JP3719957B2 - 元素定量分析方法のコンピュータプログラム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオンビームと元素との核反応又は弾性反跳散乱を利用して被分析試料中の目的元素を定量するための定量分析方法及び装置並びにコンピュータプログラムに関し、特に、シリコン半導体ウエハ等の半導体ウエハに積層されたＳｉ膜又はＳｉＧｅ膜中に含まれる元素の定量分析に適する確度の高い元素定量分析方法のコンピュータプログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウエハ中の元素の定量分析においては、しばしば核反応法および弾性反跳散乱分光法が用いられる。これらの定量分析方法では、通常、真空内に設置された被分析試料にＭｅＶレベルまで加速されたイオンビームを照射し、核反応法では目的元素との核反応により発生した光子や粒子を検出し、弾性反跳散乱分光法では目的元素により弾性反跳散乱された原子を検出し、目的元素の濃度が既知である標準試料において検出されるスペクトル収量と被分析試料におけるスペクトル収量とを対比することで被分析試料における目的元素の濃度を決定する。このような手法は、特に質量数がフッ素以下の軽元素の評価に適しており、原理的には極めて定量精度の高い分析手法である。
【０００３】
上記の定量分析方法では、被分析試料及び標準試料に照射するイオンビームの電流量を同一にするために、イオンビーム照射中（つまり、測定中）に試料に流れる電流（試料電流）を測定して積算することによって電荷量を算出し、この電荷量に基づいてイオンビーム照射量を決定している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような試料電流の積算によって得られる電荷量に基づいてイオンビーム照射量を決定する場合、試料の設置方法による電流検出効率の違い、ホルダーの位置による二次電子回収効率の違いなどがあると、同一試料に同量のイオンビームを照射しても試料電流から積算した電荷量は異なる。つまり、このような要素によって、試料電流から積算した電荷量は同じであってもイオンビーム照射量が異なる場合が生じる。換言すれば、見かけのイオンビーム照射量と真のイオンビーム照射量との間にずれが生じる。このようなずれは、被分析試料と標準試料との間でのスペクトル収量の対比による目的元素の定量に誤差を生じる。更に、試料固有の伝導度の違いによっても、試料電流からの積算電荷量に相違が生じるので、見かけのイオンビーム照射量が同じであっても、実際のイオンビームの照射量が試料間でしばしば異なる。このような場合、得られる試料間でのスペクトル収量比は試料間での目的元素の濃度比を反映しないため、正確な定量分析が行われていないことになる。
【０００５】
本発明は、上記のような試料電流に基づく見かけのイオン照射量と実際のイオン照射量との相違による定量分析の誤差を補正することにより分析誤差の小さい定量分析が可能な定量分析技術を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、目的元素を定量するためのスペクトル測定と共に試料の後方散乱スペクトルを測定することにより、イオンビーム照射量の補正が可能であることを見いだし、本発明に係る元素定量分析技術を成すに至った。
【０００８】
本発明の一態様によれば、元素定量分析コンピュータプログラムは、標準試料及び被分析試料にイオンを照射した時に検出される該標準試料の後方散乱スペクトル収量Ａ１及び該被分析試料の後方散乱スペクトル収量Ａ２と、上記イオンを照射した時に該イオンと目的元素との核反応又は弾性反跳散乱によって検出される該標準試料のスペクトル収量Ｂ１及び該被分析試料のスペクトル収量Ｂ２と、該標準試料中の該目的元素の濃度Ｎ１とを取得するプログラムコードと、後方散乱スペクトル収量Ａ１に対するＡ２の比Ａ２／Ａ１を用いて、前記イオンの該標準試料及び該被分析試料への照射量のずれによる定量誤差を補正するための係数ｋを得るプログラムコードと、上記係数ｋと、該標準試料及び該被分析試料におけるスペクトル収量Ｂ１及びＢ２と、該標準試料中の該目的元素の濃度Ｎ１とにより、Ｎ２＝ｋ・Ｎ１・（Ｂ２／Ｂ１）に従って該被分析試料の当該目的元素の濃度Ｎ２を得るプログラムコードとを有することを要旨とする。
【０００９】
前記係数ｋを得るプログラムコードは、前記標準試料及び前記被分析試料の母材構成成分が同じであるとき、前記補正係数ｋとして１／（Ａ２／Ａ１）を得るプログラムコードと、前記標準試料及び前記被分析試料の母材構成成分が異なるときに、該標準試料及び該被分析試料の各母材成分の後方散乱断面積値σ１，σ２の比及び原子密度Ｕ１，Ｕ２の比を取得して、前記補正係数ｋとして１／［（Ａ２／Ａ１）（σ１／σ２）（Ｕ１／Ｕ２）］を得るプログラムコードとを有してよい。
【００１０】
また、前記被分析試料中の前記目的元素に同位体元素が存在するときに、該目的元素の存在比αを取得して、１／αと前記補正係数ｋとの積を該同位体元素を含む前記目的元素の定量のための新たな補正係数として得るプログラムコードを有してよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
核反応スペクトルまたは弾性反跳散乱スペクトル（以下、これらを定量スペクトルと称する）を用いた目的元素の定量では、既知濃度の目的元素を含有する標準試料と被分析試料とに同量のイオンビームを照射することによって、標準試料及び被分析試料で検出される定量スペクトルのスペクトル収量の比率がこれらにおける目的元素の濃度比率に等しくなり、スペクトル収量の比率から被分析試料の目的元素の濃度が導かれる。しかし、前述のように、イオン照射量を決定するために用いる試料電流（試料に流れる電流）は、実際には、試料の設置方法による電流検出効率の違い、ホルダーの位置による二次電子回収効率の違い、試料固有の伝導度の違い等によってずれを生じるため、試料電流の積算電荷量を用いてイオン照射量（見かけの照射量）が同一になるように設定しても、実際のイオン照射量は標準試料と被分析試料とで一致しない。従って、被分析試料と標準試料との対比において見かけのイオン照射量と真のイオン照射量とのずれの補正が行われなければ、正確な定量はできない。
【００１３】
本発明の元素定量分析方法では、実際のイオン照射量のずれに応じた補正を行うために、上述の定量スペクトルの測定と共に後方散乱スペクトルの測定を行い、標準試料及び被分析試料の後方散乱スペクトル収量の対比によって実際のイオン照射量の比を求める。後方散乱スペクトルは、試料を構成する母材元素によるもので、例えば、試料がシリコンウエハである場合にはウエハを構成するシリコンによる後方散乱スペクトルが測定される。この後方散乱スペクトル収量を用いて、試料間でのイオン照射量のずれに関する補正を行う。
【００１４】
後方散乱スペクトル収量Ａは、次式（１）のように、後方散乱断面積σ、検出器立体角Ω、入射イオン総数（イオン照射量）Ｑ、標的の原子密度Ｕ、標的の厚さｔによって示される。
【００１５】
Ａ＝σ・Ω・Ｑ・Ｕ・ｔ …（１）
