格子歪測定方法及び格子歪測定装置
【課題】ナノビーム電子回折法の格子歪測定精度を向上し、結晶試料における局所領域の応力・格子歪を高精度に測定する。
【解決手段】回折スポット１４と透過スポット１５の間隔（あるいは異なる回折スポットの間隔）１６（Ｋ）と格子面間隔ｄとの間には、Ｋ＝１／ｄの関係がある。従って、スポット間隔Ｋの変化から格子面間隔の変化、すなわち格子歪を知ることができる。コンデンサレンズ絞り２を明瞭に観察することにより、回折スポット間隔の測定精度を高くする。この結果、格子歪の測定精度が向上する。そこで、電子回折図形を観察し記録するステップにおいて、コンデンサレンズ絞り２に焦点が合うように中間レンズ１１を調整する。これにより、結晶試料４における局所領域の応力・格子歪を高精度に測定することが可能となる。
【解決手段】回折スポット１４と透過スポット１５の間隔（あるいは異なる回折スポットの間隔）１６（Ｋ）と格子面間隔ｄとの間には、Ｋ＝１／ｄの関係がある。従って、スポット間隔Ｋの変化から格子面間隔の変化、すなわち格子歪を知ることができる。コンデンサレンズ絞り２を明瞭に観察することにより、回折スポット間隔の測定精度を高くする。この結果、格子歪の測定精度が向上する。そこで、電子回折図形を観察し記録するステップにおいて、コンデンサレンズ絞り２に焦点が合うように中間レンズ１１を調整する。これにより、結晶試料４における局所領域の応力・格子歪を高精度に測定することが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は結晶試料の格子歪測定方法及び格子歪測定装置に関し、特にナノビーム電子回折法を用いて高空間分解能かつ高精度に格子歪を測定する格子歪測定方法及び格子歪測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
結晶試料における応力やこれに伴って発生する格子歪は、材料の性質を表す物性量の一つである。一般に、結晶試料における応力や格子歪は、同じ材料であっても、その成長条件や加工条件によって変化する。また、結晶試料の物性量や性質の多くは、応力や格子歪によって変化する。従って、結晶試料の応力や格子歪の状態を評価し、その用途に応じて加工・成長条件を最適化することが、高性能の材料・製品開発にとって不可欠である。
【０００３】
特に、大規模半導体集積回路（ＬＳＩ）においては素子の構造が微細であるため、局所的な応力・格子歪の測定が必要である。局所的な応力・格子歪の測定には、Ｘ線回折法や顕微ラマン分光法，あるいは、透過型電子顕微鏡内で行う収束電子回折法やナノビーム電子回折法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特許第３０３６４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これまでＬＳＩの高性能化は、基本素子であるＭＯＳ型電界効果トランジスタ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor：ＭＯＳＦＥＴ）の微細化により進められてきた。しかし、今日この微細化は物理的な限界に達しつつある。そこで近年は、微細化によらないＭＯＳＦＥＴの高性能化技術、いわゆるポストスケーリング技術が注目されている。チャネルに故意に格子歪を導入し、キャリア移動度を増大させ、ドレイン電流を向上させる歪シリコン技術はその一つであり、主に高速ＬＳＩ向けの技術として研究開発が進められている。従って、チャネルの格子歪を直接測定することが今後のＬＳＩ開発にとって重要である。
【０００６】
また、ＬＳＩ内部の局所的な応力や格子歪が、転位等の結晶欠陥の発生の原因となり得ることは古くから知られており、デバイスプロセスの適正化により制御されてきた。しかし、近年のポストスケーリング技術によるデバイス構造の変化や新規材料の導入は、ＬＳＩ内部の局所的な応力や格子歪を大きく変化させる。よって、局所的な応力や格子歪に起因する結晶欠陥の発生機会が増え、その結果、素子の信頼性や歩留まりが低下する危険性がある。従って、ＬＳＩ内部の局所的な格子歪を評価することは、今後もＬＳＩの信頼性や歩留まりの向上に対して有効な知見を与えると考えられる。
【０００７】
このように、ＬＳＩ内部の局所応力や格子歪の評価の必要性は大きいが、格子歪測定法であるＸ線回折法や顕微ラマン分光法は、空間分解能が低いため、十分な測定結果を得ることができなかった。
【０００８】
そこで、透過型電子顕微鏡内で行う電子回折を用いた格子歪測定法である、収束電子回折法やナノビーム電子回折法を用いて、ＬＳＩ内部の局所格子歪を測定することが提案されている。例えば、特許文献１には収束電子回折法を用いて局所格子歪を測定する方法が開示されている。
【０００９】
上記の収束電子回折法は、薄片化試料上に高エネルギー電子を収束し、透過させた際に透過波内に現れる高次ラウエ帯回折線図形の変化から照射領域の格子歪を測定する手法である。入射電子は試料上で数ｎｍφ以下にまで収束される。これにより、微細な素子における格子歪測定にとって十分な空間分解能が得られる。また、測定に用いられる高次ラウエ帯回折は逆格子ベクトルの大きさが大きいため、格子歪に対して敏感であることが知られている。このため、収束電子回折法の歪測定誤差は２×１０-4と、後述するナノビーム電子回折法のそれの１／５である。
【００１０】
このように収束電子回折法は空間分解能が高く、歪測定誤差が小さいので局所歪測定に好適な手法であると考えられるが、不利な点も持っている、すなわち、照射領域内の格子歪が一定でない場合（主として入射電子の透過方向に格子歪の分布がある場合）、高次ラウエ帯回折線が複数に分裂し定量的な歪解析が行えないという点である。この結果、サンプルによって歪測定が行えない、あるいは同一サンプル内でも歪測定が行えない領域がある等の問題が生じる。
【００１１】
加えて、高次ラウエ帯回折は散乱断面積が小さいため、観察するためには十分な試料厚さ（数百ｎｍ）が必要である。これに対し、現在開発が進められている素子の代表的大きさは１００ｎｍを下回っている。よって、適切な試料厚さの薄片試料を作成できないため歪測定不可能な場合が出てくる。今後のＬＳＩ開発に対して収束電子回折法を用いるには上記２つの問題点を解決する必要がある。
【００１２】
一方、ナノビーム電子回折法は、収束電子回折法と同様に透過型電子顕微鏡を用いて行う歪測定法である。このナノビーム電子回折法では、回折あるいは透過スポットの間隔変化から照射領域の格子歪を求める。収束電子回折法では入射電子は１０ｍｒａｄ以上の収束角を持つが、ナノビーム電子回折法におけるそれは数ｍｒａｄ以下である。この収束角が小さいことによって回折斑点が明瞭に観察されるようになる。
【００１３】
また、このナノビーム電子回折法においても入射電子は数ｎｍφ以下に収束されるため、収束電子回折法と同様に高い空間分解能が得られる。更に、このナノビーム電子回折法で使われる回折斑点は低次の回折波であり散乱断面積が大きい。従って、ナノビーム電子回折法では、収束電子回折法に比べて、薄い試料でも格子歪測定が可能である。このことはナノビーム電子回折法が、微細素子における格子歪測定に有利であることを示している。加えて、解析不可能となるような回折図形の変化も無いため、測定不能となる場合が少ない。よって系統的な歪評価が可能である。
【００１４】
しかし、ナノビーム電子回折法には、歪測定誤差が１×１０-3程度と収束電子回折法の５倍大きいという不利な点がある。ナノビーム電子回折法における格子歪測定誤差は、回折あるいは透過スポット間隔を測定する際の誤差によって決まるので、格子歪測定誤差は、解析に用いられるスポット間隔、記録媒体の画素数やスポットの認識法に依存する。よって、これらを改良できれば、歪測定誤差が小さくなる可能性がある。
【００１５】
ナノビーム電子回折法の空間分解能は収束電子回折法と同等であり、微細素子での測定可能性、歪の不均一による回折図形の変化については収束電子回折法よりもナノビーム電子回折法が勝っている。よって、歪測定誤差を低減できれば、ナノビーム電子回折法をＬＳＩにおける局所格子歪測定技術として収束電子回折法以上に活用することができると考えられる。
