JPH0732177B2 - 材料物性測定方法及び装置 - Google Patents

材料物性測定方法及び装置

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JPH0732177B2
JPH0732177B2 JP3042186A JP4218691A JPH0732177B2 JP H0732177 B2 JPH0732177 B2 JP H0732177B2 JP 3042186 A JP3042186 A JP 3042186A JP 4218691 A JP4218691 A JP 4218691A JP H0732177 B2 JPH0732177 B2 JP H0732177B2
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、広義には顕微鏡走査に
より材料物性を測定する方法及び装置に関し、より詳し
くはキャパシタンス−電圧技術を用いてドーパント・プ
ロファイルを含む材料物性を測定する方法及び装置に関
する。
【０００２】
【従来の技術】今日の超大規模集積回路(VLSI)技術は、
個別の半導体素子に注入された活性不純物ドーパントの
３次元(3D)における区間的な拡がりに関する正確な認識
を必要とする。これらのデバイスは、主としてバイポー
ラまたは金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFE
T)、ダイオード、またはコンデンサよりなる。典型的な
デバイスの占有面積は10μm2 のオーダーである。この
種のデバイスで大半の電流が流れる活性領域は、1015乃
至1020cm-3の濃度範囲の例えばヒ素、ホウ素、あるいは
リンのようなドーパントを注入することにより形成され
る。高い製造歩留まりと実地使用における回路の信頼性
を確保するためには、不純物ドーパントのばらつき、あ
るいはプロファイルを100nm 以下にコントロールする必
要がある。他方、不純物ドーパントの注入に関連する精
度が不十分であると、製造プロセスの後工程において好
ましくない欠陥が多発したり、またはデバイスの性能が
適切でなかったり、あるいはこれらの不都合が併存した
り、さらにはデバイスの故障を招くことがある。顕微鏡
的スケールにおけるドーパント・プロファイルの特性決
定においてこのような高精度を確保することは、効率的
なデバイス設計のために明らかに極めて望ましいことで
ある。デバイス挙動の予測可能性を達成するためには、
ドーパント・プロファイルを正確に測定すると共に、そ
の情報を設計サイクルにフィードバックすることができ
なければならない。しかしながら、従来は、サブミクロ
ン・スケールのVLSI素子の設計段階においても、製造段
階においても、１次元(1D)の場合を除き、このような高
精度を達成することは不可能であった。
【０００３】ドーパント・プロファイルの定量的測定の
ための最新技術は、もっぱら１次元のみにおいて高分解
能を得ると言う技術に限定されている。このような技術
としては、２時イオン質量分析法(SIMS)、拡がり抵抗法
(SR)、及び巨視的なキャパシタンス−電圧(C-V) 法など
がある。これらの技術に関しては、例えば、S.M. Sze著
の「VLSI技術(VLSI Technology) 」(McGraw-Hill Book
Co., New York、 1983 年刊、例えば第５章及び第10章）
を参照のこと。これら以外にも、非定量的方法があり、
例えば、S.T. Ahn及びW.A. Tiller による日本電気化学
会(J. Electrochem. Soc.)の第135 号、2370号（1988
年）の論文、及びM.C. Roberts、K.J. Yallup、 G.R. Bo
oker等による物理学会会議シリーズNo.76 及びNo.11 (I
nstitute of Physics, London, 1985 年）に記載されて
いる。定量的方法における１次元(1D)について上記の３
つの基準を満たし得るのはC-V 法だけである。しかしな
がら、データは上述したように１つの次元についてしか
得られず、しかも広い面積に渡る。
【０００４】例えば、図２には半導体材料10の一部の断
面が描かれており、図示の半導体材料は酸化物層12及び
ドーピング領域14を有し、破線16は半導体材料10内のド
ーピング領域の境界を示している。酸化物層12には、容
量性プレート18が結合されており、この容量性プレート
18には電極20が接続されている。また、半導体材料10は
第２の電極24により接地されている。
【０００５】電極20及び24のポートA 及びB はC-V メー
タに接続されている。C-V 測定は、例えば「MOS の物理
と技術(MOS Physics and Technology)」(Wiley, New Yo
rk,1982年）の183 ページに記載されているNicollian
及び Brewsの方法により行われ、容量性プレート18の下
方における平均ドーパント・レベルが導出される。この
種の測定における各次元の典型的な寸法は、酸化物層12
の厚さ約20nm、容量性プレート18の厚さ約500nm、 半導
体材料10の厚さ約１mmであり、ドーパント領域（ドーピ
ング領域）14の平均深さは約1000nmである。容量性プレ
ート横幅は、通常、ほぼミリメートルのオーダーであ
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術の限界
は一見して明らかである。図２の破線はドーパント領域
14の深さにばらつきがあることを示している。このドー
パント領域は、例えば集積回路内の半導体デバイス間の
境界によって定まる異なる深さを有する。上記の方法に
より得られる測定値は垂直方向のドーパント濃度につい
ての総平均情報を与えるのみで、垂直方向に直角な横方
向のドーパント・プロファイルについては何ら情報が得
られない。
【０００７】さらに、デバイス設計において、ドーパン
トの横方向の拡がりは、ドーパントの深さ方向の拡がり
と同等に重要であるにもかかわらず、従来は、巧緻な実
験や1Dの測定の外挿によって推測することしか出来なか
った。この点に関しては、例えば、P. M. Fahey、 P. B.
Griffin及びJ. D. Plummer 等によるRev. Mod. Phys.
