JP2009145148A

JP2009145148A - ラマン散乱による内部応力測定方法及びラマン分光測定装置

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Publication number: JP2009145148A
Application number: JP2007321599A
Authority: JP
Inventors: Poborchii Vladimir; ウラディミルポボルチィ; Tetsuya Tada; 哲也多田; Toshihiko Kanayama; 敏彦金山
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2009-07-02

Abstract

【課題】本発明は、励起光やラマン散乱光の偏光方向とラマンスペクトルの解析を行うことによって、結晶中の内部応力の方向や種類を求める測定方法を提供することを課題とする。
【解決手段】ラマン散乱測定において、測定スペクトルを無応力下にある同一材料単結晶のラマンスペクトルの幅以下の幅をもつ複数の成分に分解する段階、分解したそれぞれの成分についてピーク波数のシフト量を導出する段階、導出された複数の成分についてのシフト量の比の値を算出する段階及び算出された該シフト量の比の値に基づいて結晶の内部応力の方向と種類を決定する段階を含むラマン散乱による内部応力測定方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ラマン散乱による内部応力測定方法及びラマン分光測定装置に関するものである。

Ｓｉ等の半導体デバイスの性能は、デバイス領域にかかる応力により大きく影響される。例えば、トランジスタのチャネル領域に加わる応力は電子や正孔の易動度に大きな影響を与えるので、近年、意図的に応力をかけることにより、デバイスの特性向上が図られるようになっている。しかし、トランジスタごとに加わる応力が異なると、特性がばらついてしまう。特に、シリコン等の半導体のバンドギャップは応力に敏感に依存するので、応力の変動があると、トランジスタのしきい値電圧が変化し、集積回路が動作しなくなる。従って、デバイス中にどのような応力が入っているのかを高い空間分解能で測定する手段の開発が重要な研究開発テーマとなっている。

ラマン散乱は、Ｓｉ等の半導体デバイスにおけるデバイス領域の応力分布を非破壊測定できる方法の一つとして大きな注目を集めている。
例えば５２０ｃｍ^−１に現れるＳｉのラマンピークは、引っ張り応力がかかると低波数側にシフトし、圧縮応力がかかると高波数側にシフトする。従って、ラマンのピーク波数シフトの空間分布を測定することにより、原理的には、応力分布を測定できる可能性がある。

ところが、ラマン散乱光のシフト量は、応力の大きさだけでなく、その種類（応力が、静水圧、一軸性あるいは二軸性の張力あるいは圧縮、又は剪断応力などのいずれか）や方向に依存するので、通常、ラマンシフト量の測定だけでは、１軸性応力なのか、２軸性応力なのか、まして、どの方向の応力であるのか等の情報は分からず、応力の大きさの定量測定も不可能であった。この理由により、従来のラマン散乱測定は、応力分布の定性的な測定に留まっていた。
特開２００６−７３８６６号公報 Spectroscopy Europe 15/2(2003) PP6-13 豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー Vol.29 No.4 PP43-52

