JPH0955415A - 半導体中に発生した欠陥の評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体中の欠陥分布を評価する技術と、欠陥の
化学的状態を推定する技術と、欠陥の数を評価する方法
を得る。 【解決手段】半導体中の欠陥に水素を吸着させて水素の
分布を測定して、欠陥の分布を知り、昇温脱離原子を二
次イオン質量分析して欠陥状態を知り、そのスペクトル
のピーク強度比を得て、欠陥の数を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子製造工
程中で発生する欠陥に対する評価方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】市販されているシリコンウエハの欠陥密
度は極めて少ないが、半導体集積回路の製造工程のう
ち、イオン注入やドライエッチング工程などで、エネル
ギーを有するイオンがシリコン表面あるいは半導体表面
に入射すると、新たな欠陥を生成することになる。これ
らの製造工程で半導体中に発生する欠陥を評価する技術
としては、従来、ラザフォード後方散乱法のスペクトル
解析、透過型電子顕微鏡による材料観察や電子スピン共
鳴法などの方法が活用されていた。しかし、ラザフォー
ド後方散乱法や透過型電子顕微鏡法は、どちらかといえ
ば材料の結晶品質の巨視的描像を提供するものであっ
た。また、電子スピン共鳴法は不対電子対に関する情報
から点欠陥の量を知ることはできるが、結晶内での分布
を調べることは困難であった。したがって、これら従来
の技術では、半導体素子の欠陥を一定の尺度のもとに評
価し、さらにその結果を参照して拡散現象等の計算機シ
ミュレーションを行うことは不可能であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来の
技術における欠点を除き、半導体中に発生した欠陥の分
布や化学的状態、欠陥の数を定量的に評価することを課
題にしている。そのため、本発明の第１の目的は半導体
中の欠陥の分布を評価する技術を明らかにすることであ
り、第２の目的は欠陥の化学的状態を推定する技術を明
らかにすることであり、第３の目的は半導体中に発生し
た欠陥の数を評価する、それぞれの方法を得ることであ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記各目的を達成するた
めにはそれぞれつぎに示すような手段を用いる。すなわ
ち、半導体中に発生した欠陥に水素を吸着させて水素の
分布を測定し、測定した水素の分布により半導体中の欠
陥の分布を推定する。また、上記水素を吸着させた半導
体試料に対し昇温脱離分析を行い、脱離する水素の昇温
脱離スペクトルから欠陥の化学的状態を推定する。さら
に、上記水素を吸着させた半導体試料に対し、脱離した
水素の昇温脱離スペクトル強度と二次イオン質量分析に
よる水素分布の測定結果とをもとに、半導体中に発生し
た欠陥の種類と数を推定する。

【０００５】

【発明の実施の形態】課題を解決する上記３つの手段、
すなわち、半導体中の欠陥分布を評価し、欠陥の化学的
状態を評価し、さらに欠陥の種類と数とを評価する各手
段を、シリコン半導体に不純物をイオン注入した際に、
上記シリコン半導体中で発生する欠陥を例にして具体的
に説明する。なお、上記不純物としては砒素を用いた。

【０００６】（１）半導体中の欠陥の分布を評価する手
段 イオン注入によって不純物を導入すると、シリコン基板
中に欠陥が発生することはよく知られている。この欠陥
はダングリングボンドと呼ばれている。ダングリングボ
ンドとは「ぶらぶらしている結合」の意味であり、ここ
には他の原子（シリコン結晶中では他のシリコン原子も
含まれる）と結合していない未結合の「手」である。ダ
ングリングボンドは未結合であるために化学的に活性で
ある。本手段ではこのダングリングボンドにまず水素を
吸着させ、つぎにこの水素を二次イオン質量分析法によ
って評価している。この評価によりダングリングボンド
の深さ方向の分布が測定されるわけである。すなわち、
水素原子をプローブ（探針）原子としてその原子の分布
を測定することにより、欠陥の分布を測定可能にしてい
る。

【０００７】上記プローブ原子としては、つぎに示す条
件を性質として満たしていることが必要である。ダン
グリングボンドが安定な温度領域、すなわちダングリン
グボンドがぶらぶらしており、未結合で活性な温度領域
で、試料の奥深くへ十分拡散すること、表面付近で平
坦な拡散分布をもち、欠陥分布をそのまま与えること、
ダングリングボンドに容易に結合するとともに、新た
な欠陥を生成しないこと、天然には余り存在せず、二
次イオン質量分析により容易に識別できること、容易
に入手可能であり、比較的安全な分析が可能であるこ
と、などである。

