JPH11108976A - 誘電率計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 薄膜の局所的な強誘電体特性を評価する。 【解決手段】 試料１に信号電圧を印加した状態で、試
料１の膜厚の変化を、カンチレバー４の撓みとして、ビ
ーム光源５および光位置検出器６により検出し、信号電
圧の交流成分を参照信号として前記撓みをロックインア
ンプ１０により同波検波し、かつ、探針４ａと試料台２
との間の静電容量を静電容量センサー８で検出して、こ
れを信号電圧の交流成分を参照信号としてロックインア
ンプ１０により同波検波し、ロックインアンプ９により
同波検波して得られた膜厚の変化分、および、ロックイ
ンアンプ１０により同波検波された静電容量の変化分に
基づいて、誘電率に関する量を情報処理装置１２により
求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一方が探針である
電極間に被測定物を備え、電圧を印加する測定装置の一
種で、印加電圧を変化させたときの誘電率の変化の割合
である微分誘電率を示す物理量を計測するための誘電率
計測装置に係り、特に、薄膜の局所的な増分誘電率を示
す物理量を計測することに好適な誘電率計測装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、高密度のランダム・アクセス・メ
モリーや、不揮発性ランダム・アクセス・メモリーなど
の半導体デバイスへの応用から、強誘電体薄膜が注目を
集めている。このような応用には、高い誘電率、高い残
留分極（remnant polarization）、および、低い抗電場
（coercive field）などが必要である。多くの強誘電体
のうち、これらの要求を満たす強誘電体として、例え
ば、Ｐｂ（Ｚｒ_xＴｉ_1-x）Ｏ₃ （ＰＺＴ）が挙げられ
る。ところが、薄膜の膜厚が薄くなると、これらの特性
が得られなくなることが知られている。この原因は未だ
明確ではない。

【０００３】この特性を明らかにするためには、強誘電
体薄膜の局所的な評価が必要である。この目的のため、
従来、走査型プローブ技術を用いた強誘電体薄膜の観察
が試みられている。その観察の方法は、次の３種類に分
類できる。

【０００４】第１の種類に分類される方法は、原子間力
顕微鏡のカンチレバーの探針に及ぼされる静電気力を、
探針を試料表面を走査しつつ計測する方法である。この
方法によれば、強誘電体薄膜の表面に表れている分極電
荷の分布が求められ、これから、強誘電体薄膜の分域構
造（domain structure）、ポーリングの状態に関する知
見を得ることができる。

【０００５】第２の種類に分類される方法は、原子間力
顕微鏡のカンチレバーの探針を試料表面に接触させた状
態で、探針と探針直下の強誘電体薄膜に電圧を印加し
て、膜厚の変化を局所的に計測する方法である。実際の
計測では、誘電体薄膜に電極を設け、これと探針との間
に交流電圧を印加して、膜厚の変化による探針の動きを
カンチレバーの撓み変化として検出している。

【０００６】第３の種類に分類される方法は、前記第２
の種類に分類される方法と同様に、探針を試料表面に接
触させ、探針と強誘電体薄膜の下の電極との間に電圧を
印加した状態とした上で、探針と電極との間の静電容量
を局所的に計測する方法である。計測された静電容量あ
るいは静電容量の電圧依存をマッピングすることによ
り、試料表面における、強誘電体特性の２次元分布を得
ることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、従来
の技術によって、分極電荷の分布、ならびに、印加電圧
の変化に伴う、膜厚の変化および静電容量の変化の情報
をそれぞれ得ることができ、得られたそれぞれの情報
は、強誘電体特性を評価するために利用されている。

【０００８】ところが、強誘電体特性を評価するために
は、前述した誘電率、残留分極、抗電場に関する情報を
得ることが好ましい。本発明者らの検討によれば、この
ような、強誘電体特性を示す情報を得るために、電圧の
変化に対する誘電率の変化の割合を示す微分誘電率を示
す物理量を計測することが有効であると考えられる。

