JPH06281601A

JPH06281601A - イオンビーム表面分析方法

Info

Publication number: JPH06281601A
Application number: JP5092352A
Authority: JP
Inventors: Masataka Hirose; 全高廣瀬; Arata Yokoyama; 新横山; Rajimusukii Zubiniefu; ズビニエフ・ラジムスキー; Yoshiaki Agawa; 阿川　　義昭; Yuzo Sakurada; 勇蔵桜田
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1993-03-26
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 1994-10-07

Abstract

(57)【要約】［目的］イオン注入された試料の極浅い表面における
情報を分解能高く得ることのできる表面分析法を提供す
ること。［構成］２００ＫｅＶのヘリウムのイオンビームを試
料に投射し、その散乱ビームを半導体検出器３３で検出
し、ＲＢＳ分析を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はイオンビーム表面分析方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術及びその問題点】従来のＭｅＶ級の高エネ
ルギーイオン散乱分析装置は図７に示されているが、図
において遮蔽箱１内には高電圧ターミナル２が配設され
ており、これは図示せずとも遮蔽箱１のグランド電位の
床上に取り付けられた複数本の絶縁支柱によって、その
グランド床から所定の印加電圧（この場合にはＭＶ級）
に対して充分な耐電圧を保有する距離を隔てて設置され
ている。

【０００３】高電圧ターミナル２は、所定の印加電圧に
対して充分な耐電圧を有する空間距離を隔てて遮蔽箱１
によって被覆されている。

【０００４】高電圧ターミナル２内にはイオン源３が設
けられており、これは真空配管を介して質量分離磁石４
に接続され、更にこれは真空配管を介して加速管５に接
続されている。加速管５の一端は遮蔽箱１に接続されて
いるが、この外方は一対のイオンビーム集束磁気レンズ
６ａ、６ｂに接続され、これは更に、ビーム配管８に接
続されている。

【０００５】ビーム配管８はスイッチング磁石７に接続
されており、これに巻装されている図示しない電磁コイ
ルに選択的に電流を流すことにより、ビーム配管８から
到来してきたビームを分岐管９ａ側に流すか、９ｂ側に
流すようにしている。一方の分岐管９ｂにはファラデー
カップ１２が接続されており、これにより集電された電
流を電流計Ａにより計測するようにしている。

【０００６】他方の分岐管９ａにはイオン走行ビーム配
管１０が接続されているのであるが、これが表面分析用
ビームラインであり、この内部に所定の距離を隔てて一
対のコリメートアパーチャー１１ａ、１１ｂが配設され
ている。ビーム配管１０の下流側端部は分析チャンバ１
３に接続されており、この内部に表面障壁型の半導体検
出器１７が配設されている。また、これに対向してゴニ
オメータ１５が配設されており、このゴニオメータ１５
は公知の構成を有し、自由重度としては３軸の各々のま
わりの回転、２軸以上に沿っての並進運動の機能を有し
ている。

【０００７】また、分析チャンバ１３の外周壁部には真
空ポンプ１４が固定されている。半導体検出器１７は外
部に配設された分析器に接続されるのであるが、次に図
８を参照してこの回路構成について説明する。半導体検
出器１７の出力は前置増巾器１９に供給され、更にリニ
ア増巾器２０を介してアナログ／デジタル変換器２１に
供給される。このデジタル出力は、更にマルチチャンネ
ルアナライザー２２に供給され、これの出力は中央演算
処理ユニット（ＣＰＵ）２４に供給され、その内容はＣ
ＲＴ２３に表示されるように構成されている。これら一
連の装置は信号ケーブルで各々直列に接続されている。

【０００８】試料１６には加速器からのイオン、例えば
ヘリウムイオンが投射されるのであるが、これにより試
料Ｍに流される電流はピコアンペア電流計ｐＡにより測
定されると共に電荷積分器２５に供給される。この電荷
積分器２５の出力は更に、カウンター２６に供給され、
この出力が上述のＡ／Ｄコンバータ２１に供給される。

【０００９】中央演算処理ユニット２４の制御出力は、
モータコントローラ２８に供給され、これによりモータ
駆動機２９が駆動され、この駆動軸によりゴニオメータ
の各軸が中央演算処理ユニット２４の命令により、試料
１６を所定の位置に位置決めする。なお、図示せずとも
ゴニオメータの駆動部の回転シャフトはカップリングを
介してモータ駆動機２７に接続されているものとする。
更に、検出器１７には高電圧電源１８が接続されてお
り、これにより試料１６により散乱されたイオンビーム
を受ける検出器１７を作動状態におくようにしている。
なお、高電圧電源１８は分析チャンバ１３の壁を挿通し
て、電流導入端子を介して検出器１７に接続されてい
る。

