JP4507604B2 - 貼り合せ歪みウェーハの歪み量測定方法 - Google Patents
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Description
そして、結晶面方位が(100)のSi基板上に形成されたSiGe層の格子緩和率、あるいは、その表面に形成された歪みSi層の歪み率を評価する方法として、XRD(X−Ray Diffraction)装置を用いたX線回折法が知られている。
このように、前記歪み層の歪み量を算出する際に、前記逆格子空間マップ上に現れる前記単結晶基板の前記各回折面による2つのピークが、前記逆格子空間マップの原点を通る垂直軸に対称の位置にある場合は、各回折面の測定の際に軸立てが正確に行なわれているので、前記逆格子空間マップ上に現れる同一の歪み層の前記各回折面による2つのピーク位置が前記垂直軸に対称の位置になるように、前記歪み層のピーク位置を前記原点を中心とする円周方向に回転移動させて修正することにより、TiltやTwist等による結晶方位ずれの影響を排除して、前記歪み量により決まる前記歪み層のピーク位置を求めることができる。
このように、前記単結晶基板の前記各回折面による2つのピークが前記対称の位置にない場合は、その原因は各回折面の測定の際の軸立てがずれたことにあるので、前記非対称回折面のいずれか一方による前記単結晶基板のピークが前記非対称回折面の他方による前記単結晶基板のピークと対称の位置になるように、少なくとも前記他方の非対称回折面による前記歪み層のピーク位置を平行移動させた後で、前記の回転移動による修正を行なうことにより、前記歪み量により決まる前記歪み層のピーク位置を求めることができる。
本発明は、単結晶基板の種類によらず適用できるが、単結晶基板として最も利用されているシリコン単結晶とすることができる。
このように、形成された歪み層がSiGe層であってもその格子緩和率が測定できるし、歪みシリコン層であってもその歪み率を測定することができる。また、歪み層としてSiGe層および歪みシリコン層が両方形成されていても、各々の歪み量、すなわち格子緩和率と歪み率を同時に測定できる。
ここで用いられる回折面は、非対称回折で回折強度ピークが得られればいずれの回折面でもよいが、このように、回折面指数(XYZ)を、(113)、(224)のいずれかとしてX線回折を行なえば、非対称回折による回折強度ピークを十分な強度で得ることができる。
このように、前記回転修正したSiGe層のピーク位置から、格子緩和率が0%および100%となるSiGe層のピーク位置を容易に算出することができるので、これらのピーク位置の位置関係から、水平方向、垂直方向それぞれの格子緩和率を容易に算出することができる。
このように、前記回転修正した歪みシリコン層のピーク位置から、歪みシリコン層の格子定数を容易に算出することができるので、このように算出した格子定数と通常のシリコンの格子定数から、水平方向、垂直方向それぞれの歪み率を容易に算出することができる。
従来、貼り合わせSOIウェーハのSOI層上にSiGe層をエピタキシャル成長させ、その後、酸化濃縮法によりSGOIウェーハを作製した場合、および、SiGe層を有するウェーハを貼り合わせてSGOIウェーハを作製した場合、あるいは、酸化膜上に直接歪みSi層が形成された構造のSSOI(Strained Silicon On Insulator)ウェーハを貼り合わせ法により作製した場合などの場合においては、Si基板と歪みSi層またはSiGe層の間に、Twist方向及びTilt方向に対して、結晶方位ずれを生じる。この結晶方位ずれが、X線回折測定において、歪みSi層、およびSiGe層のピーク位置をずらしてしまうという問題があった。
一方、顕微ラマン法で歪み量を測定する場合には、水平方向の歪み量しか測定できない。しかも、SiGe層の格子緩和率を測定する場合にはGe濃度を知る必要があるが、Ge濃度を知るためには破壊検査をしなければならず、ウェーハの製造歩留まりを低下させるという問題があった。
直径200mm、P型、結晶方位<100>の2枚のシリコン単結晶ウェーハを用いて、SOI層厚が110nm、埋め込み酸化膜層(Buried Oxide、以下、BOX層という。)厚が200nmの、スマートカット(登録商標)法で作製したSi基板ベースの貼り合わせSOIウェーハを用意し、X線回折装置(Philips社製)にて、(113)回折面と(−1−13)回折面の逆格子空間マップの測定を行なった。
すなわち、結晶方位ずれによる位置ずれの影響が、逆格子空間マップ上において、同一円周上に同じ大きさで、同じ方向に現れることを確認することができた。このようにずれが同一円周上で起こる理由は、逆格子空間マップ上では、回折ピークの原点からの距離は結晶格子面の面間隔の逆数によって決まり、結晶方位ずれでは格子面間隔は変わらないので、結晶方位ずれでは回折ピークの原点からの距離は変わらないためと考えられる。
