JP2002118159A - 不純物濃度プロファイル測定方法および薄膜試料の膜厚測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体基板中微少領域の微量な不純物濃度分
布を測定することができる。 【解決手段】 不純物拡散領域１９を有する半導体基板
１３を透過型電子顕微鏡で観察が可能な厚さに薄膜化す
る工程と、薄膜化した半導体基板１３中の不純物拡散領
域１９を、フッ酸と硝酸からなる混合液を用いて不純物
拡散領域１９の不純物濃度分布に対応した膜厚のくさび
形形状にエッチングする工程と、透過型電子顕微鏡を用
いてエッチングした不純物拡散領域１９の膜厚をエネル
ギーフィルタ法により測定する工程と、測定した膜厚と
予め調べた不純物濃度に対するエッチング量との対応関
係から、不純物濃度の２次元分布を求める工程とを含
む。これにより、ウェットエッチングした半導体基板部
分のエネルギーフィルタ法による膜厚測定から、半導体
基板１３における微少領域の微量な不純物濃度分布を測
定することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置の解
析方法に係り、特に透過電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmis
sion Electron Microscope）を用いた半導体試料の不純
物濃度プロファイルの測定方法および薄膜試料の膜厚測
定方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体の２次元方向の不純物濃度
を測定する手段として、次のような方法を用いていた。
試料の所望箇所の断面出しを行って透過電子顕微鏡用試
料を作製し、不純物濃度とエッチング量が対応する選択
エッチング液でエッチング処理した上でＴＥＭ観察を行
い、エッチングされた部分の等厚干渉縞を観察すること
により、試料の膜厚変化を見積もる。この試料の膜厚変
化をもとに、予め調べたエッチング量と不純物濃度との
対応関係により、２次元方向の不純物濃度分布に関する
情報を得る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
方法では、ＴＥＭで生じるような等厚干渉縞は、消衰距
離に対応する。例えば、２００ＫｅＶの加速電圧を有す
る電子線がＳｉの低指数軸に入射した場合、消衰距離は
およそ１００ｎｍ程度である。したがって、試料の膜厚
差が１００ｎｍ未満であるような場合には等厚干渉縞が
発生せず、試料の膜厚が１００ｎｍ以上なければ、干渉
縞の変化として観察できない。すなわち、エッチング処
理した試料は、濃度プロファイルを明瞭に反映した等厚
干渉縞が現れず、従来の方法では、濃度プロファイルを
精度よく測定することはきわめて困難であった。

【０００４】したがって、この発明の目的は、このよう
な従来の方法にあった課題を解決するもので、半導体基
板中微少領域の微量な不純物濃度分布を測定することが
できる不純物濃度プロファイル測定方法および薄膜試料
の膜厚測定方法を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
にこの発明の請求項１記載の不純物濃度プロファイル測
定方法は、不純物拡散領域を有する半導体基板を透過型
電子顕微鏡で観察が可能な厚さに薄膜化する工程と、薄
膜化した半導体基板中の前記不純物拡散領域を、フッ酸
と硝酸からなる混合液を用いて前記不純物拡散領域の不
純物濃度分布に対応した膜厚のくさび形形状にエッチン
グする工程と、前記透過型電子顕微鏡を用いて前記エッ
チングした不純物拡散領域の膜厚をエネルギーフィルタ
法により測定する工程と、測定した膜厚と予め調べた不
純物濃度に対するエッチング量との対応関係から、不純
物濃度の２次元分布を求める工程とを含む。

【０００６】このように、薄膜化した半導体基板中の不
純物拡散領域を、フッ酸と硝酸からなる混合液を用いて
不純物拡散領域の不純物濃度分布に対応した膜厚のくさ
び形形状にエッチングする工程と、透過型電子顕微鏡を
用いてエッチングした不純物拡散領域の膜厚をエネルギ
ーフィルタ法により測定する工程と、測定した膜厚と予
め調べた不純物濃度に対するエッチング量との対応関係
から、不純物濃度の２次元分布を求める工程とを含むの
で、ウェットエッチングした半導体基板部分のエネルギ
ーフィルタ法による膜厚測定から、半導体基板における
微少領域の微量な不純物濃度分布を測定することが可能
となる。これはフッ酸と硝酸からなる混合液の半導体に
対するエッチングレートが半導体中の不純物濃度に依存
することを利用しており、不純物濃度が高い部分程エッ
チングレートが高く、膜厚が薄くなるため、エネルギー
フィルタ法により膜厚を測定することで不純物濃度を２
次元分布を求めることができる。

