(57)【要約】【課題】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、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。【解決手段】試料のシリコン基板１中に補助不純物元素を所定の深さで導入し（３０１）、二次イオン質量分析法により補助不純物元素の深さ方向濃度分布測定を行う第１工程（３０２）と、試料の金属シリサイド膜３を除去した（３０３）後、二次イオン質量分析法により測定対象元素および補助不純物元素の深さ方向濃度分布測定を行う第２工程（３０４）と、第１工程および第２工程で測定された補助不純物元素のピーク位置の距離と第２工程で測定された測定対象元素の接合位置までの距離をもとに試料の金属シリサイド膜３表面からの接合深さを決定し、試料中での測定対象元素の深さ方向濃度分布を求める第３工程とを含む。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象元素を含むシリコン基板上に金属シリサイド膜が形成された試料に対し、前記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、前記試料のシリコン基板中に補助不純物元素を所定の深さで導入し、二次イオン質量分析法により前記補助不純物元素の深さ方向濃度分布測定を行う第１工程と、前記試料の金属シリサイド膜を除去した後、二次イオン質量分析法により前記測定対象元素および前記補助不純物元素の深さ方向濃度分布測定を行う第２工程と、前記第１工程および第２工程で測定された前記補助不純物元素のピーク位置の距離と前記第２工程で測定された前記測定対象元素の接合位置までの距離をもとに前記試料の前記金属シリサイド膜表面からの接合深さを決定し、前記試料中での前記測定対象元素の深さ方向濃度分布を求める第３工程とを含む定量分析方法。
【請求項２】
測定対象元素を含むシリコン基板上に金属シリサイド膜が形成された試料に対し、前記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、前記試料のシリコン基板中に補助不純物元素を所定の深さで導入し、二次イオン質量分析法により前記補助不純物元素の深さ方向濃度分布測定を行う第１工程と、前記試料の裏面から、二次イオン質量分析法により前記測定対象元素および前記補助不純物元素の深さ方向濃度分布測定を行う第２工程と、前記第１工程および第２工程で測定された前記補助不純物元素のピーク位置の距離と前記第２工程で測定された前記測定対象元素の接合位置までの距離をもとに前記試料の前記金属シリサイド膜表面からの接合深さを決定し、前記試料中での前記測定対象元素の深さ方向濃度分布を求める第３工程とを含む定量分析方法。
【請求項３】
測定対象元素を含むシリコン基板上に金属シリサイド膜が形成され、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ための定量分析用補助試料であって、前記試料のシリコン基板中に補助不純物元素が所定の深さで導入されていることを特徴とする定量分析用補助試料。
【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方法および定量分析用補助試料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩの高性能化に伴い、半導体表面付近の不純物濃度分布を精度良く評価することが重要になってきており、このためにはＳＩＭＳは必要不可欠な分析手法である。その重要な測定対象のひとつとして、ＭＯＳＦＥＴのソース・ドレイン部分におけるドーパントの深さ方向濃度分布測定をあげることができる。
【０００３】
ところで、最近のＭＯＳＦＥＴでは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が用いられている。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、金属シリサイド膜が測定試料表面にある場合にはスパッタリングが不均一になるため、これらの効果が顕著であり、深さ方向分解能の低下を招く。
【０００４】
そこで、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、表面の金属シリサイド膜を除去したことにより、シリコン基板中のドーパントの深さ方向分布を精度良く測定することが可能になるが、得られた深さ方向分布は金属シリサイド膜とシリコン基板との界面からシリコン基板の深い部分の情報となる。すなわち、金属シリサイド膜の膜厚が不明となるため、デバイス設計の指標となる接合深さ（金属シリサイド膜表面からドーパント濃度が所定値になるまでの距離）を直接規定することができなくなる。
