JP2001351956A - Method for measuring by scanning electrostatic capacity microscope - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡(SPM:Scanning Probe Microscope)、特に走査型静
電容量顕微鏡(SCM:Scanning Capacitance Microscope)
による半導体試料の測定方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning probe microscope (SPM), and more particularly, to a scanning capacitance microscope (SCM).
And a method for measuring a semiconductor sample using the method described above.
【0002】[0002]
【従来の技術】半導体装置の内部の様子を高空間分解能
で観察、解析するための有力な手段であるSPM の1つと
して、試料表面部の拡散領域の局所的な静電容量を計測
するSCM が注目されている。2. Description of the Related Art As one of the powerful means for observing and analyzing the inside of a semiconductor device with high spatial resolution, an SCM for measuring a local capacitance of a diffusion region on a sample surface portion is used. Is attracting attention.
【0003】図7(a)はSCM の基本構成および半導体
装置のゲート転送部に代表される試料の一例を示してい
る。FIG. 7A shows an example of a basic structure of an SCM and a sample represented by a gate transfer section of a semiconductor device.
【0004】図7(a)において、試料10は、シリコン
基板101 の表層部に選択的にウエル領域102 が形成さ
れ、このウエル領域の表層部に選択的に拡散領域103 が
形成され、基板裏面に例えば導電性ペースト、導電性テ
ープを用いたコンタクト電極104 が形成されたものであ
る。そして、拡散領域103 およびウエル領域102 および
シリコン基板101 の断面を露呈させるように加工されて
おり、この加工時に露呈表面には例えば自然酸化膜から
なる絶縁膜105 が形成される。In FIG. 7A, a sample 10 has a well region 102 selectively formed on a surface layer of a silicon substrate 101, a diffusion region 103 formed selectively on a surface layer of the well region, and a back surface of the substrate. For example, a contact electrode 104 is formed using a conductive paste or a conductive tape. Then, the cross section of the diffusion region 103, the well region 102, and the silicon substrate 101 is processed so as to be exposed. During this processing, an insulating film 105 made of, for example, a natural oxide film is formed on the exposed surface.
【0005】上記試料10の絶縁膜105 に導電性のカンチ
レバー(Cantilever)110 の先端の探針(tip)11 をコンタ
クトさせ、探針11とコンタクト電極104 との間に可変直
流電源12から直流バイアスを印加すると、拡散領域103
中には、キャリア濃度に依存した厚みを有する空乏層が
探針直下の局所領域に生成される。そして、図7(b)
に示すように、探針11と絶縁膜105 と拡散領域103 とに
より構成されるMOSキャパシタC1と、拡散領域103 お
よびウエル領域102 の容量C2と、シリコン基板101 の容
量C3が直列に接続された状態と等価な回路が形成され
る。この場合、容量C2とC3は、試料10の構造によって異
なる。この状態で、探針11とコンタクト電極104 との間
に変調電源(交流電源)13から交流電圧を印加する。A tip 11 of a conductive cantilever 110 is brought into contact with the insulating film 105 of the sample 10, and a DC bias is applied between the probe 11 and the contact electrode 104 from a variable DC power supply 12. Is applied, the diffusion region 103
Inside, a depletion layer having a thickness depending on the carrier concentration is generated in a local region immediately below the probe. Then, FIG.
As shown in FIG. 5, a MOS capacitor C1 composed of the probe 11, the insulating film 105, and the diffusion region 103, a capacitance C2 of the diffusion region 103 and the well region 102, and a capacitance C3 of the silicon substrate 101 are connected in series. A circuit equivalent to the state is formed. In this case, the capacitances C2 and C3 differ depending on the structure of the sample 10. In this state, an AC voltage is applied between the probe 11 and the contact electrode 104 from the modulation power supply (AC power supply) 13.
【0006】このように直流バイアスおよび交流電圧を
印加すると、接地電位の探針11に対するコンタクト電極
104 の電圧が正あるいは負の方向に交互に変化するとと
もに電圧振幅が変化すると、この電圧変化に追随して前
記空乏層の幅が広がったり狭くなったりし、探針・コン
タクト電極間のシリコン層(広義の不純物拡散層)の静
電容量が変化する。When a DC bias and an AC voltage are applied as described above, a contact electrode with respect to the probe 11 at the ground potential is provided.
When the voltage at 104 changes alternately in the positive or negative direction and the voltage amplitude changes, the width of the depletion layer increases or decreases following this voltage change, and the silicon layer between the probe and the contact electrode is changed. The capacitance of the (impurity diffusion layer in a broad sense) changes.
【0007】そこで、交流電圧の振幅変化に対する容量
変化(dC/dV)を検出するために、探針11に公知の
キャパシタンスセンサ(Capacitance sensor)14を接続
し、その出力をロックイン・アンプ(Lock-in amp.)15に
より増幅することにより容量の変化を検出することによ
り、拡散領域の局所的な空乏層の状態を間接的に観察す
ることができる。この際、dC/dVを検出し易いよう
に、可変直流電源12から供給する直流バイアスを適切な
値に設定している。そして、拡散領域103 の観察位置を
走査的に変化させるために、探針11および試料10の少な
くとも一方の位置を変化させる、例えばピエゾスキャナ
(Piezoelectric tube scanner)16により試料10の位置を
水平面内で微細に変化させるように構成されており、検
出位置を走査させることにより結果を画像で表示するこ
とが可能である。なお、探針11のコンタクト位置を検出
するために、レーザービーム照射装置17および反射ビー
ム検知装置18の対が配設されている。Therefore, in order to detect a change in capacitance (dC / dV) with respect to the change in amplitude of the AC voltage, a known capacitance sensor (Capacitance sensor) 14 is connected to the probe 11, and the output is connected to a lock-in amplifier (Lock-in amplifier). -in amp.) 15 to detect a change in capacitance by amplifying, thereby indirectly observing the state of the local depletion layer in the diffusion region. At this time, the DC bias supplied from the variable DC power supply 12 is set to an appropriate value so that dC / dV can be easily detected. Then, in order to change the observation position of the diffusion region 103 in a scanning manner, the position of at least one of the probe 11 and the sample 10 is changed, for example, a piezo scanner.
(Piezoelectric tube scanner) 16 is configured to finely change the position of the sample 10 in a horizontal plane, and by scanning the detection position, the result can be displayed as an image. In order to detect the contact position of the probe 11, a pair of a laser beam irradiation device 17 and a reflected beam detection device 18 is provided.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記SCM によ
る従来の測定方法は、次のような問題がある。However, the conventional measuring method using the SCM has the following problems.
【0009】(1)SCM による測定に際して、探針・コ
ンタクト電極間に可変直流電源から一定電圧を印加して
いるが、観察の対象である試料表面部の拡散領域に実際
にどの程度の電圧が印加されているか不明である。つま
り、観察毎に探針およびコンタクト電極に対するコンタ
クト状態が異なったり、試料構造が異なることによりウ
エル領域102 ・シリコン基板101 のインピーダンスが異
なったりすると、拡散領域103 に実際に印加される電圧
が変動して検出結果(データ)に影響が生じるので、試
料の観察毎あるいは異なる試料構造毎の拡散領域の空乏
層の状態を相対的に比較することが不可能であった。(1) At the time of measurement by SCM, a constant voltage is applied from the variable DC power source between the probe and the contact electrode, but how much voltage is actually applied to the diffusion region on the surface of the sample to be observed. It is unknown whether the voltage is applied. In other words, if the state of contact with the probe and the contact electrode differs for each observation, or the impedance of the well region 102 / silicon substrate 101 varies due to the difference in the sample structure, the voltage actually applied to the diffusion region 103 varies. As a result, the detection result (data) is affected, so that it is impossible to relatively compare the state of the depletion layer in the diffusion region for each observation of the sample or for each different sample structure.
