JP5108447B2

JP5108447B2 - 半導体表面歪測定装置、方法及びプログラム

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Publication number: JP5108447B2
Application number: JP2007269754A
Authority: JP
Inventors: 厚志小椋; 大亮小瀬村; 良祐清水
Original assignee: MEIJI UNIVERSITY LEGAL PERSON
Current assignee: MEIJI UNIVERSITY LEGAL PERSON
Priority date: 2007-10-17
Filing date: 2007-10-17
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2027-10-17
Also published as: JP2009099757A

Description

本発明は、シリコンウェーハ等の半導体表面の歪を測定するための半導体表面歪測定装置に関する。

シリコン結晶に歪を加えると、キャリア移動度が増加し、等価的にチャネル幅を短くできることが知られている。これを利用して、ＬＳＩの微細化の限界を補填する技術として、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）等のウェーハ製造技術を利用した歪Ｓｉ基板が提案されている。歪Ｓｉ基板技術にとって重要な点は、導入する歪の絶対値と分布の制御である。このため、歪Ｓｉ基板の歪の評価技術の確立は、製品開発及び製品管理上極めて重要である。また、微細化が更に進んでいるＬＳＩの製造プロセスで生じる意図的でないウェーハの歪についても、これを正確に測定することがデバイス特性のバラツキ抑制等において極めて重要である。

従来、このような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、Ｘ線回折法、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）装置を用いた電子線回折法等が知られている。このうち、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知られており、簡便でクリーンルームでの使用が可能であるため、ＬＳＩ製造現場で最も容易に使用可能な評価手法として期待されている。ラマン分光法は、測定すべきシリコンウェーハ上にレーザ光の微小ビームスポットを照射することによって、シリコンウェーハから発せられたラマン散乱光のスペクトルを分光器で測定し、ラマンスペクトルのピーク位置を歪量、半値幅を結晶性の指標として評価する手法である。ラマン分光法では、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。しかし、強い光を当てる方法は、試料温度の上昇を伴う。試料温度が上昇するとラマンスペクトルのピーク位置がシフトし、誤った歪量を測定する要因となる。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。

特許文献１では、散乱光のラマンスペクトルのピーク位置変動量から試料温度を推定し、その推定温度を用いて歪シリコン層及びシリコンゲルマニウム層のラマンスペクトルのピーク位置変動量を補正し、その補正された歪シリコン層及びシリコンゲルマニウム層のラマンスペクトルのピーク位置情報により、それら各層の内部応力を算出している。

しかし、この方法では、試料温度を推定するのに、試料の下層に存在する無応力のシリコン基板のラマンスペクトルのピーク位置のシフト量を測定し、これを参照情報として現在の試料温度を推定している。このため、試料温度の正確な推定は困難であり、また、無歪のシリコン基板のラマンスペクトルを得るために、シリコン基板に届く長波長の光を発生するためのレーザ光源を表層測定用とは別途必要とするという問題がある。
特開２００６−７３８６６号公報

本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、極めて簡便に試料温度上昇に起因するラマンスペクトルのピーク位置のシフトを補償して、正確な歪量を測定することができる半導体表面歪測定装置、方法及びプログラムを提供することを目的とする。

本発明は、被半導体試料の表面への照射パワーとラマンシフトとの関係が線形であるという本発明者等による知見に基づいてなされたものである。

すなわち、本発明に係る半導体表面歪測定装置は、励起光を発する励起光光源と、前記励起光を集光して被測定半導体試料上に照射する集光照射機構と、前記励起光の前記被測定半導体試料上への照射パワーを調整する照射パワー調整手段と、前記被測定半導体試料上に前記励起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ラマンスペクトルを測定する測定装置と、前記照射パワー調整手段により調整された異なる複数の照射パワーのそれぞれについて前記測定されたラマンスペクトルのピーク位置を求め、求められた複数のピーク位置を線形補間して照射パワー無限小におけるラマンスペクトルのピーク位置を求め、この求められたピーク位置から前記被測定半導体試料の前記励起光の照射位置における歪量を算出する演算装置とを備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る半導体表面歪測定方法は、励起光を異なる複数の照射パワーで被測定半導体試料上に照射し、これにより前記各照射パワーについて前記被測定半導体試料から発せられたラマン散乱光を受光してラマンスペクトルを測定し、前記各照射パワーにおけるラマンスペクトルのピーク位置を求め、求められた複数のピーク位置を線形補間して照射パワー無限小におけるラマンスペクトルのピーク位置を求め、この求められた照射パワー無限小時におけるラマンスペクトルのピーク位置から前記被測定半導体試料の前記励起光の照射位置における歪量を算出することを特徴とする。

