JP2006013532A

JP2006013532A - 半導体ウエハの誘電層のソフトブレークダウンを検出する装置及び方法

Info

Publication number: JP2006013532A
Application number: JP2005217986A
Authority: JP
Inventors: William H Howland Jr; ウィリアム・エイチ・ハウランド・ジュニア; Robert J Hillard; ロバート・ジェイ・ヒラード
Original assignee: Solid State Measurements Inc
Current assignee: Solid State Measurements Inc
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2006-01-12
Also published as: EP1612570A3; EP1612570A2; TW200603324A; US20050287684A1; US7005307B2

Abstract

【課題】取得データを数学的に分析することなく、半導体ウエハの誘電層に実際にソフトブレークダウンが生じたかどうかを直接判定するための装置及び方法を提供する。
【解決手段】半導体ウエハ６の誘電層４のソフトブレークダウンを検出するために、誘電層４の上面１８と半導体ウエハ６の半導体材料８との間に直流電流を流す。直流電流は一定値の直流電流、または直流電流が第２の値に近づくと電界、つまり誘電層４を横切って誘起される直流電圧が増大する形で、第１の値から第２の値へ掃引され、および／またはステップされる直流電流のいずれかである。直流電流の流れに対する半導体ウエハ６の応答を測定して、直流電圧に重畳される交流電圧成分の有無を調べる。交流電圧成分が検出された箇所の誘電層４を横切って誘起される直流電圧の値を、誘電層４のソフトブレークダウン値として指定する。
【選択図】図１

Description

発明の背景
発明の分野
本発明は半導体ウエハの検査、特に、半導体ウエハの誘電層のソフトブレークダウン発生の判定に関する。

関連技術の説明
誘電層のソフトブレークダウンは、誘電層を通って漏れる電流が所定のしきい値を超えるときに、誘電層に永久的損傷を与えることなく発生する。この漏れ電流は、誘電層に印加されたバイアスを低減することによって逆流させることができる。これに対し、誘電層のハードブレークダウンは不可逆で壊滅的な誘電層の破壊であり、誘電層に印加された非常に高いバイアスの存在に応答して高い値の電流が誘電層を通って流れるときに生じる。従来、半導体ウエハの誘電層のソフトブレークダウンは、取得した電流−電圧（ＩＶ）データを数学的に分析し、取得したデータからソフトブレークダウンが発生したかどうかを決めるという方法で判定していた。

必要でありながら先行技術に開示されていない、半導体ウエハの誘電層のソフトブレークダウン発生を直接判定するための装置及び方法は、取得データを数学的に分析しなくとも実際にソフトブレークダウンが生じたかどうかを決定できる装置及び方法である。

発明の要約
本発明は半導体ウエハの誘電層のソフトブレークダウンを検出する方法である。本方法は、被膜誘電層を備える半導体材料の基材で構成された半導体ウエハを準備する工程を含む。半導体材料と、半導体材料と反対側の誘電層の面との間には、直流電流が流される。この直流電流は一定値の直流電流または、第１の値から第２の値へ、直流電流の流れに応答して誘電層を横切って誘起される電界の強度が直流が、上記第２の値に近づくと増大する形で、掃引され、またはステップされる。直流電流の流れに応答して誘電層を横切って誘起される直流電圧が測定され、測定した直流電圧に重畳される交流電圧成分の存在が検出される。交流電圧成分を検出した箇所またはその近傍において測定された直流電圧の値を誘電層のソフトブレークダウン電圧として指定される。

掃引され、またはステップされた直流電流は、交流電流の成分を検出した箇所の値に留めることができる。誘電層の厚さは５０オングストローム以下であることが望ましい。
また、水銀接触子または導電性プローブを使用して、直流電流を流すとともに、掃引される直流電流に応答して誘電層を横切って誘起される直流電圧を測定することができる。

また、本発明は半導体ウエハの半導体材料を覆う誘電層のソフトブレークダウンを検出する装置である。本装置は、誘電層の露出面に接する第１接触子および半導体材料に接する第２接触子を含む。一定値の直流電流、または掃引され、又はステップされた直流電流を第１および第２接触子間に流す手段が設けられる。また、この直流電流の流れに応答して誘電層を横切って誘起される直流電圧を測定する手段が提供される。また、直流電圧に重畳される交流電圧を測定する手段が設けられる。そして、交流電圧が直流電圧に重畳された箇所またはその近傍における直流電圧の値を誘電層のソフトブレークダウン電圧として指定する手段が設けられる。
第１接触子は水銀接触子または導電性プローブでよい。第２接触子は導電性面を含んでもよい。

