JP5051527B2 - Optical measurement method - Google Patents
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Description
本願発明は、計測機器、半導体産業、例えば、シリコン基板・デバイスのひずみ分布測定装置等に関する。 The present invention relates to a measuring instrument, semiconductor industry, for example, a strain distribution measuring device for a silicon substrate / device, and the like.
Ｓｉデバイスの性能は、デバイス領域にかかる応力により大きく影響される。例えば、トランジスタのチャネル領域に加わる応力は、電子や正孔の易動度に大きな影響を与えるので、近年、意図的に応力をかけることにより、デバイスの特性向上が図られるようになっている。従って、デバイス中にどのような応力が入っているのかを高い空間分解能で測定する手段の開発が重要な研究開発テーマとなっている。 The performance of Si devices is greatly influenced by the stress applied to the device region. For example, stress applied to the channel region of a transistor greatly affects the mobility of electrons and holes, and in recent years, device characteristics have been improved by intentionally applying stress. Therefore, the development of means for measuring the stress in the device with high spatial resolution has become an important research and development theme.
ラマン散乱は、Ｓｉデバイス領域の応力分布を非破壊測定できる方法の一つとして大きな注目を集めている。５２０ｃｍ−１に現れるＳｉのラマンピークは、引っ張り応力がかかると低波数側にシフトし、圧縮応力がかかると高波数側シフトする。従って、ラマンのピーク波数の空間分布を測定することにより、応力分布を測定できる。 Raman scattering has attracted a great deal of attention as one of the methods capable of nondestructive measurement of the stress distribution in the Si device region. The Si Raman peak appearing at 520 cm −1 shifts to the low wave number side when tensile stress is applied, and shifts to the high wave number side when compressive stress is applied. Therefore, the stress distribution can be measured by measuring the spatial distribution of the Raman peak wavenumber.
従来、ラマンのピーク波数の空間分布測定には、顕微鏡を用いたラマン測定が行われてきた（下記特許文献１参照）。しかし、この顕微分光法においては回折限界の壁があり、空間分解能を１ミクロン以下にすることは困難であった。 Conventionally, Raman measurement using a microscope has been performed for spatial distribution measurement of Raman peak wavenumbers (see Patent Document 1 below). However, this microspectroscopy method has a diffraction limit wall, and it has been difficult to make the spatial resolution 1 micron or less.
また、ゲートの下のチャネル領域に入る応力がデバイス特性に大きな影響を与えるため、この部分の応力を測定することが重要であるが、チャネル部分は不透明なゲートにより覆い隠されているため、通常光学的な手段で測定することは不可能であった。
本発明の目的は、基板上に光学的に異なる２種の物質が境界面を介して接している構造を持つ被測定試料について、回折限界を超える空間分解能でラマン散乱などの光学的分光測定を可能にすることにある。さらに、ＭＯＳトランジスタのゲートの下のチャネル領域のラマン信号を測定することを可能とすることにある。 The object of the present invention is to perform optical spectroscopic measurement such as Raman scattering with a spatial resolution exceeding the diffraction limit for a sample to be measured having a structure in which two optically different substances are in contact with each other via a boundary surface. There is in making it possible. Furthermore, it is possible to measure the Raman signal in the channel region under the gate of the MOS transistor.
基板上に光学的に異なる２種の物質が境界面を介して接している構造における光学測定においては、励起光の偏光方向と境界面の方向の関係によって、励起光と試料の相互作用の強さが異なるため、これを利用することにより、高い空間分解能で光学測定を行うことができる。 In an optical measurement in a structure in which two optically different substances are in contact with each other via a boundary surface on the substrate, the interaction between the excitation light and the sample is strong depending on the relationship between the polarization direction of the excitation light and the direction of the boundary surface. Therefore, by using this, optical measurement can be performed with high spatial resolution.
このことは、我々が発見した以下の実験事実に基づいている。すなわち、例えば、図１のような、Ｓｉ（００１）基板上に設けられたＳｉストライプがＳｉＯ２で挟まれているような試料において、ＳｉとＳｉＯ２の境界面に垂直な方向の偏光（ａ偏光）で励起光を入射し、同じ偏光方向でラマン散乱光を検出する（ａ−ａ偏光配置）と、Ｓｉストライプ境界面からのラマン信号光は、ほとんど検出されなかった。これは、この偏光方向の励起光が、境界面部分と余り相互作用できないからである。ここで、境界面と偏光方向は厳密に垂直である必要はなく、ほぼ垂直であればよい。 This is based on the following experimental fact that we discovered. That is, for example, in a sample in which Si stripes provided on a Si (001) substrate as shown in FIG. 1 are sandwiched between SiO 2 , polarized light in a direction perpendicular to the interface between Si and SiO 2 (a When excitation light was incident on the (polarized light) and Raman scattered light was detected in the same polarization direction (aa polarization arrangement), almost no Raman signal light was detected from the Si stripe interface. This is because the excitation light in this polarization direction cannot interact with the boundary surface part. Here, the boundary surface and the polarization direction do not need to be strictly perpendicular, but may be substantially perpendicular.
