(57)【要約】【課題】  今後、半導体プロセスでは、ＳｉＧｅ基板等のひずみを導入してトランジスタの特性を向上させるひずみシリコン技術が主流になる。目標の特性を得るために、導入したひずみ量を一定の範囲に保つためのプロセス上の管理・測定が不可欠になる。さらに半導体の微細化に伴い、ひずみが導入される領域は、たとえば数μｍ-１００ｎｍ以下の微小なポリシリコン電極幅と同じ領域でのモニターが必要となる。また、電気的特性との相関を調べるため、パターン付ウエハやトランジスタ上に種々の膜や配線層を堆積した完成状態での測定が必要である。【解決手段】  ＦＩＢ装置へ、電子分光光学系と信号処理装置を搭載することによって、半導体装置のシリコン基板をＦＩＢにて、ＢＯＸ加工して露出させたシリコン断面や表面の応力やひずみを電子分光学的手法で測定し、応力やひずみを定量的に測定する方法を用いる。【選択図】図１
2008130661.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷を発生させるイオン源と、前記イオン源から発生したイオンの経路を制御する電磁レンズあるいは静電レンズからなるイオン光学系とを具備してなり、測定の対象とする半導体試料上で前記イオンを走査して得られる信号により生成した画像を用いて、前記半導体試料を選択的に所望の形状に加工するＦＩＢ（Focused Ion Beam）装置と、
前記所望の形状に加工された前記半導体試料に対して照射するための電子線を発生する電子源と、前記電子源から発生された電子線を単色化するための第１のモノクロメータと、単色化された電子線を前記半導体試料に照射し、前記半導体試料から反射された前記電子線の反射電子線を単色化し分光する第２のモノクロメータと、該分光光を検出する電子検出器を具備してなる電子分光光学系と、
前記ＦＩＢ装置並びに前記電子分光光学系を制御する信号の送受信を行なう信号処理装置とを有し、
前記所望の形状に加工された前記半導体試料の断面が露出した領域で、ひずみ量を測定すべき領域に向けて前記電子線を入射させ、前記入射させる入射電子線のエネルギーおよび前記領域で反射する反射電子線のエネルギーを前記電子検出器により検出し、前記各エネルギーに基づいて、前記ひずみ量を算出する手段を有することを特徴とする半導体装置用応力測定装置。
【請求項２】
前記ひずみ量は、下記の式で示すエネルギーの差分（ΔＥ1-2）より算出されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置用応力測定装置。
式：ΔＥ1-2＝ΔＥ１−ΔＥ２
（ここで、ΔＥ１＝Ｅ0−Ｅ1、ΔＥ２＝Ｅ0−Ｅ1'であって、Ｅ0、Ｅ1およびＥ1'は、それぞれ、半導体試料表面で反射した電子であってエネルギーの変化しない弾性散乱電子が有する電子のエネルギー、第１の歪み量を有する試料表面で反射した電子であって前記半導体試料の振動状態と相互作用してエネルギーの変化した非弾性散乱電子が有する電子のエネルギー、および第２の歪み量を有する試料表面で反射した電子であって前記半導体試料の振動状態と相互作用してエネルギーの変化した非弾性散乱電子が有する電子のエネルギーを示す。）
【請求項３】
前記イオン源は、ＧａまたはＡｒイオン源であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置用応力測定装置。
【請求項４】
前記入射電子線のエネルギーは、数から数１０ｅＶの範囲にあることを特徴とする請求項１記載の半導体装置用応力測定装置。
【請求項５】
前記半導体試料は、シリコン基板を具備してなり、前記シリコン基板上に配線パターンが形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置用応力測定装置。
【請求項６】
前記入射電子線は、変調素子を介して前記半導体試料に間欠的に照射されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置用応力測定装置。
【請求項７】
パルス波発生回路電源を有し、
前記パルス波発生回路電源から、パルス状電子波を前記半導体試料に照射することを特徴とする請求項１記載の半導体装置用応力測定装置。
【請求項８】
半導体基板に選択的にひずみ層を導入する工程と、
測定の対象とする半導体基板をＦＩＢ（Focused Ion Beam）装置を用いて、選択的に所望の形状に加工する工程と、
前記所望の形状に加工を行なったチャンバー内で、外気に曝すことなく、前記所望の形状に加工された前記半導体基板に対して第１のモノクロメータを介して単色化した電子線を照射する工程と、
