(57)【要約】【課題】  半導体装置を構成する絶縁膜の電気的な膜質を精度よく評価するインライン膜質評価方法および半導体評価装置および方法を提供すること。【解決手段】  電子ビーム発生手段（１０１等）と、電子ビーム収束手段（１０３等）と、収束された電子ビームの照射位置を制御する電子ビーム照射位置制御手段（１１２等）と、半導体装置の基板電流を測定する電流測定手段（１１３，１１６等）と、電子ビームの発生と電流測定とのタイミングを同期させる同期信号発生手段（１１５）と、電子ビームの照射量を切り替える照射切替手段と、電流測定手段による測定結果を時間の関数として記録する測定結果記録手段（１２１）と、測定結果が示す電流と時間との関係から膜質を評価する評価処理部（１２０）と、評価結果を表示する表示手段（１２２）とを具備する。【選択図】      図1
2005064128.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置を構成する絶縁膜の膜質を評価する半導体評価装置であって、
所望エネルギーの電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、
前記半導体装置上に前記電子ビームを収束させる電子ビーム収束手段と、
前記電子ビーム収束手段により収束された電子ビームの照射位置を制御する電子ビーム照射位置制御手段と、
前記半導体装置を構成する半導体基板に生じた電流を測定する電流測定手段と、
前記半導体装置への電子ビームの照射タイミングと前記電流測定手段による前記電流の測定タイミングとを同期させるための同期信号を発生する同期信号発生手段と、
前記同期信号に同期して、前記半導体装置に対する電子ビームの照射量を切り替える照射切替手段と、
前記同期信号に同期して、前記電流測定手段による測定結果を時間の関数として記録する測定結果記録手段と、
前記測定信号記録手段に記録された前記測定結果が示す電流と時間との関係から前記絶縁膜の膜質を評価する評価処理部と、
前記評価処理部による評価結果を表示する表示手段と
を具備することを特徴とする半導体評価装置。
【請求項２】
前記評価処理部が、
前記測定結果記録手段に記録された前記測定結果が示す電流と時間との関係から算出される時定数を評価指標として算出することを特徴とする請求項１に記載された半導体評価装置。
【請求項３】
前記評価処理部が、
前記絶縁膜が形成する容量素子の設計上の容量値を入力するデータ入力手段と、
前記設計上の容量値と前記時定数とから前記絶縁膜の抵抗値を算出する数値演算処理部と
を具備し、
前記絶縁膜の抵抗値を前記評価指数として出力することを特徴とする請求項２に記載された半導体評価装置。
【請求項４】
半導体装置を構成する接合部の品質を評価する半導体評価装置であって、
所望エネルギーの電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、
前記接合部に電気的に接続された前記半導体装置上の所定部位に前記電子ビームを収束させる電子ビーム収束手段と、
前記電子ビーム収束手段により収束された電子ビームの照射位置を制御する電子ビーム照射位置制御手段と、
前記半導体基板に生じた電流を測定する電流測定手段と、
前記半導体装置への電子ビームの照射タイミングと前記電流測定手段による前記電流の測定タイミングとを同期させるための同期信号を発生する同期信号発生手段と、
前記同期信号に同期して、前記半導体装置に対する電子ビームの照射量を切り替える照射切替手段と、
前記同期信号に同期して、前記電流測定手段による測定結果を時間の関数として記録する測定結果記録手段と、
前記測定信号記録手段に記録された前記測定結果が示す電流と時間との関係から前記接合部の品質を評価する評価処理部と、
前記評価処理部による評価結果を表示する表示手段と
を具備することを特徴とする半導体評価装置。
【請求項５】
前記評価処理部が、
前記測定結果記録手段に記録された前記測定結果が示す電流と時間との関係から算出される時定数を評価指標として算出することを特徴とする請求項４に記載された半導体評価装置。
【請求項６】
前記評価処理部が、
前記接合部が形成する接合素子の設計上の容量値を入力するデータ入力手段と、
前記設計上の容量値と前記時定数とから前記接合部の抵抗値を算出する数値演算処理部とを具備し、
前記接合部の抵抗値を評価指数として出力することを特徴とする請求項５に記載された半導体評価装置。
【請求項７】
半導体装置を構成する絶縁膜の膜質を評価する半導体評価方法であって、
（ａ）電子ビーム発生手段により発生された電子ビームを電子ビーム収束手段が前記半導体装置上に収束させ、電子ビーム照射位置制御手段が前記収束された電子ビームの照射位置を制御する第一のステップと、
（ｂ）同期信号発生手段が所定の同期信号を発生する第二のステップと、
（ｃ）前記同期信号に同期して、照射切替手段が前記被測定対象物に対する照射量を切り替える第三のステップと、
（ｄ）電流測定手段が前記半導体装置を構成する半導体基板に生じた電流を測定する第四のステップと、
（ｅ）前記同期信号に同期して、測定結果記録手段が前記電流測定手段による測定結果を時間の関数として記録する第五のステップと、
