JPH05291152A - Ｘ線分析装置及びこれを用いた半導体製造装置 - Google Patents
Ｘ線分析装置及びこれを用いた半導体製造装置Info
- Publication number
- JPH05291152A JPH05291152A JP4095144A JP9514492A JPH05291152A JP H05291152 A JPH05291152 A JP H05291152A JP 4095144 A JP4095144 A JP 4095144A JP 9514492 A JP9514492 A JP 9514492A JP H05291152 A JPH05291152 A JP H05291152A
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- JP
- Japan
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- substrate
- ray
- analysis apparatus
- ray analysis
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- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明の目的は、ガスソ−ス原料とし10-3To
rr以上の圧力下で成膜するMOCVD(Metal Organic Chemic
hal Vapor Deposition)やALE(Atomic Layer Epitaxy)に
おいて基板面内の局所領域における膜成長過程を原子層
オ−ダで観察することである。 【構成】 MOCVD装置において線源1から出射されたX線
を集光ミラ−3を用いて基板6面上に全反射臨界角付近の
斜入射角で照射する。この時、得られた基板6面からの
Ｘ線の信号をＸ線検出器5を用いて検出する。 【効果】 本発明を用いれば10-3Torr以上の圧力におい
ても基板面内の成長膜の状態を高い横分解能でモニタで
きるので、これを成長条件に反映させてより適切な成長
プロセス条件を決定できる。
rr以上の圧力下で成膜するMOCVD(Metal Organic Chemic
hal Vapor Deposition)やALE(Atomic Layer Epitaxy)に
おいて基板面内の局所領域における膜成長過程を原子層
オ−ダで観察することである。 【構成】 MOCVD装置において線源1から出射されたX線
を集光ミラ−3を用いて基板6面上に全反射臨界角付近の
斜入射角で照射する。この時、得られた基板6面からの
Ｘ線の信号をＸ線検出器5を用いて検出する。 【効果】 本発明を用いれば10-3Torr以上の圧力におい
ても基板面内の成長膜の状態を高い横分解能でモニタで
きるので、これを成長条件に反映させてより適切な成長
プロセス条件を決定できる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、薄膜形成装置によって
作成される半導体の分析装置ならびに、半導体の製造装
置に関する。
作成される半導体の分析装置ならびに、半導体の製造装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体の分野では、さらなる高性能化や
新機能を実現する手段として超格子薄膜形成技術の開発
が進められている。超格子薄膜形成は、超高真空チャン
バで材料を分子線やガスの状態で交互に基板上に供給
し、超薄膜を積層させる技術である。この薄膜形成プロ
セスにおいて結晶成長中の表面をその場観察する手法と
して、従来、反射高速電子線回折RHEED(Reflection Hig
h Energe Diffraction)が用いられている。これは、10k
eVから50keVの電子線を基板表面に1度程度の角度で入射
させて、基板の結晶性、平坦性、表面構造を評価する技
術である。しかし、RHEEDでは、圧力が高いと電子線が
散乱してしまうために測定ができないという問題があっ
た。このために、MBE(Molecular Beam Epitaxy)やガス
ソ−スMBEのような高真空プロセスには適用できるが、M
OCVD(Metal Organic Chemical VaporDeposition)を始め
とする低真空プロセスには用いることができなかった。
そこで、Physical Review Letters、61巻、19号、2241
頁から2244頁に記載されているようにＸ線を用いた薄膜
形成中の基板表面の評価法に関する開発が進められてい
る。これは、低真空中であっても計測ができるＸ線の特
徴を利用した技術であり、原子層単位での薄膜形成中の
信号の変動を示している。このように、低真空中で原子
層薄膜をモニタできれば、半導体製造分野の薄膜形成プ
