JP5347461B2

JP5347461B2 - 試料分析装置及び試料分析方法

Info

Publication number: JP5347461B2
Application number: JP2008307857A
Authority: JP
Inventors: 直樹淡路
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2028-12-02
Also published as: JP2010133741A

Description

本発明は、試料分析装置及び試料分析方法に関し、特に、Ｘ線を用いて試料を分析する試料分析装置及び試料分析方法に関する。

半導体ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）デバイスを代表とする電子デバイスまたは磁気デバイスには、各種の薄膜が使用されている。薄膜の均一性（膜厚、密度、表面界面凹凸、膜応力、磁化分布など）と、デバイス性能や信頼性は緊密に関係しており、これらを詳細に分析することは、デバイスの高性能化や高信頼性を実現するための重要な要素となっている。

薄膜評価方法として、Ｘ線反射を利用した反射率法やＸ線散乱を利用した小角散乱法があり、Ｘ線が照射された部分の平均的な膜厚や密度や凹凸の分析が可能であった。また、表面の均一性を観察する手法としてＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）やＡＦＭ（Atomic Force Microscope）という表面分析法がある。
特開２０００−３５４０８号公報特開昭６１−１１６３８０号公報

しかし、反射率法や小角散乱法では、Ｘ線照射面内の局所的な均一性を分析することはできず、ＳＥＭやＡＦＭでは、界面など試料内部の均一性を評価することはできなかった。

本発明者は、試料の構造の均一性を評価する手段として、位相がほぼ揃った干渉性のＸ線（以下コヒーレントＸ線という）を試料に照射し、散乱Ｘ線のスペックルパターン（強度分布）を分析する手法を提案している（特願２００７−２８３０５７）。

しかし、散乱Ｘ線の強度分布から、試料の表面凹凸などを評価するための実イメージ（実空間データ）に変換しようとする場合、位相に関する情報が失われているため、位相を復元するための長時間の繰り返し計算が必要になる。

上記の点を鑑みて、本発明者は、簡単にＸ線の強度分布から実イメージに変換して、試料の表面や界面の局所的な均一性を評価可能な試料分析装置及び試料分析方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、以下のような構成を有する試料分析装置が提供される。この試料分析装置は、Ｘ線反射ミラーと、試料及び前記Ｘ線反射ミラーに干渉性のＸ線を照射するＸ線照射部と、前記試料からの第１の反射Ｘ線と、前記Ｘ線反射ミラーからの第２の反射Ｘ線とが重なるように、前記試料または前記Ｘ線反射ミラーの前記Ｘ線に対する入射角または入射位置を制御する制御部と、重なった前記第１の反射Ｘ線と前記第２の反射Ｘ線との干渉によるＸ線強度分布を検出する検出部と、前記Ｘ線強度分布を実空間データに変換する演算処理部と、を有する。

簡単にＸ線の強度分布から実イメージに変換して、試料の表面や界面の局所的な均一性を評価できる。

以下、本実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態の試料分析装置の構成を示す図である。
試料分析装置１は、測定対象の試料２に併置されたＸ線反射ミラー３、Ｘ線照射部４、入射角／入射位置調整部５，６、制御部７、検出部８、演算処理部９、真空チャンバ１０、コリメータ１１を有している。

図２は、試料の一例を示す断面図である。
試料２は、たとえば、半導体基板２ａと半導体基板２ａ上に形成されたＳｉＯ₂（酸化シリコン）膜などの薄膜２ｂである。また、試料２として、複数層の薄膜２ｂが積層された多層膜構造のものを用いてもよい。本実施の形態の試料分析装置１は、このような試料２の薄膜２ｂの表面や界面を分析する。

図３は、Ｘ線反射ミラーの一例を示す斜視図である。
本実施の形態の試料分析装置１において、Ｘ線反射ミラー３は、たとえば、中央部に開口部３ａを有し、試料２の表面を露出させるようにして、試料２を囲うような形状としている。また、Ｘ線反射ミラー３は、試料２の表面よりも凹凸が少ないものを用いる。たとえば、鏡面研磨したＳｉ（シリコン）結晶が用いられる。

