JPH10270519A - 半導体装置の評価方法 - Google Patents
半導体装置の評価方法Info
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Abstract
に短時間で評価することができ、その精度が優れた半導
体装置の評価方法を提供する。 【解決手段】 基板と、基板上に形成された絶縁膜と、
絶縁膜の上に形成された電極とを有するMOSキャパシ
タに対して、LSIの製造工程としてのプラズマ処理を
施す。次に、プラズマ処理が終了したMOSキャパシタ
のIV(電流−電圧)特性を測定する。そして、MOS
キャパシタのFNトンネル電流が発生する電圧よりも低
い電圧をこのMOSキャパシタに印加し、その電極から
基板に流れるリーク電流を測定する。このリーク電流の
大きさは、プラズマ処理により絶縁膜が受けたダメージ
の程度に比例するので、そのダメージの程度を評価する
ことができる。そして、この結果により、半導体装置を
プラズマ処理した場合の絶縁破壊ダメージの程度を評価
する。
Description
置を製造する際のプラズマ処理中において発生する絶縁
膜(シリコン酸化膜)のダメージを評価する方法に関
し、特に、短時間で、連続したダメージの大小を容易に
評価することができる半導体装置の評価方法に関する。
ト除去工程及びイオン注入工程等のプラズマ処理におい
て、チャージアップ現象によって絶縁膜(シリコン酸化
膜:SiO2)が破壊したり、ダメージを受けたりする
ことが問題となっている。
表面のプラズマ電位の分布を示すグラフ図と、このプラ
ズマ処理により発生する基板中の電流の流れを示す模式
図であり、(b)は基板の一部を拡大して示す断面図で
ある。図7(a)に示すように、シリコン基板22に種
々のプラズマ処理を施す場合、先ず、基板22を基体2
1の上に配置し、これをプラズマ処理装置のチャンバ1
5内に設けられた支持台16の上に配置する。なお、支
持台16は接地されており、基体21はシリコン基板2
2にRFバイアス電圧を印加するための電源17に接続
されている。従って、電源17によって基体21にRF
バイアス電圧を印加すると、シリコン基板22にもRF
バイアス電圧が印加される。
2には、例えば、その上にゲート絶縁膜23が形成され
ており、このゲート絶縁膜23の上には、複数の上部電
極24が形成されている。なお、ゲート絶縁膜23は上
部電極24の下方において、他の部分よりも薄い膜厚で
形成されている。
ラズマ処理を施すと、図7(a)のグラフ図に示すよう
に、基板22の表面のプラズマ電位が不均一になる。こ
れにより、電荷が電極24からシリコン基板22の内部
を伝わり、プラズマ電位の高い場所から低い場所に移動
する。その結果、矢印25に示す方向に、上部電極24
から、その下方の薄いゲート絶縁膜23を通じて基板2
2に電流が流れて、チャージアップダメージが発生す
る。
法として、MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)キャ
パシタ構造を有するデバイスの電流−電圧特性を測定す
る方法(IV測定法)がある(Hyungcheol Shinら、「M
odeling Oxide Thickness Dependence of Charging Dam
age by Plasma Processing」IEEE ELECTRON DEVICE LET
TERS, VOL.14, NO.11, (1993), pp.509-511、水谷ら、
「プラズマプロセスによるSiO2/Siの照射損
傷」、応用物理、第59巻、第11号 、(1990)、pp.14
96-1501)。図8は従来のIV測定法において使用する
MOSキャパシタ構造を示す断面図である。半導体基板
(Semiconductor)26の上に酸化膜(Oxide)27が形
成されており、その上に電極(Metal)28が選択的に
形成されることによりMOSキャパシタ29が構成され
ている。なお、酸化膜27は、電極28の下方におい
て、他の部分よりも薄く形成されている。
9を利用するIV測定法とは、MOSキャパシタ29に
印加する電圧を徐々に増加させて、電極28から基板2
6に流れる電流値を測定することによって絶縁膜のダメ
ージを評価する方法であり、単純な構造のデバイスを使
用して測定することができ、その測定方法が簡単であ
る。
って、一般的なIV特性の例を示すグラフ図である。図
9に示すように、MOSキャパシタ29の電極28に印
