JP2015122408A - Evaluation method, evaluation device, and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To more easily measure defective level of a semiconductor or an insulating body than before, without processing a sample to an element structure.SOLUTION: In an evaluation method, firstly, a semiconductor or an insulating body on a surface of a sample 12 is irradiated with X ray 16 so that temporal change in energy distribution of a photoelectron 20 that is released from the semiconductor or the insulating body is detected. Then, in addition to the X ray 16, the surface of the sample 12 is irradiated with a single color light 24 of the energy smaller than a band gap of the semiconductor or the insulating body, and a temporal change in the energy distribution of the photoelectron that is caused by that is detected. Based on the detection result, an internal defect of the semiconductor or the insulating body is evaluated.

Description

この発明は、評価方法および評価装置に関し、たとえば絶縁膜を有する半導体装置の評価に好適に用いられるものである。さらに、この発明は半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to an evaluation method and an evaluation apparatus, and is suitably used for evaluation of a semiconductor device having an insulating film, for example. Furthermore, the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.

半導体材料は構造に敏感な材料であり、ごくわずかの不純物および欠陥がその物性を決める。このため、欠陥濃度、欠陥への捕獲の時定数、および欠陥のエネルギー準位などを評価することが重要であり、これまで様々な評価手法が開発されてきた。   Semiconductor materials are structurally sensitive materials, and very few impurities and defects determine their physical properties. For this reason, it is important to evaluate the defect concentration, the time constant of trapping in the defect, the energy level of the defect, and the like, and various evaluation methods have been developed so far.

たとえば、Si(シリコン)基板を用いたMOS(Metal Oxide Semiconductor)型半導体素子では、C−V(電気容量−電圧)法というMOS構造の容量と印加電圧との関係を測定する方法が広く用いられている(たとえば、特開2001−85484号公報(特許文献1)参照)。C−V法によって、MOS構造の界面トラップおよび酸化膜中の欠陥を評価できる。   For example, in a MOS (Metal Oxide Semiconductor) type semiconductor element using a Si (silicon) substrate, a method of measuring a relationship between a capacitance of a MOS structure and an applied voltage called a CV (electric capacity-voltage) method is widely used. (For example, refer to JP 2001-85484 A (Patent Document 1)). By the CV method, the interface trap of the MOS structure and the defect in the oxide film can be evaluated.

しかしながら、C−V法は、実際の素子を作るより簡単とはいっても電極を有する評価用の素子を形成する必要がある。さらに、酸化膜の膜厚が非常に薄くなると、トンネル電流が流れるため適用できなくなる。   However, although the CV method is simpler than making an actual element, it is necessary to form an evaluation element having electrodes. Furthermore, when the thickness of the oxide film becomes very thin, a tunnel current flows, so that it cannot be applied.

DLTS(Deep Level Transient Spectroscopy)は熱励起により容量の過渡過程を計測する手法であり、Si、GaAs(ガリウムヒ素)、InP(インジウムリン)等、様々な半導体中のトラップ解析に用いられる。しかしながら、この手法も、簡単な素子構造と電極とを形成する必要がある。   DLTS (Deep Level Transient Spectroscopy) is a technique for measuring a transient process of capacitance by thermal excitation, and is used for trap analysis in various semiconductors such as Si, GaAs (gallium arsenide), InP (indium phosphide). However, this method also needs to form a simple element structure and electrodes.

そこで、電極および素子構造を形成せず、様々な材料中のトラップを簡便に評価できる手法の一つとして、時間分解X線光電子分光法が提案されている。たとえば、特開平9−162253号公報(特許文献2)に記載された方法では、X線照射によって半導体基板内の絶縁膜中に電荷(電子および正孔)を発生させ、発生した電荷を電流あるいは試料の表面電位変化として測定する。発生した電荷は、絶縁膜中の欠陥があるとそこにトラップされるため、試料の電流およびは表面電位が変化する。この変化を検出することによって、欠陥の密度およびキャリア捕獲の時定数についての情報を得ることができる。   Therefore, time-resolved X-ray photoelectron spectroscopy has been proposed as one of the methods that can easily evaluate traps in various materials without forming electrodes and element structures. For example, in the method described in JP-A-9-162253 (Patent Document 2), charges (electrons and holes) are generated in an insulating film in a semiconductor substrate by X-ray irradiation, and the generated charges are converted into current or Measured as change in surface potential of sample. The generated electric charge is trapped in the presence of a defect in the insulating film, so that the current of the sample and the surface potential change. By detecting this change, information about the density of defects and the time constant of carrier capture can be obtained.

特開2001−85484号公報JP 2001-85484 A 特開平9−162253号公報JP-A-9-162253

しかしながら、従来の時間分解X線電子分光法では、欠陥のエネルギー準位についての情報を得ることができないという問題がある。   However, conventional time-resolved X-ray electron spectroscopy has a problem that information about the energy level of defects cannot be obtained.

一方、上記の特開2001−85484号公報(特許文献1)は、深いトラップ準位を評価するために、欠陥にトラップされたキャリアを光照射によって励起しながらC−V測定を行う方法を開示している。しかしながら、全てのトラップ準位を評価するためには、照射光の波長を変えながら繰り返しC−V測定を行う必要があり、評価に時間がかかるという問題がある。   On the other hand, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-85484 (Patent Document 1) discloses a method of performing CV measurement while exciting carriers trapped in a defect by light irradiation in order to evaluate a deep trap level. doing. However, in order to evaluate all the trap levels, it is necessary to repeatedly perform CV measurement while changing the wavelength of irradiation light, and there is a problem that it takes time for the evaluation.

この発明は上記の問題点を考慮してなされたものであり、その主たる目的は、試料を素子構造に加工することなく、半導体または絶縁体の欠陥準位を従来よりも容易に測定することができる評価方法および評価装置を提供することである。   The present invention has been made in consideration of the above-mentioned problems, and its main purpose is to measure the defect level of a semiconductor or an insulator more easily than before without processing the sample into an element structure. It is to provide an evaluation method and an evaluation apparatus that can be used.