Ｘ線照射部４は、試料２及びＸ線反射ミラー３にコヒーレントＸ線を照射する。Ｘ線照射部４は、たとえば、波長が軟Ｘ線または硬Ｘ線の波長領域であるＸ線管球からのＸ線、放射光などを、微少なピンホールによってコリメートしてコヒーレントＸ線として照射する。また、Ｘ線照射部４は、上記波長領域である短波長レーザや自由電子レーザを発生させてコヒーレントＸ線として照射してもよい。

入射角／入射位置調整部５，６は、たとえば、ゴニオメータや移動ステージなどにより実現される。
入射角／入射位置調整部５は、制御部７の制御のもと、試料２の角度や位置を調整して、コヒーレントＸ線の試料２への入射角や入射位置を調整する。

入射角／入射位置調整部６は、制御部７の制御のもと、Ｘ線反射ミラー３の角度や位置を調整して、コヒーレントＸ線のＸ線反射ミラー３への入射角や入射位置を調整する。
制御部７は、入射角／入射位置調整部５，６を制御し、コヒーレントＸ線の試料２またはＸ線反射ミラー３への入射角または入射位置をそれぞれ調整させ、試料２及びＸ線反射ミラー３からの反射Ｘ線が重なるようにする。

なお、試料２への入射角は、分析感度も考慮して調整する。たとえば、試料２が多層膜構造である場合、入射角を変えることにより、ある膜の表面または界面からの反射強度が強く（あるいは弱く）なる。そこで、分析感度を向上させたい膜の表面または界面からの反射強度が強くなるように、試料２の構造に応じてシミュレーションにより入射角を決定する。

検出部８は、試料２からの反射Ｘ線とＸ線反射ミラー３からの反射Ｘ線が重なってできる干渉Ｘ線の強度分布を検出する。検出部８は、たとえば、０次元検出器、１次元検出器または２次元検出器であり、たとえば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサである。また、フォトダイオードアレイ、位置敏感比例係数管（ＰＳＰＣ：Position Sensitive Proportional Counter）、イメージングプレートなどを用いてもよい。

なお、図示を省略しているが、試料分析装置１は、検出部８の位置を調整する調整機構を有しており、たとえば、２次元検出器を用いる場合には、干渉Ｘ線の中心が検出面の中央にくるように検出部８の位置が調整される。

演算処理部９は、検出部８で検出された干渉Ｘ線の強度分布に対してフーリエ変換または逆フーリエ変換を行い、試料２の測定領域の実イメージに変換する。
制御部７と演算処理部９は、たとえば、１つまたは複数のコンピュータにより実現可能である。

真空チャンバ１０は、試料２、Ｘ線反射ミラー３及び検出部８を含む分析領域を覆い、試料２の分析中に、大気の揺らぎなどによりＸ線の干渉性が低下するのを防止するために設けられている。図示しない排気ポンプによって、真空チャンバ１０内が排気される。

コリメータ１１は、照射するコヒーレントＸ線のサイズを成型する。
以下、上記の試料分析装置１を用いた試料分析方法を説明する。
まず、真空チャンバ１０内を、図示しない排気ポンプにより、たとえば、１０Ｅ^-3〜１０Ｅ^-8Ｔｏｒｒ程度に排気し、Ｘ線照射部４により試料２及びＸ線反射ミラー３にコヒーレントＸ線を照射する。

図４は、コヒーレントＸ線の入射角や入射位置を調整する様子を示す図である。
試料２、Ｘ線反射ミラー３、制御部及び検出部８のみ図示しており、その他の構成については図示を省略している。

試料２及びＸ線反射ミラー３は、図１の制御部７によって、Ｚ軸方向の位置とコヒーレントＸ線１５ａ，１５ｂに対する入射角θ１，θ２を制御され、反射Ｘ線１６ａ，１６ｂが重なるように調整される。検出部８は、干渉Ｘ線を効率よく検出できるように、２θ１の位置に調整される。

