二次イオン質量分析法及び二次イオン質量分析システム
【課題】一次イオンとしてセシウムを使用した場合に、最適な分析条件を判断できる二次イオン質量分析方法及び二次イオン質量分析装置を提供する。
【解決手段】入射角が０度、加速エネルギーが２５０ｅＶの条件でセシウムイオンを第１の試料に照射し、第１の試料から放出される二次イオンを質量分析して不純物元素の分布を測定する。次に、入射角が０度、加速エネルギーが１ｋｅＶの条件でセシウムイオンを第２の試料に照射し、第２の試料から放出される二次イオンを質量分析して不純物元素の分布を測定する。その後、２つの不純物元素の分布のピーク値のシフト方向を調べ、その結果に応じて予め設定された分析条件から特定の分析条件を決定する。
【解決手段】入射角が０度、加速エネルギーが２５０ｅＶの条件でセシウムイオンを第１の試料に照射し、第１の試料から放出される二次イオンを質量分析して不純物元素の分布を測定する。次に、入射角が０度、加速エネルギーが１ｋｅＶの条件でセシウムイオンを第２の試料に照射し、第２の試料から放出される二次イオンを質量分析して不純物元素の分布を測定する。その後、２つの不純物元素の分布のピーク値のシフト方向を調べ、その結果に応じて予め設定された分析条件から特定の分析条件を決定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一次イオンとしてセシウム（Ｃｓ）を使用する二次イオン質量分析法及び二次イオン質量分析システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
二次イオン質量分析（Secondary Ion Mass Spectrometry：ＳＩＭＳ）法は、試料表面にビーム状の一次イオンを照射し、試料表面から放出される二次イオンを質量分析して試料に含まれる元素を分析する方法である。二次イオン質量分析法では、一次イオンにより試料表面をスパッタエッチングしながら元素の分析を行うことにより、試料の深さ方向における元素の分布状態を測定することができる。
【０００３】
二次イオン質量分析法は、半導体装置の開発にも使用されている。半導体装置の電気特性は、半導体基板に導入される不純物元素の種類や分布状態に大きく関係する。従って、半導体装置をより一層高性能化するためには、半導体基板に導入される不純物元素の分布状態を元素毎に測定することが重要である。
【０００４】
近年の半導体装置の微細化にともない、不純物元素の分布深さは、基板表面から数ｎｍ〜十数ｎｍと極めて浅くなってきている。また、半導体装置の電気特性を向上させるために、基板の表面近傍には種々の元素が導入される。二次イオン質量分析法を用いることにより、半導体基板に導入された元素の深さ方向の分布状態を元素毎に測定することができる。一般的に、二次イオン質量分析法では、反応性が高く感度がよいことから、一次イオンとして酸素又はセシウムが使用される。
【０００５】
ところで、一次イオンとして酸素を使用した場合、深さ方向における元素の分布状態の分析結果は、分析条件（主に、一次イオンビームの入射角と加速エネルギー）によって変化する。これは、イオンビームの照射による試料表面の荒れやトランジェント領域（スパッタが安定するまでの領域：非平衡領域）及び自然酸化膜の存在などによる局所的なスパッタ収率の変化が関係しているものと考えられる。また、イオンビームの照射により、試料表面には酸化膜が形成されるが、この酸化の過程でインジウムやガリウム、アルミニウム等の金属元素が基板深さ方向へ押し出され、分布が変化する場合がある。これは、イオンビームのエネルギーが１ｋｅＶ以下で垂直に近い入射角の場合である。イオンビームの照射で起こるスパッタリングは、エネルギーが低いほど、また入射角が垂直に近いほど遅くなる。インジウムやガリウムなどの分布変化は、スパッタリング率が極端に遅くなることに起因する現象である。非特許文献１には、一次イオンとして酸素を使用する場合、加速エネルギーを２００ｅＶ、入射角を４０度とすることで、いずれの元素の場合でも、高い精度で深さ方向の不純物分布を測定できることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３７９６１号公報
【特許文献２】特開平４−２７４３４０号公報
【特許文献３】特開平８−８７９７５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Y. Tada, K. Suzuki, Y. Kataoka, Appl. Surf. Sci. 255 (2008) 1320-1322.
【非特許文献２】Y. Kataoka, et al., Appl. Surf. Sci. 203-204 (2003) 329-334.
【非特許文献３】Y. Kataoka, et al., Appl. Surf. Sci. 203-204 (2003) 43-47.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
酸素の分子イオンが妨害信号となるような元素や負の二次イオン化率が高い元素（例えば、Ａｓ（ヒ素）、Ｆ（フッ素）、及びＰ（リン）等）の深さ方向の分布状態を分析する場合、一次イオンとして酸素を使用すると、目的の元素の分布状態を良好な精度で測定することができなくなる。このような場合は、酸素に替えてセシウムを一次イオンとして使用する。
【０００９】
一次イオンとしてセシウムを使用した場合も、酸素の場合と同様に深さ方向の元素の分布状態の測定結果は分析条件により変化する。しかし、セシウムの場合、変化の仕方が酸素の場合と異なり、どのような条件で分析すれば最も高い精度で元素の深さ方向の分布状態を測定できるのかが明らかになっていない。
【００１０】
以上から、一次イオンとしてセシウムを使用した場合に、最適な分析条件を判断できる二次イオン質量分析方法及び二次イオン質量分析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一観点によれば、第１の加速エネルギーでセシウムイオンを加速し、所定の入射角で前記セシウムイオンを第１の試料に照射して前記第１の試料から放出される二次イオンを質量分析し、前記第１の試料中に含有される特定元素の深さ方向の分布状態を測定する第１の工程と、第２の加速エネルギーでセシウムイオンを加速し、前記所定の入射角で前記セシウムイオンを前記第１の試料と同一構造の第２の試料に照射して前記第２の試料から放出される二次イオンを質量分析し、前記第２の試料中に含有される前記特定元素の深さ方向の分布状態を測定する第２の工程と、前記第１の工程で測定した前記特定元素の分布状態におけるピーク位置と前記第２の工程で測定した前記特定元素の分布状態におけるピーク位置との差に応じて、予め設定された分析条件のうちから特定の分析条件を決定する第３の工程と、前記特定の分析条件でセシウムイオンを実試料に照射して前記実試料から放出される二次イオンを質量分析し、前記実試料中に含有される前記特定元素の深さ方向の分布状態を測定する工程とを有する二次イオン質量分析方法が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
上記一観点によれば、実試料に含有される特定元素に応じた適切な分析条件で二次イオン質量分析を行うことができる。これにより、実試料中に含有される特定元素の深さ方向の分布状態を良好な精度で分析することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１（ａ），（ｂ）はいずれも、一次イオンにセシウムを使用して深さ方向の不純物元素の分布状態を測定した結果を、一次イオンの加速エネルギー毎に示す図（その１）である。
【図２】図２は、一次イオンにセシウムを使用して深さ方向の不純物元素の分布状態を測定した結果を、一次イオンの加速エネルギー毎に示す図（その２）である。
【図３】図３は、一次イオンにセシウムを使用して深さ方向の不純物元素の分布状態を測定した結果を、一次イオンの加速エネルギー毎に示す図（その３）である。
【図４】図４は、一次イオンビームの入射角とフッ素の分布状態のピーク位置との関係を一次イオンの加速エネルギー毎に調べた結果を示す図である。
