JP5050568B2

JP5050568B2 - 深さ方向不純物元素濃度分析方法

Info

Publication number: JP5050568B2
Application number: JP2007052620A
Authority: JP
Inventors: 陽子多田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-03-02
Filing date: 2007-03-02
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2027-03-02
Also published as: JP2008215990A

Description

本発明は、Ｓｉの表面から極浅い深さ、例えば、２〜３ｎｍの深さに分布する微量不純物元素の濃度を分析するのに好適な方法に関する。

通常、二次イオン質量分析法では、一次イオンを試料に照射し、スパッタエッチングしながら微量不純物の深さ方向分析を行っていて、この分析法は、ＣＭＯＳトランジスターのゲートやウエル、接合形成などのためにＳｉ中にイオン注入された微量不純物の分析に最適である（例えば、非特許文献１を参照。）。

近年の半導体装置に於ける接合は、十数ｎｍ程度と浅くなっていて、二次イオン質量分析法を適用する場合、従来は１ｋｅＶ以上であった一次イオンエネルギーを0.5 ｋｅＶまでさげて評価を行なってきた（例えば、非特許文献２を参照。）。

しかし、近年、電気特性向上のため、接合部だけではなく、最表面の不純物濃度分布を更に高精度に取得することが必要になってきた。

ところが、ＣＭＯＳデバイスで使われるＳｉ基板表面には、通常、約１ｎｍ程度の自然酸化膜が存在する。

一般に、酸化膜とＳｉ基板とでは、二次イオン化率やスパッタリングレートなどが相違し、そして、分析条件の如何によっては、自然酸化膜が表面荒れを引き起こす要因になっていて、局所的なスパッタリング収率（イールド）変化も引き起こしている（段落〔０００６〕乃至〔０００８〕について、例えば、非特許文献３を参照。）。

そのため、自然酸化膜の影響を考慮し、分析中、試料表面に酸化膜に相当する量の酸素を供給する必要がある。

そこで、分析を行う場合、適量の酸素ガスを分析室に導入すれば、自然酸化膜がスパッタリングされた後であっても、Ｓｉ表面に十分な酸素を供給できるのであるが、分析室の真空度は、通常の分析では１×１０^-9〜１×１０^-10ｔｏｒｒであるのに対し、酸素を分析室に導入することで、２〜３桁悪化する為、装置の傷みが激しくなる。

これに対し、酸素一次イオンを垂直に近い条件でＳｉに照射した場合、スパッタリングが定常に達したところで、表面の測定部には十分な酸素が存在するようになるので、この方法を採れば装置にダメージを与えることはない（例えば、非特許文献２及び非特許文献４を参照。）。

然しながら、照射した一次イオンが、自然酸化膜を突き抜けて基板奥へ注入される分析条件、即ち、そのような現象が発生する一次イオンエネルギー及びイオン入射角を選択した場合では、一次イオン照射初期に、自然酸化膜と注入された酸素の注入飛程（Ｒｐ）との間に酸素が少ない領域が形成される。

これは、一次イオンがガウス分布で注入されるためであり、この酸素が少ない領域はトランジェント（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ）領域とよばれ、スパッタリング収率や二次イオン収率の変化、或いは、表面荒れが起こりやすくする（例えば、非特許文献５を参照。）。

