(57)【要約】【課題】短時間に測定することができる、半導体シリコンウェーハ表面のステップ構造の測定方法を提供する。【解決手段】シリコン表面のステップ構造を測定する方法において、波長が１〜１０−１ｎｍの軟Ｘ線をシリコン表面に全反射条件で入射することで発生する回折線強度のピークシフト量（たとえば最大ピークのピークシフト量）を計測して、ステップ高さを求める。最大ピークのピークシフト量を計測する。軟Ｘ線は、波長が１〜１０−１ｎｍである。軟Ｘ線をシリコン表面に入射することで発生する回折線強度の最大ピークのピークシフト量を計測して、その値を所定の式（たとえば実験式）に代入して、ステップの高さを求める。測定可能なステップ高さは、通例、０．３ｎｍから数ｕｍまでの範囲である。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン表面のステップ構造を測定する方法において、軟Ｘ線をシリコンの表面に全反射条件で入射することで発生する回折線強度のピークシフト量を計測して、ステップの高さを求めることを特徴とする、シリコン表面の測定方法。
【請求項２】
最大ピークのピークシフト量を計測することを特徴とする、請求項１に記載のシリコン表面の測定方法。
【請求項３】
軟Ｘ線は、波長が１〜１０−１ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載のシリコン表面の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン表面の測定方法、たとえば半導体素子の製造に使用される単結晶シリコンウェーハ表面のステップ構造の測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、単結晶シリコンウェーハ表面のステップ構造（テラス構造ともいう）を調べる手法としては、ＳＰＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）、ＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）などが知られている。
【０００３】
ＳＰＭは、走査型プローブ顕微鏡の略称であり、探針と試料表面との間に働く物理的相互作用を検出して試料の表面状態を測定する装置の総称である。この中には、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）およびＳＴＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）が含まれる。
【０００４】
ＳＴＭにおいては、先端が鋭く尖った金属の探針を導電性の試料表面の１ｎｍ程度まで近づけて、微小電圧を印加すると、トンネル効果によりトンネル電流が流れる。このトンネル電流は、探針と試料の間の距離の変化により指数関数的に変化する。
【０００５】
そのようなトンネル電流が一定になるように、Ｚ軸の圧電素子の電圧を制御しながら、探針と試料の距離を保ったまま、探針を走査させると、Ｚ軸に印加した電圧の変化から、試料の表面形状が測定できる。
【０００６】
シリコンは、反応性が高いため、表面に酸化膜が形成されやすく、また、不純物が表面に付着し易い。このため、シリコンは、酸化膜除去を含む表面処理が必要になる。
【０００７】
洗浄によって不純物を除去した後に、ＳＴＭでは、金属探針と試料表面との間に流れるトンネル電流を検出する。これに対して、ＡＦＭでは、洗浄によって不純物を除去した後に、カンチレバーと呼ばれる探針と試料表面を構成する原子間力（原子間反発力：ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗａｅｌｓ引力等）を検出する方式が用いられている。
【０００８】
原子間力の変化によるカンチレバーの変位の検出には、光てこ方式を用いることが多い。半導体レーザからの光は、カンチレバーで反射した後、上下２分割されたフォトダイオードに入射する。半導体レーザからの光を測定試料に走査させると、試料表面の形状によりカンチレバーに変位が生じ、上下２つのダイオードに入射する光量に差が現れる。これがフォトダイオードの信号変化となり、それに応じて、フィードバック制御により、Ｚ軸方向に圧電素子を伸縮させ、試料と探針間の距離を一定に制御する。この際に、Ｚ軸方向の圧電素子に印加した電圧から、表面形状を画像化する。
