JP2001153826A

JP2001153826A - Ｘ線光電子分光装置およびｘ線光電子分光方法

Info

Publication number: JP2001153826A
Application number: JP33593899A
Authority: JP
Inventors: Shinji Fujii; 眞治藤井
Original assignee: Matsushita Electronics Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-11-26
Filing date: 1999-11-26
Publication date: 2001-06-08

Abstract

(57)【要約】【課題】試料上の任意の形状の微小領域のXPS分析を
実現する。【解決手段】試料表面の絶縁膜0203中にある、微小分
析点0200を含む測定領域0201と、測定領域0201の近傍に
あって微小分析点0200を含まないこと以外は組成、構造
が測定領域0201に等しい参照領域0202にX線を交互に照
射する。X線照射によって、測定領域0201および参照領
域0202より個別に放出された光電子0205および0206を、
検出器0108によって捕獲することによって得られた２つ
のXPSスペクトルの差よりなる差分XPSスペクトルを求め
ることで、測定領域中の微小分析点のXPSスペクトルを
得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、元素の識別あるい
は元素の化学結合状態の情報を得る表面分析技術に関
し、特に、X線光電子分光装置、特性X線分光装置の被測
定領域の小口径化の実現に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の高密度化、高機能化が進む
につれて、半導体装置を製造するためには製造工程の制
御が重要になってきた。それに伴い、微小領域での材料
の組成や構造の制御のために、分析や解析における被測
定領域の小口径化が要求されている。材料の構造を制御
するためには化学結合状態の測定が有効であって、X線
光電子分光法(X-ray Photoelectron Spectroscopy: XP
S)、真空紫外光電子分光法(Ultra Violet Photoelectro
n Spectroscopy: UPS)等が用いられている。また、組成
を測定するための表面分析技術としては、特性X線分光
法（エネルギー分散型X線分光法(Energy Dispersive X-
ray Spectroscopy: EDS)とも呼ばれる）、オージェ電子
分光法(Auger Electron Specroscopy: AES)等が使用さ
れている。化学結合状態解析を行うためによく用いられ
ているXPS分析に関しても、半導体装置製造工程の微細
加工技術の進展によって、測定領域の小口径化が要求さ
れている。1999年の時点で、0.25-0.5mmのプロセスルー
ルの半導体装置が開発または生産中である。したがっ
て、XPS等の各種分析装置の測定領域の直径も0.25-0.5m
m以下であることが望ましい。例えば、半導体装置であ
るシステムLSIの構造体に形成されるコンタクトホール
は上部配線と下部配線を接続するために形成され、コン
タクトホールの形状制御や界面の制御は半導体装置製造
工程での重要な課題である。コンタクトホールをエッチ
ング技術によって形成した後のコンタクトホール底部の
副生成物の組成分析や化学結合状態解析を行うことは、
コンタクトホールの形状制御、低抵抗化の課題解決、ま
た、信頼性の改善に役立つ。しかしながら、XPS分析の
測定領域は10mmの直径まで狭めることが限界となってい
る（たとえば、米国フィジカルインスツルメンツ社クゥ
オンタム2000）ため、現在(1999年)のコンタクトホール
等の微小部分の評価にXPSを適用することは困難であ
る。

【０００３】XPSは、超高真空に置かれた試料に、X線を
照射した時に試料表面から放出される光電子の運動エネ
ルギーをエネルギー分光することによって、XPSスペク
トルを得ることを特徴とした表面分析方法である。X線
を照射することによって放出される光電子のエネルギー
は化学結合の強さによって影響を受けるので、横軸を化
学結合エネルギー、縦軸を光電子の強度で表示するXPS
スペクトルでは化学結合状態を反映した化学シフト（エ
ネルギーピーク位置のシフト）が観察される。XPS測定
に用いられるX線としてはAl-Kα線(1486.6eV)やMg-Kα
線(1253.6eV)などが挙げられる。

【０００４】また、AESは、細く絞った電子線を試料表
面に照射し、発生するオージェ電子のエネルギーと強度
を測定することにより、試料表面に存在する元素の種類
と量を同定する。電子線は細く絞ることが可能であるた
め、表面の局所領域の分析方法として広く用いられてい
る。さらに電子線を走査することによって、線分析や面
分析を行うことができる。また、加速したイオンによる
スパッタリングと組合せることにより深さ方向の組成分
析を行うことができる。

