特許 5744401 浅い半導体注入のシート抵抗およびリーク電流密度の測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5744401

(24)【登録日】2015年5月15日

(45)【発行日】2015年7月8日

(54)【発明の名称】浅い半導体注入のシート抵抗およびリーク電流密度の測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 27/02 20060101AFI20150618BHJP

【ＦＩ】

   G01R27/02 R

【請求項の数】13

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2009-506916(P2009-506916)

(86)(22)【出願日】2007年4月24日

(65)【公表番号】特表2009-534676(P2009-534676A)

(43)【公表日】2009年9月24日

(86)【国際出願番号】DK2007000192

(87)【国際公開番号】WO2007121752

(87)【国際公開日】20071101

【審査請求日】2010年4月20日

(31)【優先権主張番号】60/745,470

(32)【優先日】2006年4月24日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】504262203

【氏名又は名称】カプレス・アクティーゼルスカブ

【氏名又は名称原語表記】ＣＡＰＲＥＳ Ａ／Ｓ

(74)【代理人】

【識別番号】100101454

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 卓二

(74)【代理人】

【識別番号】100081422

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 光雄

(74)【代理人】

【識別番号】100112911

【弁理士】

【氏名又は名称】中野 晴夫

(72)【発明者】

【氏名】クリスチャン・レト・ペーターセン

【審査官】 荒井 誠

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−０２６６４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２９２４６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０３７９５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 R. KINDER，Determination of the Depth of Implanted p+-n Junctions by the Four-Point Probe Method，PHYSICA STATUS SOLIDI(A)，ドイツ，１９９６年，V157，P393-398

【文献】 S. KELLER，Microscopic four-point probe based on SU-8 cantilevers，REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS，米国，AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS，２００５年１２月１４日，V76，P125102-1 - 125102-4

【文献】 D. C. Worledge，Magnetoresistance measurement of unpatterned magnetic tunnel junction wafers by current-in-plane tunneling，applied physics letters，米国，２００３年 ７月 ７日，V83，P84-86

【文献】 F. M. SMITS，Measurement of Sheet Resistivities with the Four-Point Probe，THE BELL SYSTEM TECHNICAL JOURNAL，米国，AT AND T，１９５８年 ５月，P711-718

【文献】 Capres system overview，Capres，２００６年

【文献】 C. L. PETERSEN at el.，Cantilever Based Ultra Fine Pitch Probing，２００４年

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ ２７／００−２７／３２

Ｇ０１Ｒ １／０６− １／０７３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体基板（５２０）中の薄い注入上でシート抵抗と電流リーク密度（J）を測定するためのシステムであって、
半導体基板（５２０）の表面と電気的に接触する、複数の電極（５１５）を有するプローブ（５１０）と、
複数の電極（５１５）の第１の電極のペアの間に電流を誘起するための電圧制御電流源（５４０）と、
複数の電極（５１５）の選択された第２の電極のペアの間の電位差を測定するための高インピーダンス電位計（５５０）と、
複数の電気的な接続線を含み、接続線の２つは電流源（５４０）に接続され、他の２つの接続線は電位計（５５０）に接続されたマルチプレキサー（５３０）であって、複数の電極（５１５）は、マルチプレキサー（５３０）を介して電流源（５４０）と電位計（５５０）に接続されるマルチプレキサー（５３０）と、
電圧制御電流源（５４０）を制御する周期的な参照信号を発生し、高インピーダンスの電位計（５５０）から参照信号と同じ位相の出力を検出するロックインアンプ（５６０）と、
半導体基板（５２０）の表面の浅い注入の、シート抵抗および電流リーク密度（J）を決定する方法をコンピュータにより実現する中央処理ユニット（５７５）とメモリ（５７６）を有するコンピュータシステム（５７０）であって、この方法は、
半導体の表面上で、複数の電極間隔セットで４点抵抗測定（３１０）を行う工程であって、４点抵抗測定中の誘導電流は１００μＡより小さく、複数の電極間隔セットの少なくとも１つは、隣接した電極の間で１００μｍより小さい平均電極間隔を有する工程と、
４点抵抗測定と、複数の電極間隔セットとの間の数学的な関係に基づいて、半導体表面中の薄い注入のシート抵抗（３２０、３３０）を求める工程と、を含み、
４点抵抗測定と、複数の電極間隔セットとの間の数学的な関係に基づいて、半導体表面（３３０）中の薄い注入の飽和リーク電流密度を求める工程を含む方法であるコンピュータシステムと、を含むシステム。

