JP3798099B2

JP3798099B2 - Device evaluation method and device manufacturing method

Info

Publication number: JP3798099B2
Application number: JP02704897A
Authority: JP
Inventors: 耕一郎本田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1997-02-10
Filing date: 1997-02-10
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2017-02-10
Also published as: JPH10223717A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、素子構成部材としてＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の強誘電性を有する部材を使用した素子の評価方法及び素子製造方法に関し、特に電子線ホログラムを用いて素子構成部材の良否を判定する素子評価方法及びその素子評価方法を用いた素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置を構成する素子の材料として、ＰＺＴを始めとする強誘電体材料が注目されている。また、従来、既にＰＺＴをキャパシタ材料として用いたＦＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory）が実用化されている。
ところで、従来は、ＰＺＴ等の強誘電体からなる膜の強誘電性は、以下のようにして調べている。すなわち、まず、強誘電体膜を一対の電極間で挟んだ構造の評価用サンプルを形成する。次に、この評価用サンプルの電極に電圧を印加して、強誘電体の電界に対する分極のヒステリシスを測定する。そして、その測定値の大小により、強誘電体膜の強誘電性の強さを評価する。
【０００３】
また、従来は、このようにして調べた強誘電体膜の強誘電性から、強誘電体膜を有する素子の電気的特性を推測している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＰＺＴ等の強誘電体材料は、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）等に使用されるＳｉＯ₂等の誘電体材料に比べて不安定であり、製造工程や電極材料によっては酸素や鉛等の元素が膜から離脱してしまう。そうすると、強誘電体膜の強誘電性が変化して、極端な場合には強誘電性がなくなってしまうこともある。このため、従来は、強誘電体膜自体の強誘電性を調べようとしても、強誘電体膜の両側に電極を形成しなければならないため、強誘電体膜自体の強誘電性を正確に調べることが困難である。
【０００５】
また、実際の素子製造工程と異なる比較的簡単な工程で作成した評価用サンプルで強誘電体膜の強誘電性を調べても、実際の素子の強誘電体膜が同じ強誘電性を示すとは限らない。一般的には、実際の素子の強誘電体膜の強誘電性は、評価用サンプルで検出したものよりも劣ったものになる。
更にまた、製造途中の素子の強誘電体膜の強誘電性を調べ、工程管理や不良品のスクリーニングに用いようとしても、従来の方法では、電極がない状態で強誘電性を調べることができない。仮に、電極がない状態で強誘電体膜の強誘電性を調べることができれば、強誘電性が劣化した膜に対し例えば酸素雰囲気中でアニールするなどの処理を施すことにより、強誘電体膜の強誘電性を回復させて製造歩留まりを向上させることができる。
【０００６】
本発明の目的は、電極がない状態でも素子構成部材の強誘電性を評価することができる素子評価方法を提供することである。
また、本発明の他の目的は、製造途中の状態で素子構成部材の強誘電体性を評価することができる素子評価方法を提供することである。
更に、本発明の他の目的は、製造途中の素子の強誘電性の良否を判定し、その結果を基に製造歩留まりを向上させることができる素子の製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、電子線ホログラムにより素子構成部材の近傍の空間部分を通る電子線の位相の変化を検出し、その検出結果により前記素子構成部材の強誘電性の有無又は自発分極の強さを判定することを特徴とする素子評価方法により解決する。
【０００８】
上記した課題は、電子線ホログラムにより素子構成部材の内部を通る電子線の位相の変化を検出し、電子線の位相の変化の分布から前記素子構成部材のグレイン径を検出することを特徴とする素子評価方法により解決する。
上記した課題は、電子線ホログラムにより素子構成部材の近傍の空間部分を通る電子線の位相の変化を検出し、その検出結果により前記素子構成部材の強誘電性の良否を判定し、不良と判定したときには判定に使用した素子と同一製造ロットの素子に対して強誘電性を回復させる処理を施すことを特徴とする素子の製造方法により解決する。
【０００９】
以下、本発明の作用について説明する。
