JP2008196929A - Secondary ion mass spectroscopy and semiconductor wafer analysis method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、試料中に分布する元素の種類と深さ方向へ濃度分布等のプロファイルを測定する二次イオン質量分析法及びこれを利用した半導体ウェハの分析方法に関する。 The present invention relates to a secondary ion mass spectrometry method for measuring a profile such as a concentration distribution in a depth direction and the kind of elements distributed in a sample, and a semiconductor wafer analysis method using the secondary ion mass spectrometry method.
従来より、固体試料の表面組成等を分析するために二次イオン質量分析法、オージェ電子分光法、Ｘ線光電子分光法等の各種の表面分析方法が用いられている。この様な表面分析方法においては、イオンビーム、電子ビーム、Ｘ線等の一次エネルギー粒子を試料の表面に入射させ、表面から飛び出した二次イオン又は電子を測定することによって試料の表面組成を求めている。特に、イオンビームを入射して、弾き出された二次イオンによって、その元素の種類、濃度等のプロファイルを測定するのに二次イオン質量分析法（Secondary Ion
Mass Spectrometry：ＳＩＭＳ）が用いられている。
二次イオン質量分析法（以下、「ＳＩＭＳ」と記す。）は、高感度な分析手法であり、微量元素の深さ方向分析に使われている。ＳＩＭＳは、一次イオンを試料にぶつけ、試料表面からイオン化した元素の二次イオンがたたき出される。この二次イオンを、電場、磁場の中を通過させることによって、その質量（＋電荷）によって分離し、測定するものである。
しかし、ＳＩＭＳで分析を行う場合に標準物質が必要になる。イオンのたたき出しに関する物理モデルは定量的議論が困難である。したがって、ＳＩＭＳによる定量分析は、濃度が既知の標準物質を用いた検量線法によって行う。さらに、ＳＩＭＳによる定量分析では、測定物質の組成・構造に起因したマトリックス効果によるイオン強度の変動がおこるため、測定物質と組成・構造か類似した標準物質を用いる必要がある。多様な試料の分析を行うためには、同時に自分で標準物質を調製し、その内容を解析・分析する力が求められる。
Conventionally, various surface analysis methods such as secondary ion mass spectrometry, Auger electron spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy have been used to analyze the surface composition of a solid sample. In such a surface analysis method, primary energy particles such as an ion beam, electron beam, and X-ray are made incident on the surface of the sample, and the secondary ions or electrons that have jumped out of the surface are measured to determine the surface composition of the sample. ing. In particular, secondary ion mass spectrometry (Secondary Ion Mass Spectrometry) is used to measure the profile of the element type, concentration, etc., by the secondary ions ejected from the ion beam.
Mass Spectrometry (SIMS) is used.
Secondary ion mass spectrometry (hereinafter referred to as “SIMS”) is a highly sensitive analytical technique and is used for depth analysis of trace elements. In SIMS, primary ions are struck against a sample, and secondary ions of elements ionized from the sample surface are knocked out. By passing the secondary ions through an electric field and a magnetic field, the secondary ions are separated by their mass (+ charge) and measured.
However, a standard substance is required when analyzing by SIMS. The physical model for ion knockout is difficult to discuss quantitatively. Therefore, quantitative analysis by SIMS is performed by a calibration curve method using a standard substance with a known concentration. Furthermore, in the quantitative analysis by SIMS, since the ionic strength varies due to the matrix effect due to the composition / structure of the measurement substance, it is necessary to use a standard substance whose composition / structure is similar to that of the measurement substance. In order to analyze a variety of samples, it is necessary to have the ability to prepare standard materials by themselves and analyze and analyze their contents.
