JPH10270514A

JPH10270514A - 半導体ウエハの評価方法及びその装置

Info

Publication number: JPH10270514A
Application number: JP7424897A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Yamamoto; 俊郎山本
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-03-26
Filing date: 1997-03-26
Publication date: 1998-10-09

Abstract

(57)【要約】【課題】フォトルミネッセンス法による測定精度を向
上させることが可能な半導体ウエハの評価方法及びその
実施に使用する装置を提供すること。【解決手段】アルゴンレーザ発振器１から発せられた
レーザ光の光路上に、フィルタ22a 及びＴｅＯ₂からな
る光偏向器２が配置されている。レーザ光の照射により
ウエハ15から放射されるルミネッセンス光は、集光レン
ズ25a ，フィルタ22b 及び分光器27を経て光電子増倍管
である光検出器26にて検出されるようになっており、検
出された信号はボックスカー積分器４へ与えられる。信
号発生器５から出力される照射時間制御信号は光偏向器
２の光偏向時間を制御するＲＦ発振器７へ与えられ、コ
ンピュータ45から出力される照射強度制御信号はＲＦ発
振器７を駆動するＲＦ発振器電源８へ与えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば集積回路に
使用されるシリコンウエハ等の半導体ウエハの評価方法
及びその実施に使用する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＺ法（チョクラルスキー法）等の単結
晶引き上げ法により引き上げられたシリコン単結晶のイ
ンゴットより集積回路に用いられるシリコンウエハを製
造するプロセスにおいて、重金属汚染又は熱処理により
ウエハの表面近傍に結晶欠陥が発生する。またその後の
集積回路の製造プロセスにおいても、同様にウエハの表
面近傍に結晶欠陥が発生し、デバイスの製造歩留りを低
下させている。結晶欠陥の発生原因の特定は困難である
ため、この結晶欠陥の発生を精度良く検出し、不良と判
定されたウエハをプロセスから取り除く。また不良品を
生じさせた要因、例えば製造装置の故障を明らかにして
新たな不良品を発生させないことが、製造コストを低く
維持するために必要である。

【０００３】ウエハの表面近傍の結晶品質を評価する方
法の１つに、フォトルミネッセンス法がある。図８は従
来のフォトルミネッセンス法に用いられるシリコンウエ
ハの評価装置の構成を示すブロック図である。レーザ発
振器21にて発振されたレーザ光は、その中に含まれる赤
外線等の不要な光をフィルタ22a により除去され、レー
ザ光を断続的に照射するための光チョッパー23を通過せ
しめられる。

【０００４】光チョッパー23の構成を図９に示す。図９
(a) は光チョッパー23の回転板の平面図であり、図９
(b) は光チョッパー23の側面図である。円板状の回転板
23a の中心はモータ23b の回転軸にて支持されており、
周縁部において１直径方向に対向する２ヶ所に透過窓23
c が設けられている。光チョッパー23は、レーザ発振器
21から発せされたレーザ光の光軸が一方の透過窓23c を
透過するように配設されている。このとき他方の透過窓
23c に光を透過させるべく発光ダイオード23d が設けら
れており、回転板23a を挟んでフォトセンサ23e が配置
されている。フォトセンサ23e が出力する信号は同期パ
ルス信号としてロックインアンプ28へ与えられるように
なしてある。

【０００５】そして光チョッパー23を通過したレーザ発
振器21からの光は、光路変更用の平面ミラー24で反射し
て試料であるシリコンウエハ15へ導かれる。レーザ光の
照射によりシリコンウエハ15から放射される1.14μm の
波長の光（ルミネッセンス光）は、集光レンズ25a にて
集光され、必要な波長領域のみがロングパスフィルタ22
b を透過する。ロングパスフィルタ22b を透過した光
は、分光器27へ入射せしめられて分光され、集光レンズ
25b を通り、光検出器26にて検出される。検出された信
号はロックインアンプ28へ与えられ、ここで光チョッパ
ー23からの同期パルス信号に位相同期させて増幅され
る。増幅された信号はコンピュータ45にて所定の演算を
行ってフォトルミネッセンス光の強度を求める。結晶欠
陥が存在すると1.14μm の波長のフォトルミネッセンス
強度が低下することが知られており、その強度から結晶
品質の良否が判定される。そして所定のデータ形式でプ
ロッタ46にて印刷表示される。フォトルミネッセンス法
は、非破壊、非接触で評価することが可能であるため、
製造プロセスに組み込み可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な装置で測定されたルミネッセンス光強度は、秒毎に変
化することがあり、測定値の不安定性が問題である。ま
た不純物濃度が深さ方向で変化しているシリコンウエ
ハ、例えばエピタキシャルウエハにおいてはエピタキシ
ャル層の厚さによりルミネッセンス光強度が変化すると
いう問題がある。

