(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ge結晶成長の判別方法であって、
光源の波長を変えながらエリプソメトリを測定する分光エプリメトリによって、SiO2上のGe表面に照射する入射光と、そのGe表面で反射した反射光との偏光を測定するステップと、
前記偏光の変化から定義されたψ−Δ平面上の軌跡を観察するステップであって、ψはｐ偏光／ｓ偏光の振幅比、Δはｐ偏光とｓ偏光の位相差を表す、ステップと、
前記軌跡のスパイラル形状から、Ge結晶成長の初期段階で、Ge成長が２次元層成長または３次元的な島状成長のいずれになるかを判別するステップと
を含むことを特徴とするGe結晶成長の判別方法。
【請求項２】
前記判別するステップでは、前記軌跡が１回転のスパイラルの場合は、２次元層成長と判別し、前記軌跡が複数の回転を含むスパイラルの場合は、３次元的な島状成長と判別することを特徴とする請求項１に記載のGe結晶成長の判別方法。
【請求項３】
前記判別するステップにおいて、前記Δの位相差が、Geの成長過程において、０°から３６０°に変わる場合は、前記Ge成長が３次元的な島状成長であると判別することを特徴とする請求項１に記載のGe結晶成長の判別方法。  
【請求項４】
前記SiO2は、Si基板上に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のGe結晶成長の判別方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、SiO2上のゲルマニウム（Ge）結晶の成長形状を判別するための方法に関する。
【０００２】
Geのバルク結晶は、赤外域の光検出器の主要部品として用いられてきたが、SiO2上に形成したGeドットは、光エミッタ、光検出器またはダイオードなどへの応用が期待されている（非特許文献１，２）。さらに、LSI(Large-scale Integrated Circuit)やシリコンフォトニクスに代表されるような集積デバイスへの適用にも期待されているが、この場合、結晶成長により、基板上にGeを堆積させる必要がある。Ge膜が２次元的な形状で十分な厚みがあれば、それは、上述したGeのバルク結晶と同様の特性を示すことになる。
【０００３】
しかし、例えば光励起に伴って生じるキャリアの閉じ込めを実現するためには、Geを３次元的な形状にしてドットの状態で基板上に配列することが求められる。特に絶縁性を有するSiO2を基板として使用した場合、光励起によるキャリアは、Geドット内に閉じ込められることになるので、高効率な発光および受光が実現できる。
【０００４】
一般に、Geドットの形状、サイズ、ドット密度またはドット間の距離などの各種パラメータは、Ge原子の供給速度、温度または表面の状態の影響を受けるため、これらのパラメータを正確に制御するのは非常に難しい。従来は、ある成長条件を設定してGeを成膜させた後に、得られたGe表面のモフォロジーをSEMやAFMによって計測することによって、その計測値をデータベース上に構築しておき、そのデータベース上の値を参照しながら、所望のGeの形状を得るための成膜パラメータを決定している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Q. Wan, T. H. Wang, W. L. Liu, and C. L. Lin, J. Cryst. Growth 249 (2003) 23
【非特許文献２】I. Berbezier, A. Karmous, A. Ronda, A. Sgarlata, A. Balzarotti, P. Castrucci, M. Scarselli, and M. De Crescenzi, Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 063122
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、Ge成長の開始後に、（i）２次元的な形状を有する連続膜が得られたり、あるいは（ii）３次元的な形状を有するドットが成長したりすることになるが、いずれの成長過程に進むかの分かれ目となるパラメータ領域の隣接点では、わずかな変化によって成長過程が変わることになるので、Ge成長の初期段階で、各種パラメータからいずれの成長過程に進むことを予測することは難しい。
