JPH04111337A - 半導体面に形成されている不純物層の濃度分布測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体面に形成されている不純物層の濃度分
布測定方法に関するものである。

〔従来技術〕

半導体面に形成されている不純物層の濃度分布測定は、
特性の良好な半導体素子を設計、製造する上で極めて重
要となるものである。

そして、このような不純物層の濃度分布測定方法として
は、従来、たとえば、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ
）を用いて行う方法、あるいは、ひろがり抵抗測定法（
ＳＲ）を用いて行う方法が知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述したひろがり抵抗測定法（ＳＲ）を
用いて行う方法の場合には、不純物導入部の深さ方向に
対する不純物濃度は精度良く測定できるものであるが、
該深さ方向と直角方向である平面方向は測定できないも
のとなっている。このため２次元からなる領域における
不純物濃度分布を測定することはできないものとなって
いた。

２次元からなる領域における不純物濃度分布を測定でき
るものとしては、上述した２次イオン質量分析法（ＳＩ
ＭＳ）を用いて行う方法が知られているが、この方法で
は、次のような問題点を有していたものであった。

すなわち、２次イオン質量分析法（ＳＩＫＳ）は、試料
に照射するイオンビームの径が小さければ小さいほど微
小領域における濃度情報を得ることができるものである
が、該イオンビームの径は、２次イオン質量分析装置上
の関係から１μｍ程度が限度であり、平面方向の濃度分
解能が充分でないものであった。

したがって、このようなことから、数μｍ以下の微小領
域における不純物濃度分布を測定することはできないの
が現状であり、これにより、微細構造半導体素子を設計
・製造する妨げとなっていた。

本発明は、このような事情に基づいてなされたものであ
り、その目的とするところのものは、深さ方向はもちろ
んのこと、該深さ方向と直交する平面方向の場合にも極
めて高い濃度分解能をもって濃度分布を測定でき、これ
により２次元の微細領域の不純物濃度分布を得ることの
できる半導体面に形成されている不純物層の濃度分布測
定方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

このような目的を達成するために１本発明は、基本的に
は、半導体のエツチング量がその不純物濃度に応じて依
存する化学エツチングにより該不純物形成領域をエツチ
ングする工程と、該エツチングされた表面の形状を走査
型トンネル顕微鏡で測定することにより半導体のエツチ
ング量を測定する工程と、予め作成された該半導体のエ
ツチング量と不純物濃度の関係を示すデータに基づいて
該不純物形成領域の不純物濃度分布を測定する工程と、
からなることを特徴とするものである。

〔作用〕

このようにすれば、前記化学エツチングは不純物濃度に
応じたエツチング量でエツチングがなされることから、
該エツチング後におけるエツチング表面は該不純物濃度
に対応した形状となる。

そして、該エツチング表面の形状は、走査型トンネル顕
微鏡により測定すれば極めて精度のよい測定ができるよ
うになる。一般に、該走査型トンネル顕微鏡による形状
測定は面内の分解能が数人。

垂直方向の分解能は約０．１人で、極めて高精度に表面
形状が測定できることが知られている。

このことは、表面形状の高精度測定がそのまま不純物形
成領域における半導体のエツチング量の高精度測定とな
ることを意味することとなる。

したがって、予め作成された該半導体のエツチング量と
不純物濃度の関係を示すデータに基づいて該不純物形成
領域の不純物濃度分布を測定すれば、高精度の半導体の
エツチング量に応じて得られる不純物濃度分布は、極め
て高精度のものとして測定できることになる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いて具体的に説明す
る。

まず、本発明による半導体面に形成されている不純物層
の濃度分布測定方法の工程手順を第１図に示すフローチ
ャートを用いて説明する。

まず、第２図で示すように、たとえばシリコン基板から
なる半導体基板１の表面の一領域に不純物導入部２が形
成された測定対象物を用意する。

ここで、前記不純物導入部２としては、たとえばイオン
打ち込み、あるいは不純物熱拡散等によって形成された
半導体層となっている。

工程１゜ 前記半導体基板１の表面全域に前記不純物導入部２をも
覆って表面保護膜を塗布する。この表面保護膜は、後の
工程（工程４．）における化学エツチングの際のマスク
としての機能を有するものとなる。例えばレジスト膜等
からなる。

