JP2016188817A - 広がり抵抗測定方法及び広がり抵抗顕微鏡 - Google Patents
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Abstract
【課題】表面に酸化物が形成された試料の広がり抵抗の測定時のノイズを抑制して測定精度を向上させた広がり抵抗測定方法及び広がり抵抗顕微鏡を提供する。
【解決手段】導電性を有する探針９９を試料３００の表面３００ａに接触させつつ表面に平行なＸＹ方向に相対的に走査し、試料にバイアス電圧が印加された際に生じる探針からの信号に基づき、広がり抵抗値を算出する広がり抵抗測定方法において、探針を表面に接触させつつ表面に平行なＸＹ方向に相対的に走査し、表面に形成された酸化物の少なくとも一部を除去する酸化物除去工程と、酸化物の少なくとも一部が除去された試料に対し、探針を、Ｘ又はＹ方向の所定の検出位置Ｘ１で表面に接触させて信号を検出した後、Ｘ又はＹ方向の次回の検出位置Ｘ２に達するまで試料に対して探針を相対的に走査させる際、表面に垂直なＺ方向に探針を表面から相対的に遠ざける信号検出工程と、を有する。
【選択図】図２
【解決手段】導電性を有する探針９９を試料３００の表面３００ａに接触させつつ表面に平行なＸＹ方向に相対的に走査し、試料にバイアス電圧が印加された際に生じる探針からの信号に基づき、広がり抵抗値を算出する広がり抵抗測定方法において、探針を表面に接触させつつ表面に平行なＸＹ方向に相対的に走査し、表面に形成された酸化物の少なくとも一部を除去する酸化物除去工程と、酸化物の少なくとも一部が除去された試料に対し、探針を、Ｘ又はＹ方向の所定の検出位置Ｘ１で表面に接触させて信号を検出した後、Ｘ又はＹ方向の次回の検出位置Ｘ２に達するまで試料に対して探針を相対的に走査させる際、表面に垂直なＺ方向に探針を表面から相対的に遠ざける信号検出工程と、を有する。
【選択図】図２
Description
本発明は、試料の２次元広がり電流分布を、走査型プローブ顕微鏡を用いて測定する広がり抵抗測定方法及び広がり抵抗顕微鏡に関する。
近年、走査型プローブ顕微鏡を用い、導電性の探針を試料表面に接触させてバイアス電圧を印加し、探針を通して流れる電流をワイドレンジ対数アンプによって計測し、２次元の抵抗分布を得るSSRM（走査型広がり抵抗顕微鏡：Scanning Spreading Resistance Microscopy）が開発されている（特許文献１）。
SSRMにおいては、試料表面との間に電圧を印加したまま探針を走査し、試料表面の高さ情報と、探針に流れる電流とを検出することにより、試料の凹凸形状と、探針直下の２次元の広がり抵抗とを同時に取得できる。なお、試料にバイアス電圧を加えると、探針直下近傍のキャリアのみが探針に流入して電流が流れるので、これを抵抗値に換算した局所的な抵抗を広がり抵抗と称している。このように、SSRMでは印加電圧が探針直下に集中するため、探針直下でのドーパント濃度が支配的な電流（広がり抵抗）を検出することが可能であり、例えば半導体のドーパント濃度分布を評価できる技術として期待されている。
SSRMにおいては、試料表面との間に電圧を印加したまま探針を走査し、試料表面の高さ情報と、探針に流れる電流とを検出することにより、試料の凹凸形状と、探針直下の２次元の広がり抵抗とを同時に取得できる。なお、試料にバイアス電圧を加えると、探針直下近傍のキャリアのみが探針に流入して電流が流れるので、これを抵抗値に換算した局所的な抵抗を広がり抵抗と称している。このように、SSRMでは印加電圧が探針直下に集中するため、探針直下でのドーパント濃度が支配的な電流（広がり抵抗）を検出することが可能であり、例えば半導体のドーパント濃度分布を評価できる技術として期待されている。
ところで、SSRMは、AFM（原子間力顕微鏡）と同様に、探針を試料表面に接触させたまま引き摺るようにして走査し、試料のＸＹ表面上の所定の検出位置に到達した時の電流（抵抗）を逐次測定している。しかしながら、探針と試料の接触位置が変化し続けた状態で電流を測定するため、図５に示すように、接点の接触抵抗が安定せずに電流値が安定しない。そこで、接触抵抗の安定化を図るため、探針を所定の荷重により押付けて電流を測定することも行われている。
しかしながら、試料の広がり抵抗を測定する際、試料の表面に意図しない酸化物が形成されることがある。例えば、Siウェハの広がり抵抗を大気下で測定する場合のように、ウェハをSSRMに設置する間や、測定中にウェハ表面が酸化して酸化物が生じる。そして、このように表面に酸化物が形成された試料に探針を押付けて電流を測定すると、探針が酸化物を剥離して削り屑が発生し、この屑をそのまま引きずってしまう。このため、図６に示すように、広がり抵抗の分布画像に筋状の測定ノイズが生じることがある。
