JPH0566204A - 全反射蛍光ｘ線分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 ウェーハ３の格子間隔をｄ、Ｘ線の波長を
λ、このＸ線と測定試料の格子面とのなす照角をθ、任
意の整数をｎとしたとき、２ｄsin θ≠ｎλの条件を満
たすようにウェーハ３の入射Ｘ線ｌ0 に対する方位を固
定した状態で、ウェーハ３を移動させることによりその
サンプル点を位置決めする。その方位設定とサンプル点
の位置決めとはその逆の順序でも良い。また、ステージ
としては方位がその所定の方位に固定されているもので
も良い。 【効果】 ウェーハ３の方位がブラッグ反射の起こらな
い方位に設定されるから、検出器での光量値中にブラッ
グ反射による入射光量値が多く含まれるようなことはな
くなり、高感度な測定が可能となるとともに、測定時間
が必要以上に長くかからず、迅速な測定が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 〔発明の目的〕

【産業上の利用分野】本発明は、半導体単結晶体、例え
ばＳi （シリコン）ウェーハ表面に全反射角度でＸ線を
入射して、その表面上のＣr （クロム）、Ｆe （鉄）、
Ｎi （ニッケル）、Ｃu （銅）、Ａl（アルミニウ
ム）、Ｚn （亜鉛）等の金属不純物から発生する励起光
量を測定し、その測定結果に基づいてこれら表面金属不
純物に関し、その有無、付着量、種類、分布状態等の分
析を行う全反射蛍光Ｘ線分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｓi ウェーハにはその製造過程において
上記したような金属不純物の付着を生ずる場合があるた
め、製造したＳi ウェーハについては、一般に、その表
面上の金属不純物を分析することにより、品質管理を行
い、またその付着原因を追及して、金属不純物付着の防
止対策を図るようにされている。

【０００３】この金属不純物分析が始められた初期の頃
は、Ｓi ウェーハ表面上に１０００オングストローム程
度の熱酸化膜を形成して、この熱酸化膜内に金属不純物
を取１込み、酸によって、この金属不純物を含有した熱
酸化膜をＳi ウェーハから溶出し、この溶出したものを
原子吸光法により分析する、というものであった。

【０００４】その後、分析法の進歩により、熱酸化膜を
形成し、改めて酸化膜の厚さを上記の程度に確保しなく
てもよくなったため、ウェーハ表面に自然に成長した３
０オングストローム程度の金属不純物含有酸化膜を溶出
して分析するようになった。

【０００５】しかし、この分析法は、酸化膜を酸により
溶出する際に、その酸としてＨＦ（フッ酸）蒸気または
ＨＮＯ₃ （硝酸）蒸気を用いるため、作業者がその蒸気
により害を受ける可能性が非常に高いという問題があ
る。

【０００６】そこで、従来、ウェーハの表面にＸ線を入
射して、金属不純物原子を励起し、この励起により発生
した蛍光Ｘ線を測定し、その測定結果に基づいて測定試
料の表面金属不純物に関する分析を行う、という分析法
が開発された。

【０００７】つまり、金属にＸ線を入射すると、原子が
励起されて、反射光とは別に蛍光Ｘ線（散乱光）を発生
することが知られており、このＸ線分析法はこの現象を
利用したものである。この蛍光Ｘ線の光量は励起対象物
の量に比例するため、その光量の測定によって金属不純
物の付着量を測ることができ、また励起対象物特有のエ
ネルギーを持ったものとなるため、そのエネルギーを調
べることで金属不純物の種類も判明する。

【０００８】よって、分析に上記有害ガスを利用するこ
とがないため、作業者の健康を害するようなことはない
ものとなっている。

【０００９】加えて、このＸ線分析法によれば、励起Ｘ
線をウェーハに対して部分的に入射することで、ウェー
ハ面内の位置的分析、つまり、金属不純物の面内分布状
態の分析や面内の場所を指定しての分析が可能になり、
上記化学的分析法に比してより子細な分析を可能とし、
しかも試料としたウェーハの破壊がなく、これをチップ
の材料として使用でき、分析装置のインライン化も可能
となるため、現在では、ウェーハ表面の金属不純物分析
を、このＸ線分析法で行うのが主流となりつつある。

