JP2008232677A

JP2008232677A - 元素の深さ方向分析方法

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Publication number: JP2008232677A
Application number: JP2007069560A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Yamazaki; 一寿山崎; Yuji Kataoka; 祐治片岡
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2008-10-02

Abstract

【課題】Ｓｉ基板中の微量元素を、酸素雰囲気ではない状態で、深さ方向の分解能を高くかつ短い測定時間で、酸素イオンを一次入射イオンとするＳＩＭＳにより深さ方向の元素分布の分析を行う。
【解決手段】入射エネルギーをパラメータとして試料表面粗さ、および／または減衰深さを、一次イオン入射角度を変化させて測定し、入射エネルギー領域が高い領域の範囲において、かつその範囲で試料表面粗さ、および／または減衰深さが極小値をもつ入射角度範囲を見出し、その条件下でＳＩＭＳの測定を行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、二次イオン質量分析法を用いた元素分析方法に関し、特に半導体などの試料中に含まれる微量含有元素の試料表面から深さ方向における分析を、高精度かつ効率的に行う方法に関する。

近年、半導体デバイスの微細化とともに、ｐｎ接合部などにおける不純物の拡散深さ方向がますます浅くなって来ていることによって必要となる深さ方向分析や、あるいは界面などにおける意図しない不純物の浅い拡散・注入状態などによって生じる深さ方向の分析などが必要になってきている。つまり、こういった、試料中に含まれる微量な元素の試料表面深さ方向分布の分析を、正確かつ迅速に測定することが重要になっている。

従来より、このような微量元素の表面からの深さ方向の測定には、二次イオン質量分析法（ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ；ＳＩＭＳ）が用いられている。ＳＩＭＳは、酸素あるいは更に重いイオンを一次イオンビームとして試料の表面に照射することで、その試料表面をスパッタエッチングする。その結果、表面から放出された微量元素を含む二次イオンを質量分析器により元素同定する。スパッタエッチングでエッチング深さを増しつつ放出した元素同定を行うことで、深さ方向の不純物などの微量元素の分布を測定することができる。

特に、上記のような近年のデバイスのますますの微細化に伴い、ＳＩＭＳ適用における極浅領域での深さ方向分析の分解能の向上が、より重要となっている。その際に、深さ方向の分解能の低下をもたらす要因のひとつに、ＳＩＭＳ測定時に生じる、表面粗さがあり、これは一次イオンの照射条件（イオン種類、加速エネルギー、入射角度、雰囲気など）に依存することが知られている。この表面粗さと一次イオン照射条件の関係に関する検討も行われている（例えば、非特許文献１、非特許文献２、特許文献１）。

非特許文献１および２は、いずれも、一次イオンとして酸素イオン（Ｏ_２ ^＋）を用いたときの表面粗さに関するものであり、また酸素イオン照射時に、試料を酸素雰囲気中に曝しながら分析を行なうか、否かについての検討がなされている。その結果、酸素雰囲気に曝さない場合は酸素イオンの入射角度は垂直に近い入射が、また酸素雰囲気に曝した場合は酸素イオンの入射角度は斜め入射が好ましいとの結果が得られている。

他方、特許文献１は、一次イオンとしてセシウムイオン（Ｃｓ^＋）を用いたときの表面粗さに関するものである。酸素イオン、セシウムイオン共に反応性イオンであるが、試料表面に照射したときの表面に与える影響は、互いに異なることが知られており、このため、表面粗さの発生状況についても両者では著しく異なる。
Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，ｖｏｌ．Ｂ１８，ｐｐ１−６（２０００）Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，ｖｏｌ．Ｂ１８，ｐｐ４９６−５００（２０００）特開２００４−２２６２２９号公報

一般的に、ＳＩＭＳ測定においては、イオン照射によるスパッタエッチングを用いた深さ方向分析での分析精度を高めるために、入射用の一次イオンの加速エネルギーを、例えば１５０〜５００ｅV程度と低くする。これにより、試料表面を徐々にエッチングすることで、深さ方向の分解能を高める。しかし、この方法は逆に、スパッタリング速度を低下させるため、分析時間の長時間化の要因となる。そこで、一次イオン入射角度を大きくとること（入射角度は、試料表面上の垂線からの入射線への角度とする。従って、この場合は試料表面に対し比較的おおきな斜め入射に相当する）で、分析時間の大きな短縮化を図ることがなされたが、一次イオンとして酸素イオンを用いたとき、試料表面に粗さが生じ、その結果、深さ方向の分解能が大きく劣化するといった問題が生じる。これを克服するために、上述の非特許文献１・２などの報告に見られるように、その場合の測定として試料を酸素雰囲気中に曝して行えば、試料表面での粗さの発生が大幅に緩和されることが解った。

