JP3166152B2 - Impurity measurement method - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、二次イオン質量分
析(SIMS)法を用いて半導体基板中の不純物分析を
行う不純物測定方法に関し、特に、極浅い領域に存在す
る被測定不純物の分布を高精度に測定することができる
不純物測定方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an impurity measuring method for analyzing impurities in a semiconductor substrate by using secondary ion mass spectrometry (SIMS), and more particularly to a method for measuring the distribution of impurities to be measured existing in an extremely shallow region. The present invention relates to a method for measuring impurities that can be measured with high accuracy.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、半導体デバイスの微細化・高速化
に伴い、表面の極浅い領域に存在する不純物の深さ方向
濃度分布を正確に評価することが重要になってきてお
り、そのために二次イオン質量分析法による半導体中の
不純物の深さ方向分析が広く用いられている。ここで、
二次イオン質量分析法とは、一次イオンで試料表面をス
パッタリングし、そのとき試料表面から真空中に飛び出
したスパッタ粒子のうちイオン化している二次イオンを
質量分析器によって分離検出する方法である。2. Description of the Related Art In recent years, as semiconductor devices have become finer and faster, it has become important to accurately evaluate the concentration distribution in the depth direction of impurities present in an extremely shallow region of the surface. 2. Description of the Related Art Depth direction analysis of impurities in a semiconductor by secondary ion mass spectrometry is widely used. here,
Secondary ion mass spectrometry is a method in which a sample surface is sputtered with primary ions, and secondary ions that are ionized among the sputter particles that jump out of the sample surface into a vacuum are separated and detected by a mass analyzer. .
【0003】しかしながら、二次イオン質量分析法で
は、試料に一次イオンを照射してから二次イオンが安定
して放出されるまでに一定の時間が必要なので、表面か
ら10nm以下の領域におけるプロファイルの精度は著
しく低下する。However, in secondary ion mass spectrometry, a certain time is required from the irradiation of a sample with primary ions until the secondary ions are stably emitted. Accuracy is significantly reduced.
【0004】また、二次イオン質量分析法では、主成分
の組成が異なると二次イオンイールドが異なるという問
題があり、例えばシリコン基板の表面を分析する場合、
最表面に存在する自然酸化膜の影響によりやはりプロフ
ァイルの精度は著しく低下する。Further, the secondary ion mass spectrometry has a problem that the secondary ion yield is different when the composition of the main component is different. For example, when analyzing the surface of a silicon substrate,
The accuracy of the profile is also significantly reduced due to the influence of the natural oxide film existing on the outermost surface.
【0005】そこで、この問題を解決する方法として、
二次イオン質量分析装置の試料室内に酸素ガスを導入し
た状態で酸素一次イオンを用いて測定を行う酸素リーク
法が知られている。この酸素リーク法では、試料表面の
酸素濃度を高めて、試料表面から安定して二次イオンを
発生させることにより試料最表面からの不純物プロファ
イルを正確に測定する。また、酸素ガス導入によりスパ
ッタ表面の酸素濃度が高くなるので最表面の自然酸化膜
の影響による測定不純物のシリコンとの感度差が生じな
い。Therefore, as a method for solving this problem,
There is known an oxygen leak method in which measurement is performed using oxygen primary ions in a state where oxygen gas is introduced into a sample chamber of a secondary ion mass spectrometer. In this oxygen leak method, the impurity concentration from the outermost surface of the sample is accurately measured by increasing the oxygen concentration on the surface of the sample and stably generating secondary ions from the surface of the sample. In addition, the introduction of oxygen gas increases the oxygen concentration on the sputtered surface, so that there is no difference in sensitivity between the measured impurity and silicon due to the influence of the natural oxide film on the outermost surface.
【0006】しかしながら、図9のグラフに示すよう
に、シリコン表面に加速電圧1kev及び2kev、ド
ース1×1015cm-2の条件でボロンをイオン注入し
た試料を二次イオン質量分析法で測定を行った場合、ボ
ロン濃度が1×1018atoms/cm -3となる深さは、酸素リ
ークを行った場合と行わない場合でほぼ同一であるのに
対し、加速電圧0.2kev、ドース1×1015cm
-2の条件でボロンをイオン注入した試料を二次イオン
質量分析法で測定を行った場合、ボロン濃度が1×10
18atoms/cm-3となる深さは酸素リークにより測定を行っ
た結果の方が行わない場合に比べて約3nm浅くなるこ
とがわかった。以上の結果から、酸素リークを用いた二
次イオン質量分析法測定を行った場合、測定初期におい
てスパッタリング速度が速いため、酸素リーク法を用い
た二次イオン質量分析法測定では表面から極浅い領域の
不純物プロファイルを精度良く測定することが困難であ
ることがわかる。However, as shown in the graph of FIG.
In addition, the accelerating voltage of 1 keV and 2 keV is applied to the silicon surface.
1 x 10Fifteencm-2Implant boron under the conditions
When the sample is measured by secondary ion mass spectrometry,
Ron concentration is 1 × 1018atoms / cm -3Is the oxygen depth
Is almost the same with and without
On the other hand, acceleration voltage 0.2 keV, dose 1 × 10Fifteencm
-2The sample implanted with boron under the conditions
When measured by mass spectrometry, the boron concentration is 1 × 10
18atoms / cm-3Is measured by oxygen leak.
Results shall be about 3 nm shallower than when not performed
I understood. From the above results, the second method using oxygen leak
When performing secondary ion mass spectrometry measurement,
The sputtering rate is high, so use the oxygen leak method.
