(57)【要約】  【課題】  半導体材料の温度を常に一定に保つための温度調整機構や多くの余分な工程を要することなく、周囲温度及び材料自体の温度変化にかかわらず、所定の応力測定を高精度かつ高速に行なえるようにする。  【解決手段】  単結晶シリコン基板３Ａ上にＳｉＧｅ層３Ｃ及び歪みシリコン層３Ｄを積層して作製された半導体材料３に単結晶シリコン基板３Ａにまで到達する波長の励起光を照射し、その照射に伴う基板３Ａからのラマンスペクトルのピークシフト量から半導体材料３の温度を推定し、その推定温度を用いて歪みシリコン層３Ｄ及びＳｉＧｅ層３Ｃのラマンスペクトルのピークシフトを補正し、その補正されたラマンスペクトルのピークシフト情報により、それら各層３Ｄ，３Ｃの内部応力を算出する。 【選択図】      図２
2006073866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶シリコン基板上にシリコンゲルマニウム層及び歪みシリコン層を積層して作製された半導体材料に歪みシリコン層側から励起光を照射し、その照射点からの散乱光のラマンスペクトルのピーク位置情報により前記半導体材料の内部応力を測定する半導体材料の応力測定方法であって、
励起光として、単結晶シリコン基板にまで到達する波長の光を用い、その波長の励起光の照射に伴う前記基板からの散乱光のラマンスペクトルのピーク位置変動量から半導体材料の温度を推定し、
その推定温度を用いて歪み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、
その補正された歪み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することを特徴とする半導体材料の応力測定方法。
【請求項２】
半導体材料を構成する単結晶シリコン基板、歪みシリコン層及びシリコンゲルマニウム層それぞれのラマンスペクトルのピーク位置変動量、スペクトル半値幅、スペクトル強度、スペクトル面積のうちの少なくとも一つをパラメータとして、歪みシリコン層及びシリコンゲルマニウム層の膜厚及び／又はシリコンゲルマニウム層中のゲルマニウム含有量を内部応力と同時に算出する請求項１に記載の半導体材料の応力測定方法。
【請求項３】
単結晶シリコン基板上にシリコンゲルマニウム層及び歪みシリコン層を積層して作製された半導体材料に歪みシリコン層側から励起光を照射し、その照射点からの散乱光のラマンスペクトルのピーク位置情報により前記半導体材料の内部応力を測定する半導体材料の応力測定装置であって、
単結晶シリコン基板にまで到達する波長の励起光を発生するレーザ光源と、
その励起光を半導体材料に歪みシリコン層側から単結晶シリコン基板にまで照射し、その照射された基板からの散乱光のラマンスペクトルのピーク位置の変動情報を出力するラマン分光光学系と、
そのラマンスペクトルのピーク位置の変動情報から半導体材料の温度を推定するとともに、その推定温度を用いて歪み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の変動量を補正し、かつ、その補正された歪み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する演算手段とを
備えていることを特徴とする半導体材料の応力測定装置。
【請求項４】
演算手段には、半導体材料を構成する単結晶シリコン基板、歪みシリコン層及びシリコンゲルマニウム層それぞれのラマンスペクトルのピーク位置変動量、スペクトル半値幅、スペクトル強度、スペクトル面積のうちの少なくとも一つをパラメータとして、歪みシリコン層及びシリコンゲルマニウム層の膜厚及び／又はシリコンゲルマニウム層中のゲルマニウム含有量を同時に算出する手段が組み込まれている請求項３に記載の半導体材料の応力測定装置。
【請求項５】
ラマン分光光学系には、波長の異なる複数のレーザ光源及びこれら複数のレーザ光源から照射されるレーザ光を選択的に切替可能なレーザ光選択手段が設けられている請求項３または４に記載の半導体材料の応力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイス製造ライン等に製品素材や製品の検査工程として組入れられるもので、シリコンウェハなどの半導体基板の表面等に形成された薄膜や各種パターン化された微細加工部の内部応力を自動測定する半導体材料の応力測定方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス製造工程において、シリコンウェハなどの半導体基板表面等に形成された薄膜や各種パターンの微細加工部の応力、さらには膜厚や組成などの測定による品質管理は、製造される半導体デバイスを安定のよい性能に維持することから極めて重要不可欠な要素である。
【０００３】
