SPM による半導体表面分析の最近の展開

AFM による静電気力測定に基づく半導体におけるドーパント分布評価
Semiconductor Dopant Profiling by Electrostatic Force Detection with AFM
小林圭

Kei Kobayashi
ａ要旨

京都大学産官学連携センター

原子間力顕微鏡（AFM）を用いることで，半導体表面の構造観察だけでなく，さまざまな電気特性計測が可能である．導電性カンチレバー探針を試料に接触させて静電容量や抵抗を測定する手法は広く知られているが，ダイナミックモード AFM を用いて静電気力を測定することでも，表面電位や静電容量などの電気特性計測が可能であり，最近になって原子分解能の表面電位観察例も報告され始めている．本稿では，ダイナミックモード AFM による静電気力検出に基づく半導体デバイスの評価手法について原理を紹介するとともに，最近の動向およびドーパント分布評価の事例を紹介する．

キーワード：半導体デバイス，静電気力，ダイナミックモード AFM，ケルビンプローブ力顕微鏡，走査型容量原子間力顕微鏡

いたドーパント分布評価により動作中の電界効果トランジス
1.

はじめにタのキャリア分布の変化が可視化され2），また，走査型広が集積回路の誕生以来，半導体デバイスは微細化の一途を辿

り 抵 抗 顕 微 鏡（Scanning Spreading Resistance Microscopy:

り，現在では線幅 32 nm のルールで製造されたメモリやマSSRM）による電界効果トランジスタの断面におけるドーパイクロプロセッサが量産されつつある．半導体の微細化に伴

ント分布評価において約 1 nm の分解能が達成されている3）．

い，微細加工技術だけでなく，それを評価する技術も進展し

SCM や SSRM は，AFM の導電性先鋭探針を用いて電流や静てきた．微細加工技術の進展はあまりに急速であったため，電容量を測定するため，従来のマクロな評価手法をスケール

本来ならば評価精度は加工精度より高いことが望まれるが，ダウンした手法といえるが，その一方で，ダイナミックモー

現在では，極微細加工された半導体の評価に必要な評価分解

ド AFM の高い力検出感度を利用して静電気力を高感度に検能はまだ達成されておらず，さらなる微細加工の進展の障害出することで，ドーパント濃度に依存した表面電位や静電容となっている．例えば，2008 年に発表された国際半導体技量を検出する手法が，より高い空間分解能と精度で非破壊に術ロードマップ（ITRS）において，二次元および三次元のドードーパント分布評価を行える手法として注目され始めていパント分布評価技術に求められる空間分解能は，2010 年にる．本稿では，ダイナミックモード AFM による静電気力検

おいて 2.4 nm とされている．これは，現在あるあらゆる評出に基づいた微細化半導体デバイスの評価手法について，そ価技術をもってしても達成が非常に難しい値である．ナノの原理や最近の動向について解説する．

メートルスケールの分解能で半導体中のドーパント分布を評価することができるツールとしては，透過電子顕微鏡やそれ2.

探針―試料間にはたらく静電気力を用いた電子線ホログラフィー法，三次元アトムプローブ法

まず，AFM の探針と試料にはたらく静電気力について説などがあるが，いずれも試料の薄片化や先鋭化などの高度な明する4）．一般に，探針と試料との間の静電容量を Cts，探試料処理が必要となる．こうした背景のもと，SPM を用い針の最先端部と試料表面との距離を z とすれば，静電気力は
1 ∂Cts 2
F el = ― ―V2 ∂z∂

た半導体デバイス評価技術が注目されつつある．
さまざまな SPM を用いてドーパント分布評価が可能であり，これまでに STM を用いて個々のドーパント原子の観察
1）（1）とあらわすことができる．V は探針―試料間の電圧差であるが達成されているだけでなく ，AFM をベースとした走査が，探針と試料が異なる金属や半導体であれば，それぞれの型容量顕微鏡（Scanning Capacitance Microscopy: SCM）を用フ ェ ル ミ レ ベ ル の 差 で あ る 接 触 電 位 差（Contact PotentialDifference: CPD）によって静電気力が発生することになる．

