JP2004259884A

JP2004259884A - Method and equipment for measuring work function

Info

Publication number: JP2004259884A
Application number: JP2003047926A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kanemoto; 啓金本
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2004-09-16

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide method and equipment for measuring the work function in which the work function of a conductive film can be measured easily and quickly. <P>SOLUTION: In the method for measuring the work function ϕ<SB>m</SB>of a mid-gap material 52 formed on an Si wafer 51, SiO<SB>2</SB>33 of a measuring probe 30 comprising an Si chip 31 and the SiO<SB>2</SB>33 provided on the Si chip 31 is opposed to the mid-gap material 52 on the Si wafer 51 thus forming a capacitor. C-V characteristics of the capacitor are then measured a plurality of times by varying the separation distance of the SiO<SB>2</SB>33 and the mid-gap material 52 on the Si wafer 51 and the work function ϕ<SB>m</SB>of the mid-gap material 52 is calculated from the measurements of the C-V characteristics. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、仕事関数の測定方法及びその測定装置に係り、特に、ｍｉｄ−ｇａｐ材料等の金属膜に適用して好適な仕事関数の測定方法及びその測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置はますます微細化、高集積化しつつあり、ＭＯＳトランジスタのゲート長は０．１μｍに近づきつつある。これに伴って、ゲート電極部の構成材料として、ポリシリコンに代わりｍｉｄ−ｇａｐ材料と呼ばれる金属膜が注目されつつある。このｍｉｄ−ｇａｐ材料は、その仕事関数φ_ｍがｎ^＋ポリシリコンの仕事関数とｐ^＋ポリシリコンの仕事関数の中間にあるような性質を有するものであり、その例としては、窒化チタン（ＴｉＮ）やタンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）等が挙げられる。このようなｍｉｄ−ｇａｐ材料は、リンやボロン等をドープしたポリシリコンと比べて抵抗が低く、またゲート空乏化が起こらないため、トランジスタ電流を増加させることができるので、トランジスタの微細化に有利である。
【０００３】
また、ｎＭＯＳトランジスタとｐＭＯＳトランジスタとを組み合わせたＣＭＯＳのゲート電極部をポリシリコンで構成する場合には、通常、ｎＭＯＳトランジスタにはリン等をドープしたポリシリコンを用い、ｐＭＯＳトランジスタにはボロン等をドープしたポリシリコンを用いることが多い。
これに対して、ＣＭＯＳのゲート電極部をｍｉｄ−ｇａｐ材料で構成する場合には、ｎＭＯＳトランジスタとｐＭＯＳトランジスタとに応じてドープする不純物を変える必要がなく、さらに不純物のドープ自体が不要なので、製造プロセスをコンパクトにすることができる。このようなｍｉｄ−ｇａｐ材料はスパッタ法等により形成され、その電気的特性は上述した仕事関数φ_ｍによって評価されることが多い。
【０００４】
図９は従来例に係る仕事関数の測定装置９０の構成例を示す概念図である。この測定装置９０は、被測定サンプル９５を支持するステージ９１と、高周波Ｃ−Ｖ（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ−ｖｏｌｔａｇｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ）測定器９４と、この高周波Ｃ−Ｖ測定器（以下で、Ｃ−Ｖ測定器という）９４にそれぞれ一端が接続された接地端子９２及びバイアス端子９３とから構成されている。
【０００５】
また、被測定サンプル９５は、シリコン（Ｓｉ）ウエーハ９６と、このＳｉウエーハ９６の裏面に形成された高濃度層９７と、このＳｉウエーハ９６の表面に形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）９８と、このＳｉＯ_２９８上に形成された電極パターン９９とから構成されている。高濃度層９７の導電型は、Ｓｉウエーハと同一である。また、電極パターン９９は、ｍｉｄ−ｇａｐ材料が電極形状にパターニングされたものである。
【０００６】
図１２は、金属と、ＳｉＯ_２と、Ｓｉのエネルギーバンド図である。Ｓｉの仕事関数をφ_ｓ［Ｖ］とし、Ｓｉの電子親和力をχ_ｓｉ［ｅＶ］とし、ＳｉＯ_２のバンドギャップをＥｇ_ｓｉ［ｅＶ］とし、Ｓｉ中の不純物（ドーパント）濃度をＮ_ｓｕｂとしたとき、φ_ｓは▲１▼式で表される。
φ_ｓ＝χ_ｓｉ＋Ｅｇ_ｓｉ／２±（ｋＴ／ｑ）ｌｎ（Ｎ_ｓｕｂ／ｎ_ｉ）…▲１▼
ここで、ｋはボルツマン定数（１．３８ｅ−２３Ｊ／Ｋ）、ｎ_ｉは真性キャリア濃度（１．４５Ｅ＋１０ｃｍ−３、温度３００Ｋ）である。±記号は、Ｓｉ中のドーパントの型で決まり、ｎ型では−、ｐ型では＋である。▲１▼式から明らかなように、φ_ｓはＮ_ｓｕｂで決まる。
【０００７】
また、これらの金属と、ＳｉＯ_２と、Ｓｉとを接合すると、ＳｉＯ_２と接合するＳｉ表面のバンドが曲がって、金属のフェルミレベルｑφ_ｍと、Ｓｉのフェルミレベルｑφ_ｓとが一致する。この状態で、金属に電圧（φ_ｍ−φ_ｓ）を印加すると、Ｓｉ表面のバンドは接合前にように平らになる。この電圧をフラットバンド電圧Ｖ_ｆｂ［Ｖ］といい、▲２▼式で表される。
【０００８】
Ｖ_ｆｂ＝φ_ｍ−φ_ｓ…▲２▼
この▲２▼式はＳｉＯ_２とＳｉの界面に固定電荷Ｑ_ＳＳ［Ｃ／ｃｍ^２］のない理想的な状態でのＶ_ｆｂであり、実際には、ＳｉＯ_２とＳｉの界面に固定電荷Ｑ_ＳＳ［Ｃ／ｃｍ^２］が存在する。そのため、実際のＶ_ｆｂは▲３▼式で表される。
Ｖ_ｆｂ＝φ_ｍ−φ_ｓ−Ｑ_ＳＳ／Ｃ_ＯＸ…▲３▼
ここで、Ｃ_ＯＸ［Ｆ／ｃｍ^２］は、金属と、ＳｉＯ_２と、ＳｉとからなるＭＯＳ構造のキャパシタの蓄積側の容量（単位面積当りの容量）である。キャパシタにおけるＳｉＯ_２の膜厚→０のとき、Ｃ_ＯＸ→∞である。また、▲３▼式において、Ｃ_ＯＸ→∞のとき、Ｑ_ＳＳ／Ｃ_ＯＸ→０となる。
【０００９】
図１０は従来例に係るｍｉｄ−ｇａｐ材料の仕事関数φ_ｍの測定方法を示すフローチャートである。まず始めに、図のステップ（Ｓ）１で、複数のＳｉウエーハ９６を用意し、これらのＳｉウエーハ９６上にＳｉＯ_２９８を成膜する。ここで、ＳｉＯ_２９８の膜厚は、各Ｓｉウエーハ９６間で変えておく。
次に、図１０のステップ２で、それぞれのＳｉウエーハ９６上のＳｉＯ_２９８上に被測定対象物のｍｉｄ−ｇａｐ材料を成膜しパターニングして電極パターン９９を形成し、ＳｉＯ_２９８の膜厚が異なるＭＯＳキャパシタを完成させる。
【００１０】
次に、図１０のステップ３で、ＳｉＯ_２９８の膜厚が異なる複数の被測定サンプル９５の高周波Ｃ−Ｖ測定を行う。このＣ−Ｖ測定によって、Ｓｉウエーハ９６の基板濃度Ｎ_ｓｕｂ、ＳｉＯ_２９８の膜厚ｄ´、ＭＯＳキャパシタのフラットバンド電圧Ｖ_ｆｂ、容量Ｃ_ＯＸを求める。さらに、このＣ−Ｖ測定で求めたＮ_ｓｕｂから、Ｓｉウエーハ９６の仕事関数φ_ｓを求める。次に、図１０のステップ４で、Ｃ−Ｖ測定で求めたＶ_ｆｂをＳｉＯ_２９８の膜厚に対してそれぞれプロットする。
【００１１】