【図５】図５は、一次イオンビームの入射角とホウ素の分布状態のピーク位置との関係を一次イオンの加速エネルギー毎に調べた結果を示す図である。
【図６】図６は、実施形態に係る二次イオン質量分析システムの構成を示す模式図である。
【図７】図７は、演算処理装置に記憶されたデータベースの例を示す図である。
【図８】図８は、実施形態に係る二次イオン質量分析方法を示すフローチャートである。
【図９】図９は、図８の一部の工程をより詳細に示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、実施形態について説明する。
【００１５】
前述したように、一次イオンとして酸素を用いた場合、深さ方向における元素の分布状態の分析結果は分析条件により変化する。この変化は、特定の条件で分析した場合の金属元素を除くと、試料の表面荒れやトランジェント領域、又は基板表面の自然酸化膜の存在などによる局所的なスパッタ収率の変化によるものと考えられる。
【００１６】
しかし、本願発明者らの実験から、一次イオンとしてセシウムを使用した場合、深さ方向における元素の分布状態の変化の傾向は、分析条件だけでなく、分析する元素の種類に依存することが判明している。また、元素の種類と分布状態の変化の傾向との関連も十分に検討する必要がある。
【００１７】
図１〜図３はいずれも一次イオンにセシウムを使用して深さ方向の不純物元素の分布状態を測定した結果を、一次イオンの加速エネルギー毎に示す図である。図１（ａ），図２，図３において、一次イオンとして酸素を用いた場合（加速エネルギーが２００ｅＶ、入射角が４０度）の測定結果をリファレンスとして併せて示している。なお、本願において入射角とは、基板表面に垂直な直線（法線）と一次イオンビームとのなす角度をいう。
【００１８】
図１（ａ）は、シリコン基板にＢＦ2を加速エネルギーが２０ｋｅＶ、入射角が７度、導入量が１×１０15ｃｍ-2の条件で導入し、その後Ｂ（ホウ素）の深さ方向の分布状態を二次イオン質量分析法で測定した結果を示している。この図１（ａ）に示すように、Ｂの場合は、一次イオンの加速エネルギーが高いほど、分布状態を示す曲線が基板深さ方向（基板表面から離れる方向）にシフトしている。
【００１９】
図１（ｂ）は、シリコン基板にＢを加速エネルギーが３ｋｅＶ、入射角が７度、導入量が１×１０15ｃｍ-2の条件で導入し、その後Ｂの深さ方向の分布状態を二次イオン質量分析法で測定した結果を示している。この図１（ｂ）においても、一次イオンの加速エネルギーが高いと、分布状態を示す曲線が基板深さ方向にシフトすることがわかる。
【００２０】
図２は、シリコン基板にＢＦ2を加速エネルギーが２０ｋｅＶ、入射角が７度、導入量が１×１０15ｃｍ-2の条件で導入し、その後Ｆ（フッ素）の深さ方向の分布状態を二次イオン質量分析法で測定した結果を示している。この図２に示すように、Ｆの場合は、一次イオンの加速エネルギーが高いほど、分布状態を示す曲線が基板表面方向（基板表面に向かう方向）にシフトしている。
【００２１】
図３は、シリコン基板にＧｅ（ゲルマニウム）を加速エネルギーが１７ｋｅＶ、入射角が０度、導入量が５×１０14ｃｍ-2の条件で導入し、その後Ｇｅの深さ方向の分布状態を二次イオン質量分析法で測定した結果を示している。この図３に示すように、Ｇｅの場合は、分布状態を示す曲線のピーク位置は殆ど変化しないが、一次イオンの加速エネルギーが高いほど、分布状態を示す曲線が基板表面方向及び基板深さ方向に広がっている。
【００２２】
このようになる理由は明らかでないものの、以下のように考えることができる。図１（ａ），（ｂ）のように分布状態が基板深さ方向にシフトする現象はセグリゲーション（segregation）により起こると考えられる。セグリゲーションとは、基板に打ち込まれたイオン（セシウム）により不純物元素（Ｂ）が基板の深さ方向に押し出される現象をいう。
【００２３】
図２のように分布状態が基板表面側にシフトする現象は、セシウムの一次イオンが形成するミキシングレイヤ（変質層）内での不純物元素（Ｆ）の表面方向への偏析により起こると考えられる。つまり、基板に打ち込まれた活性なセシウムイオン（正のイオン）に、負になりやすい不純物元素が引き寄せられて起こるものと考えられる。
【００２４】
図３のように分布状態が基板表面方向及び基板深さ方向に広がる現象は、ミキシングレイヤ内での単純な攪拌、すなわち基板に打ち込まれたセシウムイオンにより不純物元素（Ｇｅ）が攪拌されて起こるものと考えられる。
【００２５】
本願発明者らは、種々の元素について一次イオンの加速エネルギーと分布状態を示す曲線の変化との関係を調べた結果、元素の種類に応じてこれら図１〜図３のいずれかの傾向を示すことが判明した。例えばＡｓ（ヒ素）やＰ（リン）も、フッ素（Ｆ）と同じ傾向（図２参照）を示す。
【００２６】
不純物元素の表面方向への偏析や単純な攪拌の場合、ミキシングレイヤの厚さが薄くなるほど分布状態の変化が小さくなると考えられる。ミキシングレイヤの厚さは、一次イオンの加速エネルギーと入射角とに関係する。
【００２７】
図４は、横軸に一次イオンビームの入射角をとり、縦軸に二次イオン質量分析法により測定したフッ素（Ｆ）の分布状態のピーク位置をとって、両者の関係を一次イオンの加速エネルギー毎に調べた結果を示す図である。なお、図４において、分布状態のピーク位置は、一次イオンに酸素を用いて測定した場合（リファレンス）の分布状態を示す曲線のピーク位置を基準（シフト量０）としている。
【００２８】
この図４に示すように、一次イオンの加速エネルギーが２５０ｅＶと低い場合は、入射角が０〜５０度の範囲でピーク位置がほぼ一定であることがわかる。一次イオンの加速エネルギーが５００ｅＶの場合及び１ｋｅＶの場合であっても、一次イオンビームの入射角を４０〜６０度とすると、ミキシングレイヤの厚さが薄くなるため、加速エネルギーが２５０ｅＶの場合とほぼ同様の分析結果を得ることができる。なお、図４において、セシウムを使用した場合と酸素を使用した場合とでピーク位置が２ｎｍ程度ずれているが、これは基板表面の酸化膜やイオンビームの照射で表面に形成されたセシウム高濃度層などの影響と思われる。
【００２９】
一方、一次イオンの照射により不純物元素が基板深さ方向にセグリゲーションする場合は、一次イオンの加速エネルギーと入射角とが分布状態の変化に大きく関係する。図５は、横軸に一次イオンビームの入射角をとり、縦軸に二次イオン質量分析法により測定したホウ素（Ｂ）の分布状態のピーク位置をとって、両者の関係を一次イオンの加速エネルギー毎に調べた結果を示す図である。ここでも、分布状態のピーク位置は、一次イオンに酸素を用いて測定した場合（リファレンス）の分布状態を示す曲線のピーク位置を基準（シフト量０）としている。
【００３０】
この図５に示すように、加速エネルギーが１ｋｅＶと高い場合は、入射角に拘わらずピーク位置がリファレンスから離れており、分析に適していないことがわかる。図５から、不純物元素の分布状態を精度よく測定するためには、加速エネルギーが５００ｅＶの場合は入射角を０度とし、加速エネルギーが２５０ｅＶの場合は入射角を０〜２０度の範囲内とすることが好ましいことがわかる。
【００３１】
本実施形態では、入射角を一定にし、低エネルギー及び高エネルギーで一次イオンビームを照射してそれぞれ深さ方向の不純物元素の分布状態を測定し、分布状態を示す曲線のピーク位置の差（シフト方向）を調べる。例えば入射角を０度とし、一次イオン（セシウム）の加速エネルギーを２５０ｅＶ及び１ｋｅＶとして二次イオン質量分析を行い、不純物元素の分布状態を示す曲線のピーク位置を調べる。
【００３２】
分析する不純物元素がフッ素（Ｆ）の場合は、図４に白抜き矢印で示すように、一次イオンの加速エネルギーが高いほどピーク位置は基板表面方向に移動する。このような元素の場合、図４から、例えば一次イオンの加速エネルギーを１ｋｅＶ、入射角を６０度としたとき、加速エネルギーを５００ｅＶ、入射角を４０〜６０度としたとき、又は加速エネルギーを２５０ｅＶ、入射角を０〜５０度としたときに、深さ方向の不純物元素の分布状態を精度良く測定できることがわかる。以下、このような元素を、Ａグループの元素という。