検出角度や試料寸法が同じで、且つ、標準試料及び被測定試料の母材が同じである時には、標準試料の後方散乱スペクトル収量Ａ１に対する被測定試料の後方散乱スペクトル収量Ａ２の比率（＝Ａ２／Ａ１）は、イオンビームの実際の照射量比Ｘ、つまり、標準試料のイオン照射量に対する被測定試料のイオン照射量の比率に等しく、この照射量比Ｘで被測定試料の定量スペクトル収量Ｂ２を除した値（＝Ｂ２／Ｘ）は、イオン照射量が標準試料と同量である時の被測定試料の定量スペクトル収量Ｂ２’となる。このスペクトル収量Ｂ２’の標準試料の定量スペクトル収量Ｂ１に対する割合は、標準試料の目的元素濃度Ｎ１に対する被分析試料の目的元素濃度Ｎ２の割合に等しいので、被分析試料の目的元素濃度Ｎ２が下記式（２）、（３）に従って定量される。
【００１６】
従って、照射量ずれによる定量誤差の補正は、照射量比Ｘの逆数１／Ｘを補正係数ｋとして、従来式：Ｎ２＝Ｎ１（Ｂ２／Ｂ１）と補正係数との積を計算することによって行うことができる。
【００１７】
また、試料を構成する母材が標準試料と被分析試料とで異なる時は、その測定条件における標準試料母材元素の被分析試料母材元素に対する後方散乱断面積値比（σ１／σ２）及び原子密度比（Ｕ１／Ｕ２）を求め、これらの値と後方散乱スペクトル収量Ａ１，Ａ２とから、前記式（１）に基づいてイオン照射量の比率Ｘ’を式（４）のように求めることができ、被分析試料の目的元素濃度Ｎ２’が式（５）のように決定される。
【００１８】
従って、照射量ずれによる定量誤差の補正は、照射量比Ｘ’の逆数１／Ｘ’を補正係数ｋとして、従来式：Ｎ２＝Ｎ１（Ｂ２／Ｂ１）と補正係数との積を計算することによって行うことができる。
【００１９】
更に、目的元素に同位体が存在する場合には、同位体の１つのみが測定されて上記目的元素濃度Ｎ２’として定量されるので、測定される同位体の存在比αを用いて全同位体の濃度Ｎ２”が算出される。従って、下記式（６）のようになる。
【００２０】
従って、この場合には、照射量比Ｘ’の逆数と存在比αの逆数との積１／（α・Ｘ’）を補正係数ｋとすることができる。
【００２１】
母材が同じであって、同位体が存在する場合には、照射量比Ｘの逆数と存在比αの逆数との積１／（α・Ｘ）が補正係数ｋとなる。
【００２２】
このように、標準試料及び被測定試料のイオンビーム照射量が同量である時の定量スペクトル収量に変換してイオンビーム照射量のずれを補正し、対比することによって、誤差の少ない定量が行われる。
【００２３】
上記のように測定データを用いて定量を行うための定量処理プログラムは、以下のように構成される。
【００２４】
まず、標準試料を選択して標準試料及び被分析試料の測定が行われると、標準試料の目的元素の濃度Ｎ１が入力され、更に、測定によって得られるデータ、つまり、標準試料及び被分析試料の定量スペクトル収量Ａ１，Ａ２、後方散乱スペクトル収量Ｂ１，Ｂ２が演算装置に入力される。
【００２５】
次に、測定条件が演算装置に入力される。入力される測定条件としては、標準試料及び被分析試料の母材構成成分、入射イオンビームエネルギーなどがある。
【００２６】
更に、以下の判断に従って、追加データの入力が行われる。まず、試料の母材構成成分が標準試料と被分析試料とで同一か異なるかを判断し、異なる場合は母材構成元素の後方散乱断面積σ及び原子密度Ｕが入力される。更に、目的元素について同位体元素の有無を判断し、ある場合には検出される同位体元素の存在比αが入力される。
【００２７】
上記の入力データを用いて、次の様なデータ処理が行われる。
【００２８】
母材構成成分が同一である場合は、演算装置により標準試料の後方散乱スペクトル収量を被分析試料の後方散乱スペクトル収量で除すことで、イオンビーム照射量比Ｘの逆数、１／Ｘを導出し、この値を被分析試料の定量スペクトル収量（核反応スペクトル収量または弾性反跳散乱スペクトル収量）Ｂ２に掛けた値を出力する。この出力値を標準試料の定量スペクトル収量Ｂ１で除し、入力済みの標準試料の目的元素濃度Ｎ１を掛けた値が被分析試料の目的元素濃度Ｎ２として最終的に出力される。これは、前記式（３）に相当する。
【００２９】
母材構成成分が異なる場合は、前記式（４）によるイオンビーム照射量比Ｘ’の逆数、１／Ｘ’を導出し、前記式（５）に従って計算された目的元素濃度Ｎ２’が出力される。同位体がある場合は、前記式（６）に従って、存在比αを用いて算出した全同位体の総濃度Ｎ２”が出力される。
【００３０】
以上の定量プログラムに従って定量が行われる本発明の元素定量分析方法は、例えば、図１に示すような構成の装置によって実施することができ、その工程をフローチャートとして記載すると図２のようになる。
【００３１】
図１の装置は、後方散乱分光法用の検出器ＤＡと定量スペクトル用の検出器ＤＢとを有し、同一のチャンバー１内に配置される。定量スペクトル用の検出器ＤＢとして核反応法もしくは弾性反跳散乱分光法用のスペクトル検出器が用いられる。チャンバー１内に設置される試料ホルダー３にイオンビーム５が照射されると、照射されている間は常に、試料の後方散乱スペクトルが検出器ＤＡで検出され、試料からの核反応スペクトルまたは弾性反跳散乱スペクトルが検出器ＤＢで検出される。つまり、イオンビームが試料に照射されている間は常に２種のスペクトルが検出される。検出されるスペクトルは、各々、前置増幅器７Ａ，７Ｂ、増幅器９Ａ，９Ｂを介してマルチチャンネルアナライザー１１に送られてデータ処理することにより、スペクトルデータが得られる。得られたそれぞれのスペクトルデータを演算装置１３において積算処理することによりスペクトル収量が得られ、前述の定量プログラムに従って演算装置１３において定量処理に用いられる。試料ホルダー３には、試料電流を測定するための電流測定器（図示省略）が備えられており、測定される試料電流の値に基づいて標準試料及び比測定試料に照射されるイオンの照射量が決定される。
【００３２】
検出器ＤＡ，ＤＢは、核反応や後方散乱による生じた粒子もしくは光子を検出できるものであれば良く、エネルギー分解能が高いものが望ましい。これらの検出器のイオンビームに対する角度は、検出可能な角度であれば任意である。
【００３３】
本発明の元素定量分析方法の一実施形態として、シリコン母材中の元素定量分析を例に挙げて、図１のフローチャートに沿って説明する。ここでは、核反応法によってシリコン半導体ウエハに注入されたホウ素を定量する。
【００３４】
［試料の測定］
まず、被分析試料と近い濃度でホウ素がシリコン基板に注入された既知の注入濃度の標準試料を選択（工程Ｓ１）する。従って、この例では標準試料と被分析試料の基板（母材）は同一である。
【００３５】
