(57)【要約】【課題】結晶と異種物質とのヘテロ界面に発生する応力を定量的に精度よく評価できるＸ線回折による応力評価方法及び応力評価装置を提供する。【解決手段】Ｘ線回折ピークの表面垂直方向両側に出現するＸ線ＣＴＲ散乱の強度プロファイルを解析して結晶原子の変位量を求め、その結果から結晶と異種物質とのヘテロ界面の生じる応力を評価する。Ｘ線ＣＴＲ散乱の強度プロファイルは、結晶表面の原子位置に敏感に反応する。但し、Ｘ線ＣＴＲの強度プロファイルは３〜４桁の強度範囲にわたっているので、解析時のデータに対する重み付けが難しく、また結晶表面の平坦性が悪いと強度の減衰が著しい。そこで、例えばＸ線回折ピークからの距離が等しい測定データ同士の強度比を計算し、それらの計算結果から描画される非対称性曲線を用いることにより、結晶原子の変位量を精度よく求めることができる。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線回折を用いて結晶と異種物質とのヘテロ界面に生じる応力を評価する応力評価方法において、
Ｘ線回折ピークに対し表面垂直方向両側に出現するＸ線ＣＴＲ散乱を測定し、その強度プロファイルを解析して得られる結晶原子の変位量から前記ヘテロ界面に生じる応力を評価することを特徴とする応力評価方法。
【請求項２】
前記Ｘ線ＣＴＲ散乱の強度プロファイルにおいて前記Ｘ線回折ピークからの距離が等しい測定データ同士の強度比を計算し、それらの計算結果から描画される非対称性曲線を用いて前記結晶原子の変位量を求めることを特徴とする請求項１に記載の応力評価方法。
【請求項３】
前記強度比の計算結果から描画される非対称性曲線と、予め用意された結晶原子の変位量毎の基準曲線とを比較して前記結晶原子の変位量を求めることを特徴とする請求項２に記載の応力評価方法。
【請求項４】
Ｘ線回折装置により測定したＸ線ＣＴＲ散乱の強度プロファイルを解析し、その解析結果から結晶原子の変位量を求め、前記結晶原子の変位量に基づいて結晶と異種物質とのヘテロ界面に生じる応力を評価することを特徴とするＸ線回折による応力評価装置。
【請求項５】
基板毎に測定すべきＸ線ＣＴＲ散乱が関連付けされてなるデータベースを有することを特徴とする請求項４に記載のＸ線回折による応力評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶上に異種物質を成膜したときに形成されるヘテロ界面において生じる局所的な応力を評価するＸ線回折による応力評価方法及び応力評価装置に関し、特にＸ線回折ピークの表面垂直方向の両側に出現するＸ線ＣＴＲ散乱を用いてヘテロ界面に生じる応力を評価するＸ線回折による応力評価方法及び応力評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の半導体デバイス及び磁性デバイスには、多種多様なヘテロ接合界面が存在している。結晶かアモルファスかに拘わらず、単結晶基板上に薄膜を成長させたときには応力が発生して、界面近傍の結晶基板構成原子が膜側又は基板側に微小変位する。この局所的な歪みは、例えば半導体デバイスではキャリアの移動度変化やしきい値の変動を引き起こし、デバイスの特性及び信頼性に深刻な影響を与える。従って、結晶基板の歪み量を計測し、界面応力を評価する方法が要望されている。
【０００３】
従来、薄膜と単結晶基板との界面における代表的な応力評価方法として、Ｘ線回折を利用した並傾法及び傾斜法が知られている。しかし、これらの方法では、薄膜全体の応力を評価することはできるものの、界面のごく近傍で発生する応力を検知することはできない。また、これらの方法は、薄膜を構成する結晶のＸ線回折ピークを計測するものであるので、薄膜がアモルファスである場合には適用できない。
【０００４】
結晶基板自体のＸ線回折ピーク強度を測定することも考えられるが、その場合は歪み領域が界面近傍のせいぜい数原子層であるため、応力の有無を確認することさえできなくなる。