加する電圧を増加させると、リーク電流30aが発生す
る。このリーク電流30aは、ある電圧値に達するまで
は電圧値の増加に伴って若干増加する。そして、ある電
圧値を超えると、FNトンネル電流30bが流れ始め
る。このFNトンネル電流とは、絶縁膜(酸化膜27)
に大きな電圧(電界)が印加された場合に、トンネル現
象によって電子が絶縁膜の電導帯に移動し、電流が流れ
る現象のことである。
28に印加する電圧を増加させると、例えば、約12
(MV/cm)の電圧の印加によって不可逆な絶縁破壊
30cが発生する。IV測定法においては、FNトンネ
ル電流が流れる領域で、所定の電流値(例えば5(mA
/cm2))に達したときの電圧値(GOI電圧)を測
定することにより、絶縁膜のダメージを評価することが
できる。
して、MOSキャパシタにの電極に定電流のストレスを
印加して、絶縁破壊に至るまでの時間(注入電荷量)を
測定する方法(QBD測定法)がある(K.Erigutiら、「Q
uantitative Evaluation ofGate Oxide Damage during
Plasma Processing Using Antenna-Structure Capacito
rs」、Jpn.J.Appl.Phys., Vol.33, Part 1, No.1A, (19
94), pp.83-87 )。
とって、プラズマ処理前のデバイスと、プラズマ処理後
のデバイスとの絶縁破壊に至るまでの時間の比較を示す
グラフ図である。図10においては、プラズマ処理前の
デバイスが絶縁破壊するまでの時間をT0とし、プラズ
マ処理後のデバイスが絶縁破壊するまでの時間をT1と
している。MOSキャパシタに一定の電圧を印加したと
きに、電極から基板に流れる電流をI、破壊までの時間
をTとすると、QBDはI×Tによって算出することがで
きる。
ble Programable Read-Only-Memory)又はMNOS(Me
tal-Nitride-Oxide-Semiconductor)構造デバイスの静
電容量−電圧を測定する方法(CV測定法)も公知であ
る(K.Hashimotoら、「QUANTITATIVE EVALUATION OF CH
ARGE-UP DAMAGE BY USING CURRENT SENSITIVE MOS DIOD
ES」、Proceeding of 13th Dry Process Symposium, (1
991), pp.93-97 )。図11は従来のCV測定法におい
て使用するMNOS構造のデバイスを示す断面図であ
る。半導体基板(Semiconductor)31の上に酸化膜(O
xide)32が形成されており、その上に窒化膜33が形
成されている。そして、この窒化膜33の上に電極(Me
tal)34が選択的に形成されることにより、MNOS
構造デバイス35が構成されている。なお、酸化膜32
は電極34の下方において、他の部分よりも薄く形成さ
れている。
ス35を利用したCV測定法は、プラズマ処理中に受け
たチャージアップ電圧を凍結して、C−V(静電容量−
電圧)を測定することにより絶縁膜のダメージを評価す
る方法である。
使用したCV測定において、そのしきい値電圧のシフト
を測定する方法も使用されている(Hyungcheol Shin
ら、「Spatial Distributions of Thin Oxide Charging
in Reactive Ion Etcher and MERIE Etcher」、IEEE E
LECTRON DEVICE LETTERS, VOL.14, NO.2, (1993), pp.8
8-90 )。
絶縁膜のダメージを測定する方法には、以下に示す問題
点がある。例えば、一般的にFNトンネル領域における
IV特性は、プラズマダメージの初期には殆ど変化せ
ず、ダメージの最終段階で急激に変化して絶縁破壊に至
る。この場合、測定されるGOI電圧は健常値又は零付
近(絶縁破壊の状態)の値となり、中間の値を示すこと
がない。従って、IV測定法においては、絶縁膜のダメ
ージの大きさはGoodとNo-Goodとの2段階のみで判断す
ることになり、中間のダメージ及びダメージの連続的な
大小関係を評価することは困難である。
のQBD値には統計的な分布があるので、各デバイスの絶
縁膜におけるダメージの大小を直接評価することは困難
である。更に、評価精度を向上させるためには、測定す
るために必要な時間が著しく長くなるという問題点があ
る。
ジスタ等の実際の半導体装置に形成されたデバイスが受
