JP4128498B2 - Semiconductor evaluation equipment - Google Patents

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本発明は、電子ビームを用いて、半導体装置を構成する絶縁膜の膜質を評価する半導体評価装置および半導体評価方法に関し、特に、絶縁膜の容量や抵抗に関わる評価指標を抽出する技術に関する。   The present invention relates to a semiconductor evaluation apparatus and a semiconductor evaluation method for evaluating the film quality of an insulating film constituting a semiconductor device using an electron beam, and more particularly to a technique for extracting an evaluation index related to the capacity and resistance of an insulating film.

半導体集積回路は、半導体ウェハ上に形成されたトランジスタ、あるいは容量や抵抗から構成され、トランジスタの電流駆動能力、容量値、抵抗値は、回路動作の観点から最適化設計される。MOS型のトランジスタの場合、絶縁膜の一種であるゲート酸化膜の膜質は信頼性や容量値に大きな影響を及ぼすため、半導体ウェハ上の絶縁膜を電気的に評価する技術が、半導体装置の設計および製造の双方から要請されている。   A semiconductor integrated circuit is composed of a transistor formed on a semiconductor wafer, or a capacitor and a resistor, and the current drive capability, capacitance value, and resistance value of the transistor are optimized and designed from the viewpoint of circuit operation. In the case of MOS type transistors, the quality of the gate oxide film, which is a kind of insulating film, has a significant effect on reliability and capacitance. And requested by both manufacturers.

ところで、従来、上述の絶縁膜の電気的な膜質評価を実施する際、ウェハ上に形成された半導体装置に対して外部の測定器を物理的・機械的に接続することにより電気特性を測定するのが一般的であった。図18は、半導体装置の従来の膜質評価方法を説明するための図であり、1801は裏面電極、1802は半導体基板、1803はシリコン酸化膜界面層、1804はフィールド酸化膜、1805は絶縁膜(ゲート酸化膜)、1806は多結晶シリコン、1807はチタンシリサイドである。このうち、多結晶シリコン1806およびチタンシリサイド1807は、フィールド絶縁膜1804上に任意形状に孤立して形成された電極を構成する。   By the way, conventionally, when the electrical film quality evaluation of the above-described insulating film is performed, the electrical characteristics are measured by physically and mechanically connecting an external measuring device to the semiconductor device formed on the wafer. It was common. FIG. 18 is a diagram for explaining a conventional film quality evaluation method for a semiconductor device, in which 1801 is a back electrode, 1802 is a semiconductor substrate, 1803 is a silicon oxide film interface layer, 1804 is a field oxide film, and 1805 is an insulating film ( Gate oxide film), 1806 is polycrystalline silicon, and 1807 is titanium silicide. Among these, the polycrystalline silicon 1806 and the titanium silicide 1807 constitute an electrode formed on the field insulating film 1804 so as to be isolated in an arbitrary shape.

また、1808は金属探針、1809は電圧計、1810は電流計、1811は直流電源であり、これらは検査装置を構成する。
このような構成の検査装置において、直流電源1811により絶縁膜1805の耐圧電圧未満の電圧を印加し、金属短針1808を電極(1806,1807)に接触させて、絶縁膜1805の絶縁性を電圧計1809あるいは電流計1810によって測定する。
Further, 1808 is a metal probe, 1809 is a voltmeter, 1810 is an ammeter, and 1811 is a DC power source, and these constitute an inspection apparatus.
In the inspection apparatus having such a configuration, a voltage less than the withstand voltage of the insulating film 1805 is applied by the DC power source 1811, the metal short hand 1808 is brought into contact with the electrodes (1806, 1807), and the insulation of the insulating film 1805 is measured with a voltmeter. It is measured by 1809 or ammeter 1810.

また、特開平9−186211号公報「電子ビーム検査装置」には、ウェハ上に形成された半導体装置に対して電子ビームを照射し、当該装置から発生する二次荷電粒子を検出し、この検出した二次荷電粒子像に基づいて微小欠陥を検知する装置が開示されている。
特開平9−186211号公報
Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-186211, “Electron Beam Inspection Device”, irradiates a semiconductor device formed on a wafer with an electron beam, detects secondary charged particles generated from the device, and detects this. An apparatus for detecting a minute defect based on the secondary charged particle image is disclosed.
JP-A-9-186211

しかしながら、上述の図18に示す従来技術によれば、半導体装置上の電極(1806,1807)に対して検査装置の金属探針1080を物理的・機械的に接触させるため、半導体装置上の電極(1806,1807)に少なからぬダメージを与えることになり、信頼性を損なう原因になり得る。従って、半導体装置の製造プロセスの途中で実デバイスの膜質を直接的に評価することはできず、TEG等を用いて間接的に評価しなければならないという問題がある。   However, according to the conventional technique shown in FIG. 18 described above, the metal probe 1080 of the inspection apparatus is physically and mechanically brought into contact with the electrode (1806, 1807) on the semiconductor apparatus. (1806, 1807) will cause considerable damage and may cause a loss of reliability. Therefore, there is a problem that the film quality of the actual device cannot be directly evaluated during the semiconductor device manufacturing process, but must be indirectly evaluated using TEG or the like.

また、上述の特開平9−186211号公報に開示された技術によれば、二次荷電粒子を検出信号として用いているため、本質的にS/Nが低く、検出精度が不十分である。また、この従来技術では、電子が絶縁膜を等価的に透過する電子ビームを照射することを基本原理としているため、例えば当該絶縁膜上に金属または半導体薄膜からなる電極が形成されている場合、電子ビーム照射条件の制約条件から膜質評価が不可能となる。従って、例えば近年の半導体集積回路の一連の製造工程で問題となっているように、プラズマ処理工程で誘起されるゲート絶縁膜素子ダメージを製造プロセスの途中で測定することはできない。   Further, according to the technique disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-186211, since secondary charged particles are used as detection signals, S / N is essentially low and detection accuracy is insufficient. Further, in this prior art, since the basic principle is that an electron irradiates an electron beam that is equivalently transmitted through an insulating film, for example, when an electrode made of a metal or a semiconductor thin film is formed on the insulating film, Evaluation of film quality becomes impossible due to the constraints of electron beam irradiation conditions. Therefore, for example, as has been a problem in a series of manufacturing processes of semiconductor integrated circuits in recent years, the gate insulating film element damage induced in the plasma processing process cannot be measured during the manufacturing process.

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、半導体ウェハ上に形成された半導体装置に物理的・機械的に測定装置を接触させることなく、半導体装置を構成する絶縁膜や接合部の電気的な品質を精度よく評価する半導体評価方法および半導体評価装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide insulation that constitutes a semiconductor device without physically and mechanically contacting the measurement device with the semiconductor device formed on the semiconductor wafer. An object of the present invention is to provide a semiconductor evaluation method and a semiconductor evaluation apparatus for accurately evaluating the electrical quality of a film or a junction.

上述した課題を解決するために、本発明に係る半導体評価装置は、半導体装置上の所望の位置に電子ビームを照射する電子ビーム照射手段と、前記半導体装置を構成する半導体基板に生じた電流を測定する電流測定手段と、前記半導体装置への電子ビームの照射タイミングと前記電流測定手段による前記電流の測定タイミングとを同期させるための同期信号を発生する同期信号発生手段と、前記同期信号に同期して、前記半導体装置に対する電子ビームの照射量を切り替える照射切替手段と、前記同期信号に同期して、前記電流測定手段による測定結果を時間の関数として記録する測定結果記録手段と、前記測定結果記録手段に記録された前記測定結果が示す電流と時間との関係から前記半導体装置を構成する膜または接合部を評価する評価処理部とを備える。 In order to solve the above-described problems, a semiconductor evaluation apparatus according to the present invention includes an electron beam irradiation means for irradiating an electron beam to a desired position on a semiconductor device, and a current generated in a semiconductor substrate constituting the semiconductor device. A current measuring means for measuring, a synchronizing signal generating means for generating a synchronizing signal for synchronizing the irradiation timing of the electron beam to the semiconductor device and the measuring timing of the current by the current measuring means, and synchronized with the synchronizing signal An irradiation switching unit that switches an irradiation amount of the electron beam to the semiconductor device, a measurement result recording unit that records a measurement result by the current measurement unit as a function of time in synchronization with the synchronization signal, and the measurement result evaluation to evaluate the membrane or junction constituting the semiconductor device from the relationship between the current shown recorded in the recording means and the measurement time And a processing section.