特に、半導体デバイスにおいては、サブ１００ｎｍ領域において高性能大規模集積回路（ＬＳＩ）を実現するために相補型ＣＭＯＳ回路が用いられており、このＣＭＯＳ回路の高速化が極めて重要であり、そのようなＣＭＯＳ回路の高速化を実現する技術として、通常のシリコンより大きなキャリア移動度を有する歪みシリコンを用いる半導体デバイスの製造技術が開発されている。これは、格子定数の大きなシリコンゲルマニウム層（以下、ＳｉＧｅ層と記載するものを含む）上にシリコン層を形成し、このシリコン層（薄膜）に引っ張り歪みを加えることにより、シリコンバンド構造を変調させてキャリア移動度の向上を実現する技術である。
【０００４】
このような歪みシリコン技術においては、歪みシリコン層の応力状態はもちろんのことＳｉＧｅ層の内部応力、さらに好ましくは各層の膜厚の制御やＳｉＧｅ層中のゲルマニウム（Ｇｅ）含有量の測定などの品質管理が、高性能かつ高速半導体デバイスの生産性向上を図る上で極めて重要である。
【０００５】
一般に、シリコンなどの半導体材料の応力測定に関してはラマン分光技術が採用されている。このラマン分光技術を用いた応力測定とは、例えば単結晶シリコンに、０．５Ｐａの応力が作用した場合、ラマンスペクトルのピーク位置が１ｃｍ程度シフト（変動）することが知られており、このピーク位置シフトを利用して、ラマンスペクトルのピーク位置の変化から測定点における応力を推定するものである。
【０００６】
かかるラマン分光による応力測定を上述した歪みシリコンに適用して、高精度な測定結果並びにその高精度な測定結果を長期間に亘り安定保持する測定再現性を得るためには、ラマンスペクトルのピーク位置のシフト量を常に０．０１ｃｍ程度に抑えることが肝要である。ところが、周囲温度変化に伴う光学系の変動、例えば光学部品の僅かなひずみによる波長ずれや、測定対象である半導体材料自体の温度変化に伴うラマンスペクトルピーク位置のシフト（例えば、単結晶シリコンの場合、１℃の温度変化でピーク位置が約０．０２ｃｍシフトする）は避けられない。したがって、歪みシリコンの応力測定に一般的なラマン分光技術をそのまま適用した場合には、所定の測定精度並びに測定再現性の確保が非常に困難であるという問題がある。
【０００７】
一般的なラマン分光による歪みシリコンの応力測定における上述のような問題に対処するものとして、従来、ラマン光（励起光の照射に伴う散乱光）と共に、ガスレーザのプラズマラインを取り込み、このプラズマラインのピーク位置シフト量を用いてラマンスペクトルのピーク位置を補正し、その補正されたラマンスペクトルのピーク位置から応力を測定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
また、ラマン分光による半導体などの物質の内部応力の測定技術として、測定対象物質の測定点の温度を変化させ、その温度変化により変動するラマンスペクトルのピーク波数を複数個測定し、それら複数個の測定値（ピーク波数）を測定点ごとに統計処理することにより測定対象物質自体の測定点の温度変化の影響を取り除いたデータを得るようにした応力評価方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−６６１９７公報
【特許文献２】特公平６−８２０９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、代表的な測定対象となる歪みシリコンを用いた半導体材料３は、例えば図３に示すように、単結晶シリコン基板３Ａ上に、酸化ケイ素層（以下、ＳｉＯ2 層と記載する）３Ｂを介して数１０ｎｍ〜数１００ｎｍのＳｉＧｅ層３Ｃ及び数ｎｍ〜数１０ｎｍの歪みシリコン層３Ｄを順次積層して作製されている。このような積層構造の半導体材料３は、単結晶シリコン基板３ＡとＳｉＧｅ層３Ｃとの間にＳｉＯ2 層３Ｂが存在して基板３Ａ自身には応力が作用しない構造であるから、歪みシリコン層３Ｄ側から励起光を照射した時の基板３Ａのラマンスペクトルは無応力状態でのスペクトルであり、したがって、基板３Ａのラマンスペクトルのピーク位置にシフトが生じたとすれば、その原因は、測定対象である半導体材料３自体の温度変化の影響によるものと言える。
【００１１】
また、歪みシリコンを用いた半導体材料３のラマンスペクトルの測定においては、光の侵入深さが大きく依存する励起光の波長の選択が重要である。ラマン分光に用いられる代表的なＡｒレーザのうち、比較的強度の大きい発振線である波長（λ）が５１４，４８８，４５７ｎｍのＡｒレーザの場合の侵入深さは、７６０，５６０，３１０ｎｍであり、また、波長（λ）が３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄイオンレーザの場合の侵入深さは、１０ｎｍ程度である。したがって、侵入深さの大きい波長５１４ｎｍのＡｒレーザで発生される励起光を用いてのラマンスペクトルの測定では、図６に示すように、ＳｉＧｅ層３Ｃ中のＳｉ−Ｓｉバンド（ピーク波長）に起因して大きな強度のラマンスペクトルが検出可能である反面、歪みシリコン層３Ｄ中のＳｉ−Ｓｉバンドのラマンスペクトルは基板３Ａのラマンスペクトルの影響によって検出することができない。したがって、最上層の歪みシリコン層３Ｄのラマンスペクトルのみを確実に検出するためには、波長が３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄイオンレーザなどの紫外光を用いる必要がある。
