JPH06222019A - 多層薄膜の非破壊定量分析方法 - Google Patents
多層薄膜の非破壊定量分析方法Info
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- JPH06222019A JPH06222019A JP5009927A JP992793A JPH06222019A JP H06222019 A JPH06222019 A JP H06222019A JP 5009927 A JP5009927 A JP 5009927A JP 992793 A JP992793 A JP 992793A JP H06222019 A JPH06222019 A JP H06222019A
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- G01B15/00—Measuring arrangements characterised by the use of electromagnetic waves or particle radiation, e.g. by the use of microwaves, X-rays, gamma rays or electrons
- G01B15/02—Measuring arrangements characterised by the use of electromagnetic waves or particle radiation, e.g. by the use of microwaves, X-rays, gamma rays or electrons for measuring thickness
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- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
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- G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
- G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
- G01B11/0666—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating using an exciting beam and a detection beam including surface acoustic waves [SAW]
Abstract
(57)【要約】
【目的】数nｍ程度にまで薄膜化した多層薄膜の各層の
組成を、非破壊で、かつ、精度良く計測できる定量分析
方法を実現する。 【構成】各層を構成する元素が既知である多層薄膜１，
２，３において、単色Ｘ線５の照射によって上記各層か
ら放出される光電子６，７，８のエネルギーを分析器１
１によって分析し、得られるスペクトルの強度を電子検
出器１２で測定し、各層の膜厚を求めると共に、各層に
含まれる元素の組成比を決定する。
組成を、非破壊で、かつ、精度良く計測できる定量分析
方法を実現する。 【構成】各層を構成する元素が既知である多層薄膜１，
２，３において、単色Ｘ線５の照射によって上記各層か
ら放出される光電子６，７，８のエネルギーを分析器１
１によって分析し、得られるスペクトルの強度を電子検
出器１２で測定し、各層の膜厚を求めると共に、各層に
含まれる元素の組成比を決定する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電子デバイスや光デバ
イスなどに用いられる多層薄膜の各層を構成する元素の
組成比を、Ｘ線照射により放出される光電子の強度を測
定して、非破壊で精度よく求める定量分析方法に関する
ものである。
イスなどに用いられる多層薄膜の各層を構成する元素の
組成比を、Ｘ線照射により放出される光電子の強度を測
定して、非破壊で精度よく求める定量分析方法に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に多層薄膜試料の分析には、イオン
スパッタを併用したＸ線光電子分光法、オージェ電子分
光法などの表面分析法が用いられている。これらの手法
では、Ａrなどの不活性ガスにより試料を表面から順次
スパッタエッチングし、そこでの光電子強度、あるいは
オージェ電子強度の測定結果から組成を求め、試料中元
素の深さ方向分布を得ている。例えば試料中の注目する
元素Ａ，Ｂの組成比ｎ(Ａ)／ｎ(Ｂ）の算出は、理論あ
るいは標準試料の分析結果をもとに求められた相対感度
係数Ｑ(Ａ)，Ｑ(Ｂ）を用いて、測定される光電子強
度、あるいはオージェ電子強度Ｉ(Ａ)，Ｉ(Ｂ）から、
近似的に ｎ(Ａ)／ｎ(Ｂ)＝［Ｉ(Ａ)／Ｑ(Ａ）］／［Ｉ(Ｂ)／Ｑ
(Ｂ）］ の式により行われる。膜厚はスパッタ速度をもとに、検
出元素のスパッタ時間に対する深さ方向分布の変化から
見積られる。本技術に関しては、例えば、文献サーフェ
ス アンド インターフェイス アナリシス、１２巻、４
号、１９８０年、頁１４８〜頁１６０（Ｓurf．and Ｉn
terface Ａnal.，１２，Ｎo４，１９８０，pp１４８〜
１６０）に記載されている。
スパッタを併用したＸ線光電子分光法、オージェ電子分
光法などの表面分析法が用いられている。これらの手法
では、Ａrなどの不活性ガスにより試料を表面から順次
スパッタエッチングし、そこでの光電子強度、あるいは
オージェ電子強度の測定結果から組成を求め、試料中元
素の深さ方向分布を得ている。例えば試料中の注目する
元素Ａ，Ｂの組成比ｎ(Ａ)／ｎ(Ｂ）の算出は、理論あ
るいは標準試料の分析結果をもとに求められた相対感度
係数Ｑ(Ａ)，Ｑ(Ｂ）を用いて、測定される光電子強
度、あるいはオージェ電子強度Ｉ(Ａ)，Ｉ(Ｂ）から、
近似的に ｎ(Ａ)／ｎ(Ｂ)＝［Ｉ(Ａ)／Ｑ(Ａ）］／［Ｉ(Ｂ)／Ｑ
(Ｂ）］ の式により行われる。膜厚はスパッタ速度をもとに、検
出元素のスパッタ時間に対する深さ方向分布の変化から
見積られる。本技術に関しては、例えば、文献サーフェ
ス アンド インターフェイス アナリシス、１２巻、４
号、１９８０年、頁１４８〜頁１６０（Ｓurf．and Ｉn
terface Ａnal.，１２，Ｎo４，１９８０，pp１４８〜
１６０）に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の従来技
術による分析方法は原理的に破壊分析であり、しかも、
得られる深さ方向分布に対する分解能は、イオン衝撃の
ため２〜３nｍと悪く、このため、得られた元素の組成
値は、各層の膜厚が薄くなるほど誤差が大きくなってい
た。
術による分析方法は原理的に破壊分析であり、しかも、
得られる深さ方向分布に対する分解能は、イオン衝撃の
ため２〜３nｍと悪く、このため、得られた元素の組成
値は、各層の膜厚が薄くなるほど誤差が大きくなってい
た。
【０００４】ところで近年、半導体デバイスをはじめと
する数多くの電子デバイスでは、用いる材料の薄膜化、
多層化が著しく進んでいる。このため、従来に比べてよ
