JP2956627B2 - 不純物濃度分析方法 - Google Patents
不純物濃度分析方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、２次イオン質量分
析法により被分析試料の不純物濃度分布を分析する方法
に関し、特に、半導体デバイス中の不純物濃度分布を分
析する方法に関する。
析法により被分析試料の不純物濃度分布を分析する方法
に関し、特に、半導体デバイス中の不純物濃度分布を分
析する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体基板上に誘電膜、絶縁膜、配線を
形成した半導体デバイスにおいて、基板中、基板／デバ
イス界面、あるいはデバイス中などの特定領域における
不純物濃度を２次イオン質量分析器（ＳＩＭＳ）により
測定する場合、通常、試料表面の半導体デバイス側より
行なう。しかし、近年、半導体基板上の半導体デバイス
は積層構造を持ち、またその層数はますます増加してい
るため、デバイス中にＳＩＭＳ測定したい不純物と同種
の元素が高濃度に含まれる場合が多い。このような場合
にはＳＩＭＳ測定中に入射イオンのスパッタリングによ
るノックオン効果が生じ、デバイス中の高濃度の不純物
が測定したい特定領域における不純物濃度の定量精度を
劣化させるという問題が起こる。また、イオンスパッタ
リングはデバイス中に含まれる金属の配線層を荒らすた
め、ＳＩＭＳ測定の深さ精度が劣化するという問題も起
こる。これらの問題により試料表面からのＳＩＭＳ測定
により特定領域における不純物濃度を精度良く測定する
ことは困難である。これに対し、機械研磨、選択エッチ
ングにより試料基板を薄膜化し試料裏面側よりＳＩＭＳ
測定する方法が考案されている。しかし、この方法は試
料が異なる物質の積層構造により形成されている場合に
しか適用できないため、化合物半導体結晶基板の試料に
ついてのいくつかの実験例（例えば、川島らの、第５７
回 応用物理学会学術講演会９ａ−Ｖ‐１０「Backside
ＳＩＭＳによるＩｎＧａＡｓＰへのＺｎ拡散の評価」）
に限られているのが現状である。
形成した半導体デバイスにおいて、基板中、基板／デバ
イス界面、あるいはデバイス中などの特定領域における
不純物濃度を２次イオン質量分析器（ＳＩＭＳ）により
測定する場合、通常、試料表面の半導体デバイス側より
行なう。しかし、近年、半導体基板上の半導体デバイス
は積層構造を持ち、またその層数はますます増加してい
るため、デバイス中にＳＩＭＳ測定したい不純物と同種
の元素が高濃度に含まれる場合が多い。このような場合
にはＳＩＭＳ測定中に入射イオンのスパッタリングによ
るノックオン効果が生じ、デバイス中の高濃度の不純物
が測定したい特定領域における不純物濃度の定量精度を
劣化させるという問題が起こる。また、イオンスパッタ
リングはデバイス中に含まれる金属の配線層を荒らすた
め、ＳＩＭＳ測定の深さ精度が劣化するという問題も起
こる。これらの問題により試料表面からのＳＩＭＳ測定
により特定領域における不純物濃度を精度良く測定する
ことは困難である。これに対し、機械研磨、選択エッチ
ングにより試料基板を薄膜化し試料裏面側よりＳＩＭＳ
測定する方法が考案されている。しかし、この方法は試
料が異なる物質の積層構造により形成されている場合に
しか適用できないため、化合物半導体結晶基板の試料に
ついてのいくつかの実験例（例えば、川島らの、第５７
回 応用物理学会学術講演会９ａ−Ｖ‐１０「Backside
ＳＩＭＳによるＩｎＧａＡｓＰへのＺｎ拡散の評価」）
に限られているのが現状である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】選択エッチング技術が
使えない試料、例えばＳｉ基板の試料、では薄膜化は一
般に研磨法によるが、特定領域における不純物濃度を試
料裏面側より深さ精度良くＳＩＭＳ測定するためには通
常、分析対象となる層の手前１μｍ程度まで基板を薄膜
化する必要がある。ここで、基板の残り厚のモニター
は、図２に示すような触針式のマイクロメーター、ある
いは残り厚によって変化する干渉色を光学頭微鏡により
観察する方法などによって行われているが、このような
従来の方法ではサブミクロンレベルでの精密な基板厚の
制御は困難である。また、ＩｎＰ基板のように剛性の弱
い試料では、マイクロメーターの測定針の圧力により試
料が破壊されるという問題がある。一方、光学顕微鏡に
よる方法ではこの問題は解決されるが、試料表面側の半
導体デバイスが光学頭微鏡の光の波長に対して透明でな
い場合には測定できないという別な問題がある。
使えない試料、例えばＳｉ基板の試料、では薄膜化は一
般に研磨法によるが、特定領域における不純物濃度を試
料裏面側より深さ精度良くＳＩＭＳ測定するためには通
常、分析対象となる層の手前１μｍ程度まで基板を薄膜
化する必要がある。ここで、基板の残り厚のモニター