【００１６】
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、ナノビーム電子回折法の格子歪測定精度を向上し、結晶試料における局所領域の応力・格子歪を高精度に測定し得る格子歪測定方法及び格子歪測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明に係る格子歪測定方法は、ナノビーム電子回折法を用いて結晶試料中の格子歪を測定する格子歪測定方法であって、コンデンサレンズ絞りを用いて収束角と照射領域の広さが制限された入射電子を結晶試料に照射し、得られた電子回折図形を電子レンズにより拡大し、拡大したその電子回折図形を観察して記録する際に、コンデンサレンズ絞りに焦点が合うように電子レンズを調整し、記録した電子回折図形のスポット間隔から格子歪を測定することを特徴とする。
【００１８】
また、上記の目的を達成するため、本発明に係る格子歪測定装置は、ナノビーム電子回折法を用いて結晶試料中の格子歪を測定する格子歪測定装置であって、コンデンサレンズ絞りを用いて入射電子の収束角と照射領域の広さを制限する手段と、収束角と照射領域の広さが制限された入射電子を、結晶試料に照射して得られる電子回折図形を電子レンズにより拡大する手段と、拡大したその電子回折図形を観察して記録する際に、コンデンサレンズ絞りに焦点が合うように電子レンズを調整する手段と、記録した電子回折図形のスポット間隔から格子歪を測定する測定手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、結晶試料における局所領域の応力・格子歪を高精度に測定することが可能となるので、これに基づいた材料の成長・加工条件の最適化が可能となり、高性能、高信頼の製品開発が促進される。特に、ＬＳＩにおいては、チャネル歪の制御や、結晶欠陥発生メカニズムの解明等について新しい知見を得ることができる。これにより、ＬＳＩの高性能化及び高信頼化が促進される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態に関して、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
まず、本発明の格子歪測定方法の第一の実施形態に関して、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明になる格子歪測定方法の基本となる、ナノビーム電子回折法における光線図の概略を示す。図１は説明のために簡略化されており、実際の電子線光線図と一致しない場合もある。ナノビーム電子回折法は一般的には、透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：ＴＥＭ）を用いて行われる。
【００２２】
図１において、電子源１から放出された電子は、高圧電源（図示せず）により加速され、コンデンサレンズ絞り２の指数まで達する。コンデンサレンズ絞り２は、平板に穴が開けられたものであり、入射電子３の結晶試料４上での収束角αと照射領域を規定する。結晶試料４上に照射された入射電子３の大部分は散乱されず透過波５となるが、一部の電子は結晶試料４中の原子が作り出す周期的ポテンシャルにより回折され回折波６となる。
【００２３】
このような過程を経た電子は、対物レンズ（図示せず）の後焦平面７上に電子回折図形８を形成する。電子回折図形８は、透過波５による透過スポット９と回折波６による回折スポット１０とから構成される。この電子回折図形８は、中間レンズ１１により拡大され、さらに投影レンズ１２により蛍光板１３上に回折スポット１４と、透過スポット１５として映し出される。図１には、１つの回折波６および回折スポット１０のみ描かれているが、一般には複数の回折波が生じ、複数の回折スポットが蛍光板１３上に映し出される。
【００２４】
回折スポット１０及び１４は、結晶試料４中の周期的ポテンシャルにより生じるので、回折スポット１０及び１４はその周期すなわち格子面間隔についての情報を持っている。具体的には、回折スポット１０及び１４は、その周期すなわち格子面間隔についての情報を持っている。具体的には、回折スポット１４と透過スポット１５の間隔（あるいは異なる回折スポットの間隔）Ｋ（以下、スポット間隔と呼ぶ。）１６と格子面間隔ｄとの間には、
Ｋ＝１／ｄ （１）
の関係がある。従って、スポット間隔Ｋの変化から格子面間隔の変化、すなわち格子歪を知ることができる。
【００２５】
格子歪εは、格子歪無しの格子面間隔ｄと歪んだ格子面間隔ｄ’とにより、次式により定義される。
【００２６】
【数１】
上式に（１）式を用いればスポット間隔の変化から格子歪を求める次式が得られる。
【００２７】
【数２】
ここで、Ｋは格子歪無しでのスポット間隔、Ｋ’は歪んだ格子面間隔に対応するスポット間隔であり、Ｋ’＝１／ｄ’で与えられる。
【００２８】
以上の説明から、ナノビーム電子回折法を用いて格子歪を高精度に測定するにはスポット間隔Ｋ、Ｋ’を高精度に測定すればよいことがわかる。
【００２９】
図２は、通常の（中間レンズや投影レンズを含む）電子光学系の設定で観察されたナノビーム電子回折図形を示す。図３は、図２に示した線１７に沿った電子強度のプロファイルを示す。図２に１８で示したスポット間隔Ｋを測定するには、通常、このプロファイルの極大点間の間隔を測定する。しかし、極大点付近の分布は緩慢かつ散乱しているので、それぞれのスポットにおいて極大点を一点に決定するのは困難である。この困難さがナノビーム電子回折法の歪測定精度を下げている要因である。
【００３０】
図４は、回折図形を観察する際に、コンデンサレンズ絞り２の形状が最も明瞭に観察されるよう、コンデンサレンズ絞り２に焦点が合うように中間レンズ１１を調整し撮影した図を示す。図５は、図４中の線１９に沿った電子強度のプロファイルを示す。図４から明らかなように、回折スポットがディスク状に広がっているため、強度の極大点をそれぞれの回折スポットにおいて特定し、相互の間隔を測定することに意味はなくなる。その代わりに、コンデンサレンズ絞り２による強度の急峻な変化点をそれぞれの回折スポットにおいて特定し、相互の間隔を測定することで、図４に２０で示した“回折スポット間隔Ｋ”を測定することができる。
【００３１】
プロファイルから明らかなように、図３で極大強度点を決定するよりも、図５でコンデンサレンズ絞り２による強度の急峻な変化点を特定することのほうが容易である。従って、コンデンサレンズ絞り２を明瞭に観察する方法の方が回折スポット間隔の測定精度が高い。この結果、格子歪の測定精度が向上する。そこで、第一の実施形態では、電子回折図形を観察し記録するステップにおいて、コンデンサレンズ絞り２が明瞭に観察されるように、すなわち、コンデンサレンズ絞り２に焦点が合うように電子レンズである中間レンズ１１を調整するものである。
【００３２】
これにより、本実施形態によれば、結晶試料における局所領域の応力・格子歪を高精度に測定することが可能となるので、これに基づいた材料の成長・加工条件の最適化が可能となり、高性能、高信頼の製品開発が促進される。特に、ＬＳＩにおいては、チャネル歪の制御や、結晶欠陥発生メカニズムの解明等について新しい知見を得ることができる。これにより、ＬＳＩの高性能化および高信頼化が促進される。
【００３３】
次に、本発明の格子歪測定方法の第二の実施形態に関して、添付図面を参照して説明する。第二の実施形態では第一の実施形態で記載した格子歪測定方法によりシリコン基板上に作成された微細ＭＯＳＦＥＴのチャネル部における格子歪を測定した例について述べる。
【００３４】
図６は、測定に用いた微細ＭＯＳＦＥＴの断面の模式図を示す。このＭＯＳＦＥＴは、ゲート電極２１、ゲート絶縁膜２２、ソース２３、ドレイン２４、サイドウォール２５、エッチングストッパ２６とからなる。
