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JP2008181936A - Method for detecting junction position - Google Patents

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JP2008181936A
JP2008181936A JP2007012491A JP2007012491A JP2008181936A JP 2008181936 A JP2008181936 A JP 2008181936A JP 2007012491 A JP2007012491 A JP 2007012491A JP 2007012491 A JP2007012491 A JP 2007012491A JP 2008181936 A JP2008181936 A JP 2008181936A
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JP
Japan
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detecting
cross
type impurity
section
silicide
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Application number
JP2007012491A
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Japanese (ja)
Inventor
Kanta Saino
敢太 齊野
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Micron Memory Japan Ltd
Original Assignee
Elpida Memory Inc
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Publication date
Application filed by Elpida Memory Inc filed Critical Elpida Memory Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for detecting the position of a metallurgical PN junction in the semiconductor substrate of a micro semiconductor device by predicting and controlling the device characteristics of a transistor precisely and performing failure analysis of a specific part. <P>SOLUTION: The method for detecting the junction position of a P-type impurity region doped with P-type impurities and an N-type impurity region doped with N-type impurities on a semiconductor substrate comprises a step for exposing the cross-section becoming an observation object from the semiconductor substrate, a step for cleaning the cross-section, a step for depositing a silicide on the cross-section, and a step for detecting the junction interface by observing the grain size of the silicide. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置における、微小領域の冶金学的PN接合位置の検出方法に関するものである。   The present invention relates to a method for detecting a metallurgical PN junction position in a minute region in a semiconductor device.

近年、半導体の微細加工技術の発展に伴い、IC(Integrated Circuit)内部で使用されているトランジスタをはじめとする素子のサイズがますます微細化されている。
そして、トランジスタのゲート長は、先端プロセス技術を駆使して製造されており、すでに50nm以下の寸法となっており、今後更に小さくなることが確実である。
このように、ICを構成するトランジスタをはじめとする微小なデバイスを作製し、それらを正常に動作させるため、デバイスが構成される半導体基板に対してドーピングした不純物のプロファイル及び冶金学的なPN接合位置を精確に把握する必要がある。
In recent years, with the development of semiconductor microfabrication technology, the size of elements such as transistors used in ICs (Integrated Circuits) has been further miniaturized.
The gate length of the transistor is manufactured using advanced process technology and is already 50 nm or less, and it is certain that it will be further reduced in the future.
In this way, in order to fabricate minute devices including transistors constituting an IC and operate them normally, the profile of impurities doped on the semiconductor substrate on which the device is formed and the metallurgical PN junction It is necessary to know the position accurately.

すなわち、トランジスタを構成するため、半導体基板にドーピングした不純物が、意図したよりも深く分布した場合、短チャネル効果が顕著になり、所望の電気的な特性が得られなくなると言った不具合が生じるため、プロセス工程における半導体基板での不純物のプロファイルの把握が必要となる。
また、半導体デバイス内で不良が生じた場合、不良解析を行う上においても、特定部分の不純物プロファイルや冶金学的接合位置を知ることにより、不良原因や不良部位を特定し、プロセス工程にフィードバックすることが可能となる。
That is, when the impurity doped in the semiconductor substrate is distributed deeper than intended because the transistor is formed, the short channel effect becomes remarkable, and a problem that desired electrical characteristics cannot be obtained occurs. Therefore, it is necessary to grasp the impurity profile of the semiconductor substrate in the process step.
Also, when a defect occurs in a semiconductor device, the cause of the defect and the defective part are identified and fed back to the process process by knowing the impurity profile and metallurgical bonding position of the specific part in performing the defect analysis. It becomes possible.

さらに、次世代トランジスタにおける設計上の不純物プロファイルや、電気的特性等を、プロセス/デバイスシミュレーションを利用して予測する場合、既存プロセスにおいて使用されている半導体基板内の不純物プロファイルや冶金学的接合位置を知ることは、精度の高いシミュレーション結果を得るために重要なデータとなる。
この理由として、イオン注入技術によって半導体基板にドーピングされた不純物が、その後の所定の温度で加熱される熱処理により、半導体基板内にどの程度拡散するかが把握できなければ、次世代トランジスタの不純物プロファイルをシミュレーションする際に使用する拡散モデルを正しく選択することができない。
Furthermore, when the design impurity profile and electrical characteristics of next-generation transistors are predicted using process / device simulation, the impurity profile and metallurgical junction position in the semiconductor substrate used in existing processes It becomes important data to obtain a highly accurate simulation result.
The reason for this is that the impurity profile of the next-generation transistor cannot be determined unless the extent to which the impurity doped into the semiconductor substrate by ion implantation technology is diffused into the semiconductor substrate by a subsequent heat treatment heated at a predetermined temperature. It is not possible to correctly select the diffusion model to be used when simulating.

すなわち、シミュレーション結果と実験結果における実測データとの合わせ込みが精確に出来なければ、シミュレーションモデルの精度を高くすることができず、結果的にトランジスタの電気的特性を精度良く予測することができない。
以上から、微細な半導体デバイスの半導体基板内における冶金学的なPN接合位置を高い精度にて検出することは、バイポーラやMOS(Metal-Oxide-Semiconductor)を始めとするトランジスタ等のデバイス特性を予測、制御したり、不良解析を行う上で重要な処理となっている。
That is, unless the simulation result and the measured data in the experimental result can be accurately combined, the accuracy of the simulation model cannot be increased, and as a result, the electrical characteristics of the transistor cannot be accurately predicted.
From the above, detecting the metallurgical PN junction position in the semiconductor substrate of fine semiconductor devices with high accuracy predicts device characteristics such as transistors such as bipolar and MOS (Metal-Oxide-Semiconductor). It is an important process in controlling and analyzing defects.

