(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板の表層部にウエル領域および拡散領域が形成された半導体装置を加工し、拡散領域およびウエル領域およびシリコン基板の上面を露呈させ、その露呈表面に絶縁膜を形成した試料を作成する第１のステップと、
100nm 以上の一定間隔を有する導電性の２本の探針を前記試料の絶縁膜に同一方向からコンタクトさせた状態で、前記２本の探針間に一定電圧の直流バイアスを印加するとともに交流電圧を印加した時の電圧振幅の変化に対する前記２本の探針間の容量変化を、前記２本の探針の間隔を保持しつつそのコンタクト位置を変化させる毎に検出し、この検出結果に基づいて試料表面部の拡散領域におけるキャリア濃度の面内ばらつきを観察する第２のステップ
とを具備することを特徴とする走査型静電容量顕微鏡による測定方法。
【請求項２】
前記第２のステップにおいて、前記２本の探針間の電圧を測定し、この測定結果に基づいて、前記２本の探針間に実際に印加される電圧条件を一定化させるように自動制御を行うことを特徴とする請求項１記載の走査型静電容量顕微鏡による測定方法。
【請求項３】
100nm 以上の一定間隔を有する導電性の２本の探針と、
前記２本の探針を観察の対象である半導体試料の表面の絶縁膜に同一方向からコンタクトさせた状態で、前記２本の探針間に一定電圧の直流バイアスを印加するとともに交流電圧を印加した時の電圧振幅の変化に対する前記２本の探針間の容量変化を検出する走査型静電容量顕微鏡
とを具備することを特徴とする走査型静電容量顕微鏡による測定装置。
【請求項４】
前記２本の探針間の容量変化を検出する手段として、
前記２本の探針の一方に接続されたキャパシタセンサと、
前記キャパシタセンサの出力を増幅して容量の変化を検出するロックイン・アンプを備えたことを特徴とする請求項３記載の走査型静電容量顕微鏡による測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡(SPM:Scanning Probe Microscope) 、特に走査型静電容量顕微鏡(SCM:Scanning Capacitance Microscope) による半導体試料の測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の内部の様子を高空間分解能で観察、解析するための有力な手段であるSPM の１つとして、試料表面部の拡散領域の局所的な静電容量を計測するSCM が注目されている。
【０００３】
図３（ａ）はSCM の基本構成および半導体装置のゲート転送部に代表される試料の一例を示している。
【０００４】
図３（ａ）において、試料10は、シリコン基板101 の表層部に選択的にウエル領域102 が形成され、このウエル領域の表層部に選択的に拡散領域103 が形成され、基板裏面に例えば導電性ペースト、導電性テープを用いたコンタクト電極104 が形成されたものである。そして、拡散領域103 およびウエル領域102 およびシリコン基板101 の断面を試料表面として露呈させるように加工されており、この加工時に試料表面には例えば自然酸化膜からなる絶縁膜105 が形成される。
【０００５】
そして、試料10の絶縁膜105 に導電性（通常、金属製）の探針11をコンタクトさせ、探針11とコンタクト電極104 との間に可変直流電源12から直流バイアスを印加すると、拡散領域103 中には、探針直下の局所領域にキャリア濃度に依存する厚みを有する空乏層が生成される。そして、図３（ｂ）に示すように、探針11と絶縁膜105 と拡散領域103 とにより構成されるＭＯＳキャパシタC1と、拡散領域103 およびウエル領域102 の容量C2と、シリコン基板101 の容量C3が直列に接続された状態と等価な回路が形成される。この場合、容量C2とC3は、試料10の構造によって異なる。
【０００６】
この状態で、探針11とコンタクト電極104 との間に変調電源（交流電源）13から交流電圧を印加すると、接地電位の探針11に対するコンタクト電極104 の電圧が正あるいは負の方向に交互に変化するとともに電圧振幅が変化し、この電圧変化に追随して前記空乏層の幅が広がったり狭くなったりし、探針・コンタクト電極間のシリコン層（広義の不純物拡散層）の静電容量が変化する。
【０００７】
そこで、交流電圧の振幅変化に対する容量変化（ｄＣ／ｄＶ）を検出するために、探針11に公知のキャパシタンスセンサ14を接続し、その出力をロックイン・アンプ15により増幅することにより容量の変化を検出することにより、拡散領域の局所的な空乏層の状態を間接的に観察することができる。この際、ｄＣ／ｄＶを検出し易いように、可変直流電源12から供給する直流バイアスを適切な値に設定している。そして、拡散領域103 の観察位置を走査的に変化させるために、探針11および試料10の少なくとも一方の位置を変化させる、例えばピエゾスキャナー16により試料10の位置を水平面内で微細に変化させるように構成されており、検出位置を走査させることにより結果を画像で表示することが可能である。なお、探針11のコンタクト位置を検出するために、レーザービーム照射装置17および反射ビーム検知装置18の対が配設されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記SCM による従来の測定方法は、半導体試料の拡散領域の空乏層の状態の観察を目的としており、拡散領域のキャリア濃度の製造プロセスのばらつきに依存する面内ばらつきを別の製造ロットの試料と相対的に比較するプロセス評価は目的としていなかった。また、試料の作成に際して、基板裏面にコンタクト電極を形成する作業を要するので、試料作成の作業時間が長くなるという問題があった。
