DE10146826B4

DE10146826B4 - Verfahren zur Analyse von Silizium-Germanium-Legierungen und Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiterschichtstrukturen mit Silizium-Germanium-Legierungsschichten

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Publication number: DE10146826B4
Application number: DE10146826A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Klose
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2001-09-19
Filing date: 2001-09-19
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2021-09-20
Also published as: DE10146826A1; US6744501B2; US20030081205A1

Abstract

Verfahren zur Analyse von Verspannung, Relaxationsgrad und Ge-Konzentration von Si-Ge-Legierungen, bei dem ein Ramanspektrum der Probe aufgenommen wird und Ramanfrequenzen und Ramanintensitäten der Si-Si-Moden und der Si-Ge-Moden der Legierungsschicht ausgewertet werden, wobei ein oder mehrere außerhalb der Si-Ge-Moden und der Si-Si-Moden liegende Zwischenmoden-Spektrumsanteile lokaler Si-Si-Moden oder Si-Deckschichten oder Si-Zwischenschichten als Schwingungsmoden ausgewertet werden und die Zwischenmoden-Spektrumsanteile jeweils durch eine symmetrische Kurve angepaßt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse von Verspannung, Relaxationsgrad und Ge- Konzentration von Si-Ge-Legierungen, bei dem ein Ramanspektrum der Probe aufgenommen wird und Ramanfrequenzen und Ramanintensitäten der Si-Si-Mode und der Si-Ge-Mode der Legierungsschicht ausgewertet werden.
Si-Ge-basierende Bauelemente wie beispielsweise Infrarotphotodetektoren, Feldeffekttransistoren und photonische Mischungsdetektoren werden insbesondere in der Optoelektronik eingesetzt. Die Optimierung dieser Bauteile bezüglich ihrer Eigenschaften wie Quanteneffizienz bei geringer Verlustleistung und Rauscharmut erfolgt im wesentlichen über die Optimierung der vorhandenen Si-Ge-Legierungsschichten. Optimierung wiederum bedeutet dabei, daß eine Legierungsschicht bei vorgegebenem Ge-Gehalt beispielsweise als Bufferschicht möglichst relaxiert wächst, d. h. möglichst wenig verspannt ist oder in geeigneter Weise relaxiert wächst.

Aus dem Artikel "Raman scattering analysis of relaxed Ge_xSi_1–x alloy layers" von P.M. Mooney et al., Appl. Phys. Lett. 62 (17), 2069–2071 (1993) ist es bekannt, daß der Ge-Anteil in einer Legierungsschicht über das Verhältnis der integrierten Intensitäten der Si-Si-Mode zu der Si-Ge-Mode ermittelbar ist.

In dem Artikel "Measurements of alloy composition and strain in thin Ge_xSi_1–x layers" von J.C. Tsang et al., ). Appl. Phys. 75 (12), 8098–8108, 1994 ist insbesondere im Zusammenhang mit der dortigen 6 ein Verfahren beschrieben, wie die genannten Intensitäten ermittelbar sind.

In dem Artikel "Raman investigations of elastic strain relief in Si_1–xGe_x layers on patterned silicon substrate" von B. Dietrich et al., J. Appl. Phys. 74(12), 7223–7227, 1993 wird das Erscheinen von einem elastischen Spannungsrelief in Si_1–xGe_x-heteroepitaktischen Schichten gezeigt.

Aus DE 36 28 513 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilmleiters bekannt, bei dem Silicium und Germanium als Hauptkomponenten auf einen isolierenden Träger abgeschieden werden. Von Dünnfilmproben wurden Laser-Raman-Spektren aufgenommen.

Die Si-Si-Mode ist auf phononische Anregungen aufgrund von Si-Si-Schwingungsbewegungen zurückzuführen, die Si-Ge-Mode auf Si-Ge-Schwingungsbewegungen. Es handelt sich dabei um LO/TO-Phononen bei k = 0 im kristallinen SiGe.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Analyseverfahren so zu verbessern, daß die Verspannung, der Relaxationsgrad und der Ge-Anteil in einer Legierungsschicht auf einfache und möglichst genaue Weise ermittelbar sind.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein oder mehrere außerhalb der Si-Ge-Moden und der Si-Si-Moden liegende Zwischenmoden-Spektrumsanteile lokaler Si-Si-Moden oder Si-Deckschichten oder Si-Zwischenschichten als Schwingungsmoden ausgewertet werden und die Zwischenmoden-Spektrumsanteile jeweils durch eine symmetrische Kurve angepaßt werden.

