(57)【要約】      （修正有）【課題】外乱の影響を受けずに精度よく測定試料の電気特性を測定可能な走査型プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】探針を試料上に位置決めする位置決め部と、試料、あるいは探針を所定の周波数で励振させる励振部と、試料の静電容量の変化を共振周波数の変化に変換させた周波数変調信号を出力する共振部と、周波数変調信号を復調した復調信号を出力する周波数復調器と、復調信号に含まれる所定の周波数成分および周波数の高調波成分を抽出した微分容量信号を出力するロックインアンプと、微分容量信号に基づいて、試料への印加電圧と静電容量との関係を出力する変換部と、関係の特徴点に対応する電圧値を検出する特徴点電圧検出部と、特徴点電圧検出部で検出された電圧値の直流バイアス電圧を前記測定試料に印加した状態で、励振部、共振部、周波数変調器およびロックインアンプを動作させて、試料の電気特性を計測する本測定制御部と、を備える。【選択図】図１
2018036244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針を測定試料または標準試料上に位置決めする位置決め部と、
前記測定試料または前記標準試料、あるいは前記探針を所定の周波数で励振させる励振部と、
前記測定試料または前記標準試料の静電容量の変化を共振周波数の変化に変換させた周波数変調信号を出力する共振部と、
前記周波数変調信号を復調した復調信号を出力する周波数復調器と、
前記復調信号に含まれる前記所定の周波数成分および前記所定の周波数の高調波成分を抽出した微分容量信号を出力するロックインアンプと、
前記微分容量信号に基づいて、前記測定試料または前記標準試料への印加電圧と静電容量との関係を出力する変換部と、
前記関係の特徴点に対応する電圧値を検出する特徴点電圧検出部と、
前記特徴点電圧検出部で検出された電圧値の直流バイアス電圧を前記測定試料に印加した状態で、前記励振部、前記共振部、前記周波数変調器および前記ロックインアンプを動作させて、前記測定試料の電気特性を計測する本測定制御部と、を備える走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
測定試料または標準試料上に探針を位置決めした状態で、前記測定試料または前記標準試料、あるいは前記探針を励振させ、
前記測定試料または前記標準試料の静電容量の変化を共振周波数の変化に変換させた周波数変調信号を生成し、
前記周波数変調信号を復調した復調信号を生成し、
前記復調信号に含まれる前記所定の周波数成分および前記所定の周波数の高調波成分を抽出した微分容量信号を生成し、
前記微分容量信号に基づいて、前記測定試料または前記標準試料への印加電圧と静電容量との関係を生成し、
前記関係の特徴点に対応する電圧値を検出し、
前記検出された電圧値の直流バイアス電圧を前記測定試料に印加した状態で、前記測定試料または前記探針の励振、前記周波数変調信号の生成、および前記微分容量信号の生成を順に行って、前記微分容量信号に基づいて、前記測定試料の電気特性を計測する走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
【請求項３】
前記特徴点は、前記関係が単調増加または単調減少する場合には、前記関係を電圧にて２階微分した値の極大点と極小点との間の点である請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
【請求項４】
前記特徴点は、前記関係が単調増加または単調減少する場合には、前記関係を電圧にて１階微分した値の極大値または極小値であって、かつ前記関係を電圧にて２階微分した値がゼロになる点である請求項３に記載の走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
【請求項５】
前記測定試料および前記標準試料は、ｐ型半導体領域またはｎ型半導体領域を含んでおり、
前記特徴点は、前記ｐ型半導体領域または前記ｎ型半導体領域上に前記探針が置かれる場合には、前記関係を示すＣＶ曲線の傾きの絶対値が最大になる点、または前記ＣＶ曲線の変曲点である請求項３または４に記載の走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
【請求項６】
前記特徴点は、前記関係がピークを有する場合には、前記関係を電圧にて１階微分した値の極大点と極小点との間の点である請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