ＳＩＭＳは、これまで、試料を１０×１０ｍｍ前後の大きさにして測定を行なっていた。微小分析が主目的であり、大きい試料を測定する必要性が小さかった。しかし、近年、３００ｍｍウェハ等の大面積試料をそのまま試料とし、ウェハ内部で不純物分布の位置分布を評価しようという試みが行なわれている。このために、大面積試料では、試料中心部とそこから離れた端部など、測定位置が変わると一次イオンの入射角度が微妙に変化する。ＳＩＭＳは、検出器の測定において得られる信号は入射する一次イオンの入射角度に大きく依存することが知られている（例えば、非特許文献１、２、３）。この入射角度の変化は、上記のように二次イオンをとらえる検出器の信号強度を変化させるため、ウェハ内部で不純物の濃度分布を評価しようとするとき、不都合が生じる。したがって、入射角度の変化を、測定位置、特に、中心部から離れた距離に応じて補正する手段が必要である。 Until now, SIMS has been measuring samples with a size of about 10 × 10 mm. Microanalysis was the main objective and the need for measuring large samples was small. However, in recent years, attempts have been made to evaluate a position distribution of impurity distribution inside a wafer using a large area sample such as a 300 mm wafer as it is. For this reason, in a large-area sample, the incident angle of primary ions slightly changes when the measurement position changes, such as the center of the sample and the end away from the sample. In SIMS, it is known that the signal obtained in the measurement of the detector greatly depends on the incident angle of incident primary ions (for example, Non-Patent Documents 1, 2, and 3). Since the change in the incident angle changes the signal intensity of the detector that captures the secondary ions as described above, inconvenience arises when trying to evaluate the impurity concentration distribution inside the wafer. Therefore, there is a need for means for correcting the change in the incident angle according to the measurement position, particularly the distance away from the center.
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その課題は、大きな面積を有する試料の分析において、一次イオンを入射して二次イオンを発生させ、その二次イオンを測定することで、試料を構成する元素の種類、深さ方向への分布における測定位置に依存する測定誤差を測定位置に応じて補正する二次イオン質量分析法及びこれを適用した半導体ウェハの分析方法を提供することである。 Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and its problem is to generate a secondary ion by injecting a primary ion and measure the secondary ion in the analysis of a sample having a large area. Provides secondary ion mass spectrometry that corrects the measurement error depending on the measurement position in the type of elements constituting the sample and the distribution in the depth direction according to the measurement position, and a semiconductor wafer analysis method to which this is applied It is to be.
上記課題を解決する手段である本発明の特徴を以下に挙げる。
試料に一次イオンを入射して発生させた二次イオンを検出して、試料を構成する元素、存在する深さを分析する二次イオン質量分析法の分析方法において、深さ方向に分布を持った不純物元素を含む試料における不純物の測定プロファイルから、試料の中心から測定位置までの距離に応じて一次イオンの入射角度を補正して、その補正した角度で分析する試料の分析が行われる分析方法である。とくに、そのプロファイルとしては、試料にドープされている不純物を測定したプロファイルで、その不純物のピーク濃度深さにより行われる。ここで、入射角度とは、試料法線方向を０°としたときに、試料に入射させる入射光線がなす角度である。
The features of the present invention, which is a means for solving the above problems, are listed below.
In the analysis method of secondary ion mass spectrometry, which detects the secondary ions generated by injecting primary ions into the sample and analyzes the elements constituting the sample and the existing depth, it has a distribution in the depth direction. Analyzing method for analyzing the sample to be analyzed at the corrected angle by correcting the incident angle of the primary ion according to the distance from the center of the sample to the measurement position from the measurement profile of the impurity in the sample containing the impurity element It is. In particular, the profile is a profile obtained by measuring the impurity doped in the sample, and is determined by the peak concentration depth of the impurity. Here, the incident angle is an angle formed by incident light rays incident on the sample when the sample normal direction is 0 °.
本発明の二次イオン質量分析法では、一次イオンの入射角度を補正することによって、試料の大きさに関係なく、試料中に分布する不純物等の元素の種類、深さ方向への分布のプロファイルを得ることができる。特に、中心部から一定以上の距離を離れると生ずる測定誤差を無くすことで、大口径の半導体ウェハを一度にその全体を分析することができる。 In the secondary ion mass spectrometry of the present invention, by correcting the incident angle of primary ions, regardless of the sample size, the type of elements such as impurities distributed in the sample and the profile of the distribution in the depth direction Can be obtained. In particular, it is possible to analyze the entire large-diameter semiconductor wafer at a time by eliminating measurement errors that occur when the distance from the center portion exceeds a certain distance.