【００３５】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いてこのような断面が観察されるように、収束イオンビーム法（Focused Ion Beam：ＦＩＢ）を用いて断面試料を作成した。この断面試料の試料厚さはおよそ１００ｎｍである。また、以下では、ゲート長方向（［１−１０］方向）をｘ軸、これに垂直なシリコン基板表面法線方向（［００１］方向）をｙ軸にとった。ゲート長方向の格子歪は（１−１０）面の歪であり、これをεｘｘと定義する。さらに、シリコン基板表面法線方向の格子歪は（００１）面の歪であり、これをεｙｙと定義する。
【００３６】
二次元平面上での歪にはせん断歪成分（εｘｙと表記する）が存在するが、これは他の２成分のようにある１つの格子面の歪には対応していない。しかし、εｘｘ、εｙｙ、更に（１−１１）面の格子歪ε（１−１１）によって、せん断歪成分εｘｙは次式で表される。
【００３７】
【数３】
ここで、θは［１−１１］方向と［１−１０］方向とがなす角であり、３５.２６°である。従って、ε（１−１１）を測定すれば、εｘｘ、εｙｙの測定結果を用いて、（４）式によりεｘｙを求めることができる。
【００３８】
図７は、εｘｘを測定するために撮影したナノビーム電子回折図形を示す。撮影にはイメージングプレートを用いた。観察時のＴＥＭの加速電圧は２００ｋＶであった。試料上でのプローブ径は電子強度の半値全幅で４ｎｍ、プローブの収束角は１.２ｍｒａｄであった。電子プローブの形成には１０μｍφのコンデンサレンズ絞りを用いた。
【００３９】
εｘｘは（１−１０）面の格子歪であるので、注目すべき回折あるいは透過スポット間隔は次式
（ｈｋｌ）−（ｈ’ｋ’ｌ’）＝ｍ（１−１０） （５）
を満たす回折スポット（ｈｋｌ）と回折スポット（ｈ’ｋ’ｌ’）の間隔である。ここで、ｈ、ｋ、ｌ、ｍ、ｈ’、ｋ’、ｌ’は０又は整数である。なお、（５）式及び以下（６）式〜（１１）式中のｋ、ｋ’は、前述した（１）式、（２）式のスポット間隔Ｋ，Ｋ’とは異なる変数である。
【００４０】
ここで、（５）式を一般式で表すものとすると、結晶試料中の［ｕｖｗ］方向の格子歪を測定する場合（ただし、ｕ，ｖ，ｗは０又は整数）、本実施形態では、
（ｈｋｌ）−（ｈ’ｋ’ｌ’）＝ｍ（ｕｖｗ） （６）
を満たす回折（あるいは透過）スポット（ｈｋｌ）と、回折（あるいは透過）スポット（ｈ’ｋ’ｌ’）のスポット間隔を測定するものである。
【００４１】
回折スポット（ｈｋｌ）は、試料内の（ｈｋｌ）面によって生じた回折スポットを意味する。また、透過スポットは回折スポット（０００）で表されるものとする。以下、特に説明されない限り、透過スポットが回折スポット（０００）で表されるものとする。
【００４２】
本実施形態においては、図７に示すように歪測定精度にとって有利なできるだけ大きいスポット間隔が得られる、回折スポット（３−３３）と回折スポット（−３３３）に注目した。この場合のスポット間隔は、（６）式より
（３−３３）−（−３３３）＝（６−６０）＝６（１−１０）
で表される。従って、この場合、（１−１０）面の格子歪を測定するときのスポット間隔を示す（６）式中のｍは「６」となる。
【００４３】
原理的にはより大きいスポット間隔を注目したほうが良いが、逆格子ベクトルの大きさが大きい回折スポットは回折強度が小さくなり観察が困難になることや、撮影の際イメージングプレートに収まらないなどの問題があるため、これらを考慮して注目するスポット間隔を決定した。なお、大きいスポット間隔を観察することが歪測定精度にとって有利である理由は後に述べる。
【００４４】
図８は、εｙｙを測定するために撮影したナノビーム電子回折図形を示す。改めて述べられていない撮影条件は上で述べたεｘｘの測定の場合と同一である。今度は、εｙｙが（００１）面の歪であるので、注目すべき回折スポット間隔は、次式
（ｈｋｌ）−（ｈ’ｋ’ｌ’）＝ｍ（００１） （７）
を満たす回折スポット（ｈｋｌ）と回折スポット（ｈ’ｋ’ｌ’）との間の間隔である。ここで、ｈ、ｋ、ｌ、ｍ、ｈ’、ｋ’、ｌ’は０又は整数である。本実施形態においては、εｘｘの場合と同様な理由から、図８に示すように、回折スポット（−２２６）と回折スポット（−２２−２）の間隔に注目した。この場合は、（６）式のｍは「８」である。
【００４５】
図９は、ε（１−１１）を測定するために撮影したナノビーム電子回折図形を示す。改めて述べられていない撮影条件は上で述べたεｘｘ、及びεｙｙの測定の場合と同一である。今度は、（１−１１）面の歪であるので、注目すべき回折スポット間隔は、次式
（ｈｋｌ）−（ｈ’ｋ’ｌ’）＝ｍ（１−１１） （８）
を満たす回折スポット（ｈｋｌ）と回折スポット（ｈ’ｋ’ｌ’）の間隔である。ここで、ｈ、ｋ、ｌ、ｍ、ｈ’、ｋ’、ｌ’は０又は整数である。本実施形態においては、εｘｘ及びεｙｙの場合と同様な理由から、図９に示すように回折スポット（２−２４）と回折スポット（−３３−１）の間隔に注目した。この場合は、（６）式のｍは「５」である。
【００４６】
本実施形態で用いたＭＯＳＦＥＴは、いわゆる＜１１０＞チャネルのＭＯＳＦＥＴであったため、上記のような条件で測定を行ったが、これが＜１００＞チャネルのＭＯＳＦＥＴである場合でも同様に測定可能である。その場合は、チャネル長方向（［０１０］方向）をｘ軸、シリコン基板表面法線方向（［００１］方向）をｙ軸と定義したとき、εｘｘの測定の際には、ｈ、ｋ、ｌ、ｈ’、ｋ’、ｌ’ｍを０又は整数として、次式
（ｈｋｌ）−（ｈ’ｋ’ｌ’）＝ｍ（０１０） （９）
を満たす回折スポット（ｈｋｌ）と回折スポット（ｈ’ｋ’ｌ’）の間隔を測定すればよい。実用的には回折スポット（０４０）と回折スポット（０−４０）の間隔を測定する。この場合、（６）式のｍは「８」である。
【００４７】
同様に、εｙｙの測定の際には、ｈ、ｋ、ｌ、ｈ’、ｋ’、ｌ’、ｍを０又は整数として、次式
（ｈｋｌ）−（ｈ’ｋ’ｌ’）＝ｍ（００１） （１０）
を満たす回折スポット（ｈｋｌ）と回折スポット（ｈ’ｋ’ｌ’）の間隔を測定すればよい。実用的には回折スポット（００４）と回折スポット（００−４）の間隔を測定する。この場合、（６）式のｍは「８」である。
【００４８】
最後に、εｘｙについてであるが、すでに述べたように、他の２成分とは異なって、εｘｙは１つの格子面の歪には対応していない。そこで、（２０１）面の格子歪ε（２０１）を測定し、εｘｘ、εｙｙ、ε（２０１）とεｘｙとの間に成り立つ次式を用いて、εｘｙを求める。
【００４９】
【数４】
ここで、θは［１００］方向と［２０１］方向とがなす角であり、２６.５７°である。
また、ε（２０１）を測定するには、ｈ、ｋ、ｌ、ｈ’、ｋ’、ｌ’、ｍを０又は整数として、次式
（ｈｋｌ）−（ｈ’ｋ’ｌ’）＝ｍ（２０１） （１２）
を満たす回折スポット（ｈｋｌ）と回折スポット（ｈ’ｋ’ｌ’）の間隔を測定する。実用的には回折スポット（−４００）と回折スポット（４０４）の間隔を測定する。この場合、（６）式のｍは「４」である。
【００５０】
次に、大きいスポット間隔（例えば、（５）式における整数ｍがより大きくなるようなスポット間隔）を測定することが、格子歪精度向上に対して有利であることについて説明する。既に述べたように、スポット間隔Ｋと面間隔ｄとの間にはＫ＝１／ｄなる関係がある。この式の左辺と右辺の両方を微分すると、
ΔＫ＝−（Δｄ／ｄ）Ｋ （１３）
が得られる。
【００５１】
この（１２）式を格子歪（Δｄ／ｄ）に対するスポット間隔の変化ΔＫを与える式であると考えると、スポット間隔Ｋ自身が大きいほど、一定の格子歪（Δｄ／ｄ）に対するスポット間隔の変化（ΔＫ）が大きいと解釈することができる。このことは、スポット間隔Ｋ自身が大きいほど、より小さな歪を検出することができることを示している。これが、より大きなスポット間隔を測定することが格子歪精度向上に対して有利であることの理由である。
【００５２】
実際の歪測定の際には、まず歪が存在しないと考えられる試料上の指数に電子プローブを置き、ナノビーム電子回折図形を観察、撮影する。この回折図形から得られる注目する回折スポット間隔をＫとする。
【００５３】
次に、測定指数に電子プローブを置き、同様にナノビーム電子回折図形を観察、撮影し、注目する回折スポット間隔を測定する。これをＫ’とする。こうして得られたＫ及びＫ’を（３）式に代入して格子歪εを得る。
