(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面側に応力源となる部材が設けられた試料の深さ方向の応力分布を測定する方法であって、
前記試料の前記第１の面の逆側の第２の面を研磨する研磨工程と、前記試料の厚さを測定する厚さ測定工程と、前記第２の面側に設定された評価位置に光を入射してラマン散乱光を検出するラマン散乱光検出工程とを繰り返し、
ラマン散乱光のスペクトルから前記評価位置における応力を算出して深さ方向の応力分布を得ることを特徴とする応力評価方法。
【請求項２】
前記ラマン散乱光検出工程では前記第２の面側に設定された複数の評価位置に順番に光を入射し、各評価位置におけるラマン散乱光を検出す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】
前記研磨工程、前記厚さ測定工程及び前記ラマン散乱光検出工程は、前記応力源により前記試料に印加される応力が研磨により解放されるまで繰り返すことを特徴とする請求項１又は２に記載の応力評価方法。
【請求項４】
第１の面側に応力源となる部材が配置された試料の深さ方向の応力分布を測定する方法であって、
前記第１の面に交わる方向に面を形成するように前記試料の前記第１の面とは反対側の第２の面を研磨する工程と、
前記試料の前記第２の面側に設定された複数の評価位置に順番に光を入射して各評価位置におけるラマン散乱光のスペクトルを取得する工程と、
各評価位置のスペクトルから応力を算出して深さ方向の応力分布を得る工程と
を有することを特徴とする応力評価方法。
【請求項５】
前記評価位置を、前記応力源により前記試料に印加される応力が研磨により解放される領域以外の領域のみに設定することを特徴とする請求項４に記載の応力評価方法。
【請求項６】
半導体装置の製造方法であって、
第１の面に半導体素子が形成された半導体基板の前記第１の面の逆側の第２の面を研磨する研磨工程と、前記半導体基板の厚さを測定する厚さ測定工程と、前記第２の面側に設定された評価位置に光を入射してラマン散乱光を検出するラマン散乱光検出工程とを繰り返し、
ラマン散乱光のスペクトルから前記評価位置における応力を算出して深さ方向の応力分布を得て、
前記算出した深さ方向の応力分布に応じて、前記半導体素子を他の半導体基板に製造する際の製造条件を調整することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
半導体装置の製造方法であって、
半導体素子が形成された第１の面に交わる方向に面を形成するように半導体基板の前記第１の面とは反対側の第２の面を研磨する工程と、前記半導体基板の前記第２の面側に設定された複数の評価位置に順番に光を入射して各評価位置におけるラマン散乱光のスペクトルを取得する工程と、各評価位置のスペクトルから応力を算出して深さ方向の応力分布を得る工程とを実施し、
各評価位置のスペクトルから応力を算出して深さ方向の応力分布を得て、
前記算出した深さ方向の応力分布に応じて、前記半導体素子を他の半導体基板に製造する際の製造条件を調整することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラマン分光法を用いて試料内のミクロン又はサブミクロンの領域の深さ方向の応力（又は歪み：以下、同じ）を評価する応力評価方法に関し、特に電子デバイス製造工程における応力又は格子歪みのモニタリングに好適な応力評価方法及びその応力評価結果を用いた半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
結晶に応力を加えると格子が歪み、バンド構造が変化して電気特性も変化する。この性質を利用すると、シリコン結晶やガリウム砒素結晶等で形成される電子デバイス（半導体素子）の電気特性を向上させたり、又は電気特性の劣化を抑制することができる。一般的に電子デバイスは３次元構造を有するので、応力を加えて電子デバイスの特性を良好なものとするためには、結晶の３次元応力分布（歪み分布）を如何に制御するかが重要となってくる。
【０００３】
