JP3123514B2 - 半導体の評価装置とその評価方法 - Google Patents
半導体の評価装置とその評価方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体の評価装置
とその評価方法に係わり、特に、半導体試料中のキャリ
ア分布やドーパント分布の測定・評価に好適な半導体の
評価装置とその方法に関する。
とその評価方法に係わり、特に、半導体試料中のキャリ
ア分布やドーパント分布の測定・評価に好適な半導体の
評価装置とその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】試料深さ方向のドーパント分布を調べる
ために最もよく使用される手法として二次イオン質量分
析（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ
Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）がある。この手法は一次
イオンを加速して試料に衝突させた際、二次イオンとし
て試料から放出される構成元素種を質量分析により同定
する方法で、感度も高く試料深さ方向のドーパント分布
を調べることができる。この手法に関する文献として
は、例えば、固体表面分析１（講談社、大西孝治ら編
著）がある。
ために最もよく使用される手法として二次イオン質量分
析（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ
Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）がある。この手法は一次
イオンを加速して試料に衝突させた際、二次イオンとし
て試料から放出される構成元素種を質量分析により同定
する方法で、感度も高く試料深さ方向のドーパント分布
を調べることができる。この手法に関する文献として
は、例えば、固体表面分析１（講談社、大西孝治ら編
著）がある。
【０００３】又、高空間分解能測定が容易な走査型プロ
ーブ顕微鏡を用いた手法としては、表面電位を測定する
走査型ケルビンプローブフォース顕微鏡（ＫＦＭ：Ｋｅ
ｌｖｉｎ ｐｒｏｂｅ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏ
ｐ）が挙げられる。構成装置としては伝導性カンチレバ
ーを有する走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉ
ｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を利用する。
この手法は、図３に示したようなドーパント種および量
に依存して変化する試料の内部フェルミ準位差がもたら
す表面電位差をプローブ試料間の静電気力の差として測
定する方式である。この手法に関する刊行物としては、
例えば、アプライド フィジクス レターズ、第５８
巻、第２５号、２９２１〜２９２３頁、（Ａｐｐｌｉｅ
ｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．５８，
Ｎｏ．２５，Ｐ．２９２１−２９２３，１９９１．）が
ある。
ーブ顕微鏡を用いた手法としては、表面電位を測定する
走査型ケルビンプローブフォース顕微鏡（ＫＦＭ：Ｋｅ
ｌｖｉｎ ｐｒｏｂｅ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏ
ｐ）が挙げられる。構成装置としては伝導性カンチレバ
ーを有する走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉ
ｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を利用する。
この手法は、図３に示したようなドーパント種および量
に依存して変化する試料の内部フェルミ準位差がもたら
す表面電位差をプローブ試料間の静電気力の差として測
定する方式である。この手法に関する刊行物としては、
例えば、アプライド フィジクス レターズ、第５８
巻、第２５号、２９２１〜２９２３頁、（Ａｐｐｌｉｅ
ｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．５８，
Ｎｏ．２５，Ｐ．２９２１−２９２３，１９９１．）が
ある。
【０００４】走査型プローブ顕微鏡のうち走査トンネル
顕微鏡（ＳＴＭ）を用いる方法もある。探針試料間距離
を一定に保ち、電流電圧特性を測定する走査型トンネル
分光法（ＳＴＳ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎ
ｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によれば、ｎ型領域と
ｐ型領域を判別することができる。また、表面および表
面から数原子層の深さの領域については個々のドーパン
ト原子を観察するという非常に空間分解能の高い測定も
可能であることが示されている。この手法に関する刊行
物としては、例えば、アプライド フィジクス レター
ズ、第６３巻、第２１号、２９２３〜２９２５頁、（Ａ
ｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏ
ｌ．６３，Ｎｏ．２１，Ｐ．２９２３−２９２５，１９
９３．）がある。
