(57)【要約】【課題】  大きなバンドギャップを有する半導体試料に対して、光照射による帯電補正を可能とする二次イオン質量分析技術を提供する。【解決手段】  本発明は、二次イオン質量分析方法において、光照射機構を同一の超高真空装置内に配備し、軽微なチャージアップを起こす半導体試料の不純物分析に対して測定を行うにあたり、予め紫外線光電子分光等で被測定試料のバンドギャップを求め、得られたバンドギャップ値をカバーするエネルギー分布を持つ光を照射することを特徴とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次イオンを半導体からなる試料に照射して、前記試料からスパッタリングされる二次イオンを測定する工程と、
前記二次イオンを測定する際に、光照射機構を用いて予め前記試料のバンドギャップ値を求める工程と、
求めた前記バンドギャップ値を超えるフォトン・エネルギーを持つ光を前記試料に照射して前記試料に蓄積された帯電電荷を除去して帯電補正する工程と、
を有することを特徴とする二次イオン質量分析方法。
【請求項２】
前記帯電補正は、前記試料のバンドギャップに対し、該バンドギャップから２倍までのエネルギー分布を持つ光を照射して補正することを特徴とした請求項１に記載の二次イオン質量分析方法。
【請求項３】
前記光照射機構は、前記二次イオン質量分析装置と同じ真空チャンバー内に波長を変化させて前記試料に照射可能なグレーティングを有する紫外線発生機構を備え、予備測定でイオンスパッタ時間とバンドギャップの変動を測定し、本測定において、該予備測定で得られたバンドギャップの変動に基づき、照射する波長を変化させて照射することを特徴とした請求項１または２に記載の二次イオン質量分析方法。
【請求項４】
前記バンドギャップが既知の試料において、ＬＥＤ光源を利用することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の二次イオン質量分析方法。
【請求項５】
一次イオンを半導体からなる試料に照射し、該試料からスパッタリングされる二次イオンを測定する二次イオン質量分析機構と、
前記二次イオン質量分析機構と同じ真空チャンバー内に波長を変化させて前記試料に照射可能な光照射機構と、を備え、
予備測定でイオンスパッタ時間とバンドギャップの変動を測定し、本測定において、該予備測定で得られたバンドギャップの変動に基づき、照射する波長を変化させて照射することを特徴とする二次イオン質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次イオン質量分析方法及び二次イオン質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、試料表面の深さ方向の分析に、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）が一般的に用いられている。ＳＩＭＳは、加速した一次イオンビームを固体の試料表面に照射し、試料表面からスパッタリング現象によって放出される二次イオンを質量分析器で検出して試料表面を構成している元素の情報を得ることを目的とする表面分析法である。
【０００３】
ＳＩＭＳでは、その検出感度の高さから、半導体産業をはじめとして様々な分野において広く活用されている。そして、二次イオン質量分析装置において負のイオンを高感度で検出するために、一次イオンとしてＯ２＋やＣｓ＋が用いられる。
【０００４】
こうした一次イオンの試料への照射時に、試料が絶縁体の場合、試料表面に生じた電荷の逃げ場がなく蓄積され、試料の表面電位が変動して二次イオンの検出が困難となる。これに対し、一次イオン照射と同時に、電子線を照射することによって帯電補正する試みがなされている。
【０００５】
しかし、ＧａＮなどバンドギャップの大きい半導体の場合には、電子線照射によって、半導体試料中に含まれる水素、アルカリ、アルカリ金属、ハロゲンなどのイオンが移動してしまい正確な分布を得ることが難しいという問題がある。
【０００６】