二層Ｉ− 前記半導体基板１を、その表面において前記不純物導入
部２を横切るように（第２図のＡ−Ａ　’線に沿って）
切断する。これにより、切断された面はへき開面となり
、このへき開面の一部には、第３図に示すように、前記
不純物導入部２の断面が露呈される状態となる。

なお、第３図において、前記不純物導入部２はイオン打
ち込み方法により形成されたものを示しており、該イオ
ン打ち込みの性質上１図示しない不純物拡散領域（窓開
けされたマスクにおける該窓の領域）に対して深さ方向
、および該深さ方向に対して直角方向である平面方向に
順次不純物濃度がたとえば順次１０”ｃｍ−’、１０１
ｇＣｌ１１−’、１０１９（！ＩＩ−’、１０”Ｃ１１
−’、Ｉ　Ｑ”ａｎ−’、というように小さくなるよう
な濃度分布を有するようになっている。

工程３゜ 前記へき開面の表面を洗浄する。この洗浄は、へき間抜
、その表面に薄いシリコン酸化膜が形成されてしまうこ
とから、このシリコン酸化膜を除去するために行うもの
である。

工程４゜ 上述の工程で洗浄されたへき開面を、半導体のエツチン
グ量がその不純物濃度に応じて依存するような化学エツ
チング液を用いてエツチングをする。

この場合の化学エツチング液としては、半導体基板がシ
リコンの場合、たとえばフッ酸−硝酸一水で構成され、
拡散速度律速となる組成比（β＝ＣＨｚ　○］ｔｉｔ／
（［：ＨＮ　○、コｗｔ　＋　［Ｈｚ　０３ｗｔ）Ｘ　
１００＜５０（％）ただし、ｗｔは重量を表す）からな
るものが一実施例として揚げられる。拡散速度律速では
反応により気泡（Ｎｏ）が発生しないため、β〉５０％
の場合の反応速度律速に比へ、エツチング量の制御がし
やすく、半導体表面形状の平担性がよく、再現性がある
ことが知られているからである。

この場合において、フッ酸：硝酸：水＝１：１００　：
　２５の組成比を持つエツチング液を液温３０±０．５
℃で制御し、シリコン基板中にボロンをイオン注入した
不純物導入層を１分間エツチングした場合のシリコンの
エツチング量の不純物濃度依存性は第４図に示すように
なる。この第４図から明らかなように５不純物濃度が１
０”Ｃ！ｌ−’から４　Ｘ　１０”ａｍ−”の範囲でエ
ツチング量が不純物濃度の対数値に対して単調に依存す
る特性を有し、エツチング速度は通常の加工欠陥評価等
に用いられるエツチング液と比べて２桁程度遅いことが
わかる。このため、１０ｎｍ以下の制御が可能となる。

このようなエツチングを行うことにより、へき開面の各
位置でその場所の不純物濃度に対応した量だけ半導体が
エツチングされることとなる。けだし、上述したように
、前記化学エツチング液が不純物濃度に応じてエツチン
グ量の依存するものであることからである。

工程５゜ 前記表面保護膜を除去する。この表面保護膜の除去によ
り、前記不純物導入部２のエツチング状態を示すエツチ
ング表面が前記半導体基板１の表面側から露是されるこ
とになる。

工■旦− へき開面のエツチング状態、すなわちエツチング表面形
状を走査型トンネル顕微鏡で観察する。

この走査型トンネル顕微鏡は、第５図に示すように、半
導体基板１と走査型トンネル顕微鏡の探針９との間に電
圧を印加させることにより、これらの間にいわゆるトン
ネル電流を生じさせ、このトンネル電流を一定に保ちな
がら、前記へき開面１０に対して垂直な方向から走査型
トンネル顕微鏡の探針９を走査するようにしている。

したがって、前記走査型トンネル顕微鏡の探針９の走査
状態がそのままエツチングされた不純物導入部８のエツ
チング状態、すなわちエツチング表面形状のデータとし
て得ることができるものとなる。

