JPH0495853A - 非接触半導体評価装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は窒化膜の検査装置に係わり、特に膜形成直後の
窒化膜の膜質変動を電極形成なしで評価するのに好適な
非接触窒化膜検査装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、反応炉で形成された後の窒化膜の評価はエリプソ
メータにより膜厚についての品質管理が行われている。

これに対して窒化膜の電気的特性に関する膜質の評価は
、チャージ・ストレージ・アンドディストリビューショ
ン　イン　ザ　ナイトライド　レイヤー　オブ　ザ　メ
タル−ナイトライド−オキサイド　セミコンダクター　
ストラクチャーズ　ブイ、ジェ、カプーア　アント　ア
ール、ニーφツーリ、　Ｃｈａｒｇｅ　ｓｔｏｒａｇｅ
　ａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｊ、ｎ　ｔｈｅ　
ｎ１ｔｒｊｄｅ　１ａｙｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅｍｅｔａｌ
−ｎｉｔｒｉｄｅ−ｏｘｉｄｅ　ｓｅ＋＋＋１ｃｏｎｄ
ｕｃｔｏｒ　５ｔｒｕｃｔｕｒｅｓ。

Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、　５２　（１）、　Ｊａｎｕ
ａｒｙ　　１９８１　　Ｖ、Ｊ。

にａｐｏｏｒ　ａｎｄ　Ｒ，Ａ、Ｔｕｒｉの第３１２頁
Ｆｉｇ２に記載さているように、Ｍ　Ｎ　ＯＳ　（Ｍｅ
ｔａｌ　Ｎ１ｔｒｉｄｅＯｘｉｄｅ　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄ
ｕｃｔｏｒ）構造の試料を造り、Ｃ−Ｖ（容量−電圧）
法などによって行なわれている。

この方法は、ＭＮＯ８構造の試料にバイアス電圧を印加
し、その時に生じる静電容量変化からフラットバンド電
圧を求めて、窒化膜の膜電荷を評価する技法である。

〔発明が解決しようとする課題〕

電気特性に関する窒化膜膜質評価の従来法は、Ｃ−ｖ法
に代表されるように、試料に電極を形成する必要がある
。このため、電極形成工程が追加されるので電極形成時
に発生する汚染や歪みなどの影響のために試料の特性が
変化してしまう問題がある。また、バイアス電圧印加に
より被測定試料の電気的特性が変化する懸念がある。し
かも、窒化膜は膜中の欠陥密度が酸化膜に比べて数桁大
きいのでリーク電流も大きく、窒化膜の膜厚が薄くなる
とＣ−■法による測定は困難になる。このため、集積度
が増すにつれて薄くなるＤＲＡＭ用窒化膜の膜質を評価
できない問題がある。

本発明の目的は、試料に電極形成が不要かつバイアス電
圧の印加も不要な非破壊測定で、１０ｎｍ以下の薄い窒
化膜の評価が可能な非接触半導体評価装置を提供するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、半導体試料を断続光照射して生じる交流光
電圧を、試料表面上に空隙を介して設置した透明電極か
らなる静電容量結合を利用して非接触で測定し、それを
信号処理して窒化膜の膜質に変換することにより達成さ
れる。

窒化膜は酸化膜に比べて多量の欠陥密度を持っており、
それらの欠陥は電子や正孔に対するトラップ準位をつく
る。これまで公になった論文から、トラップは、正の電
荷を持つ場合と負の電荷を持つ場合があることが知られ
ている。

半導体の表面に形成された窒化膜中に電荷が存在すると
、その電荷Ｑ　ｓｎが半導体表面に表面電荷Ｑｓ　を誘
起し、表面電位Φ５を発生させることば知られている。

半導体がｎ型の場合、Ｑｓｎ〉０であれば表面電位によ
りｎ型半導体表面には空乏層が形成される。同様に、ｎ
型の場合は、Ｑｓ−＜０の時に空乏層が形成される。表
面が弱反転か空乏状態にある時、空乏層幅ＷとＱｓとの
間には次の関係がある。

Ｑ　ｓ　＝　ｑ　Ｎ　ｓ　ｗ　　　　　　　　　　　　
−（１）ここで、ｑは電子電荷、Ｎｓは半導体の不純物
濃度である。空乏層があると、空乏容量ｃｍ　　（単位
面積あたりの空乏容量Ｑａ＝εｓ／ｗ）が存在する。こ
こで、εＳはシリコンの誘電率である。

