(57)【要約】  導電体表面に形成された絶縁体層の膜厚分布を高分解能に評価できる膜厚評価装置を提供するために、探針を試料表面上で走査しながら、探針-試料間に働く静電気力の電圧に関する２回微分信号の逆数の平方根と、その探針-試料間距離に関する微分信号から膜厚の絶対値を得て、膜厚のマッピングを行う。
2010013628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性基板上に絶縁体膜を有する測定試料を載置するとともにＸＹ方向に前記測定試料を移動させるＸＹ走査部および垂直方向に前記測定試料を移動させるＺ駆動部とを有するＸＹＺ走査機構と、
導電性の探針をその先端部に有し前記測定試料の表面に対して面内方向および垂直方向に相対的に移動可能なカンチレバーと、
前記カンチレバーを固有振動数かその近傍の周波数で、前記測定試料の表面に対して垂直方向の振動を与える発振部と、
前記測定試料に前記探針を接近させた際に前記探針に印加される静電気力(a(V/(t/e+g))2、ここでa:定数、e:前記絶縁体膜の比誘電率、t:前記絶縁体膜の膜厚、g:前記探針と前記測定試料表面との間の距離、V:前記探針に印加する電圧とする。)の前記振動による力の変化を検出する力検出器と、
前記力検出器からの信号を入力し、前記カンチレバーの振動信号である振動振幅あるいは周波数を検出する振幅・周波数検出部と、
前記振動信号に基づいて、前記Ｚ駆動部により前記ＸＹＺ走査機構をＺ方向に駆動し、前記探針と前記測定試料の表面との間の距離を制御部により設定された一定値となるように制御するフィードバック制御部と、
前記振動信号と、前記探針に交流電圧を印加する交流電圧印加部からの参照信号とを用いて、前記参照信号の２倍周波数成分を検出することにより、前記静電気力の電圧に関する二回微分信号(2a(1/(t/e+g))2)を得る第１の振幅検出器と、
前記二回微分信号の逆数の平方根となる変換を行って第１の信号(S=b(t/e+g))を得る逆数・平方根変換部と、
前記ＸＹＺ走査機構をＺ方向に振動させ、前記測定試料の表面と前記探針の先端との距離を振動させることにより、前記第１の信号を変化させて第２の信号を得る測定試料振動部と、
前記第２の信号と、前記測定試料振動部からの参照信号と同じ周波数成分を検出することにより、前記測定試料の表面と前記探針の先端との距離(g)に関する前記第１の信号の微分信号(D=b)を得る第２の振幅検出器と、を具備し、
前記第１の信号（S）と、前記第１の信号の微分信号（D）と、前記測定試料の表面と前記探針の先端との距離（g）と、前記絶縁体膜の比誘電率（e）とを用いて前記導電性基板上の絶縁体膜の膜厚(t=e(S/D-g))を求めることを繰り返すことにより、前記導電性基板上の絶縁体膜の膜厚分布を評価することを特徴とする膜厚評価装置。
【請求項２】
前記力検出器として、前記探針を一端に具備するカンチレバーの変位を検出する変位検出器を用いることを特徴とする請求項１に記載の膜厚評価装置。
【請求項３】
前記第１の振幅検出器と前記第２の振幅検出器として、ロックインアンプを用いることを特徴とする請求項１に記載の膜厚評価装置。
【請求項４】
導電性の探針を用いて、導電性基板上に絶縁体膜が設けられた試料の膜厚分布を測定する膜厚評価方法において、
前記探針を前記試料の表面に対して面内方向および垂直方向に相対的に移動可能な手段と、前記探針と前記試料の距離を一定に保つ制御手段と、前記探針に印加される力を検出する力検出器と、前記探針に交流電圧を印加する手段と、前記力検出器の出力信号から前記交流電圧の２倍周波数成分を検出する第１の振幅検出器と、前記第１の振幅検出器の出力信号を逆数変換および平方根変換する信号変換器と、前記探針と前記試料の距離に交流振動を与える手段と、前記信号変換器の出力信号から前記交流振動の周波数成分を検出する第２の振幅検出器と、前記信号変換器の出力信号を前記第２の振幅検出器の出力信号で除算し、前記探針と前記試料の距離を減算し、前記絶縁体膜の比誘電率を乗算する計算手段とを具備する膜厚評価装置を用いて、
定数a、前記絶縁体膜の比誘電率e、前記絶縁体膜の膜厚t、前記探針と前記試料の距離g、前記探針の電圧Vを用いて表される、前記探針に印加される静電気力a(V/(t/e+g))2に対して、
前記第１の振幅検出器で前記静電気力の前記電圧Vに関する二回微分信号2a(1/(t/e+g))2を検出し、
前記二回微分信号に対して、前記信号変換器で逆数変換および平方根変換することにより、定数bを用いて表される第１の信号S=b(t/e+g)を取得し、
前記第１の信号に対して、前記第２の振幅検出器で前記第１の信号の前記距離gに関する微分である第２の信号D=bを検出し、
前記計算手段でt=e(S/D-g)を計算することにより、前記膜厚tを取得し、
