(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定試料中に存在する散乱体の形状を検出する光散乱トモグラフ装置であって、
被測定試料に光線を照射する光照射手段と、
被測定試料により散乱された散乱光を集光する光学手段と、
この光学手段からの光を非焦点下で検出する検出手段と、
この検出手段で検出した散乱像に基づいて、散乱体の形状を演算算出する演算手段と、
を有することを特徴とする光散乱トモグラフ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、
上記演算手段は、散乱像をフーリエ変換して散乱体の形状を演算算出することを特徴とする光散乱トモグラフ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の装置において、
上記被測定試料中に存在する散乱体は、結晶中に存在する析出物であることを特徴とする光散乱トモグラフ装置。
【請求項４】
被測定試料中に存在する散乱体の形状を検出する光散乱トモグラフ観察方法であって、
被測定試料に光線を照射し、
被測定試料から散乱される散乱光の像を非焦点下で得、
得られた像について、フーリエ変換を施し、被測定試料中に存在する散乱体の形状についての像を得ることを特徴とする光散乱トモグラフ観察方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｓｉ（シリコン）結晶などの被測定試料中の散乱体を観察する光トモグラフ装置および観察方法、特に非焦点下での散乱光を検出するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の高密度化等により、シリコン結晶等により欠陥のないものが要求されるようになってきている。例えば、シリコン結晶中に存在する析出物は、酸化膜の耐圧劣化を生ずる原因となる。そこで、この析出物の構造について各種の研究が行われている。
【０００３】
この析出物は、検出方法により、いくつかの種類に分類できるが、ＬＳＴＤ（Light Scattering Method）により検出できる欠陥とその構造が当面の課題となっている。そして、このＬＳＴＤの形状は、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）などにより成形した後、透過型電子顕微鏡ＴＥＭ（Transmission electron microscope）により観察している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようにして、結晶中の析出物の観測が行われているが、上述のようにＴＥＭによる観測までに複雑な過程を経なければならず、その観測が非常に大変な作業となるという問題点があった。
【０００５】
一方、赤外線を被測定試料に照射し、その散乱光から結晶欠陥を検出する方法も従来から知られている。この光散乱法によれば、被測定試料を非破壊で、効率的な欠陥の検出が行える。しかし、この光散乱法は、赤外線の波長より小さい欠陥の存在を検出することはできるが、欠陥の形状は観測できない。これは、光学系の限界と、焦点下における像の空間分解能に限界があるからである。
【０００６】
従って、簡単な作業で、結晶中の析出物などを検出できる装置が望まれていた。本発明は、この課題に鑑みなされたものであり、散乱光を検出することで、結晶中の析出物などの形状を観測できる光散乱トモグラフ装置および観察方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被測定試料中に存在する散乱体の形状を検出する光散乱トモグラフ装置であって、被測定試料に光線を照射する光照射手段と、被測定試料により散乱された散乱光を集光する光学手段と、この光学手段からの光を非焦点下で検出する検出手段と、この検出手段で検出した散乱像に基づいて、散乱体の形状を演算算出する演算手段と、を有することを特徴とする。
【０００８】
