(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線ホログラムにより素子構成部材の近傍の空間部分を通る電子線の位相の変化を検出し、その検出結果により前記素子構成部材の強誘電性の有無を判定することを特徴とする素子評価方法。
【請求項２】
電子線ホログラムにより素子構成部材の近傍の空間部分を通る電子線の位相の変化を検出し、電子線の位相の変化の分布から前記素子構成部材の自発分極の強さを判定することを特徴とする素子評価方法。
【請求項３】
電子線ホログラムにより素子構成部材の内部を通る電子線の位相の変化を検出し、電子線の位相の変化の分布から前記素子構成部材のグレイン径を検出することを特徴とする素子評価方法。
【請求項４】
前記素子構成部材を切断し、その断面に交差する方向から電子線を照射することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の素子評価方法。
【請求項５】
電子線ホログラムにより素子構成部材の近傍の空間部分を通る電子線の位相の変化を検出し、その検出結果により前記素子構成部材の強誘電性の良否を判定し、不良と判定したときには判定に使用した素子と同一製造ロットの素子に対して強誘電性を回復させる処理を施すことを特徴とする素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、素子構成部材としてＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の強誘電性を有する部材を使用した素子の評価方法及び素子製造方法に関し、特に電子線ホログラムを用いて素子構成部材の良否を判定する素子評価方法及びその素子評価方法を用いた素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置を構成する素子の材料として、ＰＺＴを始めとする強誘電体材料が注目されている。また、従来、既にＰＺＴをキャパシタ材料として用いたＦＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory）が実用化されている。
ところで、従来は、ＰＺＴ等の強誘電体からなる膜の強誘電性は、以下のようにして調べている。すなわち、まず、強誘電体膜を一対の電極間で挟んだ構造の評価用サンプルを形成する。次に、この評価用サンプルの電極に電圧を印加して、強誘電体の電界に対する分極のヒステリシスを測定する。そして、その測定値の大小により、強誘電体膜の強誘電性の強さを評価する。
【０００３】
また、従来は、このようにして調べた強誘電体膜の強誘電性から、強誘電体膜を有する素子の電気的特性を推測している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＰＺＴ等の強誘電体材料は、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）等に使用されるＳｉＯ2 等の誘電体材料に比べて不安定であり、製造工程や電極材料によっては酸素や鉛等の元素が膜から離脱してしまう。そうすると、強誘電体膜の強誘電性が変化して、極端な場合には強誘電性がなくなってしまうこともある。このため、従来は、強誘電体膜自体の強誘電性を調べようとしても、強誘電体膜の両側に電極を形成しなければならないため、強誘電体膜自体の強誘電性を正確に調べることが困難である。
【０００５】
また、実際の素子製造工程と異なる比較的簡単な工程で作成した評価用サンプルで強誘電体膜の強誘電性を調べても、実際の素子の強誘電体膜が同じ強誘電性を示すとは限らない。一般的には、実際の素子の強誘電体膜の強誘電性は、評価用サンプルで検出したものよりも劣ったものになる。
更にまた、製造途中の素子の強誘電体膜の強誘電性を調べ、工程管理や不良品のスクリーニングに用いようとしても、従来の方法では、電極がない状態で強誘電性を調べることができない。仮に、電極がない状態で強誘電体膜の強誘電性を調べることができれば、強誘電性が劣化した膜に対し例えば酸素雰囲気中でアニールするなどの処理を施すことにより、強誘電体膜の強誘電性を回復させて製造歩留まりを向上させることができる。
