電子線ホログラフィーで究める物質科学

電子線ホログラフィーによる半導体デバイスのドーパント分布観察
Dopant Profiling of Semiconductor Devices by Electron Holography
平山司

Tsukasa Hirayama
財団法人ファインセラミックスセンター
要旨

ナノ構造研究所

半導体内に注入された少量の不純物（ドーパント）は，半導体デバイス機能の根元となるマイクロメートル～ナノメートルスケー
ルの電位分布を形成する．このため，半導体デバイス内のドーパント分布を観察することは，非常に重要な要素技術である．しかし，一般にこのドーパントの濃度は 1015 cm−3 ～ 1019 cm−3（0.1 atm％以下）の低濃度領域にあり，透過電子顕微鏡像には何のコントラストも形成しない．また，エネルギー分散型 X 線分光法（EDS）や電子エネルギー損失分光法（EELS）でも検出するのは困難である．
そこで，ドーパント元素を直接観察するのではなく，ドーパントの分布が形成する電位分布を電子線ホログラフィーで計測する手法を開発した．本稿では，その原理，手法，代表的観察例について紹介する．

キーワード：電子線ホログラフィー，ドーパント分布，電位分布，半導体デバイス

1.

を 1985 年に電子線ホログラフィーで初めて観察した 4）．9 年
はじめに後の 1994 年に，McCartney らはホログラフィーで半導体の半導体中に注入されたドーパントは，デバイスとしての高pn 接合を定量評価することの重要性を改めて指摘した 5）．さ

度な機能の源泉となるマイクロメートル～ナノメートルオーらに，1999 年 Rau らは電界効果トランジスタ断面のドーパダーの電位分布を形成する．このため，ドーパント分布を観ント分布を可視化し，半導体業界はこれに非常に刺激され察することは非常に重要な評価技術である．一般には 2 次イ

た 6 ～ 9）．その結果，ホログラフィーを学術研究だけではなくオン質量分析法（SIMS）が使われているが，実デバイス中工業的に活用しようとする人の数が一気に増加した．現在での 2 次元ドーパント分布をナノメートルオーダーで観察するは，ホログラフィー電子顕微鏡や画像解析のソフトウエアが15−3ことは容易ではない．このドーパントの濃度は 10 cm ～市場に出回り，電子線ホログラフィーは一般の TEM ユーザー

1019 cm−3（0.1 atm％以下）の低濃度領域にあり，透過電子顕が活用できる技術になりつつある．

微鏡像（TEM 像）には何のコントラストも形成しない．また，電子の挙動はシュレディンガー方程式によって記述され元素分布の解析に広く用いられているエネルギー分散型る．このシュレディンガー方程式に WKB 近似を適用し，電X 線分光法（EDS）や電子エネルギー損失分光法（EELS）

子の加速電圧（数百 kV）がサンプルの持つ電圧（通常は高々を用いてもこのレベルの低濃度のドーパントを検出するのは数十 V）よりはるかに高いという条件を考慮すると，位相と困難である．そこで，我々はシリコンや化合物半導体の中の電位の関係を示す次の式が得られる 2）．
πΔφ = ― ∫ZV(V(x,y,z)dz
λλE

ドーパント分布によって形成された電位分布を電子線ホログ
ラフィーで観察した．本稿では，その原理，手法，観察試料作製技術，代表的観察例等について概説する．
2.

（1）

式（1）において Δφ は電子波の位相変化量，λ は電子の波長，E は加速電圧によって決まる定数（加速電圧 200 kV であれ電子線ホログラフィーの歴史，原理，手法
1）

ホログラフィーは D. Gabor が電子レンズの収差を補正することを目的に考案したが，マイクロメートル～ナノメート

ば E ～ 172 kV），V(V(x,y,z) は試料が持つ電位分布である．この式は，厚さが一定の試料で位相分布を計測すれば，電位分布が得られることを意味している．

ル領域の磁力線や電位分布を観察する電子顕微鏡法として進図 1 に電子顕微鏡を用いたホログラム撮影の模式図を示歩を遂げてきた 2 ～ 4）．イタリアの Pozzi らのグループは逆バす．電子源から放出され試料を透過した電子の波（物体波）と，イアスを印加した pn 接合部から真空中に漏れ出る電位分布

試料の横の何もないところを透過した波（参照波）を干渉さ〒 456–8587 名古屋市熱田区六野 2–4–1
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特集せるために電子線バイプリズムを使う．これは，電子顕微鏡の本体に接地された 2 枚の平行平板のあいだに直径 0.5 ミクロン程度の細い導電性の糸を張ったものである．この糸にプ

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ラスの電位を印加すると，その両側を通る電子波は引き寄せるために，我々は複素波動場を位相像に変換する．そうする

られるように偏向し，その下の観察面で干渉する．試料の電と，たとえば高い電位は明るく低い電位は暗く表わすことが位分布に関する情報は干渉縞の曲がりとなって記録される．

でき，直感的に理解しやすい再生像になる．

その干渉縞はホログラムと呼ばれ，フィルムやカメラで撮影
3.