（ｆ）前記測定結果記録手段に記録された前記測定結果と時間との関係から評価処理部が前記絶縁膜の膜質を評価する第六のステップと、
（ｇ）前記評価処理部による評価結果を表示する第七のステップと
を含むことを特徴とする半導体評価方法。
【請求項８】
半導体装置を構成する接合部の品質を評価する半導体評価方法であって、
（ａ）電子ビーム収束手段が、電子ビーム発生手段により発生された電子ビームを、前記接合部に電気的に接続された前記半導体装置上の所定部位に収束させ、電子ビーム照射位置制御手段が、前記収束された電子ビームの照射位置を制御する第一のステップと、
（ｂ）同期信号発生手段が所定の同期信号を発生する第二のステップと、
（ｃ）前記同期信号に同期して、照射切替手段が前記被測定対象物に対する照射量を切り替える第三のステップと、
（ｄ）電流測定手段が前記半導体基板に生じた電流を測定する第四のステップと、
（ｅ）前記同期信号に同期して、測定結果記録手段が前記電流測定手段による測定結果を時間の関数として記録する第五のステップと、
（ｆ）前記測定結果記録手段に記録された前記測定結果と時間との関係から評価処理部が前記接合部の品質を評価する第六のステップと、
（ｇ）前記評価処理部による評価結果を表示する第七のステップと
を含むことを特徴とする半導体評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビームを用いて、半導体装置を構成する絶縁膜の膜質を評価する半導体評価装置および半導体評価方法に関し、特に、絶縁膜の容量や抵抗に関わる評価指標を抽出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路は、半導体ウェハ上に形成されたトランジスタ、あるいは容量や抵抗から構成され、トランジスタの電流駆動能力、容量値、抵抗値は、回路動作の観点から最適化設計される。ＭＯＳ型のトランジスタの場合、絶縁膜の一種であるゲート酸化膜の膜質は信頼性や容量値に大きな影響を及ぼすため、半導体ウェハ上の絶縁膜を電気的に評価する技術が、半導体装置の設計および製造の双方から要請されている。
【０００３】
ところで、従来、上述の絶縁膜の電気的な膜質評価を実施する際、ウェハ上に形成された半導体装置に対して外部の測定器を物理的・機械的に接続することにより電気特性を測定するのが一般的であった。図１８は、半導体装置の従来の膜質評価方法を説明するための図であり、１８０１は裏面電極、１８０２は半導体基板、１８０３はシリコン酸化膜界面層、１８０４はフィールド酸化膜、１８０５は絶縁膜（ゲート酸化膜）、１８０６は多結晶シリコン、１８０７はチタンシリサイドである。このうち、多結晶シリコン１８０６およびチタンシリサイド１８０７は、フィールド絶縁膜１８０４上に任意形状に孤立して形成された電極を構成する。
【０００４】
また、１８０８は金属探針、１８０９は電圧計、１８１０は電流計、１８１１は直流電源であり、これらは検査装置を構成する。
このような構成の検査装置において、直流電源１８１１により絶縁膜１８０５の耐圧電圧未満の電圧を印加し、金属短針１８０８を電極（１８０６，１８０７）に接触させて、絶縁膜１８０５の絶縁性を電圧計１８０９あるいは電流計１８１０によって測定する。
【０００５】
また、特開平９−１８６２１１号公報「電子ビーム検査装置」には、ウェハ上に形成された半導体装置に対して電子ビームを照射し、当該装置から発生する二次荷電粒子を検出し、この検出した二次荷電粒子像に基づいて微小欠陥を検知する装置が開示されている。
【特許文献１】特開平９−１８６２１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の図１８に示す従来技術によれば、半導体装置上の電極（１８０６，１８０７）に対して検査装置の金属探針１０８０を物理的・機械的に接触させるため、半導体装置上の電極（１８０６，１８０７）に少なからぬダメージを与えることになり、信頼性を損なう原因になり得る。従って、半導体装置の製造プロセスの途中で実デバイスの膜質を直接的に評価することはできず、ＴＥＧ等を用いて間接的に評価しなければならないという問題がある。
【０００７】
また、上述の特開平９−１８６２１１号公報に開示された技術によれば、二次荷電粒子を検出信号として用いているため、本質的にＳ／Ｎが低く、検出精度が不十分である。また、この従来技術では、電子が絶縁膜を等価的に透過する電子ビームを照射することを基本原理としているため、例えば当該絶縁膜上に金属または半導体薄膜からなる電極が形成されている場合、電子ビーム照射条件の制約条件から膜質評価が不可能となる。従って、例えば近年の半導体集積回路の一連の製造工程で問題となっているように、プラズマ処理工程で誘起されるゲート絶縁膜素子ダメージを製造プロセスの途中で測定することはできない。