本発明においては、電子線ホログラムを用いて素子構成部材の強誘電性を調べる。電子線ホログラムでは、電場又は磁場のように電子線の位相を変化させる場があれば、位相像を形成することができる。従来、電子線ホログラムは、位相物体近似が可能な薄膜の高分解能の像や、磁性体の分域構造を得るための手段として用いられてきた。電子線ホログラムでは、磁場又は電場のようなベクトルあるいはスカラー・ポテンシャルを電子が通過する場合に、電子の位相シフトによるコンターとして磁場又は電場の分布を視覚化することができる。
【００１０】
一方、強誘電体からなる素子構成部材では、自発分極を有するため、部材内部では自発分極の方向の相違による分域構造が形成され、また部材の近傍の空間には双極子によるクーロン場が形成される。このため、部材内部を通る電子線又は部材の近傍を通る電子線に位相の変化が生じる。電子線ホログラムでは、電子線の位相のシフトを縞模様として観察することができる。すなわち、電子線ホログラムにより、素子構成部材の近傍の空間部分に位相のシフトによる縞模様が観察されれば、素子構成部材が強誘電性を有しているといえる。また、縞模様の密度により、強誘電性の強さを知ることができる。例えば、電子線の位相シフトによる縞模様の密度が異なる２つのサンプルがある場合に、密度が高いほうのサンプルが強誘電性が強いといえる。
【００１１】
更に、強誘電体の粒界部分では自発分極の方向が相違するので、素子構成部材を透過した電子線の位相シフトによる縞模様により、素子構成部材中のグレインのサイズを知ることができる。
また、本発明の素子の製造方法においては、電子線ホログラムを使用して素子構成部材の強誘電性を調べて良否を判定し、不良と判定したときはその素子と同一ロットの素子に対し、強誘電体に酸素又は鉛等を導入して強誘電性を回復させる処理を施す。これにより、製造歩留まりを向上させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について説明する前に、電子線ホログラムについて説明する。
図１は、David C. Joy等の論文（Ultramicroscopy 第51巻、１〜14頁（1993年））中のFig.１に記載された図に基づいた電子線ホログラム法を示す模式図である。なお、ここでは最も一般的なオフアクシス（off-axis）法について説明する。
【００１３】
電子線源から放出された電子ビームは、収束レンズ１１により収束されてコヒーレントな電子ビームとなり、その一部は試料１２を透過し又は試料１２の近傍（試料中の自発分極による電界が届く範囲）を通過してから対物レンズ１３を通過する。この試料１２を透過し又は試料１２の近傍を通過した電子ビーム（図中Ａで示す）を透過波という。一方、残りの電子ビームは試料１２から離れた位置（試料中の自発分極による電界の影響を無視できる範囲）を通る。この試料１２から離れた位置を通る電子ビーム（図中Ｂで示す）を参照波という。
【００１４】
透過波及び参照波はいずれも対物レンズ１３を通過した後、バイプリズム１４により微小角度だけ進行方向が変移され、相互に干渉して写真フィルム１５（又はＣＣＤ素子）上に縞模様の干渉像（インターフェログラム）が形成される。この干渉像を計算機に読込み、画像処理（フーリエ変換等）して参照波の位相成分を取り除くと、透過波の位相像が得られる。
【００１５】
この位相像は、透過波が試料１２中の電場又は試料１２の近傍の電場によって受けた位相の変化を示す。例えば、等電位面では、電子の位相の変化量が同じになるので、同一の等高線（濃度が同じ点の集合）上に並ぶ。
なお、自発分極による電界が発生するためには、強誘電体物質の温度がキュリー点以下であることが必要である。逆に、キュリー点以下であれば、強誘電体物質に限らず高誘電体物質であっても自発分極によるクーロン場が生成されるので、電子線ホログラムを用いて位相像を得ることができる。これにより、強誘電性の評価が可能になる。
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
（第１の実施例）
図２は第１の実施例において使用した試料の断面図である。この試料は、ＰＺＴ膜２１と、ＰＺＴ膜２１の下側全体に形成された下部電極２２と、ＰＺＴ膜２１の上側端部を除く領域上に形成された上部電極２３とを有している。なお、ＰＺＴ膜２１の厚さは、約０．３μｍである。
【００１７】
図３は図１に示す電子線ホログラフ法により得られた試料の干渉像を示し、図４は干渉像を画像処理して得られた位相像を示す。なお、この電子線ホログラムは、試料を電子線が透過する程度に薄く切断し、断面に垂直な方向から電子を照射して撮影したものである。
図４に示すように、ＰＺＴ膜２１の上側近傍の空間部分（図中▲１▼で示す部分）では、白黒の縞状の模様が形成される。この縞状の模様は、ＰＺＴ膜２１の自発分極によって空間に電場が形成され、その電場を通過する電子が受けた位相の変化を示す。位相の変化は電界強度によって異なるため、縞状の模様は電界強度の空間的な変化を示している。すなわち、空間電位が同じ部分は同一の等高線上にあり、図４の位相像では空間での電位分布を見ることができる。逆に、この図４から、空間部分で電子線の位相が変化していることがわかるので、ＰＺＴ膜２１は強誘電性を有していることがわかる。
【００１８】
また、図４において、ＰＺＴ膜２１の内部では、結晶内部の電位分布が観察される。すなわち、この部分では、グレイン境界に対応した位相の変化が見られる。従って、本発明方法により、強誘電体膜中のグレインの大きさを測定することができる。