けるダメージは、注入された電荷量に依存するので、C
V測定の結果と、実際の半導体装置に形成されたデバイ
スが受けるダメージとを直接対比させることができな
い。即ち、例えばプラズマ照射時間の長さと、絶縁膜の
ダメージの大きさとを対比させて評価することができな
い。更に、このCV測定法では、デバイスはプラズマ処
理中に印加された最大のチャージアップ電圧を記憶する
ことになるので、プラズマが時間によって変化する場合
等には、正確に絶縁膜のダメージを評価することはでき
ない。
のであって、半導体装置の絶縁膜のダメージの程度を容
易に短時間で評価することができ、その評価精度が優れ
た半導体装置の評価方法を提供することを目的とする。
の評価方法は、半導体基板と、この半導体基板の上に形
成された絶縁膜と、この絶縁膜の上に形成された電極と
を有するMOSキャパシタをプラズマ処理した後、前記
MOSキャパシタの電流−電圧特性におけるFNトンネ
ル電流が生じる電圧よりも低い電圧を前記MOSキャパ
シタに与えて発生するリーク電流を測定し、半導体装置
をプラズマ処理した場合の前記半導体装置の絶縁破壊ダ
メージの程度を前記MOSキャパシタのリーク電流によ
り評価することを特徴とする。
流−電圧特性において、FNトンネル電流が生じる電圧
よりも低い電圧をMOSキャパシタに与えて、そのとき
に発生するリーク電流を測定する。本発明における電圧
測定領域のリーク電流の大きさは、MOSキャパシタの
絶縁膜が受けたダメージの大きさに依存すると共に、ダ
メージの大小によって連続的に変化するものである。従
って、これにより、MOSキャパシタの絶縁膜のダメー
ジの程度を高精度に評価することができる。そして、半
導体装置をプラズマ処理した場合のこの半導体装置の絶
縁破壊ダメージの程度をリーク電流の値によって評価す
ることができる。
タの電流−電圧特性を利用するので、単純な構造のデバ
イスにより、簡単に半導体装置を評価することができ、
その測定時間は、従来の測定法と比較して著しく短縮す
ることができる。
厚が10乃至300Åであり、前記電極が前記絶縁膜の
面積の1乃至1000000倍の面積を有するものであ
って、前記リーク電流を測定する電圧は、前記MOSキ
ャパシタの絶縁破壊電圧の5乃至70%の電圧であるこ
とが好ましい。
は、通常10乃至300Åの膜厚を有するので、本発明
においては、評価する対象となる半導体装置の絶縁膜の
膜厚と同様の膜厚を有するMOSキャパシタを使用する
ことが好ましい。また、絶縁膜の面積に対する電極の面
積比(アンテナ比)についても、通常の半導体装置のア
ンテナ比に対応させて、本発明においてはMOSキャパ
シタのアンテナ比を1乃至1000000倍とすること
が好ましい。
Sキャパシタの絶縁破壊電圧の5%未満であると、絶縁
膜が受けたダメージの程度を高精度に評価することが困
難になる。一方、測定電圧がMOSキャパシタの絶縁破
壊電圧の70%を超えると、FNトンネル電流が発生し
始めるので、測定電圧におけるリーク電流値が接近し、
絶縁膜のダメージの程度を高精度に評価することが困難
になる。従って、本発明においては、MOSキャパシタ
の絶縁破壊電圧の5乃至70%の電圧でリーク電流を測
定することが望ましい。
壊ダメージの程度の評価結果により、前記プラズマ処理
の適正条件を設計することができる。
ップ電圧を測定することにより半導体装置を評価するの
ではなく、チャージアップにより発生した絶縁膜のダメ
ージを直接評価するので、実際に使用する半導体装置が
有する絶縁膜が受けるダメージと対比することが容易と
なる。従って、このダメージの程度によって、半導体装
置にプラズマ処理を施す場合のプラズマ処理条件を適切
に設定することができる。
評価方法について、添付の図面を参照して説明する。図
1は本実施例に係る半導体装置の評価方法において使用
するMOSキャパシタ構造を示す断面図である。また、
図2(a)はチップが形成されたウエハを示す平面図で
あり、(b)はこのチップを拡大して示す平面図であ
る。
8インチウエハ7の全面に複数のチップ6を形成し、評
価用ウエハを作製する。これらの各チップ6にはMOS
キャパシタ構造を有するデバイスが形成されている。本
実施例において使用するデバイスのMOSキャパシタ構
造を以下に説明する。図1に示すように、下部電極とし
てのp型シリコン基板1の表面にフィールド絶縁膜2が
選択的に形成されており、これにより、素子領域が区画
されている。また、区画された素子領域の表面に、フィ
ールド絶縁膜2よりも薄い膜厚(例えば、90Åの膜