更に、本発明に係る半導体表面歪測定プログラムは、励起光を異なる複数の照射パワーで被測定半導体試料上に照射し、これにより前記各照射パワーについて前記被測定半導体試料から発せられたラマン散乱光を受光してラマンスペクトルを測定して得られた測定値を入力するステップと、前記各照射パワーについての測定値から前記各照射パワーにおけるラマンスペクトルのピーク位置を求めるステップと、求められた複数のピーク位置を線形補間して照射パワー無限小におけるラマンスペクトルのピーク位置を求めるステップと、この求められた照射パワー無限小時におけるラマンスペクトルのピーク位置から前記被測定半導体試料の前記励起光の照射位置における歪量を算出するステップとをコンピュータに実行させるためのものである。

本発明によれば、極めて簡便に試料温度上昇に起因するラマンスペクトルのピーク位置のシフトを補償して、正確な歪量を測定することができる。

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

図１は本発明の一実施の形態に係るシリコンウェーハ歪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、ＤＰＳＳ（Diode Pumped Solid-State）レーザ等の波長２４４〜５１４．５ｎｍのＤＵＶ（深紫外）光、ＵＶ光又は可視光を励起光として出力するレーザ装置１０を使用する。なお、この実施形態では、測定すべき層の深さに応じた一種類の波長のみを使用すれば良い。例えば、測定すべき層の深さに対する励起光の波長との関係は、３００ｎｍの深さに対し５１４．５ｎｍの光、同様に、２５０ｎｍに対し４８８ｎｍ、６５ｎｍに対し４５７ｎｍ、５ｎｍに対し３６４ｎｍ、３ｎｍに対し２４４ｎｍを選択することが好ましい。これらの関係から、ウェーハの表面から数〜数十ｎｍまでの表層の歪を測定する場合には、ＤＵＶ光又はＵＶ光を使用するのが望ましい。

レーザ装置１０から出射された励起光は、ミラー２０で反射され、照射パワー調整手段であるＮＤ（Neutral Density）フィルタ３０で照射パワーを調整された後、バンドパスフィルタ４０で不要波長成分が抑制され、ハーフミラー５０を透過する。ハーフミラー５０を透過した光は、集光照射機構６０によって集光され、直径約０．５μｍ程度の円形のビームスポットとなって可動ステージ７０上に配置された被測定半導体試料であるシリコンのウェーハ８０上に照射される。可動ステージ７０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９０によりウェーハ表面方向に沿って移動制御される。また、集光照射機構６０は、対物レンズ６１を備えるほか、可動ステージ７０の移動に伴う焦点ずれを補正するため、合焦光学系６２を備えている。この合焦光学系６２は、合焦状態を検出するための図示しないフォーカス検出機構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。

ウェーハ８０からは、照射部位における試料表面の歪量に応じたエネルギを持つラマン散乱光が発せられる。ラマン散乱光は、集光照射機構６０で集光された後、ハーフミラー５０により反射されて不要波長成分を除去するフィルタ１３０を透過してモノクロメータ式の分光器１１０に入射される。分光器１１０は、入射したラマン散乱光を分光してラマンスペクトルを得る。得られたラマンスペクトルは、ＣＣＤ検出器１２０で検出される。ＣＣＤ検出器１２０から出力される信号は、コンピュータ１００に入力される。また、ＮＤフィルタ３０及びバンドパスフィルタ４０を透過した励起光の一部は、ハーフミラー５０で反射されて照射パワーを検出する受光素子１４０に入射される。さらにこの受光素子１４０では、入射光が集光照射機構６０や外気及び外乱（例えば、空気散乱、宇宙線、蛍光灯等）等により減衰した分を補正し、ウェーハ８０位置到達時の照射パワーを出力するようにしている。受光素子１４０の出力も、コンピュータ１００に入力されている。コンピュータ１００は、受光素子１４０で検出された照射パワーをモニタしながら、ＮＤフィルタ３０により調整された異なる複数の照射パワーのそれぞれについて、ＣＣＤ検出器１２０で検出されたラマンスペクトルのピーク位置を求め、求められた複数のピーク位置を線形補間して照射パワー無限小におけるラマンスペクトルのピーク位置を求め、この求められたピーク位置からウェーハ８０の励起光の照射位置における歪量を算出する。

