JP6912776B2 - 誘電体膜の電気伝導率測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘電体膜の電気伝導率測定装置に関し、例えば、ＭＩＳ（Metal-Insulator-Semiconductor）構造を有するメモリ、ロジック、イメージセンサにおいて、シリコンウェーハ上に形成された誘電体膜の電気伝導率を非破壊、迅速かつ精度良く測定可能な誘電体膜の電気伝導率測定装置に関する。

絶縁膜の絶縁特性を測定する場合、例えば特許文献１には、半導体基板上に形成された絶縁膜と電極とからなる複数のＭＩＳ型半導体素子の評価方法において、半導体素子に電流を印加することにより生じる絶縁膜の絶縁破壊を検出し、絶縁特性を測定することが開示されている。

また、特許文献２には、半導体基板上に形成された絶縁膜、電極、ソース、ドレイン領域からなるＭＩＳ型半導体素子において、ゲートリーク電流を測定する方法が開示されている。
また、特許文献３には、ゲート容量Ｃとゲート電圧Ｖｇの間のＣ−Ｖ特性に基づいたＭＩＳ型半導体素子の評価を行う方法において、Ｃ−Ｖ特性に基づいた評価すべきＭＩＳキャパシタのゲート絶縁膜及びその界面の電気的特性を評価する方法が開示されている。

特許第４８４４１０１号公報 特許第４０４０４４６号公報 特開２００３−９２３１９号公報

しかしながら、特許文献１乃至特許文献３に開示された従来の測定方法にあっては、いずれも半導体基板上に誘電体膜、電極からなるＭＩＳ構造の評価サンプルを形成した後に測定を行う必要があり、評価サンプルを準備するために時間を要する上、破壊検査を行う必要があった。

即ち、評価サンプルを形成するには、シリコン基板を酸化し、多結晶シリコンを堆積し、パターンニングし、エッチングを行うという時間的に長い工程が必要であり、合計で１週間以上の時間が必要とされる。

半導体デバイスの製造現場においては、プロセスで形成した誘電体膜の絶縁特性を迅速に評価し、プロセスで形成した誘電体膜の絶縁特性を迅速に測定して、プロセス装置の状態などにフィードバックすることが求められており、測定に長い時間がかかっていては実用に適さない。

本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、例えばＭＩＳ構造を有する半導体デバイスにおいて、誘電体膜の電気伝導率を迅速に非破壊かつ高精度に測定することのできる誘電体膜の電気伝導率測定装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するためになされた、本発明に係る誘電体膜の電気伝導率測定装置は、半導体基板上に形成された誘電体膜の電気伝導率を測定する装置であって、前記半導体基板を保持する基板保持部と、前記基板保持部に保持された半導体基板の誘電体膜に対し所定の間隙をもって配置される複数のプローブ電極と、前記プローブ電極を電極として前記半導体基板に電圧印加する電圧印加部と、前記プローブ電極から紫外線をパルス発光させ、前記電圧印加部により電圧印加された前記半導体基板に紫外線照射するＵＶ照射部と、前記半導体基板の誘電体膜に発生するリーク電流の電圧を測定する測定部と、前記電圧印加部による電圧印加開始から前記ＵＶ照射部による紫外線照射までの遅延時間と測定された電圧との関係である時定数を算出し、該時定数に基づき誘電体膜の電気伝導率を求めるコンピュータとを備え、前記ＵＶ照射部は、前記複数のプローブ電極からそれぞれ紫外線をパルス発光させるための複数の紫外励起光源と、前記複数の紫外励起光源の出力を切り替えるスイッチング手段とを有し、前記スイッチング手段は、デマルチプレクサとして機能し、処理される各信号の基準となる基準信号に基づき生成され順次切り替わる複数ビットの選択信号に基づき１つの前記紫外励起光源を選択し、選択された紫外励起光源への光トリガ信号の入力により各プローブ電極からの紫外線照射が時分割に切り替えられ、前記コンピュータは、一測定点について、異なる前記遅延時間について前記測定部により測定された複数回の測定信号に基づき前記時定数を求め、前記時定数に基づき電気伝導率を算出することに特徴を有する。