また、本発明は、上記半導体評価装置において、前記評価処理部が、前記測定結果記録手段に記録された前記測定結果が示す電流と時間との関係から算出される時定数を評価指標として算出することを特徴とする。
また、本発明は、上記半導体評価装置において、前記評価処理部が、前記時定数から抵抗値を算出することを特徴とする。
また、本発明は、上記半導体評価装置において、前記評価処理部が、前記半導体装置が形成する容量素子の設計上の容量値を入力するデータ入力手段と、前記設計上の容量値と前記時定数とから前記膜または接合部の抵抗値を算出する数値演算処理部とを具備し、前記膜または接合部の抵抗値を前記評価指数として出力することを特徴とする。
According to the present invention, in the semiconductor evaluation apparatus, the evaluation processing unit calculates, as an evaluation index, a time constant calculated from a relationship between current and time indicated by the measurement result recorded in the measurement result recording unit. It is characterized by that.
In the semiconductor evaluation apparatus according to the present invention, the evaluation processing unit calculates a resistance value from the time constant.
According to the present invention, in the semiconductor evaluation apparatus, the evaluation processing unit inputs data capacity for inputting a designed capacitance value of a capacitive element formed by the semiconductor device , the designed capacitance value, and the time constant. ; and a numerical arithmetic processor for calculating the resistance value of the film or the joint and a, and outputs a resistance value of the film or bonding unit as the evaluation index.

また、本発明は、上記半導体評価装置において、前記抵抗値が、前記膜または接合部に含まれる欠陥に基づくものである事を特徴とする。  In the semiconductor evaluation apparatus, the resistance value is based on a defect included in the film or the junction.
また、本発明は、上記半導体評価装置において、前記評価処理部が、前記測定結果の基板電流値に対して対数演算処理を実施し、前記対数演算処理の結果に対する線形近似式を算出し、前記線形近似式の傾きを抽出することにより前記抵抗値を算出することを特徴とする。  Further, the present invention provides the semiconductor evaluation apparatus, wherein the evaluation processing unit performs a logarithmic calculation process on the substrate current value of the measurement result, calculates a linear approximation formula for the result of the logarithmic calculation process, The resistance value is calculated by extracting a slope of a linear approximation formula.
また、本発明は、上記半導体評価装置において、前記評価処理部による評価結果を表示する表示手段を更に備えたことを特徴とする。  The present invention is also characterized in that the semiconductor evaluation apparatus further comprises display means for displaying an evaluation result by the evaluation processing unit.

また、本発明に係る膜質評価方法は、(a)電子ビーム発生手段により発生された電子ビームを半導体装置上の所定の位置に照射する第一のステップと、(b)電流測定手段が前記半導体装置を構成する半導体基板に生じた電流を電子ビーム照射タイミングに同期して測定する第のステップと、(c)前記電流測定手段による測定結果を時間の関数として測定結果記録手段に記録する第のステップと、()前記測定結果記録手段に記録された前記測定結果と時間との関係から評価処理部が前記半導体装置を構成する膜または接合部を評価する第のステップと、()前記評価処理部による評価結果を表示する第のステップとを含むことを特徴とする。 Further, the film quality evaluation method according to the present invention includes : ( a) a first step of irradiating a predetermined position on a semiconductor device with an electron beam generated by an electron beam generating unit; and (b) a current measuring unit including the semiconductor a second step of measuring a current generated in the semiconductor substrate of the device in synchronization with the electron beam irradiation timing, and records the measurement result recording means as a function of the measurement result time by (c) prior Symbol current measuring means A third step; ( d ) a fourth step in which the evaluation processing unit evaluates a film or a junction constituting the semiconductor device from the relationship between the measurement result recorded in the measurement result recording means and time; ( E ) including a fifth step of displaying an evaluation result by the evaluation processing unit.

本発明によれば、絶縁膜を有する種々の半導体デバイスについて、従来インライン定量評価することができなかった絶縁膜の等価抵抗値、等価容量値、欠陥密度等を評価することができる。また、従来は被測定対象物である半導体装置に対し検査装置を機械的に接触させて測定していたのに対し、本発明によれば、電子ビーム照射を用いて非接触的に測定を行うので、機械的なダメージに脆弱な半導体デバイスに対しても無損傷で測定することができる。従って、信頼性に影響を与えることなく、製造プロセスの途中で測定すべき半導体デバイスの評価を行うことができ、測定終了後、後続の製造プロセスを継続することが可能である。また、従来は電子ビーム照射時の二次荷電粒子像を用いて測定していたのに対し、本発明によれば、基板電流信号の時間推移を基に定量評価指標を算出するので、様々な半導体デバイス構造に対して評価することが可能である。例えば、ゲート絶縁膜素子形成工程後の配線形成工程において問題となっているプラズマ誘起ゲート酸化膜ダメージのインライン評価も可能である。このため、半導体製造プロセスのリスク要因をより詳細にかつ短時間で分析することも可能になる。
従って、本発明によれば、半導体ウェハ上に形成された半導体装置に物理的・機械的に測定装置を接触させることなく、半導体装置を構成する絶縁膜や接合部の電気的な品質を精度よく評価することが可能になる。
According to the present invention, it is possible to evaluate an equivalent resistance value, an equivalent capacitance value, a defect density, and the like of an insulating film that could not be conventionally quantitatively evaluated in-line for various semiconductor devices having the insulating film. Further, in the past, measurement was performed by mechanically bringing an inspection device into contact with a semiconductor device as an object to be measured, but according to the present invention, measurement is performed in a non-contact manner using electron beam irradiation. Therefore, even a semiconductor device vulnerable to mechanical damage can be measured without damage. Therefore, the semiconductor device to be measured can be evaluated during the manufacturing process without affecting the reliability, and the subsequent manufacturing process can be continued after the measurement is completed. Further, conventionally, measurement was performed using the secondary charged particle image at the time of electron beam irradiation, but according to the present invention, the quantitative evaluation index is calculated based on the time transition of the substrate current signal. It is possible to evaluate a semiconductor device structure. For example, in-line evaluation of plasma-induced gate oxide film damage, which is a problem in the wiring forming process after the gate insulating film element forming process, is also possible. For this reason, it becomes possible to analyze the risk factor of the semiconductor manufacturing process in more detail and in a short time.
Therefore, according to the present invention, the electrical quality of the insulating film and the joints constituting the semiconductor device can be accurately adjusted without physically and mechanically contacting the measurement device with the semiconductor device formed on the semiconductor wafer. It becomes possible to evaluate.