前記半導体基板から反射された前記電子線の反射電子線を第２のモノクロメータを通して単色化し分光する工程と、
該分光光を電子線検出器を用いて検出する工程と、を備え、
前記ボックス加工された前記半導体基板に対して入射する入射電子線のエネルギーおよび前記反射電子線のエネルギーを前記電子検出器により検出し、前記各エネルギーの差分に基づいて、前記半導体基板が有するひずみ量を算出する工程を有することを特徴とする半導体装置用応力測定方法。
【請求項９】
前記半導体基板は、シリコン基板を具備してなることを特徴とする請求項８記載の半導体装置用応力測定方法。
【請求項１０】
前記半導体基板を加工処理する製造プロセスの途中工程において、
前記所望の形状に加工された半導体基板の凹み領域を、酸化膜等の絶縁膜等で埋め戻して前記半導体基板を前記形成プロセスの次工程へ継続投入することを特徴とする請求項９記載の応力測定方法。
【請求項１１】
前記埋め戻しは、有機系のＴＥＯＳ原料ガスを供給し、電子線アシストまたはＦＩＢのイオンビームアシストを用いて、前記半導体基板の表面上にて反応させて、ＴＥＯＳ酸化膜を形成して前記所望の形状に加工された断面を選択的に埋め込むことを特徴とする請求項１０記載の半導体装置用応力測定方法。
【請求項１２】
前記所望の形状に加工は、前記ＦＩＢにて測定対象のひずみ層を含む、おおよそ数１００-数１０ｎｍの矩形エリアを所望の形状に加工して、前記ひずみ層を露出し、該ひずみ層の上方に存在するシリコン層を除去して数０ｎｍから１０ｎｍまでの高さを露出させることを特徴とする請求項８記載の半導体装置用応力測定方法。
【請求項１３】
前記半導体基板を加工処理する製造プロセスの途中工程において、
前記半導体基板上に形成されたチップ内の特定位置を、前記ＦＩＢを用いて所望の形状に加工して、前記半導体基板の断面を露出させ、測定対象のひずみ層のひずみ量を算出することを特徴とする請求項８記載の半導体装置用応力測定方法。
【請求項１４】
前記半導体基板を加工処理する製造プロセスの途中工程において、
前記半導体基板上の所定の複数箇所を、前記ＦＩＢを用いて所望の形状に加工し、前記半導体基板の断面を露出させ、測定対象のひずみ層のひずみ量を算出し、前記半導体基板全体のひずみ量分布を算出することを特徴とする請求項８記載の半導体装置用応力測定方法。
【請求項１５】
前記半導体基板を加工処理する製造プロセスにおいて、
前記半導体基板の配線工程の完了後に、前記半導体基板上の所定の複数箇所を、前記ＦＩＢを用いて所望の形状に加工し、前記配線工程の完了後の半導体基板の断面を露出させ、測定対象のひずみ層のひずみ量を算出することを特徴とする請求項８記載の半導体装置用応力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置における応力測定装置およびその応力測定方法に係り、例えば、半導体製造プロセスにおいて、シリコン基板中の微小領域におけるひずみ・応力を測定する測定装置およびその応力測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
今後、半導体プロセスでのシリコン基板の微小領域に、選択的に積極的にひずみを導入してトランジスタの特性を向上させるひずみシリコン技術が主流になる。このひずみ量とトランジスタの特性には対応があるため、この特性を保持するために導入したひずみ量を一定の範囲に保つためのプロセス上の管理・測定が不可欠になる。従来の方法では、一般的にシリコン基板の応力やひずみを測る技術として光学的方法を用いる。パターンなしのブランケットウエハのそり量を計測して、シリコン基板内部の応力・ひずみ量を換算する方法である。この方法で比較的容易にウエハ内の平面的なマクロな応力・ひずみ分布は得られる。しかし、パターン付ウエハや微小領域の応力・ひずみを測定する方法はなかった。
【０００３】
さらに半導体の微細化に伴い、目的の測定領域はゲート電極のポリシリコン電極幅と同程度のレンジである、数μｍから１０ｎｍ以下の微小な領域の応力やひずみの測定することはできなかった。また、パターン付ウエハやトランジスタ上に種々の膜や配線層を堆積した状態では、内部に存在するひずみ層のウエハ表面からの測定も困難である。
【０００４】
