(57)【要約】【課題】半導体装置の製造過程において発生するゲート絶縁膜の不良を高感度に検出できる品質管理技術を提供する。【解決手段】ウエハ２２の表面に電子ビーム３９を１回または所定の間隔で複数回照射し、照射した電子ビーム３９よりも多くの二次電子を発生させて、ウエハ２２から二次的に発生するエネルギーの高い二次電子を検出器１６で検出する。ゲート絶縁膜の帯電電位に応じて二次電子信号は変化することから、検出器１６に到達したエネルギーの高い二次電子の信号を電位コントラストとして画像化して表示し、ゲート絶縁膜の帯電電位を評価することにより、リーク不良を特定する。【選択図】図２
2005108984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）絶縁膜上に電極を備える個々に孤立した回路パターンが形成された被検査基板の表面に一次電荷粒子ビームを１回または所定の間隔で複数回照射する工程と、
（ｂ）前記一次電荷粒子ビームの照射により前記被検査基板から二次的に発生する電子信号を検出する工程と、
（ｃ）前記電子信号を画像として表示する工程と、
（ｄ）前記画像の情報からリーク不良を特定する工程とを有することを特徴とする半導体装置の検査方法。
【請求項２】
（ａ）絶縁膜上に電極を備える個々に孤立した回路パターンが形成された被検査基板の表面に一次電荷粒子ビームを１回または所定の間隔で複数回照射する工程と、
（ｂ）前記被検査基板上部の電界強度を制御する工程と、
（ｃ）前記一次電荷粒子ビームの照射により前記被検査基板から二次的に発生する電子信号を検出する工程と、
（ｄ）前記電子信号を画像として表示する工程と、
（ｅ）前記画像の情報からリーク不良を特定する工程とを有し、
前記（ａ）工程において、前記一次荷電粒子ビームを１０ｐＡ〜１００ｎＡの間で設定し、前記（ｂ）工程において、前記電界強度を０ＭＶ／ｍ〜１０ＭＶ／ｍの間で設定することを特徴とする半導体装置の検査方法。
【請求項３】
（ａ）絶縁膜上に電極を備える個々に孤立した回路パターンが形成された被検査基板の表面に一次電荷粒子ビームを１回または所定の間隔で複数回照射する工程と、
（ｂ）前記一次電荷粒子ビームの照射により前記被検査基板から二次的に発生する電子信号を検出する工程と、
（ｃ）前記電子信号を画像として表示する工程と、
（ｄ）前記画像の情報からリーク不良を特定する工程とを有し、
前記被検査基板における前記リーク不良の分布から前記リーク不良の原因となる製造工程を特定することを特徴とする半導体装置の検査方法。
【請求項４】
（ａ）絶縁膜上に電極を備える個々に孤立した回路パターンが形成された被検査基板の表面に一次電荷粒子ビームを１回または所定の間隔で複数回照射する工程と、
（ｂ）前記一次電荷粒子ビームの照射により前記被検査基板から二次的に発生する電子信号を検出する工程と、
（ｃ）前記電子信号を画像として表示する工程と、
（ｄ）前記画像の情報からリーク不良を特定する工程とを有し、
前記被検査基板の温度を可変にし、前記電子信号の温度依存性から活性化エネルギーを求めて前記リーク不良の原因を特定することを特徴とする半導体装置の検査方法。
【請求項５】
被検査基板に形成された絶縁膜上に電極を備える個々に孤立した回路パターンの検査工程を有する半導体装置の製造方法であって、前記検査工程は、
（ａ）前記被検査基板の表面に一次電荷粒子ビームを１回または所定の間隔で複数回照射する工程と、
（ｂ）前記一次電荷粒子ビームの照射により前記被検査基板から二次的に発生する電子信号を検出する工程と、
（ｃ）前記電子信号を画像として表示する工程と、
