JP3440421B2 - 半導体のミクロ欠陥検出装置とその方法 - Google Patents
半導体のミクロ欠陥検出装置とその方法Info
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Description
はないが、部分的に処理された、あるいはバルクシリコ
ンのミクロ欠陥を検出する装置とその方法に関する。
ないシリコンウェファーの生産を可能にした。しかしな
がら、転位のないウェファーは、ウェファーが高温処理
を受けた後では転位のないままでは残ることができない
おそれがある。ウェファー中のデバイス活性領域内に形
成される欠陥およびゲート酸化物中に作り出された欠陥
は、一般的にデバイスの性能を低下させ、収率の低下と
信頼性に問題を生じることになる。本発明はこれらの欠
陥の位置決めをして、その電気的活性度を測定するため
に用いられる。
準位、すなわち価電子帯域あるいは伝導帯域端(band e
dge)から遠い準位を形成し、そして時として点欠陥と
拡張した欠陥の両方のデコレーション(decoration)に
至り、結局はデバイス障害を生じる。これらの遷移金属
の不純物は、劇的にキャリアの寿命を低減するとともに
暗流発生場所(dark current generation sites)、す
なわち光のない所で漏洩電流が発生する場所として作用
する、再結合中心およびトラップを形成する。摩耗(ab
rasion)のような機械的損傷(mechanical damage)が
一般的に行われる所に損傷個所(damage site)を置く
(provide)ために、ウェファー中の不純物を吸い上げ
るスポンジ(sponge soaking upimpurities)のように
効果的に作用するゲッタリング技術(gettering techni
ques)が、遷移金属不純物をデバイス活性区域から除去
するために開発されてきた。従って前述の損傷が、電気
的デバイスから遠い(離れた)ウェファーの区域で意図
的に行われるようにしている。このように、内部ゲッタ
リングは、デバイス区域から取り除かれた望ましくない
不純物を引きつけてシリコン基板に欠陥を持ち込む。ゲ
ッタリングを行う場所(gettering site)は、異なるプ
ロセス条件に対応してその分布を制御することで特徴づ
けられなければならず、その課題は本発明により実施さ
れる。
層であるエピタキシャルシリコンは、成長CZ(as−grow
n CZ)ウェファーに関する問題を克服するために用いら
れる。言い換えると、エピタキシャルシリコンの厚みが
増加するにつれ、この層が欠陥の無い方法で成長できる
場合には、それはデバイスの活性(activity)に影響す
るバルクウェファー中に不純物がない、電気的デバイス
用の個所(site)として使用できる。しかしながら、こ
の活性(activity)を発揮するに十分な厚みのエピタキ
シャル層を常に使用することは不可能であり、エピタキ
シャル層が薄い所ではバルクウェファー中にある欠陥は
電気的デバイスの性能を妨害する。その上、エピタキシ
ャル層には金属汚染の問題がある。
欠陥検出用に既に存在し、それらにはフローパターン欠
陥を明らかにするための湿式化学エッチング、下部構造
中の欠陥を代替表示する波状起伏(undulation)を検出
する光を用いて、表面ウェファーのトポグラフィー(to
pography)を検査する光拡散トポグラフィーおよびウェ
ファーを通る光の透過が検査され、小さな経路変化に起
因する移相(phase shift)がウェファー中の欠陥をイ
メージするために使用される透過型干渉コントラスト顕
微鏡(transmission interference contrast microscop
y)がある。これらの技術の総ては、ウェファー中の物
理的な欠陥の存在を測定するために使用される。しかし
ながら、それらは欠陥の電気的特性を測定するものでは
なく、その上、ある場合には破壊的でさえある。従っ
て、ウェファーの構造上の完全性を決定するための技術
としてはそれらが提供する情報が不足しており、さらに
ウェファーを積極的に壊す場合がある。光ルミネセンス
(PL)分光法は、半導体中の不純物および欠陥における
本質的かつ非本質的(intrinsic and extrinsic)な両
方の電子的遷移を研究するための非常に感度の良い技術
である。シリコンがレーザー放射により低温で材料のバ
ンド・ギャップより上に励起されると正孔対(electron
hole pairs)が作り出される。これらのキャリアは各
種の異なる方法で再結合し、そのうちいくつかはルミネ
センスを生じる。低温で形成された正孔対はシリコン中
の不純物にトラップされ、それらはこの相互作用に特徴
のある光子を放射することで、光ルミネセンススペクト
ルに不純物特性の情報を与える。シリコンへのPL分光法
の応用には種々の処理ステップ後のシリコンの特徴を知
ることを含めて、例えば注入(inplantation)、酸化、
プラズマエッチング技術、点欠陥複合体(defection of
point defect complexes)および転位(dislocation)
の存在の検出等、デバイス製造の特徴を示す極めて多数
のものがある。最も重要な応用の一つはヒ素、ホウ素お
よびリンのような浅準位ドナー(shallow donor)およ
びアクセプタの非破壊的測定を包む。特に、この技術に
よりこれらの浅準位ドナーおよびアクセプタの濃度測定
が可能になる。しかしながら、このスペクトル情報を得
るためおよび光心(optical centres)の明白な化学的
同定をするために、これら総ての応用において、測定は
液体ヘリウム温度で行われる必要がある。室温ではPL信
号は非常に弱化し、有用なスペクトル情報は極めて少し
しか得られない、ということが工業界では知られてい
る。
一組の実験が知られている(室温における光ルミネセン
スによるシリコン結晶のミクロ欠陥のマッピング、Semi
conductor Silicon1990年、Proceeding90−7巻 994−
1004頁)。この論文でシリコンウェファー中の深準位
(deep level)PLおよび帯域端(band edge)PLの両方
が室温で検出可能であると論証しているが、ここで使用
される技術はスペクトル情報を得なければならず、従っ
て空間的分析(spatial resolution)は困難であり(co
nstrained)、かつ多くの所要時間が必要であるという
ことに注意しなければならない。このことは、この技術
を成功裡に使用することを難しくする。室温PLは欠陥の
再結合特性を非破壊的に検査するのは理想的であるた
め、これは不運である。
を作り出すことができるという工業的に応用できるPL技
術を開発するに至った。さらに、我々の技術はまた、ウ
ェファー表面近くの小さな個々の欠陥のミクロな像を得
ることができる。これは、ウェファーの奥深くの大きな
欠陥クラスタの全体図(macro view)を作りがちな前述
のPL室温技術とは対照的である。
関数として下記で与えられる、 IPL(x,y)=k∫ARfηΔnd3 (1) ここで、kは光収集効率(light collection efficie
ncy)および検出器量子効率(detector quantum effici
ency)のような実験的パラメータを与える比例係数であ
る。AおよびRrは、材料(A)内部の吸収損失および表
面(Rr)での反射損失に対する修正係数である。ηは半
導体の内部量子効率(inside quantum efficiency)、
Δnは過剰キャリア密度およびd3は光放射材料(materi
al emitting light)の体積である。
このことはPL像の強度変化として観察される。PLのコン
トラストCを下記のように定義する、 ここでIPL(∞)は欠陥から遠く離れた位置での、IPL
(x,y)は位置x,yにおける強度である。
過剰な正孔対がシリコン中に生成されると、再結合は放
射的(光を放射)であるか非放射的のいずれかである。
いかなる変化もRITおよびRnrの両方の空間的変化による
ものである。
(深準位あるいは浅準位)の位置およびキャリア捕獲断
面(carrier capture cross sections)に左右される。
低い注入レベルでは再結合率は少数キャリアの有効性
(availability of the minority carrier)により制限
され、一方、注入された電荷が平衡キャリア濃度を超え
る高い注入レベルでは再結合率は捕捉数(the number o
f traps)で制限される。従って、注入レベルの増加は
欠陥の再結合を促すことになる。
用に適した速さで半導体あるいはシリコン構造中の欠陥
に関する情報を提供し、および/あるいは半導体あるい
はシリコン構造の上部領域の、そしてその表面に特に近
い欠陥を見ることを可能にする光ルミネセンス技術を提
供することが、本発明の一つの目的である。
くするために、そのPL像のコントラストを強化する目的
で前記半導体あるいはシリコン構造中の欠陥における正
孔対の非放射再結合をし易くすることが、本発明の次の
目的である。
リアの寿命の変化によって観察されるような選択された
励起条件下での、半導体あるいはシリコン構造からのル
ミネセンスの収集に基づくものである。
を使用し、欠陥は欠陥部分でのキャリアの寿命の局部的
変化によって検出される。これらの欠陥は、一般に欠陥
の物理的位置で暗部として観察されるが、放射再結合が
増大すると(enhanced)、背景に関しては(having reg
ard to the background)、比較的明るい領域を生じる
場合もある。
より増大され(enhanced)、キャリアが少なくても、そ
れを有効に利用することができる。
容積(probing volume)が小さい(空間的分解能0.1−2
0μm、理想的には2−5μm)ことによるものであ
り、従って局在化された欠陥(localized defect)が測
定PL強度にかなり大きな影響を与えていると考える。ま
た、励起(excitation)は集中されているので注入キャ
リア密度は高くなり、部分的にはそのために成功したと
考える。このことは、欠陥部分での、すなわち欠陥部分
の物理的位置における非放射再結合の確率を大いに高め
る。
ン構造を高強度レーザーに露出し、それからその光ルミ
ネセンスを決定する方法であって、前記半導体あるいは
シリコン構造中の空間および深さ分解能(spatial and
depth resolution)を高めるための方法を提供してい
る。
改善することにより半導体あるいはシリコン構造中の欠
陥を明らかにするために行われる。
係に放射が集中する(emittance is focused)、高電力
密度レーザーを包含するがそれに限定されるものではな
い。
減され、その結果、効果的なサンプリング深さは励起源
の波長によって順番(in turn)に決まる励起レーザー
の浸透深度によって殆ど決定される、ということが発見
された。短波長を用いて表面近傍の欠陥が検査される。
逆に、長波長は試料中の深い欠陥を調査するために用い
ることができる。
い、理想的には時間関数としてルミネセンス像を測定し
ている。これは深さおよび空間の両方の分解能が改善さ
れ、欠陥部分のキャリア捕捉断面についての情報を得る
ために使用可能であることを意味している。時間分析測
定(time resolved measurements)もまた有効キャリア
寿命を測定するため、および寿命マップを得るために用
いられる。
ptics)が前記半導体の大きな容積をレーザーで励起
し、一連のフォーカルプレーン(focal plane)から像
を収集することにより、欠陥の深さ識別を得るために用
いられる。
を、0.1mm〜0.5ミクロンの間のスポットの大きさで104
から109watt/cm2間のピークまたは平均電力に特徴があ
る少なくとも一つの高い強度の光のビームに露出し、そ
れから半導体あるいはシリコン構造の欠陥を観察するた
めにそこからルミネセンスを収集するステップを有す
る、半導体あるいはシリコン構造中の欠陥を特定する方
法が提供されている。
バルクシリコンの欠陥分布(defect distribution in p
art processed and bulk silicon)を描くことが可能で
ある。本方法は、全半導体の欠陥分布の決定、また密度
および空間分布の決定および半導体の欠陥再結合の測定
に応用される。
に高強度レーザーを有することを特徴とする、半導体あ
るいはシリコン構造の光ルミネセンス作像を行うための
装置が提供されている。
はその波長励起を調整するために変調可能であり、それ
によって前記装置の使用者は前記半導体あるいはシリコ
ン構造を異なる深さで試験することが可能である。例え
ば、短波長を前記半導体あるいはシリコン構造の表面近
傍を試験するために用いてもよく、長波長は前記半導体
あるいはシリコン構造のより深い所を観察するために用
いてもよい。
は前記レーザーのパルス状の出力を可能にし、PL像が時
間の関数として得られる手段を備えている。
は前記レーザーを高周波数(0.1−100Mhz)で前記レー
ザーを変調する手段を備え、それにより前記装置の使用
者は前記半導体あるいはシリコン構造を異なる深さで試
験することができる。
は0.1mmと0.5ミクロンの間のスポットの大きさ、および
/あるいは104から109watt/cm2間の電力密度のレーザー
を有する。
は前記半導体の大きな体積をレーザーで励起して一連の
フォーカルプレーン(focal plane)から像を収集する
ことにより欠陥の深さ識別を得るために用いられる共焦
光学(confocal optics)を有する。
照して記述する、ここにおいて 図1は、チョクラルスキ−(CZ)シリコンの成長欠陥
のPL像であり、走査区域は本発明の装置を用いて1mm×1
mmである。
中の成長欠陥のPL像であり、走査区域は本発明の装置を
用いて1mm×1mmである。
PL像であり、走査区域は本発明の装置を用いて1mm×1mm
である。
処理(processed)テストウェファー中のニッケル珪化
物沈澱のPL像であり、走査区域は本発明の装置を用いて
500μm×500μmである。
のPL像であり、走査区域は本発明の装置を用いて100μ
m×100μmである。
のPL像であり、a)高注入、b)低注入を示し、走査区
域は37μm×39μmである。
OS)テスト構造の顕微鏡写真であり、走査区域は本発明
の装置を用いて120μm×60μmである。
るLOCOSテスト構造のPL像であり、走査区域は本発明の
装置を用いて120μm×60μmである。像の右手側の暗
線は高転位密度の領域を示す。
るものである。
ダイアグラム的に図示するものが示されている。
にレーザーバンク3〜8を有し、底側にX−Yテーブル
あるいはR−Θテーブルのような試料台を有し、左手側
にマイクロプロセッサ40とディスプレイスクリーン39を
有し、図の中央にシステムを通過する光を方向付けする
各種光構成要素が示されている。
異なる深さを厳密に調べることができるように配置され
ている。しかしながら、唯一つのレーザーを用いるかあ
るいは実際多数のレーザーを用いるかは本発明の範囲内
にある。どのような場合でも、少なくとも一つのレーザ
ーは高強度レーザーであり、理想的には0.1mmと0.5ミク
ロンの間のスポットの大きさで104から109watt/cm2間の
電力密度を持つ。前記レーザーバンクと共に作動するレ
ーザー選択器16が、一つあるいはそれ以上のレーザーを
使用するか選択するために、そして更にレーザーの周波
数および波長を選択するために備えられている。
を照準器10およびレーザービーム拡張器11に導くために
用いられる。アポダイゼーション板12は、レーザービー
ム拡張器11とビーム分割器31間に置かれている。ビーム
分割器31は光の一部を前述のレーザーから対物レンズ34
を介して試料2に導く。
iven)焦点ステージ33と結合される。顕微鏡はそれぞれ
34,35で表す少なくとも一個のミクロな検査用高開口数
(high numerical aperture)対物レンズと一個のマク
ロ検査用低開口数(low numerical aperture)対物レン
ズを備えた従来の回転式タレット36が設けられている。
更にタレット36に結合して光学的移動測定システム38が
備えられている。
へおよび顕微鏡対物レンズ表示器32をマイクロプロセッ
サ40へ接続するために備えられている。
フィルタホイール13が備えられており、その下流には揺
動折り畳み式鏡14が備えられ、その機能については後述
する。前記鏡14に配列して波長選択用のフィルタホイー
ル27が備えられ、その後方に適当なCCD 2−Dアレイ
検出器29に取り付けられたズームレンズが備えられてい
る。
ting lens)37が、別の波長選択用フィルタホイール23
およびUVおよび可視光用の検出器25の最先端にある焦点
レンズ24に向け光を反射するコールドミラー17の先の光
経路に備えられている。検出器25は、ロックイン増幅器
26に結合されている。これは表面の反射像を得るのに用
いられる。
ルタホイール18が、その最後方には、焦点レンズ22およ
びルミネセンス検出用の検出器21の最先端に備えられた
ピンホール選択用の別の開口ホイール19が備えられてい
る。
両方がロックイン増幅器26に結合されている。
のレーザー(3〜8)により得られる。レーザーは、試
料(2)から放射された信号が、ロックイン増幅器(2
6)によるレーザー変調周波数に同期する検出器によっ
てバックグラウンド放射線から離隔されるように周波数
発生器(16)によって変調される。別の実施の形態で
は、波長範囲は、同調可能レーザー、および/あるいは
光パラメトリック発信器を用いて作り出される。各レー
ザーは、レーザーの何れかあるいは総てが試料(2)を
照射できるように多分岐光ファイバー(9)に接続さ
れ、割り当てられている。多分岐光ファイバーの共通端
は放射光を照準する光システム(10)に接続している。
この光システムは、試料(2)上にある顕微鏡対物レン
ズ(34,35)に合致した値にレーザービームの直径を合
わせるビーム拡張器(11)に割り当てられている。拡張
したビームはその後、光エネルギをビーム区域に均等に
配分するアポダイゼーション板(12)を通過する。
分割器(31)によって反射され、顕微鏡対物レンズ(34
および35)に送られる。ビームは顕微鏡対物レンズ(34
あるいは35)によって試料に焦点を合わせる。マイクロ
モードではこの対物レンズは回折が限られているスポッ
トの大きさにビームを集中するように選ばれる。表示器
機構(32)で操作される回転ターレット(36)は、対物
レンズを試料のより広い区域が照射されるマクロモード
に変更させる。別の実施の形態ではアポダイゼーション
板(12)は、より高い注入レベルを与えるためにマイク
ロモード用スポットがより小さくなるように移動され
る。
焦点防止制御器(antifocus controller)(30)を通し
た帰還ループを介してピエゾ駆動焦点ステージ(piezo
actuated focusing stage)(33)により正しい間隔を
維持する。
で)顕微鏡対物レンズ(34)により集められ、ビーム分
割器(31)およびレーザー波長の範囲に整合するノッチ
フィルタを持つフィルタホイール(13)のノッチフィル
タを通して戻される。ノッチフィルタは、光ルミネセン
ス信号のみを通過させ、どんな反射レーザー光も除去す
る。
されるいかなる無限顕微鏡(infinitymicroscope)対物
レンズをも補償するために組み込まれるチューブレンズ
(37)に、そしてコールドミラー(17)に通過させる。
この構成要素は、選択されたカットオフ点(約700nm)
以下のこれらの波長を信号を、検出器(25)に焦点を合
わせる焦点レンズ(24)へ反射する。検出器焦点レンズ
(24)の前面にあるフィルタホイール(23)は選択され
た波長帯域を離隔するフィルタを持つ。
信号の部分は、コールドミラー(17)を通過し、レンズ
(22)により同様に検出器(21)に焦点を合わせる。こ
の信号もまた選択された波長帯域を離隔するフィルタを
持つフィルタホイール(18)を通過する。
面に置かれた開口ホイール(19)にある。この開口ホイ
ールは、ピンホールが所定の像平面と焦点を共有して置
かれるように、ピエゾ駆動器(20)により軸方向に動か
される。この方法により、試料(2)中の異なる深さの
平面は正確な深さ情報を与えるように作像される。
器(26)に送られ、そこで周波数発生器(15)からの参
照信号によりレーザー(3〜8)の変調周波数と同期さ
せられる。電気信号はそれから、分析用に中央プロセッ
サ(40)に送られる。PL像はステージを走査するラスタ
により得られる。代わりに検流計の鏡を用いた光学的走
査も採用される。
ルミネセンス信号のビームの中へ揺動する。進路を変更
された信号は、選択された波長帯域を離隔するフィルタ
を持つフィルタホイール(27)を通って、ズームレンズ
(28)に送られる。ズームレンズは、異なる倍率でCCD
二方向アレイ(29)上に試料(2)の照射スポットを作
像するのに用いられる。このことにより、試料(2)の
照射区域が異なる分解能で作像される。CCDアレイから
の電気信号は、分析のために中央プロセッサに送られ
る。
するための研究が行われ、これらの研究の結果が図1〜
図8に示されている。これらの像は独特であり室温では
他のいかなる方法でも得ることができない。一般的に本
装置により半導体中の欠陥の位置の特定と特性解明が可
能になるということが分かる。このことにより、デバイ
スを製造用ウェファーをより効果的に選別でき、従って
欠陥のある半導体の製造を防止することができる。
るように欠陥を作像できる半導体あるいはシリコン構造
中の欠陥作像装置とその方法が提供されることが分か
る。
Claims (10)
- 【請求項1】半導体あるいはシリコン構造(2)を少な
くとも1つの光のビーム(3−8)に露出し、半導体あ
るいはシリコン構造からルミネセンスを収集する半導体
あるいはシリコン構造(2)中の欠陥を特定する方法に
おいて、 前記半導体あるいはシリコン構造(2)中の欠陥を可視
化し、観察可能なフォトルミネセンス像を作り出すた
め、0.1mm−0.5ミクロンの間のスポットの大きさで104
〜109watts/cm2間のピークまたは平均電力の高い強度の
光ビーム(3−8)を使用することを特徴とする半導体
あるいはシリコン構造(2)中の欠陥を特定する方法。 - 【請求項2】前記半導体あるいはシリコン構造(2)中
の選択された深さでの欠陥を特定するために前記光の波
長を選択するステップを有することを特徴とする請求項
1に記載の方法。 - 【請求項3】高い強度の光ビーム(3−8)がパルス状
であることを特徴とする請求項1または2に記載の方
法。 - 【請求項4】一連の焦点面からルミネセンスを収集する
ステップを有することを特徴とする請求項1ないし3の
いずれかに記載の方法。 - 【請求項5】光ビームを作り出す少なくとも一つの光発
生手段(3−8)と、半導体あるいはシリコンウェファ
ーからルミネセンスを収集する手段(21、25)を有する
半導体あるいはシリコン構造(2)の光ルミネセンス作
像を行う装置において、 少なくとも一つの光発生手段(3−8)が、0.1mm−0.5
ミクロンの間のスポットの大きさで104〜109watts/cm2
間のピークまたは平均電力の高い強度の光ビーム(3−
8)を作り出すのに適し、当該装置が、存在するいかな
る欠陥をも可視化し、観察するために前記半導体あるい
はシリコン構造(2)の光ルミネセンス像を作り出す手
段を有することを特徴とする半導体あるいはシリコン構
造(2)の光ルミネセンス作像を行う装置。 - 【請求項6】前記光発生手段は前記光ビームの波長がそ
れによって選択される変調可能な同調レーザ励起源であ
ることを特徴とする請求項5に記載の装置。 - 【請求項7】前記光発生手段は前記光ビームの強度がそ
れによって選択される変調手段を備えていることを特徴
とする請求子5または6に記載の装置。 - 【請求項8】高い強度の光ビームをパルス状にする手段
を備えていることを特徴とする請求項5〜7のいずれか
に記載の装置。 - 【請求項9】前記同調レーザ励起源は前記光ビームの変
調周波数がそれによって選択される変調手段を備えてい
ることを特徴とする請求項6〜8のいずれかに記載の装
置。 - 【請求項10】前記装置は、それによって前記半導体あ
るいはシリコン構造の像が一連のフォーカルプレーンを
通して得られる共焦光学(confocal optics)(12、2
0)機器を有することを特徴とする請求項5〜9のいず
れかに記載の装置。
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