JP2004134659A - Capacitor pattern forming method and capacitor evaluating method - Google Patents

Capacitor pattern forming method and capacitor evaluating method Download PDF

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JP2004134659A JP2002299265A JP2002299265A JP2004134659A JP 2004134659 A JP2004134659 A JP 2004134659A JP 2002299265 A JP2002299265 A JP 2002299265A JP 2002299265 A JP2002299265 A JP 2002299265A JP 2004134659 A JP2004134659 A JP 2004134659A
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Mineharu Tsukada
塚田 峰春
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Fujitsu Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To shorten the amount of time required from forming the capacitor till accomplishing measurement thereof due to forming a capacitor on a wafer with simplicity and high precision. <P>SOLUTION: A thin film capacitor is set in a scanning probe microscope and a groove 17 is made up by a cantilever 25 provided in the scanning probe microscope to form patterns for dividing the capacitor. Thereafter, electric properties of the thin film capacitor 16 that has been divided in the scanning probe microscope are measured. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、キャパシタ形成方法及びキャパシタの評価方法に関し、より詳しくは、DRAM,FeRAM等の半導体メモリ素子、その他の半導体装置に用いられるキャパシタのパターン形成方法及びそのキャパシタの評価方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体記憶装置としてDRAM,FeRAM等があり、それらの半導体記憶素子はスイッチ動作を行うトランジスタととともに、情報を電荷として蓄えるキャパシタを有している。
【0003】
半導体記憶装置は、電気機器の小型化の要求に伴ってより一層の高集積化、微細化が要求され、これに伴ってキャパシタもさらに微細化が必要となる。
【0004】
キャパシタの品質は半導体記憶装置の書換回数や寿命を左右する重要な要素であり、キャパシタの特性を向上するための研究、開発がなされている。
【0005】
キャパシタの諸特性を研究段階や試作段階で把握する場合には、シリコン基板の上に複数のキャパシタを縦横に並べて形成した試料を用いて、膜質の分布の調査、特性分布の調査が行われ、局部的に劣化が存在すればその原因が調査される。
【0006】
シリコン基板上に複数のキャパシタを形成する方法として、メタルマスクを用いるパターニング方法又はフォトリソグラフィー法によるパターニング方法が採用される。
【0007】
メタルマスクを用いてウエハ上にキャパシタを作製する工程について図1(a) 〜(c) を用いて簡単に説明する。
【0008】
まず、図1(a) に示すように、ウエハ1全面の上に下部電極層2、誘電体層3を順に形成する。続いて、図1(b) に示すように、網状のパターンを有するメタルマスク5を誘電体層3の上方に配置し、メタルマスク5の貫通孔5aを通して金属層をスパッタ法により積層する。これにより、図1(c) に示すように、誘電体層3上に間隔をおいて島状に形成された金属層の複数のパターンが上部電極層4として用いられる。この場合、1つの上部電極4とその直下の誘電体層3及び下部電極層2が1つのキャパシタ6となり、ウェハ1上には複数のキャパシタ6が形成される。
【0009】
このようにメタルマスクを用いてウエハ上に複数のキャパシタを作成する場合、下記の特許文献1に記載されているように、下部電極もメタルマスクを用いてパターニングしてもよい。
【0010】
次に、フォトリソグラフィー法を用いてウエハ上に複数のキャパシタを作製する工程について図2(a)〜(d)を用いて簡単に説明する。
【0011】
まず、図2(a) に示すように、メタルマスクを用いて作製する場合と同様に、ウエハ1全面に下部電極層2、誘電体層3を順に積層させた後、図2(b) に示すように、誘電体層3上に上部電極層4を積層させる。次に、図2(c) に示すように、上部電極層4上にレジスト7を塗布し、これを露光、現像して間隔をおいて上部電極形状のパターンを複数形成する。この後に、図2(d) に示すように、レジスト7をマスクにして上部電極層4をドライエッチング若しくはウェットエッチングを行い、ついでレジスト7を剥離させる。以上の工程により、上部電極層4が間隔をおいて複数に分割され、1つの島状の上部電極層3とその直下の誘電体層3及び下部電極層2が1つのキャパシタ6となる。
【0012】
またレジストにパターニングする方法としては、非特許文献1に、ウエハ上に形成された有機膜を走査型プローブ顕微鏡(Scanning Probe Microscopy、以下SPMと略す。)を用いてパターニングする方法が掲載されている。
【0013】
【特許文献1】
特開平9−321166号公報
【非特許文献1】
Jpn.J.Appl.Phys.41,4973(2002)
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、メタルマスク5は機械加工によって作製されるため、加工上の問題から100μm以下の微細な貫通孔5aを作製することが難しい。従って、メタルマスクを用いるパターン形成方法は、微細な上部電極層4の形成には向いていない。
【0015】
一方、フォトリソグラフィー法はLSIの製造工程に用いられているので、上部電極層4の微細化は可能であって、製品に近い状態で形成することもできる。しかしながら、レジストの塗布、ベーク、露光、現像、レジストの除去といった幾つもの工程が必要になり、研究、開発段階でのキャパシタ形成に時間がかかり過ぎる。
【0016】
また、SPMを用いてレジストにパターニングする場合にも、レジストの塗布、ベーク、レジストの除去といった工程が必要になる。
【0017】
本発明の目的は、キャパシタをウェハ上に簡単に且つ精度良く形成するためのキャパシタのパターン形成方法とキャパシタの評価方法を提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、基板の上に第1導電体層を形成する工程と、前記第1導電体層の上に誘電体層を形成する工程と、前記誘電体層の上に第2導電体層を形成する工程と、前記第2導電体層を露出させた状態で、探針を含むカンチレバーを有する走査型プローブ顕微鏡のステージの上に前記基板を載せる工程と、前記第2導電体層に前記探針を当てて、前記ステージと前記カンチレバーのうち少なくとも一方の移動により少なくとも前記第2導電体層に溝を形成することによって前記第2導電体層を分割してキャパシタの上部電極を形成する工程とを有することを特徴とするキャパシタのパターン形成方法によって解決される。
【0019】
または、基板の上に第1導電体層を形成する工程と、前記第1導電体層の上に誘電体層を形成する工程と、前記誘電体層の上に第2導電体層を形成する工程と、前記第2導電体層を露出させた状態で、探針を含む導電性のカンチレバーを有する走査型プローブ顕微鏡のステージの上に前記基板を載せる工程と、前記第2導電体層に前記探針を当てて、前記ステージと前記カンチレバーのうち少なくとも一方の移動により少なくとも前記第2導電体層に溝を形成することによって前記第2導電体層を複数に分割して上部電極を形成する工程と、前記上部電極に前記探針を接触させて前記カンチレバーを介して前記上部電極を電気的に外部に引き出すことにより、前記上部電極、前記誘電体層及び前記第1の導電層からなるキャパシタの電気特性を測定する工程とを有することを特徴とするキャパシタの評価方法よって解決される。
【0020】
上記したキャパシタのパターン形成方法によれば、走査型プローブ顕微鏡に備えられたカンチレバーの探針のスクラッチにより導電体層に溝を形成してキャパシタ上部電極を形成するようにしている。
【0021】
従って、サブミクロンオーダーの平面形状のキャパシタはカンチレバーとステージの操作によって微細にパターニングすることができ、これによりマスクを用いる場合に比べてキャパシタが短時間でミクロンオーダーで微細に形成される。