【００１０】ところで、この分析を行うための分析装置
は、Ｘ線源と分光器と検出器（ＳＳＤ：Solid State De
tector: 固体検出器）とから大略構成されている。

【００１１】Ｘ線源からのＸ線は分光器により単色化さ
れ、全反射角度でウェーハに入射される。ＳＳＤは、そ
の反射光は避けて、励起されて発生した蛍光Ｘ線のみを
受光するように配置され、このＳＳＤのカウント値をも
って光量値とするようになっている。

【００１２】しかし、このＸ線分析法は、分析対象であ
るウェーハが完全結晶であるため、Ｘ線の入射方向によ
ってその入射Ｘ線がブラッグ（Ｂｒａｇｇ）反射を起こ
し、その回折光が検出器に入射することがある。この場
合、検出器での測定光量値中にノイズとなる回折光によ
る入射光量値が多く含まれることとなるため、感度が低
下するという問題がある。

【００１３】また、極度に強いＸ線が検出器に入射した
とき、検出器のデッド・タイムが長くなるため、測定時
間がその回折光の光量のせいで必要以上に長くかかって
しまうという問題がある。

【００１４】因みに、ブラッグ反射を起こした場合は、
起こさない場合に比べて検出器への入射光の強さが１０
〜２０倍となり、測定時間は２〜１０倍かかることにな
ってしまうのである。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の全反
射Ｘ線分析装置にあっては、ブラッグ反射が原因で感度
の低下や測定作業の遅延を生ずるという問題がある。

【００１６】本発明は、上記従来技術の有する問題点に
鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高感
度で且つ迅速に測定することができる全反射Ｘ線分析装
置を提供することにある。

【００１７】 〔発明の構成〕

【００１８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明の
全反射Ｘ線分析装置は、測定試料の格子間隔をｄ、Ｘ線
の波長をλ、このＸ線と測定試料の格子面とのなす照角
をθ、任意の整数をｎとしたとき、 ２ｄsin θ≠ｎλ の条件を満たすように測定試料のＸ線に対する方位を固
定した状態で、測定試料を移動させることによりそのサ
ンプル点を位置決めする測定試料駆動手段を備えている
ことを特徴とする。

【００１９】請求項２記載の本発明の全反射Ｘ線分析装
置は、その測定試料駆動手段が、測定試料を移動させて
そのサンプル点を位置決めし、その状態で、 ２ｄsin θ≠ｎλ の条件を満たすように測定試料のＸ線に対する方位を決
定するようになっている。

【００２０】請求項３記載の本発明の全反射Ｘ線分析装
置は、その測定試料駆動手段が、 ２ｄsin θ≠ｎλ の条件を満たすように入射励起Ｘ線に対して固定可能な
サンプルステージを有することを特徴とする。

【００２１】

【作用】本発明は、測定試料が単結晶であり、格子面の
Ｘ線に対する方角は測定試料の方位により一義的に決ま
ってしまうことに着目し、この測定試料の方位をブラッ
グ反射の起こる方位を避けて設定するようにしたから、
検出器での測定光量値中にノイズとなるブラッグ反射に
よる入射光量値が多く含まれるようなことはなくなり、
高感度な測定が可能となる。

【００２２】また、検出器にブラッグ反射による余分な
光線が入射することを防止するようになっていることか
ら、測定時間が必要以上に長くかかってしまうことを防
止でき、迅速な測定が可能となる。

【００２３】

【実施例】以下に本発明の実施例について図面を参照し
つつ説明する。

【００２４】図４において、１はＸ線源、２は分光器で
ある。Ｘ線源１はＸ線ｌ0 としてＷ（タングステン）の
Ｌβ1 （波長＝１．２８１７６オングストローム）を発
生するもので、このＸ線ｌ0 は分光器２によって単色光
のＸ線ｌ1 とされる。