【０００５】特性X線分光法は、試料表面に細く絞った
電子線を照射して、試料元素と電子線との相互作用によ
って生じ、放出された特性X線を分光することにより、
試料を構成する元素の種類とその量を知ることができ
る。

【０００６】以下に、従来のX線光電子分光装置につい
て、図１２ないし図１４を用いて説明する。図１２は従
来より用いられているX線光電子分光装置の要部構成図
である。図１３は測定を実施した半導体装置の配線構造
体の断面図、図１４は従来の実施例によって得られたXP
Sスペクトルである。図1２において、0100は試料、0101
はX線励起用電子線発生フィラメント用電源、0102はLaB
₆(ランタンヘキサボライド)製のX線励起用電子線発生フ
ィラメント、0103はX線励起用電子線、0104はAlターゲ
ット、0105はモノクロメーター、0106は単色化されたAl
-Ka線、0107は光電子計数器、0108はインプットレン
ズ、0109は同心半球型アナライザー、0110は光電子であ
る。ここで、モノクロメーター0105（石英製）はAl-Kα
線(1486.6eV)（特性X線）を試料表面に集光させるため
の光学系を兼ねる。つまり、Alターゲット0104上の特性
X線発生点と、特性Xが照射された試料0100上の領域が各
々焦点、モノクロメーター0105が回転楕円体の円周の上
となるように構成されている。したがって、Alターゲッ
ト0104上から発生したAl-Kα線は、試料0100上に集束す
る点を有する。同時に、モノクロメーター0105の回折作
用によって、Al-Kα線(1486.6eV)の単色化が行われる。
なお、ここで特性X線とは、X線や電子線を試料に照射し
て試料の電子軌道より電子を反跳させて、その空位とな
った軌道にエネルギー準位の高い軌道電子が遷移する時
に発生する狭いエネルギー幅を有するX線のことを言
う。

【０００７】以下に、図１２に示す従来のX線光電子分
光装置の動作について説明する。X線励起用電子線発生
フィラメント0102より放射されたX線励起用電子線0103
は、加速エネルギー15keVで加速されてAlターゲット010
4に達する。すると、Alターゲット0104からは特性X線
（Al-Ka線）が放射され、モノクロメーター0105によっ
て単色化される。単色化されたAl-Ka線0106は、試料010
0に照射される、その結果、試料0100の表面からは光電
効果によって光電子0110が放出される。光電子0110は、
インプットレンズ0108を経て同心半球型アナライザー01
09によってエネルギー分光され、特定エネルギーの光電
子強度が光電子計数器0107によって測定される。得られ
た光電子信号は、ADコンバーター、コンピューター、デ
ーター出力装置によってデータ処理が行われ、XPSスペ
クトルとして出力される。

【０００８】次に、図１２の従来のX線光電子分光装置
を用いた測定領域の小口径化に関する取組みの一例とし
て、図１３に示す半導体装置の配線構造体のコンタクト
ホール底部をXPS分析する手法について説明する。図１
３において、1200は厚さ0.8mmのプラズマTEOS-CVD SiO
₂形成法(TEOS; tetraethylorthosilicate: Si(OC₂H₅)₄)
によって形成されたSiO₂配線層間絶縁膜、1201は開口直
径0.25mm、深さ0.6mmのコンタクトホール、1202は厚さ
0.4mmのアルミニウム配線、1203はシリコン基板および
能動素子形成部分を含む下地、1204は入射X線、1205は
光電子、1206はX線照射領域である。ここでのコンタク
トホールはドライエッチング直後であって、コンタクト
ホール底部、側面、配線層間絶縁膜表面には、炭素、フ
ッ素等からなるドライエッチング時の副生成物が付着し
ている。

