JP5245254B2

JP5245254B2 - 微量元素の深さ方向分布の分析方法

Info

Publication number: JP5245254B2
Application number: JP2007028245A
Authority: JP
Inventors: 真弓滋野; 祐治片岡
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-02-07
Filing date: 2007-02-07
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2027-02-07
Also published as: JP2008191096A

Description

本発明は、シリコン（Ｓｉ）中のインジウム（Ｉｎ）またはガリウム（Ｇａ）またはインジウムとガリウムとの深さ方向の分布を分析する方法に関するものである。

絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ：ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｔｏｒ）または金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）では、短チャネル効果（ＳｈｏｒｔＣｈａｎｎｅｌＥｆｆｅｃｔ：ＳＣＥ）を抑制するためにポケット注入（または斜め注入）が行なわれている。ポケット注入とは、ゲート電極加工後、ゲート電極に対して斜めからチャネル不純物と同じ型の不純物を注入する方法で、ｐ型のソース／ソースドレインに対しては、ＩｎまたはＧａを注入することがしばしば行われる。

この場合のＩｎおよびＧａの深さ方向分布は、一般に二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）によって評価され、その注入・拡散条件が決定されるが、ＭＯＳＦＥＴの微細化に伴う接合深さの極浅化によりポケットの注入深さも必然的に浅くなり、Ｉｎ、Ｇａの深さ方向分布を、ナノメートルレベルの深さ範囲（極浅領域）で、深さについての精度（以下、単に深さ精度という）が高い条件で評価しなければならない。

ＳＩＭＳでＩｎやＧａ等、エレクトロポジティブな元素を評価する場合、高感度な分析を目的に、一般に、酸素イオンを一次イオンとして照射する。また、極浅領域の評価に際しては、深さ精度を高めるために一次イオンを低エネルギー化（１００〜５００ｅＶ）して用いることが通常である（特許文献１参照。）。
特開２００１−５９８２６号公報（特許請求の範囲）

しかしながら、必ずしも低エネルギー化のみでは高い深さ精度が得られない。図１は、Ｓｉ中に〜５ｋｅＶ、１×１０¹⁵個（イオン）／ｃｍ²の条件でイオン注入した場合のＩｎの深さ方向分布を、酸素イオンを一次イオンとして用い、試料面に対し法線方向を０°とした場合に、入射角度を０°（すなわち、垂直入射）として分析した際に、酸素一次イオンのエネルギーと深さ精度を表すファクターである減衰深さ（ＤｅｃａｙＬｅｎｇｔｈ：λ）との関係を求めたものである。λは７５０ｅＶのときに極小となり、最も深さの精度が高いことを示している。なお、減衰深さとは、試料の深さと検出対象物との関係をプロットした図（検出対象物の深さプロファイル）のテール部分で、濃度が１桁落ちるのに必要とする深さである。すなわち、濃度が１桁落ちるのに必要とする深さが小さければ小さいほど深さの影響が鋭敏に濃度に影響を与え、したがって深さの精度がより高いことになる。なお、このテール部分は、たとえば、１×１０¹⁹個／ｃｍ²から１×１０¹⁸個／ｃｍ²になるのに要する距離（深さ）として任意的に決めることができる。

図１に示されるように、従来のように照射する酸素イオンを低エネルギー化するだけでは高精度な深さ方向分析は実現できないことが判明した。本発明は、この課題を解決し、ＳＩＭＳによる、試料中のインジウムやガリウムの、高精度な深さ方向分析を実現する方法を提供することを目的としている。本発明の更に他の目的および利点は、以下の説明から明らかになるであろう。

本発明の一態様によれば、試料に一次イオンを照射して、発生する二次イオンを分析する二次イオン質量分析法により、シリコン中の、インジウムまたはガリウムまたはインジウムとガリウムとの深さ方向の分布を分析する方法であって、一次イオンとして酸素イオンを用い、スパッタ収率が、Ｏ₂ ⁺として１．０原子／イオン以上となる照射条件で分析を行なう、分析方法が提供される。

本発明態様により、ＳＩＭＳによるシリコン中のインジウムやガリウムの分布分析において、高精度な深さ方向分析を実現できる。

前記酸素イオンを５００ｅＶ以上のエネルギーで照射すること、および、前記試料面に対し法線方向を０°とした場合に、前記酸素イオンを７０°の入射角度で照射することが好ましい。

より具体的には、前記酸素イオンを、１０００ｅＶ以上のエネルギーで、かつ、前記試料面に対し法線方向を０°とした場合に前記酸素イオンを４５〜７０°の入射角度で、照射すること、前記酸素イオンを、２０００ｅＶ以上のエネルギーで、かつ、前記試料面に対し法線方向を０°とした場合に前記酸素イオンを４０〜７０°の入射角度で、照射すること、および、前記酸素イオンを、３０００ｅＶ以上のエネルギーで、かつ、前記試料面に対し法線方向を０°とした場合に前記酸素イオンを３０〜７０°の入射角度で、照射すること、が好ましい。

