JP4858987B2 - Scanning probe microscope - Google Patents
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Description
本発明は、半導体中に存在するバンド内準位の空間分布を測定することができる走査型プローブ顕微鏡に関するものである。 The present invention relates to a scanning probe microscope capable of measuring the spatial distribution of in-band levels present in a semiconductor.
半導体基板の表面下に存在する結晶欠陥やプロセス起因欠陥などは、バンド内に深い準位を形成し、キャリアの捕獲・放出源となるので、デバイスの信頼性には極めて深刻な影響を及ぼす。従来、これらバンド内に存在する準位の評価は、酸化膜で終端された半導体表面に金やアルミニウムなどの金属を直径100μm程度に蒸着して金属・酸化膜・半導体(MOS)ダイオードを形成し、そのうえに単色光を照射しつつ波長(すなわち光子エネルギー)を掃引して、ダイオードの静電容量の変動を測定する、という光容量(PHCAP)法が採られてきた(例えば、非特許文献1参照)。この方法により簡便に、また精度よくバンド内準位のエネルギー準位を計測することができる。 Crystal defects and process-induced defects existing under the surface of the semiconductor substrate form deep levels in the band and become carriers capture / emission sources, and thus have a very serious influence on device reliability. Conventionally, the levels existing in these bands have been evaluated by depositing a metal such as gold or aluminum to a diameter of about 100 μm on a semiconductor surface terminated with an oxide film to form a metal / oxide film / semiconductor (MOS) diode. In addition, a photocapacitance (PHCAP) method has been adopted in which the variation of the capacitance of the diode is measured by sweeping the wavelength (ie, photon energy) while irradiating monochromatic light (see, for example, Non-Patent Document 1). ). By this method, the energy level of the in-band level can be measured easily and accurately.
前述の光容量(PHCAP)法は、結晶欠陥やプロセス起因欠陥のエネルギー準位を、照射する光の波長から感度よく決定できるという利点があるが、その一方で、それら欠陥の空間分布についての知見は乏しいという欠点がある。これらの結晶欠陥やプロセス起因欠陥の空間分布は、半導体デバイスの歩留まりを左右する。また、多数の欠陥ではなく、個々の欠陥のエネルギー準位を個別に見ることができれば、半導体デバイス・プロセスの顕著な改善に繋がると期待されている。 The aforementioned optical capacity (PHCAP) method has the advantage that the energy level of crystal defects and process-induced defects can be determined with good sensitivity from the wavelength of the light to be irradiated, but on the other hand, knowledge about the spatial distribution of these defects Has the disadvantage of being scarce. The spatial distribution of these crystal defects and process-induced defects affects the yield of semiconductor devices. Further, if the energy levels of individual defects can be seen individually rather than a large number of defects, it is expected to lead to a significant improvement in the semiconductor device process.
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、個々の結晶欠陥やプロセス起因欠陥のエネルギー準位を個別に見ることができる走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a scanning probe microscope capable of individually viewing the energy levels of individual crystal defects and process-induced defects.
上記目的を達成するため、本発明では、基本的に、励起光を導電性プローブの先端の直下および先端近傍周囲の酸化膜上に照射して、励起光の波長に応じたエネルギー準位を持つ半導体基板内部の結晶欠陥やプロセス起因欠陥などからキャリアを放出させ、多数キャリアの拡散による空乏層の広がりの偏差として検出することで、半導体基板内部に存在する結晶欠陥やプロセス起因欠陥の分布を解析する手段を採用する。 In order to achieve the above object, the present invention basically irradiates excitation light onto the oxide film directly under and near the tip of the conductive probe and has an energy level corresponding to the wavelength of the excitation light. Analyzes the distribution of crystal defects and process-induced defects existing inside the semiconductor substrate by emitting carriers from crystal defects and process-induced defects inside the semiconductor substrate and detecting the deviation of the depletion layer spread due to the diffusion of majority carriers. Adopt a means to do.