したがって本発明は、励起光やラマン散乱光の偏光方向とラマンスペクトルの解析を行うことによって、結晶中の内部応力の方向や種類を求める測定方法を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段は次のとおりである。
（１）ラマン散乱測定において、複数の信号成分を抽出する段階、それぞれの信号成分についてピーク波数のシフト量を導出する段階、複数の信号成分についてのシフト量の比の値を算出する段階及び算出された該シフト量の比の値に基づいて結晶の内部応力の方向と種類を決定する段階を含むラマン散乱による内部応力測定方法。
（２）上記複数の信号成分を抽出する段階は、励起光と検出光の偏光方向の配置を変えることにより、各々の信号成分を区別して測定することよりなることを特徴とする（１）に記載のラマン散乱による内部応力測定方法。
（３）上記結晶が、立方晶系の結晶であることを特徴とする（１）に記載のラマン散乱による内部応力測定方法。
（４）上記複数の信号成分は、［１１０］方向の偏光を持つ光を（１−１０）面に入射し、［１１０］方向の偏光を持つ光のラマン信号及び［００１］方向の偏光を持つ光のラマン信号を検出することを特徴とする（３）に記載のラマン散乱による内部応力測定方法。
（５）上記結晶がＳｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＧａＡｓであることを特徴とする（３）又は（４）に記載のラマン散乱による内部応力測定方法。
（６）上記複数の信号成分は次の、［１００］方向の偏光を持つ光で励起して［０１０］方向の偏光を持つ光のラマン信号を検出する、［１００］方向の偏光を持つ光で励起し［００１］方向の偏光を持つ光のラマン信号を検出する、［０１０］方向の偏光を持つ光で励起し［００１］方向の偏光を持つ光のラマン信号を検出する、［１１０］方向の偏光を持つ光で励起し［１１０］方向の偏光を持つ光のラマン信号を検出する、［００１］方向の偏光を持つ光で励起し［１１０］方向の偏光を持つ光のラマン信号を検出する、［−１１０］方向の偏光を持つ光で励起し［−１１０］方向の偏光を持つ光のラマン信号を検出する、［−１１０］方向の偏光を持つ光で励起し［００１］方向の偏光を持つ光のラマン信号を検出する、の内、少なくとも２種類以上の光学配置で測定することを特徴とする（３）に記載のラマン散乱による内部応力測定方法。
（７）ラマン散乱測定において、測定スペクトルを無応力下にある同一材料単結晶のラマンスペクトルの幅以下の幅をもつ複数の成分に分解する段階、分解したそれぞれの成分についてピーク波数のシフト量を導出する段階、導出された複数の成分についてのシフト量の比の値を算出する段階及び算出された該シフト量の比の値に基づいて結晶の内部応力の方向と種類を決定する段階を含むラマン散乱による内部応力測定方法。
（８）上記分解された複数の成分のそれぞれが、ローレンツ関数で記述されることを特徴とする（７）に記載のラマン散乱による内部応力測定方法。
（９）上記結晶はＳｉ結晶であり、半値幅が３ｃｍ^−１以下の複数のローレンツ関数で記述される成分に分解することを特徴とする（７）に記載のラマン散乱による内部応力測定方法。
（１０）ラマン散乱測定において、複数の信号成分を抽出する手段、それぞれの信号成分についてピーク波数のシフト量を導出する手段、複数の信号成分のシフト量の比の値を算出する手段及び算出された該シフト量の比の値に基づいて結晶の内部応力の方向と種類を決定する手段を備えたラマン分光測定装置。
（１１）（６）に記載のラマン散乱による内部応力測定方法を実施するためのラマン分光測定装置。
（１２）ラマン散乱測定において、測定スペクトルを無応力下にある同一材料単結晶のラマンスペクトルの幅以下の幅をもつ複数の成分に分解する手段、分解したそれぞれの成分についてピーク波数のシフト量を導出する手段、導出された複数の成分についてのシフト量の比の値を算出する手段及び算出された該シフト量の比の値に基づいて結晶の内部応力の方向と種類を決定する手段を備えたラマン分光測定装置。

本発明によれば、結晶中の内部応力の方向や応力が静水圧、一軸性あるいは二軸性の張力あるいは圧縮、又は剪断応力であるか等の応力の種類を求めることができる。これにより、結晶にかかる応力の定量的測定が可能となる。

一般的に、結晶のラマン信号は、結晶中のフォノンモードに対応して、いくつかの信号成分を持つ。そして、それぞれは、応力が印加されると、ピーク位置がシフトする。各成分のシフト量は、一般的には、応力の方向や種類及びその大きさによって異なる。したがって、各成分がどのようにシフトしたかを解析することにより、応力の方向や種類を決めることができ、それに基づいて、応力の大きさを定量的に測定できる。

Ｓｉのラマンスペクトルを例にとると、３重に縮退した光学フォノンモードのピークが５２０ｃｍ^−１付近に観測される。各成分は応力を加えるとシフトするが、応力の方向、種類によってその挙動は異なる。
例えば、［００１］方向に１軸性の圧縮応力を加えると図１（ａ）に示すように、縮退のない１重項と２重に縮退した２重項に分裂する。一方、［１１０］方向の１軸性応力を印加した場合は、図１（ｂ）に示すように、縮退は完全に解け、３つの１重項に分裂する。このように、試料におけるそれぞれのラマン信号の成分が、どのように分裂するかを調べることにより、応力の方向を知ることができる。