【００５４】
図１０は、上記の方法で得られた＜１１０＞チャネル微細ＭＯＳＦＥＴのチャネル領域におけるゲート長方向の格子歪εｘｘ、シリコン基板表面法線方向の格子歪εｙｙ、せん断歪成分εｘｙの測定結果を示す。縦軸は歪を示す。また、横軸の番号は測定点の番号であり、図６中の番号に対応している。
【００５５】
図１０に示すように、εｘｘはどの点においても正（引っ張り歪）であるが、εｙｙは反対にどの点においても負（圧縮歪）である。また、εｘｙの絶対値はゲート電極の端部で大きくなっている。このように、本発明による歪測定方法によって、微細ＭＯＳＦＥＴのチャネル部における格子歪の直接測定が可能になった。
【００５６】
図１１（Ａ）は既存の格子歪測定方法によるスポット間隔と歪標準偏差との関係、同図（Ｂ）は本実施形態の格子歪測定方法によるスポット間隔と歪標準偏差との関係の実験結果を示す。図１１（Ａ）、（Ｂ）を比較すると分かるように、今まで９×１０−４程度と考えられていたナノビーム電子回折の歪測定の標準偏差は、本実施形態の測定法を用いることで、３×１０−４以下に低減されることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の基本的なナノビーム電子回折法における概略光線図である。
【図２】通常の電子光学系の設定で観察されたナノビーム電子回折図形である。
【図３】図２中の線１７に沿った電子強度のプロファイルである。
【図４】コンデンサレンズ絞りの形状が最も明瞭に観察されるように中間レンズを調整し撮影されたナノビーム電子回折図形である。
【図５】図４中の線１９に沿った電子強度のプロファイルである。
【図６】格子歪測定に用いた微細ＭＯＳＦＥＴの断面模式図である。
【図７】εｘｘを測定するために撮影されたナノビーム電子回折図形である。
【図８】εｙｙを測定するために撮影されたナノビーム電子回折図形である。
【図９】ε（１−１１）を測定するために撮影されたナノビーム電子回折図形である。
【図１０】微細ＭＯＳＦＥＴのチャネル領域における格子歪分布を示す図である。
【図１１】歪標準偏差とスポット間隔との関係の実験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 電子源
２ コンデンサレンズ絞り
３ 入射電子
４ 結晶試料
５ 透過波
６ 回折波
７ 後焦平面
８ 電子回折図形
９、１５ 透過スポット
１０、１４ 回折スポット
１１ 中間レンズ
１２ 投影レンズ
１３ 蛍光板
１６、１８、２０ スポット間隔
１７、１９ （ラインプロファイルをとった）線
２１ ゲート電極
２２ ゲート絶縁膜
２３ ソース
２４ ドレイン
２５ サイドウォール
２６ エッチングストッパ
【技術分野】
【０００１】
本発明は結晶試料の格子歪測定方法及び格子歪測定装置に関し、特にナノビーム電子回折法を用いて高空間分解能かつ高精度に格子歪を測定する格子歪測定方法及び格子歪測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
結晶試料における応力やこれに伴って発生する格子歪は、材料の性質を表す物性量の一つである。一般に、結晶試料における応力や格子歪は、同じ材料であっても、その成長条件や加工条件によって変化する。また、結晶試料の物性量や性質の多くは、応力や格子歪によって変化する。従って、結晶試料の応力や格子歪の状態を評価し、その用途に応じて加工・成長条件を最適化することが、高性能の材料・製品開発にとって不可欠である。
【０００３】
特に、大規模半導体集積回路（ＬＳＩ）においては素子の構造が微細であるため、局所的な応力・格子歪の測定が必要である。局所的な応力・格子歪の測定には、Ｘ線回折法や顕微ラマン分光法，あるいは、透過型電子顕微鏡内で行う収束電子回折法やナノビーム電子回折法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特許第３０３６４４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これまでＬＳＩの高性能化は、基本素子であるＭＯＳ型電界効果トランジスタ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor：ＭＯＳＦＥＴ）の微細化により進められてきた。しかし、今日この微細化は物理的な限界に達しつつある。そこで近年は、微細化によらないＭＯＳＦＥＴの高性能化技術、いわゆるポストスケーリング技術が注目されている。チャネルに故意に格子歪を導入し、キャリア移動度を増大させ、ドレイン電流を向上させる歪シリコン技術はその一つであり、主に高速ＬＳＩ向けの技術として研究開発が進められている。従って、チャネルの格子歪を直接測定することが今後のＬＳＩ開発にとって重要である。
【０００６】
また、ＬＳＩ内部の局所的な応力や格子歪が、転位等の結晶欠陥の発生の原因となり得ることは古くから知られており、デバイスプロセスの適正化により制御されてきた。しかし、近年のポストスケーリング技術によるデバイス構造の変化や新規材料の導入は、ＬＳＩ内部の局所的な応力や格子歪を大きく変化させる。よって、局所的な応力や格子歪に起因する結晶欠陥の発生機会が増え、その結果、素子の信頼性や歩留まりが低下する危険性がある。従って、ＬＳＩ内部の局所的な格子歪を評価することは、今後もＬＳＩの信頼性や歩留まりの向上に対して有効な知見を与えると考えられる。
【０００７】
このように、ＬＳＩ内部の局所応力や格子歪の評価の必要性は大きいが、格子歪測定法であるＸ線回折法や顕微ラマン分光法は、空間分解能が低いため、十分な測定結果を得ることができなかった。
【０００８】
そこで、透過型電子顕微鏡内で行う電子回折を用いた格子歪測定法である、収束電子回折法やナノビーム電子回折法を用いて、ＬＳＩ内部の局所格子歪を測定することが提案されている。例えば、特許文献１には収束電子回折法を用いて局所格子歪を測定する方法が開示されている。
【０００９】
上記の収束電子回折法は、薄片化試料上に高エネルギー電子を収束し、透過させた際に透過波内に現れる高次ラウエ帯回折線図形の変化から照射領域の格子歪を測定する手法である。入射電子は試料上で数ｎｍφ以下にまで収束される。これにより、微細な素子における格子歪測定にとって十分な空間分解能が得られる。また、測定に用いられる高次ラウエ帯回折は逆格子ベクトルの大きさが大きいため、格子歪に対して敏感であることが知られている。このため、収束電子回折法の歪測定誤差は２×１０-4と、後述するナノビーム電子回折法のそれの１／５である。
【００１０】
このように収束電子回折法は空間分解能が高く、歪測定誤差が小さいので局所歪測定に好適な手法であると考えられるが、不利な点も持っている、すなわち、照射領域内の格子歪が一定でない場合（主として入射電子の透過方向に格子歪の分布がある場合）、高次ラウエ帯回折線が複数に分裂し定量的な歪解析が行えないという点である。この結果、サンプルによって歪測定が行えない、あるいは同一サンプル内でも歪測定が行えない領域がある等の問題が生じる。
【００１１】
加えて、高次ラウエ帯回折は散乱断面積が小さいため、観察するためには十分な試料厚さ（数百ｎｍ）が必要である。これに対し、現在開発が進められている素子の代表的大きさは１００ｎｍを下回っている。よって、適切な試料厚さの薄片試料を作成できないため歪測定不可能な場合が出てくる。今後のＬＳＩ開発に対して収束電子回折法を用いるには上記２つの問題点を解決する必要がある。
【００１２】
一方、ナノビーム電子回折法は、収束電子回折法と同様に透過型電子顕微鏡を用いて行う歪測定法である。このナノビーム電子回折法では、回折あるいは透過スポットの間隔変化から照射領域の格子歪を求める。収束電子回折法では入射電子は１０ｍｒａｄ以上の収束角を持つが、ナノビーム電子回折法におけるそれは数ｍｒａｄ以下である。この収束角が小さいことによって回折斑点が明瞭に観察されるようになる。
【００１３】
