JP3671597B2

JP3671597B2 - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JP3671597B2
Application number: JP10414997A
Authority: JP
Inventors: 康弘山蔭
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1997-04-22
Filing date: 1997-04-22
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2017-04-22
Also published as: JPH10300757A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子等の微細構造物の評価や物質の表面特性の測定において、表面形状と共に電気的容量を求める場合があり、例えば、求めた電気的容量によってＬＳＩ等に形成されたコンデンサの評価を行うことができる。
微細な表面形状の分析を行う装置として、従来より走査型プローブ顕微鏡があり、この走査型プローブ顕微鏡として、プローブと試料表面との間に流れるトンネル電流を用いる走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や、プローブと試料表面間に働く原子間力を測定する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が知られている。
【０００３】
走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、探針を試料表面に近づけて探針または試料を３次元方向に移動可能とし、探針を試料表面との間に流れるトンネル電流が一定となるように試料表面と探針との間をサブナノメータオーダーで制御することによって、原子レベルの分解能で３次元形状を測定し、物質表面の原子配列の観察や、物質表面の表面形状の観察を行うものである。また、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、探針および探針を支持するカンチレバーと、このカンチレバーの曲がりを検出する変位測定系とを備え、探針と試料との間の原子間力（引力または斥力）を検出し、この原子間力が一定となるように制御することによって、試料表面の形状を観察するものであり、生物，有機分子，絶縁物等の非導電物質の観察を行うことができる顕微鏡である。
【０００４】
また、試料表面の容量を測定する測定装置としては、例えば、金属薄膜により形成されたテスト電極に測定プローブを接触し、このテスト電極と試料表面との間の容量値を測定するものである。図４は従来の容量測定装置を説明するための図であり、Ｓｉ等の基板３０上に形成したＳｉＯ₂の薄膜３１の容量を測定する場合を示している。図４（ａ）において、プローブをテスト電極に接触させ、このテスト電極と試料表面３２ａとの間の容量を図示しない容量測定装置で測定することによって、薄膜３１の容量測定を行っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の走査型プローブ顕微鏡は、試料表面の形状測定を主たる測定目的としており、容量測定はプローブを用いるなどによって、別個の測定装置を用いて行っている。そのため、形状を測定する形状測定点と容量を測定する容量測定点を一致させることは難しく、試料表面の形状と容量値との相関を求めることは困難であるという問題がある。
また、容量測定においても、半導体素子等の微細なパターンに対応することが困難であるという問題がある。
【０００６】
従来の容量測定では、図４（ａ），（ｂ）に示すように試料表面３２ａと試料表面３２ｂの表面粗さが異なる場合に対して、電極４０は共通のパターンで容量測定を行っている。そのため、必ずしも正確な容量値が測定されず、表面形状による誤差を含む場合がある。
また、図４（ｃ）に示すように、電極４０のパターンが試料表面の表面粗さよりも粗い場合には、測定される容量値は平均値となる。そのため、試料表面３２ｃの表面粗さが電極４０のパターン内で変化していも、該表面粗さの変化を識別することができない。
【０００７】
また、図５に示すように、試料表面１０の表面粗さや特性が領域１１と領域１２で異なる場合には、各領域は図５中のテスト電極位置４１および４４で測定できるが、プローブが両領域１１，１２の境界上にある場合（図中のテスト電極４３，４４）には、測定される容量値は両領域の容量値の平均値となる。そのため、試料の表面粗さや特性が変化していても、これによる容量値の変化を判別することができない。
【０００８】
また、半導体素子では、微細な素子パターンと容量との関係が求められる場合がある。従来の走査型プローブ顕微鏡および容量測定装置は、上記したように形状と容量とを個別に測定し、また形状と容量との相関関係を求めることが困難であるため、このような微細な素子パターンと容量との関係を十分な精度で求めることが難しい。この問題点は、半導体素子に求めらられる集積度が高まるに従って、より大きなものとなる。
【０００９】
