JP2005277376A - 誘電体の漏洩電流を決定するためのコンダクタンス−電圧（ｇｖ）に基づく方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ウエハの上面を覆う誘電体の漏洩電流を単一の周波数を用いて測定する方法の提供。
【解決手段】導電性プローブ２０を移動させて誘電体４と接触させ、プローブ先端部２８と半導体ウエハ８との間に、開始電圧から終了電圧に向かって掃引されるＤＣ電圧に重畳された固定振幅で固定周波数のＡＣ電圧の形で電気刺激を印加することにより、半導体ウエハを覆う誘電体の漏洩電流を決定できる。ＤＣ電圧の掃引中に、印加されたＡＣ電圧によって生じるＡＣ電流と、ＡＣ電圧との間の位相角から、誘電体および半導体ウエハに関連するコンダクタンス値を決定できる。次いで、このようにして決定されたコンダクタンス値から、誘電体の漏洩電流を決定できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハ上の誘電体の品質決定に関する。

集積回路の形成に利用される半導体ウエハには、典型的には半導体ウエハの上面を覆う誘電体が含まれる。半導体ウエハを処理してその上に集積回路アレイを形成する前に、誘電体に関連する各種のパラメータを決定しておくのが望ましい。かかるパラメータには、等価酸化膜厚（ＥＯＴ）および漏洩電流（Ｉ_ｌｅａｋ）の２つが含まれる。

従来は、別々の計測法およびプローブを利用して、これらのパラメータを測定していた。しかし、別々の計測法およびプローブを用いることにより、困難さおよび費用が増加し、かかる測定のスループットが減少している。更に、従来の漏洩電流測定では、２つの周波数を用いる必要があった。

したがって、単一の周波数を用いて漏洩電流を決定できる方法を提供することにより、上記およびその他の諸問題を克服することが望まれている。また、誘電体の漏洩電流の決定に利用される測定が、誘電体についてのその他の有用なパラメータを導き出すのにも利用できる方法を提供することが望ましい。

本発明は、半導体ウエハを覆う誘電体の漏洩電流を決定する方法である。本方法は、少なくとも半導体ウエハの一部を覆う誘電体を有する半導体ウエハを提供するステップと、弾性変形可能な導電性先端部を有するプローブを提供するステップとを含む。プローブ先端部を移動させて誘電体と接触させ、プローブ先端部と半導体ウエハとの間にＡＣ電圧が重畳されたＤＣ電圧を印加する。次いで、そのＤＣ電圧を第１ＤＣ電圧から第２ＤＣ電圧に向かって掃引する。ＤＣ電圧の掃引中に、ＡＣ電圧に応答して誘電体を流れるＡＣ電流と、ＡＣ電圧との間の位相角を捕捉する。捕捉された位相角から、掃引ＤＣ電圧の電圧変化の関数として、半導体ウエハおよび誘電体のコンダクタンス変化を決定する。このようにして決定されたコンダクタンス変化に基づいて、誘電体の漏洩電流を決定する。

掃引ＤＣ電圧の電圧変化の関数としてコンダクタンス変化を決定するステップは、捕捉された位相角から、掃引ＤＣ電圧の電圧変化の関数として、半導体ウエハおよび誘電体の抵抗変化を決定するステップを含んでもよい。このようにして決定された抵抗変化から、掃引ＤＣ電圧の電圧変化の関数として、半導体ウエハおよび誘電体のコンダクタンス変化を決定してもよい。

漏洩電流を決定するステップは、掃引ＤＣ電圧の電圧変化に対するコンダクタンス変化から、漏洩電流を決定するステップを含んでもよい。より具体的には、漏洩電流を決定するステップは、半導体ウエハが蓄積状態にある場合の一点以上のＤＣ電圧について、掃引ＤＣ電圧の電圧変化に対するコンダクタンス変化の傾きを決定するステップを含んでもよい。

それに加えて、またはその代替として、漏洩電流を決定するステップは、掃引ＤＣ電圧の電圧変化の関数としてのコンダクタンス変化の一次導関数を決定するステップと、半導体ウエハが蓄積状態にある場合の電圧値を、一次導関数と数学的に結合（積算）して、漏洩電流を得るステップとを含んでもよい。

