(57)【要約】【課題】シリコン基板表面での二次イオン強度の不安定性、界面位置の不確定性を低減し、測定精度を向上させる。【解決手段】試料表面に形成された金属シリサイド膜３を除去することにより露出したシリコン基板１上にアモルファスシリコン層４が形成されるとともに、このアモルファスシリコン層４の膜厚は、金属シリサイド膜３とシリコン基板１との界面に生じた凹凸が略平坦になるように設定される。これにより、測定開始直後の二次イオン強度の不安定さはアモルファスシリコン層４の表面で収束し、処理試料における金属シリサイド膜３とシリコン基板１の界面位置以降、すなわち、シリコン基板１表面を含むすべての領域で、二次イオン化率が安定した状態で定量分析を行うことができる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に金属シリサイド膜が形成され、測定対象元素の前記シリコン基板中での深さ方向濃度分布測定を行うための定量分析用試料であって、試料表面に形成された前記金属シリサイド膜を除去することにより露出した前記シリコン基板上にアモルファスシリコン層が形成されるとともに、このアモルファスシリコン層の膜厚は、前記金属シリサイド膜と前記シリコン基板との界面に生じた凹凸が略平坦になるように設定されることを特徴とする定量分析用試料。
【請求項２】
シリコン基板上に金属シリサイド膜が形成され、測定対象元素の前記シリコン基板中での深さ方向濃度分布測定を行うための定量分析用試料であって、試料表面に形成された前記金属シリサイド膜を除去することにより露出した前記シリコン基板上にアモルファスシリコン層を有し、かつ前記シリコン基板と前記アモルファスシリコン層との界面に、前記測定対象元素と質量数の異なる補助不純物元素が導入されていることを特徴とする定量分析用試料。
【請求項３】
シリコン基板上に金属シリサイド膜が形成された試料の測定対象元素の濃度を定量的に分析する定量分析方法であって、試料表面に形成された前記金属シリサイド膜を除去する工程と、露出した前記シリコン基板上にアモルファスシリコン層を、前記金属シリサイド膜と前記シリコン基板との界面に生じた凹凸が略平坦になる厚さに形成する工程と、前記の各工程により前処理が施された試料に対して前記測定対象元素の前記シリコン基板中での深さ方向濃度分布測定を行う工程とを含む定量分析方法。
【請求項４】
シリコン基板上に金属シリサイド膜が形成された試料の測定対象元素の濃度を定量的に分析する定量分析方法であって、試料表面に形成された前記金属シリサイド膜を除去する工程と、露出した前記シリコン基板上に、前記測定対象元素と質量数の異なる補助不純物を堆積する工程と、前記補助不純物の上層にアモルファスシリコン層を形成する工程と、前記の各工程により前処理が施された試料に対して裏面から前記測定対象元素の前記シリコン基板中での深さ方向濃度分布測定を行う工程とを含む定量分析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、二次イオン質量分析法（Secondary Ion Mass Spectrometry,ＳＩＭＳ、以降ではＳＩＭＳと記す）により、不純物元素の濃度を定量的に分析する方法に関し、特にシリコン基板上に金属シリサイド膜が形成された構造に対して、シリコン基板中の不純物元素の深さ方向濃度分布を高精度に測定する定量分析用試料および定量分析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のＭＯＳＦＥＴでは、ＬＳＩの高性能化に伴い、拡散層の極浅化による抵抗の増大に対応する目的で、ソース・ドレイン部には金属シリサイド膜が導入されている。いくつかある金属シリサイド膜のうち、細線効果、熱的安定性などの観点から、コバルトシリサイド膜が最近では多用されるようになってきた。ところが、コバルトシリサイド膜の形成に伴う接合リーク電流の増大が問題になり、コバルトのシリコン基板への拡散がその原因であるというモデルが提案されている。この拡散状態を調べるために、ＳＩＭＳによるコバルトの深さ方向濃度分布測定が行われている。
【０００３】
加速したイオンによるスパッタリングを利用するＳＩＭＳ分析において、深さプロファイルの形状を議論する場合には、一次イオンによるノックオン、ミキシングの効果、あるいはメモリー効果、クレータエッジ効果などを低減することが重要である。特に、コバルトシリサイド膜が測定試料表面にある場合には、一次イオンによるノックオンが顕著であり、そのまま測定すると著しい深さ方向分解能の低下を招く。
【０００４】
