(57)【要約】【課題】電界効果トランジスタの半導体の移動度分布をナノメートルレベルの空間分解能で測定することが可能となる技術を提供することである。【解決手段】探針で電界効果トランジスタのチャンネル表面を走査しながら、各点において探針直下のチャンネルの表面電位およびトラップ電荷による電位を、原子間力顕微鏡を用いた電位測定により測定し求めた電位から局所的な移動度を算出し、さらに各点で算出された移動度に基づいて移動度分布を求める。【選択図】図１
2011027582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体に設けられたソース領域と、ドレイン領域と、該半導体の表面上に設けられたゲート絶縁膜および該ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極とを具備してなる前記電界効果トランジスタの前記半導体における移動度を、導電性の探針を用いて測定する半導体評価装置において、
前記電界効果トランジスタ表面の各点において、該各点から前記電界効果トランジスタ表面に垂直な方向の表面電位を測定する手段と、
前記各点から前記電界効果トランジスタの表面に対して垂直に延伸する方向における前記ゲート絶縁膜と前記半導体との境界近傍のトラップ電荷密度を測定する手段とを備え、
前記表面電位を測定する手段は、前記探針に直流電圧成分と交流電圧成分を含む電圧を印加し前記探針に振動を生じさせ、前記探針の振動により生じた前記探針と前記電界効果トランジスタの、垂直方向の変位を一定に保つように制御するフィードバック制御部と、前記フィードバック制御部を用いて前記直流電圧成分を調整し表面電位を測定する表面電位測定器とを有し、
前記トラップ電荷密度を測定する手段は、前記半導体の導電型およびトラップ電荷の極性に応じて、前記表面電位測定器を用いて表面電位を測定する手段、または、前記探針に印加される静電気力が一定値となるように前記ゲート交流電圧の振幅を調整し表面電位を測定する手段、のいずれかの選択を行う制御部を有し、
前記表面電位と前記トラップ電荷密度を用いて、前記電界効果トランジスタの前記半導体における前記各点の移動度を算出する
ことを特徴とする半導体評価装置。
【請求項２】
前記各点における移動度の算出を、前記電界効果トランジスタの前記半導体における各点で繰り返し求めることで前記電界効果トランジスタの移動度分布を求め、該移動度分布を表示する手段を有する
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】
前記探針に振動を与える発振部と、
該振動による探針の変位を検出する変位検出部と、
該変位検出部の情報に基づき、前記電界効果トランジスタを載置したステージを該振動に応じて前記電界効果トランジスタの表面に対して垂直方向に移動し、該探針と前記電界効果トランジスタの表面との距離をほぼ一定に保持する手段を有する
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】
前記トラップ電荷密度を測定する手段は、前記ゲート電極にゲート交流電圧を印加する交流電圧印加手段を有し、
前記半導体がＰ型であって、かつしきい値電圧が正の時、あるいは前記半導体がＮ型であって、かつ前記しきい値電圧が負の時、あるいは前記ドレイン電極および前記ゲート電極および前記探針を接地した状態で力検出器によって静電気力が検出されない時のいずれか一の場合には、
前記ドレイン電極を接地し、前記ゲート電極に前記交流電圧印加手段を用いてゲート交流電圧を印加し、前記探針を接地し、前記探針に印加される静電気力が一定値となるように、前記ゲート交流電圧の振幅を調整することにより、トラップ電荷密度を測定し、
または、
前記半導体がＰ型であって、かつしきい値電圧が負または０Ｖの時、あるいは前記半導体がＮ型であって、かつ前記しきい値電圧が正または０Ｖの時、あるいは前記ドレイン電極および前記ゲート電極および前記探針を接地した状態で、前記力検出器によって静電気力が検出される時のいずれか一の場合には、
