JPH04225247A

JPH04225247A - 材料物性測定方法及び装置

Info

Publication number: JPH04225247A
Application number: JP3042186A
Authority: JP
Inventors: James A Slinkman; ジエームス・アルバート・スリンクマン; Hemantha K Wickramasinghe; エマンタ・キユマール・ヴイツクラマザン; Clayton C Williams; クレイトン・コーベイ・ウイリアムス
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1990-03-27
Filing date: 1991-02-15
Publication date: 1992-08-14
Anticipated expiration: 2010-04-10
Also published as: EP0448985A1; US5065103A; JPH0732177B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、広義には顕微鏡走査に
より材料物性を測定する方法及び装置に関し、より詳し
くはキャパシタンス−電圧技術を用いてドーパント・プ
ロファイルを含む材料物性を測定する方法及び装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】今日の超大規模集積回路（ＶＬＳＩ）技
術は、個別の半導体素子に注入された活性不純物ドーパ
ントの３次元（３Ｄ）における区間的な拡がりに関する
正確な認識を必要とする。これらのデバイスは、主とし
てバイポーラまたは金属酸化物半導体電界効果トランジ
スタ（ＭＯＳＦＥＴ）、ダイオード、またはコンデンサ
よりなる。典型的なデバイスの占有面積は１０μｍ２　
のオーダーである。この種のデバイスで大半の電流が流
れる活性領域は、１０１５乃至１０２０ｃｍ−３の濃度
範囲の例えばヒ素、ホウ素、あるいはリンのようなドー
パントを注入することにより形成される。高い製造歩留
まりと実地使用における回路の信頼性を確保するために
は、不純物ドーパントのばらつき、あるいはプロファイ
ルを１００ｎｍ　以下にコントロールする必要がある。他方、不純物ドーパントの注入に関連する精度が不十分
であると、製造プロセスの後工程において好ましくない
欠陥が多発したり、またはデバイスの性能が適切でなか
ったり、あるいはこれらの不都合が併存したり、さらに
はデバイスの故障を招くことがある。顕微鏡的スケール
におけるドーパント・プロファイルの特性決定において
このような高精度を確保することは、効率的なデバイス
設計のために明らかに極めて望ましいことである。デバ
イス挙動の予測可能性を達成するためには、ドーパント
・プロファイルを正確に測定すると共に、その情報を設
計サイクルにフィードバックすることができなければな
らない。しかしながら、従来は、サブミクロン・スケー
ルのＶＬＳＩ素子の設計段階においても、製造段階にお
いても、１次元（１Ｄ）の場合を除き、このような高精
度を達成することは不可能であった。

【０００３】ドーパント・プロファイルの定量的測定の
ための最新技術は、もっぱら１次元のみにおいて高分解
能を得ると言う技術に限定されている。このような技術
としては、２時イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）、拡がり
抵抗法（ＳＲ）、及び巨視的なキャパシタンス−電圧（
Ｃ−Ｖ）　法などがある。これらの技術に関しては、例
えば、Ｓ．Ｍ．　Ｓｚｅ著の「ＶＬＳＩ技術（ＶＬＳＩ
　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）　」（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌ
ｌ　Ｂｏｏｋ　Ｃｏ．，　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ、　１９８
３　年刊、例えば第５章及び第１０章）を参照のこと。これら以外にも、非定量的方法があり、例えば、Ｓ．Ｔ
．　Ａｈｎ及びＷ．Ａ．　Ｔｉｌｌｅｒ　による日本電
気化学会（Ｊ．　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．　Ｓｏｃ．
）の第１３５　号、２３７０号（１９８８年）の論文、
及びＭ．Ｃ．　Ｒｏｂｅｒｔｓ、Ｋ．Ｊ．　Ｙａｌｌｕ
ｐ、　Ｇ．Ｒ．　Ｂｏｏｋｅｒ等による物理学会会議シ
リーズＮｏ．７６　及びＮｏ．１１　（Ｉｎｓｔｉｔｕ
ｔｅ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，　Ｌｏｎｄｏｎ，　１９
８５　年）に記載されている。定量的方法における１次
元（１Ｄ）について上記の３つの基準を満たし得るのは
Ｃ−Ｖ　法だけである。しかしながら、データは上述し
たように１つの次元についてしか得られず、しかも広い
面積に渡る。

【０００４】例えば、図２には半導体材料１０の一部の
断面が描かれており、図示の半導体材料は酸化物層１２
及びドーピング領域１４を有し、破線１６は半導体材料
１０内のドーピング領域の境界を示している。酸化物層
１２には、容量性プレート１８が結合されており、この
容量性プレート１８には電極２０が接続されている。ま
た、半導体材料１０は第２の電極２４により接地されて
いる。

【０００５】電極２０及び２４のポートＡ　及びＢ　は
Ｃ−Ｖ　メータに接続されている。Ｃ−Ｖ　測定は、例
えば「ＭＯＳ　の物理と技術（ＭＯＳ　Ｐｈｙｓｉｃｓ
　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）」（Ｗｉｌｅｙ，　
Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ，１９８２年）の１８３　ページに記
載されているＮｉｃｏｌｌｉａｎ　及び　Ｂｒｅｗｓの
方法により行われ、容量性プレート１８の下方における
平均ドーパント・レベルが導出される。この種の測定に
おける各次元の典型的な寸法は、酸化物層１２の厚さ約
２０ｎｍ、容量性プレート１８の厚さ約５００ｎｍ、　
　半導体材料１０の厚さ約１ｍｍであり、ドーパント領
域（ドーピング領域）１４の平均深さは約１０００ｎｍ
である。容量性プレート横幅は、通常、ほぼミリメート
ルのオーダーである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術の限界
は一見して明らかである。図２の破線はドーパント領域
１４の深さにばらつきがあることを示している。このド
ーパント領域は、例えば集積回路内の半導体デバイス間
の境界によって定まる異なる深さを有する。上記の方法
により得られる測定値は垂直方向のドーパント濃度につ
いての総平均情報を与えるのみで、垂直方向に直角な横
方向のドーパント・プロファイルについては何ら情報が
得られない。