ａ〒 615–8520 京都府京都市西京区京都大学桂TEL: 075–383–3073; FAX: 075–383–3031
2009 年 5 月 22 日受付

特集

ここで，試料が無限平面であり，カンチレバー探針が図 1（a）のように近づけられているとしよう．探針先端の曲率半径をr とすれば，鏡像電荷法によりAFM による静電気力測定に基づく半導体におけるドーパント分布評価

165【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

∞cothα − kcothkh α（2）
F el = 2πε0V2 ∑ ―αsinhk
hk=1となる．ただし，coshα = (z( + r)/r/ である．また，z が r と比べて十分に小さいとき，πε0r 2F el ≈ ―z V（3）となることが知られている．図 1（b）に，r = 20 nm の探針に V = 1 V を印加した場合の静電気力を z に対してプロットしたグラフを示す（実線）．さらに，より現実に近づけるため，探針を単なる球ではなく円錐台と半球を組み合わせた形状とし，さらにカンチレバー全体にはたらく静電気力も考慮すれば，静電気力はπ 2(1 − sinθ)h⎡ πr
π 2⎛ln⎛―⎞F el = ε0V2 ― + πk⎝ ⎝ z + r(1 − sinθ) ⎠⎣ z(z( + r(1 − sinθ))
rcos2θ
⎞ wl ⎤− 1 +― + ―2sinθ(z( + r(1 − sinθ)) ⎠ 2h ⎦（4）となる．ただし θ は円錐台の広がり角であり，h は探針の高κ = 1/ln(tanθ) である．第 3 項はカンチレバーさである．また，全体にはたらく静電気力をあらわすが，ここでは定数項とし

図 1 （a）試料表面に近接したカンチレバー探針 （b）カンチレバーにはたらく静電気力（実線：探針先端―試料間，波線：カンチレバー探針―試料間）ている．w および l はカンチレバーの幅および長さである．
典型的な探針およびカンチレバーにおいて，静電気力は図 1

ク回路を用いて，CPD を打ち消すような電圧 Vctrl を出力し，（b）の波線のように大きくなっていることが分かる．探針

Vdc = VCPD + Vctrl とすれば，ωm 成分の静電気力を常にゼロと先端が試料から遠ざかると探針およびカンチレバーのマクロすることができる．このとき，VVCPD = −V
Vctrl であるから，探な形状が大きく影響することが分かる．

針に対する試料の CPD が測定できることになる．このように，探針に対する試料の二次元表面電位分布像を表面形状像

3. ケルビンプローブ原子間力顕微鏡による半導体デバイ
ス評価と同時にマッピングする手法をケルビンプローブ力顕微鏡（Kelvin-probe Force Microscopy: KFM） と よ ぶ6）． た だ し，AFM において，導電性探針を用いて静電気力に起因する式（5）の第 1 項はゼロとはならないため，VVac はできるだけカンチレバーの変位を検出すれば，試料表面の電気的な情報小さくすることが望ましい．ここで，角周波数 2ωm で振動を二次元的にマッピングすることができる．そのような手法する静電気力成分の係数から，探針―試料間容量を画像化でを静電気力顕微鏡（Electric Force Microscopy: EFM）と呼ぶ．

きることが分かる．しかしながら，前述した通り，探針―試

探針―試料間にはたらく相互作用力のうち静電気力だけを選料間の静電容量は探針先端直下以外の部分と試料とで形成さ択的に検出するため，通常は探針と試料との間に交流電圧をれる寄生容量の寄与が大きいため，2ωm 成分検出による容量印加し，その周波数成分の変位だけをロックインアンプによ分布測定や通常の KFM では，探針先端直下以外の部分にはり 検 出 す る． 探 針 と 試 料 と の 間 に 印 加 す る 電 圧 がたらく静電気力成分を含めて検出することになるため，あまV = Vdc + Vaccosωmt であらわされるとき，静電気力はり空間分解能を上げることができない．