【０００６】
本発明の目的は、電極がない状態でも素子構成部材の強誘電性を評価することができる素子評価方法を提供することである。
また、本発明の他の目的は、製造途中の状態で素子構成部材の強誘電体性を評価することができる素子評価方法を提供することである。
更に、本発明の他の目的は、製造途中の素子の強誘電性の良否を判定し、その結果を基に製造歩留まりを向上させることができる素子の製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、電子線ホログラムにより素子構成部材の近傍の空間部分を通る電子線の位相の変化を検出し、その検出結果により前記素子構成部材の強誘電性の有無又は自発分極の強さを判定することを特徴とする素子評価方法により解決する。
【０００８】
上記した課題は、電子線ホログラムにより素子構成部材の内部を通る電子線の位相の変化を検出し、電子線の位相の変化の分布から前記素子構成部材のグレイン径を検出することを特徴とする素子評価方法により解決する。
上記した課題は、電子線ホログラムにより素子構成部材の近傍の空間部分を通る電子線の位相の変化を検出し、その検出結果により前記素子構成部材の強誘電性の良否を判定し、不良と判定したときには判定に使用した素子と同一製造ロットの素子に対して強誘電性を回復させる処理を施すことを特徴とする素子の製造方法により解決する。
【０００９】
以下、本発明の作用について説明する。
本発明においては、電子線ホログラムを用いて素子構成部材の強誘電性を調べる。電子線ホログラムでは、電場又は磁場のように電子線の位相を変化させる場があれば、位相像を形成することができる。従来、電子線ホログラムは、位相物体近似が可能な薄膜の高分解能の像や、磁性体の分域構造を得るための手段として用いられてきた。電子線ホログラムでは、磁場又は電場のようなベクトルあるいはスカラー・ポテンシャルを電子が通過する場合に、電子の位相シフトによるコンターとして磁場又は電場の分布を視覚化することができる。
【００１０】
一方、強誘電体からなる素子構成部材では、自発分極を有するため、部材内部では自発分極の方向の相違による分域構造が形成され、また部材の近傍の空間には双極子によるクーロン場が形成される。このため、部材内部を通る電子線又は部材の近傍を通る電子線に位相の変化が生じる。電子線ホログラムでは、電子線の位相のシフトを縞模様として観察することができる。すなわち、電子線ホログラムにより、素子構成部材の近傍の空間部分に位相のシフトによる縞模様が観察されれば、素子構成部材が強誘電性を有しているといえる。また、縞模様の密度により、強誘電性の強さを知ることができる。例えば、電子線の位相シフトによる縞模様の密度が異なる２つのサンプルがある場合に、密度が高いほうのサンプルが強誘電性が強いといえる。
【００１１】
更に、強誘電体の粒界部分では自発分極の方向が相違するので、素子構成部材を透過した電子線の位相シフトによる縞模様により、素子構成部材中のグレインのサイズを知ることができる。
また、本発明の素子の製造方法においては、電子線ホログラムを使用して素子構成部材の強誘電性を調べて良否を判定し、不良と判定したときはその素子と同一ロットの素子に対し、強誘電体に酸素又は鉛等を導入して強誘電性を回復させる処理を施す。これにより、製造歩留まりを向上させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について説明する前に、電子線ホログラムについて説明する。
図１は、David C. Joy等の論文（Ultramicroscopy 第51巻、１〜14頁（1993年））中のFig.１に記載された図に基づいた電子線ホログラム法を示す模式図である。なお、ここでは最も一般的なオフアクシス（off-axis）法について説明する。
【００１３】
電子線源から放出された電子ビームは、収束レンズ１１により収束されてコヒーレントな電子ビームとなり、その一部は試料１２を透過し又は試料１２の近傍（試料中の自発分極による電界が届く範囲）を通過してから対物レンズ１３を通過する。この試料１２を透過し又は試料１２の近傍を通過した電子ビーム（図中Ａで示す）を透過波という。一方、残りの電子ビームは試料１２から離れた位置（試料中の自発分極による電界の影響を無視できる範囲）を通る。この試料１２から離れた位置を通る電子ビーム（図中Ｂで示す）を参照波という。
