JP5614316B2

JP5614316B2 - Ion beam analysis method

Info

Publication number: JP5614316B2
Application number: JP2011025866A
Authority: JP
Inventors: 陽子多田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2011-02-09
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2031-02-09
Also published as: JP2012163519A

Description

本発明はイオンビーム分析方法に関する。 The present invention relates to an ion beam analysis method.

試料表面に一次イオンビームを照射して試料表面を除去しつつ、試料表面から放出される荷電粒子、たとえはオージェ電子または二次イオンを分析することで、試料の深さ方向の分析を行うイオンビーム分析は、多くの分野、とくに半導体分野で広く利用されている。 Ions that analyze the depth of the sample by analyzing charged particles, for example Auger electrons or secondary ions, emitted from the sample surface while irradiating the sample surface with the primary ion beam and removing the sample surface Beam analysis is widely used in many fields, particularly in the semiconductor field.

半導体分野ではしばしば、表面に絶縁層が形成された半導体基板を試料としてイオンビーム分析がなされる。かかる試料では、一次イオンビームの照射により絶縁層が帯電し、オージェスペクトルあるいは二次イオン質量分析スペクトルが本来と異なるものとなる。これでは、精密な分析がなされない。 In the semiconductor field, ion beam analysis is often performed using a semiconductor substrate having an insulating layer formed on the surface as a sample. In such a sample, the insulating layer is charged by the irradiation of the primary ion beam, and the Auger spectrum or the secondary ion mass spectrometry spectrum becomes different from the original one. This does not give a precise analysis.

そのため、イオンビーム分析では、試料表面の帯電、とくに表面が絶縁性の試料の帯電を防止する方法が考案されている。例えば、一次イオンビームが照射されている試料表面に、電子ビームを照射して静電気を補償し、帯電を防止したイオンビーム分析方法が用いられている。 For this reason, in ion beam analysis, a method has been devised to prevent charging of the surface of a sample, particularly charging of a sample having an insulating surface. For example, an ion beam analysis method is used in which a sample surface irradiated with a primary ion beam is irradiated with an electron beam to compensate for static electricity and prevent charging.

あるいは、被分析領域の近傍に絶縁層を貫通し試料の導電性基板を表出する凹部を形成し、この凹部および被分析領域の表面に金属膜を形成して帯電を防止するイオンビーム分析方法がある。 Alternatively, an ion beam analysis method for preventing charging by forming a recess penetrating the insulating layer in the vicinity of the analysis region and exposing the conductive substrate of the sample, and forming a metal film on the surface of the recess and the analysis region There is.

さらに、表面に絶縁層が設けられた試料の表面に、絶縁層を貫通し底面に試料の導電性基板を表出する凹部を形成した後、凹部内部を金属で埋め込み、この凹部を埋め込む金属を介して絶縁層に帯電する静電気を導電性基板へ放電するイオンビーム分析方法が知られている。 Furthermore, after forming a concave portion that penetrates the insulating layer and exposes the conductive substrate of the sample on the bottom surface on the surface of the sample having the insulating layer provided on the surface, the inside of the concave portion is filled with metal, and the metal that fills the concave portion is formed. There is known an ion beam analysis method for discharging static electricity charged in an insulating layer to a conductive substrate.

特開２０１０−０５４４５６号公報JP 2010-045456 A 特開２００５−１２１４１３号公報JP 2005-121413 A 特開平０９−２７４８７８号公報JP 09-274878 A 特開２００２−０７１５９２号公報JP 2002-071592 A 特開平１１−１０１７５９号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-101759

導電性基板の表面に絶縁層が形成された試料のイオンビーム分析では、一次イオンビームの照射により絶縁層が帯電して、精密な分析が困難になる。また、導電性の試料、例えばシリコン基板からなる試料でも、一次イオンビームの照射により試料表面に絶縁層が形成されることがある。例えば、シリコン基板を、酸素イオンビームを一次イオンビームとして分析する場合である。この場合、同様に絶縁層が帯電し、分析精度が劣化する。 In the ion beam analysis of a sample in which an insulating layer is formed on the surface of a conductive substrate, the insulating layer is charged by the irradiation of the primary ion beam, which makes accurate analysis difficult. Even in a conductive sample, for example, a sample made of a silicon substrate, an insulating layer may be formed on the sample surface by irradiation with a primary ion beam. For example, when a silicon substrate is analyzed using an oxygen ion beam as a primary ion beam. In this case, the insulating layer is similarly charged and the analysis accuracy is deteriorated.

一次イオンビームと同時に電子ビームを照射して絶縁層の静電気を補償して帯電を防止する従来のイオンビーム分析方法では、一次イオンビームの照射の間、電子ビームを一定強度に、例えば、当初の厚さの絶縁層の放電量を補償する強度に保持する。しかし、分析の進行とともに絶縁層は減膜し、絶縁層の電気抵抗が変わるため、減膜とともに適切な補償量が変化する。このため、分析の全期間を通して適切に補償することは難しい。その結果、補償量の過不足を生じ、精密な帯電補償が困難になる。 In the conventional ion beam analysis method in which the electron beam is irradiated simultaneously with the primary ion beam to compensate for the static electricity of the insulating layer to prevent charging, the electron beam is maintained at a constant intensity during the irradiation of the primary ion beam, for example, the initial ion beam. The intensity is maintained to compensate for the discharge amount of the insulating layer having a thickness. However, as the analysis proceeds, the insulating layer is reduced in film thickness, and the electrical resistance of the insulating layer is changed. This makes it difficult to compensate properly throughout the entire analysis. As a result, the compensation amount becomes excessive and insufficient, and precise charging compensation becomes difficult.