以下、本発明に係る半導体評価装置および半導体評価方法について、図面を参照しながら具体的に説明する。本実施形態では、半導体装置を構成するゲート酸化膜のような絶縁膜の品質を評価する。
図1は、本発明に係る半導体評価装置の構成図である。この図において、電子ビーム源となるエミッタ101、GUNアライメントレンズ102、第一ないし第三アノード117〜119、直流高圧電源(図示なし)、フィラメントを通電加熱するための電源(図示なし)は、所望エネルギーの電子ビームを発生する電子ビーム発生手段を構成する。本実施形態では、エミッタとして、Zr―W(ジルコニウム・タングステン)からなるショットキーミッション型のエミッタを用いる。第一ないし第三アノード117〜119は、電子ビームの加速エネルギーや電流量を調整するためのものである。
Hereinafter, a semiconductor evaluation apparatus and a semiconductor evaluation method according to the present invention will be specifically described with reference to the drawings. In this embodiment, the quality of an insulating film such as a gate oxide film constituting a semiconductor device is evaluated.
FIG. 1 is a configuration diagram of a semiconductor evaluation apparatus according to the present invention. In this figure, an emitter 101 serving as an electron beam source, a GUN alignment lens 102, first to third anodes 117 to 119, a direct current high voltage power source (not shown), and a power source (not shown) for energizing and heating the filament are desired. An electron beam generating means for generating an electron beam of energy is configured. In this embodiment, a Schottky mission type emitter made of Zr—W (zirconium / tungsten) is used as the emitter. The first to third anodes 117 to 119 are for adjusting the acceleration energy and current amount of the electron beam.

収束レンズ103、対物レンズ107、フォーカスレンズ108、非点補正レンズ109は、上記電子ビーム発生手段が発生した電子ビームを、半導体ウェハ110に形成された半導体装置上に収束させる電子ビーム収束手段を構成する。本実施形態では磁気収束レンズを用いるものとするが、静電収束レンズを用いても構わない。この電子ビーム収束手段により、電子ビームを所望の形状および大きさに調整する。   The converging lens 103, the objective lens 107, the focus lens 108, and the astigmatism correction lens 109 constitute electron beam converging means for converging the electron beam generated by the electron beam generating means on the semiconductor device formed on the semiconductor wafer 110. To do. In this embodiment, a magnetic convergence lens is used, but an electrostatic convergence lens may be used. By this electron beam converging means, the electron beam is adjusted to a desired shape and size.

偏向電極106、ステージ112は、電子ビーム収束手段により収束された電子ビームの照射位置を制御する電子ビーム照射位置制御手段を構成する。本実施形態では静電型電極を用いるものとするが、磁気型電極を用いても構わない。偏向電極106は、電子ビームの照射位置を電気的に制御する手段であり、偏向電極106が発する静電場あるいは電磁場により偏向電極106を通過する電子ビーム軌道を制御し、半導体ウェハ110上の所望のパターンに対して電子ビームを照射する。   The deflection electrode 106 and the stage 112 constitute electron beam irradiation position control means for controlling the irradiation position of the electron beam converged by the electron beam focusing means. In this embodiment, an electrostatic electrode is used, but a magnetic electrode may be used. The deflection electrode 106 is means for electrically controlling the irradiation position of the electron beam. The deflection electrode 106 controls the electron beam trajectory passing through the deflection electrode 106 by an electrostatic field or electromagnetic field generated by the deflection electrode 106, so that a desired position on the semiconductor wafer 110 can be obtained. The pattern is irradiated with an electron beam.

ステージ112は、上記半導体ウェハ(半導体基板)110を搭載し、この半導体ウェハ110には、後述する図2に示す半導体装置が形成されており、この半導体装置をなす被評価対象の絶縁膜が予め形成されている。ステージ112を機械的に移動させることで、半導体ウェハ110面上の所望の位置に対して、上記収束した電子ビームを照射させることを可能にしている。尚、上記半導体装置を構成する絶縁膜の膜質を評価する場合、電子ビームは半導体ウェハ110上の所望の領域に対してのみ照射され、後述する図2に示す半導体装置の場合、例えばR1で示す電極領域内に電子ビームが照射される。   The stage 112 mounts the semiconductor wafer (semiconductor substrate) 110, and a semiconductor device shown in FIG. 2 to be described later is formed on the semiconductor wafer 110. An insulating film to be evaluated that forms the semiconductor device is previously formed. Is formed. By moving the stage 112 mechanically, it is possible to irradiate the converged electron beam to a desired position on the surface of the semiconductor wafer 110. When evaluating the film quality of the insulating film constituting the semiconductor device, the electron beam is irradiated only to a desired region on the semiconductor wafer 110. In the case of the semiconductor device shown in FIG. An electron beam is irradiated into the electrode region.

同期信号発生手段115は、半導体ウェハ110に形成された半導体装置への電子ビームの照射タイミングと電流測定手段による前記電流の測定タイミングとを同期させるための同期信号を発生するものであって、この例では、クロック信号を基に照射切替手段や基板電流信号手段に対し、上記同期信号として測定開始信号または測定終了信号を出力する。
ブランキング電極104、照射切替制御回路114は、上記同期信号に同期して、半導体ウェハ110に対する電子ビームの照射量を切り替える照射切替手段を構成する。上記同期信号発生手段115が発生する信号に従って、照射切替制御回路114がブランキング電極104へ電流信号を出力し、ブランキング電極の間を通過する電子ビーム軌道を制御する。これにより、半導体ウェハ110への電子ビームの照射と未照射を切り替え、この半導体ウェハ110に対する電子ビームの照射量を切り替える。
The synchronization signal generation means 115 generates a synchronization signal for synchronizing the irradiation timing of the electron beam onto the semiconductor device formed on the semiconductor wafer 110 and the measurement timing of the current by the current measurement means. In the example, a measurement start signal or a measurement end signal is output as the synchronization signal to the irradiation switching means or the substrate current signal means based on the clock signal.
The blanking electrode 104 and the irradiation switching control circuit 114 constitute irradiation switching means for switching the electron beam irradiation amount to the semiconductor wafer 110 in synchronization with the synchronization signal. The irradiation switching control circuit 114 outputs a current signal to the blanking electrode 104 according to the signal generated by the synchronization signal generating means 115, and controls the electron beam trajectory passing between the blanking electrodes. Thereby, the irradiation of the electron beam onto the semiconductor wafer 110 is switched to the non-irradiation, and the irradiation amount of the electron beam onto the semiconductor wafer 110 is switched.

照射切替手段は、同期信号発生手段115から出力される同期信号の一種である測定開始信号に従って、半導体ウェハ110に対する電子ビームの照射を開始し、また同期信号発生手段115から出力される同じく同期信号の一種である測定終了信号に従って、半導体素子に対する電子ビームの照射を終了する。半導体ウェハ110に形成された半導体装置に照射されている間の電子ビームによる電流値は一定値であり、その安定度は±1%以下であることが望ましい。また、電子ビームの照射と未照射の切り替えは、0.1sec以下の時間で実行されることが望ましい。   The irradiation switching unit starts irradiation of the electron beam onto the semiconductor wafer 110 according to a measurement start signal which is a kind of synchronization signal output from the synchronization signal generation unit 115, and the same synchronization signal output from the synchronization signal generation unit 115. In accordance with a measurement end signal which is a kind of the above, the irradiation of the electron beam to the semiconductor element is ended. While the semiconductor device formed on the semiconductor wafer 110 is irradiated with the electron beam, the current value by the electron beam is a constant value, and the stability is desirably ± 1% or less. Further, it is desirable that the switching between irradiation and non-irradiation of the electron beam is executed in a time of 0.1 sec or less.

基板電流検出電極111および電流電圧変換器113は、半導体ウェハ110(半導体基板)に生じた基板電流を測定する電流測定手段を構成する。基板電流検出電極111は、導電性シリコーンゴムや導電性プラスチックなど導電性部品から構成され、当該部品が半導体ウェハ110の裏面と接触することで基板電流信号を検出する。電流電圧変換器113は、基板電流検出電極111から出力された電流信号を電圧信号へ変換する機能を有するもので、例えばOPアンプ、抵抗器などから構成される。   The substrate current detection electrode 111 and the current-voltage converter 113 constitute current measuring means for measuring the substrate current generated in the semiconductor wafer 110 (semiconductor substrate). The substrate current detection electrode 111 is made of a conductive component such as conductive silicone rubber or conductive plastic, and detects the substrate current signal when the component contacts the back surface of the semiconductor wafer 110. The current-voltage converter 113 has a function of converting the current signal output from the substrate current detection electrode 111 into a voltage signal, and includes, for example, an OP amplifier and a resistor.