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、半導体ウェハ上に形成された半導体装置に物理的・機械的に測定装置を接触させることなく、半導体装置を構成する絶縁膜や接合部の電気的な品質を精度よく評価する半導体評価方法および半導体評価装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明に係る半導体評価装置は、半導体装置を構成する絶縁膜の膜質を評価する半導体評価装置であって、所望エネルギーの電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、前記半導体装置上に前記電子ビームを収束させる電子ビーム収束手段と、前記電子ビーム収束手段により収束された電子ビームの照射位置を制御する電子ビーム照射位置制御手段と、前記半導体装置を構成する半導体基板に生じた電流を測定する電流測定手段と、前記半導体装置への電子ビームの照射タイミングと前記電流測定手段による前記電流の測定タイミングとを同期させるための同期信号を発生する同期信号発生手段と、前記同期信号に同期して、前記半導体装置に対する電子ビームの照射量を切り替える照射切替手段と、前記同期信号に同期して、前記電流測定手段による測定結果を時間の関数として記録する測定結果記録手段と、前記測定信号記録手段に記録された前記測定結果が示す電流と時間との関係から前記絶縁膜の膜質を評価する評価処理部と、前記評価処理部による評価結果を表示する表示手段とを備える。
【００１０】
また、本発明は、上記半導体評価装置において、前記評価処理部が、前記測定結果記録手段に記録された前記測定結果が示す電流と時間との関係から算出される時定数を評価指標として算出することを特徴とする。
また、本発明は、上記半導体評価装置において、前記評価処理部が、前記絶縁膜が形成する容量素子の設計上の容量値を入力するデータ入力手段と、記設計上の容量値と前記時定数とから前記絶縁膜の抵抗値を算出する数値演算処理部とを具備し、前記絶縁膜の抵抗値を前記評価指数として出力することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、半導体装置を構成する接合部の品質を評価する半導体評価装置であって、所望エネルギーの電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、前記接合部に電気的に接続された前記半導体装置上の所定部位に前記電子ビームを収束させる電子ビーム収束手段と、前記電子ビーム収束手段により収束された電子ビームの照射位置を制御する電子ビーム照射位置制御手段と、前記半導体基板に生じた電流を測定する電流測定手段と、
前記半導体装置への電子ビームの照射タイミングと前記電流測定手段による前記電流の測定タイミングとを同期させるための同期信号を発生する同期信号発生手段と、前記同期信号に同期して、前記半導体装置に対する電子ビームの照射量を切り替える照射切替手段と、前記同期信号に同期して、前記電流測定手段による測定結果を時間の関数として記録する測定結果記録手段と、前記測定信号記録手段に記録された前記測定結果が示す電流と時間との関係から前記接合部の品質を評価する評価処理部と、前記評価処理部による評価結果を表示する表示手段とを具備することを特徴とする。
また、本発明は、上記半導体評価装置において、前記評価処理部が、前記測定結果記録手段に記録された前記測定結果が示す電流と時間との関係から算出される時定数を評価指標として算出することを特徴とする。
また、本発明は、上記半導体評価装置において、前記評価処理部が、前記接合部が形成する接合素子の設計上の容量値を入力するデータ入力手段と、前記設計上の容量値と前記時定数とから前記接合部の抵抗値を算出する数値演算処理部とを具備し、前記接合部の抵抗値を評価指数として出力することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る膜質評価方法は、半導体装置を構成する絶縁膜の膜質を評価する半導体評価方法であって、（ａ）電子ビーム発生手段により発生された電子ビームを電子ビーム収束手段が前記半導体装置上に収束させ、電子ビーム照射位置制御手段が前記収束された電子ビームの照射位置を制御する第一のステップと、（ｂ）同期信号発生手段が所定の同期信号を発生する第二のステップと、（ｃ）前記同期信号に同期して、照射切替手段が前記被測定対象物に対する照射量を切り替える第三のステップと、（ｄ）電流測定手段が前記半導体装置を構成する半導体基板に生じた電流を測定する第四のステップと、（ｅ）前記同期信号に同期して、測定結果記録手段が前記電流測定手段による測定結果を時間の関数として記録する第五のステップと、（ｆ）前記測定結果記録手段に記録された前記測定結果と時間との関係から評価処理部が前記絶縁膜の膜質を評価する第六のステップと、（ｇ）前記評価処理部による評価結果を表示する第七のステップとを含むことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、半導体装置を構成する接合部の品質を評価する半導体評価方法であって、（ａ）電子ビーム収束手段が、電子ビーム発生手段により発生された電子ビームを、前記接合部に電気的に接続された前記半導体装置上の所定部位に収束させ、電子ビーム照射位置制御手段が、前記収束された電子ビームの照射位置を制御する第一のステップと、（ｂ）同期信号発生手段が所定の同期信号を発生する第二のステップと、（ｃ）前記同期信号に同期して、照射切替手段が前記被測定対象物に対する照射量を切り替える第三のステップと、（ｄ）電流測定手段が前記半導体基板に生じた電流を測定する第四のステップと、（ｅ）前記同期信号に同期して、測定結果記録手段が前記電流測定手段による測定結果を時間の関数として記録する第五のステップと、（ｆ）前記測定結果記録手段に記録された前記測定結果と時間との関係から評価処理部が前記接合部の品質を評価する第六のステップと、（ｇ）前記評価処理部による評価結果を表示する第七のステップとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、絶縁膜を有する種々の半導体デバイスについて、従来インライン定量評価することができなかった絶縁膜の等価抵抗値、等価容量値、欠陥密度等を評価することができる。