被分析領域の近傍に絶縁層を貫通する凹部を形成し、この凹部および被分析領域の表面に金属膜を形成して帯電を防止する従来のイオンビーム分析方法では、被分析領域上の金属膜の形成に起因して被分析領域表面が汚染される。かかる汚染元素は、オージェ分析または質量分析のノイズとなり分析精度を劣化させる。 In the conventional ion beam analysis method in which a concave portion penetrating the insulating layer is formed in the vicinity of the analysis region and a metal film is formed on the surface of the concave portion and the analysis region to prevent charging, the metal film on the analysis region is The surface of the analysis region is contaminated due to the formation of. Such a contaminating element becomes noise in Auger analysis or mass spectrometry and degrades the analysis accuracy.

収束イオンビームアシストによる気相堆積法を用いて、凹部内または凹部内とその近傍にのみ金属層を堆積する従来のイオンビーム分析方法では、被分析領域上への金属層の堆積を回避することができる。しかし、凹部を金属で埋め込むためには長時間を要する。このため、凹部に近接する被分析領域の表面が長時間にわたる埋込み工程の間、反応ガスに晒されるので、被分析領域の汚染を避けることは難しい。 The conventional ion beam analysis method that deposits a metal layer only in or near the recess by using a vapor deposition method with focused ion beam assist avoids deposition of the metal layer on the analysis region. Can do. However, it takes a long time to fill the recess with metal. For this reason, since the surface of the analysis region close to the recess is exposed to the reaction gas during the embedding process for a long time, it is difficult to avoid contamination of the analysis region.

本発明は、導電性基板の表面に絶縁層が形成された、または一次イオンビームの照射により導電性基板の表面に絶縁層が形成される試料のイオンビーム分析において、絶縁層の帯電が防止され、かつ、被分析領域の汚染が少ないイオンビーム分析方法を提供することを目的とする。 In the ion beam analysis of a sample in which an insulating layer is formed on the surface of the conductive substrate or an insulating layer is formed on the surface of the conductive substrate by irradiation with the primary ion beam, the insulating layer is prevented from being charged. An object of the present invention is to provide an ion beam analysis method in which the region to be analyzed is less contaminated.

上記課題を解決するための本発明は、その一観点によると、試料表面に一次イオンビームを照射して前記試料表面を除去しつつ、前記試料の深さ方向の分析を行うイオンビーム分析方法において、前記試料表面に収束イオンビームを照射して、前記試料表面に形成された絶縁層を貫通し、底面に前記試料の導電性基板を表出する凹部を形成する工程と、前記凹部の内部に金属イオンビームを照射しつつ、同時に前記試料表面に前記一次イオンビームを照射することを特徴とするイオンビーム分析方法として提供される。 According to one aspect of the present invention for solving the above-described problem, an ion beam analysis method for performing analysis in the depth direction of the sample while irradiating the sample surface with a primary ion beam and removing the sample surface is provided. Irradiating the surface of the sample with a focused ion beam, penetrating an insulating layer formed on the surface of the sample, and forming a recess on the bottom surface to expose the conductive substrate of the sample; and inside the recess The ion beam analysis method is characterized by irradiating the sample surface with the primary ion beam while irradiating a metal ion beam.

本発明では、一次イオンビームを照射している間、絶縁層を貫通し導電性基板を表出する凹部内に金属イオンビームを照射する。凹部内には金属イオンビームにより常に金属原子が供給されるので、凹部内面には常に金属原子が表面拡散している。このため、凹部内面は常に導電性が保持されるので、絶縁層の電荷が凹部内壁面を介して放電され絶縁層の帯電が防止される。他方、金属イオンビームは凹部内に照射されるので、被分析領域の汚染は少ない。従って、絶縁層の帯電が防止され、かつ、被分析領域の汚染が少ないイオンビーム分析方法が提供される。 In the present invention, while the primary ion beam is irradiated, the metal ion beam is irradiated into the recess that penetrates the insulating layer and exposes the conductive substrate. Since metal atoms are always supplied into the recess by the metal ion beam, the metal atoms always diffuse on the inner surface of the recess. For this reason, since the inner surface of the concave portion is always kept conductive, the charge of the insulating layer is discharged through the inner wall surface of the concave portion to prevent the insulating layer from being charged. On the other hand, since the metal ion beam is irradiated into the concave portion, the analysis region is less contaminated. Accordingly, there is provided an ion beam analysis method in which the insulating layer is prevented from being charged and the region to be analyzed is less contaminated.

本発明の第１実施形態で使用されたイオンビーム分析装置Ion beam analyzer used in the first embodiment of the present invention 本発明の第１実施形態のイオン分析工程を表す断面図Sectional drawing showing the ion analysis process of 1st Embodiment of this invention 本発明の第１実施形態の分析結果表す図The figure showing the analysis result of 1st Embodiment of this invention 比較例のイオン分析工程を表す断面図Sectional drawing showing the ion analysis process of a comparative example 従来の他のイオン分析方法を説明するための断面図Sectional drawing for demonstrating the other conventional ion analysis method

本発明の第１実施形態は、表面に絶縁層を有する半導体基板を試料とする二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）に関する。 A first embodiment of the present invention relates to secondary ion mass spectrometry (SIMS) using a semiconductor substrate having an insulating layer on a surface as a sample.

図１は本発明の第１実施形態で使用されたイオンビーム分析装置２０の断面図であり、二次イオン質量分析装置の主要な構成を表している。 FIG. 1 is a cross-sectional view of an ion beam analyzer 20 used in the first embodiment of the present invention, and shows the main configuration of a secondary ion mass spectrometer.

図１を参照して、本第１実施形態で使用したイオンビーム分析装置２０は、真空排気管２１ｂを介して真空排気される真空チャンバ２１を備える。真空チャンバ２１内には、上面に試料１０を保持する、例えば水平に保持する試料保持台２７が設けられている。 Referring to FIG. 1, an ion beam analyzer 20 used in the first embodiment includes a vacuum chamber 21 that is evacuated through a vacuum exhaust pipe 21b. In the vacuum chamber 21, a sample holder 27 that holds the sample 10 on the upper surface, for example, horizontally, is provided.