なお、光伝導信号のピーク強度の実測値と複数の遅延時間との関係を基板内部の電界の緩和特性として複数パターン取得し、参照データとして記憶する記憶部を備え、
前記コンピュータは、本来の遅延時間よりも短い遅延時間における光伝導信号のピーク強度の傾きを求め、該傾きと、前記記憶部に記憶された前記参照データの傾きとのフィッティングを行い、該フィッティングにより得られたパターンを用いて、電気伝導率を予測することが望ましい。

このような構成によれば、シリコンウェーハ上に誘電体膜が形成された半導体基板に対し、プローブ電極から所定の電圧を印加し紫外線をパルス照射することにより、誘電体膜からリーク電流を流して応答信号である電圧の変化を測定し、誘電体の電気伝導率が求められる。本発明にあっては、前記誘電体膜の全領域に対応するために複数のプローブ電極を備えており、前記複数のプローブ電極から順次電圧印加に続く紫外線のパルス照射により、基板全領域における誘電体膜の電気伝導率を迅速に非破壊かつ高精度に測定することができる。

本発明に係る誘電体膜の電気伝導率測定装置によれば、例えばＭＩＳ構造を有する半導体デバイスにおいて、誘電体膜の電気伝導率を迅速に非破壊かつ高精度に測定することのできる誘電体膜の電気伝導率測定装置を提供することができる。

図１は、本発明に係る誘電体膜の電気伝導率測定装置の構成を模式的に示すブロック図である。 図２は、図１の測定装置において処理される各信号の関係を示すタイミング図である。 図３は、図１の測定装置の基本的な測定の流れを示すフローである。 図４は、図１の測定装置により実施される測定方法の流れを示すフローである。 図５は、図１の測定装置において処理される各信号の関係を示すタイミング図である。 図６（ａ）は、光伝導信号の実測値例のグラフであり、図６（ｂ）は、光伝導信号の参照データのグラフである。 図７（ａ）〜（ｃ）は、実施例の結果を示すグラフである。 図８（ａ）〜（ｃ）は、実施例の結果を示すグラフである。 図９は、プローブ電極とウェーハの位置関係を示す斜視図である。

以下、本発明に係る誘電体膜の電気伝導率測定装置について図面を用いながら説明する。
図１は、本発明に係る誘電体膜の電気伝導率測定装置（以下、単に測定装置ともいう）の構成を模式的に示すブロック図である。

図１の測定装置１は、振動を抑制し除去する除振台２と、前記除振台２上に配置されるＸ−Ｙ−Ｚステージ３と、被測定対象の半導体基板Ｗ（以下、単に基板Ｗと呼ぶ）を吸着保持するための金属製のチャック４（基板保持部）とを備える。このチャック４には、微小信号増幅装置１１を介して基板Ｗ側からの信号を取得するためのオシロスコープ１２（測定部）が接続されている。なお、基板Ｗは、シリコンウェーハ上に誘電体膜が形成されており、測定装置１はその誘電体膜に対し絶縁特性測定するものである。

また、前記Ｘ−Ｙ−Ｚステージ３の位置決め精度は、各軸とも０．２μｍであり、分解能は０．１μｍである。なお、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ３による送り機構は、チャック４を回転させる回転系の送り機構を用いてもよく、その場合の回転角は任意に指定できる。このＸ−Ｙ−Ｚステージ３によって、試料である基板Ｗの全範囲における各測定領域の電気伝導率を測定する二次元マッピング測定が可能となる。

