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公開番号2025017528
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-06
出願番号2023120611
出願日2023-07-25
発明の名称半導体計測装置
出願人三星電子株式会社,Samsung Electronics Co.,Ltd.
代理人IBC一番町弁理士法人,個人
主分類H01L 21/66 20060101AFI20250130BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】計測の精度を向上させることができる半導体計測装置を提供する。
【解決手段】実施形態に係る半導体計測装置1は、第1の波長を有する基本波P1を発生させるレーザ光源10と、基本波P1を試料面41に集光する対物レンズ26と、基本波P1が試料40で反射した反射光R1と、基本波P1が試料40に照射されることによって発生する信号光L2であって第1の波長と異なる第2の波長を有する信号光L2と、を分離するための波長フィルタ27と、波長フィルタ27によって分離された信号光L2を検出する検出ユニット30と、を備え、検出ユニット30は、同一の基本波P1によって生じた信号光L2を試料40からの2つ以上の異なる放出方向で検出するように配置されている。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
試料で発生する非線形光を計測する半導体計測装置において、
第１の波長を有する基本波を発生させるレーザ光源と、
前記基本波を試料面に集光する対物レンズと、
前記基本波が前記試料で反射した反射光と、前記基本波が前記試料に照射されることによって発生する信号光であって前記第１の波長と異なる第２の波長を有する前記信号光とを分離するための波長フィルタと、
前記波長フィルタによって分離された前記信号光を検出する検出ユニットと、
を備え、
前記検出ユニットは、同一の前記基本波によって生じた前記信号光を前記試料からの２つ以上の異なる放出方向で検出するように配置された、
半導体計測装置。
続きを表示（約 960 文字）【請求項２】
前記検出ユニットは、前記対物レンズの瞳面での前記信号光の強度を検出する検出器を含む、
請求項１に記載の半導体計測装置。
【請求項３】
前記検出器は、
前記対物レンズの瞳面の共役位置に配置され、
複数の光感受面を有する、
請求項２に記載の半導体計測装置。
【請求項４】
前記第２の波長は、前記第１の波長の半分である、
請求項１に記載の半導体計測装置。
【請求項５】
前記レーザ光源は、パルス状の前記基本波を発生させるパルスレーザ光源を含み、
前記基本波のパルス幅は、１ピコ秒以下である、
請求項１に記載の半導体計測装置。
【請求項６】
前記基本波の光路上であって前記レーザ光源と前記対物レンズとの間に配置された遅延発生器をさらに備え、
前記遅延発生器は、前記基本波の一部が他部に対して前記試料に到達する時間差を発生させる、
請求項１に記載の半導体計測装置。
【請求項７】
前記遅延発生器は、
前記基本波の光軸方向の厚みに分布を有する透過部材を含み、
前記透過部材を透過した前記基本波の光路長の差によって前記時間差を発生させる、
請求項６に記載の半導体計測装置。
【請求項８】
前記遅延発生器は、
前記基本波の光軸方向の高さに分布を有する反射部材を含み、
前記反射部材で反射した前記基本波の光路長の差によって前記時間差を発生させる、
請求項６に記載の半導体計測装置。
【請求項９】
前記検出ユニットは、前記時間差のある前記基本波によって発生した前記信号光を前記時間差ごとに分けて検出する検出器を含む、
請求項６に記載の半導体計測装置。
【請求項１０】
前記検出ユニットは、複数の光感受面を有する検出器を含み、
前記光感受面の数は、前記遅延発生器で発生する前記時間差の数と同じであり、
各光受光面は、各時間差の前記信号光に対応するように前記信号光を受光する、
請求項６に記載の半導体計測装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体計測装置に関する。
続きを表示（約 2,000 文字）【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス製造の現場において、２０年ほど前までは、回路パターンの微細化が唯一の進化軸であり、駆動速度の向上や消費電力低減に加え、低コスト化も微細化により同時に実現することができた。しかし、微細化の技術的な困難度が高まり、デバイスの３次元構造化に加えて、Ｈｉｇｈ－Ｋ及びＬｏｗ－Ｋなどの新材料の導入や、歪の意図的な付加による電子移動度の向上など、物性をコントロールすることによる性能向上の寄与が近年特に高まっている。
【０００３】
これらの要因により、研究開発でのプロセス構築及び量産時の歩留まり向上の両面において、高精度かつ高スループットの物性計測が必要不可欠になってきている。例を挙げると、イオン注入プロセスにおけるドーパントの量や空間的分布、アニール後の再活性化状態、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）の選択的エピタキシャル成長工程における内部歪量などの計測がある。
【０００４】
しかし、これらの物性計測は、物理的な計測装置であるＯＣＤ（ＯｐｔｉｃａｌＣｒｉｔｉｃａｌＤｉｍｅｎｓｉｏｎ）やＣＤ－ＳＥＭ（ＣｒｉｔｉｃａｌＤｉｍｅｎｓｉｏｎ－ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）等で評価することが困難である。蛍光Ｘ線や質量分析等を用いた化学的計測方法は、精度的には許容されるもののスループット面での問題を有する。また、化学的計測方法は、破壊検査となることもしばしばである。
【０００５】
これに対して、別のアプローチである電気的特性検査としては、基本的な構成要素であるＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｉｌｉｃｏｎ）構造のトランジスタ検査がある。このトランジスタ検査は、プローブを電気的に接続してＣ－Ｖ特性などの電気特性評価を行っている。これらは、半導体デバイスの直接的な性能評価である。ＬＡＤＡ（Ｌａｓｅｒ－ＡｓｓｉｓｔｅｄＤｅｖｉｃｅＡｌｔｅｒａｔｉｏｎ）やＯＢＩＲＣＨ（ＯｐｔｉｃａｌＢｅａｍＩｎｄｕｃｅｄＲｅｓｉｓｔａｎｃｅＣＨａｎｇｅ）等のトランジスタ検査は、光を入射させることで、不良確認に加えて、不良に対するマージンや高抵抗のデバイス内の位置も特定することができる。
【０００６】
ただし、全て接触式の計測であるため、配線層やパッドが形成された半導体後工程でなければ不可能な検査である。これらの電気的特性評価を半導体前工程において非接触で確認することができ、その結果から半導体内部に形成される空乏層や反転領域の広がり等を正確に解析できれば、イオン注入やアニール等のプロセスに、速やかにフィードバックが可能で、開発期間や製造サイクルタイムの短縮に非常に有効である。しかしながら、未だそのニーズを満たす計測技術は確立してしない。
【０００７】
その可能性を持つ非接触の電気的特性の計測技術の一つが、計測対象の非線形光学特性による第二高調波発生（ＳｅｃｏｎｄＨａｒｍｏｎｉｃＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ、ＳＨＧと呼ぶ。）を利用した検査である。非線形光学特性は、例えば、感受率と電場との積で表される。感受率は、第二高調波の強度から取得される。さらに、感受率テンソルの各要素から物質内のバンド構造が求められる。
【０００８】
シリコン等の半導体基板として用いられる主な物質は、反転対称の結晶構造を有しているので、バルク状態では、通常、第二高調波は発生しない。しかし、Ｂｌｏｅｍｂｅｒｇｅｎらは、非特許文献１において、物質の境界面における対称性の破れによる第二高調波発生の理論的検討を行っている。非特許文献１において検討された第二高調波発生は、その後のパルスレーザの発展に伴って、定量的な実験的でも評価されている。
【０００９】
また、Ｇｕｉｄｏｔｔｉらは、非特許文献２において、反転対称構造を有するシリコン表面での第二高調波の発生を実験的に評価している。特許文献１では、半導体装置内におけるプロセスの進行状況について、第二高調波を用いる計測手法が提案されている。特許文献２では、半導体基板表面の汚染物の存在を、複数波長の照明下で発生した第二高調波及び和周波を観測することで評価する手法が提案されている。
【００１０】
特許文献３では、シリコンと酸化層の界面における表面粗さを測定する手法が開示されている。ここでは、試料を回転させることで、第二高調波の強度の方位角依存性を計測し、試料の歪みや結晶の異方性を検出できることが記載されている。また、特許文献４に開示されるように、第二高調波の強度の時間発展を解析することによって、界面での電荷の動的特性を推測することができる。これは、第二高調波の強度が界面電界に依存すること、及び、基本波の照射によって界面付近に電荷が発生することに由来している。
（【００１１】以降は省略されています）

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