(57)【要約】【課題】試料と検出器とにおける所望の検出条件を変えることなく、試料に対する一次イオンの入射角度を変更することが可能となる二次イオン質量分析装置を提供する。【解決手段】本二次イオン質量分析装置は、照射方向可変イオン照射装置と試料台と質量分析器とを含んでなる。この照射方向可変イオン照射装置は、固定されたイオン銃と、照射されるイオンの進行方向の変化を制御可能な偏向板であって、照射経路においてイオン銃に近い方の第一の偏向板と、照射されるイオンの進行方向の変化を制御可能な偏向板であって、照射経路においてイオン銃から遠い方の第二の偏向板とを含んでなり、第一の偏向板と第二の偏向板とが、それぞれ独立に、ある点を中心にして回転し得る機構を有する。【選択図】  図２
2008021504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定されたイオン銃と、
照射されるイオンの進行方向の変化を制御可能な偏向板であって、照射経路において当該イオン銃に近い方の第一の偏向板と、
照射されるイオンの進行方向の変化を制御可能な偏向板であって、照射経路において当該イオン銃から遠い方の第二の偏向板と
を含んでなり、
当該第一の偏向板と第二の偏向板とが、それぞれ独立に、ある点を中心にして回転し得る機構を有する、
照射方向可変イオン照射装置。
【請求項２】
ある選択された点を中心とする円を描いて前記第二の偏向板を移動させ、かつ、その停止位置を制御することを可能とする機構を有する、請求項１に記載の照射方向可変イオン照射装置。
【請求項３】
前記照射されるイオンの進行方向の変化の制御が、前記第一および第二の偏向板の磁場、電場または磁場と電場の両方を変えることにより可能となる、請求項１に記載の照射方向可変イオン照射装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の照射方向可変イオン照射装置と、
試料台と、
質量分析器と
を含んでなる二次イオン質量分析装置。
【請求項５】
前記二次イオン質量分析装置がユーセントリック機能を有し、当該ユーセントリック機能の中心と前記選択された点とが一致している、請求項４に記載の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、試料の深さ方向における元素の測定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置においては、ウエル領域やチャネルドープ領域等における不純物濃度およびその分布がデバイス特性に大きな影響を与えるが、近年における半導体装置の微細化、薄層化の進展に伴い、半導体基板や堆積させた薄膜の表面から浅い領域（たとえば１〜数ｎｍ程度の深さ）における不純物濃度分布を精度よく形成することが求められている。
【０００３】
このような要請に応えるためには、測定対象領域における不純物濃度分布を高精度に把握する必要があり、そのために、半導体基板や堆積させた薄膜の表面から深さ方向の不純物等の元素分布の測定のための代表的手段である二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）が主に用いられている。
【０００４】
ＳＩＭＳは、一次イオンと呼ばれるイオンの照射によるスパッタリングで試料表面から放出される粒子のうち、イオン化されたもの（このイオン化された物質を二次イオンと呼称する）を検出する物理分析法であり、試料の深さ方向における元素の高感度な分析が可能であるという特長を有する（たとえば特許文献１参照。）。このＳＩＭＳには、Ｓｔａｔｉｃ  ＳＩＭＳ（スタチックＳＩＭＳ）、Ｄｙｎａｍｉｃ  ＳＩＭＳ（ダイナミックＳＩＭＳ）、ＴＯＦ  ＳＩＭＳ（飛行時間型ＳＩＭＳ）等が知られている。
【０００５】
ここで、図１を参照して従来のＳＩＭＳ法を説明する。図１は、従来のＳＩＭＳ装置の例示的概略構成図であり、測定対象となる試料１を固定保持するとともに、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向への移動、傾斜および回転が可能な試料ホルダー２、一次イオン源となる酸素イオン銃（イオンガン）３およびセシウムイオン銃４、二次イオンを質量分析するための検出器（たとえば四重極型検出器）５と分析したイオンの量を測定する測定装置６とからなる質量分析器、イオン照射による帯電を補正する電子銃７によって構成されている。
【０００６】