また、このナノビーム電子回折法においても入射電子は数ｎｍφ以下に収束されるため、収束電子回折法と同様に高い空間分解能が得られる。更に、このナノビーム電子回折法で使われる回折斑点は低次の回折波であり散乱断面積が大きい。従って、ナノビーム電子回折法では、収束電子回折法に比べて、薄い試料でも格子歪測定が可能である。このことはナノビーム電子回折法が、微細素子における格子歪測定に有利であることを示している。加えて、解析不可能となるような回折図形の変化も無いため、測定不能となる場合が少ない。よって系統的な歪評価が可能である。
【００１４】
しかし、ナノビーム電子回折法には、歪測定誤差が１×１０-3程度と収束電子回折法の５倍大きいという不利な点がある。ナノビーム電子回折法における格子歪測定誤差は、回折あるいは透過スポット間隔を測定する際の誤差によって決まるので、格子歪測定誤差は、解析に用いられるスポット間隔、記録媒体の画素数やスポットの認識法に依存する。よって、これらを改良できれば、歪測定誤差が小さくなる可能性がある。
【００１５】
ナノビーム電子回折法の空間分解能は収束電子回折法と同等であり、微細素子での測定可能性、歪の不均一による回折図形の変化については収束電子回折法よりもナノビーム電子回折法が勝っている。よって、歪測定誤差を低減できれば、ナノビーム電子回折法をＬＳＩにおける局所格子歪測定技術として収束電子回折法以上に活用することができると考えられる。
【００１６】
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、ナノビーム電子回折法の格子歪測定精度を向上し、結晶試料における局所領域の応力・格子歪を高精度に測定し得る格子歪測定方法及び格子歪測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明に係る格子歪測定方法は、ナノビーム電子回折法を用いて結晶試料中の格子歪を測定する格子歪測定方法であって、コンデンサレンズ絞りを用いて収束角と照射領域の広さが制限された入射電子を結晶試料に照射し、得られた電子回折図形を電子レンズにより拡大し、拡大したその電子回折図形を観察して記録する際に、コンデンサレンズ絞りに焦点が合うように電子レンズを調整し、記録した電子回折図形のスポット間隔から格子歪を測定することを特徴とする。
【００１８】
また、上記の目的を達成するため、本発明に係る格子歪測定装置は、ナノビーム電子回折法を用いて結晶試料中の格子歪を測定する格子歪測定装置であって、コンデンサレンズ絞りを用いて入射電子の収束角と照射領域の広さを制限する手段と、収束角と照射領域の広さが制限された入射電子を、結晶試料に照射して得られる電子回折図形を電子レンズにより拡大する手段と、拡大したその電子回折図形を観察して記録する際に、コンデンサレンズ絞りに焦点が合うように電子レンズを調整する手段と、記録した電子回折図形のスポット間隔から格子歪を測定する測定手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、結晶試料における局所領域の応力・格子歪を高精度に測定することが可能となるので、これに基づいた材料の成長・加工条件の最適化が可能となり、高性能、高信頼の製品開発が促進される。特に、ＬＳＩにおいては、チャネル歪の制御や、結晶欠陥発生メカニズムの解明等について新しい知見を得ることができる。これにより、ＬＳＩの高性能化及び高信頼化が促進される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態に関して、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
まず、本発明の格子歪測定方法の第一の実施形態に関して、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明になる格子歪測定方法の基本となる、ナノビーム電子回折法における光線図の概略を示す。図１は説明のために簡略化されており、実際の電子線光線図と一致しない場合もある。ナノビーム電子回折法は一般的には、透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：ＴＥＭ）を用いて行われる。
【００２２】
図１において、電子源１から放出された電子は、高圧電源（図示せず）により加速され、コンデンサレンズ絞り２の指数まで達する。コンデンサレンズ絞り２は、平板に穴が開けられたものであり、入射電子３の結晶試料４上での収束角αと照射領域を規定する。結晶試料４上に照射された入射電子３の大部分は散乱されず透過波５となるが、一部の電子は結晶試料４中の原子が作り出す周期的ポテンシャルにより回折され回折波６となる。
【００２３】
このような過程を経た電子は、対物レンズ（図示せず）の後焦平面７上に電子回折図形８を形成する。電子回折図形８は、透過波５による透過スポット９と回折波６による回折スポット１０とから構成される。この電子回折図形８は、中間レンズ１１により拡大され、さらに投影レンズ１２により蛍光板１３上に回折スポット１４と、透過スポット１５として映し出される。図１には、１つの回折波６および回折スポット１０のみ描かれているが、一般には複数の回折波が生じ、複数の回折スポットが蛍光板１３上に映し出される。
【００２４】
回折スポット１０及び１４は、結晶試料４中の周期的ポテンシャルにより生じるので、回折スポット１０及び１４はその周期すなわち格子面間隔についての情報を持っている。具体的には、回折スポット１０及び１４は、その周期すなわち格子面間隔についての情報を持っている。具体的には、回折スポット１４と透過スポット１５の間隔（あるいは異なる回折スポットの間隔）Ｋ（以下、スポット間隔と呼ぶ。）１６と格子面間隔ｄとの間には、
Ｋ＝１／ｄ （１）
の関係がある。従って、スポット間隔Ｋの変化から格子面間隔の変化、すなわち格子歪を知ることができる。
【００２５】
格子歪εは、格子歪無しの格子面間隔ｄと歪んだ格子面間隔ｄ’とにより、次式により定義される。
【００２６】
【数１】
上式に（１）式を用いればスポット間隔の変化から格子歪を求める次式が得られる。
【００２７】
【数２】
ここで、Ｋは格子歪無しでのスポット間隔、Ｋ’は歪んだ格子面間隔に対応するスポット間隔であり、Ｋ’＝１／ｄ’で与えられる。
【００２８】
以上の説明から、ナノビーム電子回折法を用いて格子歪を高精度に測定するにはスポット間隔Ｋ、Ｋ’を高精度に測定すればよいことがわかる。
【００２９】
図２は、通常の（中間レンズや投影レンズを含む）電子光学系の設定で観察されたナノビーム電子回折図形を示す。図３は、図２に示した線１７に沿った電子強度のプロファイルを示す。図２に１８で示したスポット間隔Ｋを測定するには、通常、このプロファイルの極大点間の間隔を測定する。しかし、極大点付近の分布は緩慢かつ散乱しているので、それぞれのスポットにおいて極大点を一点に決定するのは困難である。この困難さがナノビーム電子回折法の歪測定精度を下げている要因である。
【００３０】
図４は、回折図形を観察する際に、コンデンサレンズ絞り２の形状が最も明瞭に観察されるよう、コンデンサレンズ絞り２に焦点が合うように中間レンズ１１を調整し撮影した図を示す。図５は、図４中の線１９に沿った電子強度のプロファイルを示す。図４から明らかなように、回折スポットがディスク状に広がっているため、強度の極大点をそれぞれの回折スポットにおいて特定し、相互の間隔を測定することに意味はなくなる。その代わりに、コンデンサレンズ絞り２による強度の急峻な変化点をそれぞれの回折スポットにおいて特定し、相互の間隔を測定することで、図４に２０で示した“回折スポット間隔Ｋ”を測定することができる。
【００３１】
プロファイルから明らかなように、図３で極大強度点を決定するよりも、図５でコンデンサレンズ絞り２による強度の急峻な変化点を特定することのほうが容易である。従って、コンデンサレンズ絞り２を明瞭に観察する方法の方が回折スポット間隔の測定精度が高い。この結果、格子歪の測定精度が向上する。そこで、第一の実施形態では、電子回折図形を観察し記録するステップにおいて、コンデンサレンズ絞り２が明瞭に観察されるように、すなわち、コンデンサレンズ絞り２に焦点が合うように電子レンズである中間レンズ１１を調整するものである。