【００２５】３は測定試料となるＳi ウェーハ、４はＸ
Ｙステージである。ウェーハ３は、ＸＹステージ４の上
面に水平に載置されて静電チャックにより固定されてお
り、分光器２からのＸ線ｌ1 はこのウェーハ３に対して
入射され、その入射角度φ1は全反射角度、つまりシリ
コンの臨界角度以下の角度とされ、具体的には０．２°
以下とされる。これにより、Ｘ線ｌ1 は、ウェーハ３の
表面を反射し反射Ｘ線ｌ2 となるとともに、ウェーハ３
の表面の原子を励起し、蛍光Ｘ線ｌ3 を放射させる。ウ
ェーハ３の表面に金属不純物が無ければ、シリコン原子
からの放射波が発生され、ウェーハ３の表面に金属不純
物がある場合、この金属不純物の原子からの放射波が発
生される。

【００２６】５は検出器であり、この検出器５は入射光
の光量に応じた時間だけカウント動作し、そのカウント
値は検出器５への入射光のエネルギに応じた値となる。

【００２７】６は測定室であり、ウェーハ３、ステージ
４、及び検出器５は、この測定室６内に配置されてお
り、測定の際、この測定室６内は１０^-2Torr程度の真空
状態に保持される。

【００２８】検出器５は、図５に示すように、ケーシン
グ８の底部には開口部１０が穿設され、この開口部１０
がウェーハ３に臨んで開口している。この開口部１０と
Ｓi(Ｌi)７との間にＢｅ（ベリリウム）板９が介挿さ
れ、このＢｅ板９と開口部１０とで窓を構成するように
され、ウェーハ３からの蛍光Ｘ線ｌ3 はこの窓を通じて
Ｓi(Ｌi)に入射するようになっている。

【００２９】開口部１０の下端とウェーハ３の上面との
間にはＸ線ｌ1 ，ｌ2 を通過させるための間隔が設けら
れ、この間隔は検出感度を上げるために極力狭くされ、
ここでは５mmとされている。

【００３０】この開口部１０の直径は、ここでは１cmと
されており、図５に符号Ａで示す測定位置（つまり、Ｘ
線ｌ1 の入射位置）から見て鉛直方向の光から４５°だ
け傾いた光までが開口部１０を通るようにされている。

【００３１】ＳＳＤ７は入射光量に応じた電圧レベルの
信号を出力し、入力電圧レベルに応じた時間だけカウン
ト動作する図外の電圧制御カウンタに供給されるように
なっている。

【００３２】さて、図１は本発明の第１実施例に係る装
置の要部説明図である。

【００３３】この図に示すように、ウェーハ３は、ＸＹ
ステージ４の回転によって矢印ｒ1，ｒ2 で示すように
回転させられてＸ線ｌ1 に対する方位が設定されるとと
もに、その方位を固定した状態でＸＹステージ４のＸ方
向及びＹ方向の水平移動により平面的に移動させられＳ
i ウェーハ３の各サンプル点が測定位置Ａに位置決めさ
れる。

【００３４】ここで、ウェーハ４のＸ線ｌ1 に対する方
位は、ウェーハ４の格子間隔をｄ、Ｘ線ｌ1 の波長を
λ、Ｘ線ｌ1 とウェーハ４の格子面とのなす照角をθ、
任意の整数をｎとしたとき、 ２ｄsin θ≠ｎλ …（１） の条件を満たすように設定される。

【００３５】この設定法は、例えば、まず、上記式
（１）のθを消去するように変形し、 θ＝sin −１（ｎλ／２ｄ） としてθを求める。

【００３６】これにより、ブラッグ回折の起きる一つの
角度が求まる。

【００３７】そして、ウェーハの結晶方位が４回対象の
ものであれば、その求めた角度から９０°ずつ回転した
位置、例えば（１００）Ｓi ウェーハであれば、オリエ
ンテーション・フラットの中心位置である０°の位置
と、この角度から９０°ずつ回転した位置、つまり９０
°、１８０°、２７０°の位置との４位置がブラッグ反
射の強い位置とわかる。そして、このように式によって
おおよその見当を付けたあとに、その周辺位置に対し種
々の方位でＸ線ｌ1 を入射すると、ブラッグ回折が強く
て避けたい方位が判明する。

