JP2009054771A - Method and device of evaluating defect of semiconductor crystal - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of rapidly, nondestructively and accurately evaluating a two-dimensional distribution of crystalline structure defects of a semiconductor sample consisting of a wide gap semiconductor. <P>SOLUTION: The method of evaluating a two-dimensional distribution of crystalline structure defects of a semiconductor sample includes processes of: emitting photoluminescence light from the semiconductor sample by irradiating the semiconductor sample with light; and obtaining a two-dimensional distribution of the crystalline structure defects of the semiconductor sample by observing the emitted photoluminescence light. In the method, a semiconductor constituting the semiconductor sample is a wide gap semiconductor, and light for irradiating the semiconductor sample therewith has energy smaller than energy corresponding to a band gap of the wide gap semiconductor. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体基板の評価方法及び評価装置に関し、特に、低損失電力デバイス等に用いられる炭化珪素(SiC)などの半導体基板の結晶構造欠陥の二次元的な分布を、高速で非破壊的に高精度で評価することを可能にする、半導体基板の評価方法及び評価装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor substrate evaluation method and an evaluation apparatus, and in particular, a high-speed non-destructive two-dimensional distribution of crystal structure defects of a semiconductor substrate such as silicon carbide (SiC) used in a low-loss power device or the like. The present invention relates to a semiconductor substrate evaluation method and an evaluation apparatus that enable highly accurate evaluation.

エネルギー・環境問題への関心の高まりから、低損失電力デバイスの開発が国家プロジェクトとして採り上げられるなど、急務となっている。
このような用途に使用可能な材料として、シリコン(Si)、砒化ガリウム(GaAs)等の従来の半導体デバイス用材料の物性的限界を超える半導体と考えられている「ワイドギャップ半導体」と呼ばれる禁制帯幅エネルギーの大きい半導体が大きな注目を集めている。
この「ワイドギャップ半導体」のうち、昨今特に、学術的には半導体に含まれるが、「半絶縁性」と区別的に呼ばれることもある炭化珪素(SiC)のウエハを使用してのデバイス作製が活発化してきている。SiCの持つ半絶縁性という特徴は、ウエハ中の点欠陥やバナジウム不純物が形成する深い準位によって、浅い準位を形成する残留不純物を補償することにより得られている。
物性的性質が優れている炭化珪素(SiC)は最も有望な次世代低損失電力デバイス用半導体材料であるが、結晶の品質が現在主流のシリコン(Si)に比べて劣っており、高品質化(低欠陥密度化)が課題である。炭化珪素(SiC)ウエハを用いたデバイス作製の活発化に呼応して、近年、SiCウエハを高精度に評価したいとの要請が強くなってきた。
Due to the growing interest in energy and environmental issues, the development of low-loss power devices has been taken up as a national project.
Forbidden bands called “wide-gap semiconductors” that are considered as semiconductors that exceed the physical limits of conventional semiconductor device materials such as silicon (Si) and gallium arsenide (GaAs) Semiconductors with large width energy are attracting great attention.
Of these “wide-gap semiconductors”, device fabrication using silicon carbide (SiC) wafers, which are now scientifically included in semiconductors, but are sometimes referred to as “semi-insulating”, is also known. It is becoming more active. The semi-insulating characteristics of SiC are obtained by compensating residual impurities that form shallow levels by the deep levels formed by point defects and vanadium impurities in the wafer.
Silicon carbide (SiC), which has excellent physical properties, is the most promising semiconductor material for next-generation low-loss power devices, but the quality of the crystal is inferior to that of current mainstream silicon (Si), resulting in higher quality. (Low defect density) is a problem. In response to the increased device fabrication using silicon carbide (SiC) wafers, in recent years there has been a growing demand for highly accurate evaluation of SiC wafers.

