JPH11190695A

JPH11190695A - 半導体応力測定用ラマン分光光度計

Info

Publication number: JPH11190695A
Application number: JP36091397A
Authority: JP
Inventors: Hirokatsu Yamaguchi; 裕功山口; Kinya Eguchi; 欣也江口; Masakazu Sakimoto; 正教崎元; 宗彦 ▲高▼島; Munehiko Takashima
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-12-26
Filing date: 1997-12-26
Publication date: 1999-07-13

Abstract

(57)【要約】【課題】顕微ラマン分光光度計において迅速に高感度に
応力測定を可能にする。【解決手段】低分散分光器１３では、焦点距離が６０
ｃｍ、エシェレット回折格子３０の刻線数が３６００本
／ｍｍで、１次回折光を用い、高分散分光器１４では、
凹面反射鏡の焦点距離が６０ｃｍ、エシェル回折格子３
５の刻線数が７５本／ｍｍで、４８次回折光を用い、例
えばアルゴンレーザ５１４．５ｎｍで励起されたシリコ
ンのラマンスペクトルを検出する場合は、５１５ｎｍか
ら５３５ｎｍの光が中間スリット３２上に分散するよう
にエシェレット回折格子３０を備えた低分散分光器１３
を調整し、中間スリット３２の幅をこの波長幅に対応す
るように調整して測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体回路基板上に
生じた応力を測定することを可能とする高い波数分解能
の顕微ラマン分光光度計に関する。

【０００２】

【０００３】

【従来の技術】顕微ラマン分光光度計は、レーザ光を顕
微鏡でサブミクロンの微小径に絞り、これを半導体試料
表面に照射し、該レーザ光により励起された例えばシリ
コン等のラマン散乱スペクトルを測定し、そのピーク波
数のシフト量変化から試料の応力を求める事を可能とす
る。このような顕微ラマン分光光度計によれば、半導体
回路製造工程での製膜時に生じた応力測定を可能とし、
これらの工程管理や品質評価手段に適用することができ
る。

【０００４】従来の顕微ラマン分光光度計の例として
は、実開昭５８−１１５１号公報に記載の装置がある。
この従来技術の装置では、図１０に示すように、レーザ
光源６から発生した入射レーザビームが、顕微鏡対物レ
ンズ３下に置いた試料１に照射され、該試料表面におい
てラマン散乱光、蛍光などの発光現象を誘起する。これ
らの誘起光は当該分光光度計の回折格子３０ａ、３０ｂ
で分光された後、検出器１２４によりラマン散乱光が検
出される構成を備えている。

【０００５】また、河東田隆著「レーザラマン分光法に
よる半導体の評価」（東京大学出版会）に述べられてい
るように、ラマン光の波数の変化量と試料の応力とはほ
ぼ比例することが知られている。半導体などでは、薄膜
における５Ｍｐａ程度の応微小な力変化が、その特性に
大きな影響をあたえる。この応力を測定するにはシリコ
ン（Ｓｉ）のラマンスペクトルの波数５２０．０ｃｍ^-1
からのシフト量を０．０１ｃｍ^-1程度の精度で測る必要
がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来技
術のようなエシェレット回折格子を用いた分光器で０．
０１ｃｍ^-1の分解能を得るには、刻線数密度３６００本
以上の回折格子を用いるか、焦点距離が３ｍ以上の著し
く長い分光器を用いる必要がある。

【０００７】エシェレット回折格子を用いた分光器で
は、適当なブレーズ波長（回折光で分光された光のなか
で、強度が強い波長）選んで分光するが、回折格子が３
６００本以上の刻線数密度が高いものでは、適当なブレ
ーズ波長がなく高い感度で測定できない。その結果、長
い焦点距離の分光光度計を用いることになるが、温度変
化による分光器の伸び縮みが分解能に影響するため、所
望の分解能を得るためには、設置場所の温度管理を厳し
く行う必要があった。

【０００８】また、半導体のプロセス管理にラマン分光
光度計を用いるには測定に迅速性が要求される。このた
め、レーザの照射時間を短くして測定する必要がある
が、そのためには従来の分光器より、検出感度を高感度
にする必要があった。

【０００９】また、半導体回路素子の電気特性から半導
体の品質または製膜の品質を検査または評価する際に、
導体集積回路素子製造工程でシリコンウエーハ上に生成
した各種薄膜の製膜時の応力測定は、必須の要因となっ
ている。