【0022】
また、上記したキャパシタの評価方法によれば、走査型プローブ顕微鏡に備えられたカンチレバーの探針のスクラッチにより導電体層に溝を形成してキャパシタ上部電極を形成した後に、そのままの状態でカンチレバーをキャパシタ上部電極に当ててキャパシタ上部電極を電気的に外部に引き出すようにしてキャパシタの電気的諸特性を測定するようにしている。この場合、1つのキャパシタ上部電極とその下方の誘電体層、導電体層によって1つのキャパシタが構成される。
【0023】
従って、基板上にキャパシタを形成した後に、その場でキャパシタの電気的特性が測定されることになり、キャパシタの形成からキャパシタの電気的特性の測定までの間で、キャパシタの搬送、取付け、取外し、等の手間が不要になる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0025】
図3(a) 〜(d) は本発明に用いられるキャパシタの形成工程とその測定方法を示す断面図である。以下に、キャパシタとして、FeRAMに用いられる強誘電体キャパシタを例に挙げて説明する。
【0026】
まず、図3(a) に示すように、表面にシリコン酸化膜(SiO)11aが形成されたシリコン(半導体)基板11の上に、スパッタ法により厚さ数十nmのチタン(Ti)層と100〜300nmのプラチナ(Pt)層を順次形成することによって下部電極層12を形成する。
【0027】
更に、下部電極層12の上に誘電体層13としてPZT(Pb−Zirconium−Titanium; チタン酸ジルコニウム鉛)をRFスパッタ法により形成する。PZTの厚さは例えば100〜300nmである。
【0028】
次に、強誘電体層13を構成するPZTを酸素含有雰囲気中でRTA(Rapid Thermal Annealing) により結晶化する。RTAの条件は、例えば、600℃、90秒間、昇温速度100℃/sec である。なお、酸素含有雰囲気中には酸素とアルゴンが導入され、酸素濃度は例えば20%である。
【0029】
続いて、強誘電体層13の上に上部電極層14として酸化イリジウム(IrO)をスパッタ法により形成して厚さを100nm以下とする。
【0030】
その後に、RTAにより強誘電体層13の結晶性を酸素含有雰囲気中で改善する。RTAの条件は、例えば、650℃、60秒間、昇温速度100℃/sec である。なお、酸素含有雰囲気中には酸素のみが導入される。
【0031】
以上により、キャパシタの基本的な層構造が形成されるが、後に行われるキャパシタの電気特性の測定が容易になるように、誘電体層13及び上部電極層14が形成されない下部電極露出部15をシリコン基板11の縁部に設ける。
【0032】
下部電極露出部15は、シリコン基板11に下部電極2を作成した後、下部電極12の縁部の一部に、例えば耐熱性のテープを貼付し、誘電体層13、上部電極層14を順に形成した後にテープを剥すことによって形成される。
【0033】
次に、図3(b) に示すように、上部電極層14を複数のパターンに分割することにより、複数のキャパシタ16を作製する工程に移る。
【0034】
上部電極層14のパターニングは、図4に示すSPM装置を用いる。
【0035】
SPM装置は、図3(a) に示した積層構造を有するシリコン基板11が載置されるステージ22と、シリコン基板11上の下部電極露出部15に接触するプローブ23と、シリコン基板11上の上部電極層14表面を走査する導電性のカンチレバー24と、プローブ23及びカンチレバー24に電気的に接続されて試料の電気特性を測定する測定回路41と、ステージ22の動きを制御するピエゾスキャナ25と、ピエゾスキャナ25に制御信号を送る制御回路42と、カンチレバーの位置を検出する位置検出部45、位置検出部45によるカンチレバーの位置の検出結果に基づいて制御回路42にカンチレバーの位置の変化をフィードバックする検出回路43と、検出結果を画像化する画像表示部44を有している。
【0036】
ステージ22はその下に配置されたピエゾスキャナ25によって互いに直交する3次元のX,Y,Z方向に移動する。ピエゾスキャナ25は印加される電圧をX,Y,Z方向の変位に変換する特徴を有している。このピエゾスキャナ25の特徴を利用して、制御回路42はピエゾスキャナ25への印加電圧を制御し、ステージ22を変位させる。この変位によって、探針32と薄膜キャパシタ21との間に加えられる力を制御すると共に、溝を最適な深さに調整する。
【0037】
カンチレバー24は、図5に示すように、シリコン製のアーム24aと、アーム24a先端の下面に取り付けられた先鋭の探針24bとを有している。探針24aは、上部電極層14に突き刺さりながら移動することによって溝を形成できる硬度及び耐磨耗性を有し、且つ導電性を有する材料、例えばボロンドープトダイアモンドからなる。また、探針32は、その他に、シリコン上にボロンドープトDLC(Diamond Like Carbon) 膜、若しくはIr、Crのような硬度の高い金属を表面にコーティングしたものでもよい。
【0038】
SPM装置は、探針24bを被検査膜の表面に沿って走査させて、探針24bの変位によって表面の凹凸を画像化する装置である。例えば、アーム24bの上面には光が照射され、その反射角度によって位置が検出される。このような位置の検出は位置検出部45にて行われる。このような機能を有する位置検出部45は、光の照射のためにレーザダイオードとプリズムを有し、反射角度の検出のためにスプリットダイオード受光素子を有している。
【0039】
本実施形態では、そのような凹凸の検出に加えて、カンチレバー24を用いて上部電極層14をパターニングして複数のキャパシタを作製した後に、複数のキャパシタの諸電気特性について個別に測定を行う。
【0040】
このSPM装置を用いて上部電極層14をパターニングする場合には、まず、制御回路42に予め設定したプラグラムに従ってピエゾスキャナ25を駆動してステージ22をZ軸方向に変位させて、図6(a)に示すように、カンチレバー24の探針24aを上部電極層14表面に接触させ、さらに探針24aと上部電極14の接触圧力を高める。
【0041】
次に、図6(b) に示すように、ピエゾスキャナ25を駆動してステージ22をX軸、Y軸の方向に変位させると、探針24bは上部電極層14に突き刺さりながら移動し、上部電極層14が探針24bによって削られる。そして相対的に探針24bを走査させると、上部電極層14に図6(c) に示すように断面が略V字状の溝17が形成される。
【0042】
例えば、図3(b) 、図7に示すように、100nmより大きな深さ、長さ20μmで5μmの間隔をおいて平行に4本の溝17を形成した後に、ピエゾスキャナ25の移動方向を90度変えて、さらに同じ深さで平行に4本形成する。これら縦、横に4本ずつ形成された溝17によって、上部電極層14は分割されて一辺5μmの正方形の微細な上部電極14aが9つ形成される。この場合、溝17の底は誘電体層13の表面に達していて、複数の上部電極14aはそれぞれ溝17により電気的に絶縁された状態になっている。
【0043】
1つの上部電極14aとその下の誘電体層13及び下部電極層12によって1つのキャパシタ16が構成される。従って、カンチレバー24の移動によりシリコン基板11上には9つのキャパシタ16が形成される。
【0044】
なお、探針24bの高さと比較して溝17の深さが十分に小さくなければ探針24の一度の移動によって誘電体層13の表面にまで達する溝17を形成することができない。この点を考慮して、上部電極の膜厚は100nm以下に形成されている。
【0045】
更に、上部電極層14を削りながらの探針24bの移動を容易にするためには、上部電極層14の厚さを50nm以下にするとよい。
【0046】
また、上部電極層14をスパッタ法により形成する初期段階においては、層厚の薄い部分と厚い部分が生じており、その後、略均一な厚さの層に成長する。初期段階の不均一な層厚で形成された上部電極層14は探針24bによって溝を形成する際に溝の深さを制御することが難しい。このような点を鑑みて、この初期段階以降に得られ略均一に形成される膜厚である5〜20nmに上部電極を形成するとよい。
【0047】
また、カンチレバー24のアーム24aのバネ定数が小さければ、探針24bを上部電極層14に押し当てた時にアーム24aの撓みに圧力が吸収されて、誘電体層13が露出する深さとなるように溝17を掘ることができない。このため、アーム24aのバネ定数の大きいカンチレバー24が用いられる。
【0048】
さらに、ステージの変位の精度が高くない場合、探針24bは最適な位置及び深さのパターンを形成することが困難である。そこで変位の再現性を補償する機能を有するクローズドループ方式のピエゾスキャナ25を用いることによって、さらに高い精度で上部電極14をパターニングすることができる。クローズドループ方式は、印加電位と変位の関係にクローズドループ特性がある。
【0049】
次に、キャパシタ16のそれぞれの電気特性の測定に移るが、この測定はSPM装置内のステージ22に薄膜キャパシタ21を置いたままの状態で行う。例えば、プローブ23を下部電極露出部15より下部電極層12に接触させ、さらにカンチレバー24の探針24bを上部電極14aに接触させて諸特性の測定を行う。
【0050】
なお、上部電極層14のパターニング前や、ステージにシリコン基板11を設置する際に、プローブ23を下部電極層12に接触させておいてもよい。
