(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体単結晶上に積層された歪み半導体層の歪み量を測定する方法であって、
前記歪み半導体層の表面に分光された光を偏光させて入射させ、歪み半導体層からの反射光の偏光状態を測定して得られた光学情報と歪み半導体層の光学定数の歪み依存性とに基づいて、歪み半導体層の歪み量を求めることを特徴とする歪み半導体層の歪み量測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の歪み半導体層の歪み量測定方法において、
前記光学情報と前記歪み依存性とに基づいて前記歪み半導体層の膜厚又は前記半導体単結晶の組成の少なくとも一方も同時に求めることを特徴とする歪み半導体層の歪み量測定方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の歪み半導体層の歪み量測定方法において、
前記半導体単結晶は、ＳｉＧｅであり、
前記歪み半導体層は、歪みＳｉ層であることを特徴とする歪み半導体層の歪み量測定方法。
【請求項４】
請求項３に記載の歪み半導体層の歪み量測定方法において、
前記分光された光は、３．０ｅＶから３．５ｅＶのエネルギーを有する光であることを特徴とする歪み半導体層の歪み量測定方法。
【請求項５】
半導体単結晶上に積層された歪み半導体層の歪み量を測定する装置であって、
前記歪み半導体層の表面に分光された光を偏光させて入射させる光照射部と、
前記歪み半導体層からの反射光の偏光状態を測定する受光部と、
前記偏光状態を測定して得られた光学情報と歪み半導体層の光学定数の歪み依存性とに基づいて、歪み半導体層の歪み量を算出する演算部とを備えることを特徴とする歪み半導体層の歪み量測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の歪み半導体層の歪み量測定装置において、
前記演算部は、前記光学情報と前記歪み依存性とに基づいて、に基づいて前記歪み半導体層の膜厚又は前記半導体単結晶の組成の少なくとも一方も同時に算出する機構を有していることを特徴とする歪み半導体層の歪み量測定装置。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の歪み半導体層の歪み量測定装置において、
前記半導体単結晶は、ＳｉＧｅであり、
前記歪み半導体層は、歪みＳｉ層であり、
前記光照射部は、前記分光された光として３．０ｅＶから３．５ｅＶのエネルギーを有する光を照射可能であることを特徴とする歪み半導体層の歪み量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば高速ＦＥＴに用いられる歪みＳｉ層等の歪み半導体層の歪み量測定方法及び歪み量測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、Ｓｉ（シリコン）ウェーハ上にＳｉＧｅ（シリコン・ゲルマニウム）層を介してエピタキシャル成長した歪みＳｉ層をチャネル領域に用いた高速のＭＯＳＦＥＴ、ＭＯＤＦＥＴ、ＨＥＭＴが提案されている。この歪みＳｉ−ＦＥＴでは、Ｓｉに比べて格子定数の大きいＳｉＧｅによりＳｉ層に引っ張り歪みが生じ、そのためＳｉ層のバンド構造が変化して縮退が解けてキャリア移動度が高まる。したがって、この歪みＳｉ層をチャネル領域として用いることにより通常の１．５〜８倍程度の高速化が可能になるものである。また、プロセスとしてＣＺ法による通常のＳｉウェーハを基板として使用でき、従来のＣＭＯＳ工程、従来配線幅（ゲート長）で高速ＣＭＯＳを実現可能にするものである。
【０００３】
このような高速ＦＥＴとして歪みＳｉ層を用いるには、歪みＳｉ層の歪み量及び膜厚とＳｉＧｅ層のＧｅ組成比を正確に設定しなければならず、そのためにこれらのパラメータを高精度に測定する必要がある。
