JP2006245150A - Semiconductor device for evaluation and its manufacturing method, and evaluation method thereof - Google Patents

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建次郎 木村
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圭 小林
Takafumi Yamada
啓文 山田
Kazumi Matsushige
和美 松重
Koji Usuda
宏治 臼田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device for evaluation which can more accurately evaluate a semiconductor device by measuring the operating condition of the semiconductor device during operation (driving), and also to provide a method of manufacturing the semiconductor device for evaluation and a method of evaluating the semiconductor device. <P>SOLUTION: Drain, source, and gate electrodes 3a, 4a, and 5 of an arbitrary semiconductor device formed on a semiconductor substrate 2 are formed, and an active region 2a wherein the carrier distribution is controlled is formed between these electrodes 3a, 4a, and 5. Then an insulation film 7 is formed for covering the electrodes 3a, 4a, and 5. An exposure surface 1a is formed wherein the active region 2a to be observed is exposed. In order to connect the electrodes 3a, 4a, and 5 to the outside, interconnection portions 3b, 4b, and 5a are formed in the insulation film 7. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、キャリア密度分布を制御して、増幅やスイッチングといった電気特性を備える半導体デバイスの正動作、不良動作の物理的メカニズムを解明するための評価用半導体デバイス、評価用半導体デバイスの作製方法、半導体デバイスの評価方法に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device for evaluation for elucidating the physical mechanism of the normal operation and defective operation of a semiconductor device having electrical characteristics such as amplification and switching by controlling the carrier density distribution, a method for producing the semiconductor device for evaluation, The present invention relates to a semiconductor device evaluation method.

LSI(大規模集積回路)は、インテル(Intel)、IBMを主導とし、その高性能化、高機能化が進められているが、その開発コストは年々急騰している。全世界において、次世代のLSIを開発している官民の研究機関は、その新しい製造、評価技術を模索しており、製造技術の進歩に評価技術が追走していないのが現状である。   LSIs (Large Scale Integrated Circuits) are led by Intel and IBM, and their performance and functionality are being promoted, but their development costs are rapidly increasing year by year. Public and private research institutes developing next generation LSIs are searching for new manufacturing and evaluation technologies all over the world, and the current situation is that evaluation technologies do not follow the progress of manufacturing technologies.

従来、図10に示すように、LSI内部における半導体デバイス51の断面51aを露出させた場合、半導体デバイス51を駆動させるための配線を残すことはできず、断面51aからは半導体デバイス51のOFF状態における電位分布キャリア密度分布など静的な特性しか分析・評価することができない。   Conventionally, as shown in FIG. 10, when the cross section 51a of the semiconductor device 51 inside the LSI is exposed, wiring for driving the semiconductor device 51 cannot be left, and the semiconductor device 51 is turned off from the cross section 51a. Only static characteristics such as potential distribution and carrier density distribution can be analyzed and evaluated.

断面51aを介した半導体デバイス51の特性評価は、静的な状態(OFF状態)に限られているため、プローブ顕微鏡等を利用して計測した2次元電位分布やキャリア密度分布などが実用的に半導体デバイス51の製造プロセスに正帰還されている例はない。   Since the characteristic evaluation of the semiconductor device 51 through the cross section 51a is limited to a static state (OFF state), a two-dimensional potential distribution or a carrier density distribution measured using a probe microscope or the like is practical. There is no example of positive feedback in the manufacturing process of the semiconductor device 51.

そのため、半導体デバイス51の正動作(又は不良動作)のメカニズム解明は、半導体デバイス51内部を流れる電流を指標とした、計算機シミュレーションに頼っていた。この方法は、図11に示すように、半導体デバイス51内部の電界分布を導き出すために、2次元空間電荷分布53のようなモデルを仮定する必要があり、そのモデルと現実的な分布との違いから高精度な特性予測は不可能に近かった。   Therefore, elucidation of the mechanism of the normal operation (or defective operation) of the semiconductor device 51 relies on computer simulation using the current flowing through the semiconductor device 51 as an index. In this method, as shown in FIG. 11, in order to derive the electric field distribution inside the semiconductor device 51, it is necessary to assume a model such as a two-dimensional space charge distribution 53, and the difference between the model and the actual distribution is required. Therefore, high-precision characteristic prediction is almost impossible.

そこで、非特許文献1では、配線を取り出すことが可能な特殊なチップ状の半導体デバイスを、専用のマスクを用いて作製する新たな方法が開示されている。
C. Y. Nakakura et al.: REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS Vol.74, No.1 page 127-133 (2003)
Therefore, Non-Patent Document 1 discloses a new method for manufacturing a special chip-like semiconductor device from which wiring can be taken out using a dedicated mask.
CY Nakakura et al .: REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS Vol.74, No.1 page 127-133 (2003)

しかしながら、上記従来の非特許文献1に記載の方法においては、その製造法上、任意のLSIにおける任意の箇所の断面のデバイスの駆動が可能ではなく、1つの半導体デバイスの作製に高いコストが必要となる。このような特殊なチップの作製には、LSI作製の全行程を必要とし、そのコストは桁違いに高くなるという問題を生じる。   However, in the conventional method described in Non-Patent Document 1, it is not possible to drive a device having a cross section at an arbitrary location in an arbitrary LSI due to its manufacturing method, and high cost is required for manufacturing one semiconductor device. It becomes. In order to manufacture such a special chip, the entire process of manufacturing an LSI is required, and the cost thereof is insignificantly higher.

本発明に係る評価用半導体デバイスは、上記課題を解決するために、半導体基板と、上記半導体基板上に設けられた任意の半導体デバイスの、少なくとも二つの電極と、上記半導体基板における、上記少なくとも二つの電極間に形成されたキャリアまたは電荷の分布状態が制御されるアクティブ領域と、上記少なくとも二つの電極上を覆う絶縁膜と、観察すべく上記アクティブ領域を露出させた露出面と、上記少なくとも二つの電極を外部と接続させるために、上記絶縁膜中にそれぞれ設けられた配線部とを備えていることを特徴としている。   In order to solve the above problems, an evaluation semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate, at least two electrodes of any semiconductor device provided on the semiconductor substrate, and the at least two electrodes in the semiconductor substrate. An active region in which the distribution state of carriers or charges formed between two electrodes is controlled, an insulating film covering the at least two electrodes, an exposed surface exposing the active region to be observed, and the at least two In order to connect the two electrodes to the outside, a wiring portion provided in each of the insulating films is provided.

上記構成によれば、各電極に対する配線部を、それぞれ、上記絶縁膜中に形成したので、任意の各電極位置に対し配線部をそれぞれ形成できて、任意のLSIにおける任意の箇所の半導体デバイス、例えば電界効果型トランジスタ(以下、FETと記す)を、その露出面が露出された状態で駆動することが可能となる。   According to the above configuration, since the wiring portion for each electrode is formed in the insulating film, respectively, the wiring portion can be formed for each arbitrary electrode position, and a semiconductor device at any location in any LSI, For example, a field effect transistor (hereinafter referred to as FET) can be driven with its exposed surface exposed.

これにより、上記構成は、非特許文献1に記載の半導体デバイスと異なり、新たに特殊な断面(露出面)評価用半導体デバイスを作製する必要がないため、通常のLSIプロセスで作製した半導体デバイスを直接、評価することが可能となり、半導体デバイスの開発コストの大幅な低減に繋がる。よって、上記構成は、LSI開発コストを低減できるので、国内外で低迷しつつある半導体産業を活気づけ、超高性能、高機能電子演算器の実現・普及により第2次IT革命の原動力となり得る。   Thus, unlike the semiconductor device described in Non-Patent Document 1, the above configuration does not require a new special cross-section (exposed surface) evaluation semiconductor device. Therefore, a semiconductor device manufactured by a normal LSI process is used. Direct evaluation is possible, leading to a significant reduction in the development cost of semiconductor devices. Therefore, the above configuration can reduce the LSI development cost, so it can revitalize the sluggish semiconductor industry in Japan and overseas, and can become a driving force for the second IT revolution by realizing and popularizing ultra-high performance and high-performance electronic computing units.