上記のような要請に対し、従来開発されていた評価方法としては、代表的に、1)光散乱法、2)エッチング法、3)X線トポグラフィー法、4)透過電子線回折法、5)フォトルミネッセンス法、が知られている。そこで以下、これらに関し、個々に説明する。
1)光散乱法:この方法は、ウエハに光を透過させることにより、結晶構造欠陥による光散乱を測定するもので、SiCウエハに対しては可視及び赤外領域の光が用いられ、SiCウエハを透過する光が欠陥により散乱され結晶欠陥を検出する手法である。この方法は、非破壊検査という特長があるが、この方法によって欠陥の存在は確認できても、欠陥の種類まで同定することは難しい。
2)エッチング法:この方法は、溶融水酸化カリウム(KOH)にSiCウエハを浸すことにより、結晶構造欠陥部分をエッチングして可視化する手法である。この方法は、マイクロパイプ、転位、積層欠陥、インクルージョン等の結晶構造欠陥の2次元密度分布を調べる手段として最も一般に使用されている。しかしながら、この方法は破壊試験であるため、評価したウエハそのものを使ってデバイスを作ることはできず、評価を行う場合には必ず高価なウエハを犠牲にしなければならない。また、この方法は、500℃に加熱した劇薬のKOHを使う必要があり、安全面でも問題がある。さらに、この方法では、点欠陥の密度分布まではわからいない。
3)X線トポグラフィー法:この方法は、X線回折を用いるものである。この方法によれば、エッチング法と同様、転位、積層欠陥、インクルージョン等の結晶構造欠陥の2次元密度分布がわかるが、点欠陥の密度分布まではわからない。この方法は、非破壊という特長をもつが、試料の反り等の形状が評価へ大きく影響する。さらに、この方法を用いて高精度の評価を行うには、数時間の測定あるいは、シンクトロン放射光のような大型特殊施設による高強度のX線源の使用が必要になる。
4)透過電子線回折法:この方法は、結晶構造欠陥に関しては非常に分解能が高いが、この方法を用いて半導体ウエハ全体のマッピングを行うことは、現実的には不可能である。また、この方法は破壊試験である。
In response to the above demands, conventionally developed evaluation methods are typically 1) light scattering method, 2) etching method, 3) X-ray topography method, 4) transmission electron diffraction method, 5 ) Photoluminescence method is known. Therefore, these will be described individually below.
1) Light scattering method: This method measures light scattering due to crystal structure defects by transmitting light through the wafer. Visible and infrared light is used for SiC wafers. In this method, the light passing through the light is scattered by the defect and the crystal defect is detected. Although this method has a feature of non-destructive inspection, even if the presence of a defect can be confirmed by this method, it is difficult to identify the type of defect.
2) Etching method: This method is a method of visualizing the crystal structure defect portion by immersing the SiC wafer in molten potassium hydroxide (KOH). This method is most commonly used as a means for examining the two-dimensional density distribution of crystal structure defects such as micropipes, dislocations, stacking faults, and inclusions. However, since this method is a destructive test, a device cannot be made using the evaluated wafer itself, and an expensive wafer must always be sacrificed when performing the evaluation. In addition, this method requires the use of powerful KOH heated to 500 ° C, which is also a problem in terms of safety. Further, this method does not know the density distribution of point defects.
3) X-ray topography method: This method uses X-ray diffraction. According to this method, as in the etching method, the two-dimensional density distribution of crystal structure defects such as dislocations, stacking faults, and inclusions can be found, but the density distribution of point defects is not known. This method has the feature of non-destructiveness, but the shape such as the warp of the sample greatly affects the evaluation. Furthermore, high-precision evaluation using this method requires several hours of measurement or the use of a high-intensity X-ray source from a large special facility such as synchrotron radiation.
4) Transmission electron diffraction method: This method has very high resolution with respect to crystal structure defects, but it is practically impossible to perform mapping of the entire semiconductor wafer using this method. This method is a destructive test.

5)フォトルミネッセンス法:この方法は、次のような原理を利用したものである。
図1は、フォトルミネッセンス過程の発生するメカニズム自体を説明するものであって、SiCのエネルギー・バンド構造を模式的に示しており、価電子帯1と伝導帯2の間の禁制帯3中には、深い準位4と浅い準位5が例示されている。
こうした材料に禁制帯3の幅よりも大きな光子エネルギーを持つ光が照射されると、価電子帯1から伝導帯2に亘る太目の矢印10で示したように、帯間吸収過程で過剰な電子−正孔対が生成され、これによって伝導帯2中に叩き上げられた電子の中、一部は矢印6によって示される捕獲過程で浅い準位5に、また他の一部は同様に矢印8によって示される捕獲過程で深い準位4に捕えられる。
これらの電子が矢印7、9で示されるように、価電子帯1中の正孔と再結合する過程で光を発生する事象が一般にフォトルミネッセンスと呼ばれ、このフォトルミネッセンスにより発生した光を分光分析すると、当該フォトルミネッセンス光の発光の原因となった準位の種類が特定でき、かつまた、その強度解析により、各特定した準位の濃度を知ることができる。
ただし、実際のフォトルミネッセンスでは、禁制帯幅エネルギーよりもやや小さな光子エネルギー領域に、図1中の矢印7で示される過程による浅い準位の存在に基づく発光の外、励起子発光、帯間遷移発光等、バンド端近傍発光と総称される発光現象が認められるが、一般には、上記浅い準位5の存在に基づく発光過程をして、これらバンド端近傍発光を代表させるのが通常である。
上記1)〜4)の従来法に比べて、フォトルミネッセンス法は、照射光を絞り込むことにより、ウエハ面上の微小領域の評価を行うことができ、深さ方向にもデバイス作製用活性領域に対応した極めて浅い領域での一応の評価を行うことができる点で、非破壊、非接触法であるすぐれた特長をもっている。
しかしながら、これまでのフォトルミネッセンス法によるウエハ1枚当りの測定時間は、典型的な口径50mmのウエハの場合で約30分間程度以上であって、数多くのウエハを迅速に評価することは事実上不可能であり、統計的に信頼性の高いデータを得るには至っていないのが実情であった。
5) Photoluminescence method: This method utilizes the following principle.
FIG. 1 illustrates the mechanism itself in which the photoluminescence process occurs, schematically showing the energy band structure of SiC, and in the forbidden band 3 between the valence band 1 and the conduction band 2. , A deep level 4 and a shallow level 5 are illustrated.
When such a material is irradiated with light having a photon energy larger than the width of the forbidden band 3, as indicated by a thick arrow 10 extending from the valence band 1 to the conduction band 2, excessive electrons are generated in the interband absorption process. -Some of the electrons that have been generated and thus struck into the conduction band 2 are in the shallow level 5 in the trapping process indicated by the arrow 6 and some in the same way by the arrow 8 It is trapped at deep level 4 in the capture process shown.
As indicated by arrows 7 and 9, an event that generates light in the process of recombining with holes in the valence band 1 is generally called photoluminescence, and the light generated by this photoluminescence is spectroscopically analyzed. When analyzed, the type of level that caused the emission of the photoluminescence light can be specified, and the concentration of each specified level can be known by the intensity analysis.
However, in actual photoluminescence, in addition to light emission based on the presence of shallow levels in the photon energy region slightly smaller than the forbidden band energy in the process indicated by the arrow 7 in FIG. 1, exciton light emission, interband transition Although a light emission phenomenon generally referred to as light emission near the band edge, such as light emission, is recognized, in general, the light emission process based on the presence of the shallow level 5 is generally used to represent light emission near the band edge.
Compared with the conventional methods 1) to 4) above, the photoluminescence method can evaluate a minute region on the wafer surface by narrowing the irradiation light, and can also be applied to the active region for device fabrication in the depth direction. It has the excellent feature of non-destructive and non-contact method in that it can perform a temporary evaluation in the corresponding extremely shallow region.
However, the measurement time per wafer by the conventional photoluminescence method is about 30 minutes or more in the case of a typical wafer having a diameter of 50 mm, and it is practically impossible to quickly evaluate many wafers. The fact is that it has not been possible to obtain statistically reliable data.