このように、本発明では、被測定試料に光線を照射したときに発生する散乱光を検出する。従って、検出を非破壊、非接触で行うことができる。また、環境の影響も受けずに測定が行えるため、結晶の欠陥などの被測定試料中に存在する散乱体の形状をその状態を乱すことなく検出することができる。
【０００９】
ここで、散乱光をそのままの散乱像として得た場合には、光学系の限界と焦点下での空間分解能の制約から散乱体の形状を検出することはできない。ところが、本発明では、非焦点下で散乱像を検出する。この非焦点下での散乱像は、散乱体の形状と一定の関係がある。本発明では、この関係に基づいて、散乱体の形状を演算算出する。これによって、光散乱トモグラフ装置により、被測定試料中に存在する散乱体の形状を認識することができる。
【００１０】
また、本発明は、上記演算手段が、散乱像をフーリエ変換して散乱体の形状を演算算出することを特徴とする。散乱像と散乱体の形状の間には、フーリエ変換と逆フーリエ変換の関係がある。従って、得られた散乱像をフーリエ変換することで、散乱体の形状を得ることができる。なお、このようにして得た散乱体の形状は、ＴＥＭによって観察した散乱体の形状とよく一致した。
【００１１】
また、本発明は、上記被測定試料中に存在する散乱体が、結晶中に存在する析出物であることを特徴とする。Ｓｉ結晶などの結晶欠陥の検査は、半導体装置の製造の上で非常に重要である。本発明における光散乱トモグラフ装置により、結晶中の析出物の散乱光から、散乱体の形状を観察することができる。
【００１２】
また、本発明は、被測定試料中に存在する散乱体の形状を検出する光散乱トモグラフ観察方法であって、被測定試料に光線を照射し、被測定試料から散乱される散乱光の像を非焦点下で得、得られた像について、フーリエ変換を施し、被測定試料中に存在する散乱体の形状についての像を得ることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に好適な実施の形態（以下、実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
【００１４】
「装置の構成」
図１に、本実施形態の光散乱トモグラフ装置の構成を示す。被測定試料１０は、ＸＹＺ移動ステージ１２上に設置される。被測定試料１０は、アニールされたＳｉ結晶などである。また、ＸＹＺステージ１２は、その上面に被測定試料を載置固定し、ＸＹＺの３軸方向に移動可能である。
【００１５】
レーザ光源２０は、ＸＹＺステージ１２の側方に設置され、被測定試料１０にレーザ光を照射する。このレーザ光源２０は、Ｈｅ−Ｎｅレーザであり、波長１．１５μｍの赤外光を射出する。
【００１６】
そして、被測定試料１０の上方（レーザ光の照射方向と直交する方向）には、ビジコンカメラ３０が配置されており、被測定試料１０により散乱された光が撮影される。このビジコンカメラ３０は、Ｚ軸方向に移動可能となっており、被測定試料１０からの距離が調整できる。また、ビジコンカメラ３０は、その入射部に集光のためのレンズがあり、このレンズの後方に光電面（光電変換素子の面）が位置している。そして、レンズからの撮像物の位置に応じて、レンズと光電面の距離を調整し、光電面上に焦点下の像（散乱像）を結像させ、これを電気信号変換し、映像信号として出力する。ここで、本実施形態では、光電面に焦点下の像を得ず、非焦点下の像を得る。
【００１７】
ビジコンカメラ３０で得られた映像信号は、ＡＤコンバータ４０を介し、コンピュータ５０に入力される。従って、コンピュータ５０は、被測定試料１０の散乱光による像をデータとして入手する。
【００１８】
そして、このコンピュータ５０は、入力されたデータに基づき、これに所定の演算処理を施し、データを変換し、被測定試料１０中に存在する酸化析出物などの散乱体の形状を得る。そして、得られた散乱体の像は、モニタ５２等に表示され、またプリンタなどに出力される。
【００１９】
「散乱体の形状の観測」
ここで、通常の場合、光散乱トモグラフ装置においては、ビジコンカメラ３０において、焦点下の散乱像を得る。しかし、光学系の限界と焦点下での空間分解能の制約から焦点下の散乱像からは散乱体の形状を認識することはできない。