り高度な薄膜形成技術と共に、形成後の多層薄膜を精度
よく計測、評価できる分析技術が必要になっている。例
えば、Ｓiデバイスでは、多結晶Ｓi，Ｓi酸化膜，Ｓi窒
化膜などが積層されており、しかも、これらの膜厚は数
nｍ程度にまで薄膜化されている。したがって、これら
の素子特性の向上のためには、多層薄膜の膜厚および膜
質を正確に評価し、制御しなければならない。
する数多くの電子デバイスでは、用いる材料の薄膜化、
多層化が著しく進んでいる。このため、従来に比べてよ
り高度な薄膜形成技術と共に、形成後の多層薄膜を精度
よく計測、評価できる分析技術が必要になっている。例
えば、Ｓiデバイスでは、多結晶Ｓi，Ｓi酸化膜，Ｓi窒
化膜などが積層されており、しかも、これらの膜厚は数
nｍ程度にまで薄膜化されている。したがって、これら
の素子特性の向上のためには、多層薄膜の膜厚および膜
質を正確に評価し、制御しなければならない。
【０００５】しかし上記の従来技術では、イオンスパッ
タを併用するため破壊的な分析方法であり、深さ分解能
も低く、しかも定量精度も低いという問題があった。
タを併用するため破壊的な分析方法であり、深さ分解能
も低く、しかも定量精度も低いという問題があった。
【０００６】本発明は上述の課題を解決するためになさ
れたもので、数nｍまで薄膜化した多層薄膜の各層の組
成を、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）を応用して、非破壊
で精度良く計測できる定量分析方法を提供することを目
的とする。
れたもので、数nｍまで薄膜化した多層薄膜の各層の組
成を、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）を応用して、非破壊
で精度良く計測できる定量分析方法を提供することを目
的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は、基板上に形成された多層薄膜に単色のＸ
線の照射を行い、各層から放出される光電子の強度を測
定して、上記光電子強度と各層の膜厚とから、各層の構
成元素の組成比を非破壊的に定量分析するものである。
ただし、ここで上記の多層薄膜各層の構成元素は予め既
知であるものとする。
に、本発明は、基板上に形成された多層薄膜に単色のＸ
線の照射を行い、各層から放出される光電子の強度を測
定して、上記光電子強度と各層の膜厚とから、各層の構
成元素の組成比を非破壊的に定量分析するものである。
ただし、ここで上記の多層薄膜各層の構成元素は予め既
知であるものとする。
【０００８】具体的には、上記多層薄膜のｉ番目の層に
含まれる元素Ａ，Ｂに起因する光電子の強度がＩm(Ｅ
a，ｉ)，Ｉm(Ｅb，ｉ)、各層の膜厚がｄ(１)，ｄ(２)，
…ｄ(ｉ）…であるとき、ｉ番目の層に含まれる元素
Ａ，Ｂの組成比ｎ(ｂ)／ｎ(ａ）を、 ｎ(ｂ)／ｎ(ａ)＝［Ｉm(Ｅb，ｉ)／Ｉm(Ｅa，ｉ）］・［Ｑ(Ｅa)／Ｑ(Ｅb)]・ ｛［１−Ｔ(Ｅa，ｉ）］／［１−Ｔ(Ｅb，ｉ）］｝・｛［Ｔ (Ｅa，ｉ＋１）・Ｔ(Ｅa，ｉ＋２）・…・Ｔ(Ｅa，ｋ)／Ｔ (Ｅb，ｉ＋１）・Ｔ(Ｅb，ｉ＋２）・…・Ｔ(Ｅb，ｋ）］， Ｔ(Ｅa，ｊ)＝exp［−ｄ(ｊ)／(λ(Ｅa，ｊ）・sin
θ）］， Ｔ(Ｅb，ｊ)＝exp［−ｄ(ｊ)／(λ(Ｅb，ｊ）・sin
θ）］， Ｑ(Ｅa)，Ｑ(Ｅb）：元素Ａ，Ｂに起因する光電子ピー
クの相対感度係数、 λ(Ｅ，ｉ）：エネルギーＥの光電子のｉ番目の層での
脱出深さ、 θ：光電子の取り出し角度、 の式を用いて算出する。
含まれる元素Ａ，Ｂに起因する光電子の強度がＩm(Ｅ
a，ｉ)，Ｉm(Ｅb，ｉ)、各層の膜厚がｄ(１)，ｄ(２)，
…ｄ(ｉ）…であるとき、ｉ番目の層に含まれる元素
Ａ，Ｂの組成比ｎ(ｂ)／ｎ(ａ）を、 ｎ(ｂ)／ｎ(ａ)＝［Ｉm(Ｅb，ｉ)／Ｉm(Ｅa，ｉ）］・［Ｑ(Ｅa)／Ｑ(Ｅb)]・ ｛［１−Ｔ(Ｅa，ｉ）］／［１−Ｔ(Ｅb，ｉ）］｝・｛［Ｔ (Ｅa，ｉ＋１）・Ｔ(Ｅa，ｉ＋２）・…・Ｔ(Ｅa，ｋ)／Ｔ (Ｅb，ｉ＋１）・Ｔ(Ｅb，ｉ＋２）・…・Ｔ(Ｅb，ｋ）］， Ｔ(Ｅa，ｊ)＝exp［−ｄ(ｊ)／(λ(Ｅa，ｊ）・sin
θ）］， Ｔ(Ｅb，ｊ)＝exp［−ｄ(ｊ)／(λ(Ｅb，ｊ）・sin
θ）］， Ｑ(Ｅa)，Ｑ(Ｅb）：元素Ａ，Ｂに起因する光電子ピー
クの相対感度係数、 λ(Ｅ，ｉ）：エネルギーＥの光電子のｉ番目の層での
脱出深さ、 θ：光電子の取り出し角度、 の式を用いて算出する。
【０００９】ここで、各層の膜厚は例えばエリプソメト
リ法などの手法によって予め求めておく必要があるが、
各層の構成元素が既知の場合には、次のように、Ｘ線照
射による光電子の強度測定の結果から、各層の膜厚を算
出することもできる。
リ法などの手法によって予め求めておく必要があるが、
各層の構成元素が既知の場合には、次のように、Ｘ線照
射による光電子の強度測定の結果から、各層の膜厚を算
出することもできる。
【００１０】すなわち、まず、基板と１番目の層とから
放出される光電子の強度から１番目層の膜厚を求め、次
に、基板と２番目の層とから放出される光電子の強度と
上記１番目の層の膜厚とから２番目の層の膜厚を求め
る。そして順次、同様の手法を繰り返すことによって、
上記多層薄膜の全ての層の膜厚を求めることができる。
放出される光電子の強度から１番目層の膜厚を求め、次
に、基板と２番目の層とから放出される光電子の強度と
上記１番目の層の膜厚とから２番目の層の膜厚を求め
る。そして順次、同様の手法を繰り返すことによって、
上記多層薄膜の全ての層の膜厚を求めることができる。
【００１１】一方、エリプソメトリ法で多層薄膜各層の
膜厚を測定する場合、各層の構成元素から各薄膜の標準
的な光屈折率を仮定して膜厚の決定を行うが、一度、上
記の膜厚を用いて各層構成元素の組成比を求め、しかる
後に、上記の組成比から各薄膜の光屈折率に補正を加え
て再度膜厚の算出をし直し、この新しい膜厚を用いて、
各薄膜の構成元素の組成比をより高精度に求める。
膜厚を測定する場合、各層の構成元素から各薄膜の標準
的な光屈折率を仮定して膜厚の決定を行うが、一度、上
記の膜厚を用いて各層構成元素の組成比を求め、しかる
後に、上記の組成比から各薄膜の光屈折率に補正を加え
て再度膜厚の算出をし直し、この新しい膜厚を用いて、
各薄膜の構成元素の組成比をより高精度に求める。
【００１２】また、上記の光電子の強度測定において、
多層薄膜の各層から放出される光電子を種々の異なる取
り出し角度で測定し、これらのデータを総合的に評価す
ることによって、より信頼性の高い結果を得ることがで
きる。
多層薄膜の各層から放出される光電子を種々の異なる取
り出し角度で測定し、これらのデータを総合的に評価す
ることによって、より信頼性の高い結果を得ることがで
きる。
【００１３】
【作用】この多層薄膜の非破壊定量分析方法では、Ｘ線
光電子分光法（ＸＰＳ）の原理を用いている。
光電子分光法（ＸＰＳ）の原理を用いている。
【００１４】一般に固体試料にエネルギーの定まったＸ
線を照射した場合、光電効果により、試料から各構成元
素に対応する固有の運動エネルギーを持った光電子が放
出される。ＸＰＳでは、この光電子のエネルギー分析を
