JPH09162253A

JPH09162253A - 半導体評価装置

Info

Publication number: JPH09162253A
Application number: JP7319983A
Authority: JP
Inventors: Naoki Yamamoto; 直樹山本; Seiichi Iwata; 誠一岩田; Fumiko Yano; 史子矢野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-12-08
Filing date: 1995-12-08
Publication date: 1997-06-20

Abstract

(57)【要約】【課題】絶縁膜／半導体構造を持つ半導体素子におい
て、該素子の電気特性に影響を与える不純物や欠陥、そ
れらが存在する位置などについての知見を得るための評
価装置を提供する。【解決手段】Ｘ線などの電磁波ビーム１２の照射機構１
１，試料台９，ビーム照射により試料に発生した電荷を
測定するための電流計２２，電位差計２１あるいは試料
から放出される光電子１６，回折Ｘ線や蛍光Ｘ線を検出
するための検出器１７、そして得られたデータを処理す
る機構１８からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体評価装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の高集積化が進むとともに、
それを製造するプロセスはより困難になり、複雑化して
いる。従って、プロセスの開発や製造中の不良解析で、
あるプロセスのやり方が良かったか，悪かったかの判断
はますます難しいものになっている。この判定は、最終
的には、出来上がった素子が正常な動作をするかという
ことでなされる。しかし、このような判定法のみに頼っ
ていては、開発に長期間を要することになる。

【０００３】ＭＯＳ素子開発では、ＣＶ（キャパシタン
ス−ボルテイジ Capacitance−Voltage ）法というＭ
ＯＳ構造の容量と印加電圧との関係を測定する方法が広
く用いられてきた。この方法により、プロセスがＭＯＳ
特性に及ぼす影響をかなり把握することができた。とこ
ろが、高集積化とともに絶縁膜が薄くなるとトンネル電
流が流れるため、上記のＣＶ特性を測定するのが困難に
なってきた。さらに、ＣＶ法は実際の素子を作るより簡
単であるといっても、電極を付ける必要があり、電極を
付けることの特性への影響が現われるという問題があっ
た。

【０００４】また、ＬＳＩ（Large Scale Integrated C
ircuit）では、Ｓｉ基板結晶や絶縁膜における欠陥など
の特異個所がその信頼性や歩留まりを左右するため、上
記の製造過程とともに仕上り段階で、それらの解析と発
生原因の追及を行い、それらを低減するための対策に努
力が払われている。従来、Ｓｉ単結晶基板内の欠陥観察
にはＸ線トポグラフィ技術が用いられることが多く、こ
の技術はＳｉウエハの良，不良を評価するのに用いられ
るのが一般的であった。この方法は、結晶欠陥を評価す
るのにＳｉウエハを割ったり，削ったりすることなく、
非破壊でその存在個所を特定できるという特徴がある。

【０００５】しかしながら、ＬＳＩパターンがウエハ上
に造られている場合、ほとんどのパターン端部でトポグ
ラフィ像上になんらかの欠陥が観察されることが多いた
め、この方法をＬＳＩの特定個所の素子の電気的特性欠
陥の原因解析に単純に適用することは難しい。このた
め、パターンの形成されていないダミーウエハにＬＳＩ
製造工程と同様の熱処理を加え、熱処理温度や時間の違
いによりウエハ内に発生する欠陥分布や密度を観察する
ことにより、ＬＳＩで発生した欠陥の原因を推定する方
法が用いられることがある。

【０００６】この他、トポグラフィ法と同様にＳｉウエ
ハの欠陥評価法として、過剰少数キャリアのライフタイ
ム測定法が用いられている（特開昭55−50633 号公
報）。この方法はマイクロ波やレーザ光を、素子などの
パターンが形成されていないダミーウエハに照射し、こ
のとき発生した過剰少数キャリアが減少するまでのライ
フタイムを求めることにより、半導体基板結晶の良否を
判定する。しかしながら、基板結晶の不純物濃度が高く
なるとキャリアのライフタイムが１μsec 以下に短くな
り測定精度が極端に低くなるという問題がある。また、
この方法では、拡散層を形成したウエハの場合は評価が
極端に難しくなり、また、ＭＯＳ構造に対しては、その
界面や絶縁膜層の評価に適用するのは現実的には不可能
に近く、これらの評価に適用した例は報告されていな
い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のＣＶ
法の欠点のない半導体の電気特性、特にＭＯＳ特性に関
連した絶縁膜／半導体構造の試料の評価を行う手法と装
置を提供することにある。特に膜厚５ｎｍ以下のような
極薄絶縁膜／半導体試料の評価に適し、ＣＶ法のような
電極を形成する必要のない評価法を実現することを第一
の課題とする。

【０００８】上記のＸ線トポグラフィ法や従来のライフ
タイム測定法では、ダミーウエハ内の欠陥分布を観察す
ることができるが、欠陥は膜形成や熱処理あるいは素子
構造やパターンの合わせずれなど、複数の工程や構造が
関連して発生することが多く、パターンのないダミーウ
エハの検査でＬＳＩで発生した電気的欠陥の原因を解明
するのは難しい。

【０００９】また、Ｘ線トポグラフィやライフタイム測
定技術では、各欠陥個所の結晶構造、歪量あるいは欠陥
の核となっている不純物元素の同定など、欠陥発生の原
因を解明するうえで重要なこれらの項目を評価すること
は困難である。さらに、これらの技術はＬＳＩ、特にＭ
ＯＳ構造の電気的欠陥の有無と場所については特定不能
である。そして、これらの方法をＬＳＩに適用した場
合、パターン端部に欠陥が観察されるが、欠陥が観察さ
れたからといってそれがＬＳＩの電気的欠陥になるとは
限らない。

【００１０】なお、従来のＸ線トポグラフィ装置では、
位置分解能が数ミクロンから数１０ミクロンと悪いた
め、ＬＳＩ内の素子部で発生するような数ミクロン以下
の微小欠陥を解析することは難しい。また、ゲート酸化
膜などのＬＳＩを構成する絶縁膜や多結晶層における、
欠陥の解析には適用できないという欠点がある。

【００１１】本発明が解決しようとする第二の課題は、
前記の課題とともに、被検物を形状的あるいは機械的に
破壊することなく材料あるいは構造的な局所欠陥個所を
特定でき、かつこれらの欠陥と半導体装置の電気的な特
性不良とを対応付けられる半導体装置の評価装置を提供
することにある。具体的には、欠陥発生原因を解析する
ために必要な欠陥部の結晶構造，歪量，元素種，半導体
中の不純物準位や酸化膜／半導体界面の界面準位などの
エネルギ準位や電荷の生成−消滅過程などの評価ができ
ることを課題とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】まず、第一の課題を解決
するための手段について述べる。Ｘ線などの電磁波ビー
ムを照射することにより、半導体基板内そしてその上に
設けられた絶縁膜内に電子や正孔などの電荷を発生させ
ることができる。この発生した電荷を電流あるいは試料
の表面電位変化として測定する。照射により発生した電
荷は、基板内，基板と絶縁膜との界面、そして絶縁膜内
などに欠陥が存在すると、それらに捕獲される。この電
荷捕獲現象（電荷放出あるいは消滅現象も含む）は、欠
陥の密度あるいは、それら欠陥の持つエネルギ状態によ
り影響される。したがって、光照射により生じる電流あ
るいは表面電位の変化を観察することにより、試料内部
にある各種欠陥を評価できる。なお、本発明では、電磁
波ビームを絶縁膜／半導体構造部に照射して電荷を発生
させるため、照射領域に存在する欠陥が半導体装置の電
気特性に及ぼす影響を従来のように電極を設けることを
必要とせずに評価できる。