上記評価用半導体デバイスでは、上記配線部は、上記少なくとも二つの電極の少なくとも一つに向かって細くなるテーパー形状に形成されていてもよい。   In the semiconductor device for evaluation, the wiring portion may be formed in a tapered shape that narrows toward at least one of the at least two electrodes.

上記構成によれば、上記配線部を、上記少なくとも二つの電極に向かって細くなるテーパー形状に形成したから、上記少なくとも二つの電極の面積が小さく、それらと接続される配線部の一端部の面積が小さくとも、上記配線部の他端部の面積を大きくできて、上記配線部と外部との電気的な接続を安定化できる。   According to the above configuration, since the wiring portion is formed in a tapered shape that becomes narrower toward the at least two electrodes, the area of the at least two electrodes is small, and the area of one end portion of the wiring portion connected thereto Even if it is small, the area of the other end of the wiring part can be increased, and the electrical connection between the wiring part and the outside can be stabilized.

上記評価用半導体デバイスにおいては、上記配線部は、上記少なくとも二つの電極の少なくとも一つに向かって、上記半導体基板表面の平面に対して垂直と異なる方向に形成されていることが好ましい。   In the semiconductor device for evaluation, the wiring portion is preferably formed in a direction different from perpendicular to the plane of the surface of the semiconductor substrate toward at least one of the at least two electrodes.

上記構成によれば、上記配線部を、上記少なくとも二つの電極の少なくとも一つに向かって、上記半導体基板表面の平面に対して垂直と異なる方向に形成したから、上記各配線部を電極側の基端部から絶縁膜の表面側の先端部に向かって互いに順次離間させる放射状に形成できるので、上記少なくとも二つの電極の面積が小さく、それらと接続される配線部の一端部の面積が小さくとも、上記配線部の他端部の面積を大きくできて、上記配線部と外部との電気的な接続を安定化できる。   According to the above configuration, since the wiring portion is formed in a direction different from perpendicular to the plane of the semiconductor substrate surface toward at least one of the at least two electrodes, the wiring portions are arranged on the electrode side. Since it can be formed radially away from the base end portion toward the front end portion on the surface side of the insulating film, the area of the at least two electrodes is small, and the area of one end portion of the wiring portion connected to them is small. The area of the other end of the wiring part can be increased, and the electrical connection between the wiring part and the outside can be stabilized.

上記評価用半導体デバイスでは、上記アクティブ領域は、電界効果を利用したものであり、上記少なくとも二つの電極は、それぞれ、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極であってもよい。   In the semiconductor device for evaluation, the active region uses a field effect, and the at least two electrodes may be a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode, respectively.

本発明に係る評価用半導体デバイスの作製方法は、前記課題を解決するために、半導体基板と、上記半導体基板上に設けられた任意の半導体デバイスの、少なくとも二つの電極と、上記半導体基板における、上記少なくとも二つの電極間に形成されたキャリアまたは電荷の分布状態が制御されるアクティブ領域と、上記少なくとも二つの電極上を覆う絶縁膜とを有する評価用半導体デバイスの作製方法において、上記少なくとも二つの電極の少なくとも一つを外部と接続させるために、外部から上記電極の上部まで、コンタクト開孔を集束イオンビームにより形成し、上記コンタクト開孔を通る導電体によって上記電極を外部と接続させ、上記アクティブ領域における、観察領域を露出させることを特徴としている。   In order to solve the above problems, a method for producing an evaluation semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate, at least two electrodes of an arbitrary semiconductor device provided on the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate. In the method for producing an evaluation semiconductor device, comprising: an active region formed between the at least two electrodes, in which a carrier or charge distribution state is controlled; and an insulating film covering the at least two electrodes. In order to connect at least one of the electrodes to the outside, a contact hole is formed by a focused ion beam from the outside to the top of the electrode, the electrode is connected to the outside by a conductor passing through the contact hole, and The observation area in the active area is exposed.

上記評価用半導体デバイスの他の作製方法は、前記課題を解決するために、半導体基板と、上記半導体基板上に設けられた任意の半導体デバイスの、少なくとも二つの電極と、上記半導体基板における、上記少なくとも二つの電極間に形成されたキャリアまたは電荷の分布状態が制御されるアクティブ領域と、上記少なくとも二つの電極上を覆う絶縁膜とを有する評価用半導体デバイスの作製方法において、上記アクティブ領域における、観察領域を露出させ、上記少なくとも二つの電極の少なくとも一つを外部と接続させるために、外部から上記電極の上部まで、コンタクト開孔を集束イオンビームにより形成し、上記コンタクト開孔を通る導電体によって上記電極を外部と接続させることを特徴としている。   In order to solve the above-described problem, another method for manufacturing the semiconductor device for evaluation includes a semiconductor substrate, at least two electrodes of any semiconductor device provided on the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate described above. In the method of manufacturing an evaluation semiconductor device having an active region formed between at least two electrodes, in which a carrier or charge distribution state is controlled, and an insulating film covering the at least two electrodes, in the active region, In order to expose the observation region and connect at least one of the at least two electrodes to the outside, a contact hole is formed by a focused ion beam from the outside to the top of the electrode, and the conductor passes through the contact hole. The electrode is connected to the outside by the above.

上記評価用半導体デバイスの作製方法では、上記コンタクト開孔を通る導電体は、集束イオンビームによる化学的気相堆積法によって埋め込まれていることが望ましい。   In the method for manufacturing the semiconductor device for evaluation, it is desirable that the conductor passing through the contact hole is embedded by a chemical vapor deposition method using a focused ion beam.

上記方法によれば、上記評価用半導体デバイスは、露出面を露出させた状態でも電圧を加えることが可能なバイアスラインである配線部が、集束イオンビームを用いた立体配線形成法を利用して備え付けられている。この配線形成法は、100nm程度の空間分解能で3次元的にLSIのウエハに立体配線を形成させることができ、非特許文献1に記載の半導体デバイスと異なり、新たに特殊な断面(露出面)を有する評価用半導体デバイスを作製する必要がない。   According to the above method, the evaluation semiconductor device uses a three-dimensional wiring formation method using a focused ion beam in which the wiring portion which is a bias line to which a voltage can be applied even when the exposed surface is exposed. It is provided. This wiring formation method can form a three-dimensional wiring on an LSI wafer three-dimensionally with a spatial resolution of about 100 nm. Unlike the semiconductor device described in Non-Patent Document 1, a new special section (exposed surface) is formed. There is no need to produce an evaluation semiconductor device having

そのため、上記方法は、通常のLSIプロセスで作製した半導体デバイスを直接、評価することが可能となり、デバイス開発コストの大幅な低減に繋がる。LSI開発コストの低減は、国内外で低迷しつつある半導体産業を活気づけ、超高性能、高機能電子演算器の実現・普及により第2次IT革命の原動力となり得る。   Therefore, the above method can directly evaluate a semiconductor device manufactured by a normal LSI process, leading to a significant reduction in device development cost. Reducing LSI development costs can revitalize the sluggish semiconductor industry at home and abroad, and become the driving force for the second IT revolution by realizing and spreading ultra-high performance and high-performance electronic computing units.