【０００７】さらに、デバイス設計において、ドーパン
トの横方向の拡がりは、ドーパントの深さ方向の拡がり
と同等に重要であるにもかかわらず、従来は、巧緻な実
験や１Ｄの測定の外挿によって推測することしか出来な
かった。この点に関しては、例えば、Ｐ．　Ｍ．　Ｆａ
ｈｅｙ、　Ｐ．　Ｂ．　Ｇｒｉｆｆｉｎ及びＪ．　Ｄ．
　Ｐｌｕｍｍｅｒ　等によるＲｅｖ．　Ｍｏｄ．　Ｐｈ
ｙｓ．　Ｖｏｌ．　６１，　２８９　（１９８９年）の
論文、及び前記のＥ．　Ｈ．　Ｎｉｃｏｌｌｉａｎ　と
Ｊ．　Ｒ．　Ｂｒｅｗｓ　の論文を参照のこと。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記のような
従来技術の問題点を解消した材料物性を測定するための
方法及び装置を提供せんとするものである。本発明によ
れば、ファイン・ティップを所定エリア内の材料の表面
に極近接させて移動させ、ファイン・ティップに材料に
関して電圧を印加する。ファイン・ティップの近傍の材
料の領域におけるキャパシタンスに相当するパラメータ
の値、例えば力をファイン・ティップの所与の位置につ
いて且つ１つまたは２つ以上の電圧レベルに関して検出
する。ファイン・ティップを上記所定エリアを横切って
移動させ、電圧とキャパシタンスのデータをエリアを横
切って移動させたファイン・ティップの多数の位置につ
いて、あるいは連続的に収集する。最後に、これらのデ
ータを所定の関係に従い関連付けて、エリア内の各ファ
イン・ティップ位置における目的の材料物性を導出する
。

【０００９】このようにして導出したデータは、重要な
材料物性のプロファイルを生成するのに効果的に利用す
ることができる。例えば、本発明の一つの特徴によれば
、本発明を適用することにより得られるｄＣ／ｄＶ　信
号のプロット曲線を用いて半導体材料のＶＬＳＩ回路の
ある領域のドーパント・レベルのプロファイルを導出す
ることができる。本願発明者等の知る限りでは、このよ
うな技術は従来不可能であった。

【００１０】他の材料物性も同様に導出することができ
る。例えば、本発明の他の特徴によれば、変調レーザ光
を半導体材料の走査中のエリアに照射するか、あるいは
その走査エリアにバイアス電圧を印加しつつ上記のデー
タを得、それからキャリヤの発生と再結合のデータを導
出することもできる。さらに、半導体材料に電荷を印加
しながらやはり上記データのプロット曲線を得、これを
用いてサブストレートの欠陥データを導出することも可
能である。これら以外にも、例えば酸化物被膜の厚さ等
、数多くの材料物性を同様の方法により導出することが
できる。

【００１１】

【実施例】本発明の実施例は、３次元（３Ｄ）における
ドーパント濃度プロファイル測定に関する前述の基準を
全て満たすものである。本発明の実施例によれば、非接
触型で導電式の走査型顕微鏡プローブの前視野を用いて
プローブの近傍にある半導体試料の局部領域を空乏化す
る（ｄｅｐｌｅｔｅ）　。プローブの先端は非平面形状
で、１０オングストローム乃至１０ミクロンのオーダー
の曲率半径を有する。これにより測定される空乏層キャ
パシタンスは、局在的な活性ドーパント濃度を定量する
のに必要な情報を与える。この定量は以下に説明する逆
たたみ込み算法（ｄｅｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ　ａｌｇ
ｏｒｉｔｈｍ）　を用いて行われる。プローブの寸法と
形状は、基本的に装置のサブミクロン単位の分解能を左
右する。

【００１２】図１は、本発明の一実施例の基本構成要素
を示すブロック図である。金属製のファイン・ティップ
３０は、半導体材料の試料３２の上方に懸架されており
、コンピュータ４０はファイン・ティップ３０と試料３
２との間に電圧を与える。近接センサ３４はファイン・
ティップ３０と試料３２の間の間隔を検出し、この間隔
を示す信号をフィードバック制御回路３６に供給する。フィードバック制御回路３６が発生する信号は、ファイ
ン・ティップ３０と試料３２との相対的間隔を一定に保
つよう位置決め装置３８に供給される。この信号は、コ
ンピュータ４０にも供給されて、試料３２の表面形状の
微細変動を示す情報を与える。コンピュータ４０は位置決め装置３８にも信号を供給し
、試料３２の表面を横切るファイン・ティップ３０の動
作、即ちＸＹ方向における動きを制御する。このように
して、ファイン・ティップは、例えば試料３２の表面沿
いに走査することができる。

【００１３】ポンプ・レーザ４４は、光変調器４６にレ
ーザ光出力を供給する。光変調器４６の光出力は、ファ
イン・ティップ３０の近傍領域の試料３２の表面に照射
することができる。レーザ復調器４８は、光変調器４６
がポンプ・レーザ４４からのレーザ光を変調した周波数
における検出キャパシタンスに相当する信号を監視し、
コンピュータ４０に入力信号を供給する。キャパシタン
ス・センサ４２はファイン・ティップ３０、空気、試料
３２の系のキャパシタンスを監視し、そのキャパシタン
スを表す出力信号をコンピュータ４０に供給する。

【００１４】トポグラフィ・ディスプレイ（表面形状デ
ィスプレイ）５０は、走査領域における試料３２の表面
の形状を表示するために具備されている。キャパシタン
ス・ディスプレイ５２は、ファイン・ティップ３０が選
択されたバイアス電圧で試料３２の表面のある領域を横
切って走査する際に、キャパシタンス信号またはｄＣ／
ｄＶ　を切り換え表示する。上記バイアス電圧は変える
ことができ、上記のキャパシタンス信号及びｄＣ／ｄＶ
　はそれらの異なるバイアス電圧に対して表示すること
ができる。また、異なる複数の点でキャパシタンス対電
圧の測定を行い、これをキャパシタンス・ディスプレイ
５２上に表示することもできる。

【００１５】図４は、先端部の曲率半径が通常５０ｎｍ
のタングステン製のファイン・ティップ３０が、ＳｉＯ
２の薄膜層５４が形成された試料３２の上面に極近接さ
せてその上方に配置されている状態を示す。図示のよう
に、領域５６においては試料３２はドーピングが一様で
はない。本発明のこの実施例によれば、ファイン・ティ
ップに対し試料に関してバイアス電圧（直流または交流
）が印加され、この状態で、局部空乏層キャパシタンス
またはその導関数（ｄＣ／ｄＶ）　が材料の表面沿いの
位置（横方向の位置）の関数として測定される。この構
成によれば、横方向走査経路沿いのバイアス電圧の関数
としてキャパシタンスまたは容量勾配ｄＣ／ｄＶ　を表
す信号が作り出される。これらの信号は、高い空間分解
能を有し、逆たたみ込み算法により処理して局部活性ド
ーパント濃度の空間プロファイルを得ることができる。

【００１６】図５に示すように、上記の逆たたみ込み算
法においては、互いに直列な３つの容量性要素、即ちフ
ァイン・ティップ３０の近傍の空気のキャパシタンス５
８、酸化物層５０のキャパシタンス６０、及びファイン
・ティップ３０の近傍における試料３２のキャパシタン
ス６２を考慮にいれる必要がある。本発明の実施例によ
る逆たたみ込み算法については、以下に詳細に説明する
。