Zwischenmoden und/oder weitere Moden in Si-Deckschichten oder Si-Zwischenschichten werden also erfindungsgemäß nicht als Untergrund betrachtet, sondern als spezifischer Spektrumsanteil. Das Ramanspektrum wird dann erfindungsgemäß bei einer Anpassung aus einer Mehrzahl von Modenlinien zusammengesetzt, und zwar insbesondere aus der Si-Si-Mode, der Si-Ge-Mode, den Zwischenmoden und Deckschichtmoden und/oder Zwischenschichtmoden. Dadurch wiederum lassen sich die für die Bestimmung der Verspannung über die Verschiebung der Ramanfrequenz relevanten Linienprofile und für die Bestimmung der Ge-Konzentration erforderlichen Linienprofile gezielt aus dem Spektrum herauslesen. Mittels des erfindungsgemäßen Analyseverfahrens läßt sich also eine optimierte Peak-Profil-Analyse durchführen, um bei minimiertem Fehler Profil und Lage der Si-Si-Mode und Si-Ge-Mode zu erhalten.

Ferner läßt sich der Einfluß von Gitterstörungen, Deckschichten und Zwischenschichten explizit ermitteln, um so ein genaues Profil der Si-Si-Mode und Si-Ge-Mode zu erhalten.

Erfindungsgemäß lassen sich insbesondere komplexe Si-Ge-Legierungsschichten analysieren, welche neben einer Si-Ge-Legierungsschicht bzw. entsprechender Schichtfolgen auch noch eine Si-Deckschicht umfassen und/oder eine oder mehrere eingelagerte Si-Zwischenschichten, die insbesondere auch verspannt sein können. Die Si-Si-Mode einer Deckschicht oder Zwischenschicht weist eine andere Frequenzlage auf als die Si-Si-Mode einer Si-Ge-Legierungsschicht. Durch das erfindungsgemäße Vorgehen läßt sich auch bei der Anwesenheit von solchen Deckschichten oder Zwischenschichten das Profil und die Peaklage der Si-Si-Mode und der Si-Ge-Mode mit hoher Genauigkeit bestimmen, um so wiederum eine Konzentrationsanalyse von Ge und Relaxationsbestimmung durchführen zu können.

Insbesondere läßt sich durch das erfindungsgemäße Analyseverfahren ein Ramanspektrum sehr schnell auswerten, d. h. die entsprechenden Analyseergebnisse stehen sehr schnell bereit. Dadurch wiederum ist es möglich, zeitlich kurz beabstandete Messungen durchzuführen. Insbesondere läßt sich während eines Beschichtungsverfahrens eine erzeugte Schicht momentan analysieren. Dadurch ergibt sich wiederum die Möglichkeit, in den Beschichtungsprozeß entsprechend einzugreifen, um ein optimiertes Aufwachsen von Schichten auf einem Substrat zu erhalten.

Bei den Zwischenmoden handelt es sich insbesondere um lokale Si-Si-Schwingungsmoden. Die oben genannte Si-Si-Mode wird durch Si-Si-Bewegung in der Si-Ge-Legierung hervorgerufen. Die oben genannte Si-Ge-Mode wird durch die Si-Ge-Bewegung in der Si-Ge-Legierung hervorgerufen. Es handelt sich dabei um bulk-Moden, wobei hier bulk-Moden ohne besondere Bezeichnung verwendet werden. Bei den Zwischenmoden handelt es sich insbesondere um lokale Si-Si-Moden, die durch kompositionelle Störungen entstehen. Durch Abweichungen von dem perfekten Kristallgitter oder durch Defekte wird die Phononenstruktur modifiziert. Sie tragen hier einen Zusatz wie beispielsweise "lokale" Mode. Auch Deckschichten und Zwischenschichten (insbesondere aus Si) weisen eine Phononenstruktur auf, die sich von der einer Si-Ge-Legierungsschicht unterscheidet.

Insbesondere werden die Si-Si-Mode und die Si-Ge-Mode durch eine asymmetrische Kurve angepaßt. Eine Zwischenmode wird dagegen durch eine symmetrische Kurve angepaßt.

Eine sichere und schnelle Analyse einer Si-Ge-Legierungsschicht läßt sich erreichen, wenn ein Fitspektrum an das gemessene Spektrum angepaßt wird, welches sich aus einer Mehrzahl von einzelnen Fitkurven zusammensetzt. Insbesondere ist dabei jede einzelne Fitkurve eine symmetrische Kurve und weiterhin ist es günstig, wenn jede einzelne Fitkurve eine Gauß-Lorentz-Kurve ist. Eine Gauß-Lorentz-Kurve setzt sich dabei zusammen aus dem Produkt einer Lorentzkurve und einer Gaußkurve.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Si-Si-Mode durch drei einzelne Fitkurven angepaßt wird, während die Si-Ge-Mode durch zwei einzelne Fitkurven angepaßt wird.

Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Zwischenmode durch eine einzelne Fitkurve angepaßt wird.