Vol. 61, 289 (1989年）の論文、及び前記のE. H. Nico
llian とJ. R. Brews の論文を参照のこと。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記のような
従来技術の問題点を解消した材料物性を測定するための
方法及び装置を提供せんとするものである。本発明によ
れば、ファイン・ティップを所定エリア内の材料の表面
に極近接させて移動させ、ファイン・ティップに材料に
関して電圧を印加する。ファイン・ティップの近傍の材
料の領域におけるキャパシタンスに相当するパラメータ
の値、例えば力をファイン・ティップの所与の位置につ
いて且つ１つまたは２つ以上の電圧レベルに関して検出
する。ファイン・ティップを上記所定エリアを横切って
移動させ、電圧とキャパシタンスのデータをエリアを横
切って移動させたファイン・ティップの多数の位置につ
いて、あるいは連続的に収集する。最後に、これらのデ
ータを所定の関係に従い関連付けて、エリア内の各ファ
イン・ティップ位置における目的の材料物性を導出す
る。
【０００９】このようにして導出したデータは、重要な
材料物性のプロファイルを生成するのに効果的に利用す
ることができる。例えば、本発明の一つの特徴によれ
ば、本発明を適用することにより得られるdC/dV 信号の
プロット曲線を用いて半導体材料のVLSI回路のある領域
のドーパント・レベルのプロファイルを導出することが
できる。本願発明者等の知る限りでは、このような技術
は従来不可能であった。
【００１０】他の材料物性も同様に導出することができ
る。例えば、本発明の他の特徴によれば、変調レーザ光
を半導体材料の走査中のエリアに照射するか、あるいは
その走査エリアにバイアス電圧を印加しつつ上記のデー
タを得、それからキャリヤの発生と再結合のデータを導
出することもできる。さらに、半導体材料に電荷を印加
しながらやはり上記データのプロット曲線を得、これを
用いてサブストレートの欠陥データを導出することも可
能である。これら以外にも、例えば酸化物被膜の厚さ
等、数多くの材料物性を同様の方法により導出すること
ができる。
【００１１】
【実施例】本発明の実施例は、３次元(3D)におけるドー
パント濃度プロファイル測定に関する前述の基準を全て
満たすものである。本発明の実施例によれば、非接触型
で導電式の走査型顕微鏡プローブの前視野を用いてプロ
ーブの近傍にある半導体試料の局部領域を空乏化する(d
eplete) 。プローブの先端は非平面形状で、10オングス
トローム乃至10ミクロンのオーダーの曲率半径を有す
る。これにより測定される空乏層キャパシタンスは、局
在的な活性ドーパント濃度を定量するのに必要な情報を
与える。この定量は以下に説明する逆たたみ込み算法(d
econvolution algorithm) を用いて行われる。プローブ
の寸法と形状は、基本的に装置のサブミクロン単位の分
解能を左右する。
【００１２】図１は、本発明の一実施例の基本構成要素
を示すブロック図である。金属製のファイン・ティップ
30は、半導体材料の試料32の上方に懸架されており、コ
ンピュータ40はファイン・ティップ30と試料32との間に
電圧を与える。近接センサ34はファイン・ティップ30と
試料32の間の間隔を検出し、この間隔を示す信号をフィ
ードバック制御回路36に供給する。フィードバック制御
回路36が発生する信号は、ファイン・ティップ30と試料
32との相対的間隔を一定に保つよう位置決め装置38に供
給される。この信号は、コンピュータ40にも供給され
て、試料32の表面形状の微細変動を示す情報を与える。
コンピュータ40は位置決め装置38にも信号を供給し、試
料32の表面を横切るファイン・ティップ30の動作、即ち
XY方向における動きを制御する。このようにして、ファ
イン・ティップは、例えば試料32の表面沿いに走査する
ことができる。
【００１３】ポンプ・レーザ44は、光変調器46にレーザ
光出力を供給する。光変調器46の光出力は、ファイン・
ティップ30の近傍領域の試料32の表面に照射することが
できる。レーザ復調器48は、光変調器46がポンプ・レー
ザ44からのレーザ光を変調した周波数における検出キャ
パシタンスに相当する信号を監視し、コンピュータ40に
入力信号を供給する。キャパシタンス・センサ42はファ
イン・ティップ30、空気、試料32の系のキャパシタンス
を監視し、そのキャパシタンスを表す出力信号をコンピ
ュータ40に供給する。
【００１４】トポグラフィ・ディスプレイ（表面形状デ
ィスプレイ）50は、走査領域における試料32の表面の形
状を表示するために具備されている。キャパシタンス・
ディスプレイ52は、ファイン・ティップ30が選択された
バイアス電圧で試料32の表面のある領域を横切って走査
する際に、キャパシタンス信号またはdC/dV を切り換え
表示する。上記バイアス電圧は変えることができ、上記
のキャパシタンス信号及びdC/dV はそれらの異なるバイ
アス電圧に対して表示することができる。また、異なる
複数の点でキャパシタンス対電圧の測定を行い、これを
キャパシタンス・ディスプレイ52上に表示することもで
きる。
【００１５】図４は、先端部の曲率半径が通常50nmのタ
ングステン製のファイン・ティップ30が、SiO2の薄膜層
54が形成された試料32の上面に極近接させてその上方に
配置されている状態を示す。図示のように、領域56にお
いては試料32はドーピングが一様ではない。本発明のこ
の実施例によれば、ファイン・ティップに対し試料に関
してバイアス電圧（直流または交流）が印加され、この
状態で、局部空乏層キャパシタンスまたはその導関数(d
C/dV) が材料の表面沿いの位置（横方向の位置）の関数
として測定される。この構成によれば、横方向走査経路
沿いのバイアス電圧の関数としてキャパシタンスまたは
容量勾配dC/dV を表す信号が作り出される。これらの信
号は、高い空間分解能を有し、逆たたみ込み算法により
処理して局部活性ドーパント濃度の空間プロファイルを
得ることができる。
【００１６】図５に示すように、上記の逆たたみ込み算
法においては、互いに直列な３つの容量性要素、即ちフ
ァイン・ティップ30の近傍の空気のキャパシタンス58、
酸化物層50のキャパシタンス60、及びファイン・ティッ
プ30の近傍における試料32のキャパシタンス62を考慮に
いれる必要がある。本発明の実施例による逆たたみ込み
算法については、以下に詳細に説明する。
【００１７】図３は、本発明の一実施例の概略構成図で
ある。図示実施例では、日本応用物理学会誌Vol.61, 47
23（1987年）に記載されているようなレーザ・へテロダ
イン力顕微鏡をここで説明するように一部修正したもの
が用いられている。高純度シリコン(fine silicon)製の
マイクロメカニカル・カンチレバー29は、金属製のファ
イン・ティップ30を有し、半導体材料32の上方に懸架さ
れている。本願発明者等は、ファイン・ティップ30とし
て、タングステン線で形成されたものを用いた。タング
ステン・ティップのエッチングは、電界放出走査型顕微
鏡の技術分野において周知である。本願発明者等は、同
様のエッチング技術を用いてロング・カンチレバー（10
0 ミクロンのオーダー）を作り、その端部をまげてファ
イン・ティップ及び力検出カンチレバーを得た。走査型
電子顕微鏡の像によれば、この技術を用いることにより
ファイン・ティップの直径を50nmまでも小さくすること
が可能なことが実証されている。この力顕微鏡を本願で
開示するようなキャパシタンスの測定に用いると、ファ
イン・ティップと試料との間の３×10-22F/Hz のオーダ
ーの容量変化を測定することができる。
【００１８】ファイン・ティップ（タングステン・ティ
ップ）30のＺ方向、即ち試料32に対して接近、離反する
方向の位置制御のために第１圧電クリスタル64が設けら
れている。レーザ・プローブ66はレーザ・ビーム68を発
生し、このレーザ・ビーム68は、顕微鏡の対物レンズ70
によってタングステン・ティップ30の反射面に焦点を合
わされる。レーザ・プローブ66にはセンサ（図示省略）
が設けられており、このセンサが入射レーザ・ビーム68
と共に反射ビームを検出して、従来技術の方法によりタ
ングステン・ティップの干渉計位置情報を出力する。ロ
ックイン増幅器82及びフィードバック・ループ80によっ
てＺフィードバック信号が作り出され、コンピュータ4
0′に供給されると共に、スイッチ78を介して第１圧電
クリスタル64のＺ方向制御を行う増幅器（加算増幅器）
72に供給される。周波数発生器74は、当技術分野におい
て周知のように、ギャップを一定に保つために表面に垂
直な振動を起こさせるよう、増幅器72にもう一つの信号
を供給する。この点に関しては、例えばYvesMartin、C.