ADコンバータ116と記録装置121は、上記同期信号に同期して、上記電流測定手段による測定結果を時間の関数として記録する測定結果記録手段を構成する。ADコンバータ116は、電流電圧変換器113から出力されたアナログ電圧信号をデジタル信号に変換する機能を有するもので、同期信号発生手段115が発生するクロック信号に従って時間領域でサンプリング測定する。このとき、上記電流測定手段は、例えば0.1sec以下の時間分解能で基板電流信号をサンプリング測定する。   The AD converter 116 and the recording device 121 constitute measurement result recording means for recording the measurement result by the current measurement means as a function of time in synchronization with the synchronization signal. The AD converter 116 has a function of converting the analog voltage signal output from the current-voltage converter 113 into a digital signal, and performs sampling measurement in the time domain in accordance with the clock signal generated by the synchronization signal generating unit 115. At this time, the current measuring means samples and measures the substrate current signal with a time resolution of 0.1 sec or less, for example.

また、本半導体評価装置にはMCP105が搭載され、電子ビームが照射された半導体ウェハ110から発生する二次電子信号を検出する。この二次電子信号から半導体ウェハ110上のパターン位置情報を取得し、当該パターン位置情報を基に電子ビーム照射位置の調整信号を偏向電極106あるいはステージ112に対して出力する。本実施形態では、二次電子信号検出手段としてMCPを挙げたが、二次電子信号検出手段としてシンチレータを用いても構わない。尚、MCPの場合、図1のように電子ビームが通過する電子レンズ内に設置されているが、シンチレータの場合には電子レンズの外側に設置される。   The semiconductor evaluation apparatus is equipped with an MCP 105 and detects secondary electron signals generated from the semiconductor wafer 110 irradiated with the electron beam. Pattern position information on the semiconductor wafer 110 is acquired from the secondary electron signal, and an adjustment signal for the electron beam irradiation position is output to the deflection electrode 106 or the stage 112 based on the pattern position information. In the present embodiment, the MCP is exemplified as the secondary electron signal detection means, but a scintillator may be used as the secondary electron signal detection means. In the case of MCP, it is installed in an electron lens through which an electron beam passes as shown in FIG. 1, but in the case of a scintillator, it is installed outside the electron lens.

120は数値演算処理手段(評価処理手段)であり、上記測定信号記録手段に記録された測定結果が示す電流と時間との関係から半導体装置の絶縁膜の膜質を評価する。即ち、数値演算処理手段120は、上記電流測定手段から測定結果として出力される時間情報と基板電流値とからなるデータ系列に対し数値演算処理を実施し、半導体ウェハ110上に形成された絶縁膜の膜質の評価指標である膜質定量評価指標を出力する。また、この数値演算処理手段(評価処理部)は、上記絶縁膜が形成する容量素子の設計上の容量値を入力するデータ入力手段と、この設計上の容量値と上記時定数とから絶縁膜の抵抗値を算出する数値演算処理部とを具備する。122は表示装置であり、数値演算処理120による評価結果を表示する。   Reference numeral 120 denotes numerical arithmetic processing means (evaluation processing means), which evaluates the film quality of the insulating film of the semiconductor device from the relationship between the current and time indicated by the measurement result recorded in the measurement signal recording means. That is, the numerical arithmetic processing means 120 performs numerical arithmetic processing on a data series composed of time information and substrate current values output as measurement results from the current measuring means, and an insulating film formed on the semiconductor wafer 110 A film quality quantitative evaluation index, which is an evaluation index of film quality, is output. Further, the numerical calculation processing means (evaluation processing unit) includes a data input means for inputting a designed capacitance value of the capacitive element formed by the insulating film, and the insulating film from the designed capacitance value and the time constant. And a numerical operation processing unit for calculating the resistance value. Reference numeral 122 denotes a display device that displays an evaluation result obtained by the numerical operation processing 120.

図2に、被評価対象の一例として、半導体ウェハ110上に形成された半導体装置の上面および断面の2面図を示す。同図において、201は裏面電極、202は、半導体基板、203は、シリコン酸化膜界面層(膜厚1.1nmのSiO2薄膜)、204はフィールド酸化膜(膜厚450nm)、205は高誘電率ゲート絶縁膜(膜厚4.5nmのHfO薄膜)、206は多結晶シリコン(膜厚200nmのポリシリコン薄膜)、207はチタンシリサイド(膜厚45nmのTiSi2薄膜)である。これら他結晶シリコン206およびチタンシリサイド207は、例えばMOSトランジスタのゲート電極を形成し、シリコン酸化膜界面層203および高誘電率ゲート絶縁膜205は、ゲート絶縁膜を形成する。本実施形態では、シリコン酸化膜界面層(膜厚1.1nmのSiO2薄膜)203と高誘電率ゲート絶縁膜(膜厚4.5nmのHfO薄膜)205からなるゲート絶縁膜の膜質の定量評価指標について測定するものとする。以下、本実施形態において単に「絶縁膜」と言うときは、上記ゲート絶縁膜を意味するものとする。尚、この絶縁膜の材料としてHfO/Alを用いても構わないし、他に、HfSiON、HfO、HfAlO、HfOAl、SiN/Al、HfSiOでも構わない。 FIG. 2 shows two views of a top surface and a cross section of a semiconductor device formed on the semiconductor wafer 110 as an example of an evaluation target. In the figure, 201 is a back electrode, 202 is a semiconductor substrate, 203 is a silicon oxide film interface layer (SiO 2 thin film with a film thickness of 1.1 nm), 204 is a field oxide film (film thickness of 450 nm), and 205 is a high dielectric constant gate. An insulating film (4.5 nm thick HfO thin film), 206 is polycrystalline silicon (200 nm thick polysilicon thin film), and 207 is titanium silicide (45 nm thick TiSi2 thin film). These other crystalline silicon 206 and titanium silicide 207 form, for example, a gate electrode of a MOS transistor, and the silicon oxide film interface layer 203 and the high dielectric constant gate insulating film 205 form a gate insulating film. In this embodiment, a quantitative evaluation index of the film quality of a gate insulating film composed of a silicon oxide film interface layer (SiO 2 thin film with a thickness of 1.1 nm) 203 and a high dielectric constant gate insulating film (HfO thin film with a thickness of 4.5 nm) 205 is measured. It shall be. Hereinafter, in the present embodiment, the term “insulating film” simply means the gate insulating film. Note that HfO 2 / Al 2 O 3 may be used as the material of this insulating film, and HfSiON, HfO 2 , HfAlO, HfO 2 Al 2 O 3 , SiN / Al 2 O 3 , and HfSiO may also be used. .

次に、上記のように構成した本発明の実施形態に係る半導体評価装置の動作(半導体評価方法)を説明する。
図3は、本発明である半導体評価方法のフローチャートである。先ず、S301にて、電子ビーム発生手段が発生した電子ビームを電子ビーム収束手段が収束させ、照射位置制御手段が、半導体ウェハ110と収束電子ビームの照射位置との相対位置を制御する。
続いて、S302にて、同期信号発生手段115が、照射切替手段と電流測定手段に対して測定開始信号(所定の同期信号)を発生して出力する。
Next, the operation (semiconductor evaluation method) of the semiconductor evaluation apparatus according to the embodiment of the present invention configured as described above will be described.
FIG. 3 is a flowchart of the semiconductor evaluation method according to the present invention. First, in S301, the electron beam converging means converges the electron beam generated by the electron beam generating means, and the irradiation position control means controls the relative position between the semiconductor wafer 110 and the irradiation position of the converged electron beam.
Subsequently, in S302, the synchronization signal generation unit 115 generates and outputs a measurement start signal (predetermined synchronization signal) to the irradiation switching unit and the current measurement unit.