図１は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）の測定装置の構成を示す概略図である。
図１に示すように、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）の測定装置（以下、「ＳＩＭＳ装置」と記す。）１０は、試料２０が取り付けられる試料操作台１１と、セシウムイオン（以下、Ｃｓ＋と表す。）を加速して試料へ入射するセシウムイオン銃１２と、酸素イオンを加速して試料へ入射する酸素イオン銃（図示しない）と、イオンの量を測定する四重極型質量分析器１６と、イオン量を測定する検出器１７と、イオン入射による試料の帯電状態を補正する電子銃（図示しない）とより構成される。Ｃｓ＋及びＯ２ ＋は一次イオンと呼ばれ、試料２０にこれらのいずれかを入射する。試料操作台１１は互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向への移動と傾斜及び回転が可能になっており、これにより試料２０への一次イオンの入射角度θ及び入射位置を変更できるようになっている。一次イオンを試料２０に入射すると、試料２０の表面がスパッタエッチングされ、試料２０を構成する元素の二次イオン、中性粒子及び電子が放出される。試料表面から発生した二次イオンを検出する装置に引き出しのための引出電極１３を設けている。これらのうち、引き込まれた二次イオンが四重極型質量分析器１６において物理的に質量分離されて、特定の二次イオンのみが通過するようになっている。検出器１７は電子倍増管やファラデーカップよりなり、四重極型質量分析器１６を通過した二次イオンの数をイオン強度に変換する。このイオン強度から試料の元素分布が分析される。このように、ＳＩＭＳ装置１０では一次イオンの入射により試料から放出される二次イオンを基に元素分布を分析する。
一次イオンを試料２０に連続的に入射すると、試料２０の表面より深さ方向にスパッタエッチングが進行し、試料２０の内部が次々に表面に現れながら二次イオンが連続的に放出される。従って、二次イオン強度は測定時間の経過とともに、試料２０の深さ方向の濃度の変化を反映することになる。これにより、試料２０の深さ方向の元素の濃度分布の情報を得ることができる。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the configuration of a secondary ion mass spectrometry (SIMS) measurement apparatus.
As shown in FIG. 1, a secondary ion mass spectrometry (SIMS) measurement device (hereinafter referred to as “SIMS device”) 10 includes a sample operation table 11 to which a sample 20 is attached, cesium ions (hereinafter referred to as Cs). + represent.) and cesium ion gun 12 which is incident to the sample to accelerate the oxygen ion gun incident accelerated oxygen ions to the sample (not shown) and a quadrupole mass spectrometer to measure the amount of ions And a detector 17 that measures the amount of ions, and an electron gun (not shown) that corrects the charged state of the sample due to ion incidence. Cs + and O 2 + are called primary ions, and one of these is incident on the sample 20. The sample operation table 11 can be moved, tilted and rotated in the X, Y, and Z directions orthogonal to each other, so that the incident angle θ and the incident position of the primary ions on the sample 20 can be changed. Yes. When primary ions are incident on the sample 20, the surface of the sample 20 is sputter-etched, and secondary ions, neutral particles, and electrons of the elements constituting the sample 20 are emitted. An extraction electrode 13 for extraction is provided in a device for detecting secondary ions generated from the sample surface. Among these, the drawn secondary ions are physically separated by the quadrupole mass analyzer 16 so that only specific secondary ions pass through. The detector 17 is composed of an electron multiplier tube or a Faraday cup, and converts the number of secondary ions that have passed through the quadrupole mass analyzer 16 into ion intensity. The element distribution of the sample is analyzed from this ionic strength. As described above, the SIMS device 10 analyzes the element distribution based on the secondary ions released from the sample by the incidence of the primary ions.
When primary ions are continuously incident on the sample 20, sputter etching proceeds in a depth direction from the surface of the sample 20, and secondary ions are continuously emitted while the inside of the sample 20 appears on the surface one after another. Therefore, the secondary ion intensity reflects the change in the concentration of the sample 20 in the depth direction as the measurement time elapses. Thereby, information on the concentration distribution of the element in the depth direction of the sample 20 can be obtained.