【請求項７】
前記特徴点は、前記関係がピークを有する場合には、前記関係を電圧にて１階微分した値がゼロとなり、かつ前記関係を電圧にて２階微分した値が極大値または極小値になる点である請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
【請求項８】
前記測定試料および前記標準試料は、空乏層を含んでおり、
前記特徴点は、前記空乏層上に前記探針が置かれる場合には、前記関係を示すＣＶ曲線の傾きが最小になる点、または前記ＣＶ曲線の極小点である請求項６または７に記載の走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体領域内の電荷分布や誘電体の分極分布などをナノスケールで観察する走査型非線形誘電率顕微鏡（ＳＮＤＭ：Scanning Nonlinear Dielectric Microscopy）が知られている。ＳＮＤＭの探針は、測定試料上で二次元走査されるが、探針と測定試料との間、および測定試料を載置するステージと測定試料との間には、外乱となる浮遊容量や浮遊インダクタが存在する。探針が検出する微分容量には、これらの外乱による影響が重畳されるため、測定感度が低下したり、測定値が不安定になる。
【０００３】
また、測定試料に対して研磨処理や酸化膜の形成処理などを行うと、測定試料の表面が電荷を帯びる場合がある。この場合、測定試料の表面の帯電状態が変化し、Ｃ−Ｖ曲線が電圧方向にシフトする。これにより、ＳＮＤＭで検出される微分容量信号が変化してしまう。
【０００４】
このように、ＳＮＤＭは、微小な容量変化を検出できるという特徴を有するが故に、周囲の影響を受けやすく、ＳＮＤＭの測定結果は、同じ測定試料であっても、日毎に変化したり、周囲環境により大きく変化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開５２９５０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の実施形態は、外乱の影響を受けずに精度よく測定試料の電気特性を測定可能な走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態によれば、探針を測定試料または標準試料上に位置決めする位置決め部と、  前記測定試料または標準試料、あるいは前記探針を所定の周波数で励振させる励振部と、
前記測定試料または標準試料の静電容量の変化を共振周波数の変化に変換させた周波数変調信号を出力する共振部と、
前記周波数変調信号を復調した復調信号を出力する周波数復調器と、
前記復調信号に含まれる前記所定の周波数成分および前記所定の周波数の高調波成分を抽出した微分容量信号を出力するロックインアンプと、
前記微分容量信号に基づいて、前記測定試料または標準試料への印加電圧と静電容量との関係を出力する変換部と、
前記関係の特徴点に対応する電圧値を検出する特徴点電圧検出部と、
前記特徴点電圧検出部で検出された電圧値の直流バイアス電圧を前記測定試料に印加した状態で、前記励振部、前記共振部、前記周波数変調器および前記ロックインアンプを動作させて、前記測定試料の電気特性を計測する本測定制御部と、を備える走査型プローブ顕微鏡が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態による走査型プローブ顕微鏡１の概略構成を示すブロック図。
【図２Ａ】交流電圧の振幅が小さい場合の微分容量ΔＣの波形図。
【図２Ｂ】交流電圧の振幅が図２Ａより大きい場合の微分容量ΔＣの波形図。
【図３】測定試料１１のＣＶ曲線が表面の帯電により、電圧方向にシフトした例を示す図。
【図４】図１のＳＮＤＭ１による測定手順を示すフローチャート。
【図５Ａ】測定試料がｎ型半導体領域の場合のＣＶ曲線を示す図。
【図５Ｂ】測定試料がｐ型半導体領域の場合のＣＶ曲線を示す図。
【図５Ｃ】測定試料が空乏層を有する場合のＣＶ曲線を示す図。
【図６】測定試料がｎ型半導体領域の場合の特徴点電圧検出部の処理手順を示す図。
【図７】測定試料が空乏層を有する場合の特徴点電圧検出部の処理手順を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。図１は一実施形態による走査型プローブ顕微鏡１の概略構成を示すブロック図である。図１の走査型プローブ顕微鏡１は、走査型非線形誘電率顕微鏡（ＳＮＤＭ）である。図１は、ＳＮＤＭ１の特徴的な構成部分のみを示しており、その他の構成部分は省略している。
