JP3816224B2 - Ｂｅｅｍ測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超高真空中で作製した試料のＢＥＥＭ（弾道電子放射顕微鏡:Ballistic Electron Emission Microscopy)観察を、試料の作製から真空を破ることなく、超高真空中で実施することを可能にしたＢＥＥＭ測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属−半導体（ＭＳ）接合および金属−絶縁体−半導体（ＭＩＳ）接合は、大規模集積回路（ＵＬＳＩ）の性能に影響する重要な構成要素であるばかりでなく、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）やダイヤモンドなどの新しい半導体材料にとっても重要な研究テーマである。
【０００３】
例えば、金属と半導体との接合界面には、電位障壁いわゆるショットキー障壁が生じることが知られている。このショットキー障壁は整流作用を有し、この整流作用を示すＭＳ接合いわゆるショットキー接合は、ショットキーバリヤダイオードなどとして利用されており、半導体素子の基本となるものである。また、絶縁体を介在させた金属と半導体との接合は、いわゆるＭＩＳ接合に基く電位障壁高さを有しており、それに基づいてショットキーゲートトランジスタなどの機能素子に適用されている。
【０００４】
ＭＳ接合やＭＩＳ接合においては、まずそれらが有する電位障壁を制御することが素子の設計、作製上重要であるが、障壁の形成機構は統一的な理解がまだなされておらず、現状のＭＳ接合やＭＩＳ接合を有する電子素子は、それらの界面の総体的なポテンシャル障壁を利用しているにすぎない。例えば、単に界面のショットキー障壁などを制御するだけでなく、ナノレベルの領域で障壁高さが異なる界面を存在させることができれば、ナノレベルでの半導体素子の微細化、さらには新たな機能素子への応用展開を図ることが可能となることが予想される。
【０００５】
しかし、従来のショットキー障壁の測定は、あくまでＭＳ接合やＭＩＳ接合の測定接合領域内のショットキー障壁高さが同一であることを前提としており、測定領域内で平均化された情報しか得られていない。これは従来の電気的・光学的な測定手法の空間分解能に制約があるためである。このような従来のショットキー障壁の測定結果では、到底ナノレベルの領域での界面制御などを達成することはできないため、ナノメートルの空間分解能を備えた界面電子物性評価技術の確立が強く望まれている。
【０００６】
一方、このような要望に答える技術として、最近、弾道電子放射顕微鏡(Ballistic Electron Emission Microscopy:ＢＥＥＭ）が注目されている。ＢＥＥＭは走査トンネル顕微鏡(Scanning Tunneling Microscopy：ＳＴＭ）から派生した技術であり、ＭＳ接合界面やＭＩＳ接合界面のショットキー障壁高さをナノメートルの空間分解能で評価することが可能な技術である。
【０００７】
すなわち、図１３に示すように、探針（ＳＴＭチップ）ｔから金属膜Ｍの表面にトンネルした電子のうち、一部は金属膜Ｍ中で散乱されることなく、エネルギーを保ったまま界面に到達する。この電子を弾道電子(Ballistic Electron)と呼ぶ。弾道電子の一部は、さらに界面の障壁をトンネルして半導体Ｓに侵入する。この電子による電流は、ＢＥＥＭ電流と呼ばれ（ショットキー電流もしくはコレクター電流とも呼ぶ）、弾道電子のエネルギー、ショットキー障壁高さ、金属膜Ｍの膜厚、表面のモホロジーなどの関数である。特に、弾道電子が十分に界面に到達する条件では、ＢＥＥＭ電流はショットキー障壁高さ付近から急激に増加する。従って、この立ち上がりを測定することによって、その場所でのショットキー障壁高さを知ることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＢＥＥＭはＢＥＥＭ電流の測定のみに着目されており、金属膜の成膜段階からの制御などについては考慮されていない。
【０００９】
例えば、分子線エピタキシー法(Molecular Beam Epitaxy Method：ＭＢＥ法）などの超高真空中で成膜する際の基板温度や蒸着速度などを制御することが可能な成膜方法で、清浄な半導体基板上に金属膜などを成膜したとしても、ＢＥＥＭ観察を実施する以前に大気雰囲気などを経ると、酸素、水、有機物などの不純物が吸着する。これら不純物は表面・界面の測定や制御を妨げるため、ナノメートルの領域で界面電子物性を正確に測定、評価することができなくなる。
【００１０】
また、ＢＥＥＭ電流を測定するにあたっては、半導体基板および金属膜の双方に電極を取り付ける必要がある。この電極の取り付けも界面電子物性の正確な測定、評価を困難にさせている。
【００１１】
上述したように、ＭＳ接合やＭＩＳ接合のポテンシャル障壁を制御することにより、均一なポテンシャル障壁を有する界面を作製すると共に、ナノレベルの領域でポテンシャル障壁の異なる界面を共存させることができれは、ナノレベルでの半導体素子の微細化、さらにはメゾスコピック素子などの新たな機能素子への応用展開を図ることが可能となることが予想される。このようなナノレベルでの半導体素子の微細化や新たな機能素子を実現する上で、ＭＳ接合やＭＩＳ接合の界面電子物性をナノメートルの空間分解能で正確にかつ容易に測定、評価することを可能にした技術が強く望まれている。
【００１２】
本発明は、このような課題に対処するためになされたもので、ＢＥＥＭ測定用試料の作製からＢＥＥＭ観察までを一括して制御すると共に、ＭＳ接合やＭＩＳ接合のＢＥＥＭ電流をナノメートルの空間分解能で正確にかつ容易に測定、評価することを可能にしたＢＥＥＭ測定装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のＢＥＥＭ測定装置は、試料ホルダに保持された半導体基板上に、真空雰囲気下で直接もしくは中間層を介して金属膜を形成するＢＥＥＭ試料作製手段と、前記金属膜から前記半導体基板に流れるＢＥＥＭ電流を真空雰囲気下で測定するＢＥＥＭ手段と、前記試料ホルダに保持された前記金属膜を有する半導体基板を、真空雰囲気下で前記ＢＥＥＭ試料作製手段から前記ＢＥＥＭ手段まで搬送する搬送路と、前記搬送路内において、前記試料ホルダを固定するバネ状部材、前記半導体基板に第１の電極を接触させるバネ弾性を有する第１の電極部材、および前記金属膜にＡｕまたはＰｔからなる接触部を有する第２の電極を 5N 以下の圧力で接触させるバネ弾性を有する第２の電極部材とを備えるＢＥＥＭ用ホルダに、前記金属膜を有する半導体基板を保持する前記試料ホルダを前記バネ状部材で固定すると同時に、前記半導体基板および前記金属膜それぞれにＢＥＥＭ電流測定用の前記第１および第２の電極を電気的に接続させる手段とを具備し、前記ＢＥＥＭ試料作製手段から前記搬送路を介して前記ＢＥＥＭ手段までが1×10-7Pa以下の真空雰囲気に保たれていることを特徴としている。
【００１４】
本発明のＢＥＥＭ測定装置において、さらに前記電極を接続する手段は、前記試料ホルダが前記ＢＥＥＭ用ホルダに固定されるまで、前記第２の電極部材を保持するフックと、前記第２の電極部材を前記フックから解放して、前記金属膜に前記第２の電極を接続させる手段とを具備することを特徴としている。
【００１５】
さらに、本発明のＢＥＥＭ測定装置において、前記ＢＥＥＭ試料作製手段としては例えば分子線エピタキシー法による成膜装置が用いられる。
【００１６】
本発明のＢＥＥＭ測定装置は、真空搬送路を介して接続されたＢＥＥＭ試料作製手段とＢＥＥＭ手段とを有し、かつＢＥＥＭ試料作製手段から搬送路を介してＢＥＥＭ手段までが 1×10-7Pa以下の真空雰囲気に保たれている。さらに、従来ＢＥＥＭの正確な測定、評価を困難にさせていた半導体基板および金属膜の双方への電極の取り付けについても、ＢＥＥＭ試料作製手段からＢＥＥＭ手段への真空搬送経路で実施している。
【００１７】
このような本発明のＢＥＥＭ測定装置によれば、ＢＥＥＭ試料の作製からＢＥＥＭ観察までを、酸素、水、有機物などの表面・界面の測定や制御を妨げる不純物を吸着させることなく、高真空雰囲気中で実施することができる。従って、ナノメートルの空間分解能でＭＳ接合やＭＩＳ接合のＢＥＥＭ電流、さらには界面電子物性を正確にかつ容易に測定、評価することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