また、従来は被測定対象物である半導体装置に対し検査装置を機械的に接触させて測定していたのに対し、本発明によれば、電子ビーム照射を用いて非接触的に測定を行うので、機械的なダメージに脆弱な半導体デバイスに対しても無損傷で測定することができる。従って、信頼性に影響を与えることなく、製造プロセスの途中で測定すべき半導体デバイスの評価を行うことができ、測定終了後、後続の製造プロセスを継続することが可能である。また、従来は電子ビーム照射時の二次荷電粒子像を用いて測定していたのに対し、本発明によれば、基板電流信号の時間推移を基に定量評価指標を算出するので、様々な半導体デバイス構造に対して評価することが可能である。例えば、ゲート絶縁膜素子形成工程後の配線形成工程において問題となっているプラズマ誘起ゲート酸化膜ダメージのインライン評価も可能である。このため、半導体製造プロセスのリスク要因をより詳細にかつ短時間で分析することも可能になる。
従って、本発明によれば、半導体ウェハ上に形成された半導体装置に物理的・機械的に測定装置を接触させることなく、半導体装置を構成する絶縁膜や接合部の電気的な品質を精度よく評価することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る半導体評価装置および半導体評価方法について、図面を参照しながら具体的に説明する。本実施形態では、半導体装置を構成するゲート酸化膜のような絶縁膜の品質を評価する。
図１は、本発明に係る半導体評価装置の構成図である。この図において、電子ビーム源となるエミッタ１０１、ＧＵＮアライメントレンズ１０２、第一ないし第三アノード１１７〜１１９、直流高圧電源（図示なし）、フィラメントを通電加熱するための電源（図示なし）は、所望エネルギーの電子ビームを発生する電子ビーム発生手段を構成する。本実施形態では、エミッタとして、Ｚｒ―Ｗ（ジルコニウム・タングステン）からなるショットキーミッション型のエミッタを用いる。第一ないし第三アノード１１７〜１１９は、電子ビームの加速エネルギーや電流量を調整するためのものである。
【００１６】
収束レンズ１０３、対物レンズ１０７、フォーカスレンズ１０８、非点補正レンズ１０９は、上記電子ビーム発生手段が発生した電子ビームを、半導体ウェハ１１０に形成された半導体装置上に収束させる電子ビーム収束手段を構成する。本実施形態では磁気収束レンズを用いるものとするが、静電収束レンズを用いても構わない。この電子ビーム収束手段により、電子ビームを所望の形状および大きさに調整する。
【００１７】
偏向電極１０６、ステージ１１２は、電子ビーム収束手段により収束された電子ビームの照射位置を制御する電子ビーム照射位置制御手段を構成する。本実施形態では静電型電極を用いるものとするが、磁気型電極を用いても構わない。偏向電極１０６は、電子ビームの照射位置を電気的に制御する手段であり、偏向電極１０６が発する静電場あるいは電磁場により偏向電極１０６を通過する電子ビーム軌道を制御し、半導体ウェハ１１０上の所望のパターンに対して電子ビームを照射する。
【００１８】
ステージ１１２は、上記半導体ウェハ（半導体基板）１１０を搭載し、この半導体ウェハ１１０には、後述する図２に示す半導体装置が形成されており、この半導体装置をなす被評価対象の絶縁膜が予め形成されている。ステージ１１２を機械的に移動させることで、半導体ウェハ１１０面上の所望の位置に対して、上記収束した電子ビームを照射させることを可能にしている。尚、上記半導体装置を構成する絶縁膜の膜質を評価する場合、電子ビームは半導体ウェハ１１０上の所望の領域に対してのみ照射され、後述する図２に示す半導体装置の場合、例えばＲ１で示す電極領域内に電子ビームが照射される。
【００１９】
同期信号発生手段１１５は、半導体ウェハ１１０に形成された半導体装置への電子ビームの照射タイミングと電流測定手段による前記電流の測定タイミングとを同期させるための同期信号を発生するものであって、この例では、クロック信号を基に照射切替手段や基板電流信号手段に対し、上記同期信号として測定開始信号または測定終了信号を出力する。
ブランキング電極１０４、照射切替制御回路１１４は、上記同期信号に同期して、半導体ウェハ１１０に対する電子ビームの照射量を切り替える照射切替手段を構成する。上記同期信号発生手段１１５が発生する信号に従って、照射切替制御回路１１４がブランキング電極１０４へ電流信号を出力し、ブランキング電極の間を通過する電子ビーム軌道を制御する。これにより、半導体ウェハ１１０への電子ビームの照射と未照射を切り替え、この半導体ウェハ１１０に対する電子ビームの照射量を切り替える。
【００２０】
