JPH0381943A - 二次イオン質量分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、二次イオン質量分析技術に関し、特に、半導
体集積回路素子の製造プロセスにおける微量不純物元素
の検出および不純物元素の化合物状態の検出によるプロ
セス評価技術に適用して有効な技術に関する。

〔従来の技術〕

半導体集積回路素子の製造プロセスにおいては、半導体
集積回路素子の高集積化および微細化などに伴って、ｐ
ｐｍおよびｐｐｔ程度の極微量の不純物元素の存在、お
よび数１１００ｐｐ程度の化合物の存在が半導体集積回
路素子の性能や歩留りなどに大きく影響するに至ってお
り、微小領域における微量不純物元素の高精度の検出お
よび不純物の化合物状態の検出が必須となっている。

このような要請に呼応すべく近年では、次のような二次
イオン質量分析装置などが用いられるに至っている。

その概要は、試料の検査部位をイオンビームによって走
査する際に発生する二次電子や二次イオンの検出信号を
イオンビームの走査と同期した陰極線管の輝度変調信号
として用いることにより検査部位の画像を構成して観察
する。そして、この画像に基づいて目的の分析箇所を特
定した後、当該分析箇所にイオンビームを集中的に照射
し、この時、分析箇所から発生する二次イオンを質量分
析器などに導いてイオンの種別および量などを精密に検
知することにより、試料の特定の部位の表面および断面
方向における微量不純物元素の存在やそれらの分布など
を把握して、実際の試料で半導体集積回路素子の電気的
動作不良原因の解明やこれら素子の作製゛条件の最適値
などの判定などを実施しようとするものである。

なお、二次イオン質量分析装置については、株式会社朝
倉書店、昭和６０　（１９８５）年６月１日発行、日本
学術振興会、マイクロビームアナリシス第１４１委員会
編集、「マイクロビームアナリシス」Ｐ２８９〜３１８
、および株式会社工業調査会、昭和５９年１１月２０日
発行、「電子材料Ｊ　１９８４年１１月号別冊、Ｐ９１
〜９６に記載されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記のような従来技術では、分析箇所の不純
物の化合物状態を決めるなどの目的で、二次イオンの質
量分析器による検出を行っても、試料の化合物などに対
応した二次イオンが必ずしも検出できるわけではなく、
単一元素ないしは２〜３個の元素が結合したものにまで
解離したイオンを測定できるだけで、それらイオンから
試料の化合物状態を判定すること自体が不可能であると
いう問題がある。

このため、たとえば、試料に照射されるイオンビームと
は別個の位置で、オージェ電子エネルギー分光器（Ａ　
Ｅ　Ｓ　；　Ａｕｇｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　５ｐｅｃ
ｔｒｏｓｃｏｐｙ〉やＥ　Ｓ　ＣＡ　（Ｅｎｅｒｇｙ　
５ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ｆｏｒ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ
　Ａｎａｌｙｓｉｓ　）などで試料の希望する特定な箇
所での化合物状態の判定を行う事が数多く試みられてい
るが、イオンビーム照射直後のＡＥＳやＥＳＣＡなとの
分析でないために試料の表面にガス、炭化水素化合物、
水分等が物理吸着ないしは化学吸着することにより、本
当の情報が得られ難いなどの新たな問題を生じるもので
ある。

そこで、本発明の目的は、試料の表面の状態が物の付着
などで変化しない間に微量不純物の同定および検出と、
不純物および構成元素の化合物や化学結合状態の測定な
どを行うことが可能な二次イオン質量分析技術を提供す
ることにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう
。

〔課題を解決するための手段〕

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば、次の通りである。

すなわち、複数の荷電粒子源と、各荷電粒子源から放射
された一次イオンビームおよび一次電子ビームを同時に
または選択的に試料に照射する分析器と、試料の表面か
ら放出された二次粒子の中で、二次イオンの質量分析を
行う二次イオン質量分析手段と、二次粒子の状態分析を
行う状態分析手段とを備えてなるものである。

