JP2008232838A - Depth-directional element concentration analytical method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、試料に一次イオンを照射して二次イオンを引出すことで、微量元素の深さ方向分布を測定する際、所望の情報のみを高精度で取得できる深さ方向の元素濃度分析方法に関する。 The present invention relates to a depth direction element concentration analysis method capable of acquiring only desired information with high accuracy when measuring a depth direction distribution of trace elements by irradiating a sample with primary ions and extracting secondary ions. About.
一般に、二次イオン質量分析法では,加速した一次イオンをコンデンサーレンズなどで絞ってイオンビームとし、そのイオンビームを分析の対象である試料位置に照射するのであるが、イオンビームは、いかに絞っても、その強度には面内分布が存在し、中心部が最大強度になっている。 In general, in secondary ion mass spectrometry, accelerated primary ions are squeezed with a condenser lens to form an ion beam, and the ion beam is irradiated to the sample position to be analyzed. However, the intensity has an in-plane distribution, and the central part has the maximum intensity.
図3は一次イオンをコンデンサーレンズで絞った場合に於ける面内分布を表す線図であり、図に於いて、fは試料表面に於けるイオンビームの集束点、Iは均一な電流密度の下に於ける一次イオンビームの総電流量、jは電流密度、j0 は電流密度の最大値をそれぞれ示していて、イオンビームの電流密度jは中心部分で最も高く、ガウス分布形状を成している。 FIG. 3 is a diagram showing the in-plane distribution when primary ions are focused by a condenser lens, where f is the focal point of the ion beam on the sample surface, and I is the uniform current density. The total current amount of the primary ion beam below, j is the current density, j 0 is the maximum value of the current density, and the ion beam current density j is the highest in the central part, forming a Gaussian distribution shape. ing.
図3の上半部には、一次イオンビームが試料の表面に於ける集束点fで収束する様子が表され、下半部には、一次イオンビームが試料内で分布する様子がビーム像として実線で示され、その実線で示された条件に於いて、電流密度jを均一とした場合の一次イオンビームの分布を破線で示してあり、総電流量IはI=j0 rs 2 πで表することができ、そして、j0 は電流密度の最大値である。 The upper half of FIG. 3 shows how the primary ion beam converges at the focal point f on the surface of the sample, and the lower half shows how the primary ion beam is distributed in the sample as a beam image. The distribution of the primary ion beam when the current density j is uniform is shown by a broken line under the condition indicated by the solid line and the total current amount I is I = j 0 r s 2 π And j 0 is the maximum current density.
このようなことから、深さ方向の元素濃度分析を行う場合、イオンビームをそのまま試料に照射すると強度分布に対応した深さの情報を一括して検出することになり,精確な深さ方向元素濃度分布を測定することはできない。 For this reason, when performing element concentration analysis in the depth direction, if the sample is irradiated with the ion beam as it is, information on the depth corresponding to the intensity distribution will be detected in a lump, and accurate depth direction elements will be detected. The concentration distribution cannot be measured.
そのため、通常、一次イオンビームは、ある一定の領域を走査し、その中心部のみから情報を選択的に抽出する方法、例えば、エレクトリックゲート法、光学アパーチャー法が採用されている。 Therefore, the primary ion beam usually employs a method of scanning a certain region and selectively extracting information only from the central portion thereof, for example, an electric gate method and an optical aperture method.
図4はエレクトリックゲート法を実施する場合の説明図であり、図に於いて、11は試料、11Aは一次イオンビームが照射されることに依って発生したクレータ、12は一次イオン走査領域、13はエレクトリックゲートをオンにする領域をそれぞれ示している。 FIG. 4 is an explanatory diagram when the electric gate method is performed. In the figure, 11 is a sample, 11A is a crater generated by irradiation with a primary ion beam, 12 is a primary ion scanning region, 13 Indicates the area where the electric gate is turned on.
エレクトリックゲート法では、走査する一次イオンビームが分析領域に位置するときのみ、二次イオン引き出し電極に電圧が加わって、二次イオンの検出を行う構成になっている。 In the electric gate method, only when the primary ion beam to be scanned is located in the analysis region, a voltage is applied to the secondary ion extraction electrode to detect the secondary ions.