照射切替手段は、同期信号発生手段１１５から出力される同期信号の一種である測定開始信号に従って、半導体ウェハ１１０に対する電子ビームの照射を開始し、また同期信号発生手段１１５から出力される同じく同期信号の一種である測定終了信号に従って、半導体素子に対する電子ビームの照射を終了する。半導体ウェハ１１０に形成された半導体装置に照射されている間の電子ビームによる電流値は一定値であり、その安定度は±１％以下であることが望ましい。また、電子ビームの照射と未照射の切り替えは、０．１ｓｅｃ以下の時間で実行されることが望ましい。
【００２１】
基板電流検出電極１１１および電流電圧変換器１１３は、半導体ウェハ１１０（半導体基板）に生じた基板電流を測定する電流測定手段を構成する。基板電流検出電極１１１は、導電性シリコーンゴムや導電性プラスチックなど導電性部品から構成され、当該部品が半導体ウェハ１１０の裏面と接触することで基板電流信号を検出する。電流電圧変換器１１３は、基板電流検出電極１１１から出力された電流信号を電圧信号へ変換する機能を有するもので、例えばＯＰアンプ、抵抗器などから構成される。
【００２２】
ＡＤコンバータ１１６と記録装置１２１は、上記同期信号に同期して、上記電流測定手段による測定結果を時間の関数として記録する測定結果記録手段を構成する。ＡＤコンバータ１１６は、電流電圧変換器１１３から出力されたアナログ電圧信号をデジタル信号に変換する機能を有するもので、同期信号発生手段１１５が発生するクロック信号に従って時間領域でサンプリング測定する。このとき、上記電流測定手段は、例えば０．１ｓｅｃ以下の時間分解能で基板電流信号をサンプリング測定する。
【００２３】
また、本半導体評価装置にはＭＣＰ１０５が搭載され、電子ビームが照射された半導体ウェハ１１０から発生する二次電子信号を検出する。この二次電子信号から半導体ウェハ１１０上のパターン位置情報を取得し、当該パターン位置情報を基に電子ビーム照射位置の調整信号を偏向電極１０６あるいはステージ１１２に対して出力する。本実施形態では、二次電子信号検出手段としてＭＣＰを挙げたが、二次電子信号検出手段としてシンチレータを用いても構わない。尚、ＭＣＰの場合、図１のように電子ビームが通過する電子レンズ内に設置されているが、シンチレータの場合には電子レンズの外側に設置される。
【００２４】
１２０は数値演算処理手段（評価処理手段）であり、上記測定信号記録手段に記録された測定結果が示す電流と時間との関係から半導体装置の絶縁膜の膜質を評価する。即ち、数値演算処理手段１２０は、上記電流測定手段から測定結果として出力される時間情報と基板電流値とからなるデータ系列に対し数値演算処理を実施し、半導体ウェハ１１０上に形成された絶縁膜の膜質の評価指標である膜質定量評価指標を出力する。また、この数値演算処理手段（評価処理部）は、上記絶縁膜が形成する容量素子の設計上の容量値を入力するデータ入力手段と、この設計上の容量値と上記時定数とから絶縁膜の抵抗値を算出する数値演算処理部とを具備する。１２２は表示装置であり、数値演算処理１２０による評価結果を表示する。
【００２５】
図２に、被評価対象の一例として、半導体ウェハ１１０上に形成された半導体装置の上面および断面の２面図を示す。同図において、２０１は裏面電極、２０２は、半導体基板、２０３は、シリコン酸化膜界面層（膜厚1.1nmのSiO2薄膜）、２０４はフィールド酸化膜（膜厚450nm）、２０５は高誘電率ゲート絶縁膜（膜厚4.5nmのHfO薄膜）、２０６は多結晶シリコン（膜厚200nmのポリシリコン薄膜）、２０７はチタンシリサイド（膜厚45nmのTiSi2薄膜）である。これら他結晶シリコン２０６およびチタンシリサイド２０７は、例えばＭＯＳトランジスタのゲート電極を形成し、シリコン酸化膜界面層２０３および高誘電率ゲート絶縁膜２０５は、ゲート絶縁膜を形成する。本実施形態では、シリコン酸化膜界面層（膜厚1.1nmのSiO2薄膜）２０３と高誘電率ゲート絶縁膜（膜厚4.5nmのHfO薄膜）２０５からなるゲート絶縁膜の膜質の定量評価指標について測定するものとする。以下、本実施形態において単に「絶縁膜」と言うときは、上記ゲート絶縁膜を意味するものとする。尚、この絶縁膜の材料としてＨｆＯ２／Ａｌ２Ｏ３を用いても構わないし、他に、ＨｆＳｉＯＮ、ＨｆＯ２、ＨｆＡｌＯ、ＨｆＯ２Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮ／Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＳｉＯでも構わない。
【００２６】
次に、上記のように構成した本発明の実施形態に係る半導体評価装置の動作（半導体評価方法）を説明する。
図３は、本発明である半導体評価方法のフローチャートである。先ず、Ｓ３０１にて、電子ビーム発生手段が発生した電子ビームを電子ビーム収束手段が収束させ、照射位置制御手段が、半導体ウェハ１１０と収束電子ビームの照射位置との相対位置を制御する。
続いて、Ｓ３０２にて、同期信号発生手段１１５が、照射切替手段と電流測定手段に対して測定開始信号（所定の同期信号）を発生して出力する。
【００２７】