一方、ホトレジストプロセスを使って、プラズマエッチングにより断面をエッチングして測定する方法等も提案されている（非特許文献１を参照）が、ホトレジストマスクを用いるため、固定された場所のみの開口が可能であり、任意の場所を開口できないという問題もある。さらにレジスト塗布、感光、現像、エッチング工程等の追加プロセスが必要である等の問題があった。さらに、近年、ラマン散乱等の光学的な方法で断面部分を測定する方法も提案されているが、分解能が波長レベルの数１００ｎｍまでしか、原理上向上できない（特許文献１を参照）。
【０００５】
【非特許文献１】“Electron Energy Loss Spectroscopy and Surface Vibrations”, H.Ibach, D.L.Mills, 1982, ACADEMIC  PRESS  pp.63-126
【特許文献１】特開２００６−９０７１５号公報（特願2004-272875）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
今後、半導体プロセスではトランジスタの特性を向上させるひずみシリコン技術が主流になる（例えば、日経マイクロデバイス２００５年５月号５６-６１頁を参照）。この技術を用いると、シリコン基板にひずみを導入して電子やホールのキャリアの移動度を向上させることによって、ＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン間の電流密度Ｉｄｓを向上できる。このとき、ひずみ量とトランジスタの特性のＩｄｓやＧｍ（相互コンダクタンス）は対応していることがわかっている。
【０００７】
一方、形成プロセスは、Ｇｅを数％の濃度のオーダでＳｉ基盤中に拡散させ、ＳｉＧｅ層を形成し、さらにその上にひずみが導入されたＳｉ層を形成するＳｉＧｅプロセスを用いる。他方、ゲート電極上に内部応力の大きいプラズマ窒化膜を堆積させて、選択的に、ゲート電極直下のシリコン層にひずみを導入するプロセスもある。目標のトランジスタ特性を得るために、導入したひずみ量を一定の範囲に保つためのプロセス上の管理・測定が不可欠になる。
【０００８】
さらに半導体の微細化に伴い、ひずみが導入される領域は、たとえば１００-１０ｎｍ以下の微小なポリシリコン電極幅と同じ領域である。さらに、微小領域での分布もモニターする必要がある。プロセス安定のため一定の頻度でのＱＣが必要である。また、電気的特性との相関を調べるため、パターン付ウエハやトランジスタ上に種々の膜や配線層を堆積した完成状態での測定が必要である。一方、光学的な方法で測定する方法も提案されているが、光学原理上、空間分解能を概４００−７００ｎｍ程度の波長レベルまでしか向上できないため、数μｍ-１０ｎｍ以下の微小な領域の応力やひずみの測定することはできなかった。
そこで、本発明の目的は、半導体プロセスにおいてトランジスタ特性を向上させる目的でシリコン基板に導入したシリコンひずみを微小領域において定量的に測定できる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、上記目的である数１００ｎｍ程度の微小領域でのひずみ量測定を達成するために、以下の手段を用いた。すなわち、試料上でイオンを走査して得られる信号により構成した画像を用いて半導体基板を加工するＦＩＢ装置へ、単色化可能な電子線用モノクロメータを含む電子線照射系と電子分光光学系および電子検出器、信号処理装置を搭載する装置を用いて、半導体装置の半導体基板を、ＦＩＢにて、任意の高精度に移動できるステージ上にウエハを設置した状態で半導体基板を加工する。その後、露出させた半導体断面や表面へ、電子線モノクロメータ等を使用してエネルギー的に単色化した比較的低速の電子線を半導体基板に照射する。さらに半導体基板から反射または散乱した低速の電子線のエネルギーを電子線モノクロメータ等を使用し、そのエネルギーのシフト量から応力やひずみを定量的に測定する方法を用いる。電子線の波長は短く、可視から紫外の数１００ｎｍ程度の波長のレーザー光源を多用する光学式より、はるかに小さい数ｎｍ程度の空間分解能で、数μｍ-１０ｎｍ以下の微小な領域の応力やひずみを定量的に測定することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、半導体プロセスにおいてトランジスタ特性を向上させる目的で半導体基板に導入した半導体ひずみを微小領域において定量的に測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、ウエハサイズの処理を可能としたＦＩＢ装置に電子線照射部と電子分光光学系を搭載した微小領域応力測定装置図である。微小領域応力測定装置１は、試料移動ステージ２に載置したウエハ３に対してＦＩＢ４を照射するＦＩＢ照射光学系５、ＦＩＢ４の照射部から発生する二次電子や二次イオン等二次粒子を検出する二次粒子検出器６、ＦＩＢ照射領域にＦＩＢＡＤ膜を形成するために必要なガスを供給するガス供給手段７を備える。ガス供給手段７はガス照射部が口径５０μｍ程度のノズル８を有しており、ＦＩＢ照射部に限定してガス供給手段７よりガスを供給することができる。
