JP3836987B2

JP3836987B2 - Semiconductor evaluation equipment

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Publication number: JP3836987B2
Application number: JP35538798A
Authority: JP
Inventors: 浩章福田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1998-11-30
Filing date: 1998-11-30
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2018-11-30
Also published as: JP2000164663A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体評価装置に関し、詳細には、半導体デバイスの微細構造やその欠陥を高分解能で測定して評価する半導体評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスは、デバイス内部に絶縁破壊や電気的リーク等による微少な欠陥が存在すると、半導体デバイスの信頼性を低下させる。
【０００３】
例えば、半導体デバイスに電界を印加して動作させた場合、半導体デバイスに欠陥があると、当該欠陥からの発光現象、ホットエレクトロン及びラッチアップ等による発光現象が起こることがある。このホットエレクトロンは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor ）の絶縁膜に損傷を与え、その電気特性を劣化させるという問題がある。また、ＣＭＯＳ素子においてラッチアップ現象が発生すると、電源端子から接点端子まで電流が流れっぱなしになり、その電気特性を劣化させるという問題がある。
【０００４】
このような半導体デバイスの欠陥は、デバイスに用いられている絶縁膜の厚さや表面の平坦性、不純物による汚染及びストレス等による内部構造の変化等様々な原因によって引き起こされる。
【０００５】
そのため、半導体デバイスの欠陥場所を高分解能で検出し、欠陥の原因を明らかにすることにより、半導体デバイスの信頼性を向上させるための設計方針の変更や半導体デバイスの作製方法の改良を行うことができる。
【０００６】
そして、半導体デバイスのどのような場所で動作時に発光現象が起きるかを解明することは、半導体デバイスの特性や信頼性を評価するために、大変重要な要因である。また、半導体デバイスの欠陥とその原因を解明するためにも、有効な手段となる。
【０００７】
そこで、従来、上記発光現象を、半導体デバイスを動作させ、デバイス中に発生した光をマイクロスコープで集光した後、モノクロメーターで分光、あるいは、フィルタを用いて分光し、光電子増倍管やＣＣＤ（Charge Coupled Device ）等の受光素子で光量を測定することにより観測している。
【０００８】
ところが、半導体デバイスのサイズがハーフミクロン、さらにサブハーフミクロンと縮小されていく中で、実寸寸法デバイスでの直接観察による評価が困難となってきており、従来、多くの場合、マクロな電気特性に基づくコンピュータシミュレーション等の手法により、発光現象を推定している。
【０００９】
また、従来、ｐ−ｎ接合に走査電子顕微鏡を用いて電子線を照射し、ｐ−ｎ接合間に流れる電子励起電流（ＥＢＩＣ）を用いて発光現象を観測することが行われている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の発光現象の観測方法を用いて半導体デバイスの評価を行うと、近年の集積化の進んでいる半導体デバイスを適切に評価することができないという問題があった。
【００１１】
すなわち、近年、半導体デバイスは、集積度の向上に伴って、その配線の最小線幅の微細化が進んでおり、例えば、１６Ｍビットのメモリでは、最小線幅が、０．５μｍ程度、さらに、最近、１Ｇビットのメモリが出現しており、このような１Ｇビットのメモリでは、０．１μｍ程度である。したがって、ホットキャリアやラッチアップによる発光現象を検出して、半導体デバイスを評価するためには、０．１μｍ以下の微少領域での観測測定が必要となる。
【００１２】
ところが、従来のコンヴェンショナルな光学系を用いたマイクロスコープで観測する手法では、原理的に光の回折限界以下の領域の測定は不可能であり、その分解能は、せいぜい約１μｍ程度である（ＩＥＥＥ Transactions on electron devices Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．９１９９０，２０８０ページ参照）。
【００１３】
また、走査電子顕微鏡を用いた方法は、ｐ−ｎ接合の接合位置を直接測定することはできるが、試料に対するコンタミネーションの問題や走査電子顕微鏡の性能面での限界により、その分解能が約１μｍ程度である。
【００１４】
したがって、上記従来の発光現象の観測方法は、高密度化が進む半導体デバイスの評価に用いるには、分解能的に不十分であり、より一層微少領域での高分解能な測定方法が要求されている。
【００１５】
そこで、従来、近接場光学顕微鏡を用いた半導体材料の評価方法及びその装置が提案されている（特開平９−８２７７１号公報参照）。この半導体材料の評価方法及びその装置は、試料台上の試料である半導体材料に通電し、当該通電された半導体材料から発生する近視野光を検出するもので、試料から発生する近視野光を捕捉するプローブと、このプローブを試料表面に対して垂直方向に振動させる加振機構と、プローブの振動の振幅または周波数の変化を検出して試料表面との間隙を制御する変位検出機構と、プローブで捕捉した光をプローブの振動に合わせて分割して検出する光検出システムを有している。
【００１６】
ところが、実際の発光現象は全ての発光成分が散乱されるため、この公報記載の従来の方法では、発光現象の近接場成分のみを検出することができず、適切に半導体デバイスの評価を行うことができないという問題があった。
【００１７】
そこで、請求項１記載の発明は、載置テーブルに載置された半導体デバイスに近接して配設され先端が所定の光波長以下の大きさに形成されるとともに当該先端に微小開口の形成されたプローブと半導体デバイスとの相対位置を変化させつつ、半導体デバイスとプローブとの近接場相互作用により半導体デバイスに電子正孔対を発生させ、該電子正孔対が半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して、半導体デバイスの評価を行うことにより、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を高分解能で測定し、半導体デバイスの評価をより正確に行うことのできる半導体評価装置を提供することを目的としている。
【００１８】
請求項２記載の発明は、プローブを当該プローブの共振周波数で水平方向に振動させ、当該振動されるプローブの振動を検出して、当該検出結果に基づいてプローブと半導体デバイスとの間の位置制御を行うことにより、プローブと半導体デバイスとの距離をより精密に制御するとともに、プローブの共振周波数のみで振動させて、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で、かつ、簡単な構成で測定し、半導体デバイスの評価をより一層正確に、かつ、安価に行うことのできる半導体評価装置を提供することを目的としている。
【００１９】
請求項３記載の発明は、光励起電流の変化を検出するとともに、半導体デバイスとプローブとの近接場相互作用による発光現象の変化をプローブで検出して半導体デバイスの評価を行うことにより、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を測定するとともに、半導体デバイスの欠陥位置及び欠陥分布を高分解能で測定して、半導体デバイスの評価をより正確に行うことのできる半導体評価装置を提供することを目的としている。
【００２０】
請求項４記載の発明は、半導体デバイスのｐ−ｎ接合間に逆バイアス電圧を印加して、半導体デバイスの空乏層の幅を変化させるとともに、当該逆バイアス電圧を変化させながら半導体デバイスの評価を行うことにより、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で測定し、半導体デバイスの評価をより一層正確に行うことのできる半導体評価装置を提供することを目的としている。
【００２１】
請求項５記載の発明は、プローブに導入する光の波長を変化させて、半導体デバイスへの近接場光の侵入深さの変化に応じて電子正孔対を局所的に発生させ、該電子正孔対が半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して半導体デバイスの評価を行うことにより、半導体デバイスの異なった深さのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能に測定し、半導体デバイスの評価をより一層正確に行うことのできる半導体評価装置を提供することを目的としている。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の半導体評価装置は、半導体デバイスの欠陥を近接場相互作用を利用して検出して、前記半導体デバイスの評価を行う半導体評価装置であって、前記半導体デバイスを載置する載置テーブルと、前記載置テーブルに載置されている前記半導体デバイスに近接して配設され先端が所定の光波長以下の大きさに形成されるとともに当該先端部に微小開口の形成されたプローブと、前記プローブと前記半導体デバイスとの相対位置を制御する位置制御手段と、前記プローブに前記所定波長の光を導入する光導入手段と、を備え、前記位置制御手段により前記半導体デバイスと前記プローブとの相対位置を変化させつつ、前記プローブに前記光導入手段から前記光を導入して、前記半導体デバイスと前記プローブとの近接場相互作用により前記半導体デバイスに電子正孔対を発生させ、該電子正孔対が前記半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して、前記半導体デバイスの評価を行うことにより、上記目的を達成している。