【０００７】そこで半導体のバンドギャップよりエネル
ギが大きい励起光を用いて半導体薄層表面近傍に電子正
孔対を発生させ、この再結合により発光する特定波長の
強度を検出し、その強度から半導体薄層のライフタイム
を評価する方法が、特開平８−139146号公報に開示され
ている。この方法では励起光の波長を短くすることによ
り、励起キャリアが発生する領域を浅くすることができ
るとしている。

【０００８】しかしながら少数キャリアの拡散長は数百
μm と大きく、表面で発生したキャリアは内部へ拡散す
る。これによりウエハの深部でのキャリアが多くなるた
め、ここからのルミネッセンス光が支配的になり、ＬＳ
Ｉのデバイス特性に影響を与える表面近傍のライフタイ
ムを独立して高精度に測定することは困難である。

【０００９】本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたも
のであり、照射時間、又は照射時間及び照射強度を制御
することにより、フォトルミネッセンス法による測定精
度を向上させることが可能な半導体ウエハの評価方法及
びその実施に使用する装置を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】ルミネッセンス光強度の
測定値の変化を調査した結果、半導体ウエハに照射され
るレーザ光の強度が大きくなるに従い、半導体ウエハの
表面温度が上昇し、ルミネッセンス光強度が変化するこ
とが判明した。また深さ方向の不純物濃度が異なるシリ
コンウエハ、例えば表面から10μm までは１×10¹⁵／cm
³であり、10μm より深い領域では１×10¹⁸／cm³であ
るエピタキシャルウエハにおいては、レーザ光の照射時
間が長くなると、レーザ光によって励起されたキャリア
が高濃度領域まで拡散し、その結果、高濃度領域でのル
ミネッセンス光が支配的になることが明らかになった。

【００１１】以上の実験結果より、ルミネッセンス光強
度の変動量に応じて、半導体ウエハに照射するレーザ光
の照射時間、又は照射時間及び照射強度を制御すること
により、測定精度の向上が図れるという知見を得た。

【００１２】そこで請求項１記載の発明は、半導体ウエ
ハに光を照射することにより放射されるルミネッセンス
光を受光し、その分光に基づいて半導体ウエハを評価す
る方法において、照射時間、又は照射時間及び照射強度
を制御しながら前記半導体ウエハに光を照射することを
特徴とする。

【００１３】時系列的に検出されるルミネッセンス光の
検出信号に対応して半導体ウエハに照射するレーザ光の
照射時間、又は照射時間及び照射強度を制御することに
より、ウエハ表面温度の上昇、及び励起キャリアのウエ
ハ内部への拡散による測定誤差を低減することができ
る。

【００１４】請求項２記載の発明は、半導体ウエハに光
を照射することにより放射されるルミネッセンス光を受
光し、その分光に基づいて半導体ウエハを評価する装置
において、時系列的に検出されるルミネッセンス光の検
出信号に対応して前記半導体ウエハに照射する光の照射
時間を制御する照射時間制御手段、又は該照射時間制御
手段に加えて前記光の照射強度を制御する照射強度制御
手段を備えることを特徴とする。

【００１５】半導体ウエハに照射するレーザ光の照射時
間、又は照射時間及び照射強度を制御することにより、
ウエハ表面温度の上昇、及び励起キャリアのウエハ内部
への拡散による測定誤差を低減することができる。