【００１３】
ここで用いたウエハ３は直径３００ｍｍのシリコンウェーハであり、試料室内で移動可能な試料移動ステージ２に着脱できるウエハホルダ１０に載置されている。プローブ１１は、ＦＩＢによってウエハを加工しＴＥＭ試料となる微細試料を摘出する手段であり、プローブ微動機構１２によって試料室内で少なくとも３軸（垂直、ＦＩＢの走査方向に平行と直交方向）に移動できる。微小試料固定具１３は母試料（ウエハ）３から摘出した微小試料を固定する部材で、この微小試料固定具１３を微小試料固定具ホールダ１４に搭載して、必要に応じて傾斜させることができる。ウエハホルダ１０には、ウエハ３以外に、微小試料固定具１３を設置する微小試料固定具ホルダ１４と、移設用の微細薄膜又はこの微細薄膜を切除できる薄膜部材を保持する薄膜ホルダが搭載される。微小試料固定具ホルダ１４はホルダデッキ上に搭載されている。本実施例では５個搭載されており、ホルダデッキは直結された小型モータないし傾斜機構１６によって傾斜でき、実質的に微小試料を傾斜させることができる。この構造により、摘出した微小試料の加工面をＦＩＢもしくはＳＥＭで観察したり、加工面をさらに自在に加工したりすることができる。微小試料固定具ホルダ１４には微小試料固定具１３が一個、もしくは複数個搭載でき、さらに、各微小試料固定具１３にも複数の微小試料が固定できるため、具体的数値として、各微小試料固定具１３には５個ずつの微小試料が固定されていて、この微小試料固定具１３を搭載した微小試料固定具ホルダ１４が５個、ホルダデッキに設置されていて、ホルダデッキ１５の１度のローディングにより、２５個の微小試料を摘出、加工を行なうことができる。
【００１４】
ウエハ３の表面や加工断面はＳＥＭ光学系によって観察しＳＥＭ像を表示手段１７に表示できる。ここで装置ベース２６上には、他に各部の制御のための中央制御装置２４と連結されたＳＥＭ制御装置１８、プローブ制御装置１９、ＦＩＢ制御装置２０、ガス供給制御装置２１、二次電子検出制御装置２２、ステージ制御装置２３によって行われる。中央制御装置２４は、各機構系を移動させるなどの命令を下す機能、及び各部からのデータを集積し、演算や記憶を行なう機能を有している。励起用の電子源５１、入射電子用モノクロメータ９、反射電子用モノクロメータ１５、電子を電気信号に変換するための電子管、電気信号をデータ処理するための電子分光系制御装置２９を有する。
【００１５】
図２は、ＦＩＢ装置で切り出した断面のシリコン表面のひずみ量を測定する電子光学系の例である。図１に示したウエハサイズの処理を可能としたＦＩＢ装置に電子線照射部と電子分光光学系を搭載した微小領域応力測定装置１を用いて測定するサンプルの詳細について説明する。ここでのサンプル構造４６はポリシリコン電極３６の加工後を想定しているが他の任意の工程で作成したサンプルも測定可能である。Ｏ３ＴＥＯＳ酸化膜などの絶縁膜を埋め込んだＳＧＩ（Shallow  Grove  Isolation）パターン３９でトランジスタの素子分離されたシリコン領域３２内に、例えば低圧エピタキシャル法で作成した膜厚１００ｎｍ程度ＳｉＧｅ層３４上に膜厚１０ｎｍ程度ひずみシリコン層３３が形成されている。このひずみシリコン層３３のひずみ量を測定することが必要である。その周りには複数回にわたり種類の異なる元素イオン打込みで形成された拡散層（ソースあるいはドレイン層）３８がある。ひずみシリコン層３３上に膜厚２００ｎｍ幅５０ｎｍ程度のポリシリコン電極３６が形成されている。図中省略したが、プロセス上は、ポリシリコン電極３６側面にはＬＤＤ構造や拡散層３８を含む上層には酸化膜からなる層間絶縁膜が形成されている。
【００１６】
電子源５１から発生した電子は入射電子用モノクロメータ９を経て単色化される。外部から設定可能なエネルギー値の数から数１０ｅＶの入射電子線３０は、設定可能な入射角で、測定対象のひずみシリコン層３３の断面に入射する。反射した電子３１は、エネルギーの変化しない弾性散乱電子とエネルギーの変化した非弾性散乱電子をともなう。この非弾性散乱電子を、反射電子用モノクロメータ１５を通して分光して、電子管に入射する。この電子管で電流量に対応した電圧に変換して、電子分光系制御装置２９で測定・表示する。