【００１３】以下に評価法の原理を詳細に述べる。図１
に示すように、絶縁膜／半導体構造の試料にＸ線（正確
には、絶縁膜中で電子−正孔対を励起できる電磁波であ
ればよいが、ここではＸ線とする）を照射して、発生し
た電子−正孔対が捕獲準位（トラップと呼ぶ）に捕獲さ
れる過程を、試料表面電位φ（ｔ）と試料／アース間に
流れる試料電流ｉ（ｔ）のＸ線照射時間ｔに依存する変
化として測定するものである。本測定では、絶縁膜上の
電極は不要である。このような測定から、試料内の各種
トラップの数や分布に関する情報が得られる。一般に、
これらのトラップは材料内の欠陥や不純物に起因すると
されていて、これらは半導体素子特性に大きな影響を与
えるので、これらに関する情報は極めて重要なものとな
る。

【００１４】図１の模型で電荷の捕獲減少を説明する。
半導体１上に絶縁膜２が形成されている試料で、Ｘ線３
を照射すると試料内では電子−正孔対４が形成され、一
部は光電子５として外部に放出されるが、試料内にトラ
ップ６があると、電荷（ここでは正孔）がトラップに捕
獲される。その状態７（捕獲された正孔）が図に示され
ている。このように絶縁膜側に正電荷が形成されている
と、半導体側にも同じ数の負の電荷８が誘起される。

【００１５】図では、１ヶ所（ｘ＝ａ）にトラップがあ
るが、一般には、捕獲された電荷７の密度分布は

【００１６】

【数１】

【００１７】のように表わされる。ρｊ(ｘ，ｔ)は界面
からの距離ｘ、Ｘ線照射時間ｔでのｊ種の電荷密度を表
わす。その結果、半導体側に単位面積当たりに形成され
る電荷８の数は、

【００１８】

【数２】

【００１９】となる。ここでｄは絶縁膜の厚さであり、
上記、ρｊ(ｘ，ｔ)に対応する電荷Ｑsj(ｔ)も次のよう
に定義できる。

【００２０】

【数３】

【００２１】

【数４】

【００２２】一方、ρ(ｘ，ｔ)に対応する電位φ(ｘ，
ｔ)は次のようにポアッソン方程式から求められる。

【００２３】

【数５】

【００２４】ここで、ε₀は真空の誘電率で、εr は比
誘電率である。電位についても、ρ(ｘ，ｔ)と同様に、
それぞれの電荷に対応させて、定義できる。

【００２５】

【数６】

【００２６】

【数７】

【００２７】試料電流ｉ(ｔ)も

【００２８】

【数８】

【００２９】

【数９】

【００３０】と書ける。ここで、−ｉ₀は光電子放出の
分を補給するための電流である。トラップがなければ、
ｉ(ｔ)は−ｉ₀(一定；Ｘ線強度一定として）になるが、
トラップがあるとｔ依存性が認められるようになる。

【００３１】トラップによる捕獲現象のｔ依存性は多く
の場合、

【００３２】

【数１０】

【００３３】のように表わせる。ここでτj はそれぞれ
の捕獲現象の時定数である。この結果、電荷量Ｑsj
（ｔ）も

【００３４】

【数１１】

【００３５】と表わせる。従って、

【００３６】

【数１２】

【００３７】

【数１３】

【００３８】になり、電位も

【００３９】

【数１４】

【００４０】

【数１５】

【００４１】となる。

【００４２】本手法で測定するのは、ｉ(ｔ)とφ(ｄ，
ｔ)［φ(０，ｔ)が測定できることもある］である。こ
れらの結果から、トラップの種類，量や分布に関する情
報が得られる。また、τj は捕獲現象に関する重要なパ
ラメータとなる。

【００４３】トラップが異なっても電荷としては、正か
負の２種類しかないので、一般には、異なるトラップに
対応した電荷に区別するのが難しいが、時定数τj が大
きくなれば、この区別が可能である。すなわち、ｊ＝１
と２を考えて、τ₁≪τ₂とすると、

【００４４】

【数１６】

【００４５】となるが、ここで、ｔ≫τ₁の領域では、

【００４６】

【数１７】

【００４７】となるので、ｌｎ［ｉ（ｔ）＋ｉ₀］とｔ
の関係からｉ₀₂とτ₂を求められる。次に、これらのｉ
₀₂とτ₂を使って、ｌn［ｉ(ｔ)＋ｉ₀−ｉ₀₂exp(−ｔ／
τ₂)］とｔの関係をｔ≪τ₂の領域で調べることにより
ｉ₀₁とτ₁を求められる。φj(ｄ，ｔ）についても同様
の解析が可能である。

【００４８】第二の課題については以下の手段により解
決する。上に述べたように、Ｘ線などの電磁波ビームを
照射すると、絶縁膜／半導体構造内で正孔と電子が生成
され、電位変化や電流が流れる。正孔と電子の発生消滅
速度は電気的に正常な位置と欠陥位置で異なる。したが
って、照射ビームを微細化し、ビームの照射位置を変え
ながら電位や電流を測定することにより電気的欠陥位置
を特定できる。そして特定された位置で検出された回折
線，蛍光Ｘ線あるいは光電子などを解析することによ
り、電気的欠陥個所の結晶構造，歪，元素あるいは化合
物の結合状態を知ることができる。

【００４９】この微細ビーム照射による欠陥評価につい
てさらに詳しく述べる。絶縁膜や半導体にＸ線などのビ
ームを照射したとき発生する電荷の挙動は第一課題で詳
細に示した。これらの電荷は半導体装置の電極と絶縁膜
あるいは半導体などの界面近傍のエネルギバンド構造に
影響を与え、絶縁膜内に存在する電荷，半導体素子の界
面準位，フラットバンド電圧，トランジスタの閾値電
圧，増幅率，容量，キャリア移動度，接合のリーク電
流，配線間のリーク電流などに変化をもたらす。また半
導体材料内で発生した電荷は、結晶欠陥が存在すると消
滅速度が早くなる。したがって、ビームを照射したのち
に照射を停止した直後の半導体特性の時間的変化を比較
観察することにより正常部と欠陥部を識別することがで
きる。この識別できる位置分解能は照射するＸ線ビーム
径が小さいほど良い。なお、ビーム照射により発生する
電荷数は欠陥の有無によっても異なるため、照射しなが
ら半導体の電気特性を測定しても欠陥部分を識別するこ
ともできる。

【００５０】照射ビームがＸ線の場合、電荷の発生とと
もに回折Ｘ線や半導体装置を構成する材料特性の特徴を
示すＸ線や光電子線が放射される。したがって、Ｘ線の
照射角や放射角あるいはこれらのエネルギを評価するこ
とにより、電気特性の不良発生個所の特定とともにその
個所の結晶構造，元素あるいは結合（電子）状態などを
解析することができる。なお、半導体装置に外部から電
圧や電流を供給しない状態で、Ｘ線を照射したとき発生
した電荷量や電荷の再結合過程を半導体装置に設けられ
た電極や半導体基板に流れる電流を検出することによっ
ても欠陥個所を特定することができる。