【０００９】本発明は、薄膜の局所的な微分誘電率を示
す物理量を計測することができる誘電率計測装置を提供
することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の一態様によれば、計測すべき試料の局所的
な微小領域で電圧の変化に対する誘電率の特性を計測す
る誘電率計測装置において、電極を有した試料台と、導
電性の探針が一端に設けられ、他端が固定されたカンチ
レバーと、前記試料台に設置された試料と前記探針とを
相対的に移動させる駆動機構と、前記探針および前記電
極間に印加する任意の波形の電圧を発生させる信号源
と、前記カンチレバーの変位を検出する変位検出部と、
前記探針および前記電極間の静電容量を検出し、前記信
号源から出力された電圧の変化に対する静電容量の変化
の割合を出力する第１の検出部と、前記変位検出部で検
出された信号のうち、前記信号源から出力された波形と
同周期で変化する波形成分を検出して、前記信号源から
出力された電圧の変化に対する前記カンチレバーの変位
の割合を出力する第２の検出部と、前記第１の検出部で
検出された信号と、前記第２の検出部で検出された信号
とから、前記試料の電圧に対する誘電率の変化を出力す
る演算部とを有することを特徴とする誘電率計測装置が
提供される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態について説明する。

【００１２】図１において、本実施の形態における誘電
率計測装置は、試料台２と、スキャナー３と、探針４ａ
が設けられたカンチレバー４と、ビーム光源５と、光位
置検出器６と、信号源７と、静電容量センサー８と、ロ
ックインアンプ９および１０と、スキャナー制御装置１
１と、情報処理装置１２と、表示装置１３とを有して構
成される。

【００１３】前記試料台２は、試料１を載置するための
ものである。試料台２は、導電性の材料で形成され、載
置される試料１と電気的に接続される。

【００１４】前記スキャナー３は、試料台２に載置され
た試料１と探針４ａとを相対的に移動させるためのもの
である。この移動は、試料１と探針４ａとの距離を変化
させる方向、および、試料１の表面を走査する方向につ
いて行われる。試料１の表面を走査するための移動は、
例えば、試料１の表面に沿う面内で互いに直交する２方
向について行うことができる。

【００１５】本実施の形態では、スキャナー３が、前記
試料台２を移動可能に支持するように構成される場合に
ついて説明するが、前記ホールダー４ｂを移動可能に支
持して、探針４ａを移動させる構成としてもよい。

【００１６】スキャナー３は、例えば、チューブ型ピエ
ゾ素子を用いたチューブ型スキャナーを用いて構成する
ことができる。これによって、試料１と探針４ａとの距
離を変化させるｚ方向と、試料１の表面に沿う面内で互
いに直交するｘ方向およびｙ方向とについて移動するこ
とができるスキャナーを単純な構成で実現することがで
きる。

【００１７】前記カンチレバー４は、探針４ａが一方の
端に設けられ、他方の端がホールダー４ｂにより図示し
ていない支持体により支持されている。カンチレバー４
は、探針４ａの先端からホールダー４ｂまで電気的な導
通が得られるように構成されている。導通を得るために
は、例えば、表面に導電性の物質をコートすることがで
きる。導電性の物質としては、例えば、金属、より具体
的には、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）などを用いること
ができる。

【００１８】前記ビーム光源５および光位置検出器６
は、前記カンチレバー４の撓みを検出するためのもので
ある。ビーム光源５からカンチレバー４に照射されたビ
ーム光は、カンチレバー４の背面（探針４ａが設けられ
た面とは反対側の面）において反射され、光位置検出器
６によりその位置が検出される。これによって、探針４
ａに、試料１との間で相互作用が働くことによるカンチ
レバー４の撓みを検出することができる。