なお、ＮＤフィルタ３０は、光透過率の異なる複数の半透明板が回転軸を中心に等間隔で配置され、半透明板が回転軸回りに自動又は手動で回転されることにより、複数の半透明板の１つが選択的に光路に挿入される構造を有し、これにより励起光のウェーハ８０に対する照射パワーが調整されるようにしている。また、ＮＤフィルタ３０は、上述のように複数の半透明板が等間隔に配置されている、いわゆるデジタル的な調整板ではなく、透過率が回転方向に連続的に変化するアナログ的な調整が可能なものであると、更に調整分解能が高められて好ましい。

分光器１１０は、例えば図２に示すように、スリット１１１と、コリメーションミラー１１２，１１４と、回折格子１１３とを備えている。スリット１１１に集光され入射したラマン散乱光は、焦点距離約２ｍ先のコリメーションミラー１１２で反射されて平行光線となって回折格子１１３に到達する。回折格子１１３は入射光を分光する。分光された光は、平行光線のままコリメーションミラー１１４で反射され、最終的にＣＣＤ検出器１２０上に結像される。ＣＣＤ検出器１２０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１１０では、測定中にコリメーションミラー１１２，１１４や回折格子１１３は一切移動させる必要はなく、ＣＣＤ検出器１２０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（例えば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１２０での照射時間がそのまま被測定半導体試料であるウェーハ８０上の照射領域一点あたりの測定時間に対応する。また、このラマンスペクトルの検出では、波長校正のためラマン散乱光と同時にもとのレーザ波長の光を検出している。高い分解能で検出するためには、分光器の中のミラーが更に分割されていることが望ましい。

なお、ＣＣＤ検出器１２０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測定される被測定半導体試料として、例えば図３に示す３種類の歪Ｓｉウェーハ等が適している。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。ウェーハは例えば直径２００ｍｍの大きさに形成される。

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２１０上に、傾斜組成ＳｉＧｅ層２２０を経て、緩和ＳｉＧｅ層２３０を形成し、更に最上層に歪Ｓｉ薄膜２４０を形成してなるものである。傾斜組成ＳｉＧｅ層２２０は、Ｇｅ濃度がＳｉ基板２１０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２１０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２３０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２２０と緩和ＳｉＧｅ層２３０を合わせた膜厚は２〜６μｍの範囲が通常使用されている。最上層の歪Ｓｉ薄膜２４０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程度が通常使用されている。歪Ｓｉ薄膜２４０の歪量とその分布は緩和ＳｉＧｅ層２３０のＧｅ濃度とその分布、さらに結晶欠陥などに影響される。

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２５０上に、埋込酸化膜層２６０を形成し、その上に緩和ＳｉＧｅ層２７０を形成し、さらに最上層に歪Ｓｉ薄膜２８０を形成した構造を持つ。埋込酸化膜層２６０の膜厚は例えば４０〜２００ｎｍ、緩和ＳｉＧｅ層２７０の膜厚は例えば２０〜１５０ｎｍ及び歪Ｓｉ薄膜２８０の膜厚は例えば１０〜２５ｎｍが通常使用される。歪Ｓｉ薄膜２８０の歪量とその分布は緩和ＳｉＧｅ層２７０のＧｅ濃度とその分布、結晶欠陥などに影響される。

図３（ｃ）に示す第３の歪Ｓｉウェーハは“ＳＳＯＩ”タイプと呼ばれ、Ｓｉ基板２９０上に、埋込酸化膜層３００を形成し、さらにその上層に歪Ｓｉ薄膜３１０を形成した構造を持つ。埋込酸化膜層３００の膜厚は、例えば４０〜２００ｎｍ、歪Ｓｉ薄膜３１０の膜厚は、例えば通常使用されている１０〜１００ｎｍである。

図４は、引っ張り歪及び圧縮歪とラマンスペクトルとの関係を示している。無歪の場合、ラマンスペクトルのピーク位置は波数５２０ｃｍ^−１付近に存在するが、ウェーハに引っ張り歪を付与するとピーク位置は、低波数側にシフトし、圧縮歪を付与すると高波数側にシフトする。

