JP6490671B2 - 半導体ウェーハのバルク品質評価方法および装置 - Google Patents
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Description
そこで本発明は、半導体結晶インゴットから切り出して半導体ウェーハを製造する場合、すべての半導体ウェーハ内部のキャリア寿命を測定する、実用的で従来法に比べて測定速度と精度、装置操作などの点で大幅に改善されたウェーハ評価技術を確立することを目的とする。
評価原理として、半導体ウェーハの表層のみからの応答を使うのではなく、ウェーハの内部からの応答を使う(内部の状態を反映する方法を使う)という手段を採用する。
従来のマイクロ波PCD法(μ−PCD法)に比べて、ウェーハ(インゴット)の一点の品質評価時間を格段に短縮できる新規の評価原理を用いる。具体的には、精度向上に繰り返し測定(データ積算)が必要となる従来のシグナル強度測定の代わりに、単発の測定で精度が得られる原理を採用する。
半導体のエネルギーバンドギャップよりも大きなエネルギーのフォトンを含む励起光を定常的に照射することによってフリーキャリアを生成(励起)し、生成された当該フリーキャリアの濃度が不均一分布しているウェーハの部分に、評価の対象とする物質のエネルギーバンドギャップよりも小さなフォトンエネルギーの観測光を照射し、当該観測光がウェーハを透過あるいは反射した後に出射する角度を計測することを特徴とするものである。
ここで、「出射する角度を計測する」とは、直接角度を計測する以外に、観測光が励起光の影響を受けずに出射したときの到達点と、観測光が励起光の影響を受けて出射したときの到達点との距離を測定する場合も、この距離と角度とは比例の関係にあることから含まれる。
また、本発明は、半導体ウェーハ内部のフリーキャリアの寿命を評価する装置であって、評価対象とする半導体ウェーハのエネルギーバンドギャップよりも大きなエネルギーのフォトンを含む励起光を定常的に前記半導体ウェーハに照射することによって当該半導体ウェーハの内部にフリーキャリアを生成する励起光照射手段と、生成された当該フリーキャリアの濃度が不均一分布している前記半導体ウェーハの部分に、評価の対象とする物質のエネルギーバンドギャップよりも小さなフォトンエネルギーをもつ観測光を照射する観測光照射手段と、当該観測光が前記半導体ウェーハを透過あるいは反射した後に出射する角度を計測する計測手段とを有することを特徴とするものである。
前記観測光照射手段は、前記観測光としてレーザ光、特に赤外光レーザを用いることができる。また、前記観測光照射手段をLEDにより形成することもできる。
前記励起光照射手段は、前記観測光に対して、前記励起光を平行となるように照射することができる。あるいは、前記励起光照射手段は、前記観測光に対して、前記励起光を傾斜するように照射することができる。
前記励起光照射手段または前記観測光照射手段の少なくともいずれか一方は、前記励起光と前記観測光とが、前記半導体ウェーハの内部において、互いに平行で隔たった状態から、互いに一致した状態を経て、互いに平行で隔たった状態となるように走査することができる。
パワー半導体の製造において、原材料である半導体ウェーハ(結晶インゴット)から最終製品製造までの工程のすべてにおいて良品・不良品の全数管理が可能となり、最終製品の品質保証が格段に向上する、また、最終製品で不良などが発生した場合に、製造工程を結晶インゴット(の部位)までさかのぼってテストデータを調査できるようになるため、不良原因の究明が迅速かつ正確にできるようになる。
さらに、このような製品レベルでごくまれに発生するトラブルの原因究明を通して、製品製造技術そのものを改善してゆく手掛かりが掴める。
2 調光部
3 シリコンウェーハ
31 照射面
32 反射面
4 レーザビーム検出器
5 フリーキャリア生成(励起)用レーザ光源
6 調光部
7 反射部
8 XYZステージ
9 シャッタ装置
FD 濃度分布
R11 観測用レーザビーム
R12 屈折しない場合の透過したレーザビーム
R13 屈折した場合の透過したレーザビーム
