JPH07221150A - Evaluation of deterioration of insulating film and device - Google Patents

Evaluation of deterioration of insulating film and device

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JPH07221150A
JPH07221150A JP892894A JP892894A JPH07221150A JP H07221150 A JPH07221150 A JP H07221150A JP 892894 A JP892894 A JP 892894A JP 892894 A JP892894 A JP 892894A JP H07221150 A JPH07221150 A JP H07221150A
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JP
Japan
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insulating film
deterioration
infrared light
evaluating
sample
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JP892894A
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Naoki Yasuda
直樹 安田
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

PURPOSE:To provide a highly reliable method of evaluating the deterioration of an insulating film, which can identify a change in the structure of the insulating film, which accompanies the deterioration of its electrical characteristics, and an insulating film deterioration evaluation device. CONSTITUTION:An insulating film deterioration evaluation device is characterized by providing the device with a sample holding part 1a for holding a sample 7 having an insulating film, insulating film deteriorating means 5, 6, 8, 9 and 10 for deteriorating electrically the insulating film, infrared ray emission means 2, 3a, 3b and 3c for emitting infrared ray on the insulating film and an infrared ray detecting means 4 for detecting transmission of the infrared ray to the insulating film or reflected infrared ray.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、絶縁膜劣化の評価方法
および装置に係わり、特に、MIS型半導体素子におけ
るゲート酸化膜等の絶縁膜の膜質を評価する方法および
装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for evaluating deterioration of an insulating film, and more particularly to a method and an apparatus for evaluating the film quality of an insulating film such as a gate oxide film in a MIS type semiconductor device.

【0002】[0002]

【従来の技術】MOS型半導体素子のゲート酸化膜の信
頼性の向上は、VLSIの歩留り向上の重要な要素であ
る。特に、酸化膜にトンネル電流を流すことによって情
報の記憶・消去を行うEEPROMの場合には、高電界
をかけたときに劣化・破壊を起こさない信頼性の高いゲ
ート酸化膜が必須になる。
2. Description of the Related Art Improving the reliability of a gate oxide film of a MOS type semiconductor device is an important factor for improving the yield of VLSI. In particular, in the case of an EEPROM in which information is stored / erased by passing a tunnel current through the oxide film, a highly reliable gate oxide film that does not deteriorate or break when a high electric field is applied is essential.

【0003】従来、酸化膜の劣化は、電気的な評価方法
で捉えられてきた。その内容は、次の3つに分類され
る。第1に、酸化膜の劣化は、MOSキャパシタのフラ
ットバンド電圧の変化、MOSトランジスタの閾値電圧
の変化、および相互コンダクタンスの低下として観測さ
れる。第2に、EEPROMで使われる10nm以下の
薄膜トンネル酸化膜では、12MV/cm程度の高電界
を印加することによって6MV/cm以下の低電界領域
にリーク電流が発生する。これは、薄膜酸化膜だけに現
れる酸化膜の劣化モードである。また、第3に、酸化膜
に電荷を注入し続けると酸化膜の絶縁破壊が起こる。絶
縁破壊は、酸化膜に流れるゲート電流の不可逆的かつ急
激な増大として観測される。
Conventionally, deterioration of an oxide film has been grasped by an electrical evaluation method. The contents are classified into the following three. First, deterioration of the oxide film is observed as a change in the flat band voltage of the MOS capacitor, a change in the threshold voltage of the MOS transistor, and a decrease in mutual conductance. Secondly, in the thin film tunnel oxide film of 10 nm or less used in the EEPROM, a leakage current is generated in a low electric field region of 6 MV / cm or less by applying a high electric field of about 12 MV / cm. This is a deterioration mode of the oxide film which appears only in the thin oxide film. Thirdly, if the charge is continuously injected into the oxide film, dielectric breakdown of the oxide film occurs. Dielectric breakdown is observed as an irreversible and rapid increase in the gate current flowing through the oxide film.

【0004】従来、酸化膜の劣化・破壊の検出および評
価は、電気的な測定手段、例えばMOSキャパシタの容
量電圧特性の測定、および電流電圧特性の測定によって
行われてきた。図8は、その測定手段を示す概略図であ
る。この図に示すように、試料室81の内部には接地さ
れたステージ82が設置され、この上に試料が載置され
る。試料は、例えばシリコン基板83、シリコン酸化膜
84、ポリシリコンからなるゲート電極85より構成さ
れる。86は容量電圧測定装置、87は電流電圧測定装
置、88はこれらの装置に対する入力スイッチである。
これらの電気的評価では高感度な測定が簡単にできるの
で、酸化膜の特性評価の標準的な方法として広く使われ
てきた。
Conventionally, the detection / evaluation of deterioration / destruction of an oxide film has been performed by electrical measuring means, for example, the measurement of the capacitance-voltage characteristic of a MOS capacitor and the measurement of the current-voltage characteristic. FIG. 8 is a schematic diagram showing the measuring means. As shown in this figure, a grounded stage 82 is installed inside the sample chamber 81, and the sample is placed on it. The sample is composed of, for example, a silicon substrate 83, a silicon oxide film 84, and a gate electrode 85 made of polysilicon. Reference numeral 86 is a capacitance voltage measuring device, 87 is a current voltage measuring device, and 88 is an input switch for these devices.
These electrical evaluations have been widely used as a standard method for characterization of oxide films because they enable easy measurement with high sensitivity.

【0005】上記した電気的評価法は確かに感度の高い
方法ではあるが、酸化膜の膜質を向上させることを目的
とした評価手段としては不十分である。すなわち、高信
頼性酸化膜を形成するためには、電界印加時に酸化膜の
中で起こっている現象を的確に捉え、酸化膜の劣化の原
因を明らかにし、その結果を酸化膜形成のプロセスへフ
ィードバックすることが必須になる。しかしながら、電
気的評価によっては測定結果をもとにして酸化膜中で起
こっている現象を原子構造レベルで捉えることが難し
い。そのため、電気的評価法は、酸化膜プロセスをどの
ように変えれば優れた酸化膜を形成できるかということ
に関して方向づけを与えることができなかった。
Although the above-mentioned electrical evaluation method is certainly a method with high sensitivity, it is not sufficient as an evaluation means for improving the quality of the oxide film. In other words, in order to form a highly reliable oxide film, the phenomenon occurring in the oxide film when an electric field is applied is accurately grasped, the cause of the deterioration of the oxide film is clarified, and the result is applied to the oxide film formation process. Feedback is essential. However, it is difficult to grasp the phenomenon occurring in the oxide film on the atomic structure level based on the measurement result by the electrical evaluation. Therefore, the electrical evaluation method could not give a direction as to how to change the oxide film process to form an excellent oxide film.

【0006】従来、高電界印加時における酸化膜等の絶
縁膜の劣化現象を絶縁膜の原子レベルの構造変化と関連
づけて評価する方法は知られていない。その理由は、絶
縁膜の電気特性の変化に伴って現れる原子構造の変化は
微小であり、絶縁膜の原子構造を捉える測定装置の感度
限界以下あるいは感度限界に近いところでの測定が強い
られるので、信頼性の高い測定ができなかったためであ
ると考えられる。このため、測定結果を絶縁膜形成のプ
ロセスへ的確にフィードバックすることが困難であっ
た。
Conventionally, no method has been known for evaluating the deterioration phenomenon of an insulating film such as an oxide film when a high electric field is applied in association with the structural change of the insulating film at the atomic level. The reason is that changes in the atomic structure that appear with changes in the electrical properties of the insulating film are minute, and measurement is forced at or below the sensitivity limit or near the sensitivity limit of the measuring device that captures the atomic structure of the insulating film. This is probably because reliable measurement could not be performed. Therefore, it is difficult to accurately feed back the measurement result to the insulating film formation process.