従来から実施されている検出限界を重視する表面から十数〜数十ｎｍ領域の分析に於いては、酸素一次イオンエネルギーとして約 0.5ｋｅＶが低エネルギーの限界であったが、この条件では、表面数ｎｍの分析において、Ｓｉ強度分布にトランジェント領域の影響が見られる。
「表面分析：ＳＩＭＳ，二次イオン質量分析法の基礎と応用」ＩＳＢＮ；４９００５０８１０１、２００３年アグネ承風社Ｊ．Ｓ．Ｗｉｌｌｉａｍｓｅｔ．，Ｊ．Ａｐｐｌ．７６（３），１Ａｕｇｕｓｔ（１９９４）１８４０−１８４６Ｂ．Ｆａｒｅｓｅｔａｌ．Ａｐｐｌ．Ｓｕｒｆ．Ｓｃｉ．２５３（２００６）２６６２−２６７０Ｋ．Ｗｉｔｔｍａａｃｋ，Ｓｕｒｆ．ＩｎｔｅｒｆａｃｅＡｎａｌ．，２９（２０００）７２１−７２５Ｓ．Ｒ．Ｂｒｙａｎｅｔａｌ．，Ｊ．Ｖａｃ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ５（１），Ｊａｎ／Ｆｅｂ（１９８７）９−１４．ＣＡＭＥＣＡ社（分析装置メーカー、フランス）製品カタログ、"製品名：ＩＭＳＷｆ、ＳＣＵｌｔｒａ（最新の二次イオン質量分析装置の１つ）"〔ｏｎｌｉｎｅ〕〔平成１９年２月２８日検索〕、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃａｍｅｃａ．ｆｒ／ｈｔｍｌ／ｐｒｏｄｕｃｔ＿ｉｍｓｗｆ−ｓｃｕｌｔｒａ．ｈｔｍｌ＞Ｙ．Ｋａｔａｏｋａｅｔａｌ．Ａｐｐｌ．Ｓｕｒｆ．Ｓｃｉ．２０３−２０４（２００３）３２９．

本発明では、二次イオン質量分析に於いて、酸素一次イオンを低エネルギーで照射してトランジェント領域の影響を低減しようとする場合、どこまで低エネルギーにすればよいかの基準を明確化しようとする。

本発明に依る深さ方向不純物元素濃度分析方法に於いては、二次イオン質量分析法を用いてＳｉ基板中の表面近傍に含まれる微量元素の深さ方向分析を行う際、一次イオンに酸素を用い、一次イオンの照射条件として、エネルギーを装置限界である0.15ｋｅＶ以上、且つ、従来法である0.50ｋｅＶ以下とし、一次イオン入射角θを各エネルギーにあわせて選択することを特徴とする。

ところで、本発明の課題を解決する為の手段では、一次イオンの照射条件として、エネルギーを0.15ｋｅＶ以上、0.50ｋｅＶ以下と云う数値が限定されているので、その数値について説明を加える。

現在、代表的なＳＩＭＳ（ｓｅｃｏｎｄａｒｙｉｏｎｍａｓｓｓｐｅｃｔｏｒｏｍｅｔｒｙ）装置に於ける仕様では、０．２５ｋｅＶが最も低い加速エネルギーになっている（例えば、非特許文献６を参照。）。

分析者のテクニック、即ち、ビーム調整技術に依って、０．２５ｋｅＶ以下での限界エネルギーが決まるのであるが、現今のＳＩＭＳ装置では、０．１５ｋｅＶより低くなった場合、先ず、十分な電流量が安定して取れないこと、ビームを測定可能なレベルに絞るのが困難であること、また、スパッタイールドは一次イオンエネルギーが低くなる程遅くなり、この点、後記説明する図１からすると、０．１５ｋｅＶは０．２ｋｅＶよりも更に遅くなるであろうことが看取でき、従って、測定に膨大な時間が必要となって実用にならないので、０．１５ｋｅＶを装置限界としたことは妥当と考えられる。

また、０．５ｋｅＶは、接合を評価する際、必要な検出限界及び深さ分解能の両方をクリアする一般的な条件である。

前記手段を採ることに依り、Ｓｉ表面から数ｎｍ付近の微量不純物の深さ方向分析を元素の如何に依らず高精度で行なうことができ、ＣＭＯＳトランジスターの開発に関わる分析評価に極めて有効である。

一般に、二次イオン質量分析を行う場合、酸素一次イオンを垂直に近い入射角で照射した場合、スパッタリングされるのは、対象物表面のごく一部であり、スパッタリング領域の下には、酸素一次イオンによる酸化層が形成される。

