(57)【要約】【課題】  本発明によれば、ＳＳＲＭにおける検出能の高感度化及び高空間分解能化を図ることを目的とする。【解決手段】    本発明のＳＳＲＭ測定に用いられる走査型プローブ顕微鏡は、探針１２からの信号を増幅して増幅信号を出力し、第１アンプ１７と、第１アンプ１７から出力された前記増幅信号をログ信号に変換する第１ログアンプ１８と、探針１２からの信号をログ信号に変換し、第２ログアンプ１９と、探針１２からの信号値の大きさに応じて、前記探針１２との接続を前記第１アンプ１７及び第２ログアンプ１９との間で切り替えるスイッチング回路１６、前記第１ログアンプ１８及び／または第２ログアンプ１９からのログ信号から拡がり抵抗を得る手段１１０を具備する。【選択図】  図１
2008002952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有し、試料と接触する探針と、
前記試料にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段と、  
前記試料にバイアス電圧を印加した際に生じる前記探針からの信号を増幅して増幅信号を出力し、かつ信号検出幅の最小値がａ１、最大値がｂ１である第１アンプと、
前記第１アンプに接続され、前記第１アンプから出力された前記増幅信号をログ信号に変換する第１ログアンプと、
前記試料にバイアス電圧を印加した際に生じる前記探針からの信号をログ信号に変換し、かつ信号検出幅の最小値がＡ２、最大値がＢ２であり、ａ１＜Ａ２、及びｂ１＜Ｂ２の関係を満たす第２ログアンプと、
前記探針からの信号値の大きさに応じて、前記探針との接続を前記第１アンプ及び第２ログアンプとの間で切り替えるスイッチング回路と、
前記第１ログアンプ及び／または第２ログアンプからのログ信号から拡がり抵抗を得る手段を具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
導電性を有し、試料と接触する探針と、
前記試料にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段と、  
前記試料にバイアス電圧を印加した際に生じる前記探針からの信号を検出すると共に増幅して増幅信号を出力し、かつ信号検出幅の最小値がａ１、最大値がｂ１である第１アンプと、
前記試料にバイアス電圧を印加した際に生じる前記探針からの信号を検出すると共にログ信号に変換し、かつ信号検出幅の最小値がＡ２、最大値がＢ２であり、ａ１＜Ａ２、及びｂ１＜Ｂ２の関係を満たす第２ログアンプと、
前記探針からの信号値の大きさに応じて、前記探針との接続を前記第１アンプ及び第２ログアンプとの間で切り替えるスイッチング回路と、
前記第１アンプからの信号、及び／または第２ログアンプからのログ信号から拡がり抵抗を得る手段とを具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
走査型プローブ顕微鏡による測定のための被測定面を有し、前記被測定面に第１導電領域及び被測定対象である第２導電領域とが露出する試料本体と、
前記試料本体に形成され、前記被測定面にバイアス電圧を印加するための第1電極と、
前記試料本体に形成され、前記第２導電領域及び前記第1電極に接触する第２電極と、を具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用試料。
【請求項４】
第１導電領域と、被測定対象である第２導電領域とを有する試料本体に、前記第１導電領域と、前記第２導電領域が露出する被測定面を形成する工程と、
前記試料本体に対してエッチングを施し、前記第２導電領域から外部に貫通するトレンチを形成する工程と、
前記トレンチに導電材料を堆積し、前記第２導電領域に接する第２電極を形成する工程と、
前記被測定面にバイアス電圧を印加するための第1電極を前記第2電極に電気的に接続するように前記試料本体に形成する工程と、を行うことを特徴とする請求項３記載の走査型プローブ顕微鏡用試料の形成方法。
【請求項５】
走査型プローブ顕微鏡による測定のための被測定面を有し、前記被測定面に、被検対象である第1導電型の第1半導体領域と、前記第1半導体領域の被測定対象領域の周囲に設けられ前記第1導電型と異なる第２導電型であって前記第1半導体領域とｐｎ接合を形成している第２半導体領域と、が露出している試料本体と、
