計測分析技術一覧

分析手法 略号 分析原理 得られる情報 分析感度・スペック 適用例
3次元アトムプローブ法
(3 Dimensional Atom Probe)
3DAP 針状の試料先端に高電界を印加して表面原子を電界蒸発させ、2次元検出器により位置を、飛行時間(TOF)計測により質量を測定、それを繰り返すことで試料の3次元構造を得る ・固体材料の3次元元素マッピング
・組成(全元素)
測定領域:
xy方向<100nm
z方向 試料形状による
空間分解能:
xy方向 0.3~0.5nm
z方向 0.2~0.3nm
検出下限: 0.1%程度
・ゲート電極/ゲート絶縁膜の3Dマッピング
・極浅領域イオン注入ドーパントの3Dマッピング
・SiGe、シリサイド等の3D構造
原子吸光分光分析法
(Atomic Absorption Spectrometry)
AAS 原子状の蒸気をつくり、元素特有の波長の光を放射すると、元素の濃度に比例した光量を吸収する。既知濃度の光量から、試料溶液中の金属元素を定量する ・溶液中の金属元素の濃度 感度:μg/L~mg/L
(元素によって異なる)
・半導体材料、製造環境中の不純物分析
・化学製品/材料、金属材料中の主成分/不純物分析
・土壌抽出液、排水の環境分析
・その他(血液、尿、食品、生体)微量分析
オージェ電子分光法
(Auger Electron Spectroscopy)
AES, SAM 電子ビームを照射したとき極表面から放出されるオージェ電子のスペクトルを測定することにより固体表面に存在する元素を分析する(走査型オージェ電子顕微鏡法:Scanning Auger Microscopy:SAMとも言われていたが、最近はあまりこの呼び方は使われていない) ・固体表面の元素、組成
・化学結合状態
・組成の深さ方向分析
測定エリア:数nm~
分析深さ:5nm以下
検出下限:%程度
・微小領域の組成分析(異物分析)
・微小領域の元素マップ
・バリア膜の深さ方向分析
・配線膜の深さ方向分析
・結晶粒界の偏析物評価
・半導体デバイスの断面、表面形状
・不良解析、故障解析
原子間力顕微鏡
(Atomic Force Microscopy)
AFM 試料に対して探針を走査し、これらの間に働く原子間力をカンチレバーの変位として検出し三次元形状を得る ・ナノスケール3次元形状
・表面粗さの定量
測定エリア:500nm×500nm ~
分解能:
<0.1nm@垂直方向
<10nm@水平方向
・半導体基板の表面粗さ評価
・薄膜の表面粗さ評価
・MEMS の形状評価
角度分解オージェ電子分光法
(Angle-resolved Auger Electron Spectroscopy)

[オージェ電子分光法の詳細説明にリンクします]
ARAES オージェ電子分光法(AES)で検出するオージェ電子をアナライザ仰角を変えて測定することで深さ方向の元素・化学状態プロファイルを得る(AES、ARXPSを参照) "・固体表面の元素、組成 ・化学結合状態
・組成の深さ方向分析
エリア:数nm~
分解能:
分析深さ:5nm以下
検出下限:%程度
・ARXPS(C2, C3, C10)の適用例を参照(ARXPSに比べ報告例が少ない)
角度分解X線励起光電子分光法
(Angle Resolved X-ray Photoelectron Spectroscopy)
ARXPS X線を試料表面に照射し、放出されるエネルギーから、試料表面元素の定性・定量を行なう ・試料表面の元素の定性、定量
・化学結合状態分析
・主成分元素の深さ方向分布、化学結合状態の深さ方向分析
エリア:数十nm~数mm
深さ:数nm~10nm
感度:0.1%程度
・薄膜の深さ方向の組成
・化学結合状態分析(high-kなど)
収束電子線回折法
(Convergent Beam Electron Diffraction)
CBED 透過型電子顕微鏡にて、円錐状に絞った電子線を試料に照射し得られる回折(CBED)パターンのHOLZ線位置を、シミュレーションパターンと比較する ・結晶格子の歪み量
・結晶欠陥
・試料厚さ
・結晶対称性
歪み分解能:0.01%
空間分解能:20nm@200nmt
試料厚さ:500nm以下
・基板の結晶歪みや欠陥評価
(チャネル領域や素子分離構造に関する歪み)
・イオン注入による欠陥評価
カソードルミネッセンス法
(Cathodeluminescence Spectroscopy)
CL 電子線で励起された電子正孔対の再結合による発光を分析 ・結晶欠陥の種類
・欠陥分布
・キャリア拡散長
深さ:50nm~5μm
分解能:50nm~5μm
・シリコンの転位分布
・窒化ガリウムの転位密度
・化合物半導体の結晶性、不純物、組成、応力、拡散長、キャリア濃度
・ワイドギャップ半導体の発光準位
・LD、LEDの不良解析
・蛍光体粒子の結晶性
・酸化物の酸素欠損
共焦点走査型レーザー顕微鏡法
(Confocal Laser Scanning Microscopy) *1

