JP2772495B2 - 容量測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は，複数の電極と１つの
共通電極との間のそれぞれの容量を同時に測定する場合
に利用される容量測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＭＩＳ構造の半導体のプロセスを評価す
る方法の１つとして，Ｃ−Ｖ測定による評価方法が用い
られている。従来のＣ−Ｖ測定では，半導体基板上の酸
化膜の表面上に電気測定用の電極を形成する必要があっ
たが，電極形成のプロセスは，半導体ウエハの電気特性
自体に影響を与えるばかりでなく。電極形成そのものに
手間と時間がかかるという問題があった。。そこで，本
出願人は，半導体ウエハの表面上に電極を形成すること
なく，Ｃ−Ｖ測定やＣ−ｔ法などの電気特性評価を行な
うことのできる半導体ウエハの電気測定装置を開発し
た。図１は，本出願人が開発した半導体の電気測定装置
の概要を示す概念図である。図の（ａ）において，半導
体基板１０１の表面上には酸化膜１０２が形成されてお
り，裏面上には電極２０２が形成されている。酸化膜１
０２の上方には，ギャップＧｅを隔てて測定用電極２０
１が電極保持ユニット３００によって保持されている。
酸化膜１０２と測定用電極２０１とのギャップＧｅは，
後述するように，約１μｍ以下になるように電極保持ユ
ニット３００によって制御されている。

【０００３】２つの電極２０１，２０２の間の静電容量
Ｃｔは，図の（ｂ）に示すように，半導体基板１０１の
静電容量Ｃｓと，酸化膜１０２の静電容量Ｃｉと，ギャ
ップＧｅの静電容量Ｃｇとの直列接続で表わされる。Ｃ
−Ｖ曲線は，半導体基板１０１の容量Ｃｓと，酸化膜１
０２の容量Ｃｉとの合成容量Ｃｔａの電圧依存性であ
る。ギャップＧｅの値は，電極保持ユニット３００によ
って正確に測定され，このギャップＧｅの値に基づいて
ギャップの静電容量Ｃｇが計算により求められる。合成
容量Ｃｔは測定部４００で測定され，この合成容量Ｃｔ
からギャップの静電容量Ｃｇを減算して容量Ｃｔａを求
めることによりＣ−Ｖ曲線が決定される。

【０００４】ところで，上述の装置を用いて半導体の電
気測定を行なう場合に，測定用電極２０１と半導体ウエ
ハ表面との間が平行でないと，ギャップＧｅの静電容量
Ｃｇの値がギャップＧｅに基づく計算値からずれてしま
い，電気測定を正確に行なう上で望ましくない。そこ
で，電気測定装置には，測定用電極（もしくはその保持
面）と半導体ウエハ表面との間の平行度を正確に調整す
る装置を備えておくことが望ましい。

【０００５】そこで本出願人は，測定用電極を保持する
電極保持面に平行度調整用電極を複数個設け，各平行度
調整用電極と半導体ウエハとの間の容量が互いに等しく
なるように電極保持面と半導体ウエハとの傾きを調整す
ることによって，これらの平行度を調整する方法を開発
した。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】容量の測定装置は，ブ
リッジを用いるものが一般的である。しかし，ブリッジ
を用いて複数の平行度調整用電極と半導体ウエハとの間
の容量をそれぞれ測定しようとすると，半導体ウエハに
接続する端子（図１の例では電極２０２に接続される端
子）が各平行度調整用電極のブリッジに共通に使用され
るので，各平行度調整用電極の容量の測定値が互いに影
響してしまうという問題があった。この問題は，複数の
電極と１つの共通電極との間の容量値を同時に測定する
場合に共通する問題であり、被測定対象物が半導体ウエ
ハ以外の場合にも生じる問題であった。この発明は，上
述の課題を解決するためになされたものであり，複数の
電極と１つの共通電極との間の容量値（もしくは容量値
に依存する測定値）を，互いの測定値に影響されること
なく求めることができる容量測定装置を提供することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め，この発明の容量測定装置は，被測定対象物の被測定
容量の容量値に依存する測定値を求めるための容量測定
装置であって，一方の電極が接地側に接続された被測定
容量の他方の電極に接続される第１の入力端子と，正弦
波形を有する電源信号が入力される第２の入力端子と，
前記第１と第２の入力端子との間に介挿された抵抗要素
と，前記第１の入力端子に現われる測定信号の所定の位
相区間において、前記第２の入力端子に入力された前記
電源信号を積分することによって前記被測定容量の容量
値に依存する測定値を求める積分手段と，を備える。

【０００８】

【作用】被測定容量は，その一方が接地側に接続され，
他方が第１の入力端子に接続されるモード（いわゆるシ
ングルエンドモード）で測定できる。したがって，複数
の被測定容量の容量値に依存する測定値をそれぞれ測定
する場合に，被測定容量の接地側の端子を共通電極とす
れば，互いの測定値に影響されること無く測定を行なう
ことができる。また，検出積分手段は，測定信号の所定
の位相区間において電源信号を積分することによって容
量値に応じた測定値を求めるので，測定信号のノイズ成
分に影響されること無く精度よく測定値を求めることが
できる。