前記試料本体に形成され、前記被測定面にバイアス電圧を印加するための第1電極と、を具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用試料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡、走査型プローブ顕微鏡用試料及びその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年デバイスの微細化に伴い、サブミクロンの領域やナノメートル領域における不純物濃度を評価することが必要となった。そのニーズに応じて開発されたのは走査型プローブ顕微鏡を用いた走査型拡がり抵抗評価技術であり、これを評価する装置は、いわゆるSSRM（Scanning Spreading Resistance Microscopy）と呼ばれる装置である（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
ＳＳＲＭは電流ログアンプを用いており半導体材料やデバイス内の不純物濃度レンジが幅広く、そのような幅広い濃度分布を一度に評価できる技術として期待されている。
【０００４】
この装置は、走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscopy）の一種である導電性原子間力顕微鏡（Conductive Atomic Force Microscopy）の原理に基づき、ログアンプに接続された導電性のプローブと被検試料表面との間に電圧を印加したまま、プローブを被検断面に沿って走査し、表面３次元凹凸像と、プローブに流れる電流を検出することにより表現３次元凹凸像と、２次元拡がり電流分布とを同時取得できる。
【０００５】
拡がり抵抗を測定する際は、プローブの試料に対する接触圧を強くして（負荷力を大きく設定して）走査する。試料に印加したバイアス電圧によるプローブ接触位置の試料表面での微小電流を測定することで、試料表面の局所的な電流分布が測定される。プローブ直下の試料内部の抵抗値は、試料の構成により絶縁体に近い場合もあり得るため、電流検出アンプには広レンジの増幅率を有するログアンプが必要となる。検出された拡がり電流値は拡がり抵抗値へ変換できるので、２次元拡がり抵抗分布が得られ、その拡がり抵抗分布から二次元不純物濃度分布を導出することができ、半導体装置におけるキャリア濃度の分布評価等に利用されている。
【０００６】
しかしながら、従来のＳＳＲＭにおける検出能の高感度化が求められている。それは以下に示すような要因による。
【０００７】
即ち、(1)従来用いられているＳＳＲＭは、電流測定できるレンジは１０ｐA〜０．１ｍAの７桁であり、微小電流領域（高抵抗領域）における電流検出感度が不十分であった。例えば、微細MOSトランジスタデバイスの断面の二次元キャリア濃度分布を調べる場合、ゲート電極や、ソース・ドレイン領域はキャリア濃度が高いため、明瞭なSSRM像が取得できるのに対し、ソース・ドレインの拡張領域（エクステンション）や、短チャネル効果を抑制するために設けられているHALO領域では、キャリア濃度が低い、微小電流領域があり、従来のSSRM装置の電流検出感度では明瞭なコントラストが得られず、断面不純物濃度分布データを得るには検出能の高感度化が必要である。
【０００８】
また、(2)ＳＳＲＭでは先端半径が１００ｎｍ程度の導電性のプローブが直接試料に接触して電流を検出するため、被検箇所の近傍に高導電度の領域が存在すると、その領域の電流信号が被検箇所の信号と混合して検出されたり、或いは電圧印加のために試料に設けられたコンタクトから試料の被検断面までの距離が長いことに起因して、被検断面からコンタクトまでの電流パスが定まらず、被検箇所について電流は周辺の高い導電度領域の影響を受け、測定の空間分解能が低いという問題点があった。ＳＳＲＭの空間分解能は数十ナノメートルとされ、１００ｎｍノード以下のデバイスを評価するには不十分であった。
【０００９】
