(57)【要約】【課題】  一次イオンビーム照射時のスパッタリング速度が大きく異なる薄い層を含んだ試料に対しても、深さ方向の元素分布が精度よく測定できる二次イオン質量分析技術を提供する。【解決手段】  本発明は、一次イオンビーム照射時に試料からスパッタリングされる二次イオンの強度変化率を監視する監視手段と、該強度変化率に基づいて試料構成層の変化を検出したときに、１回のビームスキャンによるスパッタリング量を変化させて深さ方向の測定刻み量を変化させるように一次イオンビームの照射条件を制御する制御手段と、を有することを特徴とする二次イオン質量分析装置に関する。【選択図】図３
2013205350.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次イオンビーム照射時に試料からスパッタリングされる二次イオンの強度変化率を監視する監視手段と、
前記強度変化率に基づいて試料構成層の変化を検出したときに、１回のビームスキャンによるスパッタリング量を変化させて深さ方向の測定刻み量を変化させるように一次イオンビームの照射条件を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする二次イオン質量分析装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記強度変化率に条件を設け、前記強度変化率が条件を満たしたときに、前記一次イオンビームの走査周波数およびチョッピング周波数を変化させて前記スパッタリング量を変化させることを特徴とする請求項１に記載の二次イオン質量分析装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記一次イオンビームを走査する偏向レンズへの電圧印加周波数を変化させることによって前記イオンビームの走査速度を制御することを特徴とする請求項２に記載の二次イオン質量分析装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記試料における照射点から照射点に移動するタイミングに合わせてチョッピング電極に印加する電圧を制御し、アパーチャ貫通孔によって一次イオンの出射をさえぎることで、前記試料の照射点における前記イオンビームの照射時間を変化させることを特徴とする請求項２に記載の二次イオン質量分析装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記イオンビームの照射時間を、前記照射点毎に前記イオンビームの偏向による前記アパーチャ貫通孔の通過時間で制御することを特徴とすることを特徴とする請求項４に記載の二次イオン質量分析装置。
【請求項６】
一次イオンビーム照射時に試料からスパッタリングされる二次イオンの強度変化率を監視する監視工程と、
前記強度変化率に基づいて試料構成層の変化を検出したときに、１回のビームスキャンによるスパッタリング量を変化させて深さ方向の測定刻み量を変化させるように一次イオンビームの照射条件を制御する制御工程と、
を有することを特徴とする二次イオン質量分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次イオン質量分析装置及び二次イオン質量分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry：二次イオン質量分析法）は一次イオンビームを試料面に照射して試料面をスパッタリングし、試料表面から空間に飛び出してくる二次イオンを質量分離し、高感度に検出する分析法である。この手法は、他の組成分析法に比べて検出感度が遥かに高いため、半導体における不純物の深さ方向分析などに多く用いられている。
【０００３】
ＳＩＭＳの測定原理上、ＳＩＭＳの深さ方向の分解能は、一次イオンビームによる試料のスパッタリング速度（単位時間あたりに一次イオンビームによりスパッタリングされる試料の量）に依存する。スパッタリング速度は、一次イオンビームのエネルギー、試料面に入射する入射角度、一次イオンの電流量に依存する。また、試料の化学状態（純物質、化合物、組成）や構成元素によってもスパッタリング速度は大きく変化する。
【０００４】