1 ∂Cts∂Cts(VF el = ― ―Vdc2 + Vac2cosωmt) + ―VdcVaccosωmt2 ∂z∂∂∂z（5）

一方，真空中でカンチレバーの Q 値が高いことを利用して高い力検出感度を得ることができることから開発されてきとなる5）．この式から，静電気力としては直流成分，ωm 成分，た周波数変調（Frequency Modulation: FM）方式の AFM 7）を2ωm 成分があらわれることが分かる．ここで，角周波数 ωm用いれば，より空間分解能が高い表面電位像の取得が可能との成分の振幅はなる．FM-AFM において，相互作用力 F によって誘起され∂Cts
F mel = ―VdcVac∂∂z（6）るカンチレバーの周波数シフトは数 ωm をカンチレバーの共振周波数より十分低い周波数に設f0（7）Δ = − ―2〈F · Acosω0t〉
ΔfkAとあらわすことができる．式（5）であらわされる静電気力定し，カンチレバーの変位の ωm 成分をロックインアンプでに対し，角周波数 ωm で振動する周波数シフトの成分はとなる．通常，ダイナミックモード AFM を用いて，角周波検出する．前述した通り，探針―試料間に有限の CPD があれば Vdc は有限の値となるが，図 2（a）のようにフィードバッ
166〈〉f0 ∂Ctsel· Acosω0t VdcVac
Δff m = − ―2 ―Δ
∂∂zkA

（8）

顕微鏡 Vol. 44, No. 3（2009）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

図 2 ケルビンプローブ力顕微鏡（KFM）のセットアップ（a）通常のダイナミックモード AFM を用いた KFM （b）FM-AFM を用いた KFMとなる．周波数シフトは，探針先端の位置と容量の勾配とのよび n 型の領域が明瞭に区別できていることが分かる．しか積の時間平均値であるため，再近接点付近での静電気力を選しながら，KFM は表面電位を測定する手法であり，半導体択的に検出できる8）．この FM-AFM を用いた KFM（FM-KFM）

ではバルクから表面に向かってのバンドの曲がりや表面準位のセットアップを図 2（b）に示す．ただし，ωm は周波数検の存在が表面電位に大きく影響するため，KFM で得られる出器の追従できる範囲内に設定されなければならない．

CPD の値からドーパント濃度を決定することは非常に困難

図 3 は，市販の AFM 装置を用いて図 2（a）に示す通常である9）．また，大気中で観察する場合には，試料表面の吸の KFM のセットアップで観察した，異なるドーピング領域着水が表面電位に影響することが知られている10）．しかし，を有するシリコン試料の KFM 観察例である．この試料は，最近は真空中で FM-KFM を用いることで，原子分解能またP ドープによる n 型基板に B をドープした p 型領域およびはそれに近い空間分解能で半導体の表面電位を観察し，個々As をドープした n+ 型領域を形成したものであり，最終工程のドーパント原子を観察に成功した事例11,12） が増えつつあのエッチングにより，n+ 型領域と比較して p 型，n 型領域り，注目を集めている．

は高さ約 40 nm のテラス状の部分に形成されている．使用
したカンチレバーはロジウム薄膜を約 30 nm コートしたシ4.

走査型容量原子間力顕微鏡による半導体評価

リコンカンチレバーで，バネ定数は約 2 N/m，共振周波数は上で述べた通り，KFM で測定される CPD から試料内部の約 30 kHz であった．図 3（b）の KFM 像において，p 型おドーパント濃度を定量的に求めることは困難である．そこで
我々は，SCM と同様に半導体試料において探針直下の容量が印加電圧に依存することを利用し，静電気力測定によって試料の微分容量分布を高分解能で観察できる走査型容量原子間力顕微鏡（Scanning Capacitance Force Microscopy: SCFM）を開発した13）．
探 針 直 下 の 探 針 ― 酸 化 膜 ― 半 導 体（Metal-Oxide-Semiconductor）で構成される容量は，半導体のキャリアの蓄積および空乏によって変化することが知られている．簡単のため，容量が直線的に変化する部分において，探針―試料間容量を
2V z)
Vdc,z)
Vdc,z)∂Cts(V,∂Cts(V∂ Cts(V―≈ ― + ― Vaccosωmt∂
∂z
∂
∂z
∂z∂V