本発明に係る半導体デバイスの評価方法は、前記課題を解決するために、上記の何れかに記載の作製方法により得られた評価用半導体デバイスを用い、上記導電体を介して各電極により評価用半導体デバイスを駆動状態とし、上記露出面のアクティブ領域におけるキャリア密度分布を上記駆動状態下にて測定することを特徴としている。   The semiconductor device evaluation method according to the present invention uses the evaluation semiconductor device obtained by any one of the manufacturing methods described above to solve the above problems, and evaluates each electrode through the conductor. The semiconductor device is in a driving state, and the carrier density distribution in the active region of the exposed surface is measured under the driving state.

上記半導体デバイスの評価方法では、上記キャリア密度分布の測定として、走査型容量顕微鏡法やケルビン・フォース顕微鏡法などの走査型プローブ顕微鏡法、走査型電子顕微鏡法、電子ビーム誘導電流による測定法、および走査型イオン顕微鏡法からなる測定法群から選択された少なくとも一つを用いることが好ましい。   In the semiconductor device evaluation method, the carrier density distribution is measured by scanning probe microscopy such as scanning capacitance microscopy or Kelvin force microscopy, scanning electron microscopy, measurement using an electron beam induced current, and It is preferable to use at least one selected from the measurement method group consisting of scanning ion microscopy.

上記方法によれば、本発明に係る作製方法による、集束イオンビームを用いた立体配線形成法を利用して、露出面を露出させた状態でもLSI内部の特定箇所の半導体デバイスを駆動させることが可能な配線部(via) を備えた新たな半導体デバイスを用いたので、上記半導体デバイスを駆動しながら、上記露出面のアクティブ領域におけるキャリア密度分布を上記駆動状態下にて測定することが可能となる。   According to the above method, the semiconductor device at a specific location inside the LSI can be driven even when the exposed surface is exposed by using the three-dimensional wiring forming method using a focused ion beam by the manufacturing method according to the present invention. Since a new semiconductor device with a possible wiring portion (via) is used, it is possible to measure the carrier density distribution in the active region of the exposed surface under the driving state while driving the semiconductor device. Become.

そのため、上記方法は、非特許文献1で公開した事例のように、配線を取り出すことが可能な特殊なチップを専用のマスクを用いて新たに作製する必要がないから、通常のLSIプロセスで作製した半導体デバイスを直接、評価することが可能となり、半導体デバイスの開発コストの大幅な低減に繋がる。LSI開発コストの低減は、国内外で低迷しつつある半導体産業を活気づけ、超高性能、高機能電子演算器の実現・普及により第2次IT革命の原動力となり得る。   For this reason, unlike the case disclosed in Non-Patent Document 1, the above method does not require a new special chip that can be used to extract the wiring by using a dedicated mask, so that it is manufactured by a normal LSI process. This makes it possible to directly evaluate the semiconductor device, which leads to a significant reduction in the development cost of the semiconductor device. Reducing LSI development costs can revitalize the sluggish semiconductor industry at home and abroad, and become the driving force for the second IT revolution by realizing and spreading ultra-high performance and high-performance electronic computing units.

本発明に係る評価用半導体デバイスは、以上のように、半導体基板上に設けられた任意の半導体デバイスの、少なくとも二つの電極と、上記半導体基板における、上記少なくとも二つの電極間に形成されたキャリアまたは電荷の分布状態が制御されるアクティブ領域と、上記少なくとも二つの電極上を覆う絶縁膜と、観察すべく上記アクティブ領域を露出させた露出面と、上記少なくとも二つの電極を外部と接続させるために、上記絶縁膜中にそれぞれ設けられた配線部とを備え、上記配線部は、上記絶縁膜の堆積後に形成されている構成である。   As described above, an evaluation semiconductor device according to the present invention includes at least two electrodes of an arbitrary semiconductor device provided on a semiconductor substrate, and carriers formed between the at least two electrodes in the semiconductor substrate. Alternatively, an active region in which the distribution state of charge is controlled, an insulating film covering the at least two electrodes, an exposed surface exposing the active region to be observed, and the at least two electrodes are connected to the outside. A wiring portion provided in the insulating film, and the wiring portion is formed after the insulating film is deposited.

それゆえ、上記構成は、各電極に対する配線部を、それぞれ、上記絶縁膜の堆積後に形成したことにより、非特許文献1に記載の半導体デバイスと異なり、新たに特殊な断面(露出面)を有する評価用半導体デバイスを作製する必要がないため、通常のLSIプロセスで作製した半導体デバイスを直接、評価することが可能となり、半導体デバイスの開発コストの大幅な低減に繋がる。   Therefore, the above configuration has a new special cross section (exposed surface), unlike the semiconductor device described in Non-Patent Document 1, because the wiring portions for the respective electrodes are formed after the deposition of the insulating film. Since there is no need to produce an evaluation semiconductor device, it is possible to directly evaluate a semiconductor device produced by a normal LSI process, leading to a significant reduction in the development cost of the semiconductor device.

この結果、上記構成は、LSI開発コストを低減できるので、国内外で低迷しつつある半導体産業を活気づけ、超高性能、高機能電子演算器の実現・普及により第2次IT革命の原動力となり得るという効果を奏する。   As a result, the above configuration can reduce LSI development costs, so it can energize the sluggish semiconductor industry in Japan and overseas, and can become the driving force for the second IT revolution by realizing and popularizing ultra-high performance, high-performance electronic computing units. There is an effect.

本発明に係る評価用半導体デバイスの作製方法は、以上のように、少なくとも二つの電極の少なくとも一つを外部と接続させるために、外部から上記電極の上部まで、コンタクト開孔を集束イオンビームにより形成し、上記コンタクト開孔を通る導電体によって上記電極を外部と接続させ、上記アクティブ領域における観察領域を露出させる方法である。   As described above, in the method of manufacturing the semiconductor device for evaluation according to the present invention, in order to connect at least one of the at least two electrodes to the outside, the contact opening is formed from the outside to the top of the electrode by a focused ion beam. In this method, the electrode is connected to the outside by a conductor passing through the contact hole, and the observation region in the active region is exposed.

それゆえ、上記方法は、非特許文献1に記載の半導体デバイスと異なり、新たに特殊な断面(露出面)評価用デバイスを作製する必要がないため、通常のLSIプロセスで作製した半導体デバイスを直接、評価することが可能となり、デバイス開発コストを大幅に低減することが可能となる。   Therefore, unlike the semiconductor device described in Non-Patent Document 1, the above method does not require a new special cross-section (exposed surface) evaluation device, so that a semiconductor device manufactured by a normal LSI process is directly used. It becomes possible to evaluate, and it becomes possible to significantly reduce the device development cost.

よって、上記方法は、LSI開発コストの低減は、国内外で低迷しつつある半導体産業を活気づけ、超高性能、高機能電子演算器の実現・普及により第2次IT革命の原動力となり得るという効果を奏する。   Therefore, the above method has the effect that the reduction of LSI development cost can energize the semiconductor industry that is stagnating at home and abroad, and can become the driving force of the second IT revolution by the realization and spread of ultra-high performance, high-performance electronic computing units. Play.

本発明に係る半導体デバイスの評価方法は、以上のように、上記の何れかの作製方法により得られた評価用半導体デバイスを用い、上記導電体を介して各電極により評価用半導体デバイスを駆動状態とし、上記露出面のアクティブ領域におけるキャリア密度分布を上記駆動状態下にて測定する方法である。   As described above, the semiconductor device evaluation method according to the present invention uses the evaluation semiconductor device obtained by any one of the manufacturing methods described above, and the evaluation semiconductor device is driven by each electrode through the conductor. And the carrier density distribution in the active region of the exposed surface is measured under the driving state.

