JPH095373A

JPH095373A - 薄膜の局所評価法およびその装置

Info

Publication number: JPH095373A
Application number: JP7156230A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Nakagiri; 伸行中桐; Hiroyuki Sugimura; 博之杉村; Yoshihiko Suzuki; 美彦鈴木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-06-22
Filing date: 1995-06-22
Publication date: 1997-01-10

Abstract

(57)【要約】【目的】局所的な絶縁膜評価を可能とする。【構成】基板１１上に設けられた絶縁膜１０の評価を
行う装置であって、探針９と、基板１１と探針９との間
に電圧を印加する電圧源１８、１９と、基板１１と探針
９との間の静電容量を計測する静電容量検出手段１６
と、を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、絶縁体膜の局所的な評
価装置及び評価方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体あるいは金属の表面に形成された
絶縁膜はエリプソメータで膜厚が計測されている。ま
た、半導体の表面の絶縁膜の評価は、その表面に金属電
極を形成し、ＭＩＳ（金属−絶縁体−半導体）構造と
し、静電容量を計測することでおこなわれる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】エリプソメータやＭＩ
Ｓ構造の静電容量計測法では、任意の場所で局所的評価
ができないという問題点があった。そこで、本発明は、
局所的な絶縁膜評価を可能とする局所薄膜評価装置及び
方法を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明は、基
板上に設けられた絶縁膜の評価を行う装置であって、探
針と、基板と探針との間に電圧を印加する電圧源と、基
板と探針との間の静電容量を計測する静電容量検出手段
と、を備える局所薄膜評価装置を提供する。また、微小
探針を、基板上に設けられた絶縁膜の表面に接触させ、
微小探針、絶縁膜及び基板が金属、絶縁膜、半導体とな
るように構成し、金属と半導体との間に交流電圧を印加
することによって金属と半導体との間に発生する静電容
量の変化を計測することにより絶縁膜の厚みあるいは誘
電率を得る局所薄膜評価方法を提供する。

【０００５】

【作用】図５に示すような、絶縁体薄膜５２を有する半
導体基板５３に金属電極５１を形成した構造はＭＩＳ構
造として知られている。半導体基板５３がｐ型半導体の
場合におけるＭＩＳ構造の静電容量は図６に示すように
電圧依存性と周波数依存性を示す。尚、図６の縦軸は金
属電極５１と半導体基板５３との間の静電容量を示し、
横軸は金属電極５１と半導体基板５３との間に印加する
電圧を示す。ＭＩＳ構造における静電容量Ｃは次式のよ
うに、絶縁膜容量Ｃ_Iと半導体内容量Ｃ_Dとの直列接続で
与えられる。

【０００６】

【数１】Ｃ＝Ｃ_IＣ_D／（Ｃ_I＋Ｃ_D）・・・（１）ここで、電荷蓄積領域ではＣ_I＜＜Ｃ_Dが成立ち

【０００７】

【数２】Ｃ＝Ｃ_I・・・（２）となり、強い反転領域ではＣ_I＞＞Ｃ_D が成立ち

【０００８】

【数３】Ｃ＝Ｃ_D・・・（３）となる。ここで絶縁膜の比誘電率をε_I、真空の誘電率
をε₀、絶縁膜の膜厚をｄとすると、単位面積での絶縁
膜容量Ｃ_Iは、

【０００９】

【数４】Ｃ_I＝ε_Iε₀／ｄ・・・（４）で与えられる。ここで静電容量が直接計測できる場合
と、静電容量の変化が計測できる場合について述べる。１）静電容量が直接計測できる場合この場合は電荷蓄積領域で静電容量を計測することによ
りＣ_Iが得られる。従って、（４）式においてε₀は定数
であるため、ε_I／ｄが得られる。ここで、絶縁膜の材
料が既知のものであり誘電率ε_Iがわかっている時は膜
厚ｄが得られ、逆に膜厚ｄがわかっていれば誘電率ε_I
が得られる。

【００１０】尚、絶縁膜の静電容量Ｃ_Iを直接計測でき
る場合には、特にＭＩＳ構造にする必要はなく、基板は
半導体である必要はなく、導電性のある金属等でもよ
く、金属の間に配置される絶縁膜の静電容量を直接計測
すれば良い。２）静電容量の変化が計測できる場合この場合は、図６のように静電容量の電圧依存性を計測
することにより、電荷蓄積領域と強い反転領域との変化
量が得られる。これにより静電容量比Ｃ_I／Ｃ_Dが得られ
る。従って、膜厚が異なり同じ絶縁物質からなる２つの
絶縁膜を計測すれば２つの膜の静電容量比が得られ、２
つの膜厚比が得られる。一方の膜厚が既知であれば他方
の膜厚が得られる。また、膜厚が同じであり、物質が異
なる２つの絶縁膜を用いた場合には、誘電率の比を求め
ることができ、一方の絶縁膜の誘電率が既知のものであ
れば、他方の誘電率を求めることができる。

