(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳＩＭＳにより主成分物質に含まれる不純物元素の濃度を算出する方法において、
第一測定期間において第一の照射密度で一次イオンが照射される第一測定条件に基づいて、当該主成分物質及び当該不純物元素の二次イオンの強度を逐次測定する第一測定、並びに、
第二測定期間において第二の照射密度で且つ前記第一測定条件と総電流が同じになるように一次イオンが照射される第二測定条件に基づいて、当該主成分物質及び当該不純物元素の二次イオンの強度を逐次測定する第二測定、を行う測定ステップを備え、
前記第一測定により得られる前記主成分物質及び前記不純物元素それぞれの二次イオンの強度の、経時変化を近似する第一依存関係、及び前記第二測定により得られる前記主成分物質及び前記不純物元素それぞれの二次イオンの強度の、経時変化を近似する第二依存関係、を算出する第一算出、並びに、
前記第一依存関係及び前記第二依存関係を用いて経過時間に独立な当該不純物元素の濃度を算出する第二算出、を行うことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第一算出は、前記第一測定及び第二測定による測定毎の経過時間に対して、当該主成分物質の前記第一依存関係と前記第二依存関係との差及び、当該不純物元素の前記第一依存関係と前記第二依存関係との差が一定となるように、算出することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第一算出は、最小二乗法により前記第一依存関係及び前記第二依存関係を表す最適化関数を求めることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第一依存関係は、相対的に低い一次イオン照射密度条件を含み、前記第二依存関係は、相対的に高い一次イオン照射密度条件を含み、
前記測定ステップは、相対的に低い照射密度を持つ一次イオンを照射する第１ステップから、相対的に高い照射密度を持つ一次イオンを照射する第２ステップへ、さらに、該第２ステップから前記第１ステップへと、イオン照射密度の切り替えを伴った二次イオンの強度の測定を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
ＳＩＭＳによる主成分物質に含まれる不純物元素の濃度の算出を行うためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、
第一測定期間において第一の照射密度で一次イオンが照射される第一測定条件に基づいて、当該主成分物質及び当該不純物元素の二次イオンの強度を逐次測定する第一測定、並びに、
第二測定期間において第二の照射密度で且つ前記第一測定条件と総電流が同じになるように一次イオンが照射される第二測定条件に基づいて、当該主成分物質及び当該不純物元素の二次イオンの強度を逐次測定する第二測定、を行う測定手順を備え、
前記第一測定により得られる前記主成分物質及び前記不純物元素それぞれの二次イオンの強度の、経時変化を近似する第一依存関係、及び前記第二測定により得られる前記主成分物質及び前記不純物元素それぞれの二次イオンの強度の、経時変化を近似する第二依存関係、を算出する第一算出、並びに、
前記第一依存関係及び前記第二依存関係において経過時間に独立な当該不純物元素の濃度を算出する第二算出、を行うプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項６】
前記第一算出は、前記第一測定及び第二測定による測定毎の経過時間に対して、当該主成分物質の前記第一依存関係と前記第二依存関係との差及び、当該不純物元素の前記第一依存関係と前記第二依存関係との差が一定となるように、算出することを特徴とする請求項５に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項７】
前記第一算出は、最小二乗法により前記第一依存関係及び前記第二依存関係を表す最適化関数を求めることを特徴とする請求項６に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項８】
前記第一依存関係は、相対的に低い一次イオン照射密度条件を含み、前記第二依存関係は、相対的に高い一次イオン照射密度条件を含み、