半導体デバイスを半導体基板に対して形成する際、不純物を注入して拡散させる処理を行うが、ドーピングされた不純物元素の半導体基板内における分布を知る元素分析手法は幾つかある。
以下に、図を参照して、従来法による冶金学的なPN接合位置の検出方法について説明する。上記検出方法として、図4のテーブルには、半導体デバイスの元素分析に良く用いられる分析方法をまとめる。
図4のテーブルに示すように、元素分析の方法は、使用するプローブにより大きく3種類に分類される。
When a semiconductor device is formed on a semiconductor substrate, a process of injecting and diffusing impurities is performed. There are several elemental analysis methods for knowing the distribution of doped impurity elements in the semiconductor substrate.
Hereinafter, a metallurgical PN junction position detection method according to a conventional method will be described with reference to the drawings. As the detection method, the table in FIG. 4 summarizes analysis methods often used for elemental analysis of semiconductor devices.
As shown in the table of FIG. 4, elemental analysis methods are roughly classified into three types depending on the probe used.

ここで、電子をプローブとする方法のうち代表的なものとしては、AES(Auger Electron Spectroscopy)とEPMA(Electron Probe MicroAnalysis)がある。
上記AESは入射した電子線とサンプルとの相互作用により発生するAuger電子を検出し、EPMAは入射した電子線によりサンプルから放射される特性X線を検出することにより、サンプル表面に存在する元素の分析を行う。
半導体デバイスにおける半導体基板内の不純物プロファイルや冶金学的なPN接合位置を検出する際、入射する電子線を走査することにより、一次元あるいは二次元的な元素の分布を得ることが可能である。
Here, representative examples of methods using electrons as probes include AES (Auger Electron Spectroscopy) and EPMA (Electron Probe MicroAnalysis).
The AES detects Auger electrons generated by the interaction between the incident electron beam and the sample, and the EPMA detects characteristic X-rays emitted from the sample by the incident electron beam, thereby detecting the element existing on the sample surface. Perform analysis.
When detecting an impurity profile in a semiconductor substrate or a metallurgical PN junction position in a semiconductor device, it is possible to obtain a one-dimensional or two-dimensional element distribution by scanning an incident electron beam.

また、光子をプローブとする方法のうち代表的なものとしては、XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)がある。
このXPSによる分析手法は、超高真空中に置かれたサンプル表面に対し、X線を照射させ、サンプル表面に存在する電子をサンプル外に飛び出ださせ、その飛び出した電子の運動エネルギーと強度とを測定することにより、X線照射部固有の電子の結合エネルギーやエネルギー準位を知り、元素の分析を行うことで、ドーピングされた不純物の元素の分布を検出し、不純物プロファイルや冶金学的なPN接合位置を検出する方法である。
A typical method using photons as probes is XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy).
This XPS analysis method irradiates a sample surface placed in an ultra-high vacuum with X-rays, causes electrons existing on the sample surface to jump out of the sample, and determines the kinetic energy and intensity of the emitted electrons. By measuring the electron binding energy and energy level specific to the X-ray irradiated part and analyzing the element, the element distribution of the doped impurity is detected, and the impurity profile and metallurgical characteristics are measured. This is a method for detecting the PN junction position.

また、イオンをプローブとする手法のうち代表的なものとしては、SIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopyと、RBS(Rutherford Back Scattering)がある。
イオンをサンプル表面に照射することにより、イオンの一部がサンプル表面の原子によって後方散乱され、残りのイオンはサンプル内部にて衝突を繰り返しながらエネルギーを失う。この際、サンプル表面の原子はスパッタされ、中性またはイオンの状態でサンプル外に飛び出すこととなる。そして、サンプル外に飛び出したイオンの質量を分析することにより、サンプル表面の元素分析を行う方法がSIMSである。
また、入射したイオンのうち、極僅かに後方散乱された(Rutherford散乱)イオンのエネルギーを測定することにより、サンプル表面の原子核の質量や密度等を分析する手法がRBSである。
Typical techniques using ions as probes include SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy) and RBS (Rutherford Back Scattering).
By irradiating the sample surface with ions, some of the ions are backscattered by atoms on the sample surface, and the remaining ions lose energy while repeating collisions inside the sample. At this time, atoms on the sample surface are sputtered and jump out of the sample in a neutral or ionic state. SIMS is a method for performing elemental analysis of the sample surface by analyzing the mass of ions that have jumped out of the sample.
RBS is a technique for analyzing the mass, density, and the like of nuclei on the sample surface by measuring the energy of ions that have been backscattered (Rutherford scattering) very slightly among the incident ions.

上記SIMSやXPSを使用し、半導体デバイスの半導体基板内における不純物プロファイルや冶金学的なPN接合位置を検査する際、 サンプルの表面あるいは裏面からイオンミリング等の方法によるスパッタエッチングをしつつ、検査対象の所定の領域に存在する原子の数や電子の結合状態を検出することにより、不純物プロファイル及び冶金学的なPN接合位置を求めることが可能である。   When using SIMS or XPS to inspect the impurity profile or metallurgical PN junction position in the semiconductor substrate of a semiconductor device, the object to be inspected is sputter-etched by ion milling or the like from the front or back surface of the sample. By detecting the number of atoms present in the predetermined region and the bonding state of electrons, the impurity profile and the metallurgical PN junction position can be obtained.

