走査型容量顕微鏡(SCM)技術とその応用

山本亮一

群馬産業技術センター　環境材料グループ

要旨　走査型容量顕微鏡(SCM)は走査型プロ-ブ顕微鏡(SPM)技術の一つであるが､本稿ではそ

の現状と応用についてレビューした。現在その性能は、面内空間分解能が約2 nm、容量検出感度

が約10-21Fに達している。SCMの応用として最も盛んな分野は、半導体分野におけるキャリア

濃度分布のイメージングである。SIMS、シミュレーション等との比較検討が重ねられ、測定結果

に対して定量性が得られつつある。　また､ SCMの高密度記録への応用研究も行われている。現在

では､強誘電体分極ドメインを用いたTbit/inch2の記録再生が実現されている。今後､ SCM自

体の性能向上に関する研究と､ SCMの高面内分解能､高感度容量計測､高信号帯域等の特徴を生

かした新たな分野への展開､発展が期待される。

Keywords :走査型容量顕微鏡，Scaning Capacitance Microscopy，SCM

1　はじめに

走査型容量顕微鏡(SCM)は､いわゆる走査型プ

ローブ顕微鏡(SPM)技術の一つである。SCMの容

量検出技術の原型は、実はSPM技術の先駆けとなっ

た走査型トンネル顧微鏡の発明よりも古く､ 1970年

台後半RCA社によりビデオディスク用に開発され

たものにまで遡る[1]。その後､ 1986年に原子間力

顕微鏡(AFM) [2]が発明されたことを契機に､その

力検出技術と位置制御技術を応用して様々なSPM

が開発されてきた　SCMも､その一つとして発展

を遂げてきた｡

本稿では、SCMの原理を簡単に鋭明し､ SCM技

術の最新研究レベル､また、SCMのいわゆる顕微

鏡としての代表的な応用事例を紹介する。最後に､

SCMの情報記録応用について紹介する。

2　SCMの原理と最新の研究レベル

SCMを構成する重要な部分は､ SCMの特徴であ

る静電容量検出部と､ SPMには必須となるプロー

ブ－試料スペーシング制御部の2つである。各々これ

までに様々な方式が研究され、その組み合わせが試

みられてきている｡その代表的なものを以下に示す｡

先ず､静電容量検出方式としては､

・　高周波共振器型

－　RCA型[1]

－　VHF型[3]

－　同軸共振器型[4]

・　力検出型[5]､

また､プローブ－試料スペーシング制御方式としては､

・　コンタクトモード

－　コンタクトモードAFM型

－　タッピングモードAFM型

・　ノンコンタクトモード

－　ノンコンタクトモードAFM型

－　容量フィードバック型[6]

－　エバネッセント光フィードバック型[7]