前記測定手順は、相対的に低い照射密度を持つ一次イオンを照射する第１手順から、相対的に高い照射密度を持つ一次イオンを照射する第２手順へ、さらに、該第２手順から前記第１手順へと、イオン照射密度の切り替えを伴った二次イオンの強度の測定を含むことを特徴とする請求項５に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項９】
ＳＩＭＳにより主成分物質に含まれる不純物元素の濃度の算出を行う装置であって、
第一測定期間において照射部により第一の照射密度で一次イオンが照射される第一測定条件に基づいて、当該主成分物質及び当該不純物元素の二次イオンの強度を逐次測定する第一測定、並びに、
第二測定期間において前記照射部により第二の照射密度で且つ前記第一測定条件と総電流が同じになるように一次イオンが照射される第二測定条件に基づいて、当該主成分物質及び当該不純物元素の二次イオンの強度を逐次測定する第二測定、
が行われる測定部を備え、
前記第一測定により得られる前記主成分物質及び前記不純物元素それぞれの二次イオンの強度の、経時変化を近似する第一依存関係、及び前記第二測定により得られる前記主成分物質及び前記不純物元素それぞれの二次イオンの強度の、経時変化を近似する第二依存関係、を算出する第一算出、並びに、
前記第一依存関係及び前記第二依存関係を用いて経過時間に独立な当該不純物元素の濃度を算出する第二算出、
が行われる算出部と、
前記照射部の前記第一、第二の照射密度、前記測定部の第一、第二測定、及び前記算出部の第一、第二算出を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項１０】
前記算出部は、前記第一算出において、前記第一測定及び第二測定による測定毎の経過時間に対して、当該主成分物質の前記第一依存関係と前記第二依存関係との差及び、当該不純物元素の前記第一依存関係と前記第二依存関係との差が一定となるように、算出することを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記算出部は、前記第一算出において、最小二乗法により前記第一依存関係及び前記第二依存関係を表す最適化関数を求めることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記第一依存関係は、相対的に低い一次イオン照射密度条件を含み、前記第二依存関係は、相対的に高い一次イオン照射密度条件を含み、
前記測定部は、相対的に低い照射密度を持つ一次イオンを照射する第１ステップから、相対的に高い照射密度を持つ一次イオンを照射する第２ステップへ、さらに、該第２ステップから前記第１ステップへと、イオン照射密度の切り替えを伴った二次イオンの強度の測定が行えることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主成分物質に含まれる不純物物質の濃度の測定の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ；二次イオン質量分析法）は、高感度でかつ迅速な不純物濃度分析ができる手法として、半導体材料をはじめとして多くの電子材料の評価に用いられている。図１に示すとおり、ＳＩＭＳにおいては、真空チャンバ内にセットした試料に一次イオンを照射することによって試料表面の原子や原子クラスターをはじき出す（以下スパッタリングという）。このようにして発生する二次イオンを測定することによって、試料に含まれる不純物の濃度を算出する。【０００３】
次に、ラスタ変化法について説明する。ラスタ変化法は、ＳＩＭＳ分析を、大気成分元素（Ｈ、Ｃ、Ｎ、Ｏなど）を対象に行う際によく用いられる手法である。このような大気成分元素のＳＩＭＳ分析を行う際には、試料表面やチャンバ内壁の吸着成分、真空中の残留ガスなどに起因してバックグラウンドが発生する。測定目的の不純物元素の二次イオンの検出信号にこのようなバックグラウンドが寄与することによって、当該不純物元素の測定濃度の検出下限を悪化させたり、検出信号を不安定にしたりする。ラスタ変化法は、主成分物質及び不純物元素の二次イオンの測定を、一次イオンの照射密度を変更して二回行うことにより、このようなバックグラウンドの寄与を分離して算出可能とする。このようにバックグラウンドを算出することができれば、検出信号からその寄与をキャンセルし、バックグラウンドより低濃度の含有不純物の濃度まで算出することができる。
