JP4937190B2 - Method and apparatus for measuring strain of thin film semiconductor crystal layer - Google Patents
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Description
本発明は、ラマン分光法による薄膜半導体結晶層の歪み測定方法および測定装置に関する。 The present invention relates to a strain measurement method and a measurement apparatus for a thin film semiconductor 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 distortion has the property of increasing the conduction velocity of charges (electrons / holes) inside the crystal by a factor of two, so that there is a possibility that a high-speed semiconductor device 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.
An object of the present invention is to provide a method for measuring the strain of a strained silicon layer, in which the Raman scattering of the strained silicon layer can be clearly distinguished from the Raman scattering of the support 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記載の薄膜半導体結晶層の歪みを測定する測定方法は、
シリコン基盤，シリコン−ゲルマニウム結晶の支持層，および支持層上に形成されたストレインドシリコンの薄膜半導体結晶層よりなり、前記支持層により前記薄膜半導体結晶層が歪まされている前記薄膜半導体結晶層の歪みを測定する方法において、
３６４ｎｍを除く３５０〜３７０ｎｍの範囲内の紫外線レーザ発振から選ばれた単一波長の紫外線レーザを励起光として前記薄膜半導体結晶層に照射する励起ステップと、
前記紫外線レーザの薄膜半導体結晶層への照射により発生するラマン散乱光を分光するステップと、
前記ラマン散乱光の分光結果を検出する検出ステップと、
前記検出の結果から紫外線レーザのラマン散乱光の波長変移から前記薄膜半導体結晶層の歪みを推定する演算ステップと、
からなり、
前記試料に照射した紫外線レーザを前記支持層およびシリコン基盤に浸透させることなく前記薄膜半導体結晶層の歪みを測定するように構成されている。
In order to achieve the object, a measuring method for measuring strain of a thin film semiconductor crystal layer according to
A thin film semiconductor crystal layer comprising a silicon substrate, a silicon-germanium crystal support layer, and a strained silicon thin film semiconductor crystal layer formed on the support layer, wherein the thin film semiconductor crystal layer is distorted by the support layer. In a method for measuring distortion,
An excitation step of irradiating the thin film semiconductor crystal layer with excitation light of an ultraviolet laser having a single wavelength selected from ultraviolet laser oscillation within a range of 350 to 370 nm excluding 364 nm;
Spectroscopic analysis of Raman scattered light generated by irradiation of the thin film semiconductor crystal layer with the ultraviolet laser; and
A detection step of detecting a spectral result of the Raman scattered light;
A calculation step for estimating the distortion of the thin film semiconductor crystal layer from the wavelength shift of the Raman scattered light of the ultraviolet laser from the detection result;
Consists of
The strain of the thin film semiconductor crystal layer is measured without penetrating the ultraviolet laser applied to the sample into the support layer and the silicon substrate.
本発明による請求項２記載の薄膜半導体結晶層の歪みを測定する測定装置は、
シリコン基盤，シリコン−ゲルマニウム結晶の支持層，および支持層上に形成されたストレインドシリコンの薄膜半導体結晶層よりなり、前記支持層により前記薄膜半導体結晶層が歪まされている前記薄膜半導体結晶層の歪みを測定する測定方法に用いる測定装置において、
前記シリコン基盤，シリコン−ゲルマニウム結晶の支持層，および支持層上に形成されたストレインドシリコンの薄膜半導体結晶層よりなる試料のステージと、
３６４ｎｍを除く３５０〜３７０ｎｍの範囲内の紫外線レーザ発振から選ばれた単一波長の紫外線レーザを励起光として発生する励起光源と、
前記試料に前記励起光を投射する投射光学系と、
前記薄膜半導体結晶層からのラマン散乱光を分光する分光器と、
前記ラマン散乱光の分光結果を検出し出力する検出器と、
前記試料に照射した紫外線レーザを前記支持層およびシリコン基盤に浸透させることなく前記検出器の出力から前記薄膜半導体結晶層の歪みの状態を演算する演算手段と
を具備し、
前記投射光学系により、前記励起光源の紫外線レーザを、前記ステージ上の試料に前記薄膜半導体結晶層側から照射して励起によるラマン散乱光を発生させ、
前記薄膜半導体結晶層のラマン散乱光を分光手段により分光し、
前記検出器により前記ラマン散乱光の分光結果を検出し、
前記演算手段により、前記検出器の出力から偏移する波数位置を得、偏移する波数位置から波数位置と歪みの相関より前記歪みの状態を演算することを特徴とする。
A measuring apparatus for measuring strain of a thin film semiconductor crystal layer according to
A thin film semiconductor crystal layer comprising a silicon substrate, a silicon-germanium crystal support layer, and a strained silicon thin film semiconductor crystal layer formed on the support layer, wherein the thin film semiconductor crystal layer is distorted by the support layer. In a measurement apparatus used in a measurement method for measuring strain,
A sample stage comprising the silicon substrate, a silicon-germanium crystal support layer, and a strained silicon thin film semiconductor crystal layer formed on the support layer;
An excitation light source that generates, as excitation light, an ultraviolet laser having a single wavelength selected from ultraviolet laser oscillation within a range of 350 to 370 nm excluding 364 nm;
A projection optical system that projects the excitation light onto the sample;
A spectroscope that separates Raman scattered light from the thin film semiconductor crystal layer;
A detector that detects and outputs a spectral result of the Raman scattered light; and
Computation means for computing the strain state of the thin film semiconductor crystal layer from the output of the detector without penetrating the ultraviolet laser irradiated to the sample into the support layer and the silicon substrate,
The projection optical system irradiates a sample on the stage with an ultraviolet laser of the excitation light source from the thin film semiconductor crystal layer side to generate Raman scattered light by excitation,
Spectroscopy the Raman scattered light of the thin film semiconductor crystal layer by a spectroscopic means,
Detecting the spectral result of the Raman scattered light by the detector,
The calculating means obtains a wave number position shifted from the output of the detector, and calculates the distortion state from the wave number position shifted based on the correlation between the wave number position and distortion.
本発明による請求項３記載の測定方法は、請求項１記載の測定方法において、
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ことを特徴とする。
本発明による請求項４記載の測定方法は、請求項１記載の測定方法において、
前記紫外線レーザの励起光は、アルゴンイオンレーザ（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 measurement method according to
The strained silicon 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. To do.
The measurement method according to
The excitation light of the ultraviolet laser is any one selected from an argon ion laser ( 351 nm ), a YAG laser third harmonic (355 nm), and a krypton ion laser (351 nm) .
請求項１記載の方法によれば、３５０〜３７０ｎｍの範囲内の紫外線レーザ発振から選ばれた単一波長の紫外線レーザを励起光として、紫外線レーザのラマン散乱光の波長変移から薄膜半導体結晶層の歪みを推定することができる。
According to the method of
請求項２記載の測定装置によれば、前述した測定方法を確実に実施することができる。 According to the measuring apparatus of the second aspect, the above-described measuring method can be reliably performed.
請求項３記載の測定方法によれば、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の歪みを測定できる。
請求項４記載の測定方法によれば、アルゴンイオンレーザ（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の紫外線レーザの励起光を用いて薄膜半導体結晶層の歪みを測定できる。
前記紫外線レーザの励起光は、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線レーザで励起する場合は、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線レーザで励起する場合は、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 measurement method of
According to the measurement method of
Excitation light before Symbol ultraviolet laser is preferably in the range of 350-370 nm, 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 an ultraviolet laser in a region less than 350 nm from these, 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 an ultraviolet laser 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.
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半導体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 semiconductor 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
These visible and ultraviolet light paths are provided with
Visible light passes through the
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には歪みを有するストレインドシリコンの薄膜半導体結晶層（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 silicon thin-film semiconductor crystal layer (hereinafter referred to as a sample) having a strain and a sample stage for supporting the sample. The laser light introduced into the microscope chamber 7 is reflected by the
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
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
A necessary wave number component is transmitted by the visible / ultraviolet switching filter 15 and enters the spectroscope 18 through the reflecting
The optical arrangement of the spectroscope 18 is of a normal Zellnie Turner type having a collimator mirror 19 and a
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
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
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 a lower wave number side than 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
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.
薄膜半導体結晶層の歪み、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 semiconductor crystal layer, for example, “stress measurement” of a strained silicon layer, or “quality evaluation” of a product in the semiconductor industry.
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
Claims (4)
３６４ｎｍを除く３５０〜３７０ｎｍの範囲内の紫外線レーザ発振から選ばれた単一波長の紫外線レーザを励起光として前記薄膜半導体結晶層に照射する励起ステップと、
前記紫外線レーザの薄膜半導体結晶層への照射により発生するラマン散乱光を分光するステップと、
前記ラマン散乱光の分光結果を検出する検出ステップと、
前記検出の結果から紫外線レーザのラマン散乱光の波長変移から前記薄膜半導体結晶層の歪みを推定する演算ステップと、
からなり、
前記試料に照射した紫外線レーザを前記支持層およびシリコン基盤に浸透させることなく前記薄膜半導体結晶層の歪みを測定する測定方法。 A thin film semiconductor crystal layer comprising a silicon substrate, a silicon-germanium crystal support layer, and a strained silicon thin film semiconductor crystal layer formed on the support layer, wherein the thin film semiconductor crystal layer is distorted by the support layer. In a method for measuring distortion,
An excitation step of irradiating the thin film semiconductor crystal layer with excitation light of an ultraviolet laser having a single wavelength selected from ultraviolet laser oscillation within a range of 350 to 370 nm excluding 364 nm;
Spectroscopic analysis of Raman scattered light generated by irradiation of the thin film semiconductor crystal layer with the ultraviolet laser; and
A detection step of detecting a spectral result of the Raman scattered light;
A calculation step for estimating the distortion of the thin film semiconductor crystal layer from the wavelength shift of the Raman scattered light of the ultraviolet laser from the detection result;
Consists of
A measurement method for measuring strain of the thin film semiconductor crystal layer without penetrating the ultraviolet laser applied to the sample into the support layer and the silicon substrate.
前記シリコン基盤，シリコン−ゲルマニウム結晶の支持層，および支持層上に形成されたストレインドシリコンの薄膜半導体結晶層よりなる試料のステージと、
３６４ｎｍを除く３５０〜３７０ｎｍの範囲内の紫外線レーザ発振から選ばれた単一波長の紫外線レーザを励起光として発生する励起光源と、
前記試料に前記励起光を投射する投射光学系と、
前記薄膜半導体結晶層からのラマン散乱光を分光する分光器と、
前記ラマン散乱光の分光結果を検出し出力する検出器と、
前記試料に照射した紫外線レーザを前記支持層およびシリコン基盤に浸透させることなく前記検出器の出力から前記薄膜半導体結晶層の歪みの状態を演算する演算手段と
を具備し、
前記投射光学系により、前記励起光源の紫外線レーザを、前記ステージ上の試料に前記薄膜半導体結晶層側から照射して励起によるラマン散乱光を発生させ、
前記薄膜半導体結晶層のラマン散乱光を分光手段により分光し、
前記検出器により前記ラマン散乱光の分光結果を検出し、
前記演算手段により、前記検出器の出力から偏移する波数位置を得、偏移する波数位置から波数位置と歪みの相関より前記歪みの状態を演算することを特徴とする薄膜半導体結晶層の歪みを測定する測定装置。 A thin film semiconductor crystal layer comprising a silicon substrate, a silicon-germanium crystal support layer, and a strained silicon thin film semiconductor crystal layer formed on the support layer, wherein the thin film semiconductor crystal layer is distorted by the support layer. In a measurement apparatus used in a measurement method for measuring strain,
A sample stage comprising the silicon substrate, a silicon-germanium crystal support layer, and a strained silicon thin film semiconductor crystal layer formed on the support layer;
An excitation light source that generates, as excitation light, an ultraviolet laser having a single wavelength selected from ultraviolet laser oscillation within a range of 350 to 370 nm excluding 364 nm;
A projection optical system that projects the excitation light onto the sample;
A spectroscope that separates Raman scattered light from the thin film semiconductor crystal layer;
A detector that detects and outputs a spectral result of the Raman scattered light; and
Computation means for computing the strain state of the thin film semiconductor crystal layer from the output of the detector without penetrating the ultraviolet laser irradiated to the sample into the support layer and the silicon substrate,
The projection optical system irradiates a sample on the stage with an ultraviolet laser of the excitation light source from the thin film semiconductor crystal layer side to generate Raman scattered light by excitation,
Spectroscopy the Raman scattered light of the thin film semiconductor crystal layer by a spectroscopic means,
Detecting the spectral result of the Raman scattered light by the detector,
The distortion of the thin film semiconductor crystal layer is characterized in that the calculation means obtains a wave number position shifted from the output of the detector, and calculates the state of the distortion from the wave number position shifted and the correlation between the wave number position and the distortion. Measuring device to measure.
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ことを特徴とする測定方法。 The measurement method according to claim 1,
The strained silicon 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. Measuring method to do.
前記紫外線レーザの励起光は、アルゴンイオンレーザ（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測定方法。 The measurement method according to claim 1,
The measuring method in which the excitation light of the ultraviolet laser is any one selected from an argon ion laser ( 351 nm ), a YAG laser third harmonic (355 nm), and a krypton ion laser (351 nm).
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