また、その他の半導体基板内の不純物プロファイルを求める方法として、サンプルをへき開した後に、ウェットエッチングを行い、電子顕微鏡にて、表面を観察する方法がある。
図5(a)はシリコン基板上にNチャネル型MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタを形成したサンプルをへき開した後、フッ硝酸を含む薬液でウェットエッチングした時の断面SEM(Scanning Electron Microscopy)像であり、図5(b)は図5(a)のSEM像をデフォルメした劈開部分の断面構造を示す模式図である。また、図6(a)はPチャネル型MOSトランジスタを形成したサンプルをへき開した後、フッ硝酸を含む薬液でウェットエッチングした時の断面SEM像であり、図6(b)は図6(a)のSEM像をデフォルメした劈開部分の断面構造を示す模式図である。
この図5(a)はNチャネル型MOSトランジスタ、図6(a)はPチャネル型MOSトランジスタの断面SEM像である。ヒ素(As)やボロン(B)を高濃度にドーピングした領域のエッチングレートが速いため、高濃度の領域が選択的に除去される。その結果、トランジスタの拡散層部の冶金学的接合位置が概ね把握することが出来る。
As another method for obtaining an impurity profile in a semiconductor substrate, there is a method in which after cleaving a sample, wet etching is performed and the surface is observed with an electron microscope.
FIG. 5A is a cross-sectional SEM (Scanning Electron Microscopy) image when a sample in which an N-channel MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor is formed on a silicon substrate is cleaved and then wet-etched with a chemical solution containing hydrofluoric acid. FIG. 5B is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a cleaved portion obtained by deforming the SEM image of FIG. 6A is a cross-sectional SEM image when the sample in which the P-channel MOS transistor is formed is cleaved and then wet-etched with a chemical solution containing hydrofluoric acid. FIG. 6B is a cross-sectional SEM image. It is a schematic diagram which shows the cross-section of the cleavage part which deform | transformed SEM image of this.
FIG. 5A is an N-channel MOS transistor, and FIG. 6A is a cross-sectional SEM image of a P-channel MOS transistor. Since the etching rate of the region doped with arsenic (As) or boron (B) at a high concentration is high, the high concentration region is selectively removed. As a result, the metallurgical junction position of the diffusion layer portion of the transistor can be roughly grasped.

また、走査型プローブ顕微鏡により形成した電界支援酸化膜の構造安定性が基板の導電型に強く依存することを利用して、不純物プロファイル及び冶金学的なPN接合位置を求める手法もある(例えば、特許文献1参照)。
すなわち、P型導電型領域上に形成した電界支援酸化膜と、N型導電性領域上に形成した電界支援酸化膜とは、熱に対する膜の構造安定性が異なり、熱処理による膜の厚さの変化分に差が生じ、PN接合部分にて凹凸が発生する。このため、熱処理後に走査型プローブ顕微鏡を用いて、表面の凹凸の測定を行うことにより、容易にPN接合位置を高い精度にて特定することができる。
特開2001−237290号公報
There is also a technique for obtaining an impurity profile and a metallurgical PN junction position by utilizing the fact that the structural stability of an electric field assisted oxide film formed by a scanning probe microscope strongly depends on the conductivity type of the substrate (for example, Patent Document 1).
That is, the electric field assisted oxide film formed on the P-type conductive region and the electric field assisted oxide film formed on the N-type conductive region differ in the structural stability of the film with respect to heat. A difference occurs in the amount of change, and unevenness occurs at the PN junction. For this reason, it is possible to easily specify the PN junction position with high accuracy by measuring the surface irregularities using a scanning probe microscope after the heat treatment.
JP 2001-237290 A

しかしながら、上述した方法にあっては、冶金学的なPN接合位置を検出する際、各々の方法に以下に示す課題がある。
SIMS、XPSといった元素分析を用い、一次元または二次元の不純物プロファイルを求める場合、サンプルの表面あるいは裏面からイオンミリング等の方法によりスパッタエッチングしながら、ある領域に存在する原子の数や、電子の結合状態を検出する。
このため、ある特定のレイアウトパターン(例えば、特定のトランジスタ)や、微小領域(例えばドレイン端の不純物プロファイル)の分析を行うことが原理上において、非常に困難である。
すなわち、パターニングを行っていないサンプルを用いて測定を行うことにより、擬似的に不純物プロファイル及び冶金学的なPN接合位置を求めている。
したがって、実際のパターンでは異なるプロファイルになっている可能性も高く、正確な不純物プロファイル及び冶金学的接合位置を求めることは困難であった。
However, in the method described above, each method has the following problems when detecting the metallurgical PN junction position.
When obtaining a one-dimensional or two-dimensional impurity profile using elemental analysis such as SIMS or XPS, the number of atoms existing in a certain region, the number of electrons, Detect the binding state.
For this reason, it is very difficult in principle to analyze a specific layout pattern (for example, a specific transistor) or a minute region (for example, an impurity profile at the drain end).
That is, the impurity profile and the metallurgical PN junction position are obtained in a pseudo manner by performing measurement using a sample that has not been patterned.
Therefore, there is a high possibility that the actual pattern has a different profile, and it has been difficult to obtain an accurate impurity profile and metallurgical bonding position.

また、電子線をプローブとして利用したEPMAにおいては、微小領域に存在する元素の分析を行うことは可能であるが、その分布を測定するためには多点測定を行わなければならないため、2次元的な評価を行う際に、測定点を非常に多くする必要があり、不純物プロファイル及び冶金学的なPN接合位置を求めるには不向きであった。   In EPMA using an electron beam as a probe, it is possible to analyze an element existing in a minute region. However, in order to measure the distribution, it is necessary to perform multipoint measurement. When performing a general evaluation, it is necessary to increase the number of measurement points, which is not suitable for obtaining an impurity profile and a metallurgical PN junction position.

