JP6044704B2 - 試料測定装置、試料測定方法、半導体装置の評価方法、およびコンピュータプログラム - Google Patents

Description

本発明は、電子線を用いた試料測定装置、試料測定方法、半導体装置の評価方法、および試料測定装置に試料測定を実行させるコンピュータプログラムに関する。

透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmitting Electron Microscope）や走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Scanning Transmission Electron Microscope）を用いた材料評価、デバイス評価では、透過方向の試料厚さの正確な測定が求められる。

たとえば、原子分解能観察では試料厚さによって構造像や原子強度が変化するため、観察結果とシミュレーション結果の厳密な比較のために厚さのパラメータが必要となる。ＳＴＥＭ観察でZ-contrastによる画像強度を用いて材料評価や結晶構造の定量的な評価を行なう場合は、厚さによる強度キャリブレーションを行う。結晶欠陥密度や試料内部の歪量の測定では、観察廃位や電線が照射している領域の体積を見積もるため、厚さの測定が必要となる。エネルギー分散分光法（ＥＤＳ：Energy Dispersive x-ray Spectroscopy）を用いて厳密な定量分析を行う際にも、試料厚さにより特性Ｘ強度を校正する。

従来は、電子エネルギー損失分光（ＥＥＬＳ：Electron Energy-Loss Spectroscopy）や収束電子線回折（ＣＢＥＤ：Convergent Beam Electron Diffraction）で、厚さの測定を行ってきた。

ＥＥＬＳ法は、入射電子が試料を構成する電子と相互作用する際に生じるエネルギー損失の量に応じて分光するものである。ＥＥＬＳ法は、絶対厚さの計算に経験的なパラメータを使用するため、測定誤差が生じる。また、１００ｎｍ以上の厚さ測定を行うことができない。ＥＥＬＳ検出器では、取り込み角度を変更するための結像レンズ条件の変更が煩わしく、装置自体が高価であるという問題もある。

ＣＢＥＤ法は、ナノメーターサイズに収束した電子線を試料に照射して回折強度を得るものである。ＣＢＥＤ法では、明瞭なＣＢＥＤパターンを観察するためには１００ｎｍ以上の試料厚さが必要であり、１００ｎｍ以下の厚さで正確な測定は困難である。また、電子線照射角度を低く（１０mrad以下）しなければならない。さらに、２波励起条件にするために試料を傾斜させるが、この場合に試料の厚さを測定したい方向から直接測定できないという問題がある。

ＥＥＬＳ法やＣＢＥＤ法の上記問題点に鑑みると、経験的パラメータに頼らず、レンズ条件や実験条件を変更せずに、ひとつの手法で試料の厚さを広い範囲で測定することのできる手法が望まれる。また、電子線照射角度を大きくできること（たとえば２０mrad以上）が望ましい。

ＣＢＥＤにより得られた画像のツェルニケ（Zernike）モーメントを求めることで、試料の歪および厚さを測定する方法が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１２−２１９６７号公報

単一の手法で、試料の厚さを広い範囲にわたって精度良く測定することのできる手法と構成、およびこれを利用した半導体装置の評価方法を提供することを課題とする。

発明の一つの態様では、試料測定装置は、
電子線を照射する照射源と、
前記電子線を測定領域に走査する走査系と、
シミュレーションにより求められた、異なる厚さの試料の電子線回折像の強度情報を格納するメモリと、
前記測定領域に試料を配置し、前記試料上に前記電子線を走査して、前記測定領域での透過電子線像の零次回折パターンの強度を取得する零次回折強度取得部と、
前記測定領域に試料のない状態で前記電子線を走査したときの前記電子線の基準強度を取得し、前記基準強度に対する前記零次回折パターンの強度の強度比を算出する強度比算出部と、
前記強度比を、前記シミュレーションにより得られた前記強度情報と比較して、前記測定対象の試料の厚さを決定する厚さ判定部と、
を備える。