（ｄ）前記画像の情報からリーク不良を特定する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造ラインにおける検査技術に関し、特に、ゲート絶縁膜を有する半導体装置の製造ラインにおける品質管理に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、フラッシュメモリ（ＥＥＰＲＯＭ：Electric Erasable Programmable Read Only Memory）のメモリセル１ビットに対応するゲート絶縁膜のリーク電流は微少であり、測定することが困難である。そこでフラッシュメモリの製造工程途中におけるゲート絶縁膜の品質管理には、ゲート絶縁膜耐圧ＴＥＧ（Test Element Group）が用いられる。ゲート絶縁膜耐圧ＴＥＧは、例えばＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）ダイオードを１００００００ビット程度並列に接続した検査パターンであり、プローブ検査によって検査パターンの電流−電圧特性が測定されて、ゲート絶縁膜の絶縁性または膜質が評価される。
【０００３】
その他、半導体装置の製造過程においてゲート絶縁膜の絶縁性または膜質を評価する方法として、例えばゲート電極に電子ビームをある加速電圧で照射することでゲート酸化膜にチャージアップ現象を起こさせ、ゲート電極に到達した１次電子から放出される２次電子の量を検出することで、半導体装置が正常か否かを検出する技術が開示されている（特許文献１）。
【０００４】
また、製造過程のＭＯＳトランジスタに電子を注入して、潜在的な耐圧不良を持つゲート酸化膜を破壊する工程を施した後、２次電子像を測定して得られた画像のコントラストを基準として耐圧不良を持つゲート酸化膜を有するＭＯＳトランジスタの位置認識を行う方法が開示されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開２００３−６６１１８号公報
【特許文献２】特開平１１−２１９９９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電界効果トランジスタ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor：以下、ＭＩＳＦＥＴと記す）構造を持つ半導体素子の中で、ゲート絶縁膜の役割は非常に大きく、半導体素子の性能に大きな影響を持つ。例えばフラッシュメモリにおいては、浮遊ゲートに蓄積された電荷がゲート絶縁膜を介して基板にリークするため、製品の信頼性またはデータ保持時間はゲート絶縁膜の品質に影響される。従って半導体装置の製造ラインにおいてゲート絶縁膜の品質を管理し、リーク不良の発生または製造工程の変動を検知することは製品管理において重要である。
【０００６】
しかしながら、本発明者らが検討したところ、実際の製造工程においてはスクライブ領域に作り込まれたゲート絶縁膜耐圧ＴＥＧにより品質管理を行っているため、正常なゲート絶縁膜と比較してリーク電流が１桁多い程度のリーク不良、または発生頻度が極端に少ない欠陥、例えばメモリ製品において１Ｍビットに１つ発生するような欠陥に対しては充分な検出感度が得られないことが明らかとなった。さらにゲート絶縁膜耐圧ＴＥＧでは、メモリ製品において欠陥ビットを特定することができないという問題もある。
【０００７】
この他、上記特許文献１に記載されたゲート酸化膜に存在する欠陥の検出方法では、ゲート酸化膜の評価が製品に対して行われるため、製造工程途中におけるゲート酸化膜の品質管理を行うことはできない。
【０００８】
上記特許文献２に記載されたゲート酸化膜の耐圧不良を検出する方法では、実製品のＭＩＳＦＥＴを用いているため、例えばゲート電極をワードラインとして全て共通とするＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）のようなメモリ製品において、リーク不良の箇所を特定することができない。またこの方法はゲート酸化膜の耐圧試験であるため、リーク不良と耐圧との関係が未知な不良には適応することができない。
【０００９】
さらに、上述した技術においては、ゲート絶縁膜の品質管理に必要とされるリーク電流の程度の特定、リーク発生ビットの特定、製造工程の変動に起因するリーク不良発生の早期検出などを行うことはできなかった。
【００１０】
本発明の目的は、半導体装置の製造過程において発生するゲート絶縁膜の不良を高感度に検出できる品質管理技術を提供することにある。
