JP2024080718A - 対象物の表面を検査する装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】対象物内での２次高調波発生を利用した半導体検査において、微弱な２次高調波を高感度で検出する。【解決手段】半導体デバイスが表面に形成された対象物に、パルス幅の非常に短いパルスレーザを照射し、半導体デバイス内で発生した２次高調波を計測する半導体検査装置において、光源から対象物までの間に２次高調波発生素子を配置して、第１の２次高調波を発生させ、さらに電気光学結晶を用いて第１の２次高調波のみを位相変調させた後に対象物上に基本波が照射される。対象物上の半導体デバイスに基本波が照射されると、第２の２次高調波が発生する。第１の２次高調波は第２の２次高調波と検出器上で干渉し、干渉光は第１の２次高調波の位相変調と同じ周期で強度変調される。その変調振幅から第２の２次高調波の振幅を求め、変調位相から第２の２次高調波の位相を計測することができる。【選択図】図２
Description
本発明は、半導体デバイス製造において、半導体表面の汚染の計測と半導体内部のドーパントの量や内部歪などを計測するために、半導体デバイスにパルスレーザを照射して、半導体表面や境界面付近で発生した２次高調波を計測する技術に関する。
半導体デバイス製造の現場において、２０年ほど前までは回路パターンの微細化が唯一の進化軸であり、駆動速度の向上や消費電力低減に加え低コスト化も微細化により同時に実現することができた。しかし微細化の技術的な困難度が高まり、デバイスの３次元構造化に加えて、Ｈｉｇｈ－Ｋ／Ｌｏｗ－Ｋなどの新材料の導入、歪の意図的な付加による電子移動度の向上など、物性をコントロールすることによる性能向上の寄与が近年特に高まっている。これらの要因により、研究開発でのプロセス構築と量産時の歩留まり向上の両面において、高精度かつ高スループットの物性計測が必要不可欠になってきている。例を挙げるとイオン注入プロセスにおけるドーパントの量や空間的分布、アニール後の再活性化状態、ＳｉＧｅの選択的エピタキシャル成長工程における内部歪量などの計測がある。
しかし、これらは物理的な計測装置であるＯＣＤ（Optical Critical Dimension）やＣＤ－ＳＥＭ（Critical Dimension-Scanning Electron Microscope）等では評価することが不可能で、蛍光Ｘ線や質量分析等を用いた化学的計測方法では、精度はあるもののスループット面での対応が難しく、破壊検査となることもしばしばである。これに対して、別のアプローチである電気的特性検査としては、基本的な構成要素であるＭＯＳ（Metal-Oxide-Silicon）構造のトランジスタ検査があり、プローブを電気的に接続してＣ－Ｖ（Capacitance-Voltage）特性などの電気特性評価を行っている。これらは半導体デバイスの直接的な性能評価であり、ＬＡＤＡ（Laser-Assisted Device Alteration）やＯＢＩＲＣＨ（Optical Beam Induced Resistance CHange）などは、光を入射されることで、不良確認に加えて、不良に対するマージンや高抵抗のデバイス内の位置も特定することができる。
ただし、全て接触式の計測であるため、配線層やパッドが形成された半導体後工程でなければ不可能な検査である。これらの電気的特性評価を半導体前工程において非接触で確認することができ、その結果から半導体内部に形成される空乏層や反転領域の広がり等を正確に解析できれば、イオン注入やアニールなどのプロセスに速やかにフィードバックが可能で、開発期間や製造サイクルタイムの短縮に非常に有効であるが、未だそのニーズを満たす確立した計測技術は存在しない。
その可能性を持つ非接触の電気的特性の計測技術うちの一つが、計測対象の非線形光学特性による２次高調波発生を利用した検査である。非線形光学特性は、式（１）に示されるように感受率と電場の積で表され、２次高調波の強度から感受率が分かり、さらに感受率テンソルの各要素から物質内のバンド構造が求められる。シリコンなどの半導体基板として用いられる主な物質は、反転対称の結晶構造を持っており、バルク状態では通常２次高調波は発生しない。
しかしBloembergenらは、非特許文献１において、物質の境界面における対称性の破れによる２次高調波発生の理論的検討を行い、その後のパルスレーザの発展に伴って、定量的な実験的にも評価されるようになった。
またGuidottiらは、非特許文献２において、反転対称構造をもつシリコン表面での２次高調波の発生を実験的に評価した。特許文献１では、半導体のプロセス装置内におけるプロセスの進行状況について、２次高調波を用いる計測手法の提案があり、特許文献２では、半導体基板表面の汚染物の存在を、複数波長の照明下で発生した２次高調波と和周波を観測することで評価する手法の提案があった。
また特許文献３では、照明により発生した光電子によるスクリーニングと帯電により、２次高調波が時間的に変化する過程と、その計測結果を用いたバンド構造の解析手法が提案された。特許文献４では半導体検査装置において、基本波と２次高調波の両方を観測することで、基本波に対しては感度のない欠陥を検出する手法の提案があった。
このように半導体製造において、いくつかの重要な技術的進展があったが、より実用性が高まったのは、特許文献５のViktor Koldiaevらによる、基本波とは別のＵＶ（Ultra Violet）照明光で、スクリーニングと帯電を計測に先立って飽和させておき、２次高調波の計測は短時間で終わらせる技術の発明である。
