JP4920494B2 - 試料作成方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイスのドーパントプロファイル測定用の薄片試料作成に関するものである。

走査キャパシタンス顕微鏡(SCM)で金属探針直下の微少領域の容量変化を測定することによりMOS構造のドーパントのプロファイル測定が行われている(非特許文献1)。走査キャパシタンス顕微鏡測定ではドーパントの分布のみならずスパイク欠陥なども検出可能である。電子線ホログラフィーを用いてpn接合を含む断面の位相像から電位分布像に変換することでドーパントプロファイル測定が行われている(非特許文献2)。

従来の走査キャパシタンス顕微鏡用のサンプル作製ではワイヤーソウなどで不良箇所やドーパントプロファイル測定したい個所を含む領域を切り出し、ダイヤモンド砥粒またはコロイダルシリカを用いた精密研磨で薄くしていく方法をとっていた。集束イオンビーム装置(FIB)で不良箇所やドーパントプロファイル測定したい個所を含む領域を切り出した場合にもガリウム注入領域の除去にダイヤモンド砥粒またはコロイダルシリカを用いた精密研磨を用いていた。そのため不良箇所やドーパントプロファイル測定したい個所をピンポイントで切り出すのは困難であった。ここで、ピンポイントで切り出すとは、狙った位置が含まれかつ削りだしが少なくて済むようにできるだけ少ないサンプル量で切り出すという意味である。また走査キャパシタンス顕微鏡測定には、探針と測定領域のシリコンの間に適度な酸化膜が必要で、この酸化膜の作成は、測定領域のシリコンを300℃に加熱した状態で、該領域に20分程度紫外線光を照射して行っていた。

故障箇所を集束イオンビーム装置によりピンポイントで切り出し、該切り出した部分を透過型電子顕微鏡(TEM)で評価を行う事が行われている(非特許文献3)。透過型電子顕微鏡の評価においては、構造的な問題や、電子エネルギー損失分光(EELS)分析により組成は分るが、ドーパント分布などの電気的な物性を知ることができなかった。集束イオンビーム装置によりピンポイントで切り出したデバイス断面において、設計どおりのドーパント分布になっているか測定する方法や、集束イオンビームでピンポイントで切り出した故障箇所の電気的な特性を調べる方法が求められている(特許文献1)。

上記要望を実現し信頼性のある走査キャパシタンス顕微鏡測定を行うためには、測定領域のシリコン表面に適度な酸化膜の形成に加え、集束イオンビームによる切り出しに伴う、切り出し部分に注入されたガリウムや切り出し部分に形成されたダメージ層の除去が必要になる。また凹凸も容量に影響するので少なくしなければならなかった。又、電子線ホログラフィーを用いたドーパントプロファイル測定を行うには注入ガリウムを除去し、電子線が透過できるように凹凸の少ないまま試料を薄くしなければならない。信頼性高いデータを得るためには薄くした試料のダメージ領域を低減しなければならない。
X. D. Wang, C. L. Liu, A. Thean, E. Duda, R. Liu, Q. Xie, S. Lu, A. Barr, T. White, B. Y. Nguyen, M. Orlowski, J. Vac. Sci. Technol. B22 373-376(2004) 上田修、応用物理 72 539-549(2003) 近藤芳正、O plus E 25 899-903(2003) 特開2004-226079

本発明は、半導体デバイスの所望の断面のドーパントプロファイル測定、もしくは電子線ホログラフィーによるドーパントプロファイル測定を可能にすることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明においては、半導体デバイスから、集束イオンビーム装置で薄片試料を切り出し、該切り出した薄片試料の断面の薄膜化や注入ガリウムの除去に、ガスクラスターイオンビームを用いて、切り出した断面の狭い領域に、低ダメージで凹凸の少ない除去加工を施す。ガスクラスターイオンビーム装置を用いれば、そのクラスターサイズと1原子あたりの入射エネルギーの組み合わせを最適化することにより、狭い領域に低ダメージで凹凸の少ない除去加工ができる。

