JP2001185593A

JP2001185593A - 半導体デバイスの評価装置およびその方法並びに半導体デバイスの製造方法

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Publication number: JP2001185593A
Application number: JP36409099A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Suga; 三雄須賀; Shigeyuki Hosoki; 茂行細木; Takashi Furukawa; 貴司古川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 1999-12-22
Publication date: 2001-07-06

Abstract

(57)【要約】【課題】特別な配線等をすることなく、半導体デバイス
における論理回路内部のトランジスタやメモリセルやキ
ャパシタやｐｎ接合等の素子についてのドーパントプロ
ファイルの評価を可能にした半導体デバイスの評価装置
およびその方法を提供することにある。【解決手段】本発明は、試料に収束電子線を照射し、収
束電子線の照射位置を制御する手段と、２次電子検出器
と、微小な先端を有する複数の探針と、探針間に電圧を
印加するための電圧源と、探針間に流れる電流を計測す
るための電流計と、探針間に流れる電流値を電子線照射
位置に対応させて記憶する手段とを備えて構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスの
開発、不良解析、および、製造方法に関する。特に、微
小領域における２次元的なドーパントプロファイル評
価、および、プロファイルのモニタを用いた半導体デバ
イスの評価装置およびその方法並びに半導体デバイスの
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】微細化されたデバイス内部の２次元的な
プロファイルを直接評価する従来技術としては、例えば
アプライドフィジックスレターズ第６６巻３号３４４ペ
ージ（１９９５年）（従来技術１）に記載されている走
査型プローブ顕微鏡（ＳＣＭ）が知られている。この従
来技術１のＳＣＭは、導電性の原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）の探針を用いて半導体内部に形成される空乏層の厚
さを容量の変化として検出するものである。また、ｐｎ
接合部分の空乏層を評価する従来技術としては、特開昭
６３−３０４６３９号公報（従来技術２）、および特開
昭６４−６７９２９号公報（従来技術３）において知ら
れている。これらの従来技術２，３は、ｐｎ接合部分に
電子線を照射することにより発生する起電力を検出する
ことにより、空乏層の広がりを評価するものである。ま
た、ｐｎ接合形状を評価する従来技術としては、特開昭
５９−１９８７３０号公報（従来技術４）において半導
体障壁の投像方法として知られている。この従来技術４
は、ｐｎ接合断面への電子線照射により接合に流れる電
流を検出し、この検出された電流を輝度に変調させ、し
かも接合の断面曲線を高精度に探索して走査電子顕微鏡
の撮像管上に撮像する方法である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術１のＳＣ
Ｍでは、通常、半導体基板部分と探針の間に形成される
容量の変化を計測するため、基板部分に電気的な接続が
できない素子については、特別な配線等が必要であっ
た。このため、論理回路内部のトランジスタやメモリセ
ル等については、プロファイル評価が困難であるという
課題を有していた。また、ほぼ完成した半導体デバイス
においてテスタと呼ばれている回路動作試験で見付かっ
た不良について評価するためには、収束イオンビーム加
工（ＦＩＢ加工）を用いて不良個所を局部的に穴あけし
て評価に適した断面形状が得られるようする必要があ
る。しかし、ＦＩＢ加工を施した際、断面の表面近傍に
ダメージ層が形成される。そのため、上記従来技術１の
ＳＣＭを用いた場合、表面近傍に形成されるダメージ層
の影響を強く受け、正確な評価が困難であった。

【０００４】また、上記従来技術２、３、４のいずれに
も、（ａ）試料に対する具体的な電気的接続方法、
（ｂ）ｐｎ接合に関連したドーパントのプロファイルを
評価すること、（ｃ）起電力のパルス波形が発生した部
分、あるいは、電子線誘起電流が発生した部分が試料上
のどの位置に対応するかについて考慮されていなかっ
た。特に、（ａ）については上記ＳＣＭの場合と同様
に、半導体デバイス上の幅や直径が０．２μｍ以下の配
線やプラグに直接電気的なコンタクトをとることについ
ては考慮されていなかった。

【０００５】本発明の目的は、上記課題を解決すべく、
特別な配線等をすることなく、半導体デバイスにおける
論理回路内部のトランジスタやメモリセルやキャパシタ
やｐｎ接合等の素子についてのドーパントプロファイル
の評価を可能にした半導体デバイスの評価装置およびそ
の方法を提供することにある。また、本発明の他の目的
は、ドーパントプロファイルの評価結果を迅速にフィー
ドバックすることにより、イオンインプランテーション
工程や熱処理工程におけるプロセス条件の最適化を行っ
て、半導体デバイスの品質およびその歩留まりの向上を
図ることができる半導体デバイスの製造方法を提供する
ことにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、試料（半導体デバイス）に収束電子線を
照射し、収束電子線の照射位置を制御する手段と、２次
電子検出器と、微小な先端（例えばウエルの幅のほぼ１
／２よりも小さい曲率半径、即ち曲率半径が０．１μｍ
程度以下）を有する複数の探針と、探針間に電圧を印加
するための電圧源と、探針間に流れる電流を計測するた
めの電流計と、探針間に流れる電流を電子線照射位置に
対応させて記憶させる手段とを備えた半導体デバイスの
評価装置である。また、本発明は、試料（半導体デバイ
ス）に収束電子線を照射し、収束電子線の照射位置を制
御する手段と、２次電子検出器と、微小な先端（例えば
ウエルの幅のほぼ１／２よりも小さい曲率半径、即ち曲
率半径が０．１μｍ程度以下）を有する複数の探針と、
探針間に電圧を印加するための電圧源と、共鳴型容量セ
ンサとを備えた半導体デバイスの評価装置である。ま
た、本発明は、前記半導体デバイスの評価装置におい
て、ｐｎ接合の空乏層部分に電子線を照射した際に誘起
される電流を評価することにより、空乏層形状のｐｎ接
合に対する印加電圧依存性を求め、同依存性とシミュレ
ーションを用いることにより、ドーパントプロファイル
を求めることである。

【０００７】また、本発明は、前記半導体デバイスの評
価装置において、ｐｎ接合、あるいは、ＭＯＳキャパシ
タの空乏層の厚さを評価することである。また、空乏層
厚さの印加電圧依存性とシミュレーションを用いること
により、ドーパントプロファイルを求めることである。
また、本発明は、前記評価装置において、半導体デバイ
スを作製した際のプロセス条件からシミュレーションし
て得られるｐｎ接合形状の結果を、評価された電流像、
あるいは、容量像に重ねて表示することを特徴とする。
また、本発明は、収束電子線を照射することによって検
出されるＳＥＭ像に基いて微小な先端部を有する複数の
探針の各々を微動制御して半導体デバイスにおける目的
とする複数の微小な個所の各々に接触させて電気的に接
続する探針位置決め過程と、該探針位置決め過程で半導
体デバイスに接続された探針間に互いに異なる複数の電
圧値を印加し、各々の電圧値における前記半導体デバイ
スに対して照射される収束電子線の照射位置に応じて前
記探針間に流れる電流を計測して前記半導体デバイス内
部におけるｐｎ接合の空乏層の広がり若しくは形状を求
め、この求められた電圧依存性に基づく空乏層の広がり
若しくは形状から空乏層におけるドーパントプロファイ
ルを評価する評価過程とを有する半導体デバイスの評価
方法である。

【０００８】また、本発明は、収束電子線を照射するこ
とによって検出されるＳＥＭ像に基いて微小な先端部を
有する複数の探針の各々を微動制御して半導体デバイス
における目的とする複数の微小な個所の各々に接触させ
て電気的に接続する探針位置決め過程と、該探針位置決
め過程で半導体デバイスに接続された探針間に交流電圧
に重畳させて互いに異なる複数のバイアス電圧を印加
し、各々のバイアス電圧における前記半導体デバイス内
部に生じる空乏層の容量若しくは該容量の電圧変化を検
出し、この検出されたバイアス電圧依存性に基づく容量
若しくは該容量の電圧変化に基いて空乏層におけるドー
パントプロファイルを評価する評価過程とを有する半導
体デバイスの評価方法である。また、本発明は、収束電
子線を照射することによって検出されるＳＥＭ像に基い
て微小な先端部を有する複数の探針の各々を微動制御し
て半導体デバイスにおける目的とする複数の微小な個所
の各々に接触させて電気的に接続する探針位置決め過程
と、該探針位置決め過程で半導体デバイスに接続された
探針間にバイアス電圧を印加した状態で、前記半導体デ
バイス内部に生じる空乏層の厚さの変化に応じた容量の
変化を検出し、この検出された容量の変化からキャリア
濃度を求め、この求められたキャリア濃度のバイアス電
圧依存性から空乏層におけるドーパントプロファイルを
評価する評価過程とを有する半導体デバイスの評価方法
である。