そこで、本発明は前記した従来の走査型プローブ顕微鏡の持つ問題点を解決し、試料表面の形状と容量値との相関を求めることができる走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とし、また、微細領域の容量測定を行うとができる走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、試料表面の表面積を用いて容量値を求めるものであり、走査型プローブ顕微鏡で測定した測定データを用いて演算により試料表面の表面積を求め、該表面積を用いて演算で容量値を求めることによって、容量測定のための測定装置を不要とすることができ、試料表面の形状と容量値との相関を求めることができ、また、微細領域の容量測定が可能となる。
【００１１】
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記した演算による容量測定を行うために、試料の表面観察を行う走査型プローブ顕微鏡において、走査型プローブ顕微鏡で測定した試料表面の表面形状を表す測定データから試料表面の表面積を演算で求める手段と、求めた表面積に基づいて試料表面に形成される容量値を演算で求める手段を備える。これによって、従来必要とした容量測定のための測定装置を用いることなく容量値を求めることができ、また、試料表面の表面形状に基づいて容量値を求めているため、試料表面の形状と容量値との相関を容易に求めることができる。さらに、試料表面の表面積を求める算出範囲を小さくすることによって、微細領域の容量測定が可能となる。
【００１２】
本発明の走査型プローブ顕微鏡は、通常の走査型プローブ顕微鏡の機能によって試料表面の形状を測定し、該測定データを格納しておく。試料表面内において容量値を求める算出領域を設定し、測定データ中から該算出領域に対応する表面形状データを読み出し、この表面形状データに基づいて算出領域内の試料表面の表面積を求める。
【００１３】
薄膜等の試料表面の容量値Ｃは、表面積をＳ、誘電率をε、膜厚をｔとすると、
Ｃ＝ε・Ｓ／ｔ
の関係式で表される。本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記関係式に求めた表面積Ｓと、該部分の薄膜等の試料の膜厚ｔおよび誘電率εと代入して演算することによって、容量値Ｃを求める。
【００１４】
本発明の第１の実施態様は、算出領域における表面積Ｓと平面積Ｓ₀との比を求めることによって、算出領域における試料表面の表面粗さＳ／Ｓ₀を求めることができる。これによって、形状と容量との相関関係を求めることができる。
【００１５】
本発明の第２の実施態様は、算出領域を任意の位置、形状、および大きさとするものであり、これによって、走査型プローブ顕微鏡で測定した測定範囲内において、任意の位置、任意の形状、および任意の大きさの領域部分での容量値を求めることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。
本発明の実施の形態の構成例について、図１の本発明の走査型プローブ顕微鏡の実施形態を説明する概略ブロック線図を用いて説明する。
図１に示す走査型プローブ顕微鏡１は、走査型プローブ顕微鏡が従来より備える顕微鏡による測定機能としての測定手段２（図１中の一点鎖線で囲まれる部分）を備え、測定した試料表面の形状データ等の測定データを測定データ記憶手段３に格納する。また、本発明の走査型プローブ顕微鏡１は、上記表面積Ｓ，平面積Ｓ₀，容量値Ｃ，表面粗さＲ（＝Ｓ／Ｓ₀）等を演算する演算手段４と、該演算を行うためのパラメータを記憶するパラメータ記憶手段５と、走査型プローブ顕微鏡１に対する入出力を行う入力インターフェース６および出力インターフェース７を備える。
【００１７】
入力インターフェース６には入力手段８が接続され、測定手段２やパラメータ記憶手段５に対して各種パラメータの入力を行う。また、出力インターフェース６にはモニタ９等の出力手段が接続され、測定データ記憶手段３中の測定データを表示したり、演算手段４で求めた表面積Ｓ，平面積Ｓ₀，容量値Ｃ，表面粗さＲ等の表示を行う。
なお、上記図１で示した構成は、走査型プローブ顕微鏡が備える各機能を機能手段で表したものであり、個々の装置で構成することも、あるいはソフトウエアで構成することもできる。
【００１８】
測定データ記憶手段３は、少なくとも走査型プローブ顕微鏡の形状測定機能で求めた試料の表面形状の形状データを格納しており、キーボードやマウス等の所定の入力手段８で設定した算出領域の形状データを、演算手段４に読み出して出力することができる。
また、演算手段４は、測定データ記憶手段３から入力した測定データを用いて、設定した算出領域における表面積Ｓを求める演算機能、該算出領域の平面積Ｓ₀を求める演算機能、該算出領域における容量値を求める演算機能、表面積Ｓと平面積Ｓ₀から表面粗さＲを求める演算機能を備え、求めた演算値は出力インターフェース７を通してモニタ９等に表示することができる。
【００１９】
表面積Ｓおよび平面積Ｓ₀を求める演算機能は、形状データからこの形状物の表面積を求めるために、通常のソフトウエアを用いて行うことができるため、ここでは詳細な説明を省略する。
また、容量値を求める演算機能は、求めた表面積Ｓ、およびパラメータ記憶手段５から読み出した誘電率ε、膜厚ｔを、前記した薄膜等の試料の容量値Ｃを定める関係式Ｃ＝ε・Ｓ／ｔに代入し、演算を行う機能であり、通常のソフトウエアを用いて行うことができる。
【００２０】
さらに、表面粗さＲを求める演算機能は、求めた表面積Ｓを平面積Ｓ₀で除算する機能であり、除算値Ｓ／Ｓ₀を表面粗さＲで表すものである。一般に、表面粗さＲとして、最大高さＲmax、十点平均粗さＲz、中心線平均粗さＲaが知られているが、ここでは表面積Ｓを平面積Ｓ₀で除算したＳ／Ｓ₀によって表している。この表面粗さＲによって、任意に設定した算出領域の表面粗さを表現することができる。