図５は、同じウェーハ８０に対して３６４ｎｍのＵＶ光で、１ｍＷのパワーの光を照射した場合と、１００ｍＷのパワーの光を照射した場合とで、ラマンスペクトルがどのように変化するかを示す図である。図示のように、照射パワーを増加させると、スペクトルのピーク位置は低波数側にシフトし、半値幅も広がることが分かる。本発明者等は、この照射パワーとラマンシフトとの関係を詳細に調査した。その結果、図６に示すように、照射パワーとラマンシフトとの関係は線形であることが分かった。この知見に基づき、本実施形態では、コンピュータ１００で、異なる複数の照射パワーのそれぞれについてラマンスペクトルのピーク位置を求め、求められた照射パワーとピーク位置との関係から線形補間により照射パワー無限小時のラマンスペクトルのピーク位置を求める。

図７は、コンピュータ１００及びこれと協働する半導体表面歪測定プログラムにより実行される測定処理を示すフローチャートである。まず、ＮＤフィルタ３０を１番目の状態に設定し（Ｓ１）、受光素子１４０から照射パワーをモニタしながらラマンスペクトルを入力する（Ｓ２）。ラマンスペクトルからピーク位置を計算する（Ｓ３）。以上の操作を、照射パワーを変えながらｎ回（ｎは２以上の整数）実行する（Ｓ４）。なお、測定精度向上のために同じ照射パワーでも複数回の測定を行うことが望ましい。また、測定場所も変えて複数回の測定を行うと、より測定精度が向上する。ｎ回の測定が終了したら、照射パワーとラマンスペクトルのピーク位置とから線形補間により照射パワー無限小時のラマンスペクトルのピーク位置を求め、このピーク位置から照射位置の歪量を算出する（Ｓ５）。そして、ステージ７０を移動して同様の測定を繰り返し、ウェーハ８０の所定領域の二次元歪分布を算出する（Ｓ６）。所定領域の測定が終了したら測定を終了する（Ｓ７）。

なお、各測定点において、ピーク位置は、最低２つの異なる照射パワーについて求めればよいが、測定精度をより高めるためには、更に多種類の照射パワーについてピーク位置を求めることが望ましい。

本実施形態によれば、照射パワーを変えてラマンスペクトルのピーク位置を測定することにより、ラマンシフト直線を推定し、照射パワー無限小時の歪量を直線補間によって算出するようにしているので、高精度な測定が可能であり、しかも使用する波長は１種類で良いので簡便に構成することができる。

しばしば、試料に対する検出深さを調整するためにＵＶ光と可視光の試料への透過率の違いを利用した歪の深さ分布が測定される。しかしながら、ＵＶ光と可視光では試料への照射熱の熱影響が異なるため得られた結果が正確なものとは限らない。本手法を用いれば、正確な歪の深さ分布を測定できる。

なお、測定光としてＤＵＶ、ＵＶ、可視光のうちＵＶを用いると、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。

本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、ラマン分光測定における信号強度に関して、共鳴効果と呼ばれる特異な現象が知られている。すなわち、波長３５０〜３７０ｎｍ、典型的には３６４ｎｍの励起光を用いることで、２４４ｎｍに比べて浸入長には大きな差がないにも拘わらず、良いＳ／Ｎ特性が得られていることが知られている。したがって、波長３６４ｎｍの光源を本発明に利用することで、ＵＶ光としての適度な浸入長と、共鳴効果による強い信号強度が同時に達成され、且つラマンスペクトルのピーク位置のシフトを補償することができる。これらの特徴を利用して、歪分布を得るために必要なマッピング測定のための機構、つまり可動式ステージや、自動焦点機構、歪分布を可視化する機構などを組み合わせることによって、非破壊で高い空間分解能を持つ歪分布のマッピング測定を短時間で行うことが可能となる。

また、例えば、高速で動作するガルバノミラーを用いた疑似線状光源を用いて、ＣＣＤ（図１の符号１２０）の画素の２次元マトリクス配置を利用することで、一度に位置情報とラマンスペクトル情報を取得するようにしても良い。この方法を用いると、１次元の歪分布を瞬時に取得することが可能となるうえ、ＣＣＤのピクセル間隔で決定される、例えば２００ｎｍといった高い空間分解能を達成することができる。
この技術と、ＵＶ光励起下でのＳｉにおける共鳴効果を利用することにより、弱励起下で複数のラマンスペクトルを検出でき、試料最表面の高速歪分布測定が可能となる。

この他、異なる２以上の波長、例えば５１５ｎｍの可視光と、３６４ｎｍの紫外光を同軸で被測定半導体試料に照射して、深さ方向分の測定を行うようにしても良い。その際にも、各波長の測定でラマンスペクトルのピーク位置のシフト量を補正して正確な深さ方向分の測定が可能になる。

