JPH0412547A - 膜厚分布測定装置 - Google Patents

膜厚分布測定装置

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JPH0412547A
JPH0412547A JP11508290A JP11508290A JPH0412547A JP H0412547 A JPH0412547 A JP H0412547A JP 11508290 A JP11508290 A JP 11508290A JP 11508290 A JP11508290 A JP 11508290A JP H0412547 A JPH0412547 A JP H0412547A
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JP
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probe
film
sample
insulating film
film thickness
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JP11508290A
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Kazuyoshi Sugihara
和佳 杉原
Akira Sakai
明 酒井
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は、原子開力顕微鏡(以下、AFMという)や磁
力顕微!(以下、MFMという)など走査型トンネル顕
微鏡(以下、STMという)の応用装置(以下、SXM
という)を利用した絶縁膜の膜厚分布測定装置に関する
(従来の技術) マイクロエレクトロニクスの分野に於いて、絶縁性の薄
膜の果す役割は極めて大きい。特に、メモリーに応用さ
れる絶縁膜は、メモリーの高集積化に伴い、その膜厚が
非常に薄くなっており、数nm程度の酸化膜も実用化さ
れている。このような絶縁性薄膜の実用上の大きな問題
点の1つは。
薄膜の不均一性である。局所的に膜厚が薄くなっている
と、絶縁膜に電圧を印加した際にその箇所でリーク電流
が流れ、絶縁膜として実用的には役立たなくなる。従っ
て、絶縁性薄膜の実用化には、その薄膜の膜厚の均一性
の評価が不可欠である。
もしも下地の表面の平坦性があらかしめ保障されていれ
ば、その上に付けた絶縁膜の厚さの不均一性は、膜の表
面の凹凸となって表われる。このような場合には、電子
顕微鏡法による表面観察により膜厚の不均一性を評価す
ることができる。しかし、ナノメートル領域の膜の評価
に於いては、下地の表面の平坦性として数1以下が要求
されることになり、このような下地の作製は必ずしも容
易なことではない。実用に供されている下地は、n鳳の
凹凸を有していることが多く、このような下地の場合に
は、下地表面の凹凸によっても膜厚が不均一となる。膜
の表面が平坦であっても、下地の凸の部分では膜厚は薄
くなっている。このような絶縁膜と下地との界面の凹凸
による膜厚の不均一性を膜表面の観察によって評価する
ことは極めて困難である。膜厚の不均一性の評価のもう
1つの難点は、局所的な不均一性を評価しなければなら
ないことにある。膜厚が薄くなるに従って、電流リーク
の起きる領域の大きさも小さくなってきており、ナノメ
ートル領域の絶縁膜の場合には、膜厚の不均一性につい
ても数nmの空間分解能で評価することが要求されてい
る。エリプソメトリ−を始めとする既存の膜厚測定手段
は、膜厚について数人の精度を有しているが、空間的な
分解能については上記の要求を満たすことができない、
試料断面を電子顕微鏡によって観察する場合には必要な
分解能で膜厚分布が測定できるが、これは本質的に破壊
検査であり、また1次元的な膜厚分布しか得られないと
いう欠点がある。
1982年I BM G、 B1nn1g & H,R
ohlerが走査型トンネル顕微鏡(以下、STMと称
する。)を発表(Phys、Rev、Lett、 49
■57 (1982) )して以来、数年の間に原子レ
ベルから測定可能な高空間分解能の評価技術として多く
の研究者や技術者が装置開発や新たな評価応用技術への
展開を進めている( I B M J 、 Res、 
Devlop、 vo 1 。
30、 no、4 (1986) 355) 。
これらのSTM及びその応用装置(SXM)で使用され
る走査探針としては、タングステン(W)あるいは白金