【００５１】これらの測定はＸ線を照射しながらも行え
るが、間歇的にＸ線を照射してその休止期間に電気特性
の測定を行い、これらの測定を繰り返して得られたデー
タを積算することにより、正常部と欠陥部における特性
の微小な差を顕在化させて測定精度を向上させることが
できる。また、被検物上のＸ線照射位置を移動させなが
ら上に述べた各種の測定を行い、各移動位置で得られた
データを照射位置と対応するように２次元的に再配置す
ることにより、その分布の特異個所から欠陥部分を検出
することができる。

【００５２】本発明で用いる照射Ｘ線ビームの径は半導
体装置より十分小さいため、ＭＯＳトランジスタのゲー
ト電極の端の微小部あるいは素子パターンのコーナ部な
どのように、高精度で局所欠陥場所を特定でき、かつ、
素子の不良原因が結晶構造、半導体装置の製造過程で混
入した汚染や異物、あるいは化合状態の異常など、材料
的な原因を解明することができる。そしてＸ線照射によ
り半導体や絶縁膜内に生じた電荷の生成や消滅過程を評
価するため、材料的な欠陥の電気的特性への影響を対応
づけながら評価，解析できる。さらに、従来の誘起電流
法で用いられていた可視光ビームや電子ビームと異な
り、Ｘ線ビームは薄膜の多層構造体を容易に突き抜ける
ことができるため、ＬＳＩの基板内など、試料の深層部
の欠陥を評価できる。

【００５３】

【発明の実施の形態】

（実施例１）以下、図２を用い、本実施例の測定装置と
方法について説明する。試料台９に電気的に接触された
試料１０に、Ｘ線源１１から発生させたＸ線１２を照射
する。発生源の前にはシャッタ１３があり、測定開始と
同時に、これを開いて一定（あるいは所望の時間依存性
を持つ）強度のＸ線１２を試料に照射できるようにし
た。ここで、試料上でＸ線が当たる領域は試料の面積よ
り小さく、Ｘ線が試料以外の部分に当たらないようにし
た。試料にはＸ線以外に電子線も当たるので（例えば、
Ｘ線フィルタ１４から発生する電子）、試料に極近く、
Ｘ線の当たらないところに検出器１５を設置し、これで
電子照射量を監視できるようにした。

【００５４】Ｘ線が試料に照射されると、表面から光電
子が発生して、その一部１６を電子分光器１７に受け
て、光電子エネルギと数の関係（スペクトル）がデータ
処理機構１８に入力される。入力データから電荷量や分
布計算を行う。

【００５５】光電子のエネルギＥk は表面電位をφとす
ると、

【００５６】

【数１８】

【００５７】と表わせる。ここで、Ｅk0はＸ線を照射し
ない状態でのＥk の値で、ｑは単位電荷である。Ｘ線を
照射すると、表面電位がφだけ変化して、Ｅk がｑφだ
け変化する。この変化は、金属（非常に薄くないとし
て）では、無視できるが、絶縁膜や半導体では無視でき
ない。これらの、照射時間ｔに依存して変化するφは、
試料内トラップへの電荷の捕獲に起因しているので、こ
のφの測定は、前述のように、重要な情報を与える。こ
の測定は真空中（＜０.００１Ｐａ）で行う必要がある
ので、測定系は真空容器１９の中に設置した。

【００５８】上記の方法とともに、φの変化を別の方法
でも測定できるようにした。試料表面に相対して金から
なる（標準）電極２０を設け、これを振動させて試料と
電極表面の接触電位差を測定できるようにした。この測
定に当たっては、この電位差を打ち消すような、すなわ
ち、試料−標準電極間に電流が流れなくなるような電圧
を測定機構２１で印加して、その電圧を求めた。この結
果もまた、Ｘ線照射時間ｔの関数として、データ処理機
構１８に入力した。後者の方法は、光電子エネルギを測
定する前者の方法に比し、短時間で測定できる。従っ
て、時定数の小さい情報を得るのに有利である。また、
雰囲気を真空にする必要が無い。しかし、試料表面のφ
しか測定できない。前者の光電子エネルギを測定する方
法では、絶縁膜が１０ｎｍの厚さ以下であれば、半導体
表面のφも同時に測定できる利点がある。

【００５９】最後に、試料電流ｉ(ｔ)は電流計２２によ
り測定した。この結果もデータ処理機構１８に入力さ
れ、他の結果とともに処理される。この測定系では、試
料に電圧を印加できるようにした。これは、電圧をかけ
ることにより、試料表面からの光電子の放出量を減らす
ためである。ｉ(ｔ)が小さいとき、誤差を減らすのに役
立つ。また、試料表面を各種電位状態にする目的でも使
用する。

【００６０】（実施例２）ここでは、光電子エネルギＥ
ｋ測定から表面電位を求める方法について述べる。

【００６１】試料に厚さ２.５ｎｍのシリコン酸化膜(Ｓ
ｉＯ₂)を有するＳｉ(１００)単結晶基板を用いて、Ｘ線
として、Mg−Kα線を照射した。そして、ＥkをＸ線照射
時間ｔの関数として測定した。この場合、ＳｉＯ₂が薄
いので、前述のようにＳｉＯ₂のＥk だけでなく、Ｓｉ
のＥk も測定できた。これらの値をＥk(ＳｉＯ₂），Ｅk
（Ｓｉ）として、Ｘ線照射なしの場合の値をＥko(Ｓｉ
Ｏ₂），Ｅko(Ｓｉ）とし、ＳｉＯ₂とＳｉの表面電位差
をφ(ＳｉＯ₂)，φ(Ｓｉ)とする。

【００６２】さらに、

【００６３】

【数１９】

【００６４】

【数２０】

【００６５】

【数２１】

【００６６】と定義すると、

【００６７】

【数２２】

【００６８】となる。ΔＥ0 はｔには依存しないので、
ΔＥ(ｔ）のｔによる変化は、φ(ｔ）のｔによる変化に
なる。本測定では、一つの光電子スペクトルを測定する
のに２分要したので、図３に示すように、Ｅk は２分お
きにしか測定できなかった。このφ(ｔ)が数１４のよう
なｔ依存性を示すとすれば、例えばｊ＝２として、

【００６９】

【数２３】

【００７０】と書ける。測定はΔＥ（ｔ）が一定になる
まで行い、φ₀₂とτ₂を求めた。それは、図４に示すよ
うに、ｌｎ［φ₀₂−φ(ｔ)］、すなわちｌn［(ΔＥ₀＋
ｑφ₀₂−ΔＥ（ｔ））／ｑ］のＸ線照射時間ｔ依存性を
図示して、この関係にｔ＝０の切片からφ₀₂を勾配から
τ₂を求めた。それらの値は、

【００７１】

【数２４】

【００７２】

【数２５】

【００７３】であった。φ₀₂が正であることから、これ
らの値はＳｉＯ₂内のトラップへの正電荷（正孔）の捕
獲に関するものと考えられる。一方、Ｓｉ側の電荷につ
いては、Ｅk(Ｓｉ）のｔ依存性から情報が得られる。上
記のＳｉＯ₂の場合と同様な検討を行うと、時定数とし
てＳｉＯ₂の場合とほぼ同じ値が得られ、Ｓｉ側の電位
差（ＳｉＯ₂／Ｓｉ界面とＳｉ裏面の電位差）として０.
２５Ｖが得られた。後者の結果は、Ｓｉ側に負の電荷が
蓄積していることを示しており、さらに、時定数がＳｉ
Ｏ₂側とほぼ同じであることより、この負電荷は、Ｓｉ
Ｏ₂側の上記正電荷の蓄積（捕獲）に対応して、アース
からＳｉＯ₂／Ｓｉ界面のＳｉ側に供給されるものであ
ると考えられる。