【0007】また、電界の印加に伴う絶縁膜の構造変化
を明らかにする上で、次のことにも注意すべきである。
絶縁膜の構造を評価する一つの物理的測定手段は、絶縁
膜の構造をある側面から見た結果を与えるに過ぎず、実
際に絶縁膜の中で起こっている現象を的確に捉えるため
には、いくつかの測定手段を組み合わせて多面的な評価
を行わなければならない。
Further, in clarifying the structural change of the insulating film due to the application of the electric field, the following points should be noted.
One physical measurement method for evaluating the structure of the insulating film only gives the result of looking at the structure of the insulating film from a certain side, and in order to accurately grasp the phenomenon actually occurring in the insulating film, , Multi-faceted evaluation must be performed by combining several measurement methods.

【0008】一般に、構造評価のための物理的測定、例
えばXPS(Xray Photoelectron
Spectroscopy)やESR(Electro
nSpin Resonance)等は、電気的な測定
と比べて感度が低いので、絶縁膜の劣化に伴う構造変化
を捉えるためには絶縁膜を十分に劣化させる必要があ
る。その際、絶縁膜の一部に局所的な絶縁破壊が起こっ
た後にも電界をかけ続け、さらに劣化を進行させること
によってはじめてその物理的評価手法の感度の範囲内に
入ってくることもある。また、電気的な評価法は、絶縁
膜の一部に絶縁破壊が起こると大きな電流が流れるた
め、絶縁破壊以降の劣化の進行状況を評価することがで
きなかった。この欠点を補い、いくつかの評価手法によ
り共通して使うことのできる絶縁膜劣化の尺度を与える
ことが必要である。
In general, physical measurement for structural evaluation, for example, XPS (Xray Photoelectron)
Spectroscopy) and ESR (Electro
nSpin Resonance) and the like have lower sensitivity than electrical measurement, and therefore the insulating film needs to be sufficiently deteriorated in order to capture the structural change accompanying the deterioration of the insulating film. At that time, even after a local dielectric breakdown occurs in a part of the insulating film, the electric field may be continuously applied and further deteriorated, so that the physical evaluation method may fall within the range of sensitivity. In addition, in the electrical evaluation method, since a large current flows when insulation breakdown occurs in a part of the insulating film, it is not possible to evaluate the progress of deterioration after the insulation breakdown. It is necessary to compensate for this defect and provide a measure of insulating film deterioration that can be commonly used by several evaluation methods.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来、MOS型半導体素子のゲート酸化膜に代表される絶
縁膜の電気的特性の劣化現象を絶縁膜の原子レベルの構
造変化と関連づけて評価する方法は知られておらず、絶
縁膜の形成プロセスをどのように変えれば優れた酸化膜
を形成できるかということに関して方向づけを与えるこ
とができなかった。
As described above, conventionally, the phenomenon of deterioration of the electrical characteristics of the insulating film represented by the gate oxide film of the MOS type semiconductor device is associated with the structural change of the insulating film at the atomic level. No evaluation method is known, and no direction can be given regarding how to change the insulating film formation process to form an excellent oxide film.

【0010】また、電界の印加に伴い実際に絶縁膜の中
で起こっている現象を的確に捉えて絶縁膜の構造変化を
明らかにする場合、いくつかの測定手段を組み合わせて
多面的な評価を行わなければならないが、従来、このよ
うな評価方法は非常に困難であった。
Further, when the phenomenon actually occurring in the insulating film due to the application of an electric field is accurately grasped and the structural change of the insulating film is clarified, a multifaceted evaluation is performed by combining several measuring means. Although it must be done, conventionally, such an evaluation method has been very difficult.

【0011】本発明の目的は、絶縁膜の電気的特性変化
に伴う構造変化を原子レベルで捉えることができ、局所
的な絶縁破壊が起こっても測定可能である信頼性の高い
絶縁膜劣化の評価方法および装置を提供することであ
る。
An object of the present invention is to detect structural changes associated with changes in the electrical characteristics of an insulating film at the atomic level, and to measure even if a local dielectric breakdown occurs. An evaluation method and apparatus are provided.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明は、絶縁膜を電気的に劣化せしめ、劣化後の前記
絶縁膜に対して赤外光を照射し、前記絶縁膜からの透過
若しくは反射赤外光を検出して、前記絶縁膜の劣化を評
価することを特徴とする絶縁膜劣化の評価方法を提供す
る。
In order to solve the above problems, the present invention electrically deteriorates an insulating film, irradiates the deteriorated insulating film with infrared light, and transmits light from the insulating film. Alternatively, there is provided a method for evaluating deterioration of an insulating film, which comprises detecting reflected infrared light and evaluating the deterioration of the insulating film.

【0013】また本発明は、絶縁膜に対して赤外光を照
射し、この絶縁膜からの透過若しくは反射赤外光を検出
した後、前記絶縁膜を電気的に劣化せしめ、劣化後の前
記絶縁膜に対して再度赤外光を照射し、この絶縁膜から
の透過若しくは反射赤外光を検出して、劣化前後に検出
した前記赤外光から前記絶縁膜の劣化を評価することを
特徴とする絶縁膜劣化の評価方法を提供する。
Further, according to the present invention, the insulating film is irradiated with infrared light, and transmitted or reflected infrared light from the insulating film is detected, and then the insulating film is electrically deteriorated. Irradiating the insulating film with infrared light again, detecting transmitted or reflected infrared light from the insulating film, and evaluating deterioration of the insulating film from the infrared light detected before and after deterioration An insulating film deterioration evaluation method is provided.

【0014】また本発明は、絶縁膜を有する基体に対し
て赤外光を照射し、前記絶縁膜及び該絶縁膜以外の基体
部分からの透過若しくは反射赤外光を検出した後、前記
絶縁膜を電気的に劣化せしめ、劣化後、前記基体に対し
て再度赤外光を照射し、劣化後の前記絶縁膜以外の基体
部分からの透過若しくは反射赤外光を検出して、検出し
た前記絶縁膜以外の基体部分からの透過若しくは反射赤
外光の劣化前後における変化量が所定の値以下になった
後、劣化後の前記絶縁膜に対して再度赤外光を照射し、
この絶縁膜からの透過若しくは反射赤外光を検出して、
劣化前後に検出した前記赤外光から前記絶縁膜の劣化を
評価することを特徴とする絶縁膜劣化の評価方法を提供
する。
In the present invention, the substrate having an insulating film is irradiated with infrared light, and transmitted or reflected infrared light from the insulating film and a substrate portion other than the insulating film is detected, and then the insulating film is formed. Is electrically deteriorated, and after the deterioration, the infrared rays are irradiated again to the base, and the infrared rays transmitted or reflected from the base part other than the insulating film after the deterioration are detected, and the detected insulation is detected. After the amount of change in the infrared light transmitted or reflected from the base portion other than the film before and after the deterioration becomes a predetermined value or less, the insulating film after the deterioration is irradiated with infrared light again,
Detects transmitted or reflected infrared light from this insulating film,
There is provided a method for evaluating the deterioration of an insulating film, which comprises evaluating the deterioration of the insulating film from the infrared light detected before and after the deterioration.

【0015】上記した本発明による絶縁膜劣化の評価方
法においては、以下の態様が好ましい。 (1)前記絶縁膜からの透過若しくは反射赤外光を検出
する方法は、フ−リエ変換を用いた赤外分光方法による
こと。
In the method for evaluating the deterioration of the insulating film according to the present invention described above, the following modes are preferable. (1) A method for detecting infrared light transmitted or reflected from the insulating film is an infrared spectroscopy method using Fourier transform.

【0016】(2)前記絶縁膜は、ゲ−ト絶縁膜、トン
ネル絶縁膜、またはキャパシタ絶縁膜であること。 (3)前記絶縁膜はシリコン酸化膜であること。
(2) The insulating film is a gate insulating film, a tunnel insulating film, or a capacitor insulating film. (3) The insulating film is a silicon oxide film.

【0017】(4)前記絶縁膜以外の基体部分はシリコ
ンであること。 (5)前記絶縁膜を電気的に劣化せしめる方法は、前記
絶縁膜を複数の電極間に挟持し、該電極間に電圧を印加
するか、或いは前記絶縁膜に対して電子ビ−ムを照射す
ることによって行うこと。
(4) The base portion other than the insulating film is made of silicon. (5) A method of electrically deteriorating the insulating film is to sandwich the insulating film between a plurality of electrodes and apply a voltage between the electrodes, or to irradiate the insulating film with an electron beam. To do by doing.