R14 反射した場合のレーザビーム
R21 フリーキャリア生成(励起)用レーザビーム(励起用レーザビーム)
θ 屈折角
φ,φ’ 入射角
図1は、本発明の品質評価技術を、もっとも基本的な形でパワーデバイス用のMCZ(Magnetic field applied Czochralski法で製造)シリコンウェーハ(リンドープ、比抵抗=約20±3Ωcm)を評価対象として実施した場合の半導体ウェーハ(以下、単にウェーハと称することがある。)のバルク品質評価装置の構成とその動作説明の模式図である。
この観測用レーザビームR11はシリコンウェーハ3を容易にかつ真直ぐに透過し、計測手段として機能するレーザビーム検出器4に到達する。この観測用レーザビームR11が到達したレーザビーム検出器4上の到達点を点Paとする。レーザビーム検出器4としては、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)イメージセンサを用いることができる。
ここで、傾斜した状態とは、シリコンウェーハ3の厚みを見るような方向で、観測用レーザビームR11に対して、励起用レーザビームR21が三次元的に傾いている状態を示す。
このレーザ照射によって、シリコンウェーハ3上の点Pc近傍に自由電子と自由正孔(フリーキャリア)が生成され、このフリーキャリアがシリコンウェーハ3内部と周囲に向かって拡散する。以下、フリーキャリア生成(励起)用レーザ光光源5を、励起用レーザ光光源5と略す。
励起用レーザ光光源5からの励起用レーザ照射の定常状態においては、励起用レーザビームR21の照射によって自由電子と自由正孔、すなわちフリーキャリアが作られる速度と、再結合消滅の速度が釣り合って、図1のシリコンウェーハ3の中に描かれたような、時間に依存しないフリーキャリア濃度の分布が生じる。
この分布濃度FDの形状がシリコンウェーハの品質を反映する。例えば、結晶品質が良いほど分布濃度FDの分布曲線の広がり(半値幅)が大きくなる。そこで、分布濃度FDの分布曲線の広がり(半値幅)を測定することでシリコンウェーハの品質評価が可能となる。
図2の上のグラフは、X軸を、シリコンウェーハ3における観測用レーザビームR11と励起用レーザビームR21との照射位置の距離(相対位置)とし、Y軸を屈折角θ(点Paに対する点Pbの変位)としている。
図2の下のグラフは、X軸を、シリコンウェーハ3における観測用レーザビームR1と励起用レーザビームR21との照射位置の距離(相対位置)とし、Y軸をキャリア濃度としている。そして、X軸上の原点0は、励起用レーザビームR21か、または観測用レーザビームR11のいずれか一方の照射位置を平行移動させて、走査したときに、それぞれの照射位置が一致した場所であることを示している。
この屈折角θが最大値となる照射位置と最小値となる照射位置の間の間隔が広いシリコンウェーハ3が、フリーキャリアの寿命が長いことを示しているため、品質が良いと評価できる。
(1)フリーキャリア生成のために光照射(レーザ照射)を行うことと、
(2)生成されたフリーキャリア濃度の勾配によって観測用レーザビームが屈折透過することと、
(3)透過した観測用レーザビームの到達位置などをCCDのような二次元撮像素子を使って検知すること
の三つの要素を組み合わせていることである。
観測用レーザビームは、当然、ウェーハの内部に到達する(透過する)ため、評価対象となっているのは従来のマイクロ波反射減衰法(評価対象は表面近傍のフリーキャリア)と違って、ウェーハ内部の結晶性である。つまり、パワーデバイス用ウェーハで重要となる「バルクライフタイム」が計測されている。
図3に示すバルク品質評価装置では、光源レンズ付きの観測用レーザ光光源1として赤外レーザを用いており、調光部2(第1の調光部)として集光レンズを用いている。また、バルク品質評価装置では、レーザビーム検出器4としてCCDを用いており、励起用レーザ光光源5として、YAGレーザを用いている。