【０００９】XPS測定を行った場合、コンタクトホール1
201について、アルミニウムよりなるコンタクトホール
底部と、配線層間絶縁膜1200では、XPS測定時の帯電の
強さが異なる。つまり、XPS測定領域1206内の表面に付
着しているドライエッチング時の副生成物のC1s（カー
ボン・イチ・エスと読み、炭素元素の内殻軌道 1sを示
す) に着目すると、配線層間絶縁膜1200表面に比べ
て、アルミニウムよりなる配線部分に接しているコンタ
クトホール1201底部では、光電子が放出されることによ
って生じる帯電（正の電荷）は配線部全体に広がるた
め、C1sの帯電量は少ない（図１４の285eV近傍のC1sの
光電子ピーク1301がコンタクトホール1201底部の光電子
信号である）。一方、配線層間絶縁膜1200表面では光電
子が試料表面より放出されることによって生じる正の帯
電は配線層が無いために試料表面に蓄積し、XPSスペク
トルのエネルギーシフトが生じる（正の帯電のため、XP
Sスペクトルは高い化学結合エネルギー側にシフトす
る。これは図１４の297eV近傍のC1sの光電子ピーク1300
に示される）。換言すると、配線層間絶縁膜1200表面の
XPSを測定する場合、X線を照射された領域が正に帯電す
る。この理由は、X線1204を照射することによって光電
子1205が脱出し、この光電子が脱出した領域1206へは、
配線層間絶縁膜の絶縁性が高く、電荷を中和するための
電荷の流入が起こりにくいためである。負の帯電粒子で
ある光電子1205は、正の帯電によって、表面からの放出
が妨げられる。その結果、見かけ上の化学結合エネルギ
ーが強くなるので、測定される化学結合エネルギーのシ
フトが生じる。

【００１０】この様子を従来例のXPSスペクトルである
図１４を用いて説明する。図１４は半導体装置の配線構
造体のコンタクトホール底部を含む試料（図１３）表面
を測定した結果、得られたXPSスペクトルである。図１
４中、横軸は化学結合エネルギー(eV)を表わし、縦軸は
光電子強度(任意単位表示)を示す。1300は層間絶縁膜表
面からのC1sの光電子ピーク、1301はコンタクトホール
底部からのC1sの光電子ピークを示す。配線層間絶縁膜1
200表面では、X線照射によって生じた正の帯電によって
光電子の放出が妨げられるために、帯電の影響がない場
合のC1sの光電子ピーク位置（285eV近傍）からC1sの光
電子ピーク位置がシフト（297eV近傍のピーク1300）す
る。しかし、コンタクトホール1201底部ではX線照射に
よって生じた帯電は配線部分全体へ電荷が広がるため、
光電子ピーク位置のシフト（285eV近傍のピーク1301）
は観察されない。すなわち、コンタクトホール底部のみ
のXPSスペクトル(1301)を区別することができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来例で述べた市販さ
れているXPSの最小測定領域は10mmの直径程度である。
また、試料表面の局所的な帯電の差(differential char
ging)を利用して、微小領域を分析する方法は、半導体
装置の構造が図１３で示されるようなコンタクトホール
底部の面積／層間絶縁膜表面面積の比が比較的大きく、
コンタクトホール底部から得られる光電子信号強度が層
間絶縁膜表面からの光電子信号に比較して、無視されな
い信号強度が得られる必要がある。同方法では測定は可
能であるが、コンタクトホール底部の面積／層間絶縁膜
表面面積の比が任意である領域を分析することは困難で
ある。したがって、従来の技術では、0.25-0.5mmの直径
程度の微小領域の分析は困難である。本発明はかかる点
に鑑み、試料上の任意の形状の微小領域のXPS分析を実
現することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、X線発生部で
発生させたX線を試料表面に照射した時に試料表面から
放出される光電子信号を捕獲する検出器を備え、試料表
面の測定領域と参照領域にX線を照射するX線走査手段
と、これらの領域から放出された光電子信号を個別に捕
獲し、得られた光電子信号の差分を算出する手段を有す
ることを特徴とするX線光電子分光装置である。

【００１３】また、試料表面の測定領域と参照領域にX
線を照射し、これらの領域から放出された光電子信号を
個別に捕獲し、得られた光電子信号の差分信号を算出す
る際に、差分信号のベースラインを水平とする工程を含
むことを特徴とするX線光電子分光方法である。

【００１４】また、X線が照射される領域内に位置する
測定領域と参照領域に電子線やイオン照射線のような局
所的に帯電を生じさせる放射線を個別に照射すると同時
に、これらの領域から放出された光電子信号を個別に捕
獲し、光電子信号の差分を算出する手段を有することを
特徴とするX線光電子分光装置である。

【００１５】また、電子線を発生する電子線発生部と、
電子線発生部で発生させた電子線を試料表面に照射した
時に、試料表面から放出される特性X線信号を捕獲する
検出器とを備え、試料表面の測定領域と参照領域に電子
線を照射する電子線走査手段、これらの領域から放出さ
れた特性X線信号を個別に捕獲し、特性X線信号の差分を
算出する手段を有することを特徴とする特性X線分光装
置である。