従来、上記のような歪みＳｉ層の歪み量を測定するには、ラマン線のシフト量から求めたり（ラマン分光法）、Ｘ線構造解析を行い、ロッキングカーブのモデルフィッティングにより決定したりしている。
【０００４】
また、上記歪みＳｉ層の膜厚を測定するには、試料断面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）やＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）による観察で求めたり、ＳＩＭＳ（二次イオン質量スペクトル分析）、オージェ分光、ＲＢＳ（ラザフォードバックスキャタリング：ラザフォード後方散乱）の深さ方向プロファイルから求めたり、また、上記Ｘ線構造解析により求めている。なお、ＳＩＭＳ及びオージェ分光は、歪みＳｉ層及びＳｉＧｅ層の膜厚を、試料のスパッタ速度から推定する方法である。
さらに、歪みＳｉ層下のＳｉＧｅ層におけるＧｅ組成比を測定するには、ＳＩＭＳ、オージェ分光、ＲＢＳ等の測定手段が用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術では、以下のような課題が残されている。
すなわち、歪みＳｉ層の歪み量を測定する手段として用いられている上記ラマン分光法では、ラマン散乱光が非常に弱いために複数の分光器が必要になり、複雑かつ高コストであると共に、歪みＳｉ層の膜厚を同時に測定することができず、ラマン分光法による測定の他に上記の測定手段を行う必要があった。また、上記ＳＥＭ、ＴＥＭ、ＳＩＭＳ及びオージェ分光による測定は、破壊型測定手段であり、試料を一度測定に用いると他のパラメータを測定する試料として用いることができないという不都合がある。さらに、ＳＩＭＳ及びオージェ分光による測定は、ＳｉＧｅ層及び歪みＳｉ層の膜厚も試料のスパッタ速度から推定することが可能であるが、あまり精度が良くない。なお、Ｘ線構造解析は、非破壊でＳｉの歪み量と膜厚とを同時に測定できるが、測定に比較的時間がかかってしまう方法である。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、歪み半導体層の歪み量を非破壊で高精度にかつ簡易に測定可能であり、さらにその膜厚や下地層の組成も同時に測定可能な歪み半導体層の歪み量測定方法及び歪み量測定装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、緩和ＳｉＧｅ層上に成長させた歪みＳｉ層について研究を行ってきた結果、その歪み量と分光エリプソメトリーによる測定の歪みを考慮した解析結果とが高精度に一致することがわかった。さらに、歪みＳｉ層の下地層である緩和ＳｉＧｅ層のＧｅ組成比についても解析結果と一致することがわかった。したがって、本発明は、上記知見から得られたものであり、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
すなわち、本発明の歪み半導体層の歪み量測定方法は、半導体単結晶上に積層された歪み半導体層の歪み量を測定する方法であって、前記歪み半導体層の表面に分光された光を偏光させて入射させ、歪み半導体層からの反射光の偏光状態を測定して得られた光学情報と歪み半導体層の光学定数の歪み依存性とに基づいて、歪み半導体層の歪み量を求めることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の歪み半導体層の歪み量測定装置は、半導体単結晶上に積層された歪み半導体層の歪み量を測定する装置であって、前記歪み半導体層の表面に分光された光を偏光させて入射させる光照射部と、前記歪み半導体層からの反射光の偏光状態を測定する受光部と、前記偏光状態を測定して得られた光学情報と歪み半導体層の光学定数の歪み依存性とに基づいて、歪み半導体層の歪み量を算出する演算部とを備えることを特徴とする。