又、表面が酸化したウェハを一旦SSRMから取り出し、フッ酸処理や機械研磨等で酸化物を除去してから再測定することもあるが、試料の付け替えにより測定の作業効率が低下したり、酸化物を除去してから測定までの間に試料表面が再度酸化する場合もある。
又、表面が酸化したウェハを一旦SSRMから取り出し、フッ酸処理や機械研磨等で酸化物を除去してから再測定することもあるが、試料の付け替えにより測定の作業効率が低下したり、酸化物を除去してから測定までの間に試料表面が再度酸化する場合もある。
さらに、従来のSSRMでは、探針が移動しながら電流を測定するので、検出位置を示す測定点だけでなく、測定点を含む広い領域の平均的な抵抗値を取得してしまう。このため、同様に屑を引きずって測定ノイズが生じたり、正確な広がり抵抗が得られないという問題がある。
そこで、本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、表面に酸化物が形成された試料の広がり抵抗の測定時のノイズを抑制して測定精度を向上させると共に、測定の作業効率が高い広がり抵抗測定方法及び広がり抵抗顕微鏡の提供を目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の広がり抵抗測定方法は、導電性を有する探針を試料の表面に接触させつつ該表面に平行なＸＹ方向に相対的に走査し、前記試料にバイアス電圧が印加された際に生じる前記探針からの信号を検出し、当該信号に基づき、広がり抵抗値を算出する広がり抵抗測定方法において、前記探針を前記表面に接触させつつ該表面に平行なＸＹ方向に相対的に走査し、前記表面に形成された酸化物の少なくとも一部を除去する酸化物除去工程と、前記酸化物の少なくとも一部が除去された前記試料に対し、前記探針を、前記Ｘ又はＹ方向の所定の検出位置で前記表面に接触させて前記信号を検出した後、前記Ｘ又はＹ方向の次回の検出位置に達するまで前記試料に対して前記探針を相対的に走査させる際、前記表面に垂直なＺ方向に前記探針を前記表面から相対的に遠ざける信号検出工程と、を有することを特徴とする。
この広がり抵抗測定方法によれば、表面に測定に影響を与える意図しない酸化物が形成されている試料に対し、(i)酸化物除去工程で試料表面の酸化物を除去し、試料の表面が清浄になった状態で引き続き、(ii)信号検出工程を行うので、広がり抵抗の測定が不安定になることを抑制し、かつ酸化物を削りながら広がり抵抗を測定することがなく、測定ノイズが抑制される。又、(ii)信号検出工程では、検出位置で広がり抵抗を測定し、検出位置以外では探針を試料の表面から遠ざけるため、検出位置を示す測定点での抵抗値を取得でき、広がり抵抗を正確に測定できると共に、屑を引きずって測定ノイズが生じることを同様に抑制できる。
又、広がり抵抗顕微鏡に試料を設置したまま酸化物を除去し、その後すぐに広がり抵抗を測定できるので、試料の付け替えにより測定の作業効率が低下したり、酸化物を除去してから測定までの間に試料表面が再度酸化することも抑制できる。
この広がり抵抗測定方法によれば、表面に測定に影響を与える意図しない酸化物が形成されている試料に対し、(i)酸化物除去工程で試料表面の酸化物を除去し、試料の表面が清浄になった状態で引き続き、(ii)信号検出工程を行うので、広がり抵抗の測定が不安定になることを抑制し、かつ酸化物を削りながら広がり抵抗を測定することがなく、測定ノイズが抑制される。又、(ii)信号検出工程では、検出位置で広がり抵抗を測定し、検出位置以外では探針を試料の表面から遠ざけるため、検出位置を示す測定点での抵抗値を取得でき、広がり抵抗を正確に測定できると共に、屑を引きずって測定ノイズが生じることを同様に抑制できる。
又、広がり抵抗顕微鏡に試料を設置したまま酸化物を除去し、その後すぐに広がり抵抗を測定できるので、試料の付け替えにより測定の作業効率が低下したり、酸化物を除去してから測定までの間に試料表面が再度酸化することも抑制できる。
前記信号検出工程において、前記探針を、前記検出位置で前記ＸＹ方向に停止させるとよい。
この広がり抵抗測定方法によれば、検出位置で探針をＸＹ方向に固定した状態で広がり抵抗を測定するので、測定精度がさらに向上する。
この広がり抵抗測定方法によれば、検出位置で探針をＸＹ方向に固定した状態で広がり抵抗を測定するので、測定精度がさらに向上する。
前記信号検出工程において前記信号を検出する際、前記探針の前記Ｚ方向の位置を検出するための光の照射を停止するとよい。
例えば、試料が半導体の場合、信号を検出する時に光を照射すると光励起により表面の抵抗率が変化することがあるので、信号検出時にＺ方向の位置を検出するための光の照射を停止することで、広がり抵抗をより正確に測定できる。
例えば、試料が半導体の場合、信号を検出する時に光を照射すると光励起により表面の抵抗率が変化することがあるので、信号検出時にＺ方向の位置を検出するための光の照射を停止することで、広がり抵抗をより正確に測定できる。