共焦点顕微鏡法
(Confocal Microscopy) *2

*1 CLSM.pdfにリンク
*2 CMS.pdfにリンク
CLSM, CMS レーザーで表面を走査して、その反射像を共焦点光学系で合焦光のみを取り出す
これをZ方向に積層していき、全面にピントがあった画像を作るとともに高さ情報を得る
・高コントラスト、高解像度のコンフォーカル画像
・資料の表面形状
・表面粗さ
・透明膜の膜厚
測定エリア:10mm~100nm@XY方向、10mm~10nm@Z方向
最高分解能:0.12μm@XY方向(平面分解能)、0.01μm@Z方向
・マイクロバンプの幅、高さ測定
・導光板の形状測定
・ICチップボンディングパット部の表面粗さ測定
・プリント基板の樹脂部の表面粗さ
・フィルタ上の異物検出
・ウェハ欠陥検査、酸化膜・レジスト膜厚測定、パターン高さ、幅計測
電子線励起電流法
(Electron Beam Induced Current)
EBIC 電子線照射により半導体デバイス内に発生する、電子・正孔対の移動・拡散の過程を電流として検出する ・PNジャンクション位置
・空乏層の拡がり
・一様性
・空乏層内部の欠陥位置
・拡散長
空間分解能:5~10nm ・拡散層観察(PN接合位置特定、空乏層形状評価)
・デバイス内部配線故障箇所特定
・ゲート絶縁膜リーク箇所特定
電子線後方散乱回折法
(Electron Backscatter Diffraction),
電子後方散乱パターン
(Electron BackScattering Pattern)
EBSD, EBSP 電子線を照射した際に発生する反射電子の回折パターンから、照射位置の結晶面方位を得る ・結晶の面方位、粒径、配向性、歪
・ミスオリエンテーション角、粒界性格、対応粒界、粒界のΣ値
空間分解能:20nm~
深さ分解能:50nm~
方位分解能:0.5°~
・Cu配線、Al配線、シリサイド、ポリシリコン、リードフレームめっき膜などの結晶解析
・配線信頼性故障箇所(エレクトロマイグレーション、ストレス誘起ボイド)
・Snウイスカ発生箇所での平面/断面での結晶解析
エネルギー分散X線分光法
(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)
EDX, EDS 半導体検出器を使い、試料から放出された特性X線のエネルギーを受け、それに比例して発生した電気パルスを測定することによって元素分析を行う ・観察試料の構成元素
・SEMやTEMに装着することで、線分析による濃度変化
・元素マッピング機能による元素分布
エリア:数μm(バルク試料)、100nm~(薄膜)(TEM/STEM装着の場合はプローブ径)
深さ:数100nm~数μm
分解能:125eV~
・不良、故障部位の元素分析
・半導体デバイスの断面、表面の元素分析
・異物の元素分析
電子エネルギー損失分光法
(Electron Energy Loss Spectroscopy)
EELS 入射電子が試料を構成する電子と相互作用する際に生じるエネルギー損失量に応じて分光する ・組成、結合状態 エリア:数nm~数十μm
空間分解能:0.2nm~0.3nm
(電子線源に依存)
・不良箇所の元素分析
・バンド状態
・化学結合状態
・局所構造解析
エリプソメトリ法
(Ellipsometry),
分光エリプソメトリ法
(Spectroscopic Ellipsometry)
EM, SE 試料での光反射による偏光状態の変化から、p.s偏光の振幅比Ψおよび位相差Δを測定し、光学モデルを利用した解析から試料の膜厚や光学定数を評価する手法
He-Neレーザのような単色光源を用いる単波長エリプソメトリ法と、キセノンランプのような白色光源を用いる分光エリプソメトリ法がある
・試料構造(薄膜・多層膜の膜厚、表面ラフネス)
・光学定数(屈折率、消衰係数、光吸収係数、誘電関数)
・バンドギャップ・合金組成・相構造(結晶/非晶質)
・透明導電膜等のキャリア濃度、移動度、抵抗率
エリア:数百μmから数mmオーダー
深さ:0.01nm~数μm(薄膜)
膜厚分解能:0.01nm
・半導体基板、薄膜、ゲート誘電体膜評価
・ポリマー膜、自己組織化膜、タンパク質、DNA評価
・TFT膜、透明導電膜、有機LED材料評価
・誘電体多層膜評価
・CD、DVD、磁気光学膜評価
電子プローブ微小分析法
(Electron Probe Micro Analysis)
EPMA 電子線を照射し、試料を構成する元素から放出される特性X線を分光結晶で分光する ・組成分析
・化学状態分析
エリア:<1μm
深さ:<1μm
感度:0.1at%~
・異物の組成分析
電子スピン共鳴分析法
(Electron Spin Resonance),
電子常磁性共鳴分析法
(Electron Paramagnetic Resonance)