また、測定装置１は、基板Ｗの誘電体膜の全領域に対応するために、基板Ｗの上方に配置される複数（例えば１５機）のプローブ電極５と、光導波路となるケーブル６を介して前記複数のプローブ電極５とそれぞれ接続される複数（例えば１５機）の紫外励起光源７（例えばキセノンフラッシュランプ／ＵＶ照射部）と、プローブ電極５に電力供給するバイポーラ電源８（電圧印加部）と、任意の波形を発生し紫外励起光源７を駆動する任意波形発生器９とを備える。なお、図９の斜視図に、複数のプローブ電極５のレイアウト図を一例として示す。
また、任意波形発生器９と紫外励起光源７との間には、例えば４ビットのデマルチプレクサ２０がスイッチング手段として設けられ、任意波形発生器９の出力波形を切り替えて、駆動する紫外励起光源７を選択する構成になっている。

プローブ電極５は、例えば直径１．６１ｍｍのスチール製中空円筒構造の電極である。その中空部分にコア径１ｍｍの光ファイバを通し、紫外励起光源７からの光を光ファイバへ導入し、基板Ｗ上にＵＶ光照射がなされる。プローブ電極５の先端と基板Ｗとの間のギャップ幅は、数μｍ程度とされる。このプローブ電極５は、バイポーラ電源８に接続されており、基板Ｗに対しパルス電圧を印加するとともに、光ファイバからのＵＶ光を基板Ｗにパルス照射するものである。

さらに、測定装置１は、演算処理を行うコンピュータ５０を備え、このコンピュータ５０には、前記オシロスコープ１２と任意波形発生器９とが接続されている。
任意波形発生器９（例えばＴｅｋｔｒｏｎｉｘ社製ＡＷＧ２００５）は、紫外励起光源７へのトリガ信号、基板Ｗへの印加電圧のタイミング同期に用いられ、その制御はコンピュータ５０によって制御される。

ここで図２及び図３を用いて、測定原理を説明する。図２は、測定装置１において処理される各信号の関係を示すタイミング図である。図３は、基本的な測定の流れを示すフローである。
一測定周期Ｔの半周期Ｔ₁，Ｔ₂において、プローブ電極５から基板Ｗに対し図示するように矩形波状に電圧（１０ｍＶ乃至３００Ｖの範囲内で設定）が印加される（図３のステップＳ１）。基板Ｗに電圧印加されると、誘電体膜下のシリコンには強反転層が形成される。

シリコン中の内部電界は、経時的に減少していくが、その過程において誘電体膜上から、紫外励起光源７へのトリガ入力によって紫外励起光源７がパルス発光し基板ＷにＵＶ照射する（図３のステップＳ２）。
それにより、誘電体膜下のシリコン中において電子が光励起され、励起した光電子が電界にしたがって誘電体膜からリーク電流を流す。その結果、図２の示すような電圧変化が生じ、この電圧を応答信号として測定する（図３のステップＳ３）。

また、パルス光を照射するタイミング（電圧を印加してからパルス光を照射するまでの時間ｔｄ１、ｔｄ２）を変えて複数回、応答信号を測定し（図３のステップＳ４）、それらの結果に基づき応答信号の変化量（即ち時定数（電圧と時間との関係））を算出する（図３のステップＳ５）。

さらに、誘電体膜（ＳｉＯ₂）の誘電率が固有値であるとすれば、前記応答信号の変化量がわかることにより誘電体膜の電気伝導率を算出することができる（図３のステップＳ６）。
ここで、誘電体膜の誘電率ε_insulatorと電気伝導率σ_insulatorと応答信号の変化量ΔＶ（ｔ）との関係は、下記式（１）で表すことができる。

なお、式（１）において、ｌｏｇ₁₀ΔＶ（ｔ）／Δｔは、光伝導信号強度の時間依存性（時間に対する信号強度の傾き）である。

続いて、図４のフロー及び図５のタイミング図を用いて、本発明に係る誘電体膜の電気伝導率測定装置による測定方法について説明する。図４は、図１に示した測定装置１により実施される測定方法の流れを示すフローである。図５は、図１に示した測定装置１において処理される各信号の関係を示すタイミング図である。

