JP2008191050A - 蛍光ｘ線分析法及び装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】従来の深さ方向の元素分布測定方法においては、照射による損傷が試料に生じ、測定した試料は別の用途に使用することができないものであった。したがって、物質表面からの深さ方向の元素分布情報を非破壊的に測定する測定法が必要とされていた。
【解決手段】本願発明においては、斜入射蛍光Ｘ線分析法において、入射Ｘ線の入射角度を変えた一連の深さ分布を持つ測定対象元素からの蛍光Ｘ線強度を測定し、その強度変化から、測定対象元素の物質表面からの深さ方向の元素分布情報を、非破壊的に測定するものである。
【選択図】図１

Description

本願発明は、非破壊的に深さ方向の元素分布を測定する方法及び装置に関する。物質表面からの深さ方向の元素分布を測定することは、材料開発、半導体デバイス開発等の産業分野において非常に重要である。
物質表面からの深さ方向元素分布を測定する方法として、2次イオン質量分析法、ラザフォード後方散乱法が広く用いられている（下記非特許文献１参照）。
この２次イオン質量分析法は、加速したイオンを試料に照射すると、試料を構成する原子の一部が、中性粒子やイオンとなって試料表面より飛び出す現象を利用するものである。
すなわち、試料へのイオン照射は、原子の試料表面からの離脱と2次イオンの発生を起すため、イオン照射しながら2次イオンを分析し、深さ方向の2次イオン強度を測定することで、深さ方向の元素分布測定を行うものである。
また、ラザフォード後方散乱法は、加速したイオンを試料に入射し、試料原子とのラザフォード散乱により散乱された入射イオンを分析する方法で、散乱された入射イオンのエネルギーを分析することで、試料中の深さ方向の元素分布情報を得るものである。
：大西孝治他２名著、「固体表面分析」、１９９７年８月１０日発行、講談社サイエンティフィク社、ｐ１９６−２５７及びｐ４３３−４５６
2次イオン質量分析法は、加速したイオンを試料に照射すると、試料を構成する原子の一部が中性粒子やイオンとなって試料表面より飛び出す現象を利用するものである。すなわち、試料へのイオン照射が起す、原子の試料表面からの離脱と2次イオンの発生を利用し、イオン照射することで原子を弾き飛ばしながら2次イオン強度を測定することで、深さ方向の元素分布測定を行うものである。したがって、測定した試料は再使用することのできない破壊的分析法である。
ラザフォード後方散乱法は、試料に入射したイオンが、試料原子とのラザフォード散乱により散乱される現象を利用したものである。散乱された入射イオンのエネルギーを分析することにより、試料中の深さ方向の元素分布情報を得るものである。試料にイオンを照射するため、試料には照射による損傷が生じる破壊的分析法である。測定した試料は別の用途に使用することができない。
したがって、物質表面からの深さ方向の元素分布情報を非破壊的に測定する測定法が必要とされていた。
本発明では、斜入射蛍光Ｘ線分析法において、入射Ｘ線の入射角度を変えた一連の深さ分布を持つ測定対象元素からの蛍光Ｘ線強度を測定し、その強度変化から、測定対象元素の物質表面からの深さ方向の元素分布情報を、非破壊的に測定するものである。
斜入射蛍光Ｘ線分析法は、入射Ｘ線により試料中元素から放出される蛍光Ｘ線を分析する方法であり、非破壊分析法である。図１に示すように、斜入射蛍光Ｘ線分析法は、入射Ｘ線（a）を入射角度（b）で試料に入射し、試料中の測定対象元素からの蛍光Ｘ線（c）を検出器で測定する分析法である。
本発明では、斜入射蛍光Ｘ線分析において、測定対象元素の蛍光Ｘ線強度を入射Ｘ線角度（b）を変化させて測定し、その測定結果より測定対象元素の深さ分布をもとめるものである。