一方、ＳｉとＳｉＯ２の境界面に平行な偏光方向（ｃ偏光）の励起光を入射し、同じ偏光方向のラマン散乱光を検出する配置（ｃ−ｃ偏光配置）においては、励起光がストライプの境界面部分と強く相互作用し、境界面部分のラマン信号を選択的に観測することができる。ここで、境界面と偏光方向は厳密に平行である必要はなく、ほぼ平行であればよい。 On the other hand, in an arrangement in which excitation light having a polarization direction (c-polarized light) parallel to the boundary surface between Si and SiO 2 is incident and Raman scattered light having the same polarization direction is detected (cc polarization arrangement), the excitation light is striped. It is possible to selectively observe the Raman signal of the boundary surface part. Here, the boundary surface and the polarization direction do not need to be strictly parallel, but may be substantially parallel.
従って、光の波長よりも短い幅のＳｉストライプ構造に於いても、ａ−ａ偏光配置とｃ−ｃ偏光配置のスペクトルを解析することにより、励起光波長より短い、高い空間分解能でラマン信号の試料位置による依存性を導き出すことができる。 Therefore, even in a Si stripe structure having a width shorter than the wavelength of light, by analyzing the spectrum of the aa polarization arrangement and the cc polarization arrangement, the Raman signal can be generated with a high spatial resolution shorter than the excitation light wavelength. Dependence on the sample position can be derived.
このことは、Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ法（ＦＤＴＤ、電磁場シミュレーションの一手法）による電磁場解析によっても示すことが出来る。例えば、実施例４に示されているように、Ｓｉ基板上に設けられたトレンチの上方に光源を置いた場合、トレンチ壁に平行な偏光方向をもつ光を入射したときは、トレンチのエッジ部分に電磁場のエネルギーの集中がみられるが、トレンチの底の角付近の電磁場のエネルギーは極めて弱い。一方、トレンチ壁に垂直な方向の光を入射した時は、トレンチエッジ部分に電磁場の集中はみられない。しかし、トレンチ底の角の部分では、電磁場のエネルギーがトレンチに平行な偏光の時に比べ非常に強く分布している。従って、偏光方向を制御することにより、トレンチエッジおよび、トレンチ底の情報を光の回折限界を超えた空間分解能で取り出すことができる。 This can also be shown by electromagnetic field analysis by the Finite Difference Time Domain method (FDTD, one method of electromagnetic field simulation). For example, as shown in Example 4, when a light source is placed above a trench provided on a Si substrate, when light having a polarization direction parallel to the trench wall is incident, the edge portion of the trench However, the energy of the electromagnetic field near the bottom corner of the trench is very weak. On the other hand, when light in a direction perpendicular to the trench wall is incident, no electromagnetic field is concentrated on the trench edge. However, in the corner portion of the bottom of the trench, the electromagnetic field energy is very strongly distributed as compared with the case of polarized light parallel to the trench. Therefore, by controlling the polarization direction, information on the trench edge and the trench bottom can be extracted with a spatial resolution exceeding the diffraction limit of light.
半導体集積回路においては、トランジスタを作り込むＳｉの領域を、ＳｉＯ２でストライプ状に挟まれた構造に加工する、ｓｈａｌｌｏｗ ｔｒｅｎｃｈ ｉｓｏｌａｔｉｏｎと呼ばれる構造が広く用いられている。この時には、加工プロセスによりＳｉストライプに応力が発生するが、一般にストライプの中央付近と境界面付近では、応力の値や、場合によっては方向も異なる。そのため、集積回路の作製のために、ストライプの中央付近と境界面付近に加わっている応力を弁別して測定することが必要であり、本発明の方法により、この要求に応えることができる。これは、Ｓｉの５２０．５ｃｍ−１のラマンピークの位置が、応力によりシフトするため、このシフトの量から応力を評価することができるからである。 In semiconductor integrated circuits, a structure called shallow trench isolation is widely used in which a Si region for forming a transistor is processed into a structure sandwiched between SiO 2 in a stripe shape. At this time, stress is generated in the Si stripe by the processing process, but generally, the stress value and the direction are different near the center of the stripe and near the boundary surface. For this reason, it is necessary to discriminate and measure the stress applied to the vicinity of the center of the stripe and the vicinity of the boundary surface for the production of an integrated circuit, and this requirement can be met by the method of the present invention. This is because the position of the Raman peak at 520.5 cm −1 of Si shifts due to the stress, and the stress can be evaluated from the amount of this shift.