図１１は従来例に係るＣ−Ｖ測定で求めたＶ_ｆｂと、Ｃ_ＯＸとの関係を示す図である。図１１において、横軸はＭＯＳキャパシタの蓄積側の容量の逆数、１／Ｃ_ＯＸを示し、縦軸はＶ_ｆｂ［Ｖ］を示す。図１１の縦軸切片の値から、１／Ｃ_ＯＸ→０のときのＶ_ｆｂを求める。ステップ５では、１／Ｃ_ＯＸ→０のときのＶ_ｆｂと、ステップ３で求めたシリコンの仕事関数φ_ｓとを上述の▲３▼式に当てはめて、ｍｉｄ−ｇａｐ材料の仕事関数φ_ｍを求める。
【００１２】
【特許文献１】
特開平６−１１２２８９号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来例に係る仕事関数の測定方法によれば、ｍｉｄ−ｇａｐ材料の仕事関数φ_ｍを測定する毎に、複数枚のＳｉウエーハ９６上にそれぞれ膜厚の異なるＳｉＯ_２９８を形成し、これらのＳｉＯ_２９８上にｍｉｄ−ｇａｐ材料をそれぞれ成膜しパターニングして、被測定サンプル９５を複数形成する必要があった。
【００１４】
このため、被測定サンプル９５の作成が煩雑であり、しかもこのような被測定サンプル９５を多数必要とするため、仕事関数φ_ｍの測定に長時間を要してしまうという問題があった。仕事関数φ_ｍの測定に多くの手間や時間がかかってしまうと、結果的に、半導体装置の製造コストを上昇させてしまうおそれがある。
そこで、この発明はこのような問題を解決したものであって、導電膜の仕事関数を容易、かつ迅速に測定できるようにした仕事関数の測定方法及びその測定装置の提供を目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するために、本発明に係る第１の仕事関数の測定方法は、基板上に形成された導電膜の仕事関数を測定する方法であって、半導体基板と当該半導体基板上に設けられた絶縁膜とからなる複数の測定プローブの該絶縁膜と基板上の導電膜とをそれぞれ対向させ、かつ接触させてキャパシタを複数形成し、当該キャパシタのＣ−Ｖ特性をそれぞれ測定する工程と、このＣ−Ｖ特性の測定結果から導電膜の仕事関数を算出する工程とを有し、Ｃ−Ｖ特性を測定する工程では、測定プローブごとにキャパシタの絶縁膜厚さをそれぞれ異ならせることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明に係る第１の仕事関数の測定方法によれば、所定の基板上に形成された導電膜と、複数の測定プローブとを用いて絶縁膜厚さの異なる複数のキャパシタを形成しているので、従来方式と比べて、被測定用のサンプルを多数作成する必要がなく、その作成方法も簡単である。また、測定プローブは、被測定用のサンプルとは異なり、一度作成してしまえば破損するまで繰り返しの使用（再使用）が可能である。それゆえ、導電膜の仕事関数を容易、かつ迅速に測定することができる。
【００１７】
本発明に係る第２の仕事関数の測定方法は、基板上に形成された導電膜の仕事関数を測定する方法であって、半導体基板と当該半導体基板上に設けられた絶縁膜とからなる測定プローブの該絶縁膜と基板上の導電膜とを対向させてキャパシタを形成し、該絶縁膜と導電膜との離隔距離を変えて当該キャパシタのＣ−Ｖ特性を複数回測定する工程と、このＣ−Ｖ特性の測定結果から導電膜の仕事関数を算出する工程とを有することを特徴とするものである。
【００１８】
本発明に係る第２の仕事関数の測定方法によれば、所定の基板上に形成された導電膜と測定プローブとを接近させ、または離間させてキャパシタの容量を変えている。従って、上述した第１の仕事関数の測定方法と同様に、被測定用のサンプルを多数作成する必要がなく、その作成方法も簡単である。また、測定プローブは、被測定用のサンプルとは異なり再使用が可能である。それゆえ、導電膜の仕事関数を容易、かつ迅速に測定することができる。
【００１９】
さらに、この第２の仕事関数の測定方法によれば、上述した第１の仕事関数の測定方法と比べて、少なくとも１個の測定プローブを用意することで、導電膜の仕事関数を測定することができる。測定プローブを複数個必要とはしない。これにより、測定プローブ間の特性（Ｑ_ＳＳやＮ_ｓｕｂ等）のばらつきを無くすことができ、導電膜の仕事関数を精度良く測定することができる。
【００２０】
本発明に係る第１の仕事関数の測定装置は、基板上の導電膜の仕事関数を測定する装置であって、半導体基板と当該半導体基板上に設けられた絶縁膜とからなる複数の測定プローブと、この測定プローブの絶縁膜と基板上の導電膜とをそれぞれ対向させ、かつ接触させてキャパシタを複数形成し、当該キャパシタのＣ−Ｖ特性をそれぞれ測定するＣ−Ｖ測定手段と、このＣ−Ｖ特性の測定結果から導電膜の仕事関数を算出する演算処理手段とを備え、このキャパシタの絶縁膜厚さは、測定プローブごとにそれぞれ異なることを特徴とするものである。
【００２１】
本発明に係る第１の仕事関数の測定装置によれば、導電膜の仕事関数を測定する際に、所定の基板上に形成された導電膜をそのまま被測定用のサンプルとして用いることができる。また、この被測定用のサンプルは少なくとも１個あれば良い。従って、導電膜の仕事関数を容易、かつ迅速に測定することができる。
本発明に係る第２の仕事関数の測定装置は、基板上に形成された導電膜の仕事関数を測定する装置であって、半導体基板と当該半導体基板上に設けられた絶縁膜とからなる測定プローブと、この測定プローブの絶縁膜と基板上の導電膜とを対向させてキャパシタを形成し、当該絶縁膜と導電膜との離隔距離を変えて該キャパシタのＣ−Ｖ特性を複数回測定するＣ−Ｖ測定手段と、このＣ−Ｖ特性の測定結果から導電膜の仕事関数を算出する演算処理手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００２２】
本発明に係る第２の仕事関数の測定方法によれば、上述した第１の仕事関数の測定装置と同様に、導電膜の仕事関数を容易、かつ迅速に測定することができる。また、第１の仕事関数の測定装置と比べて、少なくとも１個の測定プローブで導電膜の仕事関数を測定することができる。これにより、測定プローブ間の特性（Ｑ_ＳＳやＮ_ｓｕｂ等）のばらつきを無くすことができ、導電膜の仕事関数を精度良く測定することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る仕事関数の測定方法及びその測定装置について説明する。
（１）第１実施形態
図１は、本発明の実施形態に係る仕事関数の測定装置１００の構成例を示す概念図である。この測定装置１００は、半導体装置の電極等に用いられるｍｉｄ−ｇａｐ材料の仕事関数φ_ｍを測定する装置である。まず始めに、この測定装置１００について説明する。
【００２４】
図１に示すように、この測定装置１００は、ステージ１と、高周波Ｃ−Ｖ測定器（以下で、Ｃ−Ｖ測定器という）１０と、このＣ−Ｖ測定器１０にそれぞれの一端が接続されている接地端子３及びバイアス端子５と、測定プローブ３０等から構成されている。
ステージ１は、被測定サンプル５０を支持する金属製の台である。このステージ１の被測定サンプル５０を載せる面（以下で、載置面という）はＳｉウエーハ５１に対して十分な平坦性を有している。また、この載置面には複数の吸着孔（図示せず）が設けられている。この吸着孔には排気ポンプ（図示せず）が接続されており、この排気ポンプを動作させることによって被測定サンプル５０を載置面に固定するような構成となっている。さらに、このステージ１にはモータが取り付けられており、このモータを動作させることによって、ステージ１を図１のＺ軸方向に移動させるような構成となっている。
【００２５】
Ｃ−Ｖ測定器１０は、接地端子３とバイアス端子５との間に高周波を重畳したバイアス電圧を印加して、接地端子３とバイアス端子５との間の容量を測定する機器である。このＣ−Ｖ測定器１０はＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｕｎｉｔ）と、高周波Ｃ−Ｖ測定を実行するためのソフトウェアプログラム（以下で、測定シーケンスという）を格納したＲＯＭ（ｒｅａｄｏｎｌｙｍｅｍｏｒｙ）と、バイアス条件等の入力設定を格納するＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍａｃｃｅｓｓｍｅｍｏｒｙ）と、入力設定や測定結果を表示するモニタ部と、電源等から構成されている。後述するＣ−Ｖ測定（図３のステップＡ３〜Ａ５や、図４のステップＢ３〜Ｂ５）は、Ｃ−Ｖ測定器１０内のＣＰＵが、ＲＡＭに格納された入力設定と、ＲＯＭに格納された測定シーケンスを読み出し実行することによって行なわれる。
【００２６】
測定プローブ３０は、例えばＳｉチップ３１とこのＳｉチップ３１上に形成されたＳｉＯ_２３３とから構成されている。この測定プローブ３０の形成方法は、以下の通りである。まず始めに、Ｓｉウエーハの裏面にこのウエーハの導電型と同じ型の不純物を高濃度にドーピングして、高濃度層３２を形成する。例えば、Ｓｉウエーハがｐ型の場合には、ボロン等のｐ型不純物を高濃度にドーピングする。次に、このＳｉウエーハの表面に０．１μｍ程度のＳｉＯ_２３３を形成する。このＳｉＯ_２３３の形成は、例えば熱酸化やＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって行う。そして、このＳｉウエーハを５ｍｍ角程度のＳｉチップ３１にダイシングする。これにより、測定プローブ３０を完成させる。