単一の手法で試料の厚さを広い範囲にわたって精度良く測定することができる。

実施形態の試料測定の原理を説明するための図である。 実施形態の試料測定方法のフローチャートである。 試料なしで入射電子線の積分強度（Ｉ₀）を測定して得られるゼロディスクパターンの図である。 試料のゼロディスク領域からの零次回折像の取得を示す図である。 測定した強度比と、あらかじめ取得したシミュレーション像との比較を示す図である。 シミュレーションにより取得した多様な厚さのＳｒＴｉＯ3［００１］試料のＰＡ−ＣＢＥＤ像である。 シミュレーションにより取得した多様な厚さのＳｉ［００１］試料のＰＡ−ＣＢＥＤ像である。 実際に測定した多様な厚さのＳｒＴｉＯ3［００１］試料のＰＡ−ＣＢＥＤ像である。 実際に測定した多様な厚さのＳｉ［００１］試料のＰＡ−ＣＢＥＤ像である。 実測像とシミュレーション像との比較結果を示すグラフである。 実施形態で用いる試料測定装置の概略構成図である。 図１１の装置が行う測定フロー図である。 実施形態の試料測定方法を欠陥密度評価に適用する場合の図である。 実施形態の試料測定方法を歪評価に適応する場合の図である。 実施形態の方法による歪測定結果を示す図である。 ＣＢＥＤおよびＦＥＭ法による歪分布像を、ＳＴＥＭ法による歪分布像と対比した図である。 図１６の歪分布像の模式図である。

図１は、実施形態の試料測定の原理を説明する図である。実施形態では、試料がない状態で電子線走査により得られる透過電子線像（基準パターン）と、試料を配置して電子線を走査し基準パターンと同一の領域内で得られる透過回折パターンの比に基づいて、試料の厚さを決定する。

図１（ａ）は、試料がない状態で、所定領域に入射電子線ＥＢ_inを走査して得られる透過電子線の基準パターンを示す。試料がないので、入射電子線はそのまま真空部分を透過し、ディスク状の透過電子線像１１０として検出される。試料のない真空部分を透過した電子線により得られるパターンを、便宜上「ゼロディスクパターン」と称する。ゼロディスクパターン１１０は、入射電子線の総量、すなわち積分強度Ｉ₀を計測したものである。

ゼロディスクパターン１１０の全照射電子線強度Ｉ₀を、基準強度Ｉ₀として用いる。ゼロディスクと同じ領域内で測定対象の試料の電子線回折像の強度を測定し、基準強度Ｉ₀に対する比をとることによって、試料の厚さを求める。

図１（ｂ）は、試料１００の所定の領域に入射電子線ＥＢ_inを走査して得られる回折パターン１２０を示す。試料１００は、この例ではＳｒＴｉＯ3［００１］である。電子線は厚さｔを有する試料１００を透過し、試料１００中の原子で散乱され、干渉し合って回折パターン１２０を形成する。回折パターン１２０には、ゼロディスクパターン１１０に見られない特徴的な模様が現れる。

回折パターン１２０の取得方法は任意であるが、実施形態では、１０mradよりも高い電子線照射角度でも回折像を得ることのできるＰＡ−ＣＢＥＤ（Position Averaged Convergent Beam Electron Diffraction）法を用いる。ＰＡ−ＣＢＥＤは、ＳＴＥＭ観察モードで、測定したい部分に電子線を走査しながらＣＢＥＤ像を観察し、任意の範囲の平均的な原子配列の電子線回折像を取得する方法である。ＰＡ−ＣＢＥＤ法により得られる回折像を、適宜、「ＰＡ−ＣＢＥＤ像」と称する。

図１（ｂ）の状態では、電子線の散乱、干渉以外に多くの反射や吸収が励起され、図１（ａ）のゼロディスクに対応する領域（「ゼロディスク領域」と称する）１１５の外側に菊池線や非弾性散乱成分が広がっている。そこで、後述するように、ゼロディスク領域１１５以外の不要な成分を除去した後に、基準強度Ｉ₀に対する比を求める。ゼロディスク領域１１５以外の不要な成分を除去したＰＡ−ＣＢＥＤ像の強度を、「零次回折ディスク強度」あるいは「Ｉ_zero-disk」と称する。