行って各光電子の強度分布を測定することにより、試料
表面の定量分析を行っている。
線を照射した場合、光電効果により、試料から各構成元
素に対応する固有の運動エネルギーを持った光電子が放
出される。ＸＰＳでは、この光電子のエネルギー分析を
行って各光電子の強度分布を測定することにより、試料
表面の定量分析を行っている。
【００１５】いま、基板上に作成された薄膜試料の場
合、薄膜の構成元素Ａに対応する光電子のエネルギーを
Ｅaとすると、ＸＰＳにより測定される光電子強度Ｉm
(Ｅa）は、薄膜で発生する光電子の全強度を１０(Ｅ
a)、分析装置全体の透過率をＳ(Ｅa）として、 Ｉm(Ｅa)＝１０(Ｅa)・Ｓ(Ｅa） （１） Ｉ０(Ｅa)＝ｎ(ａ)・Ｘ・σ(Ｅa)・λ(Ｅa)・sinθ・{１−exp［−ｄ／λ (Ｅa)・sinθ］｝ （２） で表される。ここで、ｎ(ａ）は注目する構成元素Ａの
濃度、Ｘは入射Ｘ線の強度、σは光イオン化断面積、λ
は光電子の脱出深さ、θは光電子の取り出し角度、ｄは
薄膜の膜厚である。このうち、Ｓとσは光電子のエネル
ギーによって決まる定数であり、λも光電子のエネルギ
ーと物質によって決まる定数である。Ｘ，θは測定条件
により定まる。すなわち、測定される光電子強度Ｉm(Ｅ
a）はその注目した元素の濃度ｎ(ａ）に比例している。
合、薄膜の構成元素Ａに対応する光電子のエネルギーを
Ｅaとすると、ＸＰＳにより測定される光電子強度Ｉm
(Ｅa）は、薄膜で発生する光電子の全強度を１０(Ｅ
a)、分析装置全体の透過率をＳ(Ｅa）として、 Ｉm(Ｅa)＝１０(Ｅa)・Ｓ(Ｅa） （１） Ｉ０(Ｅa)＝ｎ(ａ)・Ｘ・σ(Ｅa)・λ(Ｅa)・sinθ・{１−exp［−ｄ／λ (Ｅa)・sinθ］｝ （２） で表される。ここで、ｎ(ａ）は注目する構成元素Ａの
濃度、Ｘは入射Ｘ線の強度、σは光イオン化断面積、λ
は光電子の脱出深さ、θは光電子の取り出し角度、ｄは
薄膜の膜厚である。このうち、Ｓとσは光電子のエネル
ギーによって決まる定数であり、λも光電子のエネルギ
ーと物質によって決まる定数である。Ｘ，θは測定条件
により定まる。すなわち、測定される光電子強度Ｉm(Ｅ
a）はその注目した元素の濃度ｎ(ａ）に比例している。
【００１６】さらに、この薄膜の上に異なる膜が積層さ
れた場合を考える。基板側から１番目の層、２番目の層
とすると、１番目の層で発生した光電子は表面に到達す
るまでの間に２番目の層を通り抜けなければならない。
この時、一部の光電子は非弾性散乱などによりそのエネ
ルギーを失うため、実際に測定される１番目の層に起因
するエネルギーＥaの光電子の強度Ｉm(Ｅa，１）は、 Ｉm(Ｅa，１)＝Ｉ０(Ｅa，１)・Ｔ(Ｅa，２)・Ｓ(Ｅa） となる。ここで、Ｔ(Ｅ，ｊ）はエネルギーＥの光電子
のｊ番目の層の透過率である。また、２番目の層で発生
した光電子はそのまま真空中に放出されるので、 Ｉm(Ｅa，２)＝Ｉ０(Ｅa，２)・Ｓ(Ｅa） となる。
れた場合を考える。基板側から１番目の層、２番目の層
とすると、１番目の層で発生した光電子は表面に到達す
るまでの間に２番目の層を通り抜けなければならない。
この時、一部の光電子は非弾性散乱などによりそのエネ
ルギーを失うため、実際に測定される１番目の層に起因
するエネルギーＥaの光電子の強度Ｉm(Ｅa，１）は、 Ｉm(Ｅa，１)＝Ｉ０(Ｅa，１)・Ｔ(Ｅa，２)・Ｓ(Ｅa） となる。ここで、Ｔ(Ｅ，ｊ）はエネルギーＥの光電子
のｊ番目の層の透過率である。また、２番目の層で発生
した光電子はそのまま真空中に放出されるので、 Ｉm(Ｅa，２)＝Ｉ０(Ｅa，２)・Ｓ(Ｅa） となる。
【００１７】さらに膜が３層になった場合には、基板側
の１番目の層で発生した光電子は二つの層を通り抜けな
ければならず、実際に測定される光電子の強度Ｉm(Ｅ
a，１）は、 Ｉm(Ｅa，１)＝Ｉ０(Ｅa，１)・Ｔ(Ｅa，２)・Ｔ(Ｅa，
３)・Ｓ(Ｅa） となり、２番目の層、３番目の層に起因する光電子強度
はそれぞれ Ｉm(Ｅa，２)＝Ｉ０(Ｅa，２)・Ｔ(Ｅa，３)・Ｓ(Ｅa） Ｉm(Ｅa，３)＝Ｉ０(Ｅa，３)・Ｓ(Ｅa） となる。
の１番目の層で発生した光電子は二つの層を通り抜けな
ければならず、実際に測定される光電子の強度Ｉm(Ｅ
a，１）は、 Ｉm(Ｅa，１)＝Ｉ０(Ｅa，１)・Ｔ(Ｅa，２)・Ｔ(Ｅa，
３)・Ｓ(Ｅa） となり、２番目の層、３番目の層に起因する光電子強度
はそれぞれ Ｉm(Ｅa，２)＝Ｉ０(Ｅa，２)・Ｔ(Ｅa，３)・Ｓ(Ｅa） Ｉm(Ｅa，３)＝Ｉ０(Ｅa，３)・Ｓ(Ｅa） となる。
【００１８】同様に考えると、基板上に形成されたｋ層
からなる多層薄膜試料では、ＸＰＳにより測定されるｉ
番目の層の構成元素Ａに対応する光電子強度Ｉm(Ｅa，
ｉ）は、 Ｉm(Ｅa，ｉ)＝Ｉ０(Ｅa，ｉ)・Ｔ(Ｅa，ｉ＋１)・Ｔ(Ｅa，ｉ＋２)・…・ Ｔ(Ｅa，ｋ)・Ｓ(Ｅａ） （３） により表されることになる。
からなる多層薄膜試料では、ＸＰＳにより測定されるｉ
番目の層の構成元素Ａに対応する光電子強度Ｉm(Ｅa，
ｉ）は、 Ｉm(Ｅa，ｉ)＝Ｉ０(Ｅa，ｉ)・Ｔ(Ｅa，ｉ＋１)・Ｔ(Ｅa，ｉ＋２)・…・ Ｔ(Ｅa，ｋ)・Ｓ(Ｅａ） （３） により表されることになる。
【００１９】ところで、ｊ番目の層でのエネルギーＥa
の光電子の透過率Ｔ(Ｅa，ｊ）は、ｊ番目の層の膜厚ｄ
(ｊ）と光電子脱出深さλ(Ｅa，ｊ）とを用いて、 Ｔ(Ｅa，ｊ)＝exp［−ｄ(ｊ)／λ(Ｅa，ｊ)・sinθ］ （４） で表される。従って、各層から放出される光電子強度の
測定結果Ｉmと、各層の膜厚を用いて、各層に含まれる
元素の組成比を決定することができる。
の光電子の透過率Ｔ(Ｅa，ｊ）は、ｊ番目の層の膜厚ｄ
(ｊ）と光電子脱出深さλ(Ｅa，ｊ）とを用いて、 Ｔ(Ｅa，ｊ)＝exp［−ｄ(ｊ)／λ(Ｅa，ｊ)・sinθ］ （４） で表される。従って、各層から放出される光電子強度の
測定結果Ｉmと、各層の膜厚を用いて、各層に含まれる
元素の組成比を決定することができる。
【００２０】実際に組成比を決定する際には以下の手順
で行う。基板上に形成されたｋ層からなる多層薄膜試料
中のｉ番目の層の構成元素がＡ及びＢであったとする。
元素Ａ，Ｂに対応する光電子ピークのエネルギーをそれ
ぞれＥa，Ｅbとすると、組成比ｎ(ｂ)／ｎ(ａ）は、
（３）式及び（２）式から、 ｎ(ｂ)／ｎ(ａ)＝［Ｉm(Ｅb，ｉ)／Ｉm(Ｅa，ｉ）］・［Ｑ(Ｅa)／Ｑ(Ｅb)]・ ｛［１−Ｔ(Ｅa，ｉ）］／［１−Ｔ(Ｅb，ｉ）］｝・｛［Ｔ (Ｅa，ｉ＋１）・Ｔ(Ｅa，ｉ＋２）・…・Ｔ(Ｅa，ｋ)／Ｔ (Ｅb，ｉ＋１）・Ｔ(Ｅb，ｉ＋２）・…・Ｔ(Ｅb，ｋ)］， （５） Ｔ(Ｅa，ｊ)＝exp［−ｄ(ｊ)／(λ(Ｅa，ｊ）・sin
θ）］， Ｔ(Ｅb，ｊ)＝exp［−ｄ(ｊ)／(λ(Ｅb，ｊ）・sin
θ）］， Ｑ(Ｅa)＝σ(Ｅa)×λ(Ｅa，ｉ)×Ｓ(Ｅa）：光電子ピ
ークａの相対感度係数， Ｑ(Ｅb)＝σ(Ｅb)×λ(Ｅb，ｉ)×Ｓ(Ｅb）：光電子ピ
ークｂの相対感度係数， となる。
で行う。基板上に形成されたｋ層からなる多層薄膜試料
中のｉ番目の層の構成元素がＡ及びＢであったとする。
元素Ａ，Ｂに対応する光電子ピークのエネルギーをそれ
ぞれＥa，Ｅbとすると、組成比ｎ(ｂ)／ｎ(ａ）は、