【0051】
カンチレバー24は9つのキャパシタ16の各々について電気特性の測定を行うために、複数の上部電極14aに順次接触させる必要がある。
【0052】
所望のキャパシタ16の上部電極14aにカンチレバー24の探針24bを接触させるために、まず、キャパシタ16の上部電極14aの位置を確認する。
【0053】
選択される上部電極14aの位置を確認するために、図3(c)に示すように、カンチレバー24の探針24aをキャパシタ16の表面に沿って走査させて、検出回路43によって表面の凹凸状態をモニター41に画像化させる。この場合、カンチレバー24の探針24aが上部電極14aを掘らない程度にピエゾスキャナ25の調整によりカンチレバー24のZ軸方向の力を調整する。
【0054】
これによって、SPM装置によってキャパシタ16の上部電極14aと溝17の位置の確認が容易になる。
【0055】
次に、図3(d)に示すように、所望の位置の上部電極14aにカンチレバー24の探針24bを当てる。
【0056】
そして、下部電極層12にプローブ23を接続し、所望の上部電極14aにカンチレバー24を接続した状態で、プローブ23及びカンチレバー24を通して下部電極層12と上部電極14に電圧を印加して測定回路41によりキャパシタ16の諸特性を測定する。
【0057】
キャパシタ16の電気特性の測定は、静電容量、リーク電流、強誘電性ヒステリシス、パルス分極、圧電応答、等について行われる。そのような電気的特性の測定は、9つのキャパシタ16について個々に行われる。これに基づいて、キャパシタ16の電気的特性について面内の分布を調べることが可能になる。
【0058】
以上のような工程によれば、キャパシタの上部電極層14をカンチレバーとステージの操作によって微細にパターニングすることができ、これによりフォトリソグラフィー法を用いる場合に比べてキャパシタを短時間にミクロンオーダーで微細に形成することが可能になる。
【0059】
しかも、キャパシタ16の形成とキャパシタ16の特性の測定を同じステージ上で、同じカンチレバー24を用いて行っているので、キャパシタ16のパターニングからキャパシタ16の測定に至るまでの時間が従来よりも短縮される。しかも、シリコン11基板の搬送作業が不要になるので、搬送途中のキャパシタ16の破損、劣化といった事故の発生が防止される。
【0060】
次に、キャパシタ16の電気特性の測定に関し、具体例を示す。図8,9は本発明の薄膜キャパシタのパターン作製方法を利用してキャパシタを評価する方法の一例を示す図である。
【0061】
キャパシタ16を構成する強誘電体層13は自発分極を有するために印加電圧を3Vから0Vにしても、キャパシタ16に書き込まれた情報は保存されるという特徴を有している。このように、分極状態が保持される能力はリテンションと呼ばれる。
【0062】
キャパシタ内にリテンションの低い領域が存在する場合、印加電圧を取り去ると、分極状態が保持されず分極量が減少する。分極量が減少すると、FeRAMでは誤った情報を読み出すビットエラーと呼ばれる不良が発生する可能性が高くなる。
【0063】
例えば、図8(a)の様に、微細キャパシタ16において直流電圧3Vを上部電極14aと下部電極12との間に印加する。これにより、強誘電体膜13の分極が一方向に揃う。情報の読み出しをするためには、交流電圧0.5Vを上部電極14aと下部電極層12の間に印加する。
【0064】
この際、書込用電圧を取り去った後には、理想的な強誘電体膜13は情報の書き込んだ時と同様に一方向に揃った分極状態を保持している。しかしながら、強誘電体膜13の内部には、図8(b)の様に、分極状態を保持できず、分極が反転してしまうリテンションの低い反転領域18が存在する場合がある。このリテンションの低い領域によって、キャパシタ16の分極量が減少する。この分極状態は圧電応答像によって確認することができる。
【0065】
圧電応答像はSPM装置において探針24bに交流電圧を加えながら強誘電体層13の表面を走査することによって得られる。強誘電体は電圧を印可されると、収縮する逆圧電性を有している為、探針24bに加えられた交流電圧によって、交流電圧の周期と同じ周期で強誘電体の表面が振動する。分極状態が逆向きである場合、強誘電体13の表面の振動は逆移相になる。検出回路43はこの強誘電体の表面振動を検出し、振動の位相の違いによって強誘電体13の分極状態の情報を得ることができる。この分極状態の違いを濃淡の違いとして画像化したものが圧電応答像である。
【0066】
強誘電体層13の圧電応答像は図9のように画像化される。図8(b)の反転領域18はモニター41上で濃淡が異なる領域として写し出される。つまり、圧電応答像によりリテンションの低い領域の位置と大きさを確認することができる。さらに、強誘電体層13上に上部電極層14を形成した後に、図8(c) に示すように位置と大きさが確認された反転領域18の周囲にカンチレバー25による溝17を形成し、これにより反転領域18の上に選択的に孤立した上部電極14cを形成することにより、強誘電体層13の反転領域42を挟む領域にキャパシタ20を形成する。さらに、反転領域18以外の領域には図8(a)に示すような別の上部電極14aを形成する。これらのキャパシタ20の諸特性をカンチレバー24により測定する。次にリテンションの高い領域16のキャパシタの諸特性と、リテンションの低い領域20のキャパシタの諸特性を比較することによって、リテンションの低い領域20の強誘電体層13の膜質をさらに解析することができる。
【0067】
なお、上記した例では、一辺5μmの正方形のキャパシタ16を作製したが、カンチレバー24の走査する間隔を変更することによって、キャパシタを自在の大きさに作製することができる。
【0068】
例えば、カンチレバーの走査により形成された溝の間隔を3μm、1μm、0.5μmにすると、それぞれ一辺3μm、1μm、0.5μmの正方形の微細キャパシタを作製することができる。これら大きさの異なる微細キャパシタについて、それぞれの上述した諸特性を測定すれば、微細キャパシタ大きさを変更することにより諸特性がどのように変化するかを簡便に測定することができる。
(付記1)基板の上に第1導電体層を形成する工程と、
前記第1導電体層の上に誘電体層を形成する工程と、
前記誘電体層の上に第2導電体層を形成する工程と、
前記第2導電体層を露出させた状態で、探針を含むカンチレバーを有する走査型プローブ顕微鏡のステージの上に前記基板を載せる工程と、
前記第2導電体層に前記探針を当てて、前記ステージと前記カンチレバーのうち少なくとも一方の移動により少なくとも前記第2導電体層に溝を形成することによって前記第2導電体層を分割してキャパシタの上部電極を形成する工程と
を有することを特徴とするキャパシタのパターン形成方法。
(付記2)前記溝は、前記誘電体層の表面にも形成されていることを特徴とする付記1に記載のキャパシタのパターン形成方法。
(付記3)基板の上に第1導電体層を形成する工程と、
前記第1導電体層の上に誘電体層を形成する工程と、
前記誘電体層の上に第2導電体層を形成する工程と、
前記第2導電体層を露出させた状態で、探針を含む導電性のカンチレバーを有する走査型プローブ顕微鏡のステージの上に前記基板を載せる工程と、
前記第2導電体層に前記探針を当てて、前記ステージと前記カンチレバーのうち少なくとも一方の移動により少なくとも前記第2導電体層に溝を形成することによって前記第2導電体層を複数に分割して上部電極を形成する工程と、
前記上部電極に前記探針を接触させて前記カンチレバーを介して前記上部電極を電気的に外部に引き出すことにより、前記上部電極、前記誘電体層及び前記第1の導電層からなるキャパシタの電気特性を測定する工程と
を有することを特徴とするキャパシタの評価方法。
(付記4)前記第2導電体層及び前記誘電体層に、前記第1導電体層の一部を露出する第1導電体層露出部を開口する工程をさらに有することを特徴とする付記3に記載のキャパシタの評価方法。
(付記5)前記第1導電体層露出部を開口する工程は、前記第1導電体層の前記一部に耐熱性膜を張り付けた後に、前記第2導電体層及び前記誘電体層を前記耐熱性膜及び前記第1導電体層の上に形成し、ついで前記耐熱性膜を除去することにより前記第1導電体層の前記一部の上方の前記第2導電体層及び前記誘電体層を除去する工程であることを特徴とする付記4に記載のキャパシタの評価方法。
(付記6)前記キャパシタの特性を測定する際に、前記第1導電体層露出部を通して前記第1導電体層に導電性のプローブを当てて前記第1導電体層を電気的に外部に引き出すことを特徴とする付記4に記載のキャパシタの評価方法。
(付記7)前記キャパシタの前記電気特性の測定は、静電容量、リーク電流、強誘電性ヒステリシス、パルス分極のいずれかの測定であることを特徴とする付記3乃至付記6のいずれかに記載のキャパシタの評価方法。
(付記8)前記誘電体層は、強誘電体から構成されることを特徴とする付記3乃至付記6のいずれかに記載のキャパシタの評価方法。
(付記9)前記第2電極を形成する工程の前に、前記カンチレバーを用いる前記誘電体層の圧電応答の測定により圧電応答像を取得する工程を有し、
前記上部電極及び前記溝の形成位置は、前記圧電応答像に基づいて決定されることを特徴とする付記3乃至付記8のいずれかに記載のキャパシタの評価方法。
(付記10)前記カンチレバーの前記探針は、ホウ素がドープされたダイヤモンドからなることを特徴とする付記3乃至付記9のいずれかに記載のキャパシタの評価方法。