一実施の形態による評価方法は、第1および第2の検出ステップと、評価ステップとを備える。第1の検出ステップでは、試料表面の半導体または絶縁体にX線を照射することによって半導体または絶縁体から放出される光電子のエネルギー分布の時間的変化が検出される。第2の検出ステップでは、X線に加えて半導体または絶縁体のバンドギャップよりも小さいエネルギーの単色光を試料表面に照射することによって生じる光電子のエネルギー分布の時間的変化が検出される。評価ステップでは、第1および第2の検出ステップの検出結果に基づいて、半導体または絶縁体の内部の欠陥が評価される。   An evaluation method according to an embodiment includes first and second detection steps and an evaluation step. In the first detection step, the temporal change in the energy distribution of photoelectrons emitted from the semiconductor or insulator is detected by irradiating the semiconductor or insulator on the sample surface with X-rays. In the second detection step, a temporal change in the energy distribution of photoelectrons generated by irradiating the sample surface with monochromatic light having an energy smaller than the band gap of the semiconductor or insulator in addition to X-rays is detected. In the evaluation step, defects inside the semiconductor or the insulator are evaluated based on the detection results of the first and second detection steps.

上記の実施の形態によれば、試料を素子構造に加工することなく、半導体または絶縁体の欠陥準位を従来よりも容易に測定することができる。   According to the above embodiment, the defect level of the semiconductor or the insulator can be measured more easily than before without processing the sample into an element structure.

実施の形態1による評価装置の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the evaluation apparatus by Embodiment 1. FIG. X線光電子分光法による測定結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the measurement result by a X ray photoelectron spectroscopy. ΔESiのX線照射時間依存性を示す図である。Is a diagram showing an X-ray irradiation time dependency of Delta] E Si. 式(2)〜(8)の導出について説明するための図である(斜視図)。It is a figure for demonstrating derivation | leading-out of Formula (2)-(8) (perspective view). 式(2)〜(8)の導出について説明するための図である(側面図)。It is a figure for demonstrating derivation | leading-out of Formula (2)-(8) (side view). 実施の形態1による評価方法の手順を示すフローチャートである。3 is a flowchart illustrating a procedure of an evaluation method according to Embodiment 1. 具体例のSiO2膜のバンド構造を模式的に示す図である。The band structure of the SiO 2 film of the example is a diagram schematically illustrating. 図7のSiO2膜において観測されるΔESiのX線照射時間依存性を模式的に示す図である。The X-ray irradiation time dependency of Delta] E Si to be observed in the SiO 2 film 7 is a view schematically showing. 光照射の際のΔESiの変化を示す図である。Is a graph showing changes in Delta] E Si in photoirradiation. 実施の形態1による評価方法の適用例として、半導体装置の製造方法を説明する図である。FIG. 10 is a diagram for explaining a method for manufacturing a semiconductor device as an application example of the evaluation method according to the first embodiment;

以下、各実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。以下の図面では、図解を容易にするために各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。さらに、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない場合がある。   Hereinafter, each embodiment will be described in detail with reference to the drawings. In the following drawings, the scale of each member may be different from the actual scale for easy illustration. Furthermore, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof may not be repeated.

<実施の形態1>
[評価装置の構成]
図1は、実施の形態1による評価装置の構成を模式的に示す図である。図1を参照して、評価装置1は、真空チャンバー10、試料台14、X線源18、電子分光器22、制御部28、および波長可変光源26を含む。
<Embodiment 1>
[Configuration of evaluation device]
FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of the evaluation apparatus according to the first embodiment. With reference to FIG. 1, the evaluation apparatus 1 includes a vacuum chamber 10, a sample stage 14, an X-ray source 18, an electron spectrometer 22, a control unit 28, and a variable wavelength light source 26.

真空チャンバー10内はバルブ30を介して真空ポンプ32によって減圧されることによって超高真空に保たれている。これによって、試料12より放出された光電子は電子分光器22までの飛行が可能になる。真空チャンバー10内に設けられた試料台14は、試料12を測定位置に保持する。   The inside of the vacuum chamber 10 is kept at an ultrahigh vacuum by being depressurized by a vacuum pump 32 through a valve 30. As a result, the photoelectrons emitted from the sample 12 can fly to the electron spectrometer 22. A sample stage 14 provided in the vacuum chamber 10 holds the sample 12 at the measurement position.

X線源18は単色化されたX線16を発生させ、発生したX線16を試料12に照射する。これによって、試料12中にキャリア(電子および正孔)が発生し、同時に試料12から光電子20が放出する。電子分光器22は試料12から放出された光電子を取り込み、エネルギー的に分光する。   The X-ray source 18 generates monochromatic X-rays 16 and irradiates the sample 12 with the generated X-rays 16. As a result, carriers (electrons and holes) are generated in the sample 12, and photoelectrons 20 are emitted from the sample 12 at the same time. The electron spectrometer 22 takes in photoelectrons emitted from the sample 12 and diverges them energetically.

波長可変光源26は、試料表面に形成されている測定対象の絶縁膜が有するバンドギャップより小さい特定のエネルギーを持つ照射光24(すなわち、単一波長の光)を、制御部28の指令に基づく所定のタイミングで試料12に照射する。これによって、絶縁膜中の欠陥に捕獲されたキャリアの一部を再励起し、この結果、試料12の帯電を緩和する。なお、波長可変光源26として、誘導蛍光に基づくレーザ光源、もしくは非線形光学効果に基づくコヒーレント光源などを用いることができる。   The wavelength tunable light source 26 uses irradiation light 24 (that is, light having a single wavelength) having specific energy smaller than the band gap of the measurement target insulating film formed on the sample surface based on a command from the control unit 28. The sample 12 is irradiated at a predetermined timing. As a result, a part of the carriers trapped by the defects in the insulating film is re-excited, and as a result, charging of the sample 12 is relaxed. As the wavelength variable light source 26, a laser light source based on induced fluorescence, a coherent light source based on a nonlinear optical effect, or the like can be used.

制御部28は、プロセッサ、メモリ、入出力インターフェース、および表示装置等を有するコンピュータをベースに構成される。制御部28は、電子分光器22によって検出された光電子のエネルギーと数との関係を示すデータ(すなわち、光電子のエネルギー分布データ)を取得し、取得したデータの処理を行なうとともに表示装置に表示する。制御部28は、さらに、X線源18および波長可変光源26の動作を制御する。   The control unit 28 is configured based on a computer having a processor, a memory, an input / output interface, a display device, and the like. The control unit 28 acquires data indicating the relationship between the photoelectron energy and the number detected by the electron spectrometer 22 (that is, photoelectron energy distribution data), processes the acquired data, and displays the data on the display device. . The control unit 28 further controls the operations of the X-ray source 18 and the wavelength variable light source 26.