Secondary ion mass spectrometry measurement
It is difficult to accurately measure impurity profiles
You can see that
【0007】これを解決する方法として、例えば特開平
7ー181149号公報(以下、従来例1という)に
は、半導体基板又は基板上に形成された半導体層表面上
の自然酸化膜にキャップ層を形成した試料を二次イオン
質量分析測定室に設置し、その測定室内に酸素を導入し
て、二次イオン分析により半導体表面の元素分析及び表
面から浅い領域における深さ方向濃度分布を測定する方
法が開示されている。As a method for solving this problem, for example, Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei 7-181149 (hereinafter referred to as Conventional Example 1) discloses that a cap layer is formed on a semiconductor substrate or a natural oxide film on the surface of a semiconductor layer formed on the substrate. A method in which the formed sample is placed in a secondary ion mass spectrometry measurement chamber, oxygen is introduced into the measurement chamber, and elemental analysis of the semiconductor surface is performed by secondary ion analysis and a depth-direction concentration distribution in a shallow region from the surface is measured. Is disclosed.
【0008】また、特開平10ー90205号公報(以
下、従来例2という)では、基板上に酸化膜を有する試
料の深さ方向の不純物を酸素リーク法を用いて測定する
際に、酸化膜表面にアルカリ金属又はアルカリ金属を含
む化合物からなる補助用不純物を導入してから測定する
ことによって、基板と酸化膜の界面に偏析させ、基板の
界面位置を特定する二次イオン質量分析法を用いる不純
物の測定方法が開示されている。この不純物の測定方法
では、基板上に酸化膜の存在する試料に関しては、界面
位置の特定が容易に行え、かつ酸化膜厚が図9に示した
ように酸素リークの影響が深さ精度に影響を及ぼさない
領域(図9では深さ39nm以上)であれば、酸化膜中
でスパッタリング速度が安定化するので、酸化膜厚と基
板中まで二次イオン質量分析法測定を行った際に生じる
クレーターの深さ及びアルカリ金属等がパイルアップす
る位置がわかれば基板中の正確な深さ方向濃度分布を測
定することは可能である。In Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-90205 (hereinafter referred to as Conventional Example 2), when an impurity in a depth direction of a sample having an oxide film on a substrate is measured by an oxygen leak method, an oxide film is not used. Using secondary ion mass spectrometry to segregate at the interface between the substrate and the oxide film by introducing an auxiliary impurity consisting of an alkali metal or a compound containing an alkali metal on the surface and then measuring, and specifying the interface position of the substrate A method for measuring impurities is disclosed. In this method for measuring impurities, the position of the interface can be easily specified for a sample having an oxide film on the substrate, and the influence of oxygen leak affects the depth accuracy, as shown in FIG. In a region where the influence is not exerted (a depth of 39 nm or more in FIG. 9), the sputtering rate is stabilized in the oxide film, and thus the crater generated when performing the secondary ion mass spectrometry measurement to the oxide film thickness and the substrate. It is possible to accurately measure the concentration distribution in the depth direction in the substrate if the depth of the substrate and the position where the alkali metal or the like is piled up are known.
【0009】さらに、特開平8ー96740号公報(以
下、従来例3という)には、試料の前処理として、分析
しようとする半導体基板表面の酸化膜層を湿式化学エッ
チングにより除去し、次いで、めっき液に投入して、金
属薄膜による表面被覆層を形成する二次イオン質量分析
法が開示されている。Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-96740 (hereinafter referred to as Conventional Example 3) discloses, as a pretreatment of a sample, an oxide film layer on the surface of a semiconductor substrate to be analyzed is removed by wet chemical etching. There is disclosed a secondary ion mass spectrometry in which a surface coating layer formed of a metal thin film is formed by charging a plating solution.
【0010】[0010]
【発明が解決しようとする課題】従来の技術には次のよ
うな課題がある。The prior art has the following problems.
【0011】(1)一般に、キャップ層の表面から深さ
30nmの領域におけるSIMS測定のスパッタリング
速度は30nmより深い領域のスパッタリング速度より
も速く、また、「セカンダリー・イオン・マス・スペク
トロメトリー」(ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社
1989年刊)に記載されているように、アモルフォ
スシリコンもしくはポリシリコンと単結晶シリコンのS
IMS測定におけるスパッタリング速度が測定条件によ
っては約9%の相違があることが知られている。(1) In general, the sputtering rate in SIMS measurement in a region 30 nm deep from the surface of the cap layer is higher than the sputtering speed in a region deeper than 30 nm, and "secondary ion mass spectrometry" ( As described in Wiley & Sons, 1989), amorphous silicon or polysilicon and single crystal silicon S
It is known that the sputtering rate in the IMS measurement has a difference of about 9% depending on the measurement conditions.
【0012】従って、従来例1のように、単に被測定基
板上にキャップ層を成膜し、酸素リーク法を用いてSI
MS測定を行うだけでは、スパッタリング速度の相違に
よる影響が考慮されていないため、得られる深さ方向プ
ロファイルの深さ精度は決して高いとはいえない。ま
た、従来例1ではキャップ層にポリシリコン膜や単結晶
シリコン膜を用いる旨が記載されている(段落番号00
13参照)。しかし、ポリシリコン膜によるキャップ層
によりSIMS測定を行うとポリシリコンのグレインサ
イズ及び結晶方位が不均一であるために、その下の半導
体基板中の不純物プロファイルの深さ分解能が著しく低
下する。また、単結晶シリコン膜をエピ膜とすると、エ
ピ成長させるために基板表面の酸化膜を除去するために
高温(不純物プロファイルが拡散によって変化する温
度)の熱処理が必要になる。Therefore, as in Conventional Example 1, a cap layer is simply formed on a substrate to be measured, and the cap layer is formed by an oxygen leak method.