ESR, EPR 不対電子を持った物質に磁場を加えた時の生じる2つのスピンエネルギー準位間に相当するマイクロ波を外部から加えることで得られる共鳴現象が電子スピン共鳴(ESR)であり、このエネルギーの吸収・放出量を外部磁場に対して検知することでESRスペクトルを得る ・不対電子を持った物質の分子構造情報
・ラジカルなどの不対電子または自由電子を持つ化学種の分子構造情報と定量
・不対電子または自由電子を持つ化学種の分子運動の速度
マイクロ波周波数:9.8GHz(Xバンド)
外部磁場:0.01~800mT
測定温度:4.2~600K(-268.95~326.85℃) (温度変化測定も可能)
紫外線照射による測定可能
・活性酸素種の同定・定量や抗酸化性物質の活性酸素消去能力(抗酸化能)評価
・ラジカル反応や光化学反応における反応中間体の同定
・Cu(II)やMn(II)など特定の遷移金属の定量
・シリコンウエハ中のPの定量
・シリコンウエハ上の薄膜中および界面の欠陥の定量
電界放射顕微鏡法
(Field Emission Microscopy)

[3次元アトムプローブ法の詳細説明にリンクします]
FEM 針状の試料先端に負の高電界を印加し、電界放出された電子を対面するスクリーンに結像、試料先端部の拡大像を得る
(まれに Field Electron Microscopy と呼ばれる場合もある)
・固体材料の表面構造 測定領域:
 先端径 100 nm オーダーの針状試料先端部
空間分解能: ~2 nm
・金属表面の微細構造
・結晶方位による仕事関数変化
集束イオンビーム法
(Focused Ion Beam)
FIB 細く集束したイオンビームを試料表面で走査し、試料をエッチング加工するとともに試料表面の形状を観察 ・微細エッチング加工
・表面形状観察
・結晶粒径評価
加工精度:~10nm
観察分解能(イオンビーム):~5nm
・透過型電子顕微鏡(TEM)や走査型電子顕微鏡(SEM)などの断面/平面観察試料の作製
・アトムプローブの試料作製
・マスク修正
・金属配線の結晶粒観察
電界イオン顕微鏡法
(Field Ion Microscopy)

[3次元アトムプローブ法の詳細説明にリンクします]
FIM 針状の試料先端に正の高電界を印加して結像ガスをイオン化、そのイオンを対面する MCP(マイクロチャネルプレート)で結像することにより、試料先端部の原子像を得る ・固体材料の表面構造、結晶構造 測定領域:先端径<100 nm の針状試料先端部
空間分解能: 単原子レベルで観察可能
・合金の微細構造
・表面吸着物の観察
フーリエ変換赤外分光法
(Fourier Transform Infrared Spectrophotometer)
FTIR 試料を透過あるいは反射した赤外干渉光を検出し、その信号をフーリエ変換処理することで赤外スペクトルを測定し物質を同定、定性分析 ・化学結合状態 測定エリア:~10μmφ ・シリコン結晶中の酸素,窒素,水素など不純物の定量分析
・異物、付着物の定性分析
・自然酸化膜の構造
・PSGおよびBSG膜の評価
・有機物の定性分析
ガスクロマトグラフ質量分析法
(Gas Chromatography/Mass Spectrometry)
GC/MS GC部のカラムで分離した各成分をMS部でイオン化し質量分析をする ・化合物の定量
・化合物の定性
感度:~ppb ・半導体デバイスの有機不純物の定性・定量
・室内環境の揮発性有機化合物の定性・定量
・異物の定性
・異臭の定性
グロー放電質量分析法
(Glow Discharge Mass Spectrometry)
GDMS Arグロー放電プラズマ等で試料(陰極)をスパッタリングし、放出された原子・中性粒子をイオン化、質量分析計により質量・エネルギー分離した後、目的イオンのイオン電流を測定 ・定量分析
・定性分析
・試料構成元素の深さ方向分布
定量範囲:数ppb~数10ppm(定量値の不確かさ50%程度)
測定面積:数10mm2~1000mm2
試料形状:(1)(2-3)mm径・角×20mm長さのピン状、(2)平板、(3)粉末・粒状
・ 高純度金属中の不純物分析(多元素同時定量、差分法)
・各種合金分析
・セラミックス中の不純物分析
グロー放電発光分光分析法
(Glow Discharge Optical Emission Spectrometry, Glow Discharge Spectroscopy)
GD-OES, GDS Arプラズマ等で試料をスパッタし、放出された原子の発光スペクトルを分光する ・試料表面、内部に存在する元素濃度
・構成元素の深さ方向分布
検出下限:数10ppm~100ppm
(元素によって異なる)
分析深さ:数10nm~100μm
測定面積:数mm2~10mm2
水素濃度の測定が可能
・バリア膜の深さ方向分析
・配線膜の深さ方向分析
・絶縁膜の深さ方向分析
イオンクロマトグラフ法
(Ion Chromatography)
IC 水溶液中のイオン成分をイオン交換により分離し、電気伝導度検出器で検出する ・無機イオン、有機酸などの 種類と濃度(既知濃度の標品との比較) 感度:サブμg/L@数十μL
