JP2005201756A - Method and apparatus for measuring strain of thin film crystal layer - Google Patents

Method and apparatus for measuring strain of thin film crystal layer Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and an apparatus for measuring a strain of a thin film crystal layer in a sample having the strained thin film crystal layer and a support layer for supporting the thin film crystal layer. <P>SOLUTION: The apparatus for measuring the strain of the thin film crystal layer is provided with excitation light sources 1-5 for generating visible light and ultraviolet light as excitation light along a common optical axis. A stage 12 is provided in a microscope chamber 7 and supports the sample 11. Projection optical systems 8, 9, 10 project the excitation light onto the sample 11 supported on the stage 12. A spectral means is provided in a spectroscope 18, and diffracts Raman scattering light from the sample 11. A calculation means calculates states of the strain and the support layer from an output from the spectral means. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ラマン分光法による薄膜結晶層の歪み測定方法および装置に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for measuring strain of a thin film crystal layer by Raman spectroscopy.

異なる結晶格子の大きさを有する半導体結晶の上に形成された薄膜半導体結晶に歪みが発生することが知られている。そのような薄膜半導体としてストレインドシリコンが知られている。
ストレインドシリコンとは、通常のシリコン基盤の上に20〜500nm厚のシリコン−ゲルマニウム結晶層を生成させ、さらにその上に10〜30nm厚の純シリコン結晶層を成長させたものである。
ゲルマニウムとシリコンは原子のサイズが異なり、規則正しく2種の原子が配列されたシリコン−ゲルマニウム結晶の上に生成した純シリコン結晶の格子間隔は歪められている。この歪には、結晶内部の電荷(電子・正孔)の伝導速度を2倍にも高める性質があるので、ストレインドシリコンを用いて高速の半導体素子を作ることができる可能性がある。
また、高速の半導体として知られているガリウム−ヒ素半導体のように毒性の心配がないなどの利点があり着目されている。そして、これに関連する研究開発が盛んに行なわれようとしている。
It is known that distortion occurs in thin film semiconductor crystals formed on semiconductor crystals having different crystal lattice sizes. A strained silicon is known as such a thin film semiconductor.
The strained silicon is obtained by forming a silicon-germanium crystal layer having a thickness of 20 to 500 nm on a normal silicon substrate and further growing a pure silicon crystal layer having a thickness of 10 to 30 nm on the silicon-germanium crystal layer.
Germanium and silicon have different atomic sizes, and the lattice spacing of a pure silicon crystal formed on a silicon-germanium crystal in which two kinds of atoms are regularly arranged is distorted. This strain has the property of increasing the conduction velocity of charges (electrons / holes) in the crystal by a factor of two, so that there is a possibility that a high-speed semiconductor element can be made using strained silicon.
In addition, the gallium-arsenic semiconductor known as a high-speed semiconductor has an advantage that there is no concern about toxicity, and has attracted attention. And research and development related to this is going on actively.

しかしながら、前述した研究開発において行なわれる前記従来の可視光によるシリコン−ゲルマニウム層の測定と同時にストレインドシリコン層のデータも得ようとする試みは、ストレインドシリコンのラマン散乱光とシリコン−ゲルマニウム層のラマン散乱光の測定結果の分離が容易ではないという問題がある。
本発明の目的は、ストレインドシリコン層のラマン散乱を支持層のラマン散乱と明確に区別して測定することが可能で、ストレインドシリコン層の歪みや支持層の組成等のデータを測定できる試料における薄膜結晶層の歪みを測定する方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、前記方法を実施することができる装置を提供することにある。
However, the attempt to obtain the data of the strained silicon layer simultaneously with the measurement of the silicon-germanium layer by the conventional visible light performed in the above-described research and development, the Raman scattered light of the strained silicon and the silicon-germanium layer There is a problem that separation of measurement results of Raman scattered light is not easy.
The object of the present invention is to make it possible to clearly distinguish Raman scattering of a strained silicon layer from Raman scattering of a support layer, and to measure data such as strain of the strained silicon layer and composition of the support layer. The object is to provide a method for measuring the strain of a thin film crystal layer.
Still another object of the present invention is to provide an apparatus capable of carrying out the method.