【００１２】
一方、侵入深さが小さい波長のレーザを用いた場合は、励起光がＳｉＧｅ層３Ｃまで到達せず、ＳｉＧｅ層３Ｃのラマンスペクトルが測定不能であり、ＳｉＧｅ層３Ｃあるいは基板３Ａのラマンスペクトルを測定するには、長波長の可視光を励起光として用いる必要がある。
【００１３】
ここで、紫外光を励起光として用いて歪みシリコン層３Ｄのラマンスペクトルを測定するにあたって、周囲温度変化に伴う光学系の変動は特許文献１に示す従来方法によって抑制して周囲温度変化の影響を受けないようにすることが可能であるものの、測定対象である半導体材料自体の温度変化の影響を受けるために、所定の応力測定に大きな誤差を生じやすい。したがって、誤差の少ない高精度な測定及び長期間に亘って安定よい測定再現性を確保するには、半導体材料の温度を常に一定に保つための温度調整機構等を必要としたり、或いは、測定対象の半導体材料とは別個に温度校正用試料を準備し、半導体材料の測定前に予め校正用試料のスペクトルを測定し、その測定情報に基づいて半導体材料の温度変化によるラマンスペクトルのピーク位置を校正（補正）して所定の応力測定を行なうといったように、測定対象材料自体の温度変化による影響回避のために多くの余分な工程を必要とするという問題がある。
【００１４】
また、特許文献２に示す従来方法の場合は、測定対象物質自体の温度変化の影響を取り除いて高精度の測定結果を得るためには、複数の測定点毎で温度を変化させること、その温度変化により変動するラマンスペクトルのピーク波数を複数個測定すること、それら複数個の測定値（ピーク波数）を測定点ごとに統計処理すること、といったように、一つの測定対象物質の応力測定にも多大な工程及び時間を必要とするため、このような半導体材料の応力測定を半導体デバイス製造のような連続かつ高速性が要求されるラインに組み入れた場合、著しい生産性の低下を招くことになり、実質的に導入不可能である。加えて、この従来方法は、単一の測定対象物質に励起光を照射した場合の各部位の構成の相違に起因して発生する温度差によるラマンスペクトルのピーク波数の変化を補正するものであって、測定対象物質全体の温度変化による影響を考慮したものでなく、測定対象物質自体の温度変化に伴うラマンスペクトルピーク位置のシフトに起因する測定精度の低下は避けられず、長期間に亘る測定再現性も確保することができないという問題があった。
【００１５】
本発明は上述の事柄に鑑みてなされたものであって、その目的は、半導体材料の温度を常に一定に保つための温度調整機構や多くの余分な工程を要することなく、周囲温度及び材料自体の温度変化にかかわらず、所定の応力測定を高精度かつ高速に行なうことができる半導体材料の応力測定方法及びその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る半導体材料の応力測定方法は、単結晶シリコン基板上にシリコンゲルマニウム層及び歪みシリコン層を積層して作製された半導体材料に歪みシリコン層側から励起光を照射し、その照射点からの散乱光のラマンスペクトルのピーク位置情報により前記半導体材料の内部応力を測定する半導体材料の応力測定方法であって、励起光として、単結晶シリコン基板にまで到達する波長の光を用い、その波長の励起光の照射に伴う前記基板からの散乱光のラマンスペクトルのピーク位置変動量から半導体材料の温度を推定し、その推定温度を用いて歪み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、その補正された歪み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することを特徴としている。
【００１７】
また、本発明の請求項３に係る半導体材料の応力測定装置は、単結晶シリコン基板上にシリコンゲルマニウム層及び歪みシリコン層を積層して作製された半導体材料に歪みシリコン層側から励起光を照射し、その照射点からの散乱光のラマンスペクトルのピーク位置情報により前記半導体材料の内部応力を測定する半導体材料の応力測定装置であって、単結晶シリコン基板にまで到達する波長の励起光を発生するレーザ光源と、その励起光を半導体材料に歪みシリコン層側から単結晶シリコン基板にまで照射し、その照射された基板からの散乱光のラマンスペクトルのピーク位置の変動情報を出力するラマン分光光学系と、そのラマンスペクトルのピーク位置の変動情報から半導体材料の温度を推定するとともに、その推定温度を用いて歪み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の変動量を補正し、かつ、その補正された歪み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する演算手段とを備えていることを特徴としている。