直径200mm、P型、結晶方位<100>のシリコン単結晶ウェーハを用いて、SiGe層のGe濃度が20%、SiGe層厚さが40nm、BOX層厚が150nmのSGOIウェーハ(歪みSi/SiGe/BOX/Si基板)をSIMOX法及び酸化濃縮法により作製し、実験1と同様に、X線回折装置にて、(113)回折面と(−1−13)回折面の逆格子空間マップの測定を行なった。
すなわち、歪みによる位置ずれの影響が、逆格子空間マップ上において、同一円周上に同じ大きさで、逆方向に現れることを確認できた。
まず、SiGe層の格子緩和率および歪みSi層の歪み率を測定するサンプルとして、例えば、以下のようなものを用いる。まず、スマートカット(登録商標)法で作製した貼り合わせSOIウェーハのSOI層上に、SiGe層をGe濃度20%、厚さ40nmで作製する。その後、酸化濃縮工程として、1000℃以上の温度でドライ酸化しながら、SOI層にGeを拡散させるとともに、SOI層(酸化濃縮工程後にはSiGe層となる。)の薄膜化を行い、その後、HF溶液を用いて表面の酸化膜を除去して、BOX層上にGe濃度20%、厚さ40nmのSiGe層を形成する。そして、その上に歪みSi層を15nmの厚さでエピタキシャル成長する。
しかし、Y軸対称の位置にない場合は、X線回折の測定の際に軸立てがずれて原点ずれをおこしたということなので、一方の回折面、例えば(113)回折面によるSi基板のピークが、もう一方の回折面である(−1−13)回折面によるSi基板のピークと対称の位置になるように、(−1−13)回折面によるSi基板のピーク、歪みSi層及びSiGe層のピークを平行移動させる(図3D)。ただし、後の工程では(−1−13)回折面によるSi基板のピークは使用しないので、これに関しては実際に移動させなくてもよい。
次に、逆格子空間マップ上に現れる各回折面による同一の歪み層による2つのピーク位置がY軸に対称の位置になるように、SiGe層および歪みSi層のピーク位置を原点Oを中心とする円周方向に回転移動させて修正する。以下では、この回転修正方法を、SiGe層のピークを用いて具体的に説明する。
まず、逆格子空間マップ上において、(113)、(−1−13)回折面によるSiGe層の測定した(又は測定後平行移動した)ピーク位置をそれぞれA(x1、y1)、B(x2、y2)とし、OAとOBのなす角を2θとすると、前述した理由によりAとBは同一円周上に存在する。このようにAとBが同一円周上に存在するので、原点Oからの距離は同じであり、
OA=(x1 2+y1 2)1/2=(x2 2+y2 2)1/2=OB、
AB=[(x1−x2)2+(y1−y2)2]1/2
であり、
AB2=OA2+OB2−2OA・OBcos2θ
であるから、
cos2θ=(x1x2+y1y2)/(x1 2+y1 2)
となる。
OA´=OB´=OA
であり、
sinθ=[(1−cos2θ)/2]1/2、
cosθ=[(1+cos2θ)/2]1/2
であるから、
x1´=−x2´=(x1 2+y1 2)1/2sinθ=[(x1(x1−x2)+y1(y1−y2))/2]1/2、
y1´=y2´=(x1 2+y1 2)1/2cosθ=[(x1(x1+x2)+y1(y1+y2))/2]1/2
となる。
以上のように、回転移動させて修正したSiGe層のピーク位置が求められる(図3E)。このようにして修正したSiGe層のピーク位置は、ウェーハのTiltやTwist等により生じる結晶方位ずれによる位置ずれが取り除かれたものであり、SiGe層の格子緩和率により決まるピーク位置である。なお、歪みSi層のピークについても、同様の方法で回転修正する。
l1:y=(ySi/xSi)x
と表される。次に、A´を通り直線にl1に垂直な直線l2は
l2:y=−(xSi/ySi)(x−x1´)+y1´
と表される。
x100=(xSi 2x1´+xSiySiy1´)/(xSi 2+ySi 2)、
y100=(xSiySix1´+ySi 2y1´)/(xSi 2+ySi 2)
となる。
x0=xSi、
y0=−(xSi/ySi)(xSi−x1´)+y1´
となる。
Rhor=(x0−x1´)/(x0−x100)×100[%]、
Rver=(y1´−y0)/(y100−y0)×100[%]
である。
一般に、格子定数aの結晶におけるミラー指数(hkl)の結晶面の面間隔dhklは、
dhkl=a/(h2+k2+l2)1/2
で表される。逆格子空間マップにおける座標と面間隔との関係から、
dhk0=1/x1´´、d00l=1/y1´´
従って、歪みSi層の水平方向および垂直方向の格子定数ahor、averは、
ahor=(h2+k2)1/2/x1´´、
aver=l/y1´´
となる。
従って、歪みSi層の水平方向および垂直方向の歪み率εhor、εverは、シリコンの格子定数aSi(5.43Å)を基準として、
εhor=(aSi−ahor)/aSi×100[%]、
εver=(aSi−aver)/aSi×100[%]
となる。
(実施例1)
SiGe層の格子緩和率を測定するサンプル1として、酸化濃縮法を用いたSGOIウェーハの作製を行なった。スマートカット(登録商標)法で作製した直径200mmの貼り合わせSOIウェーハ上に、SiGe層をGe濃度20%、厚さ40nmで作製し、その後、1000℃以上の温度でドライ酸化しながら、SOI層にGeを拡散させるとともに、SOI層(酸化濃縮工程後にはSiGe層となる。)の薄膜化を行い、その後、HF溶液を用いて表面の酸化膜を除去して、BOX層上にGe濃度20%、厚さ40nmのSiGe層を形成した。今回は、SiGe層の格子緩和率を測定することを目的としているため、SiGe層上に歪みSi層は形成しなかった。
歪みSi層の歪み率を測定するサンプル2として、SGOIウェーハの作製を行なった。スマートカット(登録商標)法で作製した直径200mmの貼り合わせSOIウェーハ上に、SiGe層をGe濃度20%、厚さ40nmで作製し、その後、1000℃以上の温度でドライ酸化しながら、SOI層にGeを拡散させるとともに、SOI層(酸化濃縮工程後にはSiGe層となる。)の薄膜化を行い、その後、HF溶液を用いて表面の酸化膜を除去して、BOX層上にGe濃度20%、厚さ40nmのSiGe層を形成した。そして、その後SiGe層の上にSi層を50nmの厚さだけエピタキシャル成長させ、歪みSi層とした。
また、基板をシリコン基板、歪み層をSiGe層および歪みSi層である場合について述べたが、単結晶基板の上に貼り合わせ法により歪み層が形成されたものであれば、GaAsのような化合物半導体であってもよい。
Claims (8)
- 貼り合わせ法により単結晶基板上に少なくとも一層の歪み層が形成された貼り合せ歪みウェーハの歪み量測定方法であって、少なくとも、前記貼り合わせ歪みウェーハをX線回折法により回折面指数(XYZ)、(−X−YZ)の2つの非対称回折面について測定し、前記測定データから逆格子空間マップを作成し、前記逆格子空間マップ上に現れる前記単結晶基板及び前記歪み層の前記各回折面からのピーク位置から、前記歪み層の歪み量を算出することを特徴とする歪み量測定方法。
- 前記歪み層の歪み量を算出する際に、前記逆格子空間マップ上に現れる前記単結晶基板の前記各回折面による2つのピークが、前記逆格子空間マップの原点を通る垂直軸に対称の位置にある場合は、前記逆格子空間マップ上に現れる同一の歪み層の前記各回折面による2つのピーク位置が、前記垂直軸に対称の位置になるように、前記歪み層のピーク位置を前記原点を中心とする円周方向に回転移動させて修正することにより、前記歪み量により決まる前記歪み層のピーク位置を求めることを特徴とする請求項1に記載の歪み量測定方法。
- 前記単結晶基板の前記各回折面による2つのピークが前記対称の位置にない場合は、前記非対称回折面のいずれか一方による前記単結晶基板のピークが、前記非対称回折面の他方による前記単結晶基板のピークと対称の位置になるように、少なくとも前記他方の非対称回折面による前記歪み層のピーク位置を平行移動させた後、前記逆格子空間マップ上に現れる同一の歪み層の前記各回折面による2つのピーク位置が前記垂直軸に対称の位置になるように、前記歪み層のピーク位置を前記原点を中心とする円周方向に回転移動させて修正することにより、前記歪み量により決まる前記歪み層のピーク位置を求めることを特徴とする請求項1に記載の歪み量測定方法。
- 前記単結晶基板をシリコン単結晶とすることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の歪み量測定方法。
- 前記測定する歪み量を、SiGe層の格子緩和率及び/又は歪みシリコン層の歪み率とすることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の歪み量測定方法。
- 前記回折面指数(XYZ)を、(113)、(224)のいずれかとすることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の歪み量測定方法。
- 前記格子緩和率を算出する際に、前記回転修正したSiGe層のピーク位置から、格子緩和率が0%および100%となるSiGe層のピーク位置を算出し、前記算出したピーク位置を用いて前記格子緩和率を算出することを特徴とする請求項5または請求項6に記載の歪み量測定方法。
- 前記歪み率を算出する際に、前記回転修正した歪みシリコン層のピーク位置から、歪みシリコン層の格子定数を算出し、前記算出した格子定数を用いて前記歪み率を算出することを特徴とする請求項5または請求項6に記載の歪み量測定方法。
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