【００１１】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１３】
本発明による半導体装置の検査方法は、ゲート絶縁膜とゲート電極とからなるＴＥＧが個々に孤立した状態で形成された被検査基板の表面に、一次電荷粒子ビームを１回または所定の間隔で複数回照射する工程と、一次電荷粒子ビームの照射により被検査基板から二次的に発生する電子信号を検出する工程と、電子信号を画像として表示する工程と、画像の情報からリーク不良を特定する工程とを有するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００１５】
製造工程途中で早期にゲート絶縁膜のリーク不良を高感度に検出することができる。これにより、問題点を正確に即座に把握できるので、製品等の開発効率が向上し、かつ製造コストを削減することができる。また製造工程にいち早く対策処理を講ずることができるので、半導体装置の不良率の低減、開発期間の短縮、生産性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１７】
（実施の形態１）
本実施の形態１では、特性評価用半導体装置（以下、単にＴＥＧと言う）において、リーク電流を検査する検査方法および検査装置について記載する。本実施の形態１であるＴＥＧの平面図および断面図を図１（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示す。なお断面図は平面図におけるＡ−Ａ線の断面を表している。
【００１８】
ＴＥＧは、被検査基板（以下、単に基板という）１の主面に素子分離層２が形成され、基板１の主面にゲート絶縁膜３が形成され、ゲート絶縁膜３上にゲート電極４が形成された構造を成しており、ゲート電極４は個々に分離され孤立した回路パターンである。なおゲート絶縁膜３もゲート電極４と同様に個々に分離し孤立させてもよい。またここでは、基板１にシリコン多結晶からなるｐ型基板を用い、ゲート絶縁膜３にシリコン酸化膜、ゲート電極４にｎ型不純物を添加したシリコン多結晶膜を用いた。
【００１９】
ＴＥＧは、実際の製品と同等の構造を持ち、製品と同様の工程を経て作成されるため、製造工程の変動に対して敏感であり、製品の性能を正確に反映することができる。
【００２０】
次に、本実施の形態１であるＴＥＧの検査装置の構造を図２に示す。
【００２１】
ＴＥＧの検査装置５は電子ビーム照射系６、ステージ機構系７、ウエハ搬送系８、真空排気系９、光学顕微鏡１０、制御系１１、操作部１２より構成されている。電子ビーム照射系６は電子銃１３、コンデンサレンズ１４、対物レンズ１５、検出器１６、ブランキング制御電極１７、帯電制御電極１８、偏向器１９、ウエハ高さ検出器２０より構成されている。ステージ機構系７はＸＹステージ２１およびウエハ２２を載置するためのホルダ（試料台）２３、ウエハ２２およびホルダ２３に負の電圧を印加するためのリターディング電源２４により構成されている。ＸＹステージ２１にはレーザ測長による位置検出器が取り付けられている。ウエハ搬送系８はカセット載置部２５およびウエハローダ２６より構成されており、ホルダ２３はウエハ２２を載置した状態でウエハローダ２６とＸＹステージ２１を行き来するようになっている。
【００２２】
制御系１１は信号検出系制御部２７、ビーム偏向補正制御部２８、ブランキング制御部２９、電子光学系制御部３０、ウエハ高さ検出系３１、機構・ステージ制御部３２より構成されている。操作部１２は信号処理手段として、操作画面および操作部３３、画像処理部３４、画像・検査データ保存部３５、外部サーバ３６からのデータ授受を行うデータ入力部３７、データ変換部３８より構成されている。
【００２３】
一次電荷粒子ビーム（以下、電子ビームという）３９は、ブランキング制御電極１７によってウエハ２２に照射するタイミングを制御され、電子ビーム３９をウエハ２２に照射する際には偏光器１９によって走査スピードおよび走査領域を制御され、走査スピードに応じて検出器１６に信号が検出される。
【００２４】
