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JP5116261B2 - 強誘電体の検査装置 - Google Patents

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JP5116261B2
JP5116261B2 JP2006171316A JP2006171316A JP5116261B2 JP 5116261 B2 JP5116261 B2 JP 5116261B2 JP 2006171316 A JP2006171316 A JP 2006171316A JP 2006171316 A JP2006171316 A JP 2006171316A JP 5116261 B2 JP5116261 B2 JP 5116261B2
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Description

本発明は、強誘電体材料の分極電圧分布及び欠陥等を検査するための検査装置に関する。
従来の強誘電体材料を用いたデバイスとして圧電素子を用いたソーデバイスがあった。近年では、圧電素子を用いたアクチュエータや強誘電体を用いた半導体記憶装置(半導体強誘電性メモリ素子)が開発されている。強誘電体材料を用いる半導体記憶装置の場合、製造品質管理では、デバイスの特性を一定にするため、強誘電体材料の分極特性の面内の分布をウェハサイズで管理することが重要である。そこで、強誘電体材料の分極特性の面分布をデバイス製造工程で、簡便で正確に測定し、検査する必要がある。
従来、強誘電体材料の分極特性の面分布測定には、20μm角程度の微小領域の分極状態を正確に検査する走査型非線形誘電率顕微法があった。一方、半導体記憶装置に強誘電体材料を用いる場合、基板サイズが直径5あるいは6インチといった大面積での分極特性の面内分布を簡便に検査する必要があるが、大面積での分極特性の面内分布を測定する方法がなかった。このため、分極は電界に依存し、電界は強誘電体材料の膜厚に依存するため、膜厚のバラつきは分極特性のバラつきにつながるという性質を利用し、X線を用いて強誘電体材料の膜厚の面分布を検査することで代用していた。
強誘電体材料の分極特性の面分布を検査する方法として、走査型非線形誘電率顕微法があるが、20μm角程度の微小領域を正確に検査することはできるが、5あるいは6インチといった大面積の分極特性の面分布を検査することは非常に困難である。一方、強誘電体材料の膜厚の面分布によって分極特性の面分布を推定する方法は簡便ではあるが、性質が一定である保証がないので、正確性に問題があった。
また、強誘電体材料をデバイスとして使用する場合、電極を強誘電体材料に電極が積層される。従来の走査型非線形誘電率顕微法及び膜厚の測定では、電極の欠陥を同時に検査することはできなかった。
本発明の目的は、上記各問題点を解決し、ウェハサイズで強誘電体材料の分極特性分布と欠陥を簡便で正確に検査する方法を提供することにある。
本発明の強誘電体の検査装置は、
互いに対向する面に電極が形成された強誘電体の検査装置であって、
前記強誘電体の温度を制御する制御手段と、
前記強誘電体の前記電極に電圧を印加する手段と、
前記強誘電体の前記電極に接続され、電流を検出する手段と、
前記強誘電体の表面にレーザ光を照射する、レーザ光源と、
前記レーザ光源を走査させ、レーザ光で前記強誘電体表面を走査する走査手段と、
前記検出手段により検出された電流値を表示する表示手段とを有し、
前記電流を検出する手段は、前記レーザ光により加熱された領域で前記強誘電体から生じる焦電電流を検出し、
前記表示手段は、前記焦電電流を前記走査手段で走査した位置と同期させ画像化した焦電電流像を表示することを特徴とする。
本発明によれば、大面積の強誘電体材料の分極特性の面内の分布を簡便で正確に検査することができる。
強誘電体は、電場を与えなくても分極を示し(自発分極)、自発分極の向きは電場により反転することが可能である。電場Eの変化に対し分極に比例する電束密度(強誘電体の分極量)の値を測定すると図8のようになる。強誘電体に正の電界(正の電圧)を印加し、分極量が最大になる状態にした後、電圧を下げていく。