【請求項2】

半導体基板（５２０）中の薄い注入上でシート抵抗と電流リーク密度を測定するためのシステムであって、
半導体基板（５２０）の表面と電気的に接触する、複数の電極（５１５）を有するプローブ（５１０）と、
複数の電極（５１５）の第１の電極のペアの間に電流を誘起するための電圧制御電流源（５４０）と、
複数の電極（５１５）の選択された第２の電極のペアの間の電位差を測定するための高インピーダンス電位計（５５０）と、
複数の電気的な接続線を含み、接続線の２つは電流源（５４０）に接続され、他の２つの接続線は電位計（５５０）に接続されたマルチプレキサー（５３０）であって、複数の電極（５１５）は、マルチプレキサー（５３０）を介して電流源（５４０）と電位計（５５０）に接続されるマルチプレキサー（５３０）と、
電圧制御電流源（５４０）を制御する周期的な参照信号を発生し、高インピーダンスの電位計（５５０）から参照信号と同じ位相の出力を検出するロックインアンプ（５６０）と、
浅い注入（５２０）の電気特性を測定する方法をコンピュータにより実現する中央処理ユニット（５７５）とメモリ（５７６）を有するコンピュータシステム（５７０）であって、電気特性は、半導体基板（５２０）の表面中の薄い注入のシート抵抗と電流リーク密度（３２０）であり、この方法は、
４つの導電性電極（５１５）を有する多点プローブ（５１０）であって、隣接した導電性電極（５１５）の間で１００μｍより小さい平均電極間隔を有する多点プローブを準備する工程と、
浅い注入（５２０）の領域と接触するように多点プローブ（５１０）の４つの電気接触点（５１５）を配置する工程と、
多点プローブ（５１０）を用いて、テスト試料に１００μＡより小さい電流を誘起して４点測定を行う工程と、
４点抵抗測定と４つの導電性電極（５１５）の間の電極間隔との数学的な関係に基づいて、電気特性を求める工程と、
４点抵抗測定と、複数の電極間隔セットとの間の数学的な関係に基づいて、半導体表面（３３０）中の薄い注入の飽和リーク電流密度を求める工程を含む方法であるコンピュータシステムと、を含むシステム。

【請求項3】

第１の電極（５１５）のペアと第２の電極のペアは、共通電極（５１５）を含まない請求項１または２に記載のシステム。

【請求項4】

電極（５１５）の数は、４である請求項１〜３のいずれかに記載のシステム。

【請求項5】

複数の電極間隔セットの少なくとも１つは、隣接した電極の間で３００μｍより大きい平均間隔を有する請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

複数の電極間隔セットの少なくとも１つは、隣接した電極の間で２０μｍより小さい平均間隔を有し、理論的なデータの限界挙動が浅い注入のシート抵抗を決定するために使用され、その理論的な限界挙動は以下の式：

【数1】

ここで、Ｒは測定された４点抵抗、ｓは４点プローブ電極間隔、Ｒ_ｔは浅い注入のシート抵抗、
で与えられる請求項２に記載のシステム。

【請求項7】

浅い注入のシート抵抗および電流リーク密度が、所定の誤差内で理論的なデータが測定データに一致するまで、複数の変数を調整することにより決定され、理論的なデータおよび測定データは、以下の式：

【数2】

ここで、λ^２＝ｋＴ／（Ｊ_ｓｑ（Ｒ_ｔ＋Ｒ_ｂ））で、Ｒ_ｔとＲ_ｂは、それぞれ浅い注入と半導体基板のシート抵抗、Ｋ_０は第２種のゼロオーダーの変形されたベッセル関数、ｓは４点プローブの電極間隔、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、Ｊ_ｓは飽和リーク電流密度、ｑは電気素量、
により一致される請求項１〜６のいずれかに記載のシステム。

【請求項8】

浅い注入（５２０）の電気特性を決定する方法であって、
４つの導電性電極（５１５）を有する多点プローブ（５１０）であって、隣接した導電性電極（５１５）の間で１００μｍより小さい平均電極間隔を有する多点プローブを準備する工程と、
浅い注入（５２０）の領域と接触するように多点プローブ（５１０）の４つの電気接触点（５１５）を配置する工程と、
多点プローブ（５１０）を用いて、テスト試料に１００μＡより小さい電流を誘起して４点測定を行う工程と、
４点抵抗測定と４つの導電性電極（５１５）の間の電極間隔との数学的な関係に基づいて、電気特性を求める工程と、を含み、
電気特性は、薄い注入のシート抵抗と電流リーク密度であり、浅い注入のシート抵抗および飽和リーク電流密度が、所定の誤差内で理論的なデータが測定データに一致するまで、複数の変数を調整することにより決定され、理論的なデータおよび測定データは、以下の式：

【数4】

ここで、λ^２＝ｋＴ／（Ｊ_ｓｑ（Ｒ_ｔ＋Ｒ_ｂ））で、Ｒ_ｔとＲ_ｂは、それぞれ浅い注入と半導体基板のシート抵抗、Ｋ_０は第２種のゼロオーダーの変形されたベッセル関数、ｓは４点プローブの電極間隔、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、Ｊ_ｓは飽和リーク電流密度、ｑは電気素量、
により一致される方法。