ところで、ＳＩＭＳにおける試料のスパッタリングは、試料表面に一次イオンビームを収束させ、その集中したポイントを左右、あるいは、渦巻き状などの形状で試料表面の一定の範囲を掃くように走査することで実施される。一次イオンビームを走査し、一箇所ではなく、広くビームの当たる範囲からスパッタリングさせることにより、ビーム照射ポイントにおけるスパッタ深さが浅く、かつ特定深さでの二次イオン検出量を多くすることができる。このように、ＳＩＭＳ分析では、放出される二次イオン量を多くすることによって、深さ分解能と検出感度を高めている。実際のＳＩＭＳ分析では、以上の条件を分析対象に合わせて最適化し分析を実施している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０２−５７９５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述したような最適化を実施しても、分析対象が非常に薄い層でスパッタリング速度が速い場合は、分析上の問題が発生することがある。例えば、スパッタリング速度の速い、薄い層が積層された試料に対して、薄い層に含まれた不純物分布を深さ分解能よく、かつ試料全体を深く分析することが必要な場合は、全体のスパッタリング速度をスパッタリング速度が速く、薄い層が分析できるような速度に設定し、分析する必要があった。しかしながら、このように、スパッタリング速度の速い、薄い層の深さ分解能を高めるために、スパッタリング速度を遅くすると試料全体を深くまで分析する必要がある場合には、その分析時間が膨大となってしまうという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明では、測定する層にあわせてスパッタリング深さ速度（単位時間あたりに試料がスパッタリングされて掘られた深さ）を変化させることで、上述した問題を解決する二次イオン質量分析装置および二次イオン質量分析方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明の一つの態様は、一次イオンビーム照射時に試料からスパッタリングされる二次イオンの強度変化率を監視する監視手段と、前記強度変化率に基づいて試料構成層の変化を検出したときに、１回のビームスキャンによるスパッタリング量を変化させて深さ方向の測定刻み量を変化させるように一次イオンビームの照射を制御する制御手段と、を有することを特徴とする二次イオン質量分析装置に関する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、試料構成層に適したスパッタリング速度で、エッチングを進行させることが可能となり、試料の深いところまで精度を損ねることなく、深さ分布の評価が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一般的な二次イオン測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】スパッタレートによる二次イオン放出の模式図である。
【図３】本発明の実施の形態になる二次イオン質量分析装置の構成例（その１）を示す図である。
【図４】本発明に適用される一次イオンビームのラスタースキャンを説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態になる一次イオンビームのチョッピングを説明する概念図である。
【図６】本発明の実施の形態になる二次イオン質量分析装置の構成例（その２）を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態になる二次イオン質量分析装置における深さ方向元素分析の動作フローを示す図である。
【図８】スパッタリング速度が一定の場合の二次イオンプロファイルを示す図（比較例）である。
【図９】スパッタリング速度を変えた場合に得られる深さ方向元素プロファイルを示す図（実施例）である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態につき、図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は、一般的な二次イオン測定装置の概略構成を示す。二次イオン測定装置は、一次イオンビーム発生器１と質量分析器４を備える。また、一次イオンビーム発生器１は、コンデンサレンズ（静電レンズ）１２、対物レンズ（静電レンズ）１３、および偏向レンズ（静電レンズ）１４を備える。
【００１３】
イオン発生源１１から発生した一次イオンは、コンデンサレンズ１２（静電レンズ）によって集光され、対物レンズ（静電レンズ）１３によって絞られた一次イオンビーム２が測定対象の試料５（試料台６上に搭載）に照射される。そして、偏向レンズ（静電レンズ）１４において所定の周波数の電圧を印加することによって、試料５の表面での一次イオンビーム２の走査が行われる。
【００１４】
そして、試料５に一次イオンビーム２が照射されると、試料５の表面から構成元素がスパッタリングされ、スパッタリングによって生成した二次イオン３が質量分析器４において分析され、記録される。
【００１５】