顕微鏡（ＳＴＭ）を用いる方法もある。探針試料間距離
を一定に保ち、電流電圧特性を測定する走査型トンネル
分光法（ＳＴＳ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎ
ｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によれば、ｎ型領域と
ｐ型領域を判別することができる。また、表面および表
面から数原子層の深さの領域については個々のドーパン
ト原子を観察するという非常に空間分解能の高い測定も
可能であることが示されている。この手法に関する刊行
物としては、例えば、アプライド フィジクス レター
ズ、第６３巻、第２１号、２９２３〜２９２５頁、（Ａ
ｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏ
ｌ．６３，Ｎｏ．２１，Ｐ．２９２３−２９２５，１９
９３．）がある。
【０００５】上記ＳＩＭＳ法は、試料に一次イオンを衝
突させ構成元素をイオン化しながら弾き飛ばす、所謂破
壊分析法であるため、デバイス動作特性との相関を直接
観測することは不可能である。又、ドーパント活性化に
より生成されるキャリア分布も調べることができない。
また、ＫＦＭでは試料とカンチレバー間の静電相互作用
を検知するため、空間分解能が１０ｎｍ程度に制限され
るという問題がある。さらに、本手法と同様にＳＴＭを
使用するＳＴＳ法では、試料表面の凹凸などの表面状態
に大きく影響されるという問題点があった。
突させ構成元素をイオン化しながら弾き飛ばす、所謂破
壊分析法であるため、デバイス動作特性との相関を直接
観測することは不可能である。又、ドーパント活性化に
より生成されるキャリア分布も調べることができない。
また、ＫＦＭでは試料とカンチレバー間の静電相互作用
を検知するため、空間分解能が１０ｎｍ程度に制限され
るという問題がある。さらに、本手法と同様にＳＴＭを
使用するＳＴＳ法では、試料表面の凹凸などの表面状態
に大きく影響されるという問題点があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
した従来技術の欠点を改良し、特に、直接、半導体中の
キャリア密度に比例した情報を得て、キャリア密度やド
ーパント分布をナノメートルスケールの空間分解能で測
定し、表面形状の影響を受けにくく、且つ、非破壊的な
半導体評価装置とその評価方法を提供することである。
した従来技術の欠点を改良し、特に、直接、半導体中の
キャリア密度に比例した情報を得て、キャリア密度やド
ーパント分布をナノメートルスケールの空間分解能で測
定し、表面形状の影響を受けにくく、且つ、非破壊的な
半導体評価装置とその評価方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は上記した目的を
達成するため、基本的には、以下に記載されたような技
術構成を採用するものである。即ち、本発明に係わる半
導体評価装置の第１態様は、試料の近傍に配置され、試
料との間にトンネル電流を流すための探針と、このトン
ネル電流により試料から得られる光を集光する集光手段
と、前記集光手段で集められた前記試料からのキャリア
密度に対応した発光波長を測定する分光器とで構成した
ことを特徴とするものであり、又、第２態様は、前記集
光手段は、鏡を含むことを特徴とするものであり、又、
第３態様は、前記集光手段は、レンズを含むことを特徴
とするものであり、又、第４態様は、前記探針は、走査
型トンネル顕微鏡の針であることを特徴とするものであ
り、又、第５態様は、前記トンネル電流は、前記試料内
の少数キャリアによって担われることを特徴とするもの
であり、又、第６態様は、前記光は、前記少数キャリア
と試料内の多数キャリアとの再結合により生じたもので
あることを特徴とするものである。
達成するため、基本的には、以下に記載されたような技
術構成を採用するものである。即ち、本発明に係わる半
導体評価装置の第１態様は、試料の近傍に配置され、試
料との間にトンネル電流を流すための探針と、このトン
ネル電流により試料から得られる光を集光する集光手段
と、前記集光手段で集められた前記試料からのキャリア
密度に対応した発光波長を測定する分光器とで構成した
ことを特徴とするものであり、又、第２態様は、前記集
光手段は、鏡を含むことを特徴とするものであり、又、
第３態様は、前記集光手段は、レンズを含むことを特徴
とするものであり、又、第４態様は、前記探針は、走査
型トンネル顕微鏡の針であることを特徴とするものであ
り、又、第５態様は、前記トンネル電流は、前記試料内
の少数キャリアによって担われることを特徴とするもの
であり、又、第６態様は、前記光は、前記少数キャリア
と試料内の多数キャリアとの再結合により生じたもので
あることを特徴とするものである。
【０００８】又、本発明に係る半導体の評価方法の第１
態様は、試料と試料近傍に配置した探針との間にトンネ
ル電流を流し、前記試料内にプラズモンモードを誘起さ
せ、前記試料からのキャリア密度に対応した発光波長を
測定することで、半導体を評価することを特徴とするも
のであり、又、第２態様は、前記発光は、前記試料内の
主キャリアが担うプラズモンモードに起因する発光であ
ることを特徴とするものであり、又、第３態様は、前記
トンネル電流は、前記試料内の少数キャリアによって担
われることを特徴とするものであり、又、第４態様は、