Durch solche Anpassungen erhält man ein Fitspektrum, welches einen minimierten Fehler, beispielsweise ermittelt über einen χ²-Test, gegenüber dem gemessenen Spektrum aufweist. Aus solch einem Spektrum wiederum lassen sich die Anteile insbesondere der Si-Si-Mode und der Si-Ge-Mode der Legierung abseparieren, um so eine schnelle und sichere Auswertung durchführen zu können.

Weiterhin wird von dem gemessenen Spektrum ein Untergrund abgezogen, um nicht durch Ramanstreuung verursachte Spektrumsanteile (und insbesondere durch Rayleighstreuung verursachte Spektrumsanteile) zu eliminieren.

Eine Konzentration x von Ge in der Si-Ge-Legierung wird dabei bestimmt gemäß der Beziehung

wobei I(Si-Si) die integrierte Intensität der Si-Si-Mode ist, I(Si-Ge) die integrierte Intensität der Si-Ge-Mode ist und A ein von der Ramanspektroskopievorrichtung abhängiger Parameter. Diese Beziehung wird auch als Mooney-Beziehung bezeichnet. Mittels ihr läßt sich aus gemessenen Größen, nämlich den Profilen der entsprechenden Moden, der Ge-Gehalt in einer Si-Ge-Legierungsschicht bestimmen und damit entsprechend auch optimieren. Durch das erfindungsgemäße Analyseverfahren wiederum läßt sich das Profil der relevanten Moden auf sichere und genaue Weise bestimmen, und zwar in kurzen zeitlichen Abständen. Dadurch ist eine "In-Situ-Bestimmung" der Ge-Konzentration möglich. Aus der ermittelten Ge-Konzentration und der Ermittlung der Verspannung über die Ermittlung der Frequenzverschiebung der Si-Si-Mode wiederum läßt sich der Relaxationsgrad innerhalb einer Si-Ge-Schicht bestimmen.

Der Parameter A läßt sich dabei aus Vergleichsmessungen wie SIMS, XRD oder EDX bestimmen. Dadurch wiederum läßt sich eine vorgegebene Ramanspektroskopievorrichtung kalibrieren, um so die direkte Bestimmung des Ge-Gehalts einer Legierungsschicht aus den gemessenen Intensitätsverhältnissen zu ermöglichen.

Insbesondere wird eine Verspannung und/oder Relaxation in der Si-Ge-Legierung durch eine Verschiebung der Ramanfrequenz insbesondere der Si-Si-Mode gegenüber einer Referenzfrequenz bestimmt. Die Referenzfrequenz der Si-Si-Mode liegt dabei bei einer Wellenzahl von 520,8 cm^–1 und entspricht der Si-Si-Mode bei unverspanntem bulk-Si-Material.

Die Erfindung betrifft ferner ein Diagnoseverfahren für Si-Ge-Legierungen bei deren Herstellung, bei dem während des Herstellungsprozesses das Ramanspektrum mit dem Analyseverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 zeitlich aufeinanderfolgend analysiert wird.

Insbesondere wird dabei der Herstellungsprozeß gemäß dem Analyseergebnis gesteuert.

Erfindungsgemäß wird also über die Analyse des Ramanspektrums die Si-Ge-Legierungsschicht bezüglich Verspannung und Ge-Gehalt gleichzeitig analysiert. Je nach Ergebnis können dann Parameter des Herstellungsprozesses angepaßt werden, um den mittleren Aufwachsungsprozeß von Schichten bezüglich der vorgesehenen Anwendung der Halbleiterstruktur zu optimieren.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiterschichtstrukturen mit Si-Ge-Schichten, umfassend:

– eine Epitaxievorrichtung zum epitaktischen Aufwachsen von Schichten mit einer Steuervorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Herstellung der Schichten;
– eine Ramanspektroskopievorrichtung zur Bestimmung des Ramanspektrums der wachsenden Schicht;
- eine Auswertevorrichtung.

Dabei liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit welcher sich optimierte Halbleiterbauteile auf Si-Ge-Basis herstellen lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Auswertevorrichtung das Ramanspektrum gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auswertet.

Durch eine solche Vorrichtung läßt sich der Herstellungsprozeß einer Schicht an eine Analyse des Beschichtungsvorgangs durchführen, d. h. In-Situ läßt sich die Verspannung einer Si-Ge-Legierungsschicht und ihr Ge-Gehalt bestimmen. Dieses Ergebnis wiederum läßt sich dazu nutzen, den weiteren Schichtaufbau zu optimieren, indem entsprechend die Beschichtungsparameter angepaßt werden, um so den weiteren Beschichtungsaufbau zu steuern.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Auswertevorrichtung so an die Epitaxievorrichtung gekoppelt ist, daß über ein Analyseergebnis des Ramanspektrums die Schichtherstellung steuerbar und/oder regelbar ist.

Dazu stellt die Auswertevorrichtung ein oder mehrere Steuersignale für die Steuervorrichtung der Epitaxievorrichtung bereit, d. h. es läßt sich mittels der entsprechenden Steuersignale der Beschichtungsvorgang steuern.