【００１７】図３は、本発明の一実施例の概略構成図で
ある。図示実施例では、日本応用物理学会誌Ｖｏｌ．６
１，　４７２３（１９８７年）に記載されているような
レーザ・ヘテロダイン力顕微鏡をここで説明するように
一部修正したものが用いられている。高純度シリコン（
ｆｉｎｅ　ｓｉｌｉｃｏｎ）製のマイクロメカニカル・
カンチレバー２９は、金属製のファイン・ティップ３０
を有し、半導体材料３２の上方に懸架されている。本願
発明者等は、ファイン・ティップ３０として、タングス
テン線で形成されたものを用いた。タングステン・ティ
ップのエッチングは、電界放出走査型顕微鏡の技術分野
において周知である。本願発明者等は、同様のエッチン
グ技術を用いてロング・カンチレバー（１００　ミクロ
ンのオーダー）を作り、その端部をまげてファイン・テ
ィップ及び力検出カンチレバーを得た。走査型電子顕微
鏡の像によれば、この技術を用いることによりファイン
・ティップの直径を５０ｎｍまでも小さくすることが可
能なことが実証されている。この力顕微鏡を本願で開示
するようなキャパシタンスの測定に用いると、ファイン
・ティップと試料との間の３×１０−２２Ｆ／Ｈｚ　の
オーダーの容量変化を測定することができる。

【００１８】ファイン・ティップ（タングステン・ティ
ップ）３０のＺ方向、即ち試料３２に対して接近、離反
する方向の位置制御のために第１圧電クリスタル６４が
設けられている。レーザ・プローブ６６はレーザ・ビー
ム６８を発生し、このレーザ・ビーム６８は、顕微鏡の
対物レンズ７０によってタングステン・ティップ３０の
反射面に焦点を合わされる。レーザ・プローブ６６には
センサ（図示省略）が設けられており、このセンサが入
射レーザ・ビーム６８と共に反射ビームを検出して、従
来技術の方法によりタングステン・ティップの干渉計位
置情報を出力する。ロックイン増幅器８２及びフィード
バック・ループ８０によってＺフィードバック信号が作
り出され、コンピュータ４０′に供給されると共に、ス
イッチ７８を介して第１圧電クリスタル６４のＺ方向制
御を行う増幅器（加算増幅器）７２に供給される。周波
数発生器７４は、当技術分野において周知のように、ギ
ャップを一定に保つために表面に垂直な振動を起こさせ
るよう、増幅器７２にもう一つの信号を供給する。この
点に関しては、例えばＹｖｅｓＭａｒｔｉｎ、Ｃ．Ｃ　
Ｗｉｌｌｉａｍｓ及びＨ．Ｋ．　Ｗｉｃｋｒａｍａｓｉ
ｎｇｈｅ　による日本応用物理学会誌Ｖｏｌ．６１、４
７２３（１９８７年５月１５日）を参照のこと。コンピ
ュータ４０′は、ＸＹ走査信号を発生し、この信号は、
試料３２のＸＹ方向移動を制御してタングステン・ティ
ップ３０の試料３２の表面沿いの走査を行わせる第２圧
電クリスタル７９へ供給される。この実施例においては
、第２圧電クリスタル７９は１００　ミクロンの横走査
範囲と、１０ミクロンの垂直走査範囲を設定する。

【００１９】図３に示すシステムは、キャパシタンス・
イメージングを通じてドーパント・濃度を測定するのに
必要な２つの機能を果たす。その第１の機能は、上に述
べたように、ファイン・ティップ３０を試料３２の上方
でこれらの間のギャップを一定に保ちつつ移動させるこ
とができるようにすることである。第２の機能は、試料
３２の各点の局部キャパシタンスを測定することである
。

【００２０】上記のように、ファイン・ティップ３０を
試料３２の表面沿いに走査する際一定のギャップに保つ
ことは周知である。簡単に説明すると、この動作はスイ
ッチ７６及び７８を位置１（図示位置）にセットする、
即ちファイン・ティップ３０と試料３２を互いに電気的
に接続すると共に、フィードバック・ループ８０の出力
を加算増幅器７２に供給することにより行われる。この
モードにおいては、ファイン・ティップ３０を垂直方向
に周波数ω１　で振動させながら試料３２に極近接させ
る。この振動振幅がファイン・ティップと試料との間の
力によって変化する。レーザ・プローブ６６及びω１　に同調されたロックイ
ン増幅器８２は、この振動振幅を測定し、出力信号をフ
ィードバック・ループ８０に供給することにより、振動
振幅が所望のレベルになるまでファイン・ティップ３０
の垂直位置を移動させる。ファイン・ティップ３０が材
料の表面沿いに移動する際、レーザ・プローブ６６、ロ
ックイン増幅器８２及びフィードバック・ループ８０は
、上記の振動振幅を一定に保つよう作用する。振動振幅
を一定に保つと言うこの条件は、一般に、ファイン・テ
ィップ３０と試料３２との間を一定間隙に保つことと等
価であると言うことが明らかにされている。

【００２１】キャパシタンスを測定する時は、スイッチ
７６及び７８は図示位置と反対側の位置２に切り換える
。このスイッチ位置においては、信号源８４より試料３
２に関してファイン・ティップ３０に交流電圧または直
流電圧あるいは交流と直流の両方の電圧が印加される。また、ファイン・ティップ３０の高さを制御するフィー
ドバック・ループ８０は無効化され、代わってサンプル
ホールド回路８６が、ファイン・ティップ３０をフィー
ドバック・ループ８０が無効化された瞬間の高さに保つ
。言い換えると、ファイン・ティップ３０は、上記２つ
のスイッチ７６と７８が切り換えられた瞬間の位置に「
凍結」される。この時点で、印加電圧発生器（信号源）
８４がファイン・ティップ３０と試料３２の間に電圧を
供給し、この電圧を用いて局部キャパシタンスがいくつ
かのモードで測定される。第１のモードは、電圧を負電
圧（例えば−１０ボルト）と正電圧（例えば＋１０ボル
ト）の間でランプ状に変化させ、ファイン・ティップ３
０に作用する力に比例するファイン・ティップ３０の変
位を測定し、これをコンピュータ４０′の入力８６に供
給して処理するものである。このようにして測定した変
位は、以下に述べるようにして、局部キャパシタンス対
印加電圧の関係と関連付けられる。第２のモードは、信
号源８４より交流信号と直流電圧を両方とも供給するモ
ードである。一般に、この交流信号（周波数ω２）は、
ファイン・ティップ３０に作用する力をω２　またはω
２　の高調波により変調させ、その変調信号がレーザ・
プローブ６６により検出され、ロックイン増幅器９０に
よって好ましくは２ω２　で検波され、入力８８よりコ
ンピュータ４０′へ供給され、コンピュータ４０′で、
レーザ・プローブ６６の出力信号が、以下に述べるよう
にして、電圧によるキャパシタンス変化（ｄＣ／ｄＶ）
　と関連付けられる。