【００１８】
本発明の請求項１に係る半導体材料の応力測定方法において、半導体材料を構成する単結晶シリコン基板、歪みシリコン層及びシリコンゲルマニウム層それぞれのラマンスペクトルのピーク位置変動量、スペクトル半値幅、スペクトル強度、スペクトル面積のうちの少なくとも一つをパラメータとして、歪みシリコン層及びシリコンゲルマニウム層の膜厚及び／又はシリコンゲルマニウム層中のゲルマニウム含有量を内部応力と同時に算出することが望ましい（請求項２）。
【００１９】
また、本発明の請求項３に係る半導体材料の応力測定装置において、演算手段には、半導体材料を構成する単結晶シリコン基板、歪みシリコン層及びシリコンゲルマニウム層それぞれのラマンスペクトルのピーク位置変動量、スペクトル半値幅、スペクトル強度、スペクトル面積のうちの少なくとも一つをパラメータとして、歪みシリコン層及びシリコンゲルマニウム層の膜厚及び／又はシリコンゲルマニウム層中のゲルマニウム含有量を同時に算出する手段が組み込まれていることが望ましい（請求項４）。
【００２０】
さらに、本発明の請求項３又は４に係る半導体材料の応力測定装置において、ラマン分光光学系には、波長の異なる複数のレーザ光源及びこれら複数のレーザ光源から照射されるレーザ光を選択的に切替可能なレーザ光選択手段が設けられていることが望ましい（請求項５）。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１及び請求項３に係る発明によれば、励起光を単結晶シリコン基板にまで到達するように照射させることで得られる基板からの無応力状態のラマンスペクトルのピーク位置の変動（シフト）量から測定対象の半導体材料自体の現在温度を推定して、この基板上に積層されている歪みシリコン層及びシリコンゲルマニウム層（ＳｉＧｅ層）のラマンスペクトルのピーク位置の変動量を補正することにより、周囲温度の変動に起因する、例えば光学部品の歪みによる波長ずれや光学フィルタの劣化などの光学系の変動や、測定対象の半導体材料自体の温度影響によるラマンスペクトルのピーク位置のずれ等の発生にかかわらず、歪みシリコン層及びＳｉＧｅ層の応力を精度よく測定することができる。したがって、半導体材料自体の温度を一定に保つための温度調整機構や、半導体材料とは別個に準備した温度校正用試料のラマンスペクトルを測定対象の半導体材料の測定前に予め測定し、その測定情報に基づいて半導体材料の温度変化によるラマンスペクトルのピーク位置を校正（補正）するといった多くの余分な工程が不要となり、温度影響のない高精度な応力測定を高速かつ低コストに実現することができ、しかも、そのような高精度かつ高速の応力測定を長期間に亘って安定よく再現することができ、これによって、歪みシリコン使用の半導体材料を用いた半導体デバイスの生産性向上に大いに貢献できるという効果を奏する。
【００２２】
また、半導体材料を構成する各層のピーク位置変動量、スペクトル半値幅、スペクトル強度、スペクトル面積等をパラメータとして、所定の応力算出と同時に歪みシリコン層及びＳｉＧｅ層の膜厚及び／又はＳｉＧｅ層中のＧｅ含有量等の各種物理量を算出することによって、半導体材料の品質管理性能を高めて製造される半導体デバイスの品質を一層向上できるとともに、検査工程及び検査設備の簡略化も図れて生産性向上、製造コストの低減に繋げることも可能である。
【００２３】
さらに、ラマン分光系に波長の異なる複数のレーザ光源を設け、これらレーザ光源から半導体材料に波長の異なるレーザ光を選択的に切替照射可能とすることにより、全体厚さや各層の厚み比がどのような半導体材料を測定対象とする場合であっても、励起光を基板にまで確実に到達させてその基板からのラマンスペクトルのピーク位置変動量に基づく半導体材料の温度推定、その推定温度による歪みシリコン層及びＳｉＧｅ層のラマンスペクトルのピーク位置変動量の補正を正確に行えて、所定の高精度かつ高速の応力測定を確実かつ安定よく実施することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る半導体材料の応力測定方法を実施するための第１実施例の基板検査装置１の全体構成を概略的に示す平面図、図２は、その基板検査装置１の主要部である応力測定装置１Ａの構成を示す図である。図１において、２Ａはラマン分光光学系を搭載した応力測定装置１Ａの測定室、２Ｂはこの測定室２Ａに隣接する搬送装置、３は測定対象となる半導体材料（以下、単にウェハと称する）、４は試料台、５はこの試料台４を水平方向（Ｘ，Ｙ方向）に加えて高さ方向（Ｚ方向）の三次元方向に移動させる駆動部である。
