(57)【要約】【課題】試料表面から浅い部分において正確な元素分布の分析ができる二次イオン分析方法を提供する。【解決手段】二次イオン質量分析方法は、二次イオン質量分析の対象となる試料の表面にセシウムを堆積させる堆積処理と、堆積処理でセシウムを堆積させた試料の表面に対してセシウム一次イオンのビームを照射する照射処理と、ビームの照射によって試料から放出される二次イオンを検出する検出処理とを行う。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次イオン質量分析の対象となる試料の表面にセシウムを堆積させる堆積処理と、
前記堆積処理でセシウムを堆積させた前記試料の表面に対してセシウム一次イオンのビームを照射する照射処理と、
前記ビームの照射によって前記試料から放出される二次イオンを検出する検出処理と
を行う二次イオン質量分析方法。
【請求項２】
前記堆積処理では、前記試料を真空状態にしてセシウムを堆積させ、
前記照射処理では、前記堆積処理で作られた真空状態を保ったまま前記ビームを照射する、請求項１に記載の二次イオン質量分析方法。
【請求項３】
前記堆積処理では、前記照射処理で照射される前記ビームより低いエネルギーでセシウムを照射して前記試料の表面にセシウムを堆積させる、請求項１又は２に記載の二次イオン質量分析方法。
【請求項４】
前記堆積処理では、堆積させるセシウムの厚みを、前記ビームの照射開始から前記試料の前記ビームの照射面のセシウム濃度が安定化するまでの間に前記試料が前記ビームの照射によりスパッタされる深さより厚くする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の二次イオン質量分析方法。
【請求項５】
前記堆積処理は、前記照射処理が行われる分析室に接続された予備排気室で行われる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の二次イオン質量分析方法。
【請求項６】
二次イオン質量分析の対象となる試料の表面にセシウムを照射することによりセシウムを堆積させるセシウム源と、
前記セシウムが堆積された前記試料の表面にセシウム一次イオンのビームを照射する照射部と、
前記ビームの照射によって前記試料から放出される二次イオンを検出する検出部と
を備え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および二次イオン質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一次イオンの照射に伴って発生する二次イオンを検出して試料を構成する元素の深さ方向分布を測定する深さ方向元素分布測定方法において、Ａｒより高い収束性を持つ金属元素のイオンを一次イオン種として用いるとともに、試料と反応性に富む元素の酸化物を前記試料の表面に付着させ、上記一次イオン種として、Ｇａ、Ａｕ、Ｃｓ、Ｂｉ、或いは、Ｉｎのいずれかを用いる深さ方向元素分布測定方法がある（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
また、半導体基板表面近傍に含まれる不純物の深さ分布を測定する二次イオン質量分析法において、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させる二次イオン質量分析法がある（例えば、特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２５８７７０号公報
【特許文献２】特開平８−９６７４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の分析方法では、分析対象の試料の表面に一次イオンの照射を開始してしばらくは一次イオンの照射によるスパッタが安定せず、一次イオンの照射による二次イオン化が安定しないため、試料表面から浅い部分においては、正確な元素分布の分析ができなかった。
【０００６】
そこで、一態様では、試料表面から浅い部分において正確な元素分布の分析ができる二次イオン分析方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様では、二次イオン質量分析方法は、二次イオン質量分析の対象となる試料の表面にセシウムを堆積させる堆積処理と、前記堆積処理でセシウムを堆積させた前記試料の表面に対してセシウム一次イオンのビームを照射する照射処理と、前記ビームの照射によって前記試料から放出される二次イオンを検出する検出処理とを行う。
【発明の効果】
【０００８】
一態様によれば、試料表面から浅い部分において正確な元素分布の分析ができる二次イオン分析方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】二次イオン質量分析装置の第１の実施形態における全体構成を示す図
【図２】二次イオン質量分析の工程を示す図