さらに技術を改善し、遅延機構で２次高調波の時間変化計測の分解能を高めた上で、ウェハホルダに電界付加機能を搭載し、ウェハに外部電界を印加する技術を提案した特許文献６が開示された。また、複数波長の基本波を用いて照明し、４波混合を含めた３次の非線形現象も計測できる構成とした特許文献７が開示された。また、ウェハで発生した２次高調波の偏光状態の解析も行い、歪や結晶化状態の影響と電気的特性の影響を切り分けて計測するための構成とした特許文献８が開示された。さらには実際の半導体製造工程を考慮して、計測のための実用的なテストパターン構造を提案した特許文献９が開示された。
図８は、シリコンとＳｉＯ２薄膜に対してレーザ光が入射した場合の相互作用を示す図である。図８に示されるように、シリコンの価電子帯にあった電子が励起され、２次高調波を発生させる以外に、（ｉ）のようにシリコン内で電子正孔対となる、または（ｉｉ）のように、シリコンとＳｉＯ２薄膜との境界のトラップを光電子が埋める、または（ｉｉ）のようにＳｉＯ２薄膜内の欠陥順位を光電子が埋める、または（ｉｉ）のように電子がＳｉＯ２表面の酸素の伝導帯にジャンプするといった、４つの過程がある。それらは内部電界Ｅｄｃを変化させて２次高調波強度の時間変化の原因になる。
図９は、関連する２次高調波発生を利用した半導体検査装置の光学系の構成を示す図である。半導体検査装置９００は、アイソレータ９０３と、強度変調素子９０４と、ミラー９１０と、偏光子９１１と、第１の集光レンズ９１２と、対象物９１３と、第２の集光レンズ９１４と、偏光子９１６と、ショートパスフィルタ９１７と、検出器９１８とを備える。フェムト秒レーザ９０１の基本波９０２をサンプルに投影し、対象物９１３で発生した２次高調波９１５の光量を測定する。
BLOEMBERGEN,N.et.al., Light Waves at the Boundary of Nonlinear Media, Phys.Rev.128,606(1962)
Guidotti,D.et.al, Second harmonic generation in centro-symmetric semiconductors, Solid state communications 46.4(1983):337-340
しかし、シリコンなどの反転対称構造をもつ結晶や非晶質物質からは、原理的に物質表面や境界面の原子の数層のみから２次高調波が発生するため、フォトマルチプライヤなどのフォトンカウンティングデバイスを用いた検出が必須である。そのため、一か所の計測に数秒程度の時間が必要となり、半導体製造における、In-situの検査装置、計測装置としては全く性能不足と言える。このために基本波の照明光であるパルスレーザのピーク出力や平均出力を高めることで、検出する光量を増やそうとしても、計測対象であるシリコンの損傷を考慮すると限界がある。そのため、計測時間雄短縮のためには、照明のピーク出力や平均出力をそのままにして、検出感度を高める必要がある。
照明する基本波を用いて、計測対象である半導体ウェハ以外の場所で第１の２次高調波を発生させ、さらに位相変調を付加する。半導体ウェハで発生した第２の２次高調波と第１の２次高調波を干渉させると、第１の２次高調波に付加した位相変調と同じ周波数で、干渉光に強度変調が発生する。その強度変調の振幅を計測することで、第２の２次高調波の振幅を求める。
式（２）、（３）、（４）はそれぞれ、基本波の電場ＥＦ、第１の２次高調波の電場ＥＳ１、第２の２次高調波の電場ＥＳ２を表し、式（５）はそれぞれの強度ＩＦ、ＩＳ１、ＩＳ２を表す。強度は振幅の２乗となる。第２の２次高調波には位相変化に対応した項、φ（ｔ）が含まれており、これは時間の関数である。
式（６）は第１の２次高調波と第２の２次高調波の干渉光の強度を表し、前２項は時間依存のないＤＣ成分で、３項目がφ（ｔ）によって時間変化するＡＣ成分である。観測されるＡＣ成分の振幅は２・｜ＥＳ１｜｜ＥＳ２｜で表され、｜ＥＳ１｜はキャリブレーション等で事前に計測しておくことで、｜ＥＳ２｜成分を求めることができる。
ここで、従来の計測技術では、ＩＳ２＝｜ＥＳ２｜２が観測されるが、これは微弱な電場ＥＳ２の２乗であるため非常に小さい。一方で、干渉光のＡＣ成分である２・｜ＥＳ１｜｜ＥＳ２｜・ｃｏｓ（ｉφ（ｔ））、電場ＥＳ１を大きく設定することで、適切な光量を観測することが可能となる。
図１は、本開示の方法による検出信号の改善例を示す図である。図１に示されるように、ＩＦ＝１、ＩＳ１＝０．８、ＩＳ２＝０．０２と仮定すると、従来の方法では、検出信号はＩＳ２であり、非常に小さい。本発明を適用すると、検出信号はＩＳ１＋Ｓ２となり、このＡＣ成分は０．２５であり、１０倍以上の信号強度が得られていることが分かる。ＩＳ１の強度は任意に設定することが可能であり、ＩＳ２の強度に合わせて適切に設定することで、どのような場合でもＩＳ２に対して高い倍率でＩＳ１＋Ｓ２を得ることが可能となる。
本開示により対象物内での２次高調波発生を利用した半導体検査において、微弱な２次高調波を高感度で検出する。
実施の形態
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、特許請求の範囲にかかる発明を以下の実施の形態に限定するものではない。また、実施の形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、特許請求の範囲にかかる発明を以下の実施の形態に限定するものではない。また、実施の形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