また、半導体基板中の冶金学的なPN接合位置を求める方法として、上述したウェットエッチングを用いる場合、シリコン基板のエッチング量を制御することが困難であり、実際のドーピングプロファイル以上にエッチングされるケースが多い。
図6(b)に示すSEM像にあるように、Pチャネル型MOSトランジスタの拡散層部分のウェットエッチングレートが速いため、冶金学的なPN接合位置を特定することが非常に困難である。
さらに、結晶欠陥が存在した場合はその領域もエッチングされてしまうため、実際に不純物がドーピングされた不純物プロファイル以上にエッチングされるケースが多く、正しい不純物プロファイル及び冶金学的なPN接合位置を求めることが困難である。
Moreover, when using the above-described wet etching as a method for obtaining the metallurgical PN junction position in the semiconductor substrate, it is difficult to control the etching amount of the silicon substrate, and the etching is performed more than the actual doping profile. There are many.
As shown in the SEM image shown in FIG. 6B, since the wet etching rate of the diffusion layer portion of the P-channel MOS transistor is high, it is very difficult to specify the metallurgical PN junction position.
In addition, if there is a crystal defect, the region is also etched, so it is often etched more than the impurity profile that is actually doped with impurities, and the correct impurity profile and metallurgical PN junction position must be obtained. Is difficult.

また、走査型プローブ顕微鏡を用いた方法においても、微小領域に存在する元素の分析を行うことは可能であるが、その分布を測定するためには多点測定を行わなければならないため、2次元的な評価を行う際に、測定点を非常に多くする必要があり、不純物プロファイル及び冶金学的なPN接合位置を求めるには不向きであった。   Also, in the method using a scanning probe microscope, it is possible to analyze an element present in a minute region, but in order to measure its distribution, since multipoint measurement must be performed, two-dimensional measurement is performed. When performing a general evaluation, it is necessary to increase the number of measurement points, which is not suitable for obtaining an impurity profile and a metallurgical PN junction position.

上述したように、従来例においては、半導体基板内における正確な実際の不純物プロファイルが把握できないため、実測値とシミュレーション結果との対比ができず、結果的に正確なシミュレーションモデルを得ることができない。
したがって、従来例には、デバイス構造のシミュレーション結果の精度を、デバイス作成に使用しているプロセスに対応させることができず、低い精度のシミュレーションしか行えないという問題があった。
また、従来例は、不良解析を行うにあたり、ある特定部位の正確な不純物プロファイルを得ることができないため、不良解析の精度が低く、不良原因の特定が困難であった。
As described above, in the conventional example, since an accurate actual impurity profile in the semiconductor substrate cannot be grasped, the actual measurement value and the simulation result cannot be compared, and as a result, an accurate simulation model cannot be obtained.
Therefore, the conventional example has a problem that the accuracy of the simulation result of the device structure cannot correspond to the process used for device creation, and only low-accuracy simulation can be performed.
Further, in the conventional example, when performing defect analysis, an accurate impurity profile of a specific part cannot be obtained. Therefore, the accuracy of defect analysis is low and it is difficult to identify the cause of the defect.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、トランジスタ等のデバイス特性を精確に予測、制御し、特定部位の不良解析を行うことが可能な、微細な半導体デバイスにおける半導体基板内の冶金学的なPN接合位置を検出する方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and accurately predicts and controls device characteristics of transistors and the like in a semiconductor substrate in a fine semiconductor device capable of performing failure analysis of a specific portion. It is an object of the present invention to provide a method for detecting the metallurgical PN junction position.

本発明の接合位置の検出方法は、半導体基板においてP型不純物がドーピングされたP型不純物領域と、N型不純物がドーピングされたN型不純物領域との接合位置を検出する方法であり、半導体基板から観察対象となる断面を露出させる断面露出工程と、該断面の洗浄処理を行う断面処理工程と、前記断面にシリサイドを堆積させる堆積工程と、該シリサイドのグレインサイズを観察することにより、接合界面を検出する検出工程とを有することを特徴とする。   The method for detecting a junction position according to the present invention is a method for detecting a junction position between a P-type impurity region doped with a P-type impurity and an N-type impurity region doped with an N-type impurity in a semiconductor substrate. A cross-section exposure process for exposing a cross-section to be observed from, a cross-section processing process for cleaning the cross-section, a deposition process for depositing silicide on the cross-section, and observing the grain size of the silicide, And a detecting step for detecting.

本発明の接合位置の検出方法は、前記検出工程において、P型不純物領域とN型不純物領域とのシリサイドのグレインサイズの差により、前記接合界面を検出することを特徴とする。   The junction position detection method of the present invention is characterized in that, in the detection step, the junction interface is detected based on a difference in silicide grain size between the P-type impurity region and the N-type impurity region.

本発明の接合位置の検出方法は、前記半導体基板がシリコン基板であることを特徴とする。   The bonding position detection method of the present invention is characterized in that the semiconductor substrate is a silicon substrate.

本発明の接合位置の検出方法は、前記シリサイドがタングステンシリサイドであることを特徴とする。   The junction position detection method of the present invention is characterized in that the silicide is tungsten silicide.

本発明の接合位置の検出方法は、前記堆積工程において、前記シリサイドを化学的気相成長方法を用いることを特徴とする。   The method for detecting a junction position according to the present invention is characterized in that, in the deposition step, a chemical vapor deposition method is used for the silicide.