【００１６】ここで測定領域は微小分析点(例えば、0.2
5mmfの直径のコンタクトホール)を中心に含むX線照射領
域(例えば、10mmfの直径)である。参照領域は測定領域
の近傍にあり、微小分析点を含まない領域(例えば、10m
mfの直径)であって、測定領域に含まれる微小分析点を
除けば組成、構造が測定領域に等しい領域である。

【００１７】本発明は、上記の手段を用いて測定領域と
参照領域にX線を照射して、測定領域より放出された光
電子を検出器によって捕獲することによって得られたXP
Sスペクトルと、参照領域より放出された光電子を検出
器によって捕獲することによって得られたXPSスペクト
ルの差よりなる差分XPSスペクトルを算出するものであ
り、その差分XPSスペクトルは、測定領域に含まれてい
て、参照領域に含まれていていない成分、すなわち、測
定領域中の微小分析点のXPSスペクトルを強調すること
となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施形態として試
料表面の測定領域と参照領域にX線を照射し、これらの
領域から放出された光電子を個別に捕獲し、その光電子
信号の差分を算出することによって、測定領域の小口径
化を実現したX線光電子分光装置について図１ないし図
５を用いて説明する。

【００１９】図１は本発明の第１の実施形態のX線光電
子分光装置の要部構成図、図２は試料表面でのX線入
射、光電子放出について説明する概念図、図３は試料表
面の二つの領域へのX線照射を交互に繰り返す機構を説
明する構成概念図、図４は測定および信号処理されたXP
Sスペクトルである。

【００２０】図１のX線光電子分光装置について説明す
る。図１中で、0111はX線励起用電子線偏向電極であ
る。X線励起用電子線発生フィラメント0102より放射さ
れたX線励起用電子線0103は、Alターゲット0104に達す
る。次いで、Alターゲット0104からは特性X線（Al-Ka
線）が放射され、モノクロメーター0105によって単色化
される。単色化されたAl-Ka線0106は、試料0100に照射
される。その後、試料0100の表面からは光電効果によっ
て光電子0110が放出される。前記光電子0110は、インプ
ットレンズ0108を経て同心半球型アナライザー0109によ
ってエネルギー分光され、特定のエネルギーの光電子強
度が光電子計数器0107によって測定される。その後は、
ADコンバーター、コンピューター、データー出力装置に
よってデータ処理が行われ、XPSスペクトルを得る。

【００２１】ここでX線励起用電子線照射位置を変える
ことによって、試料上でのX線照射位置を変えることが
できる。つまり、0111はX線励起用電子線偏向電極であ
り、X線励起用電子線偏向電極0111に印加される電圧を
変化させることによって、X線励起用電子線発生フィラ
メント0102より放射させられたX線励起用電子線0103のA
lターゲット0104上での照射位置を交互に変えることが
できて、試料上でのX線照射位置(分析領域0201と参照領
域0202であり、その間隔は0.001m）を交互に変えること
ができる。

【００２２】以下に、X線励起用電子線偏向電極0111へ
の電圧印加による電子の偏向について説明する。偏向電
極に侵入する前の電子については、加速エネルギーVoに
加速されている、このときの電子の速度(Vx)は、mを電
子の質量、qを電荷素量とすると、1/2・m・Vx2=q・Voで
表される。電子の進行方向の偏向電極の長さをDとし、
偏向電極の間隔をdとすると、偏向電極内での電界の強
さはE=V/dである。この電界によって、偏向電極内の電
子に生じる力は、aを電子の加速度とすると、f=ma=qEで
ある。また、偏向電極内を電子が通過するのに要する時
間はt=D/Vxであるから、偏向電極内を通過する際に、偏
向電極の間隔方向の速度はVy=at=qE/m・D/Vxとなる。こ
れらより、Vy/Vx=VD/2dVo、したがって、偏向電極とAl
ターゲットの間隔をL、偏向電極に電圧を印加すること
によって生じたAlターゲット上の電子線照射位置の変位
をYとすれば、Y=Vy/Vx・L=VDL/2dVo、これより、V=2dVo
Y/DLとなる。ここに、d=0.01m、Vo=15kV、D=0.01m、L=
0.6m、Y=0.001mの各数値を代入すると、V=50Vとなる。
すなわち、X線励起用電子線偏向電極0111に50Vを印加す
ることによって、測定試料上での照射X線の位置を測定
領域と参照領域に振り分けることができて、その間隔は
0.001mとなる。

