JPH04126347A - 二次イオン質量測定装置 - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） この発明は試料に含まれる不純物の濃度分布を三次元的
に測定するための二次イオン質量測定装置に関する。

（従来の技術） たとえば半導体プロセスにおいては、試料としての半導
体に含まれる不純物を三次元的に測定し、その不良解析
や条件出しなどが行われている。

このような装置として二次イオン測定装置が知られてい
る。この二次イオン測定装置は、一次イオン源から出射
された一次イオンビームを対物光学系で収束して試料に
照射し、この試料をスパッタリングする。試料がスパッ
タリングされることで二次イオンが発生するから、その
二次イオンの質量を測定部で測定することで、上記試料
のスパッタリングされた箇所の元素分布を知ることがで
きる。

上記一次イオンビームをラスクスキャンさせながら試料
に照射することで、この試料の面方向の元素分布を知る
ことかできる。また、試料を一次イオンビームによって
スパッタリングすることで深さ方向に削られるから、上
記測定部で測定される元素の面分布の時間的変化を測定
すれば、不純物の三次元測定を行うことができる。しか
じな力・ら、一次イオンビームによって半導体かスノ＜
・ツタリングされると、その表面か対物光学系で収束さ
れた一次イオンビームの焦点位置からずれてくるため、
面方向の分解能か低下するということか生じる。

半導体に形成されるイオン注入層の深さが２μｍ程度ま
での比較的浅い場合は、上記半導体をあまり深くスパッ
タリングする必要がないから、分解能の低下が大きな問
題となることもない。しかしながら、半導体に形成され
るデバイス構造が、たとえばトレンチ構造などのように
立体化してくると、１０μｍ以上の深さでスパッタリン
グする必要が生じてくる。そのような場合、一次イオン
ビームの焦点が半導体の表面からずれると、半導体ヲ照
射する一次イオンビームのスポット形状の変化か大きく
なるから、上述したように面方向の分解能の低下か大き
な問題となる。

（発明か解決しようとする課題） このように、従来は試料か一次イオンビームによってス
パッタリングされるにつれて一次イオンビームの焦点か
試料の表面からずれてくるから、それによって面方向の
分解能が低下するということかあった。

この発明は上記事情にもとずきなされたもので、その目
的とするところは、一次イオンビームにより試料がスパ
ッタリングされても、一次イオンビムの焦点が試料の表
面からずれないようにすることで、面方向の分解能が低
下することがないようにした二次イオン質量測定装置を
提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段及び作用）上記課題を解決
するためにこの発明は、一次イオンビームを出射する一
次イオン源と、この一次イオン源から出射された一次イ
オンビームを収束して載置台に載置された試料に照射す
る対物光学系と、上記試料が一次イオンビームによって
スパッタリングされることで発生する二次イオンの質量
を測定する測定部と、上記試料の一次イオンビームによ
ってスパッタリングされる箇所に測定光を照射する光源
と、上記試料から反射する上記測定光の変位から上記試
料のスパッタリング深さを検出する検出部と、この検出
部からの検出信号によって上記載置台による試料の支持
高さあるいは上記対物光学系の上記上記一次イオンビー
ムの光軸方向に沿う位置を制御して上記一次イオンビー
ムの焦点を上記試料の表面に一致させる制御手段とを具
備する。

このような構成によれば、試料が一次イオンビームによ
ってスパッタリングされ、その表面の位置が変化しても
、それに応じて一次イオンビームの焦点が上記表面に一
致するよう制御されるから、面方向の分解能が低下する
ことがない。

（実施例） 以下、この発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図に示す二次イオン測定装置はデュオプラズマトロ
ンやセシウム表面電離型イオン源などからなる一次イオ
ン源１を備えている。この一次イオン源１から出力され
る一次イオンビーム１１は偏向電極２を通過し、対物光
学系３で収束されて載置台４上に載置された試料として
の半導体５を照射するようになっている。

上記一次イオンビーム１１は上記偏向電極２によって半
導体５上をラスクスキャンさせることができるようにな
っており、また上記載置台４は柱状に形成された複数の
圧電素子６によって支持されている。この圧電素子６は
印加される電圧に応じて伸縮するから、電圧を制御する
ことで上記半導体５の支持高さをμｍ単位で変えること
ができるようになっている。

上記半導体５に一次イオンビームＩ、を照射されること
でこの半導体５から発生する二次イオン１２の質量は測
定部７によって測定される。それによって、上記半導体
５の上記一次イオンビーム１１によって照射された箇所
に含まれる不純物の濃度分布を測定することができる。