（３）式及び（２）式から、 ｎ(ｂ)／ｎ(ａ)＝［Ｉm(Ｅb，ｉ)／Ｉm(Ｅa，ｉ）］・［Ｑ(Ｅa)／Ｑ(Ｅb)]・ ｛［１−Ｔ(Ｅa，ｉ）］／［１−Ｔ(Ｅb，ｉ）］｝・｛［Ｔ (Ｅa，ｉ＋１）・Ｔ(Ｅa，ｉ＋２）・…・Ｔ(Ｅa，ｋ)／Ｔ (Ｅb，ｉ＋１）・Ｔ(Ｅb，ｉ＋２）・…・Ｔ(Ｅb，ｋ)］， （５） Ｔ(Ｅa，ｊ)＝exp［−ｄ(ｊ)／(λ(Ｅa，ｊ）・sin
θ）］， Ｔ(Ｅb，ｊ)＝exp［−ｄ(ｊ)／(λ(Ｅb，ｊ）・sin
θ）］， Ｑ(Ｅa)＝σ(Ｅa)×λ(Ｅa，ｉ)×Ｓ(Ｅa）：光電子ピ
ークａの相対感度係数， Ｑ(Ｅb)＝σ(Ｅb)×λ(Ｅb，ｉ)×Ｓ(Ｅb）：光電子ピ
ークｂの相対感度係数， となる。
【００２１】つまり、まず、多層薄膜中の各層の構成元
素に対応する各光電子ピークを測定し、その強度Ｉmを
求める。次に、注目する層の構成元素に対応する光電子
強度の比をとり、相対感度係数と脱出深さ、および各層
の膜厚を用いて、（５）式により組成比を計算すること
ができる。
素に対応する各光電子ピークを測定し、その強度Ｉmを
求める。次に、注目する層の構成元素に対応する光電子
強度の比をとり、相対感度係数と脱出深さ、および各層
の膜厚を用いて、（５）式により組成比を計算すること
ができる。
【００２２】一般に、多層薄膜の各層の膜厚は、エリプ
ソメトリ法などによって計測されるが、次に述べるよう
に、光電子強度の測定からも求めることができる。
ソメトリ法などによって計測されるが、次に述べるよう
に、光電子強度の測定からも求めることができる。
【００２３】いま、基板上に形成されたｋ層からなる多
層薄膜試料において、基板に起因するエネルギーＥsの
光電子ピークの強度Ｉm(Ｅs，０）は、（３）式と同様
に、 Ｉm(Ｅs，０)＝Ｉ０(Ｅs，０)・Ｔ(Ｅs，１)・Ｔ(Ｅs，２)・…・Ｔ(Ｅs，ｋ) ・Ｓ(Ｅs）， （６） Ｉ０(Ｅs，０)＝ｎ(ｓ)・Ｘ・σ(Ｅs)・λ(Ｅs，０)・s
inθ， で表される。
層薄膜試料において、基板に起因するエネルギーＥsの
光電子ピークの強度Ｉm(Ｅs，０）は、（３）式と同様
に、 Ｉm(Ｅs，０)＝Ｉ０(Ｅs，０)・Ｔ(Ｅs，１)・Ｔ(Ｅs，２)・…・Ｔ(Ｅs，ｋ) ・Ｓ(Ｅs）， （６） Ｉ０(Ｅs，０)＝ｎ(ｓ)・Ｘ・σ(Ｅs)・λ(Ｅs，０)・s
inθ， で表される。
【００２４】ここで、まず、１番目の層について考え
る。１番目の層に起因する光電子ピークとして、そのエ
ネルギーＥaがＥsに近いものを選ぶことができれば、Ｔ
(Ｅa，ｊ)≒Ｔ(Ｅs，ｊ)，Ｓ(Ｅa)≒Ｓ(Ｅs）となるの
で、（２)，（４)，（６）式から １／Ｔ(Ｅs，1)＝［Ｉm(Ｅa，１)／Ｉm(Ｅs，０）］・
［１／Ｒ(ａ，１）］＋１， Ｔ(Ｅs，１)＝exp［−ｄ(１)／（λ（Ｅs，１)・sin
θ）]， ここで、Ｒ(ａ，ｉ)＝［ｎ(ａ)・σ(Ｅa)・λ(Ｅa，
ｉ）］／［ｎ(ｓ)・σ(Ｅs)・λ(Ｅs，０）］， となる。従って、基板と１番目の層から放出される光電
子強度の測定結果Ｉm(Ｅs，０)，Ｉm(Ｅa，１）を用い
てＴ(Ｅs，１）を、そして１番目の層の膜厚ｄ(１)を求
めることが出来る。
る。１番目の層に起因する光電子ピークとして、そのエ
ネルギーＥaがＥsに近いものを選ぶことができれば、Ｔ
(Ｅa，ｊ)≒Ｔ(Ｅs，ｊ)，Ｓ(Ｅa)≒Ｓ(Ｅs）となるの
で、（２)，（４)，（６）式から １／Ｔ(Ｅs，1)＝［Ｉm(Ｅa，１)／Ｉm(Ｅs，０）］・
［１／Ｒ(ａ，１）］＋１， Ｔ(Ｅs，１)＝exp［−ｄ(１)／（λ（Ｅs，１)・sin
θ）]， ここで、Ｒ(ａ，ｉ)＝［ｎ(ａ)・σ(Ｅa)・λ(Ｅa，
ｉ）］／［ｎ(ｓ)・σ(Ｅs)・λ(Ｅs，０）］， となる。従って、基板と１番目の層から放出される光電
子強度の測定結果Ｉm(Ｅs，０)，Ｉm(Ｅa，１）を用い
てＴ(Ｅs，１）を、そして１番目の層の膜厚ｄ(１)を求
めることが出来る。
【００２５】次に、２番目の層についても同様に、２番
目の層に起因する光電子ピークとして、そのエネルギー
ＥaがＥsに近いものを選ぶことが出来れば、 １／Ｔ(Ｅs，２)＝［Ｉm(Ｅa，２)／Ｉm(Ｅs，０）］・
［１／Ｒ(ａ，２）］・Ｔ(Ｅs，１)＋１， Ｔ(Ｅs，２)＝exp［−ｄ(２)／（λ（Ｅs，２)・sin
θ）]， となるので、基板と２層目の層から放出される光電子強
度の測定結果Ｉm(Ｅs，０)，Ｉm(Ｅa，２)、及び先の計
算結果Ｔ(Ｅs，１）を用いて、２番目の層の膜厚ｄ
(２）を求めることが出来る。さらに上記過程を繰り返
すことにより全ての層の膜厚を決定することが出来る。
目の層に起因する光電子ピークとして、そのエネルギー
ＥaがＥsに近いものを選ぶことが出来れば、 １／Ｔ(Ｅs，２)＝［Ｉm(Ｅa，２)／Ｉm(Ｅs，０）］・
［１／Ｒ(ａ，２）］・Ｔ(Ｅs，１)＋１， Ｔ(Ｅs，２)＝exp［−ｄ(２)／（λ（Ｅs，２)・sin
θ）]， となるので、基板と２層目の層から放出される光電子強
度の測定結果Ｉm(Ｅs，０)，Ｉm(Ｅa，２)、及び先の計
算結果Ｔ(Ｅs，１）を用いて、２番目の層の膜厚ｄ
(２）を求めることが出来る。さらに上記過程を繰り返
すことにより全ての層の膜厚を決定することが出来る。
【００２６】一方、エリプソメトリ法を用いて多層薄膜
の膜厚を求める場合には、すでに述べたように、まず最
初は薄膜の組成を標準的なものとみなし、その光屈折率
を仮定して膜厚を求めるが、薄膜の光屈折率は構成元素
の僅かな組成の違いによっても異なってくるので、組成
比の算出と、新しい光屈折率による膜厚の算出とを交互
に繰り返し、次第に精度の高いものにしてゆく必要があ
る。
の膜厚を求める場合には、すでに述べたように、まず最
初は薄膜の組成を標準的なものとみなし、その光屈折率
を仮定して膜厚を求めるが、薄膜の光屈折率は構成元素
の僅かな組成の違いによっても異なってくるので、組成
比の算出と、新しい光屈折率による膜厚の算出とを交互
に繰り返し、次第に精度の高いものにしてゆく必要があ
る。
【００２７】また、光電子の強度測定の場合、光電子の
取り出し角度によって多層薄膜の各層から検出される光
電子の強度が異なるので、測定値の信頼性を増すために
も、複数の異なった取り出し角度で測定を行うことが望
ましい。一般に取り出し角度を小さくすると、取り出せ
る光電子の深さは浅くなるので、取り出し角度を変える
ことにより、多層薄膜中の各層の上下関係を明らかにす
ることができる。
取り出し角度によって多層薄膜の各層から検出される光
電子の強度が異なるので、測定値の信頼性を増すために
も、複数の異なった取り出し角度で測定を行うことが望
ましい。一般に取り出し角度を小さくすると、取り出せ
る光電子の深さは浅くなるので、取り出し角度を変える
ことにより、多層薄膜中の各層の上下関係を明らかにす
ることができる。
【００２８】
（実施例１）以下、本発明に係る一実施例を図１〜図４
により説明する。
により説明する。
【００２９】図１は本発明方法で用いた測定系の概略図
である。試料は、Ｓi基板１とその上に形成されたＳi酸
化膜２とＳi窒化膜３とから成っている。４はＸ線源、
５はＸ線、６及び７，８は基板１及び酸化膜２、窒化膜
３から放出された２次的電子（光電子）のうち電子エネ
ルギー分析器１１に入射する電子の軌道、θは試料の表
面接線方向と電子軌道とのなす角度で、１０は静電レン