本発明の接合位置の検出方法は、前記堆積工程において、前記シリサイドを堆積する際に用いるガスとして、六フッ化タングステンと、シランまたはシクロルシランとを用いる   In the method for detecting a bonding position according to the present invention, tungsten hexafluoride and silane or cyclosilane are used as the gas used when depositing the silicide in the deposition step.

本発明の接合位置の検出方法は、前記堆積工程において、前記シリサイドを7nm以下の厚さにて堆積させることを特徴とする。   The junction position detection method of the present invention is characterized in that, in the deposition step, the silicide is deposited with a thickness of 7 nm or less.

以上説明したように、本発明によれば、微細な半導体デバイスの特定箇所の冶金学的なPN接合位置を、P型の不純物領域とN型の不純物領域におけるシリサイドのグレインサイズの違いにより、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:以下SEMと略す)による観察で、容易に二次元的にかつ可視的に特定することができる。
したがって、本発明によれば、実際に拡散層などがパターンニングされ、デバイスが構成された半導体基板内の不純物拡散量(及びプロファイル)と、シミュレーション結果とのフィッティングが可能となり、フィッティング結果として得られた精確な拡散モデル(イオンの種類、イオン注入量、注入エネルギ、拡散温度、拡散時間などのパラメータからなる拡散モデル)を利用し、次世代トランジスタのデバイス特性を精度良く予測し、制御することが可能となる。
また、本発明によれば、デバイスの半導体基板における微小領域の冶金学的な接合位置が高い精度にて、2次元的に把握できるようになるので、IC内部のデバイスの特定部位で発生した不良原因の解析を行うことも可能となる。
As described above, according to the present invention, the metallurgical PN junction position of a specific portion of a fine semiconductor device is scanned by the difference in the grain size of silicide in the P-type impurity region and the N-type impurity region. By observation with a scanning electron microscope (hereinafter abbreviated as SEM), it can be easily identified two-dimensionally and visually.
Therefore, according to the present invention, it is possible to fit the impurity diffusion amount (and profile) in the semiconductor substrate on which the diffusion layer is actually patterned and the device, and the simulation result, and obtain the fitting result. Accurate and accurate diffusion model (diffusion model consisting of parameters such as ion type, ion implantation amount, implantation energy, diffusion temperature, diffusion time, etc.) to accurately predict and control device characteristics of next-generation transistors It becomes possible.
In addition, according to the present invention, since the metallurgical bonding position of a minute region in a semiconductor substrate of a device can be grasped two-dimensionally with high accuracy, a defect that has occurred at a specific part of the device inside the IC. It is also possible to analyze the cause.

以下、本発明の一実施形態による接合位置の検出方法を図面を参照して説明する。図1は同実施形態による接合位置の検出方法の工程順を示す概念図である。図2はN型及びP型にドーピングされたシリコン基板の断面に対し、タングステンシリサイドをCVD(化学的気相成長)法により成膜した後、断面を平面視にて観察した平面SEM像である。図3は図1の工程のフローに従い、サンプルを処理した後のサンプル断面構造の模式図である。この図3において、便宜的にNチャネル型MOSトランジスタ17、Pチャネル型MOSトランジスタ18が並記されている。図3の中に挿入したSEM像は、本実施形態の図1のフローに従いサンプルを処理した後のN型拡散層5、P型拡散層9、Nウェル3、Pウェル2の表面状態を観察したものである。   Hereinafter, a method for detecting a joining position according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram showing the order of steps in a method for detecting a joining position according to the embodiment. FIG. 2 is a planar SEM image of a tungsten silicide film formed by CVD (Chemical Vapor Deposition) on a cross section of an N-type and P-type doped silicon substrate, and the cross section observed in plan view. . FIG. 3 is a schematic diagram of a sample cross-sectional structure after the sample is processed according to the process flow of FIG. In FIG. 3, an N-channel MOS transistor 17 and a P-channel MOS transistor 18 are shown side by side for convenience. The SEM image inserted in FIG. 3 observes the surface states of the N type diffusion layer 5, the P type diffusion layer 9, the N well 3, and the P well 2 after processing the sample according to the flow of FIG. 1 of the present embodiment. It is a thing.

以下、図1のフローに従い、本実施形態の接合位置の検出の処理について説明する。
ステップS1において、観察対象のサンプル12を作製するため、半導体基板、本実施形態においてはシリコン基板1から、不純物フロファイルあるいは冶金学的なPN接合位置を解析したい領域を、ダイヤモンドカッターなどを用いて切り出し、へき開、もしくはFocused Ion Beam(FIB)を用いることによって、その観察面(以下、断面とする)13を露出させる。
Hereinafter, according to the flow of FIG. 1, the process of detecting the joining position of the present embodiment will be described.
In step S1, in order to produce the sample 12 to be observed, a region to be analyzed for impurity profiling or metallurgical PN junction position from the semiconductor substrate, in this embodiment, the silicon substrate 1, is used using a diamond cutter or the like. By slicing, cleaving, or using focused ion beam (FIB), the observation surface (hereinafter referred to as a cross section) 13 is exposed.

次に、ステップS2において、上記断面13に形成された自然酸化膜を選択的に除去するため、シリコン基板1と酸化膜との選択比の高い薬液、例えば、フッ化水素(以下、フッ酸)と水を、1:100(HF:HO)に希釈した希フッ酸(DHF:Dilute Hydrofluoric acid)溶液により、溶液温度20℃、処理時間30秒にてサンプル12を洗浄することにより除去する。
また、サンプル12の断面13に対してCMP(Chemical Mechanical Planarization)により、断面13の表面を研磨して平坦化を行い、その後に上述した自然酸化膜を除去する化学研磨を行ってもよい。
Next, in step S2, a chemical solution having a high selectivity between the silicon substrate 1 and the oxide film, for example, hydrogen fluoride (hereinafter referred to as hydrofluoric acid) is used to selectively remove the natural oxide film formed on the cross section 13. And water are removed by washing the sample 12 with a diluted hydrofluoric acid (DHF) solution diluted to 1: 100 (HF: H 2 O) at a solution temperature of 20 ° C. and a treatment time of 30 seconds. .
Further, the surface of the cross section 13 may be polished and planarized by CMP (Chemical Mechanical Planarization) with respect to the cross section 13 of the sample 12, and then the above-described chemical polishing for removing the natural oxide film may be performed.