【００２３】
上記構成によれば、載置テーブルに載置された半導体デバイスに近接して配設され先端が所定の光波長以下の大きさに形成されるとともに当該先端に微小開口の形成されたプローブと半導体デバイスとの相対位置を変化させつつ、半導体デバイスとプローブとの近接場相互作用により半導体デバイスに電子正孔対を発生させ、該電子正孔対が前記半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して、半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を高分解能で測定することができ、半導体デバイスの評価をより正確に行うことができる。
【００２４】
この場合、例えば、請求項２に記載するように、前記半導体評価装置は、前記プローブを当該プローブの共振周波数で水平方向に振動させる加振手段と、前記加振手段により振動される前記プローブの振動を検出する振動検出手段と、をさらに備え、前記位置制御手段が、前記振動検出手段の検出結果に基づいて前記プローブと前記半導体デバイスとの間の距離を前記プローブの微小開口径の長さ以下の距離に位置制御するものであってもよい。
【００２５】
上記構成によれば、プローブを当該プローブの共振周波数で水平方向に振動させ、当該振動されるプローブの振動を検出して、当該検出結果に基づいてプローブと半導体デバイスとの間の位置制御を行うので、プローブと半導体デバイスとの距離をより精密に制御することができるとともに、プローブの共振周波数のみで振動させて、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で、かつ、簡単な構成で測定することができ、半導体デバイスの評価をより一層正確に、かつ、安価に行うことができる。
【００２６】
また、例えば、請求項３に記載するように、前記半導体評価装置は、前記光励起電流の変化を検出するとともに、前記半導体デバイスと前記プローブとの近接場相互作用による発光現象の変化を、前記プローブで検出して前記半導体デバイスの評価を行うものであってもよい。
【００２７】
上記構成によれば、光励起電流の変化を検出するとともに、半導体デバイスとプローブとの近接場相互作用による発光現象の変化をプローブで検出して半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を測定することができるとともに、半導体デバイスの欠陥位置及び欠陥分布を高分解能で測定することができ、半導体デバイスの評価をより正確に行うことができる。
【００２８】
さらに、例えば、請求項４に記載するように、前記半導体評価装置は、前記半導体デバイスに所定のバイアス電圧を印加する電圧印加手段をさらに備え、当該電圧印加手段により、前記半導体デバイスのｐ−ｎ接合間に逆バイアス電圧を印加して、前記半導体デバイスの空乏層の幅を変化させるとともに、当該逆バイアス電圧を変化させながら前記半導体デバイスの評価を行うものであってもよい。
【００２９】
上記構成によれば、半導体デバイスのｐ−ｎ接合間に逆バイアス電圧を印加して、半導体デバイスの空乏層の幅を変化させるとともに、当該逆バイアス電圧を変化させながら半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で測定することができ、半導体デバイスの評価をより一層正確に行うことができる。
【００３０】
また、例えば、請求項５に記載するように、前記半導体評価装置は、前記光導入手段から前記プローブに導入する前記光の波長を変化させて、前記半導体デバイスへの近接場光の侵入深さを変化させ、当該半導体デバイスへの近接場光の侵入深さの変化に応じて電子正孔対を局所的に発生させ、該電子正孔対が前記半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して前記半導体デバイスの評価を行うものであってもよい。
【００３１】
上記構成によれば、プローブに導入する光の波長を変化させて、半導体デバイスへの近接場光の侵入深さの変化に応じて電子正孔対を局所的に発生させ、該電子正孔対が半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスの異なった深さのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能に測定することができ、半導体デバイスの評価をより一層正確に行うことができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００３３】
図１は、本発明の半導体評価装置の一実施の形態を示す図であり、図１は、本発明の半導体評価装置の一実施の形態を適用した半導体評価装置１の概略構成図である。
【００３４】
図１において、半導体評価装置１は、ＰＺＴステージ２、プローブ３、加振機構４、フィードバック回路５、レーザーダイオード（ＬＤ）６、フォトダイオード（ＰＤ）７、パーソナルコンピュータ８、半導体レーザ９、チョッパー１０、反射鏡１１、ロック・イン・アンプ１２及びバイアス回路１３等を備えており、ＰＺＴステージ２上に試料１４である評価対象の半導体デバイスが設置される。
【００３５】
上記ＰＺＴステージ（載置テーブル）２上に載置された試料１４には、バイアス回路（電圧印加手段）１３からバイアス電圧が印加され、試料１４とプローブ３との位置制御をパーソナルコンピュータ８が行う。すなわち、パーソナルコンピュータ８は、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向にＰＺＴステージ２を移動させて、ＰＺＴステージ２上の試料１４とプローブ３との位置制御を行い、位置制御手段として機能している。
【００３６】
このプローブ３には、レーザーダイオード６からレーザー光が照射され、その反射光をフォトダイオード７で受光する。フォトダイオード７は、検出結果をフィードバック回路５を介してパーソナルコンピュータ８に出力している。パーソナルコンピュータ８は、ＰＺＴステージ２の位置制御を行って、ロックイン検出することにより、プローブ３の高さ方向のフィードバック信号を得て、プローブ３と試料１４との位置制御を行う。
【００３７】
すなわち、加振機構（加振手段）４は、プローブ３に水平方向の振動を付与するものであり、例えば、ＰＺＴ等が使用されている。加振機構４は、プローブ３の共振周波数でプローブ３を水平方向に振動させる機能を有しており、このプローブ３の共振周波数は、数ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度である。加振機構４でプローブ３をプローブ３の共振周波数で振動させてプローブ３と試料１４を接近させると、プローブ３と試料１４との間に横方向（水平方向）の剪断応力（シェアフォース）が働き、プローブ３の振幅が小さくなる。このプローブ３の振幅をレーザーダイオード６とフォトダイオード７によりモニターして、パーソナルコンピュータ８によりＰＺＴステージ２の高さ方向（Ｚ方向）の調整を行って、プローブ３と試料１４との距離を正確に制御する。上記レーザーダイオード６、フォトダイオード７及びフィードバック回路５は、振動検出手段として機能している。
【００３８】
そして、この高さ方向の情報を２次元的にプロットすることにより、試料１４の２次元高さ分布（Ｚ方向分布）の情報を得ることができる。また、レーザダイオード６からレーザー光をプローブ３に照射し、その反射回折光をフォトダイオード７で検出して、ロック・イン・アンプ１２を用いてロックインさせることにより、プローブ３の高さ方向のフィードバック信号を得ることができる。
【００３９】
上記プローブ３の一方側端部には、半導体レーザ９から出射されたレーザー光がチョッパー１０及び反射鏡１１を介して入射され、プローブ３は、レーザー光が入射されると、他方側端部（先端部）に形成された微小開口部にエバネッセント場が生じて、試料１４に照射することができる（応用物理第６５巻第１号（１９９６）２ページ参照）。
【００４０】
すなわち、プローブ３は、先端部が入射される光の波長以下の大きさに形成されているとともに、当該先端部に光の波長よりも充分に小さい曲率半径に設定された微小開口を有し、他端側からレーザー光が入射されることにより、先端部の微小開口からエバネッセント場が発生する。
【００４１】
このようなプローブ３は、先端と反対側の端部からレーザー光が入射されると、先端部の微小開口部にエバネッセント場が発生し、試料１４に照射することができる。そして、測定時には、同時に上記剪断応力をモニターしているため、試料１４の形状に対応した光の分布が測定可能であり、また、この部分にモノクロメーターを接続することにより、各波長に対応した試料１４からの発光分布、すなわち、欠陥等の所在位置及ぶ分布を測定することができる。
【００４２】