電圧が0Vの分極量をPrとし、その後更に電圧を下げる(負の電圧を印加する)と、第2の抗電界−Ec(第2の分極反転電圧)にて分極量が0となる。第2の抗電界−Ecを越えて更に負の電圧を印加すると分極反転が起こり、電界−Emaxで最小の分極量を示す。その後電圧を上げると、電圧0V(電界が0)にて分極量−Prを示す。更に電圧を上げる(正の電圧を印加する)と分極量が0となる第1の抗電界Ec(第1の分極反転電圧)になる。第1の抗電界Ecを越えて更に正の電圧を加えると分極反転が生じ、電界Emaxで最大の分極量となる。
更に、強誘電体は、加熱され、温度が上昇すると分極の大きさに応じて、分極方向に電荷を発生する焦電性という性質を有している。本発明は、強誘電体の焦電性を利用して強誘電体の分極の面内分布を測定するものである。以下、図を用いて基板面内の分極状態分布の測定原理について説明する。
[装置]
本発明で用いる検査装置について説明する。
検査装置の構成を、図2を用いて説明する。検査装置は、分極電圧印加装置23と、分極測定装置24と、温度制御装置25から構成される。検査される試料は、強誘電体材料20を上電極22と下電極21で挟んだ積層構造である。分極電圧印加装置23は、強誘電体材料20の上電極22と下電極21間に電圧を印加する装置である。分極測定装置24は、強誘電体材料20の分極状態を測定する装置である。温度制御装置25は、強誘電体材料20の温度を一定に制御する装置である。強誘電体材料20の温度を一定にすることで、分極状態の測定を再現性良く行うことができる。
本実施例では、分極測定装置24として、株式会社浜松ホトニクス製Phemos 1000を用いた。Phemos 1000においては、レーザの走査と同期して電流変化を測定するOBIRCH(Optical Beam Induced Resistance Change)解析機能を使用し、分極状態の測定を行った。Phemos 1000の構成を説明する。Phemos 1000は、レーザ走査装置と、電流アンプであるOBIRCHアンプとレーザの走査位置と電流値を同期して表示する表示装置から構成されている。
[分極状態の測定の原理]
強誘電体は、加熱すると温度上昇と分極の大きさに応じて、分極方向に電荷を発生する焦電性という性質を有している。よって、図3に示すように、強誘電体30の分極方向31に分極している領域32を局所加熱すると、領域32に電荷Qが面33に発生する。面33と面37を電気的に接続すると、焦電電流34が流れる。一方、分極方向36に分極している領域35を局所加熱すると、電荷Qは、面37に生じ、焦電電流38が流れる。つまり、領域32と領域35は分極方向が逆なので、焦電電流も逆方向に流れる。電荷Qを、本実施例では、焦電電流として検出したが、もちろん電圧変化として検出しても良い。
そこで、もし、領域32と領域35の分極方向が不明な場合でも、局所加熱で生じた焦電電流34と焦電電流38の方向と大きさを測定すれば、領域32と領域35の分極状態を測定することができる。同様に局所加熱と焦電電流の測定を、ウェハの面内で順次繰り返すことで、ウェハの分極状態の面分布を測定することができる。
この原理から、分極状態の測定は、誘電体の内、強誘電体を含めた焦電体に適用できる。焦電性を示す材料は強誘電性以外にもあるが、強誘電性を示す結晶は必ず焦電性を示す。例えば、適用できる材料として、水晶、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、タンタル酸リチウム、ランガサイト、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、酸化亜鉛、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、マグネシウムニオブ酸鉛−PZT、ニッケルニオブ酸鉛−PZT、マグネシウムニオブ酸鉛−PT、ニッケルニオブ酸鉛−PT、ストロンチウム・ビスマス・タンタルの酸化物、チタン酸バリウムストロンチウム等がある。この実施例では、強誘電体であるPZTを用いた。局所加熱する部分の移動方法としては、レーザを走査する方法や、電磁誘導を用いる方法、集光させた光を走査する方法、イオンビームを走査する方法、電子線を走査する方法がある。この実施例ではPhemos 1000でレーザを走査する方法を用いた。レーザの走査は、広い領域から狭い領域まで行うことができるので、ウェハサイズのように広い領域の分極状態の測定を行うことができる。