【０００９】
これらの歪み半導体層の歪み量測定方法及び歪み量測定装置では、歪み半導体層の表面に分光された光を偏光させて入射させ、歪み半導体層からの反射光の偏光状態を測定して得られた光学情報と歪み半導体層の光学定数の歪み依存性とに基づいて、歪み半導体層の歪み量を求めるので、非破壊かつ高精度に歪み量を簡易に測定することができる。すなわち、分光エリプソメトリー法により得られた反射光の偏光状態は、歪み半導体層の歪み量に応じた屈折率や反射率等の光学定数の変化によって変化すると考えられ、半導体層の光学関数の歪み効果を考慮して測定結果をコンピュータ等でフィッティング処理することにより、後述するようにラマン分光法による測定値と高精度に一致した歪み量を得ることができる。
【００１０】
また、本発明の歪み半導体層の歪み量測定方法及び歪み量測定装置は、前記光学情報と前記歪み依存性とに基づいて前記歪み半導体層の膜厚又は前記半導体単結晶の組成の少なくとも一方も同時に求める技術を採用する。すなわち、この歪み半導体層の歪み量測定方法及び歪み量測定装置では、上記光学情報及び上記歪み依存性に基づいて歪み半導体層の膜厚又は下地層である半導体単結晶の組成の少なくとも一方も同時に求めることにより、歪みを考慮した正確な上記膜厚及び組成を得ることができる。
【００１１】
さらに、本発明の歪み半導体層の歪み量測定方法は、前記半導体単結晶が、ＳｉＧｅであり、前記歪み半導体層が、歪みＳｉ層である場合に好適である。すなわち、この歪み半導体層の歪み量測定方法では、高速ＦＥＴ等の緩和ＳｉＧｅ層上に形成された歪みＳｉ層における歪み量を高精度に測定することに適している。
【００１２】
また、本発明の歪み半導体層の歪み量測定方法及び歪み量測定装置は、前記半導体単結晶が、ＳｉＧｅであり、前記歪み半導体層が、歪みＳｉ層であり、前記分光された光を３．０ｅＶから３．５ｅＶのエネルギーを有する光とすることが好ましい。すなわち、この歪み半導体層の歪み量測定方法及び歪み量測定装置では、ＳｉＧｅ層上の歪みＳｉ層において歪みのない場合と比べて顕著に変化するエネルギーの光として、３．０ｅＶから３．５ｅＶのエネルギーを有する光を照射するので、より正確な測定結果を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る歪み半導体層の歪み量測定方法及び歪み量測定装置の一実施形態を、図１から図７を参照しながら説明する。
【００１４】
本発明の歪み量測定装置は、半導体単結晶上に積層された歪み半導体層の歪み量及び膜厚と半導体単結晶の組成を、いわゆる分光エリプソメトリーにより測定する装置であって、図１に示すように、歪み半導体層の表面に分光された光を偏光させて入射させる光照射部１と、歪み半導体層からの反射光の偏光状態を測定する受光部２と、上記偏光状態を測定して得られた光学情報と歪み半導体層の光学定数の歪み依存性とに基づいて、歪み半導体層の歪み量を算出する演算部３とを備えている。なお、符号４は、測定用サンプルＳを載置する試料台である。
【００１５】
上記光照射部１は、光源として水銀ランプ１ａを備えており、近赤外から近紫外まで（本実施形態では、２．８ｅＶから４．５ｅＶまで０．０５ｅＶ間隔で）分光させた光を偏光状態のわかった完全偏光として照射可能となっている。また、上記受光部２は、上記反射光を受光する光電子増倍管である。
上記演算部３は、歪み半導体層表面での入射面に平行な偏光成分の反射率と垂直な偏光成分の反射率との振幅反射率比ｔａｎΨ（光学情報）及び両成分の位相差△（光学情報）を求め、得られたｔａｎΨ及びｃｏｓ△に対して半導体層に歪みがあるとした場合のモデル（光学定数の歪み依存性を考慮したモデル）に基づくフィッティングを行って歪み半導体層の歪み量及び膜厚と下地層である半導体単結晶の組成をコンピュータ処理により算出するものである。
なお、演算部３で取り込んだ測定結果のコンピュータ処理を、本装置の演算部３ではなく、別のコンピュータにより処理する方法を用いても構わない。
【００１６】
次に、この歪み量測定装置による歪み量測定方法について、実際に作製した測定用サンプルの測定例をもって説明する。
【００１７】
上記測定用サンプルＳは、図２に示すように、ＬＰ−ＣＶＤ（減圧ＣＶＤ）を用いて、Ｓｉ（００１）基板ＳＵＢ上に１．５μｍの傾斜ＳｉＧｅ層Ｌ１を、Ｇｅ組成比が０から０．３まで連続に変化するように成膜し、さらにＧｅ組成比が０．３で一定の緩和ＳｉＧｅ層（半導体単結晶）Ｌ２を０．７５μｍ成膜し、その上に３０ｎｍのＳｉ層を成膜して歪みＳｉ層（歪み半導体層）Ｌ３を形成したものである。なお、図示しないが、歪みＳｉ層Ｌ３表面には、極薄い自然酸化膜（ＳｉＯ2）が形成されている。
【００１８】
なお、Ｇｅ組成比が０．２〜０．３で組成比一定の緩和ＳｉＧｅ層０．７５μｍ程度の上にＳｉを成膜した場合、可視域の入射光の消衰距離は０．７５μｍ以下であるので、一定組成比のＳｉＧｅ層上の歪みＳｉ層というモデリングにより、歪みＳｉ層Ｌ３の歪み量及び膜厚と緩和ＳｉＧｅ層Ｌ２のＧｅ組成比とを決定することができる。
また、歪みＳｉ層Ｌ３の下に可視域の入射光の消衰距離以下の緩和ＳｉＧｅ層Ｌ２があり、その下にＳｉＯ2等の絶縁膜があるような構造でも、一定組成比のＳｉＧｅ層上に形成された絶縁膜上の一定組成比のＳｉＧｅ層上に形成されたＳｉ層というモデリングにより、歪みＳｉ層Ｌ３の歪み量及び膜厚と緩和ＳｉＧｅ層Ｌ２のＧｅ組成比を決定することができる。
【００１９】
このように作製した測定用サンプルＳを、歪み量測定装置の試料台４にセットし、測定用サンプルＳ表面に光照射部１から２．８〜４．５ｅＶまで０．０５ｅＶ間隔で分光させかつ偏光させた光を照射する。さらに、測定用サンプルＳからの反射光を受光部２で受光し、その反射光の偏光状態から得られた光学情報と歪みＳｉ層Ｌ３の光学定数の歪み依存性とに基づいて、歪みＳｉ層Ｌ３の歪み量、膜厚及び緩和ＳｉＧｅ層Ｌ２のＧｅ組成比を演算部３で算出する。
【００２０】
上記演算部３の計算における緩和ＳｉＧｅ層Ｌ２の光学定数は、C.Pickering,R.T.Carline,D.J.Robbins,W.Y.Leong,S.J.Barnett,and,A.D.Pitt,J.Appl.Phys.73,239(1993).に記載されたデータを用いた。また、歪みＳｉ層Ｌ３における光学定数の歪み依存性については、明記した文献等がないため、これを理論計算により算出した。この際の、誘電関数の実部と虚部との結果を、図３及び図４に示す。
【００２１】
なお、上記光学定数の歪み依存性は、歪み半導体層の誘電関数の実部及び虚部における歪み量に対する変化であり、また、上記理論計算は、以下のようにして行った。
まず、第一原理計算により求められた歪みＳｉの電子状態により誘電関数を求め、１ｅＶから７ｅＶの範囲のピークの高さとエネルギー値の歪み依存性を求めた。これにより、Ｓｉの誘電関数の歪み０のピークからの高さとエネルギー値のシフトを算出した結果、図３，４が求められた。
【００２２】
このような上記結果を元に、演算部３において分光エリプソメトリーの測定結果を解析処理する。すなわち、上記演算部３において、反射光から測定されたｔａｎΨ及びｃｏｓ△に対し、Ｓｉに歪みがあるとした場合の上記理論計算によるモデルに基づくフィッティング（Levenberg-Marguardt法）を行う。なお、このフィッティング結果及び歪みの無い通常のＳｉの光学関数を用いてフィッティングした結果を、図５及び図６に示す。これらの図からわかるように、歪みを考慮した本実施形態の測定方法では、３〜３．５ｅＶの測定結果の特徴的な関数形をｔａｎΨ及びｃｏｓ△の双方で同時に再現できている。
【００２３】
さらに、演算部３において、歪みＳｉ層Ｌ３の歪み量及び膜厚と緩和ＳｉＧｅ層Ｌ２のＧｅ組成比とを図５及び図６のフィッティング曲線から算出する。この算出結果を、図７の図表に示す。なお、比較のため、測定用サンプルＳについて、緩和ＳｉＧｅ層Ｌ２のＧｅ組成比をＳＩＭＳで測定し、また歪みＳｉ層Ｌ３の歪み量をラマン分光法により別途測定した結果も示す。
【００２４】
これらの結果からわかるように、本実施形態の測定方法では、分光エリプソメトリーの測定結果の解析にＳｉの光学関数における歪みの効果（歪み依存性）を考慮することにより、歪みＳｉ層Ｌ３の歪み量を高精度に測定することができると共に、歪みＳｉ層Ｌ３の膜厚及び緩和ＳｉＧｅ層Ｌ２のＧｅ組成比を同時に非破壊で短時間に測定することができる。
特に、歪みＳｉ層Ｌ３の歪み依存性が顕著に現れる３．０〜３．５ｅＶのエネルギー光を照射することにより、より高精度に歪み量等を測定することができる。
【００２５】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
本発明の歪み半導体層の歪み量測定方法及び歪み量測定装置では、歪み半導体層の表面に分光された光を偏光させて入射させ、歪み半導体層からの反射光の偏光状態を測定して得られた光学情報と歪み半導体層の光学定数の歪み依存性とに基づいて、歪み半導体層の歪み量を求めるので、高速ＦＥＴに用いられる歪みＳｉ層等の歪み量を非破壊で高精度にかつ簡易に測定することができ、さらには、その膜厚や下地層の半導体単結晶の組成をも高精度にかつ同時に非破壊で測定することも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る歪み半導体層の歪み量測定方法及び歪み量測定装置の一実施形態における歪み量測定装置を示す概略的な構成図である。
【図２】  本発明に係る歪み半導体層の歪み量測定方法及び歪み量測定装置の一実施形態における歪み量測定装置にセットされる測定用サンプルを示す要部断面図である。
【図３】  本発明に係る歪み半導体層の歪み量測定方法及び歪み量測定装置の一実施形態において、入射する光のエネルギーに対するＳｉの誘電関数の実部の歪み依存性を示すグラフである。
【図４】  本発明に係る歪み半導体層の歪み量測定方法及び歪み量測定装置の一実施形態において、入射する光のエネルギーに対するＳｉの誘電関数の虚部の歪み依存性を示すグラフである。
【図５】  本発明に係る歪み半導体層の歪み量測定方法及び歪み量測定装置の一実施形態において、歪みを考慮した場合と考慮しない場合の入射した光のエネルギーに対するｔａｎΨの測定結果及びフィッティング結果を示すグラフである。
【図６】  本発明に係る歪み半導体層の歪み量測定方法及び歪み量測定装置の一実施形態において、歪みを考慮した場合と考慮しない場合の入射した光のエネルギーに対するｃｏｓ△の測定結果及びフィッティング結果を示すグラフである。
【図７】  本発明に係る歪み半導体層の歪み量測定方法及び歪み量測定装置の一実施形態において、歪みを考慮した本実施形態の場合と考慮しない場合及び他の測定手段による場合のそれぞれの歪みＳｉ層の膜厚及び歪み量と緩和ＳｉＧｅ層のＧｅ組成比とを示す図表である。
【符号の説明】
１  光照射部
２  受光部
３  演算部
Ｌ２  緩和ＳｉＧｅ層（半導体単結晶）
Ｌ３  歪みＳｉ層（歪み半導体層）
Ｓ  測定用サンプル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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