JP2013127386A - 材料欠陥検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】特定の大きさの欠陥を、大面積の走査範囲から検出するために、効率的に欠陥からの信号を検出することを可能にする材料欠陥検出方法を提供する。
【解決手段】一端が粗動電動ステージに固定された、微動ピエゾステージである圧電素子に、駆動電圧を与えることにより該圧電素子を変位させ、該圧電素子の他端に取り付けられた試料載置用のサンプル台を移動させるようにした、走査型プローブ顕微鏡を用いて材料欠陥を検出する材料欠陥検出方法において、サンプル台を、微動ピエゾステージと粗動電動ステージとで動かすとともに、微動ピエゾステージにより走査する間隔を、検出する必要の有る材料欠陥の大きさよりも小さい間隔とすることとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、微動ピエゾステージと粗動電動ステージとを組み合わせて、走査プローブ顕微鏡で材料欠陥を検出する方法に関する。

半導体デバイスなどで存在が許容される材料欠陥（たとえば絶縁不良部）の大きさは、電気配線や電極パッドの大きさにより異なる。したがって、プロセスを管理するためには、欠陥の大きさについて閾値を設定し、その閾値よりも大きい欠陥を有するデバイスを、不良対象として排除する必要が有る。

半導体デバイスの欠陥の検出方法の一つとして、走査プローブ顕微鏡が有効である。
走査プローブ顕微鏡は、試料の表面の微細な形状を測定するだけでなく、探針と試料との間の電気的・磁気的相互作用を検出することによって、試料表面と電気特性や磁気特性との関係を測定することも可能である。この走査プローブ顕微鏡を利用すれば、半導体の電気的不良（絶縁膜の絶縁不良など）の面積や数、位置などを測定することもできる。

探針は、たわみ検出用レーザなどの一連の複雑な検出機構との、位置関係を確保するため、一般的には固定されており、試料の搭載されているサンプル台のほうを移動させることによって走査する。サンプル台は、隙間なく資料の全面の情報を得る目的で、非常に細かいピッチで精度よく往復運動をさせる必要がある。そのため、この往復運動を、高精度で位置制御可能なピエゾ駆動により移動を行っている。

したがって、従来の走査プローブ顕微鏡は、走査範囲、すなわちステージの移動範囲が、位置精度を確保できるピエゾスキャナの可動範囲に限られており、大きくても数１０μｍ角の面積内での走査しかできなかった。実デバイスの電気的欠陥を検出する目的の場合でも、欠陥の大きさにかかわらず、対象となる位置全面を隙間無く走査する必要があった。更に、試料チップ全体を走査するためには、ピエゾ駆動による小面積走査を何回も繰り返すしか方法がなかった。このことは、走査に過剰な時間がかかるだけではなく、走査距離が長くなることによる、探針の劣化にもつながってくる。

特開２００７−３０９９１９号公報

この問題を鑑み、特許文献１においては、探針で試料表面を走査し、探針と試料表面との間に働く相互作用を検出する走査プローブ顕微鏡において、粗動ステージと微動ステージとを用いて、広範囲に試料を走査することが開示されている。しかし、この方法でも、試料表面の全域を走査しようとしているので、
その検出時間は膨大なものとなる。

そこで、本発明の目的は、特定の大きさの欠陥を、大面積の走査範囲から検出するために、効率的に欠陥からの信号を検出することを可能にする材料欠陥検出方法を提供することにある。

本発明によれば、上記の課題を解決するために、
一端が粗動電動ステージに固定された、微動ピエゾステージである圧電素子に、駆動電圧を与えることにより該圧電素子を変位させ、該圧電素子の他端に取り付けられた試料載置用のサンプル台を移動させるようにした、走査型プローブ顕微鏡を用いて材料欠陥を検出する材料欠陥検出方法において、
サンプル台を、微動ピエゾステージと粗動電動ステージとで動かすとともに、微動ピエゾステージにより走査する間隔を、検出する必要の有る材料欠陥の大きさよりも小さい間隔とすることとする。

ここで、微動ピエゾステージによる走査が、一定の間隔を有するドット状パターンで行われること、微動ピエゾステージによる走査が、一定の間隔を有するライン状パターンで行われること、微動ピエゾステージによる走査が、一定の間隔を有する格子状パターンで行われることが好ましい。

本発明によれば、走査プローブ顕微鏡を用いて、たとえば半導体デバイスの電気特性の測定を、測定対象面に対して、微動ピエゾステージを、決められたピッチで粗く間歇的に測定することにより、短時間で、ピッチに応じた特定の大きさの欠陥のみを、迅速に測定することができる。

