JP2013528808A - 縁部方向のフォトルミネセンスを使用して半導体材料の妨害不純物を測定する方法 - Google Patents

Abstract

半導体試料内の不純物を識別及び定量化するためのフォトルミネセンス分光のシステム並びに方法が提供される。一部の実施形態では、本システム及び方法は、第１の試料表面を照射する焦点ぼかし平行レーザービームと、この第１表面と、実質的に直交する第２表面との交差部分での、試料の縁部からの、収集レンズによるフォトルミネセンスの収集を含み、第１の試料表面は、収集レンズと平行な位置に対し約０°〜９０°で配向される。

Description

本発明は、フォトルミネセンス分光法を使用する、半導体材料の品質の判定に関する。

半導体材料の電子構造は、フォトルミネセンス撮像技術又はフォトルミネセンス分光技術によって、調査することができる。そのような技術では、レーザーが、単結晶シリコンなどの半導体試料上に指向される。レーザーから放出される光子が、試料のバンドギャップエネルギーよりも大きいエネルギーを有する場合には、そのエネルギーは、半導体によって吸収され、充満した価電子帯から空の伝導帯へと、電子を直接励起して、価電子帯内に電子の「正孔」を残すことができる。伝導帯内の自由電子と価電子帯内の正孔との、非局在化された対形成が、電子正孔対を生じさせる。電子正孔対内部での静電気力が、電子と正孔との束縛を引き起こすために十分である場合には、励起子が形成される。低温では、非平衡電子、正孔、及び励起子は、プラズマへと安定に結束することができ、このプラズマは、凝集を経て電子正孔液滴（ＥＨＤ）を形成することができる。

伝導帯内の励起電子は、その過剰エネルギーを喪失して、価電子帯と再結合することによって、平衡状態に戻ることができる。この電子正孔対／励起子消滅のプロセスを詳細に検討して、半導体試料内に含まれ得る不純物についての情報を含めた、半導体試料についての情報を得ることができる。再結合事象の１つのタイプでは、励起子減衰及び再結合は、自由格子サイト（自由励起子）で発生し、解放されるエネルギーに対応する波長を有する、光子の自然放出をもたらす。放出される光子は、フォトルミネセンス解析によって観察可能であり、そのスペクトルにより、その真性半導体についての情報が提供される。

再結合事象の別のタイプでは、減衰電子が、ドナー帯又はアクセプター帯を提供する不純物で、緩やかに束縛される場合があり、これらのドナー帯又はアクセプター帯は、バンドギャップエネルギーの範囲内にあるが、真性半導体材料の価電子帯及び伝導帯とは別個のものである。この不純物帯は、伝導帯から不純物帯への電子の初期減衰に関連するエネルギーを吸収して、そのエネルギーをフォノンとして消散することができる。束縛電子と自由正孔との間の静電気力が、その電子と正孔との束縛を引き起こし、束縛励起子を形成することができる。この励起子の減衰、及び電子と価電子帯との再結合は、フォトルミネセンス解析によって観察することができる光子の放出と関連し、得られるスペクトルにより、その不純物に特有の情報が提供される。例えば、束縛励起子のピークの形状及び強度を使用して、不純物濃度を判定することができる。

低温では、フォトルミネセンススペクトルは、明瞭な再結合現象を示すものであり、不純物帯内の束縛電子と自由正孔との再結合は、束縛励起子ピーク（ＢＥピーク）を生じさせ、真性半導体内の自由電子と自由正孔との再結合は、自由励起子ピーク（ＦＥピーク）を生じさせる。観察される光子放出の波長は、試料内部の再結合中心のタイプに応じて、また、その再結合プロセスにフォノンが関連するか否かに応じて変化する。関心対象のピークの殆どは、フォノン援助放出であり、所定波長での強度は、その放出の原因である、試料内部のサイトの数に関連する。電気的活性不純物の濃度は、ＢＥピークの強度とＦＥピークの強度との比率に比例するため、フォトルミネセンス解析は、試料内部の浅い不純物の非破壊解析に関して、有力な方法である。

フォトルミネセンス解析は、不純物の解析に関する有力な方法であるが、その精度及び感度は、ＥＨＤに関連するピークによって複雑化される。試料内部の励起子密度は、入射レーザーの強度の増大と共に増大し、臨界励起子密度に到達すると、ＥＨＤが形成され得る。ＥＨＤ内部での再結合事象は、スペクトルの横型光学（ＴＯ）フォノン領域（８７５７〜８８８９ｃｍ^−１／１１４２〜１１２５ｎｍ）内で、ＢＥピーク及びＦＥピークの基底をなして、それらのピークに干渉する、広範なピークをもたらす、特性ルミネセンスを放出する。更には、ＥＨＤピークは、励起強度の増大と共に増強されて、より低いエネルギーへと移行するため、その干渉は、レーザー出力の増大と共に、より顕著なものになる。それゆえ、ＥＨＤピークからの干渉、具体的には、ＥＨＤピークとＢＥピークとの干渉により、ＢＥ放出とＦＥ放出との比率は、正確に判定することが困難である場合が多い。ＢＥピーク及びＦＥピークを、ＥＨＤピークから分解する際の困難を克服する、従来の方法は、多くの場合、より低い励起エネルギーでレーザーを動作させることなどの、励起エネルギーの変更、長期のデータ収集期間の使用、様々なレーザー波長の使用、又はそれらの組み合わせを伴う。例えば、１つの従来の手法は、ＥＨＤ効果を最小限に抑えるために、低い励起エネルギーで計器を稼動することである。しかしながら、この手法では、ＢＥ放出及びＦＥ放出での信号対雑音比が低減されることにより、高純度半導体材料内の不純物を有効に測定することが困難になる。低レベルの不純物を有する半導体を測定し、かつＥＨＤを回避するための、別の従来の例は、より長く計器走査を実施することである。しかしながら、この手法は、多数の試料を効率的に試験するためには、障害となる恐れがある。

シリコン業界では、２つの主要なタイプの計器が、不純物のフォトルミネセンス解析に関して使用され、それらは、高い試料励起条件下で動作する、分散型赤外線計器、及び低い試料励起条件下で動作する、フーリエ変換計器である。実践される際には、双方の技術とも、シリコン試料からの、放出された光子の「正面方向」の収集を伴い、試料は、収集光学素子と平行な位置に配向される。この配向で、シリコン試料は、レーザーによって照射され、放出された光子は、試料の前面から、その前面にレンズ焦点を有する収集レンズによって収集される。

要約すれば、従来のフォトルミネセンス解析は、以下の４つの主要工程を有するものとして一般化することができる：（ｉ）低温度でレーザーを使用する、半導体試料の前面の励起であって、このレーザーが、得られるスペクトル内の、ＥＨＤピークからのＢＥピーク及びＦＥピークの分解を達成するために、固定出力又は可変出力のいずれかで動作する工程、（ｉｉ）試料からの光子の放出であって、この光子が、ＢＥ、ＦＥ、及びＥＨＤの再結合事象に特有である工程、（ｉｉｉ）試料と平行に配向される収集光学素子による、試料の前面から放出された光子の検出、及び（ｉｖ）不純物についての情報を判定するための、得られるスペクトルの解析。そのような従来の方法及び装置は高感度であり、典型的には、結晶格子内部の、低い１兆分率（「ｐｐｔ」）の原子の不純物濃度を識別することができる。

それにも関わらず、半導体材料内の不純物を識別及び定量化するための、より高感度の技術並びに装置が、当該技術分野では依然として必要とされている。

この必要性は、半導体材料内の不純物を識別及び定量化するための改善された方法並びに装置を提供する、本発明の様々な実施形態によって満たされる。一部の実施形態では、提供される方法及び装置を使用して、従来の方法及び装置を使用して達成可能である濃度よりも低い濃度で試料の不純物を識別及び定量化することができる。

様々な実施形態によれば、半導体試料内の不純物を識別及び定量化するためのフォトルミネセンス分光システムが提供され、このフォトルミネセンス分光システムは、（ｉ）照射された半導体にフォトルミネセンスを生起し得る焦点ぼかし平行レーザービームを提供するのに適合したレーザーシステムと、（ｉｉ）焦点ぼかしレーザービームにより少なくとも部分的に照射されるのに適合した第１表面と、実質的に直交する第２表面と、放出されたフォトルミネセンスの収集を可能にするのに適合した第１表面と第２表面との交差部分での縁部とをそれぞれが含む１つ以上の半導体試料と、（ｉｉｉ）解析用に位置決めした試料の縁部にレンズ焦点を有し、その焦点で、フォトルミネセンスを収集するのに適合した収集レンズとを含む。この提供されるシステムは、試料を解析用に位置決めした際に、その第１表面を収集レンズと平行な位置に対し約０°〜９０°の偏角となるように配向するように構成される。