【０００９】また、本発明は、１段目の層間絶縁膜にプ
ラグを形成した以前の段階で製造された半導体デバイス
に対して空乏層におけるドーパントプロファイルを評価
する評価過程と、該評価過程で評価された空乏層におけ
るドーパントプロファイルに関する情報をフィードバッ
クしてプロセス条件を制御してイオンインプランテーシ
ョン若しくはその後の熱処理を行うイオンインプランテ
ーション工程若しくはその後の熱処理工程とを有する半
導体デバイスの製造方法である。また、本発明は、半導
体デバイスの製造方法において、半導体デバイスをイオ
ン注入と活性化熱処理を実施した後で層間絶縁膜を形成
する前に、ＭＯＳキャパシタあるいはｐｎ接合の容量か
容量の電圧微分を測定する工程を含んで形成することで
ある。また、本発明は、半導体デバイスの製造方法にお
いて、イオン注入をした部分に電気的に接続するための
１段目のプラグを形成した後で、２層目の層間絶縁膜を
形成する前に、ＭＯＳキャパシタあるいはｐｎ接合の容
量か容量の電圧微分を測定する工程を含んで形成するこ
とである。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明に係るデバイスの評価装置
およびデバイスの製造方法の実施の形態について図面を
用いて説明する。ところで、本発明に係るドーパントプ
ロファイルは、半導体デバイスの特性を左右するため、
最適化する必要がある。このためには、微細化された半
導体デバイスの内部の２次元的なドーパントプロファイ
ルを直接評価することが必要となる。まず、本発明に係
る第１の実施例を図１を用いて説明する。本評価装置の
第１の実施例は、筐体１００において、電子源１０１、
収束電子レンズ１０２、走査コイル１０３、焦点コイル
１０４、対物レンズ１０５を含む鏡筒１０６と、それぞ
れ微動スキャナ１０７〜１１０および粗動スキャナ１１
１〜１１４に接続されている４本の探針１１５〜１１８
と、試料（半導体デバイス）１４０ａを載置する試料ス
テージ１１９と、２次電子検出器１２０とにより構成さ
れる。ここで、試料１４０ａである半導体デバイスがｎ
型のＭＯＳトランジスタであるため、ソース１５０に接
触させる探針１１５、ゲート１５２に接触させる探針１
１６、およびドレイン１５１に接触させる探針１１７に
ついては高濃度にドープしたｎ型Ｓｉ半導体を用い、半
導体基板に接触させる探針１１８については高濃度にド
ープしたｐ型Ｓｉ半導体を用いた。更に、走査コイル１
０３と焦点コイル１０４との各々には、電流を流すため
の電流源１３０、１３１を設けた。各探針１１５、１１
６、１１７、１１８には、探針間に電圧を印加するため
の電圧源１３２〜１３４と探針間に流れる電流を測定す
るための電流計１３５〜１３７とをそれぞれ配置した。
これら電流源１３０、１３１や電圧源１３２〜１３４は
コンピュータ１５７で制御できるようにしたので、電子
線１５６の照射位置や焦点位置、および、各探針間に印
加する電圧をコンピュータ１５７によって設定可能であ
る。なお、電子線１５６を照射するための電子源１０１
には、低加速電圧でも直径を小さくすることができる電
界放射型の電子銃を用いた。

【００１１】試料１４０ａには、イオン注入と活性化熱
処理を実施した後の層間絶縁膜を形成する前の状態にあ
る特定の半導体デバイスである例えばｎ型のＭＯＳトラ
ンジスタの断面を用いた。特定の半導体デバイスである
ＭＯＳトランジスタは、主にソース１５０、ドレイン１
５１、金属のゲート１５２、ウェル１５３、および、浅
溝素子分離１５４、１５５より構成される。なお、ゲー
ト１５２とウェル１５３との間には薄い酸化膜が形成さ
れている。本評価装置では、上記したようにコンピュー
タ１５７で電子線１５６の照射位置を制御可能なので、
試料１４０ａ上に電子線を走査させることができる。さ
らには、２次電子検出器１２０を設置したので、試料１
４０ａより発生する２次電子強度を電子線の走査位置に
対応させて評価（検出）することができる。すなわち、
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の機能を有する。

【００１２】本評価装置は、ＳＥＭ機能を有するため、
試料１４０ａの表面の形状のみならず、探針１１５〜１
１８の先端形状や探針１１５〜１１８の位置（ＸＹ方
向）を調べられる。特に、探針１１５〜１１８の先端の
曲率半径が０．１μｍ程度以下の場合も、直径を１ｎｍ
以下に絞ることができる収束電子線を用いて評価してい
るため、先端の位置（ＸＹ方向）を評価することが可能
である。ただし、ここで、Ｚ方向を電子線の照射方向と
した。さらに、試料１４０ａおよび探針１１５〜１１８
に対してそれぞれ焦点をあわせることにより、焦点位置
の違いを評価することができるため、試料１４０ａと探
針１１５〜１１８間の距離、すなわち、探針１１５〜１
１８の高さ（Ｚ方向）を調べることができる。

【００１３】一方、本評価装置では、探針１１５〜１１
８の移動に粗動機構１１１〜１１４と微動機構１０７〜
１１０の２種類を用いた。特に、微動機構１０７〜１１
０は圧電素子を含んで構成したため、探針先端の位置を
１ｎｍ以下の精度で移動できる。このため、上記ＳＥＭ
機能とあわせることにより、探針１１５〜１１８を、試
料１４０ａ上の特定の位置に接触させることが可能とな
る。特に、探針１１５〜１１８を、断面加工された断面
の例えばＭＯＳトランジスタのソース１５０、ドレイン
１５１、ウェル１５３、ゲート１５２等に直接接触させ
ることができる。ここで、試料１４０ａのｐ型領域（ｐ
ウェル）１５３に対しては、ｐ型半導体よりなる探針１
１８を接触させ、かつ、試料１４０ａのｎ型領域（ソー
ス１５０、ドレイン１５１、ゲート１５２）に対して
は、ｎ型半導体よりなる探針１１５〜１１７を接触させ
た。この結果、試料１４０ａの各領域に対して良好な電
気的に接続することができた。また、デバイスの最小加
工寸法が０．２μｍ以下の場合においても、ＳＥＭと、
微小な先端（例えばウエル１５３の幅の１／２よりも小
さい、即ち０．１μｍ程度以下の曲率半径の先端）を有
する探針１１５〜１１８とを用いたために、探針どうし
を接触させることなく、デバイスに探針を接触させるこ
とができた。このため、電圧源１３２〜１３４の各々か
らゲート１５２を含むトランジスタの各部分１５０、１
５１に任意の電圧を印加した状態、すなわち、トランジ
スタを動作させた状態で、探針１１５〜１１８間に流れ
る電流を電流計１３５〜１３７の各々で測定することに
よりコンピュータ１５７は評価することができた。

【００１４】このように、本評価装置では、微小な（曲
率半径が小さな）先端を有する探針１１５〜１１８を用
いることにより、最小加工寸法が０．２μｍ程度、ある
いは、これより小さな場合についても探針１１５〜１１
８を必要な位置に接触させることができる。即ち、探針
１１５〜１１８を試料の特定領域に接触させるために
は、次の手段を用いた。まず、コンピュータ１５７は、
ＳＥＭ機能を用いて、電子線１５６の焦点を試料１４０
ａおよび各探針１１５〜１１８のそれぞれに合わせる。
その結果、コンピュータ１５７は、焦点位置の違いか
ら、試料１４０ａと各探針１１５〜１１８の高さ方向の
距離をそれぞれ測定した。次に、コンピュータ１５７
は、この測定された各探針と試料１４０ａの表面の距離
を用いて、探針１１５〜１１８の高さ（ｚ方向）を上記
粗動機構１１１〜１１４および微動機構１０７〜１１０
を駆動制御することにより、試料１４０ａと各探針１１
５〜１１８の距離を指定した値に制御することができ
る。このように、本行程により試料と探針を近づけるこ
とが可能なため、試料１４０ａと探針１１５〜１１８の
両方をほぼ焦点があった状態にすることができる。この
状態で、コンピュータ１５７からの指令に基いて粗動機
構１１１〜１１４および微動機構１０７〜１１０並びに
試料ステージ１１９を駆動制御して探針１１５〜１１８
の各々をＸＹ方向に動かすことにより、試料１４０ａの
特定部分の近傍に移動させることができる。そして、探
針１１５〜１１８の各々が試料１４０ａの特定部分と十
分に近くなったら、例えばＳＥＭ像を見ながら、少しず
つ探針１１５〜１１８を試料に近づけ、必要であればコ
ンピュータ１５７からの指令に基いて微動機構１０７〜
１１０を駆動制御してＸＹ方向の微調整を行い、最終的
に探針１１５〜１１８の各々を試料１４０ａの特定部分
に接触させる。

【００１５】ところで、試料１４０ａであるＭＯＳトラ
ンジスタはｐｎ接合を含んで構成され、この接合には空
乏層が存在する。そのため、空乏層に電子線１５６を照
射した場合、空乏層内部に電子とホールのペアが形成さ
れるが、空乏層にはビルトインポテンシャルがあるた
め、電子とホールは互いに反対方向にドリフトすること
になる。この結果、電子線を空乏層に照射すると、ｐｎ
接合に電流が流れる。このように電子線を照射すること
により流れる電流を、電子線誘起電流（ＥＢＩＣ）とい
う。空乏層以外の場所に電子線を照射している場合はＥ
ＢＩＣが流れないのに対し、空乏層位置に電子線を照射
した場合はＥＢＩＣが流れる。このため、コンピュータ
１５７は、電子線１５６の走査に対応したＥＢＩＣを電
流計１３５〜１３７の各々で測定することにより、空乏
層の形状を得ることができる。空乏層の形状はｐｎ接合
の形状に対応するため、接合形状も得られることにな
る。

【００１６】本評価装置はＳＥＭ機能を有するため、コ
ンピュータ１５７は、電子線を照射位置に走査した際、
照射位置に対応した２次電子強度を２次電子検出器１２
０によって検出し、探針間に流れる電流値の各々を電流
計１３５〜１３７の各々で測定することにより、２次電
子強度と各電流値を同時に評価することができる。この
ように、照射位置に対応した２次電子強度と各電流値を
コンピュータ１５７のメモリ（図示せず）若しくは接続
された記憶装置（図示せず）に取り込むことができる。
これによって、コンピュータ１５７は、２次電子像（Ｓ
ＥＭ像）とＥＢＩＣ像（空乏層形状を示す）をバス等で
接続された表示装置（図示せず）の画面上に重ね合わせ
て同時に表示することができる。従って、ＥＢＩＣ像に
示される空乏層の位置を、ＳＥＭ像によって示される素
子の形状に対応させて調べることが可能となる。図２に
は、このようにして求めた（ａ）ＳＥＭ像、（ｂ）ＥＢ
ＩＣ像（空乏層像）、（ｃ）ＳＥＭ像とＥＢＩＣ像の重
ね合わせ像を示す。このように重ね合わせて表示するこ
とにより、空乏層の位置が素子のどの部分に対応するか
を明確にすることができる。