また、(3)被検箇所とその周囲との不純物濃度の差が小さい場合、例えばMOS トランジスタのイクステンション部を取り囲むように作られた、ウェル又は基板より不純物濃度の高いＨＡＬＯ領域における２次元不純物分布の測定等に際して、ＨＡＬＯ領域は基板と同導電タイプであるため、基板からみて急峻な不純物濃度差がなく、ＨＡＬＯと基板の境界におけるＨＡＬＯ領域の２次元キャリア濃度分布を高精度で検出することが困難であった。
【特許文献１】特開２０００−１５４８１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は従来のＳＳＲＭにおける拡がり抵抗検出の高感度化及び高空間分解能化を図ることができるプローブ顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１は、導電性を有し、試料と接触する探針と、
前記試料にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段と、  
前記試料にバイアス電圧を印加した際に生じる前記探針からの信号を増幅して増幅信号を出力し、かつ信号検出幅の最小値がａ１、最大値がｂ１である第１アンプと、
前記第１アンプに接続され、前記第１アンプから出力された前記増幅信号をログ信号に変換する第１ログアンプと、
前記試料にバイアス電圧を印加した際に生じる前記探針からの信号をログ信号に変換し、かつ信号検出幅の最小値がＡ２、最大値がＢ２であり、ａ１＜Ａ２、及びｂ１＜Ｂ２の関係を満たす第２ログアンプと、
前記探針からの信号値の大きさに応じて、前記探針との接続を前記第１アンプ及び第２ログアンプとの間で切り替えるスイッチング回路と、
前記第１ログアンプ及び／または第２ログアンプからのログ信号から拡がり抵抗を得る手段を具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡である。
【００１２】
本発明の第２は、導電性を有し、試料と接触する探針と、
前記試料にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段と、  
前記試料にバイアス電圧を印加した際に生じる前記探針からの信号を検出すると共に増幅して増幅信号を出力し、かつ信号検出幅の最小値がａ１、最大値がｂ１である第１アンプと、
前記試料にバイアス電圧を印加した際に生じる前記探針からの信号を検出すると共にログ信号に変換し、かつ信号検出幅の最小値がＡ２、最大値がＢ２であり、ａ１＜Ａ２、及びｂ１＜Ｂ２の関係を満たす第２ログアンプと、
前記探針からの信号値の大きさに応じて、前記探針との接続を前記第１アンプ及び第２ログアンプとの間で切り替えるスイッチング回路と、
前記第１アンプからの信号、及び／または第２ログアンプからのログ信号から拡がり抵抗を得る手段とを具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡である。
【００１３】
本発明の第３は、走査型プローブ顕微鏡による測定のための被測定面を有し、前記被測定面に第１導電領域及び被測定対象である第２導電領域とが露出する試料本体と、
前記試料本体に形成され、前記被測定面にバイアス電圧を印加するための第1電極と、
前記試料本体に形成され、前記第２導電領域及び前記第1電極に接触する第２電極と、を具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用試料である。
【００１４】
本発明の第４は、第１導電領域と、被測定対象である第２導電領域とを有する試料本体に、前記第１導電領域と、前記第２導電領域が露出する被測定面を形成する工程と、
前記試料本体に対してエッチングを施し、前記第２導電領域から外部に貫通するトレンチを形成する工程と、
前記トレンチに導電材料を堆積し、前記第２導電領域に接する第２電極を形成する工程と、
前記被測定面にバイアス電圧を印加するための第1電極を前記第2電極に電気的に接続するように前記試料本体に形成する工程と、を行うことを特徴とする前記本発明の第３に記載の走査型プローブ顕微鏡用試料の形成方法である。
【００１５】
本発明の第５は、走査型プローブ顕微鏡による測定のための被測定面を有し、前記被測定面に、被検対象である第1導電型の第1半導体領域と、前記第1半導体領域の被測定対象領域の周囲に設けられ前記第1導電型と異なる第２導電型であって前記第1半導体領域とｐｎ接合を形成している第２半導体領域と、が露出している試料本体と、