前記ドレイン電極および前記ゲート電極を接地し、前記交流電圧印加手段を用いずに前記表面電位測定器を用いて表面電位を測定することにより、トラップ電荷密度を測定する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５】
前記電界効果トランジスタの半導体における移動度の算出は、
前記半導体にキャリアが発生する場合は、前記交流電圧を印加する手段を使用し、
前記チャネル領域にキャリアが発生しない場合は、前記交流電圧を印加する手段を使用しないように切り替える手段を有する
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６】
前記表面電位測定器は、前記探針に直流電圧および交流電圧を印加する手段と、
前記電界効果トランジスタ表面から生じる原子間力を検出する力検出器の出力信号から前記探針に印加された交流電圧の周波数成分を検出する静電気力検出器と、
前記探針に印加された直流電圧を調整し前記静電気力検出器の出力信号を一定値に保つ制御系とを具備し、
前記探針に直流電圧および交流電圧を印加し、前記探針に印加される静電気力が一定値となるように、前記探針に印加された前記直流電圧を調整することによって表面電位を測定する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体評価装置。
【請求項７】
導電性の探針を用いて、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、ゲート絶縁膜および半導体を具備してなる電界効果トランジスタの前記半導体の移動度を測定する半導体装置の評価方法であって、
前記ドレイン電極および前記ゲート電極のそれぞれに直流電圧ＶｄおよびＶｇを印加し、前記ソース電極の電流を測定し、測定した電流値Ｉを記憶装置に記憶し、
前記探針に直流電圧成分と交流電圧成分を含む電圧を印加し前記探針に振動を生じさせ、前記探針の振動により生じた前記探針と前記電界効果トランジスタの垂直方向の変位を一定に保つように、フィードバック制御部を用いて前記直流電圧成分を調整する表面電位測定器により、表面電位Ｖｃｈを測定する表面電位取得ステップと、
前記半導体の導電型およびトラップ電荷の極性に応じて、
前記ドレイン電極を接地し、前記ゲート電極にゲート交流電圧を印加し、前記探針を接地し、前記探針に印加される静電気力が一定値となるように、前記ゲート交流電圧の振幅を調整することにより、トラップ電位取得Ｖｔを算出するか、または、
前記ドレイン電極および前記ゲート電極を接地し、前記表面電位測定器を用いて表面電位を測定することにより、トラップ電位を算出するかのいずれかを選択してトラップ電位を算出するトラップ電位取得ステップと、
前記各点において、前記記憶装置に記憶した前記表面電位および前記相対座標を用いて、前記探針の現在の相対座標と一致する前記相対座標における前記表面電位の微分値を計算することにより電界強度Ｅを算出する電界強度取得ステップと、
前記各ステップで取得した結果を用いて、μ=Ｉ・ｔ/(Ｗｅｒｅ０ (Ｖｃｈ-Ｖｇ-Ｖｔ) Ｅ)を計算することにより、移動度μを取得する移動度取得ステップとを有する
ことを特徴とする半導体装置の評価方法。
【請求項８】
前記表面電位取得ステップにおいて、前記探針を、前記ソース電極および前記ドレイン電極に対して垂直な一つの走査線上を面内方向に移動させながら前記表面電位を測定し、前記一つの走査線上の各点の相対座標と共に、該各点において測定した前記表面電位を記憶装置に記憶し、前記一つの走査線上の測定が完了した後、前記一つの走査線の始点に移動し、さらに前記一つの走査線上を面内方向に移動させながら前記トラップ電位取得ステップを行い、次に、別の走査線上の各点における前記表面電位取得ステップと前記トラップ電位取得ステップとを交互に繰り返しながら行う面内測定ステップと、
前記面内で取得した移動度の分布を求め、該分布を表示するステップを更に有する