する．

電界効果トランジスタ断面のドーパント分布観察

図 2 には，像再生のためのフーリエ変換法と呼ばれる画すべての物質は「内部電位」を持っており，シリコンの内像解析の手順を示す 10）．以前は光学的に像再生を行っていた

部電位はおよそ 12 V 程度である 8）．電子線ホログラフィー

が，最近では市販のパソコンで非常に簡単に再生できるようを用いると，n 型領域と p 型領域の電位差（本実験では 0.7 Vになった．まず，ホログラムをフーリエ変換する．すると，程度）を可視化することができる．この電位差はドーパント中央にセンターバンド，その両側にサイドバンドと呼ばれる分布によって形成されたものであるため，得られた電位分布パターンが現れる．位相情報はサイドバンドに入っているの像はドーパント分布像と解釈できる 11,12）．図 3 にドーパントで，片方のサイドバンドを選び適当な絞り関数を掛けて原点濃度が 1015 cm−3 程度の p 型シリコンウエハを用いて作製しに移動させる．さらにそれを逆フーリエ変換すると，もともた電界効果トランジスタ（Si-MOSFET）の断面観察結果をとの試料直下の複素波動場が得られる．電位分布を可視化す示す．TEM 観察用試料は集束イオンビーム（FIB）を用いて，厚さが均一になるように慎重に作製した．図 3（a）の透過電子顕微鏡像では全く見えないドーパントの分布が図 3（b）のホ ロ グ ラ ム で は 干 渉 縞 の 曲 が り と し て 捉 え ら れ て お り，
図 3（c）の位相分布像でははっきりと可視化されている．特にゲート直下の横方向のドーパント分布は，デバイスの性能を左右する重要な要因である．この電界効果トランジスタは比較的大きいものであるが，今日の開発の最前線ではゲート長は 0.1 μm をはるかに下回る値になっており，実際のデバイスでどのようなドーパント分布になっているかを知り，デバイスやプロセスの研究開発に生かすことは益々重要になってきている．
このような観察のための試料厚さは，我々の経験ではシリコンの場合 300 nm 程度が最も適当であった．TEM の試料としてはかなり厚い試料であるが，これは式（1）に示されるとおり計測される位相変化量が試料厚さに比例するため，

図1

電子線ホログラム撮影の模式図

厚めの試料の方が有利であることによる．この意味では試料は厚ければ厚い程有利であるが，あまり厚すぎると電子線が透過しなくなってしまうので，その妥協点が 300 nm 程度ということになる．

コンピューターによるデジタル位相再生の手順

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図 3 シリコン電界効果トランジスタの断面．
（a）透過電子顕微鏡像，（b）ホログラム，（c）再生した位相分布像．ドーパン
ト分布が電位分布として明瞭に観察できる．

顕微鏡 Vol. 45, No. 3（2010）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

図 4 ヒ化ガリウム（GaAs）多層膜モデルサンプルの断面．
（a）ホログラム，（b）再生された位相分布像．p 領域と n 領域が区別できるだけでなく，n 領域のドーパント濃度の高低がはっきり可視化されている．n− は低濃度 n 型領域，n+ は高濃度 n 型領域を示す．（c）模式図．

「ドーパント濃度 1015 cm−3」とは市販のシリコンウエハとかなどを調べることが，企業の新製品開発や品質管理に役立しては最も濃度の低いものである．このようなシリコンウエつようになってきている．濃度の絶対値を測るのであれば，ハを用いて作製したトランジスタのドーパント分布観察に成SIMS の方がはるかに精度が高いが，濃度分布を 2 次元の映功したことは，どんなドーパント分布のシリコンデバイスで像として得られるところが，電子線ホログラフィーの大きなもこの技術で観察可能であることを示唆している．

メリットである．

4. ヒ化ガリウム（GaAS）多層膜モデルサンプルのドー

5. まとめ

パント分布観察

電子線ホログラフィーを用いて，半導体に含まれるドーパ先述の Si-MOSFET 断面のドーパント分布観察に成功したントの分布を観察する方法について記述し，観察例を紹介し直後，我々は化合物半導体のドーパント分布観察に着手した．