前記発光は、前記少数キャリアと試料内の多数キャリア
との再結合により生じたものであることを特徴とするも
のである。
態様は、試料と試料近傍に配置した探針との間にトンネ
ル電流を流し、前記試料内にプラズモンモードを誘起さ
せ、前記試料からのキャリア密度に対応した発光波長を
測定することで、半導体を評価することを特徴とするも
のであり、又、第２態様は、前記発光は、前記試料内の
主キャリアが担うプラズモンモードに起因する発光であ
ることを特徴とするものであり、又、第３態様は、前記
トンネル電流は、前記試料内の少数キャリアによって担
われることを特徴とするものであり、又、第４態様は、
前記発光は、前記少数キャリアと試料内の多数キャリア
との再結合により生じたものであることを特徴とするも
のである。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明に係る半導体評価方法は、
試料と試料近傍に配置した探針との間にトンネル電流を
流し、試料内にプラズモンを誘起する過程と、試料から
の発光信号を測定する過程とを含み、発光信号は試料内
主キャリアが形成するプラズモンモードに起因する発光
信号であり、且つ、キャリア密度に対応するエネルギー
の発光信号を測定し、探針は走査型トンネル顕微鏡の針
である。
試料と試料近傍に配置した探針との間にトンネル電流を
流し、試料内にプラズモンを誘起する過程と、試料から
の発光信号を測定する過程とを含み、発光信号は試料内
主キャリアが形成するプラズモンモードに起因する発光
信号であり、且つ、キャリア密度に対応するエネルギー
の発光信号を測定し、探針は走査型トンネル顕微鏡の針
である。
【００１０】したがって、本手法では探針と試料の間に
流れるトンネル電流に誘起された発光を測定することに
より、非破壊的な評価を実現する。また、トンネル電流
によって励起される半導体試料内主キャリアのプラズモ
ンモードによる発光を測定することにより、試料内部の
キャリア数に比例した情報を得ることが可能となる。本
手法では測定がＳＴＭを利用した評価法であり、発光を
励起する試料と探針間のトンネル電流によるキャリアの
出入れが基本的に原子尺度の領域に限られるので、高空
間分解能での評価を実現できる。また、本手法で測定す
る発光信号はキャリアのプラズモンモードに起因してい
るため、少数キャリア注入時の再結合発光効率の低い、
例えば、Ｓｉなどの間接遷移型バンド構造を有する半導
体に対しても有効に作用する。さらに、プラズモンモー
ドは探針直下のナノメートルスケールの限られた領域の
みに励起されるため、少数キャリア再結合発光を測定す
る際に問題となるキャリア拡散による空間分解能低下を
回避できる利点がある。
流れるトンネル電流に誘起された発光を測定することに
より、非破壊的な評価を実現する。また、トンネル電流
によって励起される半導体試料内主キャリアのプラズモ
ンモードによる発光を測定することにより、試料内部の
キャリア数に比例した情報を得ることが可能となる。本
手法では測定がＳＴＭを利用した評価法であり、発光を
励起する試料と探針間のトンネル電流によるキャリアの
出入れが基本的に原子尺度の領域に限られるので、高空
間分解能での評価を実現できる。また、本手法で測定す
る発光信号はキャリアのプラズモンモードに起因してい
るため、少数キャリア注入時の再結合発光効率の低い、
例えば、Ｓｉなどの間接遷移型バンド構造を有する半導
体に対しても有効に作用する。さらに、プラズモンモー
ドは探針直下のナノメートルスケールの限られた領域の
みに励起されるため、少数キャリア再結合発光を測定す
る際に問題となるキャリア拡散による空間分解能低下を
回避できる利点がある。
【００１１】本発明の他の実施の形態は、試料と試料近
傍に配置した探針との間にトンネル電流を流す過程と、
試料からの発光信号を測定する過程とを含み、トンネル
電流は試料内の少数キャリアによって担われ、発光信号
は少数キャリアと試料内多数キャリアの再結合により生
じるものであり、探針は走査型トンネル顕微鏡の針であ
り、その発光強度が試料内のキャリア密度、あるいは、
発光強度が試料内のドーパント分布に対応する半導体評
価方法である。
傍に配置した探針との間にトンネル電流を流す過程と、
試料からの発光信号を測定する過程とを含み、トンネル
電流は試料内の少数キャリアによって担われ、発光信号
は少数キャリアと試料内多数キャリアの再結合により生
じるものであり、探針は走査型トンネル顕微鏡の針であ
り、その発光強度が試料内のキャリア密度、あるいは、
発光強度が試料内のドーパント分布に対応する半導体評
価方法である。
【００１２】この実施の形態によれば、トンネル電流と
して試料内に少数キャリアを注入し、試料内主キャリア
との再結合発光を測定することにより、直接試料内部の
キャリア数に比例した情報を得ることが可能となる。本
手法では測定がＳＴＭを利用した評価法であり、発光を
誘起する試料と探針間のトンネル電流によるキャリアの
出入れが基本的に原子尺度の領域に限られるので高空間
分解能での評価を実現できる。
して試料内に少数キャリアを注入し、試料内主キャリア
との再結合発光を測定することにより、直接試料内部の
キャリア数に比例した情報を得ることが可能となる。本
手法では測定がＳＴＭを利用した評価法であり、発光を
誘起する試料と探針間のトンネル電流によるキャリアの
出入れが基本的に原子尺度の領域に限られるので高空間
