JP2000277581A

JP2000277581A - 半導体評価装置

Info

Publication number: JP2000277581A
Application number: JP11083004A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Majima; 豊真島; Mitsumasa Iwamoto; 光正岩本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2000-10-06

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体表面に積極的に絶縁層を設けることな
く、試料表面と探針が非接触でキャリア濃度と、表面準
位密度と、試料と探針間の絶縁体中に存在する電荷密度
の定量測定を実現することができる半導体評価装置を提
供する。【解決手段】先端部を導電性材料で形成した探針と、
探針を試料との間でＸＹＺの各方向に相対的に移動可能
な探針ホルダーと、探針ホルダーを試料に対して相対的
に移動させる手段と、探針と試料間に電圧を印加する接
続手段と、試料と探針の相対距離を周期的に変化させた
時に誘起される変位電流を検出する変位電流検出手段
と、検出された変位電流の探針と試料間電圧依存性に基
づき、測定点の表面の半導体のキャリア濃度と、表面準
位密度と、試料と探針間の絶縁体中に存在する電荷密度
と、を定量的に評価する手段を具備する半導体評価装
置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体の評価装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】先端の鋭い探針により試料表面を走査す
ることで、試料表面の情報を10^-6〜10 ^-10ｍの分解能で
調べる技術として、様々なタイプの走査形プローブ顕微
鏡が提案されている。走査形プローブ顕微鏡の代表的な
ものとしては、探針と試料間のトンネル電流を利用する
走査形トンネル顕微鏡（以下、「STM」と称す）や探針
と試料間に働く微小な力を使用する原子間力顕微鏡（以
下、「AFM」と称す）や探針と試料の間の静電容量を計
測する走査形静電容量顕微鏡（以下、「SCM」と称す）
などがある。

【０００３】SCMは主としてAFMをベースにしており、AF
Mにより探針を試料表面に走査させながら同時に静電容
量の情報を取得するが、静電容量情報は発振回路、共振
回路、検波回路からなるキャパシタンスセンサーにより
探針−試料間のキャパシタンス変化をLC共振回路の共振
周波数の変化として検出する。この静電容量の電圧依存
性を測定できる特徴を利用してSCMは、これまでに半導
体のキャリア密度の評価装置として用いられてきた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】SCMでは、LC共振回路
を用いてキャパシタンスの変化を測定しているので、容
量変化の絶対値が分からないという問題がある。従っ
て、SCMを用いて半導体キャリア密度を決定するために
は、SCMの探針を交換するたびに静電容量の変化量の校
正を行なう必要がある。また、SCMでは導電性材料から
なる探針を試料表面に接触させ走査させるため、半導体
あるいは金属試料のキャパシタンスを測定するために
は、試料表面に絶縁層を設ける必要があるという問題が
あった。

【０００５】本発明の主な目的は、かかる従来技術にお
ける課題に鑑み、半導体表面に積極的に絶縁層を設ける
ことなく、試料表面と探針が非接触でキャリア濃度と、
表面準位密度と、前記試料と前記探針間の絶縁体中に存
在する電荷密度の定量測定を実現することができる半導
体評価装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の基本的な形態によれば、少なくとも先端部
を導電性材料で形成した探針と、該探針を一端側に取り
付けると共に、半導体試料との間でＸＹＺの各方向に相
対的に移動可能な探針ホルダーと、前記探針ホルダーを
前記半導体試料に対して相対的に移動させる手段と、前
記探針と前記試料間に電圧を印加する接続手段と、前記
半導体試料と前記探針の相対距離を周期的に変化させた
時に誘起される変位電流を検出する変位電流検出手段
と、該検出された変位電流の前記探針と前記試料間電圧
依存性に基づき、該測定点の表面のキャリア濃度を定量
的に評価する手段を具備することを特徴とする半導体評
価装置が提供される。

【０００７】また、本発明の他の形態によれば、上述し
た半導体評価装置の前記探針を水平方向に走査するとき
に、前記試料に対する該探針の平均高さを一定に保つよ
う制御し、前記探針の水平方向走査時の前記変位電流と
前記探針の変位量を画像信号データとして読み込み、１
次元の変位電流ならびに前記探針のＺ軸方向の変位量の
断面画像あるいは２次元の変位電流ならびに変位量の画
像として表示する手段と、前記プローブ装置の探針を前
記画像を用いて決定された場所に位置決めし、前記変位
電流の電圧依存性を測定することにより、所望の該測定
点表面のキャリア濃度を定量的に評価する手段を具備す
ることを特徴とする半導体評価装置が提供される。