次に、窒化膜の付いた半導体に周波数Ｊ（角周波数ω）
で強度変調した光を照射すると、交流光電流工、が空乏
層容量に流れ、交流光電圧Ｖｐｈが発生する。

周波数ｆが電界誘起型接合の遮断周波数ｆｃよりも高く
てｆ＞ｆｃの時、Ｖｐｈは Ｖｐｈ＝　Ｋ（Ｉ　ｐｈ／　ωＣ４）　　　　　　　　
−（２）で表される。ここで、Ｋは光反射率や光強度で
きまる定数である。照射光に対する半導体の吸収係数を
αとし、半導体におけるキャリア拡散長をＬとすると、
αＬ）１の時ＩｐｈはＬに依存しない一定値となる。こ
れよりＶ　ｐ　ｈは空乏容量にのみ依存するようにでき
る。従って、窒化膜電荷Ｑｓイが変化すると表面電荷Ｑ
ｓが変化し、空乏容量ｃｄも変化する。Ｃ−が変化する
と光電圧ｖ０が変化する。これより、逆にＶｐｈの変化
からＱ　ｓ　ｎの変化がわかる。

ｎ型半導体の場合はＱ　ｓ　ｎの符号が反応になるだけ
で、Ｐ型と同様である。

〔作用〕

酸化膜に比べて誘電率の大きい窒化膜はＤＲＡＭ用キャ
パシタの絶縁膜として用いられる。この場合、窒化膜の
電気的特性がキャパシタの性能を左右する６一方、窒化
膜は通常、熱ＣＶ［）　（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒ
　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成される。この時、量
産工程では一度に反応炉で１００枚前後のウェハ試料に
窒化膜を形成する。通常、ウェハはＬｏａｎ前後の間隔
で反応炉内に並べられるが、温度や反応ガスの不均一性
のため、形成される窒化膜の特性がウェハ面内で変化し
、そしてウェハ毎にも変動することがある。このような
特性の違いがあると、結果的に素子特性変動あるいは素
子特性不良を引き起こし、歩留まりを低下させる。

本発明は、反応炉で形成した直後の窒化膜を交流光電圧
を利用して非破壊評価し、膜質変動の大きい窒化膜試料
を選別することによって、上記問題点を解決する。

第２図は、窒素膜厚を一定にした時の交流光電圧の生成
ガス流量比ｒ　ｇ　（ｒ　ｇ　＝　Ｎ　Ｈ３のガス流量
／５ｉＨ２ＣＱ２のガス流量）依存性についての実験結
果を示す。生成ガスの一つ８３Ｈ２ＣＱ２がもう一方の
反応ガスＮＨ１に比べて流量が大きくなるにつれて、形
成される窒化膜の組成がＳｉ、Ｎ。

からずれて８１リツチな膜質になることが知られている
。また、交流光電圧は窒化膜電荷の変化を反映するが、
第２図ではｒｇが減少するとｐ型ウェハの光電圧が上昇
している。この実験結果は、Ｓｉがリッチな膜質になる
と窒化膜中に正の電荷が増え、ｐ型ウェハにおける交流
光電圧が上昇することを表わしている。従って、本発明
によれば、交流光電圧の大きさから窒化膜の膜質を評価
できる。

第３図はｒｇを一定にして交流光電圧の窒化膜厚依存性
を測定した結果を示す。１０ｎｍ以下の膜厚でも数μ■
以上の信号強度がある。信号検出の雑音レベルは約１μ
Ｖ以下なので、この結果は１０ｎｍ以下の膜厚について
も十分に評価可能であることを示す。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。被測
定試料であるシリコン・ウエノＸ１は、ウェハカセット
２３の中からロボットアーム機構２２により取り出され
、ウェハ受は台２５に載せられる。ロボットアーム機構
２２がウェハ１から離れた後にウェハ受は台２５が下降
し、ウェハ１を金属試料台２に設置する。金属試料台２
はウェハの交換時にはａ′で示す位置にあるが、ウエノ
Ａ設置後は上下移動機構２１により、ａで示す位置に移
動する。この時、ウェハ上方にあるガラス板４の下面に
付いている透明電極３とウェハ表面との空隙は５０μｍ
程度にする。一方、半導体ウェハ１のキャリア拡散長よ
りも十分に浅い侵入長を持つ光源６からの光は、発振器
８からの電気信号を入力信号とする光変調器７によって
強度変調される。この結果、光変調器７からでる光は断
続光となっている。断続光ビームは、ガルバノミラとレ
ンズからなる光ビーム走査光学系９を経て、透明電極３
とガラス４を透過した後、半導体ウェハ１の所望の位置
を照射する。断続光５の照射により半導体ウェハ１には
交流光電圧が発生する。発生した交流光電圧は、透明電
極３と試料表面間の空隙からなる静電容量結合により、
非接触で検出される。透明電極によって検知された交流
光電圧信号は、高入力インピーダンスから低インピーダ
ンスへインピーダンス変換可能な前置増幅器１１で増幅
されたあと、同期検波器１２で発振器８の電気出力信号
と同期検波される。同期検波器１２の出力信号はＡ／Ｄ
変換器１３でデジタル信号とされ、インターフェイス１
４を介してマイクロ・コンピュータ１５で処理される。