続いて、S303にて、同期信号発生手段115から上記測定開始信号を受け、照射切替手段が半導体ウェハ110上の半導体装置に対し電子ビームの照射を開始し、この測定開始信号に同期して、上記電子ビームの照射量を「未照射状態」(電子ビームが遮蔽された状態)から「照射状態」(電子ビームが半導体ウェハに照射された状態)に切り替える。このときの電子ビームの「未照射状態」から「照射状態」への切り替えは、例えば0.1sec以下の時間で実行される。本半導体装置に対する電子ビームの照射は、図2に示す電極をなすチタンシリサイドの矩形領域R1に対して行われる。このとき、電流測定手段により、例えば、照射エネルギー3keVのときに30pAが測定される。この電子ビームが多結晶シリコ206およびチタンシリサイド207からなる電極に入射すると、この電極の電位が変化する。この結果、シリコン酸化膜界面層203と高誘電率ゲート絶縁膜205とからなるゲート絶縁膜を介して半導体基板202に過渡的な基板電流が誘起される。この基板電流の度合いは、ゲート絶縁膜の電気的特性(主として抵抗成分および容量成分)に依存する。   Subsequently, in S303, the measurement start signal is received from the synchronization signal generation means 115, and the irradiation switching means starts irradiating the electron beam to the semiconductor device on the semiconductor wafer 110, and in synchronization with this measurement start signal, The irradiation amount of the electron beam is switched from an “unirradiated state” (a state where the electron beam is shielded) to an “irradiated state” (a state where the electron beam is irradiated onto the semiconductor wafer). The switching from the “unirradiated state” to the “irradiated state” of the electron beam at this time is executed in a time of 0.1 sec or less, for example. Irradiation of the electron beam to the semiconductor device is performed on the rectangular region R1 of titanium silicide forming the electrode shown in FIG. At this time, for example, 30 pA is measured by the current measuring means when the irradiation energy is 3 keV. When this electron beam is incident on an electrode made of polycrystalline silicon 206 and titanium silicide 207, the potential of this electrode changes. As a result, a transient substrate current is induced in the semiconductor substrate 202 through the gate insulating film composed of the silicon oxide film interface layer 203 and the high dielectric constant gate insulating film 205. The degree of the substrate current depends on the electrical characteristics (mainly the resistance component and the capacitance component) of the gate insulating film.

続いて、S304にて、上記測定開始信号を受けて、電流測定手段が、時間領域で半導体基板202に生じた基板電流信号のサンプリング測定を開始する。この時、電流測定手段は、例えば0.1sec以下の時間分解能で基板電流信号をサンプリング測定する。図4に、上記測定開始信号を受けて照射切替手段が電子ビームを半導体素子110に対して照射を開始した時の電子ビームの電流量のタイミングチャート(上段)と、同一の測定開始信号を受けて電流測定手段が時間領域で基板電流信号のサンプリング測定を開始したときのクロック信号のタイミングチャート(中段)と、測定値である測定基板電流値(下段)とを示す。同図に示すように、同期信号発生手段115から出力されている測定開始信号により、照射切替手段と電流測定手段とが同期して動作している。この電流測定手段による測定結果である測定データは、上記同期信号に同期して、測定結果記録手段に時間の関数として記録される。   Subsequently, in S304, in response to the measurement start signal, the current measurement means starts sampling measurement of the substrate current signal generated in the semiconductor substrate 202 in the time domain. At this time, the current measuring means samples and measures the substrate current signal with a time resolution of 0.1 sec or less, for example. 4 receives the same measurement start signal as the timing chart (upper stage) of the current amount of the electron beam when the irradiation switching means starts irradiating the semiconductor element 110 with the irradiation switching means in response to the measurement start signal. The timing chart of the clock signal when the current measuring means starts sampling measurement of the substrate current signal in the time domain (middle stage) and the measured substrate current value (lower stage) as the measurement value are shown. As shown in the figure, the irradiation switching unit and the current measuring unit are operated in synchronization with each other by the measurement start signal output from the synchronization signal generating unit 115. Measurement data, which is a measurement result by the current measurement means, is recorded as a function of time in the measurement result recording means in synchronization with the synchronization signal.

次に、S305にて、数値演算処理手段120が、上記の測定結果記録手段に測定結果として記録された時間と基板電流値からなる測定データ(測定結果が示す電流と時間との関係)から時定数を算出し、これを絶縁膜の膜質に関する膜質定量評価指標として出力する。これにより、数値演算処理手段120が絶縁膜の膜質を評価する。図5は、このような測定データ系列の一例であり、0.002秒毎にサンプリング測定した基板電流値の例を示している。   Next, in S305, the numerical value calculation processing means 120 starts from the measurement data (relationship between the current and time indicated by the measurement result) including the time and the substrate current value recorded as the measurement result in the measurement result recording means. A constant is calculated and output as a film quality quantitative evaluation index regarding the film quality of the insulating film. Thereby, the numerical calculation processing means 120 evaluates the quality of the insulating film. FIG. 5 is an example of such a measurement data series, and shows an example of the substrate current value sampled and measured every 0.002 seconds.

図6は、図2に示した半導体装置における膜厚1.1nmのSiO2薄膜と膜厚4.5nmのHfO薄膜からなるゲート絶縁膜の膜質定量評価指標を算出する場合の等価電気回路を示している。この等価電気回路は、図2に示した半導体装置のみならず、本膜質評価装置の一部も含まれている。ここで、Riは、ゲート絶縁膜に存在する欠陥による抵抗成分であり、Cgはゲート絶縁膜の容量成分であり、Cpは測定系の寄生容量であり、Riは測定系の内部抵抗であり、ISは二次電子信号成分を表し、E0は、電子ビームに対応する電流を発生させるための電圧源を表す。また、図6において、上述のゲート絶縁膜の膜質定量評価指標はゲート絶縁膜の抵抗Rgにより表記され、図3のS303の動作手順に関係する要素は電圧源E0、スイッチSW、内部抵抗Riにより表記され、S304の動作手順で測定される基板電流信号はIsub(t)により表記されている。スイッチSWは、上述の測定開始信号に同期して開閉する。したがって、この等価電気回路より、S305における測定データ系列は次式(1)で表記することができる。   FIG. 6 shows an equivalent electric circuit in the case of calculating the film quality quantitative evaluation index of the gate insulating film made of the SiO 2 thin film with a thickness of 1.1 nm and the HfO thin film with a thickness of 4.5 nm in the semiconductor device shown in FIG. This equivalent electric circuit includes not only the semiconductor device shown in FIG. 2 but also a part of the film quality evaluation apparatus. Here, Ri is a resistance component due to a defect existing in the gate insulating film, Cg is a capacitance component of the gate insulating film, Cp is a parasitic capacitance of the measurement system, Ri is an internal resistance of the measurement system, IS represents a secondary electron signal component, and E0 represents a voltage source for generating a current corresponding to the electron beam. In FIG. 6, the above-described quantitative evaluation index of the film quality of the gate insulating film is expressed by the resistance Rg of the gate insulating film, and the elements related to the operation procedure of S303 in FIG. 3 are the voltage source E0, the switch SW, and the internal resistance Ri. The substrate current signal expressed by the operation procedure of S304 is expressed by Isub (t). The switch SW opens and closes in synchronization with the above measurement start signal. Therefore, from this equivalent electric circuit, the measurement data series in S305 can be expressed by the following equation (1).