【0018】さらに本発明は、絶縁膜を有する試料が保
持される試料保持部と、前記絶縁膜を電気的に劣化せし
める絶縁膜劣化手段と、赤外光を前記絶縁膜に対して照
射する赤外光照射手段と、前記絶縁膜の透過若しくは反
射赤外光を検出する赤外光検出手段とを具備したことを
特徴とする絶縁膜劣化の評価装置を提供する。
Further, according to the present invention, a sample holding portion for holding a sample having an insulating film, an insulating film deterioration means for electrically deteriorating the insulating film, and a red for irradiating the insulating film with infrared light. There is provided an apparatus for evaluating the deterioration of an insulating film, comprising an external light irradiating unit and an infrared light detecting unit for detecting infrared light transmitted or reflected by the insulating film.

【0019】上記した本発明による絶縁膜劣化の評価装
置においては、以下の態様が好ましい。 (1)前記絶縁膜を電気的に劣化せしめる絶縁膜劣化手
段は、前記試料が間に挟持され、電源により所定の電圧
が印加される対向電極であるか、或いは前記絶縁膜に対
して電子ビ−ムを照射する電子ビ−ム照射手段であるこ
と。
In the above-described apparatus for evaluating the deterioration of an insulating film according to the present invention, the following modes are preferable. (1) The insulating film degrading means for electrically degrading the insulating film is a counter electrode in which the sample is sandwiched and a predetermined voltage is applied by a power source, or an electronic bias is applied to the insulating film. -Be an electron beam irradiation means for irradiating a beam.

【0020】(2)前記絶縁膜の温度を評価する温度評
価手段を具備したこと。 (3)前記絶縁膜を形成する絶縁膜形成装置、及び不良
と評価された前記絶縁膜を除去する絶縁膜除去装置と連
結されたこと。
(2) A temperature evaluation means for evaluating the temperature of the insulating film is provided. (3) The apparatus is connected to an insulating film forming apparatus for forming the insulating film and an insulating film removing apparatus for removing the insulating film evaluated as defective.

【0021】[0021]

【作用】本発明の絶縁膜劣化の評価方法および装置であ
れば、赤外光源から出た赤外光を試料の絶縁膜に入射せ
しめ、透過または反射した赤外光の透過率(または反射
率)の波数依存性を測定することにより、絶縁膜を構成
する原子の固有振動による吸収ピークが、試料に電界を
印加した前後でどのように変化するかを評価することが
できる。この評価結果から、絶縁膜の劣化前後における
結合ボンド長、および結合角の変化を知ることができ
る。
With the method and apparatus for evaluating deterioration of an insulating film according to the present invention, the transmittance (or reflectance) of infrared light transmitted or reflected by making infrared light emitted from an infrared light source incident on the insulating film of the sample. It is possible to evaluate how the absorption peak due to the natural vibration of the atoms forming the insulating film changes before and after the electric field is applied to the sample by measuring the wave number dependence of (1). From this evaluation result, it is possible to know the changes in the bond length and the bond angle before and after the deterioration of the insulating film.

【0022】したがって、この絶縁膜の変化の結果を用
いて、絶縁膜の形成プロセスをどのように変えれば優れ
た酸化膜を形成できるかということに関して方向づけを
与えることが可能となる。
Therefore, the result of the change of the insulating film can be used to give a direction as to how to change the insulating film forming process to form an excellent oxide film.

【0023】また、絶縁膜の劣化を非接触で測定するこ
とができるため、局所的な絶縁破壊が起こっても測定可
能となる。なお本発明において、試料に電界を印加する
前後で試料の位置を動かさないようにすることが望まし
く、これにより位置の誤差によるスペクトル変化をなく
すことができる。
Further, since the deterioration of the insulating film can be measured in a non-contact manner, it can be measured even if a local dielectric breakdown occurs. In the present invention, it is desirable not to move the position of the sample before and after applying an electric field to the sample, which can eliminate the spectrum change due to the position error.

【0024】[0024]

【実施例】以下、本発明による絶縁膜劣化の評価方法お
よび装置の実施例について、図面を参照しつつ詳細に説
明する。 第1の実施例 図1は、本発明の第1の実施例に係わる絶縁膜劣化の評
価装置の構成を示す概略図である。この図に示されるよ
うに、評価装置1の内部には試料室1aが設けられてお
り、この試料室1aの内部に試料7が設置される。試料
7に対しては、試料台を兼ねる2つの電極5及び6が該
試料7を挟み込むように密着せしめられており、これら
の電極5、6からはリード線8、9が外部に引き出され
ている。これらのリード線8、9は電源装置10に接続
されており、電極5および6の間に所定の電圧を印加す
ることができるようになっている。なおここで、電極
5、6中心部にはそれぞれ赤外光を透過する穴が開けて
ある。
Embodiments of the method and apparatus for evaluating the deterioration of an insulating film according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. First Embodiment FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an insulating film deterioration evaluation apparatus according to the first embodiment of the present invention. As shown in this figure, a sample chamber 1a is provided inside the evaluation apparatus 1, and a sample 7 is placed inside this sample chamber 1a. Two electrodes 5 and 6 also serving as a sample stand are closely attached to the sample 7 so as to sandwich the sample 7, and lead wires 8 and 9 are drawn out from these electrodes 5 and 6 to the outside. There is. These lead wires 8 and 9 are connected to the power supply device 10 so that a predetermined voltage can be applied between the electrodes 5 and 6. Here, a hole is formed in each of the central portions of the electrodes 5 and 6 for transmitting infrared light.

【0025】図2は上記した試料台の部分の構成を示す
拡大図である。この図に示されるように、電極5の部分
は金属製の外板11及び中板13を組み合わせたものか
ら成っている。一方、電極6の部分は金属製の外板14
から成っている。これらの金属製の外板11及び14
は、絶縁板15により挟持されて固定される。中板13
は移動可能であり、この中板13及び外板11は計4本
の金属ネジ12により連結されている。上記電極5及び
6によって挟持される試料7としては、表面にシリコン
酸化膜17及びゲ−ト電極18が順に積層して形成され
たシリコン基板16が用いられる。ゲ−ト電極18の表
面に中板13の保持面が、シリコン基板16の裏面に外
板14の保持面がそれぞれ密着するように試料7を試料
台に固定することにより、試料のゲート電極18および
シリコン基板16の裏面にそれぞれ電気的なコンタクト
をとる。この図において、19は、金属製の外板11、
中板13、外板14の中心部に開けた穴を透過する赤外
光である。
FIG. 2 is an enlarged view showing the structure of the above-mentioned sample table portion. As shown in this figure, the electrode 5 is composed of a combination of a metal outer plate 11 and a middle plate 13. On the other hand, the portion of the electrode 6 is a metal outer plate 14
Made of. These metal outer plates 11 and 14
Are clamped and fixed by the insulating plate 15. Middle plate 13
Is movable, and the inner plate 13 and the outer plate 11 are connected by a total of four metal screws 12. As the sample 7 sandwiched by the electrodes 5 and 6, a silicon substrate 16 having a surface on which a silicon oxide film 17 and a gate electrode 18 are sequentially laminated is used. The sample 7 is fixed to the sample stage so that the holding surface of the middle plate 13 is in close contact with the front surface of the gate electrode 18 and the holding surface of the outer plate 14 is in close contact with the back surface of the silicon substrate 16, respectively, so that the gate electrode 18 of the sample is fixed. Electrical contacts are made to the back surface of the silicon substrate 16 and. In this figure, 19 is a metal outer plate 11,
The infrared light is transmitted through a hole formed in the center of the middle plate 13 and the outer plate 14.