更に、バルク品質評価装置には、観測用レーザビームを集光するための集光レンズだけでなく、シリコンウェーハ3を透過した観測用レーザビームR12,R13を集光するための調光部6(第2の調光部)としての集光レンズと、レーザビーム検出器4へ導光するための反射部7としてのシリコンウェーハとを備えている。また、励起用レーザ光光源5は、走査装置の一例であるXYZステージ8に搭載されている。
そして、バルク品質評価装置は、XYZステージ8の走査を制御すると共に、レーザビーム検出器4にて受光した観測用レーザビームR12,R13の位置からシリコンウェーハ3を透過した後に出射する角度として求め、キャリア濃度の分布濃度FDの半値幅を算出することで、シリコンウェーハ3の品質を評価する制御装置、例えば、コンピュータ(図示せず)を備えている。
XYZステージ8により励起用レーザ光光源5を移動させて励起用レーザビームR21を走査して、観測用レーザビームR11が屈折したレーザビームR13をレーザビーム検出器4により測定することで、図2に示すシリコンウェーハ3の特性を得ることができる。
図4Aから図4Cでは、直交座標系において、シリコンウェーハ3の厚み方向(左右方向)をX軸、奥行き方向をY軸、高さ方向(上下方向)をZ軸として、シリコンウェーハ3を図示している(図3参照)。
このような光路の中で、観測用レーザビームR11が点Dからシリコンウェーハ3を出射して直線DQとなる光路がある。
この場合において、励起用レーザビームR21をZ軸方向から見れば点Cと一致する点(以後、この点も同じ記号Cを使って点Cと表す)から入射角φ′でシリコンウェーハ3内部に入射させる。但し、励起用レーザビームR21の直線UCは、観測用レーザビームR11の光路に沿う直線SAと直線ABでつくられる仮想平面(XY平面)、もしくはそれと平行な平面に乗っている状態で入射させ、入射角φ′は観測用レーザビームR11の入射角φ=45°と同じになるようにする。点Cからシリコンウェーハ3に入射した励起用レーザビームR21は、Z軸方向から見れば、直線CBに示される光路となる。
これは、シリコンウェーハ3の外側では互いに非平行な二つのレーザビームが、シリコンウェーハ3内部では、励起用レーザビームR21と観測用レーザビームの光路の一部(図4Aでは区間CBの光路)がZ軸方向から見れば完全に一致するという理想的な状況を実現することができるということを示している。このようにして、図3に示すバルク品質評価装置では、観測用レーザビームR11と励起用レーザビームR21とを平行ビーム配置することが可能である。
例えば、屈折ビーム(屈折したレーザビームR13)の時間変化を観測する評価法である。
励起用レーザビームR21の照射によって生成されたフリーキャリアの不均一な濃度分布FD(ウェーハ内の位置の関数としての濃度の不均一)が時間とともに変化(減衰)するという状態(以下、非定常状態と呼ぶ)を利用して、観測用レーザビームの到達点(図1の点Pb)が時間変化する様子の観測結果から、フリーキャリア寿命を算出・評価する。この非定常状態を使ってフリーキャリア寿命を算出・評価するバルク品質評価装置を図5に示す。なお、図5においては、図3と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
このシャッタ装置9により励起用レーザビームR21を遮蔽すると、励起用レーザビームR21により生成されていたフリーキャリアの濃度が低下する。従って、図6に示すように定常状態から非定常状態となり、屈折角θが減衰して徐々に0に近づく。これをレーザビーム検出器4により測定して、図示しない制御装置にて、指数関数的な減衰(点Paから点Pbまでの距離の減少)の時定数からフリーキャリア寿命を算出・評価する。屈折角θが0になる時間が長いと、フリーキャリア寿命が長いことを示すので、シリコンウェーハ3が品質良いと評価できる。
この立体交差ビーム配置の例においても、励起用レーザビームR21と観測用レーザビームR11との光軸同士が非交差状態から交差状態に遷移し、そして非交差状態となるようにすれば、励起用レーザビームR21をシリコンウェーハ3の表面に対して必ずしも垂直に照射する必要はなく、傾斜するように照射してもよい。
図9に示すバルク品質評価装置は、レーザビーム検出器4が、シリコンウェーハ3からの反射光(レーザビームR14)を計測する位置に配置されている。