[時間分解X線光電子分光について]
試料にX線を照射しこれによって発生する光電子スペクトル(すなわち、光電子のエネルギー分布)を評価するX線光電子分光法は、様々な材料の表面の組成分析および化学結合状態の分析法として広く用いられている。材料が半導体または絶縁体の場合、光電子の放出により試料に帯電現象を生じることも良く知られている。この帯電現象は光電子スペクトルのピークを与えるエネルギー値を変化させる。
[About time-resolved X-ray photoelectron spectroscopy]
X-ray photoelectron spectroscopy, which evaluates the photoelectron spectrum generated by irradiating a sample with X-rays (ie, photoelectron energy distribution), is widely used as a method for analyzing the composition and chemical bonding state of the surface of various materials. ing. In the case where the material is a semiconductor or an insulator, it is also well known that a charging phenomenon occurs in a sample due to emission of photoelectrons. This charging phenomenon changes the energy value giving the peak of the photoelectron spectrum.

帯電現象は欠陥へのキャリアの捕獲の結果であり、帯電過程は膜中欠陥の密度およびキャリア捕獲の時定数を反映する。したがって、X線連続照射時の光電子スペクトル変化の時間依存性を検出することによって、試料中の欠陥を評価できる。この手法が時間分解X線光電子分光法である。なお、金属はバンドギャップを有さず、帯電現象を生じないため、本手法の対象外である。時間分解X線光電子分光法は、前述のC−V法を用いた方法と比べて、評価のための素子構造を形成する必要がなく、電極形成も不要であるという利点を有している。   The charging phenomenon is the result of trapping carriers in the defects, and the charging process reflects the density of defects in the film and the time constant of carrier trapping. Therefore, the defect in the sample can be evaluated by detecting the time dependence of the photoelectron spectrum change during continuous X-ray irradiation. This technique is time-resolved X-ray photoelectron spectroscopy. In addition, since a metal does not have a band gap and does not produce a charging phenomenon, it is out of the scope of this method. The time-resolved X-ray photoelectron spectroscopy has the advantage that it is not necessary to form an element structure for evaluation and electrode formation is not necessary as compared with the method using the CV method described above.

以下、Si基板上に熱酸化法にて成膜したSiO2膜に対して時間分解X線光電子分光法を適用した場合を例に挙げて、時間分解X線光電子分光法の測定原理について説明する。 Hereinafter, the measurement principle of time-resolved X-ray photoelectron spectroscopy will be described by taking as an example the case where time-resolved X-ray photoelectron spectroscopy is applied to a SiO 2 film formed on a Si substrate by thermal oxidation. .

図2は、X線光電子分光法による測定結果の一例を示す図である。図2の横軸は光電子の運動エネルギーから計算した試料中における電子の結合エネルギーであり、縦軸は各結合エネルギーに対応する光電子の強度を任意単位(a.u.)で示している。図2では、Siの2p電子に対応するピークとその近傍のSiO2に対応するピークとが示されている。 FIG. 2 is a diagram showing an example of a measurement result by X-ray photoelectron spectroscopy. The horizontal axis in FIG. 2 represents the binding energy of electrons in the sample calculated from the kinetic energy of photoelectrons, and the vertical axis represents the intensity of photoelectrons corresponding to each binding energy in arbitrary units (au). In Figure 2, a peak corresponding to the SiO 2 in the vicinity and the peak corresponding to the 2p electrons of Si is shown.

SiO2膜は9eVのバンドギャップを有し、バンドギャップ中にはキャリアを捕獲する欠陥準位が存在する。このため、X線をSiO2膜に連続的に照射すると、励起されたキャリアの一部が欠陥準位に捕獲され試料に蓄積する。そして、その電荷により試料が帯電し、試料の電位が変化する。 The SiO 2 film has a band gap of 9 eV, and a defect level for capturing carriers exists in the band gap. For this reason, when X-rays are continuously irradiated onto the SiO 2 film, some of the excited carriers are captured at the defect level and accumulated in the sample. The sample is charged by the charge, and the potential of the sample changes.

試料の電位の変化に伴って、図2の曲線40に示すように、SiO2ピークのエネルギーが変化する。SiピークとSiO2ピークのエネルギー差を以下、ΔESiと称する。 As the potential of the sample changes, the energy of the SiO 2 peak changes as shown by the curve 40 in FIG. The energy difference between the Si peak and the SiO 2 peak is hereinafter referred to as ΔE Si .

図3は、ΔESiのX線照射時間依存性を示す図である。図3の曲線44(以下、特性曲線とも称する)に示すように、X照射時間(単位は時間(hr:hour))の経過に伴って、ΔESiの値、すなわち、SiO2ピークのシフト量は徐々に飽和する。この特性曲線44は、以下に示すように、1または複数の指数関数で分離することができる。分離される指数関数の個数が欠陥準位の種類に対応し、分離後の各指数関数の変化量は各欠陥準位の密度を反映し、各指数関数の時定数が各欠陥準位へのキャリアの捕獲の時定数を反映している。 FIG. 3 is a diagram showing the dependency of ΔE Si on the X-ray irradiation time. As shown by a curve 44 in FIG. 3 (hereinafter also referred to as a characteristic curve), the value of ΔE Si , that is, the shift amount of the SiO 2 peak with the lapse of X irradiation time (unit: time (hr: hour)). Gradually saturates. The characteristic curve 44 can be separated by one or a plurality of exponential functions as will be described below. The number of exponential functions to be separated corresponds to the type of defect level, and the amount of change in each exponential function after separation reflects the density of each defect level, and the time constant of each exponential function corresponds to each defect level. Reflects the time constant of carrier capture.

