JP2011058825A - 二次イオン質量分析における一次イオンエネルギー補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二次イオン質量分析における一次イオンエネルギー補正方法に関し、実効的な一次イオンエネルギーを簡便かつ精確に把握し、装置上の設定値からのずれを補正する。
【解決手段】標準試料を用いて二次イオン質量分析により求めた深さ方向元素分布におけるプロファイルシフト量の一次イオンエネルギー依存性を標準チャートとして予め求め、測定対象試料を用いて深さ方向元素分布を求める際に、標準試料を用いて求めた深さ方向元素分布におけるプロファイルシフト量の一次イオンエネルギー依存性を実測前に求め、前記標準チャートのプロファイルシフト量の一次イオンエネルギー依存性と前記実測前に求めたプロファイルシフト量の一次イオンエネルギー依存性との差分から一次イオンエネルギーのエネルギーずれを求め、前記求めたエネルギーずれを基にして前記測定対象試料を用いて深さ方向元素分布を求める際の一次イオンエネルギーを補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）における一次イオンエネルギー補正方法に関するものであり、例えば、酸素イオン或いはセシウムイオン一次イオンに用いた場合の実効的な一次イオンエネルギーを簡便かつ精確に設定するための構成に関するものである。

二次イオン質量分析法はイオンビーム（一次イオン）を固体試料の表面に照射し、一次イオンのスパッタリング作用によって固体試料表面から放出する二次イオンを質量分析する高感度な物理分析法である。

スパッタリングに伴うエッチング作用を利用することによって、深さ方向分析が可能であるため、半導体中の微量不純物の分析に頻繁に用いられている。しかし、近年における半導体装置の微細化によりＳＩＭＳに対する要求は厳しく、最表面層より数ｎｍの極浅い領域での高精度な分析が要求されている。

この様な要求に際して、一次イオンを低エネルギー化することで対応しており、現在では１５０ｅＶから５００ｅＶといった極度に低いエネルギーが用いられている。しかし、ナノオーダーの極浅い領域を実際に分析しようとすると僅かなエネルギーの違いによって得られる深さ分解能（深さの精度）が異なる。

したがって、現行のＳＩＭＳ分析に際しては、一次イオンの照射エネルギーを精確に把握しなければならず、一次イオン照射エネルギーは、装置上の加速電圧を目安に把握している。

また、現在のＳＩＭＳでは高感度を得るために、一般に酸素（Ｏ）やセシウム（Ｃｓ）などの反応性を持つイオンが一次イオンとして用いられている。反応性イオンの照射は試料表面を改質し、二次イオン発生量を増大させる反面、様々な問題を誘発する。

特に酸素を一次イオンに用いた場合、一次イオン照射の開始直後はスパッタリングが定常に達しないため、試料表面の改質が不十分であり、定常後に較べてエッチング速度が著しく速い。測定された深さプロファイルは、通常、エッチング速度が一定と仮定し、掘れたクレータの深さから換算する。

したがって、エッチング速度が一定でないと得られたプロファイルと真の濃度分布との間には「ずれ」が生じる。この現象は、一般にプロファイルシフトと呼ばれる。図８は、プロファイルシフトの説明図であり、被測定試料における実際の注入イオン分布を実線で示している。破線は被測定試料に対してＳＩＭＳ分析を行いスパッタエッチング速度が一定と仮定し算出した注入イオン分布である。

この場合、上述のように定常状態に達する前のスパッタエッチング速度は定常後に較べて著しく速いのにも拘わらず一定の速度として換算しているので、イオン注入分布全体が被測定試料の表面側にシフトすることになる（例えば、非特許文献１参照）。

このシフト量は一次イオンの加速エネルギーの増加に伴って増加するため、精度の高いイオン分布を得るためには、一次イオンの照射エネルギーをより精確に把握しなければならない。

特開平０７−０７２１００号公報

ｔｓｃ−ｗｅｂ．ｊｐ／ｆｏｒｕｍ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ？ｍｏｄｅ＝ｖｉｅｗｍａｉｎ＆１＝１＆．．．＆ｐ＝＆ｐａｇｅ＝０＆ｄｉｓｐｎｏ＝１１２

一次イオン照射エネルギーは、装置上の加速電圧を目安に把握することができるが、装置によっては試料にバイアスを掛けたり、或いは、二次イオンの引き出しに大きな電圧を掛けたりするため、実効的なエネルギーと設定した加速電圧とは一致しないことが多い。