サブng/L@数十mL
(試料濃縮)
・製造工程用超純水中のイオン分析
・製造環境中のイオン性不純物分析
・排液中の有害物質の定量
・大気中の酸性成分、塩基性成分の定量
・飲料水の水質管理FTIR
ヘリウムイオン顕微鏡
(Helium Ion Microscopy)
HIM ヘリウムイオンをプローブとして試料に照射し、試料より放出される二次電子や反射イオン、ルミネッセンスを測定して、試料観察を行う。 二次電子による試料表面の形態や構造、試料内構造の情報(活用領域の探索が継続されている) SE Modeの空間分解能は、≦0.35nm
pAレベルのイオン電流で観察するため、試料への熱的ダメージが極めて小さい。
・最先端の微細ピッチレジストパターン観察
・細胞など柔らかい材料の内部観察
誘導結合プラズマ質量分析法
(Inductively Coupled Plasma-Mass Spectroscopy)
ICP-MS Arプラズマ中で金属元素をイオン化し、質量分析計で元素イオンを質量で選別し、2次電子増倍管でイオンの数を検出して分析 ・固体
・液体
・気体中の金属不純物濃度
感度:pg/mL~fg/mL
(溶液中)
~1E7 atoms/cm2
(Siウェーハ表面をVPD法で前処理)
・ウェーハ洗浄薬液、超純水中の金属不純物
・ベアウェーハ表面中の金属不純物
・各種成膜装置からの金属汚染評価
・イオン注入装置からの金属汚染評価
・バルクSiウェーハ中の金属拡散汚染の評価
・CMPスラリー、high-k材料、レジスト中の金属不純物分析
・その他(一般材料等)極微量金属不純物分析
誘導結合プラズマ発光分光分析法
(Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry , Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry)
ICP-OES, ICP-AES 試料をアルゴンプラズマに導入し、高温の熱エネルギーにより励起された原子の発光スペクトルを分光する ・定量分析
・定性分析
検出下限:数十ppt~数ppb(元素・波長による) ・半導体材料の組成分析、微量不純物分析(Si単結晶、化合物半導体結晶、封止樹脂、ボンディング材、レジストや各種薬品)
・製造プロセスでの汚染評価
・故障解析、不良解析
赤外レーザ照射加熱抵抗変化検出法
(Infrared Optical Beam Induced Resistance Change)
IR-OBIRCH 半導体デバイスにバイアスを印加した状態で、走査したレーザによる局所発熱に伴い変化する電流△I(または電圧△V)を検出 ・不良位置の特定 測定エリア:~1μmφ ・リーク電流経路、配線間ショート、配線内欠陥(ボイド)などの不良位置の特定
低速電子線回折法
(Low Energy Electron Diffraction)
LEED 原子間距離相当の波長を持つ低エネルギーの電子線を照射し、表面で回折した電子を阻止電場によりふるい分けした後それを蛍光板へ当て可視化する ・試料表面のもつ周期性
・電子線強度のエネルギー依存性による表面近傍の三次元構造
ビーム径:mmオーダー
深さ情報:0.1nm~
試料電流:1nA以下から数十μA程度
視野角:100°程度
・試料表面の構造、周期性の評価
・I-V測定による表面近傍の三次元構造解析
・アイランド、テラスの大きさや間隔の評価
ナノビーム電子回折法
(Nano Beam Electron Diffraction),
ナノビーム回折法
(Nano Beam Diffraction)
NBED, NBD 平行な電子線(10nmφ)を試料に照射、得られた回折パターンの輝点間距離を測定 ・結晶構造
・結晶格子の歪み量
空間分解能:10nm
試料厚さ:<300nm
歪み分解能:0.1%
・ゲート電極や素子分離構造に起因する結晶歪み評価
・金属やシリサイドの結晶構造評価
ナノプローバ
(Nano Prober)
NP 半導体デバイスのコンタクトや配線等に直接プローブを接触させ電気特性を評価 ・トランジスタの閾値電圧
・Ion特性、Ioff特性や配線等の抵抗値など種々の電気特性
電流検出下限10fA
プローブ数4本以上
測定温度:室温~150℃(測定器、環境により異なる)
・SRAM等メモリ構成トランジスタの特性評価
・Logic部の構成トランジスタの特性評価
・配線、Via等の抵抗評価
・CNT、磁性材料等の抵抗評価
光学顕微鏡法
(Optical Microscopy)
OM 同軸落射照明や透過照明を用いて、サンプルの表面・内部の観察を行う。また、偏光・干渉・蛍光などの特殊な観察方法がある ・試料表面の状態、凹凸状況、塵/ごみ/キズの外観検査、成分の分析(偏光)、レジスト残渣(蛍光)、微小な段差(二光束干渉) 等 倍率:~1500倍(光学倍率) ・外観・形状検査(異物・キズ・パターン・塗布ムラ・BGA)
・段差測定、透明膜の厚さ測定
・LCDドライブチップ圧痕検査=微分干渉
