(57)【要約】【課題】大きな面積を有する分析する試料に、一次イオンを入射して発生させた二次イオンを検出して、試料を構成する元素、存在する深さを二次イオン質量分析法で、測定位置に依存する測定誤差を測定位置に応じて補正する二次イオン質量分析法を提供する。【解決手段】試料２０に一次イオンを入射して発生させた二次イオンを検出して、試料２０を構成する元素、存在する深さを分析する二次イオン質量分析法において、深さ方向に分布を持った不純物等の元素を含む試料２０における元素の測定プロファイルから、試料２０の中心から測定位置までの距離に応じて一次イオンの入射角度を補正して、その補正した角度で分析する試料の分析が行われ、そのプロファイルとしては、試料２０にドープされている不純物を測定したプロファイルで、その不純物のピーク濃度深さにより行われる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に一次イオンを入射して二次イオンを発生させ、発生した二次イオンに基づいて、試料を構成する元素、前記元素の深さ方向の分布を分析する二次イオン質量分析法において、
前記試料の深さ方向に分布する元素を測定したプロファイルから、前記試料の中心から測定位置までの距離に応じて前記一次イオンの入射角度の補正が行われる
ことを特徴とする二次イオン質量分析法。
【請求項２】
請求項１に記載の二次イオン質量分析法において、
前記一次イオンの入射角度の補正は、測定された元素のプロファイルのピーク濃度深さに基づいて行われる
ことを特徴とする二次イオン質量分析法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の二次イオン質量分析法において、
前記元素を含む試料は、分子線エピタキシによるデルタドープ試料である
ことを特徴とする二次イオン質量分析法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の二次イオン質量分析法において、
前記一次イオンの入射角度の補正は、分析する試料の中心から１０ｍｍ以上離れた位置では、中心位置の入射角度より５°〜２０°の範囲で傾け、かつ、
分析する試料への入射角度は３５〜８０°の範囲にする
ことを特徴とする二次イオン質量分析法。
【請求項５】
半導体素子を製造する際に、不純物をドープした半導体ウェハに一次イオンを入射して二次イオンを発生させ、発生した二次イオンを検出して、不純物の濃度、深さ方向への分布を二次イオン質量分析法で分析する半導体ウェハの分析方法において、
前記半導体ウェハの深さ方向に分布する不純物を分析したプロファイルに基づいて、前記半導体ウェハの中心から測定位置までの距離に応じて前記一次イオンの入射角度の補正が行われる
ことを特徴とする半導体ウェハの分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料中に分布する元素の種類と深さ方向へ濃度分布等のプロファイルを測定する二次イオン質量分析法及びこれを利用した半導体ウェハの分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、固体試料の表面組成等を分析するために二次イオン質量分析法、オージェ電子分光法、Ｘ線光電子分光法等の各種の表面分析方法が用いられている。この様な表面分析方法においては、イオンビーム、電子ビーム、Ｘ線等の一次エネルギー粒子を試料の表面に入射させ、表面から飛び出した二次イオン又は電子を測定することによって試料の表面組成を求めている。特に、イオンビームを入射して、弾き出された二次イオンによって、その元素の種類、濃度等のプロファイルを測定するのに二次イオン質量分析法（Secondary Ion
Mass Spectrometry：ＳＩＭＳ）が用いられている。
二次イオン質量分析法（以下、「ＳＩＭＳ」と記す。）は、高感度な分析手法であり、微量元素の深さ方向分析に使われている。ＳＩＭＳは、一次イオンを試料にぶつけ、試料表面からイオン化した元素の二次イオンがたたき出される。この二次イオンを、電場、磁場の中を通過させることによって、その質量（＋電荷）によって分離し、測定するものである。
しかし、ＳＩＭＳで分析を行う場合に標準物質が必要になる。イオンのたたき出しに関する物理モデルは定量的議論が困難である。したがって、ＳＩＭＳによる定量分析は、濃度が既知の標準物質を用いた検量線法によって行う。さらに、ＳＩＭＳによる定量分析では、測定物質の組成・構造に起因したマトリックス効果によるイオン強度の変動がおこるため、測定物質と組成・構造か類似した標準物質を用いる必要がある。多様な試料の分析を行うためには、同時に自分で標準物質を調製し、その内容を解析・分析する力が求められる。
【０００３】
ＳＩＭＳは、これまで、試料を１０×１０ｍｍ前後の大きさにして測定を行なっていた。微小分析が主目的であり、大きい試料を測定する必要性が小さかった。しかし、近年、３００ｍｍウェハ等の大面積試料をそのまま試料とし、ウェハ内部で不純物分布の位置分布を評価しようという試みが行なわれている。このために、大面積試料では、試料中心部とそこから離れた端部など、測定位置が変わると一次イオンの入射角度が微妙に変化する。ＳＩＭＳは、検出器の測定において得られる信号は入射する一次イオンの入射角度に大きく依存することが知られている（例えば、非特許文献１、２、３）。この入射角度の変化は、上記のように二次イオンをとらえる検出器の信号強度を変化させるため、ウェハ内部で不純物の濃度分布を評価しようとするとき、不都合が生じる。したがって、入射角度の変化を、測定位置、特に、中心部から離れた距離に応じて補正する手段が必要である。
【０００４】
【非特許文献１】K.Wittmaack、  Nucl.Instrum.Methods 218、 307 (1983).