最後に、本発明は半導体ウエハの半導体材料を覆う誘電層のソフトブレークダウンを検出する方法であって、半導体材料と、半導体材料と反対側の誘電層面との間に一定値の直流電流、または掃引され、又はステップされた直流電流を流す工程を含む。直流電流の流れに応答して誘電層を横切って誘起される直流電圧を測定し、直流電圧上の交流電圧が検出される。交流電圧が直流電圧上に検出された箇所またはその付近の直流電圧値が誘電層のソフトブレークダウン値として出力される。

図面の簡単な説明
図１は半導体基材を覆う誘電層を備える半導体ウエハの断面側面図であり、半導体ウエハを検査する装置のブロック図とともに示してしている。
図２（ａ）および図２（ｂ）は、それぞれＮ型およびＰ型材料でできた図１に示す誘電層の電圧対時間のグラフであり、そこに流れる変動電流に反応して誘電層を横切って誘起される電圧を示している。

発明の詳細な説明
同じ要素に同じ参照番号を付した添付図を参照して、本発明を説明する。
図１を参照すると、半導体材料で形成された基材８を有する半導体ウエハ６の誘電層４のソフトブレークダウンを検出する装置２は、ウエハ６の裏面１２を陰圧吸引手段（図示せず）によって保持するための表面を有する望ましくは導電性の真空チャック１０を含む。装置２はまた、ウエハ６の表面ないし上面１８に接触して接触子１６を生じる接触子形成手段１４も含む。図１に示すとおり、上面１８は半導体ウエハ６の半導体基材８を覆う誘電層４の露出面である。接触子１６は、言及することにより本書に取り込むアメリカ特許第６，４９２，８２７号（Mazure et al.）に開示されているようなプローブ、または当業者にその使用が良く知られている水銀（Ｈｇ）接触子でよい。しかし、接触子１６をプローブまたは水銀接触子と開示することが、本発明を限定するものではない。

さらに装置２は電気刺激付与手段２０および測定手段２２を含み、いずれも直接または接触子形成手段１４を介して接触子１６に電気的に接続されている。電気刺激付与手段２０および測定手段２２はまた、図１の実線２４で示すとおり、真空チャック１０を介して、または図１の破線２６で示すように直接に、半導体基材８に電気的に接続されている。接触子１６は装置２の第１接点となり、一方、電気刺激付与手段２０および測定手段２２の直接または真空チャック１０を介しての半導体基材８への接続は装置の第２接点となる。

最後に、装置２は、測定手段２２から出力手段２８への出力値を人に分かるように報知出力する出力手段２８を含む。出力手段２８は、ＣＲＴ、プリンタ、ランプ配列など、測定手段２２から受けた値の視覚表示を出力する視覚出力装置および／または、測定手段２２から受けた値を示す可聴信号またはメッセージを出力する音声出力装置のいずれかひとつ、またはその組合せでよい。しかし、このような出力装置は本発明を限定するものではない。

図２（ａ）と図２（ｂ）を参照し、図１を引き続き参照すると、接触子１６が上面１８に接触する適切な時点において、電気刺激付与手段２０が半導体基材８と誘電層４の上面１８の間に、半導体基材８と接触子１６を介して直流電流を流し、測定手段２２が直流電流の流れに応答して誘電層４を横切って誘起される直流電圧３０を測定する。
直流電流は第１の値から第２の値へと変化させることができ、直流電流が第２の値に近づくにしたがって誘電層を横切って誘起される電界の強度が高まる。この電界の増大が直流電圧３０の値を第１の電圧３２から第２の電圧３４へと大きくする。

この電界強度の増大、つまり直流電圧３０の増大は、誘電層４と半導体基材８の間の境界面４２付近の、接触子１６と整合した半導体基材８（図１参照）の領域３６における多数キャリアの集積の増加によって生じる。一例として、Ｎ型材料で作られた半導体基材８では、多数キャリアは電子であり、望ましくは、直流が例えばゼロ（０）アンペアなどの第１の開始値から、例えば１０^−５アンペアなどの正の第２の値に掃引され、および／または、ステップされることができる。Ｐ型材料から作られた半導体基材８では、多数キャリアはホールであり、例えばゼロ（０）アンペアなどの開始値から、例えば、−１０^−５アンペアなどの負の第２の値に掃引される。しかし。上記第１および第２の値が本発明を限定するものではない。さらに、以下に記載の理由により、上記Ｎ型およびＰ型半導体基材の第１および第２の電流値の差は、本発明を限定するものではない。