合金(Pt−Ir)のワイヤを電解研磨等によって先端
を尖らせた探針が広く用いられている。
走査型トンネル顕微鏡(STM)は、高い空間分解能で
表面形状を観察することのできる手法であるが、このS
TMの原理を膜厚測定に利用することは可能である。即
ち、第9図(a)に示すように、STM探針1とたとえ
ばシリコンのような下地2の間に電圧を印加し、探針1
を走査する。
すると、膜厚の小さな箇所ではトンネル電流4が多く流
れる。したがって、この現象を利用して膜厚の不均一性
の空間的な分布を、トンネル電流4の変動から測定する
ことができる。STMの空間分解能は〜1人に達するた
め、空間分解能の点でも問題はない6 (発明が解決しようとする課題) しかし、STMを用いて第9図(a)に示されるような
測定を行うことは、技術的に実現が不可能である。絶縁
膜3が厚い領域ではトンネル電流4が流れないため、ト
ンネル電流4によるフィードバックを加えて探針1を走
査するSTMでは、膜厚の大きな領域に於いて、探針1
を絶縁膜3に沿って走査することは不可能である(フィ
ードバックが加わっている場合には、トンネル電流4の
流れない領域では、探針1は絶縁膜3に衝突してしまう
)。フィードバックを加えずに、探針1を一定の高さで
走査する場合には上記の問題は起きないが、一定の高さ
で探針1を走査した時に得られる情報は探針1と下地2
の間の距離の変動である。従って、第9図(b)に示さ
れているように下地2に突起があれば、例え膜厚が変化
していなくともその箇所でトンネル電流4が増大し、あ
たかも膜厚が小さくなったかのように観測される。
逆に下地2が平坦であれば、膜厚が変化してもトンネル
電流は一定(または0)である。従って、トンネル電流
4の変動から膜厚の変化を求めることはできない(第9
図(c)、(d)参照)。
〔発明の構成〕
(課題を解決するための手段) 本発明は、上記課題を解決するために、導電性基板上の
絶縁膜に接触しながら走査する探針と、この探針と前記
導電性基板間の絶縁膜の厚みを測定する手段とを備え、
前記探針が前記絶縁膜から斥力に抗して走査することを
特徴とする膜厚分布測定装置からなるものである。また
、前記探針と導電性基板間の絶縁膜の厚みを測定する手
段は、前記探針に電気的に接続するコイルと、このコイ
ルのインピーダンス変化を測定する手段とを有すること
を特徴としている。すなわち、本発明は。
AFMやMFMなどのSTMの応用装置(SXM)に用
いられる探針制御技術を利用するものである。
(作用) AFM等のSXMは、一種の触針式顕微鏡であり、先端
を尖らせた探針を試料面に接触させながら走査し、その
時の探針の上下動から試料表面の起伏を測定する装置で
ある。探針が表面に数人まで接近すると両者の間には強
い斥力が働<、AFMではカンチレバーと呼ばれる一種
の片持ちぼりで、この力をカンチレバーの変位に変換し
、実際にはこの変位が一定となるように探針を走査させ
る。従って厳密にはAFMの探針は表面からの斥力が一
定であるような曲面に沿って動く、もともと探針が試料
表面に接触しているということの意味は、探針が表面か
ら一定の斥力を受けていることであるから、AFMの探
針は試料表面に接触しながら表面に沿って動いていると
理解して差し支えないのである。STMと異なり、AF
Mでは絶縁性の試料の表面の起伏をも測定し得る点に特
徴がある。上記のAFMの探針制御法を用いることによ
り、絶縁性の薄膜の場合にもトンネル電流の有無に係わ
らす探針を膜の表面に沿って制御しながら動かすことが
可能である。
本発明は、SXMに用いられる前記探針と導電性基板と
の間の静電容量やインピーダンス変化などを測定するこ
とにより、絶縁膜の膜厚分布を微視的に測定することが
可能になる。
(実施例) 以下1本発明の一実施例を、図面を参照して説明する。
第1図は、実施例1における導電性基板上の絶縁膜の膜
厚を測定する装置の模式図である。
試料5は、たとえばシリコン基板などの導電性の下地2
と、例えば、Sin、などの絶縁膜3からなる。電解研
磨されたタングステン探針1がカンチレバー6の先に取
付けられており、カンチレバー6の背面にはミラー7が
取付けられている。半導体レーザー8からのレーザー光
はミラー7によって反射され1位置敏感検出器 (Position 5ensitive date−
ctor) 9によって検知される。レーザー8、ミラ
ー7および検出器9は光てこを形成しており、カンチレ
バー6の変位は、この光でこによって測定される。一方
、試料5には、試料5を表面に平行な方向(X、Y方向