【００２１】
パラメータ記憶手段５は、演算手段４で使用する誘電率ε、膜厚ｔ等の値を記憶する手段であり、入力手段８から入力することができる。また、パラメータの読み出しは、入力手段８からの選択により行うことができる。
入力手段８は、キーボードやマウス等の所定の入力装置を用いることができ、測定する薄膜の誘電率εや膜厚ｔ等のパラメータをパラメータ記憶手段５に入力したり、算出領域の形状、位置、大きさ等の設定を行う。
【００２２】
次に、本発明の走査型プローブ顕微鏡の動作について、図２のフローチャートおよび図３の測定画像図を用いて説明する。
走査型プローブ顕微鏡１の測定手段２は、通常の測定機能を用いて試料の表面形状を測定し、形状にかかわる測定データを測定データ記憶手段３に格納する。この形状測定では、容量や表面粗さ等を測定する算出領域のみを測定することも、あるいは、該算出領域を含む広い領域を測定することもできる。なお、図３は広い領域を測定し、該広範囲の測定領域中に算出領域を設定する場合を示している（ステップＳ１）。
【００２３】
入力手段８から、薄膜等の測定対象である試料の誘電率εおよび膜厚ｔを入力し（ステップＳ２）、容量や表面粗さ等を測定する算出領域を設定する。なお、この算出領域の設定において、モニタ９に測定画像１０を表示し、該測定画像１０を参照しながら算出領域の設定を行うことができ、また、算出領域は複数個所設定することもできる。
【００２４】
図３中において、測定画像１０中には、算出領域２１から２５を設定した例を示している。算出領域２１および算出領域２２は、矩形状の算出領域によって、それぞれ測定画像１０中の第１領域１１内と第２領域１２内に設定した場合を示しており、また、算出領域２３，２４は領域の形状に対応するように、三角形あるいは円形の算出領域で設定した場合を示している。また、算出領域２５は、広範囲の領域を設定した場合を示している。したがって、算出領域の形状、位置、大きさは任意に設定することができる（ステップＳ３）。
【００２５】
演算手段４は、設定された算出領域の形状や寸法、あるいは座標データに基づいて平面積Ｓ₀を求め（ステップＳ４）、また、設定された算出領域の測定データを測定データ記憶手段３から読み出し、表面積Ｓを求める（ステップＳ５）。
【００２６】
さらに、演算手段４は、薄膜の容量値Ｃを定める関係式Ｃ＝ε・Ｓ／ｔ中に表面積Ｓ、誘電率ε、および膜厚ｔを代入し演算して容量値Ｃを求める（ステップＳ６）。また、演算手段４は、求めた表面積Ｓを平面積Ｓ₀で除して、Ｓ／Ｓ₀の演算を行って表面粗さ（凹凸度）Ｒを求める（ステップＳ７）。
【００２７】
求めた容量値Ｃ、表面積Ｓ、平面積Ｓ₀、表面粗さ（凹凸度）Ｒ等は必要に応じてモニタ９に表示することができる（ステップＳ８）。
さらに、算出領域を変更する場合には、前記ステップＳ３に戻って算出領域の再設定を行いステップＳ４からステップＳ８の処理を繰り返す（ステップＳ９）。
【００２８】
本発明の走査型プローブ顕微鏡の実施の形態によれば、試料の任意の位置、形状、大きさの領域において、試料表面の形状（表面粗さ）と容量値との相関を求めることができる。
本発明の走査型プローブ顕微鏡の実施の形態によれば、容量測定のためのテスト電極を用いず、演算によって容量を求めることとができるため、容量測定の分解能は走査型プローブ顕微鏡が備える形状測定の分解能と同程度とすることができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の走査型プローブ顕微鏡によれば、試料表面の形状と容量値との相関を求めることができ、また、微細領域の容量測定を行うとができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の走査型プローブ顕微鏡の実施形態を説明する概略ブロック線図である。
【図２】本発明の走査型プローブ顕微鏡の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の走査型プローブ顕微鏡の測定画像図である。
【図４】従来の容量測定装置を説明するための図である。
【図５】容量測定用のプローブと試料との関係を説明するための図である。
【符号の説明】
１…走査型プローブ顕微鏡、２…測定手段、３…測定データ記憶手段、４…演算手段、５…パラメータ記憶手段、６…入力インターフェース、７…出力インターフェース、８…入力手段、９…モニタ、１０…測定画像、１１，１２…領域、２１，２２，２３，２４，２５…算出領域。

Claims

試料の表面観察を行う走査型プローブ顕微鏡において、
試料表面の形状を測定し、当該測定データの一部領域もしくは全体領域を算出領域として任意に設定する手段と、
試料の厚さ及び誘電率を入力する手段と、
測定した試料表面の形状から前記算出領域の表面積を求める手段と、
前記表面積と前記試料の厚さと前記試料の誘電率とから容量値を計算する手段と、
を備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
前記算出領域の平面積を算出する手段と、
前記算出領域の表面積と前記平面積とから表面粗さを計算する手段と、
表面粗さと容量との相関を計算する手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。