次に、ΔESiの変化量と欠陥準位の密度の関係について詳細に述べる。簡単のため、欠陥準位を1種類のみ有するSiO2膜の場合を考える。前述の通り、ΔESiは指数関数的に変化するので、X線照射開始後、時間tが経過した時点のΔESi(t)を数式にて記述すると、 Next, the relationship between the amount of change in ΔE Si and the density of defect levels will be described in detail. For simplicity, consider the case of a SiO 2 film having only one type of defect level. As described above, since Delta] E Si varies exponentially, after the start of X-ray irradiation, a Delta] E Si (t) at the time of t has elapsed when writing in formula,

Figure 2015122408
Figure 2015122408

となる。ここで、ΔESi(0)はX線照射開始前のΔESi、Kは全ての欠陥準位がキャリアを捕獲した際のSiO2膜の電位、tはX線照射時間、τは捕獲の時定数である。 It becomes. Here, ΔE Si (0) is ΔE Si before the start of X-ray irradiation, K is the potential of the SiO 2 film when all defect levels capture carriers, t is the X-ray irradiation time, and τ is the time of trapping. It is a constant.

上式(1)中のKを試料の欠陥準位の密度Dを用いて表す。Kは被捕獲キャリアが形成する電場Eの積分値であり、電場Eはガウスの法則を用いることで、Dを含む位置rの関数として表すことができる。以下にその導出を示す。   K in the above formula (1) is expressed using the defect level density D of the sample. K is an integral value of the electric field E formed by the trapped carriers, and the electric field E can be expressed as a function of the position r including D by using Gauss's law. The derivation is shown below.

図4、図5は、式(2)〜(8)の導出について説明するための図である。一般に、評価対象とする絶縁膜50の厚さは、膜の辺長と比べ十分に薄いので、被捕獲キャリアが形成する電場は、無限平板が作る電場と等しいとみなすことができる。そこで、図3に示すような円筒状微小体積V(参照符号52)を考え、ガウスの法則を適用すると、以下の等式が得られる。   4 and 5 are diagrams for explaining the derivation of the equations (2) to (8). In general, since the thickness of the insulating film 50 to be evaluated is sufficiently thinner than the side length of the film, the electric field formed by the trapped carriers can be regarded as being equal to the electric field created by the infinite flat plate. Therefore, when a cylindrical minute volume V (reference numeral 52) as shown in FIG. 3 is considered and Gauss's law is applied, the following equation is obtained.

Figure 2015122408
Figure 2015122408

上式(2)において、E(r)は位置rにおける電場、nは単位ベクトル、Sは円筒状微小体積Vの上面及び底面の面積、ε0は真空の誘電率、εrはSiO2の比誘電率、QはVに含まれる電荷量である。全電荷量は各電荷Qiの和として与えられる。 In the above equation (2), E (r) is the electric field at the position r, n is the unit vector, S is the area of the top and bottom surfaces of the cylindrical microvolume V, ε 0 is the vacuum dielectric constant, and ε r is SiO 2 . The relative dielectric constant, Q, is the amount of charge contained in V. The total charge amount is given as the sum of each charge Q i .

式(2)の左辺は、以下のように計算される。   The left side of Equation (2) is calculated as follows.

Figure 2015122408
Figure 2015122408

また、式(2)の右辺は、 Also, the right side of equation (2) is

Figure 2015122408
Figure 2015122408

と計算される。ここで、eは電気素量、pは欠陥準位の極性(正孔トラップなら+1、電子トラップなら−1)である。 Is calculated. Here, e is the elementary charge, and p is the polarity of the defect level (+1 for hole trap, -1 for electron trap).

したがって、式(2)より、   Therefore, from equation (2):

Figure 2015122408
Figure 2015122408

が得られる。このE(r)をr=0〜tfの範囲で積分することでKを求めると、 Is obtained. When obtaining the K by the E (r) is integrated in a range of r = 0 to t f,

Figure 2015122408
Figure 2015122408

となる。ここで、tfはSiO2膜厚である。
したがって、式(1)は、
It becomes. Here, t f is the SiO 2 film thickness.
Therefore, equation (1) is

Figure 2015122408
Figure 2015122408

となり、この式を用いることで、ΔESiのX線照射時間依存性からDが算出可能である。なお、式(7)は、欠陥準位がi種類存在する場合、下記となる。 Thus, by using this equation, D can be calculated from the dependence of ΔE Si on the X-ray irradiation time. Formula (7) is as follows when i types of defect levels exist.

Figure 2015122408
Figure 2015122408

[評価方法の概要]
次に、実施の形態1による評価方法の概要について説明する。以下の評価方法は、図1の制御部28の制御の下に実行される。
[Summary of evaluation method]
Next, an overview of the evaluation method according to the first embodiment will be described. The following evaluation method is executed under the control of the control unit 28 in FIG.

図6は、実施の形態1による評価方法の手順を示すフローチャートである。図1、図6を参照して、まず、制御部28は、X線源18によって試料12へのX線16の連続照射を開始する(S100)。制御部28は、電子分光器22によって一定時間毎に光電子スペクトル(光電子のエネルギー分布)を取得し、その時々のΔESiを求める(S105)。求めたΔESiは、表示装置にX線照射時間に対してプロットされる。 FIG. 6 is a flowchart showing the procedure of the evaluation method according to the first embodiment. With reference to FIGS. 1 and 6, first, the control unit 28 starts continuous irradiation of the X-ray 16 on the sample 12 by the X-ray source 18 (S <b> 100). The control unit 28 acquires a photoelectron spectrum (photoelectron energy distribution) at regular intervals by the electron spectrometer 22 and obtains ΔE Si at that time (S105). The obtained ΔE Si is plotted against the X-ray irradiation time on the display device.

制御部28は、ΔESiとX線照射時間との関係を表わす曲線(特性曲線とも称する)を、前述の式(8)にフィッティングすることによって、1つ以上の指数関数に分離する(S110)。さらに、制御部28は、分離後の指数関数の変化量及び時定数から各欠陥準位の密度及び捕獲時定数を定量する(S115)。ただし、この時点では、各欠陥のエネルギー準位は不明である。 The control unit 28 separates the curve representing the relationship between ΔE Si and the X-ray irradiation time (also referred to as a characteristic curve) into one or more exponential functions by fitting the equation (8) (S110). . Further, the control unit 28 quantifies the density of each defect level and the capture time constant from the amount of change and the time constant of the exponential function after separation (S115). However, at this time, the energy level of each defect is unknown.