【００１０】
図１のＳＮＤＭ１は、ステージ２と、ステージ駆動部３と、探針４と、位置決め部５と、励振部６と、共振部７と、周波数復調器８と、ロックインアンプ９と、制御部１０とを備えている。
【００１１】
測定試料１１はステージ２上に載置される。ステージ駆動部３は、ステージ２上の測定試料１１を上下方向（Ｚ方向）に移動させ、測定試料１１と探針４との距離を調整する。また、ステージ駆動部３は、ステージ２上の測定試料１１を左右方向（ＸＹ方向）に移動させる。なお、ステージ駆動部３を設ける代わりに、測定試料１１の位置を固定させて、探針４をＸＹＺ方向に移動させる駆動部を設けてもよい。
【００１２】
位置決め部５には、探針４にレーザ光を照射する発光部１２と、探針４からの反射光を受光する受光部１３とが接続されている。位置決め部５は、受光部１３で受光されたレーザ光に基づいて、探針４の位置決めを行う。
【００１３】
励振部６は、測定試料１１をＺ方向に励振させる。より具体的には、励振部６は、測定試料１１に対して、所定の周波数の交流電圧を印加する。これにより、測定試料１１の静電容量が微小な静電容量だけ変化する。
【００１４】
共振部７は、ＬＣ共振回路７ａとアンプ７ｂを有し、測定試料１１の励振による測定試料１１の微小な静電容量の変化を共振周波数の変化に変換させる。これにより、共振部７は、微小な静電容量の変化に応じて周波数が変化する周波数変調信号を出力する。共振部７を設けることで、測定試料１１の微小な静電容量の変化を周波数の変化として検出できる。
【００１５】
周波数復調器８は、周波数変調信号を復調した復調信号を出力する。この復調信号は、電圧信号である。ロックインアンプ９は、復調信号に含まれる所定の周波数成分と、この周波数成分の高調波成分とを抽出した微分容量信号を出力する。微分容量信号は、以下の（１）式で表される。
【００１６】
【数１】
2018036244.tif 000003
【００１７】
（１）式は、周波数の関数であるため、（２）式に示すように、フーリエ級数展開することができる。
【００１８】
【数２】
2018036244.tif 000004
【００１９】
（２）式に示すように、微分容量信号は、容量の電圧による変化についての高次微分容量成分を有する。（２）式では、４次までの高次微分容量成分を示しているが、ロックインアンプ９から出力される微分容量信号には、４次より高次の微分容量成分も含まれている。
【００２０】
制御部１０は、ＣＶ曲線生成部１４と、特徴点電圧検出部１５と、本測定制御部１６とを有する。ＣＶ曲線生成部（変換部）１４は、微分容量信号に基づいて、測定試料１１への印加電圧と静電容量との関係を表すＣＶ曲線を生成する。より上位概念としては、変換部は、微分容量信号に基づいて、測定試料１１への印加電圧と静電容量との関係を出力する。特徴点電圧検出部１５は、ＣＶ曲線上の特徴点に対応する電圧値を検出する。本測定制御部１６は、特徴点電圧検出部１５で検出された電圧値を直流バイアス電圧として測定試料１１に与えた状態で、励振部６、共振部７、周波数変調器およびロックインアンプ９を動作させて、測定試料１１の電気特性を計測する。計測される電気特性は、例えば、測定試料１１内の電荷分布やキャリア濃度分布などである。
【００２１】
ここで、励振部６が測定試料１１に印加する交流電圧は、振幅をある程度大きくする必要がある。図２Ａは交流電圧の振幅が小さい場合の微分容量ΔＣの波形図、図２Ｂは交流電圧の振幅が図２Ａより大きい場合の微分容量ΔＣの波形図である。
【００２２】
交流電圧の振幅が小さい場合には、図２Ａのように、微分容量ΔＣの波形歪みは少ないものの、ＣＶ曲線の中央部の略線形な領域に対応する微分容量ΔＣしか得られない。一方、交流電圧の振幅が大きい場合には、図２Ｂのように、微分容量ΔＣの波形はピーク値において歪むものの、ＣＶ曲線の両端部２０を含む全領域に対応する微分容量ΔＣが得られる。
【００２３】
ＣＶ曲線生成部１４は、上述した（２）式で示した微分容量信号のより高次の微分容量成分までを取得して、ＣＶ曲線を生成する。これにより、図２ＢのＣＶ曲線の両端側領域の特性を正確に再現できるようになる。ただし、より高次の微分容量成分ほど、値が小さくなるため、実際上は、６次の微分容量成分くらいまでを取得してＣＶ曲線を生成するのが望ましい。
【００２４】
