JP2010245165A - 電力用半導体装置の製造方法および電力用半導体装置の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正確な結晶欠陥量の制御を行うことができる電力用半導体装置の製造方法および電力用半導体装置の製造装置を提供する。
【解決手段】電力用半導体装置の製造方法は、シリコンウエハ２を準備する工程と、シリコンウエハ２に電子線を照射する工程と、電子線の照射中にシリコンウエハ２から発生するカソードルミネセンス光の強度および波長を解析してシリコンウエハ２の結晶欠陥の量を検査する工程と、結晶欠陥の量を検査する工程により結晶欠陥の量を所定の値に制御するように電子線を照射する工程を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力用半導体装置の製造方法および電力用半導体装置の製造装置に関し、特に結晶欠陥の量を検査する機能を備えた電力用半導体装置の製造方法および電力用半導体装置の製造装置に関するものである。

ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの電力用半導体装置では基板となるシリコンウエハの結晶欠陥量の制御が重要である。これは電力用半導体装置のスイッチング特性が基板となるシリコンウエハ中の結晶欠陥量に依存するためである。そこで、スイッチング特性の高速化を図るために、たとえば基板に高エネルギーの電子線などの粒子線を照射し、意図的にウエハ内に結晶欠陥を導入することが行われており、結晶欠陥の適切な制御が必要とされる。（非特許文献１）。

シリコンウエハの結晶欠陥量の制御のためには結晶欠陥の検査が重要である。一般に、半導体の結晶欠陥を検査する方法は、様々提案されている。半導体の結晶欠陥を検査する方法は、生産性の観点から半導体を非破壊で検査する方法が望ましい。半導体を非破壊で結晶欠陥を検査する方法としては、カソードルミネセンス（Ｃａｔｈｏｄｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ；以下、ＣＬと称する。）やフォトルミネセンスなどのルミネセンスを利用した方法が有効である。ＣＬ法では、電子線を結晶に照射した際に、励起された結晶から発生する発光（以下、ＣＬ光と称する。）の強度、波長を解析することにより結晶欠陥の量や起源が評価される。

たとえば論文「カソードルミネッセンス観測による薄膜・表面局所構造と光物性」では半導体の結晶欠陥の評価にＣＬ法を利用することが提案されている（非特許文献２）。この論文にはＣＬ法を利用して半導体の結晶欠陥を評価するＣＬ検出装置が記載されている。このＣＬ検出装置は実際に市販されている。このＣＬ検出装置は、砒素化ガリウム(ＧａＡｓ)を初めとする化合物半導体などの結晶欠陥の検査に適用されている。

しかし、ＣＬ検出装置がシリコンの結晶欠陥の検査へ適用された例は少ない。化合物半導体は直接遷移型の半導体であるため、比較的簡単に高強度なＣＬ光が得られる。シリコンは間接遷移型の半導体であるため、ＣＬ光の強度が弱い。そのため、シリコンでは精度良く結晶欠陥検査をすることが難しい。

そこで、シリコンについて高精度な検査を行うため、シリコンウエハの発光強度を増大させてＣＬ光の測定を行うことが提案されている。この提案された方法では、液体Ｈｅ（ヘリウム）温度程度の極低温までシリコンウエハが冷却される。たとえば特開２００６-７３５７２号公報（特許文献１）では、半導体結晶欠陥検査装置は、クライオスタットなどの冷却手段を設けて、シリコンウエハを温度１００Ｋ〜４Ｋに冷却している。

特開２００６−７３５７２号公報

日朝ら、「サイクロトロンによる半導体ウエハへの軽イオン照射」、住友重機械技報、１９９３年４月、ｖｏｌ．４１、Ｎｏ．１２１、ｐｐ．６８−７１ 山本直紀、「カソードルミネッセンス観測による薄膜・表面局所構造と光物性」、応用物理、２０００年、第６９巻、第１０号、ｐｐ．１１６７−１１７３