なお、図１で示したＸ線照射部４や、真空チャンバ１０自体をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向で調整し、コヒーレントＸ線１５ａ，１５ｂが、試料２及びＸ線反射ミラー３に照射されるように、位置合わせを行うようにしてもよい。

図５は、入射角θ１＞θ２とした場合における反射Ｘ線による干渉の様子を示す図である。
以下では、検出部８として２次元検出器を用いた場合について示している。

入射角θ１＞θ２とした場合には、試料２に入射されるコヒーレントＸ線１７ａ，１７ｂによる反射Ｘ線１８ａ，１８ｂは、図５において、試料２の左側のＸ線反射ミラー３に入射されるコヒーレントＸ線１７ｃ，１７ｄによる反射Ｘ線１８ｃ，１８ｄと重なる。検出部８の検出面において、試料２からの反射Ｘ線１８ａ，１８ｂ及びＸ線反射ミラー３からの反射Ｘ線１８ｃ，１８ｄが入射される領域８ａでは干渉Ｘ線が検出される。領域８ａの外周の領域８ｂは、試料２からの反射Ｘ線１８ａ，１８ｂが入射されない領域であり、分析には用いない。

図６は、入射角θ１＜θ２とした場合における反射Ｘ線による干渉の様子を示す図である。
入射角θ１＜θ２とした場合には、試料２に入射されるコヒーレントＸ線１９ａ，１９ｂによる反射Ｘ線２０ａ，２０ｂは、図６において、試料２の右側のＸ線反射ミラー３に入射されるコヒーレントＸ線１９ｃ，１９ｄによる反射Ｘ線２０ｃ，２０ｄと重なる。検出部８の検出面において、試料２からの反射Ｘ線２０ａ，２０ｂ及びＸ線反射ミラー３からの反射Ｘ線２０ｃ，２０ｄが入射される領域８ｃでは干渉Ｘ線が検出される。領域８ｃの外周の領域８ｄは、試料２から反射Ｘ線２０ａ，２０ｂが入射されない領域であり、分析には用いない。

なお、入射角θ１，θ２を調整する以外にも、コヒーレントＸ線に対する試料２のあおり角を調整することで、試料２からの反射Ｘ線と、Ｘ線反射ミラー３からの反射Ｘ線とを干渉させるようにしてもよい。

図７は、試料のあおり角φ≠０とした場合における反射Ｘ線による干渉の様子を示す図である。
たとえば、試料２をコヒーレントＸ線２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの入射方向に対して、右側にあおり角φで傾けた場合、反射Ｘ線２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは右側に曲がる。このとき、図７中で、試料２の右側のＸ線反射ミラー３に照射されたコヒーレントＸ線２１ｅ，２１ｆによる反射Ｘ線２２ｅ，２２ｆが、試料２からの反射Ｘ線２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄと重なり、干渉を起こす。これにより、検出部８の検出面において、領域８ｅでは、干渉Ｘ線が検出される。領域８ｅの外周の領域８ｆは、干渉Ｘ線が検出されない領域で、分析には用いない。

図５〜図７で示したように、本実施の形態の試料分析装置１では、Ｘ線反射ミラー３として、試料２を囲うような形状のものを用いることで、試料２の周囲のＸ線反射ミラー３で反射したＸ線を利用でき、試料２からの反射Ｘ線と干渉させる調整が容易になる。

なお、図５〜図７では、検出部８として２次元検出器を用いた場合について説明したが、図５〜図７の検出面（特に領域８ａ，８ｃ，８ｅ）をカバーするように、０次元検出器や１次元検出器をスキャンして干渉Ｘ線を検出するようにしてもよい。

図８は、検出部で検出した干渉Ｘ線の強度分布の一例を示す図である。
ここでは、図５〜図７で示した検出部８の検出面で検出された、ｘ軸方向の干渉Ｘ線の強度分布を示している。ｙ軸方向の干渉Ｘ線の強度分布も同様に検出される。