次に、本実施の形態１であるゲート絶縁膜のリーク電流を評価する検査方法について、以下に詳細に説明する。図３に、電子ビームをＴＥＧに照射した場合の作用の概念図を示す。
【００２５】
上記検査装置を用いてゲート電極４に１回または所定の間隔で複数回電子ビーム３９を照射する。ここで、電子ビーム３９の照射エネルギーは、ゲート電極４の二次電子（二次的に発生する電子）の放出効率が１より大きい条件を選択する。また帯電制御電極１８によりウエハ２２の上部の電界を３.６ＭＶ／ｍに設定する。電子ビーム電流は５ｎＡに設定し、電子ビーム３９の走査速度および信号のサンプリングクロックは１００ＭＨｚに設定する。なおこれらの照射条件は、指定範囲内で任意に設定することが可能である。例えば電子ビーム電流は１０ｐＡから要求される分解能と電子ビーム量の制限で決定される１００ｎＡの範囲で設定可能であり、サンプリングクロックは現実的な測定時間で制限される下限１０ｋＨｚから上限１００ＭＨｚの範囲で設定可能であり、ウエハ２２上部の電界強度は０ＭＶ／ｍから１０ＭＶ／ｍの範囲で設定可能である。
【００２６】
上記の条件でウエハ２２に電子ビーム３９を照射すると、照射した電子ビーム３９よりも多くの二次電子が発生して、ゲート電極４は正に帯電する。ゲート電極４が正極性に帯電した場合、エネルギーの低い二次電子４０はウエハ２２に戻されるが、エネルギーの高い二次電子４１は検出器１６まで到達する。ゲート絶縁膜３の帯電電位に応じて二次電子信号は変化することから、検出器１６に到達したエネルギーの高い二次電子４１の信号を検出し、これを電位コントラストとして画像化して表示し、その情報からゲート絶縁膜３の帯電電位を評価することにより、リーク不良を特定することができる。
【００２７】
検出されるリーク電流の範囲は電子ビーム電流量に依存し、１Ｅ−１０Ａ以上の大きなリーク電流を発生しているゲート絶縁膜３のリーク不良を検出するには、電子ビーム電流を１００ｎＡに設定する事が有効である。また１Ｅ−１２Ａ程度の微小なリーク電流が発生しているゲート絶縁膜３のリーク不良を検出するためには、１００ｐＡの電子ビーム電流を用いることが有効である。
【００２８】
また検査対象は、ゲート絶縁膜３のリーク電流であり、リーク電流はゲート電極４の電位に依存する。本手法では、帯電制御電極１８によりゲート電極４の電圧を制御することが可能であり、リーク電流を調節することができる。例えば電界強度を増加させると、ゲート電極４の帯電電位が増加して、ゲート絶縁膜３のリーク電流は増加する。
【００２９】
以上説明したように、電子ビーム電流量の制御および帯電制御電極１８の制御を行うことによって、ゲート絶縁膜３に発生するリーク電流を調節することができる。上記検査装置および上記検査方法を用いて検出したリーク不良の電位コントラストの画像を図４に示す。矢印で示したゲート電極４が他のゲート電極４に比べて明るく観察されていることがわかる。
【００３０】
なお、本実施の形態１では、ゲート絶縁膜３の材料として酸化膜、高誘電膜、積層構造などすべての材料に適用することができる。また基板１はベアシリコン基板、ｐ型ウェル、ｎ型拡散層などを対象とし、素子分離はＳＴＩ（Sallow Trench Isolation）、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）を対象としている。また素子分離を形成しない場合にも適用することができる。
【００３１】
このように、本実施の形態１によれば、二次電子信号がゲート絶縁膜３の帯電電位に応じて変化することから、ＴＥＧに対して１回または所定の間隔で複数回電子ビーム３９を照射し、発生した二次電子４１の信号を画像化してゲート絶縁膜３の帯電電位を評価することにより、リーク不良を特定することができる。
【００３２】
（実施の形態２）
本実施の形態２では、量産ラインの半導体装置の製造工程において、前記実施の形態１で説明した検査装置、検査方法をフラッシュメモリのゲート絶縁膜のインラインモニタリングに用いて工程管理を行った場合の結果および効果を説明する。
【００３３】