また、ラマン散乱の偏光による選択則を用いることにより、境界面部分のみのラマン信号を取り出すこともできる。例えば、Ｓｉストライプが［１１０］方向を向いているとき、励起光偏光をｃ偏光すなわち［１１０］偏光方向で入射し、信号光の偏光をそれと直角なａ偏光を検出するような配置は、ラマン散乱の選択則においては禁制配置であるので、本来ラマン散乱信号は検出されない。 Further, by using a selection rule based on the polarization of Raman scattering, it is possible to extract a Raman signal only at the boundary surface portion. For example, when the Si stripe is oriented in the [110] direction, the arrangement in which the excitation light polarization is incident in the c polarization, that is, in the [110] polarization direction, and the polarization of the signal light is detected at a right angle to the Raman polarization is determined by Raman. In the scattering selection rule, the Raman scattering signal is not detected because it is a forbidden arrangement.
しかしながら、ストライプの境界面部分においては、励起光が境界面で散乱され偏光方向が乱れるため、境界面部分のみラマン散乱が観測できるようになる。従って、高い空間分解能でラマン信号の場所による依存性を導き出すことができることになる。 However, since the excitation light is scattered at the boundary surface and the polarization direction is disturbed at the boundary surface portion of the stripe, Raman scattering can be observed only at the boundary surface portion. Therefore, the dependence on the location of the Raman signal can be derived with high spatial resolution.
光の波長よりも短い幅のＳｉストライプ構造に於いても、ａ−ａ偏光配置とｃ−ｃ偏光配置のスペクトルを解析することにより、励起光波長より短い、高い空間分解能でラマン信号の試料位置による依存性を導き出すことができる。 Even in a Si stripe structure having a width shorter than the wavelength of light, by analyzing the spectrum of the aa polarization arrangement and the cc polarization arrangement, the sample position of the Raman signal with a high spatial resolution shorter than the excitation light wavelength is obtained. Dependency can be derived.
また、我々は、励起光の偏光方向も境界面に垂直・平行な方向だけでなく、偏光方向を回転させることにより、被測定試料の特定部分を選択的に検出できることを発見した。例えば、実施例５に示すように、直方体底面付近の電磁場のエネルギーの分布が、励起光偏光方向の角度をｘ方向からｙ方向へ回転していくことにより、特定の角の部分の電磁場のエネルギー分布が強くなり、その部分の情報を選択的に検出できる。 We also discovered that the polarization direction of the excitation light can be selectively detected not only in the direction perpendicular or parallel to the boundary surface but also by rotating the polarization direction. For example, as shown in Example 5, the energy distribution of the electromagnetic field near the bottom of the rectangular parallelepiped rotates the angle of the polarization direction of the excitation light from the x direction to the y direction, so that the energy of the electromagnetic field at a specific angle portion is obtained. The distribution becomes stronger, and information on that portion can be selectively detected.
また、測定試料構造の２つの角を結ぶ直線に垂直・平行な方向の偏光を用いることにより測定試料構造の角の部分の情報を選択的に検出できる。 In addition, information on the corner portion of the measurement sample structure can be selectively detected by using polarized light in a direction perpendicular or parallel to a straight line connecting two corners of the measurement sample structure.
実施例６に示すように、Ｓｉ基板に設けられたＳｉの直方体において行われた、ＦＤＴＤシミュレーションによると、光の偏光方向を上面の対角線に平行な光を入射した場合、入射光の偏光方向に対応する２つの角の部分に電磁場の非常に強いエネルギー分布があることが分かった。これは、対角線に平行な光を入射した場合、角の部分のラマン信号を選択的に検出できることを示す。 As shown in Example 6, according to the FDTD simulation performed in the Si rectangular parallelepiped provided on the Si substrate, when light parallel to the diagonal of the upper surface is incident, the polarization direction of the incident light It was found that there was a very strong energy distribution of the electromagnetic field at the two corresponding corners. This indicates that the Raman signal in the corner portion can be selectively detected when light parallel to the diagonal line is incident.