ＰＺＴ膜２１の下側の空間部分（図中▲２▼で示す部分）では、電界強度の変化を示す白黒の縞模様は見られない。この試料２１の下側には電極２２が形成されており、電荷は電極２２の表面にのみ分布して内部には存在しない。また、電子線照射による電荷は電極２２から試料を支持するホルダを介して接地に流れて、電極２２には蓄積されない。これらにより、下部電極２２の下方には電界が形成されない。つまり、電極２２によりＰＺＴ膜２１の自発分極による電界が遮蔽されていることがわかる。
【００１９】
（第２の実施例）
図５，図６は本発明の第２の実施例を示す図である。なお、図５は図１に示す電子線ホログラムにより得られた試料の干渉像を示し、図６は干渉像を画像処理して得られた位相像を示す。また、この実施例で使用した試料は、厚さが約０．３μｍのＰＺＴ膜からなる。
【００２０】
本実施例では、試料がＰＺＴ膜のみからなり、ＰＺＴ膜の自発分極により発生する電場を遮蔽する電極がないため、ＰＺＴ膜の上側及び下側の空間部分（図６に▲２▼で示す）には縞状の模様が形成される。また、この試料では、試料に照射された電子の一部が試料中に蓄積されて試料全体がチャージアップされているが、蓄積された電子の電荷量よりも試料中の双極子の数のほうが著しく多いため、グレイン（図６に▲３▼で示す）内部の電場の分布を変化させるには至らない。従って、ＰＺＴ膜の内部（図中▲１▼で示す）では、グレイン境界に対応した位相のコントラストの変化が観察される。また、グレイン内部においても、微細な位相の変化が表面に平行に現れている。このように、上部及び下部に電極を有しない試料においても、ＰＺＴ膜中のグレインが視角化される。
【００２１】
なお、グレイン内部で位相の変化を生じる原因として、強誘電体の分極によるグレイン内の電位分布と試料の厚さむらとが考えられる。グレイン内部の位相変化が強誘電体内部の分極に対応する場合、同一のグレイン内部において位相のコントラストが反転する部分（図中▲４▼で示す）があり、磁性体の場合の類推よりドメインが形成されていると考えられる。すなわち、本発明によれば、グレイン内部の分極のドメインも視覚化される。
【００２２】
（第３の実施例）
図７は本発明の第３の実施例において使用した試料を示す断面図である。この試料は、基板上のＳｉＯ₂膜３０上に形成された下部電極３２と、この下部電極３２上に約３３０ｎｍの厚さに形成されたＰＺＴ膜３１と、ＰＺＴ膜３１上の端部を除く領域を覆う上部電極３３とにより構成されている。本実施例では、図７に示す構造の２つの試料（以下、第１の試料及び第２の試料という）を形成し、図１に示す電子線ホログラム法を用いてＰＺＴ膜３１の強誘電性を評価した。
【００２３】
図８は電子線ホログラフにより得られた第１の試料の干渉像を示す図、図９はその干渉像を画像処理して得られた位相像を示す図である。また、図１０は電子線ホログラフにより得られた第２の試料の干渉像を示す図、図１１はその干渉像を画像処理して得られた位相像を示す図である。
図９及び図１１では、いずれもＰＺＴ膜３１の上側近傍の空間部分ではＰＺＴ膜３１の自発分極により電子線の位相が変化したことを示す白黒の縞模様が形成されている。このことから、第１及び第２の試料のＰＺＴ膜３１はいずれも強誘電性を有していることがわかる。また、図９及び図１１の縞模様を比較すると、図９のほうが縞模様が密に形成されている。このことから、第１の試料のＰＺＴ膜３１のほうが第２の試料のＰＺＴ膜３１よりも自発分極が大きい、換言すると第１の試料のＰＺＴ膜３１のほうが第２の試料のＰＺＴ膜３１により強誘電性が強いことがわかる。
【００２４】
実際に、これら第１及び第２の試料のＰＺＴ膜３１の自発分極の大きさを測定したところ、第１の試料のＰＺＴ膜３１の自発分極の大きさは４０μクーロン／ｃｍ²であり、第２の試料のＰＺＴ膜３１の自発分極の大きさは３０μクーロン／ｃｍ²であった。
このように、半導体装置の製造途中で電子線ホログラム法を使用してＰＺＴ膜３１の強誘電性を検査することにより、素子の良否を判定することが可能である。そして、ＰＺＴ膜３１が所定の強誘電性を有していない試料については、その製造ロットの半導体装置に対して、例えば酸素雰囲気中でアニールするなどの処理を施すことにより、ＰＺＴ膜３１の強誘電性を回復させることができる。これにより、半導体装置の製造歩留まりの向上を図ることができる。
【００２５】
（第４の実施例）
図１２は、ＦＲＡＭの構成を示す断面図である。
半導体基板４１はフィールド酸化膜４２により複数の領域に分割されており、各領域にはそれぞれ複数のトランジスタＴｒ1 ，Ｔｒ2 ，…が形成されている。これらのトランジスタＴｒ1 ，Ｔｒ2 ，…の各ゲートはワード線として機能する。これらのトランジスタＴｒ1 ，Ｔｒ2 ，…及びフィールド酸化膜４２はＢＰＳＧ膜４３に覆われている。また、フィールド酸化膜４２上にはＢＰＳＧ膜４３を介してキャパシタＣ1 ，Ｃ2 が形成されている。これらのキャパシタＣ1 ，Ｃ2 は、下部電極４４と、ＰＺＴ膜４５と、上部電極４６とが積層されて構成されている。
【００２６】