しかしながら、結晶欠陥の評価は上記の論文および特許文献１のようにＣＬ法が有効であるであるが、これらは単なる分析方法として書かれたものであり、電子線照射プロセス中のｉｎ‐ｓｉｔｕ検査利用を目的としていない。また、適切な結晶欠陥量に制御することについても記載されていない。また、特許文献１では極低温測定を必要とするため、単純にｉｎ‐ｓｉｔｕ検査へ応用はすることは難しい。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、正確な結晶欠陥量の制御を行うことができる電力用半導体装置の製造方法および電力用半導体装置の製造装置を提供することである。

本発明の電力用半導体装置の製造方法は、シリコンウエハを準備する工程と、シリコンウエハに電子線を照射する工程と、電子線の照射中にシリコンウエハから発生するカソードルミネセンス光の強度および波長を解析してシリコンウエハの結晶欠陥の量を検査する工程と、結晶欠陥の量を検査する工程により結晶欠陥の量を所定の値に制御するように電子線を照射する工程を有している。

本発明の電力用半導体装置の製造装置は、シリコンウエハを支持する支持部と、シリコンウエハに電子線を照射する電子線発生部と、電子線の照射中にシリコンウエハから発生するカソードルミネセンス光の強度および波長を検出する検出部と、検出部で検出されたカソードルミネセンス光の強度および波長を解析してシリコンウエハの結晶欠陥の量を検査する検査部と、シリコンウエハの結晶欠陥の量を所定の値に制御するように電子線を照射する制御部を備えている。

本発明によれば、電子線の照射中にシリコンウエハから発生するカソードルミネセンス光の強度および波長を解析してシリコンウエハの結晶欠陥の量を検査するため、正確な結晶欠陥量の制御を行うことができる。

本発明の一実施の形態における電力用半導体装置の製造方法を概略的に示す概念図である。 本発明の一実施の形態における電力用半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施の形態における高エネルギー電子線が照射されたシリコンウエハの近赤外領域のＣＬスペクトルを示す図である。である。 本発明の一実施の形態における電力用半導体装置の検査方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の一実施の形態について図に基づいて説明する。
電力用半導体として用いられるＩＧＢＴやサイリスタなどバイポーラ型の半導体体装置ではＳｉウエハの結晶欠陥量がスイッチング特性を決めるためウエハ中の結晶欠陥量の安定した電子線照射プロセス及びそれを実現する装置が必要である。結晶欠陥量の安定とは電子線照射プロセスを踏んで完成した電力用半導体装置が製品としても規格を満たす結晶欠陥量を安定して供給することを指す。安定化のためには、結晶欠陥のｉｎ‐ｓｉｔｕ検査し、プロセス条件を制御することで行なえる。

まず、本発明の一実施の形態の電力用半導体装置の製造装置の構成について説明する。
図１を参照して、本発明の一実施の形態の電力用半導体装置の製造装置は、チャンバ１と、支持台（支持部）３と、電子線発生器（電子線発生部）４と、集光ミラー５と、検出手段（検出部）７と、コントローラ１２と、データ処理部（検査部）１３と、データ記録部１４と、電子線発生器制御部１５とを主に有している。なお、図１では説明のためシリコンウエハ２も示されている。

チャンバ１内に、シリコンウエハ２を支持するための支持台３が配置されている。チャンバ１は、真空ポンプ１６などで減圧されることにより真空状態を作り出すように構成されている。支持台３の前方にはシリコンウエハ２に電子線を照射するための電子線発生器４が配置されている。支持台３と電子線発生器４との間には集光ミラー５が配置されている。集光ミラー５は、シリコンウエハ２の表面から全方向に放出されるＣＬ光の集光効率を上げるために設けられている。集光ミラー５は、電子線の通過用に貫通孔５ａが形成された凹面構造をしており、楕円ミラー、方物面ミラーなどで構成されている。

チャンバ１の上方には、光ファイバー６を介して、電子線の照射によりシリコンウエハ２から発生したＣＬ光を検出するための検出手段７が配置されている。検出手段７は、ＣＬ光の内の波長９００〜１７００ｎｍの近赤外光を検出するように構成されている。検出手段７は、ＣＬ光の内で少なくとも２つの波長のＣＬ光強度を測定するために設けられている。

検出手段７は、分光器８と分光されたＣＬ光の信号（以下、ＣＬ信号と称する。）を検出するためのＣＬ検出器９とを有している。ＣＬ信号は、ＣＬ光の強度および波長を示す信号である。ＣＬ光の分光器８は、特に制限はないが、回折格子型分光器、プリズム型光器、光学フィルタ型分光器などが好ましい。