【００１０】本発明の目的は、半導体基板上の微小部分
の応力を測定することが可能であるように、ラマンスペ
クトルのピーク波数を高分解能で測定するラマン分光光
度計を提供することにある。

【００１１】また、本発明の他の目的は、半導体集積回
路素子製造工程でシリコンウエーハ上に生成した各種薄
膜の製膜時の応力を測定評価することを可能とする、上
記本発明によるラマン分光光度計を備える半導体検査装
置および半導体製造装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、レーザ光を発生するレーザ光源と、該発
生したレーザ光を試料に照射する光学系と、該試料で発
生したラマン光を分光する分光器と、該分光されたラマ
ンスペクトルを検出する検出器とを備えるラマン分光光
度計において、前記分光器は、前記ラマン光を分光する
ための、エシェレット回折格子を用いた第１の分光器
と、前記第１の分光器で分光されたラマン光を通過させ
る中間スリットと、前記中間スリットを通過してきたラ
マン光をさらに分光するための、エシェル回折格子を用
いた第２の分光器とを備える。

【００１３】また、上記本発明によるラマン分光光度計
において、前記中間スリットが、前記第１の分光器のエ
シェレット回折格子からのラマン光のうち、予め定めた
次数以外の次数の光が、前記第２の分光器のエシェル回
折格子に入射されないように構成してもよい。また、前
記中間スリットのスリット幅を、前記エシェル回折格子
の測定に用いる回折光のｍ−１及びｍ＋１次数に相当す
る２つの光の波長間の波長範囲よりも狭く設定してもよ
い。より具体的には、ｍ−１及びｍ＋１次数に相当する
２つの光の波長は、θを入射光を回折格子と直交する面
となす角度、ｉを入射光の回折格子と直交する面上の投
影線と入射点における面法線とのなす角(光の入射角
度)、βｍ−１、βｍ＋１をｍ＋１次数及びｍ−１次数
の回折光の回折格子と直交する面上の投影線と入射点に
おける面法線とのなす角とした場合、ｄcosθ(sinｉ+si
nβｍ＋１)／ｍ及びｄcosθ(sinｉ+sinβｍ−１)／ｍで
それぞれ求められる。さらに、上記本発明によるラマン
分光光度計において、前記エシェレット回折格子の刻線
数密度が１２００本／ｍｍ以上としてもよい。

【００１４】また、上記目的を達成するために本発明で
は、半導体試料表面における検査領域で発生したラマン
光からラマンスペクトルを検出するラマン分光光度計
と、該ラマンスペクトルから該検査領域における応力を
求める応力算出部とを備える半導体検査装置において、
上述した本発明によるラマン分光光度計を用いる。さら
に、前記ラマン光のストークス成分およびアンチストー
クス成分を測定する手段と、該測定結果から前記検査領
域での温度変化を求める手段とを備える、温度変化測定
部を備える構成としてもよい。

【００１５】また、上記目的を達成するために本発明
は、半導体素子の製造工程で基板上に薄膜を形成する半
導体製造装置において、前記基板上に薄膜を形成する薄
膜形成部と、前記形成された薄膜表面の検査すべき領域
について、少なくとも応力を求める検査部と、前記薄膜
形成部と前記検査部との間で、前記基板を移動させるた
めの移動機構とを備え、前記検査部として、上記した本
発明による半導体検査装置を用いる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。

【００１７】本発明は、レーザ光により試料表面で励起
された、該レーザ光に比べて１／１０００００程度の微
弱なラマン散乱光を、高感度でかつ応力測定に必要な分
解能で測定できる分光器を提供するものである。

【００１８】光検出器としては、イメージインテンシフ
ァイヤ付きのＣＣＤや、低温度冷却タイプの高い感度の
検出器が開発されている。本発明は、このような高感度
の光検出器と組み合わせて用いるもので、応力測定に必
要な０．０１ｃｍ^-1分解能を備えた、回折格子により光
を分散するタイプの分光器に適用するものである。

【００１９】回折格子は、J. Frunhoferが１８２１年に
針金格子で実現してから分光器に使用されはじめた。１
８８２年には、H. A. Rowlanndが回折格子製作用のルー
リングエンジン（刻線機）を開発して凹面格子を作り、
これを用いて、収差の少ない分光器を作った。１９１０
年には、R. W. WoodとH. D. Babcockらが溝の形状につ
いて研究を行い、エシェレット回折格子の開発に成功し
た。

【００２０】平面格子に平行光束を投射すると、光の入
射回折の様子は平面回折格子の面上のいたるところで透
過である。この時の回折光が互いに強め合う条件式は、
以下の数１のようになる。