前記試料本体に形成され、前記被測定面にバイアス電圧を印加するための第1電極と、を具備することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用試料である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ＳＳＲＭにおける検出能の高感度化及び高空間分解能化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００１８】
（第1の実施形態）
第１の実施形態においては、走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope、以下SPMと称する。）の装置構成を改良することによりSSRM（ Scanning Spreading Resistance Microscopy）測定の高感度化を図るものである。
【００１９】
本発明の第1の実施形態による拡がり抵抗を測定可能なSPMの模式図を図１に示す。
【００２０】
真空チェンバー１１中に設置された試料ステージ１４上の半導体デバイス断面試料１３には電源１５からバイアス電圧を印加するよう構成されている。真空チェンバー１１中に設置された導電性のカンチレバープローブ（探針）１２は、試料１３と接触し、コンタクトモードにて探針１２が接触した箇所の電流を検出する。試料１３にバイアス電圧を印加した際に生じる探針１２からの検出信号（本実施形態では電流信号）は、探針１２に接続するデータ検出回路に送られる。
【００２１】
データ検出回路には、スイッチング回路１６を介して主に２つの経路がある。微小電流経路には、スイッチング回路１６に接続する微小電流−電圧アンプ（第1アンプ）１７と、微小電流−電圧アンプ（第１アンプ）１７に接続する微小電圧ログアンプ（第１ログアンプ）１８が設けられている。大電流経路には、スイッチング回路１６に接続する電流−電圧ログアンプ（第２ログアンプ）１９が設けられている。
【００２２】
スイッチング回路１６は、検出信号の大きさと予め設定された基準となる所定の電流値の大小関係によって、例えば２０ｐＡ以下の微小電流の検出信号を微小電流経路に、また例えば２０ｐＡを越える大電流の検出信号を大電流経路に、前記検出信号を送るよう切り換える。
【００２３】
まず、このスイッチング回路１６は、大電流経路にスイッチングし、電流−電圧ログアンプ１９に接続する。この電圧出力をコントローラー１１０に送り、コントローラー１１０により出力電圧を電流値に換算し、信号の大きさにより、スイッチング方法を、フィードバック経路１１１を介してスイッチング回路１６にフィードバックする。例えば電流値が２０ｐＡを越える場合、コントローラー１１０はそのままその信号から拡がり抵抗の値を算出する。一方、例えば電流値が２０ｐＡ以下の場合、スイッチング回路１６に微小電流検出経路にスイッチングする信号を送り、微小電流−電圧アンプ１７と微小電圧ログアンプ１８を経由して出力信号をコントローラー１１０に送る。
【００２４】
微小電流経路あるいは大電流経路に送られた信号はそれぞれの経路上の回路にてログ信号に変換されてコントローラー１１０に送られ、コントローラー１１０では拡がり抵抗の値が算出される。コントローラー１１０においては電圧―電流変換機能や出力電流と印加バイアスから拡がり抵抗を換算する機能を具備している。 
微小電流経路においては、スイッチング回路１６からの例えば２０ｐＡ以下の微小電流信号を、まず微小電流−電圧アンプ１７で電圧信号に変換し、さらにその電圧信号を、微小電圧ログアンプ１８を用いてログ信号に変換して電圧としてコントローラー１１０へ出力する。微小電流−電圧アンプ１７の電流測定レンジ（信号検出幅）は、例えば最小値が０．１ｐＡ、最大値が１００ｐＡである３桁のレンジとすることが典型的であり望ましいが、さらに微細な電流を検出することも高性能微小電流アンプを用いることにより可能である。
【００２５】
大電流経路には、スイッチング回路１６に接続する電流−電圧ログアンプ（第２ログアンプ）１９が設けられている。大電流経路においては、スイッチング回路１６からの例えば２０ｐＡを越える電流信号をログ信号に変換して電圧信号としてコントローラー１１０へ出力する。電流−電圧ログアンプ１９の電流測定レンジ（信号検出幅）は、例えば最小値が１０ｐＡ、最大値が０．１ＭＡである７桁のレンジとすることが典型的であり望ましいが、高性能ログアンプを用いることによりさらにレンジを拡大することが可能である。