このＳＩＭＳ装置１０において、大口径の試料２０では中心部と端部等は、試料２０を移動させて測定位置が変わると一次イオンの入射角度θが変化する。ＳＩＭＳ装置１０は、試料表面が金属の場合、その金属のスパッタリング速度は結晶方位や結晶粒界に依存して異なるため、金属のイオン入射面（分析面）には表面荒れ（凹凸）が生じる。いったん生じた凹凸は、金属膜がスパッタによりなくなった後も残り、表面に凹凸を持つ試料２０の場合と同様に、ＳＩＭＳ分析本来の深さ方向分解能を低下させる。したがって、通常のＳＩＭＳ分析では金属膜下層の正確な深さ方向分布を得ることができない。
また、ＳＩＭＳ装置１０では、例えば、試料表面から発生した二次イオンを検出する装置に引き出しのための引出電極１３で、引出電極１３で発生させた電場は、発生した二次イオンを試料表面から引き離してＳＩＭＳ装置に引き込むものである。しかし、この引出電極１３の電場の影響として、二次イオンを引き込むだけではなく、入射する一次イオンの軌跡が曲げられることが多い。この引出電極１３の影響は、実際は、各ＳＩＭＳ装置１０の寸法、イオン銃の寸法、イオンの強度等によって異なるために、引出電極１３の影響を定量化することは難しい。
したがって、ＳＩＭＳ装置１０のイオン発生装置、検出器の位置、試料２０を載置する試料台１１との角度関係で、実際には、実際に測定している試料表面の位置の同定も困難で表面状態の把握も難しいために、表面の凹凸等のモホロジーと引出電極１３の影響を区別することも難しく、実際には、この２つの要因が重なる場合が多く、何を基準に入射角度θの補正を行なうことが困難である。
In the SIMS device 10, in the large-diameter sample 20, when the sample 20 is moved and the measurement position is changed, the incident angle θ of primary ions changes. In the SIMS device 10, when the sample surface is a metal, the sputtering rate of the metal differs depending on the crystal orientation and the grain boundary, so that surface roughness (unevenness) occurs on the metal ion incident surface (analysis surface). The unevenness once generated remains even after the metal film is removed by sputtering, and lowers the resolution in the depth direction inherent to SIMS analysis as in the case of the sample 20 having unevenness on the surface. Therefore, a normal SIMS analysis cannot obtain an accurate depth direction distribution of the metal film lower layer.
Further, in the SIMS device 10, for example, an extraction electrode 13 for extraction to a device that detects secondary ions generated from the sample surface, and the electric field generated by the extraction electrode 13 is generated from the sample surface. They are pulled apart and pulled into the SIMS device. However, as a result of the electric field of the extraction electrode 13, not only the secondary ions are drawn, but the locus of the incident primary ions is often bent. The influence of the extraction electrode 13 is actually different depending on the size of each SIMS device 10, the size of the ion gun, the ion intensity, and the like, so it is difficult to quantify the influence of the extraction electrode 13.
Therefore, in actuality, it is difficult to identify the position of the sample surface that is actually measured because of the angular relationship with the ion generator of the SIMS device 10, the position of the detector, and the sample stage 11 on which the sample 20 is placed. Since it is difficult to grasp the state, it is difficult to distinguish the morphology of the surface unevenness and the influence of the extraction electrode 13. In practice, these two factors often overlap, and the correction of the incident angle θ is based on what. It is difficult to perform.
そこで、本発明の測定方法は、試料２０に一次イオンを入射して発生させた二次イオンを検出して、試料２０を構成する元素の種類、深さ方向への分布を分析する二次イオン質量分析法において、深さ方向に分布を持った元素を含む試料２０における測定プロファイルから、試料２０の中心から測定位置までの距離に応じて一次イオンの入射角度θを補正する。従来は、ＳＩＭＳは、直径１０ｍｍ程度の試料２０を用いて、微小領域での表面薄層における微量濃度の元素の分析方法として用いられていた。しかし、本発明の測定方法では、例えば、直径３００ｍｍ以上の大口径の試料２０を測定する際には、測定する位置が、試料２０の中心から１０ｍｍ以上離れているときには、その中心から離れた距離に応じて一次イオンの入射角度θを補正する。
図２は、測定位置におけるＡｓのピーク濃度深さに対する測定位置における一次イオンの入射角度との関係を示すグラフである。図２に示すように、Ｓｉ中にＡｓをイオン注入した試料２０で注入したＡｓのピーク濃度深さ（Ｒｐ：Projected Range）をマーカー深さとし、その一次イオン入射角度依存性を示したものである。この測定の場合、使用した試料２０の大きさは約２０×２０ｍｍで、添付図の△を結んだ線はその中心部、白丸を結んだ線は端部からのデータである。このときの入射条件は、真空度を１０−５〜１０−７Ｐａ、一次イオンとしてＣｓ＋イオンを用い、ビーム径を約２０μｍ、加速エネルギーを０．２５ｋｅＶ、電流量を３０ｎＡ及び走査範囲を５００μｍ×５００μｍとして、入射角度θを試料表面の垂線方向に対して０°から試料を傾けた。
