JP5192659B2

JP5192659B2 - 炭化珪素単結晶ウェハの結晶欠陥検査方法および結晶欠陥検査装置

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Publication number: JP5192659B2
Application number: JP2006148564A
Authority: JP
Inventors: 秀一土田; 功穂鎌田; ストラスタリュタウラス
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2006-05-29
Filing date: 2006-05-29
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2026-05-29
Also published as: JP2007318029A

Description

本発明は、炭化珪素単結晶基板の上にエピタキシャル膜が形成された半導体素子製造用の炭化珪素単結晶ウェハのウェハ面内を走査し、該ウェハ面からのエレクトロルミネッセンス光をマッピング測定することにより、エピタキシャル膜が内包する結晶欠陥の位置を検出するための炭化珪素単結晶ウェハの結晶欠陥検査方法および結晶欠陥検査装置に関する。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、Ｓｉと比べてバンドギャップが約３倍、飽和ドリフト速度が約２倍、絶縁破壊電界強度が約１０倍と優れた物性値を有し、大きな熱伝導率を有する半導体であることから、現在用いられているＳｉ単結晶半導体の性能を大きく凌駕する次世代の高電圧・低損失半導体素子を実現する材料として期待されている。

現在、市販化されているＳｉＣ単結晶は、昇華法を用いて製造されている場合が多い。昇華法では通常、坩堝内に原料のＳｉＣ粉末を入れると共に、坩堝の内側上面にＳｉＣ粉末と対面する形でＳｉＣ種結晶を設置する。このとき、坩堝を２２００〜２４００℃程度まで加熱することで、ＳｉＣ粉末を昇華させる。昇華したＳｉＣ粉末は、対面するＳｉＣ種結晶上で再結晶化され、種結晶上に新たなＳｉＣ単結晶が成長される。

この他、原料としてＳｉＨ₄などのＳｉを含んだガスと、Ｃ₃Ｈ₈またはＣ₂Ｈ₂などのＣ
を含んだガスとを用いて、昇華法と同様に種結晶上に新たなＳｉＣ単結晶を得るいわゆるＨＴＣＶＤ法と呼ばれる製造手法も報告されている。

上記のような方法によって円柱形のバルク状の単結晶を得た後に、これを通常３００〜４００ミクロン程度の厚さにスライスすることで、ＳｉＣ単結晶基板が製造される。このＳｉＣ単結晶基板を用いて半導体素子を製造する場合には、その半導体素子の耐電圧などの要求仕様に基づいた所要の膜厚およびキャリヤ濃度を有する単結晶層を基板表面からエピタキシャル成長させる場合が多い。

ＳｉＣ単結晶基板は通常の圧力では液相を持たず、以上のような方法で製造されているが、昇華温度が極めて高いことなどから、転位や積層欠陥などの結晶欠陥を含まないような高品質の結晶成長が難しい。このため、Ｓｉ単結晶成長で商用化されているような無転位かつ大口径な単結晶の製造技術が実現されていない。

現在市販されているＳｉＣ単結晶基板には、１０³ｃｍ^-2程度のｃ軸方向に伝播するら
せん転位、１０²〜１０⁴ｃｍ^-2程度のｃ軸方向に伝播する刃状転位、１０²〜１０⁴ｃｍ^-2程度のｃ軸と垂直方向に伝播する転位（基底面転位）が存在している。これらの転位密度は、その基板の品質によって大きく異なる。

また、これらの転位はエピタキシャル膜中にも伝播する。このとき、一部の転位は、その向きを変えることもあることが知られている。一方、基板上にエピタキシャル膜を成長させる際に、新たな転位ループや積層欠陥（８Ｈ型、３Ｃ型など）が生成されることも知られている。したがって、エピタキシャル膜中には、基板より伝播した転位や積層欠陥に加えて、エピタキシャル成長時に導入された転位や積層欠陥が含まれていることになる。さらに、ＳｉＣエピタキシャル膜付き単結晶基板を用いて半導体素子を製造する素子化過程においても、新たに転位や積層欠陥が形成される場合がある。これらの転位や積層欠陥は、そのエピタキシャル膜を用いて形成した半導体素子の耐電圧や信頼性を低下させる。

最近では、基板中の転位密度やエピタキシャル成長時の転位発生密度を低減させる技術開発が進められている。しかしながら、エピタキシャル膜中の転位や積層欠陥などの結晶欠陥密度をゼロとし、なおかつ産業化できるようなコストおよび基板口径を実現することは難しい状況である。このため、ＳｉＣエピタキシャル膜付き単結晶基板を用いて半導体素子を製造する場合、それらの半導体素子は何らかの結晶欠陥を内包する可能性がある。

結晶欠陥の中には、半導体素子の初期特性を大幅に劣化させるものもあるが、初期特性には影響が出ずに素子の長期信頼性を低下させるものもある。特に、後者の長期信頼性を低下させるような結晶欠陥を内包する半導体素子は、初期特性においては正常素子と何ら変わらない性能を発揮することもあり、初期特性からの判別が極めて困難である。

これまでに、エピタキシャル膜付きＳｉＣ単結晶基板内に含まれる転位や積層欠陥による、ＳｉＣショットキーバリヤダイオードやＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）ゲー
ト構造の長期信頼性低下が報告されている。例えば、このような長期信頼性を有しない半導体素子をインバータなどの応用機器に組み込んだ場合には、当該応用機器の信頼性が大幅に低下することになる。このため、長期信頼性を低下させるような結晶欠陥を内包する半導体素子をスクリーニングするための判別手法の確立が望まれている。