そこで、コバルトシリサイド膜がシリコン基板上に形成された構造に対してＳＩＭＳによる測定を行う場合には、第１の方法として（以下、従来例１という）、表面の金属シリサイド膜を除去した後、露出したシリコン基板に対するＳＩＭＳ測定を行う方法（例えば、非特許文献１）、あるいは第２の方法として（以下、従来例２という）、シリコン基板の大部分を研磨やエッチングによりシリコン基板の大部分を除去したうえで、試料裏面（シリコン基板側）からＳＩＭＳ測定を行う方法（バックサイドＳＩＭＳ）（例えば、非特許文献２）が用いられている。
【０００５】
【非特許文献１】
Goto et al., IEEE Transaction on Electron Devices, Vol.46, No.1, p.117, 1999
【非特許文献２】
Tsuchiaki et al., Ext. Abstracts of the 2001 Int. Conf. on Solid StateDevices and Materials, Tokyo, 2001, pp.216-217
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術には以下のような問題がある。
【０００７】
従来例１では、表面のコバルトシリサイド膜を除去したことにより、コバルトシリサイド膜からのノックオンの影響を除去した測定が可能になる。ところが、ＳＩＭＳ測定においては、測定開始初期の試料表面近傍では二次イオンのイオン化率が不安定であり、定常状態に達するまでには一定の時間が必要である。さらに、コバルトシリサイド膜とシリコン基板の界面には、数ｎｍ〜１０ｎｍオーダーの凹凸が形成されているため、コバルトシリサイド膜を除去することにより露出したシリコン基板表面にもこの凹凸が残ってしまう。この試料表面の凹凸は、測定初期における二次イオン化率の不安定性を助長するとともに、深さ分解能を低下させることが知られている。このため、試料表面近傍におけるコバルトの定量精度が著しく損なわれるという問題があった。
【０００８】
図６は従来から行われている手順により、表面のコバルトシリサイド膜を除去した後に、ＳＩＭＳの深さ方向測定を行った結果を示しており、同図中、曲線１１はコバルトの二次イオン強度、曲線１２がシリコンの二次イオン強度を表す。
【０００９】
マトリックス元素であるシリコンの二次イオン強度は、測定開始初期に一旦大きく減少しており、濃度定量の基準となる二次イオン強度を定義することは困難である。特に、測定対象としているコバルトの濃度は、試料表面近傍で高いため、この領域での定量精度が損なわれるという問題は重大である。
【００１０】
また、従来例２では、試料の裏面となるシリコン基板側からＳＩＭＳ測定を開始するため、コバルトシリサイド膜からのノックオンの影響を除去した測定が可能になる。しかしながら、図７に示すように、ＳＩＭＳ測定がコバルトシリサイド膜とシリコン基板との界面付近まで進行した際に、コバルトの分布が緩やかに変化するため、コバルトシリサイド膜とシリコン基板との界面位置を定義することは困難である。このため、スパッタ時間を測定深さに変換する際の精度、すなわち、深さの決定精度が低下するという問題点がある。
【００１１】
したがって、この発明の目的は、このような点を解決するためになされたもので、シリコン基板上に金属シリサイドが形成された構造に対して、シリコン基板表面での二次イオン強度の不安定性、界面位置の不確定性を低減し、測定対象とする不純物元素の深さ方向濃度分布に対する測定精度を向上させることができる定量分析用試料および定量分析方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためにこの発明の請求項１記載の定量分析用試料は、シリコン基板上に金属シリサイド膜が形成され、測定対象元素の前記シリコン基板中での深さ方向濃度分布測定を行うための定量分析用試料であって、試料表面に形成された前記金属シリサイド膜を除去することにより露出した前記シリコン基板上にアモルファスシリコン層が形成されるとともに、このアモルファスシリコン層の膜厚は、前記金属シリサイド膜と前記シリコン基板との界面に生じた凹凸が略平坦になるように設定される。
【００１３】
このように、試料表面に形成された金属シリサイド膜を除去することにより露出したシリコン基板上にアモルファスシリコン層が形成されるとともに、このアモルファスシリコン層の膜厚は、金属シリサイド膜とシリコン基板との界面に生じた凹凸が略平坦になるように設定されるので、測定開始直後の二次イオン強度の不安定さはアモルファスシリコン層の表面で収束し、処理試料における金属シリサイド膜とシリコン基板の界面位置以降、すなわち、シリコン基板表面を含むすべての領域で、二次イオン化率が安定した状態で定量分析を行うことができる。
【００１４】