すなわち、試料に入射したＸ線強度は、試料内部で次第に減衰し、試料表面からの距離が大きくなる程、試料表面に比べて強度が弱くなる。入射Ｘ線の強度が表面に比べて1/eになる深さを入射Ｘ線の侵入深さとする時、入射Ｘ線の角度が大きくなると、Ｘ線の侵入深さは大きくなる。
このため、元素Ｘで表面からの距離Ａにある原子ＸＡと、ＸＡより表面から深い位置Ｂ（Ａ＜Ｂ）にある原子ＸＢに照射される入射Ｘ線強度、ＩXAとＩXBの比ＩXB／ＩXAは、入射角度が大きくなると次第に大きくなり１に近づく。
したがって、原子ＸＡ、ＸＢから放射される蛍光Ｘ線強度ＦＸＡ、ＦＸＢの比、ＦＸＢ／ＦＸＡは、入射角度が大きくなるにつれて大きくなり、入射角度が十分大きくなると、１に近づき、その差がほとんどなくなる。
このように、測定対象元素Ｘからの単位原子あたりの蛍光Ｘ線強度が、入射Ｘ線角度と元素Ｘが存在する深さにより変わることを用いて、入射Ｘ線の入射角度を変えた一連の深さ分布を持つ測定対象元素からの蛍光Ｘ線強度を測定し、その強度変化情報を得ることができる。
この蛍光X線強度の入射角度依存性を解析することで、物質表面からの深さ方向の元素分布情報を、非破壊的に測定することが可能となる。
なお、入射Ｘ線の波長と試料の種類で決まる臨界角以下では、Ｘ線入射角度を大きくしても、Ｘ線の侵入深さは数nm程度で、わずかしか増加しないが、臨界角前後で、侵入深さは急激に大きくなる。ＦＸＢ／ＦＸＡは、入射角度が臨界角の１．５倍以下の場合、測定原子からの蛍光Ｘ強度は、その原子が存在する深さに強く影響されるが、入射角度が臨界角の１．５倍より大きい場合は、蛍光Ｘ線強度は、その原子が存在する深さにほとんど影響されない。
したがって、入射角度が臨界角の１．５倍より小さい領域では、元素の深さ分布に関する情報を、入射角度が臨界角の１．５倍より大きい領域では、元素の存在量に関する情報を得ることができる。
したがって、入射角度が臨界角の１．５倍より小さい領域と臨界角の１．５倍より大きい領域での測定対象元素の蛍光Ｘ線強度を測定することで、元素の深さに関する情報と元素の存在量に関する情報を得ることができる。
本願発明は、斜入射蛍光Ｘ線分析法において、入射Ｘ線の入射角度を変えた一連の深さ分布を持つ測定対象元素からの蛍光Ｘ線強度を測定し、その強度変化から、測定対象元素の物質表面からの深さ方向の元素分布情報を非破壊的に測定することができるものである。
本願発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。
図１に示すように、斜入射蛍光Ｘ線分析法では、入射Ｘ線（a）をある角度で照射し、試料の表面あるいは内部にＸ線を入射する。その際、入射X線の一部は、Ｘ線が当たった部分に存在する元素を励起し、蛍光X線（ｃ）を放出し、その蛍光Ｘ線を検出器で検出する。
入射Ｘ線の入射角度（b）を大きくしていくと、Ｘ線の侵入深さは次第に大きくなる。
このため、例えば、表面近くにAs元素をドープした試料において、As元素からの蛍光X線を測定する場合、As元素で表面からの距離ＡにあるAs元素と、距離Ａより表面から深い位置B（Ａ＜Ｂ）にあるAs元素から単位原子当たりに放射される蛍光Ｘ線強度ＦＡｓ（Ａ）、ＦＡｓ（Ｂ）の比、ＦＡｓ（Ｂ）／ＦＡｓ（Ａ）は、入射角度が大きくなるにつれて大きくなり、入射角度が十分大きくなると１に近づき、すなわち、その差がほとんどなくなる。
図２に、表面近くにAsをイオン注入法でドープした３つのシリコンウエハー（Asイオン注入エネルギー：10、20、100keV、試料表面の単位面積当りのAs原子の数は同じ）において、入射Ｘ線の入射角度を変えた一連の深さ分布を持つ測定対象元素であるAsからの蛍光Ｘ線強度を測定した例を示す。