本発明の広がり抵抗顕微鏡は、導電性を有する探針と、試料の表面に平行なＸＹ方向への前記探針の相対的な走査と、該試料の表面に垂直なＺ方向への前記探針との相対的な移動とを制御する制御手段と、前記試料にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段と、前記探針が前記試料の表面に接触し、前記試料に前記バイアス電圧が印加された際に生じる前記探針からの信号を検出する検出手段と、前記検出された信号に基づき、広がり抵抗値を算出する広がり抵抗値算出手段と、を備えた広がり抵抗顕微鏡において、前記制御手段は、前記探針を前記表面に接触させつつ前記ＸＹ方向に相対的に走査し、前記表面に形成された酸化物の少なくとも一部を除去した後、前記酸化物の少なくとも一部が除去された前記試料に対し、前記探針を、前記Ｘ又はＹ方向の所定の検出位置で前記表面に接触させて前記信号を検出した後、前記Ｘ又はＹ方向の次回の検出位置に達するまで前記試料に対して前記探針を相対的に走査させる際、前記表面に垂直なＺ方向に前記探針を前記表面から相対的に遠ざけることを特徴とする。
前記制御手段は、前記探針を、前記検出位置で前記ＸＹ方向に停止させるとよい。
前記制御手段は、前記信号を検出する際、前記探針の前記Ｚ方向の位置を検出するための光の照射を停止するとよい。
前記制御手段は、前記信号を検出する際、前記探針の前記Ｚ方向の位置を検出するための光の照射を停止するとよい。
本発明によれば、表面に酸化物が形成された試料の広がり抵抗の測定時のノイズを抑制して測定精度を向上させると共に、測定の作業効率を向上させることができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は本発明が好適に適用される走査型広がり抵抗顕微鏡(SSRM)２００のブロック図である。なお、図１（ａ）が走査型広がり抵抗顕微鏡２００の全体図であり、図１（ｂ）はカンチレバー１近傍の部分拡大図である。
図１（ａ）において、走査型広がり抵抗顕微鏡２００は、先端に探針９９を有するカンチレバー１、試料３００を３次元走査（微動）するアクチュエータ（スキャナ）１１、バイアス電源１７、カンチレバー１の変位を検出する変位検出部６０、コントローラー２４、コンピュータ４０等を有する。
さらに、円筒型のアクチュエータ１１は粗動機構１２の上方に取り付けられ、アクチュエータ１１の上方にステージ１０が接続されている。そして、ステージ１０上に試料３００を設置可能になっている。
図１（ａ）において、走査型広がり抵抗顕微鏡２００は、先端に探針９９を有するカンチレバー１、試料３００を３次元走査（微動）するアクチュエータ（スキャナ）１１、バイアス電源１７、カンチレバー１の変位を検出する変位検出部６０、コントローラー２４、コンピュータ４０等を有する。
さらに、円筒型のアクチュエータ１１は粗動機構１２の上方に取り付けられ、アクチュエータ１１の上方にステージ１０が接続されている。そして、ステージ１０上に試料３００を設置可能になっている。
コントローラー２４は、後述するＺ制御回路２０、アクチュエータ１１を制御するＸＹ，Ｚ出力アンプ２２、粗動機構１２を制御する粗動制御回路２３、ワイドレンジ対数アンプ２１、対数アンプ２１の出力値から広がり抵抗の値を算出する演算部７等を有する。コントローラー２４はコンピュータ４０に接続されてデータの高速通信が可能である。コントローラー２４は、例えばマイコンから構成される。
コンピュータ４０は、コントローラー２４内の回路の動作条件を制御し、測定されたデータを取り込み制御し、表面形状測定、広がり抵抗測定、などを実現する。コンピュータ４０は、走査型広がり抵抗顕微鏡２００の動作を制御するための制御基板、ＣＰＵ（中央制御処理装置）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等の記憶手段、インターフェース、操作部等を有する。
コンピュータ４０は、コントローラー２４内の回路の動作条件を制御し、測定されたデータを取り込み制御し、表面形状測定、広がり抵抗測定、などを実現する。コンピュータ４０は、走査型広がり抵抗顕微鏡２００の動作を制御するための制御基板、ＣＰＵ（中央制御処理装置）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等の記憶手段、インターフェース、操作部等を有する。
粗動機構１２は、アクチュエータ１１及びその上方のステージ１０を大まかに３次元移動させるものであり、粗動制御回路２３によって動作が制御される。
アクチュエータ１１は、ステージ１０（及び試料３００）を３次元に移動（微動）させるものであり、ステージ１０をそれぞれＸＹ（試料３００の平面）方向に走査する２つの（２軸の）圧電素子１１ａ、１１ｂと、ステージ１０をｚ（高さ）方向に走査する圧電素子１１ｃと、を備えている。圧電素子は、電界を印加すると結晶がひずみ、外力で結晶を強制的にひずませると電界が発生する素子であり、圧電素子としては、セラミックスの一種であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を一般に使用することができるがこれに限られない。