【００２１】ｍλ＝ｄcosθ（sinｉ＋cosβｍ）・・・・・・・・（数１）ここで、図１に示すように、θは入射光がＸーＹ面とな
す角、ｉは入射光がＸ−Ｙ面上への投影線と入射点にお
ける面法線Ｎとのなす角、βｍはｍ次の回折光がＸーＹ
面上への投影線と入射点における面放線Ｎとのなす角で
ある。なお、ｍは次数と呼ばれ、主断面内での入射光に
対してはθ=0である。

【００２２】凹面回折格子の場合にも、光源から結像点
まで光路長を求めると、凹面格子の全ての溝に対して上
記数１は成立する。

【００２３】ところで、エシェレット型回折格子は、１
ｍｍ当たり数百本から数千本の溝が刻まれている。入射
光の波長が５１０ｎｍ、刻線数密度が６００本／ｍｍ、
１２００本／ｍｍ、１８００本／ｍｍの場合に付いて、
上記数１のθを計算すると次のようになる。

【００２４】

【表１】

【００２５】以上のように各刻線数密度の小さいものは
他の次数の重なりを考慮する必要が有る。実際は入射光
の角度を調整するとか、バンドパスフィルタを入れる
などの様々な工夫がなされている。

【００２６】ところで、分光器の分解能は以下の数２に
より表すことができる。

【００２７】 λ／Δλ＝Ｎｄcosβｍ（ｍ／dcosβｍ）＝Ｎｍ＝Ｎｄ(sinｉ＋sinβｍ）／λ ・・・・・・・・・（数２）ここで、Ｎは刻線数密度である。

【００２８】上記数２から、刻線数密度Ｎを大きくする
事によって分光器の分解能を大きくすることができる
が、また、大きな回折次数ｍを使っても、高分解能の分
光器を製作することができる。

【００２９】さらに、大きな次数の回折光を得るために
は、溝間隔ｄを大きくする事により可能な事が上記計算
結果から推測できる。このような考え方で生まれたの
が、本願発明で採用したエシェル格子を使った分光器で
ある。エシェル型回折格子の回折光の分散の様子を図２
に示す。

【００３０】例えば、この分光器において、入射角ｉが
１５度、３０度、６０度のそれぞれ場合に付いて、刻線
密度が７５本（ｄ＝１３３３３３ｎｍ）、入射光の波長
５１０ｎｍでの上記数１のθの値を計算した結果を次に
示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】以上のように、エシェル回折格子を使った
分光器では、高い次数の回折格子を利用できるが、上記
表２に示したように、次数間の分散角度が０．２２度／
次数と小さく、各次数の光の方向が近接しているので、
次数分離が問題となる。

【００３３】この為、従来技術では、図３に示したよう
に、凹面回折格子３０とエシェル格子３５とを互いに溝
が直交するように組み合わせ、スリット２７を通過して
きた入射光をエシェル格子３５で分散し、その結果得ら
れたスペクトルを、エシェレット回折格子３０により縦
方向にさらに分散することで、高分解能のスペクトルを
得ていた。なお、図中２９、３８はそれぞれ、凹面鏡、
光検出器を指す。

【００３４】この従来技術による方法では、エシェレッ
ト分光器は次数分離にだけ使われ、本発明の目的である
高分解能を得るためには更に改善する必要があった。そ
こで本願発明者は、以下のような条件を満足するように
エシェル分光器の前にエシェレット分光器を配置するこ
とで、上記本願発明の目的を達成した。

【００３５】本発明では、高分解能でラマンスペクトラ
ムを測定することが目的であるので、エシェル分光器で
問題となる次数の重なりを防ぐため、必要とする次数以
外の次数の光がエシェル分光器に入射しないように構成
した。

【００３６】すなわち、後述する本願発明による装置の
中間スリット（図４の３２）のスリット幅を、エシェル
分光器の測定に用いる回折光の次数ｍのｍ−１及びｍ＋
１次数に相当する波長幅である、ｄcosθ(sinｉ+sinβ
ｍ＋１)／ｍ及びｄcosθ(sinｉ+sinβｍ−１)／ｍで計
算される２つの波長間の幅よりも狭い波長幅にして測定
している。ここで、θは入射光が回折格子と直交する面
となす角度、ｉは入射光の回折格子と直交する面上の投
影線と入射点における面法線とのなす角(光の入射角
度)、βｍ−１、βｍ＋１はｍ＋１次数及びｍ−１次数
の回折光の回折格子と直交する面上の投影線と入射点に
おける面法線とのなす角である。