C Williams及びH.K. Wickramasinghe による日本応用物
理学会誌Vol.61、4723（1987年５月15日）を参照のこ
と。コンピュータ40′は、XY走査信号を発生し、この信
号は、試料32のXY方向移動を制御してタングステン・テ
ィップ30の試料32の表面沿いの走査を行わせる第２圧電
クリスタル79へ供給される。この実施例においては、第
２圧電クリスタル79は100 ミクロンの横走査範囲と、10
ミクロンの垂直走査範囲を設定する。
【００１９】図３に示すシステムは、キャパシタンス・
イメージングを通じてドーパント・濃度を測定するのに
必要な２つの機能を果たす。その第１の機能は、上に述
べたように、ファイン・ティップ30を試料32の上方でこ
れらの間のギャップを一定に保ちつつ移動させることが
できるようにすることである。第２の機能は、試料32の
各点の局部キャパシタンスを測定することである。
【００２０】上記のように、ファイン・ティップ30を試
料32の表面沿いに走査する際一定のギャップに保つこと
は周知である。簡単に説明すると、この動作はスイッチ
76及び78を位置１（図示位置）にセットする、即ちファ
イン・ティップ30と試料32を互いに電気的に接続すると
共に、フィードバック・ループ80の出力を加算増幅器72
に供給することにより行われる。このモードにおいて
は、ファイン・ティップ30を垂直方向に周波数ω1 で振
動させながら試料32に極近接させる。この振動振幅がフ
ァイン・ティップと試料との間の力によって変化する。
レーザ・プローブ66及びω1 に同調されたロックイン増
幅器82は、この振動振幅を測定し、出力信号をフィード
バック・ループ80に供給することにより、振動振幅が所
望のレベルになるまでファイン・ティップ30の垂直位置
を移動させる。ファイン・ティップ30が材料の表面沿い
に移動する際、レーザ・プローブ66、ロックイン増幅器
82及びフィードバック・ループ80は、上記の振動振幅を
一定に保つよう作用する。振動振幅を一定に保つと言う
この条件は、一般に、ファイン・ティップ30と試料32と
の間を一定間隙に保つことと等価であると言うことが明
らかにされている。
【００２１】キャパシタンスを測定する時は、スイッチ
76及び78は図示位置と反対側の位置２に切り換える。こ
のスイッチ位置においては、信号源84より試料32に関し
てファイン・ティップ30に交流電圧または直流電圧ある
いは交流と直流の両方の電圧が印加される。また、ファ
イン・ティップ30の高さを制御するフィードバック・ル
ープ80は無効化され、代わってサンプルホールド回路86
が、ファイン・ティップ30をフィードバック・ループ80
が無効化された瞬間の高さに保つ。言い換えると、ファ
イン・ティップ30は、上記２つのスイッチ76と78が切り
換えられた瞬間の位置に「凍結」される。この時点で、
印加電圧発生器（信号源）84がファイン・ティップ30と
試料32の間に電圧を供給し、この電圧を用いて局部キャ
パシタンスがいくつかのモードで測定される。第１のモ
ードは、電圧を負電圧（例えば−10ボルト）と正電圧
（例えば＋10ボルト）の間でランプ状に変化させ、ファ
イン・ティップ30に作用する力に比例するファイン・テ
ィップ30の変位を測定し、これをコンピュータ40′の入
力86に供給して処理するものである。このようにして測
定した変位は、以下に述べるようにして、局部キャパシ
タンス対印加電圧の関係と関連付けられる。第２のモー
ドは、信号源84より交流信号と直流電圧を両方とも供給
するモードである。一般に、この交流信号（周波数ω2)
は、ファイン・ティップ30に作用する力をω2 またはω
2 の高調波により変調させ、その変調信号がレーザ・プ
ローブ66により検出され、ロックイン増幅器90によって
好ましくは２ω2 で検波され、入力88よりコンピュータ
40′へ供給され、コンピュータ40′で、レーザ・プロー
ブ66の出力信号が、以下に述べるようにして、電圧によ
るキャパシタンス変化(dC/dV) と関連付けられる。
【００２２】上記の何方のキャパシタンス測定も、単一
の点で行うこともできれば、ファイン・ティップを試料
の表面沿いに走査しながら行うことも可能である。走査
しながら測定するには、スイッチ76及び77を位置１に置
き、ファイン・ティップ30を移動させ、次にスイッチ76
及び77を位置２に切り換え、ファイン・ティップと試料
との間に電圧を印加し、測定値を入力86及び88からコン
ピュータ40′に取り込んだ後、スイッチ76及び78を再度
位置１に戻してファイン・ティップ30を移動させるとい
う動作を繰り返す。材料表面の表面形状の変化は、トポ
グラフィ・ディスプレイ50に表示することができ、C-V
及びdC/dV の測定値はディスプレイ52上に表示される。
【００２３】レーザ・ポンプ44及び周波数ω3 で変調す
る変調器46は、以下に述べるように、材料32の照射によ
り生じる効果を測定することができるようにするために
具備されている。ロックイン増幅器92は、ω3 に同調さ
れており、ステップ位置モードまたは走査モードで２つ
以上の電圧でサンプリングされたdC/dI 情報を出力す
る。
【００２４】図６は、上記の２番目のディスプレイであ
る走査同期ディスプレイ上に表示された波形の画像
で、、本発明の実施例の操作性を実証するために行われ
た実験において、バイアス電圧を−５Ｖ、０Ｖ及び＋５
Ｖの３つの電圧として、図３のファイン・ティップ30を
第１の試料上のドーパント・グレーティング沿いに操作
しつつ観測したdC/dV 値を示している。これらの実験で
は、２つの試料が用いられた。それは，いずれも表面に
24nmの熱成長酸化物被膜を有するn-形シリコン基板であ
った。ドーパント・グレーティングは、ウェーハの表面
に８μmの期間だけ濃いフォトレジスト組織をマスキン
グし、50KeV で1015cm-2のドーズ量のBF2 を注入し、表
面に1020cm-3のピークのp-形ドーパント濃度を作り出す
と言うプロセスにより形成した。注入後、表面からフォ
トレジストを除去して、24nmの熱酸化物被膜で被覆され
た表面形状が平坦で、ドーパント注入量が不均等なシリ
コン面を得た。第１のウェーハ試料は900 ℃で10分間加
熱アニールし、第２のウェーハ試料は、1000℃で10分間
急速加熱アニールすることにより活性化した。
【００２５】これらの波形曲線から、試料中のドーパン
ト・プロファイルを効果的に観測することができる。距
離インジケータ76は、試料に注入された８μmのフォト
レジスト・グレーティング構造に対応して、８μmの長