上記のような結晶欠陥を含んだ半導体素子の判別、スクリーニング手法を確立するためには、エピタキシャル膜付きＳｉＣ単結晶基板内に含まれる転位や積層欠陥などの結晶欠陥を高速かつ高精度に検出し、その基板面内での位置情報を得る必要がある。すなわち、半導体素子の形成前や、形成プロセス中に、そのエピタキシャル膜付きＳｉＣ単結晶基板内に含まれる転位や積層欠陥などの結晶欠陥の位置情報を得ることによって、素子完成後にその結晶欠陥位置情報に応じて、結晶欠陥を内包する半導体素子を判別し、スクリーニング処理を行うことが考えられる。

エピタキシャル膜付きＳｉＣ単結晶基板内に含まれる転位や積層欠陥などの結晶欠陥を非破壊で検出する手法としては、フォトルミネッセンス法、カソードルミネッセンス法、エレクトロルミネッセンス法（非特許文献１，２）、トポグラフ法などが報告されている。これらの手法を用いたマッピング測定によって、エピタキシャル膜付きＳｉＣ単結晶基板内の転位や積層欠陥の位置情報を得ることが可能である。
マテリアルサイエンスフォーラム（Materials Science Forum）Ｖｏｌｓ３８９−３９３２００２年１２９７頁〜１３００頁マテリアルサイエンスフォーラム（Materials Science Forum）Ｖｏｌｓ４３３−４３６２００３年９０１頁〜９０６頁

上記のようなマッピング測定手法のうち、エレクトロルミネッセンス（Electroluminescence：ＥＬ）法を用いた従来の手法（非特許文献１）では、図８に示すように、炭化珪
素単結晶ウェハ３１のエピタキシャル膜３１ｂ上の全域に金属蒸着によって電極１０１を形成すると共に裏面の一部に裏面電極７を形成し、この炭化珪素単結晶ウェハ３１を可動ステージ８上の接地プレート９に載置する。

そして、これらの電極の間に電源２より電圧を印加してウェハ面内からＥＬ光３５を発光させ、エピタキシャル膜３１ｂの測定スポットＳからのＥＬ光３５を含む採取光をウェハ裏面から取り出し、光選択手段としての分光器１０２またはバンドパスフィルタへ通過させることによりＥＬ光の波長域の光が取り出され、光電子増倍管、ＣＣＤ等の光検出器１０３を用いて測定スポットＳにおけるＥＬ信号が検出される。

そして、可動ステージ８をＸ−Ｙ方向へ移動させることによりウェハ面内における各測定スポットを走査することで、ウェハ面内における測定スポットＳごとの発光情報が記録され、ウェハ面内についての結晶欠陥の２次元情報が得られる。

しかしこの従来の方法では、ＥＬ光３５をウェハ裏面から観察しているため、エピタキシャル膜３１ｂ内の２次元的な欠陥位置情報の検出感度および精度に制限があった。
従来の方法では、エピタキシャル膜上に形成する電極として、ＳｉＣ半導体のバンドギャップに相当する波長３８０ｎｍを大きく上回る膜厚の蒸着電極を用いていたため、この電極は検出対象のＥＬ光に対して不透明であり、上記のように裏面側からＥＬ光の観察を行っていた。

一方、エピタキシャル膜３１ｂ側からＥＬ光を観察する方法として次の方法が知られている（非特許文献２）。この方法では、図９に示すように、炭化珪素単結晶ウェハ３１のエピタキシャル膜３１ｂ上に金属蒸着によってメッシュ状に電極１０４を形成すると共に裏面の一部に裏面電極７を形成し、この炭化珪素単結晶ウェハ３１を可動ステージ８上の接地プレート９に載置する。

そして、これらの電極の間に電源２より電圧を印加してウェハ面内からＥＬ光３５を発光させ、エピタキシャル膜３１ｂの測定スポットＳからのＥＬ光３５を含む採取光をメッシュ状の電極１０４の間の開口から取り出して検出する。

しかしこの方法では、上記と同様に電極が不透明であるため、メッシュ状の電極１０４の格子下の発光観察が不可能であった。そのため、エピタキシャル膜３１ｂ内の２次元的な欠陥位置情報の検出感度および精度に制限があった。

また、これら従来の方法では、測定スポットＳを単位としてマッピング測定を行っているため、マイクロパイプのような大型結晶欠陥以外の各種転位や積層欠陥などを十分な精度で検出できる高い２次元分解能の結晶欠陥情報を得るためには、測定スポット数を多くする必要がある。そして近年では、ＳｉＣ単結晶ウェハの口径が大型化し、例えば６インチまでのサイズのウェハを検査することが想定されるが、このような大口径基板に対して高分解能の結晶欠陥情報を得るためには極めて多くの測定スポット数が必要となり、測定時間の長時間化が問題となっていた。

本発明は、エレクトロルミネッセンス法により半導体素子製造用の炭化珪素単結晶ウェハのエピタキシャル膜に存在する転位や積層欠陥の面内分布を検査する際に、転位や積層欠陥の位置を高感度かつ高精度で検出可能な炭化珪素単結晶ウェハの結晶欠陥検査方法および結晶欠陥検査装置を提供することを目的としている。

また本発明は、上記の目的に加えて、素子形成に使用する全ての基板に対して実用的に十分な程度に、転位や積層欠陥の位置を高速に検出可能な炭化珪素単結晶ウェハの結晶欠陥検査方法および結晶欠陥検査装置を提供することを目的としている。

