(57)【要約】【課題】ｘｙ方向においても数百ｎｍオーダーを超える範囲で元素の分布を測定することのできる元素測定装置を提供する。【解決手段】観察用試料と、この観察用試料に対向して配置された引き出し電極および位置感知検出器とを含み、前記観察用試料が最長周期が１０μｍ以下の間隔をもって形成された表面凹凸を有する３次元元素測定装置、および観察用試料と、この観察用試料に対向して配置された引き出し電極および元素検出器とを含み、前記観察用試料が最長周期が１０μｍ以下の間隔をもって形成された表面凹凸を有する２次元元素測定装置。【選択図】　　　図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察用試料と、この観察用試料に対向して配置された引き出し電極および位置感知検出器とを含む３次元元素測定装置において、前記観察用試料が最長周期が１０μｍ以下の間隔をもって形成された表面凹凸を有することを特徴とする３次元元素測定装置。
【請求項２】
観察用試料と、この観察用試料に対向して配置された引き出し電極および位置感知検出器と、これらの引き出し電極および位置感知検出器をｘｙ方向に相対的に移動させる手段と、ｘｙ方向の各点での３次元元素測定情報を格納する情報蓄積手段と、ｘｙ方向の移動情報を格納する情報蓄積手段と、およびこれらの２つの情報からｘｙｚ方向の元素分布情報を再構築する手段とを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
観察用試料と、この観察用試料に対向して配置された引き出し電極および元素検出器とを含む元素測定装置において、前記観察用試料が最長周期が１０μｍ以下の間隔をもって形成された表面凹凸を有することを特徴とする２次元元素測定装置。
【請求項４】
観察用試料と、この観察用試料に対向して配置された引き出し電極および元素検出器と、これらの引き出し電極および元素検出器をｘｙ方向に相対的に移動させる手段と、ｘｙ方向の各点での２次元元素測定情報を格納する情報蓄積手段と、ｘｙ方向の移動情報を格納する情報蓄積手段と、およびこれらの２つの情報からｘｙ方向の元素分布情報を再構築する手段とを含む、請求項３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、元素測定装置に関する。特に、本発明は、多層薄膜またはバルク試料を構成する元素について、所望により０．１ｎｍのレベルで３次元の元素の配置を測定し、そのうちの１〜２次元に対しては１０〜１００ｎｍ以上のレベルで元素の配置を測定することのできる元素測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、０．１ｎｍのレベルで３次元の元素の配置を測定する装置として、図１に示す如き概念に基づく３次元アトムプローブ装置が存在する（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。しかしながら、かかる従来の装置では、先端の鋭い針状の試料に対してしか測定することができなかったり、あるいは例えば表面凹凸を有する他の形状の試料の測定をすることができても、ｘｙ方向が１０ｎｍ程度で、ｚ方向もせいぜい数百ｎｍオーダーの範囲でしか測定することができなかた。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−４３３７３号公報
【特許文献２】
特開２００２−４２７１５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の如き従来技術の問題点を解決し、ｘｙ方向においても数百ｎｍオーダーを超える範囲で元素の分布を測定することのできる元素測定装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、観察用試料と、この観察用試料に対向して配置された引き出し電極および位置感知検出器とを含む３次元元素測定装置において、前記観察用試料が最長周期が１０μｍ以下の間隔をもって形成された表面凹凸を有することを特徴とする３次元元素測定装置を提供する。
【０００６】
本発明は、また、観察用試料と、この観察用試料に対向して配置された引き出し電極および元素検出器とを含む元素測定装置において、前記観察用試料が最長周期が１０μｍ以下の間隔をもって形成された表面凹凸を有することを特徴とする２次元元素測定装置を提供する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る装置の好ましい態様においては、観察用試料の表面凹凸の間隔の最長周期は１０ｎｍ以下である。