【０００８】
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、金属シリサイド膜に対するスパッタリングの不均一さに起因する、深さ方向分解能の低下を避けることができる。しかしながら、得られた深さ方向分布は金属シリサイド膜表面からの距離に対応していないため、従来例１と同様に接合深さを直接規定することができない。また、スパッタリングを金属シリサイド膜表面まで進行させた場合であっても、金属シリサイド膜の表面位置の決定精度を高くとることは一般に非常に困難である。
【０００９】
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、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方法および定量分析用補助試料を提供することである。
【００１０】
【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記載の定量分析方法は、測定対象元素を含むシリコン基板上に金属シリサイド膜が形成された試料に対し、前記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、前記試料のシリコン基板中に補助不純物元素を所定の深さで導入し、二次イオン質量分析法により前記補助不純物元素の深さ方向濃度分布測定を行う第１工程と、前記試料の金属シリサイド膜を除去した後、二次イオン質量分析法により前記測定対象元素および前記補助不純物元素の深さ方向濃度分布測定を行う第２工程と、前記第１工程および第２工程で測定された前記補助不純物元素のピーク位置の距離と前記第２工程で測定された前記測定対象元素の接合位置までの距離をもとに前記試料の前記金属シリサイド膜表面からの接合深さを決定し、前記試料中での前記測定対象元素の深さ方向濃度分布を求める第３工程とを含む。
【００１１】
このように、試料のシリコン基板中に補助不純物元素を所定の深さで導入し、二次イオン質量分析法により補助不純物元素の深さ方向濃度分布測定を行う第１工程と、試料の金属シリサイド膜を除去した後、二次イオン質量分析法により測定対象元素および補助不純物元素の深さ方向濃度分布測定を行う第２工程と、第１工程および第２工程で測定された補助不純物元素のピーク位置の距離と第２工程で測定された測定対象元素の接合位置までの距離をもとに試料の金属シリサイド膜表面からの接合深さを決定し、試料中での測定対象元素の深さ方向濃度分布を求める第３工程とを含むので、試料中にイオン注入された補助不純物元素の濃度プロファイルにおけるピーク位置を基準にして、測定対象元素の深さ決定を正確に行うことができる。このため、ＳＩＭＳ測定により得られた深さ方向濃度分布を、金属シリサイド膜表面から測定した深さに対応させることができる。
【００１２】
請求項２記載の定量分析方法は、測定対象元素を含むシリコン基板上に金属シリサイド膜が形成された試料に対し、前記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、前記試料のシリコン基板中に補助不純物元素を所定の深さで導入し、二次イオン質量分析法により前記補助不純物元素の深さ方向濃度分布測定を行う第１工程と、前記試料の裏面から、二次イオン質量分析法により前記測定対象元素および前記補助不純物元素の深さ方向濃度分布測定を行う第２工程と、前記第１工程および第２工程で測定された前記補助不純物元素のピーク位置の距離と前記第２工程で測定された前記測定対象元素の接合位置までの距離をもとに前記試料の前記金属シリサイド膜表面からの接合深さを決定し、前記試料中での前記測定対象元素の深さ方向濃度分布を求める第３工程とを含む。
【００１３】
このように、試料のシリコン基板中に補助不純物元素を所定の深さで導入し、二次イオン質量分析法により補助不純物元素の深さ方向濃度分布測定を行う第１工程と、試料の裏面から、二次イオン質量分析法により測定対象元素および補助不純物元素の深さ方向濃度分布測定を行う第２工程と、第１工程および第２工程で測定された補助不純物元素のピーク位置の距離と第２工程で測定された測定対象元素の接合位置までの距離をもとに試料の金属シリサイド膜表面からの接合深さを決定し、試料中での測定対象元素の深さ方向濃度分布を求める第３工程とを含むので、試料中にイオン注入された補助不純物元素の濃度プロファイルにおけるピーク位置を基準にして、測定対象元素の深さ決定を正確に行うことができる。このため、バックサイドＳＩＭＳ測定により得られた深さ方向濃度分布を、金属シリサイド膜表面から測定した深さに対応させることができる。