様々な実施形態によれば、半導体試料内の不純物を識別及び定量化するためのフォトルミネセンス分光方法もまた提供され、このフォトルミネセンス分光方法は、（ｉ）焦点ぼかし平行レーザービームを解析用に位置決めした半導体試料の第１表面の少なくとも一部分上に指向させ、この試料が実質的に直交する第２表面と、放出されたフォトルミネセンスの収集を可能にするのに適合した第１表面と第２表面との交差部分での縁部とを含み、（ｉｉ）試料内に収集可能なフォトルミネセンスを発生させ、（ｉｉｉ）収集レンズを使用して試料の縁部からフォトルミネセンスを収集し、このレンズがその縁部上のレンズ焦点で放出されたフォトルミネセンスを収集するのに適合し、（ｉｖ）収集されたフォトルミネセンスから試料の不純物識別、試料の不純物含量又はその双方に対応するデータを発生させることとを備える。この提供される方法の実践では、試料を解析用に位置決めした際に、その第１表面を収集レンズと平行な位置に対し約０°〜９０°の偏角となるように配向する。

本発明のこれらの特徴及び有利点、並びに更なる特徴及び有利点は、以下の「発明を実施するための形態」の過程で明らかとなるであろう。特に記述のない限り、説明される発明の特徴は、個別に、若しくは一体的に、又は様々な組み合わせ若しくは部分的組み合わせで、使用することができる。同様に、特に具体的な記述のない限り、方法工程は、本明細書で説明されるものとは異なる順序で実行することができる。

本発明及びその多くの実施形態の、より完全な理解は、以下の「発明を実施するための形態」を参照し、添付図面と関連して考察することによって、より良好に理解されると共に、容易に獲得されるであろう。

Ａは従来のシステムの概略的側面図を示し、Ｂはこの従来のシステム内部の、レーザービームによって照射されている試料の正面図を示す、半導体試料からの放出された光子の「正面方向」の収集を伴う、従来のフォトルミネセンス分光システムの一実施例。 Ａは提供されるシステムの概略的側面図を示し、Ｂはこの提供されるシステム内部の、レーザービームによって照射されている試料の正面図を示す、焦点ぼかしレーザーを使用する半導体試料の励起及び放出された光子の「縁部方向」の収集を伴う、提供されるフォトルミネセンス分光システムの一実施例。 Ｆ１及びＦ２は、それぞれのレンズの焦点距離を指す、レーザービームの焦点をぼかすための、提供される光学システムの概略的な一実施例。 提供される分光システム内での使用のための、提供される試料ホルダーの一実施例を概略的に示し、Ａはこのホルダーの一部分の側面図を示し、Ｂはこのホルダーの平面図を示し、Ｃは低温槽内部に浸漬されたホルダーの一部分の側面図を示し、Ｄは低温槽内部に浸漬されたホルダーの正面図を示す。 縁部方向のフォトルミネセンスが、正面方向のフォトルミネセンスよりも大きいピーク強度を提供することを明示する、フォトルミネセンススペクトル。 焦点ぼかしレーザービームの使用が、平行レーザービーム技術と比較した場合に、シリコン固有ピーク強度を減少させ、リン及びホウ素などの不純物の、束縛励起子（ＢＥ）位置に関しては、相関するピーク強度の減少を有さないことを明示する、フォトルミネセンススペクトル。更には、ＥＨＤ効果は、平行レーザービーム技術と比較した場合に減少している。 縁部方向のフォトルミネセンスが、正面方向のフォトルミネセンスよりも大きいピーク強度を提供することを明示する、フォトルミネセンススペクトル。 焦点ぼかしレーザービームの使用が、平行レーザービーム技術と比較した場合に、シリコン固有ピーク強度を減少させ、リン及びホウ素などの不純物の、束縛励起子（ＢＥ）位置に関しては、相関するピーク強度の減少を有さないことを明示する、フォトルミネセンススペクトル。更には、ＥＨＤ効果は、平行レーザービーム技術と比較した場合に、減少している。

本発明の特徴及び有利点を、特定の実施形態を随時参照して、ここで説明する。しかしながら、本発明は、種々の形態で具体化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものとして解釈するべきではない。むしろ、これらの実施形態が提供されることにより、本開示は、周到かつ完全なものとなり、当業者には、本発明の範囲が十分に伝わるであろう。

特に定義されない限り、本明細書で使用される全ての技術的用語及び科学的用語は、本発明が属する分野の当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書の説明で使用される用語は、単に具体的な実施形態を説明するためのものであって、限定するものではない。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用するとき、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈上明らかにそうではないと指示されない限り、複数形も包含するものとする。

用語「不純物」とは、本明細書で使用するとき、電子ドナー又は電子アクセプターとしての役割を果たすことが可能であることにより、フォトルミネセンス解析によって検出可能である、半導体結晶格子内部の不純物を意味するものとする。更には、この用語は、非意図的な不純物のみならず、意図的なドーパントも包含するものとする。一部の実施形態では、本明細書で説明される方法及び装置を使用して、試料内の第ＩＩＩ族不純物、第Ｖ族不純物、又はそれらの組み合わせの存在を、測定することができる。一部の実施形態では、識別及び定量化される不純物は、ホウ素、リン、ヒ素、及びアルミニウムから選択される。

本明細書で使用するとき、用語「半導体」とは、伝導体の導電率と絶縁体の導電率との間の導電率を有し、フォトルミネセンス解析技術によって解析することが可能な任意の材料を意味するものとする。そのような材料の例としては、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、及びシリコンカーバイドが挙げられるが、これらに限定されない。一部の実施形態では、提供される方法及び装置を使用して、シリコン試料内の不純物を、識別及び定量化することができる。そのような試料は、一部の実施形態では、多結晶シリコン、単結晶、ドープされたもの、ドープされていないもの、フロートゾーン材料によるもの、又はチョクラルスキー材料によるものとすることができる。一部の実施形態では、提供される方法及び装置は、シリコン試料のエピタキシャル層内の不純物を識別及び定量化するために使用することができる。

様々な実施形態では、半導体材料内の不純物を識別及び定量化するための改善された方法並びに装置が提供される。一部の実施形態では、そのような方法及び装置は、約０．５ｐｐｔ〜約１．５ｐｐｔの低い濃度などでの、従来の方法及び装置を使用して達成可能である濃度よりも低い濃度で試料の不純物を識別及び定量化する際に、具体的な有用性を有する。それゆえ、一部の実施形態では、提供される方法及び装置は、約０．５〜０．６ｐｐｔ、０．６〜０．７ｐｐｔ、０．７〜０．８ｐｐｔ、０．８〜０．９ｐｐｔ、０．９〜１．０ｐｐｔ、１．０〜１．１ｐｐｔ、１．１〜１．２ｐｐｔ、１．２〜１．３ｐｐｔ、１．３〜１．４ｐｐｔ、１．４〜１．５ｐｐｔ、及びこれらの組み合わせの濃度のような不純物を、識別及び定量化する際に有用であり得る。一部の実施形態では、提供される方法及び装置は、従来の方法及び装置に勝る、実質的な改善を提供する。

様々な実施形態によれば、半導体試料内の不純物を識別及び定量化するためのフォトルミネセンス分光システムが提供され、このフォトルミネセンス分光システムは、（ｉ）照射された半導体にフォトルミネセンスを生起し得る焦点ぼかし平行レーザービームを提供するのに適合したレーザーシステムと、（ｉｉ）焦点ぼかしレーザービームにより少なくとも部分的に照射されるのに適合した第１表面と、実質的に直交する第２表面と、放出されたフォトルミネセンスの収集を可能にするのに適合した第１表面と第２表面との交差部分での縁部とをそれぞれが含む１つ以上の半導体試料と、（ｉｉｉ）解析用に位置決めした試料の縁部にレンズ焦点を有し、その焦点で放出されたフォトルミネセンスを収集するのに適合した収集レンズとを備える。この提供されるシステムは、試料を解析用に位置決めした際に、その第１表面を収集レンズと平行な位置に対し約０°〜９０°の偏角となるように配向するように構成される。

一部の実施形態では、提供される分光システムは、平行入力レーザービームを焦点ぼかしシステム内部のレーザー焦点に収集し、集束する第１レンズと、レーザー焦点での集束レーザービームを収集及び拡大して焦点ぼかし平行レーザービームを出力として形成する第２レンズとを含む焦点ぼかしシステムを備えるレーザーシステムを備える。

一部の実施形態では、提供される分光システムは、中心支柱の周囲で放射状に設定した２つ以上の突出部を含む回転可能な試料ホルダーを備え、突出部のそれぞれは半導体試料を保持するのに適合し、この突出部は解析用の位置へ交互に回転可能である。一部の実施形態では、電動モーターが、ホルダー中心支柱と連通しており、このモーターは、ホルダーの回転を引き起こすことが可能である。