【００７４】次に以下の測定例では、上と同じ試料で、
上記の測定結果の確認ができること、また、さらに多く
の知見が得られることを示す。

【００７５】（実施例３）ここでは、Ｘ線照射ととも
に、試料−アース間に流れる電流ｉ(ｔ)の測定について
述べる。ｉ(ｔ)は数１３のようになると考えられるの
で、実施例１のΔＥ(ｔ)の測定と同様に、ｉ(ｔ)が一定
値(−ｉ₀）になるまで測定し、ｌn［ｉ(ｔ)＋ｉ₀］とＸ
線照射時間ｔとの関係を調べると図５のような結果が得
られた。これを見ると、ｉ(ｔ)には少なくとも二つの時
定数が関係していることがわかる。なお、前例のΔＥ
(ｔ)では、ただ一つの時定数しか認められなかったが、
これはｔが小さいときΔＥ（ｔ）の測定ができないため
である。これに対してｉ(ｔ)なら短時間の測定が可能
で、さらに、電荷量を求めることができる。

【００７６】前述の「課題を解決するための手段」で示
した手法（数１６，数１７参照）を用いて本結果の解析
を行った。まず、図５の、ｔの大きい領域で、

【００７７】

【数２６】

【００７８】

【数２７】

【００７９】が得られた。このτ₂の値はΔＥ(ｔ)の検
討で得られた値とほぼ同じであることから、この電流
［ｉ₀₂exp(−ｔ／τ₂)］がΔＥ(ｔ)と同じ現象に起因し
ていると考えられる。

【００８０】次に、ｌn［ｉ(ｔ)＋ｉ₀−ｉ₀₂exp(−ｔ／
τ₂)］、すなわち、ｌn［ｉ₁(ｔ)］とｔの関係をｔ≪τ
₂で図示すると図６が得られ、電流は

【００８１】

【数２８】

【００８２】

【数２９】

【００８３】で表わせることがわかった。結局、ｉ(ｔ)
はｔの関数として、

【００８４】

【数３０】

【００８５】と表わせた。

【００８６】これらの二つの電流を積分して、捕獲電荷
量を求めると、

【００８７】

【数３１】

【００８８】

【数３２】

【００８９】となった。これらの電荷量はどちらも正電
荷、定常状態では、それぞれを合わせた電荷量とそれぞ
れの影響を合わせた電位ということしかわからない。し
かし、ｔ依存性の検討をすれば、時定数τ₁とτ₂に対
応した２種類の正電荷（トラップ）の存在が明らかにな
った。

【００９０】さらにΔＥ(ｔ)の検討結果を使えば、電荷
分布についても知ることができる。数１０の電荷密度ρ
0j(ｘ)を

【００９１】

【数３３】

【００９２】とおくと、ΔＥ(ｔ)から求められたφ₀₂と
ｉ(ｔ)から求めたＱ₀₂から、ρ₀₂(ｘ)が求められる。こ
こで、ρj とＬj は測定結果から求める定数で、ｘはＳ
ｉＯ₂／Ｓｉ（ｘ＝０）界面からの距離（ＳｉＯ₂側へ
の）である。そしてＳｉＯ₂の厚さをｄとすると、

【００９３】

【数３４】

【００９４】

【数３５】

【００９５】ここで、Ｑojは時定数τj(ここではｊ＝
１，２）に対応する電荷量で、φojはこれらの電荷量に
より発生するＳｉＯ₂表面−Ｓｉ表面間の電位差であ
る。

【００９６】測定からＱojとφj が得られれば、ρj と
Ｌj が、すなわち、電荷分布が求められる。ｊ＝２の場
合、Ｑ₀₂＝０.００６５Ｃ／ｍ²，φ₀₂＝０.９３Ｖであ
るので、数２２と数２３から、

【００９７】

【数３６】

【００９８】

【数３７】

【００９９】が得られた。電荷密度として通常はρ₂よ
り、単位面積当たりの電荷の数Ｎ₂＝ρ₂Ｌ₂／ｑを使う
ことが多いので、Ｎ₂を求めると、

【０１００】

【数３８】

【０１０１】となる。この値は、もっと厚いＳｉＯ
₂で、アバランシェ注入法などにより求められた正孔ト
ラップ密度１０¹⁶−１０¹⁷個／ｍ²と同程度の値であ
る。また、Ｌ₂の値が非常に小さい（０．５０ｎｍ）こ
とは、トラップが界面の極近くに存在することを示して
いる。一方、この界面のＳｉ側には同じ密度のＮ₂の負
電荷（電子）がアースから供給される。このときの電位
変化は実施例２の末部に示したように０.２５Ｖである
ので、ＳｉＯ₂の場合と同じように、電荷密度を

【０１０２】

【数３９】

【０１０３】とおいて、ρs2とＬs を求めると、

【０１０４】

【数４０】

【０１０５】

【数４１】

【０１０６】となった。

【０１０７】最後に時定数τ₂(６５０ｓ）のトラップに
捕獲された正孔に起因する電位分布を図７に示す。Ｓｉ
Ｏ₂／Ｓｉ界面のＳｉＯ₂側の正孔とＳｉ側の同数の電
子からなる電気二重層を形成して、本図に示すような電
位分布になっていると考えられる。

【０１０８】（実施例４）光電子エネルギから電位を求
める方法では、短時間の測定ができなかったので、同じ
試料で、標準電極を用い、先に述べた電極と試料間の接
触電位差を求める方法でも測定を行った。

【０１０９】図８にその結果を示す。ＳｉＯ₂の表面電
位φ（ｔ）の定常値をφ₀としたときのｌn［φ₀−φ
(ｔ)］とＸ線照射時時間ｔとの関係が示してある。ｔの
全領域にわたってほぼ直線の関係が得られ、勾配から得
られる時定数は６５０ｓで、これまで求めたτ₂とほぼ
同じ値になった。しかし、良く見ると、ｔが小さいと
き、上記の関係が直線からずれている。すなわち、ｔ＜
３００ｓの部分をより詳細に示すと、図９のようにな
る。実施例３のｉ(ｔ)の場合と同様に時定数６５０ｓに
対するφ(ｔ)の成分を全体のφ(ｔ)から差し引いた分に
ついてｔ依存性を求めると、結局、

【０１１０】

【数４２】

【０１１１】という関係が得られた。

【０１１２】次に、この成分の定常値（０.０５Ｖ）を
使って、電荷の分布を求めたが、ここで問題となるの
は、φ(ｔ)にＳｉ側の電位差も加えられているというこ
とである。そこで、ここでは、τ₂の場合とは違って、
もっと単純にＳｉ側にはｘ＝０には、［ＳｉＯ₂側には
界面からａの距離（ｘ＝ａ）にＱ₀₁＝０.００１４Ｃ／
ｍ²の電荷があり］同量の負の電荷があるとする（電気
二重層）。そうすると、Ｓｉ内の電位変化はなくなり、
０.０５ＶはＳｉＯ₂内の電位差とすることができる。そ
うすると、