また、一次イオン発生源や加速機構は使用状況によって汚れが生じるため、同じ装置であっても使用時期によって実効的なエネルギーは異なるという問題がある。さらに、他の研究機関や他の工場で取得した同様のデータと比較する場合にも実効的な一次イオンエネルギーのずれが問題となる。

したがって、本発明は実効的な一次イオンエネルギーを簡便かつ精確に把握し、装置上の設定値からのずれを補正することを目的とする。

本発明の一観点からは、標準試料を用いて二次イオン質量分析により求めた深さ方向元素分布におけるプロファイルシフト量の一次イオンエネルギー依存性を標準チャートとして予め求める工程と、測定対象試料を用いて二次イオン質量分析により深さ方向元素分布を求める際に、標準試料を用いて二次イオン質量分析により求めた深さ方向元素分布におけるプロファイルシフト量の一次イオンエネルギー依存性を実測前に求める工程と、前記標準チャートのプロファイルシフト量の一次イオンエネルギー依存性と前記実測前に求めたプロファイルシフト量の一次イオンエネルギー依存性との差分から一次イオンエネルギーのエネルギーずれを求める工程と、前記求めたエネルギーずれを基にして前記測定対象試料を用いて二次イオン質量分析により深さ方向元素分布を求める際の一次イオンエネルギーを補正する工程とを有する二次イオン質量分析における一次イオンエネルギーの補正方法が提供される。

開示の二次イオン質量分析における一次イオンエネルギー補正方法によれば、実効的な一次イオンエネルギーを簡便かつ精確に把握し、装置上の設定値からのずれを補正することが可能となる。

本発明の実施の形態のエネルギー補正のフローチャートである。 本発明の実施例１の一次イオン加速エネルギーの補正方法に用いるδドープ試料の概念的断面図である。 δドープ試料に対するＳＩＭＳによる測定結果の説明図である。 δドープ層の深さ位置とＯ_２ ⁺ ドーズ量との相関関係の説明図である。 本発明の実施例１の標準チャートである。 標準チャート取得後１か月後のエネルギーずれの説明図である。 本発明の実施例２の一次イオン加速エネルギーの補正方法に用いる標準チャートである。 プロファイルシフトの説明図である。

ここで、図１を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は、エネルギー補正のフローチャートである。まず、標準チャートを作成するために、
Ａ_１．複数の既知深さに深さマーカーとなるように元素を存在させた試料、典型的にはδドープ試料を標準試料として用いてＯ_２ ⁺ またはＣｓ⁺ を一次イオンとしてＳＩＭＳによりマーカーとなる元素の深さ方向分布を測定する。なお、Ｏ_２ ⁺ はＢ等の二次イオンが正イオンになりやすい元素の分析に用い、一方、Ｃｓ⁺ はＡｓ等の二次イオンが負イオンになりやすい元素の分析に用いる。

Ａ_２．得られた実測データから、マーカーとなる元素の既知の深さ方向の位置と、各一次イオンエネルギーにおける一次イオンのドーズ量またはエッチング時間との相関をプロットする。この時、プロット図の各一次イオンエネルギーの直線の傾きが常に一定と仮定するエッチング速度となる。

Ａ_３．各直線は原点（０，０）を通らないので、プロット図におけるｙ軸の切片を各一次イオンエネルギーのプロファイルシフト量として得る。
Ａ_４．得られたプロファイルシフト量と一次イオンエネルギーの関係から標準チャートを作成する。

或いは、
Ｂ_１．イオン注入試料を標準試料として注入イオンの投影飛程Ｒ_ｐをＴＲＩＭ等のシミュレーションにより算出する。
Ｂ_２．イオン注入試料を用いてＯ_２ ⁺ またはＣｓ⁺ を一次イオンとしてＳＩＭＳにより注入イオンの投影飛程Ｒ_ｐ′を測定する。

Ｂ_３．シミュレーションによる投影飛程Ｒ_ｐとＳＩＭＳによる投影飛程Ｒ_ｐ′との差を各一次イオンエネルギーのプロファイルシフト量として得る。
Ｂ_４．得られたプロファイルシフト量と一次イオンエネルギーの関係から標準チャートを作成する。

実際の測定が必要としている試料に対する測定を引き続いてそのまま行う場合には、Ａ_４或いはＢ_４で作成した標準チャートにより、実際のＳＩＭＳにより測定した深さ方向の元素分布を補正する。