こうして、一次イオンとして酸素イオンを用いてＳＩＭＳ測定を行うとき、低加速エネルギー、斜め入射（すなわち、大きな入射角度）、そして酸素雰囲気に曝しての測定といった方法が、深さ方向の分解能を高くかつ測定時間をより短く実施できることが示されてきた。

しかし、ＳＩＭＳによる測定は、試料やその表面に照射する入射イオンビーム、さらに二次イオンを検知する質量分析器といった測定系が、真空容器内に設置され、超高真空（例えば１×１０^−９ｍｂａｒ以下）環境において行われるが、その測定を、試料表面を酸素雰囲気中で行うためには、ＳＩＭＳ装置に特別な酸素リークシステムの導入が必要であり、またイオンポンプなど固定容量方式の排気装置を用いた場合などでは、ＳＩＭＳの排気系への負荷が大きくなることがある。

そこで、本発明の課題は、酸素雰囲気中ではなくとも、深さ方向に高分解能を有し、また測定時間も短縮が可能な、新たなＳＩＭＳを用いた元素の深さ方向分析方法を提案することにある。

本発明の不純物元素を含む半導体の試料表面からの深さ方向分布の分析方法は、
不純物元素を含む半導体の試料表面への一次イオンの照射によるスパッタエッチングによって、前記試料表面から放出される前記不純物元素を含む二次イオンを検出し、前記半導体に含まれる前記不純物元素の前記試料表面からの深さ方向分布を測定する分析方法において、
一次イオン加速エネルギー強度をパラメータとし、前記照射を行って前記試料表面に生じる表面平均粗さ値、および／または前記一次イオンの前記試料表面からの深さ方向の減衰深さ値、に対する、前記一次イオン入射角度の変化による一次イオン入射角度依存性の結果のグラフを取得し、
前記グラフにおいて、前記表面平均粗さ値、および／または前記一次イオンの前記試料表面からの深さ方向の減衰深さ値、の極小値もしくは極小範囲を持つ前記一次イオン加速エネルギー強度に関する特定強度値もしくは特定強度範囲と、そのときの前記一次イオン入射角度に関する特定角度もしくは特定角度範囲を取得し、
前記特定強度値もしくは特定強度範囲と、そのときの前記特定角度もしくは特定角度範囲を選択して測定することを特徴とする。

また、
前記特定強度値もしくは特定強度範囲において最も大きな強度を有する値もしくは範囲を適用することを特徴とする。

また、
前記半導体はＳｉ（シリコン）であり、前記一次イオンは酸素イオンであることを特徴とする。

また、
前記照射は、前記試料表面近傍に酸素雰囲気が不在状態で実施することを特徴とする。

そして、
前記特定強度範囲は７５０ないし１，０００ｅＶで、前記特定角度範囲は５５ないし６５度であることを特徴とする。

特に、酸素イオンを用いた、Ｓｉ基板中の不純物元素の深さ方向の分布分析に関するＳＩＭＳ測定において、スパッタリング収率の高い、比較的エネルギーの高い特定の入射エネルギー領域（例えば７５０ないし１，０００ｅＶ）を用いて、比較的入射角度の大きい、特定の入射角度（例えば５５ないし６５度）を用いて、無酸素雰囲気中でこれを行うことで、その特定入射エネルギー範囲とそのときの入射角度の組合せによって基板表面の粗さが極小化され、また減衰深さも極小化されていることから、深さ方向の分解能の比較的高い測定が、試料を酸素雰囲気に曝すことなく、比較的短時間でＳＩＭＳ測定が可能となる。