ことを特徴とする請求項７記載の半導体装置の評価方法。
【請求項９】
導電性の探針を用いて、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極、ゲート絶縁膜および半導体を具備してなる電界効果トランジスタの前記半導体の移動度を測定する半導体装置の評価方法であって、
前記ドレイン電極および前記ゲート電極のそれぞれに直流電圧ＶｄおよびＶｇを印加し、前記ソース電極の電流を測定し、測定した電流値Ｉを記憶装置に記憶し、
前記探針に直流電圧成分と交流電圧成分を含む電圧を印加し前記探針に振動を生じさせ、前記探針の振動により生じた前記探針と前記電界効果トランジスタの垂直方向の変位を一定に保つように、フィードバック制御部を用いて前記直流電圧成分を調整する表面電位測定器により、表面電位Ｖｃｈを測定する表面電位取得ステップと、
前記半導体がＰ型であって、かつしきい値電圧が正の時、あるいは
前記半導体がＮ型であって、かつ前記しきい値電圧が負の時、あるいは
前記ドレイン電極および前記ゲート電極および前記探針を接地した状態で力検出器によって静電気力が検出されない時のいずれか一の場合には、
前記ドレイン電極を接地し、前記ゲート電極にゲート交流電圧を印加し、前記探針を接地し、前記探針に印加される静電気力が一定値となるように、前記ゲート交流電圧の振幅を調整することにより、トラップ電位取得Ｖｔを算出する、または、
前記半導体がＰ型であって、かつしきい値電圧が負または０Ｖの時、あるいは
前記半導体がＮ型であって、かつ前記しきい値電圧が正または０Ｖの時、あるいは
前記ドレイン電極および前記ゲート電極および前記探針を接地した状態で、前記力検出器によって静電気力が検出される時のいずれか一の場合には、
前記ドレイン電極および前記ゲート電極を接地し、前記表面電位測定器を用いて表面電位を測定することにより、トラップ電位を算出するトラップ電位取得ステップと、
前記表面電位取得ステップにおいて、前記探針を、前記ソース電極および前記ドレイン電極に対して垂直な一つの走査線上を面内方向に移動させながら前記表面電位を測定し、前記一つの走査線上の各点の相対座標と共に、該各点において測定した前記表面電位を記憶装置に記憶し、前記一つの走査線上の測定が完了した後、前記一つの走査線の始点に移動し、さらに前記一つの走査線上を面内方向に移動させながら前記トラップ電位取得ステップを行い、次に、別の走査線上の各点における前記表面電位取得ステップと前記トラップ電位取得ステップとを交互に繰り返しながら行う面内測定ステップと、
前記各点において、前記記憶装置に記憶した前記表面電位および前記相対座標を用いて、前記探針の現在の相対座標と一致する前記相対座標における前記表面電位の微分値を計算することにより電界強度Ｅを算出する電界強度取得ステップと、
前記各ステップで取得した前記電流Ｉ、前記表面電位Ｖｃｈ、前記直流ゲート電圧Ｖｇ、前記トラップ電位Ｖｔ、前記電界強度Ｅ、および前記記憶装置に予め記憶させておいた前記電界効果トランジスタのチャンネル幅Ｗ、真空の誘電率ｅ０、前記ゲート絶縁膜の膜厚ｔ、前記ゲート絶縁膜の比誘電率ｅｒのそれぞれを用いて、μ=Ｉ・ｔ/(Ｗｅｒｅ０ (Ｖｃｈ-Ｖｇ-Ｖｔ) Ｅ)を計算することにより、前記各点における移動度μを取得する移動度分布取得ステップとを有する
ことを特徴とする半導体装置の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体評価装置に係り、例えば、原子間力顕微鏡を用いて電位分布を検出することにより、電界効果トランジスタの電界効果移動度を評価する半導体評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電界効果トランジスタ(FET : Field Effect Transistor)の特性評価手法としては、ソース-ドレイン電極間に流れる電流のゲート電圧依存性から求める手法が一般的である。ＦＥＴの特性を示す主な指標として、電界効果移動度およびしきい値電圧がある。電界効果移動度は半導体内でのキャリアの電界による移動のし易さを示し、この値が大きいほど高速な動作が期待できる。また、しきい値電圧はソース-ドレイン間のＯＮ／ＯＦＦ状態が切り替わるゲート電圧であり、トランジスタが安定に動作するためにはこの値の変動が小さいことが望ましい。
