米乐m6官方网站（AIST）纳米电子研究所（所长：Tetsuji Yasuda）纳米尺度表征与加工研究组的Tetsuya Tada（组长）和Koichi Fukuda（高级研究员）开发了扫描隧道显微镜（STM）模拟技术，用于高精度测量微观中的杂质浓度分布晶体管。

由于STM可以测量反映半导体样品表面静电势和半导体内载流子浓度的隧道电流，因此有望用于测量微型晶体管中的掺杂剂杂质浓度分布。然而，STM需要向样品施加电压进行测量，因此无法准确测量电位分布，因为施加的电压和流过样品的电流会改变样品的电位分布。因此，为了获得正确的电位分布，需要消除这些影响。所开发的模拟技术能够利用计算机模拟消除在STM探针和半导体样品之间施加的电压的影响，特别是在探针和样品之间流动并且在样品内部流动的隧道电流的影响。利用该技术，可以使用 STM 高精度测量电势和杂质浓度分布。由于这将实现纳米级的精确测量，因此有望为下一代晶体管的开发做出贡献。

这项技术的详细信息将发表在美国物理研究所的科学期刊上，应用物理学杂志，在不久的将来。

半导体样品STM测量的计算机模拟 根据探针位置的杂质浓度的电流是通过包括探针和半导体样品的计算获得的。

随着大规模集成电路（LSI）的最新发展，晶体管的小型化已接近极限，需要对杂质掺杂剂进行高精度控制。这需要以高空间分辨率测量杂质浓度分布，而STM作为高空间分辨率测量的非破坏性方法已引起人们的关注。 STM测量的概念图如图1所示。当在半导体样品和STM探针之间施加电压时，隧道电流将会流动，具体取决于样品表面的静电势和探针正下方的载流子浓度。预计由于STM使用探针进行扫描，隧道电流反映了每个位置的杂质浓度，因此可以测量n型和p型杂质浓度分布。

但是，由于STM探针和样品之间施加了电压，在施加电压和流过样品的隧道电流的作用下，探针正下方的静电电位和载流子浓度会发生变化，无法获得实际的杂质浓度。需要计算机模拟来消除这种影响，但到目前为止，尽管已经提出通过 STM 模拟在原子尺度上解决这个问题的建议，但还没有计算机模拟技术可以分析半导体样品内广泛流动的电流的影响。

图1：半导体样品的STM测量概念图 隧道电流反映杂质浓度，例如n型或p型，紧接下面 探测器。左图中所示的每个位置的电流-电压曲线都会有所不同 根据所在位置的杂质浓度，如右图所示。

AIST纳米电子研究所的纳米表征和加工研究小组一直在开发通过将TCAD技术（一种计算机模拟技术）应用于微观半导体器件的高精度物理分析来以纳米级精度测量物理量的方法。

在这项研究中，通过假设测量值差异的原因，使用缩小关键因素范围的研究方法，开发了一种计算机模拟技术，以尽可能准确地再现和分析 STM 测量结果。

开发的STM模拟器通过半导体生产过程模拟设置半导体样品和STM探针的结构。通过输入STM测量条件，自动再现STM测量程序，例如自动调整样品与探针之间的距离或探针的扫描，以通过半导体器件模拟来预测隧道电流-电压曲线。

图2显示了模拟中电流计算的概念图。结合半导体器件模拟，可以计算样品和探针之间流动的隧道电流以及半导体中流动的电子和空穴电流，而不会出现不一致。

图2：模拟当前计算的概念图

图3显示了通过STM测量的已知杂质浓度的半导体样品（用●标记表示）的电流-电压曲线以及从开发的模拟中获得的预测值（用实线表示）。已经证明，考虑半导体内电流的影响使得首次能够准确计算半导体样品的测量值。

图3：通过STM测量的半导体样品的电流-电压曲线（点）和模拟结果（实线） 模拟以良好的精度再现了测量结果。 （测量极限达到 3 x 10-13[A]) 虚线表示不考虑电流扩散的模拟结果，与测量值不匹配。

图4显示了使用所开发的技术估计杂质分布的计算机模拟测试的结果。通过半导体制造工艺模拟（用线表示）假定n-p结的杂质浓度分布，然后使用开发的模拟器预测STM测量结果。根据预测的STM测量结果，利用开发的模拟技术反向获得浓度分布，并与一开始假设的浓度分布进行比较。从与假设的杂质分布不同的杂质分布的初始值开始，通过标记指示所获得的浓度分布。获得的浓度分布与初始假设浓度非常匹配，精度约为 001 μm (10 nm)。如前所述，通过使用开发的模拟器，可以通过 STM 测量高精度地估计半导体样品的杂质分布。

图4：n-p结杂质分布的估计测试结果

所开发的STM模拟技术将提供给半导体器件开发商，以加速微型器件的实现，也将提供给STM测量人员，为测量方法的改进做出贡献。此外，它将在筑波纳米技术创新竞技场（TIA-nano）和AIST超级洁净室协作大楼与工业界和学术界合作，用作进一步开发下一代技术的共同基础设施。