(57)【要約】【課題】本願課題は、微小領域の深さ方向の元素濃度分布を良好に分析する方法を提供することである。【解決手段】本発明は、試料に含まれる元素を分析する方法を提供する。本方法は、前記試料の分析対象領域周囲の少なくとも一部に、アルカリまたはアルカリ土類金属元素を含むアルカリ領域を形成するステップと、前記分析対象領域に１次イオンを照射するステップと、前記分析対象領域から放出される２次イオンを質量分析するステップより成る方法である。【選択図】　　図１
2004053533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に含まれる元素を分析する方法であって、
前記試料の分析対象領域周囲の少なくとも一部に、アルカリまたはアルカリ土類金属元素を含むアルカリ領域を形成するステップと、
前記分析対象領域に１次イオンを照射するステップと、
前記分析対象領域から放出される２次イオンを質量分析するステップ
より成ることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記アルカリ領域が、アルカリ又はアルカリ土類金属元素のイオン・ビームを照射することによって形成されることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、前記アルカリ領域を形成する元素と、前記１次イオンを形成する元素とが同一であることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法において、前記１次イオンが、アルカリ金属元素より成ることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１記載の方法において、前記２次イオンが、負の単原子イオンより成ることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に試料に含まれる微量不純物を分析する技術分野に関し、特に２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：　Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｉｏｎ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体等の試料に含まれる不純物は、汚染物として混入するだけでなく、ドーパントのようにデバイスの特性を決定するので、デバイスの設計および評価において不純物の分析は非常に重要なものである。特に、２次イオン質量分析法は、スパッタリング現象を利用することにより、試料の深さ方向の元素分析を行い得る点で有利な手法である。
【０００３】
２次イオン質量分析の手法を概説するに、まず、試料に高エネルギのイオン・ビーム（１次イオン・ビーム）を照射する。試料中の原子分子と照射イオンとの間でエネルギ交換が起こり、試料の原子配列に乱れが生じたミキシング層が形成される。すなわち、ミキシング層ではイオン照射によるスパッタリング現象が起こり、様々なイオンや電子のような荷電粒子、中性粒子、Ｘ線等がミキシング層から放出される。放出される様々なイオン（２次イオン）のうち、分析対象となる特定のイオンの追跡は、放出されたイオンを質量分析することによって行われる。スパッタリング現象によって試料は徐々にエッチングされるので、試料から放出される（分析対象の）イオン強度は、時間とともに変化する量として得られる。その時間とエッチングされた量（深さ）の関係を利用すれば、深さ方向におけるイオン強度、すなわち深さ方向における所望の元素濃度を求めることが可能になる。
【０００４】
ところで、近年のデバイスの高速化や高機能化に伴って、分析の対象となる領域も微細化し、より狭い領域、より浅い領域、より薄い領域等を分析する必要性が生じている。このため、スパッタリングによるエッチング・レート（深さピッチ）を小さくして、いわゆる深さ分解能を向上させる必要がある。これを行う直接的な方法は、１次イオンの加速エネルギを小さくして、ミキシング層の厚さを薄くすることである。
【０００５】
しかしながら、加速エネルギを小さくすると、ミキシング層内で交換されるエネルギも小さくなるので、放出される２次イオンの強度も小さくなり、分析するのに充分な２次イオン強度（充分な感度）が得られなくなるという問題が生じる。