【請求項9】

半導体基板（５２０）の表面の浅い注入の、シート抵抗および電流リーク密度を決定する方法であって、
ａ．半導体の表面上で、複数の電極間隔セットで、４点抵抗測定（３１０）を行う工程であって、４点抵抗測定中の誘導電流は１００μＡより小さく、複数の電極間隔セットの少なくとも１つの隣接した電極は１００μｍより小さい平均電極間隔を有する工程と、
ｂ．４点抵抗測定と、複数の電極間隔セットとの間の数学的な関係に基づいて、半導体表面中の薄い注入のシート抵抗（３２０、３３０）を求める工程と、
ｃ．４点抵抗測定と、複数の電極間隔セットとの間の数学的な関係に基づいて、半導体表面中の薄い注入の飽和リーク電流密度を求める工程を含む方法。

【請求項10】

複数の電極間隔セットの少なくとも１つの隣接した電極は、３００μｍより大きい平均間隔を有する請求項８に記載の方法。

【請求項11】

複数の電極間隔セットの少なくとも１つの隣接した電極は、２０μｍより小さい平均間隔を有し、理論的なデータの限界挙動が浅い注入のシート抵抗を決定するために使用され、その理論的な限界挙動は以下の式：

【数3】

ここで、Ｒは測定された４点抵抗、ｓは隣接した電極間の４点プローブ電極間隔、Ｒ_ｔは浅い注入のシート抵抗、
で与えられる請求項８または１０に記載の方法。

【請求項12】

浅い注入のシート抵抗および飽和リーク電流密度が、所定の誤差内で理論的なデータが測定データに一致するまで、複数の変数を調整することにより決定され、理論的なデータおよび測定データは、以下の式：

【数4】

ここで、λ^２＝ｋＴ／（Ｊ_ｓｑ（Ｒ_ｔ＋Ｒ_ｂ））で、Ｒ_ｔとＲ_ｂは、それぞれ浅い注入と半導体基板のシート抵抗、Ｋ_０は第２種のゼロオーダーの変形されたベッセル関数、ｓは４点プローブの電極間隔、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、Ｊ_ｓは飽和リーク電流密度、ｑは電気素量、
により一致される請求項８〜１１のいずれかに記載の方法。

【請求項13】

半導体基板（５２０）の電気抵抗ρは、二次イオン質量分析や他の方法を用いて実験的に測定され、基板のシート抵抗は、半導体基板の膜厚ｔについて、Ｒ_ｂ＝ρ／ｔの関係により求められる請求項８〜１２のいずれかに記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般にテスト試料の電気特性を得るための方法に関する。本発明は、半導体表面の薄い注入領域の、シート抵抗およびプローブ電流リークの測定に関し、特に好適には、非常に薄い接合のシート抵抗の正確で非破壊な測定に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体表面の浅い注入のシート抵抗およびリーク電流密度を正確に測定する方法は、複数の電極間隔セット（組み合わせ）を有する半導体表面上で１００μＡより小さな誘導電流を用いた、１又はそれ以上の４点抵抗測定を行う方法であって、少なくとも１つのセットは、１００μｍより狭い平均間隔を有する。シート抵抗および注入リークは、予め定められた誤差内で、測定されたデータを理論的なデータに一致させて決められる。

【0003】

代わりに、シート抵抗および注入リークは、測定データを理論的なデータにあてはめて、例えば統計や他の方法を用いて、誤差が最小になるようにして決定される。

【0004】

関連する方法や技術は、米国特許４，７０３，２５２、米国特許６，８４２，０２９、米国特許７，０７８，９１９、および国際公開２００５／０２２１３５のような特許公報に見ることができる。上記米国特許公報については参照され、それらのすべてはこれにより、それらの全体が参照されることにより、全ても目的のために、本発明の明細書に組み込まれる。

【発明の開示】

【0005】

半導体回路のトランジスタは、ゲート電極の下のチャネルにより電気的に接続されたソースおよびドレインと呼ばれる２つの注入領域からなる。ソースドレインエクステンション（ＳＤＥ）は、深いソースおよびドレインを有するゲートの下のチャネルに接した浅い注入である。トランジスタが小型になると、高性能デバイスを形成するためにＳＤＥは極めて浅く形成されなければならない。なぜならば、ＳＤＥの深さはトランジスタ性能、特に速いスイッチング速度と低電力のキーとなる機能だからである。１００ｎｍデバイス技術ノードでは、２０〜３０ｎｍの深さが必要となり、更なる技術はより浅い接合を必要とする。非常に薄い接合（Ultra-Shallow Junction）は、この極めて薄いＳＤＥを表す。