【０００８】イオン注入層の再結晶化温度は５２０℃あ
るいは５５０℃とされており、再結晶化が進むとダング
リングボンドがなくなり、ダングリングボンドに水素が
付くことがなくなるので、少なくとも再結晶化温度以下
でイオン注入層中にプローブ原子を拡散させ、ダングリ
ングボンドと反応させる必要がある。

【０００９】水素は天然に存在する最も小さい原子であ
り、同じ温度で比較した拡散係数が最も大きく、水素原
子がダングリングボンドと結合した際における新たな欠
陥発生の可能性も最も小さい。拡散長は４００℃，３０
分の処理に対して約２６０μｍあり、評価するイオン注
入層の深さが１μｍ以下であることを考慮すると、水素
の拡散分布により評価した欠陥分布を補正する必要はな
い。また、化学的に活性であり、ダングリングボンドと
容易に結合する。すなわち、前記した条件のうちから
の条件を満たす最も有効なプローブ原子である。例え
ば窒素や酸素の場合は、５２０℃以下ではイオン注入層
への深い拡散が観測されず、この評価法の目的には全く
適しない。前記の目的のためには本来は重水素を用い
ることが望ましい。重水素は天然に余り存在しないの
で、二次イオン質量分析のバックグラウンド信号と容易
に区別できる。また、重水素は市販されているため容易
に入手可能であり、化学的性質は水素と同じであるか
ら、水素なみの注意をはらえば容易に利用可能である。
本発明の実施に際しては重水素を用いず、通常の軽水素
（以下、特に断らない限り水素という場合は軽水素であ
る）を用いた。水素の場合でもその濃度がシリコン中で
容易に測定可能である約５×１０¹⁹cｍ~³の場合には、
十分にプローブ原子として利用可能である。

【００１０】水素をイオン注入層に拡散させ、ダングリ
ングボンドに吸着させる方法として、本発明の実施にお
いてはガス雰囲気からの熱拡散法を用いた。拡散長は上
記のように４００℃，３０分の処理に対して約２６０μ
ｍである。この他に表面の極めて浅い領域に水素を導入
しておき、それを拡散源とする方法も考えられる。この
方法は重水素を用いる場合には安価な方法として特に有
効になる筈である。

【００１１】（２）欠陥の化学的状態を推定する手段 昇温脱離法は試料を昇温中に半導体表面から脱離する原
子を、二次イオン質量分析により評価する方法である。
これにより得られるスペクトルは、表面に吸着した原子
と試料との結合状態を反映した情報を与えるが、これに
対して結晶内部から脱離してくる原子を分析することを
狙ったものが本発明の方法である。そのためには、シリ
コンとの結合状態の推定が容易な水素をプローブ原子と
して用い、水素をあらかじめ試料の欠陥に吸着させてお
き、その水素の昇温脱離スペクトルを観測することによ
り、吸着された水素原子とシリコンとの結合状態から欠
陥自体の状態を推定し、スペクトルの強度で吸着した水
素の総量を知り、イオン注入層内に発生した欠陥の種類
と割合に関する情報を得ることができる。

【００１２】（３）半導体中の欠陥の数を評価する手段 上記二次イオン質量分析によって、シリコン中に含まれ
る欠陥に吸着した水素の濃度が示されるが、二酸化珪素
とシリコンの界面からアモルファスシリコンと結晶シリ
コンの界面まで、図１に見られるように水素が均一に分
布しているとして、この濃度と昇温脱離スペクトルから
得られるピーク強度の比により、欠陥の種類を仮定する
と上記欠陥のそれぞれの数を算出することができる。

【００１３】上記各評価手段をそれぞれ実施して半導体
中に発生した欠陥を評価するシステムを図４に示すが、
本発明の評価方法で重要な点は、欠陥が存在する試料に
水素を吸着させることであり、水素の吸着は欠陥の結晶
学的形態が変化しない程度に、可能なかぎり低温で行う
ことが望ましい。しかも、すべての欠陥に水素が吸着さ
れることと、水素の十分な拡散距離が確保されているこ
とが必要である。また、各分析技術によってどのような
情報が得られ、それらの情報を処理するかは重要で、こ
の情報の処理の流れは図４に示したとおりである。