【００２５】
また、図１において、６はウェハ３をつかんで試料台４上に搬送する機能を有するロボットアームであり、７は複数枚のウェハ３を所定の間隔をおいて縦方向に積層して収納するケース、８はこのケース７を載置するケース台である。ロボットアーム６を用いることにより、例えば縦方向に積層して収納されたウェハ３を順に１枚ずつ取出して試料台４上に搬送し、測定後のウェハ３を再び元の場所に戻すことが可能である。しかしながら、この第１実施例のように２つのケース７を並べて配置する場合には、一方のケース７から取出して検査を行ったウェハ３を他方のケース７に順に収納することもできる。
【００２６】
測定対象となるウェハ３は、例えば図３に基づいて既述したように、単結晶シリコン基板３Ａ上に、酸化ケイ素層（以下、ＳｉＯ2 層と記載する）３Ｂを介して数１０ｎｍ〜数１００ｎｍのＳｉＧｅ層３Ｃ及び数ｎｍ〜数１０ｎｍの歪みシリコン層３Ｄを順次積層した積層構造に作製されている。
【００２７】
図２において、１０はウェハ３の表面を観察する光学顕微鏡であり、この光学顕微鏡１０は、ウェハ３の表面に対してほぼ直角な光軸Ｌ1 上に配置されたＣＣＤカメラ１１と、この光軸Ｌ1 上に配置された集光レンズ１２と、ビームスプリッタ（ハーフミラー）１３と、対物レンズ１４と、ハーフミラー１３を介してウェハ３に白色光を照射する白色光源１５と、シャッタ１６とコリメータレンズ１７とを有している。また、１８は光軸Ｌ1 上に設けられる可動式のミラーであって、このミラー１８を図２の仮想線で示す位置に移動させることにより、光学顕微鏡１０を用いてウェハ３の表面における微小領域の測定点Ｐを観察することができるように構成されている。なお、白色光源１５、シャッタ１６、コリメータレンズ１７は光軸Ｌ1 と直交する光軸上に設けられている。
【００２８】
２０はミラー１８を図２において実線で示す位置に移動させることにより光学顕微鏡１０と同じ光軸Ｌ1 を用いてウェハ３にレーザ光を照射してラマン光を検出するラマン分光光学系である。このラマン分光光学系２０は、ミラー１８によって光軸Ｌ1 と直交方向になるように反射される光軸Ｌ2 上に配置された分光器２１と、分光されたラマン光を検出する検出器２２と、分光器２１に入射するラマン光を調整するための集光レンズ２３と、ピンホール２４と、コリメータレンズ２５と、集光レンズ２６と、レーザ光源２８となる波長の異なる複数のレーザ光源２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，…，２８ｎのうち選択されたレーザ光から出射される励起光以外の波長の光をカットする光学フィルタ（バンドパスフィルタ）６２ａが取り付けられステッピングモータ６３により回転される円板６２と、集光レンズ６４と、レーザ光を遮断するレーザ光用シャッタ６５と、レーザ光をコリメート光にするコリメータレンズ６６と、レーザ光をウェハ３に導き、その後レイリ光をカットする光学フィルタ６７ａが取り付けられステッピングモータ６８により回転される円板６７とよりなり、ウェハ３の測定点Ｐに照射するレーザ光を選択的に自動切替え可能なレーザ光選択装置が設けられている。      。
【００２９】
レーザ光源２８となる波長の異なる複数のレーザ光源２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，…，２８ｎとして、具体的には、波長５１４ｎｍ，４８８ｎｍ，５１４ｎｍ，…，等に設定されたＡｒレーザ２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，…，と、波長３２５ｎｍの紫外光に設定されたＨｅ−Ｃｄイオンレーザ２８ｎとが用いられており、これらレーザ光源２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，…，２８ｎの発振部に対向する位置に、それら波長の異なるレーザ光の一つを選択し、その選択されたレーザ光を測定対象のウェハ３に導くための位置移動式光路切替え用ミラー６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，…，６１ｎが設置されている。
【００３０】
また、ラマン分光分析では、波長が３２５ｎｍの紫外光を励起光として用いることがあるので、集光レンズ１２によってＣＣＤカメラ１１に入射される光により得られる像によるオートフォーカス機構では焦点が異なることがある点を考慮して、光学顕微鏡１０と同じ光軸Ｌ1 上に配置したビームスプリッタ６９及び集光レンズ７０を通してレイリ光強度を検出し、その検出レイリ光強度の値が最大値となるように試料台４の駆動部５をＺ方向（上下方向）に移動制御することにより、焦点位置を合わせるための焦点検出用の検出器７１が設けられている。
【００３１】