【００１９】
図１は本発明のＢＥＥＭ測定装置の一実施形態の要部構造を示す平面図である。同図に示すＢＥＥＭ測定装置は、超高真空雰囲気とすることが可能な試料搬送路１を具備している。試料搬送路１は、主搬送路１Ａと副搬送路１Ｂとを有している。これら搬送路１Ａ、１Ｂはそれぞれ真空チャンバを有し、これら真空チャンバ内に試料の搬送機構が配置されている。主搬送路１Ａでは例えばラックピニオン機構を有する搬送機構が用いられる。
【００２０】
主搬送路１Ａの一方の端部側には、ゲートバルブ２を介して、ロードロック室３が設けられている。ロードロック室３は大気開放可能とされており、このロードロック室３から成膜・測定試料としての半導体基板が搬入される。この半導体基板は、後に詳述する試料ホルダに固定された状態で搬入される。
【００２１】
主搬送路１Ａには、それぞれゲートバルブ４、５を介して、ＢＥＥＭ試料作製手段としての超高真空成膜装置６と、超高真空ＢＥＥＭ（ＵＨＶ−ＢＥＥＭ）装置７とが接続されている。ＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７は、具体的には副搬送路１Ｂを介して主搬送路１Ａに接続されており、副搬送路１ＢとＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７との間にゲートバルブ５が介挿されている。搬送路１Ａ、１Ｂの真空チャンバと超高真空成膜装置６およびＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７とは、振動の伝達を遮断するために、ベローズ管で結合されている。
【００２２】
これら搬送路１Ａ、１Ｂ、超高真空成膜装置６およびＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７は、図示を省略したイオンポンプのような真空排気装置を有しており、これらにより 1×10-7Pa以下の真空雰囲気が保たれている。すなわち、ロードロック室３から成膜・測定試料としての半導体基板が搬入され後は、超高真空成膜装置６による金属膜などの成膜からＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７でのＢＥＥＭ観察までの全ての工程（搬送工程を含む）を、 1×10-7Pa以下の超高真空中で実施することが可能とされている。全工程の雰囲気が 1×10-7Paを超えると、雰囲気中からの不純物の吸着によって、正確なＢＥＥＭ観察が困難となる。具体的な装置全体としての背圧としては、例えば 2×10-8Pa程度に設定される。
【００２３】
超高真空成膜装置６としては、例えば超高真空中で成膜する際の基板温度や蒸着速度などの制御性に優れた分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を適用した成膜装置が用いられる。なお、本発明のＢＥＥＭ測定装置におけるＢＥＥＭ試料作製手段は、ＭＢＥ成膜装置に限られるものではなく、測定・評価試料に応じて種々の成膜装置を適用することが可能である。
【００２４】
主搬送路１Ａのロードロック室３側に接続されている超高真空成膜装置６には、ロードロック室３から搬入された半導体基板が第１の真空マグネットローダ８によりセットされる。この際、図２に示すように、成膜・測定試料としての半導体基板９は試料ホルダ１０に保持された状態で搬送される。
【００２５】
図２に示す試料ホルダ１０は、Ｔａなどの高融点金属からなるホルダ本体１１と、半導体基板９を上下から挟持する例えばアルミナからなる耐熱性絶縁部材１２、１３と、これら耐熱性絶縁部材１２、１３を固定するビス１４とを有している。半導体基板９は、ホルダ本体１１に接合固定された下側の耐熱性絶縁部材１２上に載置され、その上に上側の耐熱性絶縁部材１３を配置した後に、ビス１４を締め付けることによって、ホルダ本体１１とは絶縁された状態で試料ホルダ１０に保持されている。なお、図中１５はチャッキング用の穴である。
【００２６】
ＭＢＥ成膜装置などの超高真空成膜装置６で半導体基板９上に金属膜などを成膜してＢＥＥＭ測定試料を作製するにあたって、半導体基板９を保持した試料ホルダ１０は図３に示すように、ＭＢＥ用サセプタ１６に固定した状態でＭＢＥ成膜装置（６）内にセットされる。試料ホルダ１０はＭＢＥ用サセプタ１６に設置された板バネ１７により固定されている。
【００２７】
なお、ＭＢＥ用サセプタ１６は、図示を省略したが、Ｔａなどの高融点金属からなるマスク材を有しており、このマスク材により半導体基板９の所定の位置に金属膜が成膜されてＢＥＥＭ測定試料が作製される。図３は半導体基板９の所定の位置に、例えば直径 1.5mm程度の大きさを有する金属膜１８が成膜された状態を示している。
【００２８】
ＢＥＥＭ測定試料は、上記したように半導体基板９の所定の位置に少なくとも金属膜１８を形成したものであり、この場合には金属−半導体（ＭＳ）接合を有するＢＥＥＭ測定試料となる。ＢＥＥＭ測定試料はＭＳ接合を有するものに限らず、金属−絶縁体−半導体（ＭＩＳ）接合を有するものであってもよい。ＭＩＳ接合を有するＢＥＥＭ測定試料は、金属膜１８の形成に先立って、半導体基板９上に絶縁膜を中間層として成膜することにより得られる。さらに、中間層は絶縁層に限らず、半導体基板９とは異なる半導体や金属膜１８とは異なる金属であってもよい。このような中間層を有するＢＥＥＭ測定試料は、それぞれの界面に応じた試料として使用される。
【００２９】
ここで、金属膜１８の材質は特に限定されるものではなく、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌなどの各種の単体金属、あるいは合金などが使用される。また、金属膜１８の厚さは20nm以下とすることが好ましい。金属膜１８の厚さがあまり厚いと、中間層の存在の有無にかかわらず、金属−半導体の接合界面に弾道電子を注入した際に、半導体基板９に流れるＢＥＥＭ電流（ショットキー電流／コレクタ電流）が小さくなりすぎ、ＢＥＥＭ電流の測定および制御が困難となる。
【００３０】
半導体基板９と金属膜１８との界面は、半導体基板９の初期表面を制御すると共に、金属膜１８の形成を原子レベルで制御することによって、実質的に均一なポテンシャル障壁を有する界面とすることができる。例えば、単結晶半導体基板９の表面は、注意深く処理することにより、表面準位密度の低減と原子レベルでの表面平坦化が可能である。このような表面を有する半導体基板９上に、例えば超高真空ＭＢＥ法で金属膜１８を形成することによって、実質的に均一なポテンシャル障壁を有する界面が得られる。ＭＳ接合界面に中間層を介在させる場合についても同様である。
【００３１】
また、中間層の構成材料としては、絶縁体、金属膜１８とは異なる金属、または半導体基板９とは異なる半導体を使用することができる。中間層には、絶縁体や異種の金属または半導体からなる第３の物質を積極的に介在させたもの以外に、金属膜１８と半導体基板９との反応層などを利用することもできる。このような中間層の厚さは10nm以下とすることが好ましい。
【００３２】
中間層は金属−半導体接合界面に部分的に設けてもよい。このような中間層の形状は、半導体基板表面のテラスなどを利用することによって、所望のパターンに応じた形状とすることができる。すなわち、厚さ10nm以下の中間層は、例えば単結晶半導体基板の平坦なテラスを利用することによって、最大径が例えば 1〜 100nm程度の島状体として形成することができる。あるいは、ステップに沿って幅が例えば 1〜 100nm程度の帯状体として形成することができる。特定のテラスのみを覆うように、中間層を形成することも可能である。
【００３３】
上述したように、ＭＢＥ成膜装置などの超高真空成膜装置６で半導体基板９上に金属膜１８（中間層を介在させる場合を含む）を形成したＢＥＥＭ測定試料は、真空雰囲気が維持された主搬送路１Ａに引き出された後、主搬送路１ＡによりＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７側に搬送される。ＢＥＥＭ測定試料の取り出しからＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７側への搬送は超高真空中で実施される。
