(57)【要約】【課題】半導体装置の不純物分布を短時間で且つ少ない手間で測定することが可能な方法を提供する。【解決手段】この不純物分布測定方法は、ｐ型半導体領域及びｎ型半導体領域を備える半導体装置の不純物分布を測定する方法であって、ｐ型半導体領域及びｎ型半導体領域に逆バイアス電圧を印加しつつ、ｐ型半導体領域及びｎ型半導体領域を含む観察面のＳＥＭ像を取得する観察工程を含む。観察工程の際、ｐ型半導体領域から放出される二次電子のエネルギー分布Ｇ２１のピークＰ２１を含み、且つｎ型半導体領域から放出される二次電子のエネルギー分布Ｇ２２のピークＰ２２を含まないエネルギー範囲Ｅ１の二次電子を選択的に検出することにより、ＳＥＭ像を取得する。【選択図】図４
2012109392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型半導体領域、アンドープ半導体領域、及びｎ型半導体領域のうち少なくとも２つの半導体領域を備える半導体装置の不純物分布を測定する方法であって、
前記少なくとも２つの半導体領域に逆バイアス電圧を印加しつつ、前記少なくとも２つの半導体領域を含む観察面の走査型電子顕微鏡像を取得する観察工程を含み、
前記観察工程の際に、前記少なくとも２つの半導体領域のうち一の半導体領域から放出される二次電子のエネルギー分布のピークを含み、且つ前記少なくとも２つの半導体領域のうち他の半導体領域から放出される二次電子のエネルギー分布のピークを含まないエネルギー範囲の二次電子を選択的に検出することにより、前記走査型電子顕微鏡像を取得することを特徴とする、半導体装置の不純物分布測定方法。
【請求項２】
イオンビームを用いて前記観察面を形成する観察面形成工程を更に含むことを特徴とする、請求項1に記載の半導体装置の不純物分布測定方法。
【請求項３】
前記観察面形成工程の際、前記観察面に対してウェットエッチングを行うことを特徴とする、請求項２に記載の半導体装置の不純物分布測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の不純物分布測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、不純物濃度あるいは不純物の種類の異なる複数の拡散層を備える半導体装置の構造を電子顕微鏡を用いて観察する方法が開示されている。この方法は、第１の半導体領域、該第１の半導体領域と異なる不純物濃度または異なる種類の不純物を有する第２の半導体領域及び酸化膜が表面に現れ、かつ電子が透過する程度に薄く加工された観察面を有する試料を形成する観察面形成工程と、試料をアルコールとフッ酸の混合液に浸し、試料と混合液との間に電圧を印加することにより、試料の第１の半導体領域と第２の半導体領域との厚みを変えて拡散層を顕在化する拡散層顕在化工程と、拡散層顕在化工程を経た試料を透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope；ＴＥＭ）で観察する工程とを備える。或いは、この方法は、第１の半導体領域、該第１の半導体領域と異なる不純物濃度または異なる種類の不純物を有する第２の半導体領域及び酸化膜が表面に現れている観察面を有する試料を形成する観察面形成工程と、試料をアルコールとフッ酸の混合液に浸し、試料と混合液との間に電圧を印加することにより、試料の第１の半導体領域と第２の半導体領域との間で試料の表面に凹凸を付けることによって拡散層を顕在化する拡散層顕在化工程と、拡散層顕在化工程を経た試料を走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope；ＳＥＭ）で観察する工程とを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２５０５６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体装置の不純物分布を測定する際には、作業効率を向上させるために短時間での測定が求められることが多い。しかし、特許文献１に記載されたようなＴＥＭによる観察の為の試料を作成すると、ＳＥＭによる観察の為の試料の作成と比較して、長い時間と多くの手間を要する。また、特許文献１にはＳＥＭによる観察方法も開示されているが、試料の表面に凹凸を付けるエッチング工程を含むので、やはり長い時間と多くの手間を必要とする。