続いて、Ｓ３０３にて、同期信号発生手段１１５から上記測定開始信号を受け、照射切替手段が半導体ウェハ１１０上の半導体装置に対し電子ビームの照射を開始し、この測定開始信号に同期して、上記電子ビームの照射量を「未照射状態」（電子ビームが遮蔽された状態）から「照射状態」（電子ビームが半導体ウェハに照射された状態）に切り替える。このときの電子ビームの「未照射状態」から「照射状態」への切り替えは、例えば０．１ｓｅｃ以下の時間で実行される。本半導体装置に対する電子ビームの照射は、図２に示す電極をなすチタンシリサイドの矩形領域Ｒ１に対して行われる。このとき、電流測定手段により、例えば、照射エネルギー3keVのときに30pAが測定される。この電子ビームが多結晶シリコ２０６およびチタンシリサイド２０７からなる電極に入射すると、この電極の電位が変化する。この結果、シリコン酸化膜界面層２０３と高誘電率ゲート絶縁膜２０５とからなるゲート絶縁膜を介して半導体基板２０２に過渡的な基板電流が誘起される。この基板電流の度合いは、ゲート絶縁膜の電気的特性（主として抵抗成分および容量成分）に依存する。
【００２８】
続いて、Ｓ３０４にて、上記測定開始信号を受けて、電流測定手段が、時間領域で半導体基板２０２に生じた基板電流信号のサンプリング測定を開始する。この時、電流測定手段は、例えば０．１ｓｅｃ以下の時間分解能で基板電流信号をサンプリング測定する。図４に、上記測定開始信号を受けて照射切替手段が電子ビームを半導体素子１１０に対して照射を開始した時の電子ビームの電流量のタイミングチャート（上段）と、同一の測定開始信号を受けて電流測定手段が時間領域で基板電流信号のサンプリング測定を開始したときのクロック信号のタイミングチャート（中段）と、測定値である測定基板電流値（下段）とを示す。同図に示すように、同期信号発生手段１１５から出力されている測定開始信号により、照射切替手段と電流測定手段とが同期して動作している。この電流測定手段による測定結果である測定データは、上記同期信号に同期して、測定結果記録手段に時間の関数として記録される。
【００２９】
次に、Ｓ３０５にて、数値演算処理手段１２０が、上記の測定結果記録手段に測定結果として記録された時間と基板電流値からなる測定データ（測定結果が示す電流と時間との関係）から時定数を算出し、これを絶縁膜の膜質に関する膜質定量評価指標として出力する。これにより、数値演算処理手段１２０が絶縁膜の膜質を評価する。図５は、このような測定データ系列の一例であり、０．００２秒毎にサンプリング測定した基板電流値の例を示している。
【００３０】
図６は、図２に示した半導体装置における膜厚1.1nmのSiO2薄膜と膜厚4.5nmのHfO薄膜からなるゲート絶縁膜の膜質定量評価指標を算出する場合の等価電気回路を示している。この等価電気回路は、図２に示した半導体装置のみならず、本膜質評価装置の一部も含まれている。ここで、Ｒｉは、ゲート絶縁膜に存在する欠陥による抵抗成分であり、Ｃｇはゲート絶縁膜の容量成分であり、Ｃｐは測定系の寄生容量であり、Ｒｉは測定系の内部抵抗であり、ＩＳは二次電子信号成分を表し、Ｅ０は、電子ビームに対応する電流を発生させるための電圧源を表す。また、図６において、上述のゲート絶縁膜の膜質定量評価指標はゲート絶縁膜の抵抗Ｒｇにより表記され、図３のＳ３０３の動作手順に関係する要素は電圧源Ｅ０、スイッチＳＷ、内部抵抗Ｒｉにより表記され、Ｓ３０４の動作手順で測定される基板電流信号はＩｓｕｂ（ｔ）により表記されている。スイッチＳＷは、上述の測定開始信号に同期して開閉する。したがって、この等価電気回路より、Ｓ３０５における測定データ系列は次式（１）で表記することができる。
【００３１】
Ｉsub(t) ≡ A exp(-t / (ＣgＲg)) +B                   ・・・（１）
【００３２】
図７は、Ｓ３０５における数値演算処理について、より具体的な処理形態を示したものであり、上述の膜質定量評価指標として、絶縁膜の抵抗値（ゲート絶縁膜素子抵抗Ｒｇ）を算出するものである。先ず、Ｓ７０１にて、時間および基板電流値からなるデータ系列を入力する。図８は、ゲート容量面積が５．０×１０−４ｃｍ２の半導体装置から測定されたデータ系列について、横軸に時間をとり、縦軸に基板電流値をとったグラフを示す。続いて、Ｓ７０２へ移行し、データ系列内の全ての基板電流値に対して対数演算処理を実施する。続いてＳ７０３へ移行し、時間および対数演算値からなるデータ系列に対する線形近似式を算出する。次に、Ｓ７０４へ移行し、上記線形近似式の傾きを抽出して出力する。図９は、図８に示したデータ系列に対して、Ｓ７０２、Ｓ７０３、Ｓ７０４を実施した結果を示す。この例では、線形近似式の傾き値として、―４．１６６×１０−２が得られている。
【００３３】
図１０、図１１、図１２は、ゲート絶縁膜の欠陥密度について四種類の半導体ウェハを測定した結果である。尚、四種類の半導体ウェハのゲート絶縁膜素子欠陥密度は、図１８に示したような従来技術の測定方法によって抽出されており、ウェハ＃３は４００個／ｃｍ２、ウェハ＃０５は９００個／ｃｍ２、ウェハ＃０４は２７００個／ｃｍ２、ウェハ＃０６は２００００個／ｃｍ２である。図１０は、横軸にウェハ番号をとり、縦軸に当装置が出力した時定数をとっている。被測定対象物の半導体装置として、ゲート容量素子面積が９．５×１０−７ｃｍ２、３．１×１０−６ｃｍ２、１．０×１０−５ｃｍ２である３種類を準備して測定を実施し、それぞれの測定結果を折れ線グラフで示す。同図から理解されるように、ゲート容量素子面積が大きくなるほど、ウェハの違いによる時定数の変化が大きくなっている。これは、ゲート容量素子に含まれているゲート絶縁膜素子欠陥個数が多くなったためである。