【０００９】
本発明は上記の問題点を解決すべくなされたもので、半導体試料の拡散領域におけるキャリア濃度の変化を容量変化として高感度に検出できることに着目し、拡散領域におけるキャリア濃度の面内ばらつきのプロセス評価を行うことが可能になり、しかも、試料作成作業を簡略化することが可能になる走査型静電容量顕微鏡による測定方法を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、半導体試料の拡散領域におけるキャリア濃度の面内ばらつきのプロセス評価を行うことが可能になる走査型静電容量顕微鏡による測定装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の走査型静電容量顕微鏡による測定方法は、シリコン基板の表層部にウエル領域および拡散領域が形成された半導体装置を加工し、拡散領域およびウエル領域およびシリコン基板の上面を露呈させ、その露呈表面に絶縁膜を形成した試料を作成する第１のステップと、100nm 以上の一定間隔を有する導電性の２本の探針を前記試料の絶縁膜に同一方向からコンタクトさせた状態で、前記２本の探針間に一定電圧の直流バイアスを印加するとともに交流電圧を印加した時の電圧振幅の変化に対する前記２本の探針間の容量変化を、前記２本の探針の間隔を保持しつつそのコンタクト位置を変化させる毎に検出し、この検出結果に基づいて試料表面部の拡散領域におけるキャリア濃度の面内ばらつきを観察する第２のステップとを具備することを特徴とする。
【００１２】
本発明の走査型静電容量顕微鏡による測定装置は、100nm 以上の一定間隔を有する導電性の２本の探針と、前記２本の探針を観察の対象である半導体試料の表面の絶縁膜に同一方向からコンタクトさせた状態で、前記２本の探針間に一定電圧の直流バイアスを印加するとともに交流電圧を印加した時の電圧振幅の変化に対する前記２本の探針間の容量変化を検出する走査型静電容量顕微鏡とを具備することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
＜第１の実施の形態＞
図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係るSCM による半導体装置の測定方法に使用する測定装置の構成を概略的に示している。
【００１５】
図１（ａ）において、半導体装置のゲート転送部に代表される試料10は、シリコン基板101 の表層部に選択的にウエル領域102 が形成され、このウエル領域の表層部に選択的に拡散領域103 が形成され、基板裏面に例えば導電性ペースト、導電性テープを用いたコンタクト電極104 が形成されたものである。そして、拡散領域103 およびウエル領域102 およびシリコン基板101 の上面を試料表面として露呈させるように加工されており、この加工時に試料表面には例えば自然酸化膜からなる絶縁膜105 が形成される。
【００１６】
このような試料10の絶縁膜105 にカンチレバー110 の先端の導電性の２本の探針11、11を同一方向からコンタクトさせた状態で、この２本の探針11、11間に可変直流電源12から直流バイアスを印加すると、図１（ｂ）に示すように、２本の探針11、11間の絶縁膜105 下と拡散領域103 とにより構成されるＭＯＳキャパシタC と等価な回路が形成される。この場合、前記２本の探針11、11間の間隔は、拡散領域103 における各探針11、11からの電界が重ならないような所定値以上の一定値である必要があり、例えば100nm 程度以上に設定される。この状態で、２本の探針11、11間に変調電源（交流電源）13から交流電圧を印加する。
【００１７】
上記したように直流バイアスおよび交流電圧を印加すると、拡散領域103 中には、探針直下の局所領域に空乏層が生成され、この空乏層の厚みは拡散領域103 のキャリア濃度に依存する。そして、接地電位の一方の探針11に対する他方の探針11の電圧が正あるいは負の方向に交互に変化するとともに電圧振幅が変化すると、この電圧変化に追随して前記空乏層の幅が広がったり狭くなったりし、２本の探針11、11間の拡散領域103 の静電容量がキャリア濃度に依存して変化する。
【００１８】
そこで、交流電圧の振幅変化に対する容量変化（ｄＣ／ｄＶ）を検出するために、一方の探針11に公知のキャパシタンスセンサ14を接続し、その出力をロックイン・アンプ15により増幅することにより容量の変化を検出することにより、拡散領域103 の局所的なキャリア濃度の状態を間接的に観察することができる。
【００１９】
この際、ｄＣ／ｄＶを検出し易いように、可変直流電源12から供給する直流バイアスを適切な値に設定している。そして、拡散領域103 の観察位置を走査的に変化させるために、２本の探針11、11の間隔を保持しつつそのコンタクト位置を変化させる毎に２本の探針11、11間の容量変化を検出し、この容量変化の検出結果に基づいて観察の対象である試料表面部の拡散領域のキャリア濃度の面内ばらつきの状態を観察する。
【００２０】