【０００６】
検出２次イオン種（分子イオン等）によっては、試料に垂直な面に対する１次イオンの照射角度を大きくすると、２次イオン強度も大きくなる傾向があるので、１次イオンの照射角度を大きくすることによって、感度を確保することも考えられる。
【０００７】
しかし、この手法で充分な感度を得るには大きな照射角度を要するところ（例えば、６０度以上）、そのように照射角度を大きくすると、エッチングされる表面の粗さも大きくなってしまう。表面の粗さは、エッチングされた量（深さ）の測定値の精度を悪化させるので、所望の元素濃度分布の深さ方向の分解能を劣化させてしまう問題が生じる。さりとて、表面の粗さが充分に小さくなるような角度で１次イオンを照射すると、２次イオンの感度が不足することになってしまう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本願の一般的課題は、微小領域の深さ方向の元素濃度分布を良好に分析することを可能にする方法を提供することである。
【０００９】
本願の具体的課題は、試料に照射する１次イオン・ビームが低エネルギであっても、充分な感度および深さ分解能を得ることを可能にする２次イオン質量分析方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による解決手段によれば、
試料に含まれる元素を分析する方法であって、
前記試料の分析対象領域周囲の少なくとも一部に、アルカリまたはアルカリ土類金属元素を含むアルカリ領域を形成するステップと、
前記分析対象領域に１次イオンを照射するステップと、
前記分析対象領域から放出される２次イオンを質量分析するステップ
より成ることを特徴とする方法が、提供される。
【００１１】
【作用】
本発明の基礎となる研究過程において、本願発明者は、２次イオン質量分析法において、分析の対象となる領域（分析対象領域）の周囲にアルカリ元素（又はアルカリ土類元素）を存在させ、その後に分析対象領域に１次イオンを照射すると、そのようなアルカリ元素を存在させなかった場合に比べて、２次イオンの検出感度が増加することを見出した。これは、１次イオンの照射される領域の近傍にアルカリ元素（又はアルカリ土類元素）が存在することによって、表面の仕事関数が変化し、負の２次イオン（負の単原子イオン）の出現確率を上昇させるためであると推察される。このような原理は、アルカリ元素またはアルカリ土類元素を分析対象領域の周囲に存在させて負の２次イオンを放出させる場合に広く適用され得るが、本発明は、特にアルカリ元素を周囲に存在させて、負の単原子イオンを２次イオンとして検出する場合に有利である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による分析方法の原理を説明するための各段階を示す。図１（Ａ）に示す段階では、分析用の試料１０２が準備される。説明の便宜上、この試料は、シリコン（Ｓｉ）より成り、所定の深さの領域にアンチモン（Ｓｂ）１０４が注入されているものとする。
【００１３】
図１（Ｂ）に示す段階では、図２に示すように、分析の対象となる検出領域（分析対象領域）１１０の周囲を包囲する溝１０６（アルカリ領域）が形成され、この溝１０６の中にはセシウム１０８が存在している。セシウム１０８の存在する溝１０６は、検出領域１１０の周囲にのみセシウムのイオン・ビームを照射することによって形成することが可能である。セシウムのイオン・ビームの照射時間および強度に依存して、溝の深さを調整することも可能であるが、この図１（Ｂ）の段階で重要なことは、検出領域１１０の近傍にセシウム１０８が存在する状態を作ることである。一般に、１次イオン・ビームの照射によるセシウムの注入量および残量（または放出量）は、所定の時間が経過するとほぼ一定になり、加速エネルギによって注入量も制御できる。なお、この段階では、検出領域１１０にセシウムを照射しない点に留意を要する。
【００１４】
図１（Ｃ）に示す段階では、１次イオン・ビームとしてセシウムのイオン・ビームが照射される。照射角度は、検出領域１１０に垂直な面に対して所定の角度の範囲内で行われる。所定の角度の範囲は、１次イオンの照射に起因する表面荒れ（検出領域の表面１１２の粗さ）が充分小さくなるように選択され、例えば０から６０度である。また、照射エネルギは、深さ分解能を向上させるために、例えば０．５ｋｅＶのような充分に低いエネルギが選択される。言い換えれば、このエネルギは、従来の２次イオン質量分析法では、所望の元素（ここではアンチモン）に対して充分な感度の２次イオンが得られない程度に低いエネルギである。