先ず、被測定対象となる基板Ｗ（シリコンウェーハ上に誘電体膜が形成されたもの）をチャック４により保持する（図４のステップＳＰ１）。
載置した基板Ｗがロットの先頭である場合には（図４のステップＳＰ２）、複数の測定点（図９）のうちの代表ポイント（例えばウェーハ中央一点）において遅延時間（電圧印加からＵＶパルス照射までの時間）をコンピュータ５０に記憶させる（図４のステップＳＰ３）。例えば、電気伝導率（σ＝１０^-6，…１０^-12 Ω^-1m^-1）が分かっているウェーハで計測した遅延時間（代表的な遅延時間）をコンピュータ５０に記憶させておき、未知のウェーハでの計測に適用する際は、コンピュータ５０に記憶させておいた遅延時間を呼び出し、電気伝導率（σ＝１０^-6，…１０^-12 Ω^-1m^-1）に対応する遅延時間を未知のウェーハに対して試行して、光信号の遅延時間依存性を取得する。

次いで、基板Ｗ上の複数の測定点（例えば１５機のプローブ電極５による１５箇所）上に数μｍの間隙（ギャップ）を空けて、複数のプローブ電極５を配置する（図４のステップＳＰ４）。
コンピュータ５０において、遅延時間、印加電圧等の測定時間を設定し（図４のステップＳＰ５）、基板Ｗに対し電圧印加、ＵＶパルス照射を各プローブ電極５により順次行う（図４のステップＳＰ６）。

ここで、複数のプローブ電極５による各測定点に対する電圧印加およびＵＶパルス照射（図５の光源１〜１５）は、デマルチプレクサ２０の信号（図５の光源の選択信号Ｄ₀〜Ｄ₃：４ビット信号）に基づきスイッチング制御され、２５０Ｈｚ以下の周期で順次行うよう制御される。

本実施形態にあっては、１５機の紫外励起光源７のため、４ビットのデマルチプレクサ２０にていずれか１つを選択し、それ以外は全て非選択とする制御期間を設ける。この選択期間とパルス光を照射するタイミングとを同期させ、測定点毎に独立した光導波路とすることにより、複数の測定点において時分割処理を行うことができる。また、各選択信号Ｄ₀〜Ｄ₃は、図５に示すように基準信号に基づくため、パルスタイミングは正確に出力することができる。

オシロスコープ１２においては、微小信号増幅装置１１により増幅された信号が測定され、コンピュータ５０に記録される（図４のステップＳＰ７）。
一測定点において、遅延時間を異ならせて複数回の信号測定がなされると（図４のステップＳＰ８）、電気伝導率を算出する（図４のステップＳＰ９）。
全ての測定点について電気伝導率の算出が完了すると（図４のステップＳ１０）、チャック４による基板Ｗの吸着を解除し、測定終了となる（図４のステップＳ１１）。

以上のように、本実施の形態によれば、シリコンウェーハ上に誘電体膜が形成された基板に対し、プローブ電極から所定の電圧を印加し紫外線をパルス照射することにより、誘電体膜からリーク電流を流して応答信号である電圧の変化を測定し、誘電体の電気伝導率が求められる。本発明にあっては、前記誘電体膜の全領域に対応するために複数のプローブ電極を備え、前記複数のプローブ電極から順次電圧印加し紫外線をパルス照射することにより、基板全領域における誘電体膜の電気伝導率を迅速に非破壊かつ高精度に測定することができる。