請求項２記載の定量分析用試料は、シリコン基板上に金属シリサイド膜が形成され、測定対象元素の前記シリコン基板中での深さ方向濃度分布測定を行うための定量分析用試料であって、試料表面に形成された前記金属シリサイド膜を除去することにより露出した前記シリコン基板上にアモルファスシリコン層を有し、かつ前記シリコン基板と前記アモルファスシリコン層との界面に、前記測定対象元素と質量数の異なる補助不純物元素が導入されている。
【００１５】
このように、試料表面に形成された金属シリサイド膜を除去することにより露出したシリコン基板上にアモルファスシリコン層を有し、かつシリコン基板とアモルファスシリコン層との界面に、測定対象元素と質量数の異なる補助不純物元素が導入されているので、バックサイドＳＩＭＳにおいて、シリコン基板とアモルファスシリコン層の界面で補助不純物元素の二次イオン強度がピーク値を示すことで、初期試料（金属シリサイド膜を除去する前の状態の試料）における金属シリサイド膜とシリコン基板の界面位置を明確に定義することができる。このため、スパッタ時間を測定深さに変換する際の精度、すなわち、深さの決定精度が向上する。
【００１６】
請求項３記載の定量分析方法は、シリコン基板上に金属シリサイド膜が形成された試料の測定対象元素の濃度を定量的に分析する定量分析方法であって、試料表面に形成された前記金属シリサイド膜を除去する工程と、露出した前記シリコン基板上にアモルファスシリコン層を、前記金属シリサイド膜と前記シリコン基板との界面に生じた凹凸が略平坦になる厚さに形成する工程と、前記の各工程により前処理が施された試料に対して前記測定対象元素の前記シリコン基板中での深さ方向濃度分布測定を行う工程とを含む。
【００１７】
このように、試料表面に形成された金属シリサイド膜を除去する工程と、露出したシリコン基板上にアモルファスシリコン層を、金属シリサイド膜とシリコン基板との界面に生じた凹凸が略平坦になる厚さに形成する工程と、前記の各工程により前処理が施された試料に対して測定対象元素のシリコン基板中での深さ方向濃度分布測定を行う工程とを含むので、請求項１と同様にシリコン基板表面での二次イオン強度の不安定性を低減することができる。このため、測定対象とする不純物元素の深さ方向濃度分布に対する測定精度を向上させることが可能になる。
【００１８】
請求項４記載の定量分析方法は、シリコン基板上に金属シリサイド膜が形成された試料の測定対象元素の濃度を定量的に分析する定量分析方法であって、試料表面に形成された前記金属シリサイド膜を除去する工程と、露出した前記シリコン基板上に、前記測定対象元素と質量数の異なる補助不純物を堆積する工程と、前記補助不純物の上層にアモルファスシリコン層を形成する工程と、前記の各工程により前処理が施された試料に対して裏面から前記測定対象元素の前記シリコン基板中での深さ方向濃度分布測定を行う工程とを含む。
【００１９】
このように、試料表面に形成された金属シリサイド膜を除去する工程と、露出したシリコン基板上に、測定対象元素と質量数の異なる補助不純物を堆積する工程と、補助不純物の上層にアモルファスシリコン層を形成する工程と、前記の各工程により前処理が施された試料に対して裏面から測定対象元素のシリコン基板中での深さ方向濃度分布測定を行う工程とを含むので、請求項２と同様に初期試料における金属シリサイド膜とシリコン基板の界面位置を明確に定義することができる。このため、測定対象とする不純物元素の深さ方向濃度分布に対する測定精度を向上させることが可能になる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施の形態を図１〜図３に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態における被測定試料の断面図である。
【００２１】
図１に示すように、シリコン基板１表面に金属シリサイド膜としてコバルトシリサイド膜３が形成されており、その下層にコバルトの拡散領域２が存在する。この定量分析用試料を用いて、測定対象元素であるコバルトのシリコン基板１中での深さ方向濃度分布測定を行う。この際、定量分析用試料は、試料表面に形成されたコバルトシリサイド膜３を除去することにより露出したシリコン基板１上にアモルファスシリコン層が形成されるとともに、このアモルファスシリコン層の膜厚は、コバルトシリサイド膜３とシリコン基板１との界面に生じた凹凸が略平坦になるように設定される。
【００２２】
図２はこの発明の第１の実施の形態における定量分析用試料の作製方法を示す工程断面図である。まず、図２（ａ），（ｂ）に示すように、被測定試料表面に形成されているコバルトシリサイド膜３を、選択エッチングにより除去する。エッチング液としては５％程度に希釈したＨＦなど、シリコン基板１に対してはエッチング作用の無いものを用いるものとする。
【００２３】