〔作用〕

上記した手段に−よれば、たとえば０２′″のような正
イオンビームを試料に照射するとき、試料から正イオン
や電子などの二次粒子が放出されるが、それら二次粒子
を電子エネルギー分析器や二次イオン質量分析器などで
同時にないしはほぼ同時に検出することができる。

これにより、試料から同時にないしはほぼ同時に放出さ
れた二次イオンとオージェ電子の中で、二次イオンは質
量分析計により試料の微量不純物元素を２含む構成元素
が判明する一方で、オージェ電子は、それら元素の結合
状態を知ることができるようになり、試料表面から深さ
方向への分析や界面における結合状態の同定などを行う
ことができる。

さらに、○−のような負イオンビームを試料に照射する
とき、上記０２＋のような正イオンビームの時と同様、
試料から、正イオン、負イオンおよびオージェ電子など
の二次電子１ｇどの二次粒子が放出されるので、それら
二次粒子を電子エネルギー分析器や二次イオン質量分析
器などで同時にないしはほぼ同時に検出することができ
る。

また、デュオプラズマトロン型のようなイオン源の場合
には、正イオンおよび負イオン以外にも電子ビーム、光
などがイオン源から放出される。

この中で、電子ビームを試料に照射するとき、試料から
正イオン、負イオン、電子や光、Ｘ線などが放出される
が、それら二次粒子を電子エネルギー分析器や二次イオ
ン質量分析器などで同時にないしはほぼ同時に検出する
ことができる。

〔実施例〕

第１図は、本発明の一実施例である二次イオン質量分析
装置の主要部を示す説明図であり、第２図は、オージェ
電子のエネルギー分析器の一例を示す断面図である。

水平面内における移動および上下動などが自在な試料架
台５の上には、たとえば、種々のパターンが懲戒された
半導体ウェハや半導体ペレットなどの試料６が載置され
ている。

試料架台５の上方には、試料架台５に載置された試料６
に対して所定の角度に軸を傾斜させかつ一次イオン質量
分析器および（または〉一次電子エネルギー分析器３を
介して荷電粒子源（一次イオン源および（または）−水
雷子源）ｌａ、ｌｂが設けられている。この荷電粒子源
１ａ、ｌｂは、デュオプラズマトロンのような気体放電
型イオン銃、熱陰極型電子銃、冷陰極型電子銃、剣山型
冷陰極型電子銃、電界放出型イオン銃、電界放出型電子
銃などの組合せで構成されている。

一方、荷電粒子源１ａ、ｌｂから試料架台５に載置され
た試料６に至る一次イオンビームおよび（または）一次
電子ビーム２ａ、２ｂの経路には、一次イオン質量分析
器および（または〉一次電子エネルギー分析器３、静電
型ないしは電磁型の集束レンズ、荷電粒子走査用偏向器
、軸調整用偏向器等が順次配設されており、試料６の表
面に対して、たとえば数十Ａ〜数１００μｍの大きさに
集束した一次イオンビームや一次イオンビームおよび（
または〉一次電子ビーム４が走査されるように構成され
ている。

上記軸調整用偏向器等は一次イオンビームおよび（また
は〉一次電子ビーム４を前述のように集束させる際に発
生する各種収差が除去または低減される構造になってい
る。

さらに、この場合、前記軸調整レンズの前段には、それ
ぞれ、一次イオンビームよりも磁場の影響を受は易い一
次電子ビームの各種収差を補正する磁場型の電子ビーム
補正器が配置されている。

試料架台５に載置された試料６の近傍には、当該試料６
に対して一次イオンビームおよび（または〉一次電子ビ
ーム４が入射する際に発生する二次電子ビーム８のエネ
ルギーを区分する同心円筒型の電子エネルギー分析器（
ＣＭＡ）９およびこの分析器９を通過した電子を検出す
る電子ビーム検出器１０が設けられており、一次イオン
ビームおよび（または）一次電子ビーム４の試料６に対
する走査と同期した図示しない陰極線管の輝度変調信号
として、電子ビーム検出器１０の検出信号を人力するこ
とにより、試料６の一次イオンビームおよび（または〉
一次電子ビーム４の入射部位の画像が、たとえば、一次
イオンビームおよび（または〉一次電子ビーム４のみの
走査によって発生する二次イオンビーム７に基づく画像
と等価に観察されるように構成されている。