このバルク品質評価装置においては、励起用レーザ光源5からの励起用レーザビームR21をシリコンウェーハ3にて反射させる。シリコンウェーハ3の照射面31は、励起用レーザビームR21や観測光レーザビームR11が入射できるが、照射面と反対側となる裏面は、レーザビームが出射できないように、鏡面加工が施されているため。鏡面加工は、例えば、シリコンウェーハ3の裏面に反射膜を設けるなどすることができる。この反射膜により反射面32が、シリコンウェーハ3の裏面に形成される。
観測用レーザビームR11がシリコンウェーハ3にて反射したレーザビームR14によりシリコンウェーハ3を評価する方法を図10A,図10Bおよび図11A,図11Bに基づいて説明する。
図9Aに示すように、Z軸方向から見ると、直線SAにて示される観測用レーザビームR11は、点Aにて入射すると共に、入射角と同じ反射角で、直線ATで示される方向へ反射する。シリコンウェーハ3内へ入射した観測用レーザビームR11は、反射面32と照射面31との間で、直線AB、直線BC、直線CD、直線DEおよび直線EFで示される反射を繰り返しながら、反射光として進行する。この状態を図10Bに示すように、Y軸方向から見ると、入射光、反射光および出射光は全て一つの直線に重なる。
この励起用レーザビームR11の照射によって、フリーキャリアの濃度分布FDが生じる。このとき、励起用レーザビームR11の入射角を調整して、シリコンウェーハ3内部で反射した直線BCにて示されるレーザビームが、濃度分布FDの中心から一側(図11Bにおいては濃度分布FDの中心から上側)を通過するようにする。
この励起用レーザビームR11の照射により、反射面32の点Bで反射したレーザビームは、濃度分布FDを通過する際に、曲線BC’で示すように電子・正孔濃度が高い濃度分布FDの中心側(図11Bにおいては濃度分布FDの中心から下側)に屈折させられ、点C’に到達する。
シリコンウェーハ3の照射面31から出射した直線C’Uで示されるレーザビームは、フリーキャリアの濃度分布FDの影響を受け屈折しているため、シリコンウェーハ3から垂直に出射せずに、XY平面からずれる。
まず、励起用レーザビームR21の照射位置が、観測用レーザビームR11の反射光の位置と十分に離れている場合には、観測用レーザビームR11の反射光が濃度分布FDの影響を受けないため、図10A,図10Bと同様な光路となる。
次に、励起用レーザビームR21が観測用レーザビームR11の反射光と交差する位置、すなわち、観測用レーザビームR11の反射光が濃度分布のピークの位置と一致する状態では、濃度勾配がゼロであるため屈折は起こらないため、図10A,図10Bと同様な光路となる。
次に、励起用レーザビームR21を走査して、観測用レーザビームR11の反射光が濃度分布FDの中心から他側に移ると、反射光は図11A,図11Bに示す屈折の方向とは反対側に屈折し始める。
更に、励起用レーザビームR21の照射位置が、観測用レーザビームR11の反射光の位置と十分に離れ、その影響が反射光に及ばない状態になると、反射光はシリコンウェーハ3から外部に出射するときに、シリコンウェーハ3に直角になり、元々の光路に戻る。
この規則をシリコンにおける光吸収の場合に当てはめてみると、価電子バンドの最高エネルギー状態にいる電子が同じ波数ベクトルの電導バンドに励起されることによって強い光吸収が起こる。この励起エネルギーを直接遷移吸収端と呼ぶ。
しかし、実際のシリコンの光吸収は、この直接遷移吸収端よりも低いところから起こる。これは、シリコンにおけるバンド間光遷移が、電子の励起のみによっておこるのではなく、格子振動(フォノン)が電子の励起過程に関与するためである。
つまり、光の吸収と同時にフォノンを発射(生成)をともなってバンド間遷移が起こり得る。このような場合の光による電子の励起は、垂直遷移則にとらわれず、価電子バンドの最高エネルギー状態と電導バンドの最低エネルギー状態の間、すなわちバンドギャップの間で起こることが可能になる。このような励起のエネルギーを間接遷移吸収端という。