・化合物等 結晶成長観察=微分干渉
・結晶欠陥観察=微分干渉
陽電子消滅法
(Positron Annihilation Spectroscopy)
PAS 陽電子が試料の電子と対消滅する際に放出される電磁波(消滅γ線)のエネルギー分布等を計測し、欠陥に関する情報を得る ・試料中の空隙、空孔欠陥(密度、サイズ、荷電状態) 空隙径:単一原子空孔~数10nm3
空隙密度:≧1E16 /cm3
検出深さ:表面~数μm
・シリコン結晶(バルクSi、SOI、歪みSi)
・ゲート誘電体(SiO2、high-k)膜
・ゲート電極材料(ポリSi)
・配線間層間(Low-k)膜
・配線材料(Al、Cu)
・フォトレジスト等有機膜
光音響分光法(Photoacoustic Spectrometry),
フーリエ変換赤外光音響分光法(Fourier Transform Infrared Photoacoustic Spectrometry)
PAS, FTIR-PAS 試料に強度変調した光を照射し、光吸収により生じた熱変化による圧力変化を音波として検出する方法。通常のPASは、強度変調をチョッパーによる光の断続で行うが、FTIR-PASでは、強度変調を干渉計で行い、得られた信号をフーリエ変換することにより赤外吸収スペクトルを求める。 ・光吸収スペクトル
・赤外吸収スペクトル(FTIR)
・変調周波数(FTIRでは移動鏡の速度)により、光吸収の深さプロファイルが得られる。
・繊維、フィルム、粉末等の表面処理剤のスペクトル測定、深さ方向分析など。
エミッシヨン顕微鏡法
(Photo Emission Microscopy)
PEM ホットエレクトロン等の高電界で加速されたキャリアがエネルギーを失うときに放射する光を検出 ・バイアスを印加した半導体デバイス内部におけるホットキャリアの位置
・酸化膜リーク、ラッチアップなどによる発光箇所の特定
測定分解能:~0.7μmφ ・ホットキャリア位置
・酸化膜リーク位置
・ラッチアップ位置
フォトルミネッセンス法
(Photoluminescence Spectroscopy)
PL 光によって励起された電子-正孔対が再結合するときの発光を分析 ・バンドギャップ
・結晶中の元素組成比
・結晶欠陥の種類
・欠陥分布
・再結合中心の準位
深さ:50nm~5μm
分解能:50nm~5μm
・発光デバイスの発光強度分布測定
・混晶結晶の混晶比測定
・欠陥分布測定
・バンドギャップ測定
・励起子測定
ラマン分光法
(Raman Scattering Spectroscopy)
Raman 物質に入射した光が散乱される時、フォノン等とエネルギーをやりとりして、入射光と異なった振動数で散乱される光を分析 ・結晶性
・化学結合
・キャリア密度
・測定エリア:100nmφ~数μmφ
・深さ:数nm~数μm
・空間分解能 >1μm
・深さ分解能 1-5μm
・検出感度 >1wt%
・結晶性
・半導体表面の微量分析
・半導体表面の化学結合状態
ラマン分光法(歪計測)
(Raman Spectroscopy for strain measurements)
Raman 物質に入射した光が散乱される時、フォノン等とエネルギーをやりとりして、入射光と異なった振動数で散乱される光を分析 ・応力(歪み)
・測定エリア:100nmφ~数μmφ
・深さ:数nm~数μm
・感度:応力<50MPa
・歪<0.05%
・ゲート電極や素子分離構造に起因する結晶応力評価
ラザフォード後方散乱分析法
(Rutherford Backscattering Spectrometry)
中速イオン散乱分光法
(Medium Energy Ion Scattering. Spectroscopy)
(High-Resolution Rutherford Backscattering Spectrometry)
RBS, MEIS
(HR-RBS)
加速したイオンを試料に照射し、固体中の原子によって散乱されたイオンを検出する(数MeV:RBS、数百keV:MEIS) ・元素の深さ方向濃度分布測定(原子層レベル@MEIS)
・チャンネリング法により結晶軸方位、結晶性に関する情報が得られる
深さ分解能:~1nm@MEIS
分析領域:1μm
検出下限:0.01at%
・ゲート絶縁膜(SiON膜,high-k膜)の組成評価
・各種薄膜の定量分析
走査型静電容量顕微鏡法
(Scanning Capacitance Microscopy)
SCM 試料に対して探針を走査し、探針と半導体との合成容量の変動の大きさからキャリア濃度を求め、2次元表示する ・活性化したドーパントの2次元分布
・ドーパントの濃度
・測定エリア:500nm×500nm~80μm×80μm
・面分解能:数十nm~
・深さ分解能:数nm~
・感度:
1E15~1E20atoms/cm3
・拡散領域の可視化
・拡散層のp/n 極性の判定
・不良箇所 (注入異常, リーク等) の拡散層形状評価
走査型電子顕微鏡
