JP2007173526A

JP2007173526A - シリコンウェーハ表面歪分布測定装置

Info

Publication number: JP2007173526A
Application number: JP2005369203A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Ogura; 厚志小椋; Ryosuke Shimizu; 良祐清水
Original assignee: Meiji University
Current assignee: Meiji University
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2025-12-22
Also published as: JP5073943B2

Abstract

【課題】合理的な測定時間内に十分な測定点数を伴った、シリコンウェーハの最表面層の歪分布を測定することが可能なシリコンウェーハ表面歪分布測定装置を提供する。
【解決手段】アルゴンイオンレーザ１０から発せられる波長約３６３．８ｎｍの紫外光を集光照射機構４０等を介して測定対象試料６０であるシリコンウェーハ上に集光させる。紫外光が照射されるシリコンウェーハ上の領域から発せられたラマン散乱光は、集光照射機構４０を介してモノクロメータ式の分光器８０に入射される。ＣＣＤ検出器９０の映像信号からラマン散乱光のエネルギ分布を演算し、紫外光が照射されるシリコンウェーハの領域における歪量を演算する。このシリコンウェーハ表面の歪分布は、コンピュータ１００等によりマッピング表示される。
【選択図】図１

Description

本発明はシリコンウェーハ表面の歪分布を測定するためのシリコンウェーハ表面歪分布測定装置に関する。

シリコン結晶に歪を加えると、電子や正孔の移動度が変化することが知られている。したがって、故意であれ偶然であれ、ＬＳＩを構成するＭＯＳデバイスのチャネル領域に対応するシリコンウェーハの最表面の歪量とその分布はデバイスの性能とそのばらつきに大きな影響を与える。

従来シリコンウェーハの歪量を測定する技術としては、ラマン分光法の他、Ｘ線回折法や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）装置を用いた電子線回折法が良く知られている。このうち、Ｘ線回折法は例えば非特許文献１に記載されているように、わずかな歪量の変化に敏感な高感度測定法ではある。しかし、Ｘ線のレンズが開発されていないためＸ線を微小な面積に投影することが難しく、通常数ミリメートル以上の領域の測定のみに対応可能である。さらにＸ線のシリコンへの侵入長を考慮すると、最表面の数ｎｍのみの歪測定を行うためには、シリコンウェーハに対して１°以下のすれすれの入射角で照射する必要があり、結果として測定領域の長手方向は数センチメートル以上に達する。したがって、高精度ＬＳＩが要求するミクロン領域での歪量の測定と、そのばらつきに対応する分布測定への適用は不可能である。

ＴＥＭを用いた電子線回折法では、例えば非特許文献２や非特許文献３に開示されている、ＣＢＥＤ（コンバージェント・ビーム・エレクトロン・ディフラクション）法やＮＢＤ（ナノ・ビーム・ディフラクション）法が知られている。これらの方法はいずれもナノからミクロンオーダの領域の歪測定が可能であるが、測定対象となる試料を電子線が透過するために十分なまで薄片化する必要があり、破壊的測定法である。したがって、一度測定した試料は二度とＬＳＩの製造に供することは出来ない。さらに、薄片化の際に歪を緩和してしまい、実際の歪量の測定が出来ない。また、シリコンウェーハのような大面積の歪分布を測定するためには、膨大な数の薄片化試料を作製する必要があり現実的ではない。

一方ラマン分光法は、非破壊でサブミクロン領域の歪測定が可能な手法としてよく知られているが、表面からどの程度の深さの歪量を測定しているかに関しては慎重な判断が必要である。例えば、非特許文献４に記されているようにシリコンウェーハ中への光の侵入深さはその波長に依存し、表面数ｎｍのラマン分光測定を行うためには紫外光の利用が必要となる。ところが単純に紫外光を用いるだけでは、光の侵入長が減少するのに伴って測定対象の体積が減少し、結果的に信号強度が減少する。十分に精度の高い測定を行うためには、強い光を当てるか測定時間を長くする必要が生じる。