本発明の実施の形態を、添付図を参照しつつ説明する。

図１に、本発明で用いる二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による測定を行うための、典型的な二次イオン質量分析計の模式図を示す。真空容器中に測定用の試料１が試料ステージ２に載置され、その表面に向かってイオン銃３から一次イオンが照射される。試料１の表面から放射される二次イオンは、引き出し電極４による電界によって質量分析器５内に導入され、ここで捕獲した元素の同定が行われる。試料１の表面のチャージアップを中和するための電子を照射する中和電子銃６が配置される。また測定雰囲気を、真空中に限らず、酸素など特定のガスで満たすためのガス導入ノズル７が、そのガス放出口を試料１の表面近傍になるように配置され、それに連結して、真空容器外に導入ガス調節用のバルブ８と導入用のガス容器９が設置される。

図２は、一次イオン照射と二次イオン発生の状況を模式的に示した図である。試料である基板S（例えば、シリコン）の表面の深さ領域Dには、基板と異なる微小元素（例えばボロン）が含まれている。基板Sの表面の垂線Lに対し入射角度θを有する入射方向Iから一次イオンA（例えは、酸素イオン）が基板表面上を照射し、放出方向Oの方向に微小元素Bを含む二次イオンが放出される。一次イオンの照射時間の経過と共に、基板Sの表面からのパッタリング深さが進行し、深さ方向の微小元素含有プロファイルを測定できる。

このようなＳＩＭＳ用二次イオン質量分析計を用いて以下の様な測定を実施する。

先ず、試料を酸素雰囲気中に曝さない状況下（以下の測定結果は、何れも同様に試料を酸素雰囲気中に曝さない状況下）で、一次イオンエネルギーをパラメータにし、一次イオンの入射角と、そのときの表面の平均粗さの関係を測定する。

図３は、Ｓｉ（１００面）基板に、無酸素雰囲気中で、一次イオンとして酸素イオン（Ｏ_２ ^＋）を照射し、約５０ｎｍまでスパッタエッチングを行い、加速エネルギーをパラメータとし、その表面粗さ（ＳｕｒｆａｃｅＲｏｕｇｈｎｅｓｓ；Ｒａ、縦軸に示す）の、入射角度（ＩｍｐａｃｔＡｎｇｌｅ、横軸に示す）依存性の関する測定結果を示したものである。表面粗さ（Ｒａ）は、原子間力顕微鏡（ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＡＦＭ）で測定した。なお、以降に述べる各測定は、いずれも、Ｓｉ（１００面）基板に、無酸素雰囲気中で、一次イオンとして酸素イオン（Ｏ_２ ^＋）を照射するものとする。

図３から、加速エネルギーが２５０ｅＶおよび５００ｅＶのときは、入射角度の増加に従い、表面粗さ（Ｒａ）もほぼ比例して増加するのに対し、加速エネルギーが７５０ｅＶおよび１０００ｅＶのときは、この場合、入射角度が、およそ５５度から６５度の間に表面粗さ（Ｒａ）の極小値が存在する。この図では、加速エネルギーについては２点のみの結果を示すが、およそ、加速エネルギーが７５０ｅＶの近辺から極小値の存在を示す測定曲線が現れ、この測定曲線は全体として徐々に変化するものの極小値の現出は１０００ｅＶまで生じている。また、現出する入射角度は、いずれも、およそ５５度から６５度の間に現れるといった結果が得られた。つまり、特定の入射エネルギーの範囲、あるいは特定の入射エネルギーの値近傍では、特定の入射角度範囲、あるいは特定の入射角度の値近傍で、表面粗さが、全体の角度依存傾向に対して、抑制ないし改善されるといった現象があることがわかる。

上記の表面粗さ極小値を示す加速エネルギーが７５０ｅＶ〜１０００ｅＶと、比較的大きなエネルギーを有して範囲であることから、スパッタエッチングは比較的早く進み、測定時間の短縮が可能となるといった望ましい方向であり、それにも拘らず、およそ５５度〜６５度といった大きな入射角度である斜め入射角度範囲で、表面粗さを比較的少なくすることができ、従って深さ方向の分解能の比較的高い測定が可能となる。

図４は、一次イオンエネルギーをパラメータにし、一次イオンの入射角と、そのときの減衰深さ（ＤｅｃａｙＬｅｎｇｔｈ）の関係を測定した結果の一部を示したもので、縦軸に減衰深さ（ＤｅｃａｙＬｅｎｇｔｈ）、横軸に入射角度をとる。

この減衰深さ（ＤｅｃａｙＬｅｎｇｔｈ）は、入射したイオンが、試料内に侵入してその加速を減衰し、表面から到達した距離（深さ）に関する目安を示すもので、深さ方向の分解能を反映している。