応力又は格子歪みを利用した電子デバイスを開発する場合、製造技術が重要なのは勿論であるが、応力を検出し評価する技術も重要となる。従来から、結晶内の応力を評価する方法として、Ｘ線回折を用いる方法、電子線回折を用いる方法、及びラマン分光を用いる方法（ラマン分光法）が知られている。
【０００４】
Ｘ線回折を用いる方法では、比較的容易に結晶内の応力を測定できるという利点があるものの、Ｘ線のビーム径が約１ｍｍと大きいため、近年の微細化された電子デバイス（半導体素子）の応力分布の評価に適用することは困難である。
【０００５】
一方、電子線回折を用いる方法は、電子線のビーム径が約１ｎｍと極めて小さいため、空間分解能が高いという利点がある。しかし、電子線の透過能が低いため、試料（結晶）を薄くすることが必要となる。試料を薄くするために切断又は研磨等を行うと、測定面に印加されていた応力が解放されてしまうため、実際の歪みを測定することができなくなってしまう。なお、電子線回折を用いる場合、理論的かつ実験的な工夫を行うことで歪みをより正確に評価する方法もあるが、間接的な評価であるため信頼性の点で十分とはいえない。
【０００６】
一方、ラマン分光法は、レーザー光のビーム径がサブミクロンオーダー（０．２〜１μｍ）と比較的小さいため、近年の微細化された電子デバイス内における応力分布の評価にも対応することができる。ラマン分光法による一般的な応力測定では、試料の表面（又は断面）からレーザー光を入射し、試料から放出されるラマン散乱光を試料表面側（又は断面側）に配置された検出器で検出し、入射光のスペクトルのピーク位置とラマン散乱光のスペクトル（ラマンスペクトル）のピーク位置とを比較して応力を評価する。
【０００７】
特許文献１には、ラマン分光を用いた応力分布の測定方法の例が記載されている。この特許文献１では、スポット径及び強度分布が既知のレーザー又はＸ線をスポット径以下の移動量で走査して得たスペクトルと、同一測定系で得られたスポット径内の応力が一様な場合の被測定試料と同一材の応力とスペクトルとの関係、及びレーザー又はＸ線の強度分布データ等を組み合わせて、スポット径以下の微小部の応力又は応力分布を測定することが記載されている。
【０００８】
その他、本発明に関係すると思われる従来技術として、特許文献２，３に記載されたものがある。特許文献２には、基板の裏面側から励起光を照射してラマンスペクトルを測定することが記載されている。また、特許文献３には、基板をその表面に交差する方向に劈開し、一方の劈開面からレーザー光を入射し反対側の劈開面から出射されるラマン散乱光を検出して、デバイス直下の歪みを評価することが提案されている。
【特許文献１】特許第２５４４４２８号公報
【特許文献２】特開２００２−１２４７０２号公報
【特許文献３】特開平７−２９４４３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
通常、ラマン分光法では、前述したように試料の表面又は断面からレーザー光を入射する。しかし、例えば測定しようとする部分の上に配線やビアコンタクトが形成されていると、レーザー光が配線やビアコンタクトにより反射されてしまうので、応力の評価を行うことができない。
【００１０】
また、近年、表面に平行な方向の応力分布だけでなく、深さ方向の応力分布を調べることが要求されるようになった。レーザー光の侵入深さは波長に関係するので、深さ方向の応力分布を調べようとするとレーザー波長を種々変える必要があり、スループットの悪化や分解能のばらつきが問題となる。特許文献２に記載されているように基板の裏面側からレーザー光を照射する場合も、深さ方向の応力分布を調べようとすると同様の問題が発生する。
【００１１】
深さ方向の応力分布を調べる場合、特許文献３に記載されているように試料を切断（劈開）し、切断面を検査することが考えられる。しかし、試料を切断した時点で断面に印加されていた応力が解放されてしまうので、切断前の応力分布を精度よく測定することができない。
【００１２】