なお、前記実施の形態においては、試料としてＭＩＳ型半導体素子などを作成する必要がなく、また、非破壊に測定ができるため、従来よりも迅速に電気伝導率の測定を行うことができる。
しかしながら、誘電体の電気伝導率は、微小である程、絶縁性能が高く、膜質の良い誘電体膜である程、電気伝導率が微小となって、時定数が大きくなり、測定時間を長くする必要がある。そのため、更なる課題としては、測定時間のスループット向上と時間短縮が挙げられる。この課題を解決する方法としては、特に測定時間の長くなる（時定数が大きい）測定対象については、内部電界の緩和特性を参照データとして予め記憶し、それを測定に用いる方法がある。

具体的に説明すると、例えば、極めて膜質のよい１×１０^-14Ω^-1m^-1の電気伝導率を算出する場合、光伝導信号ピーク強度の変化量を３００ｍＶとすると、遅延時間の差は、２３００ｓとなる。
図２に示した遅延時間ｔｄ１とｔｄ２の２点間で傾きを求めると仮定すると、パルス電圧の２周期を必要とするため、少なくともこの時間の倍以上の計測時間が必要となる。
このため、そのような時定数が大きな測定対象については、予め、同等の試料より取得した内部電界の緩和特性を参照データとして用意することが望ましい。

例えば、ｔｄ１での光伝導信号のピーク強度を１とした場合、ｔｄ２にてその変化量が１／ｅになったとすれば、ｔｄ１とｔｄ２の間に変化した光伝導信号ピーク強度の差より時定数（応答信号の変化量）が求められる。
この測定方法に対し、ｔｄ１とｔｄ２の遅延時間とその途中の遅延時間でも光伝導信号ピーク強度の測定を行い、表２に示す様な時間に対する内部電界の緩和特性を数多く取得し、参照データをモデル化しておく。

表１に参照データのテーブル例を示す。

表１中、２行目以降には実測値が示されるが、記号ΔＶＱ１、ΔＶＱ２、ΔＶＱ３、・・・は、それぞれ、ＶＱ２−ＶＱ１、２ＶＱ２−ＶＱ１、３ＶＱ２−ＶＱ１、・・・を表す。また、ＡまたはＢは、誘電体膜の特性によって決まる固有の倍率を表す。

この参照データをコンピュータ５０の記憶部（図示せず）で保持した上で、本来の遅延時間よりも短い遅延時間における光伝導信号ピーク強度の傾きを求め、即時、参照データへのフィッティングを行い、本来、求めたい遅延時間における電気伝導率を図６（ａ）、（ｂ）に示す様に推定することができる。なお、図６（ａ）は、光伝導信号の実測値例、図６（ｂ）は、光伝導信号の参照データのグラフを示す。フィッティングの精度については、各測定値のばらつき以下とする。これにより、極めて膜質のよい誘電体膜の１×１０^-14Ω^-1m^-1相当の電気伝導率測定において時間短縮を図ることができる。

なお、以上の測定時間を最小化させる手法の適用には、ロットの先頭ウェーハにおいて、予め、所望の代表測定点にて１次近似のための遅延時間ｔｄ１およびｔｄ２を決定しておく必要がある。

本発明に係る誘電体膜の絶縁特性測定方法について、実施例に基づきさらに説明する。本実施例では、前記実施の形態に基づき以下の実験を行った。

本実施例では、図１に示した測定装置の構成により、シリコンウェーハ上に形成された誘電体膜の電気伝導率を一測定点において測定した。
試料としてチョクラルスキー法によりＢ（ホウ素）をドープしたシリコン結晶を作成し、その結晶をスライスしてミラー加工した直径３００ｍｍ、厚さ７７５μｍのＰ型シリコンウェーハを２枚用意した。それぞれ、異なる方法でシリコンウェーハ上に誘電体膜を成膜した。誘電体膜の厚さは、それぞれ２０ｎｍ程度および３００ｎｍ程度である。