我々は、さらに研究を進めたところ、この偏光依存性を用いることにより、ＭＯＳデバイス構造において、ゲートの下のチャネル領域の信号を取り出すことが出来ることを発見した。これは、ゲート側面に垂直な偏光方向を持つ光を入射したとき、ゲートの下のチャネル領域まで光が侵入することができるが、平行な偏光の光は、侵入することができないという電磁場解析の結果による。 As a result of further research, we discovered that using this polarization dependence, the signal in the channel region under the gate can be extracted in the MOS device structure. This is because when light with a polarization direction perpendicular to the side of the gate is incident, light can enter the channel region under the gate, but parallel polarized light cannot enter. Depending on the result.
例えば、実施例７に示されているように、Ｓｉ基板上で、厚さ２ｎｍのＳｉＯ２のゲート酸化膜を介して幅５０ｎｍ高さ１００ｎｍのＳｉゲートを設けた構造で、ゲートの左端から左５０ｎｍ、上方１００ｎｍに波長３６４ｎｍの光源を置いて行われたシミュレーションの結果、入射光の偏光方向がゲート側面に垂直な場合は、ゲートの下のチャネル部分に電磁場が潜り込んでいるが、平行な場合は、ゲートの下部付近における電磁場のエネルギー分布は極めて弱い。したがって、両偏光の励起光によって得られた信号の差をみることによりゲートの下のチャネル領域からの信号を得ることができる。 For example, as shown in Example 7, a Si gate having a width of 50 nm and a height of 100 nm is provided on a Si substrate via a SiO 2 gate oxide film having a thickness of 2 nm. As a result of simulation performed by placing a light source with a wavelength of 364 nm at 50 nm and 100 nm above, when the polarization direction of incident light is perpendicular to the gate side surface, the electromagnetic field is embedded in the channel part under the gate, but parallel The energy distribution of the electromagnetic field near the lower part of the gate is extremely weak. Therefore, the signal from the channel region under the gate can be obtained by looking at the difference between the signals obtained by the two polarized excitation lights.
以下に、図面を用いて本願発明を実施するための最良の形態を示す。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図２に示される顕微分光システムを用いて、図３に示す試料のラマン測定を行った。励起光の波長は３６４ｎｍ、対物レンズのＮ．Ａ．は１．３である。試料は、Ｓｉ（００１）基板上に、ＳｉＯ２で挟まれた［１１０］方向（ｃ方向）の、幅４００ｎｍのＳｉストライプを設けた構造をしている。この時、ＳｉストライプとＳｉＯ２の境界面の方位は｛１１０｝面である。ただし、この面は通常のドライエッチング加工によって得られたもので、結晶学的に厳密な｛１１０｝面からは、若干、傾いている。 Using the microspectroscopic system shown in FIG. 2, the Raman measurement of the sample shown in FIG. 3 was performed. The wavelength of the excitation light is 364 nm and the objective lens N.P. A. Is 1.3. The sample has a structure in which a Si stripe having a width of 400 nm in the [110] direction (c direction) sandwiched between SiO 2 is provided on a Si (001) substrate. At this time, the orientation of the boundary surface between the Si stripe and SiO 2 is the {110} plane. However, this surface is obtained by ordinary dry etching, and is slightly inclined from the crystallographically exact {110} surface.
ストライプに垂直な方向（ａ方向）に励起光スポットを走査し、ラマンスペクトルの測定を行った。ラマン信号強度を波数（横軸）−位置（縦軸）に対してマッピングした結果を図４に示す。 The excitation light spot was scanned in the direction perpendicular to the stripe (direction a), and the Raman spectrum was measured. FIG. 4 shows the result of mapping the Raman signal intensity with respect to wave number (horizontal axis) −position (vertical axis).
左から、励起光・検出光の偏光をａ方向（ａ−ａ配置）、励起光ｃ偏光・検出光ａ偏光（ｃ−ａ配置）、励起光・検出光がｃ偏光（ｃ−ｃ配置）で測定した結果である。 From left, excitation light / detection light polarization in direction a (aa arrangement), excitation light c polarization / detection light a polarization (ca arrangement), excitation light / detection light c polarization (cc arrangement) It is the result measured by.
ｃ−ａ配置は、ラマン散乱の選択則で禁制配置のため、信号は検出されないはずだが、Ｓｉストライプの境界面の部分で励起光偏光が乱され、ラマン信号が検出されるようになる。 Since the ca arrangement is a forbidden arrangement in the Raman scattering selection rule, no signal should be detected, but the excitation light polarization is disturbed at the boundary of the Si stripe, and the Raman signal is detected.