【０００５】
近年、Ｘ線回折法を用いて半導体結晶基板の微小歪みを評価する方法として、極端に非対称なＸ線回折を用いる方法（榎本貴志，  表面科学，  ２３，  ２３９，  （２００２））や、ブラッグ条件を満足した状態でＸ線ＣＴＲ（Ｃｒｙｓｔａｌ  ｔｒｕｎｃａｔｉｏｎ  Ｒｏｄ）散乱を観測する方法（Ｔ．  Ｔａｋａｈａｓｈｉ，  Ｐｈｙ．  Ｒｅｖ．  Ｂ，  ６２，  ３６３０  （２０００））が提案されている。しかし、いずれの方法においても、実験データの解析が極めて難しい動力学的回折理論を用いており、測定条件がかなり特殊である。
【０００６】
特開平８−１５１８４号公報にはエネルギー分散型Ｘ線回折を使用して試料の微小部の深さ方向及び面内のひずみ分布を測定する方法が記載されている。しかし、この方法においても、実験データから無歪み層によるエネルギー分布と歪み層によるエネルギー分布とを分離する必要があり、データの解析が難しいという欠点がある。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−１５１８４号公報
【非特許文献１】
榎本貴志，  表面科学，  ２３，  ２３９，  （２００２）
【非特許文献２】
Ｔ．  Ｔａｋａｈａｓｈｉ，  Ｐｈｙ．  Ｒｅｖ．  Ｂ，  ６２，  ３６３０  （２０００）
【非特許文献３】
Ｉ．Ｋ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎ，  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｂ  ３３，  ３８３０，  （１９８６）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、並傾法及び傾斜法では結晶基板に生じた微小歪みを評価することができない。また、極端に非対称なＸ線回折を用いる方法や、ブラッグ条件を満足した状態でＸ線ＣＴＲ散乱を観測する方法では、データ解析が難しく、測定条件が特殊で、評価する結晶基板が限定されてしまうことから汎用性に欠けるという欠点がある。更に、特開平８−１５１８４号公報に記載された方法においても、データの解析が難しいという欠点がある。
【０００９】
以上から、本発明の目的は、結晶と異種物質とのヘテロ界面に発生する応力を定量的に精度よく評価できるＸ線回折による応力評価方法及び応力評価装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、Ｘ線回折を用いて結晶と異種物質とのヘテロ界面に生じる応力を評価する応力評価方法において、Ｘ線回折ピークに対し表面垂直方向両側に出現するＸ線ＣＴＲ散乱を測定し、その強度プロファイルを解析して得られる結晶原子の変位量から前記ヘテロ界面に生じる応力を評価することを特徴とする応力評価方法により解決する。
【００１１】
この場合に、前記Ｘ線ＣＴＲ散乱の強度プロファイルにおいて前記Ｘ線回折ピークからの距離が等しい測定データ同士の強度比を計算し、それらの計算結果から描画される非対称性曲線を用いて前記結晶原子の変位量を求めることができる。
【００１２】
また、前記強度比の計算結果から描画される非対称性曲線と、予め用意された結晶原子の変位量毎の基準曲線とを比較して前記結晶原子の変位量を求めることができる。
【００１３】
本発明においては、Ｘ線回折ピークの表面垂直方向両側に出現するＸ線ＣＴＲ散乱の強度プロファイルを解析して結晶原子の変位量を求め、その結果から結晶と異種物質とのヘテロ界面の生じる応力を評価する。
【００１４】
Ｘ線ＣＴＲ散乱の強度プロファイルは、結晶表面の原子位置に敏感に反応する。但し、Ｘ線ＣＴＲの強度プロファイルは３〜４桁の強度範囲にわたっているので、解析時のデータに対する重み付けが難しく、また結晶表面の平坦性が悪いと強度の減衰が著しい。そこで、例えばＸ線回折ピークからの距離が等しい測定データ同士の強度比を計算し、それらの計算結果から描画される非対称性曲線を用いることにより、結晶原子の変位量を精度よく求めることができる。