（実施の形態１にかかる半導体検査装置の説明）
図２は、実施の形態１にかかる半導体検査装置の光学系の構成を示す図である。図３は、実施の形態１にかかる半導体検査装置の構成を示す概略図である。図２及び図３を参照しながら、実施の形態１にかかる半導体検査装置を説明する。
図２は、実施の形態１にかかる半導体検査装置の光学系の構成を示す図である。図３は、実施の形態１にかかる半導体検査装置の構成を示す概略図である。図２及び図３を参照しながら、実施の形態１にかかる半導体検査装置を説明する。
図２に示されるように、実施の形態１にかかる半導体検査装置の光学系１００は、光源と、２次高調波発生素子１０６と、位相変調素子１０７と、対象物１１３と、照明光学系と、受光光学系と、検出器１１８と、を備える。
光源は、例えばパルス幅が１ピコ秒以下のフェムト秒領域であるフェムト秒レーザ１０１である。フェムト秒レーザは、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザを用いることができる。パルス幅がナノ秒領域のナノ秒レーザ、ピコ秒領域のピコ秒レーザも用いることができるが、２次高調波を効率よく発生させるためにパルス幅が短い方が好ましい。フェムト秒レーザ１０１は、例えば６６０ｎｍから１１００ｎｍの所定の波長のパルスレーザ光１０２の基本波を放射する。
２次高調波発生素子１０６は、パルスレーザ光１０２の基本波が通過して基本波の２倍の周波数をもつ、すなわち半分の波長をもつ第１の２次高調波１０９を発生する。２次高調波発生素子１０６は、タイプＩの位相整合条件を満たす非線形光学結晶が好ましい。タイプＩの位相整合条件を満たす非線形光学結晶は、例えばＬＢＯ（三ホウ酸リチウム）、ＢＢＯ（ベータホウ酸バリウム）、ＫＴＰ（チタン酸リン酸カリウム）等である。
位相変調素子１０７は、第１の２次高調波１０９を所定の周波数で位相変調させる。位相変調素子１０７は、ポッケルス効果を原理としたＥＯＭ（Electro-Optical Modulator（電気光学素子））が一般的に使用される。その場合、片方の偏光のみを位相変調させる。位相変調素子１０７は例えばＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）を使用した素子である。ここで、位相変調される偏光方向を第１の２次高調波となるように位相変調素子１０７を配置することで、基本波の位相は変調されず、第１の２次高調波１０９のみが位相変調されるようにする。
対象物１１３は、例えば表面にＳｉＯ２膜が形成された半導体基板である。また、対象物１１３は、製造工程中の半導体素子である。パルスレーザ光１０２が対象物１１３に照射されることにより、対象物内の非線形光学効果で対象物１１３から第２の２次高調波１１５が発生する。第２の２次高調波１１５は、対象物１１３の半導体表面のＳｉＯ２膜厚、ＳｉＯ２の金属汚染、ＳｉＯ２と基板との境界の欠陥量、半導体基板の不純物のドーパント量、半導体基板の再結晶化の状態に依存して発生する。
照明光学系は、対象物１１３の表面の所定の位置にパルスレーザ光１０２を照射する。照明光学系は、例えば第３の直線偏光子１１１と、第１の集光レンズ１１２とを備える。照明光学系は、対象物１１３の表面の所定の位置にパルスレーザ光１０２を照射する。第３の直線偏光子１１１は、計測対象の半導体デバイスによって感度の高い照明光の偏光状態となるようにパルスレーザ光１０２の基本波を変化させる。第１の集光レンズ１１２は、パルスレーザ光１０２の基本波を対象物１１３の計測点上で集光する。このように、パルスレーザ光１０２が対象物１１３の表面で焦点を結ぶように照明光学系に集光光学素子が配置される。
受光光学系は、第１の２次高調波１０９と第２の２次高調波１１５を同軸にして検出器１１８に入射させる。受光光学系は、第２の集光レンズ１１４と、第４の直線偏光子１１６とを備える。第２の集光レンズ１１４は、第１の２次高調波１０９と第２の２次高調波１１５を平行光にする。第４の直線偏光子１１６は、第１の２次高調波１０９の偏光方向と第２の２次高調波１１５の偏光方向を同一にする。これにより、第１の２次高調波１０９と第２の２次高調波１１５は、同一の波長でかつコヒレーントであるため可干渉となる。
検出器１１８は、第１の２次高調波１０９と第２の２次高調波１１５を受光して電気信号に変換する。検出器１１８は、例えば半導体検出器のフォトダイオード（ＰＤ）、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）またはフォトマルチプライヤ（ＰＭ）を用いることができる。
半導体検査装置の光学系１００は、上記光学素子を含む。特に２次高調波発生素子１０６と位相変調素子１０７は、照明光学系に配置される。しかしながら、実施の形態２乃至５に示すようにその順番を変えることができる。
図２を参照しながら、実施の形態１にかかる半導体検査装置の光学系１００に沿ったパルスレーザ光１０２の行程を説明する。まず、光源から出射したパルスレーザ光１０２は、戻り光を除去するためのアイソレータ１０３を通過する。次にパルスレーザ光は、強度変調素子１０４を通過する。この強度変調素子１０４は、光チョッパでも、直線偏光子とＥＯＭの組み合わせでも、液晶シャッタでも、ＡＯＭ（Acousto-Optic Modulator（音響光学素子））でもよい。強度変調素子１０４は、パルスレーザ光１０２の強度を変化させるあらゆる素子を取りうる。