【０１１３】

【数４３】

【０１１４】

【数４４】

【０１１５】から

【０１１６】

【数４５】

【０１１７】

【数４６】

【０１１８】が得られた。

【０１１９】（実施例５）本発明の実施例を図１０を用
いて説明する。本実施例の評価装置は、Ｘ線発生機１
１，微細Ｘ線ビーム２３を形成するためのガラスキャピ
ラリ２４，面内で移動可能でかつ照射点を中心として試
料１０へのＸ線照射角２５を変えられるように回転でき
る試料台９，試料を透過したＸ線５２の像を得るための
イメージングプレート２６，試料で回折したＸ線や蛍光
Ｘ線など２７を検出するためのＬｉドープＳｉからなる
半導体Ｘ線検出器２８，ＬＳＩなどの半導体装置の電気
的特性を評価するための測定器２９，各種検出器で得ら
れたデータと電気特性のデータを対応付けるためのデー
タ処理装置３０、そしてそれらの結果の２次元分布を表
示できるコンピュータと表示装置３１からなる。ここ
で、ガラスキャピラリ２４により形成されたＸ線のビー
ム径は試料上で０.１μｍであった。

【０１２０】本実施例では図１１に示す断面構造を持つ
ＬＳＩを評価試料とした。このLSIは、ＭＯＳトランジ
スタ部３３，メモリ容量部３４，多層配線部３５で構成
されており、この中で０.５μｍ幅でタングステンシリ
サイドと多結晶Ｓｉを重ねた構造のゲート電極３６を持
ち、１３ｎｍのゲート酸化膜３７のＭＯＳトランジスタ
の評価を行った。

【０１２１】ストレス電圧をトランジスタに印加すると
ホットキャリアがゲート酸化膜に注入されて閾値電圧
（Ｖｔｈ），相互コンダクタンス（ｇｍ）および界面準
位（Ｄｉｔ）が変動するが、この劣化（変動）速度が速
い、すなわち不良製造ロットのトランジスタについてそ
の原因解明に本実施例の装置を応用した。

【０１２２】ホットキャリア注入はＳｉ基板３２の側か
らゲート酸化膜に電子または正孔を注入することであ
り、その結果界面準位が増大する。ゲート酸化膜にＸ線
を照射すると電子と正孔が発生し、ホットキャリア注入
と同様な効果を持つ。

【０１２３】同じ製造ロットの中から閾値電圧と相互コ
ンダクタンスがほぼ同じ特性を持つトランジスタを選び
出した。そしてそれぞれのＭＯＳトランジスタにつき、
その平面内で図１２に示した（１）ないし（８）、およ
び（ａ）ないし（ｍ）で示した位置の中のいずれかの１
点を選び、Ｘ線ビームをそれぞれ１０分間照射した。こ
の照射位置決めには、Ｓｉ基板の裏面側に設置したイメ
ージングプレートに写し出されたトランジスタのＸ線透
過像により行った。また、このときエネルギ分散型Ｘ線
回折法を用いてＳｉ基板の（４００）面からの回折Ｘ線
も同時に測定して格子面間隔を求め、ＬＳＩチップ周辺
のスクライブラインでＳｉ基板が露出した部分で得られ
た（４００）格子面間隔からの変化率をトランジスタ内
の各Ｘ線照射位置での基板内格子歪（ε）とした。なお
Ｘ線照射角を３０度に設定したとき、（４００）面から
の回折Ｘ線のエネルギはほぼ９.１ｋｅＶであった。

【０１２４】図１３にＸ線照射前後のＭＯＳトランジス
タの相互コンダクタンス変化率（Δｇｍ／ｇｍ）と界面
準位の変化率（ΔＤｉｔ／Ｄｉｔ）の照射位置依存性を
示す。図には正常な特性を示すＬＳＩ製造ロットにおけ
るトランジスタのＸ線照射位置依存性３８とホットキャ
リアによるトランジスタ特性の劣化速度の速いロットの
照射位置依存性３９を示した。相互コンダクタンスおよ
び界面準位のＸ線照射による変化率は、ゲート電極３６
および素子間分離絶縁膜領域４０などの端部でいずれも
大きくなっているが、その変化率は不良ロットのほうが
数倍大きい。これらの依存性からホットキャリアが注入
されて劣化するのは主にこれらの端部のゲート酸化膜と
Ｓｉ基板の界面であり、不良ロットではこれらの部分が
特に悪いことがわかった。

【０１２５】端部で特性劣化が著しいことより、これら
の部分のゲート酸化膜に外部からの何等かの力が加わっ
ていることが予測された。しかしゲート酸化膜内での局
所部の力を測定するのは難しい。そこで、本発明の装置
を用いてＳｉ基板内の歪分布より端部のゲート酸化膜に
加わる力の評価を行った。

【０１２６】図１４にＳｉ基板面内の格子歪分布を示し
た。この分布は相互コンダクタンスや界面準位などの電
気特性の照射位置依存性と相対的によく一致している。
したがって、ゲート電極や素子間分離絶縁膜端部での応
力集中がゲート酸化膜やそのＳｉ基板界面に歪を生じさ
せ、ホットキャリア注入による界面準位の増大を容易に
していることがわかった。なお、界面準位の増大は、良
く知られているように相互コンダクタンスや閾値電圧の
劣化を引き起こす。また図１４より、不良ロットでは良
品ロットよりゲート電極や素子間分離絶縁膜端部での歪
量が大きく、すなわち端部でのゲート酸化膜に加わる力
が大きいことがわかる。

【０１２７】そこで良品ロットと不良ロットについて、
先のＸ線照射時に同時に検出されたタングステンの蛍光
Ｘ線の輝度よりゲート電極を構成するタングステンシリ
サイドの膜厚を求めた。その結果、不良ロットは良品ロ
ットより膜厚が２０％厚く、ゲート端部に加わる力が大
きいことがわかった。さらに不良ロットのほうが素子間
分離絶縁膜端部での歪の分布領域が狭いことより端部形
状が急峻で大きな力が局所部に集中していることがわか
った。これらがロット不良を生じさせた原因である。

【０１２８】このように本発明により、素子を割ったり
削ったりすることなく、かつ従来の電気特性だけでは解
明できなかった局所部の不良原因を材料と電気的特性の
両面から解明することができた。

【０１２９】（実施例６）本発明の実施例を図１５を用
いて説明する。本実施例では実施例５で示した装置を基
本としており、それにガラスキャピラリとＸ線発生機の
中間にＸ線フィルタ４１を挿入し、キャピラリにより形
成されるＸ線ビームを単色化した。試料周辺を真空室１
９に入れるとともに、Ｘ線を照射したとき光電効果によ
り試料から放射される電子１６のエネルギを検出するた
めのエネルギアナライザ１５を取り付けた。

【０１３０】ここでは本実施例の装置を図１２に示した
ＬＳＩの多層配線部３５における層間絶縁膜２６の評価
に応用した。ここで評価した層間絶縁膜はスパッタ法で
形成したＳｉＯ₂，化学蒸着（ＣＶＤ）法で形成したり
んとボロンを含有したＳｉＯ₂、そしてスピンオンガラ
スと呼ばれるＳｉＯ₂膜である。層間絶縁膜の評価には
Ｘ線フィルタを用いて５ｋｅＶのエネルギを持つ０.１
μｍ径のビームを適用した。このビームを図１１に示
す断面構造を持ち、Ｓｉ基板との接触部を持たない第１
層目と第２層目のＡｌ配線の交差部での層間絶縁膜４４
に照射し、照射前後のＡｌ配線間の電流−電圧特性の変
化を観察した。