制御部28は、ΔESiの変化を追いつつX線電子分光測定を継続し、1分当たりのΔESiの変化率が0.05%以下となったか否かを判定する。1分当たりのΔESiの変化率が0.05%以下となってから1時間経過後(S120でYES)、制御部28は、波長可変光源26によって、X線とは別の特定のエネルギーを有する光を照射する(S125)。なお、X線の照射は上記の単色光の照射後も継続している。 Control unit 28 continues the X-ray photoelectron spectroscopy while follow the change in Delta] E Si, determines whether the rate of change of Delta] E Si per minute becomes 0.05% or less. After 1 hour has elapsed since the rate of change of ΔE Si per minute is 0.05% or less (YES in S120), the control unit 28 uses the variable wavelength light source 26 to supply specific energy different from X-rays. The light which has is irradiated (S125). Note that X-ray irradiation continues even after the above-described irradiation with monochromatic light.

制御部28は、電子分光器22によって再度一定時間毎にその時々のΔESiを求める(S130)。制御部28は、ステップS110のフィッティングにより得られた指数関数のうち、光照射によりその影響が消失するものを特定する(S135)。そして、制御部28は、消失した指数関数に対応する欠陥のエネルギー準位が、価電子帯または伝導帯のバンド端を基準として照射光のエネルギー以内にあると判断する(S135)。 The control unit 28 obtains ΔE Si at that time every predetermined time again by the electron spectrometer 22 (S130). The control unit 28 specifies an exponential function obtained by fitting in step S110 that has its influence disappeared by light irradiation (S135). Then, the control unit 28 determines that the energy level of the defect corresponding to the lost exponential function is within the energy of the irradiation light with reference to the band edge of the valence band or the conduction band (S135).

その後、制御部28は、ステップS125〜S140の工程を照射光のエネルギーを段階的に変化させながら繰り返し(ステップS140でYES)、バンドギャップ内のすべての欠陥準位の密度、捕獲時定数、エネルギー準位範囲を求める。   Thereafter, the control unit 28 repeats the steps S125 to S140 while changing the energy of the irradiation light stepwise (YES in step S140), and the density, capture time constant, and energy of all defect levels in the band gap. Find the level range.

[評価方法の具体例]
次に、実施の形態1による評価方法を、Si基板上に熱酸化法によって成膜した厚さ5nmのSiO2膜に対して適用した場合を例に挙げて具体的に説明する。
[Specific examples of evaluation methods]
Next, the case where the evaluation method according to the first embodiment is applied to an SiO 2 film having a thickness of 5 nm formed on a Si substrate by a thermal oxidation method will be specifically described as an example.

図7は、具体例のSiO2膜のバンド構造を模式的に示す図である。図7を参照して、SiO2膜は、9eVのバンドギャップ58を有し、バンドギャップ中に合計3種類の欠陥準位を有するものとする。具体的に、価電子帯54の頂から高エネルギー側に3〜2eVの範囲および2〜1eVの範囲にそれぞれ正孔トラップとして振舞う欠陥1および2が1種類ずつあるものとする。欠陥1は酸素欠損によるものであり、欠陥2は非架橋酸素によるものである。さらに、伝導帯56の底から低エネルギー側に0〜1eVの範囲に電子トラップとして振舞う欠陥3が1種類あるものとする。 FIG. 7 is a diagram schematically showing the band structure of a specific example SiO 2 film. Referring to FIG. 7, the SiO 2 film has a band gap 58 of 9 eV, and has a total of three types of defect levels in the band gap. Specifically, it is assumed that there are one type of defects 1 and 2 each acting as a hole trap in the range of 3 to 2 eV and the range of 2 to 1 eV from the top of the valence band 54 to the high energy side. Defect 1 is due to oxygen deficiency, and defect 2 is due to non-bridging oxygen. Furthermore, it is assumed that there is one type of defect 3 that acts as an electron trap in the range of 0 to 1 eV from the bottom of the conduction band 56 to the low energy side.

このようなSiO2膜に対し、X線を連続的に照射すると、膜中にキャリアが生成する。生成したキャリアは、膜内を拡散し、やがて欠陥1、欠陥2、欠陥3に捕獲されていく。その結果、試料は帯電し、得られる光電子ピークのエネルギー値を変化させる。 When such an SiO 2 film is continuously irradiated with X-rays, carriers are generated in the film. The generated carriers diffuse in the film and are eventually captured by the defect 1, the defect 2, and the defect 3. As a result, the sample is charged, and the energy value of the obtained photoelectron peak is changed.

図8は、図7のSiO2膜において観測されるΔESiのX線照射時間依存性を模式的に示す図である。ΔESiのX線照射時間依存性を表わす特性曲線60は図6中において実線で示されている。 FIG. 8 is a diagram schematically showing the dependence of ΔE Si on the X-ray irradiation time observed in the SiO 2 film of FIG. A characteristic curve 60 representing the dependency of ΔE Si on the X-ray irradiation time is shown by a solid line in FIG.

図8に示す通り、試料中に数種の欠陥準位がある場合、ΔESiのX線照射時間依存性(特性曲線60)は、各欠陥準位に捕獲されたキャリアが及ぼす変化の総和となる。このような曲線に対し、前述の式(8)を用いて1つ以上の指数関数に分離し、それぞれの変化量、時定数を求めることで、各欠陥準位の密度Dと捕獲の時定数τとを得ることができる。 As shown in FIG. 8, when there are several kinds of defect levels in the sample, the dependence of ΔE Si on the X-ray irradiation time (characteristic curve 60) is the sum of changes caused by carriers trapped in each defect level. Become. Such a curve is separated into one or more exponential functions using the above-described equation (8), and the amount of change and time constant of each are obtained, whereby the density D of each defect level and the time constant of trapping are obtained. τ can be obtained.

図8の特性曲線60の分離の結果を、図8中に指数関数曲線62,63,66として示す。分離により各欠陥の密度D1,D2,D3および捕獲の時定数τ1、τ2、τ3が以下のように得られる。なお、曲線62,64,66は欠陥1,2,3にそれぞれ対応するものであるが、この段階ではエネルギー準位は不明であり、欠陥1,2,3との対応関係も不明である。   The result of separation of the characteristic curve 60 of FIG. 8 is shown as exponential function curves 62, 63, 66 in FIG. The density D1, D2, D3 of each defect and the capture time constants τ1, τ2, τ3 are obtained as follows by the separation. The curves 62, 64, and 66 correspond to the defects 1, 2, and 3, respectively, but the energy level is unknown at this stage, and the correspondence with the defects 1, 2, and 3 is also unknown.