本発明の炭化珪素単結晶ウェハの結晶欠陥検査方法は、炭化珪素単結晶基板の上にエピタキシャル膜が形成された半導体素子製造用の炭化珪素単結晶ウェハにおける結晶欠陥の位置を検出するための炭化珪素単結晶ウェハの結晶欠陥検査方法であって、
前記ウェハのエピタキシャル膜の上に、検出すべきエレクトロルミネッセンス光を透過する透明電極を配置し、
前記透明電極と、接地されたウェハ裏面との間に電圧を印加して、ウェハ面内の測定位
置からエレクトロルミネッセンス光を発光させ、
光検出器によって、前記測定位置からウェハ表面側へ、前記透明電極を透過して発光するエレクトロルミネッセンス光を、１ｍｍ ² 以上の面積を一括して検出し、
当該エレクトロルミネッセンス光を検出する操作を、前記ウェハと、前記測定位置からのエレクトロルミネッセンス光を光検出器に導く検出用光学系の少なくとも一部とを相対移動させて測定位置を順次移動させることによりウェハ面内の各測定位置について行い、
これにより得られた、ウェハ面内における検査対象領域全体のエレクトロルミネッセンス光に関するマッピングデータに基づいて、ウェハ面内における結晶欠陥の位置を特定することを特徴としている。

上記の発明における好ましい態様では、前記透明電極は、前記ウェハのエピタキシャル膜の上に蒸着され、その厚さが前記ウェハのバンドギャップに相当する波長よりも薄い透明蒸着薄膜電極である。透明蒸着薄膜電極は、前記ウェハのエピタキシャル膜の表面に形成された絶縁膜に蒸着するようにしてもよい。

上記の発明における好ましい別の態様では、前記透明電極は、前記ウェハとは独立した、前記ウェハに対して接離可能な透明導電性フィルム電極であり、ウェハ面内の測定位置に該透明導電性フィルム電極を接触させた状態で、該透明導電性フィルム電極と、接地されたウェハ裏面との間に電圧を印加して、ウェハ面内の測定位置からエレクトロルミネッセンス光を発光させる。透明導電性フィルム電極は、前記ウェハのエピタキシャル膜の表面に形成された絶縁膜に接触させるようにしてもよい。

本発明の炭化珪素単結晶ウェハの結晶欠陥検査方法は、前記光検出器は、ウェハ面内の測定位置に対応する一括測定領域におけるアレイに対応した各位置からのエレクトロルミネッセンス光に関する２次元情報を一括取得する２次元ＣＣＤアレイであり、
前記検出用光学系は、前記一括測定領域からのエレクトロルミネッセンス像を２次元ＣＣＤアレイに導き、
前記ウェハと、前記一括測定領域からのエレクトロルミネッセンス光を光検出器に導く検出用光学系の少なくとも一部とを相対移動させてウェハ面内の一括測定領域を順次移動させ、ウェハ面内の各一括測定領域を走査することにより、ウェハ面内における検査対象領域全体のエレクトロルミネッセンス光に関するマッピングデータを得ることを特徴としている。

本発明の炭化珪素単結晶ウェハの結晶欠陥検査装置は、炭化珪素単結晶基板の上にエピタキシャル膜が形成された半導体素子製造用の炭化珪素単結晶ウェハにおける結晶欠陥の位置を検出するための炭化珪素単結晶ウェハの結晶欠陥検査装置であって、
前記ウェハのエピタキシャル膜の上に配置され、検出すべきエレクトロルミネッセンス光を透過する透明電極と、接地されたウェハ裏面との間に、ウェハ面内の測定位置からエレクトロルミネッセンス光を発光させるための電圧を印加する電源と、
前記測定位置からウェハ表面側へ、前記透明電極を透過して発光するエレクトロルミネッセンス光を、１ｍｍ ² 以上の面積を一括して検出するための光検出器と、
前記測定位置からのエレクトロルミネッセンス光を光検出器に導く検出用光学系と、
前記ウェハと、検出用光学系の少なくとも一部とを相対移動させて、ウェハ面内の測定位置を順次移動させる相対移動手段と、を備え、
前記相対移動手段によってウェハ面内の測定位置を順次移動させ、ウェハ面内の各測定位置を走査することにより、ウェハ面内における検査対象領域全体のエレクトロルミネッセンス光に関するマッピングデータを得ることを特徴としている。

本発明の炭化珪素単結晶ウェハの結晶欠陥検査装置は、前記光検出器は、ウェハ面内の測定位置に対応する一括測定領域におけるアレイに対応した各位置からのエレクトロルミネッセンス光に関する２次元情報を一括取得する２次元ＣＣＤアレイであり、
前記検出用光学系は、前記一括測定領域からのエレクトロルミネッセンス像を２次元ＣＣＤアレイに導き、
前記相対移動手段によってウェハ面内の一括測定領域を順次移動させ、ウェハ面内の各一括測定領域を走査することにより、ウェハ面内における検査対象領域全体のエレクトロルミネッセンス光に関するマッピングデータを得ることを特徴としている。

上記の発明によれば、炭化珪素単結晶ウェハのウェハ面からのエレクトロルミネッセンス光を透過する透明電極を用いているので、エピタキシャル膜が形成されたウェハ表面側から発光を検出することができる。したがって、ウェハ面内における転位や積層欠陥の位置を高感度かつ高精度で検出することができる。

また、測定スポットごとにウェハ面からの発光を検出するのではなく、光検出器として２次元ＣＣＤアレイを用いることによって、広域の一括測定領域の２次元発光情報を一括取得し、一括測定領域ごとに走査することで、転位や積層欠陥の位置を特定するための十分な分解能を維持しつつ、測定時間を大幅に短縮することができる。これにより、素子形成に使用する全ての基板に対して実用的に十分な程度に、転位や積層欠陥の位置を高速に検出することができる。