【０１３１】図１６に示すように、配線間に加える電圧
を徐々に増加させると、電圧が低い領域では微量の変位
電流５９が流れ、さらに増加すると電圧の増加に対する
電流の増加率が顕著になるいわゆるトンネル電流６０領
域が現われ、さらに増加を続けると絶縁膜が破壊して急
激に電流６１が増大する。この測定では、トンネル電流
が少し流れる状態で印加電圧を固定しておき、Ｘ線ビー
ムを１０分間照射した。ほとんどの場合、Ｘ線照射によ
り絶縁膜を流れるリーク電流は減少した。

【０１３２】トンネル電流はＡｌ配線と絶縁膜界面に加
わる電界強度により決まる。したがって、印加電圧を一
定にしているにもかかわらず、電流が減少する現象はＸ
線照射により界面近傍の電界強度が緩和されたことを示
している。これはＸ線照射により絶縁膜内に発生した電
子が界面に存在していた正の電荷部分、すなわち電子ト
ラップに捕獲されたためと考えられる。この減少量はス
ピンオンガラスが最も大きく、続いてりんとボロンを含
有したＳｉＯ₂そしてスパッタ法で形成したＳｉＯ₂の
順であった。特に水分の含有量の多い膜ではその減少量
が多かった。

【０１３３】（実施例７）本実施例を図１７用いて説明
する。本実施例では実施例の５および６で、試料に紫外
線４６を照射するための光源４７を設けた。実施例５や
６ではＸ線照射による放射線損傷による界面準位や電荷
トラップなどの変動を調べた。Ｘ線照射により素子に損
傷が入るため、照射位置依存性を求める場合、同じよう
な初期特性を持つ素子を照射位置の数だけ選び、各素子
には１点の照射のみを行うようにする必要があった。し
かし、同一ロットから取り出した素子でも特性のばらつ
きがあり、また多数点の照射位置依存性を調べる場合、
多くの素子を準備しなかればならないという不便があっ
た。

【０１３４】本実施例ではこの欠点をなくし、１個の素
子から照射位置依存性を得られるようにした。すなわ
ち、１点にＸ線を照射した後、実施例１ないし６で述べ
た各種の特性を測定し、それが完了すると紫外線を照射
した。この照射によりトランジスタの電気特性はＸ線照
射前の状態に戻すことができた。この後、Ｘ線照射位置
を所望位置まで移動して再び同様の測定を行った。これ
らを繰り返すことにより１個の素子から照射位置依存性
が求められるため、データのばらつきが少なく、また多
数の試料を準備する必要がなくなった。照射位置を試料
面内で２次元的に移動しながら上記の繰り返しを行うこ
とにより特性の２次元分布を求めることができた。この
場合は、先の実施例のように試料間のばらつきによる要
因がないため、その分布より欠陥部の抽出を容易に行う
ことができた。

【０１３５】本実施例を次に述べる極薄酸化膜の評価に
用いた。

【０１３６】ゲート酸化膜が５ｎｍ以下のように薄くな
ってくるとトンネル電流が流れるため、従来、酸化膜の
膜質評価に用いられてきた容量−電圧（ＣＶ；Capacita
nce−Voltage ）法の適用が難しくなる。そこで本実施
例の装置を適用した。用いたＸ線ビーム系は実施例５と
同じである。

【０１３７】水分を含んだ酸素雰囲気と含まない酸素雰
囲気でＳｉ基板表面に３ｎｍのＳｉ酸化膜を形成した。
これらの酸化膜にＸ線を照射したとき放射されるＯ1s光
電子の運動エネルギのＸ線照射時間依存性を調べた。こ
のＸ線照射時間依存性、すなわちＸ線照射により生成し
た電荷の帯電特性から酸化膜内に存在するトラップの種
類を判定することができ、この方法はすでに日本金属学
会誌，第５６巻，第７号，８６３頁−８６４頁，１９９
２年にて報告されている。

【０１３８】この方法を用いて評価した結果、水分を含
んだ酸素雰囲気で形成した酸化膜には電子を捕獲するト
ラップが多く、水分を含まない雰囲気の場合は正孔トラ
ップが多数を占めることがわかった。この測定と紫外線
照射を交互に０.１μｍピッチで繰り返し、酸化膜面内
の２次元分布を求めたところ、いずれの酸化膜にも所々
で帯電しにくい部分があることがわかった。この測定で
はＯ1sとともに酸化していないＳｉからのＳｉ2p光電子
と酸化したＳｉからのＳｉ2p光電子の比を同時に測定し
た。その結果、帯電しない部分ではこの比が大きく、Ｓ
ｉの酸化が不十分であることがわかった。

【０１３９】そこでＸ線照射角を０.１５度の低角度に
設定し、この近傍の蛍光Ｘ線分析を行った。その結果、
Ｓｉの酸化が不十分な領域では、他の領域よりＦｅとＺ
ｒの蛍光Ｘ線輝度が高く、これらの部分（Ｓｉ基板内の
可能性あり）にはこれらの微量の不純物が存在している
ことがわかった。なお、この蛍光Ｘ線分析では照射Ｘ線
としてＸ線発生機のターゲットからのＷ−Ｌα特性Ｘ線
を用いた。

【０１４０】本実施例の他の応用として、書き込みと読
み出しが可能なフラッシュメモリのゲート酸化膜の評価
に適用した。０.５μｍ幅のゲート電極（浮遊ゲート電
極も含む）の上から２ないし１０ｋｅＶのエネルギを持
つＸ線ビ−ムを照射した。浮遊ゲート電極下の酸化膜は
７ｎｍであった。図１２の（１）ないし（８）と同様に
ゲート電極を横切るようにＸ線を照射した後のゲート電
極の電位変化を調べた。電極端部近傍になるほどＸ線照
射前の電位に戻る速度は、ゲート電極幅方向の中心部に
照射したときより約４０％も速く、フラッシュメモリに
おける書き込み電荷の減少は主に端部で起こっているこ
とがわかった。

【０１４１】本実施例により、従来の電気的評価法では
困難であった極薄膜で局所部の電気的，材料的な評価を
試料を削ったり，割ったりすることなく評価することが
可能になった。

【０１４２】なお上の測定では、酸化膜の評価に主にＸ
線光電子分光法（X−rayPhotoelectron Spectroscopy)
を用いたが、Ｘ線吸収端微細構造分析法(ExtendedX−ra
y Absorption fine Structure ）など他の分析法も適用
できる。

【０１４３】（実施例８）本実施例を図１８を用いて説
明する。本実施例では上記の各実施例の装置に試料を水
素雰囲気中で熱処理するための加熱室４８を設けた。Ｘ
線による放射線損傷は実施例７で示した紫外線照射でほ
ぼなくすることができるが、試料によっては素子特性が
回復しない場合があった。紫外線照射でも回復しない場
合は、加熱室の上面の蓋４９を閉じ、ガス導入口５０か
ら水素を入れ、ガス出口５１から排気しながら３００度
から５００度の温度で加熱した。この後、水素を抜き
（図１８の装置ではこの後、真空排気を行う）、蓋を開
放して上記の各実施例と同様の測定を行った。この熱処
理によりトランジスタなどの特性を初期に戻すことがで
きた。