キャパシタＣ1 ，Ｃ2 は層間絶縁膜４７に覆われており、この層間絶縁膜４７上には局部配線５１が形成されている。この局部配線５１は、トランスファゲートであるトランジスタＴｒ1 のソースと上部電極４６とを電気的に接続する。また、局部配線５１上には層間絶縁膜４８が形成されており、この層間絶縁膜４８上には多層導電体膜からなるビット線４９が形成されている。このビット線４９はトランジスタＴｒ1 のドレインに接続されている。更に、ビット線４９上にはカバー膜５０が形成されている。
【００２７】
図１３は、図１２に示す構造のＦＲＡＭの製造工程において、キャパシタＣ1 ，Ｃ2 形成後に、基板厚さ方向に切断した試料を作成し、この試料のＰＺＴ膜４５の縁部の近傍を図１に示す電子線ホログラム法を用いて撮影した干渉像である。また、図１４は同じくその干渉像を画像処理して得た位相像である。
図１４からわかるように、ＰＺＴ膜４５の近傍の空間部分（図中▲１▼で示す）では、通過する電子が電界によって受けた位相の変化を現わす白黒の縞模様が観察される。等電位面は、ＰＺＴ膜４５付近でなだらかに変化しており、ＰＺＴ膜４５により電界強度が変化していることがわかる。従って、この試料では、ＰＺＴ膜４５には自発分極があり、強誘電性を有することがわかる。また、縞模様の間隔によって、ＰＺＴ膜４５の強誘電性を評価することができる。
【００２８】
以上の各実施例においては、いずれも試料を電子線が透過するように薄膜化したが、強誘電性を評価するだけであれば試料を薄膜化する必要はない。また、強誘電体膜のグレインサイズを調べるだけであれば、試料を断面に切断する必要はない。
また、上記の各実施例では、いずれも強誘電体がＰＺＴの場合について説明したが、強誘電体としてＰＺＴ以外のＢｉ層状構造強誘電体、例えばＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉（ＳＢＴ）等の場合も同様に適用することができる。更に、本発明は、キュリー点温度以下で自発分極が発生する条件であれば、高誘電体物質にも適用することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電子線ホログラムを使用して素子構成物質の近傍の空間部分を通る電子の位相の変化を検出し、その結果に基づいて前記素子構成部材の強誘電性の有無又は自発分極の強さを判定するので、従来方法では必須と考えられていた電界を印加するための電極が不要になり、素子構成部材自体の強誘電性を評価することができる。また、素子構成部材の内部を通る電子の位相の変化を検出することにより、素子構成部材のグレインサイズを検出することができる。
【００３０】
本発明によれば、実際の素子製造工程で製造途中の素子についても、強誘電性の評価が可能である。
また、実際の素子製造工程の素子について強誘電性の良否を調べ、不良と判定したときには判定に使用した素子と同一ロットの素子に対し、酸素雰囲気中でアニールするなどの処理を施し、強誘電性を回復させることができる。これにより、製造歩留まりの向上が図れるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】電子線ホログラム法を示す模式図である。
【図２】第１の実施例において使用した試料の断面図である。
【図３】第１の実施例の干渉像を示す図である。
【図４】第１の実施例の位相像を示す図である。
【図５】第２の実施例の干渉像を示す図である。
【図６】第２の実施例の位相像を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施例に使用した試料を示す断面図である。
【図８】第３の実施例の第１の試料の干渉像を示す図である。
【図９】第３の実施例の第１の試料の位相像を示す図である。
【図１０】第３の実施例の第２の試料の干渉像を示す図である。
【図１１】第３の実施例の第２の試料の位相像を示す図である。
【図１２】ＦＲＡＭの構成を示す断面図である。
【図１３】第４の実施例の試料の強誘電体膜の縁部近傍の干渉像を示す図である。
【図１４】第４の実施例の試料の強誘電体膜の縁部近傍の位相像を示す図である。
【符号の説明】
１１収束レンズ
１２試料
１３対物レンズ
１４バイプリズム
１５フィルム（又はＣＣＤ素子）
２１，３１，４５ＰＺＴ膜
２２，２５，３２，３３，４４，４６電極
３０ＳｉＯ₂膜
４１半導体基板
４２フィールド酸化膜
４３ＢＰＳＧ膜
４７，４８層間絶縁膜
４９ビット線
５０カバー膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an element evaluation method and an element manufacturing method using a member having ferroelectricity such as PZT (lead zirconate titanate) as an element constituent member, and in particular, whether an element constituent member is good or bad using an electron beam hologram. The present invention relates to a device evaluation method for determination and a device manufacturing method using the device evaluation method.