このうち強い光を当てる方法は、例えば非特許文献５にあるように、試料温度の上昇を伴い結果的に誤った歪量の測定要因となる。また測定時間を長く取る手法では、合理的な時間内に、十分意味のある測定点数を伴った分布を測定することは難しい。

以上述べたように、従来知られているシリコンウェーハ中の歪測定技術では、真にＬＳＩの性能に影響を与えるシリコンウェーハの深さ数ｎｍ以内の最表面の歪分布を、合理的な測定時間内に十分な測定点数を伴って測定することは不可能であり、ＬＳＩの性能向上に資するデータの取得は望めない。
ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス、第３７巻、１２８２ページ（１９９８年）アプライド・フィジクス・レターズ、第６１巻、３２４ページ（１９９２年）アプライド・サーフェス・サイエンス、第２２４巻、１１３ページ（２００４年）第５１回応用物理学関連連合講演会予稿集、講演番号３０ａ―ＺＧ−１、２００４年エレクトロケミカル・ソサイエティ・プロシーディングス２００５−３巻、３４５ページ（２００５年、カナダ、ケベックシティ）

本発明は以上の課題を克服し、合理的な測定時間内に十分な測定点数を伴った、シリコンウェーハの最表面層の歪分布を測定することが可能なシリコンウェーハ表面歪分布測定装置を提供することを目的とするものである。

本発明の一態様に係るシリコンウェーハ表面歪分布測定装置は、波長約３５０−３７０ｎｍの紫外光を発する紫外光光源と、該紫外光をシリコンウェーハ上に集光して照射する照射機構と、前記シリコンウェーハを移動させ前記シリコンウェーハ上の所望の領域に前記紫外光を照射するための可動式ステージと、前記シリコンウェーハ上の領域に前記紫外光が照射されることにより発せられたラマン散乱光を受光してそのエネルギを測定する測定装置と、該ラマン散乱光のエネルギ分布から前記紫外光が照射される前記シリコンウェーハの領域における歪量を演算し前記シリコンウェーハ表面の歪分布を可視化する可視化機構とを備えたことを特徴とする。

また、紫外光をシリコンウェーハ上に集光して照射する機構によって集光された光の形状が、円形もしくは一方向に他方向に比べて長く伸びた線状形状を有することができる。また、線状形状に集光する手段として、円形の光源を一方向に高速で操作することによって、擬似的に線状形状を実現した擬似線状光源を用いることができる。さらに、円形の光源を一方向に高速で操作する手段として、ガルバノメータを用いることが可能である。また、線状もしくは擬似線状光源と、モノクロメータ式分光装置とＣＣＤ検出器を組み合わせ、かつＣＣＤが有する２次元画素配列に対して、一方向に前記線状光源の長手方向に沿った位置の情報、他方向にモノクロメータ式分光器で分光されたエネルギの情報を割り当てるように配置し、一度に線状もしくは擬似線状光源の照射領域の歪量測定を行うことも可能である。

本発明によれば、合理的な測定時間内に十分な測定点数を伴った、シリコンウェーハの最表面層の歪分布を測定することが可能なシリコンウェーハ表面歪分布測定装置を得ることができる。

次に、本発明の実施の形態に係るシリコンウェーハ歪分布測定装置を、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施の形態）図１は本発明の実施の形態に係るシリコンウェーハ歪分布測定装置の全体構成を示す概略図である。この装置は、アルゴンイオンレーザ１０から出た波長３６３．８ｎｍを持つ紫外域の励起光を、ミラー２０で反射させ、次いでハーフミラー３０を透過させ、更に集光照射機構４０によって直径約０．５ミクロン程度の円形形状のビームスポット光まで集光させた後、可動ステージ５０上に配置された測定対象試料６０上に照射させる。可動ステージ５０は、コンピュータ１００から出力される制御信号を受けたドライバ１４０によりウェーハ表面方向に沿った２次元方向に移動制御される。また、集光照射機構４０は、対物レンズ４１を備えるほか、可動ステージ５０の移動に伴う焦点ずれを補正するため、合焦光学系４２を備えている。この合焦光学系４２は、合焦状態を検出するためのフォーカス検出機構４３の検出出力に基づいて、図示しない制御機構により制御される。