【0010】(2)探針・コンタクト電極間の印加電圧
は、観察の対象である試料表面部の拡散領域に三次元的
に(深さ方向にも)作用するので、観察像は、拡散領域
の空乏層の状態だけでなく、拡散領域の深さ方向を含め
た三次元的要素を含んだ情報になり、拡散領域のみを正
確に観察することが不可能であった。(2) Since the voltage applied between the probe and the contact electrode acts three-dimensionally (also in the depth direction) on the diffusion region on the surface of the sample to be observed, the observation image is formed in the diffusion region. The information contains not only the state of the depletion layer but also three-dimensional elements including the depth direction of the diffusion region, and it was impossible to observe only the diffusion region accurately.
【0011】(3)拡散領域の印加電圧は、拡散領域に
直接に与えられるのではなく、シリコン基板より与えら
れるので、観察の対象である拡散領域に実際にどの程度
の電圧が印加されているか不明であり、拡散領域の広が
りが試料構造によって異なって見え、定量的に測定する
ことが不可能であった。(3) Since the voltage applied to the diffusion region is not directly applied to the diffusion region but is applied from the silicon substrate, how much voltage is actually applied to the diffusion region to be observed is determined. It was unknown, and the extent of the diffusion region looked different depending on the sample structure, and it was impossible to measure quantitatively.
【0012】(4)拡散領域の断面が露呈するように試
料を加工し、表面に形成される自然酸化膜に探針をコン
タクトさせて拡散領域の断面から測定を行っているの
で、拡散領域の基板方向の深さが0.1μm以下の場合
には、探針のコンタクト位置が拡散領域の基板方向の深
さのほぼ中心位置に対向していない時(コンタクトずれ
の発生時)に探針直下からの空乏層の広がりが拡散領域
の基板方向の深さ範囲を越えてしまい、拡散領域の空乏
層の状態を測定することが困難である。(4) The sample is processed so that the cross section of the diffusion region is exposed, and the probe is brought into contact with a natural oxide film formed on the surface to perform measurement from the cross section of the diffusion region. When the depth in the substrate direction is 0.1 μm or less, when the contact position of the probe is not opposed to the substantially center position of the diffusion region in the substrate direction (at the time of occurrence of contact displacement), it is directly below the probe. The extent of the depletion layer from the diffusion region exceeds the depth range of the diffusion region in the direction of the substrate, and it is difficult to measure the state of the depletion layer in the diffusion region.
【0013】(5)拡散領域の空乏層の状態の観察を主
な目的としているので、拡散領域の注入不純物の活性状
態を知るためには、拡散領域上のゲート絶縁膜上にゲー
ト電極を有する試料を別途構成し、ゲート電極の印加電
圧と拡散領域の電流との関係を電気的に測定する必要が
あった。(5) Since the main purpose is to observe the state of the depletion layer in the diffusion region, in order to know the active state of the impurity implanted in the diffusion region, a gate electrode is provided on the gate insulating film on the diffusion region. It was necessary to separately configure a sample and electrically measure the relationship between the voltage applied to the gate electrode and the current in the diffusion region.
【0014】本発明は上記の問題点を解決すべくなされ
たもので、観察の対象である試料表面部の拡散領域に実
際に印加される電圧条件を一定化でき、試料の観察毎あ
るいは異なる試料構造毎の拡散領域の空乏層の状態を相
対的に比較することが可能になる走査型静電容量顕微鏡
による測定方法を提供することを第1の目的とする。The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and can stabilize a voltage condition actually applied to a diffusion region on a surface of a sample to be observed. It is a first object of the present invention to provide a measurement method using a scanning capacitance microscope, which makes it possible to relatively compare the state of a depletion layer in a diffusion region for each structure.
【0015】本発明の第2の目的は、観察の対象である
試料表面部の拡散領域の薄膜状態での空乏層の状態を観
察することにより、拡散領域を正確に観察することが可
能になる走査型静電容量顕微鏡による測定方法を提供す
ることにある。A second object of the present invention is to observe the diffusion region accurately by observing the state of the depletion layer in the thin film state of the diffusion region on the sample surface to be observed. An object of the present invention is to provide a measuring method using a scanning capacitance microscope.
【0016】また、本発明の第3の目的は、観察の対象
である試料の拡散領域に直接に電圧を印加することがで
き、拡散領域に実際に印加される電圧を一定化でき、試
料構造に関係なく、拡散領域の電圧条件を統一化して観
察することが可能になる走査型静電容量顕微鏡による測
定方法を提供することにある。A third object of the present invention is to apply a voltage directly to a diffusion region of a sample to be observed, to stabilize a voltage actually applied to the diffusion region, It is an object of the present invention to provide a measurement method using a scanning capacitance microscope that enables unified observation of voltage conditions in a diffusion region regardless of the measurement conditions.
【0017】また、本発明の第4の目的は、観察の対象
である試料表面部の拡散領域の上面側から電圧変化を与
えて測定を行うことにより、拡散領域の基板方向の深さ
が0.1μm以下の場合でも探針直下の拡散領域の空乏
層の状態を測定することが可能になり、しかも、試料作
成作業を簡略化することが可能になる走査型静電容量顕
微鏡による測定方法を提供することにある。A fourth object of the present invention is to measure by applying a voltage change from the upper surface side of the diffusion region on the surface of the sample to be observed so that the depth of the diffusion region in the substrate direction becomes zero. In the case of .ltoreq.1 .mu.m or less, it is possible to measure the state of the depletion layer in the diffusion region immediately below the probe, and also to use a measuring method using a scanning capacitance microscope that can simplify the sample preparation operation. To provide.
【0018】また、本発明の第5の目的は、試料表面部
の拡散領域の注入不純物の活性状態およびキャリア密度
の二次元分布を簡単に観察することが可能になる走査型
静電容量顕微鏡による測定方法を提供することにある。A fifth object of the present invention is to provide a scanning capacitance microscope capable of easily observing the two-dimensional distribution of the active state and carrier density of an impurity implanted in a diffusion region on the surface of a sample. It is to provide a measuring method.
【0019】[0019]
【課題を解決するための手段】第1の発明に係る走査型
静電容量顕微鏡による測定方法は、半導体基板の表層部
にウエル領域および拡散領域が形成された半導体装置を
加工し、拡散領域およびウエル領域および半導体基板の
断面を露呈させ、その露呈表面に絶縁膜を形成し、前記
半導体基板の裏面にコンタクト電極を形成した試料を作
成する第1のステップと、前記試料の絶縁膜に導電性の
探針をコンタクトさせ、この探針と前記コンタクト電極
との間に一定電圧の直流バイアスを印加するとともに交
流電圧を印加した時の電圧振幅の変化に対する前記探針
・コンタクト電極間の容量変化を検出し、この容量変化
の検出結果に基づいて観察の対象である試料表面部の拡
散領域の空乏層の状態を観察する第2のステップとを具
備し、前記第2のステップにおいて、前記探針・コンタ
クト電極間の電圧を測定し、この測定結果に基づいて、
前記探針・コンタクト電極間に実際に印加される電圧条
件を一定化させるようにフィードバック制御することを
特徴とする。According to a first aspect of the present invention, there is provided a measuring method using a scanning capacitance microscope, wherein a semiconductor device having a well region and a diffusion region formed on a surface layer of a semiconductor substrate is processed, and the diffusion region and the diffusion region are processed. A first step of exposing the well region and the cross section of the semiconductor substrate, forming an insulating film on the exposed surface, and forming a sample in which a contact electrode is formed on the back surface of the semiconductor substrate; A constant voltage DC bias is applied between the probe and the contact electrode, and a change in the capacitance between the probe and the contact electrode with respect to a change in the voltage amplitude when an AC voltage is applied. And a second step of observing a state of a depletion layer in a diffusion region of a sample surface portion to be observed based on a detection result of the capacitance change. In step, a voltage between said probe and the contact electrodes is measured, based on this measurement result,
The present invention is characterized in that feedback control is performed so as to stabilize a voltage condition actually applied between the probe and the contact electrode.