特開2006−147848号公報JP 2006-147848 A 特開2006−349482号公報JP 2006-349482 A R.E. Stahlbush, K.X. Liu, Q. Zhang and J.J. Sumakeris: “Whole-Wafer Mapping of Dislocations in 4H-SiC Epitaxy” Mater. Sci. Forum, Vol. 556-557, pp. 295-298 (2007)R.E. Stahlbush, K.X. Liu, Q. Zhang and J.J. Sumakeris: “Whole-Wafer Mapping of Dislocations in 4H-SiC Epitaxy” Mater. Sci. Forum, Vol. 556-557, pp. 295-298 (2007) 長野正裕,鎌田功穂,土田秀一:「UV-LED, 2D-CCDを用いた4H-SiCの転位・積層欠陥のPLマッピング観察」,SiC及び関連ワイドギャップ半導体研究会第15回講演会,P-18, p. 48 (2006)Masahiro Nagano, Noriho Kamada, Shuichi Tsuchida: "PL mapping observation of dislocations and stacking faults in 4H-SiC using UV-LED, 2D-CCD", SiC and related wide gap semiconductor workshop 15th lecture, P -18, p. 48 (2006) M. Tajima, E. Higashi, T. Hayashi, H. Kinoshita and H. Shiomi: "Nondestructive characterization of dislocations and micropipes in high-resistivity 6H SiC wafers by deep-level photoluminescence mapping," Appl. Phys. Lett., Vol. 86, No. 5, pp. 061914-1 - 061914-3 (2005)M. Tajima, E. Higashi, T. Hayashi, H. Kinoshita and H. Shiomi: "Nondestructive characterization of dislocations and micropipes in high-resistivity 6H SiC wafers by deep-level photoluminescence mapping," Appl. Phys. Lett., Vol 86, No. 5, pp. 061914-1-061914-3 (2005)

現状のSiCの結晶性は、SiやGaAsに比べると非常に劣っている。このため、SiCウエハ中には、「マイクロパイプ」と呼ばれる直径がサブミクロン程度の巨大な空洞、結晶の規則的な原子配列のずれである「転位」、さらには結晶格子の積層構造の乱れである「積層欠陥」などの結晶構造欠陥が、数多く存在している。これらの結晶構造欠陥は、デバイスの特性、歩留り、及び信頼性に悪影響を与えるおそれがあるため、その低減化が最大の課題となる。また、上記の深い準位の原因となる点欠陥や不純物の分布は、結晶構造欠陥の分布に左右される。さらには、デバイス活性領域に結晶構造欠陥が存在すると、そのデバイスは動作不良を起こす可能性が極めて高くなる。
現状の技術では、ウエハ内にかなり高い密度で結晶構造欠陥が存在し、しかもその分布は極めて不均一であり、実際にもSiCウエハ上に構築された電子デバイスの特性にかなりばらつきを生み、結局は素子の歩留まりを低下させるのみならず、高信頼性、高性能化を図る上での大きな障害となっていた。
こうしたことから、この種の分野では、SiCウエハの結晶内における結晶構造欠陥の評価、特にウエハ面内に沿う結晶構造欠陥の密度分布を、迅速に、高い空間分解能で、簡便に検出したいとの要求が強くなされるに至ったのである。特に欠陥評価の迅速性については、インゴットから切り出したウエハの全数チェックなどの目的では、1枚当り1分程度以内で測定することが要求されている。
したがって、本発明は、SiCウエハなどのワイドギャップ半導体で構成される半導体試料の結晶構造欠陥の二次元的な分布を高速で非破壊的に高精度で評価する方法および装置を提供することを目的とするものである。
The crystallinity of the current SiC is very inferior compared to Si and GaAs. For this reason, in SiC wafers, there are huge cavities called sub-micron diameters called “micropipes”, “dislocations” that are deviations in the regular atomic arrangement of crystals, and disorder in the laminated structure of crystal lattices. There are many crystal structure defects such as “stacking defects”. Since these crystal structure defects may adversely affect the characteristics, yield, and reliability of the device, the reduction of the defects becomes the greatest problem. In addition, the distribution of point defects and impurities that cause the deep levels described above depends on the distribution of crystal structure defects. Furthermore, if there is a crystal structure defect in the device active region, the device is very likely to malfunction.
In the current technology, crystal structure defects exist in the wafer at a fairly high density, and the distribution is extremely non-uniform. In fact, the characteristics of the electronic devices built on the SiC wafer actually vary considerably. As well as lowering the yield of the device, it has become a major obstacle to achieving high reliability and high performance.
For this reason, in this type of field, it is desired to evaluate crystal structure defects in SiC wafer crystals, particularly to detect the density distribution of crystal structure defects along the wafer surface quickly and easily with high spatial resolution. The demand has been made strong. In particular, with regard to the speed of defect evaluation, for the purpose of checking the total number of wafers cut out from an ingot, it is required to measure within one minute per wafer.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method and apparatus for evaluating a two-dimensional distribution of crystal structure defects of a semiconductor sample composed of a wide gap semiconductor such as a SiC wafer at high speed and nondestructively with high accuracy. It is what.