【0006】

歴史的に、巨視的な４点プローブは、注入表面の活性ドーズを測定する方法として用いられてきた。巨視的な４点プローブは、一般に、ミリメーターサイズのデバイスであり、１列に並んだ４つのバネ荷重の遷移金属針を有する。針が表面を押した場合、外側の２つのピンの間を流れる電流は、内側のピンで検出できる電圧を生じる。この４点測定技術は、長年、半導体上のシート抵抗を測定するための、標準の方法であった。しかしながら、巨視的な４端子プローブは、バネ荷重の針が表面ダメージや膜の孔を形成するために、今日の先進的な非常に薄い膜ではうまくいかない。巨視的なプローブは、また、端部の人工物の無い、測定のための広い均質な領域を必要とする。これらの制限は、非常に浅い接合では特に問題である。多くの新しい技術が、従来のプローブを用いてこの問題に取り組んでいる。それらは、低い接触力のプローブや容量非接触プローブを用いた巨視的なプローブを含む。それらのプローブ技術は、従来のプローブの破壊的な性質には取り組むが、非常に薄い接合の上での測定の寸法については取り組んでいない。巨視的なプローブは、一貫して非常に低いＵＳＪシート抵抗値を示し、特に高いリークのある高抵抗注入上において示す。巨視的なプローブのソフトタッチまたは非接触の態様は、突き抜けや表面ダメージを伴う問題を解決する一方、従来のプローブよりまだ広い傾向にあり、この長い寸法の問題をより多く被る。

【0007】

微細な寸法の測定は、ＵＳＪ注入深さの全範囲にわたって実際のシート抵抗を正確に測定するために必要となる。微小プローブの小さな寸法と非常に低い接触力は、一般的なボンディングパッドより小さな面積で、非破壊のＵＳＪ注入の特定を可能とし、これにより、最初に、パターニングされたウエハ（製品）上で、ＵＳＪシート抵抗の特定のために、可能な方法を提供する。本発明は、非常に薄い接合のシート抵抗を測定するために、巨視的な４点プローブを用いることによる従来技術の欠点に取り組むものである。

【0008】

本発明は、２層システムでのシート抵抗測定は、それが行われる長さスケールによって変化するという事実を利用する。非常に小さい電極間隔の限界においては、測定は、下層の状態によらず、単に上層での移動のみを反映する。広い電極間隔では、測定された抵抗は、２層の平行な組み合わせである。それらの２つのレジームを分ける長さスケールは、層間の界面の抵抗領域の形成や層のシート抵抗に依存する。非常に浅い接合では、この長さスケールは１０００μｍまたはそれ以上のオーダーである。

【0009】

異なったプローブ間隔での、浅い注入領域を有する半導体ウエハ上でのシート抵抗の測定により、浅い注入領域の現実のシート抵抗の特定が可能となる。

【0010】

本発明の第１の態様は、浅い注入の電気的特性を測定するための方法に関し、かかる方法は、
４つの導電性電極を有する多点プローブを提供する工程であって、導電性電極の２つは１００μｍより狭い電極間隔を有する工程と、
多点プローブの４つの電気接合ポイントを、浅い注入の領域と接合させて配置する工程と、
多点プローブを介してテスト試料中に１００μＡより小さい電流を誘起することにより、４点測定を行う工程と、
４点抵抗測定と４つの導電性電極の電極間隔との数学的関係に基づいて電気特性を求める工程と、を含む。

【0011】

多点プローブは、上述の４つの電極以上、例えば５、６、８、１０、またはそれ以上の電極を含んでも良い。多点プローブは、例えばベースと、ボディから平行に延びた複数のカンチレバーアームを有するようなものでも良い。そのような多点プローブは、例えば、ＵＳ２００４／００５６６７４および／またはＵＳ２００２／０１５３９０９に述べられている。２つの米国公報が参照され、それらの双方は、全ての目的で、その全体が参照されることにより本明細書に組み込まれる。例えばＵＳ２００４／００５６６７４の図６と対応する説明中にプローブが記載されている。

【0012】

多点プローブは、例えば、小さなアクチュエータ等を用いた、テスト試料に対してプローブを移動させる位置決め手段を有するシステムに入れられる。１の具体例では、プローブは可動にホルダーに保持され、一方、テスト試料は静止したホルダーに保持される。本発明の第１の形態で言及した電気特性は、シート抵抗または電流リーク密度である。

【0013】

４点測定は、連続して複数回行われてもよい。電気特性は、複数の測定に基づいて計算され、または求められても良い。電極の間隔は、例えば光学顕微鏡や走査トンネル顕微鏡や他の検査方法を用いて視覚的検査により測定される。代わりに、間隔は、プローブの製品から知っても良い。

【0014】

本発明の第２の形態は、半導体基板の表面の、浅い注入のシート抵抗と電流リーク密度を測定するための方法であって、かかる方法は、
ａ．複数の電極間隔セットで、半導体表面の上で、１またはそれ以上の４点抵抗測定を行う工程であって、４点測定の誘導電流は１００μＡより低く、複数の電極間隔セットの少なくとも１つに対して、１００μｍより小さい平均電極間隔を有する工程と、
ｂ．１またはそれ以上の４点抵抗測定と、複数の電極間隔セットとの間の数学的関係に基づいて、半導体表面の浅い注入のシート抵抗を求める工程と、を含む。