(付記11)前記カンチレバーの表層は、ホウ素をドープしたDLC膜、イリジウム膜、プラチナ・イリジウム積層膜、クロム膜、クロム・金積層膜のいずれかからなることを特徴とする付記3乃至付記9のいずれかに記載のキャパシタの評価方法。
(付記12)前記走査型プローブ顕微鏡の前記ステージはピエゾスキャナを有し、前記ピエゾスキャナはクローズドループ特性を有することを特徴とする付記3乃至付記11のいずれかに記載のキャパシタの評価方法。
(付記13)前記薄膜キャパシタの前記上部電極の厚さは100nm以下であることを特徴とする付記3乃至付記12のいずれかに記載のキャパシタの評価方法。
(付記14)前記上部電極に前記カンチレバーにより前記溝を形成することによって種々の大きさの前記キャパシタを形成し、前記キャパシタの大きさに依る特性変化を測定することを特徴とする付記3乃至付記13のいずれかに記載のキャパシタの評価方法。
【0069】
【発明の効果】
以上述べたように本発明のキャパシタの評価方法によれば、SPM装置内に備えられるカンチレバーの探針を用いて上部電極にパターンを形成するようにしたので、フォトリソグラフィー法でパターンを形成する際に必要とされる幾つもの工程を経ることなく、種々の大きさ及び形状のキャパシタを容易且つ高精度に作製することができる。
【0070】
さらに、キャパシタの形成とキャパシタ特性の測定を同じSPM装置内で行うのでキャパシタのパターニングからキャパシタの測定に至るまでの時間が従来よりも短縮される。しかも、シリコン基板の搬送作業が不要になるので、キャパシタを作製した後からキャパシタを測定終了するまでのヒューマンエラーが大幅に減少する。このような効果を奏する本発明により材料開発の促進が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a) 〜(c) は、メタルマスクを用いた従来の上部電極のパターン形成方法を示す断面図である。
【図2】図2(a) 〜(d) は、フォトリソグラフィーを用いた従来の上部電極パターン形成方法を示す断面図である。
【図3】図3(a) 〜(d) は、本発明の実施形態に係る微細キャパシタを製造する工程と、このキャパシタを測定する方法について示す断面図である。
【図4】図4は、本発明の実施形態に係るSPM装置の構成図である。
【図5】図5は、図4に示したSPM装置内に備えられるカンチレバーの拡大斜視図である。
【図6】図6は、本発明の実施形態に係るキャパシタの上部電極へパターンを形成する工程について示す断面図である。
【図7】図7は、本発明の実施形態に係るキャパシタの上部電極へパターンを形成する工程により、複数のキャパシタを形成することを示す平面図である。
【図8】図8(a) は、本発明の実施形態に係るキャパシタを構成する強誘電体層の分極が一方向に揃った状態を示す図であり、図8(b) は、本発明の実施形態に係るキャパシタを構成する強誘電体層の分極の一部に逆方向が存在する状態を示す図であり、図8(c) は、本発明の実施形態に係るキャパシタを構成する誘電体層のうちリテンションの低い領域の上に選択的に上部電極が形成されたキャパシタの分極を示す図である。
【図9】図9は、本発明の実施形態に係る強誘電体層の圧電応答像の一例を示す図である。
【符号の説明】
1…半導体基板、2…下部電極層、3…誘電体層、4…上部電極層、5…メタルマスク、5a…貫通孔、6…キャパシタ、7…レジスト、11…薄膜キャパシタ、14…上部電極層、14a…上部電極、17…溝、18…反転領域、19…周辺領域、20…キャパシタ、22…ステージ、23…プローブ、24…カンチレバー、24a…アーム、24b…探針、25…ピエゾスキャナ、41…キャパシタ測定回路、42…制御回路、43…検出回路、44…モニター、45…位置検出部
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming a capacitor and a method for evaluating a capacitor, and more particularly, to a method for forming a pattern of a capacitor used in a semiconductor memory element such as a DRAM and an FeRAM and other semiconductor devices, and a method for evaluating the capacitor.
[0002]
[Prior art]
There are DRAMs, FeRAMs, and the like as semiconductor storage devices, and these semiconductor storage elements include a transistor that performs a switching operation and a capacitor that stores information as electric charges.
[0003]
In semiconductor memory devices, higher integration and miniaturization are required in accordance with the demand for miniaturization of electrical equipment, and accordingly, capacitors are also required to be further miniaturized.
[0004]
The quality of a capacitor is an important factor that affects the number of rewrites and the life of a semiconductor memory device, and research and development for improving the characteristics of a capacitor have been made.
[0005]
When grasping the characteristics of capacitors at the research stage or prototype stage, using a sample formed by arranging multiple capacitors vertically and horizontally on a silicon substrate, the distribution of film quality and the distribution of characteristics are investigated. If there is local degradation, its cause is investigated.
[0006]
As a method of forming a plurality of capacitors on a silicon substrate, a patterning method using a metal mask or a patterning method by photolithography is employed.
[0007]
A process of manufacturing a capacitor on a wafer using a metal mask will be briefly described with reference to FIGS.
[0008]
First, as shown in FIG. 1A, a lower electrode layer 2 and a dielectric layer 3 are sequentially formed on the entire surface of a wafer 1. Subsequently, as shown in FIG. 1B, a metal mask 5 having a net-like pattern is arranged above the dielectric layer 3, and a metal layer is laminated through the through holes 5a of the metal mask 5 by a sputtering method. Thus, as shown in FIG. 1C, a plurality of patterns of the metal layer formed in an island shape at intervals on the dielectric layer 3 are used as the upper electrode layer 4. In this case, one upper electrode 4, the dielectric layer 3 and the lower electrode layer 2 immediately below the upper electrode 4 constitute one capacitor 6, and a plurality of capacitors 6 are formed on the wafer 1.