は、図２に示すような触針式のマイクロメーター、ある
いは残り厚によって変化する干渉色を光学頭微鏡により
観察する方法などによって行われているが、このような
従来の方法ではサブミクロンレベルでの精密な基板厚の
制御は困難である。また、ＩｎＰ基板のように剛性の弱
い試料では、マイクロメーターの測定針の圧力により試
料が破壊されるという問題がある。一方、光学顕微鏡に
よる方法ではこの問題は解決されるが、試料表面側の半
導体デバイスが光学頭微鏡の光の波長に対して透明でな
い場合には測定できないという別な問題がある。
【０００４】また、基板の薄膜化により得られた試料裏
面を試料表面に対して正確に平行にする必要があるが、
従来の研磨法では平行面からの傾斜を０．１度に制御で
きたとしても５００μｍ×５００μｍのラスター領域内
において０．９μｍ程度の厚さの分布を生じてしまう。
現在、半導体デバイスの多層構造において各層の薄膜化
はますます進んでおり、この場合には全く異なる層を同
時にＳＩＭＳ測定することになり深さ精度が著しく劣化
する。また、今のところ基板の薄膜化工程中に試料裏面
の傾斜を評価する技術も整っていない。
面を試料表面に対して正確に平行にする必要があるが、
従来の研磨法では平行面からの傾斜を０．１度に制御で
きたとしても５００μｍ×５００μｍのラスター領域内
において０．９μｍ程度の厚さの分布を生じてしまう。
現在、半導体デバイスの多層構造において各層の薄膜化
はますます進んでおり、この場合には全く異なる層を同
時にＳＩＭＳ測定することになり深さ精度が著しく劣化
する。また、今のところ基板の薄膜化工程中に試料裏面
の傾斜を評価する技術も整っていない。
【０００５】以上のように、従来の方法では特定領域に
おける不純物濃度を試料裏面より精度良くＳＩＭＳ測定
することは非常に困難である。
おける不純物濃度を試料裏面より精度良くＳＩＭＳ測定
することは非常に困難である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の不純物濃度分析
方法は、被分析試料中にマーカー元素をイオン注入する
第１の工程と、被分析試料表面から２次イオン質量分析
を行うことにより前記マーカー元素の深さ方向の濃度分
布を求める第２の工程と、分析対象となる層とこれに隣
接する層との界面の試料表面からの深さを測定する第３
の工程と、前記界面におけるマーカー元素の濃度を求め
る第４の工程と、被分析試料裏面を研磨またはエッチン
グする第５の工程と、前記被分析試料裏面から２次イオ
ン質量分析を行うことにより前記マーカー元素の深さ方
向の濃度分布を求める第６の工程と、第４の工程で得ら
れた前記界面におけるマーカー元素の濃度と第６の工程
で得られたマーカー元素の深さ方向の濃度分布とから前
記界面の前記被分析試料裏面からの深さを求める第７の
工程と、第７の工程で得られた前記界面の前記被分析試
料裏面からの深さが所定の値以下になるまで、第５の工
程から第７の工程までを繰り返す第８の工程と、第８の
工程で得られた前記被分析試料裏面から２次イオン質量
分析を行うことにより不純物濃度を定量分析する第９の
工程と、を含むことを特徴とする。このため、分析対象
となる層の試料裏面からの深さをサブミクロンオーダー
で制御することができ、従来よりも高精度のＳＩＭＳ測
定が可能となる。
方法は、被分析試料中にマーカー元素をイオン注入する
第１の工程と、被分析試料表面から２次イオン質量分析
を行うことにより前記マーカー元素の深さ方向の濃度分
布を求める第２の工程と、分析対象となる層とこれに隣
接する層との界面の試料表面からの深さを測定する第３
の工程と、前記界面におけるマーカー元素の濃度を求め
る第４の工程と、被分析試料裏面を研磨またはエッチン
グする第５の工程と、前記被分析試料裏面から２次イオ
ン質量分析を行うことにより前記マーカー元素の深さ方
向の濃度分布を求める第６の工程と、第４の工程で得ら
れた前記界面におけるマーカー元素の濃度と第６の工程
で得られたマーカー元素の深さ方向の濃度分布とから前
記界面の前記被分析試料裏面からの深さを求める第７の
工程と、第７の工程で得られた前記界面の前記被分析試
料裏面からの深さが所定の値以下になるまで、第５の工
程から第７の工程までを繰り返す第８の工程と、第８の
工程で得られた前記被分析試料裏面から２次イオン質量
分析を行うことにより不純物濃度を定量分析する第９の
工程と、を含むことを特徴とする。このため、分析対象
となる層の試料裏面からの深さをサブミクロンオーダー
で制御することができ、従来よりも高精度のＳＩＭＳ測
定が可能となる。
【０００７】また、本発明の不純物濃度分析方法は、前
記被分析試料裏面の二以上の箇所から２次イオン質量分
析を行い前記マーカー元素の深さ方向の濃度分布を求
め、該濃度分布を比較することにより前記被分析試料裏
面の平行度を求め、該平行度が所定の値以下になるよう
に被分析試料の厚みを調整する工程を含むことを特徴と
する。このため、試料裏面の平行度を精密に補正でき、