【００１１】本発明は、以上に述べたＭＩＳ構造を利用
して局所的な計測を実現するために、図１に示すように
先端の鋭利な探針３の付いたカンチレバー４を用いる。
金属製の探針３あるいは金属コーティングされた探針３
を、カンチレバー４のバネにより接触圧を発生させ所定
の圧力で絶縁膜１表面に接触させる。尚、絶縁膜１は半
導体基板２上に形成されており、半導体基板２と探針３
との間には電圧が印加されている。これにより、探針の
先端の半径（Ｒ）に相当する狭い領域で、探針と半導体
の間の静電容量あるいは静電容量の変化を計測すること
ができる。従って、計測された静電容量あるいは静電容
量の変化から上記のようにして、絶縁膜１の膜厚あるい
は誘電率を計測することによって、任意の局所的な絶縁
膜１の評価を行うことができる。

【００１２】尚、ＭＩＳ構造は探針を半導体、試料の半
導体部分を金属にすることによっても同様に実現でき
る。

【００１３】

【実施例】図２は、本発明の１実施例による局所薄膜評
価装置を示すブロック図である。本実施例では絶縁膜の
評価の為に印加する電圧の変化に対する静電容量の変化
であるｄＣ／ｄＶをシグナルとして使用した。図２の装
置は、半導体基板１１上に絶縁体膜１０が配置されてお
り、絶縁体膜１０表面にはカンチレバー８の先端に配置
された導電性の探針９が所定の接触圧で接触するように
なっている。探針９が所定の接触圧で絶縁体膜１０に接
触するように、探針９に対して試料表面を垂直方向に移
動させる圧電アクチュエータ１２が配置されている。ま
た、探針９と絶縁膜１０とが相対的に移動するように、
半導体基板１１は圧電アクチュエータ１２によって２次
元的に移動させられる。

【００１４】図２の装置は、さらに、半導体基板１１と
グランド間に直列接続された交流電圧発生器１８及び可
変直流電圧発生器１９を備えている。さらに、探針９及
びカンチレバー８にわたり形成された導電層（不図示）
は周知の容量センサまたはキャパシタンス測定装置１６
の内部回路を通してグランドに接続されている。従っ
て、交流電圧発生器１８及び直流電圧発生器１９から供
給される交流及び直流の電圧は半導体基板１とグランド
を介してカンチレバー８及び探針９に形成された導電性
層との間に印加されることになる。尚、交流電圧発生器
１８及び直流電圧発生器１９は、直接、半導体基板１と
カンチレバー８及び探針９の導電体層の間に接続しても
よい。

【００１５】容量センサ１６の出力信号は後に説明する
制御装置２０に供給されている。図２の装置はさらに、
カンチレバー８の撓みを計測するためにレーザ光源５と
受光素子６を備えている。受光素子６は、例えば２分割
光センサであり、２つの分割されたフォトダイオード領
域を備え、レーザ光源５から射出され、カンチレバー８
の表面で反射した光を受ける。この光の受光位置に応じ
て、２つのフォトダイオードの出力が相対的に変化し、
従ってカンチレバー８の撓みを求めることができる。
尚、カンチレバー８の表面は、レーザ光源５からの光を
反射するように鏡面仕上げとされる。あるいは、カンチ
レバー８の表面に小型のミラー等を設けてもよい。

【００１６】演算器７は、受光素子６の出力信号を入力
し、カンチレバー８の撓み成分を示すデータを出力する
ための演算器である。制御装置２０は試料と探針９との
相対的な位置の制御および容量センサ１６によって計測
された容量データ信号の処理等の信号処理を行う。試料
と探針９との間のＺ方向（試料平面に対して垂直な方
向）の制御は、制御装置２０が演算器７からの出力信号
を入力し、その信号に応じて駆動電圧源１３に制御信号
を送ることによって行う。駆動電圧源１３は制御装置２
０から出力された制御信号に応じて圧電アクチュエータ
１２に電圧を印加するように構成されている。尚、レー
ザ光源５から射出する光が半導体基板１１に入射する
と、電子と正孔が生成され計測しようとする静電容量に
影響が生じてしまうため、容量測定を行う際にはレーザ
光源５から光が射出されないようにした。また、試料の
２次元的（試料平面）な移動の制御は、制御装置２０が
駆動電圧源１３にも制御信号を送ることによって行われ
る。尚、駆動電圧源１３は制御装置２０から出力される
制御信号に応じて圧電アクチュエータ１２に電圧を供給
するように構成されている。