さを有する。C-V 解析から予測されるように、この信号
波形はバイアス電圧によって大きく変化する。最大の信
号は、ドーピングの軽い領域で生じるが、これは電圧に
よるキャパシタンスの変化dC/dV が低ドーパント濃度で
最も大きいと言うことによるものである。
【００２６】バイアス電圧０Ｖの波形では、不規則な信
号スパイク78が認められ、これに対応して、図６の他の
２つの波形にも不規則な変化が認められる。このような
不規則な変化は、図示波形のデータ操作の第４周期にお
ける欠陥または不均等性の存在に対応する。そのような
欠陥または不均等性によって空乏層電圧がずれたことは
明らかである。このような現象は酸化物中の電荷によっ
て引き起こされる可能性がある。
【００２７】図７は、第２の試料の80の断面図で、ドー
ピングの軽いn-形領域82及び高濃度ドーピングの第１及
び第２のn-形領域84、86が示されている。データは、図
７に示す点Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤで採取した。この試料80に
関するデータは、C-V 曲線であり、図８には図７の点Ａ
乃至Ｄにそれぞれ対応させて、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤの符号
が付されている。低ドーピング領域の中心でプロットし
た曲線Ｄは、教科書に見られるような古典的高周波のC-
V 曲線と同様の外観を呈する。図８の他の曲線は、走査
点を注入領域のほうへ移動させつつプロットしたもので
あり、理想的な1D曲線とは異なっている。実際、ファイ
ン・ティップを低ドーピング(1015 cm-3) のn-形領域か
ら高ドーピング(1020 cm-3) のp-形領域へ移動させたの
に伴い、曲線に漸進的な遷移が認められる。本願発明者
等は、これらの効果は表面の横方向の空乏層に起因する
ものであると考える。このように、曲線Ｂ及びＣを注入
エッジから0.5μm以上離れた点でプロットしても、やは
り高密度ドーパント領域84が近いことによって影響を受
ける。低ドーピング領域における最大空乏層長さは、計
算することができ、試料80の場合は0.87μmと算出され
た。曲線Ｂ及びＣのデータは、この計算の結果に合致し
ている。
【００２８】このように、プローブのティップが空乏層
深さに比べて小さいときは、幾何学的要素は平板コンデ
ンサよりはむしろ球形コンデンサのようになり、側面効
果(lateral effects) が上記の例のように顕著になる。
ファイン・ティップを高ドーピングのp-形領域に注入エ
ッジから離間させて置くと、C-V 理論で予測されるよう
に、C-V 曲線の傾きは逆転し、下側の場合よりもはるか
に小さくなる。この傾きについては、測定を行ったが、
図８に示す曲線のスケールでは明確に表示することがで
きない。
【００２９】ファイン・ティップが注入エッジから離間
している時は、上記のような球形空乏層の条件下におい
ても、C-V 曲線は１次元の計算により予測される曲線に
類似したものになると予測される。
【００３０】図９は、実験により得られたキャパシタン
ス−電圧曲線88を理論的に求めた曲線90に重ねたもので
ある。本願で述べる実験においては、+/-0.5V と言う有
限の交流測定電圧しか用いなかったことを考えると、1D
理論と実験との間の一致性はかなり良好であると言うこ
とができる。
【００３１】図10は、図３のポートＢで固定バイアス電
圧により測定したdC/dV 出力を記録した２次元画像であ
る。この図において、測定単位92は走査長さ１μm に相
当する。図示の像を解釈するには、図のＸ軸及びＹ軸が
試料の表面のＸ軸及びＹ軸に対応するものとみなす。ま
た、図の左から右へ傾斜した傾き領域94を有する３次元
画像を表示するように画像が幾分傾斜されているものと
みなす。この傾斜エリアは低ドーピングから高ドーピン
グへの遷移を表しており、200nm のスケールになってい
るように見える。
【００３２】以下、C-V 及びdC/dV データを逆たたみ込
み算法により処理して不純物ドーパント濃度を求める方
法を説明する。以下の説明において、「装置」と言う用
語は、図４において、プローブのファイン・ティップ3
0、酸化物層54、及びC-V 及びdC/dV データが「プロー
ブ検出」される半導体試料32よりなる電気的系を意味す
るものとする。ここでは、以下に述べる２つのたたみ込
み方法を用いることが可能である。(1) 装置シミュレー
タを用いてdC/dV のシミュレーション・データと測定デ
ータの比較による反復解法。または、(2) 装置を表す解
析的回路モデルを用いた反復解法。この第２の方法の方
がより好ましく、以下に詳細に説明する。この第２の方
法は、装置を等価回路モデルによって適切に表すことが
できるものと仮定する。第１の方法は、電荷、キャリヤ
及び電界分布について直接解くことにより2Dまたは3Dの
効果を考慮に入れるので、原理的にはより正確である
が、より長い演算時間を要する。これに対して、第２の
方法では、計算を行うのにIBM 社のパーソナル・コンピ
ュータと少なくともインテル社の80286プロセッサ、あ
るいはこれと等価のものがありさえすればよく、実際、
データが蓄積されるにつれて、逆たたみ込みの演算をほ
ぼリアルタイムで実行することができる。
【００３３】タングステン・ティップを試料表面に対し
比較的一定した近接距離に保つために加える力に相当す
る信号を監視することについては、既に図３を参照しつ
つ説明した。測定した力と所望の容量信号との間の直接
的な関係は、以下のようにして容易に理解することがで
きる。バイアス電圧Ｖが印加されたファイン・ティップ
に作用する力をＦとすると、
【数３】 (1) F=1/2V2dC/dZ バイアス電圧Ｖを、周波数ω2 でDCオフセット電圧V0と
して印加する場合、これらの関係は次式(2) で表され
る。
【数４】 (2) V=V0÷V2cos(ωat) ただし、V2はAC振幅である。すると、次式(3) のよう
に、周波数２ω2 の力成分が存在することは明らかであ
る。
【数５】 (3) F(2ω2)=(1/4)V2 2dc/dzcos(2ω2t) この力信号の振幅はdC/dZ に正比例する。半導体の近平
面状空乏層の条件下においては、プローブ／試料間キャ
パシタンスは次式(4) によって与えられる（図５参
照）。
【数６】 ここで、 Cox ＝εox A/T、 Cair＝εair A/Z、 Cd＝εsil A/D、 であり、T は酸化物層の厚さ、Z はギャップ距離、即ち