次に、図２（ｃ）に示すように、露出したシリコン基板１上にアモルファスシリコン膜４を形成する。成膜方法としては、ＣＶＤ法やスパッタ法等、低温で成膜できる手法が望ましい。この工程において、アモルファスシリコン膜４の堆積膜厚は次のようにして設定される。
【００２４】
ＳＩＭＳ測定において試料表面の凹凸は深さ分解能の低下をもたらすため、試料表面は極力平坦であることが望ましい。コバルトシリサイド膜３を除去した時点では、数ｎｍ〜１０ｎｍオーダーの凹凸がシリコン基板１に残っているが、アモルファスシリコン膜４の堆積膜厚を増すことにより、この凹凸は次第に減少し、最終的にはほぼ一定となる。したがって、本実施の形態におけるアモルファスシリコン膜４の堆積膜厚は、試料表面の凹凸がほぼ一定となる膜厚以上とする。具体的には、アモルファスシリコン膜厚として５０ｎｍ〜１００ｎｍ程度が好ましい。
【００２５】
以上の工程により前処理が施された試料に対して、測定対象元素であるコバルトのシリコン基板１中での深さ方向濃度分布測定を、ＳＩＭＳ測定により実施する。
【００２６】
図３はこの発明の第１の実施の形態の定量分析用試料に対してＳＩＭＳ測定を実施した際に得られた、コバルトとシリコンの二次イオン強度の深さ方向プロファイルを示す。同図中、曲線５１はコバルトの二次イオン強度、曲線５２はシリコンの二次イオン強度を表す。測定初期には二次イオン化率の変化により、シリコンの二次イオン強度はいったん大きく減少するが、スパッタが進行するにつれて収束する。その後、アモルファスシリコン膜とシリコン基板界面で、コバルトの二次イオン強度が急速に立ち上がり、その後シリコン基板中でのコバルトの拡散プロファイルが観測される。
【００２７】
すなわち、測定開始直後の二次イオン強度の不安定さはアモルファスシリコン膜の表面で収束しているから、シリコン基板中のすべての領域において、二次イオン化率が安定した状態で定量分析を行うことができる。また、表面のコバルトシリサイド膜を除去したことにより、コバルトシリサイド膜からの一次イオンによるノックオンの影響を除去した測定が可能になる。
【００２８】
この発明の第２の実施の形態を図４および図５に基づいて説明する。なお、試料構造は第１の実施形態の図１と同一とする。この定量分析用試料を用いて、測定対象元素であるコバルトのシリコン基板１中での深さ方向濃度分布をバックサイドＳＩＭＳにより分析する。
【００２９】
この際、定量分析用試料は、試料表面に形成されたコバルトシリサイド膜３を除去することにより露出したシリコン基板１上にアモルファスシリコン層を有し、かつシリコン基板１とアモルファスシリコン層との界面に、測定対象元素であるコバルトと質量数の異なる補助不純物元素が導入されている。
【００３０】
図４はこの発明の第２の実施の形態における定量分析用試料の作製方法を示す工程断面図である。まず、図４（ａ），（ｂ）に示すように、被測定試料表面に形成されているコバルトシリサイド膜３を、選択エッチングにより除去する。エッチング液としては５％程度に希釈したＨＦなど、シリコン基板１に対してはエッチング作用の無いものを用いるものとする。
【００３１】
次に、図４（ｃ）に示すように、露出したシリコン基板１上に、補助不純物５としてＧｅを数原子層堆積する。この補助不純物５は、測定試料中にドーパント等として多量に含まれる元素以外のものとし、ＳＩＭＳ測定時における検出感度が高いものが望ましい。
【００３２】
図４（ｄ）に示すように、さらに、その上層にアモルファスシリコン膜４を形成する。成膜方法としては、ＣＶＤ法やスパッタ法等、低温で成膜できる手法が望ましい。なお、バックサイドＳＩＭＳによる分析を行う場合には、第１の実施形態とは異なり、その膜厚は任意であるが、測定上問題とならない膜厚として１００ｎｍ程度以上あることが好ましい。
【００３３】
次に、図４（ｅ），（ｆ）に示すように、この試料を支持基板６に固定し、シリコン基板１の大部分を化学研磨等により除去する。
【００３４】
以上の工程により前処理が施された試料に対して、裏面から測定対象元素であるコバルトのシリコン基板１中での深さ方向濃度分布測定を、バックサイドＳＩＭＳ測定により実施する。
【００３５】
図５はこの発明の第２の実施の形態の定量分析用試料に対して、バックサイドＳＩＭＳ測定を実施した際に得られた、コバルトとシリコン、およびＧｅの二次イオン強度の深さ方向分布を示している。同図中、曲線７１はコバルトの二次イオン強度、曲線７２はシリコンの二次イオン強度、曲線７３が補助不純物として用いたＧｅの二次イオン強度を表している。シリコン基板とアモルファスシリコン膜の界面でＧｅの信号強度がピーク値を示しており、この位置が初期試料におけるコバルトシリサイド膜とシリコン基板との界面位置に対応している。
【００３６】