一般に、試料に入射する一次イオンの角度によって、深さ方向の元素分布の精度や二次イオンの構成比率が変化することが知られているが、従来の装置では、一次イオンを照射するためのイオン銃ならびに二次イオンを検出するための検出器が固定されていることから、試料ホルダー２の傾斜機構を利用して目的のイオンの入射角に対応している。
【特許文献１】特開２０００−２２１１４８号公報（段落番号０００２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、入射角を変更させるために試料を傾斜させると、検出器に対する試料の角度も変ってしまうため、二次イオンを検出する最適な条件から外れ、検出効率が低下し、二次イオン強度の減少を招く場合がある。また、二次イオンの飛行時間を計測し質量分析を行うＴＯＦ  ＳＩＭＳでは、検出器と試料との間の距離が変ってしまう問題点があった。
【０００８】
したがって、本発明は、試料と検出器とにおける所望の検出条件（たとえば最適な検出条件）を変えることなく、試料に対し任意の入射角度で一次イオンを照射することができる技術を提供することを目的としている。本発明の更に他の目的および利点は、以下の説明から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、
固定されたイオン銃と、
照射されるイオンの進行方向の変化を制御可能な偏向板であって、照射経路において当該イオン銃に近い方の第一の偏向板と、
照射されるイオンの進行方向の変化を制御可能な偏向板であって、照射経路において当該イオン銃から遠い方の第二の偏向板と
を含んでおり、
当該第一の偏向板と第二の偏向板とが、それぞれ独立に、ある点を中心にして回転し得る機構を有する、
照射方向可変イオン照射装置が提供される。
【００１０】
本発明態様によれば、イオン銃を動かすことなく、イオン銃から発射されたイオンの進行方向を自由に変更することが可能になる。
【００１１】
ある選択された点を中心とする円を描いて前記第二の偏向板を移動させ、かつ、その停止位置を制御することを可能とする機構を有すること、および、前記照射されるイオンの進行方向の変化の制御が、前記第一および第二の偏向板の磁場、電場または磁場と電場の両方を変えることにより可能となることが好ましい。
【００１２】
本発明の他の一態様によれば、上記の照射方向可変イオン照射装置と、
試料台と、
質量分析器と
を含んでなる二次イオン質量分析装置が提供される。
【００１３】
本発明態様によれば、二次イオン質量分析装置において、試料と検出器とにおける所望の検出条件を変えることなく、試料に対する一次イオンの入射角度を変更することが可能となる。
【００１４】
前記二次イオン質量分析装置がユーセントリック機能を有し、当該ユーセントリック機能の中心と前記選択された点とが一致していること、前記試料台面に対し垂直なある一面において、試料に対し０〜１８０°の角度で一次イオンを照射することが可能であること、および、前記照射方向可変イオン照射装置を複数組有してなることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、イオン銃を動かすことなく、イオン銃から発射されたイオンの進行方向を自由に変更することが可能になり、二次イオン質量分析を行う場合において、試料と検出器とにおける所望の検出条件を変えることなく、試料に対する一次イオンの入射角度を変更することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施の形態を図、実施例等を使用して説明する。なお、これらの図、実施例等および説明は本発明を例示するものであり、本発明の範囲を制限するものではない。本発明の趣旨に合致する限り他の実施の形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。
【００１７】
本発明に係る二次イオン質量分析装置は、照射方向可変イオン照射装置と試料台と質量分析器とを含んでなる。
【００１８】
この照射方向可変イオン照射装置は、
固定されたイオン銃と、
照射されるイオンの進行方向の変化を制御可能な偏向板であって、照射経路において当該イオン銃に近い方の第一の偏向板と、
照射されるイオンの進行方向の変化を制御可能な偏向板であって、照射経路において当該イオン銃から遠い方の第二の偏向板と
を含んでなり、
当該第一の偏向板と第二の偏向板とが、それぞれ独立に、ある点を中心にして回転し得る機構を有する。
【００１９】