曲線62:D1=1.25×1020[/cm3]、τ1=0.5[時間]
曲線64:D2=5.22×1019[/cm3]、τ2=1[時間]
曲線66:D3=2.09×1020[/cm3]、τ3=2[時間]
次に、上述の欠陥準位の密度Dと捕獲の時定数τに加え、各欠陥のエネルギー準位範囲を得る方法について述べる。ΔESiは先述の通り、X線照射時間の長期化に伴い指数関数的に減衰していくが、変化がなくなった後でも、実際には欠陥準位によるキャリアの捕獲と熱励起及びX線励起による脱出が起きており、両者が平衡状態になっている。そこで、ΔESiの1分当たりの変化率が0.05%以下である状態が1時間継続した時点(図8の例では5時間経過時)を、帯電現象の平衡状態する。そして、この状態から、X線とは別の光(ここでは1eVのエネルギーを有する光)を波長可変光源26から試料12にX線と同時に連続的に照射する。この結果、1eVで励起可能な、価電子帯または伝導帯のバンド端より1eV以内のエネルギー範囲に存在する被捕獲キャリアは、欠陥準位から脱出する。これによって、試料の帯電が緩和されΔESiの挙動に変化が生じる。
Curve 62: D1 = 1.25 × 10 20 [/ cm 3 ], τ1 = 0.5 [time]
Curve 64: D2 = 5.22 × 10 19 [/ cm 3 ], τ2 = 1 [time]
Curve 66: D3 = 2.09 × 10 20 [/ cm 3 ], τ3 = 2 [time]
Next, a method for obtaining the energy level range of each defect in addition to the above-described defect level density D and trapping time constant τ will be described. As described above, ΔE Si decays exponentially as the X-ray irradiation time becomes longer. However, even after the change has disappeared, carrier trapping, thermal excitation, and X-ray excitation are actually caused by defect levels. Escape has occurred and both are in equilibrium. Therefore, when the state in which the change rate per minute of ΔE Si is 0.05% or less continues for 1 hour (in the example of FIG. 8, when 5 hours have elapsed), the charging phenomenon is balanced. From this state, light different from X-rays (here, light having energy of 1 eV) is continuously irradiated from the wavelength variable light source 26 onto the sample 12 simultaneously with the X-rays. As a result, trapped carriers that can be excited at 1 eV and exist in an energy range within 1 eV from the band edge of the valence band or the conduction band escape from the defect level. As a result, the charging of the sample is relaxed, and the behavior of ΔE Si changes.

図9は、光照射の際のΔESiの変化を示す図である。図9を参照して、X線の照射開始から5時間経過後に(図9の時刻t1)、1eVのエネルギーを有する光を照射することによって、曲線66に変化が見られる。すなわち、曲線66に対応する欠陥からキャリア(この場合は電子)が放出されたことがわかる。これによって、曲線66に対応する欠陥は、バンド端より1eV以内の範囲にエネルギー準位を持つ欠陥3であることが分かる。 FIG. 9 is a diagram showing a change in ΔE Si upon light irradiation. Referring to FIG. 9, a change is seen in curve 66 by irradiating with light having an energy of 1 eV after 5 hours from the start of X-ray irradiation (time t1 in FIG. 9). That is, it can be seen that carriers (in this case, electrons) are emitted from the defect corresponding to the curve 66. Accordingly, it can be seen that the defect corresponding to the curve 66 is the defect 3 having an energy level in a range within 1 eV from the band edge.

その後更に、X線及び1eVのエネルギーを有する光の照射下におけるΔESiの1分当たりの変化率が、0.05%以下である状態が1時間継続した時点(図9の時刻t2)で、1eVのエネルギーを有する光の照射を停止し、新たに2eVのエネルギーを有する光の照射を開始する。これによって、曲線64に変化が見られる。すなわち、曲線64に対応する欠陥からキャリア(この場合は正孔)が放出される。したがって、曲線66に対応する欠陥は、バンド端より1〜2eVの範囲にエネルギー準位を持つ欠陥2であることが分かる。 Thereafter, when the rate of change per minute of ΔE Si under irradiation of light having energy of X-rays and 1 eV continues for 1 hour (time t2 in FIG. 9), Irradiation of light having an energy of 1 eV is stopped, and irradiation of light having an energy of 2 eV is newly started. As a result, a change is seen in the curve 64. That is, carriers (in this case, holes) are emitted from the defect corresponding to the curve 64. Therefore, it can be seen that the defect corresponding to the curve 66 is the defect 2 having an energy level in the range of 1 to 2 eV from the band edge.

同様にして、都度帯電現象が平衡状態になったタイミングで、3eV及び4eVのエネルギーを有する光を順に試料に照射し、バンド端から2〜3eV、3〜4eV、4〜4.5eV(バンドギャップの1/2まで)の各範囲に存在する欠陥準位について定量を行う。これによって、SiO2膜中の各種欠陥準位の密度、捕獲の時定数、エネルギー準位を明らかにすることができる。 Similarly, each time the charging phenomenon reaches an equilibrium state, the sample is irradiated with light having energy of 3 eV and 4 eV in order, and 2 to 3 eV, 3 to 4 eV, and 4 to 4.5 eV (band gap) from the band edge. Quantification is performed for defect levels existing in each range (up to 1/2 of the above). As a result, the density of various defect levels in the SiO 2 film, the capture time constant, and the energy level can be clarified.

なお、上記では、光照射の開始後もその都度、帯電現象が平衡状態になるタイミングを待ったが、必ずしもその必要はない。分離後の曲線の変化が判別できれば、照射する光のエネルギーを次の値に変更しても構わない。   In the above description, the timing of the charging phenomenon reaching an equilibrium state is waited each time after the start of light irradiation, but this is not always necessary. If the change in the curve after separation can be determined, the energy of the irradiated light may be changed to the following value.