分解能での評価を実現できる。
【００１３】この点に関して本手法では、キャリア分布
を与える測定量は発光強度であり、探針位置制御量であ
る電流ではないので、表面凹凸に関係なく試料内部の注
入キャリアの侵入深さ程度のキャリア分布を測定するこ
とができる。そして、発光強度の観点から、試料により
前者の実施形態又は、後者の実施の形態を選択するのが
望ましい。
を与える測定量は発光強度であり、探針位置制御量であ
る電流ではないので、表面凹凸に関係なく試料内部の注
入キャリアの侵入深さ程度のキャリア分布を測定するこ
とができる。そして、発光強度の観点から、試料により
前者の実施形態又は、後者の実施の形態を選択するのが
望ましい。
【００１４】
【実施例】以下に、本発明に係わる半導体の評価装置と
その評価方法の具体例を図面を参照しながら詳細に説明
する。 （第１の具体例）図１は、本発明に係わる半導体の評価
装置とその評価方法の具体例の構造を示す図であって、
こらの図には、試料４の近傍に配置され、試料４との間
にトンネル電流２を流すための探針１と、このトンネル
電流２により試料４から得られる光５を集光する集光手
段６と、この集光された光５を検出する光検出手段７，
８とで構成した半導体の評価装置が示され、又、前記集
光手段は鏡を含む半導体の評価装置が示されている。
その評価方法の具体例を図面を参照しながら詳細に説明
する。 （第１の具体例）図１は、本発明に係わる半導体の評価
装置とその評価方法の具体例の構造を示す図であって、
こらの図には、試料４の近傍に配置され、試料４との間
にトンネル電流２を流すための探針１と、このトンネル
電流２により試料４から得られる光５を集光する集光手
段６と、この集光された光５を検出する光検出手段７，
８とで構成した半導体の評価装置が示され、又、前記集
光手段は鏡を含む半導体の評価装置が示されている。
【００１５】まず、図１でＳＴＭの概略構成について説
明する。探針１はピエゾ素子１１によって位置制御され
る。駆動電源３により試料４と探針１間に電圧が印加さ
れ又ピエゾ素子１１が制御される。探針１から試料４に
トンネル電流２が流れ、試料４中の主キャリアによる局
所プラズモンモードを誘起し、キャリア密度で決まるエ
ネルギーの発光５を放出する。発光５は赤外領域であ
り、光子のエネルギーも低く、放物面鏡６のようななる
べく集光立体角の大きな光学系を構築することが望まし
い。その後、分光器７により分光され、分光された光が
光検出器８で検出された後、電気信号に変換され電気回
路９によりそれぞれの強度が測定される。探針１を走査
することにより、電流計１２で測定されるトンネル電流
強度と同時に発光５の面内分布がＣＲＴ１０に表示され
る。また発光スペクトルのピークエネルギーの面内分布
からキャリアの面内分布が決定される。
明する。探針１はピエゾ素子１１によって位置制御され
る。駆動電源３により試料４と探針１間に電圧が印加さ
れ又ピエゾ素子１１が制御される。探針１から試料４に
トンネル電流２が流れ、試料４中の主キャリアによる局
所プラズモンモードを誘起し、キャリア密度で決まるエ
ネルギーの発光５を放出する。発光５は赤外領域であ
り、光子のエネルギーも低く、放物面鏡６のようななる
べく集光立体角の大きな光学系を構築することが望まし
い。その後、分光器７により分光され、分光された光が
光検出器８で検出された後、電気信号に変換され電気回
路９によりそれぞれの強度が測定される。探針１を走査
することにより、電流計１２で測定されるトンネル電流
強度と同時に発光５の面内分布がＣＲＴ１０に表示され
る。また発光スペクトルのピークエネルギーの面内分布
からキャリアの面内分布が決定される。
【００１６】図２に半導体ｐｎ接合を測定するための探
針１０１と試料１０３の配置図を示す。ｐｎ接合面の評
価を行う場合は、ｐｎ接合面を試料表面に垂直にした試
料を準備する必要がある。例えば、ＭＯＳトランジスタ
のソース・チャネル間のｐｎ接合部を測定したければテ
バイス断面を劈開などにより準備する。探針はタングス
テン（Ｗ）や白金（Ｐｔ）など通常用いられる金属探針
でよいが、銀（Ａｇ）など発光波長における電場増強効
果の大きい材料を用いることにより、信号強度を増大さ
せることが可能である。探針は試料表面上をトンネル電
流が一定になるよう高さ制御しながら走査する。測定す
る探針の各位置において同時に発光スペクトルを分光器
７により測定する。キャリア濃度が高い試料ほどプラズ
モンモードのエネルギーは大きくなり検出には有利であ
る。適用例として例えばＳｉ−ＭＯＳトランジスタのゲ
ート電極として使用されている高ボロンドープのポリシ
リコンが挙げられる。ゲート長が小さくなればなるほど
必要ドープ量は増加し、１０20ｃｍ-3台半ばにまで達す
る見込みで、このときプラズモンの固有エネルギーは
０．１ｅＶにまで達する。
針１０１と試料１０３の配置図を示す。ｐｎ接合面の評
価を行う場合は、ｐｎ接合面を試料表面に垂直にした試
料を準備する必要がある。例えば、ＭＯＳトランジスタ
のソース・チャネル間のｐｎ接合部を測定したければテ
バイス断面を劈開などにより準備する。探針はタングス
テン（Ｗ）や白金（Ｐｔ）など通常用いられる金属探針
でよいが、銀（Ａｇ）など発光波長における電場増強効
果の大きい材料を用いることにより、信号強度を増大さ
せることが可能である。探針は試料表面上をトンネル電
流が一定になるよう高さ制御しながら走査する。測定す
る探針の各位置において同時に発光スペクトルを分光器