【００１４】
透過波及び参照波はいずれも対物レンズ１３を通過した後、バイプリズム１４により微小角度だけ進行方向が変移され、相互に干渉して写真フィルム１５（又はＣＣＤ素子）上に縞模様の干渉像（インターフェログラム）が形成される。この干渉像を計算機に読込み、画像処理（フーリエ変換等）して参照波の位相成分を取り除くと、透過波の位相像が得られる。
【００１５】
この位相像は、透過波が試料１２中の電場又は試料１２の近傍の電場によって受けた位相の変化を示す。例えば、等電位面では、電子の位相の変化量が同じになるので、同一の等高線（濃度が同じ点の集合）上に並ぶ。
なお、自発分極による電界が発生するためには、強誘電体物質の温度がキュリー点以下であることが必要である。逆に、キュリー点以下であれば、強誘電体物質に限らず高誘電体物質であっても自発分極によるクーロン場が生成されるので、電子線ホログラムを用いて位相像を得ることができる。これにより、強誘電性の評価が可能になる。
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
（第１の実施例）
図２は第１の実施例において使用した試料の断面図である。この試料は、ＰＺＴ膜２１と、ＰＺＴ膜２１の下側全体に形成された下部電極２２と、ＰＺＴ膜２１の上側端部を除く領域上に形成された上部電極２３とを有している。なお、ＰＺＴ膜２１の厚さは、約０．３μｍである。
【００１７】
図３は図１に示す電子線ホログラフ法により得られた試料の干渉像を示し、図４は干渉像を画像処理して得られた位相像を示す。なお、この電子線ホログラムは、試料を電子線が透過する程度に薄く切断し、断面に垂直な方向から電子を照射して撮影したものである。
図４に示すように、ＰＺＴ膜２１の上側近傍の空間部分（図中▲１▼で示す部分）では、白黒の縞状の模様が形成される。この縞状の模様は、ＰＺＴ膜２１の自発分極によって空間に電場が形成され、その電場を通過する電子が受けた位相の変化を示す。位相の変化は電界強度によって異なるため、縞状の模様は電界強度の空間的な変化を示している。すなわち、空間電位が同じ部分は同一の等高線上にあり、図４の位相像では空間での電位分布を見ることができる。逆に、この図４から、空間部分で電子線の位相が変化していることがわかるので、ＰＺＴ膜２１は強誘電性を有していることがわかる。
【００１８】
また、図４において、ＰＺＴ膜２１の内部では、結晶内部の電位分布が観察される。すなわち、この部分では、グレイン境界に対応した位相の変化が見られる。従って、本発明方法により、強誘電体膜中のグレインの大きさを測定することができる。
ＰＺＴ膜２１の下側の空間部分（図中▲２▼で示す部分）では、電界強度の変化を示す白黒の縞模様は見られない。この試料２１の下側には電極２２が形成されており、電荷は電極２２の表面にのみ分布して内部には存在しない。また、電子線照射による電荷は電極２２から試料を支持するホルダを介して接地に流れて、電極２２には蓄積されない。これらにより、下部電極２２の下方には電界が形成されない。つまり、電極２２によりＰＺＴ膜２１の自発分極による電界が遮蔽されていることがわかる。
【００１９】
（第２の実施例）
図５，図６は本発明の第２の実施例を示す図である。なお、図５は図１に示す電子線ホログラムにより得られた試料の干渉像を示し、図６は干渉像を画像処理して得られた位相像を示す。また、この実施例で使用した試料は、厚さが約０．３μｍのＰＺＴ膜からなる。
【００２０】
本実施例では、試料がＰＺＴ膜のみからなり、ＰＺＴ膜の自発分極により発生する電場を遮蔽する電極がないため、ＰＺＴ膜の上側及び下側の空間部分（図６に▲２▼で示す）には縞状の模様が形成される。また、この試料では、試料に照射された電子の一部が試料中に蓄積されて試料全体がチャージアップされているが、蓄積された電子の電荷量よりも試料中の双極子の数のほうが著しく多いため、グレイン（図６に▲３▼で示す）内部の電場の分布を変化させるには至らない。従って、ＰＺＴ膜の内部（図中▲１▼で示す）では、グレイン境界に対応した位相のコントラストの変化が観察される。また、グレイン内部においても、微細な位相の変化が表面に平行に現れている。このように、上部及び下部に電極を有しない試料においても、ＰＺＴ膜中のグレインが視角化される。