[0009]
When a plurality of capacitors are formed on a wafer using a metal mask as described above, the lower electrode may be patterned using a metal mask as described in Patent Document 1 below.
[0010]
Next, a process of manufacturing a plurality of capacitors on a wafer by using a photolithography method will be briefly described with reference to FIGS.
[0011]
First, as shown in FIG. 2A, a lower electrode layer 2 and a dielectric layer 3 are sequentially stacked on the entire surface of the wafer 1 in the same manner as in the case of manufacturing using a metal mask, and then, as shown in FIG. As shown, the upper electrode layer 4 is laminated on the dielectric layer 3. Next, as shown in FIG. 2C, a resist 7 is applied on the upper electrode layer 4, and is exposed and developed to form a plurality of upper electrode-shaped patterns at intervals. Thereafter, as shown in FIG. 2D, the upper electrode layer 4 is dry-etched or wet-etched using the resist 7 as a mask, and then the resist 7 is removed. Through the above steps, the upper electrode layer 4 is divided into a plurality at intervals, and one island-shaped upper electrode layer 3 and the dielectric layer 3 and the lower electrode layer 2 immediately below the upper electrode layer 3 constitute one capacitor 6.
[0012]
As a method of patterning a resist, Non-Patent Document 1 discloses a method of patterning an organic film formed on a wafer using a scanning probe microscope (hereinafter, abbreviated as SPM). .
[0013]
[Patent Document 1]
JP-A-9-32166
[Non-patent document 1]
Jpn. J. Appl. Phys. 41, 4973 (2002)
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, since the metal mask 5 is manufactured by mechanical processing, it is difficult to manufacture a fine through-hole 5a of 100 μm or less due to a processing problem. Therefore, a pattern forming method using a metal mask is not suitable for forming a fine upper electrode layer 4.
[0015]
On the other hand, since the photolithography method is used in an LSI manufacturing process, the upper electrode layer 4 can be miniaturized and can be formed in a state close to a product. However, several steps such as application of resist, baking, exposure, development, and removal of resist are required, and it takes too much time to form a capacitor in a research and development stage.
[0016]
Also, in the case of patterning a resist using SPM, steps such as application of a resist, baking, and removal of the resist are required.
[0017]
An object of the present invention is to provide a capacitor pattern forming method and a capacitor evaluation method for easily and accurately forming a capacitor on a wafer.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The above-mentioned problems are a step of forming a first conductor layer on a substrate, a step of forming a dielectric layer on the first conductor layer, and a step of forming a second conductor layer on the dielectric layer. Forming a substrate, placing the substrate on a stage of a scanning probe microscope having a cantilever including a probe in a state where the second conductor layer is exposed, and forming the second conductor layer on the second conductor layer. Forming a top electrode of a capacitor by dividing the second conductor layer by applying a probe to form a groove in at least the second conductor layer by moving at least one of the stage and the cantilever; And a method for forming a pattern of a capacitor characterized by having the following.
[0019]
Alternatively, a step of forming a first conductor layer on a substrate, a step of forming a dielectric layer on the first conductor layer, and a step of forming a second conductor layer on the dielectric layer And placing the substrate on a stage of a scanning probe microscope having a conductive cantilever including a probe in a state where the second conductor layer is exposed; and Forming a top electrode by dividing the second conductor layer into a plurality by forming a groove in at least the second conductor layer by moving at least one of the stage and the cantilever by applying a probe; And contacting the probe with the upper electrode to electrically pull the upper electrode to the outside via the cantilever, thereby forming a capacitor comprising the upper electrode, the dielectric layer, and the first conductive layer. Electrical characteristics It is solved by a method Evaluation of the capacitor, characterized in that it comprises a step of measuring.
[0020]
According to the capacitor pattern forming method described above, a capacitor upper electrode is formed by forming a groove in the conductor layer by scratching a probe of a cantilever provided in a scanning probe microscope.
[0021]
Therefore, a capacitor having a planar shape on the order of submicrons can be finely patterned by manipulating the cantilever and the stage, whereby the capacitor can be minutely formed on a micron order in a shorter time than when a mask is used.
[0022]
Further, according to the above-described method for evaluating a capacitor, after forming a groove in the conductor layer by scratching a probe of a cantilever provided in a scanning probe microscope to form a capacitor upper electrode, the cantilever is left as it is. The electrical characteristics of the capacitor are measured by contacting the upper electrode of the capacitor and electrically pulling out the upper electrode of the capacitor. In this case, one capacitor is constituted by one capacitor upper electrode and a dielectric layer and a conductor layer thereunder.
[0023]
Therefore, after the capacitor is formed on the substrate, the electrical characteristics of the capacitor are measured on the spot, and during the period from the formation of the capacitor to the measurement of the electrical characteristics of the capacitor, the capacitor is transported, mounted, and removed. , Etc. are no longer required.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0025]
3 (a) to 3 (d) are cross-sectional views showing a process for forming a capacitor used in the present invention and a measuring method thereof. Hereinafter, a ferroelectric capacitor used in an FeRAM will be described as an example of the capacitor.
[0026]
First, as shown in FIG. 3A, a silicon oxide film (SiO 2 ) A titanium (Ti) layer having a thickness of several tens of nm and a platinum (Pt) layer having a thickness of 100 to 300 nm are sequentially formed on the silicon (semiconductor) substrate 11 on which the 11a is formed, by sputtering. To form
[0027]
Further, PZT (Pb-Zirconium-Titanium; lead zirconium titanate) is formed as a dielectric layer 13 on the lower electrode layer 12 by an RF sputtering method. The thickness of PZT is, for example, 100 to 300 nm.
[0028]
Next, PZT constituting the ferroelectric layer 13 is crystallized by RTA (Rapid Thermal Annealing) in an oxygen-containing atmosphere. The conditions of the RTA are, for example, 600 ° C. for 90 seconds and a heating rate of 100 ° C./sec. Note that oxygen and argon are introduced into the oxygen-containing atmosphere, and the oxygen concentration is, for example, 20%.
[0029]
Subsequently, iridium oxide (IrO 2) is formed on the ferroelectric layer 13 as the upper electrode layer 14. x ) Is formed by sputtering to have a thickness of 100 nm or less.
[0030]
Thereafter, the crystallinity of the ferroelectric layer 13 is improved in an oxygen-containing atmosphere by RTA. The conditions of the RTA are, for example, 650 ° C., 60 seconds, and a heating rate of 100 ° C./sec. Note that only oxygen is introduced into the oxygen-containing atmosphere.
[0031]
As described above, the basic layer structure of the capacitor is formed. However, the lower electrode exposed portion 15 where the dielectric layer 13 and the upper electrode layer 14 are not formed is formed so that the electrical characteristics of the capacitor can be easily measured later. It is provided on the edge of the silicon substrate 11.
[0032]
After the lower electrode 2 is formed on the silicon substrate 11, the lower electrode exposed portion 15 affixes, for example, a heat-resistant tape to a part of the edge of the lower electrode 12, and sequentially forms the dielectric layer 13 and the upper electrode layer 14. It is formed by peeling the tape after forming.
[0033]
Next, as shown in FIG. 3B, the process proceeds to a step of manufacturing a plurality of capacitors 16 by dividing the upper electrode layer 14 into a plurality of patterns.
[0034]
The SPM device shown in FIG. 4 is used for patterning the upper electrode layer 14.