【非特許文献２】M.Moens、F.C.Adams、and D. S. Ｓｉmons、  Anal.Chem. 59、1518 (1987)
【非特許文献３】Ｙ.Kataoka、M.Shigeno、Y.Tada、K. ittmaack、  Appl.Surf. Science 203-204   329(2003).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その課題は、大きな面積を有する試料の分析において、一次イオンを入射して二次イオンを発生させ、その二次イオンを測定することで、試料を構成する元素の種類、深さ方向への分布における測定位置に依存する測定誤差を測定位置に応じて補正する二次イオン質量分析法及びこれを適用した半導体ウェハの分析方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する手段である本発明の特徴を以下に挙げる。
試料に一次イオンを入射して発生させた二次イオンを検出して、試料を構成する元素、存在する深さを分析する二次イオン質量分析法の分析方法において、深さ方向に分布を持った不純物元素を含む試料における不純物の測定プロファイルから、試料の中心から測定位置までの距離に応じて一次イオンの入射角度を補正して、その補正した角度で分析する試料の分析が行われる分析方法である。とくに、そのプロファイルとしては、試料にドープされている不純物を測定したプロファイルで、その不純物のピーク濃度深さにより行われる。ここで、入射角度とは、試料法線方向を０°としたときに、試料に入射させる入射光線がなす角度である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の二次イオン質量分析法では、一次イオンの入射角度を補正することによって、試料の大きさに関係なく、試料中に分布する不純物等の元素の種類、深さ方向への分布のプロファイルを得ることができる。特に、中心部から一定以上の距離を離れると生ずる測定誤差を無くすことで、大口径の半導体ウェハを一度にその全体を分析することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）の測定装置の構成を示す概略図である。
図１に示すように、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）の測定装置（以下、「ＳＩＭＳ装置」と記す。）１０は、試料２０が取り付けられる試料操作台１１と、セシウムイオン（以下、Ｃｓ＋と表す。）を加速して試料へ入射するセシウムイオン銃１２と、酸素イオンを加速して試料へ入射する酸素イオン銃（図示しない）と、イオンの量を測定する四重極型質量分析器１６と、イオン量を測定する検出器１７と、イオン入射による試料の帯電状態を補正する電子銃（図示しない）とより構成される。Ｃｓ＋及びＯ２＋は一次イオンと呼ばれ、試料２０にこれらのいずれかを入射する。試料操作台１１は互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向への移動と傾斜及び回転が可能になっており、これにより試料２０への一次イオンの入射角度θ及び入射位置を変更できるようになっている。一次イオンを試料２０に入射すると、試料２０の表面がスパッタエッチングされ、試料２０を構成する元素の二次イオン、中性粒子及び電子が放出される。試料表面から発生した二次イオンを検出する装置に引き出しのための引出電極１３を設けている。これらのうち、引き込まれた二次イオンが四重極型質量分析器１６において物理的に質量分離されて、特定の二次イオンのみが通過するようになっている。検出器１７は電子倍増管やファラデーカップよりなり、四重極型質量分析器１６を通過した二次イオンの数をイオン強度に変換する。このイオン強度から試料の元素分布が分析される。このように、ＳＩＭＳ装置１０では一次イオンの入射により試料から放出される二次イオンを基に元素分布を分析する。
一次イオンを試料２０に連続的に入射すると、試料２０の表面より深さ方向にスパッタエッチングが進行し、試料２０の内部が次々に表面に現れながら二次イオンが連続的に放出される。従って、二次イオン強度は測定時間の経過とともに、試料２０の深さ方向の濃度の変化を反映することになる。これにより、試料２０の深さ方向の元素の濃度分布の情報を得ることができる。
【０００９】
このＳＩＭＳ装置１０において、大口径の試料２０では中心部と端部等は、試料２０を移動させて測定位置が変わると一次イオンの入射角度θが変化する。ＳＩＭＳ装置１０は、試料表面が金属の場合、その金属のスパッタリング速度は結晶方位や結晶粒界に依存して異なるため、金属のイオン入射面（分析面）には表面荒れ（凹凸）が生じる。いったん生じた凹凸は、金属膜がスパッタによりなくなった後も残り、表面に凹凸を持つ試料２０の場合と同様に、ＳＩＭＳ分析本来の深さ方向分解能を低下させる。したがって、通常のＳＩＭＳ分析では金属膜下層の正確な深さ方向分布を得ることができない。