等がある｡

SCMの典型的な概念図を図1 [8]に示す。図の例

では､図中Capacitance SensorがRCA型容量セン

サーであり､これで容量(C)の検出する。更に、試

料に交流電圧を印可しlock-in検出する事によって

dC/dVも検出し得る系になっている。プローブ(図

中はtip)-スペーシング制御は、レーザー光の反射を

用いた光てこ方式によるコンタクトモードAFM型

群馬県分析研究会会報第29号よりの再録である。同研究会事務局の許可済み。

を用いている。従って、SCM像とコンタクモード

AFM像とを同時に取得することができる。このよ

うなSCMは、マルチモードSPMとして市販もさ

れている［9］。

SCMの中で最も特徴的なRCA型容量検出の原

理を簡単に説明する（図2）。

検出回路は、ストリップラインを用いたLC共振

回路を基本としている。Lはストリップラインとプ

ローブまでのフライリード、Cは測定すべき試料とプ

ローブ間の容量（Ctip）とその他の浮遊容量（Cstray）

である。ここでCtipが変化すると、共振周波数が変

化する。その変化をフィードバックしバラクタダイ

オード容量で補償する。このバラクタダイオードへ

の補償電圧をもって、試料とプローブ間の容量変化

（△Ctip）を代表する訳である。

典型的な回路定数とその時の容量検出感度は、キャ

リア周波数が1GHz、共振回路のQが約30、Cstray

が約0.1pであり、その時、△Ctip＝0.1×10－15Fの

検出が可能である。これは、シリコン中で0.1μm口

の平行平板コンデンサーを考えた時の10nmの

ギャップ変化に相当するものである。

現在では、さらに試料面内の空間分解能、及び

容量検出感度の向上が図られている。最新の報告

では、空間分解能が約2nm［10］、容量検出感度は

10-21F（zepto-farad）［11］に達している。

これまで面内空間分解能が他のSPMに比べて劣

る事がSCMの応用の拡大を妨げてきた一因であっ

たが、近年AFMと同様な分解能が得られるよう

になった事で、SCMの適用分野の広がりが期待さ

れる。

このRCA型容量センサーのもう一つの大きな特

徴として、信号帯域が広い事もあげられる。前述の

例では約10MHz程度の信号帯域が得られている。

これは、SPM技術の中では最も高速に信号が検出

できるもののひとつである。

SCMの代表的な特徴をまとめると、

・　超高感度な容量検出

・　高帯域な容量信号

・　AFMレベルの高面内分解能

である。

3　SCM技術の分析的な応用

3．1　半導体キャリア濃度分布のイメージ

ング

SCMが、いわゆる顕微鏡として最も多く用いら

れている分野が、半導体のキャリア濃度のイメージ

ングである。

LSIプロセスにおいては、Siウエファーに種々の

デバイスを形成してゆく。この時、キャリアのp，n

の極性やその濃度のコントロールをすべく、不純物

ドープが行われる。これまで、そのドープ部分の境

界の区別や、その結果としてのキャリア濃度の変化の

様子を、直接的にイメージングする方法が無かった。

これが、SCMの出現により可能になったのである。

SCMにより半導体のキャリア濃度がイメージングで

きる原理を簡単に説明する。半導体キャリア濃度と静

電容量は、MIS（Metal-Insulator-Semiconductor）

ダイオードの原理により直接的に関係する。SCM

測定の様子を概念的に表すと、図3に示す様に、SCM

のプローブがゲート電極（MISのM）、プローブと半

導体（MISのS）の間のギャップが絶縁層（MISのI）

となり、MISダイオードを形作る。MISダイオード

では、良く知られているように、ゲート電極の極性

と半導体の極性との関係で、表面近傍の半導体キャ

リアに蓄積、空乏が生じ、容量が変化する。

ここで、半導体がp型、プローブに＋電位が印可

された時（n型に－電位でも同じ）、空乏層の飽和深

さ（dm）とキャリア濃度（Na）とは、

の関係がある［12］。ここで、Aは、プローブ－試料が

形成する容量の有効電極面積、ε0は真空の誘電率、

εsは半導体の比誘電率、kはボルツマン定数、Tは

温度、niは真性キャリア濃度、qはキャリア電荷で

ある。

SCMの計測にかかる容量（C）は、平行平板近似で、

であるから、キャリア濃度がSCMによりイメージ

ングできるわけである。

図4は、DigitalEquipment社（現Veeco社）のカ

タログにあるSCMによるSiの不純物ドープ部分の

キャリア濃度のイメージング例である。図中には、

SCM測定に基づいたキャリア濃度コンターが描か

れている。彼らによれば、SIMSによる不純物濃度

の計測結果と比較しても、比較的定量性をもってイ

メージングできている由である。

Kopanskiらは、SCMのデータから3次元的な

ドーパント濃度を決定する為の研究を精力的に続け

ている［13］。

3．2　誘電率分布のイメージング

SCMは、静電容量の変化をイメージングするも

のであるから、局所的な誘電率の変化をイメージン

グする事ができる。

例えば、強誘電体あるいは高誘電率材料の薄膜に

おいては、表面モフォロジー的には変化が見られな

くても、局所的な膜構造の違いにより誘電率が異なっ

ている部分が存在することがある。これをSCMに

よってイメージングすることができる。図5［8］に

は、Nakagiriらによる典型的な測定例を示す。

Choらは、同軸型検出器を用いることにより誘電

率の非線形成分を測定する事で、強誘電体分極をイ

メージングすることに成功している。

強誘電体の分極の方向の違いは、原理的には、線

形誘電率の変化に反映されない。いわゆる容量測定

は誘電率の線形部分のみを計測しているものであり、

従って分極の方向は区別できない。Choらのように

非線形成分を計測することによって、はじめて分極

方向の直接計測が可能になるわけである。

Choらは、ドメインサイズ25nmの分極のイメー

ジングに成功しており、後述するように、これを応

用した超高密度記録の研究も行っている。

以上のようなSCMによるイメージング技術は、近

年のSCM性能の向上と、半導体技術分野における

強誘電体あるいは高誘電率材料薄膜の必要性の向上

に伴い、今後ますます広がって行くものと思われる。

4　SCM技術の情報記録への応用

4，1　電荷保持型メモリー

元来が情報記録技術として開発されたSCM技術

は、様々な高密度記録に応用する研究が行われて

いる。

最も多い例は、シリコンメモリーのEEPROMと

呼ばれるプログラマブルメモリの原理を応用した

ものである。その代表的な例、Iwamuraらによる

電荷保持層としてSiNを用いたSiN/SiO2/Si積層

（NOS）媒体用いた例を図6［14］に示す。

この系において、プローブ（図6中ではrotating