The effect of the difference in the sputtering rate is not taken into account only by performing the MS measurement, so that the depth accuracy of the obtained depth profile is not necessarily high. Further, in the conventional example 1, it is described that a polysilicon film or a single crystal silicon film is used for the cap layer (paragraph number 00).
13). However, when SIMS measurement is performed using a cap layer of a polysilicon film, the grain size and the crystal orientation of the polysilicon are non-uniform, so that the depth resolution of the impurity profile in the underlying semiconductor substrate is significantly reduced. In addition, when the single crystal silicon film is used as an epi film, a high-temperature heat treatment (a temperature at which an impurity profile changes by diffusion) is required to remove an oxide film on a substrate surface for epi growth.
【0013】(2)従来例2では、あらかじめ基板上に
酸化膜を成膜していない試料の測定を行う場合において
は、被測定不純物のプロファイルが熱拡散によって変化
しない条件で膜厚の均一性の高い酸化膜を成膜すること
が困難である。例えば、600℃以下の基板中に酸化膜
を成膜する方法として常圧CVD法があるが、この方法
では常圧下で反応が行われ、かつ、酸化膜の堆積速度が
速いため基板内表面近傍のガス流量(比)にばらつきが
生じると、基板内の酸化膜厚にばらつきが生じてしま
う。従って、あらかじめ基板上に酸化膜を成膜していな
い試料の測定に対して従来例2の方法を適用することが
できない。(2) In Conventional Example 2, when measuring a sample in which an oxide film is not formed on a substrate in advance, the uniformity of the film thickness must be maintained under the condition that the profile of the impurity to be measured does not change due to thermal diffusion. It is difficult to form an oxide film having a high density. For example, as a method for forming an oxide film on a substrate at a temperature of 600 ° C. or lower, there is an atmospheric pressure CVD method. In this method, a reaction is performed under normal pressure and the deposition rate of the oxide film is high, so that the vicinity of the inner surface of the substrate is high. When the gas flow rate (ratio) varies, the oxide film thickness in the substrate varies. Therefore, the method of Conventional Example 2 cannot be applied to measurement of a sample in which an oxide film is not formed on a substrate in advance.
【0014】(3)従来例3では、キャップ膜として金
属膜を用いているが、金属のグレインサイズは半導体の
ように均一ではないので、金属膜をSIMS測定により
スパッタすると、スパッタリングが不均一になり、不純
物プロファイルの深さ精度に悪影響を及ぼす。(3) In the conventional example 3, a metal film is used as the cap film. However, since the grain size of the metal is not uniform like a semiconductor, when the metal film is sputtered by SIMS measurement, the sputtering becomes uneven. This adversely affects the depth accuracy of the impurity profile.
【0015】本発明の目的は、上記の課題を解決し、あ
らかじめ基板上に酸化膜を成膜していない試料の測定に
も適用でき、かつ、測定初期のスパッタリング速度が速
い領域による影響を受けることなく、試料表面近傍の被
測定不純物を正確に測定することができる不純物測定方
法を提供することにある。An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and can be applied to measurement of a sample in which an oxide film is not formed on a substrate in advance, and is affected by a region where the sputtering speed is high in the initial stage of measurement. It is an object of the present invention to provide an impurity measuring method capable of accurately measuring an impurity to be measured in the vicinity of the surface of a sample without using the method.
【0016】[0016]
【課題を解決するための手段】本発明の不純物測定方法
は、二次イオン質量分析法を用いて試料中の不純物を測
定する方法であって、表面に被測定不純物が存在する試
料の表面に、前記被測定不純物と質量数の異なる元素か
らなる補助不純物層を形成する工程と、前記補助不純物
層の表面にシリコン膜を成膜する工程と、前記シリコン
膜の表面から前記被測定不純物と前記補助不純物との深
さ方向濃度分布を測定する工程と、を有することを特徴
とするものである。An impurity measuring method according to the present invention is a method for measuring impurities in a sample using secondary ion mass spectrometry. Forming an auxiliary impurity layer made of an element having a different mass number from the impurity to be measured; forming a silicon film on the surface of the auxiliary impurity layer; Measuring the concentration distribution of the auxiliary impurity in the depth direction.
【0017】上記試料の被測定不純物の深さ方向濃度分
布の深さは、シリコン膜を成膜した後の試料を測定した
ことによって生じたクレーターの深さ、シリコン膜厚及
び補助不純物のプロファイルに基づいて求められる。The depth of the concentration distribution in the depth direction of the impurity to be measured in the above sample depends on the depth of the crater, the silicon film thickness, and the profile of the auxiliary impurity generated by measuring the sample after forming the silicon film. Required based on.