それゆえ、上記方法は、本発明に係る作製方法による、集束イオンビームを用いた立体配線形成法を利用して、露出面を露出させた状態でもLSI内部の特定箇所の半導体デバイスを駆動させることが可能な配線部(via) を備えた新たな半導体デバイスを用いたので、上記半導体デバイスを駆動しながら、上記露出面のアクティブ領域におけるキャリア密度分布を上記駆動状態下にて測定することが可能となる。   Therefore, the above method uses a three-dimensional wiring forming method using a focused ion beam by the manufacturing method according to the present invention to drive a semiconductor device at a specific location inside the LSI even when the exposed surface is exposed. Because a new semiconductor device with a wiring section (via) that can be used is used, the carrier density distribution in the active region of the exposed surface can be measured under the driving state while driving the semiconductor device. It becomes.

そのため、上記方法は、非特許文献1で公開した事例のように、配線を取り出すことが可能な特殊なチップを専用のマスクを用いて新たに作製する必要がないから、通常のLSIプロセスで作製した半導体デバイスを直接、評価することが可能となり、半導体デバイスの開発コストの大幅な低減に繋がる。LSI開発コストの低減は、国内外で低迷しつつある半導体産業を活気づけ、超高性能、高機能電子演算器の実現・普及により第2次IT革命の原動力となり得るという効果を奏する。   For this reason, unlike the case disclosed in Non-Patent Document 1, the above method does not require a new special chip that can be used to extract the wiring by using a dedicated mask, so that it is manufactured by a normal LSI process. This makes it possible to directly evaluate the semiconductor device, which leads to a significant reduction in the development cost of the semiconductor device. Reducing LSI development costs will energize the semiconductor industry, which has been sluggish both in Japan and overseas, and will have the effect of becoming the driving force for the second IT revolution through the realization and spread of ultra-high performance, high-performance electronic computing units.

本発明の実施の各形態について図1ないし図9に基づいて説明すると以下の通りである。すなわち、本発明に係る評価用半導体デバイスとしては、図2に示すFET1が挙げられるが、電圧を印加してキャリアの密度分布または電荷の分布状態を制御して、増幅やスイッチングといった電気特性を発揮できる素子であればよく、上記FETに代えて、例えばバイポ−ラトランジスタ等に対しても本発明を好適に使用できる。また、図2では、1つのFET1について図示したが、LSIウエハ内部において、フォトリソグラフィー法を用いて、多数のFET1を同時にそれぞれ形成してもよい。   Each embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. In other words, the semiconductor device for evaluation according to the present invention includes the FET 1 shown in FIG. 2, and exhibits electrical characteristics such as amplification and switching by controlling the carrier density distribution or charge distribution state by applying a voltage. The present invention can be suitably used for, for example, a bipolar transistor instead of the FET. In FIG. 2, one FET 1 is illustrated, but a large number of FETs 1 may be simultaneously formed inside the LSI wafer by using a photolithography method.

FET1は、シリコン等の半導体基板2の上部に、p型ウエル(ボロン:1.0×1017cm-3)2aが形成され、その上部の両端部に、それぞれドレイン領域(n型)3、ソース領域(n型)4が形成されている。 The FET 1 has a p-type well (boron: 1.0 × 10 17 cm −3 ) 2 a formed on an upper portion of a semiconductor substrate 2 such as silicon, and drain regions (n-type) 3, respectively, at both ends of the upper portion. A source region (n-type) 4 is formed.

また、ゲート電極(n+ poly-Si)5が、ドレイン領域3およびソース領域4の間におけるp型ウエル2a上に、ゲート絶縁層(金属酸化物、厚さ:10nm)6を挟んで設けられている。よって、p型ウエル2aにおける、ドレイン領域3およびソース領域4にて挟まれ、かつゲート電極5に面する領域が、アクティブ領域(FETではキャリア領域ともいう)となる。 A gate electrode (n + poly-Si) 5 is provided on the p-type well 2 a between the drain region 3 and the source region 4 with a gate insulating layer (metal oxide, thickness: 10 nm) 6 interposed therebetween. ing. Therefore, a region of the p-type well 2a sandwiched between the drain region 3 and the source region 4 and facing the gate electrode 5 is an active region (also referred to as a carrier region in the FET).

このようなFET1では、ゲート電極5に印加される電圧による電界によって、アクティブ領域のキャリア密度分布が制御されて、ドレイン領域3およびソース領域4間に流れる電流が制御されて、増幅機能やスイッチング機能といった電気特性を発揮できるものとなっている。   In such an FET 1, the carrier density distribution in the active region is controlled by the electric field generated by the voltage applied to the gate electrode 5, and the current flowing between the drain region 3 and the source region 4 is controlled. Such electrical characteristics can be demonstrated.

さらに、図1(a)に示すように、ドレイン領域3およびソース領域4には、ドレイン電極3aおよびソース電極4aがそれぞれ取り付けられている。ゲート電極5、ドレイン電極3aおよびソース電極4a上には、それらを覆うように絶縁膜7が形成されている。絶縁膜7の素材としては、アルミナなどの金属酸化物、窒化シリコンなどの窒化物、多成分ガラスなどのガラス、およびアクリル樹脂などの合成樹脂が挙げられる。   Further, as shown in FIG. 1A, a drain electrode 3a and a source electrode 4a are attached to the drain region 3 and the source region 4, respectively. An insulating film 7 is formed on the gate electrode 5, the drain electrode 3a, and the source electrode 4a so as to cover them. Examples of the material of the insulating film 7 include metal oxides such as alumina, nitrides such as silicon nitride, glass such as multicomponent glass, and synthetic resins such as acrylic resins.

そして、上記絶縁膜7には、絶縁膜7の形成後、ゲート電極5、ドレイン電極3aおよびソース電極4aを外部と接続させるために、上記絶縁膜7中を、その膜厚方向に貫通するようにそれぞれ設けられた配線部5a、3b、4bが、それぞれ、導電体としてのタングステン(W)により形成されている。   Then, after the insulating film 7 is formed, the insulating film 7 penetrates the insulating film 7 in the film thickness direction in order to connect the gate electrode 5, the drain electrode 3a and the source electrode 4a to the outside. The wiring portions 5a, 3b, and 4b provided respectively in FIG. 6 are formed of tungsten (W) as a conductor.

上記配線部5a、3b、4bは、上記ゲート電極5、ドレイン電極3aおよびソース電極4aに向かって順次細くなるテーパー形状に形成されていることが好ましい。なお、図では、上記各配線部5a、3b、4bは、テーパー形状ではなく、簡略化して直管状に記載している。   The wiring portions 5a, 3b, and 4b are preferably formed in a tapered shape that becomes thinner toward the gate electrode 5, the drain electrode 3a, and the source electrode 4a. In the figure, each of the wiring portions 5a, 3b, and 4b is not a taper shape but is simply shown as a straight tube.

また、上記配線部5a、3b、4bは、上記ゲート電極5、ドレイン電極3aおよびソース電極4aに向かって、上記半導体基板2の表面の平面に対して垂直と異なる方向つまり傾斜してそれぞれ形成されていることが望ましい。さらに、上記配線部5a、3b、4bは、傾斜して形成されるとき、各電極側から絶縁膜7の表面側に向かって互いに順次離間していく放射状に設けられていることが好ましい。   The wiring portions 5a, 3b, and 4b are formed in directions different from, or inclined to, the plane of the surface of the semiconductor substrate 2 toward the gate electrode 5, the drain electrode 3a, and the source electrode 4a. It is desirable that Furthermore, it is preferable that the wiring portions 5a, 3b, and 4b are provided in a radial pattern so as to be sequentially separated from each electrode side toward the surface side of the insulating film 7 when formed at an inclination.