７により測定する。キャリア濃度が高い試料ほどプラズ
モンモードのエネルギーは大きくなり検出には有利であ
る。適用例として例えばＳｉ−ＭＯＳトランジスタのゲ
ート電極として使用されている高ボロンドープのポリシ
リコンが挙げられる。ゲート長が小さくなればなるほど
必要ドープ量は増加し、１０20ｃｍ-3台半ばにまで達す
る見込みで、このときプラズモンの固有エネルギーは
０．１ｅＶにまで達する。
【００１７】図３に探針がｐ型領域上に位置したとき、
探針および試料の模式的なバンドダイアグラムを示す。
このとき表面にキャリアが蓄積するようにバイアスを印
加する。Ｓｉの場合であれば１．５〜２．０Ｖを試料を
正電圧になるように印加すればよい。この時、トンネル
電流によって局所プラズモンモードが励起される。図４
には平衡状態におけるｐｎ接合部のバンドダイアグラム
を示す。ｐ型層中には主キャリアとして価電子帯中にホ
ール１０４が、ｎ型層中には伝導帯中に電子１０５が存
在している。接合面付近にはイオン化したドーパントだ
け存在しており主キャリアは空乏化した空間電荷層があ
る。このとき、図３に示したようなバイアス条件で発光
信号の面内分布を測定すると、探針がｐ型領域上に位置
するとき強く信号が検出され、ｎ型層上に探針が位置す
ると試料表面深さ方向に空乏層が発生するため発光信号
は弱くなる。バイアス極性を反転すると、ｎ型層表面で
キャリア蓄積が起こるため、ｎ型層からの発光信号が増
大する。ｐｎ接合の空乏層にはキャリアが枯渇している
ため発光は起こらないから、上記バイアス極性を反転さ
せ得られた２つの分布において、発光の弱い部分が重な
っていれば、その領域が空間電荷層（空乏層）であり、
本手法によればその輻も決定することができる。
探針および試料の模式的なバンドダイアグラムを示す。
このとき表面にキャリアが蓄積するようにバイアスを印
加する。Ｓｉの場合であれば１．５〜２．０Ｖを試料を
正電圧になるように印加すればよい。この時、トンネル
電流によって局所プラズモンモードが励起される。図４
には平衡状態におけるｐｎ接合部のバンドダイアグラム
を示す。ｐ型層中には主キャリアとして価電子帯中にホ
ール１０４が、ｎ型層中には伝導帯中に電子１０５が存
在している。接合面付近にはイオン化したドーパントだ
け存在しており主キャリアは空乏化した空間電荷層があ
る。このとき、図３に示したようなバイアス条件で発光
信号の面内分布を測定すると、探針がｐ型領域上に位置
するとき強く信号が検出され、ｎ型層上に探針が位置す
ると試料表面深さ方向に空乏層が発生するため発光信号
は弱くなる。バイアス極性を反転すると、ｎ型層表面で
キャリア蓄積が起こるため、ｎ型層からの発光信号が増
大する。ｐｎ接合の空乏層にはキャリアが枯渇している
ため発光は起こらないから、上記バイアス極性を反転さ
せ得られた２つの分布において、発光の弱い部分が重な
っていれば、その領域が空間電荷層（空乏層）であり、
本手法によればその輻も決定することができる。
【００１８】又、ポリシリコンをゲート電極として用い
たＭＯＳトランジスタでは、微細化が進み、１０20ｃｍ
-3オーダーのボロンのドープが必要となり、ドーパント
をより効率よく活性化することが重要であるが、図５の
ような探針と試料の配置によって、ゲート電極のドーパ
ント活性化率を評価することが出来る。ポリシリコンは
多結晶体であるため、グレイン境界が全体の電気的特性
にどのような影響を及ぼしているかがしばしば問題とな
る。従来の抵抗測定等の電気特性評価ではグレイン境界
の情報だけを抽出することは非常に困難であるが、本手
法では探針直下のキャリア濃度によって決定される発光
スペクトルを測定するため、グレイン境界におけるキャ
リアの挙動も評価出来る。
たＭＯＳトランジスタでは、微細化が進み、１０20ｃｍ
-3オーダーのボロンのドープが必要となり、ドーパント
をより効率よく活性化することが重要であるが、図５の
ような探針と試料の配置によって、ゲート電極のドーパ
ント活性化率を評価することが出来る。ポリシリコンは
多結晶体であるため、グレイン境界が全体の電気的特性
にどのような影響を及ぼしているかがしばしば問題とな
る。従来の抵抗測定等の電気特性評価ではグレイン境界
の情報だけを抽出することは非常に困難であるが、本手
法では探針直下のキャリア濃度によって決定される発光
スペクトルを測定するため、グレイン境界におけるキャ
リアの挙動も評価出来る。
【００１９】また、半導体空乏層端を判別できることを
利用すると、図４のｐｎ接合間（面内方向）にバイアス
を印加する事により、発光信号分布から半導体中の空乏
層境界の動きを知ることができる。このとき試料面内の
電位が一定とならないので、まず図５の状態で発光像を
測定した後、ＳＴＭ像中の構造をマーカーとして、空乏
層境界部分のみを走査するように工夫する必要がある。
ｐｎ接合間のバイアスに対する空乏層境界位置の測定値
と、理論的に求められる境界位置とドーパント分布をパ
ラメータとしてフィッティングすることにより、ドーパ
ント分布を求めることができる。この測定は、いわゆる
容量−電圧測定（ＣＶ測定）を極微細構造中で可能にす
るものであり、ＤＲＡＭ中の微細ＭＯＳ接合など容量が
小さいためＣＶ測定が事実上不可能（容量が小さすぎ
る）な試料に対しても空乏層端位置を測定することによ
り、ＣＶ測定と同等の測定を可能にしている。
利用すると、図４のｐｎ接合間（面内方向）にバイアス