ＡＣ電圧は一定振幅および固定周波数であるのが望ましい。

本発明はまた、導電性のプローブ先端部を半導体ウエハ上に形成された誘電体と接触させるステップと、半導体ウエハを蓄積状態と空乏状態との間で、またはその逆に、遷移させる電気刺激を、プローブ先端部と半導体ウエハとの間に印加するステップとを含む、半導体ウエハを覆う誘電体の漏洩電流を決定する方法である。印加された電気刺激から、誘電体および半導体ウエハのコンダクタンス値を決定できる。次いで、このようにして決定されたコンダクタンス値から、誘電体の漏洩電流を決定できる。

電気刺激は、第１ＤＣ電圧から第２ＤＣ電圧に向かって掃引されるＤＣ電圧に重畳されたＡＣ電圧を含むのが望ましい。ＡＣ電圧は一定振幅および一定周波数であるのが望ましい。

漏洩電流は、掃引中のＤＣ電圧変化に対するコンダクタンス値変化から決定されるのが望ましい。掃引中のＤＣ電圧変化に対するコンダクタンス値変化は、半導体ウエハが蓄積状態にある場合に決定されるのが望ましい。コンダクタンス値を決定するステップは、ＤＣ電圧掃引中に、プローブ先端部および半導体ウエハの間にＡＣ電圧を印加することによって生じるＡＣ電流とＡＣ電圧との間の位相角を決定するステップと、位相角からコンダクタンス値を決定するステップとを含んでもよい。

付帯図面を参照して本発明を説明する。図中、類似の参照番号は類似の要素と対応する。

図１を参照して説明すると、半導体ウエハ８の上面６を覆う誘電体層４等の誘電体の漏洩電流を測定するための装置２は、真空手段（不図示）により半導体ウエハ８の裏面１２を保持するための導電性真空チャック１０を含む。また、装置２は、一端に導電性先端部２４を持つシャフト２２を有するプローブ２０を含む。

当業者に周知の接点形成手段３０は、チャック１０および／またはプローブ２０の、矢印１４で示す垂直方向の動きを制御して、プローブ２０および半導体ウエハ８を互いに向かって移動させ、導電性先端部２４の末端部２８が誘電体４と接触するように押圧する。導電性先端部２４の末端部２８を、半導体ウエハ８を覆う誘電体４と接触させて組合せることによってキャパシタＣ（図２参照）が形成され、導電性先端部２４および半導体ウエハ８はキャパシタＣの電極板を成し、誘電体４はキャパシタＣの電極板間の誘電体を成す。

電気刺激印加手段３２および測定手段３４は、導電性先端部２４とチャック１０との間に並列に接続される。チャック１０は典型的には基準接地点に接続される。しかし、このことが本発明を制限するものと解釈すべきではなく、代替として、チャック１０はＡＣまたはＤＣ基準バイアスに接続されてもよい。

導電性先端部２４は、例えばタンタル等の滑らかなよく研磨した金属、導電性エラストマ、または導電性ポリマ等の、弾性変形可能な材料で形成される。導電性先端部２４は、曲率半径１０μｍ〜１００ｃｍの半球形状を有するのが望ましい。しかし、このことが本発明を制限するものと解釈すべきではない。

図２を参照して、および引き続き図１を参照して説明すると、上記のように、導電性先端部２４の末端部２８を、半導体ウエハ８を覆う誘電体４と接触させて組合せることによって、キャパシタＣが形成される。更にこの組合せは、主として半導体ウエハ８の抵抗による、組み合わせに結合された抵抗Ｒ、およびキャパシタＣと並列でキャパシタＣの反対側までトンネル漏洩電流を表すダイオードＤも有する。したがって、図２に示すように、半導体ウエハ８を覆う誘電体４と接触する導電性先端部２４は、キャパシタＣおよびダイオードＤの並列組合せと直列接続された抵抗Ｒを含む等価回路Ｅによりモデル化できる。