また、上記絶縁膜7上には、上記各配線部5a、3b、4bに対し電気的に接続された、パッド部5b、3c、4cが、それぞれ、外部との接続のために設けられている。パッド部5b、3c、4cは、絶縁膜7上における、各配線部5a、3b、4bの端部に対し後述する露出面から離間する位置にそれぞれ形成されていることが外部との電気的な接続を確実化するためには好ましい。   On the insulating film 7, pad portions 5b, 3c, and 4c, which are electrically connected to the wiring portions 5a, 3b, and 4b, are provided for connection to the outside. . The pad portions 5b, 3c, and 4c are formed on the insulating film 7 at positions separated from the exposed surfaces described later with respect to the ends of the wiring portions 5a, 3b, and 4b. It is preferable for ensuring the connection.

さらに、観測したい任意の位置の前記アクティブ領域を露出させるために、図3(a)にも示すように、FET1では、上記任意の位置を含み、かつ、ゲート電極5を横断する位置にてダイシングなどによりへき開され、そのへき開面を研磨し平滑化して断面である露出面1aが形成されている。   Further, in order to expose the active region at an arbitrary position to be observed, as shown in FIG. 3A, the FET 1 is diced at a position including the arbitrary position and crossing the gate electrode 5. The cleaved surface is polished and smoothed to form an exposed surface 1a that is a cross section.

これらのような各配線部5a、3b、4bは、それらの作製方法として、集束イオンビーム(Focused Ion Beam、以下、FIBと記す)法により形成されている。FIB法は、イオン、例えばガリウムイオン(Ga+)を電磁力により集束した、イオンビームを、エッチング対象物、本実施の形態では絶縁膜7にその上方から照射し、その照射位置をマスク無しにエッチングして除去し、配線部4b用の、幅数百nm程度、深さ約1μmのコンタクト開孔4dをイオンビームの進行方向に沿って真っ直ぐな形状に形成できるものである。このようにして、他の各配線部5a、3bについても、同様に各コンタクト開孔が形成されている。 Each of the wiring portions 5a, 3b, and 4b as described above is formed by a focused ion beam (hereinafter referred to as FIB) method as a manufacturing method thereof. In the FIB method, ions, for example, gallium ions (Ga + ) are focused by an electromagnetic force, and an ion beam is irradiated onto the object to be etched, in this embodiment, the insulating film 7 from above, and the irradiation position is without a mask. The contact opening 4d having a width of about several hundreds of nanometers and a depth of about 1 μm for the wiring portion 4b can be formed in a straight shape along the traveling direction of the ion beam. In this way, the contact holes are similarly formed in the other wiring portions 5a and 3b.

上記イオンビームは、径が0.1μmまでに集束できるので、上記寸法程度のコンタクト開孔4dを精度よく形成できる。また、FIB法エッチングは、上記イオンビームによるエッチング先端部では、上記イオンビームの径と同程度の大きさとなるが、上記イオンビームの若干の広がりによって、エッチングの基端部においては、上記イオンビームの径より大きな径となることから、上記イオンビームにより得られたコンタクト開孔は、それに対応する電極に向かって、順次、イオンビームの進行方向に対し直交する方向の面積が小さくなるテーパー形状とすることができる。   Since the ion beam can be focused to a diameter of 0.1 μm, the contact opening 4d having the above dimensions can be accurately formed. In the FIB etching, the diameter of the ion beam is approximately the same as the diameter of the ion beam at the tip of the ion beam. However, the ion beam is slightly expanded at the base of the etching due to the slight spread of the ion beam. Therefore, the contact opening obtained by the ion beam has a tapered shape in which the area in the direction orthogonal to the traveling direction of the ion beam is sequentially reduced toward the corresponding electrode. can do.

また、FIB法エッチングでは、前述した、上記配線部5a、3b、4bを、上記ゲート電極5、ドレイン電極3aおよびソース電極4aに向かって、上記半導体基板2の表面の平面に対して垂直と異なる方向つまり傾斜してそれぞれ形成することを容易化、簡便化できる。   In the FIB etching, the wiring portions 5a, 3b, and 4b described above are different from perpendicular to the plane of the surface of the semiconductor substrate 2 toward the gate electrode 5, the drain electrode 3a, and the source electrode 4a. It is possible to facilitate and simplify forming each in a direction, that is, an inclination.

さらに、FIB法エッチングにおいては、半導体基板2を傾ける、またはイオンビームを傾けることにより、接続が不要な電極の下側にある他の電極に対しても、接続が不要な電極への導通を回避しながら、横から斜めに配線部を確実に形成できる。   Furthermore, in the FIB etching, the semiconductor substrate 2 is tilted or the ion beam is tilted, so that conduction to the electrodes that do not require connection is avoided even for other electrodes that do not require connection. However, the wiring portion can be reliably formed obliquely from the side.

このようにFIB法によるエッチングを行うとき、走査型イオン顕微鏡または走査型電子顕微鏡によりコンタクト開孔4dを観察しておき、上記イオンビームが、絶縁膜7へのエッチングにより、ソース電極4aの上部の達すると、反射する2次電子の量が上層の絶縁膜(パッシベーション層)7に対して変化するため、走査型イオン顕微鏡像または走査型電子顕微鏡像の輝度の変化により垂直方向の貫通孔であるコンタクト開孔4dの深さを検出できて制御することができる。   Thus, when performing the etching by the FIB method, the contact hole 4d is observed with a scanning ion microscope or a scanning electron microscope, and the ion beam is etched on the insulating film 7 so as to be formed on the upper portion of the source electrode 4a. When it reaches, since the amount of secondary electrons to be reflected changes with respect to the upper insulating film (passivation layer) 7, it is a through-hole in the vertical direction due to a change in luminance of the scanning ion microscope image or the scanning electron microscope image. The depth of the contact opening 4d can be detected and controlled.

続いて、上記コンタクト開孔4d内に導電体としてのタングステンを充填するために、上記イオンビームを維持しながら、有機金属化合物のガス、本実施の形態では、ヘキサカルボニルタングステン(W(CO)6)のガスを、上記コンタクト開孔4dに導入する。これにより、上記ガスがイオンビームに接触すると、反応によって金属のタングステンが析出し、上記コンタクト開孔4d内に堆積され充填されることになる。 Subsequently, in order to fill the contact hole 4d with tungsten as a conductor, while maintaining the ion beam, the gas of the organometallic compound, in this embodiment, hexacarbonyl tungsten (W (CO) 6 ) Gas is introduced into the contact hole 4d. Thus, when the gas comes into contact with the ion beam, metallic tungsten is deposited by the reaction, and is deposited and filled in the contact opening 4d.

なお、上記タングステン以外の導電体の他の例としては、カーボンやプラチナを挙げることができ、それらを用いる場合には、それらの有機金属化合物として、それぞれ、フェナントレン(C1410)、ノニンプラチナ(Pt916)が挙げられる。 Other examples of the conductor other than tungsten include carbon and platinum. When these are used, phenanthrene (C 14 H 10 ) and nonine are used as their organometallic compounds, respectively. Platinum (Pt 9 H 16 ) is mentioned.

以下では、上記の作製方法、つまりFIB−CVD法を用いて立体配線である各配線部5a、3b、4bを形成した評価用半導体デバイスとしてのFET1の評価方法について説明する。上記評価方法では、FET1を駆動させた状態でSCM(Scanning Capacitance Microscopy)を用いて2次元キャリア密度分布を観察した。   Below, the evaluation method of FET1 as an evaluation semiconductor device which formed each wiring part 5a, 3b, 4b which is three-dimensional wiring using the said manufacturing method, ie, FIB-CVD method, is demonstrated. In the above evaluation method, the two-dimensional carrier density distribution was observed using SCM (Scanning Capacitance Microscopy) while the FET 1 was driven.