[試料]
検査した強誘電体試料40の構造を図4に示す。面方位が100面の単結晶Si基板41上にPt(膜厚300nm)/Ti(膜厚30nm)からなる下電極42と、PZT(膜厚3μm)である強誘電体材料43と、Pt(膜厚300nm)/Ti(膜厚30nm)からなる上電極44が積層された構造である。このような積層構造は、強誘電体メモリや強誘電体圧電素子といった強誘電体デバイスに広く使用される構造である。よって、強誘電体デバイス一般の検査工程に応用可能である。上電極44と下電極42は強誘電体材料43の全面に作成されていても、パターニングされていてもよい。上電極44と下電極42に電圧を印加すると強誘電体材料43の分極方向を揃えることができる。ある電圧を印加すると強誘電体材料43の分極方向を反転させることができる。このときの電圧を分極反転電圧と呼ぶ。下電極から見て、上電極に正の分極反転電圧(第一の分極反転電圧)を印加すると分極方向45に分極し、負の分極反転電圧(第二の分極反転電圧)を印加すると分極方向46に分極する。
[分極状態の測定方法]
図5を用いて説明する。まず、分極測定装置と強誘電体試料の接続と配置を説明する。上電極44と下電極42をOBIRCHアンプ53に接続した。上電極44方向からレーザ51が照射されるように、強誘電体試料を試料台に設置した。YLFレーザ等の赤外線レーザを用いれば、Si基板41を透過するので、下電極42方向から赤外線レーザが照射されるように設置しても良い。この場合、上電極44にレーザを照射できない試料に対して分極状態の測定を行うことができる。
次に、分極測定装置の動作を説明する。レーザ走査装置で強誘電体試料に対してレーザ51を走査し、同時にOBIRCHアンプ53でレーザの局所加熱で強誘電体試料に生じる焦電電流52を測定する。次にレーザ51の走査位置54と焦電電流52の変化を同期させて画像化し、表示装置に表示する。この画像化したものを焦電電流像55と呼ぶ。焦電電流が負のものを黒に正のものを白に対応付け行うことで画像化する。本実施例においては、白黒のコントラストで画像化したが、焦電電流の値毎にカラーで画像化しても良い。他にも、レーザ光の照射位置と焦電電流値とを記憶させ、電流値の等高線を描かせる等の表示を行うこともできる。
最後に、以下の実施例で共通の分極測定装置の測定条件を説明する。レーザはYLFレーザを用いた。スポット径は約1.3μmであった。スキャン速度の値は1秒に設定した。スキャン速度は、早いほどSN比よく測定することができる。よって、分極測定装置で設定できる最速の設定にした。これは、焦電性の反応時間が非常に短いためである。例えば、2μs以下の反応時間を持っていると報告されている。焦電性の反応速度に近い速度でスキャンすることが望ましい。
レーザを照射領域全体に5回程度走査してから、焦電電流の検出を行った。これは、強誘電体試料表面の温度を均一にして、再現性良く焦電電流を測定できる効果がある。強誘電体試料の温度を温度制御装置で一定に制御しているので、再現性を高めることができる。レーザ強度は150mWにした。150mWにすることで、測定するのに十分な大きさの焦電電流を得ることができた。レーザ強度は過剰に大きくすると強誘電体にダメージを与えるので、電流アンプで測定するのに十分な焦電電流の大きさになる最小のレーザ強度にすることが望ましい。レーザスキャン中の印加電圧は0[V]にすることで、焦電電流をOBIRCHアンプで検出しやすくなり、分極状態によらずに、SN比良く焦電電流像を取得する効果がある。これは、図3の焦電電流34と焦電電流38に示すように、焦電電流は、分極状態によって、流れる方向が反転するので、どちらの焦電電流も強める電圧は存在しないためである。もちろん、分極状態が既知ならば、焦電電流が流れやすい方向に絶対値が分極反転電圧以下の電圧を印加すれば、焦電電流を強めSN比良く焦電電流像を取得することができる。また、印加電圧が0[V]であるので、強誘電体試料の分極状態に影響を与えずに焦電電流像を取得できるという効果がある。