６０は搬送装置２Ｂ、試料台４の駆動部５、光学顕微鏡１０、ラマン分光光学系２０及び可動ミラー１８の駆動部（図示していない）などに接続されて基板検査装置１の全体を制御する演算処理装置（以下、コンピュータという）である。そして、このコンピュータ６０内には、例えば、前記搬送装置２Ｂ，駆動部５，光学顕微鏡１０，ラマン分光光学系２０等を制御することにより、ケース７内に収納された複数のウェハ３の中から順次一枚ずつウェハ３を取出して試料台４上に乗せた状態で、各ウェハ３に対して一連の検査を実行し、検査済のウェハ３を再びケース７内に収納する検査シーケンスの動作を示す制御プログラムＰａと、検査結果を演算処理して図示していない画面に表示したり媒体に記録したりする動作を示す検査結果出力プログラムＰｂと、各ウェハ３に対する測定条件や検査結果出力条件などを記録してなる検査レシピデータＤ1 と、検査結果の保存データＤ2 とが記録されている。
【００３２】
以下、前記制御プログラムＰａによる検査シーケンスの動作を説明する。作業者が、図１に示すように、複数のウェハ３が格納されたケース７をケース台８に設置して、基板検査装置１を動作させると、コンピュータ６０からの制御によって搬送装置２Ｂのロボットアーム６がケース７からウェハ３を一枚取出して、これを試料台４に配置する。
【００３３】
次いで、ウェハ３を水平な状態に保持し、駆動部５をコンピュータ６０によって制御することにより、光学顕微鏡１０の焦点が前記測定点データＤａに示される複数の測定点のうちの一つの測定点Ｐに合うように、ウェハ３の位置をＺ方向（高さ方向）およびＸ−Ｙ方向（水平方向）に移動する。また、ウェハ３の反りによって測定点Ｐに高さ方向のずれが生じることも考えられるので、最終的な位置決めは光学顕微鏡１０またはラマン分光光学系２０によってウェハ３の表面の像を観察しながら、駆動部５をＺ方向に移動させることにより行う。
【００３４】
すなわち、光学顕微鏡１０を用いてＺ方向の位置決め行なう場合、コンピュータ６０は、ラマン分光光学系２０のシャッタ６５を閉じ、反射鏡１８を仮想線で示す位置に退避させた状態で、光学顕微鏡１０のシャッタ１６のみを開き、白色光源１５からの光がハーフミラー１３によって反射され対物レンズ１４を介してウェハ３の表面を照らす。そして、ウェハ３の表面からの光が対物レンズ１４とハーフミラー１３を透過し、集光レンズ１２によってＣＣＤカメラ１１に入射することにより、コンピュータ６０は対物レンズ１４の焦点位置における像を得ることができる。そして、コンピュータ６０は、光学顕微鏡１０によって得られた像の焦点がずれている場合に、駆動部５をＺ方向（上下方向）に適宜移動させて焦点位置を合わせるように制御する。
【００３５】
ここで、ラマン分光光学系２０と光学顕微鏡１０で測定する光の波長が大きく異なる場合には、光学顕微鏡１０と同じ光軸Ｌ1上に配置したビームスプリッタ６９及び集光レンズ７０を通じてレイリ光強度を検出し、その検出レイリ光強度の値が最大となるように、試料台４の駆動部５をＺ方向（上下方向）に移動制御してその焦点位置の補正を行なうことが可能である。
【００３６】
このような焦点位置合わせが終了した時点で、コンピュータ６０は反射鏡１８を実線に示す位置に移動させるとともに、ラマン分光光学系２０のシャッタ６５を開き、レーザ光源２８からのレーザ光がコリメータレンズ６６、円板６７の光学フィルタ６７ａ、反射鏡１８によって反射され対物レンズ１４を介してウェハ３表面の測定点Ｐに照射されるように制御する。
【００３７】
この場合、ウェハ３における単結晶シリコン基板３Ａの上に積層された歪みシリコン層３Ｄ、ＳｉＧｅ層３Ｃ及びＳｉＯ2 層３Ｂの厚さに応じて、複数のレーザ光源２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，…，２８ｎのうち励起光が単結晶シリコン基板３Ａにまで到達する波長のレーザ光源を選択し、その選択された波長の励起光をステッピングモータ６８により回転される円板６７の光学フィルタ６７ａを通してウェハ３の測定点Ｐに照射させると、ウェハ３表面の測定点Ｐによって生じた光は対物レンズ１４と反射鏡１８によって光軸Ｌ2 上に導かれ、レイリー光を除くラマン散乱光は光学フィルタ６７ａを透過し、各種光学系２３〜２６を介して分光器２１に入射され、かつ、分光器２１によって分光されたラマン散乱光のスペクトル強度は検出器２２によって検出される。
【００３８】
ここで、励起光としてウェハ３の単結晶シリコン基板３Ａにまで到達するものを選択的に用いることによって、図４に示すように、ウェハ３を構成する各層３Ａ〜３Ｄのラマンスペクトルが得られることになる。これらラマンスペクトルによって確認できるのは、
ａ．単結晶シリコン基板３ＡのＳｉ−Ｓｉバンド
ｂ．歪みシリコン層３ＤのＳｉ−Ｓｉバンド
ｃ．ＳｉＧｅ層３ＣのＳｉ−Ｓｉバンド
ｄ．ＳｉＧｅ層３ＣのＳｉ−Ｇｅバンド
ｅ．ＳｉＧｅ層３ＣのＧｅ−Ｇｅバンド
である。
【００３９】