まず、図3に示すように、前述の各パッド部5b、3c、4cと外部配線とをボンディングまたは導電性樹脂で接続することにより、露出面(断面)1aを備えた、特定のFET1に対して外部から電圧を加えることができるバイアスラインである外部配線、各パッド部5b、3c、4cおよび各配線部5a、3b、4bを作製することができる(図1(a)および図1(c)も参照)。   First, as shown in FIG. 3, a specific FET 1 having an exposed surface (cross section) 1a is formed by bonding the pad portions 5b, 3c, and 4c described above and external wiring by bonding or conductive resin. Thus, external wiring, which is a bias line to which a voltage can be applied from the outside, the pad portions 5b, 3c, and 4c and the wiring portions 5a, 3b, and 4b can be manufactured (FIGS. 1A and 1C). See also)).

その後、上記FET1を試料としてSCM観察を行った。測定系を図4および図5に示した。各電極には、ゲート、ドレイン、ソース電圧(Vg,Vd,Vs)に交流電圧(Vaccosωt)を重畳したVi+Vaccosωt(i=g,d,s)を加えた。探針(カンチレバー)はグランドに接続している。この場合、素子の各電極間の電位差はVg,Vd,Vsの差に相当し、交流が重畳されていない。   Thereafter, SCM observation was performed using the FET 1 as a sample. The measurement system is shown in FIGS. Vi + Vaccos ωt (i = g, d, s) obtained by superimposing an AC voltage (Vaccos ωt) on the gate, drain, and source voltages (Vg, Vd, Vs) was applied to each electrode. The probe (cantilever) is connected to the ground. In this case, the potential difference between the electrodes of the element corresponds to the difference between Vg, Vd, and Vs, and no alternating current is superimposed.

一方、探針とFET1との間には、Vg,Vd,Vsが、FET1内部に形成する2次元ポテンシャルVdcとVaccosωtが加わっているため、SCM測定を行うことができる。   On the other hand, since Vg, Vd, and Vs are added with the two-dimensional potential Vdc and Vaccosωt formed inside the FET 1 between the probe and the FET 1, SCM measurement can be performed.

SCM測定では、Di社製dimension3000プローブ顕微鏡、カンチレバーには、ロジウムコート探針のSiカンチレバーであるSI-DF3-Rh-バネ定数2.3N/m、共振周波数30KHz(seiko instruments製)を使用した。探針−FET1間には周波数1GHzの交流電界を加え、それに周波数40KHz,Vac=6Vpp,Vdc=0Vの変調電圧を重畳した。測定は大気中で行った。   In the SCM measurement, a dimension 3000 probe microscope manufactured by Di Co., and the cantilever was a SI cantilever of a rhodium-coated probe, SI-DF3-Rh-spring constant 2.3 N / m, and a resonance frequency of 30 KHz (manufactured by seiko instruments). An AC electric field having a frequency of 1 GHz was applied between the probe and the FET 1, and a modulation voltage having a frequency of 40 KHz, Vac = 6 Vpp, and Vdc = 0 V was superimposed thereon. The measurement was performed in the atmosphere.

上記測定による評価結果として、図6にVd=1VにおけるId−Vg特性(測定点:A,B,C)及び(Vd,Vg)=(1,−1),(2.0,4.8)における電流値を示した。また、その各(Id,Vg)に対応したSCMの測定結果を図7(a)〜(d)にそれぞれ示した。   As an evaluation result by the above measurement, FIG. 6 shows Id-Vg characteristics (measurement points: A, B, C) and (Vd, Vg) = (1, −1), (2.0, 4.8) at Vd = 1V. ) Current value is shown. The SCM measurement results corresponding to each (Id, Vg) are shown in FIGS.

上記評価結果においては、Vgの増加と共に、Idが増加しデバイスがON状態となり、FIB−CVDにより配線した半導体デバイスとしてのFET1の駆動が確認できた。図7(a)〜(d)では、図6に示した電流値の測定点A,B,C,Dの各座標(Vg,Vd,Id)にそれぞれ同順にて対応したSCM像を示した。   In the above evaluation results, as Vg increased, Id increased and the device turned on, and it was confirmed that the FET 1 as a semiconductor device wired by FIB-CVD was driven. 7A to 7D show SCM images corresponding to the coordinates (Vg, Vd, Id) of the current value measurement points A, B, C, D shown in FIG. 6 in the same order. .

次に、上記各SCM像におけるコントラストのつけ方について説明する。まず、MOSFETはソース領域、ドレイン領域に急峻な階段接合を持つため、SCM信号は接合の前後で異極性の極大値を持つ。その極大極小値を明示するために、図7(a)〜(d)の各SCM像は全て接合付近の信号レベルを細分化し、信号の急峻性を強調する等高線プロットを利用している。図7(b)から図7(d)までのソース・ドレイン端の白い帯状のコントラストは空乏層近傍の信号の極大値を示している。   Next, how to add contrast in each SCM image will be described. First, since the MOSFET has steep step junctions in the source region and the drain region, the SCM signal has a maximum value of different polarity before and after the junction. In order to clearly indicate the maximum and minimum values, all the SCM images in FIGS. 7A to 7D use contour plots that subdivide the signal level near the junction and emphasize the steepness of the signal. The white band-like contrasts at the source / drain edges from FIG. 7B to FIG. 7D indicate the maximum values of the signals near the depletion layer.

続いて、動作(駆動)中のFET1におけるコントラストについて説明する。最初に、ソース領域とドレイン領域とでコントラスト強度が異なることを示す。動作中のFET1の断面のSCMの信号の起源は以下のように定性的に説明できる。ソースとドレインにおける高濃度注入領域ではSCMの信号強度が異なる。それは、SCMで検出する信号は、容量−電圧曲線の微分値であり、ソース領域とドレイン領域の高濃度注入領域では、それぞれdC/dV(V=Vs),dC/dV(V=Vd)を検出するため、図7(a)から図7(d)までに見られるように同じ不純物濃度でも信号強度が異なっている。   Subsequently, the contrast in the FET 1 during operation (driving) will be described. First, it is shown that the contrast intensity differs between the source region and the drain region. The origin of the SCM signal in the cross section of the FET 1 in operation can be explained qualitatively as follows. The signal intensity of SCM differs in the high concentration implantation regions in the source and drain. The signal detected by the SCM is a differential value of the capacitance-voltage curve, and dC / dV (V = Vs) and dC / dV (V = Vd) are respectively obtained in the high concentration implantation regions of the source region and the drain region. For detection, the signal intensity is different even at the same impurity concentration as seen in FIGS. 7 (a) to 7 (d).

次に、接合付近のコントラストの意味について説明する。また、pn接合部においてSCMのコントラストは、順方向バイアス印加時と逆方向バイアス印加時で異なる。順方向バイアス印加時は冶金的接合位置近傍においても、探針−FET1が構成するMOSキャバシタにp、nの両側からキャリアが供給されるため、強い容量変調信号が接合位置近傍でも検出される。   Next, the meaning of the contrast near the junction will be described. Further, the contrast of the SCM at the pn junction is different between forward bias application and reverse bias application. When forward bias is applied, carriers are supplied from both sides of p and n to the MOS capacitor formed by the probe-FET 1 even in the vicinity of the metallurgical junction position, so that a strong capacitance modulation signal is detected also in the vicinity of the junction position.

一方、逆バイアス印加は、空乏層は低濃度側のwellに拡がるが、空乏領域近傍ではキャリア密度が著しく低下するため、SCM信号は高濃度領域から低濃度領域に緩やかに減少する。つまり、動作時のFET1においては、ドレイン領域のコントラストは、wellに向けて緩やかな信号変化を示し、ソース領域では、接合部で急峻な信号変化を示すことになる。図7(a)から図7(d)まででは、ソース領域の空乏層下端までSCMは強い信号を示し、ドレイン領域では基板方向に緩やかな信号変化を示すことが分かる。   On the other hand, when the reverse bias is applied, the depletion layer spreads to the well on the low concentration side, but the carrier density is remarkably reduced in the vicinity of the depletion region, so that the SCM signal gradually decreases from the high concentration region to the low concentration region. That is, in the FET 1 in operation, the contrast of the drain region shows a gradual signal change toward the well, and in the source region, a sharp signal change is shown at the junction. From FIG. 7A to FIG. 7D, it can be seen that SCM shows a strong signal up to the lower end of the depletion layer in the source region, and shows a gradual signal change in the substrate direction in the drain region.