前記探針を前記試料表面上で移動し、前記試料表面上の各位置における膜厚を測定することにより膜厚分布の評価を行うことを特徴とする膜厚評価方法。
【請求項５】
前記力検出器として、前記探針を一端に具備するカンチレバーの変位を検出する手段を用いることを特徴とする請求項４に記載の膜厚評価方法。
【請求項６】
前記第１の振幅検出器と前記第２の振幅検出器として、ロックインアンプを用いることを特徴とする請求項４に記載の膜厚評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料-探針間の静電気力を検出することにより誘電体の膜厚を評価する膜厚評価装置および膜厚評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の膜厚評価装置としては、主に光束の干渉を利用した光学的方法がもっとも一般的である。光束干渉法においては、試料表面に入射した光が膜表面と膜-下地界面で反射され、両者の光路差と波長の関係により干渉縞が観察される。干渉縞は光の波長と膜の屈折率で決定される値の整数倍した膜厚毎に現れるため、光の波長を基準長としながら膜厚の相対的分布を求めることができる。光束干渉法が分割された波面を持つ複数の光束の干渉を用いるのに対し、振動面分割型の干渉測光法としてエリプソメトリ(楕円偏光解析法)がある。この手法は、試料から反射される楕円偏光を解析することにより、試料の光学的特性を評価する方法である。試料が薄膜であれば、その光学的特性は膜と下地の屈折率および膜厚で決定されるので、特性がわかれば逆に膜厚が測定できる。【０００３】
次に、エリプソメトリでは困難な1nm程度以下の膜厚を評価する方法として、光電子分光を応用した手法がある。試料表面に紫外線を照射した時に下地から放出される光電子は表面膜内で減衰するため、膜厚が厚いほど計数される電子数が減少する。あらかじめ膜厚と放出される電子数の関係を求めておくことにより、電子数から膜厚を評価できる。この手法は、下地の仕事関数が膜の仕事関数よりも低いときに用いられ、1nm以下程度から数10nm程度までの膜厚試料に対して適用可能である。【０００４】
さらに、試料表面に細い探針を当てて走査し、探針の上下動から表面粗さを測定する触針法を用いて、基板面から膜表面までの高さを測ることによっても膜厚を評価できる。これは、機械的な操作のみで行う直接的は方法であるから、迅速かつ容易に測定が行えるという特徴がある。探針を用いた手法としては、原子間力顕微鏡を用いた例が報告されている。導電性の探針を用いて、膜を介して下地基板と探針との間を流れるトンネル電流を測定することにより、膜厚評価を行う(例えば、アレクサンダー・オルブリッヒら、アプライド・フィジックス・レター78巻2934項2001年に記載)。トンネル電流は距離の増大とともに指数関数的に減少するため、あらかじめ膜厚と電流の関係を求めておくことにより、トンネル電流から膜厚がわかる。探針を試料に対して2次元方向に走査することにより、面内分解能1nm程度、膜厚分解能0.1nm程度の膜厚分布が得られる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の光学的手法を用いた膜厚評価装置においては、入射光の直径を絞って走査することにより、面内の膜厚分布を測定することが可能であるが、面内分解能は使用する光の波長によって制約されるため、１μm程度が限界であった。光電子分光においても励起光を用いるため同様の問題が生ずる。また、触針法においては試料表面の膜を剥す必要があり、膜厚分布を得るには全く適してない。原子間力顕微鏡を用いた手法においては、トンネル電流の減衰が距離に対して指数関数的であるために、膜厚が数nm程度以上の場合は電流が極めて微小となり測定が困難となる。さらに、トンネル電流は探針先端の状態に大きく影響されるため、探針先端の磨耗や付着物等によって電流値は不安定となりやすいといった問題がある。このように、高い空間分解能で、高精度で、広い膜厚範囲にわたって、膜厚分布を測定することは困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、原子間力顕微鏡において、導電性探針と導電性下地基板との間に働く静電気力が、絶縁体膜厚に依存することに注目したものである。原子間力顕微鏡を間欠接触方式あるいは非接触方式で動作させ、探針を試料表面に接近させた状態で、探針-試料間に交流電圧を印加すると、探針が静電気力で振動する。探針の変位振動を２倍周波数でロックイン検出すると、静電気力の電圧に関する二次微分信号が得られる。静電気力は印加電圧の二乗に比例しているため、得られた二次微分は定数となる。二次微分係数は探針-基板間距離の二乗の逆数に比例しており、この係数の平方根の逆数を計算することにより、探針-基板間距離、すなわち、膜厚と探針-表面間距離の和に比例した信号が得られる。