すなわち、ｃ−ａ偏光配置においては、境界面部分のみの信号が選択的に検出されている。また、ａ−ａ偏光配置においては、境界面部分からの寄与がほとんどなく、ほぼストライプ中央部分のみからの５２１．１ｃｍ−１にピークを持つラマン信号が検出されている。 That is, in the ca polarization arrangement, a signal only at the boundary surface portion is selectively detected. Further, in the aa polarization arrangement, there is almost no contribution from the boundary surface portion, and a Raman signal having a peak at 521.1 cm −1 from only the stripe central portion is detected.
ｃ−ｃ偏光配置においては、５２１．６ｃｍ−１の境界面からのラマン信号と、５２１．１ｃｍ−１のストライプ中央からのラマン信号が観測された。図５にラマンスペクトルの測定例を示した。 In c-c polarizing arrangement, the Raman signal from the interface of 521.6Cm -1, the Raman signal from the stripe central 521.1Cm -1 were observed. FIG. 5 shows an example of Raman spectrum measurement.
（ａ）は、ａ−ａ偏光配置における４００ｎｍ幅のＳｉストライプのラマンスペクトルである。励起光の位置はストライプ中央であるが、５２１．１ｃｍ−１のピーク位置は励起光の位置にほとんどよらない。 (A) is a Raman spectrum of a 400 nm width Si stripe in the aa polarization arrangement. The position of the excitation light is at the center of the stripe, but the peak position of 521.1 cm −1 hardly depends on the position of the excitation light.
一方（ｂ）に示したｃ−ｃ偏光配置における４００ｎｍ幅のＳｉストライプにおいては、励起光をストライプ中央に位置したときは５２１．１ｃｍ−１、境界面付近に位置したときのスペクトルのピーク位置が５２１．６ｃｍ−１と測定位置により異なる。 On the other hand, in the 400 nm wide Si stripe in the cc polarization arrangement shown in (b), the peak position of the spectrum is 521.1 cm −1 when the excitation light is located at the center of the stripe, and the spectrum peak position when the excitation light is located near the boundary surface. 521.6 cm −1 , depending on the measurement position.
以上より、励起光の偏光方向依存性を用いることにより、詳細なラマンスペクトルの試料位置依存性の情報を得ることができることが判明した。 From the above, it has been found that detailed information on the sample position dependency of the Raman spectrum can be obtained by using the polarization direction dependency of the excitation light.
図６のような構造を持つ試料について測定を行った。試料は、Ｓｉ（００１）基板上に、ＳｉＯ２で挟まれた［１１０］方向（ｃ方向）の、幅Ｌ＝３００ｎｍのＳｉストライプが、幅Ｓ＝１００ｎｍのＳｉＯ２のトレンチで挟まれた構造（周期Ｄ＝４００ｎｍ）をしている。 Measurement was performed on a sample having a structure as shown in FIG. The sample is a structure in which a Si stripe having a width L = 300 nm in a [110] direction (c direction) sandwiched between SiO 2 is sandwiched between SiO 2 trenches having a width S = 100 nm on a Si (001) substrate. (Period D = 400 nm).
この時も、ＳｉストライプとＳｉＯ２の境界面の方位は｛１１０｝面である。ただし、この面は通常のドライエッチング加工によって得られたもので、結晶学的に厳密な｛１１０｝面からは、若干、傾いている。 Also at this time, the orientation of the boundary surface between the Si stripe and SiO 2 is the {110} plane. However, this surface is obtained by ordinary dry etching, and is slightly inclined from the crystallographically exact {110} surface.
ストライプに垂直な方向（ａ方向）に励起光スポットを走査し、ラマンスペクトルの測定を行った。測定システムは実施例１と同じで、測定の光学配置としては、ａ−ａ偏光配置と、ｃ−ｃ偏光配置の２種類について行った。 The excitation light spot was scanned in the direction perpendicular to the stripe (direction a), and the Raman spectrum was measured. The measurement system was the same as in Example 1, and the measurement optical arrangement was performed for two types of aa polarization arrangement and cc polarization arrangement.
図７に得られたラマンスペクトルを示す。ａ−ａ偏光配置においては、５２３．９ｃｍ−１のピークを持つＳｉストライプ中央部分に起因するスペクトルが観測された。 FIG. 7 shows the obtained Raman spectrum. In the aa polarization configuration, a spectrum due to the central portion of the Si stripe having a peak of 523.9 cm −1 was observed.
一方ｃ−ｃ偏光配置においては、観測されたラマンスペクトルは、デコンボリューションにより２つの成分に分解され、５２３．１ｃｍ−１のピークを持つストライプの境界面からのラマン成分と、５２３．９ｃｍ−１のストライプ中央からのラマン成分が得られた。 Whereas in c-c polarization arrangement, the Raman spectrum was observed, is decomposed into two components by deconvolution, and Raman components from the boundary surface of the stripe with a peak of 523.1cm -1, 523.9cm -1 The Raman component from the center of the stripe was obtained.