具体的には、以下のようになる。
(1)走査型プローブ顕微鏡は、導電性プローブと、被測定試料に対し所定間隔をとるように前記導電性プローブの位置を制御する手段と、前記導電性プローブと前記被測定試料との間に電圧を印加する手段と、前記導電性プローブと前記被測定試料との間に励起光を照射する手段と、前記導電性プローブと前記被測定試料の間の静電容量情報を検出する光励起容量検出手段を有する走査型プローブ顕微鏡であって、
前記光励起容量検出手段で検出した前記導電性プローブと前記被測定試料の間の静電容量情報から、前記励起光の強度に依存した成分を取得する光励起容量差分検出手段を有する走査型プローブ顕微鏡において、
前記光励起容量差分検出手段は、前記光励起容量検出手段で検出した前記導電性プローブと前記被測定試料の間の静電容量情報の、差分信号であるΔC/ΔZ信号を抽出し、さらに該ΔC/ΔZ信号から、前記励起光の強度に依存した成分を抽出することを特徴とする。
(2)上記(1)記載の走査型プローブ顕微鏡において、前記光励起容量差分検出手段は、前記導電性プローブが被測定試料表面に対して垂直方向に振動し、前記導電性プローブが前記被測定試料との間の距離を周期的に変調しているときの、前記導電性プローブと前記被測定試料の間の静電容量のうち、前記導電性プローブの振動周波数で変化する成分を検出することを特徴とする。
(3)上記(1)記載の走査型プローブ顕微鏡において、前記光励起容量差分検出手段は、前記被測定試料が導電性プローブに対してその位置を垂直方向に周期的に変位し、前記導電性プローブと前記被測定試料の間の距離を周期的に変調しているときの、前記導電性プローブと前記被測定試料の間の静電容量のうち、前記被測定試料の垂直方向位置の変位の周期に同調した成分を検出することを特徴とする。
(4)上記(1)乃至(3)のいずれか1項記載の走査型プローブ顕微鏡において、前記光励起容量差分検出手段は、前記導電性プローブと前記被測定試料との間に照射する前記励起光の光強度が、間欠的に変調されているとき、その変調の周波数に同期した成分を検出することを特徴とする。
(5)上記(1)乃至(4)のいずれか1項記載の走査型プローブ顕微鏡は、前記光励起容量差分検出手段は、前記導電性プローブと前記被測定試料との間に照射する前記励起光の光強度の変調周波数を、前記導電性プローブと前記試料の間の距離変調の周波数よりも低周波とすることを特徴とする。
(6)上記(1)乃至(5)のいずれか1項記載の走査型プローブ顕微鏡は、前記光励起容量差分検出手段は、前記導電性プローブと前記被測定試料との間に照射する前記励起光の波長を掃引しながら測定するように構成したことを特徴とする。
(7)上記(1)乃至(6)のいずれか1項記載の走査型プローブ顕微鏡は、前記導電性プローブと前記被測定試料との間の相対的な位置を制御する手段は、前記導電性プローブと圧電素子によって構成された力学的共振器の、共振周波数又は共振振幅又は共振のQ値の変化を検出することを特徴とする。
Specifically, it is as follows.
(1) The scanning probe microscope includes a conductive probe, a means for controlling the position of the conductive probe so as to have a predetermined interval with respect to the sample to be measured, and a gap between the conductive probe and the sample to be measured. Means for applying a voltage; means for irradiating excitation light between the conductive probe and the sample to be measured; and photoexcitation capacitance detection for detecting capacitance information between the conductive probe and the sample to be measured. A scanning probe microscope having means comprising:
In a scanning probe microscope having photoexcitation capacitance difference detection means for acquiring a component depending on the intensity of the excitation light from capacitance information between the conductive probe and the sample to be measured detected by the photoexcitation capacitance detection means ,
The photoexcitation capacitance difference detection means extracts a ΔC / ΔZ signal, which is a difference signal, of the capacitance information between the conductive probe and the sample to be measured detected by the photoexcitation capacity detection means, and further detects the ΔC / A component depending on the intensity of the excitation light is extracted from the ΔZ signal .
( 2) In the scanning probe microscope described in the above (1 ), the photoexcitation capacitance difference detecting means is configured such that the conductive probe vibrates in a direction perpendicular to the surface of the sample to be measured, and the conductive probe is the sample to be measured. Detecting a component that changes at the vibration frequency of the conductive probe, among the capacitance between the conductive probe and the sample to be measured. Features.
( 3) In the scanning probe microscope according to the above (1 ), the photoexcitation capacitance difference detecting means periodically displaces the position of the sample to be measured with respect to the conductive probe, and the conductive probe Of the vertical position of the sample to be measured out of the capacitance between the conductive probe and the sample to be measured when the distance between the sample and the sample to be measured is periodically modulated It is characterized in that a component synchronized with the above is detected.
( 4) The scanning probe microscope according to any one of (1) to (3 ), wherein the photoexcitation capacitance difference detecting means irradiates between the conductive probe and the sample to be measured. When the light intensity is intermittently modulated, a component synchronized with the modulation frequency is detected.