【００２６】
微小電流アンプ１７と、電流ログアンプ１９の二つのアンプのレンジを合わせると９桁の測定が可能となるが、微小電流アンプ１７の測定レンジが例えば、最小値１ｐＡ、最大値２０ｐＡの一桁であっても、電流−電圧ログアンプ１９が単独に設けられている場合に比べて測定レンジが１桁増加することになる。
【００２７】
そして探針１２は断面試料１３の測定面に沿って２次元方向に走査し、２次元での拡がり抵抗の分布を算出する。
【００２８】
本実施形態においては、微小電流―電圧アンプ（第1アンプ）１７かつ信号検出レンジの最小値がａ１、最大値がｂ１とし、電流−電圧ログアンプ（第２ログアンプ）１９の信号検出レンジの最小値がＡ２、最大値がＢ２とすると、ａ１＜Ａ２、及びｂ１＜Ｂ２の関係を満たしており、微小電流経路においては、微小電流増幅に適したアンプを用い、大電流経路においては大電流増幅に適したログアンプを用いている。
【００２９】
このように微小電流−電圧アンプと微小電圧ログアンプを従来の電流―電圧ログアンプと併用し、スイッチング回路にて切り替えて用いることにより、拡がり電流測定が従来よりも桁数が多いレンジで測定できるようになる。したがって、拡がり抵抗を、高抵抗領域も含めた高いレンジで高感度に測定することが可能となる。
【００３０】
また、ＳＳＲＭを、ゲート絶縁膜の劣化やデバイス破壊プロセス評価に使用したいという要求がある。なぜなら、ゲート絶縁膜の劣化過程においては、破壊に至るまで、リーク電流が数桁以上に変化することがあり、通常のリニア電流アンプでは追随することが困難であったため。そこで、ＳＳＲＭのログアンプモジュールを利用することで、破壊経過を観測することが可能となる。そのためには、プローブと試料間の触圧を低くして試料を非破壊でＳＳＲＭ測定を行うこと、及びゲート絶縁膜のような高抵抗領域（すなわち検出電流が小さい領域）の測定と、低抵抗領域（すなわち検出電流が大きい領域）の両方が可能な高感度な高レンジな測定を行うこと、という条件を満たす必要がある。そこで、本実施形態を用いれば、高感度な測定が可能であるためプローブの触圧を低くしても（例えば<500 nN）測定が可能、すなわち非破壊測定が可能であり、且つ低電流領域では微小電流−電圧アンプを用い、大電流領域の絶縁劣化やデバイス破壊プロセスの電流測定は電流−電圧ログアンプを用いて評価することにより絶縁性や高抵抗領域の低電流領域と大電流領域が両方評価可能となる。従って、本実施形態の装置は、ゲート絶縁膜の劣化やデバイス破壊プロセス評価等高抵抗領域と低抵抗領域が混在した試料を非破壊にて評価する必要がある場合に使用することができる。
【００３１】
（第２の実施形態）
第２の実施形態においては、SPMの装置構成を改良することによりSSRM測定の高感度化を図るものである。
【００３２】
第２の実施形態は、第１の実施形態において、微小電圧ログアンプ１８を用いていない例である。
【００３３】
本発明の第２の実施形態による拡がり抵抗を測定可能なSPMの模式図を図２に示す。
【００３４】
真空チェンバー２１中に設置された試料ステージ２４上の半導体デバイス断面試料２３には電源２５からバイアス電圧を印加するよう構成されている。真空チェンバー２１中に設置された導電性のカンチレバープローブ（探針）２２は、試料２３と接触し、コンタクトモードにて探針２２が接触した箇所における電流を検出する。試料２３にバイアス電圧を印加した際に生じる探針２２からの検出信号（本実施形態では電流信号）は、探針２２に接続するデータ検出回路に送られる。
【００３５】
データ検出回路では、スイッチング回路２６を介して主に２つの経路がある。微小電流経路には、スイッチング回路２６に接続する微小電流−電圧アンプ（第1アンプ）２７が設けられている。大電流経路には、電流−電圧ログアンプ２８が設けられている。
【００３６】
スイッチング回路２６は、検出信号の大きさと予め設定された基準となる所定の電流値の大小関係によって、例えば２０ｐＡ以下の微小電流を微小電流経路に、２０ｐＡを越える大電流領を大電流経路に、前記信号を送るよう切り替える。