【０００８】本発明の基本的な形態においては、微細な
探針を例えば半導体表面を有する試料に近づけ、前記半
導体試料と該探針の相対距離を周期的に変化させると、
該探針と前記半導体試料間の静電容量の変化と、該探針
と前記半導体試料表面の表面電位差に応じた変位電流が
外部回路に流れる。該探針と半導体試料間に印加する電
圧を変化させて変位電流を測定することにより、半導体
のキャリア濃度と、表面準位密度と、前記試料と前記探
針間の絶縁体中に存在する電荷密度、の定量測定が可能
となる。なお、本発明の他の構成上の特徴および作用の
詳細については、添付図面を参照しつつ以下に記述され
る実施例を用いて説明する。

【０００９】

【実施例】図１に本発明の半導体評価装置の一実施例を
示す全体システム構成を示す。図中１は測定対象の任意
の半導体部分を有する試料、例えばシリコン基板、ＬＳ
Ｉ等の集積回路を示す。探針２の下方には試料１が配置
され、探針２の少なくとも先端部は導電性を有してお
り、探針先端部と探針ホルダー３は低電気抵抗で接続さ
れている。

【００１０】この探針の先端部の曲率半径は、変位電流
検出感度および変位電流の空間分解能を決める上で重要
である。この曲率半径は例えば１×10^-4〜１×10^-7ｍが
好ましい。探針２の先端曲率半径は電解研磨法用いると
先端曲率半径を制御よく形成することが可能となるので
好ましい。電解研磨法にて探針２を作製することが可能
な材質としては例えばタングステン（W）、金（Au）、
白金（Pt）等がある。

【００１１】試料１は絶縁体４ｂを介して、ＸＹ方向に
粗動可能なＸＹ粗動ステージ８により保持されており、
ＸＹ粗動ステージ８は基台９に固定されている。探針ホ
ルダー３は、絶縁体４ａ、電気的シールド６ａを介し
て、例えばピエゾ・アクチュエータを用いたＸＹＺステ
ージ５によって３次元方向に微動可能に保持されると共
にさらにＺ粗動ステージ７によって粗動可能に保持され
る。このＺ粗動ステージ７は、支持台１０に固定され
る。これらＸＹ粗動ステージ８、ＸＹＺステージ５、Ｚ
粗動ステージ７によってＸ，Ｙ，Ｚ方向に粗移動と微移
動が可能となり、試料１と探針２の位置は変化する。な
お、移動の仕方はこの例に限らず、例えば、探針２を固
定して試料１を移動させても良いし、あるいは両者共
に、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に相対的に移動可能にしてもよい。

【００１２】可変電源１６で配線１１、探針ホルダー３
を通して探針２に電圧を印加し、発振器１８で発生させ
例えば正弦波電圧を探針接近制御／探針走査制御／探針
振動制御部１９に入力し、配線１３を通してＸＹＺステ
ージ５のＺ軸方向に例えば探針２と試料表面の距離d(t)
が、 d(t)=d₀＋d₁sinωt ……… （式１）（ただし、d₀は平均距離、d₁は振幅、ωは角周波数、t
は時間とする）となるような正弦波の周期的な振動が加
わるようにする。

【００１３】この際、試料１と配線１２を通して結線さ
れた高速電流アンプ１７に流れる電流については、文献
Y. Majima, S. Miyamoto, Y. Oyama, M. Iwamoto: Jpn.
J.Appl. Phys. 37 (1998) 4557-4560.に記載があるよ
うに、トンネル電流と変位電流が重畳されたものとな
る。すなわち、トンネル電流は、距離依存性が大きいの
で、試料１と探針２間の距離が周期的に変化する際、ト
ンネル電流は試料１と探針２間の距離が最小となる近辺
で集中して流れる。一方、変位電流は、試料１表面と探
針２間の表面電位差と試料１と探針２間の間の静電容量
の変化に起因して流れる。従って、変位電流は試料１と
探針２間の距離が最小または最大となる時には静電容量
の変化が無くなるのでゼロとなる。

【００１４】以上述べたようにトンネル電流と変位電流
は、それぞれが流れる位相が異なるため、２位相ロック
インアンプ２０を用いて両者を分離することが可能とな
る。高速電流アンプ１７では、電流を例えば10⁷〜10⁹ V
/Aのゲインで電流から電圧に変換するので、２位相ロッ
クインアンプには、電圧信号に変換された電流が入力
し、参照信号として発振器１８からTTLレベルの信号を
入力する。また、２位相ロックインアンプの位相は、探
針２を振動させる周波数等により変化するので、試料１
と探針２間の距離を大きくとり、トンネル電流が流れな
いで、変位電流のみが流れる状態にして、トンネル電流
成分がゼロとなるように調節する。