【０００７】請求項２記載の不純物濃度プロファイル測
定方法は、請求項１において、薄膜化した半導体基板中
の不純物拡散領域の膜厚をエネルギーフィルタ法により
測定するとき、電子エネルギー損失分光スペクトルを利
用し、特定の損失エネルギーをもつ非弾性散乱電子の２
次元的な分布像を観察してエネルギー損失スペクトル強
度を算出する。

【０００８】このように、薄膜化した半導体基板中の不
純物拡散領域の膜厚をエネルギーフィルタ法により測定
するとき、電子エネルギー損失分光スペクトルを利用
し、特定の損失エネルギーをもつ非弾性散乱電子の２次
元的な分布像を観察してエネルギー損失スペクトル強度
を算出することにより、精密に膜厚を測定することがで
きる。

【０００９】請求項３記載の不純物濃度プロファイル測
定方法は、不純物拡散領域を有する半導体基板を透過型
電子顕微鏡で観察が可能な厚さに薄膜化する工程と、薄
膜化した半導体基板中の前記不純物拡散領域を、フッ酸
と硝酸からなる混合液を用いて前記不純物拡散領域の不
純物濃度分布に対応した膜厚のくさび形形状にエッチン
グする工程と、前記透過型電子顕微鏡を用いてエッチン
グした不純物拡散領域の膜厚を原子間力顕微鏡により測
定する工程と、測定した膜厚と予め調べた不純物濃度に
対するエッチング量との対応関係から、不純物キャリア
濃度の２次元分布を求める工程とを含む。

【００１０】このように、薄膜化した半導体基板中の不
純物拡散領域を、フッ酸と硝酸からなる混合液を用いて
不純物拡散領域の不純物濃度分布に対応した膜厚のくさ
び形形状にエッチングする工程と、透過型電子顕微鏡を
用いてエッチングした不純物拡散領域の膜厚を原子間力
顕微鏡により測定する工程と、測定した膜厚と予め調べ
た不純物濃度に対するエッチング量との対応関係から、
不純物キャリア濃度の２次元分布を求める工程とを含む
ので、ウェットエッチングした半導体基板部分の原子間
力顕微鏡による膜厚測定から、半導体基板における微少
領域の微量な不純物濃度分布を測定することが可能とな
る。これはフッ酸と硝酸からなる混合液の半導体に対す
るエッチングレートが半導体中の不純物濃度に依存する
ことを利用しており、不純物濃度が高い部分程エッチン
グレートが高く、膜厚が薄くなるため、原子間力顕微鏡
により膜厚を測定することで不純物濃度を２次元分布を
求めることができる。

【００１１】請求項４記載の不純物濃度プロファイル測
定方法は、請求項３において、薄膜化した半導体基板中
の不純物拡散領域の膜厚を原子間力顕微鏡を用いて測定
するとき、２次元的に１ｎｍ単位で試料を移動させる機
能を有する試料台上に前記薄膜化した半導体基板を設置
し、原子間力顕微鏡の探針を２次元的に１ｎｍ単位で試
料上を走査させる。

【００１２】このように、２次元的に１ｎｍ単位で試料
を移動させる機能を有する試料台上に薄膜化した半導体
基板を設置し、原子間力顕微鏡の探針を２次元的に１ｎ
ｍ単位で試料上を走査させるので、連続的に試料を移動
させつつ試料の厚みの２次元的な分布情報を得ることが
可能となる。

【００１３】請求項５記載の不純物濃度プロファイル測
定方法は、請求項１または３において、フッ酸と硝酸か
らなる混合液としてフッ酸と硝酸の混合比が１：２００
から１：６００の範囲内の混合液を用いる。

【００１４】このように、フッ酸と硝酸からなる混合液
としてフッ酸と硝酸の混合比が１：２００から１：６０
０の範囲内の混合液を用いるため、半導体基板中の不純
物拡散領域をエッチングすることに適している。