とする)および垂直な方向(Z方向とする)に移動する
ことのできる微動圧電アクチュエーター10および粗動
用の圧電アクチュエーター11が取付けられており、制
御回路12によって駆動されている。
コンピューター16はDA変換器17を介して圧電アク
チュエーター制御回路12を駆動しており、試料5のZ
方向の動き、X、Y方向の走査をコンピューター16で
行なうことができる。
探針1およびカンチレバー6は、半導体素子製造プロセ
スを使ったいわゆるrマイクロッアプリケーション」に
よってカンチレバーとなるSiNx膜、探針材料のタン
グステンなどから一体構造で作られる。タングステン探
針1は容量検出回路3゜と接続されている。探針1まわ
りの浮遊容量Cおよび試料5−探針1間の容量DCと回
路内の配線(ストリップライン等)およびこの回路と探
針1とを繋ぐ線(フライリード)13とは共振周波数f
r(およそIGH2)のLC共振回路を形成する。
一方、この回路には、UHF発振器からfrに近い周波
数foの搬送波を注入している。発振器の出力端から搬
送波出力端までの共振回路の伝達関数をH(f、fo)
とすると、Hは次式で表わすことができる。
ここで、におよびαは定数である。
この伝達関数と周波数の関係から、第2図に示すような
共振曲線が描かれる。発振周波数fOを一定とすると、
foでの出力がfrでの出方より3dBさがった位置に
ある時に、振幅変調度ΔIHI/IHIは最大感度とな
る。従って、この点を動作点として設定すると、次式が
導がれる。
AIH1=   fr   AC= 、o)(ac)I
HI    4(fo−fr)   C2C二二で、Q
は共振回路のQ値である。試料5を移動させると、絶縁
膜の厚さに対応してΔCが変化するとともに共振周波数
frは△f だけシフトするため、搬送波は表面の凹凸
に対応した変調を受ける。これをディテクタで検波し、
その出力電圧の変化分ΔVを読み取ることにより、絶縁
膜分布を知ることができる。
つぎに、試料−探針間の間隔d(探針と試料の下地の間
の間隔すなわち、はぼ絶縁膜3の厚さ、を示す。)と全
静電容量(C十ΔC)の関係について説明する6予備実
験の結果として、試料にはAuを蒸着したSiウェハ、
探針には電解研磨されたPt−Ir線を用いたときの結
果を第3図に示す。
容量の検出にはLCRメータ、探針の粗動には圧電素子
を用いた。第3図から明らかなように、静電容量の間隔
依存性には二つの領域が存在する。
試料と探針が十分に離れた状態(d≧10tIIn)で
は、容量は1/dに比例して変化するが、更に接近させ
ると電界が探針先端部に集中するため、△Cが急激に増
加する。そのときのΔCは間隔dに対して次式のような
対数的な変化を示す。
ΔC=AQn(B/d) ここで、A、Bはともに定数である。この領域における
容量の変化率(感度)は1間隔dとともに変化し、第3
図の例ではd=1tuB位置で0.76a F /人の
感度であるのに対し、d=0.1μsでは8.Oa F
 /人に増加する。第3図の容量変化を今度は第1図に
示した容量検出回路30で測定すると、検出回路の出力
は間隔に対して第4図の変化を示す第3図と比較すると
、回路の特性上、間隔dに対する依存性が逆になってい
るが、定性的には一致している。
d=o、5p以下では感度はおよそ5 m V / t
mとなる。
従って、ノイズ成分を考慮上でも垂直分解能は10Å以
下にすることができる。
一方、表面電荷法による電界計算から、面内分解能を電
界の広がりと定義すると、d=0.5μs以下では面内
分解能は、探針先端の曲率直径に等しいと言える。一般
的な探針の先端曲率直径は数100人であることがら、
0.1μs程度がこの手法による面内分解能であるとす
ることができる。
以下、各部の動作を実験の手順に沿って説明する。先ず
粗動用圧電アクチュエーター11を動がして試料5を探
針1に接近させる。絶縁膜3と探針1が十分に(2〜3
人)接近すると、両者の間に働く斥力のためにカンチレ
バー6は変位し、その変位は検出器9によって検出され
る。検出器9がらの信号はフィードバックコントローラ
ー18に入り、フィードバックコントローラー18はカ
ンチレバー6の変位が常に一定となるように圧電アクチ
ュエーター10のZ方向の動きを制御する。この状態で
、コンピューター16は、圧電アクチュエーター10を
駆動して、試料5をX、Y方向に走査させる。この時、
探針1は絶縁膜3がら一定の斥力を受けるような軌跡に
沿って、絶縁膜3に接触しながら動いてゆく。
試料5の走査と同時に、静電容量の変化、実際には容量