図 3 KFM を 用 い た シ リ コ ン 試 料 の 観 察 例（ 走 査 範 囲：13 μm × 13 μm）（a）表面形状像 （b）表面電位像（p 型 領 域：B ド ー プ 2 × 1016 cm−3，n 型 領 域：P ド ー プ
1 × 1015 cm−3，n+ 領域：As ドープ 5 × 1019 cm−3）

特集（9）とあらわすことができるとすれば，式（5）と式（9）から，静電気力にはAFM による静電気力測定に基づく半導体におけるドーパント分布評価

1 ∂2C(VVdc,z)F3ω = ― ―Vac3cos3ωmt8∂ ∂V∂z（10）167【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

図 4 走査型容量原子間力顕微鏡（SCFM）のセットアップ（a）コンタクトモード SCFM （b）ダイナミックモード SCFM

図5ダイナミックモード SCFM を用いたシリコン試料の観察例（走査範囲：2 μm × 2 μm）（a）試料に直流電圧 Vdc = +3 V を印加した場合（b）試料に直流電圧 Vdc = −3 V を印加した場合となる 3ωm 成分があらわれることが予想される．この式より，

すると，3ωm 成分の静電気力を高感度に検出することができ

角周波数 3ωm で振動する静電気力成分振幅から，微分容量る．一方，図 4（b）のようなダイナミックモード AFM では，の大きさが，そして位相から微分容量の極性を測定できるこ

カンチレバーは一次の共振周波数で振動しているため，二次とが分かる．つまり，探針―試料間容量が交流電圧によって共振周波数が 3ωm に一致するように ωm を設定すると，3ωm変調されている場合，角周波数 3ωm で振動する静電気力成成分の静電気力を高感度に検出することができる．

分から，探針直下の半導体中のドーパントの濃度と種類をそれぞれマッピングすることが可能となる．

図 5 は，前述のシリコン試料のダイナミックモード SCFM観察例である．カンチレバーの二次共振周波数は約 189 kHz

SCFM においては，角周波数 3ωm で振動する静電気力成程度であったため，探針―試料間に印加する交流電圧の周波分を検出することが重要であり，探針―試料間距離制御はコ数はその 1/3 に設定した．図 5（a）および 5（b）は，試料ンタクトモード AFM，ダイナミックモード AFM のいずれに印加する直流電圧をそれぞれ Vdc = +3 V, Vdc = −3 V としたとを用いても構わない．図 4（a）および 4（b）に，コンタク

きの SCFM 像であり，p 型領域と n 型領域の差が明確に現れトモード AFM，ダイナミックモード AFM を用いた場合のているだけでなく，試料に印加する直流電圧に応じて境界部SCFM のセットアップをそれぞれ示す．図 4（a）のように，のコントラストが著しく変化していることが分かる．このよコンタクトモード AFM ではカンチレバーは試料表面に常にうに，SCFM 像のコントラストが試料へ印加する直流電圧に接触しているため，接触時におけるカンチレバーの共振周波よって大きく変化する現象は，従来の SCM でも同様に見ら数である接触共振周波数が 3ωm に一致するように ωm を設定れるが，これは探針直下の MOS 構造の容量が直流電圧によっ

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顕微鏡 Vol. 44, No. 3（2009）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

5.