【００１７】
図３に本発明での電子分光光学系の例を示す。図１に示したウエハサイズの処理を可能としたＦＩＢ装置に電子線照射部と電子分光光学系を搭載した微小領域応力測定装置１の分光光学系の一部について詳細に説明する。ＦＩＢで加工した試料断面に対し角度可変な、一対の円筒状の電子線用モノクロメータ９および１５よりなっている。それぞれ円筒状の電極間に直流電位を印加でき、外部制御系より印加電圧の走査が可能である。電子源５１から数から数１０ｅＶの入射電子線３０は、電位を設定できる円筒状電極の電子線用モノクロメータ９を通して、特定のエネルギー（Ｅ0）に単色化される。この電子は測定対象のＦＩＢ切り出し表面３５に入射する。表面で反射した電子には、エネルギーの変化しない（Ｅ0）弾性散乱電子３２と、基板の振動状態と相互作用して、エネルギーの変化した（Ｅ1）非弾性散乱電子３１をともなう。この非弾性散乱電子３１を、電位を走査できる円筒状電極の電子線用モノクロメータ１５を通して分光して検出器５２で検出する。このとき非弾性成分のスペクトル（ΔＥ1＝Ｅ0―Ｅ1）を得られる。反射電子３１の成分中にひずみシリコンに対応した非弾性成分（ΔＥ1-2＝ΔＥ１−ΔＥ２）が含まれる。ひずみがない場合にはΔＥ１ひずみの有の場合には、ΔＥ2である。これらから、ひずみに起因するシリコン結晶の共有結合の振動数シフト成分（ΔＥ1-2）が求められる。
【００１８】
図４に微小領域応力測定原理の概要を示す。図１に示した、ウエハサイズの処理を可能としたＦＩＢ装置に電子線照射部と電子分光光学系を搭載した微小領域応力測定装置図の測定原理について詳細に説明する。このひずみ量の測定は、以下による。図２で述べたように、モノクロメータ９を用いて単色化した電子線３０を照射して反射電子線３１をモノクロメータ１５を用いて分光し、それらの結果からΔＥ1-2を求め、ひずみ量を求める。任意の入射角で比較的低速のＥ0なるエネルギーを持つ入射電子３０がシリコン結晶表面に入射して、Ｅ0、Ｅ0−ΔＥのエネルギーを含む反射電子３１がシリコン結晶表面から反射する。このときシリコン結晶の共有結合の固有振動数に対応するエネルギーはΔＥである。シリコン結晶のひずみの有無で、シリコン共有結合の固有振動数が変化する。したがって、ひずみの有無で、このΔＥが変化する。
【００１９】
図５に微小領域応力測定した電子スペクトル例を示す。図１に示した、ウエハサイズの処理を可能としたＦＩＢ装置に電子線照射部と電子分光光学系を搭載した微小領域応力測定装置１を用いた実際のスペクトルの測定実施例について詳細に説明する。図２のようなサンプル構造４６の測定例である。測定対象部はひずみ層３３である。このひずみ量の測定は、以下による。図２で前述したように、モノクロメータ９を用いて単色化した電子線３０を照射して反射電子線３１をモノクロメータ１５を用いて分光し、それらの結果からΔＥ1-2を求め、ひずみ量を求める。ひずみ層３３のひずみはプロセス条件、例えば下地基板のシリコンへのゲルマニウム量を適量添加させることによって導入可能である。以下導入プロセス条件で作成したサンプルとひずみのないシリコン基盤部分を測定した結果である。グラフ横軸は、シリコン結晶での共有結合の振動数シフトの成分（ΔＥ）で単位は、例えばｍｅＶである。入射電子のエネルギーは損失されるので、右に行くほどエネルギーの絶対値は小さくなる。グラフ縦軸は任意スケールでの電子線強度である。グラフ中の白丸（○）は、ひずみのないサンプル例えば基板を測定したときのスペクトルである。このピークを（ΔＥ1）とする。黒丸（●）は、ひずみのあるサンプルを測定したときのスペクトルである。このピークを（ΔＥ2）とする。このエネルギーのシフト量（ΔＥ1-2）はひずみの有無に起因している。このシフト量ΔＥ1-2を測定することによって、ひずみシリコン層のひずみ量を知ることができる。
【００２０】