( 5) The scanning probe microscope according to any one of (1) to (4 ), wherein the photoexcitation capacitance difference detecting means irradiates the excitation light between the conductive probe and the sample to be measured. The light intensity modulation frequency is set to be lower than the frequency of the distance modulation between the conductive probe and the sample.
( 6) In the scanning probe microscope according to any one of (1) to (5 ), the photoexcitation capacitance difference detection unit is configured to emit the excitation light irradiated between the conductive probe and the sample to be measured. It is characterized in that it is configured to measure while sweeping the wavelength.
( 7) In the scanning probe microscope according to any one of (1) to (6 ), the means for controlling a relative position between the conductive probe and the sample to be measured is the conductive probe microscope. It is characterized by detecting a change in resonance frequency, resonance amplitude, or resonance Q value of a mechanical resonator composed of a probe and a piezoelectric element.
本発明では、導電性プローブの測定端を先鋭化したので、この先鋭化した測定端と対向する半導体基板の面積を極めて小さくできるので、被測定試料を極めて小さい面積ごとに測定することができるようになる。
各々の波長に応じたエネルギー準位を持つ結晶欠陥やプロセス起因欠陥が放出するキャリアを測定するので、各欠陥に対応した正確な測定が行える。
In the present invention, since the measurement end of the conductive probe is sharpened, the area of the semiconductor substrate facing the sharpened measurement end can be made extremely small, so that the sample to be measured can be measured for every very small area. become.
Since the carriers emitted by crystal defects and process-induced defects having energy levels corresponding to the respective wavelengths are measured, accurate measurement corresponding to each defect can be performed.
MOSキャパシタの静電容量は励起光強度の変化に応じて図3(d)に示すタイミングで変化する。これらの変化を検出することで、半導体基板内部に存在する結晶欠陥やプロセス起因欠陥の分布が正確に解析できる。
また、励起光の波長を掃引すれば、その各々の波長に応じたエネルギー準位を持つ結晶欠陥やプロセス起因欠陥がキャリアを放出する。そのため、励起光の波長を掃引しながら測定することで、それぞれ異なったエネルギー準位を持つ結晶欠陥やプロセス起因欠陥の分布に関する情報を得ることができる
The capacitance of the MOS capacitor changes at the timing shown in FIG. 3 (d) according to the change of the excitation light intensity. By detecting these changes, the distribution of crystal defects and process-induced defects existing in the semiconductor substrate can be accurately analyzed.
Further, when the wavelengths of the excitation light are swept, crystal defects and process-induced defects having energy levels corresponding to the respective wavelengths emit carriers. Therefore, by measuring while sweeping the wavelength of the excitation light, it is possible to obtain information on the distribution of crystal defects and process-induced defects having different energy levels.
本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明の導電性プローブを用いた測定原理を説明するための実施例の要部断面図である。
図1では、導電性プローブ3と、半導体基板1上に形成された誘電体薄膜である酸化膜2との間で形成されるMOS(Metal−Oxide−Semiconductor)キャパシタが説明されている。
導電性プローブ3は、極めて抵抗値の小さい金属材料から構成され、好ましくは弾性を有する金属材料から構成され、測定点を特定し易くするために先端が尖った形状に形成されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view of an essential part of an embodiment for explaining a measurement principle using a conductive probe of the present invention.
FIG. 1 illustrates a MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) capacitor formed between a
The
半導体基板1は、半導体基板1内部に空乏層が形成されるので、誘電体薄膜である酸化膜2由来の容量だけでなく、この空乏層由来の容量も測定に影響を与えてしまう。その場合は、半導体基板1に直流電圧を印加することにより電荷蓄積状態にすることで、この空乏層容量を打ち消すことができる。よって、基板1が金属の場合と同様に、誘電体薄膜2由来の容量のみを扱うことができる。
半導体基板1は、任意のものが適用でき、例えば周知のごとく有機又は無機材料中に不純物を均一に分散させたものでも適用できる。
直流電圧源6は、導電性プローブ3と半導体基板1の間にバイアス電圧を印加するために用いられ、導電性プローブ3の先端の直下になる半導体基板1中に多数キャリアの拡散による空乏層4を形成する。
Since the
Any
The
このように半導体基板1中に多数キャリアの拡散による空乏層4を形成した状態で、励起光7を導電性プローブ3の先端の直下および先端近傍周囲の酸化膜2上に照射すると、励起光7の波長に応じたエネルギー準位を持つ半導体基板1内部の結晶欠陥やプロセス起因欠陥などがキャリアを放出するので、前記した多数キャリアの拡散による空乏層の広がりが、光励起によって変化した空乏層5のように変化する。すなわち、これらの空乏層の広がりの差を検出することで、半導体基板1内部に存在する結晶欠陥やプロセス起因欠陥の分布がわかる。
When the
ここで励起光7を照射する範囲は、必ずしも導電性プローブの先端の正確に真下である必要はなく、導電性プローブ3の先端と酸化膜2が接する領域の周囲近傍、例えば最も広い場合は、空乏層5の酸化膜2と接する領域内で且つ導電性プローブ3の先端が酸化膜2と接する領域外の範囲内とする。この範囲内に励起光7を照射して空乏層の広がりの差を検出すれば半導体基板1内部の結晶欠陥やプロセス起因欠陥などの分布がわかる。
Here, the range of irradiation with the
図2は、本発明の走査型プローブ顕微鏡のブロック構成図である。
図2の走査型プローブ顕微鏡は、空乏層形成手段として、誘電体の測定試料2を載置し平行移動自在に載置されている半導体基板1と、半導体基板1に対向する導電性プローブ3と、光源9、集光器11および集光レンズ12を有する。
図2において、導電性プローブ3は、抵抗値の極めて小さいL字状の弾性金属材で構成され、試料に対向する一端が先鋭化されている。
FIG. 2 is a block diagram of the scanning probe microscope of the present invention.