基準強度Ｉ₀に対する零次回折ディスク強度（Ｉ_zero-disk）の比を、試料厚さに対応するパラメータとして求める。このパラメータを、あらかじめ試料の異なる厚さごとにシミュレーションで計算された強度Ｉ_calcと比較することで、測定した試料の厚さを決定する。また電子線回折により得られる画像が、厚さに応じて特徴的な模様を有することから、各厚さでシミュレーションにより得られる強度分布とのパターンマッチングを併用することで、より正確な厚さ決定を行う。

図２は、実施形態の試料測定方法のフローチャートである。まず、試料のない状態で、所定領域（ゼロディスク）の入射電子線の積分強度を測定して基準強度Ｉ₀を取得する（Ｓ１０１）。ここで得られるゼロディスクパターン１１０を図３に示す。この状態は、図１（ａ）に対応する。

次に、測定装置に試料を配置し、ゼロディスクに対応する領域のＰＡ−ＣＢＥＤ像の積分強度Ｉ_zero-diskを取得する（Ｓ１０３）。ＰＡ−ＣＢＥＤ像の積分強度Ｉ_zero-diskは、バックグラウンドノイズを除去してゼロディスク領域１１５のみから得られる零次回折ディスク強度である。ゼロディスク領域１１５での零次回折ディスク強度Ｉ_zero-diskの取得を図４に示す。

図４（ａ）で、試料上に電子線を走査して、ＰＡ−ＣＢＥＤ像１２０を検出する。この状態は、図１（ｂ）に対応する。ＰＡ−ＣＢＥＤ像１２０は、ゼロディスク領域１１５の外側に拡がる不要な成分を含んでいる。そこで、測定したＰＡ−ＣＢＥＤ像１２０の積分強度から、ゼロディスク領域１１５以外の領域の不要成分（菊池線、非弾性散乱成分などを含むバックグラウンドノイズ）を除去し、図４（ｂ）の零次回折ディスク１３０の強度Ｉ_zero-diskを抽出する。零次回折ディスク１３０の強度Ｉ_zero-diskの抽出方法としては、測定後に不要成分を除去する替わりに、ＰＡ−ＣＢＥＤ像取得の際に円形の絞りを挿入して、ゼロディスク領域以外の情報をカットする構成としてもよい。

次に、ゼロディスクパターン１１０の積分強度（基準強度）Ｉ₀に対する、試料の零次回折ディスク強度Ｉ_zero-diskの比（Ｉ_zero-disk／Ｉ₀）を求める（Ｓ１０５）。この比は、同一の領域で、ある厚さの試料が挿入されたことによる透過電子線強度の変化を表わす。

次に、Ｓ１０５で求めた比（Ｉ_zero-disk／Ｉ₀）を、あらかじめシミュレーションで得られた各厚さでの回折強度計算値Ｉ_calcと比較して、試料の厚さを決定する（Ｓ１０７）。シミュレーションによる回折強度計算値Ｉ_calcは、特定の結晶構造を有する試料の各厚さでの回折強度分布の計算値を、真空でのゼロディスク領域の強度分布の積算値で除算した値を示す。

実測により算出したＩ_zero-disk／Ｉ₀値を、シミュレーション像の回折強度計算値（Ｉ_calc）と比較することで、試料の厚さが特定される。シミュレーション値との比較の後に、回折パターンの模様を比較（パターンマッチング）して、さらに正確に試料厚さを決定してもよい。たとえば、Ｉ_zero-disk／Ｉ₀の値で５ｎｍの精度で厚さ測定を行い、さらに回折パターンの模様を、相関関数を用いて比較し、一致度の高いシミュレーションパターンに用いた厚さから数値を判定することにより、１ｎｍの精度で測定することが可能となる。

通常のＣＢＥＤ法では、ディスク内に現れるパターンをフィッティングすることにより厚さを測定するが、１００ｎｍ以下の厚さになるとパターン形状が不明瞭になるため、測定が困難になる。