核反応法用の検出器ＤＢ及び後方散乱分光法用の検出器ＤＡの両者が設置されたチャンバー１内の試料ホルダー３に標準試料および被分析試料を設置し、検出器の設定を行ってポンプによりチャンバーを１×１０-5Torr以下まで真空引きをすることにより測定環境を整えた後、試料にイオンビームとしてプロトンビームを照射し、発生した核反応由来のα粒子および後方散乱由来のプロトンをそれぞれ検出器ＤＡ、ＤＢで検出して核反応スペクトル及び後方散乱スペクトルを測定する（工程Ｓ２）。プロトンビームの照射により試料中のホウ素に対して選択的に、次式で表される核反応：11Ｂ（ｐ，α）8Ｂｅが誘起される。このときのプロトンのエネルギーは共鳴エネルギーである０．６５ＭｅＶが望ましいが、核反応が誘起されるエネルギーであれば任意である。検出された粒子は、演算装置により随時カウントされる。また、ここでは試料電流を計測しながら電荷を積算し、積算値があらかじめ設定した値に達したらプロトンビームの照射を停止する。ここで設定する電荷の積算値はできるだけ高いほうが望ましい。
【００３６】
［データ入力］
標準試料の濃度Ｎ１が演算装置へ入力される（工程Ｓ３）。
【００３７】
測定によって得られるスペクトルデータの演算処理によって算出される標準試料及び被分析試料の定量スペクトル収量Ａ１，Ａ２、後方散乱スペクトル収量Ｂ１，Ｂ２が演算装置に取得される（工程４）。
【００３８】
測定条件を演算装置に入力する（工程Ｓ５）。入力される測定条件としては、標準試料及び被分析試料の母材構成成分、入射イオンビームエネルギーなどがある。
【００３９】
［データ解析］
標準試料及び被分析試料の母材の構成成分が同じであるか否かを判断し（工程Ｓ６）、同じであれば、目的元素の同位体が試料中に有るか否かを判断する（工程Ｓ７）。工程Ｓ６において母材の構成成分が同じでなければ、標準試料及び被分析試料の母材の構成成分の後方散乱断面積及び原子密度が入力されて後方散乱断面積比及び原子密度比が演算装置によって計算され（工程Ｓ８）、この後に工程Ｓ７を行う。工程Ｓ７において、目的元素について同位体元素がなければ、被分析試料の目的元素の定量計算を行う（工程Ｓ９）。工程Ｓ７において同位体元素がある場合には、測定で検出される同位体元素の存在比αが入力され（工程Ｓ１０）、工程Ｓ９を行う。
【００４０】
工程Ｓ９では、標準試料及び被分析試料の定量スペクトル収量Ａ１，Ａ２からＡ２／Ａ１を計算して、実際に照射されたプロトンビームの標準試料に対する被分析試料の照射量比Ｘが導出される。被分析試料の核反応スペクトル収量Ｂ２にＸの逆数１／Ｘを掛けることにより、ビーム照射量を標準試料と同量に補正した条件での核反応スペクトル収量Ｂ２’＝Ｂ２／Ｘが得られる。さらに、このＢ２／Ｘを標準試料の核反応スペクトル収量Ｂ１で除すことにより、標準試料に対する被分析試料の濃度比Ｙが得られる。そして、このＹに標準試料の濃度であるＮ１を掛け、最終的に被分析試料の濃度としてＮ２を出力する（工程Ｓ１１）。このときの濃度は、面濃度、体積濃度またはイオン注入ドーズ量のいずれでも良い。
【００４１】
上記の方法において、母材の構成成分が異なる場合には、工程Ｓ８において入力される値から計算される比を用いて、前記式（５）により被分析試料の目的元素の定量値が算出され出力される。
【００４２】
また、上記の方法はホウ素の同位体元素11Ｂの面濃度を算出する方法であるが、他の同位体、例えば10Ｂが被分析試料に含まれており、その同位体存在比が天然同位体存在比と同じであることが判っている場合は、その同位体比が工程Ｓ１０においてあらかじめ演算装置に入力され、前記式（６）に従って被分析試料の目的元素の定量値が算出され出力される。
【００４３】
【実施例】
以下、実施例及び比較例を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。
【００４４】
（実施例１） 核反応法によるホウ素の定量分析
８インチのシリコン半導体ウエハに膜厚５nmのＳｉＯ2膜を成膜し、このＳｉＯ2膜中に０．２ｋｅＶのエネルギーで、およそ１．０×１０15／cm2のドーズ量をねらって11Ｂをイオン注入した試料を準備した。この11Ｂイオンを注入したシリコンウエハの中央部をダイヤモンドカッターを用いて約１cm×１cmに切断した。この後、切削屑を取り除くために２片の試料に対して窒素ブローを行った。
【００４５】
また、標準試料として、シリコン半導体ウエハの表面に５ｋｅＶのエネルギーで１．００×１０15／cm2のドーズ量で11Ｂが注入してある標準試料を用意し、同様に約１cm×１cmに切断して切削屑を取り除いた。
【００４６】
切り出された１cm角の被分析試料および標準試料を核反応分析チャンバー内に配置し、同チャンバーを真空ポンプにより１×１０-6Torrになるまで真空引きをした。 次に、タンデム型加速器により０．６５ＭｅＶに加速されたプロトンビームを標準試料に照射すると、試料中に含まれる11Ｂの一部とプロトンにより核反応が誘起され、α粒子が試料外へ放出された。また、同時に、照射されたプロトンの一部は基板を構成するＳｉ原子との弾性散乱により後方散乱された。核反応により放出されたα粒子は、入射イオンビームに対して１６０°の位置に設置された半導体検出器により検出し、後方散乱されたプロトンはイオンビームに対して１５０°の位置に設置された半導体検出器によりそれぞれ検出された。また、これらの検出器と試料との距離は８cmとした。試料電流を測定し、その電荷量が５０μＣ（マイクロクーロン）になったところでイオンビームの照射を停止した。被分析試料に対しても上記と同じ条件で測定を行った。
【００４７】
標準試料及び被分析試料の後方散乱スペクトルは図３のようであった。両試料の共通のピークであるシリコン基板からのピークのうち、１００〜２００チャンネルのカウントを演算装置によって計算したところ、標準試料で４８３２５カウント、被分析試料で４７２２８カウントとなった。さらに、これらの値から、実際に照射された電荷量の標準試料に対する被分析試料の比は０．９７７と導出された。標準試料と被分析試料の核反応スペクトルは図４のようであった。同様に、演算装置によって１００〜３００チャンネルのカウントを計算したところ、標準試料で１６４２カウント、被分析試料で１５７０カウントとなった。これらの値と上記で得られた値０．９７７から、標準試料に対する被分析試料のドーズ量比は０．９７９と出力された。この値に標準試料のドーズ量１．００×１０15／cm2を掛けることで、最終的に被分析試料の11Ｂのドーズ量は９．７９×１０14／cm2と出力された。
【００４８】
（比較例１） 従来法による定量
実施例１の測定結果について、従来法によって図４の核反応スペクトルのみで定量評価を行った。
【００４９】
標準試料の１６４２カウント、被分析試料の１５７０カウントおよび標準試料の既知濃度１．００×１０15／cm2から、被分析試料の濃度は（１５７０カウント／１６４２カウント）×１．００×１０15／cm2の計算により、９．５６×１０14／cm2となる。この値は、図３の後方散乱スペクトルにみられるように、両試料の実際のイオンビーム照射量のずれによって真値との誤差が含まれることが明らかである。
【００５０】
（実施例２） 弾性反跳散乱分光法による窒化珪素膜中の水素の定量分析
シリコン半導体ウエハに膜厚２０nmの窒化珪素（ＳｉＮ）膜を成膜したウエハ試料を準備した。このシリコンウエハの中央部をダイヤモンドカッターを用いて約１cm×４cmに切断した。この後、切削屑を取り除くために２片の試料に対して窒素ブローを行った。
【００５１】