【０００７】
本発明は、このような状況下において鑑みてなされたものであり、Ge成長の初期段階で、Ge結晶の成長形状を判別する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、本発明は、Ge結晶成長の判別方法であって、光源の波長を変えながらエリプソメトリを測定する分光エプリメトリによって、SiO2上のGe表面に照射する入射光と、そのGe表面で反射した反射光との偏光を測定するステップと、前記偏光の変化から定義されたψ−Δ平面上の軌跡を観察するステップであって、ψはｐ偏光／ｓ偏光の振幅比、Δはｐ偏光とｓ偏光の位相差を表す、ステップと、前記軌跡のスパイラル形状から、Ge結晶成長の初期段階で、Ge成長が２次元層成長または３次元的な島状成長のいずれになるかを判別するステップとを含む。
【０００９】
ここで、前記判別するステップでは、前記軌跡が１回転のスパイラルの場合は、２次元層成長と判別し、前記軌跡が複数の回転を含むスパイラルの場合は、３次元的な島状成長と判別するようにしてもよい。
【００１０】
前記判別するステップにおいて、前記Δの位相差が、Geの成長過程において、０°から３６０°に変わる場合は、前記Ge成長が３次元的な島状成長であると判別するようにしてもよい。
【００１１】
前記SiO2は、Si基板上に形成するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、Ge成長の初期段階において、２次元成長または３次元成長になるかの判別を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】Ge結晶の成長状態をモニタするためのモニタ装置の構成例を示す図である。
【図２】Ge結晶のドット状態を示す図である。
【図３】GeH4のガス圧が1×10-2torrの場合において、エリプソメトリのψ（プサイ）およびΔ（デルタ）の変化の軌跡を示す図である。
【図４】図３の終点Ｅにおける擬誘電応答関数の実部および虚部のスペクトルを示す図である。
【図５】Ge膜表面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像を示す図である。
【図６】GeH4のガス圧が1×10-3torrの場合において、エリプソメトリのψ（プサイ）およびΔ（デルタ）の変化の軌跡を示す図である。
【図７】図６の終点Ｔにおける擬誘電応答関数の実部および虚部のスペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本実施形態におけるGe結晶の成長形状を判別する方法について説明する。
【００１５】
この実施形態の判別方法では、光源の波長を変えながらエリプソメトリ（ellipsometry）法による測定を行う分光エプリメトリによって、Ge成長表面への入射光と、その結果反射した反射光との偏光を測定し、その偏光の変化から後述するψ（プサイ）とΔ（デルタ）とを定義する。そして、ψ−Δ平面上で描く軌跡から、Ge結晶成長の初期段階で、それ以降のGe成長が２次元層成長(以下、「２次元成長」ともいう。)、または３次元的な島状成長（以下、「３次元成長」ともいう。）のいずれになるかを判別するものである。
【００１６】
なお、エリプソメトリ法とは、物質の表面で光が反射するときの偏光状態の変化（入射と反射）を観測し、そこから物質に関する情報を求める方法である。測定には、エリプソメータを使用する。
【００１７】
上記判別には、図１に示したエリプソメトリ装置（エリプソメータ）１００と情報処理装置２００とが用いられる。図１は、エリプソメトリ装置１００および情報処理装置２００を含む全体のシステムを示す概略図である。
【００１８】
図１において、エリプソメトリ装置１００では、真空ポンプ５０により真空に排気されるチャンバ１０内において、Si基板２０が配置され、その基板２０上に形成されたSiO2層上にGeが成長するようになっている。ヒータ３０は、基板２０の裏面を加熱することになるが、この加熱温度の調整は、ヒータパワーによって行うことができる。
【００１９】
物質供給装置４０は、例えば、蒸発源またはGeH4ガスによりGeを供給する。
【００２０】
光源１からのプローブ光の１次光は、導入窓２を介して基板２０の表面へ入射し、その表面で反射した光は、導入窓３を介して検出器４に入射する。
【００２１】
光源１および検出器４の各々は、例えば光ファイバを介して、情報処理装置２００と接続されており、情報処理装置２００は、光源１および検出器４の各々から情報（入射光の入射角，波長，光強度など）を入力するようになっている。
【００２２】
情報処理装置２００は、図１に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０１と、メモリ２０２と、キーボード等の入力装置２０３と、表示装置２０４とを含む。
【００２３】
情報処理装置２００では、ＣＰＵ２０１により、ｐ偏光およびｓ偏光の各反射率の比を算出する。そして、ＣＰＵ２０１は、ρ＝ Rp/Rs = tanψ（ｉΔ）の式に従い、各波長ごとに、光のエネルギーに対応するψ（プサイ）およびΔ（デルタ）を定義する。なお、ψはｐ偏光／ｓ偏光の振幅比、Δはｐ偏光とｓ偏光の位相差を表す。以下の説明では、（ψ，Δ）をエリプソ角と称する。
【００２４】
さらに、エリプソ角（ψ，Δ）と入射角φとを用いて、擬誘電応答関数<ε> = <ε1>＋ｊ<ε2>を導出する。
【００２５】
一般に、分光エリプソメトリにおいては、物質（媒質）それ自体の光吸収の強さに応じて、プローブ光が固体内へ侵入する深さが異なることから、その深さに応じた領域（以下、「深さ領域」とも呼ぶ。）の情報を得る。特に、吸収の大きい波長の場合、物質表面付近の誘電率の影響が強くなる。本実施形態の表示装置２０４は、擬誘電応答関数<ε>における虚部<ε2>の値が大きい波長領域（3 eV以上5 eV以下）で観測されるため、高感度モニタが用いられる。
【００２６】
例えば、Geの物質表面に粗さ（ラフネス）がある場合、物質と空隙とを有する状態が光学応答に反映されるため、Geの充填率が低くなる。このことは、Ge結晶がドット状に形成されていることを意味する。このような様子は、後述する図２に示してある。
【００２７】
図２（ａ）〜（ｅ）は、SiO2層２１の上に成長した様々な形状のGe膜２２を例示してある。
【００２８】
図２（ａ）は２次元の平坦なGe膜２２が形成される場合の様子を示す図である。図２（ｂ）は、２次元成長の後にGe膜２２の表面に粗さ２３ａ，２３ｂが規則的に形成される場合の様子を示す図である。図２（ｃ）は、GeによってSiO2２１の表面が濡れずGe膜２２が最初から３次元成長する場合の様子を示す図である。
【００２９】
図２（ｄ）は、図２（ｃ）のGe膜２２の島がさらに大きくなった場合の様子を示す図である。図２（ｄ）の例では、隣接する島状のGe膜２２同士が接することになる。
【００３０】
図２（ｅ）は、縦長のGe膜２２が成長する場合の様子を示す図である。
【００３１】
なお、上述した図２（ａ）〜（ｂ）は２次元成長を示し、図２（ｃ）〜（ｅ）は３次元成長を例示している。
【００３２】
図２（ａ）〜（ｅ）において、ｈは、上述した深さ領域（Ge膜２２の表面から所定の位置までの距離）を示すので、光学応答は、このGe膜２２の深さ領域中に含まれるGeと空隙との割合、および、深さ方向におけるGeおよび空隙の分布状況による影響を受ける。例えば、図２（ａ）の例では、Ge膜２２の膜厚は、「ｈ」の距離よりも大きいので、後述のとおり、光学応答は、ほぼ２次元のGe結晶に対応したものとなる。
【００３３】
図２（ｂ）の例では、光学応答は、「ｈ」の下部位置から、粗さ２３ａ，２３ｂを有するGe膜に対応するものとなる。
【００３４】
図２（ｃ）の例では、Ge膜２２の厚みが「ｈ」の距離よりも小さくなっているので、プローブ光は、SiO2層２１中の「ｈ」の下部位置まで侵入することになるが、SiO2は透明なので、結局、プローブ光は、SiO2層２１の下面まで到達する。この場合、光学応答は、Si基板２０の影響も受けたものとなる。
【００３５】
図２（ｄ）に示したGe膜２２の形状では、プローブ光は、Ge膜２２で吸収されることになるので、光学応答は、SiO2膜２１の影響を受けない。
【００３６】
図２（ｅ）の例では、光学応答は、空隙の多いGe膜２２に対応したものとなる。
【００３７】
なお、仮に、上述したSiO2層２１を用いずにSi基板２０上にGeを成長させる場合に分光エリプソメトリを適用すると、SiおよびGeの各擬誘電応答関数は多少の違いしかないため、Geの２次元成長または３次元成長のいずれかの違いを確実に判別することは難しくなる。
【００３８】
しかしながら、本実施形態のように、Si基板２０上にSiO2膜２１を形成し、SiO2膜２１上にGeを成長させる場合は、可視域においてSi基板２０が不透明になり、SiO2膜２１が透明になるため、不透明なGeが透明なSiO2層２１上に堆積されると、Geの形状が光学応答に反映されることになる。この場合、後述のように、「Δ」の値は、０°程度の値から突然、３６０°程度の値になるので、これにより堆積されるGeの形状を判別することが可能になる。
【００３９】
以下、情報処理装置２００の表示装置２０４によって実現される分光エリプソメトリによる判別方法について、再度図１〜図２を参照して詳述する。
【００４０】
図１に示したエリプソメトリ装置１００において、光励起CVDによってGeH4原料ガスを分解し、発生したGeHxを、SiO2熱酸化膜を備える基板２０上に堆積する。このとき、情報処理装置２００の表示装置２０４によって、GeHxの成長が開始した直後から、分光エリプソメトリの測定系の光学応答の変化を観察した。この観察は、3.4 eVの光エネルギーに対応する波長（365 nm）の場合に行った。
【００４１】
この場合、光源１からのプローブ光（入射光）は、基板２０の表面の法線方向に対して＋７０°の方向から入射し（入射角＝７０°）、検出器４への反射光も、基板２０の表面の法線方向に対して−７０°の方向（入射角とは逆方向）に反射した。
【００４２】
エリプソメトリ装置１００では、チャンバ１０内の基板２０を３００℃に保った状態で、物質供給装置４０によりGeH4ガスを所定のガス圧でチャンバ１０内へ供給した。
【００４３】
次に、真空紫外光が基板２０上へ照射されると、GeH4が部分的に分解してGeHxが生成されて、これらが基板２０の表面に与えられ、結果、Geを成長させる。情報処理装置２００のＣＰＵ２０１は、このときのエリプソ角(ψ，Δ)の時間変化を計算し、その結果をψ−Δ平面上に軌跡として表示装置２０４に表示する。
【００４４】
図３は、GeH4のガス圧が1102 torrの場合の(ψ,Δ)平面上の変化の軌跡を示す図である。
【００４５】
図３では、軌跡のプロット（丸印）は、１０秒ごとにサンプリングされた計算結果である。光エネルギーが3.4eVの場合は、Geの吸収があるため、Ge膜２２の上部の光学特性を反映したエリプソ角になっている。
【００４６】
図３の例では、SiO2/Si基板の光学応答に対応するプロットは「O」から開始し、Geの堆積が進むにつれ、始点「O」から「Ａ」→「Ｂ」→「Ｃ」→「Ｄ」→「Ｅ」の順に、右回りの１回転のスパイラルを描き、終点「Ｅ」に収束している。このような１回転のスパイラルを示す軌跡は、図２（ａ）に一例を示した２次元成長の場合のものである。これにより、Geが２次元成長することを判別することができる。
【００４７】
図４は、図３に示した終点「Ｅ」における擬誘電応答関数<ε>の実部<ε1>および虚部<ε2>のスペクトルｒ，ｅを示す図である。
【００４８】
擬誘電応答関数の虚部<ε2>を示すスペクトルｅに示すように、バンド間遷移のピークＥ1，Ｅ2において、ε2の振幅は、それぞれＥ1＝２０、Ｅ2＝２２となる。これらＥ1，Ｅ2時の振幅値は、Ge結晶の誘電応答関数の振幅と比べて小さくなる（例えば、文献１の「B. Drevillon and C. Godet, J. Appl. Phys. 64 (1988) 145.」参照）。これは、バルク単結晶に比べて結晶性が劣ることと、Ge結晶の表面が完全な平坦ではないことが考えられる。このような場合も、２次元成長であると判別することができる（例えば、図２（ｂ）参照）。
【００４９】
なお、図４において、「ｒ」は、擬誘電応答関数の実部<ε1>を示すスペクトルを示す。
【００５０】
図５（ａ）は、図３に示した終点「Ｅ」におけるGe膜表面のＡＦＭ像を示す図である。
【００５１】
図５（ａ）では、二乗平均粗さ（RMS粗さ）は0.6nmに過ぎず、非常に平坦なGe膜が得られていることが分かる。すなわち、成長したGe膜２２は２次元成長した結晶である。このことは、図４に示した擬誘電応答関数<ε>の振幅と整合している。なお、図５（ｂ）は後述する。
【００５２】
図６は、GeH4のガス圧103 torr の場合に成長したときの（ψ，Δ）平面上の変化の軌跡を示す図である。
【００５３】
図６では、始点「Ｏ」から「Ａ」までの軌跡は、図３に示したものと同様に、SiO2膜２１の表面上にGeの原子膜が形成される間の軌跡である。
【００５４】
そして、「Ａ」の点は、その後、「Ｐ」→「Ｑ」と移動し、結果、「Ａ」→「Ｐ」→「Ｑ」の軌跡は、左回りの小さいスパイラルを描いている。これは、Geが小さい島状に成長（３次元成長）している（例えば、図２（ｃ））。
【００５５】
さらに、図６に示した「Ｑ」の点は、Ge/SiO2/Siの多層構造に特有の光学的干渉によって、位相角Δが、突然、０°から３６０°に変化している。その後、軌跡は、「Ｏ」から「Ｑ」→「Ｒ」→「Ｓ」→「Ｔ」に変化する左回りの大きなループを描いている。これは、Geが３次元的な島状に成長する過程に移行し、Geの島が高い状態のまま、Geが成長し続けているからである。このとき、図６の「Ｓ」から「Ｔ」までの間は、プロット数が多いことからわかるように、収束速度が遅くなる。この「Ｓ」→「Ｔ」の間は、Geの成長表面に供給されたGe原子が動き回るため、３次元成長をしながら、Geの膜厚が厚くなるからである。すなわち、この過程では、隣接するGe膜同士は、接触しない（図２（ｅ）参照）。
【００５６】
図７は、図６の終点「Ｔ」における<ε>の実部<ε1>および虚部<ε2>のスペクトルｒ，ｅを示す図である。
【００５７】
擬誘電応答関数の虚部<ε2>を示すスペクトルｅに示すように、バンド間遷移のピークＥ1，Ｅ2において、ε2の振幅は、それぞれＥ1＝１１、Ｅ2＝１４となる。これらＥ1，Ｅ2時の振幅値は、図４に示したもの（Ｅ1＝２０、Ｅ2＝２２）に比べて、非常に小さい。このことから、擬誘電応答関数の虚部＜ε2＞の振幅は、波長の吸収の度合いを示す指標として用いることができる。
【００５８】
虚部＜ε2＞の振幅が大きいほど、波長の吸収が大きく、Ge膜の表面付近のGe密度が高くなる。これは、低密度をもたらすボイド（void）の含有率が低い、すなわち図２（ｃ）に一例を示すようなGe膜２２の島が小さいからである。なお、上述したボイドは、物質（この実施形態では、Ge）中に含まれる気泡部分を意味する。
【００５９】
図５（ｂ）は、図６に示した終点「Ｔ」におけるGe膜表面のＡＦＭ像を示す図である。図５（ｂ）では、二乗平均粗さ（RMS粗さ）は4nmである。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態のGe結晶の成長形状を判別する方法によれば、光源１の波長を変えながらエリプソメトリを測定する分光エプリメトリによって、SiO2層２１のGe膜２２の表面に照射する入射光と、そのGe膜２２の表面で反射した反射光との偏光を測定し、偏光の変化から定義されたψ−Δ平面上の軌跡を観察する。ここで、この観測では、上記軌跡のスパイラル形状から、Ge結晶成長の初期段階で、Ge成長が２次元層成長または３次元的な島状成長のいずれになるかを判別する。これにより、Ge成長の初期段階において、２次元成長または３次元成長になるかの判別を行うことができる。
【００６１】
一般に、実際に半導体デバイスを製造する場合、Geが成長した後に、ＡＦＭによりその表面モフォロジー(Morphology)、すなわち表面の凹凸等を計測することはできない。表面モフォロジーを計測するためにGeの成長表面の凹凸をなぞるように観察すれば、Ge膜の形状が変わる可能性があるからである。
【符号の説明】
【００６２】
１  光源
４  検出器
２０  Si基板
２１  SiO2層
２２  Ge膜  
１００  エリプソメトリ装置
２００  情報処理装置
２０１  ＣＰＵ
２０４  表示装置
【図１】
0006467359.tif 000002
【図２】
0006467359.tif 000003
【図３】
0006467359.tif 000004
【図４】
0006467359.tif 000005
【図５】
0006467359.tif 000006
【図６】
0006467359.tif 000007
【図７】
0006467359.tif 000008