【００２３】次に、上記のX線電子分光装置を用いて、
プラズマCVD法によってシリコン基板上に形成したSiO₂
上に形成した開口直径0.25mmのコンタクトホールを分析
する手順を、図２、図３を用いて説明する。図２におい
て、0200は開口直径0.25mm、深さ0.60mmのコンタクトホ
ール、0201はX線が照射されている測定領域（10mmの直
径）、0202はX線が照射されている参照領域（10mmの直
径）、0203は厚さ0.40mmのプラズマTEOS-CVD SiO₂形成
法より形成されたSiO₂配線層間絶縁膜、0204は照射X線
(単色化されたAl-Ka線)、0205および0206は光電子、010
8は光電子検出器である。X線を0.5秒間照射される領域
を測定領域0201、参照領域0202と交互に振り分けると、
測定領域0201、参照領域0202から放出された光電子が交
互に光電子検出器0108によって捕獲される。測定領域02
01から得られた光電子信号はコンタクトホール0200部か
らの情報と絶縁膜0203表面からの情報を含んでいるのに
対して、参照領域0202からの光電子信号は絶縁膜0203表
面からの情報だけを含んでいる。ここで、コンタクトホ
ール0200部は測定領域0201の中心に位置しているように
位置を合わせた。

【００２４】さらに、試料表面でのX線照射領域を交互
に繰り返す機構を図３を用いて説明する。図３中、0301
はX線励起用電子線A、0302は特性X線A、0105はモノクロ
メーター、0303は単色化されたAl-Ka線A、0201は特性X
線の照射された測定領域、0304はX線励起用電子線B、03
05は特性X線B、0306は単色化されたAl-Ka線B、0202は特
性X線の照射された参照領域、0307は引き出し電極を示
す。ここで記号AはX線励起用電子線発生フィラメント01
02より放射されたX線励起用電子線A 0301が、Alターゲ
ット0104に達し、Alターゲット0104から特性X線A 0302
が放射され、モノクロメーター0105によって単色化さ
れ、単色化されたAl-Ka線A 0303が測定領域0201に照射
されていることを示す。BはX線励起用電子線発生フィラ
メント0102より放射されたX線励起用電子線B 0304が、A
lターゲット0104に達し、Alターゲット0104から特性X線
B 0305が放射され、モノクロメーター0105によって単色
化され、単色化されたAl-Ka線B 0306が参照領域0202に
照射されていることを示す。

【００２５】図３(a)に示すように、X線励起用電子線A
0301がAlターゲット0104に0.5秒間照射される。する
と、Alターゲット0104より特性X線A 0302が発生し、そ
の一部がモノクロメーター0105に達する。ここで、特性
X線A 0302はモノクロメーター0105によって単色化され
たAl-Ka線B 0306となると同時に被測定試料0203上の分
析点A 0201に集束する。この後、図３(b)に示すよう
に、X線励起用電子線B 0304がAlターゲット0104に0.5秒
間照射される。すると、Alターゲット0104より特性X線B
0305が発生し、その一部がモノクロメーター0105に達
する。ここで、特性X線(Al-Ka線)B 0305はモノクロメー
ター0105によって単色化されたAl-Ka線B 0306となると
同時に被測定試料0203上の分析点B 0202に集束する。

【００２６】次に、光電子信号の差分の求め方と算出さ
れた差分スペクトルについての説明を以下に示す。X線
が照射されている領域が測定領域0201であるときはデー
タセットA、X線が照射されている領域が参照領域0202で
あるときはデータセットBに光電子信号を記録させてお
き、計測が終了した時点で、データセットAとデータセ
ットBの差分を求めることによる（ここでデータセット
A、データセットBは制御パソコン内の記録部に存在する
データ群を示す）。ここで、データセットA,Bに蓄積さ
れるデータは(X, Y)からなるデーターセットであり、X
は化学結合エネルギー（図４のX軸）、Yは光電子信号強
度（図４のY軸）を示す。