また、標準試料として、シリコン半導体ウエハに膜厚２０nmの窒化珪素膜を成膜してあるもので、その膜中に５．００×１０16／cm2の面濃度で水素が含まれる試料を用意した。切り出された被分析試料および標準試料を弾性反跳散乱分光法用分析チャンバー内に配置し、同チャンバーを真空ポンプにより１×１０-6Torrになるまで真空引きをした。 次に、タンデム型加速器により２．４ＭｅＶに加速されたヘリウムイオン（Ｈｅ++）ビームを標準試料に照射すると、試料中に含まれる水素と入射ヘリウムイオンとの弾性反跳散乱によって水素は試料外へ放出された。また、同時にヘリウムイオンビームの一部は基板を構成する珪素原子との弾性散乱により後方散乱された。また、同時に、照射されたヘリウムイオンの一部は基板を構成する珪素原子との弾性散乱により後方散乱された。弾性反跳散乱により放出された水素原子は、入射イオンビームに対して２０°の位置に設置された半導体検出器によって検出し、そこでは後方散乱されるヘリウムイオンが検出器に入射するのを防ぐために検出器前方に１０μｍのマイラー膜を設置した。また、後方散乱されたプロトンはイオンビームに対して１６０°の位置に設置された半導体検出器により検出した。また、これらの検出器と試料との距離は８cmとした。試料電流を測定してその電荷量が３０μＣ（マイクロクーロン）になったところでイオンビームの照射を停止した。また、被分析試料に対しても上記と同じ条件で測定を行った。
【００５２】
標準試料と被分析試料の後方散乱スペクトルを図５のようになった。両試料の共通のピークであるシリコン基板からのピークのうち、１５０〜２５０チャンネルのカウントを演算装置によって計算したところ、標準試料で５４８５４７カウント、被分析試料で５１９９３８カウントとなった。さらに、これらの値から、実際に照射された電荷量の標準試料に対する被分析試料の比は０．９４８と導出された。標準試料と被分析試料の弾性反跳散乱スペクトルは図６のようになった。同様に、演算装置によって１８０〜２２０チャンネルのカウントを計算したところ、標準試料で８３１７カウント、被分析試料で５８３６カウントとなった。これらの値と上記で得られた値０．９４８から、標準試料に対する被分析試料のドーズ量比は０．７４０と出力された。この値に標準試料の水素面濃度５．００×１０16／cm2を掛けることで、最終的に被分析試料の水素面濃度は３．７０×１０16／cm2と出力された。
【００５３】
（比較例２） 従来法による定量
実施例２の測定結果について、従来法によって図６の弾性反跳散乱スペクトルのみで定量評価を行った。
【００５４】
標準試料の８３１７カウント、被分析試料の５８３６カウントおよび標準試料の既知面濃度５．００×１０16／cm2から、被分析試料の水素面濃度は、（５８３６カウント／８３１７カウント）×５．００×１０16／cm2の計算により、３．５１×１０16／cm2となる。この値は、図５の後方散乱スペクトルにみられるように、両試料の実際のイオンビーム照射量のずれによって真値との誤差が含まれることが明らかである。
【００５５】
（実施例３） 同位体を含む試料の定量分析
核反応法によるホウ素の定量分析において、標準試料と異なる母材中に天然存在比でホウ素の同位体10Ｂを含む試料について
被分析試料として、Ｇｅ半導体ウエハ中にホウ素が表面から２μｍの深さに均一な濃度で存在し、且つ、天然存在比で同位体10Ｂを含むものを用意した。また、標準試料といてシリコン半導体ウエハ中に11Ｂが表面から２μｍの深さに均一に原子比１．００％の濃度で存在しているものを用意した。
【００５６】
測定は、入射エネルギーを１．０ＭｅＶで行った以外は、実施例１と同じ条件で行った。測定の後、測定条件及び試料条件として、シリコン及びゲルマニウムの各々の原子密度ＵSi＝５．００×１０22atoms／cm3、ＵGe＝４．４２×１０22atoms／cm3、入射エネルギー＝１．０ＭｅＶ、検出角１５０°における１ＭｅＶのプロトンに対するシリコン及びゲルマニウムの各々の後方散乱断面積σSi＝０．２９０９barns、σGe＝１．５２３barnsを入力した。更に、標準試料及び被分析試料について測定データから、表面から５０nmまでの後方散乱スペクトル収量ＡSi＝１３０５カウント、ＡGe＝５４３９カウントが算出され、母材からの後方散乱スペクトル収量によるイオンビーム照射量のずれの補正を行った。この際、被分析試料に対する標準試料のイオンビーム照射量比Ｘは、下記の式に従って、シリコン及びゲルマニウムの各々の原子密度ＵSi、ＵGe、後方散乱断面積σSi、σGe及び後方散乱スペクトル収量ＡSi、ＡGeにより算出される値とした。
【００５７】
Ｘ＝（ＡSi・σGe・ＵGe）／（ＡGe・σSi・ＵSi）
この結果、Ｘ＝１．１１が出力された。他方、標準試料及び被分析試料の核反応スペクトル収量ＢSi、ＢGeは、測定データから、各々、ＢSi＝８９２カウント、ＢGe＝７３１カウントと算出され、被分析試料に含まれる11Ｂの濃度は、（７３１カウント／８９２カウント）×１．１１×１．００％＝０．９１％と算出された。この値から、更に11Ｂの天然存在比α＝０．８１を用いて、０．９１％／αを計算することにより、最終的に被分析試料のホウ素濃度が１．１２％と定量された。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の構成によれば、イオン照射量のずれの補正により誤差の少ない定量を可能とするものであり、従来困難であった半導体ウエハ中の元素定量分析を極めて高い精度で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の元素定量分析装置の一実施形態を示す概略構成図。
【図２】本発明の元素定量分析方法の一実施形態を示すフローチャート。
【図３】本発明の元素定量分析方法の一実施形態における標準試料および被分析試料の後方散乱スペクトルを示すスペクトル図。
【図４】図３の後方散乱スペクトルが得られる標準試料および被分析試料の核反応スペクトルを示すスペクトル図。
【図５】本発明の元素定量分析方法の他の実施形態における標準試料および被分析試料の後方散乱スペクトルを示すスペクトル図。
【図６】図５の後方散乱スペクトルが得られる標準試料および被分析試料の弾性反跳散乱スペクトルを示すスペクトル図。
【符号の説明】
１ 試料チャンバ、 ３ 試料ホルダー、 ５ イオンビーム、
ＤＡ，ＤＢ 検出器、 ７Ａ，７Ｂ 前置増幅器、 ９Ａ，９Ｂ 増幅器、
１１ マルチチャンネルアナライザー、 １３ 演算装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオンビームと元素との核反応又は弾性反跳散乱を利用して被分析試料中の目的元素を定量するための定量分析方法及び装置並びにコンピュータプログラムに関し、特に、シリコン半導体ウエハ等の半導体ウエハに積層されたＳｉ膜又はＳｉＧｅ膜中に含まれる元素の定量分析に適する確度の高い元素定量分析方法のコンピュータプログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウエハ中の元素の定量分析においては、しばしば核反応法および弾性反跳散乱分光法が用いられる。これらの定量分析方法では、通常、真空内に設置された被分析試料にＭｅＶレベルまで加速されたイオンビームを照射し、核反応法では目的元素との核反応により発生した光子や粒子を検出し、弾性反跳散乱分光法では目的元素により弾性反跳散乱された原子を検出し、目的元素の濃度が既知である標準試料において検出されるスペクトル収量と被分析試料におけるスペクトル収量とを対比することで被分析試料における目的元素の濃度を決定する。このような手法は、特に質量数がフッ素以下の軽元素の評価に適しており、原理的には極めて定量精度の高い分析手法である。