分析対象となる層の試料裏面からの深さをさらに高精度
に制御できるため、ＳＩＭＳ測定の更なる高精度化を図
ることができる。
記被分析試料裏面の二以上の箇所から２次イオン質量分
析を行い前記マーカー元素の深さ方向の濃度分布を求
め、該濃度分布を比較することにより前記被分析試料裏
面の平行度を求め、該平行度が所定の値以下になるよう
に被分析試料の厚みを調整する工程を含むことを特徴と
する。このため、試料裏面の平行度を精密に補正でき、
分析対象となる層の試料裏面からの深さをさらに高精度
に制御できるため、ＳＩＭＳ測定の更なる高精度化を図
ることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明における不純物とは、ＳＩ
ＭＳ測定可能な元素であれば良く、例えば、リン、ボロ
ン、ヒ素、アンチモン、亜鉛、シリコンが挙げられる。
ＭＳ測定可能な元素であれば良く、例えば、リン、ボロ
ン、ヒ素、アンチモン、亜鉛、シリコンが挙げられる。
【０００９】本発明におけるマーカー元素とは、ＳＩＭ
Ｓ測定したい不純物とは異なる元素を用いる。特に軽元
素を用いることにより、試料の破壊を最小限に抑えると
ともにＳＩＭＳ測定における質量干渉を最小限に抑え、
定量精度、深さ精度ともに良好なＳＩＭＳ測定を可能と
することができる。例えば、水素、ヘリウム、リチウ
ム、ベリリウム、ボロンおよびこれらの同位体から選ば
れるいずれかの元素とするのが好ましい。このうち特に
ヘリウムが好ましい。質量が小さく、不活性で試料成分
元素との化学的な相互作用をほとんど起こさないためで
ある。マーカー元素は通常のイオン注入法により注入さ
れる。
Ｓ測定したい不純物とは異なる元素を用いる。特に軽元
素を用いることにより、試料の破壊を最小限に抑えると
ともにＳＩＭＳ測定における質量干渉を最小限に抑え、
定量精度、深さ精度ともに良好なＳＩＭＳ測定を可能と
することができる。例えば、水素、ヘリウム、リチウ
ム、ベリリウム、ボロンおよびこれらの同位体から選ば
れるいずれかの元素とするのが好ましい。このうち特に
ヘリウムが好ましい。質量が小さく、不活性で試料成分
元素との化学的な相互作用をほとんど起こさないためで
ある。マーカー元素は通常のイオン注入法により注入さ
れる。
【００１０】本発明の不純物濃度分析方法においては、
分析対象となる層とこれに隣接する層との界面の試料表
面からの深さを測定する必要がある。ここで、隣接する
層とは分析対象となる層のいずれの側の層であっても良
い。深さの測定は、例えば、劈開あるいは収束イオンビ
ーム（ＦＩＢ）装置により試料の断面出しを行った後、
この断面を測長ＳＥＭで観察し、そのスケールから深さ
を読みとるという方法により行うことができる。
分析対象となる層とこれに隣接する層との界面の試料表
面からの深さを測定する必要がある。ここで、隣接する
層とは分析対象となる層のいずれの側の層であっても良
い。深さの測定は、例えば、劈開あるいは収束イオンビ
ーム（ＦＩＢ）装置により試料の断面出しを行った後、
この断面を測長ＳＥＭで観察し、そのスケールから深さ
を読みとるという方法により行うことができる。
【００１１】また、基板上に少なくとも半導体層を積層
してなる試料を分析試料とし、分析対象となる層とこれ
に隣接する層が異なる材料からなる場合は、被分析試料
の表面からマトリックスイオンについて２次イオン質量
分析を行うことにより測定する方法が有効となる。異種
材料の界面の位置を正確に検知できるからである。ここ
で、マトリックスイオンとは、基板または半導体層等を
構成する主要成分元素のイオンをいう。
してなる試料を分析試料とし、分析対象となる層とこれ
に隣接する層が異なる材料からなる場合は、被分析試料
の表面からマトリックスイオンについて２次イオン質量
分析を行うことにより測定する方法が有効となる。異種
材料の界面の位置を正確に検知できるからである。ここ
で、マトリックスイオンとは、基板または半導体層等を
構成する主要成分元素のイオンをいう。
【００１２】本発明においては、上記のようにして界面
の位置を測定した後、前記界面におけるマーカー元素の
濃度を求める。次いで、マーカー元素を試料裏面からＳ
ＩＭＳ測定し、得られたプロファイル中の前記界面にお
けるマーカー元素の濃度と一致する点を求めることによ
り、分析対象となる層の試料裏面からの深さを測定する
ことができる。このときの測定精度はＳＩＭＳ測定後の
イオンスパッタにより形成されたクレーターの深さ測定
における精度によって決定されるが、市販の触針式の表
面粗さ計（例えば、ＵＬＶＡＣ製ＤＥＫＴＡＫ3ＳＴ）
ではｎｍオーダーの測定精度で測定できる。ここで、分
析対象となる層における不純物濃度を精度良くＳＩＭＳ
測定するためには、前述のように通常分析対象となる層
の手前１μｍ程度まで試料裏面を研磨またはエッチング
する必要がある。したがって本発明においては、試料裏
面を研磨またはエッチングした後、上記のようにして分