このような構造とすることにより、イオン銃を動かすことなく、イオン銃から発射されたイオンの進行方向を自由に変更することが可能になり、二次イオン質量分析を行う場合において、試料と検出器とにおける所望の検出条件を変えることなく（すなわち、試料の位置ずれなく）、試料に対する一次イオンの入射角度を変更することが可能となる。なお、この回転の中心は、任意に定めてもよいが、偏向板における偏向の中心点を回転の中心として選択しておけば、試料上での一次イオンの収束性の悪化を低減することができる。この「偏向の中心点」とは、偏光板における磁場ないし電場による最大屈折点である。
【００２０】
本発明に係る二次イオン質量分析装置に使用される固定されたイオン銃、試料台、および質量分析器については特に制限はなく、公知の二次イオン質量分析装置のものを使用することができる。
【００２１】
照射されるイオンの進行方向の変化を制御可能な偏向板についても、照射されるイオンの進行方向の変化を制御可能な点を除いては特に制限はなく、イオンの進行方向を変化させることのできる機能を有するものであればどのようなものを使用してもよい。磁場、電場または磁場と電場の両方を変えることによりイオンの進行方向を変化させるものが知られており、これらを採用することが好ましい。なお、偏向板への入射角と出射角とは、イオンビームの散乱を防止する観点から、同一または同一に近いことが好ましい。
【００２２】
第一の偏向板と第二の偏向板とが、それぞれ独立に、ある点を中心にして回転し得る機構を有することにより、固定されたイオン銃から発射された、固定された方向に進行するイオンの進行方向を変え、試料台上にある試料に対し、所望の入射角度で照射するようにすることが可能となり、従って、試料と検出器とにおける所望の検出条件を変える必要がなくなる。
【００２３】
上記の「ある点を中心にして回転し得る機構」は、その点を含む一つの面について回転できれば十分であるが、その点を含む複数の面、あるいはその点を含む全ての面について回転できるものであってもよい。その点を含む一つの面についてのみ回転できる場合には、第一の偏向板の回転面と第二の偏向板の回転面とが一致していることが好ましいが、必須要件ではない。
【００２４】
回転のできる角度については特に制限はないが、一般的には、大きければ大きいほど好ましい。たとえば３６０°までまたは３６０°近くまで回転できるようにすることも可能である。
【００２５】
このような機構については、二次イオン質量分析装置の外部から操作可能なギアとステッピングモータとの組合せ等公知の機構（装置）を利用することができる。
【００２６】
本発明に係る照射方向可変イオン照射装置は、更に、ある選択された点を中心とする円を描いて第二の偏向板を移動させ、かつ、その停止位置を制御することを可能とする機構を有することが好ましい。このことにより、第二の偏向板の位置をより自由に選択でき、試料と検出器とにおける所望の検出条件を変えずに、非常に広い範囲で、試料に対する一次イオンの入射角度を変更することが可能となる。
【００２７】
ある選択された点を中心とする円を描いて第二の偏向板を移動させ、かつ、その停止位置を制御することを可能とする機構については特に制限はない。レール上を第二の偏向板がスライドでき、二次イオン質量分析装置の外部からその位置を制御できるようにする機構等が考えられる。
【００２８】
この「ある選択された点」は任意に定めることができるが、この二次イオン質量分析装置が、ユーセントリック機能を有し、このユーセントリック機能の中心と上記選択された点とが一致していることが好ましい。このようになっていると、第二の偏向板を移動させた場合にも、ユーセントリックが維持され、試料と検出器とにおける所望の検出条件を変えずにより自由に試料に対する一次イオンの入射角度を変更することが可能となる。
【００２９】
このような二次イオン質量分析装置では、試料に対し０〜１８０°の角度で一次イオンを照射することが可能となり、試料に対する一次イオンの入射角度の変更自由度を最大限にすることができる。一般的には、この角度が、試料に対しできるだけ０°に近い角度からできるだけ１８０°に近い角度までをカバーするものであることが好ましい。より具体的に言えば、０．５〜１７９．５°までの角度で一次イオンを照射することが可能であることが好ましい。
【００３０】
なお、試料に対する角度は、試料台面に対し垂直な面を考えた場合、必ずしもその全ての面について成立する必要はなく、最低、試料台面に対し垂直な一つの面について成立すれば十分な場合が多い。
【００３１】
本発明に係る二次イオン質量分析装置は、上記照射方向可変イオン照射装置を複数組有していることも好ましい。複数のイオン源を使用して、解析する場合や、イオン源を切り替えて分析する場合に有用である。