しかしながら、試料５のスパッタリング速度は、試料５の組成や化学結合状態、密度などにより大きく変動する。そのため、組成や化合物状態の異なる複数の層が積層する複合膜の場合、各々の層のスパッタリング速度が異なる。このとき、被分析試料中において、特に、相対的にスパッタリング速度の速い層が存在する場合、スパッタリング速度が速いがゆえに、その層における深さに対する組成変化の分析を実施することが困難となり、目的とする分析が行なえなくなることがある。
【００１６】
例えば、相対的にスパッタリング速度が遅い厚い層の上に、相対的にスパッタリング速度の速い層が非常に薄く積層された膜を分析する場合、膜の深いところまでの分析を行うには、実用上、ある程度以上のスパッタリング速度で測定を実施することになる。
【００１７】
このとき、組み合わせによっては、上層のスパッタリング速度の速い層が一瞬のうちにスパッタされ、組成変化が大きくて深さ分布を評価できなくなることがある。
【００１８】
図２は、一次イオンビーム照射時の試料表面からの二次イオン放出に対するスパッタレート（スパッタリング速度）の影響を模式的に示したものである。
【００１９】
図２に示すように、試料５（試料台６上に搭載）は、層５１の内側に層５２として、例えば、不純物元素が分布している場合を想定する。層５１と層５２における深さ方向の不純物分布を分析しようとしても、スパッタリング速度を速くすると、層５１から層５２にかけて一瞬の内にスパッタリングされ、放出された二次イオンの深さとの対応が評価できなくなってしまう。
【００２０】
そこで、このようなスパッタリング速度のアンバランスが大きい試料に対しても、深さ分布評価を可能とする二次イオン質量分析装置が求められる。
【００２１】
図３は、本発明の実施の形態になる二次イオン質量分析装置の構成例（その１）を示す。
【００２２】
二次イオン測定装置は、一次イオンビーム発生器１、質量分析器４、制御部２０、および監視部２１を備える。また、一次イオンビーム発生器１は、コンデンサレンズ（静電レンズ）１２、対物レンズ（静電レンズ）１３、偏向レンズ（静電レンズ）１４、チョッピング電極１５、およびアパーチャ１６を備える。
【００２３】
イオン発生源１１から発生した一次イオンは、コンデンサレンズ（静電レンズ）１２によって集光され、対物レンズ（静電レンズ）１３によって絞られた一次イオンビーム２が測定対象の試料５（試料台６上に搭載）に照射される。さらに、偏向レンズ（静電レンズ）１４において、所定の周波数の電圧を特定パターンで印加することによって、一次イオンビーム２は試料５の所定範囲が走査（ラスタースキャン）される。
【００２４】
イオン発生源１１から放出された一次イオンビーム２はコンデンサレンズ（静電レンズ）１２、対物レンズ（静電レンズ）１３でビームの軌道、形状が整えられ、偏向レンズ（静電レンズ）１４を通り、対向して配置されたチョッピング電極１５、およびアパーチャ１６を通って試料表面に到達する。
【００２５】
本発明の二次イオン質量分析装置の動作原理を以下に説明する。
【００２６】
二次イオン質量分析装置において、監視部２１は、質量分析器４が検知した二次イオンの強度変化に基づき、一次イオンビーム２照射時に試料５からスパッタリングされる二次イオン３の強度変化率を監視し、制御部２０は、強度変化率に基づいて被測定試料中の層構成の変化を検出したときに、１回のビームスキャンによるスパッタリング量を変化させて深さ方向の測定刻み量を変化させるように一次イオンビーム２の照射条件を制御することを特徴とする。
【００２７】
ここで、本発明のポイントとなるラスタースキャン及びチョッピングの動作について補足しておく。
【００２８】
図４は、本発明に適用される一次イオンビームのラスタースキャンを説明する図である。図４は、時間に対する偏向レンズ（静電レンズ）１４への印加電圧パターンを示し、点線枠の拡大部分の電圧は、偏向レンズ（静電レンズ）１４への電圧が階段状に印加され、ビーム照射点が試料面で、一定の滞留時間を持って、一定時間ごとに移動することを示している。
【００２９】
図４に示すように、一次イオンビームは、偏向レンズ（静電レンズ）１４の駆動によって、試料５の表面でスキャンされる。偏向レンズ（静電レンズ）１４への電圧印加周波数を変化させることによって、ラスタースキャンの速度(一画面をスキャンする速度や一照射点に置ける滞留時間)を変化させることが可能となる。
【００３０】
図５は、本発明の実施の形態になる一次イオンビームのチョッピングを説明する概念図を示す。図５に示すように、ラスタースキャンを実施する際に照射点から照射点に移動するタイミング（図中、ａ、ｂ）にあわせて、適当な周波数でチョッピング電極１５に電圧を印加すると、チョッピング電極１５による電場によって一次イオンビームの軌道は曲げられる。チョッピング電極１５に電圧が印加されている間（図中、時間ｔ）、一次イオンビームはアパーチャ１６の壁面部分に照射され、試料表面には届かないようにすることが可能となる。つまり、試料表面のスパッタリングを一時的に停止させることができる。