一方、標準チャートを作成した後、ある程度の日時が経過した後にＳＩＭＳによる測定を行う場合には、まず、
Ｃ_１．再びＡ_１〜Ａ_４或いはＢ_１〜Ｂ_４の手順により、プロファイルシフト量と一次イオンエネルギーの関係をプロットする。
Ｃ_２．標準チャートのプロファイルシフト量と一次イオンエネルギーの関係と得られたプロファイルシフト量と一次イオンエネルギーの関係における各一次イオンエネルギーにおけるエネルギーのずれ幅を算出する。
Ｃ_３．Ｃ_２で得られたエネルギーずれによりＳＩＭＳ装置の一次エネルギー加速電圧を補正して被測定試料に対する測定を行う。
Ｃ_４．標準チャートのプロファイルシフト量により実測した深さ方向の元素分布を補正する。

或いは、他の研究機関或いは工場で取得したデータを比較する場合には、
Ｄ_１．他の研究機関或いは工場において、Ａ_１〜Ａ_４或いはＢ_１〜Ｂ_４の手順により、プロファイルシフト量と一次イオンエネルギーの関係をプロットする。
Ｄ_２．標準チャートのプロファイルシフト量と一次イオンエネルギーの関係と得られたプロファイルシフト量と一次イオンエネルギーの関係における各一次イオンエネルギーにおけるエネルギーのずれ幅を算出する。
Ｄ_３．Ｄ_２で得られたエネルギーずれによりＳＩＭＳ装置の一次エネルギー加速電圧を補正して被測定試料に対する測定を行う。
Ｄ_４．標準チャートのプロファイルシフト量により実測した深さ方向の元素分布を補正する。

このように、本発明の実施の形態においては、予めプロファイルシフト量と一次イオンエネルギーの関係を標準チャートとして作成し、ある程度の日時が経過した後或いは装置の設定を変更した後に測定を行う場合に、標準チャートに対してエネルギー補正を行う。その結果、常に同じ条件での測定を行うことが可能になる。

以上を前提として、次に、図２乃至図６を参照して、本発明の実施例１の一次イオン加速エネルギーの補正方法を説明する。図２は、本発明の実施例１の一次イオン加速エネルギーの補正方法に用いるδドープ試料の概念的断面図である。図２に示すように、このδドープ試料は、Ｓｉ基板１１上にＳｉバッファ層１２を介して５ｎｍのＳｉ層１３毎に５×１０¹³ｃｍ^-2のＢをδドープしたものである。なお、図における符号１４はδドープ層である。なお、このようなδドープ試料は市販されている。

図３は、δドープ試料に対するＳＩＭＳによる測定結果の説明図であり、ここでは、２００ｅＶのエネルギーで加速したＯ_２ ⁺ イオンを一次イオンとして用いた場合の結果を示している。図に示すように、δドープ層の間隔に対応する６つのピークが周期的に見られる。

図４は、δドープ層の深さ位置とＯ_２ ⁺ ドーズ量との相関関係の説明図であり、ここでは、２００ｅＶ、２５０ｅＶ、３００ｅＶ及び４００ｅＶの測定結果をプロットしている。この場合、図３における測定結果に対してエッチング時間をＯ_２ ⁺ ドーズ量に換算してプロットしている。したがって、各エネルギーにおける相関直線の傾きがエッチング速度を表すことになる。

この時、上述のように定常状態に達しない測定開始直後においてはエッチング速度が速いので、最初のδドープ層が現れるまでのＯ_２ ⁺ ドーズ量（或いは時間）は、次のδドープ層が現れるまでのＯ_２ ⁺ ドーズ量（或いは時間）より少ない。したがって、各一次イオンエネルギーについての相関直線のｙ切片は原点（０，０）を通らず、このｙ切片の値がプロファイルシフト量となる。

図５は、図４から得られるプロファイルシフト量の一次イオンエネルギー依存性をプロットしたものであり、一次イオンエネルギーが大きいほどプロファイルシフト量が大きくなることが分かる。この結果を標準チャートとして、今後のＳＩＭＳ測定に対する基準とする。

このまま引き続いて測定対象試料に対してＳＩＭＳによる測定を行う場合には、得られた深さ方向元素分布に対して用いた一次イオンエネルギーに対応するプロファイルシフト量を補正することによって、実際の深さ方向元素分布を得ることができる。

なお、本発明者が知るかぎり、プロファイルシフトと一次イオンエネルギーとの関係が図５に示すように特徴的な曲線を示すことはこれまで知られておらず、この関係をエネルギー補正に用いることは、実測定に際して高精度な分析を行うために極めて有益である。

図６は、標準チャート取得後１か月後のエネルギーずれの説明図である。ここでは、標準チャート取得後１か月後に同じ手法で取得したプロファイルシフト量の一次イオンエネルギー依存性をＣｏｎｄｉｔｉｏｎ１として表している。図から明らかなように、Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ１の曲線は標準チャートに対して５０ｅＶ程度のエネルギーずれが見られる。