これらのスペクトルに対して、ガウス型関数、ローレンツ関数、あるいは、ガウスとローレンツ型の線形和の関数などをフィッテングさせてそれぞれのバンドのシフトψi 、半値幅ωi 、強度Ｉi あるいは面積Ｓi (i=a,b,c,d,e) を求める。なお、フィッテング関数についてはそれぞれのスペクトル形状に応じて任意に選択し設定可能である。また、光学系の変動が大きいプラズマライン補正の場合は、励起光としてガスレーザを用い、プラズマラインにより補正してもよい。
【００４０】
上記パラメータのうちバンドのシフトψi (i＝a,b,c,d,e)から歪みシリコン層３Ｄの応力δ1 及びＳｉＧｅ層３Ｃの応力δ2 を算出するのであるが、その算出手順は次のとおりである。
１．単結晶シリコン基板３ＡのＳｉ−Ｓｉバンドシフトψa （これは無応力状態のバンドシフト）と歪みシリコン層３ＤのＳｉ−Ｓｉバンドシフトψb との差Δψbv  及び単結晶シリコン基板３ＡのＳｉ−Ｓｉバンドシフトψa によって推定される温度に対応させて、各層バンドシフトの補正値Δψcv ,Δψdv ,Δψev  を算出する。
２．１．で算出されたバンドシフトの差Δψbv  から歪みシリコン層３Ｄの応力δ1 を算出し、かつ、１．で算出された各層バンドシフトの補正値Δψcv ,Δψdv ,ΔψevからＳｉＧｅ層３Ｃの応力δ2 を算出する。なお、ＳｉＧｅ層３Ｃの応力δ2 は、３つのバンドシフトのうち１つ又は２，３つをパラメータとして検量線を作成することで算出する。
【００４１】
検量線としては、例えば次のようなものがある。
δ1 ＝ｐ1 ×Δψbv
δ2 ＝ｐ2 ×Δψcv＋ｐ2 ×Δψdv＋ｐ3 ×Δψev＋ｐ4
ここで、ｐ1,ｐ2,ｐ3,ｐ4 は定数である。なお、バンドシフトの差Δψbv及び補正値Δψcv ,Δψdv ,Δψevの全てをパラメータとする多変量解析によって歪みシリコン層３Ｄの応力δ1 及びＳｉＧｅ層３Ｃの応力δ2 を算出することも可能である。
【００４２】
上述したように、半導体材料３における単結晶シリコン基板３Ａからの無応力状態のラマンスペクトルのバンド（ピーク）シフト量から半導体材料３自体の現在温度を推定して、この基板３Ａ上に積層されている歪みシリコン層３Ｄ及びＳｉＧｅ層３Ｃのラマンスペクトルのバンドシフト変動量を補正することにより、周囲温度の変動に起因する半導体材料３自体の温度影響によるラマンスペクトルのピークシフト等の発生にかかわらず、歪みシリコン層３Ｄ及びＳｉＧｅ層３Ｃの応力δ1 ，δ2 を精度よく測定すること可能である。したがって、半導体材料３自体の温度を一定に保つための温度調整機構や、半導体材料とは別個に温度校正用試料を準備して、そのラマンスペクトルを半導体材料３の測定前に予め測定し、その測定情報に基づいて半導体材料３の温度変化によるラマンスペクトルのピークシフトを校正（補正）するといった多くの余分な工程が不要となり、温度影響のない高精度な応力測定を高速かつ低コストに実現することができる。
【００４３】
また、上述した各パラメータψi 、ωi 、Ｉi あるいはＳi (i=a,b,c,d,e) から歪みシリコン層３Ｄ及びＳｉＧｅ層３Ｃの応力δ1 ，δ2 のみならず、それら歪みシリコン層３Ｄ及びＳｉＧｅ層３Ｃの膜厚ｔ1,ｔ2 やＳｉＧｅ層３Ｃ中のＧｅ含有量ｘを同時に算出することも可能である。それらの算出手順は次のとおりである。
１．上記の１．と同様にしてΔψbv，Δψcv ,Δψdv ,Δψev  を算出する。
２．そして、次のような演算を行って膜厚ｔ1,ｔ2 やＳｉＧｅ層３Ｃ中のＧｅ含有量ｘを算出する。
2006073866.tif 000003
ここで、ｐij（i=J=1〜5)は定数であり、また、ｂ1,ｂ2,ｂ3,ｂ4,ｂ5 はΔψbv，Δψcv ,Δψdv ,Δψev，ωi 、Ｉi あるいはＳi のいずれか、あるいは、強度比、面積比であって、それらの組み合わせは任意で、それぞれの算出された値の精度などによって決定すればよい。
なお、上記の検量線（定数ｐi,ｐij）は、応力、膜厚、Ｇｅ含有量の変化に伴うそれぞれのパラメータ変化を調べて予め求めておけばよい。
【００４４】
このように半導体材料３を構成する各層のピークシフト量、スペクトル半値幅、スペクトル強度、スペクトル面積等をパラメータとして、所定の応力算出と同時に歪みシリコン層３Ｄ及びＳｉＧｅ層３Ｃの膜厚及び／又はＳｉＧｅ層３Ｃ中のＧｅ含有量等の各種物理量を算出することによって、半導体材料３の品質管理性能を高めて製造される半導体デバイスの品質を一層向上できるとともに、検査工程及び検査設備の簡略化も図れて生産性向上、製造コストの低減に繋げることも可能である。
【００４５】