以上より、励起光の偏光方向依存性を用いることにより、詳細なラマンスペクトルの試料位置依存性の情報を得ることができることが判明した。 From the above, it has been found that detailed information on the sample position dependency of the Raman spectrum can be obtained by using the polarization direction dependency of the excitation light.
実施例２のようにＳｉ（００１）基板上にＳｉＯ２とＳｉのストライプからなる構造が設けられた試料において、様々な周期（Ｄ）とＳｉストライプの幅（Ｌ）を持つ試料のラマンスペクトルを実施例２と同じ方法でａ−ａ偏光配置にてラマンスペクトルを測定した。 In a sample in which a structure comprising SiO 2 and Si stripes is provided on a Si (001) substrate as in Example 2, Raman spectra of samples having various periods (D) and Si stripe widths (L) are shown. In the same manner as in Example 2, the Raman spectrum was measured with the aa polarization configuration.
ストライプ中央のラマンスペクトルのピーク位置と、そこから導かれる中央部にかかっている応力の大きさを表１にまとめた。
ａ−ａ偏光配置を用いると、境界面部分からの信号を抑えることができるため、ストライプの幅が１００ｎｍ以下と狭いものについても、ストライプ中央にかかる応力を評価することができた。 When the aa polarization arrangement is used, the signal from the boundary surface portion can be suppressed, so that the stress applied to the center of the stripe can be evaluated even when the stripe width is as narrow as 100 nm or less.
図８に示すように、Ｓｉ基板上に設けられたトレンチの上方１００ｎｍに波長３６４ｎｍの光源を置いた場合の電磁場のエネルギー分布のＦＤＴＤシミュレーションを行った。トレンチは、深さ２００ｎｍ、底の幅１４０ｎｍ、上の幅２００ｎｍで、ＳｉＯ２で満たされている。光源は、幅２５ｎｍのガウシアン空間強度分布を持つ。図８中に示したようにｘｙｚ方向を定義する。 As shown in FIG. 8, an FDTD simulation of the energy distribution of the electromagnetic field was performed when a light source having a wavelength of 364 nm was placed 100 nm above the trench provided on the Si substrate. The trench has a depth of 200 nm, a bottom width of 140 nm, and an upper width of 200 nm, and is filled with SiO 2 . The light source has a Gaussian spatial intensity distribution with a width of 25 nm. The xyz direction is defined as shown in FIG.
図９に、電磁場のエネルギー分布のｘｚ断面図を示す。トレンチ側壁に平行な偏光方向をもつ光（ｙ偏光）を入射したときは、トレンチ上部のエッジ部分に電磁場のエネルギーの集中がみられるが、トレンチの底の角付近の電磁場のエネルギーは極めて弱い。ここで、エッジ部分の電磁場のエネルギーの集中している領域は数１０ｎｍ程度である。 FIG. 9 shows an xz sectional view of the energy distribution of the electromagnetic field. When light having a polarization direction parallel to the trench side wall (y-polarized light) is incident, the energy concentration of the electromagnetic field is observed at the edge portion of the upper portion of the trench, but the energy of the electromagnetic field near the bottom corner of the trench is extremely weak. Here, the region where the energy of the electromagnetic field at the edge portion is concentrated is about several tens of nm.
一方、トレンチ側壁に垂直な方向の光（ｘ偏光）を入射した時は、トレンチエッジ部分に電磁場の集中はみられない。従って、平行偏光の時は、トレンチエッジの信号を光の回折限界を超えた空間分解能で取り出すことができることを示す。一方、ｘ偏光の時は、トレンチ底の角の部分の信号を取り出すことができる。 On the other hand, when light (x-polarized light) in a direction perpendicular to the trench sidewall is incident, no concentration of the electromagnetic field is observed at the trench edge portion. Therefore, in the case of parallel polarization, it is shown that the signal at the trench edge can be extracted with a spatial resolution exceeding the diffraction limit of light. On the other hand, in the case of x-polarized light, the signal at the corner of the trench bottom can be extracted.
このことは、図１０に示したトレンチ底の部分の電磁場エネルギーの強度の分布のグラフからも分かる。すなわち、トレンチ底の角の部分では、電磁場のエネルギーがｙ偏光の時に比べｘ偏光の時は１０倍以上大きくなっていることがわかる。 This can be seen from the graph of the intensity distribution of the electromagnetic field energy at the bottom of the trench shown in FIG. That is, it can be seen that at the corner of the trench bottom, the energy of the electromagnetic field is 10 times or more larger when x-polarized light than when y-polarized light.