真空チャンバ２１の上部には、一次イオンビーム２２ａを生成する一次イオンビームガン２２、金属イオンビーム２３ａを生成する金属イオンビームガン２３、および、試料の加工に用いられる収束イオンビーム２４ａを生成する収束イオンビームガン２４が設けられている。また、試料１０の表面から放出される二次イオン２５を捕捉して、その質量スペクトルを観測するための質量分析器２６が設けられる。 Above the vacuum chamber 21, a primary ion beam gun 22 that generates a primary ion beam 22a, a metal ion beam gun 23 that generates a metal ion beam 23a, and a focused ion beam gun that generates a focused ion beam 24a used for processing a sample. 24 is provided. In addition, a mass analyzer 26 is provided for capturing the secondary ions 25 emitted from the surface of the sample 10 and observing the mass spectrum thereof.

試料保持台２７は、上面に載置された試料１０を固定して保持する。試料保持台２７は、傾斜可能に設けられ、保持された試料１０表面を、一次イオンビーム２２ａ、金属イオンビーム２３ａおよび収束イオンビームに対してそれぞれ所与の角度に保持することができる。 The sample holder 27 fixes and holds the sample 10 placed on the upper surface. The sample holder 27 is provided so as to be tiltable, and the surface of the held sample 10 can be held at a given angle with respect to the primary ion beam 22a, the metal ion beam 23a, and the focused ion beam.

一次イオンビーム２２ａは、試料１０表面に照射され、試料１０表面をイオンミリングにより除去すると同時に、照射面から二次イオン２５を放出するために用いられる。この一次イオンビーム２２ａとして、分析対象とされる元素に応じた適切なイオン種のビームが用いられる。例えば、ＢおよびＩｎの分析にはＯ₂＋イオンが、またＡｓ、ＳｂおよびＰの分析にはＣｓ＋イオンのビームが用いられる。このため、図１には一次イオンビーム２２ａを発生する１個の一次イオンビームガン２２が描かれているが、Ｃｓ＋イオンビームおよびＯ₂＋イオンビームをそれぞれ生成する２個の一次イオンビームガン２２を設け、分析対象に応じて２個の何れかの一次イオンビームガンを選択して用いることが好ましい。 The surface of the sample 10 is irradiated with the primary ion beam 22a, and the surface of the sample 10 is removed by ion milling, and at the same time, secondary ions 25 are emitted from the irradiated surface. As the primary ion beam 22a, a beam of an appropriate ion species corresponding to the element to be analyzed is used. For example, O ₂ + ions are used for B and In analysis, and Cs + ion beams are used for As, Sb and P analysis. For this reason, FIG. 1 shows one primary ion beam gun 22 for generating a primary ion beam 22a. However, _two primary ion beam guns 22 for generating a Cs + ion beam and an O2 + ion beam are provided. It is preferable to select and use one of the two primary ion beam guns according to the analysis target.

収束イオンビーム２４ａは、例えば収束されたＧａイオンビームであり、試料１０表面の特定領域に照射されて、試料１０表面に後述する凹部１０ａ（図２（ｂ）を参照）を形成するために用いられる。 The focused ion beam 24a is, for example, a focused Ga ion beam, and is used to irradiate a specific region on the surface of the sample 10 to form a recess 10a (see FIG. 2B) to be described later on the surface of the sample 10. It is done.

金属イオンビーム２３ａは、良導電性金属の金属イオンからなるビームであり、収束イオンビーム２４ａを用いて形成された凹部１０ａ（図２（ｂ）を参照）内に照射される。この金属イオンビーム２３ａのイオン種は、二次イオン質量分析の障害とならないように貴金属元素、例えばＡｕ、ＰｔまたはＰｄであることが好ましい。本第１実施形態では、細いビームを容易に生成することができるＡｕのイオンビームを金属イオンビーム２３ａとして用いた。これにより、金属イオンビーム２３ａを、確実に凹部１０ａ内のみに照射することができる。このように、金属イオンビーム２３ａを凹部１０ａ内に照射することで、金属イオンビーム２３ａの照射に起因する被分析領域の汚染を抑制することができる。なお、金属イオンビーム２３ａが被分析領域を照射しても、後述するように汚染は、金属薄膜を測定領域上に形成する従来の方法と比べて少なく、多くは分析精度の劣化が許容できる範囲に留まる。 The metal ion beam 23a is a beam made of metal ions of a highly conductive metal, and is irradiated into the concave portion 10a (see FIG. 2B) formed using the focused ion beam 24a. The ion species of the metal ion beam 23a is preferably a noble metal element such as Au, Pt, or Pd so as not to hinder secondary ion mass spectrometry. In the first embodiment, an Au ion beam that can easily generate a thin beam is used as the metal ion beam 23a. Thereby, the metal ion beam 23a can be reliably irradiated only into the recess 10a. As described above, by irradiating the concave portion 10a with the metal ion beam 23a, contamination of the analysis region due to the irradiation of the metal ion beam 23a can be suppressed. Even if the metal ion beam 23a irradiates the region to be analyzed, the contamination is small as compared with the conventional method of forming a metal thin film on the measurement region, as will be described later, and in many cases the degradation of analysis accuracy is acceptable. Stay on.

質量分析器２６は、試料１０表面から放出された二次イオン２５を捕捉し，その質量スペクトルを観測する。 The mass analyzer 26 captures the secondary ions 25 emitted from the surface of the sample 10 and observes the mass spectrum.

以下、本第１実施形態のイオンビーム分析方法を、その工程を参照して説明する。 Hereinafter, the ion beam analysis method of the first embodiment will be described with reference to the steps.

図２は本発明の第１実施形態のイオンビーム分析工程を表す断面図であり、試料１０の断面を表している。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing the ion beam analysis process of the first embodiment of the present invention, and shows a cross section of the sample 10.