[0002]
[Prior art]
In recent years, ferroelectric materials such as PZT have attracted attention as materials for elements constituting semiconductor devices. Conventionally, FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) using PZT as a capacitor material has already been put into practical use.
Conventionally, the ferroelectricity of a film made of a ferroelectric material such as PZT has been examined as follows. That is, first, an evaluation sample having a structure in which a ferroelectric film is sandwiched between a pair of electrodes is formed. Next, a voltage is applied to the electrode of the sample for evaluation, and the hysteresis of polarization with respect to the electric field of the ferroelectric is measured. Then, the ferroelectric strength of the ferroelectric film is evaluated based on the magnitude of the measured value.
[0003]
Conventionally, the electrical characteristics of an element having a ferroelectric film are estimated from the ferroelectricity of the ferroelectric film thus investigated.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, a ferroelectric material such as PZT is unstable compared to a dielectric material such as SiO ₂ used for DRAM (Dynamic Random Access Memory) or the like, and depending on the manufacturing process and electrode material, oxygen, lead, etc. The element is detached from the film. Then, the ferroelectricity of the ferroelectric film changes, and in extreme cases, the ferroelectricity may be lost. For this reason, conventionally, since it is necessary to form electrodes on both sides of the ferroelectric film even if the ferroelectricity of the ferroelectric film itself is to be investigated, the ferroelectricity of the ferroelectric film itself is accurately examined. Is difficult.
[0005]
In addition, even if the ferroelectric film of the actual device shows the same ferroelectricity even if the ferroelectric property of the ferroelectric film is examined with an evaluation sample created by a relatively simple process different from the actual device manufacturing process. Is not limited. In general, the ferroelectricity of the ferroelectric film of an actual device is inferior to that detected by the evaluation sample.
Furthermore, even if the ferroelectricity of the ferroelectric film of the element being manufactured is examined and used for process control or screening of defective products, the conventional method cannot examine the ferroelectricity without electrodes. . If the ferroelectricity of the ferroelectric film can be investigated in the absence of electrodes, the ferroelectric film is subjected to a treatment such as annealing in an oxygen atmosphere, for example. The manufacturing yield can be improved by restoring the ferroelectricity.
[0006]
An object of the present invention is to provide an element evaluation method capable of evaluating the ferroelectricity of an element constituent member even without an electrode.
Another object of the present invention is to provide an element evaluation method capable of evaluating the ferroelectricity of an element constituent member in the course of manufacturing.
Furthermore, another object of the present invention is to provide a device manufacturing method capable of determining the quality of ferroelectricity of a device in the middle of manufacture and improving the manufacturing yield based on the result.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The above-described problem is that an electron beam hologram detects a change in the phase of an electron beam passing through a space portion in the vicinity of the element constituent member, and the detection result determines the presence or absence of ferroelectricity of the element constituent member or the strength of spontaneous polarization. This is solved by an element evaluation method characterized by determining.
[0008]
The above-described problem is characterized in that a change in the phase of an electron beam passing through the inside of the element constituent member is detected by an electron beam hologram, and a grain diameter of the element constituent member is detected from a distribution of the change in the phase of the electron beam. This is solved by an element evaluation method.
The above-mentioned problem is to detect a change in the phase of an electron beam passing through a space portion in the vicinity of the element constituent member by using an electron beam hologram, and to judge whether the element constituent member has good or bad ferroelectricity based on the detection result. In this case, the element manufacturing method is characterized in that a process for recovering the ferroelectricity is performed on the element of the same manufacturing lot as the element used for the determination.
[0009]
The operation of the present invention will be described below.
In the present invention, the ferroelectricity of the element constituent member is examined using an electron beam hologram. In the electron beam hologram, if there is a field that changes the phase of the electron beam such as an electric field or a magnetic field, a phase image can be formed. Conventionally, an electron beam hologram has been used as a means for obtaining a high-resolution image of a thin film capable of approximating a phase object and a domain structure of a magnetic material. In an electron beam hologram, when an electron passes through a vector or scalar potential such as a magnetic field or an electric field, the distribution of the magnetic field or electric field can be visualized as a contour due to the phase shift of the electrons.
[0010]
On the other hand, since the element component made of ferroelectric material has spontaneous polarization, a domain structure is formed inside the member due to the difference in the direction of spontaneous polarization, and a coulomb field due to a dipole is formed in the space near the member. Is done. For this reason, a phase change occurs in the electron beam passing through the inside of the member or the electron beam passing through the vicinity of the member. In the electron beam hologram, the phase shift of the electron beam can be observed as a striped pattern. That is, if a stripe pattern due to a phase shift is observed in a space near the element constituent member by an electron beam hologram, it can be said that the element constituent member has ferroelectricity. Further, the strength of the ferroelectricity can be known from the density of the stripe pattern. For example, when there are two samples having different stripe pattern densities due to the phase shift of the electron beam, it can be said that the sample with the higher density has strong ferroelectricity.