【0020】第2の発明に係る走査型静電容量顕微鏡に
よる測定方法は、半導体基板の表層部にウエル領域およ
び拡散領域が形成された半導体装置を加工し、拡散領域
およびウエル領域および半導体基板の断面を露呈させ、
その露呈表面に絶縁膜を形成し、試料表面部の拡散領域
の底部に溝を形成して拡散領域およびウエル領域および
半導体基板のそれぞれを試料表面からみた厚さが一定の
薄膜部となるようにし、前記半導体基板の裏面にコンタ
クト電極を形成した試料を作成する第1のステップと、
前記試料の絶縁膜に導電性の探針をコンタクトさせ、こ
の探針と前記コンタクト電極との間に一定電圧の直流バ
イアスを印加するとともに交流電圧を印加した時の電圧
振幅の変化に対する前記探針・コンタクト電極間の容量
変化を検出し、この検出結果に基づいて観察の対象であ
る試料表面部の拡散領域の空乏層の状態を観察する第2
のステップとを具備することを特徴とする。According to a second aspect of the present invention, there is provided a measuring method using a scanning capacitance microscope, wherein a semiconductor device having a well region and a diffusion region formed in a surface layer of a semiconductor substrate is processed, and the diffusion region, the well region and the semiconductor substrate are measured. Expose the cross section,
An insulating film is formed on the exposed surface, and a groove is formed at the bottom of the diffusion region on the sample surface so that the thickness of the diffusion region, the well region, and the semiconductor substrate is constant when viewed from the sample surface. A first step of preparing a sample in which a contact electrode is formed on the back surface of the semiconductor substrate;
A conductive probe is brought into contact with the insulating film of the sample, and a constant DC bias is applied between the probe and the contact electrode, and the probe responds to a change in voltage amplitude when an AC voltage is applied. A second method of detecting a change in capacitance between the contact electrodes and observing a state of a depletion layer in a diffusion region of a sample surface to be observed based on the detection result;
And the following steps.
【0021】第3の発明に係る走査型静電容量顕微鏡に
よる測定方法は、半導体基板の表層部にウエル領域およ
び拡散領域が形成された半導体装置を加工し、拡散領域
およびウエル領域および半導体基板の断面を露呈させ、
その露呈表面に絶縁膜を形成し、試料表面部の拡散領域
の底部に溝を形成して拡散領域およびウエル領域および
半導体基板のそれぞれを試料表面からみた厚さが一定の
薄膜部となるようにし、さらに、前記溝内に拡散領域お
よびウエル領域および半導体基板のそれぞれにコンタク
トする導電部材を埋め込むように形成した試料を作成す
る第1のステップと、前記試料の絶縁膜に導電性の探針
をコンタクトさせ、この探針と前記導電部材との間に一
定電圧の直流バイアスを印加するとともに交流電圧を印
加した時の電圧振幅の変化に対する前記探針・導電部材
間の容量変化を検出し、この検出結果に基づいて試料表
面部の拡散領域の空乏層の状態を観察する第2のステッ
プとを具備することを特徴とする。According to a third aspect of the present invention, there is provided a measuring method using a scanning capacitance microscope, wherein a semiconductor device having a well region and a diffusion region formed in a surface layer of a semiconductor substrate is processed, and the diffusion region, the well region and the semiconductor substrate are processed. Expose the cross section,
An insulating film is formed on the exposed surface, and a groove is formed at the bottom of the diffusion region on the sample surface so that the thickness of the diffusion region, the well region, and the semiconductor substrate is constant when viewed from the sample surface. A first step of forming a sample formed so as to embed a conductive member in contact with each of the diffusion region, the well region, and the semiconductor substrate in the groove; and a conductive probe in an insulating film of the sample. A contact is made, a constant DC bias is applied between the probe and the conductive member, and a change in the capacitance between the probe and the conductive member with respect to a change in the voltage amplitude when an AC voltage is applied is detected. And a second step of observing the state of the depletion layer in the diffusion region on the sample surface based on the detection result.
【0022】第4の発明に係る走査型静電容量顕微鏡に
よる測定方法は、半導体基板の表層部に拡散領域が形成
された半導体装置を加工し、拡散領域の上面を露呈さ
せ、その露呈表面に絶縁膜を形成し、前記半導体基板の
裏面にコンタクト電極を形成した試料を作成する第1の
ステップと、前記試料の絶縁膜に導電性の探針をコンタ
クトさせ、この探針と前記コンタクト電極との間に一定
電圧の直流バイアスを印加するとともに交流電圧を印加
した時の電圧振幅の変化に対する前記探針・コンタクト
電極間の容量変化を検出し、この容量変化の検出結果に
基づいて試料表面部の拡散領域の空乏層の状態を観察す
る第2のステップとを具備することを特徴とする。According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a measuring method using a scanning capacitance microscope, wherein a semiconductor device having a diffusion region formed in a surface layer of a semiconductor substrate is processed, an upper surface of the diffusion region is exposed, and the surface is exposed. A first step of forming an insulating film and forming a sample in which a contact electrode is formed on the back surface of the semiconductor substrate, and contacting a conductive probe with the insulating film of the sample; A DC bias of a constant voltage is applied during the detection, and a change in the capacitance between the probe and the contact electrode with respect to a change in the voltage amplitude when the AC voltage is applied is detected. Based on the detection result of the change in the capacitance, the sample surface portion is detected. Observing the state of the depletion layer in the diffusion region.
【0023】第5の発明に係る走査型静電容量顕微鏡に
よる測定方法は、半導体基板の表層部に拡散領域が形成
された半導体装置を加工し、拡散領域の断面あるいは上
面を露呈させ、その露呈表面に絶縁膜を形成し、前記半
導体基板の裏面にコンタクト電極を形成した試料を作成
する第1のステップと、前記試料の絶縁膜に導電性の探
針をコンタクトさせ、この探針と前記コンタクト電極と
の間に一定電圧の直流バイアスを印加するとともに交流
電圧を印加した時の電圧振幅の変化に対する前記探針・
コンタクト電極間の容量変化を検出し、この容量変化の
検出結果に基づいて試料表面部の拡散領域の注入不純物
の活性状態を観察する第2のステップとを具備すること
を特徴とする。According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a measuring method using a scanning capacitance microscope, wherein a semiconductor device having a diffusion region formed in a surface layer of a semiconductor substrate is processed to expose a cross section or an upper surface of the diffusion region. A first step of forming a sample in which an insulating film is formed on the front surface and forming a contact electrode on the back surface of the semiconductor substrate; and contacting a conductive probe with the insulating film of the sample. The probe and the probe for applying a constant DC bias between the electrodes and changing the voltage amplitude when an AC voltage is applied.
A second step of detecting a change in capacitance between the contact electrodes and observing the active state of the implanted impurity in the diffusion region on the sample surface based on the detection result of the change in capacitance.
【0024】なお、第2〜第5の発明における第2のス
テップにおいても、第1の発明における第2のステップ
と同様に、前記探針・コンタクト電極間の電圧を測定
し、この測定結果に基づいて、前記探針・コンタクト電
極間に実際に印加される電圧条件を一定化させるように
フィードバック制御して試料表面部の拡散領域に実際に
印加される電圧条件を一定化することが可能である。In the second step of the second to fifth aspects, the voltage between the probe and the contact electrode is measured in the same manner as in the second step of the first aspect. Based on this, it is possible to stabilize the voltage condition actually applied to the diffusion region of the sample surface portion by performing feedback control so as to stabilize the voltage condition actually applied between the probe and the contact electrode. is there.
【0025】[0025]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
【0026】<第1の実施の形態>図1(a)は、本発
明の第1の実施の形態に係るSCM による半導体試料の測
定方法を示している。<First Embodiment> FIG. 1A shows a method of measuring a semiconductor sample by using an SCM according to a first embodiment of the present invention.
【0027】図1(a)において、半導体装置のゲート
転送部に代表される試料10は、半導体基板(本例ではシ
リコン基板)101 の表層部に選択的にウエル領域102 が
形成され、このウエル領域の表層部に選択的に拡散領域
103 が形成された半導体装置が加工され、基板裏面に例
えば導電性ペースト、導電性テープを用いたコンタクト
電極104 が形成されたものである。上記加工に際して、
拡散領域103 およびウエル領域102 およびシリコン基板
101 の断面を露呈させる時に、露呈表面には例えば自然
酸化膜からなる絶縁膜105 が形成される。In FIG. 1A, a sample 10 typified by a gate transfer portion of a semiconductor device has a well region 102 selectively formed in a surface layer portion of a semiconductor substrate (silicon substrate in this example) 101. Diffusion area selectively on the surface of the area
A semiconductor device having 103 formed thereon is processed, and a contact electrode 104 using a conductive paste or a conductive tape is formed on the back surface of the substrate. In the above processing,
Diffusion region 103 and well region 102 and silicon substrate
When exposing the cross section of 101, an insulating film 105 made of, for example, a natural oxide film is formed on the exposed surface.