【０００５】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、半導体装置の不純物分布を短時間で且つ少ない手間で測定することが可能な方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決するために、本発明による不純物分布測定方法は、ｐ型半導体領域、アンドープ半導体領域、及びｎ型半導体領域のうち少なくとも２つの半導体領域を備える半導体装置の不純物分布を測定する方法であって、少なくとも２つの半導体領域に逆バイアス電圧を印加しつつ、少なくとも２つの半導体領域を含む観察面の走査型電子顕微鏡像を取得する観察工程を含み、観察工程の際に、少なくとも２つの半導体領域のうち一の半導体領域から放出される二次電子のエネルギー分布のピークを含み、且つ少なくとも２つの半導体領域のうち他の半導体領域から放出される二次電子のエネルギー分布のピークを含まないエネルギー範囲の二次電子を選択的に検出することにより、走査型電子顕微鏡像を取得することを特徴とする。
【０００７】
本発明者は、上述したような半導体装置に逆バイアス電圧を印加することによって、エネルギー準位が高い方の半導体領域（例えばｐｎ接合部においては、ｐ型半導体領域）から放出される二次電子のエネルギー分布が高エネルギー側にシフトすることを見出した。すなわち、上述した不純物分布測定方法によれば、エネルギー分布がシフトした半導体領域から放出される二次電子を選択的に検出することによって、或いは、エネルギー分布がシフトしていない半導体領域から放出される二次電子を選択的に検出することによって、不純物分布に関する高コントラストのＳＥＭ像を、短時間で且つ少ない手間で得ることができる。
【０００８】
また、不純物分布測定方法は、イオンビームを用いて観察面を形成する観察面形成工程を更に含むことを特徴としてもよい。これによって、例えば劈開面を観察面とする方法と異なり、任意の断面において観察面を容易に形成することができる。また、この場合、観察面に対してウェットエッチングを行うことが好ましい。これにより、イオンビームによって半導体表面に生じた非晶質層を除去し、更に明瞭なＳＥＭ像を得ることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明による不純物分布測定方法によれば、半導体装置の不純物分布を短時間で且つ少ない手間で測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本実施形態に係る不純物分布測定方法によって測定される半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、本実施形態に係る不純物分布測定方法の各工程を示すフローチャートである。
【図３】図３は、逆バイアス電圧を印加する前における、ｐ型半導体領域（ｐ型ＩｎＰ）及びｎ型半導体領域（ｎ型ＩｎＰ）から放出される二次電子のエネルギー分布を示している。
【図４】図４は、逆バイアス電圧を印加した後における、ｐ型半導体領域及びｎ型半導体領域から放出される二次電子のエネルギー分布を示している。
【図５】図５は、逆バイアス電圧の印加前におけるエネルギーバンド図（図５（ａ））と、逆バイアス電圧を印加した状態におけるエネルギーバンド図（図５（ｂ））とを示す図である。
【図６】図６は、二次電子エネルギーのフィルタリングを行わない場合のＳＥＭ像の一例を示す写真である。
【図７】図７は、バイアスを印加し、かつ、二次電子エネルギーのフィルタリングを行う本実施形態によるＳＥＭ像の一例を示す写真である。
【図８】図８は、ｐｉ接合部を有する半導体装置の構成を示す断面図である。
【図９】図９は、ｉｎ接合部を有する半導体装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照しながら本発明による不純物分布測定方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１２】