[0011]
Furthermore, since the direction of spontaneous polarization is different at the grain boundary portion of the ferroelectric material, the size of the grains in the element constituent member can be known from the stripe pattern due to the phase shift of the electron beam transmitted through the element constituent member.
In addition, in the method for manufacturing an element of the present invention, the ferroelectricity of the element constituent member is examined using an electron beam hologram to determine whether it is good or bad. A treatment for restoring ferroelectricity is performed by introducing oxygen or lead into the ferroelectric. Thereby, a manufacturing yield can be improved.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an electron beam hologram will be described before describing examples of the present invention.
FIG. 1 is a schematic diagram showing an electron beam hologram method based on the diagram described in FIG. 1 in a paper by David C. Joy et al. (Ultramicroscopy Vol. 51, pages 1 to 14 (1993)). Here, the most general off-axis method will be described.
[0013]
The electron beam emitted from the electron beam source is converged by the converging lens 11 to become a coherent electron beam, and a part of the electron beam is transmitted through the sample 12 or in the vicinity of the sample 12 (a range where an electric field due to spontaneous polarization in the sample reaches). After passing through the objective lens 13. An electron beam (shown by A in the figure) that has passed through the sample 12 or passed through the vicinity of the sample 12 is referred to as a transmitted wave. On the other hand, the remaining electron beam passes through a position away from the sample 12 (a range in which the influence of the electric field due to spontaneous polarization in the sample can be ignored). An electron beam (indicated by B in the figure) passing through a position away from the sample 12 is referred to as a reference wave.
[0014]
After both the transmitted wave and the reference wave pass through the objective lens 13, the traveling direction is shifted by a minute angle by the biprism 14, and interferes with each other so as to interfere with each other on the photographic film 15 (or CCD element). An interferogram) is formed. When the interference image is read into a computer and the phase component of the reference wave is removed by image processing (Fourier transform or the like), a transmitted wave phase image is obtained.
[0015]
This phase image shows the change in phase that the transmitted wave has received by the electric field in the sample 12 or the electric field in the vicinity of the sample 12. For example, on the equipotential surface, the amount of change in the phase of the electrons is the same, so they are arranged on the same contour line (a set of points having the same concentration).
In order to generate an electric field due to spontaneous polarization, the temperature of the ferroelectric material needs to be equal to or lower than the Curie point. On the contrary, if it is below the Curie point, a Coulomb field due to spontaneous polarization is generated not only for a ferroelectric material but also for a high dielectric material, so that a phase image can be obtained using an electron beam hologram. Thereby, ferroelectricity can be evaluated.
[0016]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 2 is a cross-sectional view of the sample used in the first embodiment. This sample has a PZT film 21, a lower electrode 22 formed on the entire lower side of the PZT film 21, and an upper electrode 23 formed on a region excluding the upper end of the PZT film 21. The thickness of the PZT film 21 is about 0.3 μm.
[0017]
3 shows an interference image of the sample obtained by the electron beam holographic method shown in FIG. 1, and FIG. 4 shows a phase image obtained by image processing of the interference image. This electron beam hologram is taken by cutting a sample thinly to such an extent that the electron beam is transmitted and irradiating electrons from a direction perpendicular to the cross section.
As shown in FIG. 4, a black and white striped pattern is formed in the space near the upper side of the PZT film 21 (the portion indicated by (1) in the figure). This striped pattern indicates a change in phase received by electrons passing through the electric field formed in the space by the spontaneous polarization of the PZT film 21. Since the change in phase varies depending on the electric field strength, the striped pattern indicates a spatial change in the electric field strength. That is, portions having the same space potential are on the same contour line, and the potential distribution in space can be seen in the phase image of FIG. On the contrary, FIG. 4 shows that the phase of the electron beam changes in the space portion, and thus it can be seen that the PZT film 21 has ferroelectricity.
[0018]
In FIG. 4, the potential distribution inside the crystal is observed inside the PZT film 21. That is, in this portion, a phase change corresponding to the grain boundary is seen. Accordingly, the grain size in the ferroelectric film can be measured by the method of the present invention.
In the space portion below the PZT film 21 (the portion indicated by (2) in the figure), a black and white stripe pattern indicating a change in electric field strength is not seen. An electrode 22 is formed on the lower side of the sample 21, and electric charges are distributed only on the surface of the electrode 22 and do not exist inside. In addition, the charge due to the electron beam irradiation flows from the electrode 22 to the ground through the holder that supports the sample, and is not accumulated in the electrode 22. As a result, an electric field is not formed below the lower electrode 22. That is, it can be seen that the electric field due to the spontaneous polarization of the PZT film 21 is shielded by the electrode 22.