本発明で使用する装置の概略図である。 微動ピエゾステージをドット状に走査したときの欠陥検出の説明図である。 微動ピエゾステージをライン状および格子状に走査したときの欠陥検出の説明図である。 欠陥の座標決定のフローの概念図である。

［実施例１］
実施例１として、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ半導体デバイスにおけるゲート酸化膜の欠陥検出例を示す。

実施例１のデバイスでは、チップ全体の大きさを３ｍｍ×３ｍｍ、チップ内に配置されたゲート電極の占める大きさを２０μｍ×２０μｍとし、φ２μｍ以上の絶縁異常箇所を不良と判定し、位置と個数とを抽出するものである。

図１に示すように、デバイス１は、走査プローブ顕微鏡中の微動用３軸ピエゾスキャナ２と接続した導電性サンプル台３に固定され、更にピエゾスキャナ（圧電素子）２は、粗動用ｘ−ｙ電動ステージ４に搭載されている。ピエゾスキャナ２の一端は、電動ステージ上に固定されており、圧電素子に電圧が印加されることで、上面がｘ、ｙ、ｚの３軸に対して精度よく移動することが可能になっている（移動範囲は３０μｍ×３０μｍ〜１００μｍ×１００μｍである。）。

電動ステージ４には、ステッピングモータが搭載されており、ｘ−ｙ平面を長距離で移動可能である（移動範囲は１０ｃｍ〜１５ｃｍ×１０ｃｍ〜１５ｃｍである。）。
マイクロ加工された導電性探針５は、移動機構を持たず、電動ステージ４とピエゾスキャナ２の移動によって、デバイスとの相対位置を変化させるものである。なお、探針は、たとえば、シリコンの細い針（先端径φ十数ｎｍ）に、ロジウムをコートしたものである。

探針５とデバイス１との間は、サンプル台３を介して電気的に接合されており、直流電源６および抵抗７、電流計８を中間に配置することによって、探針５とデバイス１との間に定電圧を印加した場合の電流が測定される。更に、電流を測定しながら電動ステージ４とピエゾスキャナ２の位置を移動させることによって、デバイス上の異なる点における電流値を測定することができる。

電動ステージ４の位置は、装置の基準位置を基準とした座標情報として、ソフトウェアで管理され、ピエゾスキャナ２もまた、電動ステージ４の基準位置に対する座標情報として管理される。この両者をソフトウェア上で結合することで、デバイス１の位置も装置基準位置に対する座標として数値化される。したがって、探針５とデバイス１との間を流れる電流値は、位置情報を伴ったものになり、欠陥の大きさや位置の特定をすることが可能になる。この、座標決定フローの概念図を図４に示す。

図４において、先ず、基準位置を決定する。すなわち、粗動ステージ可動範囲内の基準点（０，０）を決定する。次に計算機（パソコンなど）を用いた移動制御に移る。まず第１ステップとして、粗動電動ステージ４の可動範囲内の座標Ａ（Ｘ１，Ｙ１）へ移動する。次に第２ステップで、Ａを基準として微動ステージ２が可動範囲内の座標（Ｘ１’，Ｙ１’）に移動する。ここで統一座標（絶対座標）（Ｘ，Ｙ）は、（（Ｘ１+Ｘ１’），（Ｙ１+Ｙ１’）である。そして第３ステップで、再び粗動ステージ４を動かし、粗動ステージ４の可動範囲内の座標Ｂ（Ｘ２，Ｙ２）に移動する。最後に第４ステップで、更に微動ステージ２をＢを基準として可動範囲内の座標（Ｘ２’，Ｙ２’）に移動させる。このときの統一座標（絶対座標）（Ｘ，Ｙ）は（（Ｘ２+Ｘ２’），（Ｙ２+Ｙ２’））である。このデータを、ＰＣで統一座標に変換し、欠陥の検出状況を描画する。

なお、座標が数値化されることを利用して、移動情報を座標指定すれば、任意のパターンでの試料移動、すなわち走査が可能となる。特に、移動距離によって、ピエゾスキャナ２の微動と電動ステージ４の粗動を組み合わせることで、大面積の走査もカバーすることができる。

図２（ａ）に示すように、小さい欠陥９や大きい欠陥１０を有する酸化膜表面を、ドット状パターン１１で間歇的に（間隔をおいて）走査しつつ電気特性を測定した場合、異常が検出された隣接ドット数と欠陥の大きさとの間には相関がある。たとえば、１μｍピッチのドット状パターン１１で間歇的に走査した場合、検出点が１点のみの場合の欠陥の直径ｄは０＜ｄ＜２（μｍ）であり、検出点が４点の場合は、１．４＜ｄ＜３（μｍ）である（図２（ｂ）中の４点検出される場合の最大欠陥１２および４点検出される場合の最小欠陥１３参照。）。