【0026】また、試料室1a外の評価装置1の内部に
は赤外光を発生する光源2が設けられる。この光源2で
発生した赤外光はミラ−3a、3b、3cによって試料
室1a内に入射せしめられ、電極5、6中心部に開けら
れた穴を透過して試料7に入射し、試料7を透過する。
透過した赤外光は赤外光検出部4へ入射し、この検出部
4において検出された赤外光の情報により、試料7にお
ける赤外吸収特性の変化を精度よく測定することができ
るようになっている。なお、上記したミラ−3aは半透
明の鏡であり、光源2からの赤外光をミラ−3bへの透
過光とミラ−3cへの反射光とに分離する働きをする。
ミラ−3bは固定して配置され、ミラ−3cは図1の矢
印の方向に往復運動するように設置される。
A light source 2 for generating infrared light is provided inside the evaluation device 1 outside the sample chamber 1a. The infrared light generated by the light source 2 is made incident on the inside of the sample chamber 1a by the mirrors 3a, 3b, 3c, passes through the holes formed at the central portions of the electrodes 5, 6 and is made incident on the sample 7, Through.
The transmitted infrared light is incident on the infrared light detection unit 4, and the change in the infrared absorption characteristics of the sample 7 can be accurately measured by the information of the infrared light detected by the detection unit 4. Has become. The above-mentioned Mira-3a is a semi-transparent mirror and has a function of separating infrared light from the light source 2 into transmitted light to the Mira-3b and reflected light to the Mira-3c.
The Mira-3b is fixedly arranged, and the Mira-3c is installed so as to reciprocate in the direction of the arrow in FIG.

【0027】以上のように、本実施例に係わる絶縁膜劣
化の評価装置は、フ−リエ変換を用いたFT−IR(F
ourier Transform − Infrar
ed)赤外分光装置の中に電圧印加可能な電極部を配置
した構成となっている。
As described above, the apparatus for evaluating the deterioration of the insulating film according to this embodiment is FT-IR (F-F) using Fourier transform.
ourour Transform-Infrar
ed) The infrared spectroscopic device has a structure in which an electrode unit to which a voltage can be applied is arranged.

【0028】次に、上記絶縁膜劣化の評価装置を用いて
MISキャパシタのキャパシタ絶縁膜の劣化を評価する
方法について説明する。まず、図1に示した評価装置1
内の試料室1a内部に、MOSキャパシタが形成された
試料7を2つの電極5および6により挟持して試料台に
設置する。
Next, a method for evaluating the deterioration of the capacitor insulating film of the MIS capacitor by using the above-mentioned evaluation device for the deterioration of insulating film will be described. First, the evaluation device 1 shown in FIG.
A sample 7 having a MOS capacitor formed therein is sandwiched by two electrodes 5 and 6 inside a sample chamber 1a inside and placed on a sample table.

【0029】この試料7の製作は次のようにして行っ
た。すなわち、チョクラルスキー法により形成された面
方位が(100)のp型シリコン基板を900℃、乾燥
酸素雰囲気中で酸化し、90nmの熱酸化膜を形成した
後、その上に200nmの多結晶シリコン膜を堆積し、
900℃、30分の燐拡散を行った。その後、上記多結
晶シリコン膜をパターニングすることによってMOSキ
ャパシタを形成した。ここで、ゲートに多結晶シリコン
を使っている理由は、多結晶シリコンが赤外光に対して
透明であり、シリコン酸化膜の赤外吸収を測定すること
ができるからである。また、多結晶シリコン膜の膜厚を
200nmと薄くしたのは、赤外光の干渉効果によるス
ペクトルの歪みを抑えるためである。
The sample 7 was manufactured as follows. That is, a p-type silicon substrate having a plane orientation of (100) formed by the Czochralski method is oxidized at 900 ° C. in a dry oxygen atmosphere to form a 90 nm thermal oxide film, and then a 200 nm polycrystalline film is formed thereon. Deposit a silicon film,
Phosphorus diffusion was performed at 900 ° C. for 30 minutes. Then, the polycrystalline silicon film was patterned to form a MOS capacitor. Here, the reason why polycrystalline silicon is used for the gate is that polycrystalline silicon is transparent to infrared light and the infrared absorption of the silicon oxide film can be measured. Further, the thickness of the polycrystalline silicon film is reduced to 200 nm in order to suppress spectrum distortion due to the interference effect of infrared light.

【0030】次に、上記の如く試料台に設置した試料7
のMOSキャパシタに対して電界を印加する。すなわ
ち、電源装置10により電極5および6の間に所定の電
圧を印加し、MOSキャパシタのキャパシタ絶縁膜(シ
リコン酸化膜)に、例えば7MV/cmの電界が加わる
ようにする。
Next, the sample 7 placed on the sample table as described above.
An electric field is applied to the MOS capacitor. That is, the power supply device 10 applies a predetermined voltage between the electrodes 5 and 6 so that an electric field of, for example, 7 MV / cm is applied to the capacitor insulating film (silicon oxide film) of the MOS capacitor.

【0031】さらに、上記の如く電界がかかったMOS
キャパシタの部分に対して光源2から赤外光を照射し
て、このMOSキャパシタを透過した赤外光を赤外光検
出部4において検出する。このように検出された赤外光
の情報により、試料7における赤外吸収特性の変化を精
度よく測定することができる。
Further, the MOS to which the electric field is applied as described above
Infrared light is emitted from the light source 2 to the capacitor portion, and the infrared light transmitted through the MOS capacitor is detected by the infrared light detecting section 4. With the information on the infrared light detected in this way, the change in the infrared absorption characteristics of the sample 7 can be accurately measured.

【0032】本実施例における絶縁膜劣化の評価装置で
は、FTーIR赤外分光装置の中に試料台を固定して組
み込んだ構成となっており、試料に電界をかける前後で
該試料を上記試料台に固定したままの状態に保つので、
赤外吸収特性の変化を精度よく測定することができる。
すなわち、FTーIR赤外分光装置の内部において試料
の初期状態における赤外吸収特性を測定した後に、試料
を試料台から取り外し、上記FTーIR赤外分光装置の
外部でプローバ等によって上記試料に対して電界をか
け、その後、もう一度該試料を上記FTーIR赤外分光
装置に戻して試料の赤外吸収特性を測定する場合と比べ
ると、位置合わせのズレによる赤外吸収スペクトルの誤
差を減らすことができる。
The apparatus for evaluating the deterioration of the insulating film in this embodiment has a structure in which the sample stage is fixedly incorporated in the FT-IR infrared spectroscope, and the sample is subjected to the above-mentioned test before and after applying an electric field. Since it is kept fixed on the sample table,
It is possible to accurately measure changes in infrared absorption characteristics.
That is, after measuring the infrared absorption characteristics of the sample in the initial state inside the FT-IR infrared spectroscope, the sample is removed from the sample stage, and the sample is put on the sample by a prober or the like outside the FT-IR infrared spectroscope. Compared with the case where an electric field is applied to the sample and then the sample is returned to the FT-IR infrared spectrometer again to measure the infrared absorption characteristics of the sample, the error in the infrared absorption spectrum due to misalignment is reduced. be able to.

【0033】次に、上記の如く測定された試料(MOS
キャパシタ)の赤外吸収特性について説明する。MOS
キャパシタのキャパシタ絶縁膜(シリコン酸化膜)には
7MV/cmの電界を1時間40分印加し、電界印加前
と電界印加後とでの赤外光吸収率における差のスペクト
ルを調べた。図3は、この結果を示す特性図である。こ
の図において、縦軸の物理量(差スペクトル)は、電界
印加後におけるSi−O−Siストレッチング振動(2
つのSi原子を結ぶ方向と平行な方向におけるOの振
動)の吸収波数分布から電界印加前におけるそれを差し
引いたものを示す。したがって、例えば、吸収波数の山
が谷よりも低波数側(低振動数側)に現れる場合は、上
記ストレッチング振動の吸収ピーク波数が電界印加前か
ら電界印加後にかけて低波数側へ変化していることにな
る。
Next, the sample (MOS
The infrared absorption characteristics of the capacitor will be described. MOS
An electric field of 7 MV / cm was applied to the capacitor insulating film (silicon oxide film) of the capacitor for 1 hour and 40 minutes, and the spectrum of the difference in the infrared light absorptivity before and after the application of the electric field was examined. FIG. 3 is a characteristic diagram showing this result. In this figure, the physical quantity (difference spectrum) on the vertical axis indicates the Si—O—Si stretching vibration (2
The absorption wave number distribution of (O vibration in the direction parallel to the direction connecting two Si atoms) is subtracted from that before the electric field is applied. Therefore, for example, when the peak of the absorption wave number appears on the lower wave number side (the lower frequency side) than the valley, the absorption peak wave number of the stretching vibration changes to the lower wave number side from before the electric field is applied to after the electric field is applied. Will be there.