Isub(t) ≡ A exp(-t / (CgRg)) +B ・・・(1)        Isub (t) ≡ A exp (-t / (CgRg)) + B (1)

図7は、S305における数値演算処理について、より具体的な処理形態を示したものであり、上述の膜質定量評価指標として、絶縁膜の抵抗値(ゲート絶縁膜素子抵抗Rg)を算出するものである。先ず、S701にて、時間および基板電流値からなるデータ系列を入力する。図8は、ゲート容量面積が5.0×10−4cmの半導体装置から測定されたデータ系列について、横軸に時間をとり、縦軸に基板電流値をとったグラフを示す。続いて、S702へ移行し、データ系列内の全ての基板電流値に対して対数演算処理を実施する。続いてS703へ移行し、時間および対数演算値からなるデータ系列に対する線形近似式を算出する。次に、S704へ移行し、上記線形近似式の傾きを抽出して出力する。図9は、図8に示したデータ系列に対して、S702、S703、S704を実施した結果を示す。この例では、線形近似式の傾き値として、―4.166×10−2が得られている。 FIG. 7 shows a more specific processing form for the numerical operation processing in S305, and calculates the insulation film resistance value (gate insulation film element resistance Rg) as the above-mentioned film quality quantitative evaluation index. is there. First, in S701, a data series including a time and a substrate current value is input. FIG. 8 shows a graph of a data series measured from a semiconductor device having a gate capacitance area of 5.0 × 10 −4 cm 2 , with time on the horizontal axis and substrate current value on the vertical axis. Subsequently, the process proceeds to S702, and logarithmic calculation processing is performed on all substrate current values in the data series. Subsequently, the process proceeds to S703, and a linear approximation formula for a data series composed of time and logarithm calculation values is calculated. Next, the process proceeds to S704, where the slope of the linear approximation formula is extracted and output. FIG. 9 shows the results of performing S702, S703, and S704 on the data series shown in FIG. In this example, −4.166 × 10 −2 is obtained as the slope value of the linear approximation formula.

図10、図11、図12は、ゲート絶縁膜の欠陥密度について四種類の半導体ウェハを測定した結果である。尚、四種類の半導体ウェハのゲート絶縁膜素子欠陥密度は、図18に示したような従来技術の測定方法によって抽出されており、ウェハ#3は400個/cm、ウェハ#05は900個/cm、ウェハ#04は2700個/cm、ウェハ#06は20000個/cmである。図10は、横軸にウェハ番号をとり、縦軸に当装置が出力した時定数をとっている。被測定対象物の半導体装置として、ゲート容量素子面積が9.5×10−7cm、3.1×10−6cm、1.0×10−5cmである3種類を準備して測定を実施し、それぞれの測定結果を折れ線グラフで示す。同図から理解されるように、ゲート容量素子面積が大きくなるほど、ウェハの違いによる時定数の変化が大きくなっている。これは、ゲート容量素子に含まれているゲート絶縁膜素子欠陥個数が多くなったためである。 10, FIG. 11 and FIG. 12 show the results of measuring four types of semiconductor wafers with respect to the defect density of the gate insulating film. Note that the defect density of the gate insulating film elements of the four types of semiconductor wafers is extracted by the conventional measuring method as shown in FIG. 18, and wafer # 3 is 400 pieces / cm 2 and wafer # 05 is 900 pieces. / Cm 2 , wafer # 04 is 2700 pieces / cm 2 , and wafer # 06 is 20000 pieces / cm 2 . In FIG. 10, the horizontal axis represents the wafer number, and the vertical axis represents the time constant output by the apparatus. As the semiconductor device of the object to be measured, three types having a gate capacitance element area of 9.5 × 10 −7 cm 2 , 3.1 × 10 −6 cm 2 , and 1.0 × 10 −5 cm 2 are prepared. Each measurement result is shown by a line graph. As understood from the figure, the larger the gate capacitance element area, the larger the change in the time constant due to the difference in wafers. This is because the number of gate insulating film element defects included in the gate capacitance element has increased.

次に、図2に示したゲート絶縁膜素子の設計上の容量値を数値演算処理120に対して入力し、前記傾き値と数値演算処理を実施することで、ゲート絶縁膜素子の膜質定量評価指標としてゲート絶縁膜の抵抗Rgを算出する。図12では、ゲート容量素子の面積が大きくなるほど、膜質定量評価指標であるゲート絶縁膜の抵抗Rgが小さく示されている。これは、ゲート容量素子の面積が大きくなるほど、このゲート容量素子に含まれる欠陥個数が多くなりゲート絶縁膜を電流が通過するリークパスの数が多くなる結果、ゲート絶縁膜の抵抗Rgが小さくなるからである。また図11では、ウェハ#03、ウェハ#05、ウェハ#04、ウェハ#06の順番で、膜質定量評価指標であるゲート絶縁膜の抵抗Rgが小さく示されている。これは、欠陥密度が高くなるほど、ゲート容量素子に含まれる欠陥個数が多くなり、このゲート容量素子を構成するゲート絶縁膜内のリークパス(リーク電流が流れる経路)の数が多くなる結果、ゲート絶縁膜の抵抗Rgが小さくなるからである。   Next, the design capacitance value of the gate insulating film element shown in FIG. 2 is input to the numerical calculation process 120, and the gradient value and the numerical calculation process are performed, whereby the film quality quantitative evaluation of the gate insulating film element is performed. As an index, the resistance Rg of the gate insulating film is calculated. In FIG. 12, the resistance Rg of the gate insulating film, which is a film quality quantitative evaluation index, decreases as the area of the gate capacitance element increases. This is because, as the area of the gate capacitive element increases, the number of defects included in the gate capacitive element increases and the number of leak paths through which current passes through the gate insulating film increases, resulting in a decrease in the resistance Rg of the gate insulating film. It is. In FIG. 11, the resistance Rg of the gate insulating film, which is a film quality quantitative evaluation index, is decreased in the order of wafer # 03, wafer # 05, wafer # 04, and wafer # 06. This is because as the defect density increases, the number of defects included in the gate capacitor element increases, and as a result, the number of leak paths (paths through which leak current flows) in the gate insulating film constituting the gate capacitor element increases. This is because the resistance Rg of the film is reduced.

上記のように、本発明によれば、ゲート絶縁膜素子の膜質定量評価指標をインライン評価することが可能となる。図13は、従来技術の測定方法から抽出したゲート絶縁膜の欠陥密度と、本発明による装置から得られたゲート絶縁膜の抵抗値との相関関係を示している。ゲート絶縁膜の欠陥密度が高くなるほど、ゲート絶縁膜の抵抗が低下する傾向を示している。これは欠陥密度が高くなるほど、ゲート容量に含まれる欠陥個数が多くなりゲート絶縁膜内のリークパスの数が多くなる結果、ゲート絶縁膜の抵抗Rgが小さくなるためである。
このように、従来外部の測定器と物理的・機械的に接続することで測定していたゲート絶縁膜の膜質特性を、本発明により非接触で測定することを可能にした。
As described above, according to the present invention, it is possible to perform in-line evaluation of the film quality quantitative evaluation index of the gate insulating film element. FIG. 13 shows the correlation between the defect density of the gate insulating film extracted from the measurement method of the prior art and the resistance value of the gate insulating film obtained from the device according to the present invention. As the defect density of the gate insulating film increases, the resistance of the gate insulating film tends to decrease. This is because as the defect density increases, the number of defects included in the gate capacitance increases and the number of leak paths in the gate insulating film increases, and as a result, the resistance Rg of the gate insulating film decreases.
As described above, the present invention makes it possible to non-contactly measure the film quality characteristic of the gate insulating film, which has been measured by physically and mechanically connecting to an external measuring instrument.

