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微量元素評価方法及び微量元素評価装置
説明

微量元素評価方法及び微量元素評価装置

【課題】微量元素の定性分析を正確に行う。
【解決手段】本発明の微量元素評価方法は、二次イオン質量分析法を用いて、試料に含有する微量元素を検出する微量元素評価方法であり、前記試料にイオンを注入し、前記試料の体積を増加させるステップと、体積が増加した前記試料にイオンビームを照射させ、前記微量元素の二次イオン質量分析を行うステップと、を有することを特徴とする。これにより、極浅領域での微量元素の検出量が向上し、その定性分析をより正確に行うことができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は微量元素評価方法及び微量元素評価装置に関し、特に二次イオン質量分析法を用いた微量元素評価方法及び微量元素評価装置に関する。
【背景技術】
【0002】
二次イオン質量分析計(Secondary Ionization Mass Spectrometer,SIMS)は、高感度な分析手法であり、微量元素の深さ方向の分析に頻繁に使われている。そして、質量分析法であるために、含有物の定性分析を行う際にも用いられている。
【0003】
しかし、減圧下でのスパッタリングを利用した分析法であるため、分析中に試料表面がエッチングされる。従って、極浅領域に含有する微量元素の定性分析を行う場合には、瞬時に極浅領域がエッチングされるため、極浅領域に存在する所望の元素の二次イオン強度が充分に得られない。また、極浅領域は、スパッタリングが定常状態に達するまでの所謂遷移領域(以下、Transient Period)内にエッチングされるため、真の濃度に対応した二次イオン強度が得られない。更に、二次イオン質量分析法では、母材の組成によって、放出される二次イオンのイオン化率が変わり、真の濃度に対応した二次イオン量が検出されないというマトリックス効果の影響も無視できない(例えば、非特許文献1参照)。
【0004】
このような極浅領域に存在する微量元素の分析をより正確に行うために、例えば、上記のエッチング時間やTransient Periodを遅らせるために、一次イオンビームの電流量を低く設定し、二次イオン質量分析を行う方法がある。
【非特許文献1】片岡、「高分解能RBSによるSi中のAsの深さ方向分析:SIMSとの比較」、第6回イオンビームによる表面・界面解析特別研究会予稿集、2005年12月、P19
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、一次イオンビームの電流量を低くすると、微量元素の二次イオン強度が低下し、結局、微量元素の二次イオン強度を充分に得ることは難しい。従って、二次イオン質量分析自体の測定条件の最適化を図る方法では、極浅領域に含有する元素の真の濃度に対応した二次イオン強度が充分に得られないという問題点があった。
【0006】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、二次イオン質量分析法を用いた極浅領域での微量元素の検出量を向上させ、その定性分析をより正確に行うことができる微量元素評価方法及び微量元素評価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】
【0007】
本発明では上記課題を解決するために、図1に例示するフローで実現可能な微量元素評価方法が提供される。本発明の微量元素評価方法は、二次イオン質量分析法を用いて、試料に含有する微量元素を検出する微量元素評価方法であり、試料にイオンを注入し、試料の体積を増加させるステップと、体積が増加した試料にイオンビームを照射させ、微量元素の二次イオン質量分析を行うステップと、を有することを特徴とする。
【0008】
また本発明では、図6に例示する微量元素評価装置1が提供される。二次イオン質量分析法を用いて、試料に含有する微量元素を検出する微量元素評価装置1であり、試料にイオンを注入し、試料の体積を増加させる増加手段と、体積が増加した試料にイオンビームを照射させ、微量元素の二次イオン質量分析を行う分析手段と、を備えたことを特徴とする。
【0009】
このような微量元素評価方法及び微量元素評価装置によれば、試料にイオンが注入され、試料の体積が増加し、体積が増加した試料にイオンビームが照射され、微量元素の二次イオン質量分析が行われる。
【発明の効果】
【0010】
本発明では、試料にイオンを注入し、試料の体積を増加させ、体積が増加した試料にイオンビームを照射させ、微量元素の二次イオン質量分析を行うようにした。
これにより、極浅領域での微量元素の検出量が向上し、その定性分析をより正確に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図1は微量元素評価方法の基本原理を説明するフロー図である。