図５は、本発明の第２実施例に係る基板検査装置１’の主要部である応力測定装置１Ａの構成を示す図である。この第２実施例の基板検査装置１’では、ラマン分光光学系２０と共に、エリプソメータ光学系４０を搭載している。このエリプソメータ光学系４０は、試料台４上に載置され光学顕微鏡１０の焦点が合っているウェハ３上の測定点Ｐに対して一方の側の斜め上方向から多波長の偏光光Ｌ3 を照射する入射光学系４１と、試料台４上の他方の側の表面に対して斜め上方向に設けられた検出光学系４２と、分光器４３と、検出器４４とを有している。
【００４６】
入射光学系４１は、例えば１９０〜８３０ｎｍの広い波長領域の光を発する例えばキセノンランプからなる白色光源４５と、シャッタ４６と、白色光源４５から発せられる光を絞るためのスリット４７と、ビーム縮小光学系４８と、偏光子４９とから構成される。なお、ビーム縮小光学系４８は例えば２枚の凹面鏡４８ａ，４８ｂからなる。
【００４７】
他方、検出光学系４２は、ウェハ３の表面の測定点Ｐに偏光光Ｌ3 を照射したときに反射した偏光光Ｌ4を分光器４３に入射させるもので、位相変調素子５０と、検光子５１と、２つの凹面鏡５２ａ，５２ｂからなるビーム縮小光学系５２と、分光器４３への信号取出し用の光ファイバ５３を備えると共に、ビーム縮小光学系５２と光ファイバ５３との間にピンホール部５４が設けられている。
【００４８】
前記ピンホール部５４は、例えばステッピングモータ５５の回転軸５５ａに取り付けられた円板５６の同一円周上に複数の互いにサイズ（径）の異なるピンホール５７を適宜の間隔をおいて開設してなるものである。したがって、図５に示しているように、いずれかのピンホール５７がビーム縮小光学系５２と光ファイバ５３を結ぶ光路上に位置しているときにのみ、ビーム縮小光学系５２を出射した光がピンホール５７を介して光ファイバ５３に入射する。
【００４９】
そして、エリプソメータ光学系４０の分光器４３に入射されたウェハ３からの反射光は、波長毎に検出器４４によって強度検出されてコンピュータ６０にスペクトルとして取り込まれる。コンピュータ６０には、予め格納されているスペクトルと膜厚との関係あるいはスペクトルと屈折率との関係に基づいて、ウェハ３より測定されたスペクトルデータから測定点Ｐの膜厚あるいは屈折率を算出する制御プログラムＰａが組み込まれている。
【００５０】
なお、第２実施例に係る基板検査装置１’におけるその他の構成、すなわち、ラマン分光光学系２０の構成は、第１実施例で説明したものと同一であるため、該当部分、該当部位にそれぞれ同一の符号を付して、それらの詳しい説明を省略する。
【００５１】
上記した第２実施例に係る基板検査装置１’によれば、ラマン分光光学系２０による歪みシリコン層３Ｄ及びＳｉＧｅ層３Ｃの応力δ1 ，δ2 の測定と同時に、エリプソメータ光学系４０による膜厚や屈折率を高精度に測定することが可能であり、これによって、近年の半導体デバイスの製造に多く採用されている歪みシリコンを用いた半導体基板を測定対象とする場合、その歪みシリコン層３Ｄ及びその下地層であるＳｉＧｅ層３Ｃの内部応力、さらにはＳｉＧｅ層３ＣのＧｅ含有量などの各種物理量を確実に測定して高精度な基板検査を行うことができる。
【００５２】
ただし、本発明は、歪みシリコンを用いた半導体材料（基板）の歪みシリコン層３Ｄ及びその下地のＳｉＧｅ層３Ｃの応力測定を課題とするものであるから、第２実施例におけるエリプソメータ光学系４０は省略した第１実施例のもので十分に課題を解決し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明に係る半導体材料の応力測定方法を実施するための第１実施例に係る基板検査装置の全体構成を概略的に示す平面図である。
【図２】第１実施例に係る基板検査装置の主要部である応力測定装置の構成を示す図である。
【図３】測定対象となる歪みシリコンを用いた半導体材料の断面構造図である。
【図４】半導体材料のラマンスペククトル測定時における各層の波長とスペクトル強度との関係を示す図である。
【図５】本発明の第２実施例に係る基板検査装置の主要部である応力測定装置の構成を示す図である。
【図６】歪みシリコンを用いた半導体材料に侵入深さの大きい波長のレーザ光源で発生される励起光を照射したときに得られる各層の波長とラマンスペクトル強度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１，１’  基板検査装置
３    ウェハ（測定対象である歪みシリコンを用いた半導体材料）
３Ａ  単結晶シリコン基板
３Ｂ  ＳｉＯ2 層
３Ｃ  ＳｉＧｅ層（シリコンゲルマニウム層）
３Ｄ  歪みシリコン層
４    試料台
１０  光学顕微鏡
２０  ラマン分光光学系
２８，２８ａ，２８ｂ，…，２８ｎ  レーザ光源
６０  コンピュータ（演算手段）
Ｐ  測定点
Ｘ，Ｙ  水平方向
Ｚ    高さ方向
【図１】
2006073866.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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