大型放射光施設 SPring-8

公開日

2003年09月01日

平成15年9月1日
富士電機株式会社

<特長>
　結晶の歪みの測定には従来からＸ線回折法が使われていました。この方法は結晶内で格子状に規則正しく並んだ原子により、照射したＸ線が特定の角度に回折される性質を利用します。歪みにより原子の位置がずれるとＸ線の回折角が変化し、この変化量から歪みを測定することができます。これまで微小領域の歪みを測定するためには、Ｘ線ビームを狭い領域に集光する方法が用いられました。ところがこの方法ではビームの平行度が低下して歪みの検出感度が低下してしまい、これまでは空間分解能を1μｍ以下にすると歪の検出感度は10のマイナス4乗が限界でした。
　そこで当社は、従来のように入射ビームを縮小するのではなく試料で回折されたＸ線の像を拡大して高分解能化するという逆転の発想によりこの問題を解決しました。Ｘ線像の拡大にはフレネルゾーンプレートという一種のレンズを用います（フレネルゾーンプレート拡大法、図１）。この方法では入射Ｘ線ビームを平行のまま用いるので検出感度の低下を招きません。また、Ｘ線像を拡大すると検出器に到達するＸ線の強度は低下してしまうのですが、SPring-8のアンジュレータ光源から発生するＸ線は一般的なＸ線装置に比べ1億倍程度の輝度を有するので、この高輝度Ｘ線を利用することにより歪みに対する感度と空間分解能を両立することが出来ました。この方法による歪み測定で、空間分解能1μｍ以下と検出感度10のマイナス5乗を同時に達成した例を図２に示します。

<適用例>
　半導体素子の性能や信頼性は半導体結晶の歪に大きく左右されます。例えば、表面に溝（トレンチ）構造を持つMOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）は、プレーナ型素子に比べて高集積化できる特長があることから、当社はパワー半導体製品への適用を拡大しています。この素子の電気的な特性はトレンチ加工の影響を受け易く、トレンチ部の歪による応力が大きいとリーク電流が増加して素子の性能が損なわれます。今回開発した結晶歪検出技術を適用することにより、従来法では分解能不足のため測定困難だったトレンチ構造の部分毎の歪みを高感度に測定できます。これを用いて残留歪と素子特性との関係を詳しく解明でき、また、歪み除去工程やゲート酸化工程等での条件の違いによる歪みへの影響を定量的に把握できるようになりました。その結果、各工程の最適化が可能となり、MOSFET素子の信頼性を向上させることができます。

<学会等での発表>
　この成果の詳細は8月30日～9月2日に福岡大学（福岡市）で開催される第64回応用物理学会学術講演会にて発表する予定です。

図１　フレネルゾーンプレート拡大法の原理 　この方法では、大型放射光施設SPring-8が発生する平行に揃ったＸ線を集光せずに用いる。目的とする微小領域から回折したＸ線をフレネルゾーンプレートにより拡大して検出する。図に示すように、試料の傾斜角ωを変化させながら測定した回折Ｘ線強度分布のピーク位置のずれから歪の大きさを求める。

図２　トレンチ加工Siの歪測定結果 　Si基板上に幅0.8μｍのトレンチ（溝）を加工した試料を測定した例 （ａ）傾斜角ωを変えながら測定した回折Ｘ線の強度を明暗で表したもので、トレンチの位置を明確に識別できる。 （ｂ）（ａ）を基に試料の各位置においる回折強度のピーク位置のずれから歪の大きさを算出した結果で、トレンチに対応して10のマイナス5乗以下の歪が周期的に変化する様子を捉えている。