また、ＳＩＭＳ装置１０では、例えば、試料表面から発生した二次イオンを検出する装置に引き出しのための引出電極１３で、引出電極１３で発生させた電場は、発生した二次イオンを試料表面から引き離してＳＩＭＳ装置に引き込むものである。しかし、この引出電極１３の電場の影響として、二次イオンを引き込むだけではなく、入射する一次イオンの軌跡が曲げられることが多い。この引出電極１３の影響は、実際は、各ＳＩＭＳ装置１０の寸法、イオン銃の寸法、イオンの強度等によって異なるために、引出電極１３の影響を定量化することは難しい。
したがって、ＳＩＭＳ装置１０のイオン発生装置、検出器の位置、試料２０を載置する試料台１１との角度関係で、実際には、実際に測定している試料表面の位置の同定も困難で表面状態の把握も難しいために、表面の凹凸等のモホロジーと引出電極１３の影響を区別することも難しく、実際には、この２つの要因が重なる場合が多く、何を基準に入射角度θの補正を行なうことが困難である。
【００１０】
そこで、本発明の測定方法は、試料２０に一次イオンを入射して発生させた二次イオンを検出して、試料２０を構成する元素の種類、深さ方向への分布を分析する二次イオン質量分析法において、深さ方向に分布を持った元素を含む試料２０における測定プロファイルから、試料２０の中心から測定位置までの距離に応じて一次イオンの入射角度θを補正する。従来は、ＳＩＭＳは、直径１０ｍｍ程度の試料２０を用いて、微小領域での表面薄層における微量濃度の元素の分析方法として用いられていた。しかし、本発明の測定方法では、例えば、直径３００ｍｍ以上の大口径の試料２０を測定する際には、測定する位置が、試料２０の中心から１０ｍｍ以上離れているときには、その中心から離れた距離に応じて一次イオンの入射角度θを補正する。
図２は、測定位置におけるＡｓのピーク濃度深さに対する測定位置における一次イオンの入射角度との関係を示すグラフである。図２に示すように、Ｓｉ中にＡｓをイオン注入した試料２０で注入したＡｓのピーク濃度深さ（Ｒｐ：Projected  Range）をマーカー深さとし、その一次イオン入射角度依存性を示したものである。この測定の場合、使用した試料２０の大きさは約２０×２０ｍｍで、添付図の△を結んだ線はその中心部、白丸を結んだ線は端部からのデータである。このときの入射条件は、真空度を１０−５〜１０−７Ｐａ、一次イオンとしてＣｓ＋イオンを用い、ビーム径を約２０μｍ、加速エネルギーを０．２５ｋｅＶ、電流量を３０ｎＡ及び走査範囲を５００μｍ×５００μｍとして、入射角度θを試料表面の垂線方向に対して０°から試料を傾けた。
【００１１】
図２から明らかなように、三角形を結ぶ線と白丸を結ぶ線との変化を比較すると、Ｓｉ中のＡｓは同じ深さにあるので、Ａｓのピークの位置を極小の地点とすると、中心部と端部では約５°の入射角度θがずれていることが分かる。したがって、端部の測定では、試料操作台１１の傾斜を５°ずらして測定を行なうと、同じ深さになる。約２０×２０ｍｍの試料２０でこのように効果は明らかであり、それ以上の大きな試料２０では、より一層効果が期待できる。したがって、図２から、一定の深さにドープされている試料２０を用いて、その不純物を測定したプロファイルから、試料２０の中心と、例えば、その中心から離れている端部との不純物の深さを、そのときの一次イオンの入射角度θを補正することで、支流の統一的な分析を可能にする。
また、このプロファイルの不純物の濃度により補正する。さらに、その不純物のピーク濃度で補正する。特に、金属等の基地の中に、他の元素をイオン注入するドーピングでは、ドーピングされた元素は、ガウス分布するために、一定の広がりを有しているが、ドーピングするエネルギでそのピーク位置を調整することは容易である。したがって、補正のために指標とする元素のピーク濃度により補正することが好ましい。
【００１２】
本実施例ではイオン注入試料２０を用いているが、より急峻なドーピングが可能な請求項３のデルタドープ試料５０を用いるとにより精確な角度依存性を把握することができ、精度の高い分析を実現することができる。
図３は、分子線エピタキシによるデルタドープ試料の構成を示す概略図である。
図３に示すように、デルタドープ試料５０は、分子線エピタキシ（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）によってＳｉにアンチモン（Ｓｂ）を５×１０１３ｃｍ−２の濃度でδドープした試料２０の断面構造を有する。Ｓｉ基板５１、Ｓｉバッファ層５２、Ｓb（アンチモン）デルタドープ層５３、厚みが５ｎｍのＳｉ層５４から構成されている。Ｓｉバッファ層５１、Ｓｉ層５４及びＳbデルタドープ層５３はＭＢＥにより形成したものである。この試料２０に対して、本発明による二次イオン質量分析を行った。比較のために、従来の二次イオン質量分析も行った。一次イオンは、Ｃｓ＋を使用した。Ｃｓ＋イオンは、０．２５ｋｅＶの低加速エネルギで６５°の入射角度θで入射した。一次イオンの入射に起因して放出されるＳｂの二次イオン（Ｓｂ−）の強度を測定することによって、試料２０中のＳｂの深さ方向の濃度分布を求めた。