【００１４】
請求項３記載の定量分析用補助試料は、測定対象元素を含むシリコン基板上に金属シリサイド膜が形成され、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ための定量分析用補助試料であって、前記試料のシリコン基板中に補助不純物元素が所定の深さで導入されている。
【００１５】
このように、試料のシリコン基板中に補助不純物元素が所定の深さで導入されているので、金属シリサイド膜を除去した試料に対する測定結果、あるいはバックサイドＳＩＭＳにより得られた測定結果に対して、測定対象元素の深さ決定の基準位置を与えることができる。
【００１６】
【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５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測定試料の断面図である。
【００１７】
図１に示すように、シリコン基板１中には、測定対象元素であるＡｓ（砒素）のイオン注入、およびアニール処理により形成されたＮ+領域２があり、試料表面には、Ｎ+領域２の形成後に金属シリサイド膜としてコバルトの堆積とアニール処理により形成されたコバルトシリサイド膜３が形成されている。この測定試料に対し、Ａｓの深さ方向濃度分布を分析する。
【００１８】
図２はこの発明の実施の形態の上記試料におけるＡｓの深さ方向濃度分布の概念図を示したものであり、コバルトシリサイド膜表面から、Ａｓ濃度が所定の濃度に達するまでの距離が、接合深さとして規定される。
【００１９】
図３はこの発明の第１の実施の形態における試料前処理方法の工程図、図５は第１の実施の形態において試料表面からのＡｓとＦの二次イオン強度の深さ方向分布図である。
【００２０】
この定量分析方法は、試料のシリコン基板１中に補助不純物元素を所定の深さで導入し、二次イオン質量分析法により補助不純物元素の深さ方向濃度分布測定を行う第１工程（３０１，３０２）と、試料のコバルトシリサイド膜３を除去した後、二次イオン質量分析法により測定対象元素および補助不純物元素の深さ方向濃度分布測定を行う第２工程（３０３，３０４）と、第１工程および第２工程で測定された補助不純物元素のピーク位置の距離Ｘ１，Ｚ１と第２工程で測定された測定対象元素の接合位置までの距離Ｙ１をもとに試料のコバルトシリサイド膜３表面からの接合深さＤを決定し、試料中での測定対象元素の深さ方向濃度分布を求める第３工程とを含む。
【００２１】
この場合、測定試料に対して、補助不純物としてＦ（フッ素）のイオン注入を行う（３０１）。この補助不純物は、測定対象元素であるＡｓ、および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。また、イオン注入エネルギーは、イオン注入プロファイルにおけるピーク位置が、コバルトシリサイド膜３とシリコン基板１の界面よりも、十分深くなるように設定することが望ましい。
【００２２】
次に、この試料に対してＦの深さ方向分布を測定し、そのイオン注入プロファイルにおけるピーク位置の深さＸ１を決定する（３０２）。なお、この決定方法については、後述の第３の実施形態で説明する。
【００２３】
その後、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（３０３）。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。
【００２４】
以上の工程により前処理が施された試料に対して、ＳＩＭＳ測定を実施する（３０４）。
【００２５】
図４はこの発明の第１の実施の形態において前処理工程を経た試料に対してＳＩＭＳ測定を実施した際に得られる、ＡｓとＦの二次イオン強度の深さ方向分布図を示している。同図中、曲線４１はＡｓの二次イオン強度、曲線４２がＦの二次イオン強度を表しており、深さＹ１は、コバルトシリサイド膜を除去した試料表面から接合位置（ここではＡｓ濃度が１Ｅ１８ｃｍ-3になる位置とする）までの距離、また深さＺ１は、コバルトシリサイド膜を除去した試料表面からＦのイオン注入プロファイルにおけるピーク位置までの距離である。
【００２６】
以上の測定結果から、測定対象元素であるＡｓの接合深さを決定する。図５に示すように、Ｆのイオン注入プロファイルにおけるピーク位置はコバルトシリサイド膜表面から深さＸ１の位置にあることが、前記工程３０２において既知であるから、最終的に、測定試料の初期状態における接合深さＤは、Ｄ＝Ｘ１−（Ｚ１−Ｙ１）で与えられる。
【００２７】