圧電素子１１ａ〜１１ｃはＸＹ，Ｚ出力アンプ２２に接続され、ＸＹ，Ｚ出力アンプ２２に所定の制御信号（電圧）を出力して圧電素子１１ａ、１１ｂをそれぞれＸＹ方向へ駆動し、圧電素子１１ｂをｚ方向へ駆動する。
ステージ１０上に試料３００が載置され、試料３００は探針９９に対向配置されている。
アクチュエータ１１は、ステージ１０（及び試料３００）を３次元に移動（微動）させるものであり、ステージ１０をそれぞれＸＹ（試料３００の平面）方向に走査する２つの（２軸の）圧電素子１１ａ、１１ｂと、ステージ１０をｚ（高さ）方向に走査する圧電素子１１ｃと、を備えている。圧電素子は、電界を印加すると結晶がひずみ、外力で結晶を強制的にひずませると電界が発生する素子であり、圧電素子としては、セラミックスの一種であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を一般に使用することができるがこれに限られない。
圧電素子１１ａ〜１１ｃはＸＹ，Ｚ出力アンプ２２に接続され、ＸＹ，Ｚ出力アンプ２２に所定の制御信号（電圧）を出力して圧電素子１１ａ、１１ｂをそれぞれＸＹ方向へ駆動し、圧電素子１１ｂをｚ方向へ駆動する。
ステージ１０上に試料３００が載置され、試料３００は探針９９に対向配置されている。
カンチレバー１は、カンチレバーチップ部８の側面に接し、片持ちバネの構造を構成している。カンチレバーチップ部８は、カンチレバーチップ部押さえ９により斜面ブロック２に押さえつけられ、斜面ブロック２は走査型広がり抵抗顕微鏡２００の筐体１３に固定されている。
そして、カンチレバー１の背面にはレーザ光源３０からレーザ光が照射され、カンチレバー１から反射されたレーザ光はダイクロックミラー３１に入射し、さらにミラー３２で反射されて変位検出器５で検出される。カンチレバー１の上下（ｚ方向）の移動量は、ダイクロックミラー３１へ入射されるレーザの光路の変化（入射位置）に反映される。従って、この入射位置からカンチレバー１の変位量が変位検出器５で検出されることになる。変位検出器５の電気信号は、プリアンプ５０を通過して増幅され、Ｚ制御回路２０へ入力される。
レーザ光源３０、ダイクロックミラー３１、ミラー３２、変位検出器５、プリアンプ５０が変位検出部６０を構成する。
そして、カンチレバー１の背面にはレーザ光源３０からレーザ光が照射され、カンチレバー１から反射されたレーザ光はダイクロックミラー３１に入射し、さらにミラー３２で反射されて変位検出器５で検出される。カンチレバー１の上下（ｚ方向）の移動量は、ダイクロックミラー３１へ入射されるレーザの光路の変化（入射位置）に反映される。従って、この入射位置からカンチレバー１の変位量が変位検出器５で検出されることになる。変位検出器５の電気信号は、プリアンプ５０を通過して増幅され、Ｚ制御回路２０へ入力される。
レーザ光源３０、ダイクロックミラー３１、ミラー３２、変位検出器５、プリアンプ５０が変位検出部６０を構成する。
Ｚ制御回路２０は、カンチレバー１の上下（ｚ方向）の移動量（撓み量）が一定になるよう、ＸＹ，Ｚ出力アンプ２２のＺ信号部へ制御信号を伝達し、Ｚ信号部は圧電素子１１ｂをｚ方向へ駆動するフィードバック制御信号（電圧）を出力する。すなわち、試料３００と探針９９の間に働く力に対応したカンチレバー１の変位（撓み）を上述の機構で検出し、この力が目標値となるようにアクチュエータ１１ｃを変位させ、探針９９と試料３００の接する力を制御する。そして、この状態で、ＸＹ，Ｚ出力アンプ２２にてＸＹ方向にアクチュエータ１１ａ、１１ｂを変位させて試料３００のスキャンを行い、表面の形状や物性値をマッピングする。
このように、本発明においては、探針９９を所定の力で試料３００に接触させるコンタクトモードで測定を行う。又、本実施形態では、走査型広がり抵抗顕微鏡２００は試料３００を設置したステージ１０を走査（スキャン）して測定を行うサンプルスキャン方式となっている。
このように、本発明においては、探針９９を所定の力で試料３００に接触させるコンタクトモードで測定を行う。又、本実施形態では、走査型広がり抵抗顕微鏡２００は試料３００を設置したステージ１０を走査（スキャン）して測定を行うサンプルスキャン方式となっている。
そして、ステージ１０のＸＹ面内の変位に対して、(i) ステージ１０の高さの変位から３次元形状像を、(ii)以下のバイアス電圧を探針９９と試料３００間に印加したときの電流の抵抗換算値を、コンピュータ４０上に表示し、解析や処理を行うことにより、プローブ顕微鏡として動作させる。
バイアス電源１７はステージ１０に接続され、ステージ１０上の試料３００にバイアス電圧を印加する。そして、上述のようにコンタクトモードにて探針９９が試料３００表面と接触すると、試料３００にバイアス電圧を印加した状態で、探針９９からの検出信号（本実施形態では電流信号）が電流−電圧アンプをなす対数アンプ２１に入力される。対数アンプ２１の電圧出力は演算部７に出力され、演算部７は電圧出力から広がり抵抗の値を算出する。