【0028】このような試料10の絶縁膜105 に導電性の
カンチレバー110 の先端の探針11をコンタクトさせ、探
針11とコンタクト電極104 との間に可変直流電源12から
直流バイアスを印加すると、キャリア濃度に依存した厚
みを有する空乏層が探針直下の局所領域103 に生成され
る。そして、図1(b)に示すように、探針11と絶縁膜
105 と拡散領域103 とにより構成されるMOSキャパシ
タC1と、拡散領域103およびウエル領域102 の容量C2
と、シリコン基板101 の容量C3が直列に接続された状態
と等価な回路が形成される。この場合、容量C2とC3は、
試料10の構造によって異なる。この状態で、探針11とコ
ンタクト電極104 との間に変調電源(交流電源)13から
交流電圧を印加する。When the probe 11 at the tip of the conductive cantilever 110 is brought into contact with the insulating film 105 of the sample 10 and a DC bias is applied between the probe 11 and the contact electrode 104 from the variable DC power supply 12, A depletion layer having a thickness depending on the carrier concentration is generated in the local region 103 immediately below the probe. Then, as shown in FIG. 1B, the probe 11 and the insulating film
MOS capacitor C1 composed of 105 and diffusion region 103, and capacitance C2 of diffusion region 103 and well region 102
Thus, a circuit equivalent to a state in which the capacitance C3 of the silicon substrate 101 is connected in series is formed. In this case, the capacitances C2 and C3 are
It depends on the structure of the sample 10. In this state, an AC voltage is applied between the probe 11 and the contact electrode 104 from the modulation power supply (AC power supply) 13.
【0029】このように直流バイアスおよび交流電圧を
印加すると、接地電位の探針11に対するコンタクト電極
104 の電圧が正あるいは負の方向に交互に変化するとと
もに電圧振幅が変化すると、この電圧変化に追随して前
記空乏層の幅が広がったり狭くなったりし、探針・コン
タクト電極間のシリコン層(広義の不純物拡散層)の静
電容量が変化する。When a DC bias and an AC voltage are applied as described above, the contact electrode with respect to the probe 11 at the ground potential
When the voltage at 104 changes alternately in the positive or negative direction and the voltage amplitude changes, the width of the depletion layer increases or decreases following this voltage change, and the silicon layer between the probe and the contact electrode is changed. The capacitance of the (impurity diffusion layer in a broad sense) changes.
【0030】そこで、交流電圧の振幅変化に対する容量
変化(dC/dV)を検出するために、探針11に公知の
キャパシタンスセンサ14を接続し、その出力をロックイ
ン・アンプ15により増幅することにより容量の変化を検
出することにより、拡散領域103 の局所的な空乏層の状
態を間接的に観察することができる。この際、dC/d
Vを検出し易いように、可変直流電源12から供給する直
流バイアスを適切な値に設定している。そして、拡散領
域103 の観察位置を走査的に変化させるために、探針11
および試料10の少なくとも一方の位置を変化させる、例
えばピエゾスキャナ16により試料10の位置を水平面内で
微細に変化させるように構成されており、拡散領域103
の観察位置を走査させることにより結果を画像で表示す
ることが可能である。なお、探針11のコンタクト位置を
検出するために、レーザービーム照射装置17および反射
ビーム検知装置18の対が配設されている。In order to detect a change in capacitance (dC / dV) with respect to a change in the amplitude of the AC voltage, a known capacitance sensor 14 is connected to the probe 11, and the output is amplified by a lock-in amplifier 15. By detecting the change in capacitance, the state of the local depletion layer in the diffusion region 103 can be indirectly observed. At this time, dC / d
The DC bias supplied from the variable DC power supply 12 is set to an appropriate value so that V can be easily detected. Then, in order to change the observation position of the diffusion region 103 in a scanning manner, the probe 11 is used.
And at least one of the positions of the sample 10 is changed, for example, the position of the sample 10 is finely changed in a horizontal plane by a piezo scanner 16, and the diffusion region 103 is provided.
It is possible to display the result as an image by scanning the observation position. In order to detect the contact position of the probe 11, a pair of a laser beam irradiation device 17 and a reflected beam detection device 18 is provided.
【0031】さらに、探針・コンタクト電極間の電圧を
電圧測定回路19で測定し、この測定結果に応じて可変直
流電源12および/または交流電源13を制御し、試料の観
察毎あるいは異なる試料構造毎に探針・コンタクト電極
間に実際に印加される電圧条件を一定化するフィードバ
ック制御回路20が設けられている。Further, the voltage between the probe and the contact electrode is measured by the voltage measuring circuit 19, and the variable DC power supply 12 and / or the AC power supply 13 is controlled in accordance with the measurement result, so that each time the sample is observed or a different sample structure is used. A feedback control circuit 20 is provided for stabilizing the voltage condition actually applied between the probe and the contact electrode every time.
【0032】即ち、上記した第1の実施の形態に係るSC
M による半導体試料の測定方法によれば、探針・コンタ
クト電極間に実際に印加される電圧条件を一定化する。
したがって、観察毎に探針11およびコンタクト電極104
に対するコンタクト状態が異なったり、試料構造が異な
ったりしても、試料表面部の拡散領域に実際に印加され
る電圧条件を一定化できるので、試料10の観察毎あるい
は異なる試料構造毎の拡散領域103 の空乏層の状態を相
対的に比較することが可能になる。That is, the SC according to the first embodiment described above
According to the method of measuring a semiconductor sample by M, the voltage condition actually applied between the probe and the contact electrode is made constant.
Therefore, the probe 11 and the contact electrode 104
Even if the contact state with respect to the sample is different or the sample structure is different, the voltage condition actually applied to the diffusion region on the sample surface can be kept constant, so that the diffusion region 103 for each observation of the sample 10 or for each different sample structure can be obtained. Can be relatively compared with each other.
【0033】なお、試料の観察位置をウエル領域102 に
変更すれば、ウエル領域102 の空乏層の状態を観察する
ことが可能になる。If the observation position of the sample is changed to the well region 102, the state of the depletion layer in the well region 102 can be observed.
【0034】<第2の実施の形態>図2(a)は、本発
明の第2の実施の形態に係るSCM による半導体試料の測
定方法を示している。<Second Embodiment> FIG. 2A shows a method of measuring a semiconductor sample by using an SCM according to a second embodiment of the present invention.
【0035】図2(a)中に示す試料10a は、図2
(b)に示すように、試料表面部の拡散領域103 の底部
(観察面の反対部)に試料側面から例えば公知の収束イ
オンビーム(Focused Ion Beam;FIB)加工により溝
106 が形成されることにより、拡散領域103 およびウエ
ル領域102 およびシリコン基板101 のそれぞれが試料表
面側からみた厚さdが一定の薄膜部となるように加工さ
れている。その他の部分は、図1(a)中に示した試料
10と同じであるので、図1(a)中と同一符号を付して
いる。また、図2(a)中に示す測定系は、従来例の図
7(a)中に示した測定系と同じであるので、図7
(a)中と同一符号を付している。The sample 10a shown in FIG.
As shown in (b), a groove is formed on the bottom of the diffusion region 103 on the surface of the sample (opposite to the observation surface) by, for example, a known focused ion beam (FIB) process from the side of the sample.
By forming 106, each of the diffusion region 103, the well region 102, and the silicon substrate 101 is processed so that the thickness d as viewed from the sample surface side becomes a constant thin film portion. Other parts are the samples shown in FIG.
10, the same reference numerals as those in FIG. 1A are assigned. Since the measurement system shown in FIG. 2A is the same as the conventional measurement system shown in FIG.
The same reference numerals as in FIG.