この発明の第２の実施の形態を図６〜図８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。この測定試料を用いて、Ａｓの深さ方向濃度分布を、バックサイドＳＩＭＳにより分析する。
【００２８】
図６はこの発明の第２の実施の形態における試料前処理方法の工程図、図８は第２の実施の形態において試料裏面からのＡｓとＦの二次イオン強度の深さ方向分布図である。
【００２９】
この定量分析方法は、試料のシリコン基板１中に補助不純物元素を所定の深さで導入し、二次イオン質量分析法により補助不純物元素の深さ方向濃度分布測定を行う第１工程（６０１，６０２）と、試料の裏面から、二次イオン質量分析法により測定対象元素および補助不純物元素の深さ方向濃度分布測定を行う第２工程（６０３，６０４）と、第１工程および第２工程で測定された補助不純物元素のピーク位置の距離Ｘ２，Ｚ２と第２工程で測定された測定対象元素の接合位置までの距離Ｙ２をもとに試料のコバルトシリサイド膜３表面からの接合深さＤを決定し、試料中での測定対象元素の深さ方向濃度分布を求める第３工程とを含む。
【００３０】
この場合、第１の実施形態と同様に、Ｆのイオン注入を行い（６０１）、そのイオン注入プロファイルにおけるピーク位置の深さＸ２を決定する（６０２）。なお、以上の工程は、第１の実施形態と共通であるので、説明は省略する。
【００３１】
次に、この試料を支持基板４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（６０３）。
【００３２】
以上の工程により前処理が施された試料に対して、バックサイドＳＩＭＳ測定を実施する（６０４）。
【００３３】
図７はこの発明の第２の実施の形態において上記前処理を施した試料に対して、バックサイドＳＩＭＳ測定を実施した際に得られる、ＡｓとＦの二次イオン強度の深さ方向分布図を示している。この場合には、試料裏面から測定が開始されているため、得られる深さ方向分布は、第１の実施形態とは、深さ方向に関して反転したものとなる。同図中、曲線７１はＡｓの二次イオン強度、曲線７２がＦの二次イオン強度を表しており、深さＹ２は、測定を開始した試料裏面から接合位置（ここではＡｓ濃度が１Ｅ１８ｃｍー3になる位置とする）までの距離、また深さＺ２は、測定を開始した試料裏面からＦの二次イオン強度におけるピーク位置までの距離である。
【００３４】
以上の測定結果から、測定対象元素であるＡｓの接合深さを決定する。図８に示すように、Ｆのイオン注入プロファイルにおけるピーク位置はコバルトシリサイド膜３表面から深さＸ２の位置にあることが、前記工程６０２において既知であるから、最終的に、測定試料の初期状態における接合深さＤは、Ｄ＝Ｘ２−（Ｙ２−Ｚ２）で与えられる。
【００３５】
この発明の第３の実施の形態を図９に基づいて説明する。図９はこの発明の第３の実施の形態における定量分析用補助試料に対してＦの二次イオン強度の深さ方向分布図である。
【００３６】
第１の実施形態に記載したように、本実施の形態の定量分析用補助試料は、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ものであり、シリコン基板上にコバルトシリサイド膜が形成された構造に対して、補助不純物としてＦ（フッ素）のイオン注入を行ったものである。
【００３７】
図９に示すように、Ｆのイオン注入プロファイルにおけるピーク位置の深さＸ３は以下の手順により決定される。
【００３８】
まず、ＳＩＭＳ測定により形成されたクレータ深さＷ（コバルトシリサイド膜表面からの深さ）を、触針式段差計等を用いて測定する。また、これとは別に、同一のＳＩＭＳ測定条件で、シリコンに対するスパッタレートＲを測定する。Ｆのイオン注入プロファイルにおけるピーク位置の深さＸ３（第１の実施の形態のＸ１、第２の実施の形態のＸ２に対応する。）は、Ｆの二次イオン強度のピーク位置までのスパッタ時間Ｔ１、および測定終了時までのスパッタ時間Ｔ２を用いて、以下の（式１）によりあらわされる。
【００３９】
Ｘ３＝Ｗ−Ｒ×（Ｔ２−Ｔ１）    …（式１）
以上の手順により、コバルトシリサイド膜とシリコンに対するスパッタレートの相違の影響を受けずに、コバルトシリサイド膜表面から、Ｆのピーク位置までの距離を決定することができる。
【００４０】
また、Ｆのイオン注入プロファイルにおけるピーク位置は、コバルトシリサイド膜とシリコン基板の界面よりも十分深くなるように設定されているから、コバルトシリサイド膜に対するスパッタリングの不均一さの影響を受けずに、Ｆのピーク位置を正確に決定することが可能である。
【００４１】
【発明の効果】
