sims backside depth profiling of ultra shallow implants

4
SIMS backside depth pro®ling of ultra shallow implants K.L. Yeo a , A.T.S. Wee a,* , A. See b , R. Liu a , C.M. Ng a a Department of Physics, National University of Singapore, Lower Kent Ridge Road, Singapore 119260, Singapore b Chartered Semiconductor Manufacturing Ltd., 60 Woodlands, Industrial Park D, Street 2, Singapore 738406, Singapore Abstract In secondary ion mass spectrometry depth pro®ling, a more accurate junction depth can be acquired by sputtering from the backside of the wafer [J. Vac. Sci. Technol. B 16 (1) (1998) 298]. This technique takes advantage of the better depth resolution of the leading edge as compared to the trailing edge [Nucl. Instrum. Meth. B 47 (1990) 223]. By using silicon-on-insulator (SOI) wafers, we have developed a backside depth pro®ling technique for studying ultra shallow implants. The abrupt interface of the SOI wafer and the large selectivity in chemical etching result in smooth after-etched surfaces, which facilitate high resolution SIMS pro®ling. The true dopant distribution of B 1 keV implants was studied by performing front and backside depth pro®ling using SOI substrates. The 7.5 and 0.5 keV O 2 primary ions were used at oblique incidence in a Cameca IMS-6f, with and without oxygen ¯ooding and sample rotation. The effectiveness of backside SIMS pro®ling of the ultra shallow dopant implants using SOI substrates is evaluated. # 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved. Keywords: Secondary ion mass spectrometry; Ultra shallow implants; Backside SIMS; Sample rotation; Oxygen ¯ooding 1. Introduction As microelectronic devices shrink in dimension, the source and drain junction depth in the silicon substrate becomes shallower. The 2000 National Roadmap for semiconductors indicates that for complementary metal-oxide semiconductors (CMOS) with a 0.13 and 0.09 mm gate length, a junction depth of 43 and 35 nm is required, respectively. In order to achieve ultra shallow junctions with low sheet resistance, ion implantation is usually carried out with high dose at low energy. Secondary ion mass spectrometry (SIMS), with its inherent detection sensitivity, is a widely used technique for measuring depth pro®les of implanted ions. For ultra shallow junctions, a signi®cant portion of the implanted dopant lies within the pre-equilibrium region where variations in ion yield and the presence of native oxide make quanti®cation dif®cult. However, it has been shown that by adopting appropriate techniques such as using a smaller primary energy, oblique or normal incidence angle with or without surface mod- i®cation (oxygen ¯ooding, Si capping), a more realistic doping pro®le can be achieved [1±3]. SIMS backside pro®ling takes advantage of the better depth resolution of the leading edge as com- pared to the trailing edge [4,5]. Furthermore sputtering equilibrium is reached before the dopant pro®le is being measured and thus the distortion of the dopant pro®les caused by the surface transient effect can be avoided. However, the greatest limitation of SIMS backside pro®ling is sample preparation. Samples have to be thinned down from the backside, by either etching or polishing prior to pro®ling. Problems such as surface roughness and ¯atness after the thinning Applied Surface Science 203±204 (2003) 335±338 * Corresponding author. Tel.: 65-687-46-362; fax: 65-677-76-126. E-mail address: [email protected] (A.T.S. Wee). 0169-4332/02/$ ± see front matter # 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PII:S0169-4332(02)00671-2

Upload: kl-yeo

Post on 02-Jul-2016

219 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

���� ������ �� � ������� �� �� �� ������� ����� �

���� ����� ������ ����!� �� ����� "� ���� #��� $��

����������� �� ����� ������� ��������� ��������� ���� ���� ����� ���� �������� ���� !� ���������"�������� �������#��� $��#���#���� ���%� ! &������� '��#������ ���( �� ������ �� �������� )*+,! � ��������

��������

�� �������% �� ���� ���� ���� �% �� � �������� � ���� ������ � &��� �� �� � ��� �� ��'��� �% ��� ���� ���� ��

������ �� ������� ()� *��� ��� �������� + ,- .,/ .,001/ 2013� ��� ����'�� ���� �4�� ��� �� �� �� �� �� � ������ �� ��

�� ����� ��� �� ������� � �� ����� ��� ($���� ��� ���� �� �� + 56 .,007/ 2283� +% ���� �����9��9����� �� .�:�/

������� �� ��4� �4����� � ������ �� � ������� ����'�� ��� � �%�� �� �� ������� ����� �� ��� ����� � ������ �� ��

�:� ����� �� �� ����� ����� 4 % � ������� � ���� ����� � ���� � �� ��9� ��� ��������� ���� ���� � � ��� ������ ��

���� �������� ��� ��� ���� � ��� �� �� + , ��* ����� � ��� � �� �% ��������� ���� �� ������ �� � �������

���� �:� ���� �� ��� ��� 6�; �� 7�; ��* :2� �����% ��� ���� ��� � ���'�� ������ � � #����� ���9-�� � � ��

� ��� �<%��� =���� �� ������ �� � ��� ��� ����� 4����� �� ������ ���� ������� �� �� �� �� ������� ���� ����� �

���� �:� ���� �� �� � �4���� ��

� 2772 >���4�� ������ +�*� ��� ��� � �����4��

�� ����- �������% �� ���� ���� ���� �%? @� �� ������� ����� �? +����� ����? ������ �� � ��? :<%��� =����

� ���� ������

�� �������� ���� �4��� ����� � ������� ��

������ �� ��� &��� �� �� � � �� ����� ���� �� �

������� ���������� ��� 2777 $� ���� "����� ���

�������� ��� ��� �� �� ��� ��������� ��%

�� ��9�<� �������� ��� .#�:�/ � � � 7�,8

�� 7�70 �� �� � ���� �� � &��� �� �� � �� 58 ��8; �� � ��'���� ������ 4��%� �� ���� � ����4�

�� �� ������� &��� ��� � � ��� ���� ���� ����� ��

����� � �� � ������% ����� �� � � ��� ��� �

��� �����%� �������% �� ���� ���� ���� �% .����/�

� � � ������ � �� �� ���� 4 %� � � ���% ���

����'�� ��� �������� �� � ������� �� ����� �

���� A�� �� �� ������� &��� ���� � ������� ��� ��

�� �� ����� � ���� ��� � �� �� ���9�'������

����� ����� 4��� ��� � �� %�� �� �� �������� ��

�� 4� �<� ���� '��� ��� �� ����� � B���4���

��� ���� ����� �� �% ��� �� �������� � ����'���

���� �� ���� � ������� �����% �����%� ���'�� ��

������ ������ ����� � � �� � ��� ������� ��9

��� �� .�<%��� =����� � ������/� � ���� ����� �

���� ������ ��� �� ����4� (,C83�

���� ������ ������� ���� �4�� ��� �� ��

�� �� �� � ������ �� �� �� ����� ��� �� ���9

���� � �� ����� ��� (5�;3� A�� ������� ��� ����

�'������ � ������ ������ �� ���� ������ �

���� ������� �� ��� �� � �� �� �� �� ����

������� ����� �% �� ������� ������ ����� ��� ��

�4��� B���4��� �� ���� �� �� � �� �� ����

������ ������� � ������ ������� ��� �������

��4� � �� ���� ��� ���� �� ������� �% � ���

� ���� �� ������� ���� � �������� D������� ����

�� ������� ��������� �� =� ���� �� �� �� �����

����� ������� ������ 278C275 .2778/ 88;C881

! #���������� �� ���� ����E �-;9-1695-98-2?��<E �-;9-6696-9,2-�./���� �������- ��%��� �F��������� .������ ��/�

7,-095882G72GH C ��� ���� �� �� � 2772 >���4�� ������ +�*� ��� ��� � �����4��

D��E � 7 , - 0 9 5 8 8 2 . 7 2 / 7 7 - 6 , 9 2

������� ����� ������ ������� ����� �� ����

����� 4�� � ��4� �4����� � ������ �������

����'�� ���� �����9��9����� �� .�:�/ ���� �� ���

��� ����� � ������ �� ���� �� �:� ��%�� �� ��

���� �<� .+:I/ ��%�� �� �� ����� ����� 4 % ��

�� ������� � ���� ����� � ���� � �� ��9� ���

��������� ���� ���� � � ��� ������ �� ���� �����9

��� ��� �� ��� ������� �� ���� ������ �� �

������� �� �� �� ��� �����% ����� � ���� �:�

���� �� ���

� ����������

� ��������� ����� � A�� ,� ��� �4����� ����

�:� ����� � ������ � ���� ���� ���� �� � ��������

���� � =� �� ���� � ��� ���� ����%��� � ���9

��� �� �� ��������� ����� �� ���� ���� ��

������� � ���� ��� �����%� ��� �� ����� ���9

����� ��� �:� ����� ��� � �� �����., 7 7/ .�:�/

��%�� �� ���� ,62; �J �� � ����� �<� .+:I/

��%�� �� ���� ,127 �J .��� A�� 2/� A�� �� �:� �����

��� � �� � �%� �� ��������� �� �� � ������

�� ���� �� �:� �� +:I ��%�� � �; �J � ��� � ��9���� ���� ����� � 4��% �� ��� � �� ������� �� ��

������ ��������

��� �:� ������ ���� ��� ���9�������� � �

2� ,7,; � ���G��2 �� � � 87 ��* ������� �% +����� � � , ��* � � � ��� �� ;� ,7,5 � ���G��2���� ������ ���� ��� ����4� � � ������� ������� ��

�K� � ,� , ��2� ����� ������� ���� ��� ������ � ,777 �J �� ��������� ����� ���� � �% "A

��� ���� � ���� ������ ��� �� ���� ���� ���

� � ���% ����� ����� �� �� ���� �K�� ��� ����9

�� ��%�� �� �:� ��� ��� ����������% ����� ���

� ,77 �� ���� �����9����� ������ ��� ����������� ��� � � � � ���� �%�9������� �%��<�

.���B� 2;L/ ���� �� � 17 �# ��� ���� 8 � .� �� �� ��87 ��G�/ � ����4� �� ������� ������ �������%��� ��� � ���� �� � �� ���B �� � � ���� ����

����� �� ���� �� ����� ��� �� �� �:2 (-3� ��� �

����� �4��9� ��� ����� � ������� ��� �<� ���

��� ����4� �% � �� � �%��=���� �� .MBA� ;L/

���� ��� ���4�� �� �� �:� ��%�� �<���� ��� ����%���

��� ������� ��������% ��� ������� ���� �

M� �� ��� ����� � $�������� ��� ��� M8777

����� � ��� ����� ��������% .�A�/� ������ ���

� � ���� �K�� �� ;� ; ��2��� ���� M�� � ���������� �������� ���� � #��>#� ��� -� � � :2

���� ������� �� 7�; ��*� ;-� ������ �� 6�; ��*� 57�2� ������� ��� :2� ������� ��� ��� �4�� ������ �� 2;7� 2;7 ��2 �� �� �� ��� ������ �� ������ �� 7�; ��* :2