【００２７】
また、この第１実施形態では、ＳｉＯ_２３３の膜厚（以下で、Ｔ_ＯＸという）の異なる測定プローブ３０を複数個用意する。この場合には、裏面に高濃度層３２を形成したＳｉウエーハ９６を複数枚用意し、これらＳｉウエーハの表面にＳｉＯ_２３３をそれぞれ厚く形成する。そして、Ｓｉウエーハごとにエッチング時間（エッチング量）を変えながら、ＳｉＯ_２３３をＨＦ等でエッチングして、Ｔ_ＯＸをそれぞれ異ならせる。
【００２８】
このように作成した複数個の測定プローブ３０は、一度用意してしまえば再使用することができ、測定の度にいちいち作成する必要はない。この測定プローブ３０の裏面に、接地端子３の他端が接続される。
図２は接地端子３の構造例を示す断面図である。図２に示すように、この接地端子３は、例えば通常のマニュアルプロ−バーのプローブヘッドを改造したような形状を有している。この接地端子３の測定プローブ３０を支持する面（以下で、支持面という）には排気ポンプ（図示せず）と接続された吸着孔が設けられている。この排気ポンプを排気動作させることによって、測定プローブ３０の高濃度層３２（裏面）側を接地端子３の支持面に真空吸着させる。この構造によって、測定プローブ３０の交換を容易に行うことができる。
【００２９】
なお、これらの測定プローブ３０と接地端子３の固定方法は真空吸着でなくても良く、測定プローブ３０と被測定サンプル５０のそれぞれの平行度を合わせるような他の固定方法を用いることも可能である。
また、図１に示すように、被測定サンプル５０は、Ｓｉウエーハ５１と、スパッタ法等によってＳｉウエーハ５１上に成膜されたｍｉｄ−ｇａｐ材料５２とから構成されている。つまり、被測定サンプル５０には、Ｓｉ上またはＳｉＯ_２上にスパッタ等でｍｉｄ−ｇａｐ材料を成膜したウエーハをそのまま用いる。従来方式の被測定サンプルと比べて、ｍｉｄ−ｇａｐ材料をパターニングする必要がなく、その作成は簡単である。
【００３０】
次に、この測定装置１００を用いて、ｍｉｄ−ｇａｐ材料５２の仕事関数φ_ｍを測定する方法について説明する。
図３は、ｍｉｄ−ｇａｐ材料５２の仕事関数φ_ｍの測定方法を示すフローチャートである。まず始めに、図３のステップＡ１で、ＳｉＯ_２３３の膜厚（Ｔ_ＯＸ）を変えた複数個の測定プローブ３０を用意する。上述したように、この測定プローブ３０は、一度用意してしまえば再使用でき、測定の度にいちいち作成する必要はない。この第１実施形態では、Ｔ_ＯＸを変えた測定プローブ３０を例えば４個用意する。
【００３１】
次に、図３のステップＡ２で、被測定サンプル５０を用意する。この被測定サンプル５０には、上述したように、ＳｉまたはＳｉＯ_２上にスパッタ法等でｍｉｄ−ｇａｐ材料５２を成膜したウエーハを用いる。そして、図３のステップＡ３で、測定装置１００を用いて被測定サンプル５０をＣ−Ｖ測定する。
即ち、図１に示すように、まず始めに、測定プローブ３０の高濃度層３２側を接地端子３に接続する。次に、図４（Ａ）に示すように、ｍｉｄ−ｇａｐ材料５２と測定プローブ３０のＳｉＯ_２３３とを対向させた状態で接触させる。そして、この測定プローブ３０のＳｉＯ_２３３側をｍｉｄ−ｇａｐ材料５２の表面に接触させる。次に、バイアス端子５（図１参照）をｍｉｄ−ｇａｐ材料５２に接続する。
【００３２】
そして、この状態を維持したまま、図４（Ａ）に示すように、測定プローブ３０とｍｉｄ−ｇａｐ材料膜５２とにより形成されるＭＯＳキャパシタが蓄積状態になるようにバイアス端子にバイアス電圧を印加する。これにより、ＳｉＯ_２３３の膜厚Ｔ_ＯＸが求まる。また、ＭＯＳキャパシタが空乏および反転状態になるようにバイアス端子にバイアス電圧を印加することにより、Ｓｉチップ３１の基板濃度Ｎ_ｓｕｂと、ＭＯＳキャパシタのフラットバンド電圧Ｖ_ｆｂが求まる。さらに、求めたＮ_ｓｕｂを▲１▼式に当てはめて、φ_ｓを求める。
【００３３】
次に、図４（Ｂ）に示すように、測定プローブ３０をＴ_ＯＸ１のものからＴ_ＯＸ２のものに換えて２回目のＣ−Ｖ測定を行い、ＭＯＳキャパシタのＣ_ＯＸと、Ｖ_ｆｂ等を求める。この例では、複数の測定プローブ間でｍｉｄ−ｇａｐ材料５２と対向する面のＳｉＯ_２３３の面積と、Ｓｉチップ３１の面積は一定とする。以下、同様に、Ｔ_ＯＸの異なる測定プローブ３０を用いてＭＯＳキャパシタのＣ−Ｖ測定を順次行なう。
【００３４】
図５は、Ｖ_ｆｂと、Ｃ_ＯＸとの関係を示す図である。図５の横軸はＣ_ＯＸの逆数、即ち１／Ｃ_ＯＸ［ｃｍ^２／Ｆ］であり、縦軸はＶ_ｆｂ［Ｖ］である。図３のステップ４では、ステップ３で求めたＶ_ｆｂを１／Ｃ_ＯＸに対してプロットし、例えば最小２乗法によって直線式を得る。この直線式は上述した▲３▼式に対応し、この直線式の傾きが▲３▼式のＱ_ＳＳに対応する。そして、この直線式の縦軸切片から、１／Ｃ_ＯＸ→０（Ｃ_ＯＸ→∞）のときのＶ_ｆｂを求める。図５のステップＡ５では、１／Ｃ_ＯＸ→０のときのＶ_ｆｂと、φ_ｓとを▲３▼式に当てはめて、ｍｉｄ−ｇａｐ材料５２の仕事関数φ_ｍを算出する。図３のステップＡ３〜Ａ５の処理は、測定装置１００のＣ−Ｖ測定器１０によって実行される。
【００３５】
このように、本発明の第１実施形態に係るｍｉｄ−ｇａｐ材料５２の仕事関数φ_ｍの測定方法によれば、従来方式と比べて、ｍｉｄ−ｇａｐ材料５２を評価するための被測定サンプル５０は１個でよく、その作成も簡単である。また、測定プローブ３０は、被測定サンプル５０とは異なり再使用が可能である。従って、ｍｉｄ−ｇａｐ材料５２の仕事関数φ_ｍを容易、かつ迅速に測定することができる。これにより、半導体装置の製造コストの低減に寄与することができる。
【００３６】
なお、この第１実施形態では、図５の横軸を１／Ｃ_ＯＸ［ｃｍ^２／Ｆ］とし、縦軸をＶ_ｆｂ［Ｖ］とする場合について説明したが、図５の横軸は１／Ｃ_ＯＸではなく、ＳｉＯ_２３３の膜厚Ｔ_ＯＸ［ｃｍ］としても良い。これは、１／Ｃ_ＯＸとＴ_ＯＸとが１：１に対応するからである。１／Ｃ_ＯＸは▲４▼で表される。
１／Ｃ_ＯＸ＝Ｔ_ＯＸ／（ε_ＯＸ・ε_０）…▲４▼
εｏは真空の誘電率、ε_ＯＸはＳｉＯ_２の比誘電率である。
【００３７】
この実施形態では、ｍｉｄ−ｇａｐ材料５２が本発明の導電膜に対応し、Ｓｉウエーハ５１が本発明の基板に対応している。また、Ｓｉチップ３１が本発明の半導体基板に対応し、ＳｉＯ_２３３が本発明の絶縁膜に対応している。さらに、Ｃ−Ｖ測定器１０が本発明のＣ−Ｖ測定手段と演算処理手段とに対応している。
（２）第２実施形態
上述の第１実施形態では、Ｔ_ＯＸの異なる測定プローブ３０を予め複数個用意しておき、これらの測定プローブ３０を被測定サンプル５０に順次接触させて、Ｃ−Ｖ測定を行なっていた。しかしながら、この測定プローブ３０を複数個用意しなくても、ｍｉｄ−ｇａｐ材料５２の仕事関数φ_ｍは測定可能である。
【００３８】
図６は、本発明の第２実施形態に係る仕事関数φ_ｍの測定方法を示すフローチャートである。ここでは、上述した測定プローブ３０を１個だけ用意し、この測定プローブ３０を測定装置１００の接地端子３に取り付けて、ｍｉｄ−ｇａｐ材料５２の仕事関数φ_ｍを測定する場合を想定する。従って、図６及び図７において、第１実施形態と同じ構成を有するものには同じ符号を付し、その詳細説明は省略する。
【００３９】
まず始めに、図６のステップＢ１で、測定プローブ３０を１個用意する。ここでも測定プローブ３０は一度用意してしまえば良く、仕事関数φ_ｍを測定するたびにいちいち作成する必要はない。次に、図６のステップＢ２で、被測定サンプル５０を完成させる。そして、図６のステップＢ３で、上述した測定装置１００を用いて、被測定サンプル５０をＣ−Ｖ測定する。
【００４０】
この被測定サンプル５０のＣ−Ｖ測定の方法は、図７（Ａ）に示すように、第１実施形態と同様である。これにより、Ｓｉチップ３１の基板濃度Ｎ_ｓｕｂと、ＳｉＯ_２３３の膜厚Ｔ_ＯＸと、測定プローブ３０とｍｉｄ−ｇａｐ材料膜５２とによって形成されるＭＯＳキャパシタの容量Ｃ_ＯＸと、Ｖ_ｆｂとを求める。また、求めたＮ_ｓｕｂを▲１▼式に当てはめて、φ_ｓを求める。
【００４１】
次に、図１において、測定装置１００のステージ１をＺ軸方向に下降させることによって、或いは、測定プローブ３０をＺ軸方向に上昇させることによって、測定プローブ３０をｍｉｄ−ｇａｐ材料５２から、距離Ｔ_ａｉｒだけ離す。
そして、図７（Ｂ）に示すように、測定プローブ３０をｍｉｄ−ｇａｐ材料５２から距離Ｔ_ａｉｒだけ離した状態で、２回目のＣ−Ｖ測定を行う。これにより、ＳｉＯ_２３３と空気層とを誘電体とするキャパシタの容量Ｃ_ａｃｃ［Ｆ／ｃｍ^２］と、Ｖ_ｆｂ等を求める。このＴ_ａｉｒは▲５▼で表すことができる。