本発明ではバルクライフタイムの評価を目的としているため、評価対象になっているシリコンウェーハの内部まで電子(よって正孔も)を励起(生成)することが必要とされるが、YAGレーザを用いることによってこの目的を達成することができる。
Claims (13)
- 評価対象とする半導体ウェーハのエネルギーバンドギャップよりも大きなエネルギーのフォトンを含む励起光を前記半導体ウェーハに定常的に照射することによって当該半導体ウェーハの内部にフリーキャリアを生成する工程と、
生成された当該フリーキャリアの濃度が不均一分布している前記半導体ウェーハの部分に、評価の対象とする物質のエネルギーバンドギャップよりも小さなフォトンエネルギーをもつ観測光を照射する工程と、
当該観測光が前記半導体ウェーハを透過あるいは反射した後に出射する角度を計測する工程と
を有する半導体ウェーハのバルク品質評価方法。 - 前記半導体ウェーハに照射していた前記励起光を不到達にする工程と、
前記観測光が、前記半導体ウェーハを透過あるいは反射した後に出射する角度の時間的な変化を計測する工程と
を有する請求項1記載の半導体ウェーハのバルク品質評価方法。 - 評価対象とする半導体ウェーハのエネルギーバンドギャップよりも大きなエネルギーのフォトンを含む励起光を前記半導体ウェーハに定常的に照射することによって当該半導体ウェーハの内部にフリーキャリアを生成する励起光照射手段と、
生成された当該フリーキャリアの濃度が不均一分布している前記半導体ウェーハの部分に、評価の対象とする物質のエネルギーバンドギャップよりも小さなフォトンエネルギーをもつ観測光を照射する観測光照射手段と、
当該観測光が前記半導体ウェーハを透過あるいは反射した後に出射する角度を計測する計測手段と
を有する半導体ウェーハのバルク品質評価装置。 - 前記励起光照射手段からの前記半導体ウェーハに対する励起光を不到達にする手段と、
前記観測光が、前記半導体ウェーハを透過あるいは反射した後に出射する角度の時間的な変化を計測する手段とを備えた請求項3記載の半導体ウェーハのバルク品質評価装置。 - 前記励起光照射手段は、前記励起光として、レーザ光を照射する請求項3記載の半導体ウェーハのバルク品質評価装置。
- 前記レーザ光はYAGレーザである請求項5記載の半導体ウェーハのバルク品質評価装置。
- 前記観測光照射手段は、前記観測光として、レーザ光を照射する請求項3記載の半導体ウェーハのバルク品質評価装置。
- 前記励起光照射手段は、前記観測光に対して、前記励起光を平行で逆向き、もしくは平行で同じ向きとなるように照射する請求項3記載の半導体ウェーハのバルク品質評価装置。
- 前記励起光照射手段および前記観測光照射手段は、前記励起光と前記観測光とを、前記半導体ウェーハの外部では互いに非平行であり、前記半導体ウェーハの内部では、平行で逆向き、または平行で同じ向き、となるように照射する請求項3記載の半導体ウェーハのバルク品質評価装置。
- 前記励起光照射手段と前記観測光照射手段とは、前記励起光と前記観測光とを、前記半導体ウェーハのおもて面もしくは裏面に対して45度の入射角をもって、前記半導体ウェーハに入射するように照射する請求項9記載の半導体ウェーハのバルク品質評価装置。
- 前記励起光照射手段は、前記観測光に対して、前記励起光を傾斜するように照射する請求項3記載の半導体ウェーハのバルク品質評価装置。
- 前記励起光照射手段または前記観測光照射手段の少なくともいずれか一方は、前記励起光と前記観測光とが、前記半導体ウェーハの内部において、非交差状態から交差状態を経て、非交差状態となるように走査する請求項3から9のいずれかの項に記載の半導体ウェーハのバルク品質評価装置。
- 前記励起光照射手段または前記観測光照射手段の少なくともいずれか一方は、前記励起光と前記観測光とが、前記半導体ウェーハの内部において、互いに平行で隔たった状態から、互いに一致した状態を経て、互いに平行で隔たった状態となるように走査する請求項12記載の半導体ウェーハのバルク品質評価装置。
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