さらに、試料６の近傍には、一次イオンビームおよび（
または）一次電子ビーム４の入射によって発生する二次
イオンビーム７、または二次ＩＥ電子ビーム、荷電粒子
および（または）光を検出する機器３０が設けられてお
り、上記した電子ビーム検出器１０の検出信号で陰極線
管の輝度変調信号としたと同様、一次イオンビームおよ
び（または）一次電子ビーム４を試料６の表面に照射し
てその際放出する二次粒子のうちで荷電粒子および（ま
たは〉光を検出する機器３０に到達したものの信号を、
一次イオンビームおよび（または）一次電子ビーム４の
走査と同期させて陰極線管の輝度変調信号の入力とする
ことにより、試料６の一次イオンビームおよび（または
）一次電子ビーム４の入射部位の画像が、たとえば一次
イオンビームおよび（または）一次電子ビーム４のみの
走査によって発生する二次イオンビーム７に基づく画像
と等価に観察されるように構成されている。

さらに、試料６の近傍には、一次イオンビームおよび（
または）一次電子ビーム４の入射によって発生する二次
イオンビーム７を捕捉する静電レンズ１１．αスリット
１２．トロイダル電場または球面電場形成器１３．βス
リット１４．電磁場形成器１５．トロイダル電場または
球面電場形成器（散乱粒子除去器）１９を経て二次イオ
ンビーム（散乱粒子除去後）２０を二次電子に変換して
増幅する二次電子増倍管２２などからなる質量分析系Ｍ
〈二次イオン質量分析手段）が設けられており、一次イ
オンビームや一次イオンビームおよび（または）一次電
子ビーム４などの入射によって試料６の目的の検査部位
から発生する二次イオンビーム７の種別や量が精密に検
出可能にされている。

さらに、上記の場合と同様、試料６の近傍には、一次イ
オンビームおよび（または〉一次電子ビーム４の入射に
よって発生する二次電子ビーム８をエネルギー分析する
同心円筒型の電子エネルギー分析器（ＣＭＡ）の外筒２
７と内筒２８との間、迷走粒子防止板２９を通過した後
、電子ビーム検出器１０からなる状態分析手段としての
電子エネルギー分析系Ｎ（通常ＡＥＳ、ＥＳＣＡ、ＰＥ
Ｓと呼ばれることがある〉が設けられており、一次電子
ビームや一次イオンビームおよび（または）一次電子ビ
ーム４などの入射によって試料６の目的の検査部位から
発生する二次電子ビーム８のエネルギーの大きさとその
量が状態分析の一例として精密に検出可能とされている
。

また、特に図示しないが、上述の各部は、所望の真空度
に排気される真空度内に収容されている。

以下、本実施例の状態分析機能付二次イオン質量分析装
置の作用を図面を引用しながら説明する。

まず、荷電粒子源（一次イオン源および（または）−水
雷子源）ｌａまたは１ｂから放出した一次イオンビーム
および（または）一次電子ビーム２ａまたは２ｂを一次
イオン質量分析器およびくまたは〉一次電子エネルギー
分析器３で単色にした後の一次イオンビームおよび（ま
たは）一次電子ビーム４を、図示していないがレンズ系
や偏向系、軸調整レンズ系などを調整しながら所望の大
きさに集束して試料６に照射する。この時、試料６の表
面から各種の二次粒子が放出する。

二次イオンは質量分析系Ｍで質量分離することにより、
試料表面を構成する元素の同定を行うことができる。特
にこの際、検出できるのは、主成分元素から、元素の種
類によりイオン化効率が異なるために検出感度が異なる
が、ｐｐｔ　（ｉｏ−’２）のオーダーの不純物までで
ある。ここでは、いわゆる元素分析に対応するものであ
る。