本発明の一実施の形態に係るウェーハ歪測定装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示す分光器の構成例を示す図である。被測定半導体試料としての歪Ｓｉウェーハの例を示す断面図である。引っ張り歪及び圧縮歪とラマンスペクトルとの関係を示すグラフである。照射パワーとラマンスペクトルとの関係を示すグラフである。照射パワーとラマンシフトとの関係を示すグラフである。本実施形態におけるコンピュータの測定処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１０・・・レーザ装置、２０・・・ミラー、３０・・・ＮＤフィルタ、４０・・・バンドパスフィルタ、５０・・・ハーフミラー、６０・・・集光照射機構、7
０・・・可動ステージ、８０・・・ウェーハ、１００・・・コンピュータ、１１０・・・分光器、１２０・・・ＣＣＤ検出器、１３０・・・フィルタ、１４０・・・受光素子。

Claims

波長が異なる２以上の励起光を発する励起光光源と、
前記２以上の励起光を集光して被測定半導体試料上に同軸で照射する集光照射機構と、
前記励起光の前記被測定半導体試料上への照射パワーを調整する照射パワー調整手段と、
前記被測定半導体試料上に前記励起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ラマンスペクトルを測定する測定装置と、
前記照射パワー調整手段により調整された異なる複数の照射パワーのそれぞれについて前記測定されたラマンスペクトルのピーク位置を求め、求められた複数のピーク位置を線形補間して照射パワー無限小におけるラマンスペクトルのピーク位置を求め、この求められたピーク位置から前記被測定半導体試料の前記励起光の照射位置における歪量を算出し、前記励起光の波長毎に前記歪量を算出して歪量の深さ分布を算出する演算装置と
を備えたことを特徴とする半導体表面歪測定装置。
前記照射パワー調整手段は、透明度が異なる複数の半透明板の一つを選択的に光路上に配置することにより、前記励起光の透過量を調整するＮＤフィルタによって構成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体表面歪測定装置。
前記被測定半導体試料への照射パワーを検出する受光素子を有し、
前記演算装置は、前記受光素子からの出力信号に基づいて照射パワーをモニタすることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体表面歪測定装置。
前記励起光の少なくとも一つは、紫外光又は深紫外光であることを特徴とする請求項１記載の半導体表面歪測定装置。
前記励起光の少なくとも一つの波長は、３５０〜３７０ｎｍであることを特徴とする請求項４記載の半導体表面歪測定装置。
前記励起光を疑似線状光源に変換する手段を有し、
前記測定装置は、前記疑似線状光源の各位置のラマンスペクトル情報を含む２次元情報を検出する２次元マトリクス配置された複数の画素からなるＣＣＤを有する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体表面歪測定装置。
波長が異なる２以上の励起光をそれぞれ異なる複数の照射パワーで被測定半導体試料上に同軸で照射し、
これにより前記各照射パワーについて前記被測定半導体試料から発せられたラマン散乱光を受光してラマンスペクトルを測定し、
前記各照射パワーにおけるラマンスペクトルのピーク位置を求め、
求められた複数のピーク位置を線形補間して照射パワー無限小におけるラマンスペクトルのピーク位置を求め、
この求められた照射パワー無限小時におけるラマンスペクトルのピーク位置から前記被測定半導体試料の前記励起光の照射位置における歪量を算出し、
前記励起光の波長毎に前記歪量を算出して歪量の深さ分布を算出する
ことを特徴とする半導体表面歪測定方法。
波長が異なる２以上の励起光をそれぞれ異なる複数の照射パワーで被測定半導体試料上に同軸で照射し、これにより前記各照射パワーについて前記被測定半導体試料から発せられたラマン散乱光を受光してラマンスペクトルを測定して得られた測定値を入力するステップと、
前記各照射パワーについての測定値から前記各照射パワーにおけるラマンスペクトルのピーク位置を求めるステップと、
求められた複数のピーク位置を線形補間して照射パワー無限小におけるラマンスペクトルのピーク位置を求めるステップと、
この求められた照射パワー無限小時におけるラマンスペクトルのピーク位置から前記被測定半導体試料の前記励起光の照射位置における歪量を算出するステップと、
前記励起光の波長毎に前記歪量を算出して歪量の深さ分布を算出するステップと
をコンピュータに実行させるための半導体表面歪測定プログラム。