【００１５】ところで、トンネル電流成分は試料１と探
針２間の距離が最小となる近辺でのみ一方向に流れ、変
位電流成分は試料１と探針２間距離の周期的な変化に伴
い交流的に流れる。従って、高速電流アンプ１７の電圧
出力を直流電圧計２１で計測することは、トンネル電流
成分を２位相ロックインアンプとは別途に計測すること
に相当する。これらの２位相ロックインアンプ２０で分
離されたトンネル電流成分、変位電流成分、直流電圧計
で測定されたトンネル電流成分は、探針電圧印加／電流
測定制御部２２に入力され、システム制御／計算部２３
にてデータとして保存、解析される。

【００１６】以上述べたように、図１のシステムの基本
構成は、公知の走査形プローブ顕微鏡、例えばSTMと同
等のもので構成されるが、係るSTMとの相違点は以下の
３点である。（１）Ｚ軸方向に周期的に振動を加えてい
る点。すなわちこの振動は、いわゆるAFMのカンチレバ
ーの撓りのように振幅が原子間力やケルビンフォース等
の外部刺激によって依存するものではなく、例えばピエ
ゾ・アクチュエータ５を用いてＺ軸ピエゾに周期的な電
圧を重畳することによる強制振動であり、振幅を正確に
制御・把握できる点。（２）２位相ロックインアンプを
用いて変位電流成分とトンネル電流成分に分離測定して
いる点。（３）直流電圧計を用いて探針２の振動と同期
して周期的に変化するトンネル電流成分を測定している
点。

【００１７】また、係るSTMに以下の２点の改良点を行
うことにより、低ノイズの変位電流測定が実現できる。
（１）探針２をＺ軸方向に振動させるためにピエゾに印
加される交流電圧に起因して流れる変位電流を減少させ
るためにＸＹＺステージ５の周囲（絶縁体４ａとＸＹＺ
ステージ５の間も含む）に電気的シールド６aおよび電
気的シールド６ｂを施しており、さらに電気的シールド
６ａおよび６ｂと接地された支持台１０の間を同軸ケー
ブル１４ａおよび同軸ケーブル１４ｂの中心線で電気的
に接続し、同軸ケーブル１４のシールド線は支持台１０
と電気的に接続しており、ＸＹＺステージ５を変位させ
る信号が送られる同軸ケーブル束１３では、駆動信号が
同軸ケーブルの中心線で電気的に接続され、同軸ケーブ
ル束１３のシールド線は支持台１０と電気的に接続して
いる点。（２）可変電源１６と探針ホルダ１１との間の
結線と試料１と高速電流アンプ１７の結線には同軸ケー
ブル１１および同軸ケーブル１２の中心線を用い、同軸
ケーブル１１および１２のシールド線は接地された支持
台１０あるいは基台９と電気的に接続している点。

【００１８】次に図１の装置を用いた変位電流測定方法
について説明する。まず、試料１を絶縁体４ｂに装着
し、次いでＸＹ粗動ステージ８をＸＹの水平方向に動か
して試料１の位置を移動する。この時の移動制御は、例
えば光学顕微鏡を用いて、測定対象部位が存在するであ
ろう大まかな目標領域の上に探針２が位置するように行
われる。Ｚ粗動ステージ７で探針２を試料１の表面ぎり
ぎりまで光学顕微鏡を用いて降下させる。次に探針２に
可変電源１６を用いて数V程度の電圧を印加し、探針２
と試料１の間に予め設定したトンネル電流（例えば5×1
0^-13〜1×10^-8Ａ）が流れるまで、Ｚ粗動ステージを例
えばステッピングモータを用いてさらに降下させる。次
にＸＹＺステージ５を探針２と試料１の距離が遠ざかる
ようにＺ軸方向に変位させる。次いで発振器１８から周
期的な波形、例えば正弦波を出力し、ＸＹＺステージ５
をＺ軸方向に周期的に振動させる。この周期的な振動の
周波数は、正確に探針２と試料１の距離を振動させるた
めに、絶縁体４ａ、探針ホルダ３、探針２等が接続され
たＸＹＺステージの共振周波数よりも低くする必要があ
る。