先ず、微量元素を含有する試料に、予めイオン注入法によって所定のイオンを注入し、試料の体積を増加させる(ステップS1)。ここで、所定のイオンとは、試料を構成する母材の主たる成分の元素、または試料に生成する自然酸化膜を構成する元素、或いは分析装置内の雰囲気中に存在する元素のイオンである。尚、二次イオン質量分析前に、元素イオンを試料に注入する理由については後述する。
【0012】
次に、イオンを注入した試料を二次イオン質量分析器に設置する(ステップS2)。そして、数100〜数10keVのエネルギーを有したイオンビームを、試料表面に照射する(ステップS3)。そして、試料から飛び出した元素がイオン化した後、これら二次イオンを磁場中にて加速させ、質量/電価の比に応じて、二次イオンを分離し、質量分離された二次イオンの数をカウントする(ステップS4)。
【0013】
このような二次イオン質量分析法を用いた微量元素評価方法によれば、二次イオン質量分析開始直後に発生する極浅領域のエッチング及びTransient Periodが抑制され、微量元素の検出量が向上し、極浅領域での純物元素の定性分析をより正確に行うことができる。
【0014】
次に、上記の微量元素評価方法の基本原理をより具体的に説明する。特に、ステップS1について、具体的に説明する。
ステップS1は、微量元素評価方法を実現するための試料作製の工程である。そして、この微量元素評価用の試料作製としては、イオン注入法により試料表面に所望の元素を注入し、試料の体積を増加させることを特徴としている。
【0015】
図2はイオン注入量と試料の体積増加量の関係を説明する図である。
この図の横軸は、シリコンイオン(28Si+)注入量(atoms・cm-2)を対数表示したものであり、縦軸は、体積増加量として試料の厚さ方向の膨張(nm)を示している(Phys.Rev.B65,012110(2001)参照)。図示するように、シリコンイオンの注入量と共に、試料の厚さ方向が膨張するのが分かる。尚、試料基板の材質は、シリコン(Si)である。
【0016】
例えば、80keVで加速させたシリコンイオンを、試料に6.0×1014(atoms・cm-2)注入すれば、試料の厚さ方向が4nm近くまで膨張し、6.0×1015(atoms・cm-2)の注入量では、試料の厚さ方向が7nm近くまで膨張し、6.0×1016(atoms・cm-2)注入量では、試料の厚さ方向が12nm以上まで膨張する。
【0017】
従って、試料の極浅領域に存在する微量元素を二次イオン質量分析法を用いて定性分析を行う場合には、予め試料に80keVで加速させたシリコンイオンを6.0×1014〜6.0×1016(atoms・cm-2)注入した試料を用いれば、試料の極浅領域の厚みとして4〜12nmに相当するTransient Periodまたはスパッタ時間を遅らせることができる。
【0018】
Transient Periodまたはスパッタ時間を抑制することができれば、二次イオン質量分析の測定開始直後に生じた極浅領域のエッチング及びTransient Periodが抑制され、極浅領域に存在する微量元素の検出量が向上し、所望の微量元素の二次イオン強度を安定した状態で検出することができ、真の濃度に対応した二次イオン強度をより正確に得ることができる。
【0019】
但し、二次イオン質量分析前の試料作製の段階で、極浅領域に注入する元素イオンは、二次イオン質量分析の結果を妨害しないように、試料を構成する母材の主たる成分の元素、または試料に生成する自然酸化膜を構成する元素、或いは分析装置内の雰囲気中に存在する元素のイオンであることが望ましい。例えば、試料基板として、シリコンウエハ基板を用いた場合には、注入する元素として、その母材である主たる成分、即ち、シリコンを用いることが望ましい。または、ゲルマニウム基板を用いた場合は、ゲルマニウム(Ge)を用いることが望ましい。また、試料基板として化合物半導体を用いた場合は、化合物半導体を構成する主たる成分、例えば、ガリウム(Ga)、ヒ素(As)、インジウム(In)、リン(P)、窒素(N)、セレン(Se)を用いてもよい。または、酸素(O)、炭素(C)を用いてもよい。或いは、二次イオン質量分析の結果に影響を与えない希ガスを用いてもよい。
【0020】
また、イオン注入量が過剰になると、試料表面が注入するイオンによってスパッタリングされるので、この微量元素評価方法では、イオンの注入量について所定の制限を設ける。
【0021】
例えば、図3はイオン注入によって試料がスパッタリングされる現象を説明するための図であり、(A)は酸素イオン(O2+)注入量と二次イオン強度との関係を示す図であり、(B)は酸素イオン注入量と試料の深さの関係を示す図である。また、図(B)では、同時に一次イオンビームのエネルギー依存が示されている。尚、この図で用いた試料は、基板としてシリコンウエハ基板を用い、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法により5nm間隔でシリコンウエハ基板にボロン(B)をデルタドープしたものである。
【0022】
図(A)は、250eVの酸素イオンビームを垂直に入射し、二次イオン質量分析法により測定したボロン及びシリコンの深さ方向分布を示している。この図から、酸素イオンビームの注入量の増加と共に、ボロンの二次イオン強度が5nm毎に凸状に表れるのが分かる。即ち、シリコンウエハ基板の深さ方向に、ボロンが試料表面から5,10,15,20,25,30nmの各位置でデルタドープされていることを明確に示している。