【００３８】よって、このように見出だした方位を避け
た方位にウェーハ３の方位を決定すれば良いことにな
る。

【００３９】ウェーハ３のサンプル点は、このＸ線ｌ1
に対する方位を固定した状態で、ＸＹステージ４をＸ，
Ｙ方向に水平移動させることにより位置決めされるよう
になっている。

【００４０】これにより、測定中はブラッグ反射の起こ
らない状態を保持するようにしたから、検出器５での測
定光量値中にノイズとなるブラッグ反射による入射光量
値が多く含まれるようなことはなくなり、高感度な測定
が可能となる。

【００４１】また、検出器５にブラッグ反射による余分
な光線が入射することを防止するようになっていること
から、測定時間が必要以上に長くかかってしまうことを
防止でき、迅速な測定が可能となる。

【００４２】ここで、従来の装置と本実施例の装置との
比較試験を結晶方位（１００）のＳi ウェーハについて
行った結果を一例として示す。なお、ここでは、ウェー
ハ３の表面２１点のサンプル点について金属不純物の分
布測定を行い、設定値として測定時間は１時間３０分
（１点あたり約２５０秒）とした。

【００４３】まず、従来装置の場合、ウェーハ３をＸＹ
方向に動かすと共にｒ0 −ｒ1 方向に回転させることに
よりそのサンプリング点を位置決めする。

【００４４】結果は、この従来の装置で行った場合、１
２点まで測定が進んだところで、各点においてそれぞれ
数え落とし、つまり入射光レベルが高く、上記２５０秒
ではカウント動作時間が足りずに、カウント漏れをした
率が５０〜９０％になり、時間の延長となって、全てが
終えるまで約８時間かかった。

【００４５】次に、本実施例装置におけるウェーハ３の
測定法について説明する。

【００４６】図６は、強い回折光を検出器５に入射させ
てしまう方位を矢印で示しており、ウェーハ３に対し種
々の方位でＸ線ｌ1 を入射した結果得られたものであ
る。

【００４７】この図６を見ると、（１００）シリコンの
４回対象の位置に矢印の線が集中していることがわか
る。

【００４８】さらに、強い回折光を検出器５に入射させ
てしまう方位について、その線が集中しているところを
細かく調べると、図７に斜線を入れた領域が特にブラッ
グ反射が起きやすいことが判明した。また、一例として
ウェーハ３のオリエンテーション・フラットの中心から
５０°程ずれた方角ならば、回折が少ないことがわか
る。

【００４９】そこで、ウェーハ３をそのオリエンテーシ
ョン・フラットの中心が方向線ｄ0上にある方位でとり
あえずステージ４上に取付け、その後、このステージ４
をｒ0 方向に４０°程回転させてウェーハ３の方位を設
定した。

【００５０】この状態で、ステージ４をＸ，Ｙ方向に移
動させ、ウェーハ３の面内２１点の各サンプル点を測定
位置Ａに位置決めし、測定を行ったものである。

【００５１】本実施例の装置によれば、初期設定時間の
１時間半だけで全ての測定が済んだ。

【００５２】図８は従来の装置による各サンプル点での
単位時間あたりのカウント値、図９は本実施例の装置に
よる各サンプル点での単位時間あたりのカウント値を示
しており、これを見ると、従来の装置では上記した回折
を起こす領域に対応するサンプル点で極端にカウント値
が高くなっているのに対し、本実施例の装置では各サン
プル点において平均的な値が出ていることがわかる。

【００５３】また図１０は、図８中、記号＊を付けたサ
ンプル点についてのスペクトルを示す曲線図、図１１
は、そのスケールを拡大したもの、図１２は、図９中、
記号＊を付けたサンプル点についてのスペクトルを示す
曲線図である。

