JPH08203970A

JPH08203970A - Ｘ線利用半導体評価装置

Info

Publication number: JPH08203970A
Application number: JP1124095A
Authority: JP
Inventors: Naoki Yamamoto; 直樹山本; Seiichi Iwata; 誠一岩田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-01-27
Filing date: 1995-01-27
Publication date: 1996-08-09

Abstract

(57)【要約】【目的】微小部での材料特性と電気特性を対応付けなが
ら解析できる微細Ｘ線ビームを利用した半導体評価装置
を提供する。【構成】半導体装置所望個所への微細Ｘ線ビーム照射
系，半導体装置のいずれかの個所からＸ線照射により発
生した電気的信号を取り出す手段、前記照射位置から回
折あるいは放射されたＸ線もしくは光電子のエネルギと
個数の検出系からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の欠陥部分を
求めるのに好適なＸ線利用半導体評価装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ(Large Scale Integrated Circui
t)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を左右するため、製造過程およ
び仕上り段階で、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。

【０００３】しかし、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、Ｌ
ＳＩの特定個所の素子の電気的特性欠陥の原因解析に適
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
した欠陥原因を推定する方法が用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のＸ線トポグラフ
ィ法では、ダミーウエハ内の欠陥分布を観察することが
できる。ところが、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、複数の工程が関連し
て発生することが多く、パターンの無いダミーウエハの
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。また、Ｘ線トポグラフィ技術では、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。

【０００５】さらに、この技術はＬＳＩの電気的欠陥の
有無と場所については特定不能である。上に述べたよう
に、前記方法を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欠
陥位置にＬＳＩの電気的欠陥が有るとはかぎらない。

【０００６】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十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。

【０００７】本発明が解決しようとする課題は、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。すなわち、
本発明の目的は、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装置を提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】半導体装置の何れかの個
所から、Ｘ線照射により発生した信号を取り出す手段を
設けることにより欠陥の評価を行う。具体的には、微細
Ｘ線ビームを形成し、半導体装置の局所部に前記Ｘ線ビ
ームを照射したとき生じる半導体装置の電気的特性の変
化が正常部と欠陥部分で異なることを利用して欠陥個所
を特定する。さらにこれらの電気的特性とともに、Ｘ線
照射したときＳｉ基板や電極・配線などの金属層，絶縁
膜などで回折したＸ線ならびに蛍光Ｘ線や光電子を検出
する。

【０００９】

【作用】Ｘ線を照射すると、半導体装置内で正孔と電子
が生成され、電位や電流が変化する。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、微細Ｘ線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Ｘ線，蛍光
Ｘ線あるいは光電子などを解析することにより、前記電
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。

【００１０】上に述べたＸ線照射による電気的特性の変
化についてさらに詳しく述べる。絶縁膜や半導体にＸ線
を照射すると電離して、電子と正孔が発生する。これら
の電荷は発生後消滅するが、欠陥があると正常な部分よ
りその消滅速度が速くなったり遅くなったりする。ある
場合はこれらの電荷が長時間残存することさえある。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やはり発生した電荷
の消滅速度が早くなる。したがって、Ｘ線を照射したの
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とを識別すること
ができる。

【００１１】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、Ｘ線照射により発生
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。

【００１２】このＸ線照射により、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。

【００１３】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。

【００１４】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二次元的に再配
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。

【００１５】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。

【００１６】また、探針にＸ線を用いているため、従来
の評価技術のような被検物を形状的あるいは機械的に破
壊させないため、分析条件を見つけるための予備測定や
繰返し測定ができる。

【００１７】

【実施例】

（実施例１）本発明の実施例を図１を用いて説明する。
評価装置はＸ線発生機１，微細Ｘ線ビーム２を形成する
ためのガラスキャピラリ３、面内で移動可能でかつ照射
点を中心として試料４へのＸ線照射角５を変えられるよ
うに回転できる試料台６，試料を透過したＸ線３６の像
を得るためのイメージングプレート７，試料で回折した
Ｘ線や蛍光Ｘ線など８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９，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１０，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１１、そしてそれらの結果の二次元分
布を表示できるコンピュータと表示装置１２からなる。
ここで、ガラスキャピラリにより形成されたＸ線のビー
ム径は試料上で０.１μｍであった。