� �����% ����� �<%��� =����(63 �� ������ �� � �� ����'�� (13 ���� � ��� �

�������� ��� �� �� �� ���������� ��� �������� ��9

�� �<%��� =���� ��� �<� � ,�7� ,7�- ���� �� �� ������ �� � �� �� � ��� �� � 27 ��4G���

A�� ,� .�/ �:� ����� � � ��������� ����� ����� ���� ����

��� � � ���% ����� �����? .�/ �� �� ����4�� �� ����� ��

�<� ��%�� � �:� ����� �% ����� �� � �����

A�� 2� �>� ���� �� �:� ����� ������ �� +:I ��%���

88- �%�% 0� �� ��% 1 2������ �#���� ������� �!*3�!, 4�!!*5 **63**+

� ������� �� ���������

���B � ��� �<� �� ��� 4��% ��� ���� ����

� ���� ������ ��� �� � � ��� � ���� ����� 4 % �

�:2 (03� � ���4�� ���� � 4��% ���� � �� =�

������� �� �� ����� ����4�� ���� �� �:� �����

����9� ��� �4�� � ��� 9����9�'���� ."��/ �����9

���� �� 7�8 ��� ��� +:I � ��� ����4� �%

MBA.;L/ ���� ��� ��� ��������� �� �� ����� ��

����� .�� �� ������� �� �� �:� ��%��/ ������� �

���� 7�8 ���

�� �� � �%� �� ������� �� ���4�� ���� ����

���� �� � ������ �� �� ������ � � �,77 ����������� ����� ������� A�� 8 ����� � ���������

�� ���� � ���4�� ���� ���� �� � ������ � � ����9

����� ����� ����� �� � ������ �� � ������

���� 6�; ��* :2� � 57�2�� ��� � ������ �� ����

�� ����� ��%� �� ����� �� ��������� �����

����� ��%�� ��� ������% �� �� �� ���� �� �� 4�

�<� ���������� � ��� �������% �� %��� ���

� �����% ������� �% �� �������� �� �� 4� �<�

�� ���� �� ��������� ����� ��%�� �� �� �����

���� �� �� ��� ������ �� � ������ ��� ����� �

�� ���� ������ �% ���� �� �� 4� �<� �������9

��� �� �� �� �� �� �� �� ������� �� �� �������

M�� � ��� ���� ���� � ��� ������ �� �� � � ���

������ �� �� ������ �� ������ ���� ������%

����� �� �� �� ����4���� � �� � ������ ��

���� ������� � ���� �� �����

�� �� � ������� �� ���� � ��� ��� � ��

���� ���� ���� �� � ���� � �� �� ����� ����

��� ��� ���� @���� ��� ��%� �� ������� ���� ��� ��

� ���� ������ �� �% �� �� 4� �<� �� ���� ��

������ ������� �� �� ������ ��%��� ��� ������9

�� �� �������% �� %�� ���������� �� �����9��

����� ������ �� � �� �� �� �� ���� ��� ��� ��

���4�� ���� ����� ������ ��� �� �� �� ���� ���9

�� ��� �� ����4� �% ��������� �� ������ � ��

��������� ����� ����� (,3� ��� �� �� ���4�� ���%

� ��� ���� ������ �� ������� �� ���� ����� ��

���������� � + �� � ��� ���� %��� � �������

+����� ���� �� � ������� ��4���� �� ���� ���9

�� � ��� ��� �� ������ ��� ���

��� ������ ����� �� �� ������� ����� � ���9

����� �� �� � ������ �� ��� �� ����4� �% �������

�� �����% �� ���� �����% � ���9��* (,73� +%

������� �� �����% ���� �����%� �� � ������ ��

�<�� ����� ��� �� ������ B���4��� ��� ����

����� �� ��� �����% ��� ���� ������ �� �4��9

����� �� ��� �� �� �� ��������� � �� ������

� ���� ���� � ��� ������ �� �� � ������ ��

(,,�,23� B����� ��������� ���������� ����'���

���� �� ������ �� � �� �� �<%��� =���� ���

�������% �����%� ���� ��� ���9��* �� � �����9

��� A�� 5 ����� �� ���� �� �� ������ ����

�� � ������� �� ��� ���� 7�; ��* :2� � ;-� ����

�� ��� �� �� ������ �� � �� �� �<%��� =�����

� 7�; ��*� �� ������ ���� �4�� � �������� ������

�� ������� � �� ���� �� ����� ��� ��� �� ��

�� ����� ���� ����� �����% ���� �����% ����9

��� �% ����4�� �� �� � ������ ��� �� ������

������� � � �� ���� ������� ��� �� ���� ��

A�� 8� ��� 6�; ��* :2� ���� �� ���� .������/ ���� �� �

������ �� ,,+� ����� � � , ��* ;� ,7,5 � ���G��2� ��� K����� � ����� � �� �� �� � �� �� ������ �������� ��� ��� �� �� ���

"�� ��������� ��� N7�8 ���

A�� 5� A��� �� �� ������ �� � ������� ���� 7�; ��* :2� �

;-� ���� �� ��� �� �� ������ �� � �� �� �<%��� =����� ������ �� �� ��� "�� ��������� ��� N7�5 ���

�%�% 0� �� ��% 1 2������ �#���� ������� �!*3�!, 4�!!*5 **63**+ 886

�������� � �� � �� ���� �� ����� ��� ��

������ ���� �� � ������ � 7�; ��* :2� � ;-��

�<%��� =���� �� ������ �� � �� �4� ����� ��

���� ����4���� � �� � ������ ���

� �����������

� ���� ������ � �� ������� ������ ���� �� �

������� ��� �� �� ��� �% ���� �:� ����� ����

� ���� ����'���� ��� ����� � ������ �� ���� ��

�:� ��%�� �� �� +:I ��%�� ����� � � � ���� � �

������� �� �� ����4�� �� +:I ��%��� ���� ����

������� ��� ��� ������ �� ���� �������� � ��4�

����� �� � �� ��� �� ��� �����% .7�; ��*/ ���� �

����4� ��� �� � ������ �� ��� �� �� ��� �����%

����� �� ��� ����4���� � ������� ���� ���9

���� � ���4�� ���� ���� �� ���� �� � ��������

+% � ���� ���9��* ������ ���� �� � �������

� � �<%��� =���� � �� ��� �������� �� ������ �

���� ������ � ���� ������ �� �� �� ������� ����� �

��� �� ����4��

����������

(,3 )�O��� 4�� +������ >�)�B� #����� � �� ������� M�)�

O��4�� �&�� �� �� ���� �� +�������4��� >� $����� )� *���

��� �������� + ,- .,/ .,001/ 201�

(23 *���A� #��� O�"� ���� � ��)� >����� #� � ������ )� *���

��� �������� + ,6 .;/ .,000/ 285;�

(83 >� $���� ��� �� #������� "� � �� � *� D�4 ���� A� D����� O�

������� �� ����� � )� *��� ��� �������� + ,1 .,/ .2777/ ;,0�

(53 �� ������ M�+� D����� $���� ��� ���� �� �� + 56 .,007/

228�

(;3 )�"� �������� "��� ������� "��� ��<� )�)� A������� M�M�

�� �� ���� B�� �� �� ��%���9����� )� *��� ��� �������� � ;

.5/ .,016/ ,;78�

(-3 :� ���� �� "� ����� B� A�������� �� �������� ��

���%���� ����� �� �� � � 85 .,002/ ;,�

(63 #��� $�� ������ ��� #�B��� B���� �� ���� )� *��� ���

�������� + ,0 .277,/ 120�

(13 M�>� �%���� ����� �� ���� ����� 21 .,000/ 50�

(03 )����� ������ ��� #��� #� � #����� ����� �� �� � � -8

.,006/ 258�

(,73 � *����4��� � A�"� ������� )� *��� ��� �������� � ;

.,016/ 8,8�

(,,3 �� ������ ��A� #�������� )� *��� ��� �������� + ,-

.,001/ 262�

(,23 P�I� )���� D�A��� �������� ����� D�%�� �� � 68 .,001/ 8,;�

881 �%�% 0� �� ��% 1 2������ �#���� ������� �!*3�!, 4�!!*5 **63**+