The scanning probe microscope shown in FIG. 2 includes a
In FIG. 2, the
導電性プローブ3は、例えば直径〜50μm程度のW(タングステン)、Pt(白金)/Ir(イリジウム)あるいはNi(ニッケル)などの金属線材をL字状に折り曲げ加工し、その一端を例えば錐形のように先鋭化させて形成する。この先端の先鋭化は、金属線材に薬液エッチングによる電解研磨プロセス加工、あるいは放電加工プロセス加工等を施すことによって達成される。さらに、加工された先端の先端曲率半径は、薬液の濃度・印加電圧・エッチング時間、あるいは放電電圧・加工時間等によって制御することが可能であり、従って、先端の曲率半径は再現性よく実現できる。導電性プローブ3は、音叉型水晶振動子である圧電素子8との接触部位と導電性プローブ3の先端の間において、その先端が被測定試料である酸化膜2を有する半導体基板1の表面に対して垂直となる曲げ部を有している。
The
導電性プローブ3先端と被測定試料との間の電気的情報を検出するに際して、導電性プローブ3先端が被測定試料2に最近接した時にのみ電気的情報を取り込むようにする。
導電性プローブ3先端と被測定試料との間の電気的情報を検出するに際して、導電性プローブ3を励振する圧電素子8が、その振動状態においてある一定範囲の位相を保持した状態の場合にのみ、電気的情報を取り込むようにする。すなわち、振動検出装置によって検出されるところの圧電素子8の振動状態において、その振動の位相がπ/2となれば、導電性プローブ3先端が被測定試料2に最近接する。そこで、振動位相がπ/2の前後、例えばπ/4〜3π/4を保持した期間中にのみ、電気的情報を取り込むようにする。
When detecting electrical information between the tip of the
When detecting electrical information between the tip of the
圧電素子8としては音叉型水晶振動子を用いている。この音叉型水晶振動子は、圧電材料製であって、連結部(短辺部)の両端に直角に連結した2つの板状バネ部(以下「プロンジ」という;長辺部)を有し、全体でコ字形を呈する。音叉型水晶振動子である圧電素子5は、導電性プローブ3の長辺部と直交する方向(先鋭部の長さ方向)に振動する。導電性プローブ3はプロンジの長手軸線の方向に対して直角方向を向くように、プロンジの外縁部に軽く接触している。この圧電素子8は、導電性プローブ3を励振し、なおかつ同時に導電性プローブ3の振動を検出する用途で使用される。
As the
圧電素子8には、この圧電素子8を振動させるために交流電圧源10によって交流電圧(角周波数ω1)が印加されている。これにより、導電性プローブ3は、先鋭化した先端が半導体基板1上に形成された被測定試料表面に対して、垂直方向に接近離反するように角周波数ω1で振動する。
An AC voltage (angular frequency ω 1) is applied to the
導電性プローブ3の他端(先鋭化された端部と反対側)は、容量検出器17に電気的に接続されている。また、導電性プローブ3は容量検出器17を通じてグランド電位に落ちている。この容量検出器17は、導電性プローブ3と被測定試料である酸化膜2を有する半導体基板1の間の静電容量情報を検出する手段を構成し、導電性プローブ3と、半導体基板1上に形成された酸化膜2との間で形成されるMOSキャパシタの容量を計測するのに用いられ、一般的にはLCRメーターやLC共振回路などが使用できる。この容量検出器17は、導電性プローブと被測定試料の間の静電容量情報の、励起光の強度に依存した成分を取得する光励起容量検出手段でもある。
The other end of the conductive probe 3 (on the side opposite to the sharpened end) is electrically connected to the
また、直流電圧源6は、導電性プローブ3と半導体基板1との間に電圧を印加する手段であり、直流電圧を印加する。
The
容量検出器17からの出力信号のうち、導電性プローブ3の振動角周波数であるω1成分をロックインアンプLA1(19)により復調検波する。
導電性プローブ3は、周波数ω1で図中縦方向(つまりZ方向)に振動している。このとき、導電性プローブ3と被測定試料である酸化膜2を有する半導体基板1の間の距離Zは周波数ω1で変調される。導電性プローブ3と被測定試料である酸化膜2を有する半導体基板1の間の静電容量Cもまた周波数ω1で変化する。ロックインアンプLA1はこの静電容量Cの、周波数ω1の変化分を検波する。この検波信号は距離Zの変化に対する静電容量Cの変分、すなわちΔC/ΔZ信号に相当する。)この検波信号は、導電性プローブ3と、半導体基板1上に形成された酸化膜2との間で形成されるMOSキャパシタ静電容量の差分信号であるΔC/ΔZ信号に相当する。