【００３１】
なお、ここで、チョッピングとして、チョッピング電極１５の配置を、図６のような配置を取ることも勿論可能である。
【００３２】
図６は、本発明の実施の形態になる二次イオン質量分析装置の構成例（その２）を示す。図６では、チョッピング電極１５がイオン発生源１１とコンデンサレンズ（静電レンズ）１２との間に配置された別な構成例を示している。そのチョッピング動作は、図５と全く同一である。
【００３３】
以上、図５、図６に説明したように、ラスタースキャンの速度やチョッピングにより照射点に一次イオンを照射する時間を増減させることによって、試料表面上のある点に供給される単位時間あたりの一次イオン量を増減させることができる。従い、試料５のスパッタリングの速度を精度よくコントロールすることが可能となり、結果としてスパッタリング深さも精度よくコントロールすることが可能となる。
【００３４】
また、試料中の特定層内での濃度変化のない元素などの二次イオンをモニターし、その強度変動を監視することで、スパッタリングされている層の変化を知ることができる。その情報を元に一次イオンによるスパッタリング速度を変化させることで、全ての層で深さ分布を評価するのに相応するスパッタリング深さ速度を選択することが可能となる。
【００３５】
なお、スパッタリング速度やスパッタリング深さ速度を変化させる方法としては、一次イオンビーム２のエネルギー、ビーム入射角度やビーム電流量などを変えることも考えられるが、入射角度を変化させると発生する二次イオン３のイオン化効率なども変化してしまうため、層間での濃度比較などが困難になる。また、一次イオンビーム２のエネルギーやビーム電流を変化させるとビーム収束点が変化するため、変化させたあとのエネルギー、電流量にあわせたビーム収束条件を探索することが必要となる。さらに、ビームを収束させる静電レンズによる電場は、電流値を変化させても電場が安定するまでに一定の時間をつまり、一次イオンビームを照射したまま短時間に収束条件を変更することは難しい。
【００３６】
本発明のように、ラスタースキャンの速度やチョッピングによるスパッタリングの一時停止によって試料面への一次イオン供給量を変化させる方法は、ビームの収束条件やビーム電流を変化させることがないため、瞬間的かつ安定的にスパッタリング深さ速度を変化させることが可能となる。
【００３７】
なお、ラスタースキャンの走査周波数を高め、走査速度を変化させることで一次イオンの供給量を変化させることも可能であるが、走査周波数が過度に高いと一次イオンビーム２の軌道追従性が悪くなり照射点毎に供給されるイオンビーム量に不均一が生ずる。本発明のように、チョッピングによるスパッタリングの一時停止を併用することで、そのような不均一性の出現を回避することができる。
【００３８】
さらに、分析時に積層された層の変化の検知には、質量分析器４により、予め二次イオン分析を実施し、それに基づいて決定した元素や膜構成設計時の元素分布から選択した元素などの二次イオン量の変動を用いることが可能である。つまり、二次イオン量は、スパッタされている層に含まれる元素の組成などの状態により変化するため、二次イオンの量の変化は、層の変化に対応することになり、これをモニターすることで層の変化を検知することが可能となる。モニターに用いる元素は、検出している任意の元素を用いることができるが、二次イオン強度の安定性の観点から、マトリックス元素（母材元素）等の層に含まれる量が比較的多い元素が好ましい。
【００３９】
以上、測定対象の層の変化にしたがって、照射点毎に一次イオンの照射量を制御し、スパッタリング速度を変化させて、各々の層に適当なスパッタ速度を適用することで、薄く、スパッタリング速度の速い層はゆっくりと、厚くスパッタリング速度が遅い層はスパッタ速度を速くすることが可能となり、薄く、スパッタリング速度の速い層と厚く、スパッタリング速度が遅い層が積層された試料に対しても、深さ分解能を損ねることなく試料の内部深くまで、現実的な測定時間で分析することが可能となる。
【００４０】
図７は、本発明の実施の形態になる二次イオン質量分析装置における深さ方向元素分析の動作フローを示す。被測定試料の例として表面に２ｎｍのＳｉＯ２を積層したＳｉを使用した。
【００４１】
まず、ステップＳ１１において、二次イオン質量分析装置における分析条件として、（１）検出すべき二次イオン種、（２）一次イオン照射条件、（３）二次イオン検出条件等の条件項目を設定する。本実施例の場合、モニターする二次イオン種はＣｅＳｉ＋
とした。
【００４２】