また酸素ガスクラスターイオンビームを用いれば、そのクラスターサイズや1原子あたりの入射エネルギーを制御することにより、ストイキオメトリーが良く、すなわち形成した酸化膜の化学組成がよりSi0₂に近く、膜厚制御性の良いシリコン酸化膜が得られる。再現性の良い薄い酸化膜が得られれば、走査キャパシタンス顕微鏡で、信頼性の良いドーパントプロファイルデータを得ることができる。

デバイス断面を、電子線ホログラフィーを用いてドーパントプロファイル測定を行う場合は、100〜200kVの電子線が透過する厚さまで、集束イオンビーム装置で半導体デバイスから切り出した薄片の断面を、ガスクラスターイオンビームのスパッタで薄くする。

クラスターイオンビームは原子1個あたりのエネルギーが低く、サンプルに深く注入されることはない。希ガスのクラスターイオンを用いれば、もしイオンが注入されても不活性であるためガリウムのようにドーパントプロファイル測定に影響を与えることはない。クラスターイオンビームのラテラルスパッタ効果（ガスクラスターイオンビームには平面から突き出たところがスパッタされやすい(平坦化しやすい)効果があり、これをラテラルスパッタ効果と呼ぶ）で凹凸の少ない除去断面が得られる。

酸素ガスクラスターイオンビームで条件を最適化することにより、ストイキオメトリーが良くて適度に薄い酸化膜を再現性良く形成することができる。この場合も酸素ガスクラスターイオンビームで凹凸の少ない酸化膜表面が得られる。

以下に本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。

図1は、集束イオンビーム装置で半導体デバイスから切り出した薄片6の断面を、ガスクラスターイオンビームを用いてエッチングして、電子線ホログラフィーのためのドーパントプロファイル測定用サンプルを作製する場合を説明するための、薄片6の処理工程毎の概略断面図（薄片6の測定断面に垂直で、かつ、半導体デバイス表面に平行な方向から切断した場合の断面図）である。

集束イオンビームを照射して、半導体デバイスの所望の位置で断面を形成し、該断面を含む薄片6を集束イオンビーム装置から取り出す。薄片6には、集束イオンビームが照射された時に、ガリウムが注入され残留ガリウム層3が存在する。取り出した薄片6を、走査キャパシタンス顕微鏡や電子線ホログラフィーでドーパントプロファイル測定可能にするのに必要な前処理を行うために、ガスクラスターイオンビーム装置に導入する。ガスクラスターイオンビーム装置に複合した光学顕微鏡または走査電子顕微鏡で観察しながら、薄片6の表面の残留ガリウム層3がガスクラスターイオンビームの照射位置にくるように位置を調整する。

クラスターサイズと1原子あたりの入射エネルギーの組み合わせを最適化したイオンドーズ量10¹⁴ions/cm²〜10¹⁶ions/cm²、加速電圧10〜20kVのアルゴン等の希ガスのガスクラスターイオンビーム1を薄片6に照射し(図1(a))、集束イオンビーム装置で切り出した薄片6の表面に注入された30nm程度の残留ガリウム層3が除去できるまで表面のスパッタを行う(図1(b))。電子線ホログラフィーを用いてドーパントプロファイル測定する場合は、薄片6をひっくり返して裏面に注入された30nm程度の残留ガリウム層3の除去も行う(図1(c))。サンプルをひっくり返したのち再びガスクラスターイオンビーム装置に複合した光学顕微鏡または走査電子顕微鏡で観察しながら、残留ガリウム除去後の薄片2の表面がガスクラスターイオンビームの照射位置にくるように位置を調整する。

電子線ホログラフィーを用いてドーパントプロファイルを測定する場合は、両面の残留ガリウム層3を除去したのちに、更にクラスターサイズと1原子あたりの入射エネルギーの組み合わせを最適化したイオンドーズ量10¹⁴ions/cm²〜10¹⁶ions/cm²、加速電圧10〜20kVのアルゴン等の希ガスのガスクラスターイオンビーム1を、残留ガリウム層除去後の薄片2の表面に照射走査し(図1(d))、100〜200kVの電子線が透過する100nm以下まで更に薄片化する(図1(e))。膜厚の確認は原子間力顕微鏡等で適宜取り出して行う。