【００３７】さらに、本発明では、図４に示すように、
エシェル分光器１４の前に、エシェレット回折格子３０
を用いた分光器１３を配置し、これら２つの分光器の間
に配置された中間スリット３２を、上述した２つの波長
間の光だけが通過できるように、エシェレット分光器１
３で分散しておくように構成した。

【００３８】このような構成によれば、エシェレット分
光器とエシェル分光器の両方で分散する事になり、従来
に比べて光路長が約１／２以下の分光器が製作出来るよ
うになる。

【００３９】次に、本発明による分光器の分解能を向上
させる手段についてのべる。

【００４０】一般的に分解能は次のように定義される。
ラマン分光のように発光スペクトルを測定する方法で
は、ある一定のスリット幅で無限に鋭いスペクトルを持
つ入射光を検出器上で測定した時に得られるであろうス
ペクトル形状の半値幅で定義される。このスペクトル形
状はスリット函数と呼ばれ、そのスリット幅の表現方法
として、機械的スリット幅Ｓｍと光学的スリット幅Ｓｐ
の２通りがあり、両者の関係は以下の数３により表され
る。

【００４１】Ｓｐ＝ｄν・Ｓｍ・・・・・・・・（数３）ここで、ｄνは検出器上で１ｍｍの距離だけ分散される
スペクトル線の波数差をｃｍ^-1で表したもので、分光器
の線分散と呼ばれる。これにより分解能が定義される。

【００４２】また、波長を単位ｄλとして表すと、ｄν
とｄλとの間には、数４に示すような関係がある。

【００４３】ｄλ＝（ｄν／ν²）１０⁷ ・・・・（数４）ここで、νはスペクトル線の中心の波数でｄλの単位は
ｎｍ／ｍｍである。

【００４４】ラマン分光において従来用いられているエ
シェレット型の回折格子分光器では、波長線分散ｄλは
これに用いる凹面鏡の焦点距離ｆ、回折格子の刻線数Ｎ
及び使用する回折次数ｍにより近似的に次のようにあた
えられる。

【００４５】ｄλ〜１０⁶／（ｆ・Ｎ・ｍ）・・・（数５）従来の高分解能の分光器ではｍ＝１（１次）が用いら
れ、Ｎは３６００本／ｍｍ、ｆは１ｍのものが２段で用
いられている。これにより分解能が０．３ｃｍ^-1程度が
得られている。

【００４６】これに対して本発明では、３０次から１０
０次の大きい回折次数を用いて測定している。この構成
によれば、従来技術の装置に比べ、１桁以上分解能が改
善され、短い焦点距離の分光器で、高分解能の分光器が
得られる事になる。現在この目的にあう回折格子はエシ
ェル型とよばれており、実用的な回折格子の刻線数は７
５本程度である。次数ｍを大きくすることにより、焦点
距離ｆを小さくすることが可能であるため、刻線数の目
減りによる分解能の低下分を考慮しても従来型に比べ著
しくコンパクトな分光器が得られ、室内など周囲温度の
影響が少ない分光器が得られる。

【００４７】半導体回路素子製造プロセスにおいて、製
膜後のシリコンウエーハのＳｉのラマンスペクトルから
応力の微小な変化を測定するには、高い分解能と高感度
測定が要求される。このため、本発明のように、分光器
の分解能の向上、検出感度の向上、迷光の除去などが改
善されて初めて、上記応力の測定が実現できる。

【００４８】また、半導体回路素子製造プロセスの製膜
の応力は、温度との関連から評価する事が重要である。
このため、応力測定においては、温度も同時に合わせて
測定する必要がある。本発明では、高感度の分光器の前
に配置された分光器を使用して、ラマン散乱光のストー
クス光の外にアンチストークス光を測定し、その両者比
から温度を検出することにより、温度と応力、電気特性
などを把握し、半導体回路素子の製造プロセス評価や半
導体回路製品の品質評価を的確に行えるようにしてい
る。

【００４９】次に、本発明を適用したラマン分光光度計
を備える半導体検査装置の一実施形態を図４、図５を参
照して説明する。

【００５０】本実施形態による半導体検査装置は、図５
に示すように、半導体ウエハ等の試料１を保持するＸＹ
Ｚステージ２、顕微鏡対物レンズ３、ＸＹＺステージコ
ントローラ４、照明用可視光光源５、レーザ光源６、光
変調器７、バンドパスフィルタ８、シャッタ９、可視光
とレーザ光を切り替えるための光路変換ミラー１０、低
分散分光器１３’への切り替えるための光路変換ミラー
１１ａ、像観察用ＣＣＤと低分散分光器１３および高分
散分光器１４とを切り替えるための光路変換ミラー１１
ｂ、および、ノッチフィルタ１２を備えている。