【００１８】本実施例では図２に示す断面構造を持つＬ
ＳＩを評価試料とした。このＬＳＩは、ＭＯＳトランジ
スタ部１４，メモリ容量部１５，多層配線部１６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１７を持
ち、１３ｎｍのゲート酸化膜１８のＭＯＳトランジスタ
の評価を行った。

【００１９】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Ｖ
ｔｈ，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。ホットキャリア注入はＳｉ基
板１３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。

【００２０】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
だした。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３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だ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。

【００２１】図４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１９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２０を示した。

【００２２】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１７および素子間分離
絶縁膜領域２１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。

【００２３】そして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。

【００２４】図５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。

【００２５】また図５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。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。このように本発明により、素子を割ったり削ったり
すること無く、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。

【００２６】（実施例２）本発明の実施例を図６を用い
て説明する。本実施例では実施例１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２２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２３
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２４のエネルギを検出するため
のエネルギアナライザ２５を取り付けた。

【００２７】ここでは本実施例の装置を図３に示したＬ
ＳＩの多層配線部１６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０.１μ
ｍ径のビームを適用した。このビームを図２に示す断
面構造を持ち、Ｓｉ基板との接触部を持たない第一層目
と第二層目のＡｌ配線の交差部での層間絶縁膜２８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。

【００２８】図７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４３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４４
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４５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。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。

【００２９】（実施例３）本実施例を図８を用いて説明
する。本実施例では実施例の１および２において、試料
に紫外線３０を照射するための光源３１を設けた。実施
例１や２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ければならないという不便
性があった。

【００３０】本実施例ではこの欠点を無くし、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や２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無くなった。照射位置を試料面
内で二次元的に移動しながら上記の繰返しを行うことに
より特性の二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
無いため、その分布より欠陥部の抽出を容易に行うこと
ができた。また、本実施例を次に述べる極薄酸化膜の評
価に用いた。

【００３１】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２と同
じである。

【００３２】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，８６３−８６４頁，１９９２
年にて報告されている。

【００３３】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。

【００３４】この測定と紫外線照射を交互に０.１μｍ
ピッチで繰返し、酸化膜面内の二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Ｓｉ
2p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、Ｓｉの酸化が不十分であるこ
とがわかった。

【００３５】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。

【００３６】本実施例の他の応用として、書き込みと読
みだ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線ビームを照射した。浮遊ゲート電極下の酸化膜は
７ｎｍであった。図３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。

【００３７】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。

【００３８】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-ray A
bsorption fine Structure)法など他の分析法も適用で
きる。

【００３９】（実施例４）本実施例を図９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３２を設けた。Ｘ線
による放射線損傷は実施例３で示した紫外線照射でほぼ
無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３３を閉じ、ガス導入口３４から
水素を入れ、ガス出口３５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
９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。

【００４０】次に実施例２と同様の方法で第二層目の配
線間の絶縁膜２９の評価を行った。ここでは、１．５ｋ
ｅＶ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２と同じである。

【００４１】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ＳｉＯ₂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。

【００４２】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。

【００４３】（実施例５）装置構成は実施例１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もとめられるように
した。

【００４４】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２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×２
μｍ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
きの電流値の二次元面内分布を求めた。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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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二次元分布よ
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が
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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、多層構造で微細な素子
の集合体であるＬＳＩなどの微小部での電気特性欠陥の
発生個所を特定でき、かつ前記欠陥発生の原因となった
材料特性を対応付けながら評価できる。また、これらの
評価をＬＳＩを割ったり，削ったりすることなく非破壊
で行える。このため、不良原因の解明が容易になり、か
つ高精度で行える。その結果、ＬＳＩなどの不良に対す
る製造プロセスの対策が行えるため、高信頼度のＬＳＩ
が得られるとともに製造歩留の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本構造を示す実施例１の説明図。