Therefore, the measurement method of the present invention detects secondary ions generated by making primary ions incident on the sample 20, and analyzes the types of elements constituting the sample 20 and the distribution in the depth direction. In the mass spectrometry, the incident angle θ of the primary ions is corrected according to the distance from the center of the sample 20 to the measurement position from the measurement profile in the sample 20 including an element having a distribution in the depth direction. Conventionally, SIMS has been used as a method for analyzing trace concentrations of elements in a thin surface layer in a minute region using a sample 20 having a diameter of about 10 mm. However, in the measurement method of the present invention, for example, when measuring a sample 20 having a large diameter of 300 mm or more, if the measurement position is 10 mm or more away from the center of the sample 20, the distance away from the center. Accordingly, the incident angle θ of the primary ions is corrected.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the As ion peak concentration depth at the measurement position and the incident angle of primary ions at the measurement position. As shown in FIG. 2, the peak concentration depth (Rp: Projected Range) of As implanted in the sample 20 in which As is ion-implanted into Si is defined as the marker depth, and the dependency on the primary ion incident angle is shown. . In the case of this measurement, the size of the sample 20 used is about 20 × 20 mm, the line connecting Δ in the attached figure is the data from the center, and the line connecting the white circles is the data from the end. The incident conditions at this time are as follows: the degree of vacuum is 10 −5 to 10 −7 Pa, Cs + ions are used as primary ions, the beam diameter is about 20 μm, the acceleration energy is 0.25 keV, the current amount is 30 nA, and the scanning range is 500 μm. The sample was tilted from 0 ° with respect to the perpendicular direction of the sample surface with an incident angle θ of × 500 μm.
図２から明らかなように、三角形を結ぶ線と白丸を結ぶ線との変化を比較すると、Ｓｉ中のＡｓは同じ深さにあるので、Ａｓのピークの位置を極小の地点とすると、中心部と端部では約５°の入射角度θがずれていることが分かる。したがって、端部の測定では、試料操作台１１の傾斜を５°ずらして測定を行なうと、同じ深さになる。約２０×２０ｍｍの試料２０でこのように効果は明らかであり、それ以上の大きな試料２０では、より一層効果が期待できる。したがって、図２から、一定の深さにドープされている試料２０を用いて、その不純物を測定したプロファイルから、試料２０の中心と、例えば、その中心から離れている端部との不純物の深さを、そのときの一次イオンの入射角度θを補正することで、支流の統一的な分析を可能にする。
また、このプロファイルの不純物の濃度により補正する。さらに、その不純物のピーク濃度で補正する。特に、金属等の基地の中に、他の元素をイオン注入するドーピングでは、ドーピングされた元素は、ガウス分布するために、一定の広がりを有しているが、ドーピングするエネルギでそのピーク位置を調整することは容易である。したがって、補正のために指標とする元素のピーク濃度により補正することが好ましい。
As is clear from FIG. 2, when the change between the line connecting the triangles and the line connecting the white circles is compared, the As in Si is at the same depth. It can be seen that the incident angle θ of about 5 ° is shifted at the end portion. Therefore, in the measurement of the end portion, when the measurement is performed with the inclination of the sample operation table 11 shifted by 5 °, the same depth is obtained. The effect is apparent in the case of the sample 20 having a size of about 20 × 20 mm, and a larger effect can be expected in the case of a larger sample 20 than that. Therefore, from FIG. 2, from the profile obtained by measuring the impurity using the sample 20 doped to a certain depth, the depth of the impurity between the center of the sample 20 and, for example, the end away from the center. Further, by correcting the incident angle θ of the primary ions at that time, it is possible to perform a unified analysis of the tributaries.
Further, the correction is made based on the impurity concentration of this profile. Further, correction is made with the peak concentration of the impurity. In particular, in doping in which other elements are ion-implanted into a base such as a metal, the doped elements have a certain spread due to the Gaussian distribution, but the peak position is determined by the doping energy. It is easy to adjust. Therefore, it is preferable to correct by the peak concentration of the element used as an index for correction.