【００５１】さらに、本実施形態による装置は、低分散
分光器１３、１３’、高分散分光器１４、冷却型の高感
度ＣＣＤやフォトンカウンター等で構成される検出器１
５’、１５、１６、信号処理器１８、１８’、分光器ス
リット像観察用のＣＣＤカメラ１９、ＣＣＤカメラ２
０、テレビモニタ２１、装置の制御器２２、半導体の電
気特性検出プローブ２３、電気特性検出器２４、およ
び、データ処理装置２５を備えている。

【００５２】信号処理器１８、１８’およびデータ処理
装置２５はコンピュータなどの情報処理装置により実現
されるものである。信号処理器１８は検出されたラマン
スペクトルから応力を求めるソフト及びハードウエアを
備え、信号処理器１８’は検出されたラマンスペクトル
から温度を求めるソフト及びハードウエアを備えるもの
とする。データ処理装置２５は、各信号処理器１８、１
８’からの応力および温度の検出結果とＸＹＺステージ
コントローラからの出力とから、試料１上の検査領域に
おける応力分布および温度分布を得る。ＣＣＤカメラ１
９、２０は、試料１の外観観察用のカメラである。

【００５３】低分散分光器１３および高分散分光器１４
は、本発明を適用したもので、例えば図４に示すような
詳細構成を備えている。

【００５４】低分散分光器１３は低次の回折光を得るた
めのエシェレット回折格子３０を備え、高分散分光器１
４は高次の回折光を得るためのエシェル回折格子３５を
備え、これら２つの分光器の間に配置されるスリット３
２の幅は上述した本発明による条件を満足するように設
定されている。

【００５５】低分散分光器１３は、上記エシェレット回
折格子３０に加えて、顕微鏡レンズ３からのラマン光Ｒ
を受け入れる入射スリット２７、鏡２８、および、凹面
鏡２９、３１を備えている。また、高分散分光器１４
は、上記エシェル回折格子３５に加えて、中間スリット
３２を通過した回折光を反射する鏡３３、凹面鏡３４、
３６、および、出射スリット３７を備えている。

【００５６】なお、検出器１６は、エシェレット分光器
１３の出射側に取り付けられており、鏡２８を移動させ
ることにより、光路をエシェル分光器１４の側から検出
器１６の側に切り替えできる構成となっている。また、
ＣＣＤカメラ１９は、エシェレット分光器１３に取り付
けられており、スライド機構により鏡２８と鏡２９との
間の光路に出し入れ可能な構成となっている。

【００５７】低分散分光器１３’の構成は、エシェレッ
ト回折格子または同等の分光素子を用いる点で低分散分
光器１３と同じであるが、必ずしも同一の構成である必
要はない。本実施形態では、以下に説明するように、ラ
マン散乱光から温度の測定を可能とするものであれば、
その具体的構成は特に限定されるものではない。

【００５８】本実施形態における半導体検査装置の動作
について説明する。レーザ光源６から出たレーザ光は、
光変調器７または高速のシャッタ９によりある一定の周
波数で高速に変調する光に変換される。また、レーザ光
に含まれるプラズマラインと呼ばれるレーザとともに発
光する光を、高精度のバンドパスフイルタ８で取り除
く。その後、レーザ光は顕微鏡対物レンズ３により絞ら
れて、試料１表面上の検査の対象となる領域に照射され
る。

【００５９】このレーザ光照射により試料１からはラマ
ン散乱光Ｒが放出される。ラマン散乱光Ｒは高速に変調
されたプラズマライン光を含まない光となる。ラマン散
乱光Ｒに含まれるレーリ光をノッチフイルタ１２で除去
した後、低分散分光器１３単独、または、エシェレット
分光器１３にエシェル回折格子内蔵の高分散分光器１４
を組み合わせて分光し、検出器でその強度を測定する。
エシェレット分光器１３単独の場合は検出器１６を使用
し、エシェレット分光器１３にエシェル分光器１４を組
み合わせた場合は検出器１５を使用する。