理論計算によると、［１００］方向の１軸性応力を印加した場合、分裂した１重項と２重項のピーク波数の無応力の時からのシフト量ΔωｓとΔωｄの比は２．０である。１重項の成分は、例えば、［１００］方向の偏光を持つ光で励起（［１００］偏光励起）し、［０１０］方向の偏光を持つ光の信号成分（［０１０］偏光成分）を検出する光学配置で測定できる。また２重項の成分は、［１００］偏光励起、［００１］偏光成分を検出する配置及び［０１０］偏光励起、［００１］偏光成分を検出する配置で検出できる。

一方、［１１０］方向の１軸性応力を印加した場合の各成分をシフトの小さい方から順にＩ１、Ｉ２、Ｉ３とし、そのシフト量をΔω１、Δω２、Δω３とすると、その比は、Δω３／Δω２＝１．２５、Δω１／Δω２＝０．２３４である。
従って、応力印加により分裂したラマンスペクトル各成分のピーク波数におけるシフト量の比を測定することによって応力の方向、種類を決めることが出来る。ちなみに、Ｉ３は、［００１］偏光励起、［１−１０］偏光成分を検出する配置、Ｉ２は、［１１０］偏光励起、［１１０］偏光成分を検出する配置、Ｉ１は、［１１０］偏光励起、［００１］偏光成分を検出する配置で測定することができる。

なおこれまでは、Ｓｉを例にとって説明したが、結晶はＳｉに限る必要はなく、応力印加による各フォノンモードにおけるフォノン周波数のシフトが、応力の方向、種類によって異なる結晶であればよい。すなわち、Ｇｅ、ＳｉＧｅやＧａＡｓのような立方晶系の結晶であれば、ほぼ同様に適用できる。

また、励起光のスポットサイズよりも微細な構造をもつ試料を測定する場合、得られたラマン信号には微細構造の各部分が異なるピーク波数を持つことに起因する複数のラマン信号が重畳され、ラマンスペクトルの幅が広くなっている場合がある。このような場合は、測定したスペクトルをきちんと複数の成分に分解してからピーク波数を求めないと、測定対象とする領域について正確なピーク波数を得ることは出来ない。複数の成分に分解するか否かの判断は、測定したスペクトルの幅が単結晶におけるラマン信号の幅よりも広いか否かで判断すればよい。また、ラマンスペクトルでは、ローレンツ曲線を用いて分解を行うのがよい。

次に、本発明の実施の形態についてより詳細に説明する。
［１−１０］方向に伸びた幅２５０ｎｍのＳｉストライプが、深さ３００ｎｍのＳｉＯ_２のトレンチでアイソレートされた基板で、（１−１０）断面のラマン散乱による内部応力測定を行った。図２において、ａ方向を［１１０］、ｂ方向を［００１］とする。トレンチ底中央部（図２に中のＡ点）におけるラマンスペクトルを図３に示す。

図３において、実線で示すａａは、励起光の偏光方向がａ方向、検出光の偏光方向がａ方向（ａａ偏光配置）、また破線で示すｂｂは、励起光の偏光方向がａ方向、検出光の偏光方向がｂ方向の光学配置（ａｂ偏光配置）で測定を行った結果である。励起光の波長は３６４ｎｍで、ＮＡが１．３の液浸タイプの対物レンズを用いて、直径２００ｎｍ程度のスポットサイズにフォーカスされている。スペクトルは、半値幅３ｃｍ^−１の単一のローレンツ曲線でフィットでき、ピーク波数はａａ偏光配置に対して、５２０．８５ｃｍ^−１、ａｂ偏光配置に対して５２１．２３ｃｍ^−１であった。この半値幅は、応力のかかっていないＳｉ単結晶の半値幅とほぼ同等である。