【０００９】

【実施例】Ａ．装置の構成 図２は，この発明の実施例としての電気測定装置ＭＤの
構成を示す図である。この電気測定装置ＭＤは，半導体
ウエハ１００を載置する試料台７と，試料台７の上方に
設置された断面台形状の架台３とを備えている。

【００１０】架台３には，レーザ発振器５と，プリズム
４１と，受光センサ６とで構成される光学系が設置され
ている。架台３の下部にある２つの斜面は，互いになす
角度が９０゜となるように形成されており，架台３の底
面にはプリズム４１が固定されている。また，架台３の
一方の斜面の端部にはＧａＡｌＡｓレーザなどのレーザ
発振器５が固定され，他方の斜面の端部にはフォトダイ
オードなどの受光センサ６が固定されている。

【００１１】半導体ウエハ１００の電気測定を行なう際
には，プリズムの底面４１ａと半導体ウエハ１００の表
面とのギャップが約１μｍ以下に保たれる。レーザ発振
器５とプリズム４１と受光センサ６とで構成される光学
系は，このギャップを精密に測定するための光学測定系
である。この光学測定系は，レーザ発振器５から発振さ
れたレーザ光がプリズム４１の底面４１ａで幾何学的な
全反射条件で反射する際の，レーザ光のトンネリング現
象を利用しており，受光センサ６と光量測定器１２で測
定される光量に基づいてギャップの値を測定している。
ただし，ここではその詳細は省略する。

【００１２】プリズム４１は，ほうけい酸塩ガラス（Ｂ
Ｋ７）でつくられており，その底面４１ａには後述する
測定用電極２０１と平行度調整用電極１１１〜１１３と
が形成されている。また，プリズム４１の底面４１ａ
は，半導体ウエハ１００を載置する試料台７の表面と平
行な平面（ｘｙ平面）にほぼ平行に設置されている。プ
リズム４１は，その入射面４１ｂと出射面４１ｃとが互
いに９０゜をなすように形成されており，また，これら
の面４１ｂ，４１ｃが底面４１ａとなす角度はそれぞれ
４５゜である。プリズム４１の下方には，微小なギャッ
プを介して半導体ウエハ１００が試料台７上に保持され
ており，半導体ウエハ１００の表面がプリズム４１の底
面４１ａとほぼ平行になるように設定されている。

【００１３】試料台７は，ｘｙテーブル３１の上に立設
された３台の圧電アクチュエータ２１〜２３に支持され
ている。ｘｙテーブル３１は，ｘ軸駆動モータ３２ｘと
ｙ軸駆動モータ３２ｙとにそれぞれ駆動されてｘｙ平面
上を移動する。また，ｘｙテーブル３１は，基台３３の
上に立設された垂直コラム３４によって支持されてお
り，ｚ軸駆動モータ３２ｚによって駆動されてｚ軸方向
に移動する。圧電アクチュエータ２１〜２３には位置制
御装置１１が接続されており，また，受光センサ６には
光量測定器１２が，プリズム４１の底面４１ａの各電極
と金属製の試料台７にはＬＣＲメータ１３が接続されて
いる。ＬＣＲメータ１３は，各電極と試料台７との間の
容量やコンダクタンスを測定する機器である。

【００１４】位置制御装置１１と光量測定器１２とＬＣ
Ｒメータ１３とは，ホストコントローラ１４に接続され
ており，このホストコントローラ１４によって測定装置
全体の制御や，得られたデータの処理が行なわれる。な
お，ホストコントローラ１４としては，例えばパーソナ
ルコンピュータが用いられる。試料台７をプリズム４１
に近づける場合には，まずｚ軸駆動モータ３２ｚによっ
て試料台７を上昇させ，試料台７の表面が初期位置セン
サ３５の高さにきたところでいったん停止する。その後
は，圧電アクチュエータ２１〜２３を用いて試料台７の
高さを微調節する。なお，圧電アクチュエータ２１〜２
３とモータ３２ｚ，３２ｙ，３２ｚとは，いずれも位置
制御装置１１によって制御される。

【００１５】図３は，この電気測定装置ＭＤのプリズム
４１の底面４１ａを示す図である。プリズム４１の底面
４１ａには，電気測定用の電極２０１と，平行度調整用
の３つの電極１１１〜１１３が形成されている。また，
電極２０１，１１１〜１１３にはそれぞれ導線２０１
ａ，１１１ａ〜１１３ａが接続されている。圧電アクチ
ュエータ２１〜２３は，図３に破線で示すように，各電
極１１１〜１１３の中心部の外側の位置にそれぞれ設置
されている。これらの圧電アクチュエータ２１〜２３
は，位置制御装置１１によって互いに独立に駆動され，
これによって，試料台７の上に載置された半導体ウエハ
１００の表面と測定用電極２０１の表面との平行度が調
整される。

【００１６】平行度調整用電極１１１〜１１３は，等分
割されたリング状の形状をそれぞれ有している。これら
の電極の形状は，それぞれ円形としてもよいが，図３の
ように分割したリング状にすれば，より小さな領域内
に，より面積の大きな電極を形成することができるとい
う利点がある。