横軸がｘ軸方向における位置（μｍ）で、縦軸が検出強度（ａ．ｕ．）である。
ここで得られる強度分布は、Ｘ線反射ミラー３からの反射Ｘ線を参照波としたホログラムである。

演算処理部９は、検出部８で検出した干渉Ｘ線の強度分布を取得して、それを逆フーリエ変換し、実空間データに変換する。たとえば、試料２の表面の凹凸を分析する場合、２次元検出器の検出位置（ｘｄ，ｙｄ）での検出強度をＩ（ｘｄ，ｙｄ）とすると、試料２の表面の位置（Ｘｓ，Ｙｓ）における高さＺｓ（Ｘｓ，Ｙｓ）は、Ｚｓ（Ｘｓ，Ｙｓ）＝ＩＦＦＴ（Ｉ（ｘｄ，ｙｄ））となる。

“ＩＦＦＴ”は、強度Ｉ（ｘｄ，ｙｄ）に対する逆高速フーリエ変換を表している。なお、ここでは、干渉成分を変換するものであるため、逆フーリエ変換の代わりに、フーリエ変換を行っても、同じ結果が得られる。

図９は、逆フーリエ変換によって得られた試料の凹凸分布の例である。
横軸が試料２上での位置Ｘｓ、縦軸が高さＺｓである。このように、実空間データに変換することで、どの位置にどのような凹凸が生じているか、容易に評価できる。

なお、２次元データを用いた場合には、２次元逆フーリエ変換により凹凸の２次元分布が得られる。
このように、本実施の形態の試料分析装置１では、試料２からの反射Ｘ線と、Ｘ線反射ミラー３からの反射Ｘ線とを重ね合わせて干渉させ、干渉Ｘ線の強度分布（ホログラム）を検出する。このホログラムを逆フーリエ変換することによって、長期間の繰り返し計算を行うことなく、簡単に実イメージに再現して試料２の表面や界面を評価できる。

なお、上記では、特に外場を変えずに試料２の表面の均一性を評価する場合について説明したが、温度、磁場、電場または圧力などの外場を変化させて、そのときの試料２の表面や界面の密度などの均一性を分析するようにしてもよい。

図１０は、温度、磁場、電場または圧力を変化させて測定を行う試料分析装置の構成を示す図である。
図１で示した試料分析装置１と同様の構成要素については同一符号を付している。

図１０で示す試料分析装置１ａは、試料２に対して、熱、磁場、電場または圧力を加える外場印加部３１を有している。
外場印加部３１は、たとえば、Ｈｅ（ヘリウム）クライオスタット、ヒータ、ランプ、永久磁石、電磁石、超電導電磁石、高圧電源、パルス発生装置などであり、制御部７によって制御される。

温度を変化させて行う測定は、たとえば、結晶構造の変化や、強誘電体の強誘電ドメインの変化を分析するために行われる。
外場印加部３１は、制御部７の制御のもと真空チャンバ１０内を、低温状態（たとえば、４Ｋ）または高温状態（たとえば、１３００Ｋ）にする。このとき、検出部８で検出した干渉Ｘ線の強度分布を、たとえば、逆フーリエ変換により実イメージに変換する。

これにより、温度による結晶構造の変化や強誘電ドメインの変化に起因した試料２の表面や界面の凹凸の変化や、強誘電ドメインのばらつきなどを、実イメージで分析することができる。つまり、試料２のどの位置で強誘電ドメインが変化しているかを分析することができる。

磁場を変化させて行う測定は、たとえば、磁気ドメインの変化や、磁性の変化（キューリー温度、ネール温度）を分析するために行われる。
外場印加部３１は、制御部７の制御のもと、試料２に、たとえば、０〜１０Ｔｅｓｌａの磁場を印加する。このとき、検出部８で検出した干渉Ｘ線の強度分布を実イメージに変換することで、磁場印加による磁気ドメインや磁性の変化が、試料２のどの位置で起こっているかを分析することができる。

