(57)【要約】【課題】非晶質シリコンおよびその化合物薄膜の微少領域における応力ならびに応力分布を、非破壊でかつ容易に評価する。【解決手段】本発明の応力評価方法によれば、基板１上の非晶質シリコンおよびその化合物薄膜２の応力評価において、光源としてレーザーを用い、フォトルミネッセンススペクトルを計測し解析することにより、膜の応力、特に微小領域の応力、および応力分布を評価する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された非晶質シリコンおよびその化合物薄膜の応力評価において、
光源としてレーザーを用い、フォトルミネッセンススペクトルを計測し解析することにより、膜の応力または応力分布を評価するようにした応力評価方法。
【請求項２】
前記非晶質シリコンおよびその化合物薄膜が、水素化非晶質シリコンおよびその化合物薄膜である請求項１に記載の応力評価方法。
【請求項３】
前記非晶質シリコンの化合物薄膜が、非晶質窒化シリコン薄膜または水素化非晶質窒化シリコン薄膜である請求項１または請求項２に記載の応力評価方法。
【請求項４】
前記基板を、単結晶シリコンまたは石英とした請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の応力評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非晶質シリコンおよびその化合物薄膜の応力評価方法に係り、更に詳しくは、例えば半導体デバイスにおける半導体層、抵抗層、ゲート絶縁膜、層間絶縁膜、パッシベーション膜として、あるいは、Ｘ線露光装置、荷電粒子線露光装置におけるマスク構成材料として用いられる非晶質シリコンおよびその化合物薄膜の応力評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体や金属からなる薄膜の作製技術および微細加工技術の発展を背景に、単結晶シリコンや化合物半導体を用いた集積回路、および非晶質半導体薄膜を用いたフラットパネルディスプレイデバイスや各種センサが、急速に普及している。
【０００３】
上述のような機能デバイスにおいて、例えば非晶質シリコン薄膜は半導体層や抵抗層として、また、非晶質窒化シリコン薄膜は、ゲート絶縁膜、層間絶縁膜として広く用いられている。
【０００４】
このような用途では、半導体特性、絶縁性、誘電性などの電気特性の他、異種材料との密着性の高さが必要とされる。この密着性は、界面の組成の他に、膜の応力が大きく影響を及ぼし、その応力が大きい場合、下地材料からの膜剥がれが発生する。これを防止するためには、素子毎の非晶質シリコン膜あるいは非晶質シリコン化合物膜の応力の計測とその制御が不可欠となる。
【０００５】
また、上述のような半導体素子の微細化が急速に進んでいる。半導体のプロセス技術においては、そのような微細パターンを有する素子の製造技術として、様々な露光技術が開発されている。その中で、サブμｍルールの露光技術として、電子やイオンなどを用いた荷電粒子線露光やＸ線露光が注目されている。
【０００６】
このような露光技術には、荷電粒子線またはＸ線を成形するためにマスクが用いられる。これらのマスクには、マスク材料あるいはメンブレンなどのマスクの構成材料として、あるいは応力調整用膜として、非晶質シリコン薄膜や、非晶質窒化シリコン薄膜、あるいは非晶質炭化シリコン薄膜などの非晶質シリコン化合物薄膜が用いられる。
【０００７】
この場合、非晶質シリコンあるいはその化合物薄膜の形態としては、自立膜として利用されることが多い。このような部材として非晶質シリコンあるいはその化合物薄膜を適用するためには、それらの膜の応力の計測とその制御が不可欠となる。
【０００８】
【非特許文献１】
「応用物理学選書  薄膜」（１２７頁〜１４６頁）、金原  粲、藤原  英夫著、株式会社裳華房発行（昭和５４年６月５日）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
膜の応力評価法としては、結晶性の膜では、Ｘ線あるいは電子線回折法やラマン分光法により、結晶格子の歪みを計測し応力を算出する方法が、例えば上記非特許文献１によって開示されている。しかしながら、実用化しているシリコンおよびその化合物薄膜は、通常、減圧化学気相成長法、または熱化学気相成長法、またはプラズマ化学気相成長法により成膜され、構造的には非晶質膜であり、それらは結晶性を持たないため上述の方法では応力の計測が不可能である。
【００１０】
一方、膜の結晶性に依らない評価方法として、基板の反りの変化量による評価法や、膜をメンブレン状態に加工しその変形量により評価するバルジ法が知られている。
【００１１】
しかしながら、基板の反りの変化量を見る評価法では、基板全体の応力の平均値しか評価することはできない。すなわち、微小領域の応力や面内の応力分布の評価は原理的に不可能である。
【００１２】