これに対し、光エネルギーを利用して試料に生じる帯電を補正する方法が提案されている。チャージアップの程度が電子線による帯電補正を行うまでも無い軽微な半導体試料において、試料表面に光を照射することで、帯電補正を行い、二次イオンの発生効率を改善している。ハロゲンランプなどの光を半導体試料に照射すると、試料表面の電子が光により励起され電子-正孔対が生成される。その電子及び正孔はそれぞれ一定範囲のエネルギーレベルを自由に動き、導電性を担う性質がある。光照射による帯電補正は、これを利用したもので、試料表面に光照射により電子-正孔対を生成することで試料の帯電を解消する方法である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】日本表面科学会編、表面分析技術選書「二次イオン質量分析法」、１９９９年７月５日発行、ｐ３９−４１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、二次イオン質量分析装置における光照射設備の殆どは、ハロゲンランプが用いられている。そのため、アモルファスＳｉなどバンドギャップの小さな半導体試料にしか帯電補正が適用できないという問題を抱えている。
【０００９】
また、測定対象となる試料のバンドギャップ変化に対応させるためには、光を照射する際に、その帯域に渡ってブロードバンドの光を高出力で照射する必要があり、光源の高温化とランプの寿命が短くなる問題があった。
【００１０】
そこで、本発明では、大きなバンドギャップを有する半導体試料に対して、光照射による帯電補正を可能とする二次イオン質量分析方法および二次イオン質量分析装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
発明の一つの態様は、一次イオンを半導体からなる試料に照射して、前記試料からスパッタリングされる二次イオンを測定する工程と、前記二次イオンを測定する際に、光照射機構を用いて予め前記試料のバンドギャップ値を求める工程と、求めた前記バンドギャップ値を超えるフォトン・エネルギーを持つ光を前記試料に照射して前記試料に蓄積された帯電電荷を除去して帯電補正する工程と、を有することを特徴とする二次イオン質量分析方法に関する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、軽微なチャージアップを起こす半導体試料の二次イオン質量分析において、光照射による効率的な帯電補正が実現でき、対象試料の正確な二次イオンの強度分布の取得が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態になる光の照射強度と二次イオンエネルギー分布の関係を示す図である。
【図２】波長毎に帯電補正が得られた際の入射光の分光分布を示す図である。
【図３】照射光の波長に対する帯電補正に必要な照射強度との関係を示す図である。
【図４】照射光の波長に対する単位照射密度当たりの帯電補正量（二次イオン強度）を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態になる光照射機構を導入した二次イオン質量分析装置の構成例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態になる二次イオン質量分析装置における光照射の手順を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態につき、図面に基づいて説明する。
【００１５】
二次イオン質量分析装置において、測定試料としてアモルファスＳｉ（バンドギャップ１．４ｅＶ）を使用し、一次イオン照射と同時に光を照射したときに試料から生成する二次イオンのエネルギー分布を測定した。その測定結果を図１〜４に示す。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態になる光の照射強度と二次イオンエネルギー分布の関係を示す。図１は、試料に照射する光の照射強度をパラメータに、二次イオンのエネルギー分布を求めたものである。横軸は、試料の印加電圧Ｖ、縦軸は、二次イオン強度を毎秒当たりの検出個数（ｃｏｕｎｔｓ／ｓ）を表している。
【００１７】
図１では、光照射は、特定の波長以上を通すロングパスフィルターを用い、照射強度を変えながら試料に照射したときの、二次イオン質量分析装置で検出されるアモルファスＳｉの二次イオンエネルギー分布を示している。ここで、パラメータとしての照射強度は任意値として１〜１００変化させた。
【００１８】