[0019]
(Second embodiment)
5 and 6 are views showing a second embodiment of the present invention. 5 shows an interference image of the sample obtained by the electron beam hologram shown in FIG. 1, and FIG. 6 shows a phase image obtained by image processing of the interference image. The sample used in this example is a PZT film having a thickness of about 0.3 μm.
[0020]
In this example, the sample consists only of the PZT film, and there is no electrode that shields the electric field generated by the spontaneous polarization of the PZT film, so the upper and lower space portions of the PZT film (indicated by (2) in FIG. 6). A striped pattern is formed in. In this sample, a part of the electrons irradiated to the sample is accumulated in the sample and the entire sample is charged up, but the number of dipoles in the sample is more than the amount of charges of the accumulated electrons. Since it is remarkably large, the electric field distribution inside the grain (indicated by (3) in FIG. 6) cannot be changed. Therefore, a change in phase contrast corresponding to the grain boundary is observed inside the PZT film (indicated by (1) in the figure). In addition, even within the grain, a fine phase change appears parallel to the surface. Thus, even in a sample having no electrodes on the upper and lower sides, the grains in the PZT film are visualized.
[0021]
Note that the cause of the phase change inside the grain is considered to be the potential distribution in the grain due to the polarization of the ferroelectric and the uneven thickness of the sample. When the phase change inside the grain corresponds to the polarization inside the ferroelectric, there is a portion where the phase contrast is inverted inside the same grain (indicated by (4) in the figure). It is thought that it is formed. That is, according to the present invention, the domain of polarization inside the grain is also visualized.
[0022]
(Third embodiment)
FIG. 7 is a sectional view showing a sample used in the third embodiment of the present invention. This sample excludes the lower electrode 32 formed on the SiO ₂ film 30 on the substrate, the PZT film 31 formed on the lower electrode 32 to a thickness of about 330 nm, and the end on the PZT film 31. And an upper electrode 33 covering the region. In this embodiment, two samples (hereinafter referred to as a first sample and a second sample) having the structure shown in FIG. 7 are formed, and the ferroelectric property of the PZT film 31 is formed using the electron beam hologram method shown in FIG. Evaluated.
[0023]
FIG. 8 is a diagram showing an interference image of the first sample obtained by an electron beam holograph, and FIG. 9 is a diagram showing a phase image obtained by performing image processing on the interference image. FIG. 10 is a diagram showing an interference image of the second sample obtained by electron beam holography, and FIG. 11 is a diagram showing a phase image obtained by image processing the interference image.
9 and 11, a black and white striped pattern indicating that the phase of the electron beam has changed due to the spontaneous polarization of the PZT film 31 is formed in the space near the upper side of the PZT film 31. From this, it can be seen that both the PZT films 31 of the first and second samples have ferroelectricity. Further, when the stripe patterns in FIGS. 9 and 11 are compared, the stripe patterns in FIG. 9 are formed more densely. Therefore, the PZT film 31 of the first sample has a spontaneous polarization larger than that of the PZT film 31 of the second sample. In other words, the PZT film 31 of the first sample is caused by the PZT film 31 of the second sample. It can be seen that the ferroelectricity is strong.
[0024]
Actually, when the magnitude of the spontaneous polarization of the PZT film 31 of the first and second samples was measured, the magnitude of the spontaneous polarization of the PZT film 31 of the first sample was 40 μcoulomb / cm ² . The magnitude of the spontaneous polarization of the PZT film 31 of sample 2 was 30 μcoulomb / cm ² .
In this way, it is possible to determine the quality of the element by inspecting the ferroelectricity of the PZT film 31 using the electron beam hologram method during the manufacturing of the semiconductor device. For a sample in which the PZT film 31 does not have a predetermined ferroelectricity, the semiconductor device of the production lot is subjected to a treatment such as annealing in an oxygen atmosphere, for example, whereby the strength of the PZT film 31 is increased. The dielectric property can be restored. Thereby, the manufacturing yield of the semiconductor device can be improved.
[0025]
(Fourth embodiment)
FIG. 12 is a cross-sectional view showing the configuration of the FRAM.
The semiconductor substrate 41 is divided into a plurality of regions by a field oxide film 42, and a plurality of transistors Tr1, Tr2,... Are formed in each region. Each gate of these transistors Tr1, Tr2,... Functions as a word line. These transistors Tr 1, Tr 2,... And the field oxide film 42 are covered with a BPSG film 43. Capacitors C 1 and C 2 are formed on the field oxide film 42 via a BPSG film 43. These capacitors C1 and C2 are formed by laminating a lower electrode 44, a PZT film 45, and an upper electrode 46.
