(57)【要約】【課題】試料深部の元素濃度測定を効率的に且つ高精度で行う元素濃度測定方法を提供する。【解決手段】ＧＤＳによって試料表面から所定深さまで研削し、その研削した深さより深部はＳＩＭＳにより元素濃度を測定する。試料上層はＧＤＳにより効率的に分析及び研削し、試料深部の微細構造部分についてはＳＩＭＳにより微量元素濃度の深さ方向分布を精密に行うことができる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧＤＳ（グロー放電発光分析法）によって試料表面から所定深さまで研削し、その研削した深さより深部はＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）により元素濃度を測定することを特徴とする元素濃度測定方法。
【請求項２】
前記ＧＤＳによる分析痕底部にＳＩＭＳを適用することを特徴とする請求項１記載の元素濃度測定方法。
【請求項３】
第一段階として、ＧＤＳにより試料の表面から深さ方向に時間的に連続して元素濃度を測定し、その測定開始から測定値に顕著な変化が現れるまでの時間を深部到達の実績時間として求め、第二段階として、ＧＤＳにより試料表面から深さ方向に前記実績時間を超えない時間まで研削を行い、次いで、その研削箇所からＳＩＭＳを行うことを特徴とする請求項１又は２記載の元素濃度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料の元素濃度を測定する方法に係り、特に、試料深部の元素濃度測定を効率的に且つ高精度で行う元素濃度測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン及び多元素の化合物半導体材料を用いた発光素子、受光素子、電気信号増幅素子等の各種素子の素子構造を評価する目的で、元素濃度測定（元素濃度分析ともいう）が行われる。
【０００３】
詳細に元素濃度分析を行う必要がある主構造部分の上部に他の厚膜層がある場合、従来は、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）分析で表面（＝上部）からの深さ方向の元素濃度（元素濃度分布）を分析していき、主構造部分である所望の深さ部分の元素濃度を分析するか、もしくは、化学的エッチング法、機械的研磨法等によって上部の厚膜層部分の研削を行い、その後、ＳＩＭＳによって所望の深さ部分の元素濃度を分析するか、のいずれかの方法が用いられてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前者の方法を用いた場合、ＳＩＭＳにおけるスパッタリングレート（穴を掘っていく速さ；スパッタ・レートともいう）が非常に遅いため、所望の深さ部分に到達するまでに非常に長い時間がかかってしまうという問題がある。
【０００５】
詳しく述べると、ＳＩＭＳ等の表面分析方法では、深さ方向の分解能を上げるためには、一次イオンのエネルギ及び電流値を下げる必要がある。この手法により、表面微細構造について、ナノメータ領域の高い深さ分解能で元素濃度の深さ方向分布を測定することが可能になる。しかし、必然的にスパッタ・レートの低下を招く。従って、分析が必要とされる微細構造が試料深部に存在する場合は、分析不必要な上部層の分析に無駄な時間が多くかかる。例えば、１ｎｍ／ｓｅｃ．のスパッタ・レートで合計厚さ１μｍの微細構造部分をＳＩＭＳ分析する分析時間は１０００秒、即ち、約１７分必要とされる。しかし、この微細構造部分の上部に１０μｍの分析不必要な厚膜層が存在すると、この厚膜層部分を含めて約１８０分、即ち、３時間の分析時間がかかり、非能率であり、定常的に分析することは現実的でない。
【０００６】
また、前者の方法を用いた場合、ＳＩＭＳ分析痕（クレータ）が深くなるに従って、壁面からの雑音信号混入の度合いが大きくなり、試料深部にある微細構造領域での正確な元素濃度分布測定は非常に困難である。
【０００７】
後者の方法を用いた場合、これらの研削方法では、実時間的に正確な研削量（深さ）を測定することができないために、必要量の膜厚研削をコントロールすることが困難である。また、この方法を用いた場合、元素濃度分析に必要な面積だけでなく、試料全面が研削されてしまうために、原理的に非能率といえる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、試料深部の元素濃度測定を効率的に且つ高精度で行う元素濃度測定方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、ＧＤＳによって試料表面から所定深さまで研削し、その研削した深さより深部はＳＩＭＳにより元素濃度を測定するものである。
【００１０】