【図３】二次イオン質量分析における試料表面のセシウムの濃度変化を示す図
【図４】従来の二次イオン質量分析における不純物分析結果を示す図
【図５】二次イオン質量分析における不純物分析結果を示す図
【図６】二次イオン質量分析装置の第２の実施形態における全体構成を示す図
【図７】二次イオン質量分析装置の第３の実施形態における全体構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
［第１の実施形態］
図１は、二次イオン質量分析装置の第１の実施形態における全体構成の一例を示す図である。
【００１２】
図１において、二次イオン質量分析装置１０は、分析室１、排気系２、試料ステージ３、セシウム一次イオン源４、および検出器５を備える。
【００１３】
二次イオン質量分析装置１０によって行われる二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）は、試料表面に一次イオンを照射し、一次イオンの照射により試料表面から放出される二次イオンの質量分析を行う元素分析方法である。一次イオンの照射により試料表面がスパッタされて照射時間の経過とともに削除されるため、試料表面の深さ方向の元素濃度分布を知ることができる。
【００１４】
分析室１は、排気系２によって内部が真空に保たれる。分析室１の内部には試料ステージ３が配置されて、試料ステージ３には分析対象の試料１００が載置される。試料ステージ３は図示しない駆動装置によって、試料ステージ３の傾きや高さを調整できるものとする。セシウム一次イオン源４は、試料ステージ３に載置された試料に対してセシウム一次イオンを照射する。セシウム一次イオン源４によって照射される一次イオンは、ビーム状にされて試料１００の表面の特定部分に照射がされる。試料ステージ３の傾きを調整することにより、試料表面に照射されるビームの照射角度を調整することができる。
【００１５】
検出器５は、セシウム一次イオン源４によるセシウム一次イオンの照射によって試料から放出される二次イオンを検出する。検出器５によって検出される二次イオンは、試料表面からスパッタされて検出器５に到着した後質量分析計によって質量分離がされる。
【００１６】
次に、図２を用いて、本実施形態における二次イオン分析の方法を説明する。図２は、二次イオン質量分析の工程の一例を示す図である。
【００１７】
図２の（ａ）の工程において、先ず、分析対象の試料１００として例示するＳｉ基板１０１を、図１で説明した試料ステージ３にセットし、分析室１を真空状態とする。真空状態は、排気系２によって、例えば１０−8〜１０−１０Ｔｏｒｒとすることができる。
【００１８】
次に、（ｂ）の工程において、試料の表面にセシウムを堆積させる堆積処理を行う。セシウムを堆積させるためには、セシウムの一次イオンビームを、例えば、５０ｅＶの照射エネルギーとして、試料の表面に照射する。
【００１９】
通常のＳＩＭＳ分析では、試料に照射する一次イオンビームのエネルギーを、試料表面がエッチングされて二次イオンが放出されるエネルギーに設定する。照射するエネルギーは、試料の材質や分析対象の元素によって異なるが、例えば、１５０ｅＶから１０ＫｅＶの範囲で使用する。
【００２０】
照射エネルギーが高い程試料内への打ち込み深さが深くなる。一方、照射エネルギーが小さい程打ち込み深さが浅くなり、原子同士が混ざり合うミキシングが浅くなり、深さ方向に対する元素分布の分析精度が向上することになる。また、照射エネルギーが高い程スパッタが速くなり、試料の削除の速度が速くなる。一方、照射エネルギーが小さい程試料の削除の速度が遅くなる。
【００２１】
ここで、セシウムの照射エネルギーを、分析で用いる照射エネルギーより小さい値でさらに小さくしていくと、スパッタによる試料の削除の速度はさらに低下し、試料の削除の速度よりセシウムが蓄積する速度が上回り、今度は試料表面においてセシウムの堆積が始まる。
【００２２】
本実施形態においては、セシウムの照射エネルギーを、上記のセシウムが堆積されるエネルギーまで低下させて試料に照射することにより、試料の表面にセシウムの堆積層を形成する。堆積させるセシウムの厚みについては後述する。
【００２３】
なお、一次イオンビームの照射エネルギーを小さくすると照射されるセシウムイオンの量自体も少なくなり、セシウムの堆積速度も低下する。本実施形態においては、一次イオンの照射エネルギーを、スパッタによる試料の削除速度よりセシウムの堆積速度が優位になる領域とし、かつセシウムの堆積速度が最大となるように設定している。
【００２４】
但し、この工程で使用される一次イオンの照射エネルギーは、本実施形態に使用する照射エネルギーの設定に限定されるものではなく、セシウムが堆積されるセシウムの照射エネルギーであればよい。
【００２５】