図４は、ＳＩＭＳによるデルタドープ試料５０のプロファイルを示すグラフである。上述した条件で、測定した時の結果が、図４に示すように、Ｃｓ＋イオンを入射することによって、５ｎｍ毎に形成された６つのＳｂのδドープ層に対応している。さらに、５ｎｍ毎に６つのピークが顕著に生じており、明確な濃度分布が得られている。
【００１３】
図５は、中心位置における入射角度とＳｂピークとの関係を示すグラフである。図５から明らかなように、同一位置であっても、入射角度θによって測定時間が変わることを示している。特に、このＭＢＥのデルタドープ試料５０では、大口径の試料２０であっても、Ｓｂはほぼ全体に一様に、ある所定の深さに存在している。したがって、この違いは一次イオンの入射角度θに依存することは明らかである。
これを、中心位置からの距離との関係に直すと、中心位置からの距離と中心位置と測定値とにおける入射角度θの差を補正することで、測定位置における深さ方向の測定の差を埋めることができる。このＭＢＥによるデルタドープ試料５０を用いて円盤状の試料２０の中心に対して入射角度６５°と、中心から１０ｍｍ離れている試料２０の端部に入射角度６５°と７０°で一次イオンを入射して、試料２０中での不純物としてのＳｂの存在する深さ、濃度を測定した。この結果、中心から１０ｍｍ離れた位置では、同じ入射角度θで測定するとＡｓのピーク位置にずれが生じていた。一次イオンの入射角度θを中心位置における入射角度θより５°大きくすることで、Ｓｂのピーク位置を揃えることができる。このことから、大口径の試料２０の深さ方向のプロファイルの測定では、測定値に対応して入射角度θを、中心位置の入射角度θより大きくすることが必要である。しかし、２０°越えないことが好ましい。２０°を越えると、測定誤差が生じることがある。
また、いずれの測定位置に置いても一次イオンの入射角度θは、３５〜８０°にする。一次イオンの入射角度θを３５〜８０°にすることで、感度を向上させ、深さ方向の分解能の向上させることができる。ただし、入射角度θが３５°未満では面方向への分解能は向上するが、深さ方向への分解能が低くなる。また、入射角度θが８０°を越えると分析する表面状態が荒れてくるために感度、分解能が低下する。
【００１４】
本発明の二次イオン質量分析法は、半導体素子を製造する際に、不純物をドープした半導体ウェハに一次イオンを入射して発生させた二次イオンを検出して、不純物の濃度、存在する深さを分析することができる。例えば、最近のＣＭＯＳトランジスタのｐｎ接合は、その微細化とともに深さが浅くなり、０．１μｍ世代のデバイスでは、２０ｎｍ以下の深さになる見込みである。この様なｐｎ接合の形成において、ボロン（Ｂ）と砒素（Ａｓ）は、それぞれｐ型、ｎ型のドーパントとして最も多く用いられており、その形成プロセスにおいて、これらドーパント元素の深さ方向濃度分布を正確に把握することで、ＣＭＯＳを製造することが可能になる。したがって、ドーパント元素の深さ方向濃度分布を正確に把握するために二次イオン質量分析法が適用される。また、その他に、ＣＭＯＳのソース・ドレイン領域の不純物の濃度分布、チャネルドープ領域の不純物の濃度分布、または、半導体基板自体の不純物濃度分布の測定方法にも適用される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）の測定装置の構成を示す概略図である。
【図２】試料の測定位置におけるＡｓのピーク濃度深さに対する測定位置における一次イオンの入射角度依存性との関係を示すグラフである。
【図３】分子線エピタキシによるデルタドープ試料の構成を示す概略図である。
【図４】ＳＩＭＳによるデルタドープ試料のプロファイルを示すグラフである。
【図５】試料の中心位置における入射角度とＳｂピークとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００１６】
１０  ＳＩＭＳ装置
１１  試料操作台
１２  セシウムイオン銃
１３  引出電極
１６  四重極型質量分析器
１７  検出器
２０  試料
５０  デルタドープ試料
５１  Ｓｉ基板
５２  Ｓｉバッファ層
５３  Ｓｂ層
５４  Ｓｉ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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