一部の実施形態では、提供されるシステムは、電動モーター、ホルダー、及びレーザーシステムと通信するコンピュータを備え、このコンピュータは、（ｉ）電動モーターに、指令して、突出部の試料を解析用に位置決めするようにホルダーを回転させ、（ｉｉ）レーザーシステムに、指令して、解析用に位置決めした試料の第１表面の少なくとも一部分を、焦点ぼかしレーザービームで照射し、（ｉｉｉ）解析用に位置決めした試料の第２表面から放出されたフォトルミネセンスの収集を指令し、（ｉｖ）電動モーターに指令して、別の突出部上の試料を解析用に位置決めするようにホルダーを回転させ、（ｖ）全ての試料を解析するまで（ｉｉ）〜（ｉｖ）の工程を繰り返すようにプログラムされる。

フォトルミネセンスの縁部方向の収集
一部の実施形態では、提供されるシステム及び方法は、シリコン業界で使用される従来の技術とは異なる、試料からのフォトルミネセンスの「縁部方向」の収集を伴う。半導体試料から放出された光子を収集するための、業界で使用される従来の方法及び計器は、試料の前面（すなわち、励起レーザーによって照射される表面）が、収集光学素子と平行な位置に配向される、「正面方向」の技術を伴う。従来の「正面方向」のシステムの一実施例が、図１に示され、この図１では、平行レーザービーム１が、半導体試料３の前面２を照射する。図示のように、ビームによって照射される面積は、前面２の約２０％である。試料３の前面２は、フォトルミネセンス信号収集光学素子４と平行になるように構成され、収集光学素子４の焦点５は、試料３の前面２上にある。試料３の前面２と収集光学素子４との距離は、収集光学素子４の焦点距離（標示せず）と同じである。

半導体試料がレーザーによって照射されると、半導体表面の照射部分内の電子が、入射レーザーエネルギーによって励起される。このビームの励起出力のプロファイルは、ガウス分布（すなわち、釣鐘型の曲線）を有するため、半導体内で発生するルミネセンスは、そのビームエリアにわたる、様々な励起出力分布の領域から来るものである。それゆえ、この「正面方向」の技術を採用する場合、試料３の前面２から収集されるルミネセンスは、ガウス分布型励起ビーム１のスポットサイズ（すなわち、高出力）全体にわたるフォトルミネセンスの平均を表し、高密度の励起を有するが、その半導体試料全体にわたる均一な励起を表すものではない。特に、「正面方向」の技術に典型的な特徴である、この半導体試料の不均一な励起は、フォトルミネセンススペクトルを交絡させるものであり、試料内の不純物の検出及び定量化に関する感度を阻害することが認められている。例えば、感度は、計器のタイプ及び走査時間などの要因によって影響を受ける場合があるが、１０ｐｐｔ未満の不純物の検出を、従来の技術を使用して達成することは、典型的には不可能である。

この標準方法とは対照的に、本発明の実施形態は、半導体試料の前面が、収集光学素子とは非平行になるように位置決めされる、「縁部方向」の技術を利用し、その位置は、試料の縁部からのフォトルミネセンスの収集を可能にする、平行位置から離れた好適な偏角である。

一部の実施形態では、この偏角は、試料の縁部からの、フォトルミネセンスの最高水準の検出を提供するように選択される。一部の実施形態では、試料の前面の好適な偏角は、光学素子と平行な位置に対し約０°〜約９０°とすることができる。したがって、その偏角は、０°〜５°、５°〜１０°、１０°〜１５°、１５°〜２０°、２０°〜２５°、２５°〜３０°、３０°〜３５°、３５°〜４０°、４０°〜４５°、４５°〜５０°、５０°〜５５°、５５°〜６０°、６０°〜６５°、６５°〜７０°、７０°〜７５°、７５°〜８０°、８０°〜８５°、８５°〜９０°、及びこれらの組み合わせとすることができる点が想到される。そのような配向では、収集される放出光子は、試料の縁部から来るものであり、観察されるルミネセンスは、半導体の励起部分から放出縁部までの全ての経路が同様であるため、励起子密度プロファイル全体にわたる平均を（「正面方向」の技術とは対照的に）表す。それゆえ、「縁部方向」の技術を採用する場合、観察されるルミネセンスは、「正面方向」の技術と比較すると、低密度の励起を有する。特に、このことは、試料内の不純物の検出及び定量化に関する感度を増大させることが認められている。良好な結果が、４５°の偏角を使用して得られている。０°〜４５°及び４５°〜９０°の角度に関しては、収集されるフォトルミネセンスのデータは、前面からの放出（正面方向の効果）と試料縁部からの放出（縁部効果）との組み合わせを表し得る。偏角が４５°から大きく離れるにつれて、フォトルミネセンスが試料の縁部のみから収集される際の信号応答は、低下する。上記に関わらず、所望の偏角の選択は少なくとも部分的には、試験される試料の形状に基づき得る。例えば、試料が、矩形又は円形の表面積を有する平坦なものであり、規定の厚さを有する場合、提供される試料ホルダーによってその試料が位置決めされる際に、４５°の偏角が、所望の信号応答を提供することができる。当業者であれば、試料が異なる形状を有する場合、又は異なる試料ホルダーが使用される場合、４５°以外の偏角が、所望の信号応答を提供し得ることを理解するであろう。

従来の技術とは対照的に、「縁部方向」の技術を使用して、２．０ｐｐｔ未満の感度を達成することが可能である。例えば、約１．０〜約２．０ｐｐｔの低い濃度での不純物の検出は、「縁部方向」の技術を使用する場合の、本明細書で説明される方法及び装置で達成することができる。

より優れた感度に加えて、試料の前面と比較すると、試料の縁部の曲面は、より多くのルミネセンスが半導体試料から逸出することを可能にするため、本明細書で説明される方法及び装置を使用する場合、より多くのルミネセンスが観察される。それゆえ、「正面方向」の技術から得られるスペクトルと比較すると、提供される方法及び装置を使用して、得られるスペクトルでの、より大きい信号対雑音比を達成することができる。一部の実施形態では、この「縁部方向」の技術と、レーザー焦点ぼかし技術とを込み合わせることによって、より優れた感度を達成することができる。

図２を参照すると、提供されるフォトルミネセンス分光システムの一実施例が示され、一部の実施形態では、光源（標示せず）からの光１は、半導体試料３の前面２に指向される。この光源は、レーザー、ダイオード、又は試料内に電子正孔対を発生させるために好適な他の発光デバイスとすることができる。図示のように、光１は、前面２の表面積の約５０〜７０％にわたって適用されるが、他の程度の表面積適用範囲もまた想到される。例えば、このビームは、前面２の表面積の５０〜１００％を照射し得ることが想到される。一部の実施形態では、可能な限り広い試験試料表面積にわたって適用することが望ましいが、これは、より広い表面積を照射することで、より広範な量の半導体材料が励起され、試験試料全体を表す、不純物データがもたらされるためである。所望される表面積適用範囲の程度とは関わりなく、提供される方法及び装置は、試料３の前面２を、収集光学素子４とは非平行になるように位置決めすることを伴い、その位置は、「正面方向」の技術に関連する平行位置から離れた、好適な偏角である。例えば、前面２の偏角は、収集光学素子と平行な位置に対し約０°〜約９０°とすることができる。選択される具体的な偏角とは関わりなく、収集光学素子４の焦点５は、前面２上にではなく、試料３の縁部６上にある。一部の実施形態では、前面２、縁部６又は双方が研磨される。一部の実施形態では、前面２、縁部６又は双方が、エッチングされる。図示のシステムは、放出された光子の「縁部方向」の収集用に構成される。収集光学素子４を使用して集められたフォトルミネセンスは、１０５０〜１１５０ｎｍの分光データを収集するように設計された分光計（分散型又はフーリエ変換）を通過するように導かれ、ＣＣＤアレイ、半導体検出器、フォトダイオードなどの好適な検出システム（図示せず）、又は任意の他の好適な検出システム若しくは検出デバイスによって検出することができ、そのスペクトルを処理して、試料内で特定される不純物に対応するデータを生成する。生成されるデータは、試料の不純物識別、試料の不純物含量又はその双方を含み得る。検出されたフォトルミネセンスの処理は、マイクロプロセッサ又は同様のデバイスによるものとすることができ、必要に応じて、スペクトルを処理するための任意の利用可能なソフトウェアツールを使用して、スペクトルサブトラクション、スペクトルデコンボリューション、又はスペクトルピーク面積の測定を実行するための、ソフトウェアプログラムを含み得る。利用可能なソフトウェアツールの例としては、ＧＲＡＭＳ分光ソフトウェア（Ｇａｌａｃｔｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）が挙げられるが、これに限定されない。プロセッサ、プログラム、又は双方を、検出器、及び／又はフォトルミネセンス分光システムの他の要素内に含めるか、若しくは関連させることができ、あるいは、このシステムの他の要素から分離することもできる。このフォトルミネセンス分光システムは、試料に対してフォトルミネセンス分光法を実行するための、任意の追加的構成要素又は代替的構成要素を更に含み得る。例えば、このシステムは、フォトルミネセンスデータを視覚的に表示するためのディスプレイ画面、試料を支持するための試料ホルダー、入射光又は戻り光をフィルター処理するための１つ以上のフィルター、並びに任意の他の好適な構成要素を含み得る。一部の実施形態では、この分光システムは、試料の照射の前に、レーザービーム直径の焦点をぼかすためのシステムを含むことにより、入射レーザー出力の変更又は低減を必要とすることなく、ＥＨＤピークに対するＢＥピーク及びＦＥピークの分解が可能になる。