【0018】本発明の不純物測定方法は又、表面に被測
定不純物が存在する試料の表面に、被測定不純物と質量
数の異なる元素からなる補助不純物を付着させ、かつ、
試料の表面にシリコン膜を成膜する工程と、シリコン膜
の厚さを求める第1の測定工程と、シリコン膜表面から
試料中までSIMS測定を行い、被測定不純物と補助不
純物との二次イオン強度分布及びクレーターの深さを求
める第2の測定工程と、を有し、第2の測定工程で求め
たクレーターの深さと第1の測定工程で求めたシリコン
膜の厚さとの差分と、第2の測定工程で求めた補助不純
物の二次イオン強度の最大値を示した時間と測定終了時
間との差分から測定時間を測定深さに変換することによ
り試料中の被測定不純物の深さ方向濃度分布を測定す
る、ことを特徴とするものである。[0018] The impurity measuring method of the present invention further comprises: adhering an auxiliary impurity comprising an element having a different mass number from the measured impurity to the surface of the sample having the measured impurity present on the surface;
A step of forming a silicon film on the surface of the sample, a first measurement step for determining the thickness of the silicon film, and performing SIMS measurement from the surface of the silicon film to the inside of the sample to obtain a secondary ion of the impurity to be measured and the auxiliary impurity. A second measurement step for obtaining the intensity distribution and the crater depth, and a difference between the crater depth obtained in the second measurement step and the thickness of the silicon film obtained in the first measurement step; In the depth direction of the impurity to be measured in the sample, the measurement time is converted into the measurement depth from the difference between the time indicating the maximum value of the secondary ion intensity of the auxiliary impurity obtained in the measurement step 2 and the measurement end time. Measuring the concentration distribution.
【0019】上記第1の測定工程は、シリコン膜表面か
ら補助不純物の二次イオン強度の最大値に達する時間ま
でSIMS測定を行い、そのSIMS測定によって生じ
たクレーターの深さを測定して、シリコン膜の厚さを求
めてもよい。In the first measurement step, the SIMS measurement is performed from the surface of the silicon film to the time when the secondary ion intensity of the auxiliary impurity reaches the maximum value, and the depth of the crater generated by the SIMS measurement is measured. The thickness of the film may be determined.
【0020】上記シリコン膜の成膜温度は、被測定不純
物のプロファイルが変化しない温度以下であるのが好ま
しい。The temperature for forming the silicon film is preferably not higher than the temperature at which the profile of the impurity to be measured does not change.
【0021】上記シリコン膜の成膜方法は、CVD法、
スパッタ法又は蒸着法のいずれか1つの方法である。The silicon film is formed by a CVD method,
This is one of the sputtering method and the vapor deposition method.
【0022】上記シリコン膜はアモルファスシリコン膜
又はスパッタシリコン膜である。The silicon film is an amorphous silicon film or a sputtered silicon film.
【0023】本発明は、試料を設置する試料室内に酸素
を導入して測定する酸素リーク法で行われるのが好まし
い。The present invention is preferably carried out by an oxygen leak method in which oxygen is introduced into a sample chamber in which a sample is placed for measurement.
【0024】本発明によれば、試料上にシリコン膜を成
膜することによって、酸素リークの影響により一次イオ
ン照射に伴うスパッタリング速度がシリコン膜中で安定
するので試料中の不純物プロファイルはスパッタリング
速度の変化の影響を受けない。従って、被測定不純物の
濃度分布及びトータルドースの測定を高精度に行うこと
ができる。According to the present invention, by forming a silicon film on a sample, the sputtering rate accompanying the primary ion irradiation is stabilized in the silicon film due to the influence of oxygen leak. Unaffected by change. Therefore, the measurement of the concentration distribution of the impurity to be measured and the total dose can be performed with high accuracy.
【0025】また、シリコン膜と試料とのスパッタリン
グ速度の相違は、あらかじめ第1の測定工程を行うこと
によって求めたシリコン膜厚を用いて補正される。The difference between the sputtering rates of the silicon film and the sample is corrected using the silicon film thickness obtained by performing the first measurement step in advance.
【0026】[0026]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て実施の形態を図面を用いて説明する。 (第1の実施の形態)図1(A)及び(B)は、本発明
の第1の実施の形態に用いられる測定用試料の作製工程
を説明するための断面図である。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. (First Embodiment) FIGS. 1A and 1B are cross-sectional views for explaining a manufacturing process of a measurement sample used in a first embodiment of the present invention.
【0027】まず、図1(A)に示すように、11Bを
0.2keVでドース1×1015cm -2(注入装置の設定
値)の条件でイオン注入した後に熱処理を行ったシリコ
ン基板1の表面にボロン2を数原子層付着させる。First, as shown in FIG.11B
Dose 1 × 10 at 0.2 keVFifteencm -2(Setting the injection device
Value), heat-treated silicon after ion implantation
A few atomic layers of boron 2 are deposited on the surface of the substrate 1.
【0028】次いで、図1(B)に示すように、シリコ
ン基板1上にボロンが拡散しない温度でアモルファスシ
リコン膜3を150nm(成長装置の設定値)成膜し、
測定用試料を作製する。Next, as shown in FIG. 1B, an amorphous silicon film 3 is formed on the silicon substrate 1 at a temperature at which boron is not diffused to a thickness of 150 nm (a set value of a growth apparatus).
Prepare a measurement sample.
【0029】次いで、上記作製された測定用試料に対
し、二次イオン質量分析法により10Bの二次イオン強
度をピークトップに達する時間まで測定する。図2は、
その測定結果を示すグラフである。Next, the secondary ion intensity of 10 B is measured by the secondary ion mass spectrometry until the time when the sample reaches the peak top. FIG.
It is a graph which shows the measurement result.