本発明者は、発明者は、SiCウエハなどのワイドギャップ半導体で構成される半導体試料からのフォトルミネッセンスを得る場合に、励起光として、ワイドギャップ半導体のバンドギャップに対応するエネルギーよりも小さいエネルギーを有する光を用いることも可能であるとの知見に基づき、本発明に到った。
上記従来技術では、図1中の矢印9で示されるフォトルミネッセンス光の強度に着目していた。
これに対し、本発明者は、図2に示すように、深い準位14には励起帯15が存在し、図2の矢印16に示されるように、バンドギャップ13に対応するエネルギーよりも小さいエネルギーをもつ光によって価電子帯にある電子を深い準位14に直接叩き上げられることができるとの知見に基づき、本発明に到ったものである。
バンドギャップよりも小さいエネルギーの光による励起が可能であるということは、励起光源として、従来法において使用されていたような紫外線に代えて、可視光を使用することが可能となることを意味する。励起光源として、紫外線に代えて可視光を使用することは、
(1) 光学系に通常の可視光領域の光学部品が使用でき、装置が単純になる点、
(2) 紫外線はウエハ表面上のゴミや、フィルタ、レンズ等の光学部品からも蛍光(これもフォトルミネッセンス)を誘起させてしまいノイズの原因となるが、可視光ではそのようなことがない点、
(3) 可視光のほうが目に見えない紫外線よりも扱う上で安全である点、
で、メリットがある。
そして、可視光の発光ダイオードアレイを用いてウエハ全面を均一強度で照射し、ウエハから発せられる深い準位のフォトルミネッセンス像を高感度CCDカメラで撮ることにより、ウエハ全面の強度分布を得ることができる。本発明では、従来法のようにレーザーを走査してウエハの1点1点を測定するわけではないので、測定時間が大幅に短縮される。
The inventor, when obtaining photoluminescence from a semiconductor sample composed of a wide gap semiconductor such as a SiC wafer, the inventor uses energy smaller than the energy corresponding to the band gap of the wide gap semiconductor as excitation light. The present invention has been reached based on the knowledge that it is possible to use the light that it has.
In the above prior art, attention has been paid to the intensity of the photoluminescence light indicated by the arrow 9 in FIG.
On the other hand, the present inventor has an excitation band 15 in the deep level 14 as shown in FIG. 2, which is smaller than the energy corresponding to the band gap 13 as shown by the arrow 16 in FIG. The present invention has been reached based on the knowledge that electrons in the valence band can be directly beaten to the deep level 14 by light having energy.
The fact that excitation with light having energy smaller than the band gap is possible means that it is possible to use visible light as an excitation light source instead of ultraviolet light used in the conventional method. . Using visible light instead of ultraviolet light as the excitation light source
(1) The optical system can be used with ordinary optical components in the visible light range, simplifying the device,
(2) Ultraviolet rays cause fluorescence (also photoluminescence) from dust on the wafer surface, optical components such as filters and lenses, and cause noise, but this is not the case with visible light ,
(3) Visible light is safer to handle than invisible UV light,
And there are advantages.
By irradiating the entire surface of the wafer with a uniform intensity using a visible light emitting diode array, and taking a deep level photoluminescence image emitted from the wafer with a high-sensitivity CCD camera, an intensity distribution on the entire surface of the wafer can be obtained. it can. In the present invention, since the laser is not scanned to measure each point of the wafer as in the conventional method, the measurement time is greatly shortened.

すなわち、本発明は、半導体試料に光を照射して、半導体試料によりフォトルミネッセンス光を放出させる工程、及び、放出されたフォトルミネッセンス光を観察して、半導体試料の結晶構造欠陥の二次元的な分布を得る工程を含み、半導体試料を構成する半導体が、ワイドギャップ半導体であり、半導体試料に照射する光が、ワイドギャップ半導体のバンドギャップに対応するエネルギーよりも小さいエネルギーを有する、半導体試料の結晶構造欠陥の二次元的な分布を評価する方法を提供する。
本発明の方法において、半導体試料に照射する光が可視光であるのが好ましい。
また、本発明の方法において、半導体が炭化珪素であり、結晶構造欠陥が、マイクロパイプ欠陥、転位、積層欠陥及びインクルージョンのいずれかを含むものとすることもできる。
さらに、本発明は、半導体試料に光を照射して、半導体試料によりフォトルミネッセンス光を放出させるための光源、放出されたフォトルミネッセンス光を観察するための、観察手段、及び、観察されたフォトルミネッセンス光から、半導体試料の結晶構造欠陥の二次元的な分布を得る、欠陥分布評価手段を備え、光源が、ワイドギャップ半導体のバンドギャップに対応するエネルギーよりも小さいエネルギーを有する光を照射する、ワイドギャップ半導体により構成される半導体試料の結晶構造欠陥の二次元的な分布を評価するための装置を提供する。
本発明の装置において、光源が可視光を照射するのが好ましい。
バンドギャップよりも小さいエネルギーの光を励起光として利用する本発明の方法では、通常の可視光励起でフォトルミネッセンス強度分布を得ることができる。可視光励起であるため、光学系が単純になり、試料以外からの発光成分(ノイズ)が少なく、鮮明な像が得られる。
That is, the present invention includes a step of irradiating a semiconductor sample with light to emit photoluminescence light from the semiconductor sample, and observing the emitted photoluminescence light to observe two-dimensional crystal structure defects of the semiconductor sample. A semiconductor sample crystal comprising a step of obtaining a distribution, wherein the semiconductor constituting the semiconductor sample is a wide gap semiconductor, and the light applied to the semiconductor sample has an energy smaller than the energy corresponding to the band gap of the wide gap semiconductor A method for evaluating a two-dimensional distribution of structural defects is provided.
In the method of the present invention, it is preferable that the light applied to the semiconductor sample is visible light.
In the method of the present invention, the semiconductor may be silicon carbide, and the crystal structure defect may include any of a micropipe defect, a dislocation, a stacking fault, and an inclusion.
Furthermore, the present invention provides a light source for irradiating a semiconductor sample with light to emit photoluminescence light from the semiconductor sample, an observation means for observing the emitted photoluminescence light, and the observed photoluminescence A defect distribution evaluation means for obtaining a two-dimensional distribution of crystal structure defects of a semiconductor sample from light, and a light source that emits light having energy smaller than energy corresponding to a band gap of a wide gap semiconductor. An apparatus for evaluating a two-dimensional distribution of crystal structure defects of a semiconductor sample composed of a gap semiconductor is provided.
In the apparatus of the present invention, the light source preferably emits visible light.
In the method of the present invention using light having energy smaller than the band gap as excitation light, a photoluminescence intensity distribution can be obtained by normal visible light excitation. Since it is visible light excitation, the optical system is simple, and there are few light emission components (noise) from other than the sample, and a clear image can be obtained.