[0035]
The SPM apparatus includes a stage 22 on which the silicon substrate 11 having the laminated structure shown in FIG. 3A is mounted, a probe 23 that contacts the lower electrode exposed portion 15 on the silicon substrate 11, A conductive cantilever 24 for scanning the surface of the upper electrode layer 14, a measuring circuit 41 electrically connected to the probe 23 and the cantilever 24 for measuring the electrical characteristics of the sample, and a piezo scanner 25 for controlling the movement of the stage 22; A control circuit 42 for sending a control signal to the piezo scanner 25, a position detection unit 45 for detecting the position of the cantilever, and a feedback of a change in the position of the cantilever to the control circuit 42 based on the detection result of the position of the cantilever by the position detection unit 45. And an image display unit 44 for imaging the detection result.
[0036]
The stage 22 is moved in three-dimensional X, Y, and Z directions orthogonal to each other by a piezo scanner 25 disposed therebelow. The piezo scanner 25 has a feature of converting an applied voltage into displacements in X, Y, and Z directions. Using the characteristics of the piezo scanner 25, the control circuit 42 controls the voltage applied to the piezo scanner 25 to displace the stage 22. This displacement controls the force applied between the probe 32 and the thin film capacitor 21 and adjusts the groove to an optimum depth.
[0037]
As shown in FIG. 5, the cantilever 24 has an arm 24a made of silicon, and a sharp probe 24b attached to the lower surface of the tip of the arm 24a. The probe 24a is made of a conductive material, for example, boron-doped diamond, which has a hardness, abrasion resistance, and a conductivity that can form a groove by moving while piercing the upper electrode layer 14. Alternatively, the probe 32 may be formed by coating a surface of a silicon-doped DLC (Diamond Like Carbon) film or a metal having high hardness such as Ir or Cr on silicon.
[0038]
The SPM device is a device that causes the probe 24b to scan along the surface of the film to be inspected and images the unevenness of the surface by the displacement of the probe 24b. For example, light is applied to the upper surface of the arm 24b, and the position is detected based on the reflection angle. Such position detection is performed by the position detection unit 45. The position detecting section 45 having such a function has a laser diode and a prism for irradiating light, and has a split diode light receiving element for detecting a reflection angle.
[0039]
In the present embodiment, in addition to the detection of such irregularities, after the upper electrode layer 14 is patterned using the cantilever 24 to produce a plurality of capacitors, the electrical characteristics of the plurality of capacitors are individually measured.
[0040]
When patterning the upper electrode layer 14 using this SPM device, first, the piezo scanner 25 is driven according to a program preset in the control circuit 42 to displace the stage 22 in the Z-axis direction. As shown in (), the probe 24a of the cantilever 24 is brought into contact with the surface of the upper electrode layer 14, and the contact pressure between the probe 24a and the upper electrode 14 is further increased.
[0041]
Next, as shown in FIG. 6B, when the piezo scanner 25 is driven to displace the stage 22 in the X-axis and Y-axis directions, the probe 24b moves while piercing the upper electrode layer 14, and The electrode layer 14 is shaved by the probe 24b. When the probe 24b is relatively scanned, a groove 17 having a substantially V-shaped cross section is formed in the upper electrode layer 14, as shown in FIG.
[0042]
For example, as shown in FIG. 3B and FIG. 7, after four grooves 17 are formed in parallel at a depth of more than 100 nm, a length of 20 μm, and an interval of 5 μm, the moving direction of the piezo scanner 25 is changed. By changing by 90 degrees, four parallel lines are formed at the same depth. The upper electrode layer 14 is divided by the four grooves 17 formed vertically and horizontally to form nine square fine upper electrodes 14a each having a side of 5 μm. In this case, the bottom of the groove 17 reaches the surface of the dielectric layer 13, and the plurality of upper electrodes 14a are electrically insulated by the groove 17, respectively.
[0043]
One capacitor 16 is constituted by one upper electrode 14a, the dielectric layer 13 and the lower electrode layer 12 thereunder. Therefore, nine capacitors 16 are formed on the silicon substrate 11 by the movement of the cantilever 24.
[0044]
Note that unless the depth of the groove 17 is sufficiently small compared to the height of the probe 24b, the groove 17 reaching the surface of the dielectric layer 13 by a single movement of the probe 24 cannot be formed. In consideration of this point, the film thickness of the upper electrode is formed to 100 nm or less.
[0045]
Further, in order to facilitate the movement of the probe 24b while shaving the upper electrode layer 14, the thickness of the upper electrode layer 14 is preferably set to 50 nm or less.
[0046]
Further, in the initial stage of forming the upper electrode layer 14 by a sputtering method, a portion having a small thickness and a portion having a large thickness are formed, and thereafter, a layer having a substantially uniform thickness is grown. It is difficult to control the depth of the groove of the upper electrode layer 14 having an uneven thickness in the initial stage when the groove is formed by the probe 24b. In view of such a point, it is preferable to form the upper electrode to a thickness of 5 to 20 nm, which is a substantially uniform film thickness obtained after the initial stage.
[0047]
Also, if the spring constant of the arm 24a of the cantilever 24 is small, the pressure is absorbed by the bending of the arm 24a when the probe 24b is pressed against the upper electrode layer 14, so that the depth becomes such that the dielectric layer 13 is exposed. The groove 17 cannot be dug. Therefore, the cantilever 24 having a large spring constant of the arm 24a is used.
[0048]
Furthermore, if the precision of the displacement of the stage is not high, it is difficult for the probe 24b to form a pattern with an optimal position and depth. Therefore, by using the closed-loop piezo scanner 25 having a function of compensating for the reproducibility of displacement, the upper electrode 14 can be patterned with higher accuracy. The closed loop method has a closed loop characteristic in the relationship between applied potential and displacement.
[0049]
Next, the process proceeds to the measurement of the electrical characteristics of each of the capacitors 16. This measurement is performed with the thin film capacitor 21 placed on the stage 22 in the SPM device. For example, the probe 23 is brought into contact with the lower electrode layer 12 from the lower electrode exposed portion 15, and the probe 24b of the cantilever 24 is brought into contact with the upper electrode 14a to measure various characteristics.
[0050]
The probe 23 may be brought into contact with the lower electrode layer 12 before the patterning of the upper electrode layer 14 or when placing the silicon substrate 11 on the stage.
[0051]
The cantilever 24 must be sequentially brought into contact with the plurality of upper electrodes 14a in order to measure the electrical characteristics of each of the nine capacitors 16.
[0052]
In order to bring the probe 24b of the cantilever 24 into contact with the desired upper electrode 14a of the capacitor 16, first, the position of the upper electrode 14a of the capacitor 16 is confirmed.
[0053]
In order to confirm the position of the selected upper electrode 14a, the probe 24a of the cantilever 24 is scanned along the surface of the capacitor 16 as shown in FIG. Is imaged on the monitor 41. In this case, the force of the cantilever 24 in the Z-axis direction is adjusted by adjusting the piezo scanner 25 so that the probe 24a of the cantilever 24 does not dug the upper electrode 14a.
[0054]
Thus, the position of the upper electrode 14a of the capacitor 16 and the position of the groove 17 can be easily confirmed by the SPM device.
[0055]
Next, as shown in FIG. 3D, the probe 24b of the cantilever 24 is applied to the upper electrode 14a at a desired position.
[0056]
Then, with the probe 23 connected to the lower electrode layer 12 and the cantilever 24 connected to the desired upper electrode 14a, a voltage is applied to the lower electrode layer 12 and the upper electrode 14 through the probe 23 and the cantilever 24 to measure the measurement circuit 41. , Various characteristics of the capacitor 16 are measured.
[0057]
The measurement of the electrical characteristics of the capacitor 16 is performed for capacitance, leak current, ferroelectric hysteresis, pulse polarization, piezoelectric response, and the like. Such measurement of the electrical characteristics is performed individually for the nine capacitors 16. Based on this, the in-plane distribution of the electrical characteristics of the capacitor 16 can be examined.
[0058]
According to the above-described steps, the upper electrode layer 14 of the capacitor can be finely patterned by the operation of the cantilever and the stage. Can be formed.