本発明により、ＳＩＭＳによるシリコン中のインジウムやガリウムの分布分析において、高精度な深さ方向分析を実現できる。

以下に、本発明の実施の形態を図、表、実施例等を使用して説明する。なお、これらの図、表、実施例等および説明は本発明を例示するものであり、本発明の範囲を制限するものではない。本発明の趣旨に合致する限り他の実施の形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。たとえば、以下の具体的説明は、Ｉｎに絞って行ったが、本発明はＧａの分析やＩｎとＧａとの分析にも適用できることはいうまでもない。

どのような酸素イオン照射条件の下でλの極小値が得られるかを明らかにし、その条件を実測定に用いることで、上記課題を解決することが可能であることが見出された。

一般的に、深さ精度は一次イオン照射に起因する試料表面のミキシングに依存するとされている。ここで、ミキシングとは、一次イオンの照射により、試料中の測定対象物の配置が乱されることを意味する。このミキシングの幅は一次イオンのエネルギーと入射角度によって決まる。

図２は、酸素一次イオンのエネルギーと入射角度を変えた実験（シリコン基板中のＩｎを測定）から、ミキシング幅と酸素一次イオンのエネルギーで規格化したλ（λ／Ｅ）との関係を示したものである。なお、ミキシング幅は、モンテカルロ法により注入イオンの分布を計算するＴＲＩＭシミュレーション（ HYPERLINK "http://／" ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ＳＲＩＭ．ｏｒｇ．より入手可能）によって求めた。

図２より、エネルギーが低い場合（例えば２５０ｅＶ）では、ミキシング幅がほとんど変わらないのにλ／Ｅが大きく変化しており、一方、エネルギーが高い場合（例えば３０００ｅＶ）では、ミキシング幅の増加に伴ってλ／Ｅも増加する傾向が見られることが理解される。

したがって、エネルギーが高い場合には、従来から言われているように「ミキシングの影響」で深さ精度が低下すると言えるが、エネルギーが更に低くなりある境界以下になると、「別の効果」が深さ精度低下に起因していると言える。この「別の効果」はイオン照射に誘発される拡散現象ではないかと推察されている。より具体的には、酸素一次イオンの照射により、酸素との共存を嫌うＩｎやＧａが試料中から放出されやすくなるためであろうと考えられている。

このように、λ／Ｅは、ある値より小さい場合には、ミキシング幅の変化にあまり関わらない変化を示し、ある値より大きい場合にはミキシング幅の増加に伴って増大する。

図１は、入射角度０度では、その境界が７５０ｅＶであることを示していると言えよう。しかしながら、λは一次イオンの入射角度にも影響される。従って、入射角度とエネルギーとの組み合わせにより適切な条件が得られる可能性がある。ここで、エネルギーと入射角度の組み合わせによって決まる因子としては、スパッタリングイールド（スパッタ収率）が考えられる。

そこで、図２と同様に酸素一次イオンのエネルギーと入射角度を変えた実験から、スパッタ収率と酸素一次イオンのエネルギーで規格化したλ（λ／Ｅ）との関係を求めた。なお、スパッタ収率はスパッタエッチングにより形成されたクレーターの体積からスパッタされた総原子量を求め、これを照射した酸素イオンの総電流量で割ることによって求めた。結果を図３に示す。

図３において、λ／Ｅは、スパッタ収率０．３まで直線的に減少し、その後、１．０まで変化がなく、１．０を過ぎて再び減少している。なお、表１には、図３に用いたスパッタ収率とそれに対応する酸素一次イオンのエネルギーおよび入射角度とを纏めて記載した。

図３の変化を図２の結果と合わせ考えると、スパッタ収率０．３までの変化は上記「別の効果」で、０．３〜１．０までは「ミキシングによる影響」と考えられる。１．０以上で更に低下し続けるのがどのような影響によるものかは定かではないが、恐らく入射角度の効果でミキシング層が薄くなるためであろうと考えられる。

λ／Ｅは小さければ小さいほど好ましいので、図３の結果からは、スパッタ収率が１．０以上となる酸素イオン照射条件が好ましいと言える。

すなわち、本発明に係る分析方法は、試料に一次イオンを照射して、発生する二次イオンを分析する二次イオン質量分析法であって、シリコン中の、インジウムまたはガリウムまたはインジウムとガリウムとの深さ方向の分布を分析する際に一次イオンとして酸素イオンを用い、スパッタ収率が、Ｏ₂ ⁺として１．０原子／イオン以上となる照射条件で分析を行なう。

上限については特に制限はないが、実用的には酸素一次イオンのエネルギーとしては５０００ｅＶ、入射角度としては７０°を上限と考えることができるので、スパッタ収率の実用的な上限は５．０原子／イオン程度といえよう。なお、１個の一次イオンにより、１．０個の原子が放出されたときに、スパッタ収率＝１．０原子／イオンと表される。上記において、「Ｏ₂ ⁺として」とは、酸素一次イオンが全てＯ₂ ⁺であるとした場合の値であることを意味する。