【００１９】前記ビーム光源５は、ビーム状の光束を射
出できればよく、例えば、レーザー光源、コリメート光
学系を備えた光源などを用いて構成することができる。

【００２０】前記光位置検出器６は、カンチレバー４に
おける反射光を受光し、その受光位置の変化を検出でき
ればよく、例えば、２分割ホトセンサーを用いて構成す
ることができる。

【００２１】前記信号源７は、一方を前記試料台２に接
続されている。他方を、アース接続している。これによ
り、カンチレバー４を介して探針４ａと、試料台２との
間に信号電圧を印加することができる。すなわち、試料
台２に載置されている試料１に電圧を印加して局所的に
電場を形成することができる。

【００２２】信号源７は、所望の周波数、振幅電圧の交
流成分が、指定されたバイアス電圧に重畳された信号電
圧を出力し、探針４ａと試料台２との間に印加すること
ができる。これら、周波数、振幅電圧、および、バイア
ス電圧の指定は、予め信号源７に設定しておくことによ
って成されてもよいし、外部、例えば、コンピューター
等の情報処理装置１２で信号源を制御することでもよ
い。

【００２３】次に、静電容量センサー８は、一方を信号
源７に、他方をホールダー４ｂに接続されている。この
静電容量センサー８では、カンチレバー４を介して探針
４ａと、試料台２との間の静電容量を検出し、静電容量
の大きさに応じた信号を出力する。

【００２４】次に、ロックインアンプ９は、静電容量セ
ンサー８から出力される静電容量に関する出力信号と、
信号源７からの試料台−探針間に印加される出力電圧と
が入力される。そして、ロックインアンプ９では、静電
容量センサー８からの出力信号から、信号源７からの出
力信号と同周期の信号成分を検波し、信号源７からの出
力信号の変化量に対する試料台−探針間の静電容量の変
化量を検出する。

【００２５】また、ロックインアンプ１０は、光位置検
出器６から出力されるカンチレバー４の変位に関する出
力信号と、信号源７からの出力電圧とが入力される。そ
して、ロックインアンプ１０では、光位置検出器６から
出力される信号から、信号源７からの出力信号と同周期
の信号成分を検波し、信号源７からの出力電圧の変化量
に対する試料の変位量を検出する。

【００２６】次に、スキャナー制御装置１１は、光位置
検出器６からの出力信号を用いて、探針４ａおよび試料
１の距離を制御するためのものである。すなわち、光位
置検出器６からの出力から、予め定められた閾値周波数
より低い周波数の成分の信号を検出する。これは、走査
時において試料表面に形状に起因して変化したカンチレ
バーの撓みを検出するためである。そして、検出された
信号は、常に一定の信号となるように、スキャナー３を
駆動して、探針４ａおよび試料１の距離を帰還制御して
いる。前記光位置検出器６からの信号は、カンチレバー
４の撓み量を表しているから、カンチレバー４の撓みを
一定とするように、前記スキャナー３を制御することが
できる。

【００２７】一般には、探針４ａと試料台２との間に印
加される交流電圧の周波数に対して、走査速度に対する
試料表面の凹凸変化は、長い周期であるので、閾値周波
数は、信号源７が生成する信号電圧の交流成分の周波数
より低い周波数に定められている。

【００２８】例えば、前述したように、光位置検出器６
として、２分割ホトディテクターが用いられる場合は、
カンチレバー４の撓み量に比例した電圧が出力されてい
るから、これが予め定められた一定値となるように、前
記探針４ａおよび試料１の距離をスキャナー３によって
制御する。

【００２９】情報処理装置１２は、ロックインアンプ９
によって検出された印加電圧の変化に対する静電容量の
変化分、および、前記ロックインアンプ１０によって検
出された印加電圧の変化に対するカンチレバー４の撓み
の変化分に基づいて、試料１の誘電率に関する情報を求
めるためのものである。このための演算処理については
後述する。

【００３０】情報処理装置１２は、さらに、スキャナー
制御装置１１から、試料表面の垂直方向についてスキャ
ナー３に与えた制御量を、試料１の表面の起伏を表す情
報として出力することができる。