【0030】図2に示すように、測定用試料中の10B
の深さ方向二次イオン強度分布4を酸素一次イオン及び
酸素リーク法を用いた二次イオン質量分析法測定によ
り、1 0Bの二次イオン強度のピークトップに達する時
間(図2のA点)まで行う。そして、測定によって生じ
たクレーターの深さを触針式の表面荒さ計で測定し、ア
モルファスシリコン膜3の厚さt0を求める。その結
果、t0は151nmであった。As shown in FIG. 2, 10 B
By the depth secondary ion intensity distribution 4 using oxygen primary ion and oxygen leak method SIMS measurement, 1 0 B of secondary ion intensity time reaches a peak top of the (A point in FIG. 2 ). Then, the depth of the crater generated by the measurement is measured by a stylus type surface roughness meter, and the thickness t0 of the amorphous silicon film 3 is obtained. As a result, t0 was 151 nm.
【0031】次いで、上記測定用試料の二次イオン質量
分析法測定を行った箇所から約1mm離れた箇所を二次
イオン質量分析法測定することにより10Bと11Bの
深さ方向二次イオン強度を測定する。図3は、その測定
結果を示すグラフである。Next, a portion of the sample for measurement, which is approximately 1 mm away from the portion where the secondary ion mass spectrometry measurement was performed, was subjected to secondary ion mass spectrometry measurement to obtain 10 B and 11 B secondary ions in the depth direction. Measure strength. FIG. 3 is a graph showing the measurement results.
【0032】図3に示すように、10Bと11Bの深さ
方向二次イオン強度分布5及び6を 11Bの二次イオン
強度がバックグラウンドレベルに達する時間(図4のB
点)まで行い、測定によって生じたクレーターの深さを
触針式の表面荒さ計で測定することによって二次イオン
質量分析法測定によって生じた深さt1を求める。その
結果、t1は220nmであった。As shown in FIG.10B and11B depth
Direction secondary ion intensity distribution 5 and 6 11Secondary ion of B
The time when the intensity reaches the background level (B in FIG. 4)
Point), and determine the crater depth generated by the measurement.
Secondary ions by measuring with a stylus type surface roughness meter
The depth t1 generated by mass spectrometry is determined. That
As a result, t1 was 220 nm.
【0033】以上の測定の結果、シリコン基板1中の測
定時間は図3の10Bの二次イオン強度のピークトップ
であるA’からBの間であり、実際の深さはt1−t0
=69nmによって得られるので、図3中のA’点を試
料最表面(深さ0nm)に、図3中のB点を深さ69n
mとして測定時間を深さに変換する。[0033] As a result of the measurement, the measurement time in the silicon substrate 1 is between is A 'a peak top of secondary ion intensity of 10 B in Figure 3 B, the actual depth t1-t0
= 69 nm, the point A 'in FIG. 3 is set to the outermost surface of the sample (depth 0 nm), and the point B in FIG.
The measurement time is converted to depth as m.
【0034】次いで、濃度既知の標準試料を用いて11
Bの二次イオン強度分布を濃度分布に変換することによ
って、図4に示すように、シリコン基板中の11Bの深
さ方向濃度分布が得られる。図4から、ボロン濃度が1
×1018atoms/cm-3となる深さは20nmであることが
わかる。 (第2の実施の形態)図5(A)乃至(C)は、本発明
の第2の実施の形態に用いられる測定用試料の作製工程
を説明するための断面図である。Then, using a standard sample of known concentration, 11
By converting the secondary ion intensity distribution of B in the concentration distribution, as shown in FIG. 4, the depth direction concentration distribution of 11 B in the silicon substrate can be obtained. From FIG. 4, the boron concentration is 1
It can be seen that the depth of × 10 18 atoms / cm −3 is 20 nm. (Second Embodiment) FIGS. 5A to 5C are cross-sectional views for explaining a manufacturing process of a measurement sample used in a second embodiment of the present invention.
【0035】まず、図5(A)に示すように、シリコン
基板11表面に膜厚3nmの熱酸化膜12および膜厚1
00nmのポリシリコン膜13を成膜し、そのポリシリ
コン膜13表面に75Asをイオン注入した後に熱処理
を行う。First, as shown in FIG. 5A, a 3-nm-thick thermal oxide film 12 and a 1-nm-thick
A polysilicon film 13 having a thickness of 00 nm is formed, and heat treatment is performed after ion implantation of 75 As into the surface of the polysilicon film 13.
【0036】次いで、図5(B)に示すように、化学エ
ッチングによってポリシリコン膜13及び熱酸化膜12
を除去した後にシリコン基板11の表面にボロン15を
数原子層付着させる。Next, as shown in FIG. 5B, the polysilicon film 13 and the thermal oxide film 12 are etched by chemical etching.
Is removed, a few atomic layers of boron 15 are deposited on the surface of the silicon substrate 11.
【0037】次いで、図5(C)に示すように、シリコ
ン基板11上にAsが拡散しない温度でスパッタシリコ
ン膜16を100nm(成長装置の設定値)成膜し、測
定用試料を作製する。Next, as shown in FIG. 5C, a sputtered silicon film 16 is formed on the silicon substrate 11 at a temperature at which As does not diffuse, to a thickness of 100 nm (a set value of a growth apparatus) to prepare a measurement sample.
【0038】次いで、上記作製された測定用試料に対
し、二次イオン質量分析法により11Bの二次イオン強
度をピークトップに達する時間まで測定する。図6は、
その測定結果を示すグラフである。Next, the secondary ion intensity of 11 B is measured by the secondary ion mass spectrometry until the time when the sample reaches the peak top. FIG.
It is a graph which shows the measurement result.