【0036】上記したような試料10a に第1の実施の形
態と同様に直流バイアスおよび交流電圧を印加し、dC
/dVを検出し、検出位置を走査させ、結果を画像で表
示することにより、拡散領域103 (またはウエル領域10
2 、シリコン基板101 )の空乏層の状態を間接的に観察
することができる。この場合、試料10a の等価回路は、
図1(b)に示した試料10の等価回路と同じである。A DC bias and an AC voltage are applied to the sample 10a as described above in the same manner as in the first embodiment.
/ DV is detected, the detection position is scanned, and the result is displayed as an image, whereby the diffusion region 103 (or the well region 10) is displayed.
2. The state of the depletion layer of the silicon substrate 101) can be indirectly observed. In this case, the equivalent circuit of sample 10a is
This is the same as the equivalent circuit of the sample 10 shown in FIG.
【0037】即ち、上記した第2の実施の形態に係るSC
M による半導体試料の測定方法によれば、探針・コンタ
クト電極間の印加電圧を、観察の対象である試料表面部
の拡散領域(またはウエル領域)の薄膜部分に二次元的
に作用させることにより、拡散領域(またはウエル領
域)の深さ方向を含めた三次元的要素の影響を抑制し、
薄膜状態での拡散領域(またはウエル領域)の空乏層の
状態を正確に観察することが可能になる。That is, the SC according to the second embodiment described above
According to the method of measuring a semiconductor sample by M, the applied voltage between the probe and the contact electrode is applied two-dimensionally to the thin film portion of the diffusion region (or well region) on the surface of the sample to be observed. , Suppress the effects of three-dimensional elements including the depth direction of the diffusion region (or well region),
It is possible to accurately observe the state of the depletion layer in the diffusion region (or well region) in the thin film state.
【0038】なお、上記した第2の実施の形態の測定系
においても、第1の実施の形態の測定系と同様に探針・
コンタクト電極間の電圧を測定し、この測定結果により
可変直流電源12および/または交流電源13をフィードバ
ック制御すれば、前述した第1の実施の形態と同様の効
果が得られる。In the measurement system according to the second embodiment, the probe and the probe are used similarly to the measurement system according to the first embodiment.
If the voltage between the contact electrodes is measured and the variable DC power supply 12 and / or the AC power supply 13 is feedback-controlled based on the measurement result, the same effect as in the first embodiment described above can be obtained.
【0039】<第3の実施の形態>図3(a)は、本発
明の第3の実施の形態に係るSCM による半導体試料の測
定方法を示している。<Third Embodiment> FIG. 3A shows a method of measuring a semiconductor sample by using an SCM according to a third embodiment of the present invention.
【0040】図3(a)中に示す試料10b は、図3
(b)に示すように、前記溝106 の内部に、拡散領域10
3 およびウエル領域102 およびシリコン基板101 の薄膜
部にそれぞれにコンタクトする導電部材107 が埋め込ま
れている。そして、この導電部材107 は、コンタクト部
108 が引き出されており、さらに、例えば前記コンタク
ト電極104 に連なっている。これにより、コンタクト電
極104 および導電部材107を介して拡散領域103 および
ウエル領域102 およびシリコン基板101 のそれぞれに直
接に所望のバイアス電圧を印加し得るようになってい
る。その他の部分は、図2(b)に示した試料10a と同
じであるので図2(b)中と同一符号を付している。ま
た、図3(a)中に示す測定系は、従来例の図7(a)
中に示した測定系と同じであるので、図7(a)中と同
一符号を付している。The sample 10b shown in FIG.
As shown in FIG. 3B, the diffusion region 10 is formed inside the groove 106.
A conductive member 107 is embedded in the thin film portion of the silicon substrate 101, the well region 102, and the well region 102, respectively. The conductive member 107 is connected to a contact portion.
108 is drawn out and further connected, for example, to the contact electrode 104. Thus, a desired bias voltage can be directly applied to each of the diffusion region 103, the well region 102, and the silicon substrate 101 via the contact electrode 104 and the conductive member 107. The other parts are the same as those of the sample 10a shown in FIG. 2B, and thus are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 2B. The measurement system shown in FIG. 3A is a conventional system shown in FIG.
7A, the same reference numerals as those in FIG. 7A are used.
【0041】上記したような試料10b に第2の実施の形
態と同様に直流バイアスおよび交流電圧を印加し、dC
/dVを検出し、検出位置を走査させ、結果を画像で表
示することにより、拡散領域103 (またはウエル領域10
2 )の空乏層の状態を間接的に観察することができる。
この場合、試料10b の等価回路は、図1(b)に示した
試料10の等価回路と比べて、容量C1 とC2 との接続ノ
ードおよび容量C2 とC3 との接続ノードにそれぞれ可
変直流電源12からバイアス電圧が印加される点が異な
り、その他は同じである。A DC bias and an AC voltage are applied to the sample 10b as in the second embodiment, and dC
/ DV is detected, the detection position is scanned, and the result is displayed as an image, whereby the diffusion region 103 (or the well region 10) is displayed.
2) The state of the depletion layer can be observed indirectly.
In this case, the equivalent circuit of the sample 10b is different from the equivalent circuit of the sample 10 shown in FIG. 1B in that the variable DC power supply 12 is connected to the connection node between the capacitors C1 and C2 and the connection node between the capacitors C2 and C3. And the other is the same.
【0042】即ち、上記した第3の実施の形態に係るSC
M による半導体試料の測定方法によれば、探針・コンタ
クト電極間の印加電圧を、観察の対象である試料表面部
の拡散領域103 (またはウエル領域102 )の薄膜部分に
二次元的に作用させ、薄膜状態での拡散領域103 (また
はウエル領域102 )の空乏層の状態を正確に観察するこ
とが可能になる。That is, the SC according to the third embodiment described above
According to the method of measuring a semiconductor sample by M, a voltage applied between a probe and a contact electrode is applied two-dimensionally to a thin film portion of a diffusion region 103 (or a well region 102) on a surface of a sample to be observed. Thus, the state of the depletion layer in the diffusion region 103 (or the well region 102) in a thin film state can be accurately observed.
【0043】しかも、試料表面部の各拡散領域(狭義の
拡散領域103 、ウエル領域102 )にそれぞれ直接に電圧
を印加することができ、各拡散領域に実際に印加される
電圧を一定化でき、試料構造に関係なく、各拡散領域の
電圧条件を統一化して観察することが可能になる。In addition, a voltage can be directly applied to each of the diffusion regions (diffusion region 103 and well region 102 in a narrow sense) on the sample surface, and the voltage actually applied to each diffusion region can be made constant. Irrespective of the sample structure, it becomes possible to unify and observe the voltage conditions of each diffusion region.
【0044】なお、上記した第3の実施の形態の測定系
においても、第1の実施の形態の測定系と同様に探針・
コンタクト電極間の電圧を測定し、この測定結果により
可変直流電源12および/または交流電源13をフィードバ
ック制御すれば、前述した第1の実施の形態と同様の効
果が得られる。In the measuring system according to the third embodiment, the probe and the probe are used similarly to the measuring system according to the first embodiment.
If the voltage between the contact electrodes is measured and the variable DC power supply 12 and / or the AC power supply 13 is feedback-controlled based on the measurement result, the same effect as in the first embodiment described above can be obtained.
【0045】<第4の実施の形態>図4(a)は、本発
明の第4の実施の形態に係るSCM による半導体試料の測
定方法を示している。<Fourth Embodiment> FIG. 4A shows a method for measuring a semiconductor sample by using an SCM according to a fourth embodiment of the present invention.
【0046】図4(a)中に示す試料10d は、図4
(b)に示すように、図1(a)中に示した試料10と比
べて、試料表面として拡散領域103 およびウエル領域10
2 およびシリコン基板101 の上面が露呈され、この露呈
表面に例えば自然酸化膜からなる絶縁膜105 が形成され
ている点が異なり、その他は同じであるので図1(a)
中と同一符号を付している。また、図4(a)中に示す
測定系は、図7(a)中に示した従来の測定系と同様に
構成されているので、図7(a)中と同一符号を付して
いる。The sample 10d shown in FIG.
As shown in FIG. 1B, as compared with the sample 10 shown in FIG. 1A, the diffusion region 103 and the well region 10 are used as the sample surface.