なお、バイアス電源１７、対数アンプ２１、演算部７が、それぞれ特許請求の範囲の「バイアス電圧印加手段」、「検出手段」、「広がり抵抗値算出手段」に相当する。又、ＸＹ，Ｚ出力アンプ２２、コントローラー２４及びコンピュータ４０が特許請求の範囲の「制御手段」に相当する。
なお、バイアス電源１７、対数アンプ２１、演算部７が、それぞれ特許請求の範囲の「バイアス電圧印加手段」、「検出手段」、「広がり抵抗値算出手段」に相当する。又、ＸＹ，Ｚ出力アンプ２２、コントローラー２４及びコンピュータ４０が特許請求の範囲の「制御手段」に相当する。
次に、本発明の実施形態に係る広がり抵抗測定方法について説明する。なお、本実施形態では、表面に意図しない酸化物が形成されている試料を、広がり抵抗の測定対象とする。この酸化物は、既に述べたように、例えば、試料を走査型広がり抵抗顕微鏡２００に設置する間や、測定中に試料表面が酸化して生じる。又、表面が酸化した試料から酸化物を除去した後、走査型広がり抵抗顕微鏡２００に設置したり測定中に、再度試料表面が酸化して酸化物が生じる場合もある。
本発明の実施形態に係る広がり抵抗測定方法は、(i)探針９９を試料３００の表面に接触させつつ表面に平行なＸＹ方向に相対的に走査し、表面に形成された酸化物の少なくとも一部を除去する酸化物除去工程と、(ii)酸化物の少なくとも一部が除去された試料３００に対し、探針９９を、Ｘ又はＹ方向の所定の検出位置で表面に接触させて信号を検出した後、Ｘ又はＹ方向の次回の検出位置に達するまで試料３００に対して探針を相対的に走査させる際、表面に垂直なＺ方向に探針９９を表面から相対的に遠ざける信号検出工程と、を有する。検出した信号に基づき、後述のようにして広がり抵抗値を算出する。
本発明の実施形態に係る広がり抵抗測定方法は、(i)探針９９を試料３００の表面に接触させつつ表面に平行なＸＹ方向に相対的に走査し、表面に形成された酸化物の少なくとも一部を除去する酸化物除去工程と、(ii)酸化物の少なくとも一部が除去された試料３００に対し、探針９９を、Ｘ又はＹ方向の所定の検出位置で表面に接触させて信号を検出した後、Ｘ又はＹ方向の次回の検出位置に達するまで試料３００に対して探針を相対的に走査させる際、表面に垂直なＺ方向に探針９９を表面から相対的に遠ざける信号検出工程と、を有する。検出した信号に基づき、後述のようにして広がり抵抗値を算出する。
まず、酸化物除去工程について説明する。本工程では、上述のコンタクトモードで試料３００の表面の３次元形状の測定を行なう。このとき、試料３００の表面に形成された酸化物（絶縁膜等）の硬さに合わせて探針９９を試料３００に押し付ける力Ｆ１を設定し、試料３００表面の絶縁膜を破壊して剥がしながら走査することで、絶縁膜（の少なくとも一部）を除去することができる。上記押し付け力Ｆ１は、数１０ｎＮ〜数１０μＮとすると好ましい。
探針９９としては、導電性ダイヤモンド等の硬い材料をＳｉ等にコーティングしたものや、先鋭な形状を持つダイヤモンド結晶の先端を探針９９として使用したカンチレバーを、好適に用いることができる。
なお、力Ｆ１、及び後述する力Ｆ２は、正確には、先端曲率半径が数十〜数百ｎｍの探針９９での押付け荷重を表し、Ｆ１とＦ２は同じ力としてよい。Ｆ１は酸化膜を削るため、Ｆ２は広がり抵抗測定時の接触面積を大きくすることを目的として加える。
探針９９としては、導電性ダイヤモンド等の硬い材料をＳｉ等にコーティングしたものや、先鋭な形状を持つダイヤモンド結晶の先端を探針９９として使用したカンチレバーを、好適に用いることができる。
なお、力Ｆ１、及び後述する力Ｆ２は、正確には、先端曲率半径が数十〜数百ｎｍの探針９９での押付け荷重を表し、Ｆ１とＦ２は同じ力としてよい。Ｆ１は酸化膜を削るため、Ｆ２は広がり抵抗測定時の接触面積を大きくすることを目的として加える。
次に、信号検出工程について説明する。信号検出は、上述のコンタクトモードで、絶縁膜が除去された試料３００の表面に探針９９を押し付け、探針９９を試料３００の表面に接触させて行う。このとき、バイアス電源１７から試料３００にバイアス電圧が印加されているので、探針９９直下に存在する試料３００に含まれるキャリアが探針９９に流入して信号（電流）が流れる。そこで、この信号を対数アンプ２１で増幅し、演算部７により広がり抵抗値として算出する。ここで、バイアス電圧は探針９９の直下で急激に減衰し、探針９９直下近傍のキャリアのみが探針９９に流入して電流が流れるので、局所的な抵抗（広がり抵抗）を検出することができる。
なお、広がり抵抗測定時にコンタクトモードで探針９９を押し付ける力Ｆ２は、Ｆ１と同様に数１０ｎＮ〜数１０μＮが好ましい。この場合の力Ｆ２は、探針９９と試料３００の表面を確実に接触させ、電流測定を安定的に行うようにするためである。