【００３１】ところで、本装置は、前述の、印加電圧の
変化に対する静電容量の変化分、印加電圧の変化に対す
るカンチレバー４の撓みの変化分、および、走査時にお
けるカンチレバー４の撓みの変化を検出するに際し、こ
れらを相互に同期して検出することができる。この目的
のために、例えば、アナログ信号としてこれらの情報を
受け付け、標本化タイミングが互いに同期されたアナロ
グ−ディジタル変換器によってディジタル化されたデー
ターを受け付けることができる。このようなアナログ−
ディジタル変換器は、情報処理装置１２におけるインタ
フェースとして設けられてもよいし、情報処理装置１２
の前段に設けられるものであってもよい。

【００３２】このように計測の同期をとることにより、
これらの情報が取得される同時性を保証することができ
る。従って、探針４ａを試料１の表面を走査しつつ計測
を行う場合の、計測部位の局所性を保証することができ
る。すなわち、各情報が取得される位置を含む領域を局
所化することができる。従って、試料１の強誘電体特性
を評価するための物理量を、それぞれの局所化された領
域についてそれぞれ取得することができる。

【００３３】また、この目的のためには、試料１の表面
の走査を複数回行い、これらの走査位置が再現されると
いう条件のもとで、前述の計測をそれぞれの走査におい
てそれぞれ行ってもよい。

【００３４】表示装置１３は、情報処理装置１２におい
て処理された結果を表示するためのものである。表示装
置１３は、例えば、ＣＲＴなどのＶＤＵ（visual displ
ay unit）を用いて構成することができる。さらに、表
示装置１３は、情報処理装置１２に対する操作を受け付
けるためのマンマシンインタフェースとしても用いるこ
とができる。

【００３５】また、処理された結果を、紙、磁気ディス
クなどの記録媒体に出力するための出力装置を備えても
よい。

【００３６】次に、図２を参照して、本発明を適用した
誘電率計測装置の作用について説明する。

【００３７】図２に、第１の実施の形態における探針４
ａ（図１参照）の近傍を拡大して示す。図２において、
一方の面に電極１ａが形成された強誘電体薄膜１が、試
料として試料台２に載置されている。また、強誘電体薄
膜１の他方の面に探針４ａが接する状態で、カンチレバ
ー４が支持されている。

【００３８】探針４ａを面積Ｓの電極とみなすと、探針
４ａと強誘電体薄膜１の下の電極１ａとの間の静電容量
Ｃは、

【００３９】

【数１】

【００４０】と表される。ここで、ｚは、探針４ａと電
極１ａとの間の距離であり、ａは、強誘電体薄膜１の誘
電率である。探針４ａと電極１ａとの間に信号電圧Ｖを
印加すると、ａと、ｚとが変化する。従って、Ｃの全微
分をとると、

【００４１】

【数２】

【００４２】となる。すなわち、信号電圧Ｖを変化させ
たときに誘起される静電容量の変化は、誘電率の変化に
由来するものと、膜厚の変化に由来するものとが合わさ
った量であることが示される。

【００４３】実際には、式（１）は単純化されている
が、基本的には、静電容量は誘電率と、探針−電極間の
距離との関数であり、任意の探針４ａの形状に対して、
シミュレーションなどによって、近似的な関数を得るこ
とができる。式（２）において、（ｄＣ／ｄＶ）および
（∂ｚ／∂Ｖ）が計測できれば、（∂ａ／∂Ｖ）が求め
られる。ここで、ａは、誘電率εに関する量であること
から、（∂ａ／∂Ｖ）は、微分誘電率を示す物理量であ
り、誘電率、残留分極、抗電場に関する情報を得ること
ができる。従って、強誘電体薄膜における、同一の局所
的な部位について、（ｄＣ／ｄＶ）および（∂ｚ／∂
Ｖ）を同時に計測することにより、局所的な強誘電体特
性を評価することができる。