図６にシリコン基板のひずみ量のエネルギーシフト量依存性を示す。図１に示した、ウエハサイズの処理を可能としたＦＩＢ装置に電子線照射部と電子分光光学系を搭載した微小領域応力測定装置１を用いたひずみ量の測定方式について詳細に説明する。図２のようなサンプル構造４６の測定例であり、ひずみ層３３について測定する。このひずみ量の測定は、以下による。図２で前述したように、モノクロメータ９を用いて単色化した電子線３０を照射して反射電子線３１をモノクロメータ１５を用いて分光し、それらの結果からΔＥ1-2を求め、ひずみ量を求める。ひずみ層３３のひずみ量はプロセス条件、例えば下地基板のシリコンへのゲルマニウム量を変化させることによって調整可能である。以下種々のプロセス条件で作成したサンプルについて測定した結果である。グラフ横軸は、シリコン結晶での共有結合の振動数シフト量（ΔＥ1-2）で単位は、例えばｍｅＶである。グラフ縦軸は、任意スケールでのシリコンひずみ量（％）である。ここでは、ひずみ層３３の体積が減少する圧縮ひずみを想定している。圧縮ひずみ量が大きくなると格子間の距離が減少して固有振動数が大きくなる。逆に、ひずみ層３３の体積が増加する引っ張りひずみの場合には、ひずみ量が大きくなると格子間の距離が増加して固有振動数が小さくなる。シフト量（ΔＥ1-2）とひずみ量は比例関係にある。したがって、このシフト量（ΔＥ1-2）を測定することによって、ひずみシリコン層のひずみ量を知ることができる。
【実施例２】
【００２１】
図７にひずみをウエハ面内５点測定した場合の、シリコン基板のひずみ量のウエハ内分布を示す。ウエハ内のひずみ量の分布を知ることも、ウエハ全体の歩留を知るために必要である。図１に示した、ウエハサイズの処理を可能としたＦＩＢ装置に電子線照射部と電子分光光学系を搭載した微小領域応力測定装置１を用いたウエハ内分布の測定例について詳細に説明する。図２のようなサンプル構造４６の測定例であり、ひずみ層３３について測定する。ウエハ内の任意位置をＦＩＢでボックス加工して、サンプルのシリコン断面を露出させる。このひずみ量の測定は、以下による。図２で前述したように、モノクロメータ９を用いて単色化した電子線３０を照射して反射電子線３１をモノクロメータ１５を用いて分光し、それらの結果からΔＥ1-2を求め、ひずみ量を求める。グラフ横軸は、図中に示したウエハ内の特定の位置、グラフ縦軸は任意スケールでのひずみ量である。さらにウエハ内の位置を高精度で変化させて、これを繰り返すことによってウエハ内の分布を測定できる。
その結果、半導体装置の製造過程でＱＣができ、さらに、トランジスタの特性の目標を保て、均質な半導体装置を製造でき品質を保証できるという効果を持つ。
また、ＱＣ結果を製造プロセスにフィードバックすることによって、歩留を改善できるという効果を持つ。
【実施例３】
【００２２】
図８にひずみを５点測定した場合の、ひずみ量のチップ内分布を示す。図１に示した、ウエハサイズの処理を可能としたＦＩＢ装置に電子線照射部と電子分光光学系を搭載した微小領域応力測定装置１を用いたチップ内分布の測定例について詳細に説明する。チップ内ではそのパターンレイアウト（たとえば、ゲートパターン疎密差やゲート電極の長さ、幅、上層配線の構造等）に依存してひずみ量が変化する可能性があるため、任意の場所のひずみ量を測定する必要がある。図２のようなサンプル構造４６の測定例であり、ひずみ層３３について測定する。このひずみ量の測定は、以下による。チップ４７内の特定位置をＦＩＢでボックス加工して、断面を露出させ、このひずみ量を測る。図２で、前述したように、モノクロメータ９を用いて単色化した電子線３０を照射して反射電子線３１をモノクロメータ１５を用いて分光し、それらの結果からΔＥ1-2を求め、ひずみ量を求める。グラフ横軸は、図中チップ内の特定の位置、グラフ縦軸は任意スケールでのひずみ量である。さらに、ウエハ内のチップ４７内位置を高精度で変化させて、これを繰り返すことによってチップ４７内の分布を測定できる。
その結果、半導体装置の製造過程でＱＣができ、さらに、トランジスタの特性の目標を保て、均質な半導体装置を製造でき品質を保証できるという効果を持つ。
【実施例４】
【００２３】
図９にひずみを５点測定した場合の、ひずみ量の数１００から数１０ｎｍ程度の微小領域分布を示す。図１に示した、ウエハサイズの処理を可能としたＦＩＢ装置に電子線照射部と電子分光光学系を搭載した微小領域応力測定装置１を用いた微小領域分布分布の測定例について詳細に説明する。微小領域内の任意の位置での測定が可能である。微小領域であるひずみ層３３では、ひずみ量は均一とは限らず、そのパターンレイアウト（たとえば、疎密差やゲート電極の長さ、幅、上層配線の構造等）に依存してひずみが変化する可能性があるため、任意の場所のひずみ量を測定する必要がある。図２のようなサンプル構造４６の測定例であり、ひずみ層３３について測定する。チップ内の特定位置をＦＩＢでボックス加工して、断面を露出させ、ΔＥ1-2を測定することによって、ひずみシリコン層のひずみ量を知ることができる。このひずみ量の測定は、以下による。図２で、前述したように、モノクロメータ９を用いて単色化した電子線３０を照射して反射電子線３１をモノクロメータ１５を用いて分光し、それらの結果からΔＥ1-2を求め、ひずみ量を求める。グラフ横軸は、図中微小領域内の特定の位置、グラフ縦軸は任意スケールでのひずみ量である。