また、この工程で使用する照射エネルギーは経時で一定値である必要はなく、経時で変化させることができる。例えば、照射開始から所定の時間９０ｅＶの照射エネルギーとした後、５０ｅＶの照射エネルギーとしてもよい。照射エネルギーを可変とすることにより、例えば、試料表面に酸化膜などの不純物が形成されている場合に、試料表面の不純物を除去した後にセシウムを堆積させることができる。
【００２６】
試料表面にセシウムを堆積させる範囲は、後述する分析する工程でセシウム一次イオンビームでエッチングされる範囲より広いことが好ましい。本実施形態においては、一辺が約１０００μｍの範囲にセシウムが堆積するようにセシウムの照射範囲を調整している。
【００２７】
また、セシウムの堆積速度は、試料表面に対するセシウムのイオンビームの入射角度が小さい（試料面に対して垂直に近い）程高くなる。従って、セシウムを堆積させる本工程においては、試料ステージ３を調整して、イオンビームの入射角度を小さくして、後述する分析する工程においては入射角度を測定で使用される通常の角度に戻すようにしてもよい。
【００２８】
次に、（ｃ）の分析工程において、セシウムを一次イオンとするＳＩＭＳ分析を行う分析工程を行う。分析工程は、堆積処理でセシウムを堆積させた試料の表面に対してセシウム一次イオンのビームを照射する照射処理と、ビームの照射によって試料から放出される二次イオンを検出する検出処理とを行う。
【００２９】
本実施形態においては、セシウムを堆積させる工程（ｂ）と分析工程（ｃ）とを、同じ分析室において行う。このため、分析する工程に移る際に試料の移動が不要となり、真空状態を保ったまま分析を行うことができ、分析時間の短縮が図られる。
【００３０】
本実施形態においては、堆積処理で使用するセシウムイオン源は、照射処理で使用するセシウム一次イオン源４を利用し、照射エネルギーと照射範囲を変えることにより共用している。照射エネルギーの変更は、例えばセシウム一次イオン源を制御する図示しない制御装置によって行うようにしてもよい。
【００３１】
分析工程は、セシウムを堆積させる工程で作られた真空状態を保ったまま行われる。堆積処理にてセシウムを堆積させた後、真空状態を保ったまま分析を行うことにより、大気中からの汚染や堆積したセシウムが他の元素と反応して化合物が生成されることを防止することができる。例えば、空気が存在する環境では、セシウム表面には酸化セシウム（Ｃｓ２Ｏ）などの酸化物が生成される。本実施形態では、セシウムを堆積させる工程で作られた真空状態を保ったまま分析を行うことにより、堆積させたセシウムの化合物による測定結果への影響を排除することができる。
【００３２】
本実施形態においては、セシウムを堆積させる工程で使用する真空状態と分析する工程で使用する真空状態を、排気系２を共有することにより作り出している。但し、真空状態は一定である必要はなく、例えば、図１で説明した排気系２による真空排気の途中から堆積処理を開始して、所定の真空状態に達してから分析工程を開始してもよい。例えば、真空状態が１０−８Ｔｏｒｒに達した状態から堆積処理を開始して、１０−９Ｔｏｒｒにて分析工程を開始することができる。
【００３３】
照射処理におけるセシウム一次イオンの照射エネルギーは、例えば２００ｅＶとする。一次イオンのイオンビームは、堆積処理で堆積させたセシウムの面積の範囲内になるようにスポットを調整する。分析は、試料表面に堆積されたセシウムの層を先ずエッチングして、試料をエッチングしながら深さ方向の二次イオンを分析する。
【００３４】
次に、図３を用いて、図２で説明した堆積処理の意義を説明する。図３は、通常の二次イオン分析における試料表面のセシウムの濃度変化の一例を示す図である。
【００３５】
図３において、横軸は通常の二次イオン分析において、分析開始からの経過時間である。縦軸は、試料表面におけるセシウムの濃度である。測定開始から試料表面におけるセシウムが増加していき、測定点Ｐ１からＰ３では、図示するグラフが立ち上がる。測定点Ｐ３を過ぎるとセシウムの濃度は徐々に安定していき、測定点Ｐ４を過ぎる経過時間３００ｓあたりから測定点Ｐ５では、セシウムの濃度が一定になる。
【００３６】
測定される二次イオンの量は、試料の表面形状や試料表面に形成されるセシウム濃度によって影響される。このため、分析中は常に一定濃度のセシウム層を試料表面に形成しながら行うことが望ましい。
【００３７】
一方、試料の表面は、セシウム一次イオンの照射エネルギーに応じて深さ方向にスパッタされていくため、試料表面のセシウムの濃度が安定するまでは、放出される二次イオンの量が安定せず、試料の深さ方向における二次イオンの測定値に誤差を生じることとなる。
【００３８】
本実施形態においては、分析工程で説明した分析時における、セシウム一次イオンビームの照射開始から、試料表面のセシウムの濃度が安定するまでの間に試料がスパッタされる深さを考慮して、堆積処理にて堆積させるセシウムの厚さを、セシウム濃度が安定するまでの間に試料がエッチングされる深さに応じて設定することができる。例えば、堆積処理で堆積させるセシウムの厚みを、ビームの照射開始から試料のビームの照射面のセシウム濃度が安定化するまでの間に試料がビームの照射によりスパッタされる深さより厚くすることにより、分析対象となる試料の表面にスパッタが達したときには、イオンビームによるセシウム濃度は安定し、放出される二次イオンの量を安定させることができる。