【００１５】請求項６記載の薄膜試料の膜厚測定方法
は、電子エネルギー損失分光スペクトルのエネルギーを
選別して、損失エネルギー０のゼロロス電子のエネルギ
ーフィルタ像を選択採取し、このエネルギーフィルタ像
を画像処理してゼロロス電子エネルギー損失スペクトル
強度（Ｉ０）を算出する工程と、Ｓｉのプラズモン損失
エネルギー（Ｅｐ）に対して、Ｅｐ±２ｅＶのエネルギ
ー幅で第１の非弾性散乱電子のエネルギーフィルタ像を
選択採取し、前記第１のエネルギーフィルタ像を画像処
理してプラズモンロスのエネルギー損失スペクトル強度
（Ｉｐ）を算出する工程と、スペクトルの第１のバック
グラウンドとして、Ｅｐ／２±２ｅＶのエネルギー幅で
第２の非弾性散乱電子のエネルギーフィルタ像を選択採
取し、前記第２のエネルギーフィルタ像を画像処理して
前記Ｅｐ／２±２ｅＶのエネルギー幅の非弾性散乱電子
のエネルギー損失スペクトル強度（Ｉｂ１）を算出する
工程と、スペクトルの第２のバックグラウンドとして、
３Ｅｐ／２±２ｅＶのエネルギー幅で第３の非弾性散乱
電子のエネルギーフィルタ像を選択採取し、前記第３の
エネルギーフィルタ像を画像処理して前記３Ｅｐ／２±
２ｅＶのエネルギー幅の非弾性散乱電子のエネルギー損
失スペクトル強度（Ｉｂ２）を算出する工程と、前記Ｉ
０、Ｉｐ、Ｉｂ１、Ｉｂ２およびプラズマ励起の平均自
由工程（λｐ）と取り込み角（β）とを用いて、 Ｉｂｇ＝（Ｉｂ１＋Ｉｂ２）／２ Ｉｄ＝Ｉｐ−Ｉｂｇ ｔ／λｐ（β）＝ｌｎ（Ｉｄ／Ｉ０） により薄膜試料の膜厚（ｔ）を算出する。

【００１６】これにより、薄膜試料の膜厚を正確に測定
することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】この発明の第１の実施の形態を図
１〜図４に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の
形態においてトランジスタを有するＳｉウェハを透過型
電子顕微鏡で観察が可能な程度の厚さに薄膜化する工程
の説明図である。この透過型電子顕微鏡で観察が可能な
程度の厚さに薄膜化する工程は、イオンミリングや、集
束イオンビーム装置（ＦＩＢ）を用いる。ここでは、イ
オンミリングを用いた方法について説明する。

【００１８】図１において、１１は試料、１２は半導体
装置の回路が形成されているデバイス形成層、１３はそ
の主面にデバイス形成層１２を形成するためのｐ型シリ
コン基板、１４は研磨される断面、１５は補強リングで
ある。

【００１９】まず、図１（ａ）に示すように、Ｓｉウェ
ハからダイサーによって数ｍｍ角の試料１１を２つ切り
出す。次に、図１（ｂ）に示すように切り出した２つの
試料１１のデバイス形成層１２どうしを接着剤によって
接着する。次に、図１（ｃ）に示すように試料の断面１
４を約３０μｍ厚になるまで研磨する。最後に、研磨さ
れた試料１１を補強リング１５に接着しイオンミリング
によってさらに膜厚が０．１〜０．２μｍになるまで薄
膜化する。

【００２０】以下、この発明の第１の実施形態の不純物
濃度プロファイル測定方法について図面を参照しながら
説明する。図２〜図４はこの発明の第１の実施形態の不
純物濃度プロファイル測定方法を示し、図２（ａ），
（ｂ）は図１の方法で薄膜化されたトランスファゲート
の観察用試料の断面（露出観察面）の一部を拡大した部
分平面図及び断面図、図３（ａ），（ｂ）は上記観察用
試料をウェットエッチングした後のトランスファゲート
部分平面図及び断面図、図４はエネルギーフィルタ法に
よる膜厚測定を示す説明図である。

【００２１】図１に示したように不純物拡散領域を有す
る半導体基板を透過型電子顕微鏡で観察が可能な厚さに
薄膜化する工程の後、薄膜化した半導体基板中の不純物
拡散領域を、フッ酸と硝酸からなる混合液を用いて不純
物拡散領域の不純物濃度分布に対応した膜厚のくさび形
形状にエッチングする工程と、透過型電子顕微鏡を用い
てエッチングした不純物拡散領域の膜厚をエネルギーフ
ィルタ法により測定する工程と、測定した膜厚と予め調
べた不純物濃度に対するエッチング量との対応関係か
ら、不純物濃度の２次元分布を求める工程とを行う。