フラッシュメモリのゲート絶縁膜は、素子性能を決定する主要な部分である。半導体装置の製造工程は一般に正規分布をとってバラつくとされている。同じチップ内においても、ゲート絶縁膜の性能は、図５に示すリーク電流の累積度数分布で表される分布をもって存在する。図中、累積度数分布において直線部分で表される部分は、大部分のゲート絶縁膜が属する正規分布であり、リーク電流が相対的に少ないゲート絶縁膜からなる。しかし低頻度の領域には、リーク電流が相対的に多いゲート絶縁膜からなる分布があり、この不規則に発生するゲート絶縁膜がリーク不良の原因となる。量産工程においては、低頻度の領域のリーク不良数を厳密に管理する必要がある。
【００３４】
フラッシュメモリのデータ保持は、浮遊ゲートに電荷を蓄積することでデータを保持する。要求される性能にはデータ保持時間として１０年以上が求められ、ゲート絶縁膜にはきわめて高い品質が必要とされている。よってゲート絶縁膜にリーク不良が発生すると、製品は不良品となり、歩留まりに影響を及ぼす。量産工程におけるゲート絶縁膜のリーク不良の原因としては、膜中のリークパスとなる欠陥準位、ピンホール、不純物準位などが考えられる。これらリーク不良を作りこむ原因となるのはゲート絶縁膜を形成する前の全工程が考えられ、例えば製造装置起因の汚染、人体から発生するＮａ、Ｋ、Ｃａ等の不純物汚染など多岐にわたる。
【００３５】
以下に、提案したＴＥＧをインラインモニタリングに適用した結果を示す。
【００３６】
量産ラインにおいて、定期的にＴＥＧを作成し、前記実施の形態１で行った検査方法を用いてリーク不良数の管理を行った。この時のリーク不良検出数の経時変化を図６（ａ）に示す。これにより、量産開始後から６ヶ月後にリーク不良検出数が増加する時期があることがわかる（白丸）。またこの時期と同期して歩留まりが低下していることがわかる（黒丸）。
【００３７】
さらに、リーク不良の検出結果のウエハ分布を図６（ｂ）に示す。リーク不良の分布は特徴的なものとなっており、これは洗浄工程における薬液がウエハ表面をつたわった状態に酷似している。これにより、リーク不良の発生源として、洗浄工程特有の分布である可能性を見いだすことができる。また原因特定のため、分留実験を行い洗浄装置の機差を評価し、リーク不良の発生源となる洗浄装置を特定することもできる。
【００３８】
従来、リーク不良は、半導体装置を完成した後に行われるプローブ検査工程で検出するため、リーク不良が発生したことを認知するまでに長時間を必要とした。この間製造されたゲート絶縁膜はリーク不良の欠陥を含んでおり、結果として大量の不良を作り込み、歩留まりの低下を引き起こしていた。しかし、本手法によれば、従来のプローブ検査によりリーク不良を検出する方法と比較して、短時間でリーク不良の発生源を特定することができて、リーク不良による損害も小さいものとなる効果がある。
【００３９】
このように、本実施の形態２によれば、リーク不良を特定する検査方法をゲート絶縁膜の品質管理に用いることによって、早期にリーク不良の発生を検知でき、リーク不良の原因となる製造工程を特定することができる。
【００４０】
（実施の形態３）
本実施の形態３では、前記実施の形態１で説明した検査装置、検査方法を用いてゲート絶縁膜に印加する電圧を調節し、リーク不良の程度を特定した結果を説明する。
【００４１】
ＴＥＧ上部の電界強度は、帯電制御電極で制御可能となっている。電界を制御することによりＴＥＧに設けられたゲート電極の帯電圧が可変となり、結果としてゲート絶縁膜に印加される電圧を調節することができる。
【００４２】
また検査対象は、ゲート絶縁膜のリーク電流であり、リーク電流はゲート電極の電位に依存する。本手法では、帯電制御電極によりゲート電極の電圧を制御することが可能であり、リーク電流を調節することができる。例えば電界強度を増加させると、ゲート電極４の帯電電位が増加して、ゲート絶縁膜３のリーク電流は増加する。
【００４３】