2 and the upper surface of the silicon substrate 101 are exposed, and an insulating film 105 made of, for example, a natural oxide film is formed on the exposed surface.
The same reference numerals as in the figure are used. Further, the measurement system shown in FIG. 4A has the same configuration as the conventional measurement system shown in FIG. 7A, and thus is given the same reference numerals as those in FIG. 7A. .
【0047】上記したような試料10c の上面側の絶縁膜
105 に探針11をコンタクトさせ、第1の実施の形態と同
様に直流バイアスおよび交流電圧を印加してdC/dV
を検出し、検出位置を走査させ、結果を画像で表示する
ことにより、拡散領域103 の空乏層の状態を間接的に観
察することができる。The insulating film on the upper surface side of the sample 10c as described above
The probe 11 is brought into contact with the probe 105, and a DC bias and an AC voltage are applied thereto in the same manner as in the first embodiment to apply dC / dV
Is detected, the detected position is scanned, and the result is displayed as an image, whereby the state of the depletion layer in the diffusion region 103 can be indirectly observed.
【0048】この際、拡散領域103 の上面側から電圧変
化を与えて測定を行うので、探針11のコンタクト位置と
拡散領域103 のほぼ中心位置との対応が少々ずれている
時でも、図5(a)に示すように探針直下からの空乏層
の横方向の広がりが拡散領域103 の範囲を越えるおそれ
はないので、拡散領域103 の基板方向の深さが0.1μ
m以下の場合でも、dC/dVを検出することにより探
針直下の拡散領域103の空乏層の状態を測定することが
可能になる。At this time, since the measurement is performed by applying a voltage change from the upper surface side of the diffusion region 103, even if the correspondence between the contact position of the probe 11 and the substantially center position of the diffusion region 103 is slightly shifted, FIG. As shown in (a), the lateral extent of the depletion layer from immediately below the probe does not exceed the range of the diffusion region 103, so that the depth of the diffusion region 103 in the substrate direction is 0.1 μm.
Even in the case of m or less, the state of the depletion layer in the diffusion region 103 immediately below the probe can be measured by detecting dC / dV.
【0049】これに対して、従来の測定方法では、探針
11のコンタクト位置と拡散領域103のほぼ中心位置との
対応が少々ずれている時には、図5(b)に示すように
探針直下からの空乏層の横方向の広がりが拡散領域103
の範囲を越えるおそれがあるので、拡散領域103 の基板
方向の深さが0.1μm以下の場合でも、dC/dVを
検出することにより探針直下の拡散領域103 の空乏層の
状態を測定することが不可能であった。On the other hand, in the conventional measuring method, the probe
When the correspondence between the contact position of FIG. 11 and the substantially center position of the diffusion region 103 is slightly shifted, as shown in FIG.
Therefore, even when the depth of the diffusion region 103 in the direction of the substrate is 0.1 μm or less, the state of the depletion layer in the diffusion region 103 immediately below the probe is measured by detecting dC / dV. It was impossible.
【0050】即ち、上記した第4の実施の形態に係るSC
M による半導体試料の測定方法によれば、観察の対象で
ある試料表面部の拡散領域103 の上面側の絶縁膜105 に
探針11をコンタクトさせ、拡散領域103 の上面側から電
圧変化を与えて測定を行うことにより、拡散領域103 の
空乏層の状態を観察することができる。しかも、従来の
ように試料表面として拡散領域103 の断面を露呈させる
ために必要な断面研磨などの加工と比べて、試料作成作
業を簡略化することができる。That is, the SC according to the fourth embodiment described above.
According to the method of measuring a semiconductor sample by M, the probe 11 is brought into contact with the insulating film 105 on the upper surface side of the diffusion region 103 on the surface of the sample to be observed, and a voltage change is applied from the upper surface side of the diffusion region 103. By performing the measurement, the state of the depletion layer in the diffusion region 103 can be observed. Moreover, the work of preparing the sample can be simplified as compared with the conventional processing such as cross-section polishing required to expose the cross section of the diffusion region 103 as the sample surface.
【0051】なお、観察位置をウエル領域102 またはシ
リコン基板101 に変更すれば、ウエル領域102 またはシ
リコン基板101 の状態を観察することができる。When the observation position is changed to the well region 102 or the silicon substrate 101, the state of the well region 102 or the silicon substrate 101 can be observed.
【0052】なお、上記した第4の実施の形態の測定系
においても、第1の実施の形態の測定系と同様に探針・
コンタクト電極間の電圧を測定し、この測定結果により
可変直流電源12および/または交流電源13をフィードバ
ック制御すれば、第1の実施の形態と同様の前述した効
果が得られる。In the measuring system according to the fourth embodiment, the probe and the probe are used similarly to the measuring system according to the first embodiment.
If the voltage between the contact electrodes is measured and the variable DC power supply 12 and / or the AC power supply 13 is feedback-controlled based on the measurement result, the above-described effects similar to those of the first embodiment can be obtained.
【0053】<第5の実施の形態>図6(a)は、本発
明の第5の実施の形態に係るSCM による半導体試料の測
定方法を示している。<Fifth Embodiment> FIG. 6A shows a method of measuring a semiconductor sample by an SCM according to a fifth embodiment of the present invention.
【0054】図6(a)に示すSCM による半導体試料の
測定方法は、図7(a)中に示した従来の測定方法と比
べて、試料10および測定系は同様であるので、図7
(a)中と同一符号を付しているが、観察の目的(対
象)が試料表面部の拡散領域の空乏層の状態ではなく、
拡散領域の注入不純物の活性状態(キャリア密度の二次
元分布)である点で異なる。Since the method of measuring a semiconductor sample by the SCM shown in FIG. 6A is the same as that of the conventional measuring method shown in FIG.
(A) Although the same reference numerals as those in the figure are attached, the observation purpose (target) is not the state of the depletion layer in the diffusion region on the sample surface,
The difference lies in the active state (two-dimensional distribution of carrier density) of the implanted impurity in the diffusion region.
【0055】即ち、図6(b)に示すようにシリコン基
板101 中へ不純物イオンを打ち込んで導入した時は、不
純物イオンの活性化は不十分であり、キャリアは存在し
ないので空乏層の伸びは不十分であり、交流電圧の振幅
変化に対する空乏層の変化量は非常に小さく、dC/d
V信号は非常に低い。これに対して、不純物イオンの打
ち込み後に熱を十分に加えて不純物イオンを活性化させ
た時は、図5(c)に示すようにキャリアが存在し、空
乏層の伸びは大きくなり、交流電圧の振幅変化に対する
空乏層の変化量は大きくなり、dC/dV信号は大きく
なる。That is, when impurity ions are implanted and introduced into the silicon substrate 101 as shown in FIG. 6B, the activation of the impurity ions is insufficient and no carriers are present, so that the depletion layer elongates. The amount of change in the depletion layer with respect to the change in the amplitude of the AC voltage is extremely small, and dC / d
The V signal is very low. On the other hand, when the impurity ions are activated by sufficiently applying heat after the implantation of the impurity ions, the carriers are present as shown in FIG. The change amount of the depletion layer with respect to the change of the amplitude becomes large, and the dC / dV signal becomes large.
【0056】このようにキャリアの状態に応じてdC/
dV信号が異なるという原理に着目し、第5の実施の形
態に係るSCM による半導体試料の測定方法は、dC/d
V信号を測定することによってキャリアの状態を測定
し、拡散領域の注入不純物の活性状態を検出するもので
ある。したがって、従来は、拡散領域の注入不純物の活
性状態を検出するために、拡散領域上のゲート絶縁膜
(図示せず)上にゲート電極(図示せず)を有する試料
(図示せず)を別途構成し、ゲート電極の印加電圧と拡
散領域の電流との関係を電気的に測定する必要があった
ことに比べて、本実施の形態では、拡散領域の注入不純
物の活性状態、キャリア密度の二次元分布を簡単に観察
することが可能になる。As described above, depending on the state of the carrier, dC /
Focusing on the principle that the dV signal is different, the method of measuring a semiconductor sample by the SCM according to the fifth embodiment employs dC / d
The carrier state is measured by measuring the V signal, and the active state of the impurity implanted in the diffusion region is detected. Therefore, conventionally, a sample (not shown) having a gate electrode (not shown) on a gate insulating film (not shown) on the diffusion region is separately provided in order to detect the active state of the implanted impurity in the diffusion region. In this embodiment, the relationship between the applied voltage of the gate electrode and the current in the diffusion region has to be measured electrically. The dimensional distribution can be easily observed.