【００１６】請求項３記載の発明は、請求項２におい
て、前記光の発生源は連続発振レーザであり、該連続発
振レーザからのレーザ光の照射時間を制御する照射時間
制御手段、又は該照射時間制御手段及び前記連続発振レ
ーザからのレーザ光の照射強度を制御する照射強度制御
手段は、光偏向器を含むことを特徴とする。

【００１７】照射時間制御手段は光偏向器の回折時間を
制御し、回折された光が半導体ウエハへ到達する構成と
することにより、回折時間によってレーザ光の照射時間
を制御することができる。照射強度制御手段は光偏向器
に印加する電圧を制御する構成とすることにより、光偏
向器を通過する光の強度が制御される。

【００１８】請求項４記載の発明は、請求項２におい
て、前記光の発生源は連続発振レーザであり、該連続発
振レーザからのレーザ光の照射時間を制御する照射時間
制御手段、又は該照射時間制御手段及び前記連続発振レ
ーザからのレーザ光の照射強度を制御する照射強度制御
手段は、光変調器を含むことを特徴とする。

【００１９】照射時間制御手段は光変調器の変調時間を
制御し、変調された光が半導体ウエハへ到達する構成と
することにより、変調時間によってレーザ光の照射時間
を制御することができる。照射強度制御手段は光変調器
に印加する電圧を制御する構成とすることにより、光変
調器を通過する光の強度が制御される。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明をその実施の形態を
示す図面に基づき具体的に説明する。形態例１．図１は本発明に係る半導体ウエハの評価装置
の構成を示すブロック図である。図中１は連続発振する
アルゴンレーザ発振器であり、ここから発せられたレー
ザ光の光路上に、フィルタ22a 及びＴｅＯ₂からなる光
偏向器２が配置されている。光偏向器２にて偏向された
所定の光が透過する位置にスリット３が設置されてお
り、スリット３を透過した光をウエハ15へ照射せしめる
ミラー24が適宜位置に設けられている。

【００２１】レーザ光の照射によりウエハ15から放射さ
れるルミネッセンス光は、集光レンズ25a ，ロングパス
フィルタ22b 及び分光器27を経て光電子増倍管からなる
光検出器26にて検出されるようになっており、検出され
た信号はボックスカー積分器４へ与えられるようになし
てある。ボックスカー積分器４には、照射時間制御信号
を発生する信号発生器５への制御信号，ボックスカー積
分器４への検出制御信号，及び照射強度制御信号を発生
し、また所定の演算を行うコンピュータ45と、レコーダ
６とが接続されている。照射時間制御信号は光偏向器２
の偏光時間を制御するＲＦ発振器７へ与えられ、照射強
度制御信号はＲＦ発振器７を駆動するＲＦ発振器電源８
へ与えられるようになしてある。

【００２２】以上の如く構成された評価装置における動
作について説明する。アルゴンレーザ発振器１から発せ
られた波長514.5 nm、0.５mm径のレーザ光は、フィルタ
22a にて赤外線等の不要な成分がカットされ、光偏向器
２にて偏向される。偏向され、スリット３を透過した光
はミラー24にて光路が変更されてウエハ15へ照射せしめ
られる。

【００２３】レーザ光の照射によりウエハ15から放射さ
れたルミネッセンス光は、集光レンズ25a にて集光さ
れ、必要な波長領域のみがロングパスフィルタ22b を透
過する。ロングパスフィルタ22b を透過した光は、分光
器27へ入射せしめられて分光され、1.14μm の光が光検
出器26にて検出される。検出された信号は、非常に微弱
であるので、ボックスカー積分器４によりコンピュータ
45から与えられる図２(a) に示す如き検出制御信号に基
づいて一定間隔で積分され増幅される。即ち光電子増倍
管である光検出器26の出力はパルス状の波形であり、一
定時間に発生するパルス状電圧を積分して、その値を電
圧として出力する。積分するタイミング及び期間は検出
制御信号により外部（コンピュータ45）より制御され
る。得られた検出信号はコンピュータ45へ与えられてデ
ータ処理され、結晶品質の良否が判定される。