【００１９】また、振幅は正確な振動が実現できる振幅
である必要がある。先に述べたようにトンネル電流は探
針２と試料１間の距離に対して指数関数的に変化するの
で、距離依存性が大きい。従って、例えば、距離d(t)の
誤差が３×10^-9ｍ以上あるとトンネル電流の再現性が得
られない。また、特にトンネル電流と変位電流の大きさ
が同等になりる場合には、距離d(t)の誤差が１×10^-9ｍ
以上あると、ロックインアンプ２０によるトンネル電流
と変位電流が不正確となり、両者を分離測定することが
難しくなる。

【００２０】次いで、ＸＹＺステージ５のＺ軸方向に振
動させた探針２と試料１の距離を周期的に変化させた状
態で、直流電圧計２１で計測されるトンネル電流が予め
設定した値となるように、ＸＹＺステージ５のＺ軸方向
の振動の中心をＺ軸方向に変位させる。この際、直流電
圧計２１で計測されるトンネル電流の代わりに、２位相
ロックインアンプ２０にて分離されたトンネル電流を用
いて、ＸＹＺステージ５のＺ軸方向の振動の中心をＺ軸
方向に変位させてもよい。

【００２１】次に、Ｚ軸方向の振動の中心位置を固定
し、探針２に印加する電圧を可変電源１６を用いてステ
ップ状あるいはランプ状に予め設定した電圧領域で変化
させ、探針２に印加された電圧と２位相ロックインアン
プ２０にて分離された変位電流の関係を測定し、システ
ム制御部／計算部２３にデータとして記録する。また、
この変位電流を計測する際に２位相ロックインアンプ２
０にて分離されたトンネル電流と直流電圧計によるトン
ネル電流も、同時に測定・記録することが好ましい。探
針２に印加する電圧をランプ状に変化させる場合には、
電圧の変化速度（単位はV/sec）と試料１と探針２間の
静電容量の積で与えられる電流が、測定しようとしてい
る変位電流の大きさよりも小さくなるような、電圧の変
化速度を採用することが好ましい。また、２位相ロック
インアンプ２０にて分離されるトンネル電流は、２位相
ロックインアンプ２０にて分離される変位電流よりも小
さくなるような測定条件で行なうことが、変位電流を正
確に測定する上で好ましい。

【００２２】次に、探針２に印加された電圧と２位相ロ
ックインアンプ２０にて分離された変位電流の関係か
ら、測定点の主キャリアが電子である場合と正孔である
場合の判別方法を説明する。図２に探針２に印加された
電圧と２位相ロックインアンプ２０にて分離された変位
電流の代表的な関係を示す。図２では試料１としてp型
シリコン(Si)を用いている。図２中探針電圧が-1.4〜-2
Vの直線で外挿できる領域は蓄積領域であり、探針電圧
に対する変位電流の傾きが緩やかとなる探針電圧が-1〜
0.5Vは空乏領域、再び探針電圧に対する変位電流の傾き
が急になる探針電圧が0.5〜1.5Vは反転領域である。

【００２３】一方、ｎ型シリコンでは、探針２に印加さ
れた電圧と２位相ロックインアンプ２０にて分離された
変位電流の関係は、探針電圧が反転したような特性が観
察される。すなわち、蓄積領域は正の電圧領域で観察さ
れ、蓄積領域から探針電圧が負方向に減少すると、空乏
領域が観察され、さらに探針電圧が負方向に減少すると
反転領域が観察される。測定点の主キャリアの判別は蓄
積領域と反転領域の二つの直線で外挿できる特性が観察
された場合には、変位電流の探針電圧に対する傾きが大
きい領域が蓄積領域であることから判別できる。すなわ
ち、傾きが大きい蓄積領域が負の探針電圧側にある場合
は、主キャリアは正孔（例えばp型Si）、正側にある場
合には電子（例えばｎ型Si）となる。また、反転領域が
見られず、直線で外挿できる領域が一つである場合に
は、探針電圧が正方向に増加すると徐々に傾きが緩やか
になる場合には主キャリアは正孔（例えばp型Si）、逆
に探針電圧が負方向に増加すると徐々に傾きが緩やかに
なる場合には電子（例えばｎ型Si）となる。