図２（ａ）を参照して、まず、導電性基板１１の上面に絶縁層１２が形成された試料１０を準備した。この試料１０を、図１を参照して、真空チャンバ２１内の試料保持台２７上に固定する。本第１実施形態では、シリコン基板からなる導電性基板１１の上面に、厚さ５．７ｎｍの絶縁層１２を熱酸化により形成した後、さらにＢをイオン注入した試料１０を調製し、イオンビーム分析の試料とした。 Referring to FIG. 2A, first, a sample 10 having an insulating layer 12 formed on the upper surface of a conductive substrate 11 was prepared. With reference to FIG. 1, the sample 10 is fixed on a sample holder 27 in the vacuum chamber 21. In the first embodiment, after an insulating layer 12 having a thickness of 5.7 nm is formed on the upper surface of a conductive substrate 11 made of a silicon substrate by thermal oxidation, a sample 10 in which B is further ion-implanted is prepared, and an ion beam is prepared. Samples were analyzed.

次いで、図１を参照して、試料１０上面が収束イオンビーム２４ａに垂直になるように試料保持台２７を傾斜する。そして、図２（ｂ）を参照して、収束イオンビーム２４ａを試料１０上面に垂直に入射して、例えば辺長１０μｍの正方形の平面形状を有する凹部１０ａを形成した。この凹部１９ａは、絶縁層１２を貫通して底面に導電性基板１１を表出する深さ、例えば深さ２００ｎｍに形成される。また、被分析領域（試料１０表面のうち、イオンビーム分析の対象とされる領域）に近接して形成することが、被分析領域と凹部１０ａ間の電気抵抗を小さくする観点から好ましい。なお、凹部１０ａの平面形状には、とくに制約はないが、金属イオンビーム２３ａを凹部１０ａ内部のみに照射することができるように、金属イオンビーム２３ａのビーム径より広いことが望ましい。 Next, referring to FIG. 1, the sample holder 27 is tilted so that the upper surface of the sample 10 is perpendicular to the focused ion beam 24a. Then, referring to FIG. 2B, the focused ion beam 24a is perpendicularly incident on the upper surface of the sample 10 to form, for example, a concave portion 10a having a square planar shape with a side length of 10 μm. The recess 19a is formed to a depth that penetrates the insulating layer 12 and exposes the conductive substrate 11 on the bottom surface, for example, a depth of 200 nm. Moreover, it is preferable to form it in the vicinity of the analysis region (region of the surface of the sample 10 that is the target of ion beam analysis) from the viewpoint of reducing the electrical resistance between the analysis region and the recess 10a. The planar shape of the recess 10a is not particularly limited, but is desirably wider than the beam diameter of the metal ion beam 23a so that only the inside of the recess 10a can be irradiated with the metal ion beam 23a.

次いで、図１を参照して、試料１０上面が水平になる位置に試料保持台２７を保持する。この位置では、金属イオンビーム２４ａはほぼ試料１０上面に垂直に入射し、一次イオンビーム２２ａは試料１０上面に所定の入射角で入射する。 Next, referring to FIG. 1, the sample holder 27 is held at a position where the upper surface of the sample 10 is horizontal. At this position, the metal ion beam 24a is incident on the upper surface of the sample 10 substantially perpendicularly, and the primary ion beam 22a is incident on the upper surface of the sample 10 at a predetermined incident angle.

次いで、図２（ｃ）を参照して、金属イオンビーム２３ａを凹部１０ａの底面に入射する。金属イオンビーム２３ａの照射（凹部１０ａへの入射）に続いて、一次イオンビーム２２ａを試料１０上面に照射して、試料１０表面から放出された二次イオン２５の質量スペクトルを質量分析器２６を用いて観測した。なお、一次イオンビーム２２ａの照射中は、金属イオンビーム２３ａも同時に照射されている。 Next, referring to FIG. 2C, the metal ion beam 23a is incident on the bottom surface of the recess 10a. Subsequent to the irradiation of the metal ion beam 23a (incident on the recess 10a), the upper surface of the sample 10 is irradiated with the primary ion beam 22a, and the mass spectrum of the secondary ions 25 emitted from the surface of the sample 10 is transferred to the mass analyzer 26. Observed using. During irradiation with the primary ion beam 22a, the metal ion beam 23a is also irradiated at the same time.

このとき、一次イオンビーム２２ａが照射する絶縁層１２の上面は、イオンミリングにより表面から徐々に除去され、ついには絶縁層１２が消失する。この絶縁層１２が消失するまでの間、導電性基板１１の上面には絶縁層１２が残留している。この残留する絶縁層１２は、一次イオンビーム２２ａに照射されて帯電する。 At this time, the upper surface of the insulating layer 12 irradiated with the primary ion beam 22a is gradually removed from the surface by ion milling, and finally the insulating layer 12 disappears. Until the insulating layer 12 disappears, the insulating layer 12 remains on the upper surface of the conductive substrate 11. The remaining insulating layer 12 is charged by being irradiated with the primary ion beam 22a.

しかし，凹部１０ａには、一次イオンビーム２２ａが照射する全期間にわたり、金属イオンビーム２３ａが入射されている。このため、凹部１０ａの底面には金属イオンビーム２３ａの照射により導入された金属原子、例えばＡｕ原子が供給される。かかる金属原子は、運動エネルギーが大きいため容易に表面拡散して、凹部１０ａの底面から凹部１０ａの壁面に移動し、凹部１０ａの底面および壁面を被覆する金属薄膜３３を形成する。この金属薄膜３３は、凹部１０ａの壁面に表出する絶縁層１２端面に接すると同時に、凹部１０ａの底面に表出する導電性基板１１に接続する。従って、絶縁層１２に発生した静電気は、この金属薄膜３３を介して導電性基板１１へ放電されるので、絶縁層１２の帯電が防止される。このため、試料１０の帯電に起因して生ずる質量スペクトルの変化が少なく、精密な質量分析がなされる。 However, the metal ion beam 23a is incident on the recess 10a over the entire period during which the primary ion beam 22a is irradiated. For this reason, metal atoms introduced by irradiation of the metal ion beam 23a, such as Au atoms, are supplied to the bottom surface of the recess 10a. Since such metal atoms have large kinetic energy, they are easily diffused on the surface and moved from the bottom surface of the recess 10a to the wall surface of the recess 10a to form a metal thin film 33 that covers the bottom surface and wall surface of the recess 10a. The metal thin film 33 is in contact with the end surface of the insulating layer 12 exposed on the wall surface of the recess 10a and at the same time is connected to the conductive substrate 11 exposed on the bottom surface of the recess 10a. Accordingly, the static electricity generated in the insulating layer 12 is discharged to the conductive substrate 11 through the metal thin film 33, so that the insulating layer 12 is prevented from being charged. For this reason, there is little change in the mass spectrum caused by charging of the sample 10, and precise mass analysis is performed.