前記目的を達成するために、本発明による請求項1記載の薄膜結晶層の歪みを測定する方法は、
薄膜結晶層と前記薄膜結晶層を支持する支持層を有する試料における薄膜結晶層の歪みを測定する方法において、
前記薄膜結晶層側から可視光と紫外光を励起光として照射する励起ステップと、
前記各励起光による各ラマン散乱光を検出する検出ステップと、
前記紫外光のラマン散乱光の波長変移から前記薄膜結晶層の歪みを推定し、前記可視光のラマン散乱光の波長および波長変移から前記支持層の状態を推定する推定ステップから構成されている。
In order to achieve the above object, a method for measuring strain of a thin film crystal layer according to claim 1 according to the present invention comprises:
In a method of measuring strain of a thin film crystal layer in a sample having a thin film crystal layer and a support layer that supports the thin film crystal layer,
An excitation step of irradiating visible light and ultraviolet light as excitation light from the thin film crystal layer side;
A detection step of detecting each Raman scattered light by each excitation light;
The method includes an estimation step of estimating the distortion of the thin film crystal layer from the wavelength shift of the Raman scattered light of the ultraviolet light and estimating the state of the support layer from the wavelength and wavelength shift of the Raman scattered light of the visible light.

本発明による請求項2記載の薄膜結晶層の歪みを測定する方法は、請求項1記載の薄膜結晶層の歪みを測定する方法において、
前記支持層はシリコン−ゲルマニウム結晶であり、前記薄膜結晶層はストレインドシリコンであり、前記ストレインドシリコンは、通常のシリコン基盤の上に20〜500nm厚のシリコン−ゲルマニウム結晶層を生成させた支持層の上に形成された10〜30nm厚の純シリコン結晶層である。
本発明による請求項3記載の薄膜結晶層の歪みを測定する方法は、請求項1または2記載の薄膜結晶層の歪みを測定する方法において、
前記紫外光の励起光は、好ましくは350〜370nmの範囲内にあり、最も好ましくは364nmである。
本発明による請求項4記載の薄膜結晶層の歪みを測定する方法は、請求項1または2記載の薄膜結晶層の歪みを測定する方法において、
前記紫外光の励起光は、アルゴンイオンレーザ(364nm,351nm)、YAGレーザ第3高調波(355nm)、クリプトンイオンレーザ(351nm)から選ばれたいずれか一つである。
The method for measuring the strain of the thin film crystal layer according to claim 2 according to the present invention is the method for measuring the strain of the thin film crystal layer according to claim 1,
The support layer is a silicon-germanium crystal, the thin film crystal layer is a strained silicon, and the strained silicon is a support in which a silicon-germanium crystal layer having a thickness of 20 to 500 nm is formed on a normal silicon substrate. A pure silicon crystal layer having a thickness of 10 to 30 nm formed on the layer.
The method for measuring strain of a thin film crystal layer according to claim 3 according to the present invention is the method for measuring strain of a thin film crystal layer according to claim 1 or 2,
The excitation light of the ultraviolet light is preferably in the range of 350 to 370 nm, and most preferably 364 nm.
A method for measuring strain of a thin film crystal layer according to claim 4 according to the present invention is the method for measuring strain of a thin film crystal layer according to claim 1 or 2,
The ultraviolet excitation light is one selected from an argon ion laser (364 nm, 351 nm), a YAG laser third harmonic (355 nm), and a krypton ion laser (351 nm).

本発明による請求項5記載の薄膜結晶層の歪みを測定する装置は、
歪みを有する薄膜結晶層と前記薄膜結晶層を支持する支持層を有する試料において前記薄膜結晶層の歪みを測定する装置であって、
可視光と紫外光を励起光として共通光軸で発生できる励起光源と、
前記試料を支持するステージと、
前記ステージに支持された試料に前記励起光を投射する投射光学系と、
前記試料からの各ラマン散乱をそれぞれ分光する分光手段と、
前記分光手段の出力から前記歪みと支持層の状態を演算する演算手段と
から構成されている。
An apparatus for measuring strain of a thin film crystal layer according to claim 5 according to the present invention comprises:
An apparatus for measuring strain of the thin film crystal layer in a sample having a thin film crystal layer having strain and a support layer that supports the thin film crystal layer,
An excitation light source capable of generating visible light and ultraviolet light as excitation light on a common optical axis;
A stage for supporting the sample;
A projection optical system that projects the excitation light onto the sample supported by the stage;
Spectroscopic means for spectroscopically analyzing each Raman scattering from the sample,
It comprises calculation means for calculating the strain and the state of the support layer from the output of the spectroscopic means.