ズ、１１は電子エネルギー分析器、１２は電子検出器、
１３は記録装置、１４はデータ処理装置である。試料
は、ｐ型Ｓi(１００）基板１に水蒸気中１０００℃で熱
酸化膜２を形成後、ＣＶＤ法（７７０℃、０.２Ｔorr，
ＳiＨ2Ｃl2／ＮＨ3＝１０／２５０sccm）によりＳi窒化
膜３を形成して作成された。Ｘ線源４にはＭgを用い、
入射Ｘ線５としてＭgの特性Ｘ線であるＭgＫα線（１１
５４eＶ）が用いられた。図２は本発明方法の手順を示
すフローチャートである。
である。試料は、Ｓi基板１とその上に形成されたＳi酸
化膜２とＳi窒化膜３とから成っている。４はＸ線源、
５はＸ線、６及び７，８は基板１及び酸化膜２、窒化膜
３から放出された２次的電子（光電子）のうち電子エネ
ルギー分析器１１に入射する電子の軌道、θは試料の表
面接線方向と電子軌道とのなす角度で、１０は静電レン
ズ、１１は電子エネルギー分析器、１２は電子検出器、
１３は記録装置、１４はデータ処理装置である。試料
は、ｐ型Ｓi(１００）基板１に水蒸気中１０００℃で熱
酸化膜２を形成後、ＣＶＤ法（７７０℃、０.２Ｔorr，
ＳiＨ2Ｃl2／ＮＨ3＝１０／２５０sccm）によりＳi窒化
膜３を形成して作成された。Ｘ線源４にはＭgを用い、
入射Ｘ線５としてＭgの特性Ｘ線であるＭgＫα線（１１
５４eＶ）が用いられた。図２は本発明方法の手順を示
すフローチャートである。
【００３０】まず、Ｘ線５をプローブとして試料に入射
する。試料の基板１及びＳi酸化膜２，Ｓi窒化膜３にお
いて励起され表面から角度θで放出された光電子を、静
電レンズ１０及び電子エネルギー分析器１１によってエ
ネルギー分析して電子検出器１２で検出し、記録装置１
３に記録する。図３は、このようにして上記試料をθ＝
９０°で分析して得られた光電子のエネルギースペクト
ルの例で、（ａ）はＳi２ｐスペクトル、（ｂ）はＯ１s
スペクトル、（ｃ）はＮ１sスペクトルである。そし
て、これらの光電子のエネルギースペクトルから、デー
タ処理装置１４を用いてＳi基板１からのＳi２ｐピーク
強度Ｉm(Ｓi２ｐ，基板)、及びＳi酸化膜２からのＳi２
ｐピーク強度Ｉm(Ｓi２ｐ，酸化膜）とＯ１sピーク強度
Ｉm(Ｏ１s，酸化膜）Ｓi窒化膜３からのＳi２ｐのピー
ク強度Ｉm(Ｓi２ｐ窒化膜）とＮ１sピーク強度Ｉm(Ｎ１
s，窒化膜）を求める。この時、Ｓi基板１、及びＳi酸
化膜２，Ｓi窒化膜３からの３種のＳi２ｐピークは図３
（ａ）にあるように一部重なりあって検出されるので、
ピーク分離処理により図４に示すように分離して各々の
強度を求める。その結果、各ピークの面積強度は任意単
位で、Ｉm(Ｓi２ｐ，基板)＝２３２３，Ｉm(Ｓi２ｐ，
酸化膜)＝４０２６，Ｉm(Ｏ１s，酸化膜)＝２７８２
８，Ｉm(Ｓi２ｐ，窒化膜)＝４１４６，Ｉm(Ｎ１s，窒
化膜)＝９９２０であった。
する。試料の基板１及びＳi酸化膜２，Ｓi窒化膜３にお
いて励起され表面から角度θで放出された光電子を、静
電レンズ１０及び電子エネルギー分析器１１によってエ
ネルギー分析して電子検出器１２で検出し、記録装置１
３に記録する。図３は、このようにして上記試料をθ＝
９０°で分析して得られた光電子のエネルギースペクト
ルの例で、（ａ）はＳi２ｐスペクトル、（ｂ）はＯ１s
スペクトル、（ｃ）はＮ１sスペクトルである。そし
て、これらの光電子のエネルギースペクトルから、デー
タ処理装置１４を用いてＳi基板１からのＳi２ｐピーク
強度Ｉm(Ｓi２ｐ，基板)、及びＳi酸化膜２からのＳi２
ｐピーク強度Ｉm(Ｓi２ｐ，酸化膜）とＯ１sピーク強度
Ｉm(Ｏ１s，酸化膜）Ｓi窒化膜３からのＳi２ｐのピー
ク強度Ｉm(Ｓi２ｐ窒化膜）とＮ１sピーク強度Ｉm(Ｎ１
s，窒化膜）を求める。この時、Ｓi基板１、及びＳi酸
化膜２，Ｓi窒化膜３からの３種のＳi２ｐピークは図３
（ａ）にあるように一部重なりあって検出されるので、
ピーク分離処理により図４に示すように分離して各々の
強度を求める。その結果、各ピークの面積強度は任意単
位で、Ｉm(Ｓi２ｐ，基板)＝２３２３，Ｉm(Ｓi２ｐ，
酸化膜)＝４０２６，Ｉm(Ｏ１s，酸化膜)＝２７８２
８，Ｉm(Ｓi２ｐ，窒化膜)＝４１４６，Ｉm(Ｎ１s，窒
化膜)＝９９２０であった。
【００３１】ここでまず、このＸＰＳの測定結果のみを
用いて各層の膜厚を求める。基板１，酸化膜２，窒化膜
３にそれぞれ起因する３種類のＳi２ｐ光電子ピークを
用いれば、そのエネルギーは近いので膜厚を求めること
が出来る。初めに、 １／Ｔ(Ｓi２ｐ，酸化膜)＝［Ｉm(Ｓi２ｐ，酸化膜)／
Ｉm(Ｓi２ｐ，基板）］×［１／Ｒ(Ｓi，酸化膜）］＋
１， Ｒ(Ｓi，酸化膜)＝０.６６， に、上記の数値を代入して１／Ｔ(Ｓi２ｐ，酸化膜）を
求めると、３.６３となる。続いて、 Ｔ(Ｓi２ｐ，酸化膜)＝exp［−ｄ(酸化膜)／λ(Ｓi２
ｐ，酸化膜)・sinθ)]， の関係を用いて、λ(Ｓi２ｐ，酸化膜)＝２.８nｍとす
ると、Ｓi酸化膜の膜厚ｄ(酸化膜）は、３.６nｍと算定
される。次に、 １／Ｔ(Ｓi２ｐ，窒化膜)＝［Ｉm(Ｓi２ｐ，窒化膜)／
Ｉm(Ｓi２ｐ，基板）］×［１／Ｒ(Ｓi，窒化膜）］×
Ｔ(Ｓi２ｐ，酸化膜)＋１， Ｒ(Ｓi，窒化膜)＝０.６８， に、上記の数値を代入して１／Ｔ(Ｓi２ｐ，窒化膜）を
求めると、１.７２となる。続いて、 Ｔ(Ｓi２ｐ，窒化膜)＝exp［−ｄ(窒化膜)／λ(Ｓi２
ｐ，窒化膜)・sinθ)] の関係を用いて、λ(Ｓi２ｐ，窒化膜)＝２.６nｍとす
ると、Ｓi窒化膜の膜厚ｄ(窒化膜）は、１.４nｍと算定
される。
用いて各層の膜厚を求める。基板１，酸化膜２，窒化膜
３にそれぞれ起因する３種類のＳi２ｐ光電子ピークを
用いれば、そのエネルギーは近いので膜厚を求めること
が出来る。初めに、 １／Ｔ(Ｓi２ｐ，酸化膜)＝［Ｉm(Ｓi２ｐ，酸化膜)／
Ｉm(Ｓi２ｐ，基板）］×［１／Ｒ(Ｓi，酸化膜）］＋
１， Ｒ(Ｓi，酸化膜)＝０.６６， に、上記の数値を代入して１／Ｔ(Ｓi２ｐ，酸化膜）を
求めると、３.６３となる。続いて、 Ｔ(Ｓi２ｐ，酸化膜)＝exp［−ｄ(酸化膜)／λ(Ｓi２
ｐ，酸化膜)・sinθ)]， の関係を用いて、λ(Ｓi２ｐ，酸化膜)＝２.８nｍとす
ると、Ｓi酸化膜の膜厚ｄ(酸化膜）は、３.６nｍと算定
される。次に、 １／Ｔ(Ｓi２ｐ，窒化膜)＝［Ｉm(Ｓi２ｐ，窒化膜)／
Ｉm(Ｓi２ｐ，基板）］×［１／Ｒ(Ｓi，窒化膜）］×
Ｔ(Ｓi２ｐ，酸化膜)＋１， Ｒ(Ｓi，窒化膜)＝０.６８， に、上記の数値を代入して１／Ｔ(Ｓi２ｐ，窒化膜）を
求めると、１.７２となる。続いて、 Ｔ(Ｓi２ｐ，窒化膜)＝exp［−ｄ(窒化膜)／λ(Ｓi２
ｐ，窒化膜)・sinθ)] の関係を用いて、λ(Ｓi２ｐ，窒化膜)＝２.６nｍとす
ると、Ｓi窒化膜の膜厚ｄ(窒化膜）は、１.４nｍと算定
される。
【００３２】次に、Ｓi窒化膜の組成比を求める。式 ｎ(Ｎ)／ｎ(Ｓi)＝［Ｉm(Ｎ１s，窒化膜)／Ｉm(Ｓi２
ｐ，窒化膜)]・[Ｑ（Ｓi２ｐ)／Ｑ(Ｎ１s）］・｛［１
−Ｔ(Ｓi２ｐ，窒化膜)]／[１−Ｔ(Ｎ１s，窒化
膜）］｝， Ｔ(Ｎ１s，窒化膜)＝exp［−ｄ(窒化膜)／λ(Ｎ１s，窒
化膜)・sinθ）］， に、上記の各数値とＱ（Ｓi２ｐ)／Ｑ(Ｎ１s)＝１／１.