このように、パターンのピッチと検出点の個数とから、欠陥の大きさが推定できる。
ここで、抽出対象とする欠陥の大きさをφ２μｍ以上とする場合、ドット状パターン１１での検出において、ドット状パターン１１の１点のみの範囲である欠陥は、検出対象とする欠陥の大きさよりも小さいものとして自動的にふるい落とされ、２点以上の欠陥の場合は、ドット状パターン１１間のピッチが１μｍなので、欠陥の大きさが２μｍであれば、ドット状パターン２つを必ず含む欠陥が、検出される候補として残る。ついで、測定ピッチを１．４μｍで走査すれば、４点検出される欠陥の大きさは２＜ｄ＜４．２（μｍ）となるため、候補の中から、さらにふるいわけをすることができる。
［実施例２］
サンプル、装置構成は実施例１と同じである。

本実施例では、微動ピエゾステージによる走査の仕方が実施例１とは異なる。すなわち、実施例１のドット状とは異なり、ライン状に走査する。
小さい欠陥９や大きい欠陥１０を有する酸化膜表面を、ライン状パターン１４で、図３（ａ）に示すように、間歇的に走査しつつ電気特性を測定した場合、欠陥上を横切るラインには、欠陥の大きさに対応して、連続的な電流の増大が観察される。もっとも長距離な電流増大が見られるラインが、欠陥の真の直径にもっとも近いものとなる。ふるい落としたい欠陥径（この場合２μｍ）の幅でライン走査をすれば、２μｍ以上の径を持つ欠陥を検出することができる。
［実施例３］
サンプル、装置構成は実施例１と同じである。

本実施例では、微動ピエゾステージによる走査の仕方が実施例１、２とは異なる。すなわち、図３（ｂ）に示すように、本実施例では、格子状に走査する。
小さい欠陥９や大きい欠陥１０、ならびに長いスクラッチ状の欠陥１５を有する酸化膜表面を、格子状パターン１６により間歇的に走査して電気特性を測定した場合、欠陥上を横切るラインには、欠陥の大きさに対応して、連続的な電流の増大が観察される。もっとも長距離な電流増大が見られるラインが欠陥の真の直径にもっとも近いものとなる。ふるい落としたい欠陥径（この場合２μｍ）の幅でライン走査をすれば、これ以上の径を有する欠陥を検出することが可能である。また隣接するラインで、連続的に点状に現れる電流増大部は、ラインとスクラッチとによるものと判定され、増大部の位置と点数とから、スクラッチの角度と長さとが推定される。ラインに平行なスクラッチの検出漏れは、本実施例では格子状の走査（９０°回転させた２回のライン走査）を行っているので、防止することができる。この点が本実施例の特徴である。

１ 半導体デバイス
２ 微動用ピエゾスキャナ（圧電素子）
３ 導電性サンプル台
４ 粗動用電動ステージ
５ 導電性探針
６ 直流電源
７ 抵抗
８ 電流計
９ 小さい欠陥
１０ 大きい欠陥
１１ ドット状走査パターン
１２ ４点検出される場合の最大欠陥
１３ ４点検出される場合の最小欠陥
１４ ライン状走査パターン
１５ スクラッチ状欠陥
１６ 格子状走査パターン

Claims (4)

1. 一端が粗動電動ステージに固定された、微動ピエゾステージである圧電素子に、駆動電圧を与えることにより該圧電素子を変位させ、該圧電素子の他端に取り付けられた試料載置用のサンプル台を移動させるようにした、走査型プローブ顕微鏡を用いて材料欠陥を検出する材料欠陥検出方法において、
   サンプル台を、微動ピエゾステージと粗動電動ステージとで動かすとともに、微動ピエゾステージにより走査する間隔を、検出する必要の有る材料欠陥の大きさよりも小さい間隔とすることを特徴とする材料欠陥検出方法。
2. 微動ピエゾステージによる走査が、一定の間隔を有するドット状パターンで行われることを特徴とする請求項１に記載の材料欠陥検出方法。
3. 微動ピエゾステージによる走査が、一定の間隔を有するライン状パターンで行われることを特徴とする請求項１に記載の材料欠陥検出方法。
4. 微動ピエゾステージによる走査が、一定の間隔を有する格子状パターンで行われることを特徴とする請求項１に記載の材料欠陥検出方法。