【0039】図6に示すように、測定用試料中の11B
の深さ方向二次イオン強度分布17を酸素一次イオン及
び酸素リーク法を用いた二次イオン質量分析法測定によ
り、 11Bの二次イオン強度のピークトップに達する時
間(図6のC点)まで行い、測定によって生じたクレー
ターの深さを触針式の表面荒さ計で測定し、スパッタシ
リコン膜16の厚さt’0を求める。その結果、t’0
は102nmであった。As shown in FIG. 6, in the measurement sample,11B
Of secondary ion intensity distribution 17 in the depth direction of oxygen
Ion mass spectrometry measurement using oxygen and oxygen leak method
And 11When the secondary ion intensity of B reaches the peak top
Between the two points (point C in FIG. 6),
The depth of the spatter is measured with a stylus type surface roughness
The thickness t'0 of the recon film 16 is obtained. As a result, t'0
Was 102 nm.
【0040】次いで、測定用試料の二次イオン質量分析
法測定を行った箇所から約3mm離れた箇所を二次イオ
ン質量分析法測定することにより11Bと75Asの深
さ方向二次イオン強度を測定する。図7は、その測定結
果を示すグラフである。Next, a secondary ion mass spectrometry measurement was performed at a position about 3 mm away from the position where the secondary ion mass spectrometry measurement was performed on the sample for measurement to obtain a secondary ion intensity of 11 B and 75 As in the depth direction. Is measured. FIG. 7 is a graph showing the measurement results.
【0041】図7に示すように、11Bと75Asの深
さ方向二次イオン強度分布18及び19を75Asの二
次イオン強度がバックグラウンドレベルに達する時間
(図7のD点)まで行い、測定によって生じたクレータ
ーの深さを触針式の表面荒さ計で測定することによって
二次イオン質量分析法測定によって生じた深さt’1を
求める。その結果、t’1は164nmであった。As shown in FIG. 7, the secondary ion intensity distributions 18 and 19 in the depth direction of 11 B and 75 As are measured until the time when the secondary ion intensity of 75 As reaches the background level (point D in FIG. 7). Then, the depth t′1 generated by the secondary ion mass spectrometry is determined by measuring the depth of the crater generated by the measurement using a stylus type surface roughness meter. As a result, t′1 was 164 nm.
【0042】以上の測定の結果、シリコン基板11中の
測定時間は図7の11Bの二次イオン強度のピークトッ
プであるC’からDの間であり、実際の深さはt’1−
t’0=62nmであるので、図7中のC’点を試料最
表面(深さ0nm)に、図7中のD点を深さ62nmと
して測定時間を深さに変換する。[0042] As a result of the measurement, the measurement time in the silicon substrate 11 is between C 'of D is a peak top of secondary ion intensity of 11 B in FIG. 7, the actual depth t'1-
Since t′0 = 62 nm, the measurement time is converted into depth by setting point C ′ in FIG. 7 to the outermost surface of the sample (depth 0 nm) and point D in FIG. 7 to a depth of 62 nm.
【0043】次いで、濃度既知の標準試料を用いて75
Asの二次イオン強度分布を濃度分布に変換することに
よって、図8に示すように、シリコン基板11中のAs
の深さ方向濃度分布が得られる。図8から、シリコン基
板11中にポリシリコン膜13から熱酸化膜12をイオ
ン注入もしくは熱拡散により突き抜けたAsが、シリコ
ン基板11中の表面から深さ25nmの領域においては2×
1018atoms/cm-3存在していることがわかる。[0043] Then, using a known concentration of the standard sample 75
By converting the secondary ion intensity distribution of As into a concentration distribution, As shown in FIG.
Is obtained in the depth direction. As shown in FIG. 8, As, which has penetrated the thermal oxide film 12 from the polysilicon film 13 into the silicon substrate 11 by ion implantation or thermal diffusion, is 2 × in a region 25 nm deep from the surface in the silicon substrate 11.
It can be seen that 10 18 atoms / cm -3 exists.
【0044】本発明によれば、試料上にアモルファスシ
リコン膜、スパッタシリコン膜等のシリコン膜を成膜す
ることによって、酸素リークの影響により一次イオン照
射に伴うスパッタリング速度がシリコン膜中で安定する
ので試料中の不純物プロファイルはスパッタリング速度
の変化の影響を受けない。従って、被測定不純物の濃度
分布及びトータルドースの測定を高精度に行うことがで
きる。According to the present invention, since a silicon film such as an amorphous silicon film and a sputtered silicon film is formed on a sample, the sputtering rate accompanying primary ion irradiation is stabilized in the silicon film due to the influence of oxygen leak. The impurity profile in the sample is not affected by changes in sputtering rate. Therefore, the measurement of the concentration distribution of the impurity to be measured and the total dose can be performed with high accuracy.
【0045】また、あらかじめ基板上に酸化膜を成膜し
ていない試料の測定にも適用できる。The present invention can be applied to measurement of a sample in which an oxide film is not formed on a substrate in advance.
【0046】なお、シリコン膜と試料とのスパッタリン
グ速度の相違は、あらかじめ測定されたシリコン膜厚を
用いて補正される。The difference between the sputtering speed of the silicon film and the sputtering speed of the sample is corrected using the previously measured silicon film thickness.
【0047】本発明は、上記実施の形態に限定されるこ
とはなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範
囲内において、種々の変更が可能である。例えば、シリ
コン膜の膜厚測定はSIMS以外の手法(例えば、TE
M法)を用いてもよい。The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made within the scope of the technical matters described in the claims. For example, the thickness measurement of a silicon film is performed by a method other than SIMS (for example, TE
M method).