次に、ステップS3において、断面13上にタングステンシリサイド膜14を、化学的気相堆積法(Chemical Vapor Deposition; CVD)により堆積させる。
ここで、タングステンシリサイド膜14形成の材料として、反応ガスに六フッ化タングステン(WF)と、シラン(SiH)、もしくはジクロルシラン(SiHCl)を用いる。本実施形態において、膜条件として、例えば、基板温度を560℃、真空度を33.3Pa、WFの流量を2.5SCCM、SiHClの流量を900SCCMとして、タングステンシリサイド膜14を膜厚5nmの厚さに堆積する。
Next, in step S3, a tungsten silicide film 14 is deposited on the cross section 13 by a chemical vapor deposition (CVD) method.
Here, tungsten hexafluoride (WF 6 ) and silane (SiH 4 ) or dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) are used as a material for forming the tungsten silicide film 14. In the present embodiment, as the film conditions, for example, the substrate temperature is 560 ° C., the degree of vacuum is 33.3 Pa, the flow rate of WF 6 is 2.5 SCCM, the flow rate of SiH 2 Cl 2 is 900 SCCM, and the tungsten silicide film 14 is formed. Deposit to a thickness of 5 nm.

このとき、タングステンシリサイド膜14の膜厚を厚くし過ぎると、グレインサイズの差が明確に観察することができなくなる。そして、実験から7nmの厚さ以下であれば、堆積する下地の不純物により、不純物の種類及び不純物の濃度がグレインサイズに反映される。すなわち、上述した成膜条件を用いると、タングステンシリサイド膜14の成長の仕方に、下地依存性が現れることとなる。このように、本実施形態においては、下地(断面13)にドーピングされているイオン種が、N型不純物(P:リン、As:ヒ素)または、P型不純物(B:ボロン)のいずれであるかにより、タングステンシリサイド14の成膜時の核(グレインとして成長するための核)形成に仕方に違いが現れることを利用して、P型不純物領域とN型不純物領域(あるいはノンドープの領域)の接合界面を検出する。   At this time, if the tungsten silicide film 14 is too thick, the difference in grain size cannot be clearly observed. From the experiment, if the thickness is 7 nm or less, the type of impurities and the concentration of impurities are reflected in the grain size by the underlying impurities to be deposited. That is, when the above-described film formation conditions are used, the base dependency appears in the growth method of the tungsten silicide film 14. As described above, in this embodiment, the ion species doped in the base (cross section 13) is either an N-type impurity (P: phosphorus, As: arsenic) or a P-type impurity (B: boron). Therefore, by utilizing the difference in the formation of nuclei (nuclei for growing as grains) at the time of film formation of the tungsten silicide 14, the P-type impurity region and the N-type impurity region (or non-doped region) are formed. Detect the bonding interface.

次に、ステップS4において、断面13をSEMにて観察する。観察例を図2に示す。図2はN型及びP型にドーピングしたシリコン基板1の断面13上にタングステンシリサイド膜14をCVD法により成膜し、この断面をSEMにて観察したものである。
断面13において、N型不純物をドーピングしたシリコンの領域においては、成膜したタングステンシリサイド膜15のグレインサイズは小さく、かつグレインの形成された密度は濃く、連続膜となっていることが確認できる。
Next, in step S4, the cross section 13 is observed with an SEM. An observation example is shown in FIG. FIG. 2 shows a tungsten silicide film 14 formed on the cross section 13 of the N-type and P-type doped silicon substrate 1 by the CVD method, and this cross section is observed by SEM.
In the cross section 13, in the silicon region doped with the N-type impurity, it can be confirmed that the formed tungsten silicide film 15 has a small grain size and a high density of grain formation, and is a continuous film.

一方、断面13において、P型不純物をドーピングしたシリコンの領域において、成膜したタングステンシリサイド膜14のグレインサイズは、N型の不純物をドーピングしたシリコンの領域に比較して大きくなる。また、タングステンシリサイド膜14のグレインの形成される密度は、N型の不純物をドーピングしたシリコンの領域に比較して疎になる。そして、P型不純物をドーピングしたシリコンの領域においては、タングステンシリサイド膜16が各グレイン各々が他のグレインと分離され独立した不連続膜となる。
すなわち、上述したように、P型不純物領域上とN型不純物領域上とに形成されるタングステンシリサイドのグレインサイズと密度の差から、グレインサイズが異なる領域同士の境界を判別することにより、P型不純物領とN型不純物領域との接合の界面を検出し、その界面からPN接合の位置を検出することとなる。
On the other hand, in the cross section 13, the grain size of the tungsten silicide film 14 formed in the silicon region doped with the P-type impurity is larger than that in the silicon region doped with the N-type impurity. Further, the density at which the grains of the tungsten silicide film 14 are formed is sparse compared to the silicon region doped with N-type impurities. In the silicon region doped with the P-type impurity, the tungsten silicide film 16 becomes an independent discontinuous film in which each grain is separated from other grains.
That is, as described above, by determining the boundary between regions having different grain sizes from the difference in grain size and density of tungsten silicide formed on the P-type impurity region and the N-type impurity region, The junction interface between the impurity region and the N-type impurity region is detected, and the position of the PN junction is detected from the interface.