一次イオンビム１１を上記偏向電極２によってラスクス
キャンさせれば、半導体５に含まれる不純物の面方向の
濃度分布を測定することかできる。面方向の濃度分布の
時間による変化を測定すれば、各深における面方向の濃
度分布を測定することができる。

つまり、半導体５に含まれる不純物濃度の三次元分布を
測定することができる。

上記半導体５か一次イオンビーム１１によってスパッタ
リングされる箇所には、たとえば半導体レーザなどの光
源８から出射された測定光しか照射される。半導体５で
反射した測定光りは第１、第２のフォトダイオード９．
１１からなる検出部１２によって検出される。すなわち
、一対のフォトダイオード９．１１はこれらの受光面９
　ａ　１１１ａが１つの平面をなす状態に接合されてい
る。

上記半導体５の上記一次イオンビーム■１によって照射
される表面が一次イオンビーム１１の焦点と一致する高
さにあると、その表面から反射する測定光りのスポット
Ｓは第２図（ｂ）に示すように一対のフォトダイオード
９．１１の受光面９　ａ　５１１ａに等しい面積で入射
する。つまり、一対のフォトダイオード９．１１か検出
する光量か同しになる。

なお、検出部１２は、図示しない駆動機構によって第１
図に矢印で示す方向に位置決め調節することかできるよ
うになっている。それによって、一対のフォトダイオー
ド９．１１の受光面９ａ、１１ａに入射する測定光りの
光量を調節することができるようになっている。

上記検出部１２で検出された検出信号は演算制御装置１
３に入力される。この演算制御装置１３は、一対のフォ
トダイオード９．１１が受光した光量から半導体５の表
面の高さを後述するごとく演算し、その演算結果にもと
すく駆動信号を駆動部１４に出力するようになっている
。駆動部１４は上記駆動信号に応した電圧を上記圧電素
子６に印加する。それによって、圧電素子６は伸縮し、
上記半導体５の表面が一次イオンビーム１１の焦点に一
致するよう載置台４の高さが制御せれる。

つぎに、上記構成の二次イオン質量測定装置の作用につ
いて説明する。まず、第２図（ａ）、（ｂ）に示すよう
に一次イオンビームエ、を半導体５に照射する前に検出
部１２を位置決めする。

つまり、検出部１２は、半導体５の表面が一次イオンビ
ーム１１の焦点に一致した状態において、一対のフォト
ダイオード９．１１の受光面９　ａ　５１１ａが検出す
る測定光りの光量が一致するよう位置決めする。

このように、検出部１２を位置決めしたならば、一次イ
オン源１を作動させて一次イオンビーム１１を出力させ
る。一次イオンビームＩ、は偏向電極２を通り、対物光
学系３で収束されて上記半導体５の表面を照射する。そ
れによって、半導体５の表面は上記一次イオンビーム１
１によってスパッタリングされるから、半導体５の表面
からは二次イオンＩ２が発生する。この二次イオンＩ２
の質量は測定部７によって測定されるから、それによっ
て半導体５に含まれるグ不純物の濃度分布を測定するこ
とができる。一次イオンビーム■１を偏向電極２によっ
て半導体５の表面でラスクスキャンさせれば、面方向に
おける不純物の濃度分布を測定することができ、面方向
の分布状態の時間的変化を測定すれば、各深さにおける
面方向の分布状態を測定することができる。

半導体５の表面が一次イオンビーム！、によってスパッ
タリングされると、その表面のスパッタリングされた箇
所の高さが低下する。半導体５表面の高さが低くなれば
、その表面を照射した測定光りの反射方向が変化するか
ら、一対のフォトダイオード９．１１の受光面９ａ、ｌ
ｌａに入射するＩｐＪ定光りのスポットＳの位置も変化
する。第３図（ａ）、（ｂ）に上記スポットＳの位置か
変化した状態を示す。すなわち、半導体５の表面が低く
なることで、上記スポットＳが下側にずれるから、第１
のフォトダイオード９よりも第２のフォトダイオード１
１による受光量の方が大きくなる。

一対のフォトダイオード９．１１による受光量か変化し
たことか演算制御装置１３に入力されると、その受光量
の変化に応じて駆動信号か駆動部１４に出力される。す
ると、この駆動部１４からは、載置台４を支持した圧電
素子６に駆動信号に応じた強さの電圧か出力される。そ
れによって、圧電素子６は伸長し、半導体５の表面がス
ノク・ツタリングによって低くなった分だけ載置台４を
上昇させる。すなわち、載置台４は、第４図（ａ）に鎖
線で示す位置から実線で示す位置まで上昇させられる。