【００３４】
次に、図２に示したゲート絶縁膜素子の設計上の容量値を数値演算処理１２０に対して入力し、前記傾き値と数値演算処理を実施することで、ゲート絶縁膜素子の膜質定量評価指標としてゲート絶縁膜の抵抗Ｒｇを算出する。図１２では、ゲート容量素子の面積が大きくなるほど、膜質定量評価指標であるゲート絶縁膜の抵抗Ｒｇが小さく示されている。これは、ゲート容量素子の面積が大きくなるほど、このゲート容量素子に含まれる欠陥個数が多くなりゲート絶縁膜を電流が通過するリークパスの数が多くなる結果、ゲート絶縁膜の抵抗Ｒｇが小さくなるからである。また図１１では、ウェハ＃０３、ウェハ＃０５、ウェハ＃０４、ウェハ＃０６の順番で、膜質定量評価指標であるゲート絶縁膜の抵抗Ｒｇが小さく示されている。これは、欠陥密度が高くなるほど、ゲート容量素子に含まれる欠陥個数が多くなり、このゲート容量素子を構成するゲート絶縁膜内のリークパス（リーク電流が流れる経路）の数が多くなる結果、ゲート絶縁膜の抵抗Ｒｇが小さくなるからである。
【００３５】
上記のように、本発明によれば、ゲート絶縁膜素子の膜質定量評価指標をインライン評価することが可能となる。図１３は、従来技術の測定方法から抽出したゲート絶縁膜の欠陥密度と、本発明による装置から得られたゲート絶縁膜の抵抗値との相関関係を示している。ゲート絶縁膜の欠陥密度が高くなるほど、ゲート絶縁膜の抵抗が低下する傾向を示している。これは欠陥密度が高くなるほど、ゲート容量に含まれる欠陥個数が多くなりゲート絶縁膜内のリークパスの数が多くなる結果、ゲート絶縁膜の抵抗Ｒｇが小さくなるためである。
このように、従来外部の測定器と物理的・機械的に接続することで測定していたゲート絶縁膜の膜質特性を、本発明により非接触で測定することを可能にした。
【００３６】
次に、上記実施形態では、ゲート絶縁膜の膜質定量評価指標についての測定実施例を示したが、本発明はトランジスタ接合部あるいはダイオード接合部についても同様に定量評価指標の測定が可能である。図１４は、そのような例に係る半導体装置の上面および断面の２面図である。同図において、１４０１はアルミニウム裏面電極、１４０２は半導体基板（n型シリコン層）、１４０３は半導体基板１４０２に形成された不純物拡散層（p+層）、１４０４はフィールト酸化膜（膜厚450nm）、１４０５は層間絶縁膜（膜厚1000nmのPE-TEOS薄膜）、１４０６はタングステン（コンタクトプラグ）、１４０７は窒化チタンである。ここで、半導体基板１４０２と不純物拡散層１４０３とによりn-p+接合（ｐｎ接合）が形成され、不純物拡散層１４０３は、半導体装置上の電極を形成するタングステン１４０６に接続されている。即ち、半導体基板１４０２に形成されたn-p+接合のアノードは、半導体装置上の所定部位に形成された電極と電気的に接続され、そのカソードは半導体基板１４０２に接続されている。尚、n-p+接合部のアノードとカソードとの関係は、半導体基板１４０２および不純物拡散層１４０３の極性（ｎ型／ｐ型）に応じて入れ替わる。
【００３７】
本実施形態では、n-p+接合からなる接合部の素子分離手段または整流手段としての品質（接合部の逆電流特性の性能）の定量評価指標を測定するが、基本的には、上述の絶縁膜を評価する場合と同様である。本半導体評価装置の電子ビームは、図１４に示す窒化チタン１４０７の矩形領域Ｒ２に対して照射され、このときの電流量は照射エネルギー３ｋｅＶのときに３０ｐＡであった。図１５は、図１４に示した半導体装置におけるn-p+接合部の定量評価指標を測定する場合の等価電気回路を示している。n-p+接合におけるリーク電流の増大は、図１５の等価電気回路上における抵抗Ｒｊの減少として表記される。従って、図３や図７に示す一連の処理手順に従って、測定および数値演算処理を実施することで、n-p+接合部の定量評価指標を測定するが可能となる。この場合、数値演算処理手段１２０は、前述のように測定結果として記録された時間と基板電流値からなる測定データ（測定結果が示す電流と時間との関係）から時定数を算出し、これを接合部の品質に関する定量評価指標として出力する。これにより、数値演算処理手段１２０が接合部の品質を評価する。
尚、本実施形態では、図１４に示した接合部の設計容量値を数値演算処理２０４に入力し、図７のステップＳ７０４での傾き値と数値演算処理を実施することにより、接合部の定量評価指標として接合部の抵抗Ｒｊを算出している。
【００３８】
図１６は半導体装置の製造に用いられる半導体ウェハの平面図である。一枚の半導体ウェハ上には多数のチップが形成されているが、半導体ウェハには若干の空きスペースが残されている。このような空きスペースに本実施形態の半導体デバイスとなる例えばＭＯＳトランジスタやＭＯＳキャパシタを、意図して設計寸法を数水準割り振って予め形成しておけば、絶縁膜や接合の品質評価をシステマティックに行うことができる。ところで、図１６では、半導体ウェハ上の複数箇所に分散して半導体デバイスを形成している。このように、複数の半導体デバイスを分散して形成すると、半導体製造装置の面内均一性やウェハ自身の反りや歪み等が絶縁膜や接合部の品質に対してにどのように影響するかを調べることができる。