(Scanning Electron Microscopy)
SEM 電子線照射により放出される二次電子、反射電子等を測定し、試料表面の観察を行う ・二次電子による試料表面の形態・構造
・電位コントラスト、反射電子による組成の違い
分解能:1nm~
二次電子発生領域:数nm
・ゲート絶縁膜の膜厚、界面の凹凸
・キャパシタ絶縁膜の層構造、膜厚
・レジスト形状、エッチング形状・測長
・バリア膜の膜厚
・配線の大きさ、形状
・異物の大きさ、形状
・半導体デバイスの断面、表面形状
・不良解析、故障解析
・EBSDによる結晶解析(銅配線の結晶方位)
二次イオン質量分析法
(Secondary-ion Mass Spectroscopy)
SIMS 試料表面にイオンビームを照射、スパッタリングにより発生した二次イオンの質量を質量分析計で選別し定性、定量分析を行う ・試料表面、内部に存在する元素濃度
・構成元素の面内分布
・構成元素の方向分布
測定エリア:10~200μm
深さ分解能:10nm~1nm
検出下限(atoms/cm3):
B: 1E13~1E14、
P:1E15、
As: 1E14、
In:1E15、
Sb:1E16
・ドーパントの深さ方向分析
・ゲート絶縁膜中の成分元素の深さ分布
・各種薄膜中の各元素の深さ分布(水素を含む)
・Si基板等の表面の金属表面汚染
・不良解析、故障解析(TEG領域等)
・金属配線中の添加元素
・同位体を利用した成膜プロセスの評価
走査型非線形誘電率顕微鏡法
(Scanning Nonlinear Dielectric Microscopy)
SNDM 探針試料間に印加した交流電圧による空乏層変調(静電容量の変化 ∂C/∂V, ∂2C/∂V2 , ∂3C/∂V3・・・ )を準マイクロ波発振回路の周波数変化として検出し、2次元キャリア濃度分布の極性(p型、n型)と定性的な濃度差をAFMによる形状観察と同時にマッピングする。 ・∂C/∂V計測による2次元キャ リア濃度分布(極性、定性的な濃度差)
・DC電圧掃引による定点での∂nC/∂Vn -V カーブと、積分演算によるC-V カーブ
・強誘電体の分極
検出感度: 10-21 F
分解能: < 20 nm
観察領域: ≦ 150 μm
感度:1E13~1E20atoms/cm3
・拡散層の可視化、計測、故障解析
・pn接合深さ計測
・局所C-V特性、∂nC/∂Vn -V特性取得
・エピ層評価
・SiCパワーデバイス、IGBT等のキャリア分布
・GaN/AlGaN、2次元電子ガスの可視化
・SiC、GaNウエハなどの結晶欠陥
・SRAM(表面コンタクトホール側からの観察)
・Flashメモリに蓄積された電荷分布
・強誘電体デバイス、強誘電体メモリの分極
固体核磁気共鳴法
(Solid-state Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy)
Solid-state NMR 試料を外部磁場下に置くことで原子核に生じるエネルギー準位間での励起を起こし、スペクトルを観測する ・化学構造分析(定性)
・組成分析
感度:~mol%
核種によって異なる
試料量:数mg~数百mg
・Low-k膜の組成分析
・LEDの劣化解析
・DLC(Diamond Like Carbon)膜の組成分析(sp2・sp3の割合)
・レジスト構造解析
走査型プローブ顕微鏡
(Scanning Probe Microscope)
SPM 先鋭化した探針(プローブ)を試料表面に近づけ、表面を走査することにより、試料の三次元形状や局所的物性を極めて高い倍率で観察する顕微鏡の総称。走査型トンネル顕微鏡(STM)、原子間力顕微鏡(AFM)、走査型静電容量顕微鏡(SCM)、走査型拡がり抵抗顕微鏡(SSRM)、走査型非線形誘電率顕微鏡(SNDM)等がある
拡がり抵抗測定法
(Spreading Resistance Analysis)
SRA Si基板を斜めに研磨し、研磨面に沿って2本の探針を押し当て抵抗を測定する ・深さ方向の抵抗率分布及びキャリア濃度分布 抵抗率:0.001~1000Ω・cm
キャリア濃度:1E13~1E20 /cm3
測定深さ:100nm~数百μm
・ソース・ドレインなどイオン注入・活性化後のキャリア濃度分布
・エピ膜のキャリア濃度分布
走査型拡がり抵抗顕微鏡法
(Scanning Spreading Resistance Microscopy)
SSRM 試料に対して探針を走査し探針に流れる電流を対数アンプで増幅し、抵抗値として計測、2次元表示する ・活性化したドーパントの2次元分布
・ドーパントの濃度
・測定エリア:
100nm×100nm~80μm×80μm
・面分解能:数nm~
・深さ分解能:数nm~
・感度:1E15~
1E21atoms/cm3
・拡散領域の可視化
・Poly-Si ゲートのドーパントの可視化
・不良箇所 (注入異常, リーク等) の拡散層形状評価
走査透過電子顕微鏡法
(Scanning Transmission Electron Microscopy)