上記プローブ３の微小開口の形成された先端部を試料１４に近接させて微小開口からエバネッセント場を発生させることにより、試料１４の表面の形状や光学的特性を測定することができるが、この場合の分解能は、プローブ３の先端の微小開口径とプローブ３と試料１４との距離によって決定され、通常の光学顕微鏡のように光の回折限界の影響を受けることがなく、試料１４の微小領域からの発光のみを選択的に取り出すことができる。そして、試料１４の微小発光部分にプローブ３を近接させると、プローブ３と試料１４の発光部分の近距離相互作用（近接相互作用）により当該発光部分の強度、寿命がプローブ３の影響を受けて変化する。この近接相互作用は、試料１４から離れると、その距離の３乗に反比例して減少し、プローブ３と試料１４表面との間の距離が近接している場合にのみ存在する成分である。そして、プローブ３には、測定対象の発光部分以外からの発光の成分がプローブ３に入らないような遮蔽構造が必要である。すなわち、発光部分以外からの発光の成分は、雑音となるため、信号成分のＳＮ比を向上させる上で、プローブ３には、充分な遮蔽構造が必要である。
【００４３】
上記のような作用を行うプローブ３は、例えば、石英ファイバをフッ酸混液で化学エッチングして先鋭化した後、金属コーティングして先端に微小開口を設けることにより、あるいは、シリコンを原子間力顕微鏡用のカンチレバーの根本部分にフォトダイオードの受光構造をくくりつけることにより、あるいは、シリコンの異方性エッチングにより微小開口を空けることにより、形成されている。
【００４４】
そして、プローブ３は、上記遮蔽構造を充分に取るために、例えば、厚さ１００〜２００ｎｍ程度の金属膜（例えば、金、銀、アルミニウム、ニッケル等）がコーティングされている。また、プローブ３の先端部の微小開口は、プローブ３を斜めに回転させながら金属を蒸着させたり、有機薄膜をコーティングした後、適当なエッチング液でウェットエッチングすることにより形成することができる。
【００４５】
プローブ３の先端には、上述のように、伝搬光成分を遮断するための金属膜がコーティングされて、数十ｎｍの微小開口が形成されているため、伝搬光成分を除去した近接場光成分のみを検出することができる。
【００４６】
そして、試料１４は、上記プローブ３から近接場光が照射されると、特に、試料１４のｐ−ｎ接合付近で近接場光が照射されると、Ｓｉの価電子帯の電子がバンドギャップを飛び越えて、電子正孔対が発生する。半導体評価装置１は、この電子正孔対が試料１４中を拡散して流れる光励起電流の変化を検出して、パーソナルコンピュータ８により試料１４、すなわち、半導体デバイスの評価を行う。
【００４７】
すなわち、半導体評価装置１は、パーソナルコンピュータ８がロック・イン・アンプ１２のロックインに基づいてチョッパー１０を制御して、半導体レーザ９から出射されるレーザー光をプローブ３の振動と共振させた状態に変調し、当該変調したレーザー光を反射鏡１１を介してプローブ３に導入する。半導体評価装置１は、この変調されたレーザー光により、プローブ３にエバネッセント場を発生させるとともに、プローブ３を加振機構４により振動させる。この状態で、パーソナルコンピュータ８が、上述のように、ロック・イン・アンプ１２のロックイン及びフィードバック回路５のロックインのフィードバック信号に基づいてＰＺＴステージ２の位置制御を行って、試料１４とプローブ３の位置制御を行うとともに、フィードバック回路５の検出結果に基づいて、試料１４中を流れる光励起電流を測定して、試料１４、すなわち、半導体デバイスの評価を行う。
【００４８】
また、半導体評価装置１は、試料１４から発生している光をプローブ３で捕獲して、図示しないモノクロメータで検出し、この検出結果から発光分布すなわち欠陥等の所在位置及び分布を測定する。
【００４９】
次に、本実施の形態の作用を説明する。半導体評価装置１は、ＰＺＴステージ２上に半導体デバイスである試料１４が載置され、この試料１４にロック・イン・アンプ１２を介してバイアス電圧を印加する。そして、半導体評価装置１は、パーソナルコンピュータ８によりＰＺＴステージ２をＸＹＺの３方向に位置調整して、ＰＺＴステージ２上の試料１４とプローブ３との粗い位置調整を予め行った後、加振機構４によりプローブ３に水平方向であってプローブ３の共振周波数で振動させ、そのときのプローブ３の振幅をレーザーダイオード６からプローブ３に照射したレーザー光をフォトダイオード７で受光することにより、検出する。そして、この加振機構４によりプローブ３に付与する振動は、上述のようにプローブ３の共振周波数の振動である。
【００５０】
パーソナルコンピュータ８は、ＰＺＴステージ２を介して試料１４をプローブ３方向に移動させて、試料１４をプローブ３に接近させる。すなわち、プローブ３に、共振周波数の振動が付与されつつ試料１４に接近されると、プローブ３と試料１４との間に横方向の剪断応力が働いて、プローブ３の振幅が小さくなる。このプローブ３の振幅をレーザーダイオード６からプローブ３に照射したレーザー光の反射回折光をフォトダイオード７で検出することにより検出し、フィードバック回路５からのロックイン検出信号により、プローブ３の高さ方向（Ｚ方向）のフィードバック信号を取得して、試料１４の位置制御を行う。
【００５１】
この状態で、パーソナルコンピュータ８は、半導体レーザ９からレーザー光を出射させるとともに、チョッパー１０を制御して上記共振周波数の振動に同期させて半導体レーザ９から出射されたレーザー光を変調し、この変調したレーザー光をプローブ３に入射させる。
【００５２】
プローブ３は、レーザー光が入射されると、プローブ３の先端の微小開口から近接場光が漏れ出て試料１４に照射する。試料１４は、近接場光が照射されると、Ｓｉの価電子帯の電子がバンドギャップを飛び越えて電子正孔対が発生し、この電子正孔対が半導体の試料１４中を拡散して、光励起電流として検出される。
【００５３】
例えば、ｐ領域で発生した電子（少数キャリア）は、空亡層に到達する前に多数キャリアと結合して死滅するが、空亡層及びｎ領域に到達したわずかな電子は、空亡層及びｎ領域では再結合確率が小さいため、そのまま電流として検出される。特に、空亡層内ではキャリアの再結合が少ないため、空亡層に到達した電子は、全て電流として検出される。したがって、電流強度が一番強い部分が接合位置に一致する。
【００５４】
また、半導体評価装置１は、試料１４に逆バイアス電圧を印加して、試料１４の評価を行う。すなわち、試料１４のｐ−ｎ接合に逆バイアスを印加すると、空亡層が広がるため、得られる近接場励起電流の信号半値幅が増大する。このとき、近接場励起電流の信号値の半値幅をΔＷ（Ｅ）、ドーピングした不純物濃度をＮｄ、空亡層の幅をＤ（Ｅ）とすると、次式が成り立つ。
【００５５】
Ｄ（Ｅ）−Ｄ（０）＝（１／Ｎｄ）^1/2・Ｃ・（ΔＷ（Ｅ）−ΔＷ（０））・・・（１）
ただし、Ｃは、比例定数であり、Ｅは、バイアス電圧である。
【００５６】
上記（１）式の傾きを求めることにより、試料１４の不純物濃度を測定することができる。
【００５７】
さらに、半導体評価装置１は、励起波長を変化させて、すなわち、プローブ３に入射させる半導体レーザ９のレーザー光の波長を変化させて、試料１４の評価を行う。すなわち、励起波長を変化させると、プローブ３の微小開口から試料１４にカップリングした近接場光の試料１４内へのしみ出し深さが変化し、励起波長を短くするほど、しみ出し深さが小さくなる。例えば、Ｓｉ基板に対しては、アルゴンレーザーの５１５ｎｍの光では、６８５ｎｍ、４１５ｎｍの光では、２８０ｎｍ、３５１ｎｍの光では、１０ｎｍ程度と変化する。したがって、励起光であるプローブ３に導入するレーザー光の波長を変化させることにより、試料１４の異なった深さの情報を得ることができる。
【００５８】
また、半導体評価装置１は、プローブ３からエバネッセント場を照射させたときに試料１４から発生する光を検出して、試料１４の評価を行う。すなわち、半導体評価装置１は、プローブ３からエバネッセント場を照射したときに試料１４から発生する光をプローブ３で捕獲して、図示しないモノクロメータで検出し、この検出結果から各波長に対応した発光分布、すなわち、試料１４の欠陥等の所在位置及び分布を測定する。
【００５９】
このように、本実施の形態の半導体評価装置１は、載置テーブルであるＰＺＴステージ２に載置された半導体デバイスである試料１４に近接して配設され先端が所定の光波長以下の大きさに形成されるとともに当該先端に微小開口の形成されたプローブ３と試料１４との相対位置を変化させつつ、試料１４とプローブ３との近接場相互作用により試料１４に少数キャリアを励起させ、当該光励起電流の変化を検出して、試料１４の評価を行っている。
【００６０】
したがって、試料１４のｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を高分解能で測定することができ、試料１４である半導体デバイスの評価をより正確に行うことができる。
【００６１】
また、半導体評価装置１は、プローブ３を当該プローブの共振周波数で水平方向に振動させ、当該振動されるプローブ３の振動を検出して、当該検出結果に基づいてプローブ３と試料１４の間の位置制御を行っている。
【００６２】
したがって、プローブ３と試料１４との距離をより精密に制御することができるとともに、プローブ３の共振周波数のみで振動させて、試料１４のｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で、かつ、簡単な構成で測定することができ、半導体デバイスである試料１４の評価をより一層正確に、かつ、安価に行うことができる。
【００６３】
