(57)【要約】【課題】半導体表面の静電容量を正確かつ安定して測定する。【解決手段】導電性探針２にて表面検出を行う走査型容量顕微鏡１を用いて半導体試料表面の静電容量を測定する測定方法において、表面処理により半導体試料Ｓに清浄表面を形成した後、直ちに、半導体試料Ｓを超高真空雰囲気下（または不活性ガス雰囲気下）に保持し、この状態で、安定な絶縁膜３（例えば絶縁性ダイヤモン蒸着膜）が表面に形成された導電性探針２を用いて、半導体試料Ｓ表面の静電容量を超高真空雰囲気下（または不活性ガス雰囲気下）で測定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性探針にて表面検出を行う走査型容量顕微鏡を用いて、半導体表面の静電容量を測定する方法であって、表面処理により半導体試料に清浄表面を形成した後、直ちに、半導体試料を超高真空雰囲気下または不活性ガス雰囲気下に保持し、この状態で、絶縁膜が表面に形成された導電性探針を用いて、半導体試料表面の静電容量を超高真空雰囲気下または不活性ガス雰囲気下で測定することを特徴とする静電容量測定方法。
【請求項２】
前記導電性探針の絶縁膜が絶縁性ダイヤモンドの蒸着膜であることを特徴とする請求項１記載の静電容量測定方法。
【請求項３】
前記導電性探針の絶縁膜がＤＬＣの蒸着膜であることを特徴とする請求項１記載の静電容量測定方法。
【請求項４】
前記導電性探針の絶縁膜がアルミナの蒸着膜であることを特徴とする請求項１記載の静電容量測定方法。
【請求項５】
前記導電性探針の絶縁膜が酸化ジルコニウムの蒸着膜であることを特徴とする請求項１記載の静電容量測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型容量顕微鏡を用いて半導体表面の静電容量を測定する静電容量測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体試料表面等の微小な領域での評価に有効な測定装置として、走査トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡を代表とする走査プローブ顕微鏡がある。
【０００３】
原子間力顕微鏡は、試料表面の原子とカンチレバー先端の探針との間に働く原子間力を検出することにより、試料表面の凹凸情報を知ることができるようにした装置であり、半導体試料表面の微小な領域での情報を得るのに有効な解析装置である（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
原子間力顕微鏡で検出するパラメータである原子間力は、カンチレバーの撓みを光学的に検出することによって求められる。そして、カンチレバーの撓みと原子間力が比例することから、カンチレバーの撓みによって原子間力を測定し、これを２次元画像化することにより、表面凹凸等の情報を得ることができる。
【０００５】
原子間力顕微鏡の応用手法の一つとして走査型容量顕微鏡（ＳＣＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）がある。走査型容量顕微鏡は、半導体表面の不純物キャリアーの２次元プロファイルを測定することが可能な装置で、各種デバイスの開発に非常に有効な解析装置である。
【０００６】
走査型容量顕微鏡は、例えば図２に示すように、導電性探針１０１、圧電素子を用いた移動ステージ１０２、及び、容量測定装置１０３などを備えており、導電性探針１０１を試料Ｓに接触させた状態で、試料Ｓと導電性探針１０１との間に交流バイアス電圧を印加し、試料Ｓと導電性探針１０１との間の静電容量を容量測定装置１０３によって測定するとともに、試料Ｓを移動ステージ１０２にて２次元的に移動させることによって試料Ｓ表面の静電容量の分布を測定する装置で、その測定結果から半導体表面の不純物キャリアーの２次元プロファイルを得ることができる。
【０００７】
走査型容量顕微鏡の測定原理を以下に説明する。
【０００８】
まず、探針による試料表面走査において、不純物キャリアー注入領域を走査する場合、探針／絶縁膜／不純物キャリアーの構成となり、探針下にＭＯＳ構造が形成される。その際、絶縁膜／不純物キャリアー間に空乏層が発生し、この空乏層に交流バイアス電圧が印加されると空乏層を挟む容量が変化する。その容量の変化量は不純物キャリアー濃度に依存するので、容量変化量を画像化することにより、半導体表面における走査領域の２次元キャリアープロファイルを測定することができる。そして、このような走査型容量顕微鏡による測定において前記絶縁膜としては、従来、測定試料の表面に形成される自然酸化膜が用いられるのが一般的である。
【０００９】
【特許文献１】