なお、広がり抵抗測定時にコンタクトモードで探針９９を押し付ける力Ｆ２は、Ｆ１と同様に数１０ｎＮ〜数１０μＮが好ましい。この場合の力Ｆ２は、探針９９と試料３００の表面を確実に接触させ、電流測定を安定的に行うようにするためである。
ところで、上述のように、従来のSSRMにおいては、探針を試料表面に接触させたまま走査し、広がり抵抗を逐次測定していたため、同様に屑を引きずって測定ノイズが生じたり、接点の接触抵抗が安定せずに電流値が安定せずに正確な広がり抵抗が得られないという問題があった。
そこで、図２に示すように、本実施形態においては試料３００の表面（Ｘ又はＹ方向）の所定の検出位置Ｘ１で探針９９を試料３００の表面に接触させて信号を検出（広がり抵抗を測定）した後、Ｘ又はＹ方向の次回の検出位置Ｘ２に達するまで探針９９を走査させる際、Ｚ方向に探針９９を試料３００の表面から遠ざける。
なお、図２において、Ｘ方向（紙面の左右方向）及びＺ方向の変位のみを示し、Ｙ方向への変位は表示しない。
そこで、図２に示すように、本実施形態においては試料３００の表面（Ｘ又はＹ方向）の所定の検出位置Ｘ１で探針９９を試料３００の表面に接触させて信号を検出（広がり抵抗を測定）した後、Ｘ又はＹ方向の次回の検出位置Ｘ２に達するまで探針９９を走査させる際、Ｚ方向に探針９９を試料３００の表面から遠ざける。
なお、図２において、Ｘ方向（紙面の左右方向）及びＺ方向の変位のみを示し、Ｙ方向への変位は表示しない。
具体的には、図２において、まず、探針９９を走査させ、予め設定された最初の検出位置Ｘ１上に達すると、コンピュータ４０は、ＸＹ，Ｚ出力アンプ２２を制御してＸＹ方向の走査を一旦停止すると共に、探針９９を試料表面３００ａに接近させるＺ方向に移動させる。ここで、上述したコンタクトモードで測定しているため、試料３００と探針９９の間に働く力に対応してカンチレバー１が変位する（撓む）。従って、Ｚ制御回路２０は、この力が目標値となるようにアクチュエータ１１ｃを変位させ、探針９９と試料３００の接する力を制御する。又、Ｚ制御回路２０は、この力が目標値となったことをコンピュータ４０に通知する。これを受けるとコンピュータ４０は、ＸＹ，Ｚ出力アンプ２２を制御してＺ方向への移動を停止させる。そして、コンピュータ４０は、この状態で試料３００の表面３００ａと探針９９との間に、上述の力Ｆ２を加えながら、広がり抵抗を測定する。
検出位置Ｘ１での広がり抵抗測定の終了後、コンピュータ４０は、ＸＹ，Ｚ出力アンプ２２を制御して探針９９を試料表面３００ａから離間するＺ方向に、例えば、１０ｎｍ移動させる。移動させる。この１０ｎｍの引き上げによって、探針９９が試料表面３００ａに存在している吸着水層に捕獲されたとしても、該吸着水層から探針９９を確実に引き上げることができる。
なお、探針９９の引き上げ量は１０ｎｍに限られるものではない。
なお、探針９９の引き上げ量は１０ｎｍに限られるものではない。
探針９９の引き上げ後、コンピュータ４０は、ＸＹ，Ｚ出力アンプ２２を制御してＺ方向への移動を停止させると共に、探針９９をＸＹの軌跡ＸＹ１のように再度ＸＹ方向へ走査させる。
ここで、上述したコンタクトモードで測定しているため、探針９９が試料３００の表面３００ａの凸部に近接した場合には、試料３００と探針９９の間に働く力に対応してカンチレバー１が変位する（撓む）。従って、Ｚ制御回路２０は、この力を所定値（上記したコンタクト時の目標値と同じ値が好ましいが、これに限られない）と比較し、所定値になったらコンピュータ４０に通知する。図２に、上記力が所定値になったときの試料３００の表面３００ａの位置をＰ１で表す。
これを受けるとコンピュータ４０は、ＸＹ，Ｚ出力アンプ２２を制御してＸＹ方向の走査を一旦停止すると共に、探針９９を試料表面３００ａから上記引き上げ量で離間するＺ方向に移動させる。Ｚ方向の移動後、コンピュータ４０は、Ｚ方向の移動を停止すると共にＸＹ方向に探針９９の走査を再度行なう。
ここで、上述したコンタクトモードで測定しているため、探針９９が試料３００の表面３００ａの凸部に近接した場合には、試料３００と探針９９の間に働く力に対応してカンチレバー１が変位する（撓む）。従って、Ｚ制御回路２０は、この力を所定値（上記したコンタクト時の目標値と同じ値が好ましいが、これに限られない）と比較し、所定値になったらコンピュータ４０に通知する。図２に、上記力が所定値になったときの試料３００の表面３００ａの位置をＰ１で表す。
これを受けるとコンピュータ４０は、ＸＹ，Ｚ出力アンプ２２を制御してＸＹ方向の走査を一旦停止すると共に、探針９９を試料表面３００ａから上記引き上げ量で離間するＺ方向に移動させる。Ｚ方向の移動後、コンピュータ４０は、Ｚ方向の移動を停止すると共にＸＹ方向に探針９９の走査を再度行なう。