【００１７】なお，プリズム４１の底面４１ａは，この
発明における電極保持面に相当する。また，この発明に
おける平行度調整手段は，３つの圧電アクチュエータ２
１〜２３と，位置制御装置１１と，ＬＣＲメータ１３
と，ホストコントローラ１４とで実現されている。図１
における電極保持ユニット３００は，圧電アクチュエー
タ２１〜２３と、架台３と、プリズム４１と、レーザ発
振器５と、受光センサ６と、位置制御装置１１と、光量
測定器１２と、ホストコントローラ１４とで実現されて
いる。

【００１８】Ｂ．平行度調整用電極の等価回路 図４は，平行度調整用電極１１１〜１１３と，測定用電
極２０１と，半導体ウエハ１００とを含む等価回路を示
す模式図である。図４の（ａ）は，平行度調整用電極１
１１〜１１３（図中，Ｓ，Ｔ，Ｕの文字をそれぞれ記し
ている。）と半導体ウエハ１００（図中，Ｗの文字を記
している。）との間の等価回路を示す。平行度調整用電
極１１１〜１１３と半導体ウエハ１００との距離は非常
に短くなるように（約１μｍ以下に）調整されるので，
各電極１１１〜１１３と半導体ウエハ１００とはそれぞ
れコンダクタンスＧとキャパシタンスＣとで結合されて
いると見なすことができる。

【００１９】同様に，図４の（ｂ）に示すように，測定
用電極２０１（図中，Ｍの文字を記している。）と半導
体ウエハ１００との間もコンダクタンスＧとキャパシタ
ンスＣとで結合されていると見なすことができる。した
がって，測定用電極２０１と平行度調整用電極１１１〜
１１３との間の等価回路は，（ａ）の等価回路と（ｂ）
の等価回路を半導体ウエハ１００の部分で直列に接続し
た回路となる。図４の（ｃ）は，測定用電極２０１と平
行度調整用電極１１１〜１１３との間の等価回路を示し
ている。すなわち，測定用電極２０１と平行度調整用電
極１１１〜１１３は，測定用電極２０１を中心として，
コンダクタンスＧとキャパシタンスＣとで結合されたＹ
形結線の対称負荷を構成している。

【００２０】なお，各電極１１１，１１２，１１３，２
０１の間の距離も例えば約１ｍｍに設定されるので，こ
れらの電極は直接的にも（すなわち，半導体ウエハを介
さずに）電気的に結合されているが，これらの電気的結
合も図４（ｃ）の等価回路で表わすことができる。

【００２１】ところで，半導体ウエハのＣ−Ｖ測定に際
しては，平行度調整用電極１１１〜１１３の容量をＬＣ
Ｒメータ１３で測定し，それらの値が一致するように圧
電アクチュエータ２１〜２３を制御することによって，
半導体ウエハ１００と測定用電極２０１との平行度が保
たれる。そして，測定用電極２０１を用いてＣ−Ｖ曲線
を測定する。

【００２２】平行度調整のための容量測定とＣ−Ｖ曲線
を得るための容量測定とは，どちらも交流印加信号に対
する静電容量の特性を利用した測定である。したがっ
て，平行度調整用電極１１１〜１１３で容量を測定して
平行度を保ちつつ，測定用電極２０１でＣ−Ｖ曲線を測
定しようとすると，通常は平行度調整用電極１１１〜１
１３に印加した交流信号が，上述のコンダクタンスＧと
キャパシタンスＣとを介して測定用電極２０１に外乱と
して加えられてしまう。したがって，正確なＣ−Ｖ測定
を行なうのは困難である。

【００２３】一方，Ｃ−Ｖ測定の間に平行度の調整を行
なわないようにすれば，上述のような問題は生じない。
ところが，圧電アクチュエータ２１〜２３としてピエゾ
素子のように印加電圧に応じた伸縮特性を有する素子を
用いる場合には，Ｃ−Ｖ測定の間も平行度の調整を続け
ている必要がある。これは，ピエゾ素子では過渡現象が
無視できないため，印加電圧を一定にしてもサブミクロ
ン単位で素子が伸縮してしまうことがあるからである。

【００２４】この実施例は，上述のような点を考慮し，
平行度調整用電極１１１〜１１３に交流信号を印加して
も測定用電極２０１に対する外乱とならないように工夫
したものである。図５に平行度調整用電極１１１〜１１
３と交流電源１３０の基本的接続関係を示している。交
流電源１３０は，いわゆるＹ形結線の３相交流を発生す
る電源であり，等しい線間電圧を有し，かつ，それぞれ
の位相が１２０゜づつ異なる３つの交流信号を出力す
る。平行度調整用電極１１１〜１１３と測定用電極２０
１も，図４の（ｃ）に示すようにＹ形結線の負荷として
表わされる。そして，図５に示すように，交流電源１３
０の各出力線が各平行度調整用電極１１１〜１１３に接
続される。