検出回路からの出方電圧の大きさがAD変換器15によ
って測定され、コンピューター16によってモニターさ
れる。出力電圧の分布をコンピューター16によって表
示することにより、絶縁膜3の膜厚分布を知ることがで
きる。この方法による測定例を第5図(a)、(b)に
示す。第5図(b)のシリコン基板2の2点a、bは、
第5図(a)の横軸の走行距離点a、bに対応している
。探針1は斥力が一定になるように絶縁膜3上を動いて
いくので(第5図(b)参照)、圧電アクチュエーター
10の2方向の動きを試料5の走査距離に対してプロッ
トしてやれば、試料5の表面の凹凸を測定することがで
きる(第5図(a)参照)。さらに、静電容量の変化を
示す容量検出回路からの出力電圧を同様にプロットして
やると、実祭の膜厚分布とはわずかに異なる分布を得る
ことができる(第5図(a)参照)。面内分解能が数1
00人のため生じる誤差である。しかしこの誤差はわず
かでありほとんど無視することができる。
なお、上述した実施例では1片持ち梁タイプのカンチレ
バー6を使用し、光でこにより変位測定を行なっている
が、他のタイプのカンチレバー(力/変位変換器)、お
よび他の方式の変位測定方式を採用してもよい。ただし
力に対して1o−1ON程度の分解能を有することが望
ましい。また、先端が鋭利であれば、探針1としてタン
グステン以外の金属探針を使用することができる。さら
に絶縁膜3については、S io2以外の他の絶縁膜に
ついても本技術を適用することが可能である。
また探針と試料間の静電容量の検出方法としては、他の
方法を用いることもできる。その例を第6図(a)、(
b)に示す。この図の例は、抵抗やインダクタンスの測
定にも広く応用されている交流ブリッジ法を利用したも
のである。(a)の回路は、デイケードトランスをブリ
ッジの2辺とし、標準容量Csと測定容量Cxとを比較
している。
(b)の回路は更に高精度な交流ブリッジ系で、1aF
までの容量が測定できる。
(実施例2) つぎに、他の実施例を第7図および第8図を参照して説
明する。第7図は、非磁性金属基板上の絶縁膜の厚さを
測る装置の模式図である。第8図は、カンチレバー6に
取付けられた電解研磨されたタングステン探針1おびコ
イル20を示す斜視図である。この装置は、測定手段以
外は実施例1の装置と同じ構造を有している。なお、ミ
ラーについては第8図への図示を省略した。
探針1とコイル20は半導体素子製造プロセスを使った
いわゆる“マイクロッアプリケーション″によって例え
ばS i N x膜などから一体構造で作られる。コイ
ル20の端部は例えば金の細線でブリッジ回路21に接
続される。コイル20にオシレータ22から高周波電流
を供給し、磁束をターゲットに鎖交させる。ブリッジに
よる検出精度はオシレータ22から供給される高周波電
流の安定度によって決まる。このため、水晶発振器によ
り周波数の安定を図り、さらに出力電圧をフィードバッ
クして自動利得調整回路(AGC回路)25で振幅制御
をする。これにより基板2表面に磁束を打ち消す様な渦
電流が発生し、コイル20のインピーダンスが変化する
コイル20のインピーダンスZはコイルの実効抵抗をR
,コイルのりアクタンスを又とすると2=R十jX(j
は複素数)で表わされ、これが探針1と基板2との間隔
すなわち絶縁膜3の厚さの関数となる。コイル20のイ
ンピーダンス変化はブリッジ回路21で求められる。コ
イル20はブリッジ回路21の1辺を構成しており、こ
の回路21によってコイルのインダクタンス変化による
不均衡電流が電圧変換され、増幅され、さらに検波回路
23によってノイズ除去が行われる。ブリッジ回路21
からの出力電圧は、試料5の下地2の材質によって各種
異なった放物線状で出力されるため、これをリニアライ
ザ24によって直線化する。この実施例では、下地2が
シリコン基板であり、絶縁膜3が5in2である。
膜厚とインピーダンス変化との関係は電源周波数、試料
5の下地2の導電率・透磁率、コイルなどによって影響
を受けるため、予め試料と導電率。
透磁率が同等な試験片、非電導膜などを用いて校正を行
なっておく必要がある。
以下、各部の動作を実験の手順に沿って説明する。まず
、粗動用圧電アクチュエーター11を動がして試料5を
探針1に近づける。5in2絶縁膜3と探針1が十分に
(2〜3人)接近すると、両者の間に働く斥力のためカ
ンチレバー6は変位し、その変位は検出器9によって検
出される。検出器9からの出力信号はフィードバックコ
ントローラー18に入り、フィードバックコントローラ