【００３７】
まず、このスイッチング回路２６は、大電流経路にスイッチングし、電流−電圧ログアンプ２８に接続する。この電圧出力をコントローラー２９に送り、コントローラー２９により出力電圧を電流値に換算し、信号の大きさにより、スイッチング方法を、フィードバック経路１１１を介してスイッチング回路２６にフィードバックする。例えば電流値が２０ｐＡを越える場合、コントローラー２９はその信号から拡がり抵抗の値を算出する。一方、例えば電流値が２０ｐＡ以下の場合、スイッチング回路２６に微小電流検出経路にスイッチングする信号を送り、微小電圧−電流アンプ２７を経由して出力信号をコントローラー１１０に送る。
【００３８】
微小電流経路あるいは大電流経路に送られた信号はそれぞれの経路上の回路にて変換されて、コントローラー２９に送られ、コントローラー２９において、拡がり抵抗の値が算出される。
【００３９】
そして探針２２は試料２３の測定面に沿って２次元方向に走査し、２次元での拡がり抵抗の分布を算出する。
【００４０】
微小電流経路には、スイッチング回路２６に接続する微小電流−電圧アンプ（第１アンプ）２７が設けられている。微小電流経路においては、スイッチング回路２６からの２０ｐＡ以下の微小電流信号を電圧信号に変換して、電圧信号としてコントローラー２９へ出力する。コントローラー２９においてはソフトウェアにより電圧信号を電流信号に変換し、さらにはバイアス電圧から、拡がり抵抗を換算し、ログスケールにて出力する。
【００４１】
微小電流−電圧アンプ２７の電流測定レンジ（信号検出幅）は、例えば最小値が０．１ｐＡ、最大値が１００ｐＡである３桁とすることが典型的であり望ましいが、さらに微細な電流を検出することも高性能微小電流−電圧アンプを用いることにより可能である。
【００４２】
大電流経路では、スイッチング回路２６に接続する電流―電圧ログアンプ２８（第２ログアンプ）２８が設けられている。大電流経路においては、スイッチング回路２６からの２０ｐＡ以上の電流信号をログ信号に変換して電圧信号としてコントローラー２９へ出力する。電流ログアンプ２８の電流測定レンジ（信号検出幅）は、例えば最小値が１０ｐＡ、最大値が０．１ＭＡである７桁のレンジとすることが典型的であり望ましいが、高性能電流ログアンプを用いることによりさらにレンジを拡大することが可能である。
【００４３】
微小電流アンプ２７と、電流ログアンプ２８の二つのアンプのレンジを合わせると９桁の測定が可能となるが、微小電流アンプ２７の測定レンジが最大値２０ｐＡ、最小値１ｐＡの一桁であっても、電流ログアンプ２８が単独に設けられている場合に比べて測定レンジが１桁増加することになる。
【００４４】
本実施形態においては、微小電流−電圧アンプ（第1アンプ）２７かつ信号検出レンジの最小値がａ１、最大値がｂ１とし、電流−電圧ログアンプ（第２ログアンプ）２８の信号検出レンジの最小値がＡ２、最大値がＢ２とすると、ａ１＜Ａ２、及びｂ１＜Ｂ２の関係を満たしており、微小電流経路においては、微小電流増幅に適したアンプを用い、大電流経路においては大電流増幅に適したログアンプを用いている。
【００４５】
このように微小電流−電圧アンプを従来の電流−電圧ログアンプと併用し、スイッチング回路にて切り替えて用いることにより、拡がり電流測定が、従来よりも桁数が多いレンジで測定できるようになる。したがって、拡がり抵抗を、高抵抗領域も含め高いレンジで高感度に測定することが可能となる。
【００４６】
また、ＳＳＲＭを、ゲート絶縁膜の劣化やデバイス破壊プロセス評価に使用したいという要求がある。そのためには、プローブと試料間の触圧を低くして試料を非破壊でＳＳＲＭ測定を行うこと、及びゲート絶縁膜のような高抵抗領域（すなわち検出電流が小さい領域）の測定と、低抵抗領域（すなわち検出電流が大きい領域）の両方が可能な高感度な高レンジな測定を行うこと、という条件を満たす必要がある。そこで、本実施形態を用いれば、高抵抗領域の測定が可能であるためプローブの触圧を低くしても（例えば<500 nN）測定が可能、すなわち非破壊測定が可能であり、且つ低電流領域では微小電流−電圧アンプを用い、大電流領域の絶縁劣化やデバイス破壊プロセスの電流測定は電流−電圧ログアンプを用いて評価することにより絶縁性や高抵抗領域の低電流領域と大電流領域が両方評価可能となる。従って、本実施形態の装置は、ゲート絶縁膜の劣化やデバイス破壊プロセス評価等高抵抗領域と低抵抗領域が混在した試料を非破壊にて評価する必要がある場合に使用することができる。