【００４２】

さらに、▲４▼式で表されるＴ_ａｉｒの値を複数回変えて（測定プローブ３０と被測定サンプル５０とを接近させ、または離間させて）Ｃ−Ｖ測定を行い、Ｃ_ａｃｃとＶ_ｆｂとを求める。
【００４３】
図８は、Ｖ_ｆｂと、Ｃ_ａｃｃとの関係を示す図である。図８において、横軸はＣ_ａｃｃの逆数、即ち１／Ｃ_ａｃｃ［ｃｍ^２／Ｆ］であり、縦軸はＶ_ｆｂ［Ｖ］である。図６のステップＢ４では、ステップＢ３で求めたＶ_ｆｂを１／Ｃ_ａｃｃに対してプロットし、直線式を得る。
図８に示す直線式は、第１実施形態と同様に▲３▼式に対応し、この直線式の傾きが▲３▼式のＱ_ＳＳに対応する。そして、この直線の縦軸切片から、１／Ｃ_ａｃｃ→０（Ｃ_ａｃｃ→∞）のときのＶ_ｆｂを求める。図６のステップＢ５では、１／Ｃ_ａｃｃ→０のときのＶ_ｆｂと、φ_ｓとを▲３▼式に当てはめて、φ_ｍを算出する。図４のステップＢ３〜Ｂ５は、測定装置１００のＣ−Ｖ測定器１０によって実行される。
【００４４】
このように、本発明の第２実施形態に係るｍｉｄ−ｇａｐ材料５２の仕事関数φ_ｍの測定方法によれば、Ｓｉウエーハ５１上にｍｉｄ−ｇａｐ材料５２を成膜して被測定サンプル５０とし、この被測定サンプル５０と測定プローブ１０とを接近させ、または離間させてＭＯＳキャパシタの容量を変えている。従って、第１実施形態と同様に、被測定サンプルを多数作成する必要がなく、また、その作成方法も簡単である。また、測定プローブ３０は、被測定サンプル５０とは異なり再使用が可能である。これにより、ｍｉｄ−ｇａｐ材料５２の仕事関数φ_ｍを容易、かつ迅速に測定することができる。
【００４５】
また、上述の第１実施形態では測定プローブ３０を、従来例では被測定サンプル９５をそれぞれ複数個使用していた。このため、測定プローブ３０や被測定サンプル９５間で固定電荷Ｑ_ＳＳや、基板濃度Ｎ_ｓｕｂ等のばらつきがあり、図５や図１１に示したＣ−Ｖ測定の結果（プロット）が直線にのらないことが多い。これに対して、本発明の第２実施形態では、使用する測定プローブ３０と被測定サンプル５０はそれぞれ１個づつなので、Ｑ_ＳＳや、Ｎ_ｓｕｂ等のばらつきを無くすことができ、図８に示したように、Ｃ−Ｖ測定の結果を再現性よく直線にのせることができる。従って、従来例や第１実施形態と比べて、仕事関数φ_ｍを精度良く算出することができる。
【００４６】
なお、この第２実施形態では、図８に示したように、１／Ｃ_ａｃｃに対してＶ_ｆｂをプロットする場合について説明したが、図８の横軸は１／Ｃ_ａｃｃに限らず、例えば酸化膜換算膜厚（ＥＯＴ）でも良い。これは、ＥＯＴと１／Ｃ_ａｃｃとが１：１に対応するからである。ＥＯＴ［ｃｍ］は▲４▼´表される。
ＥＯＴ＝ε_ＯＸ・ε_０／Ｃ_ａｃｃ…▲４▼´
また、この第２実施形態では、ステージ１の上下の移動精度（正確さではなく、どれだけ細かな動きができるか）がかなり要求される。上下移動の分解能が悪いと、測定プローブ３０と被測定サンプル５０との離隔距離が急激に大きくなるため容量が急減してしまう。そこで、測定プローブ３０と空気層、被測定サンプル５０とから構成されるキャパシタの容量に対して、ステージ１の上下の移動精度を確保しておく必要がある。
【００４７】
例えば、Ｓｉチップが５ｍｍ角、ＳｉＯ_２３３の膜厚（Ｔ_ＯＸ）が０．１μｍ、Ｔ_ａｉｒが１μｍのとき、このキャパシタの容量は数１００ｐＦである。この場合には、ステージ１を約１μｍ刻みで動かせるように調整しておくことが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る測定装置１００の構成例を示す概念図。
【図２】接地端子３の構造例を示す断面図。
【図３】第１実施形態に係る仕事関数の測定方法を示すフローチャート。
【図４】第１実施形態に係る仕事関数の測定方法を示す工程図。
【図５】Ｖ_ｆｂと、Ｃ_ＯＸとの関係を示す図。
【図６】第２実施形態に係る仕事関数の測定方法を示すフローチャート。
【図７】第２実施形態に係る仕事関数の測定方法を示す工程図。
【図８】Ｖ_ｆｂと、Ｃ_ａｃｃとの関係を示す図。
【図９】従来例に係る測定装置９０の構成例を示す概念図。
【図１０】従来例に係る仕事関数の測定方法を示すフローチャート。
【図１１】従来例に係るＶ_ｆｂと、Ｃ_ＯＸとの関係を示す図。
【図１２】金属と、ＳｉＯ_２と、Ｓｉのエネルギーバンド図。
【符号の説明】
１ステージ、３接地端子、５バイアス端子、１０Ｃ−Ｖ測定器、３０測定プローブ、３１Ｓｉチップ、３２高濃度層、３３ＳｉＯ_２、５０被測定サンプル、５１Ｓｉウエーハ、５２ｍｉｄ−ｇａｐ材料、１００測定装[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a work function measurement method and a measurement apparatus therefor, and more particularly to a work function measurement method and a measurement apparatus suitable for being applied to a metal film such as a mid-gap material.
[0002]
[Prior art]
In recent years, semiconductor devices have been increasingly miniaturized and highly integrated, and the gate length of a MOS transistor is approaching 0.1 μm. Accordingly, a metal film called a mid-gap material instead of polysilicon has been receiving attention as a constituent material of the gate electrode portion. This mid-gap material has such a property that its work function φ _m is between the work function of n ⁺ polysilicon and the work function of p ⁺ polysilicon, and as an example, titanium nitride (TiN ), Tantalum (Ta), tantalum nitride (TaN), and the like. Such a mid-gap material has a lower resistance than polysilicon doped with phosphorus, boron, or the like, and does not cause gate depletion. Therefore, the transistor current can be increased, which is advantageous for miniaturization of a transistor. It is.
[0003]
Further, when the gate electrode of a CMOS in which an nMOS transistor and a pMOS transistor are combined is made of polysilicon, usually, the nMOS transistor is made of polysilicon doped with phosphorus or the like, and the pMOS transistor is doped with boron or the like. Often, polysilicon is used.
On the other hand, when the gate electrode portion of the CMOS is formed of a mid-gap material, it is not necessary to change the impurities to be doped according to the nMOS transistor and the pMOS transistor. The process can be made compact. Such mid-gap material is formed by sputtering or the like, its electrical properties are often rated by the work function phi _m described above.
