(57)【要約】【課題】従来、通常の分析条件に近い状態で微小部を狙って分析可能な方法が要求されている。【解決手段】本発明は、ビーム径を小さくしなくても、通常のビーム条件で検出感度の劣化を招くことなく、微小領域を分析可能にする新規な分析方法である。具体的には、半導体基板１１上に、１０μｍ以上の薄膜からなる保護膜１３を形成し、この保護膜１３をパターニングして、測定する微小領域１２ａと同等若しくはその微小領域以下の大きさの、前記半導体基板１１を露出し、この露出した前記微小領域にイオンビーム２４を照射して、前記微小領域の分析を行なうことを特徴とする分析方法である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、１０ｎｍ以上１００μｍ以下の薄膜からなる保護膜を形成し、この保護膜をパターニングして、測定する微小領域と同等若しくはその微小領域以下の大きさの、前記半導体基板を露出し、この露出した前記微小領域にイオンビームを照射して、前記微小領域の分析を行なうことを特徴とする分析方法。
【請求項２】
前記保護膜は、厚さ３０μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の分析方法。
【請求項３】
前記保護膜は、前記半導体基板と質量が同等の元素若しくは分子を形成しない材料からなることを特徴とする前記請求項１記載の分析方法。
【請求項４】
前記保護膜は、金属、絶縁物または半導体からなることを特徴とする請求項３記載の分析方法。
【請求項５】
前記イオンビーム照射は、前記半導体基板に対し、斜め方向から行なうことを特徴とする請求項１記載の分析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）よる半導体表面分析において、これまで困難であった微小領域を測定可能にした分析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に半導体材料中の不純物濃度分析や組成分布を二次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）で分析する際、表面側からイオンを照射して行う。しかし、プローブがある程度広がりをもっているため、プローブ径によっては微小部分を狙えず、微小部分の分析には限界があった。特に、二次イオン質量分析装置では、表面をイオンビームでスキャンしながら分析するが、微小領域と同等のスキャンサイズで分析したとしてもビームの広がりによりその周辺部の情報も同等に取り込まれてしまう。
【０００３】
したがって、分析領域周辺部に分析目的元素と同じ元素が存在した場合、分析目的元素の検出下限を良く測定することが困難になってくる。半導体基板上の薄膜にパターンを形成した試料において、分析したいパターンの隣りに同様のパターンが存在する場合なども隣りのパターンからの元素を検出してしまう可能性がある。また、プローブ径に対してスキャンサイズが充分に取れない場合、クレータエッジ効果の影響も生じてくる。これはプローブからクレータ側壁に照射され、その際にクレータ側壁の元素がイオン化され検出されたり、フレータ底面でスパッタされた元素が側壁を再スパッタし、その際生ずるイオンが検出されたりする現象で、試料表面に高濃度層が存在する場合、顕著に現れる現象である。このクレータエッジ効果の影響を受けると、プロファイルにダレが生じたり、検出下限が悪くなったりする。ビーム径をできるだけ絞った状態で分析するのが望ましいが、一般にビームを絞ると、電流量が減少するため、分析時間が長くなる上、不純物軽元素などの検出下限が通常の分析時よりも悪くなる傾向にある。また、電流量を絞りすぎるとビームの安定性やカレントモニターの精度の影響も考慮しなければならなくなるので、安定で精度の良い測定は困難になってくる。
【０００４】
また、クレータエッジ効果の影響を避けるために、メサスキャン法やミニチップ法がある。メサスキャン法は既存の装置（ＡＴＯＭＩＫＡ４０００  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  Ｍａｎｕａｌ）に具備されている方法で、目的の分析領域の外側をあらかじめ掘りぬいてメサを形成し、その後、目的の分析領域を分析方法である。分析領域の外側があらかじめ掘りぬいてあるので、クレータエッジ効果の影響は受けない。ただし、この手法では、分析領域が微小部の場合、メサ時に一次イオンビームの裾野が分析領域をスパッタしてしまう問題がある。ミニチップ法は分析領域にマスキングし、その周辺部をウエットエッチングやイオンエッチングにより除去する方法である（非特許文献１参照）。この手法の場合、マスキング後にエッチング工程が必要となるので、試料作製に手間がかかる問題がある．
【０００５】
また、走査プローブ顕微鏡を用いて、針表面に試料表面の１個または複数個の原子を取り上げ、この原子を探針から電界脱離させてそのイオンの飛行時間から質量分析し、元素固定する手法があるが（特許文献１参照）、この手法では微小領域を狙うことは可能であるが、μｍ単位の深さまでの情報を取り出すことは困難である。