ＣＬ検出器９としては、構造には特に制限がないが、近赤外域の波長を高Ｓ／Ｎで検出するために、液体窒素などの冷却手段１０で冷却することが好ましい。ＣＬ検出器９は、近赤外域に感度のあるフォトダイオード、光電子倍増管、マルチチャンネル検出器などで構成され得る。フォトダイオードや光電子倍増管では、２つ以上の波長の光を同時検出するためには、２つ以上のＣＬ検出器が必要である。マルチチャンネル検出器は、一度に複数の波長の検出が可能である。そのため、１つの検出器で２つ以上の波長の光を同時検出できる。したがって、マルチチャンネル検出器がＣＬ検出器９により適している。

ＣＬ検出器９の出力側には、ＣＬ信号を増幅するためのＣＬ信号増幅器１１を介在して、コントローラ１２が接続されている。コントローラ１２は、ＣＬ信号増幅器１１からの信号に基づいて、データ処理部１３と電子線発生器制御部１５とを制御する。コントローラ１２は、ＣＬ信号に基づくデータを処理するためのデータ処理部１３に接続されている。データ処理部１３は、ＣＬ信号に基づくデータを記録するためのデータ記録部１４に接続されている。また、コントローラ１２には、電子線発生器４を制御するための、電子線発生器制御部１５が接続されている。コントローラ１２、データ処理部１３、データ記録部１４、電子線発生器制御部１５は、コンピュータシステムで構成され得る。

次に本実施の形態の電力用半導体装置の製造方法について説明する。
図１および図２を参照して、シリコンウエハ２が準備される（Ｓ１）。シリコンウエハ２がチャンバ１内の支持台３に設置される。シリコンウエハ２に電子線発生器４によって電子線が照射される（Ｓ２）。電子線は集光ミラー５に形成された貫通孔５ａを通過してシリコンウエハ２に照射される。

次に、シリコンウエハ２の結晶欠陥の量が検査される（Ｓ３）。電子線の照射によりシリコンウエハ２から発生したＣＬ光が集光ミラー５で集光される。集光されたＣＬ光が光ファイバー６を介して検出手段７の分光器８に送られる。ＣＬ光は分光器８で分光される。分光されたＣＬ光の強度および波長を示す信号であるＣＬ信号がＣＬ検出器９で検出される。ＣＬ検出器９は、液体窒素などの冷却手段１０によって冷却される。

ＣＬ検出器９からバンド端発光強度および結晶欠陥発光強度のＣＬ信号がＣＬ信号増幅器１１に送られる。ＣＬ信号増幅器１１からＣＬ信号増幅器１１で増幅されたバンド端発光強度および結晶欠陥発光強度のＣＬ信号がコントローラ１２に送られる。コントローラ１２から増幅されたバンド端発光強度および結晶欠陥発光強度のＣＬ信号がデータ処理部１３に送られる。データ処理部１３では、バンド端発光と結晶欠陥発光との強度比により結晶欠陥量の評価値が算出される。このようにして、シリコンウエハ２の結晶欠陥の変化が検査される。

データ処理部１３からその評価値がデータ記録部１４に送られる。データ記録部１４でその評価値が記録される。

データ記録部１４からその記録された評価値がデータ処理部１３に送られる。データ処理部１３でその記録された評価値とあらかじめ設けられた規格値（所定の値）とが比較される。このようにして、電子線照射中のＣＬ光の強度および波長を解析してシリコンウエハ２の結晶欠陥の量が検査される。

次に、結晶欠陥の量が所定の値に制御される（Ｓ４）。データ処理部１３からその記録された評価値があらかじめ設けられた規格値に達しているか否かがコントローラ１２に送られる。その記録された評価値がその規格値（所定の値）に達するまでコントローラ１２から電子線発生器制御部１５に制御信号が送られる。電子線発生器制御部１５からの制御信号に基づき電子線発生器４より電子線が照射される。これにより、その記録された評価値がその規格値（所定の値）に達するまで電子線が照射される。このようにして、電子線の照射量によって結晶欠陥の量を所定の値に制御するように電子線が照射される。