測定対象試料６０からは、照射領域における試料表面の歪量に応じて異なったエネルギを持つラマン信号が発せられる。ラマン信号は、集光照射機構４０で集光された後、ハーフミラー３０により反射されてモノクロメータ式の分光器８０に入射させられる。分光器８０の直前には、フィルタ７０が配置されている。フィルタ７０は、所望の信号のみを通過させ、その他の波長域の光は遮断する機能を有する。これにより例えば、アルゴンイオンレーザ１０からの励起光が反射してそのままの強度で分光器８０に入射することが防止される。分光器８０によってエネルギ分光された光はＣＣＤ検出器９０で検出される。ＣＣＤ検出器９０から出力される信号はＡＤ変換器１１０によりディジタル信号に変換された後、コンピュータ１００に入力される。コンピュータ１００は、このディジタル信号を解析して測定対象試料６０の表面の各測定点における歪量を演算する。表示制御部１２０は、この演算結果に基づいて、各測定点における歪量をディスプレイ１３０上にマッピング表示する。

分光器８０の構成例を図２に示す。この分光器８０は、例えばスリット８１と、ミラー８２と、回折格子８３とを備えている。スリット８１から入射したラマン信号は、ミラー８２で反射されて回折格子８３に到達する。回折格子８３は、異なるエネルギ即ち異なる波長のラマン信号毎に、その回折方向を異ならせる機能を有する。すなわち、分光器８０は、エネルギの異なるラマン信号を、ＣＣＤ検出器９０上の異なる位置（ピクセル）に到達させる。ＣＣＤ検出器９０のどのピクセルに、どの程度の光強度の光が到達したかを検出することにより、ラマン信号のスペクトルを検出することができる。この分光器８０では、測定中にミラー８２や回折格子８３は一切移動させる必要はなく、ＣＣＤ検出器９０の各ピクセルが検出した光強度を検出することにより、ラマン信号に対応する波数領域（４５０−５９０ｃｍ^−１）におけるスペクトルを検出することができる。そのため、ＣＣＤ検出器９０での露光時間がそのまま測定対象試料６０上の照射領域一点あたりの測定時間に対応する。

なお、ＣＣＤ検出器９０は、図２の紙面方向に沿う方向に一次元にピクセルを配列させた一次元ＣＣＤであってもよいが、２次元ＣＣＤである方が、平均化手法を採用して一層高精度の歪計測を行うことができるので好ましい。

本測定装置を用いて、図３に示す３種類の歪Ｓｉウェーハを測定対象試料６０として、その最表面の歪分布を測定した。これらのウェーハはいずれも、最表面のＳｉ薄膜に故意に歪を与えることによって、高性能のデバイスを実現するために準備された最先端機能性ウェーハである。また、ウェーハはいずれも直径２００ｍｍである。

まず図３（ａ）に示す第１の歪Ｓｉウェーハは“バルク”タイプと呼ばれ、Ｓｉ基板１１０上に、傾斜組成ＳｉＧｅ層１２０を経て、緩和ＳｉＧｅ層１３０を形成し、更に最上層に歪Ｓｉ薄膜１４０を形成してなるものである。傾斜組成ＳｉＧｅ層１２０は、Ｇｅ濃度がＳｉ基板１１０から離れるにつれて徐々に増加するように形成される。これにより、結晶欠陥を発生させつつ徐々にＳｉ基板１１０の格子定数から離れ、ＳｉＧｅの格子定数に近づけることができる。その上層の緩和ＳｉＧｅ層１３０では、Ｇｅの濃度に応じてＳｉＧｅが本来持つ格子定数を有する。Ｇｅ濃度はここでは１０％〜３５％の範囲で変化させるものとする。また、傾斜組成ＳｉＧｅ層１２０と緩和ＳｉＧｅ層１３０を合わせた膜厚は２〜６μｍの範囲で変化させるものとする。最上層の歪Ｓｉ薄膜１４０の膜厚は、歪緩和および結晶欠陥の発生を抑制するため、例えば１０〜２５ｎｍ程度に設定される。歪Ｓｉ薄膜１４０の歪量とその分布は緩和ＳｉＧｅ層１３０のＧｅ濃度とその分布、さらに結晶欠陥などに影響される。