本発明の目的は、試料内の深さ方向の応力分布を高精度に測定できるラマン分光を用いた応力評価方法及びその応力評価結果を用いた半導体装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一観点によれば、第１の面側に応力源となる部材が設けられた試料の深さ方向の応力分布を測定する方法であって、前記試料の前記第１の面の逆側の第２の面を研磨する研磨工程と、前記試料の厚さを測定する厚さ測定工程と、前記第２の面側に設定された評価位置に光を入射してラマン散乱光を検出するラマン散乱光検出工程とを繰り返し、ラマン散乱光のスペクトルから前記評価位置における応力を算出して深さ方向の応力分布を得る応力評価方法が提供される。
【００１４】
本発明においては、応力源となる部材（膜等）が設けられた第１の面の逆側の面（第２の面）を研磨する研磨工程と、試料の厚さを測定する厚さ測定工程と、第２の面側に設定された評価位置に光（レーザー光）を入射してラマン散乱光を検出するラマン散乱光検出工程とを繰り返す。すなわち、第２の面側を研磨する毎に、試料の厚さを測定し、ラマン散乱光を検出する。これにより、試料の厚さを応力との関係が判明し、深さ方向の応力分布が得られる。
【００１５】
ラマン散乱光検出工程において、第２の面側に設定された複数の評価位置に順番に光を入射し、各評価位置におけるラマン散乱光を検出すると、第１の面に平行な平面における２次元応力分布を得ることができる。また、第２の面側を研磨する毎に２次元応力分布を得ることにより、３次元応力分布を得ることができる。このようにして３次元応力分布がわかると、任意の面における応力分布を容易に求めることができる。従って、ラマン散乱光検出工程において、第２の面側に設定された複数の評価位置に順番に光を入射し、各評価位置におけるラマン散乱光を検出することが好ましい。
【００１６】
本発明の他の観点によれば、第１の面側に応力源となる部材が配置された試料の深さ方向の応力分布を測定する方法であって、前記第１の面に交わる方向に面を形成するように前記試料の前記第１の面とは反対側の第２の面を研磨する工程と、前記試料の前記第２の面側に設定された複数の評価位置に順番に光を入射して各評価位置におけるラマン散乱光のスペクトルを取得する工程と、各評価位置のスペクトルから応力を算出して深さ方向の応力分布を得る工程とを有する応力評価方法が提供される。
【００１７】
例えば、表面状態が均一のシリコン基板の上に単層膜又は多層膜が均一に形成されている場合、シリコン基板と膜との界面における応力は場所に依存しないはずである。そこで、本発明においては、第１の面に交わる方向に面を形成するように（例えば、第１の面に直交する方向の断面がくさび形となるように）、第１の面の逆側の面（第２の面）を研磨する。そして、第２の面側に設定された複数の評価位置に順番に光を入射して、各評価位置におけるラマン散乱光のスペクトルを取得する。これにより、１回の研磨工程で深さ方向の応力分布を得ることができる。
【００１８】
本発明の他の観点によれば、上述の方法により深さ方向の応力分布を測定した後、その測定結果に基づいて製造条件（例えば成膜温度又は成膜時間等）を制御して、半導体装置を製造する。これにより、所望の特性の半導体装置を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る応力測定方法に用いる応力測定装置の構成を示すブロック図である。
【００２１】
この図１に示すように、応力測定装置は、ステージ１１と、顕微光学部１２と、試料厚さ測定装置１３と、レーザー走査制御部１４と、分光器１５と、検出器１６と、主制御部１７と、ステージ制御部１８と、表示部１９とにより構成される。
【００２２】
深さ方向の応力分布を調べようとする試料１０は、ステージ１１上に搭載される。試料１０は、例えばシリコン基板（シリコンウエハ）１０ａと、シリコン基板１０ａを構成する結晶に応力を印加する応力源となる膜１０ｂとにより構成され、膜１０ｂ側を下にして、すなわち試料１０の裏面側を上にしてステージ１１上に載置される。以下、本実施形態では、シリコン基板１０ａを構成する結晶に応力を印加する膜１０ａが酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなるものとして説明する。また、本実施形態では、シリコン基板１０ａの素子形成面を表面、その反対側の面を裏面という。