上述したように、断面13上にタングステンシリサイド膜14を成膜した後、成膜されたタングステンシリサイド膜14の膜質をSEMにより観察すると、図3の断面模式図に示すように、N型不純物がドーピングされた領域と、P型不純物がドーピングされた領域とにおいて、タングステンシリサイド膜14の膜質の状態(グレインの成長状態)が大きく異なり、グレインサイズに差が生じているのがビジュアルに確認できる。
図3において、Nチャネル型MOSトランジスタ17とPチャネル型MOSトランジスタ18との断面をSEMで観察した際の各不純物層のタングステンシリサイド膜のグレインがSEM像として示されている。
As described above, after the tungsten silicide film 14 is formed on the cross section 13 and the film quality of the formed tungsten silicide film 14 is observed by SEM, as shown in the schematic cross section of FIG. It can be visually confirmed that the film quality state (grain growth state) of the tungsten silicide film 14 is greatly different between the doped region and the region doped with the P-type impurity, and that there is a difference in grain size.
In FIG. 3, the grains of the tungsten silicide film of each impurity layer when the cross sections of the N-channel MOS transistor 17 and the P-channel MOS transistor 18 are observed with an SEM are shown as SEM images.

Nチャネル型MOSトランジスタ17は、シリコン基板1に形成されたPウェル2内に、ソース及びドレインとなるN型不純物のN型拡散層5と、ゲートマスク窒化膜8,ゲートタングステン7及びゲートポリシリコン6等から形成され、隣接する他のトランジスタとSTI(Shallow Trench Isolation)4により分離される構造となっている。
ここで、N型不純物層5の面に形成されたタングステンシリサイド膜14(N型不純物領域に堆積されているタングステンシリサイド膜15)のグレインサイズは、Pウェル2に形成されたタングステンシリサイド膜14(P型不純物領域に堆積されているタングステンシリサイド膜16)のグレインサイズより小さく、かつ密に形成されている。これにより、Pウェル2と、N型不純物層5との冶金的なPN接合位置が正確にSEM像により視認できる。
An N-channel MOS transistor 17 includes an N-type diffusion layer 5 of an N-type impurity serving as a source and a drain, a gate mask nitride film 8, a gate tungsten 7 and a gate polysilicon in a P well 2 formed in a silicon substrate 1. 6 and the like, and is separated from other adjacent transistors by STI (Shallow Trench Isolation) 4.
Here, the grain size of the tungsten silicide film 14 (tungsten silicide film 15 deposited in the N-type impurity region) formed on the surface of the N-type impurity layer 5 is the same as that of the tungsten silicide film 14 ( The tungsten silicide film 16) deposited in the P-type impurity region is smaller than the grain size and densely formed. As a result, the metallurgical PN junction position between the P well 2 and the N-type impurity layer 5 can be accurately recognized by the SEM image.

同様に、Pチャネル型MOSトランジスタ18は、シリコン基板1に形成されたNウェル3内に、ソース及びドレインとなるP型不純物のP型拡散層9と、ゲートマスク窒化膜8,ゲートタングステン7及びゲートポリシリコン6等から形成され、隣接する他のトランジスタとSTI4により分離される構造となっている。
ここで、P型不純物層9の面に形成されたタングステンシリサイド膜14(P型不純物領域に堆積されているタングステンシリサイド膜16)のグレインサイズは、Nウェル3に形成されたタングステンシリサイド膜14(N型不純物領域に堆積されているタングステンシリサイド膜15)のグレインサイズより大きく、疎に形成されている。これにより、Nウェル3と、P型不純物層9との冶金的なPN接合位置が正確にSEM像により視認できる。
Similarly, a P-channel MOS transistor 18 includes a P-type diffusion layer 9 of P-type impurities serving as a source and a drain, a gate mask nitride film 8, a gate tungsten 7 and an N well 3 formed in the silicon substrate 1. It is formed of gate polysilicon 6 or the like and is separated from other adjacent transistors by STI4.
Here, the grain size of the tungsten silicide film 14 (tungsten silicide film 16 deposited in the P-type impurity region) formed on the surface of the P-type impurity layer 9 is the same as that of the tungsten silicide film 14 ( The tungsten silicide film 15) deposited in the N-type impurity region is larger than the grain size and is formed sparsely. As a result, the metallurgical PN junction position between the N well 3 and the P-type impurity layer 9 can be accurately recognized by the SEM image.

したがって、P型不純物とN型不純物との両者の境界、すなわち、冶金学的なPN接合位置が鮮明に観察可能となる。
すなわち、本発明によれば、CVD法によりタングステンシリサイド成膜した際、成長するグレインのグレインサイズ及び形成される密度の下地依存性を利用し、サンプルの断面に対し、不純物プロファイルを正確に反映したタングステンシリサイド膜の境界を可視的に作ることができる。
Accordingly, the boundary between the P-type impurity and the N-type impurity, that is, the metallurgical PN junction position can be clearly observed.
That is, according to the present invention, when a tungsten silicide film is formed by the CVD method, the impurity profile is accurately reflected in the cross section of the sample by utilizing the grain size of the growing grain and the base dependency of the density to be formed. The boundary of the tungsten silicide film can be made visually.