【０００３】
上記の定量分析方法では、被分析試料及び標準試料に照射するイオンビームの電流量を同一にするために、イオンビーム照射中（つまり、測定中）に試料に流れる電流（試料電流）を測定して積算することによって電荷量を算出し、この電荷量に基づいてイオンビーム照射量を決定している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような試料電流の積算によって得られる電荷量に基づいてイオンビーム照射量を決定する場合、試料の設置方法による電流検出効率の違い、ホルダーの位置による二次電子回収効率の違いなどがあると、同一試料に同量のイオンビームを照射しても試料電流から積算した電荷量は異なる。つまり、このような要素によって、試料電流から積算した電荷量は同じであってもイオンビーム照射量が異なる場合が生じる。換言すれば、見かけのイオンビーム照射量と真のイオンビーム照射量との間にずれが生じる。このようなずれは、被分析試料と標準試料との間でのスペクトル収量の対比による目的元素の定量に誤差を生じる。更に、試料固有の伝導度の違いによっても、試料電流からの積算電荷量に相違が生じるので、見かけのイオンビーム照射量が同じであっても、実際のイオンビームの照射量が試料間でしばしば異なる。このような場合、得られる試料間でのスペクトル収量比は試料間での目的元素の濃度比を反映しないため、正確な定量分析が行われていないことになる。
【０００５】
本発明は、上記のような試料電流に基づく見かけのイオン照射量と実際のイオン照射量との相違による定量分析の誤差を補正することにより分析誤差の小さい定量分析が可能な定量分析技術を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、目的元素を定量するためのスペクトル測定と共に試料の後方散乱スペクトルを測定することにより、イオンビーム照射量の補正が可能であることを見いだし、本発明に係る元素定量分析技術を成すに至った。
【０００８】
本発明の一態様によれば、元素定量分析コンピュータプログラムは、標準試料及び被分析試料にイオンを照射した時に検出される該標準試料の後方散乱スペクトル収量Ａ１及び該被分析試料の後方散乱スペクトル収量Ａ２と、上記イオンを照射した時に該イオンと目的元素との核反応又は弾性反跳散乱によって検出される該標準試料のスペクトル収量Ｂ１及び該被分析試料のスペクトル収量Ｂ２と、該標準試料中の該目的元素の濃度Ｎ１とを取得するプログラムコードと、後方散乱スペクトル収量Ａ１に対するＡ２の比Ａ２／Ａ１を用いて、前記イオンの該標準試料及び該被分析試料への照射量のずれによる定量誤差を補正するための係数ｋを得るプログラムコードと、上記係数ｋと、該標準試料及び該被分析試料におけるスペクトル収量Ｂ１及びＢ２と、該標準試料中の該目的元素の濃度Ｎ１とにより、Ｎ２＝ｋ・Ｎ１・（Ｂ２／Ｂ１）に従って該被分析試料の当該目的元素の濃度Ｎ２を得るプログラムコードとを有することを要旨とする。
【０００９】
前記係数ｋを得るプログラムコードは、前記標準試料及び前記被分析試料の母材構成成分が同じであるとき、前記補正係数ｋとして１／（Ａ２／Ａ１）を得るプログラムコードと、前記標準試料及び前記被分析試料の母材構成成分が異なるときに、該標準試料及び該被分析試料の各母材成分の後方散乱断面積値σ１，σ２の比及び原子密度Ｕ１，Ｕ２の比を取得して、前記補正係数ｋとして１／［（Ａ２／Ａ１）（σ１／σ２）（Ｕ１／Ｕ２）］を得るプログラムコードとを有してよい。
【００１０】
また、前記被分析試料中の前記目的元素に同位体元素が存在するときに、該目的元素の存在比αを取得して、１／αと前記補正係数ｋとの積を該同位体元素を含む前記目的元素の定量のための新たな補正係数として得るプログラムコードを有してよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
核反応スペクトルまたは弾性反跳散乱スペクトル（以下、これらを定量スペクトルと称する）を用いた目的元素の定量では、既知濃度の目的元素を含有する標準試料と被分析試料とに同量のイオンビームを照射することによって、標準試料及び被分析試料で検出される定量スペクトルのスペクトル収量の比率がこれらにおける目的元素の濃度比率に等しくなり、スペクトル収量の比率から被分析試料の目的元素の濃度が導かれる。しかし、前述のように、イオン照射量を決定するために用いる試料電流（試料に流れる電流）は、実際には、試料の設置方法による電流検出効率の違い、ホルダーの位置による二次電子回収効率の違い、試料固有の伝導度の違い等によってずれを生じるため、試料電流の積算電荷量を用いてイオン照射量（見かけの照射量）が同一になるように設定しても、実際のイオン照射量は標準試料と被分析試料とで一致しない。従って、被分析試料と標準試料との対比において見かけのイオン照射量と真のイオン照射量とのずれの補正が行われなければ、正確な定量はできない。
【００１３】
本発明の元素定量分析方法では、実際のイオン照射量のずれに応じた補正を行うために、上述の定量スペクトルの測定と共に後方散乱スペクトルの測定を行い、標準試料及び被分析試料の後方散乱スペクトル収量の対比によって実際のイオン照射量の比を求める。後方散乱スペクトルは、試料を構成する母材元素によるもので、例えば、試料がシリコンウエハである場合にはウエハを構成するシリコンによる後方散乱スペクトルが測定される。この後方散乱スペクトル収量を用いて、試料間でのイオン照射量のずれに関する補正を行う。
【００１４】
後方散乱スペクトル収量Ａは、次式（１）のように、後方散乱断面積σ、検出器立体角Ω、入射イオン総数（イオン照射量）Ｑ、標的の原子密度Ｕ、標的の厚さｔによって示される。
【００１５】
Ａ＝σ・Ω・Ｑ・Ｕ・ｔ …（１）
検出角度や試料寸法が同じで、且つ、標準試料及び被測定試料の母材が同じである時には、標準試料の後方散乱スペクトル収量Ａ１に対する被測定試料の後方散乱スペクトル収量Ａ２の比率（＝Ａ２／Ａ１）は、イオンビームの実際の照射量比Ｘ、つまり、標準試料のイオン照射量に対する被測定試料のイオン照射量の比率に等しく、この照射量比Ｘで被測定試料の定量スペクトル収量Ｂ２を除した値（＝Ｂ２／Ｘ）は、イオン照射量が標準試料と同量である時の被測定試料の定量スペクトル収量Ｂ２’となる。このスペクトル収量Ｂ２’の標準試料の定量スペクトル収量Ｂ１に対する割合は、標準試料の目的元素濃度Ｎ１に対する被分析試料の目的元素濃度Ｎ２の割合に等しいので、被分析試料の目的元素濃度Ｎ２が下記式（２）、（３）に従って定量される。