を印加する事により、発光信号分布から半導体中の空乏
層境界の動きを知ることができる。このとき試料面内の
電位が一定とならないので、まず図５の状態で発光像を
測定した後、ＳＴＭ像中の構造をマーカーとして、空乏
層境界部分のみを走査するように工夫する必要がある。
ｐｎ接合間のバイアスに対する空乏層境界位置の測定値
と、理論的に求められる境界位置とドーパント分布をパ
ラメータとしてフィッティングすることにより、ドーパ
ント分布を求めることができる。この測定は、いわゆる
容量−電圧測定（ＣＶ測定）を極微細構造中で可能にす
るものであり、ＤＲＡＭ中の微細ＭＯＳ接合など容量が
小さいためＣＶ測定が事実上不可能（容量が小さすぎ
る）な試料に対しても空乏層端位置を測定することによ
り、ＣＶ測定と同等の測定を可能にしている。
【００２０】このように、第１の具体例による半導体の
評価方法は、試料と試料近傍に配置した探針との間にト
ンネル電流を流し、前記試料内にプラズモンモードを誘
起させる段階と、前記試料からの発光を測定する段階と
を含むものであり、又、前記発光信号は前記試料内の主
キャリアが担うプラズモンモードに起因する発光信号で
あることを特徴とするものであり、又、前記発光信号の
強度が前記試料内のキャリア密度に対応することを特徴
とするものであり、又、前記発光信号の強度が前記試料
内のドーパント分布に対応することを特徴とするもので
ある。 （第２の具体例） 次に、図６（ａ）に基づき第２の具体例のＳＴＭの構成
について説明する。
評価方法は、試料と試料近傍に配置した探針との間にト
ンネル電流を流し、前記試料内にプラズモンモードを誘
起させる段階と、前記試料からの発光を測定する段階と
を含むものであり、又、前記発光信号は前記試料内の主
キャリアが担うプラズモンモードに起因する発光信号で
あることを特徴とするものであり、又、前記発光信号の
強度が前記試料内のキャリア密度に対応することを特徴
とするものであり、又、前記発光信号の強度が前記試料
内のドーパント分布に対応することを特徴とするもので
ある。 （第２の具体例） 次に、図６（ａ）に基づき第２の具体例のＳＴＭの構成
について説明する。
【００２１】探針２１はピエゾ素子３２によって位置制
御される。駆動電源２３により試料と探針間に印加され
る電圧やピエゾ素子が制御される。探針２１から試料２
４にトンネル電流２２として注入された少数キャリアは
再結合し試料のバンドギャップエネルギーの光を放出す
る。発光２５は集光レンズ２６で集光され、分光器２８
により検出波長が選択されて、光電子倍増管２９で検出
される。光電子増倍管２９からの電気信号は光子計数系
３０によって光子計数法により強度測定する。探針２１
を走査することにより、電流計３３で測定されるトンネ
ル電流強度と同時に発光の面内分布がＣＲＴ３１に表示
される。
御される。駆動電源２３により試料と探針間に印加され
る電圧やピエゾ素子が制御される。探針２１から試料２
４にトンネル電流２２として注入された少数キャリアは
再結合し試料のバンドギャップエネルギーの光を放出す
る。発光２５は集光レンズ２６で集光され、分光器２８
により検出波長が選択されて、光電子倍増管２９で検出
される。光電子増倍管２９からの電気信号は光子計数系
３０によって光子計数法により強度測定する。探針２１
を走査することにより、電流計３３で測定されるトンネ
ル電流強度と同時に発光の面内分布がＣＲＴ３１に表示
される。
【００２２】図６（ｂ）に半導体ｐｎ接合を測定するた
めの探針１０１と試料１０３の配置図を示す。ｐｎ接合
面の評価を行う場合は、ｐｎ接合面を試料表面に垂直に
した試料を準備する必要がある。例えば、ＭＯＳトラン
ジスタのソース・チャネル間のｐｎ接合部を測定したけ
ればデバイス断面を劈開などにより準備する。探針は試
料表面上を走査する。
めの探針１０１と試料１０３の配置図を示す。ｐｎ接合
面の評価を行う場合は、ｐｎ接合面を試料表面に垂直に
した試料を準備する必要がある。例えば、ＭＯＳトラン
ジスタのソース・チャネル間のｐｎ接合部を測定したけ
ればデバイス断面を劈開などにより準備する。探針は試
料表面上を走査する。
【００２３】図６（ｃ）に平衡状態におけるｐｎ接合部
のバンドダイアグラムを示す。ｐ型層中には主キャリア
として価電子帯中にホール２０４が、ｎ型層中には伝導
帯中に電子２０５が存在している。接合面付近にはイオ
ン化したドーパントだけ存在しており主キャリアは空乏
化した空間電荷層がある。測定は、まず図６（ａ）の分
光器２８により測定波長として測定温度におけるバンド
間遷移発光波長を選択する。試料伝導帯中にトンネル電
流として電子が注入される方向に、試料のバンドギャッ
プ程度の大きさのバイアスを印加する。
のバンドダイアグラムを示す。ｐ型層中には主キャリア
として価電子帯中にホール２０４が、ｎ型層中には伝導
帯中に電子２０５が存在している。接合面付近にはイオ
ン化したドーパントだけ存在しており主キャリアは空乏
化した空間電荷層がある。測定は、まず図６（ａ）の分
光器２８により測定波長として測定温度におけるバンド
間遷移発光波長を選択する。試料伝導帯中にトンネル電
流として電子が注入される方向に、試料のバンドギャッ
プ程度の大きさのバイアスを印加する。
【００２４】図７（ａ）に探針がｐ型層上に位置したと
きの探針および試料の模式的なバンドダイアグラムを示
す。図７（ｂ）に探針がｎ型層上に位置したときの模式
的なバンドダイアグラムを示す。ｐ型層上（主キャリア