次に、上記実施形態では、ゲート絶縁膜の膜質定量評価指標についての測定実施例を示したが、本発明はトランジスタ接合部あるいはダイオード接合部についても同様に定量評価指標の測定が可能である。図14は、そのような例に係る半導体装置の上面および断面の2面図である。同図において、1401はアルミニウム裏面電極、1402は半導体基板(n型シリコン層)、1403は半導体基板1402に形成された不純物拡散層(p+層)、1404はフィールト酸化膜(膜厚450nm)、1405は層間絶縁膜(膜厚1000nmのPE-TEOS薄膜)、1406はタングステン(コンタクトプラグ)、1407は窒化チタンである。ここで、半導体基板1402と不純物拡散層1403とによりn-p+接合(pn接合)が形成され、不純物拡散層1403は、半導体装置上の電極を形成するタングステン1406に接続されている。即ち、半導体基板1402に形成されたn-p+接合のアノードは、半導体装置上の所定部位に形成された電極と電気的に接続され、そのカソードは半導体基板1402に接続されている。尚、n-p+接合部のアノードとカソードとの関係は、半導体基板1402および不純物拡散層1403の極性(n型/p型)に応じて入れ替わる。   Next, although the measurement example about the film quality quantitative evaluation index of a gate insulating film was shown in the said embodiment, this invention can also measure a quantitative evaluation index similarly about a transistor junction part or a diode junction part. FIG. 14 is a two-plane view of a top surface and a cross section of a semiconductor device according to such an example. In this figure, 1401 is an aluminum back electrode, 1402 is a semiconductor substrate (n-type silicon layer), 1403 is an impurity diffusion layer (p + layer) formed on the semiconductor substrate 1402, 1404 is a field oxide film (film thickness 450 nm), 1405 Is an interlayer insulating film (a PE-TEOS thin film having a thickness of 1000 nm), 1406 is tungsten (contact plug), and 1407 is titanium nitride. Here, an n-p + junction (pn junction) is formed by the semiconductor substrate 1402 and the impurity diffusion layer 1403, and the impurity diffusion layer 1403 is connected to tungsten 1406 which forms an electrode on the semiconductor device. That is, the n-p + junction anode formed on the semiconductor substrate 1402 is electrically connected to an electrode formed at a predetermined portion on the semiconductor device, and its cathode is connected to the semiconductor substrate 1402. Note that the relationship between the anode and the cathode of the n-p + junction is switched depending on the polarities (n-type / p-type) of the semiconductor substrate 1402 and the impurity diffusion layer 1403.

本実施形態では、n-p+接合からなる接合部の素子分離手段または整流手段としての品質(接合部の逆電流特性の性能)の定量評価指標を測定するが、基本的には、上述の絶縁膜を評価する場合と同様である。本半導体評価装置の電子ビームは、図14に示す窒化チタン1407の矩形領域R2に対して照射され、このときの電流量は照射エネルギー3keVのときに30pAであった。図15は、図14に示した半導体装置におけるn-p+接合部の定量評価指標を測定する場合の等価電気回路を示している。n-p+接合におけるリーク電流の増大は、図15の等価電気回路上における抵抗Rjの減少として表記される。従って、図3や図7に示す一連の処理手順に従って、測定および数値演算処理を実施することで、n-p+接合部の定量評価指標を測定するが可能となる。この場合、数値演算処理手段120は、前述のように測定結果として記録された時間と基板電流値からなる測定データ(測定結果が示す電流と時間との関係)から時定数を算出し、これを接合部の品質に関する定量評価指標として出力する。これにより、数値演算処理手段120が接合部の品質を評価する。
尚、本実施形態では、図14に示した接合部の設計容量値を数値演算処理204に入力し、図7のステップS704での傾き値と数値演算処理を実施することにより、接合部の定量評価指標として接合部の抵抗Rjを算出している。
In the present embodiment, a quantitative evaluation index of quality (performance of reverse current characteristics of the junction) as an element isolation unit or a rectification unit of a junction composed of n-p + junctions is measured. This is the same as the case of evaluating the film. The electron beam of this semiconductor evaluation apparatus was applied to the rectangular region R2 of the titanium nitride 1407 shown in FIG. 14, and the amount of current at this time was 30 pA when the irradiation energy was 3 keV. FIG. 15 shows an equivalent electric circuit in the case of measuring the quantitative evaluation index of the np + junction in the semiconductor device shown in FIG. An increase in leakage current at the n-p + junction is expressed as a decrease in resistance Rj on the equivalent electrical circuit of FIG. Therefore, it is possible to measure the quantitative evaluation index of the np + junction by performing the measurement and the numerical calculation process according to a series of processing procedures shown in FIG. 3 and FIG. In this case, the numerical calculation processing means 120 calculates a time constant from the measurement data (relationship between current and time indicated by the measurement result) composed of the time recorded as the measurement result and the substrate current value as described above, and calculates the time constant. Output as a quantitative evaluation index for the quality of the joint. Thereby, the numerical calculation processing means 120 evaluates the quality of a junction part.
In the present embodiment, the design capacity value of the joint shown in FIG. 14 is input to the numerical calculation process 204, and the slope value and the numerical calculation process in step S704 of FIG. The resistance Rj of the junction is calculated as an evaluation index.

図16は半導体装置の製造に用いられる半導体ウェハの平面図である。一枚の半導体ウェハ上には多数のチップが形成されているが、半導体ウェハには若干の空きスペースが残されている。このような空きスペースに本実施形態の半導体デバイスとなる例えばMOSトランジスタやMOSキャパシタを、意図して設計寸法を数水準割り振って予め形成しておけば、絶縁膜や接合の品質評価をシステマティックに行うことができる。ところで、図16では、半導体ウェハ上の複数箇所に分散して半導体デバイスを形成している。このように、複数の半導体デバイスを分散して形成すると、半導体製造装置の面内均一性やウェハ自身の反りや歪み等が絶縁膜や接合部の品質に対してにどのように影響するかを調べることができる。   FIG. 16 is a plan view of a semiconductor wafer used for manufacturing a semiconductor device. A large number of chips are formed on one semiconductor wafer, but some empty space remains in the semiconductor wafer. If, for example, a MOS transistor or a MOS capacitor to be a semiconductor device of this embodiment is formed in advance in such an empty space by intentionally assigning several design dimensions, the quality of the insulating film and the junction is evaluated systematically. be able to. By the way, in FIG. 16, semiconductor devices are formed dispersedly at a plurality of locations on the semiconductor wafer. In this way, when a plurality of semiconductor devices are formed in a distributed manner, how the in-plane uniformity of the semiconductor manufacturing apparatus and the warpage and distortion of the wafer itself affect the quality of the insulating film and the junction. You can investigate.

図17は、半導体ウェハをロット単位で製造する場合に、一ロット分の半導体ウェハの配置を示す図である。半導体ウェハ上の複数の測定点での評価指標の分布にばらつきがなくても、ウェハごとの評価指標の測定結果にずれが生じる場合がある。通常、複数のウェハをロット単位で処理するので、複数のウェハを収納するチェンバ内のガス分圧や温度の偏りが絶縁膜や接合の品質にどのように影響しているか調べることができる。
このように、本実施形態の半導体評価技術を用いれば、半導体基板の反りや歪み、あるいはチェンバ内のガス分圧や温度分布等の半導体製造プロセスのリスク要因を調べることができる。
FIG. 17 is a diagram showing the arrangement of semiconductor wafers for one lot when semiconductor wafers are manufactured in lot units. Even if the distribution of evaluation indices at a plurality of measurement points on a semiconductor wafer does not vary, the measurement results of evaluation indices for each wafer may be shifted. Usually, since a plurality of wafers are processed in lot units, it is possible to examine how the gas partial pressure and temperature deviation in the chamber accommodating the plurality of wafers influences the quality of the insulating film and bonding.
As described above, by using the semiconductor evaluation technique of the present embodiment, it is possible to examine the semiconductor manufacturing process risk factors such as the warpage and distortion of the semiconductor substrate, or the gas partial pressure and temperature distribution in the chamber.