プローブと酸化物層の上面との間の距離、D は空乏層深
さであり、εox、εair 及びεsil はそれぞれ酸化物
層、空気及びシリコンの誘電率である。
【００３４】上記方程式(4) で定義されるＣが与えられ
ると、Ｚに関するＣの導関数として、ファイン・ティッ
プに作用する力とCdとの間に次式(5) の関係が得られ
る。
【数７】 (5) dC/dZ=(1/εairA)((T/εoxA)+(Z/εairA)+(D/εairA))-2
【００３５】ここで、方程式(5) で表される導関数dC/d
Z を方程式(3) に代入すると、周波数２ω2 でプローブ
に作用する容量力とプローブの近傍の空乏層キャパシタ
ンスCdとの間の関係が与えられる。既に述べたように、
Cdが電圧によって変化することから局部ドーパント濃度
を導出することができる。
【００３６】次に、前記第１の方法におけるプローブ／
試料系は、以下に述べる１次回路モデルによって理解す
ることができる。ここで、この１次回路モデルは、プロ
ーブ−試料間隔が印加DCバイアス電圧の半導体中へのス
クリーニング長さより短く保たれている「平行極板」系
の場合にのみ適用可能である。このスクリーニング長
さ、あるいは「空乏層深さ」は、局部ドーパント濃度に
より約200 Åから10,000Åまで変化する。従って、プロ
ーブはこの表面からの深さの変化の程度に合わせて制御
すべきである。そうでないと、非平面スクリーニング効
果によって、この逆たたみ込み算法の精度が減殺され
る。他方、以下に説明するように、今まで述べたものよ
り複雑な等価回路モデルを適用することも可能である。
【００３７】図５に示すように、空気中のプローブ／半
導体試料系はコンデンサ・スタックを形成する。その合
計キャパシタンスは、プローブ−空気−試料間のギャッ
プによるキャパシタンスCair、酸化物キャパシタンスCo
x、及びドーピングした半導体の空乏層キャパシタンスCd
を直列合成したもの、即ち等価回路モデルのキャパシタ
ンスを直列合成したキャパシタンスである。プローブ／
試料間キャパシタンスC は、前出の方程式(4) により与
えられる。実際には、Cdは、バイアス下において2Dで不
均一に変化する局部キャリヤ濃度の関数でもある。この
ような「非平面」効果に関する説明には、やはりより正
確な回路モデルが必要である。
【００３８】不均一にドーピングされた試料の場合、即
ち横方向(X-Y) 及び(Z) 次元においてドーパント濃度に
変動がある試料においては、走査型キャパシタンス顕微
鏡により検出される有効空乏層キャパシタンスは、所与
のDCバイアスにおける空乏層の大きさに等しい半径の半
球状領域内に局在するドーパントの関数である。一様な
デバイス級品質(device-quality)の酸化物層を有する平
板状試料の場合、ドーパントの空間変動のみが検出信号
を変調する。閉ループ・オペレーションにおいては、dC
/dVは所与の電圧Ｖにおいて横方向位置の関数として測
定される。ドーパント濃度が５つのオーダーにわたって
変化する不均一にドーピングされた試料の場合、本願発
明者等が行ったdC/dV の測定の結果、信号は局部ドーパ
ント・レベルに極めて敏感であると言うことが明らかに
なっている。
【００３９】Van Gelder及びNicollian は、日本電気化
学会の第118 号、第138 号（1971年）の論文において、
dC/dV を１次元のキャリヤ空乏層に関連付ける方法を発
表している。本発明の一実施例によるデータ逆たたみ込
み算法は、この方法を２次元及び３次元の空乏層マッピ
ングが可能なように拡張するものである。この実施例に
よれば、プローブの横方向位置Ｘに対するdC/dV のデー
タが与えられると、平板近似の場合、局部空乏層深さW
(X)は、Ｘにおける局部ドーパント濃度N(X)の関数であ
る。例えば、試料が長い拡散ストライプで構成されてい
る等、第３の次元におけるドーパント濃度の変動を無視
することができるならば、開ループ・モードで走査型キ
ャパシタンス顕微鏡による測定により、あるいは位置Ｘ
における多数キャリヤの蓄積層から空乏層までＶの全て
の値に対してdC/dV を積分することにより求めたＸにお
ける全プローブ−試料間キャパシタンスをCt(X) とし
て、下記の方程式を適用することができる。
【数８】 W(X)=epssi *(1/Ct(X)-1/Cox-1/Cair) ここで、W(X)は、実際は、深さＺの尺度であり、モービ
ル・キャリヤはその深さＺに向けて放出されて、その深
さの所に濃度N(X, Z) のイオン化されたドーパント原子
を剥き出させる。従って、下記の式が得られる。
【数９】 N(X,Z=W(X))=-(Ct-3/(dCt/dV)/(q *epssi))-1 ここで、ｑは電子の電荷である。このようにして、２次
元のドーパント濃度を得ることができる。本願発明者等
が実際にデータに適用した結果、Ct(X) は、無次元のオ
ーダー（次数）単位の一定係数を乗じなければならない
と言うことが明らかとなった。この係数は、系のゲイン
に伴って乗じられ、試料に対向するプローブの有効スポ
ットサイズに関係する。
【００４０】上記の逆たたみ込みの算法の背景を理解す
るために、ここで３次元におけるドーパント密度を求め
るためのdCt/dV対Ｘのデータの逆たたみ込み算法を詳細
に示す図11のフローチャートを参照しつつ説明を行う。
図11に示す方法は、周知の通常のプログラミング技術に
従いコンピュータによって効果的に実施することができ
る。その基本的な手法は、測定を行った対象の試料のプ
ロファイルの近似値または「推測値」である入力パラメ
ータを用いてドーパント・プロファイルをシミュレート
する。シミュレーションに対してこれらのパラメータを
ランし、dCt/dV対Ｘの測定データと比較し、それらの差
を最小２乗法により調整値として入力パラメータにフィ
ードバックする。
【００４１】詳しく説明すると、逆たたみ込み算法を開
始するには、２次元または３次元プロファイルの近似値
が必要である。これは、例えば、L.J. Boruck、 H.H. Ha
nsen、 及びK. Varahramyan等の「FEDSS-A ２次元VLSIプ
ロセス・シミュレータ(EDSS-A 2-Dimensional VLSI Pro
cess Simulator) 」(IBM J. Res. Dev.、 1985 年）に記
載されている方法によるVLSIプロセス・シミュレーショ
ンによるか、または３次元の各次元のデータの広がりま
たは標準偏差を特徴とする誤差関数プロファイル等の解
析的近似法により得ることができる。シミュレートした