【００２７】図４に得られたXPSスペクトル(C1s)を示
す。図４(a)は測定領域0201より得られたXPSスペクトル
を示す。図４(b)は参照領域0202より得られたXPSスペク
トルを示す。測定領域0201より得られたXPSスペクトル
（図４(a)）と参照領域0202より得られたXPSスペクトル
（図４(b)）より差分スペクトル（図４(c)）を算出し
た。差分スペクトル（図４(c)）はコンタクトホール020
0からのXPSスペクトルを強調している。差分スペクトル
（図４(c)）は図４(a)，(b)中の点線で示されるベース
ラインが水平（傾きが０）となるように図４(a)，(b)の
縦軸（強度）比率を調節して行う。具体的には、図４
(a)，(b)中に示されているベースラインのY軸成分の差
分t1、t2を求め、（測定領域のXPSスペクトル（図４
(a)）の各yの値×t2/t1）−（参照領域のXPSスペクトル
（図４(b)）の各yの値）=（差分スペクトル（図４(c)）
の各yの値）を求める。ベースラインの傾きは光電子が
試料内部より脱出する時の損失に依存しており、試料の
構造（表面の凹凸、結晶性など）に反映している量と考
えられる。したがって、前記した図４(c)のように、ベ
ースラインを水平にする操作を行えば、構造的に共通の
情報、すなわち、酸化膜表面からの光電子信号を相殺す
ることによって、コンタクトホール部の化学結合状態に
関する情報を強調することができる。

【００２８】また、XPSスペクトル（図５(d)）は測定領
域0201より得られたXPSスペクトル（図４(a)）にレベリ
ング（水平化）と呼ばれるバックグラウンド除去処理
（XPSスペクトルの左端、右端を直線で結び、この直線
（ベースライン）が水平になるようにYの数値を減ずる
処理を行ったものである。同様に、XPSスペクトル（図
５(e)）は参照領域0202より得られたXPSスペクトル（図
４(b)）のXPSスペクトルにレべリング処理を施したもの
である。このように測定スペクトルにレベリング処理を
施したスペクトルの差分を形成してもXPSスペクトル
（図４(c)）を算出することができる。上記したスペク
トルの差分を算出する方法は適時、差分スペルトルが扱
いやすいように使い分けるとよい。

【００２９】ここで算出されたXPSスペクトルは一般的
なXPS解析手法であるカーブフィティングによって化学
結合状態解析が行われ、化学結合状態が決定された。

【００３０】以上に説明したように、本実施形態によれ
ば従来10mmの直径であった測定領域が、0.25mmの直径へ
と120分の1に小口径化されたことに相当する。なお、実
際の半導体装置に見られるコンタクトホール部は多数の
コンタクトホールが密集していることが多いため、実効
的なコンタクトホールの底からの信号が増大する場合が
多いことが期待され、本発明がさらに有効になる場合が
多い。

【００３１】次に、本発明の第２の実施形態であるX線
が照射された領域内に位置する測定領域と参照領域に電
子線を照射する手段と、これらの領域から放出された光
電子信号を個別に捕獲し、これらの光電子信号の差分を
算出する手段を有することを特徴とするX線光電子分光
装置について、図６ないし図８を用いて説明する。

【００３２】図６は本発明の第２の実施形態のX線光電
子分光装置の要部構成図、図７は試料表面でのX線入
射、光電子放出について説明する概念図、図８は測定さ
れたXPSスペクトルである。図６において、0500は電子
線偏向電極、0501は電子線発生フィラメント、0502は電
子線発生フィラメント用電源、0503は電子線偏向電極用
電源、0504は電子線である。

【００３３】以下に、本実施形態のX線光電子分光装置
の動作について図７を用いて説明する。ただし、図１の
説明部分で述べたX線照射機構および光電子分光機構の
動作については説明を省略する。

【００３４】図７において、0200は開口直径0.25mm、深
さ0.60mmのコンタクトホール、0600は電子線が照射され
る参照領域、0601は電子線、0602、0603は光電子、0604
はX線照射領域(単色化されたAl-Ka線)である。X線が連
続的に照射され、電子線（例えば、加速エネルギー20ke
Vで加速されている）が0.5秒間隔で交互に照射されてい
るＸ線照射領域0604、参照領域0600からは光電子(0602,
0603)が交互に光電子計数器0108に捕獲される。ここ
で、Ｘ線照射領域0604に電子線が照射されているときに
得られた光電子信号は電子線が照射されているコンタク
トホールからの光電子情報と層間絶縁膜0203表面からの
光電子情報を含んでいるのに対して、参照領域0600に電
子線が照射されているときに得られた光電子信号は層間
絶縁膜0203表面からの光電子信号のみを含んでいる。そ
の後は第１の実施形態で述べたと同様の手順を用いて、
差分XPSスペクトルを算出する。