であるホールが多く存在する領域上）に探針が位置した
とき注入された電子と試料内主キャリアのホールとが再
結合し強く発光がおこる。一方、ｎ型層や空乏層上に探
針が位置するときにはホールが少ないため再結合発光を
弱くなる。従ってこの状態で発光強度の面内分布を測定
することにより、ホール密度分布がわかる。
きの探針および試料の模式的なバンドダイアグラムを示
す。図７（ｂ）に探針がｎ型層上に位置したときの模式
的なバンドダイアグラムを示す。ｐ型層上（主キャリア
であるホールが多く存在する領域上）に探針が位置した
とき注入された電子と試料内主キャリアのホールとが再
結合し強く発光がおこる。一方、ｎ型層や空乏層上に探
針が位置するときにはホールが少ないため再結合発光を
弱くなる。従ってこの状態で発光強度の面内分布を測定
することにより、ホール密度分布がわかる。
【００２５】逆に試料価電子帯中にホールを注入するバ
イアス条件下ではｎ型層で電子が存在する領域上に探針
が位置したとき発光が強くなり、伝導電子密度分布を測
定することができる。さらに上記バイアス極性を反転さ
せ得られた２つの分布において、発光の弱い部分が重な
っていれば、その領域が空間電荷層（空乏層）であり、
本手法によればその輻も決定することができる。また以
上の２つの分布を測定温度で理論的に期待されるキャリ
ア分布と比較することによりキャリア源として寄与して
いるドーパントの分布も求めることが可能である。
イアス条件下ではｎ型層で電子が存在する領域上に探針
が位置したとき発光が強くなり、伝導電子密度分布を測
定することができる。さらに上記バイアス極性を反転さ
せ得られた２つの分布において、発光の弱い部分が重な
っていれば、その領域が空間電荷層（空乏層）であり、
本手法によればその輻も決定することができる。また以
上の２つの分布を測定温度で理論的に期待されるキャリ
ア分布と比較することによりキャリア源として寄与して
いるドーパントの分布も求めることが可能である。
【００２６】このように、第２の具体例による半導体の
評価装置は、試料の近傍に配置され、試料との間にトン
ネル電流を流すための探針と、このトンネル電流により
試料から得られる光を集光する集光手段と、この集光さ
れた光を検出する光検出手段とで構成したことを特徴と
するものであり、又、前記集光手段はレンズを含むこと
を特徴とするものであり、又、前記トンネル電流は前記
試料内の少数キャリアによって担われることを特徴とす
るものであり、又、前記発光信号は前記少数キャリアと
試料内の多数キャリアとの再結合により生じたものであ
ることを特徴とするものである。
評価装置は、試料の近傍に配置され、試料との間にトン
ネル電流を流すための探針と、このトンネル電流により
試料から得られる光を集光する集光手段と、この集光さ
れた光を検出する光検出手段とで構成したことを特徴と
するものであり、又、前記集光手段はレンズを含むこと
を特徴とするものであり、又、前記トンネル電流は前記
試料内の少数キャリアによって担われることを特徴とす
るものであり、又、前記発光信号は前記少数キャリアと
試料内の多数キャリアとの再結合により生じたものであ
ることを特徴とするものである。
【００２７】この具体例による半導体の評価方法は、こ
の装置を用いる評価方法である。そして、発光強度の観
点から、試料により、第１の具体例又は、第２の具体例
を選択するのが望ましい。
の装置を用いる評価方法である。そして、発光強度の観
点から、試料により、第１の具体例又は、第２の具体例
を選択するのが望ましい。
【００２８】
【発明の効果】本発明に係る半導体評価方法とその装置
は、上述のように構成したので、従来の手法で困難であ
ったナノメータスケールの高空間分解能で非破壊的に半
導体中のキャリア分布及びドーパント分布を測定でき
る。
は、上述のように構成したので、従来の手法で困難であ
ったナノメータスケールの高空間分解能で非破壊的に半
導体中のキャリア分布及びドーパント分布を測定でき
る。
【図１】ＳＴＭを用いたトンネル電流誘起発光測定によ
る半導体中キャリアおよびドーパント分布測定原理の概
略図である。
る半導体中キャリアおよびドーパント分布測定原理の概
略図である。
【図２】試料として表面に垂直方向に接合面のあるｐｎ
接合を試料とした場合の具体例を説明する図である。
接合を試料とした場合の具体例を説明する図である。
【図３】探針がｐ型層上に位置させ、ホールによるプラ
ズモンを励起する実験時の探針と試料のポテンシャルダ
イアグラムである。
ズモンを励起する実験時の探針と試料のポテンシャルダ
イアグラムである。
【図４】平衡状態にあるｐｎ接合の模式的なポテンシャ
ルダイアグラムである。
ルダイアグラムである。
【図５】ＭＯＳトランジスタのポリシリコンゲート電極
を本手法で評価する場合を説明する図である。
を本手法で評価する場合を説明する図である。
【図６】本発明に係る第２の具体例を説明する図であ
る。
る。
【図７】本発明に係る第２の具体例を説明する試料のポ
テンシャルダイアグラムである。
テンシャルダイアグラムである。
１、２１ 探針 ２、２２ トンネル電流 ３、２３ 駆動電源 ４、２４ 試料 ５、２５ 発光 ６ ミラー ７、２８ 分光器 ８、２９ 光検出器 ３０ 光子計数系 １０、３１ ＣＲＴ １１、３２ ピエゾ素子 １２、３３ 電流計 ２６ 集光レンズ ２７ レンズ １０１ ＳＴＭ探針 １０２ トンネル電流 １０３ 試料 １０４、２０４ ｐ型層中の価電子帯に存在するホー