【００２２】図２および図３において、１６はポリシリ
コンからなるトランスファゲート電極、１７は配線、１
８は層間シリコン酸化膜、１３はトランスファゲート１
６が形成されているｐ型シリコン基板、１９はｐ型シリ
コン基板１３の一部に形成されたｎ⁺ 拡散層である。

【００２３】この場合、フッ酸と硝酸の混合比が１：２
００から６００の範囲内の混合液中に図１の方法で薄膜
化された試料を室温で、１０秒間浸す。ウェットエッチ
ング処理の前にはｐ型シリコン基板１３中のｎ⁺ 拡散層
１９の境界が判然としないが、ウェットエッチング処理
をした後の状態を示す図３では、フッ酸と硝酸からなる
混合液のＳｉに対するエッチングレートがＳｉ中の不純
物濃度に依存するため、ｎ⁺ 拡散層１９の境界線が現れ
る状態になる。更に薄膜化試料断面はｎ⁺ 拡散層１９を
含むシリコン基板領域は近似的にくさび形形状となる。
すなわち、エッチングされた部分は不純物濃度が高いと
ころに対応し、半導体デバイスの拡散層領域は、シリコ
ン表面側が不純物濃度が高いため、エッチング形状は不
純物濃度分布を反映し、くさび形形状になる。

【００２４】次に、電子エネルギー損失分光（ＥＥＬ
Ｓ）装置を搭載した電界放射型電子銃を有する透過電子
顕微鏡を用いて、デバイス形成層１２を含むｐ型シリコ
ン基板１３を観察及び電子エネルギー損失分光スペクト
ルを利用したエネルギーフィルタ法により膜厚測定をす
る薄膜試料の膜厚測定方法について説明する。

【００２５】エネルギーフィルタ法は図４のようにＥＥ
ＬＳスペクトルのエネルギーを選別して、特定の損失エ
ネルギーをもつ非弾性散乱電子の二次元的な分布像を観
察する方法である。膜厚測定のために、まず、損失エネ
ルギー０のゼロロス電子のエネルギーフィルタ像を選択
採取する。次にエネルギー幅としてＳｉのプラズモン損
失エネルギーＥｐ（＝１６．８ｅＶ）±２ｅＶの第１の
非弾性散乱電子のエネルギーフィルタ像を選択採取す
る。次に、スペクトルのバックグラウンドを除去するた
めに、エネルギー幅Ｅｐ／２±２ｅＶの第２の非弾性散
乱電子のエネルギーフィルタ像とエネルギー幅３Ｅｐ／
２±２ｅＶの第３の非弾性散乱電子のエネルギーフィル
タ像を選択採取する。

【００２６】また、ゼロロス電子のエネルギーフィルタ
像を画像処理してゼロロス電子のエネルギー損失スペク
トル強度（Ｉ０）を算出し、第１のエネルギーフィルタ
像を画像処理してプラズモンロスのエネルギー損失スペ
クトル強度（Ｉｐ）を算出し、第２のエネルギーフィル
タ像を画像処理してＥｐ／２±２ｅＶのエネルギー幅の
非弾性散乱電子のエネルギー損失スペクトル強度（Ｉｂ
１）を算出し、第３のエネルギーフィルタ像を画像処理
して３Ｅｐ／２±２ｅＶのエネルギー幅の非弾性散乱電
子のエネルギー損失スペクトル強度（Ｉｂ２）を算出す
る。

【００２７】次に、パーソナルコンピューターにより次
式（式１），（式２），（式３）の画像処理演算を施
す。

【００２８】 Ｉｂｇ＝（Ｉｂ１＋Ｉｂ２）／２ …（式１） Ｉｄ＝Ｉｐ−Ｉｂｇ …（式２） ｔ／λｐ（β）＝ｌｎ（Ｉｄ／Ｉ０） …（式３） ここで、上記のように、 Ｉ０：ゼロロス電子のエネルギー損失スペクトル強度 Ｉｐ：プラズモンロスのエネルギー損失スペクトル強度 Ｉｂ１：Ｅｐ／２±２ｅＶの非弾性散乱電子のエネルギ
ー損失スペクトル強度 Ｉｂ２：３Ｅｐ／２±２ｅＶの非弾性散乱電子のエネル
ギー損失スペクトル強度であり、 λｐ：プラズマ励起の平均自由工程 β：取り込み角 ｔ：試料の厚さ である。