【００２５】平行度調整用電極１１１〜１１３は同じ形
状を有しているので，平行度が保たれている場合には測
定用電極２０１と各平行度調整用電極１１１〜１１３と
の間のインピーダンスは等しくなり，これらの等価回路
は対称Ｙ形負荷となる。したがって，図５のように結線
すれば，平行度が保たれている時には測定用電極２０１
の電位は交流電源１３０の中性点ＮＰと同電位となる。
この結果，平行度調整用電極１１１〜１１３に印加され
る交流信号が測定用電極２０１に外乱として加えられる
ことが無い。

【００２６】図６は，平行度調整用電極１１１〜１１３
と交流電源１３０の実際の接続関係を示す図である。３
相交流電源１３０の３つの送電線１３０ａ〜１３０ｃは
それぞれ抵抗Ｒを介して平行度調整用電極１１１〜１１
３に接続されている。また，３相交流電源１３０の中性
点ＮＰと，半導体ウエハの裏面の電極２０２（図１参
照）とは接地されている。

【００２７】各平行度調整用電極１１１〜１１３に現わ
れる信号Ｓｍ１〜Ｓｍ３は，測定信号としてそれぞれ容
量メータ１３１〜１３３に与えられる。また，各送電線
１３０ａ〜１３０ｃの信号Ｓａ１〜Ｓａ３も，印加信号
としてそれぞれ容量メータ１３１〜１３３に与えられ
る。容量メータ１３１〜１３３は，これらの測定信号と
印加信号とに基づいて，各平行度調整用電極１１１〜１
１３と半導体ウエハとの間の容量をそれぞれ測定する。
なお，各平行度調整用電極１１１〜１１３に接続されて
いる抵抗Ｒは，容量メータ１３１〜１３３の構成要素の
一部であるが，図５との対応関係を明確にするために，
容量メータとは別に描いている。また，３相交流電源１
３０と容量メータ１３１〜１３３は，図２に示すＬＣＲ
メータ１３の構成要素の一部である。

【００２８】Ｃ．容量測定方法の概要 図７は，容量メータ１３１〜１３３における容量の測定
方法を説明するための概念図である。図７の（ａ）は，
１つの平行度調整用電極１１１と半導体ウエハとを示す
断面図である。前述したように，平行度調整用電極１１
１と半導体ウエハの裏面の電極２０２との間の等価回路
は（すなわち平行度調整用電極１１１−エアギャップ−
酸化膜１０２−空乏層１０３−基板１０１−電極２０２
の間の等価回路は），図の（ｂ）に示すように，平行度
調整用電極１１１と電極２０２との間に並列に接続され
たキャパシタンスＣとコンダクタンスＧとによって表わ
すことができる。

【００２９】なお，図６では電極２０２と測定用電極２
０１との間に容量Ｃｔが描かれているが，前述したよう
に，測定用電極２０１の電位は交流電源１３０の中性点
ＮＰと等しい接地電位となっているので，この容量Ｃｔ
は無視することができる。したがって，図６における電
極１１１と電極２０２との間の回路と，図７（ｂ）の回
路とは等価である。図７（ｂ）の回路のアドミッタンス
Ｙは次の数式１で表わされる。

【数１】 また，この回路のインピーダンスＺは次の数式２で表わ
される。

【数２】

【００３０】図７（ｃ）は，平行度調整用電極１１１と
電極２０２と交流電源１３０とを含む回路部分を示す回
路図である。平行度調整用電極１１１に現われる測定信
号Ｓｍ１は，次の数式３で表わされる。

【数３】 また，印加信号Ｓａ１は測定信号Ｓｍ１によって次の数
式４で表わされる。

【数４】 すなわち，印加信号Ｓａ１は測定信号Ｓｍ１よりも位相
が進む。この位相角をψとすると，次の数式５が成立す
る。

【数５】

【００３１】数式５において，ωＣＲとＲＧが十分小さ
ければＫの値は１でほぼ一定である。この場合，ｓｉｎ
ψはＣに比例し，ｃｏｓψは（１＋ＲＧ）に比例する。
例えば，印加信号Ｓａ１の周波数が１００ｋＨｚ，Ｃ＝
１００ｐＦ，Ｒ＝１０ｋΩ，とすると，（ωＣＲ）の２
乗は約０．００４となり，また，Ｇ＝０．１μＳ（＝
０．１μ／Ω）とするとＲＧの値は０．００４以下なの
で，Ｋ＝１と見なすことができる。

【００３２】Ｋの値がほぼ一定であれば，ｓｉｎψはＣ
に比例するので，ｓｉｎψを求めればキャパシタンスＣ
に依存する測定値を求めることができる。ｓｉｎψは，
以下のようにして求めることができる。まず，測定信号
Ｓｍ１を次の数式６のようにＳｍ０・ｓｉｎ（ωｔ）で
表わすと，印加信号Ｓａ１は位相角ψを用いて数式７の
ように表わされる。ここで，Ｓｍ０，Ｓａ０は定数であ
る。