他方、一般的なＥＥＬＳ法では、試料の厚さが１００ｎｍ以上になると、電子線の多重散乱の影響により、ゼロロス電子（エネルギー損失せずに試料を透過する電子）の強度が著しく減少し、膜厚測定の精度が低下する。

これに対し、実施形態の方法では、試料を透過した電子線回折像からゼロディスク領域以外の不要成分を除去して零次回折ディスク強度Ｉ_zero-diskを取得し、基準強度Ｉ₀に対する零次回折ディスク強度Ｉ_zero-diskの比をとっているので、試料厚さの大小にかかわらず、実測による厚さ方向の情報をパラメータ化することができる。

図６は、シミュレーションにより得られたＳｒＴｉＯ3［００１］試料の各厚さでのＰＡ−ＣＢＥＤ像、図７は、シミュレーションにより得られたＳｉ［１１１］試料の各厚さでのＰＡ−ＣＢＥＤ像である。試料の厚さに応じて、回折パターンの模様が変化することがわかる。

図８は、実測により得られたＳｒＴｉＯ3［００１］試料のＰＡ−ＣＢＥＤ像、図９は、実測により得られたＳｉ［１１１］試料のＰＡ−ＣＢＥＤ像である。いずれも、バックグラウンドノイズが除去された、ゼロディスク領域のみの零次回折像である。実測による場合も、シミュレーションと同様に、試料厚さの変化に応じて回折パターン内の模様が変化していることがわかる。

図８および図９で得られたＰＡ−ＣＢＥＤ（零次回折）像の強度分布を、ゼロディスクパターン（試料厚さｔ＝０）の基準強度Ｉ₀で除算することで、強度比が求まる。なお、シミュレーションと実測の双方で、加速電圧を２００ｋＶ、電子線収束半角度を２０mradとした。

図１０は、図６および図７のシミュレーション像と、図８および図９の実測像を比較した結果を示す。横軸は試料の厚さ（ｎｍ）、縦軸は基準パターン積分強度に対する試料の回折パターン積分強度の比（Ｉ_zero-disk／Ｉ₀）である。それぞれの試料厚さで実測した強度比が、シミュレーション結果と非常に良く一致していることがわかる。

実測で得られる強度比とシミュレーションによる強度比が高い一致性をもつことから、あらかじめシミュレーションで計算した試料厚さと強度比との関係を、検量線として用いることができる。

測定精度を上げるために、各厚さでの特徴的な模様を比較してもよい。強度比の比較では、厚さ測定の精度は±２．５ｎｍであるが、ＰＡ−ＣＢＥＤパターンの模様を比較することにより、±１ｎｍまで誤差を低減することができる。また、単一の手法で、ＥＥＬＳ法でカバーされる１００ｎｍ以下の領域と、ＣＢＥＤ法でカバーされる１００ｎｍ以上の領域の双方において、試料厚さを正確に求めることが可能になる。

図１１は、実施形態の試料測定装置１０の概略図である。試料測定装置１０は、電子顕微鏡４０と、情報処理装置２２を含む。

電子顕微鏡４０において、電子線照射源１１の電子銃から照射される電子線ＥＢは、２段以上の収束レンズ１２、１３と収束レンズ絞り１４によって収束される。収差補正装置１６、対物レンズ１７によって、収束電子線の極微小プローブが形成される。収差補正装置１６の使用は任意であり、用いなくてもよい。収束した微小プローブは、走査コイル１５により偏光され、試料１００上を移動する。電子線の収束半角度は１０mradより大きく３０mrad以下、好ましくは、２０mrad以上、３０mrad以下である。

投影レンズ１８は、試料１００を透過、散乱した電子線の取り込み角度を制御する。電子線は、一定の取り込み角でＳＴＥＭ（Scanning ）検出器１９に取り込まれ、ＳＴＥＭ像が得られる。電子線を走査しながらＳＴＥＭ検出されたＰＡ−ＣＢＥＤ像を観察することで、厚さ測定を行う任意の範囲を設定することができる。