上述したように、ある特定微小部位の、冶金学的なPN接合位置及び半導体基板にイオン注入して拡散させた、拡散層の不純物濃度を含めたプロファイルを検出することができる。この観察結果から、不良解析において半導体デバイスの不良原因や、その不良部位の位置の特定が行える。また、シミュレーションに用いる拡散モデルの合わせ込みを高い精度にて行うことができ、不純物プロファイルのシミュレーション精度の向上を図ることができ、正確な不純物のプロファイルを推定することが可能となる。   As described above, it is possible to detect a profile including the impurity concentration of the diffusion layer diffused by ion implantation into the metallurgical PN junction position and the semiconductor substrate at a specific minute portion. From this observation result, the failure cause of the semiconductor device and the position of the defective portion can be specified in the failure analysis. In addition, the diffusion model used for the simulation can be adjusted with high accuracy, the simulation accuracy of the impurity profile can be improved, and an accurate impurity profile can be estimated.

本発明の一実施形態による接合位置の検出方法における処理の流れを示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the flow of a process in the detection method of the joining position by one Embodiment of this invention. タングステンシリサイドをCVD法により形成した、サンプル12の断面13のSEM像である。It is a SEM image of section 13 of sample 12 which formed tungsten silicide by CVD method. タングステンシリサイドをCVD法により形成した、サンプル12(Nチャネル型MOSトランジスタ及びPチャネル型MOSトランジスタ)の断面13のSEM観察の模式図である。It is a schematic diagram of the SEM observation of the cross section 13 of the sample 12 (N channel type MOS transistor and P channel type MOS transistor) in which tungsten silicide is formed by the CVD method. 主な分析方法を示すテーブルである。It is a table which shows the main analysis methods. フッ酸処理したサンプル(Nチャネル型MOSトランジスタ)の断面のSEM像である。It is a SEM image of the cross section of the sample (N channel type MOS transistor) processed with hydrofluoric acid. フッ酸処理したサンプル(Pチャネル型MOSトランジスタ)の断面のSEM像である。It is a SEM image of the cross section of the sample (P channel type MOS transistor) processed with hydrofluoric acid.

符号の説明Explanation of symbols

1…シリコン基板
2…Pウェル
3…Nウェル
4…STI
5…N型拡散層
6…ゲートポリシリコン
7…ゲートタングステン
8…ゲートマスク窒化膜
9…P型拡散層
12…サンプル
13…断面
14…タングステンシリサイド膜
15…タングステンシリサイド膜(N型不純物領域に堆積されている)
16…タングステンシリサイド膜(P型不純物領域に堆積されている)
17…Nチャネル型MOSトランジスタ
18…Pチャネル型MOSトランジスタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Silicon substrate 2 ... P well 3 ... N well 4 ... STI
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 ... N type diffused layer 6 ... Gate polysilicon 7 ... Gate tungsten 8 ... Gate mask nitride film 9 ... P type diffused layer 12 ... Sample 13 ... Section 14 ... Tungsten silicide film 15 ... Tungsten silicide film (deposited in N type impurity region) Have been)
16 ... Tungsten silicide film (deposited in P-type impurity region)
17 ... N-channel MOS transistor 18 ... P-channel MOS transistor

Claims (7)

半導体基板においてP型不純物がドーピングされたP型不純物領域と、N型不純物がドーピングされたN型不純物領域との接合位置を検出する方法であり、
半導体基板から観察対象となる断面を露出させる断面露出工程と、
該断面の洗浄処理を行う断面処理工程と、
前記断面にシリサイドを堆積させる堆積工程と、
該シリサイドのグレインサイズを観察することにより、接合界面を検出する検出工程と
を有することを特徴とする接合位置の検出方法。
A method of detecting a junction position between a P-type impurity region doped with a P-type impurity and an N-type impurity region doped with an N-type impurity in a semiconductor substrate;
A cross-section exposure step of exposing a cross-section to be observed from the semiconductor substrate;
A cross-section processing step for performing a cleaning process on the cross-section;
A deposition step of depositing silicide on the cross section;
A detection step of detecting a bonding interface by observing the grain size of the silicide.
前記検出工程において、P型不純物領域とN型不純物領域とのシリサイドのグレインサイズの差により、前記接合界面を検出することを特徴とする請求項1記載の接合位置の検出方法。   2. The method for detecting a junction position according to claim 1, wherein in the detection step, the junction interface is detected based on a difference in a grain size of silicide between the P-type impurity region and the N-type impurity region. 前記半導体基板がシリコン基板であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の接合位置の検出方法。   The method for detecting a bonding position according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is a silicon substrate. 前記シリサイドがタングステンシリサイドであることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の接合位置の検出方法。   The method for detecting a junction position according to any one of claims 1 to 3, wherein the silicide is tungsten silicide. 前記堆積工程において、前記シリサイドを化学的気相成長方法を用いることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の接合位置の検出方法。   5. The method for detecting a junction position according to claim 1, wherein a chemical vapor deposition method is used for the silicide in the deposition step. 6. 前記堆積工程において、前記シリサイドを堆積する際に用いるガスとして、六フッ化タングステンと、シランまたはシクロルシランとを用いることを特徴とする請求項5に記載の接合位置の検出方法。   6. The method for detecting a junction position according to claim 5, wherein tungsten hexafluoride and silane or cyclohexylsilane are used as the gas used when depositing the silicide in the deposition step. 前記堆積工程において、前記シリサイドを7nm以下の厚さにて堆積させることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の接合部の検出方法。   7. The method for detecting a joint according to claim 1, wherein in the deposition step, the silicide is deposited with a thickness of 7 nm or less.
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CN117316798A (en) * 2023-09-28 2023-12-29 西安奕斯伟材料科技股份有限公司 Methods, devices and media for determining components producing epitaxial defects

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