ドーパント・プロファイルを定義する入力パラメータ
は、解析的フォーミュレーション102 またはプロセス・
シミュレーション104 に入力100 として与えられる。こ
れによって、シミュレートされたドーパント・プロファ
イル106 が生成される。
【００４２】図11のフローチャートにおける次のステッ
プは等価回路モデルを分析するステップ107 （このステ
ップの方が好ましい）か、またはプローブ／試料／空気
の系の印加された電気的バイアスに対する応答の装置シ
ミュレーションを行って（ステップ108)、シミュレート
されたdCt/dVの曲線を得るステップ110 である。等価回
路モデルについては、既に図５を参照しつつ説明した通
りである。このような装置シミュレーション技術の詳細
な説明は、E.M Buturla、 P.E. Cottrell、 B.M.Grossma
n、 及びK.A. Salsburg 等の「半導体デバイスの有限要
素解析: ザ FIELDAYプログラム(Finite Element Analys
is of Semiconductor Devices: the FIELDAY Program)
」(IBM J.Res. Dev.、 25、 218 （1981年））に記載さ
れている。
【００４３】上記のプロセスは、測定により得たdCT/dV
対Ｘの曲線データと反復調整によりシミュレートされた
dCt/dV対Ｘの曲線との間の適合度（合致度）により測定
して、所望の精度が得られるまで繰り返される。このシ
ミュレートされたドーパント・プロファイルを決定する
上記の点の反復調整される入力パラメータは、この場
合、測定データを採取した実際のドーパント・プロファ
イルに相当する。
【００４４】以上の実施例は、半導体の不純物ドーパン
ト・プロファイルの測定との関連において説明したが、
本発明の原理は他種類の材料及び電気特性の測定にも利
用することが可能である。例えば、半導体材料において
は、キャパシタンス信号は半導体材料に入射する光の量
によって変化する。例えばシリコン形の半導体材料の場
合、１mWのレーザ・ビーム(0.633nm）の焦点をファイン
・ティップと試料に合わせると、dC/dV 信号及び横方向
空乏層エッジの見かけの位置がレーザ光によって著しく
変化する。これらの効果は、電子−正孔対が生成され、
これによって垂直方向次元及び横方向次元共に空乏層効
果が減殺されることによるものである。
【００４５】上記の測定は、レーザ光の強度を測定する
フラックスメータを付け加えるだけで前述の装置及び方
法によって行うことができる。レーザ光の強度の関数で
あるキャパシタンス信号は、電子−正孔対の生成速度及
び再結合速度そのものを表す。
【００４６】電子−正孔対の生成及び再結合速度に関連
して上に説明した技術は、これらの速度が点欠陥及び拡
大欠陥により影響を受けるので、半導体材料の局部欠陥
密度の測定に応用することができる。
【００４７】前に図６を参照しつつ説明したように、試
料中の欠陥はdC/dV のデータに顕著な特徴を生じさせ
る。従って、本発明の原理は、光の照射なしで、欠陥の
有無を検出するために利用することが可能なことは明白
である。
【００４８】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、例えばシリコン半導体材料における横方向ド
ーパント・プロファイル測定を、周知の装置を用いて容
易に実施可能な技術により無破壊で200nm スケールによ
り達成することができる。さらに、本発明は、半導体材
料におけるキャリヤ生成及び再結合、並びに基板欠陥、
及びこれらの材料の酸化物被膜の厚さの測定及び表示に
応用することが可能である。また、本願で説明した本発
明の原理によれば、他の材料物性の測定並びに記述を行
うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の基本的構成要素を示すブロッ
ク図である。
【図２】１次元のC-V 測定のために容量性プレートを載
置した半導体材料の断面図である。
【図３】本発明の一実施例の装置のブロック図である。
【図４】本発明の一実施例における材料とタングステン
製ファイン・ティップとの関係を示す半導体材料の断面
図である。
【図５】図４の配置関係における有効キャパシタンスを
示す等価回路図である。
【図６】本発明の一実施例により得られた走査波形図で
ある。
【図７】本発明の原理を適用した実験において用いた試
料の断面図である。
【図８】図６に示す４つの点でプロットしたキャパシタ
ンス−電圧曲線の波形図である。
【図９】本発明の一実施例の有効性を実証する実験デー
タと理論データをプロットしたグラフである。
【図10】本発明の原理を図６に示すような試料に適用し
て得た走査波形図である。
【図11】本発明の一実施例により測定データに逆たたみ
込み算法を適用してドーパント・プロファイル・データ
を得るプロセスを示すブロック図である。
【符号の説明】
10・・・・半導体材料、 12・・・・酸化物層， 14・・・・ドーピング領域、 18・・・・容量性プレート、 30・・・・ファイン・ティップ、 32・・・・試料、 34・・・・近接センサ、 36・・・・フィードバック回路、 38・・・・位置決め装置、 40、 40・・・・コンピュータ、 44・・・・ポンプ・レーザ、 46・・・・光変調器、 48・・・・レーザ復調器、 50・・・・トポグラフィ・ディスプレイ、 52・・・・キャパシタンス・ディスプレイ、 54・・・・薄膜層、 56・・・・領域、 64・・・・第１圧電クリスタル、 66・・・・レーザ・プローブ、 68・・・・入射レーザ・ビーム、 70・・・・対物レンズ、 72・・・・増幅器、 76、78・・・・スイッチ、 79・・・・第２圧電クリスタル、 80・・・・フィードバック・ループ、 82、 90、 92・・・・ロックイン増幅器、
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クレイトン・コーベイ・ウイリアムス アメリカ合衆国ニユーヨーク州ピークスキ ル、バタンウツド・アベニユー237番地

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】材料物性を少なくとも２次元に関して測定
    する測定方法であって、所定の走査エリア内においてフ
    ァイン・ティップを上記材料の表面に極近接させて移動
    させるステップと、上記材料に関して上記ファイン・テ
    ィップに電圧を印加するステップと、上記走査エリア内
    の複数の位置における複数の電圧レベルに対する上記フ
