Brevet FR2798195A1 — publié le 20010309

CARACERISATION DE ZONES DE SILICIUM-G %lOIUM SUR SILICIUM La présente invention concerne un procédé de caractéri- sation de zones de silicium-germanium obtenues par croissance épitaxiale sur des portions d'un substrat de silicium monocris- tallin. Il existe actuellement une tendance croissante en microélectronique à utiliser des zones d'un hétérocristal de siliciumgermanium (SixGelx) obtenues par croissance épitaxiale sur des zones superficielles d'un substrat de silicium dont les autres parties sont masquées. De telles zones de SixGelx sont notamment utilisées pour servir de base à des transistors bipo- laires pour obtenir des caractéristiques de rapidité améliorées et fournir des dispositifs qui possèdent de bonnes performances en radiofréquence. Dans la description suivante, on se référera aux figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 est une vue en coupe d'une couche de SiGe sur un substrat de silicium; la figure 2A représente très schématiquement un spectre de diffraction aux rayons X de la structure de la figure 1; la figure 2B représente un exemple réel de spectres de diffraction aux rayons X mesuré et simulé pour la structure de la figure 1; et la figure 3 est une vue en coupe de portions monocris- tallines d'une couche de SiGe sur un substrat de silicium. Pour déterminer les caractéristiques d'une couche uni- forme de SixGelx déposée sur un substrat de silicium, telle que représentée en figure 1, il est connu d'avoir recours à des pro- cédés de diffraction par rayons X. Pour cela, on projette un faisceau de rayons X monochromatiques sur la surface de l'échan- tillon. Coeme le représente la figure 2A, l'intensité réfléchie en fonction de l'angle d'incidence et/ou d'émergence comporte notamment un pic principal de diffraction pour un angle 01 correspondant au substrat de silicium monocristallin et un second pic de diffraction important pour un angle 02 correspondant à la distance entre plans réticulaires de l'hétérocristal de silicium- germanium, ce qui fournit notamment une indication de la propor- tion x dans l'expression SixGelx. En réalité, le spectre de diffraction obtenu est plus complexe, comme le représente la courbe de la figure 2B et comprend notamment un certain nombre de pics secondaires..La position et l'intensité des pics principaux et des pics secondaires renseignent notamment sur la composition, l'épaisseur, l'état de surface et la rugosité du substrat de silicium et de la couche de SixGelx. Plus particulièrement, un procédé préféré pour détermi- ner les caractéristiques de la structure à partir de son spectre de diffraction utilise une modélisation. Ce procédé est par exemple mis en oeuvre dans la machine de caractérisation DCD2 de la société Philips Analytical qui utilise cromme programme de modélisation un programme dit Epitaxy et commne programme de comparaison-optimisation un programme ditSmoothFit. Ce procédé consiste à établir par calcul mathématique un modèle du spectre de diffraction que 1 'on devrait obtenir pour une structure suppo- sée de SixGelx sur substrat de silicium ayant sensiblement les caractéristiques visées. Ensuite, on compare le modèle au spectre mesuré et l'on ajuste les paramètres de la structure introduits dans le modèle par tout procédé de minimisation connu pour obtenir une correspondance aussi bonne que possible entre le spectre mesuré et le modèle. Dans la figure 2B, on a indiqué les deux spectres au stade final de ce processus. Dans la figure 2B, le modèle correspond à la courbe la plus lisse des deux. Bien entendu, les calculs et les comparaisons sont effectués à partir de données numérisées correspondant aux courbes susmentionnées. Une fois l'optimisation obtenue, les paranmètres du modèle sont les paranmètres caractérisant la structure analysée. Ce procédé de modélisation et d'optimisation en rela- tion avec des couches uniformes de SiGe sur un substrat de sili- cium donne de bons résultats et l'on peut caractériser efficace- ment les couches déposées. Toutefois, un problème se pose avec des structures du type de celle représentée en figure 3. Sur un substrat de sili- cium monocristallin est forméne une structure de couches 2 compre- nant une ou plusieurs couches, par exemple de l'oxyde épais revêtu de silicium polycristallin, du silicium polycristallin, ou un ensemble de couches de silicium polycristallin, d'oxyde de silicium, et de nitrure de silicium. Des ouvertures sont réali- sées dans la ou les couches 2 jusqu'à atteindre le substrat 1, puis on procède à une croissance épitaxiale de SixGelx. Il en résulte que, au-dessus des ouvertures arrivant au silicium mono- cristallin on obtient des zones 4 de SixGelx monocristallin. Selon le procédé de croissance, cette croissance est localisée, ou bien on obtient au-dessus des couches 2 du SixGel-x polycristallin ou amorphe 5. Dans une analyse par diffraction de rayons X, seules les zones de SiGe monocristallines 4 et le subs- trat monocristallin de silicium 1 auront un effet diffractant, les couches polycristallines ou amorphes n'ayant aucun effet sur la diffraction des rayons X. L'expérience a montré que les spectres de rayons X réalisés sur de telles structures, et exploités par la méthode usuelle de modélisation/optimisation, donnaient de mauvais résul- tats et ne permettaient pas une bonne caractérisation de zones limitées de SixGelx. Ceci est dû au fait que le pic de diffrac- tion du silicium à l'angle 1Ol devient extrêmement important par rapport aux autres pics qui se trouvent noyés dans du bruit et notamment les pics secondaires voisins du pic associé au silicium ne sont pas correctement exploités. Pour résoudre ce problème, on a envisagé diverses solu- tions. Une première solution, essentiellement mathématique, a consisté, avant de réaliser la comparaison entre la courbe mesu- rée et le modèle, à modifier le spectre mesuré de façon à limiter la hauteur et la largeur du pic associé au silicium. Toutefois, ce procédé n'a pas donné de résultats satisfaisants notamment du fait que l'on n'arrive pas à reconstruire de façon satisfaisante les pics de diffraction secondaires masqués par le pic principal de diffraction associé au silicium. Une autre approche pour résoudre ce problème a consisté à faire une mesure de diffraction aux rayons X sur le substrat de silicium avant le dépôt par épitaxie de la couche de SiGe, puis à combiner linéairement le spectre correspondant à la structure d'ensemble au spectre correspondant au silicium. A nouveau, ceci n'a pas donné de résultats satisfaisants car il s'avère très difficile en pratique d'aligner les deux spectres mesurés succes- sifs et il semble que la mesure du pic, très intense et très étroit, correspondant au substrat soit altérée par la mesure proprement dite et par toute perturbation du substrat (nmme très faible) due à son recuit ou au dépôt de SiGe. Ainsi, dans le cas o l'on réalise seulement des zones localisées de SiGe monocristallin, les programmes actuels ne traitent pas correctement 1 'ensemble du spectre, ce qui conduit à des résultats erratiques. Les résultats dépendent notamment des valeurs d'initialisation des paramètres et peuvent diverger. La présente invention propose un nouveau procédé dans lequel, plutôt que d'essayer d'ajuster la courbe mesurée, on utilise un modèle distinct. La présente invention prévoit de combiner linéairement un modèle correspondant à un substrat de silicium monocristallin seul avec le modèle classique correspon- dant à la superposition d'une couche uniforme de SiGe sur un substrat de silicium. Ces modèles sont combinés en affectant une pondération au modèle correspondant à la structure conplexe, ce facteur de pondération correspondant sensiblement au rapport de surface entre la surface occupée par les régions monocristallines de SiGe et la surface totale de la couche. Plus particulièrement la présente invention prévoit un procédé de caractérisation d'une structure comprenant des zones de siliciumgermanium monocristallin sur un substrat de silicium monocristallin, comprenant les étapes suivantes: mesurer le spectre de diffraction aux rayons X de la structure, simuler le spectre de diffraction d'un substrat de silicium monocristallin, simuler le spectre de diffraction d'un substrat de silicium monocristallin entièrement revêtu d'une couche de SiGe monocristallin, additionner les spectres simulés en leur affectant des poids a et 1-a pour obtenir un spectre somme, corparer le spectre sonne au spectre mesuré et ajuster les paramètres de simulation et le poids a pour réduire l'écart entre le spectre somme et le spectre mesuré, après optimisation, adopter les paranmètres de simula- tion comme paramètres de mesure. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le poids a est choisi à une valeur initiale, avant optimisation, sensiblement égale au rapport entre la surface occupée par les zones de SiGe et la surface totale d'une tranche de silicium. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes. Notamment, de façon classique, il est prévu un modèle pour le cas o la couche de SiGe est ensuite revêtue d'une couche de silicium. Ce cas peut se présenter en pratique quand on a formé des régions d'émetteur en silicium au-dessus des zones de base en SiGe. La présente invention s'applique également au cas o le profil de SiGe est complexe et/ou différentes couches de SiGe sont présentes, le modèle simulé correspondant alors à une telle structure. REVENDICATIONS 1. Procédé de caractérisation d'une structure compre- nant des zones (4) de silicium-germanium monocristallin sur un substrat de silicium monocristallin (1), comprenant les étapes suivantes: mesurer le spectre de diffraction aux rayons X de la structure, simuler le spectre de diffraction d'un substrat de silicium monocristallin, simuler le spectre de diffraction d'un substrat de silicium monocristallin entièrement revêtu d'une couche de SiGe monocristallin, additionner les spectres simulés en leur affectant des poids a et 1-a pour obtenir un spectre somme, comparer le spectre somme au spectre mesuré et ajuster les paramètres de simulation et le poids a pour réduire l'écart entre le spectre somme et le spectre mesuré, après optimisation, adopter les paramètres de simula- tion comme paramètres de mesure. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le poids a est choisi à une valeur initiale, avant optimisa- tion, sensiblement égale au rapport entre la surface occupée par les zones de SiGe et la surface totale dans la zone de mesure. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de SiGe est revêtue d'une couche de silicium et en ce que le modèle simulé correspond à une telle structure.