【００３３】
前述したように、フッ素の場合、深さ方向の分布状態の測定精度はミキシングレイヤの厚さに関係し、ミキシングレイヤの厚さが薄いほど測定精度は向上する。従って、上記の分析条件は、ミキシングレイヤの厚さが十分薄くなる条件ということができる。
【００３４】
Ｇｅのように一次イオンの加速エネルギーが変化しても分布状態を示す曲線のピーク位置が殆ど変化しない元素の場合も、フッ素の場合と同様に深さ方向の分布状態の測定精度を高くするためにはミキシングレイヤの厚さを薄くする必要がある。従って、Ｇｅのような元素の場合も、最適な分析条件はフッ素の場合と同じと考えることができる。このため、本実施形態では、Ｇｅのように一次イオンの加速エネルギーが変化しても分布状態を示す曲線のピーク位置が殆ど変化しない元素も、Ａグループの元素に含める。
【００３５】
分析する不純物元素がホウ素（Ｂ）の場合は、図５に白抜き矢印で示すように、一次イオンの加速エネルギーが高いほどピーク位置は基板深さ方向に移動する。このような元素の場合、図５から、例えば加速エネルギーを５００ｅＶ、入射角を０度としたとき、又は加速エネルギーを２５０ｅＶ、入射角を０〜２０度としたときに、深さ方向の不純物元素の分布状態を精度良く測定できることがわかる。以下、このような元素を、Ｂグループの元素という。
【００３６】
本実施形態においては、このように一次イオンの入射角を一定にし、一次イオンの加速エネルギーを変えて不純物元素の分布のピーク位置の変化を調べ、その結果に応じて分析する不純物元素に最適な分析条件を決定する。分析する不純物元素が複数の場合は、各不純物元素の最適条件が重複する範囲を選択すればよい。
【００３７】
なお、上述の方法により不純物元素分布状態を示す曲線のピーク位置の変化を調べる場合、一次イオンの加速エネルギーの差は大きいほど好まく、例えば一次イオンの加速エネルギーの差は５００ｅＶ以上とすることが好ましい。但し、一次イオンとしてセシウムを使用する場合、加速エネルギーが１００ｅＶよりも低いと基板をスパッタエッチングすることができない。また、一次イオンの注入深さが分析する不純物元素のピーク深さを超える場合は、不純物元素の分布状態を精度よく測定することができない。このため、一次イオンの加速エネルギーは、１００ｅＶ以上であって、一次イオンの注入深さが分析する不純物元素のピーク深さに達しない範囲とすることが好ましい。
【００３８】
また、一次イオンビームの入射角が大きくなると表面荒れを起こしやすくなり、不純物元素分布の測定精度が低下する。このため、一次イオンビームの入射角は、表面荒れを起こさない角度とすることが好ましい。表面荒れが起こる入射角は一次イオンビームの加速エネルギーにより異なる。
【００３９】
図６は、実施形態に係る二次イオン質量分析システムの構成を示す模式図である。この図６に示すように、二次イオン質量分析システムは、一次イオンビームを照射するイオン銃１１と、試料１０が載置される試料台１２と、試料１０から放出される二次イオンを質量分析する質量分析器１３と、演算処理装置１４とを有している。
【００４０】
試料台１２は真空容器１５内に配置されている。イオン銃１１は、所定の加速エネルギーで加速されたセシウムのイオンビームを、試料台１２の上に載置された試料１０に向けて出射する。試料台１２には試料１０の位置や傾きを調整する駆動装置（図示せず）が取り付けられており、イオンビームの入射角を調整できるようになっている。
【００４１】
試料台１２の斜め上方には二次イオン質量分析器１３が配置されている。この二次イオン質量分析器１３には、例えば四重極質量分析計が使用されている。二次イオン質量分析器１３からは、試料１０から放出される二次イオンの質量に応じた信号が出力される。
【００４２】
演算処理装置１４は、二次イオン質量分析器１３から出力される信号に基づき試料１０から放出される１種又は複数種の元素の数を単位時間毎にカウントして、その結果に基づいて深さ方向の不純物元素の分布状態を分析する。
【００４３】
また、演算処理装置１４には、データベースが記憶されている。このデータベースには、例えば図７に示すように、Ａグループの元素及びＢグループの元素毎にそれぞれ最適な一次イオンの加速エネルギー及び入射角のデータが記憶されている。その他、データベースには、一次イオンの加速エネルギー毎に、表面荒れが起こらない入射角のデータや、注入深さ（ミキシングレイヤの厚さ）のデータ、及びスパッタ収率のデータ（一次イオンの種類、基板の種類、加速エネルギー及び入射角とスパッタ速度との関係を示すデータ）等も記憶されている。
【００４４】
図８は、本実施形態に係る二次イオン質量分析方法を示すフローチャートである。この図８及び前述の図６を参照して、二次イオン質量分析方法について説明する。
【００４５】
まず、ステップＳ１１において、試料及び分析対象の不純物元素の情報を演算処理装置１４に入力する。例えば、ＣＭＯＳトランジスタの活性層における深さ方向の不純物元素分布状態を分析する場合、半導体基板の材質、注目する不純物元素の種類、及びどのくらいの深さ（情報収集深さ）まで分析を行うのか、などの情報を入力する。
【００４６】
次に、ステップＳ１２において、演算処理装置１４に一次イオン種及び二次イオン種を設定する。二次イオン質量分析法においては、前述したように一次イオン種として主に酸素又はセシウムが使用されるが、ここでは一次イオン種としてセシウム（Ｃｓ+）を使用するように設定するものとする。また、二次イオン種として、質量分析により検出する単原子イオン又は分子イオンの種類を演算処理装置１４に設定する。
【００４７】
次に、ステップＳ１３において、入射角を一定にし、一次イオンの加速エネルギーを変化させて、分析対象の不純物元素の深さ方向の分布状態を測定する。
【００４８】
図９は、図８のステップＳ１３の工程をより詳細に示すフローチャートである。ステップＳ２１において、例えば入射角を０度、加速エネルギーを２５０ｅＶとして第１の試料の表面にセシウムイオンを照射し、試料表面から放出される二次イオンを質量分析して、不純物元素の分布状態を測定する。
【００４９】
その後、ステップＳ２２に移行し、例えば入射角を０度、加速エネルギーを１ｋｅＶとして試料表面にセシウムイオンを照射し、第２の試料の表面から放出される二次イオンを質量分析して、不純物元素の分布状態を測定する。なお、第２の試料は第１の試料と同一構造のもの、すなわち同一の基板に同一の不純物が同一の条件で導入されているものを使用する。
【００５０】
次に、ステップＳ２３に移行し、ステップＳ２１で測定した不純物元素の分布状態のピーク位置を基準とし、ステップＳ２２で測定した不純物元素の分布状態のピーク位置のシフト方向を調べる。そして、ステップＳ２４に移行し、シフト方向が基板深さ方向か否かを判定し、シフト方向が基板深さ方向でないと判定したとき、すなわちシフト方向が基板表面に向かう方向であるか又はピーク位置が殆ど同じ（実質的に同じ）であると判定したときは、ステップＳ２５に移行し、不純物元素をＡグループの元素とする。一方、ステップＳ２４において、シフト方向が基板深さ方向の場合はステップＳ２６に移行して、不純物元素をＢグループの元素とする。
【００５１】
このようにして不純物元素のグループが決定された後、ステップＳ１４に移行し、演算処理装置１４は、データベースを参照し、ピーク位置のシフト方向に応じた最適条件を決定する。例えば、Ａグループの元素の場合、加速エネルギーを１ｋｅＶとしたときは入射角を６０度とし、加速エネルギーを５００ｅＶとしたときは入射角を４０〜６０度とし、加速エネルギーを２５０ｅＶとしたときは加速エネルギーを０〜５０度とする。また、例えばＢグループの元素の場合、加速エネルギーを５００ｅＶとしたときは入射角を０度とし、加速エネルギーを２５０ｅＶとしたときは入射角を０〜２０度とする。
【００５２】
なお、実際には、不純物元素の注入深さや分析時間、表面荒れが起こらない角度、一次イオンの注入深さ、及び複数の元素の分布状態を同時に分析する場合はそれらの元素の最適範囲を考慮して、加速エネルギー及び入射角が一義的に決定される。
【００５３】