また、ウエル領域102 およびシリコン基板101 を観察したい場合には、その上面に対応して絶縁膜105 に２本の探針11、11を同一方向からコンタクトさせるようにすればよい。
【００２１】
なお、上記２本の探針11、11のコンタクト位置を変化させる手段として、２本の探針11、11または試料10の少なくとも一方の位置を変化させる、例えばピエゾスキャナー16により試料10の位置を水平面内で微細に変化させるように構成されており、検出位置を走査させることにより結果を画像で表示することが可能である。そして、２本の探針11、11のコンタクト位置を検出するために、レーザービーム照射装置17および反射ビーム検知装置18の対が配設されている。
【００２２】
また、前記２本の探針11、11の間隔を一定に保持する手段の一例としては、１本のレバーの先端部に２本の探針11、11を、一定間隔をあけて固定するようにしてもよい。
【００２３】
即ち、上記した第１の実施の形態に係るSCM による半導体試料の測定方法および測定装置によれば、試料10の絶縁膜105 に２本の探針11、11をコンタクトさせた状態で、２本の探針11、11間に一定電圧の直流バイアスを印加するとともに交流電圧を印加した時の電圧振幅の変化に対する２本の探針11、11間の容量変化を、２本の探針11、11の間隔を保持しつつそのコンタクト位置を変化させる毎に検出し、前記容量変化の検出結果に基づいて観察の対象である試料表面部の拡散領域103 のキャリア濃度の面内ばらつきの状態を観察することが可能である。
【００２４】
したがって、製造プロセスのばらつきに依存する拡散領域103 のキャリア濃度の面内ばらつきを他の製造ロットの試料と相対的に比較するプロセス評価を行うことが可能になる。
【００２５】
また、従来は、試料10の拡散領域103 の断面を試料表面として露呈させるために断面研磨などの加工を行ったり、基板裏面にコンタクト電極104 を形成する必要があったが、本実施形態では、試料の拡散領域103 の上面側を試料表面として露呈させて絶縁膜105 を形成すればよく、基板裏面にコンタクト電極を形成する必要もないので、試料作成作業を簡略化することができる。
【００２６】
＜第２の実施の形態＞
図２（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係るSCM による半導体試料の測定方法を示しており、図２（ｂ）は同図（ａ）の等価回路を示している。
【００２７】
前述した第１の実施の形態においては、SCM による測定に際して、２本の探針11、11間に可変直流電源12から一定電圧を印加しているが、２本の探針11、11間に実際にどの程度の電圧が印加されているか不明である。つまり、観察毎に２本の探針11、11のコンタクト状態が異なると、２本の探針11、11間の拡散領域103 に実際に印加される電圧が変動して検出結果（データ）に影響が生じる。
【００２８】
そこで、第２の実施の形態では、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、２本の探針11、11間の電圧を電圧測定回路19で測定し、この測定結果に応じて可変直流電源12および／または交流電源13を制御し、２本の探針11、11間に実際に印加される電圧条件を自動的に一定化させるフィードバック制御回路20が設けられている点が第１の実施の形態と異なり、その他は同じであるので、図１（ａ）、（ｂ）中と同一符号を付している。
【００２９】
即ち、上記した第２の実施の形態に係るSCM による半導体装置の測定方法によれば、２本の探針11、11間に実際に印加される電圧条件を一定化する。したがって、観察毎に絶縁膜105 に対する２本の探針11、11のコンタクト状態が異なったり、試料構造が異なったりしても、観察の対象である試料表面部の拡散領域に実際に印加される電圧条件を一定化できるので、試料の拡散領域のキャリア濃度の面内ばらつきをより正確に観察することが可能になる。
【００３０】
【発明の効果】
上述したように本発明の走査型静電容量顕微鏡による測定方法によれば、拡散領域におけるキャリア濃度の製造プロセスのばらつきに依存する面内ばらつきのプロセス評価を行うことが可能になり、しかも、試料作成作業を簡略化することが可能になる。
【００３１】
また、本発明の走査型静電容量顕微鏡による測定装置によれば、拡散領域におけるキャリア濃度の製造プロセスのばらつきに依存する拡散領域におけるキャリア濃度の面内ばらつきのプロセス評価を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るSCM による半導体装置の測定方法に使用する測定装置の構成を概略的に示す図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るSCM による半導体装置の測定方法を示す図。
【図３】従来のSCM の基本構成と試料の一例を示す図。
【符号の説明】
10…試料、
101 …シリコン基板、
102 …ウエル領域、
103 …拡散領域、
105 …絶縁膜、
110 …カンチレバー、
11…探針、
C …ＭＯＳキャパシタ、
12…可変直流電源、
13…変調電源（交流電源）、
14…キャパシタンスセンサ、
15…ロックイン・アンプ、
16…ピエゾスキャナー。
【図１】
0003766261.tif 000002
【図２】
0003766261.tif 000003
【図３】
0003766261.tif 000004