JPH11183488A - Ｂｅｅｍ測定装置 - Google Patents
Ｂｅｅｍ測定装置Info
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- JPH11183488A JPH11183488A JP9357554A JP35755497A JPH11183488A JP H11183488 A JPH11183488 A JP H11183488A JP 9357554 A JP9357554 A JP 9357554A JP 35755497 A JP35755497 A JP 35755497A JP H11183488 A JPH11183488 A JP H11183488A
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Landscapes
- Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 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、評価する技術が求められている。 【解決手段】 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６と、金属膜から半導
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７と、金属膜を有する半導体基板を真空雰
囲気下でＢＥＥＭ試料作製手段６からＢＥＥＭ手段７ま
で搬送する搬送路１と、この搬送路１内において、試料
ホルダをＢＥＥＭ用ホルダに固定すると同時に、金属膜
および半導体基板それぞれにＢＥＥＭ電流測定用の電極
を電気的に接続させる手段とを具備するＢＥＥＭ測定装
置である。ＢＥＥＭ試料作製手段７から搬送路１を介し
てＢＥＥＭ手段７まで 1×10-7Pa以下の真空雰囲気に保
たれている。
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、評価する技術が求められている。 【解決手段】 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６と、金属膜から半導
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７と、金属膜を有する半導体基板を真空雰
囲気下でＢＥＥＭ試料作製手段６からＢＥＥＭ手段７ま
で搬送する搬送路１と、この搬送路１内において、試料
ホルダをＢＥＥＭ用ホルダに固定すると同時に、金属膜
および半導体基板それぞれにＢＥＥＭ電流測定用の電極
を電気的に接続させる手段とを具備するＢＥＥＭ測定装
置である。ＢＥＥＭ試料作製手段７から搬送路１を介し
てＢＥＥＭ手段７まで 1×10-7Pa以下の真空雰囲気に保
たれている。
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 E
lectron 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。
した試料のＢＥＥＭ（弾道電子放射顕微鏡:Ballistic E
lectron 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（Ｕ
ＬＳＩ）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。
絶縁体−半導体（ＭＩＳ）接合は、大規模集積回路（Ｕ
ＬＳＩ）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Ｍ
ＩＳ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。
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Ｍ
ＩＳ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。
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。
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 Em
ission Microscopy:ＢＥＥＭ）が注目されている。ＢＥ
ＥＭは走査トンネル顕微鏡(Scanning Tunneling Micros
copy：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。
て、最近、弾道電子放射顕微鏡(Ballistic Electron Em
ission Microscopy:ＢＥＥＭ）が注目されている。ＢＥ
ＥＭは走査トンネル顕微鏡(Scanning Tunneling Micros
copy：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（Ｓ
ＴＭ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。
ＴＭ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。
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。
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。
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。
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ＢＥ
ＥＭ観察までを一括して制御すると共に、ＭＳ接合やＭ
ＩＳ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ＢＥ
ＥＭ測定装置を提供することを目的としている。
になされたもので、ＢＥＥＭ測定用試料の作製からＢＥ
ＥＭ観察までを一括して制御すると共に、ＭＳ接合やＭ
ＩＳ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ＢＥ
ＥＭ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、請求項１に記載したように、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ＢＥＥＭ用ホルダに固定すると同時に、前記金属膜お
よび前記半導体基板それぞれにＢＥＥＭ電流測定用の電
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。
置は、請求項１に記載したように、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ＢＥＥＭ用ホルダに固定すると同時に、前記金属膜お
よび前記半導体基板それぞれにＢＥＥＭ電流測定用の電
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、前記
ＢＥＥＭ用ホルダはさらに請求項２に記載したように、
前記試料ホルダを固定するバネ状部材と、前記半導体基
板に前記電極を接続するためのバネ弾性を有する第１の
電極部材と、前記金属膜に前記電極を接続するためのバ
ネ弾性を有する第２の電極部材とを具備することを特徴
としている。またさらに、前記電極を接続する手段は請
求項３に記載したように、前記試料ホルダが前記ＢＥＥ
Ｍ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。
ＢＥＥＭ用ホルダはさらに請求項２に記載したように、
前記試料ホルダを固定するバネ状部材と、前記半導体基
板に前記電極を接続するためのバネ弾性を有する第１の
電極部材と、前記金属膜に前記電極を接続するためのバ
ネ弾性を有する第２の電極部材とを具備することを特徴
としている。またさらに、前記電極を接続する手段は請
求項３に記載したように、前記試料ホルダが前記ＢＥＥ
Ｍ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、前記第２の電極部材は請求項４に記載したように、
ＡｕまたはＰｔからなる接触部を有する前記電極を具備
し、かつ前記接触部を前記金属膜に5N以下の圧力で接触
させるバネ弾性を有することを特徴としている。本発明
のＢＥＥＭ測定装置において、前記ＢＥＥＭ試料作製手
段としては例えば請求項５に記載したように、分子線エ
ピタキシー法による成膜装置が用いられる。
て、前記第２の電極部材は請求項４に記載したように、
ＡｕまたはＰｔからなる接触部を有する前記電極を具備
し、かつ前記接触部を前記金属膜に5N以下の圧力で接触
させるバネ弾性を有することを特徴としている。本発明
のＢＥＥＭ測定装置において、前記ＢＥＥＭ試料作製手
段としては例えば請求項５に記載したように、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。
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。
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。
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ＢＥＥ
Ｍ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１
Ａ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。
形態の要部構造を示す平面図である。同図に示すＢＥＥ
Ｍ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１
Ａ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。
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−ＢＥＥ
Ｍ）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１
Ａ、１Ｂの真空チャンバと超高真空成膜装置６およびＵ
ＨＶ−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。
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−ＢＥＥ
Ｍ）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１
Ａ、１Ｂの真空チャンバと超高真空成膜装置６およびＵ
ＨＶ−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Ｂ
ＥＥＭ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。
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Ｂ
ＥＥＭ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。
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。
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。
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１
６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。
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１
６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。
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Ｂ
ＥＥＭ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。
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Ｂ