本発明において、ワイドギャップ半導体のバンドギャップに対応するエネルギーよりも小さいエネルギーを有する光として、どのような波長を有する光を使用するかについては、図2に示されている浅い準位18及び深い準位14に注目すればよい。
深い準位14は一般に、図2において浅い準位18よりも深い(図2の下方)ところからバンドギャップ13の中央付近(「ミッドギャップ準位」と呼ばれることもある。)にかけてのエネルギー領域に存在する。例えば、ワイドギャップ半導体としてSiCが使用されている半導体試料についてみると、そのような深い準位を矢印16のように励起するためには、SiCのバンドギャップエネルギーが約3.2 eV程度であることを考慮し、SiCについて知られている最も浅い準位が伝導帯下端より約0.1 eVであることに鑑みれば、ミッドギャップ準位から最も浅い準位より約0.1 eV深い準位まで、すなわち、約1.6−3.0 eV程度の光子エネルギーを持つ光(波長400−800 nm程度)を、励起光として使用すればよいことになる。上記浅い準位18は、ワイドギャップ半導体の種類によらず、伝導帯下端よりも0.1 eV程度深いところにあると考えられるため、本発明において、ワイドギャップ半導体のバンドギャップに対応するエネルギーよりも小さいエネルギーを有する光としては、バンドギャップよりも0.2 eV程度小さいエネルギーを有する光を有効に使用しうると考えられる。このように、本発明によれば、ほぼ可視光領域の光を好適に使用することができる(可視光領域の波長領域は400−700 nmである)。
また、深い準位の光学遷移には殻内遷移と呼ばれる深い準位の作る電子殻準位間の遷移がある。この場合には、図2のように伝導帯、価電子帯と直接電子・正孔をやり取りすることはなくなるが、光励起過程16に相当する電子殻準位間のエネルギーはおよそ1eV程度以上である。したがって、励起に用いることのできる光の光子エネルギーは前述の範囲1.6−3.0 eVに加えて1.0−3.0 eV(波長400−1200 nm)程度となる。つまり、このような殻内遷移による発光を示す深い準位を対象とする場合には、励起光の長波長側は1200 nm程度の近赤外領域まで拡張することで対応できる可能性がある。
なお、深い準位からの発光(矢印17)の光子エネルギーは、フォノン放出を伴うために、励起に必要なエネルギーの最小エネルギー(価電子帯から励起帯15の最下端までのエネルギー)よりも小さくなる。
例えば、従来法が対象としていたウエハと同種のSiC無添加半絶縁性ウエハを評価する場合、ピークが光子エネルギー1.3 eV(波長 950 nm)の深い準位の発光帯を測定対象とすることになる。ウエハの種類によっては他の発光帯を対象とすることが可能と思われる。このような発光帯の例としては、深いほう素アクセプタあるいはチタンに起因する2.5 eV(波長 500 nm)発光帯、原因は不明であるが一般的に良く現れる 1.8 eV(波長 690 nm)発光帯、UD3と呼ばれている欠陥起因の 1.35 eV(波長 920 nm)発光帯などが考えられる。また、各々の発光センターの励起帯に合わせて励起光の波長を選択し、各々の発光成分をバンドパスフィルタ(帯域通過フィルタ)の透過域の波長を調節することにより選別して検出することも可能であると考えられる。
In the present invention, the light having a wavelength smaller than the energy corresponding to the band gap of the wide gap semiconductor is used with respect to the light having a wavelength, such as the shallow level 18 and the deep level shown in FIG. Pay attention to the level 14.
In general, the deep level 14 is in an energy region from a position deeper than the shallow level 18 in FIG. 2 (downward in FIG. 2) to the vicinity of the center of the band gap 13 (sometimes referred to as “midgap level”). Exists. For example, in the case of a semiconductor sample in which SiC is used as a wide gap semiconductor, in order to excite such a deep level as shown by an arrow 16, the band gap energy of SiC is about 3.2 eV. Considering that the shallowest level known for SiC is about 0.1 eV from the bottom of the conduction band, from the mid-gap level to about 0.1 eV deeper than the shallowest level, i.e. about 1.6 Light having a photon energy of about −3.0 eV (wavelength of about 400 to 800 nm) may be used as excitation light. The shallow level 18 is considered to be about 0.1 eV deeper than the lower end of the conduction band regardless of the type of the wide gap semiconductor. Therefore, in the present invention, the shallow level 18 is smaller than the energy corresponding to the band gap of the wide gap semiconductor. As light having energy, it is considered that light having energy smaller by about 0.2 eV than the band gap can be used effectively. Thus, according to the present invention, light in the substantially visible light region can be preferably used (the wavelength region in the visible light region is 400 to 700 nm).
Deep level optical transitions include transitions between electron shell levels created by deep levels called intrashell transitions. In this case, electrons and holes are not directly exchanged with the conduction band and valence band as shown in FIG. 2, but the energy between the electron shell levels corresponding to the photoexcitation process 16 is about 1 eV or more. . Therefore, the photon energy of light that can be used for excitation is about 1.0-3.0 eV (wavelength 400-1200 nm) in addition to the above-mentioned range 1.6-3.0 eV. In other words, when targeting a deep level that exhibits light emission due to such intrashell transition, there is a possibility that the long wavelength side of the excitation light can be handled by extending it to the near infrared region of about 1200 nm.
The photon energy of light emission from the deep level (arrow 17) is accompanied by phonon emission, and is therefore smaller than the minimum energy required for excitation (energy from the valence band to the lowest end of the excitation band 15). Become.
For example, when evaluating a SiC-free semi-insulating wafer of the same type as the wafer targeted by the conventional method, the peak is a deep emission band with a photon energy of 1.3 eV (wavelength 950 nm). . Depending on the type of wafer, it may be possible to target other light emission bands. Examples of such emission bands are the 2.5 eV (wavelength 500 nm) emission band caused by deep boron acceptors or titanium, and the 1.8 eV (wavelength 690 nm) emission band that appears well, although the cause is unknown. There is a 1.35 eV (wavelength 920 nm) emission band caused by a defect called UD3. In addition, the wavelength of the excitation light is selected according to the excitation band of each emission center, and each emission component can be selected and detected by adjusting the wavelength of the transmission band of the bandpass filter (bandpass filter). It is considered possible.