【数６】

【数７】

【００３３】ここで，ｓｉｎ（ωｔ＋ψ）の項を（ω
ｔ）でπ／２から３π／２まで積分すると，数式８に示
すようにｓｉｎψに比例する値を算出することができ
る。

【数８】 一般には，次のように測定信号Ｓｍ１の２つの位相区間
のそれぞれにおいて，印加信号Ｓａ１を積分することに
よってｓｉｎψに比例した積分値Ｉｎを求めることがで
きる。 ａ．測定信号Ｓｍ１の第１の位相区間［（π／２＋２ｎ
π）〜（３π／２＋２ｎπ）］：印加信号Ｓａ１をで積
分（数式９）して積分値Ｉｎを求める。

【数９】 ｂ．測定信号Ｓｍ１の第２の位相区間［（３π／２＋２
ｎπ）〜（５π／２＋２ｎπ）］：印加信号Ｓａ１を反
転した信号−Ｓａ１を積分（数式１０）して積分値Ｉｎ
を求める。

【数１０】

【００３４】このように，測定信号Ｓｍ１を基準とした
２つの位相区間のそれぞれにおいて，印加信号Ｓａ１を
積分すれば，それぞれの位相区間において位相角ψの正
弦ｓｉｎψに比例した積分値Ｉｎを求めることができ
る。なお、数式９および数式１０から明らかなように、
２つの位相区間における積分値Ｉｎは等しいので、この
うちの１つの位相区間においてのみ積分値Ｉｎを求める
ようにしてもよい。この積分値Ｉｎはｓｉｎψに比例す
るので，３つの平行度調整用電極１１１〜１１３につい
て積分値Ｉｎの値が互いに等しければ，各平行度調整用
電極に関するｓｉｎψの値も互いに等しい。また，ｓｉ
ｎψの値は，上記数式５で説明したように，キャパシタ
ンスＣに比例するので，各平行度調整用電極に関するｓ
ｉｎψの値が互いに等しければ，各平行度調整用電極と
半導体ウエハとの間のギャップの容量が互いに等しい。
ギャップの容量はギャップの大きさに反比例するので，
容量が互いに等しければギャップの大きさも互いに等し
いといえる。従って，３つの平行度調整用電極１１１〜
１１３について積分値Ｉｎの値を互いに等しくするよう
に圧電アクチュエータ２１〜２３を調整すれば，プリズ
ムの底面４１ａと半導体ウエハとの間の平行度を調整す
ることができる。

【００３５】なお，実際には数式５のＫの値は一定では
なく，キャパシタンスＣにも依存する。したがって，積
分値ＩｎとキャパシタンスＣとの関係は，図８に実線で
示すように直線的な比例関係からずれている。しかし，
平行度の調整のためにはキャパシタンスＣの値を正確に
測定する必要はなく，キャパシタンスＣの単調関数とな
っている値を測定できれば，各平行度調整用電極におけ
る測定値を互いに等しくすることによって，平行度を調
整することができる。従って平行度調整用の容量メータ
としては，上述の積分値Ｉｎを求めることのできる装置
を用いれば十分である。

【００３６】Ｄ．容量メータの回路構成 図９は，図６に示す容量メータ１３１の内部構成を示す
ブロック図である。また，図１０は図９の回路における
主要な信号を示すタイミングチャートである。前述した
図６において送電線１３０ａと平行度調整用電極１１１
との間に介挿されていた抵抗Ｒは，前述したように容量
メータ１３１の内部回路であり，図９では２つの入力端
子Ｔ１，Ｔ２の間に介挿されている。この抵抗Ｒは，前
記数式５からも分かるように，第１の入力端子Ｔ１に現
われる測定信号Ｓｍ１の位相を印加信号Ｓａ１の位相か
ら遅らせる役割を有している。なお，第１の入力端子Ｔ
１は平行度調整用電極１１１と接続され，第２の入力端
子Ｔ２は送電線１３０ａと接続されている。

【００３７】この容量メータ１３１は，この抵抗Ｒのほ
かに，第１のバッファアンプ５１と，検波部５２と，積
分器５３と，第２のバッファアンプ５４と，電圧計５５
とを備えている。なお，他の平行度調整用電極１１２，
１１３のための容量メータ１３２，１３３も図９の容量
メータ１３１と等しい構成を有している。なお，この発
明における検出積分手段は，検波部５２と積分器５３と
で実現されている。

【００３８】第２の入力端子Ｔ２に現われる印加信号Ｓ
ａ１は，図１０の最上部に示すようにきれいな正弦波で
ある。印加信号Ｓａ１は，この発明における電源信号に
相当する。第１の入力端子Ｔ１に現われる測定信号Ｓｍ
１はバッファアンプ５１で増幅されてα倍され，図１０
に示す信号α・Ｓｍ１となる。この信号は，ノイズ成分
を含む正弦波となっており，また，その位相は印加信号
Ｓａ１から上記の位相角ψだけ遅れている。