【０００３】
ドレイン電圧Ｖｄがゲート電圧Ｖｇよりも十分に大きい領域(飽和領域)においては、ソース-ドレイン間に流れるドレイン電流Ｉｓｄはドレイン電圧によらず一定の値となり、次の式で与えられる。
【０００４】
Isd＝(W/2L)μCgi(Vg−Vt)2
ここで、Ｗはチャンネルの幅、Ｌはチャンネルの長さ、μは電界効果移動度、Ｃｇｉはゲート絶縁膜の単位面積あたりの静電容量、Ｖｔはしきい値電圧である。ドレインに|Ｖｄ|＞|Ｖｇ−Ｖｔ|であるような一定の電圧を印加し、ドレイン電流のゲート電圧依存を測定すると、ドレイン電流はＶｇ＞Ｖｔにおいては上の式を満たし、Ｖｇ＜Ｖｔにおいては流れない。
【０００５】
したがって、Ｖｇ＞Ｖｔにおいて測定値を上の式でフィッティングすることにより、電界効果移動度およびしきい値電圧が得られる。具体的には、電流値の平方根により得られる直線が横軸(ゲート電圧)と交差する電圧値がしきい値電圧であり、また、この直線の傾きと他の既知の値から電界効果移動度が求まる（非特許文献１または２を参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「半導体デバイスの基礎」、オーム社、p.175
【非特許文献２】「電子・情報基礎シリーズ２  半導体工学」、近代科学社、p.158
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の半導体評価装置においては、測定される電界効果移動度およびしきい値電圧は、電界効果トランジスタの素子全体としてのマクロな値である。そのため、従来手法で得られる電界効果移動度には、半導体以外の特性による要因、例えば、電極-半導体間の電荷輸送障壁や、半導体結晶粒間の接触抵抗等による影響が含まれていると考えられる。また、半導体の特性がチャンネル内において一様でない場合も考えられるが、その影響は平均化されてしまう。しきい値電圧に関しても、必ずしも一様ではない半導体-ゲート絶縁膜界面のトラップ電荷の分布は考慮されない。このように、従来手法では素子内部のミクロな半導体特性を評価することが困難であった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、電界効果トランジスタのチャンネル(半導体)内の電界効果移動度分布をナノメートルレベルの空間分解能で測定することが可能となる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、トランジスタ内の局所的な電界効果移動度が各点における電位およびゲート絶縁膜−半導体界面のトラップ電荷密度を用いて導出できること、また、チャンネルがＯＦＦ状態のときにトラップ電荷密度がゲート電圧に加算された電圧値として、チャンネル表面の電位として現れることに注目したものである。
【００１０】
まず、移動度の導出方法について説明する。半導体中を流れるキャリアの電流密度Ｊは、電界効果移動度μ、キャリア密度ｑ、チャンネル方向の電界強度Ｅを用いて、
J = μ q E
と表せる。キャリア密度はゲート絶縁膜の単位面積あたりの静電容量Ｃｇｉとゲート絶縁膜に印加される電位差Ｖｇｉを用いて、
ｑ = Cgi Vgi
で与えられる。ゲート絶縁膜には、その両側に存在するゲート電極(ゲート電圧Ｖｇ)とチャンネル(チャンネル電位Ｖｃｈ)の電位差に加え、ゲート絶縁膜と半導体の界面にトラップされた電荷によるトラップ電位Ｖｔが実効的に印加されるため、
Vgi = Vch − Vg + Vt
となる。電界強度はチャンネル電位のチャンネル方向における傾きであるから、移動度は最終的に、
μ = J/ Cgi (Vch − Vg + Vt)(dVch /dx)  ・・・(式１)