【０００８】
本発明に係る装置において、観察用試料の表面凹凸は、試料作製後に、化学エッチング、イオンビームエッチング、レーザビームエッチング、電子ビームエッチングまたはプラズマガスを利用した物理エッチングまたは化学エッチングの手段により、人工的に形成されたものであるのが好ましい。
【０００９】
引き出し電極は、好ましくは７０μｍ２　以下、特に好ましくは７０ｎｍ２　以下の開口面積を有する中空の引き出し空間を有する。また、引き出し電極の引き出し空間はカーボンナノチューブの中空空間であってもよく、引き出し電極は複数個存在するのがよい。また、引き出し電極および位置感知検出器は、観察用試料に対して相対的にラスタースキャンまたはヘリカルスキャンの２次元走査されるのがよい。
【００１０】
さらに、本発明に係る３次元元素測定装置は、観察用試料と、この観察用試料に対向して配置された引き出し電極および位置感知検出器と、これらの引き出し電極および位置感知検出器をｘｙ方向に相対的に移動させる手段と、ｘｙ方向の各点での３次元元素測定情報を格納する情報蓄積手段と、ｘｙ方向の移動情報を格納する情報蓄積手段と、およびこれらの２つの情報からｘｙｚ方向の元素分布情報を再構築する手段とを含むのがよい。
【００１１】
また、本発明に係る２次元元素測定装置においては、観察用試料と、この観察用試料に対向して配置された引き出し電極および元素検出器と、これらの引き出し電極および元素検出器をｘｙ方向に相対的に移動させる手段と、ｘｙ方向の各点での２次元元素測定情報を格納する情報蓄積手段と、ｘｙ方向の移動情報を格納する情報蓄積手段と、およびこれらの２つの情報からｘｙ方向の元素分布情報を再構築する手段とを含むのがよい。
【００１２】
本発明を完成させるに至る検討の過程において、本発明者らは、多層薄膜やバルク試料に対してｘｙ方向についても数百ｎｍのオーダーの範囲で元素の配置を測定することを可能にするためには、観察すべき試料の表面に人工的に１０μｍ以下の最長周期の間隔で凹凸を形成し、個々の凸部から元素分布を測定し、その分布を再構築することが重要であり、そしてこれにより所望の範囲の元素分布を得ることができることを見出した。そして、そのための装置を得るためには、従来の元素測定装置において、
１．１０μｍ以下、特に好ましくは１０ｎｍ以下の最長周期からなる間隔の表面凹凸を形成する手段として、化学エッチングや物理エッチングの方法を用いること、
２．引き出し電極を複数配置すること、
３．ｘｙもしくはｘｙｚ方向のの元素分布情報を再構築する手段を形成すること、
等の改良を加えることが特に好ましいことを見出したものである。
【００１３】
これにより、従来においては不可能であった半導体中の注入不純物元素のｎｍレベルでの分布や、ゲート酸化膜界面での原子レベルの凹凸もしくは酸化膜内部の不純物元素やＨＤＤ用ＧＭＲ多層膜の元素分布の分布を的確に評価することが可能になったのである。
【００１４】
図２に本発明に係る３次元元素測定装置の概念図を示す。試料１の表面に前述した如き手段により、人工的に１０μｍ以下の最長周期からなる間隔の表面凹凸２を形成する。そして、この試料表面に対向して配置された引き出し電極３と位置感知検出器４とを試料に対して平行にｘおよびｙ方向に相対的に走査して個々の凸部から元素分布を測定し、その分布を再構築することにより、３次元の元素の分布を測定する。この場合、試料表面に対向して、引き出し電極３および位置感知検出器４を複数個配置してもよく、これによりさらにｘｙ方向の測定範囲の拡大もしくはその測定の効率化を図ることができる。
【００１５】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明をさらに説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
【００１６】
実施例１
不純物であるＢを１Ｅ１４個／ｃｍ２　注入したＳｉ基板について、注入の奥行き方向に断面を鏡面研磨法により作成した。本断面に対し、真空蒸着法により平均５ｎｍΦの島状Ｔａ５を１Ｅ４個／μｍ２　の密度で形成した（図３）。次いで、ＫＯＨ水溶液（質量比１：１）による異方性エッチングによりＴａをマスクとして、約１０ｎｍの周期の間隔で、整列させずにランダムに突起部２を形成した（図４）。本試料を走査型３次元アトムプローブ装置に導入することにより３次元元素測定を行った。ここで用いた走査型３次元アトムプローブ装置の引き出し電極部は８μｍの直径のコーン状中空を有し、コーン状中空電極部の底部のＷ電極部分の直径は５μｍΦであった。この５μｍΦの中空部分を塞ぐように厚さ１００ｎｍのＮｉ薄膜を取り付けた。このＮｉ薄膜の中央部には、ＦＩＢ加工により５０ｎｍΦの孔が形成されていた。