【0034】図3に示した差スペクトルの分布からわか
るように、電界印加によってSi−O−Siストレッチ
ング振動の吸収ピーク波数(1080cm-1付近)が低
波数側へ変化していることがわかる。これは、Si−O
結合の結合長が大きくなって原子間結合力が弱くなった
か、あるいはSi−O−Si結合の角度が小さくなった
ためと考えられる。Si−O−Siのベンディング振動
(2つのSi原子を結ぶ方向と垂直な方向におけるOの
振動)の吸収ピーク波数と併せて変化を観察すれば、結
合長と結合角のいずれの変化が支配的であるかを具体的
に知ることができる。すなわち、ストレッチング振動の
吸収ピーク波数が低波数側に変化しているときには、ベ
ンディング振動の吸収ピーク波数が高波数側に変化して
いればSi−O結合の結合角の変化が支配的であり、逆
に、ストレッチング振動の吸収ピーク波数が高波数側に
変化しているときには、ベンディング振動の吸収ピーク
波数が低波数側に変化していればSi−O結合の結合距
離の変化が支配的である。
As can be seen from the distribution of the difference spectrum shown in FIG. 3, the absorption peak wave number (near 1080 cm -1 ) of the Si-O-Si stretching vibration is changed to the low wave number side by the electric field application. . This is Si-O
It is considered that the bond length of the bond was increased and the interatomic bond strength was weakened, or the angle of the Si—O—Si bond was decreased. When the change is observed together with the absorption peak wave number of the bending vibration of Si-O-Si (the vibration of O in the direction perpendicular to the direction connecting two Si atoms), the change in either bond length or bond angle is dominant. It is possible to know specifically. That is, when the absorption peak wave number of the stretching vibration is changing to the low wave number side, if the absorption peak wave number of the bending vibration is changing to the high wave number side, the change of the bond angle of the Si—O bond is dominant. On the contrary, when the absorption peak wave number of the stretching vibration is changing to the high wave number side, if the absorption peak wave number of the bending vibration is changing to the low wave number side, the change in the bond distance of the Si—O bond is dominant. Is.

【0035】また、上記した試料に電界を印加し続けた
ときの、電界ストレスの印加時間と差スペクトルの大き
さとの関係を調べた。図4は、その関係を示す特性図で
ある。この図から電界ストレス時間が長くなるほど差ス
ペクトルが大きく現れることがわかる。このことから、
Si−O−Siストレッチング振動の差スペクトルの大
きさを、酸化膜劣化の尺度として使えることがわかっ
た。
Further, the relationship between the application time of the electric field stress and the magnitude of the difference spectrum when the electric field was continuously applied to the above sample was examined. FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship. From this figure, it is understood that the difference spectrum becomes larger as the electric field stress time becomes longer. From this,
It was found that the magnitude of the difference spectrum of Si-O-Si stretching vibration can be used as a measure of oxide film deterioration.

【0036】本実施例の評価方法および装置によれば、
酸化膜の劣化を非接触で測定しているので、酸化膜の一
部に局所的な絶縁破壊が起こっても酸化膜の劣化を測定
し続けることができる。すなわち、絶縁膜の局所的な破
壊の有無によらない劣化の尺度を提供することができ
る。さらに、試料を物理的に破壊することなく絶縁膜の
劣化を測定することができるので、電界印加による絶縁
膜の構造変化を1試料に対して引き続いて何回でも測定
することができる。
According to the evaluation method and apparatus of this embodiment,
Since the deterioration of the oxide film is measured in a non-contact manner, the deterioration of the oxide film can be continuously measured even if a local dielectric breakdown occurs in a part of the oxide film. That is, it is possible to provide a measure of deterioration regardless of whether or not the insulating film is locally destroyed. Furthermore, since the deterioration of the insulating film can be measured without physically destroying the sample, the structural change of the insulating film due to the application of the electric field can be continuously measured for one sample many times.

【0037】さらにまた、上記実施例において示したよ
うに、本発明は7MV/cmの電界ストレスを印加した
場合の酸化膜の構造変化を捉えることができる。これ
は、本発明がトンネル酸化膜において問題となるFow
ler−Nordheimトンネル電流が流れる電界の
範囲(7MV/cm以上)をカバーしており、トンネル
酸化膜の評価法として有効であることを示している。
Furthermore, as shown in the above embodiment, the present invention can detect the structural change of the oxide film when the electric field stress of 7 MV / cm is applied. This is due to the fact that the present invention causes a problem in the tunnel oxide film.
It covers the range (7 MV / cm or more) of the electric field in which the ler-Nordheim tunnel current flows, and shows that it is effective as an evaluation method of the tunnel oxide film.

【0038】第2の実施例 次に、本発明の第2の実施例について説明する。本実施
例においては、赤外吸収スペクトルを測定して試料の温
度を評価し、電界印加の前後における試料の温度差が定
められた範囲内に納まった後に、酸化膜劣化後の赤外吸
収スペクトルを測定する。
Second Embodiment Next, a second embodiment of the present invention will be described. In this example, the temperature of the sample was evaluated by measuring the infrared absorption spectrum, and after the temperature difference of the sample before and after the application of the electric field was within a predetermined range, the infrared absorption spectrum after the oxide film was deteriorated. To measure.

【0039】試料に電界を印加すると電力を消費するの
で、試料の温度が上昇する。それに伴い、赤外吸収のス
ペクトルが変化する。図6は、電界ストレス印加時間が
6000秒に至る途中における差スペクトルの大きさと
赤外光の波数との関係を示した特性図である。この図に
おいては温度上昇分も加わった差スペクトルの大きさが
示されている。図6からわかるように、上記スペクトル
の変化量は酸化膜の劣化によるスペクトル変化量と同程
度か、またはそれ以上の大きさになることが見出され
た。したがって、電界印加による酸化膜の劣化を厳密に
評価するためには、電界印加の前後における試料の温度
を等しくして赤外吸収特性を測定しなければならない。
When an electric field is applied to the sample, power is consumed and the temperature of the sample rises. Along with this, the spectrum of infrared absorption changes. FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the magnitude of the difference spectrum and the wave number of infrared light when the electric field stress application time reaches 6000 seconds. In this figure, the magnitude of the difference spectrum including the temperature rise is shown. As can be seen from FIG. 6, it has been found that the amount of change in the spectrum is as large as or more than the amount of change in the spectrum due to deterioration of the oxide film. Therefore, in order to strictly evaluate the deterioration of the oxide film due to the application of the electric field, it is necessary to measure the infrared absorption characteristics by equalizing the temperatures of the sample before and after the application of the electric field.

【0040】本実施例では、シリコン酸化膜の赤外吸収
が存在しない波数領域(700cm-1付近)に存在する
シリコン基板の吸収ピークを温度のモニターとして使
う。すなわち、まず最初にシリコン基板の温度を変化さ
せて基板吸収ピーク波数と基板温度との関係を予め計測
しておく。次に、実際に試料(MOSキャパシタが形成
されたシリコン基板)に対して電界を印加する際あるい
は印加した後に、上記の如く計測して求めた関係を用い
てシリコン基板の吸収ピーク波数からシリコン基板の温
度を決定する。試料のキャパシタ絶縁膜の温度はほぼシ
リコン基板の温度に等しいので、以上の方法によってキ
ャパシタ絶縁膜の温度を求めることができる。
In this embodiment, the absorption peak of the silicon substrate existing in the wave number region (around 700 cm -1 ) where the infrared absorption of the silicon oxide film does not exist is used as a temperature monitor. That is, first, the temperature of the silicon substrate is changed and the relationship between the substrate absorption peak wave number and the substrate temperature is measured in advance. Next, when the electric field is actually applied to the sample (the silicon substrate on which the MOS capacitor is formed) or after the electric field is applied, the relationship between the absorption peak wave number of the silicon substrate and the silicon substrate Determine the temperature of. Since the temperature of the sample capacitor insulating film is almost equal to the temperature of the silicon substrate, the temperature of the capacitor insulating film can be obtained by the above method.