[実施の形態1の効果]
上記のとおり、実施の形態1による評価方法では、最初にX線のみを試料に照射したときに試料表面の半導体または絶縁体の膜中から放出される光電子のエネルギー分布、特にピークを与えるエネルギー値のシフト量(すなわち、ΔESi)を検出する。このピークのシフトは、X線の照射によって生じたキャリアが膜中の欠陥にトラップされることによって生じる。ピークのエネルギー値のシフト量とX線照射時間との対応関係を表わす曲線は、1または複数の指数関数曲線に分離される。これによって、膜中の欠陥の種類、欠陥の密度、および欠陥へのキャリアの捕獲の時定数を決定することができる。
[Effect of Embodiment 1]
As described above, in the evaluation method according to the first embodiment, when the sample is first irradiated with only X-rays, the energy distribution of the photoelectrons emitted from the semiconductor or insulator film on the sample surface, particularly the energy value that gives a peak. Shift amount (that is, ΔE Si ) is detected. This peak shift occurs when carriers generated by X-ray irradiation are trapped by defects in the film. A curve representing the correspondence relationship between the shift amount of the peak energy value and the X-ray irradiation time is separated into one or a plurality of exponential function curves. As a result, the type of defects in the film, the density of defects, and the time constant for trapping carriers in the defects can be determined.

次に、X線と共に、評価対象の半導体または絶縁体のバンドギャップよりも小さいエネルギーを有する単色光を照射する。単色光のエネルギーは段階的に増加される。この単色光の照射によって単色光のエネルギーに対応する一部の欠陥にトラップされたキャリアが放出される。この結果、単色光のエネルギーに応じて上記の指数関数曲線のうちの一部が変化する。この変化した指数関数曲線を判別することによって、各欠陥のエネルギー準位を特定することができる。   Next, monochromatic light having an energy smaller than the band gap of the semiconductor or insulator to be evaluated is irradiated together with the X-ray. The energy of monochromatic light is increased in steps. By this monochromatic light irradiation, carriers trapped in some defects corresponding to the monochromatic light energy are emitted. As a result, a part of the exponential function curve changes according to the energy of monochromatic light. By discriminating the changed exponential curve, the energy level of each defect can be specified.

以上により、従来のC−V法を用いた方法に比べて、試料を素子構造に加工することなく、半導体または絶縁体の欠陥準位を1回の測定で容易に評価することができる。   As described above, the defect level of the semiconductor or the insulator can be easily evaluated by one measurement without processing the sample into an element structure as compared with the method using the conventional CV method.

<実施の形態2>
実施の形態2では、実施の形態1による評価方法の適用例として半導体装置の製造方法について説明する。半導体装置として、MOSFET(MOS Field Effect Transistor)またはTFT(Thin Film Transistor)等、構造内に絶縁膜を持つ半導体装置全般に適用することができる。絶縁膜として、熱酸化法、水蒸気酸化法、またはCVD(Chemical Vapor Deposition)法等で製膜されたSiO2膜が好適な適用例である。
<Embodiment 2>
In the second embodiment, a method for manufacturing a semiconductor device will be described as an application example of the evaluation method according to the first embodiment. The semiconductor device can be applied to all semiconductor devices having an insulating film in the structure, such as MOSFET (MOS Field Effect Transistor) or TFT (Thin Film Transistor). As an insulating film, a SiO 2 film formed by a thermal oxidation method, a steam oxidation method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, or the like is a suitable application example.

SiO2膜内には数種の欠陥が含まれるが、実施の形態1による評価方法が対象とするのは、リーク不良要因になりうる非架橋酸素と酸素欠損である。SiO2膜内において、SiO2膜の欠陥の存在量が規定値以下であるか否かが判定される。各欠陥の存在量の検査は、成膜工程で作成した検査用のウェハに対して行なわれる。具体的な規定値は、1〜2eVおよび2〜3eVのエネルギー領域の欠陥密度がいずれも2×1020[/cm3]以下であることである。 Although several types of defects are included in the SiO 2 film, the evaluation method according to the first embodiment targets non-bridging oxygen and oxygen vacancies that can cause leak defects. In the SiO 2 film, whether the presence of defects in the SiO 2 film is equal to or less than the prescribed value is determined. The inspection of the amount of each defect is performed on the inspection wafer created in the film forming process. A specific specified value is that the defect density in the energy region of 1 to 2 eV and 2 to 3 eV is 2 × 10 20 [/ cm 3 ] or less.

図10は、実施の形態1による評価方法の適用例として、半導体装置の製造方法を説明する図である。図10では、一例としてMOS半導体装置の製造工程の例が示されている。   FIG. 10 is a diagram illustrating a method for manufacturing a semiconductor device as an application example of the evaluation method according to the first embodiment. FIG. 10 shows an example of a manufacturing process of a MOS semiconductor device as an example.

図10を参照して、まず、洗浄後(S200)のSi基板に、ウェル領域が形成され(S205)、さらにSTI(Shallow Trench Isolation)などの素子分離領域が形成される(S210)。   Referring to FIG. 10, first, a well region is formed on a cleaned Si substrate (S200) (S205), and further an element isolation region such as STI (Shallow Trench Isolation) is formed (S210).

続いて、チャネル領域が形成され(S215)、その後、ゲート酸化膜が形成される(S220)。このゲート酸化膜の欠陥の評価に実施の形態1による評価方法が用いられる(S225)。このように、欠陥の評価は酸化膜の形成の直後に行なわれる。通常、ゲート酸化膜の形成時に検査用のダミーウェハにも同じプロセスで酸化膜が形成され、この検査用のウェハに形成された酸化膜に対して欠陥の評価が行なわれる。   Subsequently, a channel region is formed (S215), and then a gate oxide film is formed (S220). The evaluation method according to the first embodiment is used for evaluating the defect of the gate oxide film (S225). As described above, the defect is evaluated immediately after the formation of the oxide film. Normally, an oxide film is formed on a dummy wafer for inspection by the same process when forming the gate oxide film, and defects are evaluated for the oxide film formed on the wafer for inspection.