【００３４】
具体的には、ＭＢＥ用サセプタ１６に固定された状態の試料ホルダ１０（ＢＥＥＭ測定試料を含む）は、主搬送路１Ａの副搬送路１Ｂ側の端部まで真空雰囲気中を搬送される。この主搬送路１Ａの副搬送路１Ｂ側の端部において、試料ホルダ１０は第２の真空マグネットローダ１９によりＭＢＥ用サセプタ１６から引き抜かれる。なお、試料ホルダ１０のみを搬送するようにしてもよい。
【００３５】
一方、副搬送路１Ｂでは第３の真空マグネットローダ２０によりＢＥＥＭ用ホルダが供給され、図４に示すように、ＢＥＥＭ用ホルダ２１にＢＥＥＭ測定試料（金属膜（含中間層）１８を有する半導体基板９）を保持する試料ホルダ１０が固定される。
【００３６】
試料ホルダ１０は、図４の矢印方向からＢＥＥＭ用ホルダ２１に差し込まれる。試料ホルダ１０は、図５に示すように、試料ホルダ１０のホルダ本体１１を受け台２２と板バネなどからなるバネ状部材２２との間に差し込むことによつて、ＢＥＥＭ用ホルダ２１に固定される。バネ状部材２２を利用することにより、試料ホルダ１０のＢＥＥＭ用ホルダ２１への脱着が容易になる。
【００３７】
上記したＢＥＥＭ用ホルダ２１への試料ホルダ１０の固定と同時に、ＢＥＥＭ測定試料の半導体基板９および金属膜１８の双方にＢＥＥＭ電流測定用の電極が電気的に接続される。すなわち、ＢＥＥＭ電流の測定にあたっては、図６に示すように、半導体基板９に電極２４を接続（オーミック接続）させると共に、金属膜１８に電極２４を接続させる必要がある。そして、探針（ＳＴＭチップ）２６から金属膜１８にトンネル電流を流すことによって、ＢＥＥＭ電流が測定される。なお、図中２７は中間層を示している。
【００３８】
この実施形態のＢＥＥＭ測定装置においては、電極２４、２５の具体的な接続に図７に示すような機構が用いられている。なお、図７はＢＥＥＭ用ホルダ２１の要部とＢＥＥＭ測定用試料としての半導体基板９のみを示している。
【００３９】
すなわち、半導体基板９側の第１の電極２４は、上方に向けてバネ弾性を示す電極部材２４ａを有しており、試料ホルダ１０をＢＥＥＭ用ホルダ２１に差し込むと同時に、半導体基板９に第１の電極２４が接続（オーミック接続）される。第１の電極２４の半導体基板９との接触部２４ｂは、例えばＡｕやＰｔのような表面酸化しづらいと共に軟質な金属により構成されている。このような接触部２４ｂにより、半導体基板９と第１の電極２４との良好なオーミック接続が実現される。
【００４０】
一方、金属膜１８側の第２の電極２５は、下方に向けてバネ弾性を示す電極部材２５ａを有している。ここで、図８に示すように、第２の電極２５は試料ホルダ１０がＢＥＥＭ用ホルダ２１に固定されるまで、フック２８により保持されており、第１の電極２４と第２の電極２５との間には半導体基板９の挿入空間が形成されている。そして、試料ホルダ１０をＢＥＥＭ用ホルダ２１に差し込むと同時に、第２の電極２５はフック２８から解放され、バネ弾性を有する電極部材２５ａにより金属膜１８に第２の電極２５が接続される。
【００４１】
また、第２の電極２５の金属膜１８との接触部２５ｂは、例えばＡｕやＰｔのような表面酸化しづらいと共に軟質な金属により構成されていると共に、電極部材２５ａによる金属膜１８に対する接触部２５ｂの接触圧が5N以下に調整されている。このように、第２の電極２５の接触部をＡｕやＰｔなどで構成することによって、小さい接触圧で良好な電気的な接続を得ることが可能となる。第２の電極２５の接触圧が大きいと、例えば厚さが20nm以下というような金属膜１８を破壊してしまい、ＢＥＥＭ測定試料として機能しなくなってしう。一方、接触部２５ｂを硬質金属で構成すると、5N以下というような接触圧では良好な電気的な接続を得ることができない。
【００４２】
第１の電極２４および第２の電極２５は、それぞれＢＥＥＭ用ホルダ２１をＢＥＥＭ装置に固定する翼部材２９、３０と電気的に接続されており、これら翼部材２９、３０を介してＢＥＥＭ装置側の電極と電気的に接続される。
【００４３】
上述したように、ＢＥＥＭ測定試料（金属膜（含中間層）１８を有する半導体基板９）を保持する試料ホルダ１０を、ＢＥＥＭ用ホルダ２１に固定すると同時に、半導体基板９および金属膜１８の双方にＢＥＥＭ電流測定用の電極２４、２５を電気的に接続した後、ＢＥＥＭ用ホルダ２１はＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７の試料準備室７ａを介して、第４の真空マグネットローダ３１によりＢＥＥＭ測定室７ｂに搬送される。ここで、ＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７はＢＥＥＭ観察手段と共にＳＴＭ観察手段を有している。
【００４４】
ＢＥＥＭ測定室７ｂにおいて、図６に示したように、探針（ＳＴＭチップ）２６から金属膜１８にトンネル電流を流すと、金属膜１８の表面に到達した電子のうち、金属膜１８内で散乱されることなく界面に到達した電子（弾道電子）の一部が金属−半導体界面の電位障壁、いわゆるショットキー障壁を超えてＢＥＥＭ電流（ショットキー電流もしくはコレクタ電流）として半導体基板９に流れる。弾道電子が十分に界面に到達する条件では、探針２６に印加した電圧に対してショットキー障壁高さ付近からＢＥＥＭ電流が急激に増加する。このようなＢＥＥＭ電流の変化（ＢＥＥＭスペクトル）に基づいて、その場所でのＭＳ接合やＭＩＳ接合のショットキー障壁高さを測定、評価する。
【００４５】
例えば、ＭＩＳ接合はそれに基くショットキー障壁高さを有している。このＭＩＳ接合に基くショットキー障壁高さが弾道電子のエネルギーより小さい場合にはＢＥＥＭ電流が流れるが、それより大きい場合には中間層としての絶縁層（Ｉ）が弾道電子を散乱することによって、ＢＥＥＭ電流は流れない。一方、ＭＳ接合はそれに基くショットキー障壁高さを有している。このＭＳ接合のショットキー障壁高さはＭＩＳ接合に比べて十分に小さいため、ＭＩＳ接合ではトンネルできない弾道電子であっても、ショットキー障壁高さに応じたＢＥＥＭ電流として半導体基板９に流れる。このようなＢＥＥＭ電流の測定結果に基づいて、ＭＳ接合やＭＩＳ接合のショットキー障壁高さをナノメートルの空間分解能で測定、評価することができる。
【００４６】
上述した実施形態のＢＥＥＭ測定装置においては、ＢＥＥＭ試料作製手段としての超高真空成膜装置６とＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７とが、高真空雰囲気とすることが可能な試料搬送路１により接続されていると共に、超高真空成膜装置６からＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７までが 1×10-7Pa以下の真空雰囲気に保たれている。そして、ロードロック室３から成膜・測定試料としての半導体基板９が搬入された後は、成膜からＢＥＥＭ測定までの全工程が超高真空雰囲気中で実施される。従って、表面・界面の測定や制御の妨げとなる雰囲気からの酸素、水、有機物などの吸着は大幅に軽減され、これによってＭＳ接合やＭＩＳ接合のＢＥＥＭ電流を正確に測定、評価することが可能となる。
【００４７】
また、従来ＢＥＥＭの正確な測定、評価を困難にさせていた半導体基板９および金属膜１８の双方への電極の取り付けについても、高真空雰囲気とすることが可能な試料搬送路１で実施される。従って、電極の接続に伴う工数を削減することができる上に、電極の接続による試料表面や界面の汚染などを有効に防止することが可能となる。これもＢＥＥＭ電流の測定、評価の正確性の向上に大きく寄与する。
【００４８】
このようなＢＥＥＭ測定装置によれば、各種試料のＭＳ接合やＭＩＳ接合のＢＥＥＭ電流を正確にかつ容易に測定、評価することができ、これに基づいて各界面のショットキー障壁高さ、さらには界面電子物性をナノメートルの空間分解能で正確に測定、評価することが可能となる。また、このような本発明のＢＥＥＭ測定装置は、ＭＳ接合やＭＩＳ接合を有する超高集積素子、またショットキー電流やショットキー障壁高さが異なる複数の領域をナノレベルで複合した電子素子、さらには新たな機能素子の開発などに大きく貢献する。