次にパルスレーザ光１０２は、第１の直線偏光子１０５を通過し、直線偏光となる。次に、パルスレーザ光１０２は、２次高調波発生素子１０６を通過し、２次高調波を発生する。
２次高調波発生素子を通過したパルスレーザ光は、Ｉに示されるように箇所で基本波の偏光方向と第１の２次高調波の偏光方向は互いに垂直である。次にパルスレーザ光１０２の基本波と第１の２次高調波１０９は、位相変調素子１０７を通過する。ここで位相変調される偏光方向を第１の２次高調波１０９の偏光方向とし、基本波の位相は変調されず、第１の２次高調波１０９のみが位相変調される。
さらにパルスレーザ光１０２の基本波と第１の２次高調波１０９が第２の直線偏光子１０８を通過して、ＩＩに示されるように基本波の偏光方向と第１の２次高調波１０９の偏光方向が一致する。この第２の直線偏光子１０８の透過軸の方位は、基本波と第１の２次高調波１０９の強度比を最適な状態にするように設定する。
次に基本波と第１の２次高調波１０９は、ミラー１１０で反射されて第３の直線偏光子１１１を通過する。次に基本波と第１の２次高調波１０９は、第１の集光レンズ１１２を通過し、対象物１１３に集光される。パルスレーザ光１０２の基本波が照射されることで、対象物１１３の半導体デバイス内の物質や構造、電場状態に依存する強度と位相の第２の２次高調波１１５が発生する。また、パルスレーザ光１０２の基本波の大部分と第１の２次高調波１０９は対象物１１３の表面上で反射される。
発生した第２の２次高調波１１５は、対象物１１３で反射されたパルスレーザ光１０２の基本波及び第１の２次高調波１０９と同一の光路を通り、第２の集光レンズ１１４で平行光にされる。第２の２次高調波１１５と第１の２次高調波１０９は、第４の直線偏光子１１６を通り、第２の２次高調波１１５の偏光方向と第１の２次高調波１０９の偏光方向が同じになる。そのため、第１の２次高調波１０９と第２の２次高調波１１５は、同一の波長でかつコヒレーントであるため可干渉になる。さらにパルスレーザ光１０２の基本波と第１の２次高調波１０９と第２の２次高調波１１５は、ショートパスフィルタ１１７に照射され、基本波がショートパスフィルタ１１７で除去される。最後に第１の２次高調波１０９と第２の２次高調波１１５の干渉光が、検出器１１８に入射する。
干渉光は第１の２次高調波１０９の位相変調と同じ周期で強度変調される。その変調振幅から第２の２次高調波１１５の振幅を求め、変調位相から第２の２次高調波１１５の位相を計測することができる。この際に第２の２次高調波１１５の振幅は非常に微弱にもかかわらず、第１の２次高調波１０９の電気信号強度を適切に設定することで、干渉光の強度変調を大きくとることができ、感度よく第２の２次高調波１１５の計測が可能となる。
光源から検出器１１８までパルスレーザ光１０２と第１の２次高調波１０９が通過する光学的距離と、光源から検出器１１８までパルスレーザ光１０２と第２の２次高調波１１５が通過する光学的距離は、等しいことが好ましい。
検出器１１８で得られる信号は、位相変調素子１０７によりＩＳ１＋ＩＳ２に相当する。第１の２次高調波１０９と第２の２次高調波１１５は、検出器１１８で光量に比例したアナログ電気信号に変換される。このアナログ電気信号は、検出器１１８において、位相変調素子１０７の変調周波数でロックイン検出される。
図３に示されるように、半導体検査装置３００は、半導体検査装置の光学系１００と、情報処理装置３０１と、フェムト秒レーザコントローラ３０２と、強度変調素子コントローラ３０３と、位相変調素子コントローラ３０４と、ＡＤ変換ボード３０５と、ステージコントローラ３０６と、を備える。
半導体検査装置の光学系１００は、除振台上に設置される。除振台は、光学定盤３０９とアイソレータ３１０備える。
情報処理装置３０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、ストレージなどを備える。情報処理装置３０１は、ストレージ、メモリに格納されたプログラムをＣＰＵが実行してフェムト秒レーザコントローラ３０２と、強度変調素子コントローラ３０３と、位相変調素子コントローラ３０４と、ＡＤ変換ボード３０５と、ステージコントローラ３０６とを制御する。
フェムト秒レーザコントローラ３０２は、フェムト秒レーザ１０１に接続され、フェムト秒レーザ１０１を制御する。フェムト秒レーザコントローラ３０２は、パルス幅、発振波長、発振周期、検出器１１８との同期をとった発振などパルスレーザ光１０２を制御する。
強度変調素子コントローラ３０３は、強度変調素子１０４に接続される。強度変調素子コントローラは、パルスレーザ光１０２の強度を変調するように強度変調素子１０４を制御する。
位相変調素子コントローラ３０４は、位相変調素子１０７に接続される。位相変調素子コントローラ３０４は、第１の２次高調波の位相を変調させるよう位相変調素子１０７を制御する。位相変調素子コントローラ３０４は、位相変調素子１０７を検出器１１８と同期させて検出器１１８がロックイン検出できるように制御する。
ＡＤ変換ボード３０５は、検出器１１８に接続される。ＡＤ変換ボードは、検出器１１８で受信したアナログ信号をデジタル信号に変換する。情報処理装置３０１上で波形解析されてＩＳ１＋Ｓ２の振幅が求まり、式（６）を変換することで｜ＥＳ２｜を求める。
ステージコントローラ３０６は、対象物１１３が載置されたウェハステージ３１１に接続される。ステージコントローラ３０６は、対象物１１３に対する集光の位置を変更するようにウェハステージ３１１を制御する。対象物１１３は、ウェハホルダ上に真空チャックで固定され、ウェハホルダは、ウェハステージ３１１によって、計測点を移動させることができる。