【０００６】
【非特許文献１】住谷弘幸、武藤勝美、田村一二三、原節子；表面科学、１７、３６（１９９６）
【特許文献１】特開平８−６４１７４号公報
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した従来の方法では、プローブ径によって狙える微小部のサイズが制限されるか、若しくは、プローブ径を小さくするためビーム径を小さくするためビームを絞ると電流量が減少し、分析時間が長くなり、不純物軽元素の検出下限が通常の分析時よりも悪くなる弊害が生ずるという問題があった。このようなことから、従来、通常の分析条件に近い状態で微小部を狙って分析可能な方法が要求されている。
本発明は上記要求に鑑みなされたもので、その目的とするところは、ビーム径を小さくしなくても、通常のビーム条件で検出感度の劣化を招くことなく、微小領域を分析可能にする新規な分析方法である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の分析方法は、半導体基板上に、１０ｎｍ以上１００μｍ以下の薄膜からなる保護膜を形成し、この保護膜をパターニングして、測定する微小領域と同等若しくはその微小領域以下の大きさの、前記半導体基板を露出し、この露出した前記微小領域にイオンビームを照射して、前記微小領域の分析を行なうことを特徴とする。
なお、前記保護膜は、厚さが３０μｍ以上５０μｍ以下であることが更に好ましく、また前記保護膜は、前記半導体基板と質量が同等の元素若しくは分子を形成しない材料を用いるようにした方が望ましく、具体的にはＴａなどの金属、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４などの絶縁物またはＳｉ、ＧａＡｓなどの半導体などを用いる。
また、前記イオンビーム照射は、前記半導体基板に対し、斜め方向から行なうことが望ましい。
【０００９】
前記本発明において保護膜の厚さが、１０ｎｍを下回ると、分析に使用するイオンビームによって保護膜がエッチングされ、その結果、所望しない領域の元素まで検出することになり、保護膜を形成する意味がなく、好ましくない。また、保護膜の厚さが、１００μｍを超えると、分析時に斜めから照射するイオンビームが測定領域に到達せず、あるいは到達したとしても十分量の二次イオンの発生が困難で、分析感度が低下し好ましくない。
【００１０】
本発明では、分析したい微小領域以外の場所には保護膜を形成するようにしている。そして、保護膜は微小領域と同等若しくはそれ以下の大きさのパターンである。このパターンを狙って、通常の分析条件で分析プローブを照射すると、微小領域よりも広い範囲にプローブを照射しても狙いたい微小領域のみからの情報のみ取り込むことが可能である。プローブ径を絞らすとも微小領域を狙えるため、分析時間の長時間化や不純物軽元素の検出下限の劣化を招くことなく分析可能である。また、保護膜の膜厚は分析深さ以上の膜厚を有しているため、スパッタリングを伴う分析手法でも、保護膜を掘りぬく前に分析を終了することも可能である。ここで、保護膜は分析領域の材質に比べスパッタレートが小さく、保護膜を掘りぬく前に分析が終了できるなら、分析深さ以上の膜厚を有しなくても構わない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下の本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施形態の分析方法において、狙う微小領域以外の表面に保護膜を形成した試料を模式的に示した図である。保護膜１３はＴａ，Ｗ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔなどの金属膜、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４などの絶縁膜、またはＳｉ、ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、ＧａＮ系などの半導体膜からなる膜である。ただし、保護膜は、ＳＩＭＳ分析時に障害とならない膜、質量が同等の元素若しくは分子を形成しないような材料でなければならず、保護膜中に被測定元素となる不純物が少ない方が望ましい。分析試料に対するダメージがない方が望ましいので、室温ＭＢＥ膜（分子エピタキシャル膜）、室温ＣＶＤ膜、室温蒸着若しくは室温でのマグネトロンスパッタなどでのなどでの保護膜を形成する。
【００１２】
