SNDM測定によるトランジスタ中の
ドーパントプロファイル計測への応用
Application of Scanning Nonlinear Dielectric Microscopy to
Measurement of Dopant Profiles in Transistors
あ ら ま し 走査型非線形誘電率顕微鏡法（SNDM）をトランジスタ中のドーパントプロファイル計 測に適用して以下の結果が得られた。まず，標準試料のエピタキシャル多層膜の2次イオン 質量分析法（SIMS）測定と試料断面のSNDM測定により，濃度一定領域が各層とも約4～5μm の厚さで得られ，ドーパント量に1対1に対応したSNDMシグナルを得ることに成功した。 また，実デバイスのドーパント濃度プロファイルとしてn-，p-チャネルトランジスタ断面観 察において，標準サンプルによる較正曲線を用いることで2次元画像での濃度プロファイル を得ることができた。 Abstract
We present results obtained when using scanning nonlinear dielectric microscopy (SNDM) to measure dopant profiles in transistors. Secondary ion mass spectrometry (SIMS) measurements of an epitaxial multilayer film on a standard sample and SNDM measurements of the sample surface showed that it was possible to obtain a uniform concentration region with a thickness of approximately 4–5 µm in each layer. We were able to obtain an SNDM signal with a one-to-one correspondence to the dopant quantity. In real devices, we were able to obtain dopant concentration profiles as two-dimensional images by applying calibration curves from the standard sample to cross-sectional observations of n- and p-channel transistors.
本田耕一郎（ほんだ こういちろう） 基盤技術研究所 所属
現在，電子デバイスの不良解析およ び解析技術の開発に従事。
SNDM測定によるトランジスタ中のドーパントプロファイル計測への応用
ま え が き 半導体トランジスタのソース/ドレイン解析にお いて，トランジスタ形成のために注入されるドーパ ントとキャリアの2次元濃度プロファイルを精度良 く計測することはLSIの設計と解析において極めて 重要であり，これまでにいくつかの方法が提唱され ている。(1) とくに透過型電子顕微鏡を用いた電子線ホ ロ グ ラ フ ィ 法 ，(2) 走 査 型 キ ャ パ シ タ ン ス 顕 微 鏡 （SCM：Scanning Capacitance Microscopy）(3)や走 査 型 広 が り 抵 抗 顕 微 鏡 （SSRM ： Scanning Spreading Resistance Microscopy）(4)などの走査型 プ ロ ー ブ 顕 微 鏡 （ SPM ： Scanning Probe Microscopy）の技術が実用化されている。それぞ れ優れた特徴があるが，SPMを用いた方法が試料 作製の容易さから有利であると考えられる。SPM 法は導電性のカンチレバーを装着した原子間力顕微 鏡（AFM：Atomic Force Microscope）を用いて， その走査性を生かして，外部印加電圧に対する容量 変化の分布を測定するもの（SCM），抵抗分布を測 定するもの（SSRM）などがありそれぞれ技術の発 展を見ている。 著者らはこれまでSPMの一手法である走査型非 線 形 誘 電 率 顕 微 鏡 法 （SNDM ： Scanning Nonlinear Dielectric Microscopy）の有効性を明ら かにしてきた。この手法は主に強誘電体の分極の分 布観測に適用されてきた。(5)-(9) 強誘電体薄膜の場合， 分極の方向は，SNDMシグナルから求められる非 線 形 誘 電 率 か ら 決 定 で き る 。 こ の 方 法 に よ る LiTaO3の分極分布，PbZrxTi1-x（チタン酸ジルコン 酸鉛）の分極壁の厚さ観察，ナノドメインを用いた 強誘電体メモリの記憶再生への応用などが報告され ている。また，SNDMを半導体計測に応用して， 不揮発性Flashメモリ中の電荷の可視化に成功し た。(10),(11) さらに，高真空中での高分解能観察により， Si清浄表面の7×7構造が検出可能な第5番目の顕微 鏡として注目されている。(12) 電圧源 FM複調器 ロックイン アンプ FM波 Reference信号 発信器 Ring 探針 L ステージA