本発明によれば、僅か 100秒以下でSiCウエハ全面の欠陥分布を知ることが出来る。欠陥の発生状況を結晶の育成条件と対比させ、結晶育成条件の最適化を図るのに役立つ。非破壊・非接触測定であるので、ウエハ出荷前に全数検査することも可能である。これにより、ウエハ内の欠陥部位(不良箇所)を予め知ることができるので、デバイスプロセスに反映させることができ、ウエハの付加価値を高めることができる。また、デバイスの各プロセス毎に欠陥分布を測定し、欠陥の発生状況を知り、プロセス改善に役立つ。
本発明の思想は、SiCだけでなく他のワイドギャップ半導体、例えば窒化ガリウム(GaN)、酸化亜鉛(ZnO)などにも適用できると思われる。GaNではイエローバンドと呼ばれる波長 580 nm付近にピークを持つ深い準位の発光帯が知られているが、これに対しバンドギャップ以下の光、例えば緑青色(波長 480-500 nm)を励起光に用いてPLイメージングを取得できる可能性がある。
According to the present invention, the defect distribution on the entire surface of the SiC wafer can be known in as little as 100 seconds or less. This is useful for optimizing crystal growth conditions by comparing the occurrence of defects with crystal growth conditions. Since it is a non-destructive / non-contact measurement, it is possible to inspect all wafers before shipping. As a result, since a defective part (defective part) in the wafer can be known in advance, it can be reflected in the device process, and the added value of the wafer can be increased. In addition, the defect distribution is measured for each process of the device, the occurrence state of the defect is known, and the process is improved.
The idea of the present invention can be applied not only to SiC but also to other wide gap semiconductors such as gallium nitride (GaN) and zinc oxide (ZnO). In GaN, a deep-level emission band called a yellow band with a wavelength near 580 nm is known. On the other hand, light below the band gap, for example, green-blue (wavelength 480-500 nm) is used as excitation light. May be used to obtain PL imaging.