前記ＧＤＳによる分析痕底部にＳＩＭＳを適用してもよい。
【００１１】
第一段階として、ＧＤＳにより試料の表面から深さ方向に時間的に連続して元素濃度を測定し、その測定開始から測定値に顕著な変化が現れるまでの時間を深部到達の実績時間として求め、第二段階として、ＧＤＳにより試料表面から深さ方向に前記実績時間を超えない時間まで研削を行い、次いで、その研削箇所からＳＩＭＳを行ってもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１３】
図１は、横軸に試料の表面に沿った方向の位置をとり、縦軸に深さ方向の位置をとり、本発明により試料に形成された段差の計測結果を示したものである。即ち、ＧＤＳ分析痕の断面図である。図示されるように、本発明に係る元素濃度測定方法は、ＧＤＳによって試料表面１から所定深さまで研削して穴（ＧＤＳ分析痕）２を開け、その後、その穴の底３からＳＩＭＳを行うことで、ＧＤＳにより研削した深さより深部の元素濃度深さ方向分布を測定するものである。この例では、表面からの深さが約１０μｍ、開口幅が約６ｍｍのＧＤＳ分析痕２が形成されており、そのＧＤＳ分析痕底部３のうちほぼ中央を占める約１．５乃至２ｍｍ幅の平坦部４がＳＩＭＳの適用箇所になる。これらの数値は、実例として示したもので、本発明を限定するものではない。
【００１４】
本発明は、ＧＤＳ分析、ＳＩＭＳ分析という従来は単独で遂行されていた異なる分析手法を効果的に組み合わせたものであり、試料上部の厚膜層はＧＤＳにより効率的に分析及び研削し、試料深部の微細構造部分についてはＳＩＭＳにより微量元素濃度の深さ方向分布を精密に行うものである。詳細な手順は、次のようになる。
【００１５】
ＧＤＳによって試料表面から所定の深さまで元素分析することによって、直径約４〜６ｍｍの分析痕（クレータ）が出現する。本出願人は、この分析痕の底部の中心部が十分に平坦であるため、この底面からＳＩＭＳを行うことが可能であることを見出だした。即ち、ＳＩＭＳの分析痕は、一般に５００μｍ角以内であるため、ＧＤＳを行った同一箇所において、引き続いてＳＩＭＳを適用することが可能である。これにより、試料深部の深さ方向元素分析を精密に行うことができる。
【００１６】
ここで、ＧＤＳについて説明する。ＧＤＳ（グロー放電発光分析法）は、主に金属分析分野でバルク材料の元素分析法として使用されている。測定試料は、グリム型ランプに装着され、陰極として構成される。低圧のアルゴンガスを流し、高電圧をかけてグロー放電を起こし、この放電光を分光器によりスペクトル分析することで元素分析を行う。図示例のように、直径約４〜６ｍｍの分析痕は周辺部で凹凸が発生し、この分析痕全体からの発光を分析するために、一般に、深さ分解能は０．１μｍが限界であり、薄膜分析には適していないと認知されている。しかし、イオン、レーザ光等をプローブとする分析法と比較して、放電分析であるため、約０．１マイクロメートル／秒の高速スパッタ・レートを得ることができる。ＧＤＳの分析痕底部に着目してみると、周辺部は凹凸が発生するが、中心部は一様性がある。
【００１７】
このようなＧＤＳの特性を利用し、ＧＤＳを厚膜部分に適用し、その後、分析痕中心部からＳＩＭＳを行うことにより、短時間で厚膜部分を研削し、試料深部では詳細な分析を行うことができる。
【００１８】
ＧＤＳによる研削の深さは、スパッタ時間から逆算した到達研削深さでＧＤＳを終了することでコントロールできる。このために、前もってＧＤＳのスパッタ時間確認測定（後述する第一段階）を行うとよい。
【００１９】
次に、具体的な試験試料を用いた手順及び結果を説明する。
【００２０】
試験試料の構造を図２に示す。この試料は、２インチ（１インチは２．５４×１０−２ｍ）厚のＧａＡｓ基板２１上に、各５０ｎｍ厚のＧａＩｎＰ層２２及びＡｌＩｎＰ層２３が交互に１２ペア積層され、その上部に約１４μｍ厚のＧａＰ層２４（厚膜ともいう）が作成されている。ＡｌＩｎＰ層２３には、Ｓｉが１×１０１７／ｃｍ３　の濃度でドープされている。ＧａＩｎＰ層２２及びＡｌＩｎＰ層２３の積層部分を微細構造層２５或いは多層膜と呼ぶ。
【００２１】
第一段階の測定として、ＧＤＳのスパッタ時間確認測定を行う。図３は、試料表面、即ち、ＧａＰ層２４からＧａＡｓ基板２１まで時間的に連続してＧＤＳ分析を行ったときのスパッタ時間対ＧＤＳ信号強度のデータである。ＧＤＳ信号強度の単位ａ．ｕ．は、ａｒｂｉｔａｒｙ　ｕｎｉｔである。図示のように、約１０分のところでＧＤＳ信号強度が顕著に減少し、約１２．５分のところでＧＤＳ信号強度が顕著に増加している。この分析データでは、上部厚膜層であるＧａＰ層２４と深部にある微細構造層２５との分離は明確に判別できるが、微細構造層２５の内部の詳細については情報を得ることができない。
【００２２】