【００２１】
なお、グレイン内部で位相の変化を生じる原因として、強誘電体の分極によるグレイン内の電位分布と試料の厚さむらとが考えられる。グレイン内部の位相変化が強誘電体内部の分極に対応する場合、同一のグレイン内部において位相のコントラストが反転する部分（図中▲４▼で示す）があり、磁性体の場合の類推よりドメインが形成されていると考えられる。すなわち、本発明によれば、グレイン内部の分極のドメインも視覚化される。
【００２２】
（第３の実施例）
図７は本発明の第３の実施例において使用した試料を示す断面図である。この試料は、基板上のＳｉＯ2 膜３０上に形成された下部電極３２と、この下部電極３２上に約３３０ｎｍの厚さに形成されたＰＺＴ膜３１と、ＰＺＴ膜３１上の端部を除く領域を覆う上部電極３３とにより構成されている。本実施例では、図７に示す構造の２つの試料（以下、第１の試料及び第２の試料という）を形成し、図１に示す電子線ホログラム法を用いてＰＺＴ膜３１の強誘電性を評価した。
【００２３】
図８は電子線ホログラフにより得られた第１の試料の干渉像を示す図、図９はその干渉像を画像処理して得られた位相像を示す図である。また、図１０は電子線ホログラフにより得られた第２の試料の干渉像を示す図、図１１はその干渉像を画像処理して得られた位相像を示す図である。
図９及び図１１では、いずれもＰＺＴ膜３１の上側近傍の空間部分ではＰＺＴ膜３１の自発分極により電子線の位相が変化したことを示す白黒の縞模様が形成されている。このことから、第１及び第２の試料のＰＺＴ膜３１はいずれも強誘電性を有していることがわかる。また、図９及び図１１の縞模様を比較すると、図９のほうが縞模様が密に形成されている。このことから、第１の試料のＰＺＴ膜３１のほうが第２の試料のＰＺＴ膜３１よりも自発分極が大きい、換言すると第１の試料のＰＺＴ膜３１のほうが第２の試料のＰＺＴ膜３１により強誘電性が強いことがわかる。
【００２４】
実際に、これら第１及び第２の試料のＰＺＴ膜３１の自発分極の大きさを測定したところ、第１の試料のＰＺＴ膜３１の自発分極の大きさは４０μクーロン／ｃｍ2 であり、第２の試料のＰＺＴ膜３１の自発分極の大きさは３０μクーロン／ｃｍ2 であった。
このように、半導体装置の製造途中で電子線ホログラム法を使用してＰＺＴ膜３１の強誘電性を検査することにより、素子の良否を判定することが可能である。そして、ＰＺＴ膜３１が所定の強誘電性を有していない試料については、その製造ロットの半導体装置に対して、例えば酸素雰囲気中でアニールするなどの処理を施すことにより、ＰＺＴ膜３１の強誘電性を回復させることができる。これにより、半導体装置の製造歩留まりの向上を図ることができる。
【００２５】
（第４の実施例）
図１２は、ＦＲＡＭの構成を示す断面図である。
半導体基板４１はフィールド酸化膜４２により複数の領域に分割されており、各領域にはそれぞれ複数のトランジスタＴｒ1 ，Ｔｒ2 ，…が形成されている。これらのトランジスタＴｒ1 ，Ｔｒ2 ，…の各ゲートはワード線として機能する。これらのトランジスタＴｒ1 ，Ｔｒ2 ，…及びフィールド酸化膜４２はＢＰＳＧ膜４３に覆われている。また、フィールド酸化膜４２上にはＢＰＳＧ膜４３を介してキャパシタＣ1 ，Ｃ2 が形成されている。これらのキャパシタＣ1 ，Ｃ2 は、下部電極４４と、ＰＺＴ膜４５と、上部電極４６とが積層されて構成されている。
【００２６】
キャパシタＣ1 ，Ｃ2 は層間絶縁膜４７に覆われており、この層間絶縁膜４７上には局部配線５１が形成されている。この局部配線５１は、トランスファゲートであるトランジスタＴｒ1 のソースと上部電極４６とを電気的に接続する。また、局部配線５１上には層間絶縁膜４８が形成されており、この層間絶縁膜４８上には多層導電体膜からなるビット線４９が形成されている。このビット線４９はトランジスタＴｒ1 のドレインに接続されている。更に、ビット線４９上にはカバー膜５０が形成されている。