【非特許文献１】東レリサーチセンター、“半導体材料中の大気成分元素の微量分析”、［online］、［平成１６年６月３日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.toray-research.co.jp/sims/pdf/taikiseibun.pdf＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記で説明した従来のラスタ変化法を用いるＳＩＭＳ分析においては、高感度分析であるがゆえに、試料をチャンバ内にセットしてから二次イオンの強度が減衰し、一定値に安定化するまで待機する必要があり、通例では４時間以上の待機時間を要する。このような待機時間は、測定のスループットを低下させる。従って、このような待機時間を短縮させることができれば、測定のスループットを向上させることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以上のような目的を達成するために、本発明は、二次イオンの強度の経時変化を近似することにより、二次イオンの強度が減衰している間にも不純物の濃度の測定が可能となる方法を提供する。より具体的には、以下のようなものを提供する。【０００６】
（１）  ＳＩＭＳにより主成分物質に含まれる不純物元素の濃度の算出を行う方法において、第一測定期間において第一測定条件に基づいて測定部が逐次測定をした当該主成分物質及び当該不純物元素の二次イオンの強度の経過時間に対する第一依存関係、並びに、第二測定期間において第二測定条件に基づいて測定部が逐次測定をした当該主成分物質及び当該不純物元素の二次イオンの強度の経過時間に対する第二依存関係、を算出部が算出を行う算出ステップと、前記第一依存関係及び前記第二依存関係より前記算出部が当該不純物元素の濃度の算出を行う算出ステップと、を含み、前記第一測定条件と前記第二測定条件は互いに異なる一次イオン照射密度を含むことを特徴とする方法。
（２）  上記（１）の特徴にさらに、前記算出にて、前記測定部による測定毎の経過時間に対して当該主成分物質の前記第一依存関係と前記第二依存関係との差及び、当該不純物元素の前記第一依存関係と前記第二依存関係との差が実質的に一定とみなせる値となることを特徴とする方法。
【０００７】
この発明によれば、例えば、試料をチャンバ内にセットした後、減圧を開始した直後など、二次イオンの強度が経過時間に応じて減衰していく過程においても不純物元素の濃度の測定を行うことができる。より具体的には、例えば、当該主成分物質及び当該不純物元素の二次イオンの強度の測定を、所定の第一測定期間にわたって所定の一次イオン照射密度で逐次行ってそれらの経時変化を記録し、それらの経時変化を近似して経時変化Ａ及び経時変化Ｂを求める。このような工程を前記第一測定期間とは異なる所定の第二測定期間にわたって前記測定とは異なる一次イオン照射密度で再度行い、経時変化Ａ’及び経時変化Ｂ’を求める。このとき、前記第一測定期間又は前記第二測定期間に含まれる全ての経過時間に対してＡとＡ’の差及びＢとＢ’の差がそれぞれ一定であれば、これらの経過時間に独立に当該不純物元素の濃度が算出できる。その結果、二次イオン強度が経時変化するような測定期間においても当該不純物元素の濃度が算出できるので、測定までの待機時間が短縮され、測定のスループットの向上が期待できる。【０００８】
ここで、上記所定の第一測定期間及び所定の第二測定期間は、いずれも、連続した期間であっても、非連続な期間（例えば、断続期間など）であってもよい。例えば、第一測定期間が第二測定期間を間に挟んだ、分割された期間であってもよい。また、経時変化Ａ及び経時変化Ｂ並びに経時変化Ａ’及び経時変化Ｂ’は、相互に若しくは一方から他方に外挿することが可能な近似関数であってよい。例えば、経時変化Ａは、第二測定期間における主成分物質に関する二次イオンの強度の経過変化を外挿することができる。【０００９】
（３）  最小二乗法により前記第一依存関係及び前記第二依存関係を表す最適化関数を前記算出部が算出を行うことを特徴とする（１）または（２）に記載の方法。
【００１０】
この発明によれば、例えば、前記第一依存関係の主成分物質を表す最適化関数ＦＡ（ｔ）及び不純物物質を表す最適化関数ＦＢ（ｔ）並びに前記第二依存関係の主成分物質を表す最適化関数ＦＡ’（ｔ）及び不純物物質を表す最適化関数ＦＢ’（ｔ）を最小二乗法で算出することによって、（１）と同様の効果が期待できる。ここで、まずＦＡ（ｔ）の最適化式を一回目の最小二乗法で求めてから、ゼロ次の係数（即ち定数項）だけを最適化対象としてＦＡ’（ｔ）を二回目の最小二乗法で求めてもよいし、ＦＡ（ｔ）及びＦＡ’（ｔ）をゼロ次の係数（即ち定数項）以外の高次の係数は互いに等しいとして一回の最小二乗法によってゼロ次の係数を含めた全ての係数を求めてもよい。このような手順のバリエーションは、ＦＢ（ｔ）及びＦＢ’（ｔ）に関しても同様に可能である。【００１１】