【００３２】
以下、図により本発明の形態例について説明する。図２は本発明の原理を示す模式的構成図である。図２において、イオン銃８で発生したイオンビームは、第一の偏向板９と第二の偏向板１１とを介して試料台２上の試料（図示せず）に照射されている。第一の偏向板９が、本発明における「照射経路においてイオン銃に近い方の第一の偏向板」に該当し、第二の偏向板１１が「照射経路において当該イオン銃から遠い方の第二の偏向板」に該当する。ここで、照射経路とは、たとえば図２では、イオン銃８で発生したイオンビームが第一の偏向板９と第二の偏向板１１とを経て試料台２上の試料に至る経路を意味する。
【００３３】
イオン銃８も質量分析器の検出器５も固定されている。第一の偏向板も第二の偏向板も、共に、その偏向の中心点を回転の中心として回転し得る機構を有する。
【００３４】
より具体的に言えば、第一の偏向板が偏向板の偏向の中心点に回転中心を持ち、たとえば３６０°回転することができれば、図２に示すように、イオン銃のイオンの照射の中心部と第一の偏向板の回転中心とを結ぶ線Ｌ１に対し、そのどちら側にでも一次イオンの照射方向を変えることができる。
【００３５】
また、第二の偏向板が、偏向板の偏向の中心点に回転中心を持ち、たとえば３６０°回転することができれば、第一の偏向板の偏向の中心点と第二の偏向板の偏向の中心点（すなわち、回転中心）とを結ぶ線Ｌ２に対し、そのどちら側にでも一次イオンの照射方向を変えることができる。
【００３６】
この場合、第二の偏向板が、図２のレール１０で例示するように、ある選択された点を中心とする円を描いて移動可能であり、その停止位置を制御することができれば、図２では点線で示すような位置に第二の偏向板を移動させることができ、これに合わせて第一および第二の偏向板の向きを適宜変えれば、試料に対する照射角を大きく変えることができる。これにより、試料台面に対し垂直なある一面において、試料に対し０〜１８０°の範囲内の角度で一次イオンを照射することが可能となる。なお、図２では、その画面が「試料台面に対し垂直なある一面」に該当している。
【００３７】
また、二次イオン質量分析装置がユーセントリック機能を有し、このユーセントリックの中心と上記の選択された点とが一致していれば、上記のように第二の偏向板を大きく移動させても、試料と検出器とにおける所望の検出条件を保つことが可能となる。
【００３８】
なお、ここで言う３６０°とは、Ｌ１やＬ２を含む任意に選択した一平面における角度を意味する。選択した以外の平面においても偏向板が回転可能であれば、更に自由度は増えるが必ずしも必要ではない。なお、図２では、その画面が「Ｌ１やＬ２を含む任意に選択した一平面」に該当している。図２中の両端に矢印の付いた曲線は回転の方向を意味している。
【００３９】
このようにして、本発明によれば、試料と検出器とにおける所望の検出条件を変えることなく（すなわち、試料の位置ずれなく）、試料に対する一次イオンの入射角度を変更することが可能となる。本発明の適用できる用途には特に制限はないが、半導体集積回路装置等の半導体装置、その中間製品および、半導体集積回路装置等の装置の開発に役立つ任意の試料における元素（たとえば不純物元素）の測定に好適に使用することができる。更に、成膜した絶縁膜あるいはシリサイド膜等における成膜方向の組成分布の測定や、薄膜磁気ヘッド等の金属膜を含む多層構造膜の成膜方向の組成分布の測定にも適用され得る。
【実施例】
【００４０】
図３を参照して、本発明に係る照射方向可変イオン銃および二次イオン質量分析装置について例示的に説明する。図３は、本発明に係る照射方向可変イオン銃を用いた二次イオン質量分析装置を例示する概念的構成図であり、排気口１２を有する測定チャンバー１３、試料１４を載置・駆動するゴニオステージ１５、一次イオンとしてのO＋またはＣｓ＋イオン１６を照射するイオン銃１７、一次イオンの入射角を可変するための第一の偏向板１８、第二の偏向板１９、第一の偏向板の角度を設定するためのギア２０ならびにステッピングモータ２１、第二の偏向板を移動させるレール２２、レール上を移動させるための駆動機構２３、第二の偏向板の角度を設定するためのギア２４ならびにステッピングモータ２５、試料１４から発生した二次イオン２６を質量分析するための四重極型検出器２７、検出器２７により質量分析したイオンの量（数）を測定するための測定装置２８、試料１４の表面近傍に二次イオンの発生効率を高めるための酸素ガス２９を供給するノズル３０、ノズル３０の開閉を制御するリークバルブ３１によって構成されている。説明されていない部品は描かれていない。分析環境は真空である。第一の偏向板１８および第二の偏向板１９の偏向の中心（以下、単に「偏向板の中央」ともいう）はそれぞれ偏向板の回転の中心と一致している。また、この二次イオン質量分析装置はユーセントリック機能を有し、このユーセントリック機能の中心とレール２２の円の中心（本発明に係る「選択された点」に該当）とが一致している。