図１は、本実施形態に係る不純物分布測定方法によって測定される半導体装置の構成を示す断面図である。図１に示されるように、この半導体装置１０は、第１の半導体領域としてのｐ型半導体領域１２と、第２の半導体領域としてのｎ型半導体領域１４と、ｐ型半導体領域１２及びｎ型半導体領域１４のそれぞれに接触する一対の電極、すなわちアノード電極１６及びカソード電極１８とを備える。ｐ型半導体領域１２及びｎ型半導体領域１４は、互いにｐ／ｎ接合部を構成する。ｐ型半導体領域１２は例えばｐ型ＩｎＰからなり、ｎ型半導体領域１４は例えばｎ型ＩｎＰからなる。
【００１３】
図２は、本実施形態に係る不純物分布測定方法の各工程を示すフローチャートである。図２に示されるように、この不純物分布測定方法では、まず、半導体装置１０を加工して、ｐ型半導体領域１２及びｎ型半導体領域１４を含む観察面を形成する（ステップＳ１、観察面形成工程）。この観察面形成工程においては、例えば収束イオンビームを用いて半導体装置１０を厚さ方向に切削することにより、観察面を好適に形成することができる。また、収束イオンビームによって半導体表面には非晶質層が生じるので、この非晶質層を除去する為に、収束イオンビームによって形成された観察面に対してウェットエッチングを行うことが好ましい。
【００１４】
続いて、ｐ型半導体領域１２及びｎ型半導体領域１４に逆バイアス電圧を印加しつつ、観察面のＳＥＭ像を取得する（ステップＳ２、観察工程）。この観察工程においては、まず、図１に示されたアノード電極１６とカソード電極１８とに逆バイアス電圧を印加する。この逆バイアス電圧の大きさは、例えば３Ｖである。
【００１５】
ここで、逆バイアス電圧の印加前後における、ｐ型半導体領域１２及びｎ型半導体領域１４から放出される二次電子のエネルギー分布について説明する。図３は、逆バイアス電圧を印加する前における、ｐ型半導体領域１２（ｐ型ＩｎＰ）及びｎ型半導体領域１４（ｎ型ＩｎＰ）から放出される二次電子のエネルギー分布を示している。また、図４は、逆バイアス電圧を印加した後における、ｐ型半導体領域１２及びｎ型半導体領域１４から放出される二次電子のエネルギー分布を示している。図３及び図４において、縦軸は放出電子量（任意単位）を示し、横軸は電子エネルギー（単位：ｅＶ）を示している。また、グラフＧ１１，Ｇ２１はｐ型半導体領域１２から放出される二次電子のエネルギー分布を示しており、グラフＧ１２，Ｇ２２はｎ型半導体領域１４から放出される二次電子のエネルギー分布を示している。
【００１６】
図３に示されるように、逆バイアスが印加されていない状態では、二次電子のエネルギー分布がピークＰ１１，Ｐ１２となる電子エネルギー値は、ｐ型半導体領域１２とｎ型半導体領域１４とでほぼ同じ値（約１．５ｅＶ）となっている。これに対し、図４に示されるように、逆バイアスが印加された状態では、二次電子のエネルギー分布がピークＰ２１，Ｐ２２となる電子エネルギー値は、ｎ型半導体領域１４（グラフＧ２２）では逆バイアス印加前とほぼ同じ（約１．５Ｖ）である一方、ｐ型半導体領域１２（グラフＧ２１）では逆バイアス印加前と比べて高エネルギー側にシフトしている（約４．５ｅＶ）。そして、このシフト幅は、逆バイアス電圧（３Ｖ）とほぼ等しくなっている。
【００１７】
このような現象は、逆バイアス印加時のバンド構造の変化に起因すると考えられる。図５は、ｐ型半導体領域１２及びｎ型半導体領域１４のバンド構造を示す図である。図５（ａ）は逆バイアス電圧の印加前におけるバンド構造を示しており、図５（ｂ）は逆バイアス電圧を印加した状態におけるバンド構造を示している。図中のＥｃは伝導帯のエネルギー準位であり、Ｅｖは価電子帯のエネルギー準位である。図５（ａ）に示されるように、逆バイアス電圧の印加前においては、ｐ型半導体領域１２とｎ型半導体領域１４との間には或る接合障壁Ｖｂｉ１が存在する。そして、逆バイアス電圧が印加されると、図５（ｂ）に示されるように、ｐ型半導体領域１２とｎ型半導体領域１４との間の接合障壁Ｖｂｉ２は、接合障壁Ｖｂｉ１に対して逆バイアス電圧の分だけ増加した値となる。上述した二次電子のエネルギー分布のシフトは、このような接合障壁の変化に起因すると考えられる。
【００１８】