（４）  前記最適化関数の種類を前記第一依存関係及び前記第二依存関係に基づいて制御部が設定を行うことを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の方法。
【００１２】
この発明によれば、前記第一依存関係及び前記第二依存関係を表す最適化関数の種類を設定することができる。より具体的には、例えば、試料をチャンバ内にセットした後、チャンバ内の減圧を開始した直後など、二次イオンの強度が経過時間に応じてより大きく減衰していく過程においては、これらの依存関係を相対的に高次の多項式関数或いは指数関数などの非多項式関数で表し、より時間が経過した後など、その減衰がより小さい場合においては、これらの依存関係を相対的に低次の多項式関数で表すことができる。【００１３】
（５）  （１）から（４）のいずれかに記載の方法を実現するプログラム。
この発明によれば、（１）から（４）と同様の効果を期待できる。
【００１４】
（６）  前記測定部と、前記算出部と、前記測定部及び前記算出部の制御を行う制御部と、を備えることを特徴とする、（１）から（４）のいずれかに記載の方法を行う装置。
この発明による装置を用いれば、上記（１）から（４）のいずれかに記載の方法によって当該不純物元素の濃度を算出することができる。
【００１５】
（７）  前記測定部を含むＳＩＭＳ装置と、前記算出部と、前記ＳＩＭＳ装置及び前記算出部の制御を行う制御部と、を備えることを特徴とする、（１）から（４）のいずれかに記載の方法を行う装置。
この発明による装置を用いれば、上記（１）から（４）のいずれかに記載の方法によって当該不純物元素の濃度を算出することができる。
【００１６】
（８）  前記第一依存関係は、相対的に高い一次イオン照射密度条件を含み、前記第二依存関係は、相対的に低い一次イオン照射密度条件を含み、相対的に低い照射密度を持つ一次イオンを照射する第１ステップから、相対的に高い照射密度を持つ一次イオンを照射する第２ステップへ、さらに、該第２ステップから前記第１ステップへと、イオン照射密度の切り替えを伴った二次イオンの強度の測定を含むことを特徴とする（１）から（４）のいずれかに記載の方法。
【００１７】
この発明によれば、不純物の濃度の算出を行うためには、任意の異なる２以上の一次イオン照射密度に対する二次イオン強度を測定すればよい。二次イオン強度が経時変化するような測定期間帯においても当該不純物元素の濃度が算出できるので、測定までの待機時間が短縮され、測定のスループットの向上が期待できる。
【００１８】
（９）  ＳＩＭＳにより主成分物質に含まれる不純物元素の濃度の算出を行う方法において、第一測定期間において第一測定条件に基づいて測定部が逐次測定をした当該主成分物質及び当該不純物元素の二次イオンの強度の経過時間に対する第一依存関係、並びに、第二測定期間において第二測定条件に基づいて測定部が逐次測定をした当該主成分物質及び当該不純物元素の二次イオンの強度の経過時間に対する第二依存関係、を算出部が算出を行う算出ステップと、前記第一依存関係及び前記第二依存関係より前記算出部が当該不純物元素の濃度の算出を行う算出ステップと、を含み、前記第一測定条件と前記第二測定条件は互いに異なる一次イオン照射密度を含み、前記測定部による測定毎の経過時間に対して当該主成分物質の前記第一依存関係と前記第二依存関係との差が実質的に一定であると共に当該不純物元素の前記第一依存関係と前記第二依存関係との差が実質的に一定であることを特徴とする方法。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ＳＩＭＳの原理を示す図である。
【図２Ａ】ラスタ変化法の原理説明のため、ワイドラスター状態を模式的に示す図である。
【図２Ｂ】ラスタ変化法の原理説明のため、ナローラスター状態を模式的に示す図である。
【図２Ｃ】ラスタ変化法の原理説明のため、ワイドラスター時の深さを模式的に示す図である。
【図２Ｄ】ラスタ変化法の原理説明のため、ナローラスター時の深さを模式的に示す図である。
【図３Ａ】ＳＩＭＳ測定のカウント強度の経時変化を示す一例である。
【図３Ｂ】図３ＡのＡ領域におけるカウント強度の経時変化を模式的に示す図である。
【図３Ｃ】図３ＡのＢ領域におけるカウント強度の経時変化を模式的に示す図である。
【図４Ａ】図３ＡのＡ領域におけるＳｉカウント強度の経時変化を示す拡大図である。
【図４Ｂ】図３ＡのＡ領域におけるＣカウント強度の経時変化を示す拡大図である。
【図５】図３ＡのＡ領域におけるＣ濃度の算出結果を示す図である。