ＳＴＥＭ検出された電子線の散乱角は、制限絞り２０によって制限される。電子線は、電子線回折像取得装置２１で受光され、回折像が取得される。電子線回折像取得時のカメラ長は、投影レンズ１８の励磁条件により決定される。実施形態では、電子線回折像の中心のセロディスク領域の画像を取得すればよいので、電子線回折像取得装置２１の受光部分にゼロディスクが入る条件に制限絞り２０が設定される。

電子線回折像取得装置２１で取得された画像は、情報処理装置２２に入力される。情報処理装置２２には、記憶装置２３と表示装置２４が接続されている。情報処理装置２２、記憶装置２３、および表示装置２４は一体に構成されていてもよい。表示装置２４に、強度比の比較結果や、ＰＡ−ＣＢＥＤパターンの模様の比較結果を表示してもよい。

情報処理装置２２は、メモリ３１、零次回折ディスク強度（Ｉ_zero-disk抽）取得部３３、強度比（Ｉ_zero-disk／Ｉ₀）算出部３４、厚さ判定部３５を有する。

試料１００がない状態で測定されたゼロディスクパターンの強度情報と、試料１００が挿入されて測定されたＰＡ−ＣＢＥＤ像の強度情報は、順次情報処理装置２２のメモリ３１に格納される。

零次回折ディスク強度取得部３３は、試料１００を透過した電子線回折像の強度情報からバックグラウンドノイズを除去して、ゼロディスク領域に対応する積分強度だけを抽出する。電子線回折像取得装置２１の直上に円形絞りを挿入してゼロディスク以外の情報を遮断する場合は、情報処理装置２２に入力される電子線回折像の強度情報の積分値が、そのままＩ_zero-diskとなる。

強度比算出部３４は、規準強度Ｉ₀に対する試料の零次回折ディスク強度Ｉ_zero-diskの比を計算する。

厚さ判定部３５は、強度比算出部３４で算出された強度比を、メモリ３１に格納されているシミュレーション画像の強度情報と比較して、試料の厚さを決定する。また、メモリ３１に格納されているシミュレーション画像の模様と、零次回折ディスクの模様を、パターン認識により比較して厚さを判断してもよい。

メモリ３１には、上記の処理を行なうプログラムを格納してもよい。プログラムは、情報処理装置２２に以下の動作を行わせる。すなわち、試料がない状態でのゼロディスク領域の基準強度Ｉ₀を取得させ、資料がある状態で同じゼロディスク領域内の零次回折ディスク強度Ｉ_zero-diskを取得させ、基準強度Ｉ_zero-diskに対する零次回折ディスク強度Ｉ_zero-diskの比（Ｉ_zero-disk／Ｉ₀）を算出させ、強度比をシミュレーションで得られた回折パターンの強度を比較させ、比較結果に基づいて試料の厚さを決定させる。

図１２は、図１１の試料測定装置１０で行われる動作のフローである。まず、試料測定装置１０に評価試料を挿入する（Ｓ２０１）。ＳＴＥＭ検出器１９での検出結果をモニタしながら、試料の傾斜を調整し（Ｓ２０２）、投影レンズ１８の励磁条件に応じたカメラ長を決定する（Ｓ２０３）。試料測定装置１０の電子顕微鏡４０の光軸を調整し（Ｓ２０５）、再度、試料傾斜を調整して電子線照射角を設定する（２０５）。

その後、試料を向いて（Ｓ２０６）、電子線走査範囲を設定し（Ｓ２０７）、真空部分（ゼロディスク領域）での電子線強度（基準強度）Ｉ₀を測定する（Ｓ２０８）。ステップＳ２０６〜Ｓ２０８が、図２のステップＳ１０１に対応する。