【００１７】ところで、空乏層の広がり方は、ドーパン
トプロファイルとｐｎ接合に印加した電圧の関数で決定
される。接合近傍でのドーパント濃度が低い場合は空乏
層は広くなるのに対し、濃度が高い場合は空乏層は狭く
なる。また、接合に印加される逆バイアス電圧Ｖが大き
い場合は空乏層は広く、小さい場合は狭くなる。この空
乏層幅Ｗの印加電圧依存を詳細に解析することにより、
ドーパント濃度が得られる。例えばドーパント濃度が一
定なｐｎ接合の場合については、空乏層の幅Ｗは、Ｓ．
Ｍ．Ｓｚｅ著のＰｈｙｓｉｃｓｏｆＳｅｍｉｃｏｎ
ｄｕｃｔｏｒＤｅｖｉｃｅｓの７７ページに記載されて
いるように、次に示す（数１）式で与えられる。

【００１８】Ｗ＝［(es/q)＊{(Ｎp＋Ｎn)/(Ｎp＊Ｎn)}＊(Ｖbi＋Ｖ)］（数１）ただし、esは半導体の誘電率、ｑはキャリアの電荷、Ｎ
pはｐ型領域内のドーパント濃度、Ｎnはｎ型領域内のド
ーパント濃度、Ｖは逆バイアス電圧である。また、Ｖbi
は接合のビルトインポテンシャルであり、次に示す（数
２）式で与えられる。Ｖbi〜(ｋＴ/ｑ)＊ln(Ｎp＊Ｎn/Ｎi²）（数２）ただし、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｎｉは真
性キャリア濃度である。

【００１９】このように、（数１）式を用いることによ
り、ＥＢＩＣの評価で実測したＷのＶ依存性からドーパ
ント濃度を求めることができる。また、ドーパント濃度
が一定でない場合についても、（数１）式を基本とした
シミュレーションを用いることにより、ＷのＶ依存性か
らドーパント濃度を求めることができる。

【００２０】本評価装置は、電圧源１３２〜１３４の各
々から探針１１５〜１１８間に電圧を印加した状態で、
探針１１５〜１１８間に流れる電流の各々を電流計１３
５〜１３７の各々で測定してコンピュータ１５７におい
て空乏層の幅Ｗで示される空乏層の広がりを求めること
により上記（数１）式の関係から印加電圧依存性に基づ
くドーパントプロファイルを求めて例えばキャリア濃度
の等濃度線等を評価することができる。即ち、コンピュ
ータ１５７は、電圧源１３２〜１３４からトランジスタ
内部のｐｎ接合に印加する電圧を自由に制御することが
できる。従って、コンピュータ１５７は、電流計１３５
〜１３７の各々で測定される探針１１５〜１１８間に流
れる電流の各々を元に、空乏層幅Ｗの印加電圧依存性を
評価することができる。この様子を、図３に示す。図３
（ａ）は、ソース１５０、ドレイン１５１、および、ウ
ェル１５３の電位を同じにした場合である。この場合、
空乏層の幅Ｗは狭い。これに対し、ソース１５０とドレ
イン１５１の電位を同じにし、かつ、ウェル１５３に逆
バイアス電圧Ｖを印加した場合、図３（ｂ）に示すよう
に空乏層の幅Ｗは広くなる。

【００２１】即ち、コンピュータ１５７は、探針１１５
〜１１８間に電圧源１３２〜１３４から印加した複数の
電圧値に対して、電子線の照射位置を走査すると同時
に、照射位置に対応した２次電子強度を２次電子検出器
１２０で検出すると共に探針間に流れる電流値を電流計
１３５〜１３７の各々で同時に測定する。これにより、
コンピュータ１５７は、空乏層形状の印加電圧依存性を
評価することができ、その結果、上記したように空乏層
形状の印加電圧依存から、シミュレーションをすること
により、ドーパントプロファイルを求めることができ
る。更に、コンピュータ１５７は、得られたドーパント
プロファイルから、ドーパントの等濃度線を求めること
ができる。図３（ｃ）に、このようにして求めたドーパ
ント濃度の等濃度線を示す。さらには、図３（ｄ）に
は、ドーパント濃度の等濃度線をＳＥＭ像と重ねた結果
を示す。このように、コンピュータ１５７がＳＥＭ像と
等濃度線像を表示装置の画面上に重ね合わせて同時に表
示できるようにしたため、素子の形状に対応したドーパ
ント濃度を調べることができる。このため、素子内部の
プロファイルが設計通りであるかの判断、あるいは、素
子の不良要因の特定を容易にすることができる。また、
本評価装置では、コンピュータ１５７は、電圧源１３２
〜１３４からトランジスタの各部分に任意の電圧を印加
した状態で、空乏層の形状を評価できる。特に、トラン
ジスタを動作させた状態での空乏層形状を評価すること
ができる。図４に、その様子を示す。（ａ）はトランジ
スタに電圧を印加しない状態、（ｂ）はゲート１５２に
電圧を印加することによりチャネルが形成された状態、
（ｃ）はゲート１５２とドレイン１５１の両方に電圧を
印加した状態である。このように、トランジスタの動作
状態を直接観察できるので、素子内部のプロファイルが
設計通りであるかの判断、あるいは、素子の不良要因の
特定を容易にすることができる。

【００２２】以上説明したように、本発明では、複数の
探針１１５〜１１８を用いることにより、イオン注入と
活性化熱処理を実施した後の層間絶縁膜を形成する前の
状態で、特定の半導体デバイスであるＭＯＳ内部のｐｎ
接合の各部分に電気的に接続させることができた。ま
た、コンピュータ１５７を用いて電子線の走査位置を制
御すると同時に、各探針に流れる電流をコンピュータ１
５７に取り込んだ。このため、トランジスタを形成する
各々のｐｎ接合の空乏層形状やドーパントプロファイル
を評価できた。即ち、論理回路内部のトランジスタやメ
モリセル等についても、特別に電気的に接続するための
配線等を不要にしてドーパントプロファイル等を評価す
ることができた。また、ＬＳＩがほぼ完成した段階でテ
スタによって回路動作試験をした結果、不良として判定
された不良個所についてトランジスタの接合部分を解析
するためには、該接合部分に対してＦＩＢを照射して大
きな穴加工による断面加工を施して露出させる必要が生
じる。その際、ＦＩＢ加工であるため、接合部分の断面
の表面にダメージが入ることになる。しかしながら、上
記本手法は、断面の表面には敏感でないため、不良個所
のｐｎ接合形状やドーパントプロファイルを求めること
が可能となる。

【００２３】次に、本発明に係る第２の実施例について
図５を用いて説明する。特に、試料１４０ｂの近傍の部
分のみを拡大して示した。本評価装置の第２の実施例
は、第１の実施例と類似であるが、探針１６０〜１６３
が金属で構成される点が異なる。また、試料１４０ｂと
しては、第１の実施例の場合と同様に断面を有する特定
の半導体デバイスであるＭＯＳトランジスタを用いた
が、ソース１５０、ドレイン１５１、ゲート１５２、お
よび、ウェル１５３に対して電気的に接続しているプラ
グ１７０、プラグ１７１、プラグ１７２、および、プラ
グ１７３が形成されている状態のもの（イオン注入をし
た部分に電気的に接続するための第１段目のプラグ１７
０〜１７３を形成した後で、２層目の層間絶縁膜を形成
する前の状態のもの）を用いた点が異なる。さらに、電
子線を試料１４０ｂの断面と試料１４０ｂの表面（プラ
グ１７０〜１７３が形成されている面）の両者に対して
それぞれ４５度±１５度の角度を持って照射できるよう
に試料１４０ｂを配置した点が異なる。

【００２４】通常、ＭＯＳトランジスタのプラグ１７０
〜１７３には、高濃度にドープされた半導体、あるい
は、金属が用いられる。このため、これらの部分につい
ては、金属の探針１６０〜１６３を用いた場合でも電気
的に接続することができる。従って、金属の探針１６０
〜１６３を用いた本評価装置でも、第１の実施例と同様
に、電子線をプラグ１７０〜１７３および探針１６０〜
１６３にも照射してＳＥＭ像を観察し、この観察される
ＳＥＭ像を元に、粗動機構１１１〜１１４および微動機
構１０７〜１１０並びに試料ステージ１１９を駆動制御
して探針１６０〜１６３を相対的に高さ方向も含めて微
動位置決めしてプラグ１７０〜１７３に接触させること
により、ＭＯＳトランジスタのソース１５０、ドレイン
１５１、ゲート１５２、および、ウェル１５３の各部分
に対して電気的に接続することができる。これにより、
第２の実施例でも、第１の実施例の場合と同様に、ＭＯ
Ｓトランジスタの２次電子像（ＳＥＭ像）、電子線誘起
電流像（空乏層形状像：ＥＢＩＣ像）、および、ドーパ
ントプロファイルであるドーパントの等濃度線像を得る
ことができる。さらに、コンピュータ１５７は、これら
の像を重ね合わせて表示させることが可能である。この
ため、素子の形状に対応させて、空乏層の形状やドーパ
ントプロファイルを評価することができる。

【００２５】なお、本第２の実施例では、試料１４０ｂ
の断面と試料１４０ｂの表面の両者に対してそれぞれ４
５度の角度を持つように試料を配置したが、４５±１５
度の範囲であれば十分に観察が可能であるのはいうまで
もない。また、試料１４０ｂを載置する試料ステージ１
１９と探針１６０〜１６３を支持する微動機構１０７〜
１１０および粗動機構１１１〜１１４とを回動可能な傾
斜ステージ（図示せず）に支持させ、探針１６０〜１６
３を試料１４０ｂの表面のプラグ１７０〜１７３に接触
させた後に、上記傾斜ステージを回動させて試料１４０
ｂと探針１６０〜１６３を同時に回転させることによ
り、電子線を試料１４０ｂの断面に対して垂直に照射す
ることが可能となり、その結果ＥＢＩＣ像に基づくドー
パントプロファイルを評価することも可能となる。