【図６Ａ】図３ＡのＢ領域におけるＳｉカウント強度の経時変化を示す拡大図である。
【図６Ｂ】図３ＡのＢ領域におけるＣカウント強度の経時変化を示す拡大図である。
【図７】図３ＡのＢ領域におけるＣ濃度の算出結果を示す図である。
【図８】不純物の濃度の測定を行うＳＩＭＳ装置の一例を示す図である。
【図９】不純物の濃度の測定を行う装置の全体構成の一例を示す図である。
【図１０】不純物の濃度の測定の手順を示す図である。
【図１１Ａ】ＳＩＭＳ測定においてラスタ変化法を適用した実験例（Ｓｉ）を示す図である。
【図１１Ｂ】ＳＩＭＳ測定においてラスタ変化法を適用した実験例（Ｎ）を示す図である。
【図１２】バルクＳｉ中の不純物元素の測定濃度の精度結果を示す図である。
【符号の説明】
【００２０】
１  ＳＩＭＳ装置
２  算出部
３  制御部
４  入力部
５  表示部
６  メモリ
７  記憶部
１１  セシウムイオン源
１２  デュオプラズマトロンイオン源
１３  一次イオンマスフィルタ
１４  一次イオンカラム
１５  エアロックシステム
１６  試料室
１７  トランスファレンズ
１８  静電アナライザ
１９  ラミネートマグネット
２０  二次電子増信管とファラデーカップ
２１  イオン像検出器
２２  ＣＣＤカメラ
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施例の一つとして、主成分物質がシリコンであるバルクＳｉ中の不純物元素Ｃの濃度評価への適用について述べる。なお、本発明はＣに限らず、様々な不純物元素の濃度評価に対しても適用可能であり、本発明の技術的範囲は本実施例の場合に限られない。
【００２２】
図２Ａから２Ｄは、本実施例において適用したラスタ変化法による一次イオンビームの走査方法の一例である。図２Ａは相対的に低い照射密度を持つＷｉｄｅ  Ｒａｓｔｅｒ、図２Ｂは相対的に高い照射密度を持つＮａｒｒｏｗ  Ｒａｓｔｅｒによるそれぞれのラスタ走査を表している。図２Ａ及び図２Ｂにおいて照射される一次イオンの総電流量は一定であり、ラスタ走査される面積が異なっている。従って、図２Ａ及び図２Ｂにおいてスパッタリングされる体積は原則同じであるのでスパッタ深さはｄＷ、ｄＮと異なる（ｄＮの方がｄＷより深い）。このラスタ変化の間も目的元素のバックグラウンド強度は不変であると考えられるので、ラスタ変化法を用いれば、その目的元素の濃度、及びそのバックグラウンド強度をも推算することが可能となる。
【００２３】
ラスタ変化法における不純物（この場合Ｃ）の濃度［Ｃ］及びバックグラウンド目的元素の濃度［ＣＢＧ］は以下のとおり決定される。
［Ｃ］＝ＲＳＦ×（Ｉｎ−ＩＮ）／（Ｉｍ−ＩＭ）      （１）
［ＣＢＧ］＝ＲＳＦ×Ｉｎ／Ｉｍ−［Ｃ］              （２）
ここで、ＲＳＦ（相対感度係数）とは、ＳＩＭＳ測定法による不純物元素と主成分物質の組み合わせで決定される特有の係数であり広く知られている。直接測定される信号強度はＣについてＩｎ（Ｎａｒｒｏｗ  Ｒａｓｔｅｒ）およびＩＮ（Ｗｉｄｅ  Ｒａｓｔｅｒ）、ＳｉについてＩｍ（Ｎａｒｒｏｗ  Ｒａｓｔｅｒ）及びＩＭ（Ｗｉｄｅ  Ｒａｓｔｅｒ）である。このように、ラスタ変化法を用いれば、バックグラウンドを算出し（式２）、その寄与をキャンセルして目的元素の濃度を算出（式１）することが可能となる。
【００２４】
図３Ａから３Ｃは、上述の方法で測定した主成分物質Ｓｉ及び不純物元素Ｃの二次イオンの測定結果の一例を示している。横軸は経過時間、縦軸は測定されたＳｉ及びＣの二次イオンの強度［カウント／ｓｅｃ］である。図３Ａから３Ｃにおいて読み取られるとおり、Ａ領域においてはＳｉ及びＣの二次イオンの強度が経過時間に応じて減衰しており、Ｂ領域においてはチャンバ内の減圧を開始してから充分に時間が経過し、Ｓｉ及びＣの二次イオンの強度が経過時間によらずほぼ一定である。Ａ領域及びＢ領域とも、測定結果のグラフに二つのステップ（Ｌｅｆｔ  Ｓｔｅｐ（Ａ１、Ｂ１）およびＲｉｇｈｔ  Ｓｔｅｐ（Ａ２、Ｂ２））が存在しているが（それぞれ図３Ｂ及び３Ｃ参照）、それぞれのステップにおいて一次イオンの照射密度を変更している。より具体的には、Ｌｅｆｔ  ＳｔｅｐにおいてはＷｉｄｅ  ＲａｓｔｅｒからＮａｒｒｏｗ  Ｒａｓｔｅｒへ、Ｒｉｇｈｔ  ＳｔｅｐにおいてはＮａｒｒｏｗ  ＲａｓｔｅｒからＷｉｄｅ  Ｒａｓｔｅｒへ、それぞれ変更を行っている。
【００２５】
