JP4574293B2 - 結晶性評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、イオンビーム照射に依って発生するスパッタエッチングを利用し固体中に含まれる元素の深さ方向分布を測定する深さ方向元素分布測定法を応用して基板或いは薄膜の結晶性評価を行う方法の改良に関する。

一般に、結晶の深さ方向に於ける結晶性変化を把握するには、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）やラザフォード後方散乱（ＲＢＳ：Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ ｂａｃｋ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）法を用いている。

然しながら、ＴＥＭ観察を行うには、試料の作製に莫大な時間と手間が掛かり、また、ＲＢＳ法を実施するには、後方散乱に用いる高エネルギーのイオンビームを生成する特殊な設備が必要であり、簡便性や迅速性の面で実用的とは言い難い手段である。

本発明では、ＴＥＭやＲＢＳに比較し、簡便且つ迅速に例えばイオン注入に起因する損傷の深さを測定できるようにする。

一般に、イオンビーム照射（一次イオン）に依るスパッタエッチングを行って固体表面から放出される二次イオンを検出することで、固体中に含まれる元素の深さ方向に於ける分布を測定する分析法は、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｉｏｎ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）法として知られている。

ＳＩＭＳ法は、半導体材料分野及び半導体デバイス分野を中心に広く用いられ、基板或いは薄膜中に存在する元素の深さ方向分布を測定する際、最も多く利用される物理的分析法である。

そこで、ＳＩＭＳ法に依る分析を行って、元素の分布のみでなく、結晶性の変化を同時に知得することができれば、極めて簡単且つ迅速に基板或いは薄膜にかかわるプロセス評価を行うことが可能である。

例えば、イオン注入プロセスを評価するとした場合、注入元素の深さ方向に於ける濃度分布と同時にイオン注入に依って非晶質化した基板或いは薄膜の情報も取得することができ、簡単且つ迅速にプロセスの是非を評価することが可能である。

本発明に依る結晶性評価方法に於いては、固体表面にイオンビームを照射し、その固体表面に絶縁物或いは半絶縁物を生成させつつスパッタエッチングを継続し、その際、固体表面から放出される二次イオンのエッチング時間に対する強度変化を計測して固体試料の単結晶或いは非晶質の結晶性を評価する方法に於いて、特定のオフセット電圧を固体試料に印加して深さ方向の結晶性変化に伴う二次イオンの強度変化を測定することが含まれて成ることを特徴とする。

前記手段を採ることに依り、例えばイオン注入した元素の深さ方向分布の測定とイオン注入に起因する損傷領域の測定を同時に行うことができ、従来、多用されてきたＴＥＭやＲＢＳに依る評価と比較すると簡便且つ迅速に損傷領域評価まで実施することが可能であり、従って、その結果を直ちにフィードバックして例えばプロセス条件の補正を行い、良質の半導体装置を製造するのに寄与することができる。

一実施の形態として、シリコン（Ｓｉ）中にボロン（Ｂ）を高濃度に低エネルギーでイオン注入した試料に対し、本発明を適用した例について説明する。

図１はＢ⁺ をイオン注入したＳｉ基板の透過型電子顕微鏡像（ＴＥＭ像）を表す写真であり、この場合のＢ⁺ のイオン注入条件は、加速電圧１〔ｋｅＶ〕、Ｂ⁺ 濃度１×１０¹⁵cm^-2である。

図１に見られるＳｉ基板には、最表面からイオン注入したことに依る損傷領域が明確に示されていて、この損傷領域では、Ｓｉ単結晶が非晶質な状態になっていると考えられ、そして、損傷領域は、損傷の度合いを異にする二つの領域、即ち、領域Ａ及び領域Ｂからなっていることが看取できよう。

図２は図１に見られる領域Ａ、Ｂ、Ｃ（Ｃは単結晶領域）に於けるオフセット電圧と二次イオン（³⁰Ｓｉ⁺ ）強度との関係を表す線図であり、図に依れば、オフセット電圧に依って、各領域Ａ、Ｂ、Ｃに二次イオン強度の相違を生じ、−２０Ｖ付近で最も顕著に相違していることが看取される。尚、このデータを得るに際しては、０．５ｋｅＶのＯ₂ ⁺ を試料表面に垂直に照射した。

図３は図１について説明した試料と同じ試料に於けるオフセット電圧の変化と二次イオン（³⁰Ｓｉ⁺ ）強度の変化との関係を表す線図であり、このデータは、試料に対して図１の場合と同じ条件でイオンビームを照射し、エッチングを継続させながら³⁰Ｓｉ⁺ を検出した結果であって、検出の際、オフセット電圧を０、−５、−１０、−２０Ｖと変化させた。