本実施例ではイオン注入試料２０を用いているが、より急峻なドーピングが可能な請求項３のデルタドープ試料５０を用いるとにより精確な角度依存性を把握することができ、精度の高い分析を実現することができる。
図３は、分子線エピタキシによるデルタドープ試料の構成を示す概略図である。
図３に示すように、デルタドープ試料５０は、分子線エピタキシ（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）によってＳｉにアンチモン（Ｓｂ）を５×１０１３ｃｍ−２の濃度でδドープした試料２０の断面構造を有する。Ｓｉ基板５１、Ｓｉバッファ層５２、Ｓb（アンチモン）デルタドープ層５３、厚みが５ｎｍのＳｉ層５４から構成されている。Ｓｉバッファ層５１、Ｓｉ層５４及びＳbデルタドープ層５３はＭＢＥにより形成したものである。この試料２０に対して、本発明による二次イオン質量分析を行った。比較のために、従来の二次イオン質量分析も行った。一次イオンは、Ｃｓ＋を使用した。Ｃｓ＋イオンは、０．２５ｋｅＶの低加速エネルギで６５°の入射角度θで入射した。一次イオンの入射に起因して放出されるＳｂの二次イオン（Ｓｂ−）の強度を測定することによって、試料２０中のＳｂの深さ方向の濃度分布を求めた。
図４は、ＳＩＭＳによるデルタドープ試料５０のプロファイルを示すグラフである。上述した条件で、測定した時の結果が、図４に示すように、Ｃｓ＋イオンを入射することによって、５ｎｍ毎に形成された６つのＳｂのδドープ層に対応している。さらに、５ｎｍ毎に６つのピークが顕著に生じており、明確な濃度分布が得られている。
In this embodiment, the ion-implanted sample 20 is used. However, by using the delta-doped sample 50 according to claim 3 which can be steeper, more accurate angular dependence can be grasped and a highly accurate analysis can be realized. can do.
FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of a delta-doped sample by molecular beam epitaxy.
As shown in FIG. 3, the delta-doped sample 50 has a cross-sectional structure of the sample 20 in which Si is doped with antimony (Sb) at a concentration of 5 × 10 13 cm −2 by molecular beam epitaxy (MBE). . An Si substrate 51, an Si buffer layer 52, an Sb (antimony) delta doped layer 53, and an Si layer 54 having a thickness of 5 nm are formed. The Si buffer layer 51, the Si layer 54, and the Sb delta doped layer 53 are formed by MBE. This sample 20 was subjected to secondary ion mass spectrometry according to the present invention. For comparison, conventional secondary ion mass spectrometry was also performed. As the primary ion, Cs + was used. Cs + ions were incident at an incident angle θ of 65 ° with a low acceleration energy of 0.25 keV. The concentration distribution of Sb in the depth direction in the sample 20 was determined by measuring the intensity of secondary ions (Sb − ) of Sb emitted due to the incidence of primary ions.
FIG. 4 is a graph showing a profile of the delta-doped sample 50 by SIMS. As shown in FIG. 4, the measurement results under the above-described conditions correspond to six Sb δ-doped layers formed every 5 nm by incidence of Cs + ions. Furthermore, six peaks are remarkably generated every 5 nm, and a clear concentration distribution is obtained.