図の場合には、２００ｅＶの加速エネルギーに設定していても、実際には１５０ｅＶ程度の加速エネルギーしか印加されていないことになる。したがって、実際の測定対象試料の測定を行う場合には、ＳＩＭＳ装置の一次イオン加速電圧を２００Ｖから２５０Ｖに上げて測定を行うことによって、標準チャートを取得した場合と実質的に同じ条件での測定が可能になる。

次に、図７を参照して、本発明の実施例２の一次イオン加速エネルギーの補正方法を説明する。図７は、本発明の実施例２の一次イオン加速エネルギーの補正方法に用いる標準チャートである。ここでは、Ｓｉ基板に対してＢイオンを３ｋｅＶの加速エネルギーで５×１０¹⁴ｃｍ^-2のドーズ量で注入したイオン注入試料を用いた。

まず、同じイオン注入条件をＴＲＩＭシミュレーションの入力データとして入力して、注入イオンの投影飛程Ｒ_ｐを算出する。次いで、イオン注入試料に対してＳＩＭＳによる測定を行って注入イオンの分布プロファイルを得て、この分布プロファイルにおけるピーク位置を注入イオンの投影飛程Ｒ_ｐ′とする。

次いで、シミュレーションによる投影飛程Ｒ_ｐと実測による投影飛程Ｒ_ｐ′との差を算出して、この差をプロファイルシフト量とする。このプロファイルシフト量を各一次エネルギー毎にプロットして標準チャートとしたものが図７である。

この実施例２においても、図６と同様に、標準チャート取得後、所定の時間が経過した場合に、同じイオン注入試料を用いてプロファイルシフト量の一次イオンエネルギー依存性を求め、これを図７の標準チャートと比較してエネルギーずれを求める。

求めたエネルギーずれに基づいて、ＳＩＭＳ装置の一次イオン加速電圧を補正して測定を行うことによって、標準チャートを取得した場合と実質的に同じ条件での測定が可能になる。

以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は、各実施例に示した条件に限られるものではない。例えば、Ａｓ等の二次イオンが負イオンに成りやすい元素の分析に際しては一次イオンとしてＣｓ⁺ を用いれば良い。Ｃｓ⁺ の場合にも、測定対象試料の表面に一次イオンとしてのＣｓ⁺ がある程度ドープされるまでは、エッチング速度が速いのでＯ_２ ⁺ の場合と同様な結果が得られる。

また、本発明の各実施例においては、標準チャート作成後、所定時間が経過した場合の一次イオンエネルギー補正として説明しているが、他の研究機関や工場で測定したデータとの比較・較正にも用いることができる。

即ち、一つの研究機関や工場で標準試料を用いて求めたプロファイルシフト量の一次イオンエネルギー依存性を標準チャートとする。他の研究機関や工場で実測する前に標準試料を用いて求めたプロファイルシフト量の一次イオンエネルギー依存性と標準チャートにおけるプロファイルシフト量の一次イオンエネルギー依存性との比較からエネルギーずれを求め、実効的に同じ一次イオンエネルギーになるように一次イオンエネルギーを補正すれば良い。

また、上記各実施例の説明においては、標準チャートを求める際の標準試料と、測定対象試料を実測する前のコンディションチャートを求める際の標準試料として、同じタイプの標準試料を用いているが、互いに異なった標準試料を用いても良い。

即ち、標準チャートを求める際に標準試料としてδドープ試料を用い、実測前のコンディションチャートを求める際の標準試料としてイオン注入試料を用いても良い。或いは、逆に、標準チャートを求める際に標準試料としてイオン注入試料を用い、実測前のコンディションチャートを求める際の標準試料としてδドープ試料を用いても良い。