本実施の形態に示した測定方法に従い、各試料における１か所の測定点の測定結果を図７、図８のグラフ、及び表２に示す。

図７はウェーハに対し熱酸化により誘電体膜の厚さを３００ｎｍとしたシリコンウェーハ１の測定結果、図８はそれにＲＣＡ洗浄したシリコンウェーハ２の測定結果である。
図７（ａ）、図８（ａ）は、縦軸が光伝導信号強度（ｍＶ）、横軸が遅延時間ｔ_d［ｍｓ］またはｔ_d［ｓ］である。図７（ｂ）、図８（ｂ）は、縦軸が光信号の遅延時間に対する変化ΔＶ（ｔ）［Ｖ］、横軸が遅延時間ｔ_d［ｓ］である。また、図７（ｃ）、図８（ｃ）は、１次式近似より算出される傾きである。

また、表２は前記シリコンウェーハ１、２について、遅延時間ｔ_d［ｓ］、光伝導信号強度の変動量、傾き、電気伝導率を示す。
本実施例の結果、一測定点について誘電体膜を非破壊に且つ迅速に電気伝導率を測定することができた。したがって、図１のようにプローブ電極５を複数備えるマルチプロービング機構により、複数の測定点について測定することにより、ウェーハ全体の電気伝導率の分布を取得することができることを確認した。

１ 電気伝導率測定装置
２ 除振台
３ Ｘ−Ｙ−Ｚステージ
４ チャック（基板保持部）
５ プローブ電極
６ 光導波路
７ 紫外励起光源（ＵＶ照射部）
８ バイポーラ電源（電圧印加部）
９ 任意波形発生器
１１ 微小信号増幅回路
１２ オシロスコープ（測定部）
２０ デマルチプレクサ（スイッチング手段）
５０ コンピュータ
Ｗ 半導体基板

Claims (2)

1. 半導体基板上に形成された誘電体膜の電気伝導率を測定する装置であって、
   前記半導体基板を保持する基板保持部と、前記基板保持部に保持された半導体基板の誘電体膜に対し所定の間隙をもって配置される複数のプローブ電極と、前記プローブ電極を電極として前記半導体基板に電圧印加する電圧印加部と、前記プローブ電極から紫外線をパルス発光させ、前記電圧印加部により電圧印加された前記半導体基板に紫外線照射するＵＶ照射部と、前記半導体基板の誘電体膜に発生するリーク電流の電圧を測定する測定部と、前記電圧印加部による電圧印加開始から前記ＵＶ照射部による紫外線照射までの遅延時間と測定された電圧との関係である時定数を算出し、該時定数に基づき誘電体膜の電気伝導率を求めるコンピュータとを備え、
   前記ＵＶ照射部は、前記複数のプローブ電極からそれぞれ紫外線をパルス発光させるための複数の紫外励起光源と、前記複数の紫外励起光源の出力を切り替えるスイッチング手段とを有し、
   前記スイッチング手段は、デマルチプレクサとして機能し、処理される各信号の基準となる基準信号に基づき生成され順次切り替わる複数ビットの選択信号に基づき１つの前記紫外励起光源を選択し、選択された紫外励起光源への光トリガ信号の入力により各プローブ電極からの紫外線照射が時分割に切り替えられ、
   前記コンピュータは、一測定点について、異なる前記遅延時間について前記測定部により測定された複数回の測定信号に基づき前記時定数を求め、前記時定数に基づき電気伝導率を算出することを特徴とする誘電体膜の電気伝導率測定装置。
2. 光伝導信号のピーク強度の実測値と複数の遅延時間との関係を基板内部の電界の緩和特性として複数パターン取得し、参照データとして記憶する記憶部を備え、
   前記コンピュータは、本来の遅延時間よりも短い遅延時間における光伝導信号のピーク強度の傾きを求め、該傾きと、前記記憶部に記憶された前記参照データの傾きとのフィッティングを行い、該フィッティングにより得られたパターンを用いて、電気伝導率を予測することを特徴とする請求項１に記載された誘電体膜の電気伝導率測定装置。

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