上述した実施形態で説明した半導体評価装置は、ハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。ソフトウェアで構成する場合には、半導体評価装置の機能を実現するプログラムをフロッピー(登録商標)ディスクやCD−ROM等の記録媒体に収納し、コンピュータに読み込ませて実行させてもよい。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の携帯可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でもよい。   The semiconductor evaluation apparatus described in the above-described embodiment may be configured by hardware or software. When configured by software, a program for realizing the function of the semiconductor evaluation apparatus may be stored in a recording medium such as a floppy (registered trademark) disk or CD-ROM, and read and executed by a computer. The recording medium is not limited to a portable medium such as a magnetic disk or an optical disk, but may be a fixed recording medium such as a hard disk device or a memory.

また、半導体評価装置の機能を実現するプログラムを、インターネット等の通信回線(無線通信も含む)を介して頒布してもよい。さらに、同プログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、あるいは記録媒体に収納して頒布してもよい。   Further, a program for realizing the function of the semiconductor evaluation apparatus may be distributed via a communication line (including wireless communication) such as the Internet. Further, the program may be distributed in a state where the program is encrypted, modulated or compressed, and stored in a recording medium via a wired line such as the Internet or a wireless line.

本発明の実施形態に係る半導体評価装置の構成図である。It is a block diagram of the semiconductor evaluation apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る被評価対象の半導体装置の2面図である。It is a 2nd page figure of the semiconductor device to be evaluated concerning the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る半導体評価装置の動作の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of operation | movement of the semiconductor evaluation apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る半導体評価装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。It is a timing chart for demonstrating operation | movement of the semiconductor evaluation apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る測定データの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the measurement data which concern on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る等価電気回路(絶縁膜の定量評価指標を測定する場合)の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the equivalent electric circuit (when measuring the quantitative evaluation parameter | index of an insulating film) which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る数値演算処置の詳細を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detail of the numerical calculation treatment which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る測定データをグラフ化した図である。It is the figure which graphed the measurement data which concern on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る測定データに対して数値演算処理を施した結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the result of having performed the numerical calculation process with respect to the measurement data which concern on embodiment of this invention. ゲート絶縁膜素子の欠陥密度についての測定結果(平均時定数−ウェハ番号)を示す図である。It is a figure which shows the measurement result (average time constant-wafer number) about the defect density of a gate insulating-film element. ゲート絶縁膜素子の欠陥密度についての測定結果(平均ゲート絶縁膜抵抗値−ウェハ番号)を示す図である。It is a figure which shows the measurement result (average gate insulating-film resistance value-wafer number) about the defect density of a gate insulating-film element. ゲート絶縁膜素子の欠陥密度についての測定結果(平均ゲート絶縁膜抵抗値−ゲート容量面積)を示す図である。It is a figure which shows the measurement result (average gate insulating-film resistance-gate capacitance area) about the defect density of a gate insulating-film element. 従来技術の測定方法から抽出したゲート絶縁膜の欠陥密度と、本発明による半導体評価装置により得られたゲート絶縁膜の抵抗値との相関関係を示す図である。It is a figure which shows the correlation with the defect density of the gate insulating film extracted from the measuring method of a prior art, and the resistance value of the gate insulating film obtained by the semiconductor evaluation apparatus by this invention. 本発明の実施形態に係る被測定対象の他の例(接合部の評価指標測定を行う場合)としての半導体装置の2面図である。It is a 2nd page figure of the semiconductor device as other examples (when performing evaluation index measurement of a joined part) concerning the object to be measured concerning the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る等価電気回路(接合部の評価指標を測定する場合)の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the equivalent electric circuit (when measuring the evaluation parameter | index of a junction part) which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造に用いられる半導体ウェハの平面図である。It is a top view of the semiconductor wafer used for manufacture of the semiconductor device concerning the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る被測定対象の半導体装置が形成された半導体ウェハをロット単位で製造する場合に、一ロット分の半導体ウェハの配置を示す図である。It is a figure which shows arrangement | positioning of the semiconductor wafer for one lot, when manufacturing the semiconductor wafer in which the semiconductor device to be measured which concerns on embodiment of this invention was formed per lot. 従来技術に係る膜質評価方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the film quality evaluation method which concerns on a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

101 エミッタ
102 GUNアライメントレンズ
103 収束レンズ
104 ブランキング電極
105 MCP
106 偏向電極
107 対物レンズ
108 フォーカスレンズ
109 非点補正レンズ
110 半導体ウェハ
111 基板電流検出電極
112 ステージ
113 電流電圧変換器
114 照射切替制御回路
115 同期信号発生手段
116 ADコンバータ
120 数値演算処理装置
121 記憶装置
122 表示装置


101 Emitter 102 GUN Alignment Lens 103 Converging Lens 104 Blanking Electrode 105 MCP
DESCRIPTION OF SYMBOLS 106 Deflection electrode 107 Objective lens 108 Focus lens 109 Astigmatism correction lens 110 Semiconductor wafer 111 Substrate current detection electrode 112 Stage 113 Current voltage converter 114 Irradiation switching control circuit 115 Synchronization signal generation means 116 AD converter 120 Numerical calculation processing device 121 Storage device 122 Display device


Claims (2)

半導体装置上の所望の位置に電子ビームを照射する電子ビーム照射手段と、
前記半導体装置を構成する半導体基板に生じた電流を測定する電流測定手段と、
前記半導体装置への電子ビームの照射タイミングと前記電流測定手段による前記電流の測定タイミングとを同期させるための同期信号を発生する同期信号発生手段と、
前記同期信号に同期して、前記半導体装置に対する電子ビームの照射量を切り替える照射切替手段と、
前記同期信号に同期して、前記電流測定手段による測定結果を時間の関数として記録する測定結果記録手段と、
前記測定結果記録手段に記録された前記測定結果が示す電流と時間との関係から算出される時定数を評価指標として算出することにより前記半導体装置を構成する膜または接合部を評価する評価処理部と
を具備し、
前記評価処理部が、
前記半導体装置が形成する容量素子の設計上の容量値を入力するデータ入力手段と、
前記設計上の容量値と前記時定数とから前記膜または接合部の抵抗値を算出する数値演算処理部と
を具備し、
前記膜または接合部の抵抗値を前記評価指数として出力する
ことを特徴とする半導体評価装置。
An electron beam irradiation means for irradiating an electron beam to a desired position on the semiconductor device;
Current measuring means for measuring a current generated in a semiconductor substrate constituting the semiconductor device;
Synchronization signal generating means for generating a synchronization signal for synchronizing the irradiation timing of the electron beam to the semiconductor device and the measurement timing of the current by the current measuring means;
Irradiation switching means for switching the irradiation amount of the electron beam to the semiconductor device in synchronization with the synchronization signal;
A measurement result recording means for recording the measurement result by the current measurement means as a function of time in synchronization with the synchronization signal;
An evaluation processing unit that evaluates a film or a junction constituting the semiconductor device by calculating, as an evaluation index, a time constant calculated from the relationship between current and time indicated by the measurement result recorded in the measurement result recording unit provided with a door,
The evaluation processing unit
Data input means for inputting a designed capacitance value of a capacitive element formed by the semiconductor device;
A numerical operation processing unit for calculating a resistance value of the film or the junction from the designed capacitance value and the time constant;
Comprising
A semiconductor evaluation apparatus that outputs a resistance value of the film or the junction as the evaluation index .
前記評価処理部が、
前記測定結果の基板電流値に対して対数演算処理を実施し、前記対数演算処理の結果に対する線形近似式を算出し、前記線形近似式の傾きを抽出することにより前記抵抗値を算出することを特徴とする請求項に記載された半導体評価装置。
The evaluation processing unit
Performing a logarithmic calculation process on the substrate current value of the measurement result, calculating a linear approximation formula for the result of the logarithmic calculation process, and calculating the resistance value by extracting a slope of the linear approximation formula The semiconductor evaluation apparatus according to claim 1 , wherein the apparatus is a semiconductor evaluation apparatus.
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