【0048】[0048]
【発明の効果】本発明によれば、試料上にシリコン膜を
成膜することによって、酸素リークの影響により一次イ
オン照射に伴うスパッタリング速度がシリコン膜中で安
定するので試料中の不純物プロファイルはスパッタリン
グ速度の変化の影響を受けない。従って、被測定不純物
の濃度分布及びトータルドースの測定を高精度に行うこ
とができる。According to the present invention, since a silicon film is formed on a sample, the sputtering rate accompanying primary ion irradiation is stabilized in the silicon film due to the influence of oxygen leak. Unaffected by speed changes. Therefore, the measurement of the concentration distribution of the impurity to be measured and the total dose can be performed with high accuracy.
【0049】また、あらかじめ基板上に酸化膜を成膜し
ていない試料の測定にも適用できる。The present invention can be applied to measurement of a sample in which an oxide film is not formed on a substrate in advance.
【図1】(A)及び(B)は、本発明の第1の実施の形
態に用いられる測定用試料の作製工程を説明するための
断面図である。FIGS. 1A and 1B are cross-sectional views for explaining a manufacturing process of a measurement sample used in a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第1の実施の形態において、測定用試
料を二次イオン質量分析法により10Bの二次イオン強
度がピークトップに達する時間まで測定を行った測定結
果を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing a measurement result obtained by measuring a sample for measurement by a secondary ion mass spectrometry until a secondary ion intensity of 10 B reaches a peak top in the first embodiment of the present invention. is there.
【図3】本発明の第1の実施の形態において、測定用試
料上の図2に示す測定結果が得られた箇所から約1mm
離れた箇所を11Bの二次イオン強度がバックグラウン
ドレベルに達する時間まで二次イオン質量分析法測定す
ることにより得られた1 0Bと11Bの深さ方向二次イ
オン強度分布を示すグラフである。FIG. 3 shows the first embodiment of the present invention, in which a point on the sample for measurement is about 1 mm from the point where the measurement result shown in FIG. 2 is obtained.
Graph showing the 1 0 B and 11 depth secondary ion intensity distribution B of secondary ion intensity is obtained by measuring secondary ion mass spectrometry to the time to reach the background level of the remote location 11 B It is.
【図4】本発明の第1の実施の形態により得られたシリ
コン基板中の11Bの深さ方向濃度分布を示すグラフで
ある。4 is a graph showing the depth direction concentration distribution of 11 B in the first silicon substrate obtained by the embodiment of the present invention.
【図5】(A)乃至(C)は、本発明の第2の実施の形
態に用いられる測定用試料の作製工程を説明するための
断面図である。FIGS. 5A to 5C are cross-sectional views illustrating a process for manufacturing a measurement sample used in a second embodiment of the present invention.
【図6】本発明の第2の実施の形態において、測定用試
料を二次イオン質量分析法により11Bの二次イオン強
度がピークトップに達する時間まで測定を行った測定結
果を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing a measurement result obtained by measuring a measurement sample by a secondary ion mass spectrometry until the secondary ion intensity of 11 B reaches a peak top in the second embodiment of the present invention. is there.
【図7】本発明の第2の実施の形態において、測定用試
料上の図6に示す測定結果が得られた箇所から約3mm
離れた箇所を75Asの二次イオン強度がバックグラウ
ンドレベルに達する時間まで二次イオン質量分析法測定
することにより得られた 75Asと11Bの深さ方向二
次イオン強度分布を示すグラフである。FIG. 7 shows a measurement test according to a second embodiment of the present invention.
Approximately 3 mm from the place where the measurement results shown in FIG.
Distant places75As secondary ion intensity of As background
Secondary ion mass spectrometry measurement until time reaches
Obtained by 75As and11B depth direction 2
It is a graph which shows a secondary ion intensity distribution.
【図8】本発明の第2の実施の形態により得られたシリ
コン基板中のAsの深さ方向濃度分布を示すグラフであ
る。FIG. 8 is a graph showing a concentration distribution in the depth direction of As in a silicon substrate obtained according to a second embodiment of the present invention.
【図9】酸素リークあり(●)、酸素リークなし(▲)
により二次イオン質量分析法測定を行うことによって得
られた、ドース1x1015cm-2で11Bをイオン注入した際
の注入加速電圧とB濃度が1x1018atoms/cm-3に達する深
さの関係を示すグラフである。[Fig. 9] With oxygen leak (●), no oxygen leak (▲)
Of the implantation acceleration voltage and the B concentration at which the concentration of B reaches 1 × 10 18 atoms / cm -3 when performing ion implantation of 11 B at a dose of 1 × 10 15 cm −2 obtained by performing secondary ion mass spectrometry measurement with It is a graph which shows a relationship.