【００３５】図８は本実施形態に示したX線電子分光装
置によって得られたXPSスペクトル（C1s）を示してい
る。図８(a)はX線および電子線が照射されているコンタ
クトホールを含む測定領域0200より得られたXPSスペク
トルを示している。図８(b)はX線および電子線が照射さ
れている分析比較点0600より得られたXPSスペクトルを
示している。差分スペクトル（図８(c)）は測定領域020
0より得られたXPSスペクトル（図８(a)）と分析比較点0
600より得られたXPSスペクトル（図８(b)）の差分を求
めたものである。したがって、差分スペクトル（図８
(c)）は図７のコンタクトホール0200からのXPSスペクト
ル(C1s)信号を強調している。

【００３６】上記の第１および第２の実施形態では、C1
sのXPSスペクトルについて述べたが、他の元素（例え
ば、F1s(フッ素1s））についても適用できる。

【００３７】本発明の第３の実施形態である測定領域と
参照領域に電子線を照射し、これらの領域から放出され
た特性X線信号を個別に捕獲し、特性X線信号の差分を算
出する手段を有することを特徴とする特性X線分光装置
(EDS)について、図９ないし図１１を用いて説明する。

【００３８】図９は本実施形態の特性X線分光装置の要
部構成図、図１０は試料表面での電子線入射、特性X線
放出について説明する概念図、図１１は本発明の本実施
形態の装置によって測定された特性X線スペクトルであ
る。図９において、0800は半導体装置である試料の表
面、0801は電子線発生フィラメント用電源、0802はLaB₆
(ランタンヘキサボライド)製の電子線発生フィラメン
ト、0803は電子線偏向用電極、0804は電子線用対物レン
ズ、0805は電子線、0806は特性X線、0807は特性X線を検
出するためのシリコン検出器、0808は信号処理装置、08
09はデータ表示装置である。

【００３９】以下に、試料表面の測定領域と参照領域の
分析点に電子線を照射し、これらの領域から放出された
特性X線信号を捕獲し、特性X線信号の差分を算出するこ
とによって、測定領域の小口径化を実現する図９に示し
た特性X線分光装置について、図１０および図１１を用
いて説明する。

【００４０】図１０において、0900は直径0.3mm程度の
異物を含む測定領域、0901は電子線が照射される分析比
較点、0902は電子線、0903, 0904は特性X線である。こ
こで、電子線（例えば、加速エネルギー20keVで加速さ
れている）を0.5秒間隔で交互に振り分けて照射される
領域を測定領域0900、参照領域0901とすると、特性X線
(0903, 0904)が交互にシリコン検出器0807によって捕獲
される。ここで、測定領域0900に電子線が照射されてい
るときに得られた特性X線信号は電子線が照射されてい
る異物と試料表面0800からの特性X線情報を含んでいる
のに対して、参照領域0901からの特性X線信号は試料表
面0800からの特性X線信号のみを含んでいる。その後は
第１の実施形態で述べたと同様の手順を用いて、差分特
性X線スペクトルを算出する。

【００４１】図１１に本実施形態に示した特性X線分光
装置によって得られた差分特性X線スペクトルを示す。
図１１(a)は電子線が照射されている測定領域0900より
得られた特性X線スペクトルである。図１１(b)は電子線
が照射されている参照領域0901より得られた特性X線ス
ペクトルである。差分スペクトル（図１１(c)）は測定
領域0900より得られた特性X線スペクトル（図１１(a)）
と参照領域0901より得られた特性X線スペクトル（図１
１(b)）の差分を求めたものである。差分スペクトル
（図１１(c)）は図１０の測定領域0900からの特性X線ス
ペクトルを強調している。特性X線スペクトル（図１１
(a)）に比較して、差分スペクトル（図１１(c)）では、
Ti, Siの割合が高くなっており測定領域0900中の異物
は、Ti,Siを主成分として含んでいるものと思われる。

【００４２】特性X線を用いた本発明の場合、差分を算
出することによってより強調できることとなる。ここ
で、特性X線分光装置は、エネルギー分散型X線分光法の
他に、波長分散型X線分光法(Wavelength Dispersive X-
ray Spectroscopy: WDS)がある。ここでは、扱いが容易
でよく用いられているEDSの場合について説明したが、W
DSについても同様に適用できる。