但し、ΔCは容量の変化分、ΔZは導電性プローブ3と被測定試料である酸化膜2を有する半導体基板1の間の距離を示す。また上記のように、測定はロックインアンプによる周波数検波を用いて行なうので、Zの絶対値を求める必要はない。
ロックインアンプLA1(19)は、導電性プローブと被測定試料の間の静電容量情報の、差分信号であるΔC/ΔZ信号を抽出する。ブロック図に示しますように、励起光の強度に依存した成分を抽出するのはロックインアンプLA2(20)によって行なう。
Of the output signal from the
The
However, ΔC represents the change in capacitance, and ΔZ represents the distance between the
The lock-in amplifier LA1 (19) extracts a ΔC / ΔZ signal that is a difference signal of capacitance information between the conductive probe and the sample to be measured . As shown in the block diagram, the component depending on the intensity of the excitation light is extracted by the lock-in amplifier LA2 (20).
圧電素子8からの圧力歪み−電圧信号は、振動検出装置14に入力され、圧電素子8の振動振幅、あるいは圧電素子5の共振周波数、あるいは圧電素子8の力学共振のQ値に関わる信号などの出力信号を得る。
The pressure strain-voltage signal from the
ここで、導電性プローブ3が被測定試料である半導体基板1上に形成された酸化膜2表面に接近すると、導電性プローブ3先端と酸化膜2表面の間に働く相互作用力(振動している導電性プローブ3先端が酸化膜2表面に接触すると、酸化膜2表面から反発力を受ける。これが相互作用力である。)によって、導電性プローブ3に取付けられた圧電素子8の振動振幅、あるいは圧電素子8の共振周波数、あるいは圧電素子8の力学共振のQ値に関わる信号が変化する。被測定試料である半導体基板1及びその上に形成された酸化膜2は、XYZ方向に移動させるための走査用ステージ16の上に配置されている。走査制御装置15は、導電性プローブ3のXY面内の位置を定めるとともに、圧電素子8の振動数を検出する振動検出装置14の出力信号を受けて、これら信号の変化が事前に定められたある一定値となるように、走査用ステージ16に走査電圧を供給して導電性プローブ3と酸化膜2表面の間が一定の間隔を保つように制御する。詳しくは、上記のように、振動している導電性プローブ3先端が酸化膜2表面に接触すると、酸化膜2表面から反発力を受ける。すると、この反発力によって導電性プローブ3の振動振幅は小さくなる。また、導電性プローブ3の振動周波数は高くなる。ここで、導電性プローブ3は圧電素子8に固定されているがゆえに、導電性プローブ3の振動振幅及び振動周波数は、圧電素子8の振動振幅及び振動周波数と一致する。すなわち、振動検出装置14によって検出される圧電素子8の振動振幅、あるいはその振動周波数がある一定値を保つように、走査用ステージ16に走査電圧を供給すれば、導電性プローブ3と酸化膜2表面の間の距離は一定を保つ。
なお、走査用ステージ16は、被測定試料が導電性プローブに対してその位置を垂直方向に周期的に変位させることによって、導電性プローブと試料の間の距離を周期的に変調するように動作してもよい。
Here, when the
The scanning stage 16 operates so as to periodically modulate the distance between the conductive probe and the sample by periodically displacing the position of the sample to be measured with respect to the conductive probe in the vertical direction. May be.