良好な結果が、分散型分光計若しくはフーリエ変換ＰＬ（ＦＴＰＬ）分光計、及び液体窒素収集ＩＲ検出器を使用して得られている。良好な結果が、ＴＨＲ １０００（Ｊｏｂｉｎ−Ｙｖｏｎ）及びＳＰＥＸ １０００Ｍ（Ｊｏｂｉｎ−Ｙｖｏｎ）などの、分散型分光計を使用して得られている。良好な結果はまた、Ｖｅｒｔｅｘ ８０Ｖ（Ｂｒｕｋｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｉｎｃ．）などの、ＦＴＰＬ分光計でも得られている。一部の実施形態では、提供される方法及び装置と共に使用するために、分散型分光計を選択する場合、その絞り値は、ｆ／７．５〜ｆ／８のように、低くするべきである。一部の実施形態では、提供される方法及び装置と共に使用するために、ＦＴＰＬを選択する場合、解像度及び走査周波数を考慮するべきである。例えば、良好な結果が、０．２ｃｍ−１の解像度及び１１０スペクトル／秒の走査周波数を使用して得られている。

一部の実施形態では、ＩＲ検出器を選択する場合、応答度（光エネルギーから電気エネルギーへの変換の尺度）及びＮＥＰ（検出器チップ内の雑音の測定値）を考慮するべきである。良好な結果が、関心領域（１０５０〜１１５０ｎｍ）の範囲内で約０．７×１０＾^１０Ｖ／Ｗの応答度、及び４×１０^−１５Ｗ／Ｈｚ^１／２のＮＥＰを有する、インジウム−ガリウム−ヒ素（ＩｎＧａＡｓ）フォトダイオードを含む検出器（例えば、Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）を使用して得られている。

一部の実施形態では、分散型分光計を使用する場合、検出器データが、ロックイン増幅器へ送られることにより、その検出器信号は、１０〜１５Ｈｚの周波で入来レーザービームにパルス印加する、チョッパー周波数を使用して、配列決定することができる。良好な結果が、ＳＲ８１０増幅器（Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ）を使用して得られている。ロックイン増幅器は、様々な通信カードのうちの任意の１つを通じて、そのデータをコンピュータに伝送する。分光計の制御、データ取得、計器較正、及びデータ処理は、Ａｒｒａｙ Ｂａｓｉｃプログラミングを使用するデータスクリプト記述を可能にするようなソフトウェアシステムを使用して、達成することができる。良好な結果が、ＧＲＡＭＳ分光ソフトウェアを使用して得られている。一部の実施形態では、ＦＴＰＬ分光計を使用する場合、検出器データは、分光計の取得及び制御も操作することができる、ソフトウェアパッケージ（例えば、ＯＰＵＳ／ＩＲ）内に伝送することができる。Ａｒｒａｙ Ｂａｓｉｃを使用するような、スクリプト記述プログラムを同様に、データ操作、計器較正及びスペクトルのデータ処理に関して使用することができる。

試料内の不純物の検出及び定量化に関する業界では使用されないが、シリコン試料の縁部からの４５°でのフォトルミネセンスの収集は、Ｃｏｌｌｅｙらの「Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｂ，Ｐ ａｎｄ Ａｌ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｓｉ ｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ １０^１２ ｔｏ １０^１５ｃｍ^−３ ｕｓｉｎｇ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」（Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．２（１９８７）１５７〜１６６）で説明されるように、不純物の検量線図の準備には有用であることが既知である。しかしながら、試料内の不純物を検出及び定量化することを目的として、半導体試料の縁部からフォトルミネセンスを収集し、その試料が焦点ぼかし入射レーザービームで励起されることは知られていない。

試料の焦点ぼかしレーザー励起
一部の実施形態では、提供されるフォトルミネセンス分光のシステム及び方法は、焦点ぼかしレーザービームを使用して、半導体試料を照射及び励起することを伴う。このことは、集束レーザービームが、シリコン試料の前面の一部分上に指向されることを伴う、シリコン業界で使用される従来のフォトルミネセンス分光法とは対照的である。例えば、前面の２５％をレーザービームで照射することができる。分散型赤外線分光光度計では、高い入射レーザー出力が使用され、フーリエ変換計器では、より低い入射レーザー出力が使用される。しかしながら、双方の計器のタイプから得られるスペクトルは、ＢＥピーク、ＦＥピークと、ＥＨＤピークとの干渉を被る。そのような困難を克服する既知の方法は、典型的には、試料励起エネルギーを変更することを伴う。

本発明の様々な実施形態は、半導体試料の前面の少なくとも一部分の照射のために、焦点ぼかしレーザービームを使用することによって、ＥＨＤピークに対するＢＥピークの分解を強化することを可能にする。一部の実施形態では、この焦点ぼかしレーザービームは、試料の前面の約５０〜１００％を励起する。したがって、試料の前面の照射表面積は、約５０〜５５％、５５〜６０％、６０〜６５％、６５〜７０％、７０〜７５％、７５〜８０％、８０〜８５％、８５〜９０％、９０〜９５％、９５〜１００％、及びこれらの組み合わせとすることができる点が想到される。

焦点ぼかしレーザーの使用により、入射レーザー出力を低減する必要なく、励起エネルギーを低減することが可能になり、低下した励起エネルギーでは、ＢＥピークが、ＥＨＤピークよりもスペクトル内で顕著となる傾向がある。ＥＨＤピーク強度の低減と共に、信号対雑音比の増大が生じるため、ＴＯ−フォノン領域内のＢＥピーク及びＦＥピークの、より正確な測定が達成可能であり、この焦点ぼかしレーザービームは、非焦点ぼかしレーザービームと比較して、より高い入射レーザー出力で動作することを可能にする。更には、低下した励起密度を使用することにより、種々のフォトルミネセンス計器間の、較正精度及び一貫性が高められるが、これは、ＢＥピークと参照ＦＥピークとの対数比が、ＥＨＤピークが明白になる高い励起密度では、非線形になるためである。

本発明の様々な実施形態での焦点ぼかしレーザーの使用は、既知の焦点ぼかしレーザーの使用とは異なる。既知の焦点ぼかしレーザーの使用の一例は、Ｔｒｕｐｋｅらの「Ｖｅｒｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｆｒｏｍ ｂｕｌｋ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ」（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｅｒ，８２，ｎｏ．１８，２９９７（２００３年５月５日））で説明されるような、レーザー調整技術の一部として、シリコンウェハ上の照射面積を増大させるためのものである。Ｔｒｕｐｋｅらは、レーザー照射面積を増大させることによって、前面の表面からのシリコン自由励起子放射を増大させることを伴い、照射面積の増大が、レーザーの焦点をぼかすことによって達成される、レーザー調整技術を説明している。Ｔｒｕｐｋｅの技術とは異なり、本明細書で提供される方法及び装置は、自由励起子放射と比較して、不純物束縛励起子放射を増大させ、同時に、電子正孔液滴放射からの干渉を減少させつつも、固定レーザー出力を維持する。それゆえ、本発明の実施形態での焦点ぼかしレーザーの使用は、電子正孔液滴放射（フォノン援助又は非フォノン）の効率を増大させることを伴い、自由励起子放射の挙動には無関係である。このことは、本技術を使用して取得されるスペクトル内のＦＥピークが、従来の技術を使用して取得されるスペクトルに対して、殆ど変化を示さないという観察によって、裏付けられる。更には、Ｔｒｕｐｋｅのいずれの部分にも、試料内の不純物を識別及び定量化するための、「縁部方向」の収集技術と組み合わせて使用される、焦点ぼかしレーザーの教示又は示唆は存在しない。

本方法及び装置の一部の実施形態では、焦点ぼかしレーザーは、放出されたフォトルミネセンスの「縁部方向」の収集と組み合わせて使用される。一部の実施形態では、焦点ぼかしレーザーはまた、放出されたフォトルミネセンスの「正面方向」の収集と組み合わせて使用することもできる。使用される収集技術とは関わりなく、レーザービームの焦点ぼかしは、第１の可変焦点距離を有する第１レンズと、第２の可変焦点距離を有する第２レンズとを含み、第１の焦点距離が第２の焦点距離よりも小さい、光学焦点ぼかしシステムを使用して達成することができるが、このことは必須ではない。そのような光学システムの一実施例を図３に示す。図示のように、このシステムはレーザーからの平行入力レーザービーム８を収集して、焦点９に集束する第１レンズ７を含み、この焦点９は、第１レンズ７から可変長（Ｆ１）にある。一部の実施形態では、第１レンズ７は、入力レーザービーム８に向けて配向した実質的な凸面側１０と、その反対の、焦点９に向けて配向した実質的な平面側１１とを有する平凸レンズである。このシステムはまた、焦点９での集束レーザービームを収集及び拡大して平行焦点ぼかし出力ビーム１３を形成する第２レンズ１２も含み、この第２レンズ１２は、焦点９から可変長（Ｆ２）にある。一部の実施形態では、第２レンズ１２は、焦点に向けて配向した実質的な平面側１４と、その反対の、試料（図示せず）に向けて配向した実質的な凸面側１５とを有する平凸レンズである。焦点ぼかし出力ビーム１３は、半導体試料を照射するために使用され、入力ビーム８と比較すると、より広い直径及び所定面積当りの低減された強度を有する。