析対象となる層の試料裏面からの深さを測定するという
工程を繰り返し、分析対象となる層の試料裏面からの深
さが所定の値（通常１μｍ程度）以下となるようにす
る。ここで、研磨またはエッチングの方法としては、機
械研磨、選択エッチング等の方法が挙げられる。
の位置を測定した後、前記界面におけるマーカー元素の
濃度を求める。次いで、マーカー元素を試料裏面からＳ
ＩＭＳ測定し、得られたプロファイル中の前記界面にお
けるマーカー元素の濃度と一致する点を求めることによ
り、分析対象となる層の試料裏面からの深さを測定する
ことができる。このときの測定精度はＳＩＭＳ測定後の
イオンスパッタにより形成されたクレーターの深さ測定
における精度によって決定されるが、市販の触針式の表
面粗さ計（例えば、ＵＬＶＡＣ製ＤＥＫＴＡＫ3ＳＴ）
ではｎｍオーダーの測定精度で測定できる。ここで、分
析対象となる層における不純物濃度を精度良くＳＩＭＳ
測定するためには、前述のように通常分析対象となる層
の手前１μｍ程度まで試料裏面を研磨またはエッチング
する必要がある。したがって本発明においては、試料裏
面を研磨またはエッチングした後、上記のようにして分
析対象となる層の試料裏面からの深さを測定するという
工程を繰り返し、分析対象となる層の試料裏面からの深
さが所定の値（通常１μｍ程度）以下となるようにす
る。ここで、研磨またはエッチングの方法としては、機
械研磨、選択エッチング等の方法が挙げられる。
【００１３】本発明における平行度とは、分析対象とな
る層とこれに隣接する層との界面を基準としたときの試
料裏面の傾斜角度をいう。平行度の評価は、試料裏面の
複数箇所でマーカー元素のＳＩＭＳ測定を行い、これら
のプロファイルを比較することによって行う。本発明に
おいては、この平行度が所定の値以下となるように試料
裏面を研磨またはエッチングし、調整を行う。以上のよ
うに平行度を調整することにより、ＳＩＭＳ測定のラス
ター領域（５００μｍ×５００μｍ）よりも広い部分で
試料裏面の傾斜が制御され、分析対象となる層における
不純物濃度の深さ精度良いＳＩＭＳ測定が可能となる。
る層とこれに隣接する層との界面を基準としたときの試
料裏面の傾斜角度をいう。平行度の評価は、試料裏面の
複数箇所でマーカー元素のＳＩＭＳ測定を行い、これら
のプロファイルを比較することによって行う。本発明に
おいては、この平行度が所定の値以下となるように試料
裏面を研磨またはエッチングし、調整を行う。以上のよ
うに平行度を調整することにより、ＳＩＭＳ測定のラス
ター領域（５００μｍ×５００μｍ）よりも広い部分で
試料裏面の傾斜が制御され、分析対象となる層における
不純物濃度の深さ精度良いＳＩＭＳ測定が可能となる。
【００１４】次に、本発明の不純物濃度分析方法の実施
形態の一例について説明する。図１は本発明により特定
位置３における不純物濃度のＳＩＭＳ測定を行なう試料
である。この試料４は、基板２上に酸化膜、誘電膜、金
属の配線などを含む半導体デバイス１を形成したもので
ある。この試料４を本発明の試料作製のフローチャート
（図３）にしたがって加工する。まず、試料表面側（デ
バイス１側）より軽元素をイオン注入する。このとき、
注入元素のイオン加速エネルギーは半導体デバイス１の
厚さにより調節して、元素の深さ分布のプロファイルに
おいてピークがデバイス１／基板２の界面に達するよう
に設定する。また、ＳＩＭＳプロファイルのバックグラ
ウンド付近はノイズが重なり見づらくなるため、加速エ
ネルギーとドーズ量を調節することによって注入元素の
深さ分布のプロファイルにおいて２桁以上のダイナミッ
クレンジがとれるようにイオン注入条件を設定する。こ
れらにより基板の残り厚測定の際、試料の表面側と裏面
側からのＳＩＭＳ測定プロファイルを容易に比較でき、
より精度良い基板の残り厚測定が可能となる。軽元素を
上述の条件によりイオン注入した後、試料４の表面側か
らこの元素をＳＩＭＳ測定すると図４のプロファイル８
を得る。ここで、デバイス１が均一な物質より形成され
ている場合にはその形成元素の２次イオンも同時に測定
するとプロファイル７が得られ、デバイス１１基板２の
界面９を明らかにすることができる。これにより得られ
た界面９での軽元素の濃度Ｃ１を求めれば、裏面からＳ
ＩＭＳ測定した軽元素のプロファイルにおいても濃度Ｃ
１となるポイントが界面と判断することが可能となる。
次に基板の薄膜化を行なう。薄膜化工程の初期で基板残
り厚測定に精度の要求されない段階においては、従来ど
おり図２のようなマイクロメーターなどを用いて基板の
残り厚を測定する。これにより残り厚が２μｍ程度であ
ることが確認できたら、基板裏面側より軽元素をＳＩＭ
Ｓ測定し図５の測定プロファイルを得る。ここで軽元素
の濃度がＣ１となるポイントが界面であるので、軽元素
プロファイルの始点から界面までの深さ、つまり基板の
残り厚Ｄ１が明らかになる。これにより基板の薄膜化工
程中に基板残り厚を決定することが可能となる。さら