[0004]
FIG. 9 is a conceptual diagram showing a configuration example of a work function measuring device 90 according to a conventional example. The measuring device 90 includes a stage 91 that supports the sample 95 to be measured, a high-frequency CV (capacitance-voltage characteristic) measuring device 94, and a high-frequency CV measuring device (hereinafter, referred to as a CV measuring device). It comprises a ground terminal 92 and a bias terminal 93 each having one end connected to 94.
[0005]
The sample to be measured 95 includes a silicon (Si) wafer 96, a high-concentration layer 97 formed on the back surface of the Si wafer 96, and a silicon oxide film (SiO ₂ ) 98 formed on the surface of the Si wafer 96. And an electrode pattern 99 formed on the SiO ₂ 98. The conductivity type of the high concentration layer 97 is the same as that of the Si wafer. The electrode pattern 99 is formed by patterning a mid-gap material into an electrode shape.
[0006]
FIG. 12 is an energy band diagram of metal, SiO ₂ , and Si. The work function of Si was φ _s [V], the electron affinity of Si was _{ｓｉ si} [eV], the band gap of SiO ₂ was Eg _si [eV], and the impurity (dopant) concentration in Si was N _sub . At this time, φ _s is represented by equation (1).
φ _s = χ _si + Eg _si / 2 ± (kT / q) ln (N _sub / n _i ) (1)
Here, k is Boltzmann's constant (1.38e-23J / K), n i is the intrinsic carrier concentration (1.45E + 10cm-3, the temperature 300K) is. The symbol ± is determined by the type of the dopant in Si, and is-for n-type and + for p-type. As is apparent from equation (1), φ _s is determined by N _sub .
[0007]
Moreover, with these metals, and SiO _2, when bonded to the Si, bent band of Si surfaces to be bonded to SiO _2, and the Fermi level Qfai _m metal, and the Fermi level Qfai _s of Si match. In this state, when a voltage (φ _m −φ _s ) is applied to the metal, the band on the Si surface becomes flat as before bonding. This voltage is referred to as a flat band voltage V _fb [V], and is expressed by equation (2).
[0008]
V _fb = φ _m −φ _s ... (2)
The ▲ 2 ▼ equation is _{V fb} in ideal state without an interface to fixed charge _Q SS of SiO ₂ and Si [C / cm ^2], in fact, fixed charge Q at the interface between SiO ₂ and Si _SS [C / cm ² ] is present. Therefore, the actual V _fb is expressed by equation (3).
_{_{_{V fb = φ m -φ s -Q}}} SS / C OX ... ▲ 3 ▼
Here, C _OX [F / cm ² ] is the capacitance (capacity per unit area) on the storage side of a MOS-structured capacitor composed of metal, SiO ₂ , and Si. When the thickness of SiO _{2 in} the capacitor → 0, C _OX → ∞. In the formula (3), when C _OX → ∞, Q _SS / C _OX → 0.
[0009]
Figure 10 is a flowchart illustrating a method of measuring the work function phi _m of mid-gap material according to a conventional example. First, in step (S) 1 in the figure, a plurality of Si wafers 96 are prepared, and SiO ₂ 98 is formed on these Si wafers 96. Here, the thickness of the SiO ₂ 98 is changed between the respective Si wafers 96.
Next, in step 2 of FIG. 10, a mid-gap material to be measured is formed on the SiO ₂ 98 on each Si wafer 96 and patterned to form an electrode pattern 99, and the SiO ₂ 98 film is formed. Complete MOS capacitors with different thicknesses.
[0010]
Next, in Step 3 of FIG. 10, high-frequency CV measurement of a plurality of samples 95 to be measured having different thicknesses of SiO ₂ 98 is performed. This C-V measurements, the substrate concentration _N sub of Si wafer 96, the thickness d'of _SiO 2 98, the flat band voltage _{V fb} of the MOS capacitor, determining the capacitance _{C OX.} Further, the work function φ _s of the Si wafer 96 is obtained from N _sub obtained by the CV measurement. Next, in step 4 of FIG. 10, V _fb obtained by the CV measurement is plotted with respect to the film thickness of SiO ₂ 98.