【００２６】次に、本発明に係る第３の実施例について
説明する。本第３の実施例は、第１および第２の実施例
と類似であるが、電子源１０１に電界放射型の電子銃の
かわりに、ショットキー型の電子銃を用いた点が異な
る。このショットキー型の電子銃は、電界放射型の電子
銃と比較して、収束した電子線の直径が若干大きくなる
が、試料１４０に照射される電子線の強度（電子線の電
流）の安定性を向上させることができる。このため、２
次電子像、電子線誘起電流像（空乏層形状像）、およ
び、ドーパントの等濃度線の像のいずれにおいても、ノ
イズを低減することができる。

【００２７】次に、本発明に係る第４の実施例について
説明する。本第４の実施例は、第１〜第３の実施例と類
似であるが、探針１１５〜１１８、１６０〜１６３と探
針を接触させたい部分（目的部分）１５０〜１５３、１
７０〜１７３の距離を自動的に設定値以下とできるよう
にした点が異なる。このための手段は、次の通りであ
る。最初に、ＳＥＭ機能を用いて試料１４０ａの断面ま
たは試料１４０ｂの表面に焦点をあわせる。試料１４０
ａ、１４０ｂが表示された画面上において、各探針１１
５〜１１８、１６０〜１６３を接触させたい部分（目的
部分）１５０〜１５３、１７０〜１７３を指定する。指
定の方法としては、図６に示すようなマーカー１８０を
用いた。マーカーには接触させる探針の番号も表示し
た。本第４の実施例では４本の探針を用いているため、
各探針に対応した目的部分４カ所をマーカーで選択す
る。この際に、選択した点の一つを座標の基準点とす
る。これにより、他の３点についてはＸＹ座標で表すこ
とができる。

【００２８】次に、コンピュータ１５７は、第１の実施
例で説明したように、それぞれの探針１１５〜１１８、
１６０〜１６３に対して、順番に焦点を合わせる。この
際、焦点位置の違いから、探針の高さを求めることがで
きる。探針の高さについては、Ｚ座標で表すことができ
る。さらには、コンピュータ１５７は、焦点を合わせた
状態で、探針先端に対応する電子線走査位置と上記基準
点に対する走査位置の差を求めることにより、探針のＸ
Ｙ座標を求めることができる。すなわち、本行程によ
り、基準点に対する探針のＸＹＺ座標を求めることがで
きる。

【００２９】本評価装置は、コンピュータ１５７により
求められた基準点に対する探針のＸＹＺ座標を元に、微
動機構１０７〜１１０および粗動機構１１１〜１１４を
駆動制御するための各探針のＸＹＺ座標を制御できるよ
うにした。このため、各探針のＸＹＺ座標とそれぞれに
対応する目的部分の距離とがあらかじめ設定した値とな
るように、探針１１５〜１１８、１６０〜１６３を、マ
ーカー１９０によって指定された目的部分１５０〜１５
３、１７０〜１７３に自動的に近接させることができ
る。特に、本評価装置では、図７に示すように、コンピ
ュータ１５７に接続された表示装置の画面上に、探針を
自動的に近接させるための命令を出すためのボタン１９
０を図７に示すようにもうけた。これにより、４本の探
針が目的位置に対して設定した距離となるように自動的
に探針を近接させることができる。本評価装置では、自
動的に探針と目的部分との距離を設定することができた
ので、装置を操作する人の負担を低減させることができ
る。また、各探針を同時に目的の場所に対して近づける
ことができたので、測定時間を短縮することができる。

【００３０】次に、本発明に係る第５の実施例について
説明する。本第５の実施例は、第４の実施例と類似であ
るが、探針の高さ（Ｚ座標）やＸＹ座標を自動的に検出
する点が異なる。本評価装置の動作を説明する。まず、
第４の実施例と同様に、試料に対して焦点を合わせて、
探針１１５〜１１８、１６０〜１６３を接触させたい場
所（目的部分）１５０〜１５３、１７０〜１７３をマー
カー１９０を用いて選択する。この後は、自動的に探針
の位置をそれぞれの目的部分に指定した距離まで近接さ
せる。次に、コンピュータ１５７からの指令により焦点
コイル１０４に流す電流を制御して電子線の焦点位置を
自動的に変化させると同時に、それぞれの焦点位置に対
応した２次電子像を２次電子検出器１２０から得る。そ
して、コンピュータ１５７は、それぞれの２次電子像か
ら、探針の形状と相互相関法を用いることにより、各探
針に対して焦点があったことを検出し、この検出された
焦点位置から、探針の高さ、すなわち探針のＺ座標を得
る。さらには、コンピュータ１５７は、相互相関法を用
いて探針のＸＹ座標を得る。このようにして、探針のＸ
ＹＺ座標を自動的に得る。この後は、第４の実施例と同
様に、自動的に探針とそれぞれの目的部位との距離を指
定した値に近接させる。特に、本評価装置では、コンピ
ュータ１５７に接続された表示装置の画面上に、探針の
座標を自動的に評価すると同時に探針を自動的に動かす
ための命令を出すためのボタン１９１を図７に示すよう
にもうけた。このようなボタンを配置することにより、
操作を簡便にできる。さらには、探針の座標検出と探針
位置の移動を自動的にできるようにしたため、装置の操
作時間を短縮することができた。

【００３１】次に、本発明に係る第６の実施例について
図８を用いて説明する。本第６の実施例は、第１〜第５
の実施例と類似であるが、試料１４０に照射する電子線
１５６を減速するためのリング２００を配置したこと、
探針１１５〜１１８、１６０〜１６３に電圧を印加する
ための共通の電圧基準２０１を設定したこと、電子線減
速用リング２００の電位が電圧基準２０１と同じである
こと、および、電圧基準２０１の電位をコンピュータ１
５７で設定可能な電圧源２０２で制御できるようにした
点が異なる。また、コンピュータ１５７は、電圧源１３
２〜１３４、および電流源１３０、１３１を光ファイバ
ー２０３を介して制御できるように構成し、かつ、電流
計１３５〜１３７や電圧源１３２〜１３４、２０２を電
子顕微鏡本体１００内部に配置した。上記構造を用いる
ことにより、減速した低エネルギー電子線を試料１４０
に対して照射することができる。電子線のエネルギーが
小さい場合、試料内部での入射電子線の侵入長が小さく
なる。このため、電子ホールペアが形成される体積が小
さくなるので、第１〜第５の実施例に比べて、空乏層評
価における空間分解能が向上する。また、電子顕微鏡内
部に共通の電圧基準２０１を設けることにより、ノイズ
の影響を低減することができる。さらには、光ファイバ
２０３を用いて電圧源１３２〜１３４や電流源１３０、
１３１をコンピュータ１５７と接続し、かつ、電流計１
３５〜１３７や電圧源１３２〜１３４、２０２を電子顕
微鏡本体内部に配置したことにより、電圧源や電流源に
高電圧が印加された場合にも、これらの装置とコンピュ
ータ１５７を容易に接続可能であると同時に、電子顕微
鏡の外部をアース電位とすることにより安全性を確保す
ることができる。

【００３２】次に、本発明に係る第７の実施例について
図９を用いて説明する。本第７の実施例は、第１〜第６
の実施例と類似であるが、試料１４０にＡｒイオン線を
照射するためのイオンガン２２０を配置した点が異な
る。イオンガン２２０は主にイオン源２２１とイオンレ
ンズ２２２より構成される。本評価装置では、第１〜第
６の実施例と同様にｐｎ接合の空乏層形状やドーパント
プロファイルを評価することができる。ただし、第１〜
第６の実施例においては、空乏層以外の部分で形成され
た電子やホールが拡散により空乏層内部に到達し、ｐｎ
接合に流れる電流を増加させるために、シグナルノイズ
比（ＳＮ比）が悪化していた。これに対し、本評価装置
では、Ａｒイオンの照射により試料１４０内部での電子
・ホールの拡散長を短くできる。このため、第１〜第６
の実施例と比較してＳＮ比を向上できる。

【００３３】次に、本発明に係る第８の実施例について
説明する。本第８の実施例は、第１〜第７の実施例と類
似であるが、コンピュータ１５７が、２次電子強度とＥ
ＢＩＣ強度を電子線の走査に対応させてメモリまたは記
憶装置（図示せず）に取り込む行程、および、該メモリ
または記憶装置に格納された２次電子像とＥＢＩＣ像を
同時に表示装置の画面上に表示するための行程を、自動
的に行うことができるようにした点が異なる。特に、本
評価装置では、コンピュータ１５７に接続された表示装
置の画面上に、上記２つの行程を順番に行う命令を出す
ためのボタン２３１を図１０に示すようにもうけた。こ
のようなボタン２３１を配置することにより、デバイス
構造に対応させて空乏層位置を簡便に評価できる。次
に、本発明に係る第９の実施例について説明する。本第
９の実施例は、第８の実施例と類似であるが、２次電子
強度とＥＢＩＣ強度を電子線の走査に対応させてメモリ
または記憶装置に取り込む行程を、探針間に印加する複
数の電圧値に対して順番に自動的に行うことにある。複
数の電圧値はあらかじめ指定できるようにした。特に、
本評価装置では、コンピュータ１５７に接続された表示
装置の画面上に、上記行程を順番に行う命令を出すため
のボタン２３２を図１０に示すようにもうけた。このよ
うなボタン２３２を配置することにより、操作を簡便に
できる。

【００３４】次に、本発明に係る第１０の実施例につい
て説明する。本第１０の実施例は、第９の実施例と類似
であるが、コンピュータ１５７が、メモリまたは記憶装
置に取り込んだ２次電子強度およびＥＢＩＣ強度の印加
電圧依存からシミュレーションを用いてドーパント濃度
の等濃度線を求めること、および、２次電子像と等濃度
線を同時に表示装置の画面上に表示できるようにした点
が異なる。特に、本評価装置では、コンピュータ１５７
に接続された表示装置の画面上に、上記行程を順番に行
う命令を出すためのボタン２３４を図１０に示すように
もうけた。このようなボタン２３４を配置することによ
り、操作を簡便にできると同時に、素子の構造に対応し
たドーパントプロファイルを求めることができる。