この制御は、導電性プローブ3が酸化膜2表面を走査している期間中は常に実行されている。走査制御装置15は、電圧を印加して走査用ステージ13をXY方向に駆動し、酸化膜2表面のあらかじめ定めた領域を導電性プローブ3が走査するように制御する。以上の制御により、導電性プローブ3は、導電性プローブ3と酸化膜2表面の間があらかじめ設定したある一定の間隔(上記のように、振動検出装置14によって検出される圧電素子8の振動振幅、あるいはその振動周波数がある一定値を保つように、走査用ステージ16に走査電圧を供給すれば、導電性プローブ3と酸化膜2表面の間の距離は一定を保つ。)を保つように制御しながら、酸化膜2表面を走査する。
This control is always executed while the
表示装置1(18)は、モニタおよびコンピュータ機能を有し、コンピュータ機能内の内蔵する記憶手段に、導電性プローブ3のXY方向の位置と対応させて、ロックインアンプLA1(19)の出力であるΔC/ΔZ信号を格納し、その記憶データを記憶および演算処理機能により画像処理して、被測定試料である半導体基板1上に形成された酸化膜2表面上の各点におけるΔC/ΔZ(Zは導電性プローブ3と被測定試料である酸化膜2を有する半導体基板1の間の距離を示す。)信号の分布画像を作成しモニタ上に表示する。
ここで上記ΔC/ΔZ信号の導出過程を説明する。上記のように、導電性プローブ3が、周波数ω1で図中縦方向(つまりZ方向)に振動すると、導電性プローブ3と被測定試料である酸化膜2を有する半導体基板1の間の距離Zは周波数ω1で変調され、導電性プローブ3と被測定試料である酸化膜2を有する半導体基板1の間の静電容量Cもまた周波数ω1で変化する。ロックインアンプLA1はこの静電容量Cの、周波数ω1の変化分を検波する。この検波信号は距離Zの変化に対する静電容量Cの変分、すなわちΔC/ΔZ信号に相当する。
The display device 1 (18) has a monitor and a computer function, and the output of the lock-in amplifier LA1 (19) is made to correspond to the position in the XY direction of the
Here, the process of deriving the ΔC / ΔZ signal will be described. As described above, when the
励起光源9から発する単色光の励起光10は、光チョッパー11によって周波数ω2を持つパルス光に分けられ、さらに集光レンズ12によって導電性プローブ3の直下の酸化膜2に集光される。また、ここで励起光10を照射する位置は、必ずしも導電性プローブ3の正確に直下である必要はなく、導電性プローブ3が接する酸化膜2の領域の近傍を照射すれば良い。励起光源9、光チョッパー11および集光レンズ12からなる光学系は、導電性プローブと被測定試料との間に励起光を照射する手段を構成し、導電性プローブ3の先端に対して予め所定以上の容量が検出されるように位置決めされている。この位置決め動作は容量出力をモニタしながら自動的に又は手動で行うことができる。
The monochromatic excitation light 10 emitted from the excitation light source 9 is divided into pulsed light having a
ロックインアンプLA1(19)からの出力信号であるΔC/ΔZ信号のうち、前記パルス光の周波数であるω2成分をロックインアンプLA2(20)により復調検波する。
ここで上記ΔC/ΔZ信号の導出過程を説明する。上記のように、導電性プローブ3は、周波数ω1で図中縦方向(つまりZ方向)に振動する。したがって、導電性プローブ3と被測定試料である酸化膜2を有する半導体基板1の間の距離Zは周波数ω1で変調されるので、導電性プローブ3と被測定試料である酸化膜2を有する半導体基板1の間の静電容量Cもまた周波数ω1で変化する。さらに段落0027で述べたように、励起光10は、光チョッパー11によって周波数ω2を持つパルス光に分けられて導電性プローブ3の直下の酸化膜2に集光されているので、導電性プローブ3と被測定試料である酸化膜2を有する半導体基板1の間の静電容量Cは周波数ω1だけでなく周波数ω2によっても2重に変調される。上記のように、ロックインアンプLA1はこの静電容量Cの、周波数ω1の変化分を検波する。この検波信号は距離Zの変化に対する静電容量Cの変分、すなわちΔC/ΔZ信号に相当する。またさらに、ロックインアンプLA2(20)はΔC/ΔZ信号のうち、周波数ω2によって変調されている成分を復調検波する。この検波信号は、下記のようにΔ2C/ΔZΔI信号に相当する。
この検波信号は、導電性プローブ3と、半導体基板1上に形成された酸化膜2との間で形成されるMOSキャパシタ静電容量のうち、光によって変調される成分(基本的には、有り/無しをみる)、すなわちΔ2C/ΔZΔI(ここでIは励起光源9から発する単色光からの光強度を表す;変化するか否かをみる、ゼロは考慮対象外とする)に相当する。
Of the ΔC / ΔZ signal that is the output signal from the lock-in amplifier LA1 (19), the ω2 component that is the frequency of the pulsed light is demodulated and detected by the lock-in amplifier LA2 (20).