,θ=θ1-θ2 θ2 θ1 ωp ωp 試料 CS（t） 図-1 SNDMシステムの概略 本稿では，SNDMのLSI解析への応用を目的とし た，トランジスタのドーパント濃度プロファイル計 測に関して報告する。 SNDMの原理と測定手法 ● SNDMの原理 SNDMはマイクロ波顕微鏡技術の一種である。 微小領域での電荷分布を計測する場合，リング電極 を電導性のカンチレバーに装着したAFMを用いる。 SNDMシステムの概略を図-1に示す。(5)-(8) 交替電場Ecosωpt（E＝V/d，Vは電圧振幅，dは サンプル厚，ωpは角周波数）が電極（探針の先 端）と試料の間に印加されるとき，針下の試料表面 の非線形誘電応答から生じる容量Cs(t)変化がLC共 振回路の共振周波数の変化として検出される。 この容量変化ΔCs(t)は以下で与えられる。 ΔCs(t)/Cs0 =(ε333/ε33)Ecosωpt＋(ε3333/ε33)/4･E2cos2ωpt＋...（1） したがって， dCs(t)/dV～ε333/ε33，d2Cs(t)/dV2～ε3333/ε33...（2） ここでε33は線形誘電率，ε333は最低次の，ε3333は 2次の非線形誘電率である。Cs0は静電容量でε33に 比例している。この式からSNDMシグナルのωp成 分を検出することでε333が得られ，さらに2ωp以上 の高次の成分を検出することでε3333以上の高次非線 形誘電率が得られる。非線形の誘電応答で引き起こ された容量変化は非常に小さく｛ΔCs(t)/Cs0は10-3 ～10-8程度｝，SNDMの感度はおよそ10-22Fである。 この値は，通常の感度が10-18FのSCMの感度より はるかに高い。ところで高次の非線形誘電率成分は Fig.1-Schematic diagram of SNDM.
SNDM測定によるトランジスタ中のドーパントプロファイル計測への応用
電界Eの高次冪べきの係数となっている。高次冪のEは 空間的に局部に集中するため高次の非線形成分は局 所領域のみから得られる。SNDMの感度の良さか ら式（1）において高次の非線形誘電率もS/N比が 良く検出できるため，2ωp以上の高次成分を検出す ることで高空間分解能化が可能である。(9) 式（1）より，SNDMではωp成分を求めることで 試料表面近傍の非線形誘電率が得られる。これは試 料表面がMOS型構造を持つ場合にはMOS界面直下 の容量変化を計測することと同等で｛式（2）｝， SCMと同様にドーパント濃度の差による空乏層変 化をとらえることができる。逆にその変化からドー パント濃度を知ることができる。(13),(14) ● ドーパント濃度分布測定手法 SNDMによるドーパント濃度プロファイルの分 布測定の最初の段階として，ドーパント量が既知の 標 準 サ ン プ ル を 作 製 し ，2次イオン質量分析法 （SIMS：Secondary Ion Mass Spectrometry）と SNDMで計測することにより，SNDMシグナルと ドーパント量の相関関係を調べた。 標準試料はn型およびp型Siウエハ上にドーパン ト濃度の異なるSi層を多層成長させたエピタキシャ ル結晶である。このエピタキシャル多層膜の断面を 研磨により平坦化してSNDM用の試料とした。 測 定 結 果 ● 標準試料断面のSNDM測定 標準試料のエピタキシャル多層膜のSIMS測定に よる濃度分布と，断面をSNDM測定した結果の一 例を 図-2に示す。（a）と（b）はn型ドーパント -2 0 2 4 6 8 10 12 14 0 5 10 15 20 25 30 Depth [µm] SN D M s ig n al [ H z/ V ] w10 0 5 10 15 20 25 30w35SNDM
S N D M s ig na l（Hz /V ）14 12 10 8 6 4 2 0 -2 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 0 5 10 15 20 25 30 Depth [µm] S N D M s ig n al [H z/ V ] w10 0 5 10 15 20 25 30SNDM
SN D M s ig n al （ H z/ V ） -10 -25 -20 -15 5 0 -5 1014 1015 1016 1017 1018 1019 10-1 100 101 102 103 104 105 106 0 5 10 15 20 25 30 35 P C on cen tr ati on ( at om s/ cc ) S i C ount rat e (c oun ts /s ) Depth (μm) Si P 検出限界SIMS
検出限界 0 5 10 15 20 25 30 35 P 濃度 (c m -3) 1018 1017 1016 1015 1014 1019 106 102 100 104 S i co unt ra tes ( co unt s/s ) 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 103 104 105 106 107 108 109 1010 0 5 10 15 20 25 30 35 B C on ce nt ra tio n (a to m s/c c) Si Coun trat e ( co unt s/s ) Depth (μm) Si B 検出限界 検出限界 0 5 10 15 20 25 30 35SIMS
1020 B 濃度 (c m -3)1018 1017 1016 1015 1014 1019 1010 106 104 108 S i co unt r at es ( co un ts /s ) w（c）n型試料のSNDM像とSNDMシグナル （a）n型試料（不純物P）のSIMS測定による ドーパント濃度分布 （b）p型試料（不純物B）のSIMS測定による ドーパント濃度分布 w（d）p型試料のSNDM像とSNDMシグナル 深さ( m)μ 深さ( m)μ 深さ( m)μ 深さ( m)μ 図-2 SIMSとSNDMによる標準試料の測定結果Fig.2-(a) Dopant concentration distribution of n type (P doped) sample measured by SIMS. (b) Dopant concentration distribution of type (B doped) sample measured by SIMS. (c) SNDM image and SNDM signal of n type sample.