図４における測定は、Ｓｉ（シリコン、１００面を使用）基板中のＢ^＋（ボロン）を１ｋｅＶ、５×１０^１４ｃｍ^−２で注入した試料を用い、この試料に、酸素イオンを、イオンエネルギーをパラメータとし入射角度を変えて照射し、各照射条件における、測定されたボロンの深さ方向分布の変化から、各照射条件での酸素イオンの減衰深さを求めた。

その結果、２５０ｅＶと比較的入射エネルギーが低いときは、入射角が大きい、つまり、斜め入射が大きくなるに従って、減衰深さ（ＤｅｃａｙＬｅｎｇｔｈ）は略直線的に急速に大きくなる。一方、１０００ｅＶと比較的入射エネルギーが高いときは、入射角が大きくなるに従って、減衰深さ（ＤｅｃａｙＬｅｎｇｔｈ）が徐々に小さくなっているような傾向を示し、また６０度を中心に前後５度程度で極小値を示している。

加速エネルギー１０００ｅＶ（図中に記載はしないが、１０００ｅＶ以下７５０ｅＶ程度までほぼ同じ特性曲線を示すが）における、およそ５５度から６５度の間の入射角で得られる減衰の深さは凡そ１．２ｎｍとなっており、これは２５０ｅＶ入射時における最小値である０度、すなわち垂直入射時のそれとほぼ同じ程度の小さい値となっている。つまり、１０００ｅＶ〜７５０ｅＶと比較的大きな加速エネルギーの酸素イオンをおよそ５５度〜６５度の間の入射角で入射させることにより、小さな減衰深さ、すなわち深さ方向に高分解能での測定が可能であることを意味する。

図５は、酸素イオンの照射条件とスパッタリング収率の関係を測定したもので、加速エネルギーをパラメータとし、横軸を入射角度、縦軸を酸素イオン１個に対してスパッタされるシリコン原子個数で表すスパッタリング収率を示す。このスパッタリング収率の測定は、図２で行ったものと同様のボロン注入のシリコン基板を用い、酸素イオンの各照射条件下で、酸素イオンの照射量と、その時に取得されたボロンのプロファイルの強度から算出する。

図５の結果から解るように、入射エネルギーが大きく、入射角が大きいほどスパッタリング収率は高くなることがわかる。その結果、加速エネルギー２５０ｅＶで入射角０度（垂直入射）でのスパッタリング収率（凡そ０．０５５）に比較し、上述の図１で示した、表面粗さの極小値領域（かつ、その領域は図２のように減衰深さの極小値領域）である、加速エネルギー７５０〜１０００ｅＶで入射角５５度〜６５度程度を適用してのスパッタリング収率は凡そ２．５〜３程度で、約４５〜５５倍と高くなっている。そのため、スパッタエッチング速度もそれだけ速く、従って、測定時間の短縮にもつながる。

以上のように、特に、酸素イオンを用いた、無酸素雰囲気中でのＳＩＭＳ測定において、比較的エネルギーの高い、特定の入射エネルギー領域を用いて、比較的入射角度の大きい、特定の入射角度を用いてこれを行うことで、その特定入射エネルギー範囲とそのときの入射角度の組合せによって基板表面の粗さが極小化され、また減衰深さも極小化されていることから、深さ方向の分解能の比較的高い測定が、比較的短時間でＳＩＭＳ測定が可能であることが明らかになった。