図１において、光の照射強度が小さいとき（強度１：図中、矢印部分Ａ）には、二次イオン強度は低く、かつピーク位置がマイナス電圧領域（−１２Ｖ）にある。そして、照射強度が増大するにつれて、二次イオン強度は大きくなり、照射強度６０−１００（図中、丸で囲った部分Ｂ）になると、プラス電圧領域（＋９Ｖ）において二次イオン強度のピーク位置が変化しなくなっている。
【００１９】
このことは、光照射が帯電補正に有効に寄与していることを示している。つまり、半導体試料の場合、試料への光照射により、光が吸収された試料表面近傍で電子・正孔対が生成し、帯電電位の電界のもとに電子・正孔対は分離して動くことで帯電電荷と結合することによって、ピーク位置のシフトがなくなる電圧領域において、帯電が除去され有効な帯電補正がなされたと考えることができる。
【００２０】
これまでの二次イオン質量分析では、帯電電荷が試料表面に存在すると、その電界によって試料からの二次イオンの生成が擾乱され、正確な二次イオン強度の測定ができないという問題を抱えていた。これに対し、図１が示すように、試料に所定光量以上の光を照射したときの帯電補正によって本来の二次イオン強度分布が得られることが分かった。
【００２１】
図２は、波長毎に帯電補正が得られた際の入射光の分光分布を示す。
【００２２】
図２では、図１と同様に、ロングパスフィルターを用いて入射する光の波長を変えて試料への光照射を行い、波長毎に帯電補正効果が得られたときの分光分布を示している。横軸は、光照射のフォトン・エネルギー（ｅＶ）を表し、縦軸は、単位面積当たりの二次イオンのエネルギー密度（ＷＪ／ｃｍ２）を表している。なお、図中のハッチ部分は、アモルファスＳｉのバンドギャップに相当するフォトン・エネルギー領域である。
【００２３】
図２に示すように、７００ｎｍの波長（フォトン・エネルギー：１．８ｅＶ）において、少ないエネルギー密度で効果が観測されていることが分かる。
【００２４】
図３は、照射光の波長に対する帯電補正に必要な照射強度との関係を示す。図３は、入射した最大波長（エネルギー）と照射強度の関係を示したもので、□印は、特定の波長以上を通すロングパスフィルターを用いた場合のプロットを示し、●印は、アモルファスＳｉのバンドギャップに相当するＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いた場合のプロットを示している。
【００２５】
図に示すように、アモルファスＳｉのバンドギャップ（１．４ｅＶ）に近い波長を入射することによって少ない照射強度で帯電補正がなされることが分かる。
【００２６】
図４は、照射光の波長に対する単位照射密度当たりの帯電補正量（二次イオン強度）を示す。図４は、入射した最大波長に１Ｗ／ｍ２当たりの二次イオン強度の回復量（帯電補正効果）を示している。
【００２７】
なお、横軸は、光照射のフォトン・エネルギー（ｅＶ）を表し、縦軸は、単位面積当たりの二次イオンの単位エネルギー密度当たりの二次イオン数（ｃｏｕｎｔｓ／１ＷＪ／ｃｍ２）を表している。また、□印は、特定の波長以上を通すロングパスフィルターを用いた場合のプロットを示し、●印は、アモルファスＳｉのバンドギャップに相当するＬＥＤを用いた場合のプロットを示している。
【００２８】
図４によれば、最大波長１．８から２．１ｅＶの間は、変化無く、２．２ｅＶから減少して２．６ｅＶで約半分になっている。したがって帯電補正には、バンドギャップから２倍までのエネルギーを照射することで効率良く帯電補正が行えることが分かる。
【００２９】
これにより、バンドギャップを事前に知ることで帯電補正効果のある波長を選択して照射できることから、光源の低温化とランプの長寿命化による低消費電力ならびにコストパフォーマンスの向上が可能になった。また、バンドギャップが決まった材料に関しては、ＬＥＤ光源を用いることが可能となり、より高安定、長寿命、低消費電力が可能になる。
【００３０】
図５は、本発明の実施の形態になる光照射機構を導入した二次イオン質量分析装置の構成例を示す。本発明の二次イオン質量分析装置は、同一の超高真空チャンバー内に設置された二次イオン質量分析機構１０と光照射機構２０を有する。
【００３１】
本発明では、一次イオン銃１１、二次イオン検出器１２、試料１３、および試料用電源１４からなる二次イオン質量分析機構１０に、紫外線光源２１、波長変換機２２、および光電子検出器２３を有する光照射機構２０が導入された構成となっている。なお、試料用電源１４は、試料１３に印加する電圧を供給するもので、この印加電圧によって、一次イオン照射時に試料１３から発生する二次イオンのエネルギー分布が制御される。