前記したところから明らかなように、エレクトリックゲート法では、一次イオンビームの走査の過程で、一次イオンビームが試料の中心部に達したときのみ、二次イオン引き出し電極に電圧を印加して二次イオンを検出するようにしている。 As is apparent from the above, in the electric gate method, the secondary ion extraction electrode is applied with a voltage by applying a voltage to the secondary ion extraction electrode only when the primary ion beam reaches the center of the sample in the scanning process of the primary ion beam. Ions are detected.
図5は光学アパーチャー法を実施する場合の説明図であり、(A)は一次イオンビームの走査はしない場合、(B)は走査をする場合をそれぞれ示し、図に於いて、1は試料、1Aは分析領域の径、1Bはクレータ、1Cはクレータの深さ、1Dはクレータに生成された段差、2はアパーチャー、2Aはアパーチャーの径、3は一次イオンビーム、3Aは一次イオンビームの径、3Bは一次イオンビームの入射角、4は二次イオンビーム、5はラスタープレートをそれぞれ示している。
FIGS. 5A and 5B are explanatory diagrams when the optical aperture method is performed. FIG. 5A shows a case where the primary ion beam is not scanned, and FIG. 5B shows a case where the scanning is performed. 1A is the diameter of the analysis region, 1B is the crater, 1C is the depth of the crater, 1D is the step generated in the crater, 2 is the aperture, 2A is the diameter of the aperture, 3 is the primary ion beam, and 3A is the diameter of the
ここで具体的数値を挙げると、分析領域の径1Aは350μm、クレータ1Bの深さ1Cは1μm、クレータ1Bに生成された段差1Dは0.017μm、アパーチャーの径2Aは50μm、走査しない場合の一次イオンビームの径3Aは250μm、走査する場合の一次イオンビームの径3Aは50μm、一次イオンビームの入射角3Bは45°となっている。
Specifically, the
光学アパーチャー法では、一次イオンビームを照射している間中、二次イオン引き出し電極に電圧を印加して二次イオンを引き出すのであるが、この引き出し電極の後ろにアパーチャーを置き,試料に於ける中央部からの二次イオンだけを検出系に導入するようになっている。 In the optical aperture method, during irradiation of the primary ion beam, a secondary ion is extracted by applying a voltage to the secondary ion extraction electrode. An aperture is placed behind the extraction electrode and the sample is applied to the sample. Only secondary ions from the center are introduced into the detection system.
図5(A)に見られるように、一次イオンビーム3で走査しない場合、削れた試料1の底は平坦にならず、分析領域に於いて0.017μmの段差を生ずる。然しながら、図5(B)に見られるように、一次イオンビーム3で走査を行う場合、削れた試料1の底は平坦になる。
As seen in FIG. 5A, when the primary ion beam 3 is not used for scanning, the bottom of the
上記説明したエレクトリックゲート法及び光学アパーチャー法は、それなりに有効であったが、近年の半導体装置などの製造分野に於いては、極浅領域に高濃度の不純物を注入する為、その深さ方向分布は極めて浅く、且つ、急峻である。 The electric gate method and the optical aperture method described above are effective as they are. However, in the recent manufacturing field of semiconductor devices and the like, in order to inject a high concentration impurity into the extremely shallow region, the depth direction The distribution is very shallow and steep.
この為、分析に用いる一次イオンは低加速化が強いられ,ビーム径を絞り難くなってきている。そして、これに伴い、一次イオンの走査で形成されるクレーターのエッジは急峻性を失い、中央部の有効な二次イオン抽出領域は狭くなり、二次イオン抽出領域周辺の情報が紛れ込みやすい状態に在る。 For this reason, primary ions used for analysis are forced to be accelerated, and it is difficult to narrow the beam diameter. And along with this, the edge of the crater formed by the primary ion scan loses its steepness, the effective secondary ion extraction region in the center becomes narrow, and the information around the secondary ion extraction region is easily mixed in It is in.
近年の半導体分析に於いては、上記説明した二つの抽出法を用いたり、或いは、SIMS分析で試料に電圧を印加することも行われているが(例えば、特許文献1を参照。)、深さ方向分布の情報精度が不十分な場合が数多く見られる。
本発明では、二次イオン質量分析法を実施するに際し、分析領域周辺の情報を取り込むことなく,所望の領域のみの情報を得られるようにし、微量元素の精確な深さ方向分布を知得する。 In the present invention, when performing secondary ion mass spectrometry, information on only a desired region can be obtained without acquiring information around the analysis region, and an accurate depth direction distribution of trace elements is obtained.