特開平８−１８９９３１号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、走査型容量顕微鏡を用いて半導体表面の容量分布を測定する場合、前記したように、通常、静電容量測定に必要な絶縁膜として、半導体試料の表面上に形成される自然酸化膜が用いられている。しかし、自然酸化膜は非常に不安定であり、界面に複雑な表面準位が形成されたり、表面欠陥等が発生するため、半導体表面の静電容量を正確かつ安定に測定することができず、再現性の良いデータが得られないという問題がある。
【００１１】
本発明は、そのような問題を解決するためになされたもので、走査型容量顕微鏡を用いて半導体表面の静電容量を正確かつ安定に測定することが可能な静電容量測定方法の提供を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、導電性探針にて表面検出を行う走査型容量顕微鏡を用いて、半導体表面の静電容量を測定する方法であって、表面処理により半導体試料に清浄表面を形成した後、直ちに、半導体試料を超高真空雰囲気下（例えば１．３３×１０−７Ｐａ（１×１０−９Ｔｏｒｒ）オーダの超高真空雰囲気下）または不活性ガス雰囲気下に保持し、この状態で、絶縁膜が表面に形成された導電性探針を用いて、半導体試料表面の静電容量を超高真空雰囲気下または不活性ガス雰囲気下で測定することによって特徴づけられる。
【００１３】
本発明によれば、半導体表面の静電容量を測定するのに必要な絶縁膜として、半導体試料表面に形成される不安定な自然酸化膜ではなく、導電性探針の表面に蒸着法等により形成した安定な絶縁膜を用いて測定を行うので、静電容量を正確かつ安定に測定することができる。しかも、超高真空雰囲気下または不活性ガス雰囲気下において測定を行うので、測定中に電界支援などによる酸化膜が半導体試料表面に形成されることもない。
【００１４】
なお、本発明において、導電性探針の表面に形成する絶縁膜は、充分な硬度を有し摩耗に強い絶縁材料、例えば、絶縁性ダイヤモンド、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ：ダイヤモンド状カーボン）、アルミナ、酸化ジルコニウムを膜厚５ｎｍ以下に蒸着した蒸着膜であることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
＜実施形態１＞
図１は本発明の静電容量測定方法を実施する装置の構成を模式的に示す図である。
【００１７】
走査型容量顕微鏡１は、導電性探針２、半導体試料Ｓを２次元方向に移動する移動ステージ４（駆動源：圧電素子）、容量測定装置５、及び、移動ステージ４上の半導体試料Ｓと導電性探針２との間に交流バイアス電圧を印加する電源（図示せず）などを備えており、それら導電性探針２及び移動ステージ４などが真空チャンバー６内に配置されている。
【００１８】
真空チャンバー６には試料交換口６Ａ及び排気口６Ｂが設けられている。排気口６Ｂには、ターボ分子ポンプ８及びロータリーポンプ９を備えた真空排気系７が接続されており、真空チャンバー６内を１．３３×１０−７Ｐａ（１×１０−９Ｔｏｒｒ）オーダの超高真空に保つことができる。
【００１９】
そして、本実施形態に用いる導電性探針２には、絶縁処理により絶縁膜３が表面に形成されている。その絶縁膜３は、市販の導電性探針の表面に、基板温度８００℃、圧力２．６６ｋＰａ（２０Ｔｏｒｒ）、水素ガス９９％メタンガス１％雰囲気下でのマイクロ波プラズマＣＶＤ法により、絶縁性ダイヤモンドを膜厚５ｎｍ以下で蒸着することによって形成されている。
【００２０】
次に、静電容量の測定方法の具体的な例（実施形態）を以下に説明する。
【００２１】
（１）図１の装置において、真空排気系７のターボ分子ポンプ８及びロータリーポンプ９を駆動して、真空チャンバー６内を１．３３×１０−７Ｐａ（１×１０−９Ｔｏｒｒ）オーダの超高真空に維持する。
【００２２】
（２）研磨及びフッ酸による表面処理により半導体試料Ｓに清浄表面を形成した後、直ちに、半導体試料Ｓを試料交換口６Ａから真空チャンバー６内に導入することにより清浄な表面状態を保持する。真空チャンバー６内に導入した半導体試料Ｓは移動ステージ４上に載置する。なお、表面処理にて清浄表面を形成した後の半導体試料Ｓは、試料交換口６Ａへの搬送過程において、なるべく大気に触れさせないようにすることが好ましい。
【００２３】
ここで、半導体試料Ｓの表面処理を行った後に、半導体試料Ｓの表面に自然酸化膜が生成されることが危惧されるが、自然酸化膜の生成は、一般に数時間を要するため、表面処理を行った後に半導体試料Ｓを速やかに真空チャンバー６内に導入することにより自然酸化膜が生成されることはない。
【００２４】