により求まる。ここで、電流密度Ｊはゲート電圧およびドレイン電圧を印加したときに流れるソース−ドレイン電流を測定することにより求まり、そのときのゲート電圧Ｖｇおよびゲート絶縁膜の静電容量Ｃｇｉは既知であり、また、チャンネル内の場所に依存しない。
【００１１】
さらに、チャンネルの電位Ｖｃｈは原子間力顕微鏡を用いた電位測定により、チャンネル表面の電位としてその電位プロファイルが測定可能である。以上から、電界効果移動度の場所依存性を測定するためには、局所的なトラップ電位Ｖｔの評価が必要となる。
【００１２】
トラップ電位は、チャンネルが形成されていない状態(半導体がＰ型ならゲート電圧がしきい値電圧以上、Ｎ型ならしきい値電圧以下)においてはチャンネル内のキャリアに遮蔽されないため、半導体の表面電位とゲート電圧の差として観察できる。
まず、半導体がＰ型でしきい値電圧が負の場合、あるいは、半導体がＮ型でしきい値電圧が正の場合、ゲート、ドレイン、およびソース電極を接地すると、キャリアは生成されないため、トラップ電位は半導体表面に現れる。この電位を原子間力顕微鏡を用いて測定することにより、トラップ電位の分布が観察できる。
【００１３】
次に、半導体がＰ型でしきい値電圧が正の場合、あるいは、半導体がＮ型でしきい値電圧が負の場合、ゲート電圧がゼロであっても、トラップ電荷により生成されたキャリアに遮蔽されるため、トラップ電位は半導体表面から観察できない。
キャリアの影響をなくすために、チャンネルが形成されないようなゲート電圧(Ｐ型ならしきい値電圧以上、Ｎ型ならしきい値電圧以下)を印加すると、半導体表面にはゲート電圧にトラップ電位を加えた電圧が現れ、測定された表面電位と印加したゲート電圧の差からトラップ電位がわかる。ところが、半導体内部に電界が存在すると、そのストレスによってトラップ電荷が移動し、トラップ電位自体が変化してしまう恐れがある。
【００１４】
そこで、ゲート電圧として０Ｖを中心とした交流電圧を用いることにより、半導体内部の電界を平均的にゼロとし、トラップ電荷に与える影響をなくす。交流ゲート電圧の振幅がトラップ電位の絶対値よりも大きい場合にのみ半導体表面に電位が現れ、接地した原子間力顕微鏡探針との間に働く静電気力がカンチレバーの撓みとして検出できる。
探針-試料表面間に働く静電気力をゼロに近い一定値となるように交流ゲート電圧の振幅を調整することによって、振幅が探針直下のトラップ電位とほぼ等しくなるため、振幅からトラップ電位がわかる。チャンネル上の各点において、チャンネル電位およびトラップ電位測定を行うことにより、電界効果移動度分布の観察ができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電界効果トランジスタのチャンネル内の電界効果移動度分布をナノメートルレベルの空間分解能で測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る半導体評価装置の実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明に係る半導体評価装置により測定された移動度分布である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、半導体評価装置に係る発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１８】
図１は、本発明の半導体評価装置の実施形態を示す構成図である。測定試料1は電界効果トランジスタであり、ゲート絶縁膜3の下部にゲート電極2、上部にドレイン電極4およびソース電極5が設けられ、最表面に半導体6が形成されている。測定試料1の表面に対向してカンチレバー7が配置され、その先端には探針8が設けられている。カンチレバー7および探針8は発振部9により、固有振動数かその近傍の周波数で、測定試料1の表面に対して垂直方向に振動させられる。測定試料1は試料台10を介してＸＹＺ走査機構11および粗動機構12上に固定されており、ＸＹＺ走査機構11により探針8に対して３次元方位方向に移動させることができ、また、粗動機構12により測定試料1と探針8の間の距離を大きく変化させることができる。