【００２９】以上のようにして試料の膜厚が算出され、
この膜厚の分布から、予め調べたキャリア濃度に対する
エッチング量の対応関係により、不純物キャリア濃度の
２次元分布が評価できる。

【００３０】また、この実施の形態では、透過型電子顕
微鏡で観察が可能な程度の厚さに薄膜化する工程につい
てイオンミリングを用いた方法について説明したが、集
束イオンビーム装置（ＦＩＢ）を用いた方法についても
同様の効果を得る。

【００３１】以下、この発明の第２の実施の形態の不純
物濃度プロファイル測定方法について図面を参照しなが
ら説明する。

【００３２】図５〜図７はこの発明の第２の実施の形態
の不純物濃度プロファイル測定方法を示し、図５
（ａ），（ｂ）は図１の方法で薄膜化されたトランスフ
ァゲートの観察用試料の断面（露出観察面）の一部を拡
大した部分平面図及び断面図、図６（ａ），（ｂ）は上
記観察用試料をウェットエッチングした後のトランスフ
ァゲート部分平面図及び断面図、図７は原子間力顕微鏡
による膜厚測定を示す見取り図である。

【００３３】図５〜図７において、１６はポリシリコン
からなるトランスファゲート電極、１７は配線、１８は
層間シリコン酸化膜、１３はトランスファゲート１６が
形成されているｐ型シリコン基板、１９はｐ型シリコン
基板１３の一部に形成されたｎ⁺ 拡散層、２０は観察表
面、２１は原子間力顕微鏡の探針、２２は試料の固定
台、２３は原子間力顕微鏡、２４は透過型電子顕微鏡用
試料台である。

【００３４】図１に示したように不純物拡散領域を有す
る半導体基板を透過型電子顕微鏡で観察が可能な厚さに
薄膜化する工程の後、薄膜化した半導体基板中の不純物
拡散領域を、フッ酸と硝酸からなる混合液を用いて不純
物拡散領域の不純物濃度分布に対応した膜厚のくさび形
形状にエッチングする工程と、透過型電子顕微鏡を用い
てエッチングした不純物拡散領域の膜厚を原子間力顕微
鏡により測定する工程と、測定した膜厚と予め調べた不
純物濃度に対するエッチング量との対応関係から、不純
物濃度の２次元分布を求める工程とを行う。

【００３５】この場合、フッ酸と硝酸の混合比が１：２
００から１：６００の範囲内の混合液中に図１の方法で
薄膜化された試料を室温で、１０秒間浸す。ウェットエ
ッチング処理の前にはｐ型シリコン基板１３中のｎ⁺ 拡
散層１９の境界が判然としないが、ウェットエッチング
処理をした後の状態を示す図６では、フッ酸と硝酸から
なる混合液のＳｉに対するエッチングレートがＳｉ中の
不純物濃度に依存するため、ｎ⁺ 拡散層１９の境界線が
現れる状態になる。更に薄膜化試料断面はｎ⁺拡散層１
９を含むシリコン基板領域は近似的にくさび形形状とな
る。

【００３６】次に、原子間力顕微鏡２３を有する透過型
電子顕微鏡試料台２４を用いて、ＴＥＭ観察表面２０を
原子間力顕微鏡の探針２１で走査することにより膜厚を
測定する。ここで、試料の固定台２２に、例えばピエゾ
素子を用いて、２次元的に微小に１ｎｍ単位で試料を移
動させる機能を持たせ、試料を移動させる。これによ
り、透過電子顕微鏡観察と膜厚測定が同時に行うことが
でき、すなわち、連続的に試料を移動させつつ試料の厚
みの２次元的な分布情報を得ることが可能となる。

【００３７】また、この実施の形態では、透過型電子顕
微鏡で観察が可能な程度の厚さに薄膜化する工程につい
てイオンミリングを用いた方法について説明したが、集
束イオンビーム装置（ＦＩＢ）を用いた方法についても
同様の効果を得る。

