JPS63122940A - 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］ この発明は半導体素子の微細パターンの形状観察および
不純物分析等に適した二次イオン！ｆｆｉ分析装置に関
するものである。

［従来の技術］ 半導体素子の高集積化のために、半導体素子を構成する
各種薄膜などのパターンは益々微細化し、＄１１１化し
てきている。そしてこうした半導体素子の製造歩留りの
向上、高信頼化を図る上で、半導体素子のサブミクロン
のような微小な領域における２次元的および３次元的な
形状観察と不純物分析とは極めて重要である。この微小
な領域の形状観察は、単に形状的な情報を得るためだけ
でなく、不純物の分析すべき位置を正確に把握し決定す
るためにも必要である。そしてサブミクロン領域に対す
る形状＊ａ、分析箇所の位置決めに必要な拡大倍率は、
もはや光学顕微鏡の限界を越えようとしている。

このようなサブミクロン領域に対する不純物分析につい
ては、マイクロビームアナリシスが、微小分析に適した
本来的な性質を有し、ａ輝度点源等のイオン源の開発等
の技術的進歩によって微小領域の拡大観察と分析限界の
拡張にＲ開がなされ、非常に期待されている。

第５図は、従来より半導体素子の微小領域における形状
観察および不純物分析を行なうために用いられている投
影型の二次イオン質量分析装置の概略構成図である。

この二次イオン質量分析装置は、−次イオンビーム発生
！１１１０により一次イオンビーム１１を半導体素子等
の試料１の表面に照射し、試料１の表面から放出される
二次イオンの質量分析を行なうものである。−次イオン
ビーム１１の照射により試料１の表面から放出される二
次イオンは、集束電極２１によって捕集、集束されて二
次イオンビーム２２とされる。この二次イオンビーム２
２はセクタ電場２３およびセクタ磁場２４によって振分
けられ、分析しようとする元素の二次イオン（特定イオ
ン）のみが選択される。そしてこの特定イオンのイオン
ビーム２２ａは電子光学的な像として拡大されて螢光板
２６に投影されるが、デフレクタ２５によって特定イオ
ン検出部２７に導かれる。特定イオン検出部２７に導入
された特定イオンはファラディ・カップ２８により検出
、定量されてＣＲＴよりなるディスプレイ部２９に表示
される。

この投影型の二次イオン質量分析ａＷ１を用いて半導体
素子の不純物分析を行なう場合には、まず試料台２を少
しずつ動かしながら、−次イオンビーム１１を照射した
領域の元素の分布状態を螢光板２６等により観察するこ
とによって半導体素子表面の形状観察を行ない、そして
、分析しようとする箇所を決めた後、その箇所の不純物
の分析を行なっていた。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記のように、二次イオン質量分析装置を用いて半導体
素子の不純物分析を行なう場合には、分析箇所の位置決
めを行なうために形状ＷＪ察を行なう際に、半導体素子
の表面層が一次イオンビームでスパッタエツチングされ
て消失してしまう。特に、分析箇所の位置決めに手間取
りやすい複雑なパターンを有する半導体素子の場合には
、表面層が深くえぐられ、益々薄膜化する半導体素子の
３次元的な深さ方向の不純物分析を行なう上で問題とな
っていた。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、測定試料の表面層を消失させることなく分析
しようとする箇所の位置決めができる二次イオン質量分
析装置を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段Ｊ この発明は、試料台に固定された試料の表面に一次イオ
ンビーム発生装置により一次イオンビームを照射し、試
料の表面から放出された二次イオンを二次イオン分析装
置によりｉｎ分析する二次イオン［ｆｆｉ分析ｉｓにお
いて、試料の表面に蒸気圧の高い導電性元素を噴射する
導電性元素放出部を設けたものである。

［作用］ 半導体素子の表面は、各種の微細パターンが形成されて
いるので凹凸状態となっている。したがって、凹部と凸
部の境界である段差部、すなわち凹部または凸部の側壁
部のパターン形状がわかれば、微細パターン形状も明確
となり、これによって分析すべき箇所の位置決めは容易
となる。

前記段差部は凹部の底面部や凸部の上面部に対して一定
の角度をなしている。そこで導電性元素放出部によって
半導体素子に含まれていない導電性元素を半導体素子の
表面に噴射し、その表面にｌ１ｌＷｉ性元素のｓｌＩを
形成した後、その１ｇ１面に一次イオンビーム発生ａｉ
ｉによプて一次イオンビームを照射する。すると、薄膜
面に対する一次イオンビームの入射角度や、−次イオン
ビームの入射方向から見た前記導電性元素の面密度が段
差部とそれ以外の部分とで異なるため、−次イオンビー
ムの照射により放出される二次イオンの放出効率に差異
が現われる。すなわち、二次イオンビームは前記段差部
に相当する部分とそれ以外の部分とで明確な濃度差をも
つようになる。したがって、この二次イオンビームを二
次イオン分析装置により分析することによって、凹部と
凸部の段差部のパターン形状を知ることができ、これに
よって半導体素子の分析すべき箇所の位置決めができる
。

そしてこのようにして位置決めを行なった後、分析しよ
うとする不純物元素に着目して分析を進めていけばよい
。

分析箇所の位置決めの際に、半導体素子の表面に導電性
元素薄膜を形成することにより、この導電性元素１１１
１１が緩衝膜となるため、−次イオンビームのスパッタ
・エッチによる半導体素子の表面層の消失が低減される
とともに、半導体素子における絶縁膜のチャージアップ
が防止される。また、半導体素子に含まれていない導電
性元素を用いることにより、定量性と分析限界を維持す
ることができる。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図面を用いて説明する。

第１図は、この発明による投影型の二次イオン質量分析
装置の概略構成図である。二次イオン質量分析装置は、
半導体素子等の試料１を固定する試料台２と、試料１の
表面に一次イオンビーム１１を照射する一次イオンビー
ム発生装置１０と、−次イオンビーム１１の照射により
試料１の表面から放出された二次イオンを質量分析する
二次イオン分析装置２０とを備えたものであり、この発
明においては、さらに、蒸気圧の高い導電性元素３１を
試料１の表面に噴射する導電性元素放出部３０を設けて
いる。

一次イオンビーム１１の照射により試料１の表面から放
出される二次イオンは、集束電極２１によって捕集、集
束されて二次イオンビーム２２とされる。この二次イオ
ンビーム２２はセクタ電場２３およびセクタ磁場２４に
よって振分けられ、分析しようとする元素の二次イオン
（特定イオン）のみが選択される。そしてこの特定イオ
ンのイオンビーム２２ａはデフレクタ２５によりて螢光
板２６または特定イオン検出部２７に導かれる。螢光板
２６においては特定イオンのイオンビーム２２ａの電子
光学的な像が拡大されて投影される。

また、特定イオン検出部２７に導入された特定イオンは
ファラデイ・カップ２８により検出、定量されてＣＲＴ
よりなるディスプレイ部２９に表示される。

第２図は前記導電性元素放出部３０を示す断面図である
。この導電性元素放出部３０は、一端が閉じられ他端が
開口している筒状の金属スリーブ３２を収納体とし、こ
の金属スリーブ３２に所定の間隔をおいて２本の電気端
子３３．３３を取付けたものであり、この電気端子３３
．３３に通電することにより金属スリーブ３２をジュー
ル加熱することができる。この金属スリーブ３２はニッ
ケル等の薄肉材料で形成されている。金属スリーブ３２
内には、シリコン（Ｓｌ）粉末３４が還元剤として、ク
ロム酸セシウム（Ｃｓ　ｚ　Ｏｒ　Ｏ＜　）粉末３５が
導電性元素化合物として充填されている。前記電気端子
３３．３３に通電しジュール加熱すると、シリコン粉末
３４とクロム酸セシウム粉末３５が反応して蒸気状のセ
シウムが発生し、金属スリーブ３２の開口部から放出さ
れる。

この導電性元素放出部３０を用いると、金属スリーブ３
２に流す電流の量を調節することによって、セシウム等
の導電性元素３１の放出量を調節することができる。

導電性元素化合物としては、クロム酸セシウムのほか、
クロム酸ルビジウムやクロム酸フランシウムを用いても
よい。特に、クロム酸セシウム等の導電性元素化合物と
シリコン等の還元剤のａｍ混合比を１：３から１＝１０
の範囲にすると、反応がバランス良く行なわれ、導電性
元素３１の放出量をきめ細かくコントロールすることが
できる。

なお、金属スリーブ３２内にセシウム等の金属自体を充
填してジュール加熱することによりセシウム等の金属蒸
気を放出するようにしてもよいが、上記のようにセシウ
ム等の金属の化合物を用いる方が空気中で安定であるの
で取扱いやすい。

次に、上記の二次イオン質量分析装置を用いて半導体素
子の不純物分析を行なう方法を説明する。

まず、導電性元素放出部３０によって、セシウム等の導
電性元素３１の蒸気を比較的断面積の大きいビーム状に
して半導体素子１ａの表面に噴射する。セシウムのよう
に高い蒸気圧をもつアルカリ金属は真空中で拡散しやす
いので、半導体素子１ａの表面を均一に被覆し、凹部の
底面部４１、凸部の上面部４２および段差部４３に同じ
厚さの導電性元素ｉ１膜３１ａが形成される（第３図参
照）。この導電性元素１１１３１ａの表面に一次イオン
ビーム１１を照射させると、その表面への一次イオンビ
ーム１１の入射角度および入射方向から見た導電性元素
の面ｖ！ｉ度が、凹部の底面部４１および凸部の上面部
４２と段差部４３とで異なるため、二次イオンの実効的
な放射効率が異なってくる。

すなわち、凹部の底面部４１および凸部の上面部４２か
ら放出される二次イオン量と段差部４３から放出される
二次イオン量とに差異が現われ、二次イオンビーム２２
は、凹部の底面部４１および凸部の上面部４２に相当す
る領域と段差部４３に相当する領域とで明確な濃度差を
もつようになる。

したがうて、この二次イオンビーム２２を電子光学的な
像として拡大し螢光板２６に投影すると、段差部４３の
パターン形状がわかり、半導体素子１ａにおける分析す
べき箇所の位置決めをすることができる。分析箇所が決
定されると、その箇所に一次イオンビーム１１を照射し
、分析しようとする不純物元素に着目して公知の方法に
より分析作業を行なう。

第４図は、半導体素子等の試料１を固定、保持する試料
台２の変更例である。この試料台２は、ヒータ５１が内
蔵された載物台５２と、その載物台５２を回転させる回
転機構５３とからなり、載物台５２上の試料１を昇温お
よび回転させることができるものである。

この試料台２の昇ｉｎ能を用いると、半導体素子１ａの
分析箇所の位置決めが終わりた後、載物台５２の温度を
ヒータ５１により上昇させることによりて、載物台５２
上の半導体素子１ａの表面の導電性元素１１１３１ａを
蒸発させて除去することができる。またこの試料台２の
回転機能を用いると、半導体素子１ａを回転させながら
導電性元素放出部３０より半導体素子１ａの表面に導電
性元素３１の蒸気を噴射することができるので、ウェハ
状の広い面積を有する半導体素子１ａの表面にも均一な
導電性元素薄膜３１ａを形成することができる。

この発明は、−次イオンビームを細く絞って試料表面に
照射し、偏向電極により一次イオンビームを走査させる
ことによって試料の表面を２次元的に分析する走査型の
二次イオン！１酢分析装置にも適用することができる。

しかしながら、上記の実施例のように、投影型の二次イ
オン質量分析１ｍを用いた方が構造および制御が簡単で
あるという効果がある。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、試料の表面に導電性元
素薄膜を形成して分析箇所の位置決めをすることができ
るので、分析箇所の位置決めの際に、１ｍ性元素薄膜が
！！ｉ膜となって一次イオンビームのスパッタ・エッチ
による試料の表面層の消失が防止されるとともに、この
導電性元素＊ｍによって試料のチャージアップが防止さ
れる。また、蒸気圧の高い２１！！性元素を用いている
ので、試料表面に均一な導電性元素薄膜を形成でき、微
細パターンを有する試料の場合においても、試料表面の
形状観察が可能となり、分析箇所の位置決めを容易に行
なうことができ、しかも位置決め後は試料の表面に残存
する導電性元素１ｍを昇温により容易に除去することが
できる。

したがって、装置の構造を１！雑とすることなく、サブ
ミクロン領域に対する形状観察および不純物等の分析を
容易に行なうことができるので、半導体素子等の製造歩
留り、高信頼化に非常に役立つ。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の二次イオン質量分析１ｉｕｔの一実
施例を示す概略構成図、第２図は導電性元素放出部を示
す断面図、第３図は前記装置を用いた半導体素子表面の
形状Ｉｌ察の原理を説明するための図、第４図は試料台
の変更例を示す正面図、第５図は従来の二次イオン質量
分析装置を示す概略構成図である。 図において、１は試料、２は試料台、１０は一次イオン
ビーム発生装置、１１は一次イオンビーム、２０は二次
イオン分析装置、２２は二次イオンビーム、３０は導電
性元素放出部、３１は導電性元素である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料を固定する試料台と、前記試料の表面に一次
   イオンビームを照射する一次イオンビーム発生装置と、
   一次イオンビームの照射により試料から放出された二次
   イオンの質量分析を行なう二次イオン分析装置と、蒸気
   圧の高い導電性元素を試料の表面に噴射する導電性元素
   放出部とを備えた二次イオン質量分析装置。
2. （２）前記導電性元素放出部は、開口部を有する金属か
   らなる収納体に、この収納体を通電加熱するための電気
   端子が取付けられ、この収納体の内部に前記導電性元素
   の化合物とその導電性元素の還元剤とが充填されたもの
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の二
   次イオン質量分析装置。
3. （３）前記導電性元素化合物は、クロム酸ルビジウム、
   クロム酸セシウムまたはクロム酸フランシウムであり、
   前記還元剤はシリコンであることを特徴とする特許請求
   の範囲第２項記載の二次イオン質量分析装置。
4. （４）前記還元剤と導電性元素化合物は、 ３：１から１０：１の範囲の重量比で混合されているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第２項または第３項記載
   の二次イオン質量分析装置。
5. （５）前記試料台は、昇温手段および回転手段を備えた
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４項の
   いずれかに記載の二次イオン質量分析装置。