なお、一次イオンビーム２２ａが照射する領域、即ち被分析領域および凹部の一部領域では、金属薄膜３３はスパッタされて消失する。しかし、凹部１０ａの底面に入射された金属原子は、金属イオンビーム２３ａまたは一次イオンビーム２２ａの照射によりエネルギーを付与され、これらのイオンビーム２３ａ、２２ａが照射される領域を容易に表面拡散して移動する。従って、金属原子は、一次イオンビーム２２ａが照射している間、凹部１０ａ底面から凹部１０ａ壁面を通り被分析領域へ移動する。その結果、金属原子は、一次イオンビーム２２ａが照射される被分析領域上に供給され続ける。この表面拡散した金属原子が形成する金属薄膜３３は、極薄い，例えば１原子層以下であっても絶縁層１２の表面抵抗を低下させる。その結果、絶縁層１２の帯電が防止される。 In the region irradiated with the primary ion beam 22a, that is, the region to be analyzed and the partial region of the recess, the metal thin film 33 is sputtered and disappears. However, the metal atoms incident on the bottom surface of the recess 10a are given energy by irradiation with the metal ion beam 23a or the primary ion beam 22a, and the surface irradiated with these ion beams 23a and 22a easily diffuses into the surface. Moving. Therefore, the metal atoms move from the bottom surface of the recess 10a to the analysis region through the wall surface of the recess 10a while the primary ion beam 22a is irradiated. As a result, the metal atoms continue to be supplied onto the analysis region irradiated with the primary ion beam 22a. Even if the metal thin film 33 formed by the surface-diffused metal atoms is extremely thin, for example, one atomic layer or less, the surface resistance of the insulating layer 12 is reduced. As a result, charging of the insulating layer 12 is prevented.

一次イオンビーム２２ａは、被分析領域の他、凹部１０ａ内の一部を含む被分析領域に連続した領域を照射することが好ましい。これにより、一次イオンビーム２２ａと金属イオンビーム２３ａの照射領域が凹部１０ａ底面で重畳し、凹部１０ａ底面に照射された金属原子の被分析領域（即ち、絶縁層１２の上面）への拡散が促進され、絶縁層１２の帯電防止が効果的になされる。なお、一次イオンビーム２２ａは、太いビームで広い領域を照射するものでも、細いビームを走査する、例えは凹部１０ａから被分析領域に向かう走査方向３２に沿って走査するものでもよい。 It is preferable that the primary ion beam 22a irradiates a region continuous with the region to be analyzed including a part of the recess 10a in addition to the region to be analyzed. As a result, the irradiation regions of the primary ion beam 22a and the metal ion beam 23a overlap on the bottom surface of the recess 10a, and the diffusion of the metal atoms irradiated on the bottom surface of the recess 10a to the analysis region (that is, the upper surface of the insulating layer 12) is promoted. Thus, the insulating layer 12 is effectively prevented from being charged. The primary ion beam 22a may be a beam that irradiates a wide area with a thick beam, or may scan a thin beam, for example, scan along the scanning direction 32 from the recess 10a toward the region to be analyzed.

図３は本発明の第１実施形態の分析結果を表す図であり，上述した本第１実施形態で測定された質量分析の結果を表している。 FIG. 3 is a diagram showing the analysis results of the first embodiment of the present invention, and shows the results of mass spectrometry measured in the first embodiment described above.

図３を参照して、本第１実施形態では、Ｓｉ、ＢおよびＮａの深さ方向の濃度分布を測定した。図３中のＳｉを付した白抜きの三角形（△）を参照して、表面近傍の２〜３ｎｍを除き、ほぼ一定強度のＳｉ濃度分布が観測された。また、図３中のＢを付した白抜きの四角形（□）を参照して、表面から深さ３ｎｍの位置にピークを有するＢ濃度分布が観測された。このＢ濃度分布は、イオン注入により導入される濃度分布のシミュレーション結果とよく一致している。 Referring to FIG. 3, in the first embodiment, the concentration distribution of Si, B, and Na in the depth direction was measured. With reference to the white triangle (Δ) with Si in FIG. 3, a Si concentration distribution with a substantially constant intensity was observed except for 2 to 3 nm near the surface. Further, with reference to the white square (□) marked with B in FIG. 3, a B concentration distribution having a peak at a position 3 nm deep from the surface was observed. This B concentration distribution agrees well with the simulation result of the concentration distribution introduced by ion implantation.

一方、比較例１として、金属イオンビーム２３ａを照射しなかった場合に観測されたＳｉおよびＢの濃度分布をそれぞれ、図３中にＳｉ”を付した塗りつぶした三角形およびＢ”を付した塗りつぶした四角形（■）により示した。なお、金属イオンビーム２３ａを照射しなかった以外は、第１実施形態と同様である。また、この分析結果は、深さ５．７ｎｍまでの絶縁層１２内の分布のみを示したが、これより深い導電性基板１１内の分布は本第１実施形態の観測結果とほぼ同じであった。 On the other hand, as Comparative Example 1, the concentration distributions of Si and B observed when the metal ion beam 23a was not irradiated were respectively filled with a solid triangle with Si ″ and a solid line with B ″ in FIG. Indicated by squares (■). In addition, it is the same as that of 1st Embodiment except not having irradiated the metal ion beam 23a. Further, this analysis result showed only the distribution in the insulating layer 12 up to a depth of 5.7 nm, but the distribution in the conductive substrate 11 deeper than this is almost the same as the observation result of the first embodiment. It was.