【００２０】
本実施形態では、非焦点下の散乱像を得る。すなわち、ビジコンカメラ３０の光電面（photoelectric surface）とレンズとの距離を一定にして、散乱体とレンズとの距離を増加させる。これによって、ビジコンカメラ３０において得られる像は、非焦点下の散乱像になる。
【００２１】
散乱体とレンズの距離をさらに増加させることによって、さらに異なる像が得られる。これらの回折波面（wave surface）と散乱体の形状は、フーリエ変換と逆フーリエ変換の関係である。そこで、フーリエ変換により、非焦点下の散乱像から散乱体の像を得る。
【００２２】
「回折波面と散乱体の形状の関係」
回折波面と散乱体の形状の関係について、図２に基づいて説明する。まず、ビジコンカメラ３０のレンズの焦点距離をｆとしてレンズと光電面の距離をＬ2、散乱体（散乱面）とレンズとの距離をＬ1とすると、次式が成り立つ。
【００２３】
【数１】
１／Ｌ1−１／Ｌ2＝１／ｆ  （１）
ここで、Ｌ1をΔＬ1だけ増加すると、図２に示すように、像点は光電面からレンズの方向に移動する。すなわち、レンズから像点までの距離は、Ｌ2からＬ2’に変化し、ΔＬ2＝Ｌ2−Ｌ2’だけ像点がレンズ側に移動する。
【００２４】
散乱体の形状をｆ（ｘi，ｙi）とすると、レンズの前面での波面ｈ-（ｘ，ｙ）は、フラウンホーファー（Fraunhofer）回折の近似を用い、次式により与えられる。
【００２５】
【数２】
ｈ-（ｘ，ｙ）＝Ａ∬ｆ（ｘi，ｙi）ｅｘｐ｛−ｉ（２π／λ）（Ｌ1＋ΔＬ1）＊（ｘiｘ0＋ｙiｙ0）｝ｄｘiｄｙi  （２）
また、レンズ後面の波面はレンズの複素透過率をｔ（ｘ，ｙ）とすると、次式で与えられる。
【００２６】
ｈ+（ｘ，ｙ）＝ｔ（ｘ，ｙ）ｈ-（ｘ，ｙ）    （３）
さらに、レンズにより集束する波面は、ｘ0’，ｙ0’平面と、ｘ0，ｙ0平面で、各々次式で示される波面を形成する。
【００２７】
【数３】
ｇ（ｘ0’，ｙ0’）＝Ｂ∬ｈ+（ｘ，ｙ）ｅｘｐ｛−ｉ（２π／λ）Ｌ2’（ｘｘ0’＋ｙｙ0’）｝ｄｘｄｙ    （４）
ｇ（ｘ0，ｙ0）＝Ｃ∬ｇ’（ｘ0’，ｙ0’）ｅｘｐ｛−ｉ（２π／λ）Ｌ2（ｘ0ｘ0’＋ｙ0ｙ0’）｝ｄｘ0’ｄｙ0’    （５）
式（２）におけるｈ-とｆ（ｘ，ｙ）、式（４）におけるｇ（ｘ0’，ｙ0’）とｈ+（ｘ，ｙ）、式（５）におけるｇ（ｘ0，ｙ0）と、ｇ’（ｘ0’，ｙ0’）は、フーリエ変換と逆フーリエ変換の関係にある。
【００２８】
そこで、式（５）のｇ（ｘ0，ｙ0）が解ると、ｆ（ｘi，ｙi）が解析的に求められ、従って散乱体の形状が得られる。
【００２９】
ここで、ｇ（ｘ0，ｙ0）は、測定できるのが、振幅｜ｇ（ｘ0，ｙ0）｜であり、ｇ（ｘ0，ｙ0）の位相情報は失われる。そこで、この位相を図３に示す手順で取り戻す。
【００３０】
まず、失われた位相に対して、ランダム値を代入してｇ’（ｘ0’，ｙ0’）を計算する（Ｓ１）。次に、ｇ’（ｘ0’，ｙ0’）より、ｇ（ｘ0，ｙ0）を計算する（Ｓ２）。Ｓ２で得られたｇ（ｘ0，ｙ0）の位相と元の振幅｜ｇ（ｘ0，ｙ0）｜より、ｇ’（ｘ0’，ｙ0’）を計算する（Ｓ３）。次に、得られたｇ’（ｘ0’，ｙ0’）を用いてｇ（ｘ0，ｙ0）を計算する（Ｓ４）。そして、ｇ’（ｘ0’，ｙ0’）の振幅と位相が１％以内の変化かを判定する（Ｓ５）。この判定で、ＮＯの場合は、解が収束していないため、Ｓ３に戻り、Ｓ４の判定でＹＥＳになる（収束する）まで、計算を繰り返す。このようにして、位相情報を取り戻すことができる。
【００３１】
【実施例】
Ｃｚ−Ｓｉ（１００）ウェファを用い、７５０゜Ｃで４時間アニールし、連続して９５０゜Ｃで６時間から１８時間アニールを行ったものと、１０５０゜Ｃで８時間から６４時間アニールしたものを被測定試料１０として使用した。また、ビジコンカメラ３０として、商品名ＨＡＭＡＭＡＴＵ  Ｃ−１０００赤外ビジョンカメラを使用した。このビジコンカメラ３０は、光電面のサイズ１０×１０ｍｍ，画素数５１２×５１２であった。ＸＹＺステージ１２を調整することで、散乱体のイメージが画像の中心になるように移動した。そして、ＡＤコンバータ４０で８ビットのデジタルデータに変換し、これを４０×４０画素のサイズでコンピュータ５０に取り込む。そして、上述のような演算処理を行い、散乱体の形状を算出し、これをモニタ５２に表示した。なお、散乱体とレンズの距離は、光電面が焦点となる位置に比べ、３０μｍ増加した距離としておいた。