【００２２】上記の何方のキャパシタンス測定も、単一
の点で行うこともできれば、ファイン・ティップを試料
の表面沿いに走査しながら行うことも可能である。走査
しながら測定するには、スイッチ７６及び７７を位置１
に置き、ファイン・ティップ３０を移動させ、次にスイ
ッチ７６及び７７を位置２に切り換え、ファイン・ティ
ップと試料との間に電圧を印加し、測定値を入力８６及
び８８からコンピュータ４０′に取り込んだ後、スイッ
チ７６及び７８を再度位置１に戻してファイン・ティッ
プ３０を移動させるという動作を繰り返す。材料表面の
表面形状の変化は、トポグラフィ・ディスプレイ５０に
表示することができ、Ｃ−Ｖ　及びｄＣ／ｄＶ　の測定
値はディスプレイ５２上に表示される。

【００２３】レーザ・ポンプ４４及び周波数ω３　で変
調する変調器４６は、以下に述べるように、材料３２の
照射により生じる効果を測定することができるようにす
るために具備されている。ロックイン増幅器９２は、ω
３　に同調されており、ステップ位置モードまたは走査
モードで２つ以上の電圧でサンプリングされたｄＣ／ｄ
Ｉ　情報を出力する。

【００２４】図６は、上記の２番目のディスプレイであ
る走査同期ディスプレイ上に表示された波形の画像で、
、本発明の実施例の操作性を実証するために行われた実
験において、バイアス電圧を−５Ｖ、０Ｖ及び＋５Ｖの
３つの電圧として、図３のファイン・ティップ３０を第
１の試料上のドーパント・グレーティング沿いに操作し
つつ観測したｄＣ／ｄＶ　値を示している。これらの実
験では、２つの試料が用いられた。それは，いずれも表
面に２４ｎｍの熱成長酸化物被膜を有するｎ−形シリコ
ン基板であった。ドーパント・グレーティングは、ウェ
ーハの表面に８μｍの期間だけ濃いフォトレジスト組織
をマスキングし、５０ＫｅＶ　で１０１５ｃｍ−２のド
ーズ量のＢＦ２　を注入し、表面に１０２０ｃｍ−３の
ピークのｐ−形ドーパント濃度を作り出すと言うプロセ
スにより形成した。注入後、表面からフォトレジストを
除去して、２４ｎｍの熱酸化物被膜で被覆された表面形
状が平坦で、ドーパント注入量が不均等なシリコン面を
得た。第１のウェーハ試料は９００　℃で１０分間加熱
アニールし、第２のウェーハ試料は、１０００℃で１０
分間急速加熱アニールすることにより活性化した。

【００２５】これらの波形曲線から、試料中のドーパン
ト・プロファイルを効果的に観測することができる。距
離インジケータ７６は、試料に注入された８μｍのフォ
トレジスト・グレーティング構造に対応して、８μｍの
長さを有する。Ｃ−Ｖ　解析から予測されるように、こ
の信号波形はバイアス電圧によって大きく変化する。最
大の信号は、ドーピングの軽い領域で生じるが、これは
電圧によるキャパシタンスの変化ｄＣ／ｄＶ　が低ドー
パント濃度で最も大きいと言うことによるものである。

【００２６】バイアス電圧０Ｖの波形では、不規則な信
号スパイク７８が認められ、これに対応して、図６の他
の２つの波形にも不規則な変化が認められる。このよう
な不規則な変化は、図示波形のデータ操作の第４周期に
おける欠陥または不均等性の存在に対応する。そのよう
な欠陥または不均等性によって空乏層電圧がずれたこと
は明らかである。このような現象は酸化物中の電荷によ
って引き起こされる可能性がある。

【００２７】図７は、第２の試料の８０の断面図で、ド
ーピングの軽いｎ−形領域８２及び高濃度ドーピングの
第１及び第２のｎ−形領域８４、８６が示されている。データは、図７に示す点Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤで採取した。この試料８０に関するデータは、Ｃ−Ｖ　曲線であり、
図８には図７の点Ａ乃至Ｄにそれぞれ対応させて、Ａ、
Ｂ、Ｃ及びＤの符号が付されている。低ドーピング領域
の中心でプロットした曲線Ｄは、教科書に見られるよう
な古典的高周波のＣ−Ｖ　曲線と同様の外観を呈する。図８の他の曲線は、走査点を注入領域のほうへ移動させ
つつプロットしたものであり、理想的な１Ｄ曲線とは異
なっている。実際、ファイン・ティップを低ドーピング
（１０１５　ｃｍ−３）　のｎ−形領域から高ドーピン
グ（１０２０　ｃｍ−３）　のｐ−形領域へ移動させた
のに伴い、曲線に漸進的な遷移が認められる。本願発明
者等は、これらの効果は表面の横方向の空乏層に起因す
るものであると考える。このように、曲線Ｂ及びＣを注
入エッジから０．５μｍ以上離れた点でプロットしても
、やはり高密度ドーパント領域８４が近いことによって
影響を受ける。低ドーピング領域における最大空乏層長
さは、計算することができ、試料８０の場合は０．８７
μｍと算出された。曲線Ｂ及びＣのデータは、この計算
の結果に合致している。

【００２８】このように、プローブのティップが空乏層
深さに比べて小さいときは、幾何学的要素は平板コンデ
ンサよりはむしろ球形コンデンサのようになり、側面効
果（ｌａｔｅｒａｌ　ｅｆｆｅｃｔｓ）　が上記の例の
ように顕著になる。ファイン・ティップを高ドーピングのｐ−形領域に注入
エッジから離間させて置くと、Ｃ−Ｖ　理論で予測され
るように、Ｃ−Ｖ　曲線の傾きは逆転し、下側の場合よ
りもはるかに小さくなる。この傾きについては、測定を
行ったが、図８に示す曲線のスケールでは明確に表示す
ることができない。

【００２９】ファイン・ティップが注入エッジから離間
している時は、上記のような球形空乏層の条件下におい
ても、Ｃ−Ｖ　曲線は１次元の計算により予測される曲
線に類似したものになると予測される。

【００３０】図９は、実験により得られたキャパシタン
ス−電圧曲線８８を理論的に求めた曲線９０に重ねたも
のである。本願で述べる実験においては、＋／−０．５
Ｖ　と言う有限の交流測定電圧しか用いなかったことを
考えると、１Ｄ理論と実験との間の一致性はかなり良好
であると言うことができる。

【００３１】図１０は、図３のポートＢで固定バイアス
電圧により測定したｄＣ／ｄＶ　出力を記録した２次元
画像である。この図において、測定単位９２は走査長さ
１μｍ　に相当する。図示の像を解釈するには、図のＸ
軸及びＹ軸が試料の表面のＸ軸及びＹ軸に対応するもの
とみなす。また、図の左から右へ傾斜した傾き領域９４
を有する３次元画像を表示するように画像が幾分傾斜さ
れているものとみなす。この傾斜エリアは低ドーピング
から高ドーピングへの遷移を表しており、２００ｎｍ　
のスケールになっているように見える。