測定試料１１周辺の外乱の影響により、測定試料１１の表面が帯電すると、上述したように、ＣＶ曲線が電圧方向にシフトするおそれがある。図３は測定試料１１のＣＶ曲線が表面の帯電により、電圧方向にシフトした例を示している。この場合、電圧ゼロでのＣＶ曲線の傾きＳＬ１がＳＬ２に変化する。これはすなわち、ロックインアンプ９から出力される微分容量信号が変化することを意味し、測定試料１１の電気特性を精度よく計測できなくなる。そこで、本実施形態では、ＳＮＤＭ１にて測定試料１１の電気特性の測定を行う際に、ＣＶ曲線の電圧シフト量を検出して、検出された電圧シフト量に応じた直流バイアス電圧を測定試料１１に印加した状態で、ＳＮＤＭ１の測定を行う。
【００２５】
図４は図１のＳＮＤＭ１による測定手順を示すフローチャートである。まず、ステージ２上に測定試料１１を載置して、位置決め部５を用いて、測定試料１１上に探針４を位置決めする（ステップＳ１）。次に、励振部６により、測定試料１１に交流電圧を印加する（ステップＳ２）。次に、測定試料１１への交流電圧の印加による測定試料１１の微小な静電容量の変化を、共振部７にて、共振周波数の変化に変換させる（ステップＳ３）。共振部７は、測定試料１１の微小な静電容量の変化に応じて共振周波数を変化させた周波数変調信号を出力する。周波数復調器８は、共振部７から出力された周波数変調信号を復調した復調信号を出力する（ステップＳ４）。次に、ロックインアンプ９は、復調信号から微分容量信号を抽出する（ステップＳ５）。
【００２６】
次に、制御部１０内のＣＶ曲線生成部１４は、微分容量信号を逆フーリエ変換することにより、ＣＶ曲線を生成する（ステップＳ６）。ここで、「ＣＶ曲線を生成」とは、実際にＣＶ曲線自体を描画することはもちろん、ＣＶ曲線を示す関数や行列を生成することを含む。次に、特徴点電圧検出部１５は、ＣＶ曲線上の特徴点に対応する直流バイアス電圧を検出する（ステップＳ７）。特徴点とは、後述するように、測定試料１１の外乱によるＣＶ曲線の変化を相殺するのに適した点である。
【００２７】
次に、本測定制御部１６は、ステップＳ７で検出した直流バイアス電圧を測定試料１１に印加した状態で、励振部６、共振部７、周波数復調器８、およびロックインアンプ９を制御して、測定試料１１の電気特性を測定する本測定を行う（ステップＳ８）。
【００２８】
上述したステップＳ１〜Ｓ７では、測定試料１１を用いて直流バイアス電圧を検出する例を示したが、測定試料１１と同じ材料および同じキャリア濃度を有する標準試料を用いて直流バイアス電圧を検出し、ステージ２上の標準試料を測定試料１１に入れ替えてステップＳ８の処理を行ってもよい。標準試料を用いる場合は、針との間のフラットバンド電圧ＶFBが既知である標準試料を用いるのが望ましい。
【００２９】
ＣＶ曲線の曲線形状は、測定試料１１がｎ型半導体領域の場合、ｐ型半導体領域の場合、空乏層を有する場合のそれぞれにおいて異なっている。図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃはそれぞれ、測定試料１１がｎ型半導体領域、ｐ型半導体領域、空乏層を有する場合のＣＶ曲線を示している。ｎ型半導体領域のＣＶ曲線は、図５Ａに示すように電圧の増大に伴って静電容量が単調減少する曲線形状となる。ｐ型半導体領域のＣＶ曲線は、図５Ｂに示すように電圧の増大に伴って静電容量が単調増加する曲線形状となる。空乏層を有する場合のＣＶ曲線は、図５Ｃに示すようにある電圧で静電容量が極小になる極小点を有する曲線形状となる。
【００３０】
特徴点電圧検出部１５の処理は、ＣＶ曲線生成部１４で生成されたＣＶ曲線の曲線形状により異なる。図６は測定試料１１がｎ型半導体領域の場合の特徴点電圧検出部１５の処理手順を示す図である。図６は、ＣＶ曲線を電圧にて１階微分した曲線と、２階微分した曲線と、３階微分した曲線とを示している。特徴点電圧検出部１５は、１階微分した曲線が極小値になり、かつ２階微分した曲線がゼロになる点を特徴点として、対応する電圧値を直流電圧として検出する。この電圧値は、ＣＶ曲線の傾きの絶対値が最大になる点に等しく、別の見方では、ＣＶ曲線の変曲点に等しい。
【００３１】
特徴点に対応する電圧値とゼロ電圧とのずれが、直流バイアス電圧として印加すべき電圧になる。
【００３２】
なお、実際上は、上述した点から若干ずれた点を特徴点としてもよい。すなわち、測定試料１１がｎ型半導体領域の場合は、図６の曲線に示すように、ＣＶ曲線を２階微分した曲線の極大点と極小点との間の点に特徴点が設定される。
【００３３】
測定試料１１がｐ型半導体領域の場合も、同様の手順で直流電圧が検出される。測定試料１１がｐ型半導体領域の場合は、図５ＢのようにＣＶ曲線が単調増加になるため、１階微分した曲線、２階微分した曲線、３階微分した曲線の波形はそれぞれ、図６とは逆になるが、図６と同様の手順にて直流電圧を検出できる。
【００３４】