すなわち、バックサイドＳＩＭＳにおいても、初期試料におけるコバルトシリサイド膜とシリコン基板の界面位置を明確に定義することができる。また、試料の裏面となるシリコン基板側からＳＩＭＳ測定を開始するため、コバルトシリサイド膜からの一次イオンによるノックオンの影響を除去した測定が可能になる。
【００３７】
【発明の効果】
この発明の請求項１記載の定量分析用試料によれば、試料表面に形成された金属シリサイド膜を除去することにより露出したシリコン基板上にアモルファスシリコン層が形成されるとともに、このアモルファスシリコン層の膜厚は、金属シリサイド膜とシリコン基板との界面に生じた凹凸が略平坦になるように設定されるので、測定開始直後の二次イオン強度の不安定さはアモルファスシリコン層の表面で収束し、処理試料における金属シリサイド膜とシリコン基板の界面位置以降、すなわち、シリコン基板表面を含むすべての領域で、二次イオン化率が安定した状態で定量分析を行うことができる。
【００３８】
この発明の請求項２記載の定量分析用試料によれば、試料表面に形成された金属シリサイド膜を除去することにより露出したシリコン基板上にアモルファスシリコン層を有し、かつシリコン基板とアモルファスシリコン層との界面に、測定対象元素と質量数の異なる補助不純物元素が導入されているので、バックサイドＳＩＭＳにおいて、シリコン基板とアモルファスシリコン層の界面で補助不純物元素の二次イオン強度がピーク値を示すことで、初期試料（金属シリサイド膜を除去する前の状態の試料）における金属シリサイド膜とシリコン基板の界面位置を明確に定義することができる。このため、スパッタ時間を測定深さに変換する際の精度、すなわち、深さの決定精度が向上する。
【００３９】
この発明の請求項３記載の定量分析方法によれば、試料表面に形成された金属シリサイド膜を除去する工程と、露出したシリコン基板上にアモルファスシリコン層を、金属シリサイド膜とシリコン基板との界面に生じた凹凸が略平坦になる厚さに形成する工程と、前記の各工程により前処理が施された試料に対して測定対象元素のシリコン基板中での深さ方向濃度分布測定を行う工程とを含むので、請求項１と同様にシリコン基板表面での二次イオン強度の不安定性を低減することができる。このため、測定対象とする不純物元素の深さ方向濃度分布に対する測定精度を向上させることが可能になる。
【００４０】
この発明の請求項４記載の定量分析方法によれば、試料表面に形成された金属シリサイド膜を除去する工程と、露出したシリコン基板上に、測定対象元素と質量数の異なる補助不純物を堆積する工程と、補助不純物の上層にアモルファスシリコン層を形成する工程と、前記の各工程により前処理が施された試料に対して裏面から測定対象元素のシリコン基板中での深さ方向濃度分布測定を行う工程とを含むので、請求項２と同様に初期試料における金属シリサイド膜とシリコン基板の界面位置を明確に定義することができる。このため、測定対象とする不純物元素の深さ方向濃度分布に対する測定精度を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態における被測定試料の断面図である。
【図２】この発明の第１の実施の形態における定量分析用試料の作製方法を示す工程断面図である。
【図３】この発明の第１の実施の形態の定量分析用試料に対してＳＩＭＳ測定を実施した際のＣｏおよびＳｉの二次イオン強度の深さ方向分布図である。
【図４】この発明の第２の実施の形態における定量分析用試料の作製方法を示す工程断面図である。
【図５】この発明の第２の実施の形態の定量分析用試料に対してＳＩＭＳ測定を実施した際のＣｏ、Ｓｉ、およびＧｅの二次イオン強度の深さ方向分布図である。
【図６】従来例１のＳＩＭＳにより得られたＣｏおよびＳｉの二次イオン強度の深さ方向分布図である。
【図７】従来例２のバックサイドＳＩＭＳにより得られたＣｏおよびＳｉの二次イオン強度の深さ方向分布図である。
【符号の説明】
１  シリコン基板
２  コバルト拡散領域
３  コバルトシリサイド膜
４  アモルファスシリコン膜
５  補助不純物
１１  コバルトの二次イオン強度
１２  シリコンの二次イオン強度
５１  コバルトの二次イオン強度
５２  シリコンの二次イオン強度
７１  コバルトの二次イオン強度
７２  シリコンの二次イオン強度
７３  Ｇｅの二次イオン強度
【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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【図６】
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【図７】
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