【００２４】ボックスカー積分器４が出力する検出信号
に基づきコンピュータ45で決められた照射時間のデータ
が制御信号として、信号発生器５へも与えられ、ここで
図２(b) に示す如き照射時間制御信号が検出制御信号に
同期して発生される。ＲＦ発振器７は、照射時間制御信
号のパルス幅に応じて、0.５ＶのＲＦ電圧（周波数が80
ＭＨｚ）を光偏向器２へ印加する。光偏向器２にはレー
ザ光の入射方向に垂直に超音波を発生する電極が形成さ
れており、0.５ＶのＲＦ電圧を受けると入射されたレー
ザ光強度の５％を回折する。その結果、ウエハ15に照射
されるレーザ光の照射時間は、これに同期して図２(e)
に示す如く変化する。これに伴い、ウエハ15によって放
射されるルミネッセンス光に基づいた、レコーダ６（例
えばオシロスコープ）の出力は図２(f) に示すようにな
る。即ちルミネッセンス光が積分，検出された後、検出
された信号出力が順次コンピュータ45へ出力される。

【００２５】検出は時系列的に行われるが、図２(b) に
示す如く、 250回の検出ごとに照射時間制御信号のパル
ス幅を順次小さくし、これにより照射時間（図２(e))を
短くする。照射時間を短くすると、所定の時間で積分を
行っているボックスカー積分器４で積分され増幅される
ルミネッセンス光の強度が小さくなる。従ってこれを補
うには、照射強度を大きくする必要がある。そのために
照射強度制御信号を図２(g) に示す如く大きくすると、
ＲＦ発振器電源８がＲＦ発振器７へ印加する電圧が大き
くなり、従ってＲＦ発振器７が光偏向器２へ出力するＲ
Ｆ電圧が大きく（例えば0.５Ｖから0.８Ｖへ）なる。そ
うすると光偏向器２における回折光の強度が大きく（例
えば５％から８％へ）なるので、図２(h) に示す如き順
次大きくなる照射強度が得られる。

【００２６】図３は、研磨によりウエハ表面に結晶欠陥
を故意に形成したウエハに対して、パルス幅、即ち照射
時間を0.５，１，５msecとした場合の、検出回数と検出
信号の出力との関係を示すグラフである。パルス幅が0.
５msecである場合は、検出回数が 200回を超えても検出
回数に関係なく略一定の信号値が得られる。しかしなが
らパルス幅が大きいほど、検出回数の増加につれて検出
信号が大きくなることが判る。

【００２７】ここで照射時間により検出信号の出力が大
きく変化するウエハは、その表面に結晶欠陥が生じてい
る可能性があるという判断を行うことが可能である。

【００２８】次に10μm 厚のエピタキシャル層を有する
エピタキシャルウエハを評価した場合について説明す
る。照射時間が長い（例えば５msec) 場合は、図４(a)
に示す如く、レーザ光によってウエハの表面近傍に発生
したキャリアが、不純物濃度が低濃度である表面から高
濃度である領域にまで拡散するので、評価対象でないエ
ピタキシャル層以外の領域からのルミネッセンス光が生
じ、評価の目的である表面のエピタキシャル層からのル
ミネッセンス光を正確に測定することができない。そこ
で照射時間を約５μsec まで短くすると、ルミネッセン
ス光強度とレーザ光照射強度との比がほぼ一定となり、
図４(b) に示す如く励起されたキャリアが高濃度領域ま
で拡散する前にエピタキシャル層からのルミネッセンス
光を検出することができる。このとき照射時間を短くし
ても、上述した如く照射強度を高めるよう制御すること
により、検出に十分なルミネッセンス光強度を得ること
ができる。

【００２９】次に本発明に係る半導体ウエハの評価方法
について説明する。図５は、エピタキシャル構造ではな
い通常のシリコンウエハを評価する場合のフローチャー
トである。先ず照射時間の初期値及び変化幅と、照射強
度とを設定する（ステップＳ１）。即ち、光偏向器２の
回折時間がこれらの値になるような照射時間制御信号の
初期パルス幅及び順次変化させていくパルス幅を設定
し、また照射強度制御信号の電圧を設定する。選択的に
設定された照射時間及び照射強度でルミネッセンス光強
度の測定を 250回行う（ステップＳ２）。そして測定さ
れたルミネッセンス光強度の変化率を算出し（ステップ
Ｓ３）、これが許容範囲内であるか否かを判断する（ス
テップＳ４）。