【０１４４】次に実施例５と同様の方法で第２層目の配
線間の絶縁膜４５の評価を行った。ここでは、１.５ｋ
ｅＶのエネルギを持つＸ線ビームを用いた。配線間の
絶縁膜には、スパッタ法で形成した後、表面を化学機械
研磨法で平坦化したＳｉＯ₂膜とプラズマ有機ＣＶＤ法
で形成して平坦化したＳｉＯ₂膜について評価した。こ
の場合は、この上に他の層を被覆することなく、これら
の絶縁膜が露出した状態で測定した。Ｘ線照射前後の配
線間の電流−電圧特性の評価法は実施例３と同じであ
る。化学機械研磨したＳｉＯ₂膜の場合は、Ｘ線照射位
置により照射前後で一定電圧印加しているにもかかわら
ずリーク電流が増加する場合と減少する場合があり、す
なわち電子トラップと正孔トラップが混在していること
がわかった。一方、プラズマ有機ＣＶＤ法で形成したＳ
ｉＯ₂膜の場合は、Ｘ線照射により電流が減少し、電子
トラップが存在していることがわかった。

【０１４５】これらの測定では、Ｘ線照射時に絶縁膜か
ら放射されるＯ1s光電子とＳｉ2p光電子の強度比を求
め、この比を熱酸化膜の場合に得られる強度比と比較す
ることにより、ＳｉＯx 膜の組成を評価した。プラズマ
有機ＣＶＤ法で形成した膜ではｘが２.２ないし２.３と
Ｓｉ酸化膜の化学量論的組成のｘ＝２.０より酸素が多
いことがわかった。一方、化学機械研磨した酸化膜の場
合は、照射位置によりｘが１.８から２.２とばらつきが
あり、Ｓｉが多い場所と少ない場所があることがわかっ
た。これらは、電流−電圧特性により示した電子あるい
は正孔トラップの散在と良い対応があった。なお、本実
施例の装置で４５０℃で６０分の酸素雰囲気と水素雰囲
気の熱処理を行うと、いずれの場合もトッラプが減少
し、かつｘが化学量論的組成に近づくことがわかった。

【０１４６】（実施例９）本実施例の装置構成は実施例
５と同じである。ただし、この場合は半導体装置の裏面
から流れる電流を取り出すことができる試料台とその電
流の測定系を設けた。Ｘ線を照射したときＳｉ基板等の
半導体の中で発生する電荷による電流を測定し、照射位
置と基板裏面側から取り出された電流値とを対応させた
試料面内分布を図１に示したデータ処理装置で求められ
るようにした。

【０１４７】ダイナミックランダムアクセスメモリで、
蓄積電荷量の減衰が速い素子の不良解析に本実施例の装
置を適用した。図１１はこのメモリの断面構造を示して
おり、評価した試料のメモリ容量部の大きさは１μｍ×
２μｍであり、照射Ｘ線のエネルギは５ｋｅＶで、ビー
ム径は０.１μｍであった。試料上面の垂直方向からメ
モリ容量部近傍にＸ線を照射し、照射位置を移動させた
ときの電流値の２次元面内分布を求めた。

【０１４８】この測定ではＸ線照射時に流れる電流とと
もに、照射直後の電流の減衰特性も同時に求めた。メモ
リ容量部での蓄積電荷の減衰が速い不良素子では、Ｘ線
照射により基板裏面側に流れる電流が少なく、かつＸ線
照射後の電流減衰速度が速いことがわかった。特にメモ
リ容量用の電極がＳｉ基板と接触している部分ではその
減衰速度が顕著に短かった。これらの測定結果より、こ
の部分にＸ線照射により発生した電子と正孔の再結合を
促進させるなんらかの原因が存在することがわかった。

【０１４９】そこで先に述べたと同様な低角度からＸ線
を照射して蛍光Ｘ線分析を行ったところ、この部分で極
微量のＦｅやＣｕが検出された。さらにこのメモリ部近
傍のＳｉ基板内歪の分布をやはり先の実施例で述べたと
同様のＸ線回折測定法で求めたところ、メモリ容量用電
極がＳｉ基板と接触している部分の歪が最も大きいこと
がわかった。これらの結果より、メモリの製造工程でな
んらかの不純物が基板内に入り、メモリ部で最も複雑で
応力集中が大きい電極接触部にこれらの不純物が熱処理
を経る過程で偏析したものと考えられる。

【０１５０】なお、本実施例と似た方法として、基板に
電子線をあて、このとき生じた基板電流の２次元分布よ
り基板内欠陥を調べる方法がすでにある。しかし、この
方法ではＬＳＩのメモリ部のように基板上に多くの層、
特に電極配線層があると適用できなかった。また同じ装
置で不純物や結晶構造ならびに歪などを評価することは
できず、欠陥部が明らかになっても原因を解明すること
は困難であった。

【０１５１】以上の実施例では酸化膜およびＳｉ基板に
Ｘ線を照射したとき生じる電荷を利用して各種の電気的
および材料的特性の評価を行ったが、本発明によれば、
配線などの金属層に微細Ｘ線ビームを照射して、Ｘ線回
折および蛍光Ｘ線分析によりその微小部での結晶構造や
元素分布を評価できる。

【０１５２】上に示した実施例では微細Ｘ線ビームの形
成にガラスキャピラリを用いたが、フレネルレンズや各
種ミラーを用いることもできる。またＸ線発生源にシン
クロトロン放射光設備を適用すれば広いエネルギ範囲に
わたって輝度の高い微細Ｘ線ビームが形成できるため、
測定が短時間で行えるようになることは言うまでもな
い。

【０１５３】上に述べた各実施例では、半導体材料とし
て、Ｓｉのみを用いたが、本発明は、ＧａＡｓやその他
の化合物半導体からなる素子にも同様の方法で評価でき
るのは、言うまでもない。また、絶縁膜材料としてＳｉ
Ｏ₂を用いたが、シリコン窒化膜やＴａ酸化物、その他
の材料にも適用できる。さらに、ショットキー接合部の
欠陥やトラップ評価にも適用可能である。

【０１５４】

【発明の効果】ＭＯＳ超々高集積回路などの開発では、
プロセスの数が多くなり、複雑となるため、試料作製が
容易で、絶縁膜が非常に薄くなったときでも使える簡易
検査法が望まれている。

【０１５５】本発明によれば、絶縁膜／半導体構造の試
料で半導体素子を形成することなく、素子特性に影響を
与える不純物や欠陥についての知見が得られる。本発明
では、素子を形成する必要がないし、電極も不要である
ので、試料作製が容易である。また、従来のＣＶ法で
は、絶縁膜があまり薄いとトンネル電流が流れるため、
測定が困難になるが、本発明では、薄くなっても全く問
題なく、むしろ薄いほうが測定しやすい。

【０１５６】なお、上の実施例では、絶縁膜上に電極を
付けない場合の測定結果のみを示したが、電極を絶縁膜
／半導体からの光電子発生可能な程度まで薄くできれ
ば、半導体禁止帯内でフェルミ準位を各種変えた状態で
の測定などが可能である。また、測定例を示さなかった
が、Ｘ線照射停止後、試料電流や電位の変化を測定すれ
ば各種トラップからの電荷の離脱について知ることがで
きる。

【０１５７】以上のように、本発明はこれらの半導体プ
ロセス開発にとって非常に有効な検査手法といえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】絶縁膜／半導体試料にＸ線を照射したとき、形
成される電子−正孔対の一部が捕獲準位（トラップ）に
捕獲される過程を示す説明図。