チャネル領域では、ゲートに加わる電界に依って誘起される空乏領域を、その電界に対し垂直方向の変調電場によって容量測定を行う。ゲート電圧によって基板方向に空乏層が拡がると、pn接合に逆バイアスを印加した状態と同様に、基板からゲート酸化膜へとSCMの信号強度が減少する。   In the channel region, capacitance measurement is performed on a depletion region induced by an electric field applied to the gate by a modulation electric field perpendicular to the electric field. When the depletion layer expands in the substrate direction due to the gate voltage, the signal strength of the SCM decreases from the substrate to the gate oxide film, similarly to the state in which a reverse bias is applied to the pn junction.

図7(a)から図7(d)まででは、ゲート電圧印加と共に半導体基板方向に空乏領域が拡がる様子が分かる。   From FIG. 7A to FIG. 7D, it can be seen that the depletion region expands in the direction of the semiconductor substrate as the gate voltage is applied.

続いて、測定データの非対称構造について説明すると、ソース・ゲート間、ドレイン・ゲート間近傍では、急峻な電位分布が存在し、空乏層は1次元的な解析モデルとは異なり、実際のデバイスでは2次元的に拡がる。図7(a)から図7(b)に変化させた場合、ソースとドレインとの間の空乏領域の非対称性が大きくなる。さらに、図7(b)から図7(c)に変化させた場合、ソースの空乏領域とドレインの空乏領域がゲート酸化膜下に拡がり始め、図7(c)、図7(d)ではそれらが接続し、ソース、ドレイン、ゲートに渡り基板方向に空乏領域が拡がる。   Next, the asymmetric structure of the measurement data will be described. A steep potential distribution exists between the source and gate and between the drain and gate, and the depletion layer is different from the one-dimensional analysis model. Expand in dimension. When the state is changed from FIG. 7A to FIG. 7B, the asymmetry of the depletion region between the source and the drain increases. Further, when changing from FIG. 7B to FIG. 7C, the depletion region of the source and the depletion region of the drain begin to expand under the gate oxide film, and in FIG. 7C and FIG. And the depletion region extends in the direction of the substrate across the source, drain, and gate.

以上の事から、FET1のOFF状態からON状態に変化する直線領域において、FET1の2次元的に拡がるキャリア密度分布の変化を直接観察することに成功したことが分かる。   From the above, it can be seen that in the linear region where the FET 1 changes from the OFF state to the ON state, the change in the carrier density distribution of the FET 1 which expands two-dimensionally can be directly observed.

上記評価方法は、結論として、FIB−CVD配線法を用いて、断面を露出したLSIウエハ内部のMOS型のFET1を動作させることに成功した。さらに、駆動したFET1の露出面(断面)において、SCMを用いて2次元キャリア密度分布の変化を計測して、上記FET1を評価できることが分かった。また、上記評価方法に関する他の測定例を図8および図9(a)〜(d)に示した。   In conclusion, the above evaluation method succeeded in operating the MOS type FET 1 in the LSI wafer with the exposed cross section by using the FIB-CVD wiring method. Furthermore, it was found that the FET 1 can be evaluated by measuring the change in the two-dimensional carrier density distribution using SCM on the exposed surface (cross section) of the driven FET 1. Further, other measurement examples related to the evaluation method are shown in FIGS. 8 and 9A to 9D.

このように本発明では、任意の断面露出のFET1を駆動させる方法として、FIBエッチング及びFIB−CVD法を利用しているので、LSIのFET1のへき開面の方位に寄らず、断面露出のFET1を駆動させることができ、同時に断面露出表面を介してFET1の動作状態における2次元キャリア密度分布をSCMといったプローブ顕微鏡もしくは電子顕微鏡により計測することができる。   As described above, in the present invention, since the FIB etching and the FIB-CVD method are used as a method for driving the FET 1 with an arbitrary cross-section exposure, the FET 1 with the cross-section exposure is not dependent on the orientation of the cleavage plane of the LSI FET 1. At the same time, the two-dimensional carrier density distribution in the operating state of the FET 1 can be measured through the exposed surface of the cross section by a probe microscope such as SCM or an electron microscope.

なお、上記実施の形態では、アクティブ領域でのキャリア密度分布についてSCMを用いて測定した例を挙げたが、上記の特に限定されるものではなく、走査型プローブ顕微鏡法、ケルビン・フォース顕微鏡法、走査型電子顕微鏡法、電子ビーム誘導電流による測定法、および走査型イオン顕微鏡法からなる測定法群から選択された少なくとも一つを用いることができる。   In the above embodiment, the carrier density distribution in the active region is measured using the SCM. However, the present invention is not particularly limited to the above, and scanning probe microscopy, Kelvin force microscopy, At least one selected from a scanning electron microscopy, a measurement method using an electron beam induced current, and a measurement method group consisting of a scanning ion microscope can be used.

ところで、次世代半導体デバイスでは、ON状態でのデバイス内部の3次元情報(電位分布やキャリア密度分布など)の少なさが、開発コスト急騰の大きな要因であるため、本発明が普及する事により、次世代の半導体デバイス開発が高効率化・低コスト化し、種々の電子演算器の高性能、高機能化が促進されると予想される。   By the way, in the next-generation semiconductor device, since the small amount of three-dimensional information (potential distribution, carrier density distribution, etc.) inside the device in the ON state is a major factor in the rapid development cost, It is expected that the development of next-generation semiconductor devices will be highly efficient and cost-effective, and the performance and functionality of various electronic computing units will be promoted.

本発明の評価用半導体デバイス、評価用半導体デバイスの作製方法、半導体デバイスの評価方法は、動作(駆動)中の半導体デバイスのキャリア密度分布を可視化して測定できるので、上記半導体デバイスの正動作、不良動作の物理的メカニズムをより確実に評価、解明できることによって、半導体の製造分野に好適に利用できる。   Since the semiconductor device for evaluation of the present invention, the method for producing the semiconductor device for evaluation, and the method for evaluating the semiconductor device can visualize and measure the carrier density distribution of the semiconductor device during operation (driving), the normal operation of the semiconductor device, Since the physical mechanism of defective operation can be more reliably evaluated and elucidated, it can be suitably used in the semiconductor manufacturing field.

本発明の評価用半導体デバイスとしてのFETを示し、(a)は斜視図、(b)は断面図、(c)は平面図である。1 shows an FET as a semiconductor device for evaluation of the present invention, (a) is a perspective view, (b) is a cross-sectional view, and (c) is a plan view. 上記FETの基本構成を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows the basic composition of the said FET. (a)〜(c)は、本発明の評価用半導体デバイスの作製方法を示す下記工程図である。(A)-(c) is the following process drawing which shows the preparation methods of the semiconductor device for evaluation of this invention. 本発明の半導体デバイスの評価方法に用いる測定法の一例としてのSCMのブロック図である。It is a block diagram of SCM as an example of the measuring method used for the evaluation method of the semiconductor device of this invention. 上記評価用半導体デバイスに上記SCMを適用したときの斜視図である。It is a perspective view when the SCM is applied to the semiconductor device for evaluation. 上記評価用半導体デバイスに対しドレイン電圧、ゲート電圧をそれぞれ変化させて印加して、上記評価用半導体デバイスが動作していることを示す一例のグラフである。It is a graph of an example which shows that the said semiconductor device for an evaluation is operating by applying a drain voltage and a gate voltage to the said semiconductor device for an evaluation while changing them. (a)〜(d)は、図6に示す、各電圧ポイント(A〜D)にそれぞれ対応したSCM像を示す図面代用写真である。(A)-(d) is drawing substitute photograph which shows the SCM image respectively corresponding to each voltage point (AD) shown in FIG. 上記評価用半導体デバイスに対しドレイン電圧、ゲート電圧をそれぞれ変化させて印加して、上記評価用半導体デバイスが動作していることを示す他の例のグラフである。It is a graph of the other example which shows that the said semiconductor device for evaluation is operating by changing and applying the drain voltage and the gate voltage with respect to the said semiconductor device for evaluation. (a)〜(d)は、図8に示す、各電圧ポイント(A〜D)にそれぞれ対応したSCM像を示す図面代用写真である。(A)-(d) is drawing substitute photograph which shows the SCM image respectively corresponding to each voltage point (AD) shown in FIG. 従来の露出面を有するFETの斜視図である。It is a perspective view of FET which has the conventional exposed surface. 上記従来のFETでの動作概念を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the operation | movement concept in the said conventional FET.