【0057】なお、上記した第5の実施の形態の測定系
においても、第1の実施の形態の測定系と同様に探針・
コンタクト電極間の電圧を測定し、この測定結果により
可変直流電源12および/または交流電源13をフィードバ
ック制御すれば、第1の実施の形態と同様の前述した効
果が得られる。In the measuring system according to the fifth embodiment, the probe and the probe are used similarly to the measuring system according to the first embodiment.
If the voltage between the contact electrodes is measured and the variable DC power supply 12 and / or the AC power supply 13 is feedback-controlled based on the measurement result, the above-described effects similar to those of the first embodiment can be obtained.
【0058】[0058]
【発明の効果】上述したように第1の発明に係る走査型
静電容量顕微鏡による測定方法によれば、観察の対象で
ある試料表面部の拡散領域(またはウエル領域、シリコ
ン基板)に実際に印加される電圧条件を一定化でき、試
料の観察毎あるいは異なる試料構造毎の拡散領域の空乏
層の状態を相対的に比較することが可能になる。As described above, according to the measuring method using the scanning capacitance microscope according to the first invention, the diffusion region (or well region, silicon substrate) on the surface of the sample to be observed is actually provided. The condition of the applied voltage can be made constant, and the state of the depletion layer in the diffusion region can be relatively compared for each observation of the sample or for each different sample structure.
【0059】また、第2の発明に係る走査型静電容量顕
微鏡による測定方法によれば、探針・コンタクト電極間
の印加電圧を観察の対象である試料表面部の拡散領域
(またはウエル領域、シリコン基板)の薄膜状態での空
乏層の状態を観察することにより、拡散領域(またはウ
エル領域、シリコン基板)を正確に観察することが可能
になる。According to the measuring method using the scanning capacitance microscope according to the second aspect of the present invention, the voltage applied between the probe and the contact electrode is measured by the diffusion region (or well region, By observing the state of the depletion layer in the thin film state of the silicon substrate, it becomes possible to accurately observe the diffusion region (or well region, silicon substrate).
【0060】また、第3の発明に係る走査型静電容量顕
微鏡による測定方法によれば、観察の対象である試料の
各拡散領域にそれぞれ直接に電圧を印加することがで
き、各拡散領域に実際に印加される電圧を一定化でき、
試料構造に関係なく、各拡散領域の電圧条件を統一化し
て観察することが可能になる。Further, according to the measuring method using the scanning capacitance microscope according to the third invention, it is possible to directly apply a voltage to each diffusion region of the sample to be observed, and to apply a voltage to each diffusion region. The voltage actually applied can be kept constant,
Irrespective of the sample structure, it becomes possible to unify and observe the voltage conditions of each diffusion region.
【0061】また、第4の発明に係る走査型静電容量顕
微鏡による測定方法によれば、観察の対象である試料表
面部の拡散領域の上面側から電圧変化を与えて測定を行
うことにより、拡散領域の基板方向の深さが0.1μm
以下の場合でも探針直下の拡散領域の空乏層の状態を測
定することが可能になり、しかも、試料作成作業を簡略
化することが可能になる。According to the measuring method using the scanning capacitance microscope according to the fourth invention, the measurement is performed by applying a voltage change from the upper surface side of the diffusion region on the surface of the sample to be observed. The depth of the diffusion region in the substrate direction is 0.1 μm
Even in the following cases, the state of the depletion layer in the diffusion region immediately below the probe can be measured, and the work of preparing a sample can be simplified.
【0062】また、第5の発明に係る走査型静電容量顕
微鏡による測定方法によれば、試料表面部の拡散領域の
注入不純物の活性状態およびキャリア密度の二次元分布
を簡単に観察することが可能になる。Further, according to the measuring method using the scanning capacitance microscope according to the fifth invention, the two-dimensional distribution of the active state and the carrier density of the implanted impurity in the diffusion region on the surface of the sample can be easily observed. Will be possible.
【図1】本発明の第1の実施の形態に係るSCM による半
導体試料の測定方法を示す図。FIG. 1 is a view showing a method for measuring a semiconductor sample by SCM according to a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第2の実施の形態に係るSCM による半
導体試料の測定方法を示す図。FIG. 2 is a view showing a method for measuring a semiconductor sample by SCM according to a second embodiment of the present invention.
【図3】本発明の第3の実施の形態に係るSCM による半
導体試料の測定方法を示す図。FIG. 3 is a view showing a method for measuring a semiconductor sample by SCM according to a third embodiment of the present invention.
【図4】本発明の第4の実施の形態に係るSCM による半
導体試料の測定方法を示す図。FIG. 4 is a view showing a method for measuring a semiconductor sample by SCM according to a fourth embodiment of the present invention.
【図5】図4中の試料と探針のコンタクト位置からの電
界との関係を従来例と対比して示す図。FIG. 5 is a diagram showing a relationship between the sample in FIG. 4 and an electric field from a contact position of a probe in comparison with a conventional example.
【図6】本発明の第5の実施の形態に係るSCM による半
導体試料の測定方法を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a method for measuring a semiconductor sample by SCM according to a fifth embodiment of the present invention.
【図7】従来のSCM の基本構成と試料の一例を示す図。FIG. 7 is a diagram showing a basic configuration of a conventional SCM and an example of a sample.
10…試料、 101 …シリコン基板、 102 …ウエル領域、 103 …拡散領域、 104 …コンタクト電極、 105 …絶縁膜、 110 …カンチレバー、 11…探針、 C1…MOSキャパシタ、 C2、C3…容量、 12…可変直流電源、 13…変調電源(交流電源)、 14…キャパシタンスセンサ、 15…ロックイン・アンプ、 16…ピエゾスキャナ、 17…レーザービーム照射装置、 18…反射ビーム検知装置、 19…電圧測定回路、 20…フィードバック制御回路。 10 ... sample, 101 ... silicon substrate, 102 ... well region, 103 ... diffusion region, 104 ... contact electrode, 105 ... insulating film, 110 ... cantilever, 11 ... probe, C1 ... MOS capacitor, C2, C3 ... capacitance, 12 ... variable DC power supply, 13 ... modulation power supply (AC power supply), 14 ... capacitance sensor, 15 ... lock-in amplifier, 16 ... piezo scanner, 17 ... laser beam irradiation device, 18 ... reflected beam detection device, 19 ... voltage measurement circuit , 20 ... feedback control circuit.
Claims (6)
れた半導体装置を加工し、拡散領域および半導体基板の
断面を露呈させ、その露呈表面に絶縁膜を形成し、前記
半導体基板の裏面にコンタクト電極を付加した試料を作
成する第1のステップと、 前記試料の絶縁膜に導電性の探針をコンタクトさせ、こ
の探針と前記コンタクト電極との間に一定電圧の直流バ
イアスを印加するとともに交流電圧を印加した時の電圧
振幅の変化に対する前記探針・コンタクト電極間の容量
変化を検出し、この容量変化の検出結果に基づいて試料
表面部の拡散領域の空乏層の状態を観察する第2のステ
ップとを具備し、 前記第2のステップにおいて、前記探針・コンタクト電
極間の電圧を測定し、この測定結果に基づいて、前記探
針・コンタクト電極間に実際に印加される電圧条件を一
定化させるようにフィードバック制御することを特徴と
する走査型静電容量顕微鏡による測定方法。A semiconductor device having a diffusion region formed in a surface layer of a semiconductor substrate is processed to expose a cross section of the diffusion region and the semiconductor substrate, an insulating film is formed on the exposed surface, and a back surface of the semiconductor substrate is formed. A first step of preparing a sample to which a contact electrode is added; and contacting a conductive probe with an insulating film of the sample, applying a constant voltage DC bias between the probe and the contact electrode. A change in capacitance between the probe and the contact electrode with respect to a change in voltage amplitude when an AC voltage is applied is detected, and a state of a depletion layer in a diffusion region of a sample surface portion is observed based on the detection result of the change in capacitance. 2) measuring the voltage between the probe and the contact electrode in the second step, and measuring the voltage between the probe and the contact electrode based on the measurement result. Measuring method using a scanning capacitance microscope voltage conditions applied, characterized in that the feedback control so as to made constant.