ー18はカンチレバー6の変位が常に一定となる様に圧
電アクチュエーター10の2方向の動きを制御する。
この状態でコンピューター16は、圧電アクチュエータ
ー10を駆動して試料5をX、Y方向に走査させる。こ
の時、探針1は絶縁膜3がら一定の斥力を受けるような
軌跡に沿って(要するに絶縁膜3に接触しながら)動い
てゆく。試料5の走査と同時にインピーダンスの変化、
実際にはリニアライザからの出力電圧の大きさがAD変
換器15によって測定され、コンピューター16によっ
てモニターされる。出力電圧の分布をコンピューター1
6によって表示することにより、絶縁膜3の膜厚分布を
調べることができる。この方法による測定例を実施例1
の測定例である第5図(a)、(b)を援用して説明す
る。探針1は斥力が一定になる様に動いていくので、圧
電アクチュエーター10の2方向の動きを走査距離に対
してプロットしてやれば試料5の表面の凹凸を測定する
ことができる。さらにコイルのインピーダンス変化を示
すリニアライザ24からの出力電圧を同様にプロットし
てやると、実際の膜厚分布とはわずかに異なる分布を得
ることができる。これはコイルが有限な大きさを持つた
めに生じる誤差である。しかし、この誤差はわずかであ
りほぼ無視することができる。
なお、上述した実施例では、片持ち梁タイプのカンチレ
バー6を使用し、光テコにより変位測定を行なっている
が、他のタイプのカンチレバー(力/変位変換器)、お
よび他の方式の変位測定方法を採用してもよい。ただし
力に対して1O−1ON程度の分解能を有することが望
ましい。
前述した実施例では、AFMについて述べたが、MFM
を利用しても本発明の効果を得られることは勿論である
。試料の下地には、シリコンを用いたが、G e 、 
G a A sなどの他の半導体にも本発明は適用でき
、また、この試料の絶縁膜は、Si、N、、SiCもし
くはフォトレジストのような他の絶縁物でもよい。さら
に、試料として半導体以外に適用することも可能である
。その池水発明の要旨を逸脱しない範囲で変形して実施
することができる。
〔発明の効果〕
以上詳述したように、本発明は、SXMの利用によって
、導電性基板上の絶縁膜の分布をたかい空間分解能で測
定することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の導電性基板上の絶縁膜の膜
厚を測定するための装置の模式図、第2図は共振を利用
した静電容量検出回路の原理を示す図、第3図は探針−
試料間の間隔と容量の関係を示す図、第4図は第2図に
示した検出回路を用いた試料−探針間の間隔と出力電圧
との関係を示す図、第5図(a)は試料を走査した距離
と膜厚および表面の凹凸との関係を示す図、第5図(b
)は探針が試料表面を走査している状態を示す図、第6
図(a)および(b)はともに静電容量検出回路の他の
例を示す図、第7図は本発明の実施例2の17・・・D
A変換器。 18・・フィードバックコントローラー20・・・コイ
ル、     21・・ブリッジ回路、22・・オシレ
ータ、23・・検波回路、24・・リニアライザ、 2
5・AGC回路。 代理人 弁理士 猪股祥晃(ほか1名)トンネル電流と
の関係を示す図である。 1・・・探針、  2・・・試料の下地(シリコン基板
)、3・・・絶縁膜(Sin2)、5・・・試料。 6・・・カンチレバー、  7・・・ミラー8・・・半
導体レーザ、 9・・・検出器、10・・・圧電アクチ
ュエーター 11・・粗動用圧電アクチュエーター 12・・・制御回路、   13・・・フライリード、
15・・・AD変換器、  16・・・コンピューター
第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 (a) (b) 第 図

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)導電性基板上の絶縁膜に接触しながら走査する探
    針と、この探針と前記導電性基板間の絶縁膜の厚みを測
    定する手段とを備え、前記探針が前記絶縁膜からの原子
    間力に抗して走査することを特徴とする膜厚分布測定装
    置。
  2. (2)前記探針と導電性基板間の絶縁膜の厚みを測定す
    る手段は、前記探針に電気的に接続するコイルと、この
    コイルのインピーダンス変化を測定する手段とを有する
    ことを特徴とする請求項1の膜厚分布測定装置。
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