【0041】次に、絶縁膜劣化の測定手順について説明
する。図5は、この測定手順を示したフロ−チャ−トで
ある。このフロ−チャ−トに示されるように、まず最初
に、電界印加前の試料(MOSキャパシタが形成された
シリコン基板)の初期赤外吸収スペクトルを測定する
(30)。次に、キャパシタ酸化膜(シリコン酸化膜)
に電界を印加した後(31)、電界の印加を中止する。
その後、電界印加後の試料の赤外吸収スペクトルを測定
する(32)。電界印加を中止した直後においては、電
界の印加により試料の温度は電界印加前の温度よりもか
なり高温となっている。そこで、上記した方法により試
料の温度を決定し、この温度と電界印加前の試料温度と
の差が所定の値以下に収まったかどうかを判断する。実
際には、この判断のパラメ−タ−として、シリコン基板
の赤外吸収スペクトルの吸収ピーク波数を用いると良
く、この場合には、シリコン基板の吸収ピーク波数が電
界印加前のその値を中心とした所定の波数範囲内に収ま
ったかどうかを判断する(33)。
Next, the procedure for measuring the deterioration of the insulating film will be described. FIG. 5 is a flowchart showing this measurement procedure. As shown in this flow chart, first, the initial infrared absorption spectrum of the sample (silicon substrate on which the MOS capacitor is formed) before applying the electric field is measured (30). Next, capacitor oxide film (silicon oxide film)
After applying the electric field to (31), the application of the electric field is stopped.
Then, the infrared absorption spectrum of the sample after applying the electric field is measured (32). Immediately after the application of the electric field is stopped, the temperature of the sample is considerably higher than the temperature before the application of the electric field due to the application of the electric field. Therefore, the temperature of the sample is determined by the above-described method, and it is determined whether or not the difference between this temperature and the sample temperature before application of the electric field is below a predetermined value. In practice, the absorption peak wave number of the infrared absorption spectrum of the silicon substrate may be used as a parameter for this determination. In this case, the absorption peak wave number of the silicon substrate is centered on that value before the electric field is applied. It is judged whether or not it falls within the predetermined wave number range (33).

【0042】上記した吸収ピーク波数が所定の波数範囲
内に収まった場合には、電界印加前後の試料の温度差が
予め設定した範囲内に収まることになるので、その確認
後にキャパシタ酸化膜の赤外吸収スペクトルの測定を行
い、酸化膜劣化の評価を行う(34)。一方、上記吸収
ピーク波数が所定の波数範囲内に収まらない場合には、
電界印加前後の試料の温度差が予め設定した範囲内に収
まるまで、シリコン基板の吸収ピーク波数の測定を繰り
返し行い、設定範囲内に収まったことを確認した後、キ
ャパシタ酸化膜の赤外吸収スペクトルの測定を同様に行
って酸化膜劣化の評価を行う。このように、電界印加後
における試料の温度上昇の効果が無視できるようになっ
てから絶縁膜劣化後の赤外吸収特性を測定することによ
り、温度の誤差によるスペクトル変化を減少させること
ができる。
When the absorption peak wave number described above falls within a predetermined wave number range, the temperature difference between the sample before and after the electric field is applied falls within a preset range. The external absorption spectrum is measured and the deterioration of the oxide film is evaluated (34). On the other hand, when the absorption peak wave number does not fall within the predetermined wave number range,
The absorption peak wavenumber of the silicon substrate was repeatedly measured until the temperature difference between the sample before and after the electric field was applied fell within the preset range, and after confirming that it fell within the set range, the infrared absorption spectrum of the capacitor oxide film was confirmed. Similarly, the oxide film deterioration is evaluated. As described above, by measuring the infrared absorption characteristics after the insulating film is deteriorated after the effect of the temperature rise of the sample after applying the electric field becomes negligible, it is possible to reduce the spectrum change due to the temperature error.

【0043】本実施例によれば、キャパシタ酸化膜の赤
外吸収スペクトルの測定を行うために用いる赤外光と同
一の赤外光を用いて、そのキャパシタ酸化膜の温度を同
時に測ることができるので、評価装置を複雑化せずに絶
縁膜劣化の評価を正確に行うことができる。
According to this embodiment, the temperature of the capacitor oxide film can be simultaneously measured by using the same infrared light as the infrared light used for measuring the infrared absorption spectrum of the capacitor oxide film. Therefore, it is possible to accurately evaluate the deterioration of the insulating film without complicating the evaluation device.

【0044】第3の実施例 次に、本発明の第3の実施例に係わる絶縁膜劣化の評価
装置について説明する。図7はその構成を示す概略図で
ある。この図に示すように、本発明の絶縁膜劣化の評価
装置は枚葉式であり、シリコン・ウェハ21を1枚ずつ
酸化する絶縁膜形成室20aと、非接触の絶縁膜劣化装
置22および赤外吸収測定装置26を内部に具備した絶
縁膜評価室20bと、ウェハ選別室20cとから構成さ
れることを特徴としている。なお、この図において24
は赤外光を発生する光源であり、25はこの光源24か
ら照射される赤外光である。23は非接触の絶縁膜劣化
装置22から照射される電子ビームである。
Third Embodiment Next, an evaluation apparatus for deterioration of an insulating film according to a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration. As shown in this figure, the insulating film deterioration evaluation apparatus of the present invention is of a single-wafer type, and includes an insulating film forming chamber 20a that oxidizes silicon wafers 21 one by one, a non-contact insulating film deterioration device 22 and a red film. It is characterized by comprising an insulating film evaluation chamber 20b having an external absorption measuring device 26 therein and a wafer sorting chamber 20c. In this figure, 24
Is a light source for generating infrared light, and 25 is infrared light emitted from the light source 24. An electron beam 23 is emitted from the non-contact insulating film deterioration device 22.

【0045】上記した本実施例の評価装置は、絶縁膜形
成機能とともにウェハのスクリーニング機能を備えてお
り、このように評価装置を他のプロセス装置群と接続す
ることにより、連続した製造工程の中で製造プロセスと
整合した形で効率良くウェハのスクリーニングを行うこ
とができる。
The above-described evaluation apparatus of this embodiment has a wafer screening function as well as an insulating film forming function. By connecting the evaluation apparatus to another process apparatus group in this way, it is possible to realize a continuous manufacturing process. Thus, the wafer can be efficiently screened in a form consistent with the manufacturing process.

【0046】次に、上記評価装置を用いた絶縁膜劣化の
評価方法について説明する。図7に示した評価装置で
は、まず、絶縁膜形成室20a内においてシリコン・ウ
ェハ21の表面に絶縁膜(シリコン熱酸化膜等)を形成
し、絶縁膜形成が終わったウェハ21を連続的に絶縁膜
評価室20b内に搬送する。搬送後、ウェハ21表面の
上記絶縁膜に対して赤外吸収測定を行う。次に、絶縁膜
評価室20b内において非接触の絶縁膜劣化装置22を
使って上記絶縁膜を劣化させる。ここでは、ウェハ21
面内のデバイス作成領域以外の所に電子ビーム23を照
射することによって絶縁膜を劣化させている。電子ビー
ム23の照射は電界をかけたときと同様の欠陥を絶縁膜
中に発生させるので、電界をかけたときの絶縁膜の劣化
を疑似的に発生させることができる。次に、劣化を受け
た上記絶縁膜に対して再び赤外吸収測定を行い、2回の
赤外吸収の差スペクトルから絶縁膜の劣化度を判断す
る。基準値以上の劣化がみられた絶縁膜は、ウェハ選別
室20cで取り除かれる。
Next, an evaluation method of insulating film deterioration using the above evaluation apparatus will be described. In the evaluation apparatus shown in FIG. 7, first, an insulating film (silicon thermal oxide film or the like) is formed on the surface of the silicon wafer 21 in the insulating film forming chamber 20a, and the wafer 21 after the insulating film formation is continuously formed. It is transported into the insulating film evaluation chamber 20b. After the transfer, infrared absorption measurement is performed on the insulating film on the surface of the wafer 21. Next, in the insulating film evaluation chamber 20b, the non-contact insulating film deterioration device 22 is used to deteriorate the insulating film. Here, the wafer 21
The insulating film is deteriorated by irradiating the area other than the device forming area on the surface with the electron beam 23. Irradiation with the electron beam 23 causes the same defects in the insulating film as when an electric field is applied, so that the deterioration of the insulating film when an electric field is applied can be artificially generated. Next, the infrared absorption measurement is performed again on the deteriorated insulating film, and the degree of deterioration of the insulating film is judged from the two infrared absorption difference spectra. The insulating film that has deteriorated beyond the reference value is removed in the wafer sorting chamber 20c.