【００１５】
上記した課題は、Ｘ線回折装置により測定したＸ線ＣＴＲ散乱の強度プロファイルを解析し、その解析結果から結晶原子の変位量を求め、前記結晶原子の変位量に基づいて結晶と異種物質とのヘテロ界面に生じる応力を評価することを特徴とするＸ線回折による応力評価装置により解決する。
【００１６】
この場合に、基板毎に測定すべきＸ線ＣＴＲ散乱が関連付けされてなるデータベースを有することが好ましい。また、Ｘ線ＣＴＲ散乱ピークの自動追尾機能を有することが好ましい。
【００１７】
本発明においては、Ｘ線回折装置により測定したＸ線ＣＴＲ散乱の強度プロファイルを解析する。例えば、Ｘ線回折ピークの表面垂直方向両側に出現しＸ線回折ピークからの距離が等しい測定データ同士の強度比を計算し、それらの計算結果から描画される非対称性曲線を基準曲線と比較して、結晶原子の変位量を求める。結晶原子の変位量とヘテロ界面に生じる応力とは密接な関係があるので、結晶原子の変位量がわかれば、結晶と異種物質とのヘテロ界面に生じる応力を評価することができる。これにより、ヘテロ界面に生じる応力を自動的にかつ精度よく評価することが可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は、Ｘ線ＣＴＲ散乱の測定方法を示す模式図である。
【００２０】
Ｘ線発生装置１１から出力されたＸ線ビームは、モノクロメータ１２を通過して単色となり、スリット１３によってビーム形状が成形された後、試料（結晶）１０の表面に角度θで入射する。試料１０を回転すると、ブラッグの条件（２ｄｓｉｎ  θ＝ｎλ：但し、ｄは面間隔、θは入射角、λはＸ線の波長、ｎは自然数）を満足したときに、Ｘ線回折が観測される。検出器（カウンタ）１５は、Ｘ線の入射方向に対し２θの方向に配置される。通常、試料１０と検出器１５との間にもスリット１４が配置される。
【００２１】
図２は、Ｘ線回折の概念を示す模式図である。この図２に示すように、ＣＴＲ散乱はＸ線回折ピーク（ブラッグ点）の上方及び下方（試料の表面に垂直な方向）に現れる。このＣＴＲ散乱の強度分布は、結晶表面の原子の位置の変化に応じて敏感に変化する。
【００２２】
図３は単結晶基板の上に薄膜が形成された状態を示す模式図である。単結晶基板２０上に薄膜２１を形成すると、薄膜２１が結晶であるかアモルファスであるかに拘わらず、単結晶基板２０と薄膜２１との間に応力が発生して界面近傍の結晶格子に歪みが生じる。その結果、Ｘ線回折ピークの上側及び下側でＣＴＲ散乱の強度が変化する。
【００２３】
図４は、横軸にＸ線回折の指数をとり、縦軸にＸ線回折強度をとって、単純立方格子（１００）結晶基板の界面において結晶格子が−３％から＋３％まで歪んだときのＸ線ＣＴＲ散乱の予測プロファイルを示す図である。但し、Ｘ線回折強度の計算は文献（Ｉ．Ｋ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎ，  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｂ  ３３，  ３８３０，  （１９８６）  ）に記載された方法を参考にした。この図４からわかるように、歪みの方向及び歪みの量によりＸ線ＣＴＲ散乱の強度分布が変化する。そして、Ｘ線回折ピーク（指数が１のところ）よりも下側では歪み量が負から正になるのにともなってＸ線回折強度が高くなるのに対し、Ｘ線回折ピークよりも上側では歪み量が負から正になるのにともなってＸ線回折強度が低くなる。
【００２４】
Ｘ線ＣＴＲ散乱の強度プロファイルは３〜４桁の強度範囲にわたっているので、解析時のデータに対する重み付けが難しい。また、結晶基板の平坦性が悪くなると強度の減衰も著しくなるので、さらに解析が困難となる。