【００１７】また、容量センサ１６からの容量データの
信号処理としては、例えば、絶縁膜１０が同じ誘電率で
あり膜厚が不均一な場合は、上記したように、センサ１
６の出力と駆動電圧源１３に供給する制御信号とから絶
縁体１０の膜厚分布データを生成し、その膜厚分布を表
示手段２１に表示する。また、絶縁膜１０が同じ膜厚で
あり、局所的に誘電率が異なる膜である場合には、誘電
率分布データを生成し、その誘電率分布を表示手段２１
に表示する。尚、膜厚分布を求める際に、既知の膜厚値
を基準とすることによって膜厚値を求めても良い。同様
に、誘電率分布を求める際に、既知の誘電率値を基準と
することによって誘電率値を求めてもよい。

【００１８】図３は、本実施例において使用した試料断
面図を模式的に示したものである。この試料は、リソグ
ラフィー技術を用いてシリコン基板１１上に酸化シリコ
ン１０の厚みが異なる部分を有するようにした。すなわ
ちＡの部分では厚さ３０ｎｍで、Ｂの部分では厚さ６０
ｎｍである。裏面には電極２２とするため、ＮｉＣｒを
蒸着したのちに、金を蒸着した。この膜の厚みは任意で
ある。

【００１９】また、試料に印加する電圧は１００ｋＨｚ
で振幅を１Ｖとした。この試料を用いてｄＣ／ｄＶを計
測すると、図４に模式的に示した様なバイアス電圧依存
性が得られた。これを積分することによりＣ_I／Ｃ_Dが得
られる。このＣ_I／Ｃ_Dのデータを用いてＡの部分とＢの
部分とで得られた値の比を取るとほぼ膜厚比の２：１が
得られた。

【００２０】

【発明の効果】上記のように、本発明では、局所的に半
導体あるいは金属表面の絶縁膜の膜厚あるいは誘電率を
評価できるため、場所により膜厚が異なるような試料、
あるいは場所により誘電率が異なるような絶縁膜の評価
に有益である。

【図面の簡単な説明】

【図１】探針と試料の配置を示す図である。

【図２】実施例に使用した装置の概略図である。

【図３】実施例で使用した試料の概略断面図である。

【図４】ｄＣ／ｄＶのバイアス電圧依存の図である。

【図５】ＭＩＳ構造を説明するための概略図である。

【図６】静電容量のバイアス依存を示す図である。

【符号の説明】

１、１０・・・絶縁膜２、１１・・・半導体基板３、９・・・探針４、８・・・カンチレバー５・・・レーザ光源６・・・受光素子７・・・演算器１２・・・ＸＹＺ用圧電アクチュエータ１３・・・駆動電圧源１６・・・容量センサ１８・・・交流電圧発生器１９・・・直流電圧発生器２０・・・制御装置２１・・・表示手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に設けられた絶縁膜の評価を行う装
置であって、探針と、前記基板と探針との間に電圧を印加する電圧源
と、前記基板と探針との間の静電容量を計測する静電容
量検出手段と、からなる局所薄膜評価装置。
【請求項２】前記静電容量検出手段で計測された前記静
電容量のデータと、前記絶縁膜の情報である該絶縁膜の
膜厚または誘電率の一方のデータと、から前記絶縁膜の
膜厚または誘電率の他方の情報を演算する演算手段を設
けたことを特徴とする請求項１に記載の局所薄膜評価装
置。
【請求項３】前記電圧源は少なくとも交流電圧を印加
し、前記静電容量検出手段は、前記電圧の変化に対する前記
静電容量の変化を検出し、前記絶縁膜の少なくとも異なる２つの位置における前記
静電容量検出手段からの静電容量のデータを入力し、該
２つの静電容量のデータから前記２つの位置における絶
縁膜の膜厚比または誘電率比を演算する演算手段を設け
たことを特徴とする請求項１に記載の局所薄膜評価装
置。
【請求項４】前記探針及び前記基板の一方は金属であ
り、他方は半導体であることを特徴とする請求項１、２
または３に記載の局所薄膜評価装置。
【請求項５】前記探針は可撓性のカンチレバーの先端に
形成されており、前記カンチレバーの撓みを検出する手
段を設け、前記探針は前記絶縁膜に所定の接触圧で接していること
を特徴とする請求項１、２、３または４に記載の局所薄
膜評価装置。
【請求項６】前記探針と基板とを相対的に移動させる走
査手段を設けたことを特徴とする請求項１、２、３、４
または５に記載の局所薄膜評価装置。
【請求項７】微小探針を、基板上に設けられた絶縁膜の
表面に接触させ、前記微小探針、絶縁膜及び基板が金
属、絶縁膜、半導体となるように構成し、前記金属と半
導体との間に交流電圧を印加することによって前記金属
と半導体との間に発生する静電容量の変化を計測するこ
とにより絶縁膜の厚みあるいは誘電率を得る局所薄膜評
価方法。