なお、電子線の照射量は、電子線発生器４からの電子線照射の照射回数によって制御されてもよい。つまり、電子線発生器４から所定時間、電子線が照射される。電子線照射後の評価値が算出される。評価値があらかじめ設けられた規格値（所定の値）と比較される。評価値がその規格値に達していない場合は、再び電子線発生器４から所定時間、電子線が照射される。この電子線再照射後の評価値が算出される。この評価値がその規格値と比較される。このようにして、評価値がその規格値に達するまで所定時間の電子線照射が繰り返される。

続いて、上記の電力用半導体装置の製造方法における電力用半導体装置の検査方法の詳細を説明する。

図３は、高エネルギー電子線が照射されたシリコンウエハのＣＬ分光スペクトルの一例を示している。縦軸は、ＣＬ光の強度を示している。横軸は、ＣＬ光の波長を示している。図３に示す例では、市販のＣＬ測定装置が用いられて、近赤外領域の分光が測定される。シリコンウエハは非冷却の状態で測定される。

図３に示すように、分光スペクトルには波長９００ｎｍ〜１３００ｎｍの領域の発光１と、波長１３００ｎｍ〜１７００ｎｍ領域のブロードな発光２とが観測される。発光１はシリコンのバンド端発光であり、発光２は、Ｇセンタ（波長１３００ｎｍ付近にピークを持つ）及びＣセンタ（１５７０ｎｍ付近にピークを持つ）と呼ばれる結晶欠陥に起因した発光であり、これら２つの発光がブロードであるため、両者が重なり、なだらかな発光として測定されたと考えられる。

一般に、ウエハ中の結晶欠陥が多くなるとバンド端発光の強度は弱くなり、逆に結晶欠陥起因の発光の強度は強くなることがわかっている。そこで、バンド端発光強度としてＩａ、結晶欠陥強度としてＩｂが選択される。図３では、たとえばＩａとして波長１１００〜１１５０ｎｍのバンド発光の強度が選択され、Ｉｂとして波長１５４０〜１５９０ｎｍの強度を選択する。

そしてＩａとＩｂとの強度比であるＩａ／Ｉｂが算出される。この強度比の値は、二重に結晶欠陥量を反映した量となり、結晶欠陥量に対して変化が大きい。つまり結晶欠陥が多くなるとバンド端発光の強度は弱くなり、逆に結晶欠陥起因の発光の強度は強くなるため、結晶欠陥量の変化がＩａとＩｂとの双方に影響を与える。そして、その影響を与えられたＩａとＩｂとの比を算出するため、この比の値は二重に結晶欠陥量を反映する。そのため、この強度比は、結晶欠陥起因の発光の強度より結晶欠陥量に対して変化が大きい。したがって、この強度比を用いることによって、単純に単一波長の発光強度を比べる場合より精度の高い結晶欠陥量の評価をすることができる。

次に、上記の強度比Ｉａ／Ｉｂを用いた電子線照射中のシリコンウエハの結晶欠陥の変化の検査について説明する。

図４を参照して、電子線の照射が開始される（Ｓ１１）。次に、予め決めておいた波長のＣＬ信号を取得するためＩａおよびＩｂが選択される（Ｓ１２）。続いて、強度比Ｉａ／Ｉｂにより結晶欠陥量の評価値が算出される（Ｓ１３）。次に、その評価値があらかじめ設けられた規格値（所定の値）に達しているか否かが判定される（Ｓ１４）。ここで結晶欠陥量の所定の値とは、電子線電力用半導体装置のスイッチング特性が製品の規格値を満たす結晶欠陥量を指す。その評価値がその規格値に達していない場合には、再びＩａおよびＩｂが選択される（Ｓ１２）。一方、その評価値が規格値に達している場合には電子線の照射が終了される（Ｓ１５）。このようにして、電子線照射中のＣＬ光の強度および波長を解析してシリコンウエハの結晶欠陥の量が測定される。