に、深さ精度良いＳＩＭＳ測定のために試料表面に平行
な面からの薄膜化した後の基板裏面の傾斜を測定する。
まず、試料裏面より２個所で義元素をＳＩＭＳ測定し、
図６の２つの測定プロファイルを得る。これらのプロフ
ァイルを軽元素の濃度がＣ１となる界面９で合わせるこ
とによってスケールを一致させた後、両プロファイルの
始点を比較することによって試料表面に平行な面からの
試料裏面の傾斜Ｄ２を評価できる。機械研磨装置などを
調整することによってこの傾斜を補正すれば、より平行
度を高めることができ、深さ精度良いＳＩＭＳ測定が可
能となる。
形態の一例について説明する。図１は本発明により特定
位置３における不純物濃度のＳＩＭＳ測定を行なう試料
である。この試料４は、基板２上に酸化膜、誘電膜、金
属の配線などを含む半導体デバイス１を形成したもので
ある。この試料４を本発明の試料作製のフローチャート
（図３）にしたがって加工する。まず、試料表面側（デ
バイス１側）より軽元素をイオン注入する。このとき、
注入元素のイオン加速エネルギーは半導体デバイス１の
厚さにより調節して、元素の深さ分布のプロファイルに
おいてピークがデバイス１／基板２の界面に達するよう
に設定する。また、ＳＩＭＳプロファイルのバックグラ
ウンド付近はノイズが重なり見づらくなるため、加速エ
ネルギーとドーズ量を調節することによって注入元素の
深さ分布のプロファイルにおいて２桁以上のダイナミッ
クレンジがとれるようにイオン注入条件を設定する。こ
れらにより基板の残り厚測定の際、試料の表面側と裏面
側からのＳＩＭＳ測定プロファイルを容易に比較でき、
より精度良い基板の残り厚測定が可能となる。軽元素を
上述の条件によりイオン注入した後、試料４の表面側か
らこの元素をＳＩＭＳ測定すると図４のプロファイル８
を得る。ここで、デバイス１が均一な物質より形成され
ている場合にはその形成元素の２次イオンも同時に測定
するとプロファイル７が得られ、デバイス１１基板２の
界面９を明らかにすることができる。これにより得られ
た界面９での軽元素の濃度Ｃ１を求めれば、裏面からＳ
ＩＭＳ測定した軽元素のプロファイルにおいても濃度Ｃ
１となるポイントが界面と判断することが可能となる。
次に基板の薄膜化を行なう。薄膜化工程の初期で基板残
り厚測定に精度の要求されない段階においては、従来ど
おり図２のようなマイクロメーターなどを用いて基板の
残り厚を測定する。これにより残り厚が２μｍ程度であ
ることが確認できたら、基板裏面側より軽元素をＳＩＭ
Ｓ測定し図５の測定プロファイルを得る。ここで軽元素
の濃度がＣ１となるポイントが界面であるので、軽元素
プロファイルの始点から界面までの深さ、つまり基板の
残り厚Ｄ１が明らかになる。これにより基板の薄膜化工
程中に基板残り厚を決定することが可能となる。さら
に、深さ精度良いＳＩＭＳ測定のために試料表面に平行
な面からの薄膜化した後の基板裏面の傾斜を測定する。
まず、試料裏面より２個所で義元素をＳＩＭＳ測定し、
図６の２つの測定プロファイルを得る。これらのプロフ
ァイルを軽元素の濃度がＣ１となる界面９で合わせるこ
とによってスケールを一致させた後、両プロファイルの
始点を比較することによって試料表面に平行な面からの
試料裏面の傾斜Ｄ２を評価できる。機械研磨装置などを
調整することによってこの傾斜を補正すれば、より平行
度を高めることができ、深さ精度良いＳＩＭＳ測定が可
能となる。
【００１５】
（実施例１）図７は、Ｓｉ基板１４上にＤＲＡＭデバイ
スを模した模擬デバイス１５の薄膜を形成した試料であ
る。薄膜１５は基板１４にリンをイオン注入した後ＣＶ
Ｄにより形成した多結晶Ｓｉ１１、Ａｌ１０の層からな
り、厚さは１μｍである。この試料の模擬デバイス１５
／基板１４の界面におけるリン濃度を試料裏面よりＳＩ
ＭＳ測定するために、まず試料基板を裏面より薄膜化す
る。薄膜化工程中の基板残り厚モニターを行なうため、
深さ方向のマーカーとしてヘリウム元素をイオン注入す
る。より軽元素である水素を用いないのは、ＣＶＤ−多
結晶Ｓｉ中には多量の水素が含まれるからである。図８
は、Ｓｉ中にヘリウムを加速エネルギー３００ｋｅＶ、
ドーズ量５×１０15atoms/cm2の条件でイオン注入した
場合のＬＳＳ理論によるＳＩＭＳ測定プロファイルであ
る。注入エネルギー３００ｋｅＶ、ドーズ量５．０×１
０15atoms/cm2であればプロファイルのダイナミックレ
ンジが２桁以上とれる。またピークの深さ方向の位置は
１．３μｍとなり、模擬デバイス１５の厚さ１μｍより
も十分深く注入されている。そこで、以上の条件により
試料表面よりヘリウムをイオン注入し、このヘリウムを
表面側よりＳＩＭＳ測定すると図９の測定プロファイル
が得られる。ここで模擬デバイス１５／基板１４の界面
１２におけるヘリウム濃度Ｃ３を求めておく。次に機械
研磨により基板１４を薄膜化する。機械研磨装置２１は
図１０に示すものだが、３軸式の高さ調整器中心に試料
台が位置し、その台に試料表面を下にしてエレクトロン