[0026]
The capacitors C 1 and C 2 are covered with an interlayer insulating film 47, and a local wiring 51 is formed on the interlayer insulating film 47. The local wiring 51 electrically connects the source of the transistor Tr1 as a transfer gate and the upper electrode 46. An interlayer insulating film 48 is formed on the local wiring 51, and a bit line 49 made of a multilayer conductor film is formed on the interlayer insulating film 48. This bit line 49 is connected to the drain of the transistor Tr1. Further, a cover film 50 is formed on the bit line 49.
[0027]
FIG. 13 shows a manufacturing process of the FRAM having the structure shown in FIG. 12. After forming the capacitors C1 and C2, a sample cut in the substrate thickness direction is prepared, and the vicinity of the edge of the PZT film 45 of this sample is shown in FIG. It is the interference image image | photographed using the electron beam hologram method shown. FIG. 14 is a phase image obtained by image processing the interference image.
As can be seen from FIG. 14, in the space portion (indicated by (1) in the figure) in the vicinity of the PZT film 45, a black and white striped pattern showing a change in phase received by the passing electron due to the electric field is observed. It can be seen that the equipotential surface changes gently in the vicinity of the PZT film 45, and the electric field strength changes due to the PZT film 45. Therefore, it can be seen that in this sample, the PZT film 45 has spontaneous polarization and has ferroelectricity. Further, the ferroelectricity of the PZT film 45 can be evaluated by the interval of the stripe pattern.
[0028]
In each of the above embodiments, the sample is thinned so that the electron beam can be transmitted. However, if the ferroelectricity is only evaluated, it is not necessary to thin the sample. If only the grain size of the ferroelectric film is examined, it is not necessary to cut the sample into a cross section.
In each of the above embodiments, the case where the ferroelectric is PZT has been described. However, the ferroelectric is a Bi-layered ferroelectric other than PZT, such as SrBi ₂ Ta ₂ O ₉ (SBT). Can be applied similarly. Furthermore, the present invention can also be applied to a high dielectric material as long as spontaneous polarization occurs at a temperature below the Curie point temperature.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an electron beam hologram is used to detect a change in the phase of electrons passing through a space portion in the vicinity of the element constituent material, and based on the result, the ferroelectric of the element constituent member is detected. Therefore, an electrode for applying an electric field, which is considered to be essential in the conventional method, is unnecessary, and the ferroelectricity of the element constituent member itself can be evaluated. Further, the grain size of the element constituent member can be detected by detecting a change in the phase of electrons passing through the inside of the element constituent member.
[0030]
According to the present invention, it is possible to evaluate the ferroelectricity of an element being manufactured in an actual element manufacturing process.
In addition, the ferroelectricity of the element in the actual element manufacturing process is checked. If it is determined to be defective, the element in the same lot as the element used for the determination is subjected to a treatment such as annealing in an oxygen atmosphere. Sexuality can be restored. As a result, the production yield can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an electron beam hologram method.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a sample used in the first example.
FIG. 3 is a diagram showing an interference image of the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a phase image of the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing an interference image of the second embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing a phase image of the second embodiment.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a sample used in a third example of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing an interference image of the first sample of the third embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing a phase image of the first sample of the third embodiment.
FIG. 10 is a diagram showing an interference image of a second sample of the third embodiment.
FIG. 11 is a diagram showing a phase image of a second sample of the third embodiment.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a configuration of an FRAM.
FIG. 13 is a diagram showing an interference image in the vicinity of the edge of the ferroelectric film of the sample of the fourth example.
FIG. 14 is a diagram showing a phase image near the edge of a ferroelectric film of a sample of a fourth example.
[Explanation of symbols]
11 Converging lens 12 Sample 13 Objective lens 14 Biprism 15 Film (or CCD element)
21, 31, 45 PZT film 22, 25, 32, 33, 44, 46 Electrode 30 SiO ₂ film 41 Semiconductor substrate 42 Field oxide film 43 BPSG film 47, 48 Interlayer insulating film 49 Bit line 50 Cover film

Claims

An element evaluation method, comprising: detecting a change in phase of an electron beam passing through a space in the vicinity of an element constituent member by using an electron beam hologram; and determining whether the element constituent member has ferroelectricity based on a detection result.

Detecting a change in phase of an electron beam passing through a space portion in the vicinity of the element constituent member by an electron beam hologram, and determining a strength of spontaneous polarization of the element constituent member from a distribution of a change in phase of the electron beam; Device evaluation method.

An element evaluation method, comprising: detecting a change in phase of an electron beam passing through an inside of an element constituent member by an electron beam hologram; and detecting a grain diameter of the element constituent member from a distribution of a change in phase of the electron beam.

The element evaluation method according to any one of claims 1 to 3, wherein the element constituent member is cut and irradiated with an electron beam from a direction intersecting a cross section thereof.

The change in the phase of the electron beam that passes through the space near the element component is detected by an electron beam hologram, and the detection result is used to determine whether the element component is ferroelectric. A method for manufacturing an element, comprising subjecting an element of the same manufacturing lot as the manufactured element to a process of restoring ferroelectricity.