さらに、探針-表面間距離を変化させて得られた信号と、探針-表面間距離の絶対値および試料の誘電率を用いて、膜厚の絶対値が得られる。この動作を探針を走査しながら各測定点ごとに行うことにより、試料の膜厚分布が観察できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、膜厚がサブナノメートルから数μm程度の絶縁体膜の膜厚分布を、0.01nm程度の膜厚精度、および、ナノメートルレベルの空間分解能で測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る膜厚評価装置の実施形態を示す構成図である。
【図２Ａ】膜厚分布像を示す図である。
【図２Ｂ】図２ＡのA−A’部の膜厚プロファイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、膜厚評価装置にかかる発明の実施の形態について説明する。
【００１０】
最初に、膜厚評価装置の構成について説明する。図１は、本発明の膜厚評価装置の実施形態を示す構成図である。測定試料1は導電性の下地基板2とその表面に形成された絶縁体層3からなる。測定試料1の表面に対向してカンチレバー4が配置され、その先端には探針5が設けられている。カンチレバー4および探針5は発振部6により、固有振動数かその近傍の周波数で、測定試料1の表面に対して垂直方向に振動させられる。測定試料1はXYZ走査機構7および粗動機構8上に固定されており、XYZ走査機構7により探針5に対して３次元方位方向に移動させることができ、また、粗動機構8により測定試料1と探針5の間の距離を大きく変化させることができる。
【００１１】
測定時に際して、まず、制御部9が粗動部10を用いて粗動機構8を駆動し、測定試料1の表面を探針5に接近させる。測定試料1と探針5が十分に接近すると、測定試料1表面との相互作用によりカンチレバー4の振動状態が変化する。カンチレバー4の変位を変位検出部11を用いて検出し、さらに、振幅・周波数検出部12によりカンチレバー4の振動振幅あるいは周波数が検出される。フィードバック制御部13は、カンチレバー4の振動振幅あるいは周波数が制御部9により設定された一定値となるように、Z駆動部14によりXYZ走査機構7をZ方向に駆動し、探針5と測定試料1表面との間の距離を一定に保つ。この状態において、制御部9がXY走査部15を用いてXYZ走査機構7をXY面内で走査することにより、探針5の測定試料1表面からの高さ情報のマッピングとして測定試料1の表面形状が観察できる。
【００１２】
探針5には交流電圧印加部16により交流電圧が印加され、測定試料1の下地基板2は接地されているため、探針5と測定試料1との間に静電気力が働き、カンチレバー4は探針5に印加された交流電圧に同期して振動する。測定試料1と探針5との間の電圧をV、測定試料1の表面と探針5の先端との距離をg、探針5直下の絶縁体層3の膜厚をt、絶縁体層3の比誘電率をeとし、aを定数とすると、測定試料1と探針5との間に働く静電気力は、
F = a(V/(t/e+g))2・・・（１）
となる。変位検出部11で検出されたカンチレバー4の振動信号と交流電圧印加部16からの参照信号を用いて、ロックインアンプ(A) 17で参照信号の２倍周波数成分を検出することにより、静電気力の電圧Vに関する二回微分信号、
d2F/dV2= 2a/(t/e+g)2・・・（２）
が得られる。逆数・平方根変換部18を用いてこの信号の逆数の平方根を取ることにより新たな信号、
S = b(t/e+g) ・・・（３）
が得られる。ここで、bは定数である。さらに、試料振動部19を用いてXYZ走査機構7をZ方向に振動させ、測定試料1表面と探針5先端との距離gを振動させることにより、信号Sも変化する。この信号と試料振動部19からの参照信号を用いて、ロックインアンプ(B)20で参照信号と同じ周波数成分を検出することにより、信号Sの距離gに関する微分信号、
D = dS/dg = b・・・（４）
すなわち、比例定数bが得られる。膜厚計算部21において、逆数・平方根変換部18の出力信号S、ロックインアンプ(B)20の出力信号D、および、既知の値g、eを用いて
t = e(S/D-g) ・・・（５）
を計算することにより膜厚tを求める。探針5を測定試料1に対して相対的に動かし、測定試料1表面の各位置において得られた膜厚の値をマッピングすることにより、表面形状と同時に膜厚分布が得られる。
【実施例１】
【００１３】
本発明を、以下の実施例を用いて詳細に説明する。本発明の膜厚評価装置を用いて、シリコン基板表面に形成された熱酸化膜の膜厚分布を測定した。カンチレバーとして、長さ100μm、幅35μm、力定数11.5N/mのシリコン製のものを用い、カンチレバーホルダーに設けられたピエゾ素子により、カンチレバーの固有振動数である255kHzで振動させた。【００１４】