図３ＡのＡ領域における測定結果の拡大図が図４Ａ及び４Ｂである。最小二乗法を用いて、Ｓｉの強度（カウント）のＮａｒｒｏｗ  Ｆｉｔ（第一依存関係；式３）、Ｗｉｄｅ  Ｆｉｔ（第二依存関係；式４）、及び、Ｃの強度（カウント）のＮａｒｒｏｗ  Ｆｉｔ（第一依存関係；式５）、Ｗｉｄｅ  Ｆｉｔ（第二依存関係；式６）が、それぞれ時間（Ｘ）の２次の関数として算出されている。ここで、Ｎａｒｒｏｗ  Ｆｉｔ及びＷｉｄｅ  Ｆｉｔにおける計測時間は、それぞれ、約６００秒ずつであったが、Ｎａｒｒｏｗ  ＦｉｔからＷｉｄｅ  Ｆｉｔ、又はＷｉｄｅ  ＦｉｔからＮａｒｒｏｗ  Ｆｉｔへと移行する移行時間では、照射条件が一定となり難く、測定値が必ずしも安定するとは限らないため、第一及び第二依存関係を近似により求めるための計測時間に組み込まないことが好ましい（以下同様）。ここで用いた最小二乗法は上述のように、ゼロ次の係数（即ち定数項）以外の高次の係数は互いに等しいとして、一回の最小二乗によって、ゼロ次の係数も含めた全ての係数を求める方法によるものである。よって、これらの関数の差は経過時間に対して一定である（若しくは、差は定数項となる）。
Ｙ＝０．００１７Ｘ２−７.３１８９Ｘ＋２２５１４３      （３）
Ｙ＝０．００１７Ｘ２−７.３１８９Ｘ＋１０６７０４      （４）
Ｙ＝４Ｅ-０５Ｘ２−０．２０２５Ｘ＋５１５．７８        （５）
Ｙ＝４Ｅ-０５Ｘ２−０．２０２５Ｘ＋５５８．５３        （６）
【００２６】
図５に、本実施例におけるＡ領域におけるＣ濃度の算出結果が示されている。なお、本実施例においては全区間で最小二乗近似をしたうちで、Ｌｅｆｔ  Ｓｔｅｐに相当する時刻、Ｒｉｇｈｔ  Ｓｔｅｐに相当する時刻の２時刻においてのＣ濃度、Ｃバックグラウンドを数値表示している。この実施例においては、Ｃ濃度の値は、全区間で一定値となる。
【００２７】
Ａ領域におけるＣ濃度の当該ラスタ法を適用の結果、Ｌｅｆｔ  Ｓｔｅｐ（Ａ１）に相当する時刻においてもＲｉｇｈｔ  Ｓｔｅｐ（Ａ２）に相当する時刻においても［Ｃ］＝９．３８Ｅ１４［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］と算出され、Ｂ領域におけるＣ濃度の同算出結果［Ｃ］＝９．８６Ｅ１４［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］（Ｌｅｆｔ  Ｓｔｅｐ（Ｂ１）に相当する時刻、Ｒｉｇｈｔ  Ｓｔｅｐ（Ｂ２）に相当する時刻とも）とよく一致していることが解る。ここで、従来のラスタ変化法を用いては、Ｂ領域におけるＣ濃度の算出は行えるが、Ａ領域においては同算出を行うことができないことを注意する。この実施例では、Ａ領域において二次イオンの強度の測定までの待機時間は２，０００秒であり、Ｂ領域において二次イオンの強度の測定までの待機時間は１４，５００秒であり、両者を比較して、同測定までの待機時間が約３時間２８分（８６．２％）短縮されている。
【００２８】
図３ＡのＢ領域における測定結果の拡大図が図６Ａ及び６Ｂである。最小二乗法を用いて、Ｓｉの強度（カウント）のＮａｒｒｏｗ  Ｆｉｔ（第一依存関係；式７）、Ｗｉｄｅ  Ｆｉｔ（第二依存関係；式８）、及び、Ｃの強度（カウント）のＮａｒｒｏｗ  Ｆｉｔ（第一依存関係；式９）、Ｗｉｄｅ  Ｆｉｔ（第二依存関係；式１０）が、時間（Ｘ）の２次の関数として算出されている。ここで、Ｎａｒｒｏｗ  Ｆｉｔ及びＷｉｄｅ  Ｆｉｔにおける計測時間は、それぞれ、約６００秒ずつであった。ここで用いた最小二乗法は上述のように、ゼロ次の係数（即ち定数項）以外の高次の係数は互いに等しいとして、一回の最小二乗によって、ゼロ次の係数も含めた全ての係数を求める方法によるものである。よって、これらの関数の差は経過時間に対して一定である。
Ｙ＝０．０００９Ｘ２−２５．３７６Ｘ＋３７５８６７      （７）
Ｙ＝０．０００９Ｘ２−２５．３７６Ｘ＋２７９２５４      （８）
Ｙ＝−１Ｅ−０６Ｘ２＋０．０３５２Ｘ＋４８．６４        （９）
Ｙ＝−１Ｅ−０６Ｘ２＋０．０３５２Ｘ−１２．８７５      （１０）
【００２９】
図７に、Ｂ領域におけるＣ濃度の算出結果が示されている。なお、本実施例においてはＬｅｆｔ  Ｓｔｅｐに相当する時刻、Ｒｉｇｈｔ  Ｓｔｅｐに相当する時刻の２時刻においてのＣ濃度、Ｃバックグラウンドを数値表示している。この実施例においては、それぞれのＣ濃度の値は、全区間で一定値となる。
【００３０】