さらに、半導体評価装置１は、光励起電流の変化を検出するとともに、試料１４とプローブ３との近接場相互作用による発光現象の変化をプローブ３で検出して試料１４の評価を行っている。
【００６４】
したがって、試料１４のｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を測定することができるとともに、試料１４の欠陥位置及び欠陥分布を高分解能で測定することができ、半導体デバイスである試料１４の評価をより正確に行うことができる。
【００６５】
また、半導体評価装置１は、試料１４のｐ−ｎ接合間に逆バイアス電圧を印加して、試料１４の空乏層の幅を変化させるとともに、当該逆バイアス電圧を変化させながら試料１４の評価を行っている。
【００６６】
したがって、試料１４のｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で測定することができ、半導体デバイスである試料１４の評価をより一層正確に行うことができる。
【００６７】
さらに、半導体評価装置１は、プローブ３に導入する光の波長を変化させて、試料１４への近接場光の侵入深さの変化に応じて少数キャリアを局所的に励起し、当該励起電流の変化を検出して試料１４の評価を行っている。
【００６８】
したがって、試料１４の異なった深さのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能に測定することができ、半導体デバイスである試料１４の評価をより一層正確に行うことができる。
【００６９】
以上、本発明者によってなされた発明を好適な実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００７０】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の半導体評価装置によれば、載置テーブルに載置された半導体デバイスに近接して配設され先端が所定の光波長以下の大きさに形成されるとともに当該先端に微小開口の形成されたプローブと半導体デバイスとの相対位置を変化させつつ、半導体デバイスとプローブとの近接場相互作用により半導体デバイスに電子正孔対を発生させ、該電子正孔対が前記半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して、半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を高分解能で測定することができ、半導体デバイスの評価をより正確に行うことができる。
【００７１】
請求項２記載の発明の半導体評価装置によれば、プローブを当該プローブの共振周波数で水平方向に振動させ、当該振動されるプローブの振動を検出して、当該検出結果に基づいてプローブと半導体デバイスとの間の位置制御を行うので、プローブと半導体デバイスとの距離をより精密に制御することができるとともに、プローブの共振周波数のみで振動させて、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で、かつ、簡単な構成で測定することができ、半導体デバイスの評価をより一層正確に、かつ、安価に行うことができる。
【００７２】
請求項３記載の発明の半導体評価装置によれば、光励起電流の変化を検出するとともに、半導体デバイスとプローブとの近接場相互作用による発光現象の変化をプローブで検出して半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を測定することができるとともに、半導体デバイスの欠陥位置及び欠陥分布を高分解能で測定することができ、半導体デバイスの評価をより正確に行うことができる。
【００７３】
請求項４記載の発明の半導体評価装置によれば、半導体デバイスのｐ−ｎ接合間に逆バイアス電圧を印加して、半導体デバイスの空乏層の幅を変化させるとともに、当該逆バイアス電圧を変化させながら半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で測定することができ、半導体デバイスの評価をより一層正確に行うことができる。
【００７４】
請求項５記載の発明の半導体評価装置によれば、プローブに導入する光の波長を変化させて、半導体デバイスへの近接場光の侵入深さの変化に応じて電子正孔対を局所的に発生させ、該電子正孔対が半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスの異なった深さのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能に測定することができ、半導体デバイスの評価をより一層正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体評価装置の一実施の形態を適用した半導体評価装置の概略構成図。
【符号の説明】
１半導体評価装置
２ＰＺＴステージ
３プローブ
４加振機構
５フィードバック回路
６レーザーダイオード
７フォトダイオード
８パーソナルコンピュータ
９半導体レーザ
１０チョッパー
１１反射鏡
１２ロック・イン・アンプ
１３バイアス回路
１４試料[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor evaluation apparatus, and more particularly to a semiconductor evaluation apparatus that measures and evaluates a fine structure of a semiconductor device and its defect with high resolution.
[0002]
[Prior art]
A semiconductor device deteriorates the reliability of a semiconductor device when a minute defect due to dielectric breakdown, electrical leakage, or the like is present inside the device.
[0003]
For example, when a semiconductor device is operated by applying an electric field, if the semiconductor device has a defect, a light emission phenomenon from the defect, a light emission phenomenon due to hot electrons, latch-up, or the like may occur. This hot electron has a problem of damaging an insulating film of a field effect transistor (FET) and deteriorating its electrical characteristics. In addition, when a latch-up phenomenon occurs in a CMOS device, there is a problem that current continues to flow from the power supply terminal to the contact terminal, thereby deteriorating its electrical characteristics.
[0004]
Such defects in the semiconductor device are caused by various causes such as the thickness of the insulating film used in the device, the flatness of the surface, contamination by impurities, and changes in the internal structure due to stress.
[0005]
Therefore, it is possible to change the design policy and improve the manufacturing method of the semiconductor device to improve the reliability of the semiconductor device by detecting the defect location of the semiconductor device with high resolution and clarifying the cause of the defect. it can.
[0006]
And elucidating where in the semiconductor device the light emission phenomenon occurs during operation is a very important factor for evaluating the characteristics and reliability of the semiconductor device. It is also an effective means for elucidating the defects of semiconductor devices and their causes.