これと同時に、二次電子の方はエネルギー分析系Ｎで元
素の同定と同時に、それら元素のエネルギー状態を知る
ことが可能であるので、元素が他の元素とどのような結
合状態であったかを知ることができる。すなわち、二次
イオン質量分析によりｐｐｔから％オーダーまでの元素
の同定ができ素の化合物状態を知ることができることに
なるので、両者の情報を複合化することで、実際の試料
６の表面の化合物や元素の結合状態が鮮明になる。

今、一次粒子源としてイオンビームを利用すれば、ビー
ム照射により試料６の表面は時時刻刻イオンスパッタリ
ング現象を利用するので、時間的な二次イオンや二次電
子の強度の変化が深さ方向への元素の強度の変化や化合
物の組成の変化に対応した情報を得ることができる。

第１図の構成の状態分析機能付二次イオン質量分析装置
において、３１基板に気相成長じた多層膜の評価を行っ
た例を次に述べる。第３図に、Ｓｉ３と０４イオン強度
の深さ方向への分布を示す。

この図で、ＡおよびＢの深さにおいてＳｉ３と○イオン
強度の局所的増加が見られる。Ａ、Ｂの箇所において、
Ｏ＋がどんな状態にあるかを上記と同様の装置でオージ
ェ電子分析を行った結果を第４図（ａ）、　（ｂ）、　
（Ｃ）に示す。第４図（ａ）およびら）より、点Ａ、Ｂ
においては、Ｓｌは０とはほとんど結合−クが検出され
ているが、第４図（Ｃ）より点Ｃにおいては、Ｓｉと酸
素との化合物５ｉｎ２からのオージヱピークが約８３ｅ
Ｖｌ：　Ｓ　ｉ　−０の形で検出されている。同様に、
第３図の点Ａおよび点Ｃにおける試料からの二次イオン
質量スペクトルの一例を第５図、第６図にそれぞれ示す
。第３図〜第６図から総合的に見ると、点へと点Ｃの表
面からの深さに対応する箇所点への箇所では、Ｓｉの酸
化膜が懲戒されているわけではないが、点Ｃの箇所では
、Ｓｉの酸化膜Ｓｉ○２画形戊さ形成いるように、第５
図と第６図、および第３図の二次イオン質量スペクトル
の比較では点Ａと点Ｃで有意差がみられなかったが、第
４図のようなオージェ電子分析の計測を同時ないしはほ
ぼ同時に計測しておくことにより、従来不明であった多
層膜の界面付板における元素の化合物や結合状態が鮮明
になる。これらの分析結果から、多層膜の懲戒の際には
、点Ｃの作製の前に十分に自然酸化膜の除去を行う手段
がとられ、また点Ａの作製の前には、膜点Ｃのように症
状に応じた別々の適当な処置がとられた結果、点Ａや点
Ｃのような酸素の混入が以後みられなくなり、素子デバ
イスの電気的特性不良が発生しなくなった。

このように、本実施例においては、試料６の深さ方向へ
の分析で二次イオンとオージェ電子とを同時ないしはほ
ぼ同時に検出することにより、単に元素分析だけでなく
化合物状態が判明するため発生した不良の原因が高い確
度で究明・解明されるとともに、それに対する適切な対
策が高い確率で見出すことができるので処置も行われる
。

また、第１図の構成で一次イオンビームおよび（または
）一次電子ビーム４を試料６に照射した時、試料６から
放出した二次電子ビーム（オージェ電子を含む）８は外
筒２７および内筒２８よりなる同心円筒型分析器（ＣＭ
Ａ）で分析するとともに、脱離した二次イオンビーム（
ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ　ｄｅｓｏｒ
ｐｔｉｏｎ　１ｏｎ）　７を質量分析系Ｍで質量分析す
ることにより、オージェ電子が表面の元素着ないしは化
合吸着していた元素、ないしは化合物を解明することが
できる。さらに、一次イオンビームおよび（または）一
次電子ビーム４をＸ軸。