Ｔａ，Ｗ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔなどの金属を保護膜にする場合、試料へのダメージの少ないＥＢ蒸着器などを用いて金属膜を形成する。坩堝からの若干の輻射熱を受けるが、試料の組成及び不純物分布に影響を及ぼすほどではないので問題はない。金属保護膜は少なくとも１０ｎｍ以上必要で、保護膜の膜厚は分析深さ以上のあることが望ましい。ただし、Ｔａ、Ｗなどは通常の半導体材料（Ｓｉ、ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、ＧａＮ系）に比べ、スパッタリングレートが遅いので、このようなスパッタリングが分析試料より遅い保護膜の場合、保護膜の膜厚は分析深さより薄くても大丈夫である。分析する微小領域に対し、保護膜の膜厚が充分薄い場合、ＳＩＭＳ分析上問題はないが、分析する微小領域に対し、保護膜の膜厚が厚すぎると、一次イオンを試料表面の垂直方向から傾けて入射した場合、保護膜の陰になった分析面に一次イオンが照射されなくなる領域が広くなってしまう。このような場合、可能な限り試料表面の垂直方向に近い角度で一次イオンを照射してＳＩＭＳ分析を行なうのが望ましい。しかし、一次イオンの斜入射にしなければならない場合、保護膜の厚さは以下に示す条件を満たした方が望ましい。
【００１３】
例えば、一次イオンの入射角を６０ｄｅｇとした場合、保護膜の厚さはアスペクト比（定数：縦／横）で、０．１程度が望ましい。ただし、これは分析領域の材料と保護膜のスパッタリングレートが略同一であった場合であり、例えば一次イオンＣｓ＋で入射角６０ｄｅｇの分析条件でＧａＡｓ試料にＴａの金属保護膜が形成されている場合では、スパッタリングレートがＴａに比べ、約５倍遅いためので、アスペクト比は０．０２程度以下、Ｓｉ試料にＴａの金属保護膜が形成されている場合は、Ｔａに比べスパッタリングレートが約３倍遅いためので、アスペクト比は０．０３程度以下である。一方、一次イオンＯ２＋、入射角６０ｄｅｇで分析した場合、ＧａＡｓ試料（基板１１）にＴａの金属保護膜１３をつけた場合では、Ｃｓ＋の時と同様にアスペクト比は０．０２程度以下であり、Ｓｉ試料（基板１１）にＴａの金属保護膜を形成した場合はＴａのスパッタリングレートがＳｉに比べ２倍遅いので、アスペクト比は０．０５程度以下である。
【００１４】
上述した保護膜上にネガのレジストを塗布し、分析する微小領域にあわせてパターニング（露光）後、現像し、レジストの取れた部分だけ、ＣＤＥなどで保護膜をエッチングする。ＲＩＥでも保護膜はエッチングできるが、ダメージが入るので、深さ約１００ｎｍ以下の浅い領域を分析する場合は用いない方が望ましい。
また、リフトオフにより分析領域以外に保護膜を形成する方法もある。逆テーパーを形成できるタイプのレジストを塗布し、分析のパターンにあわせてパターニング（露光）後、現像を行なう。この時、試料表面の分析領域上に逆テーパーのレジストが残っている。レジストの膜厚は保護膜の膜厚より厚くする必要がある。この試料全面にＥＢ蒸着器などで金属を形成する。この場合、分析領域にレジストがついているため、スパッタ装置で保護膜をスパッタしても分析表面にダメージが入らないので金属膜をスパッタ装置で形成することも可能である。いずれの場合も低温で膜を形成することが望ましい。高温の場合、試料中の不純物分布に及ぼすことは勿論、逆テーパーにしたレジストにダレが生じ、リフトオフができなくなってしまうという問題が生ずる。また、保護膜の膜厚は上述したようにアスペクト比を満たしていなければならない。この後、レジストとともにレジスト上に形成されている金属保護膜をウエット処理により除去する。
【００１５】
ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４などの絶縁膜を保護膜にする場合、試料へのダメージの少ないＥＢ蒸着器や室温ＣＶＤ装置、または室温マグネトロンスパッタ装置などで形成する。これらの保護膜も金属膜を同様に少なくとも１０ｎｍ必要で、試料表面にＳＩＭＳ分析時に被測定元素の妨害にならない不純物や組成がある場合は分析深さ以上の膜厚の保護膜を形成しなければならないのは当然である。この保護膜上にネガのレジストを塗布し、分析する微小領域にあわせてパターニング（露光）後、現像し、レジスト除去された部分に、ＣＤＥなどで保護膜を剥離する。ＲＩＥでも保護膜の剥離は可能であるが、ダメージが入るので、深さ１００ｎｍ以下の浅い領域を分析する場合は用いない方が望ましい。また、保護膜がＳｉＯ２膜の場合、フッ酸でＳｉＯ２膜を選択エッチングして除去しても良い。また、金属保護膜と同様にリフトオフによってパターニングすることも可能である。ただし、これらの膜は絶縁性が高いため、ＳＩＭＳ分析を行なう場合、電子中和銃の照射が必要になる。測定元素が電荷により動き易い元素（Ｎａ、Ｃｕ、Ｋなど）の場合、電子中和銃の照射することにより、測定元素のプロファイルが変化してしまう。このような場合は、ＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４などの絶縁性の膜は保護膜として用いない方が望ましい。保護膜は、Ｓｉ、ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系やＧａＮ系の半導体材料そのものの保護膜でも構わない。ただし、測定元素がこれら成分を含む場合（基板が保護膜と同じ）は使用できない。
【００１６】
このように作成した試料に、図２のようにイオンビーム２４を照射すると、測定目的の微小領域以外の領域１２ｂには、イオンビーム２４が照射されないため、目的領域１２ａのみの分析が可能となる。
【００１７】