次に、図３（ｂ）に示す第２の歪Ｓｉウェーハは“ＳＧＯＩ”タイプと呼ばれ、Ｓｉ基板１５０上に、埋め込み酸化膜層１６０を形成し、その上にＳｉＧｅ層１７０を形成し、さらに最上層に歪Ｓｉ薄膜１８０を形成した構造を持つ。ここでは、埋め込み酸化膜層１６０の膜厚は４０〜２００ｎｍ、ＳｉＧｅ層１７０および歪Ｓｉ薄膜１８０の膜厚はそれぞれ、２０〜１５０ｎｍおよび１０〜２５ｎｍであるとする。歪Ｓｉ薄膜１８０の歪量とその分布はＳｉＧｅ層１７０のＧｅ濃度とその分布、結晶欠陥などに影響される。

第３の歪Ｓｉウェーハは“ＳＳＯＩ”タイプと呼ばれ、図３（ｃ）に示したように、Ｓｉ基板１９０上に、埋め込み酸化膜層２００を形成し、さらにその上層に歪Ｓｉ薄膜２１０を形成した構造を持つ。埋め込み酸化膜層２００の膜厚は４０〜２００ｎｍ、歪Ｓｉ薄膜２１０の膜厚は１０〜２５ｎｍであるとする。

これら３種類の歪Ｓｉウェーハを、図１に示した歪分布測定装置を用いて測定した結果を図４に示す。測定条件は、３種類の直径２００ｍｍのウェーハに対して、周辺１０ｍｍを除外した内側を、縦横５ｍｍ間隔で測定して、歪分布を得て可視化した。測定点数は約１２００点である。一点あたりのＣＣＤ検出器９０の露光時間は５秒と設定した。可動ステージ５０の移動、および合焦光学系４２による焦点合わせに要した時間は各測定点に対して約２秒であったので、図４に示した分布を得るために要した時間は各約２時間半程度であった。図４において、色の薄い領域はシリコンの歪量が大きく、色が濃い領域は歪量が小さいことを示している。また、各ウェーハはすべてノッチを下にして配置している。図４で明らかなように、各種歪Ｓｉウェーハについて、それぞれ異なった歪の分布を有することが明らかである。例えば、図４（ａ）のバルク基板（図３（ａ））の測定結果では、上部で歪量が大きく下部で小さいのに対して、図４（ｂ）のＳＧＯＩ（図３（ｂ））では逆に下部で歪量が大きく上部で歪量が小さい傾向を持つ。また、図４（ｃ）で明らかなように、ＳＳＯＩ（図３（ｃ））ではウェーハ周辺で歪量が小さく、中央部で歪量が大きい。これらの歪量のばらつきは、当然のことながらこれらのウェーハを使って作製したＬＳＩの性能とその分布に大きな影響を与える。

（第２の実施の形態）次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。第１の実施の形態では、測定対象試料６０が、歪Ｓｉ薄膜を有するウェーハである場合を説明したが、この実施の形態では、ＬＳＩプロセスの過程において、歪を持たない通常のウェーハに故意に歪を印加してデバイスの高性能化させ、この故意に印加された歪の量を測定する。すなわち、本実施の形態の測定対象試料６０は、通常のＳｉウェーハに、ＡＬＤ（原子層堆積法）、ＬＰＣＶＤ（減圧化学気相堆積法）、プラズマＣＶＤ法などで、膜厚２０〜１００ｎｍのＳｉ窒化膜を堆積することでＳｉウェーハに最表面に導入した歪分布の測定である。本方法では、ＬＳＩを構成するデバイス領域にのみ選択的に歪を導入する手法が良く用いられている。したがって、歪分布の測定に要求されるのも、第１の実施の形態で示したのとは異なり、より微小な領域での歪分布となる。図５はＡＬＤＳｉ窒化膜を３０ｎｍの厚さに堆積した場合の、Ｓｉウェーハ最表面の歪分布の測定例を示す。１４ｘ９μｍの微小領域を縦・横１μｍ間隔で測定したが、このような微小領域でも歪に分布が存在することが明らかである。この歪分布は、この微小領域中に作製した複数のデバイスや、さらには一つのデバイスの内部においても場所によって性能（歪量）が異なる可能性を与えるものであり、デバイス作製への有益なフィードバック情報となり得る。