【００４４】なお、実際の計測においては、信号電圧の
変分、すなわち、履歴曲線の非線形性を無視するに十分
な程度に、交流成分の振幅を小さくとることにより、微
分とみなすことができる。

【００４５】ここで、探針ａと、電極１ａとの間隔ｚが
既知であることから、信号電圧の変分は、強誘電体薄膜
１に形成される電場の変分に置き換えることができる。
従って、有限の電圧変分を与えて計測される誘電率を示
す量ａの変分から、膜厚変化を考慮に入れてない微分誘
電率（∂ε／∂Ｅ）を示す量を得ることもできる。

【００４６】さらに、（∂ａ／∂Ｖ）の計測を、信号電
圧の直流バイアス成分を変化させつつ行うことにより、
強誘電体薄膜１の履歴曲線を調べることができる。そし
て、この履歴曲線から、残留分極、抗電場などを求める
ことができる。

【００４７】なお、以上の説明では、強誘電体薄膜を評
価する場合について説明したが、同様な計測を、反強誘
電体薄膜を対象として行って、反強誘電体薄膜の局所的
な性質の評価に適用してもよい。

【００４８】（実施例）次に、図１を参照して、本発明
の実施例について説明する。

【００４９】試料１は、シリコンウエハー上に白金を厚
さ２００ｎｍとなるように、スパッタリングで成膜して
電極１ａ（図２参照）とした後、強誘電体薄膜としてＰ
ｂＴｉＯ₃膜をゾル−ゲル法で、厚さ１００ｎｍに作成
した。

【００５０】この試料１は、金属製の試料台２に取り付
けた。これにより、電極１ａ（図２参照）と試料台２と
は電気的に接続された。

【００５１】試料台２は、チューブ型スキャナーを用い
て構成したスキャナー３に取り付けた、これにより、試
料１をｘ、ｙ、ｚの３方向に動かすことができる。

【００５２】カンチレバー４は、先端に探針４ａが形成
されたものを用い、他方の端をホールダー４ｂにより保
持した。カンチレバー４は、金属ＮｉＣｒをコートし、
探針４ａの先端からホールダー４ｂまで電気的導通を得
た。

【００５３】カンチレバー４の探針４ａと、試料１との
間に発生する相互作用によるカンチレバー４の撓みは、
ビーム光源５から射出されたビーム光の、カンチレバー
４による反射光を光位置検出器６でモニターした。ビー
ム光源には、レーザー光源を用い、光位置検出器６は、
２分割ホトディテクターを用いて構成した。

【００５４】試料１には、試料台２を通して１００ｋＨ
ｚ、電圧振幅４Ｖの交流電圧を、信号源７により印加し
た。カンチレバー４の探針４ａと、試料１の電極１ａ
（図２参照）との間の静電容量は、静電容量センサー８
により検出し、信号源７から信号電圧の交流成分を参照
信号として、ロックインアンプ９で同波検波して測定し
た。これにより、試料−探針間に印加された交流成分に
対する静電容量の変化、すなわち、（ｄＣ／ｄＶ）が得
られた。

【００５５】カンチレバー４の撓み量は、光位置検出器
６からの出力を、ロックインアンプ１０で同波検波して
測定した。この場合も、参照信号は、信号源７からの信
号電圧の交流成分とした。これにより、交流成分に対す
る膜厚の変化（∂ｚ／∂Ｖ）が計測された。

【００５６】また、光位置検出器６からの出力の直流成
分が一定になるように、スキャナー３をスキャナー制御
装置１１で制御した。ここで、光位置検出器６として用
いた２分割ホトディテクターからは、カンチレバー４の
撓み量に比例した電圧が出力されているため、カンチレ
バー４の撓みが一定になるように制御することができ
た。