次に、試料測定装置１０に評価試料を挿入し（Ｓ２０９）、電子線回折像を撮影し（Ｓ２１０）、ゼロディスク領域に対応する領域の零次回折ディスク強度Ｉ_zero-diskを抽出する（Ｓ２１１）。ステップＳ２０９〜Ｓ２１１が、図２のステップＳ１０３に対応する。

次に、基準強度Ｉ₀に対する試料の零次回折ディスク強度Ｉ_zero-diskの比を求める（Ｓ２１２）。この工程は、図２のステップＳ１０５に対応する。

次に、強度比Ｉ_zero-disk／Ｉ₀を、あらかじめシミュレーションで計算した電子線回折像の強度Ｉ_calcと比較し（Ｓ２１３）、試料の厚さを判定して（Ｓ２１４）、処理を終了する。ステップＳ２１３〜Ｓ２１４は、図２のステップＳ１０７に対応する。

図１３は、上述した試料測定法を半導体装置の評価に適用する例を説明する図である。図１３では、半導体装置の欠陥評価のために試料の厚さを測定する。

結晶中に分布する転位や欠陥の量を表す方法として、転位密度ρがある。転移密度ρは体積１ｃｍ³中に存在する転位線の長さの総計で表わされる。転位密度ρの単位は、ｃｍ／ｃｍ³＝ｃｍ^-2であり、その値は結晶領域１ｃｍ²内を貫通する転位の個数を示す。

図１３の評価では、透過型電子顕微鏡を含む試料測定装置１０で、２次元的な転位および欠陥分布像を取得し、そこから転位線のトータルの長さを測定する。たとえば、図１３（ａ）に示すように、化合物半導体（たとえばＧａＮ）の試料４１を挿入し、所定面積（ａ×ｂ）内に電子線ＥＢを走査して、欠陥分布像を取得する。図１３の試料４１で紙面の縦方向に現れる黒線が転位線に相当する。

この例では、ａ＝2.25μｍ、ｂ＝3.4μｍであり、試料４１の観察範囲は、2.25 ?m×3.4 ?m= 7.56 ?m²である。電子顕微鏡像から測定した転位線のトータルの長さは、450 ?m=4.5×10^-2 cmとなった。

次に、電子顕微鏡で観察した範囲の体積を求める。図１３（ｂ）に示すように、試料４１のない状態でゼロディスクパターン１１０の基準強度Ｉ₀を測定する。試料４１を挿入して、ゼロディスク領域での零次回折ディスク１３０の強度Ｉ_zero-diskを測定する。強度比Ｉ_zero-disk／Ｉ₀を、同じ材料（ＧａＮ）、同じ照射面でのシミュレーション画像の強度Ｉ_calcと比較することで、試料４１の厚さを特定する。この例では、試料４１の厚さは２００ｎｍであった。

観察範囲の体積を計算すると、7.65×10^-8 cm²×200×10^-7 cm=1.53×10^-12 cm³となる。転位線のトータルの長さと観察範囲の体積から転位密度を計算すると、4.5×10^-2 / 1.53×10^-12 =2.94×10¹⁰ cm^-2となる。

このように、実施形態の方法で試料厚さを測定することで、局所的な転位密度を正確に測定することが可能になる。

図１４〜図１７は、実施形態の試料測定方法を半導体評価に適用する別の例を示す。この例では、半導体装置の歪評価を行なう。

材料やデバイスの物性、電気特性は、その材料やデバイス内部に生じる歪による応力に影響される。そのため、材料やデバイス内部の応力の正確な測定が求められる。たとえばＣＭＯＳトランジスタの性能を向上、あるいは制御するため、トランジスタのチャネル部分に圧縮応力もしくは引っ張り歪を誘起する構造が取られている。

図１４は、実施形態の試料測定方法の歪評価への適用を示す概略図である。トランジスタは有限の厚さによって歪量が変化するため、試料の厚さを正確に計測する必要がある。一般に、デバイス構造像はＳＴＥＭにより二次元的に観察することができる。歪分布を測定する場合はＨＡＢＦ（High Angle Bright Field）−ＳＴＥＭ法による観察を行って、定性的な歪分布を得る。ＨＡＢＦ−ＳＴＥＭ法で得られる厚さ２００ｎｍの試料の歪分布図と、その模式図を、図１６（ａ）と図１７（ａ）にそれぞれ示す。