【００１９】
測定時に際して、まず、制御部34が粗動部17を用いて粗動機構12を駆動し、測定試料1の表面を探針8に接近させる。測定試料1と探針8が十分に接近すると、測定試料1の表面との相互作用によりカンチレバー7の振動状態が変化する。カンチレバー7の変位を変位検出部13を用いて検出し、さらに、振幅・周波数検出部14によりカンチレバー7の振動振幅あるいは周波数が検出される。フィードバック制御部(Ａ)15は、カンチレバー7の振動振幅あるいは周波数が制御部34により設定された一定値となるように、Ｚ駆動部16によりＸＹＺ走査機構11をＺ方向に駆動し、探針8と測定試料1表面との間の距離を一定に保つ。この状態において、制御部34がＸＹ走査部18を用いてＸＹＺ走査機構11をＸＹ面内で走査すると、測定試料1の表面形状に合わせてＸＹＺ走査機構11がＺ方向位置を調整し、測定試料1の表面と探針8の先端の距離は常に一定に保たれる。
【００２０】
移動度測定は測定試料1の表面と探針8の先端の距離を常に一定に保ちながら行う。まず、測定試料1のトランジスタを動作させた状態で、チャンネル表面の電位を測定する。ドレイン電極4にはドレイン電圧印加部19により一定のドレイン電圧が印加される。
【００２１】
図１のＳＷ２を、図示されている結線状態から解除され、もう一方の結線状態に切り替えを行うことにより、ゲート電極2には、ゲート電圧印加部30からの直流電圧が印加され、ゲート電極には一定のゲート電圧が印加される。ソース電極5には電流測定部20が接続され、ソース電極5とドレイン電極4の間を流れる電流Ｉを測定する。電流測定部20で測定された電流値は記憶部31により保存される。探針8には交流探針電圧印加部25からの交流電圧と探針電圧印加部24からの直流電圧を足し合わせたものが印加され、測定試料1と探針8の電位差は交流電圧成分により振動するため、測定試料1と探針8の間の静電気力も同期して振動し、さらに、カンチレバー7も静電気力に比例した振幅で振動する。カンチレバー7の変位を変位検出部13で検出し、その信号に含まれる静電気力成分をロックインアンプ(Ａ)21を用いて交流探針電圧印加部25からの出力を参照信号として検出する。静電気力は電位差の二乗に比例するため、電位差がゼロのとき静電気力の交流成分はゼロとなる。
【００２２】
そこで、フィードバック制御部(Ｂ)22を用いて、ロックインアンプ(Ａ)21からの出力値がゼロとなるように、電圧制御部23を介して探針電圧印加部24からの直流出力電圧の値を調整する。これにより、探針8の電位は直下の測定試料1表面の電位と常に等しくなり、測定試料1のチャンネル電位がわかる。このフィードバック制御を行いながら、走査部18によりＸＹＺ走査機構11を駆動しドレイン電極4とソース電極5の間の直線上を走査することにより、測定試料1のチャンネル電位のラインプロファイルが求まる。このとき、走査部18からの面内の位置情報とフィードバック制御部(Ｂ)22からの電位情報の組を、適当な距離間隔毎に記憶部31に保存する。
【００２３】
一本の走査ライン上の電位測定が終了した後、同一の走査ラインの始点に戻り、半導体6とゲート絶縁膜3の界面のトラップ電荷による電位を測定する。ドレイン電極4にはドレイン電圧印加部19により０Ｖが印加され、ゲート電極2にはゲート電圧印加部30により０Ｖの直流電圧が印加される。半導体の型およびトラップ電荷の極性により測定方法が異なる。まず、半導体がＰ型でしきい値電圧が負の場合、あるいは、半導体がＮ型でしきい値電圧が正の場合は、交流ゲート電圧印加部29によりゲート電極2に印加する交流電圧の振幅をゼロとした状態で、先に表面電位を求めたときと同様の方法、すなわち、探針8に交流探針電圧印加部25からの交流電圧と探針電圧印加部24からの直流電圧を足し合わせたものを印加し、フィードバック制御部(Ｂ)22を用いて、ロックインアンプ(Ａ)21からの出力値がゼロとなるように電圧制御部23を介して探針電圧印加部24からの直流出力電圧の値を制御することにより表面電位を測定する。このとき測定された電位がトラップ電荷密度に比例したトラップ電位となる。
