JP5197818B2

JP5197818B2 - 薄膜半導体結晶層の歪み測定方法および測定装置

Info

Publication number: JP5197818B2
Application number: JP2011198032A
Authority: JP
Inventors: 良祐清水
Original assignee: 株式会社フォトンデザイン
Priority date: 2011-09-12
Filing date: 2011-09-12
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2024-01-15
Also published as: JP2011247906A

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。

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。

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。

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の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。

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の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。

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。

請求項１記載の方法によれば、３６４ｎｍの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。

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。

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。
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。

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。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。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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) Ｇｅ_x （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）。

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) Ｇｅ_x （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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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
１３ＣＣＤ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
２３ＣＣＤ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

Claims

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の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。
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の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。
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測定方法。