ロセスの最適化、信頼性向上、デバイス性能の向上など
へおよぼす効果は大きく極めて重要な技術といえる。
新機能を実現する手段として超格子薄膜形成技術の開発
が進められている。超格子薄膜形成は、超高真空チャン
バで材料を分子線やガスの状態で交互に基板上に供給
し、超薄膜を積層させる技術である。この薄膜形成プロ
セスにおいて結晶成長中の表面をその場観察する手法と
して、従来、反射高速電子線回折RHEED(Reflection Hig
h Energe Diffraction)が用いられている。これは、10k
eVから50keVの電子線を基板表面に1度程度の角度で入射
させて、基板の結晶性、平坦性、表面構造を評価する技
術である。しかし、RHEEDでは、圧力が高いと電子線が
散乱してしまうために測定ができないという問題があっ
た。このために、MBE(Molecular Beam Epitaxy)やガス
ソ−スMBEのような高真空プロセスには適用できるが、M
OCVD(Metal Organic Chemical VaporDeposition)を始め
とする低真空プロセスには用いることができなかった。
そこで、Physical Review Letters、61巻、19号、2241
頁から2244頁に記載されているようにＸ線を用いた薄膜
形成中の基板表面の評価法に関する開発が進められてい
る。これは、低真空中であっても計測ができるＸ線の特
徴を利用した技術であり、原子層単位での薄膜形成中の
信号の変動を示している。このように、低真空中で原子
層薄膜をモニタできれば、半導体製造分野の薄膜形成プ
ロセスの最適化、信頼性向上、デバイス性能の向上など
へおよぼす効果は大きく極めて重要な技術といえる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述のような
Ｘ線を用いた分析の最大の課題は、基板面全体の平均的
な値しか得られない点にある。従って、基板面各部の薄
膜形成状態の分布を知ることができない。一般には、基
板での均一な性質が極めて重要な条件であるので、Ｘ線
を用いた分析において横方向の分解能をあげることは極
めて重要である。
Ｘ線を用いた分析の最大の課題は、基板面全体の平均的
な値しか得られない点にある。従って、基板面各部の薄
膜形成状態の分布を知ることができない。一般には、基
板での均一な性質が極めて重要な条件であるので、Ｘ線
を用いた分析において横方向の分解能をあげることは極
めて重要である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】そこで、Ｘ線の鉛直方向
と水平方向の少なくともいずれか一方を、全反射鏡でく
さび状に絞って基板に照射するようにした。
と水平方向の少なくともいずれか一方を、全反射鏡でく
さび状に絞って基板に照射するようにした。
【０００５】
【作用】この結果、基板にＸ線が線状に照射されるの
で、線に沿った領域の情報が得られる。そこで、基板を
回転または相対的に横移動させて得られた情報を処理す
れば面内の情報を得ることができるものである。また、
Ｘ線を基板に対して斜めから照射する場合は、基板上で
焦点を結ぶように全反射鏡を設計すれば、均一な幅のＸ
線集光プロ−ブが実現できる。これを、半導体薄膜形成
装置に搭載することによって、薄膜の成長を原子層オ−
ダでモニタすることができる。
で、線に沿った領域の情報が得られる。そこで、基板を
回転または相対的に横移動させて得られた情報を処理す
れば面内の情報を得ることができるものである。また、
Ｘ線を基板に対して斜めから照射する場合は、基板上で
焦点を結ぶように全反射鏡を設計すれば、均一な幅のＸ
線集光プロ−ブが実現できる。これを、半導体薄膜形成
装置に搭載することによって、薄膜の成長を原子層オ−
ダでモニタすることができる。
【０００６】
【実施例】以下、発明の詳細を実施例を用いて示す。図
１は、本発明を適用した薄膜形成装置の構成図を示す。
複数のガスソ−スを基板6に照射して、薄膜形成を行な
うＭＯＣＶＤ装置である。この装置は化合物半導体の作
成に用いているので、主たる原料ガスとしてトリメチル
ガリウム、アルシンを用いている。計測用のＸ線は、真
空隔壁用のBe窓2を通して成長室10内へ導入される。成
長室10には、Ｘ線集光用のミラ−3がマニプレ−タに設
置されており、入射Ｘ線はここで点状に集光され基板6
に照射される。基板6の近傍に集光鏡3を設置したのは、
Ｘ線の光源1からミラ−3までの距離L1と、ミラ−3から
基板6までの距離L2の比である倍率をできるだけ小さく
して集光ビ−ムの幅を小さくすることを狙った構成であ
る。従って、必要な分解能がより小さい場合には成長室
10の外に集光鏡3を置いてもよい。基板6からのＸ線の検
出情報は真空隔壁用のBe窓4を通してＸ線検出器5で検出
される。本実施例では、全反射の回折Ｘ線分析を用いて
おり、基板6面から測定したＸ線の入射角度θは10mra
d.、回折面は(100)面とした。
１は、本発明を適用した薄膜形成装置の構成図を示す。
複数のガスソ−スを基板6に照射して、薄膜形成を行な
うＭＯＣＶＤ装置である。この装置は化合物半導体の作
成に用いているので、主たる原料ガスとしてトリメチル
ガリウム、アルシンを用いている。計測用のＸ線は、真
空隔壁用のBe窓2を通して成長室10内へ導入される。成
長室10には、Ｘ線集光用のミラ−3がマニプレ−タに設
置されており、入射Ｘ線はここで点状に集光され基板6
に照射される。基板6の近傍に集光鏡3を設置したのは、
Ｘ線の光源1からミラ−3までの距離L1と、ミラ−3から
基板6までの距離L2の比である倍率をできるだけ小さく
して集光ビ−ムの幅を小さくすることを狙った構成であ
る。従って、必要な分解能がより小さい場合には成長室
10の外に集光鏡3を置いてもよい。基板6からのＸ線の検
出情報は真空隔壁用のBe窓4を通してＸ線検出器5で検出
される。本実施例では、全反射の回折Ｘ線分析を用いて
おり、基板6面から測定したＸ線の入射角度θは10mra
d.、回折面は(100)面とした。
【０００７】集光ミラ−3の形状は、回転楕円体であ
る。回転楕円体の二つの焦点の内、一つの焦点をＸ線光
源1に、もう一つの焦点を基板6面に一致させた形状であ
る。実施例における集光光学系の倍率は1/50、光源の大
きさは0.1mm、実験で求めた集光プロ−ブの直径dは、4
μmであった。集光プロ−ブは基板6に対して10mradの角
度で入射されるので、基板6上における入射方向のビ−
ム寸法D1は
る。回転楕円体の二つの焦点の内、一つの焦点をＸ線光
源1に、もう一つの焦点を基板6面に一致させた形状であ
る。実施例における集光光学系の倍率は1/50、光源の大
きさは0.1mm、実験で求めた集光プロ−ブの直径dは、4
μmであった。集光プロ−ブは基板6に対して10mradの角
度で入射されるので、基板6上における入射方向のビ−
ム寸法D1は
【０００８】
【数１】D1 = d / sinθ (1) となる。この式に実施例の条件を代入すると、D1は400
μmになる。すなわち、基板6上で4μm×400μmの最小領
域で観察することができる。
μmになる。すなわち、基板6上で4μm×400μmの最小領
域で観察することができる。
【０００９】本方式を用いて成長中の回折Ｘ線の強度変
化を検出した結果、原子層に対応する振幅が観測され
た。また、Ｘ線を集光しない場合に比べて振幅のノイズ
に対する比は、約2倍大きくなった。これは、観察面積
が小さいほど基板6のうねり等の外乱の影響が小さいこ
とに起因すると考えられる。従って、本発明を用いれば
基板6の局所的な分析ができるほか、より高い精度で原
子層の成長をモニタできることがわかった。
化を検出した結果、原子層に対応する振幅が観測され
た。また、Ｘ線を集光しない場合に比べて振幅のノイズ
に対する比は、約2倍大きくなった。これは、観察面積
が小さいほど基板6のうねり等の外乱の影響が小さいこ
とに起因すると考えられる。従って、本発明を用いれば
基板6の局所的な分析ができるほか、より高い精度で原
子層の成長をモニタできることがわかった。
【００１０】図2は、上述の実施例の効果を利用した原
子層成長装置の実施例を示す。図1の実施例に更に検出X
線のデ−タサンプリング装置11、制御用コンピュ−タ1
2、原料ガスバルブ自動開閉弁13、シャッタ14を設け、
あらかじめ決定された成長膜の層数に従って、Ｘ線検出
器5で検出された回折Ｘ線の強度振幅数が所定の位置に
なったときに制御用コンピュ-タ12からの信号によっ
て、シャッタ14とバルブ13を開閉するものである。この
手法は、RHEED(高速電子線回折装置)が適用できる超高
真空装置、すなわちMBE(Molecular Beam Epitaxy)では
実施されていたが、圧力が10-3Torr以上の領域では初め
て実現されたものである。
子層成長装置の実施例を示す。図1の実施例に更に検出X
線のデ−タサンプリング装置11、制御用コンピュ−タ1
2、原料ガスバルブ自動開閉弁13、シャッタ14を設け、
あらかじめ決定された成長膜の層数に従って、Ｘ線検出
器5で検出された回折Ｘ線の強度振幅数が所定の位置に
なったときに制御用コンピュ-タ12からの信号によっ
て、シャッタ14とバルブ13を開閉するものである。この
手法は、RHEED(高速電子線回折装置)が適用できる超高
真空装置、すなわちMBE(Molecular Beam Epitaxy)では
実施されていたが、圧力が10-3Torr以上の領域では初め
て実現されたものである。
【００１１】本発明の他の実施例を図3に示す。これ
は、実施例1に示した装置においてさらに蛍光X線の検出
器15、ミラ−移動機構16、デ−タ表示用コンピュ−タ17
を設けた構成になっている。基板回転機構8により基板6
を回転させるとともにミラ−移動機構16によってミラ−
3を基板6半径方向に移動させてＸ線照射位置をかえ、そ
の位置に対する検出強度を画像化するものである。蛍光
Ｘ線分析では特定材料のＸ線吸収端波長のＸ線を用いる
ことによって微量の不純物分析が可能になる。従って、
本発明を用いればMOCVD、ALE等の低真空で行う薄膜成長
において、その成長過程で基板6を成長チャンバから出
すことなく基板6面内の不純物分布の測定ができる。
は、実施例1に示した装置においてさらに蛍光X線の検出
器15、ミラ−移動機構16、デ−タ表示用コンピュ−タ17
を設けた構成になっている。基板回転機構8により基板6
を回転させるとともにミラ−移動機構16によってミラ−
3を基板6半径方向に移動させてＸ線照射位置をかえ、そ
の位置に対する検出強度を画像化するものである。蛍光
Ｘ線分析では特定材料のＸ線吸収端波長のＸ線を用いる
ことによって微量の不純物分析が可能になる。従って、
本発明を用いればMOCVD、ALE等の低真空で行う薄膜成長
において、その成長過程で基板6を成長チャンバから出
すことなく基板6面内の不純物分布の測定ができる。
【００１２】図４は、他の実施例で用いたＸ線集光ミラ
−3の詳細を示す。a図は、幅ｗμmのＸ線平行光が、集
光ミラ−3でくさび状に集光されて、基板6に照射されて
いる状態を示す。この時ミラ−3の形状は、b図に示すよ
うに光源1と基板6を焦点に持つ楕円面になる。しかし、
幅を持ったＸ線を基板6に斜めに入射する場合次のよう
な問題がある。すなわち、a図で示すようにミラ−3から
基板6までの距離がＸ線の端で異なり、それぞれLa、Lb
となる。従って、b図で示した楕円筒面を用いた場合で
は、最大LaとLbとの差だけ焦点位置からずれた状態にな
る。従って、a図のf1からf2へ近づくほどビ-ムの幅は広
がり、測定の空間分解能は著しく低下する。そこで、実
施例では、集光ミラ−3の形状をf1からf2に連続的に焦
点を結ぶ形状にした。つまり、基板6上のf1では、b図に
示すように集光ミラ−3の断面を光源までの距離L1と基
板6までの距離Laを満足する形状とし、一方基板6上のf2
では、c図に示すように光源1までの距離L1と基板6まで
の距離Lbを満足する形状としている。ここで、LaとLbは
前述したL2に相当する。これを一般化すると、入射Ｘ線
の端からx離れた位置での楕円面の焦点距離fは、
−3の詳細を示す。a図は、幅ｗμmのＸ線平行光が、集
光ミラ−3でくさび状に集光されて、基板6に照射されて
いる状態を示す。この時ミラ−3の形状は、b図に示すよ
うに光源1と基板6を焦点に持つ楕円面になる。しかし、
幅を持ったＸ線を基板6に斜めに入射する場合次のよう
な問題がある。すなわち、a図で示すようにミラ−3から
基板6までの距離がＸ線の端で異なり、それぞれLa、Lb
となる。従って、b図で示した楕円筒面を用いた場合で
は、最大LaとLbとの差だけ焦点位置からずれた状態にな
る。従って、a図のf1からf2へ近づくほどビ-ムの幅は広
がり、測定の空間分解能は著しく低下する。そこで、実
施例では、集光ミラ−3の形状をf1からf2に連続的に焦
点を結ぶ形状にした。つまり、基板6上のf1では、b図に
示すように集光ミラ−3の断面を光源までの距離L1と基
板6までの距離Laを満足する形状とし、一方基板6上のf2
では、c図に示すように光源1までの距離L1と基板6まで
の距離Lbを満足する形状としている。ここで、LaとLbは
前述したL2に相当する。これを一般化すると、入射Ｘ線
の端からx離れた位置での楕円面の焦点距離fは、
【００１３】
【数２】f = La - x / sinθ (2) で与えられる。このような形状の集光ミラ−3を用いた
結果、均一な幅(4μm)のくさび状のＸ線ビ-ムを実現し
た。これによって、図1から図3の実施例において、回折
Ｘ線による基板局所領域の結晶分析を行うことができ
た。
結果、均一な幅(4μm)のくさび状のＸ線ビ-ムを実現し
た。これによって、図1から図3の実施例において、回折
Ｘ線による基板局所領域の結晶分析を行うことができ
た。
【００１４】
【発明の効果】以上述べたように、本発明を用いれば10
-3Torr以上の圧力においても基板面内の成長膜の状態を
高い横分解能でモニタできるので、これを成長条件に反
映させてより適切な成長プロセス条件を決定できる。
-3Torr以上の圧力においても基板面内の成長膜の状態を
高い横分解能でモニタできるので、これを成長条件に反
映させてより適切な成長プロセス条件を決定できる。
【図１】本発明の1実施例を示す薄膜形成装置の断面図
【図２】本発明の1実施例を示す薄膜形成装置の断面図
【図３】本発明の1実施例を示す薄膜形成装置の断面図
【図４】本発明の1実施例を示すＸ線集光ミラ−の説明
図
図
1……Ｘ線源、2……Be窓、3……Ｘ線集光ミラ−、4……
Be窓、5……Ｘ線検出器 6……基板、7……基板ホル
ダ、8……基板回転機構、9……ガスセル、10……成長
室、11……デ−タサンプリング装置、12……制御用コン
ピュ−タ、13……原料ガスバルブ自動開閉弁、14……シ
ャッタ、15……蛍光X線の検出器、 16……ミラ−移動
機構、17……デ−タ表示用コンピュ−タ
Be窓、5……Ｘ線検出器 6……基板、7……基板ホル
ダ、8……基板回転機構、9……ガスセル、10……成長
室、11……デ−タサンプリング装置、12……制御用コン
ピュ−タ、13……原料ガスバルブ自動開閉弁、14……シ
ャッタ、15……蛍光X線の検出器、 16……ミラ−移動
機構、17……デ−タ表示用コンピュ−タ
Claims (6)
- 【請求項１】Ｘ線を基板に照射して基板表面の結晶構造
を観察するＸ線分析装置において、Ｘ線を集光する少な
くとも一つの光学素子を有するＸ線分析装置。 - 【請求項２】Ｘ線を基板に照射して基板表面の結晶構造
を観察する請求項１のＸ線分析装置において、さらに基
板の回転機構とビ−ムの平行走査機構とを備えたことを
特徴とするＸ線分析装置。 - 【請求項３】Ｘ線を基板に照射して基板表面の結晶構造
を観察する請求項１のＸ線分析装置において、さらに基
板の回転機構とビ−ムの平行走査機構と基板上の異なっ
た領域から観測される信号を基板面内の分布信号として
処理する信号処理機構を備えたことを特徴とするＸ線分
析装置。 - 【請求項４】請求項１のＸ線分析装置において、該光学
素子がＸ線入射光を鉛直及び水平方向のうちいずれか一
つの方向に平行にし他の一つの方向に集光する機能を持
つ反射ミラ−であることを特徴とするＸ線分析装置。 - 【請求項５】請求項４のＸ線分析装置において、該光学
素子が基板上に焦点を結ぶように鉛直あるいは水平方向
のいずれか一つの方向に集光する機能を持つ反射ミラ−
であることを特徴とするＸ線分析装置。 - 【請求項６】請求項１のＸ線分析装置と、真空中でガス
あるいは分子線によって半導体薄膜を形成する薄膜形成
装置とからなり、さらに前記Ｘ線分析装置に用いるＸ線
を薄膜形成装置内の半導体基板に導入する窓を備え、薄
膜形成中に上記のＸ線分析装９置で測定した半導体基板
の状態をモニタすることを特徴とする半導体製造装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4095144A JPH05291152A (ja) | 1992-04-15 | 1992-04-15 | Ｘ線分析装置及びこれを用いた半導体製造装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4095144A JPH05291152A (ja) | 1992-04-15 | 1992-04-15 | Ｘ線分析装置及びこれを用いた半導体製造装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05291152A true JPH05291152A (ja) | 1993-11-05 |
Family
ID=14129612
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4095144A Pending JPH05291152A (ja) | 1992-04-15 | 1992-04-15 | Ｘ線分析装置及びこれを用いた半導体製造装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05291152A (ja) |
Cited By (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10209052A (ja) * | 1997-01-17 | 1998-08-07 | Sony Corp | 気相成長装置および気相成長方法 |
| WO2003029798A1 (en) * | 2001-09-27 | 2003-04-10 | Rigaku Corporation | X-ray measuring instrument, thin film measuring and forming system, and thin film measuring and forming method |
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| US6951804B2 (en) | 2001-02-02 | 2005-10-04 | Applied Materials, Inc. | Formation of a tantalum-nitride layer |
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