[0007]
Therefore, conventionally, the above light emission phenomenon is performed by operating a semiconductor device, condensing light generated in the device with a microscope, and then dispersing with a monochromator or using a filter to obtain a photomultiplier tube or CCD. Observation is performed by measuring the amount of light with a light receiving element such as (Charge Coupled Device).
[0008]
However, as the size of semiconductor devices has been reduced to half-micron and further to sub-half-micron, it has become difficult to evaluate by direct observation with actual size devices. The light emission phenomenon is estimated by a method such as computer simulation based on the above.
[0009]
Conventionally, a pn junction is irradiated with an electron beam using a scanning electron microscope, and a light emission phenomenon is observed using an electron excitation current (EBIC) flowing between the pn junctions.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, when semiconductor devices are evaluated using such a conventional observation method of light emission phenomenon, there has been a problem that semiconductor devices that have been integrated in recent years cannot be evaluated appropriately.
[0011]
That is, in recent years, with the improvement of the degree of integration of semiconductor devices, miniaturization of the minimum line width of the wiring has progressed. For example, in a 16 Mbit memory, the minimum line width is about 0.5 μm, Recently, 1 Gbit memory has appeared, and such 1 Gbit memory is about 0.1 μm. Therefore, in order to detect a light emission phenomenon due to hot carriers or latch-up and evaluate a semiconductor device, observation measurement in a very small region of 0.1 μm or less is required.
[0012]
However, in the conventional method of observing with a microscope using a conventional optical system, it is impossible in principle to measure a region below the diffraction limit of light, and the resolution is about 1 μm at most ( IEEE Transactions on electron devices Vol. 37, No. 9 1990, page 2080).
[0013]
In addition, the method using the scanning electron microscope can directly measure the junction position of the pn junction, but the resolution is about 1 μm due to the contamination problem with the sample and the limit in the performance of the scanning electron microscope. Degree.
[0014]
Therefore, the conventional observation method of the light emission phenomenon is insufficient in resolution to be used for evaluation of semiconductor devices whose density is increasing, and there is a demand for a high-resolution measurement method in an even smaller area. .
[0015]
Therefore, conventionally, a semiconductor material evaluation method and apparatus using a near-field optical microscope have been proposed (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-82771). This semiconductor material evaluation method and apparatus is for energizing a semiconductor material, which is a sample on a sample stage, to detect near-field light generated from the energized semiconductor material, and for detecting near-field light generated from the sample. A probe to be captured, an excitation mechanism that vibrates the probe in a direction perpendicular to the sample surface, a displacement detection mechanism that detects a change in amplitude or frequency of the vibration of the probe and controls a gap with the sample surface, and a probe Has a light detection system for detecting the light captured by dividing the light in accordance with the vibration of the probe.
[0016]
However, since all the light emission components are scattered in the actual light emission phenomenon, the conventional method described in this publication cannot detect only the near-field component of the light emission phenomenon, and appropriately evaluates the semiconductor device. There was a problem that could not.
[0017]
Therefore, the invention according to claim 1 is provided in the vicinity of the semiconductor device mounted on the mounting table, the tip is formed with a size of a predetermined light wavelength or less, and the micro opening is formed at the tip. While changing the relative position of the probe and the semiconductor device, the near-field interaction between the semiconductor device and the probe makes the semiconductor device Generate electron-hole pairs that flow through the semiconductor device By detecting changes in photoexcitation current and evaluating semiconductor devices, the pn junction position and minority carrier diffusion length of semiconductor devices are measured with high resolution, and semiconductor devices are evaluated more accurately. An object of the present invention is to provide a semiconductor evaluation apparatus capable of performing the above.
[0018]
According to the second aspect of the present invention, the probe is vibrated in the horizontal direction at the resonance frequency of the probe, the vibration of the probe that is oscillated is detected, and the position control between the probe and the semiconductor device is performed based on the detection result. By controlling the distance between the probe and the semiconductor device, the pn junction position of the semiconductor device, the minority carrier diffusion length, etc. are further increased in resolution by vibrating only at the resonance frequency of the probe. An object of the present invention is to provide a semiconductor evaluation apparatus capable of performing measurement with a simple configuration and evaluating a semiconductor device more accurately and inexpensively.
[0019]
According to a third aspect of the present invention, a change in the photoexcitation current is detected, and a change in the light emission phenomenon due to the near-field interaction between the semiconductor device and the probe is detected by the probe to evaluate the semiconductor device. Provided is a semiconductor evaluation apparatus capable of measuring a semiconductor device more accurately by measuring a pn junction position, a minority carrier diffusion length, etc., and measuring a defect position and defect distribution of a semiconductor device with high resolution. The purpose is to do.
[0020]
The invention according to claim 4 applies the reverse bias voltage between the pn junctions of the semiconductor device to change the width of the depletion layer of the semiconductor device and evaluate the semiconductor device while changing the reverse bias voltage. An object of the present invention is to provide a semiconductor evaluation apparatus capable of measuring a pn junction position of a semiconductor device, a diffusion length of minority carriers, and the like with higher resolution and performing evaluation of the semiconductor device more accurately. It is said.
[0021]
According to the fifth aspect of the present invention, the wavelength of light introduced into the probe is changed, and according to the change in the penetration depth of the near-field light into the semiconductor device. Light that generates electron-hole pairs locally and flows through the semiconductor device By detecting changes in the excitation current and evaluating semiconductor devices, the pn junction positions of different depths of semiconductor devices and the diffusion length of minority carriers are measured with higher resolution to evaluate semiconductor devices. It is an object of the present invention to provide a semiconductor evaluation apparatus capable of performing the above process more accurately.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor evaluation apparatus according to a first aspect of the present invention is a semiconductor evaluation apparatus that detects a defect of a semiconductor device using near-field interaction and evaluates the semiconductor device, and mounts the semiconductor device. A mounting table and a tip that is disposed in the vicinity of the semiconductor device mounted on the mounting table and has a tip having a size equal to or smaller than a predetermined light wavelength, and a minute opening is formed in the tip. A probe, position control means for controlling the relative position of the probe and the semiconductor device, and light introduction means for introducing light of the predetermined wavelength into the probe, and the position control means While changing the relative position with respect to the probe, the light is introduced from the light introducing means into the probe, and the near field interaction between the semiconductor device and the probe is achieved. Said semiconductor device by Generating electron-hole pairs that flow through the semiconductor device The object is achieved by detecting a change in photoexcitation current and evaluating the semiconductor device.
[0023]
According to the above configuration, the probe and the semiconductor are disposed in the vicinity of the semiconductor device mounted on the mounting table, the tip is formed with a size of a predetermined light wavelength or less, and the tip is formed with a minute opening. While changing the relative position of the device, the near-field interaction between the semiconductor device and the probe results in the semiconductor device. Generating electron-hole pairs that flow through the semiconductor device Since the semiconductor device is evaluated by detecting the change of the photoexcitation current, the pn junction position of the semiconductor device, the diffusion length of minority carriers, etc. can be measured with high resolution, and the semiconductor device can be evaluated more accurately. It can be carried out.
[0024]
In this case, for example, as described in claim 2, the semiconductor evaluation apparatus includes an excitation unit that vibrates the probe in a horizontal direction at a resonance frequency of the probe, and a probe that is vibrated by the excitation unit. Vibration detection means for detecting vibration, and the position control means determines the distance between the probe and the semiconductor device based on the detection result of the vibration detection means as the length of the minute aperture diameter of the probe. The position may be controlled to the following distance.