【００２４】
ここでは、ＦＩＢ像あるいはＳＥＭ像を観察しながら、ＸＹステージ上のウエハ位置を数１００から数１０ｎｍ程度の微小な範囲で変化させて、ΔＥ1-2測定することによって微小領域内の分布を測定できる。一方、ＸＹステージ上のウエハ位置を数１００から数１０ｎｍ程度の微小な範囲で連続的に変化させて、同時に測定すると連続的なひずみ量分布も測定できる。
【実施例５】
【００２５】
図１０に平面状にシリコン基板をボックス加工して、銅合金などのメタル合金等の多層配線等が積層されたシリコン表面から測定する例を示す。図１に示した、ウエハサイズの処理を可能としたＦＩＢ装置に電子線照射部と電子分光光学系を搭載した微小領域応力測定装置１を用いた平面状微小領域分布の測定例について詳細に説明する。微小領域であるひずみ層３３では、平面分布においてひずみ量は均一とは限らず、そのパターンレイアウト（たとえば、疎密差やゲート電極の長さ、幅、上層配線の構造等）に依存して平面分布においてひずみ量が変化する可能性があるため、任意の場所のひずみ量を測定する必要がある。ＦＩＢにて測定対象のひずみ層３３を含む、おおよそ数１００-数１０ｎｍの矩形エリアをボックス加工５０して、ひずみ層３３を露出あるいは測定目的のひずみ層３３の上方数０ｎｍから１０ｎｍ高さまで露出させる（図１０（a）、（ｂ））。光学系は、サンプル表面５８方向から入射電子３０を入射して、表面方向から反射電子３１を検出する。このひずみ量の測定は、以下による。図２で、前述したように、モノクロメータ９を用いて単色化した電子線３０を照射して反射電子線３１をモノクロメータ１５を用いて分光し、それらの結果からΔＥ1-2を求め、ひずみ量を求める。さらに、ＦＩＢ像を観察しながらウエハ位置を１０００ｎｍから数１０ｎｍ程度の微小な範囲で変化させて、ΔＥ測定することによってボックス加工５０微小領域内の平面分布を測定できる。また、ＸＹステージ上のウエハ位置を数１００から数１０ｎｍ程度の微小な範囲で連続的に変化させて、連続的に測定すると連続的なひずみ層３３のひずみ量の平面分布も測定できる。
【実施例６】
【００２６】
図１１に、測定後埋め戻すプロセスの実施例を示す。図１に示した、ウエハサイズの処理を可能としたＦＩＢ装置に電子線照射部と電子分光光学系を搭載した微小領域応力測定装置１の埋め戻しについて詳細に説明する。ＦＩＢでシリコン基板４１を、深さ数１０００から数１００ｎｍ程度にボックス加工する（図１１（a））。断面４０に含まれるひずみ層３３のひずみ量を測定する。このひずみ量の測定は、以下による。図２で、前述したように、モノクロメータ９を用いて単色化した電子線３０を照射して反射電子線３１をモノクロメータ１５を用いて分光し、それらの結果からΔＥ1-2を求め、ひずみ量を求める。シリコンひずみ測定後、ガス供給制御装置２１で有機系のＴＥＯＳ原料ガスをガス供給手段７より口径５０μｍ程度のノズル８の先端より目標の部分上方に供給して、電子線アシストやＦＩＢ４２のイオンビームアシストを用いて、シリコン基板表面上にて反応させて、ＴＥＯＳ酸化膜４４，４５等を形成して加工断面に選択的に埋め込む（図１１（b）（c））。他に埋め込む材料としては、タングステンなどの金属も選択できる。この方法によって、当該ウエハを廃棄することなく、ウエハを次工程へ流動することができる。
【実施例７】
【００２７】
図１２に、代表的な電子スペクトル測定回路図の実施例を示す。図１に示した、ウエハサイズの処理を可能としたＦＩＢ装置に電子線照射部と電子分光光学系を搭載した微小領域応力測定装置１の信号処理方式について詳細に説明する。このひずみ量の測定は、以下による。図２で、前述したように、モノクロメータ９を用いて単色化した電子線３０を照射して反射電子線３１をモノクロメータ１５を用いて分光し、それらの結果からΔＥ1-2を求め、ひずみ量を求める。ここで微小な信号を検出する目的でパルス変調方式を用いる。電子源５１から発振した入射電子３０は、変調素子５３を経て、間欠的に試料に照射される。この変調素子５３は電子シャッタ等である。これらのトリガ信号はロックインアンプ６０と連動している。一方反射電子３１は、分光器を経て検出器５２に入り電気的に増幅される。これらの電気的に増幅された電気信号は、ＡＤ変換等制御装置６１で処理される。例えば、変調素子５３がＯＮ（開）したときの反射電子強度とＯＦＦ（閉）したときのバックグランドスペクトル強度を引き算または割り算することによって、ノイズ成分を減少させることができる。または、パルス化によりバックグランドに対して強度を引き算または割り算等の演算処理することによって、ノイズ成分を減少させることができる。さらに、これらの信号や演算結果を記憶する記憶装置６２や表示装置５９も含まれる。