【００４１】
まず、レール２２上で第二の偏向板１９を移動させ、第二の偏向板１９の中央がユーセントリック機能の中心に対して所望の角度をなすようにセットする。
【００４２】
ついで、イオン銃１７より放出された一次イオンを第一の偏向板１８の中央に導入する。
【００４３】
この場合、第一の偏向板の角度は、イオン銃より偏向板に入射する角度と第二の偏向板に対して放出する角度が等しくなるように回転機構を用いて設定する。最終的には第一の偏向板より放出された一次イオンが第二の偏向板の中央にくるよう電場または磁場を調整する。
【００４４】
ついで、目的とする入射角に設定された第二の偏向板も回転機構を用いて第一の偏向板からの入射角と試料表面への放出角が等しくなるように設定する。
【００４５】
ついで、一次イオンがユーセントリックの中心に導かれるように第二の偏向板の電場または磁場を調整する。これにより、検出器に対する試料の角度を変化させることなく、試料に対し任意の角度で一次イオンを照射することが可能になる。
【００４６】
なお、上記に開示した内容から、下記の付記に示した発明が導き出せる。
【００４７】
（付記１）
固定されたイオン銃と、
照射されるイオンの進行方向の変化を制御可能な偏向板であって、照射経路において当該イオン銃に近い方の第一の偏向板と、
照射されるイオンの進行方向の変化を制御可能な偏向板であって、照射経路において当該イオン銃から遠い方の第二の偏向板と
を含んでなり、
当該第一の偏向板と第二の偏向板とが、それぞれ独立に、ある点を中心にして回転し得る機構を有する、
照射方向可変イオン照射装置。
【００４８】
（付記２）
ある選択された点を中心とする円を描いて前記第二の偏向板を移動させ、かつ、その停止位置を制御することを可能とする機構を有する、付記１に記載の照射方向可変イオン照射装置。
【００４９】
（付記３）
前記照射されるイオンの進行方向の変化の制御が、前記第一および第二の偏向板の磁場、電場または磁場と電場の両方を変えることにより可能となる、付記１に記載の照射方向可変イオン照射装置。
【００５０】
（付記４）
付記１〜３のいずれかに記載の照射方向可変イオン照射装置と、
試料台と、
質量分析器と
を含んでなる二次イオン質量分析装置。
【００５１】
（付記５）
前記二次イオン質量分析装置がユーセントリック機能を有し、当該ユーセントリック機能の中心と前記選択された点とが一致している、付記４に記載の二次イオン質量分析装置。
【００５２】
（付記６）
前記試料台面に対し垂直なある一面において、試料に対し０〜１８０°の角度で一次イオンを照射することが可能である、付記４または５に記載の二次イオン質量分析装置。
【００５３】
（付記７）
前記照射方向可変イオン照射装置を複数組有してなる、付記４〜６のいずれかに記載の二次イオン質量分析装置。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】二次イオン質量分析器の原理的構成を説明するための模式図である。
【図２】本発明の原理的構成を説明するための模式図である。
【図３】本発明の実施例の構成を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００５５】
１    試料
２    試料ホルダー
３    酸素イオン銃（イオンガン）
４    セシウムイオン銃
５    検出器
６    測定装置
７    電子銃
８    イオン銃
９    第一の偏向板
１０  レール
１１  第二の偏向板
１２  排気口
１３  測定チャンバー
１５  ゴニオステージ
１６  O＋またはＣｓ＋イオン
１７  イオン銃
１８  第一の偏向板
１９  第二の偏向板
２０  ギア
２１  ステッピングモータ
２２  レール
２３  駆動機構
２４  ギア
２５  ステッピングモータ
２６  二次イオン
２７  検出器
２８  測定装置
２９  酸素ガス
３０  ノズル
３１  リークバルブ
【図１】
2008021504.tif 000003
【図２】
2008021504.tif 000004
【図３】
2008021504.tif 000005