本発明では測定光として紫外光を用いるため、Ｓｉ窒化膜など紫外光に対して透明な物質を通して、Ｓｉ最表面の歪分布を測定できる。Ｓｉ窒化膜の他、Ｓｉ酸化膜や、その他の金属酸化膜あるいはそのＳｉ又はＮとの化合物でも同様の測定が可能である。

（第３の実施の形態）次に、本発明の第３の実施の形態に係る装置を説明する。第２の実施の形態の説明で述べたように、ＬＳＩ作製に用いるＳｉウェーハに故意もしくは偶然に誘起された歪は、極微小領域の分布でさえＬＳＩを構成するデバイスの性能に影響を与え、ばらつきの要因ともなる。したがって、益々微細化が進展するＬＳＩ技術を考慮すると、より微小な領域の歪分布を測定する手法の開発が重要となる。そこで、本実施の形態では、以下に説明するように、線状光源を投影することにより、より微小な領域の歪分布の測定を行うことを可能にしている。

従来のように、ラマン分光法による空間分解能は、光源の波長に応じて原理的に許される最小ビームスポット径で決定されていた。これに対し本実施の形態では、励起光源を線状光源として照射すると共に、２次元のピクセル配置をもつＣＣＤ検出器を配置する。これにより、最小ビームスポット径よりも小さな領域の歪分布の測定が可能になる。例えば、ＣＣＤの縦横のピクセル列の一方向を線状光源の長手方向と合わせ、その一方向においては線状光源の照射範囲におけるウェーハ歪分布が特定され、これと直交する他方向においては、上記第１の実施の形態と同様に、分光器８０で分光されたエネルギの分布情報が特定される。これにより、原理的には、最小ビームスポット径によらず、分光器の性能と、ＣＣＤのピクセルのピッチとにより空間分解能を決定することが可能となる。

線状光源は、シリンドリカルレンズ等を用いて一方向に入射光を引き伸ばすことによって得た線状光源でもよいが、通常のシリンドリカルレンズを用いたのみでは、収差も大きく強度分布も一様でないため現実には高い空間分解能を得ることは困難である。シリンドリカルレンズに加え、例えばホモジナイザ等を併用することにより一様な強度分布を有する線状光源を得ることは可能である。

一様な強度分布の線状光源を得るため、図６に示すような光学系を使用して擬似線状光源を得るのが好適である。この擬似線状光源は、アルゴンイオンレーザ等の光源３１０から得た光を、ガルバノメータ３２０を用いて高速で走査することによって、ＣＣＤ検出器９０の残渣の範囲で本質的に線状と変わることのない擬似線状光源３３０を得ることができる。同時に、シリンドリカルレンズが待つ収差の影響もなく、強度分布も一様な上、試料温度の上昇をも防ぐことが可能である。

図７は、図３（ａ）に示すバルクタイプの歪Ｓｉウェーハを、上記で述べた擬似線状光源を備えた第３の実施の形態の装置を用いて測定した結果である。擬似線状光源が照射した領域に対応した、１次元の歪分布が高い空間分解能で得られていることが分かる。
以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な変更、置換、追加等が可能である。例えば、ラマン散乱光のエネルギ分布の構成手段として、レイリー散乱、アルゴンレーザからのプラズマライン、Ｈｇランプ等を採用することができる。また、第１乃至第３の実施の形態で述べた試料構造や測定条件などについても、本発明を制限するものではないことは当然である。

本発明の第１の実施の形態に係るウェーハ歪分布測定装置の概略構成を示す。図１に示す分光器８０の構成例を示す。測定対象試料６０としての歪Ｓｉウェーハの例を示す。図３に示す３種類の歪Ｓｉウェーハを、第１図に示した歪分布測定装置を用いて測定した結果を示す。本発明の第２の実施の形態による測定結果を示す。本発明の第３の実施の形態に係る装置の構成の一部を示す。バルクタイプの歪Ｓｉウェーハを、上記で述べた擬似線状光源を備えた第３の実施の形態の装置を用いて測定した結果である。