【0047】以上のように、絶縁膜形成のプロセスの途
中に非接触の絶縁膜劣化測定機構を組み込んでウェハの
スクリーニングを行い、不良ウェハを早期に発見して取
り除くことにより、無駄なプロセスを省略することがで
きるので、デバイス形成までの作業効率を高めることが
できる。
As described above, a non-contact insulating film deterioration measuring mechanism is incorporated in the middle of the insulating film forming process to screen wafers, and defective wafers are found and removed early to eliminate unnecessary processes. Therefore, work efficiency up to device formation can be improved.

【0048】なお、本発明は上記した実施例に限定され
ることはない。例えば、評価する絶縁膜はシリコン酸化
膜に限らず、シリコン窒化膜、シリコン窒化酸化膜(オ
キシナイトライド)、タンタル酸化膜等の高誘電率の遷
移金属酸化膜、チタン酸ストロンチウム膜、チタン酸バ
リウム膜等の高誘電率のペロブスカイト型酸化膜等の絶
縁劣化特性を調べることが可能である。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, the insulating film to be evaluated is not limited to the silicon oxide film, but a silicon nitride film, a silicon oxynitride film (oxynitride), a transition metal oxide film having a high dielectric constant such as a tantalum oxide film, a strontium titanate film, or a barium titanate film. It is possible to investigate the insulation deterioration characteristics of a high dielectric constant perovskite oxide film such as a film.

【0049】また、本発明の評価装置において、試料に
対して赤外光を照射せしめるため試料を挟持する電極に
開ける穴も、上記実施例に示した態様に限らず、様々な
形状をとることができる。また、例えば、穴の代わりに
スリット状の開口部を電極に設けても良い。このように
すれば、スリット状の開口部に沿って一方向に渡って赤
外光を走査するとともに、この赤外光を検出する検出部
も赤外光に対して同期して移動せしめることにより、絶
縁膜の劣化評価を一方向に渡って連続的に行うことが可
能である。
Further, in the evaluation apparatus of the present invention, the holes formed in the electrodes for sandwiching the sample in order to irradiate the sample with infrared light are not limited to the embodiment shown in the above embodiment, but may have various shapes. You can Further, for example, instead of the holes, slit-shaped openings may be provided in the electrodes. With this configuration, the infrared light is scanned in one direction along the slit-shaped opening, and the detection unit for detecting the infrared light is also moved in synchronization with the infrared light. It is possible to continuously evaluate deterioration of the insulating film in one direction.

【0050】さらに、試料の絶縁膜に対して照射する赤
外光を検出する方法も、絶縁膜を透過した赤外光を検出
する方法に限らず、絶縁膜の表面で反射した赤外光を検
出する方法であっても良い。この場合には、上記したス
リット状の開口部を電極に設け、絶縁膜表面に対して斜
めに全反射となる角度以上の入射角で赤外光を照射せし
めることが好ましく、これにより、絶縁膜表面からの赤
外光を容易に検出することが可能である。その他、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施すること
が可能である。
Further, the method of detecting the infrared light applied to the insulating film of the sample is not limited to the method of detecting the infrared light transmitted through the insulating film, and the infrared light reflected on the surface of the insulating film may be detected. It may be a method of detecting. In this case, it is preferable that the above-mentioned slit-shaped opening is provided in the electrode and the infrared light is irradiated obliquely to the surface of the insulating film at an angle of incidence equal to or greater than the angle at which total reflection occurs. Infrared light from the surface can be easily detected. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

【0051】[0051]

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、電
界の印加による赤外吸収スペクトルの微小な変化を捉え
ることにより、絶縁膜の構造変化を結合ボンド長および
結合角の変化として信頼性よく評価することができ、絶
縁膜形成のプロセスへ効率良くフィードバックすること
が可能となる。
As described above, according to the present invention, by grasping a minute change in the infrared absorption spectrum due to the application of an electric field, the structural change of the insulating film can be regarded as a change in the bond bond length and the bond angle. The evaluation can be performed with good performance, and it is possible to efficiently feed back to the process of forming the insulating film.

【0052】また、絶縁膜の劣化を非接触で測定するた
め、絶縁膜が局所的に電気的な破壊を起こした後でも劣
化の進行を測定することができ、絶縁膜の局所的破壊の
有無によらない劣化尺度を提供することができる。さら
に、本発明を絶縁膜形成装置におけるウェハ・スクリー
ニングに対して応用することにより、LSI製造の効率
を上げることができる。
Further, since the deterioration of the insulating film is measured in a non-contact manner, it is possible to measure the progress of the deterioration even after the insulating film is locally electrically damaged, and whether or not the insulating film is locally damaged. It is possible to provide a deterioration measure that does not depend on Furthermore, by applying the present invention to wafer screening in an insulating film forming apparatus, the efficiency of LSI manufacturing can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明の第1の実施例に係わる絶縁膜劣化の
評価装置の構成を示す概略図。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an insulating film deterioration evaluation apparatus according to a first embodiment of the present invention.

【図2】 図1の評価装置の構成の細部を示す断面図。FIG. 2 is a sectional view showing details of the configuration of the evaluation device in FIG.

【図3】 試料に電界を印加した前後の赤外吸収の差ス
ペクトルを示す特性図。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a difference spectrum of infrared absorption before and after applying an electric field to a sample.

【図4】 試料に電界を印加したときのストレス時間と
赤外吸収の差スペクトルの大きさとの関係を示す特性
図。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the stress time when an electric field is applied to a sample and the size of the difference spectrum of infrared absorption.

【図5】 本発明の第2の実施例で使われる温度差判定
のアルゴリズムを示すフロ−チャ−ト。
FIG. 5 is a flowchart showing an algorithm for determining a temperature difference used in the second embodiment of the present invention.

【図6】 試料に電界を印加しているときの赤外吸収ス
ペクトルと電界印加前の赤外吸収スペクトルとの差スペ
クトルを示す特性図。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a difference spectrum between an infrared absorption spectrum when an electric field is applied to the sample and an infrared absorption spectrum before the electric field is applied.

【図7】 本発明による絶縁膜劣化の評価装置の第3の
実施例に係わるウェハのスクリーニング機能をもつ枚葉
式の絶縁膜形成装置の構成概略図。
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a single-wafer type insulating film forming apparatus having a wafer screening function according to a third embodiment of an insulating film deterioration evaluating apparatus according to the present invention.

【図8】 従来の電気的な酸化膜劣化測定装置の構成を
示す概略図。
FIG. 8 is a schematic diagram showing the configuration of a conventional electrical oxide film deterioration measuring device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 評価装置、 1a 試料室、 2 赤外光発生光源、 3a、3b、3c ミラ−、 4 赤外光検出部、 5、6 電極、 7 試料、 8、9 リード線、 10 電源装置、 11 金属製の外板、 12 金属ネジ、 13 金属製の中板、 14 金属製の外板、 15 絶縁板、 16 シリコン基板、 17 シリコン酸化膜、 18 ゲ−ト電極、 19 赤外光、 20a 絶縁膜形成室、 20b 絶縁膜評価室、 20c ウェハ選別室、 21 シリコン・ウェハ、 22 非接触の絶縁膜劣化装置、 23 電子ビーム、 24 赤外光発生光源、 25 赤外光、 26 赤外吸収測定装置。 1 Evaluation device, 1a Sample chamber, 2 Infrared light generation light source, 3a, 3b, 3c mirror, 4 Infrared light detection part, 5, 6 electrode, 7 sample, 8, 9 lead wire, 10 power supply device, 11 Metal Made outer plate, 12 metal screw, 13 metal middle plate, 14 metal outer plate, 15 insulating plate, 16 silicon substrate, 17 silicon oxide film, 18 gate electrode, 19 infrared light, 20a insulating film Forming chamber, 20b insulating film evaluation chamber, 20c wafer sorting chamber, 21 silicon wafer, 22 non-contact insulating film deterioration device, 23 electron beam, 24 infrared light generating light source, 25 infrared light, 26 infrared absorption measuring device .