本発明によれば、ウェハ面内における転位や積層欠陥の位置を高感度かつ高精度で検出することができる。
また本発明によれば、素子形成に使用する全ての基板に対して実用的に十分な程度に、転位や積層欠陥の位置を高速に検出することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。
[実施例１]
図１は、実施例１における検査装置の概略構成を示した図、図２（ａ）は、この検査装置による結晶欠陥検査の対象である炭化珪素単結晶ウェハの面内に配列された素子形成領域および、その中に配列された２次元ＣＣＤアレイによる一括測定領域を示した図、図２（ｂ）は、一括測定領域を拡大して示した図である。

同図の検査装置１は、半導体素子製造用の炭化珪素単結晶ウェハ３１の面内における結晶欠陥の位置を、炭化珪素単結晶ウェハ３１に電圧を印加することにより炭化珪素単結晶ウェハ３１から発光したエレクトロルミネッセンス光（ＥＬ光）をマッピングして検出するものである。

不図示のコントローラによってＸ−Ｙ方向へ移動可能な可動ステージ８の上に固定された検査対象である炭化珪素単結晶ウェハ３１のエピタキシャル膜３１ｂの上には、電極となる透明蒸着薄膜電極４が形成されている。一方、ウェハ裏面には、裏面全域に、蒸着によって裏面電極７が形成されており、炭化珪素単結晶ウェハ３１は、裏面電極７が接地プレート９の上に接触するように載置されている。

透明蒸着薄膜電極４と、接地された裏面電極７との間に、電源２によって電圧を印加することにより、ウェハ面内における透明蒸着薄膜電極４の直下の測定位置からＥＬ光３５が発生する。このＥＬ光３５は、２次元ＣＣＤアレイ３によって検出される。

２次元ＣＣＤアレイ３と、炭化珪素単結晶ウェハ３１との間には、特に符号を用いて図示していないが、例えば、コリメート用のレンズや反射鏡など、測定位置からのＥＬ光３５を２次元ＣＣＤアレイ３に導く検出用光学系が必要に応じて設置される。

透明蒸着薄膜電極４は、Ａｌ、Ｎｉ等の金属を、抵抗蒸着、スパッタ等によって、ＥＬ光３５の検出波長域における波長よりも薄い厚さで蒸着することによって形成されており、好ましくは、ＳｉＣ半導体のバンドギャップに相当する波長３８０ｎｍ以下の膜厚を有している。

透明蒸着薄膜電極４は、図１および図２（ｂ）に示すように、１つの測定位置に対応する２次元ＣＣＤアレイ３による一括測定領域Ａごとに離間して多数形成されている。透明蒸着薄膜電極４および一括測定領域Ａの面積は、１〜１０ｍｍ²程度か、あるいはそれ以
上であることが好ましい。

測定位置の一括測定領域Ａの直上の透明蒸着薄膜電極４に電源２より電圧を印加することにより一括測定領域Ａから発したＥＬ光３５は、２次元ＣＣＤアレイ３によって検出され、一括測定領域Ａにおけるアレイに対応した各位置からのＥＬ光３５に関する２次元情報が一括取得される。

透明蒸着薄膜電極４に印加する電圧は、通常は±数Ｖ〜数百Ｖである。
炭化珪素単結晶ウェハ３１のエピタキシャル膜３１ｂ内における転位や積層欠陥の情報を高精度に得るためには、１〜２０ミクロン程度の２次元分解能が必要となるが、このような分解能で１〜１０ｍｍ²の一括情報取得を実現するには、１０００×１０００ピクセ
ル／ｃｍ²程度の２次元ＣＣＤアレイ３を用いる必要がある。

可動ステージ８を用いたマッピング測定には、例えば、自動または半自動のプロービングステーションを用いることができ、測定位置における透明蒸着薄膜電極４への電圧印加は、例えば、プロービングステーションに設置され電源２と電気的に接続されたプローブピン１１を透明蒸着薄膜電極４上へ自動的に接触させる方式で行うことができる。

測定時における炭化珪素単結晶ウェハ３１の温度は、室温または、積層欠陥からの発光強度が増大する８０〜３００Ｋ程度が好ましい。室温以下で測定する場合には、冷却装置を設置して炭化珪素単結晶ウェハ３１を冷却し、低温に維持しながら測定する。

測定時における検査装置１の各構成要素の操作は、図１のコンピュータ１０によって統括制御され、２次元ＣＣＤアレイ３からの電気信号は、増幅されＡ／Ｄ変換された後、コンピュータ１０に取り込まれる。

以上のような構成を備えた検査装置１を用いて、次のようにして炭化珪素単結晶ウェハ３１のウェハ面内における結晶欠陥の位置を検出する測定が行われる。図２（ａ）に示す
ように、炭化珪素単結晶ウェハ３１のウェハ面３１Ａには、リアクティブイオンエッチングなどの手法を用いて表面に凹凸をつけることで微少なマーカー４１が形成されている。このマーカー４１は通常、ウェハ面３１Ａ内に多数形成され、これを基準として、コンピュータ１０には予め素子形成領域Ｄ１、Ｄ２・・・の位置情報が格納されている。

また、ウェハ面３１Ａ内に配列された多数の素子形成領域Ｄ１、Ｄ２・・・の中の各一括測定領域Ａ（ｘ１，ｙ１）、Ａ（ｘ２，ｙ１）・・・の位置情報と、その中の２次元ＣＣＤアレイ３のピクセルに対応する位置情報も同様に、マーカー４１を基準として特定することができる。

図１の可動ステージ８を不図示のコントローラによって移動させることにより、炭化珪素単結晶ウェハ３１のウェハ面３１Ａ内における測定位置を図２（ａ）の素子形成領域Ｄ１の一括測定領域Ａ（ｘ１，ｙ１）に合わせて電圧を印加することにより、２次元ＣＣＤアレイ３は、一括測定領域Ａ（ｘ１，ｙ１）におけるアレイに対応した各位置からのＥＬ光に関する２次元情報を一括取得する。