[0059]
In addition, since the formation of the capacitor 16 and the measurement of the characteristics of the capacitor 16 are performed on the same stage and using the same cantilever 24, the time from patterning of the capacitor 16 to measurement of the capacitor 16 is shorter than before. You. In addition, since the transfer operation of the silicon 11 substrate is not required, occurrence of an accident such as breakage or deterioration of the capacitor 16 during the transfer is prevented.
[0060]
Next, a specific example of the measurement of the electrical characteristics of the capacitor 16 will be described. 8 and 9 are views showing an example of a method for evaluating a capacitor using the method for producing a pattern of a thin film capacitor of the present invention.
[0061]
Since the ferroelectric layer 13 constituting the capacitor 16 has spontaneous polarization, the information written in the capacitor 16 is preserved even when the applied voltage is changed from 3 V to 0 V. Thus, the ability to maintain the polarization state is called retention.
[0062]
In the case where a region with low retention exists in the capacitor, when the applied voltage is removed, the polarization state is not maintained and the polarization amount decreases. When the amount of polarization decreases, the possibility of occurrence of a defect called a bit error for reading out incorrect information in the FeRAM increases.
[0063]
For example, as shown in FIG. 8A, a DC voltage of 3 V is applied between the upper electrode 14a and the lower electrode 12 in the fine capacitor 16. Thereby, the polarization of the ferroelectric film 13 is aligned in one direction. To read information, an AC voltage of 0.5 V is applied between the upper electrode 14a and the lower electrode layer 12.
[0064]
At this time, after the write voltage is removed, the ideal ferroelectric film 13 maintains the polarization state aligned in one direction as in the case of writing information. However, in some cases, as shown in FIG. 8B, there is an inversion region 18 having a low retention in which the polarization state cannot be maintained and the polarization is inverted inside the ferroelectric film 13. The region of low retention reduces the amount of polarization of capacitor 16. This polarization state can be confirmed by a piezoelectric response image.
[0065]
The piezoelectric response image is obtained by scanning the surface of the ferroelectric layer 13 while applying an AC voltage to the probe 24b in the SPM device. Since the ferroelectric material has an inverse piezoelectricity that contracts when a voltage is applied, the surface of the ferroelectric material vibrates at the same cycle as the cycle of the AC voltage by the AC voltage applied to the probe 24b. . When the polarization state is in the opposite direction, the vibration of the surface of the ferroelectric 13 is in a reverse phase shift. The detection circuit 43 detects the surface vibration of the ferroelectric, and can obtain information on the polarization state of the ferroelectric 13 based on the difference in the phase of the vibration. A piezoelectric response image is obtained by imaging the difference in the polarization state as a difference in density.
[0066]
The piezoelectric response image of the ferroelectric layer 13 is imaged as shown in FIG. 8B is displayed on the monitor 41 as an area having different shades. That is, the position and size of the low retention area can be confirmed by the piezoelectric response image. Further, after forming the upper electrode layer 14 on the ferroelectric layer 13, a groove 17 by a cantilever 25 is formed around the inversion region 18 whose position and size have been confirmed as shown in FIG. As a result, the upper electrode 14c which is selectively isolated on the inversion region 18 is formed, thereby forming the capacitor 20 in the region of the ferroelectric layer 13 which sandwiches the inversion region 42. Further, another upper electrode 14a as shown in FIG. 8A is formed in a region other than the inversion region 18. Various characteristics of these capacitors 20 are measured by a cantilever 24. Next, the film quality of the ferroelectric layer 13 in the low retention region 20 can be further analyzed by comparing the various characteristics of the capacitor in the high retention region 16 with the various characteristics of the capacitor in the low retention region 20. .
[0067]
In the above-described example, the square capacitor 16 having a side of 5 μm is manufactured. However, by changing the scanning interval of the cantilever 24, the capacitor can be manufactured in an arbitrary size.
[0068]
For example, when the intervals of the grooves formed by the scanning of the cantilever are set to 3 μm, 1 μm, and 0.5 μm, it is possible to manufacture square fine capacitors having sides of 3 μm, 1 μm, and 0.5 μm, respectively. By measuring the above-mentioned various characteristics of these fine capacitors having different sizes, it is possible to easily measure how the various characteristics change by changing the size of the fine capacitors.
(Supplementary Note 1) a step of forming a first conductor layer on the substrate;
Forming a dielectric layer on the first conductor layer;
Forming a second conductor layer on the dielectric layer;
Placing the substrate on a stage of a scanning probe microscope having a cantilever including a probe with the second conductive layer exposed;
Applying the probe to the second conductive layer, dividing the second conductive layer by forming a groove in at least the second conductive layer by moving at least one of the stage and the cantilever Forming the upper electrode of the capacitor;
A method for forming a pattern of a capacitor, comprising:
(Supplementary Note 2) The method for forming a capacitor pattern according to Supplementary Note 1, wherein the groove is also formed on a surface of the dielectric layer.
(Supplementary Note 3) a step of forming a first conductor layer on the substrate;
Forming a dielectric layer on the first conductor layer;
Forming a second conductor layer on the dielectric layer;
Placing the substrate on a stage of a scanning probe microscope having a conductive cantilever including a probe with the second conductive layer exposed;
The probe is applied to the second conductor layer, and at least one of the stage and the cantilever is moved to form a groove in at least the second conductor layer, thereby dividing the second conductor layer into a plurality. Forming an upper electrode by
By bringing the probe into contact with the upper electrode and electrically extracting the upper electrode to the outside via the cantilever, the electrical characteristics of the capacitor comprising the upper electrode, the dielectric layer, and the first conductive layer are obtained. The process of measuring
A method for evaluating a capacitor, comprising:
(Supplementary Note 4) The method according to Supplementary Note 3, further comprising a step of opening a first conductor layer exposed portion exposing a part of the first conductor layer in the second conductor layer and the dielectric layer. 3. The method for evaluating a capacitor according to item 1.
(Supplementary Note 5) The step of opening the exposed portion of the first conductor layer includes the step of attaching a heat-resistant film to the part of the first conductor layer, and then attaching the second conductor layer and the dielectric layer to the first conductor layer. Forming the second conductive layer and the dielectric layer above the portion of the first conductive layer by forming on the heat resistant film and the first conductive layer and then removing the heat resistant film; 5. The method for evaluating a capacitor according to supplementary note 4, wherein the method is a step of removing.
(Supplementary Note 6) When measuring the characteristics of the capacitor, a conductive probe is applied to the first conductor layer through the first conductor layer exposed portion to electrically pull out the first conductor layer to the outside. 4. The method for evaluating a capacitor according to claim 4, wherein:
(Supplementary note 7) The measurement according to any one of Supplementary notes 3 to 6, wherein the measurement of the electrical characteristics of the capacitor is any one of capacitance, leakage current, ferroelectric hysteresis, and pulse polarization. Method for evaluating capacitors.
(Supplementary note 8) The method for evaluating a capacitor according to any one of Supplementary notes 3 to 6, wherein the dielectric layer is made of a ferroelectric.
(Supplementary Note 9) Before the step of forming the second electrode, a step of obtaining a piezoelectric response image by measuring a piezoelectric response of the dielectric layer using the cantilever,
The method for evaluating a capacitor according to any one of supplementary notes 3 to 8, wherein the formation positions of the upper electrode and the groove are determined based on the piezoelectric response image.
(Supplementary note 10) The method for evaluating a capacitor according to any one of Supplementary notes 3 to 9, wherein the probe of the cantilever is made of diamond doped with boron.
(Supplementary Note 11) The surface layer of the cantilever is made of any one of a boron-doped DLC film, an iridium film, a platinum-iridium laminated film, a chromium film, and a chromium-gold laminated film, wherein The capacitor evaluation method according to any one of the above.