【００３９】バッファアンプ５１から出力された信号α
・Ｓｍ１は，第２の入力端子に印加された印加信号Ｓａ
１とともに検波部５２に入力される。検波部５２は，上
述の数式９および１０の積分を積分器５３で行なえるよ
うにするために，（ａ）測定信号Ｓｍ１の２つの位相区
間を検出し，（ｂ）２つの位相区間のそれぞれに対応し
た印加信号Ｓａ１，−Ｓａ１の波形を抽出し，（ｃ）こ
の波形を有する信号ＳＭを出力する。検波部５２は，９
０°移相器５２ａと，切換信号発生器５２ｂと，切換器
５２ｃと，１８０°移相器５２ｄとを有している。９０
°移相器５２ａは，バッファアンプ５１から与えられた
信号α・Ｓｍ１の位相を９０°遅らせることにより，図
１０に示す信号Ｓｍｓを生成する。

【００４０】この信号Ｓｍｓは切換信号発生器５２ｂに
与えられ，切換信号発生器５２ｂは，信号Ｓｍｓに基づ
いて２つの切換信号ＳＳ１，ＳＳ２を発生する。第１の
切換信号ＳＳ１は，信号Ｓｍｓの値が正のときにＨレベ
ルとなり，負のときにＬレベルとなる信号である。一
方，第２の切換信号ＳＳ２はこれと逆に，信号Ｓｍｓの
値が正のときにＬレベルとなり，負のときにＨレベルと
なる信号である。信号Ｓｍｓの位相は測定信号Ｓｍ１の
位相から９０°（＝π／２）遅れているので，図１０に
示すように，第１の切換信号ＳＳ１は信号Ｓｍｓの第１
の位相区間［（π／２＋２ｎπ）〜（３π／２＋２ｎ
π）］でＨレベルとなり，第２の切換信号ＳＳ２は信号
Ｓｍｓの第２の位相区間［（３π／２＋２ｎπ）〜（５
π／２＋２ｎπ）］でＨレベルとなる。これらの切換信
号ＳＳ１，ＳＳ２は切換器５２ｃに与えられる。

【００４１】なお，上述のように信号Ｓｍｓのゼロクロ
スポイントで切換信号ＳＳ１，ＳＳ２のレベルを切り換
えた結果，これらのＨレベルとＬレベルの期間が等しく
ならない場合がある。この場合には，切換信号発生器５
２ｂにおいて切換えを行なう信号レベル（スライスレベ
ル）を調整することによって，ＨレベルとＬレベルの期
間が等しくなるように（すなわちデューティが５０％に
なるように）すればよい。

【００４２】切換器５２ｃには，これらの切換信号ＳＳ
１，ＳＳ２とともに，印加信号Ｓａ１とその反転信号−
Ｓａ１（図１０の最上部に破線で示す。）とが入力され
る。反転信号−Ｓａ１は１８０°位相器５２ｄによって
印加信号Ｓａ１の位相を１８０°遅らせることによって
生成される。切換器５２ｃは，第１の切換信号ＳＳ１が
Ｈレベルになっている期間において印加信号Ｓａ１を検
波部５２の出力信号ＳＭとして出力し，また，第２の切
換信号ＳＳ２がＨレベルになっている期間において反転
信号−Ｓａ１を検波部５２の出力信号ＳＭとして出力す
る。この結果，出力信号ＳＭは図１０に示すように，測
定信号Ｓｍ１の２つの位相区間［（π／２＋２ｎπ）〜
（３π／２＋２ｎπ）］，［（３π／２＋２ｎπ）〜
（５π／２＋２ｎπ）］で互いに等しい波形の信号とな
る。

【００４３】積分器５３は，検波部５２の出力信号ＳＭ
を各位相区間［（π／２＋２ｎπ）〜（３π／２＋２ｎ
π）］，［（３π／２＋２ｎπ）〜（５π／２＋２ｎ
π）］ごとに積分して積分信号ＳＩを生成する。この積
分信号ＳＩはバッファアンプ５４でβ倍され，β倍され
た信号β・ＳＩが電圧計５５に与えられる。なお，電圧
計５５の他の端子は接地されている。積分信号ＳＩのレ
ベルは，数式９および数式１０で与えられる積分値Ｉｎ
に等しいので，電圧計５５で測定される電圧値は平行度
調整用電極１１１と半導体ウエハとの間のキャパシタン
スＣの単調関数で表わされる値になっている。

【００４４】こうして電圧計５５での測定値を示す信号
Ｓｃ１は，位置制御装置１１（図２参照）に与えられ，
他の容量メータ１３２，１３３の測定値と比較されるこ
とによって，プリズムの底面４１ａと半導体ウエハ１０
０との間の平行度が調整される。

【００４５】上述のように，この実施例の容量メータ１
３１は測定信号Ｓｍ１の所定の位相区間を基準にして印
加信号Ｓａ１を積分することによってキャパシタンスＣ
に比例した値を求めている。図１０にも示したように，
電源信号である印加信号Ｓａ１はきれいな正弦波である
のに対して，測定信号Ｓｍ１はノイズ成分を含む歪んだ
波形を有している。上記実施例とは逆に，印加信号Ｓａ
１の位相区間を基準として測定信号Ｓｍ１を積分する方
法もあるが，この方法では積分値が測定信号Ｓｍ１のノ
イズ成分の影響をうけ易い。これに対して，上記実施例
ではきれいな正弦波の印加信号Ｓａ１を積分しているの
で，その積分値Ｉｎが測定信号Ｓｍ１のノイズの影響を
受けにくいという利点がある。