一括測定領域Ａ（ｘ１，ｙ１）におけるＥＬ光の２次元情報を２次元ＣＣＤアレイ３によって一括取得した後、図１の可動ステージ８を移動させることにより炭化珪素単結晶ウェハ３１のウェハ面３１Ａ内における測定位置を一括測定領域Ａ（ｘ２，ｙ１）に移動させる。そして上記と同様にしてＥＬ光の２次元情報を２次元ＣＣＤアレイ３によって一括取得する。

このようにして素子形成領域Ｄ１内の全ての一括測定領域Ａ（ｘ１，ｙ１），Ａ（ｘ２，ｙ１）・・・について走査を行うことにより、素子形成領域Ｄ１全体についてのＥＬ光に関する情報が取得される。

そして、ウェハ面３１Ａ内における全ての素子形成領域Ｄ１、Ｄ２・・・についてこのような測定をすることにより、全ての素子形成領域Ｄ１、Ｄ２・・・について、すなわちウェハ面３１Ａ内における検査対象領域全体ついてのＥＬ光に関するマッピングデータが取得される。

コンピュータ１０は、２次元ＣＣＤアレイ３のピクセルに基づくこのマッピングデータを、演算処理装置によって解析し、転位や積層欠陥などの結晶欠陥の種類およびその位置情報を算出する。

結晶欠陥の有無は、ＥＬ光の強度によって判別することができ、例えば、２次元ＣＣＤアレイ３として、カラーＣＣＤ（３−ＣＣＤ）、バンドパスフィルタ切り替え式ＣＣＤ等を使用することにより、結晶欠陥の有無によって発光強度が大幅に変化する波長域の光を選択的に検出することができる。基底面転位の発光波長は約４２０ｎｍ、単層積層欠陥（単層ショックレータイプ積層欠陥：Single Shockley Stacking Fault）の発光波長は約４２０ｎｍ、成長時導入積層欠陥（In-grown Stacking Fault）の発光波長は約４７０ｎｍ
、複層積層欠陥（複層ショックレータイプ積層欠陥：Double Shockley Stacking Fault）の発光波長は約５１０ｎｍであり、このような発光波長の強度に基づいて結晶欠陥の有無を判別できる。

例えば、結晶欠陥のない炭化珪素単結晶ウェハの発光スペクトルを検査開始前に予め測定してコンピュータ１０の記憶部に格納しておき、ウェハの測定により得られた光強度をこの基準となる発光スペクトルと比較し、結晶欠陥の有無を判定する。

また、コントラスト等として把握される欠陥形状の画像解析等によって、転位、積層欠
陥等の結晶欠陥の種類を判別することができる。
このようにして、図２（ｂ）に示すように、一括測定領域Ａ（ｘ１，ｙ１）等の各測定位置における結晶欠陥の位置５１およびその種類、すなわちウェハ面３１Ａ内の検出対象領域全体における結晶欠陥の位置５１およびその種類が取得され、コンピュータ１０に格納される。

以上のようにして、本実施例の検査装置１によって転位や積層欠陥のウェハ面内における位置情報を取得した後、素子形成領域を加工して半導体素子を形成し、ウェハから各素子を切断分離する。このとき、検査装置１によって予め得ておいた結晶欠陥の位置情報に応じて、長期信頼性など素子特性に悪影響を与える結晶欠陥を内包している半導体素子を判別し、スクリーニング処理する。

この他、本実施例の検査装置１を用いた素子形成プロセスとしては、次のものが可能である。例えば、検査装置１によって得られたウェハ面内における結晶欠陥位置情報に応じて、特定の結晶欠陥が存在しない領域にのみ素子形成を行うことができる。あるいは、検査装置１によって得られたウェハ面内における結晶欠陥の位置情報に応じて、特定の結晶欠陥が存在する部位に対してその結晶欠陥を不活性化させるような処理を局所的に行うことによって、特定の結晶欠陥を含まず、あるいは特定の結晶欠陥が不活性化された長期信頼性の高い半導体素子を得ることができる。

図３は、上記実施例１の変形例における検査装置の概略構成を示した図である。この変形例では、透明蒸着薄膜電極４を炭化珪素単結晶ウェハ３１のエピタキシャル膜３１ｂ上の検査領域全体を被覆するように形成し、電源２へ電気的に接続された端子１２を透明蒸着薄膜電極４上に接触させて、炭化珪素単結晶ウェハ３１のエピタキシャル膜３１ｂ上の検査領域全体に一括して電源２からの電圧を印加するようにしている。

このような方法によっても、炭化珪素単結晶ウェハ３１の各一括測定領域Ａを走査しながら２次元ＣＣＤアレイ３によってＥＬ像を検出することによって、上記実施例１と同様に結晶欠陥の位置を検出することができる。
[実施例２]
図４は、実施例２における検査装置の概略構成を示した図、図５（ａ）は、この検査装置による結晶欠陥検査の対象である炭化珪素単結晶ウェハの面内に配列された素子形成領域および、その中に配列された２次元ＣＣＤアレイによる一括測定領域を示した図、図５（ｂ）は、一括測定領域を拡大して示した図である。