【0023】
一方、シリコンの二次イオン強度は、深さ方向に対して略均一であることが分かる。これは、シリコンがシリコンウエハ基板の主たる成分だからである
そして、試料に30×1017(atoms・cm-2)以上の酸素イオンビームを照射させると、シリコンウエハ基板中に注入した殆どのボロンがシリコンウエハ基板からエッチングされ、除去されるのが分かる。このように、イオン注入量が過剰になると、試料自体が容易にスパッタリングされることが分かる。
【0024】
一方、図(B)をみると、酸素イオンビームのエネルギーがより高い方が少ない注入量で、各深さ位置に存在するボロンを検出できることが分かる。但し、最も低エネルギーである200eVの酸素イオンビームを5×1017(atoms・cm-2)照射させた時点で、既に約5nmの試料表面がエッチングされることが分かる。
【0025】
この微量元素評価方法では、図2を用いて説明したように、二次イオン質量分析前の試料作製の段階で、注入するイオンのエネルギーとして、keVレベルでのイオン注入を行う。従って、二次イオン質量分析前の試料作製の段階では、イオン注入自体による試料の極浅領域のエッチングを回避するために、いかなる元素を注入材料としても、1×1017(atoms・cm-2)以下でイオン注入を行うことが望ましい。
【0026】
次に、上記の微量元素評価方法の効果について説明する。ここでは、その効果を確認するために、ボロンが極浅領域に存在するシリコンウエハ基板に、シリコンイオンを注入した場合と、注入しない場合でボロンの二次イオン強度がどのように変化するのか確認した。先ず、微量元素評価方法に用いた試料について説明する。
【0027】
図4はシリコンウエハ基板の深さとボロン濃度の関係を説明する図である。この図は、SRIM(Stopping and Range of Ions in Matter)を用いたシミュレーション結果であり、ボロンイオン(11+)を0.5keV、注入量5×1014cm-2でシリコンウエハ基板に注入させた場合のシリコンウエハ基板の深さ(nm)とボロン濃度(atoms・cm-3)の関係を示している。
【0028】
図示するように、シリコンウエハ基板の表面近傍に存在するボロンのピーク濃度は、深さが2〜4nmで最大を示し、注入したボロンの殆どがシリコンウエハ基板の表面から10nmまでの極浅領域に存在していることが分かる。
【0029】
このような極浅領域にボロンが含有するシリコンウエハ基板を被分析試料として2種用意し、一方のシリコンウエハ基板には、イオンを注入せず、そのまま二次イオン質量分析を行った。そして、もう一方のシリコンウエハ基板には、シリコンイオンを注入してから二次イオン質量分析を行った。
【0030】
ここで、シリコンイオンを注入する場合の条件は、ボロンが存在しているシリコンウエハ基板に、シリコンイオンを80keV、注入量6.0×1015cm-2で注入した。即ち、7nm程度、シリコンウエハ基板の厚さ方向を膨張させた。
【0031】
そして、二次イオン質量分析条件は、例えば、一次イオンビームとして、酸素イオンビームを用い、250eVのエネルギーで酸素イオンを加速させ、試料に酸素イオンを垂直に照射させた。そして、試料からの正の二次イオンを検出した。
【0032】
図5は微量元素評価結果の比較例を示す図であり、(A)は試料にシリコンイオンを注入しない場合の微量元素評価結果であり、(B)は試料にシリコンイオンを注入した場合の微量元素評価結果である。図の横軸は、質量数(m/e)を示し、縦軸は、検出された各元素の二次イオン強度(×105counts/sec)を示している。
【0033】
図示するように、二次イオン質量分析法による分析結果からは、図(A)、図(B)共に、ボロン、炭素、酸素、シリコンが検出された。
検出された炭素と酸素は、シリコンウエハ基板の表面に存在する微量な不純物、自然酸化膜または分析装置雰囲気内に残存する炭素と酸素が起因するものである。また、シリコンは試料の母材、即ち、シリコンウエハ基板の主たる成分または注入したシリコンが起因するものである。
【0034】
図(A)、図(B)から、炭素、酸素、シリコンの絶対強度については、その値が同じであり、シリコンイオンを注入したことによる影響はないことが分かる。
ところが、ボロンの二次イオン強度については、シリコンイオンをシリコンウエハ基板の表面に注入した場合(図(B))、その強度がシリコンイオンをシリコンウエハ基板の表面に注入しなかった場合(図(A))の約2倍以上増加していることが分かる。
【0035】
これは、ボロンが微量に存在するシリコンウエハ基板に、シリコンイオンを注入し、その体積を増加させた結果、二次イオン質量分析直後に発生する試料のエッチング及びTransient Periodを抑制し、より正確にボロンの二次イオン強度が増加したと判断することができる。
【0036】
このように、上記の二次イオン質量分析法を用いた微量元素評価方法によれば、試料の表面から極浅領域(表面から10nm以下の深さ)に存在する微量元素の検出量が向上し、その定性分析をより正確に行うことができる。