【００３２】
これにより、本実施形態によれば、結晶試料における局所領域の応力・格子歪を高精度に測定することが可能となるので、これに基づいた材料の成長・加工条件の最適化が可能となり、高性能、高信頼の製品開発が促進される。特に、ＬＳＩにおいては、チャネル歪の制御や、結晶欠陥発生メカニズムの解明等について新しい知見を得ることができる。これにより、ＬＳＩの高性能化および高信頼化が促進される。
【００３３】
次に、本発明の格子歪測定方法の第二の実施形態に関して、添付図面を参照して説明する。第二の実施形態では第一の実施形態で記載した格子歪測定方法によりシリコン基板上に作成された微細ＭＯＳＦＥＴのチャネル部における格子歪を測定した例について述べる。
【００３４】
図６は、測定に用いた微細ＭＯＳＦＥＴの断面の模式図を示す。このＭＯＳＦＥＴは、ゲート電極２１、ゲート絶縁膜２２、ソース２３、ドレイン２４、サイドウォール２５、エッチングストッパ２６とからなる。
【００３５】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いてこのような断面が観察されるように、収束イオンビーム法（Focused Ion Beam：ＦＩＢ）を用いて断面試料を作成した。この断面試料の試料厚さはおよそ１００ｎｍである。また、以下では、ゲート長方向（［１−１０］方向）をｘ軸、これに垂直なシリコン基板表面法線方向（［００１］方向）をｙ軸にとった。ゲート長方向の格子歪は（１−１０）面の歪であり、これをεｘｘと定義する。さらに、シリコン基板表面法線方向の格子歪は（００１）面の歪であり、これをεｙｙと定義する。
【００３６】
二次元平面上での歪にはせん断歪成分（εｘｙと表記する）が存在するが、これは他の２成分のようにある１つの格子面の歪には対応していない。しかし、εｘｘ、εｙｙ、更に（１−１１）面の格子歪ε（１−１１）によって、せん断歪成分εｘｙは次式で表される。
【００３７】
【数３】
ここで、θは［１−１１］方向と［１−１０］方向とがなす角であり、３５.２６°である。従って、ε（１−１１）を測定すれば、εｘｘ、εｙｙの測定結果を用いて、（４）式によりεｘｙを求めることができる。
【００３８】
図７は、εｘｘを測定するために撮影したナノビーム電子回折図形を示す。撮影にはイメージングプレートを用いた。観察時のＴＥＭの加速電圧は２００ｋＶであった。試料上でのプローブ径は電子強度の半値全幅で４ｎｍ、プローブの収束角は１.２ｍｒａｄであった。電子プローブの形成には１０μｍφのコンデンサレンズ絞りを用いた。
【００３９】
εｘｘは（１−１０）面の格子歪であるので、注目すべき回折あるいは透過スポット間隔は次式
（ｈｋｌ）−（ｈ’ｋ’ｌ’）＝ｍ（１−１０） （５）
を満たす回折スポット（ｈｋｌ）と回折スポット（ｈ’ｋ’ｌ’）の間隔である。ここで、ｈ、ｋ、ｌ、ｍ、ｈ’、ｋ’、ｌ’は０又は整数である。なお、（５）式及び以下（６）式〜（１１）式中のｋ、ｋ’は、前述した（１）式、（２）式のスポット間隔Ｋ，Ｋ’とは異なる変数である。
【００４０】
ここで、（５）式を一般式で表すものとすると、結晶試料中の［ｕｖｗ］方向の格子歪を測定する場合（ただし、ｕ，ｖ，ｗは０又は整数）、本実施形態では、
（ｈｋｌ）−（ｈ’ｋ’ｌ’）＝ｍ（ｕｖｗ） （６）
を満たす回折（あるいは透過）スポット（ｈｋｌ）と、回折（あるいは透過）スポット（ｈ’ｋ’ｌ’）のスポット間隔を測定するものである。
【００４１】
回折スポット（ｈｋｌ）は、試料内の（ｈｋｌ）面によって生じた回折スポットを意味する。また、透過スポットは回折スポット（０００）で表されるものとする。以下、特に説明されない限り、透過スポットが回折スポット（０００）で表されるものとする。
【００４２】
本実施形態においては、図７に示すように歪測定精度にとって有利なできるだけ大きいスポット間隔が得られる、回折スポット（３−３３）と回折スポット（−３３３）に注目した。この場合のスポット間隔は、（６）式より
（３−３３）−（−３３３）＝（６−６０）＝６（１−１０）
で表される。従って、この場合、（１−１０）面の格子歪を測定するときのスポット間隔を示す（６）式中のｍは「６」となる。
【００４３】
原理的にはより大きいスポット間隔を注目したほうが良いが、逆格子ベクトルの大きさが大きい回折スポットは回折強度が小さくなり観察が困難になることや、撮影の際イメージングプレートに収まらないなどの問題があるため、これらを考慮して注目するスポット間隔を決定した。なお、大きいスポット間隔を観察することが歪測定精度にとって有利である理由は後に述べる。
【００４４】
図８は、εｙｙを測定するために撮影したナノビーム電子回折図形を示す。改めて述べられていない撮影条件は上で述べたεｘｘの測定の場合と同一である。今度は、εｙｙが（００１）面の歪であるので、注目すべき回折スポット間隔は、次式
（ｈｋｌ）−（ｈ’ｋ’ｌ’）＝ｍ（００１） （７）
を満たす回折スポット（ｈｋｌ）と回折スポット（ｈ’ｋ’ｌ’）との間の間隔である。ここで、ｈ、ｋ、ｌ、ｍ、ｈ’、ｋ’、ｌ’は０又は整数である。本実施形態においては、εｘｘの場合と同様な理由から、図８に示すように、回折スポット（−２２６）と回折スポット（−２２−２）の間隔に注目した。この場合は、（６）式のｍは「８」である。
【００４５】
図９は、ε（１−１１）を測定するために撮影したナノビーム電子回折図形を示す。改めて述べられていない撮影条件は上で述べたεｘｘ、及びεｙｙの測定の場合と同一である。今度は、（１−１１）面の歪であるので、注目すべき回折スポット間隔は、次式
（ｈｋｌ）−（ｈ’ｋ’ｌ’）＝ｍ（１−１１） （８）
を満たす回折スポット（ｈｋｌ）と回折スポット（ｈ’ｋ’ｌ’）の間隔である。ここで、ｈ、ｋ、ｌ、ｍ、ｈ’、ｋ’、ｌ’は０又は整数である。本実施形態においては、εｘｘ及びεｙｙの場合と同様な理由から、図９に示すように回折スポット（２−２４）と回折スポット（−３３−１）の間隔に注目した。この場合は、（６）式のｍは「５」である。
【００４６】
本実施形態で用いたＭＯＳＦＥＴは、いわゆる＜１１０＞チャネルのＭＯＳＦＥＴであったため、上記のような条件で測定を行ったが、これが＜１００＞チャネルのＭＯＳＦＥＴである場合でも同様に測定可能である。その場合は、チャネル長方向（［０１０］方向）をｘ軸、シリコン基板表面法線方向（［００１］方向）をｙ軸と定義したとき、εｘｘの測定の際には、ｈ、ｋ、ｌ、ｈ’、ｋ’、ｌ’ｍを０又は整数として、次式
（ｈｋｌ）−（ｈ’ｋ’ｌ’）＝ｍ（０１０） （９）
を満たす回折スポット（ｈｋｌ）と回折スポット（ｈ’ｋ’ｌ’）の間隔を測定すればよい。実用的には回折スポット（０４０）と回折スポット（０−４０）の間隔を測定する。この場合、（６）式のｍは「８」である。
【００４７】
同様に、εｙｙの測定の際には、ｈ、ｋ、ｌ、ｈ’、ｋ’、ｌ’、ｍを０又は整数として、次式
（ｈｋｌ）−（ｈ’ｋ’ｌ’）＝ｍ（００１） （１０）
を満たす回折スポット（ｈｋｌ）と回折スポット（ｈ’ｋ’ｌ’）の間隔を測定すればよい。実用的には回折スポット（００４）と回折スポット（００−４）の間隔を測定する。この場合、（６）式のｍは「８」である。
【００４８】
最後に、εｘｙについてであるが、すでに述べたように、他の２成分とは異なって、εｘｙは１つの格子面の歪には対応していない。そこで、（２０１）面の格子歪ε（２０１）を測定し、εｘｘ、εｙｙ、ε（２０１）とεｘｙとの間に成り立つ次式を用いて、εｘｙを求める。
【００４９】
【数４】
ここで、θは［１００］方向と［２０１］方向とがなす角であり、２６.５７°である。
また、ε（２０１）を測定するには、ｈ、ｋ、ｌ、ｈ’、ｋ’、ｌ’、ｍを０又は整数として、次式
（ｈｋｌ）−（ｈ’ｋ’ｌ’）＝ｍ（２０１） （１２）
を満たす回折スポット（ｈｋｌ）と回折スポット（ｈ’ｋ’ｌ’）の間隔を測定する。実用的には回折スポット（−４００）と回折スポット（４０４）の間隔を測定する。この場合、（６）式のｍは「４」である。