直流電流が第１の値から第２の値へ掃引され、又はステップされる間、測定手段２２は接触子１６と半導体基材８を介して直流電圧３０をサンプリングする。半導体ウエハ６の誘電層４の厚さが５０オングストローム以下で、測定された直流電圧３０が第１の電圧３２と第２の電圧３４の間のしきい値３８に達すると、交流電圧成分４０が直流電圧３０に重畳されることが観測されている。この交流電圧成分４０は通常、５〜２００ｍＶの振幅をもつ。しかし、これは本発明を限定するものではない。

交流電圧成分４０は、直流電圧３０がしきい値３８に達したとき誘電層４を通って流れるトンネル電流の結果生じると考えられる。しきい値３８は、誘電層４の厚さ、領域３６内の多数キャリアの数、ウエハ６の上面１８上の接触子１６の大きさを非限定的に含むいくつかの要因に関係すると考えられる。しかし、これらの要因は本発明を限定するものではない。

さらに具体的には、直流電流が第１の値から第２の値へと掃引され、および／又はステップされるとき、多数キャリアが領域３６に蓄積される。十分な数の多数キャリアが領域３６に蓄積されて直流電圧３０の値がしきい値以上になると、トンネル電流が接触子１６と領域３６の間を流れる。このトンネル電流は最初に測定手段２２が測定する直流電圧３０の値を、例えば５〜２００ｍＶ程度、少し低減させる。トンネル電流の流れと、対応する直流電圧３０のわずかな低減に応答して、トンネル電流は減少または停止し、追加の多数キャリアが領域３６に導入されて、直流電圧３０の値が高くなる。例えば接触子１６と領域３６間の電気アークなどにより誘電層４が回復不能なほどの損傷を受けなければ、このような直流電圧３０の値の変動は、その値がしきい値３８以上である限り続く。

トンネル電流の流れとその後の領域３６への追加の多数キャリアの導入、すなわち直流電圧３０の値の変動は、直流電圧３０に重畳する交流電圧成分４０として測定手段２２によって検出される（図２（ａ）および図２（ｂ）参照）。交流電圧成分４０が最初に検出されると、測定手段２２は電気刺激付与手段２０によって直流電圧３０をしきい値に留まらせる。直流電圧３０がしきい値３８に留まっている間、測定手段２２は交流電圧成分４０が所定の時間衰えないかどうかを判定できる。もし衰えなければ、測定手段２２は、交流電圧成分４０が誘電層４の「ソフトブレークダウン」によるものであって、スプリアスノイズ（見かけのノイズ）のせいではないと想定する。

交流電圧成分４０が発生し始めるしきい値３８は、測定手段２２によって誘電層４のソフトブレークダウン電圧として指定されることができる。このソフトブレークダウン電圧の値は、測定手段２２によって、この値を人に分かる形に変換する出力手段２８に出力されることができる。

あるいは、一定値の直流電流を半導体基材８と誘電層４の上面１８との間に流すことができ、その結果、直流電圧３０のしきい値３８が誘電層４を横切って誘起され、交流電圧成分４０が直流電圧３０に重畳される。半導体基材８と上面１８との間に流れる一定値の直流電流に応答して直流電圧３０に重畳される交流電圧成分４０が所定の時間衰えない場合、測定手段２２は交流電圧成分４０が誘電層４の「ソフトブレークダウン」によるものであると想定する。このソフトブレークダウン電圧の値は、測定手段２２によって、この値を人に分かる形に変換する出力手段２８に出力されることができる。

上述のしきい値３８を誘起させる方法、つまり、しきい値３８を誘起させる値に直流電流を掃引し、またはステップさせる、または一定値の直流電流を加えてしきい値３８を誘起する方法は、本発明を限定するものではない。半導体基材８と誘電層４の上面との間にしきい値３８を誘起して、その結果交流電圧成分４０が直流電圧３０のしきい値３８に重畳するのに、あらゆる方法が考えられるからである。

以上のように、本発明は、交流電圧成分４０が直流電圧３０に重畳される箇所を検出することによって、誘電層４のソフトブレークダウン電圧の判定を可能にする。このような誘電層４のソフトブレークダウン電圧を判定する能力によって、ＩＶ（電流−電圧）データを数学的に分析してソフトブレークダウンが生じたかどうかを判定する必要がなくなる。