図２の蛍光Ｘ線強度のＸ線入射角度依存性は、Ｘ線入射角度により変化する試料内の入射Ｘ線の深さ分布と測定対象元素の深さ分布を反映したものであり、図２の曲線を解析することで、図３のようにAs元素の深さ分布をもとめることができる。
なお、ＦＡｓ（Ｂ）／ＦＡｓ（Ａ）は、入射角度が臨界角の１．５倍以下の場合、測定原子からの蛍光Ｘ強度は、その原子が存在する深さに強く影響されるが、入射角度が臨界角の１．５倍より大きい場合は、蛍光Ｘ線強度は、その原子が存在する深さにほとんど影響されない。
したがって、入射角度が臨界角の１．５倍より小さい領域では、元素の深さ分布に関する情報を、入射角度が臨界角の１．５倍より大きい領域では、元素の存在量に関する情報を得ることができる。
したがって、入射角度が臨界角の１．５倍より小さい領域と臨界角の１．５倍より大きい領域での測定対象元素の蛍光Ｘ線強度を測定することで、試料中の元素の深さ分布に関する情報と元素の存在量に関する情報を簡便に得ることができる。
なお、図２の場合、入射Ｘ線としてMo光源、試料がシリコン基板を用いているので、臨界角は0.1度である。
なお、実施例では、結晶性シリコンウエハーにイオン注入法でAsをドープした試料を用いたが、対象試料は注入イオン種や基板種類を限るものではなく、原理的にどのような注入イオン種や基板でもよい。
斜入射蛍光Ｘ線分析法の概念図。入射Ｘ線（a）を入射角度（b）で試料に入射し、試料中の測定対象元素からの蛍光Ｘ線（c）を検出器で測定する分析法である。 シリコンウエハー試料表面近くにAsをイオン注入法でドープしてある試料において、入射Ｘ線の入射角度を変えた一連の蛍光Ｘ線強度（測定対象元素のAs元素の蛍光X線強度）を測定した例。 シリコンウエハー試料表面近くにAsをイオン注入法でドープしてある試料において、〔図２〕を利用して求めたAs元素の深さ分布。

Claims (6)

  1. 試料にＸ線を入射し試料中の元素から放出される蛍光Ｘ線を分析する蛍光Ｘ線分析法において、入射Ｘ線の入射角度を変えて蛍光Ｘ線強度を測定し、該強度の変化から測定対象元素の物質表面からの深さ方向元素分布を測定することを特徴とする蛍光Ｘ線分析法。
  2. 試料にＸ線を入射し試料中の元素から放出される蛍光Ｘ線を分析する蛍光Ｘ線分析法において、異なる２つの入射角度において蛍光Ｘ線強度を測定することにより、試料中の元素の深さ分布に関する情報及び元素の存在量に関する情報を得ることを特徴とする蛍光Ｘ線分析法。
  3. 請求項２に記載の蛍光Ｘ線分析法において、上記異なる２つの入射角度は、臨界角の１．５倍より小さい領域及び臨界角の１．５倍より大きい領域であることを特徴とする蛍光Ｘ線分析法。
  4. 試料にＸ線を入射し試料中の元素から放出される蛍光Ｘ線を分析する蛍光Ｘ線分析法において、入射角度が臨界角の１．５倍より小さい領域における測定対象元素の蛍光Ｘ線強度を測定することにより試料中の元素の深さ分布に関する情報を得ることを特徴とする蛍光Ｘ線分析法。
  5. 試料にＸ線を入射し試料中の元素から放出される蛍光Ｘ線を分析する蛍光Ｘ線分析法において、入射角度が臨界角の１．５倍より大きい領域における測定対象元素の蛍光Ｘ線強度を測定することにより試料中の元素の存在量に関する情報を得ることを特徴とする蛍光Ｘ線分析法。
  6. 試料にＸ線を入射し試料中の元素から放出される蛍光Ｘ線を分析する蛍光Ｘ線分析装置において、入射Ｘ線の入射角度を変化させる装置を有し、入射角度を変えた一連の蛍光Ｘ線強度を測定し、その強度変化から測定対象元素の物質表面からの深さ方向元素分布を測定することを特徴とする蛍光Ｘ線分析装置。
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