【００４３】以上、本発明の説明はコンタクトホール底
部の分析およびTi、Siを含む異物について説明したが、
分析する微小領域はコンタクトホールや異物でなくとも
よい。また、本発明は、X線光電子分光装置、特性X線分
光装置の他にも、真空紫外光電子分光法、オージェ電子
分光法等、また、シンクロトロン放射光を光源とした電
子分光法にも適用しても同様の効果を得ることができ
る。

【００４４】

【発明の効果】以上、本発明のX線光電子分光装置およ
びX線光電子分光法を用いると、従来例（直径10mm）に
比べて、微小領域（0.25mmの直径以下）でのXPSスペク
トル、および特性X線が取得できるため、例えば、微細
化の進んだ半導体装置製造工程で、従来は不可能であっ
たドライエッチング時の副生成物であるポリマーが付着
したコンタクトホール底部の解析を行うことができ、ド
ライエッチング形状の最適化やドライエッチングの副生
成物の発生の低減化を実現するドライエッチング条件を
見い出すことが、化学結合情報を活用することによって
容易となり、半導体装置の開発時間の短縮や製造歩留り
の向上に効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態のX線光電子分光装置
の要部構成図

【図２】本発明の第１の実施形態の試料表面でのX線入
射、光電子放出について説明する概念図

【図３】本発明の第１の実施形態の試料表面でのX線ビ
ーム照射領域を交互に繰り返す機構を説明する構成概念
図

【図４】本発明の第１の実施形態の測定および信号処理
されたXPSスペクトルを示す図

【図５】本発明の第１の実施形態の測定および信号処理
されたXPSスペクトルを示す図

【図６】本発明の第２の実施形態のX線光電子分光装置
の要部構成図

【図７】本発明の第２の実施形態の試料表面でのX線入
射、光電子放出について説明する概念図

【図８】本発明の第２の実施形態のXPSスペクトルを示
す図

【図９】本発明の第３の実施形態の特性X線分光装置の
要部構成図

【図１０】本発明の第３の実施形態の試料表面での電子
線入射、特性X線放出について説明する概念図

【図１１】本発明の第３の実施形態の特性X線スペクト
ルを示す図

【図１２】従来例のX線光電子分光装置の要部構成図

【図１３】従来例の測定を実施した半導体装置の配線構
造体の断面図

【図１４】従来例のXPSスペクトルを示す図

【符号の説明】

０１００試料０１０１ X線励起用電子線発生フィラメント用電源０１０２ X線励起用電子線発生フィラメント０１０３ X線励起用電子線０１０４ Alターゲット０１０５モノクロメーター０１０６単色化されたAl-Ka線０１０７光電子計数器０１０８インプットレンズ０１０９同心半球型アナライザー０１１０光電子０１１１ X線励起用電子線偏向電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 X線発生部で発生させたX線を試料表面に
照射した時に該試料表面から放出される光電子信号を捕
獲する検出器を備えたX線光電子分光装置であって、前
記試料表面の少なくとも二箇所の領域に前記X線を照射
し、前記少なくとも二箇所の領域から放出された光電子
信号を個別に捕獲し、前記光電子信号の差分を算出する
手段を有することを特徴とするX線光電子分光装置。
【請求項２】 X線発生部で発生させたX線を試料表面に
照射した時に該試料表面から放出される光電子信号を捕
獲する検出器を備えたX線光電子分光装置であって、X線
が照射される領域内に位置する少なくとも二箇所の領域
に所定の放射線を個別に照射すると同時に、前記二箇所
を含む領域から放出された光電子信号を個別に捕獲し、
前記光電子信号の差分を算出する手段を有することを特
徴とするX線光電子分光装置。
【請求項３】所定の放射線が電子線またはイオン照射
線であることを特徴とする請求項２に記載のX線光電子
分光装置。
【請求項４】請求項１または２に記載のX線光電子分
光装置を用いて得られた光電子信号の差分のベースライ
ンを水平にする工程を含むことを特徴とするX線光電子
分光法。
【請求項５】電子線発生部で発生させた電子線を試料
表面に照射した時に該試料表面から放出される特性X線
信号を捕獲する検出器を備えた特性X線分光装置であっ
て、前記試料表面の少なくとも二箇所の領域に前記電子
線を照射し、前記少なくとも二箇所の領域から放出され
た特性X線信号を個別に捕獲し、前記特性X線信号の差分
を算出する手段を有することを特徴とする特性X線分光
装置。