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JP2962073B2 - Measurement method of concentration distribution of trace elements - Google Patents
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JP2962073B2 - Measurement method of concentration distribution of trace elements - Google Patents

Measurement method of concentration distribution of trace elements

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JP2962073B2
JP2962073B2 JP4285783A JP28578392A JP2962073B2 JP 2962073 B2 JP2962073 B2 JP 2962073B2 JP 4285783 A JP4285783 A JP 4285783A JP 28578392 A JP28578392 A JP 28578392A JP 2962073 B2 JP2962073 B2 JP 2962073B2
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  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、微量元素の濃度分布の
測定方法に関し、更に詳しくは、半導体材料、金属材
料、セラミックス材料、および有機材料中に含まれる微
量不純物の存在分布を深さ方向および面方向に高感度か
つ高分解能で分析評価する方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for measuring a concentration distribution of a trace element, and more particularly, to a method of measuring a distribution of a trace impurity contained in a semiconductor material, a metal material, a ceramic material, and an organic material in a depth direction. And a method for analyzing and evaluating with high sensitivity and high resolution in the plane direction.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体材料、金属材料、セラミックス材
料、有機材料などにおいては、その機能性を向上させる
ために、高純度化を図ったり、故意に不純物を加えるな
ど様々なプロセスが試みられている。しかし、そのプロ
セス評価や材料自体の特性評価にはこれらの材料中に含
まれる微量元素の分析が不可欠である。
2. Description of the Related Art In semiconductor materials, metal materials, ceramic materials, organic materials, etc., various processes have been tried to improve their functionality, such as high purification or intentional addition of impurities. . However, the analysis of trace elements contained in these materials is indispensable for the process evaluation and the property evaluation of the materials themselves.

【0003】従来、これらの材料中に存在する微量元素
の評価法としては、二次イオン質量分析法が主に用いら
れてきたが、O2 + イオンあるいは、Cs+ イオンを試
料表面に照射し、スパッタリング現象により放出される
二次イオンのうち、単原子イオン(M+ ,M- )を検出
する手法が一般的であった。しかし、この手法では、母
材の元素組成に検出感度が依存するマトリックス効果や
層界面において検出感度が変化する界面効果が激しく、
膜中に存在する元素の情報を正確かつ容易に知ることは
極めて困難であった。また、Cs+ と検出目的元素
(M)との二原子複合イオン(CsM+ )を検出する手
法も提案されているが、この手法での感度は決して高い
ものではなく、微量元素の分析には利用できなかった。
従って、固体中の微量元素を高感度で分析する方法の開
発することが望まれていた。
Conventionally, secondary ion mass spectrometry has been mainly used as a method for evaluating trace elements present in these materials. However, a sample surface is irradiated with O 2 + ions or Cs + ions. In general, a technique of detecting monoatomic ions (M + , M ) among secondary ions emitted by the sputtering phenomenon has been common. However, in this method, the matrix effect in which the detection sensitivity depends on the elemental composition of the base material and the interface effect in which the detection sensitivity changes at the layer interface are severe,
It has been extremely difficult to accurately and easily know the information on the elements present in the film. In addition, a technique for detecting a diatomic complex ion (CsM + ) of Cs + and the element to be detected (M) has been proposed, but the sensitivity of this technique is by no means high, and it is difficult to analyze trace elements. Not available.
Therefore, it has been desired to develop a method for analyzing trace elements in a solid with high sensitivity.

【0004】ところで、ジョセフソン接合素子やMOS
ICなどの電子デバイスではトンネル酸化膜やゲート
酸化膜として極めて薄い酸化膜を用いている。これらの
電子デバイスにおいては、熱処理による酸化膜機能の低
下やイオン注入後のブレークスルーなど酸化膜に関する
素子作製上の問題は数多く存在し、酸化膜中の元素分布
についての情報は極めて重要である。
[0004] By the way, Josephson junction elements and MOS
In an electronic device such as an IC, an extremely thin oxide film is used as a tunnel oxide film or a gate oxide film. In these electronic devices, there are a number of problems in element fabrication related to oxide films, such as deterioration of oxide film function due to heat treatment and breakthrough after ion implantation, and information on element distribution in oxide films is extremely important.

【0005】従来、酸化膜中に存在する元素の深さ方向
分布についての評価法としては、二次イオン質量分析法
が主に用いられているが、O2 + イオンあるいは、Cs
+ イオンを試料表面に照射し、スパッタリング現象によ
り放出される二次イオンのうち、単原子イオン(M+
- )を検出する手法が一般的である。しかし、この手
法では、母材の元素組成に検出感度が依存するマトリッ
クス効果や層界面において検出感度が変化する界面効果
が激しく、膜中に存在する元素の情報を正確かつ容易に
知ることは非常に困難であった。近年、Cs+ と検出目
的元素との二原子複合イオンを検出する手法も提案され
ているが、Cs+ の試料表面への入射角度は明確にされ
ておらず、得られる情報の信頼度は必ずしも高いもので
はなかった。
Conventionally, secondary ion mass spectrometry has been mainly used as a method for evaluating the distribution of elements present in an oxide film in the depth direction, but O 2 + ions or Cs
The sample surface is irradiated with + ions, and among the secondary ions emitted by the sputtering phenomenon, monoatomic ions (M + ,
A method of detecting M ) is generally used. However, in this method, the matrix effect, in which the detection sensitivity depends on the element composition of the base material, and the interface effect, in which the detection sensitivity changes at the layer interface, are intense, and it is very difficult to accurately and easily know information on the elements present in the film. Was difficult. In recent years, a technique for detecting a diatomic complex ion of Cs + and a detection target element has also been proposed, but the angle of incidence of Cs + on the sample surface has not been clarified, and the reliability of the obtained information is not necessarily guaranteed. It was not expensive.

【0006】一方、従来固定表面に存在する元素を同定
する場合、何ら試料は前処理(酸化膜形成等)されてお
らず、試料そのまゝ質量分析に委ねていた。従って、感
度が不十分であり、本来存在している微量元素の検出が
出来ない場合も多かった。
On the other hand, conventionally, when identifying an element present on a fixed surface, the sample has not been subjected to any pretreatment (such as formation of an oxide film), and the sample has been left to mass spectrometry. Therefore, in many cases, the sensitivity is insufficient and the trace element originally present cannot be detected.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、半導体材
料、金属材料、セラミックス材料、および有機材料中に
含まれる微量不純物の深さ方向および面方向の高感度分
析、高分解能分析を行い、材料の機能性評価に寄与する
ことを目的とする。本発明の目的は、電子デバイスに用
いられる材料の表面および層間に存在する酸化膜に関し
て、膜中に存在する元素の深さ方向濃度分布を正確に評
価し、電子デバイスの素子特性の評価に寄与することを
目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a high sensitivity analysis and a high resolution analysis in the depth direction and plane direction of trace impurities contained in a semiconductor material, a metal material, a ceramic material, and an organic material. The purpose is to contribute to the functional evaluation of An object of the present invention is to accurately evaluate the concentration distribution in the depth direction of an element present in a film and the oxide film existing between layers of a material used for an electronic device, thereby contributing to the evaluation of element characteristics of the electronic device. The purpose is to do.

【0008】更に本発明は、固定表面に存在する微量元
素を感度よく同定することを目的とする。
Another object of the present invention is to identify trace elements present on a fixed surface with high sensitivity.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するためになされたものであり、本出願に係る第一の
発明は固体中の微量元素の面方向および/又は深さ方向
の濃度分の測定方法であって、固体表面に、Li,C
sなどのアルカリ金属元素を含むイオンをイオンビーム
として照射し、スパッタリング現象により固体表面から
放出される粒子のうち、照射アルカリ金属イオン、検出
目的元素および母材元素からなる三原子複合イオンを質
量分離によって検出し、三原子複合イオンの強度分布を
二次元像として表示することにより面方向の濃度分布を
測定するか、又はスパッタ時間と共に三原子複合イオン
の強度を表示することにより深さ方向の濃度分布を測定
することを特徴とする。
Means for Solving the Problems The present invention has been made to achieve the above object, and a first invention according to the present application is to provide a method for measuring a trace element in a solid in a plane direction and / or a depth direction. a method of measuring the concentration distribution, to a solid surface, Li, C
Irradiation of ions containing alkali metal elements such as s as an ion beam, and mass separation of triatomic complex ions consisting of the irradiated alkali metal ions, the target element, and the base material element among the particles emitted from the solid surface due to the sputtering phenomenon By detecting the concentration distribution in the plane direction by displaying the intensity distribution of the triatomic complex ions as a two-dimensional image, or by displaying the intensity of the triatomic complex ions together with the sputtering time, It is characterized by measuring the distribution.

【0010】この第一の発明にあっては、感度の向上を
目的として照射イオンビームの入射角度を試料法線方向
に対して45度から60度にする方法が好ましい。ま
た、深さ方向の分解能の向上を目的として照射イオンビ
ームの入射角度を試料法線方向に対して60度から90
度にする方法が好ましい。また、面方向の分解能の向上
を目的として照射イオンビームの入射角度を試料法線方
向に対して0度から30度にする方法が好ましい。
In the first aspect of the present invention, it is preferable to set the incident angle of the irradiation ion beam at 45 to 60 degrees with respect to the normal direction of the sample for the purpose of improving the sensitivity. In order to improve the resolution in the depth direction, the incident angle of the irradiation ion beam is set to 60 to 90 degrees with respect to the normal direction of the sample.
The preferred method is to reduce the temperature. Further, for the purpose of improving the resolution in the plane direction, it is preferable to set the incident angle of the irradiation ion beam at 0 to 30 degrees with respect to the normal direction of the sample.

【0011】すなわち、二次イオンの像を捕えるために
は、イオンビームを走査するが入射角度を傾けるとビー
ム形状は試料表面でだ円形になる。解像度のよい像を得
るためには、試料表面でのビーム形をシャープにする必
要があり、傾きは30°以内が適当である。更にまた、
表面、あるいは層間に酸化膜が存在する固体試料に対
し、酸化膜中に含まれる微量元素の高感度分析を目的に
照射アルカリ金属イオンビームの入射角度を60度から
90度にする方法が好ましい。
That is, in order to capture an image of secondary ions, the ion beam is scanned, but when the incident angle is inclined, the beam shape becomes elliptical on the sample surface. In order to obtain an image with good resolution, it is necessary to sharpen the beam shape on the sample surface, and the inclination is suitably within 30 °. Furthermore,
For the purpose of high-sensitivity analysis of trace elements contained in the oxide film on a solid sample having an oxide film existing on the surface or between layers, it is preferable to set the incident angle of the irradiated alkali metal ion beam from 60 degrees to 90 degrees.

【0012】このように、第一の発明では、高感度分
析、高質量分解能分析、高面分解能分析、酸化膜分析の
目的に合わせて試料表面に入射するイオンビームの入射
角度を適宜選択する。上記手段により、従来法の問題点
であったマトリックス効果および界面効果を取り除き、
目的に合わせた高感度、高分解能分析が可能となる。
As described above, in the first invention, the incident angle of the ion beam incident on the sample surface is appropriately selected according to the purpose of high sensitivity analysis, high mass resolution analysis, high plane resolution analysis, and oxide film analysis. By the above means, the matrix effect and the interface effect, which were problems of the conventional method, are removed,
High-sensitivity, high-resolution analysis can be performed according to the purpose.

【0013】本出願に係る第二の発明の第一の態様は、
固体中に存在する微量元素の面方向および/又は深さ方
向の濃度分の測定方法であって、固体表面に、酸素イ
オンビームを照射しながら同時にLi,Csなどのアル
カリ金属元素を含むイオンをイオンビームとして試料法
線方向に対して、30度から60度の入射角度で照射し
て固体表面に酸化膜を形成しながらスパッタリングを行
い、固体表面から放出される粒子のうち、アルカリ金属
イオンと検出目的元素からなる二原子複合イオンを質量
分離によって検出し、二原子複合イオンを二次元像とし
て表示することにより面方向の濃度分布を測定するか、
又はスパッタ時間と共に二原子複合イオンの強度を表示
することにより深さ方向の濃度分布を測定することを特
徴とする。
The first aspect of the second invention according to the present application is:
A plane direction and / or depth direction density fraction measuring method of the fabric of trace elements present in the solid, the solid surface, at the same time while irradiating an oxygen ion beam Li, ions including alkali metal elements such as Cs Is irradiated as an ion beam at an angle of incidence of 30 to 60 degrees with respect to the normal direction of the sample, and sputtering is performed while forming an oxide film on the solid surface. Of the particles emitted from the solid surface, alkali metal ions Detect the diatomic complex ion consisting of the target element and the target element by mass separation and measure the concentration distribution in the surface direction by displaying the diatomic complex ion as a two-dimensional image,
Alternatively, the concentration distribution in the depth direction is measured by displaying the intensity of diatomic complex ions together with the sputtering time.

【0014】すなわち、この第一の態様では、酸素イオ
ンの注入深さがアルカリ金属イオンの注入深さよりも深
くなるような条件で同時照射するものである。酸素イオ
ンの加速エネルギー、入射角度を考慮することによりこ
の条件は決まる。あるいは、アルカリ金属イオンの加速
エネルギー操作でも条件を得ることは可能である(アル
カリ金属イオンの入射角度を30〜60度に限定して
も)。
That is, in the first embodiment, simultaneous irradiation is performed under the condition that the implantation depth of oxygen ions is deeper than the implantation depth of alkali metal ions. This condition is determined by considering the acceleration energy and incident angle of oxygen ions. Alternatively, it is also possible to obtain the condition by operating the acceleration energy of the alkali metal ion (even if the incident angle of the alkali metal ion is limited to 30 to 60 degrees).

【0015】Robert G.Wilson,Fer
d A.Stevie,Charles W.Mage
e著、「Secondary for Mass Sp
ectro−metry」(JOHN WILEY &
SONS出版、1989)P1.2−1によればO2
+ ,Ar+ ,Cs+ の注入深さは、次式I〜III O2 + :R=2.15Ecosθ …(I) Ar+ :R=1.622E0.84cosθ …(II) Cs+ :R=1.838E0.68cosθ …(III ) (式中、Rは侵入深さ(mm)であり、θは法線からの傾
きの角度であり、Eは第一次エネルギー(keV )であ
る)によって示される。従って条件設定は容易である。
[0015] Robert G. Wilson, Fer
d A. Stevie, Charles W. Mage
e, "Secondary for Mass Sp
electro-metry "(JOHN WILEY &
SONS Publishing, 1989) According to P1.2-1 O 2
+ , Ar + , Cs + are implanted in the following formulas I to III O 2 + : R = 2.15Ecos θ (I) Ar + : R = 1.622E 0.84 cos θ (II) Cs + : R = 1.838E 0.68 cos θ (III) where R is the penetration depth (mm), θ is the angle of inclination from the normal, and E is the primary energy (keV). It is. Therefore, condition setting is easy.

【0016】また、本出願に係る第二の発明の第二の態
様は、固体中に存在する微量元素の面方向および/又は
深さ方向の濃度分の測定方法であって、固体表面に、
酸素イオンビーム照射することと、Li,Csなどの
アルカリ金属元素を含むイオンイオンビームとして
料法線方向に対して、30度から60度の入射角度で照
射することを交互に繰り返し、固体表面に酸化膜を形成
しながらスパッタリングを行い、固体表面から放出され
る粒子のうち、アルカリ金属イオンと検出目的元素から
なる二原子複合イオンを質量分離によって検出し、二原
子複合イオンを二次元像として表示することにより面方
向の濃度分布を測定するか、又はスパッタ時間と共に二
原子複合イオンの強度を表示することにより深さ方向の
濃度分布を測定することを特徴とする。
[0016] A second aspect of the second invention of the present application provides a planar direction and / or depth direction density fraction measuring method of the fabric of trace elements present in the solid, the solid surface ,
And irradiating an oxygen ion beam, Li, against attempts <br/> charge the normal direction as the ion beam containing ions of alkali metal elements such as Cs, irradiation at an incident angle of 60 ° to 30 °
The sputtering is repeated while forming an oxide film on the solid surface, and among the particles emitted from the solid surface, diatomic complex ions composed of alkali metal ions and the target element are detected by mass separation. , To measure the concentration distribution in the plane direction by displaying the diatomic complex ion as a two-dimensional image, or to measure the concentration distribution in the depth direction by displaying the intensity of the diatomic complex ion together with the sputtering time. Features.

【0017】なお、この第二の発明において、試料表面
に作製する酸化膜の厚さは2〜5nmであるのが好まし
い。このように、本出願に係る第2の発明は、固体表面
に2nm〜5nmの極く薄い酸化膜を蒸着等により形成し、
極薄酸化膜の存在下で、Li,Csなどのアルカリ金属
元素を含むイオンを入射角度30度から60度で照射す
る方法である。また、検出に際しては、スパッタリング
現象により固体表面から放出される粒子のうち、アルカ
リ金属イオンと検出目的元素からなる二原子複合イオン
を捕らえ、質量分析することによって検出目的元素の深
さ方向および面方向の濃度分布を評価するものである。
In the second invention, the thickness of the oxide film formed on the sample surface is preferably 2 to 5 nm. Thus, the second invention according to the present application forms an extremely thin oxide film of 2 nm to 5 nm on a solid surface by vapor deposition or the like,
In this method, ions containing an alkali metal element such as Li or Cs are irradiated at an incident angle of 30 to 60 degrees in the presence of an extremely thin oxide film. In addition, upon detection, of the particles emitted from the solid surface due to the sputtering phenomenon, a diatomic complex ion composed of an alkali metal ion and the detection target element is captured, and the depth direction and the surface direction of the detection target element are detected by mass spectrometry. This is to evaluate the concentration distribution of.

【0018】上記手段により、従来法の問題点であった
マトリックス効果および界面効果を取り除き、高感度分
析が可能となる。更に本出願に係る第三の発明は、酸化
膜中に存在する微量元素の深さ方向の濃度分布の測定方
法であって、固体表面、あるいは層間に酸化膜が存在す
る固体試料に対し、Cs+ ,Li+ などのアルカリ金属
イオンを試料法線方向に対して60度から90度の入射
角度で照射し、スパッタリング現象により放出される二
次イオンのうち、照射アルカリイオンと検出目的元素
(M)との二原子複合イオンを質量分離によって検出
し、スパッタ時間と共に二原子複合イオンの強度を表示
することにより深さ方向の濃度分布を測定することを特
徴とする。
By the above-mentioned means, the matrix effect and the interfacial effect, which are problems of the conventional method, are eliminated, and high-sensitivity analysis becomes possible. Further, a third invention according to the present application is a method for measuring the concentration distribution in the depth direction of a trace element present in an oxide film, wherein a Cs is applied to a solid sample having a solid surface or an oxide film between layers. + , Li + and the like are irradiated at an incident angle of 60 ° to 90 ° with respect to the normal direction of the sample, and among the secondary ions released by the sputtering phenomenon, the irradiated alkali ions and the detection target element (M ) Is detected by mass separation, and the concentration distribution in the depth direction is measured by displaying the intensity of the diatomic complex ion together with the sputtering time.

【0019】このように第三の発明では、表面、あるい
は層間に存在する固体試料に対し、上記の如き方法で質
量分析することにより、膜中に存在する元素の深さ方向
濃度分布を正確に測定でき電子デバイスの素子特性の評
価に寄与することができる。更に又、本出願の第4の発
明にあっては、固体表面に存在する元素を同定する方法
であって、極く薄い酸化膜を固体表面に成膜後、Li,
Csなどのアルカリ金属元素を含むイオンをイオンビー
ムとして試料法線方向に対して、30度から60度の入
射角度で照射し、スパッタリング現象により固体表面か
ら放出される粒子のうち、照射アルカリ金属イオンと試
料表面に存在する元素との二原子複合イオンを検出し、
質量分析することを特徴とする。
As described above, according to the third aspect of the present invention, the solid sample existing on the surface or between the layers is subjected to mass spectrometry by the above-described method, whereby the concentration distribution in the depth direction of the element existing in the film can be accurately determined. It can be measured and contributes to the evaluation of the element characteristics of the electronic device. Still further, according to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for identifying an element present on a solid surface, comprising: forming an extremely thin oxide film on the solid surface;
Irradiation of ions containing an alkali metal element such as Cs as an ion beam at an incident angle of 30 to 60 degrees with respect to the normal direction of the sample, and among the particles emitted from the solid surface due to the sputtering phenomenon, the irradiated alkali metal ions And diatomic complex ions of the elements present on the sample surface
It is characterized by mass spectrometry.

【0020】このように第四の発明では試料表面に予め
酸化膜を成膜した後、アルカリ金属元素を含むイオンを
一定角度で照射することにより、感度を増加させ固体表
面に存在する微量元素を同定せんとするものである。以
下、本発明を更に実施例により具体的に説明するが、本
発明がこれらの実施例に限定されないことはもとよりで
ある。
As described above, in the fourth invention, the sensitivity is increased by forming an oxide film on the sample surface in advance and then irradiating ions containing an alkali metal element at a constant angle to reduce the trace elements existing on the solid surface. It is to be identified. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but it goes without saying that the present invention is not limited to these Examples.

【0021】[0021]

【実施例】【Example】

実施例1(第1発明に関する) Si基板中に18+ を100keV 、5×1014atoms /
cm2 でイオン注入して試料を作製した。この試料にCs
+ を入射角度54度で試料表面に照射し、高感度化を図
った。結果を図1に示す。図1より、従来法のCsO+
の検出に比べてCsSiO+ の検出は極めて感度が高い
ことが分かる。また、図2はNbN/Nb/Al/Nb
/Si基板の構造においてOおよびHの深さ方向濃度分
布を測定したもので、高深さ分解能を目的にCs+ を入
射角度72度で照射した。従来法のCsO+ ,CsH+
の検出に比べてCsNbO+ ,CsNbH+ の検出は高
感度であり、層界面での分布が明確にとらえられている
ことがら、深さ分解能も高いことが分かる。
Example 1 (related to the first invention) 18 O + was introduced into a Si substrate at 100 keV and 5 × 10 14 atoms /
A sample was prepared by ion implantation at cm 2 . Cs
The sample surface was irradiated with + at an incident angle of 54 degrees to increase the sensitivity. The results are shown in FIG. FIG. 1 shows that the conventional CsO +
It can be seen that the sensitivity of CsSiO + detection is much higher than that of CsSiO + . FIG. 2 shows NbN / Nb / Al / Nb.
In the structure of the / Si substrate, the concentration distribution of O and H in the depth direction was measured, and Cs + was irradiated at an incident angle of 72 degrees for the purpose of high depth resolution. Conventional CsO + , CsH +
The detection of CsNbO + and CsNbH + is more sensitive than the detection of, and it can be seen that the distribution at the layer interface is clearly understood and the depth resolution is high.

【0022】次にSi基板中に18+ をイオン注入した
試料より求めたSi中の18+ の検出限界を表1に示
す。
Next, Table 1 shows the detection limit of 18 O + in Si obtained from a sample obtained by implanting 18 O + into a Si substrate.

【0023】[0023]

【表1】 [Table 1]

【0024】この表1の結果から明らかなように感度の
向上を目的とする場合、照射イオンビームの入射角度を
試料法線方向に対して45度〜60度にするのが好まし
い。
As is apparent from the results shown in Table 1, when the purpose is to improve the sensitivity, the incident angle of the irradiation ion beam is preferably set to 45 degrees to 60 degrees with respect to the normal direction of the sample.

【0025】実施例2(第二の発明に関する) 次に酸素イオンビームとアルカリ金属元素イオンビーム
の照射を交互に繰り返して行う態様の発明の例を示す。
図3および図4は、熱酸化によってSiO2 5nmをS
i(100)基板上に形成したものを試料として、Oお
よびSiの深さ方向濃度分布を測定したものである。図
3は、アルカリ金属を含むイオンのイオンビーム(Cs
+ ビーム)のみ(従来法)、また、図4は酸素イオンビ
ームとアルカリ金属を含むイオンのイオンビーム(Cs
+ ビーム)との交互照射により得られた濃度分布であ
る。Cs+ビームの入射角度はいずれも30°、検出は
Csと検出目的元素のO,Siとの二原子複合イオンで
ある。図3ではSi基板中でのCsSi+ の強度が1×
10 3countであるのに対し、図4では、5×103count
と5倍感度が向上していることが分る。したがってSi
基板中に微量な元素が存在していた場合、従来法に比べ
5倍の感度で検出が可能となる。
Embodiment 2 (Related to Second Invention) Next, an oxygen ion beam and an alkali metal element ion beam
An example of the invention in which the irradiation is repeated alternately is shown.
FIG. 3 and FIG.Two 5 nm for S
The sample formed on the i (100) substrate was
And Si in the depth direction. Figure
3 is an ion beam of ions containing alkali metal (Cs
+Beam) (conventional method), and FIG.
Beam of ions containing ions and alkali metals (Cs
+Density distribution obtained by alternate irradiation with
You. Cs+The angle of incidence of each beam is 30 °, and the detection is
Diatomic complex ion of Cs and detection target elements O and Si
is there. In FIG. 3, CsSi in Si substrate+Is 1 ×
10 ThreeIn FIG. 4, 5 × 10Threecount
It can be seen that the sensitivity is improved five times. Therefore, Si
When trace elements are present in the substrate,
Detection can be performed with five times the sensitivity.

【0026】なお、この第二の発明においては、分析の
際に試料表面に作製する酸化膜の厚さを2〜5nmとする
のが好ましい。図6は、前記実施例2に作成した試料
で、SiO2 の厚さを10nmにしたもののO,Siの深
さ方向濃度分布である。また図5は、図6の試料をHF
エッチングでSiO2 厚2nmにしたもののO,Siの深
さ方向濃度分布である。図3のようなCsSi+ 強度の
変化は図5でも図6でも見られる。しかし、図6でSi
2 /Si基板界面に向けて徐々にCsSi+ 強度は低
下している。十分に酸化膜効果が見られるのは10nmの
半分の5nm程度までである。また、酸化膜厚が2nmより
薄い場合には、いずれの場合にも共通して照射するアル
カリ金属イオンの試料表面での濃度が一定に達しないた
め(スパッタリングが非定常状態)、本法の効果は薄い
ものと考えられる。したがって、本発明において分析の
際に試料表面に作成する酸化膜厚は、2〜5nmと限定す
るのが好ましい。
In the second invention, the analysis
In this case, the thickness of the oxide film to be formed on the sample surface is set to 2 to 5 nm.
Is preferred. FIG. 6 shows the sample prepared in Example 2 above.
And SiOTwoDepth of O and Si although the thickness of O was 10 nm
FIG. FIG. 5 shows that the sample of FIG.
SiO by etchingTwoO, Si depth of 2nm
FIG. CsSi as shown in FIG.+Strong
The change can be seen in both FIG. 5 and FIG. However, in FIG.
O Two/ CsSi gradually toward the Si substrate interface+Low strength
I'm down. The oxide film effect is sufficiently observed at 10 nm
It is up to about 5 nm, which is half. Also, when the oxide film thickness is less than 2 nm
In the case of thinner
The concentration of potassium metal ions on the sample surface did not reach a certain level.
(Sputtering is in an unsteady state), the effect of this method is weak
It is considered something. Therefore, the analysis of the present invention
At this time, the oxide film thickness formed on the sample surface is limited to 2 to 5 nm.
Preferably.

【0027】実施例3(第三の発明に関する) Si基板上にSiO2 を10nm成膜した試料について、
アルカリ金属イオンCs+ を試料表面への入射角度を3
0度、45度、60度、80度と変化させて照射し、二
原子複合イオンCsSi+ とCsO+ を検出した結果を
図7〜10に示す。図7および図8においてSiO2
でのCsSi+ およびCsO+ の二次イオン強度は試料
表面からSiO2 /Si基板界面に向かって減少し、C
sSi+の深さ方向プロファイルはSiO2 /Si基板
界面で不連続になっている。一方、図9および図10で
は、SiO2 中でのCsSi+ およびCsO+ の二次イ
オン強度はほぼ一定で、双方の深さ方向プロファイルに
不連続な部分はない。これらの結果より、Cs+ を入射
角度60度から90度で試料表面に照射し、CsM +
検出することで酸化膜中に存在する元素の深さ方向濃度
分布を正確に測定することができることが分かる。
Example 3 (related to the third invention)TwoFor a sample with a film thickness of 10 nm,
Alkali metal ion Cs+With the angle of incidence on the sample surface being 3
Irradiation at 0, 45, 60, and 80 degrees
Atomic complex ion CsSi+And CsO+The result of detecting
It is shown in FIGS. 7 and FIG.TwoDuring ~
CsSi at+And CsO+Secondary ion intensity of the sample
SiO from the surfaceTwo/ Si decreases toward the substrate interface, and C
sSi+Depth profile is SiOTwo/ Si substrate
Discontinuous at the interface. On the other hand, in FIG. 9 and FIG.
Is SiOTwoCsSi in+And CsO+Secondary a
On-strength is almost constant, and both depth profiles
There are no discontinuities. From these results, Cs+Incident
Irradiate the sample surface at an angle of 60 to 90 degrees, +To
By detecting, the concentration in the depth direction of the element present in the oxide film
It can be seen that the distribution can be measured accurately.

【0028】実施例4(第四の発明に関する) I)Si基板表面に2nm厚のSiO2 を形成した後、C
+ を入射角度30°で照射した。スパッタリング現像
により固体表面から放出されたイオン(CsSi + およ
びCsO+ )を検出した結果を図11に示す。図11に
おいて、試料表面でのCsSi+ 強度が酸化膜の影響を
受けて増加していることがわかる。 II)図12および13はBをSi基板中にドープした試
料の質量分析スペクトルである。図12は従来法、図1
3は、本法(試料表面に薄い酸化膜を形成後、分析する
手法)による分析結果を示すグラフである。図13で
は、CsB+ としてBが検出されているのに対し、図1
2ではBが検出されていない。
Embodiment 4 (Related to the Fourth Invention) I) 2 nm thick SiO 2TwoAfter forming
s+Was irradiated at an incident angle of 30 °. Sputtering development
(CsSi) released from the solid surface by +And
And CsO+) Are shown in FIG. In FIG.
The CsSi on the sample surface+Strength depends on oxide film
It can be seen that the number has increased. II) FIGS. 12 and 13 show the results obtained by doping B into a Si substrate.
3 is a mass spectrometry spectrum of a sample. FIG. 12 shows a conventional method, and FIG.
3 This method (analyze after forming a thin oxide film on the sample surface)
6 is a graph showing the analysis results obtained by (method). In FIG.
Is CsB+B is detected as
In No. 2, B is not detected.

【0029】[0029]

【発明の効果】本発明は以上説明したように構成される
ものであるから、半導体材料、金属材料、セラミックス
材料、および有機材料中に含まれる微量不純物の深さ方
向および面方向の高感度で分析することができ、材料の
機能性評価に寄与することができる。更に、電子デバイ
ス等に用いられる酸化膜中に存在する元素の深さ方向分
布を正確に測定することが可能となり電子デバイスの素
子特性の評価に寄与することができる。
As described above, the present invention has a high sensitivity in the depth direction and plane direction of trace impurities contained in semiconductor materials, metal materials, ceramic materials, and organic materials. It can be analyzed and contribute to the functional evaluation of the material. Further, it is possible to accurately measure the distribution in the depth direction of an element present in an oxide film used for an electronic device or the like, which can contribute to evaluation of element characteristics of the electronic device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】Si中のOの深さ方向濃度分布を示すグラフで
ある。
FIG. 1 is a graph showing the concentration distribution of O in Si in the depth direction.

【図2】NbN/Nb/Al/Nb/Si基板における
O,Hの深さ方向の分布を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing the distribution of O and H in the depth direction on an NbN / Nb / Al / Nb / Si substrate.

【図3】Cs+ 照射によるO,Siの深さ方向濃度分布
を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the concentration distribution of O and Si in the depth direction by Cs + irradiation.

【図4】O2 + ,Cs+ 交互照射によるO,Siの深さ
方向濃度分布を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing the concentration distribution of O and Si in the depth direction by alternate irradiation of O 2 + and Cs + .

【図5】Cs+ 照射によるO,Siの深さ方向濃度分布
を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing the concentration distribution of O and Si in the depth direction by Cs + irradiation.

【図6】Cs+ 照射によるO,Siの深さ方向濃度分布
を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing the concentration distribution of O and Si in the depth direction by Cs + irradiation.

【図7】OおよびSiの深さ方向濃度分布を示すグラフ
である(Cs+ 入射角度30°)。
FIG. 7 is a graph showing the concentration distribution of O and Si in the depth direction (Cs + incident angle 30 °).

【図8】OおよびSiの深さ方向濃度分布を示すグラフ
である(Cs+ 入射角度45°)。
FIG. 8 is a graph showing the concentration distribution of O and Si in the depth direction (Cs + incident angle: 45 °).

【図9】OおよびSiの深さ方向濃度分布を示すグラフ
である(Cs+ 入射角度60°)。
FIG. 9 is a graph showing the concentration distribution of O and Si in the depth direction (Cs + incident angle: 60 °).

【図10】OおよびSiの深さ方向濃度分布を示すグラ
フである(Cs+ 入射角度80°)。
FIG. 10 is a graph showing the concentration distribution of O and Si in the depth direction (Cs + incident angle: 80 °).

【図11】Si表面にSiO2 を形成した後の測定結果
を示すグラフである。
FIG. 11 is a graph showing measurement results after forming SiO 2 on a Si surface.

【図12】第4の発明による分析結果を示すグラフであ
る。
FIG. 12 is a graph showing an analysis result according to the fourth invention.

【図13】従来法による分析結果を示すグラフである。FIG. 13 is a graph showing an analysis result by a conventional method.

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 固体中に存在する微量元素の面方向およ
び/又は深さ方向の濃度分の測定方法であって、固体
表面に、アルカリ金属元素を含むイオンをイオンビーム
として照射し、スパッタリング現象により固体表面から
放出される粒子のうち、照射アルカリ金属イオン、検出
目的元素および母材元素からなる三原子複合イオンを質
量分離によって検出し、三原子複合イオンの強度分布を
二次元像として表示することにより面方向の濃度分布を
測定するか、又はスパッタ時間と共に三原子複合イオン
の強度を表示することにより深さ方向の濃度分布を測定
することを特徴とする、前記測定方法。
1. A plane direction and / or depth direction density fraction measuring method of the fabric of trace elements present in the solid, the solid surface is irradiated with ions including alkali metal element as an ion beam, sputtering Among the particles released from the solid surface due to the phenomenon, the triatomic complex ions composed of the irradiated alkali metal ions, the target element and the base element are detected by mass separation, and the intensity distribution of the triatomic complex ions is displayed as a two-dimensional image. Or measuring the concentration distribution in the depth direction by displaying the intensity of the triatomic complex ion together with the sputtering time by measuring the concentration distribution in the plane direction.
【請求項2】 感度の向上を目的として照射イオンビー
ムの入射角度を試料法線方向に対して45度から60度
にする、請求項1に記載の測定方法。
2. The measuring method according to claim 1, wherein the incident angle of the irradiation ion beam is set to 45 degrees to 60 degrees with respect to the normal direction of the sample for the purpose of improving sensitivity.
【請求項3】 深さ方向の分解能の向上を目的として照
射イオンビームの入射角度を試料法線方向に対して60
度から90度にする、請求項1に記載の測定方法。
3. In order to improve the resolution in the depth direction, the incident angle of the irradiation ion beam is set to 60 degrees with respect to the normal direction of the sample.
The measuring method according to claim 1, wherein the angle is changed from 90 degrees to 90 degrees.
【請求項4】 面方向の分解能の向上を目的として照射
イオンビームの入射角度を試料法線方向に対して0度か
ら30度にする、請求項1に記載の測定方法。
4. The measuring method according to claim 1, wherein the incident angle of the irradiation ion beam is set to 0 to 30 degrees with respect to the normal direction of the sample for the purpose of improving the resolution in the plane direction.
【請求項5】 表面、あるいは層間に酸化膜が存在する
固体試料に対し、酸化膜中に含まれる微量元素の高感度
分析を目的に照射アルカリ金属イオンビームの入射角度
を60度から90度にする、請求項1に記載の測定方
法。
5. An incident angle of an alkali metal ion beam from 60 degrees to 90 degrees with respect to a solid sample having an oxide film present on the surface or between layers for the purpose of high-sensitivity analysis of trace elements contained in the oxide film. The measurement method according to claim 1, wherein the measurement is performed.
【請求項6】 固体中に存在する微量元素の面方向およ
び/又は深さ方向の濃度分の測定方法であって、固体
表面に、酸素イオンビームを照射しながら同時にアルカ
リ金属元素を含むイオンをイオンビームとして試料法線
方向に対して、30度から60度の入射角度で照射して
固体表面に酸化膜を形成しながらスパッタリングを行
い、固体表面から放出される粒子のうち、アルカリ金属
イオンと検出目的元素からなる二原子複合イオンを質量
分離によって検出し、二原子複合イオンを二次元像とし
て表示することにより面方向の濃度分布を測定するか、
又はスパッタ時間と共に二原子複合イオンの強度を表示
することにより深さ方向の濃度分布を測定することを特
徴とする、前記測定方法。
6. A plane direction and / or depth direction density fraction measuring method of the fabric of trace elements present in the solid, the solid surface, ions containing an alkali metal element while simultaneously irradiating an oxygen ion beam Is irradiated as an ion beam at an angle of incidence of 30 to 60 degrees with respect to the normal direction of the sample, and sputtering is performed while forming an oxide film on the solid surface. Of the particles emitted from the solid surface, alkali metal ions Detect the diatomic complex ion consisting of the target element and the target element by mass separation and measure the concentration distribution in the surface direction by displaying the diatomic complex ion as a two-dimensional image,
Alternatively, the measurement method is characterized in that the concentration distribution in the depth direction is measured by displaying the intensity of diatomic complex ions together with the sputtering time.
【請求項7】 固体中に存在する微量元素の面方向およ
び/又は深さ方向の濃度分の測定方法であって、固体
表面に、酸素イオンビーム照射することと、アルカリ
金属元素を含むイオンイオンビームとして試料法線方
向に対して、30度から60度の入射角度で照射するこ
を交互に繰り返し、固体表面に酸化膜を形成しながら
スパッタリングを行い、固体表面から放出される粒子の
うち、アルカリ金属イオンと検出目的元素からなる二原
子複合イオンを質量分離によって検出し、二原子複合イ
オンを二次元像として表示することにより面方向の濃度
分布を測定するか、又はスパッタ時間と共に二原子複合
イオンの強度を表示することにより深さ方向の濃度分布
を測定することを特徴とする、前記測定方法。
7. A plane direction and / or depth direction density fraction measuring method of the fabric of trace elements present in the solid include a solid surface, and irradiating an oxygen ion beam, an alkali metal element Irradiate ions as ion beams at an incident angle of 30 to 60 degrees with respect to the normal direction of the sample .
Preparative repeated alternately perform sputtering while forming an oxide film on a solid surface, of the particles emitted from the solid surface, a diatomic complex ions of the detection object elemental alkali metal ions were detected by mass separation, the two It is characterized by measuring the concentration distribution in the plane direction by displaying the atomic composite ions as a two-dimensional image, or measuring the concentration distribution in the depth direction by displaying the intensity of the diatomic composite ions together with the sputtering time. The measuring method.
【請求項8】 試料表面に作製する酸化膜の厚さを2〜
5nmとする、請求項6又7に記載の方法。
8. The thickness of an oxide film formed on the surface of a sample is set to 2 to 8.
And 5 nm, claim 6 or method according to 7.
【請求項9】 酸化膜中に存在する微量元素の深さ方向
の濃度分の測定方法であって、固体表面、あるいは層
間に酸化膜が存在する固体試料に対し、アルカリ金属イ
オンを試料法線方向に対して60度から90度の入射角
度で照射し、スパッタリング現象により放出される二次
イオンのうち、照射アルカリイオンと検出目的元素
(M)との二原子複合イオンを質量分離によって検出
し、スパッタ時間と共に二原子複合イオンの強度を表示
することにより深さ方向の濃度分布を測定することを特
徴とする、前記測定方法。
9. A method of measuring the concentration distribution in the depth direction of the trace elements present in the oxide film, a solid surface or to a solid sample oxide film is present between the layers, the sample method alkali metal ions Irradiation is performed at an incident angle of 60 to 90 degrees with respect to the line direction, and among secondary ions emitted by the sputtering phenomenon, diatomic complex ions of irradiated alkali ions and the target element (M) are detected by mass separation. And measuring the concentration distribution in the depth direction by displaying the intensity of the diatomic complex ions together with the sputtering time.
【請求項10】 固体表面に存在する元素を同定する方
法であって、極く薄い酸化膜を成膜後、アルカリ金属元
素を含むイオンをイオンビームとして試料法線方向に対
して、30度から60度の入射角度で照射し、スパッタ
リング現象により固体表面から放出される粒子のうち、
照射アルカリ金属イオンと試料表面に存在する元素との
二原子複合イオン検出し、質量分析することを特徴とす
る、前記同定方法。
10. A method for identifying an element present on a solid surface, comprising forming an extremely thin oxide film and then using an ion containing an alkali metal element as an ion beam from 30 degrees with respect to the normal direction of the sample. Irradiation at an incident angle of 60 degrees, among particles emitted from the solid surface due to the sputtering phenomenon,
The above-described identification method, comprising detecting a diatomic complex ion of the irradiated alkali metal ion and an element present on the sample surface and performing mass spectrometry.
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