【００２３】
顕微光学部１２は、主制御部１７からの信号に応じてレーザー光を発生し、試料１０に照射する。また、顕微光学部１２は、試料１０から放出されるラマン散乱光を検出し、電気信号に変換して出力する。
【００２４】
レーザー走査制御部１４は、主制御部１７からの信号に基づき、レーザー光が試料１０の裏面側（図１では上側の面）を走査するように顕微光学部１２の光学系を制御する。分光器１５は、顕微光学部１２から出力される電気信号を入力して分光処理する。すなわち、分光器１５は、顕微光学部１２から出力された電気をエネルギー（波数又は波長）毎に分類して出力する。検出器１６は、分光器１５から出力された信号をエネルギー毎に積算してラマンスペクトルを得る。そして、検出器１６は、ラマンスペクトルのピーク位置を特定し、入射光のスペクトルのピーク位置（以下、「基準のピーク位置」ともいう）からのシフト量を検出する。
【００２５】
試料厚さ測定装置１３は、試料１０の厚さを測定するものである。試料厚さ測定装置１３としてマイクロメータを使用してもよい。また、試料厚さ測定装置１３として、近赤外線を使用した厚さ測定装置や光干渉法を利用した膜厚測定装置を用いてもよい。更に、試料の裏面と、試料内部の特定部分とに焦点を合わせ、その焦点位置の差を試料厚さとして測定するものでもよい。試料厚さ測定装置１３により測定された試料厚さのデータは、手動により又は自動的に主制御部１７に入力される。
【００２６】
ステージ制御部１８は、主制御部１７からの信号に応じて、顕微光学部１２から出力されるレーザー光が試料１０の所定位置に入射するようにステージ１１を水平方向（Ｘ−Ｙ方向）に移動する。表示部１９は、主制御部１７からの信号に応じてラマンスペクトルや応力測定結果等を表示する。
【００２７】
以下、本実施形態に係る応力評価方法について説明する前に、本発明の理解を容易にするための予備的事項について説明する。
【００２８】
従来のラマン分光法による応力評価は、レーザー光を試料に入射し、ラマン散乱光を検出してラマンスペクトルのピークを特定し、標準のピーク位置からのシフト量を調べることで行っている。赤外波長領域のレーザー光は、厚さが１ｍｍのシリコン基板（ウエハ）でも透過する。しかし、ラマン分光法として有効な情報が得られる深さは大きくない。光の強度が１／ｅ（ｅは自然対数の底）となる距離、いわゆる侵入深さｄは、下記（１）式で表わされる。
【００２９】
ｄ＝λ／４πｋ  …（１）
但し、λは入射光の波長、ｋは複素屈折率ｎ＋ｉｋの屈折率虚数部である。
【００３０】
シリコンの複素屈折率（ｎ＝４．３６７、ｋ＝０．０７９）から、波長λが４８８ｎｍの光のシリコン基板に対する侵入深さを計算すると約５００ｎｍと小さいことがわかる。従って、この波長のレーザー光では、シリコン基板の表面側に発生する応力を基板の裏面側から検出することができない。そこで、本実施形態においては、試料の裏面側を水平研磨（基板表面に平行に研磨）する工程（研磨工程）と、試料の有効厚さ（残り厚さ）を測定する工程（有効試料厚さ測定工程）と、試料の裏面側からレーザー光を入射し、ラマン散乱光を検出する工程（ラマン散乱光検出工程）とを順番に繰り返すことで、応力の深さ方向の分布を取得する。
【００３１】
レーザー光を試料面に平行に走査（２次元走査）すると、試料面における２次元的な応力分布が得られるので、上記の研磨工程、有効試料厚さ測定工程及びラマン散乱光検出工程を順番に繰り返すことで３次元応力分布が得られる。この３次元応力分布から、任意の面における２次元応力分布を得ることができる。レーザー光を２次元走査する替りに、ステージ１１を水平方向（Ｘ−Ｙ）方向に移動させてもよい。また、ステージ１１を移動させずに上記の工程を繰り返すことで、特定の位置における深さ方向の応力分布を得ることができる。
【００３２】