図１１に示したグラフは、幅３００ｎｍのトレンチと幅１００ｎｍのＳｉストライプからなるＳＴＩ構造において、励起波長３６４ｎｍで得られたラマンスペクトルである。左側のグラフは、ｘ偏光で励起しｘ偏光のラマン信号を検出し、右側のグラフはｙ偏光で励起し、ｙ偏光のラマン信号を検出したグラフである。実線は、測定データで、点線は測定データをローレンツ曲線でデコンボリューションした成分である。破線は、デコンボリューションによって得られた各成分の和である。 The graph shown in FIG. 11 is a Raman spectrum obtained at an excitation wavelength of 364 nm in an STI structure including a trench having a width of 300 nm and a Si stripe having a width of 100 nm. The graph on the left is excited by x-polarized light and detects a Raman signal of x-polarized light, and the graph on the right is excited by y-polarized light and detects a Raman signal of y-polarized light. The solid line is measured data, and the dotted line is a component obtained by deconvolution of measured data with a Lorentz curve. The broken line is the sum of each component obtained by deconvolution.
ｘ偏光の時検出された５１５ｃｍ−１の成分は、引っ張り応力がかかっているトレンチ底の角の部分からの信号であるが、ｙ偏光励起の時は検出できなかった。 The 515 cm −1 component detected when x-polarized light is a signal from the corner portion of the trench bottom where tensile stress is applied, but was not detected when y-polarized light was excited.
以上のように、偏光方向を制御することにより、試料の特定の部分を選択的に検出できることが示された。 As described above, it was shown that a specific portion of the sample can be selectively detected by controlling the polarization direction.
図１２のように、Ｓｉ基板に設けられた高さ１５０ｎｍ、幅１００ｎｍ、奥行１５０ｎｍのＳｉの直方体の側面がＳｉＯ２で囲まれている構造において、ＦＤＴＤによる電磁場解析を行った。光源は、波長３６４ｎｍで、Ｓｉ直方体上面左側の長辺の中心から１００ｎｍ上方に配置した。図１２中に示したようにｘｙｚ方向は定義する。光源強度には幅２５ｎｍのガウシアンの空間分布をつけた。 As shown in FIG. 12, FDTD electromagnetic field analysis was performed in a structure in which the side face of a Si rectangular parallelepiped having a height of 150 nm, a width of 100 nm, and a depth of 150 nm provided on the Si substrate was surrounded by SiO 2 . The light source was arranged at a wavelength of 364 nm and 100 nm above the center of the long side on the left side of the upper surface of the Si rectangular parallelepiped. The xyz direction is defined as shown in FIG. The light source intensity was a Gaussian spatial distribution with a width of 25 nm.
図１３に、光の偏光方向をｘ方向、ｘ軸から反時計回りに４５°回転した方向、そしてｙ方向に平行な偏光を入射した場合の直方体下面から５ｎｍ下の部分を、底面に平行に切ったｘｙ平面における電磁場のエネルギー強度を上から見たマッピングを示す。図から分かるように、入射光の偏光方向がｘ方向に平行なときは、左側の２つの角に強い分布がある。４５°回転した偏光の時は、左側下の角の部分に強い分布がある。一方ｙ方向に平行な偏光の時は、直方体底の左側近辺の電磁場の強度は弱い。以上より、励起光偏光方向を回転することにより試料の特定の部分の光学信号を選択的に検出できることを示す。 In FIG. 13, the polarization direction of light is x-direction, the direction rotated 45 ° counterclockwise from the x-axis, and the portion 5 nm below the rectangular parallelepiped lower surface when polarized light parallel to the y-direction is incident, parallel to the bottom surface The mapping which looked at the energy intensity of the electromagnetic field in the cut xy plane from the top is shown. As can be seen from the figure, when the polarization direction of the incident light is parallel to the x direction, there is a strong distribution at the two left corners. When the polarization is rotated by 45 °, there is a strong distribution in the lower left corner. On the other hand, when the polarized light is parallel to the y direction, the intensity of the electromagnetic field near the left side of the bottom of the rectangular parallelepiped is weak. From the above, it is shown that the optical signal of a specific part of the sample can be selectively detected by rotating the excitation light polarization direction.
図１４のように、Ｓｉ基板に設けられた高さ１５０ｎｍ、幅・奥行が１００ｎｍのＳｉの直方体の側面がＳｉＯ２で囲まれている構造において、ＦＤＴＤシミュレーションによる電磁場解析を行った。光源は波長３６４ｎｍで、Ｓｉ直方体上面中心から１００ｎｍ上方に配置した。図１４中に示したようにｘｙｚ方向は定義する。光源強度には幅２００ｎｍのガウシアンの空間分布をつけた。 As shown in FIG. 14, an electromagnetic field analysis was performed by FDTD simulation in a structure in which a side surface of a Si rectangular parallelepiped having a height of 150 nm and a width / depth of 100 nm provided on a Si substrate was surrounded by SiO 2 . The light source had a wavelength of 364 nm and was arranged 100 nm above the center of the upper surface of the Si rectangular parallelepiped. The xyz direction is defined as shown in FIG. The light source intensity is a Gaussian spatial distribution with a width of 200 nm.
図１５に、光の偏光方向を上面の対角線に平行な光を入射した場合の直方体上面から２．５ｎｍ下の部分を底面に平行に切ったｘｙ平面における電磁場のエネルギー強度を上から見たマッピングを示す。図から分かるように、入射光の偏光方向に対応する２つの角の部分の電磁場のエネルギー分布が強いことがわかる。これは、対角線に平行な光を入射した場合、角の部分のラマン信号を初めとする光学信号を選択的に検出できることを示す。 FIG. 15 is a mapping in which the energy intensity of the electromagnetic field in the xy plane obtained by cutting a portion 2.5 mm below the rectangular parallelepiped upper surface parallel to the bottom surface when light having a polarization direction of light parallel to the diagonal of the upper surface is viewed from above. Indicates. As can be seen, the energy distribution of the electromagnetic field at the two corners corresponding to the polarization direction of the incident light is strong. This indicates that when light parallel to the diagonal line is incident, an optical signal including a Raman signal at a corner portion can be selectively detected.
図１６のように、Ｓｉ基板上で、厚さ２ｎｍのＳｉＯ２のゲート酸化膜を介して幅５０ｎｍ高さ１００ｎｍのＳｉゲートを設けた構造で、ゲートの左端から５０ｎｍ左、１００ｎｍ上方に波長３６４ｎｍの光源を置いた場合の電磁場のエネルギー分布を、ＦＤＴＤによる電磁場解析でシミュレーションを行った。光源の空間強度分布は、幅２５ｎｍのガウシアンである。図１６中に示したようにｘｙｚ方向は定義する。 As shown in FIG. 16, a Si gate having a width of 50 nm and a height of 100 nm is provided on a Si substrate via a SiO 2 gate oxide film having a thickness of 2 nm. The energy distribution of the electromagnetic field when the light source was placed was simulated by electromagnetic field analysis by FDTD. The spatial intensity distribution of the light source is Gaussian with a width of 25 nm. The xyz direction is defined as shown in FIG.
図１７の電磁場のエネルギー分布のｘｚ断面図から分かるように、入射光の偏光方向がゲート側面に垂直な場合は、ゲートの下のチャネル部分に電磁場が潜り込んでいるが、平行な場合は、ゲートの下部付近における電磁場のエネルギー分布は極めて弱い。したがって、両偏光の励起光によって得られた信号の差をみることによりゲートの下のチャネル領域からの信号を得ることができる。 As can be seen from the xz cross-sectional view of the energy distribution of the electromagnetic field in FIG. 17, when the polarization direction of the incident light is perpendicular to the gate side surface, the electromagnetic field is embedded in the channel portion under the gate. The energy distribution of the electromagnetic field near the lower part of is very weak. Therefore, the signal from the channel region under the gate can be obtained by looking at the difference between the signals obtained by the two polarized excitation lights.
以上の本発明の方法および装置は、ＳｉとＳｉＯ２の組み合わせだけでなく、境界面のある構造における光学測定においては、励起光の偏光方向と境界面の方向の関係によって、励起光と試料の相互作用の強さが異なると言う、その原理に従って、一般に半導体及び誘電体からなる試料に同様に適用することができる。特に、半導体が、Ｓｉ、Ｇｅ若しくはそれらの混晶又はＧａ１−ＸＡｌＸＡｓである試料に対して、有効性が高い。 The above-described method and apparatus of the present invention is not limited to the combination of Si and SiO 2 , but in optical measurement in a structure with a boundary surface, the relationship between the excitation light and the sample is determined by the relationship between the polarization direction of the excitation light and the direction of the boundary surface. In general, the present invention can be applied to a sample made of a semiconductor and a dielectric material according to the principle that the strength of interaction is different. In particular, the effectiveness is high for a sample in which the semiconductor is Si, Ge, a mixed crystal thereof, or Ga 1-X Al X As.
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