【0015】

第１および／または第２の形態にかかる方法は、更に、１またはそれ以上の４点抵抗測定と複数の電極間隔セットとの間の数学的な関係を用いて、半導体表面の浅い注入の、飽和リーク電流密度を求める工程を含んでも良い。

【0016】

数学的または物理的な関係は、図面を参照しながら、より詳細に記載される。

【0017】

本発明の更なる具体例では、複数の電極間隔セットの少なくとも１つが、３００μｍより大きな平均間隔を有する。電極間隔は、好適には、複数の電極の全てのセットについて知られている。電極間隔は、例えば、プローブの製品からわかるような、閲覧から知られても良い。本発明の更なる具体例では、複数の電極間隔セットの少なくとも１つは、２０μｍより小さな平均間隔を有し、論理的データの限界挙動は浅い注入のシート抵抗を決めるために使用され、理論的な限界挙動は以下の式で与えられる。

【0018】

【数1】

【0019】

ここで、Ｒは測定された４点抵抗であり、ｓは４点プローブ電極の間隔、Ｒ_ｔは浅い注入のシート抵抗である。

【0020】

特に、本発明の特定の具体例では、浅い注入のシート抵抗と飽和リーク電流密度が、所定の誤差内で理論的データが測定データに一致するまで、複数の変数を調整することにより決められても良い。理論的データと測定データは、以下の式を用いることにより一致させる。

【0021】

【数2】

【0022】

ここで、λ＝ｋＴ／（Ｊ_ｓｑ（Ｒ_ｔ＋Ｒ_ｂ））で、Ｒ_ａとＲ_ｂは、それぞれ浅い注入と半導体基板のシート抵抗であり、Ｋ_０は第２種のゼロオーダーの（second kind of order zero）変形されたベッセル関数、ｓは４点プローブの電極間隔、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、Ｊ_ｓは飽和リーク電流密度、ｑは電気素量である。

【0023】

変数の調整や一致は、例えば最小二乗法、他の数学的方法、数値の一致または近似により行われる。

【0024】

本発明の更なる具体例では、半導体基板の電気抵抗ρは、二次イオン質量分析や他の方法を用いて実験的に測定され、基板のシート抵抗は、Ｒ_ｂ＝ρ／ｔの関係により求められる。ここでｔは、半導体基板の膜厚である。

【0025】

本発明の第１の形態は本発明の第２の特徴を含んでも良く、本発明の第２の形態は本発明の第１の特徴を含んでも良い。

【0026】

本発明の第３の形態は、半導体基板中の浅い注入、シート抵抗と飽和リーク電流の測定システムに関し、このシステムは、
半導体基板の表面と電気的接触を形成するための第１の複数の電極を有するプローブと、
電極の第１のペアの間に電流を誘起するための電圧制御電流源と、
電極の第２のペアの間で電位差を測定するための高インピーダンス電位計と、
第２の複数の電気的接続線を含むマルチプレクサーであって、それらの２つは電流源に接続され、他の２つは電位計に接続されたマルチプレクサーと、
電圧制御電流源を制御する周期的な参照信号を発生し、高インピーダンス電位計の同相出力を掲出するロックインアンプと、
本発明の第１および／または第２の形態にかかる方法をコンピュータにより実現する中央処理ユニットとメモリを有するコンピュータシステムと、を含む。

【0027】

プローブは、上述の第１および／または第２の形態に記載されたようなものである。

【0028】

上述で記載された電位差を測定するために使用される第２の選択された電極のペアは、電流を誘起するのに使用される第１の選択された電極のペアとは異なることが好ましい。

【0029】

本発明のここで言及した具体例では、電極の第１のペアと電極の第２のペアは、共通の電極を有さない。

【0030】

本発明の更なる具体例では、第１の複数は４つである。好適には、第１の複数の電極は偶数であり、代わりの具体例では、奇数の電極を有するプローブにより構成されても良い。

【0031】

方法のコンピュータによる実現は、本発明の第１および／または他の形態のいくつかの特徴を含んでも良い。

【0032】

電極が半導体基板と電気的に接触した場合に、測定方法が実行される。装置はプローブを半導体基板の表明に接触させるように配置するための移動手段を含む。

【0033】

コンピュータシステムは、コミュニケーション手段および／または測定結果を伝達および／または出力する出力手段を含んでも良い。例としては、ネットワーク接続、プリンター、スクリーン、ハードディスク、フラッシュドライブ、または他の測定結果を受けるための手段がある。

【0034】

本発明の第３の形態にかかるシステムは、本発明の第１および／または第２の形態に関して述べた工程を行うために適用される。

【発明を実施するための最良の形態】

【0035】

図１は、２層システムで表面シート抵抗測定が、それらが行われる長さスケールに応じてどのように変化するかを示す。非常に小さな電極間隔１１０の限界では、測定は、下層の状況にかかわらず、上層中の移動のみを反映する。より広い電極間隔１３０では、測定された抵抗は、２層の並列的な組み合わせとなる。中間の長さスケールでは、測定されたシート抵抗は、２つの限界の場合の間に位置する。それらの２つの限界の状況を分ける長さスケールは、層の間の抵抗領域生成物と層のシート抵抗に依存する。