【図２】本発明の装置の基本構成を示すブロック図。

【図３】ＳｉＯ₂表面／Ｓｉ表面電位差φ(ｔ)のＸ線照
射時間ｔ依存性を示す特性図。

【図４】ｌn［φ₀₂−φ(ｔ)］とｔとの関係を示す特性
図。

【図５】試料電流ｉ(ｔ)とｔとの関係を示す特性図。

【図６】短い時定数に対応する試料電流ｉ₁(ｔ）とｔと
の関係を示す特性図。

【図７】時定数τ₂に対応するトラップに捕獲された電
荷に起因する電位分布の特性図。

【図８】標準電極と試料表面間の接触電位差を求める方
法により測定したｌｎ［φ₀−φ(ｔ)］とｔとの関係を
示す特性図。

【図９】図８のｔ＜３００ｓの部分をより詳細に示す特
性図。

【図１０】本発明の実施例２の基本構造を示すブロック
図。

【図１１】本発明の各実施例で測定試料として用いたＬ
ＳＩの断面図。

【図１２】本発明の実施例２で評価したＭＯＳトランジ
スタの平面構造と微細Ｘ線ビームの照射位置の関係を示
す説明図。

【図１３】本発明の実施例２の測定結果の一例を示す特
性図。

【図１４】本発明の実施例２の測定結果の一例を示す特
性図。

【図１５】本発明の実施例３の装置を示すブロック図。

【図１６】本発明の実施例３および実施例５で得られた
層間および配線間絶縁膜の電流−電圧特性図。

【図１７】本発明の実施例４の装置構成を示すブロック
図。

【図１８】本発明の実施例５の装置構成を示すブロック
図。

【符号の説明】

１…半導体、２…絶縁膜、３，１２…Ｘ線、４…電子−
正孔対、５，１６…光電子、６…捕獲準位、７…正孔、
８…電子、９…試料台、１０…試料、１１…Ｘ線発生
源、１３…シャッタ、１４…Ｘ線フィルタ、１５…電子
検出器、１７…電子分光器、１８…データ処理機構、１
９…真空容器、２０…標準電極、２１…電位差測定機
構、２２…電流計。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０１Ｒ 31/302 Ｈ０１Ｊ 37/252 ＡＨ０１Ｊ 37/252 Ｇ０１Ｒ 31/28 Ｌ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｘ線などの電磁波ビームを照射する機構を
有し、前記ビーム照射により半導体試料内の絶縁層内で
電子や正孔などの電荷を発生させ、発生電荷量、あるい
は前記電荷発生に伴い現われる半導体素子の電気特性変
化や試料表面の電位変化、もしくは前記ビーム照射によ
り被検試料から放出される電子や電磁波光子の数，エネ
ルギ，波長など、上記のうち少なくとも一項目を検出
し、それらのビーム照射時間依存性より半導体試料の材
料あるいは素子構造の特徴や欠陥を評価する機能を有し
たことを特徴とする半導体評価装置。
【請求項２】請求項１において、前記ビーム照射域内、
もしくはその極近傍の少なくとも一部に絶縁層と半導体
あるいは絶縁層と金属層の接合部を有する被検物を評価
対象とし、前記ビーム照射により絶縁層や前記接合部に
損傷を与えるか、もしくは電荷を発生させ、前記損傷や
電荷発生あるいはこれらに関連して表れる絶縁層のリー
ク電流特性，半導体素子あるいは半導体基板の電気特性
の経時変化を評価することを特徴とする半導体評価装
置。
【請求項３】請求項１または２において、半導体試料上
に設けられた電極，配線に外部から電圧を加えない状態
で、前記ビームを照射し、照射により絶縁層あるいは半
導体基板内に発生した正孔や電子により生じる電流もし
くは電極配線や半導体装置内の電位変動を検出する機能
を有することを特徴とする半導体評価装置。
【請求項４】請求項１から３における各評価を、前記ビ
ームを照射しながら行えるようにしたことを特徴とする
半導体評価装置。
【請求項５】請求項１から３において、前記評価項目の
前記ビーム照射開始後、もしくは照射停止後の時間変化
を評価することを特徴とする半導体評価装置。
【請求項６】請求項１乃至５において、前記ビームを間
歇的に照射できるようにしたことを特徴とする半導体評
価装置。
【請求項７】請求項１において、前記ビーム照射に伴い
生じる電荷の時間変化を試料−アース間電流あるいは試
料の表面電位の時間変化より求めることを特徴とする半
導体評価装置。
【請求項８】請求項１，２，３，４，５，６または７に
おいて、電荷計測手段として、試料からアースに流れる
電流を測定することにより行い、この電流測定機構が試
料台とアース間に設置されている半導体評価装置。
【請求項９】請求項８において、試料台とアースの間に
電圧を印加できるようにした半導体評価装置。
【請求項１０】請求項１において、Ｘ線照射により試料
から放出される電子の個数と各電子の持つエネルギを分
析することを可能にする機構を有した半導体評価装置。
【請求項１１】請求項１において、金など、表面の経時
変化の少ない金属からなる標準電極を有し、前記電極と
試料間の接触電位差を評価する機構を有する半導体評価
装置。
【請求項１２】請求項１，２，３，４，５，６，７，
８，９，１０または１１において、試料台の温度を制御
しながら変化できる機構を有した半導体評価装置。
【請求項１３】請求項１ないし１２のいずれかにおい
て、試料へのビーム照射を一時的に遮ることを可能にす
るための機構を設けた半導体評価装置。
【請求項１４】請求項１ないし１３のいずれかにおい
て、試料外部から試料に入射してくる電子線量を計測す
る機能を有した半導体評価装置。
【請求項１５】請求項１ないし１４のいずれかにおける
前記機構が、圧力１ｍＰａ以下の真空度にできる容器に
内蔵された半導体評価装置。
【請求項１６】請求項１ないし１５のいずれかの前記電
流や表面電位の計測情報を入力して、得られたデータを
処理する機構を有する半導体評価装置。
【請求項１７】請求項１６において、電流あるいは表面
電位の時間変化特性の中で、時間変化の時定数の異なる
成分を分離する機能を有する半導体評価装置。
【請求項１８】請求項１７において、同じ時定数の前記
電流変化と表面電位の変化に対して、前記電流変化の積
分より絶縁膜と半導体界面の電荷量を求め、前記電荷と
表面電位の変化を境界条件として、試料内の電位あるい
は電荷分布を求める半導体評価装置。
【請求項１９】請求項１ないし１８のいずれかにおい
て、前記ビームが被検半導体試料上のビーム照射面に設
けられた半導体素子の面積と同程度もしくはより微細で
ある半導体評価装置。
【請求項２０】請求項１９において、半導体試料上の微
細な前記ビームの照射位置を移動させながら、各移動点
で上記の各項で示した特性を測定し、かつ、それらの各
点で得られた特性を半導体試料上のビーム照射位置に対
応するように配置して、各特性の２次元的な分布を得ら
れるようにした半導体評価装置。
【請求項２１】請求項２０において、半導体特性の２次
元分布における特異点を抽出し、半導体試料上に設けら
れた半導体素子の欠陥部分を検出できるようにした半導
体装置。
【請求項２２】請求項１ないし２１のいずれかにおい
て、前記ビームが照射された半導体試料に紫外線照射も
しくは水素含有雰囲気で熱処理を加えることにより、ビ
ーム照射による損傷を取り除き、正常な特性を持つ半導
体素子に回復できる機能を有した半導体評価装置。