【００１４】

【実施例】つぎに、本発明による半導体中に発生した欠
陥評価方法の実施例を図面とともに説明する。図１はシ
リコンウエハ表面に７nｍの二酸化珪素膜を形成し、砒
素を３０ｋeＶで２×１０¹⁵cｍ~²注入した試料に対し、
水素雰囲気で４００℃，３０分処理したときの二次イオ
ン質量分析結果を示す図であり、図から水素が二酸化珪
素とシリコンとの界面から約４０nｍまでの深さに分布
していることが判る。この深さは透過型電子顕微鏡によ
り確認されているアモルファスシリコン（欠陥が多数存
在し結晶構造を示さないシリコン）と、結晶化している
シリコンとの境界の深さと一致している。これにより、
本発明による半導体中の分布を評価する手段が、欠陥の
発生によって形成されたアモルファスシリコン層の評価
に有効であることが確認できた。

【００１５】また、二次イオン質量分析により得られる
水素濃度は欠陥の濃度と深い関連があるが、水素を吸着
させたイオン注入層の評価をすることによって、欠陥の
分布関数に有する情報を得ることができる。

【００１６】つぎに、上記試料に上記方法を用いてあら
かじめ水素を欠陥に吸着させておき、上記水素の昇温脱
離スペクトルを観測することによって、吸着させた水素
原子とシリコンとの結合状態から欠陥自体の状態を推定
するわけであるが、砒素がイオン注入され欠陥に水素が
吸着されている試料から得た、水素の昇温脱離スペクト
ルの一例を図２に示す。図において、実線で示した曲線
１は７nｍの二酸化珪素膜を有するシリコン基板に砒素
を３０ｋeＶで２×１０¹⁵cｍ~²注入した試料で、点線で
示した曲線２は上記試料を水素雰囲気で４００℃，３０
分の処理をした試料であり、破線で示す曲線３はイオン
注入をしていない７nｍの二酸化珪素膜を有するシリコ
ン基板を表している。

【００１７】スペクトルには図中曲線１で示す試料にピ
ーク１（３５０℃）およびピーク２（５４０℃）と示し
た２つのピークが観測されている。すなわち、水素を脱
離する原因として少なくとも２種類の反応が関与してい
ることが判る。ピーク１は、結晶の格子位置から隣り合
った位置にある原子を２つ除いたときに生じる空孔‐空
孔対欠陥がπ結合（二重結合）を生成するときに、水素
を脱離する反応と推定される。また、ピーク２は、結晶
が再結晶化する際にダングリングボンド（一般的な意味
でのダングリングボンドと区別するため、切れた結合を
意味するブロークンボンドという言葉を以下に用いる）
が水素を放出し、シリコン同士の結合が回復することに
対応すると推定される。これらの反応の同定は昇温脱離
スペクトルからだけの情報では不可能であり、例えば赤
外線吸収スペクトル解析などを併用して定める。

【００１８】重要なことは、イオン注入により生成され
た欠陥の種類として何種類の欠陥が観測されるかという
ことであり、ここではスペクトルに２つのピークが観測
されたことから、大きく分けて空孔‐空孔対欠陥とブロ
ークンボンドとの２種類の欠陥が存在することが明らか
にされている。また、昇温脱離スペクトルの強度（より
正確には、各ピークの分布の広がりを考慮して求めた積
分強度）は、各結合状態における欠陥に吸着された水素
の総量に対応している。

【００１９】各反応が同定されると、それぞれの欠陥か
ら何個の水素が放出されるかをあらかじめ知ることがで
きる。これらのモデルを図３に示す。すなわち、空孔‐
空孔対欠陥がπ結合を生成するときには、（ａ）→
（ｂ）に示すように６個の水素原子を放出し、またブロ
ークンボンドは再結晶化するときに、（ｂ）→（ｃ）に
示すように２個の水素原子を放出する。

【００２０】図２に示した昇温脱離スペクトルにおい
て、ピーク１とピーク２との比はおよそ３：１０であ
る。各ピークからの水素の脱離数を考慮すると、空孔‐
空孔対欠陥の数とブロークンボンドの数の比は１：１０
になる。すなわち、下記のようにイオン注入層内に発生
した欠陥の種類とその割合に関する情報を得ることがで
きる。

【００２１】つぎに、欠陥の絶対数を求める。上記二次
イオン質量分析によって欠陥に吸着したシリコン中に含
まれる水素の濃度が決定されている。いま、図１におい
て、水素は二酸化珪素とシリコンの界面からアモルファ
スシリコンと結晶シリコンの界面まで均一に分布してい
ると見えるが、この濃度をｎ₀とする。また、昇温脱離
スペクトルから得られるピーク強度の比をα：βとす
る。ここで、空孔‐空孔対欠陥とブロークンボンドを仮
定し、その数をｎ₁，ｎ₂とすると、これらは、つぎに示
す簡単な計算によって求めることができる。