図３を参照して、ならびに図１および図２を引き続き参照して説明すると、導電性先端部２４が誘電体４と接触すると、電気刺激印加手段３２が、導電性先端部２４とチャック１０との間に、半導体ウエハ８が蓄積状態にある第１の開始電圧４０から半導体ウエハ８が空乏状態にある第２の終了電圧４２まで、またはその逆に、掃引されるＤＣ電圧に重畳された固定振幅で固定周波数のＡＣ電圧を含むＣＶ型電気刺激を印加する。ＤＣ電圧の掃引中に、ＡＣ電圧と、該ＡＣ電圧に応答して誘電体４を流れるＡＣ電流との間の位相角を捕捉する。これらの位相角は、等価回路ＥのキャパシタＣ、ダイオードＤ、および抵抗Ｒの位相偏移作用から生じる。このために、半導体ウエハ８が蓄積状態と空乏状態との間を遷移する結果、導電性先端部２４とチャック１０との間のＣＶ型電気刺激印加中に、キャパシタＣのキャパシタンスおよび／またはダイオードＤを通じての伝導が、印加ＤＣ電圧の関数として変化し得ることが観察された。印加ＤＣ電圧の掃引中に、キャパシタＣのキャパシタンスおよびダイオードＤのコンダクタンスの一方または両方が変化するので、掃引ＤＣ電圧に重畳されたＡＣ電圧と、該ＡＣ電圧の印加により生じるＡＣ電流との間の位相角は、印加ＤＣ電圧の関数として変化する。

周知のフェーザ解析手法を利用すれば、開始電圧４０と終了電圧４２との間のＤＣ電圧掃引の各点におけるキャパシタＣのキャパシタンスおよび抵抗Ｒの抵抗値は、印加ＡＣ電圧の振幅および周波数ならびに前記点毎に捕捉された位相角から、決定できる。膜厚０．８μｍ（８オングストローム（Å））の誘電体４について、開始電圧４０と終了電圧４２との間のＤＣ電圧掃引に対するキャパシタＣのキャパシタンスおよび抵抗Ｒの抵抗値のグラフ例を、図３および図４の曲線４４および４６でそれぞれ示す。図４は膜厚３０．６μｍ（３０６Å）の誘電体４についての抵抗Ｒの抵抗値の曲線４８も示す。更に、図４は漏洩が多い膜厚２．０μｍ（２０Å）の誘電体４についての抵抗Ｒの抵抗値の曲線５０を含む。

図５を参照して、および図１〜図４を引き続き参照して説明すると、抵抗Ｒの抵抗値の曲線４６は、曲線４６に沿う点毎に、抵抗Ｒの値で実数１を単に除算する、すなわち１／Ｒとすることで、開始電圧４０と終了電圧４２との間のコンダクタンスＧの曲線５２に変換できる。同様の方法で、図４の抵抗曲線４８および５０から図５のコンダクタンス曲線５４および５６がそれぞれ導き出される。

コンダクタンス曲線５２が決定されると、誘電体４を流れる漏洩電流（Ｉ_ｌｅａｋ）は、ＤＣ電圧掃引中に半導体ウエハ８が蓄積状態にある、例えば開始電圧４０に近接した電圧４３等の、電圧における曲線５２に接する直線５８の傾きから決定できる。より具体的には、Ｉ_ｌｅａｋの値は次式を利用して接線５８の傾きから決定できる。

ここで、ｄＧ／ｄＶ＝接線５８の傾き；
Ｖ_ａｃｃ＝ＤＣ電圧掃引中に半導体ウエハ８が蓄積状態にある、例えば電圧４３等の、電圧。

それに加えて、またはその代替として、コンダクタンス曲線５２の一次導関数を決定し、この一次導関数に、ＤＣ電圧掃引中に半導体ウエハ８が蓄積状態にある、例えば電圧４３等の、電圧の二乗を結合（乗算）させることにより、誘電体４を流れるＩ_ｌｅａｋを数学的に決定できる。同様の方法で、ＤＣ電圧掃引中に半導体ウエハ８が蓄積状態にある、例えば電圧４３等の、電圧における、曲線５４および５６に接する直線６０および６２の傾きをそれぞれ決定し、それらの傾きから、対応する誘電体４の漏洩電流を決定できる。それに加えて、またはその代替として、曲線５４および５６の一次導関数を決定し、これらの一次導関数をそれぞれ、ＤＣ電圧掃引中に半導体ウエハ８が蓄積状態にある、例えば電圧４３等の、電圧の二乗と数学的に結合（乗算）して、Ｉ_ｌｅａｋの値を決定できる。