振動振幅は0.5nmであった。カンチレバー先端には長さ10μmの探針が設けられ、その表面を厚さ20nmの白金膜でコートすることにより導電性を付与し、アース電位に接地した。なお、ここでは、カンチレバーの材質として、白金膜を用いたが、導電性のものであれば他のものでも良い。【００１５】
カンチレバーの変位は、レーザダイオードからのレーザ光をカンチレバー表面に照射し、そのときの反射光を２分割フォトダイオードで検出し、２つの出力の差分を取ることにより検出した。試料基板をピエゾ素子を用いたXYZ走査ステージ上に固定し、ステッピングモータとねじを用いた粗動機構によってステージ全体を上下方向に移動し、試料表面に対向して取り付けられたカンチレバーに試料を接近させた。試料表面が探針先端に１nm程度まで接近すると、両者の間には引力が作用するため、カンチレバーの固有振動数が低下する。【００１６】
フェイズロックドループを用いた周波数検出器により、変位信号からカンチレバーの振動周波数を検出し、振動周波数の変化が一定となるように試料のZ方向位置を調整することにより、探針-試料表面間距離を一定に保った。【００１７】
探針には周波数がカンチレバーの固有振動数近傍である254kHz、振幅１Vの交流電圧を印加した。ロックインアンプを用いてカンチレバーの変位信号から交流電圧の２倍周波数である508kHz成分を検出することにより、探針-試料間に働く静電気力の電圧に関する２回微分信号を得た。さらに、除算器を用いた逆数回路と乗算器を用いた平方根回路により、この信号を逆数の平方根に変換し、新たな信号Aを得た。また、XYZ走査ステージのZ方向駆動信号に微小な交流電圧を加えることにより、試料をZ方向に周波数10kHz、振幅0.1nmで振動させ、探針先端-試料表面間距離を変化させた。ロックインアンプを用いて、信号Aから試料の振動周波数である10kHz成分を検出することにより、信号Aの探針先端-試料表面間距離に関する微分信号Bを得た。信号Aおよび信号Bの値をADコンバータにより制御用コンピュータに取り込み、あらかじめフォースカーブにより測定された探針-試料間距離とシリコン酸化膜の比誘電率を用いて膜厚を計算した。XYZ走査ステージを用いて探針-試料間距離を一定に保ちながら試料をXY方向に走査し、試料表面の各位置における膜厚を測定した結果をマッピングすることにより膜厚分布画像を得ることに成功した。膜厚0.3nmから3μmの試料に対して測定を行い、明瞭な膜厚分布が得られた。図２Ａに、膜厚分布像を示し、図２Ｂには、図２ＡのA-A’部の膜厚プロファイルを示す。膜厚分解能および面内空間分解能は膜厚に依存し、膜厚0.3nmの場合、それぞれ0.01nmおよび0.1nm、膜厚3μmの場合、10nmおよび100nmであった。【００１８】
探針-試料間距離の制御はカンチレバーの振動振幅の変化を一定に保つことによって行っても同様の結果が得られた。探針に印加する電圧の周波数は、カンチレバーの力に対する感度がもっとも高くなる固有振動数近傍が望ましいが、固有振動数から離れていてもよい。試料の振動周波数はカンチレバーの固有振動数および探針電圧の周波数と同一でなければ、数10HzからXYZ走査ステージの応答の上限周波数までの周波数が利用できる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
半導体プロセス内における半導体および金属表面に形成された誘電体膜の膜厚分布評価、および、膜厚の均一性の評価に適用できる。
【符号の説明】
【００２０】
1…測定試料、
2…下地基板、
3…絶縁体層、
4…カンチレバー、
5…探針、
6…発振部、
7…XYZ走査機構、
8…粗動機構、
9…制御部、
10…粗動部、
11…変位検出部、
12…振幅・周波数検出部、
13…フィードバック制御部、
14…Z駆動部、
15…XY走査部、
16…交流電圧印加部、
17…ロックインアンプ(A)、
18…逆数・平方根変換部、
19…試料振動部、
20…ロックインアンプ(B)、
21…膜厚計算部。
【図１】
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【図２Ｂ】
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【図２Ａ】
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【国際調査報告】
2010013628.tif 000006
2010013628.tif 000007
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