【００１６】
【００１７】
また、試料を構成する母材が標準試料と被分析試料とで異なる時は、その測定条件における標準試料母材元素の被分析試料母材元素に対する後方散乱断面積値比（σ１／σ２）及び原子密度比（Ｕ１／Ｕ２）を求め、これらの値と後方散乱スペクトル収量Ａ１，Ａ２とから、前記式（１）に基づいてイオン照射量の比率Ｘ’を式（４）のように求めることができ、被分析試料の目的元素濃度Ｎ２’が式（５）のように決定される。
【００１８】
【００１９】
更に、目的元素に同位体が存在する場合には、同位体の１つのみが測定されて上記目的元素濃度Ｎ２’として定量されるので、測定される同位体の存在比αを用いて全同位体の濃度Ｎ２”が算出される。従って、下記式（６）のようになる。
【００２０】
【００２１】
母材が同じであって、同位体が存在する場合には、照射量比Ｘの逆数と存在比αの逆数との積１／（α・Ｘ）が補正係数ｋとなる。
【００２２】
このように、標準試料及び被測定試料のイオンビーム照射量が同量である時の定量スペクトル収量に変換してイオンビーム照射量のずれを補正し、対比することによって、誤差の少ない定量が行われる。
【００２３】
上記のように測定データを用いて定量を行うための定量処理プログラムは、以下のように構成される。
【００２４】
まず、標準試料を選択して標準試料及び被分析試料の測定が行われると、標準試料の目的元素の濃度Ｎ１が入力され、更に、測定によって得られるデータ、つまり、標準試料及び被分析試料の定量スペクトル収量Ａ１，Ａ２、後方散乱スペクトル収量Ｂ１，Ｂ２が演算装置に入力される。
【００２５】
次に、測定条件が演算装置に入力される。入力される測定条件としては、標準試料及び被分析試料の母材構成成分、入射イオンビームエネルギーなどがある。
【００２６】
更に、以下の判断に従って、追加データの入力が行われる。まず、試料の母材構成成分が標準試料と被分析試料とで同一か異なるかを判断し、異なる場合は母材構成元素の後方散乱断面積σ及び原子密度Ｕが入力される。更に、目的元素について同位体元素の有無を判断し、ある場合には検出される同位体元素の存在比αが入力される。
【００２７】
上記の入力データを用いて、次の様なデータ処理が行われる。
【００２８】
母材構成成分が同一である場合は、演算装置により標準試料の後方散乱スペクトル収量を被分析試料の後方散乱スペクトル収量で除すことで、イオンビーム照射量比Ｘの逆数、１／Ｘを導出し、この値を被分析試料の定量スペクトル収量（核反応スペクトル収量または弾性反跳散乱スペクトル収量）Ｂ２に掛けた値を出力する。この出力値を標準試料の定量スペクトル収量Ｂ１で除し、入力済みの標準試料の目的元素濃度Ｎ１を掛けた値が被分析試料の目的元素濃度Ｎ２として最終的に出力される。これは、前記式（３）に相当する。
【００２９】
母材構成成分が異なる場合は、前記式（４）によるイオンビーム照射量比Ｘ’の逆数、１／Ｘ’を導出し、前記式（５）に従って計算された目的元素濃度Ｎ２’が出力される。同位体がある場合は、前記式（６）に従って、存在比αを用いて算出した全同位体の総濃度Ｎ２”が出力される。
【００３０】
以上の定量プログラムに従って定量が行われる本発明の元素定量分析方法は、例えば、図１に示すような構成の装置によって実施することができ、その工程をフローチャートとして記載すると図２のようになる。
【００３１】
図１の装置は、後方散乱分光法用の検出器ＤＡと定量スペクトル用の検出器ＤＢとを有し、同一のチャンバー１内に配置される。定量スペクトル用の検出器ＤＢとして核反応法もしくは弾性反跳散乱分光法用のスペクトル検出器が用いられる。チャンバー１内に設置される試料ホルダー３にイオンビーム５が照射されると、照射されている間は常に、試料の後方散乱スペクトルが検出器ＤＡで検出され、試料からの核反応スペクトルまたは弾性反跳散乱スペクトルが検出器ＤＢで検出される。つまり、イオンビームが試料に照射されている間は常に２種のスペクトルが検出される。検出されるスペクトルは、各々、前置増幅器７Ａ，７Ｂ、増幅器９Ａ，９Ｂを介してマルチチャンネルアナライザー１１に送られてデータ処理することにより、スペクトルデータが得られる。得られたそれぞれのスペクトルデータを演算装置１３において積算処理することによりスペクトル収量が得られ、前述の定量プログラムに従って演算装置１３において定量処理に用いられる。試料ホルダー３には、試料電流を測定するための電流測定器（図示省略）が備えられており、測定される試料電流の値に基づいて標準試料及び比測定試料に照射されるイオンの照射量が決定される。
【００３２】
検出器ＤＡ，ＤＢは、核反応や後方散乱による生じた粒子もしくは光子を検出できるものであれば良く、エネルギー分解能が高いものが望ましい。これらの検出器のイオンビームに対する角度は、検出可能な角度であれば任意である。
【００３３】
本発明の元素定量分析方法の一実施形態として、シリコン母材中の元素定量分析を例に挙げて、図１のフローチャートに沿って説明する。ここでは、核反応法によってシリコン半導体ウエハに注入されたホウ素を定量する。
【００３４】
［試料の測定］
まず、被分析試料と近い濃度でホウ素がシリコン基板に注入された既知の注入濃度の標準試料を選択（工程Ｓ１）する。従って、この例では標準試料と被分析試料の基板（母材）は同一である。
【００３５】
核反応法用の検出器ＤＢ及び後方散乱分光法用の検出器ＤＡの両者が設置されたチャンバー１内の試料ホルダー３に標準試料および被分析試料を設置し、検出器の設定を行ってポンプによりチャンバーを１×１０-5Torr以下まで真空引きをすることにより測定環境を整えた後、試料にイオンビームとしてプロトンビームを照射し、発生した核反応由来のα粒子および後方散乱由来のプロトンをそれぞれ検出器ＤＡ、ＤＢで検出して核反応スペクトル及び後方散乱スペクトルを測定する（工程Ｓ２）。プロトンビームの照射により試料中のホウ素に対して選択的に、次式で表される核反応：11Ｂ（ｐ，α）8Ｂｅが誘起される。このときのプロトンのエネルギーは共鳴エネルギーである０．６５ＭｅＶが望ましいが、核反応が誘起されるエネルギーであれば任意である。検出された粒子は、演算装置により随時カウントされる。また、ここでは試料電流を計測しながら電荷を積算し、積算値があらかじめ設定した値に達したらプロトンビームの照射を停止する。ここで設定する電荷の積算値はできるだけ高いほうが望ましい。
【００３６】
［データ入力］
標準試料の濃度Ｎ１が演算装置へ入力される（工程Ｓ３）。
【００３７】
測定によって得られるスペクトルデータの演算処理によって算出される標準試料及び被分析試料の定量スペクトル収量Ａ１，Ａ２、後方散乱スペクトル収量Ｂ１，Ｂ２が演算装置に取得される（工程４）。
【００３８】
測定条件を演算装置に入力する（工程Ｓ５）。入力される測定条件としては、標準試料及び被分析試料の母材構成成分、入射イオンビームエネルギーなどがある。
【００３９】
［データ解析］