【００４７】
（第３の実施形態）
第３の実施形態においては、ＳＰＭ用試料の構造を改良することによりSSRM測定の高感度化を図るものである。
【００４８】
本実施形態に係るＭＯＳトランジスタ断面構造のＳＰＭ試料の形成方法を示す斜視図を図３に示す。本実施形態の試料は、ＭＯＳトランジスタ断面構造のドレイン領域を被測定対象とし、その領域の拡がり抵抗、ひいてはドレイン領域の２次元不純物分布をＳＳＲＭ測定にて得るための試料である。
【００４９】
まず、図３（ａ）に示すように試料であるＳｉ半導体ＭＯＳトランジスタデバイスの構成はシリコン基板３１の上ＳｉＯ２ゲート絶縁膜３４と、その上のポリＳｉゲート電極３５と、ゲート電極３５を覆う層間絶縁膜３６を具備し、かつシリコン基板３１には、ゲート絶縁膜３４下のチャネル領域を介してソース領域３２とドレイン領域３３が形成されているものである。
【００５０】
次にこのＭＯＳトランジスタを機械切断により切断し、断面を切り出した。次にＳＰＭ測定ができるようにするため、試料断面を研磨などの手段によりラフネス（ＲＭＳ）が数ナノメートル以下になるように平坦化する。
【００５１】
従来は、この状態の試料にバイアス電圧印加用の電極を設けて、ＳＳＲＭ測定を行っていた。しかしその場合、ＳＳＲＭ測定では先端半径が１００ｎｍ程度の導電性のプローブが直接試料に接触して電流を検出するため、被測定対象であるドレイン領域３３（第２導電領域）の近傍に高導電度のゲート電極３５（第１導電領域）が存在することにより、ドレイン領域３３からの電流信号にゲート電極３５の電流信号が混合して検出されたり、或いはバイアス電圧印加用の電極から試料の被検断面までの距離が長いことに起因して、ドレイン領域３３からバイアス電圧印加用の電極までの電流パスが定まらず、ゲート電極領域３５の影響を受け、ドレイン領域３３からの電流値を高空間分解能で測定できないという問題点が発生してしまう。
【００５２】
次に図３（ｂ）に示すように、この試料に対して、収束イオンビーム（ＦＩＢ）などのエッチング手段により、ドレイン領域３３まで到達する数ミクロンメートルのトレンチ３７を掘った。
【００５３】
次に図３（ｃ）に示すようにさらにその中をＦＩＢ加工によりＷなどの導電材料を堆積し、コンタクト電極（第２電極）３８を形成し、さらに試料の層間絶縁膜３６表面にＷ（タングステン）からなるＳＳＲＭ測定用バイアス電圧印加用の電極（第１電極）３９を電子ビーム蒸着法によりＰｔなどの電極を形成し、ドレイン領域３３と、第２電極３８と、第１電極３９とが互いに電気的に接触するようにする。
【００５４】
以上のようにして得られた試料を用いてＳＳＲＭ測定を行う。
【００５５】
本実施形態のごとく、被測定対象であるドレイン領域３３（第２導電領域）にコンタクト電極３８（第２電極）を設け、ＳＳＲＭ測定におけるバイアス電圧印加時に、第２導電領域と、試料にバイアス電圧を印加するための電極３１０（第１電極）とを同電位とすることにより、該特定箇所周囲の導電領域からの電気信号（ノイズ）検出を抑え、該特定箇所の拡がり抵抗２次元分布を高空間分解能で測定できる。
【００５６】
本実施形態では、第１電極及び第２電極にＷを用いたが、ＦＩＢで加工できる金属であれば、Ｐｔなどのほかの金属材料でもよい。また、被測定対象である第２導電領域から選択的に導電性コンタクトが取れれば、ＦＩＢ以外の加工手段を用いても良い。また、本実施形態ではドレイン領域３３を被測定対象とし、これに接触するコンタクト電極を設けることが挙げられているが、その他のソース領域３２やゲート電極３５、また他の導電領域を被測定対象としても良い。また、本実施形態ではＭＯＳデバイスを例に挙げられているが、その他電気デバイスや有機材料デバイス、またはバイオデバイスの断面試料に応用することもできる。
【００５７】
（第４実施形態）
第４実施形態においては、ＳＰＭ用試料の構造を改良することにより、ＳＳＲＭ測定の高感度化を図るものである。
【００５８】
本実施形態に係るＭＯＳトランジスタ断面構造のＳＰＭ試料の形成方法を示す斜視図を図４に示す。この試料はドレイン領域に形成するｐ＋型ＨＡＬＯ領域の界面を観察するための試料である。