【００３２】以下、Ｃ−Ｖ　及びｄＣ／ｄＶ　データを
逆たたみ込み算法により処理して不純物ドーパント濃度
を求める方法を説明する。以下の説明において、「装置
」と言う用語は、図４において、プローブのファイン・
ティップ３０、酸化物層５４、及びＣ−Ｖ　及びｄＣ／
ｄＶ　データが「プローブ検出」される半導体試料３２
よりなる電気的系を意味するものとする。ここでは、以
下に述べる２つのたたみ込み方法を用いることが可能で
ある。（１）　装置シミュレータを用いてｄＣ／ｄＶ　
のシミュレーション・データと測定データの比較による
反復解法。または、（２）　装置を表す解析的回路モデ
ルを用いた反復解法。この第２の方法の方がより好まし
く、以下に詳細に説明する。この第２の方法は、装置を
等価回路モデルによって適切に表すことができるものと
仮定する。第１の方法は、電荷、キャリヤ及び電界分布
について直接解くことにより２Ｄまたは３Ｄの効果を考
慮に入れるので、原理的にはより正確であるが、より長
い演算時間を要する。これに対して、第２の方法では、
計算を行うのにＩＢＭ　社のパーソナル・コンピュータ
と少なくともインテル社の８０２８６プロセッサ、ある
いはこれと等価のものがありさえすればよく、実際、デ
ータが蓄積されるにつれて、逆たたみ込みの演算をほぼ
リアルタイムで実行することができる。

【００３３】タングステン・ティップを試料表面に対し
比較的一定した近接距離に保つために加える力に相当す
る信号を監視することについては、既に図３を参照しつ
つ説明した。測定した力と所望の容量信号との間の直接
的な関係は、以下のようにして容易に理解することがで
きる。バイアス電圧Ｖが印加されたファイン・ティップ
に作用する力をＦとすると、

【数３】バイアス電圧Ｖを、周波数ω２　でＤＣオフセット電圧
Ｖ０として印加する場合、これらの関係は次式（２）　
で表される。

【数４】ただし、Ｖ２はＡＣ振幅である。すると、次式（３）　
のように、周波数２ω２　の力成分が存在することは明
らかである。

【数５】この力信号の振幅はｄＣ／ｄＺ　に正比例する。半導体
の近平面状空乏層の条件下においては、プローブ／試料
間キャパシタンスは次式（４）　によって与えられる（
図５参照）。

【数６】ここで、Ｃｏｘ　＝εｏｘ　Ａ／Ｔ、Ｃａｉｒ＝εａｉｒ　Ａ／Ｚ、Ｃｄ＝εｓｉｌ　Ａ／Ｄ、であり、Ｔ　は酸化物層の厚さ、Ｚ　はギャップ距離、
即ちプローブと酸化物層の上面との間の距離、Ｄ　は空
乏層深さであり、εｏｘ、εａｉｒ　及びεｓｉｌ　は
それぞれ酸化物層、空気及びシリコンの誘電率である。

【００３４】上記方程式（４）　で定義されるＣが与え
られると、Ｚに関するＣの導関数として、ファイン・テ
ィップに作用する力とＣｄとの間に次式（５）　の関係
が得られる。

【数７】

【００３５】ここで、方程式（５）　で表される導関数
ｄＣ／ｄＺ　を方程式（３）　に代入すると、周波数２
ω２　でプローブに作用する容量力とプローブの近傍の
空乏層キャパシタンスＣｄとの間の関係が与えられる。既に述べたように、Ｃｄが電圧によって変化することか
ら局部ドーパント濃度を導出することができる。

【００３６】次に、前記第１の方法におけるプローブ／
試料系は、以下に述べる１次回路モデルによって理解す
ることができる。ここで、この１次回路モデルは、プロ
ーブ−試料間隔が印加ＤＣバイアス電圧の半導体中への
スクリーニング長さより短く保たれている「平行極板」
系の場合にのみ適用可能である。このスクリーニング長
さ、あるいは「空乏層深さ」は、局部ドーパント濃度に
より約２００　Åから１０，０００Åまで変化する。従
って、プローブはこの表面からの深さの変化の程度に合
わせて制御すべきである。そうでないと、非平面スクリ
ーニング効果によって、この逆たたみ込み算法の精度が
減殺される。他方、以下に説明するように、今まで述べ
たものより複雑な等価回路モデルを適用することも可能
である。

【００３７】図５に示すように、空気中のプローブ／半
導体試料系はコンデンサ・スタックを形成する。その合
計キャパシタンスは、プローブ−空気−試料間のギャッ
プによるキャパシタンスＣａｉｒ、酸化物キャパシタン
スＣｏｘ、及びドーピングした半導体の空乏層キャパシ
タンスＣｄを直列合成したもの、即ち等価回路モデルの
キャパシタンスを直列合成したキャパシタンスである。プローブ／試料間キャパシタンスＣ　は、前出の方程式
（４）　により与えられる。実際には、Ｃｄは、バイア
ス下において２Ｄで不均一に変化する局部キャリヤ濃度
の関数でもある。このような「非平面」効果に関する説
明には、やはりより正確な回路モデルが必要である。

【００３８】不均一にドーピングされた試料の場合、即
ち横方向（Ｘ−Ｙ）　及び（Ｚ）　次元においてドーパ
ント濃度に変動がある試料においては、走査型キャパシ
タンス顕微鏡により検出される有効空乏層キャパシタン
スは、所与のＤＣバイアスにおける空乏層の大きさに等
しい半径の半球状領域内に局在するドーパントの関数で
ある。一様なデバイス級品質（ｄｅｖｉｃｅ−ｑｕａｌ
ｉｔｙ）の酸化物層を有する平板状試料の場合、ドーパ
ントの空間変動のみが検出信号を変調する。閉ループ・
オペレーションにおいては、ｄＣ／ｄＶは所与の電圧Ｖ
において横方向位置の関数として測定される。ドーパン
ト濃度が５つのオーダーにわたって変化する不均一にド
ーピングされた試料の場合、本願発明者等が行ったｄＣ
／ｄＶ　の測定の結果、信号は局部ドーパント・レベル
に極めて敏感であると言うことが明らかになっている。

【００３９】Ｖａｎ　Ｇｅｌｄｅｒ及びＮｉｃｏｌｌｉ
ａｎ　は、日本電気化学会の第１１８　号、第１３８　
号（１９７１年）の論文において、ｄＣ／ｄＶ　を１次
元のキャリヤ空乏層に関連付ける方法を発表している。本発明の一実施例によるデータ逆たたみ込み算法は、こ
の方法を２次元及び３次元の空乏層マッピングが可能な
ように拡張するものである。この実施例によれば、プロ
ーブの横方向位置Ｘに対するｄＣ／ｄＶ　のデータが与
えられると、平板近似の場合、局部空乏層深さＷ（Ｘ）
は、Ｘにおける局部ドーパント濃度Ｎ（Ｘ）の関数であ
る。例えば、試料が長い拡散ストライプで構成されてい
る等、第３の次元におけるドーパント濃度の変動を無視
することができるならば、開ループ・モードで走査型キ
ャパシタンス顕微鏡による測定により、あるいは位置Ｘ
における多数キャリヤの蓄積層から空乏層までＶの全て
の値に対してｄＣ／ｄＶ　を積分することにより求めた
Ｘにおける全プローブ−試料間キャパシタンスをＣｔ（
Ｘ）　として、下記の方程式を適用することができる。