標準試料及び被分析試料の母材の構成成分が同じであるか否かを判断し（工程Ｓ６）、同じであれば、目的元素の同位体が試料中に有るか否かを判断する（工程Ｓ７）。工程Ｓ６において母材の構成成分が同じでなければ、標準試料及び被分析試料の母材の構成成分の後方散乱断面積及び原子密度が入力されて後方散乱断面積比及び原子密度比が演算装置によって計算され（工程Ｓ８）、この後に工程Ｓ７を行う。工程Ｓ７において、目的元素について同位体元素がなければ、被分析試料の目的元素の定量計算を行う（工程Ｓ９）。工程Ｓ７において同位体元素がある場合には、測定で検出される同位体元素の存在比αが入力され（工程Ｓ１０）、工程Ｓ９を行う。
【００４０】
工程Ｓ９では、標準試料及び被分析試料の定量スペクトル収量Ａ１，Ａ２からＡ２／Ａ１を計算して、実際に照射されたプロトンビームの標準試料に対する被分析試料の照射量比Ｘが導出される。被分析試料の核反応スペクトル収量Ｂ２にＸの逆数１／Ｘを掛けることにより、ビーム照射量を標準試料と同量に補正した条件での核反応スペクトル収量Ｂ２’＝Ｂ２／Ｘが得られる。さらに、このＢ２／Ｘを標準試料の核反応スペクトル収量Ｂ１で除すことにより、標準試料に対する被分析試料の濃度比Ｙが得られる。そして、このＹに標準試料の濃度であるＮ１を掛け、最終的に被分析試料の濃度としてＮ２を出力する（工程Ｓ１１）。このときの濃度は、面濃度、体積濃度またはイオン注入ドーズ量のいずれでも良い。
【００４１】
上記の方法において、母材の構成成分が異なる場合には、工程Ｓ８において入力される値から計算される比を用いて、前記式（５）により被分析試料の目的元素の定量値が算出され出力される。
【００４２】
また、上記の方法はホウ素の同位体元素11Ｂの面濃度を算出する方法であるが、他の同位体、例えば10Ｂが被分析試料に含まれており、その同位体存在比が天然同位体存在比と同じであることが判っている場合は、その同位体比が工程Ｓ１０においてあらかじめ演算装置に入力され、前記式（６）に従って被分析試料の目的元素の定量値が算出され出力される。
【００４３】
【実施例】
以下、実施例及び比較例を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。
【００４４】
（実施例１） 核反応法によるホウ素の定量分析
８インチのシリコン半導体ウエハに膜厚５nmのＳｉＯ2膜を成膜し、このＳｉＯ2膜中に０．２ｋｅＶのエネルギーで、およそ１．０×１０15／cm2のドーズ量をねらって11Ｂをイオン注入した試料を準備した。この11Ｂイオンを注入したシリコンウエハの中央部をダイヤモンドカッターを用いて約１cm×１cmに切断した。この後、切削屑を取り除くために２片の試料に対して窒素ブローを行った。
【００４５】
また、標準試料として、シリコン半導体ウエハの表面に５ｋｅＶのエネルギーで１．００×１０15／cm2のドーズ量で11Ｂが注入してある標準試料を用意し、同様に約１cm×１cmに切断して切削屑を取り除いた。
【００４６】
切り出された１cm角の被分析試料および標準試料を核反応分析チャンバー内に配置し、同チャンバーを真空ポンプにより１×１０-6Torrになるまで真空引きをした。 次に、タンデム型加速器により０．６５ＭｅＶに加速されたプロトンビームを標準試料に照射すると、試料中に含まれる11Ｂの一部とプロトンにより核反応が誘起され、α粒子が試料外へ放出された。また、同時に、照射されたプロトンの一部は基板を構成するＳｉ原子との弾性散乱により後方散乱された。核反応により放出されたα粒子は、入射イオンビームに対して１６０°の位置に設置された半導体検出器により検出し、後方散乱されたプロトンはイオンビームに対して１５０°の位置に設置された半導体検出器によりそれぞれ検出された。また、これらの検出器と試料との距離は８cmとした。試料電流を測定し、その電荷量が５０μＣ（マイクロクーロン）になったところでイオンビームの照射を停止した。被分析試料に対しても上記と同じ条件で測定を行った。
【００４７】
標準試料及び被分析試料の後方散乱スペクトルは図３のようであった。両試料の共通のピークであるシリコン基板からのピークのうち、１００〜２００チャンネルのカウントを演算装置によって計算したところ、標準試料で４８３２５カウント、被分析試料で４７２２８カウントとなった。さらに、これらの値から、実際に照射された電荷量の標準試料に対する被分析試料の比は０．９７７と導出された。標準試料と被分析試料の核反応スペクトルは図４のようであった。同様に、演算装置によって１００〜３００チャンネルのカウントを計算したところ、標準試料で１６４２カウント、被分析試料で１５７０カウントとなった。これらの値と上記で得られた値０．９７７から、標準試料に対する被分析試料のドーズ量比は０．９７９と出力された。この値に標準試料のドーズ量１．００×１０15／cm2を掛けることで、最終的に被分析試料の11Ｂのドーズ量は９．７９×１０14／cm2と出力された。
【００４８】
（比較例１） 従来法による定量
実施例１の測定結果について、従来法によって図４の核反応スペクトルのみで定量評価を行った。
【００４９】
標準試料の１６４２カウント、被分析試料の１５７０カウントおよび標準試料の既知濃度１．００×１０15／cm2から、被分析試料の濃度は（１５７０カウント／１６４２カウント）×１．００×１０15／cm2の計算により、９．５６×１０14／cm2となる。この値は、図３の後方散乱スペクトルにみられるように、両試料の実際のイオンビーム照射量のずれによって真値との誤差が含まれることが明らかである。
【００５０】
（実施例２） 弾性反跳散乱分光法による窒化珪素膜中の水素の定量分析
シリコン半導体ウエハに膜厚２０nmの窒化珪素（ＳｉＮ）膜を成膜したウエハ試料を準備した。このシリコンウエハの中央部をダイヤモンドカッターを用いて約１cm×４cmに切断した。この後、切削屑を取り除くために２片の試料に対して窒素ブローを行った。
【００５１】
また、標準試料として、シリコン半導体ウエハに膜厚２０nmの窒化珪素膜を成膜してあるもので、その膜中に５．００×１０16／cm2の面濃度で水素が含まれる試料を用意した。切り出された被分析試料および標準試料を弾性反跳散乱分光法用分析チャンバー内に配置し、同チャンバーを真空ポンプにより１×１０-6Torrになるまで真空引きをした。 次に、タンデム型加速器により２．４ＭｅＶに加速されたヘリウムイオン（Ｈｅ++）ビームを標準試料に照射すると、試料中に含まれる水素と入射ヘリウムイオンとの弾性反跳散乱によって水素は試料外へ放出された。また、同時にヘリウムイオンビームの一部は基板を構成する珪素原子との弾性散乱により後方散乱された。また、同時に、照射されたヘリウムイオンの一部は基板を構成する珪素原子との弾性散乱により後方散乱された。弾性反跳散乱により放出された水素原子は、入射イオンビームに対して２０°の位置に設置された半導体検出器によって検出し、そこでは後方散乱されるヘリウムイオンが検出器に入射するのを防ぐために検出器前方に１０μｍのマイラー膜を設置した。また、後方散乱されたプロトンはイオンビームに対して１６０°の位置に設置された半導体検出器により検出した。また、これらの検出器と試料との距離は８cmとした。試料電流を測定してその電荷量が３０μＣ（マイクロクーロン）になったところでイオンビームの照射を停止した。また、被分析試料に対しても上記と同じ条件で測定を行った。