載置台４が上昇すれば、一対のフォトダイオード９．１
１による受光量が変化し、その受光量が上記演算制御装
置１３にフィートノ＜・ツクされる。

それによって、上記載置台４は、一対のフォトダイオー
ド９．１１が検出する受光量が一致する状態である、上
記半導体５のスパッタリングされた表面が一次イオンビ
ーム■１の焦点に一致するまで上昇させられることにな
る。この状態を第４図（ｂ）に示す。したがって、半導
体５の表面がスパッタリングされても、そのスパッタリ
ングされた表面の位置か一次イオンビーム１１の焦点位
置に一致するよう制御されるから、測定部７によって測
定される二次イオンＩ２の面方向の分解能か低下するの
を防止できる。

つまり、上記構成の二次イオン質量測定装置によれば、
半導体５に形成されるイオン注入層が深くなっても、各
深さ位置における面方向の不純物の分布状態を精度よく
測定することができる。

なお、この発明は上記一実施例に限定されず、その要旨
の範囲内で種々変形可能である。たとえば、上記一実施
例では試料が載置された載置台を駆動してスパッタリン
グにより一次イオンビームの焦点位置が試料の表面から
ずれないように制御したが、一次イオンビームを収束す
る対物光学系を駆動機構によって光軸方向に駆動できる
ように設け、この駆動機構を検出部が検出する信号によ
って駆動することで、一次イオンビームの焦点を試料の
表面に一致させるようにしてもよい。

また、試料としては半導体に限られず、不純物を測定す
る必要があるものであれば良い。さらに、検出部として
はフォトダイオードに限られず、試料から反射する測定
光の反射方向の変位を検出することができるものであれ
ばよく、たとえば固体撮像素子によって形成された撮像
装置などでもよい。

［発明の効果コ 以上述べたようにこの発明は、一次イオンビームによっ
てスパッタリングされる試料の表面に測定光を照射し、
この試料から反射する測定光の変位によってスパッタリ
ングの深さを検出するとともに、その検出信号で上記試
料の表面と一次イオンビームの焦点とが一致するよう制
御するようにした。

したがって、一次イオンビームによる試料のスパッタリ
ングが進行しても、各深さ位置において上記一次イオン
ビームの焦点を試料の表面に一致させることができるか
ら、焦点のずれにより面方向の分解能が低下するのを防
止することができる。

【図面の簡単な説明】

図面はこの発明の一実施例を示し、第１図は装置全体の
概略的構成図、第２図（ａ）は一次イオンビームの焦点
と試料の表面とが一致している状態の説明図、第２図（
ｂ）はそのときのａ１定光のスポットと検出部の受光面
との関係の説明図、第３図（ａ）はスパッタリングが開
始されて一次イオンビームの焦点と試料の表面とがずれ
た状態の説明図、第３図（ｂ）はそのときの測定光のス
ポットと検出部の受光面との関係の説明図、第４図（ａ
）は試料の表面の位置か補正された状態の説明図、第４
図（ｂ）はそのときの測定光のスポットと検出部の受光
面との関係の説明図である。 １・・・イオン源、３・・・対物光学系、４・・・載置
台、５・・・半導体（試料）　７・・・測定部、８・・
・光源、１２・・・検出部、１３・・・演算制御部（制
御手段）、■よ・・・一次イオンビーム、Ｉ２・・・二
次イオン、Ｌ・・・測定光。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 １−；ズイインＡ ／ 第２図 （ａ） （ｂ） 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 一次イオンビームを出射する一次イオン源と、この一次
   イオン源から出射された一次イオンビームを収束して載
   置台に載置された試料に照射する対物光学系と、上記試
   料が一次イオンビームによってスパッタリングされるこ
   とで発生する二次イオンの質量を測定する測定部と、上
   記試料の一次イオンビームによってスパッタリングされ
   る箇所に測定光を照射する光源と、上記試料から反射す
   る上記測定光の変位から上記試料のスパッタリング深さ
   を検出する検出部と、この検出部からの検出信号によっ
   て上記載置台による試料の支持高さあるいは上記対物光
   学系の上記一次イオンビームの光軸方向に沿う位置を制
   御して上記一次イオンビームの焦点を上記試料の表面に
   一致させる制御手段とを具備したことを特徴とする二次
   イオン質量測定装置。