【００４９】
次に、上述した実施形態のＢＥＥＭ測定装置の使用例について述べる。
【００５０】
Ｓｉ(111)-(7×7)基板の表面を (111)面に対して 3°の角度で研磨した。このＳｉ(111) 基板を試料ホルダ１０にセットした後、ＢＥＥＭ測定装置にロードロック室３から搬入する。装置全体の背圧は 2×10-8Pa以下とした。
【００５１】
ＢＥＥＭ測定装置において、まずＭＢＥ成膜装置６でＳｉ(111) 基板の清浄な傾斜面（研磨面）上にはＣａＦ膜が約 1ＭＬに相当する量で成膜され、次いで ＣａＦ2 膜が平均として約 1ＭＬに相当する量で成膜される。これらＣａＦ膜およびＣａＦ2 膜の成膜は、Ｓｉ(111) 基板を約 700℃に加熱して実施した。次に、基板温度を室温まで下げた後、Ａｕ膜が約50ＭＬに相当する量で成膜される。
【００５２】
成膜が終了したＳｉ(111) 基板は、試料ホルダ１０に保持された状態でＭＢＥ成膜装置６から主搬送路１Ａに引き出され、主搬送路１Ａの他方の端部側まで搬送される。ここで、試料ホルダ１０がＢＥＥＭ用ホルダ２１に固定されると同時に、Ｓｉ(111) 基板およびＡｕ膜の双方にＢＥＥＭ電流測定用の電極が電気的に接続される。
【００５３】
ＢＥＥＭ用ホルダ２１は、ＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７の試料準備室７ａを介してＢＥＥＭ測定室７ｂに搬送され、ここでＢＥＥＭ観察およびＳＴＭ観察が行われる。各層の成膜からＳＴＭ、ＢＥＥＭ観察まで、 2×10-8Pa以下の超高真空雰囲気中で実施される。
【００５４】
図９および図１０は同じ場所のＳＴＭ像の模式図（図９）およびＢＥＥＭ像の模式図（図１０）である。図９から表面は40〜60nmの幅を持つテラスと 1.0〜 1.5nmの段差を持つステップからなっていることが分かる。これらステップとテラスからなる表面のモホロジーは、Ｓｉ(111) 基板の傾斜面に起因するものであり、Ａｕ膜を成膜した後も試料表面は基板形状を反映したものとなっている。
【００５５】
試料表面を詳しく観察すると、図９に示したテラスＴ１とテラスＴ２とでは表面のモホロジーが異なっており、テラスＴ１はテラスＴ２に比べて表面の凹凸が小さいことが分かる。また、図１０のＢＥＥＭ像の模式図において、テラスＴ２は数pAのＢＥＥＭ電流が検出できる明るい領域に相当し、テラスＴ１はＢＥＥＭ電流がほとんど検出できない（あるいは非常に小さい）暗い領域に相当する。
【００５６】
図１１は、これらテラスＴ１上およびテラスＴ２上で得られた代表的なＢＥＥＭ電流のチップ電圧依存性、すなわちＢＥＥＭスペクトルである。図１１中ＳＰ１はテラスＴ１上のＢＥＥＭスペクトルであり、ＳＰ２はテラスＴ２上のＢＥＥＭスペクトルである。
【００５７】
ＳＰ２ではＢＥＥＭ電流が0.75eV付近から立上がり、その後チップ電圧に比例して増加している。このことから、テラスＴ２では電位障壁高さが約0.75eVであることが分かる。これはＡｕ／Ｓｉ(111) 接合で測定されたショットキー障壁高さと同等の値である。一方、ＳＰ１ではＢＥＥＭ電流が 3.5eV付近から立上がるが、その後飽和している。テラスＴ１では障壁高さが約 3.5eVと、ショットキー障壁よりはむしろＡｕ／ＣａＦ2 ／ＳｉというＭＩＳ構造に伴う障壁が形成されていることを示唆している。
【００５８】
このように、ＭＢＥによるＣａＦ膜、ＣａＦ2 膜およびＡｕ膜の成膜からＳＴＭ観察、ＢＥＥＭ観察までを一括して超高真空雰囲気中で実施することによって、例えば図１２に模式的に示すように、約 1ＭＬのＣａＦ膜３１および約 2ＭＬのＣａＦ2 膜３２が介在されたＡｕ／Ｓｉ接合、すなわちＡｕ／ＣａＦ2 ／Ｓｉ接合を有するテラスＴ１と、約 1ＭＬのＣａＦ膜３１のみが介在されたＡｕ／Ｓｉ接合を有するテラスＴ２とが、Ｓｉ(111) 基板９上に形成されていることが確認された。なお、テラスＴ１上のみにＣａＦ2 膜が形成されていることは、オージェ電子分光法によるＣａとＳｉの分布からも確認された。
【００５９】
ここで、界面がＣａＦのテラスＴ２の電位障壁は0.75eVで、Ａｕ／Ｓｉのショットキー障壁の高さに近い値を持つ。一方、テラスＴ１では界面に約 1ＭＬの ＣａＦと約 2ＭＬのＣａＦ2 が存在している。この約 2ＭＬのＣａＦ2 はもはや絶縁物としてのバンド構造を持ち、界面に 3.5eVの電位障壁を形成していると考えられる。従って、図１２に示したように、弾道電子のエネルギーが 2eVの場合、テラスＴ２の界面はトンネルできるが、テラスＴ１の界面はトンネルできない。ＢＥＥＭ像の明暗はこれらに基づくものである。
【００６０】
上述したＭＩＳ接合を有するテラスＴ１およびＭＳ接合を有するテラスＴ２は、例えば40〜60nm程度の幅を有する各テラスに応じて作り分けることができるため、ＭＩＳ接合を有する素子領域とＭＳ接合を有する素子領域とをナノレベルで制御できることを示唆している。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＢＥＥＭ測定装置によれば、ＢＥＥＭ測定用試料の作製からＢＥＥＭ観察までを一括して真空雰囲気中で制御することができ、これによりＭＳ接合やＭＩＳ接合のＢＥＥＭ電流をナノメートルの空間分解能で正確にかつ容易に測定、評価することが可能となる。このような本発明のＢＥＥＭ測定装置は半導体素子の超微細化、新たな機能素子の開発などに大きく貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態によるＢＥＥＭ測定装置の要部構造を示す平面図である。
【図２】 図１に示すＢＥＥＭ測定装置で用いる試料ホルダの一構成例を示す図である。
【図３】 図２に示す試料ホルダをＭＢＥ用サセプタに固定した状態を示す平面図である。
【図４】 図１に示すＢＥＥＭ測定装置で用いるＢＥＥＭ用ホルダの一構成例および図２に示す試料ホルダをＢＥＥＭ用ホルダに固定した状態を示す図である。
【図５】 図４に示すＢＥＥＭ用ホルダで試料ホルダを固定する際の一構成例を示す断面図である。
【図６】 ＢＥＥＭ観察における電極接続状態を説明するための図である。
【図７】 図４に示すＢＥＥＭ用ホルダでＢＥＥＭ用試料に電極を接続する際の一構成例を示す断面図である。
【図８】 図６に示す電極接続構造におけるＢＥＥＭ用試料の挿入状態を示す断面図である。
【図９】 本発明のＢＥＥＭ測定装置の使用例で作製した試料のＳＴＭ像を模式的に示す図である。
【図１０】 図９に示すＳＴＭ像と同一箇所のＢＥＥＭ像を模式的に示す図である。
【図１１】 本発明のＢＥＥＭ測定装置の使用例で作製した試料のＢＥＥＭスペクトルの測定結果を示す図である。
【図１２】 本発明のＢＥＥＭ測定装置の使用例で作製した試料の構造および弾道電子の状態を模式的に示す図である。
【図１３】 ＢＥＥＭの測定原理を説明するための図である。
【符号の説明】
１……試料搬送路
６……超高真空成膜装置
７……ＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置
９……半導体基板
１０……試料ホルダ
１８……金属膜
２１……ＢＥＥＭ用ホルダ
２２……バネ状部材
２４……第１の電極
２５……第２の電極
２８……フック
【発明の属する技術分野】
本発明は、超高真空中で作製した試料のＢＥＥＭ（弾道電子放射顕微鏡:Ballistic Electron Emission Microscopy)観察を、試料の作製から真空を破ることなく、超高真空中で実施することを可能にしたＢＥＥＭ測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属−半導体（ＭＳ）接合および金属−絶縁体−半導体（ＭＩＳ）接合は、大規模集積回路（ＵＬＳＩ）の性能に影響する重要な構成要素であるばかりでなく、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）やダイヤモンドなどの新しい半導体材料にとっても重要な研究テーマである。
【０００３】