厚)でゲート絶縁膜3が形成されている。更に、ゲート
酸化膜3の上には、ポリシリコンからなる上部電極4が
形成されている。このようにして、MOSキャパシタ構
造が構成されている。
うに、面積が異なる分離された複数の電極が形成される
ようにポリシリコン膜を加工して上部電極4を形成し、
これにより、各評価デバイスA、B、C、D及びEを1
つのチップ6上に形成した。即ち、上部電極(アンテ
ナ)4の面積と、絶縁膜のゲート部分(ゲート酸化膜
3)の面積との比(アンテナ比)を変化させることによ
り、種々の条件でプラズマ処理を施したデバイスを想定
した。各評価デバイスのアンテナ比を下記表1に示す。
してのプラズマ処理(エッチング、レジスト除去及びイ
オン注入等)を施す。本実施例においては、ウエハ7を
プラズマエッチング装置に設置し、これを所定の条件
(ガス種、ガス圧力、高周波プラズマ電力及びバイアス
電極)でエッチング処理した。また、エッチング時間
は、上部電極4の膜厚の半分がエッチングされる時間に
設定した。
ローバ評価装置に設置し、各デバイスのIV(電流−電
圧)特性を測定する。図3はウエハ7上の1つのチップ
6における各デバイスのIV特性を示すグラフ図であ
る。図3中の記号は各デバイス記号を示す。また、Fは
プラズマ処理を施していないウエハのデバイスを示す。
プラズマ処理の条件が一定である場合、各デバイスのゲ
ート絶縁膜3が受けるチャージアップダメージの大きさ
は、アンテナ面積(アンテナ比)に比例することが公知
である。従って、本実施例においては、異なる条件でプ
ラズマ処理が施されて、異なる大きさのチャージアップ
ダメージを受けた絶縁膜のIV特性を評価した結果と同
様となる。
印加によって大きな電流が流れている。これは、デバイ
スAのゲート絶縁膜が、既に絶縁破壊を起こしているこ
とを示している。また、デバイスB乃至Eは絶縁破壊を
起こしていないが、FNトンネル電流よりも低い電圧で
リーク電流が発生している。更に、デバイスFはリーク
電流が発生していない。
アンテナ比をとって、各デバイスに発生するリーク電流
値を示すグラフ図である。即ち、図4は各デバイスのゲ
ート絶縁膜に10Vの電圧を印加した場合のリーク電流
値をアンテナ比に対して示したものである。図4に示す
ように、リーク電流値はアンテナ比の大きさ、即ち、チ
ャージアップによるダメージ量に比例して大きくなって
いる。
ように、デバイスB乃至Eは、デバイスFと殆ど同一の
IV特性を有している。従って、GOI電圧を測定する
ことによって絶縁膜のダメージを評価する従来の技術で
は、デバイスB乃至Eが受けたダメージの程度を評価す
ることはできず、絶縁破壊を起こしたデバイスA(No-g
ood)と絶縁破壊を起こしていないデバイスB乃至F(G
ood)との2段階で判定されるのみとなる。更に、デバ
イスB乃至Eは、絶縁膜のダメージを受けていないデバ
イスFと同一のダメージなし(Good)と判断されるの
で、ダメージの検出精度も低い。
デバイスB乃至EとデバイスFとの違いを明確に評価す
ることができると共に、デバイスB乃至Eの間のダメー
ジの程度も判断することができる。従って、デバイスが
受けたチャージアップダメージを、連続したダメージの
変化として高精度に評価することができる。従って、例
えば、種々の条件でMOSキャパシタにプラズマ処理を
施した場合の絶縁膜のダメージの程度を評価することに
より、実際の半導体装置の製造工程におけるプラズマ処
理条件を適切に設定することができる。
定であるとき、絶縁膜のダメージの程度はアンテナ比に
比例し、デバイスの構造には依存しないので、本実施例
に示すように、単純な三層構造の評価デバイスを使用し
て絶縁膜のダメージの程度を評価することができる。但
し、評価デバイスの構造は、図1に示す構造に限定され
ず、本発明においては、種々のMOSキャパシタ構造を
有する評価デバイスを使用することができる。
評価方法において使用することができる評価デバイスの
構造例を示す断面図である。図5及び6に示すデバイス
において、図1と同一物には同一符号を付して、その詳
細な説明は省略する。
部電極4を加工する前のポリシリコン膜8の上に、フォ
トレジスト9が選択的に形成されたものである。また、
図6に示す評価デバイスは、上部電極4及びフィールド
酸化膜2を含む表面全面に層間絶縁膜10が形成されて
おり、この層間絶縁膜10は、ゲート絶縁膜3に整合す
る領域にコンタクトホール10aが設けられていて、更
に、層間絶縁膜10の上に、コンタクトホール10aを