このため、試料表面には、元から存在した自然酸化膜がスパッタリングされた後であっても薄い酸化層が形成され続け、その酸化層の厚さは、一次イオンの入射角に依存する。

一次イオンの入射角を大きくしていくと、同じエネルギーでは、Ｒｐ（注入飛程）は浅くなるが、スパッタリング収率は増加する。

図１は二次イオン質量分析を行う際の一次イオンの入射角に依存したスパッタリング収率の変化を表す線図である。

スパッタリング収率が増加すると酸化層厚は薄くなり、やがて酸化層が形成されない状態となる。この酸化層は、実は、不純物分布を歪める場合がある。

図２は酸素一次イオン（0.2 ｋｅＶ）の入射角に依存するＳｉ中のＧａ深さ分布の変化を表す線図であり、破線の楕円で囲んだ領域は不純物分布が歪んだ領域を示している。

図から明らかであるが、入射角に依存して分布が変化し、垂直、即ち、０°に近いほど（▲）、分布のゆがみが大きいため、これは、酸化層の厚さに依存した一種の拡散と考えられる。

また、酸化層が形成されない入射角では、自然酸化膜とＳｉ基板間のスパッタリング収率差から、不純物分布がシフトを起こす。そのため、酸化層が必要最小限になる入射角を選択する必要がある。

酸化層が形成されない入射角において、酸素一次イオンのＲｐが自然酸化膜よりも深い場合、表面荒れが生じる。

図３は酸素一次イオン（0.5 ｋｅＶ）の入射角に依存するＳｉ検出強度の変化を表す線図であり、入射角が大きいほど、表面でのＳｉ強度分布が変動しているのがわかる。尚、図３では、入射角が６０°（□）の場合、破線の楕円で指示してあるＳｉ検出強度変化は著しく垂下していることが看取され、これは表面荒れの存在を示している。

図４は酸素一次イオン（0.2 ｋｅＶ）の入射角に依存するＳｉ検出強度の変化を表す線図であり、０°〜４０°でＳｉ強度分布の変化は起きていない。また、５０°〜６０°では、表面にピークが形成されるようになるが、これは、酸化層が形成されなくなり、自然酸化膜中で、その自然酸化膜に於ける酸素がＳｉの二次イオン化率を増大させ、Ｓｉ基板に達したところで増大が起こらなくなっているものと考えられる。

従って、入射角に依存したＳｉ強度分布変化を調べ、表面のＳｉ強度分布が、図３に見られるような強度減少を伴わず、図４に見られるような強度変化であれば、酸素一次イオンのＲｐは、ほぼ自然酸化膜内であり、トランジェント領域が影響しない分析が可能といえる。

図５は酸素一次イオンエネルギー0.2 ｋｅＶの条件で得られた入射角に依存したＧａ分布のピーク位置変化を表す線図である。尚、図５には高分解能ラザフォード後方散乱分光法（ＨｉｇｈＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎＲｕｔｈｅｒｆｏｒｄＢａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＨＲ−ＲＢＳ）に依るデータも併せて示してある。

ＨＲ−ＲＢＳは、適用元素に制限があり、また、検出限界もＳＩＭＳ（ｓｅｃｏｎｄａｒｙｉｏｎｍａｓｓｓｐｅｃｔｏｒｏｍｅｔｒｙ）に比較して２〜３桁悪いとされているが、近年、表面から数ｎｍの不純物分布が取得できるようになってきたので、比較の為、この分析機器を用いてデータを採った。

ＨＲ−ＲＢＳを基準にすると、入射角０度では、Ｇａピーク深さが基板方向へ４ｎｍ程度シフトしているが、入射角度４０度付近でＨＲ−ＲＢＳと一致し、５０〜６０度で表面側にシフトしている。