次に、ステップＳ１５に移行し、一次イオン電流量が決定される。その後、ステップＳ１６に移行し、分析に必要な時間が計算される。例えば、ステップＳ１１で入力された基板情報及び情報収集深さと、ラスター情報と、一次イオン種、加速エネルギー及び入射角の情報と、スパッタ収率のデータとから、深さ方向の不純物分布の測定に必要な時間を計算する。
【００５４】
次いで、ステップＳ１７において、設定された分析条件で実際に試料を二次イオン質量分析して、深さ方向の不純物元素の分布状態を測定する。
【００５５】
本実施形態においては、一次イオンとしてセシウムを使用する二次イオン質量分析において、分析対象とする元素に応じた最適な分析条件を自動的に設定することができる。これにより、例えば半導体基板に導入された不純物元素の深さ方向の分布状態を精度よく測定することができ、半導体装置の開発に関わる分析評価に極めて有効である。
【００５６】
以下、本発明の諸態様を、付記としてまとめて記載する。
【００５７】
（付記１）第１の加速エネルギーでセシウムイオンを加速し、所定の入射角で前記セシウムイオンを第１の試料に照射して前記第１の試料から放出される二次イオンを質量分析し、前記第１の試料中に含有される特定元素の深さ方向の分布状態を測定する第１の工程と、
第２の加速エネルギーでセシウムイオンを加速し、前記所定の入射角で前記セシウムイオンを前記第１の試料と同一構造の第２の試料に照射して前記第２の試料から放出される二次イオンを質量分析し、前記第２の試料中に含有される前記特定元素の深さ方向の分布状態を測定する第２の工程と、
前記第１の工程で測定した前記特定元素の分布状態におけるピーク位置と前記第２の工程で測定した前記特定元素の分布状態におけるピーク位置との差に応じて、予め設定された分析条件のうちから特定の分析条件を決定する第３の工程と、
前記特定の分析条件でセシウムイオンを実試料に照射して前記実試料から放出される二次イオンを質量分析し、前記実試料中に含有される前記特定元素の深さ方向の分布状態を測定する工程と
を有することを特徴とする二次イオン質量分析方法。
【００５８】
（付記２）前記第１の加速エネルギーが前記第２の加速エネルギーよりも低い場合に、前記第３の工程では、前記第１の工程で測定した前記特定元素の分布状態におけるピーク位置から前記第２の工程で測定した前記特定元素の分布状態におけるピーク位置までのシフト方向が、前記試料の表面に向かう方向の場合及びピーク位置が実質的に同じである場合と、前記試料の深さ方向の場合とに分けて、前記特定の分析条件が決定されることを特徴とする付記１に記載の二次イオン質量分析方法。
【００５９】
（付記３）前記第１の加速エネルギーと前記第２の加速エネルギーとの差が５００ｅＶ以上あることを特徴とする付記１又は２に記載の二次イオン質量分析方法。
【００６０】
（付記４）前記第１の加速エネルギーが１００ｅＶ以上であり、前記第２の加速エネルギーが前記第１の加速エネルギーよりも高く、且つ前記セシウムイオンの注入深さが前記特定元素の深さ方向の分布のピーク深さよりも浅くなるエネルギーであることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の二次イオン質量分析方法。
【００６１】
（付記５）前記所定の入射角が、第１の加速エネルギー及び前記第２の加速エネルギーにおいて前記第１の試料及び前記第２の試料の表面に荒れを起こさない角度であることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の二次イオン質量分析方法。
【００６２】
（付記６）前記第１の試料、前記第２の試料及び前記実試料が、不純物元素が導入された半導体基板であることを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の二次イオン質量分析方法。
【００６３】
（付記７）セシウムイオンを出射するイオン銃と、
試料が載置される試料台と、
前記試料から放出される二次イオンを質量分析する質量分析器と、
前記質量分析器から出力される信号を処理する演算処理装置とを有し、
前記演算処理装置は、
第１の加速エネルギー且つ所定の入射角でセシウムイオンが照射された第１の試料から放出される二次イオンを質量分析して得た前記第１の試料中に含有される特定元素の深さ方向の分布状態におけるピーク位置と、第２の加速エネルギー且つ前記所定の入射角でセシウムイオンが照射された第２の試料から放出される二次イオンを質量分析して得た前記第２の試料中に含有される特定元素の深さ方向の分布状態におけるピーク位置との差に応じて、予め設定された分析条件のうちから特定の分析条件を選択することを特徴とする二次イオン質量分析システム。
【符号の説明】
【００６４】
１０…試料、１１…イオン銃、１２…試料台、１３…質量分析器、１４…演算処理装置、１５…真空容器。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一次イオンとしてセシウム（Ｃｓ）を使用する二次イオン質量分析法及び二次イオン質量分析システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
二次イオン質量分析（Secondary Ion Mass Spectrometry：ＳＩＭＳ）法は、試料表面にビーム状の一次イオンを照射し、試料表面から放出される二次イオンを質量分析して試料に含まれる元素を分析する方法である。二次イオン質量分析法では、一次イオンにより試料表面をスパッタエッチングしながら元素の分析を行うことにより、試料の深さ方向における元素の分布状態を測定することができる。
【０００３】
二次イオン質量分析法は、半導体装置の開発にも使用されている。半導体装置の電気特性は、半導体基板に導入される不純物元素の種類や分布状態に大きく関係する。従って、半導体装置をより一層高性能化するためには、半導体基板に導入される不純物元素の分布状態を元素毎に測定することが重要である。
【０００４】
近年の半導体装置の微細化にともない、不純物元素の分布深さは、基板表面から数ｎｍ〜十数ｎｍと極めて浅くなってきている。また、半導体装置の電気特性を向上させるために、基板の表面近傍には種々の元素が導入される。二次イオン質量分析法を用いることにより、半導体基板に導入された元素の深さ方向の分布状態を元素毎に測定することができる。一般的に、二次イオン質量分析法では、反応性が高く感度がよいことから、一次イオンとして酸素又はセシウムが使用される。
【０００５】
ところで、一次イオンとして酸素を使用した場合、深さ方向における元素の分布状態の分析結果は、分析条件（主に、一次イオンビームの入射角と加速エネルギー）によって変化する。これは、イオンビームの照射による試料表面の荒れやトランジェント領域（スパッタが安定するまでの領域：非平衡領域）及び自然酸化膜の存在などによる局所的なスパッタ収率の変化が関係しているものと考えられる。また、イオンビームの照射により、試料表面には酸化膜が形成されるが、この酸化の過程でインジウムやガリウム、アルミニウム等の金属元素が基板深さ方向へ押し出され、分布が変化する場合がある。これは、イオンビームのエネルギーが１ｋｅＶ以下で垂直に近い入射角の場合である。イオンビームの照射で起こるスパッタリングは、エネルギーが低いほど、また入射角が垂直に近いほど遅くなる。インジウムやガリウムなどの分布変化は、スパッタリング率が極端に遅くなることに起因する現象である。非特許文献１には、一次イオンとして酸素を使用する場合、加速エネルギーを２００ｅＶ、入射角を４０度とすることで、いずれの元素の場合でも、高い精度で深さ方向の不純物分布を測定できることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３７９６１号公報
【特許文献２】特開平４−２７４３４０号公報
【特許文献３】特開平８−８７９７５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Y. Tada, K. Suzuki, Y. Kataoka, Appl. Surf. Sci. 255 (2008) 1320-1322.