７，λ(Ｎ１s，窒化膜)＝２.１nｍを代入して算定する
と、Ｓi窒化膜の組成比ｎ(Ｎ)／ｎ(Ｓi）は、１.２とな
った。
ｐ，窒化膜)]・[Ｑ（Ｓi２ｐ)／Ｑ(Ｎ１s）］・｛［１
−Ｔ(Ｓi２ｐ，窒化膜)]／[１−Ｔ(Ｎ１s，窒化
膜）］｝， Ｔ(Ｎ１s，窒化膜)＝exp［−ｄ(窒化膜)／λ(Ｎ１s，窒
化膜)・sinθ）］， に、上記の各数値とＱ（Ｓi２ｐ)／Ｑ(Ｎ１s)＝１／１.
７，λ(Ｎ１s，窒化膜)＝２.１nｍを代入して算定する
と、Ｓi窒化膜の組成比ｎ(Ｎ)／ｎ(Ｓi）は、１.２とな
った。
【００３３】さらに、Ｓi酸化膜の組成比ｎ(Ｏ)／ｎ(Ｓ
i）は、式 ｎ(Ｏ)／ｎ(Ｓi)＝［Ｉm(Ｏ１s，酸化膜)／Ｉm(Ｓi２
ｐ，酸化膜)]・[Ｑ（Ｓi２ｐ)／Ｑ(Ｏ１s）］・｛［１
−Ｔ(Ｓi２ｐ，酸化膜)]／［１−Ｔ(Ｏ１s，酸化
膜）］}・[Ｔ(Ｓi２ｐ，窒化膜)／Ｔ(Ｏ１s，窒化
膜）］， Ｔ(Ｏ１s，酸化膜)＝exp［−ｄ(酸化膜)／λ(Ｏ１s，酸
化膜)・sinθ）］， Ｔ(Ｏ１s，窒化膜)＝exp［−ｄ(窒化膜)／λ(Ｏ１s，窒
化膜)・sinθ）］， に、上記の各数値とＱ(Ｓi２ｐ)／Ｑ(Ｏ１s)＝１／３.
０，λ(Ｏ１s，酸化膜)＝１.９nｍ，λ(Ｏ１s，窒化膜)
＝１.８nｍを代入して算定すると、２.３となった。
i）は、式 ｎ(Ｏ)／ｎ(Ｓi)＝［Ｉm(Ｏ１s，酸化膜)／Ｉm(Ｓi２
ｐ，酸化膜)]・[Ｑ（Ｓi２ｐ)／Ｑ(Ｏ１s）］・｛［１
−Ｔ(Ｓi２ｐ，酸化膜)]／［１−Ｔ(Ｏ１s，酸化
膜）］}・[Ｔ(Ｓi２ｐ，窒化膜)／Ｔ(Ｏ１s，窒化
膜）］， Ｔ(Ｏ１s，酸化膜)＝exp［−ｄ(酸化膜)／λ(Ｏ１s，酸
化膜)・sinθ）］， Ｔ(Ｏ１s，窒化膜)＝exp［−ｄ(窒化膜)／λ(Ｏ１s，窒
化膜)・sinθ）］， に、上記の各数値とＱ(Ｓi２ｐ)／Ｑ(Ｏ１s)＝１／３.
０，λ(Ｏ１s，酸化膜)＝１.９nｍ，λ(Ｏ１s，窒化膜)
＝１.８nｍを代入して算定すると、２.３となった。
【００３４】ここで本実施例では、相対感度係数Ｒ、定
数Ｑは、膜厚》λのＳi酸化単層膜、Ｓi窒化単層膜、お
よび基板のみの試料を標準試料として、実験的に求め
た。また、脱出深さλは、膜厚が既知のＳi酸化単層膜
の測定結果と理論とを組み合わせて決定した。ただし、
Ｒ，Ｑ，λについては理論値を用いることも可能であ
る。
数Ｑは、膜厚》λのＳi酸化単層膜、Ｓi窒化単層膜、お
よび基板のみの試料を標準試料として、実験的に求め
た。また、脱出深さλは、膜厚が既知のＳi酸化単層膜
の測定結果と理論とを組み合わせて決定した。ただし、
Ｒ，Ｑ，λについては理論値を用いることも可能であ
る。
【００３５】さらに、光電子の取り出し角度θを変化さ
せてそれぞれの光電子強度を測定すれば、各角度につい
て膜厚と組成比を算出できるので、得られた値の平均値
を取ることによって、より精度と信頼性の高い結果が得
られる。
せてそれぞれの光電子強度を測定すれば、各角度につい
て膜厚と組成比を算出できるので、得られた値の平均値
を取ることによって、より精度と信頼性の高い結果が得
られる。
【００３６】以上のように、基板上に形成された複数の
層からなり、各層を構成する元素が既知である薄膜にお
いて、Ｘ線照射により各層から放出される光電子の強度
測定から、各層に含まれる元素の膜厚と組成比を非破壊
で同時に求めることができた。
層からなり、各層を構成する元素が既知である薄膜にお
いて、Ｘ線照射により各層から放出される光電子の強度
測定から、各層に含まれる元素の膜厚と組成比を非破壊
で同時に求めることができた。
【００３７】（実施例２）以下、本発明に係る別の実施
例を図５、図６により説明する。
例を図５、図６により説明する。
【００３８】図５は本発明方法を適用する多層膜試料を
示す試料断面図である。試料は、Ｓi基板１５とその上
に形成されたＳi窒化膜１６とＴa酸化膜１７とから成っ
ている。図６は本発明方法の手順を示すフローチャート
である。まず、Ｓi窒化膜１６及びＴa酸化膜１７の膜厚
は、エリプソメトリ法により、それぞれ２nｍ及び３nｍ
と求められた。
示す試料断面図である。試料は、Ｓi基板１５とその上
に形成されたＳi窒化膜１６とＴa酸化膜１７とから成っ
ている。図６は本発明方法の手順を示すフローチャート
である。まず、Ｓi窒化膜１６及びＴa酸化膜１７の膜厚
は、エリプソメトリ法により、それぞれ２nｍ及び３nｍ
と求められた。
【００３９】次に、実施例１と同様にＭgＫα線（１１
５４eＶ）をプローブとして試料に入射し、試料の表面
から角度θで放出された光電子を電子エネルギー分析器
によってエネルギー分析し、検出した。このようにして
試料を角度θ＝９０°で分析して、Ｔa４ｆスペクト
ル、Ｏ１sスペクトル、Ｓi２ｐスペクトル、Ｎ１sスペ
クトルを測定する。そして、これらの光電子のエネルギ
ースペクトルから、Ｔa酸化膜１７からのＴa４ｆピーク
強度Ｉm(Ｔa４ｆ，Ｔa酸化膜）とＯ１sピーク強度Ｉm
(Ｏ１s，Ｔa酸化膜)、及びＳi窒化膜１６からのＳi２ｐ
ピーク強度Ｉm(Ｓi２ｐ，窒化膜）とＮ１sピーク強度Ｉ
m(Ｎ１s，窒化膜）を求めた。この時、Ｓi窒化膜１６か
らのＳi２ｐピークはＳi基板１５からのＳi２ｐピーク