さきに説明した図４に依ると、５０〜６０度では、酸化層が形成されなくなっていると考えられ、図５に於いて、上記の５０〜６０度で表面側にシフトしているのは、自然酸化膜とＳｉ基板間のスパッタレート差によると判断される。

従って、図５からすると、酸素一次イオンエネルギーが0.2 ｋｅＶでは、入射角θとしては、４０度±２度（２度：角度制御の精度、これについては非特許文献７を参照。）が最適といえる。

このように、選択した酸素一次イオンエネルギーに対し、表面数ｎｍに分布する不純物分布のピーク深さの酸素一次イオン入射角を調べ、ＨＲ−ＲＢＳのような別の手段で決定した値と比較し、一致した入射角条件が最適条件といえる。また、比較可能なデータがない場合は、ピークシフトを起こさなくなる直前の入射角を選択するとよい。

図６及び図７は酸素一次イオンエネルギー0.2 ｋｅＶで入射角を変化させて得たＧａ及びＡｓの分布をＨＲ−ＲＢＳと比較した結果を表す線図である。

酸化層に依存した分布変化は、Ｇａ及びＡｓそれぞれの元素で異なるのであるが、両元素とも、入射角θは、４０度±２度を満たす約４０度で、二次イオン質量分析法で得られた分布とＨＲ−ＲＢＳで得られた分布、即ち、黒太線で示した分布とがほぼ一致していることが看取されよう。

前記したところから、酸化層との相互作用が異なる元素に対しても本発明に依る深さ方向不純物元素濃度分析方法が適用できることが認識される。

二次イオン質量分析を行う際の一次イオンの入射角に依存したスパッタリング収率の変化を表す線図である。酸素一次イオン（0.2 ｋｅＶ）の入射角に依存するＳｉ中のＧａ深さ分布の変化を表す線図である。酸素一次イオン（0.5 ｋｅＶ）の入射角に依存するＳｉ検出強度の変化を表す線図である。酸素一次イオン（0.2 ｋｅＶ）の入射角に依存するＳｉ検出強度の変化を表す線図である。酸素一次イオンエネルギー0.2 ｋｅＶの条件で得られた入射角に依存したＧａ分布のピーク位置変化を表す線図である。酸素一次イオンエネルギー0.2 ｋｅＶで入射角を変化させて得たＧａの分布をＨＲ−ＲＢＳと比較した結果を表す線図である。酸素一次イオンエネルギー0.2 ｋｅＶで入射角を変化させて得たＡｓの分布をＨＲ−ＲＢＳと比較した結果を表す線図である。

Claims

二次イオン質量分析法を用いてＳｉ基板中の表面近傍に含まれる微量元素の深さ方向分析を行なう際、
一次イオンに酸素を用い、一次イオンの照射条件として、エネルギーを０．１５ｋｅＶ以上、且つ、０．５０ｋｅＶ以下とし、Ｓｉ検出強度分布の一次イオン入射角依存性を調べ、Ｓｉ強度分布が、Ｓｉ基板最表面において、強度減少を伴う変化を起こす入射角が存在しない一次イオンエネルギーを選択し、一次イオン入射角θを各エネルギーにあわせて選択すること
を特徴とする深さ方向不純物元素濃度分析方法。
請求項１で選択した酸素一次イオンエネルギーに対し、入射角を０度から順に大きくして分析条件に依存したイオン注入不純物分布のピーク深さ変化を調べ、高分解能ラザフォード後方散乱分光法と比較し、ピーク深さや分布が一致する入射角を選択すること
を特徴とする請求項１記載の深さ方向不純物元素濃度分析方法。
請求項１で選択した酸素一次イオンエネルギーに対し、入射角を０度から順に大きくして分析条件に依存したイオン注入不純物分布のピーク深さ変化を調べ、ピーク深さが変化しなくなる直前の入射角を選択すること
を特徴とする請求項１記載の深さ方向不純物元素濃度分析方法。