２次高調波の強度解析から、対象物１１３の半導体表面のＳｉＯ２膜厚、ＳｉＯ２の金属汚染、ＳｉＯ２と基板との境界の欠陥量、半導体基板の不純物のドーパント量、半導体基板の再結晶化の状態が算出される。
このようにして、対象物内での２次高調波発生を利用した半導体検査において、微弱な２次高調波を高感度で検出する。製造中の半導体デバイスの表面汚染や内部ドーパント量などが計測可能な２次高調波計測において、検出信号の強度が劇的に向上し、現在は1点の計測につき１秒から１０秒程度の計測時間が１桁から数桁程度短縮され、より多くの半導体ウェハの計測が可能となる。また高速化をウェハ面内の分布に使えば、従来と同様の計測時間で、ウェハ内の数点程度であった計測点が１００程度の全露光ショット内で複数点の計測も可能となり、プロセスのフィードバック精度が大幅に向上する。
（実施の形態２にかかる半導体検査装置の光学系の説明）
図４は、実施の形態２にかかる半導体検査装置の光学系の構成を示す図である。図４を参照しながら、実施の形態２にかかる半導体検査装置の光学系を説明する。
図４は、実施の形態２にかかる半導体検査装置の光学系の構成を示す図である。図４を参照しながら、実施の形態２にかかる半導体検査装置の光学系を説明する。
図４に示されるように、実施の形態２にかかる半導体検査装置の光学系４００は、第１の２次高調波１０９が対象物１１３に投影される前にビームスプリッタ４０１で分割される点で実施の形態１にかかる半導体検査装置の光学系１００と異なる。第１の２次高調波１０９は、ビームスプリッタ４０１で分割された後、位相変調素子１０７に入射して、ハーフミラー４０２で第２の２次高調波１１５と合成される。
実施の形態２にかかる半導体検査装置の光学系４００は、フェムト秒レーザ１０１と、アイソレータ１０３と、強度変調素子１０４と、第１の直線偏光子１０５と、２次高調波発生素子１０６と、ビームスプリッタ４０１と、第３の直線偏光子１１１と、第１の集光レンズ１１２と、対象物１１３と、第２の集光レンズ１１４と、ショートパスフィルタ１１７と、ハーフミラー４０２と、第４の直線偏光子１１６と、検出器１１８と、を備える。実施の形態１と同じ作用をする光学系の説明は省略する。
ビームスプリッタ４０１は、パルスレーザ光１０２の基本波と第１の２次高調波１０９を分離する偏光ビームスプリッタである。ビームスプリッタ４０１は、ダイクロイックミラーでもよい。
ハーフミラー４０２は、第１の２次高調波１０９と第２の２次高調波１１５を合成する。ハーフミラー４０２は、透過率が５０％を超えるものを使用し、微弱な第２の２次高調波１１５の損失をできるだけ回避する。
位相変調素子１０７は、第１の２次高調波１０９のみが入射するため、偏光依存性を持たないＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を用いることができる。
図４に示されるように、第１の２次高調波１０９が発生した時点のＩでは、基本波の偏光方向と第１の２次高調波１０９の偏光方向は垂直になっている。第１の２次高調波１０９と第２の２次高調波１１５が合成された時点のＩＩでは、第２の２次高調波１１５の偏光方向が調整や対象物１１３に依存する。第１の２次高調波１０９と第２の２次高調波１１５が第４の直線偏光子１１６を通過した時点のＩＩＩでは、第１の２次高調波１０９の偏光方向と第２の２次高調波１１５の偏光方向が揃う。そのため、第１の２次高調波１０９と第２の２次高調波１１５は、同一の波長でかつコヒレーントであるため可干渉になる。
実施の形態２にかかる半導体検査装置の光学系４００は、２次高調波発生素子１０６が照明光学系に配置される。２次高調波発生素子１０６で発生した第１の２次高調波１０９は、ビームスプリッタ４０１で所定の波長のパルスレーザ光１０２の基本波と分離される。分離された所定の波長のパルスレーザ光１０２は、対象物１１３の表面に照射される。分離された第１の２次高調波１０９は、位相変調素子１０７を通過する。位相変調素子１０７を通過した第１の２次高調波１０９は、対象物１１３の表面で発生した第２の２次高調波１１５とビームスプリッタ（ハーフミラー４０２）で同軸とされた後、検出器１１８に入射させられる。
実施の形態２にかかる半導体検査装置の光学系４００により、第１の２次高調波１０９が対象物１１３である半導体デバイスの電場状態を変えて結果の解析が複雑になる欠点を回避できる。
（実施の形態３にかかる半導体検査装置の光学系の説明）
図５は、実施の形態３にかかる半導体検査装置の光学系の構成を示す図である。図５を参照しながら、実施の形態３にかかる半導体検査装置の光学系を説明する。
図５は、実施の形態３にかかる半導体検査装置の光学系の構成を示す図である。図５を参照しながら、実施の形態３にかかる半導体検査装置の光学系を説明する。
図５に示されるように、実施の形態３にかかる半導体検査装置の光学系５００は、対象物１１３を照射するのは基本波のみで、第１の２次高調波１０９は、対象物１１３で反射された基本波を用いて発生させる点で、実施の形態１にかかる半導体検査装置の光学系１００と異なる。
実施の形態３にかかる半導体検査装置の光学系５００は、フェムト秒レーザ１０１と、アイソレータ１０３と、強度変調素子１０４と、ミラー１１０と、第３の直線偏光子１１１と、第１の集光レンズ１１２と、対象物１１３と、第２の集光レンズ１１４と、第５の直線偏光子５０１と、ミラー５０２と、第６の直線偏光子５０３と、２次高調波発生素子１０６と、位相変調素子１０７と、ショートパスフィルタ１１７と、第４の直線偏光子１１６と、検出器１１８と、を備える。実施の形態１と同じ作用をする光学素子の説明は省略する。