例えば、金属と半導体との接合界面には、電位障壁いわゆるショットキー障壁が生じることが知られている。このショットキー障壁は整流作用を有し、この整流作用を示すＭＳ接合いわゆるショットキー接合は、ショットキーバリヤダイオードなどとして利用されており、半導体素子の基本となるものである。また、絶縁体を介在させた金属と半導体との接合は、いわゆるＭＩＳ接合に基く電位障壁高さを有しており、それに基づいてショットキーゲートトランジスタなどの機能素子に適用されている。
【０００４】
ＭＳ接合やＭＩＳ接合においては、まずそれらが有する電位障壁を制御することが素子の設計、作製上重要であるが、障壁の形成機構は統一的な理解がまだなされておらず、現状のＭＳ接合やＭＩＳ接合を有する電子素子は、それらの界面の総体的なポテンシャル障壁を利用しているにすぎない。例えば、単に界面のショットキー障壁などを制御するだけでなく、ナノレベルの領域で障壁高さが異なる界面を存在させることができれば、ナノレベルでの半導体素子の微細化、さらには新たな機能素子への応用展開を図ることが可能となることが予想される。
【０００５】
しかし、従来のショットキー障壁の測定は、あくまでＭＳ接合やＭＩＳ接合の測定接合領域内のショットキー障壁高さが同一であることを前提としており、測定領域内で平均化された情報しか得られていない。これは従来の電気的・光学的な測定手法の空間分解能に制約があるためである。このような従来のショットキー障壁の測定結果では、到底ナノレベルの領域での界面制御などを達成することはできないため、ナノメートルの空間分解能を備えた界面電子物性評価技術の確立が強く望まれている。
【０００６】
一方、このような要望に答える技術として、最近、弾道電子放射顕微鏡(Ballistic Electron Emission Microscopy:ＢＥＥＭ）が注目されている。ＢＥＥＭは走査トンネル顕微鏡(Scanning Tunneling Microscopy：ＳＴＭ）から派生した技術であり、ＭＳ接合界面やＭＩＳ接合界面のショットキー障壁高さをナノメートルの空間分解能で評価することが可能な技術である。
【０００７】
すなわち、図１３に示すように、探針（ＳＴＭチップ）ｔから金属膜Ｍの表面にトンネルした電子のうち、一部は金属膜Ｍ中で散乱されることなく、エネルギーを保ったまま界面に到達する。この電子を弾道電子(Ballistic Electron)と呼ぶ。弾道電子の一部は、さらに界面の障壁をトンネルして半導体Ｓに侵入する。この電子による電流は、ＢＥＥＭ電流と呼ばれ（ショットキー電流もしくはコレクター電流とも呼ぶ）、弾道電子のエネルギー、ショットキー障壁高さ、金属膜Ｍの膜厚、表面のモホロジーなどの関数である。特に、弾道電子が十分に界面に到達する条件では、ＢＥＥＭ電流はショットキー障壁高さ付近から急激に増加する。従って、この立ち上がりを測定することによって、その場所でのショットキー障壁高さを知ることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＢＥＥＭはＢＥＥＭ電流の測定のみに着目されており、金属膜の成膜段階からの制御などについては考慮されていない。
【０００９】
例えば、分子線エピタキシー法(Molecular Beam Epitaxy Method：ＭＢＥ法）などの超高真空中で成膜する際の基板温度や蒸着速度などを制御することが可能な成膜方法で、清浄な半導体基板上に金属膜などを成膜したとしても、ＢＥＥＭ観察を実施する以前に大気雰囲気などを経ると、酸素、水、有機物などの不純物が吸着する。これら不純物は表面・界面の測定や制御を妨げるため、ナノメートルの領域で界面電子物性を正確に測定、評価することができなくなる。
【００１０】
また、ＢＥＥＭ電流を測定するにあたっては、半導体基板および金属膜の双方に電極を取り付ける必要がある。この電極の取り付けも界面電子物性の正確な測定、評価を困難にさせている。
【００１１】
上述したように、ＭＳ接合やＭＩＳ接合のポテンシャル障壁を制御することにより、均一なポテンシャル障壁を有する界面を作製すると共に、ナノレベルの領域でポテンシャル障壁の異なる界面を共存させることができれは、ナノレベルでの半導体素子の微細化、さらにはメゾスコピック素子などの新たな機能素子への応用展開を図ることが可能となることが予想される。このようなナノレベルでの半導体素子の微細化や新たな機能素子を実現する上で、ＭＳ接合やＭＩＳ接合の界面電子物性をナノメートルの空間分解能で正確にかつ容易に測定、評価することを可能にした技術が強く望まれている。
【００１２】
本発明は、このような課題に対処するためになされたもので、ＢＥＥＭ測定用試料の作製からＢＥＥＭ観察までを一括して制御すると共に、ＭＳ接合やＭＩＳ接合のＢＥＥＭ電流をナノメートルの空間分解能で正確にかつ容易に測定、評価することを可能にしたＢＥＥＭ測定装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のＢＥＥＭ測定装置は、試料ホルダに保持された半導体基板上に、真空雰囲気下で直接もしくは中間層を介して金属膜を形成するＢＥＥＭ試料作製手段と、前記金属膜から前記半導体基板に流れるＢＥＥＭ電流を真空雰囲気下で測定するＢＥＥＭ手段と、前記試料ホルダに保持された前記金属膜を有する半導体基板を、真空雰囲気下で前記ＢＥＥＭ試料作製手段から前記ＢＥＥＭ手段まで搬送する搬送路と、前記搬送路内において、前記試料ホルダを固定するバネ状部材、前記半導体基板に第１の電極を接触させるバネ弾性を有する第１の電極部材、および前記金属膜にＡｕまたはＰｔからなる接触部を有する第２の電極を 5N 以下の圧力で接触させるバネ弾性を有する第２の電極部材とを備えるＢＥＥＭ用ホルダに、前記金属膜を有する半導体基板を保持する前記試料ホルダを前記バネ状部材で固定すると同時に、前記半導体基板および前記金属膜それぞれにＢＥＥＭ電流測定用の前記第１および第２の電極を電気的に接続させる手段とを具備し、前記ＢＥＥＭ試料作製手段から前記搬送路を介して前記ＢＥＥＭ手段までが1×10-7Pa以下の真空雰囲気に保たれていることを特徴としている。
【００１４】
本発明のＢＥＥＭ測定装置において、さらに前記電極を接続する手段は、前記試料ホルダが前記ＢＥＥＭ用ホルダに固定されるまで、前記第２の電極部材を保持するフックと、前記第２の電極部材を前記フックから解放して、前記金属膜に前記第２の電極を接続させる手段とを具備することを特徴としている。
【００１５】
さらに、本発明のＢＥＥＭ測定装置において、前記ＢＥＥＭ試料作製手段としては例えば分子線エピタキシー法による成膜装置が用いられる。
【００１６】
本発明のＢＥＥＭ測定装置は、真空搬送路を介して接続されたＢＥＥＭ試料作製手段とＢＥＥＭ手段とを有し、かつＢＥＥＭ試料作製手段から搬送路を介してＢＥＥＭ手段までが 1×10-7Pa以下の真空雰囲気に保たれている。さらに、従来ＢＥＥＭの正確な測定、評価を困難にさせていた半導体基板および金属膜の双方への電極の取り付けについても、ＢＥＥＭ試料作製手段からＢＥＥＭ手段への真空搬送経路で実施している。
【００１７】
このような本発明のＢＥＥＭ測定装置によれば、ＢＥＥＭ試料の作製からＢＥＥＭ観察までを、酸素、水、有機物などの表面・界面の測定や制御を妨げる不純物を吸着させることなく、高真空雰囲気中で実施することができる。従って、ナノメートルの空間分解能でＭＳ接合やＭＩＳ接合のＢＥＥＭ電流、さらには界面電子物性を正確にかつ容易に測定、評価することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
【００１９】
図１は本発明のＢＥＥＭ測定装置の一実施形態の要部構造を示す平面図である。同図に示すＢＥＥＭ測定装置は、超高真空雰囲気とすることが可能な試料搬送路１を具備している。試料搬送路１は、主搬送路１Ａと副搬送路１Ｂとを有している。これら搬送路１Ａ、１Ｂはそれぞれ真空チャンバを有し、これら真空チャンバ内に試料の搬送機構が配置されている。主搬送路１Ａでは例えばラックピニオン機構を有する搬送機構が用いられる。
【００２０】
主搬送路１Ａの一方の端部側には、ゲートバルブ２を介して、ロードロック室３が設けられている。ロードロック室３は大気開放可能とされており、このロードロック室３から成膜・測定試料としての半導体基板が搬入される。この半導体基板は、後に詳述する試料ホルダに固定された状態で搬入される。
【００２１】