【００２５】
そこで、本願発明においては、Ｘ線回折ピーク（指数＝１）から上下方向に等距離にある２点のＸ線回折強度の比を歪み量毎に演算する。例えば、図４から指数が０．９５の位置と１．０５の位置とにおけるＸ線強度を抽出して、−３％〜＋３％の各歪み量毎にＸ線回折強度比を演算する。
【００２６】
図５は、横軸にＸ線回折ピークからの距離をとり、縦軸にＸ線回折の強度比をとって、上記の演算の結果を示す図である。この図５に示すような基準曲線のデータを作成した後、実際の薄膜が形成された単結晶基板のＣＴＲ散乱の測定を行って、そのＸ線回折強度分布から、Ｘ線回折強度比をＸ線回折ピークからの距離毎に演算する。そして、最小二乗法により演算結果の値を近似する曲線（非対称性曲線）を求め、図５の基準曲線と比較して結晶原子の変位量（格子歪み量）を求める。その後、結晶基板の弾性的性質から応力を評価する。結晶原子の変位量が大きいほど応力が大きいということができるので、結晶原子の変位量から単結晶基板と薄膜とのヘテロ界面に生じる応力を定量的に評価することができる。また、このようなアルゴリズムを用いた解析プログラムにより、結晶原子の変位量の測定及び応力の定量的な評価を自動的に行うことができる。
【００２７】
ところで、上述した例では単純立方格子（００１）結晶基板についてシミュレーションをした結果を示しているが、実際には結晶基板の結晶構造により測定するＸ線ＣＴＲ散乱を選択することが重要である。この場合、Ｘ線ＣＴＲ散乱の選択には２つのポイントがある。第１のポイントは、精度良く、迅速に測定データの収集を行うために、強度の大きいＸ線回折ピークのＣＴＲ散乱を計測することである。第２のポイントは、強度比の精度をあげるため、無歪み状態でＸ線ＣＴＲ散乱強度プロファイルがＸ線回折ピークに対し対称形であるＸ線ＣＴＲ散乱を計測することである。
【００２８】
例えば、表面方位が（００１）の基板の場合、結晶構造が単純立方格子のときは（００１）回折ピークのＸ線ＣＴＲ散乱を使用し、結晶構造が体心立方格子又は面心立方格子のときは（００２）回折ピークのＸ線ＣＴＲ散乱を使用することが好ましい。また、一般的に用いられている表面方位が（００１）のシリコン基板（ダイアモンド構造）のときは、（１１１）回折ピークのＸ線ＣＴＲ散乱を使用することが好ましい。
【００２９】
基板の種類と測定すべきＸ線回折ピークとを関連付けたデータベースを応力評価装置に設けることにより、試料をセットした際に結晶基板を選択するだけで、格子歪み量の測定及び応力の評価が可能となる。
【００３０】
図６は、このような応力評価装置を示す模式図である。この応力評価装置３０はコンピュータにより構成され、上述したアルゴリズムにより歪み量を解析して応力を評価する解析プログラム３１と、基板の種類毎に測定すべきＸ線ＣＴＲ散乱が関係付けされてなるデータベース３２と、キーボード等の入力装置３３と、ディスプレイ又はプリンタ等の出力装置３４とを有している。そして、オペレータがＸ線回折装置３５に基板をセットし、入力装置３３を介して基板の種類を入力すると、応力解析装置３０はＸ線回折装置３５を制御して所定のＸ線ＣＴＲ散乱を測定し、解析プログラム３１に従って歪み量を解析して応力を評価し、その結果を出力装置３４に出力する。
【００３１】
Ｘ線回折装置のセッティングによって、しばしば測定データに除去しきれない系統誤差が残る。このような誤差の影響を小さくして解析精度を向上させるために、予め歪みのない結晶基板だけのＸ線回折を測定して非対称性曲線を求め、その非対称性曲線と理論値とのずれを歪み量の解析に使用することが好ましい
Ｘ線ＣＴＲ散乱の測定は、通常のＸ線回折ピークの測定に比べて難しい。実際の測定では、３０〜５０点の検出器角度２θについて、試料の回転角度θを走査する。この場合、Ｘ線ＣＴＲ散乱の出現位置はしばしば計算位置からずれる。そこで、応力解析装置に、Ｘ線回折ピークを自動的に追尾するピーク自動追尾機能を設けることが好ましい。このピーク自動追尾機能は、以下の手順によりＸ線回折ピークの位置を追尾して、測定値を補正する。