次に、上述したようにして作成した試料を、図３に示すような二次イオン分析装置（ＳＩＭＳ）で分析した例につき説明する。
この図において、ＳＩＭＳの全体はステンレス製からなるが、アルミニウム合金製でもあっても構わない。また、試料Ｓが配置される試料室３８に、試料表面を励起するための励起ビームを発生する励起ビーム発生手段３９が励起ビーム導波路３７を介して接続され、また、試料室３８から送られる二次イオン質量分析器４８がビーム導波路４７を介して接続され、さらに表面分析装置３８内を真空しし、且つ高真空を維持するための真空ポンプ４５が取り付けられている。
上記励起ビーム発生手段３５で発生される励起ビームとしては試料Ｓ表面から非分析元素をスパッタできるものならば、どのようなビームを使用しても良い。例えば、イオンビーム、中性粒子のビーム、レーザービームを収束させるための静電レンズ３９が設けられている。また、絶縁物でも測定できるように、電子ビーム発生手段３６が設けられており、励起ビームが試料に照射されると、同様の場所に電子ビームも照射できるようになっている。
また、上記質量分析器４８は試料室３８から送られる二次イオンを質量分析部５１と二次イオンを検出する二次イオン検出部５２とからなる。質量分析器４８と試料室との間のビーム導波路４７には試料室３８内で発生した二次イオン質量分析器４８に取り込むための静電レンズ３９が設けられている。
【００１８】
次に、上記二次イオン分析装置（ＳＩＭＳ）について、さらに具体化すると共にその動作の概略を説明する。
図３における励起ビーム発生源３５において出射された特定の単色エネルギーを持ったイオンビームは、試料室３８内の試料設置台３０上に設置された被測定試料Ｓに照射される。照射の際、試料Ｓ表面はスパッタされ、中性粒子及び荷電粒子が放出される。この試料室３８内で発生した荷電粒子は、試料室３８とビーム導波路４７の間の静電レンズ４９により、質量分析器４８に取り込まれる。
【００１９】
図４、図５は上記ＳＩＭＳで測定して分析した時の結果例を示すものである。試料はボロンＢをＳｉ基板にイオン注入した試料で、３０μｍ／５μｍのラインとスペースのパターン試料である。３０μｍの領域はＢが注入されている領域で、５μｍが層間膜である。図４にラスターサイズ３０μｍで、通常のＳＩＭＳ分析（微小領域用に一次イオンを絞って収束させた状態ではない）を行なった時のＢプロファイルを示す。また、図５に保護膜により２０μｍ角のマスキングを行い、３０μｍのラスターサイズでＳＩＭＳ分析を行なった時のプロファイルを示す。図４はエッジ効果の影響を顕著に受け、Ｂのプロファイルがダレているが、保護膜によるマスキングを行なった試料では、周辺部からの影響を受けず、急峻なＢのプロファイルが得られる様子が判る。このように、保護膜をつけることにより、通常のビーム条件で微小領域のＳＩＭＳ分析が可能である。
【００２０】
以上説明した本発明では、分析したい微小領域以外の場所には保護膜を形成するようにしておりそして、保護膜は微小領域と同等若しくはそれ以下の大きさのパターンであるため、このパターンを狙って、通常の分析条件で分析プローブを照射すると、微小領域よりも広い範囲にプローブを照射しても狙いたい微小領域のみからの情報のみ取り込むことが可能である。また、プローブ径を絞らずとも微小領域を狙えるため、分析時間の長時間化や不純物軽元素の検出下限の劣化を招くことなく分析可能である。さらに、保護膜の膜厚は分析深さ以上の膜厚を有しているため、スパッタリングを伴う分析手法でも、保護膜を掘りぬく前に分析を終了することも可能である。ここで、保護膜は分析領域の材質に比べスパッタレートが小さく、保護膜を掘りぬく前に分析が終了できるなら、分析深さ以上の膜厚を有しなくても構わない。
【００２１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によればビーム径を小さくしなくても、通常のビーム条件で検出感度の劣化を招くことなく、微小領域の分析が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係わる分析方法を説明するための図。
【図２】本発明の実施形態に係わる分析方法を説明するための図。
【図３】本発明の実施形態に用いるＳＩＭＳの概略構成を示す図。
【図４】従来の分析方法で測定した場合のプロファイルを示す図。
【図５】本発明の分析方法で測定した場合のプロファイルを示す図。
【符号の説明】
１１・・・・半導体基板
１２ａ・・・微小領域（分析対象領域）
１２ｂ・・・微小領域以外の領域（分析対象外の領域）
１３・・・・保護膜
２４・・・・イオンビーム
３５・・・・励起ビーム発生手段
３６・・・・電子銃
３７・・・・励起ビーム導波路
３９、４９・・静電レンズ
４５・・・・真空ポンプ
４７・・・・ビーム導波路
４８・・・・質量分析器
５１・・・・質量分析部
５２・・・・二次イオン検出部
【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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