    ァイン・ティップの近傍にある上記材料の領域のキャパ
    シタンスに相当するパラメータ値を検出するステップ
    と、上記複数の位置、上記パラメータ値及び上記電圧レ
    ベルに関する測定データを得るステップと、上記測定デ
    ータを所定の関係に従い関連付けて上記複数の各位置に
    おける上記材料物性を導出し、これによって上記走査の
    領域における少なくとも２次元に関して上記材料物性に
    関するデータを得るステップと、を含む上記の測定方
    法。
  2. 【請求項２】上記のファイン・ティップを移動させるス
    テップが、上記材料を圧電型運動トランスデューサに機
    械的に結合するステップと、上記トランスデューサに上
    記材料に対して所望の運動を行わせるよう、変化する電
    圧を印加するステップと、よりなることを特徴とする請
    求項１記載の測定方法。
  3. 【請求項３】 上記ファイン・ティップを移動させる上
    記ステップが、上記ファイン・ティップを走査パターン
    により上記材料に対して移動させることにより行われる
    こと、及びパラメータ値を検出する上記ステップが、上
    記複数の位置が連続上の点をなすよう、上記ファイン・
    ティップの走査につれてパラメータ値を連続的に検出す
    ることにより行われること、を特徴とする請求項１記載
    の測定方法。
  4. 【請求項４】パラメータ値を検出する上記ステップが、
    上記材料からの離間距離を比較的一定に保つよう上記フ
    ァイン・ティップに力を作用させるステップと、上記力
    を検出するステップと、よりなることを特徴とする請求
    項１記載の測定方法。
  5. 【請求項５】上記ファイン・ティップの材料の試料表面
    に対する離間距離が極近接している時、ファイン・ティ
    ップを試料表面に対して直角な方向に振動させるステッ
    プを有することを特徴とする請求項１記載の測定方法。
  6. 【請求項６】上記ファイン・ティップを振動させるステ
    ップが１乃至106 ヘルツの周波数及び１乃至103 オング
    ストロームの範囲の振幅で行われることを特徴とする請
    求項５記載の測定方法。
  7. 【請求項７】上記データを関連付ける上記ステップが、
    上記複数の位置における上記物性に相当するデータより
    それらの位置における上記パラメータ値及び上記電圧レ
    ベルのデータを導出する導出手段を設けるステップと、
    上記複数の位置における予測特性値に相当する入力デー
    タを上記導出手段に供給すると共に、それらの位置につ
    いての上記パラメータ値及び上記電圧レベルに関する第
    １の予測データを導出するステップと、上記予測データ
    を上記測定データと比較するステップと、上記の比較を
    行うステップの結果に基づき上記入力データを修正し
    て、上記材料の実際の物性値により厳密に相当する入力
    データを導出するステップと、上記の入力データを供給
    するステップ、比較を行うステップ及び修正を行うステ
    ップを、上記予測データと上記測定データとの差が予め
    選択された率より小さくなるまで繰り返すステップと、
    含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
  8. 【請求項８】半導体材料のドーパント濃度を少なくとも
    ２次元に関して測定する測定方法であって、所定の走査
    エリア内においてファイン・ティップを上記半導体材料
    の表面に極近接させて走査するステップと、上記半導体
    材料に関して上記ファイン・ティップに電圧を印加する
    ステップと、上記ファイン・ティップの走査時、上記半
    導体材料の表面との間隔を比較的一定に保つようファイ
    ン・ティップに可変力を作用させるステップと、上記走
    査エリア内の複数の位置における１つまたは２つ以上の
    電圧レベルに対する上記可変力の大きさを検出するステ
    ップと、上記複数の位置、上記可変力の大きさ及び上記
    電圧レベルに関する測定データを得るステップと、上記
    測定データを処理して上記可変力データより上記ファイ
    ン・ティップの近傍における半導体材料のキャパシタン
    ス値データを得、且つそのキャパシタンス値データを電
    圧値データとの関連において処理して各データ位置にお
    けるドーパント濃度を得、これによって上記走査の領域
    における少なくとも２次元に関してドーパント濃度に関
    するデータを得るステップと、を含む上記の測定方法。
  9. 【請求項９】 材料物性を少なくとも２次元に関して測
    定する測定装置であって、所定の走査エリア内において
    ファイン・ティップを上記材料の表面に極近接させて移
    動させる手段と、上記材料に関して上記ファイン・ティ
    ップに電圧を印加する手段と、上記走査エリア内の複数
    の位置における１つまたは２つ以上の電圧レベルに対す
    る上記ファイン・ティップの近傍にある上記材料の領域
    のキャパシタンスに相当するパラメータ値を検出する手
    段と、上記複数の位置、上記パラメータ値及び上記電圧
    レベルに関する測定データを得る手段と、上記測定デー
    タを所定の関係に従い関連付けて上記複数の各位置にお
    ける上記材料物性を導出し、これによって上記走査の領
    域における少なくとも２次元に関して上記材料物性に関
    するデータを得る手段と、を含む上記の測定装置。
  10. 【請求項10】半導体材料のドーパント濃度を少なくとも
    ２次元に関して測定する測定装置であって、所定の走査
    エリア内においてファイン・ティップを上記半導体材料
    の表面に極近接させて走査する手段と、上記半導体材料
    に関して上記ファイン・ティップに電圧を印加する手段
    と、上記ファイン・ティップの走査時、上記半導体材料
    の表面との間隔を比較的一定に保つようファイン・ティ
    ップに可変力を作用させる手段と、上記走査エリア内の
    複数の位置における１つまたは２つ以上の電圧レベルに
    対する上記可変力の大きさを検出する手段と、上記複数
    の位置、上記可変力の大きさ及び上記電圧レベルに関す
    る測定データを得る手段と、上記測定データを処理して
    上記可変力データより上記ファイン・ティップの近傍に