ＨＡＢＦ−ＳＴＥＭ法により、濃度が薄くなる方向に歪量が減少する分布像を得ることができる。ＨＡＢＦ−ＳＴＥＭ場合、歪量は定性的に検出できるが、圧縮応力と引っ張り応力の識別ができない。また、また定量的な情報を得ることができない。そこで、ＣＢＥＤ法による歪測定を行う。

ＣＢＥＤ法では、図１４（ａ）に示すように、試料の厚さｔ方向に収束電子線ＥＢを照射して歪量を測定する。図１４（ｂ）の白矢印で示すように、たとえば、ゲート５２の直下から１５点測定し、応力源の実測値とする。ＣＢＥＤ法では、材料・デバイスの結晶構造の変化による歪量しか測定できない。

そこで、内部応力に変換するために、有限要素法（ＦＥＭ：Finite Element Method）による応力の計算を行う。ＦＥＭは試料の厚さをパラメータとして使用するため、実施形態による試料測定法を用いて、デバイス全体を含む試料の厚さ分布を計測する。

実施形態の方法により珪素工した試料の厚さ分布と、ＣＢＥＤ法による歪測定結果（結晶の湾曲量）とに基づいてＦＥＭ計算を行う。ＦＥＭ計算により得られた歪像とその模式図を、図１６（ｂ）および図１７（ｂ）にそれぞれ示す。

実施形態の方法で正確に測定された試料厚さに基づいてＦＥＭ計算すると、得られる応力分布像（図１６（ｂ）、図１７（ｂ））が、定性的なＨＡＢＦ−ＳＴＥＭ像（図１６（ａ）、図１７（ａ））とよく一致していることがわかる。双方の歪像で、デバイスのチャネル領域の歪量はゲート直下で大きく、ゲートから離れるに従って小さくなっている。

図１５は、ＣＢＥＤ法およびＦＥＭ計算によって得られた歪測定結果を示すグラフである。ＮＭＯＳとＰＭＯＳのそれぞれにおいて、歪評価が行なわれている。

チャネル領域の歪量の絶対値が、ゲート直下で最大であり、ゲート直下から離れるにしたがって小さくなっている。また、ＮＭＯＳとＰＭＯＳで湾曲方向が反対になっていることがわかる。これは、ＮＭＯＳにおいてはＮｉＳｉ（図１４（ｂ）参照）により発生した応力の影響によるもの、ＰＭＯＳではＳｉＧｅにより発生した応力の影響によるものであると考えられる。

このように、実施形態の試料測定方法を利用することで、半導体装置の歪評価を正確に行なうことができる。

以上述べたように、実施形態の試料測定方法によると、高価なＥＥＬＳスペクトロメータを用いなくても、厚さ測定が可能になる。試料がない状態で取得したゼロディスクパターンの強度を基準として測定するため、測定条件や装置に依存せず、電子線回折像取得装置１２と情報処理装置２２で試料の厚さを特定することができる。

また、近年ＳＴＥＭ観察の主流となっている収差補正ＳＴＥＭ観察では、電子線照射角度を広くとるため、試料厚さの測定ごとに照射角度を低く設定し、試料を傾斜する必要があった。これに対し、実施形態の試料測定装置１０および試料測定方法では、いったん傾斜角を設定すると厚さ測定ごとに試料傾斜を変更する必要がなく、晶体軸入射で厚さ測定ができる。

さらに、ＥＥＬＳ法とＣＢＥＤ法の双方の測定可能領域をカバーし、単一の手法で広い範囲にわたる厚さ測定を実施することができる。

１０ 試料測定装置
１１ 電子線照射源
２２ 情報処理装置
３１ メモリ
３３ 零次回折ディスク強度取得部
３４ 強度比算出部
３５ 厚さ判定部
４０ 電子顕微鏡

Claims (9)