【００４６】また，上述の容量メータでは，被測定容量
の一方の電極としての電極２０２を接地し，他方の電極
としての平行度測定用電極に抵抗Ｒを介して印加信号を
印加する。すなわち，この容量メータを用いればシング
ルエンドモードで被測定容量の容量値に依存する測定値
を求めることができるので，複数の容量値に依存する測
定値を，互いの測定値に影響を与えること無く同時に測
定できるという利点がある。

【００４７】Ｅ．平行度と容量との関係 図１１は，プリズム４１の底面の傾きと各平行度調整用
電極１１１〜１１３の容量Ｃｅとの関係を示すグラフで
ある。図の（ａ）に示す平行度調整用電極１１１〜１１
３の寸法は，以下の通りである。 内径ｒ０＝０．０８ｃｍ 外径ｒ１＝０．１２ｃｍ 電極間の隙間△ｇ＝０．０７ｃｍ

【００４８】図１１（ｂ）の結果は，図の（ａ）および
（ｃ）に示すように，軸αを中心にしてプリズムの底面
を傾けた条件で各電極の容量を算出したものである。軸
αは，電極１１２と１１３との鏡面対称の軸である。プ
リズム４１が角度θだけ傾いているとき，図の（ｃ）に
示すように，電極１１１〜１１３の表面が半導体ウエハ
１００の表面と平行になる位置（図中の破線の位置）か
らはずれる。この時，電極１１１〜１１３の端部がその
平行位置からずれる距離△ｄを図１１の（ｃ）の横軸と
している。

【００４９】平行度調整用電極１１１〜１１３の容量Ｃ
ｅは，上述のように，ＬＣＲメータ１３の容量メータ１
３１〜１３３を用いて測定する。ＬＣＲメータ１３やホ
ストコントローラ１４を含めた容量測定系の精度を０．
１ｐＦ程度にすることは，比較的容易である。容量測定
系の精度を０．１ｐＦとすると，図１１（ｂ）から，距
離△ｄが０．０１μｍ以下となるように平行度を調節で
きることがわかる。なお，距離△ｄが０．０１μｍの
時，プリズム表面の傾き角θは約０．０００５゜であ
り，無視できる程度である。

【００５０】図１２は，軸αと直角な軸βを中心にして
プリズム４１が傾いている場合における距離△ｄと各平
行度調整用電極の容量Ｃｅとの関係を示すグラフであ
る。この場合にも，図１１の場合と同様に，容量測定系
の精度を０．１ｐＦとすれば，距離△ｄが０．０１μｍ
以下となるように平行度を調節することができる。

【００５１】このように，プリズムの底面に平行度調整
用の電極を３つ設けて，それらに３相交流信号を印加し
て容量を測定し，それらの容量値が互いにほぼ等しくな
るように３台の圧電アクチュエータ２１〜２３を駆動す
れば，プリズムの底面（すなわち，測定用電極２０１の
表面）と半導体ウエハ１００の表面との平行度を精度よ
く調節することが可能である。なお，このとき各平行度
調整用電極の容量値を正確に求める必要はなく，それら
の値が互いに等しくなるように圧電アクチュエータを制
御すればよい。

【００５２】このように，平行度調整用電極１１１〜１
１３に３相交流信号を印加すれば，測定用電極２０１の
電位が３相交流電源の中性点ＮＰと等しい電位に保たれ
るので，平行度調整用電極に印加する交流信号が測定用
電極に対する外乱になることがない。したがって，平行
度を調整しつつ，Ｃ−Ｖ測定などの電気測定を正確に行
なうことができるという利点がある。

【００５３】また，上記実施例では３相交流電源の中性
点ＮＰも半導体ウエハの裏面の電極２０２も共に接地さ
れているので，平行度が保たれていれば，電極２０２と
測定用電極２０１との間を（すなわち，半導体ウエハの
中を）電流が流れることがない。この点も，測定用電極
を用いた電気測定を正確に行なう上の利点となってい
る。

【００５４】さらに，電極２０２と測定用電極２０１と
の間を電流が流れることがないので，導電性の試料台７
を電極２０２として用いる場合に，半導体ウエハ１００
の裏面と試料台７との間のインピーダンスを小さくしな
くても平行度を正確に調整できる。すなわち，半導体ウ
エハ１００と試料台７との密着性にあまり注意すること
なく導電性の試料台７を電極２０２として用いることが
できるという利点がある。

【００５５】また，容量メータ１３１〜１３３は，ブリ
ッジを用いずにシングルエンドモードで測定できるの
で，複数の平行度調整用電極の容量値に依存する測定値
を，互いの測定値に影響されること無く測定できるとい
う利点がある。さらに，測定信号Ｓｍ１〜Ｓｍ３の所定
の位相区間において印加信号Ｓａ１〜Ｓａ３を積分する
ことによって容量値に応じた測定値を求めるので，測定
信号Ｓｍ１〜Ｓｍ３のノイズ成分に影響されること無く
測定値を求めることができるという利点もある。