試料ホルダー
様々な実施形態では、提供されるシステム及び方法は、半導体試料の縁部からの、フォトルミネセンスの収集を伴い、この試料は、フォトルミネセンス解析で使用される従来のホルダーとは異なる、提供される試料ホルダーによって、解析のための位置に保持される。

シリコン業界での従来のフォトルミネセンス分光法は、低温槽内に保持されたシリコン試料の前面上に、レーザービームを集束させることを伴い、その試料は、低温槽の窓と平行に配向され、この窓を通じて、レーザービームが照射され、この窓を通じて、フォトルミネセンスが、試料と平行な収集光学素子によって収集される。対照的に、本発明の一部の実施形態は、試料の縁部を、低温槽の窓の近位に配置することが可能となり、その窓を通じて、収集光学素子によって縁部のルミネセンスを収集することができるように適合される、複数試料ホルダーを利用する。この試料ホルダーはまた、解析中の試料の前面を、レーザービームによって照射することができるようにも配向し、この配向は、収集光学素子と平行な位置に対し約０°〜約９０°である。一部の実施形態では、提供されるホルダーは、試料上に、若しくは試料に対して、実質的な歪み又は他の応力を加えることなく、試料を保持するように適合される。一部の実施形態では、提供されるホルダーは、液体ヘリウム又は低温槽内部に保持される他の好適な低温液体中に浸漬することができる。一部の実施形態では、提供されるホルダーは、閉サイクル冷蔵システムによって冷却される低温槽内部に保持することができる。

提供されるホルダーの一実施例を、図４に示す。図示のように、ホルダー１６は、それぞれが少なくとも１つの試料１８を保持することが可能な４つの突出部１７を含む。しかしながら、ホルダー１６は、３つ以下、又は５つ以上の突出部１７を有する場合があること、各突出部１７は、２つ以上の試料１８を保持することが可能な場合があること、又はそれらの組み合わせが想到される。例えば、ホルダーは、２つ以上の突出部を含む場合があり、各突出部は１〜５個の試料を保持し得ること、突出部上の試料は、垂直方式で配置構成し得ること、又はそれらの組み合わせが想到される。ホルダー１６の突出部１７は、回転可能な中心支柱１９の周囲で放射状に構成され、中心支柱１９の回転が、突出部１７上の試料１８を、フォトルミネセンス解析が実施される位置（すなわち、試料がレーザービームによって照射され、得られるルミネセンスが、試料の縁部から収集される位置）へ、又はその位置から、回転させる。ホルダー１６の回転は、手動で又は電動モーターによって達成することができる。回転の方法とは関わりなく、ホルダー１６の突出部１７が、解析のために適切に位置決めされる際、試料１８の前面（標示せず）は、レーザービーム（図示せず）による照射に対して開放され、試料１８の縁部（標示せず）が、低温槽（例えば、Ｊａｎｉｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｍｐａｎｙによる低温槽）の窓２０の近位にあることにより、縁部のルミネセンスは、窓２０を通じて、収集光学素子２１によって収集することができる。一部の実施形態では、ホルダー１６は、水平面、垂直面又はそれらの組み合わせで移動させることができる。

一部の実施形態では、解析のために試料を適切に位置決めするために、提供されるホルダーに手動による、回転、水平移動、垂直移動又はそれらの組み合わせを行なうことができる。一部の実施形態では、自動化又は半自動化された方式で、解析のために試料を適切に位置決めするために、提供されるホルダーに機械的な回転、水平移動、垂直移動、又はそれらの組み合わせを行なうことができる。このホルダーの中心支柱は、１つ以上の電動モーターと機械的に連通することができ、このことにより、モーターとホルダーの突出部との機械的な連通が可能になる。分光システムと共に使用するために好適な、任意のモーターを使用することができる点が想到され、それらのモーターとしては、サーボモーター、ブラシレスモーター、ブラシ付きモーター、及びステッピングモーターが挙げられるが、これらに限定されない。一部の実施形態では、ホルダーの移動は、マイクロプロセッサと通信する電動モーターによって達成することができる点が想到される。一部の実施形態では、このマイクロプロセッサは、電動モーター、レーザー及び収集光学素子のうちの１つ以上と通信することにより、ホルダーの移動、試料の照射及び縁部のフォトルミネセンスの収集を自動化することができる。例えば、このホルダーは、解析のための正確な間隔（例えば、１０５°）で自動的に回転させることができる。一部の実施形態では、電動モーター、ホルダー及びレーザーシステムと通信するコンピュータは、（ｉ）突出部上に収容された試料を、縁部のフォトルミネセンスの解析用に収集光学素子に対して好適に位置決めするように試料ホルダーを回転させ、（ｉｉ）好適に位置決めした試料の前面を焦点ぼかしレーザーを使用して照射し、（ｉｉｉ）試料の縁部から得られる縁部のフォトルミネセンスを収集し、（ｉｖ）ホルダーの別の突出部上に保持された試料を、縁部のフォトルミネセンスの解析用に収集光学素子に対して好適に位置決めするように試料ホルダーを回転させ、（ｖ）解析が所望される全ての試料を解析するまで（ｉ）〜（ｉｖ）の工程を繰り返すようにプログラムすることができる点が想到される。一部の実施形態では、このコンピュータはまた、収集光学素子とも通信することができる。

方法
様々な実施形態によれば、提供される装置のうちの１つ以上を使用する、半導体試料内の不純物を識別及び定量化するための方法が提供される。一部の実施形態では、そのような方法は、約０．５ｐｐｔ〜約１．５ｐｐｔの低い不純物濃度を有する試料から、試料の不純物識別、試料の不純物含量又はその双方に対応するデータを発生させることが可能である。それゆえ、提供される方法及び装置は、約０．５〜０．６ｐｐｔ、０．６〜０．７ｐｐｔ、０．７〜０．８ｐｐｔ、０．８〜０．９ｐｐｔ、０．９〜１．０ｐｐｔ、１．０〜１．１ｐｐｔ、１．１〜１．２ｐｐｔ、１．２〜１．３ｐｐｔ、１．３〜１．４ｐｐｔ、１．４〜１．５ｐｐｔ、及びこれらの組み合わせの濃度での、試料の不純物の解析を可能にする。

様々な実施形態では、提供される方法は（ｉ）焦点ぼかし平行レーザービームを解析用に位置決めした半導体試料の第１表面の少なくとも一部分上に指向させ、この試料が実質的に直交する第２表面と、放出されたフォトルミネセンスの収集を可能にするのに適合した第１表面と第２表面との交差部分での縁部とを含み、（ｉｉ）試料内に収集可能なフォトルミネセンスを発生させ、（ｉｉｉ）収集レンズを使用して試料の縁部からフォトルミネセンスを収集し、このレンズがその縁部上のレンズ焦点で放出されたフォトルミネセンスを収集するのに適合し、（ｉｖ）収集されたフォトルミネセンスから試料の不純物識別、試料の不純物含量又はその双方に対応するデータを発生させることとを備える。この提供される方法の実践では、試料を解析用に位置決めした際に、その第１表面を収集レンズと平行な位置に対し約０°〜９０°の偏角となるように配向する。

提供される方法の一部の実施形態では、焦点ぼかし平行レーザービームは、平行入力レーザービームを第１レンズ及び第２レンズにより指向させることによって形成され、第１レンズは入力レーザービームをレーザー焦点に収集及び集束させ、第２レンズはこのレーザー焦点での集束レーザービームを収集及び拡大して、焦点ぼかしビームを形成する。一部の実施形態では、第１レンズは、入力レーザービームに向けて配向した実質的な凸面側と、レーザー焦点に向けて配向した実質的な平面側とを有する平凸レンズであり、第２レンズは、レーザー焦点に向けて配向した実質的な平面側と、解析用に位置決めした試料に向けて配向した実質的な凸面側とを有する平凸レンズである。

提供される方法の一部の実施形態では、試料を回転可能な試料ホルダーの突出部によって保持し、このホルダーが中心支柱の周囲で放射状に設定した２つ以上の突出部を含み、突出部のそれぞれが試料を保持して、解析用の位置へ交互に回転するのに適合する。一部の実施形態では、ホルダー中心支柱は、ホルダーの回転を引き起こすことが可能な電動モーターと、機械的に連通している。