【数８】ここで、Ｗ（Ｘ）は、実際は、深さＺの尺度であり、モ
ービル・キャリヤはその深さＺに向けて放出されて、そ
の深さの所に濃度Ｎ（Ｘ，　Ｚ）　のイオン化されたド
ーパント原子を剥き出させる。従って、下記の式が得ら
れる。

【数９】ここで、ｑは電子の電荷である。このようにして、２次
元のドーパント濃度を得ることができる。本願発明者等
が実際にデータに適用した結果、Ｃｔ（Ｘ）　は、無次
元のオーダー（次数）単位の一定係数を乗じなければな
らないと言うことが明らかとなった。この係数は、系の
ゲインに伴って乗じられ、試料に対向するプローブの有
効スポットサイズに関係する。

【００４０】上記の逆たたみ込みの算法の背景を理解す
るために、ここで３次元におけるドーパント密度を求め
るためのｄＣｔ／ｄＶ対Ｘのデータの逆たたみ込み算法
を詳細に示す図１１のフローチャートを参照しつつ説明
を行う。図１１に示す方法は、周知の通常のプログラミング技術
に従いコンピュータによって効果的に実施することがで
きる。その基本的な手法は、測定を行った対象の試料の
プロファイルの近似値または「推測値」である入力パラ
メータを用いてドーパント・プロファイルをシミュレー
トする。シミュレーションに対してこれらのパラメータ
をランし、ｄＣｔ／ｄＶ対Ｘの測定データと比較し、そ
れらの差を最小２乗法により調整値として入力パラメー
タにフィードバックする。

【００４１】詳しく説明すると、逆たたみ込み算法を開
始するには、２次元または３次元プロファイルの近似値
が必要である。これは、例えば、Ｌ．Ｊ．　Ｂｏｒｕｃ
ｋ、　Ｈ．Ｈ．　Ｈａｎｓｅｎ、　及びＫ．　Ｖａｒａ
ｈｒａｍｙａｎ等の「ＦＥＤＳＳ−Ａ　２次元ＶＬＳＩ
プロセス・シミュレータ（ＥＤＳＳ−Ａ　２−Ｄｉｍｅ
ｎｓｉｏｎａｌ　ＶＬＳＩ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｓｉｍｕ
ｌａｔｏｒ）　」（ＩＢＭ　Ｊ．　Ｒｅｓ．　Ｄｅｖ．
、　１９８５　年）に記載されている方法によるＶＬＳ
Ｉプロセス・シミュレーションによるか、または３次元
の各次元のデータの広がりまたは標準偏差を特徴とする
誤差関数プロファイル等の解析的近似法により得ること
ができる。シミュレートしたドーパント・プロファイル
を定義する入力パラメータは、解析的フォーミュレーシ
ョン１０２　またはプロセス・シミュレーション１０４
　に入力１００　として与えられる。これによって、シ
ミュレートされたドーパント・プロファイル１０６　が
生成される。

【００４２】図１１のフローチャートにおける次のステ
ップは等価回路モデルを分析するステップ１０７　（こ
のステップの方が好ましい）か、またはプローブ／試料
／空気の系の印加された電気的バイアスに対する応答の
装置シミュレーションを行って（ステップ１０８）、シ
ミュレートされたｄＣｔ／ｄＶの曲線を得るステップ１
１０　である。等価回路モデルについては、既に図５を
参照しつつ説明した通りである。このような装置シミュ
レーション技術の詳細な説明は、Ｅ．Ｍ　Ｂｕｔｕｒｌ
ａ、　Ｐ．Ｅ．　Ｃｏｔｔｒｅｌｌ、　Ｂ．Ｍ．Ｇｒｏ
ｓｓｍａｎ、　　及びＫ．Ａ．　Ｓａｌｓｂｕｒｇ　等
の「半導体デバイスの有限要素解析：　ザ　ＦＩＥＬＤ
ＡＹプログラム（Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎ
ａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｄ
ｅｖｉｃｅｓ：　ｔｈｅ　ＦＩＥＬＤＡＹ　Ｐｒｏｇｒ
ａｍ）　」（ＩＢＭ　Ｊ．Ｒｅｓ．　Ｄｅｖ．、　２５
、　２１８　（１９８１年））に記載されている。

【００４３】上記のプロセスは、測定により得たｄＣＴ
／ｄＶ対Ｘの曲線データと反復調整によりシミュレート
されたｄＣｔ／ｄＶ対Ｘの曲線との間の適合度（合致度
）により測定して、所望の精度が得られるまで繰り返さ
れる。このシミュレートされたドーパント・プロファイ
ルを決定する上記の点の反復調整される入力パラメータ
は、この場合、測定データを採取した実際のドーパント
・プロファイルに相当する。

【００４４】以上の実施例は、半導体の不純物ドーパン
ト・プロファイルの測定との関連において説明したが、
本発明の原理は他種類の材料及び電気特性の測定にも利
用することが可能である。例えば、半導体材料において
は、キャパシタンス信号は半導体材料に入射する光の量
によって変化する。例えばシリコン形の半導体材料の場
合、１ｍＷのレーザ・ビーム（０．６３３ｎｍ）の焦点
をファイン・ティップと試料に合わせると、ｄＣ／ｄＶ
　信号及び横方向空乏層エッジの見かけの位置がレーザ
光によって著しく変化する。これらの効果は、電子−正
孔対が生成され、これによって垂直方向次元及び横方向
次元共に空乏層効果が減殺されることによるものである
。

【００４５】上記の測定は、レーザ光の強度を測定する
フラックスメータを付け加えるだけで前述の装置及び方
法によって行うことができる。レーザ光の強度の関数で
あるキャパシタンス信号は、電子−正孔対の生成速度及
び再結合速度そのものを表す。

【００４６】電子−正孔対の生成及び再結合速度に関連
して上に説明した技術は、これらの速度が点欠陥及び拡
大欠陥により影響を受けるので、半導体材料の局部欠陥
密度の測定に応用することができる。

【００４７】前に図６を参照しつつ説明したように、試
料中の欠陥はｄＣ／ｄＶ　のデータに顕著な特徴を生じ
させる。従って、本発明の原理は、光の照射なしで、欠
陥の有無を検出するために利用することが可能なことは
明白である。