【００６０】検出器１５あるいは１６で得られた信号
は、デジタルロックインアンプ１７、信号処理器１８に
より、上記レーザ光の変調周波数と同じ周波数成分のみ
の信号が取り出されて増幅される等して、検出されたラ
マン光のスペクトルから該ラマン光が発生した試料１上
の検査領域での応力が算出される。

【００６１】ラマン光の波数をν、応力をＳとすると、
応力の変化量ΔＳは以下の数６で表される。

【００６２】ΔＳ＝ｋΔν ・・・・・・（数６）ここで、Δνは応力を加えた時の波数の変化量、ｋは物
質によって決まる定数である。

【００６３】また、上記のラマン分光に加えて本実施形
態の半導体検査装置では、半導体の電気特性検出器プロ
ーブ２３、電気特性検出器２４により、試料１としての
半導体回路素子や半導体プロセスにおける薄膜などの特
性を検出し、ラマン散乱光から得られた応力の変化量と
これらの特性とを合わせて評価する。

【００６４】これらの特性の評価には温度が重要な基準
となる。このため、本実施形態の半導体検査装置では、
低分散分光器１３’により、ラマン散乱光のアンチスト
ークス光とストークス光とを測定し、その両者比から信
号処理器１８’により温度を検出する。

【００６５】さらに、光路変換ミラー１１ｂにより、ラ
マン散乱光Ｒを低分散分光器１３および高分散分光器１
４の側と低分散分光器１３’の側とに交互に切り替える
ことにより、試料１のある特定の測定対象個所における
応力と温度を交互に測定することにより、応力測定時の
レーザ光照射による温度上昇を検出し、温度が及ぼす応
力への影響を低減することができる。

【００６６】すなわち、試料１に励起レーザ光を照射す
ると、該レーザ光を試料１が吸収して温度上昇が起こ
り、該温度上昇に起因する応力が、試料１本来の応力に
加わる。ラマン法では、これら両者の応力を合わせて測
定しているため、試料本来の応力を求めるには温度上昇
の寄与分を除去しなければならない。温度上昇をΔＴ、
この温度上昇による応力の変化をΔＳ’とすると、両者
は以下の数７に示される関係にある。

【００６７】ΔＳ’＝σ・α・ΔＴ・・・（数７）ここで、σは弾性定数、αは熱膨張率である。このΔＴ
をラマン光のストークス成分とアンチストークス成分と
から求め、ΔＳ’を求めることで、温度上昇の寄与分を
除去し、本来の応力変化を得ることができる。

【００６８】次に、図４および図５に示すに半導体検査
装置の構成および動作の具体例を説明する。

【００６９】本例において、低分散分光器１３は、焦点
距離が６０ｃｍ、エシェレット回折格子３０の刻線数が
３６００本／ｍｍのもので、１次回折光を用いる。ま
た、高分散分光器１４は、凹面反射鏡の焦点距離が６０
ｃｍ、エシェル回折格子３５の刻線数が７５本／ｍｍの
もので、４８次回折光を用いる。

【００７０】さらに、本例では、上述した本発明による
条件を満足させるために、低分散（エシェレット型）分
光器１３と高分散（エシェル型）分光器１４との中間に
配置されるスリット３２の幅を次のように設定してい
る。

【００７１】例えば、アルゴンレーザ５１４．５ｎｍで
励起されたシリコンのラマンスペクトルは５１５ｎｍか
ら５３５ｎｍの間に生じる。即ちレーザ励起光から５１
０ｃｍ^-1ずれたところに生じる。従って、この波長のエ
シェル回折格子３５のブレーズ次数である４８次を用い
て測定した。

【００７２】上記表２から、入射角３０度で５１０ｎｍ
の光を入射させた場合、４８次回折光およびその前後の
回折光の出射角度β₄₇、β₄₈、β₄₉は以下のようにな
る。

【００７３】

【表３】

【００７４】本例では、上記表３に示した５１５ｎｍか
ら５３５ｎｍの波長範囲の光が中間スリット３２上に分
散するようにエシェレット回折格子３０を備えた低分散
分光器１３を調整し、中間スリット３２のスリット幅を
上記波長範囲内の光だけが通過するように調整して、測
定した。

【００７５】本例の装置を用いて測定を行ったところ、
図６に示したように、高い分解能のスペクトルが得られ
た。図６は本例の装置で測定したシリコンのラマンスペ
クトル、すなわち、ラマン光の励起光に対する相対波数
Δνを示したものである。ここで、ラマン光および励起
光の絶対波数をそれぞれν_R（＝１０⁷／λ_R）、ν_L（＝
１０⁷／λ_L）とおくと、図６の相対波数Δνは、以下の
数８で表される。