一部の実施形態では、提供される方法は、電動モーター、ホルダー、及び焦点ぼかしレーザービームを生成するためのシステムと通信するコンピュータによって実装され、このコンピュータは、（ｉ）電動モーターに指令して、突出部上の試料を解析用に位置決めするようにホルダーを回転させる、（ｉｉ）焦点ぼかし平行レーザービームに、解析用に位置決めした試料の第１表面の少なくとも一部分を照射するように、指令し、（ｉｉｉ）解析用に位置決めした試料の第２表面から放出されたフォトルミネセンスの収集を指令し、（ｉｖ）電動モーターに指令して、別の突出部上の試料を解析用に位置決めするようにホルダーを回転させ、（ｖ）全ての試料を解析するまで（ｉｉ）〜（ｉｖ）の工程を繰り返すように、プログラムされることが想到される。

一部の実施形態では、このコンピュータは、収集されるフォトルミネセンスを検出するためのＣＣＤアレイ、分光計又は任意の他の好適な検出システム若しくは検出デバイスなどの、好適なシステム又はデバイスと通信して、それらに指令するようにプログラムすることができる。検出されたフォトルミネセンスを、マイクロプロセッサ又は同様のデバイスによって処理して、試料内で特定される不純物に対応するデータを生成することができる。データを生成するための検出されたフォトルミネセンスの処理は、ソフトウェアプログラムによって実行することができる。生成されるデータは、試料の不純物識別、試料の不純物含量又はその双方を含み得る。

本発明は、実例として提供され、かつ限定するものではないことが当業者には理解されるであろう、以下の実施例を参照することによって、より良好に理解されるであろう。

（実施例１）
直径約１４ｍｍ及び厚さ約１ｍｍの、単結晶シリコン試料薄片を、液体ヘリウムの液面中に浸漬し、次いで、２００ｍＷの５１４．５ｎｍレーザー励起（Ｌｅｘｅｌ Ａｒｇｏｎ Ｉｏｎ Ｌａｓｅｒから）に晒して、分散型フォトルミネセンス計器上にデータを収集した。

スペクトルは４つの異なる動作構成を使用して収集した。第１に、直径約２ｍｍの平行レーザービームを、試料の前面上に照射して、フォトルミネセンスを、試料薄片の表面と平行に取り付けたレンズを使用して、試料の表面が収集レンズの焦点に位置決めされた状態で収集した。第２に、直径約２ｍｍの平行レーザービームを、第１の可変焦点距離を有する第１レンズと、第２の可変焦点距離を有する第２レンズとを含み、第１の焦点距離が第２の焦点距離よりも小さい光学焦点ぼかしシステム内に指向させた。この焦点ぼかしシステムから出たレーザービームは、約７ｍｍの直径を有するものであり、そのレーザービームを、試料の前面上に照射して、フォトルミネセンスを、試料薄片の表面と平行に取り付けたレンズを使用して、試料の表面が収集レンズの焦点に位置決めされた状態で収集した。第３に、直径約２ｍｍの平行レーザービームを、試料の前面上に照射して、フォトルミネセンスを、試料の縁部が収集レンズの焦点に置かれるように位置決めされたレンズを使用して、収集した。最後に、直径約２ｍｍの平行レーザービームを、第１の可変焦点距離を有する第１レンズと、第２の可変焦点距離を有する第２レンズとを含み、第１の焦点距離が第２の焦点距離よりも小さい、光学焦点ぼかしシステム内に指向させた。この焦点ぼかしシステムから出たレーザービームは、約７ｍｍの直径を有するものであり、そのレーザービームを、試料の前面上に照射した。フォトルミネセンスを、試料の縁部が収集レンズの焦点に置かれるように位置決めされたレンズを使用して、収集した。全ての動作構成で、収集レンズを通じて収集したフォトルミネセンスを、分散のために１２００ｇｒ／ｍｍ、１２０×１４０ｍｍの回折格子を使用してＪｏｂｉｎ−Ｙｖｏｎ ＴＨＲ １０００分光計内に集束させ、次いで、データ収集のために、インジウム−ガリウム−ヒ素フォトダイオード検出器（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）上に集束させた。スペクトル解析を、ＧＲＡＭＳ分光ソフトウェア（Ｇａｌａｃｔｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）を使用して実行した。

表１は、真性シリコン振動（１１３０．２ｎｍ）、並びにホウ素に関する横型光学振動（１１３４．７ｎｍ）及びリンに関する横型光学振動（１１３５，５ｎｍ）での、ピーク絶対強度に対する効果を明示する。全ての試料及び全ての不純物に関して、スペクトル応答を、試料のピーク高さ位置で、ミリボルトの単位で測定し、その位置は、シリコンに関しては自由励起子線（１１３０．２ｎｍ）、ホウ素化学種に関しては横型光学（ＴＯ）線に関する束縛励起子線（１１３４．７ｎｍ）、及びリン化学種に関しては横型光学（ＴＯ）線に関する束縛励起子線（１１３５．５ｎｍ）とした。縁部方向の技術を使用する場合、これらの強度は、正面方向の技術に対し約１１倍の大きさで増大した。

図５及び図７は、使用されるレーザービーム直径とは関わりなく、縁部方向のフォトルミネセンスが、正面方向のフォトルミネセンスよりも大きいピーク強度を提供することを明示する。更には、試料表面に対する焦点ぼかしレーザービームの使用により、ＢＥ及びＥＨＤ領域（１１３０〜１１３８ｎｍ）でのスペクトル品質の向上が示された。フォトルミネセンスを前面から収集した試料（すなわち、正面方向の技術）に関しては、レーザービームの焦点をぼかすことにより、シリコン固有帯（１１３０．２ｎｍ）のピーク強度が、約１５％低下したが、ビーム強度を、試料表面の大部分にわたって拡散させることにより、電子正孔液滴効果が除去された（図６及び図８）。フォトルミネセンスを縁部から収集した試料（すなわち、縁部方向の技術）に関しても、レーザーの焦点をぼかすことにより、同様に、シリコン固有帯の強度が減少し、電子正孔液滴効果が除去された。更には、縁部方向の技術と、レーザー焦点ぼかし技術との組み合わせにより、ホウ素線（１１３４．７ｎｍ）及びリン線（１１３５．５ｎｍ）に関する強度の、適度な増大が示された。

本発明は、本明細書で説明される特定の実施例に限定されるものと見なすべきではなく、むしろ、本発明の全ての態様を包含するものと理解するべきである。本発明が適用可能な、様々な修正及び等価のプロセス、並びに多数の構造及びデバイスが、当業者には容易に明らかとなるであろう。本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書で説明されるものに限定されると見なすべきではない、様々な変更を実施することができる点が、当業者には理解されるであろう。

Claims (36)