SNDM測定によるトランジスタ中のドーパントプロファイル計測への応用
1E+15 1E+16 1E+17 1E+18 1E+19 1E+20 0 5 10 15 20 25 30 Depth [µm] P , B de ns it y valu es [ cm -3 ] SIMS(p)B SIMS(n)P SNDM(p) SNDM(n) 1E+15 1E+16 1E+17 1E+18 1E+19 1E+20 0.1 1 10 100 SNDM Signals [ |Hz/V| ] P , （P）とp型ドーパント（B）の試料のSIMSによる 濃度プロファイルで，（c）と（d）はSNDM像と， それぞれ得られた画像32ライン分のスキャンデー タを平均して得られたSNDMシグナル強度分布で ある。（c）と（d）のSNDM像ではn型の高濃度に ドープされた層が黒いコントラストとなり，p型は 明るいコントラストとなる。これらの結果からn型 では5層，p型では7層が確認できており，（a）， （b）のSIMSの結果と同様各層とも濃度一定領域が 約4～5μmのステップで得られていることが分かる。 ● 標準サンプルにおける較正曲線 標準試料のSIMS測定とウエハ断面のSNDM測定 を比較した結果を図-3に示す。（a）はSNDMシグ ナルとSIMSデータによる濃度分布との較正曲線で， 図-2における深さ情報を共通パラメータとして作成 されたものである。（b）はそれぞれの濃度プロファ イルを較正した結果であり，n型では1×1016～1× 1018 cm-3の間で，p型では1×1017～1×1019 cm-3の 濃度において一致が見られる。この高濃度側の較正 曲線が冪乗で近似できることから一価関数で表すこ とが可能で，その結果SNDMシグナルをドーパン ト量に変換可能なことが（a）から分かる。 以上のように，エピタキシャル多層膜のSIMS測 定とSNDM測定を比較し，濃度一定領域が各層と も約4～5μmの厚さで得られており，ドーパント量 に1対1に対応したSNDMシグナルを得ることに成 功した。 従来，SCMを用いたドーパント濃度プロファイ ル計測においては，無バイアス時にはn型とp型と も1018 cm-3台でピーク値を持つようなコントラス ト・リバーサルが起こり，DCバイアス電圧を印加 しなければSCMシグナルとドーパント量との相関 が 一 価 関 数 に な ら な い と 報 告 さ れ て い る が ，(15) SNDMでは試料作製方法によっては，DCバイアス 電圧をかけずにドーパント濃度との関係が一価関数 で表せることから，SNDM-SIMS間の較正のデー タベース化ができることが分かる。 ● トランジスタ断面観察 実デバイスのドーパント濃度プロファイルとして n-および，p-チャネルトランジスタ断面のSNDM 観察を行い，標準サンプルによる較正曲線を用いる ことでトランジスタ断面2次元画像における濃度プ ロファイルを得ることに成功した。 図-4はp-チャネルトランジスタ断面のSNDM測定 結 果 で あ る 。（a ） は ト ラ ン ジ ス タ 断 面 試 料 の SNDM像，（b）がソース/ドレイン間を横切るy-y’ ライン信号強度分布とドーパント濃度分布である。 これらトランジスタサンプルは標準サンプルの加工 と同等の条件で作製されたものである。ここで図-3 （a）のような較正曲線を用いることでSNDM信号 から濃度分布へ変換が可能となり，トランジスタ断 面の2次元濃度プロファイルが得られることが分 かる。 以上の結果から本手法を用いることで半導体デバ B den sit y va lue s [cm ] Py
n=1.25×1016･x
s1.67y
p=2.05×1017･|x
s|1.50 1020 P, B 濃 度 (cm -3) 1018 1017 1016 1015 1019 SNDM signal（Hz/V） 0.1 1 10 100 B 0 5 10 15 20 25 30 深さ（ m） 1020 P , B 濃 度 (cm -3) 1018 1017 1016 1015 1019 μ （a）SNDM信号－ドーパント量の較正曲線 （b）SNDM－SIMS間の較正結果 図-3 標準サンプルにおける較正曲線Fig.3-(a) and (b). Correlation between SNDM signal and dopant concentration. (a) Calibration curve in standard sample. (b) Calibrated SNDM signal.