金属イオンビーム２３ａを照射しなかった場合、図３中にＳｉ”を付した黒塗りの三角形およびＢ”を付した塗りつぶした四角形（■）を参照して、表面から深さ約３．７ｎｍまで、ＳｉおよびＢの濃度分布がとくに表面近くで、本第１実施形態の観測結果に比べて減少している。この減少は、帯電補償をしない場合と同様であり、絶縁層１２の帯電に起因して生したと推測される。この比較例１と較べて、本第１実施形態では、かかる表面近傍における濃度の減少は極めて小さい。このことは、本第１実施形態において、絶縁層１２の帯電防止が有効になされたことが明らかである。 When the metal ion beam 23a is not irradiated, referring to the black triangle with Si "and the solid square with B" (■) in FIG. 3, from the surface to a depth of about 3.7 nm The concentration distributions of Si and B are particularly close to the surface, and are smaller than the observation results of the first embodiment. This decrease is the same as in the case where no charge compensation is performed, and is presumed to be caused by charging of the insulating layer 12. Compared with the comparative example 1, in the first embodiment, the decrease in the concentration in the vicinity of the surface is extremely small. This is clear in the first embodiment that the insulating layer 12 is effectively prevented from being charged.

次に、汚染物質としてしばしば質量分析の障害になるＮａについて説明する。Ｎａは、容易に他の元素と結合してクラスターイオンを形成し、原子番号が数十の元素の質量スペクトルに重畳して質量分析の分析精度を劣化させる。 Next, Na, which frequently becomes an obstacle to mass spectrometry as a contaminant, will be described. Na easily combines with other elements to form cluster ions, which are superimposed on the mass spectrum of an element having an atomic number of several tens to deteriorate the analysis accuracy of mass spectrometry.

図３中のＮａを付した白抜きの円形（○）を参照して、本第１実施形態で観測されたＮａ濃度分布は、表面で二次イオン強度がほぼ２×１０³ｃ／ｓと高く，２〜３ｎｍの深さで極小となった後、絶縁層１２と導電性基板１１との界面近傍（深さ５．７ｎｍ) に二次イオン強度がほぼ３×１０³ｃ／ｓのピークを有し、導電性基板１１中は深さとともに漸減する。 Referring to the white circle (◯) with Na in FIG. 3, the Na concentration distribution observed in the first embodiment shows that the secondary ion intensity on the surface is approximately 2 × 10 ³ c / s. After being high and minimal at a depth of 2 to 3 nm, a peak with a secondary ion intensity of approximately 3 × 10 ³ c / s near the interface between the insulating layer 12 and the conductive substrate 11 (depth 5.7 nm). The conductive substrate 11 gradually decreases with depth.

比較例２として、従来の帯電防止方法を用いて観測されたＮａの濃度分布を、図３中のＮａ’を付した白抜きの円形（○）により示した。 As Comparative Example 2, the concentration distribution of Na observed using a conventional antistatic method is indicated by a white circle (◯) with Na ′ in FIG.

図４は比較例のイオンビーム分析工程を表す断面図であり、比較例２の分析工程における試料の断面を表している。図４（ａ）を参照して、比較例２では、試料１１０として、絶縁層１２が形成された導電性基板１１にＢをイオン注入して用いた。この試料１１０は、図２（ａ）に示した第１実施形態の試料１０と同様である。比較例２では、収束イオンビーム２４ａを用いて、試料１１０上面に、辺長１０μｍの正方形の平面形状を有する深さ２００ｎｍの凹部１３４を形成した。その後、凹部１３４の内面および絶縁層１２上面を被覆する厚さ２０ｎｍのＡｕ膜１３３をスパッタにより形成して、イオンビーム分析に供した。なお、一次イオンビーム２２ａは、図４（ｂ）を参照して、第１実施形態と同様に、走査方向３２に走査して、凹部から絶縁層１２上面の被分析領域に及ぶ領域を照射した。この被分析領域上のＡｕ膜１３３は、一次イオンビーム２２ａの照射に伴い除去される。 FIG. 4 is a cross-sectional view showing an ion beam analysis process of a comparative example, and shows a cross section of a sample in the analysis process of comparative example 2. 4A, in Comparative Example 2, B was ion-implanted and used as the sample 110 in the conductive substrate 11 on which the insulating layer 12 was formed. This sample 110 is the same as the sample 10 of the first embodiment shown in FIG. In Comparative Example 2, a concave portion 134 having a depth of 200 nm and having a square planar shape with a side length of 10 μm was formed on the upper surface of the sample 110 using the focused ion beam 24a. Thereafter, an Au film 133 having a thickness of 20 nm covering the inner surface of the recess 134 and the upper surface of the insulating layer 12 was formed by sputtering and subjected to ion beam analysis. As shown in FIG. 4B, the primary ion beam 22a scans in the scanning direction 32 and irradiates a region extending from the concave portion to the analyzed region on the upper surface of the insulating layer 12, as in the first embodiment. . The Au film 133 on the analysis region is removed with the irradiation of the primary ion beam 22a.