Ｙ軸に走査させることにより、試料表面の二次元の元素
分布とその上に吸着している物質の二次元の化合物分布
も同時ないしはほぼ同時に観察することができる。また
Ｓｈｏｗ　とＳｉとの表面に吸着する物質の違いや、試
料表面の清浄度の差、凹凸（凹凸面から放出され機器３
０へ到達した二次電子を検出するとＳ　Ｅ　Ｍ　（ｓｃ
ａｎｎｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍ１ｃｒｏｓｃｏｐ
ｅ　＞機能となる）と清浄度と吸着物質の関係が、同じ
雰囲気で比較測定が高い精度で実施できる。

また、試料６の同一部位に対して一次電子ビームと一次
イオンビームおよび（または）一次電子ビーム４とを正
確に照射することができるので、試料６が絶縁性の場合
でも、両者の同時に照射することによる帯電解消現象に
よって、目的の分析部位の帯電による電位上昇を防止す
ることができ、二次電子ビーム８の検出による安定な画
像の観察および元素の分析とそれらの化学結合状態、お
よび二次イオンビーム７の検出による高感度・高精度の
分析などが容易に実現することができる。

この結果、たとえば、半導体集積回路素子の微細化およ
び高集積化などに呼応して当該半導体集積回路素子の製
造プロセスの評価に重要となる極微量の不純物元素の検
出および各元素の化合物や結合状態を精度よく行うこと
ができ、製造プロセスの適切な評価よる改善を速やかに
実施することによって半導体集積回路素子の製造におけ
る生産性を向上させることができる。

なお、上記の説明では、質量分析系Ｍとして、トロイダ
ル電場または球面電場形成器（散乱粒子除去器）１９な
どを用いる場合について説明したが、これに限らず、た
とえば、四重極質量分析系、補正レンズ、エネルギーフ
ィルタ、偏向系、二次イオン検出器などからなる質量分
析系を併設ないしは、上記二次イオン質量分析系Ｍと置
換して使用してもよい。

さらに、荷電粒子源（一次イオン源および（または）一
次電子＃Ｉ）１ａ、１ｂを第１図とは別にイオンと電子
、イオンとイオンなどのように個別に設け、試料６に対
する入射経路を同一にしない構成としてもよい。

さらに第１図には示していないが、試料６の荷電粒子の
照射点から放出される光の分光分析の機能を装備した分
光分析器（光検出器を含む〉を二次イオン質量分析や電
子エネルギー分析（オージェ電子やＥＳＣＡ等）と組み
合わせて配置することにより、二次イオン質量分析によ
る微量不純物の元素分析の他に、分光分析による元素の
化合物状態や組成分析も行うことができる。

また、二次粒子の状態分析の例としては、オージェ電子
エネルギーの分析、二次イオンや二次電子の検出、光分
光分析などの他に、それ以外のものも含まれる。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。

以上の説明では、主として本発明者によってなされた発
明をその背景となった利用分野である半導体集積回路素
子の製造プロセスの評価に用いられる二次イオン質量分
析技術に適用した場合について説明したが、それに限定
されるものではなく、極微量の元素およびその化合物状
態や結合状態を精度良く検出することが必要とされる技
術に広く適用できる。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである
。