Here, the process of deriving the ΔC / ΔZ signal will be described. As described above, the
This detection signal is a component modulated by light (basically, there is a component of the MOS capacitor capacitance formed between the
このΔ2C/ΔZΔI信号は、上記段落0002に示すところの光励起による空乏層の変分に相当する(即ち、Δ2C/ΔZΔI信号は励起光10のパルス周波数ω2によって変調されている成分を復調検波した結果なので、物理的な意味としては導電性プローブ3と、半導体基板1上に形成された酸化膜2との間で形成されるMOSキャパシタ静電容量のうち、光によって変調される成分となる。
示装置2(21)は、内蔵する記憶手段に、導電性プローブ3のXY方向の位置と対応させて、ロックインアンプLA2(20)の出力であるΔ2C/ΔZΔI信号を格納することにより、被測定試料である半導体基板1上に形成された酸化膜2表面上の各点におけるΔ2C/ΔZΔI信号の分布画像を作成し表示する。
次に、図面3について説明する。
This Δ 2 C / ΔZΔI signal corresponds to a variation of the depletion layer due to optical excitation as shown in paragraph 0002 above (that is, the Δ 2 C / ΔZΔI signal has a component modulated by the pulse frequency ω 2 of the excitation light 10. As a result of demodulation detection, the physical meaning is a component modulated by light among the capacitance of the MOS capacitor formed between the
The indicating device 2 (21) stores the Δ 2 C / ΔZΔI signal, which is the output of the lock-in amplifier LA2 (20), in the built-in storage means in association with the position of the
Next, FIG. 3 will be described.
図3は、導電性プローブ3と、半導体基板1上に形成された酸化膜2との間で形成されるMOSキャパシタの静電容量測定のタイミングチャートである。図3(a)は導電性プローブの振動波形特性、図3(b)は半導体基板に印加する直流電圧特性、図3(c)は光チョッパーにより変調された励起光特性、図3(d)はMOSキャパシタの静電容量特性である。
FIG. 3 is a timing chart of the capacitance measurement of the MOS capacitor formed between the
図3の31は導電性プローブの振動波形特性、32は半導体基板に印加する直流電圧V0特性、33は光チョッパーによりONまたはOFFのレベルに変調された励起光強度を表す励起光特性、34は励起光によって鋸歯状に変調された前記MOSキャパシタの静電容量特性である。 3, 31 is a vibration waveform characteristic of the conductive probe, 32 is a DC voltage V 0 characteristic applied to the semiconductor substrate, 33 is an excitation light characteristic representing the excitation light intensity modulated to the ON or OFF level by the optical chopper, 34 Is a capacitance characteristic of the MOS capacitor modulated in a sawtooth shape by excitation light.
角周波数ω1で振動している導電性プローブに対して、測定期間中は一定の直流電圧が半導体基板に印加され、図1に示したように導電性プローブの直下に多数キャリアの拡散による空乏層を形成している。一方、段落0011に記したように励起光は光チョッパーによって周波数ω2を持つパルス光に分けられる。 For a conductive probe oscillating at an angular frequency ω1, a constant DC voltage is applied to the semiconductor substrate during the measurement period, and a depletion layer due to diffusion of majority carriers immediately below the conductive probe as shown in FIG. Is forming. On the other hand, as described in paragraph 0011, the excitation light is divided into pulsed light having a frequency ω2 by an optical chopper.
ここで、励起光の波長に応じたエネルギー準位を持つ結晶欠陥やプロセス起因欠陥などからのキャリアの放出は比較的ゆっくりとした過程なので、ω2<ω1であることが望ましい。具体的には、ω1が50kHz〜300kHz程度であるのに対し、ω2は5kHz〜50kHz程度が測定に際して望ましい。 Here, it is desirable that ω2 <ω1 because carrier emission from a crystal defect having an energy level corresponding to the wavelength of the excitation light or a process-induced defect is a relatively slow process. Specifically, ω1 is preferably about 50 kHz to 300 kHz, while ω2 is preferably about 5 kHz to 50 kHz.