【００３８】

【発明の効果】この発明の請求項１記載の不純物濃度プ
ロファイル測定方法によれば、薄膜化した半導体基板中
の不純物拡散領域を、フッ酸と硝酸からなる混合液を用
いて不純物拡散領域の不純物濃度分布に対応した膜厚の
くさび形形状にエッチングする工程と、透過型電子顕微
鏡を用いてエッチングした不純物拡散領域の膜厚をエネ
ルギーフィルタ法により測定する工程と、測定した膜厚
と予め調べた不純物濃度に対するエッチング量との対応
関係から、不純物濃度の２次元分布を求める工程とを含
むので、ウェットエッチングされた半導体内部の拡散層
領域の膜厚をエネルギーフィルタ法により精密に測定す
ることができ、その結果から、簡便に半導体基板中の微
少領域での不純物濃度分布を二次元的に評価できる効果
がある。これはフッ酸と硝酸からなる混合液の半導体に
対するエッチングレートが半導体中の不純物濃度に依存
することを利用しており、不純物濃度が高い部分程エッ
チングレートが高く、膜厚が薄くなるため、エネルギー
フィルタ法により膜厚を測定することで不純物濃度を２
次元分布を求めることができる。

【００３９】請求項２では、薄膜化した半導体基板中の
不純物拡散領域の膜厚をエネルギーフィルタ法により測
定するとき、電子エネルギー損失分光スペクトルを利用
し、特定の損失エネルギーをもつ非弾性散乱電子の２次
元的な分布像を観察してエネルギー損失スペクトル強度
を算出することにより、精密に膜厚を測定することがで
きる。

【００４０】この発明の請求項３記載の不純物濃度プロ
ファイル測定方法によれば、薄膜化した半導体基板中の
不純物拡散領域を、フッ酸と硝酸からなる混合液を用い
て不純物拡散領域の不純物濃度分布に対応した膜厚のく
さび形形状にエッチングする工程と、透過型電子顕微鏡
を用いてエッチングした不純物拡散領域の膜厚を原子間
力顕微鏡により測定する工程と、測定した膜厚と予め調
べた不純物濃度に対するエッチング量との対応関係か
ら、不純物キャリア濃度の２次元分布を求める工程とを
含むので、ウェットエッチングされた半導体内部の拡散
層領域の膜厚を原子間力顕微鏡により精密に測定するこ
とができ、その結果から、簡便に半導体基板中の微少領
域での不純物濃度分布を二次元的に評価できる効果があ
る。これはフッ酸と硝酸からなる混合液の半導体に対す
るエッチングレートが半導体中の不純物濃度に依存する
ことを利用しており、不純物濃度が高い部分程エッチン
グレートが高く、膜厚が薄くなるため、原子間力顕微鏡
により膜厚を測定することで不純物濃度を２次元分布を
求めることができる。

【００４１】請求項４では、２次元的に１ｎｍ単位で試
料を移動させる機能を有する試料台上に薄膜化した半導
体基板を設置し、原子間力顕微鏡の探針を２次元的に１
ｎｍ単位で試料上を走査させるので、連続的に試料を移
動させつつ試料の厚みの２次元的な分布情報を得ること
が可能となる。

【００４２】請求項５では、フッ酸と硝酸からなる混合
液としてフッ酸と硝酸の混合比が１：２００から１：６
００の範囲内の混合液を用いるため、半導体基板中の不
純物拡散領域をエッチングすることに適している。