好適実施例を参照して発明を説明した。以上の詳細な説明を読んで理解すれば、明白な改変や変更に想到するであろう。例えば、直流電圧３０および交流電圧成分４０について説明したが、直流、交流、あるいは交流および／または直流の電圧および／また電流の組合せを使用できる。付記されたクレームまたはその均等物の範囲に含まれる限り、そのような改変および変更をすべて含むように発明が解釈されることが意図される。

半導体基材を覆う誘電層を備える半導体ウエハの断面側面図図１に示す誘電層の電圧対時間のグラフ（ａ）Ｎ型材料（ｂ）Ｐ型材料

符号の説明

４誘電層
６半導体ウエハ
８半導体基材（半導体材料）
１８誘電層の上面

Claims

半導体ウエハの誘電層のソフトブレークダウンを検出する方法であって、以下の工程、
（ａ）被膜誘電層を備える半導体材料の基材で構成される半導体ウエハを準備する工程、
（ｂ）前記半導体材料と、前記半導体材料と反対側の前記誘電層の面との間に直流電流を流す工程、
（ｃ）前記直流電流の流れに応答して前記誘電層を横切って誘起される直流電圧を測定する工程、
（ｄ）この測定された直流電圧に重畳された交流電圧成分の存在を検出する工程、
（ｅ）前記交流電圧成分が検出された箇所またはその近傍における前記測定された直流電圧の値を前記誘電層のソフトブレークダウン電圧として指定する工程、からなる方法。
請求項１の方法において、
前記直流電流を第１の値から第２の値へと掃引する又はステップする工程を含み、前記直流電流が第２の値に近づくにしたがって前記誘電層を横切って誘起される電界の強度を高める、方法。
請求項２の方法において、
掃引され、またはステップされた前記直流電流を、前記交流電圧成分が検出された前記値に留める工程をさらに含む、方法。
請求項１の方法において、
前記直流電流は一定値の直流電流である、方法。
請求項１の方法において、
前記誘電層の厚さは、５０オングストローム以下である、方法。
請求項１の方法において、
水銀接触子および導電性プローブの何れか一つを使用して、前記直流電流を流すとともに、前記直流電流の流れに応答して前記誘電層を横切って誘起される前記直流電圧を測定する、方法。
半導体ウエハの半導体材料を覆う誘電層のソフトブレークダウンを検出する装置であって、以下の構成、
前記誘電層の露出面に接する第１接触子と、
前記半導体材料に接する第２接触子と、
前記第１および第２接触子間に直流電流を流す手段と、
前記直流電流の流れに応答して誘電層を横切って誘起される直流電圧を測定する手段と、
前記直流電圧に重畳された交流電圧成分を測定する手段と、
前記交流電圧成分が前記直流電圧に重畳された箇所またはその近傍の前記直流電圧の値を前記誘電層のソフトブレークダウン電圧として指定する手段と、を備える装置。
請求項７の装置において、
前記直流電流の値を掃引するまたはステップする手段をさらに含む、装置。
請求項７の装置において、
前記誘電層の厚さが５０オングストローム以下である、装置。
請求項７の装置において、
前記第１接触子が水銀接触子および導電性プローブの何れか一つで構成される、装置。
請求項７の装置において、
前記第２接触子が導電性面で構成される、装置。
請求項７の装置において、
前記直流電流が一定値の直流電流である、装置。
半導体ウエハの半導体材料を覆う誘電層のソフトブレークダウンを検出する、以下の工程、
（ａ）前記半導体材料と、前記半導体材料と反対側の前記誘電層の面との間に直流電流を流す工程、
（ｂ）前記直流電流の流れに応答して前記誘電層を横切って誘起される直流電圧を測定する工程、
（ｃ）前記直流電圧上の交流電圧を検出する工程、
（ｄ）前記直流電圧上で前記交流電圧が検出された箇所またはその近傍における前記直流電圧の値を出力する工程、からなる方法。
請求項１３の方法において、
前記直流電流の値を掃引する又はステップする工程をさらに含む、方法。
請求項１３の方法において、
前記誘電層の厚さが５０オングストローム以下である、方法。
請求項１３の方法において、
前記誘電層の露出面に接する第１接触子が水銀接触子および導電性プローブの何れか一つで構成される、方法。
請求項１３の方法において、
前記半導体材料に接する第２接触子が導電性の面で構成される、方法。
請求項１３の方法において、
前記直流電流は一定値の直流電流である、方法。