図3は、本発明による評価方法に用いる装置構成例の概略構成図である。
11は評価対象であるSiCウエハ試料である。試料11の形状は、円形、矩形等、任意の形状でよい。試料11の表面は平坦であるのが望ましいが、PL光の観察に使用するカメラの焦点の合う範囲内の凹凸は、許容範囲である。
試料半導体基板11に対して光を照射するための励起光源14としては、SiCの禁制帯幅よりも小さなエネルギーの可視光(波長400 nm〜700 nm)光源、例えば発光ダイオードアレイを用いることができる。光源14として、レーザーやレーザーダイオードを用いることも可能である。光源14には赤外線カットフィルタ等のフィルタ15を取り付けておくのが望ましい。
試料半導体基板11から放出されたフォトルミネッセンス光を観察するためのPL光の検出器16としては、例えば電子冷却CCDカメラを用いることができる。検出器16の対物レンズ17の前には、光源14の励起光はカット(例えば、波長900 nm以下をカット)するが、試料半導体基板11からのPL光は透過するような、帯域通過フィルタ18を設置するのが望ましい。例えば、1.3 eV(波長950 nm)発光帯を検出する場合には透過波長帯域が、915 - 975 nmの帯域通過フィルタを用いる。
さらに、試料半導体基板11のPL光は通常試料半導体基板11自体を透過することができる。したがって、試料半導体基板11の裏面側から光源14により光を照射し、試料半導体基板11の表面側に設置したカメラ等の検出器16によりPL像を撮影する、という態様とすることも可能である。
なお、評価対象である試料半導体基板11を、プラスチックシャーレのような容器に満たされたエッチング液(図示せず)中に浸漬して評価を行うことにより、エッチング液による基板のキャリアの表面再結合抑制効果を利用して、基板のPL分布を一層正確に測定することも可能であると思われる。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an apparatus configuration example used in the evaluation method according to the present invention.
11 is a SiC wafer sample to be evaluated. The shape of the sample 11 may be an arbitrary shape such as a circle or a rectangle. Although it is desirable that the surface of the sample 11 is flat, the unevenness within the in-focus range of the camera used for observing the PL light is an allowable range.
As the excitation light source 14 for irradiating the sample semiconductor substrate 11 with light, a visible light (wavelength 400 nm to 700 nm) light source having an energy smaller than the forbidden band width of SiC, for example, a light emitting diode array can be used. . As the light source 14, a laser or a laser diode can be used. It is desirable to attach a filter 15 such as an infrared cut filter to the light source 14.
As the PL light detector 16 for observing the photoluminescence light emitted from the sample semiconductor substrate 11, for example, an electronic cooling CCD camera can be used. In front of the objective lens 17 of the detector 16, the excitation light of the light source 14 is cut (for example, the wavelength of 900 nm or less is cut), but the PL light from the sample semiconductor substrate 11 is transmitted. It is desirable to install. For example, when detecting a 1.3 eV (wavelength 950 nm) emission band, a bandpass filter having a transmission wavelength band of 915 to 975 nm is used.
Furthermore, the PL light of the sample semiconductor substrate 11 can normally pass through the sample semiconductor substrate 11 itself. Therefore, it is possible to adopt a mode in which light is emitted from the light source 14 from the back surface side of the sample semiconductor substrate 11 and a PL image is captured by the detector 16 such as a camera installed on the front surface side of the sample semiconductor substrate 11. .
In addition, the sample semiconductor substrate 11 to be evaluated is immersed in an etching solution (not shown) filled in a container such as a plastic petri dish to perform evaluation, whereby the surface recombination of the carrier of the substrate by the etching solution is performed. It seems possible to measure the PL distribution of the substrate more accurately by using the suppression effect.

図3の装置構成において、励起光源14として発光ダイオードアレイを、検出器16として電子冷却CCDカメラを、それぞれ使用して、試料半導体基板11からのPL光を観察した。
試料半導体基板11として、無添加半絶縁性でポリタイプ(繰り返し周期の違いによる結晶多形)が6H構造で口径が 50 mmのSiCウエハを使用した。
上記発光ダイオードアレイは、Philips Lumileds Lighting Company製Luxeon V Star(波長500nm)を14個使用した。発光ダイオードアレイ14の前面には、赤外カットフィルタ15(波長600nm以降をカット)を設置した。
上記電子冷却CCDカメラ16は、画素数が1024×1024、動作温度が−70℃の、赤外増感型のものを使用した。また、電子冷却CCDカメラ16のレンズは、焦点距離25mm、F1.4の工業用レンズを使用した。このレンズの前面に、915 - 975 nmの波長領域を透過する帯域通過フィルタ18を設置した。
以上の構成により、試料11からは光子エネルギー1.3eV(波長950nm)のところにピークを持つ深い準位の発光帯が現れることが確認された。この発光は、通常市販されているSiC無添加半絶縁性ウエハでは一般的によく観測されるものであって、点欠陥の1種である空格子に起因するものである。他の深い準位の発光が現れる試料では、その深い準位の違いに応じて、図3の装置の励起光源14および帯域通過フィルタ18の波長を調節して、測定すべき発光帯を抽出する。
上記の1.3 eV発光帯のPL像を、電子冷却CCDカメラにより撮影した結果を図4に示す。露光時間は僅か100秒であったが、SiCウエハ内の結晶構造欠陥の二次元的な分布を鮮明に観察することができた。
In the apparatus configuration of FIG. 3, PL light from the sample semiconductor substrate 11 was observed using a light-emitting diode array as the excitation light source 14 and an electronic cooling CCD camera as the detector 16.
As the sample semiconductor substrate 11, an SiC wafer having an additive-free semi-insulating property, a polytype (crystal polymorph due to a difference in repetition period) having a 6H structure and a diameter of 50 mm was used.
As the light emitting diode array, 14 Luxeon V Stars (wavelength: 500 nm) manufactured by Philips Lumileds Lighting Company were used. An infrared cut filter 15 (cutting after a wavelength of 600 nm) was installed on the front surface of the light emitting diode array 14.
As the above-described electronically cooled CCD camera 16, an infrared sensitizing type camera having a number of pixels of 1024 × 1024 and an operating temperature of −70 ° C. was used. The lens of the electronically cooled CCD camera 16 was an industrial lens having a focal length of 25 mm and F1.4. A band-pass filter 18 that transmits a wavelength range of 915 to 975 nm is installed on the front surface of the lens.
With the above configuration, it was confirmed that a deep level emission band having a peak at a photon energy of 1.3 eV (wavelength 950 nm) appeared from the sample 11. This light emission is generally observed in commercially available SiC-free semi-insulating wafers, and is caused by a vacancy that is one type of point defect. In a sample in which other deep level emission appears, the emission band to be measured is extracted by adjusting the wavelengths of the excitation light source 14 and the band pass filter 18 of the apparatus of FIG. 3 according to the difference in the deep level. .
FIG. 4 shows the result of taking the PL image of the above 1.3 eV emission band with an electronic cooling CCD camera. Although the exposure time was only 100 seconds, the two-dimensional distribution of crystal structure defects in the SiC wafer could be observed clearly.