    おける半導体材料のキャパシタンス値データを得、且つ
    そのキャパシタンス値データを電圧値データとの関連に
    おいて処理して各データ位置におけるドーパント濃度を
    得、これによって上記走査の領域における少なくとも２
    次元に関してドーパント濃度に関するデータを得る手段
    と、を含む上記の測定装置。
  11. 【請求項11】材料物性を少なくとも２次元に関して測定
    する測定方法であって、所定の走査エリア内においてフ
    ァイン・ティップを上記材料の表面に極近接させて走査
    するステップと、上記材料に関して上記ファイン・ティ
    ップに電圧を印加するステップと、上記ファイン・ティ
    ップの近傍の材料表面を可変光度の光源により照射する
    ステップと、上記走査エリア内の複数の位置における複
    数の電圧レベル対しての１つまたは２つ以上の光度に対
    する上記ファイン・ティップの近傍にある上記材料の領
    域のキャパシタンスに相当するパラメータ値を検出する
    ステップと、上記複数の位置、上記パラメータ値、上記
    光度及び上記電圧レベルに関するデータを得るステップ
    と、上記データを所定の関係に従い関連付けて上記複数
    の各データ位値における上記材料物性を導出し、これに
    よって上記走査の領域における少なくとも２次元に関し
    て上記材料物性に関するデータを得るステップと、を含
    む上記の測定方法。
  12. 【請求項12】上記のファイン・ティップを移動させるス
    テップが、上記材料を圧電型運動トランスデューサに機
    械的に結合するステップと、上記トランスデューサに上
    記材料に対して所望の運動を行わせるよう、変化する電
    圧を印加するステップと、よりなることを特徴とする請
    求項11記載の測定方法。
  13. 【請求項１３】 上記ファイン・ティップを移動させる
    上記ステップが、上記ファイン・ティップを走査パター
    ンにより上記材料に対して移動させることにより行われ
    ること、及びパラメータ値を検出する上記ステップが、
    上記複数の位置が連続上の点をなすよう、上記ファイン
    ・ティップの走査につれてパラメータ値を連続的に検出
    することにより行われること、を特徴とする請求項１１
    記載の測定方法。
  14. 【請求項14】パラメータ値を検出する上記ステップが、
    上記材料からの離間距離を比較的一定に保つよう上記フ
    ァイン・ティップに力を作用させるステップと、上記力
    を検出するステップと、よりなることを特徴とする請求
    項11記載の測定方法。
  15. 【請求項15】上記ファイン・ティップの材料の試料表面
    に対する離間距離が極近接している時、ファイン・ティ
    ップを試料表面に対して直角な方向に振動させるステッ
    プを有することを特徴とする請求項11記載の測定方法。
  16. 【請求項16】上記ファイン・ティップを振動させるステ
    ップが１乃至105 ヘルツの周波数及び102 乃至106 オン
    グストロームの範囲の振幅で行われることを特徴とする
    請求項５記載の測定方法。
  17. 【請求項１７】 材料物性を少なくとも２次元に関して
    測定する測定装置であって、所定の走査エリア内におい
    てファイン・ティップを上記材料の表面に極近接させて
    走査する手段と、上記材料に関して上記ファイン・ティ
    ップに電圧を印加する手段と、上記ファイン・ティップ
    の近傍の材料表面を可変光度の光源により照射する手段
    と、上記走査エリア内の複数の位置における複数の電圧
    レベル対しての１つまたは２つ以上の光度に対する上記
    ファイン・ティップの近傍にある上記材料の領域のキャ
    パシタンスに相当するパラメータ値を検出する手段と、
    上記複数の位置、上記パラメータ値、上記光度及び上記
    電圧レベルに関するデータを得る手段と、上記データを
    所定の関係に従い関連付けて上記複数の各位置における
    上記材料物性を導出し、これによって上記走査の領域に
    おける少なくとも２次元に関して上記材料物性に関する
    データを得る手段と、を含む上記の測定装置。
  18. 【請求項１８】 材料物性を少なくとも２次元に関して
    測定する測定方法であって、所定のエリア内においてフ
    ァイン・ティップを上記材料の表面に極近接させて走査
    するステップと、上記材料に関して上記ファイン・ティ
    ップに電圧を印加するステップと、上記所定のエリア内
    の複数の各位置における１つまたは２つ以上の電圧レベ
    ルに対する上記ファイン・ティップの近傍にある上記材
    料の領域のキャパシタンスに相当するパラメータの各値
    を検出するステップと、上記各値及び電圧レベルを所定
    の関係に従い関連付けて上記複数の各位置における上記
    材料物性を導出し、これによって上記所定のエリアにお
    ける少なくとも２次元に関して上記材料物性に関するデ
    ータを得るステップと、を含む上記の測定方法。
  19. 【請求項19】上記のパラメータの各値を検出するステッ
    プが、第１の力を加えて上記ファイン・ティップを上記
    材料の表面より比較的一定の距離に保ち、且つ上記ファ
    イン・ティップと上記材料との間に生じる第２の力を検
    出することにより行われ、上記の各値及び電圧レベルを
    関連付けるステップが、上記第２の力を下記の２つの式
    によって上記プローブの近傍における上記材料のキャパ
    シタンスと関連付けることにより行われることを特徴と
    する請求項18記載の測定方法。 【数１】 ここで、 Cox ＝εox A/T、 Cair＝εair A/Z、 Cd＝εsil A/D、 であり、T は酸化物層の厚さ、Z はプローブと酸化物層
    の上面との間の距離、D は空乏層深さであり、εox、ε
    air 及びεsil はそれぞれ酸化物層、空気及びシリコン
    の誘電率である。 【数２】 F=1/2V2dC/dZ ここで、F は上記第２の力、V は上記の印加電圧レベ
    ル、dC/dV は周囲空気を含めたファイン・ティップと材
    料とからなる系のキャパシタンスの変化率である。
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