【００１５】
１次イオン・ビームが照射されることにより、検出領域１１０の表面において、エネルギ交換が行われ、原子配列に乱れが生じてミキシング層が形成され、２次イオンが放出される。この段階では、シリコン、散乱したセシウム、電子、Ｘ線等が放出される。一方、２次イオンの放出と共に、検出領域１１０は、スパッタリングにより徐々にエッチングされる。
【００１６】
なお、セシウムのイオン・ビームを照射するのは、アンチモンの負の２次イオンを発生させるためである。２次イオン質量分析法で使用される１次イオンは、試料から効率良く２次イオンを放出させるものが選択され、一般に、負の２次イオンを発生させるためにセシウム（Ｃｓ＋）が、正の２次イオンを発生させるために酸素（Ｏ２＋）が使用される。
【００１７】
図１（Ｄ）に示す段階では、スパッタリングによるエッチングが、アンチモンの導入された領域１０４に達した様子を示す。この場合に放出される２次イオンの中には、所望のアンチモンの２次イオン（Ｓｂ−）が含まれている。上述したようにセシウムの照射エネルギは低いが、従来とは異なり、本発明によればアンチモンの２次イオンが大きな感度で得られる。これは、検出領域１１０の周囲に予め形成した溝１０６内にアルカリ元素（セシウム）が存在することによって、検出領域１１０表面に関する仕事関数の値が変化し、負の２次イオンの生じる確率を上昇させるからであると推察される。
【００１８】
図１（Ｅ）に示す段階では、更にエッチングが進行し、アンチモンの導入された領域１０４の下側に達して、１次イオン・ビームの照射を終了した様子を示す。図１（Ｃ）および（Ｄ）に示す段階で測定される２次イオン強度は、時間の関数として得られる。図１（Ｅ）に示す段階における最終的なエッチング量（深さ）ｄを測定し、時間を深さに換算することにより、２次イオン強度と深さの関係を導出することができる。この例では、試料中のアンチモンの深さ方向における濃度分布を得ることが可能になる。
【００１９】
図３は、分子線エピタキシ（ＭＢＥ：　Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）によってシリコンにアンチモンを５×１０１３ｃｍ−２の濃度でδドープした試料の断面構造を示す。この試料に対して、本発明による２次イオン質量分析を行った。比較のために、従来の２次イオン質量分析も行った。検出領域周囲に準備するアルカリ元素および１次イオンのための元素は、共にセシウムを使用した。セシウムのイオン・ビームは、０．５ｋｅＶの低加速エネルギで４５度の入射角度で照射した。セシウムの場合、０から６０度の範囲内の照射角度であれば、表面荒れが充分に小さい。１次イオン・ビームの照射に起因して放出されるアンチモンの２次イオン（Ｓｂ−）の強度を測定することによって、試料中のアンチモンの深さ方向の濃度分布を求めた。
【００２０】
図４は、アンチモンの深さ方向の濃度分布を示す。検出領域の周囲に事前にセシウムを照射しない従来の手法では、グラフ４０２に示されるように、２次イオン強度が低く、濃度分布も明確ではない。これに対して、検出領域の周囲に事前にセシウムを照射した本発明による手法では、グラフ４０４に示されるように、２次イオン強度が約２桁（１００倍）も向上している。５ｎｍ毎に形成された６つのアンチモンのδドープ層に対応して、５ｎｍ毎に６つのピークが顕著に生じており、明確な濃度分布が得られている。
【００２１】
本実施例では、セシウムのイオン・ビームを照射することによって、検出領域周囲にセシウムを存在させたが、蒸着や塗布のような他の手法で存在させることも可能である。１次イオン・ビームが照射される領域の周辺に、アルカリ元素が存在していればよいからである。ただし、本実施例のようにイオン・ビームの照射によってアルカリ元素を存在させると、同一の装置内で、アルカリ元素の準備（図１（Ｂ））と１次イオン・ビーム照射（図１（Ｃ），（Ｄ））を行い得るので、簡易に実現することができる。
【００２２】