【００３２】
このようにして、ビジコンカメラ３０で得られた像から、散乱体像が得られる。そこで、得られた散乱体像に基づいて、近似しない式を使用して、回折像を計算してみた。計算によって得られた回折像は、ビジコンカメラで得られた像とよく一致しており、計算により求められた散乱体像が正しいことが確認された。
【００３３】
各種のアニール後の被測定試料について、測定を行い、散乱体像を得た。得られた散乱体像は、
（ｉ）円形状、同心円状、平行四辺形状
（ｉｉ）六角形状（中心に強い散乱体を含む）
（ｉｉｉ）正方形
のように類別された。
【００３４】
このような散乱体像は、被測定試料１０のアニールの温度、アニール時間等によって異なり、その大きさな数１０ｎｍ〜１μｍであった。しかし、いずれの場合においても得られた散乱体像は、ＴＥＭによる観測結果と一致していた。
【００３５】
例えば、平行四辺形状の析出物は、アニール温度９５０゜Ｃだけで観測でき、約１００ｎｍの大きさであった。また、アニール時間を長くすると、散乱体は約１００ｎｍから１μｍの大きさにまで成長し、強い散乱体を中心に持った。
【００３６】
これより、本実施形態の装置が、Ｓｉ結晶のアニールによって生じる酸化析出物等の微小欠陥の形状観測に、ＴＥＭと同様に使用できることが分かった。特に本実施形態の装置によれば、被測定試料を非破壊および非接触で観察できる。また、測定が環境に影響されることもない。従って、欠陥の状態を乱すことなく観察が行える。
【００３７】
「その他の構成」
本実施例により得た散乱体像は、そのエッジがシャープでない。これは、ｆ（ｘi，ｙi）の計算をする際に、サンプリングしたデータを回折像の４０×４０画素に限定したためと、計算の根拠となる画素間隔が十分小さくなかったからと考えられる。サンプリング数を大きくし、計算の根拠となる画素間隔を小さくすることによって、よりシャープな散乱体像が得られると考えられる。
【００３８】
さらに、この計算において、散乱光が被測定試料から空気中に射出する際の屈折の効果を考慮していない。よって、散乱体のサイズが実際のサイズと多少異なったものと考えられる。光散乱トモグラフ装置は、９０゜散乱の測定装置を利用している。従って、図４に示す各点からの散乱光は、ｘ方向とｚ方向に位相差を生じる。
【００３９】
得られたｆ（ｘi，ｙi）の位相から、ｘ方向の位相を引くことにより、ｚ方向の位相分布が得られる。従って、散乱体の高さ方向（ｚ方向）の情報が得られる。そこで、このｚ方向の位相情報と、射出光に対する屈折の影響を考慮することにより、より正確な形状（特にサイズ）を得ることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る光散乱トモグラフによれば、検出を非破壊、非接触で行うことができる。また、環境の影響も受けずに測定が行えるため、結晶の欠陥などの被測定試料中に存在する散乱体の形状をその状態を乱すことなく検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施形態の装置の全体構成を示す図である。
【図２】  回折波面と散乱体形状の関係を示す図である。
【図３】  位相情報検出のフローチャートである。
【図４】  散乱光の位相差を示す図である。
【符号の説明】
１０  被測定試料、１２  ＸＹＺステージ、２０  レーザ光源、３０  ビジコンカメラ、４０  ＡＤコンバータ、５０  コンピュータ、５２  モニタ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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