まとめと展望

本稿では，探針―試料間にはたらく静電気力について説明し，それを高感度で検出することで試料の表面電位分布や容量分布を高分解能で測定できる KFM および SCFM の原理および現状について解説した．現時点において，AFM をベースとしたさまざまな電気特性測定手法のうち，半導体デバイスの二次元および三次元ドーパント分布評価手法として，分解能および定量性の観点から，コンタクトモードで抵抗測定を行う SSRM が最も期待されている．しかしながら，SSRMが非常に高い針圧で探針を試料にコンタクトさせて走査する必要があるのに対し，ダイナミックモード AFM をベースとした KFM やダイナミックモード SCFM は，試料に機械的・電気的ダメージを与える可能性が少なく，再現性よく高分解能で観察できることが期待できる．今後，ITRS が要求する高い分解能と精度を実現していくためには，SPM をベースとした評価手法のどれか一つを使うのでなく，複数の手法をうまく組み合わせることが必要となるだろう．
文

図 6 コンタクトモード SCFM を用いた電界効果トランジスタ
断面試料の観察例（走査範囲：1.4 μm × 0.9 μm）（a）表面形状図像 （b）コンタクトモード SCFM 像て変化するためである．
次に，電界効果トランジスタを劈開し，断面を研磨して作製した断面試料を SCFM によって観察した例を図 6 に示す．
この電界効果トランジスタのゲート長は 500 nm であり，ソースおよびドレイン領域は，p 型領域であり，直下のドーパン20−317−3

ト濃度は 10 cm であり，深さ方向に沿って 10 cm へと徐々に変化している．このソースおよびドレインと同じ行程で作製されている部分で測定した二次イオン質量分析プロファイルと，SCFM 像から得られたプロファイルは非常によく一致した14）．ソースおよびドレイン領域の下の明るいコントラストが得られている領域は，1017 cm−3 程度とドーピン
グ濃度が浅い領域に相当し，ゲート直下のチャネル領域にまでこの明るいコントラストが広がっていることは，ゲート電極が n+ 型の多結晶性シリコンであり，その仕事関数がチャネル領域より小さいために，本来 n 型であるチャネル領域がp 型領域に反転しているためであると考えられる．

特集

献1）Nishizawa, M., Bolotov, L. and Kanayama, T.: Appl. Phys. Lett., 90,122118 (2007)
2）Kimura, K., Kobayashi, K., Yamada, H., Matsushige, K. and Usuda,K.: J. Vac. Sci. Technol. B, 24, 1371–1376 (2006)
3）Zhang, L., Ohuchi, K., Adachi, K., Ishimaru, K., Takayanagi, M. andNishiyama, A.: Appl. Phys. Lett., 90, 192103 (2007)
4）Hudlet, S., Saint Jeana, M., Guthmann, C. and Berger, J.: Eur. Phys.
J. B, 2, 5–10 (1998)
5）Martin, Y., Abraham, D.W. and Wickramasinghe, H.K.: Appl. Phys.
Lett., 52, 1103–1105 (1988)
6）Nonnenmacher, M., O’Boyle, M.P. and Wickramasinghe, H.K.:
Appl. Phys. Lett., 58, 2921–2923 (1991)
7）Albrecht, T.R., Gruetter, P., Horne, D. and Rugar, D.: J. Appl. Phys.,69, 668–673 (1991)
8）Kitamura, S. and Iwatsuki, M.: Appl. Phys. Lett., 72, 3154–3156(1998)
9）Kikukawa, A., Hosaka, S. and Imura, R.: Appl. Phys. Lett., 66, 3510–3512 (1995)
10）Sugimura, H., Ishida, Y., Hayashi, K., Takai, O. and Nakagiri, N.:
Appl. Phys. Lett., 80, 1459–1461 (2002)
11）Rosenwaks, Y., Shikler, R., Glatzel, Th. and Sadewasser, S.: Phys.
Rev. B, 70, 085320 (2004)
12）Ligowski, M., Moraru, D., Anwar, M., Mizuno, T. and Tabe, M.:
Appl. Phys. Lett., 93, 142101 (2008)13）Kobayashi, K., Yamada, H. and Matsushige, K.: Appl. Phys. Lett.,
81, 2629–2671 (2002)
14）Kimura, K., Kobayashi, K., Yamada, H., Matsushige, K. and Usuda,K.: J. Vac. Sci. Technol. B, 23, 1454–1458 (2005)

AFM による静電気力測定に基づく半導体におけるドーパント分布評価

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