また、検出領域周囲に準備するアルカリ元素と１次イオン・ビームとして照射するための元素は、必ずしも同一でなくても良い。しかし、本実施例のように、共通する元素（例えばセシウム）を利用すると、より簡易に実現することが可能になる。この場合において、照射するエネルギも共通にすることが可能である。そうすると、イオン・ビームを照射する場所を、単に、検出領域１１０の周囲１０６から検出領域１１０へ変更することによって、両工程を実行することが可能になる。
【００２３】
以上本願実施例によれば、分析対象領域周囲にアルカリ金属等を含むアルカリ領域を形成した後に、１次イオンを照射するので、２次イオンの放出強度が増加し、深さ方向の元素濃度分布を良好に分析することが可能になる。２次イオンの放出強度が増加するので、１次イオンの照射エネルギを従来よりも低くすることが可能になる。その結果、１次イオン・ビームが低エネルギで照射されても、充分な感度および深さ分解能を得ることが可能になる。
【００２４】
本願実施例によれば、アルカリ領域を形成するステップが、次のステップと同様なイオン・ビーム照射により行われるので、これらのステップを同一装置内で簡易に実行することが可能になる。
【００２５】
本願実施例によれば、アルカリ領域の形成および１次イオン・ビームの照射が同一元素を利用して行われるので、アルカリ領域の形成および１次イオン・ビーム照射が同一装置内で実行可能なことに加えて、例えば、単に照射領域を変更することによって、これらのステップを簡易に実行することが可能になる。
【００２６】
検出される負の２次イオンとして、ＩＩＩ族やＶ族元素のようなドーパント元素を選択することができるので、本発明は、半導体材料の深さ方向の不純物濃度を有利に測定することが可能になる。
【００２７】
以下、本発明により教示される手段を列挙する。
【００２８】
（付記１）　試料に含まれる元素を分析する方法であって、
前記試料の分析対象領域周囲の少なくとも一部に、アルカリまたはアルカリ土類金属元素を含むアルカリ領域を形成するステップと、
前記分析対象領域に１次イオンを照射するステップと、
前記分析対象領域から放出される２次イオンを質量分析するステップ
より成ることを特徴とする方法。
【００２９】
（付記２）　付記１記載の方法において、前記アルカリ領域が、アルカリ又はアルカリ土類金属元素のイオン・ビームを照射することによって形成されることを特徴とする方法。
【００３０】
（付記３）　付記１記載の方法において、前記アルカリ領域が、蒸着法により形成されることを特徴とする方法。
【００３１】
（付記４）　付記２記載の方法において、前記アルカリ領域を形成する元素と、前記１次イオンを形成する元素とが同一であることを特徴とする方法。
【００３２】
（付記５）　付記１記載の方法において、前記１次イオンが、セシウムまたは酸素より成ることを特徴とする方法。
【００３３】
（付記６）　付記１記載の方法において、前記１次イオンが、アルカリ金属元素より成ることを特徴とする方法。
【００３４】
（付記７）　付記１記載の方法において、前記２次イオンが、負の単原子イオンより成ることを特徴とする方法。
【００３５】
（付記８）　付記１記載の方法において、前記２次イオンを質量分析することにより、前記試料の深さ方向における前記元素の濃度分布が得られることを特徴とする方法。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明方法によれば、微小領域の深さ方向の元素濃度分布を良好に分析することが可能になる。
【００３７】
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による分析方法の原理を説明するための各段階を示す。
【図２】図２は、検出領域と溝との位置関係を示す斜視図である。
【図３】図３は、本発明による分析を行うために作成された試料の断面図を示す。
【図４】図４は、図３に示す試料中に含まれるアンチモンの深さ方向の濃度分布を示す。
【符号の説明】
１０２　シリコン基板
１０４　アンチモン層
１０６　溝
１０８　セシウム
１１０　分析対象領域
１１２　表面
ｄ　エッチング量
【図１】
2004053533.tif 000003
【図２】
2004053533.tif 000004
【図３】
2004053533.tif 000005
【図４】
2004053533.tif 000006