SNDM測定によるトランジスタ中のドーパントプロファイル計測への応用
Ｙ Ｙソース
ドレイン
ゲート
’ w1015 w1016 w1017 w1018 w1019 w1020 w0 w100 w200 w300 w400 Y（nm） S N DM signal（ Hz /V） (p)B (n)P SNDM P, B 濃 度 (cm -3) w-30 w-20 w-10 w0 w10 w20 w30 チャネル a） b） （ （ 図-4 p-MOSFET断面試料のSNDM測定結果 （a）SNDM像（b）y-y’ライン信号強度分布Fig.4-2D Profile of Dopant Concentration of 90 nm node of PMOS transistor. (a) SNDM image and (b) y-y’ line signal strength of the transistor’s cross section.
ホログラフィ像 100 nm S D D S S D D S （a） （b） チャネル チャネル 図-5 SRAMセルトランジスタ断面像 （a）TEM像および電子線ホログラフィ像 （b）同一箇所のSNDM像
Fig.5-(a) TEM/Holography image and (b) SNDM image of a SRAM cell.
イス中における2次元のドーパント濃度プロファイ ルの定量計測が可能になると考えられる。今後はこ のSNDM測定によるドーパント濃度プロファイル が妥当であるかどうかの検討として，SSRMなどと の比較を行う必要がある。さらに，確かな定量測定 として確立し，注入条件などのプロセス条件を入力 して2次元の濃度分布が得られるようなプロセスシ ミュレータへ応用していく。 ● 実デバイスの観察 実デバイスへの応用事例として，90 nm SRAM の観察結果を説明する。図-5はSRAMセルトランジ スタのp-チャネルの断面TEM像と，同じ箇所の SNDM像を同時に示す。TEM像には電子線ホログ ラフィ像も重ねて示した。トランジスタのチャネル 幅は50 nm程度と非常に狭く，ホログラフィでは位 相シフト量が十分得られないためドーパントによる 位相像が得られない。一方，SNDM像では一対の トランジスタのSD部分とチャネル部が明瞭に分解 できている。このことから，SNDMでは短チャネ ルばかりでなく狭チャネルの場合でもドーパント濃 度プロファイル像が得られることが分かる。 ま と め SNDMをドーパント濃度プロファイル計測に適 用して以下の結果が得られた。 （1） エピタキシャル多層膜のSIMS測定とウエハ 断面のSNDM測定において，濃度一定領域が各 層とも約4～5μmの厚さで得られており，ドーパ ント量に1対1に対応したSNDMシグナルを得る ことに成功した。 （2） 実デバイスのドーパント濃度プロファイルと してn-およびp-チャネルトランジスタ断面の観察 を行った。これらの結果，標準サンプルによる 較正曲線を用いることでトランジスタ断面2次元 画像における濃度プロファイルを得ることがで きた。 （3） 微細デバイスの断面の試料を作成しSNDMシ グナルを得ることができた。 む す び SNDM測定において半導体デバイスにおける ドーパント濃度プロファイルの測定から不良解析へ 展開する可能性が開けた。今後は実デバイスの不良 解析に適用していく。 参 考 文 献
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