【非特許文献２】Y. Kataoka, et al., Appl. Surf. Sci. 203-204 (2003) 329-334.
【非特許文献３】Y. Kataoka, et al., Appl. Surf. Sci. 203-204 (2003) 43-47.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
酸素の分子イオンが妨害信号となるような元素や負の二次イオン化率が高い元素（例えば、Ａｓ（ヒ素）、Ｆ（フッ素）、及びＰ（リン）等）の深さ方向の分布状態を分析する場合、一次イオンとして酸素を使用すると、目的の元素の分布状態を良好な精度で測定することができなくなる。このような場合は、酸素に替えてセシウムを一次イオンとして使用する。
【０００９】
一次イオンとしてセシウムを使用した場合も、酸素の場合と同様に深さ方向の元素の分布状態の測定結果は分析条件により変化する。しかし、セシウムの場合、変化の仕方が酸素の場合と異なり、どのような条件で分析すれば最も高い精度で元素の深さ方向の分布状態を測定できるのかが明らかになっていない。
【００１０】
以上から、一次イオンとしてセシウムを使用した場合に、最適な分析条件を判断できる二次イオン質量分析方法及び二次イオン質量分析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一観点によれば、第１の加速エネルギーでセシウムイオンを加速し、所定の入射角で前記セシウムイオンを第１の試料に照射して前記第１の試料から放出される二次イオンを質量分析し、前記第１の試料中に含有される特定元素の深さ方向の分布状態を測定する第１の工程と、第２の加速エネルギーでセシウムイオンを加速し、前記所定の入射角で前記セシウムイオンを前記第１の試料と同一構造の第２の試料に照射して前記第２の試料から放出される二次イオンを質量分析し、前記第２の試料中に含有される前記特定元素の深さ方向の分布状態を測定する第２の工程と、前記第１の工程で測定した前記特定元素の分布状態におけるピーク位置と前記第２の工程で測定した前記特定元素の分布状態におけるピーク位置との差に応じて、予め設定された分析条件のうちから特定の分析条件を決定する第３の工程と、前記特定の分析条件でセシウムイオンを実試料に照射して前記実試料から放出される二次イオンを質量分析し、前記実試料中に含有される前記特定元素の深さ方向の分布状態を測定する工程とを有する二次イオン質量分析方法が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
上記一観点によれば、実試料に含有される特定元素に応じた適切な分析条件で二次イオン質量分析を行うことができる。これにより、実試料中に含有される特定元素の深さ方向の分布状態を良好な精度で分析することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１（ａ），（ｂ）はいずれも、一次イオンにセシウムを使用して深さ方向の不純物元素の分布状態を測定した結果を、一次イオンの加速エネルギー毎に示す図（その１）である。
【図２】図２は、一次イオンにセシウムを使用して深さ方向の不純物元素の分布状態を測定した結果を、一次イオンの加速エネルギー毎に示す図（その２）である。
【図３】図３は、一次イオンにセシウムを使用して深さ方向の不純物元素の分布状態を測定した結果を、一次イオンの加速エネルギー毎に示す図（その３）である。
【図４】図４は、一次イオンビームの入射角とフッ素の分布状態のピーク位置との関係を一次イオンの加速エネルギー毎に調べた結果を示す図である。
【図５】図５は、一次イオンビームの入射角とホウ素の分布状態のピーク位置との関係を一次イオンの加速エネルギー毎に調べた結果を示す図である。
【図６】図６は、実施形態に係る二次イオン質量分析システムの構成を示す模式図である。
【図７】図７は、演算処理装置に記憶されたデータベースの例を示す図である。
【図８】図８は、実施形態に係る二次イオン質量分析方法を示すフローチャートである。
【図９】図９は、図８の一部の工程をより詳細に示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、実施形態について説明する。
【００１５】
前述したように、一次イオンとして酸素を用いた場合、深さ方向における元素の分布状態の分析結果は分析条件により変化する。この変化は、特定の条件で分析した場合の金属元素を除くと、試料の表面荒れやトランジェント領域、又は基板表面の自然酸化膜の存在などによる局所的なスパッタ収率の変化によるものと考えられる。
【００１６】
しかし、本願発明者らの実験から、一次イオンとしてセシウムを使用した場合、深さ方向における元素の分布状態の変化の傾向は、分析条件だけでなく、分析する元素の種類に依存することが判明している。また、元素の種類と分布状態の変化の傾向との関連も十分に検討する必要がある。
【００１７】
図１〜図３はいずれも一次イオンにセシウムを使用して深さ方向の不純物元素の分布状態を測定した結果を、一次イオンの加速エネルギー毎に示す図である。図１（ａ），図２，図３において、一次イオンとして酸素を用いた場合（加速エネルギーが２００ｅＶ、入射角が４０度）の測定結果をリファレンスとして併せて示している。なお、本願において入射角とは、基板表面に垂直な直線（法線）と一次イオンビームとのなす角度をいう。
【００１８】
図１（ａ）は、シリコン基板にＢＦ2を加速エネルギーが２０ｋｅＶ、入射角が７度、導入量が１×１０15ｃｍ-2の条件で導入し、その後Ｂ（ホウ素）の深さ方向の分布状態を二次イオン質量分析法で測定した結果を示している。この図１（ａ）に示すように、Ｂの場合は、一次イオンの加速エネルギーが高いほど、分布状態を示す曲線が基板深さ方向（基板表面から離れる方向）にシフトしている。
【００１９】
図１（ｂ）は、シリコン基板にＢを加速エネルギーが３ｋｅＶ、入射角が７度、導入量が１×１０15ｃｍ-2の条件で導入し、その後Ｂの深さ方向の分布状態を二次イオン質量分析法で測定した結果を示している。この図１（ｂ）においても、一次イオンの加速エネルギーが高いと、分布状態を示す曲線が基板深さ方向にシフトすることがわかる。
【００２０】
図２は、シリコン基板にＢＦ2を加速エネルギーが２０ｋｅＶ、入射角が７度、導入量が１×１０15ｃｍ-2の条件で導入し、その後Ｆ（フッ素）の深さ方向の分布状態を二次イオン質量分析法で測定した結果を示している。この図２に示すように、Ｆの場合は、一次イオンの加速エネルギーが高いほど、分布状態を示す曲線が基板表面方向（基板表面に向かう方向）にシフトしている。
【００２１】
図３は、シリコン基板にＧｅ（ゲルマニウム）を加速エネルギーが１７ｋｅＶ、入射角が０度、導入量が５×１０14ｃｍ-2の条件で導入し、その後Ｇｅの深さ方向の分布状態を二次イオン質量分析法で測定した結果を示している。この図３に示すように、Ｇｅの場合は、分布状態を示す曲線のピーク位置は殆ど変化しないが、一次イオンの加速エネルギーが高いほど、分布状態を示す曲線が基板表面方向及び基板深さ方向に広がっている。
【００２２】
このようになる理由は明らかでないものの、以下のように考えることができる。図１（ａ），（ｂ）のように分布状態が基板深さ方向にシフトする現象はセグリゲーション（segregation）により起こると考えられる。セグリゲーションとは、基板に打ち込まれたイオン（セシウム）により不純物元素（Ｂ）が基板の深さ方向に押し出される現象をいう。
【００２３】
図２のように分布状態が基板表面側にシフトする現象は、セシウムの一次イオンが形成するミキシングレイヤ（変質層）内での不純物元素（Ｆ）の表面方向への偏析により起こると考えられる。つまり、基板に打ち込まれた活性なセシウムイオン（正のイオン）に、負になりやすい不純物元素が引き寄せられて起こるものと考えられる。
【００２４】