1. 電子線を照射する照射源と、
   前記電子線を測定領域に走査する走査系と、
   シミュレーションにより求められた、異なる厚さの試料の電子線回折像の強度情報を格納するメモリと、
   前記測定領域に試料のない状態で前記電子線を走査したときに得られるゼロディスクパターンで前記電子線の基準強度を取得する基準強度取得部と、
   前記測定領域に試料を配置し、前記試料上に前記電子線を走査して、前記ゼロディスクパターンに対応する領域での透過電子線像の回折パターンの強度を取得する回折強度取得部と、
   前記基準強度に対する前記回折パターンの強度の強度比を算出する強度比算出部と、
   前記強度比を、前記シミュレーションにより得られた前記強度情報と比較し、かつ前記回折パターンの模様を前記シミュレーションで得られた強度分布と比較して、前記試料の厚さを決定する厚さ判定部と、
   を備えることを特徴とする試料測定装置。
2. 前記厚さ判定部は、膜厚が１０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲で、前記強度比を前記シミュレーションにより得られた前記強度情報と比較し、かつ前記回折パターンの模様を、前記シミュレーションで得られた前記強度情報の模様と比較して、前記試料の厚さを決定することを特徴とする請求項１に記載の試料測定装置。
3. 前記回折強度取得部は、前記試料の前記透過電子線像の積分強度から、前記ゼロディスクパターンに対応する領域以外に広がる散乱成分を除去して、前記回折パターンの強度を取得することを特徴とする請求項１または２に記載の試料測定装置。
4. 試料測定位置に試料を配置せずに電子線を走査して、前記電子線により形成されるゼロディスクパターンの透過電子線の基準強度を取得し、
   前記試料測定位置に試料を配置し、前記試料上に前記電子線を走査して、前記ゼロディスクパターンに対応する領域での透過電子線像の回折パターンの強度を取得し、
   前記基準強度に対する前記回折パターンの強度の強度比を算出し、
   前記強度比を、シミュレーションで得られた透過電子線回折像の強度情報と比較し、かつ前記回折パターンの模様を前記シミュレーションで得られた強度分布と比較して前記試料の厚さを決定する
   ことを特徴とする試料測定方法。
5. 膜厚が１０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲で前記試料の厚さを決定することを特徴とする請求項４に記載の試料測定方法。
6. 前記試料の前記透過電子線像の積分強度から、前記ゼロディスクパターンに対応する領域以外に広がる散乱成分を除去して、前記回折パターンの強度を取得することを特徴とする請求項４または５に記載の試料測定方法。
7. 半導体材料の試料の所定の領域内の転位分布像から、転位の総長さを算出し、
   請求項４〜６のいずれか１項に記載の試料測定方法により前記試料の厚さを測定し、
   前記所定の領域の面積、前記試料の厚さ、および前記転位の総長さから、転位密度を評価する
   ことを特徴とする半導体装置の評価方法。
8. 半導体デバイス構造を含む試料に電子線を走査して歪分布像を取得し、
   請求項４〜６のいずれか１項に記載の試料測定方法により前記試料の厚さを測定し、
   歪分布と、前記試料の厚さとに基づき応力計算を行い、
   前記応力計算に基づいて半導体デバイスの歪評価を行なう
   ことを特徴とする半導体装置の評価方法。
9. コンピュータに以下の処理を実行させるコンピュータプログラム：
   試料測定領域に試料を配置せずに電子線を走査したときに得られるゼロディスクパターンでの透過電子線の基準強度を取得させる処理；
   前記試料測定領域に試料を配置して前記試料上に電子線を走査したときの、前記ゼロディスクパターンに対応する領域での透過電子線像の回折パターンの強度を取得させる処理；
   前記基準強度に対する前記回折パターンの強度の強度比を算出させる処理；および
   前記強度比を、シミュレーションで得られた透過電子線回折像の強度情報と比較し、かつ前記回折パターンの模様を前記シミュレーションで得られた強度分布と比較して前記試料の厚さを決定させる処理。

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