上述の例においては、上部及び下部電極を有する強誘電体をレーザでピンポイントに加熱した例を示したが、例えば強誘電体を全体的に加熱し、部分的に1対の電極にて焦電電流を測定する方法にも応用可能である。
以下に本発明の強誘電体の分極特性分布や、電極の剥離や、電極間のリークや、異物や、分極低下の検査の実施例を示す。分極反転電圧と同極な電圧とは、分極反転電圧が+の場合は+、−の場合は−の電圧という意味である。また、分極反転電圧と異極の電圧とは、分極反転電圧が+の場合は−、−の場合は+という意味である。
(第1の実施形態)
本発明を用いた分極特性分布の検査について説明する。
分極特性分布の検査工程を図1と、図6と、図7を用いて説明する。図1は、分極分布の検査の工程フローチャートである。図6は、図1中の分極処理工程2と分極反転工程3において、分極電圧印加装置で強誘電体材料に印加した電圧の時間変化である。図7は、分極測定の結果である。測定した試料の上電極方向からの光学反射像を図7(a)に示す。
図1のフローチャートの各ステップに従って、分極特性分布の検査工程を説明する。
第1に、前処理工程1では、強誘電体試料の分極反転電圧を測定する。強誘電体特性測定装置を用いて図8のような強誘電体の分極量と電場の関係を取得し、分極反転電圧を測定した(ステップ5)。その結果、下電極を基準として上電極に20[V]付近で下電極方向に分極反転し、−9[V]付近で、上電極方向に分極反転することが分かった。よって、この場合、第一の分極反転電圧は20[V]であり、第二の分極反転電圧は、−9[V]である。
第2に、分極処理工程2では、強誘電体試料の分極方向を揃える。まず、図6に示すように、第一の分極反転電圧以上の電圧である25[V]を上電極に印加し、分極方向を下電極で一様になるように分極処理を行った(ステップ6)。分極処理で印加する電圧は、第一の分極反転電圧よりも絶対値が十分大きいことが望ましい。分極処理を行うことで、焦電電流が増加し、焦電電流像のSN比を向上する効果がある。その後、分極測定装置で、分極状態の測定を行った(ステップ7)。この結果、図7(b)に示すような、一様な焦電電流像を取得し、一様に分極されていることを確認した(ステップ8)。
第3に、分極反転工程3では、分極処理工程2で印加した電圧と逆の方向に電圧を徐々に印加し、分極反転する途中過程の分極状態を測定し、分極反転電圧のムラを検出する。まず、図6に示すように上電極に、絶対値が第二の分極反転電圧より小さい− 7.5 [V]印加して、分極反転を行った(ステップ9)。分極反転後、分極測定装置で、分極状態の測定を行ったところ、図7(c)のような焦電電流像を得た(ステップ10)。図7(c)では、焦電電流の正負が逆になる領域Aと領域Bが存在している。
これは、領域Aと領域Bでは、分極反転電圧が異なるため、領域Aは、すでに分極反転しているのに対し、領域Bでは、まだ、分極反転していないためである。この分極反転電圧のムラが焦電電流像のムラとして現れている。
焦電電流像に分極反転していない領域があるので(ステップ11)、印加電圧の絶対値を0.5[V]ステップで増加させて(ステップ12)、図6に示すように、上電極に印加し、分極処理を行った後(ステップ9)、分極状態の測定を行った(ステップ10)。第二の分極反転電圧よりも絶対値が大きい電圧である−10[V]の電圧を印加した時、分極測定装置で、分極状態を測定したところ、図7(d)に示すように一様な焦電電流像を取得した(ステップ10)。焦電電流像が一様に分極反転しているのを確認したので、分極反転工程3を終了した(ステップ11)。このように、前処理で測定した分極反転電圧より小さい電圧を順次印加し、部分的に分極反転する領域を検出することで、図7(c)の領域AとBのような部分的な分極反転電圧のムラを検出することができる。この電圧の増加分を分極反転電圧付近で、細かくすることで、より詳細な検査を行うことができる。