（３）移動ステージ４上の半導体試料Ｓの表面（清浄表面）に導電性探針２を接触させた状態で、半導体試料Ｓと導電性探針２との間に交流バイアス電圧を印加し、半導体試料Ｓと導電性探針２との間の静電容量を容量測定装置５によって測定するとともに、半導体試料Ｓを移動ステージ４にて２次元的に移動させることによって、半導体試料Ｓ表面の静電容量の分布を測定して、半導体試料Ｓ表面の不純物キャリアーの２次元プロファイルを得る。
【００２５】
以上のように、本実施形態によれば、静電容量を測定するのに必要な絶縁膜として、半導体試料Ｓ表面に形成される不安定な自然酸化膜ではなく、導電性探針２の表面に蒸着法にて形成した安定な絶縁膜３（絶縁性ダイヤモンド蒸着膜）を用いて測定を行うので、静電容量を正確にかつ常に安定した状態で測定することができる。しかも、超高真空雰囲気下で静電容量の測定が行われるので、測定中に電界支援などによる酸化膜が半導体試料Ｓの表面に形成されることがない。
【００２６】
＜実施形態２＞
この実施形態では、市販の導電性探針の表面に、基板温度２００℃、原料としてベンゼンを用いた熱フィラメントＣＶＤ法によりＤＬＣを蒸着したもの、つまり絶縁膜としてＤＬＣ蒸着膜（膜厚５ｎｍ以下）が表面に形成された導電性探針を使用して、超高真空雰囲気下で静電容量の測定を行う点に特徴がある。なお、その他の構成は上記した＜実施形態１＞と同じである。
【００２７】
この実施形態においても、静電容量を測定するのに必要な絶縁膜として、不安定な自然酸化膜ではなく、導電性探針の表面に蒸着法により形成した安定な絶縁膜（ＤＬＣ蒸着膜）を用いて測定を行うので、静電容量を正確にかつ常に安定した状態で測定することができる。
【００２８】
＜実施形態３＞
この実施形態では、市販の導電性探針の表面に、基板温度５００℃でのプラズマＣＶＤ法によりアルミナを蒸着したもの、つまり絶縁膜としてアルミナ蒸着膜（膜厚５ｎｍ以下）が表面に形成された導電性探針を使用して静電容量の測定を行う点に特徴がある。なお、その他の構成は上記した＜実施形態１＞と同じである。
【００２９】
この実施形態においても、静電容量を測定するのに必要な絶縁膜として、不安定な自然酸化膜ではなく、導電性探針の表面に蒸着法にて形成した安定な絶縁膜（アルミナ蒸着膜）を用いて測定を行うので、静電容量を正確にかつ常に安定した状態で測定することができる。
【００３０】
＜実施形態４＞
この実施形態では、市販の導電性探針の表面に、ＭＯＣＶＤ法により酸化ジルコニウムを蒸着したもの、つまり絶縁膜として酸化ジルコニウム蒸着膜（膜厚５ｎｍ以下）が表面に形成された導電性探針を使用して、超高真空雰囲気下で静電容量の測定を行う点に特徴がある。なお、その他の構成は上記した＜実施形態１＞と同じである。
【００３１】
この実施形態においても、静電容量を測定するのに必要な絶縁膜として、不安定な自然酸化膜ではなく、導電性探針の表面に蒸着法により形成した安定な絶縁膜（酸化ジルコニウム蒸着膜）を用いて測定を行うので、静電容量を正確にかつ常に安定した状態で測定することができる。
【００３２】
なお、以上の各実施形態では、超高真空雰囲気下で測定を行っているが、本発明はこれに限られず、半導体試料の表面に自然酸化膜が生成されない不活性ガス雰囲気下で静電容量の測定を行うようにしてもよい、
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、走査型容量顕微鏡による静電容量の測定方法において、表面処理により半導体試料に清浄表面を形成した後、直ちに半導体試料を超高真空雰囲気下または不活性ガス雰囲気下に保持し、この状態で、安定な絶縁膜が表面に形成された導電性探針を用いて、半導体試料表面の静電容量を超高真空雰囲気下または不活性ガス雰囲気下で測定するので、半導体表面のドーピング分布図を正確にかつ安定して得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の静電容量測定方法を実施する装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】走査型容量顕微鏡の構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１  走査型容量顕微鏡
２  導電性探針
３  絶縁膜
４  移動ステージ
５  容量測定装置
６  真空チャンバー
６Ａ  試料交換口
６Ｂ  排気口
７  真空排気系
８  ターボ分子ポンプ
９  ロータリーポンプ
Ｓ  半導体試料
【図１】
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【図２】
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