【００３９】
これにより、試料表面から非常に浅い部分においても正確な元素分布の分析をすることが可能となる。
【００４０】
例えば、図３で説明した３００ｓの経過時間までにスパッタされる深さ以上の厚みで予めセシウムを堆積させておくことが好ましい。しかし、例えば、堆積させるセシウムの厚みがそれより薄い場合であっても、図３のグラフの立ち上がり部分（例えば、測定点Ｐ１、Ｐ２）におけるセシウム濃度による二次イオンの分析結果への影響を排除することができる。
【００４１】
次に、図４および図５を用いて、本実施形態における二次イオン分析の測定例を説明する。図４は、従来の二次イオン分析における不純物分析結果の一例を示す図である。図５は、二次イオン分析における不純物分析結果の一例を示す図である。図４および図５は、シリコン基板にイオン注入されたリン（Ｐ）の元素を分析として、シリコン基板の深さ方向（グラフＸ軸）におけるリンの濃度（グラフＹ軸）の分布を分析した結果である。なお、シリコン基板表面に対するセシウム一次イオンビームの入射角度は２０度としている。
【００４２】
図４において、分析対象の試料表面にセシウムを堆積させない従来の分析方法では、シミュレーションによる計算結果よりＳＩＭＳ分析による測定結果の値が全体的に試料表面方向にシフトしている。例えば、リンの濃度が最大となる深さは、シミュレーションによる計算結果では約３ｎｍであるのに対して、ＳＩＭＳ分析によるリンの濃度が最大となる深さは約２．５ｎｍとなっている。これは、分析開始から一次イオンビームによる試料表面におけるセシウムの濃度が安定するまでの間に試料がスパッタされて、深さ方向に誤差を生じた結果である。
【００４３】
一方、図５は、本実施形態においてセシウムを約３ｎｍ堆積させた後にＳＩＭＳ分析を行った分析結果である。図５では、ミュレーションによる計算結果とＳＩＭＳ分析による測定結果がほぼ一致しており、試料表面近くにおいて正確な元素分布の分析ができていることを表している。
【００４４】
なお、本実施形態においては、基板にイオン注入された試料を分析対象として効果を確認したが、例えば熱処理された基板など、表面近くの元素が拡散するような試料においても、深さ方向における正確な元素分布の分析をすることが可能となる。
【００４５】
［第２の実施形態］
次に、図６を用いて、第２の実施形態における二次イオン質量分析装置を説明する。図６は、二次イオン質量分析装置の第２の実施形態における全体構成の一例を示す図である。図６では、図１で説明した第１の実施形態における二次イオン質量分析装置と同じ構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
【００４６】
図６において、二次イオン質量分析装置２０は、図１で説明した、分析室１、第１の排気系としての排気系２、試料ステージ３、セシウム一次イオン源４、および検出器５を備える。二次イオン質量分析装置２０は、さらに、予備排気室６、第２の排気系としての排気系７、およびセシウム源８を備える。予備排気室６と分析室１は、例えばゲートバルブによって連結させる。
【００４７】
予備排気室６は、図２（ｂ）で説明した、セシウムを堆積さえる工程を行うためのものである。予備排気室６でセシウムが堆積された試料は、ゲートバルブを介して分析室１に載置される。このときに、分析室の真空状態を排気系２によって予め作り出しておくことにより、真空状態を保ったまま、セシウムを堆積させる工程から分析する工程に試料を移動することができる。
【００４８】
本実施形態では、二次イオン質量分析装置２０は、排気系２とは別個に設けられて排気系７を備え、セシウムを堆積させる工程で必要な真空状態は排気系７によって作られる。また、二次イオン質量分析装置２０は、セシウムを堆積させる工程で使用するセシウム源８をセシウム一次イオン源４とは別個に備えている。
【００４９】
排気系を２系統備えることにより、分析する工程で必要な真空状態が、例えば１０−１０Ｔｏｒｒの真空状態であるのに対して、セシウムを堆積させる工程で必要な真空状態が、例えば１０−８Ｔｏｒｒの真空状態である場合に、別個独立した真空状態の作成が可能となる。また、セシウム源８をセシウム一次イオン源４とは別個に備えることにより、イオンビームの照射範囲、照射エネルギー、さらにはイオンビームの照射角度を別個独立に設定することが可能となる。
【００５０】
本実施形態では、分析室１にて試料の二次イオン分析を行っている間に予備排気室６にて次に分析する試料に対してセシウムの堆積を行うことができるので、複数の試料を分析する場合は分析時間の短縮を図ることができる。
【００５１】
［第３の実施形態］