【００７６】Δν＝ν_R−ν_L ・・・（数８）本例の装置による応力の測定結果の一例を図７、図８を
参照して説明する。

【００７７】図７（ａ）、（ｂ）は、試料１となるＤＲ
ＡＭのＬＯＣＯＳの表面、断面をそれぞれ示している。
本図において、ＳはＳｉウエハ、ＬはＳｉＯ₂膜、Ｎは
ＳｉＮｘ膜を指している。

【００７８】図８は、試料１をｘ−ｘ’方向に沿って測
定した場合に得られた応力分布を示すグラフである。図
中ＳｉＯ₂およびＳｉＮｘは、図７のＳｉＯ₂膜のある個
所および該膜がない個所にそれぞれ対応する。図８に示
すように、本例によれば、半導体試料について、５Ｍｐ
ａの精度で応力を測定することができる。

【００７９】なお、本例においては、刻線数密度が３６
００本／ｍｍのエシェレット回折格子３０を用いたが、
本発明において利用できる刻線数密度はこれに限定され
るものではない。例えば、シリコンウエーハ等の半導体
試料の応力測定用途であれば、エシェレット回折格子３
０の刻線数が１２００本／ｍｍ以上であれば良い。

【００８０】次に、本発明を適用した成膜装置の一実施
形態を図９を参照して説明する。

【００８１】本実施形態による装置は、図９に示すよう
に、例えばターゲット５１およびマグネット５２を備え
る従来の成膜装置５０と、上述したような本発明を適用
したラマン分光光度計５３とを組み合わせたものであ
る。ここで、１は試料（成膜基板）、２はＸＹＺステー
ジ、３はラマン分光光度計５３の対物レンズ、Ｒはラマ
ン光である。

【００８２】本実施形態の装置においては、試料１はＸ
ＹＺステージ２の移動により、成膜処理が実施されるタ
ーゲット５１の下方領域と、ラマン分光により応力測定
が実施される対物レンズ３の下方領域との間で移動可能
な構成を備え、成膜時には試料１をターゲット５１の下
方領域に移動し、応力測定時には試料１を対物レンズ３
の下方領域に移動させる。

【００８３】以上の構成によれば、成膜を一定時間行う
ごとにラマンスペクトルを測定し、応力をモニタするこ
とができる。また、成膜を終了時に応力を検出し、その
検出結果を磁界の成膜処理に反映させる構成としてもよ
い。

【００８４】

【発明の効果】本発明によれば、半導体回路基板上に生
じた応力または温度の分布を高い空間分解能で測定でき
る顕微ラマン分光光度計と、それを備える半導体検査装
置および成膜装置が提供される。

【００８５】本発明によれば、半導体回路素子のシリコ
ン基板のＳｉのラマンスペクトルのピーク波数の変化を
測定する事ができ、そのピークのシフト量から応力変化
が求める事ができる。このため、半導体回路素子製造工
程の薄膜製造プロセスの工程管理や評価が可能となる。
また同時に温度も測定合わせて測定できるので、これら
の評価をより的確に行うこともでき、半導体製品の歩留
まりの向上や、品質向上に貢献できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】エシェレット回折格子の回折光の分散の様子を
示した説明図。