[0025]
According to the above configuration, the probe is oscillated in the horizontal direction at the resonance frequency of the probe, the vibration of the oscillated probe is detected, and position control between the probe and the semiconductor device is performed based on the detection result. Therefore, the distance between the probe and the semiconductor device can be controlled more precisely, and the pn junction position of the semiconductor device, the diffusion length of minority carriers, and the like can be further increased by vibrating only at the resonance frequency of the probe. In addition, the measurement can be performed with a simple configuration, and the semiconductor device can be evaluated more accurately and inexpensively.
[0026]
Further, for example, as described in claim 3, the semiconductor evaluation apparatus detects a change in the photoexcitation current and detects a change in a light emission phenomenon due to a near-field interaction between the semiconductor device and the probe. And the semiconductor device may be evaluated.
[0027]
According to the above configuration, since the change in the photoexcitation current is detected and the change in the light emission phenomenon due to the near-field interaction between the semiconductor device and the probe is detected by the probe, the semiconductor device is evaluated. The junction position and the minority carrier diffusion length can be measured, and the defect position and defect distribution of the semiconductor device can be measured with high resolution, so that the semiconductor device can be more accurately evaluated.
[0028]
Further, for example, as described in claim 4, the semiconductor evaluation apparatus further includes a voltage applying unit that applies a predetermined bias voltage to the semiconductor device, and the voltage applying unit pn of the semiconductor device. A reverse bias voltage may be applied between the junctions to change the width of the depletion layer of the semiconductor device, and the semiconductor device may be evaluated while changing the reverse bias voltage.
[0029]
According to the above configuration, the reverse bias voltage is applied between the pn junctions of the semiconductor device to change the width of the depletion layer of the semiconductor device, and the semiconductor device is evaluated while changing the reverse bias voltage. The pn junction position of the semiconductor device, the diffusion length of minority carriers, and the like can be measured with higher resolution, and the semiconductor device can be evaluated more accurately.
[0030]
Further, for example, as described in claim 5, the semiconductor evaluation apparatus changes the wavelength of the light introduced from the light introduction unit into the probe, thereby allowing the penetration depth of near-field light into the semiconductor device. In response to changes in the penetration depth of near-field light into the semiconductor device. Light that generates electron-hole pairs locally and flows through the semiconductor device The semiconductor device may be evaluated by detecting a change in excitation current.
[0031]
According to the above configuration, the wavelength of light introduced into the probe is changed, and the near-field light penetration depth into the semiconductor device is changed. Light that generates electron-hole pairs locally and flows through the semiconductor device Since the semiconductor device is evaluated by detecting the change in the excitation current, the pn junction position and the minority carrier diffusion length of the semiconductor device with different depths can be measured with higher resolution. Can be evaluated more accurately.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are preferred embodiments of the present invention, and thus various technically preferable limitations are given. However, the scope of the present invention is particularly limited in the following description. As long as there is no description which limits, it is not restricted to these aspects.
[0033]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a semiconductor evaluation apparatus of the present invention, and FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a semiconductor evaluation apparatus 1 to which an embodiment of a semiconductor evaluation apparatus of the present invention is applied.
[0034]
In FIG. 1, a semiconductor evaluation apparatus 1 includes a PZT stage 2, a probe 3, an excitation mechanism 4, a feedback circuit 5, a laser diode (LD) 6, a photodiode (PD) 7, a personal computer 8, a semiconductor laser 9, and a chopper 10. , A reflecting mirror 11, a lock-in amplifier 12, a bias circuit 13, and the like, and a semiconductor device to be evaluated, which is a sample 14, is installed on the PZT stage 2.
[0035]
A bias voltage is applied from a bias circuit (voltage applying means) 13 to the sample 14 placed on the PZT stage (mounting table) 2, and the personal computer 8 controls the position of the sample 14 and the probe 3. . That is, the personal computer 8 functions as position control means by moving the PZT stage 2 in the X direction, Y direction, and Z direction to control the position of the sample 14 on the PZT stage 2 and the probe 3.
[0036]
The probe 3 is irradiated with laser light from the laser diode 6, and the reflected light is received by the photodiode 7. The photodiode 7 outputs the detection result to the personal computer 8 via the feedback circuit 5. The personal computer 8 performs position control of the PZT stage 2 and lock-in detection, thereby obtaining a feedback signal in the height direction of the probe 3 and performing position control of the probe 3 and the sample 14.
[0037]
That is, the vibration mechanism (vibration means) 4 applies a horizontal vibration to the probe 3, and for example, PZT or the like is used. The vibration mechanism 4 has a function of vibrating the probe 3 in the horizontal direction at the resonance frequency of the probe 3, and the resonance frequency of the probe 3 is about several kHz to 100 kHz. When the probe 3 is vibrated at the resonance frequency of the probe 3 by the vibration mechanism 4 and the probe 3 and the sample 14 are brought close to each other, a lateral (horizontal) shear stress (shear force) is generated between the probe 3 and the sample 14. Thus, the amplitude of the probe 3 is reduced. The amplitude of the probe 3 is monitored by the laser diode 6 and the photodiode 7, and the personal computer 8 adjusts the height direction (Z direction) of the PZT stage 2 to accurately determine the distance between the probe 3 and the sample 14. Control. The laser diode 6, the photodiode 7, and the feedback circuit 5 function as vibration detection means.
[0038]
Then, information on the two-dimensional height distribution (Z-direction distribution) of the sample 14 can be obtained by plotting the information in the height direction two-dimensionally. Further, the laser beam is irradiated from the laser diode 6 to the probe 3, the reflected diffracted light is detected by the photodiode 7, and locked in using the lock-in amplifier 12. A feedback signal can be obtained.
[0039]
Laser light emitted from the semiconductor laser 9 is incident on one end of the probe 3 via the chopper 10 and the reflecting mirror 11. When the laser light is incident on the probe 3, the other end ( An evanescent field is generated in the minute opening formed at the tip, and the sample 14 can be irradiated (see Applied Physics Vol. 65, No. 1 (1996), page 2).
[0040]
That is, the probe 3 is formed with a size equal to or smaller than the wavelength of the incident light at the tip, and has a minute opening set at a radius of curvature sufficiently smaller than the wavelength of the light at the tip. When the laser beam is incident from the other end side, an evanescent field is generated from the minute opening at the tip.
[0041]
In such a probe 3, when laser light is incident from the end opposite to the tip, an evanescent field is generated in a minute opening at the tip, and the sample 14 can be irradiated. At the time of measurement, since the shear stress is monitored at the same time, the light distribution corresponding to the shape of the sample 14 can be measured, and by connecting a monochromator to this portion, it corresponds to each wavelength. It is possible to measure the light emission distribution from the sample 14, that is, the distribution over the location of defects.
[0042]
The tip portion of the probe 3 where the minute opening is formed is brought close to the sample 14 to generate an evanescent field from the minute opening, whereby the shape and optical characteristics of the surface of the sample 14 can be measured. Is determined by the minute aperture diameter at the tip of the probe 3 and the distance between the probe 3 and the sample 14, and is not affected by the diffraction limit of light unlike a normal optical microscope, and from the minute region of the sample 14. Can be selectively extracted. When the probe 3 is brought close to the minute light emitting portion of the sample 14, the intensity and life of the light emitting portion are affected by the probe 3 due to the short-range interaction (proximity interaction) between the probe 3 and the light emitting portion of the sample 14. Change. This proximity interaction is a component that decreases when the distance from the sample 14 decreases in inverse proportion to the cube of the distance, and exists only when the distance between the probe 3 and the surface of the sample 14 is close. The probe 3 needs to have a shielding structure that prevents light emitted from components other than the light emitting portion to be measured from entering the probe 3. That is, since the light emission component from other than the light emission portion becomes noise, the probe 3 needs a sufficient shielding structure to improve the signal-to-noise ratio of the signal component.