また、バルジ法では、微細加工技術を利用して膜メンブレン状に加工することでサブミリオーダーの領域の応力評価と加工できる範囲の応力分布評価が可能であるが、基板を加工する必要があり、非破壊による計測は不可能である。また、μｍオーダーの微小領域の評価や微細領域分割による応力分布評価は不可能である。
【００１３】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、非晶質シリコンおよびその化合物薄膜の微少領域における応力ならびに応力分布を、非破壊でかつ容易に評価することが可能な非晶質シリコンおよびその化合物薄膜の応力評価方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明では、以下のような手段を講じる。
【００１５】
すなわち、請求項１の発明の応力評価方法では、基板上に形成された非晶質シリコンおよびその化合物薄膜の応力評価において、光源としてレーザーを用い、フォトルミネッセンススペクトルを計測し解析することにより、膜の応力または応力分布を評価する。
【００１６】
従って、請求項１の発明の非晶質シリコンおよびその化合物薄膜の応力評価方法においては、以上のような手段を講じることにより、基板上に形成された膜の微少領域でのスペクトルを非破壊によって容易に得ることができる。また、光源であるレーザーあるいは被評価膜の基板を走査することにより、膜のスペクトル分布を容易に得ることが可能となる。
【００１７】
請求項２の発明では、請求項１に記載の応力評価方法において、非晶質シリコンおよびその化合物薄膜を、水素化非晶質シリコンおよびその化合物薄膜としている。
【００１８】
上述した請求項２の発明のように、非晶質シリコンおよびその化合物薄膜を、水素化非晶質シリコンおよびその化合物薄膜としている場合においては、シリコン−水素結合に起因する強度の大きなフォトルミネッセンスが得られるため、より高い精度で膜応力を評価することが可能となる。
【００１９】
請求項３の発明では、請求項１または請求項２に記載の応力評価方法において、非晶質シリコンの化合物薄膜を、非晶質窒化シリコン薄膜または水素化非晶質窒化シリコン薄膜としている。
【００２０】
上述した請求項３の発明のように、非晶質シリコンの化合物薄膜を、非晶質窒化シリコン薄膜または水素化非晶質窒化シリコン薄膜とした場合には、シリコン−窒素結合、または窒素−水素結合に起因する。特に２．０ｅＶ〜２．４ｅＶに明瞭かつ強度の高いピーク値を持つため、より高精度での膜応力の評価が可能となる。
【００２１】
請求項４の発明では、請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の応力評価方法において、基板を、単結晶シリコンまたは石英としている。
【００２２】
上述した請求項４の発明のように、基板を、単結晶シリコンまたは石英とした場合には、非晶質シリコンおよびその化合物薄膜のフォトルミネッセンススペクトルが得られるエネルギー領域の何れにおいても、フォトルミネッセンスが全くないため、高いＳ／Ｎ比が得られ、より高精度での膜応力評価が可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２４】
図１は、本発明の実施の形態に係る応力評価方法によって応力が評価される非晶質シリコンの一例を示す立面図である。
【００２５】
すなわち本発明の実施の形態に係る応力評価方法は、基板１上の非晶質シリコンおよびその化合物薄膜２の応力評価において、光源としてレーザーを用い、フォトルミネッセンススペクトルを計測し解析することにより、膜２の応力、特には微小領域の応力、または応力分布を評価する。
【００２６】
これは、非晶質シリコンおよび非晶質シリコン化合物が１．５ｅＶから２．５ｅＶのエネルギー領域、すなわち可視光領域で強力なフォトルミネッセンスによる発光ピークが得られる特性を利用したものである。このような物性は、膜構造に起因しており、例えば光学的バンドギャップ、エレクトロルミネッセンスなどの他の光物性や、例えば電気伝導度などの電気物性についても、応力との相関関係を有している場合もある。
【００２７】
しかしながら、上述の他の物性では、評価のために基板１の材料が限定される他、電極等の形成が必要であるなど、いずれも非破壊で微小領域の応力あるいは応力分布を評価することは困難である。
【００２８】
それに対し、上述したようなレーザーを光源とするフォトルミネッセンスの計測では、基板１上に形成された薄膜２を非破壊で、かつ微小領域でのスペクトルを容易に得ることができる。また、光源であるレーザーあるいは被評価膜の基板１を走査することにより、薄膜２のスペクトル分布を容易に得ることが可能となる。
【００２９】
そして、種々の非晶質シリコン系薄膜におけるフォトルミネッセンスのスペクトル計測とその解析および他の方法で計測した応力との関係を詳細に検討した結果、例えば図２に示すように、上記材料におけるフォトルミネッセンスと応力の相関関係を見いだした。すなわち、スペクトル強度またはピーク値と応力が強い相関関係を示すことがわかった。
【００３０】