本方法を採用することにより、図３に示すようにλ／Ｅを極力小さくすることができ、従って高精度な深さ方向分析を実現できる。

図３の結果より、酸素一次イオンのエネルギーとしては５００ｅＶ以上であれば、スパッタ収率を１．０原子／イオン以上とし得るため好ましいことが理解される。

図３と表１の結果より、５００ｅＶの場合の酸素一次イオンの入射角度としては、試料面に対し法線方向を０°とした場合に７０°以上が好ましいが、実用上は７０°より大きくすることが困難なため、７０°が好ましい値となる。

その他の場合における酸素一次イオンのエネルギーと入射角度との関係では、図３と表１の結果より、酸素一次イオンのエネルギーが１０００ｅＶ以上の場合には、試料面に対し法線方向を０°とした場合に４５〜７０°の入射角度で照射することが好ましく、酸素一次イオンのエネルギーが２０００ｅＶ以上では４０〜７０°の入射角度が好ましく、酸素一次イオンのエネルギーが３０００ｅＶ以上では３０〜７０°の入射角度が好ましいことが理解されよう。

次に本発明の実施例を詳述する。

図４に従来法（２５０ｅＶの低加速エネルギー、一次イオンの入射角度＝０〜２０°、スパッタ収率＝０．０５〜０．０８）による分析結果（Ｓｉ基板の深さとＩｎの濃度との関係）を、図５には、本法（酸素一次イオンのエネルギー＝２０００ｅＶ、一次イオンの入射角度＝４０〜７０度、スパッタ収率＝１．９５〜４．３５）による同様の分析結果を示した。

本法による結果は、明らかに急峻であり、より真のＩｎ分布を示しているものと考えられる。これに対し、従来法による結果では、深さ方向にＩｎ濃度が広がる傾向を示している。これは、恐らく、スパッタ収率が０．０５〜０．０８と低いために、表面に酸化膜が形成されやすく、そのためＩｎが酸化膜から押し出されやすくなっているためであろうと考えられる。

なお、上記に開示した内容から、下記の付記に示した発明が導き出せる。

（付記１）
試料に一次イオンを照射して、発生する二次イオンを分析する二次イオン質量分析法により、シリコン中の、インジウムまたはガリウムまたはインジウムとガリウムとの深さ方向の分布を分析する方法であって、一次イオンとして酸素イオンを用い、スパッタ収率が、Ｏ₂ ⁺として１．０原子／イオン以上となる照射条件で分析を行なう、分析方法。

（付記２）
前記酸素イオンを５００ｅＶ以上のエネルギーで照射する、付記１に記載の分析方法。

（付記３）
前記試料面に対し法線方向を０°とした場合に、前記酸素イオンを７０°の入射角度で照射する、付記２に記載の分析方法。

（付記４）
前記酸素イオンを、１０００ｅＶ以上のエネルギーで、かつ、前記試料面に対し法線方向を０°とした場合に前記酸素イオンを４５〜７０°の入射角度で、照射する、付記１に記載の分析方法。

（付記５）
前記酸素イオンを、２０００ｅＶ以上のエネルギーで、かつ、前記試料面に対し法線方向を０°とした場合に前記酸素イオンを４０〜７０°の入射角度で、照射する、付記１に記載の分析方法。

（付記６）
前記酸素イオンを、３０００ｅＶ以上のエネルギーで、かつ、前記試料面に対し法線方向を０°とした場合に前記酸素イオンを３０〜７０°の入射角度で、照射する、付記１に記載の分析方法。

Ｓｉ中にイオン注入してＩｎの深さ方向分布を求める際における、酸素一次イオンのエネルギーと減衰深さとの関係を表すグラフである。Ｓｉ中にイオン注入してＩｎの深さ方向分布を求める際における、ミキシング幅とλ／Ｅとの関係を示すグラフである。Ｓｉ中にイオン注入してＩｎの深さ方向分布を求める際における、スパッタ収率とλ／Ｅとの関係を示すグラフである。従来法による分析結果を示すグラフである。本法による分析結果を示すグラフである。

Claims

試料に一次イオンを照射して、発生する二次イオンを分析する二次イオン質量分析法により、シリコン中の、インジウムまたはガリウムまたはインジウムとガリウムとの深さ方向の分布を分析する方法であって、一次イオンとして酸素イオンを用い、スパッタ収率が、Ｏ₂ ⁺として１．０原子／イオン以上となる照射条件で分析を行い、
前記酸素イオンを、１０００ｅＶ以上のエネルギーで照射し、その際、前記試料面に対し法線方向を０°とした場合に、１０００ｅＶ以上２０００ｅＶ未満のエネルギーでの照射の場合には前記酸素イオンを４５〜７０°の入射角度で照射を行い、２０００ｅＶ以上３０００ｅＶ未満のエネルギーでの照射の場合には前記酸素イオンを４５〜７０°の入射角度で照射を行い、３０００ｅＶ以上のエネルギーの場合には前記酸素イオンを３０〜７０°の入射角度で照射を行い、インジウムまたはガリウムまたはインジウムとガリウムとの深さ方向の濃度分布を測定し、減衰深さ／照射エネルギーを比較して、前記試料の深さ方向における測定精度と、インジウムまたはガリウムまたはインジウムとガリウムとの前記試料中における濃度との関係を把握する、分析方法。