【０００９】
また、測定試料をセットした後、カンチレバー変位検出に用いられるレーザ光の光軸を調整する。探針と試料間の原子間力が検出されるまで、探針を試料表面に接近させ、試料と探針間の原子間力が設定値となるように調整した後に、測定を開始する。
【００１０】
測定モードとしては、探針の先端が試料表面にほぼ接触した状態で走査するコンタクトモードと、カンチレバーを共振周波数近傍で大きく加振（振幅は２０ｎｍから１００ｎｍ）することによって加振サイクル後に試料表面に接触させながら走査するモードがある。
【００１１】
一方、ＴＥＭは、透過型の電子顕微鏡を用いるものである。高面分解能評価としては、断面ＴＥＭ法が広く利用されている。これは、断面方向から表面構造を原子像で観察するもので、原子配列の乱れを直視的に評価することができる。
【００１２】
特許文献１、特許文献２は、単結晶基板の凹凸の測定方法として、入射Ｘ線を、被測定試料である単結晶基板の表面に全反射の臨界角（θｃ）で入射させた後  、入射Ｘ線波長を調整して該単結晶基板の表面から回折Ｘ線を取り出し、次いで入射Ｘ線の入射角θｃ＋△θにおける前記回折Ｘ線の回折強度を△θを変化させ  て測定し、△θと回折Ｘ線の回折強度との関係から単結晶基板の凹凸を測定する方法を示している。この方法で使用する回折強度曲線には、１つのピークが含まれているにすぎない。
【００１３】
【特許文献１】特開平６−２０１６１５号公報
【００１４】
【特許文献２】特許第２５８０９４３号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ＳＰＭとＴＥＭのいずれの方法においても、試料を観察するまでに、洗浄などの表面処理やサンプル加工をしなければならない。そのため、段取りに多くの時間が取られる。
【００１６】
また、シリコンウェーハの面内分布をモニターするには、莫大な時間と労力が必要になる。
【００１７】
本発明の目的は、短時間に測定することができる、シリコン表面の測定方法を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決手段を例示すると、次のとおりである。
【００１９】
（１）シリコン表面のステップ構造を測定する方法において、軟Ｘ線をシリコンの表面に全反射条件で入射することで発生する回折線強度のピークシフト量を計測して、ステップの高さを求めることを特徴とする、シリコン表面の測定方法。
【００２０】
（２）最大ピークのピークシフト量を計測することを特徴とする、前述のシリコン表面の測定方法。
【００２１】
（３）軟Ｘ線は、波長が１〜１０−１ｎｍであることを特徴とする前述のシリコン表面の測定方法。
【００２２】
【発明の実施の形態】
軟Ｘ線をシリコンウェーハ表面に全反射条件で入射し、回折線強度のピークシフト量を測定する。それによりステップの高さを同定する。
【００２３】
軟Ｘ線は、波長が１から１０−１ｎｍのものを使用し、この軟Ｘ線をシリコンウェーハの表面に全反射条件で入射する。
【００２４】
好ましくは、このように軟Ｘ線をシリコン表面に入射することで発生する回折線強度の最大ピークのピークシフト量を計測して、その値を所定の式（たとえば実験式）に代入して、ステップの高さを求める。
【００２５】
測定可能なステップ高さは、通例、０．３ｎｍから数ｕｍまでの範囲である。
【００２６】
測定可能なシリコンウェーハの種類としては、表面にステップ構造（テラス構造ともいう）が形成されているウェーハの全てである。例えば、エピタキシャル成長させたウェーハや、高温アニールされたウェーハが最適な例である。
【００２７】
また、ウェーハの方位としては、（１００）、（１１０）、（１１１）が最適である。
【００２８】
好ましくは、軟Ｘ線をシリコンウェーハ上に全反射条件で入射させることによってシリコンウェーハ表面で散乱した反射Ｘ線の回折線を計測して、ロッキング曲線を得る。
【００２９】
また、スキャン測定によって得られた反射Ｘ線の回折線強度のピークとピークの間隔（たとえば最大ピークの間隔）つまりピークシフト量を調べることで、ステップの高さを求める。
【００３０】