【００５６】Ｆ．変形例 なお，この発明は上記実施例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。

【００５７】（１）平行度調整用電極としては，一般
に，Ｎ個（Ｎは３以上の整数）の互いに等しい形状の電
極を，測定用電極に対して互いに対称な位置に設ければ
よい。この場合に，各電極に印加される交流印加信号
は，周波数と起電力とが互いに等しく位相が２π／Ｎづ
つ異なる対称Ｎ相信号とする。こうすれば，上記実施例
と同様な効果がある。

【００５８】（２）電気測定を行なっている間に平行度
が崩れる心配が無い場合には，位相差の無い（すなわち
同位相の）Ｎ個の交流信号をＮ個の平行度調整用電極に
印加してもよい。この場合には，まず平行度調整用電極
を用いて平行度を調整し，その平行度を保持したまま，
平行度調整用電極に信号を印加することなく測定用電極
を用いて電気測定を行なう。ただし，上述のように対称
Ｎ相信号を用いるようにすれば，測定用電極に外乱を与
えることがなく，かつ，半導体ウエハに平行度調整の印
加信号に起因する電流が流れないので，平行度を調整し
つつ電気測定を高精度で行なうことができるという利点
がある。なお，同位相の交流信号を平行度調整用電極に
印加する場合には，測定用電極の形状と平行度調整用電
極の形状とを等しくすれば，平行度調整用電極を測定用
電極としても利用できるので，Ｎ個の平行度調整用電極
の内の１つを測定用電極として利用することもできる。

【００５９】（３）この発明は，Ｃ−Ｖ測定に限らず，
一般に，測定用電極と半導体基板との間の電気特性を測
定する装置に利用される平行度調整装置に適用できる。
他の電気測定としては，例えば，ゼルブスト法によって
合成容量Ｃｔａの時間依存性を調べることにより，半導
体表面近傍の特性を評価するものなどがある。また，Ｌ
ＣＲメータ１３によってコンダクタンスを測定すれば，
半導体基板１０１と酸化膜１０２との界面における界面
準位などを評価することも可能である。さらに，半導体
基板の洗浄処理，熱酸化処理，酸化膜の安定化熱処理等
の各処理の間に，半導体ウエハに酸化膜が形成されてい
ない状態でＣ−Ｖ測定を実行すれば，これらの各処理の
良否を判定することができる。

【００６０】

【発明の効果】以上説明したように，この発明によれ
ば，被測定容量の一方の電極が接地側に接続され，他方
の電極が第１の入力端子に接続されるモード（いわゆる
シングルエンドモード）で測定できるので，複数の被測
定容量の容量値に依存する測定値をそれぞれ測定する場
合に，被測定容量の接地側の電極を共通電極とすれば，
互いの測定値に影響されることなく測定を行なうことが
できるという効果がある。また，検出積分手段は，測定
信号の所定の位相区間において電源信号を積分すること
によって容量値に依存する測定値を求めるので，測定信
号のノイズ成分に影響されることなく精度よく測定値を
求めることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体の電気測定方法の概要を示す概念図。、

【図２】この発明の一実施例としての電気測定装置の構
成を示す図。

【図３】実施例における電極の配置を示す図。

【図４】電極間の等価回路を示す説明図。

【図５】交流電源と平行度調整用電極の基本的接続関係
を示す図。

【図６】交流電源と平行度調整用電極と容量メータとの
接続関係を示す図。

【図７】交流電源と抵抗と平行度調整用電極と半導体ウ
エハの電極との間の等価回路を示す説明図。

【図８】容量メータにおける積分値と被測定容量との関
係を示すグラフ。

【図９】容量メータの内部構成を示すブロック図。

【図１０】容量メータ内の主要な信号を示すタイミング
チャート。

【図１１】プリズムの底面の傾きと平行度調整用電極の
容量との関係を示すグラフ。

【図１２】プリズムの傾きと各平行度調整用電極の容量
との関係を示すグラフ。

【図１３】電極の他の配置を示す図。

【符号の説明】

３ 架台 ４１ プリズム ４１ａ 底面 ５ レーザ発振器 ６ 受光センサ ７ 試料台 ２１〜２３ 圧電アクチュエータ １００ 半導体ウエハ １０１ 半導体基板 １０２ 酸化膜 １１１〜１１３ 平行度調整用電極 １３０ ３相交流電源 １３１〜１３３ 容量メータ ２０１ 測定用電極

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定対象物の被測定容量の容量値に依
   存する測定値を求めるための容量測定装置であって， 一方の電極が接地側に接続された被測定容量の他方の電
   極に接続される第１の入力端子と， 正弦波形を有する電源信号が入力される第２の入力端子
   と， 前記第１と第２の入力端子との間に介挿された抵抗要素
   と， 前記第１の入力端子に現われる測定信号の所定の位相区
   間において、前記第２の入力端子に入力された前記電源
   信号を積分することによって前記被測定容量の容量値に
   依存する測定値を求める積分手段と， を備えることを特徴とする容量測定装置。