ラマン散乱に対する選択則から、ａａ偏光配置で観測されるスペクトルは１重項で、ａｂ偏光配置で観測されるスペクトルは２重項である。応力を受けていないときのピーク波数は５２０．５ｃｍ^−１であるから、２重項のシフト量と１重項のシフト量の比はほぼ２で、これは、［００１］方向に１軸性の圧縮応力がかかっていることを示す。
Ｓｉにおいて、［００１］方向の１軸性圧縮応力の場合、１重項は１ＧＰａの圧縮応力に対して１．１１ｃｍ^−１シフトし、２重項に対しては２．２７ｃｍ^−１シフトするので、Ａ点には約３１０ＭＰａの［００１］方向の１軸性圧縮応力がかかっていることがわかった。また、Ａ点から下１μｍの位置Ｂ点で同様の測定と解析を行ったところ、９０ＭＰａの［００１］方向の１軸性圧縮応力がかかっていることが分かった。

次に、Ｓｉストライプ上面の中央部分（Ｃ点）で同様の測定を行った。
図４（ａ）にａａ偏光配置、（ｂ）にａｂ偏光配置で測定した時のラマンスペクトルを示す。このスペクトルは、半値幅が、Ａ点、Ｂ点におけるラマンスペクトルの半値幅３ｃｍ^−１よりも広い。これは、Ａ、Ｂ点で得られたスペクトルと異なり、複数の成分からなっているためである。

複数のローレンツ曲線に分解し、各ローレンツ曲線の半値幅が３ｃｍ^−１に等しいか或いはより小さくなるようにすると、ａａ偏光配置のスペクトルは２つ、ａｂ偏光配置のスペクトルは、３つの成分に分解することが出来た。
前述したように、ａａ偏光配置では、Ｉ２成分が、ａｂ偏光配置ではＩ３成分がラマン選択則により許容されているが、測定されたラマン信号が複数の成分に分解されるのは、Ｓｉストライプのエッジ部分と中央部分では受ける応力が異なり、エッジ部分の信号と中央部分の信号を両方とも拾っているためである。図中に複数のローレンツ曲線に分解した結果をピーク波数とともに破線で示す。

ａａ偏光配置の時、支配的な成分のピーク位置は５２２．４ｃｍ^−１で、ａｂ偏光配置の時は５２２．９ｃｍ^−１であり、これらがストライプ中央部分からの信号に対応する。
それぞれの成分の、無応力時のピーク位置からのシフト量の比を計算すると１．２６となる。これは、前述したように［１１０］方向の１軸性応力を印加した場合に分裂する３つの成分のうち、Ｉ３とＩ２のシフト量の比、Δω３／Δω２＝１．２５と良く一致する。したがって、Ｃ点には、［１１０］方向の１軸性圧縮応力がかかっていることがわかる。また、Ｉ３、Ｉ２に対しては、１ＧＰａの圧縮応力に対して、それぞれ２．３０ｃｍ^−１、２．８８ｃｍ^−１であるから、Ｃ点には８３０ＭＰａの圧縮応力がかかっていることが分かった。

さらに、Ｃ点から基板表面に垂直な方向に励起光ビームを掃引しながらラマンスペクトルを測定し、上記と同様に、ａａ偏光配置とａｂ偏光配置のピークシフトの比を算出した。その値を、測定位置の関数としてプロットした結果が、図５である。
シフト量の比は、測定位置がＳiストライプの内部にあるときは、上述のＣ点とほぼ同様な値で、ストライプには、［１１０］方向の１軸性圧縮応力が加わっていることを示す。測定位置がストライプ底部からさらに基板内部に至るに従い、上記の比の値は、［１１０］方向の１軸性応力の理論値１．２５より大きくなり、表面から１００ｎｍ程度の位置で、上述のＡ点あるいはＢ点と同様に、２程度の値を示した。
この解析により、Ｓiストライプ下でも、基板表面から１０００ｎｍ程度以上の深さでは、［００１］方向の１軸性圧縮応力が加わっていること、さらに、１０００ｎｍ以下の深さの領域には、［１１０］方向と［００１］方向が重畳した応力、即ち、２軸性の圧縮応力が加わっていることが、分かった。