第５の直線偏光子５０１は、パルスレーザ光１０２の基本波と第２の２次高調波１１５の計測したい偏光方向成分のみ透過させる。
ミラー５０２は、パルスレーザ光１０２の基本波と第２の２次高調波１１５を反射する。ミラー５０２は、パルスレーザ光１０２の基本波と第２の２次高調波１１５を適切な光路に向けるためのミラーである。
第６の直線偏光子５０３は、第５の直線偏光子５０１の透過軸と平行であるパルスレーザ光１０２の基本波の偏光方向を、２次高調波発生素子１０６において効率よく第１の２次高調波１０９が発生するように変えるものである。
図５に示されるように、パルスレーザ光１０２の基本波と第２の２次高調波１１５が第６の直線偏光子５０３を通過した時点のＩでは、パルスレーザ光１０２の基本波の偏光方向と第２の２次高調波１１５の偏光方向は揃っている。第１の２次高調波が発生する時点のＩＩでは、第１の２次高調波１０９の偏光方向と、パルスレーザ光１０２の基本波及び第２の２次高調波１１５の偏光方向は垂直になっている。第１の２次高調波１０９と第２の２次高調波１１５が第４の直線偏光子１１６を通過した時点のＩＩＩでは、第１の２次高調波１０９の偏光方向と第２の２次高調波１１５の偏光方向が揃う。そのため、第１の２次高調波１０９と第２の２次高調波１１５は、同一の波長でかつコヒレーントであるため可干渉になる。
実施の形態３にかかる半導体検査装置の光学系５００は、２次高調波発生素子１０６が受光光学系に配置される。位相変調素子１０７は、２次高調波発生素子１０６と検出器１１８との間に配置されている。
実施の形態３にかかる半導体検査装置の光学系５００により、第１の２次高調波１０９が対象物１１３である半導体デバイスの電場状態を変えて結果の解析が複雑になる欠点を回避できる。
（実施の形態４にかかる半導体検査装置の光学系の説明）
図６は、実施の形態４にかかる半導体検査装置の光学系の構成を示す図である。図６を参照しながら、実施の形態４にかかる半導体検査装置の光学系を説明する。
図６は、実施の形態４にかかる半導体検査装置の光学系の構成を示す図である。図６を参照しながら、実施の形態４にかかる半導体検査装置の光学系を説明する。
図６に示されるように、実施の形態４にかかる半導体検査装置の光学系６００は、パルスレーザ光１０２の基本波を２つに分割する点で実施の形態１にかかる半導体検査装置の光学系１００と異なる。
実施の形態４にかかる半導体検査装置の光学系６００は、フェムト秒レーザ１０１と、アイソレータ１０３と、強度変調素子１０４と、第１の直線偏光子１０５と、ビームスプリッタ６０１と、を備える。半導体検査装置の光学系６００の測定光路は、対物レンズ６０２と、対象物１１３と、を備える。半導体検査装置の光学系６００の参照光路は、２次高調波発生素子１０６と、ショートパスフィルタ１１７ａと、位相変調素子１０７と、対物レンズ６０３と、内部ミラー６０４と、を備える。半導体検査装置の光学系６００は、さらに測定光を検出するためのショートパスフィルタ１１７ｂと、第４の直線偏光子１１６と、検出器１１８と、を備える。実施の形態１と同じ作用をする光学素子の説明は省略する。
ビームスプリッタ６０１は、パルスレーザ光１０２の基本波を測定光路と参照光路に振幅分割する。また、参照光路から戻った第１の２次高調波１０９と測定光路から戻った第２の２次高調波１１５を合成して検出器１１８に送る。
対物レンズ６０２は、パルスレーザ光１０２の基本波を対象物１１３の測定点に集光する。また、対象物１１３で発生した第２の２次高調波１１５を平行光にする。
ショートパスフィルタ１１７ａは、参照光路の基本波を遮断し、第１の２次高調波１０９のみ透過させる。
対物レンズ６０３は、第１の２次高調波１０９を内部ミラー６０４の表面で集光させ、反射した第１の２次高調波１０９を再び平行光にするためのレンズである。
ショートパスフィルタ１１７ｂは、測定光路の基本波を遮断し、第１の２次高調波１０９と第２の２次高調波１１５を透過させる。ショートパスフィルタ１１７ｂにより、検出器１１８に基本波が入射しないようにする。
図６に示されるように、第１の２次高調波１０９と第２の２次高調波１１５がビームスプリッタで合成される時点のＩでは、パルスレーザ光１０２の第２の２次高調波１１５の偏光方向は調整と対象物１１３に依存し不明である。第１の２次高調波１０９と第２の２次高調波１１５が第４の直線偏光子１１６を通過した時点のＩＩでは、第１の２次高調波１０９の偏光方向と第２の２次高調波１１５の偏光方向が揃う。そのため、第１の２次高調波１０９と第２の２次高調波１１５は、同一の波長でかつコヒレーントであるため可干渉になる。
図６に示されるように、この実施の形態４にかかる半導体検査装置の光学系６００は、対象物１１３を垂直に照明する構成で、ビームスプリッタ６０１で基本波を対象物１１３に向かう成分と右側の内部ミラーに向かう成分とに分割し、内部ミラーに向かう成分の基本波を用いて第１の２次高調波１０９を発生させる。対象物１１３で発生した第２の２次高調波１１５と第１の２次高調波１０９はビームスプリッタ６０１で再び同一光路となり、検出器１１８上で干渉する。
実施の形態４にかかる半導体検査装置の光学系６００は、光源であるフェムト秒レーザ１０１と２次高調波発生素子１０６との間にビームスプリッタ６０１が配置される。パルスレーザ光１０２は、対象物１１３の表面に向かう測定光路と参照光路に振幅分割される。参照光路に２次高調波発生素子１０６と位相変調素子１０７が配置され、パルスレーザ光１０２から第１の２次高調波１０９が発生する。対象物１１３の表面で発生した第２の２次高調波１１５は、測定光路を透過し、第１の２次高調波１０９とビームスプリッタ６０１により同軸とされて検出器１１８に入射させられる。