残留ガリウム層除去や薄片化の粗加工を、SF₆やCF₄のような反応性ガスクラスターイオンビームの増速効果のあるスパッタで行い、仕上げ加工をアルゴン等の希ガスのガスクラスターイオンビーム1で行えば加工時間を短くすることができる。

図2は、集束イオンビーム装置で切り出した薄片6から、ガスクラスターイオンビームで、走査キャパシタンス顕微鏡のためのドーパントプロファイル測定用サンプルを作製する場合の薄片6の処理工程毎の概略断面図である。

残留ガリウム層3を除去するために、クラスターサイズと1原子あたりの入射エネルギーの組み合わせを最適化したイオンドーズ量10¹⁴ions/cm²〜10¹⁶ions/cm²、加速電圧10〜20kVのアルゴン等の希ガスのガスクラスターイオンビーム1を照射する（図2(a)）。

残留ガリウム層3の除去後、残留ガリウム除去後の薄片2の表面にクラスターイオンサイズ250以上、イオンドーズ量5X10¹⁵ions/cm²程度、加速電圧5〜10kVの酸素ガスクラスターイオンビーム5を照射し(図2(b))、残留ガリウム除去後の薄片2の断面に5〜10nm表面酸化層4を形成する(図2(c))。

集束イオンビーム装置で、半導体デバイスの故障箇所の断面を含む薄片試料を切り出す。半導体デバイスの故障箇所は、対象となるチップに対しLSIテスタ、電子ビームテスタ等で測定される。切り出した薄片試料の断面を、走査キャパシタンス顕微鏡や電子線ホログラフィーでドーパントプロファイルを測定することでスパイク欠陥等の故障原因を明らかにすることもできる。

本方法は、走査キャパシタンス顕微鏡によるドーパントプロファイル測定用サンプル作製だけでなく、走査キャパシタンス顕微鏡よりも感度の高い走査非線形誘電率顕微鏡(SNDM)によるドーパントプロファイル測定のサンプル作製にも利用できる。

ガスクラスターイオンビームを用いて、半導体デバイスから集束イオンビーム装置で切り出した薄片をエッチングして、電子線ホログラフィーのためのドーパントプロファイル測定用サンプルを作製する場合の薄片の概略断面図である。 ガスクラスターイオンビームを用いて、半導体デバイスから集束イオンビーム装置で切り出した薄片をエッチングして、走査キャパシタンス顕微鏡のためのドーパントプロファイル測定用サンプルを作製する場合の薄片の概略断面図である。

符号の説明

1 アルゴンガスクラスターイオンビーム
2 残留ガリウム層を除去した薄片
3 残留ガリウム層
4 酸化膜
5 酸素ガスクラスターイオンビーム
6 集束イオンビーム装置で切り出した薄片

Claims (4)

1. 半導体デバイスから、集束イオンビーム装置を用いて、ガリウムの集束イオンビームにより所望の断面を含む薄片を切り出す工程と、
   該切り出した薄片の残留ガリウム除去をガスクラスターイオンビームで行う工程と、
   残留ガリウム除去を施した前記薄片の表面に酸素ガスクラスターイオンビームを照射し、前記薄片の表面に表面酸化層を形成する工程と、を有する試料作成方法。
2. 前記薄片の残留ガリウム除去は、前記薄片の両面に対し行なう請求項１記載の試料作成方法。
3. 前記残留ガリウム除去後、前記ガスクラスターイオンビームを用いて更に薄片化を行なう請求項２記載の試料作成方法。
4. 前記残留ガリウム除去は反応性ガスクラスターイオンビームで行い、前記残留ガリウム除去後の更なる薄片化は、希ガスクラスターイオンビームで行う請求項３記載の試料作成方法。

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