原理的には、格子回折現象は、薄膜や単結晶格子で見られる現象であるが、この格子回折現象は、表面の凹凸が規則正しく並んでいるステップ構造でも発生する。
【００３１】
本発明者の知見によれば、ごく短い波長のＸ線をシリコン表面に全反射条件で入射することで、ステップ端で回折現象が発生する。このため、全反射角からずれた位置で、Ｘ線強度の高い部分が発生する。これが、回折線である。
【００３２】
本発明者は、回折線のピーク位置がステップ高さに応じてシフトすることを発見した。本発明は、この点に着目したものである。
【００３３】
ステップ高さの求め方は、たとえば最大のピークからピークへのピークシフト量を計測して、次式（実験式）によって簡単に求めることができる。
【００３４】
Ｙ＝０．２６０５＊ｌｎ（Ｘ）＋０．８６６５  ・・・（１）
ここで、Ｙはステップ高さ、Ｘはピークシフト量である。＊印は  実験により求められた常数である。
【００３５】
【実施例】
測定用のサンプルとして、方位（１００）のシリコン単結晶の切り角を実験的に変えたサンプルを用意し、そのようなサンプルの表面に単結晶シリコンのエピタキシャル成長あるいは高温熱処理（アニール処理）を加え、ステップ構造を作りこんだ。
【００３６】
図１は、そのようなステップ構造の１例を示す。ステップ構造においては、図１に示すように、表面の凹凸が規則正しく並んでいる。
【００３７】
図５は、方位（１００）、（１１０）、（１１１）におけるステップ構造を示す模式図である。
【００３８】
図２に例示するように、ステップ幅は、切り角を変えることにより制御することができる。
【００３９】
図２において、「Ｅｐｉ  Ｗａｆｅｒｓ」は、エピタキシャル成長させた半導体ウェーハを示す。「Ａｎｎｅａｌｅｄ  Ｗａｆｅｒｓ」は、高温アニール処理された半導体ウェーハを示  す。
【００４０】
図２の実験例では、任意に切り角を変え、本発明による測定を行い、干渉点のピークとピーク（とくに最大のピークとピーク）の距離を測り、実際のステップ幅と比較してみた。ステップ幅は４種類のサンプルで測定した。
【００４１】
図３は、図２の実験例で実際に得られた結果を示す。
【００４２】
これらのサンプルについてＡＦＭでステップ高さを測定したところ、図３中の丸印の位置に存在した。その結果、ステップ高さは、ほぼ計算値に近い値を取ることが分かった。
【００４３】
図３において、４つのサンプルの丸印を左側から右側にみていくと、第１〜４のサンプルのピークシフト量とステップ高さの関係は、次のとおりである。
【００４４】
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図４においては、各サンプルのピークシフト量には、マイナスが付いており、それぞれ「−０．１」、「−０．３」、「−０．８」、「−１．５」と記されている。
【００４５】
図３と図４より明らかなように、第一ピークと第二ピークの差を読み取り、前掲の式（１）にピークシフト量を入力して算出してみると、ステップ高さは、ほぼ図３の実線の曲線上にあることが分かった。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、測定時間を短縮できる。
【００４７】
本発明によれば、サンプルを加工せずに、ステップの高さを求めることができる。
【００４８】
本発明によれば、シリコンウェーハ表面の洗浄処理をせずに、ステップ高さを求めることができる。
【００４９】
また、移動ステージを設定すると、シリコンウェーハの面内のステップ高さを簡単に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】シリコン表面のステップ構造のＡＦＭ観察の一例を示す。図１において、左右とも同じスケ−ルで、２×２μｍ２の観察視野である。
【図２】きり角によるステップ幅の変化を示す。
【図３】ピークシフト量とステップ幅との関係を示す。
【図４】４つのサンプルにおける照射角とＸ線回折線強度の関係を示すグラフ。
【図５】いろいろな方位におけるステップ構造の例を示す模式図。
【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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