[0043]
The probe 3 that performs the above-described operation can be obtained by, for example, sharpening a quartz fiber by chemical etching with a hydrofluoric acid mixed solution and then coating the metal with a minute opening at the tip, or by using silicon with an atomic force microscope. It is formed by attaching a light receiving structure of a photodiode to the base portion of a cantilever for use, or by opening a minute opening by anisotropic etching of silicon.
[0044]
The probe 3 is coated with a metal film (for example, gold, silver, aluminum, nickel, etc.) having a thickness of about 100 to 200 nm, for example, in order to sufficiently take the shielding structure. The minute opening at the tip of the probe 3 can be formed by vapor-depositing metal while the probe 3 is rotated obliquely, or by coating the organic thin film and then performing wet etching with an appropriate etching solution.
[0045]
As described above, the tip of the probe 3 is coated with the metal film for blocking the propagation light component to form a microscopic aperture of several tens of nanometers. Therefore, the near-field light component from which the propagation light component is removed Only can be detected.
[0046]
When the sample 14 is irradiated with near-field light from the probe 3, particularly when near-field light is irradiated near the pn junction of the sample 14, electrons in the valence band of Si have a band gap. The electron-hole pair is generated by jumping over. The semiconductor evaluation apparatus 1 detects a change in the photoexcitation current in which the electron-hole pairs diffuse and flow in the sample 14, and the personal computer 8 evaluates the sample 14, that is, the semiconductor device.
[0047]
That is, in the semiconductor evaluation apparatus 1, the personal computer 8 controls the chopper 10 based on the lock-in / amplifier 12 lock-in so that the laser light emitted from the semiconductor laser 9 resonates with the vibration of the probe 3. Then, the modulated laser light is introduced into the probe 3 through the reflecting mirror 11. The semiconductor evaluation apparatus 1 generates an evanescent field in the probe 3 by the modulated laser light and vibrates the probe 3 by the vibration mechanism 4. In this state, the personal computer 8 controls the position of the PZT stage 2 based on the lock-in feedback signal of the lock-in amplifier 12 and the lock-in of the feedback circuit 5 as described above, and the sample 14 and the probe 3, the photoexcitation current flowing in the sample 14 is measured based on the detection result of the feedback circuit 5, and the sample 14, that is, the semiconductor device is evaluated.
[0048]
In addition, the semiconductor evaluation apparatus 1 captures light generated from the sample 14 with the probe 3 and detects it with a monochromator (not shown), and measures the location and distribution of light emission distributions, that is, defects and the like from this detection result.
[0049]
Next, the operation of the present embodiment will be described. In the semiconductor evaluation apparatus 1, a sample 14 that is a semiconductor device is placed on the PZT stage 2, and a bias voltage is applied to the sample 14 via the lock-in amplifier 12. Then, the semiconductor evaluation apparatus 1 adjusts the position of the PZT stage 2 in the three directions XYZ by the personal computer 8 and adjusts the position of the sample 14 on the PZT stage 2 and the probe 3 in advance. 4, the probe 3 is oscillated at the resonance frequency of the probe 3 in the horizontal direction, and the amplitude of the probe 3 at that time is detected by receiving the laser beam irradiated from the laser diode 6 to the probe 3 by the photodiode 7. . The vibration applied to the probe 3 by the vibration mechanism 4 is vibration at the resonance frequency of the probe 3 as described above.
[0050]
The personal computer 8 moves the sample 14 toward the probe 3 via the PZT stage 2 to bring the sample 14 closer to the probe 3. That is, when the probe 3 is approached to the sample 14 while being oscillated at the resonance frequency, a lateral shear stress acts between the probe 3 and the sample 14 and the amplitude of the probe 3 is reduced. The amplitude of the probe 3 is detected by detecting reflected diffracted light of the laser beam irradiated from the laser diode 6 to the probe 3 with the photodiode 7, and the height direction of the probe 3 is detected by the lock-in detection signal from the feedback circuit 5. A feedback signal in the (Z direction) is acquired and the position of the sample 14 is controlled.
[0051]
In this state, the personal computer 8 emits laser light from the semiconductor laser 9 and also modulates the laser light emitted from the semiconductor laser 9 by controlling the chopper 10 in synchronization with the vibration of the resonance frequency. The laser beam thus made is incident on the probe 3.
[0052]
When the laser beam is incident on the probe 3, the near-field light leaks from the minute opening at the tip of the probe 3 and irradiates the sample 14. When the sample 14 is irradiated with near-field light, electrons in the valence band of Si jump over the band gap to generate electron-hole pairs, and these electron-hole pairs diffuse in the semiconductor sample 14. Detected as photoexcitation current.
[0053]
For example, electrons (minority carriers) generated in the p region combine with the majority carriers and die before reaching the sky layer, but few electrons that reach the sky layer and the n region Since the recombination probability is small in the n region, the current is detected as it is. In particular, since there are few carrier recombination in the vacant layer, all the electrons that have reached the vacant layer are detected as current. Therefore, the portion with the highest current intensity matches the bonding position.
[0054]
In addition, the semiconductor evaluation apparatus 1 evaluates the sample 14 by applying a reverse bias voltage to the sample 14. That is, when a reverse bias is applied to the pn junction of the sample 14, the sky blank layer expands, and the signal half width of the obtained near-field excitation current increases. At this time, if the half-value width of the signal value of the near-field excitation current is ΔW (E), the doped impurity concentration is Nd, and the width of the vacant layer is D (E), the following equation is established.
[0055]
D (E) -D (0) = (1 / Nd) ^1/2 ・ C ・ (ΔW (E) −ΔW (0)) (1)
However, C is a proportionality constant and E is a bias voltage.
[0056]
By obtaining the slope of the above equation (1), the impurity concentration of the sample 14 can be measured.
[0057]
Further, the semiconductor evaluation apparatus 1 evaluates the sample 14 by changing the excitation wavelength, that is, changing the wavelength of the laser beam of the semiconductor laser 9 incident on the probe 3. That is, when the excitation wavelength is changed, the penetration depth of the near-field light coupled to the sample 14 from the minute opening of the probe 3 changes into the sample 14, and the penetration depth decreases as the excitation wavelength is shortened. Get smaller. For example, with respect to a Si substrate, with an argon laser of 515 nm light, 685 nm, 415 nm light changes to 280 nm, and 351 nm light changes to about 10 nm. Therefore, information on different depths of the sample 14 can be obtained by changing the wavelength of the laser beam introduced into the probe 3 as excitation light.
[0058]
Further, the semiconductor evaluation apparatus 1 evaluates the sample 14 by detecting light generated from the sample 14 when the probe 3 irradiates the evanescent field. That is, the semiconductor evaluation apparatus 1 captures light generated from the sample 14 when the probe 3 irradiates the evanescent field, detects it with a monochromator (not shown), and emits light corresponding to each wavelength from the detection result. The distribution, that is, the location and distribution of the defect or the like of the sample 14 is measured.
[0059]
As described above, the semiconductor evaluation apparatus 1 according to the present embodiment is disposed in the vicinity of the sample 14 that is a semiconductor device mounted on the PZT stage 2 that is a mounting table, and the tip is smaller than a predetermined light wavelength. The minority carriers are excited in the sample 14 by the near-field interaction between the sample 14 and the probe 3 while changing the relative position of the probe 3 and the sample 14 formed at the tip and having a minute opening at the tip. The change of the photoexcitation current is detected and the sample 14 is evaluated.
[0060]
Therefore, the pn junction position of the sample 14, the diffusion length of minority carriers, and the like can be measured with high resolution, and the semiconductor device that is the sample 14 can be more accurately evaluated.