【００２４】次に変位電流と探針電圧の理論値の導出方
法について説明する。まず、試料１表面の電界強度の面
内分布を導出する。試料１表面と探針２の間に形成され
る静電容量は、文献Y. Majima, S. Miyamoto, Y. Oyam
a, M. Iwamoto: Jpn. J. Appl. Phys. 37 (1998) 4557-
4560.に記載があるように電気影像法を用いて求めるこ
とができる。この電気影像法では、試料１表面と探針２
表面それぞれの電位と電界の境界条件を満たす点電荷を
たしあわせることにより試料１表面と探針２の間に形成
される静電容量を導出する。従って、試料１表面に形成
する電界の面内分布E(x)（ただし、探針２をある先端半
径を有する球と仮定し、球の中心から平らな試料１表面
に垂線をおろした点Pをｘ＝０とし、E(x)は、試料１上
で点Pから水平方向にｘの距離にある点における電界の
大きさをあらわす）で、電気影像法により導出される点
電荷が形成する電界をたしあわせることにより導出する
ことが可能である。

【００２５】次いで、半導体中に形成されるビルトイン
ポテンシャルの面内分布φ_１（ｘ）と、φ_１（ｘ）を形
成するために半導体表面に誘起される空間電荷Q
_１２（ｘ）の導出方法を示す。試料１表面が半導体であ
る場合には、探針２に印加される電圧Ｖ_１は、半導体試
料表面のビルトインポテンシュルφ_１（ｘ）と、試料１
表面と探針２の間の空間に形成される電圧Δ（ｘ）と、
探針２の仕事関数と半導体のフェルミレベルの差に起因
した電圧φ_３１の、３つ項の和 V_１＝φ_１（ｘ）＋Δ（ｘ）＋φ_３１ ……… （式２）としてあらわされる。

【００２６】ところで、試料１表面に形成される電界は
面内分布E(x)を持つことから、φ_１（ｘ）およびΔ
（ｘ）は面内分布を有する。このφ_１（ｘ）の面内分布
は、探針２に印加される電圧V_１を電界の面内分布E(x)
で割った、V_１／E(x)の位置に半導体試料表面と平行に
平板電極が存在すると仮定して、各ｘの値において、上
記（式２）を満たす解を計算することにより得られる。
V_１／E(x)の位置に半導体試料表面と平行に平板電極が
存在する際のφ_１（ｘ）およびQ_１２（ｘ）の導出は例
えば文献S. M. Sze： Physics of Semiconductor Devic
es, (John Willey &Sons, New York, 1981)7章に記載の
関係を用いることにより計算することができる。次いで
２位相ロックインアンプ２０により分離測定される変位
電流Ｉ(V_１)を導出する。探針２に電圧V_１が印加され、
探針２と試料１の距離が、上記（式１）のｄ（ｔ）で与
えられる場合に、探針２に半導体試料表面から誘起され
る電荷量Q(ｄ（ｔ）)は、

【００２７】

【数1】

【００２８】となる。このとき、変位電流Ｉ(V_１)は、
探針が試料にもっとも近づいたときの誘起電荷量ともっ
とも遠ざかったときの誘起電荷量の差に振動周波数の2
倍をかけたものとなるので、

【００２９】

【数２】

【００３０】で与えられる。ただし、ｆは探針２の振動
周波数である。

【００３１】図３に変位電流Ｉ(V_１)−探針電圧V_１特性
のp型シリコンのキャリア（正孔）濃度依存性の典型的
な計算結果を示す。図３よりキャリア濃度に変位電流Ｉ
(V_１)−探針電圧V_１特性は大きく依存することが分か
る。特に、探針電圧が０〜１V程度の空乏領域におい
て、変位電流Ｉ(V_１)−探針電圧V_１特性は大きく変化す
る。

【００３２】次に、図３に示したような変位電流Ｉ
(V_１)−探針電圧V_１特性を計算するためには、探針２の
先端曲率半径を予め見積もっておく必要がある。そこ
で、ここでは探針２の先端曲率半径を見積もる方法につ
いて記述する。探針２の先端曲率半径は文献Y. Majima,
S. Miyamoto, Y. Oyama, M. Iwamoto: Jpn. J. Appl.
Phys. 37 (1998) 4557-4560.に記載されている探針２と
試料１間の静電容量の変化量と探針２と試料１間の相対
距離の関係から先端曲率半径を求める方法を採用し、図
１記載のシステムを用いることにより見積もることがで
きる。また、この静電容量の変化量と相対距離の関係か
ら先端曲率半径を求める方法を使用して先端曲率半径の
変化を試料１交換時に調べることにより、探針２の寿命
を知ることができる。すなわち探針２の曲率半径は、試
料２との接触等により増大することが予想されるが、探
針２の先端曲率半径を試料１交換時等に定期的に調べる
ことにより、この曲率半径の変化をモニターし、新しい
探針に交換する必要性の有無を知ることができる。