処理された結果は測定値記憶装置１８に記録されると同
時に、表示装置１６に出力される。ここで、第２図に示
した交流光電圧の生成ガス流量比依存性のデータを、入
力端末１７から参照データ記憶装置１８′に入力してお
けば、マイクロ・コンピュータ１５により測定値記憶装
置１８のデータと参照データ記憶袋＠１８′のデータと
の比較を行ない、測定した交流光電圧からガス流量比に
対応する窒化膜の膜質を評価可能にする。さらに、従来
法で測定して予め組成が既知である窒化膜によって目標
値を決定し、その結果を参照データ記憶装置１８′に記
憶しておけば、マイクロ・コンピュータ１５を用いて測
定結果を目標値比較することにより、膜質変動の大きい
試料を判別できる。面内分布の測定は、ガルバノミラ制
御駆動回路１０に指令を出して光ビーム走査光学系９の
ガルバノミラを走査させることにより、ウェハ全面につ
いての測定も可能になる。測定終了後は、マイクロ・コ
ンピュータ１５が移動台制御駆動回路２１に指令をだす
ことにより、試料台２がａ′の位置に移動し、ウェハ受
は台２５がウェハ交換の位置まで上昇する。

次に、ロボットアーム機構２２がウェハ裏面に侵入し、
ウェハを吸着してカセットに戻す。この時測定値が目標
値の許容限度以内にあれば、マイクロ・コンピュータ１
５はロボットアーム制御駆動回路１９に指令をだし、ウ
ェハを元のウェハカセット２３に戻す。しかし、測定値
が許容限度を越えた値の場合、マイクロ・コンピュータ
１５は、そのウェハをウェハカセット２４に入れるよう
指示する。このようにして窒化膜の選別を行なう事がで
きる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、交流光電圧を利用することにより非接
触・非破壊で窒化膜の膜質を評価できるので、反応炉で
形成した直後の時点で窒化膜の膜質不均一性を検査でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す図、第２図は交流光電圧
の窒化膜生成用ガス流量比依存性についての実験結果を
示す図、第３図は、交流光電圧の窒化膜依存性について
の実験結果を示す図である。 １・・・半導体ウェハ、２・・・金属性試料台、３・・
・透明電極、４・・・ガラス板、５・・・断続光、６・
・・光侵入長の浅い波長の光源、７・・・光変調器、８
・・・発振器、９・・・光ビーム走査光学系、１０・・
・ガルバノミラ制御駆動回路、１１・・・前置増幅器、
１２・・・同期検波器、１３・・・Ａ／Ｄ変換器、１４
・・・インターフェイス、１５・・・マイクロ・コンピ
ュータ、１６・・表示装置、１７・・・入力端末、１８
・・・測定値記憶装置、１８′・・・参照データ記憶装
置、１９・・・ロボットアーム制御駆動回路、２ｏ・・
・移動台制御駆動回路、２１・・・上下移動機構、２２
・・・ロボットアーム機構、２３．２４・・・ウェハカ
セット、２５・・ウェハ受け葉 図 θノ ／θ ／ｉρ ）・Ｎ）−／３／、Ｓ・／ｈＣノ２ 生八力゛ス）配置比ノ ／ ／ρ ／ρθ ≦ｉ４１　　刊爽ノ’３Ｌ笥〕

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、半導体ウェハを載せ、かつ一方の電極を兼ねる金属
   性試料台と、該金属性試料台に設置された半導体ウェハ
   の表面と空隙を介して対向設置された透明電極と、該半
   導体ウェハのキャリア拡散長よりも十分に浅い侵入長を
   もつ光波長の光源と、該光源から放射される光ビームを
   強度変調する光変調器と、該光変調器の変調入力信号源
   となる発振器と、強度変調を受けた光ビームを上記透明
   電極を通して半導体ウェハの所望の位置へ所望の光ビー
   ムスポット直径で照射するための光学系と、変調光照射
   により発生した交流光電圧を高感度で検出する同期検波
   型増幅器からなる交流光電圧利用の非接触半導体評価装
   置において、交流光電圧の大きさから半導体表面に形成
   した窒化膜の膜電荷を求める信号処理手段を付加し、窒
   化膜の膜質を判別する判別手段と該判別された半導体ウ
   ェハを選別する選別手段とを有することを特徴とする非
   接触半導体評価装置。