ワックスで貼り付けられている。薄膜化中に試料裏面よ
りヘリウムをＳＩＭＳ測定すると図１１の測定プロファ
イルが得られる。ここで界面からプロファイルの始点ま
でが基板残り厚Ｄ３となる。この方法で残り厚をモニタ
ーし２μｍ程度になったところで先述した方法と同様に
して試料裏面の試料表面に平行な面からの傾斜を補正
し、試料裏面よりリンをＳＩＭＳ測定すると図１２のよ
うに急峻なプロファイルが得られた。図１３（ａ）の試
料表面側よりＳＩＭＳ測定した場合、（ｂ）の試料裏面
の傾斜を補正しない従来の研磨法の場合のリンのＳＩＭ
Ｓプロファイルと比較すると、その急峻さはより明らか
になり本発明の有効性が示される。
スを模した模擬デバイス１５の薄膜を形成した試料であ
る。薄膜１５は基板１４にリンをイオン注入した後ＣＶ
Ｄにより形成した多結晶Ｓｉ１１、Ａｌ１０の層からな
り、厚さは１μｍである。この試料の模擬デバイス１５
／基板１４の界面におけるリン濃度を試料裏面よりＳＩ
ＭＳ測定するために、まず試料基板を裏面より薄膜化す
る。薄膜化工程中の基板残り厚モニターを行なうため、
深さ方向のマーカーとしてヘリウム元素をイオン注入す
る。より軽元素である水素を用いないのは、ＣＶＤ−多
結晶Ｓｉ中には多量の水素が含まれるからである。図８
は、Ｓｉ中にヘリウムを加速エネルギー３００ｋｅＶ、
ドーズ量５×１０15atoms/cm2の条件でイオン注入した
場合のＬＳＳ理論によるＳＩＭＳ測定プロファイルであ
る。注入エネルギー３００ｋｅＶ、ドーズ量５．０×１
０15atoms/cm2であればプロファイルのダイナミックレ
ンジが２桁以上とれる。またピークの深さ方向の位置は
１．３μｍとなり、模擬デバイス１５の厚さ１μｍより
も十分深く注入されている。そこで、以上の条件により
試料表面よりヘリウムをイオン注入し、このヘリウムを
表面側よりＳＩＭＳ測定すると図９の測定プロファイル
が得られる。ここで模擬デバイス１５／基板１４の界面
１２におけるヘリウム濃度Ｃ３を求めておく。次に機械
研磨により基板１４を薄膜化する。機械研磨装置２１は
図１０に示すものだが、３軸式の高さ調整器中心に試料
台が位置し、その台に試料表面を下にしてエレクトロン
ワックスで貼り付けられている。薄膜化中に試料裏面よ
りヘリウムをＳＩＭＳ測定すると図１１の測定プロファ
イルが得られる。ここで界面からプロファイルの始点ま
でが基板残り厚Ｄ３となる。この方法で残り厚をモニタ
ーし２μｍ程度になったところで先述した方法と同様に
して試料裏面の試料表面に平行な面からの傾斜を補正
し、試料裏面よりリンをＳＩＭＳ測定すると図１２のよ
うに急峻なプロファイルが得られた。図１３（ａ）の試
料表面側よりＳＩＭＳ測定した場合、（ｂ）の試料裏面
の傾斜を補正しない従来の研磨法の場合のリンのＳＩＭ
Ｓプロファイルと比較すると、その急峻さはより明らか
になり本発明の有効性が示される。
【００１６】（実施例２）図１４は、Ｓｉ基板２５上に
ＤＲＡＭデバイス２９を形成した試料である。デバイス
２９の厚さは１μｍである。この試料３０のデバイス２
９／基板２５の界面における炭素濃度を試料裏面よりＳ
ＩＭＳ測定するために、実施例１と同様に薄膜化工程中
の基板残り厚モニターを行なうための深さ方向のマーカ
ーとしてヘリウム元素をイオン注入する。但し、試料３
０のように多層試料のために注入深さが浅くなる場合に
は不要な層を選択エッチングにより除去する必要があ
る。Ａｌ層２２を選択エッチングにより除去した後イオ
ン注入を行なう。試料３０で基板直上のデバイス２９の
厚さは実施例１と同じ１μｍであるため、実施例１と同
条件でヘリウムをイオン注入する。試料裏面の試料表面
に平行な面からの傾斜を制御して炭素をＳＩＭＳ測定す
ると、図１５の測定プロファイルを得る。このプロファ
イルも界面において急峻であり、本発明の有効性が示さ
れる。
ＤＲＡＭデバイス２９を形成した試料である。デバイス
２９の厚さは１μｍである。この試料３０のデバイス２
９／基板２５の界面における炭素濃度を試料裏面よりＳ
ＩＭＳ測定するために、実施例１と同様に薄膜化工程中
の基板残り厚モニターを行なうための深さ方向のマーカ
ーとしてヘリウム元素をイオン注入する。但し、試料３
０のように多層試料のために注入深さが浅くなる場合に
は不要な層を選択エッチングにより除去する必要があ
る。Ａｌ層２２を選択エッチングにより除去した後イオ
ン注入を行なう。試料３０で基板直上のデバイス２９の
厚さは実施例１と同じ１μｍであるため、実施例１と同
条件でヘリウムをイオン注入する。試料裏面の試料表面
に平行な面からの傾斜を制御して炭素をＳＩＭＳ測定す
ると、図１５の測定プロファイルを得る。このプロファ
イルも界面において急峻であり、本発明の有効性が示さ
れる。
【００１７】
【発明の効果】以上述べたように本発明はマーカー元素
の深さ方向の濃度分布を試料表面および試料裏面の２方
向からのＳＩＭＳ測定を行うため、分析対象となる層の
試料裏面からの深さをサブミクロンオーダーで制御する