【００５４】まず、図１１を見ると、最大カウント数が
２４８．４０００cps となっており、図１２の４２．１
９００cps に比べて極めて高く、それだけ測定時間が長
くかかる。

【００５５】そして、このようにカウント値が高いにも
かかわらず、対象とする金属不純物Ｃr 、Ｆe 、Ｎi 、
Ｃu のスペクトル領域（エネルギ：Ｅ＝ｃ・ｋ／λ（ｃ
は高速、ｋは定数）で波長に対応する。）にそのピーク
を見出だせない。そこで、スケールを拡大したのが図１
１であり、これによると、Ｆe の蛍光Ｘ線のエネルギ
（約６．４ｋｅＶ）あたりにかすかなピークが見られる
が判然としない。つまり、感度が低いことを意味する。

【００５６】次に、図１２を見ると、上記したように最
大カウント数が低く、効率的にカウント動作しているこ
とがわかる。

【００５７】またＦｅのピークが判別でき、そのピーク
の高さによりＦｅの濃度が３×１０¹⁰〜５×１０¹⁰［at
oms/cm² ］と測定できた。

【００５８】このように、本実施例の装置によれば、好
感度で且つ迅速な測定が可能となるのである。

【００５９】図２は本発明の第２実施例に係る装置の要
部説明図である。

【００６０】図１に示す装置においては、まず、ウェー
ハ３をｒ0 −ｒ1 方向に回転させてその入射Ｘ線ｌ0 に
対する方位を固定した状態で、ウェーハ３をＸ−Ｙ方向
に移動させることによりそのサンプル点を位置決めする
ようになっている。

【００６１】これに対し、図２に示すステージ４は、ま
ず、同図（ａ）に示すように、ウェーハ３をＸ−Ｙ方向
に移動させてそのサンプル点を位置決めし、その状態
で、２ｄsin θ≠ｎλの条件を満たすように、ウェーハ
３をｒ0−ｒ1 方向に回転させて入射Ｘ線ｌ0 に対する
方位を決定するようになっている。

【００６２】この実施例の方式試験を行っても良好な結
果が得られた。この場合、まず、ステージ４をＸ，Ｙ方
向に移動させ、ウェーハ３の面内２１点の各サンプル点
を測定位置Ａに位置決めし、この状態で、ウェーハ３を
そのオリエンテーション・フラットの中心が方向線ｄ0
上にある方位でとりあえずステージ４上に取付け、その
後、このステージ４をｒ0 方向に４０°程回転させてウ
ェーハ３の方位を設定し、測定を行った。

【００６３】つまり、サンプル点の位置決めと方位の決
定との順序は不同で、いずれが先で後でも本発明は成立
することを付言しておくものである。

【００６４】図３は本発明の第３実施例に係る全反射Ｘ
線分析装置の要部説明図である。

【００６５】この図３に示すものは、２ｄsin θ≠ｎλ
の条件を満たすように入射励起Ｘ線に対して固定された
サンプルステージ４´を有することを特徴とする。この
ステージ４´は、ウェーハ３のオリエンテーションフラ
ットに対応する直線状の側縁を備え、この側縁とウェー
ハ３のオリエンテーションフラットとの方向を合致させ
るようにしてウェーハ３をステージ４´上にセットすれ
ばウェーハ３はそれだけで方位が決定される。

【００６６】そして、この実施例による場合、かかるウ
ェーハ３のセット後、ステージ４´をＸ−Ｙ方向に駆動
してサンプル点の位置決めを行うこととなる。なお、こ
の実施例のステージ４´は必ずしもｒ0 −ｒ1 方向に駆
動されるようになっていなくても良い。ただ、調整のた
めに駆動されるようになっていても良く、また、この調
整も手動で行うようになっていれば基本的には足りる。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、測
定試料が単結晶であり、格子面のＸ線に対する方角は測
定試料の方位により一義的に決まってしまうことに着目
し、この測定試料の方位をブラッグ反射の起こる方位を
避けて設定するようにしたから、検出器での測定光量値
中にノイズとなるブラッグ反射による入射光量値が多く
含まれるようなことはなくなり、高感度な測定が可能と
なる。