ところで、応力源の近傍まで研磨すると、応力が解放されてしまうため、応力測定ができなくなる。応力の解放は研磨の方向と無関係であるので、例えば電子デバイスの断面研磨でも平面研磨でも応力解放は起こり得る。応力をより正確に評価するためには、測定試料において、どこまで研磨すると応力が解放されてしまうのかを予め把握しておくことが重要である。
【００３３】
どこまで研磨すると応力が解放されるのかは、試料の種類によって異なる。従って、予め試料毎にどこまで研磨すると応力が解放されるのかを調べることが必要となる。以下、その方法を、図２（ａ），（ｂ）を用いて説明する。ここでは、図２（ａ），（ｂ）に示すように、試料１０がシリコン基板１０ａと応力源となるＳｉＯ2膜１０ｂとにより構成されるものとする。
【００３４】
まず、図２（ａ）に示すように、シリコン基板１０ａの上に応力源となるＳｉＯ2膜１０ｂを一様な厚さで形成する。その後、図２（ｂ）に示すように、シリコン基板１０ａを基板面に直交する方向から見たときにくさび形となるように切断し切断面を研磨する。このようにして、厚さｄが連続的に変化する測定面を有する試料が得られる。
【００３５】
次いで、シリコン基板１０ａとＳｉＯ2膜１０ｂとの界面に沿ってレーザー光を走査し、それぞれの個所（評価位置）でラマン散乱光のスペクトル（ラマンスペクトル）を検出する。そして、そのスペクトルのピーク位置を特定し、標準のピークの位置からのシフト量により応力を算出する。その後、試料厚さｄと応力との関係から、応力が解放される試料厚さを求める。
【００３６】
図３は、横軸に試料厚さｄをとり、縦軸に応力をとって、試料厚さｄと応力との関係を実際に調べた結果を示す図である。この図３から、試料厚さｄが約２００ｎｍを境にして検出される応力が大きく変化することがわかる。すなわち、試料厚さｄが約２００ｎｍを超えるときは応力が大きく、試料厚さｄが約２００ｎｍ以下のときは応力が小さくなっている。
【００３７】
応力源となるＳｉＯ2膜１０ｂは一様に成膜されているので、応力の開放がないとすると、ＳｉＯ2膜１０ｂとの界面にかかる応力は場所に依存しないはずである。しかし、実験の結果、図３に示すように、試料厚さが約２００ｎｍ以下になると検出される応力が著しく低下する。これは、試料厚さが約２００ｎｍになると応力が解放（応力緩和）されることを示している。この試料に関しては、厚さｄ方向の２つの面（傾斜面）に応力が解放されるので、試料を一方の面側のみ研磨する場合は半分の約１００ｎｍが応力が解放される厚さといえる。
【００３８】
以下、本実施形態に係る応力測定方法を、図４に示すフローチャートと図１の装置構成を示すブロック図とを参照して説明する。但し、ここでは、図１に示すようにシリコン基板１０ａの上（図１では下側）にＳｉＯ2膜１０ｂを形成した試料１０における深さ方向の応力分布を測定する場合について説明する。また、ここでは、図３から、シリコン基板上にＳｉＯ2膜（応力源）を形成した場合に研磨により応力が解放される厚さを１００ｎｍとする。つまり、応力源から研磨面までの距離が１００ｎｍ以下の場合は応力源により印加されていた応力が解放されてしまい、応力を測定する意味がなくなる。このため、応力源から研磨面までの距離が１００ｎｍ又はそれ以下となったときに、有効試料厚さが０になったと判定して測定を終了する。
【００３９】
まず、試料１０を用意する。すなわち、シリコン基板１０ａの上に応力源としてＳｉＯ2膜１０ｂを形成する。そして、基板１０ａの裏面側を、基板面に平行に研磨（水平研磨）する（ステップＳ１１）。
【００４０】
次に、試料１０を、ＳｉＯ2膜１０ｂを下側にしてステージ１１上に搭載する。そして、光学顕微鏡で試料１０を観察しながらステージ１１を移動し、評価位置（レーザー光入射位置）を設定する（ステップＳ１２）。
【００４１】
次に、試料厚さを測定する（ステップＳ１３）。ここでは、基板１０ａとＳｉＯ2膜１０ｂとの界面で反射した光を波長分散し、試料厚さを理論的に計算するものとする。図５は、横軸に波長をとり、縦軸に反射強度をとって、反射強度の波長依存性を測定した結果の一例を理論波形とともに示す図である。理論波形と測定値との比較から、この例では試料厚さ（基板１０ａとＳｉＯ2膜１０ｂとの界面と基板１０ａの裏面（研磨面）との間の距離）を２．０μｍとしている。