【実施例８】
【００２８】
図１３に、代表的な電子スペクトル測定回路図の実施例を示す。図１に示した、ウエハサイズの処理を可能としたＦＩＢ装置に電子線照射部と電子分光光学系を搭載した微小領域応力測定装置１の信号処理方式について詳細に説明する。このひずみ量の測定は、以下による。図２で、前述したように、モノクロメータ９を用いて単色化した電子線３０を照射して反射電子線３１をモノクロメータ１５を用いて分光し、それらの結果からΔＥ1-2を求め、ひずみ量を求める。
【００２９】
ここで、微小な信号を検出する目的でパルス変調方式を用いる。パルス波発生回路電源６３により電子源５１から発振した入射電子３０は、半値幅が、数μｓ〜数ｍｓのパルス状電子波にして、測定対象の試料表面に照射される。パルス波発生回路電源６３のトリガ信号はロックインアンプ６０と連動している。一方反射電子３１は、分光器を経て、検出器５２に入り電気的に増幅される。これらの増幅された電気信号は，ＡＤ変換等可能な制御装置６１で演算処理される。または、パルス化によりバックグランドに対してスペクトル強度を引き算または割り算等の演算処理することによって、ノイズ成分を減少させることができ、さらに微小な領域の測定ができる。さらに、これらの信号や演算結果を記憶する記憶装置６２や表示装置５９も含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】ウエハサイズのひずみ測定を可能とした微小領域応力測定装置を示す図である。
【図２】ＦＩＢ装置で切り出した断面のシリコン表面のひずみ量を測定する光学系の例を示す図である。
【図３】電子分光光学系を示す図である。
【図４】微小領域応力測定原理の概要を示す図である。
【図５】微小領域応力測定した電子スペクトル例を示す図である。
【図６】シリコン基板のひずみ量のエネルギーシフト量依存性を示す図である。
【図７】ひずみ量のウエハ内分布測定例を示す図である。
【図８】ひずみ量のチップ内分布測定例を示す図である。
【図９】ひずみ量の微小領域分布測定例を示す図である。
【図１０】平面状サンプルでの測定方法の実施例を示す図である。
【図１１】埋め戻すプロセスの実施例を示す図である。
【図１２】電子シャッタ変調を用いた測定回路図である。
【図１３】パルス変調を用いた測定回路図である。
【符号の説明】
【００３１】
1…微小領域応力測定装置、
2…試料移動ステージ、
3…母試料（ウエハ）、
4…ＦＩＢ、
5…ＦＩＢ照射光学系、
6…２次粒子検出器、
7…ガス供給手段、
8…ノズル、
9… 入射電子用モノクロメータ、
10…ウエハホルダ、
11…プローブ、
12…プローブ微動機構、
13…微小試料固定具、
14…微小試料固定具ホルダ、
15…反射電子用モノクロメータ、
16…小型モータないし傾斜機構、
17…表示手段、
18…ＳＥＭ制御装置、
19…プローブ制御装置、
20…ＦＩＢ制御装置、
21…ガス供給制御装置、
22…２次電子検出制御装置、
23…ステージ制御装置、
24…中央制御装置、
25…ＧＮＤ(接地)、
26…装置ベース、
27…制御用電源1、
28…制御用電源2、
29…分光系制御装置、
30…入射電子、
31…反射電子、
32…シリコン基板、
33…ひずみシリコン層、
34…シリコンゲルマニウム層、
35…ＦＩＢ切出し表面、
36…ポリシリコン層（ゲート電極）、
37…酸化膜スペーサ、
38…拡散層、
39…ＳＧＩ層、
40…切出し断面、
41…シリコン基板、
42…ＦＩＢ、
43…ガスノズル、
44…埋め込み酸化膜、
45…酸化膜、
46…サンプル構造、
47…チップ、
48…層間絶縁膜、
49…シリコン基板、
50…平面状ボックス加工部、
51…入射電子源、
52…反射電子検出器、
53…変調素子、
58…サンプル表面、
59…表示装置、
60…ロックインアンプ、
61…制御装置、
62…記憶装置、
63…パルス波発生回路電源。
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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