【００３３】次に測定点の表面のキャリア濃度と、前記
試料と前記探針間の絶縁体中に存在する電荷密度と、を
変位電流Ｉ(V_１)−探針電圧V_１特性から定量的に見積も
る方法について説明する。まず、図２に相当する変位電
流Ｉ(V_１)−探針電圧V_１特性を測定する。次いで前記の
測定点の主キャリアが電子である場合と正孔である場合
の判別方法を用いて主キャリアを判別する。図３の変位
電流Ｉ(V_１)−探針電圧V_１特性の理論値から明らかなよ
うに、蓄積領域における変位電流Ｉ(V_１)の探針電圧V_１
に対する傾きはキャリア濃度依存性があまり無い。そこ
で、適当なキャリア濃度と、前記の探針２の曲率先端半
径を見積もる方法により求めた曲率先端半径、さらには
ＸＹＺステージのＺ軸ピエゾに印加する交流電圧より見
積もられる振幅d₀を用いることにより、蓄積領域におけ
る変位電流Ｉ(V_１)の探針電圧V _１に対する傾きの測定結
果と傾きが等しくなるような平均距離d₁を計算により導
出する。次いで蓄積領域から反転領域に移行する探針電
圧領域で、変位電流Ｉ(V _１)−探針電圧V_１特性の測定結
果と、前記の変位電流と探針電圧の理論値の導出方法に
より得られた計算結果の偏差が最小となるキャリア濃度
を導出する。

【００３４】ところで、測定結果と計算結果の偏差が小
さくなるキャリア密度を導出する工程では、計算結果を
探針電圧V_１軸方向と変位電流Ｉ(V_１)軸方向に平行移動
させて測定結果とのずれを補正する必要がある。まず、
探針電圧V_１軸方向のずれは、探針２の仕事関数と半導
体のフェルミレベルの差に起因した電圧φ_３１に起因す
るものである。

【００３５】以上述べたように、キャリア密度、探針電
圧V_１軸方向のずれ、変位電流Ｉ(V _１)軸方向のずれの、
３つの項をパラメータとして、蓄積領域と空乏領域にお
いて測定結果と計算結果の偏差が小さくなるように計算
機を用いて計算を行なうことにより、前記３つの項を定
量的に求めることができる。

【００３６】次に、変位電流Ｉ(V_１)軸方向のずれΔＩ
は、試料１と探針２間の絶縁体中に存在する電荷密度に
起因する。ここで、ΔＩは変位電流の探針電圧依存性を
計算する際のフラットバンド条件に相当する点のＺ軸方
向への変位電流の移動量を指す。試料１と探針２間の絶
縁体中に存在する電荷から発生して試料１と探針２に収
束する電束は距離d(t)は、電荷の存在する位置とd(t)に
依存し、距離d(t)が周期的に変化する際、電束の試料１
と探針２への収束条件が変化するので、変位電流の探針
電圧依存性は、変位電流Ｉ(V_１)軸方向にずれることに
なる。ここで、ｘ＝０における試料表面のＺ方向の位置
をＺ＝０とし、試料１と探針２間の絶縁体の位置Ｚにお
ける電荷密度のをρ（ｚ）とする。さて、電荷密度ρ
（ｚ）の試料１と探針２それぞれの収束条件は、d₀を能
動的に変化させることにより、変化する。従って、ΔＩ
のd₀依存性を測定し、面内分布を考慮した上で電荷密度
ρ（ｚ）から発生する電束の収束条件を計算し、ΔＩの
d₀依存性の測定結果と計算結果のずれが最小となる電荷
密度ρ（ｚ）を求めることにより、試料１と探針２間の
絶縁体中に存在する電荷密度ρ（ｚ）を定量的に求める
ことができる。ここでいう絶縁体中に存在する電荷と
は、例えば半導体表面あるいは探針表面に存在する酸化
膜中に存在する電荷を指す。

【００３７】図４に変位電流Ｉ(V_１)−探針電圧V_１特性
の測定結果例と計算結果例を示す。図４より測定結果と
計算結果は、蓄積領域と空乏領域において非常に良く一
致することが分かる。この時、計算結果を導出する際に
用いたキャリア（正孔）濃度は4×10¹⁵ cm^-3であった。
このｐ型シリコン基板のキャリア濃度を4探針法により
求めたところ、2×10¹⁵ 〜1×10¹⁶ cm^-3であり、本方法
により求められた値とよく一致していることが分かる。
また、同様の測定をｎ型シリコンで行い、変位電流Ｉ(V
_１)−探針電圧V_１特性の測定結果と変位電流と探針電圧
の理論値の導出方法により得られた計算結果の偏差が最
小となるキャリア濃度を導出したところ、キャリア（電
子）濃度は1.8×10¹⁶ cm^-3と求まり、4探針法により求
めた値と良く一致した。