ＥＥＭ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。
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。
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。
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 1〜10
0nm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。
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 1〜10
0nm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。
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１
Ｂ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。
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１
Ｂ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。
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Ｂ
ＥＥＭ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１
１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。
ＥＥＭ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１
１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。
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。
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２
４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。
４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２
８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。
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２
８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。
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。
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ＢＥＥ
Ｍ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、ＵＨ
Ｖ−ＢＥＥＭ装置７はＢＥＥＭ観察手段と共にＳＴＭ観
察手段を有している。
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ＢＥＥ
Ｍ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、ＵＨ
Ｖ−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。
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ＢＥ
ＥＭ電流として半導体基板９に流れる。このようなＢＥ
ＥＭ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。
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ＢＥ
ＥＭ電流として半導体基板９に流れる。このようなＢＥ
ＥＭ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。
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。
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。
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。
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 2×10-8
Pa以下とした。
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 2×10-8
Pa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、Ｓ
ｉ(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。
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、Ｓ
ｉ(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。
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−ＢＥＥ
Ｍ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。
Ｍ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。
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。
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、Ｓ
Ｐ２はテラスＴ２上のＢＥＥＭスペクトルである。
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、Ｓ
Ｐ２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／ＣａＦ
2 ／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。
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／ＣａＦ
2 ／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、Ｃａ
Ｆ2 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。
Ｆ2 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。
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。
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ＢＥ
ＥＭ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ＢＥＥ
Ｍ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。
測定装置によれば、ＢＥＥＭ測定用試料の作製からＢＥ
ＥＭ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ＢＥＥ
Ｍ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。
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。
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。
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ＢＥＥ
Ｍ用ホルダの一構成例および図２に示す試料ホルダをＢ
ＥＥＭ用ホルダに固定した状態を示す図である。
Ｍ用ホルダの一構成例および図２に示す試料ホルダをＢ
ＥＥＭ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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
ある。
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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三浦 忠男 神奈川県横浜市青葉区藤が丘２−25−９ (72)発明者 田中 俊一郎 神奈川県横浜市瀬谷区本郷１−35−12
Claims (5)
- 【請求項１】 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ＢＥＥＭ用ホルダに固定す
ると同時に、前記金属膜および前記半導体基板それぞれ
にＢＥＥＭ電流測定用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２】 請求項１記載のＢＥＥＭ測定装置におい
て、 前記ＢＥＥＭ用ホルダは、前記試料ホルダを固定するバ
ネ状部材と、前記半導体基板に前記電極を接続するため
のバネ弾性を有する第１の電極部材と、前記金属膜に前
記電極を接続するためのバネ弾性を有する第２の電極部
材とを具備することを特徴とするＢＥＥＭ測定装置。 - 【請求項３】 請求項２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ＢＥ
ＥＭ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４】 請求項２記載のＢＥＥＭ測定装置におい
て、 前記第２の電極部材は、ＡｕまたはＰｔからなる接触部
を有する前記電極を具備し、かつ前記接触部を前記金属
膜に5N以下の圧力で接触させるバネ弾性を有することを
特徴とするＢＥＥＭ測定装置。 - 【請求項５】 請求項１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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35755497A JP3816224B2 (ja) | 1997-12-25 | 1997-12-25 | Ｂｅｅｍ測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35755497A JP3816224B2 (ja) | 1997-12-25 | 1997-12-25 | Ｂｅｅｍ測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11183488A true JPH11183488A (ja) | 1999-07-09 |
| JP3816224B2 JP3816224B2 (ja) | 2006-08-30 |
Family
ID=18454723
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35755497A Expired - Fee Related JP3816224B2 (ja) | 1997-12-25 | 1997-12-25 | Ｂｅｅｍ測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3816224B2 (ja) |
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- 1997-12-25 JP JP35755497A patent/JP3816224B2/ja not_active Expired - Fee Related
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