このように走査の途中で、該走査経路に試料３００の凸部Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３があった場合には、コンピュータ４０がＸＹ，Ｚ出力アンプ２２を制御して、走査の一旦停止、引き上げ、再度走査といった動作を繰り返し行いながら次の検出位置Ｘ２まで探針９９の走査を行なう。そして、検出位置Ｘ２に探針９９が達すると、上記と同様に広がり抵抗を測定する。上述した走査、広がり抵抗の測定及び探針９９の引き上げを順に繰り返して、全ての検出位置で広がり抵抗を測定することで、試料３００の表面の広がり抵抗の分布を得ることができる。
以上のように、本実施形態に係る広がり抵抗測定方法によれば、(i)酸化物除去工程で、測定に影響を与える試料表面の酸化物を除去し、試料の表面が清浄になった状態で引き続き、(ii)信号検出工程を行うので、広がり抵抗の測定が不安定になることを抑制し、かつ酸化物を削りながら広がり抵抗を測定することがなく、測定ノイズが抑制される。又、(ii)信号検出工程では、検出位置で広がり抵抗を測定し、検出位置以外では探針９９を試料３００の表面から遠ざけるため、検出位置を示す測定点での抵抗値を取得でき、広がり抵抗を正確に測定できると共に、屑を引きずって測定ノイズが生じることを同様に抑制できる。
特に、検出位置で探針９９をＸＹ方向に固定すると、測定する電流値がより安定化するので、広がり抵抗をより正確に測定できる。この場合、探針９９を押し付けた状態で１ｍｓｅｃ以下の時間だけ探針と試料の相対位置を固定することが好ましい。
特に、検出位置で探針９９をＸＹ方向に固定すると、測定する電流値がより安定化するので、広がり抵抗をより正確に測定できる。この場合、探針９９を押し付けた状態で１ｍｓｅｃ以下の時間だけ探針と試料の相対位置を固定することが好ましい。
又、本実施形態に係る広がり抵抗測定方法によれば、広がり抵抗顕微鏡に試料３００を設置したまま酸化物を除去し、その後すぐに広がり抵抗を測定できるので、試料の付け替えにより測定の作業効率が低下したり、酸化物を除去してから測定までの間に試料表面が再度酸化することも抑制できる。
なお、上記した図２の探針９９の引き上げは、特開２００５−６９８５１号公報に記載した走査型プローブ顕微鏡における動作と同一であるが、この走査型プローブ顕微鏡は検出位置以外では探針９９を試料３００の表面から遠ざけるため、そのままでは試料表面の酸化物を探針９９で削って除去することはできない。
なお、上記した図２の探針９９の引き上げは、特開２００５−６９８５１号公報に記載した走査型プローブ顕微鏡における動作と同一であるが、この走査型プローブ顕微鏡は検出位置以外では探針９９を試料３００の表面から遠ざけるため、そのままでは試料表面の酸化物を探針９９で削って除去することはできない。
(ii)の信号検出工程において信号を検出する際、コンピュータ４０は、レーザ光源３０を制御して、探針９９のＺ方向の位置を検出するための光（レーザ光）の照射を停止することが好ましい。例えば、試料が半導体の場合、信号を検出する時に光を照射すると光励起により表面の抵抗率が変化することがあるので、信号検出時に光の照射を停止することで、広がり抵抗をより正確に測定できる。
なお、(ii)の信号検出工程において、検出位置以外では探針９９を試料３００の表面から遠ざける方法は図２に限定されず、例えば、図３のように、検出位置Ｘ１，Ｘ２以外では探針９９を一律にＺ方向に所定の初期高さＺ０まで引き上げてもよい。初期高さＺ０は、例えばアクチュエータ１１ｃに電圧を印加せずにアクチュエータ１１ｃが初期位置に縮んでいるときの高さとすればよいがこれに限定されず、試料３００の凸部から十分離間する高さであればよい。
但し、図２の方法は、試料３００表面の凸部を回避しながら可能な限り該凸部の形状に沿った最短経路で走査するので、走査時間の短縮、即ち、測定時間の短縮の点からは、図２の方法が好ましい。
但し、図２の方法は、試料３００表面の凸部を回避しながら可能な限り該凸部の形状に沿った最短経路で走査するので、走査時間の短縮、即ち、測定時間の短縮の点からは、図２の方法が好ましい。
図４〜図６は、試料表面の広がり抵抗の分布である。なお、試料は、Ｐ型不純物をドープしたＳｉウェハであり、図の左から右に向かってＰ型不純物の濃度を段階的に変化させている。又、探針９９としてはＢドープしたダイヤモンドを用い、バイアス電圧を＋０．５Ｖとした。試料を大気中に約３週間放置し、その表面に酸化物を形成させた。
図４は本実施形態に係る広がり抵抗測定方法により測定した結果である。試料表面の酸化物を除去した後、検出位置以外では探針を引き上げて広がり抵抗を測定したため、測定ノイズが無く、Ｐ型不純物の濃度に応じて図の左から右に向かって段階的に変化する抵抗値を正確に再現している。
一方、図５は、試料表面の酸化物を除去せず、さらに力Ｆ２を加えずに広がり抵抗を測定したため、接点の接触抵抗が安定せず、段階的に変化する抵抗値を明瞭に測定できなかった。