図３のように分布状態が基板表面方向及び基板深さ方向に広がる現象は、ミキシングレイヤ内での単純な攪拌、すなわち基板に打ち込まれたセシウムイオンにより不純物元素（Ｇｅ）が攪拌されて起こるものと考えられる。
【００２５】
本願発明者らは、種々の元素について一次イオンの加速エネルギーと分布状態を示す曲線の変化との関係を調べた結果、元素の種類に応じてこれら図１〜図３のいずれかの傾向を示すことが判明した。例えばＡｓ（ヒ素）やＰ（リン）も、フッ素（Ｆ）と同じ傾向（図２参照）を示す。
【００２６】
不純物元素の表面方向への偏析や単純な攪拌の場合、ミキシングレイヤの厚さが薄くなるほど分布状態の変化が小さくなると考えられる。ミキシングレイヤの厚さは、一次イオンの加速エネルギーと入射角とに関係する。
【００２７】
図４は、横軸に一次イオンビームの入射角をとり、縦軸に二次イオン質量分析法により測定したフッ素（Ｆ）の分布状態のピーク位置をとって、両者の関係を一次イオンの加速エネルギー毎に調べた結果を示す図である。なお、図４において、分布状態のピーク位置は、一次イオンに酸素を用いて測定した場合（リファレンス）の分布状態を示す曲線のピーク位置を基準（シフト量０）としている。
【００２８】
この図４に示すように、一次イオンの加速エネルギーが２５０ｅＶと低い場合は、入射角が０〜５０度の範囲でピーク位置がほぼ一定であることがわかる。一次イオンの加速エネルギーが５００ｅＶの場合及び１ｋｅＶの場合であっても、一次イオンビームの入射角を４０〜６０度とすると、ミキシングレイヤの厚さが薄くなるため、加速エネルギーが２５０ｅＶの場合とほぼ同様の分析結果を得ることができる。なお、図４において、セシウムを使用した場合と酸素を使用した場合とでピーク位置が２ｎｍ程度ずれているが、これは基板表面の酸化膜やイオンビームの照射で表面に形成されたセシウム高濃度層などの影響と思われる。
【００２９】
一方、一次イオンの照射により不純物元素が基板深さ方向にセグリゲーションする場合は、一次イオンの加速エネルギーと入射角とが分布状態の変化に大きく関係する。図５は、横軸に一次イオンビームの入射角をとり、縦軸に二次イオン質量分析法により測定したホウ素（Ｂ）の分布状態のピーク位置をとって、両者の関係を一次イオンの加速エネルギー毎に調べた結果を示す図である。ここでも、分布状態のピーク位置は、一次イオンに酸素を用いて測定した場合（リファレンス）の分布状態を示す曲線のピーク位置を基準（シフト量０）としている。
【００３０】
この図５に示すように、加速エネルギーが１ｋｅＶと高い場合は、入射角に拘わらずピーク位置がリファレンスから離れており、分析に適していないことがわかる。図５から、不純物元素の分布状態を精度よく測定するためには、加速エネルギーが５００ｅＶの場合は入射角を０度とし、加速エネルギーが２５０ｅＶの場合は入射角を０〜２０度の範囲内とすることが好ましいことがわかる。
【００３１】
本実施形態では、入射角を一定にし、低エネルギー及び高エネルギーで一次イオンビームを照射してそれぞれ深さ方向の不純物元素の分布状態を測定し、分布状態を示す曲線のピーク位置の差（シフト方向）を調べる。例えば入射角を０度とし、一次イオン（セシウム）の加速エネルギーを２５０ｅＶ及び１ｋｅＶとして二次イオン質量分析を行い、不純物元素の分布状態を示す曲線のピーク位置を調べる。
【００３２】
分析する不純物元素がフッ素（Ｆ）の場合は、図４に白抜き矢印で示すように、一次イオンの加速エネルギーが高いほどピーク位置は基板表面方向に移動する。このような元素の場合、図４から、例えば一次イオンの加速エネルギーを１ｋｅＶ、入射角を６０度としたとき、加速エネルギーを５００ｅＶ、入射角を４０〜６０度としたとき、又は加速エネルギーを２５０ｅＶ、入射角を０〜５０度としたときに、深さ方向の不純物元素の分布状態を精度良く測定できることがわかる。以下、このような元素を、Ａグループの元素という。
【００３３】
前述したように、フッ素の場合、深さ方向の分布状態の測定精度はミキシングレイヤの厚さに関係し、ミキシングレイヤの厚さが薄いほど測定精度は向上する。従って、上記の分析条件は、ミキシングレイヤの厚さが十分薄くなる条件ということができる。
【００３４】
Ｇｅのように一次イオンの加速エネルギーが変化しても分布状態を示す曲線のピーク位置が殆ど変化しない元素の場合も、フッ素の場合と同様に深さ方向の分布状態の測定精度を高くするためにはミキシングレイヤの厚さを薄くする必要がある。従って、Ｇｅのような元素の場合も、最適な分析条件はフッ素の場合と同じと考えることができる。このため、本実施形態では、Ｇｅのように一次イオンの加速エネルギーが変化しても分布状態を示す曲線のピーク位置が殆ど変化しない元素も、Ａグループの元素に含める。
【００３５】
分析する不純物元素がホウ素（Ｂ）の場合は、図５に白抜き矢印で示すように、一次イオンの加速エネルギーが高いほどピーク位置は基板深さ方向に移動する。このような元素の場合、図５から、例えば加速エネルギーを５００ｅＶ、入射角を０度としたとき、又は加速エネルギーを２５０ｅＶ、入射角を０〜２０度としたときに、深さ方向の不純物元素の分布状態を精度良く測定できることがわかる。以下、このような元素を、Ｂグループの元素という。
【００３６】
本実施形態においては、このように一次イオンの入射角を一定にし、一次イオンの加速エネルギーを変えて不純物元素の分布のピーク位置の変化を調べ、その結果に応じて分析する不純物元素に最適な分析条件を決定する。分析する不純物元素が複数の場合は、各不純物元素の最適条件が重複する範囲を選択すればよい。
【００３７】
なお、上述の方法により不純物元素分布状態を示す曲線のピーク位置の変化を調べる場合、一次イオンの加速エネルギーの差は大きいほど好まく、例えば一次イオンの加速エネルギーの差は５００ｅＶ以上とすることが好ましい。但し、一次イオンとしてセシウムを使用する場合、加速エネルギーが１００ｅＶよりも低いと基板をスパッタエッチングすることができない。また、一次イオンの注入深さが分析する不純物元素のピーク深さを超える場合は、不純物元素の分布状態を精度よく測定することができない。このため、一次イオンの加速エネルギーは、１００ｅＶ以上であって、一次イオンの注入深さが分析する不純物元素のピーク深さに達しない範囲とすることが好ましい。
【００３８】
また、一次イオンビームの入射角が大きくなると表面荒れを起こしやすくなり、不純物元素分布の測定精度が低下する。このため、一次イオンビームの入射角は、表面荒れを起こさない角度とすることが好ましい。表面荒れが起こる入射角は一次イオンビームの加速エネルギーにより異なる。
【００３９】
図６は、実施形態に係る二次イオン質量分析システムの構成を示す模式図である。この図６に示すように、二次イオン質量分析システムは、一次イオンビームを照射するイオン銃１１と、試料１０が載置される試料台１２と、試料１０から放出される二次イオンを質量分析する質量分析器１３と、演算処理装置１４とを有している。
【００４０】
試料台１２は真空容器１５内に配置されている。イオン銃１１は、所定の加速エネルギーで加速されたセシウムのイオンビームを、試料台１２の上に載置された試料１０に向けて出射する。試料台１２には試料１０の位置や傾きを調整する駆動装置（図示せず）が取り付けられており、イオンビームの入射角を調整できるようになっている。
【００４１】
試料台１２の斜め上方には二次イオン質量分析器１３が配置されている。この二次イオン質量分析器１３には、例えば四重極質量分析計が使用されている。二次イオン質量分析器１３からは、試料１０から放出される二次イオンの質量に応じた信号が出力される。
【００４２】
演算処理装置１４は、二次イオン質量分析器１３から出力される信号に基づき試料１０から放出される１種又は複数種の元素の数を単位時間毎にカウントして、その結果に基づいて深さ方向の不純物元素の分布状態を分析する。
【００４３】