次に、図７を用いて、第３の実施形態における二次イオン質量分析装置を説明する。図７は、二次イオン質量分析装置の第３の実施形態における全体構成の一例を示す図である。図７では、図１で説明した第１の実施形態における二次イオン質量分析装置と同じ構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
【００５２】
図７において、二次イオン質量分析装置３０は、図１で説明した、分析室１、排気系２、試料ステージ３、セシウム一次イオン源４、および検出器５を備える。二次イオン質量分析装置３０は、さらに、セシウム源９を分析室１に備える。
【００５３】
セシウム源９をセシウム一次イオン源４とは別個に備えることにより、イオンビームの照射範囲、照射エネルギー、さらにはイオンビームの照射角度を別個独立に設定することが可能となる。
【００５４】
本実施形態においては、セシウム源９によるセシウムの照射とセシウム一次イオン源４による一次イオンの照射とを別個に制御することが可能である。従って、例えば、セシウム源９によるセシウムの堆積を行い、所定のタイミングでセシウム一次イオン源４による分析を開始させることができるため、分析時間を短縮することができる。
【００５５】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は斯かる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００５６】
以上の説明に関し、更に以下の項を開示する。
（付記１）
二次イオン質量分析の対象となる試料の表面にセシウムを堆積させる堆積処理と、
前記堆積処理でセシウムを堆積させた前記試料の表面に対してセシウム一次イオンのビームを照射する照射処理と、
前記ビームの照射によって前記試料から放出される二次イオンを検出する検出処理と
を行う二次イオン質量分析方法。
（付記２）
前記堆積処理では、前記試料を真空状態にしてセシウムを堆積させ、
前記照射処理では、前記堆積処理で作られた真空状態を保ったまま前記ビームを照射する、付記１に記載の二次イオン質量分析方法。
（付記３）
前記堆積処理では、前記照射処理で照射される前記ビームより低いエネルギーでセシウムを照射して前記試料の表面にセシウムを堆積させる、付記１又は２に記載の二次イオン質量分析方法。
（付記４）
前記堆積処理では、堆積させるセシウムの厚みを、前記ビームの照射開始から前記試料の前記ビームの照射面のセシウム濃度が安定化するまでの間に前記試料が前記ビームの照射によりスパッタされる深さより厚くする、付記１乃至３のいずれか一に記載の二次イオン質量分析方法。
（付記５）
前記堆積処理は、前記照射処理が行われる分析室に接続された予備排気室で行われる、付記１乃至４のいずれか一に記載の二次イオン質量分析方法。
（付記６）
二次イオン質量分析の対象となる試料の表面にセシウムを照射することによりセシウムを堆積させるセシウム源と、
前記セシウムが堆積された前記試料の表面にセシウム一次イオンのビームを照射する照射部と、
前記ビームの照射によって前記試料から放出される二次イオンを検出する検出部と
を備える二次イオン質量分析装置。
（付記７）
前記セシウム源によってセシウムを堆積させるときに前記試料を真空状態にする第１の排気系と、
前記ビームを照射するときに前記第１の排気系によって作られた真空状態を保ったままにする第２の排気系と
をさらに備える付記６に記載の二次イオン質量分析装置。
（付記８）
前記セシウム源は、前記照射部で照射される前記ビームより低いエネルギーでセシウムを照射して前記試料の表面にセシウムを堆積させる、付記６又は７に記載の二次イオン質量分析装置。
（付記９）
前記セシウム源は、堆積させるセシウムの厚みを、前記ビームの照射開始から前記試料の前記ビームの照射面のセシウム濃度が安定化するまでの間に前記試料が前記ビームの照射によりスパッタされる深さより厚くする、付記６乃至８のいずれか一に記載の二次イオン質量分析装置。
（付記１０）
前記セシウム源は、前記照射部と前記検出部を備えた分析室に接続された予備排気室に配置される、付記６乃至９のいずれか一に記載の二次イオン質量分析装置。
【符号の説明】
【００５７】
１  分析室
２、７  排気系
３  試料ステージ
４  セシウム一次イオン源
５  検出器
６  予備排気室
８、９  セシウム源
１０、２０、３０  二次イオン質量分析装置
【図１】
2015078951.tif 000003
【図２】
2015078951.tif 000004
【図３】
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【図４】
2015078951.tif 000006
【図５】
2015078951.tif 000007
【図６】
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【図７】
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