請求項1記載の方法によれば、励起ステップにより可視光と紫外光を励起光として照射することにより、紫外光により表面の歪みを有する層の情報を、可視光により支持層の情報を取得できる。
請求項2記載の方法によれば、通常のシリコン基盤の上に20〜500nm厚のシリコン−ゲルマニウム結晶層を生成させた支持層の上に形成された10〜30nm厚の純シリコン結晶層である試料の歪み等の測定が可能になる。
According to the method of claim 1, by irradiating visible light and ultraviolet light as excitation light in the excitation step, it is possible to acquire information on the layer having surface distortion by ultraviolet light and information on the support layer by visible light. .
The method according to claim 2 is a pure silicon crystal layer having a thickness of 10 to 30 nm formed on a support layer in which a silicon-germanium crystal layer having a thickness of 20 to 500 nm is formed on a normal silicon substrate. Measurement of sample distortion and the like becomes possible.

本発明による請求項3記載の薄膜結晶層の歪みを測定する方法によれば、前記紫外光の励起光は、好ましくは350〜370nmの範囲内にあり、最も好ましくは364nmである。実験の結果として325nmの励起では良い結果が得られなかった。351,355,および364nmの励起では良い結果を得ている。
これらから350nmに満たない領域の紫外光で励起する場合は、ラマン散乱光の強度が弱く測定に要する時間が長くなる。その結果S/N比が小さくなり、良い測定結果が得られないと考えられる。
370nmを越える領域の紫外光で励起する場合は、励起光がシリコン−ゲルマニウム結晶層に到達する結果、良い測定結果が得られないと考えられる。
According to the method for measuring strain of a thin film crystal layer according to claim 3 of the present invention, the excitation light of the ultraviolet light is preferably in the range of 350 to 370 nm, and most preferably 364 nm. As a result of the experiment, good results were not obtained with excitation at 325 nm. Good results have been obtained with excitation at 351, 355 and 364 nm.
When excited by ultraviolet light in a region less than 350 nm, the intensity of Raman scattered light is weak and the time required for measurement becomes long. As a result, the S / N ratio becomes small, and it is considered that good measurement results cannot be obtained.
In the case of excitation with ultraviolet light in a region exceeding 370 nm, it is considered that good measurement results cannot be obtained as a result of the excitation light reaching the silicon-germanium crystal layer.

本発明による請求項4記載の薄膜結晶層の歪みを測定する方法によれば、請求項1または2記載の薄膜結晶層の歪みを測定する方法において、前記紫外光の励起光として、容易に入手できるアルゴンイオンレーザ(364nm,351nm)、YAGレーザ第3高調波(355nm)、クリプトンイオンレーザ(351nm)から選ばれたいずれか一つを利用できる。
本発明による請求項5装置によれば、前述した測定方法を確実に実施できる。
According to the method for measuring strain of a thin film crystal layer according to claim 4 according to the present invention, in the method for measuring strain of a thin film crystal layer according to claim 1 or 2, the ultraviolet light is easily obtained as excitation light. Any one selected from an argon ion laser (364 nm, 351 nm), a YAG laser third harmonic (355 nm), and a krypton ion laser (351 nm) can be used.
According to the fifth aspect of the present invention, the above-described measuring method can be reliably implemented.

以下本発明方法および装置の最適の形態を説明する。
ストレインドシリコンとは、通常のシリコン基盤の上に20〜500nm厚のシリコン−ゲルマニウム結晶層を生成させ、さらにその上に10〜30nm厚の純シリコン結晶層を成長させたものである。
ゲルマニウムとシリコンは原子のサイズが異なり、規則正しく2種の原子が配列されたシリコン−ゲルマニウム結晶の上に生成した純シリコン結晶の格子間隔は歪められている。
The best mode of the method and apparatus of the present invention will be described below.
The strained silicon is obtained by forming a silicon-germanium crystal layer having a thickness of 20 to 500 nm on a normal silicon substrate and further growing a pure silicon crystal layer having a thickness of 10 to 30 nm on the silicon-germanium crystal layer.
Germanium and silicon have different atomic sizes, and the lattice spacing of a pure silicon crystal formed on a silicon-germanium crystal in which two kinds of atoms are regularly arranged is distorted.