次に、本発明の一実施の形態の作用効果について説明する。
本発明の一実施の形態によれば、電子線の照射中にシリコンウエハ２から発生するＣＬ光の強度および波長を解析してシリコンウエハ２の結晶欠陥の量をするため、電子線照射プロセス中に電子線照射量を変化させながらシリコンウエハ２の結晶欠陥の量を検査することができる。これにより、電子線照射プロセス中に結晶欠陥の検査を行うことができる。その検査の結果に基づいて、正確な結晶欠陥量の制御を行なうことができる。

電子線照射プロセス中の結晶欠陥の検査において、電子線照射中に発生するＣＬ光の内、バンド端発光および結晶欠陥発光の強度比が結晶欠陥量の評価指標とされる。これにより、シリコンウエハ２の結晶欠陥の変化を精度よく評価することができる。

また、従来のシリコンのＣＬ法による結晶欠陥の測定のようにシリコンウエハ２を冷却手段で冷却する必要がない。よって、ＣＬ法を利用して電子線照射プロセス中の結晶欠陥量の変化をｉｎ‐ｓｉｔｕ検査することができる。

また、本発明の一実施の形態によれば、バンド端発光と結晶欠陥発光との強度比による結晶欠陥量の評価値があらかじめ設けられた規格値（所定の値）になるまで電子線の照射量を制御することで、結晶欠陥量を制御することができる。したがって、正確な結晶欠陥量の制御を行なうことができる。よって、信頼性の高い電力用半導体装置を製造することができる。

本発明の一実施の形態によれば、上記により品質の高い電力用半導体装置を提供することができる。また、シリコンウエハ２への電子線照射プロセスにおいて結晶欠陥の検査を行うことができるため、不良品が発生した場合には製造工程の初期の段階で選別することができる。したがって、無駄な製造処理を削減することができるため製造コストを低減することができる。

なお、上記では、１枚ずつシリコンウエハ２に対して電子線を照射する場合について説明したが、１枚のシリコンウエハ２に対する検査の結果に基づいて、その他のシリコンウエハ２に対する電子線照射量を設定してもよい。これにより、生産性を向上することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。

本発明は、カソードルミネセンスを利用して結晶欠陥の量を検査する機能を備えた電力用半導体装置の製造方法と、その製造方法を用いた電力用半導体装置の製造装置とに特に有利に適用され得る。

１ チャンバ、２ シリコンウエハ、３ 支持台、４ 電子線発生器、５ 集光ミラー、６ 光ファイバー、７ 検出手段、８ 分光器、９ ＣＬ検出器、１０ 冷却手段、１１ ＣＬ信号増幅器、１２ コントローラ、１３ データ処理部、１４ データ記憶部、１５ 電子線発生装置制御部、１６ 真空ポンプ。

Claims (4)

1. シリコンウエハを準備する工程と、
   前記シリコンウエハに電子線を照射する工程と、
   前記電子線の照射中に前記シリコンウエハから発生するカソードルミネセンス光の強度および波長を解析して前記シリコンウエハの結晶欠陥の量を検査する工程と、
   前記結晶欠陥の量を検査する工程により前記結晶欠陥の量を所定の値に制御するように前記電子線を照射する工程を有している、電力用半導体装置の製造方法。
2. 前記結晶欠陥の量を検査する工程は、前記カソードルミネセンス光のバンド端発光と、結晶欠陥起因発光との強度比を用いて前記シリコンウエハの前記結晶欠陥の量を検査する工程を有している、請求項１に記載の電力用半導体装置の製造方法。
3. シリコンウエハを支持する支持部と、
   前記シリコンウエハに電子線を照射する電子線発生部と、
   前記電子線の照射中に前記シリコンウエハから発生するカソードルミネセンス光の強度および波長を検出する検出部と、
   前記検出部で検出された前記カソードルミネセンス光の強度および波長を解析して前記シリコンウエハの結晶欠陥の量を検査する検査部と、
   前記シリコンウエハの結晶欠陥の量を所定の値に制御するように前記電子線を照射する制御部を備えた、電力用半導体装置の製造装置。
4. 前記結晶欠陥の量を検査する検査部は、前記カソードルミネセンス光のバンド端発光と、結晶欠陥起因発光との強度比を用いて前記シリコンウエハの前記結晶欠陥の量を検査する、請求項３に記載の電力用半導体装置の製造装置。

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