本実施形態では、上記の現象を利用し、次のようにしてＳＥＭ像を取得する。すなわち、ｐ型半導体領域１２及びｎ型半導体領域１４に対し、アノード電極１６及びカソード電極１８を介して逆バイアス電圧を印加しつつ、観察面のＳＥＭ像を取得する。その際、ｐ型半導体領域１２から放出される二次電子のエネルギー分布のピークＰ２１を含み、且つｎ型半導体領域１４から放出される二次電子のエネルギー分布のピークＰ２２を含まないエネルギー範囲Ｅ１（第１のエネルギー範囲）の二次電子を選択的に検出することにより、ＳＥＭ像を取得する。或いは、ｎ型半導体領域１４から放出される二次電子のエネルギー分布のピークＰ２２を含み、且つｐ型半導体領域１２から放出される二次電子のエネルギー分布のピークＰ２１を含まないエネルギー範囲Ｅ２（第２のエネルギー範囲）の二次電子を選択的に検出することにより、ＳＥＭ像を取得する。このようなＳＥＭ像の取得は、例えば所定エネルギーＥａ以上（または所定エネルギーＥａ以下）の電子エネルギーを有する二次電子を選択的に透過するエネルギーフィルタ（エネルギーハイパスフィルタ、若しくはエネルギーローパスフィルタ）を具備するＳＥＭによって好適に行うことができる。一実施例では、所定エネルギーＥａは、逆バイアス電圧の１／２の値に設定される。
【００１９】
本実施形態では、このようにＳＥＭ像を取得する際の二次電子のエネルギーをフィルタリングすることによって、ｎ型半導体領域１４（またはｐ型半導体領域１２）からの二次電子の検出量を抑制し、ｐ型半導体領域１２（またはｎ型半導体領域１４）からの二次電子を多く検出する。ここで、図６は、このようなフィルタリングを行わない場合の収束イオンビーム加工により形成された断面のＳＥＭ像の一例を示す写真であって、該写真の上下方向の中心を境に上側がｐ型半導体領域１２（ｐ型ＩｎＰ）、下側がｎ型半導体領域１４（ｎ型ＩｎＰ）である。また、図７は、バイアスを印加し、かつ、フィルタリングを行う本実施形態によるＳＥＭ像の一例を示す写真であって、該写真の上下方向の中心を境に上側がｐ型半導体領域１２（ｐ型ＩｎＰ）、下側がｎ型半導体領域１４（ｎ型ＩｎＰ）である。
【００２０】
図６に示されるように、フィルタリングを行わない場合には、ｐ型半導体領域１２とｎ型半導体領域１４との境界が明瞭ではない。これに対し、図７に示されるように、上述したフィルタリングを行うことによって、ｐ型半導体領域１２及びｎ型半導体領域１４のコントラストが増し、ｐ型半導体領域１２とｎ型半導体領域１４との境界を明瞭に認識することができる。
【００２１】
このように、本実施形態に係る不純物分布測定方法によれば、半導体装置１０に既に形成されているアノード電極１６及びカソード電極１８に逆バイアス電圧を印加し、且つ電子エネルギーの大きさに応じて選択的に二次電子を検出するという短時間で且つ少ない手間で可能な方法によって、不純物分布に関する高コントラストのＳＥＭ像を得ることができる。特に、収束イオンビーム加工により形成された断面のｐ／ｎ接合部はＳＥＭによるコントラストが低く、一般的に不純物分布の測定が困難であるが、本実施形態の方法によれば、明瞭なＳＥＭ像を得ることができ、不純物分布を正確に測定することができる。
【００２２】
また、本実施形態のように、観察面形成工程の際、収束イオンビームを用いて観察面を形成するとよい。これにより、例えば劈開面を観察面とする方法と異なり、任意の断面において観察面を容易に形成することができる。また、半導体装置における不純物の異常な分布に起因する故障を調べるために、故障箇所の断面の不純物分布を観察すべく収束イオンビームを用いて観察面を形成すると、特にＩｎＰなどの化合物半導体においてはイオンビームの照射によるダメージが大きくなり、表面の結晶性が損なわれることがある。このような場合、当該観察面のＳＥＭ像を取得しても、コントラストが不明瞭となり不純物分布の測定が困難となる。本実施形態では、上述したように半導体装置１０に逆バイアス電圧を印加し、且つ電子エネルギーの大きさに応じて選択的に二次電子を検出するので、このような場合であってもｐ型半導体領域１２及びｎ型半導体領域１４のコントラストが増し、ｐ型半導体領域１２とｎ型半導体領域１４との境界を明瞭に認識することができる。
【００２３】