第4に、検査工程4では、取得した焦電電流像の検査を行った。図7(c)より、領域Aの負の反転電圧は、−7.5[V]以上であることが分かる。一方、図7(d)より領域Bの負の反転電圧は、−7.5[V]よりも小さく−10[V]以上であることがわかる。よって、反転電圧が強誘電体試料内で不均一であることが分かった。
印加する電圧の正負をすべて逆にして、第1〜第4の工程を同様に行ったところ、領域Aの正の反転電圧は、20[V]よりも大きくて、25[V]以下で、領域Bの正の反転電圧は20[V]以下であることが分かった。以上より、領域Aと比較して領域Bでは、反転電圧が負の方向にずれていることがわかる。強誘電体膜の製作過程を調査した結果、領域Bは、X線の照射による強誘電材料の損傷によって、反転電圧が負の方向にずれたことが分かった。
このような分極反転電圧のムラは、デバイスの特性に大きく影響する。そして、領域Aと領域Bでは、膜厚に違いは無いので、従来の膜厚を測定する方法では、このような分極特性のムラを発見することはできない。一方、本発明では、膜厚にムラがあっても、分極反転電圧がムラのある領域で変わるため、焦電電流像のムラとして従来同様、やはり検出できる。以上のように分極特性分布の欠陥を検出することができる。
(第2の実施形態)
本発明は、強誘電体材料と上下電極の剥離の検査にも適用することができる。
電極の剥離の検査工程を図1を用いて説明する。第1に、前処理工程1で分極反転電圧を取得する(ステップ5)。第2に、分極処理工程2で、分極反転電圧以上の電圧を強誘電体試料に印加し、分極処理を行う(ステップ6)。この際、印加電圧は分極反転電圧より十分大きいことが望ましい。分極処理を行うことで、焦電電流が増加し、焦電電流像のSN比を向上する効果がある。分極処理後、分極状態の測定を行い、焦電電流像を取得する(ステップ7)。次に、この焦電電流像の検査を行う(ステップ8)。
焦電電流像の検査について、詳細を説明する。電極に剥離があると、剥離部では、上下電極の電気的な接続が不良になるので、焦電電流値が変化する。よって、焦電電流像で、焦電電流値が変化している領域を剥離部の欠陥として検出することができる。
剥離部の面積が500×500nm程度の微少面積であっても、焦電電流像であれば輝度の違いにより簡単に測定することができる。
(第3の実施形態)
本発明は、強誘電体試料の上下電極のリークの検査にも適用することができる。
上下電極のリークの検査工程を図1を用いて説明する。第1に、前処理工程1で分極反転電圧を取得する(ステップ5)。第2に、分極処理工程2で、分極反転電圧以上の電圧を強誘電体試料に印加し、分極処理を行う(ステップ6)。この際、印加電圧は分極反転電圧より十分大きいことが望ましい。分極処理を行うことで、焦電電流が増加し、焦電電流像のSN比を向上する効果がある。分極処理後、分極状態の測定を行い、焦電電流像を取得する(ステップ7)。次に、この焦電電流像の検査を行う(ステップ8)。
焦電電流像の検査について、詳細を説明する。リーク箇所では上下電極の電気的な接続がよくなるため、焦電電流値が変化する。よって、焦電電流像で、焦電電流値が変化している領域をリーク箇所の欠陥として検出することができる。リークの場合であっても上述の電極の剥がれと同様に、焦電電流像を用いれば微少な面積のリークを検出することができる。
(第4の実施形態)
本発明は、強誘電体試料内の異物の検査にも適用することができる。
異物の検査工程を、図1を用いて説明する。第1に、前処理工程1で分極反転電圧を取得する(ステップ5)。第2に、分極処理工程2で、分極反転電圧以上の電圧を強誘電体試料に印加し、分極処理を行う(ステップ6)。この際、印加電圧は分極反転電圧より十分大きいことが望ましい。分極処理を行うことで、焦電電流が増加し、焦電電流像のSN比を向上する効果がある。分極処理後、分極状態の測定を行い、焦電電流像を取得する(ステップ7)。次に、この焦電電流像の検査を行う(ステップ8)。