【００４２】
次に、試料厚さの測定値から有効試料厚さ（残り厚さ）を算出する（ステップＳ１４）。前述したように、シリコン基板１０ａ上にＳｉＯ2膜１０ｂを形成した場合、研磨により応力が解放される厚さは応力源から１００ｎｍ以下の範囲であるので、ステップＳ１３で測定した試料厚さ（２．０μｍ）から研磨により応力が解放される厚さ（１００ｎｍ）を減算した値、すなわち１．９μｍを有効試料厚さ（残り厚さ）とする。
【００４３】
次に、レーザー走査制御部１４により顕微光学部１２を制御してレーザー光を発生させ、試料１０の評価位置に入射し（ステップＳ１５）、顕微光学部１２によりラマン散乱光を検出する（ステップＳ１６）。顕微光学部１２から出力されるラマン散乱光の検出信号は分光器１５により分光処理され、検出器１６に入力される。
【００４４】
次に、検出器１６において、分光器１５の出力をエネルギー（波数又は波長）毎に積算してラマンスペクトルを取得し、ピーク位置を確定する。そして、ラマンスペクトルのピーク位置と基準のピーク位置との差からシフト量を算出する（ステップＳ１７）。これにより、評価位置における応力を算出することが可能となる。その後、次のステップ（ステップＳ１８）に移行する。
【００４５】
２次元走査を行う場合（ステップＳ１８でＹＥＳの場合）は、レーザー走査制御部１４により顕微光学部１２を制御して評価位置を変更した後、ステップＳ１５に戻って、上述の処理を繰り返す。２次元走査を行わない場合、又は２次元走査が完了した場合（ステップＳ１８でＮＯの場合）は、ステップＳ１９に移行する。
【００４６】
ステップＳ１９では、有効試料厚さが０か否かを判定する。有効試料厚さが０でない場合（ＮＯの場合）は、試料の裏面を研磨した後、ステップＳ１３に戻って上述した処理を繰り返す。一方、ステップＳ１９で有効試料厚さが０と判定した場合（ＹＥＳの場合）は、ステップＳ２０に移行する。
【００４７】
ステップＳ２０では、ステップＳ１７で算出したラマンスペクトルのピーク位置のシフト量から応力を算出する。例えば、表面の面方位が（００１）のシリコン基板の場合、応力σは下記（２）式により算出する。
【００４８】
σ＝−０．２５×１０9×Δν  …（２）
但し、Δνはピーク位置のシフト量である。そして、主制御部１７は、各評価位置における応力の算出結果を内部に蓄積し、その結果に基づいて所定の位置の深さ方向の応力分布を表示部１９に表示する（ステップＳ２１）。このようにして、シリコン基板１０ａの深さ方向の応力分布が得られる。
【００４９】
シリコン基板に印加される応力は、成膜条件（成膜温度又は成膜時間等）などにより変化する。上述した方法によりシリコン基板１０ａの深さ方向の応力分布を測定した後、測定結果に基づいて成膜条件を適切に決定することにより、所望の特性の半導体装置を製造することができる。
【００５０】
図６は、上述した方法により深さ方向の応力分布を実際に測定した試料を示す模式断面図である。但し、図６に示す試料は、ＭＯＳトランジスタが形成されたシリコン基板２０であり、ＭＯＳトランジスタはゲート電極２１、ゲート酸化膜２２及び一対のソース／ドレイン領域２３により構成されている。
【００５１】
なお、図６において、２４はソース／ドレイン領域２３と電気的に接続されたビアコンタクト、２５はソース／ドレイン領域２３とビアコンタクト２４とをオーミック接続するシリサイド膜、２６はＭＯＳトランジスタを覆うＳｉＯ2膜（層間絶縁膜）、２７は素子領域間を電気的に分離する素子分離膜を示している。また、シリコン基板２０は、素子形成面（ＭＯＳトランジスタ２０が形成された面）を下側にして応力測定装置のステージ１１上に搭載される。
【００５２】