1. 半導体試料内の不純物を識別及び定量化するためのフォトルミネセンス分光システムであって、
   照射された半導体にフォトルミネセンスを生起し得る焦点ぼかし平行レーザービームを提供するのに適合したレーザーシステムと、
   前記焦点ぼかしレーザービームにより少なくとも部分的に照射されるのに適合した第１表面と、実質的に直交する第２表面と、放出されたフォトルミネセンスの収集を可能にするのに適合した前記第１表面と前記第２表面との交差部分での縁部とをそれぞれが含む１つ以上の半導体試料と、
   解析用に位置決めした前記試料の縁部にレンズ焦点を有し、該焦点から放出されたフォトルミネセンスを収集するのに適合した収集レンズとを備え、
   試料を解析のために位置決めした際に、その第１表面を前記収集レンズと平行な位置に対し約０°〜９０°の偏角となるように配向するように前記システムを構成するフォトルミネセンス分光システム。
2. 前記レーザーシステムが、平行入力レーザービームを焦点ぼかしシステム内のレーザー焦点に収集し、集束する第１レンズと、前記レーザー焦点での集束レーザービームを収集及び拡大して前記焦点ぼかし平行レーザービームを出力として形成する第２レンズとを含む焦点ぼかしシステムを備える請求項１に記載のフォトルミネセンス分光システム。
3. 前記レーザーシステムが、前記解析用に位置決めした試料の第１表面の約５０％〜１００％を照射するのに適合する請求項２に記載のフォトルミネセンス分光システム。
4. 前記第１レンズが、前記入力レーザービームに向けて配向した実質的な凸面側と、前記レーザー焦点に向けて配向した実質的な平面側とを有する平凸レンズであり、前記第２レンズが、前記レーザー焦点に向けて配向した実質的な平面側と、前記解析用に位置決めした試料に向けて配向した実質的な凸面側とを有する平凸レンズである請求項２に記載のフォトルミネセンス分光システム。
5. 中心支柱の周囲で放射状に設定した２つ以上の突出部を含む回転可能な試料ホルダーを備え、前記突出部のそれぞれが半導体試料を保持するのに適合し、該突出部が解析用の位置へ交互に回転可能である請求項１に記載のフォトルミネセンス分光システム。
6. 前記ホルダー中心支柱と連通する電動モーターを備え、該モーターがホルダーの回転、垂直移動又は水平移動のうちの１つ以上を引き起こすことが可能である請求項５に記載のフォトルミネセンス分光システム。
7. 前記電動モーター、ホルダー及びレーザーシステムと通信するコンピュータを備え、該コンピュータが（ｉ）前記電動モーターを生起して、突出部上の試料を解析用に位置決めするように前記ホルダーを回転させ、（ｉｉ）前記レーザーシステムを生起して、前記解析用に位置決めした試料の第１表面の少なくとも一部分を前記焦点ぼかしレーザービームで照射し、（ｉｉｉ）前記解析用に位置決めした試料の第２表面から放出されたフォトルミネセンスの収集を引き起こし、（ｉｖ）前記電動モーターを生起して、別の突出部上の試料を解析用に位置決めするように前記ホルダーを回転させ、（ｖ）全ての試料を解析するまで（ｉｉ）〜（ｉｖ）の工程を繰り返すようにプログラムされる請求項６に記載のフォトルミネセンス分光システム。
8. 約０．５ｐｐｔ〜約１．５ｐｐｔの低い濃度で試料の不純物を識別及び定量化するのに適合した請求項１に記載のフォトルミネセンス分光システム。
9. 半導体試料内の不純物を識別及び定量化するためのフォトルミネセンス分光システムであって、
   平行入力レーザービームを提供するのに適合したレーザーシステムと、
   レーザー焦点ぼかしシステムであって、前記入力レーザービームを該焦点ぼかしシステム内部のレーザー焦点に収集し、集束する第１レンズと、前記レーザー焦点での集束レーザービームを収集及び拡大して焦点ぼかし平行出力レーザービームを形成する第２レンズとを含み、該焦点ぼかしレーザービームが照射された半導体にフォトルミネセンスを生起し得るレーザー焦点ぼかしシステムと、
   前記焦点ぼかしレーザービームにより少なくとも部分的に照射されるのに適合した第１表面と、実質的に直交する第２表面と、放出されたフォトルミネセンスの収集を可能にするのに適合した第１表面と第２表面との交差部分での縁部とをそれぞれが含む１つ以上の半導体試料と、
   解析用に位置決めした前記試料の縁部にレンズ焦点を有し、該焦点から放出されたフォトルミネセンスを収集するのに適合した収集レンズとを備え、
   試料を解析用に位置決めした際に、その第１表面を前記収集レンズと平行な位置に対し約０°〜９０°の偏角となるよう配向し、前記第１表面の約５０％〜１００％を前記焦点ぼかしレーザービームにより照射し得るように前記システムを構成するフォトルミネセンス分光システム。
10. 約０．５ｐｐｔ〜約１．５ｐｐｔの低い濃度で試料の不純物を識別及び定量化するのに適合した請求項９に記載のフォトルミネセンス分光システム。
11. 前記第１レンズが、前記入力レーザービームに向けて配向した実質的な凸面側と、前記レーザー焦点に向けて配向した実質的な平面側とを有する平凸レンズであり、前記第２レンズが、前記レーザー焦点に向けて配向した実質的な平面側と、前記解析用に位置決めした試料に向けて配向した実質的な凸面側とを有する平凸レンズである請求項９に記載のフォトルミネセンス分光システム。
12. 中心支柱の周囲に設定した２つ以上の突出部を含む回転可能な試料ホルダーを備え、前記突出部のそれぞれが半導体試料を保持するのに適合し、該突出部が解析用の位置へ交互に回転可能である請求項９に記載のフォトルミネセンス分光システム。
13. 前記ホルダー中心支柱と連通する電動モーターを備え、該モーターがホルダーの回転、垂直移動又は水平移動のうちの１つ以上を引き起こすことが可能である請求項１２に記載のフォトルミネセンス分光システム。
14. 前記電動モーター、ホルダー及びレーザーシステムと通信するコンピュータを備え、該コンピュータが（ｉ）前記電動モーターに指令して、突出部上の試料を解析用に位置決めするように前記ホルダーを回転させ、（ｉｉ）前記レーザーシステムに指令して、前記解析用に位置決めした試料の第１表面の少なくとも一部分を前記焦点ぼかしレーザービームで照射し、（ｉｉｉ）前記解析用に位置決めした試料の縁部から放出されたフォトルミネセンスの収集を指令し、（ｉｖ）前記電動モーターに指令して、別の突出部上の試料を解析用に位置決めするように前記ホルダーを回転させ、（ｖ）全ての試料を解析するまで（ｉｉ）〜（ｉｖ）の工程を繰り返すようにプログラムされる請求項１３に記載のフォトルミネセンス分光システム。
15. 半導体試料内の不純物を識別及び定量化するためのフォトルミネセンス分光システムであって、
    平行入力レーザービームを提供するのに適合したレーザーシステムと、
    レーザー焦点ぼかしシステムであって、前記入力レーザービームを前記焦点ぼかしシステム内部のレーザー焦点に収集し、集束する第１レンズと、前記レーザー焦点からの集束レーザービームを収集及び拡大して焦点ぼかし平行出力レーザービームを形成する第２レンズとを含み、照射された半導体にフォトルミネセンスを生起し得る焦点ぼかしレーザービームと、
    前記第１レンズが、前記入力レーザービームに向けて配向した実質的な凸面側と、前記レーザー焦点に向けて配向した実質的な平面側とを有する平凸レンズであり、前記第２レンズが、前記レーザー焦点に向けて配向した実質的な平面側と、前記解析用に位置決めした試料に向けて配向した実質的な凸面側とを有する平凸レンズであり、
    前記焦点ぼかしレーザービームにより少なくとも部分的に照射されるのに適合した第１表面と、実質的に直交する第２表面と、放出されたフォトルミネセンスの収集を可能にするのに適合した前記第１表面と前記第２表面との交差部分での縁部とをそれぞれが含む２つ以上の半導体試料と、
    中心支柱の周囲に設定した２つ以上の突出部を含み、該突出部のそれぞれが半導体試料を保持するのに適合し、突出部が解析用の位置へ交互に回転可能である回転可能な試料ホルダーと、
    解析用に位置決めした前記試料の縁部にレンズ焦点を有し、該焦点から放出されたフォトルミネセンスを収集するのに適合した収集レンズとを備え、
    突出部を解析のために位置決めした際に、その上に保持した前記半導体試料の第１表面を前記収集レンズと平行な位置に対し約０°〜９０°の偏角となるよう配向し、前記第１表面の約５０％〜１００％を前記焦点ぼかしレーザービームにより照射することができるように前記システムを構成するフォトルミネセンス分光システム。
16. 約０．５ｐｐｔ〜約１．５ｐｐｔの低い濃度で試料の不純物を識別及び定量化するのに適合した請求項１５に記載のフォトルミネセンス分光システム。
17. 前記ホルダー中心支柱と連通する電動モーターを備え、該モーターがホルダーの回転、垂直移動又は水平移動のうちの１つ以上を引き起こすことが可能である請求項１６に記載のフォトルミネセンス分光システム。
18. 前記電動モーター、ホルダー及びレーザーシステムと通信するコンピュータを備え、該コンピュータが（ｉ）前記電動モーターに指令して、突出部上の試料を解析用に位置決めするように前記ホルダーを回転させ、（ｉｉ）前記レーザーシステムに指令して、前記解析用に位置決めした試料の第１表面の少なくとも一部分を前記焦点ぼかしレーザービームで照射し、（ｉｉｉ）前記解析用に位置決めした試料の縁部から放出されたフォトルミネセンスの収集を指令し、（ｉｖ）前記電動モーターに指令して、別の突出部上の試料を解析用に位置決めするように前記ホルダーを回転させ、（ｖ）全ての試料を解析するまで（ｉｉ）〜（ｉｖ）の工程を繰り返すようにプログラムされる請求項１７に記載のフォトルミネセンス分光システム。