[0011]
Figure 11 is a _{V fb} obtained in C-V measurement according to a conventional _example, it is a graph showing a relationship between _{C OX.} In FIG. 11, the horizontal axis indicates the reciprocal of the storage-side capacitance of the MOS capacitor, 1 / _COX , and the vertical axis indicates V _fb [V]. V _fb when 1 / C _OX → 0 is obtained from the value of the vertical axis intercept in FIG. In step 5, V _fb when 1 / C _OX → 0 and the work function φ _{s of} silicon obtained in step 3 are applied to the above equation (3) to obtain the work function φ _m of the mid-gap material. Ask.
[0012]
[Patent Document 1]
JP-A-6-112289
[Problems to be solved by the invention]
By the way, according to the work function measuring method according to the conventional example, each time the work function φ _m of the mid-gap material is measured, SiO ₂ 98 having a different thickness is formed on a plurality of Si wafers 96, respectively. It is necessary to form a plurality of samples 95 to be measured by forming and patterning a mid-gap material on these SiO ₂ 98, respectively.
[0014]
Therefore, a complicated creation of the measured sample 95, and since that requires a large number of such measured sample 95, there is a problem that it takes a long time for the measurement of work function phi _m. When much labor and time for the measurement of work function phi _m it takes, consequently, there is a possibility that increase the manufacturing cost of the semiconductor device.
Accordingly, the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a work function measuring method and a measuring device for measuring a work function of a conductive film easily and quickly.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, a first work function measuring method according to the present invention is a method for measuring a work function of a conductive film formed on a substrate, and includes a method for measuring a work function of a semiconductor substrate and the semiconductor substrate. Forming a plurality of capacitors by making the insulating films of the plurality of measurement probes each including the provided insulating film face and contact the conductive film on the substrate, and measuring the CV characteristics of the capacitors; And a step of calculating a work function of the conductive film from the measurement result of the CV characteristic. In the step of measuring the CV characteristic, the thickness of the insulating film of the capacitor is varied for each measurement probe. It is characterized by the following.
[0016]
According to the first work function measurement method of the present invention, a plurality of capacitors having different insulating film thicknesses are formed using a conductive film formed on a predetermined substrate and a plurality of measurement probes. Therefore, compared to the conventional method, there is no need to prepare a large number of samples to be measured, and the method for preparing the sample is simple. Also, unlike a sample to be measured, a measurement probe can be repeatedly used (reused) once it is created until it is damaged. Therefore, the work function of the conductive film can be measured easily and quickly.
[0017]
A second work function measurement method according to the present invention is a method for measuring a work function of a conductive film formed on a substrate, the method comprising a semiconductor substrate and an insulating film provided on the semiconductor substrate. Forming a capacitor by opposing the insulating film of the probe and the conductive film on the substrate, and measuring the CV characteristic of the capacitor a plurality of times by changing the separation distance between the insulating film and the conductive film; Calculating the work function of the conductive film from the measurement results of the CV characteristics.
[0018]
According to the second work function measurement method according to the present invention, the capacitance of the capacitor is changed by moving the conductive film formed on the predetermined substrate closer to or away from the measurement probe. Therefore, similarly to the above-described method for measuring the first work function, it is not necessary to prepare a large number of samples to be measured, and the method for producing the sample is simple. Further, the measurement probe can be reused unlike a sample to be measured. Therefore, the work function of the conductive film can be measured easily and quickly.
[0019]
Further, according to the second work function measurement method, the work function of the conductive film can be measured by preparing at least one measurement probe, as compared with the first work function measurement method described above. Can be. Does not require multiple measurement probes. Thus, it is possible to eliminate the variation in characteristics between the measurement probe (Q _SS and N _sub etc.), can be measured accurately the work function of the conductive film.
[0020]
A first work function measuring device according to the present invention is a device for measuring a work function of a conductive film on a substrate, and includes a plurality of measurement probes each including a semiconductor substrate and an insulating film provided on the semiconductor substrate. CV measuring means for measuring a CV characteristic of the capacitor by forming an insulating film of the measuring probe and a conductive film on the substrate so as to face and contact with each other to form a plurality of capacitors; Calculating means for calculating the work function of the conductive film from the measurement result of the -V characteristic, wherein the insulating film thickness of the capacitor is different for each measurement probe.
[0021]
According to the first work function measuring apparatus of the present invention, when measuring the work function of a conductive film, the conductive film formed on a predetermined substrate can be used as it is as a sample to be measured. In addition, at least one sample to be measured may be used. Therefore, the work function of the conductive film can be easily and quickly measured.
A second work function measuring device according to the present invention is a device for measuring a work function of a conductive film formed on a substrate, and comprises a semiconductor substrate and an insulating film provided on the semiconductor substrate. A capacitor is formed by opposing the probe, the insulating film of the measurement probe and the conductive film on the substrate, and the CV characteristic of the capacitor is measured a plurality of times by changing the separation distance between the insulating film and the conductive film. It is characterized by comprising CV measuring means and arithmetic processing means for calculating the work function of the conductive film from the measurement result of the CV characteristics.
[0022]
According to the second work function measuring method of the present invention, the work function of the conductive film can be measured easily and quickly, as in the above-described first work function measuring device. Further, the work function of the conductive film can be measured with at least one measurement probe as compared with the first work function measurement device. Thus, it is possible to eliminate the variation in characteristics between the measurement probe (Q _SS and N _sub etc.), can be measured accurately the work function of the conductive film.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a work function measurement method and a work function measurement apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(1) First Embodiment FIG. 1 is a conceptual diagram showing a configuration example of a work function measuring device 100 according to an embodiment of the present invention. The measuring device 100 is a device for measuring the work function phi _m of mid-gap material used for the electrode of the semiconductor device. First, the measuring device 100 will be described.
[0024]
As shown in FIG. 1, the measuring apparatus 100 includes a stage 1, a high-frequency CV measuring instrument (hereinafter referred to as a CV measuring instrument) 10, and one end connected to the CV measuring instrument 10. And a measuring terminal 30 and the like.
The stage 1 is a metal base that supports the sample 50 to be measured. The surface of the stage 1 on which the sample 50 to be measured is mounted (hereinafter referred to as the mounting surface) has sufficient flatness with respect to the Si wafer 51. The mounting surface is provided with a plurality of suction holes (not shown). An exhaust pump (not shown) is connected to the suction hole, and the sample to be measured 50 is fixed to the mounting surface by operating the exhaust pump. Further, a motor is attached to the stage 1, and the stage 1 is moved in the Z-axis direction in FIG. 1 by operating the motor.
[0025]
The CV measuring device 10 is a device that measures a capacitance between the ground terminal 3 and the bias terminal 5 by applying a bias voltage in which a high frequency is superimposed between the ground terminal 3 and the bias terminal 5. The CV measuring device 10 includes a CPU (central processing unit), a ROM (read only memory) storing a software program for executing high frequency CV measurement (hereinafter, referred to as a measurement sequence), a bias condition, and the like. A random access memory (RAM) for storing input settings, a monitor unit for displaying input settings and measurement results, a power supply, and the like. In the CV measurement described later (steps A3 to A5 in FIG. 3 and steps B3 to B5 in FIG. 4), the CPU in the CV measuring instrument 10 stores the input settings stored in the RAM and the ROM. The measurement is performed by reading and executing the measurement sequence.
[0026]
The measurement probe 30 includes, for example, a Si chip 31 and a SiO ₂ 33 formed on the Si chip 31. The method of forming the measurement probe 30 is as follows. First, an impurity of the same conductivity type as that of the wafer is doped at a high concentration on the back surface of the Si wafer to form a high concentration layer 32. For example, when the Si wafer is p-type, p-type impurities such as boron are doped at a high concentration. Next, SiO ₂ 33 of about 0.1 μm is formed on the surface of the Si wafer. The formation of this SiO ₂ 33 is performed by, for example, thermal oxidation or CVD (chemical vapor deposition). Then, this Si wafer is diced into a Si chip 31 of about 5 mm square. Thereby, the measurement probe 30 is completed.