続いて、ゲート電極、ソース領域、およびドレイン領域が形成され(S230,S235)、その後、上部の金属配線層との層間絶縁のために絶縁層が形成される(S240)。この絶縁層の形成時にも検査用ウェハに絶縁層が同じプロセスで形成され、検査用ウェハを用いて欠陥の評価が行なわれる。   Subsequently, a gate electrode, a source region, and a drain region are formed (S230, S235), and then an insulating layer is formed for interlayer insulation with the upper metal wiring layer (S240). Even when the insulating layer is formed, the insulating layer is formed on the inspection wafer by the same process, and the defect is evaluated using the inspection wafer.

続いて、形成された絶縁層にコンタクトホールが形成され(S250)、さらに絶縁層の上部に金属配線層が形成される(S225)。ステップS240〜S255は、必要な金属配線層の数に応じて繰り返される。   Subsequently, a contact hole is formed in the formed insulating layer (S250), and a metal wiring layer is formed on the insulating layer (S225). Steps S240 to S255 are repeated according to the number of necessary metal wiring layers.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。たとえば、実施の形態1および2では、シリコン基板上に形成されたSiO2膜の評価を例に挙げて説明したが、この発明は上記の例に限られるものでない。この発明は、半導体基板上に形成された半導体膜または絶縁膜の評価、さらには絶縁基板または金属板上に形成された半導体膜または絶縁膜の評価にも用いることができる。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time must be considered as illustrative in all points and not restrictive. For example, in the first and second embodiments, the evaluation of the SiO 2 film formed on the silicon substrate has been described as an example, but the present invention is not limited to the above example. The present invention can be used for evaluating a semiconductor film or an insulating film formed on a semiconductor substrate, and further for evaluating a semiconductor film or an insulating film formed on an insulating substrate or a metal plate. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

1 評価装置、10 真空チャンバー、12 試料、14 試料台、16 X線、18 X線源、20 光電子、22 電子分光器、24 照射光、26 波長可変光源、28 制御部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Evaluation apparatus, 10 Vacuum chamber, 12 Sample, 14 Sample stand, 16 X-ray, 18 X-ray source, 20 Photoelectron, 22 Electron spectrometer, 24 Irradiation light, 26 Variable wavelength light source, 28 Control part.

Claims (5)

試料表面の半導体または絶縁体にX線を照射することによって前記半導体または絶縁体から放出される光電子のエネルギー分布の時間的変化を検出する第1の検出ステップと、
前記X線に加えて前記半導体または絶縁体のバンドギャップよりも小さいエネルギーの単色光を前記試料表面に照射することによって生じる前記光電子のエネルギー分布の時間的変化を検出する第2の検出ステップと、
前記第1および第2の検出ステップの検出結果に基づいて、前記半導体または絶縁体の内部の欠陥を評価するステップとを備える、評価方法。
A first detection step of detecting temporal changes in the energy distribution of photoelectrons emitted from the semiconductor or insulator by irradiating the semiconductor or insulator on the sample surface with X-rays;
A second detection step for detecting a temporal change in the energy distribution of the photoelectrons generated by irradiating the sample surface with monochromatic light having an energy smaller than the band gap of the semiconductor or insulator in addition to the X-ray;
And evaluating a defect inside the semiconductor or the insulator based on the detection results of the first and second detection steps.
前記第2の検出ステップでは、照射する前記単色光のエネルギーを段階的に増加させながら、前記光電子のエネルギー分布の時間的変化を検出する、請求項1に記載の評価方法。   The evaluation method according to claim 1, wherein in the second detection step, a temporal change in the energy distribution of the photoelectrons is detected while gradually increasing the energy of the monochromatic light to be irradiated. 前記評価するステップは、
前記第1の検出ステップで検出された光電子のエネルギー分布のピークを与えるエネルギー値のシフト量とX線照射時間との関係を表わす特性曲線を求めるステップと、
前記特性曲線を1または複数の指数関数曲線の和に分離するステップと、
前記第2の検出ステップにおいて前記単色光のエネルギーの段階的変化に応じて、前記分離後の1または複数の指数関数曲線の変化を検出するステップとを含む、請求項2に記載の評価方法。
The step of evaluating comprises
Obtaining a characteristic curve representing the relationship between the amount of shift of the energy value that gives the peak of the energy distribution of the photoelectrons detected in the first detection step and the X-ray irradiation time;
Separating the characteristic curve into a sum of one or more exponential curves;
The evaluation method according to claim 2, further comprising: detecting a change in one or more exponential function curves after the separation according to a step change in the energy of the monochromatic light in the second detection step.
試料表面の半導体または絶縁体にX線を照射するためのX線源と、
前記X線源の照射によって前記半導体または絶縁体から放出される光電子のエネルギー分布を検出する電子分光器と、
前記半導体または絶縁体のバンドギャップよりも小さいエネルギーの単色光を前記試料表面に照射するための波長可変光源と、
制御部とを備え、
前記制御部は、
前記X線源によって前記試料表面にX線を照射したときに検出される前記光電子のエネルギー分布の第1の時間的変化を検出し、
前記X線に加えて、前記波長可変光源によって前記単色光を照射したときに検出される前記光電子のエネルギー分布の第2の時間的変化を検出し、
前記第1および第2の時間的変化に基づいて、前記半導体または絶縁体の内部の欠陥を評価するように構成されている、評価装置。
An X-ray source for irradiating the semiconductor or insulator on the sample surface with X-rays;
An electron spectrometer for detecting an energy distribution of photoelectrons emitted from the semiconductor or insulator by irradiation of the X-ray source;
A wavelength tunable light source for irradiating the sample surface with monochromatic light having an energy smaller than the band gap of the semiconductor or insulator;
A control unit,
The controller is
Detecting a first temporal change in the energy distribution of the photoelectrons detected when the sample surface is irradiated with X-rays by the X-ray source;
In addition to the X-ray, a second temporal change in the energy distribution of the photoelectrons detected when the monochromatic light is irradiated by the wavelength tunable light source is detected.
An evaluation apparatus configured to evaluate defects inside the semiconductor or the insulator based on the first and second temporal changes.
半導体基板上に絶縁膜を形成するステップと、
前記絶縁膜を請求項1〜3のいずれか1項に記載の評価方法によって評価するステップとを備える、半導体装置の製造方法。
Forming an insulating film on the semiconductor substrate;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: evaluating the insulating film by the evaluation method according to claim 1.
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