【００３９】
図１７は、半導体ウェハをロット単位で製造する場合に、一ロット分の半導体ウェハの配置を示す図である。半導体ウェハ上の複数の測定点での評価指標の分布にばらつきがなくても、ウェハごとの評価指標の測定結果にずれが生じる場合がある。通常、複数のウェハをロット単位で処理するので、複数のウェハを収納するチェンバ内のガス分圧や温度の偏りが絶縁膜や接合の品質にどのように影響しているか調べることができる。
このように、本実施形態の半導体評価技術を用いれば、半導体基板の反りや歪み、あるいはチェンバ内のガス分圧や温度分布等の半導体製造プロセスのリスク要因を調べることができる。
【００４０】
上述した実施形態で説明した半導体評価装置は、ハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。ソフトウェアで構成する場合には、半導体評価装置の機能を実現するプログラムをフロッピー（登録商標）ディスクやＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に収納し、コンピュータに読み込ませて実行させてもよい。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の携帯可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でもよい。
【００４１】
また、半導体評価装置の機能を実現するプログラムを、インターネット等の通信回線（無線通信も含む）を介して頒布してもよい。さらに、同プログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、あるいは記録媒体に収納して頒布してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体評価装置の構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る被評価対象の半導体装置の２面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体評価装置の動作の流れを示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態に係る半導体評価装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図５】本発明の実施形態に係る測定データの一例を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る等価電気回路（絶縁膜の定量評価指標を測定する場合）の一例を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る数値演算処置の詳細を示すフローチャートである。
【図８】本発明の実施形態に係る測定データをグラフ化した図である。
【図９】本発明の実施形態に係る測定データに対して数値演算処理を施した結果の一例を示す図である。
【図１０】ゲート絶縁膜素子の欠陥密度についての測定結果（平均時定数−ウェハ番号）を示す図である。
【図１１】ゲート絶縁膜素子の欠陥密度についての測定結果（平均ゲート絶縁膜抵抗値−ウェハ番号）を示す図である。
【図１２】ゲート絶縁膜素子の欠陥密度についての測定結果（平均ゲート絶縁膜抵抗値−ゲート容量面積）を示す図である。
【図１３】従来技術の測定方法から抽出したゲート絶縁膜の欠陥密度と、本発明による半導体評価装置により得られたゲート絶縁膜の抵抗値との相関関係を示す図である。
【図１４】本発明の実施形態に係る被測定対象の他の例（接合部の評価指標測定を行う場合）としての半導体装置の２面図である。
【図１５】本発明の実施形態に係る等価電気回路（接合部の評価指標を測定する場合）の一例を示す図である。
【図１６】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造に用いられる半導体ウェハの平面図である。
【図１７】本発明の実施形態に係る被測定対象の半導体装置が形成された半導体ウェハをロット単位で製造する場合に、一ロット分の半導体ウェハの配置を示す図である。
【図１８】従来技術に係る膜質評価方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０１  エミッタ
１０２  ＧＵＮアライメントレンズ
１０３  収束レンズ
１０４  ブランキング電極
１０５  ＭＣＰ
１０６  偏向電極
１０７  対物レンズ
１０８  フォーカスレンズ
１０９  非点補正レンズ
１１０  半導体ウェハ
１１１  基板電流検出電極
１１２  ステージ
１１３  電流電圧変換器
１１４  照射切替制御回路
１１５  同期信号発生手段
１１６  ＡＤコンバータ
１２０  数値演算処理装置
１２１  記憶装置
１２２  表示装置
【図１】
2005064128.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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