埋める金属膜11が形成されたものである。
ても、図1に示す評価デバイスと同様に、絶縁膜のダメ
ージの程度を評価することができる。
チング装置を使用してエッチング処理時におけるチャー
ジアップダメージを測定したが、本発明においては、そ
の他のプラズマ処理、例えば、レジスト除去(アッシン
グ)装置又はイオン注入装置を使用したレジスト除去時
又はイオン注入時におけるチャージアップダメージを測
定することができる。
メージを受けていないMOSキャパシタが絶縁破壊する
電圧まで各デバイスに電圧を印加し、そのデバイスのI
V特性によって各デバイスの特性を評価した。しかし、
本発明においては、MOSキャパシタのFNトンネル電
流が発生する電圧よりも小さな所定の電圧、例えば10
Vの電圧を印加した場合に発生するリーク電流のみを測
定してもよい。この電圧は、例えば、MOSキャパシタ
の絶縁破壊電圧の5乃至70%の範囲で設定することが
できる。このようにすることにより、測定時間を著しく
短縮することができる。
MOSキャパシタを使用して、このMOSキャパシタの
電流−電圧特性におけるFNトンネル電流が生じる電圧
よりも低い電圧をMOSキャパシタに印加して、発生す
るリーク電流を測定するので、MOSキャパシタの絶縁
膜のダメージの程度を高精度に評価することができ、こ
のリーク電流の値により、半導体装置をプラズマ処理し
た場合の前記半導体装置の絶縁破壊ダメージの程度を高
精度に評価することができる。また、本発明において使
用するMOSキャパシタは単純な構造であるので、その
評価方法が簡単になると共に、その評価時間を著しく短
縮することができる。
テナ比を適切に設定すると共に、リーク電流を測定する
電圧を適切に選択すると、実際の半導体装置に厳密に対
比させることができると共に、ダメージの評価精度を向
上させることができる。
評価結果により、前記プラズマ処理の条件を選択する
と、実際の半導体装置の製造工程におけるプラズマ処理
条件を適切に設計することができる。
使用するMOSキャパシタ構造を示す断面図である。
図であり、(b)はこのチップを拡大して示す平面図で
ある。
スのIV特性を示すグラフ図である。
をとって、各デバイスに発生するリーク電流値を示すグ
ラフ図である。
用することができる評価デバイスの構造例を示す断面図
である。
用することができる評価デバイスの他の構造例を示す断
面図である。
ラズマ電位の分布を示すグラフ図と、このプラズマ処理
により発生する基板中の電流の流れを示す模式図であ
り、(b)は基板の一部を拡大して示す断面図である。
パシタ構造を示す断面図である。
的なIV特性の例を示すグラフ図である。
ラズマ処理前のデバイスと、プラズマ処理後のデバイス
との絶縁破壊に至るまでの時間の比較を示すグラフ図で
ある。
構造のデバイスを示す断面図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 半導体基板と、この半導体基板の上に形
成された絶縁膜と、この絶縁膜の上に形成された電極と
を有するMOSキャパシタをプラズマ処理した後、前記
MOSキャパシタの電流−電圧特性におけるFNトンネ
ル電流が生じる電圧よりも低い電圧を前記MOSキャパ
シタに与えて発生するリーク電流を測定し、半導体装置
をプラズマ処理した場合の前記半導体装置の絶縁破壊ダ
メージの程度を前記MOSキャパシタのリーク電流によ
り評価することを特徴とする半導体装置の評価方法。 - 【請求項2】 前記MOSキャパシタは、前記絶縁膜の
膜厚が10乃至300Åであり、前記電極が前記絶縁膜
の面積の1乃至1000000倍の面積を有するもので
あって、前記リーク電流を測定する電圧は、前記MOS
キャパシタの絶縁破壊電圧の5乃至70%の電圧である
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の評価方
法。 - 【請求項3】 前記絶縁膜の絶縁破壊ダメージの程度の
評価結果により、前記プラズマ処理の適正条件を設計す
ることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置
の評価方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07001497A JP3642146B2 (ja) | 1997-03-24 | 1997-03-24 | 半導体装置の評価方法 |
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