[0061]
Further, the semiconductor evaluation apparatus 1 vibrates the probe 3 in the horizontal direction at the resonance frequency of the probe, detects the vibration of the probe 3 that is oscillated, and determines between the probe 3 and the sample 14 based on the detection result. Position control is performed.
[0062]
Therefore, the distance between the probe 3 and the sample 14 can be controlled more precisely, and the pn junction position of the sample 14 and the diffusion length of minority carriers are further increased by vibrating only the resonance frequency of the probe 3. Measurement can be performed with high resolution and a simple configuration, and the evaluation of the sample 14 which is a semiconductor device can be performed more accurately and inexpensively.
[0063]
Further, the semiconductor evaluation apparatus 1 evaluates the sample 14 by detecting the change in the photoexcitation current and detecting the change in the light emission phenomenon due to the near-field interaction between the sample 14 and the probe 3 with the probe 3.
[0064]
Therefore, the pn junction position and the minority carrier diffusion length of the sample 14 can be measured, and the defect position and defect distribution of the sample 14 can be measured with high resolution. Evaluation can be performed more accurately.
[0065]
Further, the semiconductor evaluation apparatus 1 applies a reverse bias voltage between the pn junctions of the sample 14 to change the width of the depletion layer of the sample 14 and evaluate the sample 14 while changing the reverse bias voltage. Is going.
[0066]
Therefore, the pn junction position of the sample 14, the diffusion length of minority carriers, and the like can be measured with higher resolution, and the sample 14 that is a semiconductor device can be more accurately evaluated.
[0067]
Furthermore, the semiconductor evaluation apparatus 1 changes the wavelength of the light introduced into the probe 3 to locally excite minority carriers according to the change in the penetration depth of the near-field light into the sample 14, and A change is detected and the sample 14 is evaluated.
[0068]
Accordingly, the pn junction positions of different depths of the sample 14, the diffusion length of minority carriers, and the like can be measured with higher resolution, and the sample 14 that is a semiconductor device can be more accurately evaluated. it can.
[0069]
The invention made by the present inventor has been specifically described based on the preferred embodiments. However, the present invention is not limited to the above, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
[0070]
【The invention's effect】
According to the semiconductor evaluation apparatus of the first aspect of the present invention, the tip is formed in the vicinity of the semiconductor device placed on the placement table and the tip is formed with a size equal to or smaller than the predetermined light wavelength, and the tip is minute. While changing the relative position between the probe in which the opening is formed and the semiconductor device, the near-field interaction between the semiconductor device and the probe results in the semiconductor device. Generating electron-hole pairs that flow through the semiconductor device Since the semiconductor device is evaluated by detecting the change of the photoexcitation current, the pn junction position of the semiconductor device, the diffusion length of minority carriers, etc. can be measured with high resolution, and the semiconductor device can be evaluated more accurately. It can be carried out.
[0071]
According to the semiconductor evaluation apparatus of the second aspect of the invention, the probe is vibrated in the horizontal direction at the resonance frequency of the probe, the vibration of the oscillated probe is detected, and the probe and the semiconductor device are detected based on the detection result. Therefore, the distance between the probe and the semiconductor device can be controlled more precisely, and the pn junction position and minority carrier of the semiconductor device can be controlled by vibrating only at the resonance frequency of the probe. The diffusion length and the like can be measured with a higher resolution and a simple configuration, and the semiconductor device can be evaluated more accurately and inexpensively.
[0072]
According to the semiconductor evaluation apparatus of the third aspect of the invention, the change of the photoexcitation current is detected, and the change of the light emission phenomenon due to the near-field interaction between the semiconductor device and the probe is detected by the probe to evaluate the semiconductor device. Therefore, the pn junction position and minority carrier diffusion length of the semiconductor device can be measured, and the defect position and defect distribution of the semiconductor device can be measured with high resolution, so that the evaluation of the semiconductor device can be performed more accurately. Can be done.
[0073]
According to the semiconductor evaluation apparatus of the fourth aspect of the present invention, the reverse bias voltage is applied between the pn junctions of the semiconductor device to change the width of the depletion layer of the semiconductor device and to change the reverse bias voltage. However, since the semiconductor device is evaluated, the pn junction position of the semiconductor device, the diffusion length of minority carriers, and the like can be measured with higher resolution, and the semiconductor device can be evaluated more accurately.
[0074]
According to the semiconductor evaluation apparatus of the fifth aspect of the invention, the wavelength of the light introduced into the probe is changed, and the change in the penetration depth of the near-field light into the semiconductor device Light that generates electron-hole pairs locally and flows through the semiconductor device Since the semiconductor device is evaluated by detecting the change in the excitation current, the pn junction position and the minority carrier diffusion length of the semiconductor device with different depths can be measured with higher resolution. Can be evaluated more accurately.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a semiconductor evaluation apparatus to which an embodiment of a semiconductor evaluation apparatus of the present invention is applied.
[Explanation of symbols]
1 Semiconductor evaluation equipment
2 PZT stage
3 Probe
4 Excitation mechanism
5 Feedback circuit
6 Laser diode
7 Photodiode
8 Personal computer
9 Semiconductor laser
10 Chopper
11 Reflector
12 Lock-in amplifier
13 Bias circuit
14 samples

Claims

A semiconductor evaluation apparatus for detecting defects of a semiconductor device using near-field interaction and evaluating the semiconductor device, the mounting table on which the semiconductor device is mounted, and the mounting table mounted on the mounting table A probe that is disposed in the vicinity of the semiconductor device and has a tip having a size equal to or smaller than a predetermined light wavelength and a small opening formed in the tip, and a relative relationship between the probe and the semiconductor device. A position control means for controlling the position; and a light introduction means for introducing light of the predetermined wavelength into the probe, and changing the relative position between the semiconductor device and the probe by the position control means. in introducing the light from the light introducing means, the semiconductor device and the probe and the electron-hole pairs in the semiconductor device by the near-field interaction Raises, electron hole pairs to detect a change in the excitation current flowing in the semiconductor device, a semiconductor evaluation device, characterized in that the evaluation of the semiconductor device.

The semiconductor evaluation apparatus further includes an excitation unit that vibrates the probe in a horizontal direction at a resonance frequency of the probe, and a vibration detection unit that detects the vibration of the probe that is vibrated by the excitation unit, The position control means controls the position of the distance between the probe and the semiconductor device based on the detection result of the vibration detection means to a distance equal to or less than the length of the minute aperture diameter of the probe. 1. The semiconductor evaluation apparatus according to 1.

The semiconductor evaluation apparatus detects a change in the photoexcitation current, and detects a change in a light emission phenomenon due to a near-field interaction between the semiconductor device and the probe, and evaluates the semiconductor device. 3. The semiconductor evaluation apparatus according to claim 1 or 2, wherein

The semiconductor evaluation apparatus further includes a voltage applying unit that applies a predetermined bias voltage to the semiconductor device, and applies a reverse bias voltage between pn junctions of the semiconductor device by the voltage applying unit, so that the semiconductor 4. The semiconductor evaluation apparatus according to claim 1, wherein the semiconductor device is evaluated while changing a width of a depletion layer of the device and changing the reverse bias voltage.

The semiconductor evaluation apparatus changes the penetration depth of the near-field light into the semiconductor device by changing the wavelength of the light introduced into the probe from the light introducing means, and changes the near-field light to the semiconductor device. locally to generate electron-hole pairs in response to changes in penetration depth, characterized in that the evaluation of the semiconductor device by detecting a change in light excitation current electron hole pairs flows in the semiconductor device The semiconductor evaluation apparatus according to any one of claims 1 to 4.