(57)【要約】【課題】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。【解決手段】シリコン表面構造を計測する方法において、軟Ｘ線をウェーハ表面に全反射条件で入射し、回折強度のピーク間隔（とくに最大ピークとその次のピークとの間隔）を測定することによりステップ幅を同定する。軟Ｘ線の波長は、１から１０−１ｍｍである。測定対象は、エピタキシャル成長させたシリコンウェーハや、高温アニール処理されたウェーハである。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟Ｘ線をシリコン表面に全反射条件で入射し、回折強度のピーク間隔を計測することにより、ステップ幅を同定することを特徴とする、シリコン表面のステップ構造を測定する方法。
【請求項２】
回折強度の最大ピークとその次のピークとの間隔を計測することにより、ステップ幅を同定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ステップ構造を測定する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン表面のステップ構造を測定する方法、たとえば、半導体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を測定する方法に関するものである。
【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表面状態を測定する装置の総称である。
【０００４】
ＳＰＭの中には、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）およびＳＴＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）が含まれる。
【０００５】
ＳＴＭ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距離の変化により指数関数的に変化する。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軸に印加した電圧変化から試料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、また不純物が付着し易い。このため、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）を検出する方式を用いている。
【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、光てこ方式が用いられることが多い。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。その光で測定試料を走査すると、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。これによるフォトダイオードの信号変化に応じて、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】
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を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】
ＴＥＭの方法は、透過型の電子顕微鏡を用いるものである。とくに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と特許文献２は、単結晶基板の凹凸の測定方法を示している。すなわち、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つのピークが示さ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、シリコン表面のステップ構造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）軟Ｘ線をシリコン表面に全反射条件で入射し、回折強度のピーク間隔を計測することにより、ステップ幅を同定することを特徴とする、シリコン表面のステップ構造を測定する方法。
【００２０】
（２）回折強度の最大ピークとその次のピークとの間隔を計測することにより、ステップ幅を同定することを特徴とする、前述のシリコン表面のステップ構造を測定する方法。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明においては、軟Ｘ線（波長は、たとえば１から１０−１ｎｍ）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。この軟Ｘ線をシリコンウェーハ表面に入射することで発生する回折線強度のピーク間隔、好ましくは最大ピークとその次のピークの間隔を求めることで、ステップの幅を求める。
【００２２】
測定可能なステップの幅は、０．５ｎｍから１００ｎｍまでの範囲である。
【００２３】
測定可能なシリコンウェーハの種類としては、ステップ構造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である。
【００２４】
また、ウェーハの方位としては、（１００）、（１１０）、（１１１）が最適である。
【００２５】
軟Ｘ線をシリコンウェーハ上に全反射条件で入射させ、表面で散乱した反射Ｘ線の回折線を計測し、ロッキングカーブを得る。ロッキングカーブとは、格子の配列によって反射（回折）したＸ線の強度分布状態を示すものである。
【００２６】
スキャン測定によつて得られた反射Ｘ線強度の最大ピークとその次のピークとの間隔を調べ、その値を式に入力して、ステップの幅を求める。
【００２７】
原理的には、格子回折現象は、薄膜や単結晶格子によって見られる現象であるが、この現象は、表面の凹凸が規則正しく並んでいても発生する。
【００２８】
ごく短い波長のＸ線を全反射条件でシリコンウェーハ表面に入射すると、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。
【００２９】
本発明は、回折線のピーク間隔がステップ幅に応じて変化することに着目したものである。
【００３０】
ステップ幅の求め方は、ピーク間隔、とくに最大ピークとその次のピークとの間隔を計測して、次式（実験式）によって簡単に求めることができる。
【００３１】
Ｙ＝０．１４１２＊Ｘ１．２３９４  ・・・（１）
ここで、Ｙはステップ幅、Ｘはピーク間隔である。＊は、実験により求られた固有の常数である。
【００３２】
【実施例】
測定用のサンプルとしては、方位（１００）のシリコン単結晶の切り角を実験的に変えた４つのサンプルを用意した。
【００３３】
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。
【００３４】
図１は、ステップ構造の例を示す。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。
【００３５】
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。
【００３６】
ステップ幅は、図２に示すように、切り角を変えることにより制御できる。
【００３７】
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。
【００３８】
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、干渉点の最大ピークとその次のピークの間隔を測り、実際のステップ幅と比較して見た。実際のステップ幅は４種類のサンプルで計測した。
【００３９】
図３は、実際に得られた結果を示す。
【００４０】
図３と図４より、第一ピークと第二ピークの差を読み取り、前掲の式（１）にピーク間隔を入力して算出してみたところ、図３の実線上の丸ドットにあることが分かった。これらのサンプルのＡＦＭでステップ幅を測定したところ、図３中の四角ドットで示すようになった。その結果、ステップの幅は、ほぼ計算値に近い値を取ることが分かった。
【００４１】
図３において、四角ドットと丸ドットが対になって、左から右に順に４つのサンプルについて示されているが、これらは、左から順に第１サンプル、第２サンプル、第３サンプル、第４サンプルである。
【００４２】
図３と図４から理解されるように、最大ピークとその次のピークとの間隔は、ステップ幅と、次のような関係を持っていた。
【００４３】
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図５は、ステップ構造のバリエ−ション例を示す。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、サンプル加工なしで、ステップ幅を定量的に求めることができる。
【００４５】
また、移動ステージを設定すれば、ウェーハ面内のステップ幅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観察例を示す。図１において、左・右とも同じ倍率であり、観察視野は、２×２μｍ２である。
【図２】切り角によるステップ幅の変化を示す。
【図３】本発明による測定を行ない、干渉点の最大ピークとその次のピークの間隔を測り、実際のステップ幅と比較して示している。
【図４】照射角とＸ線回折線強度の関係を示すグラフ。そこに、４つのサンプルにおける最大ピークとその次のピークとの間隔を示している。
【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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