【００３２】
ここで、測定対象とする試料１３の表面側は、バンドギャップの異なる多層膜（１３ａ、１３ｂ、１３ｃなど）で構成されていることを想定している。
【００３３】
一次イオン銃１１からの一次イオンが試料１３の表面に照射されると、試料１３の表面から試料１３を構成している原子が空間に放出される、いわゆるスパッタリングが発生する。このスパッタリングによって空間に放出された原子の一部がイオン化して二次イオンとなり、二次イオン検出器１２で検出される。二次イオン検出器１２では、様々な質量数のイオンが混在する二次イオンが検出され、質量数毎に単位時間あたりの二次イオンの検出個数（ｃｏｕｎｔｓ／ｓ）として測定される。
【００３４】
まず、予備測定として、一次イオン銃１１より一次イオンを試料１３に照射して発生してきた二次イオンを二次イオン検出器１２で検出する。同時に、紫外線光源２１から発生した光を、グレーティングを有する波長変換機２２によって波長変換し、変換された光が試料１３に照射された際に、試料１３から発生してくる光電子を光電子検出器２３で検出してバンドギャップを求める。
【００３５】
ここで、バンドギャップは、光照射時における試料１３の透過スペクトルを測定し、波長（ｅＶ）に対する透過率のグラフからスペクトルの吸収端を外挿することによって求めることができる。
【００３６】
そして、本測定として、予備測定で求めたバンドギャップの変動を元に一次イオン銃１１より一次イオンを試料１３に照射して発生してきた二次イオンを二次イオン検出器１２で検出する。ここでは、同時に紫外線光源２１より発生した光を波長変換機２２によってバンドギャップに相当する値以上のエネルギーを持つ光に変換して試料１３に照射している。
【００３７】
試料１３が半導体の場合、光照射時に、光を吸収した試料１３の表面近傍で電子−正孔対が生成し、帯電電位の電界のもとに電子−正孔対が分離して動くことによって帯電電荷と結合し、試料１３の帯電が解消される。
【００３８】
本発明の構成により、試料１３のバンドギャップを事前に知ることで帯電補正効果のある波長を照射できることから、光源の低温化とランプの長寿命化による低消費電力ならびにコストパフォーマンスの向上が可能となる。
【００３９】
なお、上述した光照射機構２０では、紫外線光源２１が波長変換機２２によって波長変換される構成を示したが、本発明は、これに限定されるものではなく、波長変換レーザーを用いてもよく、また、バンドギャップが既知の試料である場合には、ＬＥＤ光源を用いる構成であってもよい。
【００４０】
図６は、本発明の実施の形態になる二次イオン質量分析装置における光照射の手順を示す。まず、ステップＳ１１において、予備測定として、一次イオン銃１１より一次イオンを試料１３に照射して発生してきた二次イオンを二次イオン検出器１２で検出すると同時に、真空チャンバー内に配置された光照射機構２０で波長変換された光を、スパッタリング中の試料表面に照射し、発生してくる光電子を光電子検出器２３で検出してバンドギャップを求める。これによって、イオンスパッタ時間に対するバンドギャップの変動を測定する。
【００４１】
つぎに、ステップＳ１２において、スパッタ時にバンドギャップが一定になるように、予備測定時に得られたバンドギャップをフィードバックし、グレーティングを操作して紫外線波長を変換して試料１３に照射する。
【００４２】
以上の光照射によって、効率良く帯電補正が行えるようになり、かつ複雑な多層構造を有する試料であっても、各層のバンドギャップを測定しつつ帯電補正が行えるため、正確な二次イオン強度分布の取得が可能になる。 
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、帯電補正を可能とする二次イオン質量分析技術の分野に関する。
【符号の説明】
【００４４】
１０  二次イオン質量分析機構
１１  一次イオン銃
１２  二次イオン検出器
１３  試料
１４  試料用電源
２０  光照射機構
２１  紫外線光源
２２  波長変換機
２３  光電子検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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