実施の形態４にかかる半導体検査装置の光学系６００は、対象物１１３を垂直に照明することができる。また、この方法により、第１の２次高調波１０９が対象物１１３を照明しないため、第１の２次高調波が対象物である半導体デバイスの電場状態を変えて結果の解析が複雑になる欠点を回避できる。
（実施の形態５にかかる半導体検査装置の光学系の説明）
図７は、実施の形態５にかかる半導体検査装置の光学系の構成を示す図である。図７を参照しながら、実施の形態５にかかる半導体検査装置の光学系を説明する。
図７は、実施の形態５にかかる半導体検査装置の光学系の構成を示す図である。図７を参照しながら、実施の形態５にかかる半導体検査装置の光学系を説明する。
実施の形態５にかかる半導体検査装置の光学系７００は、実施の形態４にかかる半導体検査装置の光学系６００とほぼ同じ構成であるが、検出器１１８が画像検出器であり、ビーム内の強度分布を計測する点で異なる。
実施の形態５にかかる半導体検査装置の光学系７００は、フェムト秒レーザ１０１と、アイソレータ１０３と、強度変調素子１０４と、第１の直線偏光子１０５と、ビームスプリッタ６０１と、を備える。半導体検査装置の光学系７００の測定光路は、対物レンズ６０２と、対象物１１３と、を備える。半導体検査装置の光学系７００の参照光路は、２次高調波発生素子１０６と、ショートパスフィルタ１１７ａと、位相変調素子１０７と、対物レンズ６０３と、内部ミラー６０４と、を備える。半導体検査装置の光学系７００は、さらに測定光を検出するためのノマルスキープリズム７０１と、第８の直線偏光子７０２と、検出器１１８と、を備える。実施の形態１及び実施の形態４と同じ作用をする光学素子の説明は省略する。
ノマルスキープリズム７０１と第８の直線偏光子７０２は、特開２０２１－８５６９８号で開示された干渉エリプソメトリを行うための光学素子である。ノマルスキープリズムは、ウォラストンプリズムに変更することができる。ノマルスキープリズムまたはウォラストンプリズムへの入射前に互いに垂直な偏光であった光による干渉縞が計測される。
図７に示されるように、パルスレーザ光１０２の基本波と第１の２次高調波１０９と第２の２次高調波１１５がビームスプリッタで合成される時点のＩでは、パルスレーザ光１０２の基本波及び第２の２次高調波１１５の偏光方向は調整と対象物１１３に依存し不明である。パルスレーザ光１０２の基本波と第１の２次高調波１０９と第２の２次高調波１１５が第４の直線偏光子１１６を通過した時点のＩＩでは、パルスレーザ光１０２の基本波の偏光方向と第１の２次高調波１０９の偏光方向と第２の２次高調波１１５の偏光方向が揃う。そのため、第１の２次高調波１０９と第２の２次高調波１１５は、同一の波長でかつコヒレーントであるため可干渉になる。
実施の形態５にかかる半導体検査装置の光学系７００は、ビームスプリッタ６０１と第４の直線偏光子１１６との間に配置されていたショートパスフィルタ１１７ｂは取り除いて、基本波も検出器１１８に入射させる。実施の形態５にかかる半導体検査装置の光学系７００は、さらに画像検出器前にノマルスキープリズム７０１と第８の直線偏光子７０２を配置する。
実施の形態５にかかる半導体検査装置の光学系７００は、ショートパスフィルタ１１７ｂがないため、強度の高い信号を得られる可能性がある。
実施の形態２乃至５にかかる光学系においても光源から検出器１１８までパルスレーザ光１０２と第１の２次高調波１０９が通過する光学的距離と、光源から検出器１１８までパルスレーザ光１０２と第２の２次高調波１１５が通過する光学的距離は、等しいことが好ましい。
本開示は、２次高調波を用いた半導体検査、計測技術に関するものであり、半導体デバイス表面の金属汚染やトランジスタ内のドーパントの量やアニール後の結晶化状態が計測できる技術を大幅に性能向上させる技術である。本開示の技術は、関連する２次高調波を用いた計測装置に対して、１桁以上のスループット向上が期待され、実用化により半導体デバイスの研究開発と量産でのモニタの両面において有効に活用され、開発期間の短縮と歩留まりの向上に貢献することが期待される。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。実施の形態１乃至５において、対象物１１３を構成する物質の最小のイオン化エネルギよりも大きい光子エネルギを持つ光を放射する第２の光源を備えてもよい。この第２の光源の光は、対象物１１３の表面のパルスレーザ光が照射される場所を含む領域に照射される。このようにすることで、対象物１１３の表面の励起状態を観察できる。また、対象物１１３の表面の帯電を飽和させ、２次高調波の計測を短時間にする。
１００ 半導体検査装置の光学系、１０１ フェムト秒レーザ、１０２ パルスレーザ光、１０３ アイソレータ、１０４ 強度変調素子、１０５ 第１の直線偏光子、１０６ ２次高調波発生素子、１０７ 位相変調素子、１０８ 第２の直線偏光子、１０９ 第１の２次高調波、１１０ ミラー、１１１ 第３の直線偏光子、１１２ 第１の集光レンズ、１１３ 対象物、１１４ 第２の集光レンズ、１１５ 第２の２次高調波、１１６ 第４の直線偏光子、１１７ ショートパスフィルタ、１１７ａ ショートパスフィルタ、１１７ｂ ショートパスフィルタ、１１８ 検出器、３００ 半導体検査装置、３０１ 情報処理装置、３０２ フェムト秒レーザコントローラ、３０３ 強度変調素子コントローラ、３０４ 位相変調素子コントローラ、３０５ ＡＤ変換ボード、３０６ ステージコントローラ、３０９ 光学定盤、３１０ アイソレータ、３１１ ウェハステージ、４００ 半導体検査装置の光学系、４０１ ビームスプリッタ、４０２ ハーフミラー、５００ 半導体検査装置の光学系、５０１ 第５の直線偏光子、５０２ ミラー、５０３ 第６の直線偏光子、６００ 半導体検査装置の光学系、６０１ ビームスプリッタ、６０２ 対物レンズ、６０３ 対物レンズ、６０４ 内部ミラー、７００ 半導体検査装置の光学系、７０１ ノマルスキープリズム、７０２ 第８の直線偏光子