図５は、中心位置における入射角度とＳｂピークとの関係を示すグラフである。図５から明らかなように、同一位置であっても、入射角度θによって測定時間が変わることを示している。特に、このＭＢＥのデルタドープ試料５０では、大口径の試料２０であっても、Ｓｂはほぼ全体に一様に、ある所定の深さに存在している。したがって、この違いは一次イオンの入射角度θに依存することは明らかである。
これを、中心位置からの距離との関係に直すと、中心位置からの距離と中心位置と測定値とにおける入射角度θの差を補正することで、測定位置における深さ方向の測定の差を埋めることができる。このＭＢＥによるデルタドープ試料５０を用いて円盤状の試料２０の中心に対して入射角度６５°と、中心から１０ｍｍ離れている試料２０の端部に入射角度６５°と７０°で一次イオンを入射して、試料２０中での不純物としてのＳｂの存在する深さ、濃度を測定した。この結果、中心から１０ｍｍ離れた位置では、同じ入射角度θで測定するとＡｓのピーク位置にずれが生じていた。一次イオンの入射角度θを中心位置における入射角度θより５°大きくすることで、Ｓｂのピーク位置を揃えることができる。このことから、大口径の試料２０の深さ方向のプロファイルの測定では、測定値に対応して入射角度θを、中心位置の入射角度θより大きくすることが必要である。しかし、２０°越えないことが好ましい。２０°を越えると、測定誤差が生じることがある。
また、いずれの測定位置に置いても一次イオンの入射角度θは、３５〜８０°にする。一次イオンの入射角度θを３５〜８０°にすることで、感度を向上させ、深さ方向の分解能の向上させることができる。ただし、入射角度θが３５°未満では面方向への分解能は向上するが、深さ方向への分解能が低くなる。また、入射角度θが８０°を越えると分析する表面状態が荒れてくるために感度、分解能が低下する。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the incident angle and the Sb peak at the center position. As is clear from FIG. 5, the measurement time varies depending on the incident angle θ even at the same position. In particular, in the MBE delta-doped sample 50, even in the case of the large-diameter sample 20, Sb exists substantially uniformly throughout the predetermined depth. Therefore, it is clear that this difference depends on the incident angle θ of the primary ions.
When this is corrected to the relationship with the distance from the center position, the difference in the measurement in the depth direction at the measurement position is corrected by correcting the difference in the incident angle θ between the distance from the center position and the center position and the measurement value. Can be filled. Using the MBE delta-doped sample 50, primary ions are incident at an incident angle of 65 ° with respect to the center of the disc-shaped sample 20 and at an incident angle of 65 ° and 70 ° with respect to the end of the sample 20 that is 10 mm away from the center. Then, the depth and concentration of Sb as an impurity in the sample 20 were measured. As a result, at the position 10 mm away from the center, the As peak position was deviated when measured at the same incident angle θ. By making the incident angle θ of the primary ions 5 ° larger than the incident angle θ at the center position, the peak positions of Sb can be made uniform. Therefore, in the measurement of the profile in the depth direction of the large-diameter sample 20, it is necessary to make the incident angle θ larger than the incident angle θ at the center position corresponding to the measured value. However, it is preferable not to exceed 20 °. If it exceeds 20 °, a measurement error may occur.
Moreover, the incident angle θ of the primary ions is set to 35 to 80 ° regardless of the measurement position. By setting the incident angle θ of primary ions to 35 to 80 °, sensitivity can be improved and resolution in the depth direction can be improved. However, when the incident angle θ is less than 35 °, the resolution in the surface direction is improved, but the resolution in the depth direction is lowered. Further, when the incident angle θ exceeds 80 °, the surface condition to be analyzed becomes rough, so that sensitivity and resolution are lowered.
本発明の二次イオン質量分析法は、半導体素子を製造する際に、不純物をドープした半導体ウェハに一次イオンを入射して発生させた二次イオンを検出して、不純物の濃度、存在する深さを分析することができる。例えば、最近のＣＭＯＳトランジスタのｐｎ接合は、その微細化とともに深さが浅くなり、０．１μｍ世代のデバイスでは、２０ｎｍ以下の深さになる見込みである。この様なｐｎ接合の形成において、ボロン（Ｂ）と砒素（Ａｓ）は、それぞれｐ型、ｎ型のドーパントとして最も多く用いられており、その形成プロセスにおいて、これらドーパント元素の深さ方向濃度分布を正確に把握することで、ＣＭＯＳを製造することが可能になる。したがって、ドーパント元素の深さ方向濃度分布を正確に把握するために二次イオン質量分析法が適用される。また、その他に、ＣＭＯＳのソース・ドレイン領域の不純物の濃度分布、チャネルドープ領域の不純物の濃度分布、または、半導体基板自体の不純物濃度分布の測定方法にも適用される。 The secondary ion mass spectrometry of the present invention detects the secondary ions generated by injecting primary ions into a semiconductor wafer doped with impurities when manufacturing a semiconductor element, and detects the concentration of impurities and the existing depth. Can be analyzed. For example, the depth of pn junctions of recent CMOS transistors is expected to become shallower with the miniaturization thereof, and the depth of 20 nm or less is expected in a 0.1 μm generation device. In the formation of such a pn junction, boron (B) and arsenic (As) are most frequently used as p-type and n-type dopants, respectively, and the concentration distribution of these dopant elements in the depth direction in the formation process. It becomes possible to manufacture a CMOS by accurately grasping the above. Therefore, secondary ion mass spectrometry is applied to accurately grasp the concentration distribution in the depth direction of the dopant element. In addition, the present invention is also applied to a method for measuring the impurity concentration distribution in the source / drain region of the CMOS, the impurity concentration distribution in the channel dope region, or the impurity concentration distribution in the semiconductor substrate itself.