[0027]
In the first embodiment, a plurality of measurement probes 30 having different thicknesses of SiO ₂ 33 (hereinafter, referred to as _TOX ) are prepared. In this case, a plurality of Si wafers 96 having the high concentration layer 32 formed on the back surface are prepared, and thick SiO ₂ 33 is formed on the front surfaces of these Si wafers. Then, while changing the etching time (etching amount) for each Si wafer, the SiO ₂ 33 is etched with HF or the like to make the _TOX different.
[0028]
The plurality of measurement probes 30 created in this manner can be reused once prepared, and need not be created each time measurement is performed. The other end of the ground terminal 3 is connected to the back surface of the measurement probe 30.
FIG. 2 is a sectional view showing an example of the structure of the ground terminal 3. As shown in FIG. 2, the ground terminal 3 has a shape as if, for example, a probe head of an ordinary manual prober has been modified. A suction hole connected to an exhaust pump (not shown) is provided on a surface of the ground terminal 3 that supports the measurement probe 30 (hereinafter, referred to as a support surface). By exhausting the exhaust pump, the high concentration layer 32 (back surface) side of the measurement probe 30 is vacuum-sucked to the support surface of the ground terminal 3. With this structure, the measurement probe 30 can be easily exchanged.
[0029]
Note that the method of fixing the measurement probe 30 and the ground terminal 3 may not be vacuum suction, and other fixing methods such as adjusting the parallelism of the measurement probe 30 and the sample 50 to be measured may be used. is there.
As shown in FIG. 1, the sample 50 to be measured is composed of a Si wafer 51 and a mid-gap material 52 formed on the Si wafer 51 by a sputtering method or the like. That is, as the sample 50 to be measured, a wafer formed by forming a mid-gap material on Si or SiO ₂ by sputtering or the like is used as it is. Compared with the conventional sample to be measured, there is no need to pattern the mid-gap material, and the preparation is simple.
[0030]
Next, using the measuring device 100, a method of measuring the work function phi _m of mid-gap material 52 is described.
Figure 3 is a flowchart illustrating a method of measuring the work function phi _m of mid-gap material 52. First, in step A1 in FIG. 3, a plurality of measurement probes 30 having different thicknesses (T _OX ) of SiO ₂ 33 are prepared. As described above, once the measurement probe 30 is prepared, it can be reused, and it is not necessary to create it every time measurement is performed. In the first embodiment, for example, four measurement probes 30 having different _TOX are prepared.
[0031]
Next, a sample 50 to be measured is prepared in step A2 of FIG. As described above, a wafer in which the mid-gap material 52 is formed on Si or SiO ₂ by a sputtering method or the like is used for the sample 50 to be measured. Then, in Step A3 of FIG. 3, the measurement target sample 50 is subjected to CV measurement using the measurement apparatus 100.
That is, as shown in FIG. 1, first, the high concentration layer 32 side of the measurement probe 30 is connected to the ground terminal 3. Next, as shown in FIG. 4A, the mid-gap material 52 and the SiO ₂ 33 of the measurement probe 30 are brought into contact with each other while facing each other. Then, the SiO ₂ 33 side of the measurement probe 30 is brought into contact with the surface of the mid-gap material 52. Next, the bias terminal 5 (see FIG. 1) is connected to the mid-gap material 52.
[0032]
Then, while maintaining this state, as shown in FIG. 4A, a bias voltage is applied to the bias terminal so that the MOS capacitor formed by the measurement probe 30 and the mid-gap material film 52 is in the accumulation state. I do. Thus, the thickness T _OX of the SiO ₂ 33 is determined. By applying a bias voltage to the bias terminal so that the MOS capacitor is in a depleted and inverted state, the substrate concentration _Nsub of the Si chip 31 and the flat band voltage _Vfb of the MOS capacitor are obtained. Further, φ _s is obtained by applying the obtained N _sub to the equation (1).
[0033]
Next, as shown in FIG. 4 (B), the measuring probe 30 performs a C-V measurement for the second time in place of that of _{T OX2} from those _{T OX1,} and _{C OX} of the MOS _capacitor, the _{V fb} etc. Ask. In this example, the area of the SiO ₂ 33 on the surface facing the mid-gap material 52 and the area of the Si chip 31 are constant among the plurality of measurement probes. Hereinafter, _similarly, sequentially performs C-V measurements of MOS capacitor using different measuring probe 30 of _{T OX.}
[0034]
Figure 5 _is a diagram showing a _{V _fb,} the relationship between the _{C OX.} The horizontal axis of FIG. 5 is the inverse of _{C OX,} a i.e. _{^{1 / C OX [cm 2 /}} F], the vertical axis represents the _V fb _[V]. In step 4 of FIG. 3, V _fb obtained in step 3 is plotted against 1 / C _OX , and a linear equation is obtained by, for example, the least square method. The linear equation corresponds to ▲ 3 ▼ formula described above, the slope of the linear equation is ▲ 3 ▼ corresponding to formula Q _SS. Then, V _fb at 1 / C _OX → 0 (C _OX → ∞) is obtained from the vertical axis intercept of this linear equation. In step A5 of FIG. 5, the work function φ _m of the mid-gap material 52 is calculated by applying V _fb when 1 / C _OX → 0 and φ _s to Expression (3). 3 are performed by the CV measuring device 10 of the measuring apparatus 100.
[0035]
As described above, according to the method for measuring the work function φ _m of the mid-gap material 52 according to the first embodiment of the present invention, the measured sample 50 for evaluating the mid-gap material 52 is different from the conventional method. Need only be one, and its creation is easy. Further, the measurement probe 30 can be reused unlike the sample 50 to be measured. Therefore, it is possible to measure the work function phi _m of mid-gap material 52 easily and quickly. This can contribute to a reduction in the manufacturing cost of the semiconductor device.
[0036]
In the first embodiment, the case where the horizontal axis of FIG. 5 is 1 / C _OX [cm ² / F] and the vertical axis is V _fb [V], but the horizontal axis of FIG. Instead of / C _OX , the thickness T _OX [cm] of SiO ₂ 33 may be used. This is because 1 / C _OX and T _OX correspond to 1: 1. 1 / C _OX is represented by (4).
1 / C _OX = T _OX / (ε _OX · ε ₀ ) (4)
εo is a dielectric constant of vacuum, epsilon _OX is the relative dielectric constant of SiO _2.
[0037]
In this embodiment, the mid-gap material 52 corresponds to the conductive film of the present invention, and the Si wafer 51 corresponds to the substrate of the present invention. Further, the Si chip 31 corresponds to the semiconductor substrate of the present invention, and the SiO ₂ 33 corresponds to the insulating film of the present invention. Further, the CV measuring device 10 corresponds to the CV measuring means and the arithmetic processing means of the present invention.
(2) Second Embodiment In the above-described first embodiment, a plurality of measurement probes 30 having different _TOXs are prepared in advance, and these measurement probes 30 are sequentially brought into contact with the sample 50 to be measured. The measurement was being performed. However, the work function φ _m of the mid-gap material 52 can be measured without preparing a plurality of the measurement probes 30.
[0038]
Figure 6 is a flowchart illustrating a method of measuring work function phi _m according to a second embodiment of the present invention. Here, the measuring probe 30 described above with only one prepared by attaching the measurement probe 30 to the ground terminal 3 of the measuring apparatus 100, a case of measuring the work function phi _m of mid-gap material 52. Accordingly, in FIGS. 6 and 7, components having the same configuration as the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0039]
First, in step B1 of FIG. 6, one measurement probe 30 is prepared. Again, the measuring probe 30 may once prepared once, not every time need to be created each time to measure the work function φ _m. Next, in step B2 of FIG. 6, the sample 50 to be measured is completed. Then, in step B3 of FIG. 6, the measurement target sample 50 is subjected to CV measurement using the above-described measuring apparatus 100.