【００３８】次に表面準位の導出方法を示す。図４の反
転領域において測定結果と計算結果は探針電圧の増加に
伴い徐々にずれていくことが分かる。この測定結果と計
算結果のずれは表面準位に入った電荷量に依存する。表
面準位には半導体がｐ型である場合には正孔、ｎ型であ
る場合には電子が入る。この表面準位はエネルギー方向
に分布する。ｐ型半導体である場合には、探針金属のフ
ェルミレベルが半導体の伝導体よりもエネルギー的に低
い場合、半導体の伝導体から探針金属のフェルミレベル
と同じ準位まで表面準位は満たされる。また、ｐ型にお
ける表面準位が存在する下限は真性フェルミレベルであ
る。探針電圧が正方向に増加すると、伝導体における表
面準位から徐々に満たされていく。

【００３９】したがって、伝導体から真性フェルミレベ
ルまでの表面準位のエネルギー方向の分布は、図４の反
転領域における測定結果と計算結果のずれを用いて、伝
導体の位置から真性フェルミレベル方向に向かって、計
算により順に導出することができる。このような手順に
より、表面準位を定量的に評価することができる。ま
た、半導体がｎ型である場合には、表面準位は価電子体
から真性フェルミレベルを上限として電子が入る順位が
存在し、探針金属のフェルミレベルよりもエネルギー的
に低い領域の表面準位に電子が満たされる。したがっ
て、探針電圧が負方向に減少した際の、変位電流の測定
結果と計算結果のずれから、ｐ型半導体と同様な手順に
より、表面準位を定量的に評価することができる。

【００４０】ところで、表面準位には、一般に探針から
試料表面への電荷のトンネル過程により電荷が満たされ
る。したがって、表面準位に入る電荷量は、試料−探針
間の距離依存性を有するため、表面準位への電荷の遷移
確率を導入することにより、表面準位の誤差を小さくす
ることができる。ところで、遷移確率としては、トンネ
ル過程であるため、例えば指数関数が適当である。

【００４１】次に図１半導体評価装置において、探針２
をＺ軸方向に振動させた上で、水平方向に走査させ、変
位電流および探針の平均変位量の画像を得る方法につい
て説明する。トンネル電流は試料１と探針２間距離に大
きく依存し、変位電流の距離依存性よりも変化が急峻で
あるため、探針２と試料表面に対する高さd(t)がd(t)=d
₀＋d₁sinωt（ただし、d₀は平均高さ、d₁は振幅、ωは
角速度、tは時間とする）となるような正弦波の周期的
な振動を加えた際に、トンネル電流を一定に保ちながら
水平方向に走査することは、試料１に対する探針２の平
均高さd₀を一定に保って水平方向に走査することに相当
する。

【００４２】図１に記載された本半導体評価装置では、
探針電圧として適当な値を選択固定し、直流電圧計２１
あるいは2位相ロックインアンプにより分離されるトン
ネル電流が一定となるようにＺ軸方向にフィードバック
をかけて水平方向に走査し、探針２の水平走査時の変位
電流と探針２の変位量を画像信号データとしてシステム
制御／計算部に読み込み、例えば１次元あるいは２次元
の画像として表示することが可能である。

【００４３】ところで、例えばｐ型半導体と、ｎ型半導
体と、金属が同一試料内に存在するような集積回路にお
いては、例えばｐ型半導体では蓄積領域で、ｎ型半導体
では空乏領域に相当する探針電圧の設定が可能である、
図２より明らかなように、同じ探針電圧において、蓄積
領域である半導体の変位電流の絶対値は、空乏領域であ
る半導体の絶対値よりも大きい。従って、変位電流の１
次元像から、ｐ型半導体とｎ型半導体と金属の横方向プ
ロファイルを知ることができ、変位電流の２次元像から
ｐ型半導体とｎ型半導体と金属の平面パターンを知るこ
とができる。特に、異なる2つの探針電圧印加時の、変
位電流の１次元像あるいは２次元像を比較すると、例え
ば同一ポイントにおける変位電流の変化量が金属表面で
は最大となるので、p型半導体とｎ型半導体と金属表面
の領域の識別が容易になる。さらに、これらの１次元あ
るいは２次元の変位電流の測定結果を用いて、探針２を
１次元あるいは２次元画像を用いて決定された場所に位
置決めし、変位電流の探針電圧依存性を測定することに
より、該測定点表面の金属あるいは半導体の識別さらに
は、表面が半導体である場合には、キャリア濃度を定量
的に評価することが可能である。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、探
針を振動させた際に流れる変位電流を測定することによ
り、半導体試料のキャリア濃度を定量的に測定すること
ができる。また、変位電流の２次元像を用いることによ
り、LSI等の配線を含む集積回路において、p型半導体と
ｎ型半導体と金属表面の領域の識別が可能となり、変位
電流像から所望の地点を決定した上で、変位電流の探針
電圧依存性を測定することによりキャリア密度の解析を
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体評価装置の全体システム構成を
示す図である。