【００３２】
（１）予め測定全領域のうちからいくつかの点（例えば、６点以上）を選んで予備測定を行う。
【００３３】
（２）予備測定により観測されたピーク位置と計算値とのずれを２次曲線で近似する。ピーク位置は、正規分布曲線でプロファイルフィッティングすることにより求める。
【００３４】
（３）上記の近似式を用いて走査軸θの位置の補正を行う。
【００３５】
（４）実際の測定時においても、回折ピークのずれを逐次計算し、予め求めた２次曲線を補正しながら測定を行う。なお、上記（２）で求めた正規分布曲線の広がりに基づいて実際の測定値の走査範囲を設定してもよい。例えば、走査範囲を、正規分布曲線の半値幅の２〜３倍に設定する。
【００３６】
図７に、実際の測定時にピーク自動追尾機能で計算された２次曲線の例を示す。この例では、回折ピークの位置と計算値とのずれは、ｙ＝−０．０７６７ｘ２  ＋０．２７０６ｘ−０．１９４３という２次曲線で近似されている。このようなピーク自動追尾機能を備えることにより、基板の表面の状態等による影響を小さくして、格子歪み量の測定を精度よく行うことができる。
【００３７】
上述した応力評価方法及び応力評価装置により、ＬＳＩデバイスに用いられている酸化膜、電極及び配線等の電気特性に影響を与える結晶と薄膜との界面のごく近傍に発生する応力を、定量的に精度よく評価することができる。
【００３８】
以下、上述した方法によりシリコン基板上にＳｉＯ２  膜を形成し、界面の結晶格子の歪み量を測定した結果について説明する。
【００３９】
まず、表面にＳｉＯ２  膜（熱酸化膜）が形成されたシリコン基板を２枚用意し、各基板のＳｉＯ２  膜に対しそれぞれ異なる処理（処理Ａ及び処理Ｂ）を施した。そして、上述した方法により、Ｓｉの（１１１）回折ピークの両側（表面垂直方向の両側）に出現するＸ線ＣＴＲ散乱を測定し、その測定結果から図５に相当する非対称性曲線を描画した。その結果を図８に示す。図８に示すように、処理Ａを施した試料の格子歪み量は−２．３０％であり、処理Ｂを施した試料の格子歪み量は＋１．１６％であり、処理によって界面の結晶基板格子に誘起される格子歪みの向きが異なることが判明した。
【００４０】
（付記１）Ｘ線回折を用いて結晶と異種物質とのヘテロ界面に生じる応力を評価する応力評価方法において、Ｘ線回折ピークに対し表面垂直方向両側に出現するＸ線ＣＴＲ散乱を測定し、その強度プロファイルを解析して得られる結晶原子の変位量から前記ヘテロ界面に生じる応力を評価することを特徴とする応力評価方法。
【００４１】
（付記２）前記Ｘ線ＣＴＲ散乱の強度プロファイルにおいて前記Ｘ線回折ピークからの距離が等しい測定データ同士の強度比を計算し、それらの計算結果から描画される非対称性曲線を用いて前記結晶原子の変位量を求めることを特徴とする付記１に記載の応力評価方法。
【００４２】
（付記３）前記強度比の計算結果から描画される非対称性曲線と、予め用意された結晶原子の変位量毎の基準曲線とを比較して前記結晶原子の変位量を求めることを特徴とする付記２に記載の応力評価方法。
【００４３】
（付記４）予め結晶のみのＸ線ＣＴＲ散乱強度の非対称性曲線を求め、その非対称性曲線を用いて前記ヘテロ界面のＸ線ＣＴＲ散乱の計測時に生じる系統誤差を除去することを特徴とする付記３に記載の応力評価方法。
【００４４】
（付記５）Ｘ線回折装置により測定したＸ線ＣＴＲ散乱の強度プロファイルを解析し、その解析結果から結晶原子の変位量を求め、前記結晶原子の変位量に基づいて結晶と異種物質とのヘテロ界面に生じる応力を評価することを特徴とする応力評価プログラム。
【００４５】
（付記６）Ｘ線回折装置により測定したＸ線ＣＴＲ散乱の強度プロファイルを解析し、その解析結果から結晶原子の変位量を求め、前記結晶原子の変位量に基づいて結晶と異種物質とのヘテロ界面に生じる応力を評価することを特徴とするＸ線回折による応力評価装置。