Claims (16)
- 所定の波長のパルスレーザ光を出射する光源と、
前記パルスレーザ光の第１の２次高調波を発生する２次高調波発生素子と、
前記第１の２次高調波を所定の周波数で位相変調させる位相変調素子と、
前記パルスレーザ光が照射されることにより第２の２次高調波を発生する対象物と、
前記対象物の表面の所定の位置に前記パルスレーザ光を照射する照明光学系と、
前記第１の２次高調波と前記第２の２次高調波を同軸にして検出器に入射させる受光光学系と、
前記第１の２次高調波と前記第２の２次高調波を受光して電気信号に変換する前記検出器と、を備え、
強度変調した電気信号強度の振幅から前記第２の２次高調波の強度を求める対象物の表面を検査する装置。 - 前記検出器の前に偏光子が配置され、
前記偏光子は、前記第１の２次高調波と前記第２の２次高調波の偏光状態を一致させる、請求項１に記載の装置。 - 前記光源から前記検出器まで前記パルスレーザ光と前記パルスレーザ光を用いて発生させられる前記第１の２次高調波が通過する光学的距離と、前記光源から前記検出器まで前記パルスレーザ光と前記パルスレーザ光を用いて発生させられる前記第２の２次高調波が通過する光学的距離は、等しい、請求項１に記載の装置。
- 前記パルスレーザ光はパルス幅が１ピコ秒以下である、請求項１に記載の装置。
- 前記電気信号は、前記検出器により位相変調素子の変調周波数でロックイン検出する、請求項１に記載の装置。
- 前記パルスレーザ光が前記対象物の表面で焦点を結ぶように前記照明光学系に集光光学素子が配置される、請求項１に記載の装置。
- 前記対象物は製造工程中の半導体素子である、請求項１に記載の装置。
- 前記検出器と前記対象物との間に前記所定の波長のパルスレーザ光を除去するショートパスフィルタが配置される、請求項１に記載の装置。
- 前記２次高調波発生素子は、直線偏光をもつ前記第１の２次高調波を発生させるタイプＩの位相整合条件を満たす非線形光学結晶であり、
前記位相変調素子は、前記第１の２次高調波のみ位相を変調させるよう配置された電気光学素子（ＥＯＭ）である、請求項１に記載の装置。 - 前記２次高調波発生素子と前記位相変調素子は、前記照明光学系に配置され、前記第１の２次高調波は、前記対象物の表面上で反射される、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の装置。
- 前記２次高調波発生素子は、照明光学系に配置され、
前記２次高調波発生素子で発生した前記第１の２次高調波は、ビームスプリッタで前記所定の波長のパルスレーザ光と分離され、
分離された前記所定の波長のパルスレーザ光は、前記対象物の表面に照射され、
分離された前記第１の２次高調波は、前記位相変調素子を通過し、
前記位相変調素子を通過した前記第１の２次高調波は、前記対象物の表面で発生した前記第２の２次高調波とビームスプリッタで同軸とされた後、前記検出器に入射させられる、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の装置。 - 前記２次高調波発生素子は、前記受光光学系に配置され、
前記位相変調素子は、前記２次高調波発生素子と前記検出器の間に配置されている、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の装置。 - 前記光源と前記２次高調波発生素子との間にビームスプリッタが配置され、前記パルスレーザ光は、前記対象物の表面に向かう測定光路と、参照光路に振幅分割され、
前記参照光路に前記２次高調波発生素子と前記位相変調素子が配置され、前記パルスレーザ光から前記第１の２次高調波が発生し、
前記対象物の表面で発生した前記第２の２次高調波は、前記測定光路を透過し、前記第１の２次高調波と前記ビームスプリッタにより同軸とされて前記検出器に入射させられる、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の装置。 - 前記検出器は、画像検出器であり、
前記画像検出器の前にノマルスキープリズムまたはウォラストンプリズムと直線偏光子の組が配置され、
前記ノマルスキープリズムまたは前記ウォラストンプリズムへの入射前に互いに垂直な偏光であった光による干渉縞が計測される、請求項１３に記載の装置。 - さらに前記対象物を構成する物質の最小のイオン化エネルギよりも大きい光子エネルギを持つ光を放射する第２の光源を備え、
前記第２の光源の光は、前記対象物の表面のパルスレーザ光が照射される場所を含む領域に照射される、請求項１に記載の装置。 - 前記第２の２次高調波の強度から、半導体表面のＳｉＯ２膜厚、ＳｉＯ２の金属汚染、ＳｉＯ２と基板との境界の欠陥量、半導体基板の不純物のドーパント量、半導体基板の再結晶化のいずれかが算出される、請求項１に記載の装置。
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