ここで、上述のように不純物の濃度の算出を行うためには、任意の異なる２以上の一次イオン照射密度に対する二次イオン強度を測定すればよいことがわかる。即ち、ゼロ次の係数のみの関数で表すことをせず、高次の多項式関数あるいは指数関数等の非多項式関数で表す場合に、上述のようにＷｉｄｅ  ＲａｓｔｅｒからＮａｒｒｏｗ  Ｒａｓｔｅｒへ、そしてＮａｒｒｏｗ  Ｒａｓｔｅｒから再びＷｉｄｅ  Ｒａｓｔｅｒへと２種類の一次イオン照射密度の間で２回切り替える方法ではなく、Ｎａｒｒｏｗ  ＲａｓｔｅｒとＷｉｄｅ  Ｒａｓｔｅｒをそれぞれ１回測定（１回切り替え）だけを行ってもよい。さらに、一次イオン照射密度を正弦波、矩形波等のモジュレーション波形で切り替える方法によってもよい。
【００３１】
また、例えば、シリコン及び窒素の二次イオン強度の測定を、所定期間、所定の一次イオン照射密度で行い、それらの経時変化を適当な関数（１次、２次、数次、指数等の関数）によって近似する。そして、経時変化Ａ及び経時変化Ｂを求める。更に、別の所定期間、前とは異なる所定の一次イオン照射密度で再度行い、同様にそれぞれの近似式を用いて、経時変化Ａ’及び経時変化Ｂ’を求める。このとき、ＡとＡ’の差及びＢとＢ’の差がそれぞれ一定であれば、経過時間に独立な窒素の濃度が算出できる。従って、二次イオン強度が経時変化するような測定期間帯においても当該不純物元素の濃度が算出できるので、測定までの待機時間が短縮され、測定のスループットの向上が期待できる。
【００３２】
図８に本発明を実施するためのＳＩＭＳ装置の一例を示す。セシウムイオン源１１にて発生させたセシウムイオン或いはデュオプラズマトロンイオン源１２にて発生させた酸素イオンにて構成される一次イオンを超高真空に保たれた試料室１６内にセットした試料に照射し、一次イオンを試料の表面に衝突させる。この衝突によって、原子や原子クラスターが試料から分離してはじき出される（スパッタリング）。このような原子や原子クラスターのほとんどはニュートラルであるが、その一部は正或いは負に帯電している。これらの二次イオンは、試料の表面から１ｎｍ程度の深さから放出される。この正或いは負に帯電した二次イオンは、その後トランスファレンズ１７によって加速されて質量分析器に送られ、その質量と電荷の比によって分けられる。そして、ある特定の質量／電荷比を持った二次イオンのみが二次電子増信管とファラデーカップ２０によって検出される。その検出結果のデータが汎用コンピュータに送られて、集められたデータが当該試料表面の元素マップや当該試料の組成深さ方向プロファイルなどとして表示される。
【００３３】
ここで、イオン源で発生した一次イオンは電界レンズによってイオンビームの電流量やビーム径が調整され、ビームの電流密度がコントロールされる。また、偏向器によってイオンビームのセンタリングやラスタスキャン走査が行われる。
【００３４】
図９に本発明を実施するための装置の全体構成の一例を示す。図８で説明したＳＩＭＳ装置１、算出部２、入力部４、表示部５、メモリ６、記憶部７及びこれらを制御する制御部３を備えている。制御部３は、図１０で説明する一連の手順を制御している。
【００３５】
図１０に本発明による不純物の濃度の測定の手順を示す。まず、一次イオンを主成分物質の表面に所定の第一照射密度で制御部の制御に基づいて照射部が照射を行う（ステップＳ１）。次に、前記制御部の制御に基づいて測定部が当該主成分物質及び当該不純物元素の二次イオンの強度の測定を所定の第一測定期間にわたって逐次行う（ステップＳ２）。次に、一次イオンを当該主成分物質の表面に前記第一照射密度とは異なる第二照射密度で前記制御部の制御に基づいて前記照射部が照射を行う（ステップＳ３）。次に、前記制御部の制御に基づいて前記測定部が当該主成分物質及び当該不純物元素の二次イオンの強度の測定を所定の第二測定期間にわたって逐次行う（ステップＳ４）。次に、前記第一測定期間における当該主成分物質及び当該不純物元素の二次イオンの強度の経過時間に対する第一依存関係を前記制御部の制御に基づいて前記算出部が算出を行う（ステップＳ５）。次に、前記第二測定期間における当該主成分物質及び当該不純物元素の二次イオンの強度の経過時間に対する第二依存関係を前記制御部の制御に基づいて前記算出部が算出を行う（ステップＳ６）。次に、前記第一依存関係と前記第二依存関係とを入力として前記制御部の制御に基づいて前記算出部が当該不純物元素の濃度の算出を行う（ステップＳ７）。
【００３６】