ここで、実施例１及び実施例２を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を開示する。
（付記１） 標準試料を用いて二次イオン質量分析により求めた深さ方向元素分布におけるプロファイルシフト量の一次イオンエネルギー依存性を標準チャートとして予め求める工程と、測定対象試料を用いて二次イオン質量分析により深さ方向元素分布を求める際に、標準試料を用いて二次イオン質量分析により求めた深さ方向元素分布におけるプロファイルシフト量の一次イオンエネルギー依存性を実測前に求める工程と、前記標準チャートのプロファイルシフト量の一次イオンエネルギー依存性と前記実測前に求めたプロファイルシフト量の一次イオンエネルギー依存性との差分から一次イオンエネルギーのエネルギーずれを求める工程と、前記求めたエネルギーずれを基にして前記測定対象試料を用いて二次イオン質量分析により深さ方向元素分布を求める際の一次イオンエネルギーを補正する工程とを有する二次イオン質量分析における一次イオンエネルギーの補正方法。
（付記２） 前記標準チャートを求める工程が、前記標準試料として複数の既知の深さに深さマーカーとなるマーカー用元素を存在させた試料を用いて二次イオン質量分析による前記マーカー元素の深さ方向分布を測定する工程と、前記測定結果から一次イオン照射による前記標準試料のスパッタ速度が常に一定と仮定することによって得られるピークシフトの量の一次イオンエネルギー依存性を求める工程とを有する付記１に記載の二次イオン質量分析における一次イオンエネルギーの補正方法。
（付記３） 前記標準チャートを求める工程が、前記標準試料としてイオン注入試料を用いて注入イオンの投影飛程を二次イオン質量分析により求める工程と、前記イオン注入試料から得られる投影飛程のシミュレーション値を求める工程と、前記二次イオン質量分析により求めた投影飛程と前記投影飛程のシミュレーション値との差分を求める工程とを有する付記１に記載の二次イオン質量分析における一次イオンエネルギーの補正方法。
（付記４） 前記標準チャートを求める際に用いた二次イオン質量分析装置と、前記測定対象試料を分析する際に用いる二次イオン質量分析装置が、同じ二次イオン質量分析装置である付記１乃至付記３のいずれか１に記載の二次イオン質量分析における一次イオンエネルギーの補正方法。
（付記５） 前記標準チャートを求める際に用いた二次イオン質量分析装置と、前記測定対象試料を分析する際に用いる二次イオン質量分析装置が、互いに異なった二次イオン質量分析装置である付記１乃至付記３のいずれか１に記載の二次イオン質量分析における一次イオンエネルギーの補正方法。
（付記６） 前記二次イオン質量分析に用いる一次イオンが、酸素イオン或いはセシウムイオンのいずれかである付記１乃至付記５のいずれか１に記載の二次イオン質量分析における一次イオンエネルギーの補正方法。

１１ Ｓｉ基板
１２ Ｓｉバッファ層
１３ Ｓｉ層
１４ δドープ層

Claims (5)

1. 標準試料を用いて二次イオン質量分析により求めた深さ方向元素分布におけるプロファイルシフト量の一次イオンエネルギー依存性を標準チャートとして予め求める工程と、
   測定対象試料を用いて二次イオン質量分析により深さ方向元素分布を求める際に、標準試料を用いて二次イオン質量分析により求めた深さ方向元素分布におけるプロファイルシフト量の一次イオンエネルギー依存性を実測前に求める工程と、
   前記標準チャートのプロファイルシフト量の一次イオンエネルギー依存性と前記実測前に求めたプロファイルシフト量の一次イオンエネルギー依存性との差分から一次イオンエネルギーのエネルギーずれを求める工程と、
   前記求めたエネルギーずれを基にして前記測定対象試料を用いて二次イオン質量分析により深さ方向元素分布を求める際の一次イオンエネルギーを補正する工程と
   を有する二次イオン質量分析における一次イオンエネルギーの補正方法。
2. 前記標準チャートを求める工程が、前記標準試料として複数の既知の深さに深さマーカーとなるマーカー用元素を存在させた試料を用いて二次イオン質量分析による前記マーカー元素の深さ方向分布を測定する工程と、
   前記測定結果から一次イオン照射による前記標準試料のスパッタ速度が常に一定と仮定することによって得られるピークシフトの量の一次イオンエネルギー依存性を求める工程と
   を有する請求項１に記載の二次イオン質量分析における一次イオンエネルギーの補正方法。
3. 前記標準チャートを求める工程が、前記標準試料としてイオン注入試料を用いて注入イオンの投影飛程を二次イオン質量分析により求める工程と、
   前記イオン注入試料から得られる投影飛程のシミュレーション値を求める工程と、
   前記二次イオン質量分析により求めた投影飛程と前記投影飛程のシミュレーション値との差分を求める工程と
   を有する請求項１に記載の二次イオン質量分析における一次イオンエネルギーの補正方法。
4. 前記標準チャートを求める際に用いた二次イオン質量分析装置と、前記測定対象試料を分析する際に用いる二次イオン質量分析装置が、互いに異なった二次イオン質量分析装置である請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の二次イオン質量分析における一次イオンエネルギーの補正方法。
5. 前記二次イオン質量分析に用いる一次イオンが、酸素イオン或いはセシウムイオンのいずれかである請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の二次イオン質量分析における一次イオンエネルギーの補正方法。

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