【００１７】
上記により、５００ｎｍ×５００ｎｍ×１０ｎｍの範囲でＳｉ基板試料中のＢの３次元分布を評価することができた。
【００１８】
実施例２
実施例１で用いたのと同じ不純物Ｂを１Ｅ１４個／ｃｍ２　注入したＳｉ基板について、同様に断面を作成した。本断面に対し、ＦＩＢ装置６により２０ｎｍの間隔でｘｙ方向に溝７を形成し（図５）、溝間に凸状部分２を形成した（図６）。本試料を、実施例１で用いたのと同じ走査型３次元アトムプローブ装置に導入することにより３次元元素測定を行った。
【００１９】
その結果、実施例１と同様の範囲で試料中のＢの３次元分布を評価することができた。
【００２０】
実施例３
実施例１で使用したのと同じ不純物Ｂを１Ｅ１４個／ｃｍ２　注入したＳｉ基板について、同様に断面を作成した。本断面に対し、電子ビーム照射装置８により２０ｎｍ間隔でｘｙ方向に溝７を形成し（図７）、溝間に凸状部分２を形成した（図８）。本試料を、実施例１で用いたのと同じ走査型３次元アトムプローブ装置に導入することにより３次元元素測定を行った。
【００２１】
その結果、実施例１と同様の範囲で試料中のＢの３次元分布を評価することができた。
【００２２】
実施例４
実施例１で用いたのと同じ走査型３次元アトムプローブ装置の引き出し電極部３のＷ電極部分に取り付けたＮｉ薄膜の中央部の５０ｎｍΦの孔に、直径４０ｎｍのカーボンナノチューブ（長さ１００ｎｍ）を取り付けた。この装置を用い、実施例１で用いたのと同じ試料について測定を行った結果、実施例１と同様に、５００ｎｍ×５００ｎｍ×１０ｎｍの範囲でＳｉ基板試料中のＢの３次元分布を評価することができた（図９）。
【００２３】
実施例５
実施例１で用いたのと同じ試料について、実施例１で用いたのと同じ走査型３次元アトムプローブ装置のＮｉ薄膜を取り付けた引き出し電極部を、走査方向（ｘｙ）に対し、斜めに４個形成した装置を用いて、実施例１と同様の測定を行った。
【００２４】
その結果、実施例１と同じ５００ｎｍ×５００ｎｍ×１０ｎｍの範囲のＳｉ基板試料中のＢの３次元分布の評価を、実施例１の場合の４倍の処理速度で行うことができた。
【００２５】
実施例６
実施例１で述べた評価において、引き出し電極部から検出したＳｉとＢの情報を中央演算装置に送り、第一の情報を格納する第一の情報蓄積装置（メモリー領域）に格納した。次に、ｘｙ方向の移動に関する情報をを中央演算装置に送り、第二の情報を格納する第二の情報蓄積装置（メモリー領域）に格納した。測定終了後、第一と第二の情報蓄積装置（メモリー領域）より、データを中央演算装置に送り、２つの情報からｘｙｚの元素分布情報を再構築した。これにより、再現性良く３次元元素測定を行うことができた（図１０）。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、多層薄膜やバルク試料について、３次元もしくは２次元方向の元素の分布を広範囲で効率的に測定することができる。
【００２７】
（付記）
以上に説明した本発明の特徴を種々の実施態様とともに付記すれば、次のとおりである。
【００２８】
（付記１）　観察用試料と、この観察用試料に対向して配置された引き出し電極および位置感知検出器とを含む３次元元素測定装置において、前記観察用試料が最長周期が１０μｍ以下の間隔をもって形成された表面凹凸を有することを特徴とする３次元元素測定装置。
【００２９】
（付記２）　観察用試料の表面凹凸の間隔の最長周期が１０ｎｍ以下である、付記１に記載の装置。
【００３０】
（付記３）　観察用試料の表面凹凸が、試料作製後に、人工的に形成されたものである、付記１または２に記載の装置。
【００３１】
（付記４）　観察用試料の表面凹凸が、試料作製後に、化学エッチングにより形成されたものである、付記３に記載の装置。
【００３２】
（付記５）　観察用試料の表面凹凸が、試料作製後に、イオンビームエッチングにより形成されたものである、付記３に記載の装置。
【００３３】
（付記６）　観察用試料の表面凹凸が、試料作製後に、レーザビームエッチングにより形成されたものである、付記３に記載の装置。
【００３４】
（付記７）　観察用試料の表面凹凸が、試料作製後に、電子ビームエッチングにより形成されたものである、付記３に記載の装置。
【００３５】
（付記８）　観察用試料の表面凹凸が、試料作製後に、プラズマガスを利用した物理エッチングまたは化学エッチングにより形成されたものである、付記３に記載の装置。
【００３６】