【００３５】次に、本発明に係る第１１の実施例につい
て説明する。本第１１の実施例は、第１０の実施例と類
似であるが、コンピュータ１５７が、２次電子像とドー
パント濃度の等濃度線を表示装置に表示するだけではな
く、デバイスを形成するためのプロセス条件（イオンイ
ンプランテーション工程においては加速エネルギーやド
ーズ量等があり、その後の熱処理工程においては熱処理
の温度と時間等がある。）とデバイス形状を、ネットワ
ークや記憶媒体やキーボート等からなる入力装置（図示
せず）を用いて入力することによりドーパント濃度とそ
の等濃度線を計算するためのシミュレーター機能を有す
る点が異なる。さらには、コンピュータ１５７は、２次
電子像、ＥＢＩＣから求めたドーパント濃度の等濃度
線、および、上記入力されたプロセス条件から求めたド
ーパント濃度の等濃度線を表示装置の画面に同時に重ね
て表示できるようにした。このように、画面上におい
て、本評価装置で評価されたドーパント濃度の等濃度線
と上記プロセス条件から算出されたドーパント濃度の等
濃度線とを比較することができ、その結果本評価装置で
評価されたデバイスにおけるプロセス条件が適切であっ
たか否かを判定することが可能となる。この点について
は、他の実施例にも適用することができる。特に、本評
価装置では、コンピュータ１５７に接続された表示装置
の画面上に、上記行程を順番に行う命令を出すためのボ
タン２３５を図１０に示すようにもうけた。このような
ボタン２３５を配置することにより、操作を簡便にでき
ると同時に、ドーパントプロファイルの設計値と実測値
を簡便に比較することができる。

【００３６】本第１１の実施例では、入力されたプロセ
ス条件（イオンインプランテーション工程においては加
速エネルギーやドーズ量等があり、その後の熱処理工程
においては熱処理の温度と時間等がある。）からドーパ
ント濃度を求めるためのシミュレーターを本評価装置の
コンピュータ１５７上に配置した例を示した。しかしな
がら、他のコンピュータ上にあるシミュレーターを用い
て計算したドーパント濃度の結果を本評価装置にネット
ワークや記録媒体等からなる入力装置を用いて入力し、
実測した空乏層形状やドーパント濃度の等濃度線と比較
できることは言うまでもない。

【００３７】次に、本発明に係る第１２の実施例につい
て説明する。本第１２の実施例は、第１〜第１１の実施
例と類似であるが、測定結果を表示するためのボタン２
５０を図１１に示すように画面上に配置した点が異な
る。即ち、２５０は、コンピュータ１５７のメモリ中に
あるＥＢＩＣ像の測定結果を表示するためのボタンであ
る。本ボタン２５０を押すことにより、図２（ｂ）に示
すＥＢＩＣ像を表示することができる。また、２５５
は、ＥＢＩＣ像にＳＥＭ像を重ね合わせるためのチェッ
クボックスである。本ボックス２５５をチェックした状
態で、ボタン２５０を押すことにより、図２（ｃ）に示
す如くＥＢＩＣ像とＳＥＭ像の重ね合わせた像が得られ
る。次に、図１１のボタン２５１について説明する。ボ
タン２５１は、メモリ内にある、探針間に印加する複数
の電圧値に対して測定したＥＢＩＣ像を、それぞれ画面
上に表示させる命令を出すためのボタンである。本ボタ
ン２５１を押すことにより、図３（ｂ）や（ｃ）をそれ
ぞれ画面に表示することができる。

【００３８】次に、図１１のボタン２５２について説明
する。ボタン２５２は、メモリ内にある、探針間に印加
する複数の電圧値に対して測定したＥＢＩＣ像からシミ
ュレーションを用いてドーパント濃度の等濃度線を求め
ること、および、等濃度線を同時に画面上に表示するた
めの命令を出すためのボタンである。本ボタン２５２を
押すことにより、図３（ｃ）に示したドーパントプロフ
ァイルの等濃度線を表示できる。特に、チェックボック
ス２５５をチェックしておくことにより、図３（ｄ）の
ドーパントプロファイルの等濃度線とＳＥＭ像の重ね合
わせ像を画面に表示できる。最後に、ボタン２５４につ
いて説明する。ボタン２５４は、トランジスタの各動作
状態に対して、それぞれ測定したＥＢＩＣの結果を画面
に表示するためのボタンである。特に、チェックボック
ス２５５をチェックしておくことにより、図４（ａ）〜
（ｃ）に示すＥＢＩＣ像とＳＥＭ像の重ね合わせ像を示
すことができる。上記したように、本第１２の実施例に
よるボタン２５０〜２５４、および、チェックボックス
２５５を配置することにより、簡便にＥＢＩＣ像やドー
パントプロファイル像を得ることができた。

【００３９】次に、本発明に係る第１３の実施例につい
て図１２を用いて説明する。本第１３の実施例の評価装
置は、筐体１００において、上記鏡筒１０６と、微動ス
キャナ１０７と粗動スキャナ１１１に接続されている１
本の探針１１５と、微動スキャナ３０２と粗動スキャナ
３０３に接続され先端に導電性の探針３００がついたＡ
ＦＭカンチレバー３０１と、半導体ウェハ３１０を保持
するステージ３１１と、２次電子検出器１２０とにより
構成される。ただし、走査コイル１０３と焦点コイル１
０４には電流を流すための電流源１３０、１３１、探針
１１５、３００には電圧を印加するための電圧源３２
０、３２２をそれぞれ接続した。特に、探針１１５、３
００に接続した電圧源３２０、３２２は、直流バイアス
電圧に交流電圧を重畳させる機能を有するものを配置し
た。また、カンチレバー３０１と電圧源３２０の間に
は、共鳴型容量センサー３２１を配置した。このため、
コンピュータ１５７は、共鳴型容量センサー３２１で測
定される探針１１５とＡＦＭカンチレバー３０１先端の
探針３００間の容量、あるいは、容量の電圧変化（容量
の電圧微分：ｄＣ／ｄＶ）を、電圧源３２０、３２２か
ら探針１１５、３００を介して印加される印加直流バイ
アス電圧に対応した形で評価することができる。そし
て、これらの容量、あるいは、容量の電圧微分（ｄＣ／
ｄＶ）については、コンピュータ１５７のメモリまたは
接続された記憶装置（図示せず）にとりこむことができ
るようにした。ところで、容量の電圧微分（ｄＣ／ｄ
Ｖ）を取り込むようにした方が、電圧に依存しない容量
が見かけの容量として測定されず、真の容量が検知する
ことができる。

【００４０】本評価装置は、第１の実施例と同様にＳＥ
Ｍ機能を有する。電子線を照射するための電子源１０１
には、低加速電圧でも直径を小さくすることができる電
界放射型の電子銃を用いた。さらに、ステージ３１１
は、ウェハ３１０上に形成されたマークで位置を校正し
た場合、１μｍ以下の精度でウェハ上の位置を指定でき
るものを用いた。このために、ウェハ３１０上のマーカ
ー位置を検知するためのレーザー測長器３３０、３３１
を配置した。ステージ３１１は、半導体ウェハ３１０の
水平を基準として、４５度±１５度以上傾けられるもの
とした。本評価装置は、半導体ウェハ３１０を地面およ
び電子線の入射方向に対して４５度±１５度の角度にす
ることにより、ＳＥＭ機能を用いて半導体ウェハ３１０
の表面に形成されたデバイスとＡＦＭカンチレバー３０
１先端の探針３００や探針１１５を全て同時に観察でき
る。このため、第１の実施例の評価装置と同様に、各探
針１１５、３００の先端を試料３１０上の目的部分に接
触させることができる。特に、目的部分の大きさが０．
２μｍ以下の場合にも、探針１１４、３００の微小な先
端（例えば曲率半径が０．１μｍ程度以下）であり、探
針１１５、３００の微動機構１０７、３０２に移動精度
が１ｎｍ以下の圧電素子を用い、かつ、ＳＥＭを用いて
試料探針位置を実測することができるので、探針先端を
試料３１０上の目的部分に接触させることができる。

【００４１】なお、試料３１０としては、イオン注入と
活性化熱処理を実施した後の層間絶縁膜を形成する前の
状態の半導体基板上にＭＯＳキャパシタやｐｎ接合が形
成された半導体デバイスである。この場合、ＭＯＳキャ
パシタおよびｐｎ接合もプラグが形成されていないの
で、ＭＯＳキャパシタの場合には、先端の曲率半径が
０．１μｍ程度以下の探針をメタル領域、および半導体
領域に接触させて電気的に接続する必要があり、ｐｎ接
合の場合には、探針をｐ領域、ｎ領域に接触させて電気
的に接続する必要がある。

【００４２】また、試料３１０としては、イオン注入を
した部分に電気的に接続するための第１段目のプラグ３
５１、３５２、３５２、３５３を形成した後の２層目の
層間絶縁膜を形成する前の状態の半導体基板上にＭＯＳ
キャパシタやｐｎ接合が形成された半導体デバイス（半
導体ウェハ）３１０ａ、３１０ｂである。この場合、何
れもプラグが形成されているので、微小な先端（例えば
曲率半径が０．１μｍ程度以下）の探針をプラグに接触
させて電気的に接続すればよい。本評価装置の動作は次
の通りである。図１３には、半導体ウェハ３１０ａ上の
評価領域付近を示す。半導体ウェハ３１０ａ上には、特
定の半導体デバイスであるＭＯＳキャパシタを形成し
た。特に、ＭＯＳキャパシタのメタル領域に接続したプ
ラグ３５０、および、ＭＯＳキャパシタの半導体領域に
接続したプラグ３５１が試料３１０ａの表面に露出する
ようにした。本評価装置では、探針１１５、３００を上
記したように任意の位置に接触できるので、ＭＯＳキャ
パシタのメタル領域と半導体領域に接続したプラグ３５
０とプラグ３５１にそれぞれ探針１１５、３００を接触
させることができる。これにより、ＭＯＳキャパシタの
両端に電気的に接続させることができる。