焦電電流像の検査について、詳細を説明する。異物は、強誘電体試料と熱伝導率が異なるため、局所加熱を行うと加熱状況が強誘電体試料と異物でことなる。よって、異物のある領域で焦電電流値が変化する。よって、焦電電流像で、焦電電流値が変化している箇所を異物箇所の欠陥として検出することができる。異物の場合であっても上述の電極の剥がれと同様に、焦電電流像を用いれば微少な面積の異物を検出することができる。
(第5の実施形態)
本発明は、強誘電体試料の分極の低下箇所の検査にも適用することができる。
分極の低下箇所の検査工程を図1を用いて説明する。第1に、前処理工程1で分極反転電圧を取得する(ステップ5)。第2に、分極処理工程2で、分極反転電圧以上の電圧を強誘電体試料に印加し、分極処理を行う(ステップ6)。この際、印加電圧は分極反転電圧より十分大きいことが望ましい。分極処理を行うことで、焦電電流が増加し、焦電電流像のSN比を向上する効果がある。分極処理後、分極状態の測定を行い、焦電電流像を取得する(ステップ7)。次に、この焦電電流像の検査を行う(ステップ8)。
焦電電流像の検査について、詳細を説明する。強誘電体試料が分極が低下すると、焦電電流値も低下する。よって、焦電電流像で、焦電電流値が変化している領域を分極の低下箇所の欠陥として検出することができる。分極の低下箇所の場合であっても上述の電極の剥がれと同様に、焦電電流像を用いれば微少な面積の分極の低下箇所を検出することができる。
(第6の実施形態)
本発明は、第1実施例〜第5実施例の分極特性分布及び、電極の剥離及び、電極間のリーク及び、異物及び、分極の低下の一部、及びすべての検査を同時に行うこともできる。
図1の検査工程フローで取得した焦電電流像の一部、または、すべてにムラがあるとき、実施例1〜5で示したいずれかの欠陥が強誘電体試料にある事がわかる。一方、すべての焦電電流像にムラがなければ、強誘電体試料に欠陥がないことが分かる。これは、画像処理を行って、ムラを際立たせても良い。こうすることで、欠陥の判定を容易に行うことができる。また、それぞれの焦電電流像を重ね合わせ、重ね合わせた焦電電流像を検査することで、ムラの判定を一括して、行うことができる。例えば、各焦電電流像を足し合わせることや、掛け合わせることが考えられる。こうすることで、欠陥の判定を高速に行うことができる。
本実施形態の検査工程のフローチャートである。 本実施形態の検査装置である。 本実施形態の分極状態の測定の原理を示す図である。 本実施形態にて検査される強誘電体試料を示す図である。 本実施形態の分極測定装置の構造を示す図である。 本実施形態の分極電圧印加装置の印加電圧の時間変化を示す図である。 本実施形態の分極状態の測定の結果である。 強誘電体の分極特性を示した図である。
符号の説明
20 強誘電体材料
21 下電極
22 上電極
23 分極電圧印加装置
24 分極測定装置
25 温度制御装置
30 強誘電体
31、36 分極方向
32、35 分極している領域
33、37 面
34、38 焦電電流
41 単結晶Si基板
42 下電極
43 強誘電体材料
44 上電極
51 レーザ
52 焦電電流
53 OBIRCアンプ

Claims (1)

  1. 互いに対向する面に電極が形成された強誘電体の検査装置であって、
    前記強誘電体の温度を制御する制御手段と、
    前記強誘電体の前記電極に電圧を印加する手段と、
    前記強誘電体の前記電極に接続され、電流を検出する手段と、
    前記強誘電体の表面にレーザ光を照射する、レーザ光源と、
    前記レーザ光源を走査させ、レーザ光で前記強誘電体表面を走査する走査手段と、
    前記検出手段により検出された電流値を表示する表示手段とを有し、
    前記電流を検出する手段は、前記レーザ光により加熱された領域で前記強誘電体から生じる焦電電流を検出し、
    前記表示手段は、前記焦電電流を前記走査手段で走査した位置と同期させ画像化した焦電電流像を表示することを特徴とする強誘電体の検査装置。
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