図３中のＮａ’を付した白抜きの円形（○）を参照して、比較例２のＮａ分布は、第１実施形態と同様のプロフィルが観測された。しかし、測定されたＮａの濃度は、二次イオン強度が表面で１０⁵ｃ／ｓ、絶縁層１２と導電性基板１１との界面近傍で２×１０⁴ｃ／ｓであり、第１実施形態より一桁以上大きい。これは、Ｎａ汚染がほぼ１０倍大きいことを示している。このように、本第１実施形態では、比較例と比べて、汚染量が一桁少ない。このため、汚染元素に起因する質量スペクトルの変形が少なく、分析精度が向上する。 With reference to the white circle (◯) with Na ′ in FIG. 3, the same profile as in the first embodiment was observed in the Na distribution of Comparative Example 2. However, the measured Na concentration has a secondary ion intensity of 10 ⁵ c / s on the surface and 2 × 10 ⁴ c / s in the vicinity of the interface between the insulating layer 12 and the conductive substrate 11, which is the first embodiment. More than an order of magnitude larger. This indicates that Na contamination is almost 10 times greater. Thus, in the first embodiment, the amount of contamination is one order of magnitude less than that of the comparative example. For this reason, there is little deformation | transformation of the mass spectrum resulting from a contaminating element, and an analysis precision improves.

本発明の発明者は、かかる汚染は、絶縁層１２上面に金属薄膜３３またはＡｕ膜１３３を堆積した際に導入されたと考察している。 The inventors of the present invention consider that such contamination was introduced when the metal thin film 33 or the Au film 133 was deposited on the upper surface of the insulating layer 12.

即ち、本第１実施形態では金属薄膜３３は、真空中で金属イオンビーム２３ａの照射により形成される。従って、汚染元素が、金属イオンビーム２３ａ以外から、例えば雰囲気中から導入されることは殆どない。また、金属イオンビーム２３ａは凹部１０ａの底面に照射され、汚染元素が被分析領域に直接注入されることはない。このため、被分析領域の汚染は少ない。 That is, in the first embodiment, the metal thin film 33 is formed by irradiation with the metal ion beam 23a in a vacuum. Therefore, the contaminating element is hardly introduced from, for example, the atmosphere other than the metal ion beam 23a. Further, the metal ion beam 23a is applied to the bottom surface of the recess 10a, and the contaminating element is not directly injected into the analysis region. For this reason, there is little contamination of the analysis area.

他方、比較例２では、スパッタによりＡｕ膜１３３を被分析領域を含む試料１１０全面に形成する。スパッタによるＡｕ膜１３３の形成では、ターゲットに含有される不純物が、汚染元素としてＡｕとともに被分析領域の表面に導入される。このため、比較例２では被分析領域の汚染が大きくなると考察している。 On the other hand, in Comparative Example 2, the Au film 133 is formed on the entire surface of the sample 110 including the region to be analyzed by sputtering. In the formation of the Au film 133 by sputtering, impurities contained in the target are introduced into the surface of the analysis region together with Au as a contaminating element. For this reason, in Comparative Example 2, it is considered that the contamination of the analysis region increases.

さらに、本第１実施形態では、金属イオンビーム２３ａを、一次イオンビーム２２ａの照射中は常に照射している。従って、金属原子は常に凹部１０ａ内面に補充され、これにより凹部１０内面の導電性が維持される。この導電性の維持に必要な金属薄膜３３は極めて薄くてもよく、例えば１原子層以下の薄膜でも十分な導電性を有する。このため、分析期間中に凹部１０ａに入射する金属原子の累積量を、少なくすることができる。これにより、汚染量が少なくなる。 Further, in the first embodiment, the metal ion beam 23a is always irradiated during the irradiation of the primary ion beam 22a. Therefore, metal atoms are always replenished to the inner surface of the recess 10a, and thereby the conductivity of the inner surface of the recess 10 is maintained. The metal thin film 33 necessary for maintaining the conductivity may be extremely thin. For example, a thin film having a thickness of 1 atomic layer or less has sufficient conductivity. For this reason, the cumulative amount of metal atoms incident on the recess 10a during the analysis period can be reduced. This reduces the amount of contamination.

他方、比較例２では、凹部１３４の内面を被覆するＡｕ膜１３３は、一次イオンビーム２２ａの照射により除去されることがないように、十分な厚さに堆積する必要がある。なぜなら、比較例では、Ａｕ原子が補充されないため、Ａｕ膜１３３が一旦除去されると凹部１０ａ内面の電気抵抗が高くなり、絶縁層１２の帯電を阻止することができないからである。このように、比較例２のＡｕ膜１３３は、第１実施形態の金属薄膜３３より厚く形成されるため、比較例２の汚染は第１実施形態より大きくなったと推定している。 On the other hand, in Comparative Example 2, the Au film 133 covering the inner surface of the recess 134 needs to be deposited to a sufficient thickness so that it is not removed by irradiation with the primary ion beam 22a. This is because, in the comparative example, since Au atoms are not replenished, once the Au film 133 is removed, the electrical resistance of the inner surface of the recess 10a increases, and charging of the insulating layer 12 cannot be prevented. Thus, since the Au film 133 of the comparative example 2 is formed thicker than the metal thin film 33 of the first embodiment, it is estimated that the contamination of the comparative example 2 is larger than that of the first embodiment.

図５は従来の他のイオン分析方法を説明するための断面図であり、分析途中の試料２１０の断面を表している。なお、一次イオンビーム２２ａは走査方向３２に走査した。 FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining another conventional ion analysis method, and shows a cross section of a sample 210 being analyzed. The primary ion beam 22a was scanned in the scanning direction 32.

この分析方法に供される試料２１０は、第１実施形態と同様、導電性基板１１の上面に絶縁層１２を形成したものであり、試料２１０上面に第１実施形態と同様の凹部２３４を有する。そして、この試料２１０の凹部２３４は導電性金属２３３、例えばＰｔにより埋め込まれている。 As in the first embodiment, the sample 210 used in this analysis method is obtained by forming the insulating layer 12 on the upper surface of the conductive substrate 11, and has the same recess 234 on the upper surface of the sample 210 as in the first embodiment. . The recess 234 of the sample 210 is embedded with a conductive metal 233, for example, Pt.