【００４３】このようにＭＯＳキャパシタに電気的に接
続した状態で、探針１１５に交流電圧を重畳した様々に
変化させた直流バイアス電圧を印加し、これに対応する
容量の変化を共鳴型容量センサー３２１を用いてロック
イン検出する。これにより、コンピュータ１５７は、バ
イアス電圧の印加に起因したＭＯＳキャパシタの微小な
容量変化を検出することができる。バイアス電圧変化に
起因した容量変化は、ＭＯＳキャパシタの半導体中の空
乏層の広がり方、酸化膜厚、および、接合面積で決定さ
れる。ここで、空乏層の広がり方はドーパントプロファ
イルで決まり、かつ、酸化膜厚と接合面積はプロセス条
件と微細加工の条件で決まる。そのため、コンピュータ
１５７は、入力装置（図示せず）を用いて入力されたプ
ロセス条件と微細加工の条件から酸化膜厚および接合面
積を求め、この求められた酸化膜厚および接合面積と、
上記検出されたバイアス電圧変化に起因した容量変化、
即ち、容量のバイアス電圧依存とから、ドーパントプロ
ファイルを逆算して求めることができる。

【００４４】一方、ｐｎ接合についても同様に図１２に
示す評価装置を用いてコンピュータ１５７によりドーパ
ントプロファイルを評価することができる。図１４に、
半導体ウェハ３１０ｂ上の評価領域付近を示す。半導体
ウェハ３１０ｂ上には、ｐｎ接合を形成した。特に、ｐ
ｎ接合のｐ領域に接続したプラグ３５２、ｎ領域に接続
したプラグ３５３が試料表面に露出するようにした。Ｍ
ＯＳキャパシタの場合と同様に、バイアス電圧に対応し
たｐｎ接合の容量を評価することが可能である。ｐｎ接
合のバイアス電圧変化に起因した容量変化は、ｐｎ接合
の空乏層の広がり方と接合面積で決定される。ここで、
空乏層の広がり方はドーパントプロファイルで決まり、
かつ、接合面積は微細加工の条件で決まる。そのため、
コンピュータ１５７は、入力装置（図示せず）を用いて
入力された微細加工の条件から接合面積を求め、この求
められた接合面積と、上記検出されたバイアス電圧変化
に起因した容量変化、即ち、容量のバイアス電圧依存と
から、ドーパントプロファイルを逆算して求めることが
できる。

【００４５】このように、本発明に係る第１３の実施例
によれば、電子線１５６や探針１１５、３００を用いて
測定するため、半導体ウェハ３１０を汚染することなく
ドーパントプロファイルを評価することができる。この
ため、測定した半導体ウェハ３１０をそのまま製造プロ
セスに戻すことができる。すなわち、ドーパントプロフ
ァイルのインライン評価（インライン検査）が可能であ
る。特に、Ｗ、ＴiＮ、ＷＳix、dopedＳi等半導体プロ
セスに用いられる材料を用いて探針１１５、３００を形
成することにより、汚染の問題はより低減される。以上
説明したように、ＭＯＳキャパシタやｐｎ接合ダイオー
ド等の半導体デバイスに対して容量若しくは容量の電圧
微分（ｄＣ／ｄＶ）−電圧特性の評価により、半導体中
のドーパントプロファイルを評価することができ、その
結果をフィードバックすることにより、歩留まり向上お
よび品質向上が図れる。

【００４６】次に、本発明に係る第１４の実施例につい
て図１５を用いて説明する。本第１４の実施例の評価装
置は、第１３の実施例と類似であるが、２本の探針１１
５、１１６のいずれにもＡＦＭ機能がない点が異なる。
このような構成としても、第１３の実施例と同様に、探
針１１５、１１６をｐｎ接合やＭＯＳキャパシタの両端
に電気的に接続させることができるので、ドーパントプ
ロファイルを評価することができる。また、ＡＦＭ機能
を省いたため、原子間力を検出するための機構を省くこ
とができたので、装置の作製コストを低減することがで
きる。次に、本発明に係る第１５の実施例について図１
６を用いて説明する。本第１５の実施例は第１３の実施
例と類似であるが、２本の探針３００、３０４のいずれ
についても、ＡＦＭカンチレバー３０１、３０５の先端
に配置し、２つのＡＦＭ機能をもたせた点が異なる。こ
のようにな構成としても、探針３００、３０４をｐｎ接
合に電気的に接続させることができたので、ドーパント
プロファイルを評価できる。また、それぞれの探針３０
０、３０４にＡＦＭを接続したため、探針先端と試料間
の力を検出することができる。このため、探針先端を痛
めることなく探針３００、３０４を試料３１０に接触さ
せることができる。

【００４７】次に、本発明に係る第１６の実施例につい
て図１７を用いて説明する。本第１６の実施例の評価装
置は、第１３の実施例と類似であるが、電子源１０１、
収束電子レンズ１０２、走査コイル１０３、焦点コイル
１０４、対物レンズ１０５を含む鏡筒１０６を、地面に
対して４５度±１５度の角度で配置した点が異なる。ま
た、半導体ウェハ３１０およびこれを保持するステージ
３１１は、地面に対して平行とした。本評価装置の動作
は、第１３の実施例と同じである。ただし、鏡筒１０６
を地面に対して４５度±１５度の角度で配置したため、
ウェハ３１０を地面に対して平行に配置した場合でも、
ウェハ表面に対して４５度±１５度の角度で電子線を照
射できる。この場合、ウェハ３１０を水平に配置できる
ので、ウェハ３１０を設置する真空容器の面積を小さく
できる。このため、第１３の実施例に比べて、測定の前
に必要な真空引きの時間を短縮できるとともに装置のコ
ストを低減できる。

【００４８】次に、本発明に係る第１７の実施例につい
て図１８を用いて説明する。特に、試料近傍の部分を拡
大して示した。本第１７の実施例の評価装置は、第１３
の実施例と類似であるが、ＡＦＭカンチレバー３０１の
先端に配置した探針３００とは別に、探針１６０〜１６
３および探針の位置を制御する微動スキャナ１０７〜１
１０と粗動スキャナ１１１〜１１４、および、各探針に
接続した電圧源４００〜４０３をそれぞれ４つ配置した
点が異なる。そして、ＡＦＭカンチレバー３０１には、
試料１４０ｂとの間の容量変化を検出する共鳴型容量セ
ンサー３２１を接続して構成した。即ち、試料１４０ｂ
の断面と探針３００との間は、ＳＣＭ（走査型プローブ
顕微鏡）によって構成される。また、試料としては、表
面にデバイスを形成した半導体ウェハ３１０ではなく、
断面加工されたＭＯＳトランジスタ１４０ｂとした。断
面加工されたＭＯＳトランジスタ１４０ｂは、主にソー
ス１５０、ドレイン１５１、ゲート１５２、ウェル１５
３、浅溝素子分離１５４、１５５、およびソース１５０
に接続したプラグ１７０、ドレイン１５１に接続したプ
ラグ１７１、ゲート１５２に接続したプラグ１７２、お
よび、ウェル１５３に接続したプラグ１７３より構成さ
れる。ここで、試料１４０ｂの断面の表面には、厚さが
１０ｎｍ程度の酸化膜を形成した。

【００４９】本評価装置では、第１の実施例と同様に、
ＳＥＭ機能と粗動機構３０３、１１１〜１１４および微
動機構３０２、１０７〜１１０とを用いることにより、
探針３００、１６０〜１６３の先端を目的位置に接触さ
せることができる。特に、探針１６０〜１６３の先端に
ついては、ＭＯＳトランジスタのソース１５０、ドレイ
ン１５１、ゲート１５２、および、ウェル１５３に電気
的に接続されたプラグ１７０〜１７３に接触させること
ができる。この状態で、コンピュータ１７５は、試料１
４０ｂとＡＦＭカンチレバー３０１の先端の探針３００
の間の容量変化を次のように評価することができる。ま
ず、電圧源４００から探針１６０によりプラグ１７０を
介して、ソース１５０に対して直流のバイアス電圧を印
加すると同時に、電圧源４００〜４０３の各々から探針
１６０〜１６３の各々によりプラグ１７０〜１７３の各
々を介して、ソース１５０、ドレイン１５１、ゲート１
５２、ウェル１５３に共通の交流電圧を重畳させる。こ
れに対応する容量の変化を第１３の実施例の場合と同様
に、探針３００を先端に配置されたＡＦＭカンチレバー
３０１に接続された共鳴型容量センサー３２１を用いて
ロックイン検出する。これにより、コンピュータ１５７
は、交流電圧変化に対応したｐｎ接合の微小な容量変化
を検出することができる。

【００５０】探針３００と試料１４０ｂ間の容量を平行
平板コンデンサで近似する一次元的なモデルを用いた場
合、上記容量の変化はカンチレバー３０１先端の探針３
００により半導体内部に形成される空乏層の厚さと上記
断面の表面に形成された酸化膜の厚さ、および、探針３
００の先端の面積により決定される。上記酸化膜の厚さ
や探針先端の面積は、濃度が既知の部分を２ヶ所以上評
価すれば、コンピュータ１５７によって計算することが
できる。また、上記空乏層の厚さは、半導体内部のキャ
リア濃度と直接的に関連があるため、実験的に得た容量
から半導体内部のキャリア濃度を直接的に求めることが
できる。即ち、探針３００と試料１４０ｂとの間の容量
を平行平板コンデンサで近似する一次元的なモデルで定
義し、交流電圧変化に対応したｐｎ接合の微小な容量変
化を検出することにより、コンピュータ１５７は、半導
体内部のキャリア濃度を求めることができる。即ち、キ
ャリア濃度Ｎは、一次元的なモデルの場合、信学技報の
ＶＬＤ９８−９０、ｐｐ．３１に記載されている如く、
次に示す（数３）式によって算出することができる。

【００５１】Ｎ＝Ｎ₀（（Ｃ_0x／ΔＣ）−１）² （数３）ここで、Ｎ₀は基準濃度、Ｃ_0xはＳＣＭ探針３００と試
料１４０ｂの間の容量、ΔＣは探針の電圧変化に対する
容量の変化で、Ｎ₀とＣ_0xは２次イオン質量分析法等に
より既知の２つの不純物濃度から求める実験的なパラメ
ータである。上記キャリア濃度は、メモリ（図示せず）
に記憶させる。さらには、コンピュータ１５７は、評価
されたキャリア濃度のバイアス電圧依存性から、シミュ
レーションを通じてドーパント濃度（ドーパントプロフ
ァイル）を求めることができる。