本発明に依る深さ方向元素濃度分析方法に於いては、被測定対象物に照射される一次イオンビームの走査領域の一部において、該被測定対象物に電圧を印加することを特徴とする。 In the depth direction element concentration analysis method according to the present invention, a voltage is applied to the object to be measured in a part of the scanning region of the primary ion beam irradiated to the object to be measured. .
前記手段を採ることに依り、イオン注入された元素の深さ方向分布は、図1に見られるように、その急峻性は向上しているので、分析領域周辺からの情報を取り込むことなく、所望の領域からの情報のみを検出できる。 By adopting the above-mentioned means, the distribution in the depth direction of the ion-implanted element is improved as shown in FIG. 1, so that the steepness is improved. Only information from the region can be detected.
本発明では、従来の二次イオン抽出法、即ち、エレクトリックゲート法、或いは、光学アパーチャー法の何れを実施する場合に於いても、以下に説明する手段を付加して実施することで優れた効果を享受することができる。 In the present invention, when the conventional secondary ion extraction method, that is, the electric gate method or the optical aperture method is performed, an excellent effect can be achieved by adding the means described below. Can be enjoyed.
即ち、一次イオンで試料を走査中、分析領域(二次イオン検出領域)と、その周辺部とで試料に印加する電圧を変えるようにする。即ち、二次イオンのエネルギー分布と試料への印加電圧との関係で見た場合、分析領域では二次イオンのエネルギー分布強度が高くなる電圧を印加し、そして、周辺部では二次イオンのエネルギー分布強度が低くなる電圧を印加する。 That is, during scanning of the sample with primary ions, the voltage applied to the sample is changed between the analysis region (secondary ion detection region) and its peripheral portion. That is, when viewed from the relationship between the energy distribution of secondary ions and the voltage applied to the sample, a voltage that increases the energy distribution intensity of the secondary ions is applied in the analysis region, and the energy of the secondary ions is applied in the periphery. A voltage that lowers the distribution intensity is applied.
図1は一次イオンを試料に照射して発生する二次イオンのエネルギー分布を表す線図であり、縦軸には規格化された二次イオン強度を、また、横軸には試料電位をそれぞれ採ってある。 FIG. 1 is a diagram showing energy distribution of secondary ions generated by irradiating a sample with primary ions. The vertical axis represents normalized secondary ion intensity, and the horizontal axis represents sample potential. It is taken.
試料に電圧を加えることに依って二次イオン強度は変化するので、試料電位に対して、二次イオン強度をプロットすると図1に見られる二次イオンエネルギー分布が得られる。 Since the secondary ion intensity varies depending on the voltage applied to the sample, the secondary ion energy distribution shown in FIG. 1 can be obtained by plotting the secondary ion intensity against the sample potential.
因に、従来のエレクトリックゲート法に於いては、二次イオンの引き出し電圧を一次イオンの走査に連動してオン・オフしているが、本発明に於いては、試料に印加する電圧を一次イオンの走査に連動して変化させることが大きな相違点となっている。 Incidentally, in the conventional electric gate method, the secondary ion extraction voltage is turned on / off in conjunction with the scanning of the primary ions, but in the present invention, the voltage applied to the sample is primary. The major difference is that it is changed in conjunction with the scanning of ions.
図2は本発明に依る微量元素の深さ方向分布の分析法を実施して得られた結果を従来のエレクトリックゲート法を実施して得られた結果と比較して表した線図であり、また、該線図には本発明を実施する場合の一次イオン走査パターンの1例を附記してある。 FIG. 2 is a diagram showing the results obtained by carrying out the analysis method of the depth direction distribution of trace elements according to the present invention in comparison with the results obtained by carrying out the conventional electric gate method, In addition, an example of a primary ion scanning pattern when the present invention is implemented is appended to the diagram.
図2ではSi中にイオン注入したInの深さ方向分布を表していて、縦軸には二次イオン強度(個/秒)を、そして、横軸には深さ(nm)をそれぞれ採ってあり、また、Aは本発明の分析法を実施した得られた結果、Bは従来のエレクトリックゲート法を実施して得られた結果をそれぞれ示している。 FIG. 2 shows the depth distribution of In ion-implanted into Si, with the vertical axis representing the secondary ion intensity (pieces / second) and the horizontal axis representing the depth (nm). Yes, A shows the result obtained by carrying out the analysis method of the present invention, and B shows the result obtained by carrying out the conventional electric gate method.