electrode）とシリコンとの間にある一定以上の電圧

を印可すると、半導体キャリアが薄いSiO2層をト

ンネリングしてSiN層に注入され、トラップされ

る。これで情報がメモリーされたわけである。§3．1

で述べた様に、MISダイオードでは、絶縁層上のポ

テンシャルの影響により半導体層のキャリアに空乏、

蓄積が生じ容量が変化する。図6では、SiN層にト

ラップされた電荷の影響により空乏層の有無が生じ、

SCMによりその変化が検出される。すなわち、情

報が再生されたことになる。

このようなキャリアを保持する機構を用いたメモ

リーとしては、他に様々な媒体が研究されている。

ONOS媒体［15］、絶縁体中の金属ナノクラスタ［16］

を用いた例などがある。

4.2　強誘電体メモリー

前述の電荷保持型メモリーの記録密度、情報不揮

発性、オーバーライト性などを改良したものに、強

誘電体分極を用いたものがある。

図7［17］は、強誘電体/半導体積層構準（FS）媒

体を用いた例である。（図中のMobile electrodeが

SCMのプローブに相当する。）この例では、図のよ

うに反平行の分極を交互に存在させることで、電荷

保持型メモリーに比べて、より高密度な記録が可能

となる事が示されている。

さらに前述のように、Choらは単層の強誘電体を

媒体に用い、より高密度化な情報記録再生を実現して

いる［4］。彼らは、強誘電体として単結晶のLiTaO3

を、検出方法としては同軸型検出方法（図8［4］）を

用い、記録再生実験を行った。最も高密度なケース

では、記録ドメインサイズ25nm、記録密度に換

算してTbit／inch2の記録再生に成功している（図9

［4］）。これは、他のSPMによる高密度記録研究に

匹敵するレベルである。

今後は、ここで紹介したような技術を基盤として、

SCM技術の特徴を組み合わせてゆく事により、他

のSPM技術には無い特徴的な情報記録技術が開発

されて行くものと期待される。

5　まとめ

SCMは、ビデオディスクの技術から端を発し、

SPM技術の発展と相まって発展を続けてきている。

その性能は、面内空間分解能が約2nm、容量検出感

度が約10-21Fに達している。拙文では、SCMの

原理と、その応用についてレビューした。

ここでは紹介仕切れなかった研究例として、例え

ばSCMの信号帯域の広さを生かし、表面弾性波の

振動を直接計測する［18］、といったユニークな研究

もある。

今後のSCM技術は、顕微鏡としての基本的な性

能の向上を目指す研究と、SCMのもつ特徴をさら

に存分に発揮するような応用的研究とが、ともに広

がって行くものと期待している。

参考文献

[1] R.C. Palmer, E.J. Denlinger, and H.

Kawamoto. RCA Review, Vol. 43, p. 194,

1982.

[2] G. Binnig, C.F. Quate, and C.H. Gerber.

Phys. Rev. Lett., Vol. 56, No. 9, p. 930,

1986.

[3] M. Dreyer and R. Wiesendanger. Appl.

Phys., Vol. A 61, p. 357, 1995.

[4] A. Hiranaga, K. Fujimoto, Y. Wagatsuma,

Y. Cho, A. Onoe, K. Terabe, and K. Kita-

mura. Tech. Report IEICE, Vol. MR2002,

No.11, p. 13, 2002.

[5] Y.M. Martin, D.W. Abraham, and H.K.

Wickramasinghe. Appl. Phys. Lett.,

Vol. 52, No. 13, p. 1103, 1988.

[6] K. Sanada, R. Yamamoto, and S.

Umemura. Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 33,

No.11, p. 6383, 1994.

[7] T. Sakai, M. Kohono, S. Hirae, I. Nkatani,

and T. Kusuda. Jpn. J. Appl. Phys.,

Vol. 32, No. 9, p. 4005, 1993.

[8] N. Nakagiri, T. Yamamoto, H. Sugimura,

Y. Suzuki, M. Miyashita, and S. Watan-

abe. Nanotechnology, Vol. 8, No. 3A, p.

A32, 1997.

[9] http://www.veeco.com/.

[10] S. Lanyi and M. Hruskovic. J. Phys. D,

Vol. 36, No. 5, p. 598, 2003.

[11] T.Tran, D.R. Oliver, D.J. Thomson, and

G.E. Bridges. Rev. Sci. lustrum., Vol. 72,

No. 6, p. 2618, 2001.

[12] S.M. Sze. Physics of Semiconductor De-vices, chapter 7. John Wiley & Sons, New

York, second edition, 1981.

[13] J.F. Marchiando and J.J. Kopanski. J. Ap-

ply. Phys., Vol. 92, No. 10, p. 5798, 2002.

[14] S. Iwamura, Y. Nishida, and K.

Hashimoto. IEEE Trans. Electron

Devices, Vol. ED-28, No. 7, p. 854, 1981.

[15] I. Fujiwara, S. Kojima, and J. Seto. Jpn.

J. Appl Phys., Vol. 35, No. 5A, p. 2764,

1996.

[16] D.M. Schaadt, E.T. Yu, S.Sanker, and

A.E. Berkowitz. Appl Phys. Lett., Vol. 74,

No. 3, p. 472, 1999.

[17] R. Yamamoto, K. Sanada, and S.

Umemura. Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 33,

No. 10, p. 5829, 1994.

[18] T. Kawasaki, K. Mizutani, and K. Nagai.

“ú–{‰¹‹¿Šw‰ï•u‰‰˜_•¶•W,vol. 2-P-15,p.

1085, 1996.