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 絶縁膜を電気的に劣化せしめ、劣化後の
前記絶縁膜に対して赤外光を照射し、前記絶縁膜からの
透過若しくは反射赤外光を検出して、前記絶縁膜の劣化
を評価することを特徴とする絶縁膜劣化の評価方法。
1. An insulating film is electrically deteriorated, infrared light is irradiated to the deteriorated insulating film, and transmitted or reflected infrared light from the insulating film is detected to detect the insulating film. An insulating film deterioration evaluation method, characterized by evaluating deterioration.
【請求項2】 絶縁膜に対して赤外光を照射し、この絶
縁膜からの透過若しくは反射赤外光を検出した後、前記
絶縁膜を電気的に劣化せしめ、劣化後の前記絶縁膜に対
して再度赤外光を照射し、この絶縁膜からの透過若しく
は反射赤外光を検出して、劣化前後に検出した前記赤外
光から前記絶縁膜の劣化を評価することを特徴とする絶
縁膜劣化の評価方法。
2. The insulating film is irradiated with infrared light, and after detecting transmitted or reflected infrared light from the insulating film, the insulating film is electrically deteriorated and the deteriorated insulating film is formed. Insulation characterized by irradiating infrared light again, detecting transmitted or reflected infrared light from this insulating film, and evaluating deterioration of the insulating film from the infrared light detected before and after deterioration. Evaluation method of film deterioration.
【請求項3】 絶縁膜を有する基体に対して赤外光を照
射し、前記絶縁膜及び該絶縁膜以外の基体部分からの透
過若しくは反射赤外光を検出した後、前記絶縁膜を電気
的に劣化せしめ、劣化後、前記基体に対して再度赤外光
を照射し、劣化後の前記絶縁膜以外の基体部分からの透
過若しくは反射赤外光を検出して、検出した前記絶縁膜
以外の基体部分からの透過若しくは反射赤外光の劣化前
後における変化量が所定の値以下になった後、劣化後の
前記絶縁膜に対して再度赤外光を照射し、この絶縁膜か
らの透過若しくは反射赤外光を検出して、劣化前後に検
出した前記赤外光から前記絶縁膜の劣化を評価すること
を特徴とする絶縁膜劣化の評価方法。
3. A substrate having an insulating film is irradiated with infrared light, and after detecting transmitted or reflected infrared light from the insulating film and a substrate portion other than the insulating film, the insulating film is electrically treated. After the deterioration, the substrate is irradiated with infrared light again, and the infrared light transmitted or reflected from the substrate portion other than the insulating film after the deterioration is detected to detect other than the detected insulating film. After the change amount of the infrared light transmitted or reflected from the base portion before and after the deterioration becomes equal to or less than a predetermined value, the deteriorated insulating film is irradiated with infrared light again, and transmitted or reflected from the insulating film. A method for evaluating the deterioration of an insulating film, which comprises detecting reflected infrared light and evaluating the deterioration of the insulating film from the infrared light detected before and after the deterioration.
【請求項4】 前記絶縁膜からの透過若しくは反射赤外
光を検出する方法は、フ−リエ変換を用いた赤外分光方
法によることを特徴とする請求項1乃至3記載の絶縁膜
劣化の評価方法。
4. The insulation film deterioration according to claim 1, wherein the method of detecting the infrared light transmitted or reflected from the insulation film is an infrared spectroscopy method using Fourier transform. Evaluation methods.
【請求項5】 前記絶縁膜は、ゲ−ト絶縁膜、トンネル
絶縁膜、またはキャパシタ絶縁膜であることを特徴とす
る請求項1乃至3記載の絶縁膜劣化の評価方法。
5. The method for evaluating the deterioration of an insulating film according to claim 1, wherein the insulating film is a gate insulating film, a tunnel insulating film, or a capacitor insulating film.
【請求項6】 前記絶縁膜はシリコン酸化膜であること
を特徴とする請求項1乃至3記載の絶縁膜劣化の評価方
法。
6. The method for evaluating deterioration of an insulating film according to claim 1, wherein the insulating film is a silicon oxide film.
【請求項7】 前記絶縁膜以外の基体部分はシリコンで
あることを特徴とする請求項3記載の絶縁膜劣化の評価
方法。
7. The method for evaluating the deterioration of an insulating film according to claim 3, wherein the base portion other than the insulating film is made of silicon.
【請求項8】 前記絶縁膜を電気的に劣化せしめる方法
は、前記絶縁膜を複数の電極間に挟持し、該電極間に電
圧を印加するか、或いは前記絶縁膜に対して電子ビ−ム
を照射することによって行うことを特徴とする請求項3
記載の絶縁膜劣化の評価方法。
8. A method of electrically deteriorating the insulating film comprises sandwiching the insulating film between a plurality of electrodes and applying a voltage between the electrodes, or by applying an electron beam to the insulating film. The irradiation is performed by irradiating
A method for evaluating deterioration of an insulating film as described.
【請求項9】 絶縁膜を有する試料が保持される試料保
持部と、前記絶縁膜を電気的に劣化せしめる絶縁膜劣化
手段と、赤外光を前記絶縁膜に対して照射する赤外光照
射手段と、前記絶縁膜の透過若しくは反射赤外光を検出
する赤外光検出手段とを具備したことを特徴とする絶縁
膜劣化の評価装置。
9. A sample holding part for holding a sample having an insulating film, an insulating film deterioration means for electrically deteriorating the insulating film, and infrared light irradiation for irradiating the insulating film with infrared light. An insulating film deterioration evaluation apparatus comprising: a means; and an infrared light detecting means for detecting infrared light transmitted or reflected by the insulating film.
【請求項10】 前記絶縁膜を電気的に劣化せしめる絶
縁膜劣化手段は、前記試料が間に挟持され、電源により
所定の電圧が印加される対向電極であるか、或いは前記
絶縁膜に対して電子ビ−ムを照射する電子ビ−ム照射手
段であることを特徴とする請求項9記載の絶縁膜劣化の
評価装置。
10. The insulating film degrading means for electrically degrading the insulating film is a counter electrode in which the sample is sandwiched and to which a predetermined voltage is applied by a power source, or with respect to the insulating film. 10. An apparatus for evaluating the deterioration of an insulating film according to claim 9, which is an electron beam irradiation means for irradiating an electron beam.
【請求項11】 前記絶縁膜の温度を評価する温度評価
手段を具備したことを特徴とする請求項9記載の絶縁膜
劣化の評価装置。
11. The apparatus for evaluating the deterioration of an insulating film according to claim 9, further comprising temperature evaluation means for evaluating the temperature of the insulating film.
【請求項12】 前記絶縁膜を形成する絶縁膜形成装
置、及び不良と評価された前記絶縁膜を除去する絶縁膜
除去装置と連結されたことを特徴とする請求項9記載の
絶縁膜劣化の評価装置。
12. The insulating film deterioration device according to claim 9, further comprising an insulating film forming device for forming the insulating film and an insulating film removing device for removing the insulating film evaluated as defective. Evaluation device.
JP892894A 1994-01-31 1994-01-31 Evaluation of deterioration of insulating film and device Pending JPH07221150A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6890776B2 (en) 2002-10-24 2005-05-10 Oki Electric Industry Co., Ltd. Silicon oxide film evaluation method and semiconductor device fabrication method

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US6890776B2 (en) 2002-10-24 2005-05-10 Oki Electric Industry Co., Ltd. Silicon oxide film evaluation method and semiconductor device fabrication method

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