独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长中钵良二]（以下简称“AIST”）纳米电子研究部[研究部主任安田哲二]纳米测量和工艺技术研究小组研究组组长多田哲也和首席研究员福田浩一正在致力于高精度测量微晶体管的杂质浓度分布扫描隧道显微镜(STM；扫描隧道显微镜)开发模拟技术。
STM是半导体样品的表面静电势以及半导体职业生涯反映浓度隧道电流微型晶体管掺杂剂有望用于杂质浓度分布测量。然而，由于STM在测量过程中向样品施加电压，因此电压和样品内部流动的电流会改变样品的电位分布，从而无法准确测量电位分布。因此，为了获得正确的电位分布，必须消除该影响。新开发的模拟技术利用计算机模拟来消除在STM尖端和半导体样品之间施加电压的影响，特别是在尖端和样品之间流动并且在样品内部流动的隧道电流的影响。该技术使得使用STM高精度测量电势和杂质浓度分布成为可能。这项技术预计将有助于下一代晶体管的开发，因为它将实现纳米级的精确测量，而这在以前一直是困难的。
这项技术的详细信息将发表在美国物理学会的科学杂志上应用物理学杂志
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半导体样品STM测量的计算机模拟
与尖端位置处的杂质浓度相对应的电流可以通过包括尖端和半导体样品的计算来获得。 |
近年来大规模集成电路（LSI）的发展，所用晶体管的小型化已接近极限，并且需要对杂质掺杂剂进行高精度控制。昂贵的那个空间分辨率中的杂质浓度分布至关重要，STM作为一种能够以高空间分辨率测量的非破坏性方法而受到关注。图1显示了半导体样品的STM测量概念图。当在半导体样品和 STM 尖端之间施加电压时，隧道电流会根据尖端正下方的样品表面上的静电势和载流子浓度流动。由于STM使用探针进行扫描，因此隧道电流反映了每个位置的杂质浓度。n型/p型的杂质浓度分布。
然而，由于在STM尖端和样品之间施加了电压，因此尖端正下方的静电电位和载流子浓度会由于施加的电压和样品内流动的隧道电流而发生变化，从而无法获得有关实际杂质浓度的信息。人们需要STM计算机模拟来消除这种影响，但尽管已经提出了原则上可以在原子尺度上解决的STM模拟，但还没有计算机模拟技术可以分析半导体样品内广泛的电流流动的影响。
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| 图1 半导体样品STM测量概念图 |
| 隧道电流反映了尖端正下方的杂质浓度，例如n型和p型，因此左图中各点的电流-电压特性根据该位置的杂质浓度而不同，如右图所示。 |
AIST纳米电子研究部纳米测量和工艺技术研究小组正在进行计算机模拟，以提高微型半导体器件物理分析的准确性TCAD我一直致力于开发一种利用技术以纳米精度测量物理量的方法。
这次，我们致力于开发一种计算机模拟技术，该技术可以通过逐一假设与测量值差异的原因并缩小重要因素范围的研究方法，尽可能准确地再现和分析 STM 测量结果。
新开发的STM模拟器可以模拟半导体样品和STM尖端的结构半导体制造工艺模拟构建时输入STM测量条件，自动再现样品与尖端之间距离的自动调整和尖端扫描等STM测量程序，半导体器件模拟测量的隧道电流-电压特性
图2显示了模拟电流计算的概念图。通过结合半导体器件模拟技术，可以一致地计算样品和探针之间流动的隧道电流，以及半导体内部流动的电子和空穴电流。
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| 图2 模拟电流计算概念图 |
图3显示了通过STM测量的已知杂质浓度的半导体样品的电流-电压特性（用标记●表示）和新开发的模拟器的预测值（用实线表示）。首次验证了通过考虑半导体内部电流的影响，可以高精度计算半导体样品的测量值。
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图3 STM测量的半导体样品的电流-电压特性（点）和模拟结果（实线）
模拟准确再现测量结果 (3x10-13[A] 以下是 STM 测量限制）。
虚线是忽略当前价差的模拟结果，与测量值不匹配。 |
图 4 显示了使用新开发的技术估算杂质分布的计算机测试结果。具有半导体制造工艺模拟n+p 路口，我们使用新开发的模拟器来预测STM测量结果。根据预测的STM测量结果，我们利用这种模拟技术逆向确定浓度分布，并将其与最初假设的浓度分布进行比较。由标记指示从与假设的杂质分布不同的杂质分布的初始值开始估计的浓度分布。估计的浓度分布与最初假设的杂质浓度分布非常吻合，精度为 001 µm (10 nm)。这样，使用新开发的模拟器，就可以通过STM测量高精度地估计半导体样品的杂质分布。
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| 图 4 n+P结杂质分布估计测试结果 |
新开发的STM模拟技术将提供给半导体器件开发商，加速显微器件的实现，也将提供给STM测量人员，为改进测量方法做出贡献。此外，筑波创新竞技场纳米技术中心 (TIA-nano)YAIST超洁净室（SCR）产学官协同研究大楼将用作工业界和大学的共享基础设施，共同推进下一代技术的研究。