と一部重なりあって検出されるので、実施例１と同様に
ピーク分離処理により分離して強度を求める。その結
果、各ピークの面積強度は任意単位で、Ｉm(Ｔa４ｆ，
Ｔa酸化膜)＝６９２５２，Ｉm(Ｏ１s，Ｔa酸化膜)＝６
３２８２，Ｉm(Ｓi２ｐ，窒化膜)＝２９０５，Ｉm(Ｎ１
s，窒化膜)＝４９９５となった。
５４eＶ）をプローブとして試料に入射し、試料の表面
から角度θで放出された光電子を電子エネルギー分析器
によってエネルギー分析し、検出した。このようにして
試料を角度θ＝９０°で分析して、Ｔa４ｆスペクト
ル、Ｏ１sスペクトル、Ｓi２ｐスペクトル、Ｎ１sスペ
クトルを測定する。そして、これらの光電子のエネルギ
ースペクトルから、Ｔa酸化膜１７からのＴa４ｆピーク
強度Ｉm(Ｔa４ｆ，Ｔa酸化膜）とＯ１sピーク強度Ｉm
(Ｏ１s，Ｔa酸化膜)、及びＳi窒化膜１６からのＳi２ｐ
ピーク強度Ｉm(Ｓi２ｐ，窒化膜）とＮ１sピーク強度Ｉ
m(Ｎ１s，窒化膜）を求めた。この時、Ｓi窒化膜１６か
らのＳi２ｐピークはＳi基板１５からのＳi２ｐピーク
と一部重なりあって検出されるので、実施例１と同様に
ピーク分離処理により分離して強度を求める。その結
果、各ピークの面積強度は任意単位で、Ｉm(Ｔa４ｆ，
Ｔa酸化膜)＝６９２５２，Ｉm(Ｏ１s，Ｔa酸化膜)＝６
３２８２，Ｉm(Ｓi２ｐ，窒化膜)＝２９０５，Ｉm(Ｎ１
s，窒化膜)＝４９９５となった。
【００４０】そして、Ｔa酸化膜１７の組成比ｎ(Ｏ)／
ｎ(Ｔa）は、式 ｎ(Ｏ)／ｎ(Ｔa)＝［Ｉm(Ｏ１s，Ｔa酸化膜)／Ｉm(Ｔa
４ｆ，Ｔa酸化膜）]・［Ｑ(Ｔa２ｐ)／Ｑ(Ｏ１s）]・
{［１−Ｔ(Ｔa４ｆ，Ｔa酸化膜）］／［１−Ｔ(Ｏ１s，
Ｔa酸化膜）］｝， Ｔ(Ｔa４ｆ，Ｔa酸化膜)＝exp［−ｄ(Ｔa酸化膜）/λ
(Ｔa４ｆ，Ｔa酸化膜)・sinθ）］， Ｔ(Ｏ１s，Ｔa酸化膜)＝exp［−ｄ(Ｔa酸化膜）/λ(Ｏ
１s，Ｔa酸化膜)・sinθ）］， に、上記の各数値とＱ(Ｔa４ｆ)／Ｑ(Ｏ１s)＝１.１，
λ(Ｔa４ｆ，Ｔa酸化膜)＝２.５nｍ，λ(Ｏ１s，Ｔa酸
化膜)＝１.７nｍを代入して算定すると、２.４となっ
た。
ｎ(Ｔa）は、式 ｎ(Ｏ)／ｎ(Ｔa)＝［Ｉm(Ｏ１s，Ｔa酸化膜)／Ｉm(Ｔa
４ｆ，Ｔa酸化膜）]・［Ｑ(Ｔa２ｐ)／Ｑ(Ｏ１s）]・
{［１−Ｔ(Ｔa４ｆ，Ｔa酸化膜）］／［１−Ｔ(Ｏ１s，
Ｔa酸化膜）］｝， Ｔ(Ｔa４ｆ，Ｔa酸化膜)＝exp［−ｄ(Ｔa酸化膜）/λ
(Ｔa４ｆ，Ｔa酸化膜)・sinθ）］， Ｔ(Ｏ１s，Ｔa酸化膜)＝exp［−ｄ(Ｔa酸化膜）/λ(Ｏ
１s，Ｔa酸化膜)・sinθ）］， に、上記の各数値とＱ(Ｔa４ｆ)／Ｑ(Ｏ１s)＝１.１，
λ(Ｔa４ｆ，Ｔa酸化膜)＝２.５nｍ，λ(Ｏ１s，Ｔa酸
化膜)＝１.７nｍを代入して算定すると、２.４となっ
た。
【００４１】次に、以下のようにＳi窒化膜１６の組成
比を求めた。式 ｎ(Ｎ)／ｎ(Ｓi)＝［Ｉm(Ｎ１s，Ｓi窒化膜)／Ｉm(Ｓi
２ｐ，Ｓi窒化膜）]・［Ｑ(Ｓi２ｐ)／Ｑ(Ｎ１s）]・
{［１−Ｔ(Ｓi２ｐ，Ｓi窒化膜）］／［１−Ｔ(Ｎ１s，
Ｓi窒化膜）］｝・［Ｔ(Ｓi２ｐ，Ｔa酸化膜)／Ｔ(Ｎ１
s，Ｔa酸化膜）］， Ｔ(Ｓi２ｐ，Ｓi窒化膜)＝exp［−ｄ(Ｓi窒化膜）/λ
(Ｓi２ｐ，Ｓi窒化膜)・sinθ）］， Ｔ(Ｎ１s，Ｓi窒化膜)＝exp［−ｄ(Ｓi窒化膜）/λ(Ｎ
１s，Ｓi窒化膜)・sinθ）］， Ｔ(Ｓi２ｐ，Ｔa酸化膜)＝exp［−ｄ(Ｔa酸化膜）/λ
(Ｓi２ｐ，Ｔa酸化膜)・sinθ）］， Ｔ(Ｎ１s，Ｔa酸化膜)＝exp［−ｄ(Ｔa酸化膜）/λ(Ｎ
１s，Ｔa酸化膜)・sinθ）］， に、上記の各数値とＱ(Ｓi２ｐ)／Ｑ(Ｎ１s)＝１／１.
７，λ(Ｓi２ｐ，Ｓi窒化膜)＝２.６nｍ，λ(Ｎ１s，Ｓ
i窒化膜)＝２.１nｍ，λ(Ｓi２ｐ，Ｔa酸化膜)＝２.４n
ｍ，λ(Ｎ１s，Ｔa窒化膜)＝１.９nｍを代入して算定す
ると、Ｓi窒化膜１６の組成比ｎ(Ｎ)／ｎ(Ｓi）は、１.
２となった。
比を求めた。式 ｎ(Ｎ)／ｎ(Ｓi)＝［Ｉm(Ｎ１s，Ｓi窒化膜)／Ｉm(Ｓi
２ｐ，Ｓi窒化膜）]・［Ｑ(Ｓi２ｐ)／Ｑ(Ｎ１s）]・
{［１−Ｔ(Ｓi２ｐ，Ｓi窒化膜）］／［１−Ｔ(Ｎ１s，
Ｓi窒化膜）］｝・［Ｔ(Ｓi２ｐ，Ｔa酸化膜)／Ｔ(Ｎ１
s，Ｔa酸化膜）］， Ｔ(Ｓi２ｐ，Ｓi窒化膜)＝exp［−ｄ(Ｓi窒化膜）/λ
(Ｓi２ｐ，Ｓi窒化膜)・sinθ）］， Ｔ(Ｎ１s，Ｓi窒化膜)＝exp［−ｄ(Ｓi窒化膜）/λ(Ｎ
１s，Ｓi窒化膜)・sinθ）］， Ｔ(Ｓi２ｐ，Ｔa酸化膜)＝exp［−ｄ(Ｔa酸化膜）/λ
(Ｓi２ｐ，Ｔa酸化膜)・sinθ）］， Ｔ(Ｎ１s，Ｔa酸化膜)＝exp［−ｄ(Ｔa酸化膜）/λ(Ｎ
１s，Ｔa酸化膜)・sinθ）］， に、上記の各数値とＱ(Ｓi２ｐ)／Ｑ(Ｎ１s)＝１／１.
７，λ(Ｓi２ｐ，Ｓi窒化膜)＝２.６nｍ，λ(Ｎ１s，Ｓ
i窒化膜)＝２.１nｍ，λ(Ｓi２ｐ，Ｔa酸化膜)＝２.４n
ｍ，λ(Ｎ１s，Ｔa窒化膜)＝１.９nｍを代入して算定す
ると、Ｓi窒化膜１６の組成比ｎ(Ｎ)／ｎ(Ｓi）は、１.