第二段階の測定として、第一段階に用いた試料の隣接部（ＧＤＳを施していない新規な箇所）または同一構造の２個目の試料に対し、第一段階のＧＤＳと同一のスパッタ条件で分析を開始する。図４に示されるように、分析開始後しばらくは第一段階のときと同様のＧＤＳ信号強度が得られる。第二段階では、矢印で示したＧＤＳ分析終了点でＧＤＳを終了する。このＧＤＳ分析終了点は、第一段階において、ＧＤＳ信号強度が顕著に変化した時間、即ち、深部到達の実績時間に基づいており、例えば、図２のように約１４μｍ厚のＧａＰ層２４が上部にある場合、試料表面から１３μｍの深さまで研削が進んだと思われる時間である。従って、このＧＤＳ分析終了点でＧＤＳを終了すると、ＧＤＳ分析痕２の底部は、微細構造層２５には食い込んでいないが、微細構造層２５まであと僅かの深さにある。
【００２３】
このように、第二段階では、第一段階で計測した深部到達の実績時間より若干短い時間のＧＤＳ実施により、ＧａＰ層２４が約１３μｍ研削されたことになる。このＧＤＳによる分析痕の段差は、図１に示した形状になる。そこで、分析痕底部３の中心の平坦部４を基点（ＳＩＭＳ開始点）としてＳＩＭＳを行う。図４の時間軸におけるＧＤＳ分析終了点に対応する深さ方向における位置がＳＩＭＳ開始点となる。
【００２４】
図５に、第二段階のＳＩＭＳの結果を示す。横軸はＳＩＭＳ開始点からの深さであり、縦軸は二次イオンカウント数である。Ａｌについての二次イオンカウント数（Ａｌ信号強度）とＳｉについての二次イオンカウント数（Ｓｉ信号強度）とが記入されている。これらの数値の深さ方向分布を見ると、約１μｍの深さまでＡｌ及びＳｉの値は非常に小さく、約１μｍの深さからはＡｌ及びＳｉの値が大きい区間とＡｌ及びＳｉの値が小さい区間とが交互に現れ、約２．２μｍの深さからはＳｉの値が大きくなり、Ａｌの値は非常に小さくなっている。この分布と図３、図４のＧＤＳ分析結果とから研削及び分析の様子を推量すると、初期膜厚１４μｍのＧａＰ層２４がＧＤＳによって約１３μｍ研削されて残膜厚約１μｍになり、その後、１２ペアのＧａＩｎＰ層２２及びＡｌＩｎＰ層２３からなる微細構造層２５が分析され、ＧａＡｓ基板２１に至ったことが判明できる。図５より、微細構造層２５の詳細構造が明確になる。
【００２５】
ＳＩＭＳでは、ＡｌとＳｉの濃度を同時に測定している。Ａｌについての二次イオンカウント数を見ると、数値の高いところと数値の低いところとが交互に出現しており、その間隔が５０ｎｍであることから、ＧａＩｎＰ／ＡｌＩｎＰ微細構造層が明確にトレースされていることが分かる。また、Ｓｉについての二次イオンカウント数を見ると、ＡｌＩｎＰ層２３に約１×１０１７／ｃｍ３　でドープしたＳｉの深さ方向分布が明確にトレースされていることが分かる。
【００２６】
比較のために、試料表面からＳＩＭＳのみで掘り進みながら分析を行った場合の測定結果を図６に示す。この結果では、５０ｎｍ毎の極大値のカウント数が図５よりも小さく、極小値のカウント数が図５よりも大きく、波形に顕著な特徴がないので、ＧａＩｎＰ／ＡｌＩｎＰ微細構造層のプロファイルが曖昧になっていることが分かる。
【００２７】
以上説明したように、ＧＤＳは、深さ方向分解能が０．１μｍ前後に限られているために、ナノメータ領域での微細構造分析に適していない。しかし、ＧＤＳ分析痕の中心部形状は、ＳＩＭＳを行う上で十分な一様性があるため、この分析痕からＳＩＭＳを始めることで、微細構造上部の厚膜部分を効率良く研削し、かつ深部の微細構造部は詳細な元素濃度深さ方向分布を分析することができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００２９】
（１）試料上層はＧＤＳにより効率的に分析及び研削し、試料深部の微細構造部分についてはＳＩＭＳにより微量元素濃度の深さ方向分布を精密に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すＧＤＳ分析痕の断面図である。
【図２】本発明をテストした試験試料の断面構造図である。
【図３】本発明の第一段階のＧＤＳによる分析結果の図である。
【図４】本発明の第二段階のＧＤＳによる分析結果の図である。
【図５】本発明の第二段階のＳＩＭＳによる分析結果の図である。
【図６】試料表面から始めたＳＩＭＳによる分析結果の図である。
【符号の説明】
１　試料表面
２　穴（ＧＤＳ分析痕）
３　ＧＤＳ分析痕底部
４　平坦部
【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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【図６】
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