図７に印加電圧を制御した場合のゲート電極の帯電電位を計算した結果を示す。電界強度が増加するに従って、ゲート絶縁膜に印加される電圧が増加するのがわかる。電界強度を制御することで、ゲート絶縁膜のリーク電流の大小を分類することが可能となる。電界強度が強い時の検査画像および電界強度が弱い時の検査画像を図８（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示す。電界強度が強い時には、図８（ａ）の画像からわかるように、矢印で示した１，２，３，４のゲート電極のうち４と比較して１，２，３が明るくなっていることがわかる。図８（ｂ）に示す電界強度が弱い時の画像では、３のみが明るくなっていることがわかる。この結果、リーク電流は３が最大で、１，２が同程度、４が最小となっていると考えられる。
【００４４】
このリーク電流の程度の特定を確認するために、ゲート絶縁膜の電流−電圧測定を行った結果を図９に示す。電流−電圧特性の結果は、特定されたリーク電流の大小関係と同じになっていることが確認できる。
【００４５】
このように実施の形態３によれば、電界強度を制御することによって、検出したい所望のリーク電流のみを検出する条件を設定することができて、リーク不良の程度を特定することができる。
【００４６】
（実施の形態４）
本実施の形態４では、前記実施の形態１および３で説明した検査装置、検査方法を用いて製造工程へのフィードバックを行った結果を説明する。
【００４７】
提案したＴＥＧと検査方法を用いてリーク不良の特定ができることは前記実施の形態１で説明した。また照射条件によりリーク不良の大小を特定することが可能となることは前記実施の形態３で説明した。本実施の形態４では、前記実施の形態３で説明した電界強度によるリーク不良の程度を特定する方法以外として、電子ビーム電流量を制御することでリーク不良の程度を特定する方法について説明する。
【００４８】
（Ａ）微細化、集積化が進むことで問題となっている欠陥の１つに、アクティブ領域に発生する転位が原因となる結晶欠陥がある。これは、素子分離とアクティブ領域との間の応力が原因であり、転位を介したリーク電流が問題となっている。一般に結晶欠陥が原因のリーク電流は大電流であることがわかっている。本実施の形態４では、リーク電流の大小を特定できるため、結晶欠陥が原因であるリーク不良を特定することができる。例えば電子ビーム電流１００ｎＡ程度を用いれば、１Ｅ−１０Ａ以上のリーク電流を検出することができる。大電流のリーク不良が検出された場合には、結晶欠陥の発生原因となる素子分離構造起因の応力、またはウエハの仕様へ早期にフィードバックすることができる。
【００４９】
（Ｂ）１Ｅ−１２Ａ程度の微小なリーク不良を特定する方法について説明する。例えば電子ビーム電流１００ｐＡ程度を用いれば、１Ｅ−１２Ａ程度のリーク電流を検出可能である。微小なリーク不良の発生原因としては、不純物汚染やピンホールの発生、微小なスタッキング・フォルト（Stacking Fault）や酸素析出など様々である。これらは発生箇所の分布を解析することで、原因を特定することができる。
【００５０】
リーク不良の原因の特定を行った一例を図１０に示す。１Ｅ−１２Ａ以上のリーク不良を検出可能な条件で行った検査結果から、上記した検査条件で１Ｅ−１０Ａのリーク不良を特定し、１Ｅ−１２Ａのリーク不良と切り分け、リーク不良の程度を分類した結果である。上記した検査結果を用いて、リーク電流の分類を行うことができる。
【００５１】
次に、微小なリーク電流が発生しているリーク不良の原因工程を特定する方法について説明する。欠陥のウエハ面内分布は半導体製造装置に起因することが一般に知られている。例えば洗浄装置における不純物汚染、素子分離形成時のＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）起因のマイクロラフネスが原因で発生するゲート絶縁膜中の微小領域の薄膜化など、製造装置固有の分布であることが知られている。このように原因の特定には製造装置固有のウエハ面内分布があり、経験上、リーク不良の分布と対応をとることで、原因工程を特定することができる。
【００５２】