【００３０】許容範囲内でない場合は、設定された変化
幅に基づいて照射時間を短くして（ステップＳ５）、即
ち照射時間制御信号のパルス幅を減少させて、ステップ
Ｓ２へ戻る。そして変更された（短縮された）照射時間
でルミネッセンス光強度の測定を 250回行い、ステップ
Ｓ４において許容範囲内となった場合は、そのウエハの
最適な照射時間であると設定して（ステップＳ６）、製
造プロセスにおけるウエハの評価を実施する（ステップ
Ｓ７）。

【００３１】図６は、エピタキシャル構造であるシリコ
ンウエハを評価する場合のフローチャートである。先ず
照射時間及び照射強度の初期値及び変化幅を設定する
（ステップＳ11）。即ち、光偏向器２の回折時間がこれ
らの値になるような照射時間制御信号の初期パルス幅及
び順次変化させていくパルス幅を設定し、また照射強度
制御信号の初期電圧及び順次変化させていく電圧を設定
する。選択的に設定された照射時間及び照射強度でルミ
ネッセンス光強度の測定を 250回行う（ステップＳ
２）。そして測定されたルミネッセンス光強度が所定値
以上であるか否かを判断する（ステップＳ12）。

【００３２】所定値以上でない場合は、設定された変化
幅に基づいて照射強度を高くして（ステップＳ13）、即
ち照射強度制御信号の電圧を増大させて、ステップＳ２
へ戻る。ステップＳ12において所定値以上である場合
は、ルミネッセンス光強度と照射強度との比を算出し
（ステップＳ14）、これが所定値以上であるか否かを判
断する（ステップＳ15）。照射強度は、以下式により求
められる。照射強度＝定数×回折時間×回折強度

【００３３】所定値以上でない場合は、設定された変化
幅に基づいて照射時間を短くして（ステップＳ５）、即
ち照射時間制御信号のパルス幅を減少させて、ステップ
Ｓ２へ戻る。そして変更された（短縮された）照射時間
でルミネッセンス光強度の測定を 250回行い、ステップ
Ｓ15において所定値以上となった場合は、そのウエハの
最適な照射時間及び照射強度であると設定して（ステッ
プＳ16）、製造プロセスにおけるウエハの評価を実施す
る（ステップＳ７）。

【００３４】このようにして時系列的にルミネッセンス
光を検出し、ウエハに照射する時間、又は時間及び強度
を変化させることにより、測定誤差となる要因の影響を
受けない条件を明らかにした後、最適な照射時間及び照
射強度でルミネッセンス光強度の測定を実施する。この
ようにウエハの種類ごとに照射時間及び照射強度の設定
を行うことにより、ウエハ表面温度の上昇，表面近傍以
外への励起キャリアの拡散等による影響を低減して、ル
ミネッセンス光強度の測定が高精度に実施することがで
きる。これによりフォトルミネッセンス法による半導体
ウエハの品質評価の精度が向上し、ウエハの評価コスト
が削減されるという効果が得られる。

【００３５】形態例２．形態例１では、光照射時間又は
光照射強度を制御する手段として光偏向器を使用してい
るが、形態例２では図７に示す如く、光偏向器２に代え
て光変調器11を用いる。光変調器11は、ＡＤＰの結晶12
と、これのフィルタ22a 側に設置された偏光子13と、ス
リット３に代えて設けられた検光子14とを備える。さら
にＲＦ発振器７，ＲＦ発振器電源８に代えて電圧発生器
17，電圧発生器電源18が設置されている。電圧発生器17
は、照射時間制御信号に基づいて約 100Ｖの電圧をパル
ス幅、即ち照射時間に応じて光変調器11へ印加する。

【００３６】結晶12に電圧が印加されると、入射光の偏
波面が回転するので、検光子14における透過率が変化す
る。これにより検出制御信号に同期した図２(e) に示す
如き照射強度が得られる。その他は形態例１と同様であ
るので説明を省略する。