また、この走査型トンネル顕微鏡は、たとえばＲｈｙｓ
、　Ｒｅｖ、　Ｌｅｔｔ、　、ｖｏｌ、４９．１９８７
．　ｐｐ、５７に述べられているように、面内の分解能
が数人、垂直方向の分解能が約０．１人であり、高精度
に表面形状の測定が可能となるものである。

二ｌユ 前記走査型トンネル顕微鏡のエツチング表面形状の測定
は、そのままエツチングされた各位置におけるエツチン
グ量のデータを得ることと同様である。

一方、第４図に示すように、予め、不純物濃度に対する
エツチング量を示したデータを用意しておき、このデー
タに基づいて、不純物濃度を算出するようにする。

以上説明した実施例によれば、前記工程４．で用いる化
学エツチングは不純物濃度に応じたエツチング量でエツ
チングがなされることから、該エツチング後におけるエ
ツチング表面は該不純物濃度に対応した形状となる。

そして、該エツチング表面の形状は、前記工程６、で説
明したように走査型トンネル顕微鏡により測定すれば極
めて精度のよい測定ができるようになる。ここで、該走
査型トンネル顕微鏡による形状測定は面内の分解能が数
人、垂直方向の分解能は約０．１人で、極めて高精度に
表面形状が測定できることが知られている。

このことは１表面形状の高精度測定がそのまま不純物形
成領域における半導体のエツチング量の高精度測定とな
ることを意味することとなる。

したがって、工程７．で説明したように、予め作成され
た該半導体のエツチング量と不純物濃度の関係を示すデ
ータに基づいて該不純物形成領域の不純物濃度分布を測
定すれば、高精度の半導体のエツチング量に応じ得られ
る不純物濃度分布は、極めて高精度のものとして得られ
ることになる。

このようなことから、たとえば、従来の技術では測定不
可能であったサブミクロン以下の領域における深さ方向
と平面方向の不純物濃度分布を１０ｎｍ以下の分解能で
１０”ａｍ−’の低濃度まで測定することができるよう
になる。

ここで、さらに第６図を用いてＭＯ５型トランジスタを
測定対象物として本発明を適用した場合を示す。

同図は、Ｎ型シリコン基板１１の主表面にイオン注入マ
スクとして多結晶シリコンのＬ／Ｓパターンを形成し、
ボロンをイオン注入して不純物導入部であるトレイン領
域１２およびソース領域１３が形成されたものである。

なお、前記多結晶シリコンのＬ／Ｓパターンはそのまま
ゲート電極１４として用いるものである。へき開面ば前
記ドレイン領域１２、ゲート電極１４、およびソース領
域１３を横切るようにして形成されている。このへき開
面において、矢印Ａの方向が平面方向、矢印Ｂの方向が
深さ方向に相当する。

このような構成において、前記へき開面のエツチング形
状を走査型トンネル顕微鏡で測定した像を第７図に示す
（平面方向は矢印Ａおよび深さ方向は矢印Ｂのエツチン
グ形状に対応している）。

そして、この第７図より得られた深さ方向のエツチング
量と第４図に示されているエツチング量の不純物濃度依
存性より、第８図に示すように、深さ方向の不純物濃度
分布を算出することができる。

この第８図では、同じ測定対象物に対してＳＲを用いて
測定した不純物濃度もあわせて示している。

深さ方向に対しては、ＳＲの結果と本実施例による結果
はよく一致しており、本実施例を用いることの妥当性が
示されている。そして、平面方向に対しても深さ方向と
同様に極めて精度よく測定されていることが判る。

以上、本発明を実施例にもとづき具体的に説明したが５
本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その
要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であること
は言うまでもない。

すなわち、以上述べた実施例では、イオン注入された不
純物はボロンとしたものであるが、注入不純物がヒ素、
リン等の場合であっても同様にして不純物分布を精度よ
く測定することができる。