図３では、エッチング時間を既知のエッチング速度を用いて深さに換算して示してあるが、オフセット電圧が低くなるにつれて、深さ約３０ｎｍまでに³⁰Ｓｉ⁺ 強度の変化が顕著になり、オフセット電圧を図１の測定に於いて特定した−２０Ｖにすることで、明確に結晶性の変化を知得することができる。この³⁰Ｓｉ⁺ 強度の変化領域は、イオン注入に依る損傷領域と考えられ、これは図１として示したＴＥＭ像と一致している。

図４は図１乃至３で使用した試料と同じ試料を用い、イオン注入元素であるＢの深さ方向分布を測定した得た線図であり、¹¹Ｂ⁺ 検出時には−５Ｖ、³⁰Ｓｉ⁺ 検出時には−２０Ｖの各オフセット電圧を印加している。

図２及び３から明らかであるが、−５Ｖのオフセット電圧は、二次イオン強度に余り大きな影響は与えないが、−２０Ｖのオフセット電圧は、二次イオン強度に大きな影響を与える。従って、イオン注入した元素の二次イオンと母材元素の二次イオンとで異なるオフセット電圧を印加することで、所望のイオン注入元素の深さ方向分布と損傷領域の測定とを同時に行うことができる。

前記測定を行う場合、試料表面を絶縁物或いは半絶縁物にすることが重要であって、絶縁性表面がもつ帯電効果で、図２に見られるように、オフセット電圧の変化に伴って二次イオン強度に変化が現れている。

試料表面に絶縁物或いは半絶縁物を形成するには、試料表面を酸化するか、或いは、窒化することが最も容易であり、その方法としては、酸素或いは窒素のイオンビームを試料表面に直接照射すると簡単である。また、酸素或いは窒素のイオンビームを用いることなく、試料表面に酸素ガス或いは窒素ガスを導入しながらスパッタエッチングを行う方法を採っても良い。

何れの方法に於いても、試料表面を酸化或いは窒化する為には、スパッタリングの定常状態に於いて、酸素や窒素の注入量或いは吸着量が酸化膜や窒化膜を生成するのに充分でなければならず、それには、照射イオンの加速エネルギー、試料表面への入射角度を制御することが不可欠である。

Ｂ⁺ をイオン注入したＳｉ基板の透過型電子顕微鏡像（ＴＥＭ像）を表す写真である。 オフセット電圧と二次イオン強度との関係を表す線図である。 オフセット電圧の変化と二次イオン強度の変化との関係を表す線図である。 Ｓｉ中のＢの深さ方向分布と損傷領域とを表す線図である。

Claims (5)

1. 固体表面にイオンビームを照射し、その固体表面に絶縁物或いは半絶縁物を生成させつつスパッタエッチングを継続し、その際、固体表面から放出される二次イオンのエッチング時間に対する強度変化を計測して固体試料の単結晶或いは非晶質の結晶性を評価する方法に於いて、特定のオフセット電圧を固体試料に印加して深さ方向の結晶性変化に伴う二次イオンの強度変化を測定すること
   が含まれてなることを特徴とする結晶性評価方法。
2. オフセット電圧を印加する際、予めオフセット電圧変化と二次イオン強度変化との関係を求め、結晶性変化に伴う二次イオン強度変化が顕著に現れるオフセット電圧を特定のオフセット電圧とすること
   が含まれてなることを特徴とする請求項１記載の結晶性評価方法。
3. オフセット電圧を特定する際、結晶性変化に伴う二次イオン強度変化が顕著に現れないオフセット電圧も特定し、請求項１記載の結晶性評価の測定と共に前記特定したオフセット電圧を印加して得られる二次イオン強度変化の測定も実施して結晶性と同時に元素濃度分布の変化も測定すること
   が含まれてなることを特徴とする結晶性評価方法。
4. 絶縁物或いは半絶縁物の形成に際し、酸素或いは窒素のイオンビームを用い、イオンの加速エネルギー及び試料表面への入射角度を制御すること
   が含まれてなることを特徴とする請求項１記載の結晶性評価方法。
5. 絶縁物或いは半絶縁物の形成に際し、酸素と窒素を含まないイオンビームを用い、イオンビームの照射時に酸素ガス或いは窒素ガスを固体表面に吹き付けると共に照射するイオンの加速エネルギー及び試料表面への入射角度を制御すること
   が含まれてなることを特徴とする請求項１記載の結晶性評価方法。

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