また、演算処理装置１４には、データベースが記憶されている。このデータベースには、例えば図７に示すように、Ａグループの元素及びＢグループの元素毎にそれぞれ最適な一次イオンの加速エネルギー及び入射角のデータが記憶されている。その他、データベースには、一次イオンの加速エネルギー毎に、表面荒れが起こらない入射角のデータや、注入深さ（ミキシングレイヤの厚さ）のデータ、及びスパッタ収率のデータ（一次イオンの種類、基板の種類、加速エネルギー及び入射角とスパッタ速度との関係を示すデータ）等も記憶されている。
【００４４】
図８は、本実施形態に係る二次イオン質量分析方法を示すフローチャートである。この図８及び前述の図６を参照して、二次イオン質量分析方法について説明する。
【００４５】
まず、ステップＳ１１において、試料及び分析対象の不純物元素の情報を演算処理装置１４に入力する。例えば、ＣＭＯＳトランジスタの活性層における深さ方向の不純物元素分布状態を分析する場合、半導体基板の材質、注目する不純物元素の種類、及びどのくらいの深さ（情報収集深さ）まで分析を行うのか、などの情報を入力する。
【００４６】
次に、ステップＳ１２において、演算処理装置１４に一次イオン種及び二次イオン種を設定する。二次イオン質量分析法においては、前述したように一次イオン種として主に酸素又はセシウムが使用されるが、ここでは一次イオン種としてセシウム（Ｃｓ+）を使用するように設定するものとする。また、二次イオン種として、質量分析により検出する単原子イオン又は分子イオンの種類を演算処理装置１４に設定する。
【００４７】
次に、ステップＳ１３において、入射角を一定にし、一次イオンの加速エネルギーを変化させて、分析対象の不純物元素の深さ方向の分布状態を測定する。
【００４８】
図９は、図８のステップＳ１３の工程をより詳細に示すフローチャートである。ステップＳ２１において、例えば入射角を０度、加速エネルギーを２５０ｅＶとして第１の試料の表面にセシウムイオンを照射し、試料表面から放出される二次イオンを質量分析して、不純物元素の分布状態を測定する。
【００４９】
その後、ステップＳ２２に移行し、例えば入射角を０度、加速エネルギーを１ｋｅＶとして試料表面にセシウムイオンを照射し、第２の試料の表面から放出される二次イオンを質量分析して、不純物元素の分布状態を測定する。なお、第２の試料は第１の試料と同一構造のもの、すなわち同一の基板に同一の不純物が同一の条件で導入されているものを使用する。
【００５０】
次に、ステップＳ２３に移行し、ステップＳ２１で測定した不純物元素の分布状態のピーク位置を基準とし、ステップＳ２２で測定した不純物元素の分布状態のピーク位置のシフト方向を調べる。そして、ステップＳ２４に移行し、シフト方向が基板深さ方向か否かを判定し、シフト方向が基板深さ方向でないと判定したとき、すなわちシフト方向が基板表面に向かう方向であるか又はピーク位置が殆ど同じ（実質的に同じ）であると判定したときは、ステップＳ２５に移行し、不純物元素をＡグループの元素とする。一方、ステップＳ２４において、シフト方向が基板深さ方向の場合はステップＳ２６に移行して、不純物元素をＢグループの元素とする。
【００５１】
このようにして不純物元素のグループが決定された後、ステップＳ１４に移行し、演算処理装置１４は、データベースを参照し、ピーク位置のシフト方向に応じた最適条件を決定する。例えば、Ａグループの元素の場合、加速エネルギーを１ｋｅＶとしたときは入射角を６０度とし、加速エネルギーを５００ｅＶとしたときは入射角を４０〜６０度とし、加速エネルギーを２５０ｅＶとしたときは加速エネルギーを０〜５０度とする。また、例えばＢグループの元素の場合、加速エネルギーを５００ｅＶとしたときは入射角を０度とし、加速エネルギーを２５０ｅＶとしたときは入射角を０〜２０度とする。
【００５２】
なお、実際には、不純物元素の注入深さや分析時間、表面荒れが起こらない角度、一次イオンの注入深さ、及び複数の元素の分布状態を同時に分析する場合はそれらの元素の最適範囲を考慮して、加速エネルギー及び入射角が一義的に決定される。
【００５３】
次に、ステップＳ１５に移行し、一次イオン電流量が決定される。その後、ステップＳ１６に移行し、分析に必要な時間が計算される。例えば、ステップＳ１１で入力された基板情報及び情報収集深さと、ラスター情報と、一次イオン種、加速エネルギー及び入射角の情報と、スパッタ収率のデータとから、深さ方向の不純物分布の測定に必要な時間を計算する。
【００５４】
次いで、ステップＳ１７において、設定された分析条件で実際に試料を二次イオン質量分析して、深さ方向の不純物元素の分布状態を測定する。
【００５５】
本実施形態においては、一次イオンとしてセシウムを使用する二次イオン質量分析において、分析対象とする元素に応じた最適な分析条件を自動的に設定することができる。これにより、例えば半導体基板に導入された不純物元素の深さ方向の分布状態を精度よく測定することができ、半導体装置の開発に関わる分析評価に極めて有効である。
【００５６】
以下、本発明の諸態様を、付記としてまとめて記載する。
【００５７】
（付記１）第１の加速エネルギーでセシウムイオンを加速し、所定の入射角で前記セシウムイオンを第１の試料に照射して前記第１の試料から放出される二次イオンを質量分析し、前記第１の試料中に含有される特定元素の深さ方向の分布状態を測定する第１の工程と、
第２の加速エネルギーでセシウムイオンを加速し、前記所定の入射角で前記セシウムイオンを前記第１の試料と同一構造の第２の試料に照射して前記第２の試料から放出される二次イオンを質量分析し、前記第２の試料中に含有される前記特定元素の深さ方向の分布状態を測定する第２の工程と、
前記第１の工程で測定した前記特定元素の分布状態におけるピーク位置と前記第２の工程で測定した前記特定元素の分布状態におけるピーク位置との差に応じて、予め設定された分析条件のうちから特定の分析条件を決定する第３の工程と、
前記特定の分析条件でセシウムイオンを実試料に照射して前記実試料から放出される二次イオンを質量分析し、前記実試料中に含有される前記特定元素の深さ方向の分布状態を測定する工程と
を有することを特徴とする二次イオン質量分析方法。
【００５８】
（付記２）前記第１の加速エネルギーが前記第２の加速エネルギーよりも低い場合に、前記第３の工程では、前記第１の工程で測定した前記特定元素の分布状態におけるピーク位置から前記第２の工程で測定した前記特定元素の分布状態におけるピーク位置までのシフト方向が、前記試料の表面に向かう方向の場合及びピーク位置が実質的に同じである場合と、前記試料の深さ方向の場合とに分けて、前記特定の分析条件が決定されることを特徴とする付記１に記載の二次イオン質量分析方法。
【００５９】
（付記３）前記第１の加速エネルギーと前記第２の加速エネルギーとの差が５００ｅＶ以上あることを特徴とする付記１又は２に記載の二次イオン質量分析方法。
【００６０】
（付記４）前記第１の加速エネルギーが１００ｅＶ以上であり、前記第２の加速エネルギーが前記第１の加速エネルギーよりも高く、且つ前記セシウムイオンの注入深さが前記特定元素の深さ方向の分布のピーク深さよりも浅くなるエネルギーであることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の二次イオン質量分析方法。
【００６１】
（付記５）前記所定の入射角が、第１の加速エネルギー及び前記第２の加速エネルギーにおいて前記第１の試料及び前記第２の試料の表面に荒れを起こさない角度であることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の二次イオン質量分析方法。
【００６２】
（付記６）前記第１の試料、前記第２の試料及び前記実試料が、不純物元素が導入された半導体基板であることを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の二次イオン質量分析方法。
【００６３】
（付記７）セシウムイオンを出射するイオン銃と、
試料が載置される試料台と、
前記試料から放出される二次イオンを質量分析する質量分析器と、
前記質量分析器から出力される信号を処理する演算処理装置とを有し、