ことができる。また、被分析試料裏面の二以上の箇所か
ら２次イオン質量分析を行い、マーカー元素の深さ方向
の濃度分布を比較するため、試料裏面の平行度を精密に
制御できる。これらにより、ＳＩＭＳ測定の高精度化を
図ることができる。また、マーカー元素として軽元素を
選択することによって試料の破壊を最小限に抑えるとと
もにＳＩＭＳ測定における質量干渉を最小限に抑えるこ
とができる。
の深さ方向の濃度分布を試料表面および試料裏面の２方
向からのＳＩＭＳ測定を行うため、分析対象となる層の
試料裏面からの深さをサブミクロンオーダーで制御する
ことができる。また、被分析試料裏面の二以上の箇所か
ら２次イオン質量分析を行い、マーカー元素の深さ方向
の濃度分布を比較するため、試料裏面の平行度を精密に
制御できる。これらにより、ＳＩＭＳ測定の高精度化を
図ることができる。また、マーカー元素として軽元素を
選択することによって試料の破壊を最小限に抑えるとと
もにＳＩＭＳ測定における質量干渉を最小限に抑えるこ
とができる。
【図１】分析試料の模式的断面図である。
【図２】従来の不純物濃度分析方法を説明するための図
である。
である。
【図３】本発明の不純物濃度分析方法を示すフローチャ
ートである。
ートである。
【図４】試料表面側から測定したマーカー元素およびマ
トリックスイオンのＳＩＭＳプロファイルである。
トリックスイオンのＳＩＭＳプロファイルである。
【図５】分析対象となる層の試料裏面からの深さの測定
方法を説明するための図である。
方法を説明するための図である。
【図６】試料裏面の平行度を測定する方法を説明するた
めの図である。
めの図である。
【図７】分析試料の模式的断面図である。
【図８】ＬＳＳ理論により求めたＳｉ中のヘリウムのＳ
ＩＭＳ測定プロファイルである。
ＩＭＳ測定プロファイルである。
【図９】分析対象となる分析対象となる層の試料裏面か
らの深さの測定方法を説明するための図である。
らの深さの測定方法を説明するための図である。
【図１０】機械研磨装置および試料台の構造を示す図で
ある。
ある。
【図１１】分析対象となる層の試料裏面からの深さの測
定方法を説明するための図である。
定方法を説明するための図である。
【図１２】本発明の不純物濃度分析方法により求めた模
擬デバイス中のリンのＳＩＭＳ測定プロファイルであ
る。
擬デバイス中のリンのＳＩＭＳ測定プロファイルであ
る。
【図１３】（ａ）は試料表面側より測定したリンのＳＩ
ＭＳプロファイルであり、（ｂ）は試料裏面の平行度を
補正せずに測定したリンのＳＩＭＳプロファイルであ
る。
ＭＳプロファイルであり、（ｂ）は試料裏面の平行度を
補正せずに測定したリンのＳＩＭＳプロファイルであ
る。
【図１４】分析対象となるＤＲＡＭデバイスの模式的断
面図である。
面図である。
【図１５】本発明の不純物濃度分析方法により求めたＤ
ＲＡＭ中の炭素のＳＩＭＳ測定プロファイルである。
ＲＡＭ中の炭素のＳＩＭＳ測定プロファイルである。
１ 半導体デバイス（酸化物、誘電膜、配線（主に金
属）を含む） ２ 試料基板 ３ 分析対象となる層 ４ 分析試料 ５ マイクロメーターの測定針 ６ マイクロメーター ７ マトリックスイオンのＳＩＭＳ測定プロファイル ８ マーカー元素のＳＩＭＳ測定プロファイル ９ マトリックスイオンのプロファイルより求めたデ
バイス１／基板２界面の位置 １０ アルミ薄膜 １１ 多結晶Ｓｉ １２ 基板１４／模擬デバイス１５の界面 １３ リンの存在する領域 １４ Ｓｉ基板 １５ 基板上に形成した模擬デバイスの薄膜 １６ 分析試料 １７ 試料台 １８ エレクトロンワックス １９ ３軸式高さ調節器 ２０ 回転台 ２１ 機械研磨装置 ２２ アルミ薄膜 ２３ ＳｉＯ2膜 ２４ ＤＲＡＭデバイス２９／基板２５の界面 ２５ Ｓｉ基板 ２６ 容量コンタクトの多結晶Ｓｉ ２７ ゲートＳｉＯ2膜 ２８ リンの存在する領域 ２９ 基板上に形成したＤＲＡＭデバイス ３０ 分析試料
属）を含む） ２ 試料基板 ３ 分析対象となる層 ４ 分析試料 ５ マイクロメーターの測定針 ６ マイクロメーター ７ マトリックスイオンのＳＩＭＳ測定プロファイル ８ マーカー元素のＳＩＭＳ測定プロファイル ９ マトリックスイオンのプロファイルより求めたデ
バイス１／基板２界面の位置 １０ アルミ薄膜 １１ 多結晶Ｓｉ １２ 基板１４／模擬デバイス１５の界面 １３ リンの存在する領域 １４ Ｓｉ基板 １５ 基板上に形成した模擬デバイスの薄膜 １６ 分析試料 １７ 試料台 １８ エレクトロンワックス １９ ３軸式高さ調節器 ２０ 回転台 ２１ 機械研磨装置 ２２ アルミ薄膜 ２３ ＳｉＯ2膜 ２４ ＤＲＡＭデバイス２９／基板２５の界面 ２５ Ｓｉ基板 ２６ 容量コンタクトの多結晶Ｓｉ ２７ ゲートＳｉＯ2膜 ２８ リンの存在する領域 ２９ 基板上に形成したＤＲＡＭデバイス ３０ 分析試料
Claims (5)
- 【請求項１】 被分析試料中にマーカー元素をイオン注