[0040]
The method of measuring the CV of the sample 50 to be measured is the same as in the first embodiment, as shown in FIG. Thus, the substrate concentration _{N sub} of the Si chip 31, the thickness _{T OX} of _SiO 2 33, and a capacitor _{C OX} of MOS capacitor formed by the measuring probe 30 and the mid-gap material film _52, and a _{V fb} Ask. Further, φ _s is obtained by applying the obtained N _sub to the equation (1).
[0041]
Next, in FIG. 1, the measurement probe 30 is moved away from the mid-gap material 52 by lowering the stage 1 of the measurement apparatus 100 in the Z-axis direction or by raising the measurement probe 30 in the Z-axis direction. _{Separate by} T _air .
Then, as shown in FIG. 7B, the second CV measurement is performed with the measurement probe 30 separated from the mid-gap material 52 by the distance T _air . Thus, the capacitance C _acc [F / cm ² ] of the capacitor using the SiO ₂ 33 and the air layer as a dielectric, V _{fb, and the} like are obtained. This T _air can be represented by (5).
[0042]

Further, a CV measurement is performed by changing the value of T _air represented by the equation (4) a plurality of times (by moving the measurement probe 30 and the sample 50 to be measured close or apart from each other), and calculating C _acc and V _fb And ask.
[0043]
FIG. 8 is a diagram illustrating a relationship between V _fb and C _acc . In FIG. 8, the horizontal axis is the reciprocal of C _acc , that is, 1 / C _acc [cm ² / F], and the vertical axis is V _fb [V]. In step B4 of FIG. 6, V _fb obtained in step B3 is plotted against 1 / C _acc to obtain a linear equation.
Linear equation shown in FIG. 8, similarly to the first embodiment ▲ 3 ▼ correspond to the formula, the slope of the linear equation is ▲ 3 ▼ corresponding to formula Q _SS. Then, V _fb at 1 / C _acc → 0 (C _acc → ∞) is obtained from the vertical axis intercept of this straight line. In step B5 in FIG. 6, φ _m is calculated by applying V _fb when 1 / C _acc → 0 and φ _s to Expression (3). Steps B3 to B5 in FIG. 4 are executed by the CV measuring device 10 of the measuring apparatus 100.
[0044]
Thus, according to the measuring method of the work function phi _m of mid-gap material 52 according to a second embodiment of the present invention, by forming the mid-gap material 52 on the Si wafer 51 and the measured sample 50 The capacitance of the MOS capacitor is changed by moving the sample 50 to be measured close to or away from the measurement probe 10. Therefore, similarly to the first embodiment, there is no need to create a large number of samples to be measured, and the method for creating the sample is simple. Further, the measurement probe 30 can be reused unlike the sample 50 to be measured. This makes it possible to measure the work function phi _m of mid-gap material 52 easily and quickly.
[0045]
In the first embodiment, a plurality of measurement probes 30 are used, and in the conventional example, a plurality of measurement samples 95 are used. For this reason, there are variations in the fixed charge Q _SS and the substrate concentration N _sub between the measurement probe 30 and the sample 95 to be measured, and the CV measurement results (plots) shown in FIGS. Often not. In contrast, in the second embodiment of the present invention, since the measurement probe 30 used measured sample 50 is a one by one, respectively, Q _SS and can eliminate the variation of such N _sub, shown in FIG. 8 As described above, the results of the CV measurement can be linearly arranged with good reproducibility. Therefore, as compared with the conventional example and the first embodiment, the work function phi _m can be accurately calculated.
[0046]
In the second embodiment, the case where V _fb is plotted against 1 / C _acc as shown in FIG. 8 has been described. However, the horizontal axis in FIG. 8 is not limited to 1 / C _acc and may be, for example, The equivalent oxide thickness (EOT) may be used. This is because EOT and 1 / _Cacc correspond to 1: 1. EOT [cm] is represented by (4) '.
EOT = ε _OX · ε ₀ / C _acc .
Further, in the second embodiment, the vertical movement accuracy of the stage 1 (not accuracy, but how much fine movement is possible) is considerably required. If the resolution of the vertical movement is poor, the separation distance between the measurement probe 30 and the sample 50 to be measured increases rapidly, so that the capacity decreases sharply. Therefore, it is necessary to secure the vertical movement accuracy of the stage 1 with respect to the capacitance of the capacitor composed of the measurement probe 30, the air layer, and the sample 50 to be measured.
[0047]
For example, when the Si chip is 5 mm square, the film thickness (T _OX ) of SiO ₂ 33 is 0.1 μm, and T _air is 1 μm, the capacitance of this capacitor is several hundred pF. In this case, it is desirable to adjust the stage 1 so that it can be moved in steps of about 1 μm.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a configuration example of a measuring device 100 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing a structural example of a ground terminal 3;
FIG. 3 is a flowchart illustrating a work function measuring method according to the first embodiment.
FIG. 4 is a process chart showing a work function measuring method according to the first embodiment.
Shows Figure 5 and _{V _fb,} the relationship between the _{C OX.}
FIG. 6 is a flowchart illustrating a work function measurement method according to a second embodiment.
FIG. 7 is a process chart showing a work function measuring method according to a second embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing a relationship between V _fb and C _acc .
FIG. 9 is a conceptual diagram showing a configuration example of a measuring device 90 according to a conventional example.
FIG. 10 is a flowchart showing a work function measuring method according to a conventional example.
[11] and _{V fb} according to the conventional _example, shows the relationship between _{C OX.}
FIG. 12 is an energy band diagram of metal, SiO ₂ , and Si.
[Explanation of symbols]
1 stage, 3 ground terminal, 5 bias terminal, 10 CV measuring instrument, 30 measurement probe, 31 Si chip, 32 high concentration layer, 33 SiO ₂ , 50 sample to be measured, 51 Si wafer, 52 mid-gap material, 100 measurement equipment

Claims

A method for measuring a work function of a conductive film formed on a substrate,
Forming a plurality of capacitors by facing and contacting the insulating film of the plurality of measurement probes each including a semiconductor substrate and an insulating film provided on the semiconductor substrate with the conductive film on the substrate; Measuring the CV characteristics of
Calculating a work function of the conductive film from the measurement result of the CV characteristic,
In the step of measuring the CV characteristic,
A method for measuring a work function, wherein a thickness of an insulating film of the capacitor is different for each of the measurement probes.

A method for measuring a work function of a conductive film formed on a substrate,
A capacitor is formed by opposing the insulating film of the measurement probe including the semiconductor substrate and the insulating film provided on the semiconductor substrate to the conductive film on the substrate, and a separation distance between the insulating film and the conductive film Changing the CV characteristic of the capacitor a plurality of times,
Calculating the work function of the conductive film from the measurement result of the CV characteristics.

An apparatus for measuring a work function of a conductive film on a substrate,
A plurality of measurement probes each including a semiconductor substrate and an insulating film provided on the semiconductor substrate,
CV measurement means for forming a plurality of capacitors by making the insulating film of the measurement probe and the conductive film on the substrate face and contact each other, and measuring the CV characteristics of the capacitors,
Computing processing means for calculating a work function of the conductive film from the measurement result of the CV characteristic,
The work function measuring device according to claim 1, wherein an insulating film thickness of the capacitor is different for each of the measurement probes.

An apparatus for measuring a work function of a conductive film formed on a substrate,
A measurement probe comprising a semiconductor substrate and an insulating film provided on the semiconductor substrate,
A capacitor is formed by facing the insulating film of the measurement probe and the conductive film on the substrate, and the CV characteristic of the capacitor is measured a plurality of times by changing the separation distance between the insulating film and the conductive film. -V measuring means;
A work function measuring device for calculating a work function of the conductive film from a measurement result of the CV characteristic.