れた半導体装置を加工し、拡散領域の断面を露呈させ、
その露呈表面に絶縁膜を形成し、試料表面部の拡散領域
の底部に溝を形成して拡散領域を試料表面からみた厚さ
が一定の薄膜部となるようにし、前記半導体基板の裏面
にコンタクト電極を付加した試料を作成する第1のステ
ップと、 前記試料の絶縁膜に導電性の探針をコンタクトさせ、こ
の探針と前記コンタクト電極との間に一定電圧の直流バ
イアスを印加するとともに交流電圧を印加した時の電圧
振幅の変化に対する前記探針・コンタクト電極間の容量
変化を検出し、この検出結果に基づいて観察の対象であ
る試料表面部の拡散領域の空乏層の状態を観察する第2
のステップとを具備することを特徴とする走査型静電容
量顕微鏡による測定方法。2. A semiconductor device having a diffusion region formed in a surface layer portion of a semiconductor substrate is processed to expose a cross section of the diffusion region.
An insulating film is formed on the exposed surface, a groove is formed at the bottom of the diffusion region on the surface of the sample so that the diffusion region becomes a thin film portion having a constant thickness as viewed from the surface of the sample, and a contact is made with the back surface of the semiconductor substrate. A first step of preparing a sample to which electrodes are added; contacting a conductive probe with the insulating film of the sample; applying a constant voltage DC bias between the probe and the contact electrode; A change in capacitance between the probe and the contact electrode with respect to a change in voltage amplitude when a voltage is applied is detected, and based on the detection result, a state of a depletion layer in a diffusion region of a sample surface to be observed is observed. Second
And a measuring method using a scanning capacitance microscope.
拡散領域が形成された半導体装置を加工し、拡散領域の
断面を露呈させ、その断面表面に絶縁膜を形成し、試料
表面部の拡散領域の底部に溝を形成して拡散領域および
ウエル領域および半導体基板のそれぞれを試料表面から
みた厚さが一定の薄膜部となるようにし、さらに、前記
溝内に拡散領域およびウエル領域および半導体基板のそ
れぞれにコンタクトする導電部材を埋め込むように形成
した試料を作成する第1のステップと、 前記試料の絶縁膜に導電性の探針をコンタクトさせ、こ
の探針と前記導電部材との間に一定電圧の直流バイアス
を印加するとともに交流電圧を印加した時の電圧振幅の
変化に対する前記探針・導電部材間の容量変化を検出
し、この検出結果に基づいて試料表面部の拡散領域の空
乏層の状態を観察する第2のステップとを具備すること
を特徴とする走査型静電容量顕微鏡による測定方法。3. A semiconductor device in which a well region and a diffusion region are formed in a surface portion of a semiconductor substrate, a cross section of the diffusion region is exposed, an insulating film is formed on the cross section surface, and a diffusion region of a sample surface portion is formed. A groove is formed at the bottom of the substrate so that each of the diffusion region, the well region, and the semiconductor substrate becomes a thin film portion having a constant thickness as viewed from the sample surface. Further, the diffusion region, the well region, and the semiconductor substrate are formed within the groove. A first step of preparing a sample formed so as to embed a conductive member in contact therewith, and contacting a conductive probe with the insulating film of the sample, and applying a constant voltage between the probe and the conductive member. A change in the capacitance between the probe and the conductive member with respect to a change in the voltage amplitude when the DC bias is applied and the AC voltage is applied is detected. Measuring method using a scanning capacitance microscope, characterized by comprising a second step of observing the depletion of the state of the diffusion region parts.
れた半導体装置を加工し、拡散領域の上面を露呈させ、
その露呈表面に絶縁膜を形成し、前記半導体基板の裏面
にコンタクト電極を付加した試料を作成する第1のステ
ップと、 前記試料の絶縁膜に導電性の探針をコンタクトさせ、こ
の探針と前記コンタクト電極との間に一定電圧の直流バ
イアスを印加するとともに交流電圧を印加した時の電圧
振幅の変化に対する前記探針・コンタクト電極間の容量
変化を検出し、この容量変化の検出結果に基づいて試料
表面部の拡散領域の空乏層の状態を観察する第2のステ
ップとを具備することを特徴とする走査型静電容量顕微
鏡による測定方法。4. A semiconductor device having a diffusion region formed in a surface layer portion of a semiconductor substrate is processed to expose an upper surface of the diffusion region.
A first step of forming an insulating film on the exposed surface and forming a sample with a contact electrode added to the back surface of the semiconductor substrate; and contacting a conductive probe with the insulating film of the sample. A constant DC bias is applied between the probe and the contact electrode, and a change in capacitance between the probe and the contact electrode with respect to a change in voltage amplitude when an AC voltage is applied is detected. A second step of observing a state of a depletion layer in a diffusion region on the surface of the sample by using a scanning capacitance microscope.
れた半導体装置を加工し、拡散領域の断面あるいは上面
を露呈させ、その露呈表面に絶縁膜を形成し、前記半導
体基板の裏面にコンタクト電極を付加した試料を作成す
る第1のステップと、 前記試料の絶縁膜に導電性の探針をコンタクトさせ、こ
の探針と前記コンタクト電極との間に一定電圧の直流バ
イアスを印加するとともに交流電圧を印加した時の電圧
振幅の変化に対する前記探針・コンタクト電極間の容量
変化を検出し、この容量変化の検出結果に基づいて試料
表面部の拡散領域の注入不純物の活性状態を観察する第
2のステップとを具備することを特徴とする走査型静電
容量顕微鏡による測定方法。5. A semiconductor device in which a diffusion region is formed in a surface layer portion of a semiconductor substrate, a cross section or an upper surface of the diffusion region is exposed, an insulating film is formed on the exposed surface, and a contact is made on a back surface of the semiconductor substrate. A first step of preparing a sample to which electrodes are added; contacting a conductive probe with the insulating film of the sample; applying a constant voltage DC bias between the probe and the contact electrode; A change in the capacitance between the probe and the contact electrode with respect to a change in the voltage amplitude when a voltage is applied is detected, and based on the detection result of the change in the capacitance, the active state of the implanted impurity in the diffusion region on the sample surface is observed. 2. A measuring method using a scanning capacitance microscope, comprising:
・コンタクト電極間の電圧を測定し、この測定結果に基
づいて、前記探針・コンタクト電極間に実際に印加され
る電圧条件を一定化させるようにフィードバック制御し
て試料表面部の拡散領域に実際に印加される電圧条件を
一定化することを特徴とする請求項2乃至5のいずれか
1項に記載の走査型静電容量顕微鏡による測定方法。6. In the second step, a voltage between the probe and the contact electrode is measured, and a voltage condition actually applied between the probe and the contact electrode is made constant based on the measurement result. The scanning capacitance microscope according to any one of claims 2 to 5, wherein feedback control is performed to stabilize a voltage condition actually applied to the diffusion region on the surface of the sample. Measuring method.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006245150A (en) * | 2005-03-01 | 2006-09-14 | Kyoto Univ | Semiconductor device for evaluation, method for producing semiconductor device for evaluation, and method for evaluating semiconductor device |
JP2006267048A (en) * | 2005-03-25 | 2006-10-05 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | Method for preparing sample for cross-section observation |
JP2007108105A (en) * | 2005-10-17 | 2007-04-26 | Renesas Technology Corp | Method for preparing sample for electron microscope, converged ion beam device and a sample support stand |
JP2010272790A (en) * | 2009-05-25 | 2010-12-02 | Shin Etsu Handotai Co Ltd | Method for evaluation of active carrier concentration, light-emitting element, and method of manufacturing light-emitting element |
-
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JP4699168B2 (en) * | 2005-10-17 | 2011-06-08 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Electron microscope sample preparation method |
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