【００５２】
標準試料と被分析試料の後方散乱スペクトルを図５のようになった。両試料の共通のピークであるシリコン基板からのピークのうち、１５０〜２５０チャンネルのカウントを演算装置によって計算したところ、標準試料で５４８５４７カウント、被分析試料で５１９９３８カウントとなった。さらに、これらの値から、実際に照射された電荷量の標準試料に対する被分析試料の比は０．９４８と導出された。標準試料と被分析試料の弾性反跳散乱スペクトルは図６のようになった。同様に、演算装置によって１８０〜２２０チャンネルのカウントを計算したところ、標準試料で８３１７カウント、被分析試料で５８３６カウントとなった。これらの値と上記で得られた値０．９４８から、標準試料に対する被分析試料のドーズ量比は０．７４０と出力された。この値に標準試料の水素面濃度５．００×１０16／cm2を掛けることで、最終的に被分析試料の水素面濃度は３．７０×１０16／cm2と出力された。
【００５３】
（比較例２） 従来法による定量
実施例２の測定結果について、従来法によって図６の弾性反跳散乱スペクトルのみで定量評価を行った。
【００５４】
標準試料の８３１７カウント、被分析試料の５８３６カウントおよび標準試料の既知面濃度５．００×１０16／cm2から、被分析試料の水素面濃度は、（５８３６カウント／８３１７カウント）×５．００×１０16／cm2の計算により、３．５１×１０16／cm2となる。この値は、図５の後方散乱スペクトルにみられるように、両試料の実際のイオンビーム照射量のずれによって真値との誤差が含まれることが明らかである。
【００５５】
（実施例３） 同位体を含む試料の定量分析
核反応法によるホウ素の定量分析において、標準試料と異なる母材中に天然存在比でホウ素の同位体10Ｂを含む試料について
被分析試料として、Ｇｅ半導体ウエハ中にホウ素が表面から２μｍの深さに均一な濃度で存在し、且つ、天然存在比で同位体10Ｂを含むものを用意した。また、標準試料といてシリコン半導体ウエハ中に11Ｂが表面から２μｍの深さに均一に原子比１．００％の濃度で存在しているものを用意した。
【００５６】
測定は、入射エネルギーを１．０ＭｅＶで行った以外は、実施例１と同じ条件で行った。測定の後、測定条件及び試料条件として、シリコン及びゲルマニウムの各々の原子密度ＵSi＝５．００×１０22atoms／cm3、ＵGe＝４．４２×１０22atoms／cm3、入射エネルギー＝１．０ＭｅＶ、検出角１５０°における１ＭｅＶのプロトンに対するシリコン及びゲルマニウムの各々の後方散乱断面積σSi＝０．２９０９barns、σGe＝１．５２３barnsを入力した。更に、標準試料及び被分析試料について測定データから、表面から５０nmまでの後方散乱スペクトル収量ＡSi＝１３０５カウント、ＡGe＝５４３９カウントが算出され、母材からの後方散乱スペクトル収量によるイオンビーム照射量のずれの補正を行った。この際、被分析試料に対する標準試料のイオンビーム照射量比Ｘは、下記の式に従って、シリコン及びゲルマニウムの各々の原子密度ＵSi、ＵGe、後方散乱断面積σSi、σGe及び後方散乱スペクトル収量ＡSi、ＡGeにより算出される値とした。
【００５７】
Ｘ＝（ＡSi・σGe・ＵGe）／（ＡGe・σSi・ＵSi）
この結果、Ｘ＝１．１１が出力された。他方、標準試料及び被分析試料の核反応スペクトル収量ＢSi、ＢGeは、測定データから、各々、ＢSi＝８９２カウント、ＢGe＝７３１カウントと算出され、被分析試料に含まれる11Ｂの濃度は、（７３１カウント／８９２カウント）×１．１１×１．００％＝０．９１％と算出された。この値から、更に11Ｂの天然存在比α＝０．８１を用いて、０．９１％／αを計算することにより、最終的に被分析試料のホウ素濃度が１．１２％と定量された。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の構成によれば、イオン照射量のずれの補正により誤差の少ない定量を可能とするものであり、従来困難であった半導体ウエハ中の元素定量分析を極めて高い精度で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の元素定量分析装置の一実施形態を示す概略構成図。
【図２】本発明の元素定量分析方法の一実施形態を示すフローチャート。
【図３】本発明の元素定量分析方法の一実施形態における標準試料および被分析試料の後方散乱スペクトルを示すスペクトル図。
【図４】図３の後方散乱スペクトルが得られる標準試料および被分析試料の核反応スペクトルを示すスペクトル図。
【図５】本発明の元素定量分析方法の他の実施形態における標準試料および被分析試料の後方散乱スペクトルを示すスペクトル図。
【図６】図５の後方散乱スペクトルが得られる標準試料および被分析試料の弾性反跳散乱スペクトルを示すスペクトル図。
【符号の説明】
１ 試料チャンバ、 ３ 試料ホルダー、 ５ イオンビーム、
ＤＡ，ＤＢ 検出器、 ７Ａ，７Ｂ 前置増幅器、 ９Ａ，９Ｂ 増幅器、
１１ マルチチャンネルアナライザー、 １３ 演算装置
Claims (2)
- 標準試料及び被分析試料にイオンを照射した時に検出される該標準試料の後方散乱スペクトル収量Ａ１及び該被分析試料の後方散乱スペクトル収量Ａ２と、上記イオンを照射した時に該イオンと目的元素との核反応又は弾性反跳散乱によって検出される該標準試料のスペクトル収量Ｂ１及び該被分析試料のスペクトル収量Ｂ２と、該標準試料中の該目的元素の濃度Ｎ１とを取得するプログラムコードと、後方散乱スペクトル収量Ａ１に対するＡ２の比Ａ２／Ａ１を用いて、前記イオンの該標準試料及び該被分析試料への照射量のずれによる定量誤差を補正するための係数ｋを得るプログラムコードと、上記係数ｋと、該標準試料及び該被分析試料におけるスペクトル収量Ｂ１及びＢ２と、該標準試料中の該目的元素の濃度Ｎ１とにより、Ｎ２＝ｋ・Ｎ１・（Ｂ２／Ｂ１）に従って該被分析試料の当該目的元素の濃度Ｎ２を得るプログラムコードとを有し、前記係数ｋを得るプログラムコードは、前記標準試料及び前記被分析試料の母材構成成分が同じであるとき、前記補正係数ｋとして１／（Ａ２／Ａ１）を得るプログラムコードと、前記標準試料及び前記被分析試料の母材構成成分が異なるときに、該標準試料及び該被分析試料の各母材成分の後方散乱断面積値σ１，σ２の比及び原子密度Ｕ１，Ｕ２の比を取得して、前記補正係数ｋとして１／［（Ａ２／Ａ１）（σ１／σ２）（Ｕ１／Ｕ２）］を得るプログラムコードとを有することを特徴とする元素定量分析コンピュータプログラム。
- 前記被分析試料中の前記目的元素に同位体元素が存在するときに、該目的元素の存在比αを取得して、１／αと前記補正係数ｋとの積を該同位体元素を含む前記目的元素の定量のための新たな補正係数として得るプログラムコードを有することを特徴とする請求項１記載の元素定量分析コンピュータプログラム。
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