【００４６】
（付記７）基板毎に測定すべきＸ線ＣＴＲ散乱が関連付けされてなるデータベースを有することを特徴とする付記６に記載のＸ線回折による応力評価装置。
【００４７】
（付記８）Ｘ線ＣＴＲ散乱ピークの自動追尾機能を有することを特徴とする付記６に記載のＸ線回折による応力評価装置。
【００４８】
（付記９）予備測定を行ってＸ線ＣＴＲ散乱の測定範囲を決定することを特徴とする付記６に記載のＸ線回折による応力評価装置。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、Ｘ線回折ピークの表面垂直方向両側に出現するＸ線ＣＴＲ散乱の強度プロファイルを解析して結晶原子の変位量を求め、その結果から結晶と異種物質とのヘテロ界面の生じる応力を評価する。
【００５０】
Ｘ線ＣＴＲ散乱の強度プロファイルは、結晶表面の原子位置に敏感に反応する。但し、Ｘ線ＣＴＲの強度プロファイルは３〜４桁の強度範囲にわたっているので、解析時のデータに対する重み付けが難しく、また結晶表面の平坦性が悪いと強度の減衰が著しい。そこで、本発明においては、例えばＸ線回折ピークからの距離が等しい測定データ同士の強度比を計算し、それらの計算結果から描画される非対称性曲線を用いて結晶原子の変位量を精度よく求めてから、ヘテロ界面に生じる応力を評価する。
【００５１】
また、本発明の応力評価装置によれば、Ｘ線回折装置により測定したＸ線ＣＴＲ散乱の強度プロファイルを解析する。例えば、Ｘ線回折ピークの表面垂直方向両側に出現しＸ線回折ピークからの距離が等しい測定データ同士の強度比を計算し、それらの計算結果から描画される非対称性曲線を基準曲線と比較して、結晶原子の変位量を求める。結晶原子の変位量とヘテロ界面に生じる応力とは密接な関係があるので、結晶原子の変位量がわかれば、結晶と異種物質とのヘテロ界面に生じる応力を評価することができる。これにより、ヘテロ界面に生じる応力を自動的にかつ精度よく評価することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、Ｘ線ＣＴＲ散乱の測定方法を示す模式図である。
【図２】図２は、Ｘ線回折の概念を示す模式図である。
【図３】図３は、単結晶基板の上に薄膜が形成された状態を示す模式図である。
【図４】図４は、単純立方格子（１００）結晶基板の界面において結晶格子が−３％から＋３％まで歪んだときのＸ線ＣＴＲ散乱の予測プロファイルを示す図である。
【図５】図５は、図４から指数が０．９５の位置と１．０５の位置とにおけるＸ線強度を抽出して、−３％〜＋３％の各歪み量毎にＸ線回折強度比を演算した結果を示す基準曲線の図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態に係る応力評価装置を示す模式図である。
【図７】図７は、実際の測定時にピーク自動追尾機能で計算された２次曲線の例を示す図である。
【図８】図８は、表面にＳｉＯ２  膜が形成されたシリコン基板に処理Ａ，Ｂを施し、それぞれシリコン基板とＳｉＯ２  膜との界面に生じた応力による結晶原子の位置ずれ量を測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
１０…試料、
１１…Ｘ線発生装置、
１２…モノクロメータ、
１３，１４…スリット、
１５…検出器（カウンタ）、
２１…単結晶基板、
２２…薄膜、
３０…応力解析装置、
３１…解析プログラム、
３２…データベース、
３３…入力装置、
３４…出力装置、
３５…Ｘ線回折装置。
【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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