1 シリコン基板 2 ボロン 3 アモルファスシリコン膜 4 10Bの二次イオン強度分布 5 10Bの二次イオン強度分布 6 11Bの二次イオン強度分布 11 シリコン基板 12 熱酸化膜 13 ポリシリコン膜 15 ボロン 16 スパッタシリコン膜 17 11Bの二次イオン強度分布 18 11Bの二次イオン強度分布 19 75Asの二次イオン強度分布1 silicon substrate 2 boron 3 amorphous silicon film 4 10 B of the secondary ion intensity distribution 5 10 B of the secondary ion intensity distribution 6 11 B of the secondary ion intensity distribution 11 silicon substrate 12 thermal oxide film 13 a polysilicon film 15, boron 16 Sputtered silicon film 17 11 B secondary ion intensity distribution 18 11 B secondary ion intensity distribution 19 75 As secondary ion intensity distribution
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平9−260448(JP,A) 特開 平7−58304(JP,A) 特開 平5−72152(JP,A) 特開 平3−89152(JP,A) 特開 平7−181149(JP,A) 特開 平10−90205(JP,A) 特開 平8−96740(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 23/225 JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-9-260448 (JP, A) JP-A-7-58304 (JP, A) JP-A-5-72152 (JP, A) JP-A-3- 89152 (JP, A) JP-A-7-181149 (JP, A) JP-A-10-90205 (JP, A) JP-A 8-96740 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01N 23/225 JICST file (JOIS)
Claims (8)
純物を測定する方法であって、 表面に被測定不純物が存在する試料の表面に、前記被測
定不純物と質量数の異なる元素からなる補助不純物層を
形成する工程と、 前記補助不純物層の表面にシリコン膜を成膜する工程
と、 前記シリコン膜の表面から前記被測定不純物と前記補助
不純物との深さ方向濃度分布を測定する工程と、を有す
ることを特徴とする不純物測定方法。1. A method for measuring impurities in a sample using secondary ion mass spectrometry, comprising: measuring, on a surface of a sample having an impurity to be measured on its surface, an element having a different mass number from the impurity to be measured. Forming an auxiliary impurity layer, forming a silicon film on the surface of the auxiliary impurity layer, and measuring a concentration distribution in a depth direction of the impurity to be measured and the auxiliary impurity from the surface of the silicon film. And a method for measuring impurities.
布の深さは、前記シリコン膜を成膜した後の前記試料を
測定したことによって生じたクレーターの深さ、シリコ
ン膜厚及び前記補助不純物のプロファイルに基づいて求
められることを特徴とする請求項1に記載の不純物測定
方法。2. The depth of the concentration distribution of impurities to be measured in the sample in the depth direction is determined by measuring the sample after forming the silicon film, the depth of a crater, the silicon film thickness and the silicon film thickness. The impurity measuring method according to claim 1, wherein the impurity measuring method is obtained based on a profile of the auxiliary impurity.
に、前記被測定不純物と質量数の異なる元素からなる補
助不純物を付着させ、かつ、前記試料の表面にシリコン
膜を成膜する工程と、 前記シリコン膜の厚さを求める第1の測定工程と、 前記シリコン膜表面から試料中までSIMS測定を行
い、前記被測定不純物と補助不純物との二次イオン強度
分布及びクレーターの深さを求める第2の測定工程と、
を有し、 前記第2の測定工程で求めたクレーターの深さと前記第
1の測定工程で求めたシリコン膜の厚さとの差分と、前
記第2の測定工程で求めた前記補助不純物の二次イオン
強度の最大値を示した時間と測定終了時間との差分から
測定時間を測定深さに変換することにより前記試料中の
被測定不純物の深さ方向濃度分布を測定する、 ことを特徴とする不純物測定方法。3. A step of adhering an auxiliary impurity comprising an element having a different mass number from the measured impurity to a surface of the sample having the measured impurity present on the surface, and forming a silicon film on the surface of the sample. A first measurement step for determining the thickness of the silicon film; and performing SIMS measurement from the surface of the silicon film to the inside of the sample to determine a secondary ion intensity distribution of the measured impurity and the auxiliary impurity and a crater depth. A second measurement step to be sought;
The difference between the crater depth determined in the second measurement step and the thickness of the silicon film determined in the first measurement step, and the secondary of the auxiliary impurity determined in the second measurement step. Measuring the depth-direction concentration distribution of the impurity to be measured in the sample by converting the measurement time to the measurement depth from the difference between the time indicating the maximum value of the ionic strength and the measurement end time, Impurity measurement method.
面から前記補助不純物の二次イオン強度の最大値に達す
る時間までSIMS測定を行い、そのSIMS測定によ
って生じたクレーターの深さを測定して、前記シリコン
膜の厚さを求めることを特徴とする請求項3に記載の不
純物測定方法。4. The method according to claim 1, wherein the first measuring step performs a SIMS measurement from a surface of the silicon film to a time when a secondary ion intensity of the auxiliary impurity reaches a maximum value, and measures a crater depth generated by the SIMS measurement. 4. The method according to claim 3, wherein the thickness of the silicon film is determined.
不純物のプロファイルが変化しない温度以下であること
を特徴とする請求項1乃至4のいずれか1つの項に記載
の不純物測定方法。5. The impurity measuring method according to claim 1, wherein the temperature at which the silicon film is formed is a temperature at which the profile of the impurity to be measured does not change.
スパッタ法又は蒸着法のいずれか1つの方法であること
を特徴とする請求項1乃至5のいずれか1つの項に記載
の不純物測定方法。6. A method for forming a silicon film, comprising:
The impurity measuring method according to claim 1, wherein the method is any one of a sputtering method and a vapor deposition method.
又はスパッタシリコン膜であることを特徴とする請求項
1乃至6のいずれか1つの項に記載の不純物測定方法。7. The impurity measuring method according to claim 1, wherein said silicon film is an amorphous silicon film or a sputtered silicon film.
して測定することを特徴とする請求項1乃至7のいずれ
か1つの項に記載の不純物測定方法。8. The method for measuring impurities according to claim 1, wherein oxygen is introduced into a sample chamber in which the sample is placed for measurement.
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|---|---|---|---|
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