前記演算処理装置は、
第１の加速エネルギー且つ所定の入射角でセシウムイオンが照射された第１の試料から放出される二次イオンを質量分析して得た前記第１の試料中に含有される特定元素の深さ方向の分布状態におけるピーク位置と、第２の加速エネルギー且つ前記所定の入射角でセシウムイオンが照射された第２の試料から放出される二次イオンを質量分析して得た前記第２の試料中に含有される特定元素の深さ方向の分布状態におけるピーク位置との差に応じて、予め設定された分析条件のうちから特定の分析条件を選択することを特徴とする二次イオン質量分析システム。
【符号の説明】
【００６４】
１０…試料、１１…イオン銃、１２…試料台、１３…質量分析器、１４…演算処理装置、１５…真空容器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の加速エネルギーでセシウムイオンを加速し、所定の入射角で前記セシウムイオンを第１の試料に照射して前記第１の試料から放出される二次イオンを質量分析し、前記第１の試料中に含有される特定元素の深さ方向の分布状態を測定する第１の工程と、
第２の加速エネルギーでセシウムイオンを加速し、前記所定の入射角で前記セシウムイオンを前記第１の試料と同一構造の第２の試料に照射して前記第２の試料から放出される二次イオンを質量分析し、前記第２の試料中に含有される前記特定元素の深さ方向の分布状態を測定する第２の工程と、
前記第１の工程で測定した前記特定元素の分布状態におけるピーク位置と前記第２の工程で測定した前記特定元素の分布状態におけるピーク位置との差に応じて、予め設定された分析条件のうちから特定の分析条件を決定する第３の工程と、
前記特定の分析条件でセシウムイオンを実試料に照射して前記実試料から放出される二次イオンを質量分析し、前記実試料中に含有される前記特定元素の深さ方向の分布状態を測定する工程と
を有することを特徴とする二次イオン質量分析方法。
【請求項２】
前記第１の加速エネルギーが前記第２の加速エネルギーよりも低い場合に、前記第３の工程では、前記第１の工程で測定した前記特定元素の分布状態におけるピーク位置から前記第２の工程で測定した前記特定元素の分布状態におけるピーク位置までのシフト方向が、前記試料の表面に向かう方向の場合及びピーク位置が実質的に同じである場合と、前記試料の深さ方向の場合とに分けて、前記特定の分析条件が決定され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方法。
【請求項３】
前記第１の加速エネルギーと前記第２の加速エネルギーとの差が５００ｅＶ以上あることを特徴とする請求項１又は２に記載の二次イオン質量分析方法。
【請求項４】
前記所定の入射角が、第１の加速エネルギー及び前記第２の加速エネルギーにおいて前記第１の試料及び前記第２の試料の表面に荒れを起こさない角度であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の二次イオン質量分析方法。
【請求項５】
前記第１の試料、前記第２の試料及び前記実試料が、不純物元素が導入された半導体基板であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の二次イオン質量分析方法。
【請求項６】
セシウムイオンを出射するイオン銃と、
試料が載置される試料台と、
前記試料から放出される二次イオンを質量分析する質量分析器と、
前記質量分析器から出力される信号を処理する演算処理装置とを有し、
前記演算処理装置は、
第１の加速エネルギー且つ所定の入射角でセシウムイオンが照射された第１の試料から放出される二次イオンを質量分析して得た前記第１の試料中に含有される特定元素の深さ方向の分布状態におけるピーク位置と、第２の加速エネルギー且つ前記所定の入射角でセシウムイオンが照射された第２の試料から放出される二次イオンを質量分析して得た前記第２の試料中に含有される特定元素の深さ方向の分布状態におけるピーク位置との差に応じて、予め設定された分析条件のうちから特定の分析条件を選択することを特徴とする二次イオン質量分析システム。
【請求項１】
第１の加速エネルギーでセシウムイオンを加速し、所定の入射角で前記セシウムイオンを第１の試料に照射して前記第１の試料から放出される二次イオンを質量分析し、前記第１の試料中に含有される特定元素の深さ方向の分布状態を測定する第１の工程と、
第２の加速エネルギーでセシウムイオンを加速し、前記所定の入射角で前記セシウムイオンを前記第１の試料と同一構造の第２の試料に照射して前記第２の試料から放出される二次イオンを質量分析し、前記第２の試料中に含有される前記特定元素の深さ方向の分布状態を測定する第２の工程と、
前記第１の工程で測定した前記特定元素の分布状態におけるピーク位置と前記第２の工程で測定した前記特定元素の分布状態におけるピーク位置との差に応じて、予め設定された分析条件のうちから特定の分析条件を決定する第３の工程と、
前記特定の分析条件でセシウムイオンを実試料に照射して前記実試料から放出される二次イオンを質量分析し、前記実試料中に含有される前記特定元素の深さ方向の分布状態を測定する工程と
を有することを特徴とする二次イオン質量分析方法。
【請求項２】
前記第１の加速エネルギーが前記第２の加速エネルギーよりも低い場合に、前記第３の工程では、前記第１の工程で測定した前記特定元素の分布状態におけるピーク位置から前記第２の工程で測定した前記特定元素の分布状態におけるピーク位置までのシフト方向が、前記試料の表面に向かう方向の場合及びピーク位置が実質的に同じである場合と、前記試料の深さ方向の場合とに分けて、前記特定の分析条件が決定され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方法。
【請求項３】
前記第１の加速エネルギーと前記第２の加速エネルギーとの差が５００ｅＶ以上あることを特徴とする請求項１又は２に記載の二次イオン質量分析方法。
【請求項４】
前記所定の入射角が、第１の加速エネルギー及び前記第２の加速エネルギーにおいて前記第１の試料及び前記第２の試料の表面に荒れを起こさない角度であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の二次イオン質量分析方法。
【請求項５】
前記第１の試料、前記第２の試料及び前記実試料が、不純物元素が導入された半導体基板であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の二次イオン質量分析方法。
【請求項６】
セシウムイオンを出射するイオン銃と、
試料が載置される試料台と、
前記試料から放出される二次イオンを質量分析する質量分析器と、
前記質量分析器から出力される信号を処理する演算処理装置とを有し、
前記演算処理装置は、
第１の加速エネルギー且つ所定の入射角でセシウムイオンが照射された第１の試料から放出される二次イオンを質量分析して得た前記第１の試料中に含有される特定元素の深さ方向の分布状態におけるピーク位置と、第２の加速エネルギー且つ前記所定の入射角でセシウムイオンが照射された第２の試料から放出される二次イオンを質量分析して得た前記第２の試料中に含有される特定元素の深さ方向の分布状態におけるピーク位置との差に応じて、予め設定された分析条件のうちから特定の分析条件を選択することを特徴とする二次イオン質量分析システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１７６２７（Ｐ２０１１−１７６２７Ａ）
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６２６１１（Ｐ２００９−１６２６１１）
【出願日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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