STEM 集束電子線を試料上で走査することで得られる透過電子の強度を検出、2次元画像化することで試料構造を可視化する ・試料微細構造
・結晶欠陥像
・組成コントラスト
・原子オーダの組成分布(EDS)
分解能:0.1nm
試料厚さ:<数百nm
・各種微細構造観察
・ゲート絶縁膜の膜厚計測、凹凸形状観察
・MOS-FETのドーパント分布観察(EDS)
・層間絶縁膜の組成コントラスト像観察
・結晶歪み分布観察(LAADF)
走査型トンネル顕微鏡
(Scanning Tunneling Microscope)
STM 先鋭化した探針を試料表面に近づけ、流れるトンネル電流が一定になるように、表面を走査して3次元形状画像を得る 3次元形状、原子位置、局所バリアハイト、局所電子状態、電気的特性(局所的な電圧‐電流特性)、スピン(磁化した探針を利用) 垂直分解能0.01nm、水平分解能0.1nm(原子分解能)、但し凹凸の大きな三次元形状では、探針の形状が重畳される。 ・表面の三次元形状・粗さ
・材料表面の表面の原子構造
・薄膜の表面形態の計測
・半導体のドーパント検出
・材料表面の局所仕事関数
・電気化学反応(液中STM)
・スピン電流情報
昇温脱離ガス分析法
(Thermal Desorption Spectrometry, Temperature Programmed Desorption)
TDS, TPD 試料温度を所定の速度で昇温しながら、表面から脱離するガス成分や蒸発種の質量分析をおこなう ・試料表面および内部から脱離するガス種と脱離温度、脱離量
・脱離温度の違いから、化学結合状態の分析
感度:~1E14/cm2 ・製造工程中の熱負荷時に発生するガス種、ガス量のプロセスインテグレーション(製造工程)依存性の評価
・製造工程による表面残渣やダメージの評価
・薄膜材料からのH2、H2O等の脱離温度特性、脱離量の評価
・有機薄膜材料からの脱離ガス種の評価
透過電子顕微鏡法
(Transmission Electron Microscopy)
TEM 100nm以下に薄片化した試料に、電子線を透過させ、その散乱、吸収、回折によるコントラストを観察 ・微細形状評価
・結晶学的情報(結晶のサイズ、結晶欠陥)
エリア:数nm~数十μm
分解能:0.1nm~0.3nm
・デバイスの形状(トランジスタ、配線)
・結晶粒径
・結晶欠陥(転位、積層欠陥)
飛行時間型二次イオン質量分析法
(Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry)
TOF-SIMS 固体表面にパルスイオンを照射し、放出された二次イオンの飛行時間と量から表面を構成する原子、分子種を同定する ・固体表面の原子・分子種
・原子・分子種の面内分布
・原子・分子種の深さ方向分布
分解能:100nm
検出下限:ppm程度
分析深さ:<1nm
・基板や配線表面の汚染原子,分子評価
・微小領域の原子,分子分析
・微小領域の原子,分子種の面内分布
・ゲート絶縁膜の深さ方向分析
全反射蛍光X線分析法
(Total Reflection X-ray Fluorescence, Total Reflection X-ray Fluorescence Method)
TXRF 試料にX線を臨界角以下の低角度で照射し、表面から発生する元素固有の蛍光X線のエネルギーと強度から定性・定量分析を行う ・表面の平均不純物濃度
・部分的な不純物濃度(マッピング)
分析対象元素:Na~U
検出下限値:1E9atoms/cm2 (Fe,Ni)、1E7 atoms/cm2 (Fe,Ni)@VPD適用時
・各種プロセス(成膜、洗浄など)の汚染評価
・ウェーハ搬送時の汚染評価(裏面、エッジ、ベベル)
紫外線光電子分光法
(Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy)
UPS 高真空下の固体表面に紫外線照射を照射し、放出される電子のエネルギー分布を測定する ・価電子帯の電子構造
・金属の仕事関数
エネルギー分解能:0.1eV
測定深さ:1nm
測定面積:φ800μm
・金属の仕事関数測定
・半導体のイオン化ポテンシャル測定
・試料の化学状態
X線吸収微細構造法
(X-ray Absorption Fine Structure)
XAFS 特定の原子にX線を照射し、原子の内核軌道電子を非占有軌道以上のエネルギー状態に励起することにより得られる吸収スペクトル励起状態とエネルギーによりXANES(X-ray Absorption Near Edge Structure:X線吸収端構造)やXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure: 拡張X線吸収微細構造)と呼ばれる ・化学状態分析、酸化数、対称性
・特定原子種の局所構造(結合距離、配位数)
深さ:10nm~数cm
感度:wt%~10ppm
濃度:0.01mol dm-3 aq.