Die nachfolgende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Ramanspektroskopievorrichtung, welche an eine Epitaxievorrichtung gekoppelt ist;
2 eine schematische Schnittansicht einer Halbleiterschichtstruktur in der Form eines Silizium-Germanium-Hetero-MOSFET's mit einem verspannungsreduzierten (strain-reduzierten) Buffer, gewachsen auf einem Mustersubstrat;
3 ein erstes Beispiel eines Ramanspektrums einer Probe, welche eine Silizium-Deckschicht aufweist;
4 ein zweites Beispiel eines Ramanspektrums einer Probe ohne Silizium-Deckschicht und
5 die Abhängigkeit des Verhältnisses der integrierten Intensitäten der Silizium-Silizium-Mode zu der Silizium-Germanium-Mode vom Germanium-Anteil in der Legierung.
Eine Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiterschichtstrukturen mit Silizium (Si)-Germanium (Ge)-Legierungsschichten, welche in 1 schematisch gezeigt und dort als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, umfaßt eine Ramanspektroskopievorrichtung 12 und eine Epitaxievorrichtung 14.
Die Ramanspektroskopievorrichtung 12 weist als Anregungslichtquelle einen Laser 16, beispielsweise einen Helium-Cadmium-Laser auf. Eine typische Anregungswellenlänge ist dabei 441,6 nm; die optische Eindringtiefe in einer Halbleiterschicht liegt dabei in der Größenordnung von 300 nm. Ein Anregungslichtstrahl des Lasers 16 wird über ein Teleskop oder konfokales Mikroskop 18 auf eine Probe 20 bzw. 22 gerichtet. Die Probe 20 ist dabei in einer Epitaxiekammer 24 der Epitaxievorrichtung 14 angeordnet.
Alternativ kann es vorgesehen sein, daß die Probe (in 1 Bezugszeichen 22) außerhalb der Epitaxiekammer 24 angeordnet ist. Insbesondere kann es vorgesehen sein, daß die Vorrichtung 10 die Möglichkeit erlaubt, eine Probe 20 innerhalb der Epitaxiekammer 24 zu untersuchen oder eine Probe 22 außerhalb zu untersuchen. Eine entsprechende Umschaltung kann beispielsweise über die Positionierung eines Spiegels 26 in dem von dem Teleskop oder dem konfokalen Mikroskop 18 kommenden Anregungsstrahl erfolgen, um so diesen Anregungsstrahl entweder auf den Ort der Probe 22 oder auf den Ort der Probe 20 zu richten.
Das Teleskop bzw. das konfokale Mikroskop 18 ist insbesondere derart ausgebildet, daß der Anregungsstrahl mit einer geringen, aber noch ausreichenden Leistung in einem Strahldurchmesser von beispielsweise 1 μm auf der Probe 20 bzw. 22 abgebildet wird. Dadurch läßt sich eine wesentliche Erwärmung der Probe am Ort des Anregungslichtstrahls verhindern.
Das von der Probe 20 bzw. 22 emittierte Ramanstreulicht, bewirkt durch die Anregung mit dem Laser 16, wird in Rückstreuung mit einem geeigneten Ramanspektrometer 28 registriert und von einer CCD-Kamera 30 aufgenommen und beispielsweise an einem Bildschirm 32 gezeigt.
In einer Auswertevorrichtung 34 wird das entsprechende Ramanspektrum 36 analysiert und werden die relevanten Parameter wie Ge-Anteil x, die Verspannung und der Relaxationsgrad ermittelt.
Der Anregungslichtstrahl wird über ein Fenster 38 in die Epitaxiekammer 24 eingekoppelt, bei der es sich insbesondere um eine Vakuumkammer handelt. Über ein optisches Filter 40 für die rückgestreute Strahlung der Probe 20 lassen sich störende Lichtemissionen beispielsweise im sichtbaren Wellenlängenbereich oder auch Nahinfrarotstrahlung wie Wärmestrahlung der Epitaxiekammer 24 ausfiltern, um so das Untergrundrauschen für die CCD-Kamera 30 zu reduzieren.
Der Herstellungsprozeß einer Probe 20 in der Epitaxiekammer 24 wird über eine Steuerungsvorrichtung 42 gesteuert und/oder geregelt. Die Steuerungs- bzw. Regelungsparameter hängen dabei von dem speziellen Beschichtungsverfahren ab. Beispielsweise wird bei der chemischen Gasphasenepitaxie (CVE) der Druck in der Epitaxiekammer 24 gesteuert und eine Substrattemperatur des zu beschichtenden Substrats. Bei der Molekularstrahlenepitaxie (MBE) läßt sich entsprechend der Strahl steuern.
Die Auswertevorrichtung 34 ist über eine Steuerleitung 44 mit der Steuervorrichtung 42 der Epitaxievorrichtung 14 verbunden, so daß aus der Auswertung eines Ramanspektrums 36 gewonnene Daten zur Steuerung des Beschichtungsprozesses in der Epitaxiekammer 24 verwendbar sind. Insbesondere ist es vorgesehen, eine In-Situ-Diagnostik des Beschichtungsprozesses der Probe 20 durchzuführen, d. h. zeitlich das momentane Beschichtungsergebnis zu überprüfen und je nach Ergebnis der Überprüfung die entsprechenden Beschichtungsparameter zur Optimierung der Schicht zu verändern, sofern erforderlich.
Zur zeitlichen Steuerung des Beschichtungsprozesses in der Epitaxiekammer 24 weist die Auswertevorrichtung 34 eine Uhr 46 auf, welche in bestimmten zeitlichen Abständen das Analyseergebnis des gerade aufgenommenen Ramanspektrums 36 an die Steuervorrichtung 42 weitergibt, um so eine zeitaufgelöste Analyse des Beschichtungsergebnisses zu erhalten und insbesondere während des Aufwachsens der Schichten der Probe 22 eben diesen Aufwachsungsprozeß analysieren zu können.
In 2 ist als Beispiel einer Probe 20 eine Halbleiterschichtstruktur 48 gezeigt, welche epitaktisch herstellbar ist. Es handelt sich dabei um einen Si-Ge-Hetero-MOSFET mit verspannungsreduziertem Buffer Si-Ge-Legierungsschicht 50 aus einer Si-Ge-Legierung. Eine Source des MOSFET's gemäß 2 ist dabei mit dem Bezugszeichen S bezeichnet, ein Gate mit dem Bezugszeichen G und ein Drain mit dem Bezugszeichen D.
Erfindungsgemäß läßt sich nun die Si-Ge-Legierungsschicht 50 während der Herstellung analysieren bzw. der Herstellungsprozeß läßt sich mittels Analyse einer hergestellten Schicht so optimieren, daß diese Schicht weitgehend relaxiert ist. Dadurch, daß dann Verspannungen innerhalb einer solchen Schicht minimiert sind, lassen sich wiederum die Eigenschaften eines entsprechenden Halbleiter-Bauteils optimieren.
In 3 ist ein erstes Beispiel eines Ramanspektrums 52 einer Si-Ge-Legierungsschicht gezeigt, wobei die Intensität über der Wellenzahl (Einheit cm^–1) aufgetragen ist. Das Ramanspektrum spiegelt die phononische Struktur der Si-Ge-Legierungsschicht wider. Dadurch läßt sich aus dem Ramanspektrum die Verspannung bzw. der Relaxationsgrad innerhalb der Legierungsschicht ermitteln. Über die relativen Anteile der entsprechenden Moden läßt sich auch der Anteil von Ge in der Legierungsschicht bestimmen. Es wird dabei der Stokes-Anteil des Ramanspektrums ausgewertet.
In dem Ramanspektrum 52 erkennt man eine Ge-Ge-Mode 54, welche auf die phononischen Anregungen aufgrund von Ge-Ge-Schwingungsbewegungen zurückzuführen ist. Der zugehörige Phononenzweig ist der LO/TO-Zweig und der Wellenvektor liegt bei k ≈ 0. Bei größerer Wellenzahl (höherer Energie) ist eine Si-Ge-Mode 56 zu finden, welche auf die phononische Anregung durch Si-Ge-Schwingungsbewegungen zurückzuführen ist.
Weiterhin ist eine Si-Si-Mode 58 zu erkennen, welche durch die Si-Si-Schwingungsbewegung entsteht.
In dem Ramanspektrum 52 ist ferner eine Linie 60 zu erkennen, welche ebenfalls eine Si-Si-Mode darstellt, allerdings in einer Deckschicht, die kein Legierungsbestandteil ist. Diese Linie 60 ist also nicht durch die Si-Ge-Legierungsschicht hervorgerufen und muß deshalb bei der Auswertung der Si-Ge-Schicht unberücksichtigt bleiben. (Diese Linie 60 muß insofern berücksichtigt werden, daß sie von dem Spektrum 52 abzuziehen ist, um die Si-Si-Mode 58 korrekt bestimmen zu können.)
Die oben als Ge-Ge-Mode (Bezugszeichen 54), Si-Ge-Mode (Bezugszeichen 56) und Si-Si-Mode (Bezugszeichen 58) bezeichneten Moden sind bulk-Moden, d. h. durch die dreidimensionale Gitterstruktur in der Si-Ge-Legierungsschicht hervorgerufen. Daneben können aber auch noch lokale Si-Si-Moden existieren, wie in dem Ramanspektrum 52 durch die Pfeile 62 und 64 angedeutet. Diese lokalen Si-Si-Moden 62, 64 entstehen aufgrund von Wachstumsstörungen wie Gitterdefekten. Zur korrekten Auswertung des Ramanspektrums 52 hinsichtlich Bestimmung der zu analysierenden Eigenschaften der Si-Ge-Legierungsschicht sind diese lokalen Si-Si-Moden 62, 64 entsprechend zu berücksichtigen, d. h. ihr Anteil am Ramanspektrum 52 ist zu bestimmen, um so wiederum die Moden 56 und 58 bezüglich Peaklage und Profil möglichst genau ermitteln zu können. Es werden diese lokalen Moden 62, 64 als Schwingungsmoden ausgewertet, um so ihren Anteil im Spektrum und damit ihren Einfluß auf die Resonanzkurven 56, 58 ermitteln zu können.
Anregungsmoden, die auf zusätzliche Si-Schichten wie Deckschichten oder Zwischenschichten zurückzuführen sind, werden auf die gleiche Weise behandelt, um ihren Einfluß auf die Peaklage und Profil der Si-Ge-Mode 56 und Si-Si-Mode 58 zu bestimmen und damit eine möglichst genaue Ermittlung der Si-Si-Mode 58 und der Si-Ge-Mode 56 aus dem Ramanspektrum zu gewährleisten.
Die Lage der Si-Si-Mode 58 ist bestimmt durch die Verspannung der Si-Ge-Legierungsschicht. Bei einer reinen, unverspannten Si-Probe (ohne Ge-Anteile) liegt diese Mode bei einer Wellenzahl von 520,8 cm^–1. In dem Ramanspektrum 52 liegt diese Mode bei einer Wellenzahl von ca. 500 cm^–1; die Legierungsschicht ist daher verspannt, wobei der Abstand von der genannten Referenzwellenzahl von 520,8 cm^–1 ein Maß für die Verspannung ist: Je größer die Verspannung, desto größer ist auch dieser Abstand.
Der Anteil x von Ge in einer Si-Ge-Schicht läßt sich gemäß der Formel
ableiten, wobei I(Si-Si) die integrierte Intensität der Si-Si-Mode 58 ist und I(Si-Ge) die integrierte Intensität der Si-Ge-Mode 56 ist. Der Parameter A ist bestimmt durch die Eigenschaften der Ramanspektroskopievorrichtung 12 und durch die Wellenlänge des Anregungslichts des Lasers 16. Untenstehend wird eine Möglichkeit zur Bestimmung dieses Parameters A angegeben. Die oben genannte Beziehung wird auch als Mooney-Beziehung bezeichnet, siehe dazu beispielsweise P.M. Mooney et al., "Raman scattering analysis of relaxed Ge_xSi_1–x alloy layers", Appl. Phys. Lett. 62 (17), 2069-2071 1993).
Es ist also erforderlich, das Linienprofil der Si-Si-Mode 58 und das Linienprofil der Si-Ge-Mode zu bestimmen, um die integrierten Intensitäten berechnen zu können. Dazu wiederum ist aus dem Ramanspektrum 52 der Anteil zu ermitteln, der nicht zu den genannten Moden 56 und 58 gehört, um eben diese möglichst genau bestimmen zu können. Die Modenfrequenz der Si-Si-Mode 58, welche die Spannung charakterisiert, ist durch die Peaklage bestimmt.
Es wird nun das Ramanspektrum 52 durch ein Fitspektrum 66 angepaßt (siehe 4; dort wurde eine Probe ohne Si-Deckschicht untersucht). Das Fitspektrum 66 wird dabei durch eine Mehrzahl von Fitkurven 68 gebildet, bei welchen es sich um Gauß-Lorentz-Kurven handelt, d. h. um das Produkt einer Lorentzkurve und einer Gaußkurve. Bei der Anpassung des gemessenen Romanspektrums 52 an das Fitspektrum 66 wird dabei zuerst ein Untergrund 70 abgezogen, welcher insbesondere durch einen Flächenbereich zwischen dem gemessenen Spektrum genügend unterhalb der Ge-Ge-Mode 54 und genügend oberhalb der Si-Si-Mode 58 bestimmt ist. Die Si-Si-Mode 60 aufgrund einer Si-Deckschicht (oder einer Si-Zwischenschicht) wird über eine einzige Fitkurve absepariert.
Liegen in einer Si-Ge-Legierungsschichtfolge mehrere solcher Deckschichten und/oder Zwischenschichten vor, so weist das Ramanspektrum die entsprechenden Anteile auf. Bei der Auswertung werden diese Anteile wie oben beschrieben behandelt, d. h. durch jeweils eine einzelne Gauß-Lorentz-Kurve angepaßt.
Die lokalen Si-Si-Moden 62, 64 werden ebenfalls durch entsprechende Fitkurven 72, 74 angepaßt, und zwar jeweils durch eine einzige Gauß-Lorentz-Kurve.
Die Si-Si-Mode 58 wird durch drei Fitkurven 76, 78, 80 angepaßt, welche zueinander versetzt sind, so daß ein asymmetrisches Linienprofil erhalten wird.
Die Ge-Ge-Mode 54 wird ebenfalls mittels eines asymmetrischen Linienprofils angepaßt, wobei diese Anpassung über zwei versetzte Fitkurven 82, 84 erfolgt.
Die Ge-Ge-Mode 54 wird ebenfalls über zwei Fitkurven 86, 88 angepaßt.
Die Parameter der jeweiligen Gauß-Lorentz-Kurven als Fitkurven werden so eingestellt, daß sich das beste Ergebnis für das Fitspektrum 66 im Vergleich zu dem gemessenen Ramanspektrum 52 ergibt, beispielsweise über einen χ²-Minimierungstest.
Durch die beschriebene Anpassung, d. h. Ausbildung des Fitspektrums 66 durch Superposition einer Mehrzahl von Gauß-Lorentz-Kurven lassen sich dann die angepaßte Si-Si-Mode 58 und Si-Ge-Mode 56 bestimmen, wobei die weiteren Anteile des Spektrums berücksichtigt sind. Durch eine solche Peak-Profil-Analyse läßt sich also die Lage (Peak) der Moden 56, 58 mit hoher Genauigkeit bestimmen und weiterhin läßt sich das Profil mit hoher Genauigkeit bestimmen und dadurch wiederum die integrierte Intensität ermitteln, um so über die Mooney-Beziehung den Ge-Anteil in einer Si-Ge-Schicht bestimmen zu können.
Diese Peak-Profil-Analyse läßt sich mit konventionellen Analyseprogrammen wie beispielsweise PEAKSOLVE von Galactic Ind. Corp. durchführen, wobei die Vorinformation hineingesteckt wird, daß entsprechend als Fitkurven Gauß-Lorentz-Kurven anzusetzen sind, daß für lokale Si-Si-Moden 62, 64 jeweils eine Fitkurve anzusetzen ist, daß für die Si-Si-Mode 58 drei Fitkurven anzusetzen sind und daß für die Si-Ge-Mode 56 zwei Fitkurven anzusetzen sind.
Es läßt sich dann auf schnelle und genaue Weise die erforderliche Information zur Analyse der Si-Ge-Legierungsschicht ermitteln.
Bei einem weiteren Beispiel eines Ramanspektrums 90, welches in 4 ausschnittsweise mit einer Si-Ge-Mode 92, einer Si-Si-Mode 94 und lokalen Si-Si-Moden 96, 98 gezeigt ist, wurde ebenfalls eine solche Anpassung durchgeführt. Bei der analysierten Probe war dabei keine Si-Deckschicht vorhanden. Wiederum wurde die Si-Si-Mode 94 durch drei Fitkurven angepaßt und die Si-Ge-Mode 92 durch zwei Fitkurven. Die lokalen Si-Si-Moden 96, 98 wurden durch jeweils eine Fitkurve angepaßt. Man erkennt aus der 4 daß zwischen dem gemessenen Romanspektrum 90 und dem Fitspektrum 66 eine hervorragende Übereinstimmung herrscht.
Der Parameter A läßt sich aus Vergleichsmessungen bestimmen, über die dann entsprechend die Ramanspektroskopievorrichtung 12 kalibrierbar ist. In 5 ist das Verhältnis der in die Mooney-Beziehung eingehenden Intensitäten in Abhängigkeit von der Ge-Konzentration x in einer Si-Ge-Legierungsschicht gezeigt. Die Kurve 102 entspricht dabei der Mooney-Beziehung. Es sind Meßpunkte aufgetragen für mittels Sekundärionenmassenspektroskopie (SIMS), Röntgenbeugung (XRD) oder energiedispersiven Röntgenstreuung (EDX) untersuchte Proben. Bei entsprechender Wahl des Parameters A ergibt sich die Kurve 102 durch die Meßpunkte. Eine Anpassung hat dabei A = 2,2 ergeben. Aus diesem dann bekannten A wiederum läßt sich gemäß der Mooney-Beziehung aus den Ramanspektren der Ge-Gehalt in einer Si-Ge-Legierungsschicht bestimmen.
Aus der gleichzeitigen Bestimmung der Verspannung (über die Verschiebung der Ramanfrequenzen) und der Ge-Konzentration in der Si-Ge-Legierungsschicht kann auch der Relaxationsgrad der Legierung gemäß der Beziehung
bestimmt werden, wobei Δω die ermittelte Frequenzschiebung der Si-Si-Mode 58 bzw. 94 gegenüber der Referenzmode ist, Δω₁(x) eine Verschiebung einer biaxial verspannten pseudomorphen Schicht bei der Ge-Konzentration x ist und Δω₂(x) eine Verschiebung der unverspannten legierungsähnlichen Schicht mit der Ge-Konzentration x. Siehe dazu B. Dietrich et al., "Raman investigations of elastic strain relief in Si_1–xGe_x layers on patterned silicon substrate", J. Appl. Phys. 74 (12), 7223-7227 (1993).
Es läßt sich also auf schnelle und genaue Weise aus einem gemessenen Ramanspektrum 52 bzw. 90 der Gehalt x an Ge in einer Si-Ge-Legierungsschicht bestimmen. Weiterhin lassen sich die Frequenzverschiebungen ermitteln und daraus wiederum läßt sich der Relaxationsgrad ermitteln.
Da die genannten Analysen und Diagnosen sehr schnell durchführbar sind, lassen sich während der Beschichtung einer Probe 20 die entsprechenden Ergebnisse gewinnen, um so bei Abweichungen von einem gewünschten Resultat über die Steuervorrichtung 42 die entsprechenden Parameter des Epitaxieprozesses so modifizieren zu können, daß der Schichtaufbau optimiert ist und damit die Eigenschaften des herzustellenden Bauteils optimiert sind.
Es ist weiterhin möglich, eine Halbleiterstruktur während oder nach der Herstellung und insbesondere während des Epitaxieprozesses zu analysieren, um beispielsweise Aussagen zu treffen, ob eine Schicht genügend relaxiert ist oder nicht, d. h. Aussagen darüber zu treffen, ob die hergestellte Struktur zu verwerfen ist oder weiterverwendbar ist.

Claims

Verfahren zur Analyse von Verspannung, Relaxationsgrad und Ge-Konzentration von Si-Ge-Legierungen, bei dem ein Ramanspektrum der Probe aufgenommen wird und Ramanfrequenzen und Ramanintensitäten der Si-Si-Moden und der Si-Ge-Moden der Legierungsschicht ausgewertet werden, wobei ein oder mehrere außerhalb der Si-Ge-Moden und der Si-Si-Moden liegende Zwischenmoden-Spektrumsanteile lokaler Si-Si-Moden oder Si-Deckschichten oder Si-Zwischenschichten als Schwingungsmoden ausgewertet werden und die Zwischenmoden-Spektrumsanteile jeweils durch eine symmetrische Kurve angepaßt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Si-Si-Moden und die Si-Ge-Moden durch eine asymmetrische Kurve angepaßt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fitspektrum an das gemessene Spektrum angepaßt wird, welches sich aus einer Mehrzahl von einzelnen Fitkurven zusammensetzt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede einzelne Fitkurve eine symmetrische Kurve ist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede einzelne Fitkurve eine Gauß-Lorentz-Kurve ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Si-Si-Mode durch drei einzelne Fitkurven angepaßt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Si-Ge-Mode durch zwei einzelne Fitkurven angepaßt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenmode durch eine einzelne Fitkurve angepaßt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von dem gemessenen Spektrum ein Untergrund abgezogen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration x von Ge in der Si-Ge-Legierung bestimmt wird gemäß
wobei I(Si-Si) die integrierte Intensität der Si-Si-Mode ist, I(Si-Ge) die integrierte Intensität der Si-Ge-Mode und A ein von der Ramanspektroskopievorrichtung abhängiger Parameter ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter A aus Vergleichsmessungen mit anderen Meßmethoden bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verspannung und/oder der Relaxationsgrad in der Si-Ge-Legierung durch eine Verschiebung der Ramanfrequenz gegenüber einer Referenzfrequenz bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzfrequenz der Si-Si-Mode bei einer Wellenzahl von 520,8 cm^–1 liegt.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 bei der Herstellung von Si-Ge-Legierungen, wobei während des Herstellungsprozesses die Ramanspektren zeitlich aufeinanderfolgend analysiert werden und der Herstellungsprozeß gemäß den Analyseergebnissen gesteuert wird.
Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiterschichtstrukturen mit Si-Ge-Legierungsschichten, umfassend: – eine Epitaxievorrichtung (14) zum epitaktischen Aufwachsen von Schichten mit einer Steuervorrichtung (42) zur Steuerung und/oder Regelung der Herstellung der Schichten; – eine Ramanspektroskopievorrichtung (12) zur Bestimmung des Ramanspektrums (52) der wachsenden Schicht und – eine Auswertevorrichtung (34), dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertevorrichtung (34) das Ramanspektrum (52) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auswertet.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertevorrichtung (34) so an die Epitaxievorrichtung (14) gekoppelt ist, daß über das Analyseergebnis des Ramanspektrums (52) die Schichtaufwachsung steuerbar und/oder regelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertevorrichtung (34) ein oder mehrere Steuersignale für die Steuervorrichtung (42) der Epitaxievorrichtung (14) bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch eine Uhr (46) zur zeitlichen Steuerung der Bestimmung und/oder Auswertung des Ramanspektrums in zeitlichen Abständen.