【００２７】
図１３は、図１２に示す構造のＦＲＡＭの製造工程において、キャパシタＣ1 ，Ｃ2 形成後に、基板厚さ方向に切断した試料を作成し、この試料のＰＺＴ膜４５の縁部の近傍を図１に示す電子線ホログラム法を用いて撮影した干渉像である。また、図１４は同じくその干渉像を画像処理して得た位相像である。
図１４からわかるように、ＰＺＴ膜４５の近傍の空間部分（図中▲１▼で示す）では、通過する電子が電界によって受けた位相の変化を現わす白黒の縞模様が観察される。等電位面は、ＰＺＴ膜４５付近でなだらかに変化しており、ＰＺＴ膜４５により電界強度が変化していることがわかる。従って、この試料では、ＰＺＴ膜４５には自発分極があり、強誘電性を有することがわかる。また、縞模様の間隔によって、ＰＺＴ膜４５の強誘電性を評価することができる。
【００２８】
以上の各実施例においては、いずれも試料を電子線が透過するように薄膜化したが、強誘電性を評価するだけであれば試料を薄膜化する必要はない。また、強誘電体膜のグレインサイズを調べるだけであれば、試料を断面に切断する必要はない。
また、上記の各実施例では、いずれも強誘電体がＰＺＴの場合について説明したが、強誘電体としてＰＺＴ以外のＢｉ層状構造強誘電体、例えばＳｒＢｉ2 Ｔａ2 Ｏ9 （ＳＢＴ）等の場合も同様に適用することができる。更に、本発明は、キュリー点温度以下で自発分極が発生する条件であれば、高誘電体物質にも適用することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電子線ホログラムを使用して素子構成物質の近傍の空間部分を通る電子の位相の変化を検出し、その結果に基づいて前記素子構成部材の強誘電性の有無又は自発分極の強さを判定するので、従来方法では必須と考えられていた電界を印加するための電極が不要になり、素子構成部材自体の強誘電性を評価することができる。また、素子構成部材の内部を通る電子の位相の変化を検出することにより、素子構成部材のグレインサイズを検出することができる。
【００３０】
本発明によれば、実際の素子製造工程で製造途中の素子についても、強誘電性の評価が可能である。
また、実際の素子製造工程の素子について強誘電性の良否を調べ、不良と判定したときには判定に使用した素子と同一ロットの素子に対し、酸素雰囲気中でアニールするなどの処理を施し、強誘電性を回復させることができる。これにより、製造歩留まりの向上が図れるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】電子線ホログラム法を示す模式図である。
【図２】第１の実施例において使用した試料の断面図である。
【図３】第１の実施例の干渉像を示す図である。
【図４】第１の実施例の位相像を示す図である。
【図５】第２の実施例の干渉像を示す図である。
【図６】第２の実施例の位相像を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施例に使用した試料を示す断面図である。
【図８】第３の実施例の第１の試料の干渉像を示す図である。
【図９】第３の実施例の第１の試料の位相像を示す図である。
【図１０】第３の実施例の第２の試料の干渉像を示す図である。
【図１１】第３の実施例の第２の試料の位相像を示す図である。
【図１２】ＦＲＡＭの構成を示す断面図である。
【図１３】第４の実施例の試料の強誘電体膜の縁部近傍の干渉像を示す図である。
【図１４】第４の実施例の試料の強誘電体膜の縁部近傍の位相像を示す図である。
【符号の説明】
１１  収束レンズ
１２  試料
１３  対物レンズ
１４  バイプリズム
１５  フィルム（又はＣＣＤ素子）
２１，３１，４５  ＰＺＴ膜
２２，２５，３２，３３，４４，４６  電極
３０  ＳｉＯ2 膜
４１  半導体基板
４２  フィールド酸化膜
４３  ＢＰＳＧ膜
４７，４８  層間絶縁膜
４９  ビット線
５０  カバー膜
【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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