【００５０】
次に、大きいスポット間隔（例えば、（５）式における整数ｍがより大きくなるようなスポット間隔）を測定することが、格子歪精度向上に対して有利であることについて説明する。既に述べたように、スポット間隔Ｋと面間隔ｄとの間にはＫ＝１／ｄなる関係がある。この式の左辺と右辺の両方を微分すると、
ΔＫ＝−（Δｄ／ｄ）Ｋ （１３）
が得られる。
【００５１】
この（１２）式を格子歪（Δｄ／ｄ）に対するスポット間隔の変化ΔＫを与える式であると考えると、スポット間隔Ｋ自身が大きいほど、一定の格子歪（Δｄ／ｄ）に対するスポット間隔の変化（ΔＫ）が大きいと解釈することができる。このことは、スポット間隔Ｋ自身が大きいほど、より小さな歪を検出することができることを示している。これが、より大きなスポット間隔を測定することが格子歪精度向上に対して有利であることの理由である。
【００５２】
実際の歪測定の際には、まず歪が存在しないと考えられる試料上の指数に電子プローブを置き、ナノビーム電子回折図形を観察、撮影する。この回折図形から得られる注目する回折スポット間隔をＫとする。
【００５３】
次に、測定指数に電子プローブを置き、同様にナノビーム電子回折図形を観察、撮影し、注目する回折スポット間隔を測定する。これをＫ’とする。こうして得られたＫ及びＫ’を（３）式に代入して格子歪εを得る。
【００５４】
図１０は、上記の方法で得られた＜１１０＞チャネル微細ＭＯＳＦＥＴのチャネル領域におけるゲート長方向の格子歪εｘｘ、シリコン基板表面法線方向の格子歪εｙｙ、せん断歪成分εｘｙの測定結果を示す。縦軸は歪を示す。また、横軸の番号は測定点の番号であり、図６中の番号に対応している。
【００５５】
図１０に示すように、εｘｘはどの点においても正（引っ張り歪）であるが、εｙｙは反対にどの点においても負（圧縮歪）である。また、εｘｙの絶対値はゲート電極の端部で大きくなっている。このように、本発明による歪測定方法によって、微細ＭＯＳＦＥＴのチャネル部における格子歪の直接測定が可能になった。
【００５６】
図１１（Ａ）は既存の格子歪測定方法によるスポット間隔と歪標準偏差との関係、同図（Ｂ）は本実施形態の格子歪測定方法によるスポット間隔と歪標準偏差との関係の実験結果を示す。図１１（Ａ）、（Ｂ）を比較すると分かるように、今まで９×１０−４程度と考えられていたナノビーム電子回折の歪測定の標準偏差は、本実施形態の測定法を用いることで、３×１０−４以下に低減されることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の基本的なナノビーム電子回折法における概略光線図である。
【図２】通常の電子光学系の設定で観察されたナノビーム電子回折図形である。
【図３】図２中の線１７に沿った電子強度のプロファイルである。
【図４】コンデンサレンズ絞りの形状が最も明瞭に観察されるように中間レンズを調整し撮影されたナノビーム電子回折図形である。
【図５】図４中の線１９に沿った電子強度のプロファイルである。
【図６】格子歪測定に用いた微細ＭＯＳＦＥＴの断面模式図である。
【図７】εｘｘを測定するために撮影されたナノビーム電子回折図形である。
【図８】εｙｙを測定するために撮影されたナノビーム電子回折図形である。
【図９】ε（１−１１）を測定するために撮影されたナノビーム電子回折図形である。
【図１０】微細ＭＯＳＦＥＴのチャネル領域における格子歪分布を示す図である。
【図１１】歪標準偏差とスポット間隔との関係の実験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 電子源
２ コンデンサレンズ絞り
３ 入射電子
４ 結晶試料
５ 透過波
６ 回折波
７ 後焦平面
８ 電子回折図形
９、１５ 透過スポット
１０、１４ 回折スポット
１１ 中間レンズ
１２ 投影レンズ
１３ 蛍光板
１６、１８、２０ スポット間隔
１７、１９ （ラインプロファイルをとった）線
２１ ゲート電極
２２ ゲート絶縁膜
２３ ソース
２４ ドレイン
２５ サイドウォール
２６ エッチングストッパ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノビーム電子回折法を用いて結晶試料中の格子歪を測定する格子歪測定方法であって、
コンデンサレンズ絞りを用いて収束角と照射領域の広さが制限された入射電子を前記結晶試料に照射し、得られた電子回折図形を電子レンズにより拡大し、拡大したその電子回折図形を観察して記録する際に、前記コンデンサレンズ絞りに焦点が合うように前記電子レンズを調整し、記録した前記電子回折図形のスポット間隔から前記格子歪を測定することを特徴とする格子歪測定方法。
【請求項２】
コンデンサレンズ絞りを用いて入射電子の収束角と照射領域の広さを制限する第１のステップと、
結晶試料に前記第１のステップで収束角と照射領域の広さが制限された入射電子を照射する第２のステップと、
前記第２のステップで前記結晶試料に前記入射電子を照射して得られる電子回折図形を電子レンズを用いて拡大する第３のステップと、
拡大された前記電子回折図形を観察し記録する第４のステップと、
前記第４のステップで記録された前記電子回折図形において注目する回折スポット間又は透過スポットと注目する回折スポットの間のスポット間隔を測定する第５のステップと、
前記第５のステップで測定された前記スポット間隔から格子歪を算出する第６のステップとを
含み、前記第４のステップは、前記コンデンサレンズ絞りに焦点が合うように前記電子レンズを調整することを特徴とする格子歪測定方法。
【請求項３】
前記第５のステップは、電子強度プロファイル中の前記コンデンサレンズ絞りによる強度変化点の間隔を前記スポット間隔として測定することを特徴とする請求項２記載の格子歪測定方法。
【請求項４】
前記結晶試料中の［ｕｖｗ］方向（ｕ，ｖ，ｗは０又は整数）の格子歪を測定するときは、前記第５のステップは、第１の回折又は透過スポットの指数を（ｈｋｌ）とし、第２の回折又は透過スポットの指数を（ｈ’ｋ’ｌ’）としたとき（ただし、ｈ、ｋ、ｌ、ｈ’、ｋ’、ｌ’は０又は整数）、次式
（ｈｋｌ）−（ｈ’ｋ’ｌ’）＝ｍ（ｕｖｗ）
を満たすスポット間隔を測定することを特徴とする請求項２又は３記載の格子歪測定方法。
【請求項５】
前記結晶試料上での前記入射電子の照射領域は、５ｎｍφ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の格子歪測定方法。
【請求項６】
前記入射電子は、１０μｍφ以下の前記コンデンサレンズ絞りによって形成されることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の格子歪測定方法。
【請求項７】
前記結晶試料上での前記入射電子の収束角は、１.５ｍｒａｄ以下であることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の格子歪測定方法。
【請求項８】
ナノビーム電子回折法を用いて結晶試料中の格子歪を測定する格子歪測定装置であって、
コンデンサレンズ絞りを用いて入射電子の収束角と照射領域の広さを制限する手段と、
前記収束角と照射領域の広さが制限された入射電子を、前記結晶試料に照射して得られる電子回折図形を電子レンズにより拡大する手段と、
前記拡大したその電子回折図形を観察して記録する際に、前記コンデンサレンズ絞りに焦点が合うように前記電子レンズを調整する手段と、
記録した前記電子回折図形のスポット間隔から前記格子歪を測定する測定手段と
を有することを特徴とする格子歪測定装置。
【請求項９】
入射電子の収束角と照射領域の広さを制限するコンデンサレンズ絞りと、
結晶試料に収束角と照射領域の広さが制限された前記入射電子を照射する照射手段と、
前記結晶試料に前記入射電子を照射して得られる電子回折図形を拡大する電子レンズと、
前記コンデンサレンズ絞りに焦点が合うように前記電子レンズを調整する調整手段と、
前記電子レンズで拡大された前記電子回折図形を観察し記録する記録手段と、