同図の検査装置１は、上記実施例１と同様に、半導体素子製造用の炭化珪素単結晶ウェハ３１の面内における結晶欠陥の位置を、炭化珪素単結晶ウェハ３１に電圧を印加することにより炭化珪素単結晶ウェハ３１から発光したＥＬ光をマッピングして検出するものである。なお、実施例１と同一の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施例の検査装置１は、炭化珪素単結晶ウェハ３１とは独立した透明導電性フィルム電極５を備えている。この透明導電性フィルム電極５の具体例としては、導電性微粒子を樹脂内に分散させた柔軟な導電性樹脂フィルム、ＥＬ光の検出波長域における光を透過する部材に対して、Ａｌ、Ｎｉ等の金属を、抵抗蒸着、スパッタ等によって、ＥＬ光の検出波長域における波長よりも薄い厚さで蒸着した薄膜、ＩＴＯ膜等を挙げることができる。

透明導電性フィルム電極５の面積は、一括測定領域Ａに対応したサイズであり、好ましくは１〜１０ｍｍ²程度か、あるいはそれ以上である。透明導電性フィルム電極５には、
例えば融着や挟み込み等によって電源２へ電気的に接続された端子１２が固定されており
、また、透明導電性フィルム電極５の上部側の押し付け用部材６と、可動ステージ８とをｚ方向に相対移動させることで、測定時に透明導電性フィルム電極５を炭化珪素単結晶ウェハ３１の一括測定領域Ａ上に接触させるようになっている。

透明導電性フィルム電極５を測定位置の一括測定領域Ａ上に接触させると共に、透明導電性フィルム電極５と、接地された裏面電極７との間に、電源２によって電圧を印加することにより、透明導電性フィルム電極５の直下の一括測定領域ＡからＥＬ光３５が発生する。この一括測定領域Ａから発したＥＬ光３５は、２次元ＣＣＤアレイ３によって検出され、一括測定領域Ａにおけるアレイに対応した各位置からのＥＬ光３５に関する２次元情報が一括取得される。

測定時における検査装置１の各構成要素の操作は、図４のコンピュータ１０によって統括制御され、２次元ＣＣＤアレイ３からの電気信号は、増幅されＡ／Ｄ変換された後、コンピュータ１０に取り込まれる。

以上のような構成を備えた検査装置１を用いて、次のようにして炭化珪素単結晶ウェハ３１のウェハ面内における結晶欠陥の位置を検出する測定が行われる。図５（ａ）に示すように、炭化珪素単結晶ウェハ３１のウェハ面３１Ａには、リアクティブイオンエッチングなどの手法を用いて表面に凹凸をつけることで微少なマーカー４１が形成され、これを基準として、コンピュータ１０には予め素子形成領域Ｄ１、Ｄ２・・・の位置情報が格納されている。

図４の可動ステージ８を不図示のコントローラによって移動させることにより、炭化珪素単結晶ウェハ３１のウェハ面３１Ａ内における測定位置を図５（ａ）の素子形成領域Ｄ１の一括測定領域Ａ（ｘ１，ｙ１）に合わせて電圧を印加することにより、２次元ＣＣＤアレイ３は、一括測定領域Ａ（ｘ１，ｙ１）におけるアレイに対応した各位置からのＥＬ光に関する２次元情報を一括取得する。

一括測定領域Ａ（ｘ１，ｙ１）におけるＥＬ光の２次元情報を２次元ＣＣＤアレイ３によって一括取得した後、図４の可動ステージ８を移動させることにより炭化珪素単結晶ウェハ３１のウェハ面３１Ａ内における測定位置を一括測定領域Ａ（ｘ２，ｙ１）に移動させる。そして上記と同様にしてＥＬ光の２次元情報を２次元ＣＣＤアレイ３によって一括取得する。

そして、ウェハ面３１Ａ内における全ての素子形成領域Ｄ１、Ｄ２・・・についてこのような測定をすることにより、全ての素子形成領域Ｄ１、Ｄ２・・・について、すなわちウェハ面３１Ａ内における検査対象領域全体ついてのＥＬ光に関するマッピングデータが
取得される。

結晶欠陥の有無は、ＥＬ光の強度によって判別することができ、例えば、２次元ＣＣＤアレイ９として、カラーＣＣＤ（３−ＣＣＤ）、バンドパスフィルタ切り替え式ＣＣＤ等を使用することにより、結晶欠陥の有無によって発光強度が大幅に変化する波長域の光を選択的に検出することができる。

また、コントラスト等として把握される欠陥形状の画像解析等によって、転位、積層欠陥等の結晶欠陥の種類を判別することができる。
このようにして、図５（ｂ）に示すように、一括測定領域Ａ（ｘ１，ｙ１）等の各測定位置における結晶欠陥の位置５１およびその種類、すなわちウェハ面３１Ａ内の検出対象領域全体における結晶欠陥の位置５１およびその種類が取得され、コンピュータ１０に格納される。

図６は、上記実施例２の変形例における検査装置の概略構成を示した図である。この変形例では、透明導電性フィルム電極５を炭化珪素単結晶ウェハ３１のエピタキシャル膜３１ｂ上の検査領域全体を被覆するように密着させ、電源２へ電気的に接続された端子１２を透明導電性フィルム電極５上に接触させて、炭化珪素単結晶ウェハ３１のエピタキシャル膜３１ｂ上の検査領域全体に一括して電源２からの電圧を印加するようにしている。

このような方法によっても、炭化珪素単結晶ウェハ３１の各一括測定領域Ａを走査しながら２次元ＣＣＤアレイ３によってＥＬ像を検出することによって、上記実施例２と同様に結晶欠陥の位置を検出することができる。

以上、実施例に基づき本発明を説明したが、本発明はこの実施例に何ら限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変形、変更が可能である。その一例を以下に記述する。