(Supplementary note 12) The method for evaluating a capacitor according to any one of Supplementary notes 3 to 11, wherein the stage of the scanning probe microscope includes a piezo scanner, and the piezo scanner has a closed-loop characteristic.
(Supplementary note 13) The method for evaluating a capacitor according to any one of Supplementary notes 3 to 12, wherein the thickness of the upper electrode of the thin-film capacitor is 100 nm or less.
(Supplementary note 14) Supplementary notes 3 to Supplementary notes, in which the capacitors of various sizes are formed by forming the grooves in the upper electrode by the cantilever, and a change in characteristics depending on the size of the capacitors is measured. 14. The method for evaluating a capacitor according to any one of 13.
[0069]
【The invention's effect】
As described above, according to the capacitor evaluation method of the present invention, since the pattern is formed on the upper electrode using the probe of the cantilever provided in the SPM device, the pattern is formed by photolithography. Capacitors of various sizes and shapes can be manufactured easily and with high precision without going through a number of steps required for the above.
[0070]
Furthermore, since the formation of the capacitor and the measurement of the capacitor characteristics are performed in the same SPM device, the time from the patterning of the capacitor to the measurement of the capacitor is shorter than before. In addition, since the operation of transporting the silicon substrate becomes unnecessary, human error from the time when the capacitor is manufactured to the time when the measurement of the capacitor is completed is greatly reduced. According to the present invention having such effects, promotion of material development can be expected.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1C are cross-sectional views showing a conventional method for forming a pattern of an upper electrode using a metal mask.
FIGS. 2A to 2D are cross-sectional views illustrating a conventional method for forming an upper electrode pattern using photolithography.
3 (a) to 3 (d) are cross-sectional views showing a process for manufacturing a fine capacitor according to an embodiment of the present invention and a method for measuring the capacitor.
FIG. 4 is a configuration diagram of an SPM device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an enlarged perspective view of a cantilever provided in the SPM device shown in FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a step of forming a pattern on the upper electrode of the capacitor according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a plan view showing that a plurality of capacitors are formed by a step of forming a pattern on an upper electrode of the capacitor according to the embodiment of the present invention.
8A is a diagram showing a state in which the polarization of a ferroelectric layer constituting a capacitor according to an embodiment of the present invention is aligned in one direction, and FIG. FIG. 8C is a diagram showing a state where a reverse direction exists in a part of the polarization of the ferroelectric layer constituting the capacitor according to the embodiment of the present invention. FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating polarization of a capacitor in which an upper electrode is selectively formed on a region having a low retention in a body layer.
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a piezoelectric response image of the ferroelectric layer according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate, 2 ... Lower electrode layer, 3 ... Dielectric layer, 4 ... Upper electrode layer, 5 ... Metal mask, 5a ... Through hole, 6 ... Capacitor, 7 ... Resist, 11 ... Thin film capacitor, 14 ... Upper electrode Layer, 14a: upper electrode, 17: groove, 18: inverted area, 19: peripheral area, 20: capacitor, 22: stage, 23: probe, 24: cantilever, 24a: arm, 24b: probe, 25: piezo scanner 41, a capacitor measuring circuit, 42, a control circuit, 43, a detecting circuit, 44, a monitor, 45, a position detecting section

Claims (6)

基板の上に第1導電体層を形成する工程と、
前記第1導電体層の上に誘電体層を形成する工程と、
前記誘電体層の上に第2導電体層を形成する工程と、
前記第2導電体層を露出させた状態で、探針を含むカンチレバーを有する走査型プローブ顕微鏡のステージの上に前記基板を載せる工程と、
前記第2導電体層に前記探針を当てて、前記ステージと前記カンチレバーのうち少なくとも一方の移動により少なくとも前記第2導電体層に溝を形成することによって前記第2導電体層を分割してキャパシタの上部電極を形成する工程と
を有することを特徴とするキャパシタのパターン形成方法。
Forming a first conductor layer on the substrate;
Forming a dielectric layer on the first conductor layer;
Forming a second conductor layer on the dielectric layer;
Placing the substrate on a stage of a scanning probe microscope having a cantilever including a probe with the second conductive layer exposed;
Applying the probe to the second conductive layer, dividing the second conductive layer by forming a groove in at least the second conductive layer by moving at least one of the stage and the cantilever Forming a top electrode of the capacitor.
基板の上に第1導電体層を形成する工程と、
前記第1導電体層の上に誘電体層を形成する工程と、
前記誘電体層の上に第2導電体層を形成する工程と、
前記第2導電体層を露出させた状態で、探針を含む導電性のカンチレバーを有する走査型プローブ顕微鏡のステージの上に前記基板を載せる工程と、
前記第2導電体層に前記探針を当てて、前記ステージと前記カンチレバーのうち少なくとも一方の移動により少なくとも前記第2導電体層に溝を形成することによって前記第2導電体層を複数に分割して上部電極を形成する工程と、
前記上部電極に前記探針を接触させて前記カンチレバーを介して前記上部電極を電気的に外部に引き出すことにより、前記上部電極、前記誘電体層及び前記第1の導電層からなるキャパシタの電気特性を測定する工程と
を有することを特徴とするキャパシタの評価方法。
Forming a first conductor layer on the substrate;
Forming a dielectric layer on the first conductor layer;
Forming a second conductor layer on the dielectric layer;
Placing the substrate on a stage of a scanning probe microscope having a conductive cantilever including a probe with the second conductive layer exposed;
The probe is applied to the second conductor layer, and at least one of the stage and the cantilever is moved to form a groove in at least the second conductor layer, thereby dividing the second conductor layer into a plurality. Forming an upper electrode by
By bringing the probe into contact with the upper electrode and electrically extracting the upper electrode to the outside via the cantilever, the electrical characteristics of the capacitor composed of the upper electrode, the dielectric layer and the first conductive layer are obtained. And a step of measuring the capacitance.
前記第2導電体層及び前記誘電体層に、前記第1導電体層の一部を露出する第1導電体層露出部を開口する工程をさらに有することを特徴と
する請求項2に記載のキャパシタの評価方法。
3. The method according to claim 2, further comprising: opening a first conductor layer exposed portion exposing a part of the first conductor layer in the second conductor layer and the dielectric layer. 4. Evaluation method for capacitors.
前記キャパシタの特性を測定する際に、前記第1導電体層露出部を通して前記第1導電体層に導電性のプローブを当てて前記第1導電層を電気的に外部に引き出すことを特徴とする請求項3に記載のキャパシタの評価方法。When measuring the characteristics of the capacitor, a conductive probe is applied to the first conductive layer through the first conductive layer exposed portion to electrically pull out the first conductive layer to the outside. The method for evaluating a capacitor according to claim 3. 前記キャパシタの前記電気特性の測定は、静電容量、リーク電流、強誘電性ヒステリシス、パルス分極のいずれかの測定であることを特徴とする請求項2乃至請求項4のいずれかに記載のキャパシタの評価方法。The capacitor according to any one of claims 2 to 4, wherein the measurement of the electrical characteristics of the capacitor is a measurement of any one of capacitance, leakage current, ferroelectric hysteresis, and pulse polarization. Evaluation method. 前記誘電体層は、強誘電体から構成されることを特徴とする請求項2乃至請求項4のいずれかに記載のキャパシタの評価方法。The method for evaluating a capacitor according to claim 2, wherein the dielectric layer is made of a ferroelectric.
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KR100744242B1 (en) * 2005-12-28 2007-07-30 동부일렉트로닉스 주식회사 Method for patterning by using scanning probe microscope
JP2008175540A (en) * 2007-01-16 2008-07-31 Nec Corp Method and system for inspecting thin-film capacitor
US7564089B2 (en) 2004-03-26 2009-07-21 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device
JP2012054317A (en) * 2010-08-31 2012-03-15 Hitachi Cable Ltd Substrate provided with piezoelectric thin film and manufacturing method thereof

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