このように実施の形態４によれば、電子ビーム電流量を制御することによって、リーク不良の程度およびリーク不良の原因となる製造工程を特定することができる。
【００５３】
（実施の形態５）
本実施の形態５では、前記実施の形態１で説明した検査装置、検査方法を用いてゲート絶縁膜の性能評価を行った結果を示す。
【００５４】
ゲート絶縁膜の抵抗値と二次電子信号量との間には、図１１に示すような相関関係がある。つまり二次電子信号を評価することによって、リーク電流を見積もることができる。これにより、従来プローブ検査でしか評価できなかったゲート絶縁膜の特性をインラインで製造工程の早期段階で把握することができる。例えばＴＥＧに電子線を照射することによる評価実験を行い、１Ｍビット程度の素子から二次電子信号値を累積度数分布表示することによって主分布の平均的な実力から、裾分布の発生頻度までゲート絶縁膜の特性を評価することができる。
【００５５】
図１２に、ゲート絶縁膜の形成に用いられる３種類の酸化炉Ａ，Ｂ，Ｃの機差を評価した結果を示す。この結果、Ａの酸化炉で形成したゲート絶縁膜が平均的な分布性能、裾分布の発生頻度ともにゲート絶縁膜の品質が一番優れていることがわかる。
【００５６】
（実施の形態６）
本実施の形態６では、前記実施の形態１で説明した検査装置、検査方法を用いてゲート絶縁膜の耐圧特性を検査した結果を説明する。本検査方法では、電子ビームによりゲート電極に注入する電荷量の調節が可能である。複数回照射することで、絶縁破壊までに必要な電荷量、すなわち電圧、電界強度を評価することが可能であり、ゲート絶縁膜の耐圧試験と類似の結果をインラインで得ることができる。具体的には、電子ビーム量を減らし、一回の照射でゲート電極の電位が降伏電圧に達しない条件で、複数回の照射を行う。照射回数によりゲート電極に注入する電荷を制御し、照射を繰り返すことで最終的に降伏電圧まで到達させることができる。ゲート絶縁膜が降伏状態に達すると、ゲート絶縁膜の抵抗値が減少し、ゲート電極の電圧が減少するため、二次電子信号量が増加する。
【００５７】
図１３に、ウエハの中央部と周辺部とに配置したＴＥＧに対して、複数回照射を行った時の二次電子信号量の変化を示す。この結果、外周部のＴＥＧは、中心部のＴＥＧに比較して、注入された電荷量が少ない状態で絶縁破壊に達したことがわかる。これにより、ウエハ外周部のゲート絶縁膜の耐圧性能が中心部のゲート絶縁膜に比較して劣っていることがわかる。
【００５８】
図１４に、同様の耐圧試験をウエハ全面に対して行った結果を示す。ウエハ面内の耐圧性に面内分布があることがわかる。この耐圧試験の結果は、製造工程にフィードバックされて、ゲート絶縁膜の耐圧特性のバラツキ原因となる製造装置を特定することができる。また製造工程の変動を検知することが可能となる。
【００５９】
（実施の形態７）
本実施の形態７では、活性化エネルギーを求めてリーク不良の原因まで特定した一例を示す。
【００６０】
前記図１１に示したように、二次電子信号強度とリーク電流の相関関係は計算により求めることができる。本検査方法では、検査時の基板温度を可変にし、二次電子信号の温度依存性を求め、この結果から活性化エネルギーを見積もることができる。また活性化エネルギーより、リーク不良の原因を特定することが可能となる。リーク発生の原因は、不純物準位を介したホッピング機構、局所的な薄膜化によるトンネル、局所的な欠陥を介したリークパスの発生等、様々である。活性化エネルギーを評価する事で、リーク発生の原因を特定することができる。
【００６１】
一般的にゲート絶縁膜の活性化エネルギーは０.８〜１.１５ｅＶで分布しているとの報告があり、活性化エネルギーとリーク発生の原因との関係は既知である。図１５に、本検査方法で検出されたリーク不良♯１，♯２について行った二次電子信号のアレニウスプロットを示す。この傾きにより活性化エネルギーを求めることが可能となり、その結果を表１に示す。
【００６２】
【表１】
2005108984.tif 000003
【００６３】
この結果からリーク発生の原因として、♯１は局所的な薄膜化によるトンネル確率の増加、♯２は準位を介したホッピング伝導を特定することができる。