本発明において、検査対象の炭化珪素単結晶ウェハにおけるエピタキシャル膜や基板の結晶型、結晶面などは特に限定されるものではなく、例えば、ｎ型４Ｈ−ＳｉＣ基板上にｎ型４Ｈ−ＳｉＣ膜をエピタキシャル成長させたもの、ｎ型４Ｈ−ＳｉＣエピタキシャル膜にイオン打ち込みによってｐ型層を形成したものなど、各種のものが検査対象となり、これらの転位、積層欠陥等を検出可能である。

本発明において、検出対象となる結晶欠陥の種類には、らせん転位、刃状転位、基底面転位（Basal Plane Dislocation））などの各種転位、および単層積層欠陥（単層ショッ
クレータイプ積層欠陥：Single Shockley Stacking Fault）、成長時導入積層欠陥（In-grown Stacking Fault）、複層積層欠陥（複層ショックレータイプ積層欠陥：Double Shockley Stacking Fault）などの各種積層欠陥が含まれる。

上述の各実施例では、検出用光学系を固定し、可動ステージ８によって炭化珪素単結晶ウェハ３１を移動させてウェハ上を走査するようにしたが、本発明では、ウェハ面と、検出用光学系の少なくとも一部とを相対移動させて、ウェハ面内の測定位置を順次移動させるようにすればよく、例えば、図７に示すような構成としてもよい。

図７の検査装置１は、炭化珪素単結晶ウェハ３１の測定位置からのＥＬ光３５を２次元ＣＣＤアレイ３へ導くための検出用光学系として、Ｘ方向移動ステージ２１に固定された反射鏡２２、Ｙ方向移動ステージ２３に固定された反射鏡２４、および対物レンズ２５を備えており、接地プレート９上の炭化珪素単結晶ウェハ３１は一定位置に固定されている。測定位置からのＥＬ光３５は、上方へ向かい対物レンズ２５を通過して反射鏡２４で反射されてＹ方向へ向かい、その後、反射鏡２２で反射されてＸ方向へ向かい、２次元ＣＣＤアレイ３へ入射する。Ｘ方向移動ステージ２１およびＹ方向移動ステージ２３を移動させることによって、対物レンズ２５により焦点合わせされた測定位置を移動させ、これにより、位置固定された炭化珪素単結晶ウェハ３１のウェハ面内を走査するようにしている。

本発明では、炭化珪素単結晶ウェハ３１のエピタキシャル膜３１ｂ上に酸化膜、窒化膜等の絶縁膜を形成し、この上に透明蒸着薄膜電極４を蒸着するか、あるいは透明導電性フィルム電極５を接触させるようにしてもよい。

本発明では、裏面電極７は、場合に応じて、ウェハ裏面の全域または任意の一部に形成することができる。また、測定時にウェハに対してある程度の電流を流す場合には裏面電極を形成することが望ましいが、場合によっては、裏面電極を形成せずに、ウェハ裏面をそのまま接地プレート９の上に載置してもよい。

上記の各実施例では、２次元ＣＣＤアレイ３を用いて一括測定領域Ａごとにアレイに対応した各点からのＥＬ光を、ＥＬ像として一括検出したが、２次元ＣＣＤアレイ３の代わりに、光電子増倍管等の光検出器と、分光器、フィルタ等の波長選択手段を用いて、従来例の図８および図９のように、測定スポットＳからのスポット光を対物レンズ等の検出光学系を通じて光検出器で検出し、各測定スポットＳごとに走査する方式でマッピング測定を行ってもよい。

実施例１における検査装置の概略構成を示した図である。図２（ａ）は、実施例１の検査装置による結晶欠陥検査の対象である炭化珪素単結晶ウェハの面内に配列された素子形成領域および、その中に配列された２次元ＣＣＤアレイによる一括測定領域を示した図、図２（ｂ）は、一括測定領域を拡大して示した図である。実施例１の変形例における検査装置の概略構成を示した図である。実施例２における検査装置の概略構成を示した図である。図５（ａ）は、実施例２の検査装置による結晶欠陥検査の対象である炭化珪素単結晶ウェハの面内に配列された素子形成領域および、その中に配列された２次元ＣＣＤアレイによる一括測定領域を示した図、図５（ｂ）は、一括測定領域を拡大して示した図である。実施例２の変形例における検査装置の概略構成を示した図である。実施例１の変形例における検査装置の概略構成を示した図である。従来における検査装置の概略構成を示した図である。従来における検査装置の概略構成を示した図である。

符号の説明

１検査装置
２電源
３２次元ＣＣＤアレイ
４透明蒸着薄膜電極
５透明導電性フィルム電極
６押し付け用部材
７裏面電極
８可動ステージ
９接地プレート
１０コンピュータ
１１プローブピン
１２端子
２１Ｘ方向移動ステージ
２２反射鏡
２３Ｙ方向移動ステージ
２４反射鏡
２５対物レンズ
３１炭化珪素単結晶ウェハ
３１ａ炭化珪素単結晶基板
３１ｂエピタキシャル膜
３１Ａウェハ面
３５ＥＬ光
４１マーカー
５１結晶欠陥の位置
Ａ一括測定領域
Ｄ素子形成領域