【0036】

この長さスケールを決めるために、シート抵抗Ｒ_ｔ（上層）およびＲ_ｂ（下層）を有する２つの無限の層の単純な積層を考える。非常に小さなプローブを用いて上の表面で行われる４点抵抗測定は、上層のみを検出し、測定された４点抵抗は、以下の式で与えられる。

【0037】

【数3】

【0038】

一方、測定が非常に大きなプローブで行われた場合、結果は、２つの層の並列な組み合わせとして以下の式で表される。

【0039】

【数4】

【0040】

所定の遷移長さスケールでは、測定された抵抗は、式（１）と式（２）の値の間となる。長さスケールは、２層の間の界面の抵抗領域生成物ＲＡにより決定され、以下のように表される。

【0041】

【数5】

【0042】

ピン間隔を有するプローブのための４点抵抗、次のようになる。

【0043】

【数6】

【0044】

ここでＫ_０は、第２種のゼロオーダーの変形されたベッセル関数である。この挙動は、Ｒ_ｔ＝Ｒ_ｂ＝１０００Ω／□（ｓｑ．）の例示のシステムについて図２に示される。ｓ＝λにおいて遷移が起き、図面上に影領域として表した０．１λから５λに遷移領域があることは明らかである。遷移領域では、測定された抵抗は、式（１）および式（２）の限界からはかなり異なってくる。極めて浅い接合のような、半導体表面の浅い注入領域の場合、界面は、効果的には、強い非線形挙動を有するｐ−ｎ型バリアである。バリアを通る電流密度は以下のように表される。

【0045】

【数7】

【0046】

ここで、ｑは電気素量、Ｔは温度、ｋはボルツマン定数、Ｖは界面を横切るポテンシャル、Ｊ_ｓは飽和電流密度である。Ｔ＝３００Ｋ、ｋＴ／ｑ＝２５．９ｍＶにおいて、界面を横切るポテンシャルが熱電圧より十分に小さい場合、式（５）は以下のようになる。

【0047】

【数8】

【0048】

４点測定が数μＡの電流セットポイントで行われ、内側の電極の間で数ｍＶのオーダーのポテンシャル降下になる場合（一般的なＵＳＪシート抵抗は５００〜２０００Ω／□の狭い範囲となる）、多くの注入においてこれは有効な近似である。バリアを横切るポテンシャルは、単にこの内側の電極ポテンシャルの関数である。このレジームで、バリアのための抵抗領域の生成物ＲＴは以下のようになる。

【0049】

【数9】

【0050】

非常に大きなリーク電流１０^−３Ａ／ｃｍ^２、高いＵＳＪシート抵抗Ｒ_ｔ＝２０００Ω／□、および高い抵抗性基板Ｒ_ｂ＝５００Ω／□を考えてみる。式（３）は、長さスケールλ１０２０μｍを与える。上述の議論により、１００μｍより小さな長さスケールで行われた４点プローブ測定は、それゆえに、ＵＳＪシート抵抗の正確な表示を行う。

【0051】

上記議論は２つの薄い層のシステムを考える。これは、典型的なＵＳＪ注入では有効な仮説である。なぜなら、それらは、周囲の基板より十分に高い導電性の、薄いトランジスタのハロ（ｈａｌｏ）領域中に注入されるからである。半無限の下層を有するシステムが分析され、上述の結果は、この場合においても同様に正しい。

【0052】

本発明の好適な具体例では、微視的な測定が、図３に示したような、異なった長さスケールで行われる。少なくとも１つの電極間隔が１００μｍより小さい異なった電極間隔を用いて、一連の４点測定が試料表面で行われる（３１０）。次に、測定に対する長さスケールの依存性が決定される（３２０）。最後に、極めて薄い接合のシート抵抗と電流リーク密度が、測定データを、式（４）の理論的なモデルに適用することにより決定される。

【0053】

第２の好適な具体例では、１つの４点測定が、２０μｍより小さな電極間隔を用いて、半導体表面で行われる。極めて浅い接合のシート抵抗が、小さな電極間隔ｓについて、式（４）の限界挙動を用いて決定される。

【0054】

【数10】

【0055】

図４は、それぞれ深さ５０ｎｍ（白い四角）と深さ７０ｎｍ（白い丸）の、２つの半導体の浅い注入上での、本発明にかかる測定を示す。

【0056】

微視的な４点プローブ測定は、３μｍから６０μｍの範囲のプローブ間隔で、微細に形成されたプローブを用いて行われた。巨視的な測定は、従来のタングステン針のプローブを用いて行われた。電流のセットポイントは５０μＡである。双方の注入に対して、測定されたシート抵抗は、微視的な範囲に渡って本質的に一定であり、一方、巨視的な測定は十分に低くなった。これは、図１から期待される。