図1の説明ででも述べたように、励起光を照射すると、その波長に応じたエネルギー準位を持つ、半導体基板内部の結晶欠陥やプロセス起因欠陥などがキャリアを放出するので、前記した多数キャリアの拡散による空乏層の広がりが変化する。このため、前記MOSキャパシタの静電容量は励起光強度の変化に応じて図3(d)に示すタイミングで変化する。これらの変化を検出することで、半導体基板1内部に存在する結晶欠陥やプロセス起因欠陥の分布がわかる。
As described in the description of FIG. 1, when the excitation light is irradiated, crystal defects or process-induced defects in the semiconductor substrate having an energy level corresponding to the wavelength emit carriers. The spread of the depletion layer changes due to diffusion. For this reason, the capacitance of the MOS capacitor changes at the timing shown in FIG. 3D in accordance with the change of the excitation light intensity. By detecting these changes, the distribution of crystal defects and process-induced defects existing in the
また、励起光の波長を掃引すれば、その各々の波長に応じたエネルギー準位を持つ結晶欠陥やプロセス起因欠陥がキャリアを放出する。ゆえに、励起光の波長を掃引しながら測定することで、それぞれ異なったエネルギー準位を持つ結晶欠陥やプロセス起因欠陥の分布に関する情報が得られる。 Further, when the wavelengths of the excitation light are swept, crystal defects and process-induced defects having energy levels corresponding to the respective wavelengths emit carriers. Therefore, by measuring while sweeping the wavelength of the excitation light, information on the distribution of crystal defects and process-induced defects having different energy levels can be obtained.
本発明では、走査制御装置15により操作用ステージ16をXY方向に座標移動しながら各測定点で励起光の波長を掃引しながら測定する。これにより、それぞれ異なったエネルギー準位を持つ結晶欠陥やプロセス起因欠陥の分布に関する情報が得られる。 In the present invention, the scanning control device 15 performs measurement while sweeping the wavelength of the excitation light at each measurement point while moving the operation stage 16 in the X and Y directions. As a result, information on the distribution of crystal defects and process-induced defects having different energy levels can be obtained.
1 半導体基板
2 酸化膜
3 導電性プローブ
4 多数キャリアの拡散による空乏層
5 光励起によって変化した空乏層
6 直流電圧源
7 励起光
8 圧電素子
9 励起光源
10 励起光
11 光チョッパー
12 集光レンズ
13 交流電圧源
14 振動検出装置
15 走査制御装置
16 走査用ステージ
17 容量検出器
18 表示装置1
19 ロックインアンプ1
20 ロックインアンプ2
21 表示装置2
31 導電性プローブの振動
32 半導体基板に印加する直流電圧
33 励起光強度の変調
34 励起光によって変調される静電容量
DESCRIPTION OF
5 Depletion layer changed by
19 Lock-in
20 Lock-in
21
31 Vibration of a
Claims (7)
前記導電性プローブと前記被測定試料との間に励起光を照射する手段と、前記導電性プローブと前記被測定試料の間の静電容量情報を検出する光励起容量検出手段を有する走査型プローブ顕微鏡であって、
前記光励起容量検出手段で検出した前記導電性プローブと前記被測定試料の間の静電容量情報から、前記励起光の強度に依存した成分を取得する光励起容量差分検出手段を有する走査型プローブ顕微鏡において、
前記光励起容量差分検出手段は、前記光励起容量検出手段で検出した前記導電性プローブと前記被測定試料の間の静電容量情報の、差分信号であるΔC/ΔZ信号を抽出し、さらに該ΔC/ΔZ信号から、前記励起光の強度に依存した成分を抽出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 A conductive probe, means for controlling the position of the conductive probe so as to have a predetermined interval with respect to the sample to be measured, means for applying a voltage between the conductive probe and the sample to be measured,
A scanning probe microscope having means for irradiating excitation light between the conductive probe and the sample to be measured, and light excitation capacitance detecting means for detecting capacitance information between the conductive probe and the sample to be measured Because
In a scanning probe microscope having photoexcitation capacitance difference detection means for acquiring a component depending on the intensity of the excitation light from capacitance information between the conductive probe and the sample to be measured detected by the photoexcitation capacitance detection means ,
The photoexcitation capacitance difference detection means extracts a ΔC / ΔZ signal , which is a difference signal, of the capacitance information between the conductive probe and the sample to be measured detected by the photoexcitation capacity detection means, and further detects the ΔC / from ΔZ signal, scanning probe microscope and extracting a component which depends on the intensity of the excitation light.
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