主搬送路１Ａには、それぞれゲートバルブ４、５を介して、ＢＥＥＭ試料作製手段としての超高真空成膜装置６と、超高真空ＢＥＥＭ（ＵＨＶ−ＢＥＥＭ）装置７とが接続されている。ＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７は、具体的には副搬送路１Ｂを介して主搬送路１Ａに接続されており、副搬送路１ＢとＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７との間にゲートバルブ５が介挿されている。搬送路１Ａ、１Ｂの真空チャンバと超高真空成膜装置６およびＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７とは、振動の伝達を遮断するために、ベローズ管で結合されている。
【００２２】
これら搬送路１Ａ、１Ｂ、超高真空成膜装置６およびＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７は、図示を省略したイオンポンプのような真空排気装置を有しており、これらにより 1×10-7Pa以下の真空雰囲気が保たれている。すなわち、ロードロック室３から成膜・測定試料としての半導体基板が搬入され後は、超高真空成膜装置６による金属膜などの成膜からＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７でのＢＥＥＭ観察までの全ての工程（搬送工程を含む）を、 1×10-7Pa以下の超高真空中で実施することが可能とされている。全工程の雰囲気が 1×10-7Paを超えると、雰囲気中からの不純物の吸着によって、正確なＢＥＥＭ観察が困難となる。具体的な装置全体としての背圧としては、例えば 2×10-8Pa程度に設定される。
【００２３】
超高真空成膜装置６としては、例えば超高真空中で成膜する際の基板温度や蒸着速度などの制御性に優れた分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を適用した成膜装置が用いられる。なお、本発明のＢＥＥＭ測定装置におけるＢＥＥＭ試料作製手段は、ＭＢＥ成膜装置に限られるものではなく、測定・評価試料に応じて種々の成膜装置を適用することが可能である。
【００２４】
主搬送路１Ａのロードロック室３側に接続されている超高真空成膜装置６には、ロードロック室３から搬入された半導体基板が第１の真空マグネットローダ８によりセットされる。この際、図２に示すように、成膜・測定試料としての半導体基板９は試料ホルダ１０に保持された状態で搬送される。
【００２５】
図２に示す試料ホルダ１０は、Ｔａなどの高融点金属からなるホルダ本体１１と、半導体基板９を上下から挟持する例えばアルミナからなる耐熱性絶縁部材１２、１３と、これら耐熱性絶縁部材１２、１３を固定するビス１４とを有している。半導体基板９は、ホルダ本体１１に接合固定された下側の耐熱性絶縁部材１２上に載置され、その上に上側の耐熱性絶縁部材１３を配置した後に、ビス１４を締め付けることによって、ホルダ本体１１とは絶縁された状態で試料ホルダ１０に保持されている。なお、図中１５はチャッキング用の穴である。
【００２６】
ＭＢＥ成膜装置などの超高真空成膜装置６で半導体基板９上に金属膜などを成膜してＢＥＥＭ測定試料を作製するにあたって、半導体基板９を保持した試料ホルダ１０は図３に示すように、ＭＢＥ用サセプタ１６に固定した状態でＭＢＥ成膜装置（６）内にセットされる。試料ホルダ１０はＭＢＥ用サセプタ１６に設置された板バネ１７により固定されている。
【００２７】
なお、ＭＢＥ用サセプタ１６は、図示を省略したが、Ｔａなどの高融点金属からなるマスク材を有しており、このマスク材により半導体基板９の所定の位置に金属膜が成膜されてＢＥＥＭ測定試料が作製される。図３は半導体基板９の所定の位置に、例えば直径 1.5mm程度の大きさを有する金属膜１８が成膜された状態を示している。
【００２８】
ＢＥＥＭ測定試料は、上記したように半導体基板９の所定の位置に少なくとも金属膜１８を形成したものであり、この場合には金属−半導体（ＭＳ）接合を有するＢＥＥＭ測定試料となる。ＢＥＥＭ測定試料はＭＳ接合を有するものに限らず、金属−絶縁体−半導体（ＭＩＳ）接合を有するものであってもよい。ＭＩＳ接合を有するＢＥＥＭ測定試料は、金属膜１８の形成に先立って、半導体基板９上に絶縁膜を中間層として成膜することにより得られる。さらに、中間層は絶縁層に限らず、半導体基板９とは異なる半導体や金属膜１８とは異なる金属であってもよい。このような中間層を有するＢＥＥＭ測定試料は、それぞれの界面に応じた試料として使用される。
【００２９】
ここで、金属膜１８の材質は特に限定されるものではなく、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌなどの各種の単体金属、あるいは合金などが使用される。また、金属膜１８の厚さは20nm以下とすることが好ましい。金属膜１８の厚さがあまり厚いと、中間層の存在の有無にかかわらず、金属−半導体の接合界面に弾道電子を注入した際に、半導体基板９に流れるＢＥＥＭ電流（ショットキー電流／コレクタ電流）が小さくなりすぎ、ＢＥＥＭ電流の測定および制御が困難となる。
【００３０】
半導体基板９と金属膜１８との界面は、半導体基板９の初期表面を制御すると共に、金属膜１８の形成を原子レベルで制御することによって、実質的に均一なポテンシャル障壁を有する界面とすることができる。例えば、単結晶半導体基板９の表面は、注意深く処理することにより、表面準位密度の低減と原子レベルでの表面平坦化が可能である。このような表面を有する半導体基板９上に、例えば超高真空ＭＢＥ法で金属膜１８を形成することによって、実質的に均一なポテンシャル障壁を有する界面が得られる。ＭＳ接合界面に中間層を介在させる場合についても同様である。
【００３１】
また、中間層の構成材料としては、絶縁体、金属膜１８とは異なる金属、または半導体基板９とは異なる半導体を使用することができる。中間層には、絶縁体や異種の金属または半導体からなる第３の物質を積極的に介在させたもの以外に、金属膜１８と半導体基板９との反応層などを利用することもできる。このような中間層の厚さは10nm以下とすることが好ましい。
【００３２】
中間層は金属−半導体接合界面に部分的に設けてもよい。このような中間層の形状は、半導体基板表面のテラスなどを利用することによって、所望のパターンに応じた形状とすることができる。すなわち、厚さ10nm以下の中間層は、例えば単結晶半導体基板の平坦なテラスを利用することによって、最大径が例えば 1〜 100nm程度の島状体として形成することができる。あるいは、ステップに沿って幅が例えば 1〜 100nm程度の帯状体として形成することができる。特定のテラスのみを覆うように、中間層を形成することも可能である。
【００３３】
上述したように、ＭＢＥ成膜装置などの超高真空成膜装置６で半導体基板９上に金属膜１８（中間層を介在させる場合を含む）を形成したＢＥＥＭ測定試料は、真空雰囲気が維持された主搬送路１Ａに引き出された後、主搬送路１ＡによりＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７側に搬送される。ＢＥＥＭ測定試料の取り出しからＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７側への搬送は超高真空中で実施される。
【００３４】
具体的には、ＭＢＥ用サセプタ１６に固定された状態の試料ホルダ１０（ＢＥＥＭ測定試料を含む）は、主搬送路１Ａの副搬送路１Ｂ側の端部まで真空雰囲気中を搬送される。この主搬送路１Ａの副搬送路１Ｂ側の端部において、試料ホルダ１０は第２の真空マグネットローダ１９によりＭＢＥ用サセプタ１６から引き抜かれる。なお、試料ホルダ１０のみを搬送するようにしてもよい。
【００３５】
一方、副搬送路１Ｂでは第３の真空マグネットローダ２０によりＢＥＥＭ用ホルダが供給され、図４に示すように、ＢＥＥＭ用ホルダ２１にＢＥＥＭ測定試料（金属膜（含中間層）１８を有する半導体基板９）を保持する試料ホルダ１０が固定される。
【００３６】
試料ホルダ１０は、図４の矢印方向からＢＥＥＭ用ホルダ２１に差し込まれる。試料ホルダ１０は、図５に示すように、試料ホルダ１０のホルダ本体１１を受け台２２と板バネなどからなるバネ状部材２２との間に差し込むことによつて、ＢＥＥＭ用ホルダ２１に固定される。バネ状部材２２を利用することにより、試料ホルダ１０のＢＥＥＭ用ホルダ２１への脱着が容易になる。