【００６４】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００６５】
例えば、本実施の形態では、ゲート絶縁膜に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、リーク不良の特定を必要とする絶縁膜に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明の半導体装置の検査方法は、製造工程途中のゲート絶縁膜の品質管理を必要とする半導体装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態１であるＴＥＧの平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１であるＴＥＧの検査装置の構成を示す概略図である。
【図３】本発明の実施の形態１である電子ビームをＴＥＧに照射した場合の作用の概念図である。
【図４】本発明の実施の形態１であるリーク不良の電位コントラストの画像である。
【図５】本発明の実施の形態２であるリーク電流の累積度数分布を示すグラフ図である。
【図６】（ａ）は本発明の実施の形態２であるリーク不良検出数の経時変化を示すグラフ図、（ｂ）はリーク不良の検出結果のウエハ分布を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態３である印加電圧を制御した場合のゲート電極の帯電電位を計算した結果を示すグラフ図である。
【図８】（ａ）は、本発明の実施の形態３である電界強度が強い時の検査画像、（ｂ）は電界強度が弱い時の検査画像である。
【図９】本発明の実施の形態３であるゲート絶縁膜の電流−電圧測定を行った結果を示すグラフ図である。
【図１０】本発明の実施の形態４であるリーク不良の原因の特定を行った一例を示す説明図である。
【図１１】本発明の実施の形態５であるゲート絶縁膜の抵抗値と二次電子信号量との関係を示すグラフ図である。
【図１２】本発明の実施の形態５である酸化炉Ａ，Ｂ，Ｃの機差を評価した結果を示すグラフ図である。
【図１３】本発明の実施の形態６である電子ビームを複数回照射を行った時の二次電子信号量の変化を示すグラフ図である。
【図１４】本発明の実施の形態６である耐圧試験をウエハ全面に対して行った結果を示す模式図である。
【図１５】本発明の実施の形態７であるリーク不良について行った二次電子信号のアレニウスプロットを示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  被検査基板
２  素子分離層
３  ゲート絶縁膜
４  ゲート電極
５  検査装置
６  電子ビーム照射系
７  ステージ機構系
８  ウエハ搬送系
９  真空排気系
１０  光学顕微鏡
１１  制御系
１２  操作部
１３  電子銃
１４  コンデンサレンズ
１５  対物レンズ
１６  検出器
１７  ブランキング制御電極
１８  帯電制御電極
１９  偏向器
２０  ウエハ高さ検出器
２１  ＸＹステージ
２２  ウエハ
２３  ホルダ（試料台）
２４  リターディング電極
２５  カセット載置部
２６  ウエハローダ
２７  信号検出系制御部
２８  ビーム偏向補正制御部
２９  ブランキング制御部
３０  電子光学系制御部
３１  ウエハ高さ検出系
３２  機構・ステージ制御部
３３  操作画面、操作部
３４  画像処理部
３５  画像・検査データ保存部
３６  外部サーバ
３７  データ入力部
３８  データ変換部
３９  一次電荷粒子ビーム（電子ビーム）
４０  エネルギーの低い二次電子
４１  エネルギーの高い二次電子
【図１】
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【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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