19. 半導体試料内の不純物を識別及び定量化するためのフォトルミネセンス分光方法であって、
    焦点ぼかし平行レーザービームを解析用に位置決めした半導体試料の実質的に平面的な第１表面の少なくとも一部分上に指向させ、該試料が実質的に直交する第２表面と、放出されたフォトルミネセンスの収集を可能にするのに適合した前記第１表面と前記第２表面との交差部分での縁部とを含み、
    前記試料内に収集可能なフォトルミネセンスを発生させ、
    収集レンズを使用して前記試料の縁部からフォトルミネセンスを収集し、前記レンズが前記縁部のレンズ焦点から放出されたフォトルミネセンスを収集するのに適合し、
    前記収集されたフォトルミネセンスから試料の不純物識別、試料の不純物含量又はその双方に対応するデータを発生させることを備え、
    前記試料を解析用に位置決めした際に、その第１表面を前記収集レンズと平行な位置に対し約０°〜９０°の偏角となるように配向するフォトルミネセンス分光方法。
20. 約０．５ｐｐｔ〜約１．５ｐｐｔの低い不純物濃度を有する試料からデータを発生し得る請求項１９に記載の方法。
21. 平行入力レーザービームを第１レンズ及び第２レンズにより指向させることを備え、前記第１レンズが前記入力レーザービームをレーザー焦点に収集及び集束し、前記第２レンズが前記レーザー焦点での集束レーザービームを収集及び拡大して、前記焦点ぼかし平行レーザービームを出力として形成する請求項１９に記載の方法。
22. 前記第１レンズが、前記入力レーザービームに向けて配向した実質的な凸面側と、前記レーザー焦点に向けて配向した実質的な平面側とを有する平凸レンズであり、前記第２レンズが、前記レーザー焦点に向けて配向した実質的な平面側と、前記解析用に位置決めした試料に向けて配向した実質的な凸面側とを有する平凸レンズである請求項２１に記載の方法。
23. 前記焦点ぼかし平行レーザービームを、前記解析用に位置決めした試料の第１表面の約５０％〜１００％に指向する請求項１９に記載の方法。
24. 前記試料を回転可能な試料ホルダーの突出部によって保持し、該ホルダーが中心支柱の周囲で放射状に設定した２つ以上の突出部を含み、突出部のそれぞれが試料を保持し、前記解析用の位置へ交互に回転するのに適合する請求項２３に記載の方法。
25. 前記ホルダー中心支柱が、ホルダーの回転、垂直移動又は水平移動のうちの１つ以上を引き起こすことが可能な電動モーターと機械的に連通する請求項２４に記載の方法。
26. 前記電動モーター、ホルダー及び焦点ぼかしレーザービームを生成するためのシステムと通信するコンピュータによって実装され、前記コンピュータが（ｉ）前記電動モーターに指令して、突出部上の試料を解析用に位置決めするように前記ホルダーを回転させ、（ｉｉ）前記焦点ぼかし平行レーザービームに指令して、前記解析用に位置決めした試料の第１表面の少なくとも一部分を照射し、（ｉｉｉ）前記解析用に位置決めした試料の縁部から放出されたフォトルミネセンスの収集を指令し、（ｉｖ）前記電動モーターに指令して、別の突出部上の試料を解析用に位置決めするように前記ホルダーを回転させ、（ｖ）全ての試料を解析するまで（ｉｉ）〜（ｉｖ）の工程を繰り返すようにプログラムされる請求項２５に記載の方法。
27. 半導体試料内の不純物を識別及び定量化するためのフォトルミネセンス分光方法であって、
    平行入力レーザービームを第１レンズ及び第２レンズにより指向させ、前記第１レンズが前記入力レーザービームをレーザー焦点に収集及び集束し、前記第２レンズが前記レーザー焦点での集束レーザービームを収集及び拡大して、照射された半導体にフォトルミネセンスを生起し得る焦点ぼかし平行出力レーザービームを形成し、
    前記焦点ぼかし平行レーザービームを解析用に位置決めした半導体試料の実質的に平面的な第１表面の約５０％〜１００％に指向し、該試料が実質的に直交する第２表面と、放出されるフォトルミネセンスの収集を可能にするのに適した前記第１表面と前記第２表面との交差部分での縁部とを含み、
    前記試料内に収集可能なフォトルミネセンスを発生させ、
    収集レンズを使用して前記試料の縁部からフォトルミネセンスを収集し、前記レンズが前記縁部のレンズ焦点から放出されたフォトルミネセンスを収集するのに適合し、
    前記収集されたフォトルミネセンスから試料の不純物識別、試料の不純物含量又はその双方に対応するデータを発生させることを備え、
    前記試料を解析用に位置決めした際に、その第１表面を前記収集レンズと平行な位置に対し約０°〜９０°の偏角となるように配向するフォトルミネセンス分光方法。
28. 約０．５ｐｐｔ〜約１．５ｐｐｔの低い不純物濃度を有する試料からデータを発生し得る請求項２７に記載の方法。
29. 前記第１レンズが、前記入力レーザービームに向けて配向した実質的な凸面側と、前記レーザー焦点に向けて配向した実質的な平面側とを有する平凸レンズであり、前記第２レンズが、前記レーザー焦点に向けて配向した実質的な平面側と、前記解析用に位置決めした試料に向けて配向した実質的な凸面側とを有する平凸レンズである請求項２７に記載の方法。
30. 前記試料を回転可能な試料ホルダーの突出部によって保持し、該ホルダーが中心支柱の周囲で放射状に設定された２つ以上の突出部を含み、各突出部が試料を保持し、前記解析用の位置へ交互に回転するのに適合する請求項２７に記載の方法。
31. 前記ホルダー中心支柱が、ホルダーの回転、垂直移動又は水平移動のうちの１つ以上を引き起こすことが可能な電動モーターと機械的に連通する請求項３０に記載の方法。
32. 前記電動モーター、ホルダー及び平行入力レーザービームを生成するためのシステムと通信するコンピュータによって実装され、前記コンピュータが（ｉ）前記電動モーターに指令して、突出部上の試料を解析用に位置決めするように前記ホルダーを回転させ、（ｉｉ）前記焦点ぼかし平行レーザービームに指令して、前記解析用に位置決めした試料の第１表面の少なくとも一部分を照射し、（ｉｉｉ）前記解析用に位置決めした試料の縁部から放出されたフォトルミネセンスの収集を指令し、（ｉｖ）前記電動モーターに指令して、別の突出部上の試料を解析用に位置決めするように前記ホルダーを回転させ、（ｖ）全ての試料を解析するまで（ｉｉ）〜（ｉｖ）の工程を繰り返すようにプログラムされる請求項３１に記載の方法。
33. 半導体試料内の不純物を識別及び定量化するためのフォトルミネセンス分光方法であって、
    平行入力レーザービームを第１レンズ及び第２レンズにより指向させ、前記第１レンズが前記入力レーザービームをレーザー焦点に収集及び集束し、前記第２レンズが前記レーザー焦点での集束レーザービームを収集及び拡大して、照射された半導体にフォトルミネセンスを生起し得る焦点ぼかし平行出力レーザービームを形成し、
    前記第１レンズが、前記入力レーザービームに向けて配向した実質的な凸面側と、前記レーザー焦点に向けて配向した実質的な平面側とを有する平凸レンズであり、前記第２レンズが、前記レーザー焦点に向けて配向した実質的な平面側と、前記解析用に位置決めした試料に向けて配向した実質的な凸面側とを有する平凸レンズであり、
    前記焦点ぼかし平行レーザービームを前記解析用に位置決めした半導体試料の実質的に平面的な第１表面の約５０％〜１００％に指向させ、該試料が実質的に直交する第２表面と、放出されたフォトルミネセンスの収集を可能にするのに適合した前記第１表面と前記第２表面との交差部分での縁部とを含み、
    前記試料を回転可能な試料ホルダーの突出部によって保持し、該ホルダーが中心支柱の周囲で放射状に設定された２つ以上の突出部を含み、各突出部が試料を保持し、前記解析用の位置へ交互に回転するのに適合し、
    前記試料内に収集可能なフォトルミネセンスを発生させ、
    収集レンズを使用して前記試料の縁部からフォトルミネセンスを収集し、前記レンズが前記縁部のレンズ焦点から放出されたフォトルミネセンスを収集するのに適合し、
    前記収集されたフォトルミネセンスから試料の不純物識別、試料の不純物含量又はその双方に対応するデータを発生させることを備え、
    前記試料を解析用に位置決めした際に、その第１表面を前記収集レンズと平行な位置に対し約０°〜９０°の偏角となるよう配向するフォトルミネセンス分光方法。
34. 約０．５ｐｐｔ〜約１．５ｐｐｔの低い不純物濃度を有する試料からデータを発生し得る請求項３３に記載の方法。
35. 前記ホルダー中心支柱が、ホルダーの回転、垂直移動又は水平移動のうちの１つ以上を引き起こすことが可能な電動モーターと機械的に連通する請求項３３に記載の方法。
36. 前記電動モーター、ホルダー及び平行入力レーザービームを生成するためのシステムと通信するコンピュータによって実装され、前記コンピュータが（ｉ）前記電動モーターに指令して、突出部上の試料を解析用に位置決めするように前記ホルダーを回転させ、（ｉｉ）前記焦点ぼかし平行レーザービームに指令して、前記解析用に位置決めした試料の第１表面の少なくとも一部分を照射し、（ｉｉｉ）前記解析用に位置決めした試料の縁部から放出されたフォトルミネセンスの収集を指令し、（ｉｖ）前記電動モーターに指令して、別の突出部上の試料を解析用に位置決めするように前記ホルダーを回転させ、（ｖ）全ての試料を解析するまで（ｉｉ）〜（ｉｖ）の工程を繰り返すようにプログラムされる請求項３５に記載の方法。

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