【００３７】
上記したＢＥＥＭ用ホルダ２１への試料ホルダ１０の固定と同時に、ＢＥＥＭ測定試料の半導体基板９および金属膜１８の双方にＢＥＥＭ電流測定用の電極が電気的に接続される。すなわち、ＢＥＥＭ電流の測定にあたっては、図６に示すように、半導体基板９に電極２４を接続（オーミック接続）させると共に、金属膜１８に電極２４を接続させる必要がある。そして、探針（ＳＴＭチップ）２６から金属膜１８にトンネル電流を流すことによって、ＢＥＥＭ電流が測定される。なお、図中２７は中間層を示している。
【００３８】
この実施形態のＢＥＥＭ測定装置においては、電極２４、２５の具体的な接続に図７に示すような機構が用いられている。なお、図７はＢＥＥＭ用ホルダ２１の要部とＢＥＥＭ測定用試料としての半導体基板９のみを示している。
【００３９】
すなわち、半導体基板９側の第１の電極２４は、上方に向けてバネ弾性を示す電極部材２４ａを有しており、試料ホルダ１０をＢＥＥＭ用ホルダ２１に差し込むと同時に、半導体基板９に第１の電極２４が接続（オーミック接続）される。第１の電極２４の半導体基板９との接触部２４ｂは、例えばＡｕやＰｔのような表面酸化しづらいと共に軟質な金属により構成されている。このような接触部２４ｂにより、半導体基板９と第１の電極２４との良好なオーミック接続が実現される。
【００４０】
一方、金属膜１８側の第２の電極２５は、下方に向けてバネ弾性を示す電極部材２５ａを有している。ここで、図８に示すように、第２の電極２５は試料ホルダ１０がＢＥＥＭ用ホルダ２１に固定されるまで、フック２８により保持されており、第１の電極２４と第２の電極２５との間には半導体基板９の挿入空間が形成されている。そして、試料ホルダ１０をＢＥＥＭ用ホルダ２１に差し込むと同時に、第２の電極２５はフック２８から解放され、バネ弾性を有する電極部材２５ａにより金属膜１８に第２の電極２５が接続される。
【００４１】
また、第２の電極２５の金属膜１８との接触部２５ｂは、例えばＡｕやＰｔのような表面酸化しづらいと共に軟質な金属により構成されていると共に、電極部材２５ａによる金属膜１８に対する接触部２５ｂの接触圧が5N以下に調整されている。このように、第２の電極２５の接触部をＡｕやＰｔなどで構成することによって、小さい接触圧で良好な電気的な接続を得ることが可能となる。第２の電極２５の接触圧が大きいと、例えば厚さが20nm以下というような金属膜１８を破壊してしまい、ＢＥＥＭ測定試料として機能しなくなってしう。一方、接触部２５ｂを硬質金属で構成すると、5N以下というような接触圧では良好な電気的な接続を得ることができない。
【００４２】
第１の電極２４および第２の電極２５は、それぞれＢＥＥＭ用ホルダ２１をＢＥＥＭ装置に固定する翼部材２９、３０と電気的に接続されており、これら翼部材２９、３０を介してＢＥＥＭ装置側の電極と電気的に接続される。
【００４３】
上述したように、ＢＥＥＭ測定試料（金属膜（含中間層）１８を有する半導体基板９）を保持する試料ホルダ１０を、ＢＥＥＭ用ホルダ２１に固定すると同時に、半導体基板９および金属膜１８の双方にＢＥＥＭ電流測定用の電極２４、２５を電気的に接続した後、ＢＥＥＭ用ホルダ２１はＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７の試料準備室７ａを介して、第４の真空マグネットローダ３１によりＢＥＥＭ測定室７ｂに搬送される。ここで、ＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７はＢＥＥＭ観察手段と共にＳＴＭ観察手段を有している。
【００４４】
ＢＥＥＭ測定室７ｂにおいて、図６に示したように、探針（ＳＴＭチップ）２６から金属膜１８にトンネル電流を流すと、金属膜１８の表面に到達した電子のうち、金属膜１８内で散乱されることなく界面に到達した電子（弾道電子）の一部が金属−半導体界面の電位障壁、いわゆるショットキー障壁を超えてＢＥＥＭ電流（ショットキー電流もしくはコレクタ電流）として半導体基板９に流れる。弾道電子が十分に界面に到達する条件では、探針２６に印加した電圧に対してショットキー障壁高さ付近からＢＥＥＭ電流が急激に増加する。このようなＢＥＥＭ電流の変化（ＢＥＥＭスペクトル）に基づいて、その場所でのＭＳ接合やＭＩＳ接合のショットキー障壁高さを測定、評価する。
【００４５】
例えば、ＭＩＳ接合はそれに基くショットキー障壁高さを有している。このＭＩＳ接合に基くショットキー障壁高さが弾道電子のエネルギーより小さい場合にはＢＥＥＭ電流が流れるが、それより大きい場合には中間層としての絶縁層（Ｉ）が弾道電子を散乱することによって、ＢＥＥＭ電流は流れない。一方、ＭＳ接合はそれに基くショットキー障壁高さを有している。このＭＳ接合のショットキー障壁高さはＭＩＳ接合に比べて十分に小さいため、ＭＩＳ接合ではトンネルできない弾道電子であっても、ショットキー障壁高さに応じたＢＥＥＭ電流として半導体基板９に流れる。このようなＢＥＥＭ電流の測定結果に基づいて、ＭＳ接合やＭＩＳ接合のショットキー障壁高さをナノメートルの空間分解能で測定、評価することができる。
【００４６】
上述した実施形態のＢＥＥＭ測定装置においては、ＢＥＥＭ試料作製手段としての超高真空成膜装置６とＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７とが、高真空雰囲気とすることが可能な試料搬送路１により接続されていると共に、超高真空成膜装置６からＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７までが 1×10-7Pa以下の真空雰囲気に保たれている。そして、ロードロック室３から成膜・測定試料としての半導体基板９が搬入された後は、成膜からＢＥＥＭ測定までの全工程が超高真空雰囲気中で実施される。従って、表面・界面の測定や制御の妨げとなる雰囲気からの酸素、水、有機物などの吸着は大幅に軽減され、これによってＭＳ接合やＭＩＳ接合のＢＥＥＭ電流を正確に測定、評価することが可能となる。
【００４７】
また、従来ＢＥＥＭの正確な測定、評価を困難にさせていた半導体基板９および金属膜１８の双方への電極の取り付けについても、高真空雰囲気とすることが可能な試料搬送路１で実施される。従って、電極の接続に伴う工数を削減することができる上に、電極の接続による試料表面や界面の汚染などを有効に防止することが可能となる。これもＢＥＥＭ電流の測定、評価の正確性の向上に大きく寄与する。
【００４８】
このようなＢＥＥＭ測定装置によれば、各種試料のＭＳ接合やＭＩＳ接合のＢＥＥＭ電流を正確にかつ容易に測定、評価することができ、これに基づいて各界面のショットキー障壁高さ、さらには界面電子物性をナノメートルの空間分解能で正確に測定、評価することが可能となる。また、このような本発明のＢＥＥＭ測定装置は、ＭＳ接合やＭＩＳ接合を有する超高集積素子、またショットキー電流やショットキー障壁高さが異なる複数の領域をナノレベルで複合した電子素子、さらには新たな機能素子の開発などに大きく貢献する。
【００４９】
次に、上述した実施形態のＢＥＥＭ測定装置の使用例について述べる。
【００５０】
Ｓｉ(111)-(7×7)基板の表面を (111)面に対して 3°の角度で研磨した。このＳｉ(111) 基板を試料ホルダ１０にセットした後、ＢＥＥＭ測定装置にロードロック室３から搬入する。装置全体の背圧は 2×10-8Pa以下とした。
【００５１】
ＢＥＥＭ測定装置において、まずＭＢＥ成膜装置６でＳｉ(111) 基板の清浄な傾斜面（研磨面）上にはＣａＦ膜が約 1ＭＬに相当する量で成膜され、次いで ＣａＦ2 膜が平均として約 1ＭＬに相当する量で成膜される。これらＣａＦ膜およびＣａＦ2 膜の成膜は、Ｓｉ(111) 基板を約 700℃に加熱して実施した。次に、基板温度を室温まで下げた後、Ａｕ膜が約50ＭＬに相当する量で成膜される。
【００５２】
成膜が終了したＳｉ(111) 基板は、試料ホルダ１０に保持された状態でＭＢＥ成膜装置６から主搬送路１Ａに引き出され、主搬送路１Ａの他方の端部側まで搬送される。ここで、試料ホルダ１０がＢＥＥＭ用ホルダ２１に固定されると同時に、Ｓｉ(111) 基板およびＡｕ膜の双方にＢＥＥＭ電流測定用の電極が電気的に接続される。