符号の説明Explanation of symbols

2 半導体基板
2a アクティブ領域
3a ドレイン電極
3b 配線部
4a ソース電極
4b 配線部
5 ゲート電極
5a 配線部
7 絶縁膜
2 Semiconductor substrate 2a Active region 3a Drain electrode 3b Wiring part 4a Source electrode 4b Wiring part 5 Gate electrode 5a Wiring part 7 Insulating film

Claims (9)

半導体基板と、
上記半導体基板上に設けられた任意の半導体デバイスの、少なくとも二つの電極と、
上記半導体基板における、上記少なくとも二つの電極間に形成されたキャリアまたは電荷の分布状態が制御されるアクティブ領域と、
上記少なくとも二つの電極上を覆う絶縁膜と、
観察すべく上記アクティブ領域を露出させた露出面と、
上記少なくとも二つの電極を外部と接続させるために、上記絶縁膜中にそれぞれ設けられた配線部とを備えていることを特徴とする評価用半導体デバイス。
A semiconductor substrate;
At least two electrodes of any semiconductor device provided on the semiconductor substrate;
An active region in which the distribution state of carriers or charges formed between the at least two electrodes in the semiconductor substrate is controlled;
An insulating film covering the at least two electrodes;
An exposed surface that exposes the active area to be observed;
An evaluation semiconductor device comprising: a wiring portion provided in each of the insulating films to connect the at least two electrodes to the outside.
上記配線部は、上記少なくとも二つの電極の少なくとも一つに向かって細くなるテーパー形状に形成されていることを特徴とする請求項1記載の評価用半導体デバイス。   2. The semiconductor device for evaluation according to claim 1, wherein the wiring portion is formed in a tapered shape that narrows toward at least one of the at least two electrodes. 上記配線部は、上記少なくとも二つの電極の少なくとも一つに向かって、上記半導体基板表面の平面に対して垂直と異なる方向に形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の評価用半導体デバイス。   3. The evaluation according to claim 1, wherein the wiring portion is formed in a direction different from perpendicular to a plane of the surface of the semiconductor substrate toward at least one of the at least two electrodes. For semiconductor devices. 上記アクティブ領域は、電界効果を利用したものであり、上記少なくとも二つの電極は、それぞれ、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極であることを特徴とする請求項1ないし3の何れか1項に記載の評価用半導体デバイス。   4. The active region according to claim 1, wherein the active region uses a field effect, and the at least two electrodes are a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode, respectively. Semiconductor device for evaluation. 半導体基板と、
上記半導体基板上に設けられた任意の半導体デバイスの、少なくとも二つの電極と、
上記半導体基板における、上記少なくとも二つの電極間に形成されたキャリアまたは電荷の分布状態が制御されるアクティブ領域と、
上記少なくとも二つの電極上を覆う絶縁膜とを有する評価用半導体デバイスの作製方法において、
上記少なくとも二つの電極の少なくとも一つを外部と接続させるために、外部から上記電極の上部まで、コンタクト開孔を集束イオンビームにより形成し、
上記コンタクト開孔を通る導電体によって上記電極を外部と接続させ、
上記アクティブ領域における、観察領域を露出させることを特徴とする評価用半導体デバイスの作製方法。
A semiconductor substrate;
At least two electrodes of any semiconductor device provided on the semiconductor substrate;
An active region in which the distribution state of carriers or charges formed between the at least two electrodes in the semiconductor substrate is controlled;
In the method for producing an evaluation semiconductor device having an insulating film covering the at least two electrodes,
In order to connect at least one of the at least two electrodes to the outside, a contact hole is formed from the outside to the top of the electrode by a focused ion beam,
The electrode is connected to the outside by a conductor passing through the contact opening,
A method for producing an evaluation semiconductor device, wherein an observation region in the active region is exposed.
半導体基板と、
上記半導体基板上に設けられた任意の半導体デバイスの、少なくとも二つの電極と、
上記半導体基板における、上記少なくとも二つの電極間に形成されたキャリアまたは電荷の分布状態が制御されるアクティブ領域と、
上記少なくとも二つの電極上を覆う絶縁膜とを有する評価用半導体デバイスの作製方法において、
上記アクティブ領域における、観察領域を露出させ、
上記少なくとも二つの電極の少なくとも一つを外部と接続させるために、外部から上記電極の上部まで、コンタクト開孔を集束イオンビームにより形成し、
上記コンタクト開孔を通る導電体によって上記電極を外部と接続させることを特徴とする評価用半導体デバイスの作製方法。
A semiconductor substrate;
At least two electrodes of any semiconductor device provided on the semiconductor substrate;
An active region in which the distribution state of carriers or charges formed between the at least two electrodes in the semiconductor substrate is controlled;
In the method for producing an evaluation semiconductor device having an insulating film covering the at least two electrodes,
Exposing the observation area in the active area,
In order to connect at least one of the at least two electrodes to the outside, a contact hole is formed from the outside to the top of the electrode by a focused ion beam,
A method for producing an evaluation semiconductor device, wherein the electrode is connected to the outside by a conductor passing through the contact opening.
上記コンタクト開孔をとおる導電体は、集束イオンビームによる化学的気相堆積法によって埋め込まれていることを特徴とする請求項5または6記載の評価用半導体デバイスの作製方法。   7. The method of manufacturing a semiconductor device for evaluation according to claim 5, wherein the conductor through the contact hole is embedded by a chemical vapor deposition method using a focused ion beam. 請求項5ないし7の何れか1項に記載の作製方法により得られた評価用半導体デバイスを用い、
上記導電体を介して各電極により評価用半導体デバイスを駆動状態とし、
上記露出面のアクティブ領域におけるキャリア密度分布を上記駆動状態下にて測定することを特徴とする半導体デバイスの評価方法。
Using the semiconductor device for evaluation obtained by the production method according to any one of claims 5 to 7,
The semiconductor device for evaluation is driven by each electrode via the conductor,
A method for evaluating a semiconductor device, comprising: measuring a carrier density distribution in an active region of the exposed surface under the driving state.
上記キャリア密度分布の測定として、走査型容量顕微鏡法やケルビン・フォース顕微鏡法などの走査型プローブ顕微鏡法、走査型電子顕微鏡法、電子ビーム誘導電流による測定法、および走査型イオン顕微鏡法からなる測定法群から選択された少なくとも一つを用いることを特徴とする請求項8記載の半導体デバイスの評価方法。   The carrier density distribution is measured by scanning probe microscopy such as scanning capacitance microscopy and Kelvin force microscopy, scanning electron microscopy, measurement using electron beam induced current, and scanning ion microscopy. 9. The method for evaluating a semiconductor device according to claim 8, wherein at least one selected from a legal group is used.
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