【００４８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、例えばシリコン半導体材料における横方向ド
ーパント・プロファイル測定を、周知の装置を用いて容
易に実施可能な技術により無破壊で２００ｎｍ　スケー
ルにより達成することができる。さらに、本発明は、半
導体材料におけるキャリヤ生成及び再結合、並びに基板
欠陥、及びこれらの材料の酸化物被膜の厚さの測定及び
表示に応用することが可能である。また、本願で説明し
た本発明の原理によれば、他の材料物性の測定並びに記
述を行うこともできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の基本的構成要素を示すブロッ
ク図である。

【図２】１次元のＣ−Ｖ　測定のために容量性プレート
を載置した半導体材料の断面図である。

【図３】本発明の一実施例の装置のブロック図である。

【図４】本発明の一実施例における材料とタングステン
製ファイン・ティップとの関係を示す半導体材料の断面
図である。

【図５】図４の配置関係における有効キャパシタンスを
示す等価回路図である。

【図６】本発明の一実施例により得られた走査波形図で
ある。

【図７】本発明の原理を適用した実験において用いた試
料の断面図である。

【図８】図６に示す４つの点でプロットしたキャパシタ
ンス−電圧曲線の波形図である。

【図９】本発明の一実施例の有効性を実証する実験デー
タと理論データをプロットしたグラフである。

【図１０】本発明の原理を図６に示すような試料に適用
して得た走査波形図である。

【図１１】本発明の一実施例により測定データに逆たた
み込み算法を適用してドーパント・プロファイル・デー
タを得るプロセスを示すブロック図である。

【符号の説明】１０・・・・半導体材料、１２・・・・酸化物層，１４・・・・ドーピング領域、１８・・・・容量性プレート、３０・・・・ファイン・ティップ、３２・・・・試料、３４・・・・近接センサ、３６・・・・フィードバック回路、３８・・・・位置決め装置、４０、　４０・・・・コンピュータ、４４・・・・ポンプ・レーザ、４６・・・・光変調器、４８・・・・レーザ復調器、５０・・・・トポグラフィ・ディスプレイ、５２・・・
・キャパシタンス・ディスプレイ、５４・・・・薄膜層
、５６・・・・領域、６４・・・・第１圧電クリスタル、６６・・・・レーザ・プローブ、６８・・・・入射レーザ・ビーム、７０・・・・対物レンズ、７２・・・・増幅器、７６、７８・・・・スイッチ、７９・・・・第２圧電クリスタル、