【００５３】
ＢＥＥＭ用ホルダ２１は、ＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置７の試料準備室７ａを介してＢＥＥＭ測定室７ｂに搬送され、ここでＢＥＥＭ観察およびＳＴＭ観察が行われる。各層の成膜からＳＴＭ、ＢＥＥＭ観察まで、 2×10-8Pa以下の超高真空雰囲気中で実施される。
【００５４】
図９および図１０は同じ場所のＳＴＭ像の模式図（図９）およびＢＥＥＭ像の模式図（図１０）である。図９から表面は40〜60nmの幅を持つテラスと 1.0〜 1.5nmの段差を持つステップからなっていることが分かる。これらステップとテラスからなる表面のモホロジーは、Ｓｉ(111) 基板の傾斜面に起因するものであり、Ａｕ膜を成膜した後も試料表面は基板形状を反映したものとなっている。
【００５５】
試料表面を詳しく観察すると、図９に示したテラスＴ１とテラスＴ２とでは表面のモホロジーが異なっており、テラスＴ１はテラスＴ２に比べて表面の凹凸が小さいことが分かる。また、図１０のＢＥＥＭ像の模式図において、テラスＴ２は数pAのＢＥＥＭ電流が検出できる明るい領域に相当し、テラスＴ１はＢＥＥＭ電流がほとんど検出できない（あるいは非常に小さい）暗い領域に相当する。
【００５６】
図１１は、これらテラスＴ１上およびテラスＴ２上で得られた代表的なＢＥＥＭ電流のチップ電圧依存性、すなわちＢＥＥＭスペクトルである。図１１中ＳＰ１はテラスＴ１上のＢＥＥＭスペクトルであり、ＳＰ２はテラスＴ２上のＢＥＥＭスペクトルである。
【００５７】
ＳＰ２ではＢＥＥＭ電流が0.75eV付近から立上がり、その後チップ電圧に比例して増加している。このことから、テラスＴ２では電位障壁高さが約0.75eVであることが分かる。これはＡｕ／Ｓｉ(111) 接合で測定されたショットキー障壁高さと同等の値である。一方、ＳＰ１ではＢＥＥＭ電流が 3.5eV付近から立上がるが、その後飽和している。テラスＴ１では障壁高さが約 3.5eVと、ショットキー障壁よりはむしろＡｕ／ＣａＦ2 ／ＳｉというＭＩＳ構造に伴う障壁が形成されていることを示唆している。
【００５８】
このように、ＭＢＥによるＣａＦ膜、ＣａＦ2 膜およびＡｕ膜の成膜からＳＴＭ観察、ＢＥＥＭ観察までを一括して超高真空雰囲気中で実施することによって、例えば図１２に模式的に示すように、約 1ＭＬのＣａＦ膜３１および約 2ＭＬのＣａＦ2 膜３２が介在されたＡｕ／Ｓｉ接合、すなわちＡｕ／ＣａＦ2 ／Ｓｉ接合を有するテラスＴ１と、約 1ＭＬのＣａＦ膜３１のみが介在されたＡｕ／Ｓｉ接合を有するテラスＴ２とが、Ｓｉ(111) 基板９上に形成されていることが確認された。なお、テラスＴ１上のみにＣａＦ2 膜が形成されていることは、オージェ電子分光法によるＣａとＳｉの分布からも確認された。
【００５９】
ここで、界面がＣａＦのテラスＴ２の電位障壁は0.75eVで、Ａｕ／Ｓｉのショットキー障壁の高さに近い値を持つ。一方、テラスＴ１では界面に約 1ＭＬの ＣａＦと約 2ＭＬのＣａＦ2 が存在している。この約 2ＭＬのＣａＦ2 はもはや絶縁物としてのバンド構造を持ち、界面に 3.5eVの電位障壁を形成していると考えられる。従って、図１２に示したように、弾道電子のエネルギーが 2eVの場合、テラスＴ２の界面はトンネルできるが、テラスＴ１の界面はトンネルできない。ＢＥＥＭ像の明暗はこれらに基づくものである。
【００６０】
上述したＭＩＳ接合を有するテラスＴ１およびＭＳ接合を有するテラスＴ２は、例えば40〜60nm程度の幅を有する各テラスに応じて作り分けることができるため、ＭＩＳ接合を有する素子領域とＭＳ接合を有する素子領域とをナノレベルで制御できることを示唆している。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＢＥＥＭ測定装置によれば、ＢＥＥＭ測定用試料の作製からＢＥＥＭ観察までを一括して真空雰囲気中で制御することができ、これによりＭＳ接合やＭＩＳ接合のＢＥＥＭ電流をナノメートルの空間分解能で正確にかつ容易に測定、評価することが可能となる。このような本発明のＢＥＥＭ測定装置は半導体素子の超微細化、新たな機能素子の開発などに大きく貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態によるＢＥＥＭ測定装置の要部構造を示す平面図である。
【図２】 図１に示すＢＥＥＭ測定装置で用いる試料ホルダの一構成例を示す図である。
【図３】 図２に示す試料ホルダをＭＢＥ用サセプタに固定した状態を示す平面図である。
【図４】 図１に示すＢＥＥＭ測定装置で用いるＢＥＥＭ用ホルダの一構成例および図２に示す試料ホルダをＢＥＥＭ用ホルダに固定した状態を示す図である。
【図５】 図４に示すＢＥＥＭ用ホルダで試料ホルダを固定する際の一構成例を示す断面図である。
【図６】 ＢＥＥＭ観察における電極接続状態を説明するための図である。
【図７】 図４に示すＢＥＥＭ用ホルダでＢＥＥＭ用試料に電極を接続する際の一構成例を示す断面図である。
【図８】 図６に示す電極接続構造におけるＢＥＥＭ用試料の挿入状態を示す断面図である。
【図９】 本発明のＢＥＥＭ測定装置の使用例で作製した試料のＳＴＭ像を模式的に示す図である。
【図１０】 図９に示すＳＴＭ像と同一箇所のＢＥＥＭ像を模式的に示す図である。
【図１１】 本発明のＢＥＥＭ測定装置の使用例で作製した試料のＢＥＥＭスペクトルの測定結果を示す図である。
【図１２】 本発明のＢＥＥＭ測定装置の使用例で作製した試料の構造および弾道電子の状態を模式的に示す図である。
【図１３】 ＢＥＥＭの測定原理を説明するための図である。
【符号の説明】
１……試料搬送路
６……超高真空成膜装置
７……ＵＨＶ−ＢＥＥＭ装置
９……半導体基板
１０……試料ホルダ
１８……金属膜
２１……ＢＥＥＭ用ホルダ
２２……バネ状部材
２４……第１の電極
２５……第２の電極
２８……フック
Claims (5)
- 試料ホルダに保持された半導体基板上に、真空雰囲気下で直接もしくは中間層を介して金属膜を形成するＢＥＥＭ試料作製手段と、
前記金属膜から前記半導体基板に流れるＢＥＥＭ電流を真空雰囲気下で測定するＢＥＥＭ手段と、
前記試料ホルダに保持された前記金属膜を有する半導体基板を、真空雰囲気下で前記ＢＥＥＭ試料作製手段から前記ＢＥＥＭ手段まで搬送する搬送路と、
前記搬送路内において、前記試料ホルダを固定するバネ状部材、前記半導体基板に第１の電極を接触させるバネ弾性を有する第１の電極部材、および前記金属膜にＡｕまたはＰｔからなる接触部を有する第２の電極を 5N 以下の圧力で接触させるバネ弾性を有する第２の電極部材とを備えるＢＥＥＭ用ホルダに、前記金属膜を有する半導体基板を保持する前記試料ホルダを前記バネ状部材で固定すると同時に、前記半導体基板および前記金属膜それぞれにＢＥＥＭ電流測定用の前記第１および第２の電極を電気的に接続させる手段とを具備し、
前記ＢＥＥＭ試料作製手段から前記搬送路を介して前記ＢＥＥＭ手段までが1×10-7Pa以下の真空雰囲気に保たれていることを特徴とするＢＥＥＭ測定装置。 - 請求項１記載のＢＥＥＭ測定装置において、
前記電極を接続する手段は、前記試料ホルダが前記ＢＥＥＭ用ホルダに固定されるまで、前記第２の電極部材を保持するフックと、前記第２の電極部材を前記フックから解放して、前記金属膜に前記第２の電極を接続させる手段とを具備することを特徴とするＢＥＥＭ測定装置。 - 請求項１または請求項２記載のＢＥＥＭ測定装置において、
前記ＢＥＥＭ試料作製手段は、分子線エピタキシー法による成膜装置を有することを特徴とするＢＥＥＭ測定装置。 - 請求項３記載のＢＥＥＭ測定装置において、
前記半導体基板を保持した前記試料ホルダは、分子線エピタキシー用サセプタに固定された状態で前記ＢＥＥＭ試料作製手段に搬送されることを特徴とするＢＥＥＭ測定装置。 - 請求項４記載のＢＥＥＭ測定装置において、
前記金属膜を有する半導体基板を保持した前記試料ホルダは、前記分子線エピタキシー用サセプタから引き抜かれた後、前記ＢＥＥＭ用ホルダに差し込まれることを特徴とするＢＥＥＭ測定装置。
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