【図２】本発明の各実施例で測定試料として用いたＬＳ
Ｉの断面図。

【図３】本発明の実施例１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４】本発明の実施例１の測定結果で、ＭＯＳトラン
ジスタ上のＸ線照射位置とＸ線照射による相互コンダク
タンスの変化率（Δｇｍ／ｇｍ），界面準位の変化率
（ΔＤｉｔ／Ｄｉｔ）および歪（ε）の関係を示す特性
図。

【図５】本発明の実施例１の測定結果で、ＭＯＳトラン
ジスタ上のＸ線照射位置とＳｉ基板内の歪の関係を示す
特性図。

【図６】本発明の実施例２の装置の説明図。

【図７】本発明の実施例２および実施例４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８】本発明の実施例３の装置の説明図。

【図９】本発明の実施例４の装置の説明図。

【符号の説明】

１…Ｘ線発生機、２…微細Ｘ線ビーム、３…ガラスキャ
ピラリ、４…試料、５…Ｘ線照射角、６…試料台、７…
イメージングプレート、８…回折Ｘ線や蛍光Ｘ線など、
９…半導体Ｘ線検出器、１０…電気特性の測定器、１１
…データ処理装置、１２…コンピュータと表示装置、２
５…電子検出器、３６…試料を透過したＸ線。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体装置の所望個所に微細径のＸ線ビー
ムを照射する機能を有し、照射により生じた素子の電気
特性変化を検出する機能を有することを特徴とするＸ線
利用半導体評価装置。
【請求項２】請求項１において、照射Ｘ線の輝度やエネ
ルギ，照射時間，ビーム入射角，Ｘ線被照射部から回折
もしくは放射されるＸ線や電子のエネルギ，個数あるい
は照射角や放射角からなる特性項目のうち、少なくとも
いずれか一つの特性項目を検出する機能を有するＸ線利
用半導体評価装置。
【請求項３】請求項１において、検出する電気特性が電
極と絶縁膜の界面近傍の電荷，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，半導体材料内
で発生した電荷であり、これらの特性の内、少なくとも
一つを検出できるＸ線利用半導体評価装置。
【請求項４】請求項２において得られた検出内容または
請求項３において得られた半導体特性の対応関係を求め
る機能を有したＸ線利用半導体評価装置。
【請求項５】請求項１，２，３または４において、前記
半導体特性の計測をＸ線を照射しながら行えるＸ線利用
半導体評価装置。
【請求項６】微細Ｘ線ビームを被測定物に間歇的に照射
する手段と，前記Ｘ線ビームの休止期間に前記被測定体
の各半導体特性を測定する手段を有することを特徴とす
るＸ線利用半導体評価装置。
【請求項７】請求項６において、Ｘ線照射を繰返し、そ
の照射期間に測定されたデータを積算しながら蓄積し、
所望時間測定の後に請求項２記載のいずれかの特性項目
と電気特性の関係を得る機能を有したＸ線利用半導体評
価装置。
【請求項８】電極配線や半導体に外部から電圧を加えな
い状態でＸ線を照射し、照射により絶縁膜あるいは半導
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基板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Ｘ線利用半導体評価装置。
【請求項９】半導体装置上の微細Ｘ線照射位置を移動さ
せながら、各移動点で上記の各項のＸ線や電子あるいは
半導体の電気特性を測定し、かつそれらの各点で得られ
た特性を半導体装置上の照射位置に対応するように配置
して、各特性の二次元的な分布を得られるようにしたこ
とを特徴とするＸ線利用半導体評価装置。
【請求項１０】請求項９において半導体特性の二次元分
布における特異点を抽出し、半導体装置の欠陥部分を検
出できるようにしたＸ線利用半導体評価装置。
【請求項１１】請求項１，２，３，４，５，６，７，
８，９または１０において、前記測定を終えた後、Ｘ線
が照射された半導体装置に紫外線もしくは水素含有雰囲
気の熱処理を加えることにより、Ｘ線照射損傷を取り除
き正常な特性を持つ半導体装置に回復できる機能を有し
たＸ線利用半導体評価装置。