前記記録手段で記録された前記電子回折図形において注目する回折スポット間又は透過スポット間のスポット間隔を測定する測定手段と、
前記測定手段で測定された前記スポット間隔から格子歪を算出する算出手段と
を有することを特徴とする格子歪測定装置。
【請求項１０】
前記測定手段は、電子強度プロファイル中の前記コンデンサレンズ絞りによる強度変化点の間隔を前記スポット間隔として測定することを特徴とする請求項９記載の格子歪測定装置。
【請求項１１】
前記結晶試料中の［ｕｖｗ］方向（ｕ，ｖ，ｗは０又は整数）の格子歪を測定するときは、前記測定手段は、第１の回折又は透過スポットの指数を（ｈｋｌ）とし、第２の回折又は透過スポットの指数を（ｈ’ｋ’ｌ’）としたとき（ただし、ｈ、ｋ、ｌ、ｈ’、ｋ’、ｌ’は０又は整数）、次式
（ｈｋｌ）−（ｈ’ｋ’ｌ’）＝ｍ（ｕｖｗ）
を満たすスポット間隔を測定することを特徴とする請求項９又は１０記載の格子歪測定装置。
【請求項１２】
前記コンデンサレンズ絞りは、前記結晶試料上での前記入射電子の照射領域を、５ｎｍφ以下に制限することを特徴とする請求項８乃至１１のうちいずれか一項記載の格子歪測定装置。
【請求項１３】
前記入射電子は、１０μｍφ以下の前記コンデンサレンズ絞りによって形成されることを特徴とする請求項８乃至１２のうちいずれか一項記載の格子歪測定装置。
【請求項１４】
前記結晶試料上での前記入射電子の収束角が、１.５ｍｒａｄ以下であることを特徴とする請求項８乃至１３のうちいずれか一項記載の格子歪測定装置。
【請求項１】
ナノビーム電子回折法を用いて結晶試料中の格子歪を測定する格子歪測定方法であって、
コンデンサレンズ絞りを用いて収束角と照射領域の広さが制限された入射電子を前記結晶試料に照射し、得られた電子回折図形を電子レンズにより拡大し、拡大したその電子回折図形を観察して記録する際に、前記コンデンサレンズ絞りに焦点が合うように前記電子レンズを調整し、記録した前記電子回折図形のスポット間隔から前記格子歪を測定することを特徴とする格子歪測定方法。
【請求項２】
コンデンサレンズ絞りを用いて入射電子の収束角と照射領域の広さを制限する第１のステップと、
結晶試料に前記第１のステップで収束角と照射領域の広さが制限された入射電子を照射する第２のステップと、
前記第２のステップで前記結晶試料に前記入射電子を照射して得られる電子回折図形を電子レンズを用いて拡大する第３のステップと、
拡大された前記電子回折図形を観察し記録する第４のステップと、
前記第４のステップで記録された前記電子回折図形において注目する回折スポット間又は透過スポットと注目する回折スポットの間のスポット間隔を測定する第５のステップと、
前記第５のステップで測定された前記スポット間隔から格子歪を算出する第６のステップとを
含み、前記第４のステップは、前記コンデンサレンズ絞りに焦点が合うように前記電子レンズを調整することを特徴とする格子歪測定方法。
【請求項３】
前記第５のステップは、電子強度プロファイル中の前記コンデンサレンズ絞りによる強度変化点の間隔を前記スポット間隔として測定することを特徴とする請求項２記載の格子歪測定方法。
【請求項４】
前記結晶試料中の［ｕｖｗ］方向（ｕ，ｖ，ｗは０又は整数）の格子歪を測定するときは、前記第５のステップは、第１の回折又は透過スポットの指数を（ｈｋｌ）とし、第２の回折又は透過スポットの指数を（ｈ’ｋ’ｌ’）としたとき（ただし、ｈ、ｋ、ｌ、ｈ’、ｋ’、ｌ’は０又は整数）、次式
（ｈｋｌ）−（ｈ’ｋ’ｌ’）＝ｍ（ｕｖｗ）
を満たすスポット間隔を測定することを特徴とする請求項２又は３記載の格子歪測定方法。
【請求項５】
前記結晶試料上での前記入射電子の照射領域は、５ｎｍφ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の格子歪測定方法。
【請求項６】
前記入射電子は、１０μｍφ以下の前記コンデンサレンズ絞りによって形成されることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の格子歪測定方法。
【請求項７】
前記結晶試料上での前記入射電子の収束角は、１.５ｍｒａｄ以下であることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の格子歪測定方法。
【請求項８】
ナノビーム電子回折法を用いて結晶試料中の格子歪を測定する格子歪測定装置であって、
コンデンサレンズ絞りを用いて入射電子の収束角と照射領域の広さを制限する手段と、
前記収束角と照射領域の広さが制限された入射電子を、前記結晶試料に照射して得られる電子回折図形を電子レンズにより拡大する手段と、
前記拡大したその電子回折図形を観察して記録する際に、前記コンデンサレンズ絞りに焦点が合うように前記電子レンズを調整する手段と、
記録した前記電子回折図形のスポット間隔から前記格子歪を測定する測定手段と
を有することを特徴とする格子歪測定装置。
【請求項９】
入射電子の収束角と照射領域の広さを制限するコンデンサレンズ絞りと、
結晶試料に収束角と照射領域の広さが制限された前記入射電子を照射する照射手段と、
前記結晶試料に前記入射電子を照射して得られる電子回折図形を拡大する電子レンズと、
前記コンデンサレンズ絞りに焦点が合うように前記電子レンズを調整する調整手段と、
前記電子レンズで拡大された前記電子回折図形を観察し記録する記録手段と、
前記記録手段で記録された前記電子回折図形において注目する回折スポット間又は透過スポット間のスポット間隔を測定する測定手段と、
前記測定手段で測定された前記スポット間隔から格子歪を算出する算出手段と
を有することを特徴とする格子歪測定装置。
【請求項１０】
前記測定手段は、電子強度プロファイル中の前記コンデンサレンズ絞りによる強度変化点の間隔を前記スポット間隔として測定することを特徴とする請求項９記載の格子歪測定装置。
【請求項１１】
前記結晶試料中の［ｕｖｗ］方向（ｕ，ｖ，ｗは０又は整数）の格子歪を測定するときは、前記測定手段は、第１の回折又は透過スポットの指数を（ｈｋｌ）とし、第２の回折又は透過スポットの指数を（ｈ’ｋ’ｌ’）としたとき（ただし、ｈ、ｋ、ｌ、ｈ’、ｋ’、ｌ’は０又は整数）、次式
（ｈｋｌ）−（ｈ’ｋ’ｌ’）＝ｍ（ｕｖｗ）
を満たすスポット間隔を測定することを特徴とする請求項９又は１０記載の格子歪測定装置。
【請求項１２】
前記コンデンサレンズ絞りは、前記結晶試料上での前記入射電子の照射領域を、５ｎｍφ以下に制限することを特徴とする請求項８乃至１１のうちいずれか一項記載の格子歪測定装置。
【請求項１３】
前記入射電子は、１０μｍφ以下の前記コンデンサレンズ絞りによって形成されることを特徴とする請求項８乃至１２のうちいずれか一項記載の格子歪測定装置。
【請求項１４】
前記結晶試料上での前記入射電子の収束角が、１.５ｍｒａｄ以下であることを特徴とする請求項８乃至１３のうちいずれか一項記載の格子歪測定装置。
【図１】
【図３】
【図５】
【図６】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図４】
【図７】
【図８】
【図９】
【図３】
【図５】
【図６】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図４】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−２５０９４３（Ｐ２００９−２５０９４３Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１０３０６１（Ｐ２００８−１０３０６１）
【出願日】平成２０年４月１１日（２００８．４．１１）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月１１日（２００８．４．１１）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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