以上の実施例を含む実施の形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
不純物元素を含む半導体の試料表面への一次イオンの照射によるスパッタエッチングによって、前記試料表面から放出される前記不純物元素を含む二次イオンを検出し、前記半導体に含まれる前記不純物元素の前記試料表面からの深さ方向分布を測定する分析方法において、
一次イオン加速エネルギー強度をパラメータとし、前記照射を行って前記試料表面に生じる表面平均粗さ値、および／または前記一次イオンの前記試料表面からの深さ方向の減衰深さ値、に対する、前記一次イオン入射角度の変化による一次イオン入射角度依存性の結果のグラフを取得し、
前記グラフにおいて、前記表面平均粗さ値、および／または前記一次イオンの前記試料表面からの深さ方向の減衰深さ値、の極小値もしくは極小範囲を持つ前記一次イオン加速エネルギー強度に関する特定強度値もしくは特定強度範囲と、そのときの前記一次イオン入射角度に関する特定角度もしくは特定角度範囲を取得し、
前記特定強度値もしくは特定強度範囲と、そのときの前記特定角度もしくは特定角度範囲を選択して測定することを特徴とする不純物元素を含む半導体の試料表面からの深さ方向分布の分析方法。
（付記２）
前記一次イオン加速エネルギー強度を、２５０ないし２０００ｅＶの範囲とし、前記一次イオン入射角度の変化の範囲を０ないし８０度とすることを特徴とする付記１記載の不純物元素を含む半導体の試料表面からの深さ方向分布の分析方法。
（付記３）
前記特定強度値もしくは特定強度範囲において最も大きな強度を有する値もしくは範囲を適用することを特徴とする付記１または２記載の不純物元素を含む半導体の試料表面からの深さ方向分布の分析方法。
（付記４）
前記半導体はＳｉ（シリコン）であり、前記一次イオンは酸素イオンであることを特徴とする、付記１ないし３のいずれかに記載の不純物元素を含む半導体の試料表面からの深さ方向分布の分析方法。
（付記５）
前記照射は、前記試料表面近傍に酸素雰囲気が不在状態で実施することを特徴とする、付記１ないし４のいずれかに記載の不純物元素を含む半導体の試料表面からの深さ方向分布の分析方法。
（付記６）
前記特定強度範囲は７５０ないし１，０００ｅＶで、前記特定角度範囲は５５ないし６５度であることを特徴とする、付記３ないし５のいずれかに記載の不純物元素を含む半導体の試料表面からの深さ方向分布の分析方法。
（付記７）
前記不純物元素は、Ｂ（ボロン）であることを特徴とする、付記４または６のいずれかに記載の不純物元素を含む半導体の試料表面からの深さ方向分布の分析方法。

二次イオン質量分析計を説明する図一次イオン照射と二次イオン発生に状況を説明する図入射エネルギーをパラメータとした表面粗さと入射角度の関係の測定結果を示す図入射エネルギーをパラメータとした減衰深さと入射角度の関係の測定結果を示す図入射エネルギーをパラメータとしたスパッタリング収率と入射角度の関係の測定結果を示す図

符号の説明

１試料
２試料ステージ
３イオン銃
４引き出し電極
５質量分析器
６中和電子銃
８バルブ
９ガス容器

Claims

不純物元素を含む半導体の試料表面への一次イオンの照射によるスパッタエッチングによって、前記試料表面から放出される前記不純物元素を含む二次イオンを検出し、前記半導体に含まれる前記不純物元素の前記試料表面からの深さ方向分布を測定する分析方法において、
一次イオン加速エネルギー強度をパラメータとし、前記照射を行って前記試料表面に生じる表面平均粗さ値、および／または前記一次イオンの前記試料表面からの深さ方向の減衰深さ値、に対する、前記一次イオン入射角度の変化による一次イオン入射角度依存性の結果のグラフを取得し、
前記グラフにおいて、前記表面平均粗さ値、および／または前記一次イオンの前記試料表面からの深さ方向の減衰深さ値、の極小値もしくは極小範囲を持つ前記一次イオン加速エネルギー強度に関する特定強度値もしくは特定強度範囲と、そのときの前記一次イオン入射角度に関する特定角度もしくは特定角度範囲を取得し、
前記特定強度値もしくは特定強度範囲と、そのときの前記特定角度もしくは特定角度範囲を選択して測定することを特徴とする不純物元素を含む半導体の試料表面からの深さ方向分布の分析方法。
前記特定強度値もしくは特定強度範囲において最も大きな強度を有する値もしくは範囲を適用することを特徴とする請求項１記載の不純物元素を含む半導体の試料表面からの深さ方向分布の分析方法。
前記半導体はＳｉ（シリコン）であり、前記一次イオンは酸素イオンであることを特徴とする、請求項１ないし２のいずれかに記載の不純物元素を含む半導体の試料表面からの深さ方向分布の分析方法。
前記照射は、前記試料表面近傍に酸素雰囲気が不在状態で実施することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の不純物元素を含む半導体の試料表面からの深さ方向分布の分析方法。
前記特定強度範囲は７５０ないし１，０００ｅＶで、前記特定角度範囲は５５ないし６５度であることを特徴とする、請求項３に記載の不純物元素を含む半導体の試料表面からの深さ方向分布の分析方法。