又、図６は、試料表面の酸化物を除去せず、力Ｆ２を加えて広がり抵抗を測定したため、広がり抵抗の分布画像に水平（走査方向）に延びる筋状の測定ノイズが生じた。これは、探針が酸化物を剥離して削り屑が発生し、この屑をそのまま引きずったためと考えられる。
図４は本実施形態に係る広がり抵抗測定方法により測定した結果である。試料表面の酸化物を除去した後、検出位置以外では探針を引き上げて広がり抵抗を測定したため、測定ノイズが無く、Ｐ型不純物の濃度に応じて図の左から右に向かって段階的に変化する抵抗値を正確に再現している。
一方、図５は、試料表面の酸化物を除去せず、さらに力Ｆ２を加えずに広がり抵抗を測定したため、接点の接触抵抗が安定せず、段階的に変化する抵抗値を明瞭に測定できなかった。
又、図６は、試料表面の酸化物を除去せず、力Ｆ２を加えて広がり抵抗を測定したため、広がり抵抗の分布画像に水平（走査方向）に延びる筋状の測定ノイズが生じた。これは、探針が酸化物を剥離して削り屑が発生し、この屑をそのまま引きずったためと考えられる。
本発明において、上記広がり抵抗を測定するコンピュータプログラムは、上述のコンピュータ４０による処理フローをコンピュータプログラムとして適宜コンピュータ４０の記憶手段に記憶してなり、コントローラー２４及びコンピュータ４０が有するＣＰＵによって実行される。
本発明は上記実施形態に限定されない。
例えば、本発明は、走査型プローブ顕微鏡のカンチレバー側をスキャンして測定を行うレバースキャン方式にも適用できる。
例えば、本発明は、走査型プローブ顕微鏡のカンチレバー側をスキャンして測定を行うレバースキャン方式にも適用できる。
１ カンチレバー
７ 広がり抵抗値算出手段（演算部）
１７ バイアス電圧印加手段（バイアス電源）
２１ 検出手段（対数アンプ）
２４、４０ 制御手段（コントローラー、コンピュータ）
９９ 探針
２００ 広がり抵抗顕微鏡
３００ 試料
３００ａ 試料の表面
Ｘ１、Ｘ２ 検出位置
７ 広がり抵抗値算出手段（演算部）
１７ バイアス電圧印加手段（バイアス電源）
２１ 検出手段（対数アンプ）
２４、４０ 制御手段（コントローラー、コンピュータ）
９９ 探針
２００ 広がり抵抗顕微鏡
３００ 試料
３００ａ 試料の表面
Ｘ１、Ｘ２ 検出位置
Claims (6)
- 導電性を有する探針を試料の表面に接触させつつ該表面に平行なＸＹ方向に相対的に走査し、前記試料にバイアス電圧が印加された際に生じる前記探針からの信号を検出し、当該信号に基づき、広がり抵抗値を算出する広がり抵抗測定方法において、
前記探針を前記表面に接触させつつ該表面に平行なＸＹ方向に相対的に走査し、前記表面に形成された酸化物の少なくとも一部を除去する酸化物除去工程と、
前記酸化物の少なくとも一部が除去された前記試料に対し、前記探針を、前記Ｘ又はＹ方向の所定の検出位置で前記表面に接触させて前記信号を検出した後、前記Ｘ又はＹ方向の次回の検出位置に達するまで前記試料に対して前記探針を相対的に走査させる際、前記表面に垂直なＺ方向に前記探針を前記表面から相対的に遠ざける信号検出工程と、
を有することを特徴とする広がり抵抗測定方法。 - 前記信号検出工程において、前記探針を、前記検出位置で前記ＸＹ方向に停止させることを特徴とする請求項１記載の広がり抵抗測定方法。
- 前記信号検出工程において前記信号を検出する際、前記探針の前記Ｚ方向の位置を検出するための光の照射を停止することを特徴とする請求項１又は２記載の広がり抵抗測定方法。
- 導電性を有する探針と、
試料の表面に平行なＸＹ方向への前記探針の相対的な走査と、該試料の表面に垂直なＺ方向への前記探針との相対的な移動とを制御する制御手段と、
前記試料にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段と、
前記探針が前記試料の表面に接触し、前記試料に前記バイアス電圧が印加された際に生じる前記探針からの信号を検出する検出手段と、
前記検出された信号に基づき、広がり抵抗値を算出する広がり抵抗値算出手段と、を備えた広がり抵抗顕微鏡において、
前記制御手段は、前記探針を前記表面に接触させつつ前記ＸＹ方向に相対的に走査し、前記表面に形成された酸化物の少なくとも一部を除去した後、
前記酸化物の少なくとも一部が除去された前記試料に対し、前記探針を、前記Ｘ又はＹ方向の所定の検出位置で前記表面に接触させて前記信号を検出した後、前記Ｘ又はＹ方向の次回の検出位置に達するまで前記試料に対して前記探針を相対的に走査させる際、前記表面に垂直なＺ方向に前記探針を前記表面から相対的に遠ざけることを特徴とする広がり抵抗顕微鏡。 - 前記制御手段は、前記探針を、前記検出位置で前記ＸＹ方向に停止させることを特徴とする請求項４記載の広がり抵抗顕微鏡。
- 前記制御手段は、前記信号を検出する際、前記探針の前記Ｚ方向の位置を検出するための光の照射を停止することを特徴とする請求項４又は５記載の広がり抵抗顕微鏡。
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