[比較例]
比較のため、同一試料について、上記特許文献1(特開2006−147848号公報)に記載されている方法により、紫外線レーザー走査によってウエハ全面PLマッピングを測定した結果を図5に示す。この場合の測定時間は約30分間であった。
実施例と比較例とは、いずれにおいても全く同一のPLパターンが得られており、エッチングで観察した結果との比較より、マイクロパイプは大型の暗点として、また転位は暗い線状パターンとして現れていることがはっきりと確認された。
このように本発明では、従来法の約1/20の時間で、しかも単純な装置構成で、同等の情報が得られることが分かる。ここで言う従来法も一般に用いられているエッチング法やX線トポグラフィ法に比べれば格段に優れているが、本発明はさらにそれを凌駕する画期的な手法といえる。
もちろん、本発明による以上の方法原理、装置構成からして、SiC以外の各種半導体に対しても本発明が有効利用できることは明らかである。
[Comparative example]
For comparison, FIG. 5 shows the result of measuring the entire wafer PL mapping by ultraviolet laser scanning for the same sample by the method described in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-147848). The measurement time in this case was about 30 minutes.
In each of the example and the comparative example, exactly the same PL pattern was obtained. From comparison with the results observed by etching, the micropipe appears as a large dark spot and the dislocation appears as a dark linear pattern. It was clearly confirmed.
As described above, according to the present invention, it is understood that the same information can be obtained with a simple device configuration in about 1/20 of the time of the conventional method. The conventional method mentioned here is remarkably superior to the generally used etching method and X-ray topography method, but the present invention can be said to be an epoch-making method that surpasses that.
Of course, from the above method principle and apparatus configuration according to the present invention, it is obvious that the present invention can be effectively used for various semiconductors other than SiC.

従来法の原理を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the principle of the conventional method. 本発明の原理を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the principle of this invention. 本発明による評価方法に用いる装置構成例の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the apparatus structural example used for the evaluation method by this invention. 本発明の方法により得られたPL像である。It is a PL image obtained by the method of the present invention. 比較例の方法により得られたPL像である。It is a PL image obtained by the method of the comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

21 試料半導体基板
22 励起光源
23 赤外線カットフィルタ
24 検出器
25 帯域通過フィルタ
21 Sample semiconductor substrate 22 Excitation light source 23 Infrared cut filter 24 Detector 25 Band pass filter

Claims (5)

半導体試料の結晶構造欠陥の二次元的な分布を評価する方法であって、
前記半導体試料に光を照射して、該半導体試料によりフォトルミネッセンス光を放出させる工程、及び、
放出されたフォトルミネッセンス光を観察して、前記半導体試料の結晶構造欠陥の二次元的な分布を得る工程、
を含み、
前記半導体試料を構成する半導体が、ワイドギャップ半導体であり、
前記半導体試料に照射する光が、前記ワイドギャップ半導体のバンドギャップに対応するエネルギーよりも小さいエネルギーを有する、
ことを特徴とする、前記評価方法。
A method for evaluating a two-dimensional distribution of crystal structure defects in a semiconductor sample,
Irradiating the semiconductor sample with light and emitting photoluminescence light from the semiconductor sample; and
Observing the emitted photoluminescence light to obtain a two-dimensional distribution of crystal structure defects of the semiconductor sample;
Including
The semiconductor constituting the semiconductor sample is a wide gap semiconductor,
The light applied to the semiconductor sample has an energy smaller than the energy corresponding to the band gap of the wide gap semiconductor,
The evaluation method as described above.
前記半導体試料に照射する光が可視光であることを特徴とする、請求項1に記載の評価方法。   The evaluation method according to claim 1, wherein the light applied to the semiconductor sample is visible light. 前記半導体が炭化珪素であり、前記結晶構造欠陥が、マイクロパイプ欠陥、転位、積層欠陥及びインクルージョンのいずれかを含むことを特徴とする、請求項1または2に記載の評価方法。   The evaluation method according to claim 1, wherein the semiconductor is silicon carbide, and the crystal structure defect includes any one of a micropipe defect, a dislocation, a stacking fault, and an inclusion. ワイドギャップ半導体により構成される半導体試料の結晶構造欠陥の二次元的な分布を評価するための装置であって、
前記半導体試料に光を照射して、該半導体試料によりフォトルミネッセンス光を放出させるための光源、
放出されたフォトルミネッセンス光を観察するための、観察手段、及び、
観察されたフォトルミネッセンス光から、前記半導体試料の結晶構造欠陥の二次元的な分布を得る、欠陥分布評価手段、
を備え、
前記光源が、前記ワイドギャップ半導体のバンドギャップに対応するエネルギーよりも小さいエネルギーを有する光を照射する、
ことを特徴とする、前記評価装置。
An apparatus for evaluating a two-dimensional distribution of crystal structure defects of a semiconductor sample composed of a wide gap semiconductor,
A light source for irradiating the semiconductor sample with light and causing the semiconductor sample to emit photoluminescence light;
An observation means for observing the emitted photoluminescence light, and
A defect distribution evaluation means for obtaining a two-dimensional distribution of crystal structure defects of the semiconductor sample from the observed photoluminescence light;
With
The light source emits light having energy smaller than energy corresponding to a band gap of the wide gap semiconductor;
The evaluation apparatus characterized by the above.
前記光源が可視光を照射することを特徴とする、請求項4に記載の評価装置。   The evaluation apparatus according to claim 4, wherein the light source emits visible light.
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