【００６８】また、検出器にブラッグ反射による余分な
光線が入射することを防止するようになっていることか
ら、測定時間が必要以上に長くかかってしまうことを防
止でき、迅速な測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る全反射Ｘ線分析装置
の要部説明図。

【図２】本発明の第２実施例に係る全反射Ｘ線分析装置
の要部説明図。

【図３】本発明の第３実施例に係る全反射Ｘ線分析装置
の要部説明図。

【図４】図１〜図３に示す装置の全容を概略示す正面
図。

【図５】図４の要部拡大図。

【図６】Ｗ−Ｌβ1 のブラッグ反射を起こす入射方向の
説明図。

【図７】ブラッグ反射が強い入射方向の説明図。

【図８】従来装置による測定値のウェーハ面内分布図。

【図９】図１〜図５に示す装置による測定値のウェーハ
面内分布図。

【図１０】図６に示す＊を付したサンプル点のスペクト
ル説明図。

【図１１】図１０のスケールを拡大して示す図。

【図１２】図９に示す＊を付したサンプル点のスペクト
ル説明図。

【符号の説明】

１ Ｘ線源 ２ 分光器 ３ Ｓi ウェーハ ４，４´ ＸＹステージ ５ 検出器 ６ 測定室 ｌ1 励起Ｘ線 ｌ3 蛍光Ｘ線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松 下 嘉 明 神奈川県川崎市幸区堀川町72番地 株式会 社東芝堀川町工場内 (72)発明者 影 山 もくじ 神奈川県川崎市幸区堀川町72番地 株式会 社東芝堀川町工場内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体単結晶体からなる測定試料の表面に
   全反射角度以下で励起Ｘ線を入射し、その励起により発
   生する該測定試料の表面金属不純物からの蛍光Ｘ線の光
   量を測定し、この測定結果に基づいて前記測定試料の表
   面金属不純物に関する分析を行う全反射蛍光Ｘ線分析装
   置において、 前記測定試料の任意の格子間隔をｄ、前記Ｘ線の波長を
   λ、前記Ｘ線と該測定試料の格子面とのなす視射角を
   θ、任意の整数をｎとしたとき、 ２ｄsin θ≠ｎλ の条件を満たすように該測定試料の前記Ｘ線に対する方
   位を固定した状態で該測定試料を移動させることにより
   そのサンプル点を位置決めする回転移動または平行移動
   または両者の組み合わせによる測定試料駆動手段を備え
   ていることを特徴とする全反射蛍光Ｘ線分析装置。
2. 【請求項２】半導体単結晶体からなる測定試料の表面に
   全反射角度以下で励起Ｘ線を入射し、その励起により発
   生する該測定試料の表面金属不純物からの蛍光Ｘ線の光
   量を測定し、この測定結果に基づいて前記測定試料の表
   面金属不純物に関する分析を行う全反射蛍光Ｘ線分析装
   置において、 前記測定試料の任意の格子間隔をｄ、前記Ｘ線の波長を
   λ、前記Ｘ線と該測定試料の格子面とのなす視射角を
   θ、任意の整数をｎとしたとき、 前記測定試料を移動させてそのサンプル点を位置決め
   し、その状態で、 ２ｄsin θ≠ｎλ の条件を満たすように該測定試料の前記Ｘ線に対する方
   位を決定する回転移動または平行移動または両者の組み
   合わせによる測定試料駆動手段を備えていることを特徴
   とする全反射蛍光Ｘ線分析装置。
3. 【請求項３】測定試料駆動手段は、 ２ｄsin θ≠ｎλ の条件を満たすように入射励起Ｘ線に対して固定可能な
   サンプルステージを有することを特徴とする請求項１，
   ２のうちいずれか１項に記載の全反射蛍光Ｘ線分析装
   置。