さらに、本発明の実施の形態に係る応力評価方法は、上記非晶質シリコンおよびその化合物薄膜が水素化非晶質シリコンおよびその化合物薄膜である場合に特に有効である。
【００３１】
すなわち、膜２中に多くの水素を含有した非晶質シリコンおよびその化合物薄膜では、シリコン−水素または窒素−水素結合に起因するより強度の大きなフォトルミネッセンスが得られるため、より高い精度で膜応力を評価することが可能となる。
【００３２】
また、非晶質シリコン化合物薄膜が、非晶質窒化シリコン薄膜または水素化非晶質窒化シリコン薄膜である場合に特に有効である。
【００３３】
非晶質窒化シリコン薄膜および水素化非晶質窒化シリコン薄膜の場合には、特に２．０ｅＶ〜２．４ｅＶに明瞭かつ強度の高いピーク値を持つため、より高精度での膜応力の評価が可能となる。
【００３４】
更に、基板１が単結晶シリコンあるいは石英である場合により有効である。
【００３５】
すなわち、基板１として単結晶シリコンおよび石英基板とする場合、何れも上記非晶質シリコンおよびその化合物薄膜のフォトルミネッセンススペクトルが得られるエネルギー領域において、フォトルミネッセンスが全くないため、高いＳ／Ｎ比が得られ、より高精度で薄膜２の応力評価が可能となる。
【００３６】
次に、上述したような応力評価方法によって非晶質シリコンおよびその化合物の薄膜２の応力を評価する場合における具体例について説明する。
【００３７】
まず、評価用サンプルの作製方法について説明する。ここでは、窒化シリコン膜を基板１上に形成した評価用サンプルについて説明する。このような評価サンプルを作製する場合には、まず、基板１である４インチ単結晶シリコンウェハー上に高周波プラズマ化学気相成長法により、窒化シリコンによる薄膜２を成膜する。
【００３８】
高周波プラズマ化学気相成長条件は、次の通りである。
原料ガス：シラン、アンモニア、水素。
アンモニア流量（可変条件）：３％〜１５％（全ガス流量に対する体積流量％）。
反応圧力：１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）。
高周波パワー：１８０Ｗ。
基板温度：４００℃。
【００３９】
膜厚：２００ｎｍ。
【００４０】
上記条件にて得られた薄膜２について各種分析を行った結果、いずれも化学量論（窒素／シリコン＝１．３）に近い組成を持ち、１０〜２０原子％の水素を含有していることがわかった。また、Ｘ線回折からピークは認められず非晶質であることが判明した。
【００４１】
次に、アンモニア流量の異なる条件で成膜した任意の４種類の窒化シリコン膜のフォトルミネッセンススペクトルの評価を行った。レーザーとして３２５ｎｍのヘリウム−カドミウムレーザーを用いた。このレーザー光を集光光学系を有する顕微鏡を通して窒化シリコン膜に照射した。同時にグレーティングを用いてフォトルミネッセンス光を３００ｎｍから８００ｎｍの範囲でエネルギー分解しスペクトルを得た。照射面積は直径５μｍとした。なお、最小の照射面積としては、直径１μｍまでが可能である。
【００４２】
その結果、図２に示すように、ウェハーの反りで計測した応力とフォトルミネッセンスピーク値（２．１ｅＶ）の強度の関係には、強い相関関係があることが示された。なお、２．１ｅＶは、５８５ｎｍに相当する。さらに、全流量に対するアンモニアによる流量の体積割合を６％、１０％として作製し評価した結果もまた検量線Ａに良く一致する。
【００４３】
これらの結果から、得られた結果を検量線として用いることにより、フォトルミネッセンスピーク強度から、膜応力を見積もり、数値化することができることがわかる。
【００４４】
すなわち、本発明の実施の形態に係る応力評価方法では、図２にその一例を示すような検量線Ａを用いることによって、非破壊でより微小な直径１μｍの領域の膜応力、および４インチウェハー上における応力分布を評価することが可能となる。
【００４５】
以上、本発明の好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら説明したが、本発明はかかる構成に限定されない。特許請求の範囲の発明された技術的思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によると、基板上に成膜した非晶質シリコンおよびその化合物薄膜に、レーザーを照射することにより計測したフォトルミネッセンスの結果に基づいて応力を評価することができる。したがって、非破壊で微小領域の応力、および応力の分布評価することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る応力評価方法によって応力が評価される非晶質シリコンの一例を示す立面図
【図２】本発明の実施の形態に係る応力評価方法によって評価された応力とフォトルミネッセンス強度との相関図。
【符号の説明】
１…基板、２…薄膜、Ａ…検量線
【図１】
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【図２】
2004327843.tif 000004