Claims

炭化珪素単結晶基板の上にエピタキシャル膜が形成された半導体素子製造用の炭化珪素単結晶ウェハにおける結晶欠陥の位置を検出するための炭化珪素単結晶ウェハの結晶欠陥検査方法であって、
前記ウェハのエピタキシャル膜の上に、検出すべきエレクトロルミネッセンス光を透過する、前記ウェハとは独立した、前記ウェハに対して接離可能な透明導電性フィルム電極である透明電極を配置し、
前記ウェハ面内の測定位置に該透明電極を接触させた状態で、前記透明電極と、接地されたウェハ裏面との間に電圧を印加して、ウェハ面内の測定位置からエレクトロルミネッセンス光を発光させ、
光検出器によって、前記測定位置からウェハ表面側へ、前記透明電極を透過して発光するエレクトロルミネッセンス光を、１ｍｍ²以上の面積を一括して検出し、
当該エレクトロルミネッセンス光を検出する操作を、前記ウェハと、前記測定位置からのエレクトロルミネッセンス光を光検出器に導く検出用光学系の少なくとも一部とを相対移動させて測定位置を順次移動させることによりウェハ面内の各測定位置について行い、
これにより得られた、ウェハ面内における検査対象領域全体のエレクトロルミネッセンス光に関するマッピングデータに基づいて、ウェハ面内における結晶欠陥の位置を特定することを特徴とする炭化珪素単結晶ウェハの結晶欠陥検査方法。
前記透明電極を、前記ウェハのエピタキシャル膜の表面に形成された絶縁膜に接触させることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素単結晶ウェハの結晶欠陥検査方法。
前記光検出器は、ウェハ面内の測定位置に対応する一括測定領域におけるアレイに対応した各位置からのエレクトロルミネッセンス光に関する２次元情報を一括取得する２次元ＣＣＤアレイであり、
前記検出用光学系は、前記一括測定領域からのエレクトロルミネッセンス像を２次元ＣＣＤアレイに導き、
前記ウェハと、前記一括測定領域からのエレクトロルミネッセンス光を光検出器に導く検出用光学系の少なくとも一部とを相対移動させてウェハ面内の一括測定領域を順次移動させ、ウェハ面内の各一括測定領域を走査することにより、ウェハ面内における検査対象領域全体のエレクトロルミネッセンス光に関するマッピングデータを得ることを特徴とする請求項１または２に記載の炭化珪素単結晶ウェハの結晶欠陥検査方法。
前記光検出器が、前記炭化珪素単結晶基板の基底面転位を検出する場合には、約４２０ｎｍの発光波長を検出し、単層積層欠陥（単層ショックレータイプ積層欠陥：Single Shockley Stacking Fault）を検出する場合には、約４２０ｎｍの発光波長を検出し、成長時導入積層欠陥（In-grown Stacking Fault）を検出する場合には、約４７０ｎｍの発光波長を検出し、複層積層欠陥（複層ショックレータイプ積層欠陥：Double Shockley Stacking Fault）を検出する場合には、約５１０ｎｍの発光波長を検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の炭化珪素単結晶ウェハの結晶欠陥検査方法。
炭化珪素単結晶基板の上にエピタキシャル膜が形成された半導体素子製造用の炭化珪素単結晶ウェハにおける結晶欠陥の位置を検出するための炭化珪素単結晶ウェハの結晶欠陥検査装置であって、
前記ウェハのエピタキシャル膜の上に配置され、検出すべきエレクトロルミネッセンス光を透過する、前記ウェハとは独立した、前記ウェハに対して接離可能な透明導電性フィルム電極である透明電極と、接地されたウェハ裏面との間に、ウェハ面内の測定位置からエレクトロルミネッセンス光を発光させるための電圧を印加する電源と、
前記測定位置からウェハ表面側へ、前記透明電極を透過して発光するエレクトロルミネッセンス光を、１ｍｍ²以上の面積を一括して検出するための光検出器と、
前記測定位置からのエレクトロルミネッセンス光を光検出器に導く検出用光学系と、
前記ウェハと、検出用光学系の少なくとも一部とを相対移動させて、ウェハ面内の測定位置を順次移動させる相対移動手段と、を備え、
前記ウェハ面内の測定位置に前記透明電極を接触させた状態で、該透明電極と、接地されたウェハ裏面との間に電圧を印加して、ウェハ面内の測定位置からエレクトロルミネッセンス光を発光させ、
前記相対移動手段によってウェハ面内の測定位置を順次移動させ、ウェハ面内の各測定位置を走査することにより、ウェハ面内における検査対象領域全体のエレクトロルミネッセンス光に関するマッピングデータを得ることを特徴とする炭化珪素単結晶ウェハの結晶欠陥検査装置。
前記透明電極を、前記ウェハのエピタキシャル膜の表面に形成された絶縁膜に接触させることを特徴とする請求項５に記載の炭化珪素単結晶ウェハの結晶欠陥検査装置。
前記光検出器は、ウェハ面内の測定位置に対応する一括測定領域におけるアレイに対応した各位置からのエレクトロルミネッセンス光に関する２次元情報を一括取得する２次元ＣＣＤアレイであり、
前記検出用光学系は、前記一括測定領域からのエレクトロルミネッセンス像を２次元ＣＣＤアレイに導き、
前記相対移動手段によってウェハ面内の一括測定領域を順次移動させ、ウェハ面内の各一括測定領域を走査することにより、ウェハ面内における検査対象領域全体のエレクトロルミネッセンス光に関するマッピングデータを得ることを特徴とする請求項５または６に記載の炭化珪素単結晶ウェハの結晶欠陥検査装置。
前記光検出器が、前記炭化珪素単結晶基板の基底面転位を検出する場合には、約４２０ｎｍの発光波長を検出し、単層積層欠陥（単層ショックレータイプ積層欠陥：Single Shockley Stacking Fault）を検出する場合には、約４２０ｎｍの発光波長を検出し、成長時導入積層欠陥（In-grown Stacking Fault）を検出する場合には、約４７０ｎｍの発光波長を検出し、複層積層欠陥（複層ショックレータイプ積層欠陥：Double Shockley Stacking Fault）を検出する場合には、約５１０ｎｍの発光波長を検出することを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の炭化珪素単結晶ウェハの結晶欠陥検査装置。