【００５２】特に、複数の探針１６０〜１６３をトラン
ジスタのソース１５０、ドレイン１５１、ゲート１５
２、ウェル１５３にプラグ１７０〜１７３を介して電気
的に接続させ、コンピュータ１５７は、各電圧源４００
〜４０３を独立に制御することによってそれぞれの部分
１５０〜１５３の電位を独立に制御したため、バイアス
電圧を印加した状態におけるトランジスタ中のキャリア
濃度を評価できる。また、ＡＦＭカンチレバー３０１の
探針３００を試料１４０ｂの断面に対して走査すること
により、コンピュータ１５７は、デバイス断面上の各位
置に対応したキャリア濃度を、デバイスの各部分に複雑
な配線をすることなく評価することができる。

【００５３】以上により、コンピュータ１５７は、トラ
ンジスタが動作している際のキャリア濃度分布もわかる
ために、設計へのフィードバックや不良解析が容易とな
る。

【００５４】次に、本発明に係る第１８の実施例につい
て説明する。本第１８の実施例の評価装置は、第１３の
実施例と類似であるが、探針３００、１６０〜１６３を
試料１４０ｂ上の目的位置に近づけるために、第４の実
施例と同様に、コンピュータ１５７が探針３００、１６
０〜１６３のＸＹＺ座標を求めた後に、自動的に探針３
００、１６０〜１６３を移動させるための指示を出すボ
タン１９０をコンピュータ１５７に接続された表示装置
の画面上にもうけた点が異なる。ボタン１９０の例を図
７に示す。自動化することで、本評価装置を操作する人
の負担を低減できる。また、各探針３００、１６０〜１
６３を同時に目的の場所に対して近づけることができた
ので、測定時間を短縮できる。次に、本発明に係る第１
９の実施例について説明する。本第１９の実施例の評価
装置は、第１８の実施例と類似であるが、探針３００、
１６０〜１６３を試料１４０ｂ上の目的位置に近づける
ために、第５の実施例と同様に、コンピュータ１５７が
探針３００、１６０〜１６３のＸＹＺ座標を自動的に求
め、かつ、自動的に探針３００、１６０〜１６３を移動
させるための指示を出すボタン１９１をコンピュータ１
５７に接続された表示装置の画面上にもうけた点が異な
る。ボタン１９１の例を図７に示す。自動化すること
で、本評価装置を操作する人の負担を低減できる。ま
た、各探針を同時に目的の場所に対して近づけることが
できたので、測定時間を短縮できる。

【００５５】次に、本発明に係る第２０の実施例につい
て図１９を用いて説明する。即ち、第２０の実施例は、
上述した実施例を半導体の製造工程に適用したものであ
る。図１９は、本発明に係る半導体の製造工程の第１の
実施例を示す。まず、工程Ｓ１において、Ｓｉ等の基板
に対して、必要な部分にｐ型とｎ型のウェル１５３を形
成する。この工程Ｓ１では、ホトリソグラフィーにより
形成したレジストパターンをマスクとして、所望の加速
エネルギーおよびドーズ量を有するイオンインプランテ
ーションにより、必要な場所にドーパントを打ち込む。
そして、イオン打ち込み後、ドーパントの活性化のため
に所望の温度と時間で熱処理を行う。次に、工程Ｓ２に
おいて、素子分離用の浅溝素子分離構造を形成する。こ
の工程Ｓ２では、フォトリソグラフィーにより形成した
レジストパターンをマスクとして、ドライエッチング法
を用いて浅溝を形成する。そして、高温低圧堆積（ＨＬ
Ｄ）法を用いて浅溝の内部に酸化膜を堆積後、ケミカル
メカニカルポリシング（ＣＭＰ）法を用いて試料表面を
平坦化する。再び、工程Ｓ３において、所望の加速エネ
ルギーおよびドーズ量でイオンインプランテーションを
行う。本工程Ｓ３は、トランジスタのパンチスルーを防
止すると同時にしきい値電圧を調整するためである。従
って、ｐ型のＭＯＳ用にはｎ型のドーパントであるＰ
を、また、ｎ型のＭＯＳ用にはｐ型のドーパントである
ＢＦ２をそれぞれフォトリソグラフィーにより形成した
レジストパターンをマスクとして打ち込んだ後、所望の
温度と時間の熱処理によりドーパントを活性化した。

【００５６】次に、工程Ｓ４において、ゲート、およ
び、ＭＯＳキャパシタを形成する。酸素を含む雰囲気中
での高温熱処理により、Ｓｉ基板表面に熱酸化膜を形成
する。酸化膜形成後、ドープしたポリシリコンとＷを基
板上に堆積する。フォトリソグラフィーにより形成した
レジストパターンをマスクとして、ドライエッチング法
を用いてポリシリコンとＷ膜をゲート形状に加工する。
再び、工程Ｓ５において、所望の加速エネルギーおよび
ドーズ量でイオンインプランテーションを行う。自己整
合法を用いて、ｐ型のＭＯＳ用にはｐ型のドーパントで
あるＢＦ２を、また、ｎ型のＭＯＳ用にはｎ型のドーパ
ントであるＡｓをそれぞれフォトリソグラフィーにより
形成したレジストパターンをマスクとして打ち込んだ後
に、ドーパントの活性化熱処理を所望の温度と時間で行
った。本工程により、ＭＯＳトランジスタのソース、お
よび、ドレインを形成できた。

【００５７】次に、工程Ｓ６において、半導体デバイス
がＭＯＳキャパシタやｐｎ接合ダイオードの場合、その
ＭＯＳキャパシタやｐｎ接合ダイオードの容量若しくは
容量の変化を本発明に係る第１３〜第１６の実施例の評
価装置を用いてインラインで評価することができる。即
ち、第１３〜第１６の実施例の評価装置の場合、断面加
工する必要がないので、実製品である半導体デバイスを
用いてインラインで評価することができる。このように
上記評価装置を用いる場合、ＡＦＭカンチレバー３０１
等の先端の探針３００をＭＯＳキャパシタの金属領域部
分に、また、探針１１５をＭＯＳキャパシタの半導体領
域部分にそれぞれ接触させた。この状態で、交流電圧を
重畳させた様々に変化させた直流バイアス電圧を上記領
域間に印加し、コンピュータ１５７において、ＭＯＳキ
ャパシタの容量−電圧特性、若しくは、容量の電圧微分
（ｄＣ／ｄＶ）−電圧特性を測定し、この測定された電
圧依存性に基づく容量若しくは容量の電圧微分と予め求
められる接合部分の面積とからドーパントプロファイル
を求めることができる。同様に、ｐｎ接合の場合も、Ａ
ＦＭカンチレバー３０１等の先端の探針３００をｐ型部
分に、また、探針１１５をｎ型領域に接触させることに
より、ドーパントプロファイルを求めることができる。

【００５８】また、半導体デバイスがＭＯＳトランジス
タ等の場合、評価しようとする個所について断面加工を
施し、第１〜第１２の実施例の評価装置を用いて評価す
ることができる。即ち、ＭＯＳトランジスタにおける目
的とする個所に探針１１５〜１１８を接触させた。この
状態で、コンピュータ１５７は、各探針間に各種電圧を
印加し、そのときの電流を測定して空乏層の広がり（形
状）を求め、この求められた空乏層の広がり（形状）の
印加電圧依存性に基いてドーパントプロファイルを求め
ることができる。

【００５９】次に、工程Ｓ７において、評価装置の例え
ばコンピュータ１５７において求められたドーパントプ
ロファイルが設計値と一致するか、若しくは許容する範
囲内であるか否か、若しくは設計値とのずれのレベルを
判定または評価を行う。なお、工程Ｓ７において、評価
装置で評価されたドーパントプロファイルとイオンイン
プランテーション工程およびその後の熱処理工程でのプ
ロセス条件からシュミレーションによって算出されたド
ーパントプロファイルとを例えば画面上に表示して比べ
ることによってプロセス条件が適切であるか否かを判定
または評価をすることができる。この評価Ｓ７におい
て、ドーパントプロファイルをインラインで実製品をモ
ニタし、ドーパントプロファイルが設計値通りであるこ
とを確認できた場合には、その半導体デバイスを後工程
へと流すことになる。もし、この評価Ｓ７において不良
と判定した場合には、当然その半導体デバイスを破棄す
ることになる。また、断面加工してドーパントプロファ
イルを評価する場合には、当然、その半導体デバイスは
後工程に流すことができないものである。

【００６０】また、この評価Ｓ７においてドーパントプ
ロファイルを決めるプロセス条件にフィードバックする
必要があると判断した場合には、前工程におけるイオン
インプランテーションまたはその後の熱処理について管
理している管理装置に例えばネットワークを介してドー
パントプロファイルに関する情報をフィードバックし、
前工程におけるイオンインプランテーション装置および
熱処理装置においてプロセス条件（例えば、イオンイン
プラテーションの際の加速エネルギーやドーズ量があ
り、イオンインプラテーション後の熱処理の温度と時間
がる。）を変えるように制御される。その後の工程Ｓ８
〜Ｓ１２としては、多層の層間絶縁膜とプラグや配線が
形成され、最後に表面保護膜が形成されて半導体デバイ
スが完成される。そして、ダイシングされてＬＳＩチッ
プが出来上がることになる。以上説明したように、イオ
ン注入と活性化処理を実施し、その上に層間絶縁膜を形
成する前の段階で、半導体デバイスのドーパントプロフ
ァイルをインラインで検査評価するため、不良が発生し
たとしても、早急に前工程にフィードバックすることが
でき、半導体デバイスの品質およびその歩留まりを著し
く向上させることができる。