【図２】エシェル回折格子の回折光の回折の様子を示し
た説明図。

【図３】従来技術の概要を示す説明図。

【図４】図５の実施形態における低分散分光器および高
分散分光器の構成を示す説明図。

【図５】本発明を適用したラマン分光光度計を備える半
導体検査装置の構成例を示す説明図。

【図６】図５の実施形態によって得られたシリコンのラ
マンスペクトルの一例を示すグラフ。

【図７】図７（ａ）：試料として用いたＤＲＡＭのＬＯ
ＣＯＳ表面構造を示す説明図。図７（ｂ）：図７（ａ）のＸ―Ｘ’断面構成を示す説明
図。

【図８】図７に示す試料のＸ―Ｘ'領域について、本発
明を適用した装置による応力の検出結果を示すグラフ。

【図９】本発明を適用したラマン分光光度計を備える成
膜装置の構成例を示す説明図。

【図１０】従来のラマン分光光度計の概略構成例を示す
説明図。

【符号の説明】

１……試料２……ｘｙｚステージ３……顕微鏡対物レンズ４……ＸＹＺステージコントローラ５……可視光光源６……レーザ光源７……光変調器８……バンドパスフィルタ９……シャッタ１０……光路変換ミラー（可視光とレーザの切替ミラ
ー）１１……光路変換ミラー（低分散分光器への切替ミラ
ー）１２……光路変換ミラー（像観察用ＣＣＤと高分散能分
光器との切替ミラー）１３……低分散分光器１４……高分散能分光器１５……検出器（検出冷却型の高感度ＣＣＤ検出器、フ
ォトンカンター等）１６……検出器（検出冷却型の高感度ＣＣＤ検出器、フ
ォトンカンター等）１７……デジタルロックインアンプ１８……信号処理器１９……ＣＣＤカメラ（分光器スリット像観察用）２０……ＣＣＤカメラ２１……テレビモニタ２２……装置全体の制御器２３……半導体の電気特性検出プローブ２４……電気特性検出器２５……データ処理装置２６……顕微鏡２７……入射スリット２８……鏡２９……凹面鏡３０……エシェレット回折格子３１……凹面鏡３２……中間スリット３３……鏡３４……凹面鏡３５……エシェル回折格子３６……凹面鏡３７……出射スリット３８……検出器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲高▼島宗彦東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式会社日立製作所半導体事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光を発生するレーザ光源と、該発生
したレーザ光を試料に照射する光学系と、該試料で発生
したラマン光を分光する分光器と、該分光されたラマン
スペクトルを検出する検出器とを備えるラマン分光光度
計において、前記分光器は、前記ラマン光を分光するための、エシェレット回折格子
を用いた第１の分光器と、前記第１の分光器で分光されたラマン光を通過させる中
間スリットと、前記中間スリットを通過してきたラマン光をさらに分光
するための、エシェル回折格子を用いた第２の分光器と
を備えることを特徴とするラマン分光光度計。
【請求項２】請求項１に記載のラマン分光光度計におい
て、前記中間スリットが、前記第１の分光器のエシェレット
回折格子からのラマン光のうち、予め定めた次数以外の
次数の光が、前記第２の分光器のエシェル回折格子に入
射されないように構成されたものであることを特徴とす
るラマン分光光度計。
【請求項３】請求項１に記載されたラマン分光光度計に
おいて、前記中間スリットのスリット幅が、前記エシェル回折格
子の測定に用いる回折光のｍ−１及びｍ＋１次数に相当
する２つの光の波長間の波長範囲よりも狭く設定されて
いることを特徴とするラマン分光光度計。
【請求項４】請求項３に記載されたラマン分光光度計に
おいて、前記ｍ−１及びｍ＋１次数に相当する２つの光の波長
が、θを入射光を回折格子と直交する面となす角度、ｉ
を入射光の回折格子と直交する面上の投影線と入射点に
おける面法線とのなす角(光の入射角度)、βｍ−１、β
ｍ＋１をｍ＋１次数及びｍ−１次数の回折光の回折格子
と直交する面上の投影線と入射点における面法線とのな
す角とした場合、ｄcosθ(sinｉ+sinβｍ＋１)／ｍ及び
ｄcosθ(sinｉ+sinβｍ−１)／ｍでそれぞれ求められる
ことを特徴とするラマン分光光度計。
【請求項５】請求項１に記載のラマン分光光度計におい
て、前記エシェレット回折格子の刻線数密度が１２００本／
ｍｍ以上であることを特徴とするラマン分光光度計。
【請求項６】半導体試料表面における検査領域で発生し
たラマン光からラマンスペクトルを検出するラマン分光
光度計と、該ラマンスペクトルから該検査領域における
応力を求める応力算出部とを備える半導体検査装置であ
って、前記ラマン分光光度計が、請求項１〜５のいずれかに記
載のラマン分光光度計であることを特徴とする半導体検
査装置。
【請求項７】請求項６に記載の半導体検査装置におい
て、前記ラマン光のストークス成分およびアンチストークス
成分を測定する手段と、該測定結果から前記検査領域で
の温度変化を求める手段とを備える、温度変化測定部を
さらに備えることを特徴とする半導体検査装置。
【請求項８】半導体素子の製造工程で基板上に薄膜を形
成する半導体製造装置において、前記基板上に薄膜を形成する薄膜形成部と、前記形成された薄膜表面の検査すべき領域について、少
なくとも応力を求める検査部と、前記薄膜形成部と前記検査部との間で、前記基板を移動
させるための移動機構とを備え、前記検査部は請求項６または７に記載の半導体検査装置
であることを特徴とする半導体製造装置。