【００２２】 ６ｎ₁／２ｎ₂＝α／β （１） ６ｎ₁＋２ｎ₂＝ｎ₀ （２） 図２に示した場合では、バックグラウンド信号を差し引
いたピーク強度化はα／β＝２９／１００である。ｎ₀
＝８.５×１０¹⁹ｃm~³を用いると、ｎ₁＝３.２×１０¹⁸
cｍ~³，ｎ₂＝３.３×１０¹⁹cｍ~³を得た。

【００２３】複数の欠陥が存在し水素脱離温度が全く同
じ場合には、欠陥の識別や、その濃度の決定が不可能で
あることはいうまでもない。しかし、水素脱離温度が全
く同じ場合にはシリコンから水素の脱離エネルギーが同
一であることを意味し、それを敢えて識別することは無
意味である。また、欠陥の種類が３種類以上観測される
ような場合においても、上記同様な簡単な計算により、
それぞれの欠陥数を決定することが可能である。

【００２４】上記記載はイオン注入によってシリコン自
身に発生する欠陥を考えてきたが、水素を吸着できる他
の形態の欠陥が存在する場合には、Ｅセンタと呼ばれる
欠陥がある。ＥセンタはIII族原子とＶ族原子に空孔が
複合体を形成したときに生成する欠陥である。III族原
子との複合体の場合にはシリコン原子にダングリングボ
ンドが存在し、Ｖ族原子との複合体の場合にはＶ族原子
にダングリングボンドが存在し得る。Ｅセンタでの水素
の吸着数は複合体１つ当たり水素は１原子吸着する。不
純物原子がＥセンタと原子間位置との両方に共存するよ
うな場合には、水素原子の分布からＥセンタ濃度を、不
純物原子自体の分布からＥセンタと原子間不純物を合わ
せた分布を得ることができる。すなわち、イオン注入に
よって発生する以外の欠陥についても、水素吸着をさせ
た分析法は有効な評価手段であることが判る。

【００２５】本発明による半導体中に発生した欠陥の評
価方法は、上記実施例においてシリコンウエハに砒素を
イオン注入した場合について説明したが、シリコン以外
の他の半導体層への応用や、シリコン半導体への他の不
純物の導入、あるいは半導体材料以外の他の材料、例え
ば超伝導材料などへも容易に適用できると考えられる。

【００２６】

【発明の効果】上記のように、本発明による半導体中に
発生した欠陥の評価方法は、半導体中に発生した欠陥に
水素を吸着させる工程と、上記水素の分布を測定する工
程と、測定した水素の分布から半導体中の欠陥の分布を
推定する工程とからなることにより、半導体中の欠陥の
形態とその数に関する情報を容易に入手することができ
る。半導体集積回路技術においてイオン注入により発生
する欠陥は、拡散速度の増速を招き浅い接合の形成を困
難にするし、欠陥自身の電気的性質により集積回路の信
頼性、特に接合特性を低下させる原因になる。本発明は
これらのイオン注入技術が抱える各種の問題点を解決す
るための、基礎的知見を得る方法を提供し、また、半導
体集積回路を設計する場合のプロセスシミュレーション
において、高度なシミュレーション実現に不可欠な情報
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】二次イオン質量分析により得られる出力情報を
示す図である。

【図２】昇温脱離分析により得られる出力情報を示す図
である。

【図３】欠陥の形態に関する情報を示す図である。

【図４】半導体中に発生した欠陥の評価システムを示す
図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 齋藤 和之 福島県会津若松市一箕町松長一丁目17番26 号 Ｂ−107

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体中に発生した欠陥に水素を吸着させ
   る工程と、上記水素の分布を測定する工程と、測定した
   水素の分布から半導体中の欠陥の分布を推定する工程と
   からなる半導体中に発生した欠陥の評価方法。
2. 【請求項２】半導体中に発生した欠陥に水素を吸着させ
   た試料に対して昇温脱離分析を行う工程と、上記試料か
   ら脱離される水素の昇温脱離スペクトルから、欠陥の化
   学的状態を推定する工程とからなる半導体中に発生した
   欠陥の評価方法。
3. 【請求項３】半導体中に発生した欠陥に水素を吸着させ
   た試料に対して、上記試料から脱離される水素の昇温脱
   離スペクトルの強度と、二次イオン質量分析を行って得
   た水素分布の測定結果とにより、半導体中に発生した欠
   陥の種類と数を推定する半導体中に発生した欠陥の評価
   方法。