符号の説明

１０・・・アルゴンイオンレーザ、２０・・・ミラー、３０・・・ハーフミラー、４０・・・集光照射機構、５０・・・可動ステージ、６０・・・測定対象試料、７０・・・フィルタ、８０・・・モノクロメータ式分光器、９０・・・ＣＣＤ検出器、１１０・・・Ｓｉ基板、１２０・・・傾斜組成ＳｉＧｅ層、１３０・・・緩和ＳｉＧｅ層、１４０・・・歪Ｓｉ薄膜、１５０・・・Ｓｉ基板、１６０・・・埋め込み酸化膜、１７０・・・ＳｉＧｅ層、１８０・・・歪Ｓｉ薄膜、１９０・・・Ｓｉ基板、２００・・・埋め込み酸化膜、２１０・・・歪Ｓｉ薄膜、３１０・・・光源、３２０・・・ガルバノメータ、３３０・・・擬似線状光源。

Claims

波長約３５０−３７０ｎｍの紫外光を発する紫外光光源と、
該紫外光をシリコンウェーハ上に集光して照射する照射機構と、
前記シリコンウェーハを移動させ前記シリコンウェーハ上の所望の領域に前記紫外光を照射するための可動式ステージと、
前記シリコンウェーハ上の領域に前記紫外光が照射されることにより発せられたラマン散乱光を受光してそのエネルギを測定する測定装置と、
該ラマン散乱光のエネルギ分布から前記紫外光が照射される前記シリコンウェーハの領域における歪量を演算し前記シリコンウェーハ表面の歪分布を可視化する可視化機構と
を備えたことを特徴とするシリコンウェーハ表面歪分布測定装置。
前記紫外光光源が、波長３６３．８ｎｍの光を発するアルゴンイオンレーザであることを特徴とする請求項１記載のシリコンウェーハ表面歪分布測定装置。
前記照射機構が自動焦点機能を有し、ステージの移動に伴う焦点ずれを補正するように構成されていることを特徴とする請求項１記載のシリコンウェーハ表面歪分布測定装置。
前記測定装置が、モノクロメータ式分光器とＣＣＤ検出器を備えたことを特徴とする請求項１記載のシリコンウェーハ表面歪分布測定装置。
前記分光器は、前記ラマン散乱光を回折させる回折格子を備え、前記ラマン散乱光のエネルギの大きさに応じてその回折方向が変化するようにされていることを特徴とする請求項４記載のシリコンウェーハ表面歪分布測定装置。
前記照射機構によって集光された光のビームスポット形状が、円形形状を有することを特徴とする請求項１記載のシリコンウェーハ表面歪分布測定装置。
前記照射機構によって集光された光のビームスポット形状が、一方向において他方向によりも長く伸びた線状形状を有することを特徴とする請求項１記載のシリコンウェーハ表面歪分布測定装置。
前記照射機構は、円形のビームスポット形状を有する光を一方向に高速で走査する機構により擬似的な線状形状のビームを生成する擬似線状光源として機能することを特徴とする請求項１記載のシリコンウェーハ表面歪分布測定装置。
前記一方向に高速で走査する機構は、ガルバノメータであることを特徴とする請求項８記載のシリコンウェーハ表面歪分布測定装置。
前記ＣＣＤ検出器が２次元に配列された画素を有し、一方向に前記線状光源の長手方向に沿った位置の情報、他方向にモノクロメータ式分光器で分光されたエネルギの情報を割り当てるように配置し、一度に線状もしくは擬似線状光源の照射領域の歪量測定が可能であることを特徴とする請求項７記載のシリコンウェーハ表面歪分布測定装置。
ラマン散乱光のエネルギ分布の構成手段として、レイリー散乱、アルゴンレーザからのプラズマライン、Ｈｇランプの中から少なくとも一つを用いることを特徴とする請求項１記載のシリコンウェーハ表面歪分布測定装置。