【００５７】このカンチレバー４の撓み量の設定、スキ
ャナー３に与えた信号、ロックインアンプ９，１０から
の信号は、情報処理装置１２で集中して管理した。得ら
れたデーターについて、演算処理して（∂ａ／∂Ｖ）を
求めることができた。求めた（∂ａ／∂Ｖ）は、スキャ
ナー３に走査を支持した移動量とからマッピングし、強
誘電体薄膜１における２次元上の微分誘電率の分布を示
す情報を得ることができた。この分布は、ＣＲＴを用い
て構成した表示装置１３によって表示した。

【００５８】

【発明の効果】本発明によれば、強誘電体薄膜の局所的
な微分誘電率を示す物理量を計測することができる。

【００５９】また、試料に印加する信号電圧の直流バイ
アス成分を変えつつ、各直流バイアスに対応する微分誘
電率に関する量を計測することにより、試料の履歴曲
線、誘電率、残留分極、抗電場に関する知見を得ること
ができる。

【００６０】そして、このようにして得られた知見は、
薄膜の局所的な強誘電体特性を評価することに利用する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を適用した誘電率計測装置の構成を示
すブロック図である。

【図２】 本発明を適用した誘電率計測装置の、探針近
傍における拡大断面図である。

【符号の説明】

１…試料、１ａ…電極、２…試料台、３…スキャナー、
４…カンチレバー、４ａ…探針、４ｂ…ホールダー、５
…ビーム光源、６…光位置検出器、７…信号源、８…静
電容量センサー、９，１０…ロックインアンプ、１１…
スキャナー制御装置、１２…情報処理装置、１３…表示
装置。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 計測すべき試料の局所的な微小領域で電
   圧の変化に対する誘電率の特性を計測する誘電率計測装
   置において、 電極を有した試料台と、 導電性の探針が一端に設けられ、他端が固定されたカン
   チレバーと、 前記試料台に設置された試料と前記探針とを相対的に移
   動させる駆動機構と、 前記探針および前記電極間に印加する任意の波形の電圧
   を発生させる信号源と、 前記カンチレバーの変位を検出する変位検出部と、 前記探針および前記電極間の静電容量を検出し、前記信
   号源から出力された電圧の変化に対する静電容量の変化
   の割合を出力する第１の検出部と、 前記変位検出部で検出された信号のうち、前記信号源か
   ら出力された波形と同周期で変化する波形成分を検出し
   て、前記信号源から出力された電圧の変化に対する前記
   カンチレバーの変位の割合を出力する第２の検出部と、 前記第１の検出部で検出された信号と、前記第２の検出
   部で検出された信号とから、前記試料の電圧に対する誘
   電率の変化を出力する演算部とを有することを特徴とす
   る誘電率計測装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の誘電率計測装置におい
   て、 前記変位検出部によって検出された信号のうち、前記信
   号源から発せられた電圧の波形の周期とは異なる周期を
   有した波形を検出して、前記異なる波形の振幅が所定の
   値になるように前記移動機構を制御する駆動制御部と、 前記演算部から出力される前記試料の電圧に対する誘電
   率の変化と、前記駆動制御部から前記移動機構に出力さ
   れる制御信号とを同時に出力する信号処理部とを更に備
   えたことを特徴とする誘電率計測装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の誘電率計測装置におい
   て、 前記演算部は、さらに、前記駆動制御部により前記移動
   機構が制御された制御量を前記駆動制御部から受け付
   け、これに基づき前記試料台に載置されている試料の起
   伏形状を求めることを特徴とする誘電率計測装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の誘電率計測装置におい
   て、 前記信号処理部は、前記演算部から出力される前記試料
   の電圧に対する誘電率の変化と、前記駆動制御部から前
   記移動機構に出力される制御信号と、前記移動機構が制
   御された制御量とを同時に出力することを特徴とする誘
   電率計測装置。
5. 【請求項５】 請求項１から４記載の誘電率計測装置に
   おいて、 前記信号源は更に、前記探針と前記電極間に印加する直
   流バイアス電圧を発生させる直流電圧電源を備えている
   ことを特徴とする誘電率計測装置。