【００２４】
一方、半導体がＰ型でしきい値電圧が正の場合、あるいは、半導体がＮ型でしきい値電圧が負の場合は、探針電圧印加部24および交流探針電圧印加部25により探針8に印加する電圧の直流成分および交流成分ともに０Ｖとする。ここで、図１のＳＷ１を図示する結線状態にすることにより、探針電圧印加部24および交流探針電圧印加部25は動作せず、実質的に探針8には、電圧が印加されない。なお、図１に示すＳＷ１およびＳＷ２は、連動して双方が同じ結線状態に切り替えが行われる連動型スイッチを構成しており、その切り替えは、制御部34から指令により行われる。
【００２５】
ゲート電極2には交流ゲート電圧印加部29より交流電圧を印加し、カンチレバー7の変位信号を変位検出部13で検出する。変位信号に含まれる静電気力成分を、ロックインアンプ(Ｂ)26を用いて交流ゲート電圧印加部29からの出力を参照信号として検出する。フィードバック制御部(Ｃ)27を用いて、ロックインアンプ(Ｂ)からの出力値が一定値となるように、振幅制御部28を介して交流ゲート電圧印加部29からの交流ゲート電圧の振幅を調整する。このときの交流ゲート電圧振幅は探針8直下のトラップ電位の絶対値に対応しており、Ｐ型半導体の場合は負電位、Ｎ型半導体の場合は正電位となる。ここで、上記の半導体の型としきい値電圧の符号による場合分けは、あらかじめ、電流-電圧特性を測定することにより行ってもよいが、ゲート電極2、ドレイン電極4、および探針8を接地した状態で測定試料1と探針8との間に働く静電気力を測定することによっても可能である。すなわち、静電気力が検出される場合が前者であり、検出されない場合が後者となる。
【００２６】
計算部32では、ここで測定したトラップ電位Ｖｔと記憶部31に記憶された同一の座標におけるチャンネル電位Ｖｃｈおよび電流値等から式（１）を用いて移動度を計算し、表示部33では得られた数値をコンピュータ等の画面上に濃淡等を用いて表示する。この動作を走査ライン上の各点で行うことにより、移動度のラインプロファイルが得られる。さらに、一本の走査ライン上の移動度測定が終了後、走査ラインをずらして移動度測定を繰り返すことにより、最終的に試料1の移動度マッピング画像が得られる。
【実施例１】
【００２７】
本発明を、以下の実施例を用いて詳細に説明する。
本発明の半導体評価装置を用いて、半導体としてペンタセン分子を用いた電界効果トランジスタのチャンネル内の移動度分布を測定した。電界効果トランジスタは、シリコン基板上に形成された厚さ２５５ｎｍの熱酸化膜表面に厚さ２０ｎｍの金を用いてソースおよびドレイン電極パターンを形成し、その表面全体に厚さ３０ｎｍのペンタセン分子を蒸着することによって作製した。チャンネル長は２０μｍ、チャンネル幅は５００μｍ、半導体はＰ型であった。電流-電圧特性から得られた移動度は０．１ｃｍ2/Ｖｓ、しきい値電圧は１３．３Ｖであった。
【００２８】
カンチレバーとして、長さ１００μｍ、幅３５μｍ、力定数１１．５Ｎ/ｍのシリコン製のものを用い、カンチレバーホルダーに設けられたピエゾ素子により、カンチレバーの固有振動数である１２０ｋＨｚで振動させた。振動振幅は２ｎｍであった。カンチレバー先端には長さ１０μｍの探針が設けられ、その表面を厚さ２０ｎｍの白金膜でコートすることにより導電性を付与した。カンチレバーの変位は、レーザダイオードからのレーザ光をカンチレバー表面に照射し、そのときの反射光を２分割フォトダイオードで検出し、２つの出力の差分を取ることにより検出した。試料基板をピエゾ素子を用いたＸＹＺ走査ステージ上に固定し、ステッピングモータとねじを用いた粗動機構によってステージ全体を上下方向に移動し、試料表面に対向して取り付けられたカンチレバーに試料を接近させた。
【００２９】
試料表面が探針先端と接触し始めると、カンチレバーの振動振幅が低下する。整流回路を用いた振幅検出器により、変位信号からカンチレバーの振動振幅を検出し、振動振幅の変化が一定となるように試料のＺ方向位置を調整することにより、探針-試料表面間距離を一定に保った。