た．このような観察は研究機関の実験室で行われているだけ

しかし，最初は，再生した位相分布像にノイズが多く，容易でなく，すでに企業の開発現場で使われている．今後益々半に観察することはできなかった．この理由を様々な角度から導体デバイス開発における必要性は増すものと考えている．

検討した結果，FIB 法で作製した TEM 試料に関して，シリコン表面に形成されるダメージ層はアモルファスであるが，謝辞化合物半導体表面に形成されるダメージ層には微結晶粒子が株式会社アイテスの河野好映氏と加藤直子博士（現在，日含まれることが多いことがわかった．微結晶粒子は複雑な電本 IBM 株式会社），日本 IBM 株式会社の北村恒二氏には Si-子回折を起こし，再生像中に大きな位相ノイズを形成してしMOSFET 観察に関して有益なご意見を頂戴しました．心よまう．そこで，表面のダメージ層を低い電圧で加速したアルり御礼申し上げます．また，FIB による TEM サンプル作製

ゴンイオンビームで除去した 13）．には名古屋大学の佐々木勝寛准教授，坂公恭教授にご協力をダメージ層除去後にホログラフィー観察した GaAs 多層膜いただきました．厚く御礼申し上げます．古河電気工業株式

モデルサンプルの断面を図 4 に示す 14）．この実験では「位会社の佐々木宏和氏には GaAs ドーパント分布観察のために15）相シフト法」という位相計測感度の高い手法を使用した．

ご尽力を頂きました．心より御礼申し上げます．本研究に貢

この図では p 型領域と n 型領域の識別が出来るだけでなく，献してくれた財団法人ファインセラミックスセンターの王洲

n 型領域の中のドーパント濃度が高い部分と低い部分が明瞭

光博士（現在，米国マイクロンテクノロジー社），山本和生に描き出されている．このような微妙なドーパント濃度の差

博士，加藤丈晴博士，Dr. Craig Fisher に感謝します．

を観察することのできる理由は，短く言えば低濃度領域の文キャリアが表面にピンニングされることによって低濃度領域が空乏化し，フェルミ準位がバンドギャップの中央近くに移動することによって，高濃度領域との間に大きな電位差を生じるためである．詳しくは原著論文を参照されたい 14）．半導体製品の特性はこのようなドーパントの濃度分布に強く依存するため，上記のような観察手法を用いて試作したデバイスが設計通りに出来ているか，または不良の原因はどこにある特集

献1）Gabor, D.: Nature, 161, 777–778 (1948)
2）Tonomura, A.: Advances in Physics, 41, 59–103 (1992)
3）Lichte, H.: Ultramicroscopy, 20, 293–304 (1986)
4）Frabboni, S., Matteucci, G. and Pozzi, G.: Phys. Rev. Lett., 55,2196–2199 (1985)
5）McCartney, M., Smith, D., Hull, R., Bean, J., Voelkl, E. and Frost, B.:Appl. Phys. Lett., 65, 2603–2605 (1994)

電子線ホログラフィーによる半導体デバイスのドーパント分布観察

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6）Rau, W.D., Schwander, P., Baumann, F.H., Hoppner, W. and Ourmazd,A.: Phys. Rev. Lett., 82, 2614–2617 (1999)
7）Wang, Z., Hirayama, T., Sasaki, K., Saka, H. and Kato, N.: Appl.
Phys. Lett., 80, 246–248 (2002)
8）Wang, Z., Kato, T., Shibata, N., Hirayama, T., Kato, N., Sasaki, K.
and Saka, H.: Appl. Phys. Lett., 81, 478–480 (2002)
9）Twitchett, A.C., Dunin-Borkowski, R.E. and Midgley, P.A.: Phys.
Rev. Lett., 88, 238302-1–238302-4 (2002)
10）Takeda, M. and Ru, Q.: Appl. Opt., 24, 3068–3071 (1985)
11）平山 司：応用物理，73，629–632（2004）

14612）平山 司：応用物理，79，298–301（2010）13）Sasaki, H., Matsuda, T., Kato, T., Muroga, T., Iijima, Y., Saitoh, T.,
Iwase, F., Yamada, Y., Izumi, T., Shiohara, Y. and Hirayama, T.: J.
Electron Microsc., 53, 497–500 (2004)
14）Sasaki, H., Yamamoto, K., Hirayama, T., Ootomo, S., Matsuda, T.,
Iwase, F., Nakasaki, R. and Ishii, H.: Appl. Phys. Lett., 89, 2441011–244101-3 (2006)15）Yamamoto, K., Hirayama, T., Tanji, T. and Hibino, M.: Surf. Interface
Anal., 35, 60–65 (2003)

顕微鏡 Vol. 45, No. 3（2010）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】