【００１０】従来例の高エネルギーイオン散乱表面分析
装置は以上のように構成されるが、次にこの作用につい
て説明する。イオン源３は図示せずとも真空ポンプ及び
真空配管を介して気体分子が排気され、真空状態に保た
れている。そのイオン源３中には、やはり図示されてい
ない高電圧ターミナル２内に収納されているガスボンベ
より所定のイオンの材料となるガスと、やはり図示しな
い電力供給装置から電力が供給されると、イオン源３中
でプラズマが生成され、このイオン源３に印加した電圧
によってイオン源３から高電圧ターミナル２の電位まで
イオンが加速される。イオン源３より導出されたイオン
は、質量分離磁石４内に収納されている真空配管に入射
し、質量分離磁石４によって発生した磁場と、イオン源
３から到来するイオンの速度で決まるローレンツ力によ
ってこのイオンの軌道が定められ、質量分離磁石４の電
磁コイルの電流値を調節することによって、所望のイオ
ンを選別し、加速管５に入射する。

【００１１】やはり図示しないが、高電圧発生装置の高
電圧を高電圧ターミナル２に印加することにより、加速
管５に入射したイオンはこの電圧とイオンの値数の積の
エネルギーをもってグランド電位まで加速され、集束レ
ンズ６ａ、６ｂにより集束された後にスイッチング磁石
７によってファラデーカップ１２か分析チャンバ１３の
方に導かれる。

【００１２】分析ビームライン用の装置の作動開始に当
ってはスイッチング磁石７の電磁コイルに流れる電流を
上流側からのイオンビームがファラデーカップ１２側に
流れるように調節し、この電流を電流計Ａにより読み取
ることにより、上流側から投射されるイオンビームの電
流値をまず検出しているようにしている。次いで、この
電流のイオンビームをスイッチング磁石７の電磁コイル
を切換えることにより、表面分析用ビームラインとして
分析チャンバ１３内に導かれる。イオンビームはイオン
ビーム走行ビーム配管１０内に配設されたコリメートア
パーチャー１１ａ、１１ｂを通過することにより、これ
らコリメートアパーチャー１１ａ、１１ｂ間の距離及び
それらの径によって定まる発散角を有するビームとな
り、このイオンビームは分析チャンバ１３に入射し、ゴ
ニオメータ１５に取り付けられた試料１６に照射され
る。

【００１３】図８において、この照射されたイオンビー
ム３１はゴニオメータ１５に取り付けられた試料１６で
散乱され、その一部分の粒子３１ａが検出器１７に入射
する。この検出器１７には予め高電圧電源１８から出力
される電圧が印加されている。

【００１４】検出器１７に入射したシグナルは、同じく
図８に示されているように前置増巾器１９で増巾され、
更にリニア増巾器２０で増巾され、このアナログ出力が
Ａ／Ｄ変換器でアナログ値からデジタル値に変換され、
これがマルチチャンネルアナライザ２２に供給されてメ
モリーされ、波高分布処理されたデータがＣＰＵ２４で
画像処理され、ＣＲＴ２３に表示される。

【００１５】このようなデータ処理システムに入力する
と、その散乱されたエネルギーに応じてエネルギースペ
クトルが得られる。一方、照射したプローブのイオンビ
ーム３１の照射量を計測するために、電荷積分器２５で
イオンビーム電流を計測し、これに設定された電荷量に
達すると、パルスが発生し後続のカウンタ２６に入力す
ることによってイオンビーム３１の電荷量を、常にモニ
ターしている。なお、イオンビーム３１の電流値は予め
知られているのであるが、これは常に厳密に一定である
とは限らないので電荷積分器２５で積分することによ
り、これが所定値に達するとカウンタ２６にその都度パ
ルスを供給し、カウンタ２６がパルスの数をカウントす
ることにより、どれだけの電流が試料にイオンビームと
して供給されたかを正確に知ることができる。

【００１６】イオンビーム照射量は任意に設定すること
ができるのであるが、他方、モータコントローラ２８は
ゴニオメータ１５に取り付けられた５軸の駆動機構を制
御する。このモータコントローラ２８はＣＰＵ２４と接
続されることにより、コンピュータ制御が行なわれるよ
うになっている。

【００１７】

【発明が解決しようとする問題点】従来のＭｅＶ（百万
ボルト）級のイオンビームを用いた表面分析方法では、
試料表面から数μｍの深さの積分された情報を得ること
ができるが、その検出感度が低いため、試料の表面近傍
の極浅い所の微量な不純物の検出が困難であった。他
方、ＳＩＭＳや同じくＰＩＸＥなどの表面での検出感度
が高い分析法も存在するが、同時に深さ方向の情報を得
ることは困難である。

【００１８】本発明の目的は上述のような問題に鑑みて
なされ、試料の極浅い所の微量な不純物の測定を可能と
する表面分析法を提供すること、である。

【００１９】

【問題点を解決するための手段】以上の目的は、真空容
器内に配設された試料表面にイオンビームを投射して該
表面より散乱された粒子を検出することにより、前記試
料の表面を分析するようにしたイオンビーム表面分析方
法において、前記イオンビームのエネルギー領域を中エ
ネルギーの領域とし、かつ前記散乱された粒子を半導体
検出器により検出するようにしたことを特徴とするイオ
ンビーム表面分析方法、によって達成される。

【００２０】

【作用】本発明でプローブとして用いられるイオンビー
ムのエネルギー領域は、中エネルギー、すなわち１００
ＫｅＶ〜５００ＫｅＶの領域にあり、例えば２００Ｋｅ
Ｖ領域のエネルギーのイオンビームであるが、このよう
なエネルギー領域のイオンビームは、従来のＭｅＶ級の
イオンビームと比較して、エネルギーが低いため試料の
表面近傍での原子に対して、このプローブとしてのイオ
ンビームの散乱断面積が増大する。この結果として検出
感度が高くなり、試料の表面近傍の微量な不純物をも検
出することができる。又、半導体検出器により検出され
るので、その粗止能は、高エネルギーの場合（１ＭｅＶ
以上〜）と殆ど変わらないので、深さ分析能は高エネル
ギーの場合と比較しても劣らない。

【００２１】

【実施例】以下、本発明のイオン分析方法が適用される
装置につき、図面を参照して説明する。なお、従来例に
対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な
説明は省略するが、更に高電圧ターミナルやイオン加速
管はこの上流側に設けられているが、全く同一の構成で
あるのでこれらの図は省略する。なお、本実施例でも半
導体検出器が用いられるが、表面障壁型でＳＳＤ（Ｓｕ
ｒｆａｃｅｂａｒｒｉｅｒＳｉｌｉｃｏｎｓｏｌ
ｉｄ／ｓｔａｔｅＤｅｔｅｃｔｏｒ）と呼ばれるもの
である。

【００２２】図１において分析チャンバ１３内には、一
対のコリメートアパーチャー１１ａ、１１ｂの内、下流
側のコリメートアパーチャー１１ｂが図示されており、
またこれに対向してゴニオメータ１５が配設され、この
上に試料１６が取り付けられている。また、分析チャン
バ１３の外側には回転導入端子３７が配設されており、
これの回転駆動軸は真空フランジ３８を介して分析チャ
ンバ１３に取り付けられている。回転導入端子３７によ
り回転が導入される回転アーム３９の一端は、半導体検
出器３３に接続されており、また、この検出器３３の出
力は高圧ケーブル３４及び分析チャンバ１３の壁部に固
定された電流導入端子３５に接続され、これから高圧ケ
ーブル兼信号ケーブル３６を介して、従来例のＲＢＳに
おける前置増巾器１９に接続されている。イオンビーム
（Ｈｅ⁺⁺）３１は所定の発散角で試料１６に投射される
のであるが、この試料１６で散乱される粒子は全方位に
向うのであるが、図１においては検出器３３に入射され
る散乱粒子のみを図示している。なお、検出器３３の出
力を受けてデータ処理システムは、従来例（図８）と同
様である。

【００２３】本実施例は以上のように構成されるが、散
乱粒子の計測方法は従来と同様なので省略する。なお、
検出器３３は回転可能なアーム３９に取り付けられてお
り、これが予め定められたプログラムにより回転して、
ある角度毎のエネルギースペクトルを測定する。また、
この時、電荷積分器２５を使用して、イオンビーム３１
の電流量をモニターして、一定に保つようにしていく
と、試料１６を中心にした散乱粒子の強度分布と、各点
でのエネルギースペクトルの二次元の情報が短時間で測
定することができる。

【００２４】本発明によるイオンビーム分析方法によれ
ば、プローブとなるイオンビーム３１のエネルギーを従
来のＭｅＶ級から２００ＫｅＶ領域に下げるようにして
いるので、試料１６により散乱された粒子を受ける半導
体検出器３３は試料の表面近傍の非常に浅い部分での微
量な不純物でも短時間で検出することが可能となる。こ
れは、イオンビームエネルギーを２００ＫｅＶ領域にま
で下げることによってプローブイオンのターゲットとし
ての試料１６に対する散乱断面積が通常の２ＭｅＶのイ
オンビームの散乱断面積と比較すると、約１００倍高く
なり、一方、深さ分解能は２ＭｅＶでも約２００ＫｅＶ
でも阻止能（ストッピングパワー）が殆ど変わらないの
で、殆ど同じになる。つまり、試料１６の表面近傍を計
測する上では、エネルギーが低くてもなんら問題はな
く、これらのことを証明するデータが図２、図３及び図
４に示されている。

【００２５】図２はシリコン基板上に２．３ｎｍの金を
蒸着させた試料を、従来の２ＭｅＶのエネルギーイオン
ビームと２００ＫｅＶ（０．２ＭｅＶ）のエネルギーイ
オンビームを用いてＲＢＳ分析を行なった場合を各々示
している。この図から明らかなように、スペクトルのピ
ーク値が示されているが、半値巾（ピーク値がその両側
で半分となる各エネルギー間の巾）が約２０ＫｅＶであ
り、このことから２ＭｅＶの場合でも、２００ＫｅＶの
場合でもエネルギー分解能は殆ど同じであることが分か
る。なお、図中のＡｎｎ（白抜き）はＡｎｎｅａｌｉｎ
ｇ（焼鈍）をＮＡはＮｏｒ−Ａｎｎｅａｌｉｎｇ（ハッ
チング）を意味する

【００２６】図３はヘリウム（Ｈｅ）イオンを１ＭＣを
照射した時、得られたエネルギースペクトルの金のピー
ク値（金を蒸着させた試料表面からの散乱粒子の最大値
という意味）を試料に入射する粒子のエネルギーを２０
０ＫｅＶ〜２ＭｅＶまで変化させて計数した時のグラフ
である。すなわち、この試料から散乱したイオンの数を
半導体検出器３３で検出し、ＲＢＳ分析し、その最大値
を各入射エネルギーに対してスポットしている。この図
から明らかなように、ピークの値が２００ＫｅＶの時の
方が２ＭｅＶの時よりも、約１００倍収量が多いことが
分かる。このことから２００ＫｅＶの方が２ＭｅＶの場
合より、散乱断面積がはるかに大きいことが分かる。

【００２７】図４は図３で得られた散乱断面積が大きい
ことを利用したＲＢＳ分析の一例を示すものであるが、
ド−ピングイオンとして砒素を用い、そのドーズ量は２
×１０¹²イオン／ｃｍ² 、４．２×１０¹³イオン／ｃｍ
² 、２×１０¹⁴イオン／ｃｍ² 、５×１０¹⁴イオン／ｃ
ｍ² 及びドーズ量０の場合の試料を２００ＫｅＶのイオ
ンビームをプローブビームとして使用してＲＢＳ分析を
行なった。半導体検出器３３により散乱したビームを受
け、そのエネルギー毎（横軸）の散乱イオンの数を縦軸
にとったデータであるが、砒素の表面ピーク量は図４か
ら分かるように、４．２常に２×１０¹³イオン／ｃｍ²
で既にそのピークが観測されており、２ＭｅＶの従来の
ＲＢＳでは１０¹⁵のオーダでなければ検出できないこと
を考えると、非常にその検出感度が高いことが分かる。

【００２８】以上から今後、半導体などの製作過程での
浅い接合などの表面近傍のダメージを観測するには非常
に有望な方法と考えられるが、次のようなものが考えら
れる。（１）試料表面に堆積した極微量の物質の組成
分析及びその膜厚測定が可能となる。高エネルギーのヘ
リウムイオンビーム（≧１ＭｅＶ）を用いた分析に比べ
２ケタ以上高い感度であり、例えばプラズマを用いたエ
ッチング時に、真空容器を形成するステンレススチール
がスパッタされて、被エッチング基板上に堆積すれば、
それは不純物となるのであるが、その組成及び膜厚を観
測することができる。その一例が図５及び図６に示され
ている。（図６は図５の一部の拡大図である。）これか
ら、半導体プロセスにおいて、頻繁に用いられるＳｉＯ
₂ の異方性エッチングのためにＣＦ₄ ＋Ｈ₂ の混合ガス
によるＲＩＥ（ＲＥＡＣＴＩＶＥＩＯＮＥＣＨＩＮ
Ｇ）を行なうが、この時の試料表面に堆積する水素、フ
ッ素、炭素の化合物の層の組成分析及び膜厚評価が可能
となる。（２）また、結晶の極表面の近傍の損傷及びそ
の分布を高感度で検出できる。損傷の起源としてはプラ
ズマまたはイオンを用いたエッチングイオン注入スパッ
タリングによる金属薄膜、半導体薄膜又は絶縁膜の堆
積、その他、数エレクトロンＶ以上のエネルギーのこも
った粒子の入射に伴うもの、表面に集中的に印加される
機械的または熱的応力が考えられる。

【００２９】次に半導体中への不純物の拡散現象につい
ては、これまで２次イオン質量分析による破壊測定が主
であったが、本発明による方法を用いれば非破壊で不純
物の分布状態が測定できる。本発明による方法では、不
純物の分布を非破壊で観測できるだけでなく、ランダム
なあるいはアラインド状態での観測データから結晶格子
の置換位置にある不純物の量を求めることもできる。

【００３０】また、薄膜成長装置、イオン注入装置、拡
散装置などにこの２００ＫｅＶイオン分析装置を組込む
ことにより、結晶成長、薄膜成長、イオン注入、不純物
拡散等の現象の観察が可能になる。

【００３１】また、非常に薄い薄膜（２０ｎｍ以下）の
膜厚測定が可能であり、またチャンネリング測定により
結晶性材料の結晶性評価にも利用することができる。

【００３２】以上、本発明の実施例について説明した
が、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明
の技術的思想に基いて種々の変形が可能である。

【００３３】例えば、以上の実施例では、投射イオンビ
ームのエネルギーとして図２、図４、図５では２００Ｋ
ｅＶ又は１７５ＫｅＶを用いたが、勿論、これに限るこ
となく、中エネルギー（１００ＫｅＶ〜５００ＫｅＶに
おいて、その低エネルギー側領域のエネルギーのイオン
ビームをプローブとして利用しても本発明の充分な効果
が得られる。これは、図３のグラフからも明らかであ
る。

【００３４】また、以上の実施例では、試料１６に投射
されたイオンビーム３１の散乱ビームを検出するのに、
半導体検出器３３を用い、これを回動して各散乱角にお
ける粒子を検出するようにしたが、場合によってはこの
半導体検出器３３を固定しても本発明の効果は失われる
ことはない。

【００３５】また、以上の実施例では、表面分析を行な
うのに、ヘリウムイオンを用いたが、勿論、これに限る
ことなく、他の元素からなるイオンビームをプローブと
して用いてもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のイオンビー
ム表面分析方法によれば、イオン注入された試料の表面
の浅い領域においても分解能を高くして、その膜情報を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に用いられる表面分析装置の要
部の部分破断拡大斜視図である。

【図２】従来例（２ＭｅＶ）のＲＢＳと本発明（２００
ＫｅＶ）のＲＢＳのエネルギースペクトルの比較図であ
る。

【図３】本発明の方法の検出感度が高いことを示す投射
エネルギー対散乱イオンのピークカウント値との関係を
示す図である。

【図４】本発明による２００ＫｅＶのプローブイオンを
用いた場合の散乱エネルギーとその散乱粒子カウント値
との関係を示すスペクトル図である。

【図５】投射イオンビームのエネルギーを１７５ＫｅＶ
とした場合の試料からの散乱ビームの各エネルギーに対
する散乱イオンの数との関係を示し、ＲＩＥ反応で１０
分間３分間及び１分間行なった場合のグラフである。

【図６】図５の一部の拡大図である。

【図７】従来例のイオンビーム表面分析装置の部分破断
平面図である。

【図８】上記従来例における表面分析回路のブロック図
である。

【符号の説明】

１６試料３１イオンビーム３１ａ散乱イオンビーム３３半導体検出器

フロントページの続き (72)発明者阿川義昭神奈川県茅ケ崎市萩園2500番地日本真空技術株式会社内 (72)発明者桜田勇蔵神奈川県茅ケ崎市萩園2500番地日本真空技術株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器内に配設された試料表面にイオ
ンビームを投射して該表面より散乱された粒子を検出す
ることにより、前記試料の表面を分析するようにしたイ
オンビーム表面分析方法において、前記イオンビームの
エネルギー領域を中エネルギーの領域とし、かつ前記散
乱された粒子を半導体検出器により検出するようにした
ことを特徴とするイオンビーム表面分析方法。
【請求項２】前記半導体検出器は前記試料表面に対し
回動可能である請求項１に記載のイオンビーム表面分析
方法。