この発明の請求項１記載の定量分析方法によれば、試料のシリコン基板中に補助不純物元素を所定の深さで導入し、二次イオン質量分析法により補助不純物元素の深さ方向濃度分布測定を行う第１工程と、試料の金属シリサイド膜を除去した後、二次イオン質量分析法により測定対象元素および補助不純物元素の深さ方向濃度分布測定を行う第２工程と、第１工程および第２工程で測定された補助不純物元素のピーク位置の距離と第２工程で測定された測定対象元素の接合位置までの距離をもとに試料の金属シリサイド膜表面からの接合深さを決定し、試料中での測定対象元素の深さ方向濃度分布を求める第３工程とを含むので、試料中にイオン注入された補助不純物元素の濃度プロファイルにおけるピーク位置を基準にして、測定対象元素の深さ決定を正確に行うことができる。このため、金属シリサイド膜に対するスパッタリングの不均一さに起因する深さ方向分解能の低下を抑制できると同時に、ＳＩＭＳ測定により得られた深さ方向濃度分布を、金属シリサイド膜表面から測定した深さに対応させることができる。その結果、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。
【００４２】
この発明の請求項２記載の定量分析方法によれば、試料のシリコン基板中に補助不純物元素を所定の深さで導入し、二次イオン質量分析法により補助不純物元素の深さ方向濃度分布測定を行う第１工程と、試料の裏面から、二次イオン質量分析法により測定対象元素および補助不純物元素の深さ方向濃度分布測定を行う第２工程と、第１工程および第２工程で測定された補助不純物元素のピーク位置の距離と第２工程で測定された測定対象元素の接合位置までの距離をもとに試料の金属シリサイド膜表面からの接合深さを決定し、試料中での測定対象元素の深さ方向濃度分布を求める第３工程とを含むので、試料中にイオン注入された補助不純物元素の濃度プロファイルにおけるピーク位置を基準にして、測定対象元素の深さ決定を正確に行うことができる。このため、金属シリサイド膜に対するスパッタリングの不均一さに起因する深さ方向分解能の低下を抑制できると同時に、バックサイドＳＩＭＳ測定により得られた深さ方向濃度分布を、金属シリサイド膜表面から測定した深さに対応させることができる。その結果、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。
【００４３】
この発明の請求項３記載の定量分析用補助試料によれば、試料のシリコン基板中に補助不純物元素が所定の深さで導入されているので、金属シリサイド膜を除去した試料に対する測定結果、あるいはバックサイドＳＩＭＳにより得られた測定結果に対して、測定対象元素の深さ決定の基準位置を与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態における測定試料の断面図である。
【図２】この発明の実施の形態の上記試料におけるＡｓの深さ方向濃度分布の概念図である。
【図３】この発明の第１の実施の形態における試料前処理方法の工程図である。
【図４】この発明の第１の実施の形態において得られるＡｓとＦの二次イオン強度の深さ方向分布図である。
【図５】この発明の第１の実施の形態において試料表面からのＡｓとＦの二次イオン強度の深さ方向分布図である。
【図６】この発明の第２の実施の形態における試料前処理方法の工程図である。
【図７】この発明の第２の実施の形態において得られるＡｓとＦの二次イオン強度の深さ方向分布図を示している。
【図８】この発明の第２の実施の形態において試料裏面からのＡｓとＦの二次イオン強度の深さ方向分布図である。
【図９】この発明の第３の実施の形態における定量分析用補助試料に対してＦ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  Ｎ+領域
３  コバルトシリサイド膜
３０１  Ｆイオン注入工程
３０２  ＦのＳＩＭＳ測定工程
３０３  コバルトシリサイド膜除去工程
３０４  ＡｓおよびＦのＳＩＭＳ測定工程
４１  Ａｓの二次イオン強度
４２  Ｆの二次イオン強度
６０１  Ｆイオン注入工程
６０２  ＦのＳＩＭＳ測定工程
６０３  裏面シリコン基板薄膜化工程
６０４  ＡｓおよびＦのＳＩＭＳ（バックサイドＳＩＭＳ）測定工程
７１  Ａｓの二次イオン強度
７２  Ｆ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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【図８】
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【図９】
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