【００６１】次に、本発明に係る第２１の実施例につい
て図２０を用いて説明する。即ち、第２１の実施例にお
いて、第２０の実施例と相違する点は、１層目の層間絶
縁膜と１段目のプラグを形成した直後にドーパントプロ
ファイルを評価することにある。このように、１段目の
プラグを形成した段階では、プラグが形成されているの
で、該プラグに探針を接触させて接続することが可能
で、しかも、ドーパントプロファイルが不良であって
も、それほど不良品を作り込むことがなく、第２０の実
施例と同様に半導体デバイスの品質およびその歩留まり
を著しく向上させることができる。

【００６２】

【発明の効果】本発明によれば、特別な配線等をするこ
となく、半導体デバイスにおける論理回路内部のトラン
ジスタやメモリセルやキャパシタやｐｎ接合等の素子に
ついてのドーパントプロファイルの評価を可能にするこ
とができる効果を奏する。また、本発明によれば、ドー
パントプロファイルの評価結果を迅速にフィードバック
することにより、イオンインプランテーション工程や熱
処理工程におけるプロセス条件の最適化を行って、半導
体デバイスの品質およびその歩留まりの向上を図ること
ができる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る評価装置の第１の実施例を示す模
式図である。

【図２】本発明の第１の実施例の装置により測定した結
果を示す図で、（ａ）はＳＥＭ像、（ｂ）はＥＢＩＣ像
（空乏層像）、（ｃ）はＳＥＭ像とＥＢＩＣ像の重ね合
わせ像を示す図である。

【図３】本発明の第１の実施例の装置により測定した結
果を示す図で、（ａ）はソース、ドレイン、および、ウ
ェルの電位を同じにした場合のＥＢＩＣ像、（ｂ）はソ
ースとドレインの電位を同じにし、かつ、ウェルに逆バ
イアス電圧を印加した場合のＥＢＩＣ像、（ｃ）はドー
パントの等濃度線像、（ｄ）はＳＥＭ像とドーパントの
等濃度線像の重ね合わせ像を示す図である。

【図４】本発明の第１の実施例の装置により測定したＥ
ＢＩＣ像とＳＥＭ像の重ね合わせ像を示す図で、（ａ）
はトランジスタに電圧を印加しない状態、（ｂ）はゲー
トに電圧を印加することによりチャネルが形成された状
態、（ｃ）はゲートとドレインの両方に電圧を印加した
状態を示す図である。

【図５】本発明に係る第２の実施例を示す模式図で、特
に、試料近傍を拡大して示した図である。

【図６】試料に探針を接触させる場所を指定するための
画面を示す図である。

【図７】自動的に探針を試料に近づけるための命令を出
すためのボタンを示す図である。

【図８】本発明に係る第６の実施例を示す模式図であ
る。

【図９】本発明に係る第７の実施例を示す模式図であ
る。

【図１０】自動的に測定や画像表示をさせるための命令
を出すためのボタンを示す図である。

【図１１】画面に測定結果を表示させるための命令を出
すためのボタンを示す図である。

【図１２】本発明に係る第１３の実施例を示す模式図で
ある。

【図１３】ＭＯＳキャパシタを形成した半導体ウェハ、
および、本発明の第１３の実施例の装置の試料近傍部分
を示す図である。

【図１４】ｐｎ接合を形成した半導体ウェハ、および、
本発明の第１３の実施例の装置の試料近傍部分を示す図
である。

【図１５】本発明に係る第１４の実施例を示す模式図で
ある。

【図１６】本発明に係る第１５の実施例を示す模式図で
ある。

【図１７】本発明に係る第１６の実施例を示す模式図で
ある。

【図１８】本発明に係る第１７の実施例を示す模式図
で、試料近傍部分を拡大して示した図である。

【図１９】本発明に係る第２０の実施例である半導体デ
バイスの製造方法を説明するための図である。

【図２０】本発明に係る第２１の実施例である半導体デ
バイスの製造方法を説明するための図である。

【符号の説明】

１００…筐体、１０１…電子源、１０２…収束電子レン
ズ、１０３…走査コイル、１０４…焦点コイル、１０５
…対物レンズ、１０６…鏡筒、１０７〜１１０…微動ス
キャナ（微動機構）、１１１〜１１４…粗動スキャナ
（粗動機構），１１５〜１１８…探針、１１９…試料ス
テージ、１２０…２次電子検出器、１３０、１３１…電
流源、１３２〜１３４…電圧源、１３５〜１３７…電流
計、１５０…ソース、１５１…ドレイン、１５２…ゲー
ト、１５３…ウェル、１５４、１５５…浅溝素子分離、
１５６…電子線、１５７…コンピュータ、１６０〜１６
３…金属探針、１７０〜１７３…プラグ、１８０…マー
カー、１９０、１９１…ボタン、２００…リング、２０
１…共通の電圧基準、２０２…電圧源、２０３…光ファ
イバー、２２０…イオンガン、２２１…イオン源、２２
２…イオンレンズ、２３０〜２３５…ボタン、２５０〜
２５４…ボタン，２５５…チェックボックス、３００、
３０４…導電性の探針、３０１、３０５…ＡＦＭカンチ
レバー、３０２、３０６…微動スキャナ（微動機構）、
３０３、３０７…粗動スキャナ（粗動機構）、３１０…
半導体ウェハ、３１１…ステージ、３２０、３２２…直
流に交流を重畳させることができる電圧源、３２１…共
鳴型容量センサ、３３０，３３１…レーザー測長器、３
５０〜３５３…プラグ、４００〜４０３…電圧源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者古川貴司東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内Ｆターム(参考） 2G001 AA03 AA05 BA07 CA03 FA06 GA01 GA06 GA09 GA11 GA13 HA13 JA02 JA08 KA03 LA11 MA05 PA06 PA12 SA02 4M106 AA02 AA07 AB01 BA01 BA02 CA04 CA11 CB02 DD13 DH01 DH16 DH24 DJ04 DJ23 5C033 TT03 TT04 TT05 UU03 UU05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｐｎ接合が形成された半導体デバイスに収
束電子線を照射し、該収束電子線の照射位置を制御する
電子線照射手段と、該電子線照射手段によって照射された収束電子線に応じ
て発生する２次電子強度を検出する２次電子検出器と、前記半導体デバイスにおける目的とする複数の微小な個
所の各々に接触させて電気的に接続させる微小な先端部
を有する複数の探針と、該探針間に所望の電圧を印加するための電圧源と、前記電子線照射手段によって制御される収束電子線の照
射位置に応じて前記電圧源によって所望の電圧が印加さ
れた探針間に流れる電流を計測するための電流計と、該電流計によって計測される電流および前記２次電子検
出器によって検出される２次電子強度を前記電子線照射
手段によって制御される収束電子線の照射位置に対応さ
せて記憶させる記憶手段とを備えたことを特徴とする半
導体デバイスの評価装置。
【請求項２】半導体デバイスに収束電子線を照射し、該
収束電子線の照射位置を制御する電子線照射手段と、該電子線照射手段によって照射された収束電子線に応じ
て発生する２次電子強度を検出する２次電子検出器と、前記半導体デバイスにおける目的とする複数の微小な個
所の各々に接触若しくは近接させる微小な先端部を有す
る複数の探針と、該探針間に所望の電圧を印加するための電圧源と、前記探針の少なくとも一つに接続され、前記電圧源によ
って探針間に印加された所望の電圧に応じた前記半導体
デバイスにおける容量を検出する共鳴型容量センサとを
備えたことを特徴とする半導体デバイスの評価装置。
【請求項３】収束電子線を照射することによって検出さ
れるＳＥＭ像に基いて微小な先端部を有する複数の探針
の各々を微動制御して半導体デバイスにおける目的とす
る複数の微小な個所の各々に接触させて電気的に接続す
る探針位置決め過程と、該探針位置決め過程で半導体デバイスに接続された探針
間に互いに異なる複数の電圧値を印加し、各々の電圧値
における前記半導体デバイスに対して照射される収束電
子線の照射位置に応じて前記探針間に流れる電流を計測
して前記半導体デバイスにおけるｐｎ接合の空乏層の広
がり若しくは形状を求め、この求められた電圧依存性に
基づく空乏層の広がり若しくは形状から空乏層における
ドーパントプロファイルを評価する評価過程とを有する
ことを特徴とする半導体デバイスの評価方法。
【請求項４】収束電子線を照射することによって検出さ
れるＳＥＭ像に基いて微小な先端部を有する複数の探針
の各々を微動制御して半導体デバイスにおける目的とす
る複数の微小な個所の各々に接触させて電気的に接続す
る探針位置決め過程と、該探針位置決め過程で半導体デバイスに接続された探針
間に交流電圧に重畳させて互いに異なる複数のバイアス
電圧を印加し、各々のバイアス電圧における前記半導体
デバイス内部に生じる空乏層の容量若しくは該容量の電
圧変化を検出し、この検出されたバイアス電圧依存性に
基づく容量若しくは該容量の電圧変化に基いて空乏層に
おけるドーパントプロファイルを評価する評価過程とを
有することを特徴とする半導体デバイスの評価方法。
【請求項５】収束電子線を照射することによって検出さ
れるＳＥＭ像に基いて微小な先端部を有する複数の探針
の各々を微動制御して半導体デバイスにおける目的とす
る複数の微小な個所の各々に接触させて電気的に接続す
る探針位置決め過程と、該探針位置決め過程で半導体デバイスに接続された探針
間にバイアス電圧を印加した状態で、前記半導体デバイ
ス内部に生じる空乏層の厚さの変化に応じた容量の変化
を検出し、この検出された容量の変化からキャリア濃度
を求め、この求められたキャリア濃度のバイアス電圧依
存性から空乏層におけるドーパントプロファイルを評価
する評価過程とを有することを特徴とする半導体デバイ
スの評価方法。
【請求項６】１段目の層間絶縁膜にプラグを形成した以
前の段階で製造された半導体デバイスに対して空乏層に
おけるドーパントプロファイルを評価する評価過程と、該評価過程で評価された空乏層におけるドーパントプロ
ファイルに関する情報をフィードバックしてプロセス条
件を制御してイオンインプランテーション若しくはその
後の熱処理を行うイオンインプランテーション工程若し
くはその後の熱処理工程とを有することを特徴とする半
導体デバイスの製造方法。