結晶のラマンスペクトルは結晶に歪がかかったとき、それが現れる波数位置が偏移し、偏移量は歪の程度と相関するから、この測定はストレインドシリコン結晶の歪の状態を知り、それの半導体材料としての品質を評価する有力な手段となる。
ラマンスペクトルは、試料にある一定波長の光を照射したとき、試料の分子や結晶格子の振動などとの干渉により、照射波長とはわずかに異なる一連の光を試料が散乱光として発する、その波数差のスペクトルのことであるが、照射光の波数値が変わっても、すなわち紫外光で照射しても赤外光で照射しても、得られる波数差スペクトルは変わらない。
Since the Raman spectrum of a crystal is strained in the crystal, the wave number position where it appears shifts, and the amount of shift correlates with the degree of strain, so this measurement knows the strain state of the strained silicon crystal and This is an effective means for evaluating the quality of semiconductor materials.
The Raman spectrum is the wave number of the sample that emits a series of light slightly scattered from the irradiation wavelength as scattered light due to interference with sample molecules and crystal lattice vibrations when the sample is irradiated with light of a certain wavelength. Although it is a difference spectrum, the wave number difference spectrum obtained does not change even if the wave value of the irradiation light changes, that is, irradiation with ultraviolet light or infrared light.

10〜30nmと、極端に薄いストレインドシリコン結晶層のラマンスペクトルを測定するときに照射する光の波長の選択は重要である。400nm以上の可視光は最表面のストレインドシリコン層を通り抜け、その下のシリコン−ゲルマニウム層に到達するので、この波長の励起光を最表層のラマンスペクトル測定に利用することはできない。
本件発明者は、364nmのAr+レーザーの光が、10〜30nmの厚みをもつストレインドシリコン結晶層の測定に最適であることを見出した。測定結果の例を図3に示す。ヘリウム−カドミウムイオンレーザー(325nm)で照射したときのラマンスペクトルの約100倍の強度が得られている。
The selection of the wavelength of light to be irradiated when measuring the Raman spectrum of an extremely thin strained silicon crystal layer of 10 to 30 nm is important. Visible light of 400 nm or more passes through the outermost strained silicon layer and reaches the silicon-germanium layer below it, so that excitation light of this wavelength cannot be used for the measurement of the Raman spectrum of the outermost layer.
The present inventor has found that light of 364 nm Ar + laser is optimal for measurement of a strained silicon crystal layer having a thickness of 10 to 30 nm. An example of the measurement result is shown in FIG. An intensity of about 100 times the Raman spectrum when irradiated with a helium-cadmium ion laser (325 nm) is obtained.

図1は、本発明によるラマン分光法による薄膜結晶層の歪み測定方法を実施するための装置のブロック図である。励起光源部は、可視光と紫外光を励起光として共通光軸で発生する光源である。可視光源1として515nmの可視光を発するアルゴンイオンレーザを用いている。紫外光源2は364nmの紫外光を発するアルゴンイオンレーザである。
これら可視および紫外光の光路にはそれぞれのレーザが発振する主波長光のみを透過するフィルタ24,25および測定時に開閉するシャッタ26,27を設け、寄生光の除去と不要波長光照射による試料の温度上昇を防いでいる。
可視光はダイクロイックミラー3を透過し、ミラー5によって反射される。紫外光はミラー4およびダイクロイックミラー3によって反射され、可視光と同一光路をとる。
FIG. 1 is a block diagram of an apparatus for carrying out a method for measuring strain of a thin film crystal layer by Raman spectroscopy according to the present invention. The excitation light source unit is a light source that generates visible light and ultraviolet light as excitation light on a common optical axis. As the visible light source 1, an argon ion laser that emits visible light of 515 nm is used. The ultraviolet light source 2 is an argon ion laser that emits ultraviolet light of 364 nm.
These visible and ultraviolet light paths are provided with filters 24 and 25 that transmit only the main wavelength light oscillated by the respective lasers and shutters 26 and 27 that are opened and closed at the time of measurement. Temperature rise is prevented.
Visible light passes through the dichroic mirror 3 and is reflected by the mirror 5. The ultraviolet light is reflected by the mirror 4 and the dichroic mirror 3 and takes the same optical path as visible light.

フィルタを介して供給される励起光源部からの光は顕微鏡室7内に入射させられる。顕微鏡室7には歪みを有する薄膜結晶層(以下試料)と前記試料を支持する試料ステージが設けられてている。顕微鏡室7に導入されたレーザ光はダイクロイックミラー8により反射され、反射鏡9により試料用顕微鏡の光軸と一致させられており、試料用顕微鏡の対物レンズ10によって試料11の表面に焦点を結ぶ。
試料は前後左右に移動可能な試料ステージ12に載っており、試料表面の任意の点の局所分析が可能である。試料表面の観察のため、小型CCDカメラ13と、観察時にのみ光路に挿入してレーザ光入射点像をカメラに導く可動式ダイクロイックミラー14が設けられている。
Light from the excitation light source unit supplied through the filter is incident on the microscope chamber 7. The microscope chamber 7 is provided with a strained thin film crystal layer (hereinafter referred to as a sample) and a sample stage for supporting the sample. The laser light introduced into the microscope chamber 7 is reflected by the dichroic mirror 8 and is made to coincide with the optical axis of the sample microscope by the reflecting mirror 9, and is focused on the surface of the sample 11 by the objective lens 10 of the sample microscope. .
The sample is placed on a sample stage 12 that can move back and forth and right and left, and local analysis of any point on the sample surface is possible. For observation of the sample surface, there are provided a small CCD camera 13 and a movable dichroic mirror 14 that is inserted into the optical path only during observation and guides the laser light incident point image to the camera.

試料11上のレーザ光入射点に発したラマン散乱光は対物レンズ10によって集光され、入射するレーザ光と逆方向に進み、ダイクロイックミラー8を透過直進して顕微鏡室7外に導かれる。
可視・紫外切替フィルタ15により必要な波数成分が透過させられて、反射鏡16、フォーカシングレンズ17を経て分光器18に入射する。
この分光器18の光学配置はコリメータ鏡19、カメラ鏡20を有する通常のツェルニーターナー型のものである。
可視域に分光効率が最適化されたグレーティング21および紫外域に最適化されたグレーティング22を内蔵しており、照射するレーザ光の波長に応じ切り替えて使用する。分光されたラマン散乱光は、液体窒素による冷却装置を備えた高感度CCD検出器23により、スペクトルの電気信号に変換されて次段の信号処理系に送られる。
The Raman scattered light emitted from the laser beam incident point on the sample 11 is collected by the objective lens 10, travels in the opposite direction to the incident laser beam, passes through the dichroic mirror 8 and is guided outside the microscope chamber 7.
A necessary wave number component is transmitted by the visible / ultraviolet switching filter 15 and enters the spectroscope 18 through the reflecting mirror 16 and the focusing lens 17.
The optical arrangement of the spectroscope 18 is of a normal Zellnie Turner type having a collimator mirror 19 and a camera mirror 20.
A grating 21 whose spectral efficiency is optimized in the visible region and a grating 22 which is optimized in the ultraviolet region are built in, and are switched according to the wavelength of the laser beam to be irradiated. The spectrally scattered Raman scattered light is converted into an electrical signal of a spectrum by a high sensitivity CCD detector 23 equipped with a cooling device using liquid nitrogen and sent to a signal processing system at the next stage.

前記装置を用いて二つの試料についてラマンスペクトルの測定をおこなった。
なお前記試料の他に基盤そのものに相当するSi基盤を準備して基準(リファランス)として使用した。図2は可視光励起における基準(リファランス)と、試料1、試料2のラマンスペクトルのプロファイル、図3は紫外光励起における基準(リファランス)と、試料1、試料2のラマンスペクトルのプロファイルを示している。
各図において、(1),(4)はリファランスのラマンスペクトル、(2),(3)はSi−Geのラマンスペクトル、(5),(6)はトップシリコンのラマンスペクトルのプロファイルをそれぞれ示す。それぞれの実施例のラマンスペクトルについて説明し、後にまとめて考察する。
Using the apparatus, Raman spectra were measured for two samples.
In addition to the sample, a Si substrate corresponding to the substrate itself was prepared and used as a reference. FIG. 2 shows a reference (reference) in visible light excitation and Raman spectrum profiles of Sample 1 and Sample 2. FIG. 3 shows a reference (reference) in ultraviolet light excitation and Raman spectrum profiles of Sample 1 and Sample 2.
In each figure, (1) and (4) are reference Raman spectra, (2) and (3) are Si-Ge Raman spectra, and (5) and (6) are top silicon Raman spectrum profiles, respectively. . The Raman spectrum of each example will be described and discussed later.

Si基盤(ウエハ)上に下記のとおりの厚さのSi−Geを形成しその上にトップシリコン薄膜を形成した第1の試料
トップシリコン層 25nm
Si(1-x) Gex (x=0.15) 400nm
Si基盤 0.75mm

Si−Ge層のラマンスペクトル:
波長515nmの可視光による励起により波数位置511cm-1にピークを得た(図2の(2)参照)。
トップシリコン層のラマンスペクトル:
波長364nmの紫外光による励起により波数位置516cm-1にピークを得た(図3の(5)参照)。
First sample top silicon layer having a top silicon thin film formed on a Si-Ge having a thickness as described below on a Si substrate (wafer) 25 nm
Si (1-x) Ge x (x = 0.15) 400 nm
Si base 0.75mm

Raman spectrum of Si-Ge layer:
A peak was obtained at a wave number position of 511 cm −1 by excitation with visible light having a wavelength of 515 nm (see (2) in FIG. 2).
Raman spectrum of top silicon layer:
A peak was obtained at a wave number position of 516 cm −1 by excitation with ultraviolet light having a wavelength of 364 nm (see (5) in FIG. 3).

Si基盤(ウエハ)上に下記のとおりの厚さのSi−Geを形成しその上にトップシリコン薄膜を形成した第2の試料
トップシリコン層 21nm
Si(1-x) Gex (x=0.2) 400nm
Si基盤 0.75mm
Si−Ge層のラマンスペクトル:
波長515nmの可視光による励起により波数位置507cm-1にピークを得た(図2の(3)参照)。
トップシリコン層のラマンスペクトル:
波長364nmの紫外光による励起により波数位置514cm-1にピークを得た(図3の(6)参照)。
Second sample top silicon layer having a top silicon thin film formed on a Si-Ge having a thickness as follows on a Si substrate (wafer) 21 nm
Si (1-x) Ge x (x = 0.2) 400 nm
Si base 0.75mm
Raman spectrum of Si-Ge layer:
A peak was obtained at a wavenumber position of 507 cm −1 by excitation with visible light having a wavelength of 515 nm (see (3) in FIG. 2).
Raman spectrum of top silicon layer:
A peak was obtained at a wave number position of 514 cm −1 by excitation with ultraviolet light having a wavelength of 364 nm (see (6) in FIG. 3).

ストレインドシリコンにおいて、引っ張り歪みの場合には無歪みのものに対して、低波数側にシフトすることが知られている。実施例2の試料のストレインドシリコンの方が引っ張り歪みが大きいことを示している。   In strained silicon, it is known that in the case of tensile strain, it shifts to the lower wave number side than the unstrained one. It shows that the strained silicon of the sample of Example 2 has a larger tensile strain.

図2は前述の装置を用い、アルゴンイオンレーザの波長515nmの可視光を照射光源として測定したラマンスペクトルである。
可視光励起における第1の試料,第2の試料と基準シリコンバルク(基盤相当)のラマンスペクトルを比べるとスペクトル(1)は純シリコンのもので、Si−Siの格子振動が波数位置521cm-1に大きなピークとして現れている。スペクトル(2)およびスペクトル(3)は、それぞれ試料1(ゲルマニウム含有率15%)と試料2(ゲルマニウム含有率20%)のスペクトルである。
FIG. 2 is a Raman spectrum measured using the above-mentioned apparatus and using an argon ion laser with visible light having a wavelength of 515 nm as an irradiation light source.
Comparing the Raman spectra of the first sample, the second sample, and the reference silicon bulk (corresponding to the base) in excitation with visible light, the spectrum (1) is that of pure silicon, and the lattice vibration of Si—Si is at the wave number position 521 cm −1 Appears as a large peak. Spectrum (2) and spectrum (3) are the spectra of sample 1 (germanium content 15%) and sample 2 (germanium content 20%), respectively.

スペクトル(2)の511cm-1、スペクトル(3)の507cm-1のピークは、いづれも最表面に形成され歪を持ったトップシリコン層に由来するものではなく、支持層のシリコン−ゲルマニウム混合結晶中のSi−Si結合の格子振動によるものであって、トップシリコン層によるピークはスペクトル(2)では516cm-1に、スペクトル(3)では514cm-1にそれぞれ分離不十分な、小さなショールダーとして現れている。
トップシリコン層の厚みが薄く、515nmのレーザ光はこれを容易に透過することからこのような測定結果となり、可視域波長光でトップシリコン層のスペクトルのみを測定することはできず、専ら各試料のSi−Ge層のスペクトルを得ている。
511cm -1 of the spectrum (2), the peak of 507cm -1 spectral (3), Izure also not derived from the top silicon layer having a strain is formed on the outermost surface, the silicon of the support layer - germanium mixed crystal It is by lattice vibration of Si-Si bonds in a peak by the top silicon layer to 516cm -1 in the spectrum (2), spectrum (3) in a respective separation sufficient to 514cm -1, the small shawl loaders Appears.
Since the thickness of the top silicon layer is thin and 515 nm laser light is easily transmitted, such a measurement result is obtained, and it is not possible to measure only the spectrum of the top silicon layer with visible wavelength light. The spectrum of the Si-Ge layer is obtained.

図3は照射光源を364nmのアルゴンイオンレーザに切り替えて得られたスペクトルである。スペクトル(4)、(5)、(6)はそれぞれスペクトル(1)、(2)、(3)に対応するものであり、スペクトル(5)、(6)のピーク波数位置は516cm-1、514cm-1と、スペクトル(2)、(3)のショールダーの波数位置と同じである。
スペクトル(2)の511cm-1やスペクトル(3)の507cm-1のピークはスペクトル(5)、スペクトル(6)には現れず、照射した紫外光が最表層以下に浸透していないことを示している。
FIG. 3 is a spectrum obtained by switching the irradiation light source to a 364 nm argon ion laser. The spectra (4), (5), and (6) correspond to the spectra (1), (2), and (3), respectively, and the peak wavenumber positions of the spectra (5) and (6) are 516 cm −1 , 514 cm −1 , which is the same as the wave number position of the Schoulder in the spectra (2) and (3).
Spectrum Spectrum (5) is the peak of 507cm -1 of 511cm -1 and spectrum (3) (2), does not appear in the spectrum (6), indicates that the ultraviolet light irradiation does not penetrate below the outermost layer ing.

薄膜層の歪み、例えばストレインドシリコン層の「応力測定」などの研究開発に、または半導体産業で製品の「品質評価」に、広く利用することができる。   It can be widely used for research and development such as strain measurement of a thin film layer, for example, “stress measurement” of a strained silicon layer, or “quality evaluation” of a product in the semiconductor industry.

本発明によるラマン分光法による薄膜結晶層の歪み測定方法を実施するための装置のブロック図である。1 is a block diagram of an apparatus for carrying out a method for measuring strain of a thin film crystal layer by Raman spectroscopy according to the present invention. FIG. アルゴンイオンレーザの波長515nmの可視光を励起光源として測定した、標準試料、第1の試料、第2の試料のラマンスペクトルである。It is a Raman spectrum of the standard sample, the 1st sample, and the 2nd sample which measured the visible light of wavelength 515nm of an argon ion laser as an excitation light source. アルゴンイオンレーザの波長364nmの紫外光を励起光源として測定した、標準試料、第1の試料、第2の試料のラマンスペクトルである。It is a Raman spectrum of the standard sample, the 1st sample, and the 2nd sample which measured using the ultraviolet light of wavelength 364nm of an argon ion laser as an excitation light source.

符号の説明Explanation of symbols

1 可視光源
2 紫外光源
3 ダイクロイックミラー
4,5 ミラー
7 顕微鏡室
8 ダイクロイックミラー
9 反射鏡
10 対物レンズ
11 試料
12 試料ステージ
13 CCDカメラ
14 ダイクロイックミラー
15 フィルタ
16 反射鏡
17 フォーカシングレンズ
18 分光器
19 コリメータ鏡
20 カメラ鏡
21,22 グレーティング
23 CCD検出器
24 可視光透過フィルタ
25 紫外光透過フィルタ
26 可視光用シャッタ
27 紫外光用シャッタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Visible light source 2 Ultraviolet light source 3 Dichroic mirrors 4 and 5 Mirror 7 Microscope room 8 Dichroic mirror 9 Reflective mirror 10 Objective lens 11 Sample 12 Sample stage 13 CCD camera 14 Dichroic mirror 15 Filter 16 Reflecting mirror 17 Focusing lens 18 Spectrometer 19 Collimator mirror 20 Camera mirrors 21 and 22 Grating 23 CCD detector 24 Visible light transmission filter 25 Ultraviolet light transmission filter 26 Visible light shutter 27 Ultraviolet light shutter

Claims (5)

薄膜結晶層と前記薄膜結晶層を支持する支持層を有する試料における薄膜結晶層の歪みを測定する方法において、
前記薄膜結晶層側から可視光と紫外光を励起光として照射する励起ステップと、
前記各励起光による各ラマン散乱光を検出する検出ステップと、
前記紫外光のラマン散乱光の波長変移から前記薄膜結晶層の歪みを推定し、前記可視光のラマン散乱光の波長および波長変移から前記支持層の状態を推定する推定ステップからなる薄膜結晶層の歪みを測定する方法。
In a method of measuring strain of a thin film crystal layer in a sample having a thin film crystal layer and a support layer that supports the thin film crystal layer,
An excitation step of irradiating visible light and ultraviolet light as excitation light from the thin film crystal layer side;
A detection step of detecting each Raman scattered light by each excitation light;
The thin film crystal layer comprises: an estimation step for estimating distortion of the thin film crystal layer from the wavelength shift of the Raman scattered light of the ultraviolet light, and estimating the state of the support layer from the wavelength and wavelength shift of the Raman scattered light of the visible light. A method of measuring strain.
前記支持層はシリコン−ゲルマニウム結晶であり、前記薄膜結晶層はストレインドシリコンであり、前記ストレインドシリコンは、通常のシリコン基盤の上に20〜500nm厚のシリコン−ゲルマニウム結晶層を生成させた支持層の上に形成された10〜30nm厚の純シリコン結晶層である請求項1記載の薄膜結晶層の歪みを測定する方法。   The support layer is a silicon-germanium crystal, the thin film crystal layer is a strained silicon, and the strained silicon is a support in which a silicon-germanium crystal layer having a thickness of 20 to 500 nm is formed on a normal silicon substrate. The method for measuring strain of a thin film crystal layer according to claim 1, which is a pure silicon crystal layer having a thickness of 10 to 30 nm formed on the layer. 前記紫外光の励起光は、好ましくは350〜370nmの範囲内にあり、最も好ましくは364nmである請求項1または2記載の試料における薄膜結晶層の歪みを測定する方法。   The method for measuring strain of a thin film crystal layer in a sample according to claim 1 or 2, wherein the excitation light of the ultraviolet light is preferably in the range of 350 to 370 nm, and most preferably 364 nm. 前記紫外光の励起光は、アルゴンイオンレーザ(364nm,351nm)、YAGレーザ第3高調波(355nm)、クリプトンイオンレーザ(351nm)から選ばれたいずれか一つである請求項1または2記載の試料における薄膜結晶層の歪みを測定する方法。   The excitation light of the ultraviolet light is any one selected from an argon ion laser (364 nm, 351 nm), a YAG laser third harmonic (355 nm), and a krypton ion laser (351 nm). A method for measuring strain of a thin film crystal layer in a sample. 歪みを有する薄膜結晶層と前記薄膜結晶層を支持する支持層を有する試料において前記薄膜結晶層の歪みを測定する装置であって、
可視光と紫外光を励起光として共通光軸で発生できる励起光源と、
前記試料を支持するステージと、
前記ステージに支持された試料に前記励起光を投射する投射光学系と、
前記試料からの各ラマン散乱をそれぞれ分光する分光手段と、
前記分光手段の出力から前記歪みと支持層の状態を演算する演算手段と
から構成した薄膜結晶層の歪みを測定する装置。
An apparatus for measuring strain of the thin film crystal layer in a sample having a thin film crystal layer having strain and a support layer that supports the thin film crystal layer,
An excitation light source capable of generating visible light and ultraviolet light as excitation light on a common optical axis;
A stage for supporting the sample;
A projection optical system that projects the excitation light onto the sample supported by the stage;
Spectroscopic means for spectroscopically analyzing each Raman scattering from the sample,
An apparatus for measuring the strain of the thin film crystal layer comprising the computing means for computing the strain and the state of the support layer from the output of the spectroscopic means.
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