２となった。
【００４２】一般にエリプソメトリ法では膜の屈折率を
仮定して膜厚を決定する。膜の屈折率は組成のわずかな
違いによっても異なってくる。そこで、上記の方法で求
めた組成を用いて新たな屈折率を仮定して新たに膜厚を
決定し、さらにその膜厚を用いて本発明方法により再度
組成を求めることにより、より正確な定量が可能とな
る。さらに、この過程を繰り返すことにより高精度化が
はかれる。
仮定して膜厚を決定する。膜の屈折率は組成のわずかな
違いによっても異なってくる。そこで、上記の方法で求
めた組成を用いて新たな屈折率を仮定して新たに膜厚を
決定し、さらにその膜厚を用いて本発明方法により再度
組成を求めることにより、より正確な定量が可能とな
る。さらに、この過程を繰り返すことにより高精度化が
はかれる。
【００４３】以上のように、基板上に形成された複数の
層からなり、各層を構成する元素と各層の膜厚が既知で
ある薄膜において、Ｘ線照射により各層から放出される
光電子の強度測定から、各層に含まれる元素の組成比を
非破壊で求めることができた。
層からなり、各層を構成する元素と各層の膜厚が既知で
ある薄膜において、Ｘ線照射により各層から放出される
光電子の強度測定から、各層に含まれる元素の組成比を
非破壊で求めることができた。
【００４４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る多層
薄膜の非破壊定量分析方法によれば、数nｍ程度にまで
薄膜化した多層薄膜の各層の組成を、Ｘ線照射により放
出される光電子の強度測定から、非破壊でかつ、精度良
く計測、評価することができる。
薄膜の非破壊定量分析方法によれば、数nｍ程度にまで
薄膜化した多層薄膜の各層の組成を、Ｘ線照射により放
出される光電子の強度測定から、非破壊でかつ、精度良
く計測、評価することができる。
【図１】本発明に係る非破壊定量分析方法に用いられた
測定系の概略図である。
測定系の概略図である。
【図２】本発明に係る実施例１における分析手順を示す
フローチャートである。
フローチャートである。
【図３】実施例１の試料を分析して得られた光電子スペ
クトルの例である。
クトルの例である。
【図４】図３（ａ）のＳi２ｐスペクトルをピーク分離
処理した結果を示す図である。
処理した結果を示す図である。
【図５】本発明に係る実施例２において用いられた多層
薄膜試料の断面図である。
薄膜試料の断面図である。
【図６】実施例２における分析手順を示すフローチャー
トである。
トである。
１…Ｓi基板 ２…Ｓi酸化膜 ３…Ｓi窒化膜 ４…Ｘ線源 ５…Ｘ線 ６，７，８…光電子の軌道 θ…光電子の取り出し角度 １０…静電レンズ １１…電子エネルギー分析器 １２…電子検出器 １３…記録装置 １４…データ処理装置 １５…Ｓi基板 １６…Ｓi窒化膜 １７…Ｔa酸化膜
Claims (6)
- 【請求項１】基板上に形成された構成元素が既知の多層
薄膜の各層からＸ線照射によって放出される光電子の強
度を測定し、該測定値と上記各層の膜厚とから上記各層
に含まれる元素の組成比を求めることを特徴とする多層
薄膜の非破壊定量分析方法。 - 【請求項２】上記多層薄膜のｉ番目の層の構成元素Ａ，
Ｂに起因する光電子の強度がＩm(Ｅa，ｉ)，Ｉm(Ｅb，
ｉ)，また、上記多層薄膜各層の膜厚がｄ(１)，ｄ
(２)，……ｄ(ｉ)，……であるとき、上記ｉ番目の層に
含まれる元素Ａ，Ｂの組成比ｎ(ｂ）／ｎ(ａ）を、 ｎ(ｂ)／ｎ(ａ)＝［Ｉm(Ｅb，ｉ)／Ｉm(Ｅa，ｉ）］・［Ｑ(Ｅa)／Ｑ(Ｅb）］ ・｛［１−Ｔ(Ｅa，ｉ）］／［１−Ｔ(Ｅb，ｉ）］｝・ ｛［Ｔ(Ｅa，ｉ＋１）・Ｔ(Ｅa，ｉ＋２）・…・Ｔ(Ｅa， ｋ)／Ｔ(Ｅb，ｉ＋１）・Ｔ(Ｅb，ｉ＋２）・…・Ｔ(Ｅb， ｋ）］， Ｔ(Ｅa，ｊ)＝exp［−ｄ(ｊ)／(λ(Ｅa，ｊ）・sin
θ）］， Ｔ(Ｅb，ｊ)＝exp［−ｄ(ｊ)／(λ(Ｅb，ｊ）・sin
θ）］， Ｑ(Ｅa)，Ｑ(Ｅb）：元素Ａ，Ｂに起因する光電子ピー
クの相対感度係数、 λ(Ｅ，ｉ）：エネルギーＥの光電子のｉ番目の層での
脱出深さ、 θ：光電子の取り出し角度、 の式を用いて算出することを特徴とする請求項１に記載
の多層薄膜の非破壊定量分析方法。 - 【請求項３】まず上記基板と１番目の層とから放出され
る光電子の強度から上記１番目の層の膜厚を求め、次
に、上記基板と２番目の層とから放出される光電子の強
度と上記１番目の層の膜厚とから上記２番目の層の膜厚
を求め、さらに順次、上記の手法を繰り返して上記多層
薄膜の全ての層の膜厚を求め、該膜厚を用いて上記各層
に含まれる元素の組成比を求めることを特徴とする請求
項１または２に記載の多層薄膜の非破壊定量分析方法。 - 【請求項４】上記多層薄膜の各層膜厚をエリプソメトリ
法により求め、該膜厚を用いて上記各層に含まれる元素
の組成比を求めることを特徴とする請求項１または２に
記載の多層薄膜の非破壊定量分析方法。 - 【請求項５】上記組成比にもとづき、上記各層の光屈折
率の値を補正して上記各層の膜厚を算出し直し、該膜厚
を用いて上記各層の元素の組成比を繰り返し求めること
を特徴とする請求項４に記載の多層薄膜の非破壊定量分
析方法。 - 【請求項６】上記多層薄膜の各層から放出される光電子
の強度を、異なる複数の光電子取り出し角度で測定し、
得られた測定結果から上記各層に含まれる元素の組成比
を求めることを特徴とする請求項１，２，３，４または
５に記載の多層薄膜の非破壊定量分析方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5009927A JPH06222019A (ja) | 1993-01-25 | 1993-01-25 | 多層薄膜の非破壊定量分析方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5009927A JPH06222019A (ja) | 1993-01-25 | 1993-01-25 | 多層薄膜の非破壊定量分析方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06222019A true JPH06222019A (ja) | 1994-08-12 |
Family
ID=11733712
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5009927A Pending JPH06222019A (ja) | 1993-01-25 | 1993-01-25 | 多層薄膜の非破壊定量分析方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06222019A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6782072B2 (en) | 2002-10-09 | 2004-08-24 | Oki Electric Industry Co., Ltd. | Method of analyzing composition depth profile of solid surface layer |
| JP2007292749A (ja) * | 2006-03-31 | 2007-11-08 | Fukui Prefecture | 多層薄膜の分析方法ならびに装置 |
| JP2008539433A (ja) * | 2005-04-29 | 2008-11-13 | リヴェラ インコーポレイテッド | 光電子分光法を使用した層厚測定 |
| JP2009053076A (ja) * | 2007-08-28 | 2009-03-12 | Jeol Ltd | 波形分離方法 |
| JP2009079955A (ja) * | 2007-09-26 | 2009-04-16 | Jeol Ltd | 試料の深さ方向分析方法 |
| JP2016080633A (ja) * | 2014-10-21 | 2016-05-16 | 住友金属鉱山株式会社 | 試料の前処理方法および分析方法 |
-
1993
- 1993-01-25 JP JP5009927A patent/JPH06222019A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6782072B2 (en) | 2002-10-09 | 2004-08-24 | Oki Electric Industry Co., Ltd. | Method of analyzing composition depth profile of solid surface layer |
| JP2008539433A (ja) * | 2005-04-29 | 2008-11-13 | リヴェラ インコーポレイテッド | 光電子分光法を使用した層厚測定 |
| JP2012154950A (ja) * | 2005-04-29 | 2012-08-16 | Livella Inc | 光電子分光法を使用した層厚測定 |
| JP2007292749A (ja) * | 2006-03-31 | 2007-11-08 | Fukui Prefecture | 多層薄膜の分析方法ならびに装置 |
| JP2009053076A (ja) * | 2007-08-28 | 2009-03-12 | Jeol Ltd | 波形分離方法 |
| JP2009079955A (ja) * | 2007-09-26 | 2009-04-16 | Jeol Ltd | 試料の深さ方向分析方法 |
| JP2016080633A (ja) * | 2014-10-21 | 2016-05-16 | 住友金属鉱山株式会社 | 試料の前処理方法および分析方法 |
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