【0057】

下層シート抵抗はＲ_ｂ＝１５Ω／□であった。データを式（４）にあてはめ、５０ｎｍの薄い注入ではＲ_ｔ＝３００６Ω／□、λ＝１．９２ｍｍ、７０ｎｍの注入ではＲ_ｔ＝１８４７Ω／□、λ＝５．６６ｍｍが得られた。あてはめた理論的予想は、図４に実線で示されている。

【0058】

飽和電流密度は、以下の関係により、図４のデータから決定できる。

【0059】

【数11】

【0060】

これから、５０ｎｍ注入に対してＪ_ｓ＝２．３１×１０^−４Ａ／ｃｍ^２、７０ｎｍ注入に対してＪ_ｓ＝４．３５×１０^−５Ａ／ｃｍ^２が得られる。

【0061】

図５は、本発明の１の具体例にかかるシート抵抗と飽和リーク電流密度を測定するための装置のブロックダイアグラムである。装置は、コンピュータシステム５７０に接続された浅い接合テストデバイス５００を含む。

【0062】

浅い接合テストデバイス５００は、浅い注入を有する半導体基板５２０の表面に接触する、複数の電極１５１−１〜５１５−ｎ（ｎは電極の総数）を備えたプローブ５１０を含む。

【0063】

本発明の好適な具体例では、プローブ電極は微細なカンチレバーに電気的に接続され、隣接した電極の間隔は１μｍと３００μｍの間となる。好適な具体例では、少なくとも１つの電極間隔のセットは１００μｍより小さな平均電極間隔を有する。

【0064】

他の好適な具体例では、少なくとも１つの電極間隔セットは、３００μｍより大きな平均電極間隔を有する。

【0065】

他のプローブ電極のペアの間の、電位差を測定するために、プローブは、プローブ電極のペアと高インピーダンス電位計５５０との間に電流を誘起するための電圧制御された電流源５４０に接続される。電位計に接続されたプローブ電極や電流源は、プローブ電極のそれぞれに接続されたｎ〜４のマルチプレクサー５３０から選択できる。

【0066】

電流源は、ロックインアンプ５６０からの振動する参照信号により駆動され、電位計は、駆動電流に関して測定された電圧の同相の成分を検出するために、ロックインアンプに接続される。

【0067】

コンピュータシステム５７０は、メモリユニット５７６の上で動く中央処理ユニット５７５を含む。メモリユニットは、コントローラモジュール５８５を制御するためのプログラム命令を含み、予め決められた複数の電極間隔セットにおいて、１００μＡより低い電流セットポイントを用いて、１またはそれ以上の４点抵抗測定を可能にする。メモリユニットは、また、データ分析モジュール５８０のためのプログラム命令を含み、所定の誤差の範囲内で、測定データを図４に合わせることにより、浅い注入のシート抵抗を決定し、評価式（９）から飽和リーク電流密度を決定する。

【0068】

コンピュータシステム５７０は、もちろん、電源やＩＯデバイスのような他の要素を含む。

【0069】

図１は、ｙ軸に沿ってシート抵抗を、ｘ軸に沿って測定する長さスケールを、模式的に示す。

【0070】

図２は、ｙ軸に沿ってシート抵抗（Ω／□）を、ｘ軸に沿って標準化されたプローブ間隔ｓ／λを、模式的に示す。

【0071】

図３は、非常に浅い接合のシート抵抗を正確に決定するための方法の、３つの工程を模式的に示す。この方法は、様々な電極間隔セットに対して４点抵抗を測定する工程３１０、測定されたデータからシート抵抗間隔の依存性を決定する工程３２０、曲線の一致を通して浅い注入のシート抵抗とリークを決定する工程３３０を含む。

【0072】

図４は、ｙ軸に沿ってシート抵抗（Ω／□）を、ｘ軸に沿ってプローブ長さ寸法（μｍ）を、模式的に示す。

【0073】

図５は、シート抵抗と飽和リーク電流密度を測定するための装置の、ブロックダイアグラムを模式的に示す。装置は、
５００：浅い接合のテスト装置
５１０：プローブ
５１５−１〜５１５−ｎ：プローブアーム
５２０：浅い注入を有する半導体基板
５３０：マルチプレクサー
５４０：電圧制御電流源
５５０：電位計
５６０：ロックインアンプ
５７０：コンピュータシステム
５７５：プロセッサ
５７６：メモリ
５８０：データ分析モジュール
５８５：コントロールモジュール
を含む。

【0074】

本発明は、以下の点により特徴づけられる。

【0075】

１．半導体基板の表面中の、浅い注入のシート抵抗および電流リーク密度を決定するための方法であって、
ａ．半導体の表面上で、複数の電極間隔セットで、１またはそれ以上の４点抵抗測定を行う工程であって、４点抵抗測定中の誘導電流は１００μＡより小さく、複数の電極間隔セットの少なくとも１つは１００μｍより小さい平均電極間隔を有する工程と、
ｂ．１またはそれ以上の４点抵抗測定と、複数の電極間隔セットとの間の知られた関係を用いて、半導体表面中の薄い注入のシート抵抗を求める工程と、を含む方法。