電圧を変化させて行う測定は、たとえば、強誘電体の強誘電ドメインの変化を分析するために行われる。
外場印加部３１は、制御部７の制御のもと、試料２に、たとえば、±１０ＫＶの電圧を印加する。このとき、検出部８で検出した干渉Ｘ線の強度分布を実イメージに変換することで、電圧印加による強誘電ドメインの変化が、試料２のどの位置で起こっているかを分析することができる。

このほかにも、試料２に応力を印加してその影響を検討するために、検出した干渉Ｘ線の強度分布を実イメージに変換して分析するようにしてもよい。
以上、複数の実施の形態に基づき、本件の試料分析装置及び試料分析方法について説明してきたが、これらは一例にすぎず、上記の記載に限定されるものではない。

たとえば、Ｘ線反射ミラー３として、上記の説明では、試料２を囲うような形状のものを用いた場合について述べたが、試料２の周囲を取り囲むように複数のミラーを配置し、それぞれ入射角や入射位置を調整できるようにしてもよい。ただし、コヒーレントＸ線が試料２とＸ線反射ミラー３に同時に照射されるように、試料２に近接して配置されていることが望ましい。

本実施の形態の試料分析装置の構成を示す図である。試料の一例を示す断面図である。Ｘ線反射ミラーの一例を示す斜視図である。コヒーレントＸ線の入射角や入射位置を調整する様子を示す図である。入射角θ１＞θ２とした場合における反射Ｘ線による干渉の様子を示す図である。入射角θ１＜θ２とした場合における反射Ｘ線による干渉の様子を示す図である。試料のあおり角φ≠０とした場合における反射Ｘ線による干渉の様子を示す図である。検出部で検出した干渉Ｘ線の強度分布の一例を示す図である。逆フーリエ変換によって得られた試料の凹凸分布の例である。温度、磁場、電場または圧力を変化させて測定を行う試料分析装置の構成を示す図である。

符号の説明

１試料分析装置
２試料
３Ｘ線反射ミラー
４Ｘ線照射部
５，６入射角／入射位置調整部
７制御部
８検出部
９演算処理部
１０真空チャンバ
１１コリメータ

Claims

試料を囲う形状であるＸ線反射ミラーと、
前記試料及び前記Ｘ線反射ミラーに干渉性のＸ線を照射するＸ線照射部と、
前記試料からの第１の反射Ｘ線と、前記Ｘ線反射ミラーからの第２の反射Ｘ線とが重なるように、前記試料または前記Ｘ線反射ミラーの前記Ｘ線に対する入射角または入射位置を制御する制御部と、
重なった前記第１の反射Ｘ線と前記第２の反射Ｘ線との干渉によるＸ線強度分布を検出する検出部と、
前記Ｘ線強度分布を実空間データに変換する演算処理部と、
を有することを特徴とする試料分析装置。
前記試料、前記Ｘ線反射ミラー及び前記検出部を含む分析領域は、真空チャンバで覆われていることを特徴とする請求項１に記載の試料分析装置。
前記試料に対して熱、磁場、電場または圧力を加える外場印加部を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の試料分析装置。
前記試料は、１または複数の膜を有し、前記制御部は、分析感度を上げたい前記膜の表面または界面からの反射強度が高くなるように前記試料に対する前記入射角を制御することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の試料分析装置。
試料と前記試料を囲う形状であるＸ線反射ミラーに干渉性のＸ線を照射し、
前記試料からの第１の反射Ｘ線と、前記Ｘ線反射ミラーからの第２の反射Ｘ線とが重なるように、前記試料または前記Ｘ線反射ミラーの前記Ｘ線に対する入射角または入射位置を制御し、
重なった前記第１の反射Ｘ線と前記第２の反射Ｘ線との干渉によるＸ線強度分布を検出し、
前記Ｘ線強度分布を実空間データに変換することを特徴とする試料分析方法。