JPH01264161A

JPH01264161A - 二次イオン質量分析装置

Info

Publication number: JPH01264161A
Application number: JP63092348A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Doi; 土井　紘; Masatake Kishino; 岸野　正剛
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-04-14
Filing date: 1988-04-14
Publication date: 1989-10-20

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〕本発明は、二次イオン質量分析技術に関し、特に、半導
体集積回路素子の製造プロセスにおける微量不純物元素
の検出によるプロセス評価技術に適用して有効な技術に
関する。

〔従来の技術〕

半導体集積回路素子の製造プロセスにおいては、半導体
集積回路素子の高集積化および微細化などに伴って、ｐ
ｐｍおよびｐｐｔ程度の極微量の不純物元素の存在が半
導体集積回路素子の性能や歩留りなどに大きく影響する
に至ってふり、微小領域における微量不純物元素の高精
度の検出が必須となっている。

このような要請に呼応すべく近年では、次のような二次
イオン質量分析装置などが用いられるに至っている。

その概要は、試料の検査部位をイオンビームによって走
査する際に発生する二次電子や二次イオンの検出信号を
イオンビームの走査と同期した陰極線管の輝度変調信号
として用いることにより検査部位の画像を構成して観察
する。そして、この画像に基づいて目的の分析箇所を特
定した後、当該分析箇所にイオンビームを集中的に照射
し、この時、分析箇所から発生する二次イオンを質量分
析器などに導いてイオンの種別および量などを精密に検
知することにより、試料の特定の部位の表面および断面
方向における微量不純物元素の分布などを把握しようと
するものである。

なお、二次イオン質量分析装置については、株式会社工
業調査会、昭和５９年１１月２０日発行、「電子材料Ｊ
　１９８４年１１月号別冊、Ｐ９１〜Ｐ９６に記載され
ている。

〔発明が解決“しようとする課題〕

ところが、上記のような従来技術では、分析箇所の特定
などの目的で、二次イオンの質量分析器による検出に先
立って行われるイオンビーム走査によるスパッタリング
作用のために目的の微量不純物元素が失われることは避
けられず、分析作業自体が不可能になるという問題があ
る。

このため、たとえば、試料に照射されるイオンビームと
は個別に設けられた電子光学系によって試料に電子ビー
ムを照射することにより、走査電子顕＠鏡の原理によっ
て目的の分析位置の特定などを行うことが考えられるが
、試料に対するイオンビームと電子ビームの照射方向が
異なるため、試料の全領域にふいて電子ビーム右よびイ
オンビームによる画像を一致させることが難しいととも
に、試料が絶縁物の場合には電子ビームの照射による帯
電によって後のイオンビーム照射による二次イオンの分
析が困難になるなどの新たな問題を生じるものである。

そこで、本発明の目的は、試料を損なうことな（高精度
に観察しながら二次イオンの検出による！に景不純物の
同定右よび検出などを行うことが可能な二次イオン質量
分析技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述右よび添付図面から明らかになるであろう
。

〔課題を解決するための手段〕

本願において開示される発明のらち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば、次の通りである。

すなわち、一次イオンビームおよび一次電子ビームを同
時または選択的に放射することが可能な荷電粒子源を設
け、試料に対して一次イオンビームの照射方向と同一ま
たはほぼ等しい方向から一次電子ビームを照射するよう
にしたものである。

〔作用〕

上記した手段によれば、たとえば負のイオンビームと電
子ビームとを同一方向から試料の同一部位に随時照射す
ることで、電子ビームおよびイオンビームによる画像を
試料の広い領域で一致させることができ石。

これにより、試料にスパッタリング作用などを及ぼすこ
とのない電子ビームによる画像に基づいて特定される当
該試料の検査部位に対してイオンビームを正確に照射す
ることが可能となり、試料を損なうことなく高精度に観
察しながら二次イオンの検出による微量不純物の同定お
よび検出などを行うことができる。

〔実施例１〕第１図は、本発明の一実施例である二次イオン質量分析
装置の要部を示す説明図であり、第２図は、その荷電粒
子源の一例を示す断面図である。

水平面内にふける移動および上下動などが自在な試料台
ｌの上には、たとえば、所定のパターンＡが形成された
半導体ウェハや半導体ベレットなどの試料２が載置され
ている。

試料台ｌの上方には、試料台１に載置された試料２に対
して所定の角度に軸を傾斜させた荷電粒子源３が設けら
れている。

この荷電粒子３は、たとえば第２図に示されるようなデ
ュオプラズマトロンのような気体放電型イオン銃で構成
されている。

すなわち、第２図に示されるように荷電粒子源３は、ホ
ローカソード３１および中央部軸方向に荷電粒子が通過
する透孔が形成された中間電極３２、アノード３３．引
き出し電極３４などを同軸に配置して構成されており、
中間電極３２の周囲には、当該中間電極３２とアノード
３３とが磁極となって軸方向に磁場を形成する磁石３５
が配置されている。

また、ホローカソード３１と中間電極３２およびアノー
ド３３と引き出し電極３４との間には、それぞれ放電電
源３６および加速電源３７が接続されている。

ホローカソード３１と中間電極３２との間には、ガスノ
ズル３８からソースガス３９が導入されるように構成さ
れている。

そして、このソースガス３９をアーク放電によってプラ
ズマ化し、さらに磁石３５によってアノード３３に高密
度に収束させた後、アノード３３と引き出し電′極３４
との間の電位差によって加速することにより、プラズマ
中の目的のイオン種および電子などが、一次イオンビー
ム４および一次電子ビーム５として外部に取り出される
とともに、ホローカソード３１．中間電極３２．アノー
ド３３、引き出し電極３４の相互の軸調整や、アノード
３３を中間電極３２に対して偏心させることなどにより
、随時、一次イオンビーム４および一次電子ビーム５が
個別にまたは同時に得られるものである。

プラズマが集積し、放電電源３６の電力が集中するアノ
ード３３の中央部は、たとえば、中央部に透孔が形成さ
れた高耐熱性の金属などからなるアノードボタン３３ａ
で構成されている。

一方、荷電粒子源３から試・料金ｌに載置された試料２
に至る一次イオンビーム４および一次電子ビーム５の経
路には、静電型の収束レンズ６、スリット７、静電型の
収束レンズ８．走査用偏向器９が順次配設されており、
試料２０表面に対して、たとえば数十人〜数百人の大き
さに収束した一次イオンビーム４および一次電子ビーム
５が走査されるように構成されている。

また、収束レンズ６および８の前段には、軸調整レンズ
１０および１１が配設されており、一次イオンビーム４
および一次電子ビーム５を前述のように収束させる際に
発生する各種収差が除去または低減される構造とされて
いる。

さらに、この場合、前記軸調整レンズｌＯおよび１１の
前段には、それぞれ、一次イオンビーム４よりも磁場の
影響を受けやすい一次電子ビーム５の各種収差を補正す
る磁場型の電子ビーム補正器１２および電子ビーム補正
器１３（磁場レンズまたは磁場偏向系）が配置されてい
る。

試料台１に載置された試料２の近傍には、当該試料２に
対して一次イオンビーム４または一次電子ビーム５が入
射する際に発生する二次電子５ａを検出する二次電子検
出器１４が設けられており、一次イオンビーム４または
一次電子ビーム５の試料２に対する走査と同期した図示
しない陰極線管の輝度変調信号として二次電子５ａの検
出信号を入力することにより、試料２の一次イオンビー
ム４の入射部位の画像が、たとえば一次イオンビーム４
のみの走査によって発生する二次イオン４ａに基づく画
像と等価に観察されるように構成されている。

さらに、試料２の近傍には、一次イオンビーム４の入射
によって発生する二次イオン４ａを捕捉する二次イオン
引き出しレンズ１５．ビーム補正レンズ１６．ビーム補
正偏向器１７．トロイダル電場または球面電場形成器１
８．絞りを兼ねる補正レンズ１９．電磁場形成器２０．
散乱粒子除去用電場形成器２１．イオンコレクタスリッ
ト２２゜二次イオン４ａを二次電子に変換して増幅する
二次電子増倍管２３．スリット２４．検出器２５などか
らなる質量分析系Ｍが設けられており、一次イオンビー
ム４の入射によって試料２０目的の検査部位から発生す
る二次イオン４ａの種別や量が精密に検出可能にされて
いる。

また、特に図示しないが、上述の各部は、所望の真空度
に排気される真空室内に収容されている。

以下、本実施例の二次イオン質量分析装置の作用を図面
を引用しながら説明する。

まず、荷電粒子源３において、アノードボタン３３ａを
固定した状態で中間電極３２および引き出し電極３４を
僅かに偏心させることによって、一次電子ビーム５のみ
が放射され一次イオンビーム４はほとんど放射されない
状態にした後、試料２に照射される一次電子ビーム５か
細く収束するように前述の収束レンズ６．８および軸調
整偏向レンズ１０．１Ｌさらには電子ビーム補正器１２
．１３などを調整する。

この状態で、走査用偏向器９を作動させることにより、
損傷や存在する異物などの消失などを拓くことなく一次
電子ビーム５によって試料２の目的の領域を走査し、こ
の時、試料２から発生する二次電子５ａの信号を二次電
子検出器１４によって計測する。

そして、この二次電子５ａの信号を走査用偏向器９と同
期した図示しない陰極線管の輝度変調信号などとして利
用することにより、たとえば第３図に示されるような試
料２の目的の部位の拡大画像２ａを構成し、試料２に形
成されているパターン八を観察する。

次に、荷電粒子源３における中間電極３２．アノード３
３．引き出し電極３４の位置を元の同軸状態に戻し、一
次イオンビーム４と一次電子ビーム５とを同時に試料２
０目的の部位に照射する。

そして、この時、一次イオンビーム４の入射によって試
料２から発生する二次イオン４ａを質量分析系Ｍに導い
て計測することにより、第５図に示されるように、試料
２の目的の領域に存在する物質の種別などを検出する。

さらに、荷電粒子源３を前述のように調整して、再び一
次電子ビーム５のみが試料２に照射される状態にして第
４図に示されるような試料２の同一の部位の拡大画像２
ｂを観察する。

こうして、一次イオンビーム４の照射の前後における試
料２の拡大画像２ａおよび２ｂを比較すると、一次イオ
ンビーム４の入射によってスパッタリングされた部位が
、たとえば黒点２１ｂとして観察され、質量分析による
前述の第５図のデータはパターンへの外縁部のデータで
あることが知られる。

さらに、前述の一連の操作を繰り返すことにより、たと
えば、第６図に示される拡大画像２Ｃにおいてパターン
Ａの中央部に一次イオンビーム４の照射痕である黒点２
１ｃが観察され、その時の質量分析系Ｍにおける分析結
果が第７図として得られる。

ここで、パターンへの外縁部にふける黒点２１ｂでの二
次イオン分析結果である第５図と、パターンＡの中央部
に位置する黒点２ＩＣの分析結果である第７図とを比較
すると、黒点２１ｂの部位が黒点２１ｃの部位よりも、
Ｎａ、に、Ａｌ、Ｃなどの不純物が多いことが知られる
。

すなわち、パターンへの中央部ではなんら汚染が認めら
れないが、外縁部ではアルカリ土類金属元素による汚染
があることが知られ、たとえば半導体集積回路素子の製
造プロセスにおける洗浄処理が不十分なためにパターン
へのエツジ部ニ汚染が発生したーことが明らかとなる。

これにより、汚染発生の対策として、試料２を構成する
半導体ウェハなどの製造プロセスにおいて洗浄時間の延
長などの適切な処置が採られる。

このように、本実施例にふいては、試料２の目的の部位
の探索や観察が、一次イオンビーム４とほぼ同一の方向
から照射され、当該試料２をスパッタリング作用などに
よって損なうおそれの少ないとともに、二次イオン４ａ
によって構成される画像と等価な画像を構成する一次電
子ビーム５の走査によって行われるので、たとえば洗浄
処理が不十分なことなどに起因して試料２０表面に付着
した極微量の不純物元素などが分析に先立って失われる
ことなく精度良く検出される。

また、試料２の同一部位に対して一次イオンビーム４と
一次電子ビーム５とを正確に照射することができるので
、試料２が絶縁性の場合でも、両者の同時に照射するこ
とによる帯電解消現象によって、目的の分析部位の帯電
による電位上昇を防止することができ、二次電子５ａの
検出による安定な画像の観察ふよび二次イオン４ａの検
出による高精度の分析などを容易に実現することができ
る。

この結果、たとえば、半導体集積回路素子の微細化およ
び高集積化などに呼応して当該半導体集積回路素子の製
造プロセスの評価に重要となる極微量の不純物元素の検
出を精度良く行うことができ、製造プロセスの適切な評
価による改善を速やかに実施することによって半導体集
積回路素子の製造における生産性を向上させることがで
きる。

なお、上記の説明では、質量分析系Ｍとして、トロイダ
ル電場または球面電場形成器１８などを使用する場合に
ついて説明したが、これに限らず、たとえば、第８図に
示されるように、補正レンズ２６、四重極質量分析計２
７．二次イオン検出器２８などからなる質量分析計Ｍｌ
を併設し、二次イオン４ａや試料２の種別などに応じて
適宜使い分けるようにしてもよい。

また、前記の実施例中の説明における質量分析系Ｍの代
わりに、前記の四重極質量分析計２７を備えた質量分析
結果１を設けてもよいことは言うまでもない。

さらに、荷電粒子１！！３を、一次イオンビーム４およ
び一次電子ビーム５毎に個別に設け、試料２に対する入
射経路が途中から同一になるような構成としてもよい。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。

以上の説明では、主として本発明者によってなされた発
明をその背景となった利用分野である半導体集積回路素
子の製造プロセスの評価に用いられる二次イオン質量分
析技術に適用した場合について説明したが、それに限定
されるものではなく、極微量の元素を精度良く検出する
ことが必要とされる技術に広（適用できる。

〔発明の効果〕

本戦において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである
。

すなわち、一次イオンビームおよび一次電子ビームを同
時または選択的に放射することが可能な荷電粒子源を備
え、試料に対して前記一次イオンビームの照射方向と同
一またはほぼ等しい方向から前記一次電子ビームを照射
するようにしたので、たとえば負のイオンビームと電子
ビームとを同一方向から試料の同一部位に随時照射する
ことで、電子ビームおよびイオンビームによる画像を試
料の広い領域で一致させることができる。

これにより、試料にスパッタリング作用などを及ぼすこ
とのない電子ビームによる画像に基づいて特定される当
該試料の検査部位に対してイオンビームを正確に照射す
ることが可能となり、試料を損なうことなく高精度に観
察しながら二次イオンの検出による＠量不純物の同定お
よび検出などを行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である二次イオン質量分析装
置の′要部を示す説明図、第２図は荷電粒子源の一例を示す断面図、第３図は試料
の拡大画像の一例を示す図、第４図は同じく試料の拡大
画像の一例を示す図、第５図は試料の質量分析結果の一
例を示す線図、第６図は試料の拡大画像の一例を示す図
、第７図は試料の質量分析結果の一例を示す線図、第８
図は二次イオン質量分析装置の変形例を示す説明図であ
る。１・・・試料台、２・・・試料、２ａ、・２ｂ。２Ｃ・・・試料の拡大画像、２１ｂ、２ＩＣ・・・黒点
、３・・・荷電粒子源、３１・・・ホローカソード、３
２・・・中間電極、３３・・・アノード、３３ａ・・・
アノードボタン、３４・・・引き出し電極、３５・・・
磁石、３６・・・放電電源、３７・・・加速電源、３８
・・・ガスノズル、３９・・・ソースガス、４・・・一
次イオンビーム、４ａ・・・二次イオン、５・・・一次
電子ビーム、５ａ・・・二次電子、６・・・収束レンズ
、７・・・スリット、８・・・収束レンズ、９・・・走
査用偏向器、１０．１１・・・軸調整レンズ、１２．１
３・・・電子ビーム補正器、１４・・・二次電子検出器
、１５・・・二次イオン引き出しレンズ、１６・・・ビ
ーム補正レンズ、１７・・・ビーム補正偏向器、１８・
・・トロイダル電場または球面電場形成器、１９・・・
絞りを兼ねる補正レンズ、２０・・・電磁場形成器、２
１・・・散乱粒子除去用電場形成器、２１ｂ。２１ｃ・・・黒点、２２・・・イオンコレクタスリット
、２３・・・二次電子増倍管、２４・・・スリット、２
５・・・検出器、２６・・・補正レンズ、２７・・・四
重極質量分析計、２８・・・二次イオン検出器、Ｍ、Ｍ
ｌ・・・質量分析系、Ａ＃・・パターン。代理人　弁理士　　筒　井　大　和第３図　　　第４図第５図Ｍ／ｅ　−一つ− 号　　　第１図ゝへ、第２一３・・荷電粒子源４・・・イオンビーム５・・・電子ビーム１４・・・二次電子検出器Ｍ・・質量分析系３２・・・中間電極３３・・・アノード３７３４・・・引き出し電極３９・・・ソースガス第６図第７図Ｍ／ｅ−＋２７・・四重極質量分析計

Claims

【特許請求の範囲】１、一次イオンビームおよび一次電子ビームを同時また
は選択的に放射することが可能な荷電粒子源を備え、試
料に対して前記一次イオンビームの照射方向と同一また
はほぼ等しい方向から前記一次電子ビームを照射するよ
うにしたことを特徴とする二次イオン質量分析装置。２、前記一次電子ビームおよび前記一次イオンビームを
前記試料の同一箇所に同時に照射することにより、前記
試料の帯電を解消するようにした請求項１記載の二次イ
オン質量分析装置。３、前記試料から放出される二次電子の信号を検出し、
当該二次電子の信号を前記一次電子ビームの走査と同期
する陰極線管の輝度変調信号として用いることにより、
前記試料表面の形状観察および前記一次イオンビームの
照射部位の観察および位置の特定を行うようにした請求
項２記載の二次イオン質量分析装置。４、前記一次イオンビームおよび前記一次電子ビームの
収束および走査の制御が、同一のレンズ系および偏向系
で行われるようにした請求項１記載の二次イオン質量分
析装置。５、磁場レンズまたは磁場偏向系により、前記一次電子
ビームの収差補正が行われるようにした請求項４記載の
二次イオン質量分析装置。６、前記荷電粒子源が気体放電型イオン銃からなること
を特徴とする請求項１記載の二次イオン質量分析装置。