特許 7476039 半導体装置の検査装置、及び、半導体装置の検査方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-19

(45)【発行日】2024-04-30

(54)【発明の名称】半導体装置の検査装置、及び、半導体装置の検査方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 23/2055 20180101AFI20240422BHJP

   G01N 23/207 20180101ALI20240422BHJP

   H01L 21/66 20060101ALI20240422BHJP

【ＦＩ】

G01N23/2055 310

G01N23/207

H01L21/66 L

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020147461

(22)【出願日】2020-09-02

(65)【公開番号】P2022042175

(43)【公開日】2022-03-14

【審査請求日】2023-03-20

(73)【特許権者】

【識別番号】318010018

【氏名又は名称】キオクシア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002907

【氏名又は名称】弁理士法人イトーシン国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】久下 宣仁

(72)【発明者】

【氏名】藤原 稔久

(72)【発明者】

【氏名】藤原 唯

(72)【発明者】

【氏名】臼井 千咲

【審査官】井上 徹

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／０１２５２７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平６－２５８２６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２３／００－Ｇ０１Ｎ ２３／２２７６

Ｈ０１Ｌ ２１／６４－Ｈ０１Ｌ ２１／６６

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

表面に所定のパターンが形成された半導体基板である半導体装置を被検体とし、単色Ｘ線を所定の入射角度で前記被検体に斜入射させるＸ線照射部と、
前記単色Ｘ線が斜入射されることにより前記被検体から観測される観測Ｘ線を、２次元に配置された複数の光検出素子により検出する検出部と、
前記観測Ｘ線を光電変換して得られるＸ線回折像を生成する解析部と、
前記Ｘ線照射部を制御して前記被検体に対する前記単色Ｘ線の入射角度を変更し、また、前記検出部における前記複数の光検出素子の前記観測Ｘ線の検出角度を前記入射角度に応じて変更する制御部と、
を備えた検査装置において、
前記入射角度が変更される都度前記検出部は前記観測Ｘ線を検出し、前記解析部は、前記入射角度が変更される都度前記Ｘ線回折像を取得し、更に、前記解析部は、前記Ｘ線回折像を構成する画素ごとに、複数の前記Ｘ線回折像の中から前記観測Ｘ線の強度が最大となる前記Ｘ線回折像を強度最大画像として特定し、少なくとも前記特定された前記強度最大画像を含むＸ線回折像の取得条件であって、前記画素毎に取得した前記観測Ｘ線の最大強度が得られた前記入射角度であるピーク角度を、前記画素間で比較する、
半導体装置の検査装置。

【請求項2】

表面に所定のパターンが形成された半導体基板である半導体装置を被検体とし、単色Ｘ線を所定の入射角度で前記被検体に斜入射させるＸ線照射部と、
前記単色Ｘ線が斜入射されることにより前記被検体から観測される観測Ｘ線を、２次元に配置された複数の光検出素子により検出する検出部と、
前記観測Ｘ線を光電変換して得られるＸ線回折像を生成する解析部と、
前記Ｘ線照射部を制御して前記被検体に対する前記単色Ｘ線の入射角度を変更し、また、前記検出部における前記複数の光検出素子の前記観測Ｘ線の検出角度を前記入射角度に応じて変更する制御部と、
を備えた検査装置において、
前記入射角度が変更される都度前記検出部は前記観測Ｘ線を検出し、前記解析部は、前記入射角度が変更される都度前記Ｘ線回折像を取得し、更に、前記解析部は、前記Ｘ線回折像を構成する画素ごとに、複数の前記Ｘ線回折像の中から前記観測Ｘ線の強度が最大となる前記Ｘ線回折像を強度最大画像として特定し、少なくとも前記特定された前記強度最大画像を含むＸ線回折像の取得条件であって、前記画素毎に算出した前記観測Ｘ線の最大強度を含むＸ線回折のロッキングカーブの半値幅角度を、前記画素間で比較する、
半導体装置の検査装置。

【請求項3】

表面に所定のパターンが形成された半導体基板である半導体装置を被検体とし、単色Ｘ線を所定の入射角度で前記被検体に斜入射し、
前記単色Ｘ線が斜入射されることにより前記被検体から観測される観測Ｘ線を、２次元に配置された複数の光検出素子により検出し、
前記観測Ｘ線を光電変換して得られるＸ線回折像を生成する半導体装置の検査方法において、
前記入射角度は可変であり、前記入射角度を変更する都度前記観測Ｘ線の検出角度を前記入射角度に応じて変更し、前記入射角度を変更する都度、前記入射角度に応じた前記Ｘ線回折像を生成し、更に前記Ｘ線回折像を構成する画素ごとに、複数の前記Ｘ線回折像の中から前記観測Ｘ線の強度が最大となる前記Ｘ線回折像を強度最大画像として特定し、少なくとも前記強度最大画像を含むＸ線回折像の前記画素ごとの取得条件であって、画素ごとに取得した前記観測Ｘ線の最大強度が得られた前記入射角度であるピーク角度に基づいて前記被検体の応力分布を推定する、半導体装置の検査方法。

【請求項4】

表面に所定のパターンが形成された半導体基板である半導体装置を被検体とし、単色Ｘ線を所定の入射角度で前記被検体に斜入射し、
前記単色Ｘ線が斜入射されることにより前記被検体から観測される観測Ｘ線を、２次元に配置された複数の光検出素子により検出し、
前記観測Ｘ線を光電変換して得られるＸ線回折像を生成する半導体装置の検査方法において、
前記入射角度は可変であり、前記入射角度を変更する都度前記観測Ｘ線の検出角度を前記入射角度に応じて変更し、前記入射角度を変更する都度、前記入射角度に応じた前記Ｘ線回折像を生成し、更に前記Ｘ線回折像を構成する画素ごとに、複数の前記Ｘ線回折像の中から前記観測Ｘ線の強度が最大となる前記Ｘ線回折像を強度最大画像として特定し、少なくとも前記強度最大画像を含むＸ線回折像の前記画素ごとの取得条件であって、画素ごとに算出した前記観測Ｘ線の最大強度を含むＸ線回折のロッキングカーブの半値幅角度に基づいて前記被検体の応力分布を推定する、半導体装置の検査方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本実施形態は、半導体装置の検査装置、及び、半導体装置の検査方法に関する。

【背景技術】

【0002】

不揮発性メモリなど半導体素子が形成された半導体基板の応力を検査する装置として、ラマン分光法を用いた検査装置や、Ｘ線回折を用いた検査装置が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】米国特許出願公開第２０２０／００８７７７６号明細書

【文献】特許２００８－０８２９３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本実施形態は、半導体装置が形成された半導体基板における応力を、非破壊かつ高分解能で検査することができる、半導体装置の検査装置、及び、半導体装置の検査方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本実施形態の半導体装置の検査装置は、表面に所定のパターンが形成された半導体基板である半導体装置を被検体とし、単色Ｘ線を所定の入射角度で前記被検体に斜入射させるＸ線照射部と、前記単色Ｘ線が斜入射されることにより前記被検体から観測される観測Ｘ線を、２次元に配置された複数の光検出素子により検出する検出部とを有する。また、前記観測Ｘ線を光電変換して得られるＸ線回折像を生成する解析部と、前記Ｘ線照射部を制御して前記被検体に対する前記単色Ｘ線の入射角度を変更し、また、前記検出部における前記複数の光検出素子の前記観測Ｘ線の検出角度を前記入射角度に応じて変更する制御部とを有する。前記入射角度が変更される都度前記検出部は前記観測Ｘ線を検出し、前記解析部は、前記入射角度が変更される都度前記Ｘ線回折像を取得し、更に、前記解析部は、前記Ｘ線回折像を構成する画素ごとに、複数の前記Ｘ線回折像の中から前記観測Ｘ線の強度が最大となる前記Ｘ線回折像を強度最大画像として特定し、少なくとも前記特定された前記強度最大画像を含むＸ線回折像の取得条件であって、前記画素毎に取得した前記観測Ｘ線の最大強度が得られた前記入射角度であるピーク角度を前記画素間で比較する。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】実施形態にかかる検査装置の構成例を示すブロック図。

【図2】Ｘ線照射ユニット、被検体、及び、Ｘ線検出カメラの位置関係を説明する概略図。

【図3】Ｘ線の入射角に対する回折光強度の変化を説明する図。

【図4】歪みによる被検体の結晶構造の変化を説明する図。

【図5】歪みによる被検体の結晶構造の変化を説明する図。

【図6】被検体のＸ線回折画像の一例を示す図。

【図7】被検体となる半導体装置（不揮発性メモリ）の構成例を示すブロック図。

【図8】３次元構造のＮＡＮＤメモリセルアレイの一部領域の断面図。

【図9】ＮＡＮＤメモリのメモリセルアレイとその周辺の一部領域の断面図。

【図10】図９に示す半導体装置を被検体とするＸ線の入射角に対する回折光強度の変化を説明する図。

【図11】図９に示す半導体装置を被検体とするＸ線の入射角に対する回折光強度の変化を説明する図。

【図12】図９に示す半導体装置を被検体とするＸ線の入射角に対する回折光強度の変化を説明する図。

【図13】実施形態にかかる半導体装置の検査方法の手順の一例を説明するフローチャート。

【図14】被検体の検査対象領域におけるＸ線回折画像を取得する手順の一例を説明するフローチャート。

【図15】被検体の検査対象領域における回折光強度の変化特性を取得する手順の一例を説明するフローチャート。

【図16】回折光強度のピーク位置と半値幅とを取得する手順の一例を説明するフローチャート。

【図17】ピーク位置に関する応力マッピング画像のイメージの一例を説明する図。

【図18】半値幅に関する応力マッピング画像のイメージの一例を説明する図。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

【0008】

図１は、実施形態にかかる検査装置の構成例を示すブロック図である。本実施形態の検査装置１は、Ｘ線回折測定装置１０と、解析装置２０とを備え、被検体４０である半導体装置（例えば、３次元構造のＮＡＮＤメモリのメモリセルアレイなど、パターンが形成されたシリコンウェハ）における応力分布を計測し、２次元マッピング情報として観察するために用いられる。なお、計測された応力分布に関する情報（例えば、応力等の２次元マッピング画像など）や、測定中に取得したデータ等を表示させる表示装置３０を更に備えてもよい。

【0009】

Ｘ線回折測定装置１０は、単色化された平行性のよいＸ線を、被検体４０の検査領域へ照射し、被検体４０から生成される回折Ｘ線の強度（回折光強度）をＸ線カメラで測定する。Ｘ線の入射角度をスキャンしながら測定することにより、入射角に対する回折光強度の変化特性（ロッキングカーブ）をＸ線カメラの画素ごとに取得することができる。Ｘ線回折測定装置１０は、Ｘ線照射ユニット１１と、検体ステージ１２と、ステージ駆動部１３と、Ｘ線検出カメラ１４と、制御部１５とを有する。

【0010】

Ｘ線照射ユニット１１は、Ｘ線源１１１と、多層膜集光ミラー１１２と、モノクロメータ１１３と、スリット１１４とから主に構成される。Ｘ線源１１１は、例えば、回転陰極式のターゲット（例えば、ＣｕやＭｏなど）と、電子線発生の為のフィラメントを有する。ターゲットにフィラメントから発生して高電圧で加速された電子線が照射されることで、ターゲット金属からＸ線が発せられる。多層膜集光ミラー１１２は、Ｘ線源１１１から射出されたＸ線を単色化し、平行化し、強度を強める。モノクロメータ１１３は、例えば二結晶分光器であり、測定対象となる元素の格子間隔を取得可能な程度まで、多層膜集光ミラー１１２から入射されたＸ線の平行度をさらに高める。スリット１１４は、モノクロメータ１１３から入射されたＸ線が被検体４０へ照射される範囲を限定する。具体的には、被検体４０へ照射するＸ線の範囲を、幅方向Ｈｉ、奥行き方向Ｌｉに限定する。すなわち、被検体４０に対するＸ線の照射角度をθｓとすると、被検体４０においてＸ線が照射される範囲（照射領域）は、ｘ方向がＨｉ／ｓｉｎθｓ、ｙ方向がＬｉ、の矩形領域となる。なお、以下において、Ｘ線照射ユニット１１は、被検体４０に対するＸ線の入射角度θｓを所定の範囲で変更可能な構成を有する。図２は、Ｘ線照射ユニット、被検体、及び、Ｘ線検出カメラの位置関係を説明する概略図である。図２に示すように、Ｘ線照射ユニット１１は、例えば、被検体４０におけるＸ線の照射領域の中心位置を中心とし、スリット１１４から被検体４０における照射領域の中心位置までの距離Ｄｉを一定として、ｘｚ平面内で回動可能になされている。

【0011】

Ｘ線検出カメラ１４は、被検体４０から発生した回折Ｘ線を受光し、受光した回折光の強度に応じた信号を生成する。Ｘ線検出カメラ１４は、例えば、２次元のアレイ状に配置された複数個の半導体検出素子（固体撮像素子等）で構成される。半導体検出素子としては、例えば、ＣＣＤ（電荷結合素子）や、ＣＭＯＳイメージセンサが用いられる。被検体４０の照射領域において照射Ｘ線により生成された回折Ｘ線は、Ｘ線検出カメラ１４の投影領域に配置された半導体検出素子により光電変換され、撮像信号として出力される。

【0012】

図２に示すように、Ｘ線検出カメラ１４は、例えば、被検体４０におけるＸ線の照射領域の中心位置を中心とし、被検体４０における照射領域の中心位置からＸ線検出カメラ１４の投影領域までの距離Ｄоを一定として、ｘｚ平面内で回動可能になされている。具体的には、被検体４０の照射されるＸ線の方向と、被検体４０におけるＸ線の照射領域の中心位置からＸ線検出カメラ１４の投影領域の中心位置を結ぶ線との角度θｃが一定角度になるように、Ｘ線照射ユニット１１の回動状態に合わせてＸ線検出カメラ１４の位置が調整される。

【0013】

検体ステージ１２は、モータなどのステージ駆動部１３により、検体ステージ１２表面と平行な直行する２方向（ｘ方向、ｙ方向）に移動することができる。ｘ方向、及び／または、ｙ方向に検体ステージ１２を移動させることで、被検体４０の照射領域を走査させることができる。また、図２に示すように、検体ステージ１２は、ｘｙ平面内において所定の角度φで回動可能になされている。

【0014】

制御部１５は、Ｘ線回折測定装置１０全体の動作を制御する。具体的には、例えば、入射角θｓの変更に伴ってＸ線照射ユニット１１のＸ線の回動を制御したり、Ｘ線照射ユニット１１のＸ線の回動に伴いＸ線検出カメラ１４の回動を制御したりする。また、Ｘ線照射ユニット１１を構成する各部位のパラメータなどを制御したり、さらに、被検体４０にＸ線が入射される位置を調整するため、ステージ駆動部１３に対してステージ位置の移動（ｘｙ平面内での平行移動）や回転（ｘｙ平面内での回転移動）を指示したりする。

【0015】

制御部１５は、解析装置２０に対し、検体ステージ１２の位置情報、すなわち、被検体４０におけるＸ線の入射位置（座標）を送信する。そして、応力検査のための初期設定情報や、各ステップにおける設定内容の変更情報を、解析装置２０から受信する。

【0016】

解析装置２０は、例えばコンピュータであり、中央演算処理装置（ＣＰＵ）２１と、ＲＡＭ２２と、メモリ２３とを備えている。解析装置２０は、Ｘ線回折測定装置１０から入力されるデータ（Ｘ線検出カメラ１４から画素ごとに出力される回折光の検出強度に応じた大きさを有する電気信号、及び、制御部１５から出力される被検体４０におけるＸ線の入射位置（座標、入射角度θｓ）を分析し、被検体４０の応力分布を２次元で検出する。また、Ｘ線回折測定装置１０に対し、応力分析のための指示を出力する。

【0017】

ＣＰＵ２１は、メモリ２３に記憶されたプログラムに従って動作し、解析装置２０の各部を制御する。ＲＡＭ２２は、Ｘ線回折測定装置１０から入力されるデータを格納したり、後述のプログラムを実行した結果を格納したりする。

【0018】

メモリ２３には、Ｘ線回折測定装置１０を動作させて所望の応力分布計測を実現するための歪み解析ソフトウェア２３１が格納されている。歪み解析ソフトウェア２３１がＲＡＭ２２に読み出されて展開され、ＣＰＵ２１において実行されることにより、被検体４０における応力分布が計測され、２次元マッピング情報として観察される。なお、歪み解析ソフトウェア２３１によって実現される動作を、ハードウェアとして構成された１つ以上の図示しないプロセッサが行うように、解析装置２０を構成してもよい。歪み解析ソフトウェア２３１によって実現される動作を行うプロセッサとしては、例えば、電子回路として構成されたプロセッサであっても構わないし、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等の集積回路で構成されたプロセッサであってもよい。

【0019】

次に、本実施形態における被検体４０の応力分布計測の原理について説明する。図３は、Ｘ線の入射角に対する回折光強度の変化を説明する図である。図３は、Ｘ線検出カメラ１４における任意の一画素における計測結果を示している。また、図４、図５は、歪みによる被検体の結晶構造の変化を説明する図である。図４は、歪みがない状態における被検体の結晶構造を説明する図であり、図５は、歪みが生じた状態における被検体の結晶構造を説明する図である。図４に示すように、被検体４０を構成する結晶４１中では、歪みのない状態では結晶を構造する原子（または分子）４１０は、所定の間隔を有し規則正しく配列している。例えば、被検体４０がシリコン単結晶である場合、反射面（４２２）におけるシリコン原子の格子間隔（面間隔）は１．１０８５Åである。被検体４０の格子面に単色Ｘ線を入射した場合、入射Ｘ線の波長（λ）と、被検体の結晶面の面間隔（ｄ）と、Ｘ線の入射角（θｓ）が、２ｄｓｉｎθｓ＝ｎλを満たすようなθｓにおいて、被検体４０の格子面から反射されるＸ線の干渉は強度を強め合う。従って、θｓにおいて回折光強度のピークが観測される。すなわち、回折光強度のピークが観測される角度θｓ（ブラッグ角）は、被検体の結晶構造と単色Ｘ線の波長とによって、一意に決まる。

【0020】

図５に示すように、歪みのない結晶４１の表面に、結晶４１とは別の構造を有する膜４２が成膜されている場合、表面に形成された膜４２の応力によって、結晶４１中の原子４１０の間隔が変化する。例えば、シリコン単結晶の表面に、シリコン酸化膜などの膜を成膜すると、シリコン単結晶中のシリコン原子の間隔は変化する（ｄ→ｄ´）。すなわち、被検体の結晶面の面間隔が変化するため、回折光強度のピーク位置が変化する。具体的には、図５に示すように、一定方向の応力によって格子間隔が全体的に一定量変化している場合（単結晶と比べて格子間隔は変化しているが、一画素あたりの計測領域内において変化量が一定である場合）、回折光強度のピーク位置のシフトが生じる。一方、複数方向から応力が加えられるなどして、格子間隔が不規則に変化したり部分的に変化したりしている場合、一画素あたりの計測領域内において、回折光強度のピーク位置のばらつきが生じるため、回折光強度の半値幅が増大する。

【0021】

図６は、被検体のＸ線回折画像の一例を示す図である。図６は、半導体装置が形成された半導体基板を被検体とし、同じ被検体を異なる入射角で計測した場合の５枚のＸ線回折画像（画像Ｘ１～Ｘ５）を示している。画像Ｘ１は、図３において点Ｐ１を取得した入射角θｓによる計測の結果得られた画像である。同様に、画像Ｘ２、画像Ｘ３、画像Ｘ４、画像Ｘ５は、それぞれ、図３における点Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５を取得した入射角θｓによる計測の結果得られた画像である。図６に示すＸ線回折画像は、被検体４０の照射領域から得られた回折光の強度分布を、輝度で表現している。すなわち、画像中において、大きな回折光強度が計測された画素は明るい画素（輝度が高い画素）で示されており、小さな回折光強度が計測された画素は暗い画素（輝度が低い画素）で示されている。半導体装置は、様々な種類の膜が様々なパターンで半導体基板表面に成膜されているため、表面の構造に応じて半導体基板に加えられる応力の大きさや方向が異なってくる。従って、Ｘ線の入射角をスキャンして回折光の強度を２次元測定した場合、場所によって回折光強度の変化が異なる。これを利用し、本実施形態では、入射角をスキャンして回折光強度の変化を２次元で測定することにより、被検体の歪みの分布を推定する。

【0022】

ここで、実施形態の検査装置１の計測対象となる半導体装置の一例を説明する。図７は、被検体となる半導体装置（不揮発性メモリ）の構成例を示すブロック図である。不揮発性メモリ２００は、ＮＡＮＤ Ｉ／Ｏインターフェイス２１０、制御部２２０、プレーン２６０を備えている。プレーン２６０は、独立して読み出し動作、書き込み動作、及び消去動作を実行することが可能な単位であり、不揮発性メモリ２００内に１つ以上のプレーン２６０が配置される。図７は、不揮発性メモリ２００に４つのプレーン２６０が配置されている場合について示している。プレーン２６０Ａは、ＮＡＮＤメモリセルアレイ（メモリセル部）２３０Ａ、センスユニット２４０Ａ、及び、ロウデコーダ２５０Ａを備える。プレーン２６０Ｂ、２６０Ｃ、２６０Ｄも、同様に、ＮＡＮＤメモリセルアレイ２３０Ｂ、２３０Ｃ、２３０Ｄ、センスユニット２４０Ｂ、２４０Ｃ、２４０Ｄ、及び、ロウデコーダ２５０Ｂ、２５０Ｃ、２５０Ｄをそれぞれ備える。不揮発性メモリ２００は、半導体基板（例えば、シリコン基板）上に形成された複数の半導体チップを、スクライブラインで分割して製造される。なお、スクライブラインとは、半導体基板上に形成された複数の半導体チップを分割するための切断領域であり、半導体チップ間に設けられた「のりしろ」のような領域である。スクライブラインは、おおむね１００μｍ以下の幅を有する。

【0023】

制御部２２０は、図示しないメモリコントローラから入力されたリクエスト等に基づいて、ＮＡＮＤ Ｉ／Ｏインターフェイス２１０経由で不揮発性メモリ２００の動作を制御する。以下、プレーン２６０Ａに対して読み書きが行われる場合を一例として、動作を説明する。具体的には、制御部２２０は、書き込みリクエストが入力された場合、書き込み対象となるデータをＮＡＮＤメモリセルアレイ２３０Ａ上の指定されたアドレスへ書き込むよう、ロウデコーダ２５０Ａとセンスユニット２４０Ａを制御する。また、制御部２２０は、読み出しリクエストが入力された場合、読み出し対象となるデータをＮＡＮＤメモリセルアレイ２３０Ａから読み出してＮＡＮＤ Ｉ／Ｏインターフェイス２１０経由でメモリコントローラ（不図示）へ出力するよう制御する。

【0024】

ロウデコーダ２５０Ａは、制御部２２０から入力されたロウアドレスに基づいて、ＮＡＮＤメモリセルアレイ２３０Ａをブロック単位で選択するとともに、ワード線に所望の電圧を印加する。

【0025】

センスユニット２４０Ａは、データの読み出し時において、ＮＡＮＤメモリセルアレイ２３０Ａから読み出したデータを検知する。また、センスユニット２４０Ａは、データの書き込み時において、外部のメモリコントローラから入力された書き込みデータを一時的に格納し、ＮＡＮＤメモリセルアレイ２３０Ａに転送する。

【0026】

図８は、３次元構造のＮＡＮＤメモリセルアレイの一部領域の断面図である。以下の説明では、半導体基板７１表面と平行な平面にあって、ビット線ＢＬの延伸する方向をＤ１とする。また、半導体基板７１表面と平行かつＤ１と直交する方向をＤ２とする。また、半導体基板７１表面と直交する方向をＤ３とする。

【0027】

メモリセルアレイ２３０は、３次元構造を有する。図８に示すように、ｐ型ウェル領域（Ｐ－ｗｅｌｌ）上に複数のＮＡＮＤストリングＮＳが形成されている。すなわち、ｐ型ウェル領域上には、セレクトゲート線ＳＧＳとして機能する複数の配線層６３３、ワード線ＷＬｉとして機能する複数の配線層６３２、およびセレクトゲート線ＳＧＤとして機能する複数の配線層６３１が積層されている。なお、図８においては、ワード線ＷＬｉとして機能する配線層６３２が８層積層された構造を示しているが、近年では、４８層、６４層、９６層など更に多層の配線層６３２が積層されたＮＡＮＤストリングＮＳが用いられている。

【0028】

そして、これらの配線層６３３、６３２、６３１を貫通してｐ型ウェル領域に達するメモリホール６３４が形成されている。メモリホール６３４の側面には、ブロック絶縁膜６３５、電荷蓄積層６３６、およびゲート絶縁膜６３７が順次形成され、更にメモリホール６３４内に導電体柱６３８が埋め込まれている。導電体柱６３８は、例えばポリシリコンからなり、ＮＡＮＤストリングＮＳに含まれるメモリセルトランジスタＭＴ並びに選択トランジスタＳＴ１及びＳＴ２の動作時にチャネルが形成される領域として機能する。

【0029】

各ＮＡＮＤストリングＮＳにおいて、ｐ型ウェル領域上に選択トランジスタＳＴ２、複数のメモリセルトランジスタＭＴ、及び選択トランジスタＳＴ１が形成されている。導電体柱６３８よりも上側には、ビット線ＢＬとして機能する配線層が形成される。導電体柱６３８の上端には、導電体柱６３８とビット線ＢＬとを接続するコンタクトプラグ６３９が形成されている。

【0030】

さらに、ｐ型ウェル領域の表面内には、ｎ＋型不純物拡散層およびｐ＋型不純物拡散層が形成されている。ｎ＋型不純物拡散層上にはコンタクトプラグ６４０が形成され、コンタクトプラグ６４０上には、ソース線ＳＬとして機能する配線層が形成される。

【0031】

以上の図８に示した構成が、図８の紙面の奥行き方向（Ｄ２方向）に複数配列されており、奥行き方向に一列に並ぶ複数のＮＡＮＤストリングの集合によって、１つのストリングユニットＳＵが形成される。

【0032】

図９は、ＮＡＮＤメモリのメモリセルアレイとその周辺の一部領域の断面図である。上述のように、一般的に、半導体装置を製造する際には、１枚の半導体基板７１上に複数の半導体装置が形成される。半導体装置の形成が終了すると、半導体装置間を切断して個々の半導体装置を得る。従って、半導体基板７１上には、半導体装置が形成される領域（メモリ形成領域）６００の周囲を囲むように、ダイシング領域８００（隣り合う半導体装置を切断するためにダイシングソーで切削される領域、スクライブラインと同義）が設けられる。

【0033】

図９は、メモリ形成領域６００とダイシング領域８００とがＤ１方向において隣り合うように配置されている領域を示している。すなわち、Ｄ１方向に２つの半導体装置２００が隣り合うように配置されており、２つの半導体装置２００の間にＤ２方向に延伸するスクライブラインが形成されているパターンにおける、１つの半導体装置２００の一部領域とスクライブラインの一部領域とを図示したものである。

【0034】

メモリ形成領域６００は、メモリセルアレイ領域６１０と、階段領域６２０とを有する。メモリセルアレイ領域６１０は、図８に示すような３次元構造を有するメモリセルアレイ２３０が形成される。すなわち、メモリセルアレイ領域６１０は、Ｄ３方向において複数の異なる膜が多層積層して形成されている。また、Ｄ３方向に垂直な平面においては、特定のパターン（例えば、メモリホール６３４）が周期的に配置されている。

【0035】

階段領域６２０は、メモリセルアレイ２３０を構成する配線層６３２と図示しない配線層とを接続するコンタクトプラグＣＰが形成される領域である。Ｄ３方向からみた場合に、それぞれのワード線ＷＬｉに接続されるコンタクトプラグＣＰを重ならないように配置するため、下層に位置するワード線ＷＬ０から上層に位置するワード線ＷＬ７に向かって端部の長さが短くなるように、配線層６３２はパターニングされている。すなわち、ワード線ＷＬｉの上面には、ワード線ＷＬ（ｉ＋１）が積層されていない領域（ステップ）が形成されており、該ステップにコンタクトプラグＣＰが接続されている。階段領域６２０は、メモリセルアレイ領域６１０と同様に、Ｄ３方向において複数の異なる膜が多層積層して配置されているが、各層の面積は上層ほど小さくなされている。Ｄ１方向でみた場合、メモリセルアレイ領域６１０に近いほど多数の膜が積層されており、ダイシング領域８００に近いほど積層される膜の数が少なくなされている。

【0036】

ダイシング領域８００は、半導体基板７１が露出しており、Ｄ３方向において膜が形成されていない。または、ダイシング領域８００では、半導体基板７１上にメモリセルアレイ領域６１０とは異なる膜が形成されていてもよい。

【0037】

図１０～１２は、図９に示す半導体装置を被検体とするＸ線の入射角に対する回折光強度の変化を説明する図である。図１０は、メモリセルアレイ領域６１０における回折光強度変化を示している。また、図１１は、階段領域６２０における回折光強度変化を示している。更に、図１２は、ダイシング領域８００における回折光強度変化を示している。

【0038】

図１０に示すように、メモリセルアレイ領域６１０における回折光強度のピーク角度をθｐ、半値幅をＬｈとする。図１１に示すように、階段領域６２０では、回折光強度のピーク角度θｐｓが、メモリセルアレイ領域６１０におけるピーク角度θｐに対して正方向にずれている。また、図１２に示すように、ダイシング領域８００では、半値幅Ｌｈｄが、メモリセルアレイ領域６１０における半値幅Ｌｈよりも大きくなっている。

【0039】

このように、半導体装置２００には、積層された膜の種類、数、及び、パターンが異なる領域が形成されている。そして、これらの領域では、半導体基板７１に生じる歪みの大きさや方向が異なるため、異なる回折光強度の変化特性（ロッキングカーブ）が検出される。実施形態の検査装置１は、回折光強度の変化特性を、２次元領域において高分解能かつ非破壊で測定することができるので、半導体装置２００が形成された半導体基板７１の応力の検査に好適である。

【0040】

次に、実施形態における半導体装置の検査方法の手順について、図１３を用いて説明する。図１３は、実施形態にかかる半導体装置の検査方法の手順の一例を説明するフローチャートである。検査に先立ち、被検体４０において測定対象とする結晶面を決定する。また、照射する単色Ｘ線（波長）を決定する。例えば、被検体４０が、半導体装置２００が形成されている（シリコン単結晶からなる）半導体基板７１である場合、基板面に平行な方向であるＤ１方向やＤ２方向の応力を測定する際には、結晶面として（４２２）面が測定対象とされる。シリコンの（１００）面の歪みの測定に適した波長を有する単色Ｘ線としては、例えば、ＣｕのＫα１や、Ｋα２が選択される。

【0041】

なお、シリコン（４２２）面を測定対象とする場合、Ｄ１方向の歪みとＤ２方向の歪みを切り分けて測定することができる。すなわち、Ｄ１方向の歪みを測定対象とする場合、被検体４０のＤ１方向が、入射Ｘ線の方向と平行な方向であるｘ方向と一致するように、被検体４０を検体ステージ１２にセットする。また、Ｄ２方向の歪みを測定対象とする場合、被検体４０のＤ２方向が、ｘ方向と一致するように、被検体４０を検体ステージ１２にセットする。

【0042】

まず、被検体４０の検査対象領域に対し、入射角度をスキャンしながらＸ線を照射し、Ｘ線回折像を取得する（Ｓ１）。Ｓ１の具体的な手順について、図１４を用いて説明する。図１４は、被検体の検査対象領域におけるＸ線回折画像を取得する手順の一例を説明するフローチャートである。

【0043】

解析装置２０において、Ｘ線の入射角をスキャンする際のステップ角θａが設定される（Ｓ１１）。次に、Ｘ線の入射角のスキャン幅（測定開始角度θ１、及び、測定終了角度θ２）が設定される（Ｓ１２）。通常、測定開始角度θ１と測定終了角度θ２との間に、被検体４０の測定対象となる結晶面のブラッグ角が含まれるように、角度θ１、θ２は設定される。

【0044】

次に、Ｘ線の入射角度θｓが角度θ１になるように、Ｘ線照射ユニット１１の位置が設定され、また、Ｘ線照射ユニット１１の回動状態に合わせてＸ線検出カメラ１４の位置が設定される。そして、解析装置２０は、これから取得するＸ線回折画像の画像番号ＸＲＩを１にセットする（Ｓ１３）。続いて、Ｘ線照射ユニット１１から被検体４０に対してＸ線を照射し、被検体４０から生成された回折光をＸ線検出カメラ１４の撮像素子で受光する。Ｘ線検出カメラ１４において検出された回折光強度に応じた大きさを有する電気信号は、解析装置２０に入力される。解析装置２０において、入力された電気信号に基づきＸ線回折画像が生成される（Ｓ１４）。

【0045】

解析装置２０は、次のＸ線回折画像を取得するためのＸ線の入射角度θｓをセットする。具体的には、現在設定されている入射角度θｓに、Ｓ１１で設定したステップ角θａを加算し、次の入射角度θｓとする（Ｓ１５）。解析装置２０は、Ｓ１５で設定した次の入射角度θｓと、測定終了角度θ２とを比較し、入射角度θｓが測定終了角度θ２よりも大きい場合（Ｓ１６、ＹＥＳ）、Ｘ線回折画像の取得を終了する。

【0046】

一方、入射角度θｓが測定終了角度θ２以下である場合（Ｓ１６、ＮＯ）、これから取得するＸ線回折画像の画像番号ＸＲＩをインクリメントし（Ｓ１７）、Ｓ１４に戻って、Ｘ線回折測定を継続する。以上の手順により、入射角度θ１からθ２までの間、ステップ角θａごとに、被検体４０のＸ線回折画像が取得される。

【0047】

図１２に戻り、Ｓ１が終了すると、解析装置２０は、画素位置ごとに回折光のピーク位置と半値幅とを算出する（Ｓ２）。Ｓ２の具体的な手順について、図１５を用いて説明する。図１５は、被検体の検査対象領域における回折光強度の変化特性を取得する手順の一例を説明するフローチャートである。

【0048】

まず、解析装置２０において、Ｓ１において取得したＸ線回折画像を全て読み出す（Ｓ２１）。次に、Ｓ１において取得したＸ線回折画像の枚数Ｉａ、画像の横方向（ｘ方向）の画素数Ｐｘ、縦方向（ｙ方向）の画素数Ｐｙを取得する（Ｓ２２）。そして、回折光強度の変化特性の算出対象画素Ｐｃをセットする（Ｓ２３）。例えば、最初の特性算出対象画素として、ｘ＝０、ｙ＝０の座標にある画素をセットする（Ｐｃ（ｘ、ｙ）＝（０、０））。なお、Ｘ線回折画像は、例えば、左上を原点、ｘ方向は右が増加方向、ｙ方向は下が増加方向とする。

【0049】

次に、特性算出対象画素について、回折光強度のピーク位置と、半値幅とを算出する（Ｓ２４）。Ｓ２４の具体的な手順について、図１６を用いて説明する。図１６は、回折光強度のピーク位置と半値幅とを取得する手順の一例を説明するフローチャートである。

【0050】

まず、図１５のＳ２１において読み出された全ての画像について、特性算出対象画素Ｐｃの最大輝度値を取得する。また、最大輝度値を取得したＸ線回折画像の画像番号を取得する（Ｓ２４１）。例えば、Ｓ２１において、６０枚の画像（画像番号ＸＲＩ＝１～６０）を取得し、特性算出対象画素Ｐｃとして（０、０）がセットされている場合、６０枚の画像において画素位置（０、０）の画素の輝度値を取得する。６０枚の画像における画素位置（０、０）について輝度値を比較し、画像番号ＸＲＩ＝３０の画像における輝度値が最大である場合、最大輝度値を取得した画像番号ＸＲＩｐｘｙ＝３０とする。

【0051】

次に、Ｓ２４１で取得した最大輝度値を２で割り、輝度半値を算出する（Ｓ２４２）。続いて、ピーク左側で輝度半値になる画素番号（ＸＲＩｈｘｙｌ）を取得する（Ｓ２４３）。具体的には、画像番号ＸＲＩｐｘｙよりも画像番号が小さい画像において、特性算出対象画素Ｐｃの輝度値がＳ２４２で算出した輝度半値と略等しい画像を抽出する。抽出した画像の画像番号を、ＸＲＩｈｘｙｌにセットする。また、ピーク右側で輝度半値になる画素番号（ＸＲＩｈｘｙｒ）を取得する（Ｓ２４４）。具体的には、画像番号ＸＲＩｐｘｙよりも画像番号が大きい画像において、特性算出対象画素Ｐｃの輝度値がＳ２４２で算出した輝度半値と略等しい画像を抽出する。抽出した画像の画像番号を、ＸＲＩｈｘｙｒにセットする。

【0052】

次に、特性算出対象画素Ｐｃの半値幅θｈｘｙを算出する（Ｓ２４５）。具体的には、Ｓ２４４で取得した画像番号ＸＲＩｈｘｙｒから、Ｓ２４３で取得した画像番号ＸＲＩｈｘｙｌを減算し、これにステップ角θａを乗じることにより半値幅θｈｘｙを算出する。最後に、ピーク角度θｘｙを算出する（Ｓ２４６）。具体的には、Ｓ２４１で取得した画像番号ＸＲＩｐｘｙを計測したときのＸ線の入射角θｓを算出する。すなわち、ＸＲＩｐｘｙから１減算した値にステップ角θａを乗じ、測定開始角度θ１に加算することによりピーク角度θｘｙを算出する（Ｓ２４７）。

【0053】

図１５に戻り、Ｓ２４が終了すると、特性算出対象画素Ｐｃとして次の画素をセットする。例えば、Ｘ線回折画像を左上から右下までラスタスキャンしながら特性を算出する場合、現在の特性算出対象画素Ｐｃのｘ座標に１を加えた座標の画素を、次の特性算出対象画素Ｐｃとする（Ｓ２５）。ただし、次の特性算出対象画素が、Ｘ線回折画像の範囲内に存在しない場合（、換言すると、現在の特性算出対象画素Ｐｃが、当該画素が属する行の右端に位置する場合）（Ｓ２６、ＹＥＳ）、次の行の１列目の画素を、次の特性算出対象画素Ｐｃとする（Ｓ２７）。一方、次の特性算出対象画素Ｐｃが、Ｘ線回折画像の範囲内である場合（Ｓ２６、ＮＯ）、次の特性算出対象画素ＰｃについてＳ２４を実行し、回折光強度のピーク位置と、半値幅とを算出する。

【0054】

Ｓ２７において、次の特性算出対象画素Ｐｃとされた画素が、Ｘ線回折画像の範囲内である場合（Ｓ２８、ＮＯ）、次の特性算出対象画素ＰｃについてＳ２４を実行し、回折光強度のピーク位置と、半値幅とを算出する。一方、Ｓ２７において、次の特性算出対象画素Ｐｃとされた画素が、Ｘ線回折画像の範囲内に存在しない場合（、換言すると、現在の特性算出対象画素Ｐｃが、Ｘ線回折画像の最下列に位置する場合）（Ｓ２８、ＹＥＳ）、図１５に示す一連の手順、すなわち、図１３におけるＳ２を終了する。

【0055】

図１３に戻り、最後に、Ｓ２において算出した値を用い、被検体４０の検査対象領域における応力マッピング画像を生成する（Ｓ３）。図１７は、ピーク位置に関する応力マッピング画像のイメージの一例を説明する図である。また、図１８は、半値幅に関する応力マッピング画像のイメージの一例を説明する図である。応力マッピング画像は、例えば、画像全体の平均値など、基準となる値に対する差分の大きさを輝度値で表現することができる。図１７に示すピーク位置に関する画像であれば、例えば、Ｘ線回折画像内の全ての画素のピーク位置の平均（平均ピーク位置）を算出し、平均ピーク位置に対する各画素のピーク位置の差分の大きさを輝度値で表す。ピークシフト量が大きいほど、輝度値が大きく表現される。図１８に示す半値幅に関する画像も同様に、例えば、Ｘ線回折画像内の全ての画素の半値幅の平均（平均半値幅）を算出し、平均半値幅に対する各画素の半値幅の差分の大きさを輝度値で表す。半値幅が増大しているほど、輝度値が大きく表現される
なお、平均値に対する差分の正負を色分けして表示することも可能である。例えば、平均値よりもピーク位置が小さい場合は青色、平均値よりもピーク位置が大きい場合は赤色と、色分けして表示することにより、被検体４０の平均的な面間隔と比べて、赤色の部分は面間隔が伸びる方向に応力が働いており、青色の部分は面間隔が縮む方向に応力が働いていることが一目で識別できる。

【0056】

図１７、図１８は、図９に示す構造を有する半導体装置２００を被検体４０として検査した場合のイメージを示しており、図中において、点線で囲んだ領域がメモリセルアレイ領域６１０に対応し、一点鎖線で囲んだ領域が階段領域６２０に対応し、二点鎖線で囲んだ領域がダイシング領域８００に対応する。図１７、図１８に示すように、半導体装置２００の構造（膜構造、パターン構造）に応じて歪みが生じており、ピークシフトが起きている領域や、半値幅が増大している領域が局在していることがわかる。例えば、階段領域６２０は、ｘ方向の一方側のみにステップが形成されているため、応力が一定方向（ｘ方向）にかかっている。従って、階段領域６２０はピークシフト量が大きい。これに対し、ダイシング領域８００は、表面にパターンが形成されておらず、周辺に形成されるパターンに応じて格子間隔が不規則に歪む。従って、半値幅が増大する。

【0057】

なお、応力マッピング画像を作成する際には、面内の相対的な歪みの比較であれば、ピーク位置や半値幅を角度として算出した値を用いるのではなく、ピーク位置が検出された画像番号（図１６のＳ２４１で取得した画像番号ＸＲＩｐｘｙ）や、半値幅の範囲内に含まれる画像の枚数（図１６のＳ２４５で算出されたＸＲＩｈｘｙｒ－ＸＲＩｈｘｙｌ）を用いてもよい。

【0058】

また、応力が加えられてない標準試料（例えば、半導体装置２００形成前のシリコン単結晶からなる半導体基板）における回折光強度のピーク角度を測定し、このピーク角度と被検体４０の各画素における回折光強度のピーク角度とを比較することで、被検体４０の各領域に加えられている応力が、引っ張り応力であるか、圧縮応力であるかを切り分けて評価することも可能である。すなわち、引っ張り応力であれば、結晶格子の面間隔が広くなるため、ピーク角度が小さくなる。圧縮応力であれば、結晶格子の面間隔が狭くなるため、ピーク角度が大きくなる。応力マッピング画像において、例えば、引っ張り応力と圧縮応力を色分けして表示することにより、応力の大きさの分布だけでなく、応力の種類を視覚的にわかりやすくすることができる。

【0059】

更に、応力の大きさが既知である標準試料を用いてピーク角度と応力の大きさとの関係を事前に取得しておけば、実施形態の検査装置で取得した画素ごとのピーク角度を応力の大きさに変換することも可能である。

【0060】

以上のように、本実施形態によれば、半導体装置２００が形成された半導体基板７１における応力を、非破壊かつ高分解能で検査することができる検査装置１、及び、検査方法を提供することができる。

【0061】

なお、上述の説明においては、シリコンの結晶面（４２２）を用い、被検体４０から反射する回折光強度を、反射法により測定する場合について説明したが、例えば、Ｄ３方向に平行な結晶面（２００）を用い、透過法を用いて回折光強度を測定してもよい。結晶面（２００）を用いる場合、Ｄ３方向の成分を含まない応力を測定することができるので、基板７１の表面に平行な方向（Ｄ１方向）のみの応力を検査することができる。また、結晶面（２００）を用いると、基板７１の表面から深さ方向の応力マッピング画像を生成することができる。更に、Ｘ線を照射するＤ１方向の位置を移動させながら応力マッピング画像を複数生成することで、生成した画像をスタッキングすることにより３次元応力マッピング画像を生成することも可能である。

【0062】

また、被検体４０である半導体装置の構造は、上述の構造に限定されない。実施形態の検査装置１は、様々な構造の半導体装置の検査に適用可能である。

【0063】

本発明の実施形態を説明したが、本実施形態は一例として示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0064】

１…検査装置、１０…Ｘ線回折測定装置、１１…Ｘ線照射ユニット、１２…検体ステージ、１３…ステージ駆動部、１４…Ｘ線検出カメラ、１５…制御部、２０…解析装置、２１…ＣＰＵ、２２…ＲＡＭ、２３…メモリ、３０…表示装置、４０…被検体、４１…結晶、４２…膜、７１…半導体基板、１１１…Ｘ線源、１１２…多層膜集光ミラー、１１３…モノクロメータ、１１４…スリット、２００…半導体装置（不揮発性メモリ）、２１０…ＮＡＮＤインターフェイス、２２０…制御部、２３０…メモリセルアレイ、２３１…解析ソフトウェア、２４０…センスユニット、２５０…ロウデコーダ、２６０…プレーン、４１０…原子、６００…メモリ形成領域、６１０…メモリセルアレイ領域、６２０…階段領域、６３１、６３２、６３３…配線層、６３４…メモリホール、６３５…ブロック絶縁膜、６３６…電荷蓄積層、６３７…ゲート絶縁膜、６３８…導電体柱、６３９、６４０…コンタクトプラグ、８００…ダイシング領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】