【００５９】
まず、図４（a）に示すように、シリコン基板４０上にｎ型導電タイプシリコン層４２、ｐ型導電タイプシリコン層４１をそれぞれ積層する。その上にＳｉＯ２ゲート絶縁膜４３とＮｉＳｉゲート電極４４を設ける。  
次に、図４（ｂ）に示すように斜めイオン注入によりｐ＋型ＨＡＬＯ領域４５を形成する。
【００６０】
次に、図４（ｃ）に示すように、イオン注入によりｎ＋＋ソースエクステンション層４６とｎ＋＋ドレインエクステンション層４７を形成する。
【００６１】
次に、図４（ｄ）に示すように側壁４８を形成する。
【００６２】
さらに図（ｅ）に示すように、イオン注入によりｎ＋＋ソース層４９とｎ＋＋ドレイン層４１０を形成する。同時に、被測定対象であるｐ＋型ＨＡＬＯ領域４１１が形成されている。さらにバイアス電圧印加用の電極（第１電極）（図示せず）を形成して、ＳＰＭ用測定用の試料が完成する。
【００６３】
この試料において、ｐ＋型ＨＡＬＯ領域４１１はｎ型導電タイプ層４２と接し、その界面においてはｐｎ接合が形成されている。このように領域被測定対象であるｐ＋型ＨＡＬＯ領域４１１はｎ型導電タイプ層４２と接してｐｎ接合を形成するようあらかじめｎ型導電タイプ層４２とｐ型導電タイプ層４１の厚さを設定しておく必要がある。
【００６４】
本実施形態のごとく、被測定対象である半導体領域が当該領域の導電型とは反対導電型の領域と接していることにより、その両者の界面の抵抗が高くなり、その界面の観察が高感度に行うことができる。
【００６５】
通常のＭＯＳトランジスタ構造においては、ｎ型導電タイプシリコン層４２は形成せず、ｐ型導電タイプシリコン層にソース・ドレイン領域やＨＡＬＯ領域を形成する。しかしながら、このような通常のＭＯＳトランジスタ構造のままの試料では、ｐ型導電タイプシリコン層と被測定対象であるＨＡＬＯ領域との導電型が同じであるため、急峻なキャリア濃度分布がなく、ＨＡＬＯ領域界面における２次元キャリア濃度の測定は困難であった。
【００６６】
ここではＨＡＬＯ領域にｐ型導電層が挙げられたが、基板が反対導電型の場合、ＨＡＬＯ領域もｎ型を用いられ、周囲はｐ型導電層となる。また、ここでは、ＨＡＬＯ領域の評価が挙げられたが、その他の高抵抗領域の分布測定にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１実施形態におけるＳＰＭの模式図。
【図２】本発明の第２実施形態におけるＳＰＭの模式図。
【図３】本発明の第３実施形態における試料の作成工程および試料構造を示す斜視図。
【図４】本発明の第４実施形態における試料の作成工程および試料構造を示す断面図。
【符号の説明】
【００６８】
１１…  ＳＰＭチェンバー
１２…  ＳＰＭカンチレバー導電性プローブ（探針）
１３…  半導体デバイス断面試料
１４…  試料ステージ
１５…  バイアス電源
１６…  スイッチング回路
１７…  微小電流アンプ
１８…  電圧ログアンプ
１９…  電流ログアンプ
１１０…  コントローラー
２１…  ＳＰＭチェンバー
２２…  ＳＰＭカンチレバー導電性プローブ（探針）
２３…  半導体デバイス断面試料
２４…  試料ステージ
２５…  バイアス電源
２６…  スイッチング回路
２７…  微小電流アンプ
２８…  電流ログアンプ
２９…  コントローラー
３１…  Ｓｉ基板
３２…  ソース領域
３３…  ドレイン領域
３４…  ＳｉＯ２ゲート絶縁膜
３５…  ポリＳｉゲート電極
３６…  ＳｉＮ層間絶縁膜
３７…  トレンチ
３８…  コンタクト電極
３９…  電極
４０…  シリコン基板
４１…  ｐ型シリコン層
４２…  ｎ型シリコン層
４３…  ＳｉＯ２ゲート絶縁膜
４４…  ＮｉＳｉゲート電極
４５…  Ｐ＋型ＨＡＬＯ領域
４６…  ｎ＋＋ソースエクステンション領域
４７…  ｎ＋＋ドレインエクステンション領域
４８…  側壁
４９…  ｎ＋＋ソース層
４１０…  ｎ＋＋ドレイン層
４１１…  ｐ＋型ＨＡＬＯ領域
【図１】
2008002952.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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