本発明の適用範囲については、上記の実施例に限られず、主成分物質としては、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＳｉＧｅ等、不純物物質としては、Ｎ、Ｏ、Ｈ、Ｃ、Ｈｅ等の大気元素およびＳｉのドーパントに使われるＢｏｒｏｎ、Ｐ、Ａｓ、ＳｂそしてＡｌ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ（銅）、Ｃｒ（クロム）の金属又、Ｓｉにおいて拡散速度の速い物質Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ａｕ、Ｃｏ，Ｚｎ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｉ等ＳＩＭＳで測定できる元素全てに適応できる。また、上記の実施例ではラスタ走査面積を変化させることによって一次イオンの照射密度を変更しているが、ラスタ走査面積は一定に保ち一次イオンの単位時間当たりの発生量を変化させることによって実現してもよい。また、ラスタ走査によらず、一次イオンのビーム径そのものを変化させることによって実現してもよい。また、上記実施例では第一依存関係及び第二依存関係をＸ次の多項式で表しているが、本発明において指数関数等の関数を用いることもできる。
【００３７】
［実験例１］
図１１Ａ及び１１Ｂは、主成分物質がシリコンであるバルクＳｉ中の不純物元素Ｎの濃度評価において、最小二乗法によって第一依存関係及び第二依存関係を２次の関数として算出した実験例である。最小二乗法を用いて、Ｓｉの強度（カウント）のＮａｒｒｏｗ  Ｆｉｔ（第一依存関係；式１１）、Ｗｉｄｅ  Ｆｉｔ（第二依存関係；式１２）、及び、Ｎの強度（カウント）のＮａｒｒｏｗ  Ｆｉｔ（第一依存関係；式１３）、Ｗｉｄｅ  Ｆｉｔ（第二依存関係；式１４）が、時間（Ｘ）の２次の関数として算出されている。ここで用いた最小二乗法は上述のように、一回の最小二乗によって、ゼロ次の係数も含めた全ての係数を求める方法によるものである。ここで、これらの関数の差は経過時間に対して一定である。
Ｙ＝−０．００４６Ｘ２＋２．９０８２Ｘ＋１８６４１０      （１１）
Ｙ＝−０．００４６Ｘ２＋２．９０８２Ｘ＋６８３６４        （１２）
Ｙ＝１Ｅ−０５Ｘ２−０．０２３６Ｘ＋１３２．９６          （１３）
Ｙ＝１Ｅ−０５Ｘ２−０．０２３６Ｘ＋１１０                （１４）
【００３８】
この実験において算出されたＮの濃度は、［Ｎ］＝３．８２Ｅ＋１４［ａｔｏｍｓ／ｃｍ３］である。
【００３９】
この実験では、以下の装置を使用した。
ＳＩＭＳ測定装置：ＩＭＳ−６Ｆ（ＣＡＭＥＣＡ）
【００４０】
また、測定条件は：
一次イオン種：Ｃｓ、Ｏ  （測定対象物により切替）
一次イオン加速電圧：１０〜１５ｋＶ
一次イオン電流：〜１００ｎＡ
検出二次イオン：大気元素  例）  Ｃ、Ｓｉ、Ｎ、Ｃｕ
ラスタ面積：小≒１００μｍ□、大≒１８０μｍ□
分析領域：〜３０μｍΦ
であった。
【００４１】
［実験例２］
実験例１と同じ条件で、炭素（Ｃ）、銅（Ｃｕ）、窒素（Ｎ）の測定を行った。これにより、図１２に示すような結果を得た。測定結果を用いナロー及びワイドエリアにおける処理を行った場合の９９％信頼限界値が右側の欄に記載される。［００２３］の以下の式
［Ｃ］＝ＲＳＦ×（Ｉｎ−ＩＮ）／（Ｉｍ−ＩＭ）      （１）
［ＣＢＧ］＝ＲＳＦ×Ｉｎ／Ｉｍ−［Ｃ］              （２）
にて、ナローエリアのみの場合と本発明の値との差を取った結果が左側の欄に記載される。これらの数値は平均値である。これらから、本発明の適応により、測定対象不純物濃度の定量下限が良くなり、従来測定法に比べより低濃度迄測定できることが分かった。特に、ナロー領域のみの誤差に比べ、半桁から２桁良くなるのが分かる。ナローないしワイドどちらか一方の値を使って定量する場合に比べ精度が向上する。
【００４２】
ここで、第一測定期間及び第二測定期間について、簡単に述べる。これらの設定は、求める精度とスループット（パフォーマンス）との兼ね合いで設定される。又、測定対象物質によっても変化する。上記例（実験例１及び２）では、ナローとワイドでそれぞれ５分と５分の測定時間で実施している。測定時間とその間に検出されるデータ数は比例するので、例えば求める精度を落とせばもっと時間を短くすることも可能である。
【００４３】
本発明によれば、試料をＳＩＭＳ測定装置にセットした直後など、真空待ちの過程において二次イオンが経過時間に応じて減衰していくような期間においても、不純物元素の濃度の測定を行うことができる。その結果、測定までの待機時間が短縮され、以って測定のスループットを向上させることができる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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