【００４３】この発明の請求項６記載の薄膜試料の膜厚
測定方法によれば、ネルギー損失分光スペクトルのエネ
ルギーを選別して、損失エネルギー０のゼロロス電子の
エネルギーフィルタ像を選択採取し、このエネルギーフ
ィルタ像を画像処理してゼロロス電子エネルギー損失ス
ペクトル強度（Ｉ０）を算出する工程と、Ｓｉのプラズ
モン損失エネルギー（Ｅｐ）に対して、Ｅｐ±２ｅＶの
エネルギー幅で第１の非弾性散乱電子のエネルギーフィ
ルタ像を選択採取し、第１のエネルギーフィルタ像を画
像処理してプラズモンロスのエネルギー損失スペクトル
強度（Ｉｐ）を算出する工程と、スペクトルの第１のバ
ックグラウンドとして、Ｅｐ／２±２ｅＶのエネルギー
幅で第２の非弾性散乱電子のエネルギーフィルタ像を選
択採取し、第２のエネルギーフィルタ像を画像処理して
Ｅｐ／２±２ｅＶのエネルギー幅の非弾性散乱電子のエ
ネルギー損失スペクトル強度（Ｉｂ１）を算出する工程
と、スペクトルの第２のバックグラウンドとして、３Ｅ
ｐ／２±２ｅＶのエネルギー幅で第３の非弾性散乱電子
のエネルギーフィルタ像を選択採取し、第３のエネルギ
ーフィルタ像を画像処理して３Ｅｐ／２±２ｅＶのエネ
ルギー幅の非弾性散乱電子のエネルギー損失スペクトル
強度（Ｉｂ２）を算出する工程と、Ｉ０、Ｉｐ、Ｉｂ
１、Ｉｂ２およびプラズマ励起の平均自由工程（λｐ）
と取り込み角（β）とを用いて、 Ｉｂｇ＝（Ｉｂ１＋Ｉｂ２）／２ Ｉｄ＝Ｉｐ−Ｉｂｇ ｔ／λｐ（β）＝ｌｎ（Ｉｄ／Ｉ０） により薄膜試料の膜厚（ｔ）を算出するので、薄膜試料
の膜厚を正確に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態で試料を透過型電子顕微
鏡で観察が可能な程度の厚さに薄膜化する工程の説明
図。

【図２】（ａ），（ｂ）はこの発明の第１の実施の形態
において図１の方法で薄膜化されたトランスファゲート
の観察用試料の断面（露出観察面）の一部を拡大した部
分平面図及び断面図。

【図３】（ａ），（ｂ）は上記観察用試料をウェットエ
ッチングした後のトランスファゲート部分平面図及び断
面図。

【図４】この発明の第１の実施の形態のエネルギーフィ
ルタ法による膜厚測定を示す説明図である。

【図５】（ａ），（ｂ）はこの発明の第２の実施の形態
において図１の方法で薄膜化されたトランスファゲート
の観察用試料の断面（露出観察面）の一部を拡大した部
分平面図及び断面図。

【図６】（ａ），（ｂ）は上記観察用試料をウェットエ
ッチングした後のトランスファゲート部分平面図及び断
面図。

【図７】この発明の第２の実施の形態の原子間力顕微鏡
による膜厚測定を示す見取り図。

【符号の説明】

１１ 数ｍｍ角試料 １２ デバイス形成層 １３ ｐ型Ｓｉ基板 １４ 研磨断面 １５ 補強リング １６ トランスファーゲート １７ 配線 １８ 層間シリコン酸化膜 １９ Ｎ⁺ 拡散層 ２０ ＴＥＭ観察表面 ２１ 原子間力顕微鏡の探針 ２２ 試料の固定台 ２３ 原子間力顕微鏡 ２４ 透過型電子顕微鏡用試料台

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｎ 23/04 Ｇ０１Ｂ 21/30 // Ｇ０１Ｂ 21/30 Ｇ０１Ｎ 1/28 Ｇ Ｆターム(参考） 2F067 AA27 CC17 JJ05 KK06 KK07 LL00 RR02 RR35 RR44 UU33 2F069 AA46 AA60 BB15 CC06 GG04 GG07 GG20 GG72 HH30 MM34 NN00 2G001 AA03 BA11 CA03 EA06 GA01 GA06 HA13 JA12 KA01 KA11 LA11 MA05 NA07 RA02 RA04 2G052 AA13 AB01 AD32 AD52 EC12 EC14 FD10 JA09 4M106 AA01 AA10 AB01 BA02 CA49 CB02 DH03 DH24 DH33 DH50 DJ17 DJ18 DJ20