入する第１の工程と、被分析試料表面から２次イオン質
量分析を行うことにより前記マーカー元素の深さ方向の
濃度分布を求める第２の工程と、分析対象となる層とこ
れに隣接する層との界面の試料表面からの深さを測定す
る第３の工程と、前記界面におけるマーカー元素の濃度
を求める第４の工程と、被分析試料裏面を研磨またはエ
ッチングする第５の工程と、前記被分析試料裏面から２
次イオン質量分析を行うことにより前記マーカー元素の
深さ方向の濃度分布を求める第６の工程と、第４の工程
で得られた前記界面におけるマーカー元素の濃度と第６
の工程で得られたマーカー元素の深さ方向の濃度分布と
から前記界面の前記被分析試料裏面からの深さを求める
第７の工程と、第７の工程で得られた前記界面の前記被
分析試料裏面からの深さが所定の値以下になるまで、第
５の工程から第７の工程までを繰り返す第８の工程と、
第８の工程で得られた前記被分析試料裏面から２次イオ
ン質量分析を行うことにより不純物濃度を定量分析する
第９の工程と、を含むことを特徴とする不純物濃度分析
方法。 - 【請求項２】 前記被分析試料裏面の二以上の箇所から
２次イオン質量分析を行い前記マーカー元素の深さ方向
の濃度分布を求め、該濃度分布を比較することにより前
記被分析試料裏面の平行度を求め、該平行度が所定の値
以下になるように被分析試料の厚みを調整する工程を含
むことを特徴とする請求項１に記載の不純物濃度分析方
法。 - 【請求項３】 前記被分析試料が基板上に少なくとも半
導体層を積層してなる試料であり、前記半導体層が積層
された側の表面を前記被分析試料表面とし、前記基板側
の表面を前記被分析試料裏面とし、前記分析対象となる
層とこれに隣接する層が異なる材料からなり、前記分析
対象となる層とこれに隣接する層との界面の前記被分析
試料表面からの深さを前記被分析試料の表面からマトリ
ックスイオンについて２次イオン質量分析を行うことに
より測定することを特徴とする請求項１または２に記載
の不純物濃度分析方法。 - 【請求項４】 前記マーカー元素が、水素、ヘリウム、
リチウム、ベリリウム、ボロンおよびこれらの同位体か
ら選ばれるいずれかの元素である請求項１乃至３いずれ
かに記載の不純物濃度分析方法。 - 【請求項５】 請求項１乃至４いずれかに記載の不純物
濃度分析方法において、前記第１の工程の前に前記被分
析試料表面を研磨またはエッチングする工程を含む不純
物濃度分析方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8335600A JP2956627B2 (ja) | 1996-12-16 | 1996-12-16 | 不純物濃度分析方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8335600A JP2956627B2 (ja) | 1996-12-16 | 1996-12-16 | 不純物濃度分析方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10173020A JPH10173020A (ja) | 1998-06-26 |
| JP2956627B2 true JP2956627B2 (ja) | 1999-10-04 |
Family
ID=18290403
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8335600A Expired - Fee Related JP2956627B2 (ja) | 1996-12-16 | 1996-12-16 | 不純物濃度分析方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2956627B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013195152A (ja) * | 2012-03-16 | 2013-09-30 | Fujitsu Ltd | 二次イオン質量分析装置及び二次イオン質量分析方法 |
| CN111668128B (zh) * | 2020-05-08 | 2022-12-09 | 上海新傲科技股份有限公司 | 氢离子注入剂量检测方法以及氢离子注入剂量检测系统 |
| CN113109415A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-07-13 | 南昌大学 | 一种适用于二次离子质谱分析的多层膜界面位置表征方法 |
-
1996
- 1996-12-16 JP JP8335600A patent/JP2956627B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10173020A (ja) | 1998-06-26 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |