JP4427738B2 - Semiconductor characteristic evaluation equipment - Google Patents
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Description
本発明は、半導体結晶の形状がインゴットであってもウェハであっても、各形状に対応して光学特性の分布評価を非破壊で行える、半導体の特性評価装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor characteristic evaluation apparatus capable of performing non-destructive evaluation of distribution of optical characteristics corresponding to each shape regardless of whether the shape of a semiconductor crystal is an ingot or a wafer.
半導体ウェハの電気特性、例えばキャリア濃度、移動度、抵抗率などは、製造するデバイスの用途や構造により仕様範囲が規定されている。この電気特性は、一般に、ホール効果測定や二端子法や四端子法やCV法などを用いて測定評価がなされている(例えば、非特許文献1参照)。
ホール効果測定では、キャリア濃度、移動度、抵抗率を同時に測定できるのに対して、二端子法や四端子法では抵抗率の測定のみ可能であり、キャリア濃度や移動度の測定評価はできない。また、CV法は、半導体ウェハ断片にショットキー接合又はPN接合を形成してダイオードを作製し、その静電容量―電圧(C―V)特性を測定し、それからキャリア濃度を評価する方法である。
The specification range of the electrical characteristics of the semiconductor wafer, such as carrier concentration, mobility, resistivity, etc., is defined by the application and structure of the device to be manufactured. The electrical characteristics are generally measured and evaluated using Hall effect measurement, two-terminal method, four-terminal method, CV method, and the like (for example, see Non-Patent Document 1).
In the Hall effect measurement, carrier concentration, mobility, and resistivity can be measured simultaneously, whereas in the two-terminal method and the four-terminal method, only resistivity can be measured, and measurement and evaluation of carrier concentration and mobility cannot be performed. The CV method is a method of forming a diode by forming a Schottky junction or a PN junction on a semiconductor wafer fragment, measuring its capacitance-voltage (CV) characteristics, and then evaluating the carrier concentration. .
しかしながら、直接的に電気特性を評価するこれらの方法では、単結晶インゴットから薄片状のサンプルを切り出し、方法によっては矩形形状などの断片に電極付けを行って評価用サンプルを調整する必要があった。そのため、キャリア濃度や抵抗率などの特性値は、インゴットからウェハにスライスした後に評価せざるを得ず、インゴットの状態ではキャリア濃度などの電気特性を評価することは困難であった。 However, in these methods for directly evaluating the electrical characteristics, it was necessary to cut out a flaky sample from a single crystal ingot and, depending on the method, attach an electrode to a piece such as a rectangular shape to adjust the evaluation sample. . For this reason, characteristic values such as carrier concentration and resistivity have to be evaluated after slicing the wafer from ingot to wafer, and it has been difficult to evaluate electric characteristics such as carrier concentration in the ingot state.
ところで、一般に、単結晶インゴット内のキャリア濃度などの電気特性値の分布範囲は、製造するデバイスによって決定されている仕様範囲よりも広いため、製品仕様毎に選別加工を行う必要がある。従来は、ウェハ状に加工する前にインゴット内のキャリア濃度を事前に評価する手段がなかった。このため、キャリア濃度を正確に評価することは困難であった。そこで、予めドーピング量や成長条件から予測される位置でスライス加工する条件を変更して、加工選別を行っていた。 By the way, generally, since the distribution range of electrical property values such as carrier concentration in a single crystal ingot is wider than the specification range determined by the device to be manufactured, it is necessary to perform sorting for each product specification. Conventionally, there has been no means for preliminarily evaluating the carrier concentration in the ingot before processing into a wafer. For this reason, it has been difficult to accurately evaluate the carrier concentration. Therefore, processing selection is performed by changing the slice processing conditions in advance at positions predicted from the doping amount and growth conditions.
しかしながら、偏析現象によってインゴット内の不純物濃度が部位によって変化したり、成長バッチ間でのバラツキ幅が重奏するため、特性値が予想値と異なる場合がある。このため、規格外ウェハが発生し材料の損失が生じるのに加え、キャリア濃度の要求範囲を再確認する必要があるため、追加のサンプル損失や手間の増大という問題があった。また、インゴットの結晶特性値は迅速に結晶製造工程にフィードバックすべきであるが、工業的生産ではウェハの加工仕様も含めた製品特性範囲が定まってからスライス加工を行うことも多いため、逆にフィードバック期間が長くなってしまうという問題もあった。 However, since the concentration of impurities in the ingot varies depending on the site due to the segregation phenomenon, and the variation width between growth batches overlaps, the characteristic value may differ from the expected value. For this reason, in addition to the occurrence of non-standard wafers and loss of materials, it is necessary to reconfirm the required carrier concentration range, resulting in additional sample loss and increased labor. Ingot crystal characteristics should be quickly fed back to the crystal manufacturing process, but in industrial production, slicing is often performed after the product characteristics range including wafer processing specifications has been determined. There was also a problem that the feedback period became long.
ところで、半導体のウェハを非破壊で測定評価する方法として、光吸収法やフォトルミネセンス(PL)法でのマッピング評価法がある。
光吸収法は、特定の波長における光吸収係数と結晶中のキャリア濃度との関係を利用する方法である。この方法では、式1に示すLambert―Beerの式から吸収係数αを求め、式2に示すように、換算係数mとの積によってキャリア濃度を求める。
I=Io・exp(−α×t) (式1)
(キャリア濃度)=α×m (式2)
ここで、Iは所定の波長における透過光の強度、Ioは測定サンプルが光路にない場合の光源の強度、t は評価サンプルの厚みである。
By the way, as a method for measuring and evaluating a semiconductor wafer in a nondestructive manner, there are mapping evaluation methods using a light absorption method and a photoluminescence (PL) method.
The light absorption method is a method that utilizes the relationship between the light absorption coefficient at a specific wavelength and the carrier concentration in the crystal. In this method, the absorption coefficient α is obtained from the Lambert-Beer equation shown in
I = Io · exp (−α × t) (Formula 1)
(Carrier concentration) = α × m (Formula 2)
Here, I is the intensity of transmitted light at a predetermined wavelength, Io is the intensity of the light source when the measurement sample is not in the optical path, and t is the thickness of the evaluation sample.
しかしながら、光吸収法においては、キャリア濃度が低い場合には光吸収が少なく、吸収係数αを求める際に誤差が生じるので所定の厚みが必要となる。逆に、キャリア濃度が高く光吸収が大きい場合には光が透過しなくなるため、評価サンプルの厚みを薄くする必要がある。即ち、光吸収法によるキャリア濃度の測定においては、ウェハ状態ですらキャリア濃度に応じてサンプルの厚みを適正化しなければならない。
したがって、実際工業的に用いられている半導体ウェハの厚みですら、広範囲にわたるキャリア濃度を測定することは困難であり、ましてや光吸収法を用いて、インゴットの状態でしかもキャリア濃度を広範囲にわたって評価を行うことは不可能といえる。
However, in the light absorption method, when the carrier concentration is low, light absorption is small, and an error occurs when obtaining the absorption coefficient α, so a predetermined thickness is required. On the contrary, when the carrier concentration is high and the light absorption is large, the light is not transmitted. Therefore, it is necessary to reduce the thickness of the evaluation sample. That is, in the measurement of the carrier concentration by the light absorption method, the thickness of the sample must be optimized according to the carrier concentration even in the wafer state.
Therefore, it is difficult to measure the carrier concentration over a wide range even for the thickness of semiconductor wafers that are actually used in industry, and even with the light absorption method, the carrier concentration can be evaluated over a wide range in the ingot state. It can't be done.
一方、フォトルミネッセンス法は、不純物又は欠陥が形成するエネルギー準位の電子遷移過程に着目する方法である。
半導体の禁制帯幅(バンドギャップ:Eg)よりも大きなエネルギーの光を半導体ウェハ表面に照射すると、伝導帯と価電子帯とにそれぞれ過剰な電子又は正孔が形成される。その後、この過剰な電子又は正孔は、さまざまな素過程を経て再結合して熱平衡状態に戻る。この際、発光性再結合過程をとった場合には、フォトルミネッセンス光が放出される。そこで、フォトルミネッセンス法は、不純物又は欠陥の種類や濃度によって、フォトルミネッセンス光のスペクトル形状が変化することに注目し、ピーク波長やピーク強度や半値幅などからサンプルの特性を評価するものである。
On the other hand, the photoluminescence method pays attention to an electron transition process of energy levels formed by impurities or defects.
When the surface of the semiconductor wafer is irradiated with light having energy larger than the forbidden band width (band gap: Eg) of the semiconductor, excess electrons or holes are formed in the conduction band and the valence band, respectively. Thereafter, the excess electrons or holes recombine through various elementary processes to return to a thermal equilibrium state. At this time, when a luminescent recombination process is taken, photoluminescence light is emitted. Therefore, the photoluminescence method pays attention to the fact that the spectral shape of photoluminescence light changes depending on the type or concentration of impurities or defects, and evaluates the characteristics of the sample from the peak wavelength, peak intensity, half-value width, and the like.
本発明者らによる特許文献1には、前述の各種の特性評価方法の特徴及び問題点に鑑み、フォトルミネッセンス法を利用し、ウェハ状にスライスする前のインゴット状態のままで物性評価でき、各種の加工仕様に応じて選別してスライス加工できるようにした半導体の特性評価方法及びその装置が開示されている。
In
また、従来のフォトルミネッセンス法を用いた測定装置として、ウェハを評価対象としたフォトルミネッセンスマッピング装置がある。
図14は、従来のフォトルミネッセンスマッピング装置の構成図である。従来のフォトルミネッセンスマッピング装置は、励起光をウェハ90に照射する励起光照射系91と、ウェハ90を保持するウェハ保持機構92と、フォトルミネッセンス光集光検出系93とを備える。
In addition, as a conventional measuring apparatus using a photoluminescence method, there is a photoluminescence mapping apparatus that uses a wafer as an evaluation target.
FIG. 14 is a configuration diagram of a conventional photoluminescence mapping apparatus. The conventional photoluminescence mapping apparatus includes an excitation
励起光照射系91は、レーザ光源91a、波長フィルタ91b、減光フィルタ91c、ミラー91d,91e、レンズ91f、チョッパー91gなどから構成され、所定の波長で所定のエネルギーのレーザ光をウェハ90に対して斜めに照射する。
ウェハ保持機構92は、内部が真空引き可能で真空ポンプ接続用ポート92aが設けられたウェハステージ92bなどから構成され、ウェハステージ92bにウェハ90が載せられ、真空ポンプ接続用ポート92aから真空引きされることでウェハ90が保持される。このウェハ保持機構は、X,Y,Z方向にそれぞれ移動するXステージ部92c、Yステージ部92d、Zステージ部92eを備えるXYZステージ92A上に設置される。
フォトルミネッセンス光集光検出系93は、フォトルミネッセンス光PLを集光する集光レンズ93a、両矢印方向に移動可能なミラー93b、焦点合わせ用カメラモニター93c、レンズ93d、波長フィルタ93e、分光器93f、検出器93gなどを備え、フォトルミネッセンス光PLを集光して、分光、検出する。
制御データ処理部94は、励起光照射系91の制御を行うと共に検出されたデータの処理を行う。
The excitation
The
The photoluminescence light
The control
この従来のフォトルミネッセンスマッピング装置を用いてフォトルミネッセンス光を測定する場合には、先ず、サンプルとしてのウェハ90をウェハステージ92bにセットし、Zステージ部92eの高さ微調整や励起光照射系91及びフォトルミネッセンス光集光検出系93の光学系の各レンズ位置の微調整を行って、ウェハ90と光学系との焦点合わせを行った後に、XYZステージ92Aを所定の方向に走査しながら各測定点においてスペクトル情報を採取する。なお、ウェハ保持機構は、XYZステージ92Aに搭載される必要は必ずしもない。
図15は、ウェハ保持機構が搭載される別の形態を模式的に示した図である。図15では光学系を省略している。この別の形態では、ステージ92Bは、Xステージ部92cと回転ステージ部92fとを備え、光ディスクのようにウェハ10を回転させたり、X方向にウェハ90を走査させたりする。この別の形態の場合には、光学系のレンズ位置の微調整によって光学系の焦点合わせを行う。
When measuring photoluminescence light using this conventional photoluminescence mapping apparatus, first, a
FIG. 15 is a diagram schematically showing another form in which the wafer holding mechanism is mounted. In FIG. 15, the optical system is omitted. In this other form, the
なお、市販されているA社やB社のフォトルミネッセンスマッピング装置では、何れもウェハを評価対象とし、ピーク波長、ピーク強度、半値幅、積分強度がマッピング評価できるようになっている。 In the commercially available photoluminescence mapping devices of Company A and Company B, all wafers are evaluated, and the peak wavelength, peak intensity, half-value width, and integrated intensity can be mapped and evaluated.
しかしながら、従来のフォトルミネッセンスマッピング装置においては、ウェハの評価を行う場合には、XYZステージ92Aやステージ92Bの数mm〜数cmの調整余裕しか有していないのが現状である。そのため、例えば12インチのSiや6インチのGaAsといった大口径の結晶インゴットを、図14及び図15に示す従来のフォトルミネッセンスマッピング装置のウェハ保持機構に搭載するには、高さ方向の調整機構が過大なものとなる、という課題がある。
However, in the conventional photoluminescence mapping apparatus, when a wafer is evaluated, there is currently only an adjustment margin of several mm to several cm of the
即ち、従来のフォトルミネッセンスマッピング装置においては、半導体結晶の形状がウェハであれば、波長情報や強度情報の分布評価は可能であるが、半導体結晶の形状がインゴットの場合を前提とせず、インゴットでのキャリア濃度の分布評価を行えない、という課題がある。 That is, in the conventional photoluminescence mapping apparatus, if the shape of the semiconductor crystal is a wafer, the distribution evaluation of wavelength information and intensity information is possible, but it is not assumed that the shape of the semiconductor crystal is an ingot. There is a problem that the carrier concentration distribution cannot be evaluated.
また、測定対象のインゴットの口径は常に同一であるとは限らず、励起光照射位置やフォトルミネッセンス光集光系の位置が、被測定物であるインゴットを換えると大幅に変化してしまうので、その都度、光学系を調整する必要があることから煩雑となり、測定に多大の時間を要するという課題がある。 In addition, the diameter of the ingot to be measured is not always the same, and the excitation light irradiation position and the position of the photoluminescence light condensing system change significantly when the ingot that is the object to be measured is changed. Each time, it is necessary to adjust the optical system, which is complicated, and there is a problem that much time is required for measurement.
また、前述した、市販されているフォトルミネッセンスマッピング装置では、ピーク波長、ピーク強度、半値幅、積分強度がマッピング評価できるが、あくまでも波長情報と強度情報とに限定されており、ウェハの電気特性値と直ちに直結した結果は得られない、という課題がある。 In addition, in the above-described commercially available photoluminescence mapping apparatus, the peak wavelength, peak intensity, half-value width, and integrated intensity can be mapped and evaluated, but are limited to wavelength information and intensity information to the last, and the electrical characteristic value of the wafer As a result, there is a problem that a direct result cannot be obtained.
本発明は、上記課題に鑑み、口径の異なるインゴットに対しても複雑な光学系の調整が不要で、インゴット状態でフォトルミネッセンススペクトルの分布状態の評価が可能であると共に、その波長情報と電気特性の相関関係から、キャリア濃度などの電気特性の分布評価が行え、しかも、装置のコストパフォーマンスの面にも配慮して、ウェハ状態のマッピング評価も可能とする、半導体の特性評価装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention eliminates the need for complicated adjustment of an optical system even for ingots having different diameters, enables evaluation of the distribution state of a photoluminescence spectrum in an ingot state, and provides wavelength information and electrical characteristics thereof. To provide a semiconductor characteristic evaluation device that can evaluate the distribution of electrical characteristics such as carrier concentration based on the correlation of wafers, and that also enables wafer state mapping evaluation in consideration of the cost performance of the device With the goal.
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、インゴットの口径が変わった場合でも、評価対象のインゴットの側面表面がフォトルミネッセンス装置の光学系との位置関係が一定となるようなインゴット保持機構をX−Y(左右及び前後)方向に走査可能なステージ上に設置することで、インゴットの長手方向の分布評価を行うことを可能とした。これと共に、当該保持機構を取り外し、ステージ上にウェハ状の評価対象試料を設置し、光学系のミラーレンズ系を光路に挿入もしくは退避することで、簡単にウェハ状態の評価試料の面内分布評価が可能な半導体の特性評価装置とした。
さらに、キャリア濃度などの電気特性とフォトルミネッセンススペクトルの波長情報との相関関係式を半導体の特性評価装置に具備させることで、直接的にキャリア濃度などの電気特性の分布評価結果を行えるようにして、本発明を完成させるに至った。
As a result of diligent research to solve the above problems, the present inventors have found that the positional relationship between the side surface of the ingot to be evaluated and the optical system of the photoluminescence device is constant even when the aperture of the ingot changes. By installing a simple ingot holding mechanism on a stage that can be scanned in the X-Y (left and right and front and rear) directions, it is possible to perform distribution evaluation in the longitudinal direction of the ingot. At the same time, by removing the holding mechanism, placing a wafer-like evaluation target sample on the stage, and inserting or retracting the mirror lens system of the optical system into the optical path, the in-plane distribution evaluation of the evaluation sample in the wafer state is simple. This is an apparatus for evaluating semiconductor characteristics.
Furthermore, by providing the semiconductor characteristic evaluation apparatus with a correlation equation between the electrical characteristics such as carrier concentration and the wavelength information of the photoluminescence spectrum, the distribution evaluation result of the electrical characteristics such as carrier concentration can be directly performed. The present invention has been completed.
上記目的を達成するため、本発明は、フォトルミネッセンス法を用いた半導体の特性評価装置において、インゴットの半導体結晶を保持するインゴット保持機構と、ウェハの半導体結晶を保持するウェハ保持機構とを備え、インゴット保持機構と上記ウェハ保持機構とが交換可能に設けられることを特徴とする。上記構成によれば、被測定物がインゴットであっても、ウェハであっても、フォトルミネッセンス光による半導体の特性評価を行うことができる。 To achieve the above object, the present invention provides a semiconductor characteristic evaluation apparatus using a photoluminescence method, comprising: an ingot holding mechanism for holding a semiconductor crystal of an ingot; and a wafer holding mechanism for holding a semiconductor crystal of a wafer, The ingot holding mechanism and the wafer holding mechanism are provided interchangeably. According to the above configuration, even if the object to be measured is an ingot or a wafer, the characteristics of the semiconductor can be evaluated by photoluminescence light.
上記構成において、インゴット保持機構は、好ましくは、フォトルミネッセンス光の集光焦点位置と励起光の照射位置とがインゴットの口径によらず一致するように、インゴットを保持する。
また、インゴット保持機構は、好ましくは、二本以上の平行棒と、これらの平行棒の両端が各貫通孔に貫通されて上記平行棒を支持する一対の保持側板と、を備え、フォトルミネッセンス光の集光焦点位置と励起光の照射位置とがインゴットの口径によらず一致するように、インゴットの口径に対応して各貫通孔が一対の保持側板に複数穿設される。上記構成によれば、被測定物がインゴットでその口径が異なっても、インゴットの側面と光学系との位置関係が一定となるようなインゴット保持機構でインゴットを保持するので、口径の異なるインゴットを測定する場合でも、インゴットの口径に応じて光学系を調整する必要がない。
In the above configuration, the ingot holding mechanism preferably holds the ingot so that the converging focal position of the photoluminescence light and the irradiation position of the excitation light coincide with each other regardless of the diameter of the ingot.
The ingot holding mechanism preferably includes two or more parallel bars, and a pair of holding side plates that support the parallel bars with both ends of the parallel bars penetrating through the through-holes, and collect the photoluminescence light. A plurality of through holes are formed in the pair of holding side plates in correspondence with the diameter of the ingot so that the focal position and the irradiation position of the excitation light coincide with each other regardless of the diameter of the ingot. According to the above configuration, since the ingot is held by the ingot holding mechanism in which the positional relationship between the side surface of the ingot and the optical system is constant even if the object to be measured is an ingot, the ingots having different diameters can be obtained. Even when measuring, it is not necessary to adjust the optical system according to the diameter of the ingot.
上記構成において、インゴット保持機構を搭載するステージは、好ましくは、インゴット保持機構を走査可能な走査機構を備える。この構成によれば、インゴット保持機構は、例えば、左右方向及び前後方向に走査可能なステージ上に設置されるので、インゴットの成長方向の分布評価を行うことができる。 In the above configuration, the stage on which the ingot holding mechanism is mounted preferably includes a scanning mechanism that can scan the ingot holding mechanism. According to this configuration, the ingot holding mechanism is installed on, for example, a stage that can be scanned in the left-right direction and the front-rear direction, so that distribution evaluation in the ingot growth direction can be performed.
上記構成において、好ましくは、ステージに搭載されているインゴット保持機構をウェハ保持機構に交換した場合に、励起光軸から光路切換ミラーを退避させると共にフォトルミネッセンス光集光軸へミラー及びレンズを挿入することで、ウェハ保持機構に保持されるウェハの表面の励起光照射位置と、フォトルミネッセンス光の集光焦点位置と、が一致するように、インゴット及びウェハに励起光を照射する励起光照射系と、フォトルミネッセンス光を検出する検出系とが構成される。この構成によれば、インゴット保持機構を取り外し、ステージ上にウェハ保持機構を搭載してウェハ保持機構にウェハを設置し、光学系のミラーやレンズを光軸に挿入したり退避したりするだけの操作で、ウェハの半導体の特性評価を簡単に行うことができる。 In the above configuration, preferably, when the ingot holding mechanism mounted on the stage is replaced with a wafer holding mechanism, the optical path switching mirror is retracted from the excitation optical axis and the mirror and the lens are inserted into the photoluminescence light collecting axis. Thus, the excitation light irradiation system for irradiating the ingot and the wafer with the excitation light so that the excitation light irradiation position on the surface of the wafer held by the wafer holding mechanism and the condensing focal position of the photoluminescence light coincide with each other. And a detection system for detecting photoluminescence light. According to this configuration, the ingot holding mechanism is removed, the wafer holding mechanism is mounted on the stage, the wafer is placed on the wafer holding mechanism, and the optical system mirror and lens are simply inserted into and retracted from the optical axis. By operation, the semiconductor semiconductor characteristics can be easily evaluated.
上記構成において、ステージは、好ましくは、ウェハ保持機構を二垂直方向に走査可能な走査機構を備える。この構成によれば、インゴット保持機構は、例えば、左右方向及び前後方向に走査可能なステージ上に設置されるので、インゴットの成長方向の分布評価を行うことができる。 In the above configuration, the stage preferably includes a scanning mechanism capable of scanning the wafer holding mechanism in two vertical directions. According to this configuration, the ingot holding mechanism is installed on, for example, a stage that can be scanned in the left-right direction and the front-rear direction, so that distribution evaluation in the ingot growth direction can be performed.
上記半導体の特性評価装置は、好ましくは、データ処理部を備える。また、好ましくは、データ処理部が、検出したフォトルミネッセンススペクトルに基づいてピーク波長、半値幅及び高エネルギー側半値波長のうち一以上を算出すると共に、この算出した結果と半導体結晶の電気的特性との相関関係式を用いて電気特性の一次元又は二次元的な分布を出力する。この構成によれば、キャリア濃度などの電気特性とフォトルミネッセンススペクトルの波長情報との相関関係式を評価装置システムに具備させることで、直接的にキャリア濃度などの電気特性の一次元や二次元分布の測定を行うことができる。 The semiconductor characteristic evaluation apparatus preferably includes a data processing unit. Preferably, the data processing unit calculates one or more of the peak wavelength, the half-value width, and the high-energy half-value wavelength based on the detected photoluminescence spectrum, and the calculated result and the electrical characteristics of the semiconductor crystal. A one-dimensional or two-dimensional distribution of electrical characteristics is output using the above correlation equation. According to this configuration, a one-dimensional or two-dimensional distribution of electrical characteristics such as carrier concentration is directly provided by providing the evaluation system with a correlation formula between electrical characteristics such as carrier concentration and wavelength information of the photoluminescence spectrum. Can be measured.
上記構成において、相関関係式は、好ましくは2次以上の多項近似式である。この構成によれば、フォトルミネッセンススペクトル測定において、高精度でキャリア濃度やキャリア濃度分布の測定を行うことができる。 In the above configuration, the correlation formula is preferably a quadratic or higher order polynomial approximation formula. According to this configuration, in photoluminescence spectrum measurement, carrier concentration and carrier concentration distribution can be measured with high accuracy.
本発明の半導体の特性評価装置によれば、半導体インゴット及びウェハの両方をフォトルミネッセンス測定できる半導体特性評価装置を提供することができる。また、本発明の半導体特性評価装置によれば、口径の異なるインゴットやウェハを、それぞれの保持機構を切り換えて測定することができる。また、それらの保持機構の切り換えをした場合であっても、その都度、光学系の調整をすることなく、フォトルミネッセンス測定を行い、キャリア濃度の成長方向分布などが簡単に評価できる。
また、ウェハのキャリア濃度分布評価についても、インゴット保持機構をウェハ保持機構に交換し、一部の光学部品により光路の変更を行うだけで、光学系の調整無しに直ちに実施することができる。
また、本発明の半導体の特性評価装置によれば、従来のフォトルミネッセンスデータのマッピングだけでなく、キャリア濃度の分布を直接的に得ることができる。また、ウェハ加工実施前にキャリア密度分布を測定できるので、選別加工の歩留りを向上させることができると共に、結晶成長工程に対し早期のフィードバックが可能となる。
これにより、従来の半導体特性評価装置ではウェハのみを対象としていたが、本発明の半導体特性評価装置においては、被測定物がウェハでもインゴットでも対象とすることができ、非測定物によらず兼用できるので、低コストで特性評価性能の高い装置を提供することができる。
According to the semiconductor characteristic evaluation apparatus of the present invention, it is possible to provide a semiconductor characteristic evaluation apparatus capable of performing photoluminescence measurement on both a semiconductor ingot and a wafer. Moreover, according to the semiconductor characteristic evaluation apparatus of the present invention, it is possible to measure ingots and wafers having different diameters by switching the holding mechanisms. Even when the holding mechanisms are switched, photoluminescence measurement can be performed without adjusting the optical system each time, and the growth direction distribution of the carrier concentration can be easily evaluated.
Also, the carrier concentration distribution evaluation of the wafer can be performed immediately without changing the optical system by simply replacing the ingot holding mechanism with the wafer holding mechanism and changing the optical path with some optical components.
In addition, according to the semiconductor characteristic evaluation apparatus of the present invention, not only the conventional photoluminescence data mapping but also the carrier concentration distribution can be obtained directly. In addition, since the carrier density distribution can be measured before the wafer processing is performed, the yield of the sorting process can be improved and early feedback can be made to the crystal growth process.
As a result, in the conventional semiconductor characteristic evaluation apparatus, only the wafer is targeted. However, in the semiconductor characteristic evaluation apparatus of the present invention, the object to be measured can be an object regardless of whether it is a wafer or an ingot. Therefore, it is possible to provide an apparatus with high cost performance at low cost.
以下、本発明の実施の形態を図面により詳細に説明する。なお、実質的に同一の部材には同一の符号を付して説明する。
図1は、本発明に係る半導体の特性評価装置10の構成を示す模式的な図である。図1に示すように、本発明に係る半導体の特性評価装置10においてインゴット1の特性評価をする際の構成は、インゴット1に励起光としてのレーザ光を照射する励起光照射系2と、インゴット1を保持するインゴット保持機構6と、インゴット保持機構6を搭載するステージ7と、インゴット1から出射されたフォトルミネッセンス光PL1を集光するフォトルミネッセンス光集光系3と、集光したフォトルミネッセンス光PL1を検出する検出系4と、検出した結果のデータ処理などを行うダータ処理部5と、を備える。
インゴット1に換えてウェハ9の特性評価をする際の構成は、インゴット保持機構6をステージ7から取り外して、ウェハ9を保持するウェハ保持機構8に交換する。また、励起光照射系2からの励起光照射光路が光路L1から光路L2に変更され、フォトルミネッセンス光集光系3の光路がフォトルミネッセンス光PL1を集光する光路から、フォトルミネッセンス光PL2を集光する光路に変更される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that substantially the same members will be described with the same reference numerals.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a semiconductor
In the configuration for evaluating the characteristics of the
最初に、本発明の特徴である、インゴットとウェハを切り替え可能に特性評価できる励起光照射系2とフォトルミネッセンス光集光系3について説明する。
初めに、インゴットの特性評価について説明する。
図2は、本発明に係る半導体の特性評価装置10において、インゴット1の特性評価を行う場合の構成を示した構成図である。励起光照射系2は、レーザ光源(図示せず)と第1ミラー2aと第1レンズ2bと第2ミラー2cと第2レンズ2dと光路切換ミラー2eとを備える。インゴット1の特性評価を行う場合の光路は、第1ミラー2aと第1レンズ2bとを結ぶ光路L1となるように、光路切換ミラー2eが図2の矢印Aの方向に移動して配置される。レーザ光Lがインゴット1に照射され、PL光PL1が発生する。なお、図において、レーザ光Lのインゴット1からの反射光をL1’で示している。
First, the excitation
First, the ingot characteristic evaluation will be described.
FIG. 2 is a configuration diagram showing a configuration when the characteristic evaluation of the
フォトルミネッセンス光集光系3は、第3レンズ3aと第3ミラー3bとを備える。ここで、第3ミラー3bは、インゴット1を特性評価する際には、手動又はデータ処理部5により図2の矢印Bの方向に退避させてあり、ウェハ9の特性評価を行う際には、所定の位置に移動するように、手動又はデータ処理部5により駆動制御される。インゴット1の特性評価を行う場合には、インゴット1からのフォトルミネッセンス光PL1を第3レンズ3aにより集光して、検出系4に入射させる。
The photoluminescence
次に、ウェハの特性評価について説明する。
図3は、本発明に係る半導体の特性評価装置10において、ウェハ9の特性評価を行う場合の構成を示した構成図である。ウェハ9の特性評価を行う場合の光路は、第2ミラー2cと第2レンズ2dとを結ぶ光路L2となるように、光路切換ミラー2eが図3の矢印Dの方向に移動して退避され、レーザ光Lがウェハ9に照射される。なお、図において、レーザ光Lのウェハ9からの反射光をL2’で示している。上記光路切換ミラー2eは、被測定物がインゴット1からウェハ9に又はウェハ9からインゴット1に換わる毎に、手動又はデータ処理部5により移動可能に駆動制御される。さらに、励起光照射系2内には、連続波の光源を交流信号とするためのチョッパーなどを配置して構成してもよい。
これにより、励起光照射系2は、インゴット1とウェハ9のそれぞれの場合に対応して光路が切り換えられて照射される。
Next, the wafer characteristic evaluation will be described.
FIG. 3 is a configuration diagram showing a configuration in the case where the characteristic evaluation of the
As a result, the excitation
一方、フォトルミネッセンス光集光系においては、ウェハ9からのフォトルミネッセンス光PL2が第3レンズ3aにより集光されて、検出系4にフォトルミネッセンス光PL2(図3参照)として入射する。
インゴット1からウェハ9の特性評価の切換えの際に、第3レンズ3aは、手動又はデータ処理部5の制御により図3の矢印Eの方向に回転してウェハ9の上方に配置されると共に、図3の矢印Fに示すようにウェハ9から所定の高さHの位置に第3ミラー3bが挿入される。ここで、所定の高さHとは、ウェハ9をセットする位置から分光器4aのフォトルミネッセンス光PL2導入口までの高さであり、被測定物のインゴット1の最大口径に基づいて設計される値である。
On the other hand, in the photoluminescence light condensing system, the photoluminescence light PL2 from the
When the characteristic evaluation of the
これにより、フォトルミネッセンス光集光系3も励起光照射系2と同様に、インゴット1とウェハ9のそれぞれの場合に対応して、フォトルミネッセンス光PL1,PL2を第3レンズ3aで集光して、検出系4に導入できる。
As a result, the photoluminescence
次に、本発明の特徴である、インゴット1とウェハ9を切り替え可能に特性評価できるインゴット及びウェハの保持機構について説明する。
先ず、インゴット1を保持するインゴット保持機構6とステージ7について説明する。図4は、インゴット保持機構の基本構造を示した側面図であり、図5はインゴット保持機構の基本構造の外観を示す斜視図である。インゴット保持機構6は、剛性のある平行棒61を2本以上備えている。インゴット保持機構6は、後述するステージに搭載されていて、レーザ光Lがインゴット1のJ点に入射し、インゴット1からのフォトルミネッセンス光PL1が、フォトルミネッセンス光集光系3の第3レンズ3aに入射されるように、ステージの走査機構により位置が調整される。
図4に示すように、インゴット1aは、インゴット1aの左下側の第1平行棒61aと、インゴット1の右下側の第2平行棒61bと、インゴット1の上側の第3平行棒61cにより保持される。上記の平行棒61a〜61cを配置することで、成長方向にインゴット1を走査する際に、インゴット1aの位置ずれや万一の場合の落下防止用の押さえとして機能する。
Next, an ingot and wafer holding mechanism capable of switching the characteristics of the
First, the
As shown in FIG. 4, the ingot 1 a is held by a first
インゴット1aよりも口径の大きなインゴット1b,1cを保持する場合には保持するインゴット1b,1cの口径に応じて、図4に示すように平行棒61の配置位置が切り換えられるので、インゴット1に励起光としてのレーザ光Lを照射する励起光照射系2から見た場合に、インゴット1の右最外面Jは常に同じ位置にある。即ち、インゴット1の口径が異なっても、インゴット1の右最外表面Jに常にレーザ光Lが照射し、かつ、図4のJ点が第3レンズ3aから焦点距離f離れた位置になるように、各平行棒61a,61b,61cの配置位置が切り換えられる。
これにより、インゴット1の口径が異なっても、励起光としてのレーザ光Lの照射位置と第3レンズ3aの焦点位置とを図4のJ点に一致させることが可能になる。したがって、インゴット1の口径が異なっても、励起光照射系2とフォトルミネッセンス光集光系3の各光学系の調整を行う必要がなくなる。
When holding the ingots 1b and 1c having a diameter larger than that of the ingot 1a, the arrangement position of the
Thereby, even if the aperture of the
次に、インゴット保持機構とそれを搭載するステージの構成例について説明する。
図6〜図8は、インゴット保持機構とステージの構成例を示す図である。図6は、インゴット保持機構とステージの構成例を示す正面図であり、レーザ光Lの照射側とは反対側から見た正面図である。図7は図6の側面図である。
インゴット保持機構6はステージ7に搭載されている。そして、インゴット保持機構6は、インゴット1を支持する3本の平行棒61a〜61cと、複数の貫通孔62aが穿設された一対の保持側板62と、一対の保持側板62を所定の距離に離隔して支持する保持底板63と、を備えている。
Next, a configuration example of an ingot holding mechanism and a stage on which the ingot holding mechanism is mounted will be described.
6-8 is a figure which shows the structural example of an ingot holding | maintenance mechanism and a stage. FIG. 6 is a front view showing a configuration example of the ingot holding mechanism and the stage, and is a front view seen from the side opposite to the irradiation side of the laser light L. FIG. 7 is a side view of FIG.
The
図7に示すように、インゴット保持機構6の各平行棒61a〜61cは、所定の貫通孔62aに貫通され、ナットやローレットネジなどの固定具62cで左右の保持板62に固定される。ここで、各平行棒61a〜61cを保持側板62に固定するのに支障のない範囲で、各貫通孔62aが連結孔62bで繋げられることが好ましい(図7のK参照)。
As shown in FIG. 7, each of the
図8は、図6の平行棒61の構造を示す斜視図である。平行棒61の両端部61fはローレット加工されている。さらに、好ましくは、所定の箇所にインゴット保持用の駒61dと、ストッパー駒61eと、配設すればよい。複数の樹脂製の駒61dが、平行棒61の長手方向の所定の間隔で配置されている。このため、インゴット1の口径が大きく重量がある場合でも、インゴット1が平行棒61に接触する時に、インゴット1に割れ(チッピング)が入ることを防止できる。また、ストッパー駒61eは、インゴット1のズレ防止や、成長方向の分布測定を決めるためのガイドとなる。
FIG. 8 is a perspective view showing the structure of the
ここで、図7ではインゴット1aの口径がインゴット保持機構6に取り付け可能な最小の口径である場合を示しているが、インゴット1の口径が大きくなると、図7のKで示すように、平行棒61a〜61cは、夫々の貫通孔62a〜62cに移動し、保持される。ここで、貫通孔62aが穿設される所定の位置は、前述したように、インゴット1の口径が異なっても、インゴット1の一側面Jが常に一致し、かつ、この一側面Jが第3レンズ3aから焦点距離f離れた位置になるように、インゴット1を各平行棒61a〜61cで保持できる位置である。
Here, FIG. 7 shows the case where the diameter of the ingot 1a is the minimum diameter that can be attached to the
保持底板63は、一対の保持側板62を挟んで支持する底板であり、後述するようにステージ7に固着するために、ネジ7a用の貫通孔が所定の位置に穿設されている。インゴット保持機構6は、その保持底板63の貫通孔にネジ7aが貫通されステージ7のネジ孔に固着される。
The holding
ステージ7は、例えばXYZステージであり、X,Y,Z方向にそれぞれ移動するXステージ部71、Yステージ部72及びZステージ部73からなる走査機構を備えている。このステージ7の走査機構は、手動又はデータ処理部5により駆動される。これにより、インゴット1の所望の位置、例えば、結晶成長方向にフォトルミネッセンス光が照射されるように、インゴット保持機構6をステージ7の走査機構により移動、即ち、走査させることができる。
The
次に、ウェハ9を保持するウェハ保持機構8とそれを搭載するステージについて説明する。図9は、ステージにウェハ保持機構を搭載したときの構成を示す図で、(a)は正面図、(b)は側面図である。ステージ7に搭載されているインゴット保持機構6のネジ7a(図6参照)をはずして、インゴット保持機構6を取り外し、図9に示すウェハ保持機構8に交換し、ネジ7bにより、ステージ7に搭載する。
ウェハ保持機構8は、ウェハ9を吸着できるウェハステージ81を備えている。ウェハステージ81は、内部が真空引き可能な構造であり、真空ポンプ(図示せず)接続用ポート82とウェハ9の載置部分に真空吸着用孔(図示せず)を備えている。これにより、ウェハ9が、ウェハ保持機構8に真空吸着により固定され、励起光照射系2とフォトルミネッセンス光集光系3の各光学系をウェハ特性評価位置に切り替えをすることにより、ウェハ9が特性評価可能な状態となる(図3参照)。
なお、ウェハ保持機構8は、真空吸引による固定に限定されず、他の方法であってもよい。例えば、静電チャック方式やガイドピン方式であってもよい。
Next, the
The
The
次に、検出系について説明する。
検出系4の第1の構成は、分光器4a内の回折格子を走査して所定波長区間で、それぞれ、分光して検出器4bで検出する構成である。この構成によれば、レーザ光照射中にフォトルミネッセンス光が経時変化しないサンプルを測定する場合や、波長分解能を高くして、精密な測定を行う場合に好適である。このように、波長分解能を高くすることができるが、回折格子の回転による波長走査に時間を要するため(走査速度条件にもよるが各測定点で数〜数十秒)、多数の測定点の評価では、測定時間が長くなる。
Next, the detection system will be described.
The first configuration of the
検出系の第2の構成は、ピーク波長近傍に分光器4a内の回折格子を所定の位置に固定し、光を分散させて、分光器4aの出力スリット側に、分散位置毎に約千個のCCDなどからなる固体撮像素子の一次元ラインセンサを設置し、分散波長である、例えば波長100〜120nm程度を一括して検出する構成である。この構成によれば、非常に短時間、例えば各点1秒以内の測定が必要な場合、レーザ光照射中にフォトルミネッセンス光が経時変化するサンプルを測定する場合、測定点が多い場合、広い波長領域で測定したい場合などに好適である。
上記の検出器4bには、さらに、増幅器とA/D変換器を接続して、後述するデータ処理部5へ信号を出力すればよい。
In the second configuration of the detection system, the diffraction grating in the
The
検出系4の構成は、半導体のインゴットやウェアの特性評価に応じて、上記第1の構成又は第2の構成とすればよい。また、上記第1の構成と第2の構成とを選択可能に切り替えできるように構成してもよい。さらに、図示してはいないが、上記分光器の光路に挿入及び退避可能なミラーを設け、CCDカメラなどの検出器側との切換えを行なうようにすれば、レーザー光照射位置の確認や微調整を、より容易に行なうことができる。
The configuration of the
次にデータ処理部について説明する。
データ処理部5は、パーソナルコンピュータなどのコンピュータに加えて、検出系4の検出器4bとの信号をインターフェースする信号用インターフェース回路、ディスプレー装置やプリンタなどの出力装置などから構成されている。
Next, the data processing unit will be described.
In addition to a computer such as a personal computer, the
データ処理部5は、検出系4で取得されたフォトルミネッセンス光のスペクトルデータをデータ処理部5のコンピュータでプログラムを実行して、次に示すデータ処理を行う。 データ処理の第1ステップとして、検出系4で測定されたスペクトルを、各波長における強度データとしてデータ処理部5に格納集約する。データ処理の第2ステップとして、その格納集約された各強度データに基づいて、ピーク波長とか半値幅とか高エネルギー側の半値波長などの項目を算出する。データ処理の第3ステップとして、スペクトルから算出された各項目の値から、多項式近似法などを用いてキャリア濃度に換算する。
The
ここで、予めホール効果測定などによってキャリア濃度が判っているサンプル(後述するが、ここでのサンプルはウェハでよい。)に対して、本発明の半導体の特性評価装置を用いてフォトルミネッセンススペクトル評価を実施して同様に各項目を算出し、ピーク波長とキャリア濃度との相関、半値幅とキャリア濃度との相関、高エネルギー側半値波長とキャリア濃度との相関を求めておく。 Here, for a sample whose carrier concentration is known in advance by Hall effect measurement or the like (which will be described later, the sample may be a wafer), photoluminescence spectrum evaluation is performed using the semiconductor characteristic evaluation apparatus of the present invention. In the same manner, the respective items are calculated, and the correlation between the peak wavelength and the carrier concentration, the correlation between the half-value width and the carrier concentration, and the correlation between the half-value wavelength on the high energy side and the carrier concentration are obtained.
この場合、相関式としては累乗、対数、指数、多項式などの近似式を用いることができる。上記各相関式を比較したところ、フォトルミネッセンススペクトル情報から、成長方向のキャリア濃度などを自動算出する場合には、2次式以上の多項近似式を好適に使用することができる。さらに、好ましくは、3次又は4次の多項近似式が適切である。
なお、キャリア濃度が分かっているサンプルの上記フォトルミネッセンス測定項目とキャリア濃度に関するデータは、較正用データとして、予め、データ処理部のコンピュータのメモリに記憶させておけばよい。
In this case, an approximate expression such as a power, logarithm, exponent, or polynomial can be used as the correlation expression. When the above correlation expressions are compared, when a carrier concentration in the growth direction is automatically calculated from the photoluminescence spectrum information, a polynomial approximation expression of a quadratic expression or higher can be suitably used. Furthermore, preferably a cubic or quartic polynomial approximation is appropriate.
In addition, what is necessary is just to memorize | store the data regarding the said photoluminescence measurement item and carrier density | concentration of the sample whose carrier density is known beforehand in the memory of the computer of a data processing part as calibration data.
本発明に係る半導体の特性評価装置は、以上のように構成されており、半導体のインゴット1とウェハ9のフォトルミネッセンス特性評価を行うことができる。
初めに、インゴット1のフォトルミネッセンス特性評価を行う手順について説明する。手順1として、インゴット1をインゴット保持機構6に保持する。手順2として、図2の実線で光路L1を示すように、レーザ光源から出力されたレーザ光Lは、光路切換ミラー2eと第1ミラー2aとにより方向転換されて、第1レンズ2bによりレーザビーム口径の調整がなされてインゴット1の所定の場所(以下、「測定点」と呼ぶ)に照射される。手順3として、レーザ光Lの照射によりインゴット1から出力されたフォトルミネッセンス光PL1を、第3レンズ3aにより集光し、この集光したフォトルミネッセンス光PL1を直接分光器4aに導入し、検出系4に入射させる。
The semiconductor characteristic evaluation apparatus according to the present invention is configured as described above, and can perform photoluminescence characteristic evaluation of the
First, a procedure for evaluating the photoluminescence characteristics of the
手順4として、フォトルミネッセンス光PL1のデータを得る。フォトルミネッセンスのスペクトルデータをデータ処理部5のコンピュータでプログラムを実行して、データ処理を行い、キャリア濃度が計算されると共に、ディスプレーなどに表示させる。この際、フォトルミネッセンススペクトルの形状は、結晶素材種やキャリア濃度などにより変化する。一般にキャリア濃度が高くなるにつれフォトルミネッセンススペクトルはブロードとなり、半値幅は広くなり、ピーク波長位置も変化する。
Siドープのn型GaAsを例にとると、キャリア濃度が1×1017cm-3から4×1018cm-3の間では、半値幅は約40nmから80nmの間で変化する。そのために、フォトルミネッセンススペクトルから半値幅を求めるためには少なくともそれらよりも広い波長範囲を測定する必要がある。
As
Taking Si-doped n-type GaAs as an example, when the carrier concentration is between 1 × 10 17 cm −3 and 4 × 10 18 cm −3 , the half width changes between about 40 nm and 80 nm. Therefore, in order to obtain the half width from the photoluminescence spectrum, it is necessary to measure a wavelength range wider than at least those.
手順5として、ステージ7をインゴット1の成長方向に走査し、手順4により走査点毎のキャリア濃度の測定を繰り返し行い、メモリに記憶させて、図やグラフをコンピュータで作成し、ディスプレーなどに表示することで、インゴット1の成長方向のキャリア濃度分布などを測定できる。これにより、非破壊で、半導体のインゴット1のフォトルミネッセンス特性評価を行うことができ、キャリア濃度分布などを直接に、かつ、高速で測定ができる。
As
次に、ウェハ9のフォトルミネッセンス特性評価を行う手順について説明する。
手順1としてインゴット1の代わりにウェハ9をウェハ保持機構8にセットする。手順2として、図3の実線で光路を示すように、レーザ光源から出力されたレーザ光Lが、第2ミラー2cとにより方向転換されて、第2レンズ2dによりレーザビーム口径の調整がなされてウェハ9の測定点に照射される。
Next, a procedure for evaluating the photoluminescence characteristics of the
As a
手順3として、レーザ光Lの照射によりウェハ9から出力されたフォトルミネッセンス光PL2を、第3レンズ3aにより集光し、この集光したフォトルミネッセンス光PL2を分光器4aに導入し、検出系4に入射させる。
手順4及び手順5は、インゴット1の場合と同様に行うことで、ウェハ9の測定点(図9のM点)毎のキャリア濃度の特性評価を、ステージ7の走査により行うことができる。ここで、ウェハ9の特性評価としては、一次元や二次元のキャリア濃度分布などが可能である。これにより、非破壊で、半導体のウェハ9のフォトルミネッセンス特性評価を行い、キャリア濃度を直接に、かつ、高速で測定できる。
As the
By performing the
以上説明したように、本発明の半導体の特性評価装置においては、従来は、被測定物がウェハ9の場合に限定されていたが、被測定物がインゴット1の場合でも、励起光としてのレーザ光Lを照射でき、フォトルミネッセンス光PL1を集光して検出できる。
また、インゴット保持機構6やウェハ保持機構8を搭載するステージ7を用いて、インゴット保持機構6やウェハ保持機構8を走査させることで、結晶成長方向などの、インゴット1及びウェハ9の面内の各点におけるフォトルミネッセンススペクトルを測定することができる。そして、その測定した結果から、フォトルミネッセンススペクトルのピーク波長や半値幅やピーク強度などの情報を求め、キャリア濃度分布を得ることができる。
As described above, in the semiconductor characteristic evaluation apparatus of the present invention, conventionally, the object to be measured is limited to the
Further, by using the
なお、レーザ光Lは、例えば図2に示すように、第1ミラー2aにより反射して第1レンズ2bにより集光されるようにしたが、第1ミラー2aと第1レンズ2bとの配置順序は逆であってもよい。また、各ミラーや各レンズの数は図示した数に限定されたものではない。さらに、同様の機能を発揮する他の光学部品の組合せで励起光照射系2やフォトルミネッセンス光集光系3を構成してもよい。
また、測定波長の選定に際しては、波長フィルタや光強度を調整するための減光フィルタなどの光学部品を適宜、必要な光軸上に設けてもよい。
For example, as shown in FIG. 2, the laser light L is reflected by the
In selecting the measurement wavelength, an optical component such as a wavelength filter or a neutral density filter for adjusting the light intensity may be appropriately provided on a necessary optical axis.
次に、本発明の半導体の特性評価を用いた特性評価についての実施例を示す。
実施例1として、口径の異なるインゴット1を二本測定した。一本目のインゴット1は、縦型ボート法により成長した直径が82〜84mm、直胴有効長200mmのSiドープGaAs単結晶を円筒研削機械加工により、直径を約3インチ(79mm)に定径加工し、インゴット表面の機械研削ダメージ層を除去して得たものである。
この一本目のインゴット1を、インゴット保持機構6に保持し、インゴット1の側面にビームスポット直径が100μmの励起光レーザ(Arガスレーザ、514.5nm、200mW)を照射し、5 mmピッチでステージ7を走査させることで成長方向のキャリア濃度分布評価を実施した。得られたフォトルミネッセンススペクトル情報から、成長方向のキャリア濃度分布を自動算出した。キャリア濃度の計算には、4次近似式を用いた。
Next, the example about the characteristic evaluation using the characteristic evaluation of the semiconductor of this invention is shown.
As Example 1, two
This
図10は、実施例1の直径79mmSiドープGaAsインゴットにおける、成長方向のキャリア濃度分布の自動測定結果を示す図である。図の横軸は成長方向位置(mm)を、縦軸はフォトルミネッセンススペクトル情報から自動算出したキャリア濃度(cm-3)を示している。図から明らかなように、例えば成長方向位置0mm,50mm,150mm,200mmでのキャリア濃度は、それぞれ、7.10×1017cm-3,8.90×1017cm-3,1.81×1018cm-3,3.20×1018cm-3であることが分かる。
上記測定の後で、インゴット1をウェハに切断するスライス加工を行い、同じ測定箇所について、破壊検査であるホール効果測定を実施し、両者の測定値の差異を調べた。この測定差違は、(本発明による測定値−ホール効果測定値)/ホール効果測定値(%)で評価した。
上記成長方向位置に対応するウェハのホール効果測定値は、それぞれ、7.23×1017cm-3,8.71×1017cm-3,1.86×1018cm-3,3.36×1018cm-3であった。このときの測定差違は、それぞれ、−1.8%,2.2%,2.7%,−4.8%であり、測定差違の絶対値は、最大4.8%であった。
FIG. 10 is a diagram showing an automatic measurement result of the carrier concentration distribution in the growth direction in the 79-mm diameter Si-doped GaAs ingot of Example 1. In the figure, the horizontal axis indicates the growth direction position (mm), and the vertical axis indicates the carrier concentration (cm −3 ) automatically calculated from the photoluminescence spectrum information. As is apparent from the figure, for example, the carrier concentrations at the growth direction positions of 0 mm, 50 mm, 150 mm, and 200 mm are 7.10 × 10 17 cm −3 , 8.90 × 10 17 cm −3 , and 1.81 ×, respectively. It can be seen that they are 10 18 cm −3 and 3.20 × 10 18 cm −3 .
After the above measurement, slicing processing for cutting the
The measured Hall effect values of the wafer corresponding to the growth direction position are 7.23 × 10 17 cm −3 , 8.71 × 10 17 cm −3 , 1.86 × 10 18 cm −3 and 3.36, respectively. × 10 18 cm -3 . The measurement difference at this time was −1.8%, 2.2%, 2.7%, and −4.8%, respectively, and the absolute value of the measurement difference was 4.8% at the maximum.
その後、二本目のインゴット1の特性評価を行った。
二本目のインゴット1は、縦型ボート法により成長した直径が54〜56mm、直胴有効長が250mmのSiドープGaAs単結晶を、円筒機械研削によって直径を約2インチ(52mm)に定径加工した後に、インゴット表面の機械研削ダメージを除去して得たものである。
先ず、一本目のインゴット1をインゴット保持機構6からはずして、インゴット保持機構6の各平行棒61a〜61cを、連結孔62bを介して直径52mm用の貫通孔62aにずらした。次に、二本目のインゴット1を各平行棒61a〜61cの内部に挿入して、各平行棒61a〜61cの両端を保持側板62に固定具62cにより固定することで、二本目のインゴット1をインゴット保持機構6に保持した(図6及び図7参照)。この際、レーザ光Lの照射位置J及びフォトルミネッセンス光PL1の集光レンズ3aの焦点位置は、前述のように位置ズレが生じないので、直ちに測定を開始できた。そして、データ処理部5にて検出したフォトルミネッセンススペクトルデータからキャリア濃度分布を求めた。
Thereafter, the characteristics of the
The
First, the
図11は、実施例1の直径52mmSiドープGaAsインゴットにおける、成長方向のキャリア濃度分布の自動測定結果を示す図である。図の横軸及び縦軸は図10と同じである。図から明らかなように、例えば、成長方向位置0mm,80mm,140mm,200mm,250mmでのキャリア濃度は、それぞれ、6.77×1017cm-3,9.11×1017cm-3,1.16×1018cm-3,1.72×1018cm-3,2.38×1018cm-3であることが分かる。
上記測定の後で、上記実施例と同様にして、ウェハのホール効果測定を行った。上記成長方向位置に対応するウェハのホール効果測定値は、それぞれ、6.81×1017cm-3,9.31×1017cm-3,1.21×1018cm-3,1.69×1018cm-3,2.48×1018cm-3であった。このときの測定差違は、それぞれ、0.6%,2.1%,3.8%,−1.8%,4.0%であり、測定差違の絶対値は、最大4.0%であった。
FIG. 11 is a diagram showing the results of automatic measurement of the carrier concentration distribution in the growth direction in the 52 mm diameter Si-doped GaAs ingot of Example 1. The horizontal and vertical axes in the figure are the same as those in FIG. As is apparent from the figure, for example, the carrier concentrations at the growth direction positions of 0 mm, 80 mm, 140 mm, 200 mm, and 250 mm are 6.77 × 10 17 cm −3 , 9.11 × 10 17 cm −3 , 1, respectively. It can be seen that they are .16 × 10 18 cm −3 , 1.72 × 10 18 cm −3 , and 2.38 × 10 18 cm −3 .
After the measurement, the Hall effect of the wafer was measured in the same manner as in the above example. The Hall effect measurement values of the wafer corresponding to the growth direction position are 6.81 × 10 17 cm −3 , 9.31 × 10 17 cm −3 , 1.21 × 10 18 cm −3 , and 1.69, respectively. × 10 18 cm -3 and 2.48 × 10 18 cm -3 . The measurement differences at this time are 0.6%, 2.1%, 3.8%, -1.8%, and 4.0%, respectively, and the absolute value of the measurement difference is 4.0% at the maximum. there were.
実施例1の終了後、引き続き、実施例2の特性評価を行った。
実施例2として、直径3インチのSiドープGaAsのウェハ9の直径方向のキャリア濃度分布評価を行った。この際、実施例1の終了時には、ステージ7にはインゴット保持機構6がセットされているので、インゴット保持機構6を取り外し、ウェハ保持機構8に交換した。
次に、励起光照射系2を、インゴット用(図2参照)からウェハ用(図3参照)に切換えを行うため、光路切換ミラー2eをレーザ光Lの光軸から図3の矢印Dの方向に退避させた。それと相前後して、フォトルミネッセンス光集光系の第3レンズ3aを図3の矢印Eの方向に約90°回転させてウェハ9の上方に位置するようにし、第3ミラー3bを図3のFの方向に移動して、ウェハ9から所定の高さHの位置に挿入した。この一連の切換え作業は約1分で行うことができた。このとき、ウェハ保持機構8上のウェハ9のレーザ光照射位置及びフォトルミネッセンス光PLを集光する第3レンズ3aの焦点に関する調整は不要であるので、直ちに測定を開始できた。ウェハ9の直径方向のキャリア濃度分布は、ステージ7を5mmピッチで移動させる毎にフォトルミネッセンス光PL2を測定し、データ処理部5にて検出したフォトルミネッセンススペクトルデータからキャリア濃度を計算することで、キャリア濃度分布を求めた。
After the completion of Example 1, the characteristic evaluation of Example 2 was performed.
As Example 2, evaluation of carrier concentration distribution in the diameter direction of a Si-doped
Next, in order to switch the excitation
図12は、実施例2の直径3インチSiドープGaAsウェハにおける、直径方向のキャリア濃度分布の自動測定結果を示す図である。図の横軸はオリエンテーションフラットからの直径方向位置(mm)を示し、縦軸はフォトルミネッセンススペクトル情報から自動算出したキャリア濃度(cm-3)を示している。図から明らかなように、直径方向でのキャリア濃度は、約8.2×1017cm-3〜8.6×1017cm-3の範囲にあることが分かる。 FIG. 12 is a diagram showing the result of automatic measurement of the carrier concentration distribution in the diameter direction in the 3-inch diameter Si-doped GaAs wafer of Example 2. In the figure, the horizontal axis indicates the diameter direction position (mm) from the orientation flat, and the vertical axis indicates the carrier concentration (cm −3 ) automatically calculated from the photoluminescence spectrum information. As is apparent from the figure, the carrier concentration in the diameter direction is in the range of about 8.2 × 10 17 cm −3 to 8.6 × 10 17 cm −3 .
実施例2の測定終了後、直ちに、実施例3の測定を行った。
実施例3の被測定物は、LEC法で成長した直径54〜58mmのSドープInPインゴットであった。このインゴット1は、円筒機械研削によって直径約2インチ(52mm)に定径加工を行い、インゴット表面の機械研削ダメージを除去したものである。
実施例3は実施例2の直後に行ったので、ステージ7にはウェハ保持機構8が搭載されていたので、インゴット保持機構6に交換し、さらに、励起光照射系2とフォトルミネッセンス光集光系3の構成を、インゴット用(図2参照)に切り換えた。この切り換えは、約1分で完了した。
次に、インゴット保持機構6の各平行棒61a,61b,61cをインゴット1の直径52mmに対応するように配置調整して、インゴット1をインゴット保持機構6にセットした(図6及び図7参照)。
次に、直ちに5mmピッチの測定間隔でインゴット1の結晶成長方向のキャリア濃度分布測定を開始した。そして、データ処理部5にて検出したフォトルミネッセンススペクトルデータからキャリア濃度分布を求めた。
Immediately after completion of the measurement of Example 2, the measurement of Example 3 was performed.
The object to be measured of Example 3 was an S-doped InP ingot having a diameter of 54 to 58 mm grown by the LEC method. This
Since the third embodiment was performed immediately after the second embodiment, the
Next, the
Next, measurement of the carrier concentration distribution in the crystal growth direction of the
図13は、実施例3の直径52mmSドープInPインゴットにおける成長方向のキャリア濃度分布の自動測定結果を示す図である。図の横軸及び縦軸は図10と同じである。図から明らかなように、例えば、成長方向位置0mm,40mm,80mm,120mmでのキャリア濃度は、それぞれ、9.81×1017cm-3,1.12×1018cm-3,1.35×1018cm-3,2.17×1018cm-3であることが分かる。
上記測定の後で、実施例1と同様にして、ウェハのホール効果測定を行った。上記成長方向位置に対応するウェハのホール効果測定値は、それぞれ、9.71×1017cm-3,1.14×1018cm-3,1.39×1018cm-3,2.28×1018cm-3であった。このときの測定差違は、それぞれ、−0.9%,1.9%,2.6%,5.3%であり、測定差違の絶対値は、最大5.3%であった。
FIG. 13 is a diagram showing the results of automatic measurement of the carrier concentration distribution in the growth direction in the 52 mm S-doped InP ingot of Example 3. The horizontal and vertical axes in the figure are the same as those in FIG. As apparent from the figure, for example, the carrier concentrations at the growth direction positions of 0 mm, 40 mm, 80 mm, and 120 mm are 9.81 × 10 17 cm −3 , 1.12 × 10 18 cm −3 , and 1.35, respectively. × 10 18 cm -3, it can be seen that a 2.17 × 10 18 cm -3.
After the measurement, the Hall effect of the wafer was measured in the same manner as in Example 1. The Hall effect measurement values of the wafer corresponding to the growth direction position are 9.71 × 10 17 cm −3 , 1.14 × 10 18 cm −3 , 1.39 × 10 18 cm −3 and 2.28, respectively. × 10 18 cm -3 . The measurement difference at this time was −0.9%, 1.9%, 2.6%, and 5.3%, respectively, and the absolute value of the measurement difference was 5.3% at the maximum.
(比較例)
次に、比較例を示す。
既存の市販装置の代表的な装置として、C社製のフォトルミネッセンスマッピング装置を用いた。本装置はウェハ口径が4インチまでのフォトルミネッセンス強度やピーク波長や半値幅のウェハ面内分布の評価が行える。しかしながら、キャリア濃度に変換したマッピング表示機能を有していない。また、ウェハステージ上にセットできる最大サンプル厚みは、集光レンズの可動距離の関係で最大5mmとなっている。したがって、上述した実施例で示した半導体インゴットのサンプル評価はできなかった。
(Comparative example)
Next, a comparative example is shown.
A photoluminescence mapping device manufactured by C company was used as a typical existing commercial device. This device can evaluate the photoluminescence intensity, peak wavelength, and half-width distribution in the wafer plane with wafer diameters up to 4 inches. However, it does not have a mapping display function converted into carrier concentration. The maximum sample thickness that can be set on the wafer stage is 5 mm at maximum because of the movable distance of the condenser lens. Therefore, the sample evaluation of the semiconductor ingot shown in the above-described embodiment could not be performed.
上記実施例1乃至3の測定結果から明らかなように、本発明の半導体特性評価装置10においては、ステージ7に搭載されるインゴット保持機構6とウェハ保持機構8とを適宜に交換することで、被測定物がインゴット1でもウェハ9でも測定対象とすることができる。
しかしながら、比較例では、被測定物がインゴットの場合には測定対象とすることができなかった。さらに、ウェハ及びインゴットの場合に、キャリア濃度に変換してマッピングできなかった。
また、本発明の半導体特性評価装置10によれば、測定したフォトルミネッセンススペクトルデータから所定の項目を求めて、その各項目からキャリア密度を求めることができる。この際、キャリア濃度を多項式による近似計算で求めた測定値は、同一箇所のホール測定値に対して、測定差違が約5%以内の高精度であることが分かる。
しかしながら、比較例では、ウェハ及びインゴットの場合に、キャリア濃度に変換してマッピングできなかった。
As is clear from the measurement results of Examples 1 to 3, in the semiconductor
However, in the comparative example, when the object to be measured was an ingot, it could not be set as a measurement target. Further, in the case of wafers and ingots, mapping was not possible after conversion to carrier concentration.
Moreover, according to the semiconductor
However, in the comparative example, in the case of a wafer and an ingot, it was not possible to map by converting to a carrier concentration.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内において種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。また、実施例では、主に化合物半導体の測定について説明したが、光源、検出系の波長を適宜変えることにより他の半導体結晶、例えばSiなどにも適用できる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention can be variously modified within the scope of the invention described in the claims, and these are also included in the scope of the present invention. Not too long. In the examples, measurement of compound semiconductors has been mainly described. However, the present invention can be applied to other semiconductor crystals such as Si by appropriately changing the wavelengths of the light source and the detection system.
1: インゴット
2: 励起光照射系
2a:第1ミラー
2b:第1レンズ
2c:第2ミラー
2d:第1レンズ
2e:光路切換ミラー
3: フォトルミネッセンス光集光系
3a:第3レンズ
3b:第3ミラー
4: 検出系
4a:分光器
4b:検出器
5: データ処理部
6: インゴット保持機構
61:平行棒
61a:第1平行棒
61b:第2平行棒
61c:第3平行棒
61d:駒
61e:ストッパー駒
62: 保持側板
62a:貫通孔
62b:連結孔
62c:固定具
63: 保持底板
7: ステージ
71: Xステージ部
72: Yステージ部
73: Zステージ部
7a: ネジ
8: ウェハ保持機構
81: ウェハステージ
82: 真空ポンプ接続用ポート
9: ウェハ
10: 半導体特性評価装置
1: Ingot 2: Excitation
Claims (9)
インゴットの半導体結晶を保持するインゴット保持機構と、
ウェハの半導体結晶を保持するウェハ保持機構と、を備え、
上記インゴット保持機構と上記ウェハ保持機構とが交換可能に設けられることを特徴とする、半導体の特性評価装置。 In a semiconductor characteristic evaluation apparatus using a photoluminescence method,
An ingot holding mechanism for holding the semiconductor crystal of the ingot;
A wafer holding mechanism for holding the semiconductor crystal of the wafer,
A semiconductor characteristic evaluation apparatus, wherein the ingot holding mechanism and the wafer holding mechanism are provided interchangeably.
フォトルミネッセンス光の集光焦点位置と励起光の照射位置とがインゴットの口径によらず一致するように、インゴットの口径に対応して上記各貫通孔が上記一対の保持側板に複数穿設されることを特徴とする、請求項1又は2に記載の半導体の特性評価装置。 The ingot holding mechanism includes two or more parallel bars, and a pair of holding side plates that support the parallel bars with both ends of the parallel bars penetrating through the through holes,
A plurality of the through holes are formed in the pair of holding side plates so as to correspond to the diameter of the ingot so that the converging focal position of the photoluminescence light and the irradiation position of the excitation light coincide with each other regardless of the diameter of the ingot. The semiconductor characteristic evaluation apparatus according to claim 1, wherein the characteristic evaluation apparatus is a semiconductor characteristic evaluation apparatus.
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