図７は、横軸にシリサイド膜２５とシリコン基板２０（ソース／ドレイン領域２３）との界面からの距離をとり、縦軸に上述した方法により測定した応力をとって、図６中に矢印で示す評価位置における深さ方向の応力分布の測定結果を示す図である。但し、ここでは、シリサイド膜２５とシリコン基板２０（ソース／ドレイン領域２３）との界面を基準として光干渉法により試料厚さを測定している。また、シリサイド膜２５とシリコン基板２０（ソース／ドレイン領域２３）との界面から垂直方向に１００ｎｍ離れた位置（図６中に破線で示す）を有効試料厚さが０の位置としている。この図７から、この試料の場合は、シリサイド膜２５とシリコン基板２０（ソース／ドレイン領域２３）との界面から約１５００ｎｍの位置までＳｉＯ2膜２６による応力の影響があることがわかる。
【００５３】
上述したように、本実施形態においては、予めどこまで研磨すると応力が解放されてしまうのかを測定しておき、研磨工程、有効試料厚さ測定工程及びラマン散乱光検出工程を順番に繰り返すことにより応力の深さ方向の分布を取得するので、応力が解放されてしまうのを回避しつつ、深さ方向の応力分布を高精度に測定することができる。
【００５４】
また、本実施形態においては、基板の裏面側からレーザー光を入射するので、基板の表面側にトランジスタ等の素子や配線又はビアコンタクトなどが形成されていても、応力の測定が可能である。
【００５５】
素子が形成された半導体基板の場合、一般的に半導体基板の表面に近づくほど応力が大きいので、基板の表面側から応力を測定すると深い領域の小さい応力を高精度に検知することは困難である。しかし、本実施形態では、基板の裏面側を研磨しながら応力を測定するので、基板の表面から離れた深い領域の小さい応力を高精度に測定することができる。そして、その測定結果に応じて製造条件を適切に決定することにより、所望の特性の半導体装置を製造することができる。
【００５６】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態は、表面状態が均一の部材の上に応力源が均一に形成されている場合において、深さ方向の応力分布を測定する方法に関する。
【００５７】
表面状態が均一のシリコン基板上に単層膜又は多層膜が均一に形成されている場合、シリコン基板と膜との界面における応力は場所に依存しないはずである。そこで、本実施形態では、断面がくさび形となるようにシリコン基板を研磨し、傾斜面の各評価位置における応力を測定して深さ方向の応力分布を得る。以下、図８（ａ）〜（ｃ）に示す模式的断面図及び図９に示すフローチャートを参照して、本実施形態に係る応力測定方法を説明する。なお、応力測定装置の構成は基本的に第１の実施形態で説明したものと同じであるので、ここでも図１の応力測定装置の構成を示すブロック図を参照する。
【００５８】
まず、図８（ａ）に示すように、試料３０を用意する、すなわち、表面状態が均一のシリコン基板３０ａの上に、応力源としてＳｉＯ2膜３０ｂを形成する。そして、図８（ｂ）に示すように、断面がくさび形となるようにシリコン基板３０ａの裏面を斜めに研磨（傾斜研磨）する（ステップＳ３１）。
【００５９】
次に、図８（ｃ）に示すように、試料３０を、ＳｉＯ2膜３０ｂが形成された面を下側にしてステージ１１上に搭載する。そして、光学顕微鏡で試料３０を観察しながらステージ１１を移動し、評価位置（レーザー光入射位置）を設定する（ステップＳ３２）。図８（ｃ）において、各矢印はそれぞれ評価位置を示している。
【００６０】
次に、試料厚さを測定する（ステップＳ３３）。ここでは、光干渉法を用いて測定面の各評価位置における厚さを測定するものとする。その後、各評価位置における有効試料厚さを算出する（ステップＳ３４）。すなわち、前述したように研磨により応力が解放される厚さは応力源から１００ｎｍ以下の範囲であるので、ステップＳ３３で測定した各評価位置の試料厚さから１００ｎｍを減算して有効試料厚さとする。
【００６１】
次に、レーザー走査制御部１４により顕微光学部１２を制御してレーザー光を発生させ、試料３０の最初の評価位置に入射し（ステップＳ３５）。顕微光学部１２によりラマン散乱光を検出する（ステップＳ３６）。顕微光学部１２から出力されるラマン散乱光の検出信号は分光器１５に入力され、分光処理されて検出器１６に出力される。
【００６２】
検出器１６は、分光器１５の出力をエネルギー（波数又は波長）毎に積算してラマンスペクトルを取得し、ピーク位置を探索する。そしてラマンスペクトルのピーク位置と基準のピーク位置との差からシフト量を算出する（ステップＳ３７）。