１０ ＳＩＭＳ装置
１１ 試料操作台
１２ セシウムイオン銃
１３ 引出電極
１６ 四重極型質量分析器
１７ 検出器
２０ 試料
５０ デルタドープ試料
５１ Ｓｉ基板
５２ Ｓｉバッファ層
５３ Ｓｂ層
５４ Ｓｉ層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 SIMS apparatus 11 Sample operation table 12 Cesium ion gun 13 Extraction electrode 16 Quadrupole mass spectrometer 17 Detector 20 Sample 50 Delta dope sample 51 Si substrate 52 Si buffer layer 53 Sb layer 54 Si layer
Claims (5)
前記試料の深さ方向に分布する元素を測定したプロファイルから、前記試料の中心から測定位置までの距離に応じて前記一次イオンの入射角度の補正が行われる
ことを特徴とする二次イオン質量分析法。 In secondary ion mass spectrometry for generating secondary ions by injecting primary ions into the sample, and analyzing the elements constituting the sample and the distribution in the depth direction of the elements based on the generated secondary ions.
Secondary ion mass spectrometry, wherein the incident angle of the primary ions is corrected according to the distance from the center of the sample to the measurement position from the profile obtained by measuring the elements distributed in the depth direction of the sample. Law.
前記一次イオンの入射角度の補正は、測定された元素のプロファイルのピーク濃度深さに基づいて行われる
ことを特徴とする二次イオン質量分析法。 The secondary ion mass spectrometry method according to claim 1,
The secondary ion mass spectrometry is characterized in that the correction of the incident angle of the primary ions is performed based on the peak concentration depth of the measured profile of the element.
前記元素を含む試料は、分子線エピタキシによるデルタドープ試料である
ことを特徴とする二次イオン質量分析法。 The secondary ion mass spectrometry method according to claim 1 or 2,
The sample containing the element is a delta-doped sample by molecular beam epitaxy.
前記一次イオンの入射角度の補正は、分析する試料の中心から１０ｍｍ以上離れた位置では、中心位置の入射角度より５°〜２０°の範囲で傾け、かつ、
分析する試料への入射角度は３５〜８０°の範囲にする
ことを特徴とする二次イオン質量分析法。 The secondary ion mass spectrometry method according to any one of claims 1 to 3,
The correction of the incident angle of the primary ions is inclined at a range of 5 ° to 20 ° from the incident angle at the center position at a position 10 mm or more away from the center of the sample to be analyzed, and
Secondary ion mass spectrometry, characterized in that the angle of incidence on the sample to be analyzed is in the range of 35-80 °.
前記半導体ウェハの深さ方向に分布する不純物を分析したプロファイルに基づいて、前記半導体ウェハの中心から測定位置までの距離に応じて前記一次イオンの入射角度の補正が行われる
ことを特徴とする半導体ウェハの分析方法。 When manufacturing a semiconductor element, primary ions are incident on a semiconductor wafer doped with impurities to generate secondary ions, and the generated secondary ions are detected, and the concentration of impurities and the distribution in the depth direction are reduced. In the analysis method of semiconductor wafers analyzed by secondary ion mass spectrometry,
Based on a profile obtained by analyzing impurities distributed in the depth direction of the semiconductor wafer, the incident angle of the primary ions is corrected according to the distance from the center of the semiconductor wafer to the measurement position. Wafer analysis method.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2007031577A JP2008196929A (en) | 2007-02-13 | 2007-02-13 | Secondary ion mass spectroscopy and semiconductor wafer analysis method |
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| JP (1) | JP2008196929A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013536566A (en) * | 2010-06-15 | 2013-09-19 | カリフォルニア インスティチュート オブ テクノロジー | Surface deactivation by quantum exclusion using multilayer doping |
-
2007
- 2007-02-13 JP JP2007031577A patent/JP2008196929A/en not_active Withdrawn
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