つぎに、ステップＳ１２において、ステップＳ１１で設定された分析条件に基づき、一次イオンビームを試料に照射し、試料からスパッタリングされた二次イオンの測定を行い、二次イオンを検出し、１画面走査で１イオン種を記録する。
【００４３】
ステップＳ１３において、モニターとして選んだ二次イオン種の強度変化率を監視し、強度変化率が予め設定された条件を満たしたかを判定する。
【００４４】
強度変化率が条件を満たした場合、あらかじめ設定した二次イオン種を全種測定した後に、ステップＳ１４において、一次イオンビーム走査周波数およびチョッピング周波数を含む一次イオン走査条件を変更する。すなわち、試料中の構成層が変化したことを検出できたことになる。
【００４５】
変更した後に、ステップS１２に戻り、二次イオン種を検出し、モニター二次イオン種に基づく強度変化率の判定を繰り返す。ステップＳ１３において、モニター二次イオン種の強度変化率の条件を満たさなければ、ステップＳ１５において、測定終了かを判定する。
【００４６】
測定終了でなければ、ステップＳ１２に戻り、測定を継続する。
【００４７】
ここで、ステップＳ１３における二次イオン種の強度変化率の判定について補足しておく。二次イオン質量分析装置において、一次イオンビームの走査クロック周波数とチョッピングクロック周波数のみを変化させてデータを取得し、分析条件の切り替えは、モニター二次イオン種であるＣｅＳｉ＋におけるある点のカウントレート（Ｃ０）と、連続した次の点のカウントレート（Ｃ１）との１０を底とする対数の差分を時間で割った値の２乗平均（以下の式（１））の値が、例えば、１０−４以下となったタイミングで行った。
【００４８】
【数１】
2013205350.tif 000003
【００４９】
図８は、スパッタリング速度が一定の場合の二次イオンプロファイルを示す図（比較例）である。図８は、比較例として、スパッタリング速度を一定とした場合に得られた深さ方向元素プロファイルを示している。
【００５０】
なお、分析条件は以下の通り設定した。
＜分析条件１＞
一次イオン：Ｃｓ+
一次イオンエネルギー：３００ｅＶ
一次イオン入射角：０°
モニター元素：Ｓｉ
モニター二次イオン種：ＣｅＳｉ＋
ビーム電流：１５ｎＡ
一次イオン走査クロック周波数：１３０ｋＨｚ
チョッピングクロック周波数：０Ｈｚ
検出イオン：ＣｓＳｉ+、ＣｓＯ+
図９は、スパッタリング速度を変えた場合に得られる深さ方向元素プロファイルを示す図（実施例）である。
【００５１】
分析条件は以下の通りに設定した。
＜分析条件２＞（以下の条件以外は分析条件１と同じとした。）
一次イオン走査クロック周波数：２６０ｋＨｚ
チョッピングクロック周波数：２６０ｋＨｚ
図８、９の分析結果によれば、図９では、５００秒付近に条件切り替えに伴う検出粒子数の変化が認められる。この結果から、本発明の手法を適用することによって、Ｓｉ層のデータは変わらないが、ＳｉＯ２層のデータ点数は、図８の比較例の結果に比べて、およそ４倍となっている。つまり、表面近傍に存在するＳｉＯ２層の深さ分解能が４倍のデータを得たことに相当することが分かった。よって、組成変化が大きくても十分精度の確保が可能である。
【００５２】
以上、本発明によれば、一次イオン電流値やエネルギーを変化させず、制御の容易な一次イオンビームの走査状態を変化させることによってスパッタリング速度を変化させることが可能となり、スパッタリング速度の制御が高い精度で実現できる。その結果、それぞれの層に適切、かつ、安定したスパッタリング速度でエッチングを進行させ、試料の深いところまで精度を損ねることのない深さ分布の評価が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、二次イオン質量分析技術の分野に関する。
【符号の説明】
【００５４】
１  一次イオンビーム発生器
２  一次イオンビーム
３  二次イオン
４  質量分析器
５  試料
６  試料台
１１  イオン発生源
１２  コンデンサレンズ（静電レンズ）
１３  対物レンズ（静電レンズ）
１４  偏向レンズ（静電レンズ）
１５  チョッピング電極
１６  アパーチャ
【図１】
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【図３】
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【図２】
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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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