図６の結果をまとめると、特徴点は、ＣＶ曲線が単調増加または単調減少する場合には、ＣＶ曲線を電圧にて２階微分した値の極大点または極小点との間の点である。より具体的には、特徴点は、ＣＶ曲線が単調増加または単調減少する場合には、ＣＶ曲線を電圧にて１階微分した値の極大値または極小値であって、かつＣＶ曲線を電圧にて２階微分した値がゼロになる点である。さらに具体的には、特徴点は、測定試料１１内のｐ型半導体領域またはｎ型半導体領域上に探針４が置かれる場合には、ＣＶ曲線の傾きの絶対値が最大になる点、またはＣＶ曲線の変曲点である。
【００３５】
図７は測定試料１１が空乏層を有する場合の特徴点電圧検出部１５の処理手順を示す図である。図７は、ＣＶ曲線を電圧にて１階微分した曲線と２階微分した曲線とを示している。特徴点電圧検出部１５は、１階微分した曲線がゼロになり、かつ２階微分した曲線が極大値になる点を特徴点として、対応する電圧値を直流電圧として検出する。この電圧値は、ＣＶ曲線の極小値に等しい。
【００３６】
図７の場合も、実際上は、上述した点から若干ずれた点を特徴点としてもよい。すなわち、測定試料１１が空乏層を有する場合は、図の曲線に示すように、ＣＶ曲線を１階部分した曲線の極大点と極小点との間の点に特徴点が設定される。
【００３７】
図７の結果をまとめると、特徴点は、ＣＶ曲線がピークを有する場合には、ＣＶ曲線を電圧にて１階微分した値の極大点と極小点との間の点である。より具体的には、特徴点は、ＣＶ曲線がピークを有する場合には、ＣＶ曲線を電圧にて１階微分した値がゼロとなり、かつＣＶ曲線を電圧にて２階微分した値が極大値または極小値になる点である。さらに具体的には、特徴点は、測定試料１１中の空乏層上に探針４が置かれる場合には、ＣＶ曲線の傾きが最小になる点、またはＣＶ曲線の極小点である。
【００３８】
なお、図６および図７では、ＣＶ曲線上の特徴点に対応する電圧とゼロ電圧との差分電圧を直流バイアス電圧としているが、これは、フラットバンド電圧ＶFB＝０Ｖと仮定しているためである。フラットバンド電圧ＶFBが０Ｖでない場合には、ＣＶ曲線上の特徴点に対応する電圧とフラットバンド電圧ＶFBとの差分電圧を直流バイアス電圧としてもよい。
【００３９】
このように、本実施形態では、測定試料１１を用いて微分容量を計測してＣＶ曲線を生成し、ＣＶ曲線上の特徴点に対応する電圧値を直流バイアス電圧として設定する。そして、測定試料１１に直流バイアス電圧を印加した状態で、本測定を行って測定試料１１の電気特性を計測する。これにより、外乱の影響によって測定試料１１の表面が帯電していたとしても、測定試料１１の電気特性を精度よく計測できる。したがって、本実施形態によれば、同じ測定試料１１であっても、日毎に計測結果がばらつくという不具合が起きなくなる。
【００４０】
また、本実施形態では、測定試料１１がｐ型半導体領域か、ｎ型半導体領域か、または空乏層を有するかによって、直流バイアス電圧の設定方法を変えるため、測定試料１１の種類に最適な直流バイアス電圧を設定でき、測定試料１１の電気特性の精度向上が図れる。
【００４１】
上述の説明では、ＳＮＤＭ１にて微分容量を計測する場合の直流バイアス電圧を検出する例を説明したが、本実施形態は、走査型容量顕微鏡（ＳＣＭ：Scanning Capacitance Microscope）を用いて微分容量を計測する場合にも適用可能である。また、その他の各種の走査型プローブ顕微鏡１を用いて微分容量を計測する場合にも、本実施形態は適用可能である。
【００４２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４３】
１  走査型非線形誘電率顕微鏡（ＳＮＤＭ）、２  ステージ、３  ステージ駆動部、４
探針、５  位置決め部、６  励振部、７  共振部、８  周波数復調器、９  ロックインアンプ、１０  制御部、１１  測定試料、１２  発光部、１３  受光部、１４  ＣＶ曲線生成部、１５  特徴点電圧検出部、１６  本測定制御部
【図１】
2018036244.tif 000005
【図２Ａ】
2018036244.tif 000006
【図２Ｂ】
2018036244.tif 000007
【図３】
2018036244.tif 000008
【図４】
2018036244.tif 000009
【図５Ａ】
2018036244.tif 000010
【図５Ｂ】
2018036244.tif 000011
【図５Ｃ】
2018036244.tif 000012
【図６】
2018036244.tif 000013
【図７】
2018036244.tif 000014