図３〜図５に示す曲線は、Ｐ型シリコンで形成された半導体ウエハ８へのＣＶ型電気刺激から得られるものである。Ｎ型シリコンで形成された半導体ウエハ８へ適用される電気刺激からは、図３〜図５に示すグラフの鏡像が得られるであろう。

図５から判るように、曲線５６の傾き、つまり漏洩の多い２μｍ（２０Å）誘電体４の漏洩電流は、曲線５２の傾き、つまり適切に機能する０．８μｍ（８Å）誘電体４に関連する漏洩電流の傾きよりも大きい。更に、適切に機能する０．８μｍ（８Å）誘電体４に対する曲線５２から決定される漏洩電流は、適切に動作する３０．６μｍ（３０６Å）誘電体４に対する曲線５４から決定される漏洩電流よりもはるかに大きい。したがって、当業者には明らかなように、上記の方法で決定された誘電体の漏洩電流は、その誘電体の有効性の尺度として利用できる。このために、所定範囲外の漏洩電流を伴う誘電体を有する半導体ウエハは、将来の使用に不適切であると見なすことができ、したがって、費用がかかる更なる処理を行う前に廃棄することができる。

以上のように、ＣＶ型電気刺激は、ＥＯＴ等の誘電体のパラメータを決定できるＤＣ電圧変化の関数であるキャパシタンスの変化を決定するだけでなく、誘電体の漏洩電流を決定できるＤＣ電圧変化の関数であるコンダクタンス変化を決定するのにも利用できる。したがって、１回のＣＶ型電気刺激の印加により、誘電体および／または半導体ウエハの多数のパラメータを決定できる。

好ましい実施の形態を参照して本発明を説明した。上記の詳細な説明を読み、かつ理解すれば、明らかな改変および代替が他者には思い浮かぶであろう。本発明が、付帯の請求の範囲またはその均等の範囲内である限り、全てのかかる改変および代替を含むものとして解釈されることを意図するものである。

図１は、半導体ウエハを覆う誘電体の漏洩電流を検出するためのシステムの、ブロック図および側面断面図の混合図である。 図２は、図１に示すプローブ、誘電体、半導体ウエハ、およびチャックの等価回路を含む、図１に示すシステムの図である。 図３は、電圧変化に対する図２に示すキャパシタのキャパシタンス変化のグラフである。 図４は、３つの膜厚が異なる誘電体についての、電圧変化に対する図２に示す抵抗の抵抗値変化の３つのグラフを示す。 図５は、電圧変化に対する図２に示す回路のコンダクタンス変化の３つのグラフを示す。

符号の説明

２ 誘電体の漏洩電流を測定するための装置
４ 誘電体層
６ 半導体ウエハの上面
８ 半導体ウエハ
１０ 導電性真空チャック
１２ 半導体ウエハの裏面
１４ 垂直方向を示す矢印
２０ プローブ
２２ シャフト
２４ 導電性先端部
２８ 導電性先端部の末端部
３０ 接点形成手段
３２ 電気刺激印加手段
３４ 測定手段
４０ 開始電圧
４２ 終了電圧
４３ コンダクタンスの傾きを決定する電圧
４４ キャパシタンスのグラフ
４６、４８、５０ 抵抗のグラフ
５２、５４、５６ コンダクタンスのグラフ
５８、６０、６２ コンダクタンスのグラフに接する直線
Ｃ キャパシタ
Ｄ ダイオード
Ｒ 抵抗

Claims (15)