【００６３】
ステップＳ３８では、有効試料厚さに基づいてレーザー光を走査するか否かを判定する。すなわち、有効試料厚さが０でないと判定した場合（ＹＥＳの場合）は、レーザー光を走査して評価位置を変更した後、ステップＳ３５に戻って上述した処理を繰り返す。一方、ステップＳ３８で有効試料厚さが０であると判定した場合（ＮＯの場合）は、ステップＳ３９に移行する。
【００６４】
ステップＳ３９では、ステップＳ３７で算出したラマンスペクトルのピーク位置のシフト量から応力を算出する。例えば、表面の面方位が（００１）のシリコン基板の場合、応力σは前述の（２）式により算出する。主制御部１８は、それらの算出結果を内部に蓄積し、深さ方向の応力分布として表示部１９に表示する（ステップＳ４０）。このようにして、シリコン基板３０ａとＳｉＯ2膜３０ｂとからなる試料３０の深さ方向の応力分布が得られる。
【００６５】
図１０は、横軸にシリコン基板とＳｉＯ2膜との界面からの距離をとり、縦軸に上述した方法により測定した応力をとって、応力測定結果を示す図である。この図１０から、この試料の場合はシリコン基板と応力源となるＳｉＯ2膜との界面から約２００ｎｍのところまでＳｉＯ2膜による応力の影響があることがわかる。
【００６６】
本実施形態においては、表面状態が均一の基板上に応力源となる膜が均一に形成されている場合に、１回の研磨（傾斜研磨）により深さ方向の応力分布が高精度に測定できる。
【００６７】
なお、上述の実施形態は本発明を半導体基板（シリコンウエハ）の深さ方向の応力分布の測定に適用した例について説明したが、これにより本発明が半導体基板の深さ方向の応力分布の測定方法に限定されるものではなく、本発明は種々の部材の深さ方向の応力分布の測定に適用することができる。
【００６８】
また、第１の実施形態と同様に、本実施形態により応力分布を測定した後、その測定結果に基づいて成膜条件を適切に決定することにより、所望の特性の半導体装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る応力測定方法に用いる応力測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２（ａ），（ｂ）は、応力が解放される厚さを調べる方法を示す模式図である。
【図３】図３は、試料厚さｄと応力との関係を調べた結果を示す図である。
【図４】図４は、第１の実施形態に係る応力測定方法を示すフローチャートである。
【図５】図５は、反射強度の波長依存性を測定した結果の一例を理論波形とともに示す図である。
【図６】図６は、深さ方向の応力分布を実際に測定した試料を示す模式断面図である。
【図７】図７は、図６中に矢印で示す評価位置における深さ方向の応力分布の測定結果を示す図である。
【図８】図８（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る応力測定方法を示す断面図である。
【図９】図９は、第２の実施形態に係る応力測定方法を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、第２の実施形態による応力測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０，３０…試料、
１０ａ，２０，３０ａ…シリコン基板、
１０ｂ，２６，３０ｂ…ＳｉＯ2膜、
１１…ステージ、
１２…顕微光学部、
１３…試料厚さ測定装置、
１４…レーザー走査制御部、
１５…分光器、
１６…検出器、
１７…主制御部、
１８…ステージ制御部、
１９…表示部、
２１…ゲート電極、
２２…ゲート酸化膜、
２３…ソース／ドレイン領域、
２４…ビアコンタクト、
２５…シリサイド膜、
２７…素子分離膜。
【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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