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】材料物性を少なくとも２次元に関して測定
する測定方法であって、所定の走査エリア内においてフ
ァイン・ティップを上記材料の表面に極近接させて移動
させるステップと、上記材料に関して上記ファイン・テ
ィップに電圧を印加するステップと、上記走査エリア内
の複数の位置における複数の電圧レベルに対する上記フ
ァイン・ティップの近傍にある上記材料の領域のキャパ
シタンスに相当するパラメータ値を検出するステップと
、上記複数の位置、上記パラメータ値及び上記電圧レベ
ルに関する測定データを得るステップと、上記測定デー
タを所定の関係に従い関連付けて上記複数の各位置にお
ける上記材料物性を導出し、これによって上記走査の領
域における少なくとも２次元に関して上記材料物性に関
するデータを得るステップと、を含む上記の測定方法。
【請求項２】上記のファイン・ティップを移動させるス
テップが、上記材料を圧電型運動トランスデューサに機
械的に結合するステップと、上記トランスデューサに上
記材料に対して所望の運動を行わせるよう、変化する電
圧を印加するステップと、よりなることを特徴とする請
求項１記載の測定方法。
【請求項３】上記ファイン・ティップを移動させる上記
ステップが、上記ファイン・ティップを走査パターンに
よ上記材料に対してり移動させることにより行われるこ
と、及びパラメータ値を検出する上記ステップが、上記
複数の位置が連続上の点をなすよう、上記ファイン・テ
ィップの走査につれてパラメータ値を連続的に検出する
ことにより行われること、を特徴とする請求項１記載の
測定方法。
【請求項４】パラメータ値を検出する上記ステップが、
上記材料からの離間距離を比較的一定に保つよう上記フ
ァイン・ティップに力を作用させるステップと、上記力
を検出するステップと、よりなることを特徴とする請求
項１記載の測定方法。
【請求項５】上記ファイン・ティップの材料の試料表面
に対する離間距離が極近接している時、ファイン・ティ
ップを試料表面に対して直角な方向に振動させるステッ
プを有することを特徴とする請求項１記載の測定方法。
【請求項６】上記ファイン・ティップを振動させるステ
ップが１乃至１０６　ヘルツの周波数及び１乃至１０３
　オングストロームの範囲の振幅で行われることを特徴
とする請求項５記載の測定方法。
【請求項７】上記データを関連付ける上記ステップが、
上記複数の位置における上記物性に相当するデータより
それらの位置における上記パラメータ値及び上記電圧レ
ベルのデータを導出する導出手段を設けるステップと、
上記複数の位置における予測特性値に相当する入力デー
タを上記導出手段に供給すると共に、それらの位置につ
いての上記パラメータ値及び上記電圧レベルに関する第
１の予測データを導出するステップと、上記予測データ
を上記測定データと比較するステップと、上記の比較を
行うステップの結果に基づき上記入力データを修正して
、上記材料の実際の物性値により厳密に相当する入力デ
ータを導出するステップと、上記の入力データを供給す
るステップ、比較を行うステップ及び修正を行うステッ
プを、上記予測データと上記測定データとの差が予め選
択された率より小さくなるまで繰り返すステップと、含
むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】半導体材料のドーパント濃度を少なくとも
２次元に関して測定する測定方法であって、所定の走査
エリア内においてファイン・ティップを上記半導体材料
の表面に極近接させて走査するステップと、上記半導体
材料に関して上記ファイン・ティップに電圧を印加する
ステップと、上記ファイン・ティップの走査時、上記半
導体材料の表面との間隔を比較的一定に保つようファイ
ン・ティップに可変力を作用させるステップと、上記走
査エリア内の複数の位置における１つまたは２つ以上の
電圧レベルに対する上記可変力の大きさを検出するステ
ップと、上記複数の位置、上記可変力の大きさ及び上記
電圧レベルに関する測定データを得るステップと、上記
測定データを処理して上記可変力データより上記ファイ
ン・ティップの近傍における半導体材料のキャパシタン
ス値データを得、且つそのキャパシタンス値データを電
圧値データとの関連において処理して各データ位置にお
けるドーパント濃度を得、これによって上記走査の領域
における少なくとも２次元に関してドーパント濃度に関
するデータを得るステップと、を含む上記の測定方法。
【請求項９】材料物性を少なくとも２次元に関して測定
する測定装置であって、所定の走査エリア内においてフ
ァイン・ティップを上記材料の表面に極近接させて移動
させる手段と、上記材料に関して上記ファイン・ティッ
プに電圧を印加する手段と、上記走査エリア内の複数の
位置における１つまたは２つ以上の電圧レベルに対する
上記ファイン・ティップの近傍にある上記材料の領域の
キャパシタンスに相当するパラメータ値を検出する手段
と、上記複数の位置、上記パラメータ値及び上記電圧レ
ベルに関する測定データを得る手段と、上記測定データ
を所定の関係に従い関連付けて上記複数の各位値におけ
る上記材料物性を導出し、これによって上記走査の領域
における少なくとも２次元に関して上記材料物性に関す
るデータを得る手段と、を含む上記の測定装置。
【請求項１０】半導体材料のドーパント濃度を少なくと
も２次元に関して測定する測定装置であって、所定の走
査エリア内においてファイン・ティップを上記半導体材
料の表面に極近接させて走査する手段と、上記半導体材
料に関して上記ファイン・ティップに電圧を印加する手
段と、上記ファイン・ティップの走査時、上記半導体材
料の表面との間隔を比較的一定に保つようファイン・テ
ィップに可変力を作用させる手段と、上記走査エリア内
の複数の位置における１つまたは２つ以上の電圧レベル
に対する上記可変力の大きさを検出する手段と、上記複
数の位置、上記可変力の大きさ及び上記電圧レベルに関
する測定データを得る手段と、上記測定データを処理し
て上記可変力データより上記ファイン・ティップの近傍
における半導体材料のキャパシタンス値データを得、且
つそのキャパシタンス値データを電圧値データとの関連
において処理して各データ位置におけるドーパント濃度
を得、これによって上記走査の領域における少なくとも
２次元に関してドーパント濃度に関するデータを得る手
段と、を含む上記の測定装置。
【請求項１１】材料物性を少なくとも２次元に関して測
定する測定方法であって、所定の走査エリア内において
ファイン・ティップを上記材料の表面に極近接させて走
査するステップと、上記材料に関して上記ファイン・テ
ィップに電圧を印加するステップと、上記ファイン・テ
ィップの近傍の材料表面を可変光度の光源により照射す
るステップと、上記走査エリア内の複数の位置における
複数の電圧レベル対しての１つまたは２つ以上の光度に
対する上記ファイン・ティップの近傍にある上記材料の
領域のキャパシタンスに相当するパラメータ値を検出す
るステップと、上記複数の位置、上記パラメータ値、上
記光度及び上記電圧レベルに関するデータを得るステッ
プと、上記データを所定の関係に従い関連付けて上記複
数の各データ位値における上記材料物性を導出し、これ
によって上記走査の領域における少なくとも２次元に関
して上記材料物性に関するデータを得るステップと、を
含む上記の測定方法。
【請求項１２】上記のファイン・ティップを移動させる
ステップが、上記材料を圧電型運動トランスデューサに
機械的に結合するステップと、上記トランスデューサに
上記材料に対して所望の運動を行わせるよう、変化する
電圧を印加するステップと、よりなることを特徴とする
請求項１１記載の測定方法。
【請求項１３】上記ファイン・ティップを移動させる上
記ステップが、上記ファイン・ティップを走査パターン
によ上記材料に対してり移動させることにより行われる
こと、及びパラメータ値を検出する上記ステップが、上
記複数の位置が連続上の点をなすよう、上記ファイン・
ティップの走査につれてパラメータ値を連続的に検出す
ることにより行われること、を特徴とする請求項１１記
載の測定方法。
【請求項１４】パラメータ値を検出する上記ステップが
、上記材料からの離間距離を比較的一定に保つよう上記
ファイン・ティップに力を作用させるステップと、上記
力を検出するステップと、よりなることを特徴とする請
求項１１記載の測定方法。
【請求項１５】上記ファイン・ティップの材料の試料表
面に対する離間距離が極近接している時、ファイン・テ
ィップを試料表面に対して直角な方向に振動させるステ
ップを有することを特徴とする請求項１１記載の測定方
法。
【請求項１６】上記ファイン・ティップを振動させるス
テップが１乃至１０５　ヘルツの周波数及び１０２　乃
至１０６　オングストロームの範囲の振幅で行われるこ
とを特徴とする請求項５記載の測定方法。
【請求項１７】材料物性を少なくとも２次元に関して測
定する測定装置であって、所定の走査エリア内において
ファイン・ティップを上記材料の表面に極近接させて走
査する手段と、上記材料に関して上記ファイン・ティッ
プに電圧を印加する手段と、上記ファイン・ティップの
近傍の材料表面を可変光度の光源により照射する手段と
、上記走査エリア内の複数の位置における複数の電圧レ
ベル対しての１つまたは２つ以上の光度に対する上記フ
ァイン・ティップの近傍にある上記材料の領域のキャパ
シタンスに相当するパラメータ値を検出する手段と、上
記複数の位置、上記パラメータ値、上記光度及び上記電
圧レベルに関するデータを得る手段と、上記データを所
定の関係に従い関連付けて上記複数の各データ位値にお
ける上記材料物性を導出し、これによって上記走査の領
域における少なくとも２次元に関して上記材料物性に関
するデータを得る手段と、を含む上記の測定装置。
【請求項１８】材料物性を少なくとも２次元に関して測
定する測定方法であって、所定のエリア内においてファ
イン・ティップを上記材料の表面に極近接させて走査す
るステップと、上記材料に関して上記ファイン・ティッ
プに電圧を印加するステップと、上記所定のエリア内の
複数の各位置における１つまたは２つ以上の電圧レベル
に対する上記ファイン・ティップの近傍にある上記材料
の領域のキャパシタンスに相当するパラメータの各値を
検出するステップと、上記各値及び電圧レベルを所定の
関係に従い関連付けて上記複数の各位値における上記材
料物性を導出し、これによって上記所定のエリアにおけ
る少なくとも２次元に関して上記材料物性に関するデー
タを得るステップと、を含む上記の測定方法。
【請求項１９】上記のパラメータの各値を検出するステ
ップが、第１の力を加えて上記ファイン・ティップを上
記材料の表面より比較的一定の距離に保ち、且つ上記フ
ァイン・ティップと上記材料との間に生じる第２の力を
検出することにより行われ、上記の各値及び電圧レベル
を関連付けるステップが、上記第２の力を下記の２つの
式によって上記プローブの近傍における上記材料のキャ
パシタンスと関連付けることにより行われることを特徴
とする請求項１８記載の測定方法。【数１】ここで、Ｃｏｘ　＝εｏｘ　Ａ／Ｔ、Ｃａｉｒ＝εａｉｒ　Ａ／Ｚ、Ｃｄ＝εｓｉｌ　Ａ／Ｄ、であり、Ｔ　は酸化物層の厚さ、Ｚ　はプローブと酸化
物層の上面との間の距離、Ｄ　は空乏層深さであり、ε
ｏｘ、εａｉｒ　及びεｓｉｌ　はそれぞれ酸化物層、
空気及びシリコンの誘電率である。【数２】ここで、Ｆ　は上記第２の力、Ｖ　は上記の印加電圧レ
ベル、ｄＣ／ｄＶ　は周囲空気を含めたファイン・ティ
ップと材料とからなる系のキャパシタンスの変化率であ
る。