1. 半導体ウエハを覆う誘電体の漏洩電流を決定する方法であって：
   （ａ）少なくとも半導体ウエハの一部を覆う誘電体を有する前記半導体ウエハを提供するステップと；
   （ｂ）弾性変形可能な導電性先端部を有するプローブを提供するステップと；
   （ｃ）前記プローブ先端部を前記誘電体と接触させるステップと；
   （ｄ）前記プローブ先端部と前記半導体ウエハとの間にＡＣ電圧が重畳されたＤＣ電圧を印加するステップと；
   （ｅ）前記ＡＣ電圧が重畳された前記印加ＤＣ電圧を、第１ＤＣ電圧から第２ＤＣ電圧に向かって掃引するステップと；
   （ｆ）前記ＤＣ電圧の掃引中に、前記ＡＣ電圧に応答して前記誘電体を流れるＡＣ電流と、前記ＡＣ電圧との間の位相角を捕捉するステップと；
   （ｇ）前記捕捉された位相角から、前記掃引ＤＣ電圧の電圧変化の関数として、前記半導体ウエハおよび前記誘電体のコンダクタンス変化を決定するステップと；
   （ｈ）前記コンダクタンス変化から、前記誘電体の漏洩電流を決定するステップとを含む方法。
2. ステップ（ｇ）が：
   ステップ（ｆ）で捕捉された前記位相角から、前記掃引ＤＣ電圧の電圧変化の関数として、前記半導体ウエハおよび前記誘電体のコンダクタンス変化を決定するステップを含む；
   請求項１の方法。
3. ステップ（ｈ）が、前記掃引ＤＣ電圧の電圧変化に対する前記コンダクタンス変化から、前記漏洩電流を決定するステップを含む請求項１の方法。
4. ステップ（ｈ）が、前記半導体ウエハが蓄積状態にある場合のＤＣ電圧について、前記掃引ＤＣ電圧の電圧変化に対する前記コンダクタンス変化の傾きを決定するステップを含む請求項３の方法。
5. ステップ（ｈ）が：
   ステップ（ｇ）で決定された前記コンダクタンス変化の一次導関数を決定するステップと；
   前記半導体ウエハが蓄積状態にある場合の電圧を、前記一次導関数と数学的に結合して、前記漏洩電流を得るステップとを含む；
   請求項３の方法。
6. 前記弾性変形可能な導電性先端部が：
   導電性金属；
   導電性エラストマ；および
   導電性ポリマ；
   のうちの１つで形成される請求項１の方法。
7. 前記ＡＣ電圧が一定振幅である請求項１の方法。
8. 半導体ウエハを覆う誘電体の漏洩電流を決定する方法であって：
   （ａ）導電性のプローブ先端部を半導体ウエハ上に形成された誘電体と接触させるステップと；
   （ｂ）前記半導体ウエハを蓄積状態と空乏状態との間で、またはその逆に、遷移させる電気刺激を、前記プローブ先端部と前記半導体ウエハとの間に印加するステップと；
   （ｃ）前記印加された電気刺激から、前記誘電体および前記半導体ウエハのコンダクタンス値を決定するステップと；
   （ｄ）ステップ（ｄ）で決定された前記コンダクタンス値から、前記誘電体の漏洩電流を決定するステップとを含む方法。
9. 前記電気刺激が、第１ＤＣ電圧から第２ＤＣ電圧に向かって掃引されるＤＣ電圧に重畳されたＡＣ電圧を含む請求項８の方法。
10. 前記ＡＣ電圧が一定振幅である請求項９の方法。
11. 前記漏洩電流が、掃引中の前記ＤＣ電圧変化に対する前記コンダクタンス値変化から決定される請求項９の方法。
12. 掃引中の前記ＤＣ電圧変化に対する前記コンダクタンス値変化が、前記半導体ウエハが蓄積状態にある場合の電圧において決定される請求項１１の方法。
13. 前記導電性のプローブ先端部が弾性変形可能である請求項８の方法。
14. 前記弾性変形可能な導電性のプローブ先端部が：
    導電性金属；
    導電性エラストマ；および
    導電性ポリマ；
    のうちの１つで形成される請求項１３の方法。
15. ステップ（ｃ）が：
    前記ＤＣ電圧の掃引中に、前記プローブ先端部および前記半導体ウエハの間に前記ＡＣ電圧を印加することによって生じるＡＣ電流と、前記ＡＣ電圧との間の位相角を決定するステップと；
    前記位相角から前記コンダクタンス値を決定するステップとを含む；
    請求項９の方法。

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