射部と、 An electric field application / light irradiation unit for irradiating light while applying an electric field to the semiconductor wafer, wherein the insulating film includes a plurality of types of in-film ions including first-type and second-type in-film ions. By irradiating light in a first wavelength range while applying an electric field in a first direction to the semiconductor wafer in a state, the first state in which the plurality of types of ions in the insulating film are neutralized is obtained. Forming and neutralizing the first type of in-film ions by irradiating the semiconductor wafer with light in a second wavelength range while applying an electric field in a second direction opposite to the first direction. Forms a second state that is ionized by approximately the same amount as the amount of ions of the first type in the film existing in the insulating film in the initial state, and applies the second electric field to the semiconductor wafer. A third wavelength shorter than the second wavelength range. By irradiating light in a long range, the amount of the second type of in-film ions neutralized is approximately the same as the amount of the second type of in-film ions present in the insulating film in the initial state. Forming the third state that is further ionized, and the electric field application / light irradiation unit,
を備え、With
前記電気特性測定部は、 The electrical property measuring unit is
前記初期状態で測定された前記半導体ウエハの第1の電気的特性値と前記第1の状態で測定された前記半導体ウエハの第2の電気的特性値とから、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記複数種類の膜内イオンの量を決定し、前記第2の電気的特性値と前記第2の状態で測定された前記半導体ウエハの第3の電気的特性値とから、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第1種の膜内イオンの量を決定し、前記第1の電気的特性値および前記第3の状態で測定された前記半導体ウエハの第4の電気的特性値または前記第3の電気的特性値および前記第4の電気的特性値から、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第2種の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。 From the first electrical characteristic value of the semiconductor wafer measured in the initial state and the second electrical characteristic value of the semiconductor wafer measured in the first state, The amount of the plurality of types of ions in the film that were present in the second, and from the second electrical characteristic value and the third electrical characteristic value of the semiconductor wafer measured in the second state, The amount of the first type of in-film ions present in the insulating film in the initial state is determined, and the first electrical characteristic value and the first state of the semiconductor wafer measured in the third state are determined. 4 or the third electrical characteristic value and the fourth electrical characteristic value, the amount of ions in the second type of film existing in the insulating film in the initial state is determined. It is characterized by having an in-film ion content determination unit to determine Membrane in the ion measuring device.
測定用電極を用いた所定の測定手法に従って前記半導体ウエハの電気的特性値を測定する電気特性測定部と、 An electrical property measurement unit for measuring electrical property values of the semiconductor wafer according to a predetermined measurement technique using a measurement electrode;
前記半導体ウエハに電界を与えつつ光を照射する電界印加・光照射部であって、前記絶縁膜中に第1種および第2種の膜内イオンを含む複数種類の膜内イオンが含まれる初期状態で前記半導体ウエハに第1の方向の電界を与えつつ第1の波長範囲の光を照射することによって、前記絶縁膜中の前記複数種類の膜内イオンが中和された第1の状態を形成し、前記半導体ウエハに前記第1の方向と逆向きの第2の方向の電界を与えつつ第2の波長範囲の光を照射することによって、中和された前記第1種の膜内イオンが前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第1種の膜内イオンの量とほぼ同じ量だけイオン化された第2の状態を形成し、前記半導体ウエハに前記第2の電界を与えつつ前記第2の波長範囲よりも短波長側の第3の波長範囲の光を照射することによって、中和された前記第2種の膜内イオンが前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第2種の膜内イオンの量とほぼ同じ量だけ更にイオン化された第3の状態を形成する、前記電界印加・光照射部と、 An electric field application / light irradiation unit for irradiating light while applying an electric field to the semiconductor wafer, wherein the insulating film includes a plurality of types of in-film ions including first-type and second-type in-film ions. By irradiating light in a first wavelength range while applying an electric field in a first direction to the semiconductor wafer in a state, the first state in which the plurality of types of ions in the insulating film are neutralized is obtained. Forming and neutralizing the first type of in-film ions by irradiating the semiconductor wafer with light in a second wavelength range while applying an electric field in a second direction opposite to the first direction. Forms a second state that is ionized by approximately the same amount as the amount of ions of the first type in the film existing in the insulating film in the initial state, and applies the second electric field to the semiconductor wafer. While providing a third wavelength shorter than the second wavelength range. By irradiating light in a long range, the amount of the second type of in-film ions neutralized is approximately the same as the amount of the second type of in-film ions present in the insulating film in the initial state. Forming the third state, which is further ionized, and the electric field application / light irradiation unit,
を備え、With
前記電気特性測定部は、 The electrical property measuring unit is
前記第1の状態で測定された前記半導体ウエハの第1の電気的特性値と前記第2の状態で測定された前記半導体ウエハの第2の電気的特性値とから、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第1種の膜内イオンの量を決定し、前記第2の電気的特性値と前記第3の状態で測定された前記半導体ウエハの第3の電気的特性値とから、前記初期状態において前記絶縁膜中に存在していた前記第2種の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。 From the first electrical property value of the semiconductor wafer measured in the first state and the second electrical property value of the semiconductor wafer measured in the second state, the insulation in the initial state The amount of the first-type ions in the film existing in the film is determined, and the second electric characteristic value and the third electric characteristic value of the semiconductor wafer measured in the third state are determined. And an in-film ion amount determination unit that determines the amount of the second type of in-film ions present in the insulating film in the initial state.
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