【0037】
最後に、上記の微量元素評価方法を実現する微量元素評価装置について説明する。
図6は微量元素評価装置の構成を説明する模式図である。図示するように、微量元素評価装置1は、イオン注入ユニットU1、SIMS測定ユニットU2、結果表示ユニットU3と、を有している。
【0038】
試料を微量元素評価装置1内に搬入すると、試料は、イオン注入ユニットU1の試料設置部U1aに設置され、イオン注入部U1bにおいてイオンが注入され、試料の厚さが所定の厚さまで膨張する。
【0039】
次に、厚さが膨張した試料は、SIMS測定ユニットU2に搬送され、SIMS測定ユニットU2の試料設置部U2aに設置される。そして、イオンビーム照射部U2bにおいて、数100〜数10keVのエネルギーを有したイオンビームが試料表面に照射され、二次イオンカウント部U2cにおいて、試料から飛び出した原子がイオン化した後、これら二次イオンが磁場中にて加速され、質量/電価の比に応じて、二次イオンが分離され、質量分離された二次イオンの数がカウントされる。
【0040】
尚、イオン注入ユニットU1内には、注入用のイオンを生成するイオン発生源、イオン加速器、試料厚み測定器または制御用のコントローラが備えられている。そして、コントローラ内には、イオン注入条件と試料の体積増加の関係がデータベース化され、目的とする検出領域(測定する深さ)の体積増加量が自動的に制御される。
【0041】
そして、微量分析測定が完了した試料は、SIMS測定ユニットU2から搬出される。微量分析測定結果(例えば、図5(B)に示す測定結果)については、微量元素評価装置1に備えられた結果表示ユニットU3にモニタリングされる。
【0042】
このような微量元素評価装置1を用いれば、試料の表面から極浅領域(表面から10nm以下の深さ)に存在する微量元素の検出量が向上し、その定性分析をより正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0043】
【図1】微量元素評価方法の基本原理を説明するフロー図である。
【図2】イオン注入量と試料の体積増加量の関係を説明する図である。
【図3】イオン注入によって試料がスパッタリングされる現象を説明するための図であり、(A)は酸素イオン注入量と二次イオン強度との関係を示す図であり、(B)は酸素イオン注入量と試料の深さの関係を示す図である。
【図4】シリコンウエハ基板の深さとボロン濃度の関係を説明する図である。
【図5】微量元素評価結果の比較例を示す図であり、(A)は試料にシリコンイオンを注入しない場合の微量元素評価結果であり、(B)は試料にシリコンイオンを注入した場合の微量元素評価結果である。
【図6】微量元素評価装置の構成を説明する模式図である。
【符号の説明】
【0044】
1 微量元素評価装置
U1 イオン注入ユニット
U1a,U2a 試料設置部
U1b イオン注入部
U2 SIMS測定ユニット
U2b イオンビーム照射部
U2c 二次イオンカウント部
U3 結果表示ユニット

【特許請求の範囲】
【請求項1】
二次イオン質量分析法を用いて、試料に含有する微量元素を検出する微量元素評価方法において、
前記試料にイオンを注入し、前記試料の体積を増加させるステップと、
体積が増加した前記試料にイオンビームを照射させ、前記微量元素の二次イオン質量分析を行うステップと、
を有することを特徴とする微量元素評価方法。
【請求項2】
前記試料に注入する前記イオンが前記試料を構成する母材の主たる成分の元素イオンであることを特徴とする請求項1記載の微量元素評価方法。
【請求項3】
前記イオンの前記試料に対する注入量が1×1017atoms・cm-2以下であることを特徴とする請求項1または2記載の微量元素評価方法。
【請求項4】
前記試料の体積が増加する方向が前記試料の厚さ方向であることを特徴とする請求項1記載の微量元素評価方法。
【請求項5】
前記微量元素の前記試料に含有している深さが10nm以下であることを特徴とする請求項1記載の微量元素評価方法。
【請求項6】
二次イオン質量分析法を用いて、試料に含有する微量元素を検出する微量元素評価装置において、
前記試料にイオンを注入し、前記試料の体積を増加させる増加手段と、
体積が増加した前記試料にイオンビームを照射させ、前記微量元素の二次イオン質量分析を行う分析手段と、
を備えたことを特徴とする微量元素評価装置。

【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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【公開番号】特開2008−203223(P2008−203223A)
【公開日】平成20年9月4日(2008.9.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−42965(P2007−42965)
【出願日】平成19年2月22日(2007.2.22)
【出願人】(000005223)富士通株式会社 (25,993)
【Fターム(参考)】