ル １０５、２０５ ｎ型層中の伝導帯中に存在する電子 １０６、２０６ トンネル電子 １０７ 試料中主キャリアが形成するプラズ
モンモードによる発光 １０８ バイアス電源 １０９ ゲート電極（ポリシリコン）
ル １０５、２０５ ｎ型層中の伝導帯中に存在する電子 １０６、２０６ トンネル電子 １０７ 試料中主キャリアが形成するプラズ
モンモードによる発光 １０８ バイアス電源 １０９ ゲート電極（ポリシリコン）
Claims (10)
- 【請求項１】 試料の近傍に配置され、試料との間にト
ンネル電流を流すための探針と、このトンネル電流によ
り試料から得られる光を集光する集光手段と、前記集光
手段で集められた前記試料からのキャリア密度に対応し
た発光波長を測定する分光器とで構成したことを特徴と
する半導体評価装置。 - 【請求項２】 前記集光手段は、鏡を含むことを特徴と
する請求項１記載の半導体評価装置。 - 【請求項３】 前記集光手段は、レンズを含むことを特
徴とする請求項１記載の半導体評価装置。 - 【請求項４】 前記探針は、走査型トンネル顕微鏡の針
であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に
記載の半導体評価装置。 - 【請求項５】 前記トンネル電流は、前記試料内の少数
キャリアによって担われることを特徴とする請求項１乃
至４の何れか一項に記載の半導体評価装置。 - 【請求項６】 前記光は、前記少数キャリアと試料内の
多数キャリアとの再結合により生じたものであることを
特徴とする請求項５記載の半導体評価装置。 - 【請求項７】 試料と試料近傍に配置した探針との間に
トンネル電流を流し、前記試料内にプラズモンモードを
誘起させ、前記試料からのキャリア密度に対応した発光
波長を測定することで、半導体を評価することを特徴と
する半導体の評価方法。 - 【請求項８】 前記発光は、前記試料内の主キャリアが
担うプラズモンモードに起因する発光であることを特徴
とする請求項７記載の半導体の評価方法。 - 【請求項９】 前記トンネル電流は、前記試料内の少数
キャリアによって担われることを特徴とする請求項７記
載の半導体の評価方法。 - 【請求項１０】 前記発光は、前記少数キャリアと試料
内の多数キャリアとの再結合により生じたものであるこ
とを特徴とする請求項９記載の半導体の評価方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10169804A JP3123514B2 (ja) | 1998-06-17 | 1998-06-17 | 半導体の評価装置とその評価方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10169804A JP3123514B2 (ja) | 1998-06-17 | 1998-06-17 | 半導体の評価装置とその評価方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000012636A JP2000012636A (ja) | 2000-01-14 |
| JP3123514B2 true JP3123514B2 (ja) | 2001-01-15 |
Family
ID=15893213
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10169804A Expired - Fee Related JP3123514B2 (ja) | 1998-06-17 | 1998-06-17 | 半導体の評価装置とその評価方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3123514B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109239023A (zh) * | 2018-08-28 | 2019-01-18 | 西安工业大学 | 一种基于自由载流子吸收成像的半导体材料特性测量方法 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5929293B2 (ja) * | 2012-02-20 | 2016-06-01 | 株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス | 検査装置および検査方法 |
-
1998
- 1998-06-17 JP JP10169804A patent/JP3123514B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109239023A (zh) * | 2018-08-28 | 2019-01-18 | 西安工业大学 | 一种基于自由载流子吸收成像的半导体材料特性测量方法 |
| CN109239023B (zh) * | 2018-08-28 | 2020-11-17 | 西安工业大学 | 一种基于自由载流子吸收成像的半导体材料特性测量方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000012636A (ja) | 2000-01-14 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |