JP2007093344A - 応力測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶材料の局所的な格子歪み量及び応力値、並びに結晶材料に応力を印加する応力源の応力値を精度良く測定しうる応力測定方法及び装置を提供する
【解決手段】結晶材料の評価領域に収束電子線を入射し、結晶材料を透過した収束電子線により形成されるＨＯＬＺ図形を取得し（ステップＳ１１〜Ｓ１３）、取得したＨＯＬＺ図形からＨＯＬＺ線の分裂幅を測量し（ステップＳ１４）、ＨＯＬＺ線の分裂幅に基づき、結晶材料の評価領域の応力を評価する（ステップＳ１５）。
【選択図】図６

Description

本発明は、応力測定方法及び装置に係り、特に、収束電子回折法を用いて微小領域の格子歪み量や応力値を測定する応力測定方法及び装置に関する。

結晶材料に外部から応力が加わると格子歪みが生じ、結晶材料の様々な物性に影響を及ぼすことが知られている。特に、半導体装置の高集積化及び微細化に伴って発生する格子歪みは、電子デバイスの素子特性を左右する重要な因子の一つになっている。一方、結晶材料に加わる格子歪みを積極的に利用して、電子デバイスの電気特性を向上したり劣化を抑制したりすることも行われている。したがって、電子デバイスを構成する結晶材料の格子歪みやその原因となっている応力を測定することは、所望のデバイスを設計するために重要である。

格子歪みは格子定数の変化率として捉えることができることから、格子歪みの測定には、Ｘ線回折法、ラマン分析法、収束電子回折法等の格子定数測定手法が主に用いられてきた。なかでも収束電子回折法は、ナノメートル単位の空間分解能で格子定数を決定できるため、微細な電子デバイスの格子歪み測定に利用されている。

収束電子回折法は、例えば特許文献１〜４に記載されている。
特開平０６−０３６７２９号公報 特開平０７−１６９８１１号公報 特開２０００−００９６６４号公報 特開２００４−０７７２４７号公報

収束電子回折法は、結晶材料に収束電子線を入射して得られるＨＯＬＺ（High Order Laue Zone）図形の幾何変化を利用したものである。ＨＯＬＺ図形を構成するＨＯＬＺ線は格子歪みに伴って移動するので、ＨＯＬＺ線の移動量を測定することにより格子の歪み量を算出することができる。

歪み量の検知精度は、ＨＯＬＺ線の鮮明度に依存する。格子が均一に歪んでいる場合には鮮明なＨＯＬＺ線を得ることができ、検知精度も向上する。しかしながら、実用試料では格子歪みが均一であるとは限らず、鮮明な像が得られる保証はない。例えば半導体デバイスのトランジスタ周りを例にとると、素子領域の周辺にはプラグ、配線、素子分離膜等の多くのストレッサ（応力源）が様々な位置に配置されており、歪み場は領域によって不均一となる。この場合、ＨＯＬＺ線は不鮮明となり、さらには分裂してしまう。これでは、ＨＯＬＺ線の位置を特定することができず、精密な格子歪みの測定を行うことができない。

本発明の目的は、結晶材料の局所的な格子歪み量及び応力値、並びに結晶材料に応力を印加する応力源の応力値を精度良く測定しうる応力測定方法及び装置を提供することにある。

本発明の一観点によれば、結晶材料の評価領域に収束電子線を入射し、前記結晶材料を透過した前記収束電子線により形成されるＨＯＬＺ図形を取得し、取得した前記ＨＯＬＺ図形からＨＯＬＺ線の分裂幅を測量し、前記ＨＯＬＺ線の前記分裂幅に基づき、前記結晶材料の前記評価領域の応力を評価することを特徴とする応力測定方法が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、結晶材料の評価領域に収束電子線を入射し、前記結晶材料を透過した前記収束電子線により形成されるＨＯＬＺ図形を取得する電子顕微鏡と、前記電子顕微鏡により取得した前記ＨＯＬＺ図形からＨＯＬＺ線の分裂幅を測量し、前記ＨＯＬＺ線の前記分裂幅に基づき、前記結晶材料の前記評価領域の応力を評価する処理装置とを有することを特徴とする応力測定装置が提供される。

本発明によれば、測定対象の結晶材料の評価領域に収束電子線を入射し、前記結晶材料を透過した前記収束電子線により形成されるＨＯＬＺ図形を取得し、取得したＨＯＬＺ図形からＨＯＬＺ線の分裂幅を測量し、測量したＨＯＬＺ線の分裂幅に基づき結晶材料の局所的な応力を評価するので、極めて微小な領域に加わる不均一な歪み場における応力や格子歪みを精密に測定することができる。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による応力測定方法及び装置について図１乃至図１１を用いて説明する。

図１は本実施形態による応力測定装置を示す概略図、図２はＳＴＥＭ法を用いた試料の測定方法を示す概略図、図３は収束電子線を晶帯軸方向から入射したときの収束電子回折像を示す図、図４は均一に歪んだ試料におけるＨＯＬＺ図形を示す図、図５は不均一に歪んだ試料におけるＨＯＬＺ図形を示す図、図６は本実施形態による応力評価方法を示すフローチャート、図７はＨＯＬＺ線の分裂幅及び分裂方向を説明する図、図８は試料の格子湾曲量とＨＯＬＺ線の分裂幅との関係を計算するために用いたモデルの概略図、図９は試料の格子湾曲量とＨＯＬＺ線の分裂幅との関係を示す図、図１０及び図１１は測定結果の表示例を示す図である。

はじめに、本実施形態による応力測定装置について図１を用いて説明する。

本実施形態による応力測定装置は、走査透過型電子顕微鏡（Scanning Transmission Electron Microscope：ＳＴＥＭ）１０を有している。ＳＴＥＭ１０には、試料に入射する電子線を制御するための走査レンズ系を制御するための走査レンズ系制御装置１２と、試料を透過した電子線を制御するための透過レンズ系を制御するための透過レンズ系制御装置１４と、電子線に対する試料の位置や角度を制御するための試料制御装置１６と、試料を透過した電子線の画像（透過電子像）を取り込む画像取り込み装置１８とが設けられている。

試料制御装置１６は、処理装置２４に接続されている。走査レンズ系制御装置１２は、走査レンズ系制御用入力装置２０を介して処理装置２４に接続されている。また、透過レンズ系制御装置１４は、透過レンズ系制御用入力装置２２を介して処理装置２４に接続されている。これにより、試料の任意の位置へ任意の角度で電子線を収束して入射するとともに、試料を透過した電子線を画像取り込み装置１８へ導くようになっている。

処理装置２４は、走査レンズ系制御装置１２、透過レンズ系制御装置１４、試料制御装置１６等を制御する制御装置として、また、画像取り込み装置１８から入力される測定データの分析を行う分析装置として機能する。処理装置２４には、外部から測定等に必要な情報を入力するための入力装置２６、測定データの分析に用いられるデータベース等を記憶する外部記憶装置２８、分析結果等を表示する表示装置３０が接続されている。

次に、本発明の応力測定方法に用いるＳＴＥＭ法（Scanning Transmission Electron Microscopy）の概略について、図２乃至図５を用いて説明する。ＳＴＥＭ法とは、収束した電子線を試料に入射してそれを走査させ、各入射点における電子回折強度及び電子散乱強度を検出器で読み取って画像化する手法である。この手法を用いることで、半導体デバイスをはじめとした様々な構造物の拡大像（ＳＴＥＭ像）を得ることができる。

図２に示すように、収束電子線３２を、測定対象の試料３０の表面３０ａ側から入射する。入射された電子線は試料３０を透過し、その裏面３０ｂ側からは透過電子線３６が出射される。

収束電子線３２を＜１１０＞や＜１００＞等の原子配列が揃った晶帯軸方向から入射すると、透過電子線３６として図３に示すような画像が得られる。この画像は、電子波の干渉によるものである。半導体デバイスなどの構造物では晶帯軸方向にそって素子を製造することが多いため、素子構造に沿って断面を切り出した試料ではこのような画像が得られる。

収束電子線３２の入射方位を晶帯軸方向から数度傾けると、電子線の干渉性は弱まる。このとき、電子線の波長と格子面３４の間隔との関係がブラッグの反射条件を満たしていると、入射した収束電子線３２のうち格子面３４に対してブラッグの反射条件を満たす所定の角度で入射された電子線が回折され、所定の回折電子線３８が得られる。

回折電子線３８は、格子面３４の面方位に関係した方向に延在する直線（高次ラウエゾーン（High Order Laue Zone：ＨＯＬＺ）線、以下、ＨＯＬＺ線という）からなる回折像を構成する。透過電子線３６は、試料３０に入射された収束電子線３２のうち試料３０により回折されなかった電子線であり、透過電子線３６により構成される透過像にも、ＨＯＬＺ線が現れる。

結晶材料に導入される歪み領域は、構造的な観点から、閉じた系と開いた系とに分類することができる。前者は対象とする領域が応力源で囲まれている系、後者はそうでない系である。ＭＯＳＦＥＴの素子領域近傍を例にとると、素子分離領域と素子領域との関係は閉じた系と、コンタクト材やプラグ材と素子領域との関係は開いた系と、それぞれ考えることができる。

閉じた系は、一般に応力源が評価領域を囲む構造となっているため、評価領域中の結晶格子は均一に歪む。このようなときは、結晶格子の歪み量は、通常の収束電子回折法（例えば特許文献４を参照）により測定することができる。なお、このような試料を局所的に観察すると、図４に示すようなＨＯＬＺ図形が得られる。

これに対し、開いた系では応力源が単体で存在しているため、評価領域は局所的に見ると不均一に歪んでいる。このような場合に試料の断面を切り出すと、評価領域にかかっていた応力は保たれずに解放してしまい、結晶格子は湾曲してしまう。湾曲した試料を局所的に観察すると、図５に示すような分裂したＨＯＬＺ図形が得られる。

次に、本実施形態による応力測定方法について図６を用いて具体的に説明する。

図６は本実施形態による応力測定方法を示すフローチャートである。このフローチャートでは、評価領域のＨＯＬＺ図形を測定し（ステップＳ１１〜１３）、ＨＯＬＺ線の分裂幅を測定し（ステップＳ１４）、ＨＯＬＺ線の分裂幅を表示する（ステップＳ１５）。

まず、ＳＴＥＭ１０内のステージに測定対象の試料を載置し、ＳＴＥＭ１０内を所定の圧力まで減圧する。なお、測定対象の試料は、電子線が透過する薄片状に予め成形しておく。

次いで、試料に収束電子線を入射し、走査レンズ系制御用入力装置２０を介して走査レンズ系制御装置１２を制御することにより、試料上の任意の位置で電子線を静止させる（ステップＳ１１）。収束電子線は、数ｎｍ程度以下の極めて微細なビーム径に絞ることができ、試料の極めて微小な領域に入射させることができる。なお、電子線の入射位置は、ＳＴＥＭ法像で確認することができる。

次いで、試料制御装置１６により収束電子線に対して試料を傾け、透過電子線にＨＯＬＺ図形が現れるようにする（ステップＳ１２）。

次いで、走査レンズ系制御装置１２により収束電子線を走査しながら撮影を行い、試料上の任意の位置におけるＨＯＬＺ図形を取得する（ステップＳ１３）。

ＳＴＥＭ１０によりＨＯＬＺ図形を取得するためには、画像取り込み装置１８としてＣＣＤカメラ等の画像取り込み装置を用いる。走査速度とＣＣＤカメラのシャッター速度とを同期させることにより、各入射点でのＨＯＬＺ図形を連続的に取り込むことができる。このとき、走査レンズ系制御装置１２により電子線の位置を制御することにより、０次元走査のときは任意の位置の入射点で、一次元走査のときは線上の入射点で、２次元走査のときは面内の入射点で、それぞれＨＯＬＺ図形を取り込むことができる。

なお、本発明による応力測定方法の測定対象は結晶格子が非対称に歪んでいる試料であり、ＨＯＬＺ線は互いに平行な直線に分裂している（図５参照）。

次いで、撮影した各点のＨＯＬＺ図形から、ＨＯＬＺ線の分裂幅をそれぞれ測定する（ステップＳ１４）。

ＨＯＬＺ線の分裂幅とは、試料の湾曲によって分裂したＨＯＬＺ線（分裂ＨＯＬＺ線）の間隔を、ＨＯＬＺ線の分裂方向に沿って測定したものである。ここで、ＨＯＬＺ線の分裂方向とは、ＨＯＬＺ図形ごとに定められる一の方向であり、総ての分裂ＨＯＬＺ線の間隔が等しくなる方向である（図７参照）。

ここで、試料の湾曲量とＨＯＬＺ線の分裂幅との関係について図８及び図９を用いて説明する。

測定対象の試料として、図８に示すようなモデルを仮定する。図８に示す試料は、膜厚が６００ｎｍであり、説明の便宜上、深さ方向に厚さが等しい１１スライスの領域を有するものと考える。１スライスの厚さは約５４．５ｎｍである。

図８に示す試料において、本来厚さ方向に対して平行になるべき結晶面（図中、点線）が、図中に実線で示すように湾曲しているものとする。このときの格子湾曲量は、試料表面近傍（例えば１層目のスライス）における結晶方位と、試料裏面近傍（例えば１１層目のスライス）における結晶方位との間のずれ量（例えば２θ）で表される。以下の説明では、角度θが１．５３［ｍｒａｄ］であるものと仮定する。

図９は、図８の試料の厚さを表面側からスライス単位で増加していったときのＨＯＬＺ図形をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。図９（ａ）は表面側の１スライスで構成される試料（厚さ５５ｎｍ）の場合、図９（ｂ）は表面側の３スライスで構成される試料（厚さ１６４ｎｍ）の場合、図９（ｃ）は表面側の５スライスで構成される試料（厚さ２７３ｎｍ）の場合、図９（ｄ）は表面側の７スライスで構成される試料（厚さ３８１ｎｍ）の場合、図９（ｅ）は表面側の９スライスで構成される試料（厚さ４９０ｎｍ）の場合、図９（ｆ）は１１スライスで構成される試料（厚さ６００ｎｍ）の場合である。なお、格子湾曲量は、試料表面近傍における結晶方位と試料裏面近傍における結晶方位との間のずれ量で表される。したがって、図９（ａ）から図９（ｆ）の例では、試料が厚いほどに格子湾曲量は大きくなっている。

図９に示すように、ＨＯＬＺ線の分裂幅は、試料の格子湾曲量が大きくなるほどに増加する。すなわち、ＨＯＬＺ線の分裂幅は格子の歪み量と相関関係を有しており、ＨＯＬＺ線の分裂幅を測定すれば、評価試料における格子の歪みを定性的に知ることができる。

次いで、以上のステップにより測定したＨＯＬＺ線の分裂幅を、表示装置３０に表示する（ステップＳ１５）。

ステップＳ１３においてＨＯＬＺ図形を取得する際に、評価試料上における収束電子線の入射位置と関連づけて外部記録装置２８に記録しておくことにより、算出したＨＯＬＺ線の分裂幅（格子の歪み量）と収束電子線の入射位置とを関連づけ、１次元プロファイルや２次元マッピングとして表示することが可能である。

図１０は、ＭＯＳＦＥＴのチャネル領域をチャネル方向に１次元走査したときの評価結果の表示例である。また、図１１は、ＭＯＳＦＥＴのソース／ドレイン領域に接続されるコンタクトプラグ下のシリコン基板の領域を２次元走査したときの評価結果の表示例である。

本実施形態による応力測定方法では格子の歪み量を定量化することはできないが、領域間における格子の歪み量の大きさの相関関係を知ることができる。したがって、本実施形態による応力測定方法は、評価領域の定性的な評価を行う際に有用である。

このように、本実施形態によれば、測定対象の結晶材料の評価領域に収束電子線を入射し、結晶材料を透過した収束電子線により形成されるＨＯＬＺ図形を取得し、取得したＨＯＬＺ図形からＨＯＬＺ線の分裂幅を測量し、測量したＨＯＬＺ線の分裂幅に基づき結晶材料の格子湾曲量の大きさを見積もるので、極めて微小な領域に加わる不均一な歪み場における格子歪みを定性的に測定することができる。

また、本実施形態による応力測定方法及び装置を、例えばシリコン半導体デバイスの製造工程に組み込み、測定結果を製造プロセスにフィードバックすることにより、格子歪み或いは応力を制御したデバイス構造を実現することができる。これにより、設計通りの特性を有する電子デバイスの開発時間の短縮化を図ることができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による応力測定方法及び装置について図１２及び図１３を用いて説明する。なお、図１乃至図１１に示す第１実施形態による応力測定方法及び装置と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図１２は本実施形態による応力測定方法を示すフローチャート、図１３は格子湾曲量から格子の歪み量を算出する際に用いるモデルを示す図である。

本実施形態では、評価領域における格子の歪み量及び応力値を定量化しうる応力測定方法について説明する。本実施形態による応力測定方法に用いる装置は、第１実施形態の場合と同様である。

図１２は本実施形態による応力測定方法を示すフローチャートである。このフローチャートでは、評価領域のＨＯＬＺ図形を測定し（ステップＳ２１〜２３）、ＨＯＬＺ線の分裂幅を測定し（ステップＳ２４）、ＨＯＬＺ線の分裂幅から試料の格子湾曲量を算出し（ステップＳ２５）、試料の格子湾曲量から格子の歪み量を算出し（ステップＳ２６）、格子の歪み量から応力値を算出し（ステップＳ２７）、算出した格子の歪み量及び／又は応力値を表示する（ステップＳ２８）。ステップＳ２１〜ステップＳ２４は、第１実施形態による応力測定方法のステップＳ１１〜ステップＳ１４と同じである。

まず、第１実施形態による応力測定方法の場合と同様にして、収束電子線を走査しながらＨＯＬＺ図形の撮影を行い、撮影したＨＯＬＺ図形に基づいてＨＯＬＺ線の分裂幅を測定する（ステップＳ２１〜ステップＳ２４）。

次いで、算出したＨＯＬＺ線の分裂幅に基づき、試料の格子湾曲量を算出する（ステップＳ２５）。

前述の通り、ＨＯＬＺ線の分裂幅は、試料表面と試料裏面との結晶方位のずれ量（＝２θ）の大きさに依存している。換言すれば、ＨＯＬＺ線の分裂幅を測定することにより、試料の格子湾曲量のパラメータとしての角度θを算出することができる。

測定したＨＯＬＺ線の分裂幅が、例えば図９（ｆ）に示すＨＯＬＺ図形の場合と同じであるときには、試料表面と試料裏面との結晶方位のずれ量、すなわち格子湾曲量（２θ）は、例えば３．０６［ｍｒａｄ］であると算出できる。ＨＯＬＺ線の分裂幅と格子湾曲量との関係は、予めデータベース化して外部記憶装置２８に記憶しておく。これにより、測定したＨＯＬＺ線の分裂幅から試料の格子湾曲量を直ちに求めることができる。

次いで、ＨＯＬＺ線の分裂幅から求めた試料の格子湾曲量に基づき、結晶格子の歪み量を算出する（ステップＳ２６）。

ここでは、湾曲した測定試料が、図１３（ａ）に示すように、１１層の単結晶（スライス）が積み重なった状態であると仮定する。試料の厚さは６００ｎｍとする。評価領域は、図１３（ａ）に矢印で示すコラムに含まれるものとする。

図１３（ｂ）は、図１３（ａ）から評価領域が含まれるコラムを抜き出したものである。図１３（ｂ）において、各層の結晶方位は段階的に変化するものとし、試料表面における結晶方位と試料裏面における結晶方位との間のずれ量（＝２θ）は、ＨＯＬＺ線の分裂幅の測定から例えば３．０６［ｍｒａｄ］であると算出されたものとする。また、以下の説明では簡単のために水平方向（Ｘ方向）以外の伸び縮みは無視し、水平方向にのみ歪みが生じたものと考える。

図１３（ｂ）の点線で囲まれ１層目のスライスと２層目のスライスとに着目すると、図１３（ｃ）に示すように、１層目のスライスと２層目のスライスとの間のＸ方向の位置ずれ量ΔＸは、格子湾曲量を２θ、スライス間のピッチ（厚さ）をｐとして、以下の式で表される。

ｔａｎθ ＝ ΔＸ／ｐ
試料の厚さが６００ｎｍであり、厚さ方向のスライス数が１１スライスである場合、スライス間のピッチｐは、６００／１１＝５４．５ｎｍとなる。したがって、単位胞のＸ方向の位置ずれ量ΔＸは、
ΔＸ＝ ｔａｎ（１．５３［ｍｒａｄ］）×５４．５
＝ ８．３３８×１０^−２［ｎｍ］
と求めることができる。評価試料が例えばＳｉの場合、Ｓｉの格子定数は０．５４３０７ｎｍであるから、結晶材料の単位胞あたりのＸ方向への圧縮量は、
８．３３８×１０^−２×０．５４３０７／５４．５＝８．３０８×１０^−４［ｎｍ］
となる。したがって、Ｘ方向の垂直歪み量ε_ｘｘは、
ε_ｘｘ＝ ８．３０８×１０^−４／０．５４３０７
＝１．５２９×１０^−３［％］
と求めることができる。

Ｙ方向及びＺ方向の歪み量についても、上記と同様にして計算することができる。

次いで、試料の格子湾曲量から求めた結晶格子の歪み量に基づき、結晶格子に印加される局所的な応力値を算出する（ステップＳ２７）。

評価領域に印加される応力は、

として表される。ここで、Ｃ_１１，Ｃ_１２は弾性率、ｅ_ｘｘ，ｅ_ｙｙ，ｅ_ｚｚはそれぞれＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向の格子歪み成分、ｆ_ｘｘ，ｆ_ｙｙ，ｆ_ｚｚはそれぞれＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向の応力成分である。

弾性率Ｃ_１１，Ｃ_１２は、測定対象の結晶材料のヤング率とポアソン比から求められる。また、格子歪み成分ｅ_ｘｘ，ｅ_ｙｙ，ｅ_ｚｚは、上記ステップＳ により求めることができる。したがって、これらの値を上記の式に代入することにより、評価領域に加わる局所的な応力値を算出することができる。

次いで、以上のステップにより測定した評価試料の評価領域における歪み量及び／又は応力値を、表示装置に表示する（ステップＳ２８）。

ステップＳ２５からステップＳ２７を各評価領域について行うことにより、試料上における収束電子線の入射位置と、ＨＯＬＺ図形から算出した各入射位置における格子歪み量及び／又は応力値とを関係づけて、外部記録装置に記録することができる。

ステップＳ２３においてＨＯＬＺ図形を取得する際に、評価試料上における収束電子線の入射位置と関連づけて外部記録装置２８に記録しておくことにより、算出した格子歪み量及び／又は応力値と関連づけ、図１０に示すような１次元プロファイルや図１１に示すような２次元マッピングとして表示することが可能である。特に本実施形態による応力測定方法では、格子歪み量及び応力値の定量測定が可能であることから、定量化した格子歪み量及び応力値とともに測定結果を表示することができる。

このように、本実施形態によれば、測定対象の結晶材料の評価領域に収束電子線を入射し、結晶材料を透過した収束電子線により形成されるＨＯＬＺ図形を取得し、取得したＨＯＬＺ図形からＨＯＬＺ線の分裂幅を測量し、測量したＨＯＬＺ線の分裂幅に基づき評価領域における局所的な格子歪み量を算出し、格子歪み量に基づき評価領域における局所的な応力値を算出するので、極めて微小な領域に加わる不均一な歪み場における応力や格子歪みを精密に測定することができる。

また、本実施形態による応力測定方法及び装置を、例えばシリコン半導体デバイスの製造工程に組み込み、測定結果を製造プロセスにフィードバックすることにより、格子歪み或いは応力を制御したデバイス構造を実現することができる。これにより、設計通りの特性を有する電子デバイスの開発時間の短縮化を図ることができる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による応力測定方法及び装置について図１４乃至図２０を用いて説明する。なお、図１乃至図１３に示す第１及び第２実施形態による応力測定方法及び装置と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図１４はストレッサとの界面からの距離と格子湾曲量との関係を求めるために用いたモデルの概略図、図１５はストレッサとの界面からの距離と格子湾曲量との関係を示すグラフ、図１６は本実施形態による応力測定方法を示すフローチャート、図１７は測定試料の一例を示す概略断面図、図１８は格子湾曲量の測定値からストレッサが与える応力値を算出する方法を示すグラフ、図１９はストレッサからの応力の伝搬方向を測定する方法を示す図、図２０は応力の方向を測定する方法を示す図である。

本実施形態では、応力源が発生する応力値を算出しうる応力測定方法について説明する。本実施形態による応力測定方法に用いる装置は、第１実施形態の場合と同様である。

まず、試料の測定に先立ち、ストレッサとの界面からの距離と格子湾曲量との関係を有限要素法によって計算してデータベース化しておく。ここでは、シリコン基板上に形成されたコバルトシリサイド膜がシリコン基板に与える応力値を算出する場合を例にして説明する。

図１４（ａ）は、有限要素法による計算に用いたモデルを示す図である。このモデルでは、シリコン基板（Ｓｉ）上に、均一な膜厚のコバルトシリサイド膜（ＣｏＳｉ）が形成された状態を仮定している。試料の膜厚方向は図面に対して水平方向である。

このようなモデルを用い、コバルトシリサイド膜の応力値を種々の値に変化したときの試料の湾曲形状を計算する。図１４（ｂ）は、コバルトシリサイド膜が引っ張り応力Ｐ_１を有する場合に試料の格子湾曲を有限要素法により求めた結果である。また、図１４（ｃ）は、コバルトシリサイドの引張り応力がＰ_１よりも大きいＰ_２である場合に試料の格子湾曲を有限要素法により求めた結果である。

そして、計算で求めた各試料形状において、格子湾曲量を算出する。格子湾曲量は、応力が加わることにより生じる試料表面での結晶方位のずれ量を角度θとして、２θで表される（図１４（ｃ）参照）。

格子湾曲量は、コバルトシリサイド膜とシリコン基板との界面からの距離をパラメータとして算出する。これにより、例えば図１５に示すように、コバルトシリサイド膜とシリコン基板との界面からの距離と格子湾曲量との関係を得ることができる。

以上のようにして、ストレッサとの界面からの距離と格子湾曲量との関係をデータベース化し、外部記憶装置２８に記憶しておく。

次に、評価対象の試料の測定を、図１６に示すフローチャートに従って行う。このフローチャートでは、評価領域のＨＯＬＺ図形を測定し（ステップＳ３１〜３３）、ＨＯＬＺ線の分裂幅を測定し（ステップＳ３４）、ＨＯＬＺ線の分裂幅から試料の格子湾曲量を算出し（ステップＳ３５）、格子湾曲量からストレッサが与える応力値を算出し（ステップＳ３６）、応力値を表示する（ステップＳ３７）。ステップＳ３１〜ステップＳ３５は、第２実施形態による応力測定方法のステップＳ２１〜ステップＳ２５と同じである。

まず、第２実施形態による応力測定方法の場合と同様にして、収束電子線を走査しながらＨＯＬＺ図形の撮影を行い、撮影したＨＯＬＺ図形に基づいてＨＯＬＺ線の分裂幅を測定し、算出したＨＯＬＺ線の分裂幅に基づき試料の格子湾曲量を算出する（ステップＳ３１〜ステップＳ３５）。

ここでは、測定対象の試料が、例えば図１７に示すような半導体装置であると仮定する。シリコン基板４０上には、素子分離膜４２が形成されている。素子分離膜４２により画定された素子領域上には、ゲート電極４４及びソース／ドレイン領域４６を有するＭＯＳＦＥＴが形成されている。ソース／ドレイン領域４６上には、コバルトシリサイド膜４８が形成されている。ＭＯＳＦＥＴが形成されたシリコン基板４０上には、層間絶縁膜５０が形成されている。層間絶縁膜５０には、コバルトシリサイド膜４８に接続されたコンタクトプラグ５２が埋め込まれている。

評価領域は、コバルトシリサイド膜４８下のシリコン基板４０であり、シリコン基板４０の深さ方向に沿って測定を行うものとする。なお、図１７において、○印は測定位置であり、○印を結ぶ実線は電子線の走査経路である。

次いで、ストレッサとの界面からの距離と算出した格子湾曲量との関係を、予め準備しておいたデータベースと比較し、ストレッサが試料に与える応力値を算出する（ステップＳ３６）。

例えば、外部記憶装置２８には、図１８に示すようなデータが記録されていたものとする。すなわち、外部記憶装置２８のデータベースには、ストレッサが与える応力値が５００ＭＰａ、１ＧＰａ及び２ＧＰａの場合における格子湾曲量とストレッサとの界面からの距離との関係が記録されている。

この場合に、実試料の測定において図１８に●印で示す測定結果が得られたと仮定すると、これら測定点とに記録された格子湾曲量とストレッサとの界面からの距離との関係とを比較することで、実試料においてストレッサが与える応力値が約１．６ＧＰａであると算出することができる。

次いで、以上のステップにより算出したストレッサが与える応力値を、表示装置３０に表示する（ステップＳ３７）。

ＨＯＬＺ図形に基づく応力測定では、ストレッサが与える応力値の定量化のみならず、応力の伝搬方向や応力の向き（引張り或いは圧縮）を求めることもできる。

応力の伝搬方向は、ＨＯＬＺ線の分裂方向から求めることができる。すなわち、ＨＯＬＺ線の分裂方向は応力の伝搬方向と一致することから、ＨＯＬＺ線の分裂方向を求めることで、応力の伝搬方向を知ることができる。

図１９はＭＯＳＦＥＴが形成されたシリコン基板４０についてＨＯＬＺ図形の測定を行った結果を示す図である。図１９（ａ）は測定試料の概略図を示しており、図１９（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、それぞれ、図１９（ａ）中の領域１，領域２，領域３で測定したＨＯＬＺ図形である。

図１９（ｂ），（ｃ）に示すように、領域１及び領域２におけるＨＯＬＺ線の分裂方向は左上がりの斜め方向であり、応力がコバルトシリサイド膜４８ａ側から伝搬していることが判る。また、コバルトシリサイド膜４８ａから離れるほどに格子の歪み量が小さくなっていることが判る。また、図１９（ｄ）に示すように、領域３におけるＨＯＬＺ線の分裂方向は右上がりの斜め方向であり、応力がコバルトシリサイド膜４８ｂ側から伝搬していることが判る
応力の向きは、試料の厚さから判定することができる。試料の厚さは、評価領域に引張り応力が加われば増加し、圧縮応力が加われば減少する。また、厚さの変化量は、ストレッサとの界面に近いほどに大きくなる。したがって、評価領域における試料の厚さと、ストレッサからの影響が小さい基準領域における試料の厚さとを比較することにより、評価領域に加わる応力の向きを判定することができる。試料の厚さは、収束電子回折図形から判別することができる。

図２０は、収束電子線を晶帯軸方向から入射したときの収束電子回折像を示したものである。図２０（ａ）は試料の厚さが２５０ｎｍの場合であり、図２０（ｂ）は試料の厚さが２７５ｎｍの場合である。

図示するように、試料の厚さが異なると、収束電子回折像が変化する。図２０の例では、矢印の部分の画像が特に変化している。したがって、試料の厚さとそのとき得られる収束電子回折像をデータベース化しておくことで、収束電子回折像から試料の厚さの大小関係を判別することができ、これによって応力の方向を判定することができる。

このように、本実施形態によれば、測定対象の結晶材料の評価領域に収束電子線を入射し、結晶材料を透過した収束電子線により形成されるＨＯＬＺ図形を取得し、取得したＨＯＬＺ図形からＨＯＬＺ線の分裂幅を測量し、測量したＨＯＬＺ線の分裂幅に基づき評価領域における格子湾曲量を算出し、算出した格子湾曲量と応力源からの距離とに基づき応力源の応力値を算出するので、結晶材料に加わる応力や格子歪みのみならず結晶材料に応力を印加する応力源の応力値をも精密に測定することができる。また、応力源からの応力の伝搬方向や向きを判定することもできる。

また、本実施形態による応力測定方法及び装置を、例えばシリコン半導体デバイスの製造工程に組み込み、測定結果を製造プロセスにフィードバックすることにより、格子歪み或いは応力を制御したデバイス構造を実現することができる。これにより、設計通りの特性を有する電子デバイスの開発時間の短縮化を図ることができる。

［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、ＭＯＳＦＥＴが形成されたシリコン基板内における格子湾曲量や応力値等を測定する方法を示したが、本発明による応力測定方法は、不均一に歪んだ結晶材料における格子湾曲量や応力値の測定に広く適用することができる。

また、上記実施形態では、評価領域に応力を与えるストレッサとしてコバルトシリサイド膜を例にして説明したが、ストレッサはこれに限定されるものではない。

以上詳述した通り、本発明の特徴をまとめると以下の通りとなる。

（付記１） 結晶材料の評価領域に収束電子線を入射し、前記収束電子線の透過像として得られるＨＯＬＺ図形を取得し、
取得した前記ＨＯＬＺ図形からＨＯＬＺ線の分裂幅を測量し、
前記ＨＯＬＺ線の前記分裂幅に基づき、前記結晶材料の前記評価領域の応力を評価する
ことを特徴とする応力測定方法。

（付記２） 付記１記載の応力測定方法において、
前記ＨＯＬＺ線の前記分裂幅に基づき、前記評価領域における前記結晶材料の局所的な格子歪み量を算出する
ことを特徴とする応力測定方法。

（付記３） 付記２記載の応力測定方法において、
湾曲した結晶格子のモデルを用いて電子回折計算を行うことにより、前記ＨＯＬＺ線の分裂幅から前記結晶材料の局所的な格子歪み量を算出する
ことを特徴とする応力測定方法。

（付記４） 付記２又は３記載の応力測定方法において、
前記格子歪み量に基づき、前記結晶材料の前記評価領域に加わる局所的な応力値を算出する
ことを特徴とする応力測定方法。

（付記５） 付記１乃至４のいずれか１項に記載の応力測定方法において、
前記ＨＯＬＺ線の前記分裂幅から前記評価領域における前記結晶材料の格子湾曲量を算出し、
前記格子湾曲量と前記評価領域の前記応力源からの距離との関係に基づき、前記応力源の前記応力値を算出する
（付記６） 付記５記載の応力測定方法において、
２種類の結晶材料が接してなる結晶格子に局所的な応力を印加して湾曲させるモデルを用いて有限要素計算を行い、前記結晶格子に印加する前記応力と前記結晶格子の格子湾曲量との関係を取得し、
前記ＨＯＬＺ線の分裂幅から算出した前記格子湾曲量と前記評価領域の前記応力源からの距離との前記関係を、前記モデルから算出した前記応力と前記結晶格子の格子湾曲量との前記関係と比較することにより、前記応力源の前記応力値を算出する
ことを特徴とする応力測定方法。

（付記７） 付記１乃至６のいずれか１項に記載の応力測定方法において、
前記ＨＯＬＺ線の分裂方向に基づき、前記評価領域において前記応力が伝搬する方向を判定する
ことを特徴とする応力測定方法。

（付記８） 付記１乃至７のいずれか１項に記載の応力測定方法において、
前記評価領域における前記結晶材料の厚さを、基準領域における前記結晶材料の厚さと比較することにより、前記応力の向きを判定する
ことを特徴とする応力測定方法。

（付記９） 付記８記載の応力測定方法において、
前記結晶材料の厚さは、前記結晶材料の晶帯軸方向から前記収束電子線を入射したときに得られる収束電子回折像により判定する
ことを特徴とする応力測定方法。

（付記１０） 付記１乃至９のいずれか１項に記載の応力測定方法において、
前記結晶材料に入射する前記収束電子線を走査し、前記収束電子線の走査領域における前記応力の分布を測定する
ことを特徴とする応力測定方法。

（付記１１） 結晶材料の評価領域に収束電子線を入射し、前記収束電子線の透過像として得られるＨＯＬＺ図形を取得する電子顕微鏡と、
前記電子顕微鏡により取得した前記ＨＯＬＺ図形からＨＯＬＺ線の分裂幅を測量し、前記ＨＯＬＺ線の前記分裂幅に基づき、前記結晶材料の前記評価領域の応力を評価する処理装置と
を有することを特徴とする応力測定装置。

（付記１２） 付記１１記載の応力測定装置において、
前記ＨＯＬＺ線の前記分裂幅と前記結晶材料の格子湾曲量との関係を記述する第１のデータベースを更に有し、
前記処理装置は、測量した前記ＨＯＬＺ線の分裂幅を前記第１のデータベースと比較することにより前記評価領域における前記結晶材料の前記格子湾曲量を算出し、前記格子湾曲量から前記評価領域における前記結晶材料の局所的な格子歪み量を算出する
ことを特徴とする応力測定装置。

（付記１３） 付記１１記載の応力測定装置において、
前記ＨＯＬＺ線の前記分裂幅と前記結晶材料の格子湾曲量との関係を記述する第１のデータベースと、
前記結晶格子に前記応力を印加する応力源からの距離と前記結晶材料の格子湾曲量との関係を記述する第２のデータベースとを更に有し、
前記処理装置は、測量した前記ＨＯＬＺ線の分裂幅を前記第１のデータベースと比較することにより前記評価領域における前記結晶材料の前記格子湾曲量を算出し、算出した前記格子湾曲量と前記評価領域の前記応力源からの距離との関係を前記第２のデータベースと比較することにより、前記応力源の応力値を算出する
ことを特徴とする応力測定装置。

本発明の第１実施形態による応力測定装置の構造を示す概略図である。 ＳＴＥＭ法を用いた試料の測定方法を示す概略図である。 収束電子線を晶帯軸方向から入射したときの収束電子回折像を示す図である。 均一に歪んだ試料におけるＨＯＬＺ図形を示す図である。 不均一に歪んだ試料におけるＨＯＬＺ図形を示す図である。 本発明の第１実施形態による応力評価方法を示すフローチャートである。 ＨＯＬＺ線の分裂幅及び分裂方向を説明する図である。 試料の格子湾曲量とＨＯＬＺ線の分裂幅との関係を計算するために用いたモデルの概略図である。 試料の格子湾曲量とＨＯＬＺ線の分裂幅との関係を示す図である。 本発明の第１実施形態による応力測定方法により測定した結果の表示例を示す図（その１）である。 本発明の第１実施形態による応力測定方法により測定した結果の表示例を示す図（その２）である。 本発明の第２実施形態による応力測定方法を示すフローチャートである。 格子湾曲量から格子の歪み量を算出する際に用いたモデルを示す図である。 ストレッサとの界面からの距離と格子湾曲量との関係を求めるために用いたモデルの概略図である。 ストレッサとの界面からの距離と格子湾曲量との関係を示すグラフである。 本発明の第３実施形態による応力測定方法を示すフローチャートである。 測定試料及びその評価領域の例を示す概略断面図である。 格子湾曲量の測定値からストレッサが与える応力値を算出する方法を示すグラフである。 ストレッサからの応力の伝搬方向を測定する方法を示す図である。 応力の方向を測定する方法を示す図である。

符号の説明

１０…ＳＴＥＭ
１２…走査レンズ系制御装置
１４…透過レンズ系制御装置
１６…試料制御装置
１８…画像取り込み装置
２０…走査レンズ系制御用入力装置
２２…透過レンズ系制御用入力装置
２４…処理装置
２６…入力装置
２８…外部記憶装置
３０…表示装置３０
４０…シリコン基板
４２…素子分離膜
４４…ゲート電極
４６…ソース／ドレイン領域
４８…コバルトシリサイド膜
５０…層間絶縁膜
５２…コンタクトプラグ

Claims (10)

1. 結晶材料の評価領域に収束電子線を入射し、前記結晶材料を透過した前記収束電子線により形成されるＨＯＬＺ図形を取得し、
   取得した前記ＨＯＬＺ図形からＨＯＬＺ線の分裂幅を測量し、
   前記ＨＯＬＺ線の前記分裂幅に基づき、前記結晶材料の前記評価領域の応力を評価する
   ことを特徴とする応力測定方法。
2. 請求項１記載の応力測定方法において、
   前記ＨＯＬＺ線の前記分裂幅に基づき、前記評価領域における前記結晶材料の局所的な格子歪み量を算出する
   ことを特徴とする応力測定方法。
3. 請求項２記載の応力測定方法において、
   湾曲した結晶格子のモデルを用いて電子回折計算を行うことにより、前記ＨＯＬＺ線の分裂幅から前記結晶材料の局所的な格子歪み量を算出する
   ことを特徴とする応力測定方法。
4. 請求項２又は３記載の応力測定方法において、
   前記格子歪み量に基づき、前記結晶材料の前記評価領域に加わる局所的な応力値を算出する
   ことを特徴とする応力測定方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の応力測定方法において、
   前記ＨＯＬＺ線の前記分裂幅から前記評価領域における前記結晶材料の格子湾曲量を算出し、
   前記格子湾曲量と前記評価領域の前記応力源からの距離との関係に基づき、前記応力源の前記応力値を算出する
6. 請求項５記載の応力測定方法において、
   ２種類の結晶材料が接してなる結晶格子に局所的な応力を印加して湾曲させるモデルを用いて有限要素計算を行い、前記結晶格子に印加する前記応力と前記結晶格子の格子湾曲量との関係を取得し、
   前記ＨＯＬＺ線の分裂幅から算出した前記格子湾曲量と前記評価領域の前記応力源からの距離との前記関係を、前記モデルから算出した前記応力と前記結晶格子の格子湾曲量との前記関係と比較することにより、前記応力源の前記応力値を算出する
   ことを特徴とする応力測定方法。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の応力測定方法において、
   前記ＨＯＬＺ線の分裂方向に基づき、前記評価領域において前記応力が伝搬する方向を判定する
   ことを特徴とする応力測定方法。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の応力測定方法において、
   前記評価領域における前記結晶材料の厚さを、基準領域における前記結晶材料の厚さと比較することにより、前記応力の向きを判定する
   ことを特徴とする応力測定方法。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の応力測定方法において、
   前記結晶材料に入射する前記収束電子線を走査し、前記収束電子線の走査領域における前記応力の分布を測定する
   ことを特徴とする応力測定方法。
10. 結晶材料の評価領域に収束電子線を入射し、前記結晶材料を透過した前記収束電子線により形成されるＨＯＬＺ図形を取得する電子顕微鏡と、
    前記電子顕微鏡により取得した前記ＨＯＬＺ図形からＨＯＬＺ線の分裂幅を測量し、前記ＨＯＬＺ線の前記分裂幅に基づき、前記結晶材料の前記評価領域の応力を評価する処理装置と
    を有することを特徴とする応力測定装置。