（付記９）　引き出し電極が７０μｍ２　以下の開口面積を有する中空の引き出し空間を有する、付記１〜８のいずれかに記載の装置。
【００３７】
（付記１０）　引き出し電極の引き出し空間の開口面積が７０ｎｍ２　以下である、付記９に記載の装置。
【００３８】
（付記１１）　引き出し電極の引き出し空間がカーボンナノチューブの中空空間である、付記９または１０に記載の装置。
【００３９】
（付記１２）　引き出し電極が複数個存在する、付記１〜１１のいずれかに記載の装置。
【００４０】
（付記１３）　引き出し電極および位置感知検出器が、観察用試料に対して相対的にラスタースキャンまたはヘリカルスキャンの２次元走査される、付記１〜１２のいずれかに記載の装置。
【００４１】
（付記１４）　観察用試料と、この観察用試料に対向して配置された引き出し電極および位置感知検出器と、これらの引き出し電極および位置感知検出器をｘｙ方向に相対的に移動させる手段と、ｘｙ方向の各点での３次元元素測定情報を格納する情報蓄積手段と、ｘｙ方向の移動情報を格納する情報蓄積手段と、およびこれらの２つの情報からｘｙｚ方向の元素分布情報を再構築する手段とを含む、付記１に記載の装置。
【００４２】
（付記１５）　観察用試料と、この観察用試料に対向して配置された引き出し電極および元素検出器とを含む元素測定装置において、前記観察用試料が最長周期が１０μｍ以下の間隔をもって形成された表面凹凸を有することを特徴とする２次元元素測定装置。
【００４３】
（付記１６）　観察用試料の表面凹凸の間隔の最長周期が１０ｎｍ以下である、付記１５に記載の装置。
【００４４】
（付記１７）　観察用試料の表面凹凸が、試料作製後に、人工的に形成されたものである、付記１５または１６に記載の装置。
【００４５】
（付記１８）　観察用試料の表面凹凸が、試料作製後に、化学エッチングにより形成されたものである、付記１７に記載の装置。
【００４６】
（付記１９）　観察用試料の表面凹凸が、試料作製後に、イオンビームエッチングにより形成されたものである、付記１７に記載の装置。
【００４７】
（付記２０）　観察用試料の表面凹凸が、試料作製後に、レーザビームエッチングにより形成されたものである、付記１７に記載の装置。
【００４８】
（付記２１）　観察用試料の表面凹凸が、試料作製後に、電子ビームエッチングにより形成されたものである、付記１７に記載の装置。
【００４９】
（付記２２）　観察用試料の表面凹凸が、試料作製後に、プラズマガスを利用した物理エッチングまたは化学エッチングにより形成されたものである、付記１７に記載の装置。
【００５０】
（付記２３）　引き出し電極が７０μｍ２　以下の開口面積を有する中空の引き出し空間を有する、付記１５〜２２のいずれかに記載の装置。
【００５１】
（付記２４）　引き出し電極の引き出し空間の開口面積が７０ｎｍ２　以下である、付記２３に記載の装置。
【００５２】
（付記２５）　引き出し電極の引き出し空間がカーボンナノチューブの中空空間である、付記２３または２４に記載の装置。
【００５３】
（付記２６）　引き出し電極が複数個存在する、付記１５〜２５のいずれかに記載の装置。
【００５４】
（付記２７）　引き出し電極および位置感応性検出器が、観察用試料に対して相対的にラスタースキャンまたはヘリカルスキャンの２次元走査される、付記１５〜２６のいずれかに記載の装置。
【００５５】
（付記２８）　観察用試料と、この観察用試料に対向して配置された引き出し電極および元素検出器と、これらの引き出し電極および元素検出器をｘｙ方向に相対的に移動させる手段と、ｘｙ方向の各点での２次元元素測定情報を格納する情報蓄積手段と、ｘｙ方向の移動情報を格納する情報蓄積手段と、およびこれらの２つの情報からｘｙ方向の元素分布情報を再構築する手段とを含む、付記１５に記載の装置。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の３次元元素測定装置の概念図。
【図２】本発明に係る３次元元素測定装置の概念図。
【図３】実施例における１工程の説明図。
【図４】実施例における他の１工程の説明図。
【図５】実施例における他の１工程の説明図。
【図６】実施例における他の１工程の説明図。
【図７】実施例における他の１工程の説明図。
【図８】実施例における他の１工程の説明図。
【図９】実施例における他の１工程の説明図。
【図１０】本発明に係る３次元元素測定装置の一態様を示す模式図。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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