すなわち、一次イオンビームおよび（または）一次電子
ビームを同時または選択的に放射することが可能な荷電
粒子源を備え、試料に対して前記荷電ビームを照射する
ことができる。この際、試料から放出したイオンビーム
照射の際のスパッタリング作用に基づく二次粒子として
、二次イオン、二次電子、オージェ電子、光等を二次イ
オン質量分析、二次電子エネルギー分析、光分光分析す
ることにより、試料表面の微量不純物の同定およびそれ
らの化合物や化学的結合状態の検出などを行うことがで
きる。一方、スパッタリング作用はないが一次電子ビー
ムを照射した時に、照射された試料表面から二次電子、
オージェ電子、光、離脱イオン等が放出するので、それ
らを質量分析、光分光分析、電子エネルギー分析するこ
とにより、試料表面の不純物の同定とそれらの化合物状
態を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である二次イオン質量分析装
置の主要部を示す説明図、 第２図は二次電子エネルギー分析器の一例を示す断面図
、 第３図はＳｉ半導体デバイス表面から深さ方向へのＳｉ
＋および０３イオン強度分布を示す二次イオン質量分析
系を利用した測定結果の説明図、第４図（ａ）、ら）、
（Ｃ）はそれぞれ第３図の表面から深さ方向でＡ、Ｂ、
Ｃ点における二次電子エネルギー分析系を利用したオー
ジェ電子分析についてＳｉに注目した測定結果を示す説
明図、第５図は第３図で表面からの深さがへの箇所にお
ける試料の二次イオン質量分析結果の一例を示す線図、 第６図は第３図でＢの深さの箇所における試料の二次イ
オン質量分析結果の一例を示す線図である。 ｌａ、ｌｂ・・・荷電粒子＃ｉ（一次イオン源および（
または）−水雷子源）、２ａ、２ｂ・・・一次イオンビ
ームおよび（または〉一次電子ビーム、３・・・一次イ
オン質量分析器および（または）一次電子エネルギー分
析器、４・・・一次イオンビームおよび（または）一次
電子ビーム、５・・・試料架台、６・・・試料、７・・
・二次イオンビーム、８・・・二次電子ビーム、９・・
・同心円筒型の電子エネルギー分析器（ＣＭＡ）、１０
・・・電子ビーム検出器、１１・・・静電レンズ、１２
・・・αスリット、１３・・・トロイダル電場または球
面電場形成器、１４・・・βスリフト、１５・・・電磁
場形成器、１６・・・一次イオンビーム（エネルギー選
択後）、１７・・二次イオンビーム（質量選択後〉、１
８・・・コレクタスリット、１９・・・トロイダル電場
または球面電場形成器（散乱粒子除去器）、２０・・・
二次イオンビーム（散乱粒子除去後）、２１・・・ファ
ラデーカップ、２２・・・二次電子増倍管、２３・・・
二次元形二次電子増倍管、２４・・・蛍光物質、２５・
・・信号増幅器（１）、２６・・・信号増幅器（２）、
２７・・・同心円筒型の電子エネルギー分析器（ＣＭＡ
）の外筒、２８・・・同心円筒型の電子エネルギー分析
器（ＣＭＡ）の内筒、２９・・・迷走粒子防止板、３０
・・・荷電粒子および（または）光を検出する機器。 第 図 第 ３ 図 表面からの深さ （ｎｍ） 第 図 （ａ） （１）） （Ｃ） 電子エネルギー（ｅＶ） （Ｅ） 電子エネルギー（ｅＶ） （Ｅ） 電子エネルギー（ｅＶ） （Ｅ） 第 図 Ｍ／ｅ 第 図 Ｍ　／　ｅ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の荷電粒子源と、各荷電粒子源から放射された
   一次イオンビームおよび一次電子ビームを同時にまたは
   選択的に試料に照射する分析器と、試料の表面から放出
   された二次粒子の中で、二次イオンの質量分析を行う二
   次イオン質量分析手段と、二次粒子の状態分析を行う状
   態分析手段とを備えてなる二次イオン質量分析装置。 ２、前記状態分析手段が、オージェ電子エネルギーの分
   析、二次イオンの検出、二次電子の検出、光分光分析の
   少なくとも１つの状態分析を行う手段よりなることを特
   徴とする請求項１記載の二次イオン質量分析装置。 ３、前記分析器は、一次イオンビームを一次電子ビーム
   と同一またはほぼ等しい方向から照射することを特徴と
   する請求項１または２記載の二次イオン質量分析装置。