【００３０】
表面電位測定時は、探針に周波数５００Ｈｚ、振幅１Ｖの交流電圧を印加し、ロックインアンプを用いてカンチレバーの変位信号から交流電圧と同じ周波数成分を検出することにより、探針-試料間に働く静電気力に対応する信号を得た。この信号がゼロとなるように、フィードバック回路を用いて探針電圧の直流成分の値を調整することにより、試料の表面電位を求めた。トラップ電荷によるトラップ電位の測定時は、周波数５００Ｈｚの交流ゲート電圧を用い、ロックインアンプを用いてカンチレバーの変位信号から交流ゲート電圧と同じ周波数成分を検出することにより、探針-試料間に働く静電気力に対応する信号を得た。この信号が一定値となるように、フィードバック回路を用いてゲート電圧の振幅を調整することにより、トラップ電位を求めた。
【００３１】
まず、ドレイン電圧−２０Ｖ、ゲート電圧０Ｖを印加してトランジスタを駆動させ、このときの電流値１．６μＡを制御用コンピュータに記憶させた。この状態において、チャンネル内のソースおよびドレイン電極に垂直な長さ１５μｍの走査ライン上で、等間隔に２５６点のチャンネル電位を測定し、制御用コンピュータに面内の座標情報とともに記憶させた。
【００３２】
次に、走査ラインの始点に探針を戻し、ドレイン電圧、ゲート電圧、および探針電圧を０Ｖとして、探針を走査しながらチャンネル電位と同一の測定点上でトラップ電位の測定を行った。各測定点において、記憶した電流値とチャンネル幅から得られる電流密度、シリコン酸化膜の膜厚・比誘電率および真空の誘電率から得られるゲート絶縁膜の単位面積辺りの静電容量、記憶したチャンネル電位を数値微分することにより得られるチャンネル内の電界強度、チャンネル電位、トラップ電位、およびゲート電圧を用いて式(１)により移動度を求め、コンピュータ画面上に表示した。走査ラインに垂直な方向に１５μｍにわたって等間隔に走査ラインをずらしながら、２５６本の走査ライン上で測定を行い、移動度の２次元的な分布のマッピングを得た。測定結果を図２に示す。濃淡は移動度に対応し、明るいほど移動度が高いことを示している。面内空間分解能は約１００ｎｍであった。
【００３３】
探針-試料間距離の制御はカンチレバーの周波数変化を一定に保つことによって行っても同様の結果が得られた。探針に印加する電圧の周波数は、カンチレバーの力に対する感度がもっとも高くなる固有振動数近傍が望ましいが、固有振動数から離れていてもよい。本実施例ではボトムゲート・ボトムコンタクト構造のトランジスタに対する測定例を示したが、ボトムゲート・トップコンタクト構造のトランジスタに対しても同様の測定が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
トランジスタ内における半導体性能および均一性評価、また、トランジスタ特性劣化要因評価に適用できる。
【符号の説明】
【００３５】
１…測定試料、
２…ゲート電極、
３…ゲート絶縁膜、
４…ドレイン電極、
５…ソース電極、
６…半導体、
７…カンチレバー、
８…探針、
９…発振部、
１０…試料台、
１１…ＸＹＺ走査機構、
１２…粗動機構、
１３…変位検出部、
１４…振幅・周波数検出部、
１５…フィードバック制御部(Ａ)、
１６…Ｚ駆動部、
１７…粗動部、
１８…走査部、
１９…ドレイン電圧印加部、
２０…電流測定部、
２１…ロックインアンプ(Ａ)、
２２…フィードバック制御部(Ｂ)、
２３…電圧制御部、
２４…探針電圧印加部、
２５…交流探針電圧印加部、
２６…ロックインアンプ(Ｂ)、
２７…フィードバック制御部(Ｃ)、
２８…振幅制御部、
２９…交流ゲート電圧印加部、
３０…ゲート電圧印加部、
３１…記憶部、
３２…計算部、
３３…表示部、
３４…制御部、
ＳＷ１…経路切り替えスイッチ、
ＳＷ２…経路切り替えスイッチ。
【図１】
2011027582.tif 000003
【図２】
2011027582.tif 000004