【0076】

上述の１の点にかかる方法であって、更に、１またはそれ以上の４点抵抗測定と、複数の電極間隔セットとの間の知られた関係を用いて、半導体表面中の薄い注入の飽和リーク電流密度を求める工程を含む方法。

【0077】

３．上述の２の点にかかる方法であって、複数の電極間隔セットの少なくとも１つは、約３００μｍより大きい平均間隔を有する方法。

【0078】

４．上述の１の点にかかる方法であって、複数の電極間隔セットの少なくとも１つは、約２０μｍより小さい平均間隔を有し、理論的なデータの限界挙動が浅い注入のシート抵抗を決定するために使用され、その限界挙動は以下の式：

【数12】

で与えられる。ここでＲは測定された４点抵抗、ｓは４点プローブ電極間隔、Ｒ_ｔは浅い注入のシート抵抗である。

【0079】

５．上述の３の点にかかる方法であって、浅い注入のシート抵抗および飽和リーク電流密度が、所定の誤差内で理論的なデータが測定データに一致するまで、複数の変数を調整することにより決定され、理論的なデータおよび測定データは、以下の式：

【数13】

により一致される。ここで、λ＝ｋＴ／（Ｊ_ｓｑ（Ｒ_ｔ＋Ｒ_ｂ））で、Ｒ_ａとＲ_ｂは、それぞれ浅い注入と半導体基板のシート抵抗であり、Ｋ_０は第２種のゼロオーダーの（second kind of order zero）変形されたベッセル関数、ｓは４点プローブの電極間隔、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、Ｊ_ｓは飽和リーク電流密度、ｑは電気素量である。

【0080】

上述の５の点にかかる方法では、半導体基板の電気抵抗ρは、二次イオン質量分析や他の当業者に知られた方法を用いて実験的に測定され、基板のシート抵抗は、Ｒ_ｂ＝ρ／ｔの関係により求められる。ここでｔは、半導体基板の膜厚である。

【0081】

半導体基板中の薄い注入上でシート抵抗と飽和リーク電流を測定するためのシステムであって、
ａ．半導体基板の表面と接触する、複数の電極を有するプローブと、
ｂ．選択された電極のペアの間に電流を誘起するための電圧制御電流源と、
ｃ．選択された電極のペアの間の電位差を測定するための高インピーダンス電位計と、
ｄ．複数の電気的な接続線を含み、接続線の２つは電流源に接続され、他の２つの接続線は電位計に接続されたマルチプレキサーと、
ｅ．電圧制御電流源を制御する周期的な参照信号を発生し、高インピーダンスの電位計の同相の出力を検出するロックインアンプと、
ｆ．中央処理ユニットとメモリであって、
半導体表面上の、複数の電極間隔セットにおいて、１またはそれ以上の４点抵抗測定を行い、４点抵抗測定中の誘起電流は１００μＡより小さく、電極間隔セットの少なくとも１つは、１００μｍより小さい平均電極間隔を有し、
１またはそれ以上の４点抵抗測定と複数の電極間隔セットとの間の知られた関係を用いて、半導体表面中の浅い注入のシート抵抗を導き出し、
１またはそれ以上の４点抵抗測定と複数の電極間隔セットとの間の知られた関係を用いて、半導体表面中の浅い注入の飽和リーク電流密度を導き出すためのプログラム命令を含むメモリとを備えたコンピュータシステムと、を含むシステム。

【図面の簡単な説明】

【0082】

本発明は、以下の図面を参照しながら詳細に説明される。

【0083】

【図1】２層システムで測定されたシート抵抗の、長さスケール依存性を表す。

【図2】プローブ間隔を用いた測定されたシート抵抗の期待された変化を示し、影領域は、１層シートと平行シートの間の遷移期間である。

【図3】異なった長さスケールで、４点抵抗をそれぞれ測定することにより、極めて薄い接合のシート抵抗を正確に決定する方法を示す。

【図4】極めて薄い接合の、４点測定の例を示す。実践は本発明にかかる挙動の予測である。

【図5】本発明の１の具体例にかかる、シート抵抗と飽和リーク電流を測定する装置のブロックダイアグラムである。

【符号の説明】

【0084】

５００：浅い接合のテスト装置
５１０：プローブ
５１５−１〜５１５−ｎ：プローブアーム
５２０：浅い注入を有する半導体基板
５３０：マルチプレクサー
５４０：電圧制御電流源
５５０：電位計
５６０：ロックインアンプ
５７０：コンピュータシステム
５７５：プロセッサ
５７６：メモリ
５８０：データ分析モジュール
５８５：コントロールモジュール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】