【図２】変位電流の探針電圧依存性の測定結果を示す典
型的な図である。試料１はp型シリコンである。

【図３】変位電流−探針電圧特性のキャリア濃度依存性
の計算結果を示す典型的な図である。

【図４】変位電流の探針電圧依存性の測定結果と蓄積領
域および空乏領域における変位電流の測定結果と計算結
果の偏差が最小となるようなキャリア濃度を求めた際の
変位電流−探針電圧特性を示す図である。

【符号の説明】

１…測定対象の試料２…探針３…探針ホルダー４ａ…絶縁体４ｂ…絶縁体５…ＸＹＺステージ６ａ…絶縁体４ａとＸＹＺステージにそれぞれの面で接
続された蓋の形状をした電気的シールド（電気的シール
ド６ｂとは非接触）６ｂ…Ｚ粗動ステージと接続された電気的シールド（Ｘ
ＹＺステージ、電気的シールド６aとは非接触）７…Ｚ粗動ステージ（Ｚ軸方向に粗動するためのパルス
モーターを含む）８…ＸＹ粗動ステージ９…基台１０…支持台１１…同軸ケーブルからなる可変電源で発生させた電圧
を探針ホルダーに印加するための電気結線１２…同軸ケーブルからなる試料と高速電流アンプの電
気結線１３…同軸ケーブルの束からなるＸＹＺステージを変位
させるための電圧をＸＹＺステージに同軸ケーブルの中
心線を用いて印加するための電気結線１４ａ…同軸ケーブルからなる電気的シールド６ｂに誘
起された電荷を接地された支持台に逃がして接地するた
めの電気結線１４ｂ…同軸ケーブルからなる電気的シールド６ａに誘
起された電荷を接地された支持台に逃がして接地するた
めの電気結線１５…Ｚ粗動ステージのパルスモーターを駆動するため
の電気配線１６…可変電源１７…高速電流アンプ１８…発振器１９…探針接近制御／探針走査制御／探針振動制御部２０…２位相ロックインアンプ２１…直流電圧計２２…探針電圧印加／電流測定制御部２３…システム制御／計算部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4M106 AA10 AA20 BA14 CA11 CB02 CB07 CB30 DH01 DH11 DH16 DH60 DJ03 DJ04 DJ05 DJ11 DJ23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも先端部を導電性材料で形成し
た探針と、該探針を一端側に取り付けると共に、試料と
の間でＸＹＺの各方向に相対的に移動可能な探針ホルダ
ーと、前記探針ホルダーを前記試料に対して相対的に移
動させる手段と、前記探針と前記試料間に電圧を印加す
る接続手段と、前記試料と前記探針の相対距離を周期的
に変化させた時に誘起される変位電流を検出する変位電
流検出手段と、該検出された変位電流の前記探針と前記
試料間電圧依存性に基づき、該測定点の表面の半導体の
キャリア濃度と、表面準位密度と、前記試料と前記探針
間の絶縁体中に存在する電荷密度と、を定量的に評価す
る手段を具備することを特徴とする半導体評価装置。
【請求項２】請求項１に記載の半導体評価装置と、前
記探針を水平方向に走査する時に前記試料に対する該探
針の平均高さを一定に保つよう制御し、前記探針の水平
走査時の前記変位電流と前記探針の平均変位量を画像信
号データとして読み込み、１次元の変位電流ならびに前
記探針のＺ軸方向の変位量の断面画像あるいは２次元の
変位電流ならびに変位量の画像として表示する手段と、
前記プローブ装置の探針を前記画像を用いて決定された
場所に位置決めし、前記変位電流の電圧依存性を測定す
ることにより、所望の該測定点表面のキャリア濃度と、
表面準位密度と、前記試料と前記探針間の絶縁体中に存
在する電荷密度と、を定量的に評価する手段を具備する
ことを特徴とする半導体評価装置。