・high-k材料の化学状態分析、局所構造
・基板上のエッチング残渣
・パッケージング材料の微量元素分析(環境対策、規制対策)
X線散漫散乱法
(X-ray Diffuse Scattering)
XDS 均一な物質(媒質)中に分布している微粒子や空孔の電子密度が媒質と異なることによって生じるX線散漫散乱を分析する ・物質(媒質)中の粒子または空孔の粒径(空孔径)分布 粒径(空孔径):1~100nm ・層間絶縁膜(Low-k膜)中の空孔サイズ分布
X線光電子分光法
(X-ray Photoelectron Spectroscopy)
XPS X線を試料表面に照射し、放出される電子のエネルギーから、試料表面元素の定性・定量を行なう ・試料表面の元素の定性、定量
・化学結合状態分析
・バンドダイアグラム
・主成分元素の深さ方向分布,化学状態深さ方向分析@イオンスパッタ
エリア:数十nm~数mm
深さ:数nm~10nm
感度:0.1%程度
・基板や配線材料など表面の化学結合状態分析
・ゲート絶縁膜の深さ方向分析
・ゲート絶縁膜と基板のバンドダイアグラム(ゲート絶縁膜と基板、容量絶縁膜と電極)
X線ロッキングカーブ法
(X-ray Rocking Curve)
XRC X線が結晶格子によって回折するときの回折強度曲線を測定し、結晶性や薄膜の組成・膜厚を分析する ・単結晶基板または単結晶上にエピタキシャル成長した単層および多層薄膜の格子定数や結晶方位、歪
・エピタキシャル膜の固溶体組成比や膜厚
・結晶方位から試料湾曲度
・超格子周期構造
完全性の高い単結晶で鏡面状の試料
格子定数精度:1E-5nm
薄膜膜厚:10~1000nm
・主な対象物質 III-Ⅴ族化合物半導体、VI族半導体
・基板結晶(Si,GaAs,GaN)の結晶性,結晶方位
・基板結晶上のエピ膜 結晶性・組成・膜厚
X線回折法
(X-ray Diffraction)
XRD 試料にX線を照射し、回折したX線から、結晶構造の解析や未知試料の同定分析を行う ・単結晶基板や単結晶薄膜の結晶方位
・薄膜の組成や結晶性、配向性
分解能:⊿d/d=0.0001~0.01%(d:結晶の面間隔)
膜厚:数10nm以上
・基板結晶の結晶方位
・シリサイド膜組成
・配線メタル膜配向性
・高・強誘電体膜の結晶性
・化合物半導体の結晶性、組成、(膜厚)
蛍光X線分析法
(X-ray Fluorescence Analysis, Fluorescent X-ray Analysis)
XRF 試料にX線を照射し、試料から発生する蛍光X線の波長(エネルギー)と強度を測定し、定性・定量分析を行う ・膜厚測定
・組成分析
測定エリア:0.1mmφ~40mmφ
深さ:0.1nm~数μm
定性分析:Be~U
定量分析:ppm
・BPSG膜の膜厚・組成分析
・P doped Poly-SiのP濃度分析
・高・強誘電体薄膜の膜厚・組成分析(HfOx膜、PZT膜等)
・WSix膜の膜厚・組成分析
・裏面電極用多層膜の膜厚分析(Au/Ni/Ti等)
・磁気ディスク・ヘッド用多層膜の膜厚分析
・DLC膜のカーボン膜厚分析
X線反射率分析法
(X-ray Reflectometry Analysis)
XRR 試料にX線を低角入射させ、反射するX線を測定することによって、試料表面の薄膜構造を分析する ・膜厚
・密度
・表面・界面粗さ
膜厚:1nm~1000nm
粗さ:<2nm
密度:>1.0g/cm3
・SiGe、SiC膜厚
・High-k/メタルゲート膜厚
・シリサイド膜厚
・キャパシタ絶縁膜膜厚
・強誘電体膜膜厚
・層間絶縁膜密度・膜厚
・配線膜膜厚
X線回折トポグラフ法
(X-ray Diffraction Topography)
XRT 回折X線強度のマッピング画像を撮影する事により、結晶内の欠陥や歪みなどの分布や形状を2次元画像情報として観察する方法 ・単結晶材料における結晶欠陥(各種転位、スリップ、クラック、加工キズ、積層欠陥、析出物 等々)の分布
・形状を濃淡模様として表示した画像データ
エリア:数mm~300mmΦ
分解能:数μm~100μm
定量化(数値化):画像濃度の諧調データ(256諧調)
・シリコンウェハのスリップ観察
・析出分布観察
・デバイスプロセス起因の表層の微小欠陥
・ヘテロエピ、P/P+エピなどのミスフィット転位
・研磨によるマイクロクラック等のダメージ分布
・単結晶基板(SiC、GaN、GaAs、Sapphire等)の各種転位(刃状転位、らせん転位、基底面転位)観察
触針法
(Stylus Method)
試料表面に触針を接触させて走査し、表面の形状(凹凸)を測定する。触針の上下変位の検出には差動トランスを用いていることが多い ・表面形状
・膜厚(段差)
・粗さ
・うねり
分解能:~0.1nm
垂直レンジ:~1mm
走査距離:~100mm
触針圧:~15mg
・金属膜含む各種薄膜の膜厚(段差)測定
・各種試料表面の形状、粗さ、うねり測定
電子線ホログラフィ法
(Electron Beam Holography, Electron Holography)
試料を透過しない電子線と試料を透過した電子線を干渉させることで、試料により生じる位相差を可視化する。干渉には電子線バイプリズムを利用する ・視野内のポテンシャル差
・電位差、電磁場、試料厚さ
エリア:数nm~数μm
空間分解能:0.1nm~数nm(試料状態に依存)
・拡散層の観察
・試料内の磁区構造
・真空中の磁場分布

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