【００３７】この装置において、通常のウエハの評価を
行う場合、図５におけるステップＳ１の照射時間の初期
値及び変化幅の設定は、光変調器11の光変調時間（光を
透過させる時間、即ち電圧が印加される時間）がこれら
の値になるように、照射時間制御信号のパルス幅の初期
値及び順次変化させていくパルス幅を設定することによ
り行う。

【００３８】またこの装置において、エピタキシャル構
造のウエハの評価を行う場合、図６におけるステップＳ
11の照射時間及び照射強度の初期値及び変化幅の設定
は、光変調器11の光変調時間がこれらの値になるよう
に、照射時間制御信号の初期パルス幅及び順次変化させ
ていくパルス幅を設定し、また光変調器11の光透過率
（印加電圧により調整される光の透過率）がこれらの値
になるように、照射強度制御信号の初期電圧及び順次変
化させていく電圧を設定することにより行う。ステップ
Ｓ13においてルミネッセンス光強度と照射強度との比を
求める場合の照射強度は以下式により求められる。照射強度＝定数×光変調時間×光透過率

【００３９】本形態例においても、上述したと同様に、
高精度にルミネッセンス光強度を測定することができ
る。

【００４０】

【発明の効果】以上のように本発明に係る半導体ウエハ
の評価方法及びその装置は、半導体ウエハへ照射される
光の照射時間、又は照射時間及び照射強度を制御し、ウ
エハの種類に最適な照射時間及び照射強度を用いてルミ
ネッセンス光を検出することにより、フォトルミネッセ
ンス法による測定精度を向上させることが可能である
等、本発明は優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】形態例１における半導体ウエハの評価装置の構
成を示すブロック図である。

【図２】図１に示す装置における各制御信号及び各出力
の波形図である。

【図３】検出回数と検出信号の出力との関係を示すグラ
フである。

【図４】エピタキシャルウエハにおけるキャリアの拡散
を示す説明図である。

【図５】通常のウエハを評価する処理手順を示すフロー
チャートである。

【図６】エピタキシャルウエハを評価する処理手順を示
すフローチャートである。

【図７】形態例２における半導体ウエハの評価装置の構
成を示すブロック図である。

【図８】従来のフォトルミネッセンス法に用いられる半
導体ウエハの評価装置の構成を示すブロック図である。

【図９】図８における光チョッパーの構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１アルゴンレーザ発振器２光偏向器３スリット４ボックスカー積分器５信号発生器７ＲＦ発振器８ＲＦ発振器電源 11 光変調器 12 結晶 13 偏光子 14 検光子 15 ウエハ 17 電圧発生器 18 電圧発生器電源 26 光検出器 27 分光器 45 コンピュータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体ウエハに光を照射することにより
放射されるルミネッセンス光を受光し、その分光に基づ
いて半導体ウエハを評価する方法において、照射時間、
又は照射時間及び照射強度を制御しながら前記半導体ウ
エハに光を照射する工程を含むことを特徴とする半導体
ウエハの評価方法。
【請求項２】半導体ウエハに光を照射することにより
放射されるルミネッセンス光を受光し、その分光に基づ
いて半導体ウエハを評価する装置において、前記半導体
ウエハに照射する光の照射時間を制御する照射時間制御
手段、又は該照射時間制御手段に加えて前記光の照射強
度を制御する照射強度制御手段を備えることを特徴とす
る半導体ウエハの評価装置。
【請求項３】前記光の発生源は連続発振レーザであ
り、該連続発振レーザからのレーザ光の照射時間を制御
する照射時間制御手段、又は該照射時間制御手段及び前
記連続発振レーザからのレーザ光の照射強度を制御する
照射強度制御手段は、光偏向器を含むことを特徴とする
請求項２記載の半導体ウエハの評価装置。
【請求項４】前記光の発生源は連続発振レーザであ
り、該連続発振レーザからのレーザ光の照射時間を制御
する照射時間制御手段、又は該照射時間制御手段及び前
記連続発振レーザからのレーザ光の照射強度を制御する
照射強度制御手段は、光変調器を含むことを特徴とする
請求項２記載の半導体ウエハの評価装置。