また、不純物の導入手法として、イオン注入性以外の例
えば半導体基板表面からの熱拡散法を用いた場合でも測
定が可能である。

さらに、上記実施例では、エツチング液にフン酸−硝酸
−水による溶液を用いたが水の代わりに希釈液として酢
酸を用いることも可能である。

なお、上記実施例では、へき開面をエツチングし、その
形状から不純物濃度分布を求める手法について述べたが
、第２図に示す半導体基板表面を上記のエツチング液で
エツチングすることにより、半導体基板中に導入された
不純物の平面方向分布を同様に測定することができる。

この場合の測定方法を第９図に示す。この場合、平面方
向の端部で深さ方向に濃度が異なる場合には定量的に濃
度分布を求めることはできないが、従来用いられている
Ｊ、　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ、　Ｓｏｃ、　、　ｖｏ
ｌ、１３５．　ｐｐ、２３７０゜１９８８に述べられて
いる銅スティン法や、１９８９年秋季応用物理学会学術
講演会３０ｐ−ｃ−９に述べられているようにエツチン
グしたへき開面の走査型電子顕微鏡像から求められる平
面方向の接合位置測定手法と比較して、−桁以上精度よ
く測定することができるようになる。

さらに、上記した実施例では、エツチング量の不純物濃
度依存性をあらかじめ不純物濃度の異なる不純物導入層
を持つ半導体基板（標準試料）を用いて測定したが、Ｓ
Ｒによる分析結果と深さ方向のエツチング形状を対応さ
せることにより、エツチング量の不純物濃度依存性を決
定することが可能でとなる。この方法を用いれば、同一
半導体基板で得られた深さ方向の不純物濃度分布とエツ
チング量の関係を用いて、標準試料を用いることなく。

平面方向不純物濃度分布を決定することができるように
なる。

また、上記した実施例では、半導体材料がシリコンの場
合について述べたが、ガリウムヒ素、イリジウムリン等
の化合物半導体についても本発明を適用することが可能
であり、この場合、エツチング液として、例えば、フェ
リシアン化カリウムと水酸化カリウム溶液を用いること
により、同様に不純物濃度分布の測定が可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したことから明らかなように１本発明による半
導体面に形成されている不純物層の濃度分布測定方法に
よれば、該不純物層の深さ方向はもちろんのこと、該深
さ方向と直交する平面方向の場合にも極めて高い濃度分
解能をもって濃度分布を測定でき、これにより２次元の
微細領域の不純物濃度分布を得ることができるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による半導体面に形成されている不純
物層の濃度分布測定方法の一実施例を示す工程図、 第２図は、本発明による半導体面に形成されている不純
物層の濃度分布測定方法の測定対象の一実施例を示す説
明図、 第３図は、前記測定対象をへき関しそのへき開面を示す
説明図、 第４図は、不純物エツチング量の不純物濃度依存性を示
すグラフ、 第５図は、走査型トンネル顕微鏡を用いて半導体のへき
開面におけるエツチング形状の測定を示す説明図、 第６図は、測定対象の一実施例となるＭＯ５型トランジ
スタを示す説明図、 第７図は、第６図に示す測定対象の走査型トンネル顕微
鏡による形状測定像を示す説明図、第８図は、第６図に
示す測定対象の深さ方向および平面方向における不純物
濃度分布を示したグラフ、 第９図は、走査型トンネル顕微鏡を用いた半導体表面エ
ツチング形状測定の他の実施例を示す説明図である。 図中、１・・半導体基板、２　・不純物導入部、８・エ
ツチングされた不純物導入部、９・・・走査型トンネル
顕微鏡の探針、１ｏ・・へき開面、１１・Ｎ型シリコン
基板、１２・・エツチングにより形成された形状。 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体のエッチング量がその不純物濃度に応じて
   依存する化学エッチングにより該不純物形成領域をエッ
   チングする工程と、該エッチングされた表面の形状を走
   査型トンネル顕微鏡で測定することにより半導体のエッ
   チング量を測定する工程と、予め作成された該半導体の
   エッチング量と不純物濃度の関係を示すデータに基づい
   て該不純物形成領域の不純物濃度分布を測定する工程と
   、からなることを特徴とする半導体面に形成されている
   不純物層の濃度分布測定方法。