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 不純物拡散領域を有する半導体基板を透
   過型電子顕微鏡で観察が可能な厚さに薄膜化する工程
   と、薄膜化した半導体基板中の前記不純物拡散領域を、
   フッ酸と硝酸からなる混合液を用いて前記不純物拡散領
   域の不純物濃度分布に対応した膜厚のくさび形形状にエ
   ッチングする工程と、前記透過型電子顕微鏡を用いて前
   記エッチングした不純物拡散領域の膜厚をエネルギーフ
   ィルタ法により測定する工程と、測定した膜厚と予め調
   べた不純物濃度に対するエッチング量との対応関係か
   ら、不純物濃度の２次元分布を求める工程とを含む不純
   物濃度プロファイル測定方法。
2. 【請求項２】 薄膜化した半導体基板中の不純物拡散領
   域の膜厚をエネルギーフィルタ法により測定するとき、
   電子エネルギー損失分光スペクトルを利用し、特定の損
   失エネルギーをもつ非弾性散乱電子の２次元的な分布像
   を観察してエネルギー損失スペクトル強度を算出する請
   求項１記載の不純物濃度プロファイル測定方法。
3. 【請求項３】 不純物拡散領域を有する半導体基板を透
   過型電子顕微鏡で観察が可能な厚さに薄膜化する工程
   と、薄膜化した半導体基板中の前記不純物拡散領域を、
   フッ酸と硝酸からなる混合液を用いて前記不純物拡散領
   域の不純物濃度分布に対応した膜厚のくさび形形状にエ
   ッチングする工程と、前記透過型電子顕微鏡を用いてエ
   ッチングした不純物拡散領域の膜厚を原子間力顕微鏡に
   より測定する工程と、測定した膜厚と予め調べた不純物
   濃度に対するエッチング量との対応関係から、不純物濃
   度の２次元分布を求める工程とを含む不純物濃度プロフ
   ァイル測定方法。
4. 【請求項４】 薄膜化した半導体基板中の不純物拡散領
   域の膜厚を原子間力顕微鏡を用いて測定するとき、２次
   元的に１ｎｍ単位で試料を移動させる機能を有する試料
   台上に前記薄膜化した半導体基板を設置し、原子間力顕
   微鏡の探針を２次元的に１ｎｍ単位で試料上を走査させ
   る請求項３記載の不純物濃度プロファイル測定方法。
5. 【請求項５】 フッ酸と硝酸からなる混合液としてフッ
   酸と硝酸の混合比が１：２００から１：６００の範囲内
   の混合液を用いる請求項１または３記載の不純物濃度プ
   ロファイル測定方法。
6. 【請求項６】 電子エネルギー損失分光スペクトルのエ
   ネルギーを選別して、損失エネルギー０のゼロロス電子
   のエネルギーフィルタ像を選択採取し、このエネルギー
   フィルタ像を画像処理してゼロロス電子エネルギー損失
   スペクトル強度（Ｉ０）を算出する工程と、Ｓｉのプラ
   ズモン損失エネルギー（Ｅｐ）に対して、Ｅｐ±２ｅＶ
   のエネルギー幅で第１の非弾性散乱電子のエネルギーフ
   ィルタ像を選択採取し、前記第１のエネルギーフィルタ
   像を画像処理してプラズモンロスのエネルギー損失スペ
   クトル強度（Ｉｐ）を算出する工程と、スペクトルの第
   １のバックグラウンドとして、Ｅｐ／２±２ｅＶのエネ
   ルギー幅で第２の非弾性散乱電子のエネルギーフィルタ
   像を選択採取し、前記第２のエネルギーフィルタ像を画
   像処理して前記Ｅｐ／２±２ｅＶのエネルギー幅の非弾
   性散乱電子のエネルギー損失スペクトル強度（Ｉｂ１）
   を算出する工程と、スペクトルの第２のバックグラウン
   ドとして、３Ｅｐ／２±２ｅＶのエネルギー幅で第３の
   非弾性散乱電子のエネルギーフィルタ像を選択採取し、
   前記第３のエネルギーフィルタ像を画像処理して前記３
   Ｅｐ／２±２ｅＶのエネルギー幅の非弾性散乱電子のエ
   ネルギー損失スペクトル強度（Ｉｂ２）を算出する工程
   と、前記Ｉ０、Ｉｐ、Ｉｂ１、Ｉｂ２およびプラズマ励
   起の平均自由工程（λｐ）と取り込み角（β）とを用い
   て、 Ｉｂｇ＝（Ｉｂ１＋Ｉｂ２）／２ Ｉｄ＝Ｉｐ−Ｉｂｇ ｔ／λｐ（β）＝ｌｎ（Ｉｄ／Ｉ０） により薄膜試料の膜厚（ｔ）を算出することを特徴とす
   る薄膜試料の膜厚測定方法。