本発明による不純物分布測定方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態ではｐ／ｎ接合部を有する半導体装置に対して本発明を適用したが、図８に示すような、ｐｉ接合部を有する（すなわち、ｐ型半導体領域２２及びｉ型（アンドープ）半導体領域２４がこの順に並んだ）半導体装置２０に対しても、本発明を適用できる。その場合、例えば収束イオンビーム等によってｐ型半導体領域２２及びｉ型半導体領域２４を含む観察面を形成し、アノード電極２６及びカソード電極２８を介してｐ型半導体領域２２及びｉ型半導体領域２４に逆バイアス電圧を印加しつつ観察面のＳＥＭ像を取得するとよい。このとき、ｐ型半導体領域２２から放出される二次電子のエネルギー分布のピークを含み、且つｉ型半導体領域２４から放出される二次電子のエネルギー分布のピークを含まないエネルギー範囲の二次電子を選択的に検出することにより、ＳＥＭ像を取得するとよい。或いは、ｉ型半導体領域２４から放出される二次電子のエネルギー分布のピークを含み、且つｐ型半導体領域２２から放出される二次電子のエネルギー分布のピークを含まないエネルギー範囲の二次電子を選択的に検出することにより、ＳＥＭ像を取得してもよい。
【００２４】
半導体装置２０に逆バイアス電圧を印加すると、ｐ型半導体領域２２とｉ型半導体領域２４との間には、図５において説明したようなバンド構造の変化が同様に生じるので、これらの層間の接合障壁が増大する。したがって、上記のようにしてこれらの層のＳＥＭ像を取得することにより、ｐ型半導体領域２２及びｉ型半導体領域２４のコントラストが増し、これらの層の境界を明瞭に認識することができる。
【００２５】
また、図９に示すような、ｉｎ接合部を有する（すなわち、ｉ型（アンドープ）半導体領域３２及びｎ型半導体領域３４がこの順に並んだ）半導体装置３０に対しても、本発明を適用できる。その場合、例えば収束イオンビーム等によってｉ型半導体領域３２及びｎ型半導体領域３４を含む観察面を形成し、アノード電極３６及びカソード電極３８を介してｉ型半導体領域３２及びｎ型半導体領域３４に逆バイアス電圧を印加しつつ観察面のＳＥＭ像を取得するとよい。このとき、ｉ型半導体領域３２から放出される二次電子のエネルギー分布のピークを含み、且つｎ型半導体領域３４から放出される二次電子のエネルギー分布のピークを含まないエネルギー範囲の二次電子を選択的に検出することにより、ＳＥＭ像を取得するとよい。或いは、ｎ型半導体領域３４から放出される二次電子のエネルギー分布のピークを含み、且つｉ型半導体領域３２から放出される二次電子のエネルギー分布のピークを含まないエネルギー範囲の二次電子を選択的に検出することにより、ＳＥＭ像を取得してもよい。
【００２６】
半導体装置３０に逆バイアス電圧を印加すると、ｉ型半導体領域３２とｎ型半導体領域３４との間には、図５において説明したようなバンド構造の変化が同様に生じるので、これらの層間の接合障壁が増大する。したがって、上記のようにしてこれらの層のＳＥＭ像を取得することにより、ｉ型半導体領域３２及びｎ型半導体領域３４のコントラストが増し、これらの層の境界を明瞭に認識することができる。
【００２７】
また、上記実施形態では収束イオンビームによって形成された観察面のＳＥＭ像を取得する際に本発明を適用しているが、本発明による方法は、何らかの理由によりＳＥＭでは不純物分布の測定が困難な、或いはＳＥＭ像のコントラストが極めて低く不純物分布の正確な測定が困難な場合に好適に使用される。観察面を形成する方法としては上記の例以外にも、イオンビームポリッシングやフラットミリング、研磨、ミクロトームなどが挙げられる。
【符号の説明】
【００２８】
１０…半導体装置、１２…型半導体領域、１４…型半導体領域、１６…アノード電極、１８…カソード電極、Ｅ１…第１のエネルギー範囲、Ｅ２…第２のエネルギー範囲。
【図１】
2012109392.tif 000003
【図２】
2012109392.tif 000004
【図３】
2012109392.tif 000005
【図４】
2012109392.tif 000006
【図５】
2012109392.tif 000007
【図８】
2012109392.tif 000008
【図９】
2012109392.tif 000009
【図６】
2012109392.tif 000010
【図７】
2012109392.tif 000011