この導電性金属２３３は、凹部２３４にＰｔを含む反応ガスを吹きつけながら、凹部２３４内にイオンビームを照射することで、凹部２３４内にのみ形成される。従って、導電性金属２３３からの直接の汚染は測定領域には生じない。しかし、反応ガスは試料２１０表面近くの雰囲気中に拡散するから、被分析領域の表面は導電性金属２３３を形成する間反応ガスに晒される。このため、被分析領域は反応ガスに含まれる不純物により汚染される。凹部２３４を埋め込む導電性金属２３３は、比較例２と同様に厚く形成する必要があり、堆積に長時間を要する。このため、本第１実施形態より大きく汚染されると考えられる。 The conductive metal 233 is formed only in the recess 234 by irradiating the recess 234 with an ion beam while blowing a reaction gas containing Pt into the recess 234. Therefore, no direct contamination from the conductive metal 233 occurs in the measurement area. However, since the reaction gas diffuses into the atmosphere near the surface of the sample 210, the surface of the analysis region is exposed to the reaction gas while the conductive metal 233 is formed. For this reason, the analysis region is contaminated by impurities contained in the reaction gas. The conductive metal 233 that fills the recess 234 needs to be formed thick like the comparative example 2, and it takes a long time to deposit. For this reason, it is considered that the contamination is larger than that in the first embodiment.

上述したように、本発明の第１実施形態によれば、測定領域の汚染が少なくかつ絶縁層１２の帯電が抑制されたイオンビーム分析を実現することができる。 As described above, according to the first embodiment of the present invention, it is possible to realize ion beam analysis in which the measurement region is less contaminated and charging of the insulating layer 12 is suppressed.

上述の本第１実施形態において、一次イオンビーム２２ａによる金属薄膜３３のスパッタ速度よりも、金属イオンビーム２３ａによる金属薄膜３３の堆積速度が速くなるように、金属イオンビーム２３ａの強度を選定することが好ましい。これにより、凹部１０ａ内の金属薄膜３３の消失が回避される。このため、導電性基板１１と絶縁層１２との間の導電性が確実に保持され、絶縁層１２の帯電が確実に防止される。 In the first embodiment described above, the intensity of the metal ion beam 23a is selected so that the deposition rate of the metal thin film 33 by the metal ion beam 23a is faster than the sputtering rate of the metal thin film 33 by the primary ion beam 22a. Is preferred. Thereby, the loss | disappearance of the metal thin film 33 in the recessed part 10a is avoided. For this reason, the conductivity between the conductive substrate 11 and the insulating layer 12 is reliably maintained, and charging of the insulating layer 12 is reliably prevented.

なお、金属イオンビーム２３ａによる金属薄膜３３の堆積速度を、一次イオンビーム２２ａによるスパッタ速度より遅くすることもできる。このとき、凹部１０ａ内面は表面拡散した金属原子により導電性が保持される。この条件では、分析の全期間を通して照射された金属イオンビームの量（積分強度）が、スパッタ速度より堆積速度を早くした場合に比べて少ない。このため、汚染量も少なくすることができる。 The deposition rate of the metal thin film 33 by the metal ion beam 23a can be made slower than the sputtering rate by the primary ion beam 22a. At this time, the conductivity of the inner surface of the recess 10a is maintained by the surface-diffused metal atoms. Under this condition, the amount (integrated intensity) of the metal ion beam irradiated throughout the entire analysis period is smaller than when the deposition rate is made faster than the sputtering rate. For this reason, the amount of contamination can also be reduced.

本発明を半導体基板のイオンビーム分析に適用することで、汚染が少なくかつ試料の帯電が防止された状態で精度の高い分析を実現することができる。 By applying the present invention to ion beam analysis of a semiconductor substrate, highly accurate analysis can be realized in a state where contamination is small and charging of the sample is prevented.

１０、１１０、２１０試料
１０ａ、１３４、２３４凹部
１１導電性基板
１２絶縁層
２０イオンビーム分析装置
２１真空チャンバ
２１ｂ真空排気管
２２一次イオンビームガン
２２ａ一次イオンビーム
２３金属イオンビームガン
２３ａ金属イオンビーム
２４収束イオンビームガン
２４ａ収束イオンビーム
２５二次イオン
２６質量分析器
２７試料保持台
３２走査方向
３３金属薄膜
１３３Ａｕ膜
２３３導電性金属 10, 110, 210 Sample 10a, 134, 234 Recess 11 Conductive substrate 12 Insulating layer 20 Ion beam analyzer 21 Vacuum chamber 21b Vacuum exhaust tube 22 Primary ion beam gun 22a Primary ion beam 23 Metal ion beam gun 23a Metal ion beam 24 Focusing ions Beam gun 24a Focused ion beam 25 Secondary ion 26 Mass spectrometer 27 Sample holder 32 Scan direction 33 Metal thin film 133 Au film 233 Conductive metal

Claims

In the ion beam analysis method for performing analysis in the depth direction of the sample while irradiating the sample surface with a primary ion beam and removing the sample surface,
Irradiating the surface of the sample with a focused ion beam, penetrating an insulating layer formed on the surface of the sample, and forming a recess that exposes the conductive substrate of the sample on the bottom surface;
An ion beam analysis method comprising irradiating the interior of the recess with a metal ion beam and simultaneously irradiating the surface of the sample with the primary ion beam.

The ion beam analysis method according to claim 1, wherein the primary ion beam is irradiated while extending from a region to be analyzed of the sample to a partial region of the recess.

The ion beam analysis method according to claim 1, wherein the metal ion beam is a gold ion beam.

The metal ion beam intensity is set such that the deposition rate of the metal thin film deposited on the recess by irradiation with the metal ion beam is faster than the etching rate of the metal thin film removed by irradiation with the primary ion beam. The ion beam analysis method according to claim 1, 2, or 3.

The ion beam analysis method according to any one of claims 1 to 4, wherein secondary ions emitted by irradiation with the primary ion beam are subjected to mass analysis.