図2からすると、本発明の分析法を実施した得られた結果は従来のエレクトリックゲート法を実施して得られた結果に比較して、深さ方向分布のダイナミックレンジが大きく、分布は急峻であることが看取される。これは,周囲からの情報の紛れ込みを有効に防げていることを意味している。 According to FIG. 2, the result obtained by performing the analysis method of the present invention has a larger dynamic range of the depth direction distribution and the distribution is steeper than the result obtained by performing the conventional electric gate method. It is caught that there is. This means that information from surroundings can be effectively prevented from being mixed.
実施例1に於いては、一次イオンビームのスキャンニングを行う際、通常のラスター走査、即ち、X−Yスキャンニングではなく、図2に付記してあるように、渦巻状に走査するスパイラルスキャンニングを行い、且つ、スパイラルスキャンニングの外周と内部とで試料に印加する電圧を変えることで本発明に於ける目的を容易に達成することができる。 In the first embodiment, when scanning the primary ion beam, instead of normal raster scanning, that is, XY scanning, spiral scanning that scans in a spiral shape is added as shown in FIG. The object in the present invention can be easily achieved by performing the annealing and changing the voltage applied to the sample between the outer periphery and the inside of the spiral scanning.
本発明に於いては、前記説明した実施の形態を含め、多くの形態で実施することができるので、以下、それを付記として例示する。 Since the present invention can be implemented in many forms including the above-described embodiment, it will be exemplified as an additional note hereinafter.
(付記1)
被測定対象物に照射される一次イオンビームの走査領域の一部において、該被測定対象物に電圧を印加することを特徴とする深さ方向の元素濃度分析方法。
(Appendix 1)
An element concentration analysis method in a depth direction, wherein a voltage is applied to a measurement object in a part of a scanning region of a primary ion beam irradiated to the measurement object.
(付記2)
前記被測定対象物に電圧を印加する領域が、二次イオン検出領域であることを特徴とする(付記1)記載の深さ方向の元素濃度分析方法。
(Appendix 2)
The depth-direction element concentration analysis method according to (Appendix 1), wherein the region to which a voltage is applied to the object to be measured is a secondary ion detection region.
(付記3)
前記被測定対象物に印加する電圧と該電圧に対応した二次イオン強度の関係を予め求め、前記二次イオン検出領域の周辺部における該二次イオン強度が、該二次イオン検出領域における二次イオン強度よりも小さくなるように該被測定対象物に電圧を印加することを特徴とする(付記2)記載の深さ方向の元素濃度分析方法。
(Appendix 3)
A relationship between the voltage applied to the object to be measured and the secondary ion intensity corresponding to the voltage is obtained in advance, and the secondary ion intensity in the periphery of the secondary ion detection region is the second ion intensity in the secondary ion detection region. The element concentration analysis method in the depth direction according to (Appendix 2), wherein a voltage is applied to the object to be measured so as to be smaller than the secondary ion intensity.
(付記4)
前記被測定対象物に印加する電圧と該電圧に対応した二次イオン強度の関係を予め求め、前記二次イオン検出領域において該二次イオン強度が最大となるように該被測定対象物に電圧を印加することを特徴とする(付記2)または(付記3)記載の深さ方向の元素濃度分析方法。
(Appendix 4)
A relationship between the voltage applied to the object to be measured and the secondary ion intensity corresponding to the voltage is obtained in advance, and the voltage is applied to the object to be measured so that the secondary ion intensity becomes maximum in the secondary ion detection region. (Appendix 2) or (Appendix 3), the element concentration analysis method in the depth direction.
(付記5)
前記一次イオンビームの走査が、スパイラル走査であることを特徴とする(付記1)乃至(付記4)記載の深さ方向の元素濃度分析方法。
(Appendix 5)
The element concentration analysis method in the depth direction according to (Appendix 1) to (Appendix 4), wherein the primary ion beam scan is a spiral scan.
(付記6)
前記スパイラル走査において、走査領域内で該被測定対象物に印加する電圧を変化させ ること特徴とする(付記5)記載の深さ方向の元素濃度分析方法。
(Appendix 6)
In the spiral scanning, the element concentration analysis method in the depth direction according to (Appendix 5), wherein a voltage applied to the object to be measured is changed in a scanning region.
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