Ｓｉにおいて応力印加によるラマン信号のピーク位置の分裂とシフトの概念図。ラマン散乱測定に使用した試料の断面構造模式図。図２のＡ点におけるラマンスペクトル。図２のＣ点におけるラマンスペクトル。図２のＣ点から下（矢印の方向）に励起光を走査したときのａａ偏光配置とａｂ偏光配置のピークシフトの比をＣ点からの距離の関数としてプロットしたグラフ。

Claims

ラマン散乱測定において、複数の信号成分を抽出する段階、それぞれの信号成分についてピーク波数のシフト量を導出する段階、複数の信号成分についてのシフト量の比の値を算出する段階及び算出された該シフト量の比の値に基づいて結晶の内部応力の方向と種類を決定する段階を含むラマン散乱による内部応力測定方法。
上記複数の信号成分を抽出する段階は、励起光と検出光の偏光方向の配置を変えることにより、各々の信号成分を区別して測定することよりなることを特徴とする請求項１に記載のラマン散乱による内部応力測定方法。
上記結晶が、立方晶系の結晶であることを特徴とする請求項１に記載のラマン散乱による内部応力測定方法。
上記複数の信号成分は、［１１０］方向の偏光を持つ光を（１−１０）面に入射し、［１１０］方向の偏光を持つ光のラマン信号及び［００１］方向の偏光を持つ光のラマン信号を検出することを特徴とする請求項３に記載のラマン散乱による内部応力測定方法。
上記結晶がＳｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＧａＡｓであることを特徴とする請求項３又は４に記載のラマン散乱による内部応力測定方法。
上記複数の信号成分は次の、［１００］方向の偏光を持つ光で励起して［０１０］方向の偏光を持つ光のラマン信号を検出する、［１００］方向の偏光を持つ光で励起し［００１］方向の偏光を持つ光のラマン信号を検出する、［０１０］方向の偏光を持つ光で励起し［００１］方向の偏光を持つ光のラマン信号を検出する、［１１０］方向の偏光を持つ光で励起し［１１０］方向の偏光を持つ光のラマン信号を検出する、［００１］方向の偏光を持つ光で励起し［１１０］方向の偏光を持つ光のラマン信号を検出する、［−１１０］方向の偏光を持つ光で励起し［−１１０］方向の偏光を持つ光のラマン信号を検出する、［−１１０］方向の偏光を持つ光で励起し［００１］方向の偏光を持つ光のラマン信号を検出する、の内、少なくとも２種類以上の光学配置で測定することを特徴とする請求項３に記載のラマン散乱による内部応力測定方法。
ラマン散乱測定において、測定スペクトルを無応力下にある同一材料単結晶のラマンスペクトルの幅以下の幅をもつ複数の成分に分解する段階、分解したそれぞれの成分についてピーク波数のシフト量を導出する段階、導出された複数の成分についてのシフト量の比の値を算出する段階及び算出された該シフト量の比の値に基づいて結晶の内部応力の方向と種類を決定する段階を含むラマン散乱による内部応力測定方法。
上記分解された複数の成分のそれぞれが、ローレンツ関数で記述されることを特徴とする請求項７に記載のラマン散乱による内部応力測定方法。
上記結晶はＳｉ結晶であり、半値幅が３ｃｍ^−１以下の複数のローレンツ関数で記述される成分に分解することを特徴とする請求項７に記載のラマン散乱による内部応力測定方法。
ラマン散乱測定において、複数の信号成分を抽出する手段、それぞれの信号成分についてピーク波数のシフト量を導出する手段、複数の信号成分のシフト量の比の値を算出する手段及び算出された該シフト量の比の値に基づいて結晶の内部応力の方向と種類を決定する手段を備えたラマン分光測定装置。
請求項６に記載のラマン散乱による内部応力測定方法を実施するためのラマン分光測定装置。
ラマン散乱測定において、測定スペクトルを無応力下にある同一材料単結晶のラマンスペクトルの幅以下の幅をもつ複数の成分に分解する手段、分解したそれぞれの成分についてピーク波数のシフト量を導出する手段、導出された複数の成分についてのシフト量の比の値を算出する手段及び算出された該シフト量の比の値に基づいて結晶の内部応力の方向と種類を決定する手段を備えたラマン分光測定装置。